JPH04260197A

JPH04260197A - 光電式煙感知器

Info

Publication number: JPH04260197A
Application number: JP2127891A
Authority: JP
Inventors: Atsuyuki Hirono; 淳之広野; Yoshiaki Kanbe; 祥明神戸
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1991-02-15
Filing date: 1991-02-15
Publication date: 1992-09-16
Anticipated expiration: 2014-10-25
Also published as: JP2966541B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、建物内外で火災時など
に発生する煙を感知する光電式煙感知器に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来より、煙感知器として煙粒子による
光の散乱を利用した光電式煙感知器が提供されている（
特開昭５６−１４７２９４号公報、実開昭５８−１７１
５９１号公報、特開昭６０−１０９１８９号公報、実開
昭６０−１３４４９号公報、実開昭６２−２０３５８号
公報等参照）。すなわち、図１２に示すように、投光素
子１と受光素子２とを光軸が交差するように配置し、投
光素子１から監視空間に照射された光の煙粒子Ｐによる
散乱光を受光素子２で受光するように構成したものであ
る。このように構成された光電式煙感知器では、監視空
間に煙粒子Ｐが存在すれば散乱光が生じることによって
受光素子２での受光量が増大するから、受光素子２での
受光量の大小に応じて煙粒子３の存否を検知できるので
ある。

【０００３】また、本発明者らは図１３に示すように、
１個の投光素子１に対して複数個の受光素子２ａ，２ｂ
を設けたものを提案している。この構成は、散乱光の強
度の角度分布が煙粒子Ｐの粒径に依存するという理論に
基づくものであり、複数の受光素子２ａ，２ｂを設けた
ことによって煙粒子Ｐの粒径を判定し、異なる粒径を有
した微粒子との識別をするものである。この構成では、
図１４に示すように、発光素子１を駆動回路１１によっ
て駆動し、図１５に示すように間欠的に発光させるよう
になっており、各受光素子２ａ，２ｂから出力される受
光信号を受光回路２１ａ，２１ｂで電圧出力に変換した
後、対数増幅回路２２ａ，２２ｂで対数増幅するように
なっている。すなわち、２個の受光素子２ａ，２ｂから
出力される受光信号を対数増幅した後に、減算回路２３
によって両対数増幅回路２２ａ，２２ｂの出力の差を求
めることにより、両受光素子２ａ，２ｂによる受光強度
の比を求めるのである。減算回路２３による演算は、発
光素子１の各発光毎に同期するように、発振回路１２お
よび論理回路１３よりなる発光制御手段によって制御さ
れ、減算回路２３による演算結果は、比較回路２４より
なる判定手段に入力されて受光強度の比が所定値と比較
されるようになっている。このようにして得られた比較
回路２４による判定結果に基づき、信号処理回路２５を
通して出力回路２６を作動させるのである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した前者の構成で
は、受光素子２による受光量の大小に基づいて煙粒子Ｐ
の存否を判定するものであるから、監視空間に侵入した
虫による反射光や水蒸気等の他の微粒子による散乱光と
、煙粒子による散乱光との識別ができないものであり、
誤認が生じ易いという問題がある。また感知器の内部で
生じる反射光が受光素子２に常時入射しているものであ
るから、暗雑音が多くなり信号対雑音比を大きくとるこ
とができず、ノイズマージンが小さいという問題がある
。

【０００５】これに対して、後者の構成では、煙粒子Ｐ
の粒径を判定しているから、虫による反射光や他の微粒
子による散乱光との識別ができ、しかも、散乱光の強度
の角度分布に基づいて煙粒子Ｐの存否の判定を行うから
、暗雑音による影響がほとんどないのであって、前者の
構成の欠点はほぼ解消されることになる。一方、複数個
の受光素子２ａ，２ｂを用いるものであるから、受光回
路２１ａ，２１ｂや対数増幅回路２２ａ，２２ｂも受光
素子２ａ，２ｂと同数必要になるものである。しかしな
がら、受光強度の比を正確に求めるために対数増幅器２
２ａ，２２ｂの温度特性などを揃えるのは非常に困難で
あるという問題がある。また、散乱光の受光強度は非常
に小さいものであり、たとえば受光素子２ａ，２ｂとし
て一般的なフォトダイオードを用いている場合には、検
知すべき最低量の散乱光に対しては数ｐＡ程度の出力電
流しか得られないものである。すなわち、受光素子２ａ
，２ｂの出力電流は微小であるから、受光回路２１ａ，
２１ｂを低ノイズに設計する必要があり、複数の受光回
路２１ａ，２１ｂを設けるとコスト高につながるという
問題が生じる。

【０００６】本発明は上記問題点の解決を目的とするも
のであり、散乱光によって煙粒子の粒径を識別すること
により、水蒸気等の煙以外の微粒子による散乱光や虫等
による反射光での誤検知を防止するとともに、感知器の
内部での反射光による暗雑音の影響を低減してノイズマ
ージンが大きく取れるようにし、しかも、受光手段を１
つにすることによって、温度特性がよく、比較的安価で
ある光電式煙感知器を提供しようとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１では、監視空間に光を照射する複数個の投
光手段と、監視空間内に煙粒子が存在するときに生じる
散乱光を受光する受光手段と、受光手段から出力される
受光信号に基づいて監視空間内の煙粒子の存否を判定す
る受光信号処理手段と、各投光手段から監視空間に対し
て互いに異なる時刻に光が照射されるように各投光手段
の発光タイミングを設定する発光制御手段とを備え、各
投光手段は、光軸が受光手段の光軸に対してそれぞれ所
定の角度をなすように配置され、受光信号処理手段は、
各投光手段から監視空間に照射される光に対する散乱光
の受光手段による受光強度の比を求める比演算部と、求
めた比に基づいて煙粒子の存否を判定する判定部とを備
えているのである。

【０００８】請求項２では、投光手段は２個設けられ、
比演算部は、受光信号を対数増幅する対数増幅回路と、
対数増幅回路の出力を記憶する記憶回路と、対数増幅回
路の出力と記憶回路の記憶値との差を出力する減算回路
と、発光制御手段による各投光手段の発光タイミングに
同期して一方の投光手段の発光時に対数増幅回路の出力
を記憶回路に入力し、他方の投光手段の発光時に対数増
幅回路の出力を減算回路に入力するように切り換えるス
イッチ要素とを備えているのである。

【０００９】請求項３では、各投光手段の光軸と受光手
段の光軸との各交点から各投光手段までの距離が、各投
光手段ごとに異なるように各投光手段を配置しているの
である。請求項４では、各投光手段より監視空間に照射
される光の波長がそれぞれ異なるように設定してある。

【００１０】

【作用】請求項１の構成によれば、煙粒子による散乱光
の強度の角度分布に基づいて煙粒子の粒径を求め、粒径
が所定の範囲以内であるときに煙粒子が存在すると判断
することができるから、散乱光を生じている煙粒子の粒
径が反映されることになり、煙粒子以外の微粒子による
散乱光や他の物体による反射光と、煙粒子による散乱光
とを識別できるようになり、誤検知を防止することがで
きるのである。また、散乱光の強度の角度分布によって
粒径を判定するから、受光強度の比を求めることができ
ればよいのであって、感知器の内部で生じる反射光など
による暗雑音の影響を受けにくく、ノイズマージンが大
きく取れるのである。さらに、受光手段は１つであるか
ら、受光信号の増幅などを行う回路を複数設ける必要が
ないのであって、複数系統の回路の温度特性を揃えたり
、低ノイズの回路を複数用いたりすることによるコスト
増が抑制されるのである。

【００１１】請求項２の構成は、望ましい実施態様であ
って、この構成によれば、対数増幅回路が１つになるか
ら、従来のように複数の対数増幅回路の温度特性を揃え
る必要がなく、設計が容易になるのである。請求項３の
構成では、各投光手段の光軸と受光手段の光軸との交点
までの距離を各投光手段ごとに異なるように設定してい
るのであって、各投光手段から照射された光の散乱光が
受光手段に対してほぼ同じ強度で入射するように距離を
設定しておけば、受光信号処理回路のダイナミックレン
ジを小さくすることができるのであり、設計が容易にな
るのである請求項４の構成では、各投光手段からの照射
光の波長を異ならせているので、各投光手段の光軸と受
光手段の光軸との交差角度を別々に設定することなく、
粒径を判定できることになる。

【００１２】

【実施例】（原理）構成を具体的に説明する前に、本発
明の原理について説明する。本発明は、微粒子による散
乱光の強度の角度分布が、照射光の波長および微粒子の
粒径に依存するというＭｉｅの散乱理論に基づいてなさ
れている。ここで、パラメータが２個あると扱いにくい
ので、照射光の波長λと、微粒子の粒径Ｄとを折り込ん
だ粒径パラメータαを、α＝πＤ／λと定義して１つの
パラメータで議論できるようにする。

【００１３】このようにして定義した粒径パラメータα
を０．３、２、５、１０と設定した場合の散乱光の強度
の角度分布は、それぞれ図３ないし図６のようになる。ただし、粒子は水であって屈折率を１．３３としている
。また、図中の実線は投光手段の光軸と受光手段の光軸
とを含む平面に垂直な方向の偏光成分のみの強度を示し
、破線は上記平面に平行な方向の偏光成分のみの強度を
示したものである。受光手段の前に偏光フィルタのよう
な偏光成分を抽出する手段を設けない場合には、偏光方
向を考慮する必要がなく、破線と実線との平均値が散乱
光の強度分布になる。

【００１４】また、偏光方向を考慮しない場合において
投光手段の光軸に対する受光手段の光軸がなす角度が４
５度である位置と１３５度である位置との散乱光の強度
の比と、粒径パラメータとの関係を図７に示す。ここに
、粒子は水であって屈折率ｍを１．３３としている。また、屈折率が異なる場合（ｍ＝１．４４、ｍ＝１．５
５）について、ｍ＝１．３３の場合と対比できるように
、図８に示している。

【００１５】さらに、図９には、投光手段の光軸に対す
る受光手段の光軸のなす角度が２０度と５０度である場
合の強度の比と、粒径パラメータとの関係を示し、図１
０には、２０度と６０度である場合の強度の比と、粒径
パラメータとの関係を示している。図９および図１０で
は、いろいろな屈折率についての関係を示してあり、屈
折率が変わってもほぼ同じ傾向を示すことがわかる。

【００１６】いま、粒径パラメータを４とすれば、照射
光の波長が０．９μｍであるときには、粒径パラメータ
の定義式によって、粒径は１．１４μｍになり、また、
光通信分野において近年用いられている波長１．５５μ
ｍの投光素子によって照射光を得るようにすれば、粒径
は１．９７μｍになる。煙粒子の粒径は０．１〜１μｍ
であるから、粒径パラメータを適宜設定し、２箇所で検
知した散乱光の強度の比を求めれば、煙粒子と他の粒子
との識別ができるのである。

【００１７】（実施例１）図１（Ａ）に本実施例の光学
系の構成を示す。投光手段は２個設けられ、それぞれ投
光素子１ａ，１ｂと投光レンズ３ａ，３ｂとにより構成
される。投光素子１ａ，１ｂには、発光ダイオード、半
導体レーザ、キセノンランプ等が用いられる。投光レン
ズ３ａ，３ｂは集光レンズであって、投光素子１ａ，１
ｂからの照射光を煙粒子Ｐが導入される監視空間に導く
。監視空間に存在する煙粒子Ｐによって生じる散乱光は
受光手段に入射する。受光手段は、集光レンズである受
光レンズ４と受光素子２とからなる。受光素子２には、
フォトトランジスタ、フォトダイオード、フォトダイオ
ードと受光信号処理回路が一体化された集積回路等が用
いられる。ここに、各投光手段の光軸Ｘ１　，Ｘ２　と
受光手段の光軸Ｘ０　とは所定の角度をなすように配置
される。

【００１８】各投光素子１ａ，１ｂは、それぞれ図２に
示すように、間欠的に発光するように発光タイミングが
設定されている（ａは投光素子１ａの発光タイミング、
ｂは投光素子１ｂの発光タイミングを示す）。すなわち
、図１（Ｂ）に示すように、発振回路１２より出力され
るパルスを論理回路１３に入力して図２のような２系統
のタイミングパルスを生成するのであって、発振回路１
２と論理回路１３とにより発光タイミング制御手段が構
成される。各タイミングパルスは、駆動回路１１ａ，１
１ｂを通してそれぞれ投光素子１ａ，１ｂに入力される
。

【００１９】一方、受光素子２から出力される受光信号
は、受光信号処理手段によって処理される。受光信号処
理手段では、受光信号を受光回路２１において受光量に
対応した電圧出力に変換した後、対数増幅回路２２によ
って対数増幅する。対数増幅回路２２の出力は、論理回
路１３より出力されるタイミングパルスによって制御さ
れるスイッチ要素２７を通して減算回路２３と記憶回路
２８とに選択的に入力される。たとえば、投光素子１ａ
が点灯しているときには、対数増幅回路２２の出力を記
憶回路２８に入力して記憶保持するようにし、投光素子
１ｂが点灯しているときには、対数増幅回路２２の出力
を減算回路２３に入力するのである。減算回路２３では
、対数増幅回路２２の出力が入力されている期間に、記
憶回路２８の記憶値との差を演算して出力する。また、
記憶回路２８では次の値が入力されると、前の値は消去
されるようになっている。このようにして得られた減算
回路２３の出力値は、各投光素子１ａ，１ｂが点灯して
いたときの受光素子２での受光強度の比の対数になる。すなわち、対数増幅回路２２、減算回路２３、スイッチ
要素２７、記憶回路２８により、受光量の比を求める比
演算部が構成されるのである。ここにおいて、スイッチ
要素２７は、投光素子１ａ，１ｂの点灯期間に生じる散
乱光のみが受光側で処理されるようにすることによって
、外乱光による雑音成分を除去するようにしてある。

【００２０】減算回路２３の出力は、比較回路２４に入
力され、減算回路２３の出力値が、あらかじめ設定され
ている所定の範囲内であるかどうかが判定される。所定
の範囲内であるときには信号処理回路２５を介して出力
回路２６を作動させる。すなわち、比較回路２４は監視
空間における煙粒子の存否を判定する判定部として機能
するのである。ここに、比較回路２４の設定値は可変抵
抗ＶＲにより調節可能となっている。

【００２１】（実施例２）実施例１の構成では、投光手
段の光軸Ｘ１，Ｘ２　と、受光手段の光軸Ｘ０　とが１
点で交差するようにし、この交点から各投光手段までの
距離を等しく設定していたが、図３ないし図６によって
明らかなように、光軸Ｘ１，Ｘ２　と光軸Ｘ０　との交
差角度が小さいほど、受光手段での受光強度が大きくな
る傾向がある。２つの交差角度の関係や粒子の粒径にも
よるが、粒径パラメータが４であれば、交差角度が２０
度と５０度とのときには、図９に示したように、受光量
がほぼ１桁異なることになる。したがって、受光回路２
１、対数増幅器２２などには、広いダイナミックレンジ
が要求される。

【００２２】そこで、図１１に示すように、光軸Ｘ１，
Ｘ２　と光軸Ｘ０　との交差角度の小さい方、この例で
は受光手段の光軸Ｘ０　に対する交差角度が２０度の投
光手段１ａを交差角度が５０度の投光手段１ｂよりも交
点から例えば２倍の距離に遠ざける。このようにすれば
、交差角度が２０度の投光手段１ａに対応する受光素子
２での受光量は遠ざける前に比べて１／４に減少する。すなわち、各投光素子１ａ，１ｂからの照射光に対する
散乱光の受光手段による受光強度がほぼ等しくなるから
、受光回路２１、対数増幅回路２２に対して広いダイナ
ミックレンジが要求されなくなり、回路設計が容易にな
るのである。

【００２３】（実施例３）本実施例は、各投光素子１ａ
，１ｂからの照射光の波長を異ならせたものであって、
両投光手段の光軸Ｘ１，Ｘ２　が受光手段の光軸Ｘ０　
に対して異なる角度で配置されていない場合でも、粒子
の粒径を求めることが可能になるものである。なお、上
記各実施例において、投光手段の光軸Ｘ１，Ｘ２　と受
光手段の光軸Ｘ０とを同一平面上に配置しているが、必
ずしも同一平面に配置する必要はない。

【００２４】

【発明の効果】本発明は上述のように、煙粒子による散
乱光の強度の角度分布に基づいて煙粒子の粒径を求め、
粒径が所定の範囲以内であるときに煙粒子が存在すると
判断することができるから、散乱光を生じている煙粒子
の粒径が反映されることになり、煙粒子以外の微粒子に
よる散乱光や他の物体による反射光と、煙粒子による散
乱光とを識別できるようになり、誤検知を防止すること
ができるという利点を有する。また、散乱光の強度の角
度分布によって粒径を判定するから、受光強度の比を求
めることができればよいのであって、感知器の内部で生
じる反射光などによる暗雑音の影響を受けにくく、ノイ
ズマージンが大きく取れるのである。さらに、受光手段
は１つであるから、受光信号の増幅などを行う回路を複
数設ける必要がないのであって、複数系統の回路の温度
特性を揃えたり、低ノイズの回路を複数用いたりするこ
とによるコスト増が抑制されるという利点がある。

【００２５】また、請求項２の構成によれば、対数増幅
回路が１つになるから、従来のように複数の対数増幅回
路の温度特性を揃える必要がなく、設計が容易になると
いう利点がある。請求項３の構成では、各投光手段の光
軸と受光手段の光軸との交点までの距離を各投光手段ご
とに異なるように設定しているのであって、各投光手段
から照射された光の散乱光が受光手段に対してほぼ同じ
強度で入射するように距離を設定しておけば、受光信号
処理回路のダイナミックレンジを小さくすることができ
るのであり、設計が容易になるのである請求項４の構成
では、各投光手段からの照射光の波長を異ならせている
ので、各投光手段の光軸と受光手段の光軸との交差角度
を別々に設定することなく、粒径を判定できることにな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１を示し、（Ａ）は光学系の構成図、（
Ｂ）はブロック図である。

【図２】実施例１の動作説明図である。

【図３】本発明の原理説明図である。

【図４】本発明の原理説明図である。

【図５】本発明の原理説明図である。

【図６】本発明の原理説明図である。

【図７】本発明の原理説明図である。

【図８】本発明の原理説明図である。

【図９】本発明の原理説明図である。

【図１０】本発明の原理説明図である。

【図１１】実施例２の光学系の構成図である。

【図１２】従来例を示す要部断面図である。

【図１３】他の従来例を示す光学系の構成図である。

【図１４】図１３に示した従来例のブロック図である。

【図１５】図１３に示した従来例の動作説明図である。

【符号の説明】

１ａ　　投光素子１ｂ　　投光素子２　　　　受光素子１２　　発振回路１３　　論理回路２１　　受光回路２２　　対数増幅回路２３　　減算回路２４　　比較回路２７　　スイッチ要素２８　　記憶回路Ｐ　　　　煙粒子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　監視空間に光を照射する複数個の投光
手段と、監視空間内に煙粒子が存在するときに生じる散
乱光を受光する受光手段と、受光手段から出力される受
光信号に基づいて監視空間内の煙粒子の存否を判定する
受光信号処理手段と、各投光手段から監視空間に対して
互いに異なる時刻に光が照射されるように各投光手段の
発光タイミングを設定する発光制御手段とを備え、各投
光手段は、光軸が受光手段の光軸に対してそれぞれ所定
の角度をなすように配置され、受光信号処理手段は、各
投光手段から監視空間に照射される光に対する散乱光の
受光手段による受光強度の比を求める比演算部と、求め
た比に基づいて煙粒子の存否を判定する判定部とを備え
て成ることを特徴とする光電式煙感知器。
【請求項２】　　投光手段は２個設けられ、比演算部は
、受光信号を対数増幅する対数増幅回路と、対数増幅回
路の出力を記憶する記憶回路と、対数増幅回路の出力と
記憶回路の記憶値との差を出力する減算回路と、発光制
御手段による各投光手段の発光タイミングに同期して一
方の投光手段の発光時に対数増幅回路の出力を記憶回路
に入力し、他方の投光手段の発光時に対数増幅回路の出
力を減算回路に入力するように切り換えるスイッチ要素
とを備えて成ることを特徴とする請求項１記載の光電式
煙感知器。
【請求項３】　　各投光手段の光軸と受光手段の光軸と
の各交点から各投光手段までの距離が、各投光手段ごと
に異なるように各投光手段を配置して成ることを特徴と
する請求項１または請求項２記載の光電式煙感知器。
【請求項４】　　各投光手段より監視空間に照射される
光の波長がそれぞれ異なることを特徴とする請求項１な
いし請求項３のいずれかに記載の光電式煙感知器。