JPH07265459A - 光ファイバを用いた火災検知設備 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 適用する文化財建造物等の美観を損なうこと
のないセンサをセットできて、かつ位置の検出が可能な
温度センサとして光ファイバーを用いた火災検知設備を
提供する。 【構成】 少なくとも１本の光ファイバ２を木製建造物
１の屋根のような単位平面部又は床下のような単位空間
部の全面に各単位毎に規則的配置で張り巡らせて配設
し、この光ファイバ２の所定長を温度センサ単位として
この温度センサ単位が連続する火災検知センサをこの光
ファイバ２で構成し、光ファイバの入光端から入射させ
た光の散乱によるエコーを利用して光の散乱位置を検出
することにより、温度センサ単位毎の火災検出位置の同
定を可能とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光ファイバを用いた火災
検知設備に関し、特に文化財（遺産）的重要建造物のよ
うな木造重要文化財等に可能な限り美的感覚を損なわな
い火災センサとして、光ファイバの温度センサを使用し
て構成する光ファイバを用いた火災検知設備に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】文化財的重要建造物や木彫仏像等の文化
的遺産のような木造重要文化財の保管は日本国に集中し
ているといってもよいほどであるから、その保存は世界
的な立場からも重要な義務的仕事となっている。保存の
中でも一つの重要なものは、従来から火災による焼却を
防ぐことであり、これまでに、種々の対策が火災予防の
面から講じられてきている。その際、第１の要件は美観
を損なわないで、かつ広範囲な監視が可能であることが
要望されるので、独特の講策が必要であり、それなりの
苦心がなされてきていた。

【０００３】従来から文化財建造物には、消防法によっ
て自動火災報知設備の設置が義務付けられており、感知
器には熱を感知する例えば差動式分布型（空気管式）の
ものが使用されて来ている。この感知器はよく知られて
いるものであるが、空気管を感知部とするもので、空気
管は例えば天井等の屋内に張られ、火災により空気管周
辺の温度が一定の温度上昇率以上になると作動すること
により、火災報知設備として使用されているものであ
る。この感知器が今使用されている理由としては、次の
ような利点が挙げられる。 （イ）美観を損なわずに設置ができる。 （ロ）比較的、広範囲な場所を監視できる（最大１００
ｍ）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のような従来の特
に空気管式の自動火災報知設備では、次のような幾つか
の問題点が指摘されていた。 （ａ）空気管周囲の温度上昇率を感知するため、ポイン
トの温度監視ができない。つまり、位置検出が不可能で
ある。 （ｂ）高温点、定温点、温度上昇率等の各種警報点を任
意に設定できない。 （ｃ）環境条件に左右され易い。つまり、空気管は銅で
作られているため、高温、多湿、塩害に対して弱く、気
流の影響を受けて誤報の恐れがあり、空気管内の気体の
膨脹を検出するため、気圧の変化等天候に左右され易
く、かつ屋外仕様でないため、設置（監視）場所が軒
下、屋根下等に限定される。 （ｄ）検知部の材質が銅のため、機械的強度が弱く、潰
れや切断の恐れがある上、空気管の外径が最少でも直径
２．０ｍｍあり、美観を損なうことがある。 （ｅ）経年変化等により、現場での調整等の保守作業が
必要である。 近年、文化財建造物の焼失原因を鑑みると、茅葺き屋根
に焚火の火の粉が燃え移ることが多く、これは、祭示や
落ち葉の焼却等関係者立ち会い時にも発生するというい
まわしい状況である。従って、火災発生を目的に監視す
ることはもとより、屋根や軒下等、外的要因への対策が
望まれている。

【０００５】本発明は上述の問題点を解決するためにな
されたもので、適用する文化財建造物等の美観を損なう
ことのないセンサをセットできて、かつ位置の検出が可
能な温度センサとして光ファイバを用いた火災検知設備
を提供することを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る光ファイバ
を用いた火災検知設備は、少なくとも１本の光ファイバ
を木製建造物の単位平面部又は単位空間部の全面に各単
位毎に規則的配置で張り巡らせて配設し、この光ファイ
バの所定長を温度センサ単位としてこの温度センサ単位
が連続する火災検知センサをこの光ファイバで構成し、
光ファイバの入光端から入射させた光の散乱によるエコ
ーを利用して上記光の散乱位置を検出することにより、
温度センサ単位毎の火災検出位置の同定を可能としたも
のである。

【０００７】

【作用】本発明においては、例えば文化財として貴重な
木製建造物に光ファイバを温度センサとして配設して、
火災検知を行うことを特徴とするものである。まず、光
ファイバは細くて地味な色をしているから、貴重な木製
建造物に取付けても目立たないし、美観を損ねないの
で、適用性に優れている。そして、光ファイバを利用し
た温度センサは、近年の技術革新により急速な発展を遂
げたものであるが、その測定原理的な構成等はそれほど
よく知られていないので、ここで、その測定原理を説明
する。光ファイバ温度センサは、一本の光ファイバの全
長をセンサとし、さらにそれを検知情報の伝送路として
も機能させ、光ファイバの一端から全長に亘って温度分
布を一括して測定できる構成を特徴とする画期的な温度
センサである。

【０００８】図１０の測定原理模式図及び図１１の散乱
現象模式説明図によって、この温度センサの測定原理を
説明する。まず、図１０に示すように、入射パルス光１
１を光ファイバ１２の一端から入射すると、透過光１３
として光ファイバ１２内を伝搬する。そして、特に光フ
ァイバ１２の例えばＡ点で、火災の原因となる事態（例
えば火の粉が付着したような場合）が発生したような場
合には、図１１にみられるようにこのＡ点でガラスの熱
振動が起こり、ガラスを構成する原子間での振動が常温
のそれより大きくなるため、入射光とは波長が異なるラ
マン散乱光がその時の温度に依存して発生するようにな
る。すなわち、入射光の波長λ_０と同じ波長のレイリー
散乱光の他に、入射光とガラスの熱振動との相互作用に
よって、入射光とは波長の異なる２つのラマン散乱光１
４が発生する。このラマン散乱光１４は、入射光がガラ
スの振動にエネルギーを奪われると波長の長いストーク
ス光（λ_０＋λ）となり、逆にエネルギーを貰うと波長
の短いアンチストークス光（λ_０−λ）になる。そし
て、ラマン散乱光の強度は、ガラスの振動、つまりガラ
スの温度に依存するから、温度が高くなるとラマン散乱
光強度も大きくなる。

【０００９】このようにして発生したラマン散乱光の一
部は、図１０のように後方散乱光１５として再び入射端
に戻ってくる。戻るまでの伝搬時間ｔから距離ｘ、すな
わち入射端からＡ点までの距離が、計測できるようにな
る。つまり、光ファイバ内において、温度が突然上昇し
た位置が同定され位置検出が可能となる。従って、一本
の光ファイバセンサ毎に、少なくとも１本の光ファイバ
（長さ２〜１０ｋｍ）を建物の屋根、床下、壁面や軒下
等の各単位面にこれらをカバーするように敷設してお
き、その面毎に監視できる監視単位をシステム構成して
おき、これらを機能的に総合した火災検知設備を形成す
ることによって、火災乃至温度の異常上昇位置を正確に
決定できる。この場合、光を用いているが、その原理は
電波を用いるレーダと同じ作用原理となる。そこで、入
射端に戻ってきたラマン散乱光だけを光学フィルタで分
離・検出し、その強度を計測すれば、ガラスの温度が測
定される。なお、本発明では、波長の異なる２つのラマ
ン光を共に使用し、例えばその強度比を温度の関数とし
て用いているので、測定精度が向上する。

【００１０】

【実施例】

［実施例１］図１は本発明の一実施例として光ファイバ
温度センサの敷設状態を示す模斜視図である。図におい
て、例えば板葺・高床式の木造建物１の屋根上、床下を
測定単位面として、各単位面毎にそれぞれ少なくとも１
本の光ファイバ２を、ほぼ均等に分布するように、張り
巡らせて配設している。面積の広い単位面にはその本数
を増加して、ともかく満遍なく所定の間隔をもって敷き
つめるようにする。なお、光ファイバ２はステンレスの
金属管被覆ファイバであり、外径約１．８〜３．６ｍｍ
のものを使用している。屋根上の光ファイバ２は降りか
かる火の粉検出用であり、床下の光ファイバ２は悪戯的
火遊び、放火等の対策用温度センサとして有効である。
センサの敷き詰め方は後述する。

【００１１】図２は、本発明による光ファイバを用いた
火災検知設備の一実施例構成を示す準ブロック図であ
る。本装置は光ファイバ（センサ部）２、計測部３及び
パーソナルコンピュータ（ディスプレイ５を含む）４で
構成されている。図２によって、計測方法を説明する。
パルス駆動回路６によって半導体レーザ等の投光素子７
よりの入射パルス光１１を光ファイバ２に入射すると、
透過光１３の通過位置で前述のラマン散乱光が発生し、
その一部が後方散乱光１５として計測部へ戻ってくる。
戻った後方散乱光１５を光分波器８内のフィルタでアン
チストークス光Ｉａとストークス光Ｉｓに分離し、それ
ぞれを受光素子９で電気信号に変換し、増幅回路１０で
増幅後、処理装置１６へ入力する。処理装置１６では、
サンプリング時間毎にディジタル量に変換し、各サンプ
リング点（距離に比例）に対応したメモリに加算する。
そして、以上の操作を自動的に所定回繰り返す（積算処
理）ようになっている。この積算処理の最終回（Ｎ回）
に、各メモリ内の積算値をＮで除して平均化（これを平
均化処理という）することにより、雑音（バックグラン
ド）を大幅に除去している。そして、平均化処理値をパ
ーソナルコンピュータ４へ入力し、各メモリ内に記憶さ
れたＩａとＩｓの強度比から温度を算出する。各メモリ
は距離に対応しているので、これにより最終的に温度分
布が求められる。このデータより、光センサ２に沿った
温度分布をディスプレイ５に表示する。このようにして
得られた温度分布のデータに基づいて、火災の前期状態
乃至火災の可能性を、迅速にかつ精度よく、検知できる
ようになっている。

【００１２】図３は、上記のＩａ／Ｉｓの強度比（縦
軸）と温度（横軸）との関係を示す線図であり、実線は
理論値、丸印は実験値を示している。図から明らかなよ
うに、Ｉａ／Ｉｓの強度比は温度の関数であり、密接に
依存することが分かる。従って、これらのラマン光強度
を入射パルス光１１入射後の時間関数として計測するこ
とにより、光ファイバ２に沿った温度分布を得ることが
できる。そして、検出感度として距離分解能（センサ単
位長）は１ｍ、測定温度範囲は−５０℃〜＋５００℃で
あり、温度精度は±１℃という優れた性能が得られてい
る。また、最大２ｋｍまでを１台で全域監視でき、１ｍ
の距離分解能があるため、ポイント監視が行えるため、
位置検出（同定）が可能である。加えて、検知部はステ
ンレス（SUS 鋼）構造のため強度が高く、その上高温多
湿、塩害等の影響も受けず、気流の影響も受けずに測定
できる利点がある。そして、中央で一括制御できるの
で、メンテナンスが容易であり、かつ美観を損ねること
なくセンサを設置できる点は、文化財保護設備として何
よりも好適である。

【００１３】図４、図５は光ファイバ温度センサの敷設
方法の態様例を示す模式図である。まず、図４は図１に
おいてみられる巨視的な直線部分又は曲線部分を微視的
には蛇行直線状（螺旋状）に細かく折れ曲げたものとし
た例を示すものである。このように細かい蛇行部分をも
って直線状又は曲率半径の大きな曲線状にして敷設して
ゆくと、例えばＸ点で火災が発生すれば、ａ、ｂ、ｃの
３点で異常を検出できるので検出感度が高められるばか
りでなく、異常場所を限定することが可能となる有利さ
が得られる。また、図５のように、図４の蛇行線のピッ
チをやや緩くし、これらＡ，Ｂの両センサを直交・重畳
させた状態で敷設したものが都合がよい場合がある。こ
の状態では、黒点印で示した交差点があたかもマトリッ
クスを構成するから、この交差点位置の２つの光ファイ
バの検出位置から、より正確に平面的な異常場所を限定
（同定）できる利点がある。

【００１４】図６は、図１の板葺・高床式の木造建物１
の例えば外側壁面に光ファイバ２を敷設した例を示すも
のである。壁面への取付けにより、延焼、放火等の着火
要因となる位置を素早く検出して、火災予防の対策を講
ずることができる。

【００１５】［実施例２］本実施例では、光ファイバ温
度センサの敷設方法の幾つかの実施例について説明す
る。図７は、板葺屋根又は壁面に敷設するのに好適な取
付け方法を示すものである。平板の片端が光ファイバ２
が挿通できるだけの穴状に折り曲げられた平面用止め具
２０を所定の間隔で屋根板２１の所定位置に配置してお
き、止め穴２２にタッピングねじ２３等で取り付けてお
く。そして、前記の折り曲げ穴２４に光ファイバ２を挿
通して図１、図３に示したように敷設している。熱容量
等を考慮して、平面用止め具２０はできるだけ小さいも
のがよいことはいうまでもない。図８は、床下又は軒下
の板に取り付けるのに好適な取付け方法を示すもので、
床下又は軒下板（図示せず）には止め穴２２のある部分
が取付け平面部となっている止め具で、下から止め穴２
２にタッピングねじ２３等で取り付けるようになってい
る。そして、この止め具は上記の平面部から折り曲げ穴
２４の部分を垂下させた垂直用止め具２５としたものを
使用している。光ファイバ２の取付け方は図７と同様で
あるが、光ファイバ２と板との間が若干の空間を有する
ことが、この構造によって配慮されている。

【００１６】図９は、茅葺き屋根の直下に光ファイバを
埋め込んで取り付ける方法を示すものである。図９の左
側図は茅葺き屋根の茅の部分を除去した状態を示す模式
図、右側図は取り付け方法を示す説明図である。図にお
いて、両端の屋根の柱２６の間に１本の光ファイバ２に
ついて１個の緩み防止用に引っ張り力を持つターンバッ
クル２７を使用してフック２８に光ファイバ２を張り巡
らせるようにしている。平行する複数本の光ファイバ２
はＳＵＳ製のインシロック２９等で共締めして固定する
のが好都合である。この方法は、特に茅葺きの直下に埋
め込むようにして、美観を損なわないように考慮してな
された取り付け方法を示している。

【００１７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、少なくと
も１本の光ファイバを木製建造物の単位平面部又は単位
空間部の全面に各単位毎に規則的配置で張り巡らせて配
設し、この光ファイバの所定長を温度センサ単位として
この温度センサ単位が連続する火災検知センサをこの光
ファイバで構成し、光ファイバの入光端から入射させた
光の散乱によるエコーを利用して上記光の散乱位置を検
出するから、温度センサ単位毎の火災検出位置の同定が
可能となり、長距離や大面積にわたってセンサ単位毎に
温度を検知することができるようになった。また、光フ
ァイバは耐侯性に優れているし、がさばらず、かつ目立
たないセンサとすることができるので、屋根表面等の露
出面への設置が可能となるため、美観を損なうことな
く、焚火等の火の粉による延焼等を早期に検出できる利
点がある。さらに、この検知器により火災の発生乃至可
能性ある場所を精度よく検出できるので、火災を未然に
防止できるようになり、文化財建造物のような貴重な建
物の焼失という取り返しの付かない事件の防止に寄与す
ること大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例として光ファイバの敷設状態
を示す模斜視図である。

【図２】本発明による光ファイバを用いた火災検知設備
の一実施例構成を示す準ブロック図である。

【図３】Ｉａ／Ｉｓの強度比と温度との関係を理論値及
び実験値の比較曲線で示す線図である。

【図４】本発明による光ファイバ温度センサの敷設方法
の態様例を示す模式図である。

【図５】本発明による光ファイバ温度センサの敷設方法
の他の態様例を示す模式図である。

【図６】本発明による木造建物の外側壁面に光ファイバ
を敷設した状態を示す模式図である。

【図７】本発明による板葺屋根等に光ファイバの取付け
方法を示す模式図である。

【図８】本発明による軒下等の板に光ファイバの取付け
方法を示す模式図である。

【図９】本発明による茅葺き屋根に光ファイバを取り付
ける方法を示す模式図である。

【図１０】光ファイバによる温度測定原理を説明する模
式図である。

【図１１】光ファイバによる光の散乱現象を説明する模
式図である。

【符号の説明】

１ 木造建物 ２，１２ 光ファイバ ３ 計測部 ４ パーソナルコンピュータ ５ ディスプレイ ６ パルス駆動回路 ７ 投光素子 ８ 光分波器 ９ 受光素子 １０ 増幅回路 １１ パルス光（入射） １３ 透過光 １４ ラマン散乱光 １５ 後方散乱光 １６ 処理装置 ２０ 平面用止め具 ２１ 屋根板 ２２ 止め穴 ２３ タッピングねじ ２４ 折り曲げ穴 ２５ 垂直用止め具 ２６ 屋根の柱 ２７ ターンバックル ２８ フック ２９ インシロック

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも１本の光ファイバを木製建造
   物の単位平面部又は単位空間部の全面に各単位毎に規則
   的配置で張り巡らせて配設し、 該光ファイバの所定長を温度センサ単位としてこの温度
   センサ単位が連続する火災検知センサを前記光ファイバ
   で構成し、 該光ファイバの入光端から入射させた光の散乱によるエ
   コーを利用して上記光の散乱位置を検出することにより
   前記温度センサ単位毎の火災検出位置の同定を可能とし
   たことを特徴とする光ファイバを用いた火災検知設備。
2. 【請求項２】 上記光ファイバを張り巡らせて配設する
   ための敷設形状を巨視的な直線部分又は曲線部分を微視
   的には蛇行直線状に細かく折れ曲げたものとしたことを
   特徴とする請求項１記載の光ファイバを用いた火災検知
   設備。
3. 【請求項３】 上記光ファイバを張り巡らせて配設する
   ための敷設形状を上記微視的には蛇行直線状に細かく折
   れ曲げた上記光ファイバを２本使用し、この２本の光フ
   ァイバが互いに直交するように敷設したことを特徴とす
   る請求項１又請求項２記載の光ファイバを用いた火災検
   知設備。