火災感知器
【課題】監視空間における超音波の減衰量に基づいて火災の有無を判別する構成において、非火災報や失報を低減可能な火災感知器を提供する。
【解決手段】外部空間から煙粒子を含む浮遊粒子が侵入可能な監視空間Ｓｐ１に超音波を送波可能な監視音源部１と、浮遊粒子の侵入が遮断された基準空間Ｓｐ２に超音波を送波可能な基準音源部１０と、監視音源部１および基準音源部１０を制御する制御部２と、監視音源部１からの超音波の音圧を検出する監視受波素子３と、基準音源部１０からの超音波の音圧を検出する基準受波素子３０と、監視受波素子３および基準受波素子３０の出力が同一周波数且つ同一位相となるように制御部２が監視音源部１および基準音源部１０を同期させて制御したときに差動増幅部７から出力される監視受波素子３および基準受波素子３０の差動出力に基づいて、火災の有無を判断する信号処理部４とを備える。
【解決手段】外部空間から煙粒子を含む浮遊粒子が侵入可能な監視空間Ｓｐ１に超音波を送波可能な監視音源部１と、浮遊粒子の侵入が遮断された基準空間Ｓｐ２に超音波を送波可能な基準音源部１０と、監視音源部１および基準音源部１０を制御する制御部２と、監視音源部１からの超音波の音圧を検出する監視受波素子３と、基準音源部１０からの超音波の音圧を検出する基準受波素子３０と、監視受波素子３および基準受波素子３０の出力が同一周波数且つ同一位相となるように制御部２が監視音源部１および基準音源部１０を同期させて制御したときに差動増幅部７から出力される監視受波素子３および基準受波素子３０の差動出力に基づいて、火災の有無を判断する信号処理部４とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火災感知器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、火災時などに発生する煙を感知する火災感知器として、散乱光式煙感知器（たとえば特許文献１参照）や、減光式煙感知器（たとえば特許文献２参照）が知られている。ここにおいて、散乱光式煙感知器は、発光ダイオード素子よりなる投光素子から監視空間に照射された光の煙粒子による散乱光をフォトダイオードよりなる受光素子で受光するように構成されたものであり、監視空間に煙粒子が存在すれば散乱光が生じることによって受光素子での受光量が増大するから、受光素子での受光量の増加量に基づいて煙粒子の存否を検知できる。一方、減光式煙感知器は、投光素子から照射された光を受光素子により直接受光するように構成されたものであり、投光素子と受光素子との間の監視空間に煙粒子が存在すれば受光素子の受光量が減少するから、受光素子での受光量の減光量に基づいて煙粒子の存否を検知できる。
【０００３】
ところで、散乱光式煙感知器は、迷光対策としてラビリンス体を設ける必要があるので、空気の流れが少ない場合には、火災発生時に監視空間へ煙粒子が侵入するまでの時間が長くなり、応答性に問題があった。また、減光式煙感知器においては、火災が発生していないにもかかわらずバックグランド光の影響で発報してしまう（非火災報が発生してしまう）ことがあるという問題があった。また、分離型の減光式煙感知器は、投光素子と受光素子との光軸を高精度に軸合わせする必要があり、施工に手間がかかるという問題があった。
【特許文献１】特開２００１−３４８６２号公報
【特許文献２】特開昭６１−３３５９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した光電式の火災感知器の問題点を解決するために、本願出願人は、超音波を用いて煙の存否を検知する火災感知器を提案している。
【０００５】
この火災感知器は、図１６に示すように、超音波を送波可能な監視音源部１と、監視音源部１を制御する制御部と監視音源部１から送波された超音波の音圧を検出する監視受波素子３と、監視受波素子３の出力に基づいて火災の有無を判別する信号処理部とを備える。信号処理部は、監視受波素子３の出力の基準値からの減衰量に基づいて監視音源部１と監視受波素子３との間の監視空間の煙濃度を推定する煙濃度推定手段と、推定された煙濃度と所定の閾値とを比較して火災の有無を判断する煙式判断手段とを有する。すなわち、監視空間に煙粒子が入り込むと図１７に示すように監視音源部１からの超音波は監視受波素子３に到達するまでに音圧が低下し、監視受波素子３の出力の減衰量は監視空間の煙濃度に略比例して増加するので、この減衰量に基づき煙濃度を推定することで、火災の有無を判断することができる。
【０００６】
この超音波式の火災感知器では、光電式の火災感知器で問題となるバックグランド光の影響をなくすことができ、散乱光式煙感知器に必要なラビリンス体を不要とすることができて火災発生時に監視空間へ煙粒子が拡散しやすくなるから、散乱光式煙感知器に比べて応答性を向上でき、また、減光式煙感知器に比べて非火災報の低減が可能になる。
【０００７】
しかし、上述した超音波式の火災感知器においては、火災感知器の周囲環境の変化（たとえば、温度、湿度、大気圧などの変化）に応じて、監視音源部１から送波される超音波の音圧が変化したり、煙濃度が一定でも媒質である空気を伝搬する際の超音波の減衰率が変化したり、監視受波素子３の感度が変化したりすることにより、監視空間の煙濃度にかかわらず監視受波素子３の出力の基準値からの減衰量が変動し、非火災報や失報を生じる可能性がある。
【０００８】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであって、監視空間における超音波の減衰量に基づいて火災の有無を判別する構成において、非火災報や失報を低減可能な火災感知器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の発明では、外部空間に連通し外部空間から煙粒子を含む浮遊粒子が侵入可能な監視空間に対して超音波を送波可能な監視音源部と、煙粒子を含む浮遊粒子の侵入が遮断された基準空間に対して超音波を送波可能な基準音源部と、監視音源部および基準音源部を制御する制御部と、監視音源部から送波された超音波の音圧を検出する監視受波素子と、基準音源部から送波された超音波の音圧を検出する基準受波素子と、監視受波素子および基準受波素子の出力が同一周波数且つ同一位相となるように制御部が監視音源部および基準音源部を同期させて制御したときの監視受波素子および基準受波素子の出力の差に相当する差動出力に基づいて火災の有無を判断する信号処理部とを備え、信号処理部は、前記差動出力の初期値からの変化量に基づいて前記監視空間の煙濃度を推定する煙濃度推定手段と、煙濃度推定手段にて推定された煙濃度と所定の閾値とを比較して火災の有無を判断する煙式判断手段とを有することを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、外部空間に連通し外部空間から煙粒子を含む浮遊粒子が侵入可能な監視空間に対して超音波を送波可能な監視音源部と、煙粒子を含む浮遊粒子の侵入が遮断された基準空間に対して超音波を送波可能な基準音源部と、監視音源部から送波された超音波の音圧を検出する監視受波素子と、基準音源部から送波された超音波の音圧を検出する基準受波素子と、監視受波素子および基準受波素子の出力が同一周波数且つ同一位相となるように制御部が監視音源部および基準音源部を同期させて制御したときの監視受波素子および基準受波素子の出力の差に相当する差動出力に基づいて火災の有無を判断する信号処理部とを備え、煙濃度推定手段においては、前記差動出力の初期値からの変化量に基づいて前記監視空間の煙濃度を推定するので、火災感知器の周囲環境の変化に応じて、監視音源部から送波される超音波の音圧が変化したり、煙濃度が一定でも媒質である空気を伝搬する際の超音波の減衰率が変化したり、監視受波素子の感度が変化したりすることがあっても、これらの変化に起因した監視受波素子の出力変動が差動出力に影響することはなく、結果的に監視空間における煙濃度の推定の精度が向上し、非火災報や失報を低減することができる。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記監視音源部と前記基準音源部とが周波数の異なる複数種の超音波をそれぞれから送波可能であって、前記信号処理部が、前記監視空間に存在する浮遊粒子の種別および煙濃度に応じた前記監視音源部の出力周波数と前記差動出力の初期値からの変化量との関係データを記憶した記憶手段と、前記監視音源部から送波された各周波数の超音波ごとの前記差動出力と記憶手段に記憶されている関係データとを用いて前記監視空間に浮遊している粒子の種別を推定する粒子種別推定手段とを有し、前記煙濃度推定手段が、粒子種別推定手段にて推定された粒子が煙粒子のときに特定周波数の超音波に対する前記差動出力の初期値からの変化量に基づいて前記監視空間の煙濃度を推定することを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、信号処理部では、粒子種別推定手段において、監視音源部から送波された各周波数の超音波ごとの差動出力と記憶手段に記憶されている関係データとを用いて監視空間に浮遊している粒子の種別を推定し、粒子種別推定手段にて推定された粒子が煙粒子のときに、煙濃度推定手段において、特定周波数の超音波に対する差動出力の初期値からの変化量に基づいて監視空間の煙濃度を推定するので、粒子種別識別手段において監視空間に浮遊している粒子の種別を推定することで、たとえば煙粒子と湯気とを識別可能となるから、散乱光式煙感知器および減光式煙感知器に比べて湯気に起因した非火災報を低減することが可能となり、台所や浴室での使用にも適する。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記記憶手段は、前記関係データとして前記音源部の出力周波数と前記差動出力の初期値からの変化量を前記基準受波素子の出力で除した変化率との関係データを記憶していることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、前記音源部の出力周波数に応じて前記基準受波素子の出力が変動する場合でも、前記音源部の出力周波数と前記基準受波素子の出力の変動の影響が除去された変化率との関係データを用いることにより、前記基準受波素子の出力の変動の影響を受けずに前記監視空間に浮遊している粒子の種別を推定することができる。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項２または請求項３の発明において、前記監視音源部と前記基準音源部とがそれぞれ前記複数種の超音波を送波可能な単一の音波発生素子からなり、前記制御部が各音波発生素子からそれぞれ複数種の超音波が順次送波されるように前記監視音源部および前記基準音源部を制御することを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、監視音源部と基準音源部とのそれぞれに各種の超音波を送波可能な音波発生素子を複数個ずつ備える場合に比べて、監視音源部および基準音源部の小型化、低コスト化が可能となる。
【００１７】
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかの発明において、前記監視音源部および前記基準音源部が、発熱体部への通電に伴う発熱体部の温度変化により空気に熱衝撃を与えることで超音波を発生するものであることを特徴とする。
【００１８】
この構成によれば、監視音源部および基準音源部は平坦な周波数特性を有しており、発生させる超音波の周波数を広範囲にわたって変化させることができる。また、監視音源部および基準音源部から残響の少ない単パルス状の超音波を送波させることも可能となる。
【００１９】
請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記監視音源部および前記基準音源部が、ベース基板の一表面側に前記発熱体部が形成されるとともに、ベース基板の前記一表面側で前記発熱体部とベース基板との間に設けられて前記発熱体部とベース基板とを熱絶縁する多孔質層からなる熱絶縁層を有してなることを特徴とする。
【００２０】
この構成によれば、熱絶縁層が多孔質層からなるので、熱絶縁層が非多孔質層からなる場合に比べて、熱絶縁層の断熱性が向上して発熱体部への入力電圧に対する超音波の音圧の比が高くなり、低消費電力化を図ることができる。
【００２１】
請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれかの発明において、前記監視空間と前記基準空間とが隔壁を隔てて隣接しており、前記監視受波素子と前記基準受波素子とが、隔壁に配設されるとともに前記監視空間側と前記基準空間側とのそれぞれに音圧を受ける受圧部が形成されており、前記制御部が前記監視音源部および前記基準音源部を同期させて制御したときに両受圧部で受けた音圧の差を前記差動出力として検出する単一の差動型受波素子からなることを特徴とする。
【００２２】
この構成によれば、監視受波素子と基準受波素子とが単一の差動型受波素子からなるので、監視受波素子と基準受波素子とを別々に設けて両者の出力の差を差分出力とする場合のように監視受波素子と基準受波素子とで個別に生じたノイズが差分出力にそれぞれ重畳することはなく、したがって、差動出力に含まれるノイズを低減することができＳＮ比が向上する。
【００２３】
請求項８の発明は、請求項７の発明において、前記信号処理部が、前記制御部で前記基準音源部を制御し前記基準音源部のみから超音波を送波させた状態での前記差動型受波素子の出力を参照値として計測し、当該参照値の初期値からの変化量に基づいて前記差動出力を補正する出力補正手段を有することを特徴とする。
【００２４】
この構成によれば、監視音源部および基準音源部あるいは差動型受波素子の経時変化に応じて、監視音源部および基準音源部から送波される超音波の音圧や差動型受波素子の感度が変化することがあっても、これらの変化に起因した差動出力の初期値からの変化量の変動は出力補正手段での補正によって除去することができ、長期的な信頼性が高くなる。
【００２５】
請求項９の発明は、請求項７または請求項８の発明において、前記差動型受波素子が、互いに対向配置された固定電極と可動電極とを有し、前記両受圧部で受けた音圧の差に応じて固定電極と可動電極との間の距離が変化し固定電極と可動電極との間の静電容量が変化する静電容量型のマイクロホンからなることを特徴とする。
【００２６】
この構成によれば、差動型受波素子は、静電容量型のマイクロホンからなるので、平坦な周波数特性を有し、また、出力における残響成分の発生期間が短いという利点がある。
【００２７】
請求項１０の発明は、請求項１ないし請求項９のいずれかの発明において、前記基準空間が煙粒子を含む浮遊粒子を遮断する遮断壁によって包囲されており、遮断壁が前記浮遊粒子を通過させない大きさの微細孔を有し、当該微細孔によって前記基準空間と前記外部空間とを連通させていることを特徴とする。
【００２８】
この構成によれば、煙粒子を含む浮遊粒子を通過させない大きさの微細孔によって基準空間と外部空間とが連通されているので、基準空間への浮遊粒子の侵入を遮断しながらも、火災感知器の周囲環境のたとえば湿度や大気圧などの変化が微細孔を通して基準空間にも反映され、これらの変化に起因した監視受波素子の出力変動の影響を差動出力から除去することができ、非火災報や失報を低減することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明は、煙濃度推定手段において、差動出力の初期値からの変化量に基づいて監視空間の煙濃度を推定するので、火災感知器の周囲環境の変化に応じて、監視音源部から送波される超音波の音圧が変化したり、煙濃度が一定でも媒質である空気を伝搬する際の超音波の減衰率が変化したり、監視受波素子の感度が変化したりすることがあっても、これらの変化に起因した監視受波素子の出力変動が差動出力に影響することはなく、結果的に、監視空間における煙濃度の推定の精度が向上し、非火災報や失報を低減することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
（実施形態１）
本実施形態の火災感知器は、図１に示すように、超音波を送波可能な監視音源部１と、超音波を送波可能な基準音源部１０と、監視音源部１および基準音源部１０を制御する制御部２と、監視音源部１から送波された超音波の音圧を検出する監視受波素子３と、基準音源部１０から送波された超音波の音圧を検出する基準受波素子３０と、監視受波素子３および基準受波素子３０の出力の差をとり増幅して出力する差動増幅部７と、差動増幅部７の出力に基づいて火災の有無を判断する信号処理部４とを備えている。
【００３１】
ここにおいて、監視音源部１と監視受波素子３とは、図２に示すように円盤状のプリント基板からなる回路基板５の一表面側において互いに離間して対向配置され、同様に基準音源部１０と基準受波素子３０とが、回路基板５の一表面側において互いに離間して対向配置されており、同回路基板５に制御部２と差動増幅部７と信号処理部４とが設けられている。また、監視音源部１と監視受波素子３との間には筒状に形成された筒体８１が配設され、基準音源部１０と基準受波素子３０との間には筒状に形成された筒体８２が配設されている。各筒体８１，８２は、それぞれ直管状の角筒であって、長手方向の一端面（図２における左端面）が監視音源部１および基準音源部１０の各々で閉塞されるとともに、他端面（図２における右端面）が監視受波素子３および基準受波素子３０の各々で閉塞されることにより、内部空間を通して監視音源部１および基準音源部１０の各々からの超音波を伝搬させる。したがって監視音源部１と基準音源部１０とのそれぞれから送波される超音波は、筒体８１，８２の内部空間を通ることで拡散が抑制され、超音波の拡散による音圧の低下を抑制することができる。なお、筒体８１は、監視受波素子３の周囲に設けられ監視音源部１以外で発生した超音波が監視受波素子３に入射するのを阻止する遮音壁６（図１６参照）としての機能を兼ねる。
【００３２】
ここで、筒体８１は、煙粒子を含む浮遊粒子が通過する大きさの連通孔８１ａを長手方向に沿う側面に複数有しており、これにより監視音源部１と監視受波素子３との間には、火災の有無を監視するために連通孔８１ａを通して火災感知器の周囲の外部空間（外気）に連通した監視空間Ｓｐ１が形成される。一方、筒体８２は、少なくとも煙粒子を含む浮遊粒子を遮断する遮断壁としての機能を兼ねており、基準音源部１０と基準受波素子３０との間には、浮遊粒子の侵入が遮断された基準空間Ｓｐ２が形成される。つまり、監視音源部１は監視空間Ｓｐ１に対して超音波を送波し、基準音源部１０は基準空間Ｓｐ２に対して超音波を送波することになる。さらに、本実施形態では両筒体８１，８２の長さ寸法、開口形状は同一に設定されており、監視空間Ｓｐ１と基準空間Ｓｐ２との形状が略同一となっている。また、基準空間Ｓｐ２においては浮遊粒子の侵入が遮断されているので、基準空間Ｓｐ２の温度に関しては外部空間（外気）および監視空間Ｓｐ１と同じになるものの、基準空間Ｓｐ２に煙粒子や湯気などが侵入することはない。ここにおいて、本実施形態では浮遊粒子を通過させない大きさの微細孔（図示せず）が多数形成されているフィルタ（たとえば多孔質セラミックフィルタ）を筒体８２に有することで、微細孔を通して基準空間Ｓｐ２と外部空間とを連通させている。そのため、基準空間Ｓｐ２においては、温度以外に湿度や大気圧に関しても外部空間および監視空間Ｓｐ１と同じになる。
【００３３】
本実施形態では、監視音源部１と基準音源部１０とのそれぞれに、後述のように空気に熱衝撃を与えることで超音波を発生させる音波発生素子を用いることで、圧電素子に比べて残響時間が短い超音波を送波するようにし、且つ、監視受波素子３と基準受波素子３０とのそれぞれに共振特性のＱ値が圧電素子に比べて十分に小さく受波信号に含まれる残響成分の発生期間が短い静電容量型のマイクロホンを用いている。以下では監視音源部１および監視受波素子３の構成について説明するが、基準音源部１０においては監視音源部１、基準音源部３０においては監視受波素子３とそれぞれ同様の構成を採用しているものとする。
【００３４】
監視音源部１は、図３に示すように、単結晶のｐ形のシリコン基板からなるベース基板１１の一表面（図３における上面）側に多孔質シリコン層からなる熱絶縁層（断熱層）１２が形成され、熱絶縁層１２の表面側に発熱体部として金属薄膜からなる発熱体層１３が形成され、ベース基板１１の上記一表面側に発熱体層１３と電気的に接続された一対のパッド１４，１４が形成されている。なお、ベース基板１１の平面形状は矩形状であって、熱絶縁層１２、発熱体層１３それぞれの平面形状も矩形状に形成してある。また、ベース基板１１の上記一表面側において熱絶縁層１２が形成されていない部分の表面にはシリコン酸化膜からなる絶縁膜（図示せず）が形成されている。
【００３５】
上述の監視音源部１では、発熱体層１３の両端のパッド１４，１４間に通電して発熱体層１３に急激な温度変化を生じさせると、発熱体層１３に接触している空気（媒質）に急激な温度変化（熱衝撃）が生じる（つまり、発熱体層１３に接触している空気に熱衝撃が与えられる）。したがって、発熱体層１３に接触している空気は、発熱体層１３の温度上昇時には膨張し発熱体層１３の温度下降時には収縮するから、発熱体層１３への通電を適宜に制御することによって空気中を伝搬する超音波を発生させることができる。要するに、監視音源部１を構成する音波発生素子は、発熱体層１３への通電に伴う発熱体層１３の急激な温度変化を媒質の膨張収縮に変換することにより媒質を伝搬する超音波を発生するので、圧電素子のように機械的振動により超音波を発生する場合に比べて、残響の少ない単パルス状の超音波を送波させることができる。
【００３６】
上述の監視音源部１は、ベース基板１１としてｐ形のシリコン基板を用いており、熱絶縁層１２を多孔度が略６０〜略７０％の多孔質シリコン層からなる多孔質層により構成しているので、ベース基板１１として用いるシリコン基板の一部をフッ化水素水溶液とエタノールとの混合液からなる電解液中で陽極酸化処理することにより熱絶縁層１２となる多孔質シリコン層を形成することができる（ここで、陽極酸化処理により形成された多孔質シリコン層は、結晶粒径がナノメータオーダの微結晶シリコンからなるナノ結晶シリコンを多数含んでいる）。多孔質シリコン層は、多孔度が高くなるにつれて熱伝導率および熱容量が小さくなるので、熱絶縁層１２の熱伝導率および熱容量をベース基板１１の熱伝導率および熱容量に比べて小さくし、熱絶縁層１２の熱伝導率と熱容量との積をベース基板１１の熱伝導率と熱容量との積に比べて十分に小さくすることにより、発熱体層１３の温度変化を空気に効率よく伝達することができ発熱体層１３と空気との間で効率的な熱交換が起こり、且つ、ベース基板１１が熱絶縁層１２からの熱を効率よく受け取って熱絶縁層１２の熱を逃がすことができて発熱体層１３からの熱が熱絶縁層１２に蓄積されるのを防止することができる。なお、熱伝導率が１４８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が１．６３×１０６Ｊ／（ｍ３・Ｋ）の単結晶のシリコン基板を陽極酸化して形成される多孔度が６０％の多孔質シリコン層は、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が０．７×１０６Ｊ／（ｍ３・Ｋ）であることが知られている。本実施形態では、熱絶縁層１２を多孔度が略７０％の多孔質シリコン層により構成してあり、熱絶縁層１２の熱伝導率が０．１２Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が０．５×１０６Ｊ／（ｍ３・Ｋ）となっている。
【００３７】
発熱体層１３は、高融点金属の一種であるタングステンにより形成してあるが、発熱体層１３の材料はタングステンに限らず、たとえば、タンタル、モリブデン、イリジウム、アルミニウムなどを採用してもよい。また、上述の監視音源部１では、ベース基板１１の厚さを３００〜７００μｍ、熱絶縁層１２の厚さを１〜１０μｍ、発熱体層１３の厚さを２０〜１００ｎｍ、各パッド１４の厚さを０．５μｍとしてあるが、これらの厚さは一例であって特に限定するものではない。また、ベース基板１１の材料としてＳｉを採用しているが、ベース基板１１の材料はＳｉに限らず、たとえば、Ｇｅ、ＳｉＣ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどの陽極酸化処理による多孔質化が可能な他の半導体材料でもよく、いずれの場合にも、ベース基板１１の一部を多孔質化することで形成した多孔質層を熱絶縁層１２とすることができる。
【００３８】
上述のように監視音源部１は、一対のパッド１４，１４を介した発熱体層１３への通電に伴う発熱体層１３の温度変化に伴って超音波を発生するものであり、発熱体層１３へ与える駆動電圧波形あるいは駆動電流波形からなる駆動入力波形をたとえば周波数がｆ１の正弦波波形とした場合、理想的には、発熱体層１３で生じる温度振動の周波数が駆動入力波形の周波数ｆ１の２倍の周波数ｆ２となり、駆動入力波形ｆ１の略２倍の周波数の超音波を発生させることができる。すなわち、上述の監視音源部１は、圧電素子のように機械的振動により超音波を発生する場合に比べて、平坦な周波数特性を有しており、発生させる超音波の周波数を広範囲にわたって変化させることができる。また、上述の監視音源部１では、たとえば正弦波波形の半周期の孤立波を駆動入力波形として一対のパッド１４，１４間へ与えることによって、残響の少ない略１周期の単パルス状の超音波を発生させることができる。このような単パルス状の超音波を用いることにより、反射による干渉が起こりにくくなる。また、監視音源部１は、熱絶縁層１２が多孔質層により構成されているので、熱絶縁層１２が非多孔質層（たとえば、ＳｉＯ２膜など）からなる場合に比べて、熱絶縁層１２の断熱性が向上して超音波発生効率が高くなり、低消費電力化を図れる。
【００３９】
また、上述の監視受波素子３を構成する静電容量型のマイクロホンは、図４に示すように、シリコン基板に厚み方向に貫通する窓孔３１ａを設けることで形成された矩形枠状のフレーム３１と、フレーム３１の一表面側においてフレーム３１の対向する２つの辺に跨る形で配置されるカンチレバー型の受圧部３２とを備えている。ここにおいて、フレーム３１の一表面側には熱酸化膜３５と熱酸化膜３５を覆うシリコン酸化膜３６とシリコン酸化膜３６を覆うシリコン窒化膜３７とが形成されており、受圧部３２の一端部がシリコン窒化膜３７を介してフレーム３１に支持され、他端部が上記シリコン基板の厚み方向においてシリコン窒化膜３７に対向している。また、シリコン窒化膜３７における受圧部３２の他端部との対向面に金属薄膜（たとえば、クロム膜など）からなる固定電極３３ａが形成され、受圧部３２の他端部におけるシリコン窒化膜３７との対向面とは反対側に金属薄膜（たとえば、クロム膜など）からなる可動電極３３ｂが形成されている。なお、フレーム３１の他表面にはシリコン窒化膜３８が形成されている。また、受圧部３２は、上記各シリコン窒化膜３７，３８とは別工程で形成されるシリコン窒化膜により構成されている。
【００４０】
図４に示した構成の静電容量型のマイクロホンからなる監視受波素子３では、固定電極３３ａと可動電極３３ｂとを電極とするコンデンサが形成されるから、受圧部３２が疎密波の圧力を受けることにより固定電極３３ａと可動電極３３ｂとの間の距離が変化し、固定電極３３ａと可動電極３３ｂとの間の静電容量が変化する。したがって、固定電極３３ａおよび可動電極３３ｂに設けたパッド（図示せず）間に直流バイアス電圧を印加しておけば、パッドの間には超音波の音圧に応じて微小な電圧変化が生じるから、超音波の音圧を電気信号に変換することができる。
【００４１】
監視音源部１および基準音源部１０を制御する制御部２は、図示していないが、監視音源部１および基準音源部１０にそれぞれ駆動入力波形を与えて監視音源部１および基準音源部１０を駆動する駆動回路と、当該駆動回路を制御するマイクロコンピュータからなる制御回路とで構成されている。この制御部２は、監視音源部１および基準音源部１０のそれぞれから送波される超音波が互いに同一周波数且つ同一位相となるように監視音源部１および基準音源部１０を同期させて制御する同期モードと、監視音源部１および基準音源部１０の一方のみから超音波を送波させる非同期モードとの２種類の動作モードで監視音源部１および基準音源部１０を制御する。本実施形態では、監視音源部１と基準音源部１０とを同一の条件（たとえば、送波させる超音波の音圧）で駆動するとともに、監視受波素子３と基準受波素子３０とを同一の条件（たとえば、直流バイアス電圧）で使用し、さらに監視音源部１および監視受波素子３の位置関係と基準音源部１０および基準受波素子３０の位置関係とを同一に設定することにより、制御部２が同期モードで監視音源部１および基準音源部１０を制御した際に、監視空間Ｓｐ１に浮遊粒子の侵入がなく監視空間Ｓｐ１と基準空間Ｓｐ２とが同様の状態（たとえば、温度、湿度、大気圧）であれば、監視受波素子３の出力と基準受波素子３０の出力とが周波数および位相だけでなく強度についても同一になるようにしてある。
【００４２】
差動増幅部７は、監視受波素子３および基準受波素子３０の出力の差分をとり、さらに当該差分を増幅して出力するものであって、制御部２が同期モードで監視音源部１および基準音源部１０を制御した際の差動増幅部７の出力を以下では差動出力という。つまり、差動出力は、監視受波素子３および基準受波素子３０の出力が同一周波数且つ同一位相となるように制御部２が監視音源部１および基準音源部１０を同期させて制御したときの監視受波素子３および基準受波素子３０の出力の差に相当する。したがって、上述したように監視空間Ｓｐ１に浮遊粒子の侵入がなく監視空間Ｓｐ１と基準空間Ｓｐ２とが同様の状態（たとえば、温度、湿度、大気圧）であれば、差動出力はゼロになる。そこで、本実施形態では差動出力の初期値をゼロとする。
【００４３】
ところで、信号処理部４は、上述の差動出力の初期値からの変化量に基づいて監視音源部１と監視受波素子３との間の監視空間Ｓｐ１の煙濃度を推定する煙濃度推定手段４１と、煙濃度推定手段４１にて推定された煙濃度と所定の閾値とを比較して火災の有無を判断する煙式判断手段４２と、監視音源部１が超音波を送波してから当該超音波が監視受波素子３に受波されるまでの時間差に基づいて音速を求める音速検出手段４３と、音速検出手段４３で求めた音速に基づいて上記監視空間Ｓｐ１の温度を推定する温度推定手段４４と、温度推定手段４４で推定された温度と規定温度とを比較して火災の有無を判断する熱式判断手段４５とを有している。信号処理部４は、マイクロコンピュータにより構成されており、上記各手段４１〜４５は、上記マイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載することにより実現されている。また、信号処理部４は、差動増幅部７の出力信号をアナログ−ディジタル変換するＡ／Ｄ変換器などが設けられている。
【００４４】
煙濃度推定手段４１は、制御部２が同期モードで監視音源部１および基準音源部１０を制御した際の差動増幅部７の出力である差動出力の初期値（ゼロ）からの変化量に基づいて煙濃度を推定するものであるが、監視音源部１および基準音源部１０から送波される超音波の周波数が一定であれば、上記変化量は上記監視空間Ｓｐ１の煙濃度に略比例して増加する。すなわち、監視空間Ｓｐ１を通して監視音源部１からの超音波を受波する監視受波素子３の出力の減衰量は監視空間Ｓｐ１の煙濃度に略比例して増加するものの、浮遊粒子の侵入が遮断された基準空間Ｓｐ２を通して基準音源部１０からの超音波を受波する基準受波素子３０の出力は監視空間Ｓｐ１の煙濃度によっては変化しないので、監視受波素子３および基準受波素子３０の出力の差に相当する差動出力の変化量は上記監視空間Ｓｐ１の煙濃度に略比例して増加する。したがって、あらかじめ測定した煙濃度と差動出力の変化量との関係データに基づいて煙濃度と変化量との関係式を求めて記憶しておけば、上記関係式を用いて差動出力の変化量から煙濃度を推定することができる。また、煙式判断手段４２は、煙濃度推定手段４１にて推定された煙濃度が上記閾値未満の場合には「火災無し」と判断する一方で、上記閾値以上の場合には「火災有り」と判断して火災感知信号を制御部２へ出力する。ここで、制御部２は、煙式判断手段４２からの火災感知信号を受信すると、監視音源部１から可聴域の音波からなる警報音が発生するように上記非同期モードで監視音源部１への駆動入力波形を制御する。したがって、監視音源部１から警報音を発生させることができるので、警報音を出力するスピーカなどを別途に設ける必要がなく、火災感知器全体の小型化および低コスト化が可能となる。
【００４５】
また、音速検出手段４３は、監視音源部１と監視受波素子３との間の距離と上記時間差とを用いて音速を求める。また、温度推定手段４４は、周知の大気中の音速と絶対温度との関係式を利用して音速から上記監視空間Ｓｐ１の温度を推定する。熱式判断手段４５は、温度推定手段４４にて推定された温度が上記規定温度未満の場合には「火災無し」と判断する一方で、上記規定温度以上の場合には「火災有り」と判断して火災感知信号を制御部２へ出力する。ここで、制御部２は、熱式判断手段４５からの火災感知信号を受信した場合にも、監視音源部１から可聴域の音波からなる警報音が発生するように監視音源部１への駆動入力波形を制御する。なお、音速検出手段４３は、煙濃度を推定するために監視音源部１から送波させる超音波とは別に、制御部２が非同期モードで監視音源部１を制御して所定周波数の超音波を監視音源部１から定期的に送波させ当該超音波が監視受波素子３に受波されるまでの時間差に基づいて音速を求めるようにしてもよいし、煙濃度を推定するために制御部２が同期モードで監視音源部１および基準音源部１０を制御し監視音源部１から送波させる超音波を用いて音速を求めるようにしてもよい。基準音源部１０から超音波を送波させ当該超音波が基準受波素子３０に受波されるまでの時間差に基づいて音速を求めるようにしてもよい。
【００４６】
以下に、本実施形態の火災感知器の動作について図５を参照して説明する。制御部２は、定期的に、同期モードで監視音源部１および基準音源部１０を制御することにより監視音源部１および基準音源部１０から同時に超音波を送波させる。ここで、監視空間Ｓｐ１に煙が無ければ（つまり、図５（ｅ）が「無」）、図５（ａ）に示す基準受波素子１０の出力と図５（ｂ）に示す監視受波素子１の出力とは同一となり、両者の差分は図５（ｃ）のようにゼロとなる。したがって、図５（ｃ）の差分を増幅した差動増幅部７の出力である図５（ｄ）の差動出力はゼロ（初期値）となる。ここにおいて、煙濃度推定手段４１は、差動出力の初期値からの変化量に基づいて監視空間Ｓｐ１の煙濃度を推定するが、差動出力の初期値からの変化量はゼロであるから、推定される煙濃度は上記閾値未満となることにより煙式判断手段４２において「火災無し」と判断される。
【００４７】
一方、監視空間Ｓｐ１に煙が有れば（つまり、図５（ｅ）が「有」）、図５（ａ）に示す基準受波素子１０の出力は変化しないものの、図５（ｂ）に示す監視受波素子１の出力は監視空間Ｓｐ１の煙濃度に応じて減衰し、図５（ｃ）のように両者に差が生じる。したがって、図５（ｃ）の差分を増幅した差動増幅部７の出力である差動出力はゼロ（初期値）から変化する。このときの差動出力の初期値からの変化量は監視空間Ｓｐ１の煙濃度に略比例して増加する。ここにおいて、煙濃度推定手段４１は、差動出力の初期値からの変化量に基づいて監視空間Ｓｐ１の煙濃度を推定し、煙式判断手段４２は、煙濃度推定手段４１で推定された煙濃度が上記閾値以上であれば「火災有り」と判断する。
【００４８】
なお、本実施形態では、煙式判断手段４２や熱式判断手段４５から出力される火災感知器信号を制御部２へ出力するようにしているが、制御部２に限らず、たとえば、外部の通報装置へ出力するようにしてもよい。
【００４９】
また、本実施形態では、監視音源部１と基準音源部１０とを同一の条件（たとえば、送波させる超音波の音圧）で駆動するとともに、監視受波素子３と基準受波素子３０とを同一の条件（たとえば、直流バイアス電圧）で使用する例を示したが、監視音源部１と基準音源部１０とを別条件で駆動するとともに、監視受波素子３と基準受波素子３０とを別条件で使用するようにしてもよい。この場合、監視空間Ｓｐ１に浮遊粒子の侵入がなく監視空間Ｓｐ１と基準空間Ｓｐ２とが同様の状態（たとえば、温度、湿度、大気圧）であるときに、監視音源部１および基準音源部１０から同一周波数且つ同一位相の超音波を送波させても差動出力はゼロにはならないが、このときの差動出力を初期値とすれば、当該初期値からの差動出力の変化量に基づいて監視空間Ｓｐ１の煙濃度を推定することが可能である。
【００５０】
以上説明した本実施形態の火災感知器では、煙濃度推定手段４１において、差動出力の初期値からの変化量に基づいて監視音源部１と監視受波素子３との間の監視空間Ｓｐ１の煙濃度を推定し、煙式判断手段４２において、煙濃度推定手段４１にて推定された煙濃度と所定の閾値とを比較して火災の有無を判断するので、散乱光式煙感知器や減光式煙感知器のような光電式の火災感知器で問題となるバックグランド光の影響をなくすことができ、散乱光式煙感知器に必要なラビリンス体を不要とすることができて火災発生時に監視空間Ｓｐ１へ煙粒子が拡散しやすくなるから、散乱光式煙感知器に比べて応答性を向上でき、さらに、減光式煙感知器に比べて非火災報の低減が可能になる。
【００５１】
また、上述した構成の火災感知器においては、周囲環境の変化（たとえば、温度、湿度、大気圧などの変化）に応じて、監視音源部１から送波される超音波の音圧が変化したり、煙濃度が一定でも媒質である空気を伝搬する際の超音波の減衰率が変化したり、監視受波素子３の感度が変化したりすることが原因で、監視空間Ｓｐ１の煙濃度にかかわらず監視受波素子３の出力が変化することがある。ただし、このときの監視受波素子３の出力変動と同等の出力変動は基準受波素子３０の出力にも生じることとなるので、監視受波素子３および基準受波素子３０の出力の差に相当する差動出力においては、監視受波素子３の出力変動と基準受波素子３０の出力変動とが相殺されることでこれらの出力変動の影響は除去される。したがって、監視受波素子３単体の出力ではなく差動出力の初期値からの変化量に基づいて監視空間Ｓｐ１の煙濃度を推定する本実施形態の火災感知器では、周囲環境の変化があっても、この変化の影響を受けずに監視空間Ｓｐ１の煙濃度を推定することができ、結果的に監視空間Ｓｐ１における煙濃度の推定の精度が向上し、非火災報や失報を低減することができる。
【００５２】
さらに、本実施形態の火災感知器では、音速検出手段４３において、監視音源部１が超音波を送波してから超音波が監視受波素子３に受波されるまでの時間差に基づいて音速を求め、温度推定手段４４において、音速検出手段４３で求めた音速に基づいて上記監視空間Ｓｐ１の温度を推定し、熱式判断手段４５において、温度推定手段４４で推定された温度と規定温度とを比較して火災の有無を判断するので、別途に温度検出素子を用いることなく火災発生時の温度上昇によっても火災を感知することが可能となり、火災をより確実に感知することが可能になる。
【００５３】
（実施形態２）
本実施形態の火災感知器は、基本構成が実施形態１と略同じであり、実施形態１にて説明した監視受波素子３と基準受波素子３０とが図６に示すように単一の差動型受波素子９からなる点が実施形態１の火災感知器と相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。
【００５４】
本実施形態では、図７に示すように監視空間Ｓｐ１を形成する筒体８１と基準空間Ｓｐ２を形成する筒体８２とが、回路基板５（図２参照）の厚み方向に積み重ねて配置されている。これにより、監視空間Ｓｐ１と基準空間Ｓｐ２とは、筒体８１および筒体８２の互いに対向した側壁を隔壁とし、当該隔壁を隔てて隣接する。隔壁となる筒体８１および筒体８２の側壁は一体であってもよい。ここで、筒体８１の長手方向における監視音源部１と反対側の端面、筒体８２の長手方向における基準音源部１０と反対側の端面はそれぞれ閉塞されている。
【００５５】
差動型受波素子９は、上述した監視空間Ｓｐ１と基準空間Ｓｐ２とを隔てる隔壁に配設されている。この差動型受波素子９は、筒体８１の内部空間である監視空間Ｓｐ１側と筒体８２の内部空間である基準空間Ｓｐ２側とのそれぞれに音圧を受ける受圧部が形成されており、両受圧部で受けた音圧の差を検出するものである。また、図６では図示を省略しているが、差動型受波素子９と信号処理部４との間には差動型受波素子９の出力を増幅する増幅器が設けられている。ここでは、制御部２が同期モードで監視音源部１および基準音源部１０を制御した際の差動型受波素子９の後段の増幅器の出力を差動出力とする。つまり、このように監視受波素子３と基準受波素子３０とを単一の差動型受波素子９としたことで監視受波素子３および基準受波素子３０の出力の差分に相当する成分を差動型受波素子９から直接取り出すことができるので、実施形態１で説明したように監視受波素子３と基準受波素子３０との差分をとる差動増幅部７（図１参照）は不要である。
【００５６】
なお、本実施形態では回路基板５の一表面側に筒体８１と筒体８２とを重ねて配置した例を示したが、筒体８１，８２の代わりに単一の筒体８を用いるようにしてもよく、たとえば図８に示すように筒体８の内部空間を長手方向の中央部に設けた隔壁８ｂによって監視空間Ｓｐ１と基準空間Ｓｐ２とに２等分するようにしてもよい。この筒体８は、監視空間Ｓｐ１側に煙粒子を含む浮遊粒子が通過する大きさに形成され監視空間Ｓｐ１の内外を連通させる連通孔８ａを有し、監視音源部１と基準音源部１０とが、長手方向の各端面にそれぞれ配置されている。筒体８のうち基準空間Ｓｐ２を形成する部分は遮断壁を兼ねており、浮遊粒子を通過させない大きさの微細孔（図示せず）が多数形成されているフィルタ（たとえば多孔質セラミックフィルタ）を少なくとも一部に有している。
【００５７】
次に、本実施形態で用いる差動型受波素子９の一例として静電容量型のマイクロホンを例示する。差動型受波素子９を構成する静電容量型のマイクロホンは、図９に示すように、それぞれシリコン基板に厚み方向に貫通する窓孔９１ａを設けることで形成された矩形枠状の一対のフレーム９１と、両フレーム９１の間に挟みこまれた導電性材料からなる固定板９３と、各フレーム９１の固定板９３とは反対の一表面側においてそれぞれ前記窓孔９１ａを閉塞する形に形成された導電性材料からなる一対の可動板９２とを備える。固定板９３は窓孔９１ａ内に固定電極９３ｂを有し、各可動板９２は固定電極９３ｂとの対向部位にそれぞれ可動電極９２ｂを有する。ここで、可動板９２における可動電極９２ｂの周囲には、フレーム９１の厚み方向に可動電極９２ｂが振動可能となるように可動電極９２ｂを保持する可撓部９２ｃが形成されている。さらに、両可動電極９２ｂは、固定電極９３ｂに設けた透孔９３ｃを通して導電性材料からなる連結片９２ｄで互いに連結されており一体に動作する。各可動板９２はそれぞれ窓孔９１ａの周囲に形成されたパッド９２ａに電気的に接続されており、固定板９３は一方のフレーム９１の一表面に形成されたパッド９３ａに対してフレーム９１に形成した貫通孔配線９３ｄによって電気的に接続されている。図９では図示を省略するが、フレーム９１は少なくとも固定板９３と可動板９２と各パッド９２ａ，９３ａと貫通孔配線９３ｄとの接触部位には絶縁膜を有する。なお、図９の例では可動板９２と固定板９３とをそれぞれ金属薄膜から形成しているが、可動板９２および固定板９３は金属薄膜に限るものではない。また、可撓部９２ｃはたとえばコルゲート構造であってもよい。
【００５８】
図９に示した構成の静電容量型のマイクロホンからなる差動型受波素子９では、固定電極９３ｂと両可動電極９２ｂとを電極とするコンデンサが形成されるから、各可動電極９２ｂがそれぞれ受圧部として機能し疎密波の圧力を受けることにより固定電極９３ｂと各可動電極９２ｂとの間の距離が変化し、固定電極９３ｂと各可動電極９２ｂとの間の静電容量が変化する。ここで、両可動電極９２ｂは一体に動作するので、固定電極９３ｂと両可動電極９２ｂとの間の静電容量は、一方の可動電極９２ｂで受けた音圧と他方の可動電極９２ｂで受けた音圧との差分に応じて変化する。したがって、固定電極９３ｂに電気的に接続したパッド９３ａと、各可動電極９２ｂにそれぞれ電気的に接続したパッド９２ａ，９２ａとの間に直流バイアス電圧を印加しておけば、パッド９２ａ，９２ａとパッド９３ａの間には超音波の音圧に応じて微小な電圧変化が生じるから、超音波の音圧を電気信号に変換することができる。ここでは、両パッド９２ａ，９２ａは連結片９２ｄを介して電気的に接続されているので、直流バイアス電圧はいずれか一方のパッド９２ａとパッド９３ａとの間に印加すればよい。また、連結片９２ｄを絶縁体材料から形成することで両可動電極９２ｂが電気的に分離された構成とし、固定電極９３ｂといずれか一方の可動電極９２ｂとの間の静電容量の変化を計測するようにしてもよい。
【００５９】
このように構成される差動型受波素子９は、監視空間Ｓｐ１と基準空間Ｓｐ２とを隔てる隔壁に対して、一方の可動板９２を監視空間Ｓｐ１に向け他方の可動板９２を基準空間Ｓｐ２に向けるように配設されることにより、監視空間Ｓｐ１で監視音源部１から受けた超音波の音圧と基準空間Ｓｐ２で基準音源部１０から受けた超音波の音圧との差を出力する。この構成によれば、差動型受波素子９は平坦な周波数特性を有し、また、出力における残響成分の発生期間が短いという利点がある。
【００６０】
ところで、本実施形態の信号処理部４は、制御部２が基準音源部１０を上記非同期モードで制御し基準音源部１０のみから超音波を送波させた状態での差動型受波素子９の出力を参照値として計測し、当該参照値の初期値からの変化量に基づいて前記差動出力を補正する出力補正手段（図示せず）を有する。すなわち、出力補正手段は、差動型受波素子９から参照値を受け、当該参照値の初期値からの変化率に基づく補正係数を保持し、この補正係数を使用して補正した差動出力を後段の煙濃度推定手段４１に出力する。ここで、参照値の初期値は、火災感知器に経時変化（たとえば、経年劣化）が生じていないとき（たとえば、出荷前）に検出された参照値であって、あらかじめ出力補正手段に保持される。また、このように検出した参照値を初期値とするのではなく、設計段階で同等の初期値を設定（プログラム上で設定）するようにしてもよい。ここで、制御部２および信号処理部４は、監視音源部１および基準音源部１０を駆動して監視空間Ｓｐ１の煙濃度を検出する前に毎回、基準音源部１０を駆動して参照値を計測し補正係数を算出するように構成されており、したがって、補正係数は監視空間Ｓｐ１における煙濃度の検出の度に更新される。
【００６１】
ここに、参照値の初期値からの変化率は、監視音源部１および基準音源部１０や差動型受波素子９の経時変化（たとえば、経年劣化）に応じて決まることとなり、この変化率に基づく補正係数を用いて差動出力を補正すれば、上記経時変化の影響を除いた差動出力が得られる。したがって、煙濃度推定手段４１で用いられる補正後の差動出力の初期値からの変化量においては経時変化の影響は除去され、監視空間Ｓｐ１における煙濃度の推定の精度が向上する。
【００６２】
以下に、本実施形態の火災感知器の動作例を図１０のフローチャートを基準して説明する。まず、たとえば火災感知器の出荷前において基準音源部１０を非同期モードで駆動して参照値の初期値を取得し、当該初期値を出力補正手段に保持させる（ステップＳ１）。そして、火災感知器の設置後において、監視音源部１および基準音源部１０を同期モードで駆動する前に基準音源部１０を非同期モードで駆動して参照値を計測し、この参照値の初期値からの変化率に基づいて補正係数を算出する（ステップＳ２）。その後、監視音源部１および基準音源部１０を同期モードで同時に駆動して差動出力を取得し、この差動出力を出力補正手段において上記補正係数を使用して補正することにより、差動出力から経時変化の影響を除去する（ステップＳ３）。そして、補正後の差動出力を用いて、煙濃度推定手段４１で監視空間Ｓｐ１の煙濃度を推定し、煙式判断手段４２で火災の有無を判断する（ステップＳ４）。ステップＳ４が終了すれば、補正係数を算出するステップＳ２に戻り、上述したステップＳ２〜Ｓ４の動作を定期的に繰り返す。
【００６３】
ここにおいて、たとえば差動型受波素子９に経時変化によりＭｓｅｎｓという量（０≦Ｍｓｅｎｓ≦１）の感度低下が生じたと仮定した場合に、基準音源部１０のみから超音波を送波させたときの差動型受波素子９の出力（つまり、参照値）をＰｒｅｆ、Ｐｒｅｆの初期値をＰｒｅｆ０、監視音源部１のみから超音波を送波させたときの差動型受波素子９の出力をＰｍｅｓ、Ｐｍｅｓの初期値をＰｍｅｓ０とすれば、出力補正手段は、
Ｐｒｅｆ＝（１−Ｍｓｅｎｓ）×Ｐｒｅｆ０
の式から補正係数（１−Ｍｓｅｎｓ）を算出することができ、この補正係数を用いて、
Ｐｍｅｓ０−Ｐｒｅｆ０＝（１／（１−Ｍｓｅｎｓ））×（Ｐｍｅｓ−Ｐｒｅｆ）
より差動出力（Ｐｍｅｓ−Ｐｒｅｆ）を補正することができる。
【００６４】
なお、本実施形態では監視空間Ｓｐ１の煙濃度を推定する前に毎回、基準音源部１０のみから超音波を送波させて参照値を計測し補正係数を算出する例を示したが、監視空間Ｓｐ１の煙濃度を複数回推定するごとに補正係数の算出を１回行う構成であってもよく、たとえば補正係数が変動することの少ない環境においては、補正係数の算出（つまり更新）の頻度を少なくすることによって低消費電力化を図ることも可能である。
【００６５】
以上説明した本実施形態の火災感知器では、定期的に、出力補正手段で差動出力を補正することにより、監視音源部１および基準音源部１０や差動型受波素子９の経時変化（たとえば、経年劣化）に応じた差動出力の変動を除去することができ、長期的な信頼性が高くなる。また、実施形態１で説明したように監視受波素子３と基準受波素子３０とを別々に設けて両者の出力の差を差動増幅部７でとり差分出力とする場合には、監視受波素子３と基準受波素子３０とで個別に生じたノイズが差分出力にそれぞれ重畳する可能性があるが、本実施形態では、監視受波素子３と基準受波素子３０とを単一の差動型受波素子９としたので、差動出力に含まれるノイズを低減することができＳＮ比が向上するという効果がある。
【００６６】
（実施形態３）
本実施形態の火災感知器は、基本構成が実施形態１と略同じであり、図１１に示すように制御部２および信号処理部４の構成が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。
【００６７】
ところで、本願発明者らは、監視音源部１と監視受波素子３との間の監視空間Ｓｐ１の浮遊粒子の種別に応じて図１２に示すように監視音源部１の出力周波数と音圧の単位減衰率との関係が異なるという知見を得た。ここで、監視空間Ｓｐ１に浮遊粒子が存在しない状態で監視受波素子３にて受波される音圧（以下、基準音圧という）をＩ０、減光式煙濃度計（減光式煙感知器）での評価でｘ％／ｍとなる濃度の浮遊粒子が監視空間Ｓｐ１に存在する状態で監視受波素子３にて受波される音圧をＩｘとしたときに、（Ｉ０−Ｉｘ）／Ｉ０で表される値を音圧の減衰率と定義し、特にｘ＝１のときの減衰率を単位減衰率と定義する。ここにおいて、基準音圧Ｉ０と音圧Ｉｘとは、監視空間Ｓｐ１における浮遊粒子の有無を除いては同一の条件で検出されるものとする。図１２中の「イ」は浮遊粒子が黒煙の煙粒子である場合の出力周波数と音圧の単位減衰率との関係を示す近似曲線（黒丸が測定データ）、「ロ」は浮遊粒子が白煙の煙粒子である場合の出力周波数と音圧の単位減衰率との関係を示す近似曲線（黒四角が測定データ）、「ハ」は浮遊粒子が湯気の粒子である場合の出力周波数と音圧の単位減衰率との関係を示す近似曲線（黒三角が測定データ）であり、ここに示す単位減衰率は、監視音源部１と監視受波素子３との間の距離を３０ｃｍに設定したときの各出力周波数ごとのデータである。また、図１２における右端の各データは、出力周波数が８２ｋＨｚのときのデータであり、出力周波数が８２ｋＨｚのときのデータを１として各出力周波数の単位減衰率を規格化した結果を図１３に示す。要するに、図１３は、横軸が出力周波数、縦軸が相対的単位減衰率となっている。また、白煙の煙粒子のサイズは８００ｎｍ程度、黒煙の煙粒子のサイズは２００ｎｍ程度、湯気の粒子のサイズは数μｍ〜２０μｍ程度である。ここで、監視空間Ｓｐ１に浮遊粒子が存在する状態で監視受波素子３にて受波される音圧Ｉｘの基準音圧Ｉ０に対する減衰量（Ｉ０−Ｉｘ）は、上述した差動出力の初期値からの変化量に相当するので、（Ｉ０−Ｉｘ）／Ｉ０で表される音圧の減衰率は、差動出力の初期値からの変化量を基準受波素子３０の出力（基準音圧Ｉ０に相当）で除した値（以下、差動出力の変化率という）に相当する。特に、単位減衰率に相当する差動出力の変化率を単位変化率と定義し、出力周波数が８２ｋＨｚのときの単位変化率を１として各出力周波数の単位変化率を規格化した結果を相対的単位変化率とする。
【００６８】
上述の知見に基づいて、本実施形態では、制御部２が、監視音源部１と基準音源部１０とのそれぞれから周波数の異なる複数種の超音波が順次送波されるように監視音源部１および基準音源部１０を同期モードで制御するようにし、信号処理部４は、少なくとも基準受波素子３０の出力、上記監視空間Ｓｐ１に存在する浮遊粒子の種別および浮遊粒子濃度に応じた監視音源部１の出力周波数と差動出力の相対的単位変化率（監視受波素子３の出力の相対的単位減衰率に相当）との関係データ（上述の図１３より抽出されるデータに相当）、煙粒子に関して特定周波数（たとえば、８２ｋＨｚ）における差動出力の単位変化率（上述の図１２より抽出されるデータに相当）を記憶した記憶手段４８と、監視音源部１から送波された各周波数の超音波ごとの差動出力と記憶手段４８に記憶されている関係データとを用いて上記監視空間Ｓｐ１に浮遊している粒子の種別を推定する粒子種別推定手段４６と、粒子種別推定手段４６にて推定された粒子が煙粒子のときに特定周波数（たとえば、８２ｋＨｚ）の超音波に対する差動出力の初期値からの変化量に基づいて上記監視空間Ｓｐ１の煙濃度を推定する煙濃度推定手段４７と、煙濃度推定手段４７にて推定された煙濃度と所定の閾値とを比較して火災の有無を判断する煙式判断手段４２とを有するようにしてある。
【００６９】
以下に、本実施形態の火災感知器の動作例を図１４のフローチャートを参照して説明する。まず、監視音源部１と基準音源部１０とのそれぞれから複数種の超音波を順次送波させ各超音波に対する監視受波素子３および基準受波素子３０の出力の差に相当する差動出力を信号処理部４で計測する（ステップＳ１１）。粒子種別推定手段４６は、各出力周波数ごとに差動出力と記憶手段４８に記憶されている基準受波素子３０の出力とから差動出力の変化率を求め（ステップＳ１２）、出力周波数が８２ｋＨｚでの差動出力の変化率に対する２０ｋＨｚでの差動出力の変化率の比を算出する（ステップＳ１３）。記憶手段４８には、監視音源部１の出力周波数と差動出力の相対的単位変化率との上記関係データとして、出力周波数が８２ｋＨｚでの相対的単位変化率に対する２０ｋＨｚでの相対的単位変化率の比（図１３の場合、白煙が０、黒煙が０．２、湯気が０．５となる）が記憶されており、粒子種別推定手段４６は、算出した差動出力の変化率の比を記憶手段４８に記憶されている関係データと比較し、関係データの中で変化率の比が最も近い種別の粒子を監視空間Ｓｐ１に浮遊している粒子と推定する（ステップＳ１４）。ここで、推定された粒子が煙粒子であれば煙濃度推定手段４７での処理に移行する（ステップＳ１５）。ここにおいて、白煙の場合には図１５に示すように減光式煙濃度計で計測される煙濃度と音圧の減衰率（差動出力の変化率に相当）との関係は直線で示すことのできるデータであり、他の粒子においても同様であるから、煙濃度推定手段４７は、推定された粒子種別について特定周波数（たとえば、８２ｋＨｚ）の超音波に対する差動出力の変化率の記憶手段４８に記憶されている差動出力の単位変化率に対する比を算出し、その比の値がｙの場合に監視空間Ｓｐ１の煙濃度が減光式煙濃度計での評価における煙濃度ｙ％／ｍに相当すると推定する（ステップＳ１６）。煙式判断手段４２は、ステップＳ１６で推定された煙濃度と所定の閾値（たとえば、減光式煙濃度計での評価で１０％／ｍとなる煙濃度）とを比較し、推定された煙濃度が上記閾値未満の場合には「火災無し」と判断する一方で、上記閾値以上の場合には「火災有り」と判断して火災感知信号を制御部２へ出力する。
【００７０】
上述の例では、粒子種別推定手段４６は出力周波数が８２ｋＨｚのときの変化率と２０ｋＨｚのときの変化率とを用いているが、これらの出力周波数の組み合わせに限定するものではなく、異なる組み合わせの出力周波数を用いてもよい。さらに、より多くの出力周波数に対する変化率を用いてもよく、その場合は粒子種別の推定の確度を向上させることができる。また、本実施形態では、煙濃度推定手段４７が特定周波数として１周波数を対象としているが、特定周波数として複数の周波数を対象とし、各特定周波数ごとに推定した煙濃度の平均値を求めるようにしてもよく、この場合、煙濃度の推定の確度が向上する。なお、信号処理部４は、マイクロコンピュータにより構成されており、粒子種別推定手段４６、煙濃度推定手段４７、煙式判断手段４２は、上記マイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載することにより実現されている。また、信号処理部４は、差動増幅部７の出力信号をアナログ−ディジタル変換するＡ／Ｄ変換器などが設けられている。
【００７１】
ここで、監視音源部１と基準音源部１０とのそれぞれには実施形態１にて説明した音波発生素子を各１つずつ用いており、上述の制御部２は、監視音源部１および基準音源部１０へ与える駆動入力波形の周波数を順次変化させることにより、監視音源部１および基準音源部１０から周波数の異なる複数種の超音波を順次送波させる。ここにおいて、制御部２は、監視音源部１から送波させる超音波の周波数を所定の周波数範囲（たとえば、２０ｋＨｚ〜８２ｋＨｚ）の下限周波数（たとえば、２０ｋＨｚ）から上限周波数（たとえば、８２ｋＨｚ）まで変化させるとともに、基準音源部１０から送波させる超音波の周波数を、監視音源部１から送波させる超音波と同期して下限周波数（たとえば、２０ｋＨｚ）から上限周波数（たとえば、８２ｋＨｚ）まで変化させる。なお、本実施形態では、監視音源部１および基準音源部１０の各々からそれぞれ周波数の異なる４種類の超音波が順次送波されるように制御部２が監視音源部１および基準音源部１０を制御するように構成してあるが、監視音源部１および基準音源部１０から送波させる超音波の周波数は４種類に限らず複数種類であればよく、たとえば、２種類とすれば、３種類以上の超音波を順次送波させる場合に比べて、制御部２および信号処理部４の負担を軽減できるとともに制御部２および信号処理部４の簡略化を図れる。本実施形態では、上述のように監視音源部１および基準音源部１０のそれぞれに実施形態１にて説明した音波発生素子を用いることで、順次送波する超音波をそれぞれ周波数の異なる超音波とすることができるので、監視音源部１および基準音源部１０のそれぞれに共振周波数の異なる複数の圧電素子を用いて各圧電素子から連続波の超音波を送波させる場合に比べて低コスト化を図れる。
【００７２】
なお、本実施形態では、監視音源部１の出力周波数と差動出力の相対的単位変化率との関係データを記憶手段４８に記憶した例を示したが、そもそも監視空間Ｓｐ１に存在する浮遊粒子の種別に応じて監視音源部１の出力周波数ごとに変化するのは差動出力の初期値からの変化量であるから、記憶手段４８に記憶する上記関係データは、監視音源部１の出力周波数と差動出力の初期値からの変化量との関係を示すデータであればよく、上述の相対的単位変化率に代えて、たとえば、差動出力の初期値からの変化量や、差動出力の初期値からの変化量を基準受波素子３０の出力で除しただけの変化率、あるいは単位変化率を採用した関係データを記憶手段４８に記憶するようにしてもよい。
【００７３】
以上説明した本実施形態の火災感知器では、粒子種別推定手段４６において、監視音源部１から送波された各周波数の超音波ごとの差動出力と記憶手段４８に記憶されている関係データとを用いて上記監視空間Ｓｐ１に浮遊している粒子の種別を推定し、粒子種別推定手段４６にて推定された粒子が煙粒子のときに、煙濃度推定手段４７において、特定周波数の超音波に対する差動出力の初期値からの変化量に基づいて上記監視空間Ｓｐ１の煙濃度を推定し、煙式判断手段４２において、煙濃度推定手段４７にて推定された煙濃度と所定の閾値とを比較して火災の有無を判断するので、散乱光式煙感知器や減光式煙感知器のような光電式の火災感知器で問題となるバックグランド光の影響をなくすことができ、散乱光式煙感知器に必要なラビリンス体を不要とすることができて散乱光式煙感知器に比べて応答性を向上でき、また、減光式煙感知器に比べて非火災報の低減が可能になる。しかも、粒子種別推定手段４６において上記監視空間Ｓｐ１に浮遊している粒子の種別を推定することで煙粒子と湯気とを識別可能となるから、散乱光式煙感知器および減光式煙感知器に比べて湯気に起因した非火災報を低減することが可能となり、台所や浴室での使用にも適する。また、粒子種別推定手段４６において白煙の煙粒子と黒煙の煙粒子とを識別可能となるから、火災の性状の識別に役立てることも可能となる。また、火災感知器を設置している室内の掃除や天井裏の電気工事などの際に浮遊する粉塵と煙粒子との識別も可能になるから、粉塵などに起因した非火災報を低減することも可能となる。
【００７４】
ところで、本実施形態では監視音源部１および基準音源部１０をそれぞれ単一の音波発生素子により構成し、制御部２が監視音源部１および基準音源部１０の各々へ与える駆動入力波形の周波数を順次変化させることにより、監視音源部１および基準音源部１０の各々から周波数の異なる複数種の超音波を順次送波させるようにしているが、互いに出力周波数の異なる複数の音波発生素子で監視音源部１および基準音源部１０をそれぞれ構成してもよい。この場合には、各音波発生素子として圧電素子のように機械的振動により超音波を発生する素子を用い、各音波発生素子をそれぞれの共振周波数で駆動することにより、監視音源部１および基準音源部１０の各々から送波される超音波の音圧を高めてＳＮ比の向上に寄与することができる。また、各音波発生素子を順次駆動して複数種の超音波を順次送波させるだけでなく、複数の音波発生素子を一斉に駆動して複数種の超音波を同時に送波させることも可能になる。
【００７５】
また、各音波発生素子に対してそれぞれ個別の監視受波素子３および基準受波素子３０を設けるようにしてもよく、この場合には、監視受波素子３および基準受波素子３０のそれぞれに共振特性のＱ値が比較的大きな圧電素子などを用い、各監視受波素子３および各基準受波素子３０をそれぞれの共振周波数の超音波の受波に用いることにより、監視受波素子３および基準受波素子３０の感度を向上させることができる。さらに、複数の音波発生素子を一斉に駆動して複数種の超音波を同時に送波させれば、複数種の超音波の音圧の減衰量を同時に検出することができ、監視空間Ｓｐ１の短期的な経時変化（たとえば浮遊粒子の濃度変化）の影響を受けることなく複数種の超音波について音圧の減衰量を検出して、浮遊粒子の種別や煙濃度を精度よく推定することができる。また、監視音源部１を構成する音波発生素子を監視受波素子３に兼用するとともに、基準音源部１０を構成する音波発生素子を基準受波素子３０に兼用することも考えられ、この場合、各音波発生素子から送波される超音波をそれぞれ当該音波発生素子に向けて反射する反射面が必要であるものの、素子数の低減による低コスト化を図ることができる。
【００７６】
なお、その他の構成および機能は実施形態１と同様であり、たとえば本実施形態の火災感知器においても、図１に示した実施形態１と同様、信号処理部４に、音速検出手段４３、温度推定手段４４、熱式判断手段４５を設けてもよい。
【００７７】
また、上記各実施形態において、制御部２が、監視音源部１から防虫効果のある周波数の超音波を送波させるようにすれば、上記監視空間Ｓｐ１に虫が侵入するのを防止することができ、虫に起因した非火災報を低減できる。ここで、制御部２は、煙濃度を推定するために監視音源部１から送波させる周波数の超音波とは別に、制御部２が非同期モードで監視音源部１を制御して防虫効果のある周波数の超音波を定期的に送波させるようにしてもよいし、煙濃度を推定するために制御部２が同期モードで監視音源部１および基準音源部１０を制御し監視音源部１から送波させる超音波の周波数を防虫効果のある周波数に設定するようにしてもよい。また、監視音源部１や基準音源部１０は上述の図３に示した構成の音波発生素子に限らず、たとえば、アルミニウム製の薄板を発熱体部として当該発熱体部への通電に伴う発熱体部の急激な温度変化による熱衝撃によって音波を発生させるものでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の実施形態１の構成を示すブロック図である。
【図２】同上の構成を示す概略下面図である。
【図３】同上に用いる音波発生素子を示す概略断面図である。
【図４】同上に用いる監視受波素子を示し、（ａ）は一部破断した概略斜面図、（ｂ）は概略断面図である。
【図５】同上の動作説明図である。
【図６】本発明の実施形態２の構成を示すブロック図である。
【図７】同上の要部を示す概略斜視図である。
【図８】同上の他の例の要部を示す概略斜視図である。
【図９】同上に用いる差動型受波素子を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略平面図である。
【図１０】同上の動作例を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の実施形態４の構成を示すブロック図である。
【図１２】同上の監視音源部の出力周波数と音圧の単位減衰率との関係を示す説明図である。
【図１３】同上の監視音源部の出力周波数と相対的単位減衰率との関係を示す説明図である。
【図１４】同上の動作例を示すフローチャートである。
【図１５】同上の煙濃度と特定周波数の超音波の減衰率との関係を示す説明図である。
【図１６】従来例を示し、（ａ）は概略下面図、（ｂ）は概略側面図である。
【図１７】同上の動作説明図である。
【符号の説明】
【００７９】
１ 監視音源部
２ 制御部
３ 監視受波素子
４ 信号処理部
７ 差動増幅部
８ｂ 隔壁
９ 差動型受波素子
１０ 基準音源部
１１ ベース基板
１２ 熱絶縁層
１３ 発熱体層（発熱体部）
３０ 基準受波素子
４１ 煙濃度推定手段
４２ 煙式判断手段
４６ 粒子種別推定手段
４７ 煙濃度推定手段
４８ 記憶手段
９２ｂ 可動電極（受圧部）
９３ｂ 固定電極
Ｓｐ１ 監視空間
Ｓｐ２ 基準空間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火災感知器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、火災時などに発生する煙を感知する火災感知器として、散乱光式煙感知器（たとえば特許文献１参照）や、減光式煙感知器（たとえば特許文献２参照）が知られている。ここにおいて、散乱光式煙感知器は、発光ダイオード素子よりなる投光素子から監視空間に照射された光の煙粒子による散乱光をフォトダイオードよりなる受光素子で受光するように構成されたものであり、監視空間に煙粒子が存在すれば散乱光が生じることによって受光素子での受光量が増大するから、受光素子での受光量の増加量に基づいて煙粒子の存否を検知できる。一方、減光式煙感知器は、投光素子から照射された光を受光素子により直接受光するように構成されたものであり、投光素子と受光素子との間の監視空間に煙粒子が存在すれば受光素子の受光量が減少するから、受光素子での受光量の減光量に基づいて煙粒子の存否を検知できる。
【０００３】
ところで、散乱光式煙感知器は、迷光対策としてラビリンス体を設ける必要があるので、空気の流れが少ない場合には、火災発生時に監視空間へ煙粒子が侵入するまでの時間が長くなり、応答性に問題があった。また、減光式煙感知器においては、火災が発生していないにもかかわらずバックグランド光の影響で発報してしまう（非火災報が発生してしまう）ことがあるという問題があった。また、分離型の減光式煙感知器は、投光素子と受光素子との光軸を高精度に軸合わせする必要があり、施工に手間がかかるという問題があった。
【特許文献１】特開２００１−３４８６２号公報
【特許文献２】特開昭６１−３３５９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した光電式の火災感知器の問題点を解決するために、本願出願人は、超音波を用いて煙の存否を検知する火災感知器を提案している。
【０００５】
この火災感知器は、図１６に示すように、超音波を送波可能な監視音源部１と、監視音源部１を制御する制御部と監視音源部１から送波された超音波の音圧を検出する監視受波素子３と、監視受波素子３の出力に基づいて火災の有無を判別する信号処理部とを備える。信号処理部は、監視受波素子３の出力の基準値からの減衰量に基づいて監視音源部１と監視受波素子３との間の監視空間の煙濃度を推定する煙濃度推定手段と、推定された煙濃度と所定の閾値とを比較して火災の有無を判断する煙式判断手段とを有する。すなわち、監視空間に煙粒子が入り込むと図１７に示すように監視音源部１からの超音波は監視受波素子３に到達するまでに音圧が低下し、監視受波素子３の出力の減衰量は監視空間の煙濃度に略比例して増加するので、この減衰量に基づき煙濃度を推定することで、火災の有無を判断することができる。
【０００６】
この超音波式の火災感知器では、光電式の火災感知器で問題となるバックグランド光の影響をなくすことができ、散乱光式煙感知器に必要なラビリンス体を不要とすることができて火災発生時に監視空間へ煙粒子が拡散しやすくなるから、散乱光式煙感知器に比べて応答性を向上でき、また、減光式煙感知器に比べて非火災報の低減が可能になる。
【０００７】
しかし、上述した超音波式の火災感知器においては、火災感知器の周囲環境の変化（たとえば、温度、湿度、大気圧などの変化）に応じて、監視音源部１から送波される超音波の音圧が変化したり、煙濃度が一定でも媒質である空気を伝搬する際の超音波の減衰率が変化したり、監視受波素子３の感度が変化したりすることにより、監視空間の煙濃度にかかわらず監視受波素子３の出力の基準値からの減衰量が変動し、非火災報や失報を生じる可能性がある。
【０００８】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであって、監視空間における超音波の減衰量に基づいて火災の有無を判別する構成において、非火災報や失報を低減可能な火災感知器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の発明では、外部空間に連通し外部空間から煙粒子を含む浮遊粒子が侵入可能な監視空間に対して超音波を送波可能な監視音源部と、煙粒子を含む浮遊粒子の侵入が遮断された基準空間に対して超音波を送波可能な基準音源部と、監視音源部および基準音源部を制御する制御部と、監視音源部から送波された超音波の音圧を検出する監視受波素子と、基準音源部から送波された超音波の音圧を検出する基準受波素子と、監視受波素子および基準受波素子の出力が同一周波数且つ同一位相となるように制御部が監視音源部および基準音源部を同期させて制御したときの監視受波素子および基準受波素子の出力の差に相当する差動出力に基づいて火災の有無を判断する信号処理部とを備え、信号処理部は、前記差動出力の初期値からの変化量に基づいて前記監視空間の煙濃度を推定する煙濃度推定手段と、煙濃度推定手段にて推定された煙濃度と所定の閾値とを比較して火災の有無を判断する煙式判断手段とを有することを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、外部空間に連通し外部空間から煙粒子を含む浮遊粒子が侵入可能な監視空間に対して超音波を送波可能な監視音源部と、煙粒子を含む浮遊粒子の侵入が遮断された基準空間に対して超音波を送波可能な基準音源部と、監視音源部から送波された超音波の音圧を検出する監視受波素子と、基準音源部から送波された超音波の音圧を検出する基準受波素子と、監視受波素子および基準受波素子の出力が同一周波数且つ同一位相となるように制御部が監視音源部および基準音源部を同期させて制御したときの監視受波素子および基準受波素子の出力の差に相当する差動出力に基づいて火災の有無を判断する信号処理部とを備え、煙濃度推定手段においては、前記差動出力の初期値からの変化量に基づいて前記監視空間の煙濃度を推定するので、火災感知器の周囲環境の変化に応じて、監視音源部から送波される超音波の音圧が変化したり、煙濃度が一定でも媒質である空気を伝搬する際の超音波の減衰率が変化したり、監視受波素子の感度が変化したりすることがあっても、これらの変化に起因した監視受波素子の出力変動が差動出力に影響することはなく、結果的に監視空間における煙濃度の推定の精度が向上し、非火災報や失報を低減することができる。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記監視音源部と前記基準音源部とが周波数の異なる複数種の超音波をそれぞれから送波可能であって、前記信号処理部が、前記監視空間に存在する浮遊粒子の種別および煙濃度に応じた前記監視音源部の出力周波数と前記差動出力の初期値からの変化量との関係データを記憶した記憶手段と、前記監視音源部から送波された各周波数の超音波ごとの前記差動出力と記憶手段に記憶されている関係データとを用いて前記監視空間に浮遊している粒子の種別を推定する粒子種別推定手段とを有し、前記煙濃度推定手段が、粒子種別推定手段にて推定された粒子が煙粒子のときに特定周波数の超音波に対する前記差動出力の初期値からの変化量に基づいて前記監視空間の煙濃度を推定することを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、信号処理部では、粒子種別推定手段において、監視音源部から送波された各周波数の超音波ごとの差動出力と記憶手段に記憶されている関係データとを用いて監視空間に浮遊している粒子の種別を推定し、粒子種別推定手段にて推定された粒子が煙粒子のときに、煙濃度推定手段において、特定周波数の超音波に対する差動出力の初期値からの変化量に基づいて監視空間の煙濃度を推定するので、粒子種別識別手段において監視空間に浮遊している粒子の種別を推定することで、たとえば煙粒子と湯気とを識別可能となるから、散乱光式煙感知器および減光式煙感知器に比べて湯気に起因した非火災報を低減することが可能となり、台所や浴室での使用にも適する。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記記憶手段は、前記関係データとして前記音源部の出力周波数と前記差動出力の初期値からの変化量を前記基準受波素子の出力で除した変化率との関係データを記憶していることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、前記音源部の出力周波数に応じて前記基準受波素子の出力が変動する場合でも、前記音源部の出力周波数と前記基準受波素子の出力の変動の影響が除去された変化率との関係データを用いることにより、前記基準受波素子の出力の変動の影響を受けずに前記監視空間に浮遊している粒子の種別を推定することができる。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項２または請求項３の発明において、前記監視音源部と前記基準音源部とがそれぞれ前記複数種の超音波を送波可能な単一の音波発生素子からなり、前記制御部が各音波発生素子からそれぞれ複数種の超音波が順次送波されるように前記監視音源部および前記基準音源部を制御することを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、監視音源部と基準音源部とのそれぞれに各種の超音波を送波可能な音波発生素子を複数個ずつ備える場合に比べて、監視音源部および基準音源部の小型化、低コスト化が可能となる。
【００１７】
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかの発明において、前記監視音源部および前記基準音源部が、発熱体部への通電に伴う発熱体部の温度変化により空気に熱衝撃を与えることで超音波を発生するものであることを特徴とする。
【００１８】
この構成によれば、監視音源部および基準音源部は平坦な周波数特性を有しており、発生させる超音波の周波数を広範囲にわたって変化させることができる。また、監視音源部および基準音源部から残響の少ない単パルス状の超音波を送波させることも可能となる。
【００１９】
請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記監視音源部および前記基準音源部が、ベース基板の一表面側に前記発熱体部が形成されるとともに、ベース基板の前記一表面側で前記発熱体部とベース基板との間に設けられて前記発熱体部とベース基板とを熱絶縁する多孔質層からなる熱絶縁層を有してなることを特徴とする。
【００２０】
この構成によれば、熱絶縁層が多孔質層からなるので、熱絶縁層が非多孔質層からなる場合に比べて、熱絶縁層の断熱性が向上して発熱体部への入力電圧に対する超音波の音圧の比が高くなり、低消費電力化を図ることができる。
【００２１】
請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれかの発明において、前記監視空間と前記基準空間とが隔壁を隔てて隣接しており、前記監視受波素子と前記基準受波素子とが、隔壁に配設されるとともに前記監視空間側と前記基準空間側とのそれぞれに音圧を受ける受圧部が形成されており、前記制御部が前記監視音源部および前記基準音源部を同期させて制御したときに両受圧部で受けた音圧の差を前記差動出力として検出する単一の差動型受波素子からなることを特徴とする。
【００２２】
この構成によれば、監視受波素子と基準受波素子とが単一の差動型受波素子からなるので、監視受波素子と基準受波素子とを別々に設けて両者の出力の差を差分出力とする場合のように監視受波素子と基準受波素子とで個別に生じたノイズが差分出力にそれぞれ重畳することはなく、したがって、差動出力に含まれるノイズを低減することができＳＮ比が向上する。
【００２３】
請求項８の発明は、請求項７の発明において、前記信号処理部が、前記制御部で前記基準音源部を制御し前記基準音源部のみから超音波を送波させた状態での前記差動型受波素子の出力を参照値として計測し、当該参照値の初期値からの変化量に基づいて前記差動出力を補正する出力補正手段を有することを特徴とする。
【００２４】
この構成によれば、監視音源部および基準音源部あるいは差動型受波素子の経時変化に応じて、監視音源部および基準音源部から送波される超音波の音圧や差動型受波素子の感度が変化することがあっても、これらの変化に起因した差動出力の初期値からの変化量の変動は出力補正手段での補正によって除去することができ、長期的な信頼性が高くなる。
【００２５】
請求項９の発明は、請求項７または請求項８の発明において、前記差動型受波素子が、互いに対向配置された固定電極と可動電極とを有し、前記両受圧部で受けた音圧の差に応じて固定電極と可動電極との間の距離が変化し固定電極と可動電極との間の静電容量が変化する静電容量型のマイクロホンからなることを特徴とする。
【００２６】
この構成によれば、差動型受波素子は、静電容量型のマイクロホンからなるので、平坦な周波数特性を有し、また、出力における残響成分の発生期間が短いという利点がある。
【００２７】
請求項１０の発明は、請求項１ないし請求項９のいずれかの発明において、前記基準空間が煙粒子を含む浮遊粒子を遮断する遮断壁によって包囲されており、遮断壁が前記浮遊粒子を通過させない大きさの微細孔を有し、当該微細孔によって前記基準空間と前記外部空間とを連通させていることを特徴とする。
【００２８】
この構成によれば、煙粒子を含む浮遊粒子を通過させない大きさの微細孔によって基準空間と外部空間とが連通されているので、基準空間への浮遊粒子の侵入を遮断しながらも、火災感知器の周囲環境のたとえば湿度や大気圧などの変化が微細孔を通して基準空間にも反映され、これらの変化に起因した監視受波素子の出力変動の影響を差動出力から除去することができ、非火災報や失報を低減することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明は、煙濃度推定手段において、差動出力の初期値からの変化量に基づいて監視空間の煙濃度を推定するので、火災感知器の周囲環境の変化に応じて、監視音源部から送波される超音波の音圧が変化したり、煙濃度が一定でも媒質である空気を伝搬する際の超音波の減衰率が変化したり、監視受波素子の感度が変化したりすることがあっても、これらの変化に起因した監視受波素子の出力変動が差動出力に影響することはなく、結果的に、監視空間における煙濃度の推定の精度が向上し、非火災報や失報を低減することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
（実施形態１）
本実施形態の火災感知器は、図１に示すように、超音波を送波可能な監視音源部１と、超音波を送波可能な基準音源部１０と、監視音源部１および基準音源部１０を制御する制御部２と、監視音源部１から送波された超音波の音圧を検出する監視受波素子３と、基準音源部１０から送波された超音波の音圧を検出する基準受波素子３０と、監視受波素子３および基準受波素子３０の出力の差をとり増幅して出力する差動増幅部７と、差動増幅部７の出力に基づいて火災の有無を判断する信号処理部４とを備えている。
【００３１】
ここにおいて、監視音源部１と監視受波素子３とは、図２に示すように円盤状のプリント基板からなる回路基板５の一表面側において互いに離間して対向配置され、同様に基準音源部１０と基準受波素子３０とが、回路基板５の一表面側において互いに離間して対向配置されており、同回路基板５に制御部２と差動増幅部７と信号処理部４とが設けられている。また、監視音源部１と監視受波素子３との間には筒状に形成された筒体８１が配設され、基準音源部１０と基準受波素子３０との間には筒状に形成された筒体８２が配設されている。各筒体８１，８２は、それぞれ直管状の角筒であって、長手方向の一端面（図２における左端面）が監視音源部１および基準音源部１０の各々で閉塞されるとともに、他端面（図２における右端面）が監視受波素子３および基準受波素子３０の各々で閉塞されることにより、内部空間を通して監視音源部１および基準音源部１０の各々からの超音波を伝搬させる。したがって監視音源部１と基準音源部１０とのそれぞれから送波される超音波は、筒体８１，８２の内部空間を通ることで拡散が抑制され、超音波の拡散による音圧の低下を抑制することができる。なお、筒体８１は、監視受波素子３の周囲に設けられ監視音源部１以外で発生した超音波が監視受波素子３に入射するのを阻止する遮音壁６（図１６参照）としての機能を兼ねる。
【００３２】
ここで、筒体８１は、煙粒子を含む浮遊粒子が通過する大きさの連通孔８１ａを長手方向に沿う側面に複数有しており、これにより監視音源部１と監視受波素子３との間には、火災の有無を監視するために連通孔８１ａを通して火災感知器の周囲の外部空間（外気）に連通した監視空間Ｓｐ１が形成される。一方、筒体８２は、少なくとも煙粒子を含む浮遊粒子を遮断する遮断壁としての機能を兼ねており、基準音源部１０と基準受波素子３０との間には、浮遊粒子の侵入が遮断された基準空間Ｓｐ２が形成される。つまり、監視音源部１は監視空間Ｓｐ１に対して超音波を送波し、基準音源部１０は基準空間Ｓｐ２に対して超音波を送波することになる。さらに、本実施形態では両筒体８１，８２の長さ寸法、開口形状は同一に設定されており、監視空間Ｓｐ１と基準空間Ｓｐ２との形状が略同一となっている。また、基準空間Ｓｐ２においては浮遊粒子の侵入が遮断されているので、基準空間Ｓｐ２の温度に関しては外部空間（外気）および監視空間Ｓｐ１と同じになるものの、基準空間Ｓｐ２に煙粒子や湯気などが侵入することはない。ここにおいて、本実施形態では浮遊粒子を通過させない大きさの微細孔（図示せず）が多数形成されているフィルタ（たとえば多孔質セラミックフィルタ）を筒体８２に有することで、微細孔を通して基準空間Ｓｐ２と外部空間とを連通させている。そのため、基準空間Ｓｐ２においては、温度以外に湿度や大気圧に関しても外部空間および監視空間Ｓｐ１と同じになる。
【００３３】
本実施形態では、監視音源部１と基準音源部１０とのそれぞれに、後述のように空気に熱衝撃を与えることで超音波を発生させる音波発生素子を用いることで、圧電素子に比べて残響時間が短い超音波を送波するようにし、且つ、監視受波素子３と基準受波素子３０とのそれぞれに共振特性のＱ値が圧電素子に比べて十分に小さく受波信号に含まれる残響成分の発生期間が短い静電容量型のマイクロホンを用いている。以下では監視音源部１および監視受波素子３の構成について説明するが、基準音源部１０においては監視音源部１、基準音源部３０においては監視受波素子３とそれぞれ同様の構成を採用しているものとする。
【００３４】
監視音源部１は、図３に示すように、単結晶のｐ形のシリコン基板からなるベース基板１１の一表面（図３における上面）側に多孔質シリコン層からなる熱絶縁層（断熱層）１２が形成され、熱絶縁層１２の表面側に発熱体部として金属薄膜からなる発熱体層１３が形成され、ベース基板１１の上記一表面側に発熱体層１３と電気的に接続された一対のパッド１４，１４が形成されている。なお、ベース基板１１の平面形状は矩形状であって、熱絶縁層１２、発熱体層１３それぞれの平面形状も矩形状に形成してある。また、ベース基板１１の上記一表面側において熱絶縁層１２が形成されていない部分の表面にはシリコン酸化膜からなる絶縁膜（図示せず）が形成されている。
【００３５】
上述の監視音源部１では、発熱体層１３の両端のパッド１４，１４間に通電して発熱体層１３に急激な温度変化を生じさせると、発熱体層１３に接触している空気（媒質）に急激な温度変化（熱衝撃）が生じる（つまり、発熱体層１３に接触している空気に熱衝撃が与えられる）。したがって、発熱体層１３に接触している空気は、発熱体層１３の温度上昇時には膨張し発熱体層１３の温度下降時には収縮するから、発熱体層１３への通電を適宜に制御することによって空気中を伝搬する超音波を発生させることができる。要するに、監視音源部１を構成する音波発生素子は、発熱体層１３への通電に伴う発熱体層１３の急激な温度変化を媒質の膨張収縮に変換することにより媒質を伝搬する超音波を発生するので、圧電素子のように機械的振動により超音波を発生する場合に比べて、残響の少ない単パルス状の超音波を送波させることができる。
【００３６】
上述の監視音源部１は、ベース基板１１としてｐ形のシリコン基板を用いており、熱絶縁層１２を多孔度が略６０〜略７０％の多孔質シリコン層からなる多孔質層により構成しているので、ベース基板１１として用いるシリコン基板の一部をフッ化水素水溶液とエタノールとの混合液からなる電解液中で陽極酸化処理することにより熱絶縁層１２となる多孔質シリコン層を形成することができる（ここで、陽極酸化処理により形成された多孔質シリコン層は、結晶粒径がナノメータオーダの微結晶シリコンからなるナノ結晶シリコンを多数含んでいる）。多孔質シリコン層は、多孔度が高くなるにつれて熱伝導率および熱容量が小さくなるので、熱絶縁層１２の熱伝導率および熱容量をベース基板１１の熱伝導率および熱容量に比べて小さくし、熱絶縁層１２の熱伝導率と熱容量との積をベース基板１１の熱伝導率と熱容量との積に比べて十分に小さくすることにより、発熱体層１３の温度変化を空気に効率よく伝達することができ発熱体層１３と空気との間で効率的な熱交換が起こり、且つ、ベース基板１１が熱絶縁層１２からの熱を効率よく受け取って熱絶縁層１２の熱を逃がすことができて発熱体層１３からの熱が熱絶縁層１２に蓄積されるのを防止することができる。なお、熱伝導率が１４８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が１．６３×１０６Ｊ／（ｍ３・Ｋ）の単結晶のシリコン基板を陽極酸化して形成される多孔度が６０％の多孔質シリコン層は、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が０．７×１０６Ｊ／（ｍ３・Ｋ）であることが知られている。本実施形態では、熱絶縁層１２を多孔度が略７０％の多孔質シリコン層により構成してあり、熱絶縁層１２の熱伝導率が０．１２Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が０．５×１０６Ｊ／（ｍ３・Ｋ）となっている。
【００３７】
発熱体層１３は、高融点金属の一種であるタングステンにより形成してあるが、発熱体層１３の材料はタングステンに限らず、たとえば、タンタル、モリブデン、イリジウム、アルミニウムなどを採用してもよい。また、上述の監視音源部１では、ベース基板１１の厚さを３００〜７００μｍ、熱絶縁層１２の厚さを１〜１０μｍ、発熱体層１３の厚さを２０〜１００ｎｍ、各パッド１４の厚さを０．５μｍとしてあるが、これらの厚さは一例であって特に限定するものではない。また、ベース基板１１の材料としてＳｉを採用しているが、ベース基板１１の材料はＳｉに限らず、たとえば、Ｇｅ、ＳｉＣ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどの陽極酸化処理による多孔質化が可能な他の半導体材料でもよく、いずれの場合にも、ベース基板１１の一部を多孔質化することで形成した多孔質層を熱絶縁層１２とすることができる。
【００３８】
上述のように監視音源部１は、一対のパッド１４，１４を介した発熱体層１３への通電に伴う発熱体層１３の温度変化に伴って超音波を発生するものであり、発熱体層１３へ与える駆動電圧波形あるいは駆動電流波形からなる駆動入力波形をたとえば周波数がｆ１の正弦波波形とした場合、理想的には、発熱体層１３で生じる温度振動の周波数が駆動入力波形の周波数ｆ１の２倍の周波数ｆ２となり、駆動入力波形ｆ１の略２倍の周波数の超音波を発生させることができる。すなわち、上述の監視音源部１は、圧電素子のように機械的振動により超音波を発生する場合に比べて、平坦な周波数特性を有しており、発生させる超音波の周波数を広範囲にわたって変化させることができる。また、上述の監視音源部１では、たとえば正弦波波形の半周期の孤立波を駆動入力波形として一対のパッド１４，１４間へ与えることによって、残響の少ない略１周期の単パルス状の超音波を発生させることができる。このような単パルス状の超音波を用いることにより、反射による干渉が起こりにくくなる。また、監視音源部１は、熱絶縁層１２が多孔質層により構成されているので、熱絶縁層１２が非多孔質層（たとえば、ＳｉＯ２膜など）からなる場合に比べて、熱絶縁層１２の断熱性が向上して超音波発生効率が高くなり、低消費電力化を図れる。
【００３９】
また、上述の監視受波素子３を構成する静電容量型のマイクロホンは、図４に示すように、シリコン基板に厚み方向に貫通する窓孔３１ａを設けることで形成された矩形枠状のフレーム３１と、フレーム３１の一表面側においてフレーム３１の対向する２つの辺に跨る形で配置されるカンチレバー型の受圧部３２とを備えている。ここにおいて、フレーム３１の一表面側には熱酸化膜３５と熱酸化膜３５を覆うシリコン酸化膜３６とシリコン酸化膜３６を覆うシリコン窒化膜３７とが形成されており、受圧部３２の一端部がシリコン窒化膜３７を介してフレーム３１に支持され、他端部が上記シリコン基板の厚み方向においてシリコン窒化膜３７に対向している。また、シリコン窒化膜３７における受圧部３２の他端部との対向面に金属薄膜（たとえば、クロム膜など）からなる固定電極３３ａが形成され、受圧部３２の他端部におけるシリコン窒化膜３７との対向面とは反対側に金属薄膜（たとえば、クロム膜など）からなる可動電極３３ｂが形成されている。なお、フレーム３１の他表面にはシリコン窒化膜３８が形成されている。また、受圧部３２は、上記各シリコン窒化膜３７，３８とは別工程で形成されるシリコン窒化膜により構成されている。
【００４０】
図４に示した構成の静電容量型のマイクロホンからなる監視受波素子３では、固定電極３３ａと可動電極３３ｂとを電極とするコンデンサが形成されるから、受圧部３２が疎密波の圧力を受けることにより固定電極３３ａと可動電極３３ｂとの間の距離が変化し、固定電極３３ａと可動電極３３ｂとの間の静電容量が変化する。したがって、固定電極３３ａおよび可動電極３３ｂに設けたパッド（図示せず）間に直流バイアス電圧を印加しておけば、パッドの間には超音波の音圧に応じて微小な電圧変化が生じるから、超音波の音圧を電気信号に変換することができる。
【００４１】
監視音源部１および基準音源部１０を制御する制御部２は、図示していないが、監視音源部１および基準音源部１０にそれぞれ駆動入力波形を与えて監視音源部１および基準音源部１０を駆動する駆動回路と、当該駆動回路を制御するマイクロコンピュータからなる制御回路とで構成されている。この制御部２は、監視音源部１および基準音源部１０のそれぞれから送波される超音波が互いに同一周波数且つ同一位相となるように監視音源部１および基準音源部１０を同期させて制御する同期モードと、監視音源部１および基準音源部１０の一方のみから超音波を送波させる非同期モードとの２種類の動作モードで監視音源部１および基準音源部１０を制御する。本実施形態では、監視音源部１と基準音源部１０とを同一の条件（たとえば、送波させる超音波の音圧）で駆動するとともに、監視受波素子３と基準受波素子３０とを同一の条件（たとえば、直流バイアス電圧）で使用し、さらに監視音源部１および監視受波素子３の位置関係と基準音源部１０および基準受波素子３０の位置関係とを同一に設定することにより、制御部２が同期モードで監視音源部１および基準音源部１０を制御した際に、監視空間Ｓｐ１に浮遊粒子の侵入がなく監視空間Ｓｐ１と基準空間Ｓｐ２とが同様の状態（たとえば、温度、湿度、大気圧）であれば、監視受波素子３の出力と基準受波素子３０の出力とが周波数および位相だけでなく強度についても同一になるようにしてある。
【００４２】
差動増幅部７は、監視受波素子３および基準受波素子３０の出力の差分をとり、さらに当該差分を増幅して出力するものであって、制御部２が同期モードで監視音源部１および基準音源部１０を制御した際の差動増幅部７の出力を以下では差動出力という。つまり、差動出力は、監視受波素子３および基準受波素子３０の出力が同一周波数且つ同一位相となるように制御部２が監視音源部１および基準音源部１０を同期させて制御したときの監視受波素子３および基準受波素子３０の出力の差に相当する。したがって、上述したように監視空間Ｓｐ１に浮遊粒子の侵入がなく監視空間Ｓｐ１と基準空間Ｓｐ２とが同様の状態（たとえば、温度、湿度、大気圧）であれば、差動出力はゼロになる。そこで、本実施形態では差動出力の初期値をゼロとする。
【００４３】
ところで、信号処理部４は、上述の差動出力の初期値からの変化量に基づいて監視音源部１と監視受波素子３との間の監視空間Ｓｐ１の煙濃度を推定する煙濃度推定手段４１と、煙濃度推定手段４１にて推定された煙濃度と所定の閾値とを比較して火災の有無を判断する煙式判断手段４２と、監視音源部１が超音波を送波してから当該超音波が監視受波素子３に受波されるまでの時間差に基づいて音速を求める音速検出手段４３と、音速検出手段４３で求めた音速に基づいて上記監視空間Ｓｐ１の温度を推定する温度推定手段４４と、温度推定手段４４で推定された温度と規定温度とを比較して火災の有無を判断する熱式判断手段４５とを有している。信号処理部４は、マイクロコンピュータにより構成されており、上記各手段４１〜４５は、上記マイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載することにより実現されている。また、信号処理部４は、差動増幅部７の出力信号をアナログ−ディジタル変換するＡ／Ｄ変換器などが設けられている。
【００４４】
煙濃度推定手段４１は、制御部２が同期モードで監視音源部１および基準音源部１０を制御した際の差動増幅部７の出力である差動出力の初期値（ゼロ）からの変化量に基づいて煙濃度を推定するものであるが、監視音源部１および基準音源部１０から送波される超音波の周波数が一定であれば、上記変化量は上記監視空間Ｓｐ１の煙濃度に略比例して増加する。すなわち、監視空間Ｓｐ１を通して監視音源部１からの超音波を受波する監視受波素子３の出力の減衰量は監視空間Ｓｐ１の煙濃度に略比例して増加するものの、浮遊粒子の侵入が遮断された基準空間Ｓｐ２を通して基準音源部１０からの超音波を受波する基準受波素子３０の出力は監視空間Ｓｐ１の煙濃度によっては変化しないので、監視受波素子３および基準受波素子３０の出力の差に相当する差動出力の変化量は上記監視空間Ｓｐ１の煙濃度に略比例して増加する。したがって、あらかじめ測定した煙濃度と差動出力の変化量との関係データに基づいて煙濃度と変化量との関係式を求めて記憶しておけば、上記関係式を用いて差動出力の変化量から煙濃度を推定することができる。また、煙式判断手段４２は、煙濃度推定手段４１にて推定された煙濃度が上記閾値未満の場合には「火災無し」と判断する一方で、上記閾値以上の場合には「火災有り」と判断して火災感知信号を制御部２へ出力する。ここで、制御部２は、煙式判断手段４２からの火災感知信号を受信すると、監視音源部１から可聴域の音波からなる警報音が発生するように上記非同期モードで監視音源部１への駆動入力波形を制御する。したがって、監視音源部１から警報音を発生させることができるので、警報音を出力するスピーカなどを別途に設ける必要がなく、火災感知器全体の小型化および低コスト化が可能となる。
【００４５】
また、音速検出手段４３は、監視音源部１と監視受波素子３との間の距離と上記時間差とを用いて音速を求める。また、温度推定手段４４は、周知の大気中の音速と絶対温度との関係式を利用して音速から上記監視空間Ｓｐ１の温度を推定する。熱式判断手段４５は、温度推定手段４４にて推定された温度が上記規定温度未満の場合には「火災無し」と判断する一方で、上記規定温度以上の場合には「火災有り」と判断して火災感知信号を制御部２へ出力する。ここで、制御部２は、熱式判断手段４５からの火災感知信号を受信した場合にも、監視音源部１から可聴域の音波からなる警報音が発生するように監視音源部１への駆動入力波形を制御する。なお、音速検出手段４３は、煙濃度を推定するために監視音源部１から送波させる超音波とは別に、制御部２が非同期モードで監視音源部１を制御して所定周波数の超音波を監視音源部１から定期的に送波させ当該超音波が監視受波素子３に受波されるまでの時間差に基づいて音速を求めるようにしてもよいし、煙濃度を推定するために制御部２が同期モードで監視音源部１および基準音源部１０を制御し監視音源部１から送波させる超音波を用いて音速を求めるようにしてもよい。基準音源部１０から超音波を送波させ当該超音波が基準受波素子３０に受波されるまでの時間差に基づいて音速を求めるようにしてもよい。
【００４６】
以下に、本実施形態の火災感知器の動作について図５を参照して説明する。制御部２は、定期的に、同期モードで監視音源部１および基準音源部１０を制御することにより監視音源部１および基準音源部１０から同時に超音波を送波させる。ここで、監視空間Ｓｐ１に煙が無ければ（つまり、図５（ｅ）が「無」）、図５（ａ）に示す基準受波素子１０の出力と図５（ｂ）に示す監視受波素子１の出力とは同一となり、両者の差分は図５（ｃ）のようにゼロとなる。したがって、図５（ｃ）の差分を増幅した差動増幅部７の出力である図５（ｄ）の差動出力はゼロ（初期値）となる。ここにおいて、煙濃度推定手段４１は、差動出力の初期値からの変化量に基づいて監視空間Ｓｐ１の煙濃度を推定するが、差動出力の初期値からの変化量はゼロであるから、推定される煙濃度は上記閾値未満となることにより煙式判断手段４２において「火災無し」と判断される。
【００４７】
一方、監視空間Ｓｐ１に煙が有れば（つまり、図５（ｅ）が「有」）、図５（ａ）に示す基準受波素子１０の出力は変化しないものの、図５（ｂ）に示す監視受波素子１の出力は監視空間Ｓｐ１の煙濃度に応じて減衰し、図５（ｃ）のように両者に差が生じる。したがって、図５（ｃ）の差分を増幅した差動増幅部７の出力である差動出力はゼロ（初期値）から変化する。このときの差動出力の初期値からの変化量は監視空間Ｓｐ１の煙濃度に略比例して増加する。ここにおいて、煙濃度推定手段４１は、差動出力の初期値からの変化量に基づいて監視空間Ｓｐ１の煙濃度を推定し、煙式判断手段４２は、煙濃度推定手段４１で推定された煙濃度が上記閾値以上であれば「火災有り」と判断する。
【００４８】
なお、本実施形態では、煙式判断手段４２や熱式判断手段４５から出力される火災感知器信号を制御部２へ出力するようにしているが、制御部２に限らず、たとえば、外部の通報装置へ出力するようにしてもよい。
【００４９】
また、本実施形態では、監視音源部１と基準音源部１０とを同一の条件（たとえば、送波させる超音波の音圧）で駆動するとともに、監視受波素子３と基準受波素子３０とを同一の条件（たとえば、直流バイアス電圧）で使用する例を示したが、監視音源部１と基準音源部１０とを別条件で駆動するとともに、監視受波素子３と基準受波素子３０とを別条件で使用するようにしてもよい。この場合、監視空間Ｓｐ１に浮遊粒子の侵入がなく監視空間Ｓｐ１と基準空間Ｓｐ２とが同様の状態（たとえば、温度、湿度、大気圧）であるときに、監視音源部１および基準音源部１０から同一周波数且つ同一位相の超音波を送波させても差動出力はゼロにはならないが、このときの差動出力を初期値とすれば、当該初期値からの差動出力の変化量に基づいて監視空間Ｓｐ１の煙濃度を推定することが可能である。
【００５０】
以上説明した本実施形態の火災感知器では、煙濃度推定手段４１において、差動出力の初期値からの変化量に基づいて監視音源部１と監視受波素子３との間の監視空間Ｓｐ１の煙濃度を推定し、煙式判断手段４２において、煙濃度推定手段４１にて推定された煙濃度と所定の閾値とを比較して火災の有無を判断するので、散乱光式煙感知器や減光式煙感知器のような光電式の火災感知器で問題となるバックグランド光の影響をなくすことができ、散乱光式煙感知器に必要なラビリンス体を不要とすることができて火災発生時に監視空間Ｓｐ１へ煙粒子が拡散しやすくなるから、散乱光式煙感知器に比べて応答性を向上でき、さらに、減光式煙感知器に比べて非火災報の低減が可能になる。
【００５１】
また、上述した構成の火災感知器においては、周囲環境の変化（たとえば、温度、湿度、大気圧などの変化）に応じて、監視音源部１から送波される超音波の音圧が変化したり、煙濃度が一定でも媒質である空気を伝搬する際の超音波の減衰率が変化したり、監視受波素子３の感度が変化したりすることが原因で、監視空間Ｓｐ１の煙濃度にかかわらず監視受波素子３の出力が変化することがある。ただし、このときの監視受波素子３の出力変動と同等の出力変動は基準受波素子３０の出力にも生じることとなるので、監視受波素子３および基準受波素子３０の出力の差に相当する差動出力においては、監視受波素子３の出力変動と基準受波素子３０の出力変動とが相殺されることでこれらの出力変動の影響は除去される。したがって、監視受波素子３単体の出力ではなく差動出力の初期値からの変化量に基づいて監視空間Ｓｐ１の煙濃度を推定する本実施形態の火災感知器では、周囲環境の変化があっても、この変化の影響を受けずに監視空間Ｓｐ１の煙濃度を推定することができ、結果的に監視空間Ｓｐ１における煙濃度の推定の精度が向上し、非火災報や失報を低減することができる。
【００５２】
さらに、本実施形態の火災感知器では、音速検出手段４３において、監視音源部１が超音波を送波してから超音波が監視受波素子３に受波されるまでの時間差に基づいて音速を求め、温度推定手段４４において、音速検出手段４３で求めた音速に基づいて上記監視空間Ｓｐ１の温度を推定し、熱式判断手段４５において、温度推定手段４４で推定された温度と規定温度とを比較して火災の有無を判断するので、別途に温度検出素子を用いることなく火災発生時の温度上昇によっても火災を感知することが可能となり、火災をより確実に感知することが可能になる。
【００５３】
（実施形態２）
本実施形態の火災感知器は、基本構成が実施形態１と略同じであり、実施形態１にて説明した監視受波素子３と基準受波素子３０とが図６に示すように単一の差動型受波素子９からなる点が実施形態１の火災感知器と相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。
【００５４】
本実施形態では、図７に示すように監視空間Ｓｐ１を形成する筒体８１と基準空間Ｓｐ２を形成する筒体８２とが、回路基板５（図２参照）の厚み方向に積み重ねて配置されている。これにより、監視空間Ｓｐ１と基準空間Ｓｐ２とは、筒体８１および筒体８２の互いに対向した側壁を隔壁とし、当該隔壁を隔てて隣接する。隔壁となる筒体８１および筒体８２の側壁は一体であってもよい。ここで、筒体８１の長手方向における監視音源部１と反対側の端面、筒体８２の長手方向における基準音源部１０と反対側の端面はそれぞれ閉塞されている。
【００５５】
差動型受波素子９は、上述した監視空間Ｓｐ１と基準空間Ｓｐ２とを隔てる隔壁に配設されている。この差動型受波素子９は、筒体８１の内部空間である監視空間Ｓｐ１側と筒体８２の内部空間である基準空間Ｓｐ２側とのそれぞれに音圧を受ける受圧部が形成されており、両受圧部で受けた音圧の差を検出するものである。また、図６では図示を省略しているが、差動型受波素子９と信号処理部４との間には差動型受波素子９の出力を増幅する増幅器が設けられている。ここでは、制御部２が同期モードで監視音源部１および基準音源部１０を制御した際の差動型受波素子９の後段の増幅器の出力を差動出力とする。つまり、このように監視受波素子３と基準受波素子３０とを単一の差動型受波素子９としたことで監視受波素子３および基準受波素子３０の出力の差分に相当する成分を差動型受波素子９から直接取り出すことができるので、実施形態１で説明したように監視受波素子３と基準受波素子３０との差分をとる差動増幅部７（図１参照）は不要である。
【００５６】
なお、本実施形態では回路基板５の一表面側に筒体８１と筒体８２とを重ねて配置した例を示したが、筒体８１，８２の代わりに単一の筒体８を用いるようにしてもよく、たとえば図８に示すように筒体８の内部空間を長手方向の中央部に設けた隔壁８ｂによって監視空間Ｓｐ１と基準空間Ｓｐ２とに２等分するようにしてもよい。この筒体８は、監視空間Ｓｐ１側に煙粒子を含む浮遊粒子が通過する大きさに形成され監視空間Ｓｐ１の内外を連通させる連通孔８ａを有し、監視音源部１と基準音源部１０とが、長手方向の各端面にそれぞれ配置されている。筒体８のうち基準空間Ｓｐ２を形成する部分は遮断壁を兼ねており、浮遊粒子を通過させない大きさの微細孔（図示せず）が多数形成されているフィルタ（たとえば多孔質セラミックフィルタ）を少なくとも一部に有している。
【００５７】
次に、本実施形態で用いる差動型受波素子９の一例として静電容量型のマイクロホンを例示する。差動型受波素子９を構成する静電容量型のマイクロホンは、図９に示すように、それぞれシリコン基板に厚み方向に貫通する窓孔９１ａを設けることで形成された矩形枠状の一対のフレーム９１と、両フレーム９１の間に挟みこまれた導電性材料からなる固定板９３と、各フレーム９１の固定板９３とは反対の一表面側においてそれぞれ前記窓孔９１ａを閉塞する形に形成された導電性材料からなる一対の可動板９２とを備える。固定板９３は窓孔９１ａ内に固定電極９３ｂを有し、各可動板９２は固定電極９３ｂとの対向部位にそれぞれ可動電極９２ｂを有する。ここで、可動板９２における可動電極９２ｂの周囲には、フレーム９１の厚み方向に可動電極９２ｂが振動可能となるように可動電極９２ｂを保持する可撓部９２ｃが形成されている。さらに、両可動電極９２ｂは、固定電極９３ｂに設けた透孔９３ｃを通して導電性材料からなる連結片９２ｄで互いに連結されており一体に動作する。各可動板９２はそれぞれ窓孔９１ａの周囲に形成されたパッド９２ａに電気的に接続されており、固定板９３は一方のフレーム９１の一表面に形成されたパッド９３ａに対してフレーム９１に形成した貫通孔配線９３ｄによって電気的に接続されている。図９では図示を省略するが、フレーム９１は少なくとも固定板９３と可動板９２と各パッド９２ａ，９３ａと貫通孔配線９３ｄとの接触部位には絶縁膜を有する。なお、図９の例では可動板９２と固定板９３とをそれぞれ金属薄膜から形成しているが、可動板９２および固定板９３は金属薄膜に限るものではない。また、可撓部９２ｃはたとえばコルゲート構造であってもよい。
【００５８】
図９に示した構成の静電容量型のマイクロホンからなる差動型受波素子９では、固定電極９３ｂと両可動電極９２ｂとを電極とするコンデンサが形成されるから、各可動電極９２ｂがそれぞれ受圧部として機能し疎密波の圧力を受けることにより固定電極９３ｂと各可動電極９２ｂとの間の距離が変化し、固定電極９３ｂと各可動電極９２ｂとの間の静電容量が変化する。ここで、両可動電極９２ｂは一体に動作するので、固定電極９３ｂと両可動電極９２ｂとの間の静電容量は、一方の可動電極９２ｂで受けた音圧と他方の可動電極９２ｂで受けた音圧との差分に応じて変化する。したがって、固定電極９３ｂに電気的に接続したパッド９３ａと、各可動電極９２ｂにそれぞれ電気的に接続したパッド９２ａ，９２ａとの間に直流バイアス電圧を印加しておけば、パッド９２ａ，９２ａとパッド９３ａの間には超音波の音圧に応じて微小な電圧変化が生じるから、超音波の音圧を電気信号に変換することができる。ここでは、両パッド９２ａ，９２ａは連結片９２ｄを介して電気的に接続されているので、直流バイアス電圧はいずれか一方のパッド９２ａとパッド９３ａとの間に印加すればよい。また、連結片９２ｄを絶縁体材料から形成することで両可動電極９２ｂが電気的に分離された構成とし、固定電極９３ｂといずれか一方の可動電極９２ｂとの間の静電容量の変化を計測するようにしてもよい。
【００５９】
このように構成される差動型受波素子９は、監視空間Ｓｐ１と基準空間Ｓｐ２とを隔てる隔壁に対して、一方の可動板９２を監視空間Ｓｐ１に向け他方の可動板９２を基準空間Ｓｐ２に向けるように配設されることにより、監視空間Ｓｐ１で監視音源部１から受けた超音波の音圧と基準空間Ｓｐ２で基準音源部１０から受けた超音波の音圧との差を出力する。この構成によれば、差動型受波素子９は平坦な周波数特性を有し、また、出力における残響成分の発生期間が短いという利点がある。
【００６０】
ところで、本実施形態の信号処理部４は、制御部２が基準音源部１０を上記非同期モードで制御し基準音源部１０のみから超音波を送波させた状態での差動型受波素子９の出力を参照値として計測し、当該参照値の初期値からの変化量に基づいて前記差動出力を補正する出力補正手段（図示せず）を有する。すなわち、出力補正手段は、差動型受波素子９から参照値を受け、当該参照値の初期値からの変化率に基づく補正係数を保持し、この補正係数を使用して補正した差動出力を後段の煙濃度推定手段４１に出力する。ここで、参照値の初期値は、火災感知器に経時変化（たとえば、経年劣化）が生じていないとき（たとえば、出荷前）に検出された参照値であって、あらかじめ出力補正手段に保持される。また、このように検出した参照値を初期値とするのではなく、設計段階で同等の初期値を設定（プログラム上で設定）するようにしてもよい。ここで、制御部２および信号処理部４は、監視音源部１および基準音源部１０を駆動して監視空間Ｓｐ１の煙濃度を検出する前に毎回、基準音源部１０を駆動して参照値を計測し補正係数を算出するように構成されており、したがって、補正係数は監視空間Ｓｐ１における煙濃度の検出の度に更新される。
【００６１】
ここに、参照値の初期値からの変化率は、監視音源部１および基準音源部１０や差動型受波素子９の経時変化（たとえば、経年劣化）に応じて決まることとなり、この変化率に基づく補正係数を用いて差動出力を補正すれば、上記経時変化の影響を除いた差動出力が得られる。したがって、煙濃度推定手段４１で用いられる補正後の差動出力の初期値からの変化量においては経時変化の影響は除去され、監視空間Ｓｐ１における煙濃度の推定の精度が向上する。
【００６２】
以下に、本実施形態の火災感知器の動作例を図１０のフローチャートを基準して説明する。まず、たとえば火災感知器の出荷前において基準音源部１０を非同期モードで駆動して参照値の初期値を取得し、当該初期値を出力補正手段に保持させる（ステップＳ１）。そして、火災感知器の設置後において、監視音源部１および基準音源部１０を同期モードで駆動する前に基準音源部１０を非同期モードで駆動して参照値を計測し、この参照値の初期値からの変化率に基づいて補正係数を算出する（ステップＳ２）。その後、監視音源部１および基準音源部１０を同期モードで同時に駆動して差動出力を取得し、この差動出力を出力補正手段において上記補正係数を使用して補正することにより、差動出力から経時変化の影響を除去する（ステップＳ３）。そして、補正後の差動出力を用いて、煙濃度推定手段４１で監視空間Ｓｐ１の煙濃度を推定し、煙式判断手段４２で火災の有無を判断する（ステップＳ４）。ステップＳ４が終了すれば、補正係数を算出するステップＳ２に戻り、上述したステップＳ２〜Ｓ４の動作を定期的に繰り返す。
【００６３】
ここにおいて、たとえば差動型受波素子９に経時変化によりＭｓｅｎｓという量（０≦Ｍｓｅｎｓ≦１）の感度低下が生じたと仮定した場合に、基準音源部１０のみから超音波を送波させたときの差動型受波素子９の出力（つまり、参照値）をＰｒｅｆ、Ｐｒｅｆの初期値をＰｒｅｆ０、監視音源部１のみから超音波を送波させたときの差動型受波素子９の出力をＰｍｅｓ、Ｐｍｅｓの初期値をＰｍｅｓ０とすれば、出力補正手段は、
Ｐｒｅｆ＝（１−Ｍｓｅｎｓ）×Ｐｒｅｆ０
の式から補正係数（１−Ｍｓｅｎｓ）を算出することができ、この補正係数を用いて、
Ｐｍｅｓ０−Ｐｒｅｆ０＝（１／（１−Ｍｓｅｎｓ））×（Ｐｍｅｓ−Ｐｒｅｆ）
より差動出力（Ｐｍｅｓ−Ｐｒｅｆ）を補正することができる。
【００６４】
なお、本実施形態では監視空間Ｓｐ１の煙濃度を推定する前に毎回、基準音源部１０のみから超音波を送波させて参照値を計測し補正係数を算出する例を示したが、監視空間Ｓｐ１の煙濃度を複数回推定するごとに補正係数の算出を１回行う構成であってもよく、たとえば補正係数が変動することの少ない環境においては、補正係数の算出（つまり更新）の頻度を少なくすることによって低消費電力化を図ることも可能である。
【００６５】
以上説明した本実施形態の火災感知器では、定期的に、出力補正手段で差動出力を補正することにより、監視音源部１および基準音源部１０や差動型受波素子９の経時変化（たとえば、経年劣化）に応じた差動出力の変動を除去することができ、長期的な信頼性が高くなる。また、実施形態１で説明したように監視受波素子３と基準受波素子３０とを別々に設けて両者の出力の差を差動増幅部７でとり差分出力とする場合には、監視受波素子３と基準受波素子３０とで個別に生じたノイズが差分出力にそれぞれ重畳する可能性があるが、本実施形態では、監視受波素子３と基準受波素子３０とを単一の差動型受波素子９としたので、差動出力に含まれるノイズを低減することができＳＮ比が向上するという効果がある。
【００６６】
（実施形態３）
本実施形態の火災感知器は、基本構成が実施形態１と略同じであり、図１１に示すように制御部２および信号処理部４の構成が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。
【００６７】
ところで、本願発明者らは、監視音源部１と監視受波素子３との間の監視空間Ｓｐ１の浮遊粒子の種別に応じて図１２に示すように監視音源部１の出力周波数と音圧の単位減衰率との関係が異なるという知見を得た。ここで、監視空間Ｓｐ１に浮遊粒子が存在しない状態で監視受波素子３にて受波される音圧（以下、基準音圧という）をＩ０、減光式煙濃度計（減光式煙感知器）での評価でｘ％／ｍとなる濃度の浮遊粒子が監視空間Ｓｐ１に存在する状態で監視受波素子３にて受波される音圧をＩｘとしたときに、（Ｉ０−Ｉｘ）／Ｉ０で表される値を音圧の減衰率と定義し、特にｘ＝１のときの減衰率を単位減衰率と定義する。ここにおいて、基準音圧Ｉ０と音圧Ｉｘとは、監視空間Ｓｐ１における浮遊粒子の有無を除いては同一の条件で検出されるものとする。図１２中の「イ」は浮遊粒子が黒煙の煙粒子である場合の出力周波数と音圧の単位減衰率との関係を示す近似曲線（黒丸が測定データ）、「ロ」は浮遊粒子が白煙の煙粒子である場合の出力周波数と音圧の単位減衰率との関係を示す近似曲線（黒四角が測定データ）、「ハ」は浮遊粒子が湯気の粒子である場合の出力周波数と音圧の単位減衰率との関係を示す近似曲線（黒三角が測定データ）であり、ここに示す単位減衰率は、監視音源部１と監視受波素子３との間の距離を３０ｃｍに設定したときの各出力周波数ごとのデータである。また、図１２における右端の各データは、出力周波数が８２ｋＨｚのときのデータであり、出力周波数が８２ｋＨｚのときのデータを１として各出力周波数の単位減衰率を規格化した結果を図１３に示す。要するに、図１３は、横軸が出力周波数、縦軸が相対的単位減衰率となっている。また、白煙の煙粒子のサイズは８００ｎｍ程度、黒煙の煙粒子のサイズは２００ｎｍ程度、湯気の粒子のサイズは数μｍ〜２０μｍ程度である。ここで、監視空間Ｓｐ１に浮遊粒子が存在する状態で監視受波素子３にて受波される音圧Ｉｘの基準音圧Ｉ０に対する減衰量（Ｉ０−Ｉｘ）は、上述した差動出力の初期値からの変化量に相当するので、（Ｉ０−Ｉｘ）／Ｉ０で表される音圧の減衰率は、差動出力の初期値からの変化量を基準受波素子３０の出力（基準音圧Ｉ０に相当）で除した値（以下、差動出力の変化率という）に相当する。特に、単位減衰率に相当する差動出力の変化率を単位変化率と定義し、出力周波数が８２ｋＨｚのときの単位変化率を１として各出力周波数の単位変化率を規格化した結果を相対的単位変化率とする。
【００６８】
上述の知見に基づいて、本実施形態では、制御部２が、監視音源部１と基準音源部１０とのそれぞれから周波数の異なる複数種の超音波が順次送波されるように監視音源部１および基準音源部１０を同期モードで制御するようにし、信号処理部４は、少なくとも基準受波素子３０の出力、上記監視空間Ｓｐ１に存在する浮遊粒子の種別および浮遊粒子濃度に応じた監視音源部１の出力周波数と差動出力の相対的単位変化率（監視受波素子３の出力の相対的単位減衰率に相当）との関係データ（上述の図１３より抽出されるデータに相当）、煙粒子に関して特定周波数（たとえば、８２ｋＨｚ）における差動出力の単位変化率（上述の図１２より抽出されるデータに相当）を記憶した記憶手段４８と、監視音源部１から送波された各周波数の超音波ごとの差動出力と記憶手段４８に記憶されている関係データとを用いて上記監視空間Ｓｐ１に浮遊している粒子の種別を推定する粒子種別推定手段４６と、粒子種別推定手段４６にて推定された粒子が煙粒子のときに特定周波数（たとえば、８２ｋＨｚ）の超音波に対する差動出力の初期値からの変化量に基づいて上記監視空間Ｓｐ１の煙濃度を推定する煙濃度推定手段４７と、煙濃度推定手段４７にて推定された煙濃度と所定の閾値とを比較して火災の有無を判断する煙式判断手段４２とを有するようにしてある。
【００６９】
以下に、本実施形態の火災感知器の動作例を図１４のフローチャートを参照して説明する。まず、監視音源部１と基準音源部１０とのそれぞれから複数種の超音波を順次送波させ各超音波に対する監視受波素子３および基準受波素子３０の出力の差に相当する差動出力を信号処理部４で計測する（ステップＳ１１）。粒子種別推定手段４６は、各出力周波数ごとに差動出力と記憶手段４８に記憶されている基準受波素子３０の出力とから差動出力の変化率を求め（ステップＳ１２）、出力周波数が８２ｋＨｚでの差動出力の変化率に対する２０ｋＨｚでの差動出力の変化率の比を算出する（ステップＳ１３）。記憶手段４８には、監視音源部１の出力周波数と差動出力の相対的単位変化率との上記関係データとして、出力周波数が８２ｋＨｚでの相対的単位変化率に対する２０ｋＨｚでの相対的単位変化率の比（図１３の場合、白煙が０、黒煙が０．２、湯気が０．５となる）が記憶されており、粒子種別推定手段４６は、算出した差動出力の変化率の比を記憶手段４８に記憶されている関係データと比較し、関係データの中で変化率の比が最も近い種別の粒子を監視空間Ｓｐ１に浮遊している粒子と推定する（ステップＳ１４）。ここで、推定された粒子が煙粒子であれば煙濃度推定手段４７での処理に移行する（ステップＳ１５）。ここにおいて、白煙の場合には図１５に示すように減光式煙濃度計で計測される煙濃度と音圧の減衰率（差動出力の変化率に相当）との関係は直線で示すことのできるデータであり、他の粒子においても同様であるから、煙濃度推定手段４７は、推定された粒子種別について特定周波数（たとえば、８２ｋＨｚ）の超音波に対する差動出力の変化率の記憶手段４８に記憶されている差動出力の単位変化率に対する比を算出し、その比の値がｙの場合に監視空間Ｓｐ１の煙濃度が減光式煙濃度計での評価における煙濃度ｙ％／ｍに相当すると推定する（ステップＳ１６）。煙式判断手段４２は、ステップＳ１６で推定された煙濃度と所定の閾値（たとえば、減光式煙濃度計での評価で１０％／ｍとなる煙濃度）とを比較し、推定された煙濃度が上記閾値未満の場合には「火災無し」と判断する一方で、上記閾値以上の場合には「火災有り」と判断して火災感知信号を制御部２へ出力する。
【００７０】
上述の例では、粒子種別推定手段４６は出力周波数が８２ｋＨｚのときの変化率と２０ｋＨｚのときの変化率とを用いているが、これらの出力周波数の組み合わせに限定するものではなく、異なる組み合わせの出力周波数を用いてもよい。さらに、より多くの出力周波数に対する変化率を用いてもよく、その場合は粒子種別の推定の確度を向上させることができる。また、本実施形態では、煙濃度推定手段４７が特定周波数として１周波数を対象としているが、特定周波数として複数の周波数を対象とし、各特定周波数ごとに推定した煙濃度の平均値を求めるようにしてもよく、この場合、煙濃度の推定の確度が向上する。なお、信号処理部４は、マイクロコンピュータにより構成されており、粒子種別推定手段４６、煙濃度推定手段４７、煙式判断手段４２は、上記マイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載することにより実現されている。また、信号処理部４は、差動増幅部７の出力信号をアナログ−ディジタル変換するＡ／Ｄ変換器などが設けられている。
【００７１】
ここで、監視音源部１と基準音源部１０とのそれぞれには実施形態１にて説明した音波発生素子を各１つずつ用いており、上述の制御部２は、監視音源部１および基準音源部１０へ与える駆動入力波形の周波数を順次変化させることにより、監視音源部１および基準音源部１０から周波数の異なる複数種の超音波を順次送波させる。ここにおいて、制御部２は、監視音源部１から送波させる超音波の周波数を所定の周波数範囲（たとえば、２０ｋＨｚ〜８２ｋＨｚ）の下限周波数（たとえば、２０ｋＨｚ）から上限周波数（たとえば、８２ｋＨｚ）まで変化させるとともに、基準音源部１０から送波させる超音波の周波数を、監視音源部１から送波させる超音波と同期して下限周波数（たとえば、２０ｋＨｚ）から上限周波数（たとえば、８２ｋＨｚ）まで変化させる。なお、本実施形態では、監視音源部１および基準音源部１０の各々からそれぞれ周波数の異なる４種類の超音波が順次送波されるように制御部２が監視音源部１および基準音源部１０を制御するように構成してあるが、監視音源部１および基準音源部１０から送波させる超音波の周波数は４種類に限らず複数種類であればよく、たとえば、２種類とすれば、３種類以上の超音波を順次送波させる場合に比べて、制御部２および信号処理部４の負担を軽減できるとともに制御部２および信号処理部４の簡略化を図れる。本実施形態では、上述のように監視音源部１および基準音源部１０のそれぞれに実施形態１にて説明した音波発生素子を用いることで、順次送波する超音波をそれぞれ周波数の異なる超音波とすることができるので、監視音源部１および基準音源部１０のそれぞれに共振周波数の異なる複数の圧電素子を用いて各圧電素子から連続波の超音波を送波させる場合に比べて低コスト化を図れる。
【００７２】
なお、本実施形態では、監視音源部１の出力周波数と差動出力の相対的単位変化率との関係データを記憶手段４８に記憶した例を示したが、そもそも監視空間Ｓｐ１に存在する浮遊粒子の種別に応じて監視音源部１の出力周波数ごとに変化するのは差動出力の初期値からの変化量であるから、記憶手段４８に記憶する上記関係データは、監視音源部１の出力周波数と差動出力の初期値からの変化量との関係を示すデータであればよく、上述の相対的単位変化率に代えて、たとえば、差動出力の初期値からの変化量や、差動出力の初期値からの変化量を基準受波素子３０の出力で除しただけの変化率、あるいは単位変化率を採用した関係データを記憶手段４８に記憶するようにしてもよい。
【００７３】
以上説明した本実施形態の火災感知器では、粒子種別推定手段４６において、監視音源部１から送波された各周波数の超音波ごとの差動出力と記憶手段４８に記憶されている関係データとを用いて上記監視空間Ｓｐ１に浮遊している粒子の種別を推定し、粒子種別推定手段４６にて推定された粒子が煙粒子のときに、煙濃度推定手段４７において、特定周波数の超音波に対する差動出力の初期値からの変化量に基づいて上記監視空間Ｓｐ１の煙濃度を推定し、煙式判断手段４２において、煙濃度推定手段４７にて推定された煙濃度と所定の閾値とを比較して火災の有無を判断するので、散乱光式煙感知器や減光式煙感知器のような光電式の火災感知器で問題となるバックグランド光の影響をなくすことができ、散乱光式煙感知器に必要なラビリンス体を不要とすることができて散乱光式煙感知器に比べて応答性を向上でき、また、減光式煙感知器に比べて非火災報の低減が可能になる。しかも、粒子種別推定手段４６において上記監視空間Ｓｐ１に浮遊している粒子の種別を推定することで煙粒子と湯気とを識別可能となるから、散乱光式煙感知器および減光式煙感知器に比べて湯気に起因した非火災報を低減することが可能となり、台所や浴室での使用にも適する。また、粒子種別推定手段４６において白煙の煙粒子と黒煙の煙粒子とを識別可能となるから、火災の性状の識別に役立てることも可能となる。また、火災感知器を設置している室内の掃除や天井裏の電気工事などの際に浮遊する粉塵と煙粒子との識別も可能になるから、粉塵などに起因した非火災報を低減することも可能となる。
【００７４】
ところで、本実施形態では監視音源部１および基準音源部１０をそれぞれ単一の音波発生素子により構成し、制御部２が監視音源部１および基準音源部１０の各々へ与える駆動入力波形の周波数を順次変化させることにより、監視音源部１および基準音源部１０の各々から周波数の異なる複数種の超音波を順次送波させるようにしているが、互いに出力周波数の異なる複数の音波発生素子で監視音源部１および基準音源部１０をそれぞれ構成してもよい。この場合には、各音波発生素子として圧電素子のように機械的振動により超音波を発生する素子を用い、各音波発生素子をそれぞれの共振周波数で駆動することにより、監視音源部１および基準音源部１０の各々から送波される超音波の音圧を高めてＳＮ比の向上に寄与することができる。また、各音波発生素子を順次駆動して複数種の超音波を順次送波させるだけでなく、複数の音波発生素子を一斉に駆動して複数種の超音波を同時に送波させることも可能になる。
【００７５】
また、各音波発生素子に対してそれぞれ個別の監視受波素子３および基準受波素子３０を設けるようにしてもよく、この場合には、監視受波素子３および基準受波素子３０のそれぞれに共振特性のＱ値が比較的大きな圧電素子などを用い、各監視受波素子３および各基準受波素子３０をそれぞれの共振周波数の超音波の受波に用いることにより、監視受波素子３および基準受波素子３０の感度を向上させることができる。さらに、複数の音波発生素子を一斉に駆動して複数種の超音波を同時に送波させれば、複数種の超音波の音圧の減衰量を同時に検出することができ、監視空間Ｓｐ１の短期的な経時変化（たとえば浮遊粒子の濃度変化）の影響を受けることなく複数種の超音波について音圧の減衰量を検出して、浮遊粒子の種別や煙濃度を精度よく推定することができる。また、監視音源部１を構成する音波発生素子を監視受波素子３に兼用するとともに、基準音源部１０を構成する音波発生素子を基準受波素子３０に兼用することも考えられ、この場合、各音波発生素子から送波される超音波をそれぞれ当該音波発生素子に向けて反射する反射面が必要であるものの、素子数の低減による低コスト化を図ることができる。
【００７６】
なお、その他の構成および機能は実施形態１と同様であり、たとえば本実施形態の火災感知器においても、図１に示した実施形態１と同様、信号処理部４に、音速検出手段４３、温度推定手段４４、熱式判断手段４５を設けてもよい。
【００７７】
また、上記各実施形態において、制御部２が、監視音源部１から防虫効果のある周波数の超音波を送波させるようにすれば、上記監視空間Ｓｐ１に虫が侵入するのを防止することができ、虫に起因した非火災報を低減できる。ここで、制御部２は、煙濃度を推定するために監視音源部１から送波させる周波数の超音波とは別に、制御部２が非同期モードで監視音源部１を制御して防虫効果のある周波数の超音波を定期的に送波させるようにしてもよいし、煙濃度を推定するために制御部２が同期モードで監視音源部１および基準音源部１０を制御し監視音源部１から送波させる超音波の周波数を防虫効果のある周波数に設定するようにしてもよい。また、監視音源部１や基準音源部１０は上述の図３に示した構成の音波発生素子に限らず、たとえば、アルミニウム製の薄板を発熱体部として当該発熱体部への通電に伴う発熱体部の急激な温度変化による熱衝撃によって音波を発生させるものでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の実施形態１の構成を示すブロック図である。
【図２】同上の構成を示す概略下面図である。
【図３】同上に用いる音波発生素子を示す概略断面図である。
【図４】同上に用いる監視受波素子を示し、（ａ）は一部破断した概略斜面図、（ｂ）は概略断面図である。
【図５】同上の動作説明図である。
【図６】本発明の実施形態２の構成を示すブロック図である。
【図７】同上の要部を示す概略斜視図である。
【図８】同上の他の例の要部を示す概略斜視図である。
【図９】同上に用いる差動型受波素子を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略平面図である。
【図１０】同上の動作例を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の実施形態４の構成を示すブロック図である。
【図１２】同上の監視音源部の出力周波数と音圧の単位減衰率との関係を示す説明図である。
【図１３】同上の監視音源部の出力周波数と相対的単位減衰率との関係を示す説明図である。
【図１４】同上の動作例を示すフローチャートである。
【図１５】同上の煙濃度と特定周波数の超音波の減衰率との関係を示す説明図である。
【図１６】従来例を示し、（ａ）は概略下面図、（ｂ）は概略側面図である。
【図１７】同上の動作説明図である。
【符号の説明】
【００７９】
１ 監視音源部
２ 制御部
３ 監視受波素子
４ 信号処理部
７ 差動増幅部
８ｂ 隔壁
９ 差動型受波素子
１０ 基準音源部
１１ ベース基板
１２ 熱絶縁層
１３ 発熱体層（発熱体部）
３０ 基準受波素子
４１ 煙濃度推定手段
４２ 煙式判断手段
４６ 粒子種別推定手段
４７ 煙濃度推定手段
４８ 記憶手段
９２ｂ 可動電極（受圧部）
９３ｂ 固定電極
Ｓｐ１ 監視空間
Ｓｐ２ 基準空間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部空間に連通し外部空間から煙粒子を含む浮遊粒子が侵入可能な監視空間に対して超音波を送波可能な監視音源部と、煙粒子を含む浮遊粒子の侵入が遮断された基準空間に対して超音波を送波可能な基準音源部と、監視音源部および基準音源部を制御する制御部と、監視音源部から送波された超音波の音圧を検出する監視受波素子と、基準音源部から送波された超音波の音圧を検出する基準受波素子と、監視受波素子および基準受波素子の出力が同一周波数且つ同一位相となるように制御部が監視音源部および基準音源部を同期させて制御したときの監視受波素子および基準受波素子の出力の差に相当する差動出力に基づいて火災の有無を判断する信号処理部とを備え、信号処理部は、前記差動出力の初期値からの変化量に基づいて前記監視空間の煙濃度を推定する煙濃度推定手段と、煙濃度推定手段にて推定された煙濃度と所定の閾値とを比較して火災の有無を判断する煙式判断手段とを有することを特徴とする火災感知器。
【請求項２】
前記監視音源部と前記基準音源部とは周波数の異なる複数種の超音波をそれぞれから送波可能であって、前記信号処理部は、前記監視空間に存在する浮遊粒子の種別および煙濃度に応じた前記監視音源部の出力周波数と前記差動出力の初期値からの変化量との関係データを記憶した記憶手段と、前記監視音源部から送波された各周波数の超音波ごとの前記差動出力と記憶手段に記憶されている関係データとを用いて前記監視空間に浮遊している粒子の種別を推定する粒子種別推定手段とを有し、前記煙濃度推定手段は、粒子種別推定手段にて推定された粒子が煙粒子のときに特定周波数の超音波に対する前記差動出力の初期値からの変化量に基づいて前記監視空間の煙濃度を推定することを特徴とする請求項１記載の火災感知器。
【請求項３】
前記記憶手段は、前記関係データとして前記音源部の出力周波数と前記差動出力の初期値からの変化量を前記基準受波素子の出力で除した変化率との関係データを記憶していることを特徴とする請求項２記載の火災感知器。
【請求項４】
前記監視音源部と前記基準音源部とはそれぞれ前記複数種の超音波を送波可能な単一の音波発生素子からなり、前記制御部は各音波発生素子からそれぞれ複数種の超音波が順次送波されるように前記監視音源部および前記基準音源部を制御することを特徴とする請求項２または請求項３記載の火災感知器。
【請求項５】
前記監視音源部および前記基準音源部は、発熱体部への通電に伴う発熱体部の温度変化により空気に熱衝撃を与えることで超音波を発生するものであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の火災感知器。
【請求項６】
前記監視音源部および前記基準音源部は、ベース基板の一表面側に前記発熱体部が形成されるとともに、ベース基板の前記一表面側で前記発熱体部とベース基板との間に設けられて前記発熱体部とベース基板とを熱絶縁する多孔質層からなる熱絶縁層を有してなることを特徴とする請求項５記載の火災感知器。
【請求項７】
前記監視空間と前記基準空間とは隔壁を隔てて隣接しており、前記監視受波素子と前記基準受波素子とは、隔壁に配設されるとともに前記監視空間側と前記基準空間側とのそれぞれに音圧を受ける受圧部が形成されており、前記制御部が前記監視音源部および前記基準音源部を同期させて制御したときに両受圧部で受けた音圧の差を前記差動出力として検出する単一の差動型受波素子からなることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の火災感知器。
【請求項８】
前記信号処理部は、前記制御部で前記基準音源部を制御し前記基準音源部のみから超音波を送波させた状態での前記差動型受波素子の出力を参照値として計測し、当該参照値の初期値からの変化量に基づいて前記差動出力を補正する出力補正手段を有することを特徴とする請求項７記載の火災感知器。
【請求項９】
前記差動型受波素子は、互いに対向配置された固定電極と可動電極とを有し、前記両受圧部で受けた音圧の差に応じて固定電極と可動電極との間の距離が変化し固定電極と可動電極との間の静電容量が変化する静電容量型のマイクロホンからなることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の火災感知器。
【請求項１０】
前記基準空間は煙粒子を含む浮遊粒子を遮断する遮断壁によって包囲されており、遮断壁は前記浮遊粒子を通過させない大きさの微細孔を有し、当該微細孔によって前記基準空間と前記外部空間とを連通させていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の火災感知器。
【請求項１】
外部空間に連通し外部空間から煙粒子を含む浮遊粒子が侵入可能な監視空間に対して超音波を送波可能な監視音源部と、煙粒子を含む浮遊粒子の侵入が遮断された基準空間に対して超音波を送波可能な基準音源部と、監視音源部および基準音源部を制御する制御部と、監視音源部から送波された超音波の音圧を検出する監視受波素子と、基準音源部から送波された超音波の音圧を検出する基準受波素子と、監視受波素子および基準受波素子の出力が同一周波数且つ同一位相となるように制御部が監視音源部および基準音源部を同期させて制御したときの監視受波素子および基準受波素子の出力の差に相当する差動出力に基づいて火災の有無を判断する信号処理部とを備え、信号処理部は、前記差動出力の初期値からの変化量に基づいて前記監視空間の煙濃度を推定する煙濃度推定手段と、煙濃度推定手段にて推定された煙濃度と所定の閾値とを比較して火災の有無を判断する煙式判断手段とを有することを特徴とする火災感知器。
【請求項２】
前記監視音源部と前記基準音源部とは周波数の異なる複数種の超音波をそれぞれから送波可能であって、前記信号処理部は、前記監視空間に存在する浮遊粒子の種別および煙濃度に応じた前記監視音源部の出力周波数と前記差動出力の初期値からの変化量との関係データを記憶した記憶手段と、前記監視音源部から送波された各周波数の超音波ごとの前記差動出力と記憶手段に記憶されている関係データとを用いて前記監視空間に浮遊している粒子の種別を推定する粒子種別推定手段とを有し、前記煙濃度推定手段は、粒子種別推定手段にて推定された粒子が煙粒子のときに特定周波数の超音波に対する前記差動出力の初期値からの変化量に基づいて前記監視空間の煙濃度を推定することを特徴とする請求項１記載の火災感知器。
【請求項３】
前記記憶手段は、前記関係データとして前記音源部の出力周波数と前記差動出力の初期値からの変化量を前記基準受波素子の出力で除した変化率との関係データを記憶していることを特徴とする請求項２記載の火災感知器。
【請求項４】
前記監視音源部と前記基準音源部とはそれぞれ前記複数種の超音波を送波可能な単一の音波発生素子からなり、前記制御部は各音波発生素子からそれぞれ複数種の超音波が順次送波されるように前記監視音源部および前記基準音源部を制御することを特徴とする請求項２または請求項３記載の火災感知器。
【請求項５】
前記監視音源部および前記基準音源部は、発熱体部への通電に伴う発熱体部の温度変化により空気に熱衝撃を与えることで超音波を発生するものであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の火災感知器。
【請求項６】
前記監視音源部および前記基準音源部は、ベース基板の一表面側に前記発熱体部が形成されるとともに、ベース基板の前記一表面側で前記発熱体部とベース基板との間に設けられて前記発熱体部とベース基板とを熱絶縁する多孔質層からなる熱絶縁層を有してなることを特徴とする請求項５記載の火災感知器。
【請求項７】
前記監視空間と前記基準空間とは隔壁を隔てて隣接しており、前記監視受波素子と前記基準受波素子とは、隔壁に配設されるとともに前記監視空間側と前記基準空間側とのそれぞれに音圧を受ける受圧部が形成されており、前記制御部が前記監視音源部および前記基準音源部を同期させて制御したときに両受圧部で受けた音圧の差を前記差動出力として検出する単一の差動型受波素子からなることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の火災感知器。
【請求項８】
前記信号処理部は、前記制御部で前記基準音源部を制御し前記基準音源部のみから超音波を送波させた状態での前記差動型受波素子の出力を参照値として計測し、当該参照値の初期値からの変化量に基づいて前記差動出力を補正する出力補正手段を有することを特徴とする請求項７記載の火災感知器。
【請求項９】
前記差動型受波素子は、互いに対向配置された固定電極と可動電極とを有し、前記両受圧部で受けた音圧の差に応じて固定電極と可動電極との間の距離が変化し固定電極と可動電極との間の静電容量が変化する静電容量型のマイクロホンからなることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の火災感知器。
【請求項１０】
前記基準空間は煙粒子を含む浮遊粒子を遮断する遮断壁によって包囲されており、遮断壁は前記浮遊粒子を通過させない大きさの微細孔を有し、当該微細孔によって前記基準空間と前記外部空間とを連通させていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の火災感知器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２００８−２３４０２０（Ｐ２００８−２３４０２０Ａ）
【公開日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−６９０９１（Ｐ２００７−６９０９１）
【出願日】平成１９年３月１６日（２００７．３．１６）
【出願人】（０００００５８３２）松下電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月１６日（２００７．３．１６）
【出願人】（０００００５８３２）松下電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
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