火災感知器
【課題】音源部から複数の周波数成分を含む音波を送波しながらも、高周波成分についてのＳＮ比を改善することができる火災感知器を提供する。
【解決手段】音源部１は、所定の臨界周波数よりも高く設定された基本周波数のバースト波を送波する。音源部１から送波されるバースト波のパワースペクトルは、１周期の長さに応じた基本周波数を基準に、広範囲の周波数に亘ってエネルギが分布した形となる。臨界周波数は、受波素子３の共振周波数である。これにより、音源部１から送波される超音波は、受波素子３の感度が低下する共振周波数よりも高周波側に設定されている基本周波数において、音圧が最も高くなる。
【解決手段】音源部１は、所定の臨界周波数よりも高く設定された基本周波数のバースト波を送波する。音源部１から送波されるバースト波のパワースペクトルは、１周期の長さに応じた基本周波数を基準に、広範囲の周波数に亘ってエネルギが分布した形となる。臨界周波数は、受波素子３の共振周波数である。これにより、音源部１から送波される超音波は、受波素子３の感度が低下する共振周波数よりも高周波側に設定されている基本周波数において、音圧が最も高くなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、監視空間の煙濃度から火災の有無を判断する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、散乱光式煙感知器や、減光式煙感知器が知られている。ただし、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、応答性に問題がある。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）可能性がある。
【０００３】
これに対し、本件出願人は、音波（たとえば超音波）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。
【０００４】
この火災感知器は、音波を送波可能な音源部と、音源部を制御する制御部と、音源部から送波された音波の音圧を検出する受波素子と、受波素子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、検出値（受波素子の出力）の基準値からの減衰量に基づいて監視空間の煙濃度を推定し、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。すなわち、監視空間に煙粒子が入り込むと音源部からの音波は受波素子に到達するまでに音圧が低下し、検出値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。
【０００５】
さらに、本件出願人は、監視空間の浮遊粒子の種別に応じて音源部の出力周波数と音圧の減衰率との関係が異なるという知見に基づいて、音源部から周波数の異なる複数種の音波が送波されるようにした火災感知器を提案している（たとえば特許文献１参照）。
【０００６】
この火災感知器では、信号処理部は各周波数成分ごとの検出値（強度）と、予め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する。これにより、たとえば煙粒子と湯気とを識別可能となるから、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、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も低減できる。
【０００７】
ただし、音源部から複数種の音波を送波させるためには、各種の音波を送波する音源部を複数個用いるか、あるいは制御部によって１個の音源部から複数種の音波を順次送波させる必要がある。前者の場合、音源部を１個とする構成に比べて音源部に掛かるコストが高くなり、また火災感知器の大型化にもつながる。一方、後者の場合、音源部から音波を送波する度に音源部を異なる駆動周波数で駆動する必要があるため、音源部から１種類の音波を送波させる場合に比べて制御部の構成が複雑化して、コスト高につながる。また、いずれの場合においても、複数種の音波が個別に送波されるため、個々の音波の送波時に送波音圧のばらつきが生じることで浮遊粒子の種別や濃度の推定確度が低くなる可能性がある。
【０００８】
そこで、特許文献１記載の火災感知器は、音源部から複数の周波数成分を含む単パルス状の音波を送波し、受波素子で検出された音波から各周波数成分の強度を検出値として抽出する構成を採用している。つまり、図１３（ａ）に例示するような単パルスの音波は、図１３（ｂ）に示すようにパルス幅に応じた周波数ｆ０を中心として広範囲の周波数に亘って強度が分布したパワースペクトルを有する。これにより、監視空間に浮遊している粒子の種別を推定可能としながらも、音源部から複数種の音波を送波させる必要がない。
【０００９】
また、音源部から送波された音波の進行方向において互いに対向するように配置されそれぞれ音波を反射する一対の反射面が設けられ、音源部および受波素子が各反射面上にそれぞれ配置された構成の火災感知器も提案されている。この構成では、受波素子は、音源部から直接伝播される直達波と、反射面で反射されてから伝播される反射波との両方を受波する。信号処理部は、周波数成分ごとに直達波に対する反射波の音圧比を検出値として求め、この検出値（音圧比）の基準値からの減衰量に基づき監視空間の煙濃度を推定する。
【００１０】
この構成によれば、経時変化や周囲環境の変化に応じて音源部や受波素子に特性変化が生じたとしても、この特性変化は直達波と反射波との両方に一律に影響するため音圧比に影響することはない。したがって、音源部や受波素子の特性変化の影響を受けることなく煙濃度を推定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−１１０１２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、煙粒子による音波の減衰率は音波の高周波側ほど大きくなるため、高周波側ほど煙の有無を判断しやすくなる。
【００１３】
しかし、特許文献１記載の構成では、たとえば受波素子の感度や音源部の周波数依存性によって、高周波側の周波数成分ほど検出値（強度）のＳＮ比は低下する。つまり、一般的に、受波素子の共振周波数ｆｃよりも高い周波数帯域では受波素子の感度は低下するため、図１３（ｃ）に示すように共振周波数ｆｃの高周波側で受波素子の出力の強度が低下し、ＳＮ比が低下することがある。
【００１４】
また、曲面状の反射板を用いて周波数成分ごとに直達波に対する反射波の音圧比を検出値として求める構成においては、高周波側ほど音波の指向性が強くなり、受波素子にて受波される反射波に関する音圧の増大効果が小さくなる。これに起因して検出値（音圧比）のＳＮ比は高周波側ほど低くなる。さらに、音波の空気による吸収減衰によっても高周波側の周波数成分ほど減衰が大きく検出値のＳＮ比は低下する。
【００１５】
したがって、高周波成分を活用して煙の有無を検知しようとした場合、検出値のＳＮ比が低下するために、火災感知の精度が低下するという問題がある。
【００１６】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであって、音源部から複数の周波数成分を含む音波を送波しながらも、高周波成分についてのＳＮ比を改善することができる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】
【００１７】
本発明の火災感知器は、複数の周波数成分を含む音波を送波する音源部と、前記音源部を制御する制御部と、前記音源部から送波された音波の音圧を検出する受波素子と、前記受波素子の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、前記信号処理部は、前記受波素子で検出された音波から各周波数成分の検出値を抽出する周波数成分抽出部と、前記音源部と前記受波素子との間の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各周波数成分の中心周波数と前記検出値の基準値からの減衰量との関係データを記憶した記憶部と、前記周波数成分抽出部で抽出された各周波数成分の前記検出値と前記記憶部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部と、前記粒子種別推定部にて推定された粒子が煙粒子のときに特定の周波数成分の前記検出値の前記基準値からの減衰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部と、前記煙濃度推定部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火災判断部とを有し、前記音源部が送波する音波は、所定の臨界周波数よりも高い周波数を基本周波数とし、前記基本周波数の周波数成分と当該基本周波数よりも低い少なくとも１つの周波数成分とを含むバースト波であって、前記臨界周波数は、前記周波数成分抽出部にて抽出される周波数成分のうち最も高い周波数成分の周波数域に含まれ、前記監視空間に浮遊粒子が存在しない状態で音波の周波数を高周波側にシフトさせたときに、前記周波数成分抽出部にて抽出される周波数成分のうち最も高い周波数成分の前記検出値が減衰し始める周波数であることを特徴とする。
【００１８】
この火災感知器において、前記臨界周波数は、前記受波素子の共振周波数であることが望ましい。
【００１９】
この火災感知器において、前記音源部から送波された音波の進行方向において互いに対向するように配置されそれぞれ音波を反射する一対の反射面が設けられており、前記音源部および前記受波素子はそれぞれ前記反射面の各々に配置され、前記反射面は、前記音源部からの音波を集音する形に湾曲した凹曲面からなり、前記周波数成分抽出部は、前記音源部から前記受波素子に直接伝播される音波である直達波と、前記反射面で反射されて前記受波素子に伝播される音波である反射波との音圧比であって、前記直達波に対する前記反射波の前記音圧比を前記周波数成分ごとに前記検出値として抽出し、前記臨界周波数は、音波の周波数を高周波側にシフトさせたときに、音波の指向性に起因して前記反射波の音圧が減衰し始める周波数であることがより望ましい。
【００２０】
この火災感知器において、前記音源部が送波するバースト波は、前記監視空間に浮遊している粒子が存在しない状態で、前記周波数成分抽出部にて抽出される各周波数成分の前記音圧比が同等になるように、波数が設定されていることがより望ましい。
【００２１】
この火災感知器において、前記音源部が送波するバースト波は、前記監視空間に浮遊している粒子が存在しない状態で、前記周波数成分抽出部にて抽出される各周波数成分の前記音圧比が同等になるように、基本周波数が設定されていることがより望ましい。
【００２２】
この火災感知器において、前記音源部は、薄膜状の発熱体部への通電に伴う前記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音波を発生するものであることがより望ましい。
【００２３】
この火災感知器において、前記音源部が送波するバースト波の基本周波数と前記発熱体部の体積熱容量および熱伝導率とで決定される前記発熱体部の熱拡散長は、前記発熱体部の厚み寸法よりも大きいことがより望ましい。
【００２４】
この火災感知器において、前記周波数成分抽出部は、各周波数成分の信号をそれぞれ通過させるフィルタであって少なくとも高周波成分抽出用および低周波成分抽出用の２種類の前記フィルタを有しており、前記受波素子の出力を前記フィルタに通すことにより各周波数成分の前記検出値を抽出し、前記音源部が送波するバースト波の基本周波数は、前記低周波成分抽出用の前記フィルタの中心周波数よりも前記高周波成分抽出用の前記フィルタの中心周波数に近いことがより望ましい。
【００２５】
この火災感知器において、前記周波数成分抽出部は、各周波数成分の信号をそれぞれ通過させるフィルタであって少なくとも高周波成分抽出用および低周波成分抽出用の２種類の前記フィルタを有しており、前記受波素子の出力を前記フィルタに通すことにより各周波数成分の前記検出値を抽出し、前記音源部が送波するバースト波の送波時間幅は、前記低周波成分抽出用の前記フィルタの中心周波数の１波に相当する時間幅より大きいことがより望ましい。
【００２６】
この火災感知器において、前記周波数成分抽出部は、各周波数成分の信号をそれぞれ通過させるフィルタであって少なくとも高周波成分抽出用および低周波成分抽出用の２種類の前記フィルタを有しており、前記受波素子の出力を前記フィルタに通すことにより各周波数成分の前記検出値を抽出し、前記音源部が送波するバースト波は、前記低周波成分抽出用の前記フィルタの周波数帯域内において当該フィルタの中心周波数より低周波側で強度が最小となるように、基本周波数と波数との少なくとも一方が設定されていることがより望ましい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明は、音源部から複数の周波数成分を含む音波を送波しながらも、高周波成分についてのＳＮ比を改善することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施形態１の構成を示す概略ブロック図である。
【図２】同上の要部を示し、（ａ）は概略下面図、（ｂ）は概略側面図である。
【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６】同上の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７】同上の動作例を示すフローチャートである。
【図８】同上に用いる煙濃度と特定の周波数成分の減衰率との関係を示す説明図である。
【図９】（ａ）は同上に用いるバースト波の波形図、（ｂ）はパワースペクトル図である。
【図１０】同上の要部の概略構成図である。
【図１１】同上の他のパワースペクトル図である。
【図１２】実施形態２の構成を示す概略図である。
【図１３】従来例の動作を示し、（ａ）は波形図、（ｂ）、（ｃ）はパワースペクトル図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
（実施形態１）
本実施形態の火災感知器は、図２に示すように、超音波を送波可能な音源部１と、音源部１を制御する制御部２と、音源部１から送波された超音波の音圧を検出する受波素子３と、受波素子３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。なお、ここでは超音波を送受波する音源部１および受波素子３を採用しているが、音源部１および受波素子３は、超音波に限らず音波を送受波するものであればよい。
【００３０】
ここにおいて、音源部１と受波素子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ており、回路基板５に制御部２および信号処理部４が設けられている。また、回路基板５の上記一表面には、音源部１から送波された超音波の反射を防止する吸音層（図示せず）が設けられている。吸音層は、音源部１から送波された超音波が回路基板５で反射して受波素子３に入射するのを防止し、反射波の干渉を防止することができる。
【００３１】
本実施形態では、音源部１は、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が用いられ、圧電素子に比べて残響時間が短い超音波を送波する。受波素子３としては、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が用いられる。
【００３２】
ここにおいて、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が形成されている。熱絶縁層１２の表面側には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の上記一表面側には発熱体層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。
【００３３】
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。
【００３４】
上述の音源部１は、発熱体層１３の両端のパッド１４，１４間に通電され発熱体層１３に急激な温度変化が生じると、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播する超音波を発生させることができる。
【００３５】
要するに、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播する超音波を発生する。したがって、この音源部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、残響の少ない超音波を送波させることができる。
【００３６】
上述の音源部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は多孔度が略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されている。したがって、ベース基板１１として用いられ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。なお、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。
【００３７】
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。ここで、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。これにより、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る。
【００３８】
したがって、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。
【００３９】
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、上述の音源部１では、ベース基板１１の厚みを３００〜７００μｍ、熱絶縁層１２の厚みを１〜１０μｍ、発熱体層１３の厚みｄを２０〜１００ｎｍ、各パッド１４の厚みを０．５μｍとしてある。ただし、これらの厚みは一例であって特に限定するものではない。
【００４０】
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い。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。
【００４１】
上述のように音源部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。したがって、音源部１は発熱体層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ｆ１の正弦波波形とした場合、理想的には、ｆ１の２倍の周波数ｆ２の超音波を発生させることができる。
【００４２】
すなわち、上述の音源部１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、後述するバースト波の送波に適しているという利点がある。また、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。
【００４３】
音源部１を制御する制御部２は、図示していないが、音源部１に駆動入力波形を与えて音源部１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。
【００４４】
また、上述の受波素子３を構成する静電容量型のマイクロホンは、図４に示すように構成されている。すなわち、受波素子３は、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。
【００４５】
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とが形成されている。受圧部３２の一端部はシリコン窒化膜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が形成されている。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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。そのため、受波素子３は受圧部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。
【００４８】
火災感知器は、図１に示すように音源部１と受波素子３との間の監視空間に存在する浮遊粒子の種別を推定する粒子種別推定部４１と、推定された粒子が煙粒子のときに監視空間の煙濃度を推定する煙濃度推定部４２とを信号処理部４に備えている。
【００４９】
さらに、信号処理部４は、煙濃度推定部４２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火災判断部４３と、粒子種別推定部４１および煙濃度推定部４２で使用するデータを記憶した記憶部４４とを備えている。
【００５０】
火災判断部４３は、煙濃度推定部４２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、火災判断部４３からの火災感知信号を受信すると、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音源部１への駆動入力波形を制御する。
【００５１】
したがって、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。なお、火災判断部４３からの火災感知器信号の出力先は制御部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。
【００５２】
ところで、本実施形態の火災感知器は、以下の構成を採用することによって、音源部１から周波数の異なる複数種の超音波を送波することを不要としている。
【００５３】
すなわち、本実施形態の火災感知器は、音源部１から複数の周波数成分を含む超音波を送波する構成を採用するとともに、受波素子３で検出された超音波から各周波数成分の強度を検出する周波数成分抽出部４０が信号処理部４に付加されている。音源部１から送波される超音波の具体例および周波数成分抽出部４０の構成例については後述する。
【００５４】
さらに、粒子種別推定部４１は、周波数成分抽出部４０で抽出された各周波数成分の強度と記憶部４４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する。煙濃度推定部４２は、粒子種別推定部４１にて推定された粒子が煙粒子のときに、特定の周波数成分（たとえば、８２ｋＨｚ）の強度の基準値からの減衰量に基づいて監視空間の煙濃度を推定する。
【００５５】
要するに、図５に示すように音源部１の出力周波数と音圧の単位減衰率との関係は、監視空間の浮遊粒子の種別に応じて異なる。ここで、監視空間に浮遊粒子が存在しない状態で受波素子３にて受波される音圧（以下、基準音圧という）をＩ０、減光式煙濃度計での評価でｘ〔％／ｍ〕となる濃度の浮遊粒子が監視空間に存在する状態で受波素子３にて受波される音圧をＩｘとする。このとき、（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。
【００５６】
ここにおいて、基準音圧Ｉ０と音圧Ｉｘとは、監視空間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５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）である。「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）である。ここに示す単位減衰率は、音源部１と受波素子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。
【００５７】
また、図５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６に示す。要するに、図６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。
【００５８】
ここで、記憶部４４には、監視空間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各周波数成分の中心周波数と同周波数成分の強度の相対的単位減衰率との関係データ（図６より抽出されるデータ）が記憶されている。さらに、記憶部４４は、少なくとも受波素子３の出力の基準値（基準音圧に対する受波素子３の出力）、煙粒子に関して特定周波数（たとえば、８２ｋＨｚ）における単位減衰率（上述の図５より抽出されるデータ）を記憶している。
【００５９】
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、上記各手段４０〜４４は、上記マイクロコンピュータに所定のプログラムを実行させることにより実現されている。また、信号処理部４には、受波素子３の出力信号をアナログ−ディジタル変換するＡ／Ｄ変換器なども設けられている。
【００６０】
以下に、本実施形態の火災感知器の動作例を図７のフローチャートを参照して説明する。まず、音源部１から複数の周波数成分を含んだ超音波を送波させ、当該超音波に対する受波素子３の出力を信号処理部４で計測する（Ｓ１１）。周波数成分抽出部４０は受波素子３の出力から各周波数成分の強度を検出値として抽出する。粒子種別推定部４１は、周波数成分抽出部４０で抽出された各周波数成分の強度と記憶部４４に記憶されている基準値とから、各周波数成分について強度の減衰率を求める（Ｓ１２）。さらに、粒子種別推定部４１は、中心周波数が８２ｋＨｚの周波数成分の減衰率に対する中心周波数が２０ｋＨｚの周波数成分の減衰率の比を算出する（Ｓ１３）。
【００６１】
ここで、記憶部４４には、上記関係データとして出力周波数が８２ｋＨｚでの相対的単位減衰率に対する２０ｋＨｚでの相対的単位減衰率の比（図６の場合、白煙が０、黒煙が０．２、湯気が０．５となる）が記憶されている。粒子種別推定部４１は、算出した減衰率の比を記憶部４４に記憶されている関係データと比較し、関係データの中で減衰率の比が最も近い種別の粒子を監視空間に浮遊している粒子と推定する（Ｓ１４）。ここで、推定された粒子が煙粒子であれば煙濃度推定部４２での処理に移行する（Ｓ１５）。
【００６２】
ここにおいて、白煙の場合には図８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。したがって、煙濃度推定部４２は、推定された粒子種別について特定の周波数成分（たとえば、８２ｋＨｚ）の減衰率の記憶部４４に記憶されている単位減衰率に対する比を算出する。煙濃度推定部４２は、算出した比の値がｙの場合に監視空間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（Ｓ１６）。
【００６３】
火災判断部４３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）とを比較する。火災判断部４３は、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（Ｓ１７）。
【００６４】
上述の例では、粒子種別推定部４１は中心周波数が８２ｋＨｚの周波数成分の減衰率と中心周波数が２０ｋＨｚの周波数成分の減衰率とを用いているが、これらの周波数成分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周波数成分を用いてもよい。さらに、より多くの周波数成分の減衰率を用いてもよく、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、煙濃度推定部４２が特定の周波数成分として１周波数成分を対象としているが、特定の周波数成分として複数の周波数成分を対象とし、各周波数成分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い。この場合、煙濃度の推定の確度が向上する。
【００６５】
ところで、本実施形態では、音源部１から複数の周波数成分を含んだ超音波を送波させるために、制御部２は音源部１に対して数周期（ここでは３周期）分の正弦波波形の駆動入力を与えている。これにより、音源部１からは図９（ａ）に示すような数周期（ここでは３周期）のバースト波状の超音波が送波される。ここでいうバースト波は、単パルス（インパルス）に比べて波数が多く、且つ連続波に比べて波数が少ない正弦波である。
【００６６】
音源部１から送波されるバースト波のパワースペクトルは、図９（ｂ）に示すように１周期の長さに応じた基本周波数ｆ３を基準に、広範囲の周波数に亘って強度（エネルギ）が分布した形となる。具体的には、バースト波は、基本周波数ｆ３の周波数成分と、基本周波数ｆ３よりも低い少なくとも１つの周波数の周波数成分とにピークを持つパワースペクトルを有する。基本周波数ｆ３よりも低い周波数としては、たとえば基本周波数ｆ３の低調波成分（図９（ｂ）における第１低調波ｆ２、第２低調波ｆ１）などがある。これにより、バースト波のパワースペクトルには、周波数ｆ３，ｆ２，ｆ１をそれぞれ中心とする山部分と、各山部分間において強度が落ち込んだ節部分とが生じることになる。バースト波の波数が多くなると、基本周波数ｆ３付近の強度が増大し、節部分も増大する。
【００６７】
結果的に、本実施形態のようにバースト波状の超音波を音源部１から送波させることによって、音源部１からは複数の周波数成分を含んだ超音波が送波されることとなる。周波数成分抽出部４０は、たとえば図９（ｂ）にＢ１〜Ｂ３で示す各周波数帯域について周波数成分の強度を抽出する。なお、図９（ｂ）並びに以下の説明で用いる図１１は、横軸を周波数、縦軸を強度（パワー）として、パワースペクトルを簡略化して表しており、実際の強度の値等に忠実に表すものではない。
【００６８】
ここで、受波素子３には共振特性のＱ値が圧電素子に比べて十分に小さい静電容量型のマイクロホンが用いられているものの、受波素子３の共振周波数ｆｃよりも高い周波数帯域では受波素子３の感度は低下する。本実施形態では、音源部１から送波されるバースト波の基本周波数ｆ３が受波素子３の共振周波数ｆｃよりも高く設定され（ｆ３＞ｆｃ）、これにより、高周波側でＳＮ比が低下することが防止されている。
【００６９】
すなわち、音源部１はバースト波状の超音波を送波するので、音源部１から送波される超音波は基本周波数ｆ３付近での音圧が最も高くなり、その他の周波数（第１低調波ｆ２、第２低調波ｆ１）付近では基本周波数ｆ３付近に比べて音圧が低くなる。言い換えれば、音源部１から送波される超音波は周波数によって音圧にばらつきがあり、基本周波数ｆ３付近で音圧が最も高くなる。
【００７０】
そこで、本実施形態では、音源部１は、周波数成分抽出部４０にて抽出される周波数成分のうち最も高い周波数成分の周波数域に含まれている所定の臨界周波数よりも高く設定された基本周波数ｆ３のバースト波を送波する構成を採用する。臨界周波数は、監視空間に浮遊粒子が存在しない状態で超音波の周波数を高周波側にシフトさせたときに、周波数成分抽出部４０にて抽出される周波数成分のうち最も高い周波数成分の検出値が減衰し始める周波数である。本実施形態では臨界周波数は受波素子３の共振周波数ｆｃである。
【００７１】
これにより、音源部１から送波される超音波は、受波素子３の感度が低下する共振周波数ｆｃよりも高周波側の周波数（基本周波数ｆ３）において音圧が最も高くなる。そのため、受波素子３は、音源部１からの超音波を受波することによって、図９（ｂ）のように共振周波数ｆｃより高い周波数帯域においても十分な強度を確保した出力を発生する。つまり、受波素子３の感度の周波数特性が、音源部１から送波された超音波の周波数特性にて相殺されることにより、受波素子３の出力においては共振周波数ｆｃよりも高い周波数帯域に十分な強度が確保される。
【００７２】
次に、周波数成分抽出部４０の構成について説明する。
【００７３】
周波数成分抽出部４０は、図９（ｂ）における周波数帯域Ｂ１〜Ｂ３の各周波数成分を抽出するため、図１０に示すように各周波数帯域Ｂ１〜Ｂ３の信号をそれぞれ通過させるバンドパスフィルタからなる第１〜第３のフィルタ４５ａ〜４５ｃを有している。第１〜第３の各フィルタ４５ａ〜４５ｃの出力は、各周波数成分の強度として取り出される。なお、周波数帯域Ｂ１〜Ｂ３のうち、低周波側の周波数帯域Ｂ１に対応する第１のフィルタ４５ａは低周波成分抽出用のフィルタを構成し、高周波側の周波数帯域Ｂ３に対応する第３のフィルタ４５ｃは高周波成分抽出用のフィルタを構成する。
【００７４】
ここで、周波数成分抽出部４０は、受波素子３の出力を増幅するアンプＡｍｐと、アンプＡｍｐで増幅された受波素子３の出力を各フィルタ４５ａ〜４５ｃに略均等に分配する分配部４６とを有している。これにより、受波素子３の出力が各フィルタ４５ａ〜４５ｃを通して後段の粒子種別推定部４１に出力される。このようにして、周波数成分抽出部４０においては、音源部１から一度に送波された超音波から複数の周波数成分の強度を抽出することができる。フィルタ４５ａ〜４５ｃはプログラムによって実現されていてもよいが、ハードウェアで実現すれば信号処理の負荷を低減することができ、信号処理の高速化を図ることができる。
【００７５】
以上説明した本実施形態の火災感知器によれば、周波数成分抽出部４０が、受波素子３で検出された超音波から各周波数成分の強度を抽出するので、浮遊粒子の種別を推定可能としながらも、音源部１から複数種の超音波を送波させる必要はない。
【００７６】
すなわち、粒子種別推定部４１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でき、台所や浴室での使用にも適する。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。なお、粒子種別推定部４１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。
【００７７】
しかも、周波数成分抽出部４０は音源部１から１回に送波された超音波から複数の周波数成分の強度を抽出している。そのため、音源部１からは複数の周波数成分を含む１種類の超音波（バースト波）が送波されればよく、音源部１から複数種の超音波を送波させる場合に比べて、音源部１や制御部２に掛かるコストを低く抑えることができる。さらに、個々の超音波の送波時に送波音圧のばらつきが生じることで浮遊粒子の種別や濃度の推定確度が低くなったり、超音波の送波に伴う消費電力が大きくなったりすることを回避できるという利点もある。
【００７８】
また、本実施形態においては、音源部１は所定の臨界周波数よりも高く設定された基本周波数ｆ３のバースト波を送波するので、受波素子３の感度や音源部１の周波数依存性によって高周波側でＳＮ比が低下することを防止できる。本実施形態では、臨界周波数は受波素子３の共振周波数ｆｃであり、受波素子３の出力において共振周波数ｆｃよりも高い周波数帯域に十分な強度を確保できるという利点がある。なお、この構成では、超音波の空気による吸収減衰によって生じ得る高周波側の周波数成分でのＳＮ比の低下についても、防止できるという利点がある。
【００７９】
ここで、煙粒子による超音波の減衰率は超音波の高周波側ほど大きくなるため、高周波側ほど煙の有無を判断しやすくなる。したがって、上記構成の火災感知器によれば、上述のように高周波側での検出値のＳＮ比が改善されたことにより、高周波成分を活用して煙の有無を検知することができ、火災感知の精度が向上するという効果がある。
【００８０】
また、音源部１として、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が用いられているので、バースト波は駆動入力の一波目から入力波形に対応する波形で得られ、高周波成分の伝播に優れ、特にバースト波駆動に適している。
【００８１】
ここにおいて、音源部１が送波するバースト波の基本周波数ｆ３と発熱体層１３の体積熱容量と熱伝導率とで決定される発熱体層１３の熱拡散長Ｌと、発熱体層１３の厚み寸法ｄ（図３参照）との関係はｄ＞Ｌであることが望ましい。すなわち、熱拡散長Ｌが発熱体層１３の厚み寸法ｄを超える設定では、音源部１の送波可能範囲外のため、音源部１から送波されるバースト波の高周波成分が消失し、バースト波の送波時間幅に相当する単パルス状となる可能性がある。これに対して、熱拡散長Ｌが厚み寸法ｄより大きく設定されていれば、音源部１は確実にバースト波を送波することができ、結果的に、音源部１の送波特性の周波数依存性に起因して高周波成分が伝播されなくなる自体を回避できる。
【００８２】
ところで、音源部１からのバースト波は、第１のフィルタ４５ａの中心周波数（周波数帯域Ｂ１の中心）ｆ１１よりも、第３のフィルタ４５ｃの中心周波数（周波数帯域Ｂ３の中心）ｆ１３の近くに基本周波数ｆ３が設定されていることが望ましい。
【００８３】
これにより、周波数成分抽出部４０で抽出すべき高周波成分の強度の増幅度が低周波成分に比べて大きくなり、周波数成分抽出部４０の出力における高周波成分の強度が改善され、高周波側のＳＮ比の向上につながるという利点がある。煙粒子による音波の減衰率は音波の高周波側ほど大きくなるため、高周波側のＳＮ比が向上すると、煙濃度の推定の確度が向上する。特に、バースト波の基本周波数ｆ３と、高周波成分抽出用の第３のフィルタ４５ｃの中心周波数（周波数帯域Ｂ３の中心）ｆ１３とが一致していれば、高周波側のＳＮ比の向上という効果は顕著になる。
【００８４】
また、音源部１からのバースト波は、低周波成分抽出用である第１のフィルタ４５ａの中心周波数（周波数帯域Ｂ１の中心）ｆ１１の１波分に相当する時間幅よりも大きい送波時間幅を有することが望ましい。つまり、音源部１が１回に超音波を送波する時間幅は、第１のフィルタ４５ａの中心周波数ｆ１１の逆数よりも大きい値であることが望ましい。
【００８５】
これにより、バースト波は、基本周波数ｆ３よりも低い周波数成分の強度が確保されることになり、周波数成分抽出部４０の出力における低周波成分の強度も改善されるという利点がある。
【００８６】
さらにまた、音源部１からのバースト波は、第１のフィルタ４５ａの周波数帯域Ｂ１内において、その中心周波数ｆ１１より低周波側で強度が最小となるように、基本周波数ｆ３と波数との少なくとも一方が設定されていることが望ましい。つまり、バースト波のパワースペクトルは、図１１に示すように周波数ｆ２，ｆ１をそれぞれ中心とする山部分間の節部分が、周波数帯域Ｂ１内における中心周波数ｆ１１よりも低周波側に位置することが望ましい。
【００８７】
これにより、周波数帯域Ｂ１内において、第１のフィルタ４５ａの中心周波数ｆ１１より低周波側の領域に比べ、高周波側の領域でバースト波の平均強度が高くなる。したがって、低周波成分での単位減衰率を大きくすることができ、ＳＮ比の改善を図ることができる。
【００８８】
なお、本実施形態では、各周波数成分の中心周波数と強度の相対的単位減衰率との関係データを記憶部４４に記憶した例を示したが、この例に限定する趣旨ではない。つまり、そもそも監視空間に存在する浮遊粒子の種別に応じて周波数成分の中心周波数ごとに変化するのは周波数成分の強度の基準値からの減衰量（Ｉ０−Ｉｘ）である。そのため、記憶部４４に記憶する関係データは、各周波数成分の中心周波数と同周波数成分の強度の基準値からの減衰量との関係を示すデータであればよい。したがって、相対的単位減衰率に代えて、たとえば周波数成分の強度の基準値からの減衰量や、周波数成分の強度の基準値からの減衰量を基準値（Ｉ０）で除しただけの減衰率、あるいは単位減衰率を採用した関係データが記憶部４４に記憶されていてもよい。
【００８９】
ところで、周波数成分抽出部４０は、フィルタ４５ａ〜４５ｃを有する構成に限らず、たとえば受波素子３の出力の時系列データについて高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行い、その結果から各周波数成分の強度を抽出する構成であってもよい。この場合、多数の周波数成分の強度を抽出することが容易となり、多数の周波数成分の強度に基づいて浮遊粒子の種別の推定を行うことにより、粒子種別の推定の確度の向上を図ることができる。また、分配部４６を用いることなく、音源部１から一度に送波された超音波について複数の周波数成分の強度を抽出することができるという利点もある。ただし、この場合、フィルタ４５ａ〜４５ｃによって各周波数成分の強度を抽出する構成に比べて、信号処理の負荷が大きくなる。
【００９０】
（実施形態２）
本実施形態の火災感知器は、音源部１からの超音波を反射する構造を有し、周波数成分抽出部４０が音源部１からの直達波と反射波との音圧比を周波数成分ごとに検出値として抽出する点が実施形態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。
【００９１】
すなわち、本実施形態では、図１２に示すように第１および第２の反射面７ａ，７ｂが、音源部１から送波された超音波の進行方向（図１２の左右方向）において互いに対向するように配置されている。各反射面７ａ，７ｂはそれぞれ超音波を反射する面であって、受波素子３は第１の反射面７ａ上に、音源部１は第２の反射面７ｂ上にそれぞれ配設される。
【００９２】
ここで、音源部１から受波素子３に直接伝わる超音波を直達波Ｓｗ１、音源部１から送波された後に第１の反射面７ａで反射され、さらに第２の反射面７ｂで反射されてから受波素子３に伝わる超音波を反射波Ｓｗ２とする。これにより、直達波Ｓｗ１の伝播経路の経路長は音源部１−受波素子３間の距離Ｌ１であるのに対し、反射波Ｓｗ２の伝播経路の経路長は２Ｌ１であるため、直達波Ｓｗ１と反射波Ｓｗ２とでは、伝播経路の経路長が異なることになる。なお、両反射面７ａ，７ｂで複数回反射を繰り返してから受波素子３に到達する超音波を反射波として用いてもよい。
【００９３】
また、図１２の例では、各反射面７ａ，７ｂは反射波Ｓｗ２を他方の反射面７ａ，７ｂ上に集音する形に湾曲した凹型の曲面に形成されている。さらに、音源部１と受波素子３とは各反射面７ａ，７ｂ上において、他方の反射面７ａ，７ｂに平面波として入射し反射された超音波が焦点を結ぶ位置に配置されている。
【００９４】
要するに、第２の反射面７ｂ上に配置された音源部１から放射状に広がりながら受波素子３側の第１の反射面７ａに到達した超音波は、第１の反射面７ａで反射されることによって音源部１側の第２の反射面７ｂに対する平行波となる。平行波として第２の反射面７ｂに到達した超音波は、第２の反射面７ｂで反射されることによって第１の反射面７ａ上の受波素子３の位置で焦点を結ぶこととなる。
【００９５】
そのため、反射面７ａ，７ｂでの反射を繰り返しても超音波は拡散しにくく、したがって、音源部１と受波素子３との間における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。
【００９６】
周波数成分抽出部４０は、音源部１から受波素子３に直接伝播される直達波Ｓｗ１と、反射面７ａ，７ｂで反射されて受波素子３に伝播される反射波Ｓｗ２との音圧比（反射波／直達波）を周波数成分ごとに検出値として抽出する。
【００９７】
ここで、監視空間に浮遊粒子が存在しない状態での音圧比（以下、初期音圧比という）をＲ０、減光式煙濃度計（減光式煙感知器）での評価でｓ〔％／ｍ〕となる濃度の浮遊粒子が監視空間に存在する状態での音圧比をＲＳとする。このとき、（Ｒ０−ＲＳ）／Ｒ０で表される値を音圧比の変化率と定義し、特にｓ＝１のときの前記変化率を単位変化率と定義する。
【００９８】
本実施形態では、記憶部４４は、監視空間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音源部１の各周波数成分の中心周波数と同周波数成分の音圧比の相対的単位変化率との関係データを記憶している。さらに、記憶部４４は、少なくとも各周波数成分ごとの初期音圧比Ｒ０、煙粒子に関して特定周波数（たとえば、８２ｋＨｚ）における音圧比の単位変化率を記憶している。
【００９９】
粒子種別推定部４１は、周波数成分抽出部４０の出力（周波数成分ごとの音圧比）と記憶部４４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する。さらに、煙濃度推定部４２は、粒子種別推定部４１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）における音圧比の初期音圧比Ｒ０からの変化量に基づいて監視空間の煙濃度を推定する。
【０１００】
なお、受波素子３に到達する直達波Ｓｗ１と反射波Ｓｗ２とが互いに重ならないようにして両者を区別可能とするため、音源部１から１回に送波する超音波の波数は、直達波Ｓｗ１、反射波Ｓｗ２の経路長の差に応じて調整される。
【０１０１】
以上説明した構成の火災感知器によれば、直達波と反射波との音圧比を用いて粒子種別および煙濃度が推定されるので、経時変化や周囲環境の変化に起因した音源部１や受波素子３の特性変化の影響を受けることなく粒子種別および煙濃度を推定することができる。すなわち、一般的な火災感知器では、音源部１や受波素子３の経時変化（たとえば、経年劣化）や周囲環境の変化（たとえば、温度、湿度、気圧などの変化）に起因して音源部１や受波素子３に特性変化が生じることがある。特性変化が生じると、監視空間の煙濃度にかかわらず受波素子３の出力の基準値からの減衰量が変動することで、結果的に非火災報や失報を生じる可能性がある。
【０１０２】
これに対して、本実施形態の火災感知器では、音源部１や受波素子３に生じる特性変化は、直達波および反射波に一律に影響するため、これら直達波と反射波との音圧比には影響することはない。したがって、この音圧比を用いて粒子種別および煙濃度が推定されることにより、これらの推定の確度が向上し、結果的に、音源部１や受波素子３に生じる特性変化に起因した非火災報や失報を低減できる。
【０１０３】
ところで、一般的に、上述のような反射面７ａ，７ｂを用いて超音波を反射させる構成では、超音波の指向性に起因して、高周波側で検出値（音圧比）のＳＮ比が低周波側に比べて低くなる。つまり、超音波は高周波側ほど強い指向性を示すので、音源部１から送波された超音波のうち受波素子３の周囲の第１の反射面７ａに当たるエネルギが送波エネルギに占める割合は、低周波成分よりも高周波成分で小さくなる。したがって、超音波の送波エネルギが同じでも、反射波Ｓｗ２として受波素子３に到達する超音波の音圧は高周波側ほど大きく減衰し、結果的に、直達波Ｓｗ１に対する反射波Ｓｗ２の音圧比（反射波／直達波）は高周波側ほど小さくなる。
【０１０４】
これに対して、本実施形態の火災感知器は、音源部１から送波される超音波にバースト波を用いているため、超音波の指向性に起因して高周波側で検出値（音圧比）が低周波側に比べて低くなるという上記問題を解決することができる。
【０１０５】
すなわち、本実施形態では、臨界周波数は、超音波の周波数を高周波側にシフトさせたときに、上述したように超音波の指向性に起因して反射波Ｓｗ２の音圧が減衰し始める周波数である。
【０１０６】
これにより、音源部１から送波される超音波は、臨界周波数よりも高い周波数帯域、つまりその指向性に起因して反射波Ｓｗ２の音圧が大きく減衰する周波数帯域に設定された基本周波数ｆ３において、音圧が最も高くなる。そのため、受波素子３は、音源部１から送波され反射波Ｓｗ２として到達した超音波を受波することによって、高い周波数帯域においても十分な強度を確保した出力を発生する。つまり、高周波側ほど大きく減衰する反射波Ｓｗ２の周波数特性が、音源部１から送波された超音波の周波数特性にて相殺されることにより、反射波Ｓｗ２においても高い周波数帯域に十分な強度が確保される。
【０１０７】
その結果、本実施形態の火災感知器によれば、直達波Ｓｗ１に対する反射波Ｓｗ２の音圧比（反射波／直達波）が高周波側で低周波側に比べて低くなる事態を回避でき、高周波側での検出値（音圧比）のＳＮ比が改善される。したがって、この火災感知器には、高周波成分を活用して煙の有無を検知することができ、火災感知の精度が向上するという効果がある。
【０１０８】
また、本実施形態において、監視空間に浮遊粒子が存在しない状態で周波数成分抽出部４０にて抽出される各周波数成分の音圧比（初期音圧比Ｒ０）が同等になるように、音源部１が送波するバースト波の波数または基本周波数ｆ３が設定されることが望ましい。
【０１０９】
すなわち、図９（ｂ）に例示したような音源部１からの超音波のパワースペクトルは、バースト波の波数あるいは基本周波数ｆ３によって変化する。そこで、バースト波の波数あるいは基本周波数ｆ３の設定次第で、周波数成分抽出部４０にて抽出される各周波数成分の初期音圧比Ｒ０は同等となる。
【０１１０】
このように波数または基本周波数ｆ３が設定されたバースト波が採用されることによって、粒子種別の推定の確度が向上するという利点がある。要するに、周波数成分抽出部４０にて抽出されるいずれかの周波数成分の音圧比（反射波／直達波）が極端に小さければ、その周波数成分の検出値（音圧比）のＳＮ比が極端に低下し、粒子種別の推定の確度が低下する。つまり、粒子種別推定部４１は、複数の周波数成分についての各検出値の関係により、監視空間に浮遊している粒子の種別を推定するので、いずれかの周波数成分の検出値のＳＮ比が極端に低いと、粒子種別を誤って推定する可能性がある。
【０１１１】
これに対して、周波数成分抽出部４０にて抽出される各周波数成分の初期音圧比Ｒ０が同等になるように、バースト波の波数または基本周波数ｆ３が設定されていれば、周波数成分抽出部４０にて抽出される周波数成分の検出値のＳＮ比を揃えることができる。したがって、上述したようにいずれかの周波数成分の検出値のＳＮ比が極端に低いために粒子種別が誤って推定される自体を回避でき、粒子種別の推定の確度が向上する。
【０１１２】
なお、その他の構成および機能は実施形態１と同様である。
【０１１３】
ところで、上記各実施形態の火災感知器は、音源部１からの超音波の拡散範囲を狭める拡散防止部材を備えていてもよい。たとえば、音源部１からの超音波の拡散範囲を狭める拡散防止部材として一対の拡散防止板を用いることができる。
【０１１４】
各拡散防止板はそれぞれ平面視矩形状の平板からなり、一対の拡散防止板は一表面同士を対向させるように略平行に配設される。ここで、一対の拡散防止板は、音源部１からの超音波を互いに対向する一表面間の空間に通すことで当該超音波の拡散範囲を狭める。そのため、一対の拡散防止板は、対向する一表面間の空間を通して音源部１からの超音波を伝搬させるように、一表面の間に音源部１と受波素子３とを挟みこむ形で配設される。
【０１１５】
このように拡散防止板を設けたことにより、音源部１から送波される超音波は、拡散防止板の一表面で囲まれた監視空間を通ることで拡散が抑制され、したがって音源部１と受波素子３との間における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。
【０１１６】
また、上記各実施形態では、音源部１と制御部２と受波素子３と信号処理部４とを１枚の回路基板５に設けて図示しない器体内に収納してあるが、この例に限定する趣旨ではない。たとえば、火災感知器は音源部１および制御部２を備えた音源側ユニットと、受波素子３および信号処理部４を備えた受波側ユニットとを別体として互いに対向配置する分離型の構成であってもよい。また、音源部１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。
【０１１７】
さらにまた、上記各実施形態において、制御部２が、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、監視空間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音源部１から送波する超音波に防虫効果のある周波数成分を含むようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１１８】
１ 音源部
２ 制御部
３ 受波素子
４ 信号処理部
７ａ，７ｂ 反射面
１１ ベース基板
１２ 熱絶縁層
１３ 発熱体層（発熱体部）
４０ 周波数成分抽出部
４１ 粒子種別推定部
４２ 煙濃度推定部
４３ 火災判断部
４４ 記憶部
４５ａ〜４５ｃ フィルタ
ｄ 厚み寸法
ｆ３ 基本周波数
ｆ１１〜ｆ１３ 中心周波数
ｆｃ 共振周波数
Ｓｗ１ 直達波
Ｓｗ２ 反射波
【技術分野】
【０００１】
本発明は、監視空間の煙濃度から火災の有無を判断する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、散乱光式煙感知器や、減光式煙感知器が知られている。ただし、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、応答性に問題がある。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）可能性がある。
【０００３】
これに対し、本件出願人は、音波（たとえば超音波）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。
【０００４】
この火災感知器は、音波を送波可能な音源部と、音源部を制御する制御部と、音源部から送波された音波の音圧を検出する受波素子と、受波素子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、検出値（受波素子の出力）の基準値からの減衰量に基づいて監視空間の煙濃度を推定し、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。すなわち、監視空間に煙粒子が入り込むと音源部からの音波は受波素子に到達するまでに音圧が低下し、検出値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。
【０００５】
さらに、本件出願人は、監視空間の浮遊粒子の種別に応じて音源部の出力周波数と音圧の減衰率との関係が異なるという知見に基づいて、音源部から周波数の異なる複数種の音波が送波されるようにした火災感知器を提案している（たとえば特許文献１参照）。
【０００６】
この火災感知器では、信号処理部は各周波数成分ごとの検出値（強度）と、予め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する。これにより、たとえば煙粒子と湯気とを識別可能となるから、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、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も低減できる。
【０００７】
ただし、音源部から複数種の音波を送波させるためには、各種の音波を送波する音源部を複数個用いるか、あるいは制御部によって１個の音源部から複数種の音波を順次送波させる必要がある。前者の場合、音源部を１個とする構成に比べて音源部に掛かるコストが高くなり、また火災感知器の大型化にもつながる。一方、後者の場合、音源部から音波を送波する度に音源部を異なる駆動周波数で駆動する必要があるため、音源部から１種類の音波を送波させる場合に比べて制御部の構成が複雑化して、コスト高につながる。また、いずれの場合においても、複数種の音波が個別に送波されるため、個々の音波の送波時に送波音圧のばらつきが生じることで浮遊粒子の種別や濃度の推定確度が低くなる可能性がある。
【０００８】
そこで、特許文献１記載の火災感知器は、音源部から複数の周波数成分を含む単パルス状の音波を送波し、受波素子で検出された音波から各周波数成分の強度を検出値として抽出する構成を採用している。つまり、図１３（ａ）に例示するような単パルスの音波は、図１３（ｂ）に示すようにパルス幅に応じた周波数ｆ０を中心として広範囲の周波数に亘って強度が分布したパワースペクトルを有する。これにより、監視空間に浮遊している粒子の種別を推定可能としながらも、音源部から複数種の音波を送波させる必要がない。
【０００９】
また、音源部から送波された音波の進行方向において互いに対向するように配置されそれぞれ音波を反射する一対の反射面が設けられ、音源部および受波素子が各反射面上にそれぞれ配置された構成の火災感知器も提案されている。この構成では、受波素子は、音源部から直接伝播される直達波と、反射面で反射されてから伝播される反射波との両方を受波する。信号処理部は、周波数成分ごとに直達波に対する反射波の音圧比を検出値として求め、この検出値（音圧比）の基準値からの減衰量に基づき監視空間の煙濃度を推定する。
【００１０】
この構成によれば、経時変化や周囲環境の変化に応じて音源部や受波素子に特性変化が生じたとしても、この特性変化は直達波と反射波との両方に一律に影響するため音圧比に影響することはない。したがって、音源部や受波素子の特性変化の影響を受けることなく煙濃度を推定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−１１０１２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、煙粒子による音波の減衰率は音波の高周波側ほど大きくなるため、高周波側ほど煙の有無を判断しやすくなる。
【００１３】
しかし、特許文献１記載の構成では、たとえば受波素子の感度や音源部の周波数依存性によって、高周波側の周波数成分ほど検出値（強度）のＳＮ比は低下する。つまり、一般的に、受波素子の共振周波数ｆｃよりも高い周波数帯域では受波素子の感度は低下するため、図１３（ｃ）に示すように共振周波数ｆｃの高周波側で受波素子の出力の強度が低下し、ＳＮ比が低下することがある。
【００１４】
また、曲面状の反射板を用いて周波数成分ごとに直達波に対する反射波の音圧比を検出値として求める構成においては、高周波側ほど音波の指向性が強くなり、受波素子にて受波される反射波に関する音圧の増大効果が小さくなる。これに起因して検出値（音圧比）のＳＮ比は高周波側ほど低くなる。さらに、音波の空気による吸収減衰によっても高周波側の周波数成分ほど減衰が大きく検出値のＳＮ比は低下する。
【００１５】
したがって、高周波成分を活用して煙の有無を検知しようとした場合、検出値のＳＮ比が低下するために、火災感知の精度が低下するという問題がある。
【００１６】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであって、音源部から複数の周波数成分を含む音波を送波しながらも、高周波成分についてのＳＮ比を改善することができる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】
【００１７】
本発明の火災感知器は、複数の周波数成分を含む音波を送波する音源部と、前記音源部を制御する制御部と、前記音源部から送波された音波の音圧を検出する受波素子と、前記受波素子の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、前記信号処理部は、前記受波素子で検出された音波から各周波数成分の検出値を抽出する周波数成分抽出部と、前記音源部と前記受波素子との間の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各周波数成分の中心周波数と前記検出値の基準値からの減衰量との関係データを記憶した記憶部と、前記周波数成分抽出部で抽出された各周波数成分の前記検出値と前記記憶部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部と、前記粒子種別推定部にて推定された粒子が煙粒子のときに特定の周波数成分の前記検出値の前記基準値からの減衰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部と、前記煙濃度推定部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火災判断部とを有し、前記音源部が送波する音波は、所定の臨界周波数よりも高い周波数を基本周波数とし、前記基本周波数の周波数成分と当該基本周波数よりも低い少なくとも１つの周波数成分とを含むバースト波であって、前記臨界周波数は、前記周波数成分抽出部にて抽出される周波数成分のうち最も高い周波数成分の周波数域に含まれ、前記監視空間に浮遊粒子が存在しない状態で音波の周波数を高周波側にシフトさせたときに、前記周波数成分抽出部にて抽出される周波数成分のうち最も高い周波数成分の前記検出値が減衰し始める周波数であることを特徴とする。
【００１８】
この火災感知器において、前記臨界周波数は、前記受波素子の共振周波数であることが望ましい。
【００１９】
この火災感知器において、前記音源部から送波された音波の進行方向において互いに対向するように配置されそれぞれ音波を反射する一対の反射面が設けられており、前記音源部および前記受波素子はそれぞれ前記反射面の各々に配置され、前記反射面は、前記音源部からの音波を集音する形に湾曲した凹曲面からなり、前記周波数成分抽出部は、前記音源部から前記受波素子に直接伝播される音波である直達波と、前記反射面で反射されて前記受波素子に伝播される音波である反射波との音圧比であって、前記直達波に対する前記反射波の前記音圧比を前記周波数成分ごとに前記検出値として抽出し、前記臨界周波数は、音波の周波数を高周波側にシフトさせたときに、音波の指向性に起因して前記反射波の音圧が減衰し始める周波数であることがより望ましい。
【００２０】
この火災感知器において、前記音源部が送波するバースト波は、前記監視空間に浮遊している粒子が存在しない状態で、前記周波数成分抽出部にて抽出される各周波数成分の前記音圧比が同等になるように、波数が設定されていることがより望ましい。
【００２１】
この火災感知器において、前記音源部が送波するバースト波は、前記監視空間に浮遊している粒子が存在しない状態で、前記周波数成分抽出部にて抽出される各周波数成分の前記音圧比が同等になるように、基本周波数が設定されていることがより望ましい。
【００２２】
この火災感知器において、前記音源部は、薄膜状の発熱体部への通電に伴う前記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音波を発生するものであることがより望ましい。
【００２３】
この火災感知器において、前記音源部が送波するバースト波の基本周波数と前記発熱体部の体積熱容量および熱伝導率とで決定される前記発熱体部の熱拡散長は、前記発熱体部の厚み寸法よりも大きいことがより望ましい。
【００２４】
この火災感知器において、前記周波数成分抽出部は、各周波数成分の信号をそれぞれ通過させるフィルタであって少なくとも高周波成分抽出用および低周波成分抽出用の２種類の前記フィルタを有しており、前記受波素子の出力を前記フィルタに通すことにより各周波数成分の前記検出値を抽出し、前記音源部が送波するバースト波の基本周波数は、前記低周波成分抽出用の前記フィルタの中心周波数よりも前記高周波成分抽出用の前記フィルタの中心周波数に近いことがより望ましい。
【００２５】
この火災感知器において、前記周波数成分抽出部は、各周波数成分の信号をそれぞれ通過させるフィルタであって少なくとも高周波成分抽出用および低周波成分抽出用の２種類の前記フィルタを有しており、前記受波素子の出力を前記フィルタに通すことにより各周波数成分の前記検出値を抽出し、前記音源部が送波するバースト波の送波時間幅は、前記低周波成分抽出用の前記フィルタの中心周波数の１波に相当する時間幅より大きいことがより望ましい。
【００２６】
この火災感知器において、前記周波数成分抽出部は、各周波数成分の信号をそれぞれ通過させるフィルタであって少なくとも高周波成分抽出用および低周波成分抽出用の２種類の前記フィルタを有しており、前記受波素子の出力を前記フィルタに通すことにより各周波数成分の前記検出値を抽出し、前記音源部が送波するバースト波は、前記低周波成分抽出用の前記フィルタの周波数帯域内において当該フィルタの中心周波数より低周波側で強度が最小となるように、基本周波数と波数との少なくとも一方が設定されていることがより望ましい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明は、音源部から複数の周波数成分を含む音波を送波しながらも、高周波成分についてのＳＮ比を改善することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施形態１の構成を示す概略ブロック図である。
【図２】同上の要部を示し、（ａ）は概略下面図、（ｂ）は概略側面図である。
【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６】同上の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７】同上の動作例を示すフローチャートである。
【図８】同上に用いる煙濃度と特定の周波数成分の減衰率との関係を示す説明図である。
【図９】（ａ）は同上に用いるバースト波の波形図、（ｂ）はパワースペクトル図である。
【図１０】同上の要部の概略構成図である。
【図１１】同上の他のパワースペクトル図である。
【図１２】実施形態２の構成を示す概略図である。
【図１３】従来例の動作を示し、（ａ）は波形図、（ｂ）、（ｃ）はパワースペクトル図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
（実施形態１）
本実施形態の火災感知器は、図２に示すように、超音波を送波可能な音源部１と、音源部１を制御する制御部２と、音源部１から送波された超音波の音圧を検出する受波素子３と、受波素子３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。なお、ここでは超音波を送受波する音源部１および受波素子３を採用しているが、音源部１および受波素子３は、超音波に限らず音波を送受波するものであればよい。
【００３０】
ここにおいて、音源部１と受波素子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ており、回路基板５に制御部２および信号処理部４が設けられている。また、回路基板５の上記一表面には、音源部１から送波された超音波の反射を防止する吸音層（図示せず）が設けられている。吸音層は、音源部１から送波された超音波が回路基板５で反射して受波素子３に入射するのを防止し、反射波の干渉を防止することができる。
【００３１】
本実施形態では、音源部１は、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が用いられ、圧電素子に比べて残響時間が短い超音波を送波する。受波素子３としては、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が用いられる。
【００３２】
ここにおいて、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が形成されている。熱絶縁層１２の表面側には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の上記一表面側には発熱体層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。
【００３３】
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。
【００３４】
上述の音源部１は、発熱体層１３の両端のパッド１４，１４間に通電され発熱体層１３に急激な温度変化が生じると、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播する超音波を発生させることができる。
【００３５】
要するに、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播する超音波を発生する。したがって、この音源部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、残響の少ない超音波を送波させることができる。
【００３６】
上述の音源部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は多孔度が略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されている。したがって、ベース基板１１として用いられ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。なお、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。
【００３７】
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。ここで、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。これにより、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る。
【００３８】
したがって、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。
【００３９】
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、上述の音源部１では、ベース基板１１の厚みを３００〜７００μｍ、熱絶縁層１２の厚みを１〜１０μｍ、発熱体層１３の厚みｄを２０〜１００ｎｍ、各パッド１４の厚みを０．５μｍとしてある。ただし、これらの厚みは一例であって特に限定するものではない。
【００４０】
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い。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。
【００４１】
上述のように音源部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。したがって、音源部１は発熱体層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ｆ１の正弦波波形とした場合、理想的には、ｆ１の２倍の周波数ｆ２の超音波を発生させることができる。
【００４２】
すなわち、上述の音源部１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、後述するバースト波の送波に適しているという利点がある。また、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。
【００４３】
音源部１を制御する制御部２は、図示していないが、音源部１に駆動入力波形を与えて音源部１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。
【００４４】
また、上述の受波素子３を構成する静電容量型のマイクロホンは、図４に示すように構成されている。すなわち、受波素子３は、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。
【００４５】
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とが形成されている。受圧部３２の一端部はシリコン窒化膜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が形成されている。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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。そのため、受波素子３は受圧部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。
【００４８】
火災感知器は、図１に示すように音源部１と受波素子３との間の監視空間に存在する浮遊粒子の種別を推定する粒子種別推定部４１と、推定された粒子が煙粒子のときに監視空間の煙濃度を推定する煙濃度推定部４２とを信号処理部４に備えている。
【００４９】
さらに、信号処理部４は、煙濃度推定部４２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火災判断部４３と、粒子種別推定部４１および煙濃度推定部４２で使用するデータを記憶した記憶部４４とを備えている。
【００５０】
火災判断部４３は、煙濃度推定部４２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、火災判断部４３からの火災感知信号を受信すると、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音源部１への駆動入力波形を制御する。
【００５１】
したがって、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。なお、火災判断部４３からの火災感知器信号の出力先は制御部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。
【００５２】
ところで、本実施形態の火災感知器は、以下の構成を採用することによって、音源部１から周波数の異なる複数種の超音波を送波することを不要としている。
【００５３】
すなわち、本実施形態の火災感知器は、音源部１から複数の周波数成分を含む超音波を送波する構成を採用するとともに、受波素子３で検出された超音波から各周波数成分の強度を検出する周波数成分抽出部４０が信号処理部４に付加されている。音源部１から送波される超音波の具体例および周波数成分抽出部４０の構成例については後述する。
【００５４】
さらに、粒子種別推定部４１は、周波数成分抽出部４０で抽出された各周波数成分の強度と記憶部４４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する。煙濃度推定部４２は、粒子種別推定部４１にて推定された粒子が煙粒子のときに、特定の周波数成分（たとえば、８２ｋＨｚ）の強度の基準値からの減衰量に基づいて監視空間の煙濃度を推定する。
【００５５】
要するに、図５に示すように音源部１の出力周波数と音圧の単位減衰率との関係は、監視空間の浮遊粒子の種別に応じて異なる。ここで、監視空間に浮遊粒子が存在しない状態で受波素子３にて受波される音圧（以下、基準音圧という）をＩ０、減光式煙濃度計での評価でｘ〔％／ｍ〕となる濃度の浮遊粒子が監視空間に存在する状態で受波素子３にて受波される音圧をＩｘとする。このとき、（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。
【００５６】
ここにおいて、基準音圧Ｉ０と音圧Ｉｘとは、監視空間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５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）である。「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）である。ここに示す単位減衰率は、音源部１と受波素子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。
【００５７】
また、図５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６に示す。要するに、図６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。
【００５８】
ここで、記憶部４４には、監視空間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各周波数成分の中心周波数と同周波数成分の強度の相対的単位減衰率との関係データ（図６より抽出されるデータ）が記憶されている。さらに、記憶部４４は、少なくとも受波素子３の出力の基準値（基準音圧に対する受波素子３の出力）、煙粒子に関して特定周波数（たとえば、８２ｋＨｚ）における単位減衰率（上述の図５より抽出されるデータ）を記憶している。
【００５９】
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、上記各手段４０〜４４は、上記マイクロコンピュータに所定のプログラムを実行させることにより実現されている。また、信号処理部４には、受波素子３の出力信号をアナログ−ディジタル変換するＡ／Ｄ変換器なども設けられている。
【００６０】
以下に、本実施形態の火災感知器の動作例を図７のフローチャートを参照して説明する。まず、音源部１から複数の周波数成分を含んだ超音波を送波させ、当該超音波に対する受波素子３の出力を信号処理部４で計測する（Ｓ１１）。周波数成分抽出部４０は受波素子３の出力から各周波数成分の強度を検出値として抽出する。粒子種別推定部４１は、周波数成分抽出部４０で抽出された各周波数成分の強度と記憶部４４に記憶されている基準値とから、各周波数成分について強度の減衰率を求める（Ｓ１２）。さらに、粒子種別推定部４１は、中心周波数が８２ｋＨｚの周波数成分の減衰率に対する中心周波数が２０ｋＨｚの周波数成分の減衰率の比を算出する（Ｓ１３）。
【００６１】
ここで、記憶部４４には、上記関係データとして出力周波数が８２ｋＨｚでの相対的単位減衰率に対する２０ｋＨｚでの相対的単位減衰率の比（図６の場合、白煙が０、黒煙が０．２、湯気が０．５となる）が記憶されている。粒子種別推定部４１は、算出した減衰率の比を記憶部４４に記憶されている関係データと比較し、関係データの中で減衰率の比が最も近い種別の粒子を監視空間に浮遊している粒子と推定する（Ｓ１４）。ここで、推定された粒子が煙粒子であれば煙濃度推定部４２での処理に移行する（Ｓ１５）。
【００６２】
ここにおいて、白煙の場合には図８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。したがって、煙濃度推定部４２は、推定された粒子種別について特定の周波数成分（たとえば、８２ｋＨｚ）の減衰率の記憶部４４に記憶されている単位減衰率に対する比を算出する。煙濃度推定部４２は、算出した比の値がｙの場合に監視空間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（Ｓ１６）。
【００６３】
火災判断部４３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）とを比較する。火災判断部４３は、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（Ｓ１７）。
【００６４】
上述の例では、粒子種別推定部４１は中心周波数が８２ｋＨｚの周波数成分の減衰率と中心周波数が２０ｋＨｚの周波数成分の減衰率とを用いているが、これらの周波数成分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周波数成分を用いてもよい。さらに、より多くの周波数成分の減衰率を用いてもよく、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、煙濃度推定部４２が特定の周波数成分として１周波数成分を対象としているが、特定の周波数成分として複数の周波数成分を対象とし、各周波数成分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い。この場合、煙濃度の推定の確度が向上する。
【００６５】
ところで、本実施形態では、音源部１から複数の周波数成分を含んだ超音波を送波させるために、制御部２は音源部１に対して数周期（ここでは３周期）分の正弦波波形の駆動入力を与えている。これにより、音源部１からは図９（ａ）に示すような数周期（ここでは３周期）のバースト波状の超音波が送波される。ここでいうバースト波は、単パルス（インパルス）に比べて波数が多く、且つ連続波に比べて波数が少ない正弦波である。
【００６６】
音源部１から送波されるバースト波のパワースペクトルは、図９（ｂ）に示すように１周期の長さに応じた基本周波数ｆ３を基準に、広範囲の周波数に亘って強度（エネルギ）が分布した形となる。具体的には、バースト波は、基本周波数ｆ３の周波数成分と、基本周波数ｆ３よりも低い少なくとも１つの周波数の周波数成分とにピークを持つパワースペクトルを有する。基本周波数ｆ３よりも低い周波数としては、たとえば基本周波数ｆ３の低調波成分（図９（ｂ）における第１低調波ｆ２、第２低調波ｆ１）などがある。これにより、バースト波のパワースペクトルには、周波数ｆ３，ｆ２，ｆ１をそれぞれ中心とする山部分と、各山部分間において強度が落ち込んだ節部分とが生じることになる。バースト波の波数が多くなると、基本周波数ｆ３付近の強度が増大し、節部分も増大する。
【００６７】
結果的に、本実施形態のようにバースト波状の超音波を音源部１から送波させることによって、音源部１からは複数の周波数成分を含んだ超音波が送波されることとなる。周波数成分抽出部４０は、たとえば図９（ｂ）にＢ１〜Ｂ３で示す各周波数帯域について周波数成分の強度を抽出する。なお、図９（ｂ）並びに以下の説明で用いる図１１は、横軸を周波数、縦軸を強度（パワー）として、パワースペクトルを簡略化して表しており、実際の強度の値等に忠実に表すものではない。
【００６８】
ここで、受波素子３には共振特性のＱ値が圧電素子に比べて十分に小さい静電容量型のマイクロホンが用いられているものの、受波素子３の共振周波数ｆｃよりも高い周波数帯域では受波素子３の感度は低下する。本実施形態では、音源部１から送波されるバースト波の基本周波数ｆ３が受波素子３の共振周波数ｆｃよりも高く設定され（ｆ３＞ｆｃ）、これにより、高周波側でＳＮ比が低下することが防止されている。
【００６９】
すなわち、音源部１はバースト波状の超音波を送波するので、音源部１から送波される超音波は基本周波数ｆ３付近での音圧が最も高くなり、その他の周波数（第１低調波ｆ２、第２低調波ｆ１）付近では基本周波数ｆ３付近に比べて音圧が低くなる。言い換えれば、音源部１から送波される超音波は周波数によって音圧にばらつきがあり、基本周波数ｆ３付近で音圧が最も高くなる。
【００７０】
そこで、本実施形態では、音源部１は、周波数成分抽出部４０にて抽出される周波数成分のうち最も高い周波数成分の周波数域に含まれている所定の臨界周波数よりも高く設定された基本周波数ｆ３のバースト波を送波する構成を採用する。臨界周波数は、監視空間に浮遊粒子が存在しない状態で超音波の周波数を高周波側にシフトさせたときに、周波数成分抽出部４０にて抽出される周波数成分のうち最も高い周波数成分の検出値が減衰し始める周波数である。本実施形態では臨界周波数は受波素子３の共振周波数ｆｃである。
【００７１】
これにより、音源部１から送波される超音波は、受波素子３の感度が低下する共振周波数ｆｃよりも高周波側の周波数（基本周波数ｆ３）において音圧が最も高くなる。そのため、受波素子３は、音源部１からの超音波を受波することによって、図９（ｂ）のように共振周波数ｆｃより高い周波数帯域においても十分な強度を確保した出力を発生する。つまり、受波素子３の感度の周波数特性が、音源部１から送波された超音波の周波数特性にて相殺されることにより、受波素子３の出力においては共振周波数ｆｃよりも高い周波数帯域に十分な強度が確保される。
【００７２】
次に、周波数成分抽出部４０の構成について説明する。
【００７３】
周波数成分抽出部４０は、図９（ｂ）における周波数帯域Ｂ１〜Ｂ３の各周波数成分を抽出するため、図１０に示すように各周波数帯域Ｂ１〜Ｂ３の信号をそれぞれ通過させるバンドパスフィルタからなる第１〜第３のフィルタ４５ａ〜４５ｃを有している。第１〜第３の各フィルタ４５ａ〜４５ｃの出力は、各周波数成分の強度として取り出される。なお、周波数帯域Ｂ１〜Ｂ３のうち、低周波側の周波数帯域Ｂ１に対応する第１のフィルタ４５ａは低周波成分抽出用のフィルタを構成し、高周波側の周波数帯域Ｂ３に対応する第３のフィルタ４５ｃは高周波成分抽出用のフィルタを構成する。
【００７４】
ここで、周波数成分抽出部４０は、受波素子３の出力を増幅するアンプＡｍｐと、アンプＡｍｐで増幅された受波素子３の出力を各フィルタ４５ａ〜４５ｃに略均等に分配する分配部４６とを有している。これにより、受波素子３の出力が各フィルタ４５ａ〜４５ｃを通して後段の粒子種別推定部４１に出力される。このようにして、周波数成分抽出部４０においては、音源部１から一度に送波された超音波から複数の周波数成分の強度を抽出することができる。フィルタ４５ａ〜４５ｃはプログラムによって実現されていてもよいが、ハードウェアで実現すれば信号処理の負荷を低減することができ、信号処理の高速化を図ることができる。
【００７５】
以上説明した本実施形態の火災感知器によれば、周波数成分抽出部４０が、受波素子３で検出された超音波から各周波数成分の強度を抽出するので、浮遊粒子の種別を推定可能としながらも、音源部１から複数種の超音波を送波させる必要はない。
【００７６】
すなわち、粒子種別推定部４１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でき、台所や浴室での使用にも適する。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。なお、粒子種別推定部４１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。
【００７７】
しかも、周波数成分抽出部４０は音源部１から１回に送波された超音波から複数の周波数成分の強度を抽出している。そのため、音源部１からは複数の周波数成分を含む１種類の超音波（バースト波）が送波されればよく、音源部１から複数種の超音波を送波させる場合に比べて、音源部１や制御部２に掛かるコストを低く抑えることができる。さらに、個々の超音波の送波時に送波音圧のばらつきが生じることで浮遊粒子の種別や濃度の推定確度が低くなったり、超音波の送波に伴う消費電力が大きくなったりすることを回避できるという利点もある。
【００７８】
また、本実施形態においては、音源部１は所定の臨界周波数よりも高く設定された基本周波数ｆ３のバースト波を送波するので、受波素子３の感度や音源部１の周波数依存性によって高周波側でＳＮ比が低下することを防止できる。本実施形態では、臨界周波数は受波素子３の共振周波数ｆｃであり、受波素子３の出力において共振周波数ｆｃよりも高い周波数帯域に十分な強度を確保できるという利点がある。なお、この構成では、超音波の空気による吸収減衰によって生じ得る高周波側の周波数成分でのＳＮ比の低下についても、防止できるという利点がある。
【００７９】
ここで、煙粒子による超音波の減衰率は超音波の高周波側ほど大きくなるため、高周波側ほど煙の有無を判断しやすくなる。したがって、上記構成の火災感知器によれば、上述のように高周波側での検出値のＳＮ比が改善されたことにより、高周波成分を活用して煙の有無を検知することができ、火災感知の精度が向上するという効果がある。
【００８０】
また、音源部１として、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が用いられているので、バースト波は駆動入力の一波目から入力波形に対応する波形で得られ、高周波成分の伝播に優れ、特にバースト波駆動に適している。
【００８１】
ここにおいて、音源部１が送波するバースト波の基本周波数ｆ３と発熱体層１３の体積熱容量と熱伝導率とで決定される発熱体層１３の熱拡散長Ｌと、発熱体層１３の厚み寸法ｄ（図３参照）との関係はｄ＞Ｌであることが望ましい。すなわち、熱拡散長Ｌが発熱体層１３の厚み寸法ｄを超える設定では、音源部１の送波可能範囲外のため、音源部１から送波されるバースト波の高周波成分が消失し、バースト波の送波時間幅に相当する単パルス状となる可能性がある。これに対して、熱拡散長Ｌが厚み寸法ｄより大きく設定されていれば、音源部１は確実にバースト波を送波することができ、結果的に、音源部１の送波特性の周波数依存性に起因して高周波成分が伝播されなくなる自体を回避できる。
【００８２】
ところで、音源部１からのバースト波は、第１のフィルタ４５ａの中心周波数（周波数帯域Ｂ１の中心）ｆ１１よりも、第３のフィルタ４５ｃの中心周波数（周波数帯域Ｂ３の中心）ｆ１３の近くに基本周波数ｆ３が設定されていることが望ましい。
【００８３】
これにより、周波数成分抽出部４０で抽出すべき高周波成分の強度の増幅度が低周波成分に比べて大きくなり、周波数成分抽出部４０の出力における高周波成分の強度が改善され、高周波側のＳＮ比の向上につながるという利点がある。煙粒子による音波の減衰率は音波の高周波側ほど大きくなるため、高周波側のＳＮ比が向上すると、煙濃度の推定の確度が向上する。特に、バースト波の基本周波数ｆ３と、高周波成分抽出用の第３のフィルタ４５ｃの中心周波数（周波数帯域Ｂ３の中心）ｆ１３とが一致していれば、高周波側のＳＮ比の向上という効果は顕著になる。
【００８４】
また、音源部１からのバースト波は、低周波成分抽出用である第１のフィルタ４５ａの中心周波数（周波数帯域Ｂ１の中心）ｆ１１の１波分に相当する時間幅よりも大きい送波時間幅を有することが望ましい。つまり、音源部１が１回に超音波を送波する時間幅は、第１のフィルタ４５ａの中心周波数ｆ１１の逆数よりも大きい値であることが望ましい。
【００８５】
これにより、バースト波は、基本周波数ｆ３よりも低い周波数成分の強度が確保されることになり、周波数成分抽出部４０の出力における低周波成分の強度も改善されるという利点がある。
【００８６】
さらにまた、音源部１からのバースト波は、第１のフィルタ４５ａの周波数帯域Ｂ１内において、その中心周波数ｆ１１より低周波側で強度が最小となるように、基本周波数ｆ３と波数との少なくとも一方が設定されていることが望ましい。つまり、バースト波のパワースペクトルは、図１１に示すように周波数ｆ２，ｆ１をそれぞれ中心とする山部分間の節部分が、周波数帯域Ｂ１内における中心周波数ｆ１１よりも低周波側に位置することが望ましい。
【００８７】
これにより、周波数帯域Ｂ１内において、第１のフィルタ４５ａの中心周波数ｆ１１より低周波側の領域に比べ、高周波側の領域でバースト波の平均強度が高くなる。したがって、低周波成分での単位減衰率を大きくすることができ、ＳＮ比の改善を図ることができる。
【００８８】
なお、本実施形態では、各周波数成分の中心周波数と強度の相対的単位減衰率との関係データを記憶部４４に記憶した例を示したが、この例に限定する趣旨ではない。つまり、そもそも監視空間に存在する浮遊粒子の種別に応じて周波数成分の中心周波数ごとに変化するのは周波数成分の強度の基準値からの減衰量（Ｉ０−Ｉｘ）である。そのため、記憶部４４に記憶する関係データは、各周波数成分の中心周波数と同周波数成分の強度の基準値からの減衰量との関係を示すデータであればよい。したがって、相対的単位減衰率に代えて、たとえば周波数成分の強度の基準値からの減衰量や、周波数成分の強度の基準値からの減衰量を基準値（Ｉ０）で除しただけの減衰率、あるいは単位減衰率を採用した関係データが記憶部４４に記憶されていてもよい。
【００８９】
ところで、周波数成分抽出部４０は、フィルタ４５ａ〜４５ｃを有する構成に限らず、たとえば受波素子３の出力の時系列データについて高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行い、その結果から各周波数成分の強度を抽出する構成であってもよい。この場合、多数の周波数成分の強度を抽出することが容易となり、多数の周波数成分の強度に基づいて浮遊粒子の種別の推定を行うことにより、粒子種別の推定の確度の向上を図ることができる。また、分配部４６を用いることなく、音源部１から一度に送波された超音波について複数の周波数成分の強度を抽出することができるという利点もある。ただし、この場合、フィルタ４５ａ〜４５ｃによって各周波数成分の強度を抽出する構成に比べて、信号処理の負荷が大きくなる。
【００９０】
（実施形態２）
本実施形態の火災感知器は、音源部１からの超音波を反射する構造を有し、周波数成分抽出部４０が音源部１からの直達波と反射波との音圧比を周波数成分ごとに検出値として抽出する点が実施形態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。
【００９１】
すなわち、本実施形態では、図１２に示すように第１および第２の反射面７ａ，７ｂが、音源部１から送波された超音波の進行方向（図１２の左右方向）において互いに対向するように配置されている。各反射面７ａ，７ｂはそれぞれ超音波を反射する面であって、受波素子３は第１の反射面７ａ上に、音源部１は第２の反射面７ｂ上にそれぞれ配設される。
【００９２】
ここで、音源部１から受波素子３に直接伝わる超音波を直達波Ｓｗ１、音源部１から送波された後に第１の反射面７ａで反射され、さらに第２の反射面７ｂで反射されてから受波素子３に伝わる超音波を反射波Ｓｗ２とする。これにより、直達波Ｓｗ１の伝播経路の経路長は音源部１−受波素子３間の距離Ｌ１であるのに対し、反射波Ｓｗ２の伝播経路の経路長は２Ｌ１であるため、直達波Ｓｗ１と反射波Ｓｗ２とでは、伝播経路の経路長が異なることになる。なお、両反射面７ａ，７ｂで複数回反射を繰り返してから受波素子３に到達する超音波を反射波として用いてもよい。
【００９３】
また、図１２の例では、各反射面７ａ，７ｂは反射波Ｓｗ２を他方の反射面７ａ，７ｂ上に集音する形に湾曲した凹型の曲面に形成されている。さらに、音源部１と受波素子３とは各反射面７ａ，７ｂ上において、他方の反射面７ａ，７ｂに平面波として入射し反射された超音波が焦点を結ぶ位置に配置されている。
【００９４】
要するに、第２の反射面７ｂ上に配置された音源部１から放射状に広がりながら受波素子３側の第１の反射面７ａに到達した超音波は、第１の反射面７ａで反射されることによって音源部１側の第２の反射面７ｂに対する平行波となる。平行波として第２の反射面７ｂに到達した超音波は、第２の反射面７ｂで反射されることによって第１の反射面７ａ上の受波素子３の位置で焦点を結ぶこととなる。
【００９５】
そのため、反射面７ａ，７ｂでの反射を繰り返しても超音波は拡散しにくく、したがって、音源部１と受波素子３との間における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。
【００９６】
周波数成分抽出部４０は、音源部１から受波素子３に直接伝播される直達波Ｓｗ１と、反射面７ａ，７ｂで反射されて受波素子３に伝播される反射波Ｓｗ２との音圧比（反射波／直達波）を周波数成分ごとに検出値として抽出する。
【００９７】
ここで、監視空間に浮遊粒子が存在しない状態での音圧比（以下、初期音圧比という）をＲ０、減光式煙濃度計（減光式煙感知器）での評価でｓ〔％／ｍ〕となる濃度の浮遊粒子が監視空間に存在する状態での音圧比をＲＳとする。このとき、（Ｒ０−ＲＳ）／Ｒ０で表される値を音圧比の変化率と定義し、特にｓ＝１のときの前記変化率を単位変化率と定義する。
【００９８】
本実施形態では、記憶部４４は、監視空間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音源部１の各周波数成分の中心周波数と同周波数成分の音圧比の相対的単位変化率との関係データを記憶している。さらに、記憶部４４は、少なくとも各周波数成分ごとの初期音圧比Ｒ０、煙粒子に関して特定周波数（たとえば、８２ｋＨｚ）における音圧比の単位変化率を記憶している。
【００９９】
粒子種別推定部４１は、周波数成分抽出部４０の出力（周波数成分ごとの音圧比）と記憶部４４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する。さらに、煙濃度推定部４２は、粒子種別推定部４１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）における音圧比の初期音圧比Ｒ０からの変化量に基づいて監視空間の煙濃度を推定する。
【０１００】
なお、受波素子３に到達する直達波Ｓｗ１と反射波Ｓｗ２とが互いに重ならないようにして両者を区別可能とするため、音源部１から１回に送波する超音波の波数は、直達波Ｓｗ１、反射波Ｓｗ２の経路長の差に応じて調整される。
【０１０１】
以上説明した構成の火災感知器によれば、直達波と反射波との音圧比を用いて粒子種別および煙濃度が推定されるので、経時変化や周囲環境の変化に起因した音源部１や受波素子３の特性変化の影響を受けることなく粒子種別および煙濃度を推定することができる。すなわち、一般的な火災感知器では、音源部１や受波素子３の経時変化（たとえば、経年劣化）や周囲環境の変化（たとえば、温度、湿度、気圧などの変化）に起因して音源部１や受波素子３に特性変化が生じることがある。特性変化が生じると、監視空間の煙濃度にかかわらず受波素子３の出力の基準値からの減衰量が変動することで、結果的に非火災報や失報を生じる可能性がある。
【０１０２】
これに対して、本実施形態の火災感知器では、音源部１や受波素子３に生じる特性変化は、直達波および反射波に一律に影響するため、これら直達波と反射波との音圧比には影響することはない。したがって、この音圧比を用いて粒子種別および煙濃度が推定されることにより、これらの推定の確度が向上し、結果的に、音源部１や受波素子３に生じる特性変化に起因した非火災報や失報を低減できる。
【０１０３】
ところで、一般的に、上述のような反射面７ａ，７ｂを用いて超音波を反射させる構成では、超音波の指向性に起因して、高周波側で検出値（音圧比）のＳＮ比が低周波側に比べて低くなる。つまり、超音波は高周波側ほど強い指向性を示すので、音源部１から送波された超音波のうち受波素子３の周囲の第１の反射面７ａに当たるエネルギが送波エネルギに占める割合は、低周波成分よりも高周波成分で小さくなる。したがって、超音波の送波エネルギが同じでも、反射波Ｓｗ２として受波素子３に到達する超音波の音圧は高周波側ほど大きく減衰し、結果的に、直達波Ｓｗ１に対する反射波Ｓｗ２の音圧比（反射波／直達波）は高周波側ほど小さくなる。
【０１０４】
これに対して、本実施形態の火災感知器は、音源部１から送波される超音波にバースト波を用いているため、超音波の指向性に起因して高周波側で検出値（音圧比）が低周波側に比べて低くなるという上記問題を解決することができる。
【０１０５】
すなわち、本実施形態では、臨界周波数は、超音波の周波数を高周波側にシフトさせたときに、上述したように超音波の指向性に起因して反射波Ｓｗ２の音圧が減衰し始める周波数である。
【０１０６】
これにより、音源部１から送波される超音波は、臨界周波数よりも高い周波数帯域、つまりその指向性に起因して反射波Ｓｗ２の音圧が大きく減衰する周波数帯域に設定された基本周波数ｆ３において、音圧が最も高くなる。そのため、受波素子３は、音源部１から送波され反射波Ｓｗ２として到達した超音波を受波することによって、高い周波数帯域においても十分な強度を確保した出力を発生する。つまり、高周波側ほど大きく減衰する反射波Ｓｗ２の周波数特性が、音源部１から送波された超音波の周波数特性にて相殺されることにより、反射波Ｓｗ２においても高い周波数帯域に十分な強度が確保される。
【０１０７】
その結果、本実施形態の火災感知器によれば、直達波Ｓｗ１に対する反射波Ｓｗ２の音圧比（反射波／直達波）が高周波側で低周波側に比べて低くなる事態を回避でき、高周波側での検出値（音圧比）のＳＮ比が改善される。したがって、この火災感知器には、高周波成分を活用して煙の有無を検知することができ、火災感知の精度が向上するという効果がある。
【０１０８】
また、本実施形態において、監視空間に浮遊粒子が存在しない状態で周波数成分抽出部４０にて抽出される各周波数成分の音圧比（初期音圧比Ｒ０）が同等になるように、音源部１が送波するバースト波の波数または基本周波数ｆ３が設定されることが望ましい。
【０１０９】
すなわち、図９（ｂ）に例示したような音源部１からの超音波のパワースペクトルは、バースト波の波数あるいは基本周波数ｆ３によって変化する。そこで、バースト波の波数あるいは基本周波数ｆ３の設定次第で、周波数成分抽出部４０にて抽出される各周波数成分の初期音圧比Ｒ０は同等となる。
【０１１０】
このように波数または基本周波数ｆ３が設定されたバースト波が採用されることによって、粒子種別の推定の確度が向上するという利点がある。要するに、周波数成分抽出部４０にて抽出されるいずれかの周波数成分の音圧比（反射波／直達波）が極端に小さければ、その周波数成分の検出値（音圧比）のＳＮ比が極端に低下し、粒子種別の推定の確度が低下する。つまり、粒子種別推定部４１は、複数の周波数成分についての各検出値の関係により、監視空間に浮遊している粒子の種別を推定するので、いずれかの周波数成分の検出値のＳＮ比が極端に低いと、粒子種別を誤って推定する可能性がある。
【０１１１】
これに対して、周波数成分抽出部４０にて抽出される各周波数成分の初期音圧比Ｒ０が同等になるように、バースト波の波数または基本周波数ｆ３が設定されていれば、周波数成分抽出部４０にて抽出される周波数成分の検出値のＳＮ比を揃えることができる。したがって、上述したようにいずれかの周波数成分の検出値のＳＮ比が極端に低いために粒子種別が誤って推定される自体を回避でき、粒子種別の推定の確度が向上する。
【０１１２】
なお、その他の構成および機能は実施形態１と同様である。
【０１１３】
ところで、上記各実施形態の火災感知器は、音源部１からの超音波の拡散範囲を狭める拡散防止部材を備えていてもよい。たとえば、音源部１からの超音波の拡散範囲を狭める拡散防止部材として一対の拡散防止板を用いることができる。
【０１１４】
各拡散防止板はそれぞれ平面視矩形状の平板からなり、一対の拡散防止板は一表面同士を対向させるように略平行に配設される。ここで、一対の拡散防止板は、音源部１からの超音波を互いに対向する一表面間の空間に通すことで当該超音波の拡散範囲を狭める。そのため、一対の拡散防止板は、対向する一表面間の空間を通して音源部１からの超音波を伝搬させるように、一表面の間に音源部１と受波素子３とを挟みこむ形で配設される。
【０１１５】
このように拡散防止板を設けたことにより、音源部１から送波される超音波は、拡散防止板の一表面で囲まれた監視空間を通ることで拡散が抑制され、したがって音源部１と受波素子３との間における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。
【０１１６】
また、上記各実施形態では、音源部１と制御部２と受波素子３と信号処理部４とを１枚の回路基板５に設けて図示しない器体内に収納してあるが、この例に限定する趣旨ではない。たとえば、火災感知器は音源部１および制御部２を備えた音源側ユニットと、受波素子３および信号処理部４を備えた受波側ユニットとを別体として互いに対向配置する分離型の構成であってもよい。また、音源部１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。
【０１１７】
さらにまた、上記各実施形態において、制御部２が、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、監視空間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音源部１から送波する超音波に防虫効果のある周波数成分を含むようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１１８】
１ 音源部
２ 制御部
３ 受波素子
４ 信号処理部
７ａ，７ｂ 反射面
１１ ベース基板
１２ 熱絶縁層
１３ 発熱体層（発熱体部）
４０ 周波数成分抽出部
４１ 粒子種別推定部
４２ 煙濃度推定部
４３ 火災判断部
４４ 記憶部
４５ａ〜４５ｃ フィルタ
ｄ 厚み寸法
ｆ３ 基本周波数
ｆ１１〜ｆ１３ 中心周波数
ｆｃ 共振周波数
Ｓｗ１ 直達波
Ｓｗ２ 反射波
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の周波数成分を含む音波を送波する音源部と、前記音源部を制御する制御部と、前記音源部から送波された音波の音圧を検出する受波素子と、前記受波素子の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、前記信号処理部は、前記受波素子で検出された音波から各周波数成分の検出値を抽出する周波数成分抽出部と、前記音源部と前記受波素子との間の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各周波数成分の中心周波数と前記検出値の基準値からの減衰量との関係データを記憶した記憶部と、前記周波数成分抽出部で抽出された各周波数成分の前記検出値と前記記憶部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部と、前記粒子種別推定部にて推定された粒子が煙粒子のときに特定の周波数成分の前記検出値の前記基準値からの減衰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部と、前記煙濃度推定部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火災判断部とを有し、前記音源部が送波する音波は、所定の臨界周波数よりも高い周波数を基本周波数とし、前記基本周波数の周波数成分と当該基本周波数よりも低い少なくとも１つの周波数成分とを含むバースト波であって、前記臨界周波数は、前記周波数成分抽出部にて抽出される周波数成分のうち最も高い周波数成分の周波数域に含まれ、前記監視空間に浮遊粒子が存在しない状態で音波の周波数を高周波側にシフトさせたときに、前記周波数成分抽出部にて抽出される周波数成分のうち最も高い周波数成分の前記検出値が減衰し始める周波数であることを特徴とする火災感知器。
【請求項２】
前記臨界周波数は、前記受波素子の共振周波数であ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】
前記音源部から送波された音波の進行方向において互いに対向するように配置されそれぞれ音波を反射する一対の反射面が設けられており、前記音源部および前記受波素子はそれぞれ前記反射面の各々に配置され、前記反射面は、前記音源部からの音波を集音する形に湾曲した凹曲面からなり、前記周波数成分抽出部は、前記音源部から前記受波素子に直接伝播される音波である直達波と、前記反射面で反射されて前記受波素子に伝播される音波である反射波との音圧比であって、前記直達波に対する前記反射波の前記音圧比を前記周波数成分ごとに前記検出値として抽出し、前記臨界周波数は、音波の周波数を高周波側にシフトさせたときに、音波の指向性に起因して前記反射波の音圧が減衰し始める周波数であることを特徴とする請求項１記載の火災感知器。
【請求項４】
前記音源部が送波するバースト波は、前記監視空間に浮遊している粒子が存在しない状態で、前記周波数成分抽出部にて抽出される各周波数成分の前記音圧比が同等になるように、波数が設定されていることを特徴とする請求項３記載の火災感知器。
【請求項５】
前記音源部が送波するバースト波は、前記監視空間に浮遊している粒子が存在しない状態で、前記周波数成分抽出部にて抽出される各周波数成分の前記音圧比が同等になるように、基本周波数が設定されていることを特徴とする請求項３記載の火災感知器。
【請求項６】
前記音源部は、薄膜状の発熱体部への通電に伴う前記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５のいずれか１項に記載の火災感知器。
【請求項７】
前記音源部が送波するバースト波の基本周波数と前記発熱体部の体積熱容量および熱伝導率とで決定される前記発熱体部の熱拡散長は、前記発熱体部の厚み寸法よりも大きいことを特徴とする請求項６記載の火災感知器。
【請求項８】
前記周波数成分抽出部は、各周波数成分の信号をそれぞれ通過させるフィルタであって少なくとも高周波成分抽出用および低周波成分抽出用の２種類の前記フィルタを有しており、前記受波素子の出力を前記フィルタに通すことにより各周波数成分の前記検出値を抽出し、前記音源部が送波するバースト波の基本周波数は、前記低周波成分抽出用の前記フィルタの中心周波数よりも前記高周波成分抽出用の前記フィルタの中心周波数に近いことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の火災感知器。
【請求項９】
前記周波数成分抽出部は、各周波数成分の信号をそれぞれ通過させるフィルタであって少なくとも高周波成分抽出用および低周波成分抽出用の２種類の前記フィルタを有しており、前記受波素子の出力を前記フィルタに通すことにより各周波数成分の前記検出値を抽出し、前記音源部が送波するバースト波の送波時間幅は、前記低周波成分抽出用の前記フィルタの中心周波数の１波に相当する時間幅より大きいことを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の火災感知器。
【請求項１０】
前記周波数成分抽出部は、各周波数成分の信号をそれぞれ通過させるフィルタであって少なくとも高周波成分抽出用および低周波成分抽出用の２種類の前記フィルタを有しており、前記受波素子の出力を前記フィルタに通すことにより各周波数成分の前記検出値を抽出し、前記音源部が送波するバースト波は、前記低周波成分抽出用の前記フィルタの周波数帯域内において当該フィルタの中心周波数より低周波側で強度が最小となるように、基本周波数と波数との少なくとも一方が設定され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】
複数の周波数成分を含む音波を送波する音源部と、前記音源部を制御する制御部と、前記音源部から送波された音波の音圧を検出する受波素子と、前記受波素子の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、前記信号処理部は、前記受波素子で検出された音波から各周波数成分の検出値を抽出する周波数成分抽出部と、前記音源部と前記受波素子との間の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各周波数成分の中心周波数と前記検出値の基準値からの減衰量との関係データを記憶した記憶部と、前記周波数成分抽出部で抽出された各周波数成分の前記検出値と前記記憶部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部と、前記粒子種別推定部にて推定された粒子が煙粒子のときに特定の周波数成分の前記検出値の前記基準値からの減衰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部と、前記煙濃度推定部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火災判断部とを有し、前記音源部が送波する音波は、所定の臨界周波数よりも高い周波数を基本周波数とし、前記基本周波数の周波数成分と当該基本周波数よりも低い少なくとも１つの周波数成分とを含むバースト波であって、前記臨界周波数は、前記周波数成分抽出部にて抽出される周波数成分のうち最も高い周波数成分の周波数域に含まれ、前記監視空間に浮遊粒子が存在しない状態で音波の周波数を高周波側にシフトさせたときに、前記周波数成分抽出部にて抽出される周波数成分のうち最も高い周波数成分の前記検出値が減衰し始める周波数であることを特徴とする火災感知器。
【請求項２】
前記臨界周波数は、前記受波素子の共振周波数であ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】
前記音源部から送波された音波の進行方向において互いに対向するように配置されそれぞれ音波を反射する一対の反射面が設けられており、前記音源部および前記受波素子はそれぞれ前記反射面の各々に配置され、前記反射面は、前記音源部からの音波を集音する形に湾曲した凹曲面からなり、前記周波数成分抽出部は、前記音源部から前記受波素子に直接伝播される音波である直達波と、前記反射面で反射されて前記受波素子に伝播される音波である反射波との音圧比であって、前記直達波に対する前記反射波の前記音圧比を前記周波数成分ごとに前記検出値として抽出し、前記臨界周波数は、音波の周波数を高周波側にシフトさせたときに、音波の指向性に起因して前記反射波の音圧が減衰し始める周波数であることを特徴とする請求項１記載の火災感知器。
【請求項４】
前記音源部が送波するバースト波は、前記監視空間に浮遊している粒子が存在しない状態で、前記周波数成分抽出部にて抽出される各周波数成分の前記音圧比が同等になるように、波数が設定されていることを特徴とする請求項３記載の火災感知器。
【請求項５】
前記音源部が送波するバースト波は、前記監視空間に浮遊している粒子が存在しない状態で、前記周波数成分抽出部にて抽出される各周波数成分の前記音圧比が同等になるように、基本周波数が設定されていることを特徴とする請求項３記載の火災感知器。
【請求項６】
前記音源部は、薄膜状の発熱体部への通電に伴う前記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５のいずれか１項に記載の火災感知器。
【請求項７】
前記音源部が送波するバースト波の基本周波数と前記発熱体部の体積熱容量および熱伝導率とで決定される前記発熱体部の熱拡散長は、前記発熱体部の厚み寸法よりも大きいことを特徴とする請求項６記載の火災感知器。
【請求項８】
前記周波数成分抽出部は、各周波数成分の信号をそれぞれ通過させるフィルタであって少なくとも高周波成分抽出用および低周波成分抽出用の２種類の前記フィルタを有しており、前記受波素子の出力を前記フィルタに通すことにより各周波数成分の前記検出値を抽出し、前記音源部が送波するバースト波の基本周波数は、前記低周波成分抽出用の前記フィルタの中心周波数よりも前記高周波成分抽出用の前記フィルタの中心周波数に近いことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の火災感知器。
【請求項９】
前記周波数成分抽出部は、各周波数成分の信号をそれぞれ通過させるフィルタであって少なくとも高周波成分抽出用および低周波成分抽出用の２種類の前記フィルタを有しており、前記受波素子の出力を前記フィルタに通すことにより各周波数成分の前記検出値を抽出し、前記音源部が送波するバースト波の送波時間幅は、前記低周波成分抽出用の前記フィルタの中心周波数の１波に相当する時間幅より大きいことを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の火災感知器。
【請求項１０】
前記周波数成分抽出部は、各周波数成分の信号をそれぞれ通過させるフィルタであって少なくとも高周波成分抽出用および低周波成分抽出用の２種類の前記フィルタを有しており、前記受波素子の出力を前記フィルタに通すことにより各周波数成分の前記検出値を抽出し、前記音源部が送波するバースト波は、前記低周波成分抽出用の前記フィルタの周波数帯域内において当該フィルタの中心周波数より低周波側で強度が最小となるように、基本周波数と波数との少なくとも一方が設定され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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−２４８４７０（Ｐ２０１１−２４８４７０Ａ）
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１８７２５（Ｐ２０１０−１１８７２５）
【出願日】平成２２年５月２４日（２０１０．５．２４）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２４日（２０１０．５．２４）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
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