火災感知器
【課題】音響セルの温度変化の影響で煙濃度の推定の確度が低下することのない火災感知器を提供する。
【解決手段】火災感知器は、音速計測部４７での音速の算出に用いられる伝播経路長を補正する経路長補正部４９を信号処理部４に有している。経路長補正部４９は、変化量測定部４８で求められる音響セルの熱膨張による伝播経路長の変化量に基づき超音波の伝播経路長を補正する。音響セルは、音源部１ａ，１ｂおよび受波素子３ａ，３ｂが固定されることにより、音源部１ａ，１ｂと受波素子３ａ，３ｂとの相対的な位置関係を決定する。経路長補正部４９は、伝播経路長のデフォルト値に、音響セルの温度の所定の基準温度からの変化量ΔＴｃおよび所定の熱膨張係数Ｋを用いて１＋Ｋ・ΔＴｃで表される補正係数を乗じることにより伝播経路長を補正する。
【解決手段】火災感知器は、音速計測部４７での音速の算出に用いられる伝播経路長を補正する経路長補正部４９を信号処理部４に有している。経路長補正部４９は、変化量測定部４８で求められる音響セルの熱膨張による伝播経路長の変化量に基づき超音波の伝播経路長を補正する。音響セルは、音源部１ａ，１ｂおよび受波素子３ａ，３ｂが固定されることにより、音源部１ａ，１ｂと受波素子３ａ，３ｂとの相対的な位置関係を決定する。経路長補正部４９は、伝播経路長のデフォルト値に、音響セルの温度の所定の基準温度からの変化量ΔＴｃおよび所定の熱膨張係数Ｋを用いて１＋Ｋ・ΔＴｃで表される補正係数を乗じることにより伝播経路長を補正する。
【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】
ただ、上述した音波式の火災感知器では、音源部や受波素子の経時変化（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）に起因して音源部や受波素子に特性変化が生じることがある。その結果、火災感知器は、監視空間の煙濃度にかかわらず受波素子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。
【０００６】
そこで、本件出願人は、経路長の異なる伝播経路を通して音源部から受波素子に伝播された複数の音波間の音圧比を算出する手段を信号処理部に付加し、音圧比の初期値からの変化量に基づき煙濃度を推定する構成をさらに考えている（たとえば特許文献１参照）。
【０００７】
すなわち、特許文献１記載の火災感知器は、互いに離間距離の異なる２組の音源部１ａ，１ｂ（図１参照）および受波素子３ａ，３ｂ（図１参照）を有している。この火災感知器では、信号処理部は経路長Ｌ１の伝播経路を通して一方の音源部１ａから受波素子３ａに伝わる音波の音圧と、経路長Ｌ２（＞Ｌ１）の伝播経路を通して他方の音源部１ｂから受波素子３ｂに伝わる音波の音圧との比を音圧比として算出する。
【０００８】
この構成では、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、当該特性変化は伝播経路長の異なる複数の音波に一律に影響するため、信号処理部で算出される音圧比に影響することはない。したがって、音圧比の初期値からの変化量に基づいて煙濃度を推定することにより、経時変化や周囲環境の変化に起因した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。
【０００９】
ところで、音波は空気中を伝播する際、空気中における吸収減衰および拡散減衰により音圧が低下するため、音波式の火災感知器では、音源部から送波された音波は受波素子に到達するまでの間に音圧が低下する。ここに、吸収減衰および拡散減衰による音圧の低下率Ｂ１，Ｂ２はいずれも伝播経路長ｘの関数として表すことができ、吸収減衰による音圧低下率Ｂ１はＢ１＝ｅ−α・ｘ、拡散減衰による音圧低下率Ｂ２は１／（２πｘ）で表される。要するに、音源部から送波される音波の音圧をＰ０とすれば、受波素子で受波される音圧Ｐｘは、以下の式で表される。
【００１０】
【数１】
【００１１】
ここにおいて、上式中のαは空気による音波の吸収減衰の減衰係数であって、当該減衰係数αは、媒質となる空気の温度、湿度、気圧と、音波の周波数との関数で表されることが知られている（参考文献１：H.E.Bass 外、「Atmospheric absorption ofsound:Further developments」、The Journal of theAcoustical Society of America、1995、Volume 97、Issue 1、p.680−683）。そのため、減衰係数αは、周囲環境の変化（たとえば、温度、湿度、気圧などの変化）に起因して変化することがある。
【００１２】
そして、減衰係数αが変化すると、監視空間の煙濃度にかかわらず前記音圧比が変動することがある。すなわち、減衰係数αが変化したときに、伝播経路長ｘが異なる複数の音波間では音圧低下率Ｂ１の変化量に差が生じるので、減衰係数αが変化することで音圧比が変動する可能性がある。
【００１３】
そこで、特許文献１記載の火災感知器は、音波の吸収減衰の減衰係数αを推定する減衰係数推定部と、減衰係数αの変化に起因した変動分をキャンセルするように音圧比を補正する音圧比補正部とを信号処理部に有している。減衰係数推定部は、監視空間の温度と、当該温度および監視空間の音速から算出される湿度とをパラメータとして用い、煙がない状態での監視空間における音波の吸収減衰の減衰係数αを推定する。
【００１４】
ここで、監視空間の音速は、音圧比の算出対象となる複数の音波間の伝播経路長の差を、複数の音波がそれぞれ音源部から受波素子に伝播されるのに要した時間差で除することにより算出される。すなわち、音圧比の算出対象となる一方の音波の伝播経路長をＬ１、他方の音波の伝播経路長をＬ２（＞Ｌ１）とし、両音波が音源部から同時に送波され、受波素子が各音波を受波した時間差をΔｔ０とした場合、音速は（Ｌ２−Ｌ１）／Δｔ０で求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２０１０−３３５３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところで、特許文献１記載の火災感知器においては、音源部と受波素子とは音響セル（回路基板が音響セルとして機能する場合も含む）に固定され両者間の相対的な位置関係が音響セルの寸法によって決まっている。そのため、温度変化が生じて音響セルに熱膨張による変形が生じると、音響セルの寸法が変化し、音源部と受波素子との離間距離も変化するため、音圧比の算出対象となる音波の伝播経路長が変化する。その結果、上述したように複数の音波間の伝播経路長の差を時間差で除することにより算出される音速についても、実際の音速との間に誤差が生じ、結果的に、減衰係数αの推定の確度が低下し煙濃度の推定の確度も低下する。
【００１７】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであって、音響セルの温度変化の影響で煙濃度の推定の確度が低下することのない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】
【００１８】
本発明の火災感知器は、音波を送波可能な音源部と、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、前記音源部および前記受波素子が固定され前記音源部と前記受波素子との相対的な位置関係を決定する音響セルとを備え、前記信号処理部は、前記音源部と前記受波素子との間の監視空間のうち経路長の異なる伝播経路を通して前記音源部から前記受波素子にそれぞれ伝播された複数の音波間の音圧比を算出する音圧比算出部と、前記音圧比算出部で算出される音圧比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、前記監視空間の温度を計測する温度計測部と、前記監視空間の音速を求める音速計測部と、前記温度計測部で計測される温度と当該温度および前記音速計測部で求められる音速から算出される湿度とをパラメータとして用いて、煙がない状態での前記監視空間における音波の吸収減衰の減衰係数を推定する減衰係数推定部と、前記減衰係数推定部で推定される前記減衰係数に基づき、前記減衰係数の変化に起因する前記音圧比の変動分を取り除くように前記音圧比を補正する音圧比補正部とを有し、前記音速計測部は、前記音圧比算出部において前記音圧比の算出対象となる複数の音波に関する伝播経路長の差を、前記複数の音波がそれぞれ前記音源部から前記受波素子に伝播されるのに要した時間差で除することにより前記音速を算出しており、前記信号処理部は、前記音響セルの熱膨張による前記伝播経路長の変化量を求める変化量測定部と、前記音速計測部での前記音速の算出に用いられる前記伝播経路長を前記変化量測定部で求められた前記変化量に基づいて補正する経路長補正部とをさらに有することを特徴とする。
【００１９】
この火災感知器において、前記信号処理部は、前記温度計測部とは別に、前記音響セル自体の温度を計測するセル温度計測部をさらに有し、前記変化量測定部は、前記セル温度計測部で計測された温度と所定の熱膨張係数とを用いて前記変化量を求めることが望ましい。
【００２０】
この火災感知器において、前記音響セルは、前記音源部から送波される音波の進行方向に沿う面であって前記監視空間を囲むことにより前記音波の拡散範囲を制限する一対の拡散防止面を有し、前記信号処理部は、前記一対の前記拡散防止面間の距離に応じた所定の補正係数を前記音速計測部で算出される音速に乗じることにより前記音速を補正する音速補正部をさらに有することがより望ましい。
【００２１】
この火災感知器において、前記音響セルは、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を有し、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、前記音圧比算出部は、前記音源部から前記受波素子に直接伝播される音波と反射面で反射されて前記受波素子に伝播される音波との間の音圧比を算出することがより望ましい。
【００２２】
この火災感知器において、前記信号処理部は、前記音速計測部で得られた音速に基づき、当該音速の変化に起因して音波の指向性が変化するために生じる前記音圧比の変動分を取り除くように前記音圧比を補正する指向性補正部をさらに有することがより望ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は、音響セルの温度変化の影響で煙濃度の推定の確度が低下することがないという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【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】同上の動作を示す概略図である。
【図３】同上の動作を示す波形図である。
【図４】同上に用いる音波発生素子を示す概略断面図である。
【図５】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６】実施形態２の構成を示す概略図である。
【図７】同上に用いる音響セルを示す概略斜視図である。
【図８】同上の構成を示す概略ブロック図である。
【図９】同上の動作を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
（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、一対の音源部１ａ，１ｂ（以下、両音源部を特に区別しないときは単に「音源部１」という）と、音源部１ａ，１ｂを制御する制御部２とを備えている。
【００２６】
さらに、火災感知器は、各音源部１ａ，１ｂから送波された超音波の音圧を検出する一対の受波素子３ａ，３ｂ（以下、両受波素子を特に区別しないときは単に「受波素子３」という）と、信号処理部４とを備えている。信号処理部４は、各受波素子３ａ，３ｂの出力に基づいて火災の有無を判断する。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。
【００２７】
制御部２は、図示しないが、音源部１に駆動信号を与えて音源部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おり、音源部１から超音波が間欠的に送波されるように音源部１を間欠的に駆動する。
【００２８】
音源部１と受波素子３とは、第１の音源部１ａと第１の受波素子３ａとを組とし、第２の音源部１ｂと第２の受波素子３ｂとを組として、板状の音響セル５の一表面側に、各組を成す音源部１ａ，１ｂと受波素子３ａ，３ｂとが互いに離間して対向配置されている。また、音響セル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。これにより、音源部１から送波された超音波が音響セル５表面で反射して受波素子３に入射するのを防止することができて、反射波の干渉を防止することができ、特に、音源部１から送波させる超音波として連続波を用いる場合に有効である。
【００２９】
ここにおいて、音源部１と受波素子３とは各組ごとに両者間の距離が異なるように配置されており、本実施形態では、第１の音源部１ａと第１の受波素子３ａとの離間距離に比べて、第２の音源部１ｂと第２の受波素子３ｂとの離間距離が長く設定されている。これにより、図２（ａ）に示すように、第１の音源部１ａから送波された第１の超音波Ｓｗ１と第２の音源部１ｂから送波された第２の超音波Ｓｗ２とは、経路長の異なる伝播経路を通して、それぞれと組を成す受波素子３ａ，３ｂに伝播される。
【００３０】
つまり、第１の受波素子３ａで受波される第１の超音波Ｓｗ１の伝播経路長Ｌ１は、第１の音源部１ａと第１の受波素子３ａとの離間距離である。これに対し、第２の受波素子３ｂで受波される第２の超音波Ｓｗ２の伝播経路長Ｌ２は、第２の音源部１ｂと第２の受波素子３ｂとの離間距離である。なお、各音源部１ａ，１ｂからの超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２が互いに干渉することがないように両伝播経路を隔てる隔壁を設けてもよい。
【００３１】
音響セル５は、音源部１および受波素子３が固定されることにより、音源部１と受波素子３との相対的な位置関係（音源部１−受波素子３間の離間距離）を決定している。つまり、第１の音源部１ａと第１の受波素子３ａとの間の超音波Ｓｗ１の伝播経路長Ｌ１並びに第２の音源部１ｂと第２の受波素子３ｂとの間の超音波Ｓｗ２の伝播経路長Ｌ２は音響セル５によって決められている。ここで、音響セル５の材質としてはたとえばアクリル樹脂、金属などが考えられるが、特に材質を限定する趣旨ではない。
【００３２】
本実施形態においては、両音源部１ａ，１ｂに同一特性のものが用いられるとともに、両受波素子３ａ，３ｂに同一特性のものが用いられる。さらに、両音源部１ａ，１ｂは同一の条件（たとえば、送波させる超音波の音圧、周波数）で駆動されるとともに、両受波素子３ａ，３ｂが同一の条件（たとえば、直流バイアス電圧）で使用されている。
【００３３】
ここに、火災感知器の周囲環境（たとえば、温度、湿度、気圧）が所定の状態に設定され、且つ音源部１や受波素子３に経時変化が生じておらず（たとえば、出荷前）、音源部１と受波素子３との間の監視空間に煙がない状態を図２（ａ）に示す。つまり、図２（ａ）の状態では、各音源部１ａ，１ｂからの超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２は、その伝播経路長Ｌ１，Ｌ２の違いから、各受波素子３ａ，３ｂにおいて受波される際には音圧Ｐ１０，Ｐ２０が互いに異なる。なお、ここでは第１の受波素子３ａで受波される超音波Ｓｗ１の音圧をＰ１０、第２の受波素子３ｂで受波される超音波Ｓｗ２の音圧をＰ２０とする。
【００３４】
つまり、音源部１から送波された超音波は監視空間を伝播する際に伝播経路長に応じて音圧が減衰することとなるので、経路長Ｌ２の伝播経路を通る超音波Ｓｗ２の音圧Ｐ２０は、経路長Ｌ１（＜Ｌ２）の伝播経路を通る超音波Ｓｗ１の音圧Ｐ１０に比べて低くなる。制御部２は、両超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の送波のタイミングが揃うように、両音源部１ａ，１ｂを同時に駆動する。
【００３５】
ところで、信号処理部４は、図１に示すように、音圧比を算出する音圧比算出部４０と、煙濃度を推定する煙濃度推定部４１と、火災の有無を判断する火災判断部４２と、音圧比算出部４０で算出された音圧比を記憶する記憶部４３とを有している。
【００３６】
音圧比算出部４０は、第１の受波素子３ａと第２の受波素子３ｂとのそれぞれで受波される超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２間の音圧比を算出する。煙濃度推定部４１は、音圧比算出部４０で算出される音圧比の初期値からの変化量に基づいて音源部１と受波素子３との間の監視空間の煙濃度を推定する。火災判断部４２は、煙濃度推定部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。
【００３７】
信号処理部４にはさらに、後述の減衰係数を推定する減衰係数推定部４４や音圧比を補正する音圧比補正部４５等が設けられているが、以下ではまず、信号処理部４の基本構成について説明する。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、上記各手段４０〜４５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（図示せず）なども設けられている。
【００３８】
音圧比算出部４０は、経路長Ｌ２の伝播経路を通る第２の超音波Ｓｗ２の音圧を、経路長Ｌ１（＜Ｌ２）の伝播経路を通る第１の超音波Ｓｗ１の音圧で除したものを音圧比として算出する。音圧比の初期値は、図２（ａ）に示した状態で、音源部１から受波素子３に超音波を送波することにより音圧比算出部４０で算出される音圧比Ｒ０（＝Ｐ２０／Ｐ１０）であって、あらかじめ記憶部４３に記憶される。また、このように算出した音圧比Ｒ０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。
【００３９】
煙濃度推定部４１は、音圧比算出部４０で算出される音圧比ＲＳと、あらかじめ記憶部４３に記憶された音圧比の初期値Ｒ０とを比較して、両者の差（つまり初期値Ｒ０からの音圧比ＲＳの変化量）に基づいて監視空間の煙濃度を推定する。詳しくは後述するが、音圧比算出部４０で算出される音圧比ＲＳの初期値Ｒ０からの変化量は、監視空間の煙濃度に略比例して増加する。そのため、あらかじめ測定した煙濃度と前記変化量との関係データに基づいて煙濃度と前記変化量との関係式を求めて記憶部４３に記憶しておけば、上記関係式を用いて前記変化量から煙濃度を推定することができる。
【００４０】
また、火災判断部４２は、煙濃度推定部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、火災判断部４２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への駆動信号を制御する。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４２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。
【００４１】
上述した構成によれば、音源部１や受波素子３の経時変化や周囲環境の変化に起因して音源部１や受波素子３に特性変化が生じた場合でも、これらの特性変化が、音圧比算出部４０で算出される音圧比Ｒ１に影響することはない。
【００４２】
すなわち、音源部１や受波素子３に特性変化が生じると、監視空間に煙がなくても、図２（ｂ）に示すように受波時の第１の超音波Ｓｗ１の音圧Ｐ１１と第２の超音波Ｓｗ２の音圧Ｐ２１とは図２（ａ）の各値（Ｐ１０，Ｐ２０）から変動（低下）することがある。ただし、図２（ｂ）の状態においても音圧比算出部４０で算出される音圧比Ｒ１（＝Ｐ２１／Ｐ１１）に関しては、図２（ａ）の状態で算出される初期値Ｒ０（＝Ｐ２０／Ｐ１０）と略同一となる（つまりＲ１＝Ｒ０）。
【００４３】
要するに、音源部１の経時変化や周囲環境の変化に起因した特性変化は両音源部１ａ，１ｂにおいて同様に生じ、受波素子３の経時変化や周囲環境の変化に起因した特性変化は、両受波素子３ａ，３ｂにおいて同様に生じる。したがって、音源部１や受波素子３の特性変化は、音圧比算出部４０で算出される音圧比Ｒ１には影響しない。
【００４４】
これに対して、監視空間に煙粒子（あるいはその他の浮遊粒子）が侵入すると、図２（ｃ）に示すように受波時の第１の超音波Ｓｗ１の音圧Ｐ１Ｓと第２の超音波Ｓｗ２の音圧Ｐ２Ｓとの音圧比ＲＳ（＝Ｐ２Ｓ／Ｐ１Ｓ）は初期値Ｒ０（＝Ｐ２０／Ｐ１０）から変化する。すなわち、監視空間に煙が入り込むと、音源部１からの超音波は受波素子３に到達するまでに音圧が低下するが、このときの音圧の減衰量は監視空間中を超音波が伝播した距離と監視空間の煙濃度との両方に依存する。そのため、音圧比ＲＳは、超音波Ｓｗ１の伝播経路長Ｌ１と超音波Ｓｗ２の伝播経路長Ｌ２との差（Ｌ２−Ｌ１）、および監視空間の煙濃度に応じた分だけ初期値Ｒ０から変化する。
【００４５】
具体的に説明すると、減光式煙濃度計での評価での監視空間の煙濃度をＣ〔％／ｍ〕、煙濃度１〔％／ｍ〕に対する１〔ｍ〕当たりの超音波の減衰率をβとすれば、音圧Ｐ１ＳはＰ１Ｓ≒Ｐ１０（１−βＣＬ１）、音圧Ｐ２ＳはＰ２Ｓ≒Ｐ２０（１−βＣＬ２）で表される。ここで、Ｐ１０，Ｐ２０は図２（ａ）の例において各受波素子３ａ，３ｂでそれぞれ受波される超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の音圧を表しており、Ｌ１，Ｌ２（いずれも〔ｍ〕）についてはＬ１＜Ｌ２＜１と仮定している。上式で表されるＰ１ＳおよびＰ２Ｓと、音圧比の初期値Ｒ０＝Ｐ２０／Ｐ１０とを用いれば、音圧Ｐ１ＳとＰ２Ｓとの音圧比ＲＳ（＝Ｐ２Ｓ／Ｐ１Ｓ）の初期値Ｒ０からの変化量（つまり、Ｒ０−ＲＳ）は次式で表される。
【００４６】
Ｒ０−ＲＳ＝Ｒ０βＣ（Ｌ２−Ｌ１）／（１−βＬ１）
ここにおいてβＬ１が１よりも十分に小さければ、Ｒ０−ＲＳ＝Ｒ０βＣ（Ｌ２−Ｌ１）となり、音圧比ＲＳの初期値Ｒ０からの変化量（Ｒ０−ＲＳ）は、経路長の差（Ｌ２−Ｌ１）および監視空間の煙濃度Ｃに比例する形で表されることとなる。したがって、β、Ｌ１、Ｌ２が既知であれば、音圧比ＲＳの初期値Ｒ０からの変化量（Ｒ０−ＲＳ）に基づいて監視空間の煙濃度Ｃ〔％／ｍ〕を推定することができる。
【００４７】
また、煙濃度推定部４１は、音圧比ＲＳにおける初期値Ｒ０からの変化量を初期値Ｒ０で除した変化率（Ｒ０−ＲＳ）／Ｒ０に基づいて監視空間の煙濃度を推定する構成であってもよい。音圧比の変化率においては、製造過程で生じた音源部１や受波素子３の特性のばらつきなどにより火災感知器間で生じる初期値Ｒ０のばらつきの影響が除去されている。したがって、監視空間の煙濃度が同一であれば、初期値Ｒ０によらず煙濃度の推定結果を一律に揃えることができ、煙濃度への換算が容易になる。
【００４８】
なお、上述した条件下では、監視空間に煙粒子が流入することで音圧比ＲＳが初期値Ｒ０より大きくなること（つまりＲ０−ＲＳが負の値になること）はない。したがって、火災判断部４２では煙濃度推定部４１から出力される煙濃度に対して負の閾値は設定されておらず、万一、煙濃度推定部４１から負の煙濃度が出力されても、火災判断部４２は誤検出と判断して「火災無し」と判断する。
【００４９】
上記構成により、火災感知器は、それぞれ伝播経路長Ｌ１，Ｌ２の異なる複数の超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２間の音圧比ＲＳの初期値Ｒ０からの変化量に基づいて煙濃度を推定するので、音源部１や受波素子３に生じる特性変化の影響で非火災報や失報を生じることはない。要するに、音源部１や受波素子３に生じる特性変化は複数の超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２に一律に影響するため、音圧比ＲＳの変化に基づいて推定される煙濃度が特性変化の影響を受けることはない。
【００５０】
次に、減衰係数推定部４４および音圧比補正部４５について説明する。
【００５１】
減衰係数推定部４４は、周囲環境の変化に応じて変化する空気による超音波の吸収減衰の減衰係数を推定する。音圧比補正部４５は、減衰係数推定部４４で推定された減衰係数に基づいて音圧比を補正する。
【００５２】
すなわち、背景技術の欄で説明したように、音源部１からの超音波は、煙がない状態でも監視空間での吸収減衰および拡散減衰により音圧が低下するが、このうち吸収減衰による音圧低下率Ｂ１は、伝播経路の経路長ｘを用いてＢ１＝ｅ−α・ｘで表される。
【００５３】
ここでαは吸収減衰の減衰係数であって、当該減衰係数αは、媒質（空気）の温度、湿度、気圧と、超音波の周波数との関数で表されることが知られている（参考文献１）。超音波の周波数は制御部２によって決定されているので、減衰係数推定部４４は、少なくとも監視空間の温度と湿度とをパラメータとして減衰係数αを推定する。
【００５４】
本実施形態では、信号処理部４は、監視空間の温度を計測する温度計測部４６と、監視空間における音速を計測する音速計測部４７とを有している。減衰係数推定部４４は、温度計測部４６で計測される温度および音速計測部４７で計測される音速から算出される監視空間の湿度と、温度計測部４６で計測される温度とをパラメータに用いて減衰係数αを推定する。つまり、監視空間における音速Ｃ〔ｍ／ｓ〕は、監視空間における温度Ｔ〔℃〕と水蒸気圧Ｅと気圧Ｐとの関数で次式のように表すことができる。
【００５５】
【数２】
【００５６】
そのため、気圧Ｐを１〔ａｔｍ〕と仮定した場合、音速Ｃと温度Ｔとが求まれば上記数２より水蒸気圧Ｅが求まり、当該水蒸気圧Ｅから監視空間内の湿度を算出できる。
【００５７】
音速計測部４７は、各受波素子３ａ，３ｂでそれぞれ受波される超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の伝播経路長差（Ｌ２−Ｌ１）を、超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２を受波するタイミングの時間差Δｔ０（図３（ａ）参照）で除することにより監視空間の音速を算出する。つまり、監視空間の音速が変化すると、伝播経路長差（Ｌ２−Ｌ１）が一定であれば、超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の受波タイミングの時間差Δｔ０が変化する（図３（ｂ）のΔｔ０’参照）。
【００５８】
したがって、音速計測部４７は、（Ｌ２−Ｌ１）／Δｔ０より監視空間における音速を算出することができる。なお、図６（ａ）は音圧比の初期値Ｒ０が算出された状態において受波素子３で受波される超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の波形を示し、監視空間の音速のみが変化した状態において受波素子３で受波される超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の波形を図６（ｂ）に示す。
【００５９】
このように、音速計測部４７は（Ｌ２−Ｌ１）／Δｔ０により音速を求めるので、音速を計測するためにサーミスタ、熱電対、温度センサＩＣのデバイスを付加する必要がなく、火災感知器の部品点数の増加を抑制することができる。
【００６０】
音圧比補正部４５は、上述のようにして得られた減衰係数αに基づいて、減衰係数αに起因した音圧比算出部４０の出力（音圧比ＲＳ）の初期値Ｒ０からの変動分をキャンセルするように音圧比ＲＳを補正する。
【００６１】
要するに、周囲環境の変化（たとえば、温度、湿度、気圧などの変化）に伴い減衰係数αが変化すると、監視空間での超音波の吸収減衰による音圧低下率Ｂ１（＝ｅ−α・ｘ）が変化し、その結果、第１の超音波Ｓｗ１と第２の超音波Ｓｗ２との音圧比ＲＳが変動する。さらに詳しく説明すると、音圧低下率Ｂ１は伝播経路長ｘの関数として表されるものであるから、伝播経路長が異なる第１および第２の超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２間では、減衰係数αの変化量が同じであっても、音圧低下率Ｂ１の変化量に差が生じる。したがって、減衰係数αが変化すれば、煙濃度にかかわらず第１および第２の超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の音圧比ＲＳは変化する。
【００６２】
そこで、本実施形態の音圧比補正部４５は、減衰係数αの変化に起因した音圧比ＲＳの変動分をキャンセルするように、減衰係数αの変化に応じて音圧比ＲＳを補正する。具体的には、図１に示すように音圧比算出部４０の後段に音圧比補正部４５を設け、音圧比算出部４０で算出された音圧比ＲＳを音圧比補正部４５で補正してから煙濃度推定部４１に渡すようにしてある。このときの補正値は、減衰係数αの変化による音圧低下率Ｂ１の変動分を取り除くように決定される。これにより、煙濃度推定部４１では、減衰係数αの変化に起因した初期値Ｒ０からの変動分がキャンセルされた音圧比ＲＳを用いて、監視空間の煙濃度を推定することができる。そのため、煙濃度推定部４１で推定される煙濃度に、周囲環境変化による減衰係数αの変化が影響することを防止できる。
【００６３】
したがって、周囲環境の変化により空気による吸収減衰の減衰係数αが変化することがあっても、火災判断部４２では、減衰係数αの変化の影響を受けずに火災発生の有無を判断して、減衰係数αの変化に起因した非火災報や失報を低減することができる。その結果、火災の有無の判断の確度が向上するという利点がある。
【００６４】
ところで、本実施形態の火災感知器は、図１に示すように、音響セル５の熱膨張による伝播経路長の変化量を求める変化量測定部４８と、音速計測部４７での音速の算出に用いられる伝播経路長を補正する経路長補正部４９を信号処理部４にさらに有している。
【００６５】
経路長補正部４９は、変化量測定部４８で求めた伝播経路長Ｌ１，Ｌ２の変化量に基づいて、第１および第２の超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の伝播経路長Ｌ１，Ｌ２を補正する。すなわち、伝播経路長Ｌ１，Ｌ２は、音響セル５の寸法によって決まる音源部１−受波素子３間の離間距離であるから、音響セル５が熱膨張により変形すると、その変形量に応じて伝播経路長Ｌ１，Ｌ２も変化する。そのため、音速計測部４７が音速を算出する際に用いる伝播経路長の差（Ｌ２−Ｌ１）を固定値とすると、実際の監視空間の音速と音速計測部４７で求まる音速との間に誤差が生じる。経路長補正部４９は、このような理由で音速計測部４７にて求められる音速に生じる誤差分を補正する。
【００６６】
具体的に説明すると、音速計測部４７が音速の算出時に用いる伝播経路長Ｌ１，Ｌ２のデフォルト値は、予めメモリ（図示せず）に登録されており、音速計測部４７はこのメモリから伝播経路長Ｌ１，Ｌ２のデフォルト値を読み出す。経路長補正部４９は、音速計測部４７が読み出した伝播経路長Ｌ１，Ｌ２のデフォルト値に、所定の熱膨張係数Ｋを用いて１＋Ｋ・ΔＴｃで表される補正係数を乗じることにより伝播経路長Ｌ１，Ｌ２を補正する。
【００６７】
ここで、熱膨張係数Ｋは、超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の進行方向となる音源部１と受波素子３との対向方向（図２における左右方向）についての音響セル５の線膨張係数であり、音響セル５の材質に応じて予め決められる。なお、温度範囲によって熱膨張係数が変わる場合、熱膨張係数Ｋは、音響セル５の使用温度範囲（たとえば−１５〜５０〔℃〕）内で決められる。
【００６８】
ΔＴｃは、音響セル５の温度Ｔｃ１の所定の基準温度Ｔｃ０からの変化量（Ｔｃ１−Ｔｃ０）を表している。つまり、メモリに登録されている伝播経路長Ｌ１，Ｌ２のデフォルト値は、音響セル５が基準温度Ｔｃ０にあるときの伝播経路長Ｌ１，Ｌ２である。
【００６９】
音響セル５の温度は、温度計測部４６とは別に信号処理部４に設けられているセル温度計側部５０によって計測される。セル温度計測部４９は、音響セル５に埋め込まれているサーミスタ、熱電対、温度センサＩＣ等の温度センサの出力から音響セル５自体の温度を計測する。
【００７０】
変化量測定部４８は、セル温度計測部４９で計測された温度Ｔｃ１と基準温度Ｔｃ０とからΔＴｃ（＝Ｔｃ１−Ｔｃ０）を求め、このΔＴｃと熱膨張係数Ｋとを用いて伝播経路長Ｌ１，Ｌ２の変化量を求める。経路長補正部４９は、変化量測定部４８で求められた変化量に基づいて補正係数（１＋Ｋ・ΔＴｃ）を決定する。
【００７１】
したがって、補正後の超音波Ｓｗ１の伝播経路長はＬ１×（１＋Ｋ・ΔＴｃ）で表され、補正後の超音波Ｓｗ２の伝播経路長はＬ２×（１＋Ｋ・ΔＴｃ）で表される。一例として、熱膨張係数Ｋが７０〔ｐｐｍ／℃〕、伝播経路長Ｌ１のデフォルト値が４０〔ｍｍ〕であり、音響セル５の温度が基準温度から２０〔℃〕上昇した場合、補正後の伝播経路長Ｌ１は４０×１．００１４＝４０．０５６〔ｍｍ〕となる。
【００７２】
音速計測部４７はこれら補正後の伝播経路長Ｌ１，Ｌ２を用いて音速を算出する。
【００７３】
以上説明した構成によれば、経路長補正部４９が、音速計測部４７での音速の算出に用いられる伝播経路長を補正するので、温度変化が生じて音響セル５に熱膨張による変形が生じても、煙濃度の推定の確度が低下することを防止できるという効果がある。すなわち、音響セル５が変形して超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の伝播経路長が変化しても、音速計測部４７は、経路長補正部４９で補正された伝播経路長を用いて音速を算出するので、音速を正確に求めることができる。
【００７４】
したがって、温度計測部４６で計測される温度および音速計測部４７で算出される音速から算出される監視空間の湿度が精度よく求まり、この湿度と温度とを用いて減衰係数推定部４４にて推定される減衰係数αの推定確度は高くなる。結果的に、煙濃度推定部４１での監視空間の煙濃度の推定確度は向上し、火災の有無の判断の確度が向上するという利点がある。
【００７５】
また、変化量測定部４８は、温度計測部４６とは別に設けられたセル温度計側部５０によって計測される音響セル５自体の温度を用いて音響セル５の熱膨張による伝播経路長Ｌ１，Ｌ２の変化量を求めている。そのため、変化量測定部４８は、伝播経路長Ｌ１，Ｌ２の変化量を精度よく求めることでき、補正の精度が向上する。
【００７６】
すなわち、変化量測定部４８は、音源部１と受波素子３との間の監視空間の温度ではなく、音響セル５自体の温度の計測結果を用いているので、監視空間の温度を用いる場合に比べて、伝播経路長Ｌ１，Ｌ２の変化量を精度よく求めることができる。なお、セル温度計側部５０は、上述のように音響セル５に埋め込まれた温度センサの出力から温度を計測する構成に限らず、火災感知器のうち音響セル５と同等の温度変化を生じる部分の温度を音響セル５自体の温度として計測する構成であってもよい。
【００７７】
ところで、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。
【００７８】
ここにおいて、音源部１は、図４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４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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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へ与えられる駆動電圧波形あるいは駆動電流波形からなる駆動信号をたとえば周波数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。
【００８８】
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る。また、上述の音源部１では、たとえば正弦波波形の半周期の孤立波を駆動信号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ので、上記吸音層を省略することもできる。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。
【００８９】
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５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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
図５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。
【００９３】
また、本実施形態では、変化量測定部４８は、音響セル５の温度の計測値を用いて音響セル５の熱膨張による伝播経路長Ｌ１，Ｌ２の変化量を推測する例を示したが、この構成に限定する趣旨ではない。すなわち、変化量測定部４８は、たとえばピエゾ素子などを用いて音響セル５の変形量を実測し、この変形量より伝播経路長Ｌ１，Ｌ２の変化量を求める構成であってもよい。
【００９４】
（実施形態２）
本実施形態の火災感知器は、各１個ずつの音源部１と受波素子３との間に経路長の異なる複数の伝播経路を形成するために、音源部１から送波された超音波を反射する一対の反射面を音響セル５に設けた点が実施形態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。
【００９５】
本実施形態では、図６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６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ものであって、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上にそれぞれ配置される。
【００９６】
ここで、音圧比算出部４０は、音源部１から受波素子３に直接伝播される超音波（直達波）Ｓｗ１と、反射面７ａ，７ｂで反射されてから受波素子３に到達する超音波（反射波）Ｓｗ２との間で音圧比を算出する。すなわち、図６に示すように直達波が第１の超音波Ｓｗ１となるとともに、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で反射されることによって受波素子３に伝わる反射波が第２の超音波Ｓｗ２となる。
【００９７】
なお、超音波Ｓｗ２に関して反射面７ａ，７ｂでの反射回数を増やせば、両超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２間の伝播経路長の差が大きくなる。そのため、監視空間に煙が入り込んだときの音圧比ＲＳの初期値Ｒ０からの変化量は大きくなるものの、超音波Ｓｗ２の伝播経路長が長くなることで受波素子３に到達する第２の超音波Ｓｗ２の音圧は低下する。したがって、超音波Ｓｗ２の反射面７ａ，７ｂでの反射回数は、受波素子３で受波される超音波Ｓｗ２の音圧と、煙粒子による音圧比ＲＳの変化量とのバランスを考慮して決定することが望ましい。
【００９８】
ここにおいて、各超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２が受波素子３に到達するタイミングには、伝播経路長Ｌ１，Ｌ２の差に応じた時間差Δｔ０（図３（ａ）参照）が生じる。この時間差Δｔ０は、伝播経路長Ｌ１，Ｌ２の差を音速で除することにより求められる。受波素子３において各超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２を区別するためには、受波素子３で各超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２をそれぞれ受波する期間を時間差Δｔ０内に収める必要がある。
【００９９】
つまり、たとえば音速が３４０ｍ／ｓで、音源部１から送波される超音波の周波数が１００ｋＨｚである場合、超音波は周期１０μｓ、波長３．４ｍｍとなる。この場合、伝播経路長Ｌ１，Ｌ２の差が６８ｍｍであると、超音波の波数が２０波を超えれば超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２同士の重なりが生じ、受波素子３で各超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２を区別できなくなる。
【０１００】
そこで、伝播経路長Ｌ１，Ｌ２の差と音源部１から１回に送波される超音波の波数とを調整することにより、超音波同士の重なりが生じないようにすることが望ましい。火災感知器を小型化するために伝播経路長Ｌ１，Ｌ２の差を小さくする場合には、実施形態１で説明したように、空気に熱衝撃を与えることで超音波を発生する構成であって、残響の少ない単パルス状の超音波を送波可能な音源部１を採用することが有用である。
【０１０１】
また、本実施形態では、音響セル５は、図７に示すように音源部１からの超音波の拡散範囲を狭める一対の拡散防止板６をさらに備えている。各拡散防止板６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６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６は、音源部１からの超音波の進行方向に沿う面であって互いに対向する一表面間に音源部１の高さと略同寸法の間隙を形成し、この間隙に音源部１からの超音波を通すことで当該超音波の拡散範囲を狭める。
【０１０２】
一対の拡散防止板６は、一表面間の間隙を通して音源部１からの超音波を伝播させるように、前記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。つまり、一対の拡散防止板６における互いに対向する一表面は、監視空間を囲むことにより超音波の拡散範囲を制限する一対の拡散防止面を構成する。
【０１０３】
上述した一対の反射面７ａ，７ｂは、拡散防止板６の拡散防止面に沿う面内で互いに対向する形で両拡散防止板６の間に形成される。このように音響セル５が拡散防止板６を有することにより、音源部１から送波される超音波は、拡散防止板６の拡散防止面で囲まれた監視空間を通ることで拡散が抑制される。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が抑制されるという利点がある。
【０１０４】
ところで、本実施形態では、図８に示すように、音速計測部４７で算出される音速に所定の補正係数を乗じることにより音速を補正する音速補正部５１が信号処理部４に設けられている。音速補正部５１は、一対の拡散防止板６の間隔（つまり、一対の拡散防止面間の距離）に応じた補正係数を用いることにより、音速を補正する。
【０１０５】
すなわち、監視空間内の音速は一律ではなく、たとえば空気の粘性により拡散防止面（拡散防止板６の一表面）付近では音速が低下する傾向にある。そのため、一対の拡散防止板６の間隔が狭く、あるいは超音波の波長が短くなるほど、監視空間内の平均的な音速も空気の粘性の影響を受けて低下することになる。
【０１０６】
そこで、音速補正部５１は、一対の拡散防止板６の間隔が狭く、あるいは超音波の波長が短くなるほど音速を低下させるように、音速計測部４７で算出された音速を補正するための補正係数を決定する。これにより、温度および音速から算出される監視空間の湿度の算出精度が高くなり、この湿度と温度とを用いて減衰係数推定部４４にて推定される減衰係数αの推定確度も高くなる。結果的に、煙濃度推定部４１での監視空間の煙濃度の推定確度は向上し、火災の有無の判断の確度が向上するという利点がある。
【０１０７】
なお、本実施形態のように超音波を反射する一対の反射面を音響セル５に設けた構成に限らず、実施形態１の構成に対して拡散防止板６および音速補正部５１に付加しても、同様の効果を得ることができる。
【０１０８】
さらに、本実施形態では、各反射面７ａ，７ｂが反射波を他方の反射面７ａ，７ｂ上に焦点を結ぶ反射波として反射する形にそれぞれ湾曲した凹曲面（放物面）からなる。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。これにより、音源部１から送波され第１の反射面７ａで反射された超音波は、第２の反射面７ｂで反射されることで受波素子３上に焦点を結ぶ。
【０１０９】
要するに、図９（ａ）に示すように音源部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図９（ｂ）に示すように音源部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図９（ｃ）に示すように第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。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、且つ直線状に伝播する超音波と放射状に伝播する超音波とに関して伝播経路の経路長は同じになり、焦点での位相ずれによる干渉も生じない。
【０１１０】
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音圧の低下を抑制することができる。その結果、煙濃度の変化量に対する受波素子３の出力の変化量が比較的大きくなり、ＳＮ比が向上する。
【０１１１】
さらに詳しく説明すると、仮に反射面７ａ，７ｂがなければ、音源部１から送波された超音波は監視空間中で拡散減衰することにより、受波素子３で受波される際には伝播経路の経路長に応じて音圧が減衰する。これに対して、反射面７ａ，７ｂで反射される第２の超音波Ｓｗ２は、上述したように反射面７ａ，７ｂで反射されることにより他方の反射面７ａ，７ｂ上に集音され、拡散減衰が抑制される。したがって、第２の超音波Ｓｗ２は、反射面７ａ，７ｂで反射されることなく同じ経路長Ｌ２を伝播される場合に比べると、音圧の減衰量が小さくなる。
【０１１２】
つまり、受波素子３で受波される前記第２の超音波Ｓｗ２の音圧Ｐ２０は、反射面７ａ，７ｂで反射されることなく経路長Ｌ２の伝播経路を通して音源部１から受波素子３に伝播される超音波の音圧Ｐ２に比べて大きくなり、煙濃度の分解能が向上する。このとき、第２の超音波Ｓｗ２の音圧Ｐ２０は、音圧Ｐ２と音圧増大係数Ａ（＞１）との積（Ａ・Ｐ２）で表すことができる。なお、音圧増大係数は、超音波が反射面７ａ，７ｂで反射されることにより拡散減衰が抑制される度合いを表す係数であって、反射面７ａ，７ｂの形状や超音波の指向性などによって決まる。
【０１１３】
以上説明した構成によれば、音圧比算出部４０で算出される音圧比が複数の音源部１間で生じる特性変化のばらつきの影響や、複数の受波素子３間で生じる特性変化のばらつきの影響を受けることがない分だけ、音圧比の算出精度が向上する。すなわち、音圧比算出部４０は、単一の音源部１から送波され単一の受波素子３で受波される複数の超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２間の音圧比を算出するので、複数の音源部１あるいは受波素子３間で生じる特性変化のばらつきの影響を受けることがない。しかも、音源部１から同一タイミングで送波された超音波について音圧比を算出するので、算出される音圧比は音源部１の駆動タイミングによって生じる音圧のばらつきの影響を受けることもない。
【０１１４】
ところで、本実施形態の火災感知器は、音速計測部４７で計測された監視空間の音速に基づいて、音速の変化に起因した音圧比ＲＳの初期値Ｒ０からの変動分をキャンセルするように音圧比ＲＳを補正する指向性補正部５２を信号処理部４にさらに有している。
【０１１５】
要するに、監視空間における音速が変化すると、監視空間での超音波の指向性が変化し、その結果、第１の超音波Ｓｗ１と第２の超音波Ｓｗ２との音圧比ＲＳが変動する。さらに詳しく説明すると、たとえば音源部１から正弦波パルス状の超音波が送波される場合、音源部１の真正面の方向に対する角度θを用いて、指向性係数（角度θ＝０°での音圧を１としたときの音圧の大きさを示す係数）Ｄ１（θ）は以下の式で表される。なお、０≦θ≦ｓｉｎ−１（λ／４ａ）のときには数３が適用され、ｓｉｎ−１（λ／４ａ）≦θ≦π／２ａのときに数４が適用される。
【０１１６】
【数３】
【０１１７】
【数４】
【０１１８】
上式中のλは超音波の波長を表しており、ａは音源部１のうち媒質としての空気に振動を与える発熱体層１３の表面（送波面）の一辺長の１／２の長さを表す（つまり、音源部１の送波面は一辺が２ａの正方形状となる）。波長λは、周知のように音速と周期（パルス幅）との積で表されるから、監視空間内での音速が変化すると、波長λが変化して上記指向性係数Ｄ１（θ）が変化する。
【０１１９】
そして、指向性係数Ｄ１（θ）が変化すれば、前述の音圧増大係数Ａが変化し、これに伴い反射面７ａ，７ｂで反射された第２の超音波Ｓｗ２の音圧Ｐ２０（＝Ａ・Ｐ２）が変化する。ここで、変化後の音圧増大係数をＡ’（≠Ａ）とすれば、変化後の第２の超音波Ｓｗ２の音圧Ｐ２０’はＰ２０’＝Ａ’・Ｐ２で表されることとなる。結果的に、第１および第２の超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の音圧比は、Ｒ０’（＝Ｐ２０’／Ｐ１０）＝Ａ’・Ｐ２／Ｐ１０となり、初期値Ｒ０（＝Ｐ２０／Ｐ１０）＝Ａ・Ｐ２／Ｐ１０から変化する。つまり、指向性係数Ｄ１（θ）が変化すれば、煙濃度にかかわらず第１および第２の超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の音圧比ＲＳは変化する。
【０１２０】
そこで、指向性補正部５２は、音速の変化に起因した音圧比ＲＳの変動分をキャンセルするように、音速の変化に応じて音圧比ＲＳを補正する。具体的には、指向性補正部５２は音圧比補正部４５の後段に設けられ、音速計測部４７での計測結果（音速）を受け、音速変化に起因した超音波の指向性変化による音圧増大係数の変動分（Ａ’−Ａ）を取り除くように、音圧比ＲＳの補正値を決定する。これにより、煙濃度推定部４１では、音速変化に起因した初期値Ｒ０からの変動分がキャンセルされた音圧比ＲＳを用いて、煙濃度を推定することができるので、煙濃度推定部４１で推定される煙濃度に音速変化による指向性の変化が影響することはない。
【０１２１】
したがって、監視空間の音速変化により超音波の指向性が変化することがあっても、火災判断部４２では、指向性変化の影響を受けずに火災発生の有無を判断でき、非火災報や失報を低減することができ、火災の有無の判断の確度が向上するという利点がある。
【０１２２】
なお、本実施形態では、音圧比補正部４５と指向性補正部５２とにおいて、減衰係数αの変化と、指向性の変化との２つの要素を考慮して音圧比ＲＳを補正するので、これら２つの要素を統合した補正に関する重回帰式を用いて補正を行う構成としてもよい。これにより、補正を行う際の演算処理にかかる負荷の軽減を図ることができる。重回帰式は、気圧が一定と仮定すれば、たとえば、温度と湿度との２次関数で表される。
【０１２３】
その他の構成および機能は実施形態１と同様である。
【０１２４】
ところで、上記各実施形態において、音響セル５としては、熱膨張係数が小さい材質を適用することが望ましい。これにより、たとえばセル温度計測部４９の温度計測の誤差などにより経路長補正部４９での伝播経路長の補正時に生じる誤差が小さくなり、結果的に監視空間の湿度の算出精度がより一層高くなる。特に、音響セル５の材質が石英の場合など、熱膨張係数が極端に小さく音響セル５の熱膨張による音速の変化量の所定分の１となる場合には、煙検知の精度によっては音響セル５の熱膨張による音速の補正を実質的に省略できる。
【０１２５】
また、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】
【０１２６】
１ａ，１ｂ 音源部
２ 制御部
３ａ，３ｂ 受波素子
４ 信号処理部
５ 音響セル
６ 拡散防止版
７ａ，７ｂ 反射面
４０ 音圧比算出部
４１ 煙濃度推定部
４２ 火災判断部
４４ 減衰係数推定部
４５ 音圧比補正部
４６ 温度計測部
４７ 音速計測部
４８ 変化量測定部
４９ 経路長補正部
５０ セル温度計側部
５１ 音速補正部
５２ 指向性補正部
Ｌ１，Ｌ２ 伝播経路長
Ｐ１０，Ｐ２０，Ｐ１Ｓ，Ｐ２Ｓ 音圧
Ｒ０ 音圧比の初期値
ＲＳ 音圧比
Ｓｗ１，Ｓｗ２ 超音波
【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】
ただ、上述した音波式の火災感知器では、音源部や受波素子の経時変化（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）に起因して音源部や受波素子に特性変化が生じることがある。その結果、火災感知器は、監視空間の煙濃度にかかわらず受波素子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。
【０００６】
そこで、本件出願人は、経路長の異なる伝播経路を通して音源部から受波素子に伝播された複数の音波間の音圧比を算出する手段を信号処理部に付加し、音圧比の初期値からの変化量に基づき煙濃度を推定する構成をさらに考えている（たとえば特許文献１参照）。
【０００７】
すなわち、特許文献１記載の火災感知器は、互いに離間距離の異なる２組の音源部１ａ，１ｂ（図１参照）および受波素子３ａ，３ｂ（図１参照）を有している。この火災感知器では、信号処理部は経路長Ｌ１の伝播経路を通して一方の音源部１ａから受波素子３ａに伝わる音波の音圧と、経路長Ｌ２（＞Ｌ１）の伝播経路を通して他方の音源部１ｂから受波素子３ｂに伝わる音波の音圧との比を音圧比として算出する。
【０００８】
この構成では、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、当該特性変化は伝播経路長の異なる複数の音波に一律に影響するため、信号処理部で算出される音圧比に影響することはない。したがって、音圧比の初期値からの変化量に基づいて煙濃度を推定することにより、経時変化や周囲環境の変化に起因した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。
【０００９】
ところで、音波は空気中を伝播する際、空気中における吸収減衰および拡散減衰により音圧が低下するため、音波式の火災感知器では、音源部から送波された音波は受波素子に到達するまでの間に音圧が低下する。ここに、吸収減衰および拡散減衰による音圧の低下率Ｂ１，Ｂ２はいずれも伝播経路長ｘの関数として表すことができ、吸収減衰による音圧低下率Ｂ１はＢ１＝ｅ−α・ｘ、拡散減衰による音圧低下率Ｂ２は１／（２πｘ）で表される。要するに、音源部から送波される音波の音圧をＰ０とすれば、受波素子で受波される音圧Ｐｘは、以下の式で表される。
【００１０】
【数１】
【００１１】
ここにおいて、上式中のαは空気による音波の吸収減衰の減衰係数であって、当該減衰係数αは、媒質となる空気の温度、湿度、気圧と、音波の周波数との関数で表されることが知られている（参考文献１：H.E.Bass 外、「Atmospheric absorption ofsound:Further developments」、The Journal of theAcoustical Society of America、1995、Volume 97、Issue 1、p.680−683）。そのため、減衰係数αは、周囲環境の変化（たとえば、温度、湿度、気圧などの変化）に起因して変化することがある。
【００１２】
そして、減衰係数αが変化すると、監視空間の煙濃度にかかわらず前記音圧比が変動することがある。すなわち、減衰係数αが変化したときに、伝播経路長ｘが異なる複数の音波間では音圧低下率Ｂ１の変化量に差が生じるので、減衰係数αが変化することで音圧比が変動する可能性がある。
【００１３】
そこで、特許文献１記載の火災感知器は、音波の吸収減衰の減衰係数αを推定する減衰係数推定部と、減衰係数αの変化に起因した変動分をキャンセルするように音圧比を補正する音圧比補正部とを信号処理部に有している。減衰係数推定部は、監視空間の温度と、当該温度および監視空間の音速から算出される湿度とをパラメータとして用い、煙がない状態での監視空間における音波の吸収減衰の減衰係数αを推定する。
【００１４】
ここで、監視空間の音速は、音圧比の算出対象となる複数の音波間の伝播経路長の差を、複数の音波がそれぞれ音源部から受波素子に伝播されるのに要した時間差で除することにより算出される。すなわち、音圧比の算出対象となる一方の音波の伝播経路長をＬ１、他方の音波の伝播経路長をＬ２（＞Ｌ１）とし、両音波が音源部から同時に送波され、受波素子が各音波を受波した時間差をΔｔ０とした場合、音速は（Ｌ２−Ｌ１）／Δｔ０で求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２０１０−３３５３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところで、特許文献１記載の火災感知器においては、音源部と受波素子とは音響セル（回路基板が音響セルとして機能する場合も含む）に固定され両者間の相対的な位置関係が音響セルの寸法によって決まっている。そのため、温度変化が生じて音響セルに熱膨張による変形が生じると、音響セルの寸法が変化し、音源部と受波素子との離間距離も変化するため、音圧比の算出対象となる音波の伝播経路長が変化する。その結果、上述したように複数の音波間の伝播経路長の差を時間差で除することにより算出される音速についても、実際の音速との間に誤差が生じ、結果的に、減衰係数αの推定の確度が低下し煙濃度の推定の確度も低下する。
【００１７】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであって、音響セルの温度変化の影響で煙濃度の推定の確度が低下することのない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】
【００１８】
本発明の火災感知器は、音波を送波可能な音源部と、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、前記音源部および前記受波素子が固定され前記音源部と前記受波素子との相対的な位置関係を決定する音響セルとを備え、前記信号処理部は、前記音源部と前記受波素子との間の監視空間のうち経路長の異なる伝播経路を通して前記音源部から前記受波素子にそれぞれ伝播された複数の音波間の音圧比を算出する音圧比算出部と、前記音圧比算出部で算出される音圧比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、前記監視空間の温度を計測する温度計測部と、前記監視空間の音速を求める音速計測部と、前記温度計測部で計測される温度と当該温度および前記音速計測部で求められる音速から算出される湿度とをパラメータとして用いて、煙がない状態での前記監視空間における音波の吸収減衰の減衰係数を推定する減衰係数推定部と、前記減衰係数推定部で推定される前記減衰係数に基づき、前記減衰係数の変化に起因する前記音圧比の変動分を取り除くように前記音圧比を補正する音圧比補正部とを有し、前記音速計測部は、前記音圧比算出部において前記音圧比の算出対象となる複数の音波に関する伝播経路長の差を、前記複数の音波がそれぞれ前記音源部から前記受波素子に伝播されるのに要した時間差で除することにより前記音速を算出しており、前記信号処理部は、前記音響セルの熱膨張による前記伝播経路長の変化量を求める変化量測定部と、前記音速計測部での前記音速の算出に用いられる前記伝播経路長を前記変化量測定部で求められた前記変化量に基づいて補正する経路長補正部とをさらに有することを特徴とする。
【００１９】
この火災感知器において、前記信号処理部は、前記温度計測部とは別に、前記音響セル自体の温度を計測するセル温度計測部をさらに有し、前記変化量測定部は、前記セル温度計測部で計測された温度と所定の熱膨張係数とを用いて前記変化量を求めることが望ましい。
【００２０】
この火災感知器において、前記音響セルは、前記音源部から送波される音波の進行方向に沿う面であって前記監視空間を囲むことにより前記音波の拡散範囲を制限する一対の拡散防止面を有し、前記信号処理部は、前記一対の前記拡散防止面間の距離に応じた所定の補正係数を前記音速計測部で算出される音速に乗じることにより前記音速を補正する音速補正部をさらに有することがより望ましい。
【００２１】
この火災感知器において、前記音響セルは、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を有し、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、前記音圧比算出部は、前記音源部から前記受波素子に直接伝播される音波と反射面で反射されて前記受波素子に伝播される音波との間の音圧比を算出することがより望ましい。
【００２２】
この火災感知器において、前記信号処理部は、前記音速計測部で得られた音速に基づき、当該音速の変化に起因して音波の指向性が変化するために生じる前記音圧比の変動分を取り除くように前記音圧比を補正する指向性補正部をさらに有することがより望ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は、音響セルの温度変化の影響で煙濃度の推定の確度が低下することがないという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【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】同上の動作を示す概略図である。
【図３】同上の動作を示す波形図である。
【図４】同上に用いる音波発生素子を示す概略断面図である。
【図５】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６】実施形態２の構成を示す概略図である。
【図７】同上に用いる音響セルを示す概略斜視図である。
【図８】同上の構成を示す概略ブロック図である。
【図９】同上の動作を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
（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、一対の音源部１ａ，１ｂ（以下、両音源部を特に区別しないときは単に「音源部１」という）と、音源部１ａ，１ｂを制御する制御部２とを備えている。
【００２６】
さらに、火災感知器は、各音源部１ａ，１ｂから送波された超音波の音圧を検出する一対の受波素子３ａ，３ｂ（以下、両受波素子を特に区別しないときは単に「受波素子３」という）と、信号処理部４とを備えている。信号処理部４は、各受波素子３ａ，３ｂの出力に基づいて火災の有無を判断する。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。
【００２７】
制御部２は、図示しないが、音源部１に駆動信号を与えて音源部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おり、音源部１から超音波が間欠的に送波されるように音源部１を間欠的に駆動する。
【００２８】
音源部１と受波素子３とは、第１の音源部１ａと第１の受波素子３ａとを組とし、第２の音源部１ｂと第２の受波素子３ｂとを組として、板状の音響セル５の一表面側に、各組を成す音源部１ａ，１ｂと受波素子３ａ，３ｂとが互いに離間して対向配置されている。また、音響セル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。これにより、音源部１から送波された超音波が音響セル５表面で反射して受波素子３に入射するのを防止することができて、反射波の干渉を防止することができ、特に、音源部１から送波させる超音波として連続波を用いる場合に有効である。
【００２９】
ここにおいて、音源部１と受波素子３とは各組ごとに両者間の距離が異なるように配置されており、本実施形態では、第１の音源部１ａと第１の受波素子３ａとの離間距離に比べて、第２の音源部１ｂと第２の受波素子３ｂとの離間距離が長く設定されている。これにより、図２（ａ）に示すように、第１の音源部１ａから送波された第１の超音波Ｓｗ１と第２の音源部１ｂから送波された第２の超音波Ｓｗ２とは、経路長の異なる伝播経路を通して、それぞれと組を成す受波素子３ａ，３ｂに伝播される。
【００３０】
つまり、第１の受波素子３ａで受波される第１の超音波Ｓｗ１の伝播経路長Ｌ１は、第１の音源部１ａと第１の受波素子３ａとの離間距離である。これに対し、第２の受波素子３ｂで受波される第２の超音波Ｓｗ２の伝播経路長Ｌ２は、第２の音源部１ｂと第２の受波素子３ｂとの離間距離である。なお、各音源部１ａ，１ｂからの超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２が互いに干渉することがないように両伝播経路を隔てる隔壁を設けてもよい。
【００３１】
音響セル５は、音源部１および受波素子３が固定されることにより、音源部１と受波素子３との相対的な位置関係（音源部１−受波素子３間の離間距離）を決定している。つまり、第１の音源部１ａと第１の受波素子３ａとの間の超音波Ｓｗ１の伝播経路長Ｌ１並びに第２の音源部１ｂと第２の受波素子３ｂとの間の超音波Ｓｗ２の伝播経路長Ｌ２は音響セル５によって決められている。ここで、音響セル５の材質としてはたとえばアクリル樹脂、金属などが考えられるが、特に材質を限定する趣旨ではない。
【００３２】
本実施形態においては、両音源部１ａ，１ｂに同一特性のものが用いられるとともに、両受波素子３ａ，３ｂに同一特性のものが用いられる。さらに、両音源部１ａ，１ｂは同一の条件（たとえば、送波させる超音波の音圧、周波数）で駆動されるとともに、両受波素子３ａ，３ｂが同一の条件（たとえば、直流バイアス電圧）で使用されている。
【００３３】
ここに、火災感知器の周囲環境（たとえば、温度、湿度、気圧）が所定の状態に設定され、且つ音源部１や受波素子３に経時変化が生じておらず（たとえば、出荷前）、音源部１と受波素子３との間の監視空間に煙がない状態を図２（ａ）に示す。つまり、図２（ａ）の状態では、各音源部１ａ，１ｂからの超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２は、その伝播経路長Ｌ１，Ｌ２の違いから、各受波素子３ａ，３ｂにおいて受波される際には音圧Ｐ１０，Ｐ２０が互いに異なる。なお、ここでは第１の受波素子３ａで受波される超音波Ｓｗ１の音圧をＰ１０、第２の受波素子３ｂで受波される超音波Ｓｗ２の音圧をＰ２０とする。
【００３４】
つまり、音源部１から送波された超音波は監視空間を伝播する際に伝播経路長に応じて音圧が減衰することとなるので、経路長Ｌ２の伝播経路を通る超音波Ｓｗ２の音圧Ｐ２０は、経路長Ｌ１（＜Ｌ２）の伝播経路を通る超音波Ｓｗ１の音圧Ｐ１０に比べて低くなる。制御部２は、両超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の送波のタイミングが揃うように、両音源部１ａ，１ｂを同時に駆動する。
【００３５】
ところで、信号処理部４は、図１に示すように、音圧比を算出する音圧比算出部４０と、煙濃度を推定する煙濃度推定部４１と、火災の有無を判断する火災判断部４２と、音圧比算出部４０で算出された音圧比を記憶する記憶部４３とを有している。
【００３６】
音圧比算出部４０は、第１の受波素子３ａと第２の受波素子３ｂとのそれぞれで受波される超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２間の音圧比を算出する。煙濃度推定部４１は、音圧比算出部４０で算出される音圧比の初期値からの変化量に基づいて音源部１と受波素子３との間の監視空間の煙濃度を推定する。火災判断部４２は、煙濃度推定部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。
【００３７】
信号処理部４にはさらに、後述の減衰係数を推定する減衰係数推定部４４や音圧比を補正する音圧比補正部４５等が設けられているが、以下ではまず、信号処理部４の基本構成について説明する。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、上記各手段４０〜４５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（図示せず）なども設けられている。
【００３８】
音圧比算出部４０は、経路長Ｌ２の伝播経路を通る第２の超音波Ｓｗ２の音圧を、経路長Ｌ１（＜Ｌ２）の伝播経路を通る第１の超音波Ｓｗ１の音圧で除したものを音圧比として算出する。音圧比の初期値は、図２（ａ）に示した状態で、音源部１から受波素子３に超音波を送波することにより音圧比算出部４０で算出される音圧比Ｒ０（＝Ｐ２０／Ｐ１０）であって、あらかじめ記憶部４３に記憶される。また、このように算出した音圧比Ｒ０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。
【００３９】
煙濃度推定部４１は、音圧比算出部４０で算出される音圧比ＲＳと、あらかじめ記憶部４３に記憶された音圧比の初期値Ｒ０とを比較して、両者の差（つまり初期値Ｒ０からの音圧比ＲＳの変化量）に基づいて監視空間の煙濃度を推定する。詳しくは後述するが、音圧比算出部４０で算出される音圧比ＲＳの初期値Ｒ０からの変化量は、監視空間の煙濃度に略比例して増加する。そのため、あらかじめ測定した煙濃度と前記変化量との関係データに基づいて煙濃度と前記変化量との関係式を求めて記憶部４３に記憶しておけば、上記関係式を用いて前記変化量から煙濃度を推定することができる。
【００４０】
また、火災判断部４２は、煙濃度推定部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、火災判断部４２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への駆動信号を制御する。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４２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。
【００４１】
上述した構成によれば、音源部１や受波素子３の経時変化や周囲環境の変化に起因して音源部１や受波素子３に特性変化が生じた場合でも、これらの特性変化が、音圧比算出部４０で算出される音圧比Ｒ１に影響することはない。
【００４２】
すなわち、音源部１や受波素子３に特性変化が生じると、監視空間に煙がなくても、図２（ｂ）に示すように受波時の第１の超音波Ｓｗ１の音圧Ｐ１１と第２の超音波Ｓｗ２の音圧Ｐ２１とは図２（ａ）の各値（Ｐ１０，Ｐ２０）から変動（低下）することがある。ただし、図２（ｂ）の状態においても音圧比算出部４０で算出される音圧比Ｒ１（＝Ｐ２１／Ｐ１１）に関しては、図２（ａ）の状態で算出される初期値Ｒ０（＝Ｐ２０／Ｐ１０）と略同一となる（つまりＲ１＝Ｒ０）。
【００４３】
要するに、音源部１の経時変化や周囲環境の変化に起因した特性変化は両音源部１ａ，１ｂにおいて同様に生じ、受波素子３の経時変化や周囲環境の変化に起因した特性変化は、両受波素子３ａ，３ｂにおいて同様に生じる。したがって、音源部１や受波素子３の特性変化は、音圧比算出部４０で算出される音圧比Ｒ１には影響しない。
【００４４】
これに対して、監視空間に煙粒子（あるいはその他の浮遊粒子）が侵入すると、図２（ｃ）に示すように受波時の第１の超音波Ｓｗ１の音圧Ｐ１Ｓと第２の超音波Ｓｗ２の音圧Ｐ２Ｓとの音圧比ＲＳ（＝Ｐ２Ｓ／Ｐ１Ｓ）は初期値Ｒ０（＝Ｐ２０／Ｐ１０）から変化する。すなわち、監視空間に煙が入り込むと、音源部１からの超音波は受波素子３に到達するまでに音圧が低下するが、このときの音圧の減衰量は監視空間中を超音波が伝播した距離と監視空間の煙濃度との両方に依存する。そのため、音圧比ＲＳは、超音波Ｓｗ１の伝播経路長Ｌ１と超音波Ｓｗ２の伝播経路長Ｌ２との差（Ｌ２−Ｌ１）、および監視空間の煙濃度に応じた分だけ初期値Ｒ０から変化する。
【００４５】
具体的に説明すると、減光式煙濃度計での評価での監視空間の煙濃度をＣ〔％／ｍ〕、煙濃度１〔％／ｍ〕に対する１〔ｍ〕当たりの超音波の減衰率をβとすれば、音圧Ｐ１ＳはＰ１Ｓ≒Ｐ１０（１−βＣＬ１）、音圧Ｐ２ＳはＰ２Ｓ≒Ｐ２０（１−βＣＬ２）で表される。ここで、Ｐ１０，Ｐ２０は図２（ａ）の例において各受波素子３ａ，３ｂでそれぞれ受波される超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の音圧を表しており、Ｌ１，Ｌ２（いずれも〔ｍ〕）についてはＬ１＜Ｌ２＜１と仮定している。上式で表されるＰ１ＳおよびＰ２Ｓと、音圧比の初期値Ｒ０＝Ｐ２０／Ｐ１０とを用いれば、音圧Ｐ１ＳとＰ２Ｓとの音圧比ＲＳ（＝Ｐ２Ｓ／Ｐ１Ｓ）の初期値Ｒ０からの変化量（つまり、Ｒ０−ＲＳ）は次式で表される。
【００４６】
Ｒ０−ＲＳ＝Ｒ０βＣ（Ｌ２−Ｌ１）／（１−βＬ１）
ここにおいてβＬ１が１よりも十分に小さければ、Ｒ０−ＲＳ＝Ｒ０βＣ（Ｌ２−Ｌ１）となり、音圧比ＲＳの初期値Ｒ０からの変化量（Ｒ０−ＲＳ）は、経路長の差（Ｌ２−Ｌ１）および監視空間の煙濃度Ｃに比例する形で表されることとなる。したがって、β、Ｌ１、Ｌ２が既知であれば、音圧比ＲＳの初期値Ｒ０からの変化量（Ｒ０−ＲＳ）に基づいて監視空間の煙濃度Ｃ〔％／ｍ〕を推定することができる。
【００４７】
また、煙濃度推定部４１は、音圧比ＲＳにおける初期値Ｒ０からの変化量を初期値Ｒ０で除した変化率（Ｒ０−ＲＳ）／Ｒ０に基づいて監視空間の煙濃度を推定する構成であってもよい。音圧比の変化率においては、製造過程で生じた音源部１や受波素子３の特性のばらつきなどにより火災感知器間で生じる初期値Ｒ０のばらつきの影響が除去されている。したがって、監視空間の煙濃度が同一であれば、初期値Ｒ０によらず煙濃度の推定結果を一律に揃えることができ、煙濃度への換算が容易になる。
【００４８】
なお、上述した条件下では、監視空間に煙粒子が流入することで音圧比ＲＳが初期値Ｒ０より大きくなること（つまりＲ０−ＲＳが負の値になること）はない。したがって、火災判断部４２では煙濃度推定部４１から出力される煙濃度に対して負の閾値は設定されておらず、万一、煙濃度推定部４１から負の煙濃度が出力されても、火災判断部４２は誤検出と判断して「火災無し」と判断する。
【００４９】
上記構成により、火災感知器は、それぞれ伝播経路長Ｌ１，Ｌ２の異なる複数の超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２間の音圧比ＲＳの初期値Ｒ０からの変化量に基づいて煙濃度を推定するので、音源部１や受波素子３に生じる特性変化の影響で非火災報や失報を生じることはない。要するに、音源部１や受波素子３に生じる特性変化は複数の超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２に一律に影響するため、音圧比ＲＳの変化に基づいて推定される煙濃度が特性変化の影響を受けることはない。
【００５０】
次に、減衰係数推定部４４および音圧比補正部４５について説明する。
【００５１】
減衰係数推定部４４は、周囲環境の変化に応じて変化する空気による超音波の吸収減衰の減衰係数を推定する。音圧比補正部４５は、減衰係数推定部４４で推定された減衰係数に基づいて音圧比を補正する。
【００５２】
すなわち、背景技術の欄で説明したように、音源部１からの超音波は、煙がない状態でも監視空間での吸収減衰および拡散減衰により音圧が低下するが、このうち吸収減衰による音圧低下率Ｂ１は、伝播経路の経路長ｘを用いてＢ１＝ｅ−α・ｘで表される。
【００５３】
ここでαは吸収減衰の減衰係数であって、当該減衰係数αは、媒質（空気）の温度、湿度、気圧と、超音波の周波数との関数で表されることが知られている（参考文献１）。超音波の周波数は制御部２によって決定されているので、減衰係数推定部４４は、少なくとも監視空間の温度と湿度とをパラメータとして減衰係数αを推定する。
【００５４】
本実施形態では、信号処理部４は、監視空間の温度を計測する温度計測部４６と、監視空間における音速を計測する音速計測部４７とを有している。減衰係数推定部４４は、温度計測部４６で計測される温度および音速計測部４７で計測される音速から算出される監視空間の湿度と、温度計測部４６で計測される温度とをパラメータに用いて減衰係数αを推定する。つまり、監視空間における音速Ｃ〔ｍ／ｓ〕は、監視空間における温度Ｔ〔℃〕と水蒸気圧Ｅと気圧Ｐとの関数で次式のように表すことができる。
【００５５】
【数２】
【００５６】
そのため、気圧Ｐを１〔ａｔｍ〕と仮定した場合、音速Ｃと温度Ｔとが求まれば上記数２より水蒸気圧Ｅが求まり、当該水蒸気圧Ｅから監視空間内の湿度を算出できる。
【００５７】
音速計測部４７は、各受波素子３ａ，３ｂでそれぞれ受波される超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の伝播経路長差（Ｌ２−Ｌ１）を、超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２を受波するタイミングの時間差Δｔ０（図３（ａ）参照）で除することにより監視空間の音速を算出する。つまり、監視空間の音速が変化すると、伝播経路長差（Ｌ２−Ｌ１）が一定であれば、超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の受波タイミングの時間差Δｔ０が変化する（図３（ｂ）のΔｔ０’参照）。
【００５８】
したがって、音速計測部４７は、（Ｌ２−Ｌ１）／Δｔ０より監視空間における音速を算出することができる。なお、図６（ａ）は音圧比の初期値Ｒ０が算出された状態において受波素子３で受波される超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の波形を示し、監視空間の音速のみが変化した状態において受波素子３で受波される超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の波形を図６（ｂ）に示す。
【００５９】
このように、音速計測部４７は（Ｌ２−Ｌ１）／Δｔ０により音速を求めるので、音速を計測するためにサーミスタ、熱電対、温度センサＩＣのデバイスを付加する必要がなく、火災感知器の部品点数の増加を抑制することができる。
【００６０】
音圧比補正部４５は、上述のようにして得られた減衰係数αに基づいて、減衰係数αに起因した音圧比算出部４０の出力（音圧比ＲＳ）の初期値Ｒ０からの変動分をキャンセルするように音圧比ＲＳを補正する。
【００６１】
要するに、周囲環境の変化（たとえば、温度、湿度、気圧などの変化）に伴い減衰係数αが変化すると、監視空間での超音波の吸収減衰による音圧低下率Ｂ１（＝ｅ−α・ｘ）が変化し、その結果、第１の超音波Ｓｗ１と第２の超音波Ｓｗ２との音圧比ＲＳが変動する。さらに詳しく説明すると、音圧低下率Ｂ１は伝播経路長ｘの関数として表されるものであるから、伝播経路長が異なる第１および第２の超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２間では、減衰係数αの変化量が同じであっても、音圧低下率Ｂ１の変化量に差が生じる。したがって、減衰係数αが変化すれば、煙濃度にかかわらず第１および第２の超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の音圧比ＲＳは変化する。
【００６２】
そこで、本実施形態の音圧比補正部４５は、減衰係数αの変化に起因した音圧比ＲＳの変動分をキャンセルするように、減衰係数αの変化に応じて音圧比ＲＳを補正する。具体的には、図１に示すように音圧比算出部４０の後段に音圧比補正部４５を設け、音圧比算出部４０で算出された音圧比ＲＳを音圧比補正部４５で補正してから煙濃度推定部４１に渡すようにしてある。このときの補正値は、減衰係数αの変化による音圧低下率Ｂ１の変動分を取り除くように決定される。これにより、煙濃度推定部４１では、減衰係数αの変化に起因した初期値Ｒ０からの変動分がキャンセルされた音圧比ＲＳを用いて、監視空間の煙濃度を推定することができる。そのため、煙濃度推定部４１で推定される煙濃度に、周囲環境変化による減衰係数αの変化が影響することを防止できる。
【００６３】
したがって、周囲環境の変化により空気による吸収減衰の減衰係数αが変化することがあっても、火災判断部４２では、減衰係数αの変化の影響を受けずに火災発生の有無を判断して、減衰係数αの変化に起因した非火災報や失報を低減することができる。その結果、火災の有無の判断の確度が向上するという利点がある。
【００６４】
ところで、本実施形態の火災感知器は、図１に示すように、音響セル５の熱膨張による伝播経路長の変化量を求める変化量測定部４８と、音速計測部４７での音速の算出に用いられる伝播経路長を補正する経路長補正部４９を信号処理部４にさらに有している。
【００６５】
経路長補正部４９は、変化量測定部４８で求めた伝播経路長Ｌ１，Ｌ２の変化量に基づいて、第１および第２の超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の伝播経路長Ｌ１，Ｌ２を補正する。すなわち、伝播経路長Ｌ１，Ｌ２は、音響セル５の寸法によって決まる音源部１−受波素子３間の離間距離であるから、音響セル５が熱膨張により変形すると、その変形量に応じて伝播経路長Ｌ１，Ｌ２も変化する。そのため、音速計測部４７が音速を算出する際に用いる伝播経路長の差（Ｌ２−Ｌ１）を固定値とすると、実際の監視空間の音速と音速計測部４７で求まる音速との間に誤差が生じる。経路長補正部４９は、このような理由で音速計測部４７にて求められる音速に生じる誤差分を補正する。
【００６６】
具体的に説明すると、音速計測部４７が音速の算出時に用いる伝播経路長Ｌ１，Ｌ２のデフォルト値は、予めメモリ（図示せず）に登録されており、音速計測部４７はこのメモリから伝播経路長Ｌ１，Ｌ２のデフォルト値を読み出す。経路長補正部４９は、音速計測部４７が読み出した伝播経路長Ｌ１，Ｌ２のデフォルト値に、所定の熱膨張係数Ｋを用いて１＋Ｋ・ΔＴｃで表される補正係数を乗じることにより伝播経路長Ｌ１，Ｌ２を補正する。
【００６７】
ここで、熱膨張係数Ｋは、超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の進行方向となる音源部１と受波素子３との対向方向（図２における左右方向）についての音響セル５の線膨張係数であり、音響セル５の材質に応じて予め決められる。なお、温度範囲によって熱膨張係数が変わる場合、熱膨張係数Ｋは、音響セル５の使用温度範囲（たとえば−１５〜５０〔℃〕）内で決められる。
【００６８】
ΔＴｃは、音響セル５の温度Ｔｃ１の所定の基準温度Ｔｃ０からの変化量（Ｔｃ１−Ｔｃ０）を表している。つまり、メモリに登録されている伝播経路長Ｌ１，Ｌ２のデフォルト値は、音響セル５が基準温度Ｔｃ０にあるときの伝播経路長Ｌ１，Ｌ２である。
【００６９】
音響セル５の温度は、温度計測部４６とは別に信号処理部４に設けられているセル温度計側部５０によって計測される。セル温度計測部４９は、音響セル５に埋め込まれているサーミスタ、熱電対、温度センサＩＣ等の温度センサの出力から音響セル５自体の温度を計測する。
【００７０】
変化量測定部４８は、セル温度計測部４９で計測された温度Ｔｃ１と基準温度Ｔｃ０とからΔＴｃ（＝Ｔｃ１−Ｔｃ０）を求め、このΔＴｃと熱膨張係数Ｋとを用いて伝播経路長Ｌ１，Ｌ２の変化量を求める。経路長補正部４９は、変化量測定部４８で求められた変化量に基づいて補正係数（１＋Ｋ・ΔＴｃ）を決定する。
【００７１】
したがって、補正後の超音波Ｓｗ１の伝播経路長はＬ１×（１＋Ｋ・ΔＴｃ）で表され、補正後の超音波Ｓｗ２の伝播経路長はＬ２×（１＋Ｋ・ΔＴｃ）で表される。一例として、熱膨張係数Ｋが７０〔ｐｐｍ／℃〕、伝播経路長Ｌ１のデフォルト値が４０〔ｍｍ〕であり、音響セル５の温度が基準温度から２０〔℃〕上昇した場合、補正後の伝播経路長Ｌ１は４０×１．００１４＝４０．０５６〔ｍｍ〕となる。
【００７２】
音速計測部４７はこれら補正後の伝播経路長Ｌ１，Ｌ２を用いて音速を算出する。
【００７３】
以上説明した構成によれば、経路長補正部４９が、音速計測部４７での音速の算出に用いられる伝播経路長を補正するので、温度変化が生じて音響セル５に熱膨張による変形が生じても、煙濃度の推定の確度が低下することを防止できるという効果がある。すなわち、音響セル５が変形して超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の伝播経路長が変化しても、音速計測部４７は、経路長補正部４９で補正された伝播経路長を用いて音速を算出するので、音速を正確に求めることができる。
【００７４】
したがって、温度計測部４６で計測される温度および音速計測部４７で算出される音速から算出される監視空間の湿度が精度よく求まり、この湿度と温度とを用いて減衰係数推定部４４にて推定される減衰係数αの推定確度は高くなる。結果的に、煙濃度推定部４１での監視空間の煙濃度の推定確度は向上し、火災の有無の判断の確度が向上するという利点がある。
【００７５】
また、変化量測定部４８は、温度計測部４６とは別に設けられたセル温度計側部５０によって計測される音響セル５自体の温度を用いて音響セル５の熱膨張による伝播経路長Ｌ１，Ｌ２の変化量を求めている。そのため、変化量測定部４８は、伝播経路長Ｌ１，Ｌ２の変化量を精度よく求めることでき、補正の精度が向上する。
【００７６】
すなわち、変化量測定部４８は、音源部１と受波素子３との間の監視空間の温度ではなく、音響セル５自体の温度の計測結果を用いているので、監視空間の温度を用いる場合に比べて、伝播経路長Ｌ１，Ｌ２の変化量を精度よく求めることができる。なお、セル温度計側部５０は、上述のように音響セル５に埋め込まれた温度センサの出力から温度を計測する構成に限らず、火災感知器のうち音響セル５と同等の温度変化を生じる部分の温度を音響セル５自体の温度として計測する構成であってもよい。
【００７７】
ところで、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。
【００７８】
ここにおいて、音源部１は、図４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４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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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へ与えられる駆動電圧波形あるいは駆動電流波形からなる駆動信号をたとえば周波数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。
【００８８】
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る。また、上述の音源部１では、たとえば正弦波波形の半周期の孤立波を駆動信号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ので、上記吸音層を省略することもできる。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。
【００８９】
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５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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
図５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。
【００９３】
また、本実施形態では、変化量測定部４８は、音響セル５の温度の計測値を用いて音響セル５の熱膨張による伝播経路長Ｌ１，Ｌ２の変化量を推測する例を示したが、この構成に限定する趣旨ではない。すなわち、変化量測定部４８は、たとえばピエゾ素子などを用いて音響セル５の変形量を実測し、この変形量より伝播経路長Ｌ１，Ｌ２の変化量を求める構成であってもよい。
【００９４】
（実施形態２）
本実施形態の火災感知器は、各１個ずつの音源部１と受波素子３との間に経路長の異なる複数の伝播経路を形成するために、音源部１から送波された超音波を反射する一対の反射面を音響セル５に設けた点が実施形態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。
【００９５】
本実施形態では、図６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６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ものであって、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上にそれぞれ配置される。
【００９６】
ここで、音圧比算出部４０は、音源部１から受波素子３に直接伝播される超音波（直達波）Ｓｗ１と、反射面７ａ，７ｂで反射されてから受波素子３に到達する超音波（反射波）Ｓｗ２との間で音圧比を算出する。すなわち、図６に示すように直達波が第１の超音波Ｓｗ１となるとともに、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で反射されることによって受波素子３に伝わる反射波が第２の超音波Ｓｗ２となる。
【００９７】
なお、超音波Ｓｗ２に関して反射面７ａ，７ｂでの反射回数を増やせば、両超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２間の伝播経路長の差が大きくなる。そのため、監視空間に煙が入り込んだときの音圧比ＲＳの初期値Ｒ０からの変化量は大きくなるものの、超音波Ｓｗ２の伝播経路長が長くなることで受波素子３に到達する第２の超音波Ｓｗ２の音圧は低下する。したがって、超音波Ｓｗ２の反射面７ａ，７ｂでの反射回数は、受波素子３で受波される超音波Ｓｗ２の音圧と、煙粒子による音圧比ＲＳの変化量とのバランスを考慮して決定することが望ましい。
【００９８】
ここにおいて、各超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２が受波素子３に到達するタイミングには、伝播経路長Ｌ１，Ｌ２の差に応じた時間差Δｔ０（図３（ａ）参照）が生じる。この時間差Δｔ０は、伝播経路長Ｌ１，Ｌ２の差を音速で除することにより求められる。受波素子３において各超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２を区別するためには、受波素子３で各超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２をそれぞれ受波する期間を時間差Δｔ０内に収める必要がある。
【００９９】
つまり、たとえば音速が３４０ｍ／ｓで、音源部１から送波される超音波の周波数が１００ｋＨｚである場合、超音波は周期１０μｓ、波長３．４ｍｍとなる。この場合、伝播経路長Ｌ１，Ｌ２の差が６８ｍｍであると、超音波の波数が２０波を超えれば超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２同士の重なりが生じ、受波素子３で各超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２を区別できなくなる。
【０１００】
そこで、伝播経路長Ｌ１，Ｌ２の差と音源部１から１回に送波される超音波の波数とを調整することにより、超音波同士の重なりが生じないようにすることが望ましい。火災感知器を小型化するために伝播経路長Ｌ１，Ｌ２の差を小さくする場合には、実施形態１で説明したように、空気に熱衝撃を与えることで超音波を発生する構成であって、残響の少ない単パルス状の超音波を送波可能な音源部１を採用することが有用である。
【０１０１】
また、本実施形態では、音響セル５は、図７に示すように音源部１からの超音波の拡散範囲を狭める一対の拡散防止板６をさらに備えている。各拡散防止板６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６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６は、音源部１からの超音波の進行方向に沿う面であって互いに対向する一表面間に音源部１の高さと略同寸法の間隙を形成し、この間隙に音源部１からの超音波を通すことで当該超音波の拡散範囲を狭める。
【０１０２】
一対の拡散防止板６は、一表面間の間隙を通して音源部１からの超音波を伝播させるように、前記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。つまり、一対の拡散防止板６における互いに対向する一表面は、監視空間を囲むことにより超音波の拡散範囲を制限する一対の拡散防止面を構成する。
【０１０３】
上述した一対の反射面７ａ，７ｂは、拡散防止板６の拡散防止面に沿う面内で互いに対向する形で両拡散防止板６の間に形成される。このように音響セル５が拡散防止板６を有することにより、音源部１から送波される超音波は、拡散防止板６の拡散防止面で囲まれた監視空間を通ることで拡散が抑制される。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が抑制されるという利点がある。
【０１０４】
ところで、本実施形態では、図８に示すように、音速計測部４７で算出される音速に所定の補正係数を乗じることにより音速を補正する音速補正部５１が信号処理部４に設けられている。音速補正部５１は、一対の拡散防止板６の間隔（つまり、一対の拡散防止面間の距離）に応じた補正係数を用いることにより、音速を補正する。
【０１０５】
すなわち、監視空間内の音速は一律ではなく、たとえば空気の粘性により拡散防止面（拡散防止板６の一表面）付近では音速が低下する傾向にある。そのため、一対の拡散防止板６の間隔が狭く、あるいは超音波の波長が短くなるほど、監視空間内の平均的な音速も空気の粘性の影響を受けて低下することになる。
【０１０６】
そこで、音速補正部５１は、一対の拡散防止板６の間隔が狭く、あるいは超音波の波長が短くなるほど音速を低下させるように、音速計測部４７で算出された音速を補正するための補正係数を決定する。これにより、温度および音速から算出される監視空間の湿度の算出精度が高くなり、この湿度と温度とを用いて減衰係数推定部４４にて推定される減衰係数αの推定確度も高くなる。結果的に、煙濃度推定部４１での監視空間の煙濃度の推定確度は向上し、火災の有無の判断の確度が向上するという利点がある。
【０１０７】
なお、本実施形態のように超音波を反射する一対の反射面を音響セル５に設けた構成に限らず、実施形態１の構成に対して拡散防止板６および音速補正部５１に付加しても、同様の効果を得ることができる。
【０１０８】
さらに、本実施形態では、各反射面７ａ，７ｂが反射波を他方の反射面７ａ，７ｂ上に焦点を結ぶ反射波として反射する形にそれぞれ湾曲した凹曲面（放物面）からなる。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。これにより、音源部１から送波され第１の反射面７ａで反射された超音波は、第２の反射面７ｂで反射されることで受波素子３上に焦点を結ぶ。
【０１０９】
要するに、図９（ａ）に示すように音源部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図９（ｂ）に示すように音源部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図９（ｃ）に示すように第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。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、且つ直線状に伝播する超音波と放射状に伝播する超音波とに関して伝播経路の経路長は同じになり、焦点での位相ずれによる干渉も生じない。
【０１１０】
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音圧の低下を抑制することができる。その結果、煙濃度の変化量に対する受波素子３の出力の変化量が比較的大きくなり、ＳＮ比が向上する。
【０１１１】
さらに詳しく説明すると、仮に反射面７ａ，７ｂがなければ、音源部１から送波された超音波は監視空間中で拡散減衰することにより、受波素子３で受波される際には伝播経路の経路長に応じて音圧が減衰する。これに対して、反射面７ａ，７ｂで反射される第２の超音波Ｓｗ２は、上述したように反射面７ａ，７ｂで反射されることにより他方の反射面７ａ，７ｂ上に集音され、拡散減衰が抑制される。したがって、第２の超音波Ｓｗ２は、反射面７ａ，７ｂで反射されることなく同じ経路長Ｌ２を伝播される場合に比べると、音圧の減衰量が小さくなる。
【０１１２】
つまり、受波素子３で受波される前記第２の超音波Ｓｗ２の音圧Ｐ２０は、反射面７ａ，７ｂで反射されることなく経路長Ｌ２の伝播経路を通して音源部１から受波素子３に伝播される超音波の音圧Ｐ２に比べて大きくなり、煙濃度の分解能が向上する。このとき、第２の超音波Ｓｗ２の音圧Ｐ２０は、音圧Ｐ２と音圧増大係数Ａ（＞１）との積（Ａ・Ｐ２）で表すことができる。なお、音圧増大係数は、超音波が反射面７ａ，７ｂで反射されることにより拡散減衰が抑制される度合いを表す係数であって、反射面７ａ，７ｂの形状や超音波の指向性などによって決まる。
【０１１３】
以上説明した構成によれば、音圧比算出部４０で算出される音圧比が複数の音源部１間で生じる特性変化のばらつきの影響や、複数の受波素子３間で生じる特性変化のばらつきの影響を受けることがない分だけ、音圧比の算出精度が向上する。すなわち、音圧比算出部４０は、単一の音源部１から送波され単一の受波素子３で受波される複数の超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２間の音圧比を算出するので、複数の音源部１あるいは受波素子３間で生じる特性変化のばらつきの影響を受けることがない。しかも、音源部１から同一タイミングで送波された超音波について音圧比を算出するので、算出される音圧比は音源部１の駆動タイミングによって生じる音圧のばらつきの影響を受けることもない。
【０１１４】
ところで、本実施形態の火災感知器は、音速計測部４７で計測された監視空間の音速に基づいて、音速の変化に起因した音圧比ＲＳの初期値Ｒ０からの変動分をキャンセルするように音圧比ＲＳを補正する指向性補正部５２を信号処理部４にさらに有している。
【０１１５】
要するに、監視空間における音速が変化すると、監視空間での超音波の指向性が変化し、その結果、第１の超音波Ｓｗ１と第２の超音波Ｓｗ２との音圧比ＲＳが変動する。さらに詳しく説明すると、たとえば音源部１から正弦波パルス状の超音波が送波される場合、音源部１の真正面の方向に対する角度θを用いて、指向性係数（角度θ＝０°での音圧を１としたときの音圧の大きさを示す係数）Ｄ１（θ）は以下の式で表される。なお、０≦θ≦ｓｉｎ−１（λ／４ａ）のときには数３が適用され、ｓｉｎ−１（λ／４ａ）≦θ≦π／２ａのときに数４が適用される。
【０１１６】
【数３】
【０１１７】
【数４】
【０１１８】
上式中のλは超音波の波長を表しており、ａは音源部１のうち媒質としての空気に振動を与える発熱体層１３の表面（送波面）の一辺長の１／２の長さを表す（つまり、音源部１の送波面は一辺が２ａの正方形状となる）。波長λは、周知のように音速と周期（パルス幅）との積で表されるから、監視空間内での音速が変化すると、波長λが変化して上記指向性係数Ｄ１（θ）が変化する。
【０１１９】
そして、指向性係数Ｄ１（θ）が変化すれば、前述の音圧増大係数Ａが変化し、これに伴い反射面７ａ，７ｂで反射された第２の超音波Ｓｗ２の音圧Ｐ２０（＝Ａ・Ｐ２）が変化する。ここで、変化後の音圧増大係数をＡ’（≠Ａ）とすれば、変化後の第２の超音波Ｓｗ２の音圧Ｐ２０’はＰ２０’＝Ａ’・Ｐ２で表されることとなる。結果的に、第１および第２の超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の音圧比は、Ｒ０’（＝Ｐ２０’／Ｐ１０）＝Ａ’・Ｐ２／Ｐ１０となり、初期値Ｒ０（＝Ｐ２０／Ｐ１０）＝Ａ・Ｐ２／Ｐ１０から変化する。つまり、指向性係数Ｄ１（θ）が変化すれば、煙濃度にかかわらず第１および第２の超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の音圧比ＲＳは変化する。
【０１２０】
そこで、指向性補正部５２は、音速の変化に起因した音圧比ＲＳの変動分をキャンセルするように、音速の変化に応じて音圧比ＲＳを補正する。具体的には、指向性補正部５２は音圧比補正部４５の後段に設けられ、音速計測部４７での計測結果（音速）を受け、音速変化に起因した超音波の指向性変化による音圧増大係数の変動分（Ａ’−Ａ）を取り除くように、音圧比ＲＳの補正値を決定する。これにより、煙濃度推定部４１では、音速変化に起因した初期値Ｒ０からの変動分がキャンセルされた音圧比ＲＳを用いて、煙濃度を推定することができるので、煙濃度推定部４１で推定される煙濃度に音速変化による指向性の変化が影響することはない。
【０１２１】
したがって、監視空間の音速変化により超音波の指向性が変化することがあっても、火災判断部４２では、指向性変化の影響を受けずに火災発生の有無を判断でき、非火災報や失報を低減することができ、火災の有無の判断の確度が向上するという利点がある。
【０１２２】
なお、本実施形態では、音圧比補正部４５と指向性補正部５２とにおいて、減衰係数αの変化と、指向性の変化との２つの要素を考慮して音圧比ＲＳを補正するので、これら２つの要素を統合した補正に関する重回帰式を用いて補正を行う構成としてもよい。これにより、補正を行う際の演算処理にかかる負荷の軽減を図ることができる。重回帰式は、気圧が一定と仮定すれば、たとえば、温度と湿度との２次関数で表される。
【０１２３】
その他の構成および機能は実施形態１と同様である。
【０１２４】
ところで、上記各実施形態において、音響セル５としては、熱膨張係数が小さい材質を適用することが望ましい。これにより、たとえばセル温度計測部４９の温度計測の誤差などにより経路長補正部４９での伝播経路長の補正時に生じる誤差が小さくなり、結果的に監視空間の湿度の算出精度がより一層高くなる。特に、音響セル５の材質が石英の場合など、熱膨張係数が極端に小さく音響セル５の熱膨張による音速の変化量の所定分の１となる場合には、煙検知の精度によっては音響セル５の熱膨張による音速の補正を実質的に省略できる。
【０１２５】
また、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】
【０１２６】
１ａ，１ｂ 音源部
２ 制御部
３ａ，３ｂ 受波素子
４ 信号処理部
５ 音響セル
６ 拡散防止版
７ａ，７ｂ 反射面
４０ 音圧比算出部
４１ 煙濃度推定部
４２ 火災判断部
４４ 減衰係数推定部
４５ 音圧比補正部
４６ 温度計測部
４７ 音速計測部
４８ 変化量測定部
４９ 経路長補正部
５０ セル温度計側部
５１ 音速補正部
５２ 指向性補正部
Ｌ１，Ｌ２ 伝播経路長
Ｐ１０，Ｐ２０，Ｐ１Ｓ，Ｐ２Ｓ 音圧
Ｒ０ 音圧比の初期値
ＲＳ 音圧比
Ｓｗ１，Ｓｗ２ 超音波
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音波を送波可能な音源部と、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、前記音源部および前記受波素子が固定され前記音源部と前記受波素子との相対的な位置関係を決定する音響セルとを備え、前記信号処理部は、前記音源部と前記受波素子との間の監視空間のうち経路長の異なる伝播経路を通して前記音源部から前記受波素子にそれぞれ伝播された複数の音波間の音圧比を算出する音圧比算出部と、前記音圧比算出部で算出される音圧比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、前記監視空間の温度を計測する温度計測部と、前記監視空間の音速を求める音速計測部と、前記温度計測部で計測される温度と当該温度および前記音速計測部で求められる音速から算出される湿度とをパラメータとして用いて、煙がない状態での前記監視空間における音波の吸収減衰の減衰係数を推定する減衰係数推定部と、前記減衰係数推定部で推定される前記減衰係数に基づき、前記減衰係数の変化に起因する前記音圧比の変動分を取り除くように前記音圧比を補正する音圧比補正部とを有し、前記音速計測部は、前記音圧比算出部において前記音圧比の算出対象となる複数の音波に関する伝播経路長の差を、前記複数の音波がそれぞれ前記音源部から前記受波素子に伝播されるのに要した時間差で除することにより前記音速を算出しており、前記信号処理部は、前記音響セルの熱膨張による前記伝播経路長の変化量を求める変化量測定部と、前記音速計測部での前記音速の算出に用いられる前記伝播経路長を前記変化量測定部で求められた前記変化量に基づいて補正する経路長補正部とをさらに有することを特徴とする火災感知器。
【請求項２】
前記信号処理部は、前記温度計測部とは別に、前記音響セル自体の温度を計測するセル温度計測部をさらに有し、前記変化量測定部は、前記セル温度計測部で計測された温度と所定の熱膨張係数とを用いて前記変化量を求め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】
前記音響セルは、前記音源部から送波される音波の進行方向に沿う面であって前記監視空間を囲むことにより前記音波の拡散範囲を制限する一対の拡散防止面を有し、前記信号処理部は、前記一対の前記拡散防止面間の距離に応じた所定の補正係数を前記音速計測部で算出される音速に乗じることにより前記音速を補正する音速補正部をさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の火災感知器。
【請求項４】
前記音響セルは、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を有し、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、前記音圧比算出部は、前記音源部から前記受波素子に直接伝播される音波と反射面で反射されて前記受波素子に伝播される音波との間の音圧比を算出することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の火災感知器。
【請求項５】
前記信号処理部は、前記音速計測部で得られた音速に基づき、当該音速の変化に起因して音波の指向性が変化するために生じる前記音圧比の変動分を取り除くように前記音圧比を補正する指向性補正部をさらに有することを特徴とする請求項４記載の火災感知器。
【請求項１】
音波を送波可能な音源部と、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、前記音源部および前記受波素子が固定され前記音源部と前記受波素子との相対的な位置関係を決定する音響セルとを備え、前記信号処理部は、前記音源部と前記受波素子との間の監視空間のうち経路長の異なる伝播経路を通して前記音源部から前記受波素子にそれぞれ伝播された複数の音波間の音圧比を算出する音圧比算出部と、前記音圧比算出部で算出される音圧比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、前記監視空間の温度を計測する温度計測部と、前記監視空間の音速を求める音速計測部と、前記温度計測部で計測される温度と当該温度および前記音速計測部で求められる音速から算出される湿度とをパラメータとして用いて、煙がない状態での前記監視空間における音波の吸収減衰の減衰係数を推定する減衰係数推定部と、前記減衰係数推定部で推定される前記減衰係数に基づき、前記減衰係数の変化に起因する前記音圧比の変動分を取り除くように前記音圧比を補正する音圧比補正部とを有し、前記音速計測部は、前記音圧比算出部において前記音圧比の算出対象となる複数の音波に関する伝播経路長の差を、前記複数の音波がそれぞれ前記音源部から前記受波素子に伝播されるのに要した時間差で除することにより前記音速を算出しており、前記信号処理部は、前記音響セルの熱膨張による前記伝播経路長の変化量を求める変化量測定部と、前記音速計測部での前記音速の算出に用いられる前記伝播経路長を前記変化量測定部で求められた前記変化量に基づいて補正する経路長補正部とをさらに有することを特徴とする火災感知器。
【請求項２】
前記信号処理部は、前記温度計測部とは別に、前記音響セル自体の温度を計測するセル温度計測部をさらに有し、前記変化量測定部は、前記セル温度計測部で計測された温度と所定の熱膨張係数とを用いて前記変化量を求め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】
前記音響セルは、前記音源部から送波される音波の進行方向に沿う面であって前記監視空間を囲むことにより前記音波の拡散範囲を制限する一対の拡散防止面を有し、前記信号処理部は、前記一対の前記拡散防止面間の距離に応じた所定の補正係数を前記音速計測部で算出される音速に乗じることにより前記音速を補正する音速補正部をさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の火災感知器。
【請求項４】
前記音響セルは、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を有し、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、前記音圧比算出部は、前記音源部から前記受波素子に直接伝播される音波と反射面で反射されて前記受波素子に伝播される音波との間の音圧比を算出することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の火災感知器。
【請求項５】
前記信号処理部は、前記音速計測部で得られた音速に基づき、当該音速の変化に起因して音波の指向性が変化するために生じる前記音圧比の変動分を取り除くように前記音圧比を補正する指向性補正部をさらに有することを特徴とする請求項４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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−２４８４７１（Ｐ２０１１−２４８４７１Ａ）
【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２０１０−１１８７２６（Ｐ２０１０−１１８７２６）
【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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