JP2703605B2 - 光電式煙感知器 - Google Patents
光電式煙感知器Info
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- JP2703605B2 JP2703605B2 JP3523389A JP3523389A JP2703605B2 JP 2703605 B2 JP2703605 B2 JP 2703605B2 JP 3523389 A JP3523389 A JP 3523389A JP 3523389 A JP3523389 A JP 3523389A JP 2703605 B2 JP2703605 B2 JP 2703605B2
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- light receiving
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- optical axis
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Description
本発明は、建物内で火災時等に発生する煙を感知する
光電式煙感知器に関するものである。
光電式煙感知器に関するものである。
従来より煙感知器として煙粒子による光の散乱を利用
した光電式煙感知器が提供されている（特開昭56−1472
94号公報、実開昭58−171591号公報、特開昭60−109189
号公報、実開昭60−13449号公報、実開昭62−20358号公
報等参照）。すなわち、第７図に示すように、投光素子
１と受光素子８とを光軸が一致しないように配置し、投
光素子１から投光された光の煙粒子３による散乱光を受
光素子８で受光するようにしている。したがって、煙粒
子３が存在するときには受光素子８での受光量が増加す
るから、受光素子８での受光量の大小によって煙粒子３
の存在が検出できるわけである。
した光電式煙感知器が提供されている（特開昭56−1472
94号公報、実開昭58−171591号公報、特開昭60−109189
号公報、実開昭60−13449号公報、実開昭62−20358号公
報等参照）。すなわち、第７図に示すように、投光素子
１と受光素子８とを光軸が一致しないように配置し、投
光素子１から投光された光の煙粒子３による散乱光を受
光素子８で受光するようにしている。したがって、煙粒
子３が存在するときには受光素子８での受光量が増加す
るから、受光素子８での受光量の大小によって煙粒子３
の存在が検出できるわけである。
上記構成では、受光量の大小により煙粒子３の存否を
判定しているものであるから、感知器内に入った虫や水
蒸気等による反射光と煙粒子３による散乱光との識別が
できず、誤認が生じやすいという問題がある。また、感
知器内での反射光が受光素子８に常時入射しているから
バックグランドノイズが多く、煙粒子３が存在しないと
きと、煙粒子３が存在するときとの信号比率を大きくと
ることができず、ノイズマージンが小さいという問題が
ある。 本発明は上記問題点の解決を目的とするものであり、
散乱を生じている煙粒子の粒径を識別することにより、
水蒸気等による散乱光や虫等による反射光による誤検知
を防止し、感知器内部の反射光によるバックグランドノ
イズの影響を低減してノイズマージンが大きくとれるよ
うにした光電式煙感知器を提供しようとするものであ
る。
判定しているものであるから、感知器内に入った虫や水
蒸気等による反射光と煙粒子３による散乱光との識別が
できず、誤認が生じやすいという問題がある。また、感
知器内での反射光が受光素子８に常時入射しているから
バックグランドノイズが多く、煙粒子３が存在しないと
きと、煙粒子３が存在するときとの信号比率を大きくと
ることができず、ノイズマージンが小さいという問題が
ある。 本発明は上記問題点の解決を目的とするものであり、
散乱を生じている煙粒子の粒径を識別することにより、
水蒸気等による散乱光や虫等による反射光による誤検知
を防止し、感知器内部の反射光によるバックグランドノ
イズの影響を低減してノイズマージンが大きくとれるよ
うにした光電式煙感知器を提供しようとするものであ
る。
本発明では、上記目的を達成するために、散乱光を、
投光手段の光軸と受光手段の光軸とを含む面に対して電
界が平行な偏光成分と磁界が平行な偏光成分とに分離す
るスプリッタと、各偏光成分をそれぞれ受光する一対の
受光素子とにより受光手段を構成し、両受光素子の出力
レベルの比を演算しこの比が所定範囲内であるときに煙
粒子が存在すると判断する判別手段を設けている。
投光手段の光軸と受光手段の光軸とを含む面に対して電
界が平行な偏光成分と磁界が平行な偏光成分とに分離す
るスプリッタと、各偏光成分をそれぞれ受光する一対の
受光素子とにより受光手段を構成し、両受光素子の出力
レベルの比を演算しこの比が所定範囲内であるときに煙
粒子が存在すると判断する判別手段を設けている。
上記構成によれば、煙による散乱光に含まれている互
いに直交する偏光成分の強度の比率に基づいて煙粒子の
粒径を求め、粒径が所定の範囲内であるときに煙粒子が
存在すると判断するから、散乱を生じている粒子の粒径
が反映されることになり、煙粒子による散乱か他の物質
による反射かの識別が容易になるのである。 すなわち、一般に偏光性のない光をエアロゾルに照射
し、散乱光の偏光成分を、照射光と散乱光とを含む面
（以下、観測面と呼称する）に対して電界が平行な偏光
成分（TE偏光）と磁界が平行な偏光成分（TM偏光）とに
分離すると、TE偏光とTM偏光との強度の比率は、光の波
長とエアロゾルの粒子の粒径との関数になることが、Mi
e散乱理論によって知られている。したがって、散乱光
の偏光成分をTE偏光とTM偏光とに分離し、強度比（偏光
比）を求めれば、エアロゾルの粒子の粒径を知ることが
できるのである。 いま、TE偏光とTM偏光との強度をそれぞれIp,Isとし
て、入射光の進行方向に対する散乱光のなす角度（散乱
角）θにおける偏光比ρ（θ）を、 ρ（θ）＝Ip（θ）/Is（θ） と表す。ここに、TE偏光とTM偏光との強度Ip,Isは散乱
角θに依存する。また、散乱を生じるエアロゾルの粒子
の粒径（直径）をＤ、照射光の波長をλとし、粒径パラ
メータαとして、次の値を定義する。 α＝πD/λ このように定義された偏光比ρ（θ）と粒径パラメータ
αとの間には第５図のような関係がある。ここに、第５
図では散乱角θを90°に設定している。また、第５図で
は粒径パラメータαを粒子の半径ａの関数としている。
一般に偏光比ρ（θ）は粒径パラメータαに対して複雑
な関数となるが、α＜２の領域では、第５図に示すよう
に、ほぼ単調増加とみなすことができる。この領域にお
いて、照射光の波長を0.80〜0.95μｍとすると、測定可
能な最大粒径Ｄは0.51〜0.61μｍとなる。ここに、赤外
発光ダイオードや赤外半導体レーザーの一般的な波長は
0.80〜0.95μｍであるから、照射光源としてこれらの素
子を用いることができる。また、光通信において近年用
いられている波長1.30μｍもしくは1.55μｍの発光素子
を用いれば、測定可能な最大粒径Ｄは、0.83μｍあるい
は0.95μｍとなる。 一方、煙粒子は0.1〜１μｍであるから、偏光比を求
めれば煙粒子の存否が判定できるわけである。エアロゾ
ルの粒子の粒径をこのようにして求める方法は、偏光比
法と呼ばれている。
いに直交する偏光成分の強度の比率に基づいて煙粒子の
粒径を求め、粒径が所定の範囲内であるときに煙粒子が
存在すると判断するから、散乱を生じている粒子の粒径
が反映されることになり、煙粒子による散乱か他の物質
による反射かの識別が容易になるのである。 すなわち、一般に偏光性のない光をエアロゾルに照射
し、散乱光の偏光成分を、照射光と散乱光とを含む面
（以下、観測面と呼称する）に対して電界が平行な偏光
成分（TE偏光）と磁界が平行な偏光成分（TM偏光）とに
分離すると、TE偏光とTM偏光との強度の比率は、光の波
長とエアロゾルの粒子の粒径との関数になることが、Mi
e散乱理論によって知られている。したがって、散乱光
の偏光成分をTE偏光とTM偏光とに分離し、強度比（偏光
比）を求めれば、エアロゾルの粒子の粒径を知ることが
できるのである。 いま、TE偏光とTM偏光との強度をそれぞれIp,Isとし
て、入射光の進行方向に対する散乱光のなす角度（散乱
角）θにおける偏光比ρ（θ）を、 ρ（θ）＝Ip（θ）/Is（θ） と表す。ここに、TE偏光とTM偏光との強度Ip,Isは散乱
角θに依存する。また、散乱を生じるエアロゾルの粒子
の粒径（直径）をＤ、照射光の波長をλとし、粒径パラ
メータαとして、次の値を定義する。 α＝πD/λ このように定義された偏光比ρ（θ）と粒径パラメータ
αとの間には第５図のような関係がある。ここに、第５
図では散乱角θを90°に設定している。また、第５図で
は粒径パラメータαを粒子の半径ａの関数としている。
一般に偏光比ρ（θ）は粒径パラメータαに対して複雑
な関数となるが、α＜２の領域では、第５図に示すよう
に、ほぼ単調増加とみなすことができる。この領域にお
いて、照射光の波長を0.80〜0.95μｍとすると、測定可
能な最大粒径Ｄは0.51〜0.61μｍとなる。ここに、赤外
発光ダイオードや赤外半導体レーザーの一般的な波長は
0.80〜0.95μｍであるから、照射光源としてこれらの素
子を用いることができる。また、光通信において近年用
いられている波長1.30μｍもしくは1.55μｍの発光素子
を用いれば、測定可能な最大粒径Ｄは、0.83μｍあるい
は0.95μｍとなる。 一方、煙粒子は0.1〜１μｍであるから、偏光比を求
めれば煙粒子の存否が判定できるわけである。エアロゾ
ルの粒子の粒径をこのようにして求める方法は、偏光比
法と呼ばれている。
第１図に示すように、投光手段は、発光素子１と投光
レンズ２とからなる。発光素子１としては、発光ダイオ
ードや半導体レーザーが用いられ、単色ないし狭帯域の
光を放射する。投光レンズ２は、集光レンズであって、
発光素子１からの光を煙粒子３が導入される空間領域に
導く。ここに、発光素子１および投光レンズ２の光軸を
投光軸ltとし、光の進行方向を０°とする。 受光手段は、投光軸ltに対して所定の角度θをなす光
軸を受光軸lrとし、受光軸lr上には集光レンズである受
光レンズ４と、回折格子５と、受光素子７とが配設され
る。また、投光軸ltと受光軸lrとを含む面（観測面）内
で受光軸lrからずれた位置に受光素子６が配設される。
受光素子6,7としては、ホトトランジスタやホトダイオ
ード等が用いられる。 回折格子５は、第２図に示すように、表面に多数の溝
5aが形成されており、この溝5aが観測面に直交するよう
に配置されている。このような回折格子５については、
次のような性質が知られている。すなわち、回折効率を
回折波強度／入射波強度と定義し、波長λと格子定数ｄ
との比（λ/d）に対する１次回折効率を測定すると、第
３図に示すような特性が得られる。ここに、第３図
（ａ）は溝5aの深さｈと格子定数ｄとの比（h/d）を1.0
としたものであり、第３図（ｂ）は同じく1.5、第３図
（ｃ）は同じく2.0とした場合の１次回折効率を示して
いる。ここに、実線は電界が回折格子５の溝5aに平行な
偏光成分（回折格子の溝を基準としたTE偏光）の強度を
示し、破線は磁界が回折格子５の溝5aに平行な偏光成分
（回折格子の溝を基準としたTM偏光）の強度を示してい
る。この図より明らかなように、回折効率は偏光成分に
依存する（K.Yokomori:Appl.Opt.;23,14,2303（198
4）。すなわち、λ/d＞1.6であれば、電界が溝5aに平行
な偏光成分では十分に高い回折効率が得られ、磁界が溝
5aに平行な偏光成分では回折効率がほぼ０になる。換言
すれば、１次回折光の大部分は電界が溝5aに平行な偏光
成分であると考えられ、受光軸lrの上の光の大部分は磁
界が溝5aに平行な偏光成分であると考えられるのであ
る。したがって、回折格子５はTE偏光とTM偏光とを分離
するスプリッタとして用いることができるのである。す
なわち、第１図の構成によれば、回折格子５の溝5aが観
測面（紙面）に直交しているから、観測面に対して電界
が平行な偏光成分（TE偏光）は受光軸lr上の受光素子７
に受光され、観測面に対して磁界が平行な偏光成分（TM
偏光）は受光軸lrから離れた受光素子６に受光されるの
である。 各受光素子6,7の出力Is,Ipは、第４図に示すように、
それぞれ受光回路11,12に入力され、各受光素子6,7の受
光量に対応した受光回路11,12の出力電圧Vs,Vpは、それ
ぞれ対数増幅回路13,14により対数増幅される。両対数
増幅回路13,14の出力は減算回路15に入力され、減算回
路15の出力として、受光回路11,12の出力電圧Vs,Vpの比
の対数（すなわち、In（Vp/Vs））が得られる。したが
って、減算回路15の出力値はTE偏光とTM偏光との強度比
（偏光比）の対数になる。比較回路16では、減算回路15
の出力値があらかじめ設定されている所定の範囲内であ
るかどうかを判定し、所定の範囲内であれば信号処理回
路17を介して出力回路18を作動させる。つまり、比較回
路16は判定手段として機能する。ここに、比較回路16の
設定値は可変抵抗器VRにより調節可能となっている。信
号処理回路17には、発光素子１を間欠点灯させる発振回
路19の出力が入力されており、受光系を発光素子１の点
滅に同期させることによって発光素子１から放射された
光の散乱光のみが処理されるようにし、雑音成分を除去
するようになっている。発振回路19と発光素子１との間
には発振回路19の出力を増幅するドライブ回路20が挿入
される。 上述したように、回折格子５を用いてTE偏光とTM偏光
とに分離すれば、受光素子6,7の間隔を小さくすること
ができるから、光学系と信号処理の回路部とをハイブリ
ッド化して１チップの光電子集積回路を構成することが
できる。また、上記実施例では、回折格子５を溝5aが観
測面に直交するように配置しているが、溝5aが観測面に
平行になるように配置する場合には、TE偏光が回折光と
なるから、TE偏光を受光する受光素子７を溝5aに直交す
る面内で観測面とは異なる部位に配置し、受光軸lr上に
TM偏光を受光する受光素子６を配置するようにすればよ
い。 また、回折格子５を用いる代わりに、第６図に示すよ
うに、ハーフミラー21とミラー22とからなるビームスプ
リッタと、一対の偏光板23,24とを用いて散乱光を電気
ベクトルが観測面に平行な偏光成分と、磁気ベクトルが
観測面に平行な偏光成分とに分離するようにしても、
「作用」の項で説明した原理に基づいて煙粒子を検出す
ることができる。この構成の場合には、部品点数が多く
なるとともに、ビームスプリッタや偏光板23,24が比較
的大きく、１チップ化は困難であるが、回折格子５を用
いる場合と同様に、粒径に基づいて煙粒子を識別するか
ら、感知器内での反射光や虫等による誤検出を防止でき
るのである。
レンズ２とからなる。発光素子１としては、発光ダイオ
ードや半導体レーザーが用いられ、単色ないし狭帯域の
光を放射する。投光レンズ２は、集光レンズであって、
発光素子１からの光を煙粒子３が導入される空間領域に
導く。ここに、発光素子１および投光レンズ２の光軸を
投光軸ltとし、光の進行方向を０°とする。 受光手段は、投光軸ltに対して所定の角度θをなす光
軸を受光軸lrとし、受光軸lr上には集光レンズである受
光レンズ４と、回折格子５と、受光素子７とが配設され
る。また、投光軸ltと受光軸lrとを含む面（観測面）内
で受光軸lrからずれた位置に受光素子６が配設される。
受光素子6,7としては、ホトトランジスタやホトダイオ
ード等が用いられる。 回折格子５は、第２図に示すように、表面に多数の溝
5aが形成されており、この溝5aが観測面に直交するよう
に配置されている。このような回折格子５については、
次のような性質が知られている。すなわち、回折効率を
回折波強度／入射波強度と定義し、波長λと格子定数ｄ
との比（λ/d）に対する１次回折効率を測定すると、第
３図に示すような特性が得られる。ここに、第３図
（ａ）は溝5aの深さｈと格子定数ｄとの比（h/d）を1.0
としたものであり、第３図（ｂ）は同じく1.5、第３図
（ｃ）は同じく2.0とした場合の１次回折効率を示して
いる。ここに、実線は電界が回折格子５の溝5aに平行な
偏光成分（回折格子の溝を基準としたTE偏光）の強度を
示し、破線は磁界が回折格子５の溝5aに平行な偏光成分
（回折格子の溝を基準としたTM偏光）の強度を示してい
る。この図より明らかなように、回折効率は偏光成分に
依存する（K.Yokomori:Appl.Opt.;23,14,2303（198
4）。すなわち、λ/d＞1.6であれば、電界が溝5aに平行
な偏光成分では十分に高い回折効率が得られ、磁界が溝
5aに平行な偏光成分では回折効率がほぼ０になる。換言
すれば、１次回折光の大部分は電界が溝5aに平行な偏光
成分であると考えられ、受光軸lrの上の光の大部分は磁
界が溝5aに平行な偏光成分であると考えられるのであ
る。したがって、回折格子５はTE偏光とTM偏光とを分離
するスプリッタとして用いることができるのである。す
なわち、第１図の構成によれば、回折格子５の溝5aが観
測面（紙面）に直交しているから、観測面に対して電界
が平行な偏光成分（TE偏光）は受光軸lr上の受光素子７
に受光され、観測面に対して磁界が平行な偏光成分（TM
偏光）は受光軸lrから離れた受光素子６に受光されるの
である。 各受光素子6,7の出力Is,Ipは、第４図に示すように、
それぞれ受光回路11,12に入力され、各受光素子6,7の受
光量に対応した受光回路11,12の出力電圧Vs,Vpは、それ
ぞれ対数増幅回路13,14により対数増幅される。両対数
増幅回路13,14の出力は減算回路15に入力され、減算回
路15の出力として、受光回路11,12の出力電圧Vs,Vpの比
の対数（すなわち、In（Vp/Vs））が得られる。したが
って、減算回路15の出力値はTE偏光とTM偏光との強度比
（偏光比）の対数になる。比較回路16では、減算回路15
の出力値があらかじめ設定されている所定の範囲内であ
るかどうかを判定し、所定の範囲内であれば信号処理回
路17を介して出力回路18を作動させる。つまり、比較回
路16は判定手段として機能する。ここに、比較回路16の
設定値は可変抵抗器VRにより調節可能となっている。信
号処理回路17には、発光素子１を間欠点灯させる発振回
路19の出力が入力されており、受光系を発光素子１の点
滅に同期させることによって発光素子１から放射された
光の散乱光のみが処理されるようにし、雑音成分を除去
するようになっている。発振回路19と発光素子１との間
には発振回路19の出力を増幅するドライブ回路20が挿入
される。 上述したように、回折格子５を用いてTE偏光とTM偏光
とに分離すれば、受光素子6,7の間隔を小さくすること
ができるから、光学系と信号処理の回路部とをハイブリ
ッド化して１チップの光電子集積回路を構成することが
できる。また、上記実施例では、回折格子５を溝5aが観
測面に直交するように配置しているが、溝5aが観測面に
平行になるように配置する場合には、TE偏光が回折光と
なるから、TE偏光を受光する受光素子７を溝5aに直交す
る面内で観測面とは異なる部位に配置し、受光軸lr上に
TM偏光を受光する受光素子６を配置するようにすればよ
い。 また、回折格子５を用いる代わりに、第６図に示すよ
うに、ハーフミラー21とミラー22とからなるビームスプ
リッタと、一対の偏光板23,24とを用いて散乱光を電気
ベクトルが観測面に平行な偏光成分と、磁気ベクトルが
観測面に平行な偏光成分とに分離するようにしても、
「作用」の項で説明した原理に基づいて煙粒子を検出す
ることができる。この構成の場合には、部品点数が多く
なるとともに、ビームスプリッタや偏光板23,24が比較
的大きく、１チップ化は困難であるが、回折格子５を用
いる場合と同様に、粒径に基づいて煙粒子を識別するか
ら、感知器内での反射光や虫等による誤検出を防止でき
るのである。
本発明は上述のように、散乱光を、投光手段の光軸と
受光手段の光軸とを含む面に対して電界が平行な偏光成
分と磁界が平行な偏光成分とに分離するスプリッタと、
各偏光成分をそれぞれ受光する一対の受光素子とにより
受光手段を構成し、両受光素子の出力レベルの比を演算
しこの比が所定範囲内であるときに煙粒子が存在すると
判断する判別回路を設けているものであり、煙による散
乱光に含まれている互いに直交する偏光成分の強度の比
率に基づいて煙粒子の粒径を求め、粒径が所定の範囲内
であるときに煙粒子が存在すると判断するから、散乱を
生じている粒子の粒径が反映されることになり、煙粒子
による散乱か感知器の内周面や虫等の他の物体による反
射かの識別が容易になりるのである。その結果、誤検出
が防止され信頼性が高くなるという利点を有する。
受光手段の光軸とを含む面に対して電界が平行な偏光成
分と磁界が平行な偏光成分とに分離するスプリッタと、
各偏光成分をそれぞれ受光する一対の受光素子とにより
受光手段を構成し、両受光素子の出力レベルの比を演算
しこの比が所定範囲内であるときに煙粒子が存在すると
判断する判別回路を設けているものであり、煙による散
乱光に含まれている互いに直交する偏光成分の強度の比
率に基づいて煙粒子の粒径を求め、粒径が所定の範囲内
であるときに煙粒子が存在すると判断するから、散乱を
生じている粒子の粒径が反映されることになり、煙粒子
による散乱か感知器の内周面や虫等の他の物体による反
射かの識別が容易になりるのである。その結果、誤検出
が防止され信頼性が高くなるという利点を有する。
第１図は本発明の一実施例を示す概略構成図、第２図は
同上に用いる回折格子の要部断面図、第３図は同上に用
いる回折格子の動作説明図、第４図は同上の回路部のブ
ロック図、第５図は同上の原理説明図、第６図は本発明
の他の実施例を示す概略構成図、第７図は従来例を示す
概略断面図である。 １…発光素子、２…投光レンズ、３…煙粒子、４…受光
レンズ、５…回折格子、6,7…受光素子、13,14…対数増
幅回路、15…減算回路、16…比較回路。
同上に用いる回折格子の要部断面図、第３図は同上に用
いる回折格子の動作説明図、第４図は同上の回路部のブ
ロック図、第５図は同上の原理説明図、第６図は本発明
の他の実施例を示す概略構成図、第７図は従来例を示す
概略断面図である。 １…発光素子、２…投光レンズ、３…煙粒子、４…受光
レンズ、５…回折格子、6,7…受光素子、13,14…対数増
幅回路、15…減算回路、16…比較回路。
Claims (1)
- 【請求項１】光ビームを投光する投光手段と、投光手段
の光軸に対して光軸が所定角度をなすように配置された
受光手段とを備え、上記光ビームの煙粒子による散乱光
を受光手段により受光するようにした光電式煙感知器に
おいて、受光手段は、散乱光を、投光手段の光軸と受光
手段の光軸とを含む面に対して電界が平行な偏光成分と
磁界が平行な偏光成分とに分離するスプリッタと、各偏
光成分をそれぞれ受光する一対の受光素子とを備え、両
受光素子の出力レベルの比を演算しこの比が所定範囲内
であるときに煙粒子が存在すると判断する判別手段が設
けられて成ることを特徴とする光電式煙感知器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3523389A JP2703605B2 (ja) | 1989-02-15 | 1989-02-15 | 光電式煙感知器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3523389A JP2703605B2 (ja) | 1989-02-15 | 1989-02-15 | 光電式煙感知器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02213997A JPH02213997A (ja) | 1990-08-27 |
| JP2703605B2 true JP2703605B2 (ja) | 1998-01-26 |
Family
ID=12436124
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3523389A Expired - Fee Related JP2703605B2 (ja) | 1989-02-15 | 1989-02-15 | 光電式煙感知器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2703605B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5576697A (en) * | 1993-04-30 | 1996-11-19 | Hochiki Kabushiki Kaisha | Fire alarm system |
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-
1989
- 1989-02-15 JP JP3523389A patent/JP2703605B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
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| JPH02213997A (ja) | 1990-08-27 |
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