(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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音源部と受波素子との間の監視空間に存在する浮遊粒子の濃度を測定する信号処理部とを備え、信号処理部は、監視空間のうち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手段と、音圧比算出手段で算出される音圧比の初期値からの変化量に基づいて監視空間の浮遊粒子の濃度を推定する濃度推定手段とを有し、
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、前記音圧比算出手段は、前記音源部から前記受波素子に伝播されるまでに反射面で反射された回数の異なる複数の音波間の音圧比を算出し、
前記反射面は、前記音源部からの音波を他方の前記反射面上に集音する形に湾曲した凹型の曲面からなり、前記音源部と前記受波素子とはそれぞれ別の前記反射面上であって、他方の前記反射面に平面波として入射して反射された音波が焦点を結ぶ位置に配置されていることを特徴とする浮遊粒子測定システム。
【請求項２】
前記音源部は周波数の異なる複数種の音波を送波可能であって、前記信号処理部は、前記監視空間に存在する浮遊粒子の複数の種別に応じた前記音源部の出力周波数と前記音圧比の初期値からの変化量との関係データを記憶した記憶手段と、前記音源部から送波された各周波数の音波ごとの前記音圧比と記憶手段に記憶されている関係データとを用いて前記監視空間に浮遊している粒子の種別を推定する粒子種別推定手段とを有し、前記濃度推定手段は、特定周波数の音波に対する前記音圧比の初期値からの変化量に基づいて前記監視空間の浮遊粒子の濃度を推定することを特徴とする請求項１記載の浮遊粒子測定システム。
【請求項３】
前記記憶手段は、前記関係データとして前記音源部の出力周波数と前記音圧比の初期値からの変化量を初期値で除した変化率との関係データを記憶していることを特徴とする請求項２記載の浮遊粒子測定システム。
【請求項４】
前記音源部は前記複数種の音波を送波可能な単一の音波発生素子からなり、前記制御部は音波発生素子から複数種の音波が順次送波されるように前記音源部を制御することを特徴とする請求項２または請求項３記載の浮遊粒子測定システム。
【請求項５】
前記音源部は、発熱体部への通電に伴う発熱体部の温度変化により空気に熱衝撃を与えることで音波を発生するものであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の浮遊粒子測定システム。
【請求項６】
前記音源部は、ベース基板の一表面側に前記発熱体部が形成されるとともに、ベース基板の前記一表面側で前記発熱体部とベース基板との間に設けられて前記発熱体部とベース基板とを熱絶縁する多孔質層からなる熱絶縁層を有してなることを特徴とする請求項５記載の浮遊粒子測定システム。
【請求項７】
前記濃度推定手段は、前記音圧比の初期値からの変化量を初期値で除した変化率に基づいて前記監視空間の浮遊粒子の濃度を推定することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の浮遊粒子測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、監視空間に存在する浮遊粒子の濃度を測定する浮遊粒子測定システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、たとえば煙濃度を測定することによる火災の発生の有無の判断や、半導体の製造プロセスで使用されるクリーンルームの状態の管理などを目的として、監視空間に存在する浮遊粒子（煙粒子、粉塵、湯気など）の濃度を測定する浮遊粒子測定システムが提案されている。
【０００３】
この種の浮遊粒子測定システムとしては、レーザ光の浮遊粒子による散乱光を用いて浮遊粒子の濃度（個数）を測定するものが知られている（たとえば特許文献１、特許文献２参照）。ここにおいて、特許文献１に記載の浮遊粒子測定システムは、レーザ光を分波器により２分した一方のレーザ光を浮遊粒子に照射して散乱光を生じさせ、他方のレーザ光を周波数偏移させた後に前記散乱光と合成し、当該合成光を光検出器で受光してビート信号を検出、処理する光ヘテロダイン法を用いて浮遊粒子の個数を計測する。一方、特許文献２に記載の浮遊粒子測定システムは、レーザ発振器から発せられたレーザ光を複数の鏡面を備えたポリゴンミラーにより走査させ、走査光の浮遊粒子による散乱光を矩形の開口部を有するマスクを介してＣＣＤカメラにより検出し、検出された散乱光に基づき浮遊粒子の濃度を測定する。
【０００４】
ところで、上述したようにレーザ光の浮遊粒子による散乱光を用いる浮遊粒子測定システムは、レーザ光源と光検出器（あるいはＣＣＤカメラ）の他にレーザ光を分波する分波器やレーザ光を走査させるポリゴンミラーなどの光学部材が必要となり、システムが大掛かりで大型且つ高価なものになるという問題がある。
【特許文献１】特開昭６３−６３９４４号公報
【特許文献２】特開平７−２２９８２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した散乱光を用いる浮遊粒子測定システムの問題点を解決するために、本願出願人は、音波（たとえば超音波）を用いて浮遊粒子の濃度を測定する浮遊粒子測定システムを提案している。
【０００６】
この浮遊粒子測定システムは、図１７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（図示せず）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濃度を測定する信号処理部（図示せず）とを備える。信号処理部は、受波素子３の出力の基準値からの減衰量に基づいて監視空間の浮遊粒子の濃度を推定する濃度推定手段を有する。すなわち、監視空間に粒子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し、受波素子３の出力の減衰量は監視空間の浮遊粒子の濃度に略比例して増加するので、この減衰量に基づき浮遊粒子の濃度を推定することができる。
【０００７】
この超音波式の浮遊粒子測定システムでは、散乱光を用いる浮遊粒子測定システムに必要な光学部材が不要であるから、システムを簡略化でき小型且つ安価なものとすることが可能になる。
【０００８】
しかし、上述した超音波式の浮遊粒子測定システムでは、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、大気圧などの変化）に起因して音源部１や受波素子３に特性変化が生じ、監視空間の浮遊粒子の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がある。すなわち、音源部１や受波素子３の経時変化や浮遊粒子測定システムの周囲環境の変化に応じて、音源部１から送波される超音波の音圧が変化したり受波素子３の感度が変化したりすることで、受波素子３の出力の基準値からの減衰量が変動し、結果的に濃度測定の確度が低くなる可能性がある。
【０００９】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであって、監視空間における超音波の減衰量に基づいて浮遊粒子の濃度を測定する構成において、経時変化や周囲環境の変化に起因して音源部や受波素子に生じる特性変化の影響で濃度測定の確度が低下することのない浮遊粒子測定システム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】
【００１０】
請求項１の発明では、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音源部と受波素子との間の監視空間に存在する浮遊粒子の濃度を測定する信号処理部とを備え、信号処理部は、監視空間のうち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手段と、音圧比算出手段で算出される音圧比の初期値からの変化量に基づいて監視空間の浮遊粒子の濃度を推定する濃度推定手段とを有し、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、前記音圧比算出手段は、前記音源部から前記受波素子に伝播されるまでに反射面で反射された回数の異なる複数の音波間の音圧比を算出し、前記反射面は、前記音源部からの音波を他方の前記反射面上に集音する形に湾曲した凹型の曲面からなり、前記音源部と前記受波素子とはそれぞれ別の前記反射面上であって、他方の前記反射面に平面波として入射して反射された音波が焦点を結ぶ位置に配置されていることを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、音圧比算出手段は、音源部と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音源部から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ので、経時変化や周囲環境の変化に応じて音源部から送波される音波の音圧が変化したり受波素子の感度が変化したりすることがあっても、これらの変化は前記複数の音波に一律に影響するため、音圧比算出手段で算出される音圧比に影響することはない。したがって、音圧比算出手段で算出される音圧比の初期値からの変化量に基づいて監視空間の浮遊粒子の濃度を推定する濃度推定手段においては、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浮遊粒子の濃度を推定することができ、結果的に、音源部や受波素子に生じる前記特性変化の影響で濃度測定の確度が低下することはない。
また、この構成によれば、単一の音源部から送波され単一の受波素子に伝播される音波であっても、反射面で反射された回数に応じて経路長の異なる伝播経路を通って伝播されたこととなる。要するに、単一の音源部から送波された音波を経路長の異なる伝播経路を通して単一の受波素子に伝播させることができ、単一の音源部から送波され単一の受波素子で受波される複数の音波間の音圧比を算出することができる。したがって、算出される音圧比は複数の音源部間に生じる特性変化のばらつきの影響や、複数の受波素子間に生じる特性変化のばらつきの影響を受けることがなく、結果的に音圧比の算出精度が向上する。しかも、音源部から同時に送波された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。さらに、反射面を用いることにより経路長に対して相対的に浮遊粒子測定システムの小型化を図ることができる。
また、この構成によれば、反射面での反射を繰り返しても音波が拡散しにくく、したがって、音源部と受波素子との間における音波の拡散による音圧の低下を抑制することができる。その結果、監視空間中に浮遊粒子がない状態において受波素子で受波される音波の音圧を高く維持でき、浮遊粒子の濃度の変化量に対する受波素子の出力の変化量が比較的大きくなり、ＳＮ比が向上するという利点がある。さらに、この構成によれば、音源部から放射状に広がりながら受波素子側の反射面に到達した音波は、当該反射面で音源部側の反射面に対する平行波として反射された後、音源部側の反射面で反射されることによって受波素子側の反射面上における受波素子の位置で焦点を結ぶことになる。したがって、音源部から受波素子に伝播する間の音波の拡散による音圧の低下を確実に抑えることができる。その結果、ＳＮ比がより向上するという利点がある。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記音源部が周波数の異なる複数種の音波を送波可能であって、前記信号処理部が、前記監視空間に存在する浮遊粒子の複数の種別に応じた前記音源部の出力周波数と前記音圧比の初期値からの変化量との関係データを記憶した記憶手段と、前記音源部から送波された各周波数の音波ごとの前記音圧比と記憶手段に記憶されている関係データとを用いて前記監視空間に浮遊している粒子の種別を推定する粒子種別推定手段とを有し、前記濃度推定手段が、特定周波数の音波に対する前記音圧比の初期値からの変化量に基づいて前記監視空間の浮遊粒子の濃度を推定することを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、信号処理部では、粒子種別推定手段において、音源部から送波された各周波数の音波ごとの音圧比と記憶手段に記憶されている関係データとを用いて監視空間に浮遊している粒子の種別を推定しているので、監視空間の浮遊粒子の濃度だけでなく当該浮遊粒子の種別も測定することが可能となる。たとえば、煙粒子と湯気とを識別可能となるから、煙濃度を測定することにより火災の発生の有無の判断を行う場合に、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。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記記憶手段が、前記関係データとして前記音源部の出力周波数と前記音圧比の初期値からの変化量を初期値で除した変化率との関係データを記憶していることを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、音源部の出力周波数に応じて音圧比の初期値が変動する場合でも、音源部の出力周波数と音圧比の初期値の変動の影響が除去された変化率との関係データを用いることにより、音圧比の初期値の変動の影響を受けずに監視空間に浮遊している粒子の種別を推定することができる。
【００１６】
請求項４の発明は、請求項２または請求項３の発明において、前記音源部が前記複数種の音波を送波可能な単一の音波発生素子からなり、前記制御部が音波発生素子から複数種の音波が順次送波されるように前記音源部を制御することを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、各種の音波を送波可能な音波発生素子を複数個備える場合に比べて、音源部の小型化、低コスト化が可能となる。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかの発明において、前記音源部が、発熱体部への通電に伴う発熱体部の温度変化により空気に熱衝撃を与えることで音波を発生するものであることを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、音源部は平坦な周波数特性を有しており、発生させる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、音源部から残響の少ない単パルス状の音波を送波させることも可能となる。
【００２０】
請求項６の発明は、請求項５記載の発明において、前記音源部が、ベース基板の一表面側に前記発熱体部が形成されるとともに、ベース基板の前記一表面側で前記発熱体部とベース基板との間に設けられて前記発熱体部とベース基板とを熱絶縁する多孔質層からなる熱絶縁層を有してなることを特徴とする。
【００２１】
この構成によれば、熱絶縁層が多孔質層からなるので、熱絶縁層が非多孔質層からなる場合に比べて、熱絶縁層の断熱性が向上して発熱体部への入力電圧に対する音波の音圧の比が高くなり、低消費電力化を図ることができる。
【００２２】
請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれかの発明において、前記濃度推定手段が、前記音圧比の初期値からの変化量を初期値で除した変化率に基づいて前記監視空間の浮遊粒子の濃度を推定することを特徴とする。
【００２３】
この構成によれば、音圧比の初期値のばらつきの影響が除去された音圧比の変化率に基づいて監視空間の浮遊粒子の濃度を推定するので、監視空間の浮遊粒子の濃度が同一であれば、音圧比の初期値によらず浮遊粒子の濃度の推定結果を一律に揃えることができる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明は、音圧比算出手段で算出される音圧比の初期値からの変化量に基づいて監視空間の浮遊粒子の濃度を推定するので、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浮遊粒子の濃度を推定することができ、音源部や受波素子に生じる前記特性変化の影響で濃度測定の確度が低下することはないという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下の各実施形態では、本発明の浮遊粒子測定システムの一例として、火災の発生の有無を判断する目的で監視空間の煙粒子の濃度を測定するものを例示するが、この例に限らず、本発明の浮遊粒子測定システムは、監視空間の種々の浮遊粒子（煙粒子、粉塵、湯気など）の濃度の測定に用いることができる。
【００３６】
（実施形態１）
本実施形態の浮遊粒子測定システムは、図２に示すように、超音波を送波可能な一対の音源部１ａ，１ｂ（以下、両音源部１ａ，１ｂを特に区別しないときは音源部１という）と、音源部１ａ，１ｂを制御する制御部２と、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３ａ，３ｂを特に区別しないときは受波素子３という）と、各受波素子３ａ，３ｂの出力に基づいて音源部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濃度を測定する信号処理部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。
【００３７】
ここにおいて、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、円盤状のプリント基板からなる回路基板５（図１７参照）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。回路基板５には制御部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）が設けられているので、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。
【００３８】
本実施形態では、音源部１として、後述のように空気に熱衝撃を与えることで超音波を発生させる音波発生素子を用いることで、圧電素子に比べて残響時間が短い超音波を送波するようにし、且つ、受波素子として、共振特性のＱ値が圧電素子に比べて十分に小さく受波信号に含まれる残響成分の発生期間が短い静電容量型のマイクロホンを用いている。
【００３９】
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、熱絶縁層１２の表面側に発熱体部として金属薄膜からなる発熱体層１３が形成され、ベース基板１１の上記一表面側に発熱体層１３と電気的に接続された一対のパッド１４，１４が形成されている。なお、ベース基板１１の平面形状は矩形状であって、熱絶縁層１２、発熱体層１３それぞれの平面形状も矩形状に形成してある。また、ベース基板１１の上記一表面側において熱絶縁層１２が形成されていない部分の表面にはシリコン酸化膜からなる絶縁膜（図示せず）が形成されている。
【００４０】
上述の音源部１では、発熱体層１３の両端のパッド１４，１４間に通電して発熱体層１３に急激な温度変化を生じさせると、発熱体層１３に接触している空気（媒質）に急激な温度変化（熱衝撃）が生じる（つまり、発熱体層１３に接触している空気に熱衝撃が与えられる）。したがって、発熱体層１３に接触している空気は、発熱体層１３の温度上昇時には膨張し発熱体層１３の温度下降時には収縮するから、発熱体層１３への通電を適宜に制御することによって空気中を伝播する超音波を発生させることができる。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ので、圧電素子のように機械的振動により超音波を発生する場合に比べて、残響の少ない単パルス状の超音波を送波させることができる。
【００４１】
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を多孔度が略６０〜略７０％の多孔質シリコン層からなる多孔質層により構成しているので、ベース基板１１として用いるシリコン基板の一部をフッ化水素水溶液とエタノールとの混合液からなる電解液中で陽極酸化処理することにより熱絶縁層１２となる多孔質シリコン層を形成することができる（ここで、陽極酸化処理により形成された多孔質シリコン層は、結晶粒径がナノメータオーダの微結晶シリコンからなるナノ結晶シリコンを多数含んでいる）。多孔質シリコン層は、多孔度が高くなるにつれて熱伝導率および熱容量が小さくなるので、熱絶縁層１２の熱伝導率および熱容量をベース基板１１の熱伝導率および熱容量に比べて小さくし、熱絶縁層１２の熱伝導率と熱容量との積をベース基板１１の熱伝導率と熱容量との積に比べて十分に小さくすることにより、発熱体層１３の温度変化を空気に効率よく伝達することができ発熱体層１３と空気との間で効率的な熱交換が起こり、且つ、ベース基板１１が熱絶縁層１２からの熱を効率よく受け取って熱絶縁層１２の熱を逃がすことができて発熱体層１３からの熱が熱絶縁層１２に蓄積されるのを防止することができる。なお、熱伝導率が１４８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が１．６３×１０６Ｊ／（ｍ３・Ｋ）の単結晶のシリコン基板を陽極酸化して形成される多孔度が６０％の多孔質シリコン層は、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が０．７×１０６Ｊ／（ｍ３・Ｋ）であることが知られている。本実施形態では、熱絶縁層１２を多孔度が略７０％の多孔質シリコン層により構成してあり、熱絶縁層１２の熱伝導率が０．１２Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が０．５×１０６Ｊ／（ｍ３・Ｋ）となっている。
【００４２】
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の厚さを３００〜７００μｍ、熱絶縁層１２の厚さを１〜１０μｍ、発熱体層１３の厚さを２０〜１００ｎｍ、各パッド１４の厚さを０．５μｍとしてあるが、これらの厚さは一例であって特に限定するものではない。また、ベース基板１１の材料としてＳｉを採用しているが、ベース基板１１の材料はＳｉに限らず、たとえば、Ｇｅ、ＳｉＣ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどの陽極酸化処理による多孔質化が可能な他の半導体材料でもよく、いずれの場合にも、ベース基板１１の一部を多孔質化することで形成した多孔質層を熱絶縁層１２とすることができる。
【００４３】
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ものであり、発熱体層１３へ与える駆動電圧波形あるいは駆動電流波形からなる駆動入力波形をたとえば周波数がｆ１の正弦波波形とした場合、理想的には、発熱体層１３で生じる温度振動の周波数が駆動入力波形の周波数ｆ１の２倍の周波数ｆ２となり、駆動入力波形ｆ１の略２倍の周波数の超音波を発生させることができる。すなわち、上述の音源部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入力波形として一対のパッド１４，１４間へ与えることによって、残響の少ない略１周期の単パルス状の超音波を発生させることができる。このような単パルス状の超音波を用いることにより、反射による干渉が起こりにくくなるので、上記吸音層を不要にすることもできる。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。
【００４４】
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。
【００４５】
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、シリコン基板に厚み方向に貫通する窓孔３１ａを設けることで形成された矩形枠状のフレーム３１と、フレーム３１の一表面側においてフレーム３１の対向する２つの辺に跨る形で配置されるカンチレバー型の受圧部３２とを備えている。ここにおいて、フレーム３１の一表面側には熱酸化膜３５と熱酸化膜３５を覆うシリコン酸化膜３６とシリコン酸化膜３６を覆うシリコン窒化膜３７とが形成されており、受圧部３２の一端部がシリコン窒化膜３７を介してフレーム３１に支持され、他端部が上記シリコン基板の厚み方向においてシリコン窒化膜３７に対向している。また、シリコン窒化膜３７における受圧部３２の他端部との対向面に金属薄膜（たとえば、クロム膜など）からなる固定電極３３ａが形成され、受圧部３２の他端部におけるシリコン窒化膜３７との対向面とは反対側に金属薄膜（たとえば、クロム膜など）からなる可動電極３３ｂが形成されている。なお、フレーム３１の他表面にはシリコン窒化膜３８が形成されている。また、受圧部３２は、上記各シリコン窒化膜３７，３８とは別工程で形成されるシリコン窒化膜により構成されている。
【００４６】
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から、受圧部３２が疎密波の圧力を受けることにより固定電極３３ａと可動電極３３ｂとの間の距離が変化し、固定電極３３ａと可動電極３３ｂとの間の静電容量が変化する。したがって、固定電極３３ａおよび可動電極３３ｂに設けたパッド（図示せず）間に直流バイアス電圧を印加しておけば、パッドの間には超音波の音圧に応じて微小な電圧変化が生じるから、超音波の音圧を電気信号に変換することができる。
【００４７】
ここにおいて、音源部１ａ，１ｂと受波素子３ａ，３ｂ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なる配置を採用している。これにより、図１（ａ）に示すように、第１の音源部１ａから送波された超音波Ｓｗ１と第２の音源部１ｂから送波された超音波Ｓｗ２とは、音源部１と受波素子３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、それぞれと組を成す受波素子３ａ，３ｂに伝播されることとなる。つまり、第１の音源部１ａから送波され第１の受波素子３ａで受波される超音波Ｓｗ１の伝播経路は、第１の音源部１ａと第１の受波素子３ａとの離間距離を経路長Ｌ１として有し、一方、第２の音源部１ｂから送波され第２の受波素子３ｂで受波される超音波Ｓｗ２の伝播経路は、第２の音源部１ｂと第２の受波素子３ｂとの離間距離を経路長Ｌ２として有することとなる。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。
【００４８】
本実施形態においては、両音源部１ａ，１ｂに同一特性のものを用いるとともに、両受波素子３ａ，３ｂに同一特性のものを用い、さらに、両音源部１ａ，１ｂを同一の条件（たとえば、送波させる超音波の音圧、周波数）で駆動するとともに、両受波素子３ａ，３ｂを同一の条件（たとえば、直流バイアス電圧）で使用している。ここに、浮遊粒子測定システムの周囲環境（たとえば、温度、湿度、大気圧）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）、監視空間に浮遊粒子（煙粒子を含む）の侵入がない状態では、図１（ａ）のように各音源部１ａ，１ｂからの超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２は、上述のように異なる経路長Ｌ１，Ｌ２を持つ伝播経路をそれぞれ通ることにより、各受波素子３ａ，３ｂにおいて受波される際には音圧Ｐ１０，Ｐ２０（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）が互いに異なるものとなる。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の伝播経路の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の伝播経路を通して第２の音源部１ｂから第２の受波素子３ｂに伝わる超音波Ｓｗ２の音圧Ｐ２０は、経路長Ｌ１（＜Ｌ２）の伝播経路を通して第１の音源部１ａから第１の受波素子３ａに伝わる超音波Ｓｗ１の音圧Ｐ１０に比べて低くなる。なお、制御部２は両音源部１ａ，１ｂを同時に駆動する必要はないものの、超音波の送波時間の累計が両音源部１ａ，１ｂで同一となるようにそれぞれを制御する。
【００４９】
ところで、信号処理部４は、図２に示すように、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音圧比算出手段４０と、音圧比算出手段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浮遊粒子の濃度を推定する濃度推定手段４１と、音圧比算出手段４０で算出された音圧比を記憶する記憶手段４３とを有している。信号処理部４は、マイクロコンピュータにより構成されており、上記各手段は、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変換器なども設けられている。
【００５０】
ここでは、音圧比算出手段４０は、経路長Ｌ２の伝播経路を通して第２の音源部１ｂから第２の受波素子３ｂに伝わる超音波Ｓｗ２の音圧を、経路長Ｌ１（＜Ｌ２）の伝播経路を通して第１の音源部１ａから第１の受波素子３ａに伝わる超音波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、上述のように浮遊粒子測定システムの周囲環境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、さらに監視空間への浮遊粒子の侵入がない図１（ａ）の状態で、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手段４０で算出される音圧比Ｒ０（＝Ｐ２０／Ｐ１０）であって、あらかじめ記憶手段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。
【００５１】
濃度推定手段４１は、音圧比算出手段４０で算出される音圧比ＲＳと、あらかじめ記憶手段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浮遊粒子の濃度を推定するものである。詳しくは後述するが、音圧比算出手段４０で算出される音圧比ＲＳの初期値Ｒ０からの変化量は、監視空間の浮遊粒子の濃度に略比例して増加するので、あらかじめ測定した浮遊粒子の濃度と前記変化量との関係データに基づいて浮遊粒子の濃度と前記変化量との関係式を求めて記憶手段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浮遊粒子の濃度を推定することができる。
【００５２】
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、図１（ｂ）に示すように第１の受波素子３ａで受波される超音波Ｓｗ１の音圧Ｐ１１と、第２の受波素子３ｂで受波される超音波Ｓｗ２の音圧Ｐ２１のそれぞれは図１（ａ）の各値（Ｐ１０，Ｐ２０）から変動（ここでは低下）するものの、音圧比算出手段４０で算出される音圧比Ｒ１（＝Ｐ２１／Ｐ１１）に関しては図１（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）。ただし、図１（ｂ）の例では監視空間への浮遊粒子（煙粒子を含む）の侵入はないものとする。すなわち、音源部１の経時変化や周囲環境の変化に起因した音源部１の特性変化は、第１および第２の両音源部１ａ，１ｂにおいて同様に生じ、また、受波素子３の経時変化や周囲環境の変化に起因した受波素子３の特性変化は、第１および第２の両受波素子３ａ，３ｂにおいて同様に生じるから、これらの特性変化が、音圧比算出手段４０で算出される音圧比Ｒ１に影響することはない。
【００５３】
一方、音源部１と受波素子３との間の監視空間に煙粒子等の浮遊粒子が侵入すると、図１（ｃ）に示すように第１の受波素子３ａで受波される超音波Ｓｗ１の音圧Ｐ１Ｓと、第２の受波素子３ｂで受波される超音波Ｓｗ２の音圧Ｐ２Ｓのそれぞれが図１（ａ）の各値（Ｐ１０，Ｐ２０）から変動（ここでは低下）するだけでなく、音圧比算出手段４０で算出される音圧比ＲＳ（＝Ｐ２Ｓ／Ｐ１Ｓ）に関しても図１（ａ）の状態で算出される初期値Ｒ０（＝Ｐ２０／Ｐ１０）から変化する（つまり、ＲＳ≠Ｒ０）。すなわち、監視空間に浮遊粒子が入り込むと、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浮遊粒子の濃度との両方に依存するから、音圧比ＲＳは、音源部１ａおよび受波素子３ａ間の伝播経路の経路長Ｌ１と音源部１ｂおよび受波素子３ｂ間の伝播経路の経路長Ｌ２との差（Ｌ２−Ｌ１）、および監視空間の浮遊粒子の濃度に応じた分だけ初期値Ｒ０から変化することとなる。
【００５４】
具体的に説明すると、減光式煙濃度計（減光式煙感知器）での評価での監視空間の浮遊粒子（煙粒子）の濃度をＣ〔％／ｍ〕、浮遊粒子の濃度１〔％／ｍ〕に対する１〔ｍ〕当たりの超音波の減衰率をα、第１の音源部１ａから送波され第１の受波素子３ａで受波される超音波Ｓｗ１の伝播経路の経路長をＬ１〔ｍ〕、第２の音源部１ｂから送波され第２の受波素子３ｂで受波される超音波Ｓｗ２の伝播経路の経路長をＬ２〔ｍ〕とした場合、第１の受波素子３ａで受波される超音波Ｓｗ１の音圧Ｐ１ＳはＰ１Ｓ≒Ｐ１０（１−αＣＬ１）で表され、第２の受波素子３ｂで受波される超音波Ｓｗ２の音圧Ｐ２ＳはＰ２Ｓ≒Ｐ２０（１−αＣＬ２）で表される。ここで、Ｐ１０，Ｐ２０は図１（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。
【００５５】
Ｒ０−ＲＳ＝Ｒ０αＣ（Ｌ２−Ｌ１）／（１−αＬ１）
ここにおいてαＬ１が１よりも十分に小さければ、Ｒ０−ＲＳ＝Ｒ０αＣ（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）および監視空間の浮遊粒子の濃度Ｃに比例する形で表されることとなる。したがって、α、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浮遊粒子の濃度Ｃ〔％／ｍ〕を推定することができる。
【００５６】
また、濃度推定手段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浮遊粒子の濃度を推定するようにしてもよい。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浮遊粒子測定システム間で生じる初期値Ｒ０のばらつきの影響が除去されているので、監視空間の浮遊粒子の濃度が同一であれば、初期値Ｒ０によらず浮遊粒子の濃度の推定結果を一律に揃えることができる。したがって、浮遊粒子の濃度への換算が容易になる。
【００５７】
なお、上述した条件下では、監視空間に浮遊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）はないから、万一、濃度推定手段４１から負の値が出力されても、誤検出と判断して監視空間への浮遊粒子の侵入はないと判断するものとする。
【００５８】
以上説明した本実施形態の浮遊粒子測定システムによれば、経路長Ｌ１，Ｌ２の異なる複数の伝播経路を通して各音源部１ａ，１ｂから各受波素子３ａ，３ｂにそれぞれ伝播された複数の超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２間の音圧比ＲＳを音圧比算出手段４０において算出し、濃度推定手段４１が、音圧比算出手段４０で算出される音圧比ＲＳの初期値Ｒ０からの変化量に基づいて監視空間の浮遊粒子の濃度を推定するので、経時変化や周囲環境の変化に応じて音源部１から送波される音波の音圧が変化したり受波素子３の感度が変化したりすることがあっても、これらの特性変化は前記複数の超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２に一律に影響するため、前記複数の超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の音圧比ＲＳの変化に基づいて濃度推定手段４１で推定される浮遊粒子の濃度が前記特性変化の影響を受けることはない。結果的に、音源部１や受波素子３に生じる前記特性変化の影響で、監視空間における浮遊粒子の濃度の測定に関する確度が低下することはなく、浮遊粒子（煙粒子）の濃度の測定結果から火災の有無を破断する場合に非火災報や失報を生じることはないという利点がある。
【００５９】
（実施形態２）
本実施形態の浮遊粒子測定システムは、基本構成が実施形態１と略同じであり、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択一的に形成可能とした点が実施形態１の浮遊粒子測定システムと相違する。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。
【００６０】
本実施形態では、浮遊粒子測定システムに音源部１と受波素子３との間の超音波の伝播経路を経路長の異なる複数の伝播経路の中から択一的に選択する経路選択部を設け、音圧比算出手段４０が、経路選択部により経路長の異なる伝播経路が選択された各状態でそれぞれ音源部１から受波素子３に伝播された複数の超音波間の音圧比を算出する。ここで、制御部２は、経路長の異なる伝播経路が選択された各状態で音源部１から超音波が送波されるように、音源部１を間欠的に駆動する。
【００６１】
本実施形態の一例として、図５に示すように音源部１と受波素子３との間の直線距離を可変とする構成が考えられる。図５の例では、図示しない移動機構によって受波素子３を音源部１に接離する方向に移動可能としており、この移動機構が経路選択部として機能する。なお、この場合に音源部１を受波素子３に対して移動させるようにしてもよい。
【００６２】
すなわち、図５（ａ）のように音源部１と受波素子３との間の距離をＬ１に設定した状態で音源部１から１回目の超音波Ｓｗ１の送波を行った後、図５（ｂ）のように移動機構で受波素子３を音源部１から離れる向きに移動させることにより、図５（ｃ）のように音源部１と受波素子３との間の距離をＬ２（＞Ｌ１）に設定した状態で音源部１から２回目の超音波Ｓｗ２の送波を行う。しかして、音源部１からの１回目の超音波Ｓｗ１については、経路長Ｌ１の伝播経路を通って受波素子３に伝播されるのに対して、音源部１からの２回目の超音波Ｓｗ２については、経路長Ｌ２の伝播経路を通って受波素子３に伝播されることになる。その後、音圧比算出手段４０でこれらの超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２間の音圧比が算出される。
【００６３】
また、本実施形態の他の例として、図６に示すように内部空間に形成された超音波の伝播経路の経路長が異なる複数種類の筒体６ａ，６ｂを、択一的に選択して音源部１と受波素子３との間に介在させる構成が考えられる。図６の例では、図示しない入替機構によって２種類の筒体６ａ，６ｂを入れ替えており、この入替機構が経路選択部として機能する。
【００６４】
すなわち、図６（ａ）のように音源部１と受波素子３との間に直管状であって管長さＬ１の筒体６ａを挿入した状態で音源部１から１回目の超音波Ｓｗ１の送波を行った後、図６（ｂ）のように入替機構で筒体６ａ，６ｂを入れ替えることにより、図６（ｃ）のように音源部１と受波素子３との間に湾曲した形であって管長さＬ２（＞Ｌ１）の筒体６ｂを挿入した状態で音源部１から２回目の超音波Ｓｗ２の送波を行う。しかして、音源部１からの１回目の超音波Ｓｗ１については、管長さＬ１の筒体６ａの内部空間（経路長Ｌ１の伝播経路）を通って受波素子３に伝播されるのに対して、音源部１からの２回目の超音波Ｓｗ２については、管長さＬ２の筒体６ｂの内部空間（経路長Ｌ２の伝播経路）を通って受波素子３に伝播されることになる。その後、音圧比算出手段４０でこれらの超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２間の音圧比が算出される。
【００６５】
ここで、図６の構成によれば、音源部１と受波素子３との間に筒体６ａ，６ｂを設けたことにより、音源部１から送波される超音波は、筒体６ａ，６ｂの内部空間を通ることで拡散が抑制され、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ので、監視空間中に浮遊粒子がない状態において受波素子３で受波される超音波の音圧を高く維持でき、浮遊粒子の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、その結果、ＳＮ比が向上するという効果がある。
【００６６】
なお、図６の例では、筒体６ａ，６ｂの各開口端面に音源部１および受波素子３がそれぞれ突き合わされるように配置されており、各筒体６ａ，６ｂの内部が監視空間となるので、たとえば筒体６ａ，６ｂの長手方向に沿う側面には内部に煙粒子等の浮遊粒子を案内する孔（図示せず）が形成される。
【００６７】
以上説明した本実施形態の浮遊粒子測定システムでは、単一の音源部１から送波された超音波を経路長の異なる伝播経路を通して単一の受波素子３に伝播させることができるので、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間の音圧比を算出することができる。したがって、音圧比算出手段４０で算出される音圧比は複数の音源部１間に生じる特性変化のばらつきの影響や、複数の受波素子３間に生じる特性変化のばらつきの影響を受けることがなく、音圧比の算出精度の向上につながる。
【００６８】
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。
【００６９】
（実施形態３）
本実施形態の浮遊粒子測定システムは、基本構成が実施形態１と略同じであり、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した点が実施形態１の浮遊粒子測定システムと相違する。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。
【００７０】
本実施形態では、音源部１から送波された超音波が経路長の異なる複数の伝播経路に分岐され、各伝播経路を通して受波素子３に伝播されることとなる。ここで、音圧比算出手段４０は、経路長の異なる伝播経路を通して受波素子３に到達した複数の超音波間の音圧比を算出する。
【００７１】
本実施形態の一例として、図７（ａ）に示すように内部空間に形成された超音波の伝播経路の経路長が異なる複数種類の筒体６ａ，６ｂを、音源部１と受波素子３との間に並列に介在させる構成が考えられる。すなわち、図７（ａ）のように音源部１と受波素子３との間に、直管状であって管長さＬ１の筒体６ａと、湾曲した形であって管長さＬ２（＞Ｌ１）の筒体６ｂとを、音源部１および受波素子３の対向する方向に直交する面内で並ぶように配設し、音源部１からの超音波が両筒体６ａ，６ｂに分岐されて各筒体６ａ，６ｂの内部空間を通るようにする。しかして、音源部１から送波される超音波は、両筒体６ａ，６ｂの入り口（図７（ａ）では左端面）で第１および第２の超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２に分岐され、第１の超音波Ｓｗ１が管長さＬ１の筒体６ａの内部空間（経路長Ｌ１の伝播経路）を通って受波素子３に伝播されるとともに、第２の超音波Ｓｗ２が管長さＬ２の筒体６ｂの内部空間（経路長Ｌ２の伝播経路）を通って受波素子３に伝播されることになる。その後、音圧比算出手段４０でこれらの超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２間の音圧比が算出される。
【００７２】
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、図７（ｂ）に示すように伝播経路の経路長Ｌ１，Ｌ２の差に応じた時間差Ｔｄが生じる。この時間差Ｔｄは、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前記時間差Ｔｄ内に収める必要がある。
【００７３】
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となるので、経路長Ｌ１，Ｌ２の差を６８ｍｍにすると、超音波の波数が２０波を超えれば超音波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。そこで、経路長Ｌ１，Ｌ２の差と音源部１から１回に送波す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。浮遊粒子測定システムを小型化するために経路長Ｌ１，Ｌ２の差を小さくする場合などには、実施形態１で説明したように、発熱体層１３への通電に伴う発熱体層１３の温度変化により空気に熱衝撃を与えることで超音波を発生する構成であって、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。
【００７４】
さらに、図７（ａ）の構成によれば、音源部１と受波素子３との間に筒体６ａ，６ｂを設けたことにより、音源部１から送波される超音波は、筒体６ａ，６ｂの内部空間を通ることで拡散が抑制され、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ので、監視空間中に浮遊粒子がない状態において受波素子３で受波される超音波の音圧を高く維持でき、浮遊粒子の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、その結果、ＳＮ比が向上するという効果がある。
【００７５】
なお、図７の例では、筒体６ａ，６ｂの各開口端面に音源部１および受波素子３がそれぞれ突き合わされるように配置されており、各筒体６ａ，６ｂの内部が監視空間となるので、たとえば筒体６ａ，６ｂの長手方向に沿う側面には内部に煙粒子等の浮遊粒子を案内する孔（図示せず）が形成される。
【００７６】
また、本実施形態の他の例として、図８（ａ）に示すように一方の筒体６ａを省略して、音源部１から受波素子３に直接伝わる超音波を第１の超音波Ｓｗ１とする構成や、図８（ｂ）に示すように音源部１と受波素子３とが並ぶ方向に沿った反射面７を音源部１および受波素子３の側方に形成し、音源部１から受波素子３に直接伝わる超音波を第１の超音波Ｓｗ１とするとともに、音源部１から送波された後に反射面７で反射されて受波素子３に伝わる超音波を第２の超音波Ｓｗ２とする構成も考えられる。
【００７７】
以上説明した本実施形態の浮遊粒子測定システムでは、単一の音源部１から送波された超音波を経路長の異なる伝播経路を通して単一の受波素子３に伝播させることができるので、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間の音圧比を算出することができる。したがって、音圧比算出手段４０で算出される音圧比は複数の音源部１間に生じる特性変化のばらつきの影響や、複数の受波素子３間に生じる特性変化のばらつきの影響を受けることがなく、音圧比の算出精度の向上につながる。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。
【００７８】
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。
【００７９】
（実施形態４）
本実施形態の浮遊粒子測定システムは、基本構成が実施形態１と略同じであり、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設けた点が実施形態１の浮遊粒子測定システムと相違する。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。
【００８０】
本実施形態では、図９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９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上にそれぞれ配設される。ここで、音圧比算出手段４０は、音源部１から受波素子３に伝播されるまでに反射面７ａ，７ｂで反射された回数の異なる複数の超音波間の音圧比を算出する。
【００８１】
すなわち、図９のように音源部１から受波素子３に直接伝わる超音波を第１の超音波Ｓｗ１とするとともに、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に伝わる超音波を第２の超音波Ｓｗ２とする。しかして、反射面７ａ，７ｂでの反射回数が０回の第１の超音波Ｓｗ１と、反射面７ａ，７ｂでの反射回数が２回の第２の超音波Ｓｗ２とでは、伝播経路の経路長が異なることとなり、音圧比算出手段４０ではこれらの超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の音圧比が算出される。ここにおいて、受波素子３で各超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２を区別可能とするため、各超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の経路長の差と音源部１から１回に送波す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点は、実施形態３と同様である。
【００８２】
ところで、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上に集音する形に湾曲した凹型の曲面からなる。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。
【００８３】
要するに、図１０（ａ）に示すように第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図１０（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り、その後、第２の反射面７ｂで反射されることによって図１０（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。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。その結果、浮遊粒子の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。
【００８４】
以上説明した構成によれば、単一の音源部１から送波された超音波を経路長の異なる伝播経路を通して単一の受波素子３に伝播させることができるので、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間の音圧比を算出することができる。したがって、音圧比算出手段４０で算出される音圧比は複数の音源部１間に生じる特性変化のばらつきの影響や、複数の受波素子３間に生じる特性変化のばらつきの影響を受けることがなく、音圧比の算出精度の向上につながる。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。
【００８５】
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。
【００８６】
ところで、上記各実施形態の浮遊粒子測定システムは、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るものであってもよい。すなわち、図６や図７の例では音源部１と受波素子３との間に設けられた筒体６ａ，６ｂが拡散防止部材として機能しているが、筒体６ａ，６ｂ以外の拡散防止部材を適用してもよい。たとえば、実施形態４の構成においては、図１１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拡散防止部材として一対の拡散防止板６’を用いることができる。
【００８７】
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からの超音波を互いに対向する前記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ものであって、対向する前記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、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。このように拡散防止板６’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６’の前記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。
【００８８】
（実施形態５）
本実施形態の浮遊粒子測定システムは、基本構成が実施形態１と略同じであり、図１２に示すように制御部２および信号処理部４の構成が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。
【００８９】
ところで、本願発明者らは、音源部１と受波素子３との間の監視空間の浮遊粒子の種別に応じて図１３に示すように音源部１の出力周波数と音圧比の単位変化率との関係が異なるという知見を得た。ここで、監視空間に浮遊粒子が存在しない状態で各受波素子３ａ，３ｂにて受波される超音波間の音圧比（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各受波素子３ａ，３ｂにて受波される超音波間の音圧比をＲＳとしたときに、（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。ここにおいて、初期音圧比Ｒ０と音圧比ＲＳ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算出されるものとする。図１３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比の単位変化率との関係を示す近似曲線（黒丸が測定データ）、「ロ」は浮遊粒子が白煙の煙粒子である場合の出力周波数と音圧比の単位変化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比の単位変化率との関係を示す近似曲線（黒三角が測定データ）であり、ここに示す単位変化率は、音源部１ａおよび受波素子３ａ間の超音波の伝播経路の経路長Ｌ１と音源部１ｂおよび受波素子３ｂ間の超音波の伝播経路の経路長Ｌ２との差（Ｌ２−Ｌ１）を３０ｃｍに設定したときの各出力周波数ごとのデータである。また、図１３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変化率を規格化した結果を図１４に示す。要するに、図１４は、横軸が出力周波数、縦軸が相対的単位変化率となっている。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。
【００９０】
上述の知見に基づいて、本実施形態では、制御部２が、音源部１から周波数の異なる複数種の超音波が順次送波されるように音源部１を制御するようにし、信号処理部４は、少なくとも各出力周波数ごとの初期音圧比Ｒ０、上記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の出力周波数と音圧比の相対的単位変化率との関係データ（上述の図１４より抽出されるデータ）、各浮遊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（上述の図１３より抽出されるデータ）を記憶手段４３に記憶するとともに、音源部１から送波された各周波数の超音波ごとに音圧比算出手段４０の出力（各受波素子３ａ，３ｂにて受波される超音波間の音圧比ＲＳ）と記憶手段４３に記憶されている関係データとを用いて上記監視空間に浮遊している粒子の種別を推定する粒子種別推定手段４４を有するようにしてある。ここでは、信号処理部４で測定される浮遊粒子の濃度を火災の有無の判断に用いるため、濃度推定手段４１は、粒子種別推定手段４４にて推定された粒子が煙粒子のときに、特定周波数（たとえば、８２ｋＨｚ）の超音波に対する音圧比算出手段４０の出力の初期音圧比Ｒ０からの変化量に基づいて上記監視空間の浮遊粒子の濃度を推定する。
【００９１】
以下に、本実施形態の浮遊粒子測定システムの動作例を図１５のフローチャートを参照して説明する。まず、音源部１から複数種の超音波を順次送波させ、各種の超音波に関して、各受波素子３ａ，３ｂにて受波される超音波間の音圧比ＲＳを音圧比算出手段４０で算出する（ステップＳ１１）。粒子種別推定手段４４は、各出力周波数ごとに算出された音圧比ＲＳの初期音圧比Ｒ０からの変化率を求め（ステップＳ１２）、出力周波数が８２ｋＨｚでの音圧比の変化率に対する２０ｋＨｚでの音圧比の変化率の比を算出する（ステップＳ１３）。記憶手段４３には、音源部１の出力周波数と音圧比の相対的単位変化率との上記関係データとして、出力周波数が８２ｋＨｚでの相対的単位変化率に対する２０ｋＨｚでの相対的単位変化率の比（図１４の場合、白煙が０、黒煙が０．２、湯気が０．５となる）が記憶されており、粒子種別推定手段４４は、算出した変化率の比を記憶手段４３に記憶されている関係データと比較し、関係データの中で変化率の比が最も近い種別の粒子を監視空間に浮遊している粒子と推定する（ステップＳ１４）。ここで、推定された粒子が煙粒子であれば濃度推定手段４１での処理に移行する（ステップＳ１５）。ここにおいて、白煙の場合には図１６に示すように減光式煙濃度計で計測される浮遊粒子の濃度と音圧比の変化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から、濃度推定手段４１は、推定された粒子種別について特定周波数（たとえば、８２ｋＨｚ）の超音波に対する音圧比の変化率に関し記憶手段４３内の単位変化率に対する比を算出し、その比の値がｙの場合に監視空間の煙濃度が減光式煙濃度計での評価における浮遊粒子の濃度ｙ〔％／ｍ〕に相当すると推定する（ステップＳ１６）。ステップＳ１６で推定された浮遊粒子の濃度と所定の閾値（たとえば、減光式煙濃度計での評価で１０％／ｍとなる浮遊粒子の濃度）とを比較し、推定された浮遊粒子の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」と判断する。
【００９２】
上述の例では、粒子種別推定手段４４は出力周波数が８２ｋＨｚのときの音圧比の変化率と２０ｋＨｚのときの音圧比の変化率とを用いているが、これらの出力周波数の組み合わせに限定するものではなく、異なる組み合わせの出力周波数を用いてもよい。さらに、より多くの出力周波数に対する音圧比の変化率を用いてもよく、その場合は粒子種別の推定の確度を向上させることができる。また、本実施形態では、濃度推定手段４１が特定周波数として１周波数を対象としているが、特定周波数として複数の周波数を対象とし、各特定周波数ごとに推定した浮遊粒子の濃度の平均値を求めるようにしてもよく、この場合、浮遊粒子の濃度の推定の確度が向上する。なお、信号処理部４は、マイクロコンピュータにより構成されており、粒子種別推定手段４４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。
【００９３】
本実施形態では、各音源部１ａ，１ｂとして実施形態１にて説明した音波発生素子をそれぞれ用いており、上述の制御部２は、各音源部１ａ，１ｂへ与える駆動入力波形の周波数を順次変化させることにより、各音源部１ａ，１ｂから周波数の異なる複数種の超音波を順次送波させる。ここにおいて、制御部２は、音源部１から送波させる超音波の周波数を所定の周波数範囲（たとえば、２０ｋＨｚ〜８２ｋＨｚ）の下限周波数（たとえば、２０ｋＨｚ）から上限周波数（たとえば、８２ｋＨｚ）まで変化させる。なお、本実施形態では、音源部１から周波数の異なる４種類の超音波が順次送波されるように制御部２が音源部１を制御するように構成してあるが、音源部１から送波させる超音波の周波数は４種類に限らず複数種類であればよく、たとえば、２種類とすれば、３種類以上の超音波を順次送波させる場合に比べて、制御部２および信号処理部４の負担を軽減できるとともに制御部２および信号処理部４の簡略化を図れる。本実施形態では、上述のように各音源部１ａ，１ｂとして実施形態１にて説明した音波発生素子をそれぞれ用いることで、順次送波する超音波をそれぞれ周波数の異なる超音波とすることができるので、各音源部１ａ，１ｂとして共振周波数の異なる複数の圧電素子をそれぞれ用いて各圧電素子から連続波の超音波を送波させる場合に比べて低コスト化を図れる。
【００９４】
なお、本実施形態では、音源部１の出力周波数と音圧比の相対的単位変化率との関係データを記憶手段４３に記憶した例を示したが、そもそも監視空間に存在する浮遊粒子の種別に応じて音源部１の出力周波数ごとに変化するのは音圧比ＲＳの初期音圧比Ｒ０からの変化量（Ｒ０−ＲＳ）であるから、記憶手段４３に記憶する上記関係データは、音源部１の出力周波数と音圧比ＲＳの初期音圧比Ｒ０からの変化量との関係を示すデータであればよく、上述の相対的単位変化率に代えて、たとえば、音圧比ＲＳの初期音圧比Ｒ０からの変化量や、音圧比ＲＳの初期音圧比Ｒ０からの変化量を初期音圧比Ｒ０で除した変化率、あるいは単位変化率を採用した関係データを記憶手段４３に記憶するようにしてもよい。
【００９５】
以上説明した本実施形態の浮遊粒子測定システムでは、粒子種別推定手段４４において、音源部１から送波された各周波数の超音波ごとの音圧比と記憶手段４３に記憶されている関係データとを用いて上記監視空間に浮遊している粒子の種別を推定し、粒子種別推定手段４４にて推定された粒子が煙粒子のときに、濃度推定手段４１において、特定周波数の超音波に対する音圧比の初期音圧比からの変化量に基づいて上記監視空間の浮遊粒子の濃度を推定するので、粒子種別推定手段４４において上記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り、湯気に起因した非火災報を低減することが可能となって、台所や浴室での使用にも適する。また、粒子種別推定手段４４において白煙の煙粒子と黒煙の煙粒子とを識別可能となるから、火災の性状の識別に役立てることも可能となる。また、浮遊粒子測定システム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。
【００９６】
ところで、本実施形態では各音源部１ａ，１ｂをそれぞれ単一の音波発生素子により構成し、制御部２が各音源部１ａ，１ｂへ与える駆動入力波形の周波数を順次変化させることにより、各音源部１ａ，１ｂから周波数の異なる複数種の超音波を順次送波させるようにしているが、互いに出力周波数の異なる複数の音波発生素子で各音源部１ａ，１ｂをそれぞれ構成してもよい。この場合には、各音波発生素子として圧電素子のように機械的振動により超音波を発生する素子を用い、各音波発生素子をそれぞれの共振周波数で駆動することにより、音源部１から送波される超音波の音圧を高めてＳＮ比の向上に寄与することができる。また、各音波発生素子を順次駆動して複数種の超音波を順次送波させるだけでなく、複数の音波発生素子を一斉に駆動して複数種の超音波を同時に送波させることも可能になる。
【００９７】
また、各受波素子３ａ，３ｂにおいても各種の超音波に対してそれぞれ個別の受波素子を設けるようにしてもよく、この場合には、各受波素子として共振特性のＱ値が比較的大きな圧電素子などを用い、各受波素子をそれぞれの共振周波数の超音波の受波に用いることにより、受波素子の感度を向上させることができる。さらに、各音源部１ａ，１ｂを構成する複数の音波発生素子を一斉に駆動して各音源部１ａ，１ｂからそれぞれ複数種の超音波を同時に送波させれば、複数種の超音波について音圧比の変化量を同時に検出することができ、監視空間の経時的変化（たとえば浮遊粒子の濃度変化）の影響を受けることなく複数種の超音波について音圧比の変化量を検出して、浮遊粒子の種別や濃度を精度よく推定することができる。また、音源部１を構成する音波発生素子を受波素子３に兼用することも考えられ、この場合、音波発生素子から送波される超音波を当該音波発生素子に向けて反射する反射面が必要であるものの、素子数の低減による低コスト化を図ることができる。
【００９８】
なお、その他の構成および機能は実施形態１と同様であり、実施形態２ないし４のいずれかの構成と組み合わせることで音源部１と受波素子３とを各１個ずつとしてもよい。
【００９９】
ところで、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、音源部１と制御部２とを備えた音源側ユニットと、受波素子３と信号処理部４と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浮遊粒子測定システムを構成するようにしてもよい。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。
【０１００】
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、上記監視空間に虫が侵入するのを防止することができ、虫に起因した浮遊粒子の濃度の誤測定を低減できる。ここで、制御部２は、浮遊粒子の濃度を推定するために音源部１から送波させる周波数の超音波とは別に、防虫効果のある周波数の超音波を定期的に送波させるようにしてもよいし、浮遊粒子の濃度を推定するために音源部１から送波する超音波の周波数を防虫効果のある周波数に設定するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明の実施形態１の動作を示す概略図である。
【図２】同上の構成を示すブロック図である。
【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】本発明の実施形態２の動作を示す概略図である。
【図６】同上の他の例の動作を示す概略図である。
【図７】本発明の実施形態３の動作を示す概略図である。
【図８】同上の他の例を示す概略図である。
【図９】本発明の実施形態４の構成を示す概略図である。
【図１０】同上の動作を示す概略図である。
【図１１】同上の他の例を示す概略斜視図である。
【図１２】本発明の実施形態５の構成を示すブロック図である。
【図１３】同上の音源部の出力周波数と音圧比の単位変化率との関係を示す説明図である。
【図１４】同上の音源部の出力周波数と相対的単位変化率との関係を示す説明図である。
【図１５】同上の動作例を示すフローチャートである。
【図１６】同上の浮遊粒子の濃度と特定周波数の音圧比の変化率との関係を示す説明図である。
【図１７】従来例の要部を示し、（ａ）は概略下面図、（ｂ）は概略側面図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１  音源部
１ａ  第１の音源部
１ｂ  第２の音源部
２  制御部
３  受波素子
３ａ  第１の受波素子
３ｂ  第２の受波素子
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  音圧比算出手段
４１  濃度推定手段
４４  粒子種別推定手段
Ｌ１，Ｌ２  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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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