(57)【要約】      （修正有）【課題】発光素子の光軸がばらついた場合でも検知感度の低下や感度のばらつきを抑制することができる光散乱式粒子検知装置を提供する。【解決手段】光散乱式粒子検知装置によれば、第１の受光素子１３の受光光軸Ｊ１と第２の受光素子１４の受光光軸Ｊ２が、発光素子１２の発光光軸Ｊ０に対して互いに逆方向に略同じ角度で傾斜している。したがって、発光素子１２の発光光軸Ｊ０のずれが、第１の受光素子１３への入射光量に与える増減の影響と第２の受光素子１４への入射光量に与える増減の影響とは互いにほぼ逆になる。したがって、加算回路によって、第１の受光素子１３による信号と第２の受光素子１４による信号とを加算した加算信号では、発光光軸Ｊ０のずれが第１の受光素子１３の信号に与える影響と第２の受光素子１４の信号に与える影響とがほぼ相殺される。【選択図】図１Ａ
2012033082.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
浮遊微粒子の流入を可能とすると共に外乱光の進入を防ぐラビリンス構造を有するチャンバー部と、
上記チャンバー部内に配置され、上記チャンバー部内の上記浮遊微粒子の検出領域に向けて光を出射する発光素子と、
上記チャンバー部内に配置され、上記検出領域内の浮遊微粒子によって散乱された散乱光を受光する複数の受光素子と、
上記チャンバー部が装着され、上記受光素子が出力する信号の信号処理および上記発光素子の動作制御を行う回路部品が実装された回路基板と
を備え、
上記複数の受光素子は、
受光光軸が上記発光素子の発光光軸に対して第１の傾斜角度で傾斜した第１の受光素子と、
受光光軸が上記発光素子の発光光軸に対して第２の傾斜角度で傾斜した第２の受光素子と
を含み、
上記第１の傾斜角度の絶対値と上記第２の傾斜角度の絶対値とが略等しいと共に上記第１の受光素子の受光光軸と上記第２の受光素子の受光光軸は、上記発光光軸に対して互いに逆方向に傾斜しており、
上記回路基板は、
上記第１の受光素子が出力する信号と上記第２の受光素子が出力する信号とに基づいて上記検出領域内の浮遊微粒子を検知する検知回路を備え、
上記検知回路は、
上記第１の受光素子からの信号と上記第２の受光素子からの信号とを加算する加算回路を有することを特徴とする光散乱式粒子検知装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光散乱式粒子検知装置において、
上記ラビリンス構造は、
上記発光素子から出射されて上記検出領域を通過して入射した光が上記検出領域へ戻るのを抑制するトラップ構造を有し、
さらに、上記ラビリンス構造を、上記ラビリンス構造から上記第１の受光素子へ入射する光量と、上記ラビリンス構造から上記第２の受光素子へ入射する光量とが略等しくなるような構造としたことを特徴とする光散乱式粒子検知装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光散乱式粒子検知装置において、
上記第１および第２の受光素子は、それぞれ、
フォトダイオードと、
上記フォトダイオードの出力信号を増幅する増幅回路とを有し、
上記フォトダイオードと上記増幅回路とが同一半導体基板上に形成されていることを特徴とする光散乱式粒子検知装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の光散乱式粒子検知装置において、
上記第１および第２の受光素子は、それぞれ、
信号光を受光するための第１のフォトダイオードと、
上記第１のフォトダイオードと略同じ構成のフォトダイオードの受光面を遮光した第２のフォトダイオードと、
上記第１のフォトダイオードの出力信号を増幅する第１の増幅回路と、
上記第２のフォトダイオードの出力信号を増幅する第２の増幅回路と、
上記第１の増幅回路の出力信号と上記第２の増幅回路の出力信号とが入力される差動増幅部とを有し、
上記第１および第２のフォトダイオードと上記第１および第２の増幅回路と上記差動増幅部とが同一半導体基板上に形成されていることを特徴とする光散乱式粒子検知装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１つに記載の光散乱式粒子検知装置において、
上記受光素子に被せられる金属ケースを備え、
上記金属ケースは、グランドに接続されることを特徴とする光散乱式粒子検知装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１つに記載の光散乱式粒子検知装置において、
上記検知回路は、
上記第１の受光素子からの受光信号とこの受光信号を積分した積分信号とを比較して増幅する第１の積分比較増幅器と、
上記第２の受光素子からの受光信号とこの受光信号を積分した積分信号とを比較して増幅する第２の積分比較増幅器とを備え、
上記第１の積分比較増幅器と第２の積分比較増幅器とは同じ回路構成であり、
上記加算回路は、上記第１の積分比較増幅器の出力信号と上記第１の積分比較増幅器の出力信号とを加算することを特徴とする光散乱式粒子検知装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１つに記載の光散乱式粒子検知装置を搭載した火災報知器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば空気清浄機や煙感知器等に使用され、検知空間に光を照射する発光素子とこの発光素子から出射された光のうち上記検知空間の浮遊微粒子による散乱光を受光する受光素子とを備えて上記浮遊微粒子を検知する光散乱式粒子検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の一般的な光散乱式粒子検知装置としては、図７Ａに示すように、複数のリブ３０３によるラビリンス構造を備えた光学空間を形成するチャンバーと呼ばれるケース３０１内に１対の発光素子３０５と受光素子３０６が配置されたものがある。浮遊微粒子の検知領域３０９内で上記発光素子３０５の光軸３０７と受光素子３０６の受光光軸３０８とが交差している。上記ケース３０１の周囲から矢印Ｘの方向に上記ラビリンス構造を通ってケース３０１内に流入した浮遊微粒子に発光素子３０５からの光が照射され、この光が上記浮遊微粒子で散乱し、この散乱による散乱光を上記受光素子３０６で受光することで上記浮遊微粒子を検出する仕組みとなっている。上記発光素子３０５から上記浮遊微粒子に照射された光は上記検知領域３０９を通過した後は不要な光となる。この不要な光３１０は、上記ラビリンス構造により収斂され、検知領域３０９へ迷光として戻って来ることが抑制される。
【０００３】
一方、上記浮遊微粒子が無い状態でも、上記発光素子３０５から出射されて上記検知領域３０９を通過した光が上記ラビリンス構造等で反射して迷光として受光素子３０６に入射することにより、上記受光素子３０６は初期値として微小な受光信号レベルを有することとなる。ただし、上記受光素子３０６へ入射する光のうち、上記迷光の割合が大きくなると検出すべき浮遊微粒子による散乱光の成分割合が小さくなって、検知感度の低下など装置の動作不良を招くので、ケース３０１は迷光を極力抑制するよう設計される。
【０００４】
なお、上記光散乱式粒子検知装置は、図７Ｂに示すように、先述したラビリンス構造を備えた光学空間を形成するケース(チャンバー)３０１が、発光素子３０５を駆動する回路部品、受光素子３０６からの電気信号を増幅するアンプ、システム動作を制御するための回路部品が実装されたプリント回路基板３１１に実装されて構成されている。
【０００５】
また、特許文献１(特開平１１−２３４５９号公報)には、もう１つの従来例としての光電式煙感知器が開示されている。この光電式煙感知器は、図８に示すように、検出対象である浮遊微粒子(煙)以外の異物が検知領域４０４に入ることによる誤報を削減するために、検知領域４０４を形成するケース４０１内に１つの発光素子４０２と２つの受光素子４０３,４０５がそれぞれの光軸が交差するよう配置されている。上記ケース４０１には、ラビリンス構造をなす複数のリブ４０７が形成されている。ここで、２つの受光素子４０３,４０５の光軸が、それぞれ、発光素子４０２の光軸に対してなす角度は、互いに異なるように配置されている。この光電式煙感知器では、浮遊微粒子の大きさにより散乱光の対称性が変化する性質を利用して、上記２つの受光素子４０３,４０５による検知信号のレベルを比較して煙を検知した場合と異物を検知した場合との判別を行う構成となっている。すなわち、検知領域４０４に存在するのが煙粒子の場合は散乱光の対称性がくずれ、上記煙粒子による散乱光は発光素子４０２が光を出射する方向に関して後方よりも前方に多く散乱される。したがって、この光電式煙感知器では、前方側の受光素子４０３による検知信号のレベルが後方側の受光素子４０５の検知信号のレベルよりも高い場合には検知した粒子を煙粒子と判別する。そして、前方側の受光素子４０３による検知信号のレベルが予め定めるスレッシュレベルを超えた場合に火災として発報する。逆に、後方側の受光素子４０５の検知信号のレベルが前方側の受光素子４０３の検知信号のレベルよりも大きい場合には、この光電式煙感知器は、検知領域４０４に存在するのは、煙粒子以外の異物と判別する。この場合、後方側の受光素子４０５の検知信号のレベルが予め定めるスレッシュレベルを超えても火災発報しない。
【０００６】
ところで、図７Ａ,図７Ｂに示した光散乱式粒子検知装置や図８に示した光電式煙感知器では、上記ラビリンス構造を備えた空間を形成するケース３０１,４０１内に発光素子３０５,４０２と受光素子３０６,４０３,４０５が配置されるが、発光素子３０５,４０２はチップをフレームにアセンブリしたものを樹脂モールドして構成される。
【０００７】
このため、上記発光素子をなすチップの配置ばらつきやチップ自身の発光強度分布のばらつきなどによって、上記発光素子の光軸はばらつきを持っている。さらに、上記ケースに、上記発光素子と受光素子を実装する(組み込む)時にも上記発光素子の光軸のばらつきが生じる。この発光素子の光軸のばらつきは迷光量のばらつきとなる。この迷光量のばらつきによって、上記検知領域に浮遊微粒子が無い初期状態における上記受光素子の初期信号レベルのばらつきが大きくなる。この初期信号レベルのばらつきは、先述の通り、浮遊微粒子の検出感度に影響するので、浮遊微粒子についての検知感度の低下や検出不能を招くなどの問題となる。
【０００８】
勿論、上記発光素子の光軸のばらつきは、初期信号レベルだけでなく、浮遊微粒子が入った場合における上記浮遊微粒子による散乱光特性にも影響する。このため、上記浮遊微粒子による散乱光が上記受光素子に入射する光量のばらつきも大きくなって、浮遊微粒子の検知感度の低下を招くか、逆に浮遊微粒子の検知感度が上がり過ぎて誤動作するなどの問題となる。
【０００９】
このような発光素子の光軸のばらつきを抑制するためには、発光素子,受光素子自体の光軸検査および選別に加え、ケースへの実装(組込)精度の向上,管理など高い製造技術が必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１１−２３４５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで、この発明の課題は、発光素子の光軸がばらついた場合でも検知感度の低下や感度のばらつきを抑制することができる光散乱式粒子検知装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、この発明の光散乱式粒子検知装置は、浮遊微粒子の流入を可能とすると共に外乱光の進入を防ぐラビリンス構造を有するチャンバー部と、
上記チャンバー部内に配置され、上記チャンバー部内の上記浮遊微粒子の検出領域に向けて光を出射する発光素子と、
上記チャンバー部内に配置され、上記検出領域内の浮遊微粒子によって散乱された散乱光を受光する複数の受光素子と、
上記チャンバー部が装着され、上記受光素子が出力する受光信号の信号処理および上記発光素子の動作制御を行う回路部品が実装された回路基板と
を備え、
上記複数の受光素子は、
受光光軸が上記発光素子の発光光軸に対して第１の傾斜角度で傾斜した第１の受光素子と、
受光光軸が上記発光素子の発光光軸に対して第２の傾斜角度で傾斜した第２の受光素子と
を含み、
上記第１の傾斜角度の絶対値と上記第２の傾斜角度の絶対値とが略等しいと共に上記第１の受光素子の受光光軸と上記第２の受光素子の受光光軸は、上記発光光軸に対して互いに逆方向に傾斜しており、
上記回路基板は、
上記第１の受光素子が出力する信号と上記第２の受光素子が出力する信号とに基づいて上記検出領域内の浮遊微粒子を検知する検知回路を備え、
上記検知回路は、
上記第１の受光素子からの信号と上記第２の受光素子からの信号を加算する加算回路を有することを特徴としている。
【００１３】
この発明の光散乱式粒子検知装置によれば、上記第１の受光素子の受光光軸と上記第２の受光素子の受光光軸は、上記発光光軸に対して互いに逆方向に略同じ角度で傾斜している。したがって、上記発光素子の発光光軸のずれが、上記第１の受光素子への入射光量に与える増減の影響と第２の受光素子への入射光量に与える増減の影響とは互いにほぼ逆になる。したがって、上記加算回路によって、上記第１の受光素子による信号と第２の受光素子による信号とを加算した加算信号では、上記発光光軸のずれが上記第１の受光素子の信号に与える影響と第２の受光素子の信号に与える影響とがほぼ相殺される。したがって、この発明によれば、発光素子の光軸がばらついた場合でも検知感度の低下や感度のばらつきを抑制することができる。よって、発光素子の光軸のばらつきに対する検知の尤度が確保でき、チャンバー部内の光学空間の小型化を図れて検知装置の小型化を図れる。また、発光光軸のばらつき抑制のための高精度の製造技術が不要となって製造コストの低減も可能となる。
【００１４】
また、一実施形態の光散乱式粒子検知装置によれば、
上記ラビリンス構造は、
上記発光素子から出射されて上記検出領域を通過して入射した光が上記検出領域へ戻るのを抑制するトラップ構造を有し、
さらに、上記ラビリンス構造を、上記ラビリンス構造から上記第１の受光素子へ入射する光量と、上記ラビリンス構造から上記第２の受光素子へ入射する光量とが略等しくなるような構造とした。
【００１５】
この実施形態によれば、上記ラビリンス構造に入射した光を上記トラップ構造で捕らえて上記検出領域へ戻るのを抑制する。また、上記ラビリンス構造から上記第１の受光素子へ入射する光量(迷光の光量)と上記ラビリンス構造から上記第２の受光素子へ入射する光量(迷光の光量)とが略等しくなるようにした。これにより、上記第１,第２の受光素子の各受光量が迷光に起因して偏ることを回避できる。よって、上記第１の受光素子による信号と第２の受光素子による信号との加算よる上記発光光軸のずれの影響をより確実に解消でき、検知感度を安定化できる。
【００１６】
また、一実施形態の光散乱式粒子検知装置によれば、
上記第１および第２の受光素子は、それぞれ、
フォトダイオードと、
上記フォトダイオードの出力信号を増幅する増幅回路とを有し、
上記フォトダイオードと上記増幅回路とが同一半導体基板上に形成されている。
【００１７】
この実施形態によれば、上記第１,第２の受光素子をフォトダイオード単体ではなくフォトダイオードと増幅回路が同一半導体基板上に形成された構造とした。この増幅回路により、上記第１,第２の受光素子内で受光信号を電圧信号に変換可能になると共に受光信号の出力端子のインピーダンスを下げることが可能になる。また、上記フォトダイオードと上記増幅回路とを同一半導体基板上に形成したので、外来ノイズに対する耐ノイズ性を向上できる。よって、この実施形態によれば、上記受光信号の信号ラインに重畳される電磁波などの外来ノイズの影響を抑制した光散乱式粒子検知装置を提供できる。
【００１８】
また、一実施形態の光散乱式粒子検知装置によれば、上記第１および第２の受光素子は、それぞれ、
信号光を受光するための第１のフォトダイオードと、
上記第１のフォトダイオードと略同じ構成のフォトダイオードの受光面を遮光した第２のフォトダイオードと、
上記第１のフォトダイオードの出力信号を増幅する第１の増幅回路と、
上記第２のフォトダイオードの出力信号を増幅する第２の増幅回路と、
上記第１の増幅回路の出力信号と上記第２の増幅回路の出力信号とが入力される差動増幅部とを有し、
上記第１および第２のフォトダイオードと上記第１および第２の増幅回路と上記差動増幅部とが同一半導体基板上に形成されている。
【００１９】
この実施形態によれば、上記第１および第２のフォトダイオードは、電磁ノイズなどの外来ノイズや電源ラインノイズによるノイズ成分の影響を同様に受ける。したがって、上記差動増幅部によって、上記第１のフォトダイオードの出力信号を増幅した出力信号と上記第２のフォトダイオードの出力信号を増幅した出力信号とを差動増幅することで、上記ノイズ成分を除去することができる。また、上記第１,第２のフォトダイオードと上記第１,第２の増幅回路と上記差動増幅器とが同一半導体基板上に形成されているので、外来ノイズに対する耐ノイズ性を向上できる。
【００２０】
また、一実施形態の光散乱式粒子検知装置によれば、上記受光素子に被せられる金属ケースを備え、
上記金属ケースは、グランドに接続される。
【００２１】
この実施形態によれば、上記受光素子をＧＮＤ(グランド)電位でシールドできるので、外来からの電磁ノイズに対する耐量を向上させることができ、ノイズに対して安定な光散乱式粒子検知装置となる。
【００２２】
また、一実施形態の光散乱式粒子検知装置によれば、上記検知回路は、
上記第１の受光素子からの第１の受光信号とこの第１の受光信号を積分した積分信号とを比較して増幅する第１の積分比較増幅器と、
上記第２の受光素子からの第２の受光信号とこの第２の受光信号を積分した積分信号とを比較して増幅する第２の積分比較増幅器とを備え、
上記第１の積分比較増幅器と第２の積分比較増幅器とは同じ回路構成であり、
上記加算回路は、上記第１の積分比較増幅器の出力信号と上記第１の積分比較増幅器の出力信号とを加算する。
【００２３】
この実施形態によれば、上記第１の積分比較増幅器から上記第１の受光信号のＤＣ(直流)成分を除去したＡＣ(変動)成分を取り出すことができ、上記第２の積分比較増幅器から上記第２の受光信号のＤＣ(直流)成分を除去したＡＣ(変動)成分を取り出すことができる。よって、この実施形態によれば、ダイナミックレンジの確保が可能となると共に、上記検知回路の低電圧化が可能となる。
【００２４】
また、一実施形態の火災報知器では、上記光散乱式粒子検知装置を搭載した。
【００２５】
この実施形態の火災報知器によれば、発光素子の光軸のばらつきに対する検知の尤度を確保できると共にチャンバー部内の光学空間の小型化を図れて小型化を図れる。
【発明の効果】
【００２６】
この発明の光散乱式粒子検知装置によれば、上記第１の受光素子の受光光軸と上記第２の受光素子の受光光軸は、上記発光光軸に対して互いに逆方向にほぼ同じ角度で傾斜している。したがって、上記発光素子の発光光軸のずれが、上記第１の受光素子への入射光量に与える増減の影響と第２の受光素子への入射光量に与える増減の影響とは互いにほぼ逆になる。したがって、上記加算回路によって、上記第１の受光素子による信号と第２の受光素子による信号とを加算した加算信号では、上記発光光軸のずれが上記第１の受光素子の信号に与える影響と第２の受光素子の信号に与える影響とがほぼ相殺される。したがって、この発明によれば、発光素子の光軸がばらついた場合でも検知感度の低下や感度のばらつきを抑制することができる。よって、発光素子の光軸のばらつきに対する検知の尤度が確保でき、チャンバー部内の光学空間の小型化を図れて検知装置の小型化を図れる。また、発光光軸のばらつき抑制のための高精度の製造技術が不要となって製造コストの低減も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１Ａ】この発明の光散乱式粒子検知装置の実施形態のチャンバー部(光学室)を上方から見た様子を示す平面図である。
【図１Ｂ】上記チャンバー部を回路基板に装着する様子を示す斜視図である。
【図２Ａ】上記チャンバー内の発光素子の光軸ずれの様子を示す平面図である。
【図２Ｂ】上記発光素子の光軸ずれによる第１,第２の受光信号の波形を示す波形図である。
【図２Ｃ】上記実施形態の検知回路の回路図である。
【図３Ａ】上記実施形態においてフォトダイオード単体で構成した受光素子を示す模式図である。
【図３Ｂ】上記実施形態においてフォトダイオードと増幅回路を一体にしたチップで構成した変形例の受光素子を示す模式図である。
【図４Ａ】上記実施形態において受光用フォトダイオードとダミー用フォトダイオードと増幅回路とを一体にしたチップで構成した変形例の受光素子を示す模式図である。
【図４Ｂ】上記受光用フォトダイオードとダミー用フォトダイオードと増幅回路とを一体にしたチップで構成した変形例の受光素子および検知回路の回路図である。
【図５】上記実施形態のチャンバー部の下側チャンバー部材,受光素子,発光素子および上記受光素子に被せる金属ケースを示す斜視図である。
【図６Ａ】上記実施形態の変形例の検知回路の回路図である。
【図６Ｂ】上記変形例の検知回路における信号波形を示す波形図である。
【図７Ａ】従来例の光散乱式粒子検知装置のチャンバー部(光学室)を上方から見た様子を示す平面図である。
【図７Ｂ】上記従来例のチャンバー部を回路基板に装着する様子を示す斜視図である。
【図８】もう１つの従来例のチャンバー部(光学室)を上方から見た様子を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２９】
図１Ａは、この発明の光散乱式粒子検知装置の実施形態のチャンバー部(光学室)１１を上方から見た様子を示す平面図である。また、図１Ｂは、上記チャンバー部１１を回路基板２０に装着する様子を示す斜視図である。
【００３０】
図１Ａに示すように、上記チャンバー部１１は、複数の縦型リブ１６により構成されたラビリンス構造を有する。このラビリンス構造は、上記光学室への浮遊微粒子の流入を可能とすると共に上記光学室への外乱光の進入を防ぐ。また、上記チャンバー部１１内には、発光素子１２が配置され、この発光素子１２は上記チャンバー部１１内の検出領域Ｇに向けて光を出射する。また、上記チャンバー部１１内には、第１の受光素子１３と第２の受光素子１４とが配置されている。この第１,第２の受光素子１３,１４は、上記検出領域Ｇ内の浮遊微粒子によって散乱された散乱光を受光する。
【００３１】
また、上記ラビリンス構造をなす上記複数の縦型リブ１６は、上記発光素子１２から出射されて検出領域Ｇを通過した光が、上記ラビリンス構造で反射して上記検出領域Ｇに戻ることを抑制するためのトラップ構造を形成している。
【００３２】
また、図１Ｂに示すように、上記チャンバー部１１は、上側チャンバー部材１１Ａと下側チャンバー部材１１Ｂとの間に嵌合されて上記ラビリンス構造の周りを覆う環状の金属網２１を有する。上記チャンバー部１１は、周方向の３箇所に形成された爪部２２Ａ,２２Ｂ,２２Ｃを回路基板２３に形成された嵌合孔２３Ａ,２３Ｂ,２３Ｃに嵌合させることで上記回路基板２３に装着される。  この回路基板２３には、上記第１,第２の受光素子１３,１４が出力する信号を処理および上記発光素子１２の動作制御を行う回路部品２４が実装される。
【００３３】
図１Ａに示すように、上記第１の受光素子１３は、上記発光素子１２の発光光軸Ｊ０に対して第１の傾斜角度θ１で傾斜した受光光軸Ｊ１を有し、上記第２の受光素子１４は、上記発光素子１２の発光光軸Ｊ０に対して第２の傾斜角度θ２で傾斜した受光光軸Ｊ２を有する。上記第１の傾斜角度θ１の絶対値と上記第２の傾斜角度θ２の絶対値とが略等しい(たとえば約６０°)。また、上記第１の受光素子１３の受光光軸Ｊ１と上記第２の受光素子１４の受光光軸Ｊ２は、上記発光光軸Ｊ０に対して互いに逆方向に傾斜している。よって、上記発光光軸Ｊ０を対称軸としたときに、上記受光光軸Ｊ１と上記受光光軸Ｊ２とがほぼ線対称と見なせる。
【００３４】
なお、この実施形態では、上記第１,第２の受光素子１３,１４の受光光軸Ｊ１,Ｊ２が発光光軸Ｊ０に対して傾斜している傾斜角θ１,θ２を一例として約６０°としたが、上記傾斜角θ１,θ２は、６０°未満でもよく例えば３０°でもよい。また、上記傾斜角θ１,θ２は、６０°以上でもよく、例えば８５°でもよい。ただし、煙粒子等の浮遊微粒子では、前方への散乱が多くなるので、上記傾斜角θ１,θ２は、９０°以下が好ましい。また、上記第１の傾斜角度θ１の絶対値と上記第２の傾斜角度θ２の絶対値とが略等しいとは、上記傾斜角度θ１とθ２の絶対値の差が上限を６°とする数°程度(例えば、３°や４°)は許容されるものとする。
【００３５】
また、この実施形態では、図１Ａに示すように、発光素子１２と第１,第２受光素子１３,１４は、それぞれ、レンズ部１２Ａ,１３Ａ,１４Ａを備えた素子となっており、このレンズ部１２Ａ,１３Ａ,１４Ａにより照射光および入射光を収束させて迷光の抑制を図っている。さらに、図１Ａに示すように、発光素子１２および第１,第２受光素子１３,１４の前面にそれぞれアパーチャー２５および２６,２７を設け、光の周縁部を遮ることも迷光の抑制には効果的である。
【００３６】
また、上記第１,第２の受光素子１３,１４の素子構造は、図３Ａに一例を示すように、フレーム３０に載置されたフォトダイオードチップ３１のアノードがアノード端子３２に接続され、フォトダイオードチップ３１のカソードがカソード端子３３に接続された２端子構成となる。この場合、上記回路基板２３が備える検知回路は、図２Ｃに示すように、第１の受光素子１３が出力する第１の受光信号を増幅する第１の増幅回路３５と第２の受光素子１４が出力する第２の受光信号を増幅する第２の増幅回路３６を有する。上記第１の増幅回路３５と第２の増幅回路３６は同じ回路構成となっていて、それぞれ、並列に接続した増幅器４６,抵抗４７,コンデンサ４８で構成されている。
【００３７】
さらに、上記検知回路は、第１入力端子ＩＮ１に入力された上記第１の増幅回路３５の出力信号と第２入力端子ＩＮ２に入力された上記第２の増幅回路３６の出力信号とを加算して増幅する加算増幅回路３７を有する。加算増幅回路３７による加算増幅信号は出力端子ＯＵＴから出力される。上記加算増幅回路３７は、オペアンプ４１と、第１,第２入力端子ＩＮ１,ＩＮ２とオペアンプ４１の非反転入力端子との間に接続された抵抗４２,４３と、オペアンプ４１の反転入力端子とグランドとの間に接続された抵抗４４と、オペアンプ４１の出力と反転入力端子との間に接続された抵抗４５とで構成されている。
【００３８】
次に、図２Ａと図２Ｂを参照して、本実施形態の具体的な動作について説明する。図２Ａは、発光素子１２の光軸Ｊ０が予め定められた基準光軸Ｊ０(0)およびこの基準光軸Ｊ０(0)からがズレた光軸Ｊ０(1),Ｊ０(2)を模式的に示す図である。また、図２Ｂは、第１,第２の受光素子１３,１４に接続された第１,第２の増幅回路３５,３６からの出力信号波形の一例を示す波形図である。図２Ａにおいて、符号Ｊ０(0)で示すように、発光素子１２の光軸Ｊ０が基準光軸であってズレていない場合は、第１の受光素子１３と第２の受光素子１４への入射光量は略等しくなる。したがって、図２Ｂの上段の波形(ａ)に示すように、第１の受光素子１３に接続した第１の増幅回路３５の出力信号Ｓ１と第２の受光素子１４に接続した第２の増幅回路３６の出力信号Ｓ２のレベルは略等しくなる。したがって、第１の増幅回路３５からの出力信号Ｓ１と第２の増幅回路３６からの出力信号Ｓ２とを加算した加算信号Ｓ３としては、各増幅回路３５,３６の出力信号Ｓ１,Ｓ２の信号レベルに対して約２倍の信号レベルを得ることができる。
【００３９】
次に、図２Ａに符号Ｊ０(1)で示すように、発光素子１２の光軸Ｊ０が、第１の受光素子１３寄りにズレた(傾いた)場合は、第１の受光素子１３側へ光軸Ｊ０がズレていることから、光軸Ｊ０がズレていない場合に比べて、第１の受光素子１３への入射光量が増えると共に第２の受光素子１４への入射光量が減る。したがって、第１の受光素子１３への入射光量が第２の受光素子１４への入射光量よりも多くなる。したがって、図２Ｂの中段の波形(ｂ)に示すように、第１の受光素子１３に接続した第１の増幅回路３５の出力信号Ｓ１のレベルが第２の受光素子１４に接続した第２の増幅回路３６の出力信号Ｓ２のレベルよりも大きくなる。
【００４０】
ところが、この発光素子１２のズレた光軸Ｊ０(1)の場合でも、上記第１の受光素子１３に接続した第１の増幅器３５の出力信号Ｓ１と第２の受光素子１４に接続した第２の増幅器３６の出力信号Ｓ２とを加算した加算信号Ｓ３のレベルは、図２Ｂの上段の波形(ａ)に示す光軸Ｊ０がズレていない場合の加算出力信号Ｓ３のレベルと略等しいレベルが得られる。その理由は、第１,第２の２つの受光素子１３,１４は、その受光光軸Ｊ１,Ｊ２が発光素子１２の光軸Ｊ０(0)に対して傾斜している傾斜角度θ１,θ２が略等しくかつ上記傾斜の方向が逆である対称な位置に配置されているからである。このため、発光素子１２の光軸Ｊ０がズレた場合に、上記第１の受光素子１３への入射光量が増加した分だけ上記第２の受光素子１４への入射光量が減少する。つまり、発光素子１２の光軸Ｊ０のズレに対して、第１の受光素子１３への入射光量と第２の受光素子１４への入射光量とは互いに光量の増減変化が逆である。したがって、第１の受光素子１３への入射光量と第２の受光素子１４への入射光量とを合計したトータルでの入射光量は殆ど変化せず一定となる。つまり、発光素子１２の光軸Ｊ０がばらついたとしても加算出力信号Ｓ３のレベルとしては略一定の出力信号レベルを得ることができる。
【００４１】
発光素子１２の光軸Ｊ０のズレに対する第１,第２の受光素子１３,１４への入射光量の増減変化が互いに逆である点は、発光素子１２の光軸Ｊ０が、図２Ａに符号Ｊ０(2)で示すように、図２Ａに示す光軸Ｊ０(1)とは逆方向にズレた場合も同様である。よって、図２Ｂの下段の波形(ｃ)に示すように、加算信号Ｓ３のレベルとしては略一定の出力信号レベルを得ることができる。
【００４２】
したがって、この実施形態によれば、発光素子１２の光軸がばらついた場合でも検知感度の低下や感度のばらつきを抑制することができて、発光素子１２の光軸のばらつきに対する検知の尤度が確保でき、チャンバー部１１内の光学空間の小型化を図れて検知装置の小型化を図れる。また、発光光軸のばらつき抑制のための高精度の製造技術が不要となって製造コストの低減も可能となる。
【００４３】
ところで、上述では、上記ラビリンス構造からの迷光の影響については考慮していないが、実際には、上記迷光の影響が幾らか存在している。すなわち、上記発光素子１２から出射されて上記検出領域Ｇを通過した光は、上記ラビリンス構造によって収斂されることで、迷光となって再度検知領域Ｇに戻ることを抑制しているが、上記ラビリンス構造により上記迷光が全く存在しなくなる訳ではない。
【００４４】
このため、上記第１,第２の受光素子１３,１４には、迷光が幾らかは入射することとなる。この迷光による第１の受光素子１３への入射光量と上記迷光による第２の受光素子１３への入射光量とは必ずしも等しくならない。したがって、上記第１の受光素子１３と第２の受光素子１４とで迷光による影響度が異なってくる可能性がある。このため、上述のように、第１の受光素子１３と第２の受光素子１４とを発光素子１２の発光光軸Ｊ０を対称軸とする線対称に配置しただけでは、第１の受光素子１３と第２の受光素子１４とで出力信号レベルに幾らか差異が生じる。この出力信号レベルの差異に関しては、初期配置での発光素子１２の光軸Ｊ(0)が左右どちらかへズレた状態の光軸Ｊ(1)や光軸Ｊ(2)と同等の影響を、第１,第２の受光素子１３,１４の出力信号レベルに与えることとなる。この迷光による第１,第２の受光素子１３,１４の出力信号レベルの偏り(不均一)は、発光素子１２の発光光軸Ｊ０のズレによる第１,第２の受光素子１３,１４への入射光量の増減量を不均等にする可能性がある。
【００４５】
このため、上記発光素子１２の初期配置において、発光光軸Ｊ０が予め定められた基準光軸Ｊ０(0)からズレていない状態で、第１,第２の２つの受光素子１３,１４の出力信号レベルが略等しくなるように、上記ラビリンス構造を含めたチャンバー部１１内の光学設計を行うことがより好ましい。このようなチャンバー部１１内の光学的構造は、例えば、実験もしくはシミュレーションによって、検出領域Ｇに煙等の浮遊微粒子が実質的に存在していない状態で上記発光素子１２から光を出射させたときに上記第１の受光素子１３の出力信号レベルと第２の受光素子１４の出力信号レベルとを測定して、両方の出力信号レベルが略等しくなるようなラビリンス構造を含む光学的構造を求める。
【００４６】
これにより、検出領域Ｇに煙等の浮遊微粒子が実質的に存在していない初期状態において、上記２つの受光素子１３,１４に対する迷光状態が等しくなるため、上記初期状態において、上記２つの受光素子１３,１４の出力信号レベルを等しくすることができる。したがって、検出領域Ｇに煙等の浮遊微粒子が存在しているときに上記浮遊微粒子の散乱光を第１,第２の受光素子１３,１４で受光する際にも、上記第１,第２の受光素子１３,１４への各受光量が上記迷光に起因して偏ることを回避できる。したがって、発光素子１２の発光光軸Ｊ０のズレによる第１,第２の受光素子１３,１４への入射光量の増減量の均衡を保つことができて、上記発光光軸のずれの影響をより確実に解消でき、検知感度を安定化できる。
【００４７】
尚、上記実施形態では、上記第１,第２の受光素子１３,１４の素子構造を、図３Ａに示すように、フォトダイオードチップ３１単体で構成したが、フォトダイオードの出力インピーダンスは高いので、この受光素子(フォトダイオード)から増幅回路までの接続配線のインピーダンスも高くなり、電磁波など外来ノイズが重畳し易くなる。光散乱式粒子検知装置においては、煙などの微粒子による散乱光を検出するように増幅回路は非常に高いゲイン(増幅度)を有している。このため、この増幅回路の入力端子に僅かなノイズが重畳されても誤動作などを引き起こしてしまう可能性がある。よって、上記増幅回路への入力配線のパターン設計においては他の配線と距離を離す対策や、上記入力配線をシールドする等の対策を要する。
【００４８】
そこで、図３Ｂに示すように、上記実施形態の変形例として、上記第１,第２の受光素子１３,１４を、フォトダイオード５１とこのフォトダイオード５１の出力信号を増幅する増幅回路５２とを同じ半導体基板５０上に形成した素子構造とすることが望ましい。上記半導体基板５０はフレーム５４に搭載され、上記フォトダイオード５１のアノードとカソードが上記増幅回路５２に接続される。上記半導体基板５０には、電源端子５３とグランド端子５５と信号出力端子５６が接続され、この電源端子５３から上記増幅回路５２に電源Ｖｃｃが供給され、上記グランド端子５５から上記増幅回路５２にグランド電位が供給され、上記信号出力端子５６へは上記増幅回路５２からの出力信号が出力される。そして、上記信号出力端子５６は、受光素子１３,１４の出力端子として、図２Ｃに示す加算増幅器３７の第１,第２の入力端子ＩＮ１,ＩＮ２に接続される。
【００４９】
この構成により、１つの半導体基板(チップ)５０上でフォトダイオード５１と増幅回路５２とを接続できるので、フォトダイオード単体を実装した受光素子を採用した場合に比べて、上記接続のための配線を一例としてｍｍオーダーからμｍオーダーへ大幅に短くできる。これにより、外来ノイズに対する耐ノイズ性を大幅に向上できる。
【００５０】
なお、上記フォトダイオード５１からの信号を増幅回路５２にて予め定めるレベルまで電圧信号に変換した後に上記チップ内の出力バッファ回路を介して信号を出力する構成とすることにより、上記受光素子１３,１４としての出力インピーダンスも大幅に低減できる。よって、上記フォトダイオード５１と増幅回路５２との接続配線をシールドする対策が無くても外来ノイズに強く、安定した性能の光散乱式粒子検知装置を実現できる。
【００５１】
次に、図４Ａおよび図４Ｂを参照して、上記実施形態のもう１つの変形例を説明する。図４Ａは、上記第１,第２の各受光素子１３,１４をなす受光素子の構造を示す模式図であり、図４Ｂは図４Ａに示す受光素子の回路図である。この変形例では、上記第１,第２の受光素子１３,１４を、それぞれ、図４Ａに示す構成とした点が上記実施形態と異なる。すなわち、この変形例では、上記受光素子１３,１４のそれぞれを、第１のフォトダイオードとしての受光用フォトダイオード６１と第２のフォトダイオードとしてのダミー用フォトダイオード６２と増幅回路６３とが同一半導体基板６５上に形成されている構造とした。このダミー用フォトダイオード６２は、上記受光用フォトダイオード６１と形状と構造とが実質的に同一のフォトダイオードの受光面を遮光したものである。上記半導体基板６５は、フレーム６４に搭載されている。上記半導体基板６５には、電源端子７０とグランド端子７１と信号出力端子７２が接続され、この電源端子７０から上記増幅回路６３に電源Ｖｃｃが供給され、上記グランド端子７１から上記増幅回路６３にグランド電位が供給され、上記信号出力端子７２へは上記増幅回路６３からの出力信号が出力される。
【００５２】
上記増幅回路６３は、図４Ｂに示すように、受光用フォトダイオード６１に接続された第１の増幅回路としての初段増幅回路６６とダミー用フォトダイオード６２に接続された第２の増幅回路としての初段増幅回路６７とを有する。上記初段増幅回路６６と初段増幅回路６７とは同一の回路構成である。また、上記増幅回路６３は、上記初段増幅回路６６と初段増幅回路６７の出力を比較増幅する差動増幅器６８、この差動増幅器６８の出力をＤＣ(直流)成分カットするコンデンサＣ１、および３段目のバッファアンプ６９を有する。そして、上記バッファアンプ６９の信号出力端子ＯＵＴは、受光素子１３,１４の出力端子として、図２Ｃに示す加算増幅器３７の第１,第２の入力端子ＩＮ１,ＩＮ２に接続される。
【００５３】
この図４Ａ,図４Ｂに示す受光素子の構成によれば、上記受光用フォトダイオード６１およびダミー用フォトダイオード６２は、電磁ノイズなどの外来ノイズや電源ラインノイズによるノイズ成分の影響を同様に受ける。したがって、上記受光用フォトダイオード６１の出力信号を初段増幅回路６６で増幅した信号と上記ダミー用フォトダイオード６２の出力信号を初段増幅回路６７で増幅した信号とを上記差動増幅器６８で差動増幅することで、上記ノイズ成分を除去できる。また、上記受光用フォトダイオード６１とダミー用フォトダイオード６２および増幅回路６３が同一半導体基板６５上に形成されているので、外来ノイズに対する耐ノイズ性を向上できる。
【００５４】
また、図５に示すように、上記実施形態において、接地用端子８１Ａが一体成型された金属ケース８１を第１の受光素子１３および第２の受光素子１４に被せて、上記接地用端子８１Ａを下側チャンバー部材１１Ｂを通して回路基板２３のグランド(ＧＮＤ)に接続することが望ましい。なお、図５では、第１,第２の受光素子１３,１４のうちの第１の受光素子１３を示している。これにより、第１,第２の受光素子１３,１４をシールドでき、携帯電話、インバータ蛍光灯など各種電気機器からの外来の電磁ノイズに対する耐量を向上させることができる。最初段の検知部分である受光素子をシールドすることは耐ノイズ性の向上に有効である。
【００５５】
次に、図６Ａおよび図６Ｂを参照して、上記実施形態のさらに別の変形例を説明する。図６Ａは上記変形例の検知回路の回路図であり、図６Ｂは上記検知回路における信号波形を示す波形図である。この変形例は、回路基板２３が、図２Ｃに示す検知回路２８に替えて、図６Ａに示す検知回路９０を備えた点だけが上記実施形態と異なる。
【００５６】
この変形例が備える検知回路９０は、上記第１の受光素子１３からの受光信号が入力される第１の積分比較増幅器９１と上記第２の受光素子１４からの受光信号が入力される第２の積分比較増幅器９２とを有する。また、上記検知回路９０は、上記第１の積分比較増幅器９１の出力信号と上記第２の積分比較増幅器９２の出力信号とを加算する加算増幅回路９３を有する。この加算増幅回路９３は、図２Ｃに示す加算増幅回路３７と同様の回路構成である。また、上記第１の積分比較増幅器９１と第２の積分比較増幅器９２とは同じ回路構成である。
【００５７】
上記第１の積分比較増幅器９１は、上記第１の受光素子１３からの受光信号が非反転入力端子に入力されるオペアンプ９５を有する。このオペアンプ９５の反転入力端子とグランドとの間にはコンデンサ９７が接続されている。このコンデンサ９７により積分器が構成される。また、上記オペアンプ９５の出力端子と反転入力端子との間には帰還抵抗９９が接続されている。また、上記第２の積分比較増幅器９２は、上記第２の受光素子１４からの受光信号が非反転入力端子に入力されるオペアンプ９６を有する。このオペアンプ９６の反転入力端子とグランドとの間にはコンデンサ９８が接続されている。このコンデンサ９８により積分器が構成される。また、上記オペアンプ９５の出力端子と反転入力端子との間には帰還抵抗９９が接続されている。
【００５８】
この変形例では、上記第１,第２の積分比較増幅器９１,９２では、それぞれ、コンデンサ９７,９８で構成した積分器によって、上記第１,第２の受光素子１３,１４からの受光信号が積分される。そして、時定数を十分に長く設定することで、上記オペアンプ９５,９６の反転入力端子には、上記第１,第２の受光素子１３,１４からの受光信号を平滑したＤＣ(直流)成分が入力される。
【００５９】
より具体的には、図６Ｂの波形図に示すように、第１の積分比較増幅器９１では、オペアンプ９５の非反転入力端子には第１の受光素子１３からの波形ａを有する信号がそのまま入力される。一方、上記オペアンプ９５の反転入力端子には上記波形ａの信号が積分されて略ＤＣ(直流)波形ｂとなった信号が入力される。そして、上記オペアンプ９５では、上記波形ａの信号と上記波形ｂの信号とが差動増幅されて上記波形ａの信号から上記波形ｂの信号が除かれた信号振幅成分のみからなる波形ｃの信号が生成される。ここで、第１の受光素子１３,第１の積分比較増幅器９１は、第２の受光素子１４,第２の積分比較増幅器９２と同様な動作をするので、加算増幅回路９３の出力端子ＯＵＴには、波形ｃの信号の振幅を約２倍した波形ｄの信号が出力される。なお、加算増幅回路９３においてゲインを持たせてもよいし、さらに後段に増幅器を接続して振幅増幅してもよい。
【００６０】
このように、上記変形例によれば、第１,第２の積分比較増幅器９１,９２を用いることで、略ＤＣ成分を除去して信号振幅成分(波形ｃ)のみを抽出することができる。したがって、増幅器のダイナミックレンジを確保でき低電圧動作にも対応できる。さらに、上記積分比較増幅器９１,９２は、受光素子１３,１４の出力信号を用いて生成した積分波形信号と上記受光素子１３,１４の出力信号とを比較しているので、受光素子１３,１４の出力信号に生じたノイズ成分を除去するのにも有効である。よって、上記変形例によれば、安定した検知性能を持つ光散乱式粒子検知装置を実現できる。
【００６１】
また、先述した実施形態や変形例による光散乱式粒子検知装置を利用することで、発光素子の光軸ばらつきに強く検知精度が安定かつ、製造を簡略化できる煙検知式の火災報知器を提供することが可能となる。
【００６２】
尚、上記実施形態では、第１の受光素子１３と第２の受光素子１４による１対の受光素子を備えたが、発光光軸Ｊ０に対して受光光軸が逆方向に傾斜していて傾斜角度の絶対値が互いに略等しい第１,第２の２つの受光素子を複数対備え、各対の２つの受光素子の信号を加算する加算回路を備えてもよい。この場合、上記複数対の受光素子の信号によって、チャンバー部１１内の広範囲な検出領域における浮遊微粒子を高精度で検出できる。
【符号の説明】
【００６３】
１１  チャンバー部
１１Ａ  上側チャンバー部材
１１Ｂ  下側チャンバー部材
１２  発光素子
１３  第１の受光素子
１４  第２の受光素子
１６  縦型リブ
２０  回路基板
２１  環状の金属網
Ｇ  検出領域
Ｊ０  発光光軸
θ１  第１の傾斜角度
θ２  第２の傾斜角度
ＩＮ１  第１の入力端子
ＩＮ２  第２の入力端子
３０  フレーム
３１  フォトダイオードチップ
３２  アノード端子
３３  カソード端子
３５  第１の増幅回路
３６  第２の増幅回路
３７  加算増幅回路
４１  オペアンプ
５０  半導体基板
５１  フォトダイオード
５２  増幅回路
５３  電源端子
５５  グランド端子
５６  信号出力端子
６１  受光用フォトダイオード
６２  ダミー用フォトダイオード
６３  増幅回路
６６,６７  初段増幅回路
６８  差動増幅器
６９  バッファアンプ
８１  金属ケース
８１Ａ  接地用端子
９０  検知回路
９１  第１の積分比較増幅器
９２  第２の積分比較増幅器
９３  加算増幅回路
９５,９６  オペアンプ
【図１Ａ】
2012033082.tif 000003
【図１Ｂ】
2012033082.tif 000004
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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