(57)【要約】【課題】複数の種類の浮遊粒子が混在している場合でも各粒子ごとに濃度を推定することにより、煙濃度をより精度よく検出する。【解決手段】音源１０から送波された複数の周波数成分の超音波を、受波器２０が受波して電気信号に変換する。減衰量検出部４１は、音源１０から送波され受波器２０で受波された超音波の減衰量を複数の周波数成分についてそれぞれ求める。濃度推定部４２は、減衰量検出部４１で求めた周波数成分ごとの減衰量と浮遊粒子ごとの既知の減衰係数とを用いることにより音源１０と受波器２０との間の空間に存在する浮遊粒子の濃度を浮遊粒子の種類別に推定する。濃度推定部４２により求めた浮遊粒子に煙粒子が含まれかつ求めた煙粒子の濃度が規定の判定範囲に含まれるときに出力部４３が火災報を発報する。【選択図】図１
2012185737.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の周波数成分の超音波を送波する音源と、前記音源から送波された超音波を受波して電気信号に変換する受波器と、前記音源から送波され前記受波器で受波された超音波の減衰量を複数の周波数成分についてそれぞれ求める減衰量検出部と、前記減衰量検出部で求めた周波数成分ごとの減衰量と浮遊粒子ごとの既知の減衰係数とを用いることにより前記音源と前記受波器との間の空間に存在する浮遊粒子の濃度を浮遊粒子の種類別に推定する濃度推定部と、前記濃度推定部により求めた浮遊粒子に煙粒子が含まれかつ求めた煙粒子の濃度が規定の判定範囲に含まれるときに火災報を発報する出力部とを備えることを特徴とする火災感知器。
【請求項２】
前記音源と前記受波器との間の空間に存在する空気媒質による超音波の周波数成分ごとの減衰量を推定する媒質減衰推定部を備え、前記濃度推定部は、前記減衰量検出部で求めた周波数成分ごとの超音波の減衰量から空気媒質による減衰量を除外して浮遊粒子の種類別の濃度を推定す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】
前記媒質減衰推定部は、前記音源と前記受波器との間の空間に存在する空気媒質の温度を計測する温度検出手段を備え、前記温度検出手段で計測した温度を用いて空気媒質による減衰量を推定することを特徴とする請求項２記載の火災感知器。
【請求項４】
前記濃度推定部が濃度を推定する浮遊粒子は水粒子を含み、前記媒質減衰推定部は、空気媒質の温度と相対湿度とを空気媒質による減衰量に換算する換算手段を備えており、前記温度検出手段が検出した温度において相対湿度を変化させたときの空気媒質による減衰量の候補を前記換算手段で求める機能と、相対湿度を１００％未満と仮定する第１仮定条件において水粒子が存在しないとみなして他の浮遊粒子のみの濃度を求める機能と、相対湿度を１００％と仮定する第２仮定条件において水粒子と他の浮遊粒子との濃度を求める機能とを備え、前記濃度推定部は、第１仮定条件で求めた他の浮遊粒子の濃度と第２仮定条件で求めた水粒子および他の浮遊粒子の濃度との少なくとも一方と、前記媒質減衰推定部が求めた空気媒質による減衰量の候補とを用いることにより、前記媒質減衰推定部が求めた空気媒質による減衰量の候補から適正値を選択することを特徴とする請求項３記載の火災感知器。
【請求項５】
前記音源と前記受波器との間を伝播される超音波の音速を計測する音速計測部をさらに備え、前記濃度推定部が濃度を推定する浮遊粒子の種類は煙粒子と水粒子とであって、前記媒質減衰推定部は、空気媒質の温度と相対湿度とを空気媒質による減衰量に換算する換算手段を備えており、前記温度検出手段が検出した温度において相対湿度を変化させたときの空気媒質による減衰量の候補を前記換算手段で求める機能と、相対湿度を１００％未満と仮定する第１仮定条件において水粒子が存在しないとみなして煙粒子のみの濃度を求める機能と、相対湿度を１００％と仮定する第２仮定条件において煙粒子と水粒子との濃度を求める機能とを備え、前記濃度推定部は、第１仮定条件で求めた煙粒子の濃度と第２仮定条件で求めた煙粒子および水粒子の濃度との少なくとも一方と、前記音速計測部で求めた音速とを用いることにより第１仮定条件における相対湿度を算出し、算出した相対湿度を用いることにより、前記媒質減衰推定部が求めた空気媒質による減衰量の候補から適正値を選択することを特徴とする請求項３記載の火災感知器。
【請求項６】
前記換算手段は、温度と相対湿度とを空気媒質による減衰量に対応付けた減衰量記憶部を備え、前記温度検出手段が検出した温度を前記減衰量記憶部に照合することにより、前記温度検出手段が検出した温度において相対湿度を変化させたときの空気媒質による減衰量の候補を求めることを特徴とする請求項４又は５記載の火災感知器。
【請求項７】
前記複数の周波数成分ごとに前記減衰量記憶部が設けられ、前記換算手段は、第１仮定条件において空気媒質による減衰量の候補を求める際に、各周波数成分ごとに求められる煙濃度の平均値または重み付き平均値を煙濃度に用いることを特徴とする請求項６記載の火災報知器。
【請求項８】
前記音源は通電に伴って媒質に局所的な熱衝撃を与えて超音波を発生させる熱誘起型であり、前記受波器は前記音源とは規定の距離だけ離れた位置に配置され前記音源からの超音波を受波して電気信号に変換する機能を有し、前記音速計測部は、前記音源と、前記受波器と、単峰性のパルスにより前記音源を駆動する制御部と、前記制御部が前記音源を駆動してから前記受波器が超音波を受波するまでの超音波の伝播時間と前記距離とから超音波の伝播速度を求める処理部とを備えることを特徴とする請求項５記載の火災報知器。
【請求項９】
前記処理部は、前記音源に通電する前にコンデンサに規定量の電荷を充電し前記制御部が前記音源に通電した後に前記コンデンサの放電を開始する充放電部と、前記受波器が超音波を受波した時点における前記コンデンサの電荷量を前記音源と前記受波器との間での超音波の伝播時間に換算する換算部とを備えることを特徴とする請求項８記載の火災報知器。
【請求項１０】
前記充放電部は、前記音源に通電した時点から規定の遅れ時間後に前記コンデンサの放電を開始し、遅れ時間は、媒質の温度および湿度の計測範囲に応じて上限値が設定されていることを特徴とする請求項９記載の火災報知器。
【請求項１１】
前記充放電部は、前記音源に通電した時点から規定の遅れ時間後に前記コンデンサの放電を開始し、遅れ時間は、前記温度検出素子で検出された媒質の温度と湿度の計測範囲とに応じて設定されることを特徴とする請求項９記載の火災報知器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気媒質を伝播する音波の減衰量に基づいて煙の有無を検出する煙検知式の火災感知器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、音波を用いて煙粒子を検出することにより、火災発生の有無を判断する火災感知器が提案されている。たとえば、特許文献１には、異なる複数の周波数の超音波を音源（音源部）から送波するともに、音源から送波された超音波を受波器（受波素子）で受波し、受波器の出力に基づいて火災の有無を判断する火災感知器が記載されている。特許文献１に記載の技術では、超音波の周波数と減衰量との関係に基づいて、浮遊粒子である黒煙と湯気との粒子の種別を推定し、浮遊粒子が黒煙である場合に煙濃度を推定して、火災の有無を判断している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３２８７６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に記載された技術では、検出対象である浮遊粒子の種類が１種類であると仮定して浮遊粒子の種別を推定しているが、実際に火災が発生する際には、煙粒子と水粒子（水蒸気）とが混在していることも多い。したがって、複数種類の浮遊粒子が混在している環境であっても、各粒子別に濃度を検出する技術が必要である。
【０００５】
本発明は、超音波の送受波により浮遊粒子の種別を推定するにあたり、複数の種類の浮遊粒子が混在している場合でも各粒子ごとに濃度を推定することにより、煙濃度をより精度よく検出する火災感知器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記目的を達成するために、複数の周波数成分の超音波を送波する音源と、前記音源から送波された超音波を受波して電気信号に変換する受波器と、音源から送波され受波器で受波された超音波の減衰量を複数の周波数成分についてそれぞれ求める減衰量検出部と、減衰量検出部で求めた周波数成分ごとの減衰量と浮遊粒子ごとの既知の減衰係数とを用いることにより音源と受波器との間の空間に存在する浮遊粒子の濃度を浮遊粒子の種類別に推定する濃度推定部と、濃度推定部により求めた浮遊粒子に煙粒子が含まれかつ求めた煙粒子の濃度が規定の判定範囲に含まれるときに火災報を発報する出力部とを備えることを特徴とする。
【０００７】
この火災感知器において、音源と受波器との間の空間に存在する空気媒質による超音波の周波数成分ごとの減衰量を推定する媒質減衰推定部を備え、濃度推定部は、減衰量検出部で求めた周波数成分ごとの超音波の減衰量から空気媒質による減衰量を除外して浮遊粒子の種類別の濃度を推定することが好ましい。
【０００８】
この場合、媒質減衰推定部は、音源と受波器との間の空間に存在する空気媒質の温度を計測する温度検出手段を備え、温度検出手段で計測した温度を用いて空気媒質による減衰量を推定することが好ましい。
【０００９】
また、この場合において、濃度推定部が濃度を推定する浮遊粒子は水粒子を含み、媒質減衰推定部は、空気媒質の温度と相対湿度とを空気媒質による減衰量に換算する換算手段を備えており、温度検出手段が検出した温度において相対湿度を変化させたときの空気媒質による減衰量の候補を換算手段で求める機能と、相対湿度を１００％未満と仮定する第１仮定条件において水粒子が存在しないとみなして他の浮遊粒子のみの濃度を求める機能と、相対湿度を１００％と仮定する第２仮定条件において水粒子と他の浮遊粒子との濃度を求める機能とを備え、濃度推定部は、第１仮定条件で求めた他の浮遊粒子の濃度と第２仮定条件で求めた水粒子および他の浮遊粒子の濃度との少なくとも一方と、媒質減衰推定部が求めた空気媒質による減衰量の候補とを用いることにより、媒質減衰推定部が求めた空気媒質による減衰量の候補から適正値を選択することが好ましい。
【００１０】
さらに、この場合において、音源と受波器との間を伝播される超音波の音速を計測する音速計測部をさらに備え、濃度推定部が濃度を推定する浮遊粒子の種類は煙粒子と水粒子とであって、媒質減衰推定部は、空気媒質の温度と相対湿度とを空気媒質による減衰量に換算する換算手段を備えており、温度検出手段が検出した温度において相対湿度を変化させたときの空気媒質による減衰量の候補を換算手段で求める機能と、相対湿度を１００％未満と仮定する第１仮定条件において水粒子が存在しないとみなして煙粒子のみの濃度を求める機能と、相対湿度を１００％と仮定する第２仮定条件において煙粒子と水粒子との濃度を求める機能とを備え、濃度推定部は、第１仮定条件で求めた煙粒子の濃度と第２仮定条件で求めた煙粒子および水粒子の濃度との少なくとも一方と、音速計測部で求めた音速とを用いることにより第１仮定条件における相対湿度を算出し、算出した相対湿度を用いることにより、媒質減衰推定部が求めた空気媒質による減衰量の候補から適正値を選択することが好ましい。
【００１１】
これらの火災感知器において、換算手段は、温度と相対湿度とを空気媒質による減衰量に対応付けた減衰量記憶部を備え、温度検出手段が検出した温度を減衰量記憶部に照合することにより、温度検出手段が検出した温度において相対湿度を変化させたときの空気媒質による減衰量の候補を求めることが好ましい。
【００１２】
この場合、複数の周波数成分ごとに減衰量記憶部が設けられ、換算手段は、第１仮定条件において空気媒質による減衰量の候補を求める際に、各周波数成分ごとに求められる煙濃度の平均値または重み付き平均値を煙濃度に用いることが好ましい。
【００１３】
また、この火災感知器において、音源は通電に伴って媒質に局所的な熱衝撃を与えて超音波を発生させる熱誘起型であり、受波器は音源とは規定の距離だけ離れた位置に配置され音源からの超音波を受波して電気信号に変換する機能を有し、音速計測部は、音源と、受波器と、単峰性のパルスにより音源を駆動する制御部と、制御部が音源を駆動してから受波器が超音波を受波するまでの超音波の伝播時間と距離とから超音波の伝播速度を求める処理部とを備えることが好ましい。
【００１４】
この場合、処理部は、音源に通電する前にコンデンサに規定量の電荷を充電し制御部が音源に通電した後にコンデンサの放電を開始する充放電部と、受波器が超音波を受波した時点におけるコンデンサの電荷量を音源と受波器との間での超音波の伝播時間に換算する換算部とを備えることが好ましい。
【００１５】
この場合、充放電部は、音源に通電した時点から規定の遅れ時間後にコンデンサの放電を開始し、遅れ時間は、媒質の温度および湿度の計測範囲に応じて上限値が設定されていることが好ましい。
【００１６】
また、この場合、充放電部は、音源に通電した時点から規定の遅れ時間後にコンデンサの放電を開始し、遅れ時間は、温度検出素子で検出された媒質の温度と湿度の計測範囲とに応じて設定されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の構成によれば、超音波の送受波により浮遊粒子の種別を推定するにあたり、複数の種類の浮遊粒子が混在している場合でも各粒子ごとに濃度を推定することにより、煙濃度をより精度よく検出することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態を示すブロック図である。
【図２】同上に用いる音源の構成例を示す断面図である。
【図３】同上に用いる受波器の構成例を示し、（ａ）は一部破断した斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図４】同上の動作説明図である。
【図５】同上の要部回路図である。
【図６】同上の動作説明図である。
【図７】同上の動作説明図である。
【図８】同上の動作説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本実施形態は、図１に示すように、超音波を送波する音源１０と、音源１０から送波された超音波を受波して電気信号に変換する受波器２０とを備える。音源１０と受波器２０とは、適宜の基台に取り付けられ、対向させて既知距離だけ離間させて配置される。音源１０の周囲には多重反射を抑制するために吸音部材を配置し、受波器２０の周辺には音源１０から以外の超音波の入射を抑制するために遮音部材を配置するのが好ましい。
【００２０】
煙検知式の火災感知器として動作させるために、音源１０と受波器２０との間の空間は煙を導入する空間として開放されている。ただし、必要に応じて防虫網などを設けることにより、当該空間に不要な異物が侵入しないようにするのが好ましい。
【００２１】
音源１０は、たとえば、図２に示す構成を備える。図示する音源１０は、単結晶半導体であってｐ形の導電形を付与したベース基板１１を備え、ベース基板１１の一表面（図２の上面）側に、多孔質半導体からなる熱絶縁層１２を介して金属薄膜からなる発熱体層１３を設けてある。さらに、音源１０は、ベース基板１１の前記一表面側に、発熱体層１３とオーミックに接続された一対の電極パッド１４を備える。ベース基板１１は平面視（図２の上面視）において長方形状に形成され、ベース基板１１の前記一表面のうち熱絶縁層１２を形成していない部位には半導体酸化膜からなる絶縁膜（図示せず）が形成されている。
【００２２】
両電極パッド１４の間には発熱体層１３が設けられているから、両電極パッド１４の間に通電すると発熱体層１３が発熱する。ここで、発熱体層１３に短時間だけ通電すると、発熱体層１３の周囲の媒質が急激に加熱され媒質に局所的な熱衝撃が与えられ、発熱体層１３の周囲の媒質が瞬間的に膨張と収縮とを行うことによって圧力波が発生する。この圧力波の振幅は、発熱体層１３の温度の変化率に対応し、発熱体層１３に通電される電流が一定になり発熱体層１３の周囲の媒質の加熱量と放熱量とが均衡するようになると圧力波は停止する。この種の音源１０を熱誘起型と称している。
【００２３】
熱絶縁層１２は、熱伝導率および熱容量を小さくするために、多孔度を６０〜７０％程度に設定してある。この構成により、熱絶縁層１２は、熱伝導率と熱容量との積がベース基板１１よりも小さくなる。したがって、ベース基板１１に発熱体層１３を直接形成する場合に比べて、発熱体層１３への通電時に媒質との熱交換の効率が著しく高められ、少ないエネルギーで振幅の大きい圧力波を発生させることができる。すなわち、エネルギーの利用効率が著しく高くなる。一方、熱絶縁層１２により瞬時的に遮断されていた発熱体層１３側の熱は、熱絶縁層１２の下に設けられた熱を逃がしやすいベース基板１１によって徐々にベース基板１１側に放熱され、熱絶縁層１２に熱が蓄積されないようにしてある。
【００２４】
ベース基板１１および熱絶縁層１２には、シリコンのほか、ゲルマニウム、炭化ケイ素、ガリウムヒ素などの半導体材料を用いてもよい。これらの半導体材料は、陽極酸化処理による多孔質化が可能である。
【００２５】
また、発熱体層１３を形成する金属は、高融点の金属材料であるタングステン、モリブデン、タンタル、イリジウムなどから選択するのが好ましいが、アルミニウムなどを用いてもよい。この種の音源１０の設計条件および製造方法は周知であるから詳述しない。なお、設計条件の一例を示すと、ベース基板１１の厚み寸法を３００〜７００μｍ、熱絶縁層１２の厚み寸法を１〜１０μｍ、発熱体層１３の厚み寸法を２０〜１００μｍ、電極パッド１４の厚み寸法を０．５μｍとすることができる。
【００２６】
上述した音源１０は、強い共振を生じる実質的な共振点がなく、発熱体層１３に通電した電流波形に応じた波形の圧力波が発生する。たとえば、電流波形をガウス波形とすればガウス波形の圧力波が発生し、電流波形が矩形波状であれば立ち上がりと立ち下がりとにおいて粗密を生じる圧力波が発生する。すなわち、多くの周波数成分を含んだ圧力波を発生させることができる。
【００２７】
たとえば、音源１０を駆動する電流波形として、単発の矩形波あるいはガウス波形を採用することにより、超音波領域の多くの周波数成分を含む圧力波を発生させることができる。また、音源１０を駆動する電流波形として、複数個のリンギング（波打ち）成分を含むバースト波、正弦波形が周期的に繰り返す連続波などを用いてもよい。あるいはまた、異なる周波数の超音波を異なる時刻に送波してもよい。
【００２８】
ただし、後述するように、圧力波は超音波領域の周波数成分を含むことが必要であり、さらに、音源１０と受波器２０との間の超音波の伝播時間を計測する場合がある。したがって、単峰性のパルスで音源１０を間欠的に駆動するか、バースト波が送出されるように音源１０を間欠的に駆動するのが望ましい。したがって、以下では、単発の矩形波あるいはバースト波を用いることを想定して説明する。
【００２９】
受波器２０は、多くの周波数成分を含む圧力波を受波するために、共振点を持たない構成を採用することが望ましい。本実施形態では、この要求を満たすために、図３に示すような、静電容量型のマイクロホンを受波器２０に用いている。この受波器２０は、矩形状に開口する窓孔２３が貫設されたフレーム２１と、フレーム２１の一表面側においてフレーム２１の一辺に一端が片持ち支持された受圧板２２とを備える。受圧板２２の他端部はフレーム２１の一表面に対向する。また、フレーム２１と受圧板２２には、互いに対向する部位に感知電極２４，２５が設けられる。
【００３０】
フレーム２１と受圧板２２との接合部には、感知電極２４，２５の間に間隙が生じるように受圧板２２を支持するとともに受圧板２２に復帰力を与えるために、弾性支持部２６を設けてある。したがって、受圧板２２に圧力が作用すると、圧力の大きさに応じて感知電極２４，２５の距離が変化し、感知電極２４，２５の間の静電容量が変化する。すなわち、感知電極２４，２５の静電容量の変化を検出することにより、受圧板２２に作用する圧力の変化を検出することができる。
【００３１】
静電容量型のマイクロホンの構成は周知であって、上述のように、フレーム２１と受圧板２２とにそれぞれ感知電極２４，２５を設ける構成以外の構成を採用してもよい。たとえば、フレーム２１に２個の感知電極を設け、感知電極間の静電容量が受圧板２２との距離変化に応じて変化するのを利用する構成、この構成に加えて受圧板２２にエレクトレットを設けた構成など種々構成を用いることができる。また、受波器２０として、受圧板２２に作用する圧力を感知電極２４，２５の間の静電容量に変えて検出する静電容量型のマイクロホンではなく、受圧板２２の変形を歪みゲージによって検出するマイクロホンを採用してもよい。
【００３２】
音源１０および受波器２０の構成は一例であって、他の構成を採用することも可能である。たとえば、上述した構成では、音源１０と受波器２０とはともに利用する周波数範囲では共振点を有していないが、音源１０と受波器２０との一方において共振を利用する構成を採用してもよい。共振を利用する音源１０や受波器２０としては、ピエゾ素子を用いる圧電スピーカや圧電マイクロホンが知られている。音源１０と受波器２０との少なくとも一方において共振を利用する場合、複数の周波数成分を利用するために、音源１０と受波器２０との少なくとも一方を複数個設け、それぞれ共振周波数を異ならせておくことが望ましい。
【００３３】
図１に示すように、音源１０は、制御部３０から出力される駆動信号で駆動される。本実施形態で用いる駆動信号は、上述したように、電流波形が単発の矩形波もしくはバースト波となる信号であり、所定の時間間隔で発熱体層１３に通電される。単発の矩形波を用いる場合、音源１０からは矩形波の立ち上がりと立ち下がりとにおいて圧力に変化が生じる圧力波が発生する。また、バースト波を用いる場合、音源１０からはバースト波に追従して圧力が変化する圧力波が発生する。
【００３４】
バースト波を用いる場合、音源１０から複数の周波数成分の超音波を送波するために、制御部３０から出力する駆動信号の周波数を時間経過に伴って変化させる構成を採用してもよい。たとえば、バースト波の周波数を掃引することにより、複数の周波数成分の超音波を時系列的に発生させる構成を採用してもよい。
【００３５】
さらに、音源１０の駆動にあたっては、比較的短い時間間隔で複数個の圧力波をグループとして送出させ、グループを単位とする圧力波を比較的長い時間間隔で送出することが望ましい。この動作では、グループとなる複数個の圧力波から得た結果を統計的に処理（異常値を除去して平均値を求めるなど）することによって、１個の圧力波から得られる結果だけを用いる場合に比較して誤差の発生を抑制することができる。また、圧力波のグループを比較的長い時間間隔で送出することにより、短い時間間隔で圧力波を連続的に送出する場合よりも消費電力を低減することができる。すなわち、計測のために消費するエネルギーが低減される。
【００３６】
一方、受波器２０が圧力波を受波すると、圧力波の波形と相似になる波形を有した電気信号が受波器２０から出力される。受波器２０から出力された電気信号は処理部４０に入力され、処理部４０では、以下に説明する動作によって、音源１０と受波器２０との間の空間に導入された浮遊粒子の濃度を、浮遊粒子の種類別に検出する。処理部４０は、たとえばマイコン、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）のようにプログラムに従って動作するプロセッサを備える素子を主構成として構成される。また、処理部４０はアナログ−デジタル変換器（以下、「Ａ／Ｄ変換器」という）を備える（前記素子に内蔵していてもよい）。
【００３７】
処理部４０は、受波器２０の出力によって、浮遊粒子に煙粒子が含まれる場合に煙粒子の濃度を判断し、煙粒子の濃度が規定の判定範囲に含まれるときに火災報を発報する。この動作を行うために、処理部４０は、音源１０から送波され受波器２０で受波された超音波の減衰量を複数の周波数成分についてそれぞれ求める減衰量検出部４１を備える。
【００３８】
減衰量検出部４１では受波器２０の出力から所要の複数の周波数成分を抽出し、周波数成分ごとに減衰量を求める。周波数成分の抽出には、異なる通過周波数帯域に設定した複数個のバンドパスフィルタで構成されるフィルタバンク、高速フーリエ変換などの周知の技術を用いて受波器２０の出力信号を周波数成分ごとに分離する。
【００３９】
本実施形態では、減衰量として、浮遊粒子の存否に伴う受波器２０の受波音圧の減衰比を用いる。すなわち、浮遊粒子が存在しないときに受波器２０が音源１０から受波する超音波の音圧をＩｏ、浮遊粒子が存在するときに受波器２０が音源１０から受波する超音波の音圧をＩｘとするとき、（Ｉｏ−Ｉｘ）／Ｉｏの値を減衰量に用いる。ここに、ｘは浮遊粒子の濃度を表し、濃度の単位には％毎メートルを用いる。
【００４０】
処理部４０は、減衰量検出部４１で求めた周波数成分ごとの減衰量を用いて音源１０と受波器２０との間の空間に存在する浮遊粒子の濃度を浮遊粒子の種類別に推定する濃度推定部４２を備える。濃度推定部４２では、周波数成分ごとの減衰量を数１に示す基本式にに当てはめることにより、浮遊粒子の種類別の濃度を推定する。
【００４１】
【数１】
2012185737.tif 000003
【００４２】
ただし、数１において、添字ｉは周波数を表し、ＡＲは減衰量、ＣＶは空気媒質による減衰量、Ａは浮遊粒子により決まる減衰係数、Ｃは浮遊粒子の濃度である。すなわち、数１のうち、減衰量検出部４１で減衰量ＡＲが求められ、Ａは既知であるから、空気媒質による減衰量ＣＶを求めることができれば、濃度Ｃを求めることができる。
【００４３】
空気媒質による減衰量ＣＶは、適宜の一定値としても浮遊粒子の種類別の濃度の目安は得られる。したがって、減衰量ＣＶを省略して求めた浮遊粒子の濃度の目安により浮遊粒子の多寡を判断してもよい。ただし、浮遊粒子の濃度をより正確に求めるには、空気媒質による減衰量ＣＶを求めることが望ましい。
【００４４】
ところで、数１に示されているように、浮遊粒子による超音波の減衰量は、対象とする浮遊粒子による減衰量が比較的小さい場合には、浮遊粒子の種類に応じた比例係数（減衰係数）で濃度に応じてほぼ線形に変化する。
【００４５】
以下では、説明を簡単にするために浮遊粒子として煙粒子（以下、「煙」という）と水粒子（以下、「湯気」という）との２種類を想定する。したがって、数１において空気媒質による減衰量ＣＶが求められると未知数は２個になり、２種類の周波数に対する減衰量を求めることによって、煙と湯気との濃度を個別に求めることができる。空気媒質による減衰量ＣＶを求める技術は後述するが、上述したように減衰量ＣＶを省略しても煙の濃度の多寡についての目安は得ることができる。なお、３種類以上の浮遊粒子について濃度を求める必要があれば、減衰量を求める周波数成分の数を増やせばよい。
【００４６】
処理部４０は火災報を発報する出力部４３も備える。出力部４３は、濃度推定部４２において求めた浮遊粒子に煙が含まれ（つまり、煙の濃度が規定値以上であり）、かつ求めた煙の濃度（以下、煙の濃度を「煙濃度」という）が規定の判定範囲に含まれるときに火災報を発報する。判定範囲は、通常は適宜に設定した閾値以上の範囲として設定すればよいが、上限と下限とを規定してもよい。また、出力部４３から出力する火災報は、他装置に報知するための信号を用いるほか、聴覚刺激を与える音や視覚刺激を与える光による火災報であってもよい。
【００４７】
ところで、上述した動作では空気媒質による減衰量ＣＶを省略しているが、数１に示しているように、超音波のエネルギーの減衰量ＡＲには、実際には、浮遊粒子による減衰量だけではなく、空気媒質による減衰量ＣＶも含まれている。したがって、音源１０と受波器２０との間の空間に存在する空気媒質による減衰量ＣＶを求めると、濃度推定部４２において減衰量ＣＶを除外して湯気の濃度（以下、「湯気濃度」という）と煙濃度とを求めることができ、結果的に煙濃度の推定精度が高められる。以下では、空気媒質による減衰量ＣＶを求める技術について説明する。  
【００４８】
空気媒質による超音波の周波数成分ごとの減衰量ＣＶは、処理部４０に設けた媒質減衰推定部４４により推定される。空気媒質による減衰量ＣＶは、音速の変化に伴う指向性の変化の影響を受けることが知られている。また、音速は空気媒質の温度および湿度の影響を受ける。すなわち、空気媒質による減衰量ＣＶは、空気媒質の温度と湿度とに依存する。したがって、空気媒質による減衰量ＣＶを精度よく求めるには、空気媒質の温度と湿度とを精度よく求めればよいと言える。言い換えると、媒質減衰推定部４４は、空気媒質の温度と湿度とをパラメータに用いて空気媒質による減衰量ＣＶを推定する。
【００４９】
ところで、音源１０と受波器２０との間の環境は時々刻々と変化するため、温度および湿度は、応答性よく計測する必要がある。また、火災感知器に用いるから、温度および湿度を計測する構成が複雑になることは避けなければならない。
【００５０】
温度の計測には熱容量の小さい温度センサを用いることができる。すなわち、媒質減衰推定部４４に、音源１０と受波器２０との間の空間に存在する空気媒質の温度を計測する温度検出手段４４１を設ける。温度検出手段４４１としては、サーミスタのような周知の温度センサを用いる。
【００５１】
一方、湿度を応答性よくかつ簡単な構成で計測するには、音速と温度と湿度との関係を用い、音速と温度とから湿度を求める技術を採用する。空気媒質を伝達される超音波の音速ｖは、空気媒質の温度がＴ［°Ｋ］、空気媒質の水蒸気圧がＰ［Ｐａ］、大気圧がＰＡ［Ｐａ］であるときに、数２のように表される。
【００５２】
【数２】
2012185737.tif 000004
【００５３】
ただし、数２において、Ｃは浮遊粒子の濃度である。また、Ｍは、減衰率が１ｍあたり１％である濃度の浮遊粒子を含む気体について、体積を２２．４［Ｌ］としたときに含まれる浮遊粒子の質量を、標準空気の分子量である２８．８で除した値に相当する。ｊは浮遊粒子の種別であり、ｎは浮遊粒子の種類の数である。本実施形態では、浮遊粒子が煙と湯気とであるから、ｎ＝２になる。また、ｋ１、ｋ２は音波が伝播する媒質により定まる定数であり、空気媒質ではたとえば、ｋ１＝２０．０６７、ｋ２＝０．３１９２を採用することができる。ここで、温度Ｔ［°Ｋ］における飽和水蒸気圧をＰｓ［Ｐａ］とし、相対湿度をＲＨ［％］とすると、数３の関係が得られる。
【００５４】
【数３】
2012185737.tif 000005
【００５５】
数２において、浮遊粒子に関する項（総和で表した項）は浮遊粒子が存在しなければ０になる。すなわち、音源１０と受波器２０との間に空気媒質のみが存在する場合には、音速は、空気媒質の温度および湿度のみによって決まる。
【００５６】
しかしながら、火災感知器として用いる場合は、浮遊粒子の存在を考慮しなければ、空気媒質の湿度を精度よく求めることができない。すなわち、湿度を正確に求めようとすれば、浮遊粒子の存在による空気媒質の密度変化に伴う音速の変化を無視することができない。ただし、数２に示すように、浮遊粒子の存在を考慮して空気媒質の音速の変化を求める計算は計算量が多く媒質減衰推定部４４の処理負荷が大きくなる。また、湿度センサを別に設けて湿度を計測することも考えられるが、コスト増になる上に大型化するという問題が生じる。
【００５７】
そのため、媒質減衰推定部４４は、空気媒質による減衰量を計算で求めるのではなく、減衰量記憶部としての補正テーブル４４２を参照することにより空気媒質による減衰量の候補を求める構成を採用するのが望ましい。補正テーブル４４２では、温度と湿度との組み合わせに対して空気媒質による減衰量を対応付けてある。温度は、使用する温度範囲において、たとえば５℃刻みで設定され、湿度は、相対湿度であって、たとえば５％刻みで設定される。補正テーブル４４２は周波数成分ごとに設けられ、補正テーブル４４２には減衰量に対する周波数の影響も折り込まれる。
【００５８】
浮遊粒子を含まない空気媒質による減衰量は、上述した補正テーブル４４２を用いることにより、温度（摂氏）と湿度（相対湿度）との組み合わせから抽出される。すなわち、補正テーブル４４２は、温度と湿度とを空気媒質による減衰量に換算する換算手段として機能する。ここで、温度は温度検出手段４４１により検出されるが湿度は求められていないから、媒質減衰推定部４４は、温度検出手段４４１で検出した温度のみを補正テーブル４４２に照合する。したがって、当該温度に対応したすべての湿度に対応する減衰量が抽出される。このようにして補正テーブル４４２から抽出される複数の値は、空気媒質による減衰量の候補になる。
【００５９】
いま、補正テーブル４４２を行と列とを有したマトリクス形式で表現し、各列をそれぞれ異なる温度に対応付け、各行をそれぞれ異なる湿度に対応付けているとする。この場合、上述のように温度検出手段４４１で検出した温度を補正テーブル４４２に照合することにより、温度で決まる１列における各湿度に対応した空気媒質による複数の減衰量が候補として抽出される。
【００６０】
ここに、温度検出手段４４１で検出される温度は、補正テーブル４４２における温度の刻み幅に照応するように区分される。たとえば、補正テーブル４４２の温度が、…、１５℃、２０℃、２５℃、…のように５℃刻みで設定されている場合には、温度検出手段４４１で検出される温度の値を、補正テーブル４４２に設定された温度の値にまるめる。温度の値をまるめることは、整数値における四捨五入と同様の処理であり、この処理により、たとえば、１７．５℃以上２２．５℃未満の温度は、２０℃にまるめられる。
【００６１】
補正テーブル４４２において、湿度の刻み幅が５％に設定されていると、０〜１００％の範囲で湿度は２１区分に分割される。つまり、空気媒質による減衰量の候補は、１種類の周波数成分について、温度検出手段４４１で検出した温度に対して２１個抽出される。
【００６２】
上述のように、浮遊粒子は、煙と湯気との２種類のみを想定しているから、以下では、空気媒質の相対湿度が１００％のときに湯気が存在し、空気媒質の相対湿度が１００％未満のときには湯気が存在しないと判断する。すなわち、相対湿度が１００％に達しなければ、浮遊粒子としての湯気は存在できないという制約条件を用いる。
【００６３】
媒質減衰推定部４４では、空気媒質による減衰量ＣＶの各候補と、減衰量検出部４１で求めた減衰量ＡＲとをそれぞれ数１に当てはめる。ここで、湯気が存在しないという第１仮定条件において、減衰量ＡＲ、ＣＶを数１に当てはめると、周波数成分ごとに煙濃度を（ＡＲ−ＣＶ）として求めることができる。言い換えると、湯気に関する項を省略して煙に関する項のみに着目して演算を簡単に行うことができる。異なる周波数成分に対して、煙濃度、温度、相対湿度が同一であると仮定すると、煙濃度と相対湿度は組み合わせとして取り扱うことができ、温度を計測するだけで、煙濃度、相対湿度が求められる。
【００６４】
ただし、異なる周波数成分について求めた煙濃度の値に食い違いがある可能性があるから、各周波数成分について求めた煙濃度の平均値や、周波数成分ごとの重み係数を設定した重み付き平均値などを用いる。たとえば、相対湿度の刻み幅を５％とした場合、第１仮定条件に対応する相対湿度は０％、５％、１０％、…、９５％の２０区分になるから、第１仮定条件に対して２０個の煙濃度が得られる。このような場合は、データを複数回取得して平均化することにより、煙濃度、相対湿度として適正値を求めることができる。
【００６５】
一方、湯気が存在するという第２仮定条件において、減衰量ＡＲ、ＣＶを数１に当てはめると、既知の値である減衰量ＡＲ、ＣＶと、未知の値である水分子の濃度および煙濃度の関係式が周波数成分ごとに得られる。これらの関係式を連立方程式とみなせば、湯気濃度および煙濃度を求めることができる。第２仮定条件は、湯気が存在するという条件であるから、相対湿度は１００％が適用される。
【００６６】
上述のようにして、第１仮定条件では、空気媒質の複数の相対湿度についてそれぞれ単純な四則演算のみで煙濃度が求められる。また、第２仮定条件では、空気媒質の相対湿度を１００％として連立方程式を解くことにより煙濃度が求められる。これらの煙濃度は、空気媒質の温度が温度検出手段４４１で検出された温度である場合について相対湿度が異なると仮定して得られる値である。
【００６７】
なお、上述の例では相対湿度を５％刻みとしたが、刻み幅は、１０％刻みや２０％刻みのように適宜に設定することができる。刻み幅が大きくなると、相対湿度を決定する分解能は低下するが、相対湿度を決定する処理は短時間で迅速に行うことができる。ここで、第１仮定条件と第２仮定条件とで煙濃度を推定しているが、どちらの条件が正しい計測環境を示しているか検証する必要がある。
【００６８】
この検証のために、まず、超音波の音速の実測値と、湯気濃度と煙濃度との各組み合わせとを数２に代入することにより湿度を求める。
【００６９】
超音波の音速は、音源１０と受波器２０との間の空間における超音波の伝播時間を計測して求める。すなわち、処理部４０は、制御部３０が超音波を送波した時点と、受波器４０が超音波を受波した時点との時間差を計測し、音源１０と受波器２０との間の既知の距離と時間差とから音速を求める音速計測部４５を備える。
【００７０】
音速計測部４５から得られる音速の実測値は、媒質減衰推定部４４で求めた湯気濃度および煙濃度の各組み合わせとともに濃度推定部４２に入力される。濃度推定部４２は、音速と湯気濃度と煙濃度とをそれぞれ数２に代入して水蒸気圧を求める。数２を用いて求められるのは水蒸気圧だけであるから、数２から得られた水蒸気圧を数３に代入して相対湿度に換算することができる。
【００７１】
次に、第１仮定条件と第２仮定条件により湯気濃度と煙濃度との各組み合わせを求めたときの各湿度と、湯気濃度と煙濃度との組み合わせおよび音速の実測値を数２に適用して求めた湿度との差分をそれぞれ求める。このとき、湯気濃度と煙濃度との同じ組み合わせに対応する２種類の湿度の差分を求める。求めた差分が最小になったとき当該仮定条件が適正であるから、その湯気濃度および煙濃度を、音源１０と受波器２０との間の空間における湯気濃度および煙濃度と判断する。出力部４３は、得られた煙濃度が所定の判定範囲であれば火災報を出力させる。湿度は相対湿度である。
【００７２】
すなわち、湯気濃度および煙濃度を求めるために、媒質減衰推定部４４は、温度検出手段４４１で検出した温度を補正テーブル４４２に照合して空気媒質による減衰量の複数の候補を求めている。さらに、媒質減衰推定部４４は、空気媒質による減衰量の複数の候補からそれぞれ求められる湯気濃度および煙濃度の複数の候補と音速の実測値とを用いて湿度に関する複数の候補を求めている。そして、補正テーブル４４２から求めた減衰量の複数の候補にそれぞれ対応する湿度の複数の候補と、音速の実測値を用いて求めた湿度の複数の候補との一致の程度が高い候補に対応した空気媒質による減衰量を採用していることになる。
【００７３】
上述の処理では湿度の差分を求めているが、湿度は空気媒質の減衰量に関する複数の候補の評価値として用いているだけである。すなわち、媒質減衰推定部４４は、湿度を求めるのではなく、音速の情報を用いて空気媒質による減衰量の候補から適正値を選択する機能を有していると言える。この機能は、上述した補正テーブル４４２に代えて、温度と音速とを空気媒質による減衰量に対応付けたテーブルを用いることによっても実現可能である。
【００７４】
上述した処理部４０の動作を図４にまとめて示す。減衰量検出部４１は、受波器２０の出力を取得し（Ｓ１１）、受波器２０が受波した超音波から複数の周波数成分を抽出するとともに、適宜の時間間隔で周波数成分ごとの減衰量を求める（Ｓ１２）。また、媒質減衰推定部４４は、減衰量検出部４１が減衰量を求めたときの媒質の温度（摂氏）を温度検出手段４４１から取得し（Ｓ１３）、取得した温度を補正テーブル４４２に照合し、この温度に対応する空気媒質による湿度ごとの減衰量を補正テーブル４４２から抽出する（Ｓ１４）。次に、媒質減衰推定部４４は、補正テーブル４４２から抽出した相対湿度が１００％未満である場合と１００％である場合とに区分する（Ｓ１５）。つまり、相対湿度に応じて第１仮定条件と第２仮定条件とに区分する。
【００７５】
相対湿度が１００％未満である場合、媒質減衰推定部４４は、数１から湯気に関する項を省略し、各湿度について補正テーブル４４２から求めた空気媒質による減衰量を数１に適用して煙濃度を算出する（Ｓ１６）。数１は複数の周波数成分ごとの関係を表しており、煙濃度は周波数成分ごとに算出されるから、媒質減衰推定部４４では、複数の周波数成分の関係から求めた煙濃度の平均値、または特定の周波数成分の関係から求めた煙濃度を煙濃度として採用する。また、相対湿度が１００％の場合、媒質減衰推定部４４は、数１における複数の周波数成分の関係を連立方程式とし、連立方程式の解として湯気濃度および煙濃度を算出する（Ｓ１７）。ステップＳ１６で求めた煙濃度（このとき、湯気濃度は０とする）と、ステップＳ１７で求めた湯気濃度および煙濃度は、濃度推定部４２に入力される。
【００７６】
一方、音速計測手段４５が超音波の音速を実測しているから、濃度推定部４２は、音速の実測値と湯気濃度と煙濃度との組み合わせと音速の実測値とを数２に代入し、音速の実測値に対応する湿度を求める（Ｓ１８）。さらに、濃度推定部４２は、湯気濃度と煙濃度との組み合わせに対応する湿度と、音速の実測値を加味して求めた湿度との差分を求め、求めた差分が最小になるときの煙濃度を求める（Ｓ１９）。濃度推定部４２が求めた煙濃度が所定の判定範囲であれば出力部４３から火災報を出力する（Ｓ２０）。
【００７７】
上述した技術では、湿度を計測せず、温度検出手段４４１により計測した温度と、補正テーブル４４２にあらかじめ登録された温度と湿度と空気媒質による減衰量との関係と、音速の実測値とを用いることにより煙濃度を推定している。また、相対湿度に関して第１仮定条件と第２仮定条件とに区分し、第１仮定条件と第２仮定条件とで煙濃度を推定する計算を異ならせてある。
【００７８】
しかしながら、上述した技術では、第１仮定条件と第２仮定条件との両方について煙濃度を推定するから、計算量が多くなっている。とくに、第２仮定条件が成立しているときには湯気の計算が不要であるから計算量が少なくなるにもかかわらず、第１仮定条件に関しても煙濃度を推定することにより、多くの無駄な計算をしていることになる。そこで、計算量を軽減するために、第１仮定条件と第２仮定条件との一方のみの計算を行うことが考えられる。第１仮定条件と第２仮定条件とは、相対湿度が１００％未満であるか、１００％であるかの相違であるから、相対湿度について１００％か否かの判定ができればよい。
【００７９】
すなわち、第１仮定条件と第２仮定条件とを区分する程度の湿度の計測であれば、湿度を精度よく計測しなくとも湿度の目安が得られるようにすればよい。本実施形態は、音源１０と受波器２０との間の空間における超音波の伝播時間を用いて湿度を推定する技術を用いる。超音波を伝播する媒質の湿度は、媒質中での超音波の伝播時間と媒質の温度とをパラメータとして求める。具体的には、音源と受波器との間で超音波が伝播される距離をＬ、伝播時間をｔ、媒質の温度をＴ［°Ｋ］、媒質の水蒸気圧をＰ［Ｐａ］、大気圧をＰＡ［Ｐａ］としたときに、数４の関係が得られる。
【００８０】
【数４】
2012185737.tif 000006
【００８１】
ｋ１，ｋ２は適宜に定められる係数であり、たとえば、媒質を空気とすると、ｋ１＝２０．０６７、ｋ２＝０．３１９２を用いることができる。Ｌ／ｔは媒質中の超音波の伝播速度になるから、数４は数２において浮遊粒子に関する項（総和で表した項）を省略した関係になる。相対湿度は数３により求まる。したがって、数４は実際には浮遊粒子が存在しない空気媒質のみの場合において成立するが、媒質が空気媒質のみではなく浮遊粒子を含む場合であっても数４によって目安を得ることができる。すなわち、媒質を伝播する音速は、浮遊粒子の濃度の影響を受けるものの、空気媒質の温度と湿度との影響のほうが大きいから、数４は概算として用いることができる。
【００８２】
したがって、温度検出手段４４１で計測した温度と音速計測部４５で求めた音速とを数４に適用することによって絶対湿度を求め、この絶対湿度を相対湿度に換算すると、相対湿度が１００％か１００％未満かを区分することができる。このように、超音波を伝播する空間における媒質の相対湿度を求める処理を、図４のステップＳ１５に代えて行えば、第１仮定条件と第２仮定条件との区分別にそれぞれ数２を用いて湿度を求める演算が不要になる。すなわち、第１仮定条件と第２仮定条件との一方の区分についてのみ数２を用いて湿度を求める演算を行えばよく、とくに第２仮定条件が成立している場合は、湯気を考慮する必要がないことにより、計算量の大幅な削減が期待できる。
【００８３】
ところで、音速計測部４５において、音源１０が超音波を送出してから受波器２０が超音波を受信するまでの時間を計測するには、処理部４０を構成しているプロセッサの動作クロックを計数することが考えられる。
【００８４】
一方、本実施形態では、図５に示すように、コンデンサ４５１の充放電を利用して、超音波の伝播時間を計測している。音速計測部４５は、音源１０に通電する前にコンデンサ４５１に規定量の電荷を充電し音源１０が超音波を送出した時点からコンデンサ４５１の放電を開始する充放電部４５２を備える。また、音速計測部４５は、受波器２０が超音波を受波した時点のコンデンサ４５１の電荷量を音源１０と受波器２０との間の超音波の伝播時間に換算する換算部４５３を備える。
【００８５】
充放電部４５２は、コンデンサ４５１に規定量の電荷を充電する充電部４５４と、コンデンサ４５１を定電流で放電させる放電部４５５とを備える。充電部４５４は、音源１０から超音波を送出するために通電する前に、コンデンサ４５１に規定量の電荷を充電する。したがって、音源１０から超音波を送出する直前におけるコンデンサ４５１の端子電圧は規定した電圧値になる。
【００８６】
充電部４５４と放電部４５５とは、充放電部４５２に設けた切替部４５６により選択される。実際には、制御部３０から音源１０に駆動信号を与えた時点で、切替部４５６は放電部４５５を選択し、コンデンサ４５１の放電を開始させる。したがって、コンデンサ４５１の端子電圧は、図６に示すように、音源１０から超音波が送出された時点ｔ１から時間経過に伴って低下する。
【００８７】
充放電部４５２は、受波器２０から出力される電気信号を基準値と比較する比較部４５７を備えている。比較部４５７は、受波器２０から出力される電気信号（電圧値）が基準値を超えると切替部４５６に指示し（時刻ｔ２）、コンデンサ４５１の放電を停止させる。この時点では、コンデンサ４５１の充放電は停止する。したがって、コンデンサ４５１の端子電圧は、音源１０から超音波が送出された後に、受波器２０により超音波が受波されるまでの時間（ｔ２−ｔ１）に対応する。すなわち、コンデンサ４５１の端子電圧を用いて超音波の伝播時間（ｔ２−ｔ１）を計測することができる。
【００８８】
コンデンサ４５１の端子電圧は、温度検出手段４４１から出力される電気信号とともに、換算部４５３に入力され、必要に応じて増幅された後、アナログ−デジタル変換（以下、「Ａ／Ｄ変換」という）が施される。換算部４５３では、コンデンサ４５１の端子電圧から求められる超音波の伝播時間と、温度検出手段４４１で計測された温度と、既知情報とを上式に当てはめることにより、媒質の湿度を算出する。
【００８９】
ここに、換算部４５３では、複数個の超音波から求められる伝播時間を統計的に処理することにより、伝播時間の算出精度を高める。すなわち、伝播時間の計測値における異常値や変動成分を除去することによって、伝播時間の計測誤差を抑制する。
【００９０】
なお、音源１０と受波器２０との間での超音波の伝播時間を計測するには、コンデンサ４５１の充放電を利用する技術のほか、他の周知の時間計測の技術を用いてもよい。たとえば、一定周期で発生するクロック信号をカウンタで計数する技術を用い、音源１０に駆動信号を与えた時点から受波器２０で超音波が受波されるまでの時間をクロック信号の計数値として計測してもよい。
【００９１】
ところで、換算部４５３では、コンデンサ４５１の端子電圧を増幅した後にＡ／Ｄ変換を施しているから、伝播時間の分解能は増幅後の電圧の変化幅とＡ／Ｄ変換の際の分解能とに依存する。すなわち、Ａ／Ｄ変換器の入力電圧の範囲と出力ビット数とに依存して伝播時間の分解能が決まることになる。一方、コンデンサ４５１は音源１０が超音波を送波した時点から受波器２０が超音波を受波するまでの期間に放電されるから、コンデンサ４５１の端子電圧は伝播時間の計測範囲外の期間においても変化している。
【００９２】
たとえば、伝播時間の計測範囲が１００〜５００ｎｓであるとすると、０〜１００ｎｓの期間は計測範囲外であるから、Ａ／Ｄ変換器の入力電圧の範囲にこの期間の電圧を含むことは無駄である。図７（ａ）のように時刻ｔ１において音源１０から超音波を送出し、図７（ｂ）のように時刻ｔ２において受波器２０において超音波が受波されるとすると、上述した構成では、超音波の伝播時間を時刻ｔ１からの経過時間ｔｘとして計測していることになる。
【００９３】
しかしながら、音源１０が超音波を送出してから受波器２０が超音波を受波するまでの伝播時間が変化する範囲（計測範囲ｔｖ）は、計測しようとする媒質の温度および湿度に応じて決定され、変化する範囲の下限値より短い時間範囲では伝播時間は変化しない。つまり、伝播時間が変化しない範囲まで計測範囲ｔｖに含めると、Ａ／Ｄ変換器の限られたダイナミックレンジを有効に利用していないことになる。
【００９４】
ここでは、説明を簡単にするために、Ａ／Ｄ変換器の入力電圧の範囲が０〜５Ｖであり、伝播時間の計測範囲が１００〜５００ｎｓであって、Ａ／Ｄ変換器の入力電圧と伝播時間とが線形関係である場合を想定する。つまり、入力電圧の５Ｖは伝播時間の０ｎｓに対応し、入力電圧の０Ｖは伝播時間の５００ｎｓに対応する。
【００９５】
この場合、入力電圧の１０ｍＶの変化が伝播時間の１ｎｓの変化に対応する。仮にＡ／Ｄ変換器の出力ビット数を８ビットとすれば、１ビット当たり５／２５５≒２０ｍＶになるから、伝播時間を約２ｎｓの単位で検出することができる。ただし、伝播時間について０〜１００ｎｓは計測範囲外であるから、入力電圧について４〜５Ｖの範囲は利用されないことになる。
【００９６】
そこで、Ａ／Ｄ変換器の入力電圧の範囲のうち伝播時間の計測に利用されていない範囲を伝播時間の計測に利用すれば、伝播時間についての分解能を高めることができると考えられる。本実施形態では、以下に説明する技術を採用することにより、Ａ／Ｄ変換器の性能を変更することなく伝播時間についての分解能を向上させている。
【００９７】
ここでは、充放電部４５２において、音源１０に通電した時点から規定の遅れ時間後にコンデンサ４５１の放電を開始する構成を採用している。超音波の伝播時間は媒質の温度および湿度に依存するから、遅れ時間は媒質の温度および湿度の計測範囲に応じて上限値を設定する。
【００９８】
すなわち、図８（ａ）のように時刻ｔ１において音源１０から超音波を送出し、図８（ｂ）のように時刻ｔ２において受波器２０において超音波が受波される場合、超音波の伝播時間を時刻ｔ１から遅れ時間ｔｄが経過した後の経過時間ｔｙとして計測するのである。言い換えると、実際の伝播時間は遅れ時間ｔｄと経過時間ｔｙとの和になる。この場合、伝播時間を実際に計測している期間は、時刻ｔ１から遅れ時間ｔｄが経過した後のみであり、遅れ時間ｔｄは計測する必要がないから、経過時間ｔｙを計測する期間と計測範囲ｔｖとが重複する割合が多くなる。ここに、計測範囲ｔｖは、計測の対象である媒質の温度および湿度の範囲により決まるから、計測範囲ｔｖを開始する遅れ時間ｔｄの上限値を、媒質の温度および湿度の範囲によって決めておく。
【００９９】
たとえば、上述した条件であれば、遅れ時間の上限値を１００ｎｓに設定する。いま、遅れ時間を１００ｎｓに設定するだけで他の条件を変更しなければ、伝播時間の１００〜５００ｎｓに対応するＡ／Ｄ変換器の入力電圧は１〜５Ｖになる。Ａ／Ｄ変換器の入力電圧の範囲は０〜５Ｖであるから、伝播時間の計測範囲をＡ／Ｄ変換器の入力電圧の範囲に対応付けるように条件を変更する。具体的には、コンデンサ４５１の放電に際しての時定数を変更するか（放電部４５５の放電電流を変更する）、コンデンサ４５１の端子電圧の増幅率を変更し、伝播時間の１００〜５００ｎｓを入力電圧の０〜５Ｖに対応付ける。
【０１００】
この場合、入力電圧の１０ｍＶの変化は伝播時間の０．８ｎｓの変化に対応することになる。すなわち、Ａ／Ｄ変換器の出力ビット数が８ビットであるとすれば、伝播時間を約１．６ｎｓの単位で検出することが可能になる。言い換えると、Ａ／Ｄ変換器の入力電圧の範囲を伝播時間の計測に無駄なく利用して、伝播時間についての分解能を向上させることになる。
【０１０１】
上述した動作では、遅れ時間を固定的に設定しており遅れ時間に設定可能な上限値を定めているが、温度検出手段４４１で検出した媒質の温度を用いて遅れ時間を調整する構成としてもよい。すなわち、温度が上昇すれば、音速が大きくなり伝播時間が短くなるから、温度検出手段４４１により検出した温度が高いほど遅れ時間を短くするように調整する構成を採用してもよい。
【０１０２】
この構成を採用する場合でも、遅れ時間には上限値を定めておくのが望ましい。すなわち、遅れ時間が大きすぎると遅れ時間の経過後に設定されている計測期間において、超音波が検出されなくなる可能性があるから、遅れ時間には上限値を設定しておくのが望ましい。
【符号の説明】
【０１０３】
１０  音源
２０  受波器
３０  制御部
４０  処理部
４１  減衰量検出部
４２  濃度推定部
４３  出力部
４４  媒質減衰推定部
４４１  温度検出手段
４４２  補正テーブル（減衰量記憶部、換算手段）
４５  音速計測部
４５１  コンデンサ
４５２  充放電部
４５３  換算部
【図１】
2012185737.tif 000007
【図２】
2012185737.tif 000008
【図３】
2012185737.tif 000009
【図４】
2012185737.tif 000010
【図５】
2012185737.tif 000011
【図６】
2012185737.tif 000012
【図７】
2012185737.tif 000013
【図８】
2012185737.tif 000014