JP4331659B2 - 警報器の音響構造 - Google Patents

Description

本発明は、火災等の異常を検出して警報する警報器の音響構造に関し、特に、圧電振動板を用いたブザーの鳴動により警報する警報器の音響構造に関する。

従来、家庭用の警報器にあっては、火災を検出した際に音声合成によるメッセージや警報音をスピーカから出力して火災を報知している。このような警報器が家庭用として広く普及するためには、コストの低減が重要であり、更に小型化の要請も強い。

警報器のコストの低減と小型化を図るためには、スピーカによる警報出力よりは、圧電振動板を用いた圧電ブザーを使用することが望ましい。圧電ブザーは、金属製の振動板の片面に圧電層を積層し、圧電振動板の外周部分を取り付け位置に形成したリブに当てて振動板の内側部分を浮いた状態で支え、圧電層の電極間に加える電圧の極性を切替えることで音響振動を発生している。

また圧電振動板の片面側に音響穴を形成した共鳴空間を形成し、圧電振動板による共振振動を作り出して十分な音量を出すようにしている。共振空間は、通常、圧電振動板の片面側に一端を閉鎖した円筒体を配置して形成しており、音響穴は圧電振動板の中心位置に合わせて円筒体の閉鎖端面の中心に開口している。
特開２００４−５４３５６ 特開平１０−１２４７６９

ところで、圧電振動板と音響穴を備えた共鳴空間で構成される圧電ブザーを警報器の内部に設置する場合、散乱光式煙検出構造を備えた検煙部を実装した回路基板と共に設置することになる。

この場合、設置スペースを小さくするためには、回路基板の背後に圧電ブザーを重ねて配置すれば良い。しかしながら、電子ブザーの音響穴の前に煙チャンバーを固定した回路基板を位置させると、音の出口が塞がれて音量が低下してしまう。このため回路基板に重ねて圧電ブザーを配置することができず、横に並べて配置することから警報器がその分大型化する問題がある。

また圧電ブザーの圧電振動板の径は振動周波数が高いほど小さくなる。このため電子ブザーの振動周波数を高くしてサイズを小さくし、回路基板と並べて配置した場合の大型化を抑えることができる。しかし、高齢者においては高音域の音が聞き取りにくくなる傾向にあり、圧電ブザーを小型化し振動周波数を高くすることは好ましくない。

また圧電ブザーの音響穴の前に回路基板が位置しないように部分的に重ね合わせれば、横に並べて配置した場合に比べ設置スペースを小さくできる。しかし、圧電ブザーの音響穴は圧電振動板の中心位置に相対して開口しており、回路基板に対し重ねて配置できる電子ブザーの部分は僅かであり、小型化への寄与は少ない。

更に、家庭用の警報器は、居住者が簡単に設置できるという利便性を考慮し、天井面だけではなく壁面へ取り付ける構造をもっている。

しかし、警報器を壁面の取り付けた場合には、音響穴の位置が高さ方向となるため、高さによって音響指向性が異なり、しかも音響指向性は壁面に警報器を取り付けた後に試験動作で圧電ブザーを鳴らして初めて分かり、音響指向性を調整するためには、警報器を取り外して取り付け位置を変えてみる必要があり、壁面に取り付けた場合の音響指向性の調整が煩雑になる問題がある。

本発明は、検煙部を実装した回路基板に重ねて圧電ブザーの配置を可能として小型・薄型化、更にコストの低減を図るようにした警報器の音響構造を提供することを目的とする。

この目的を達成するため本発明は次のように構成する。本発明は、異常を検出して警報する警報器の音響構造に於いて、機器筐体の内面に形成されたリブの上に載置される円形の圧電振動板と、圧電振動板の片面側に配置されて共鳴空間を形成する一端を開口し他端を閉鎖した円筒状の共鳴空間形成部材と、圧電振動板の中心より偏位させた共鳴空間形成部材の他端の端面位置に開口された音響穴とを備えたことを特徴とする。

更に、本発明の警報機の音響構造は、共鳴空間形成部材の外側に回路基板とカバーが配置され、共鳴空間形成部材の他端の音響穴に相対する回路基板及びカバーの各々に音響穴を設ける。

また本発明は、前記圧電振動板を固定配置する支持部材に対し前記共鳴空間形成部材を回動自在に装着し、共鳴空間形成部材の音響穴の位置を変更可能としたことを特徴とする。

本発明の他の形態にあっては、異常を検出して警報する警報器の音響構造に於いて、機器筐体の内面に形成されたリブの上に載置される円形の圧電振動板と、圧電振動板の片面側に配置されて共鳴空間を形成する両端を開口した円筒状の共鳴空間形成部材と、共鳴空間部材の外側開口に相対して配置される回路基板と、圧電振動板の中心位置から偏心した回路基板の位置に開口された音響穴と、回路基板の音響穴に相対した位置に音響穴を設けたカバーとを備えたことを特徴とする。

本発明による警報器の音響構造によれば、圧電振動板の片面側に配置して音響空間を形成する音響空間形成部材に、圧電振動板の中心から変位した位置に音響穴を形成したことで、回路基板に実装している煙チャンバーの設置位置から外れた周辺位置に音響穴を位置させることができ、これによって回路基板に重ねて圧電ブザーを配置することが可能となり、警報器の小型化を図ることが出来る。

また音響空間形成部材の音響穴を形成した部分を固定側に対し回動自在に設けることで、警報器を壁面に取り付けた場合に、音響穴の高さ方向の位置を変えることで音響指向性を簡単に調整することができる。

更に、音響空間の形成に回路基板を利用し、回路基板に圧電振動板の中心から偏位した位置に音響穴を形成することで、音響空間形成部材の重ね方向の寸法を低減し、警報器の小型化と構成部品の共用化によりコストを低減できる。

図１は本発明による警報器の説明図であり、図１（Ａ）に正面図を図１（Ｂ）に背面図を示している。また図２は本発明による警報器の斜視図であり、図２（Ａ）に表側を図２（Ｂ）に裏側を示している。

図１及び図２において、本発明の警報器１は本体２とカバー３で構成される。カバー３は中央が皿状に突出しており、その周囲に煙流入口４を開口している。煙流入口４を備えたカバーの内部には後の説明で明らかにする煙チャンバーが組み込まれており、煙流入口４を通して火災による煙をチャンバー内に流入し、発光素子と受光素子を備えた散乱光式煙検出機構により火災による煙を検出している。

カバー３の右側下部には発報表示灯５が設けられ、左側下部には音響穴６が設けられている。音響穴６に対応した内部には圧電ブザーが収納されている。発報表示灯５と音響穴６の間にはＵ字型の切欠きにより片持ち指示された押しボタン７が形成され、押しボタン７の内側には試験及び警報停止に使用するスイッチが組み込まれている。

本体２の裏面には壁面に取り付けた際に上部となる位置に取付穴８ａを備えた取付部８を形成している。また本体の裏面には電池収納部９が裏側に開放して形成され、ここに角型積層構造を持つ９ボルトの例えば６Ｆ２２Ｙ型の電池４０を収納している。電池収納部９に収納した電池は一対の電池保持片により保持されている。

また電池４０のプラス端子とマイナス端子に対しては市販の電池スナップが接続され、電池スナップから引き出されたリード線を本体内部に引き込んで、内部の回路基板に接続している。

さらに本体２の裏側には移報コネクタ１０が設けられており、別の部屋に設置される警報ブザーや住戸用受信機を接続することで移報信号を出力して作動できるようにしている。また本体２の裏面からは引き紐１７が引き出されており、引き紐１７は本体内の回路基板に設けられたスイッチをオン操作する。すなわち内部に設けられたスイッチはカバー３側の押しボタン７もしくは本体２側のいずれかで操作することができる。

図３はカバーをはずした本発明の警報器の内部構成の説明図である。カバーをはずした状態で本体には回路基板１１が組み込まれ、回路基板１１の中央部には煙チャンバー１２が固定されている。

煙チャンバー１２は図１，図２のカバー３に形成された煙流入口４に相対した位置に防虫網１３を配置し、防虫網１３の内側にラビリンス構造を備えた煙流入部を有し、その内部の検煙空間に発光素子と受光素子を光軸が所定角度ずれた位置で配置した散乱光式の煙検出構造を備えている。

また回路基板１１上には発報表示灯５が取り付けられ、更にスイッチ１５が設けられている。スイッチ１５は引き紐１７でスイッチ１５を引くことで回路基板１１に設けているリード接点１６に接触してスイッチオンとなる。このスイッチ１５は図１及び図２のカバー３側に設けた押しボタン７を押すことによってもスイッチオンとなる。

回路基板１１における左下側のコーナー部分には圧電ブザー１８が重ねて配置されている。圧電ブザー１８は上部に音響穴２２（図４参照）を開口しており、この音響穴２２に相対した回路基板１１の位置には音響開口３０（図４参照）が形成されている。

図４（Ａ）は図３のカバーをはずした感知器内部構造の平面図を示している。図４（Ａ）において回路基板１１を取り外すと、図４（Ｂ）のように下側に配置した圧電ブザー１８を見ることができる。圧電ブザー１８はブザーの中心から偏位した位置に音響穴２２を開口している。

図５は図４（Ｂ）の圧電ブザー１８に使用している音響空間形成部材としての音響ボックスを取り出して説明した説明図である。図５において、音響ボックス２０は圧電ブザーの圧電振動板が配置される下側に開口し、上部に閉鎖した薄型の円筒形状を持ち、左右に一対の固定アーム２１を設けている。また音響ボックス２０の上部端面には音響穴２２がその中心から偏位した位置に開口されている。なお、音響ボックス２０に形成した凹部は、回路基板１１に実装した回路部品を収納する窪みである。

図６は本発明の警報器における音響構造の実施形態を示した断面図であり、図６（Ａ）は図５の音響ボックス２０における固定アーム２１の方向の断面であり、図６（Ｂ）は固定アーム２１に直交する音響穴２２を通る方向の断面である。

図６（Ａ）において、本体２の内側にはリブ２７ａ，２７ｂが形成され、リブ２７ａ，２７ｂに圧電振動板２４を乗せている。圧電振動板２４は薄い金属板を用いた振動板２５の片面側に圧電層２６を張り合わせており、分極方向と同一方向の電圧を印加すると圧電層２６が縮み、逆方向の電圧を印加すると伸びることにより振動板２５を振動させることができる。

この圧電振動板２４としては圧電層２６に一対の駆動電極とフィードバック電極を備えた自励発振型の圧電振動板を使用している。また圧電振動板２４は図６（Ａ）に直交した図６（Ｂ）の方向の断面から明らかなように、更にリブ２７ｃ，２７ｄにより支えられ、これによって圧電振動板を４点で接円支持している。

圧電振動板２４の接円支持は振動を制御しない自由振動に近い状態にあるため、圧電振動板２４のインピーダンス特性を忠実に再現することができる。また機械的応力に対し強く、安定した特性が得られ、効率をあげて大きな音圧を得ることができる。本発明で使用する圧電振動板２４としては、高齢者において高音域の音が聞き取りにくくなる傾向にあり点を考慮し、共振周波数が約２．８キロヘルツのものを使用している。

圧電振動板２４の上部には音響ボックス２０が配置され、音響空間２３を形成している。音響ボックス２０は両側に固定アーム２１を張り出しており、また下部に円筒先端部をテーパエッジ２９とし、テーパエッジ２９の部分にリング状のパッキン２８を介在した状態で固定アーム２１をビス３１により本体２側に固定している。

この音響ボックス２０は図６（Ｂ）から明らかなように、圧電振動板２４の中心から外側に偏位した位置に音響穴２２を開口している。音響穴２２に相対した回路基板１１の位置には音響開口３０が形成され、更に音響開口３０に相対したカバー３の位置には複数の音響穴６が形成されている。

このように本発明による警報器における音響構造にあっては、圧電振動板２４の片側に配置した音響ボックス２０に設ける音響穴２２を、圧電振動板２４の中心から外側に偏位させた位置に開口したことで、図３及び図４（Ａ）の内部構造から明らかなように、回路基板１１と重なる部分を十分確保しながら、回路基板１１に固定している煙チャンバー１２からはずれた位置に音響穴２２を位置させることができ、これによって回路基板１１に圧電ブザー１８を重ね合わせた分、警報器１を小型にできる。

もし圧電ブザー１８を回路基板１１に重ね合わせることができない場合には、回路基板１１の外側となる横方向に圧電ブザー１８を並べて配置しなければならず、この場合には圧電ブザーを横に配置した分、本体及びカバー３が大きくなり、圧電ブザー１８と回路基板１１の重ねあわせによる警報器の小型が効果的に行なわれていることがわかる。

図７は回路基板に音響構造の一部を兼用させた本発明の警報器における音響構造の他の実施形態を示した断面図である。この実施形態において、図７（Ａ）は図６（Ａ）と同じ音響ボックス２０の固定アーム２１の方向の断面であり、図７（Ｂ）は図６（Ｂ）と同様、音響穴３２を通る直行した方向の断面である。

図７において、この実施形態において音響ボックス２０は上部に開口した円筒形状をもっている。音響ボックス２０は上端に開口しているが、この上端に対しては回路基板１１が配置され、回路基板１１によって音響ボックス２０の上部の端面側を仕切っている。

このため図７（Ｂ）に示すように音響ボックス２０で周囲が囲まれた音響空間２３の上部に位置する回路基板１１には、圧電振動板２４の中心から外側に偏位して音響穴３２を形成している。このように図７の実施形態にあっては、上端に開口した円筒形の音響ボックス２０と回路基板１１の組み合わせで音響空間２３を形成しており、音響ボックス２０につき図６の実施形態のように断面を閉鎖する構造を必要としない分、高さ方向の寸法を小さくすることができ、警報器を小型化できる。また音響ボックス２０は上端の閉鎖を必要としたいため、その分、部品構造が簡単になり、コストを低減することもできる。

尚、上部に開口した音響ボックス２０に対し断面側を規制する回路基板１１は音響ボックス２０の断面に密着させる必要は特になく、図示のように若干の隙間があっても圧電振動板２４の音響空間２３として有効に機能させることができる。

図８は音響穴の部分を回動自在とした本発明の警報器における他の実施形態を示した断面図である。図８（Ａ）は、この実施形態に使用する音響ボックス３３を取り出しており、図８（Ｂ）は音響ボックス３３を使用した音響構造の反対側の断面図である。

図８（Ａ）の音響ボックス３３は固定アーム３７を横方向に取り出した固定部材としての固定ボックス３４に対し、下側に開口し上側に閉鎖した円筒形状を持つ回転ボックス３５を回動自在に装着している。回転ボックス３５の上端面には圧電振動板２４の中心に対し偏位して音響穴３６が開口されている。

図８（Ｂ）の音響構造を見ると、本体２の内側に突出したリブ２７ａ、２７ｂ（図示せず）、更に図示しない直交する方向でリブ２７ｃ，２７ｄの４点で圧電振動板２４が接円支持され、圧電振動板２４の上部に固定ボックス３４を両側に形成した固定アーム３７に対するビス３１のねじ込みで本体２に固定し、固定ボックス３４のテーパエッジの部分にはパッキン２８を介在している。固定ボックス３４はフランジ構造を持ち、ここに回転ボックス３５の開口下端部を回転自在に嵌め合わせている。

このため図８の音響構造を持つ警報器１を壁面に取り付けた場合、回転ボックス３５を回転させることで音響穴３６の高さ方向の位置を簡単に変えることができ、これによって音響指向性を簡単に調整することができる。

尚、図８の音響穴３６を回動可能な音響構造を使用した場合には、音響穴３６が回転可能な範囲につき円弧状の音響開口を回路基板１１に形成するか、あるいは音響穴３６の回動可能な範囲につき回路基板１１を切り欠き、直接、音響穴３６がカバー３の音響穴６に相対できるようにする必要がある。

図９は本発明による警報器の回路構成のブロック図である。図９において、本発明の警報器１は、電池４０、ノイズ吸収回路４１、制御回路４２、発振回路４３、発光回路４４、受光回路４５、ブザー駆動回路４６、表示灯回路４７、スイッチ回路４８、電圧低下検出回路４９、音響停止回路５０及び移報回路５１で構成される。

電池４０は警報器１の電源を供給し、電池１６としては角型の積層型９ボルトの６Ｆ２２Ｙ型乾電池を使用している。ノイズ吸収回路４１は電池４０から供給される回路電圧の安定化を図る。

制御回路４２は、ＵＬ規格に従った火災警報器用の専用ＩＣが使用される。制御回路４２にはタイミング回路が内蔵されており、それぞれ定められたタイミングで発光回路４４の発光駆動、受光回路４５のサンプリング、受光量による火災判定、ブザー駆動回路４６の駆動、電圧低下検出回路４９による電源電圧の監視、スイッチ回路４８による試験操作と警報停止、更に発光回路４４の発光素子と受光回路４５の受光素子の自動試験などを行う。

制御回路４２による煙の検出周期は約１０．５秒周期で行われ、２回連続して火災を判定するとブザー駆動回路４６を駆動して警報を出し、同時に移報回路５１を動作して、移報端子１０ａ，１０ｂに接続している外部接続機器５２に対し移報信号を送出して作動させる。火災判定後の警報停止は、非火災を２回連続して判定するとブザー駆動回路４６と移報回路５１を停止する。

発光素子及び受光素子の自動試験と電圧低下検出回路４９で検出している電源電圧の監視は、それぞれ約４０秒周期で行われ、異常が検出されるとブザー駆動回路４６を駆動して、１０ミリ秒程度、瞬間的に警報を鳴らす。

発光回路４４は、制御回路４２からのパルス信号により赤外線発光ダイオードに電流を流して発光させる。制御回路４２からのパルス信号は、通常の監視時における約１０．５秒周期の煙検出用パルスと、約４０秒周期の自動試験用のパルスの２種類がある。

受光回路４５は、発光回路４４による赤外線発光ダイオードの駆動により出た光の煙による散乱光をフォトダイオードに入射して光電流に変換し、更に電圧信号に変換して、制御回路４２に出力する。

スイッチ回路４８は図１乃至図４に示したように、押しボタン７または引き紐１７の操作によりオンされ、手動火災試験と音響停止を行う。スイッチ回路４８に設けているスイッチをオンすると、制御回路４２のテスト端子に電源電圧Ｖｃが印加され、制御回路４２はテストモードとなり、発光回路４４を約３３６秒周期で駆動し、発光回路４４のゼロ点監視用の出力が正常な場合のみ、ブザー駆動回路４６により瞬間的にブザーを鳴動して、正常であることを報知する。

またスイッチ回路４８のスイッチがオンされると、音響停止回路５０にも電源電圧Ｖｃが印加され、スイッチをオンしている間、音響停止回路５０の動作が一時的に解除され、スイッチ回路４８のスイッチをオフにすると、オフした時点から約６分間、ブザー駆動回路４６による音響停止を行う。

ブザー駆動回路４６は圧電ブザーを備えており、圧電ブザーとしては一対の電極端子に加え、フィードバック端子を備えた自励式の圧電振動板を使用している。ブザー駆動回路４６の圧電ブザーは、制御回路４２における火災判定時及び障害発生時に駆動電圧の供給を受け、フィードバック信号により電圧を反転させてブザーを鳴動させる。

制御回路４２により鳴動されている圧電ブザーを停止するため、音響停止回路５０からの音響停止信号によりブザー駆動回路４６のフィードバック信号をグランドに固定することでブザー鳴動を停止する。

ブザー駆動回路４６で使用される圧電振動板の共振周波数は約２．８ｋＨｚであり、火災検出時には周期約３３０ミリ秒で約２５０ミリ秒の間、断続的に鳴動し、障害時には約４０秒周期で約１０．５ミリ秒の間、鳴動する。

発振回路４３は制御回路４２の動作タイミングを作る基本クロックと発光パルス幅を設定する回路であり、抵抗及びコンデンサの外部接続により基本クロックと発光パルス幅が設定される。本発明の実施形態にあっては、基本クロックは約１０．５ミリ秒、発光パルス幅は１０５マイクロ秒としている。

表示灯回路４７は制御回路４２で火災判定が行われた際の出力を受けて、図１乃至図４に示した発報表示灯５としてのＬＥＤを発光駆動する。電圧低下検出回路４９は、電源電圧Ｖｃが例えば７．４ボルト以下に低下すると、ブザーを約４０秒周期で約１０．５ミリ秒鳴動させる。

移報回路５１は制御回路４２で火災判定が行われた際の火災検出信号を受けて、オープンコレクタ構成のトランジスタをスイッチングし、外部接続機器５２から発報電流を流し込んで流出することで移報信号を送出する。

なお、本発明は、その目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に、本発明は、上記の実施形態の数値による限定は受けない。

本発明による警報器の説明図 本発明による警報器の斜視図 カバーを外した本発明の警報器の内部構造の説明図 カバーを外した本発明の警報器の内部構造と回路基板を外した内部構造の平面図 本発明による音響空間を形成する音響ボックスを取り出して示した説明図 本発明の警報器における音響構造の実施形態を示した断面図 回路基板に音響構造の一部を兼用させた本発明の警報器における音響構造の他の実施形態を示した断面図 音響穴の部分を回動自在とした本発明の警報器における音響構造の他の実施形態を示した断面図 本発明による警報器の回路構成のブロック図

符号の説明

１：警報器
２：本体
３：カバー
４：煙流入口
５：発報表示灯
６：音響穴
７：押しボタン
８：取付部
９：電池収納部
１０：移報コネクタ
１１：回路基板
１２：煙チャンバー
１３：防虫網
１５：スイッチ
１６：リード接点
１７：引き紐
１８：圧電ブザー
２０：音響ボックス
２１，３７：固定アーム
２２，３２，３６：音響穴
２３：音響空間
２４：圧電振動板
２５：振動板
２６：圧電層
２７ａ〜２７ｄ：リブ
２８：パッキン
２９：テーパエッジ
３０：音響開口
３１：ビス
３３：音響ボックス
３４：固定ボックス
３５：回転ボックス
４０：電池
４１：ノイズ吸収回路
４２：制御回路
４３：発振回路
４４：発光回路
４５：受光回路
４６：ブザー駆動回路
４７：表示灯回路
４８：スイッチ回路
４９：電圧低下検出回路
５０：音響停止回路
５１：移報回路
５２：外部接続機器

Claims (2)

1. 異常を検知して警報する警報器の音響構造に於いて、
   機器筐体の内面に形成されたリブの上に載置される円形の圧電振動板と、
   前記圧電振動板の片面側に配置されて共鳴空間を形成する一端を開口し他端を閉鎖した円筒状の共鳴空間形成部材と、
   前記圧電振動板の中心より偏位させた前記共鳴空間形成部材の他端の端面位置に開口された音響穴と、
   を備え、前記圧電振動板を固定配置する支持部材に対し前記共鳴空間形成部材を回動自在に装着し、前記共鳴空間形成部材の音響穴の位置を変更可能としたことを特徴とする警報器の音響構造。
   
2. 請求項１記載の警報器の音響構造に於いて、更に、前記共鳴空間形成部材の外側に回路基板とカバーが配置され、前記共鳴空間形成部材の他端の音響穴に相対する前記回路基板及びカバーの各々に音響穴を設けたことを特徴とする警報器の音響構造。

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