JP2011002414A

JP2011002414A - 赤外線検出器

Info

Publication number: JP2011002414A
Application number: JP2009147574A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Sasaki; 淳佐々木; Noriyuki Kitamura; 紀之北村
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2009-06-22
Filing date: 2009-06-22
Publication date: 2011-01-06

Abstract

【課題】複眼レンズの各レンズ部を通じての赤外線検出の感度が高く、安定した検出ができる赤外線検出器を提供する。
【解決手段】赤外線を検出する複数のセンサ素子が区画して配列されて受光面53が形成された赤外線センサ41を用いる。赤外線を集光する複数のレンズ部47a，47b，47cの集光位置が赤外線センサ41の受光面53上で分散して分布されている複眼レンズ47を用いる。周辺域のレンズ部47a，47cから受光面53に入射する赤外線の入射角度を小さくする。各レンズ部47a，47b，47cの焦点距離の調整し、各レンズ部47a，47b，47cで赤外線検出する検知エリアＡ、Ｂ、Ｃを受光面53に結像する倍率を等しくする。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線を検出する赤外線検出器に関する。

従来、所定の検知エリア内の熱源である人体を検出して照明器具や警報器などを制御するための人感センサ用途に、人体から放射する赤外線を検出する赤外線検出器が用いられている。

この赤外線検出器では、一般に、焦電型赤外線検出素子が用いられ、さらに、検知エリアを広くし、効率よく赤外線を焦電型赤外線検出素子に集光するために、複数のレンズ部を有する複眼レンズが多く用いられている。

焦電型赤外線検出素子は、焦電効果を利用したセンサであって、２つまたは４つの受光電極を組として１つの受光部を構成しており、この受光部に複眼レンズのレンズ部を通じて集光される人体からの赤外線エネルギーの変化に応じて電気信号を出力する。この焦電型赤外線検出素子は、温度変化を検出するものであるため、検知エリアにおける人体の移動が無い場合、あるいは動作が非常に微少または緩やかである場合には、信号出力が得られない特性を有している。

複眼レンズは、各レンズ部の焦点位置が焦電型赤外線検出素子の受光部の中心に一致するように焦点距離を等しくし、各レンズ部をドーム状に配置したドーム型に形成されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平６−２４２３０４号公報（第２−３頁、図１）

しかしながら、従来の赤外線検出器では、焦電型赤外線検出素子を用いているため、この焦電型赤外線検出素子に組み合わせる複眼レンズは、各レンズ部の焦点位置が焦電型赤外線検出素子の中心に一致するように焦点距離を等しくし、各レンズ部をドーム状に配置したドーム型に形成する必要がある。

このような複眼レンズであると、中央域のレンズ部と周辺域のレンズ部とでは、倍率が大きく異なってしまうため、検知エリア内の人体の微動に対する感度がレンズ部毎に変化し、検知エリア内の人体の検出が安定しない問題がある。

また、複眼レンズの周辺域のレンズ部で検知エリアの周辺域の赤外線を焦電型赤外線検出素子に集光するが、その赤外線の入射角度が大きくなるため、赤外線の強度が低下し、検出エリアの周辺域における赤外線検出の感度が低くなる問題がある。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、複眼レンズの各レンズ部を通じての赤外線検出の感度が高く、安定した検出ができる赤外線検出器を提供することを目的とする。

請求項１記載の赤外線検出器は、赤外線を検出する複数のセンサ素子が区画して配列されて受光面が形成された赤外線センサと；赤外線センサの出力信号を処理する信号処理手段と；信号処理手段からの信号により、所定の検知エリア内における熱源の存否を判別する判別手段と；赤外線を赤外線センサの受光面に集光する複数のレンズ部を有し、各レンズ部の集光位置が赤外線センサの受光面上で分散して分布されている複眼レンズと；を具備しているものである。

赤外線センサは、例えば、ＣＭＯＳやＣＣＤなど、複数のフォトダイオードなどのセンサ素子が二次元に区画して配列されて受光面が形成されていればよい。この赤外線センサでは、赤外線の入射の有無を検出するので、熱源が停止していても赤外線を検出できる。

信号処理手段および判別手段は、例えば、制御回路などで構成される。

複眼レンズは、例えば、所定の曲面または平面に沿って複数のレンズ部が配置される。例えば、検知エリアに応じて複眼レンズの中央域および周辺域などに複数のレンズ部が配置され、中央域のレンズ部の集光位置が赤外線センサの受光面の中央域に、周辺域のレンズ部の集光位置が赤外線センサの受光面の周辺域に、それぞれ分散した分布となるように構成される。すなわち、赤外線センサの受光面を仮想的に複数の受光領域に分割し、各受光領域の中心に各レンズ部の後側焦点位置が位置するように、各レンズ部が構成される。

なお、複眼レンズと組み合わせて、赤外線を透過するフィルタを用いてもよい。

請求項１記載の赤外線検出器によれば、赤外線を検出する複数のセンサ素子が区画して配列されて受光面が形成された赤外線センサを用いるとともに、赤外線を集光する複数のレンズ部の集光位置が赤外線センサの受光面上で分散して分布されている複眼レンズを用いることにより、各レンズ部の焦点距離の調整が可能となって、各レンズ部の倍率を略等しくできるため、検知エリアの周辺域および中央域とも熱源の微動に対する感度を一定に保つことができ、また、検知エリアの周辺域でもレンズ部から赤外線センサの受光面に入射する赤外線の強度を強くできるため、検知エリアの周辺域および中央域とも赤外線検出の感度の高い集光が可能となり、そのため、複眼レンズの各レンズ部を通じての赤外線検出の感度が高く、安定した検出ができる赤外線検出器を提供できる。

本発明の一実施の形態を示す赤外線検出器の説明図である。同上赤外線検出器の赤外線センサの回路図である。同上赤外線検出器の赤外線センサの正面図である。同上赤外線検出器の断面図である。同上赤外線検出器を用いた照明装置の回路図である。

以下、本発明の一実施の形態を、図面を参照して説明する。

まず、赤外線検出器を用いた照明装置について説明する。図５に示すように、照明装置11は、商用交流電源ｅを整流平滑する整流平滑部12に、ハーフブリッジ型のインバータ回路13が接続されている。このインバータ回路13は、整流平滑部12に対して、スイッチング素子としてのＦＥＴQ1，Q2が直列に接続されている。

インバータ回路13の出力端となるＦＥＴQ2の両端間には、直流成分を遮断するコンデンサC1と、共振用巻線（共振用インダクタ）Ｌと、光源である放電灯、すなわち蛍光ランプ14のフィラメントFLa，FLbとの直列回路が接続され、これらフィラメントFLa，FLbの他端間には、フィラメント予熱としても機能する共振用コンデンサC2が接続されている。この結果、商用交流電源ｅ、整流平滑部12、インバータ回路13、コンデンサC1、共振用巻線Ｌおよび共振用コンデンサC2などにより点灯回路16が構成されているとともに、この点灯回路16と蛍光ランプ14とが接続されることにより、主回路17が構成されている。

さらに、ＦＥＴQ1，Q2の制御端子であるゲートには、これらＦＥＴQ1，Q2のオンオフを切り換えるドライバ21が接続されている。このドライバ21は、点灯制御回路22により動作が制御される。

点灯制御回路22は、状態センサ25および赤外線検出器26と接続されるＡ／Ｄ変換器27と、このＡ／Ｄ変換器27およびドライバ21と接続されるマイコン28とを有している。そして、点灯回路16、ドライバ21、点灯制御回路22、状態センサ25、赤外線検出器26、Ａ／Ｄ変換器27およびマイコン28により、点灯制御装置29が構成されている。

状態センサ25は、蛍光ランプ14の電流値を検出する電流センサ31と、蛍光ランプ14の電圧値を検出する電圧センサ32とを備え、これら検出した電流値および電圧値をアナログのデータ（シリアルデータ）としてＡ／Ｄ変換器27に出力するように構成されている。

赤外線検出器26は、例えば廊下や部屋の天井面などの高所に設置され、所定の検知エリア内に存在する熱源である人体から放出される赤外線を検出し、赤外線の検出に応じた赤外線検出器26からの出力信号をアナログのデータとしてＡ／Ｄ変換器27に出力するように構成されている。

Ａ／Ｄ変換器27は、状態センサ25、あるいは赤外線検出器26から入力されたアナログのデータをＡ／Ｄ変換してマイコン28へと出力するものである。なお、このＡ／Ｄ変換器27は、マイコン28の内部に搭載されていてもよい。

マイコン28は、中央演算処理装置であるＣＰＵ34、Ａ／Ｄ変換器27に接続されたＩ／Ｏポート35、ＣＰＵ34などが参照するためのＲＯＭ36、メモリであるＲＡＭ37、およびドライバ21をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御部38などを備えている。ＰＷＭ制御部38は、数十ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ程度の周波数でドライバ21によりＦＥＴQ1，Q2を交互にオンオフすることで、ＦＥＴQ2のドレイン−ソース間に所定の高周波交流を発生させるものである。

次に、図４に示すように、赤外線検出器26は、赤外線センサ41、およびこの赤外線センサ41を収容するパッケージ42を備えている。

このパッケージ42は、赤外線センサ41を配置する台座43、および赤外線センサ41を覆って台座43に取り付けられるカバー44を備え、赤外線センサ41が収容される内部が真空状態に密閉されている。台座43には赤外線センサ41に接続された給電用および信号出力用の複数の端子45が外部に突出され、カバー44には赤外線センサ41に対向して形成された開口部に赤外線を赤外線センサ41に導く光学系46が配置されている。

光学系46は、赤外線を赤外線センサ41に集光する複眼レンズ47、および赤外線を透過するフィルタ48を備えている。これら複眼レンズ47およびフィルタ48は、赤外線のうち、例えば８μｍ〜１２μｍの波長を透過するゲルマニウム、シリコン、ポリエチレンおよび塩化カルシウムなどの材料で形成されている。

また、図３に示すように、赤外線センサ41は、基体51、およびこの基体51上に二次元状であってマトリクス状に区画して配列された赤外線を検出する複数のセンサ素子52を備え、これら複数のセンサ素子52によって赤外線を検出する受光面53が形成されている。センサ素子52には、例えば、温度により出力電流が変化する特性を有するとともに、供給電圧により感度つまり検出した赤外線強度に対して出力する検出信号強度の比が変化する特性を有する例えばボロメータやサーモパイルなどの熱電変換素子が用いられる。

基体51には、複数のセンサ素子52に電源を供給する電源レギュレータ54、複数のセンサ素子52から出力する検出信号を入力して出力信号を出力する出力回路55、およびこれら電源レギュレータ54、出力回路55および各センサ素子52の動作を制御する制御回路56などが接続されている。なお、図３では、便宜的に、センサ素子52を５×５のマトリクス状に区画して配列した例を示す。

制御回路56は、赤外線センサ41の出力信号を処理する信号処理手段の機能、この信号処理手段からの信号により、所定の検知エリア内における熱源の存否を判別する判別手段の機能を有している。

なお、制御回路56は、電源レギュレータ54、出力回路55および各センサ素子52の動作の制御のみとし、信号処理手段および判別手段の機能を有する別の制御回路を用いてもよい。

また、図２に示すように、各センサ素子52には、電源が供給される電源供給線である信号線59と、検出する赤外線強度に応じた検出信号を出力する信号出力線である信号線60とが接続されている。

複数のセンサ素子52は、光学系46により受光面53に導かれる赤外線の強度分布に応じて、複数のグループに分けられ、すなわち、周辺域のグループ、周辺域と中央域との間の中央域のグループ、中央域のグループの３つのグループに分けられる。

電源レギュレータ54は、複数のセンサ素子52のグループ毎に個別に用いられ、周辺域のグループの各センサ素子52に信号線59で並列に接続される第１の電源レギュレータ54a、中間域のグループの各センサ素子52に信号線59で並列に接続される第２の電源レギュレータ54b、中央域のグループのセンサ素子52に信号線59で接続される第３の電源レギュレータ54cを備えている。

これら電源レギュレータ54a〜54cは、制御回路56から制御信号を入力して対応する領域のセンサ素子52に供給する電源電圧を個別に可変設定し、各領域毎にセンサ素子52の感度を可変調整する感度調整手段61として構成されている。

出力回路55は、１つで、全てのセンサ素子52が信号線60で並列に接続され、これら全てのセンサ素子52の検出信号の和を出力信号として出力する。

また、図１に示すように、複眼レンズ47には、所定の曲面または平面に沿って複数のレンズ部47a，47b，47cが形成されている。図１に示す例では、中央域および周辺域にそれぞれレンズ部47a，47b，47cが形成され、中央域のレンズ部47bの集光位置が赤外線センサ41の受光面53の中央域の受光領域53bに、周辺域のレンズ部47a，47cの集光位置が赤外線センサ41の受光面53の周辺域の受光領域53a，53cに、それぞれ分散した分布となるように構成されている。

すなわち、赤外線センサ41の受光面53を仮想的に複数の受光領域53a，53b，53cに分割し、これら各受光領域53a，53b，53cの中心に各レンズ部47a，47b，47cの後側焦点位置が位置するように、各レンズ部47a，47b，47cが構成されている。この赤外線センサ41の受光面53の仮想的に分割された各受光領域53a，53b，53cには、複数のセンサ素子52が含まれている。

さらに、各レンズ部47a，47b，47cで検知エリアＡ、Ｂ、Ｃを受光領域53a，53b，53cに結像する倍率が略等しくなるように、各レンズ部47a，47b，47cの焦点距離が調整されている。

なお、図１には説明を簡単にするために、模式的に、赤外線センサ41の受光面53を受光領域53a，53b，53c、複眼レンズ47のレンズ部47a，47b，47c、検知エリアＡ、Ｂ、Ｃをそれぞれ３つずつとして示しているが、実際にはそれらの数はもっと多く構成されている。

次に、本実施の形態の動作を説明する。

例えば廊下やフロアなどの天井面に赤外線検出方向を下方へ向けて赤外線検出器26が設置され、この赤外線検出器26で床面上の各検知エリアＡ、Ｂ、Ｃの人体の存否を検出し、人体の存否に応じて照明装置11の照明状態を自動制御する。

赤外線検出器26では、複眼レンズ47の各レンズ部47a，47b，47cにより、各検知エリアＡ、Ｂ、Ｃの熱源から放出される赤外線を赤外線センサ41の受光面53の各受光領域53a，53b，53cに集光して結像する。すなわち、複眼レンズ47の中央域のレンズ部47bにより、検知エリアＢの熱源から放出される赤外線を赤外線センサ41の受光面53の中央域の受光領域53bに集光して結像し、また、複眼レンズ47の周辺域の各レンズ部47a，47cにより、各検知エリアＡ、Ｃの熱源から放出される赤外線を赤外線センサ41の受光面53の周辺域の受光領域53a，53cに集光して結像する。

受光面53の各受光領域53a，53b，53cへの赤外線の入射に応じた出力信号を制御回路56に入力して処理し、この制御回路56で処理する赤外線の検出値がある閾値の範囲にあれば検知エリアＡ、Ｂ、Ｃ内の少なくともいずれかに人体が存在すると判別し、範囲外であれば検知エリアＡ、Ｂ、Ｃ内のいずれにも人体が存在しないと判別する。

この赤外線センサ41では、赤外線の入射の有無を検出するので、検知エリアＡ、Ｂ、Ｃ内に人体が停止していても検出できる。

そして、赤外線検出器26では、複眼レンズ47の周辺域のレンズ部47a，47cにおいては、赤外線センサ41の受光面53の周辺域の受光領域53a，53cに赤外線を集光するため、例えば受光面53の中央の受光領域53bに赤外線を集光する場合に比べて、受光面53に対する赤外線の入射角度を小さくすることができる。そのため、赤外線センサ41の受光面53の各受光領域53a，53b，53cに入射する赤外線の強度は、中央域の受光領域53bが高いのはもちろん、周辺域の受光領域53a，53cについても高くなり、中央域の検知エリアＢおよび周辺域の検知エリアＡ、Ｃとも赤外線検出の感度の高い集光が可能となる。

さらに、各レンズ部47a，47b，47cの焦点距離の調整が可能となって、各レンズ部47a，47b，47cで赤外線検出する検知エリアＡ、Ｂ、Ｃを受光領域53a，53b，53cに結像する倍率を略等しくできるため、中央域の検知エリアＢおよび周辺域の検知エリアＡ、Ｃとも人体の微動に対する感度を一定に保つことができ、
したがって、赤外線検出器11では、複眼レンズ47の各レンズ部47a，47b，47cを通じての赤外線検出の感度が高く、安定した検出ができる。

なお、赤外線検出器11は、人感センサ用途に限らず、火災報知器の炎検知などにも用いることができる。

26 赤外線検出器
41 赤外線センサ
47 複眼レンズ
47a，47b，47c レンズ部
52 センサ素子
53 受光面
56 信号処理手段および判別手段の機能を有する制御回路

Claims

赤外線を検出する複数のセンサ素子が区画して配列されて受光面が形成された赤外線センサと；
赤外線センサの出力信号を処理する信号処理手段と；
信号処理手段からの信号により、所定の検知エリア内における熱源の存否を判別する判別手段と；
赤外線を赤外線センサの受光面に集光する複数のレンズ部を有し、各レンズ部の集光位置が赤外線センサの受光面上で分散して分布されている複眼レンズと；
を具備していることを特徴とする赤外線検出器。