JP2012026917A - 赤外線センサ及び空気調和機 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数の受光素子2a〜2hが直線上に一列に配置された多素子受光ユニット2と集光レンズ3を備えた赤外線センサ1において、集光レンズ3を通過した赤外線の強度分布のピークを受光する位置を多素子受光ユニット2の中心位置から偏移させて所望の受光素子位置に合わせる。特に空気調和機に備えた際には、赤外線の強度分布のピークを受光する位置を、空気調和機取り付け位置から遠方の熱検知に用いる受光素子の位置に合わせる。
【選択図】図4
Description
その他の手段によっても赤外線センサによる温度検出の改善を行っている。(例えば、特許文献2〜5参照)。
一つの集光レンズと
を備え、
前記多素子受光ユニットは前記集光レンズを通過した赤外線を受光する位置に配置され、前記集光レンズを通過した赤外線の強度分布のピークを受光する位置が、前記多素子受光ユニットの中心から偏移していることを特徴とする。
先ず、本実施の形態の概要を説明する。空気調和機(室内機)は、温度検出対象範囲を走査しながら温度を検出する赤外線センサを備え、赤外線センサにより熱源検知を行い、人や発熱機器の存在を検知し、温度、風量および風向きの制御を行っている。
この赤外線センサは例えば、サーモパイルセンサである。
また、図3は空気調和機100の縦断面図である。
図4(a)の赤外線センサ1の断面図である。赤外線センサ1は、金属缶4内部に例えば8個の受光素子2a〜2hをX方向に一列に配列し、多素子受光ユニット2を形成している。
金属缶4の上面、多素子受光ユニット2のZ方向上部には、多素子受光ユニット2に赤外線を効率良く集光させるための集光レンズ3が設けられている。集光レンズ3は例えば凸レンズである。
図4(b)に示したY方向において、集光レンズ3と多素子受光ユニット2は中心がほぼ一致した位置に配置される。
図5(a)は、X方向の集光強度の強度分布を示し、図5(b)は、Y方向の集光強度の分布を示す。
つまり、赤外線センサ1の集光レンズ3の集光特性上、最も効率よく検知対象物からの赤外線を集光できる受光素子は集光レンズ3中央部に配置された受光素子となる。
ここで、図6は赤外線センサ1の赤外線検出感度分布を示す図である。検出感度21aは受光素子2aによって得られる検出感度、検出感度21hは受光素子2hによって得られる検出感度をそれぞれ表し、図6は検知対象物から得られる赤外線に応じた出力が集光レンズ3と受光素子配列場所により差異があることを示している。
受光素子2a〜2h毎のシグナルが同一になるような増幅率を設定した場合の、受光素子2a〜2h毎のSN(シグナル/ノイズ)特性を図9に示す。受光素子2a〜2h毎のSN(シグナル/ノイズ)はシグナルの比率が高いほど感度特性が良いことを示している。
空気調和機100は、例えば屋内に設置され、多素子受光ユニット2を構成する各受光素子2a〜2hは、屋内床面に対し、縦方向に配置される。
赤外線センサ1付近を裏側(空気調和機100の内部から)から見た図12に示すように、赤外線センサ1は基板8に搭載された状態で、筐体5内に収納されている。そして、筐体5の上方に赤外線センサ1が搭載された基板8を駆動するステッピングモーター6が設けられる。筐体5と一体の取付部7が空気調和機100の前面下部に固定されることにより、赤外線センサ1が搭載された基板8が空気調和機100に取り付けられる。赤外線センサ1が空気調和機100に取り付けられた状態では、ステッピングモーター6と筐体5は垂直である。そして、筐体5の内部で赤外線センサ1が、俯角約24.5度の角度で下向きに取り付けられている。
すなわち、図13に示すとおりである。
集光レンズ3の焦点20から多素子受光ユニット2へと結んだ垂線22と多素子受光ユニット2との交点が、多素子受光ユニットの全長に対し、下半分の位置となっている。
画像の最上部の列が受光素子2aによって検知した遠方のデータであり、順次上から2番目の列が受光素子2bによって検知したデータ、画像の最下部の列が受光素子2hによって検知した近傍のデータとなる。
人体の検知に関しては、時間毎に取得した熱画像データの差分を行うことで室内居住空間内に現れた人体の検知を可能とする。
よって、8個の受光素子により赤外線センサ視野角FOVは、56°となる。
各受光素子2a〜2hに対応した配光視野角11a〜11hによって、検知可能な床部分の空気調和機100からの距離は、図17のようになる。
センサの配列をずらすことにより、検知距離拡大と空気調和機に搭載した人感センサに必要となる人検知機能の最適がなされ、広域なリビング内の検知精度の大幅な改善と快適性の実現が可能となっている。
具体的には、空気調和機100の取り付け位置から6mの距離で1m高さの着座人体の検知に優れる。
図20は、赤外線センサ1の縦断面における縦配光視野角を示し、記号定数で一般化した図である。
η=90−δ−N×θ÷2 (°)
となる。
D=h×tan(η+n×θ) (m)
となる。
n=(tan−1(D÷h)−η)÷θ
となり、この計算によって得られたnの値を小数点第1位で四捨五入し、整数とした数値が、着座人体の足元付近を配光可能な上からn番目の受光素子となる。
m=(tan−1(D÷(h−L))−η)÷θ
となり、この計算によって得られたmの値を小数点第1位で四捨五入し、整数とした数値が、着座人体の頭部付近を配光可能な上からm番目の受光素子となる。
(N−m)÷Nから(N−n)÷N
となる。
図21は、受光素子が10素子の場合の赤外線センサ1の縦断面における縦配光視野角を示す図である。
例えば、10個の受光素子で、俯角が24.5°、受光素子1個あたりの縦配光角が6°である場合の赤外線センサ1の縦断面における縦配光視野角を示す。
配光視野角54b〜54cの検出感度を向上させる為に、図22に示すように、受光素子52a〜52jを1列に配列した多素子受光ユニット52の全長約1/5の位置に集光レンズ3の中心を配置する。
図26は、集光レンズ3に例えば片凸レンズを用いた場合の赤外線センサ1の構造を示す断面図である。図26のように、集光レンズ3は、片凸レンズであっても良いし、その他の形状であっても良い。
図27は、集光レンズ3の焦点20が偏心している場合の赤外線センサ1の構造を示す断面図である。
図27のように、集光レンズ3の焦点が、集光レンズ3の中心から偏心していても良い。
集光レンズ3の焦点が、所望の位置に有るならば、集光レンズ3の中心から多素子受光ユニット2に結んだ垂線と多素子受光ユニット2との交点が、多素子受光ユニット2の中心と一致することも可能である。
図28は、遠方を検知する受光素子の縦配光視野角を狭くし、近傍を検知する受光素子の縦配光視野角を広くした場合の赤外線センサ1の受光素子2a〜2hと各縦配光視野角11a〜11bの位置関係を示す図である。
図29は、遠方を検知する受光素子の縦配光視野角を狭くし、近傍を検知する受光素子の縦配光視野角を広くした場合の赤外線センサ1の縦断面における縦配光視野角を示し、着座人体モデル15を配置した図である。
図28のように、縦に一列に配列された受光素子のうち、下部の受光素子の縦配光視野角を狭くし、上部になるにつれて受光素子の縦配光視野角を広くする。すなわち、遠方を検知する受光素子の縦配光視野角を狭くし、近傍を検知する受光素子の縦配光視野角を広くする。
図28においては、最遠方を検知する受光素子2aの縦配光視野角11aが一番狭く、近傍になるにつれ、縦配光視野角は広くなり、最近傍を検知する受光素子2hの縦配光視野角11hが一番広くなっている。
Claims (9)
- 複数の受光素子が直線上に一列に配置された多素子受光ユニットと、
一つの集光レンズと
を備え、
前記多素子受光ユニットは前記集光レンズを通過した赤外線を受光する位置に配置され、前記集光レンズを通過した赤外線の強度分布のピークを受光する位置が、前記多素子受光ユニットの中心から偏移していることを特徴とする赤外線センサ。 - 前記集光レンズの焦点から前記多素子受光ユニットへと結んだ垂線と前記多素子受光ユニットとの交点が、前記多素子受光ユニットの中心から偏移していることを特徴とする赤外線センサ。
- 請求項1記載の赤外線センサを備えたことを特徴とする空気調和機。
- 前記空気調和機は、屋内に設置され、
前記多素子受光ユニットを形成する複数の受光素子が屋内床面に対し、縦方向に配置されたことを特徴とする請求項3記載の空気調和機。 - 前記集光レンズの焦点から前記多素子受光ユニットへと結んだ垂線と前記多素子受光ユニットとの交点が、前記多素子受光ユニットの全長に対し、下半分の位置であることを特徴とする請求項4記載の空気調和機。
- 前記集光レンズの焦点から前記多素子受光ユニットへと結んだ垂線と前記多素子受光ユニットとの交点が、前記多素子受光ユニットの全長に対し、下部約1/5の位置であることを特徴とする請求項4記載の空気調和機。
- 前記赤外線センサの俯角をδ、前記受光素子1個あたりの配光角をθ、前記赤外線センサの取り付け高さをh、前記多素子受光ユニットを形成する前記受光素子の数量をN、前記赤外線センサで熱検出を行う対象物の高さをL、前記赤外線センサで熱検出を行う対象物と前記赤外線センサとの水平距離をDとしたとき、前記集光レンズの焦点から前記多素子受光ユニットへと結んだ垂線と前記多素子受光ユニットとの交点が、前記多素子受光ユニットの全長に対し、下部の(N−m)÷N〜(N−n)÷Nの範囲であることを特徴とする請求項4記載の空気調和機。
ここで、
n=(tan−1(D÷h)−(90−δ−N×θ÷2))÷θ
の計算値の小数点第1位を四捨五入した整数であり、
m=(tan−1(D÷(h−L))−(90−δ−N×θ÷2))÷θ
の計算値の小数点第1位を四捨五入した整数であり、
また、前記赤外線センサの俯角とは、水平線に対する前記赤外線センサの取り付け角度であり、前記受光素子1個あたりの配光角とは、前記受光素子1個あたりが配光可能な縦方向の角度である。 - 前記多素子受光ユニットの下部の受光素子の配光角が、上部の受光素子の配光角より狭いことを特徴とする請求項4記載の空気調和機。
- 前記赤外線センサで人体の位置検知を行うことを特徴とする請求項4記載の空気調和機。
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