JP2013231667A - 焦電素子モジュール及び照明制御システム - Google Patents

焦電素子モジュール及び照明制御システム Download PDF

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Abstract

【課題】焦電素子モジュールにおいて、正面方向から人が進入してくる場合でも、高感度での人検知を可能とする。
【解決手段】無線発信器(焦電素子モジュール)8は、焦電素子20を用いて検知範囲内の人体から放射される赤外線の変化を検知する焦電センサ13a,13bと、焦電センサ13a,13bによる検知結果に基づいて負荷を動作制御するための制御情報を送信する無線送受信部と、を備える。焦電センサ13a,13bに備わる焦電素子20は、無線発信器8としての検出方向を正面としたとき、当該焦電素子20の検出方向が当該正面の軸線Xに対して斜めになり、かつ互いに異なる方向に配置されている。この構成により、無線発信器8は、正面方向から人が進入してくる場合でも、高感度での人検知を可能とする。
【選択図】図6

Description

本発明は、人体などから放射される赤外線を検出する焦電センサを備える焦電素子モジュール、及びこの焦電素子モジュールを用いる照明制御システムに関する。
従来より、住宅やビルディング内において、照度センサや焦電センサといったセンサ類と連携して複数の照明器具のON/OFFや調光状態を個別に、又は一括して制御する照明制御システムが導入されている。この照明制御システムでは、外光の明るさや人の存在に応じて照明器具のON/OFFを適切に制御できるため省エネルギー化を図ることができる。
焦電センサは、人体等から放射される赤外線を焦電素子で検出する。焦電センサは、赤外線を強誘電体の表面に放射することで、自発分極に変化を起こし、起電力が発生する焦電効果を利用している。この焦電センサを備える赤外線検出器などの焦電素子モジュールは、例えば、照明器具やエアコンなどの自動スイッチ、防犯カメラの進入検知など多様な用途で使われている。
焦電センサに備わる焦電素子は、クワッドタイプという4つの受熱素子(すなわち2組の受熱素子)を備えたものが広く使用されている。2組の受熱素子は、逆向きの極性をもって接続されており、人体の運動などにより受熱素子が受ける赤外光の量に偏り(分極)が発生すると出力が得られる。焦電素子モジュールは、この出力により人の動き検知する。
ところで、周囲環境の温度変化により発生する電荷が出力されることを抑制して、高精度な人検知を実現する焦電型赤外線検知素子及びそれを用いた焦電センサが開示されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2012−27010号公報
しかしながら、焦電センサに備わる焦電素子は、図9(a)に示すように、温度差のある検知対象101が横切ると、受熱素子102が受ける赤外光の量に偏りが発生し、高感度となる特性がある。一方、図9(b)の矢印103に示すように、検知対象が、焦電センサ104の検知範囲105の正面方向から接近する場合、焦電素子の二組の受熱素子の対に同時に赤外線が当たり、電圧が打ち消し合い出力が得られにくく低感度となるという問題がある。また、検出距離が短くなるという問題もある。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、正面方向から人が進入してくる場合でも、高感度での人検知を可能とする焦電素子モジュールを提供することを目的とする。また、この焦電素子モジュールを用いて照明負荷を動作制御する照明制御システムを提供することをも目的とする。
上記目的を達成するために本発明は、焦電素子を用いて検知範囲内の人体から放射される赤外線の変化を検知する焦電センサと、前記焦電センサによる検知結果に基づいて負荷を動作制御するための制御情報を送信する通信部と、を備える焦電素子モジュールであって、前記焦電センサを複数備え、前記焦電センサの各々に備わる焦電素子は、焦電素子モジュールとしての検出方向を正面としたとき、当該焦電素子の検出方向が当該正面の軸線に対して斜めになり、かつ互いに異なる方向に配置されていることを特徴とする。
この焦電素子モジュールにおいて、複数の前記焦電素子の検出方向は、前記軸線に対して軸対称となることが好ましい。
この焦電素子モジュールにおいて、水平方向の検知範囲が180度以上となることが好ましい。
また、本発明は、焦電素子を用いて検知範囲内の人体から放射される赤外線を検知する焦電センサによる検知結果に基づいて照明負荷の動作を制御する無線発信器と、前記無線発信器と無線通信される無線受信器と、制御対象となる照明負荷を制御する制御端末器と、信号線を介して前記無線受信器及び前記制御端末器と接続されて制御データを送受信する伝送ユニットと、を備える照明制御システムにおいて、前記無線発信器は、前記焦電センサを複数備え、前記焦電センサの各々に備わる焦電素子は、前記無線発信器としての検出方向を正面としたとき、当該焦電素子の検出方向が当該正面の軸線に対して斜めになり、かつ互いに異なる方向に配置されていることを特徴とする。
この照明制御システムにおいて、前記照明負荷を複数備え、複数の前記焦電素子の検出方向は、前記軸線に対して軸対称となり、前記照明負荷と前記焦電センサの各々とは対応関係を有し、前記照明負荷は、前記焦電センサによる検知に応じて動作が制御されることが好ましい。
本発明に係る焦電素子モジュールによれば、複数の焦電センサに備わる複数の焦電素子は、焦電素子モジュールとしての検出方向の正面の軸線に対して斜めになり、かつ互いに異なる方向に配置される。この構成により、焦電素子モジュールは、正面方向から人が進入してくる場合でも、高感度での人検知を可能とする。
本発明の実施の形態1に係る照明制御システムのシステム構成図である。 (a)乃至(c)同上照明制御システムに備わる無線発信器(焦電素子モジュール)の斜視図、(d)同上無線発信器に備わる可動部の平面図である。 (a)同上無線発信器の背面側の平面図、(b)及び(c)同上無線発信器に備わる取付部材の平面図である。 同上無線発信器の機能ブロック図である。 (a)同上無線発信器に備わる焦電センサの機能ブロック図、(b)同上焦電センサに備わる焦電素子の平面図である。 同上無線発信器の水平方向検知範囲の説明図である。 同上無線発信器の検知エリアの立体図である。 実施の形態2に係る照明制御システムに備わる無線発信器の水平方向検知範囲の説明図である。 (a)及び(b)従来の焦電センサにおける人検出の説明図である。
本発明の実施の形態に係る焦電素子モジュール及びこの焦電素子モジュールを用いる照明制御システムについて図面を参照して説明する。
(実施の形態1)
図1は、本実施の形態1に係る照明制御システム1の構成を示す。この照明制御システム1は、伝送ユニット2と、リレー制御用端末器3と、リモコンリレー4と、リモコントランス5と、リモコンスイッチ6と、無線受信器7と、無線発信器(焦電素子モジュール)8と、照明器具9とを備えている。
リレー制御用端末器3、リモコンスイッチ6、及び無線受信器7は、2線式の信号線を介して伝送ユニット2と相互に接続されており、伝送ユニット2との情報のやり取りは、信号線に多重伝送方式で伝送される伝送信号を通して行われる。この照明制御システム1では、無線受信器7と無線発信器8との間で無線通信を行い、照明器具9のオン/オフ状態や室内の照度を自動制御する。
伝送ユニット2は、リモコンスイッチ6や無線受信器7からの伝送信号に基づいて、伝送信号に含まれるアドレス情報から制御対象となる照明器具9を特定すると共に、照明器具9に対する制御状態を特定する。そして、伝送ユニット2は、制御対象となる照明器具9と対応するリレー制御用端末器3に対して、照明器具9のアドレス情報と、その制御状態(ON、OFFや調光レベルなど)とを制御指令信号として送信する。
照明制御システム1内に存在する照明器具9は、負荷アドレスによって一意に特定することができる。具体的には、リレー制御用端末器3には、負荷チャネル(Ch)と呼ばれる固有の識別子が割り当てられており、リレー制御用端末器3に接続するリモコンリレー4には、負荷ナンバー(Nm)を呼ばれる固有の識別子が割り当てられている。負荷チャネル(Ch)と、負荷ナンバー(Nm)とを組み合わせることにより、負荷アドレス(Ch−Nm)が構成される。
リレー制御用端末器3は、リレーの制御状態に応じて照明器具9の状態を制御する負荷制御端末器としての機能を担っている。リレー制御用端末器3は、伝送ユニット2からの伝送信号に基づいて、自己に接続するリモコンリレー4のうち、制御対象となる照明器具9に対応するリモコンリレー4に対して制御信号を送ることにより、リモコンリレー4の状態を制御する。リモコンリレー4の個々のリレーは、リレー制御用端末器3に制御されて、ブレーカ電源(AC100又は200V)10などからの商用交流をオン/オフすることで、照明器具9をオン状態またはオフ状態にする。
リモコントランス5は、リレー制御用端末器3、及びリモコンリレー4に駆動用の電力を供給する。
リモコンスイッチ6は、照明器具9を制御するための制御指令を出力するための入力端末器としての機能を担っている。具体的には、リモコンスイッチ6は、例えば室内などの任意の壁面に設置されており、照明器具9を利用するユーザによってプッシュ操作が可能な端末器である。リモコンスイッチ6は、操作スイッチのいずれかが操作されるのに応じて、その操作スイッチに関連付けられているアドレス情報と、操作スイッチの操作状態とを制御指令として伝送ユニット2に送信する。
無線受信器7は、天井面に埋め込まれ、無線発信器8とワイヤレスで制御情報の送受信を行うと共に、2線式の信号線と接続して伝送ユニット2と制御データの送受信を行う。この無線受信器7には、例えば電波式ワイヤレスアドレス設定器を用いて、アドレスやエリアナンバーが設定される。
無線発信器8は、焦電素子モジュールであり、レイアウトフリーに壁面に設置され、検知範囲周辺の照度を検知する照度センサ、及び焦電素子を用いて検知範囲内の人体から放射される赤外線を検知する焦電センサを備える。また、無線発信器8の背面側には、ユーザ操作されるアドレス設定選択つまみ、動作保持時間設定用つまみなどが設けられている。
焦電センサは、人体から放射される熱線を検出して検知範囲内の人の存否に応じて出力する人体検出信号を監視する。無線発信器8は、検知範囲内の人の動きが検出されたときに照明器具9を自動でのON/OFF制御や自動調光させるためのアドレス情報や制御情報を無線受信器7に送信可能とする。
照度センサは、検知範囲の明るさを検知(照度検知範囲5〜1000ルクス等)する。無線発信器8は、照度センサにより検知された照度に基づいて照明器具9を制御するための制御情報を無線受信器7に送信可能とする。この照度センサを用いた照明制御により、日没後は点灯するなど外光にあわせて平均照度を一定に保って調光でき、照明環境の快適性を保ちながら省エネを図ることができる。また、無線発信器8が焦電センサに加えて照度センサをも備えることで、暗くなりかつ人がいる時だけの点灯制御などが可能となる。
次に、無線発信器8の外観に関して図2及び図3を参照して説明する。無線発信器8は、ボディ部11、背面カバー12及び可動部13を備えている。ボディ部11は、IC基板、配線などが収容され、背面において背面カバー12と係合する。ボディ部11にはLED表示部14が配置され、焦電センサにおいて人を検知した際やアドレス設定時、電源不足時などにおいて点滅や発光する。
可動部13は、内部において検知範囲内の人から放射される熱線を検出する2つの焦電センサ13a,13bを収容する。焦電センサ13a,13bは、図2(d)に示すように、その検知範囲が互いに異なる方向となるように、かつ斜めに配置されている。また、可動部13は、検知範囲を設定変更できるように矢印Yで示す方向に可動し、また、焦電センサ13a,13bの検知範囲を設定する際に開ける開閉窓16を有している。
無線発信器8の背面は、図3(a)に示すように、リチウムイオン電池17が挿入され、ツマミ部である明るさ設定部89、動作保持時間設定部90、及びアドレス登録設定部91が設けられる。また、無線発信器8は、図3(b),(c)に示す一側面に立設されて無線発信器8の保持に用いられる引っ掛け部18aを有する平板状の取付金具18を用いて、壁面や金属面に固定設置できる構造を有している。取付金具18は、リチウムイオン電池17の蓋部を兼用する。
次に、無線発信器8の機能構成に関して図4を参照して説明する。無線発信器8は、CPU80、電源部81、ブザー82、サブクロック部83、焦電センサ13a,13b、LED表示部85、タイマ部86、無線送受信部87、照度測定部88、明るさ設定部89、動作保持時間設定部90、アドレス登録設定部91、及びアドレス切替部92を備える。
電源部81は、特定小電力無線に対応し、専用のリチウムイオン二次電池から内部の電源を供給する。ブザー82は、確認音や警告音を発音し、サブクロック部83は、水晶振動子によりCPU80の動作周波数を発生させる。
焦電センサ13a,13bは、熱線の変化を検知する焦電素子、この焦電素子からの出力と閾値とを比較して、検知範囲内の人の存否を判定して、人が存在するときには検出信号をCPU80に出力する。CPU80は、焦電センサ13a,13bから所定間隔(3秒に1回など)で入力される検出信号の処理を行う。
LED表示部85は、焦電センサにおいて人を検知した際やアドレス設定時、電源不足時などにおいて点滅や発光する。無線送受信部87は、専用のASICがアンテナに接続されて構成され、無線受信器7との間で制御情報の送受信を実現する。なお、操作入力部93によってユーザ入力された設定項目(例えば設定照度値、動作保持時間やアドレスデータ)の値は保持される。
タイマ部86は、クロックを数えることで一定時間の経過を知るタイマ機能を有し、操作入力部93で入力された無線発信器8の動作保持時間の検出時にCUP80に対して割り込みを発生させる。
照度測定部88は、周囲の明るさを検出するCdS、フォトダイオード、フォトトランジスタのような照度センサを有し、照度センサの出力を増幅してCPU80に出力する。CPU80では、照度測定部88の出力と、保持された所定の明るさレベル(設定レベル)との明暗を比較する。
無線発信器8の背面に設けられたツマミ部である操作入力部93には、図3(a)で示した明るさ設定部89、動作保持時間設定部90、及びアドレス登録設定部91が備えられる。明るさ設定部89は、照明器具9の制御のための照度設定値を変更するための切替スイッチである。動作保持時間設定部90は、照明器具9の点灯を保持する時間を変更するための切替スイッチであり、30秒、3分、10分などから動作保持時間を選択する。アドレス登録設定部91は、別体の電波式アドレス設定器とデータを送受信して電波信号を受信する。
次に、焦電センサ13a(焦電センサ13bも同様)の機能構成に関して図5(a),(b)を参照して説明する。焦電センサ13aは、焦電素子20、光学フィルタ21、マルチレンズ22、及びIC基板23を備える。
焦電素子20は、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)などの強誘電体セラミックスや、LiTaO3(タンタル酸リチウム)などの単結晶、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)などの有機材料から構成される。焦電素子20は、焦電効果を利用して人体などから発せられる僅かな赤外線を検知する。
また、焦電素子20として、1枚の基板に2個の赤外線受熱素子を形成したデュアル素子や、図5(b)に示すように、1枚の基板に4個の受熱素子27を形成したクワッド素子が広く実用化されている。このクワッドタイプの焦電素子20は、検知範囲内の検出ゾーンの密度が高いために小さな動きでも検出することができるという特性を有する。
光学フィルタ21は、特定の周波数域の赤外線だけを透過させるバンドパス型のレンズであって、焦電センサ13aの使用用途が人体検知の場合には、おおよそ4μm以上の波長の光を透過し、それよりも波長が短い赤外線をカットするものを用いる。マルチレンズ22は、ポリエチレンなどの高分子ポリオレフィンで構成された小型のものであり、人体の動作により生じる赤外線を、焦電素子20の受熱素子27に集光させると共に、焦電センサ13aの検知範囲と検知距離を決めるため使われる。
IC基板23は、電流電圧変換部24、アンプ部25、及びコンパレータ出力部26を備え、ワンチップICの安定化回路の役割を有する。電流電圧変換部24は、赤外線の変化に応じて発生する焦電素子20の分極による信号を電圧信号に変換する。アンプ部25は、所定の周波数帯域の信号を選択的に増幅する。コンパレータ出力部26は、予め閾値を設定し、”H”、”L”レベルの検出信号を出力する。無線発信器8は、このウィンドコンパレータ出力部26から出力される検出信号をCPU80において処理し、照明負荷などの負荷制御に用いる。
次に、無線発信器8の検知範囲に関して図6を参照して説明する。なお、本図では、焦電素子モジュールとしての無線発信器8の検出方向を正面としたときの軸線をX、点線30aは焦電センサ13aの水平検知範囲、点線31aは焦電センサ13bの水平検知範囲を示している。
無線発信器8に備わる焦電センサ13a,13bの焦電素子は、軸線Xに対して斜めになり、かつ互いに異なる方向に配置され、さらに2つの焦電素子の検出方向30a,31aは、軸線Xに対して軸対称となっている。
人が無線発信器8の正面方向から矢印A1で示す方向から接近してきた場合、人体から放射される赤外線が斜め方向から焦電センサ13a,13bの焦電素子に入射する。従って、焦電センサ13a,13bの受熱素子に分極が発生し、正面方向からの移動に対しても高感度な出力が得られる。
人が矢印A2で示す方向から接近してきた場合、人体から放射される赤外線が斜め方向から焦電センサ13bの焦電素子に入射する。従って、焦電センサ13bの受熱素子に分極が発生し、高感度な出力が得られる。同様に、人が矢印A3で示す方向から接近してきた場合、人体から放射される赤外線が斜め方向から焦電センサ13aの焦電素子に入射するために焦電センサ13aの受熱素子に分極が発生し、高感度な出力が得られる。
次に、無線発信器8の立体的な検知範囲に関して図7を参照して説明する。例えば、無線発信器8は、人の手の動きが検知できるように床から70cmの高さを検知範囲として設定され、水平方向の検出範囲を180度以上とした広角検知と高感度検知を可能とする。また、無線発信器8は、垂直方向の検出範囲を82度以上、有効検知高さ約2.5m、検出範囲3m×8mとし、広角検知範囲と侵入形センサとしても利用できる。
以上の説明のように、本実施の形態1に係る無線発信器8は、複数の焦電センサ13a,13bを備える。各々の焦電センサ13a,13bに備わる焦電素子20は、焦電素子モジュールとしての無線発信器8の検出方向を正面の軸線Xに対して斜めになり、かつ互いに異なる方向に配置されている。また、2つの焦電素子20の検出方向は、軸線Xに対して軸対称となる。
このため、無線発信器8の正面方向から人が接近してくるとき、人体から放射される赤外線が、斜め方向から焦電センサ13a,13bの焦電素子20に入射する。従って、無線発信器8は、受熱素子27に分極が発生し、無線発信器8の正面方向から進入する人を高感度で検知できる。
(実施の形態2)
以下、本発明に係る照明制御システムの実施の形態2に関して図8を参照して説明する。上記実施の形態1に係る照明制御システム1と同様の構成には同符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図8に示すように、本照明制御システム1は、複数の照明負荷9a,9bを備え、複数の焦電素子の検出方向は、軸線Xに対して軸対称となり、照明負荷9a,9bと焦電センサ13a,13bの各々とは対応関係を有している。
そして、人が矢印B1の方向から移動するとき、焦電センサ13aがまず検知し、その後、矢印B2に移動すると焦電センサ13bが検知する。この場合、本照明制御システム1では、最初に、無線発信器8からの照明器具9aのON制御要求を無線受信器7が受信し、無線受信器7は、ON通知を伝送ユニット2に対して行うことでリレー制御用端末器3が照明器具9aをON制御する。次に、人が矢印B2の方向に移動すると、無線発信器8からの照明器具9aのOFF制御要求と照明器具9bのON制御要求とを無線受信器7が受信し、無線受信器7は、照明器具9aのOFF通知と照明器具9bのON通知とを伝送ユニット2に送信する。そして、伝送ユニット2から制御要求情報を受けたリレー制御用端末器3は、照明器具9aをOFF制御、照明器具9bをON制御する。
また、上記同様に、人が矢印C1の方向から移動すると、焦電センサ13bがまず検知し、その後、矢印C2に移動すると焦電センサ13aが検知する。この場合、最初に、無線発信器8から照明器具9bのON制御要求を無線受信器7が受信し、無線受信器7は、ON通知を伝送ユニット2に対して行い、リレー制御用端末器3は、照明器具9bをON制御する。次に、人が矢印C2の方向に移動すると、焦電センサ13a,13bから検知信号を受けた無線発信器8は、照明器具9bのOFF制御要求と照明器具9aのON制御要求とを無線受信器7に送信する。無線受信器7は、照明器具9bのOFF通知と照明器具9aのON通知とを伝送ユニット2に送信する。そして、伝送ユニット2から制御要求情報を受けたリレー制御用端末器3は、照明器具9bをOFF制御、照明器具9aをON制御する。
以上、本実施の形態2に係る照明制御システム1では、無線発信器8で動作制御される照明器具9a,9bを焦電センサ13a,13bにより変更できる。このため、上記実施の形態1の効果に加えて、焦電センサ13a,13bで検出される人の移動方向に応じて制御する照明器具9a,9bを変更できる。
なお、本発明は、上記各実施の形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、無線発信器に備わる焦電センサは2つに限定されるものではなく、3つ以上の焦電センサを用いることで、人の直線的な動きのみでなく曲線的な動きをも検知して、該検知情報に基づいて、より正確な照明器具の動作制御を実現できる。
1 照明制御システム
2 伝送ユニット
3 リレー制御用端末器
4 リモコンリレー
5 リモコントランス
6 リモコンスイッチ
7 無線受信器
8 無線発信器(焦電素子モジュール)
87 無線送受信部(通信部)
11 ボディ
12 背面カバー
13 可動部
13a,13b 焦電センサ
24 電流電圧変換部
25 アンプ部
26 コンパレータ出力部
9,9a,9b 照明器具
X 軸線

Claims (5)

  1. 焦電素子を用いて検知範囲内の人体から放射される赤外線の変化を検知する焦電センサと、前記焦電センサによる検知結果に基づいて負荷を動作制御するための制御情報を送信する通信部と、を備える焦電素子モジュールであって、
    前記焦電センサを複数備え、
    前記焦電センサの各々に備わる焦電素子は、焦電素子モジュールとしての検出方向を正面としたとき、当該焦電素子の検出方向が当該正面の軸線に対して斜めになり、かつ互いに異なる方向に配置されている、ことを特徴とする焦電素子モジュール。
  2. 複数の前記焦電素子の検出方向は、前記軸線に対して軸対称となる、ことを特徴とする請求項1記載の焦電素子モジュール。
  3. 水平方向の検知範囲が180度以上となる、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の焦電素子モジュール。
  4. 焦電素子を用いて検知範囲内の人体から放射される赤外線を検知する焦電センサによる検知結果に基づいて照明負荷の動作を制御する無線発信器と、前記無線発信器と無線通信される無線受信器と、制御対象となる照明負荷を制御する制御端末器と、信号線を介して前記無線受信器及び前記制御端末器と接続されて制御データを送受信する伝送ユニットと、を備える照明制御システムにおいて、
    前記無線発信器は、前記焦電センサを複数備え、
    前記焦電センサの各々に備わる焦電素子は、前記無線発信器としての検出方向を正面としたとき、当該焦電素子の検出方向が当該正面の軸線に対して斜めになり、かつ互いに異なる方向に配置されている、ことを特徴とする照明制御システム。
  5. 前記照明負荷を複数備え、
    複数の前記焦電素子の検出方向は、前記軸線に対して軸対称となり、
    前記照明負荷と前記焦電センサの各々とは対応関係を有し、
    前記照明負荷は、前記焦電センサによる検知に応じて動作が制御される、ことを特徴とする請求項4記載の照明制御システム。
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