JP2014029306A - マスクの構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】二つの焦電素子の配列方向及び配列方向に対し垂直の方向において、動体の動きを精度良く検知することができるデュアルタイプの焦電センサのためのマスクの構造を提供する。
【解決手段】動体の検知感度を高めるためにデュアルタイプの焦電センサの検知面にかけられるマスクの構造は、赤外線を遮断するシート部と、そのシート部に形成された貫通孔からなる開口パターンとを含む。検知面における焦電センサの二つの焦電素子の配設方向をx方向とし、検知面におけるx方向に垂直の方向をy方向とし、x方向及びy方向それぞれの動体の動きに対して、二つの焦電素子に対する赤外線の照射範囲の割合が変化するように開口パターンが形成されている。
【選択図】図9

Description

本発明は、焦電センサにかけられるマスクの構造に関する。特に、動体の検知感度を高めるためにデュアルタイプの焦電センサの検知面にかけられるマスクの構造に関する。
焦電センサにマスクをかける従来技術として特許文献1が知られている。特許文献1では焦電センサのレンズにマスクをかけることで検知エリアを設定調節している。
焦電センサは、強誘電体セラミックスのような焦電体と言われる素子(以下「焦電素子」という)の焦電効果を利用する。焦電効果とは、動物や人体等(以下、単に「人体等」という)が放射する赤外線のような僅かな熱エネルギーの変化で、焦電体の表面に電荷が誘起され、起電力を発生する現象である。なお、動体とは、赤外線を放射する人体等を含む。
図1及び図2を用いて焦電素子91の動作原理を説明する。図1に示すように、分極処理を施した焦電素子91の分極は一定の温度T[℃]において安定している。この状態では、静電気の性質により、各分極(マイナス面及びプラス面)にはそれぞれ正及び負の浮遊電荷が吸引され、焦電素子91の上面と下面との間に電位差はない。
焦電素子91の赤外線が入射する側には図示しない黒化膜があり、赤外線が入射すると、黒化膜でその赤外線エネルギーを熱エネルギーに変換し、焦電素子91に温度変化ΔT[℃]を生じさせる。焦電素子91の分極には温度依存性があるため、図2のように、温度変化によって焦電素子91内部の分極の大きさが変化する。このとき、浮遊電荷による表面電荷は、分極の変化ほど早く温度変化に対応できないので、素子表面では、一時的に分極変化した分だけ電荷が存在する。この電荷による起電力によって電流が流れる。
次にデュアルタイプの焦電センサ90について説明する。図3はデュアルタイプの焦電センサ90の回路図を示す。デュアルタイプの焦電センサ90は、極性の異なる二つの焦電素子91R,91Lが検知面に配置される。二つの焦電素子91R,91Lが逆極性で直列に接続されている。二つの焦電素子91R,91Lの出力の差分を焦電センサ90の出力とする。そのため、以下のような特徴がある。
(1)二つの焦電素子91R,91Lを横切る方向(配設方向)に動体が移動すると、順次、+、−の方向に交流的な電圧変化が発生する。このため、センサ回路の出力電圧が大きくとれる。
(2)太陽光等の外光が二つの焦電素子91R,91Lに同時に入力した場合、逆極性に接続されているため、互いに打ち消し合って出力を発生しない。このため、誤作動を防げる。
(3)その他、振動や温度等の周囲の環境変化に対して強い。
このようなデュアルタイプの焦電センサ90は、集光性の高いフレネルレンズと組合せて使用されることが一般的である。しかし、比較的近距離の検知では、フレネルレンズの代わりにパンチングメタルのような開口パターンを持つマスクと組合せて小型化を実現したものが製品化されている。
図4は液晶ディスプレイの下部に取り付けられたマスク93の外観図を、図5はマスク93の開口パターンの概略図を、図6は動体81が焦電センサ80を横切る場合の不感地帯82(マスクの影)の変化を、図7Aは動体81が焦電センサ80の正面に位置する場合の不感地帯82と二つの焦電素子91R,91Lとの位置関係を、図7Bは動体81が焦電センサ80に対してx方向(左方向)に移動した場合の不感地帯82と二つの焦電素子91R,91Lとの位置関係を、図7Cは図7Aから図7Bへの不感地帯82の移動による出力のイメージを示す。ただし、図6、図7A及び図7Bにおいて、簡略化のため、開口パターン及び照射部分を円形状ではなく、開口パターン及び照射部分が存在する領域として表示している。
このようにマスクにより二つの焦電素子91R,91Lに赤外線が当たらない不感地帯82を任意に作り出すことで動体81の動きに対する検知感度を高めることができることが知られている。各焦電素子91R,91Lの面積を便宜上Total90%とすると、図7Bにおいて、焦電素子91Rの照射範囲が30%増加し、焦電素子91Lの照射範囲が30%減少し、その差分は60%となる。この差分を用いることで検知感度を高めることができる。
特開平10−162256号公報
しかしながら、従来技術は、y方向に動体が動いた場合、図7Dに示すように、二つの焦電素子91R,91Lに照射される赤外線の量は変わらないため、動体の動きを検知できない。つまり、二つの焦電素子91R,91Lの配列方向(x方向)に対して、動体の動きを検知することはできるが、配列方向に対し垂直の方向(y方向)に対する動体の動きを検知することはできない。
例えば、液晶ディスプレイは、ランドスケープ(長辺を水平に、短辺を垂直にした状態)で利用することもあれば、ポートレート(短辺を水平に、長辺を垂直にした状態)で利用することもある。液晶ディスプレイが何れの状態で利用されていても、利用者の動きを精度良く検知しようと思うと、二つの焦電センサ(ランドスケープ用の焦電センサとポートレート用の焦電センサ)を取り付けるか、もしくは、機械的に焦電センサを90度回転させるための機構等を取り付ける必要がある。
本発明は、二つの焦電素子の配列方向及び配列方向に対し垂直の方向において、動体の動きを精度良く検知することができるデュアルタイプの焦電センサのためのマスクの構造を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明の第一の態様によれば、動体の検知感度を高めるためにデュアルタイプの焦電センサの検知面にかけられるマスクの構造は、赤外線を遮断するシート部と、そのシート部に形成された貫通孔からなる開口パターンとを含む。検知面における焦電センサの二つの焦電素子の配設方向をx方向とし、検知面におけるx方向に垂直の方向をy方向とし、x方向及びy方向それぞれの動体の動きに対して、二つの焦電素子に対する赤外線の照射範囲の割合が変化するように開口パターンが形成されている。
本発明に係るマスクの構造を利用すれば、デュアルタイプの焦電センサで二つの焦電素子の配列方向及び配列方向に対し垂直の方向において、動体の動きを精度良く検知することができるという効果を奏する。
一定の温度T[℃]における焦電素子の状態を示す図。 温度変化によって焦電素子内部の分極の大きさが変化した状態を示す図。 デュアルタイプの焦電センサの回路図。 液晶ディスプレイの下部に取り付けられたマスクの外観図。 マスクの開口パターンの概略図。 動体が焦電センサを横切る場合の不感地帯の変化を示す図。 図7Aは動体が焦電センサの正面に位置する場合の不感地帯と二つの焦電素子との位置関係を、図7Bは動体が焦電センサに対してx方向(左方向)に移動した場合の不感地帯と二つの焦電素子との位置関係を、図7Cは図7Aから図7Bへの不感地帯の移動による出力のイメージを、図7Dは動体が焦電センサに対してy方向(上方向)に移動した場合の不感地帯と二つの焦電素子との位置関係を示す図 図8Aは第一実施形態に係るマスクの外観図を、図8Bはマスクの開口パターンの寸法例を示す図。 第一実施形態に係るマスクの開口パターンを含む構造の概略図。 図10Aは動体が焦電センサの正面に位置する場合の第一実施形態に係るマスクの開口パターンの不感地帯と二つの焦電素子との位置関係を、図10Bは動体が焦電センサに対してx方向(左方向)に移動した場合の第一実施形態に係るマスクの開口パターンの不感地帯と二つの焦電素子との位置関係を、図10Cは動体が焦電センサに対してy方向(上方向)に移動した場合の第一実施形態に係るマスクの開口パターンの不感地帯と二つの焦電素子との位置関係を示す図。 各開口パターンにおける動体の移動に伴う照射範囲の変化を示す図。 開口パターン112Aを含む構造の概略図を示す図。 図13Aは動体が焦電センサの正面に位置する場合の開口パターン112Aの不感地帯と二つの焦電素子との位置関係を、図13Bは動体が焦電センサに対してx方向(左方向)に移動した場合の開口パターン112Aの不感地帯と二つの焦電素子との位置関係を、図13Cは動体が焦電センサに対してy方向(上方向)に移動した場合の開口パターン112Aの不感地帯と二つの焦電素子との位置関係を示す図。 開口パターン112Bを含む構造の概略図を示す図。 図15Aは動体が焦電センサの正面に位置する場合の開口パターン112Bの不感地帯と二つの焦電素子との位置関係を、図15Bは動体が焦電センサに対してx方向(左方向)に移動した場合の開口パターン112Bの不感地帯と二つの焦電素子との位置関係を、図15Cは動体が焦電センサに対してy方向(上方向)に移動した場合の開口パターン112Bの不感地帯と二つの焦電素子との位置関係を示す図。 開口パターン112Cを含む構造の概略図を示す図。 図17Aは動体が焦電センサの正面に位置する場合の開口パターン112Cの不感地帯と二つの焦電素子との位置関係を、図17Bは動体が焦電センサに対してx方向(左方向)に移動した場合の開口パターン112Cの不感地帯と二つの焦電素子との位置関係を、図17Cは動体が焦電センサに対してy方向(上方向)に移動した場合の開口パターン112Cの不感地帯と二つの焦電素子との位置関係を示す図。 開口パターン112Dを含む構造の概略図を示す図。 図19Aは動体が焦電センサの正面に位置する場合の開口パターン112Dの不感地帯と二つの焦電素子との位置関係を、図19Bは動体が焦電センサに対してx方向(左方向)に移動した場合の開口パターン112Dの不感地帯と二つの焦電素子との位置関係を、図19Cは動体が焦電センサに対してy方向(上方向)に移動した場合の開口パターン112Dの不感地帯と二つの焦電素子との位置関係を示す図。 図20A及び図20Bは開口パターンを形成する複数の貫通孔が円形状でない場合の変形例を、図20C及び図20Dは開口パターンを形成する複数の貫通孔が四つ以上でなく、二つの焦電素子に対応するものである場合の変形例を、図20E及び図20Fは開口パターンを形成する複数の貫通孔が焦電センサの中心に対し点対称でない場合の変形例を、図20Gは開口パターンを形成する貫通孔が一つである場合の変形例を示す図。
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明に用いる図面では、同じ機能を持つ構成部には同一の符号を記し、重複説明を省略する。
<第一実施形態>
第一実施形態に係るマスク110の構造を含む焦電センサについて説明する。
図8Aはマスク110の外観図を、図8Bはマスク110の開口パターン112の寸法例を示す。
マスク110は、赤外線を遮断するシート部111と、そのシート部111に形成された複数の貫通孔からなる開口パターン112と取付部113とからなる。マスクの構造は、シート部111と開口パターン112とを含む。
例えば、マスク110は、金属板に対して打ち抜き加工を施すことによって成型される(パンチングメタル)。
焦電センサの検知面上において焦電センサの二つの焦電素子の配設方向をx方向とし、検知面上においてx方向に垂直の方向をy方向とする。開口パターン112は、従来の開口パターンに対して十分な傾斜を設けることにより、x方向及びy方向それぞれの動体の動きに対して、二つの焦電素子91R,91Lの照射範囲の割合が変化するように形成されている。
開口パターンが、焦電センサの中心を通るx方向の軸及びy方向の軸に関して対称である場合、x方向またはy方向の動体の動きに対して二つの焦電素子91R,91Lの照射範囲の割合が変化しない場合がある。ここで「焦電センサの中心」とは検知面上に配置された焦電素子91Rと焦電素子91Lとが点対称となるような点を意味し、「開口パターンが、焦電センサの中心を通るx方向の軸及びy方向の軸に関して対称である」とは「x方向及びy方向に対して垂直の方向をz方向とし、焦電センサの中心を通るx方向及びy方向の軸を、z方向に開口パターンの形成面までそれぞれスライドさせたx’軸及びy’軸に対して、開口パターンが線対称」であることを意味する。例えば、マスク93の開口パターンでは、y方向の動体の動きに対して二つの焦電素子91R,91Lの照射範囲の割合が変化しない。そのため、開口パターン112は、焦電センサの中心を通るx方向の軸及びy方向の軸に関して非対称となるように形成される。またx方向の軸(x’軸)及びy方向の軸(y’軸)により二つに分割される開口パターンの面積比が同一となるように開口パターンが形成される。
例えば、開口パターンは、焦電センサの中心に対し点対称である。ここで、「焦電センサの中心に対し点対称」とは、「焦電センサの中心をz方向に開口パターンの形成面までスライドさせた点o’に対し点対称」であることを意味する。
本実施形態では、開口パターン112は、八つの貫通孔112−1〜112−8からなる。
三つの貫通孔112−1〜112−3はy方向に延伸する第一貫通孔列を構成し、三つの貫通孔112−5〜112−7はy方向に延伸する第二貫通孔列を構成する。貫通孔112−4は、第一貫通孔列の、第二貫通孔列がない側に配置される。貫通孔112−8は、第二貫通孔列の、第一貫通孔列がない側に配置される。二つの貫通孔112−2及び112−7はx方向に延伸する列を形成し、二つの貫通孔112−3及び112−6はx方向に延伸する列を形成する。三つの貫通孔112−4、112−1及び112−2は、正三角形の頂点の位置に配置されている。三つの貫通孔112−8、112−5及び112−6は、正三角形の頂点の位置に配置されている。
言い換えると、三つの貫通孔112−1〜112−3は、順に等間隔に並べられ、y方向に延伸する第一貫通孔列を構成する。三つの貫通孔112−5〜112−7は、それぞれ焦電センサの中心に対し、三つの貫通孔112−1〜112−3の点対称となるように形成され、第二貫通孔列を構成する。貫通孔112−2及び112−7はx方向において隣接し、貫通孔112−3及び112−6はx方向において隣接する。貫通孔112−4は、焦電センサの中心から見て、第一貫通孔列の外側に形成される。そして、三つの貫通孔112−4、112−1及び112−2は、正三角形の頂点の位置に配置されている。貫通孔112−8は、焦電センサの中心に対し、貫通孔112−4の点対称となるように形成される。
例えば、第一貫通孔列と第二貫通孔列とのx方向における距離は0.5mm、各貫通孔の直径は0.5mm、正三角形の頂点を成す貫通孔の中心間の距離は0.9mmである。これらの距離や直径は、シート部111と焦電素子との距離(例えば、1.1mm)や、焦電素子の位置、大きさ等により適宜設定すればよい。なお、焦電素子としてはPZT(lead zirconate titanate:チタン酸ジルコン酸鉛)系焦電体セラミックス等がある。PZT系焦電体セラミックスは、チタン酸鉛(PvTiO)とジルコン酸鉛(PbZrO)の固溶体になっているセラミックスである。
図9は、開口パターン112を含む構造の概略図を示す。図10は開口パターン112によって生じる不感地帯102の位置を表し、図10Aは動体が焦電センサの正面に位置する場合の不感地帯102と二つの焦電素子91R,91Lとの位置関係を、図10Bは動体が焦電センサに対してx方向(左方向)に移動した場合の不感地帯102と二つの焦電素子91R,91Lとの位置関係を、図10Cは動体が焦電センサに対してy方向(上方向)に移動した場合の不感地帯102と二つの焦電素子91R,91Lとの位置関係を示す。ただし、簡略化のため、照射部分を円形状ではなく、照射部分が存在する領域として表示している。
マスク110の開口パターン112に上述の形状とすることで、図11に示すように、x方向及びy方向それぞれの動体の移動に対して、二つの焦電素子91R,91Lの照射範囲の割合が変化する。図10Bにおいて、焦電素子91Rの照射範囲が22.5%増加し、焦電素子91Lの照射範囲が30%減少し、その差分は52.5%となる。また、図10Cにおいて、焦電素子91Rの照射範囲が30%増加し、焦電素子91Lの照射範囲が30%減少し、その差分は60%となる。従来技術とほぼ変わらないx方向の検知感度を可能としつつ、従来技術ではできなかったy方向の検知が可能となる。また、焦電素子91R,91L及びマスク110の開口パターン112を90度回転させて取り付ければ、従来技術と変わらないx方向の検知感度で、従来技術ではできなかったy方向の検知が可能となる。
ただし、図11の数値は、図10や後述する図13、図15、図17及び図19のように不感地帯が理想的な形状で変化し、動体が理想的な距離で動いたときの数値であり、開口パターンとその不感地帯との関係を概念的に説明するために例示した値であって実際の照射範囲の割合とは必ずしも一致しない。よって、図8B記載の寸法としても必ずしも図11の数値とはならない。また、実際のマスクの構造の設計においては、理想的に不感地帯が変化し、動体が移動すると想定して、要求される仕様に合うように、図9や後述する図12、図14、図16及び図18のような開口パターンを設計する。例えば、x方向とy方向の感度のバランスが良いものを要求される場合には、図9のような開口パターンを設計する。
<効果>
このような構成のマスクの構造を利用すれば、デュアルタイプの焦電センサでx方向及びy方向において、動体の動きを精度良く検知することができる。
<その他の変形例>
本発明は上記の実施形態及び変形例に限定されるものではない。例えば、開口パターンは上述の開口パターン112に限定されるものではなく、従来の開口パターンに対して傾斜を設けることにより、x方向及びy方向それぞれの動体の移動に対して、二つの焦電素子91R,91Lの照射範囲の割合が変化するように開口パターンを形成し、これによってx方向及びy方向の動体の動きを検知可能とすればよい。例えば、焦電センサの中心を通るx方向の軸及びy方向の軸に関して対称でなく、焦電センサの中心に対し点対称であればよい。
図12、図14、図16及び図18は、それぞれマスク110の開口パターン112A、112B、112C及び112Dを含む構造の概略図を示す。
図13、図15、図17及び図19は、それぞれ動体の位置に対する不感地帯102A、102B、102C及び102Dの位置を表す。なお、不感地帯102A、102B、102C及び102Dは、それぞれ開口パターン112A、112B、112C及び112Dによって生じる。図13A、図15A、図17A及び図19Aは、それぞれ動体が焦電センサの正面に位置する場合の不感地帯102A、102B、102C及び102Dと二つの焦電素子91R,91Lとの位置関係を示す。図13B、図15B、図17B及び図19Bは、それぞれ動体が焦電センサに対してx方向(左方向)に移動した場合の不感地帯102A、102B、102C及び102Dと二つの焦電素子91R,91Lとの位置関係を示す。図13C、図15C、図17C及び図19Cは、それぞれ動体が焦電センサに対してy方向(上方向)に移動した場合の不感地帯102A、102B、102C及び102D2と二つの焦電素子91R,91Lとの位置関係を示す。
図11、図13、図15、図17及び図19から開口パターン112A、112B、112C及び112Dを用いれば、何れの場合も、焦電センサはx方向及びy方向の動体の動きを検知することができることが分かる。特に、y方向の検知感度を上げたい場合には、開口パターン112Cが有効である。また、x方向の動体の動きに関して、従来技術と同程度の検知感度を維持したい場合には、開口パターン112Dを利用するか、または、焦電素子91R,91L及び開口パターン112を90度回転させて用いるとよい。両方向に対する検知感度を総合すると、開口パターン112が最も優れている。
なお、開口パターンを形成する複数の貫通孔は、必ずしも円形状である必要はなく、適宜変更すればよい。例えば、図20A、図20Bに変形例を示す。
また、開口パターンを形成する複数の貫通孔は、必ずしも四つ以上である必要はなく、二つの焦電素子に対応すればよく、適宜変更すればよい。例えば、図20C、図20Dに変形例を示す。
また、開口パターンを形成する複数の貫通孔は、必ずしも焦電センサの中心に対し点対称である必要はなく、適宜変更すればよい。例えば、図20E、図20Fに変形例を示す。
さらに、開口パターンを形成する貫通孔は、必ずしも複数からなる必要はなく、一つの貫通孔からなるものでもよく、適宜変更すればよい。例えば、図20Gに変形例を示す。要は、x方向及びy方向それぞれの動体の動きに対して、二つの焦電素子に対する赤外線の照射範囲の割合が変化するように開口パターンが形成されていればよい。
また、開口パターンを形成する貫通孔は、シート部111を貫通するものであって、赤外線を通過させるためのものであればよく、必ずしもマスク110の内側(二つの焦電素子が配置される側)と外側とを連通する必要はない。例えば、赤外線を透過するフィルム等をシート部に貼合し、貫通孔を塞いでもよい。
また、本実施形態では、金属板に対して打ち抜き加工を施すことによってマスク110を成型しているが、赤外線を透過するフィルム等に、貫通孔からなる開口パターンが形成されるように、赤外線を遮断するシート部を印刷してもよい。
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
110 マスク
111 シート部
112、112A、112B、112C、112D 開口パターン
112−1〜112−8 貫通孔
113 取付部

Claims (5)

  1. 動体の検知感度を高めるためにデュアルタイプの焦電センサの検知面にかけられるマスクの構造であって、
    赤外線を遮断するシート部と、そのシート部に形成された貫通孔からなる開口パターンとを含み、
    前記検知面における前記焦電センサの二つの焦電素子の配設方向をx方向とし、前記検知面におけるx方向に垂直の方向をy方向とし、x方向及びy方向それぞれの動体の動きに対して、二つの焦電素子に対する赤外線の照射範囲の割合が変化するように前記開口パターンが形成されていること、
    を特徴とするマスクの構造。
  2. 請求項1記載のマスクの構造であって、
    前記焦電センサの中心を通るx方向の軸に関して、前記開口パターンは非対称であり、x方向の軸により二つに分割される開口パターンの面積比が同一であること、
    を特徴とするマスクの構造。
  3. 請求項1または2記載のマスクの構造であって、
    前記焦電センサの中心を通るy方向の軸に関して、前記開口パターンは非対称であり、y方向の軸により二つに分割される開口パターンの面積比が同一であること、
    を特徴とするマスクの構造。
  4. 請求項1から3の何れかに記載のマスクの構造であって、
    前記開口パターンは、前記焦電センサの中心に対し点対称であること、
    を特徴とするマスクの構造。
  5. 請求項4記載のマスクの構造であって、
    前記開口パターンは、
    y方向に延伸する第一貫通孔列を構成する第一貫通孔、第二貫通孔及び第三貫通孔と、
    y方向に延伸する第二貫通孔列を構成する第五貫通孔、第六貫通孔及び第七貫通孔と、
    前記第一貫通孔列の、前記第二貫通孔列がない側に配置された第四貫通孔と、
    前記第二貫通孔列の、前記第一貫通孔列がない側に配置された第八貫通孔とを含み、
    前記第二貫通孔及び第七貫通孔は、x方向に延伸する列を形成し、
    前記第三貫通孔及び第六貫通孔は、x方向に延伸する列を形成し、
    前記第四貫通孔、前記第一貫通孔及び前記第二貫通孔は、正三角形の頂点の位置に配置されており、
    前記第八貫通孔、前記第五貫通孔及び前記第六貫通孔は、正三角形の頂点の位置に配置されていること、
    を特徴とするマスクの構造。
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