JP2014085321A - 赤外線検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の焦電型赤外線検出器と複数の光学素子を設けた光学系を組み合わせ、それぞれの焦電型赤外線検出器間のクロストーク出力を低減抑制させた分離独立した複数の赤外線検出領域を有する赤外線検出装置において、人体移動に対して存在識別の検出性能の優れた、小型且つコスト低減を可能とした赤外線検出装置を提供する。
【解決手段】光学系と検出素子の焦点距離が均一化される様に角度調整された赤外線遮蔽板を具備した一体型の台座上に複数の焦電型赤外線検出器を集約配置し、複数の光学素子を設けた焦電型赤外線検出器分の光学系を一体型の光学系として組み合わせる事で、それぞれ分離独立した複数の赤外線検出領域を有し、人体移動に対して存在識別の検出性能の優れた、小型且つコスト低減を可能とした赤外線検出装置を実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、人体検知、照明器具制御等に用いられる、赤外線を放射する人体が存在する領域の識別が可能な焦電型赤外線検出装置に関する。

人体を検出する手段として、物体から放射される赤外線を検出し、その赤外線エネルギーの変化を電気信号の変化として出力する焦電型赤外線検出器が用いられる。人体を検出する赤外線検出装置の構成としては、図８並びに図７（Ａ）に示す様なクワッド型、もしくは一般的なデュアル型の赤外線検出素子２を有する焦電型赤外線検出器１と、複数の光学素子４を設けたフレネルレンズ等の光学系５を組み合わせる方法が用いられる。この構成による赤外線検出装置の赤外線検出領域範囲は、赤外線検出素子２の受光電極３の形状及び大きさと、光学系５との焦点距離により決められる。

赤外線検出領域に存在する人体から放射される赤外線は、光学系５を通して焦電型赤外線検出器１内の赤外線検出素子２に形成された受光電極３へ集光され、この赤外線検出素子２は赤外線エネルギーの変化に応じて電気信号を出力する。周知の事であるが、焦電型の赤外線検出素子２は温度変化を検出するものであるので、検出領域における人体の移動が無い場合、或いは動作が非常に微少または緩やかである場合は信号出力が得られなくなる。従って、組み合わせる光学系は検出領域を細分化し、微少な動作を検出する為に、複数の光学素子４を設けた光学系５を組み合わせる手法が主に用いられる。この手法により、人体から放射される赤外線エネルギーの変化を電気信号として出力し、以降のオペアンプ等の電気信号増幅手段、コンパレータ等による電気信号比較手段を用いて、その電気信号の変化が人体によるものであるか否かを判断し、人体の存在有無を検出信号として出力する。

また、人体の存在領域の識別を行い、且つ従来の製造手法で赤外線検出装置を構成する手法としては、図７（Ｂ）に示す実用登録３１２９０５２号及び３１３３９０７号、３１５９６９３号に記される様な、焦電型赤外線検出器１と光学系５の間に赤外線非透過性材料から成る赤外線遮蔽板６を設置し、赤外線検出領域を分別且つクロストーク出力発生を抑制させて、複数の赤外線検出素子をそれぞれ異なる光学素子と組み合わせ、それぞれ分離独立した赤外線検出領域を有し、検出信号を出力した領域から人体識別を可能にする構造が、従来技術として知られている。

図５に示す様に、一つのパッケージに格納された複数の焦電型赤外線検出器１−ａ，１−ｂ，１−ｃ，１−ｄと複数の光学素子を設けた焦電型赤外線検出器分の光学系５−ａ，５−ｂ，５−ｃ，５−ｄを一体型の光学レンズ１０として組み合わせ、図６の様な赤外線検出領域７−ａ‘，７−ｂ’，７−ｃ‘，７−ｄ’を実現すれば、その検出領域内における人体移動に対する存在検知が可能である

実用登録３１２９０５２号 実用登録３１３３９０７号 実用登録３１５９６９３号

しかしながら、従来技術は、配光角度が広範囲となる赤外線検出領域を有し、前記赤外線検出領域が複数存在する赤外線検出装置の設計を考える場合において、例えば図５に示すＴＯ−５型パッケージの複数の焦電型赤外線検出器１と複数の光学素子を設けた焦電型赤外線検出器分の光学系５を一体化した光学系を組み合わせ、同一配線基板９上に搭載する赤外線検出装置では、それぞれが分離独立した赤外線検出領域を構成する為に、光学系５へ隣接する焦電型赤外線検出器間のクロストーク出力の発生低減させる赤外線遮蔽板６を具備させる赤外線遮蔽板取付機構を設ける必要がある。その為、搭載部品点数と組付作業時間が増加しコスト面の増加という非経済的である課題が生じていた。

更に、配線基板９上に独立配置されたそれぞれの焦電型赤外線検出器１と組み合わせる光学系５との焦点距離Ｆの関係は、設置上、光学設計的に不均一となっており、光学系５を通して同一円弧上の距離に投影される赤外線検出領域サイズは、配光角度が狭い赤外線検出領域の中央部分と広配光角度部となる最外部では投影サイズのバラツキが生じてしまう。従って、検出領域サイズと対象熱源である人体サイズとがマッチングしていない最外部は、人体移動に対する存在検知を示す赤外線検出性能が劣ってしまう事が判明した。

また昨今の人体の存在検知、識別等の赤外線検出装置を搭載する各種アプリケーションへの引き合いニーズ並びに新規市場への波及においては、現行機器への追加機能として搭載される場合が多く、且つ現有機能を損なわず赤外線検出を行う必要がある為、装置小型化と安価提供の要望が多くなっている。しかし、機器内における赤外線検出装置の格納スペースを確保する事が困難で、且つ搭載においてトータルコストを含めて設計考慮される場合では、赤外線検出機能の搭載汎用性に乏しい事があった。
本発明は、前記複数の焦電型赤外線検出器と複数の光学素子を設けた焦電型赤外線検出器分の光学系を一体化した光学系と共に組み合わせ分離独立された赤外線検出領域を有する、人体移動に対する存在検知、識別の検出性能が優れた、小型且つ安価な赤外線検出装置を提供するものである。

上記の課題を解決する為に、本発明は、請求項1として図１に示す様な複数の焦電型赤外線検出器を、光学系と検出素子の焦点距離が均一化される様に角度調整された一体型の台座上に集約設置し、且つ赤外線入光遮蔽板を具備し複数の光学素子を設けた焦電型赤外線検出器分の光学系を一体型の光学系と共に組み合わせた事を特徴とする赤外線検出装置である。

また、請求項2として、請求項１の赤外線検出装置内の複数の焦電型赤外線検出器を集約設置し、且つ角度調整された一体型の台座と、赤外線遮蔽機構が一体化した構造を成している事を特徴としている。

本発明は、請求項１において、独立して配置される複数の焦電型赤外線検出器を、光学系と検出素子の焦点距離が均一化される様に角度調整された一体型の台座上に集約設置し、且つ赤外線入光遮蔽板を具備し複数の光学素子を設けた焦電型赤外線検出器分の光学系を一体型の光学系として組み合わせる事で、それに伴い投影される赤外線検出領域における配光角度毎の検出領域サイズも均一となる為、赤外線検出性能のバランス調整並びに性能マッチングを施す事が可能となり、加えてそれぞれの焦電型赤外線検出器への赤外線入光範囲を制限し、隣接する焦電型赤外線検出器間でのクロストーク出力発生を抑制させた、それぞれ分離独立した赤外線検出領域を有する赤外線検出装置を提供する事が可能な効果を奏する。

更に、請求項2として、請求項１の赤外線検出装置内の複数の焦電型赤外線検出器を集約設置し、且つ角度調整された一体型の台座と、焦電型赤外線検出器間のクロストーク出力を低減抑制し赤外線入光を制限する赤外線遮蔽板が一体化した構造を成す為、搭載部品点数の増加並びに組付作業時間の増加抑制の一助ともなり、コストアップを抑えた低価格な赤外線検出装置として提供する事が可能となる。また、部品実装スペースの拡大抑制、つまりは配線基板面積の拡大抑制とそれに伴う光学系サイズの拡大を抑制する事にも繋がり、装置全体サイズの拡大抑制、すなわち小型の赤外線検出装置として、人体の存在領域識別機能が、従来の製造技術手法から特異する事無く実現される効果を奏する。

本発明の一実施例に係る赤外線検出装置を示す分解外観図である。 本発明の一実施例に係る赤外線検出装置を示す分解上面・側面概要図である。 本発明の一実施例に係わる赤外線検出装置の赤外線検出領域を示した図である。 本発明の一実施例に係る赤外線検出装置の図３に示す赤外線検出領域７−ａから７−ｂ、並びに７−ａから７−ｃへと熱源が移動した時の赤外線検出性能を示したデータ表である。 従来の独立した赤外線検出領域を有する赤外線検出装置を示す分解上面・側面概要図である。 従来の独立した赤外線検出領域を有する赤外線検出装置の赤外線検出領域を示した図である。 （Ａ）は一般的な赤外線検出装置を示す外観図であり、（Ｂ）は従来の独立した赤外線検出領域を有する赤外線検出装置を示す外観図である。 一般的な焦電型赤外線検出器の外観・受光電極配置を示した図である。

以下、本発明の実施の形態について、図を用いて詳細に説明する。図１に本発明で用いる赤外線検出装置の内部分解斜視図、図２には内部分解した上面・側面構成概略図を示す。図３は検知対象距離１．５ｍ地点に投影される赤外線検出領域の概要である。図４は、図３に示す赤外線検出領域内での熱源移動時の赤外線検出信号出力データ表である。尚、以下に記す実施形態は、本発明の好ましい例示であって、本発明の技術的範囲を制限するものでは無い。
本発明の実施例１に係る焦電型赤外線検出器１は、赤外線を受光し、赤外線入射量の変化により電荷を生じる赤外線検出素子と、赤外線検出素子より生じた電荷を電圧に変換するＦＥＴ及び抵抗が、赤外線透過材を具備した金属ＣＡＮケースと電気的接続を成すリード端子を備えたヘッダーにハーメチックされたクワッド型電極配列の焦電型赤外線検出器を用いている。前記焦電型赤外線検出器１は、それぞれの焦電型赤外線検出器内の赤外線検出素子２に、サイズが０．７５ｍｍ×０．７５ｍｍの受光電極を４個有し、それぞれが０．７５ｍｍ間隔で配置され、それらが直列に接続されるクワッド型の１回路入りＴＯ−５型パッケージ仕様を実施例として挙げている。
尚、本実施例では、前記クワッド型の焦電型赤外線検出器を用いて挙げているが、デュアル型、４エレメントデュアル型、またはデュアルツイン型等の焦電型赤外線検出器を用いても良い。更にパッケージ構造においても、フラット型や表面実装型等、多種形状の焦電型赤外線検出器を適用しても構わない。

計4個の焦電型赤外線検出器は4方向に分離独立して配置される様に、赤外線遮蔽板６を具備し、光学系と検出素子の焦点距離が均一化される様に傾斜角度を調整された台座８上に固定され、それぞれの焦電型赤外線検出器毎に、オペアンプ等の信号出力増幅回路が計4回路配線された基板９上に実装される。次にそれぞれの焦電型赤外線検出器を包み込むように、複数の光学素子を設けた光学レンズ１０が、赤外線検出装置の前記配線基板９にネジもしくはフック等で機械的に固定される。ここで、図１中の配線基板９上には回路接続用結線が存在するが、図が煩雑となる為割愛をした。

本実施例１において光学レンズ１０の構造は、レンズ部面積を１／４ずつ９０度に4分割された光学系５に、それぞれ１９個の光学素子を設けたものを用いている。また、前記光学系５はフレネル形状体から成る肉薄球面型レンズであり、各光学素子とそれぞれ規定配置された焦電型赤外線検出器１内の赤外線検出素子２との焦点距離Fとの関係が１１．０ｍｍ±０．３ｍｍに保持されており、合計７６個の光学素子を設けたポリエチレンから成る赤外線透過材を用いている。ここで、光学系５面には光学素子である肉薄のフレネル形状小レンズセグメントが配置されているが、図が煩雑となる為割愛をした。
尚、本実施例では、前記光学系５にフレネル形状を用いた例として挙げているが、両凸形状体もしくは片凸形状体から成る小レンズ多集合型の球面形状レンズ、もしくはフレネル形状と凸形状型セグメントの組み合わせ構成を用いても構わない。

図３は、前記赤外線検出装置の配線基板９面を床面に対して水平に位置する様に取り付け、検知対象距離１．５ｍ地点に投影される赤外線検出領域７を示している。本実施例１の組み合わせの場合、光学レンズ１０が４方向に９０度毎に区分された光学系５の境界に沿った下方位置に、赤外線入光路を遮断する為の赤外線非透過材料、例えばＡＢＳ等から成る赤外線遮蔽板６が具備された台座８を配置する事によって、光学系５−ａを透過した赤外線が焦電型赤外線検出器１−ａの受光電極３−ａ、光学系５−ｂを透過した赤外線が焦電型赤外線検出器１−ｂの受光電極３−ｂ、光学系５−ｃを透過した赤外線が焦電型赤外線検出器１−ｃの受光電極３−ｃ、光学系５−ｄを透過した赤外線が焦電型赤外線検出器１−ｄの受光電極３−ｄのみに入光される設計機構を施している。ここで、台座８は前記赤外線遮蔽板６と共に同質材料で一体化構造に形成され、且つ隣接する検出領域の重なりが無く、それぞれ分離独立した赤外線検出領域７−ａ、７−ｂ、７−ｃ、７−ｄに投影される様に、傾斜角度を設けている。更に、図３の４方向にそれぞれ分離独立した赤外線検出領域７は、前記台座８上にそれぞれの焦電型赤外線検出器を設置される事によって、光学系５との焦点距離Ｆが均一となる光学設計が施されている為、光学素子及び赤外線検出素子、焦点距離並びに赤外線遮蔽板との配置距離関係により、赤外線到達距離等を最適構想となる赤外線検出装置として構築されたものである。またここで、前記赤外線検出領域７の全体配光角度は１２０度仕様としている。

次に、図３に示す最外部の配光角度に位置する丸波線囲み赤外線検出領域１１において、上頭部からみた人体が通過する場合を想定し、３００ｍｍ×３００ｍｍサイズの熱源を矢視方向Ａ、すなわち赤外線検出領域７−ａから７−ｂへ１．０ｍ／秒で移動させた時の赤外線検出装置の出力モニタリングを行った。図４にその結果を示す。熱源が赤外線検出領域７−ａを通過後、赤外線検出領域７−ｂ側に侵入する領域境界ライン１４を境にして、出力ａは信号出力１３−ａが検出信号の発生無く安定し、出力bは信号出力１３−ｂが発生している。また、熱源移動の存在しない赤外線検出領域７−ｃ及び７−ｄでは、検出信号の反応は生じていない。この事は、焦電型赤外線検出器１−ａと光学系５−ａ、焦電型赤外線検出器１−ｂと光学系５−ｂとの組み合わせ構造と、赤外線遮蔽板６を具備し、光学系と検出素子の焦点距離が均一化される様に角度調整された一体型の台座８によって、隣接する赤外線検出領域７−ａと７−ｂ間のクロストーク出力発生を抑制し、所望する分離独立した赤外線検出領域が構成されているものと云える。

同様に、図３に示す最外部の配光角度に位置する丸波線囲み赤外線検出領域１２において、３００ｍｍ×３００ｍｍサイズの熱源を矢視方向Ｂ、すなわち、検出領域７−ａから７−ｃへ１．０ｍ／秒で移動させた時の赤外線検出装置の出力モニタリングを行った。赤外線検出信号出力は、領域境界ライン１５を境に出力ａから出力ｃへと、すなわち信号信号１３−ａ‘が１３−ｃへと発生移行しており、熱源移動の無い赤外線検出領域７−ｂの出力ｂ及び赤外線検出領域７−ｄの出力ｄにおいては、信号出力が検出されなかった。つまりは、図４の熱源移動矢視Ａに示された結果と同じく、分離独立した複数の赤外線検出領域７−ａと７−ｃが形成されている為、それぞれの焦電型赤外線検出器１−ａ、１−ｃ毎の検出回路から得られた信号出力１３−ａ‘と１３−ｃにより、人体の移動並びに存在する領域を識別する事が可能である事を示している。この様に前記赤外線検出装置内の複数の焦電型赤外線検出器１を集約設置し、且つ角度調整された一体型の台座８によって、人体移動に対する存在識別の検出性能が優れた、広範囲の配光角度を有する赤外線検出装置の作製が可能となる。

尚、本実施例では、ＴＯ−５型パッケージの1回路入りの焦電型赤外線検出器１と4方向に区分とした複数の光学素子を設けた光学系５により構成された、独立した４個の赤外線検出領域７の場合を例として挙げたが、例えば独立した２回路入りの焦電型赤外線検出器を用いて、２から４分割に区分化した光学系と組み合わせ、最大で８つの赤外線検出領域を有する赤外線検出装置を構築する、検出領域の多細分化構成に於いても適用可能である。

本発明の実施例の形態に係る赤外線検出装置は、分離独立された広範囲の配光角度を有する赤外線検出領域における、人体の検出制御の付加機能として一助となる事が云える。更に、人体移動に対して高検出性能を有する侵入者警戒、人体存在認識機能等の赤外線検出装置が、小型化且つコストアップを抑え容易に実現出来る事にも繋がる。この様な観点からも、本発明の実施例の形態に係る赤外線検出装置は、その効果が発揮されると云え、産業的に利用価値がある。

１−ａ、１−ｂ、１−ｃ、１−ｄ 焦電型赤外線検出器
２ 赤外線検出素子
３−ａ、３−ｂ、３−ｃ，３−ｄ 受光電極
４ 光学素子
５−ａ、５−ｂ、５−ｃ、５−ｄ 光学系
６ 赤外線遮蔽板
７−ａ、７−ｂ、７−ｃ、７−ｄ、７−ａ‘、７−ｂ’、７−ｃ‘、７−ｄ’独立分離した赤外線検出領域
８ 焦電型赤外線検出器固定用台座（赤外線遮蔽板付き、角度調整有り）
９ 電気的接続用配線基板
１０ 光学レンズ
１１ 矢視方向Ａに対する赤外線検出領域７−ａ，７−ｂの一部分
１２ 矢視方向Ｂに対する赤外線検出領域７−ａ，７−ｃの一部分
１３−ａ、１３−ａ‘、１３−ｂ、１３−ｃ 信号出力
１４ 赤外線検出領域７−ａ、７−ｂ領域境界ライン
１５ 赤外線検出領域７−ａ、７−ｃ領域境界ライン
Ｆ 焦点距離

Claims (2)

1. 独立して配置される複数の焦電型赤外線検出器を光学系と検出素子の焦点距離が均一化される様に角度調整された一体型の台座上に集約設置し、且つ赤外線入光遮蔽板を具備し複数の光学素子を設けた焦電型赤外線検出器分の光学系を一体型の光学系として組み合わせ、前記複数の焦電型赤外線検出器がそれぞれ分離独立した複数の赤外線検出領域を有し、検出領域内の赤外線変化より得られる信号出力から、赤外線を放射する人体が存在する領域を識別する事を特徴とする赤外線検出装置。
2. 焦電型赤外線検出器間のクロストーク出力を低減抑制し赤外線入光を制限する赤外線遮蔽機構が、複数の焦電型赤外線検出器を集約設置し、且つ角度調整された一体型の台座と一体化とした構造を成している事を特徴とする請求項1に記載された赤外線検出装置。

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