JP2909437B2 - 位置判別赤外線センサとそれを用いた感知方法 - Google Patents
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Description
量だけでなく、人体の位置及び移動方向を感知し得る位
置判別赤外線センサとこれを用いた感知方法に関する。
ric)型と量子型赤外線センサに区分される。超伝(pyroe
lectric)型センサは量子型に比べて感度は劣るが、安く
て製造が容易で、そして常温で駆動可能な非冷却型であ
る。このため、装置が簡単なので防犯、防災、空調機器
などに広く用いられている。人体の熱源のような種類の
熱源から放射される赤外線が超伝体に入ると、超伝体に
温度の変化が生じ、これに対応した超伝体の分極量の変
化による超伝電流が発生するため、超伝(pyroelectric)
型センサは熱源を感知することができる。
るPbTiO3、PZTのようなセラミック、またはL
iTaO3のような単結晶またはPVDFポリマーなど
が広く用いられており、強誘電体を薄膜化したものも用
いられている傾向にある。
る赤外線センサを説明する。
造図であり、図2は一般的な強誘電体の温度変化に対す
る分極量の変化を示すグラフであり、図3は従来の技術
による赤外線センサの等価回路図である。
示すように、赤外線感知素子である超伝体(強誘電体)
チップ1を支持台(upperter)2を用いて空中に浮かべた
構造を有する。超伝体チップ1の下側の基板3上にゲー
ト抵抗4と電界効果トランジスタFET5が形成されて
いる。超伝体の上部に赤外線フィルタ6が形成されてい
る。上記各部分は金属パッケージ7に入れられて密封し
た構造を有する。
は、図2に示すように、温度が増加すればするほど分極
量が段々減少する特徴をもつ。
の分極(polarization)が発生してその分極量に対応する
(+)(−)電荷を有する双極子(dipole)が存在する。
この際、T2温度の環境に温度を高めると、超伝の分極
量がP2まで減少し、P2分極量だけ双極子の数も減少し
て、P1−P2分極量(△P:減少分)だけの双極子の数
に該当する(+)(−)電荷が導線を通して抜け出す。
このように抜け出した(+)(−)電荷が超伝電流の流
れを形成し、その電流の変化から温度を敏感に感知す
る。
図3の等価回路図に示すように強誘電体の超伝体チップ
1がT1温度からT2温度に高くなると、分極量がP1か
らP2に減少し、それにより双極子の数も減少して、減
少した双極子の数だけ(+)(−)電荷が生成される。
このように生成された超伝電流はゲート抵抗4によって
インピーダンス変換して電界効果トランジスタ5のゲー
トに入力され、ゲートに入力された電圧によって電界効
果トランジスタ5が敏感に反応してセンサ感知信号を発
生させる。
センサは、人体の有無及び人体の動き程度に対応する温
度を感知することができるが、人体がどの方向の位置に
存在するか、即ち人体の方向及び遠、近と人体の移動方
向に対する情報を得ることができないという短所があっ
た。
であって、その目的とするところは、三つの超伝(pyroe
lectric)型赤外線感知素子上に遠、近及び左、右、中央
に分けられたガイドを設置して、人体の有無及び活動量
だけでなく、人体の位置及び移動方向を感知できるよう
にした位置判別赤外線センサ及びこれを用いた感知方法
を提供することにある。
外線センサは、人体から放射される赤外線を集束させる
集光手段と、空間の範囲を複数個の方向に分割して各方
向別に赤外線を導くガイド手段と、該集光手段とガイド
手段によって入射した赤外線が分散されないように該ガ
イド手段と集光手段を取り囲むケース手段と、該ガイド
手段とケース手段によって導かれた特定方向の赤外線を
感知するか、或いは複数個の方向から入射した赤外線を
感知する赤外線センサ手段と、該赤外線センサ手段の出
力を増幅し、ディジタル化及び比較分析する信号処理手
段とを備えており、そのことにより上記目的が達成され
る。
である。
側領域、右側領域、中央領域に分ける垂直ガイドと、遠
距離、近距離に分ける水平ガイドとを備えている。
ガイドは互いに交差して形成されている。
は、赤外線だけを透過させる赤外線フィルタと、透過し
た赤外線を感知して超伝電流を出力する赤外線感知部
と、該赤外線感知部を支える金属支持台と、該赤外線フ
ィルタ、赤外線感知部、金属支持台を外部の影響から保
護する金属パッケージとから構成された一体型のチップ
である。
数個の赤外線感知素子を有しており、該複数個の赤外線
感知素子は、前記ガイド手段によって分割されたそれぞ
れの領域で対応する各方向別に分離して同一平面のイン
ピーダンス変換部位に形成されている。
は、左側領域、右側領域、中央領域の方向及び遠距離か
ら放射される赤外線を感知し、一定の大きさと一定の間
隔を有する2個の上部赤外線感知素子と、近距離から放
射される赤外線を感知し、該上部赤外線感知素子の下部
に一定の間隔を有する下部赤外線感知素子とを備えてい
る。
前記赤外線センサ手段の出力を増幅する左信号、右信
号、近信号増幅部と、各該増幅部の信号を受けてディジ
タル信号にそれぞれ変換する第1、第2、第3A/D変
換部と、該第1A/D変換部と第2A/D変換部を比較
して中央信号を出力する比較部とを備えている。
赤外線センサを用いた感知方法は、該室内空間が複数個
に分割された方向と近距離から入射する赤外線を順次検
出して、各検出信号に対するカウンタ値を増加させるカ
ウンタ工程と、該カウンタ工程で検出された複数個の方
向変数に対するカウンタ値の高低によって人体の動き程
度を判断する動き判断工程と、該カウンタ工程で検出さ
れた近変数に対するカウンタ値の高低によって人体がど
のぐらい遠く或いは近くにあるかを判断する遠近判断工
程と、該カウンタ工程で検出された複数個の方向変数に
対するカウンタ値の高低によってどの方向に人体が存在
するかを判断する人体判断工程と、該カウンタ工程で検
出された複数個の方向と近距離変数を全て初期化し、設
定値を定め、該カウンタ工程に戻って繰り返し行う反復
工程とを包含しており、そのことにより上記目的が達成
される。
左側、中央、右側赤外線の強さだけで遠近を判断するこ
とができる。
線センサの強・弱によって発生する長いか或いは短い
‘ロー’信号の幅をマイコンにおける時間カウンタで表
す。
数個の方向変数に対するカウンタ値の高低によって人体
が存在するか否かを判断する工程を包含している。
による位置判別赤外線センサを説明する。
の構成図であり、図5は本発明による赤外線センサ部の
構成図であり、図6は本発明による赤外線感知部の配置
構成図であり、図7は本発明による位置判別赤外線セン
サの水平断面構造図であり、図8は本発明による位置判
別赤外線センサの垂直断面構造図である。
4に示すように、人体から放射される赤外線を集束させ
るフレネルレンズ11と、水平ガイド12b、垂直ガイ
ド12aを有する。位置判別赤外線センサは、フレネル
レンズ11で集束する赤外線を位置別に分離した特定赤
外線IRを感知素子側にガイドするガイド部12と、フ
レネルレンズ11とガイド部12を通過した赤外線IR
が分散されないようにガイド部12を取り囲むガイドケ
ース13と、ガイド部12とガイドケース13によって
導かれた赤外線を感知する赤外線センサ部14と、赤外
線センサ部14から発生した信号を増幅し、A/D変換
及び比較する信号処理手段15とを有する。
外線だけを選択的に透過させる赤外線フィルタ16と、
赤外線フィルタ16に透過した赤外線を感知して超伝電
流を出力する赤外線感知部17と、赤外線感知部17及
びインピーダンス変換部20を載せるパッケージの金属
支持台(stem)18と、赤外線フィルタ16、赤外線感知
部17、インピーダンス変換部20を内蔵して密封する
ようにするパッケージの金属キャップ19とからなる。
電界効果トランジスタFETとゲート抵抗を同一の基板
上に形成するインピーダンス変換部20と、インピーダ
ンス変換部20内において左、中、右方向及び遠距離を
感知できる上部の左右に配置された2個の水平及び遠距
離感知素子17a、17bと、近距離を感知できる下部
に配置された近距離感知素子17cとからなる。
子は、図7に示すように、左、右2つの水平及び遠距離
感知素子17a、17bが2つの垂直ガイド12aによ
って三つの領域に分けられるように設ける。
2aで分けられた水平及び遠距離感知素子17a、17
bのうち、中央領域に位置した赤外線素子によって感知
され、2つの水平及び遠距離感知素子17a、17bか
ら反応出力が現れるように構成する。遠近の区分のため
に左、中、右方向の近距離だけを感知する近距離感知素
子17cを水平及び遠距離感知素子17a、17bの下
端に設置する。
に遠、近距離間の相互干渉を排除するため、水平及び遠
距離感知素子17a、17bと近距離感知素子17cと
の間に水平ガイド12bを設置する。
ンサの動作を説明する。
ルレンズ11で集束して赤外線感知部17にフォーカシ
ングされるが、ガイド部12によって方向別に(左側、
右側、中央、遠、近)区分され、該当する領域から入っ
てくる赤外線IRが該当領域に位置した水平及び遠距離
感知素子17a、17bまたは近距離感知素子17cに
集まる。このように各領域別に感知された赤外線IR
は、赤外線感知部17のインピーダンス変換部20を経
てセンサ感知信号を発生させる。
の人体の出現領域に該当する赤外線感知素子から出力が
発生して、人体の位置及び移動方向、活動量を感知でき
るようにする。この際、人体の移動時の移動方向と速度
による各赤外線感知素子の順次的反応から移動方向を分
かることができ、人体の移動頻度による赤外線感知素子
の反応頻度から人体の活動量を感知できるようにする。
示すように、左、右、中央方向に対する感知角が発生す
るが、垂直ガイド12aによって水平及び遠距離感知素
子17a、17bが左側、中央側、右側方向の三つの領
域に分けられる。
該当する水平及び遠赤外線感知素子17a、17b側に
入射することを表し、入射角Bは中央部または左、右で
最大にどの程度まで傾いた赤外線が中央に位置した赤外
線感知素子に入射するかを表し、入射角Cは該当領域の
赤外線感知素子でなく、隣り合った赤外線感知素子に入
射する赤外線の方向を表すものである。
の範囲が決定されるが、中央部の感知角a1は図面上の
H1、f1、i1、h1、w1、g1によって決定され、左側
の感知角a2はフレネルレンズ11の視野角と図面上の
H1、f1、i1、h1、g1、s 1、l1によって決定され
る。
左右対称であるため、右側の感知角は左側と同一の原理
で説明される。
さ、f1はフレネルレンズ11の焦点距離、i1は垂直ガ
イド12aの設置角、h1は垂直ガイド12aの下端高
さ、w1は水平及び遠距離感知素子17a、17bの
幅、g1は垂直ガイド12aの間隔、l1は赤外線フィル
タ16のウィンドウの幅、s1は2g1−w1である。
る水平及び遠距離感知素子17a、17bの誤動作は、
フレネルレンズ11の焦点距離f1より一層長く傾斜し
て入射する赤外線によって発生することができる。この
現象は赤外線の入射強度が弱いために発生するもので、
水平及び遠距離感知素子17a、17bからの出力を信
号処理手段で基準電圧と比較して無視する方式でセンサ
の誤動作を防止する。
離感知素子17a、17bと近距離感知素子17cの間
に水平ガイド12bを設置して、赤外線を放射する人体
位置の遠近を効果的に区分し得るようにする。
知角b1はf1、j1、g1、c1、d1、h1によって決定
され、上部の遠距離感知角b2はf1、j1、p1、c1、
d1、h1によって決定される。
角、c1は水平及び遠距離感知素子17a、17bと近
距離感知素子17cとの間の距離、d1は2×w1(素子
の幅)−c1、e1は赤外線フィルタ16のウィンドウの
幅、p1はフレネルレンズ11下部の縦の幅、g1はフレ
ネルレンズ11上部の縦の幅である。
の感知領域を示す水平分布図であり、図10は本発明に
よる位置判別赤外線センサの感知領域を示す垂直分布図
である。
サのブロック構成図であり、図12は本発明による位置
判別赤外線センサの例示回路図である。
構成は、図11に示すように、各領域の赤外線を感知し
て左側信号、右側信号、近距離信号を出力する赤外線セ
ンサ部14と、信号処理手段15からなる。信号処理手
段15は、赤外線感知部17の左側信号を受けて増幅す
る左信号増幅部21と、赤外線感知部17の右側信号を
受けて増幅する右信号増幅部22と、赤外線感知部17
の近距離信号を受けて増幅する近信号増幅部23と、左
信号増幅部21、右信号増幅部22、近信号増幅部23
の各出力信号を受けて変換する第1、第2、第3A/D
変換部24、25、26と、第1、第2A/D変換部2
4、25の左、右側信号を受けて比較、演算して中間信
号を出力する比較部27とを含んで構成される。
うに、本発明の位置判別赤外線センサのブロック構成
は、直流電圧を供給する印加電源Vccと接地、電源端
のノイズを除去するために、印加電源Vccと接地との
間に並列に連結するコンデンサC12とC13、印加電源に
よって駆動され、左側信号、右側信号、近信号を出力す
る赤外線感知部17を含んで構成された赤外線センサ部
14と;非反転増幅器と反転増幅器がカップリングで構
成され、各増幅器の増幅度は増幅器に連結された抵抗と
コンデンサとの関係によって形成されて各信号を増幅す
る左信号、右信号、近信号増幅部21、22、23と、
比較器を使用して各増幅部の増幅された信号をディジタ
ル信号に変換する第1、第2、第3A/D変換部24、
25、26と、比較ゲートを使用して左信号と右信号を
比較処理する比較部27とを含んで構成された信号処理
手段15からなる。
判別赤外線センサの動作を説明する。 左側に人体が出
現すると、左側領域、右側領域、中央側領域に分ける垂
直ガイド12aによって入射した赤外線が赤外線感知部
17の水平及び遠距離感知素子17a、17bのうちの
左側感知素子に入射する。水平及び遠距離感知素子17
a、17b中の左側感知素子に入射した赤外線によって
左信号が発生して、その信号が左信号増幅部21の非反
転増幅器と反転増幅器を経て増幅され、増幅された信号
を第1A/D変換部24でディジタル信号に変換して左
側に人体があることを表す信号を発生する。
信号が‘ハイ’状態から‘ロー’状態になり、一般的に
赤外線感知素子に入射した赤外線の強さによって‘ロ
ー’信号の幅(期間)が異なる。即ち、人体が近くにあ
る場合には赤外線の強さが強くなって‘ロー’信号の幅
が広くなり、人体が遠くにある場合には赤外線の強さが
弱くなって‘ロー’信号の幅が短くなる。尚、右信号と
近信号も上記のような動作で進行する。
赤外線が中間側領域に入射すると、水平及び遠距離感知
素子17a、17bなどの中央部位、即ち左、右側感知
素子と電気的に連結された左右側部位に入射して左信号
と右信号が同時に発生し、その信号が各左右信号増幅部
21及び22の非反転増幅器と反転増幅器を経て増幅さ
れ、増幅された信号をそれぞれ第1、第2A/D変換部
24、25でディジタル信号に変換する。このようにデ
ィジタル変換された2つの信号を比較部27で比較し
て、2つの信号が全て‘ロー’信号である場合、人体が
中央側にあることを表す信号を発生する。
置判別赤外線センサを用いた感知方法を説明する。
サと例示回路図を用いた感知方法に対するフローチャー
トである。
た感知方法は、図13に示すように、位置判別赤外線セ
ンサの前方に人体が現れると、それぞれの左、中間、
右、近信号を検査する工程を行うが、まず中間信号が
‘ロー’であるかを検査して(101)、‘ロー’なら
ば中間信号の変数を増加させ(102)、‘ハイ’なら
ば次の信号である右信号がロー’であるかを検査して
(103)、‘ロー’ならば右側信号に対する変数を増
加させ(104)、ハイ’ならば次の信号である左信号
が‘ロー’であるかを検査して(105)、‘ロー’な
らば左側信号に対する変数を増加させ(106)、‘ハ
イ’ならば次の信号である近信号が‘ロー’であるかを
検査して(107)、‘ロー’ならば近信号に対する変
数を増加させ(108)、‘ハイ’ならば次の工程に移
る。
つが第1設定値X1以上であれば、人体の動きが多いと
いうことなのですぐ次の工程に移り(109)、左、中
間、右変数の全てが第1設定値X1以下であれば、一定
時間T1が経過したかを検査して、一定時間T1が経過し
ていると次の工程に移り、一定時間T1が経過していな
ければ初期工程(101)に戻る(110)。
下であるかを検査して(111)、第2設定値C1以下
であれば、人体が遠く離れているということなので遠近
の判断は遠に設定し(112)、近変数値が第2設定値
C1以上であれば、次の工程で第3設定値C2以上である
かを検査して(113)、第3設定値C2以上であれ
ば、人体が近いということなので遠近判断は近に設定し
(114)、近変数値が第2設定値C1以上であり第3
設定値C2以下であれば、遠近判断は中間に設定した後
次の工程を行う(115)。
間、右変数値が第4設定値C3以下であれば(11
6)、位置判断を無視して変数初期化部分に移り(11
7)、左、中間、右変数値の中の一つが第4設定値C3
以上であれば、中間変数が第5設定値C4以上であるか
を判断し(118)、第5設定値C4以上であれば、左
変数と右変数が同一であるかを検査して(119)、同
一であれば中間信号に設定した後初期化部分に移る(1
20)。左変数と右変数が同一でなければ、右変数と中
間変数が同一であるかを検査して(121)、同一であ
れば左、中間信号に設定して変数初期化部分に移り(1
22)、同一でなければ左変数と中間変数が同一である
かを検査して(123)、同一であれば右、中間信号に
設定して変数初期化部分に移り(124)、同一でなけ
れば左、中間、右の全方向信号に設定して変数初期化部
分に移る(125)。
るかを判断する部分で(118)、第5設定値C4以下
であれば、右変数が第6設定値C5以下であるかを検査
して(126)、第6設定値C5以下であれば左信号に
設定して変数初期化部分に移り(127)、右変数が第
6設定値C5以上であれば左変数が第6設定値C5以下で
あるかを検査して(128)、左変数が第6設定値C5
以下であれば右信号に設定して変数初期化部分に移り
(129)、左変数が第6設定値C5以上であれば左、
右信号を設定し変数初期部分(101)に移る(13
0)。上記工程後、全ての変数を初期化し(131)、
設定された値で出力を送り、フローチャートの初期部分
に戻る(132)。
おける近信号増幅部23、第3A/D変換部26と図1
3及び14のアルゴリズムにおける遠近判断工程(S1
11〜115)]を無くす場合、水平及び遠距離感知素
子17a、17bに入射した左、中間、右側赤外線の強
さだけで遠近を判断することができる。即ち、人体が遠
くいる場合には赤外線の強さが弱くなるので、‘ロー’
信号の幅が短くなって左、中間、右変数の‘ロー’に対
するカウンタ(counter)値が小さくなり、人体が近くい
る場合にはカウンタ値が大きくなる。従って、左、中
間、右側信号のカウンタ値が大きい数(X2)以上であ
れば近に設定し、カウンタ値が小さい数(X3)以下で
あれば遠に設定し、大きい数(X2)以下であり且つ小
さい数(X3)以上であれば中間距離に設定するアルゴ
リズムを追加して応用することができる。
赤外線センサとこれを用いた感知方法は、人体の有無だ
けでなく、人体の位置及び移動方向を感知することがで
きるため、エアコンのような空調機器に用いた場合、人
体の位置したところへ風を送る自動風量調節、快適度の
向上、及びそれによるエネルギー節約の効果を高めるこ
とができる。
フレネルレンズ、ガイド、赤外線感知素子だけによって
実現したために、その構造が簡単であり、小型及び軽量
化され、低廉な価格で作製することができる。
る。
性グラフである。
路図である。
成図である。
ある。
る。
平断面構造図である。
直断面構造図である。
を示す水平分布図である。
域を示す垂直分布図である。
ブロック構成図である。
詳細回路図である。
感知方法のフローチャートである。
感知方法のフローチャートである。
Claims (11)
- 【請求項1】 人体から放射される赤外線を集束させる
集光手段と、 空間の範囲を複数個の方向に分割して各方向別に赤外線
を導くガイド手段と、 該集光手段とガイド手段によって入射した赤外線が分散
されないように該ガイド手段と集光手段を取り囲むケー
ス手段と、 該ガイド手段とケース手段によって導かれた特定方向の
赤外線を感知するか、或いは複数個の方向から入射した
赤外線を感知する赤外線センサ手段と、 該赤外線センサ手段の出力を増幅し、ディジタル化及び
比較分析する信号処理手段とを備えており、 該ガイド手段は、左側領域、右側領域及び中央領域に分
ける垂直ガイドと、遠距離及び近距離に分ける水平ガイ
ドと、を有する 位置判別赤外線センサ。 - 【請求項2】 前記ガイド手段は扇形である請求項1に
記載の位置判別赤外線センサ。 - 【請求項3】 前記垂直ガイドと水平ガイドは互いに交
差して形成されている請求項1に記載の位置判別赤外線
センサ。 - 【請求項4】 前記赤外線センサ手段は、 赤外線だけを透過させる赤外線フィルタと、 透過した赤外線を感知して電流を出力する赤外線感知部
と、 該赤外線感知部を支える金属支持台と、 該赤外線フィルタ、赤外線感知部、金属支持台を外部の
影響から保護する金属パッケージとから構成された一体
型のチップである請求項1に記載の位置判別赤外線セン
サ。 - 【請求項5】 前記赤外線感知部は複数個の赤外線感知
素子を有しており、該複数個の赤外線感知素子は、前記
ガイド手段によって分割されたそれぞれの領域で対応す
る各方向別に分離して同一平面のインピーダンス変換部
位に形成されている請求項4に記載の位置判別赤外線セ
ンサ。 - 【請求項6】 前記赤外線感知素子は、 左側領域、右側領域、中央領域の方向及び遠距離から放
射される赤外線を感知し、一定の大きさと一定の間隔を
有する2個の上部赤外線感知素子と、 近距離から放射される赤外線を感知し、該上部赤外線感
知素子の下部に一定の間隔を有する下部赤外線感知素子
とを備えている請求項5に記載の位置判別赤外線セン
サ。 - 【請求項7】 前記信号処理手段は、 前記赤外線センサ手段の出力を増幅する左信号、右信
号、近信号増幅部と、 各該増幅部の信号を受けてディジタル信号にそれぞれ変
換する第1、第2、第3A/D変換部と、 該第1A/D変換部と第2A/D変換部を比較して中央
信号を出力する比較部とを備えている請求項1に記載の
位置判別赤外線センサ。 - 【請求項8】 室内空間の赤外線を感知する赤外線セン
サを用いた感知方法であって、 該室内空間が複数個に分割された方向と近距離から入射
する赤外線を順次検出して、各検出信号に対するカウン
タ値を増加させるカウンタ工程と、 該カウンタ工程で検出された複数個の方向変数に対する
カウンタ値の高低によって人体の動き程度を判断する動
き判断工程と、 該カウンタ工程で検出された近変数に対するカウンタ値
の高低によって人体がどのぐらい遠く或いは近くにある
かを判断する遠近判断工程と、 該カウンタ工程で検出された複数個の方向変数に対する
カウンタ値の高低によってどの方向に人体が存在するか
を判断する人体判断工程と、 該カウンタ工程で検出された複数個の方向と近距離変数
を全て初期化し、設定値を定め、該カウンタ工程に戻っ
て繰り返し行う反復工程とを包含している位置判別赤外
線センサを用いた感知方法。 - 【請求項9】 前記遠近判断工程は、左側、中央、右側
赤外線の強さだけで遠近を判断することができる請求項
8に記載の位置判別赤外線センサを用いた感知方法。 - 【請求項10】 前記カウンタ値は赤外線センサの強・
弱によって発生する長いか或いは短い‘ロー’信号の幅
をマイコンにおける時間カウンタで表す請求項8に記載
の位置判別赤外線センサを用いた感知方法。 - 【請求項11】 前記カウンタ工程は複数個の方向変数
に対するカウンタ値の高低によって人体が存在するか否
かを判断する工程を包含している請求項8に記載の位置
判別赤外線センサを用いた感知方法。
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