JP3133907U - 赤外線検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の赤外線検出素子と複数の光学素子を有する光学系を組み合わせた赤外線検出装置において、それぞれの赤外線検出素子が独立する検出回路間のクロストーク出力を低減抑制させた、独立した赤外線検出領域を持つことを可能にする。
【解決手段】複数の赤外線検出素子を、赤外線検出領域を識別する回路数分の赤外線透過窓を有し且つ赤外線透過フィルターを具備した金属缶ケースで同一パッケージに格納した焦電型赤外線検出器を用い、前記焦電型赤外線検出器と光学系の間に赤外線遮蔽板が設置された複数の光学素子を有する光学系を組み合わせ、それぞれ独立した赤外線検出領域を実現する。
【選択図】図１

Description

本考案は、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ものである。

従来、人体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１０に示すようなクワッド型、もしくは一般的なデュアル型の赤外線検出素子部を有する焦電型赤外線検出器と、複数の光学素子を有するフレネルレンズ等の光学系一つを組み合わ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、赤外線検出素子の受光電極の形状及び大きさと、光学系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、光学系を通して焦電型赤外線検出器の検出素子受光電極へ集光され、この赤外線検出素子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、信号出力が得られなくなる。従って、組み合わせられ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、複数の光学素子を有する光学系を組み合わせる手法が用いられる。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。

図９に示すように、一つのパッケージに格納された焦電型赤外線検出器１２と複数の光学素子２を有する光学系３を組み合わせ、図７のような赤外線検出領域を実現すれば、その検出領域内における人体の存在検知が可能である。

また、人体の存在領域の識別を行い、且つ安価で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８及び図９に示す実願２００６−９３９４号に記される様な焦電型赤外線検出器と光学系の間に赤外線非透過性材料から成る赤外線遮蔽板４を設置し、赤外線検出領域を分別し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知られている。

しかしながら、広角度に渡る複数の赤外線検出領域を設計する場合では、例えば図８に示される従来型の赤外線検出装置の光学系構造において赤外線検出領域Ａ側について考えた場合、赤外線遮蔽板４より遠方に位置する、赤外線検出領域内の最外角度部を検出する様に光学配置された光学素子２−ａより入光される赤外線は、赤外線透過フィルター１０を具備した１つの赤外線透過窓９を有する金属缶ケース８と、赤外線検出素子１並びに光学素子２の焦点距離との関係より、本来の赤外線検出領域Ａ側から入光した赤外線を受光する電極５−Ａ部に到達する入光線路１４−Ａと、他方の受光電極５−Ｂ側にも到達する赤外線光路１４−Ｂ’が存在する為、受光電極５−Ｂに対応する回路側からの検出信号が取り出されてしまい、すなわち検出信号が発生しない筈の他方の検出回路側から検出信号が発生するいわゆるクロストークが発生して、例えば人体表面温度と検出領域の背景温度との温度差が大きい場合、赤外線エネルギーの変化量が大きくなり検出信号が増大する為、前記クロストーク出力が増大し、結果として複数の検出回路が検出信号を発生する形となり、実人体の存在する検出領域の識別が曖昧になっていた事が判明した。
その為、赤外線検出素子が組み合わされる複数の光学素子の一部（例えば２−ａ部）においては、本来の存在しない検出領域帯が１５−Ｂ'として形成されて検出領域Ａと分別されず共有する形になる。また、検出領域Ｂ側からの観点で考えた場合も同様の現象が生じ赤外線光路１４−Ａ’と検出領域１５−Ａ’が形成される事になり、検出領域が混在する為、人体存在領域の識別という目的を満足する事が出来なくなってしまうという問題点が生じていた。
実願２００６−９３９４号

解決しようとする問題点は、広角度範囲の赤外線検出領域を有し、複数の赤外線検出素子と複数の光学素子を有する赤外線遮蔽板を具備した光学系をそれぞれの赤外線検出素子が独立した光学素子と組み合わせる場合において、独立した検出回路間のクロストーク発生により、完全に分離独立した赤外線検出領域を持つことを実現できない点である。

本考案は、図１に示す様な複数の赤外線検出素子を各赤外線検出素子への赤外線入光を制限する、投影された赤外線検出領域を識別する回路数分の赤外線透過窓を有した金属缶ケースにより一つのパッケージ内に格納した焦電型赤外線検出器と、複数の光学素子を有する赤外線遮蔽板を具備した光学系を組み合わせ、各赤外線検出素子への赤外線入光範囲を制限する事で独立した検出回路間でのクロストーク発生を抑制し、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である事を特徴としている。

更にまた、赤外線透過フィルターを通して赤外線検出素子へ到達した赤外線は、金属缶ケースと内部配線基板との間で乱反射を生じ入射迷光として存在する場合があり、例えば赤外線透過窓９−Ａを通ったこれらの赤外線迷光１３が、赤外線検出素子上に形成される受光電極５−Ｂ側へと伝搬し、到達感知され検出信号を生ずる場合が考えられる。従って赤外線検出器内部の赤外線迷光１３によるクロストーク出力を低減抑制する為に、独立配置された赤外線検出素子１を、図３に示す様に焦電型赤外線検出器内に分割独立させて配置し、この分割配置された複数の赤外線検出素子間に、赤外線迷光を入射を制限する赤外線遮蔽機構１１を具備し、クロストークの発生レベルを減衰させて、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である事を特徴としている。

本考案の赤外線検出装置によれば、複数の赤外線検出素子を、赤外線検出領域を識別する回路数分の赤外線透過窓を有し且つ赤外線透過フィルターを具備した金属缶ケースで同一パッケージに格納した焦電型赤外線検出器として、後述する本実施例に示される様な例えば２つの赤外線検出回路を赤外線透過窓を２分化した金属缶ケースで同一パッケージ内に格納した焦電型赤外線検出器を、複数の光学素子を有する光学系２−Ａと２−Ｂをキャップ形状に一体化し赤外線遮蔽板と共に組み合わせることで、独立した検出回路間クロストーク出力を抑制する事が可能となり、また、それぞれ独立した赤外線検出領域を有する事によって、赤外線検出装置としての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、加えて小型化且つコストアップを抑えた低価格な赤外線検出装置を容易に提供できる効果がある。

更に、前記赤外線遮蔽機構１１に黒色非透過性材料を使用すれば、金属缶ケース内側の赤外線反射や二次輻射熱等の外的影響防止の一助にもなり得る為、検出器自身の赤外線検出性能を安定させ、投影される赤外線検出領域においても正確な赤外線変動検出（人体存在識別）を行う事が可能な優れた赤外線検出装置を提供できる。

それぞれの赤外線検出素子が異なる検出領域を持つことを実現し、独立して配置された検出回路間クロストーク出力の発生を抑え、検出信号を発した赤外線検出回路により人体の存在領域の識別を可能にする赤外線検出装置として、図１並びに図３に本考案で使用する赤外線検出装置の斜視方向透視概要図、図２並びに図４には側断面構成概略を示す。図５には本考案で使用する焦電型赤外線検出器の内部回路図を示し、図６は検知対象距離５ｍ地点に投影される赤外線検出領域の概要である。以下、これらの図を用いて本考案を具体的に述べる。

ＴＯ−５型パッケージの焦電型赤外線検出器中のガラスエポキシ等の配線基板６の裏背面側には、ペースト状半田がスクリーン印刷にて塗布され、半田塗布部分には自動チップ実装機を用いてＦＥＴ１７、負荷抵抗１８等の部品を実装し、リフロー炉にて半田付けされ、これらの部品は機械的に固定され電気的に接続される。また配線基板には複数の焦電型赤外線検出素子、検出回路を同一のパッケージ内に収めるため、複数の回路配線を有している。
この様な工程を経た部品実装済み配線基板は、電源供給端子、出力端子、グランド端子等の各端子を備えた金属製ヘッダー７に半田付けされ、機械的に固定され電気的に接続される。また、配線基板の表面には、赤外線受光部分となる焦電セラミックから成る赤外線検出素子１が導電性接着剤にて接着固定される。赤外線検出素子には真空蒸着等の技術により、素子表面に受光電極５、背面側には焦電素子と配線基板を電気的に接続するための配線電極が形成される。図１における赤外線検出素子は、１．１ｍｍ×１．１ｍｍの受光電極２つが１．１ｍｍ間隔で配置され、それらが直列に接続されるデュアル型の受光電極配置を同一パッケージ内に２組有し、それぞれが１．１ｍｍ間隔で配置されたクワッド型の電極配置とされ、且つそれぞれが独立して出力する２回路入りの仕様を実施例として挙げている。
この様にして組み立てられた半完成品は、物体より発せられる赤外線を入射透過させるシリコン材等のフィルタ−を缶窓部に接着された金属ケースと溶接される。ここでは、検出回路を２組有する構成としている為、赤外線透過窓９を２つ有した金属缶ケース８にて赤外線検出領域を２分化する回路構造としている。尚、各図中には配線基板上の回路接続用結線が存在するのであるが、図が煩雑となる為割愛をした。

ＴＯ−５型パッケージにデュアル型を２回路内蔵した焦電型赤外線検出器１２は、赤外線検出装置の配線基板に実装される。更にこ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２を有する光学系を具備した光学キャップ３が、赤外線検出装置の配線基板にフックもしくはネジ等で機械的に固定止めされる。この場合、焦電型赤外線検出器内の検出回路１６−Ａの受光電極５−Ａと検出回路１６−Ｂの受光電極５−Ｂは、それぞれ各赤外線透過窓９−Ａ及び９−Ｂと、光学系２−Ａ、２−Ｂを介して、検出領域１５−Ａ、並びに１５−Ｂからの赤外線入射を受ける。またこの実施例において光学キャップ３の構造は、焦点距離７．５ｍｍ±０．３ｍｍとし、各赤外線検出領域当たり５個、計１０個の光学素子を有するポリエチレンから成る赤外線透過材を使用するものとした。

この光学キャップ３の内側には、光学系２−Ａと２−Ｂの間に、赤外線入光路を遮断する為赤外線非透過材料、例えばＡＢＳ等から成る赤外線遮蔽板４を具備させ、光学系２−Ａを透過した赤外線が受光電極５−Ｂ、光学系２−Ｂを透過した赤外線が受光電極５−Ａに到達しない様に入射低減させる機構を施している。またこの場合、焦電型赤外線検出器１２は赤外線透過窓部９が２分割されているので、例えば図２中に位置する赤外線光線１４は、光学素子２−ａから入射される赤外線として受光電極５−Ａ側には光線１４−Ａが入射するが、受光電極５−Ｂ側には光線１４−Ｂ'の赤外線入光線路が赤外線遮蔽板４と金属缶ケース８で遮断され赤外線入射量を低減させる。そしてこの前記受光電極５−Ａと５−Ｂは、それぞれ独立した赤外線検出回路１６−Ａ、１６−Ｂに接続されており、それぞれ独立して出力する為、例えば前記光学素子２−ａ部における赤外線検出については、受光電極５−Ａ側に対応する回路１６−Ａにおいては赤外線検出信号を発生し、受光電極５−Ｂ側に対応する回路１６−Ｂでは微少量の赤外線検出信号しか発生しないので、受光電極５−Ａ側すなわち検出領域１５−Ａ側が人体の存在する領域であると識別する事が可能となる。またここでは、赤外線検出装置の検出領域全体角度は１２０度仕様としており、光学素子２及び焦点距離、赤外線遮蔽板４並びに赤外線透過窓９、赤外線受光電極５の形状サイズ、更に赤外線透過フィルター６と赤外線検出素子１との距離、すなわち赤外線到達距離等を最適構想となる設計配置を施して、分離独立した赤外線検出領域並びに検出角度が得られる構成としている。

図３は、図１の焦電型赤外線検出器内の赤外線検出素子１を２分割し、この分割された素子上に受光電極５−Ａ並びに５−Ｂを形成し、独立して配置された各電極間に検出素子への赤外線迷光の拡散防止機構とする遮蔽板１１を設けた赤外線検出装置である。
前記遮蔽板１１は、フェライト材や黒色ポリカーボネイト等の非透過性材料を用いており、前記２分割された赤外線検出素子１と共に、適応設計された配線基板６上に配置される。この遮蔽機構設置により、焦電型赤外線検出器内部に発生存在する赤外線迷光１３は、図４で図示している例では受光電極５−Ａから受光電極５−Ｂ、並びに受光電極５−Ｂから受光電極５−Ａへ伝搬する赤外線量が減衰される事になる。

表１は、図２並びに図４に示す本考案に係わる焦電型赤外線検出器と、図８に示す従来技術の焦電型赤外線検出器とを同一焦電セラミック素材にて同一の受光電極形状サイズで規定配置を行い、同一の装置構成（回路系及び赤外線遮蔽板を具備した光学系）として作製した赤外線検出装置の独立した回路間クロストーク出力を調査した結果を示すものである。

ここで、検証条件として、光学系焦点距離７．５ｍｍ±０．３ｍｍ、焦電型赤外線検出器の受光電極面が床面に水平に位置する様に取り付けており、検知対象距離５ｍ地点での図６に示す丸囲み赤外線領域１５−ａ部分を人体像が通過する、すなわち検出領域１５−Ａ側を人体像が通過した時の検出対応する回路系１６−Ａの最大ピーク検出信号出力を１００％として規格化した場合の、測定対象領域Ｃ部分を人体像が通過した時の検出回路系１６−Ｂの最大ピーク検出信号出力比を表している。
この結果から、設計上赤外線検出領域とならない不感帯域Ｃ部分での独立した検出回路間クロストーク出力が従来技術の焦電型赤外線検出器の出力レベル比３０％に対して、実施例１の焦電型赤外線検出器では５．３％、実施例２の焦電型赤外線検出器では０．９％まで低減され、本来人体が存在するべき検出領域のみを赤外線検出装置が識別可能となる最適構成として得られる事を確認した。

また、実施例１の焦電型赤外線検出器において、受光電極５のサイズ及び配置を変更させて、表１で得られた実施例１の焦電型赤外線検出器搭載時の最大クロストーク出力比５．３％を越えない形状、つまり受光電極の横幅方向となるＸ方向最大有効サイズと独立した２組の隣り合う受光電極間の最小有効配置間隔について確認した所、受光電極横幅サイズ最大１．２５ミリメートル、隣接配置間隔最小０．８ミリメートルの条件までが同クロストーク出力比レベルになる事が得られた。

尚、本実施例では、ＴＯ−５型パッケージの独立２回路入りの焦電型赤外線検出器と、２分割とした光学系により、独立した２つの赤外線検出領域の場合を例として挙げたが、さらに検出領域を細分化する用途、例えば独立した３から４回路入りの焦電型赤外線検出器を用い３から４分割とした光学系と組み合わせた、３から４つの赤外線検出領域を有する赤外線検出装置を構成する場合に於いても適用できる。

本考案の実施例１に係わる赤外線検出装置を示す分解外観図である。 本考案の実施例１に係わる赤外線検出装置を示す断面概要図である。 本考案の実施例２に係わる赤外線検出装置を示す分解外観図である。 本考案の実施例２に係わる赤外線検出装置を示す断面概要図である。 本考案の実施例に係わる焦電型赤外線検出器の内部配線回路図である。 本考案の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。 従来の赤外線検出装置の赤外線検出領域を示した図である。 従来の赤外線検出装置を示す上面並びに断面概要図である。 従来の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。

符号の説明

１ 赤外線検出素子
２ 光学素子
２−Ａ 受光電極Ａ側の光学素子
２−Ｂ 受光電極Ｂ側の光学素子
２−ａ 受光電極Ａ側の光学素子の一部分
３ 光学キャップ
４ 赤外線遮蔽板（光学系側）
５ 受光電極
５−Ａ 受光電極Ａ
５−Ｂ 受光電極Ｂ
６ 電気的接続配線基板
７ ヘッダー
８ 金属缶ケース
９ 赤外線透過窓
９−Ａ 受光電極Ａ側の赤外線透過窓
９−Ｂ 受光電極Ｂ側の赤外線透過窓
１０ 赤外線透過フィルター
１１ 赤外線遮蔽板（焦電型赤外線検出器側）
１２ 焦電型赤外線検出器
１３ 赤外線迷光線
１４ 赤外線光路総称
１４−Ａ 受光電極Ａ側の赤外線光路の一ライン
１４−Ａ’受光電極Ｂ側に位置する赤外線光路の一ライン
１４−Ｂ 受光電極Ｂ側の赤外線光路の一ライン
１４−Ｂ’受光電極Ａ側に位置する赤外線光路の一ライン
１５ 赤外線検出領域総称
１５−Ａ 受光電極Ａにおける赤外線検出領域
１５−Ａ’受光電極Ｂ側に位置する赤外線検出域
１５−Ｂ 受光電極Ｂにおける赤外線検出領域
１５−Ｂ’受光電極Ａ側に位置する赤外線検出域
１５−ａ 受光電極Ａにおける赤外線検出領域の一部分
１６ 赤外線検出回路
１６−Ａ 赤外線検出回路Ａ
１６−Ｂ 赤外線検出回路B
１７ ＦＥＴ
１８ 負荷抵抗
Ｃ 測定対象領域

Claims (2)

1. 人体が放射する赤外線を光学系を介して受光し、その変化により信号出力を発する赤外線検出素子を有する焦電型赤外線検出器を具備した赤外線検出装置において、独立して配置された赤外線検出素子への赤外線入光を制限する為の赤外線検出回路数分の赤外線透過窓を有し、且つ赤外線透過フィルターを具備した金属缶ケースで同一パッケージに格納し、複数の光学素子を有する赤外線遮蔽板を具備した光学系と共に組み合わせ、前記複数の赤外線検出素子がそれぞれ独立した赤外線検出領域を有し、独立した回路間クロストーク出力を抑制して検出領域部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. 前記独立配置された複数の赤外線検出素子を分割独立させることで、独立して配置された検出素子間のクロストーク出力を低減抑制する為の赤外線入光を制限する赤外線遮蔽機構を具備し、分離独立した複数の赤外線検出領域を有する焦電型赤外線検出器から構成され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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