JP3211007U - 人体検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】環境温度が人体温度に近づき、電気信号が弱くなることに起因する一時的な不具合の発生を抑えることが可能な人体検知装置を提供する。【解決手段】人体検知装置は、赤外線を検知して対応する電気信号を生成するための焦電型赤外線センサ１０と、環境温度を検知して温度測定値を生成するための温度センサ１２と、温度センサと電気的に接続されるマイクロプロセッサ１４と、焦電型赤外線センサ及びマイクロプロセッサと電気的に接続される信号増幅部１６と、マイクロプロセッサ及び信号増幅部と電気的に接続され、複数の温度範囲値にそれぞれ対応する複数の倍率調整部１５ａ〜ｃと、を含む。マイクロプロセッサは、温度測定値と複数の温度範囲値との比較結果に応じて、複数の倍率調整部から１つを選択してイネーブル状態にする。信号増幅部は、イネーブル状態になった１つの倍率調整部に応じて電気信号を調整する。【選択図】図２

Description

本考案は、非接触式検知装置に関し、特に、人体検知装置に関する。

赤外線とは、波長が可視光とマイクロ波との間にある電磁放射（電磁波ともいえる）である。赤外線の波長は、約０．７〜１０００μｍである。自然界においては、あらゆる物体は、絶対温度（−２７３Ｋ）よりも高い温度であれば例外なく赤外線を放出している。また、温度の異なる物体から放出される赤外線の波長も異なる。なお、図１に示すように、物体から放出される赤外線の波長は温度が高いほど短くなる。

焦電型赤外線センサ（Ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｒａｄｉａｌ Ｓｅｎｓｏｒ；ＰＩＲ Ｓｅｎｓｏｒという）は、非接触式センサとして、外部の赤外線の変化によって自身の温度が変化するとともに、温度変化量を対応する電気信号に変換して出力する。しかしながら、焦電型赤外線センサでは、温度の変化が安定になった後に電気信号を出力しなくなる。より詳しく説明すると、焦電型赤外線センサは、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｌｅａｄ Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ Ｔｉｔａｎａｔｅ；ＰＺＴという）基材及びタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）基材を用いて製造される。基本的には、焦電型赤外線センサの検知素子（ｓｅｎｓｏｒ ｅｌｅｍｅｎｔｓ）では、自発分極によって表面が帯電するが、熱平衡状態において表面が空気中のイオンを中和するため、出力がなくなる。この場合、生体から放出される赤外線は焦電型赤外線センサに入射すると、焦電型赤外線センサの表面付近の温度が上昇することで熱平衡状態を破壊してしまう。その結果、焦電型赤外線センサは、温度変化に対応する電気信号を出力することになる。

通常、焦電型赤外線センサの検知素子は、波長に関係なく赤外線を受光する。しかしながら、市販の焦電型赤外線センサの多くは、自動制御、盗難警報、照明システム、対話型音声デバイス、赤外分光器及び熱放射検出器などの分野に用いられ、人体が検知範囲に入ると音や光、信号が変化するように設定される。したがって、太陽光や蛍光灯の光の短波長信号をフィルタリングするように、市販の焦電型赤外線センサの検知素子の受光経路にフィルタを取り付けるようにしている。

人体の温度は、常に約３６〜３７℃である。人体から放出される赤外線の波長は９〜１０μｍである。このため、フィルタは、人体からの赤外線の測定に適するように、波長が７〜１４μｍの光の透過率を７０％以上にするように設定されてもよい。

焦電型赤外線センサは、受動型赤外線センサであるため、小型や低消費電力、低価格などの特徴を有する。しかしながら、環境温度が人体温度に近づく場合（例えば、夏）、焦電型赤外線センサから出力される電気信号は極めて弱くなり、焦電型赤外線センサを有する人体検知装置に一時的な不具合の発生を引き起こしてしまう。

本考案に係る人体検知装置は、赤外線を検知して対応する電気信号を生成するための焦電型赤外線センサと、環境温度を検知して温度測定値を生成するための温度センサと、温度センサと電気的に接続されるマイクロプロセッサと、焦電型赤外線センサ及びマイクロプロセッサと電気的に接続される信号増幅部と、マイクロプロセッサ及び信号増幅部と電気的に接続され、複数の温度範囲値にそれぞれ対応する複数の倍率調整部と、を含む。マイクロプロセッサは、温度測定値と温度範囲値との比較結果に応じて、複数の倍率調整部から１つを選択してイネーブル状態にする。これにより、信号増幅部は、マイクロプロセッサによってイネーブル状態になった倍率調整部により電気信号を調整する。

一実施形態では、信号増幅部は、焦電型赤外線センサ及びマイクロプロセッサと電気的に接続される信号アンプと、信号アンプ及び倍率調整部と電気的に接続される分圧抵抗器と、を含む。

一実施形態では、各倍率調整部は、抵抗器及びスイッチを含む。抵抗器は、信号アンプに接続される。スイッチは、抵抗器とアースとの間に設けられ、そのイネーブル端子がマイクロプロセッサに接続される。電気信号の増幅倍率は、倍率調整部の抵抗器の抵抗値が低いほど大きくなる。

一実施形態では、各倍率調整部は、抵抗器とスイッチとの間と電気的に接続されるコンデンサをさらに含む。コンデンサは、直流信号をフィルタリングするためのハイパスフィルタコンデンサであってもよい。

一実施形態では、信号増幅部は、分圧抵抗器と電気的に並列に接続されて高周波ノイズをフィルタリングするローパスフィルタコンデンサをさらに含む。

一実施形態では、人体検知装置は、電源デカップリングコンデンサをさらに含む。電源デカップリングコンデンサは、焦電型赤外線センサ及び信号アンプと電気的に接続されてノイズをフィルタリングすることで、信号処理モジュールを安定に動作させる。

一実施形態では、人体検知装置は、静止電流制御抵抗器をさらに含む。静止電流制御抵抗器は、焦電型赤外線センサ及び信号アンプと電気的に接続され、焦電型赤外線センサの静止電流を制御する。

一実施形態では、マイクロプロセッサは、Ｉ^２Ｃバス仕様の通信プロトコルにより温度センサと通信する。

一実施形態では、人体検知装置は、人体からの赤外線を検知する。電気信号の増幅倍率は、人体の温度と環境温度との温度差が小さいほど大きくなる。

一実施形態では、倍率調整部は、電気的に並列に接続される。

一実施形態では、スイッチは、Ｎ型バイポーラトランジスタである。スイッチは、ベースがマイクロプロセッサに接続され、コレクタが抵抗器に接続され、エミッタがアースに接続されるように構成される。

本考案に係る人体検知装置は複数の倍率調整部を含み、マイクロプロセッサが環境温度に基づき、焦電型赤外線センサから出力される電気信号の増幅倍率を選択することで、電気信号が弱くなることに起因する一時的な不具合の発生を抑えることができる。

赤外線の温度と波長の関係を示すグラフである。 本考案に係る人体検知装置の回路を示すブロック図である。

本考案に係る人体検知装置は、焦電型赤外線センサと、温度センサと、マイクロプロセッサと、信号増幅部と、複数の倍率調整部とを含む。マイクロプロセッサは、環境温度を温度センサで測定して得られた温度測定値に基づき、複数の倍率調整部から１つを選択してイネーブル状態にすることができる。これにより、信号増幅部は、焦電型赤外線センサから出力される電気信号を調整する。

より詳細には、各倍率調整部は、スイッチ及び抵抗器を含んでもよい。スイッチのイネーブル端子は、マイクロプロセッサに接続される。抵抗器は、信号アンプとスイッチのディスエーブル端子（ディセーブル端子）との間に設けられる。倍率調整部は、抵抗器の抵抗値が低いほど焦電型赤外線センサから出力される電気信号を大きい倍率で増幅し、抵抗器の抵抗値が高いほど焦電型赤外線センサから出力される電気信号を小さい倍率で増幅するように設定される。各倍率調整部は、スイッチと抵抗器との間と電気的に接続され、直流信号をフィルタリングするコンデンサをさらに含んでもよい。なお、抵抗器の抵抗値が低いほど、対応するコンデンサの容量値が大きくなる。一方、抵抗器の抵抗値が高いほど、対応するコンデンサの容量値が小さくなる。こうすることで、人体検知装置は、焦電型赤外線センサから出力される電気信号が弱くても一時的な不具合を発生させないようになる。

図２は、本考案に係る人体検知装置の回路を示すブロック図である。図２に示すように、人体検知装置１は、焦電型赤外線センサ１０と、温度センサ１２と、マイクロプロセッサ１４と、信号増幅部１６と、複数の倍率調整部とを含む。焦電型赤外線センサ１０は、焦電作用により検知領域内の生体（例えば、人体）からの赤外線を検出することができる。また、焦電型赤外線センサ１０は、検知領域内の赤外線の変化による温度変化を、対応する電気信号に変換して出力する。温度センサ１２は、環境温度を測定して温度測定値を生成する。なお、温度センサ１２は、焦電型赤外線センサ１０の検知領域の環境温度を測定することができる。温度センサ１２は、熱電対（ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ，ＴＣという）温度センサまたはサーミスタ（ｔｈｅｒｍｉｓｔｅｒ）温度センサであってもよい。

マイクロプロセッサ１４及び温度センサ１２は、例えば、Ｉ^２Ｃバス（Ｉｎｔｅｒ−Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｕｓ；Ｉ^２Ｃ Ｂｕｓという)仕様の通信プロトコルにより温度センサ１２と通信する。なお、Ｉ^２Ｃバスは、シリアルデータ線（ｓｅｒｉａｌ ｄａｔａ ｌｉｎｅ；ＳＤＡという）及びシリアルクロック線（ｓｅｒｉａｌ ｃｌｏｃｋ ｌｉｎｅ；ＳＣＡという）からなる。

信号増幅部１６は、信号アンプ１６２、分圧抵抗器１６４及びローパスフィルタコンデンサ１６６を含む。信号アンプ１６２の出力端子ＯＵＴＮは、マイクロプロセッサ１４と電気的に接続される。また、信号アンプ１６２は、例えば、２段アンプ（未図示）を含む集積回路であってもよい。

本考案の複数の倍率調整部は、複数の温度範囲値にそれぞれ対応する。本考案では、人体検知装置１は、電気的に並列に接続される３つの倍率調整部（すなわち、第１倍率調整部１５ａ、第２倍率調整部１５ｂ及び第３倍率調整部１５ｃ）を含むことを例示して説明する。マイクロプロセッサ１４は、温度センサ１２の温度測定値と複数の倍率調整部の温度範囲値との測定比較結果に応じて、複数の倍率調整部から１つを選択してイネーブル状態にする。これにより、信号増幅部１６は、マイクロプロセッサ１４によって選択されてイネーブル状態になった倍率調整部で設定された倍率に基づいて電気信号を調整する。本考案では、第１倍率調整部１５ａの対応する温度範囲値は、第２倍率調整部１５ｂの対応する温度範囲値よりも低く、第３倍率調整部１５ｃの対応する温度範囲値は、第２倍率調整部１５ｂの対応する温度範囲値よりも高い。

第１倍率調整部１５ａは、第１スイッチ１５０ａ、第１抵抗器１５２ａ及び第１コンデンサ１５４ａを含む。マイクロプロセッサ１４は、第１スイッチ１５０ａのイネーブル端子に接続される。言い換えれば、第１スイッチ１５０ａは、マイクロプロセッサ１４からの（特定のレベルを有する）イネーブル信号を受信した場合にオンになり（ｔｕｒｎ ｏｎ）、逆の場合にオフになる（ｔｕｒｎ ｏｆｆ）。

図２に示すように、第１スイッチ１５０ａは、Ｎ型バイポーラトランジスタであり、そのイネーブル端子がベースである。第１スイッチ１５０ａのベースがマイクロプロセッサ１４から送信されたローレベルのイネーブル信号を受信した場合、またはマイクロプロセッサ１４がイネーブル信号を出力していない場合には、第１スイッチ１５０ａがオフになる。第１スイッチ１５０ａのベースがマイクロプロセッサ１４から送信されたハイレベルのイネーブル信号を受信した場合には、第１スイッチ１５０ａがオンになる。これにより、信号増幅部１６は、第１倍率調整部１５ａによって設定される倍率に基づき、焦電型赤外線センサ１０から出力される電気信号を増幅することができる。

第１スイッチ１５０ａのコレクタは、第１コンデンサ１５４ａ及び第１抵抗器１５２ａを順次に介して、信号アンプ１６２の反転入力端子ＯＰ＿Ｎ、分圧抵抗器１６４及びローパスフィルタコンデンサ１６６と電気的に接続される。第１スイッチ１５０ａのエミッタは、アースに接続される。第１コンデンサ１５４ａは、直流信号をフィルタリングするためのハイパスフィルタコンデンサであってもよい。分圧抵抗器１６４は、ローパスフィルタコンデンサ１６６と電気的に並列に接続される。

第２倍率調整部１５ｂは、第２スイッチ１５０ｂ、第２抵抗器１５２ｂ及び第２コンデンサ１５４ｂを含む。図２に示すように、第２スイッチ１５０ｂは、Ｎ型バイポーラトランジスタであり、そのイネーブル端子（すなわち、ベース）がマイクロプロセッサ１４に接続される。さらに、第２スイッチ１５０ｂは、マイクロプロセッサ１４からイネーブル信号を出力したか否かに応じてオンオフを設定し、またはイネーブル信号のレベルに応じてオンオフを設定する。第２スイッチ１５０ｂのコレクタは、第２コンデンサ１５４ｂ及び第２抵抗器１５２ｂを順次に介して、信号アンプ１６２の反転入力端子ＯＰ＿Ｎ、分圧抵抗器１６４及びローパスフィルタコンデンサ１６６と電気的に接続される。第２スイッチ１５０ｂのエミッタは、アースに接続される。第２スイッチ１５０ｂのベースがマイクロプロセッサ１４から送信されたハイレベルのイネーブル信号を受信した場合には、第２スイッチ１５０ｂがオンになる。これにより、信号増幅部１６は、第２倍率調整部１５ｂによって設定される倍率に基づき、焦電型赤外線センサ１０から出力される電気信号を増幅することができる。第２コンデンサ１５４ｂは、直流信号をフィルタリングするためのハイパスフィルタコンデンサであってもよい。

第３倍率調整部１５ｃは、第３スイッチ１５０ｃ、第３抵抗器１５２ｃ及び第３コンデンサ１５４ｃを含む。図２に示すように、第３スイッチ１５０ｃは、Ｎ型バイポーラトランジスタであり、そのイネーブル端子（すなわち、ベース）がマイクロプロセッサ１４に接続される。さらに、第３スイッチ１５０ｃは、マイクロプロセッサ１４からイネーブル信号を出力したか否かに応じてオンオフを設定し、またはイネーブル信号のレベルに応じてオンオフを設定する。第３スイッチ１５０ｃのコレクタは、第３コンデンサ１５４ｃ及び第３抵抗器１５２ｃを順次に介して、信号アンプ１６２の反転入力端子ＯＰ＿Ｎ、分圧抵抗器１６４及びローパスフィルタコンデンサ１６６と電気的に接続される。第３スイッチ１５０ｃのエミッタは、アースに接続される。第３スイッチ１５０ｃのベースがマイクロプロセッサ１４から送信されたハイレベルのイネーブル信号を受信した場合には、第３スイッチ１５０ｃがオンになる。これにより、信号増幅部１６は、第３倍率調整部１５ｃによって設定される倍率に基づき、焦電型赤外線センサ１０から出力される電気信号を増幅することができる。第３コンデンサ１５４ｃは、直流信号をフィルタリングするためのハイパスフィルタコンデンサであってもよい。

本考案では、第１倍率調整部１５ａの増幅倍率を第２倍率調整部１５ｂの増幅倍率よりも小さく設定し、第３倍率調整部１５ｃの増幅倍率を第２倍率調整部１５ｂの増幅倍率よりも大きく設定する。すなわち、第１倍率調整部１５ａの増幅倍率をＡ１とし、第２倍率調整部１５ｂの増幅倍率をＡ２とし、第３倍率調整部１５ｃの増幅倍率をＡ３とすると、以下の条件式（１）を満足する。
（１）Ａ１＜Ａ２＜Ａ３

上記条件式（１）により、第１抵抗器１５２ａの抵抗値をＲ１とし、第２抵抗器１５２ｂの抵抗値をＲ２とし、第３抵抗器１５２ｃの抵抗値をＲ３とし、第１コンデンサ１５４ａの容量値をＣ１とし、第２コンデンサ１５４ｂの容量値をＣ２とし、第３コンデンサ１５４ｃの容量値をＣ３とすると、以下の条件式（２）及び条件式（３）を満足する。
（２）Ｒ１＞Ｒ２＞Ｒ３
（３）Ｃ１＜Ｃ２＜Ｃ３

実動作時に、マイクロプロセッサは、環境温度を温度センサ１２で検出して得られた温度測定値を、第１〜第３倍率調整部１５ａ〜１５ｃの温度範囲値と比較し、比較結果に応じて第１〜第３倍率調整部１５ａ〜１５ｃから１つを選択してイネーブル状態にする。例えば、環境温度を温度センサ１２で検出して得られた温度測定値が第１倍率調整部１５ａの温度範囲値内にある場合、マイクロプロセッサ１４は、第１スイッチ１５０ａをオンにし、第２スイッチ１５０ｂ及び第３スイッチ１５０ｃをオフにするように選択でき、これにより、焦電型赤外線センサ１０からの出力信号をわずかに増幅する。また、環境温度を温度センサ１２で検出して得られた温度測定値が第３倍率調整部１５ｃの温度範囲値内にある場合、マイクロプロセッサ１４は、第３スイッチ１５０ｃをオンにし、第１スイッチ１５０ａ及び第２スイッチ１５０ｂをオフにするように選択でき、これにより、焦電型赤外線センサ１０からの出力信号を大幅に増幅する。

人体検知装置１は、電源デカップリングコンデンサ１５６及び静止電流制御抵抗器１５８をさらに含んでもよい。電源デカップリングコンデンサ１５６の一端子は、焦電型赤外線センサ１０の電源入力端子ＶＩＮ及び信号アンプ１６２の正電源入力端子ＶＤＤと電気的に接続され、その他端子は、アースに接続される。これにより、ノイズをフィルタリングして信号アンプ１６２を安定に動作させることができる。信号アンプ１６２の負電源入力端子ＶＳＳは、アースに接続される。静止電流制御抵抗器１５８の一端子は、焦電型赤外線センサ１０の電源出力端子ＶＯＵＴ及び信号アンプ１６２の非反転入力端子と電気的に接続され、その他端子は、アースに接続される。これにより、焦電型赤外線センサ１０の静止電流を制御することができる。焦電型赤外線センサ１０の電源アース端子ＧＮＤは、アースに接続される。

以上、本考案の好ましい実施形態を挙げて説明したが、これは本考案の実施形態に過ぎない。説明した実施形態は、本考案の範囲を限定するものではないことが理解されたい。当業者であれば本考案の精神及び範囲を含む各種の変動や潤色は、本考案の保護を求める範囲内に属するものである。本考案の保護範囲は、請求の範囲に規定されるものに準ずる。

１ 人体検知装置
１０ 焦電型赤外線センサ
１２ 温度センサ
１４ マイクロプロセッサ
１５ａ 第１倍率調整部
１５ｂ 第２倍率調整部
１５ｃ 第３倍率調整部
１５０ａ 第１スイッチ
１５０ｂ 第２スイッチ
１５０ｃ 第３スイッチ
１５２ａ 第１抵抗器
１５２ｂ 第２抵抗器
１５２ｃ 第３抵抗器
１５４ａ 第１コンデンサ
１５４ｂ 第２コンデンサ
１５４ｃ 第３コンデンサ
１５６ 電源デカップリングコンデンサ
１５８ 静止電流制御抵抗器
１６ 信号増幅部
１６２ 信号アンプ
１６４ 分圧抵抗器
１６６ ローパスフィルタコンデンサ
ＧＮＤ 電源アース端子
ＯＰ＿Ｎ 反転入力端子
ＯＰ＿Ｏ 出力端子
ＯＰ＿Ｐ 非反転入力端子
ＯＵＴＮ 出力端子
ＳＣＬ シリアルクロック線
ＳＤＡ シリアルデータ線
ＶＤＤ 正電源入力端子
ＶＩＮ 電源入力端子
ＶＯＵＴ 電源出力端子
ＶＳＳ 負電源入力端子

Claims (10)

1. 人体検知装置であって、
   赤外線を検知して対応する電気信号を生成するための焦電型赤外線センサと、
   環境温度を検知して温度測定値を生成するための温度センサと、
   前記温度センサと電気的に接続されるマイクロプロセッサと、
   前記焦電型赤外線センサ及び前記マイクロプロセッサと電気的に接続される信号増幅部と、
   前記マイクロプロセッサ及び前記信号増幅部と電気的に接続され、複数の温度範囲値にそれぞれ対応する複数の倍率調整部と、を含み、
   前記マイクロプロセッサは、前記温度測定値と複数の前記温度範囲値との比較結果に応じて、複数の前記倍率調整部から１つを選択してイネーブル状態にし、これにより、前記信号増幅部は、前記マイクロプロセッサによってイネーブル状態になった１つの前記倍率調整部により前記電気信号を調整することを特徴とする人体検知装置。
2. 前記信号増幅部は、
   前記焦電型赤外線センサ及び前記マイクロプロセッサと電気的に接続される信号アンプと、
   前記信号アンプ及び複数の前記倍率調整部と電気的に接続される分圧抵抗器と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の人体検知装置。
3. 各前記倍率調整部は、
   イネーブル端子が前記マイクロプロセッサに接続されるスイッチと、
   前記信号アンプ、前記スイッチ及び前記分圧抵抗器と電気的に接続され、抵抗値が低いほど前記電気信号の増幅倍率が大きくなる抵抗器と、を含むことを特徴とする請求項２に記載の人体検知装置。
4. 各前記倍率調整部は、前記抵抗器と前記スイッチとの間と電気的に接続されるコンデンサをさらに含み、
   前記コンデンサの容量値は、前記抵抗器の前記抵抗値が低いほど大きくなることを特徴とする請求項３に記載の人体検知装置。
5. 前記信号増幅部は、前記分圧抵抗器と電気的に並列に接続されるローパスフィルタコンデンサをさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の人体検知装置。
6. 前記焦電型赤外線センサ及び前記信号アンプと電気的に接続される電源デカップリングコンデンサと、
   前記焦電型赤外線センサ及び前記信号アンプと電気的に接続される静止電流制御抵抗器と、をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の人体検知装置。
7. 前記マイクロプロセッサは、Ｉ^２Ｃバス仕様の通信プロトコルにより前記温度センサと通信することを特徴とする請求項６に記載の人体検知装置。
8. 人体からの赤外線を検知し、
   前記電気信号の増幅倍率は、前記人体の温度と前記環境温度との温度差が小さいほど大きくなることを特徴とする請求項１に記載の人体検知装置。
9. 複数の前記倍率調整部は、電気的に並列に接続されることを特徴とする請求項１に記載の人体検知装置。
10. 前記スイッチは、Ｎ型バイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項３に記載の人体検知装置。