JP4329491B2 - 赤外線検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、人体から輻射される赤外線エネルギを検出し、検知エリア内における人体の存在や移動を検出する赤外線検出装置に関するものである。

従来、この種の赤外線検出装置では、赤外線のエネルギ量の変化により焦電素子から出力される電流を電流電圧変換回路によって電圧信号に変換し、所定の周波数領域（人体の移動検知を目的とする場合には１Ｈｚを中心とした周波数帯域）の電圧信号のみを電圧増幅回路にて増幅するとともに、電圧増幅回路で増幅された電圧信号を予め設定された閾値と比較判別して検出信号を出力する構成となっている。

図６は、この種の赤外線検出装置のブロック図を示している。

図６に示されるように、赤外線検出装置は、レンズ系等を用いて、検知エリア内からの赤外線を焦電素子１０１に集光する。焦電素子１０１は、集光された赤外線の量の変化に応じた電流を、図７（ａ）に示すような電流信号Ｓｉｎとして出力する。電流信号Ｓｉｎは、電流を電圧に変換するＩ／Ｖ変換部２に入力され、図７（ｂ）に示すような電圧信号Ｓｏｕｔに変換される。電圧信号Ｓｏｕｔは、電圧増幅部３により増幅され、図７（ｃ）に示すような増幅電圧信号Ｖｏｕｔとなる。比較部４は、増幅電圧信号Ｖｏｕｔと、図７（ｃ）に示すような所定の閾値電圧ＶＨ及びＶＨより低い閾値電圧ＶＬとの大きさを比較し、増幅電圧信号Ｖｏｕｔが、閾値電圧ＶＨを上回るか、閾値電圧ＶＬを下回ったときに出力信号を出力する。出力部１０は、比較部４からの出力信号を受け取り、図７（ｄ）に示すような、検知エリア内に人体が存在・移動していることを示すパルス型の外部出力信号Ｏｕｔを出力する。

出力部１０には、ノイズなどによる誤作動を防ぐために、比較部４からの出力信号のパルス幅が一定の幅より狭い場合は、外部出力信号Ｏｕｔを出力しない機能や、Ｉ／Ｖ変換部２、電圧増幅部３及び比較部４での電源電圧と外部出力信号Ｏｕｔの電源電圧が異なる場合には、電源電圧を変換するレベルシフトの機能を有しているものもある。

また、この種の赤外線検出装置における周波数特性は、人体の動きに合わせて設定されており、電圧増幅部３には、１Ｈｚ付近を中心とするバンドパスフィルタが備えられ、そのために人体に対する感度を上げることが可能になるとともに、人体の移動に関係しないと思われる周波数帯域の信号により誤動作が生じることを防止することが可能となっている。

一方、上述のようにバンドパスフィルタを備えた赤外線検出装置としては、電圧増幅部内に、信号増幅部の抵抗とコンデンサで構成されるローパスフィルタと、積分回路の出力と電圧増幅部の入力を分圧抵抗で抵抗を分割した点を、信号増幅部の非反転入力端に接続することで構成されるハイパスフィルタとでバンドパスフィルタを構成したものがある（特許文献１）。
特開平１１−８３６２４号公報（第７図）

上述のような赤外線検出装置において、焦電素子から出力される電流は、非常に微弱であり、およそ数ｆＡ〜数十ｆＡの電流変化を示す程度である。そのため、焦電素子から出力される電流をＩ／Ｖ変換部に伝える入力ラインのインピーダンスは非常に高くなる。

また、従前より赤外線検出装置には小型化の要望が多くある。しかし、この種の赤外線検出装置を小型化すると、図６に示されるように、赤外線検出装置のＩ／Ｖ変換部２への入力ラインと、出力端子１１との間の距離が物理的に接近することを回避することができず、結果として寄生容量１０２が形成され、容量結合してしまうという問題があった。例えば、寄生容量１０２の値が１ｆＦ、出力部１０が５Ｖの振幅により切り替わるとすると、５ｆＣの電荷が前記入力ラインを通してＩ／Ｖ変換部２に入力されることとなる。

さらに、容量結合が生じた場合について図８を用いて説明する。

図８に示す時刻ｔ１において、出力部１０から出力端子１１に、図８（ｄ）に示すような外部出力信号Ｏｕｔが出力されると、寄生容量１０２による容量結合を介して焦電素子１０１からＩ／Ｖ変換部２への入力ラインに、正の電荷が生じる。そのため、図８（ｂ）に示されるように、Ｉ／Ｖ変換部２から出力される電圧信号Ｓｏｕｔに変動が生じる。ここでは、負の方向にステップ変動している。そして、電圧信号Ｓｏｕｔにステップ変動が生じたことにより、図８（ｃ）に示されるように、電圧増幅部３から出力される増幅電圧信号Ｖｏｕｔにもステップ変動が生じる。ここで、電圧増幅部３の入力と出力との間の位相は、非反転型であるため、増幅電圧信号Ｖｏｕｔは、電圧信号Ｓｏｕｔと同じように負の方向にステップ変動し、もともとの動作を強める方向に作用する。また、電圧増幅部３は、１Ｈｚ付近を中心とするバンドパスフィルタの特性を有しているため、電圧増幅部３に入力される電圧信号Ｓｏｕｔがステップ変動であるのに対して、電圧増幅部３から出力される電圧増幅信号Ｖｏｕｔは１Ｈｚ付近の時定数で変動する。

時刻ｔ２において、出力部１０の出力が立下がると、今度は負の電荷が前記入力ラインに生じ、Ｉ／Ｖ変換部２から出力される電圧信号Ｓｏｕｔは、正の方向へステップ変動し、それにより、電圧増幅部３からの増幅電圧信号Ｖｏｕｔも正の方向へ変動する。これも、もともとの動作を強める方向に作用している。

時刻ｔ３において、再び出力部１０の出力が立上がると、時刻ｔ１のときと同様に、増幅電圧信号Ｖｏｕｔを負の方向へと変動させようとするが、これはもともとの動作を弱める方向に作用する。

時刻ｔ４において、出力部１０の出力が立下がると、時刻ｔ２のときと同様に、増幅電圧信号Ｖｏｕｔを正の方向に変動させようとする。これは、もともとの動作を弱める方向に作用するため、もともと負の方向に変動していたものが正の方向に反転して変動することとなり、比較部４における所定の閾値ＶＨをまたいで変動してしまう。そのため、再び出力部１０の出力が立上がってしまい、負の方向への変動が生じることとなり、増幅電圧信号Ｖｏｕｔは、閾値ＶＨ周辺でこのような変動を何度か繰り返した後に、やがて待機時の動作点に向かって下降するという挙動を示す。すなわち、チャタリング現象が生じるという問題があった。

本発明は上述の点に鑑みて為されたもので、その目的するところは、外部へ出力する検出信号が寄生容量の容量結合によってチャタリング現象を起こすのを防ぐことができる赤外線検出装置を提供することである。

上述の課題を解決するために、請求項１の発明では、赤外線を受光する焦電素子と、前記焦電素子の出力電流を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、前記電圧信号を増幅する電圧増幅部と、前記電圧増幅部からの増幅電圧信号が第１の閾値電圧を上回るか若しくはこの第１の閾値電圧より低い第２の閾値電圧を下回ったときに出力信号を出力する比較部と、この比較部の出力信号により外部へ検出信号を出力する出力部とを備え、比較部には、前記電圧増幅部からの増幅電圧信号と前記第１の閾値電圧とを比較し、前記増幅電圧信号が前記第１の閾値電圧を上回るときに出力信号を出力する第１の比較器と、前記増幅電圧信号と前記第２の閾値電圧とを比較し、前記増幅電圧信号が前記第２の閾値電圧を下回るときに出力信号を出力する第２の比較器と、両比較器の出力信号を出力部へ出力するゲート回路と、該ゲート回路の入力端と前記第１，第２の比較器の少なくとも一方の出力端との間に設けられ、当該比較器の最初の出力信号をゲート回路へ通過させた後一定期間、当該比較器の出力信号の通過を禁止する出力制御部とを有していることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、出力部から外部へ出力する検出信号にチャタリング現象が発生するのを抑制でき、そのため当該赤外線検出装置を利用する機器の誤動作を防止できる。

本発明は、出力部から外部へ出力する検出信号にチャタリング現象が発生するのを抑制することができ、そのため当該赤外線検出装置を利用する機器の誤動作を防止できるという効果がある。

以下に、本発明の実施形態及び基本形態について説明する。
（実施形態）
図１乃至図３を用いて、本実施形態について説明する。

本実施形態の赤外線検出装置は図１（ａ）に示すように基本的な回路構成は従来例と共通するが、比較部４に特徴を有するものである。尚図１（ａ）に示す構成において従来例と共通する部分については同一の符号を付して説明は省略する。

本実施形態の比較部４は、例えば外部の電源機器や赤外線検出装置の内部電源に接続され、電源電圧を３つの抵抗Ｒ１〜Ｒ３の直列回路で分圧する分圧回路と、演算増幅器を用いた第１，第２の比較器５，６と、後述する出力制御部７と、ＮＡＮＤ回路９とで構成されている。

そして比較器５の非反転入力端には抵抗Ｒ１とＲ２の接続点の分圧出力が第１の閾値電圧ＶＨとして接続され、また比較器６の反転入力端には抵抗Ｒ２とＲ３との接続点の分圧出力は第２の閾値電圧ＶＬとして接続され、また比較器５の反転入力端と比較器６の非反転入力端を共通接続して電圧増幅部３の出力端に接続され、比較器５は電圧増幅部３の増幅電圧信号と第１の閾値電圧ＶＨとを比較して増幅電圧信号が第１の閾値電圧ＶＨを上回ったときにＬｏｗの出力信号Ｉを、また比較器６は電圧増幅部３の増幅電圧信号と第２の閾値電圧ＶＬとを比較して増幅電圧信号が第２の閾値電圧ＶＬを下回ったときにＬｏｗの出力信号を出力する。比較器５の出力信号Ｉは出力制御部７を介してＮＡＮＤ回路９の一方の入力端に入力し、また比較器６の出力信号はＮＡＮＤ回路９の他方の入力端に入力して、ＮＡＮＤ回路９で否定論理積がとられて出力部１０へ出力される。

ここで出力制御部７は図２に示すように、比較器５からの出力信号Ｉが入力される入力端１２と、出力信号Ｉを反転させる反転回路１３と、反転回路１３から出力される反転信号Ｘの立ち上がり、立ち下りからなるエッジを検出するエッジ検出部１４と、エッジ検出部１４からのエッジ検出信号Ｙによりタイマー動作を開始し、このタイマー動作期間中、エッジ検出部１４及び後述するＮＡＮＤ回路１６にタイマー出力信号Ｚを送るタイマー部１５と、反転回路１３から出力される反転信号Ｘとタイマー部１５から出力されるタイマー出力信号Ｚとの否定論理積の結果である信号Ｏを出力する前記ＮＡＮＤ回路１６と、ＮＡＮＤ回路１６からの信号Ｏを次段のＮＡＮＤ回路９へ出力する出力端１７とから構成されている。

次に、図２及び３を用いて出力制御部７の動作について説明する。出力制御部７の前段の比較器５は、例えば、図３（ａ）に示すような時刻ｔ１から時刻ｔ２がＬｏｗである本来の出力信号と、時刻ｔ２から時刻ｔ３でＣに示すようなＨｉｇｈとＬｏｗに交互に振動するチャタリング現象を生じている信号とを出力信号Ｉとして出力し、出力信号Ｉは入力端１２から出力制御部７に入力される。

反転回路１３は、この入力した出力信号Ｉを反転させ、図３（ｂ）に示す反転信号Ｘを、エッジ検出部１４及びＮＡＮＤ回路１６に出力する。エッジ検出部１４は、本来の比較器５の出力信号に対応した時刻ｔ１から時刻ｔ２までの反転信号Ｘの立ち下がりエッジを検出し、図３（ｃ）に示すようなエッジ検出信号Ｙを、タイマー部１５へ出力する。タイマー部１５は、エッジ検出信号Ｙを受け取ると図３（ｄ）に示すようなタイマー動作開始から終了するまでの一定期間、つまり時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間、Ｌｏｗであるタイマー出力信号Ｚを出力し、タイマ動作終了後。エッジ検出部１４にエッジ検出信号Ｙの出力を停止させるリセット信号を送る。図３（ｃ）のＲはそのリセット信号による出力停止のタイミングを示す。ＮＡＮＤ回路１６は、反転信号Ｘとタイマー出力信号Ｚとの否定論理積をとって出力信号Ｏを図３（ｅ）に示すように出力する。ここで反転信号Ｘは、時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけてＨｉｇｈであり、タイマー検出信号Ｚもタイマー動作が開始されるまで、つまり時刻ｔ２までＨｉｇｈであるため、時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけてのＮＡＮＤ回路１６の出力信号ＯはＬｏｗとなる。また、反転信号Ｘは、時刻ｔ２から時刻ｔ３の間において、チャタリングによるＨｉｇｈとＬｏｗの振幅が生じているが、タイマー出力信号Ｚが、タイマー動作の開始時刻ｔ２から終了時刻ｔ３の間において、常にＬｏｗであるため、そのＮＡＮＤ回路１６の出力信号Ｏは常にＨｉｇｈとなる。

本実施形態によれば、反転回路１３は、出力信号Ｉを反転させた反転信号Ｘを出力し、エッジ検出部１４は、反転信号Ｘの立ち上がり後の立ち下がりからなるエッジを検出すると、タイマー部１５にエッジ検出信号Ｙを送り、タイマー部１５は、立下り時以降一定期間常にＬｏｗであるタイマー出力信号Ｙを出力し、ＮＡＮＤ回路１６は、反転信号Ｘとタイマー出力信号Ｙとの否定論理積をとるので、反転信号Ｘの立下り時以降、比較器５の出力信号ＩにいかなるＨｉｇｈとＬｏｗの振幅が生じても、タイマー出力信号ＺがＬｏｗである期間であれば、ＮＡＮＤ回路１６の出力信号ＯがＨｉｇｈとなるため、チャタリング現象などの影響を除去した信号をＮＡＮＤ回路９へ出力するができる。これにより比較器５の出力信号Ｉに対応してＮＡＮＤ回路９からはＨｉｇｈの信号を出力部１０に出力し、出力部１０はこれ応じて赤外線の検出信号を出力端子１１を通じて外部へ出力する。

なお比較器１６からＬｏｗの出力信号が出力された場合にもＮＡＮＤ回路９からＨｉｇｈの信号が出力部１０に出力され、出力部１０はこれに応じて赤外線の検出信号を出力端子１１を通じて外部へ出力する。尚チャタリング発生は何れの比較器６でも発生する可能性があるが、両比較器５，６に出力制御部７をそれぞれ設けた場合、チャタリングが起こらない方からの出力信号を通さない禁止帯が付くことになり、この禁止帯時間内に人の検知信号が入力した場合失報することとなって、全体の失報率が上がることになるので、実施形態では一方の比較器５にのみ出力制御部７を対応させている。勿論両比較器５，６に対応させても良いが、この場合にはＮＡＮＤ回路１６の代わりにＯＲ回路を設ける必要がある。

また、本実施形態の赤外線検出回路は、上述の構成に限られるものではなく、例えば図１（ｂ）に示すように、上述の非反転型の電圧増幅部３の替えて、反転型の電圧増幅部８を用いる場合には、第１の比較器５とＮＡＮＤ回路９との間に備えられていた出力制御部７を、第２の比較器６とＮＡＮＤ回路９との間に備える構成としても良い。

このような赤外線検出回路においては、反転型の電圧増幅部８によりＩ／Ｖ変換部２からの電圧信号が反転させられるため、上述の非反転型の電圧増幅部３を用いた赤外線検出装置において第１の比較器５からの出力に生じていたチャタリングが、第２の比較器６からの出力に生じることとなる。そのため、図１（ｂ）に示すように出力制御部７を第２の比較器６とＮＡＮＤ回路９との間に備えることで、第２の比較器６からの出力に生じるチャタリングを除去している。

従って、反転型の電圧増幅部８を用いた赤外線検出回路においても、上述の非反転型の電圧増幅部３を用いた赤外線検出回路と同様の効果を奏することができる。
（基本形態１）
図４を用いて、本発明の基本形態１について説明する。

図４に、本発明の基本形態１のブロック図を示す。ただし、本基本形態の基本的な構成は、従来例と共通するので、共通する部分については同一の符号を付して説明を省略する。

本基本形態の赤外線検出装置の一端側には、焦電素子１０１を備えた入力部１が配設され、他端側には、出力部１０から出力される検出信号を外部へ出力する第１の出力端子１８及び第２の出力端子１９が設けられている。各出力端子１８、１９は、互いに隣接し、各々配線が並走するように備えられる。第１の出力端子１８は、出力部１０と接続され、第２の出力端子１９は、信号反転部を構成する反転回路２０を介して出力部１０と接続される。

また、図４では、第１の出力端子１８と入力部１とによりコンデンサを形成する様子を、仮想的に第１の寄生容量２１及び仮想配線を用いて示し、第２の出力端子１９と入力部１とによりコンデンサを形成する様子を、仮想的に第２の寄生容量２２及び仮想配線を用いて示している。

次に本基本形態の動作について説明する。入力部１に赤外線が入射すると、焦電素子１０１により、入射した赤外線の量の変化に応じた電流信号が生じる。前記電流信号は、Ｉ／Ｖ変換部２により電圧信号に変換され、前記電圧信号は、電圧増幅部３により増幅され、増幅電圧信号となり、比較部４に出力される。比較部４は、入力された増幅電圧信号に対して上述の比較を行い、その比較結果により出力信号を出力部１０に送る。出力部１０は、前記出力信号を外部出力信号にして出力し、第１の出力端子１８は、前記外部出力信号を出力し、第２の出力端子１９は、反転回路２０により位相を反転された前記外部出力信号を出力する。このとき、第１の出力端子１８からの信号の電位差をＶ１とすると、第２の出力端子１９の信号は、反転回路２０により位相が反転されるので、−Ｖ１の電位差を持つ。また、第１の寄生容量２１の容量値をＣ１とすると、第１の出力端子１８及び第２の出力端子１９は、隣接し、配線が並走するように設けられているため、第２の寄生容量２２の容量値Ｃ２は、第１の寄生容量２１の容量値とほぼ等しくなり、その容量値をＣ１とみなすことができる。以上により、入力部１に第１の寄生容量２１により生じる電荷Ｑ１は、
Ｑ１＝Ｃ１・Ｖ１
となり、入力部１に第２の寄生容量２２により生じる電荷Ｑ２は、
Ｑ２＝−Ｃ１・Ｖ１
となるため、入力部１に生じる電荷は互いに打ち消されることとなる。

本基本形態によれば、第１の出力端子１８から出力される信号の位相を反転させる反転回路２０を、第２の出力端子１９と出力部１０との間に配設し、第１の出力端子１８と第２の出力端子１９とを互いに隣接させ、各々の配線を並走させて設けたことにより、前記各出力端子１８、１９からの出力信号は、大きさは等しいが、位相が反対となり、また、同じ容量値を有する寄生容量２１、２２を生じるため、入力部１に生じる電荷は、互いに打ち消し合う。そのため寄生容量の影響が相殺され、チャタリング現象を防止することができる。
（基本形態２）
図５を用いて、本発明の基本形態２について説明する。

図５に示すように、出力部１０と第２の出力端子１９とは、信号の位相を反転する機能と反転させた信号の信号レベルを調整する機能とを備えた信号反転部２３を介して接続されている。その他の構成は、基本形態１と同様なので説明を省略する。

第１の出力端子１８からの信号の電位差をＶ１、第２の出力端子１９からの反転された信号の電位差をＶ２、第１の寄生容量２１の容量値をＣ１、第２の寄生容量２２の容量値をＣ２とすると、入力部１に第１の寄生容量２１により生じる電荷Ｑ１は、
Ｑ１＝Ｃ１・Ｖ１
となり、入力部１に第２の寄生容量２２により生じる電荷Ｑ２は、
Ｑ２＝Ｃ２・Ｖ２
となる。

ここで、信号反転部２３は、電位差Ｖ２を任意に調整する機能を備えている。したがって、
Ｖ２＝−Ｃ１／Ｃ２・Ｖ１
となるように信号反転部２３を用いて電位差Ｖ２を調整すれば、入力部１に生じる電荷は互いに打ち消されることとなる。

本基本形態によれば、信号の位相を反転させる機能と信号の信号レベルを調整する機能とを有する信号反転部２３を設けたので、各出力端子１７、１８の位置関係によらずに、入力部１に生じる電荷を打ち消すことができるため、寄生容量の影響が相殺され、チャタリング現象を防止することができる。さらに信号の信号レベルを調整することにより信号の電位をコントロールでき、自由に出力端子を配置することが可能になり、配線の自由度が増す。

本発明の実施形態の赤外線検出回路のブロック図である。 同上の出力制御部のブロック図である。 （ａ）は、同上の出力信号Ｉの波形図であり、（ｂ）は、同上の反転信号Ｘの波形図であり、（ｃ）は、同上のエッジ検出信号Ｙの波形図であり、（ｄ）は、同上のタイマー出力信号Ｚの波形図であり、（ｅ）は、同上の検出信号Ｏの波形図である。 本発明の基本形態１の赤外線検出回路のブロック図である。 本発明の基本形態２の赤外線検出回路のブロック図である。 従来の赤外線検出回路のブロック図である。 （ａ）は、電流信号Ｓｉｎの波形図であり、（ｂ）は、電圧信号Ｓｏｕｔの波形図であり、（ｃ）は、増幅電圧信号Ｖｏｕｔの波形図であり、（ｄ）は、外部出力信号Ｏｕｔの波形図である。 （ａ）は、寄生容量の影響を受けた電流信号Ｓｉｎの波形図であり、（ｂ）は、寄生容量の影響を受けた電圧信号Ｓｏｕｔの波形図であり、（ｃ）は、寄生容量の影響を受けた増幅電圧信号Ｖｏｕｔの波形図であり、（ｄ）は、寄生容量の影響を受けた外部出力発報信号Ｏｕｔの波形図である。

符号の説明

１ 入力部
２ Ｉ／Ｖ変換部
３ 電圧増幅部
４ 比較部
５ 第１の比較器
６ 第２の比較器
７ 出力制御部
８ 電圧増幅部
９ ＮＡＮＤ回路
１０ 出力部
１１ 出力端子
１２ 入力端
１３ 反転回路
１４ エッジ検出部
１５ タイマー部
１６ ＮＡＮＤ回路
１７ 出力端
１８ 第１の出力端子
１９ 第２の出力端子
２０ 反転回路
２１ 第１の寄生容量
２２ 第２の寄生容量
２３ 信号反転部
１０１ 焦電素子
１０２ 寄生容量

Claims (1)

1. 赤外線を受光する焦電素子と、前記焦電素子の出力電流を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、前記電圧信号を増幅する電圧増幅部と、前記電圧増幅部からの増幅電圧信号が第１の閾値電圧を上回るか若しくはこの第１の閾値電圧より低い第２の閾値電圧を下回ったときに出力信号を出力する比較部と、この比較部の出力信号により外部へ検出信号を出力する出力部とを備え、比較部には、前記電圧増幅部からの増幅電圧信号と前記第１の閾値電圧とを比較し、前記増幅電圧信号が前記第１の閾値電圧を上回るときに出力信号を出力する第１の比較器と、前記増幅電圧信号と前記第２の閾値電圧とを比較し、前記増幅電圧信号が前記第２の閾値電圧を下回るときに出力信号を出力する第２の比較器と、両比較器の出力信号を出力部へ出力するゲート回路と、該ゲート回路の入力端と前記第１，第２の比較器の少なくとも一方の出力端との間に設けられ、当該比較器の最初の出力信号をゲート回路へ通過させた後一定期間、当該比較器の出力信号の通過を禁止する出力制御部とを有していることを特徴とする赤外線検出装置。

Images