JP5732615B2 - 赤外線センサ - Google Patents

Description

本発明は、たとえば人体検知に用いられる赤外線センサに関する。

近年、省エネルギ化を図るなどの目的で、人体の動きを検知して効率的な動作を行う様々な電気機器が提案されている。たとえば、このような電気機器には、赤外線の検知部として焦電素子を用いた赤外線センサが内蔵されている。一般的な赤外線センサは、レンズ等を用いて赤外線を焦電素子に集めており、焦電素子が受光する赤外線量の変化に応じて焦電素子から出力される電気信号が変化する（たとえば特許文献１参照）。

特許文献１に記載の赤外線センサ（熱線センサ）は、金属製のケースを有し赤外線（熱線）の検出を行うセンサ本体（センサ素子）と、赤外線を透過し易い樹脂を用いて形成されたキャップ体（樹脂キャップ）とを備えている。キャップ体は、有底の円筒状に形成されており、底部を他の周壁（周部）よりも肉薄とし、センサ本体への赤外線の入射経路上に底部を位置させるように、センサ本体に被せられている（圧入される）。

これにより、赤外線センサは、キャップ体によってセンサ本体が覆われることになり、周囲と温度差のある風に晒されても、キャップ体によってセンサ本体の表面の温度変化が抑えられ、風に起因する誤検出を防止できる。また、キャップ体は、赤外線を透過し易い材料から構成されるので、センサ本体の検出面側も閉塞することができ、しかも、底部を肉薄にすることで、底部での赤外線の強度減衰を少なくすることができる。

特開２００１−３０４９５６号公報

しかし、上述した構成の赤外線センサでは、赤外線センサが照明装置の光源（ハロゲンランプ、蛍光灯など）付近や屋外に設置されて使用される場合に、キャップ体の側面からキャップ体の内側のセンサ本体に赤外線が入射し、誤検出を生じる可能性がある。すなわち、キャップ体は、周壁についてもセンサ本体への赤外線の入射経路上に位置する底部と同じく、赤外線を透過し易い材料で形成されている。そのため、赤外線センサは、照明光や太陽光などの比較的強い外乱光がキャップ体の周壁を拡散透過してセンサ本体に入射することによって、誤検出を生じる可能性がある。

本発明は上記事由に鑑みて為されており、センサ本体を覆うキャップ体の周壁に入射する外乱光に起因して誤検出を生じることを回避できる赤外線センサを提供することを目的とする。

本発明の赤外線センサは、赤外線を検出するセンサ本体と、前記赤外線を透過させる材料からなり前記センサ本体に被せられる有底筒状のキャップ体とを備え、前記キャップ体は、前記センサ本体における赤外線の受光部に対向する底部と、前記底部の周縁から一方向に立ち上がっており前記センサ本体を包囲する周壁とを有し、前記周壁における前記センサ本体と向き合う内側面には、前記周壁における赤外線の透過量を低減する凹凸が形成されていることを特徴とする。

この赤外線センサにおいて、前記凹凸は、各々が前記一方向に沿って延長されており前記底部の周方向に並ぶ複数の突起によって形成されていることが望ましい。

この赤外線センサにおいて、前記突起は、前記一方向に直交する断面が三角形状に形成されていることがより望ましい。

この赤外線センサにおいて、前記凹凸の各面は、鏡面状に形成されていることがより望ましい。

この赤外線センサにおいて、前記キャップ体は、ポリエチレン材料からなることがより望ましい。

この赤外線センサにおいて、前記キャップ体は、可視光を透過させずに赤外線を透過させる物質を含有したポリエチレン材料からなることがより望ましい。

この赤外線センサにおいて、前記底部は、レンズからなることがより望ましい。

本発明は、周壁におけるセンサ本体と向き合う内側面には、周壁における赤外線の透過量を低減する凹凸が形成されているので、センサ本体を覆うキャップ体の周壁に入射する外乱光に起因して誤検出を生じることを回避できるという利点がある。

実施形態に係る赤外線センサのキャップ体を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は下面図である。 実施形態に係る赤外線センサのキャップ体をセンサ本体から外した状態の斜視図である。 比較例に係る赤外線センサの正面図である。 実施形態に係る赤外線センサの突起の部分の拡大図である。 実施形態に係る赤外線センサの他の例を示し、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は斜視図である。

本実施形態の赤外線センサ１は、図２に示すように、金属製のケース１１を有し赤外線の検出を行うセンサ本体１０と、合成樹脂製のキャップ体２０とを備えている。以下では、赤外線センサ１が検知エリア内の人体を検知する人体検知装置に使用される場合を例として説明するが、赤外線センサ１の用途を人体検知に限定する趣旨ではない。

センサ本体１０は、中空の円柱状に形成されたケース１１内に、センサエレメントとして焦電素子（図示せず）を有しており、焦電素子が受光する赤外線量の変化に応じた電気信号を、ケース１１の底面に設けられた端子（図示せず）から出力する。このセンサ本体１０は、焦電素子の出力を電圧に変換する電流電圧変換回路と、所定周波数の信号に利得を持つフィルタ回路とを含む信号処理回路（図示せず）を、焦電素子と共にケース１１内に収納している。

ケース１１の上面（底面の反対側の面）１１１のうち焦電素子に対応する位置には、赤外線を透過させる光学フィルタが窓孔に嵌め込まれることにより、赤外線の受光部１２が形成されている。つまり、センサ本体１０は、ケース１１の上面１１１に設けられている赤外線の受光部１２から焦電素子に入射する赤外線を検出し、赤外線量の変化に応じて電気信号を出力する。なお、ケース１１は、底面側の端部に、外径を他の部位よりも太径とするフランジ部１１２を有し、フランジ部１１２の周方向の一部に、センサ本体１０とキャップ体２０との位置決め用の凸部１１３が形成されている。

キャップ体２０は、赤外線を透過させる合成樹脂材料からなり、有底の円筒状に形成されており、センサ本体１０を覆うように上面１１１側からセンサ本体１０に被せられる。キャップ体２０は、センサ本体１０に被せられた状態でセンサ本体１０の受光部１２に対向する底部２１と、底部２１の外周縁の全周から一方向に立ち上がっておりセンサ本体１０を包囲する周壁２２とを有している。

底部２１は、キャップ体２０がセンサ本体１０に被せられた状態で、センサ本体１０の受光部１２への赤外線の入射経路上に位置し、センサ本体１０の受光部へ赤外線を集光するレンズを構成している。ここでは、底部２１は、周壁２２よりも肉薄であって、中央部がキャップ体２０の外側（センサ本体１０とは反対側）に凸となるように湾曲した形状に形成されている。なお、底部２１が構成するレンズは、単一の集光レンズに限らず、赤外線の入射方向が異なる複数の分割レンズを備えた集光レンズ（多分割レンズ）であってもよい。この場合、赤外線センサ１は、１つの検知エリア内で分割レンズごとに設定される小領域ごとの赤外線量の変化を検知することにより、検知エリアに対する人の出入りだけでなく、検知エリア内での人の動きを検知することが可能になる。

周壁２２は、底部２１から離れるほど内径が徐々に大きくなるようにテーパ状に形成されている。周壁２２の内径は、最も小さい部位（底部２１側の端部）において、フランジ部１１２を除くケース１１の外径よりもやや小さく設定されており、最も大きい部位（底部２１と反対側の端部）においては、フランジ部１１２の外径よりもやや大きく設定されている。また、キャップ体２０の高さ寸法は、ケース１１の高さ寸法よりも大きく設定されている。なお、周壁２２がテーパ状に形成されているので、合成樹脂材料から底部２１と周壁２２とを一体に成型した後、金型はキャップ体２０の開口側から抜きやすく（離型しやすく）なる。

したがって、キャップ体２０がセンサ本体１０に被せられた状態では、図３に示すように、ケース１１は、フランジ部１１２までキャップ体２０の内側に収まり、上面１１１とキャップ体２０の底部２１との間に隙間を生じることになる。この状態で、センサ本体１０は、ケース１１のフランジ部１１２に設けられている凸部１１３が、周壁２２の内側面に形成されている凹部（図示せず）に嵌ることにより、周方向においてキャップ体２０との相対位置が位置決めされる。さらに、センサ本体１０は、たとえばフランジ部１１２の外周面に凹部（図示せず）が形成され、この凹部に周壁２２の内側面に形成されているリブ（図示せず）が嵌る位置までキャップ体２０に押し込まれる構成であってもよい。この場合、センサ本体１０は、キャップ体２０の高さ方向（底部２１と直交する方向）においてもキャップ体２０に対して位置決めされる。

センサ本体１０は、このようにキャップ体２０に対して位置決めされることにより、受光部１２と、レンズを構成している底部２１との相対的な位置関係が正しく定まることになる。なお、図３では比較例としての赤外線センサ１を例示しており、比較例の赤外線センサ１は、キャップ体２０の周壁２２に後述する凹凸がない点以外は本実施形態の赤外線センサ１と共通する。

このように構成される赤外線センサ１は、たとえば照明器具（図示せず）に組み込まれ、照明器具の照明範囲を検知エリアとして人体の存否を検知し、センサ本体１０の出力が、人体の存否に応じて照明器具を効率的に動作（消灯、調光等）させるために使用される。赤外線センサ１は、キャップ体２０によってセンサ本体１０が覆われるので、周囲と温度差のある風に晒されても、キャップ体２０によってセンサ本体１０の表面の温度変化が抑えられ、風に起因する誤検出を防止できる。

ところで、赤外線センサ１は、照明器具に組み込まれる場合や屋外に設置されて使用される場合に、キャップ体２０の側面から照明光や太陽光などの比較的強い外乱光が入射することがある。ここで、キャップ体２０は、周壁２２についてもセンサ本体１０への赤外線の入射経路上に位置する底部２１と同じく、赤外線を透過し易い材料で形成されている。そのため、赤外線センサ１は、図３に示すように、比較的強い外乱光Ａ１がキャップ体２０の周壁２２を拡散透過し、直接あるいはキャップ体２０の内部で反射しセンサ本体１０の受光部１２に入射することによって、誤検出を生じる可能性がある。

そこで、本実施形態の赤外線センサ１は、キャップ体２０の周壁２２について以下に説明する構成を採用することにより、キャップ体２０の周壁２２に入射する外乱光に起因して誤検出を生じることを回避する。

すなわち、キャップ体２０は、図１に示すように、周壁２２におけるセンサ本体１０と向き合う内側面に、周壁２２における光（赤外線を含む）の透過量を低減する凹凸２３が形成されている。つまり、周壁２２は、内側面に凹凸２３が形成されることにより、キャップ体２０の側面から入射する外乱光を内側面にて反射して、キャップ体２０の内側への外乱光の透過量を低減することができる。

本実施形態においては、凹凸２３は、図１に示すように、周壁２２の立ち上がる方向（一方向）に沿って延長されており底部２１の周方向に並ぶ複数のライン状の突起（突条）２３０によって形成されている。言い換えれば、凹凸２３は、周壁２２の立ち上がる方向（一方向）に沿って延長されており底部２１の周方向に並ぶ複数の溝によって構成されていることにもなるが、以下では、突起２３０が凹凸２３を構成しているとして説明する。

凹凸２３を構成する各突起２３０は、円筒を成す周壁２２の軸方向（つまり底部２１の中心を通り底部２１の表面と直交する方向）に沿う直線上に、周壁２２の全幅に亘って形成されている。さらに、これら複数の突起２３０は、幅方向（底部２１の周方向）に隙間なく並んでおり、周壁２２の内側面の全域に亘って形成されている。

また、各突起２３０は、長手方向（一方向）に直交する断面が三角形状に形成されている。なお、上述したように周壁２２は底部２１から離れるほど内径が徐々に大きくなるようにテーパ状に形成されているので、各突起２３０は底部２１から離れるほど断面が大きく、つまり太くなるように形成されている。

本実施形態では、各突起２３０は、断面が直角となる角部をキャップ体２０の内側に向けた直角二等辺三角形状に形成されており、直角プリズム（全反射プリズム）として機能する。要するに、各突起２３０は、図４に示すように、キャップ体２０の外側（図４の下方）から周壁２２に入射した外乱光Ａ１を、直角を挟む一方の面２３１で１回全反射し、さらに他方の面２３２で１回全反射することにより、キャップ体２０の外側に全反射する。なお、キャップ体２０の外側から周壁２２に入射する外乱光の一部は、入射角度が全反射条件を満たさないが、本実施形態では、凹凸２３がない場合に比べると、凹凸２３で光の散乱が生じることにより、周壁２２における光の透過量を低減できる。

さらに、本実施形態では、凹凸２３の各面、つまり各突起２３０における直角を挟む各面２３１，２３２は鏡面状に形成されている。これにより、キャップ体２０の外側から周壁２２に入射した光は、凹凸２３の各面２３１，２３２で鏡面反射（正反射）することになる。したがって、凹凸２３の各面２３１，２３２がシボ加工などにより粗面化されており各面２３１，２３２で光の拡散反射が生じる場合に比べて、凹凸２３での光の反射効率が高くなり、周壁２２における光の透過量を低減できる。

また、キャップ体２０は、可視光から赤外線の波長域の光を通すポリエチレン製であって、中でも赤外線の透過率が高い高密度ポリエチレン材料から形成されている。これにより、キャップ体２０は、人体検知装置で主な検知対象となる波長（たとえば１０μｍ帯）の赤外線に対する透過率が高くなり、レンズとしての底部２１での赤外線の透過損失を小さく抑えることができる。なお、ポリエチレン材料は成型も容易な材料である。

ここで、赤外線の透過率が高く且つ成型が容易な材料としては、コスト等を考慮するとポリエチレンが代表的である。ただし、ポリエチレンは、他の合成樹脂との密着性が悪く、二色成形には不向きであるから、レンズとして機能する底部２１と、周壁２２とに分けて成型し、両者を結合してキャップ体２０を構成することは困難である。そのため、キャップ体２０は、周壁２２も底部２１と同じ赤外線を透過し易い材料で形成せざるを得ないが、本実施形態では、上述したように周壁２２内側面に凹凸２３が形成されることにより、側面から内側への外乱光の透過量を低減している。

さらに、キャップ体２０を形成するポリエチレン材料は、可視光を透過させずに赤外線を透過させる物質、具体的には顔料や有機系の添加剤（紫外線吸収剤、酸化防止剤等）などを含有している。そのため、キャップ体２０は、太陽光などの外乱光に含まれる可視光を、ポリエチレンに含有されている物質にて遮ることができ、遮光効果が向上する。なお、ポリエチレン材料に添加される物質は、白系、黒系のいずれであってもよく、白系の顔料としてたとえば酸化チタン、黒系の顔料としてはたとえばカーボンブラックが用いられる。

以上説明した本実施形態の赤外線センサ１によれば、周壁２２の内側面に凹凸２３を有することにより、センサ本体１０を覆うキャップ体２０の周壁２２における光（赤外線を含む）の透過量を低減することができる。要するに、赤外線センサ１は、赤外線を透過し易い材料で形成されたキャップ体２０を用いながらも、周壁２２の内側面に凹凸２３を設けるだけで周壁２２における光の透過率を低減でき、周壁２２を通してキャップ体２０の内側に光が入射することを防止できる。したがって、赤外線センサ１は、キャップ体２０の側面から照明光や太陽光などの比較的強い外乱光が入射することがあっても、この外乱光が周壁２２を透過してセンサ本体１０の受光部１２に入射することを防止でき、外乱光に起因した誤検出を回避できる。

また、凹凸２３は、周壁２２の立ち上がる方向（一方向）に沿って延長されており底部２１の周方向に並ぶ複数のライン状の突起２３０によって形成されているので、合成樹脂材料からキャップ体２０の底部２１と周壁２２とを一体に成型することが容易になる。すなわち、ライン状の突起２３０は、キャップ体２０の製造過程において金型の抜き方向となる方向（一方向）に沿って延長されているので、金型にて底部２１と凹凸２３付きの周壁２２とを同時に成型することができる。つまり、金型は、底部２１と周壁２２とを成型後、ライン状の突起２３０に沿って凹凸２３を潰すことなくキャップ体２０の開口側から抜くことができる。これにより、底部２１と周壁２２とが別々に成型され両者が接着されるような場合に比べて、キャップ体２０の製造コストが低く抑えられる。

さらに、各突起２３０は、長手方向（一方向）に直交する断面が三角形状であるので、各突起２３０は、プリズムとして機能し、キャップ体２０の外側から周壁２２に入射した外乱光をキャップ体２０の外側に全反射することが可能になる。しかも、凹凸２３の各面２３１，２３２で鏡面状であるから、周壁２２は、凹凸２３での光の反射効率が高くなり、周壁２２における光の透過量を効率的に低減できるという利点もある。

また、キャップ体２０は、赤外線を透過しやすい材料であって、さらに可視光を透過させずに赤外線を透過させる物質を含有したポリエチレン材料から形成されているので、外乱光に対する遮光効果が高くなる。よって、赤外線センサ１は、キャップ体２０の側面から照明光や太陽光などの比較的強い外乱光が入射することがあっても、この外乱光に起因した誤検出をより確実に回避できる。なお、キャップ体２０は、カーボンブラック、群青などの顔料、紫外線吸収剤、酸化防止剤などのポリエチレン樹脂の成型品質を向上させる物質がポリエチレン材料に含有されていると、外観や成型性などを確保しながら遮光効果の向上を図ることができる。

また、上述したように、ポリエチレンは他の合成樹脂との密着性が悪いから、レンズとしての底部２１のみをポリエチレン材料から形成し、赤外線や可視光の透過率が低いポリエチレン以外の材料から形成した周壁２２と接合することは難しい。ただし、ポリエチレン同士であれば接合可能であるので、ポリエチレン材料を母材として赤外線や可視光を通さない物質が添加された材料から周壁２２を形成し、透過率の高いポリエチレン材料からなる底部２１と結合することで、キャップ体２０を構成できる。この場合、周壁２２と底部２１との接合は、二色成形や接着、溶着などの方法にて実現される。

ところで、上記実施形態で示したキャップ体２０の形状や材料は一例に過ぎず、適宜変更が可能である。

たとえば、周壁２２の内側面に形成された凹凸２３については、突起２３０は断面が半円状や台形状など、三角形状以外の形状であってもよい。また、突起２３０は、周壁２２の立ち上がる方向（一方向）に連続したライン状に限らず、周壁２２の立ち上がる方向において複数に分断された形状であってもよい。たとえば、凹凸２３は、立方体の一隅を含む３平面からなるコーナーキューブ状の複数の突起からなり、各突起にて、入射した光を３回反射してキャップ体２０の外側へ反射する構成であってもよい。

また、図５に示すように、キャップ体２０は、一面（下面）が開放された直方体状であってもよい。この例では、図５（ｂ）に示すように、センサ本体１０は、基板３０の一面側に実装され、基板３０に取り付けられたキャップ体２０にて覆われることにより、キャップ体２０と共に赤外線センサ１を構成する。図５（ａ）に示すように、基板３０におけるセンサ本体１０の実装位置の周辺にキャップ取付用の孔３１が形成されており、キャップ体２０は、周壁２２の開口周縁から突き出た脚片２４を基板３０の孔３１に差し込んで基板３０に取り付けられる。図５の例でも、キャップ体２０は、底部２１がレンズ（ここでは多分割レンズとする）を構成し、４面ある周壁２２の各内側面にはライン状の突起２３０からなる凹凸２３が形成されている。

１ 赤外線センサ
１０ センサ本体
２０ キャップ体
２１ 底部
２２ 周壁
２３ 凹凸
２３０ 突起

Claims (7)

1. 赤外線を検出するセンサ本体と、前記赤外線を透過させる材料からなり前記センサ本体に被せられる有底筒状のキャップ体とを備え、
   前記キャップ体は、前記センサ本体における赤外線の受光部に対向する底部と、前記底部の周縁から一方向に立ち上がっており前記センサ本体を包囲する周壁とを有し、
   前記周壁における前記センサ本体と向き合う内側面には、前記周壁における赤外線の透過量を低減する凹凸が形成されていることを特徴とする赤外線センサ。
2. 前記凹凸は、各々が前記一方向に沿って延長されており前記底部の周方向に並ぶ複数の突起によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
3. 前記突起は、前記一方向に直交する断面が三角形状に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の赤外線センサ。
4. 前記凹凸の各面は、鏡面状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
5. 前記キャップ体は、ポリエチレン材料からなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
6. 前記キャップ体は、可視光を透過させずに赤外線を透過させる物質を含有したポリエチレン材料からなることを特徴とする請求項５に記載の赤外線センサ。
7. 前記底部は、レンズからなることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
   

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