JP5975506B2 - 赤外線センサシステム - Google Patents

Description

本発明は、物体を検出する装置等に用いられる赤外線センサシステムに関する。

近年、赤外線センサを組み込んだ装置が多数生産されている。そのような装置の例として、省エネルギー化を目的とし自動でスイッチのＯＮ、ＯＦＦ制御を行う家電製品、防犯用の人体検出装置、高齢者の生活リズム計測装置などがある。

これらの装置、特に防犯用途や高齢者向け福祉用途に使用される装置は、赤外線センサの情報をユーザに即時に伝える必要がある。さらに、設置場所の制限を少なくするため、例えば図９に示すような無線設備を内蔵している装置、又は図１０に示すような無線設備を備える機器と接続する装置の適用が求められている。

しかし、赤外線センサは高周波のノイズを受けやすいという問題点がある。そのため、赤外線センサを利用した際に、検出する対象物（例えば人間）が存在していなくても、無線機器の発する電波の影響により、あたかも対象物を検知したかのように誤った反応してしまうことがある。

そのため、例えば特許文献１に記載された赤外線センサでは、ノイズを低減するために、金属ケースで赤外線素子を覆うことでシールド効果を持たせ、さらに赤外線透過窓部材に導電体の格子状部材が用いられている。

また、例えば特許文献２に記載された焦電型赤外線センサでは、回路基板の焦電素子等が実装されている側と反対側の面が導体箔で覆われている。そして、電磁シールド性を得るために、導体箔を回路基板のグランド配線、グランド端子、キャップと電気的に接続する。

また、例えば特許文献３に記載された赤外線センサでは、ノイズの除去のために、赤外線センサモジュールの内部にコンデンサが設置されている。

また、特許文献４には、圧電特性とパイロ電気（焦電）特性とを有する測定素子において、ノイズ因子量である温度だけが作用する補償素子を有し、温度によるノイズを補正する構成が示されている。

特開平０１−１１１２９９号公報 特開２０００−３０４６０５号公報 特開平１１−１０８７５７号公報 特表２００８−５１６２０２号公報

図９及び図１０に示したような装置において赤外線センサ（図９及び図１０の赤外線センサモジュール）は、図示しない電源、グランドに接続され、出力端子を介して信号線と接続される。そのため、特許文献１〜特許文献３に記載された赤外線センサを用いて赤外線センサモジュール内部でのノイズの影響を緩和できたとしても、これら電源、グランド、信号線等に電波によるノイズがのってしまうと、その影響を受けることになる。つまり、物体（例えば、人間）が存在していなくても、電波の影響により物体が存在するかのような誤った検知情報を出力してしまう。

また、特許文献４に示されているセンサ素子は、圧力等の機械量を測定するものであり、赤外線を受光することにより物体の有無を検出する構成については記載されていない。また、温度によるノイズを補償するものであるが、電波の影響をキャンセルすることについては記載されていない。

そこで、本発明は、電波の影響による誤検知を防止することができる赤外線センサシステムを提供することを目的とする。

本発明の赤外線センサシステムは、赤外線を遮蔽し電波を透過する外郭、外郭の上部に形成され赤外線を透過する窓材、窓材と接しており前記外郭内の一部領域を囲うように形成され赤外線を遮蔽し電波を透過する内壁、および略円盤状のベース部を含む略円筒形状の筐体と、ベース部の上部の領域であって内壁と窓材とに囲われた領域に設けられ、赤外線を受光すると、受光信号を出力する赤外線センサ素子と、ベース部の上部の領域であって外郭と内壁との間の領域に設けられ、電波を検出して検出信号を出力する検出手段と、赤外線センサ素子が受光信号を出力したときに、検出手段が検出信号を出力していないことを条件に赤外線検出信号を出力する信号出力手段とを備えた。

本発明によれば、電波の影響による誤検知を防止することができる赤外線センサシステムを得ることができる。

本発明の実施形態１の赤外線センサシステムにおける赤外線センサモジュール示す斜視図である。 本発明の実施形態１の赤外線センサシステムを示すブロック図である。 本発明の実施形態１の赤外線センサシステムの回路構成を示す回路図である。 信号処理部内の信号波形の一例を示す波形図である。 本発明の実施形態２の赤外線センサシステムの回路構成を示す図である。 本発明の実施形態３の赤外線センサシステムを示すブロック図である。 本発明の実施形態３における信号調節部の一例を示す回路図である。 本発明の赤外線センサシステムの最小構成を示すブロック図である。 一般的な赤外線センサとその周辺回路を示すブロック図である。 一般的な赤外線センサとその周辺回路の別の例を示すブロック図である。

実施形態１．
図１は、本発明の実施形態１の赤外線センサシステムにおける赤外線センサモジュールを示す斜視図である。なお、図１の紙面上側を赤外線センサモジュールの上側とし、紙面下側を赤外線センサモジュールの下側として説明する。

図１に示すように、実施形態１の赤外線センサシステムにおける赤外線センサモジュールは、略円盤状のベース部１５とキャップ１１（部材）によって略円筒形状の筐体が形成されている。キャップ１１は、外郭１１ａ、窓材１１ｂ及び内壁１１ｃを含む。外郭１１ａ及び内壁１１ｃには、赤外線を遮蔽し電波を透過する素材が用いられる。また、キャップ１１の上部に形成された窓材１１ｂには赤外線を透過するフィルタ等が用いられる。そして、ベース部１５の下部から、信号線等に接続されるインタフェースである端子１６が複数本突出している。

ベース部１５の上部には、回路が形成された基板１４が設置され、基板１４の上部に基板１３が設置される。基板１３において、窓材１１ｂと対向する位置に赤外線が入射可能な領域１７が存在する。領域１７内に、赤外線を受光すると受光信号を出力する赤外線センサ素子２１が取り付けられる。

領域１７の四方（図１における前後及び左右方向）は、内壁１１ｃに囲われている。また、内壁１１ｃの上部の縁は窓材１１ｂの縁と接しており、下部の縁は基板１３と接している。また、基板１３において、赤外線が入射しない領域１８に、赤外線又は電波を検知すると信号を出力する補助赤外線センサ素子２４（検出手段）が設置されている。領域１８は、赤外線を遮蔽する外郭１１ａと内壁１１ｃとの間の空間にあるので、外部からの赤外線が入光しない。補助赤外線センサ素子２４は、赤外線が入光することなく電波等のノイズによってのみ反応するように設置されるので、電波等のノイズの検出手段として機能する。

なお、本実施形態の赤外線センサにおける赤外線センサモジュールの構成は、上記に示したものに限られず、少なくとも赤外線センサ素子２１は赤外線を受光できる位置にあり、かつ補助赤外線センサ素子２４は赤外線が到達せず、電波を検出できる位置にあればよい。

また、赤外線センサ素子２１及び補助赤外線センサ素子２４には、例えば焦電素子が用いられる。焦電素子の構造として、デュアルタイプ、クアッドタイプ等の構造が知られているが、どの構造の焦電素子を用いても構わない。

図２は、本発明の実施形態１の赤外線センサシステムを示すブロック図である。
赤外線センサ素子２１は、図１に示す領域１７に取り付けられ、補助赤外線センサ素子２４は、図１に示す領域１８に取り付けられている。

第１の赤外線センサ素子２１の一方の端子は、ＦＥＴ２３のゲートに接続され、他方の端子は、信号線を介して接地される。また、赤外線センサ素子２１と並列に抵抗２２が接続される。同様に、補助赤外線センサ素子２４の一方の端子は、ＦＥＴ２６のゲートに接続され、他方の端子は、信号線を介して接地される。また、補助赤外線センサ素子２４と並列に抵抗２５が接続される。

ＦＥＴ２３とＦＥＴ２６のそれぞれの入力端子は電源（Ｖｃｃ）に接続され、それぞれの出力端子は、信号処理部２７（信号出力手段）の入力端子に接続されている。そして、赤外線センサ素子２１及び補助赤外線センサ素子２４から出力された信号が、信号処理部２７に入力される。また、本実施形態の赤外線センサシステムは、図示しない増幅回路を含む。増幅回路は、赤外線センサ素子２１及び補助赤外線センサ素子２４から出力された信号を増幅する。

信号処理部２７は、ＦＥＴ２３を介して赤外線センサ素子２１から信号を受信したときに、ＦＥＴ２６を介して補助赤外線センサ素子２４から検出信号を受信しないことを条件に、出力端子２８へ赤外線検出信号を出力する。

図３は、本発明の実施形態１の赤外線センサシステムの回路構成を示す回路図である。なお、図３において、信号処理部２７の構成以外は、図２と同じであるため、説明は省略する。

図３に示すように、信号処理部２７において、ＦＥＴ２３の出力端子は、信号線を介して論理積（ＡＮＤ）回路２７４に直接接続される。また、信号処理部２７において、ＦＥＴ２６の出力端子は、抵抗２７１に接続される。抵抗２７１は、信号線を介して反転（ＮＯＴ）回路２７３の入力端子に接続され、ＮＯＴ回路２７３の出力端子はＡＮＤ回路２７４の入力端子に接続されている。また、抵抗２７１とＮＯＴ回路２７３との間に他端が接地されたコンデンサ２７２が設けられている。

次に、動作について説明する。電波によるノイズがない場合、補助赤外線センサ素子２４の出力信号はＯＦＦ状態（ローレベルであるとする）である。出力信号は、ＮＯＴ回路２７３で反転され、ＡＮＤ回路２７４の一方の入力端子に正論理の信号が入力される。その状態で赤外線センサ素子２１の出力信号がＯＮ状態（ハイレベルであるとする）になると、ＡＮＤ回路２７４の他方の入力端子にも正論理の信号が入力され、ＡＮＤ回路２７４から出力端子２８へ赤外線検出信号が出力される。

電波によるノイズがある場合、補助赤外線センサ素子２４の出力信号はＯＮ状態になる。出力信号は、ＮＯＴ回路２７３で反転され、ＡＮＤ回路２７４の一方の入力端子に負論理の信号が入力される。その状態で赤外線センサ素子２１の出力信号がＯＮ状態になって、ＡＮＤ回路２７４の他方の入力端子に正論理の信号が入力されても、補助赤外線センサ素子２４側の入力端子には負論理の信号が入力された状態であるから、ＡＮＤ回路２７４から出力端子２８へ赤外線検出信号は出力されない。

図４は、図３の信号処理部２７内の信号波形の一例を示す波形図である。（ａ）は、図３のＡ点における信号波形を示し、（ｂ）は、図３のＢ点における信号波形を示し、（ｃ）は、図３のＣ点における信号波形を示す。

図４（ａ）に示すように、電波によるノイズが入力したときに、補助赤外線センサ素子２４の検出信号の波形が、断続的になる可能性がある。しかし、抵抗２７１、コンデンサ２７２を介することによって、図４（ｂ）に示すように、Ｂ点における信号の波形は、連続的になる。そして、図４（ｃ）に示すように、Ｃ点における波形は、ＮＯＴ回路２７３を通過しているため、Ｂ点の波形が反転された波形になる。

このように、コンデンサ２７２等の作用によって、電波のノイズが断続的な場合でも、連続的な信号に変換することができるので、ノイズに起因する赤外線検出信号の出力を確実に制限できる。

なお、本実施形態の赤外線センサシステムの回路構成は、図２及び図３に示したものに限定されず、赤外線センサ素子２１から信号を受信したときに、補助赤外線センサ素子２４から検出信号を受信しないことを条件に赤外線検出信号を出力する回路構成になっていればよい。

本実施形態の赤外線センサシステムは、このような回路構成にすることで、赤外線センサ素子２１が、赤外線を受光せずに無線機器等の電波を受けて受光信号を出力したとしても、補助赤外線センサ素子２４の出力によりキャンセルすることができる。これにより、電波の影響による誤検知を防止できる。

本実施形態の赤外線センサシステムは、さまざまな物体（例えば人体）の検出を行う装置に用いることができる。そのような装置として、例えば、省エネルギー化を目的とし自動でスイッチのＯＮ、ＯＦＦ制御を行う家電製品、防犯用の人体検出装置、高齢者の生活リズム計測装置などがある。

本実施形態の赤外線センサシステムは、電波の影響による誤検知を防止でき、物体の検出精度を向上することができる。特に、赤外線センサ素子２１、補助赤外線センサ素子２４、及びその周辺回路は、電源及びグランドが共通であり、しかも実装位置が近い。そのため、赤外線センサ素子２１と、補助赤外線センサ素子２４とがほぼ同じように電波の影響を受けるので、より正確に誤検知を防止することができる。

また、赤外線センサモジュール（本発明における赤外線センサシステムに相当）内にて電波対策が完結しているので、装置に組み込んだ際に赤外線センサモジュール用に必要な周辺回路を設ける必要がなく、省スペースになる。

また、本実施形態の赤外線センサシステムを用いない場合、電波によるノイズ対策として基板配線の引き回し、電源及びグランドの取り方、ノイズ対策部品の検討などに多大な検討時間を要し、多岐に渡るノウハウが必要であった。しかし、本発明の赤外線センサシステムを用いることによってこれらのコストが削減でき、ノウハウが不要となる。

また、本実施形態の赤外線センサシステムは、補助赤外線センサ素子２４によって電波のノイズの影響を監視できる。そのため、電波をシールドするための金属ケースなどが削減できるので、低コストとすることができる。

実施形態２．
次に、赤外線を受光する赤外線センサ素子と電波の検出手段である補助赤外線センサ素子とを異なるモジュールに搭載する本発明の他の実施形態を説明する。

図５は、本発明の実施形態２における赤外線センサシステムの回路構成を示す図である。赤外線センサモジュール５１は、赤外線センサ素子（図示せず）を有し、赤外線を受光すると、受光信号を出力する。また、赤外線センサモジュール５２は、電波の検出手段として補助赤外線センサ素子（図示せず）を有し、外部からの赤外線が到達しない位置に設置され、電波を検出して検出信号を出力する。赤外線センサモジュール５２は、電波による影響が赤外線センサモジュール５１と同等になるように、赤外線センサモジュール５１の近傍に設けられることが望ましい。

また、図５に示すように、赤外線センサモジュール５１及び赤外線センサモジュール５２は、共通の電源部５４とグランド５５に接続される。電源及びグランドは、必ずしも共通でなくてもよいが、ノイズの影響がなるべく同等になるように、共通にすることが望ましい。また、図５に示す電源部５４は、装置内に設置されるものであるが、必ずしも装置内に用意しなくても、例えば外部から供給されるＡＣアダプタなどの電源を用いてもよい。

そして、赤外線センサモジュール５１及び赤外線センサモジュール５２は、制御部５３の入力ポートに接続される。そして、制御部５３は、赤外線センサモジュール５１が受光信号を出力したときに、赤外線センサモジュール５２が受信信号を出力していないことを条件に赤外線検出信号を出力する。よって、赤外線センサモジュール５１が、赤外線を受光せずに無線機器等の電波を受けて受光信号を出力したとしても、赤外線センサモジュール５２の出力によりキャンセルすることができる。従って、電波の影響による誤検知を防止できる。

なお、赤外線センサモジュール５１及び赤外線センサモジュール５２の形状は、どのようなものでもよい。また、赤外線センサモジュール５１の赤外線センサ素子及び赤外線センサモジュール５２の補助赤外線センサ素子には、例えば焦電素子を用いる。焦電素子の構造として、デュアルタイプ、クアッドタイプ等の構造が知られているが、どの構造の焦電素子を用いてもよい。

本実施形態の赤外線センサシステムは、実施形態１と同様に、電波の影響による誤検知を防止でき、物体の検出精度を向上することができる。また、赤外線検出用の赤外線センサ素子と電波検出用である補助赤外線センサ素子を一つの赤外線センサモジュールに設置しなくてもよいので、量産されている汎用の赤外線センサモジュールを用いることができる。これにより、赤外線センサシステムのコストを低減することができる。

実施形態３．
次に、電波の検出手段としてアンテナを用いた本発明のさらに他の実施形態を説明する。

図６は、実施形態３の赤外線センサシステムの回路構成を示す図である。赤外線センサモジュール６１は、赤外線センサ素子（図示せず）を有し、赤外線を受光すると、受光信号を出力する。赤外線センサモジュール６１は、制御部６４の入力ポート、電源部６５及びグランド６６に接続されている。また、無線機器の発する電波を検知できるアンテナ６２が設置されている。アンテナ６２は、信号調整部６３（本発明の信号回路に相当）を介して制御部６４の入力ポートに接続されている。

アンテナ６２は、電波による影響が赤外線センサモジュール６１と同等になるように、赤外線センサモジュール６１の近傍に設けられることが望ましい。なお、赤外線センサモジュール６１に用いられる赤外線センサ素子には、例えば焦電素子を用いる。焦電素子の構造として、デュアルタイプ、クアッドタイプ等の構造が知られているが、どの構造の焦電素子を用いても構わない。

制御部６４は、赤外線センサモジュール６１が受光信号を出力したときに、アンテナ６２が検出信号を出力していないことを条件に赤外線検出信号を出力する。よって、赤外線センサモジュール５１が、赤外線を受光せずに無線機器等の電波を受けて受光信号を出力したとしても、アンテナ６２の出力によりキャンセルすることができる。これにより、電波の影響による誤検知を防止できる。

図７は、実施形態３における信号調節部の一例を示す回路図である。信号調整部６３は、増幅器７２、リミッタ７３、コンパレータ７４を有している。アンテナ６２が電波を検出した場合、アンテナ６２から送られる信号は増幅器７２にて増幅され、増幅された信号は、リミッタ７３を通り、コンパレータ７４に入力する。コンパレータ７４は、アンテナ６２が受信した信号のレベル（例えば、電圧値又は電流値）が所定の閾値を超えているかどうかを判定する。

コンパレータ７４を利用することで、アンテナ６２が受信した電波が、赤外線センサシステムに影響がない低レベルの電波だった場合には、制御部６４へ信号を送らない。これにより、赤外線センサモジュール６１の受光信号を誤ってキャンセルしてしまうことを防止することができる。近年、家庭内でも様々な無線機器が増加し、低レベルの電波による無線通信が頻繁に行われているので、このような機能が特に必要とされる。

なお、図６に示す電源部６５は、装置内に設置されているが、必ずしも装置内に用意しなくても、例えば外部から供給されるＡＣアダプタなどの電源を用いてもよい。

また、図７において、制御部６４がＡ−Ｄ変換を行える場合（Ａ−Ｄ変換ポートを備えている場合）は、コンパレータ７４を使用せずＡ−Ｄ変換の値を用いて、制御部６４においてアンテナ６２が受信した電波を無効にするかどうかの判定を行うこともできる。

本実施形態の赤外線センサシステムは、実施形態１と同様に、電波の影響による誤検知を防止でき、物体の検出精度を向上することができる。また、コンパレータ７４等を用いてアンテナ６２が出力する信号レベルが赤外線センサシステムに影響がないレベルの電波かどうか判定することで、赤外線センサモジュール６１の受光信号を誤ってキャンセルしてしまうことを防止することができる。

また、赤外線センサモジュール６１に電波を監視する検出手段を設置しなくてもよいので、量産されている汎用の赤外線センサモジュールを用いることができる。これにより、赤外線センサシステムのコストを低減することができる。

次に、本発明による赤外線センサシステムの最小構成について説明する。図８は、本発明の赤外線センサシステムの最小構成を示す図である。図８に示すように、赤外線センサシステム１００は、最小の構成要素として、赤外線センサ素子１０１と、検出手段１０２と、信号出力手段１０３とを備える。

図８に示す最小構成の赤外線センサシステムでは、赤外線センサ素子１０１は、赤外線を受光すると、受光信号を出力する。また、検出手段１０２は、電波を検出して検出信号を出力する。そして、信号出力手段１０３は、検出手段１０２と異なる測定系に配置され、赤外線センサ素子１０１が受光信号を出力したときに、検出手段１０２が検出信号を出力していないことを条件に赤外線検出信号を出力する。

従って、最小構成の赤外線センサシステムによれば、電波の影響による誤検知を防止することができる。

また、上記の各実施形態には、以下の（１）〜（６）に示すような赤外線センサシステムも開示されている。

（１）赤外線センサシステム（例えば、赤外線センサシステム１００）は、赤外線を受光すると、受光信号を出力する赤外線センサ素子（例えば、赤外線センサ素子２１、赤外線センサモジュール５１内の図示しない赤外線センサ素子、又は赤外線センサモジュール６１内の図示しない赤外線センサ素子）と、電波を検出して検出信号を出力する検出手段（例えば、補助赤外線センサ素子２４、赤外線センサモジュール５２内の図示しない補助赤外線センサ素子、又はアンテナ６２）と、赤外線センサ素子が受光信号を出力したときに、検出手段が検出信号を出力していないことを条件に赤外線検出信号を出力する信号出力手段（例えば、信号処理部２７、制御部５３又は制御部６４）とを備えている。

（２）赤外線センサシステムにおいて、検出手段は、赤外線が到達しない位置に設置された補助赤外線センサ素子（例えば、補助赤外線センサ素子２４、又は赤外線センサモジュール５２内の図示しない補助赤外線センサ素子）であるように構成されていてもよい。

（３）赤外線センサシステムにおいて、赤外線センサ素子及び補助赤外線センサ素子は、焦電素子であるように構成されていてもよい。

（４）赤外線センサシステムにおいて、補助赤外線センサ素子に向かう赤外線を遮蔽する部材（例えば、キャップ１１）を備えるように構成されていてもよい。

（５）赤外線センサシステムにおいて、赤外線センサ素子と補助赤外線センサ素子とは基板（例えば、基板１３）に設置され、部材は、基板を収容する筐体の一部であるように構成されていてもよい。

（６）赤外線センサシステムにおいて、検出手段は、アンテナ（例えば、アンテナ６２）と、当該アンテナが出力する信号レベルが所定値を超えているときに検出信号を出力する信号回路（例えば、信号調整部６３）とを含むように構成されていてもよい。

本発明は、物体を検出する装置等に適用することができる。

１１ キャップ
１３ 基板
２１ 赤外線センサ素子
２４ 補助赤外線センサ素子
６２ アンテナ
６３ 信号調整部
１００ 赤外線センサシステム
１０１ 赤外線センサ素子
１０２ 検出手段
１０３ 信号出力手段

Claims (4)

1. 赤外線を遮蔽し電波を透過する外郭、前記外郭の上部に形成され赤外線を透過する窓材、前記窓材と接しており前記外郭内の一部領域を囲うように形成され赤外線を遮蔽し電波を透過する内壁、および略円盤状のベース部を含む略円筒形状の筐体と、
   前記ベース部の上部の領域であって前記内壁と前記窓材とに囲われた領域に設けられ、赤外線を受光すると、受光信号を出力する赤外線センサ素子と、
   前記ベース部の上部の領域であって前記外郭と前記内壁との間の領域に設けられ、電波を検出して検出信号を出力する検出手段と、
   前記赤外線センサ素子が受光信号を出力したときに、前記検出手段が検出信号を出力していないことを条件に赤外線検出信号を出力する信号出力手段とを備えた
   ことを特徴とする赤外線センサシステム。
2. 検出手段は、赤外線が到達しない位置に設置された補助赤外線センサ素子である
   請求項１記載の赤外線センサシステム。
3. 赤外線センサ素子及び補助赤外線センサ素子は、焦電素子である
   請求項２記載の赤外線センサシステム。
4. 検出手段は、
   アンテナと、当該アンテナが出力する信号レベルが所定値を超えているときに検出信号を出力する信号回路とを含む
   請求項１記載の赤外線センサシステム。

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