JPH0518819A - 焦電センサ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低コストで信頼性の高い、輻射温度を測定す
る焦電センサ装置を提供する。 【構成】 センサヘッド１０ｄやチョッパー２０ｄの駆
動部２６ｄなどの発熱する構成部品を冷却する冷却手段
をセンサヘッドの近傍に設けるか、あるいはチョッパー
２０ｄが冷却扇を兼ねるよう焦電センサ装置を構成す
る。この構成により、構成部品からの発熱に起因するノ
イズ出力が低下し、焦電出力のＳ／Ｎ比が改善され、高
い室温での人体検出時の信頼性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は焦電センサーとチョッパ
ーからなり、赤外線、とくに熱線を検知する焦電センサ
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の焦電センサ装置は、赤外線、とく
に熱線を検知する焦電センサは、焦電効果を有する材料
を焦電素子とし、赤外線照射による焦電素子温度変化に
起因する焦電出力を検出するものである。このとき、赤
外線を適当なチョッピング装置により断続的に入射させ
ることにより焦電出力を得る方式が一般的であり、また
焦電素子に入射される赤外線の経路には、赤外線以外の
光線による影響を避けるためシリコン薄板などを赤外線
選択透過基板として設置したり、集光効率を上げるため
赤外線透過レンズを設けたりする場合もある。通常は上
記の焦電素子、赤外線選択透過基板、赤外線透過レンズ
などをまとめてセンサーヘッドと呼ぶ。また、被検出物
の熱分布を検出する場合には、センサヘッドをモーター
などの駆動装置により回転させて空間走査を行うのが一
般的である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の構
成では、焦電素子に入射される赤外線の経路には、赤外
線選択透過基板、赤外線透過レンズ装置などのセンサヘ
ッド構成部品およびチョッパーが存在する。したがっ
て、焦電素子が検出する焦電出力は、上記のセンサヘッ
ド構成部品もしくはチョッパーの放射赤外線と、被検出
物の放射赤外線との差分により生ずるものであり、これ
ら構成部品の温度はすべて一定に保たれていることが望
ましい。しかし、センサ装置を小型化するために各構成
部品を近接して配置すると、センサヘッドもしくはチョ
ッパーが回路部や各構成部品から発生した熱により昇温
することがある。このように、センサヘッド構成部品が
昇温した場合にはセンサの出力信号レベルが、出力信号
の本来レベルに比して著しく低下する。電気回路その他
から発生するノイズレベルは一定であるので、上記の信
号出力レベルの低下はＳ／Ｎ比の低下となる。このＳ／
Ｎ比の低下は、気温と被検出物の温度差が小さい場合、
とりわけ被検出物の温度が室温と１０度以内の温度差で
ある場合に顕著に現れる。したがって、従来の焦電セン
サ装置を保安用の人体検知センサなどに用いる場合、気
温が高いと人体の検知が不能となったり、誤作動したり
するという課題があった。

【０００４】本発明はこのような課題を解決するもの
で、被検出物の温度が室温に近くても、正確に赤外線発
生源を検知する焦電センサ装置を提供することを目的と
するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明は、センサヘッド部やチョッパー駆動部など、
発熱する構成部品を冷却するための冷却装置を焦電セン
サ装置に設けるようにしたものである。

【０００６】

【作用】この構成により、センサヘッド部やチョッパー
駆動部などの温度上昇を防止することができ、焦電セン
サ出力のＳ／Ｎ比を改善できる。したがって、人体温度
に近い室温であっても焦電センサの感度低下が防げ、人
体検出時の誤動作を防ぎ、人体検出の信頼性が向上する
こととなる。

【０００７】

【実施例】以下に本発明の一実施例の焦電センサ装置を
図面を参照しながら説明する。

【０００８】（実施例１）図１に本発明の１実施例の焦
電センサの構成を示す。被検出物から放射された赤外線
Ａは、チョッパー２０ａにより断続的にセンサヘッド１
０ａに入射され、赤外線透過レンズ１３ａにより集光さ
れ、さらに赤外線選択透過板１２ａを透過して焦電素子
１１ａに入射する。焦電素子１１ａ、赤外線選択透過板
１２ａおよび赤外線透過レンズ１３ａは一体化されてセ
ンサヘッド１０ａを形成する。以後、センサヘッド１０
ａの赤外線Ａの入射側を前面、逆側を背面と呼ぶ。チョ
ッパー２０ａはチョッパーシャフト２１ａを介して機械
的にチョッパー駆動部２５ａに接続され、シャフト２１
ａの回転に応じて赤外線Ａの入射経路を断続的に遮断す
ることによりチョッピング効果を発現する。センサヘッ
ド１０ａはセンサヘッドシャフト３１ａを介して機械的
にステッピングモーター３０ａに接続され、センサヘッ
ドシャフト３１の断続的な回転に応じて水平方向に回転
することにより、被検出物の水平走査を行う。さらに、
センサヘッド１０ａの背面には、冷却扇４１ａ、冷却扇
シャフト４２ａおよび冷却扇駆動部４３ａからなる冷却
部４０ａが設けられている。センサヘッド１０ａおよび
チョッパー２０ａは、冷却部４０ａの発生する気流によ
り空冷される。従来の冷却部を持たない焦電センサ装置
と本実施例の焦電センサ装置との出力性能の比較を図２
（Ａ），（Ｂ）に示す。図２（Ａ）は気温２５℃におい
て本実施例の焦電センサ装置で人体温度を測定した場合
のセンサ出力波形、図２（Ｂ）は従来の焦電センサ装置
で同様に測定した場合の出力波形である。横軸は時間、
縦軸は出力を示す。図２より明らかなように、本実施例
の焦電センサ装置は従来例に比べ焦電出力が高く、被検
出物温度が比較的室温に近い場合のＳ／Ｎ比の向上に極
めて有効である。

【０００９】なお、本実施例の焦電センサ装置では、冷
却扇４１ａとして直径３ｃｍの２枚羽根ファンを用いた
場合には回転速度１２００ｒｐｍ、直径３ｃｍの３枚羽
根ファンでは同９５０ｒｐｍ、直径５ｃｍの３枚羽根フ
ァンでは同８５０ｒｐｍ以上で充分な冷却効果が認めら
れた。ただし、駆動部回転数を上げることは駆動部から
の発熱量が増加することになるので、直径の大きな冷却
扇を用いて低めの駆動部回転数でも充分な冷却効果が得
られるようにするのが望ましい。

【００１０】以上の説明からわかるように、冷却部を設
けることによって、人体検知センサなど気温に近い熱源
の検出に焦電センサ装置を用いる場合の検知能を高め、
誤作動を防止し、センサの信頼性向上を達成することが
できる。 （実施例２）本発明の実施例２の焦電センサ装置の構成
を図３および図４に示す。図に示すように、熱発生源と
なる駆動部の数を減らし、なおかつさらに小型化と低コ
スト化を達成することを目的として、チョッパー２０ｂ
または２０ｃと冷却扇４１ｂまたは４１ｃを同一の駆動
部２６ｂまたは２６ｃにより駆動するすることを試み
た。本機構の採用にあたっては、チョッピング周波数の
設定に充分な注意が必要である。一般にチョッピング周
波数は、焦電素子自体の感度によって決定される。すな
はち、感度の低い焦電素子を高いチョッピング周波数で
用いると、照射赤外線の不足により充分な焦電効果が得
られず感度が低下し、逆に感度のよい焦電素子を用いれ
ばチョッピング周波数を高くしても充分な焦電効果が得
られ、被検出物温度変化の時間分解能を上げることがで
きる。ちなみに、従来用いられてきた焦電素子の基材形
状としては大別して薄膜型と結晶体型もしくは焼結体型
があり、一般に薄膜型焦電素子は焦電部の熱容量が結晶
体型や焼結体型焦電素子に比べ小さいので感度が高い。
したがって、チョッパーと冷却扇を同時に駆動する場合
でも、チョッピング周波数は焦電素子の性能に合わせ独
立に設定できることが望ましい。

【００１１】以上の観点から、図３に示すように、駆動
部２６ｂに接続されたファンシャフト２２ｂにより冷却
扇４１ｂを駆動し、さらにファンシャフト２２ｂを減速
機２３ｂに接続し、減速機２３ｂに接続されたチョッパ
ーシャフト２１ｂによりチョッパー２０ｂを駆動する構
成とした。実際に、焦電素子として比較的感度の低いＰ
ｂＴｉＯ₃焼結体を用いてセンサヘッド１０ｂを構成
し、減速機減速比を２：１とし冷却扇回転速度を１２０
０ｒｐｍに、したがってチョッピング周波数は１０Ｈｚ
に設定して実施例１と同様の測定を行なったところ実用
上充分な感度と冷却能を示し、本機構が感度の低い焦電
素子を用いる場合にとくに有効であることが判明した。
なお、本実験では冷却扇として直径３ｃｍの３枚羽ファ
ンを用い、センサヘッド１０ｂはステッピングモーター
３０ｂにより駆動されるセンサヘッドシャフト３１ｂに
より走査する。以上のように、本実施例によれば薄膜型
焦電素子よりも価格の低い焼結体もしくは結晶体焦電素
子を用いて精度のよい測定が行えることから、低コスト
で信頼性の高い焦電センサ装置を提供することができ
る。

【００１２】また、感度のよい薄膜型焦電センサを用い
る場合には、図４に示すようにチョッパー２０ｃと冷却
扇６１ｃを同一のチョッパーシャフト２１ｃに接続する
簡略な構成とすることができる。焦電素子としてＰｂＴ
ｉＯ₃薄膜型焦電素子を用いてセンサヘッド１０ｃを構
成し、センサヘッドシャフト３１ｃを介してステッピン
グモーターで走査する。冷却扇には直径４ｃｍの３枚羽
ファンを用い、チョッピング周波数を１５Ｈｚに、それ
に対応して冷却扇回転速度は９００ｒｐｍに設定して駆
動部２６ｃで回転させる。このセンサ装置について実施
例１と同様の測定を行なったところ、実施例１と同様の
冷却能力と実用上充分な感度とを示し、従来の構成に冷
却扇を付加するだけで容易にセンサの性能を向上させる
ことができる。

【００１３】以上のように、本実施例によれば、実施例
１に比してより簡単な構成でセンサ装置の信頼性を向上
させることができ、さらに部品点数が減少するので低コ
スト化および小型化が達成できる。

【００１４】（実施例３）本発明の実施礼の焦電センサ
装置の構成を図５（Ａ）〜（Ｃ）に示す。図に示すよう
に、チョッパー２０ｄの形状を工夫して冷却扇としての
役割を持たせることにより、さらなる小型化と低コスト
化を達成することができる。本実施例においては、駆動
部２６ｄをセンサヘッドの後方に置きチョッパーシャフ
ト２１ｄを介してセンサヘッド１０ｄの前面から背面へ
気流が流れるように羽根２０ｄの向きもしくは駆動方向
を設定することにより、駆動部２６ｄより発生する熱が
測定系に干渉する現象を完全に防止することができる。
なお、本実施例に用いる焦電素子は、実施例２にで説明
したように高感度の薄膜型焦電素子が望ましい。焦電素
子としてＰｂＴｉＯ₃薄膜形焦電センサを用い、図５
（Ｂ），（Ｃ）に示す形状の直径８ｃｍのチョッパー２
０ｄを用い、チョッピング周波数を２０ヘルツに設定し
て測定を行ったところ、実用上充分な冷却能と感度を示
し、非常に良好なセンサ特性を得ることができた。な
お、本実施例でもセンサヘッド１０ｄはセンサヘッドシ
ャフト３１ｄを介してステッピングモーター３０ｄによ
り走査される

【００１５】。

【発明の効果】上記の実施例の説明からも明らかなよう
に本発明によれば、冷却部を設けて焦電センサ装置構成
部品を空冷することにより、従来の焦電センサ装置に比
べ、信頼性が高く、高感度の焦電センサ装置を作製する
ことができる。さらに、チョッパーや構成部品の形状を
工夫することにより、従来の焦電センサ装置に比べ生産
性に優れ、小型化の可能な焦電センサ装置を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例のセンサ装置の構成図

【図２】（Ａ）は同焦電センサ装置の出力波形図 （Ｂ）は従来の焦電センサ装置の出力波形図

【図３】実施例２のセンサ装置の構成図

【図４】実施例２の別のセンサ装置の構成図

【図５】（Ａ）は実施例３のセンサ装置の構成図 （Ｂ）は実施例３のチョッパーの前面図 （Ｃ）は実施例３のチョッパーの側面図

【符号の説明】

１０ａ,１０ｂ,１０ｃ,１０ｄ センサヘッド １１ 焦電素子 １２ 赤外線選択透過板 １３ 赤外線透過レンズ ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ チョッパー ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ チョッパーシャフト ２２ａ，２２ｂ ファンシャフト ２３ｂ 減速機 ２５ａ チョッパー駆動部 ２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ 駆動部 ３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ ステッピングモータ
ー ３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ センサヘッドシャフ
ト ４０ａ 冷却部 ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ 冷却扇 ４２ａ，４２ｂ 冷却扇シャフト ４３ａ 冷却扇駆動部 Ａ 赤外線

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 焦電素子を備えたセンサヘッドと、赤外
   線を断続的に遮断するチョッピング手段とを備えた構成
   であって、前記センサヘッドおよび前記チョッピング手
   段を冷却する冷却手段を有する焦電センサ装置。
2. 【請求項２】 センサヘッド冷却手段が送風装置である
   請求項１記載の焦電センサ装置。
3. 【請求項３】 チョッパーと送風手段を同一の駆動部に
   より駆動する請求項２記載の焦電センサ装置。
4. 【請求項４】 チョッパーが冷却扇を兼ねる請求項２記
   載の焦電センサ装置。