JPH07104414B2 - 焦電型熱源検知器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野】

本発明は、天井や壁に取り付けられ、人体等の熱源から
放射される赤外線を焦電型赤外線センサにより検知し、
室内に人が侵入したことを報知したり、室内に人がいる
間だけ照明器具を点灯させたり、火災発生を検出したり
する目的に用いる焦電型熱源検知器に関するものであ
る。

【従来の技術】

この種の焦電型熱源検知器は、人体等の熱源から放射さ
れる赤外線を焦電型赤外線センサにより受光することに
より熱源の存在を検知する。焦電型赤外線センサは微分
型のセンサであり、受光する赤外線量が変化したときに
しか出力信号が得られないから、視野内で熱源が発生す
るか、視野の境界を熱源が通過するときにしか熱源の存
在が検知できない。 したがって、焦電型熱源検知器を用いて、化粧室等の室
内に人が存在する間、照明器具を点灯させるような場
合、従来では焦電型赤外線センサの視野に人が入った時
点で照明器具を点灯させるとともに限時を開始し、所定
時間だけ照明器具を継続して点灯させるようにしてい
た。 しかしながら、上記構成では、焦電型赤外線センサの視
野に入った後には、視野内での人の存否にかかわらず一
定時間だけ照明器具が点灯し続けるから、人が視野から
出た後にも電力がむだに消費されたり、人が視野内に存
在している間に照明器具が消灯したりするという問題が
あった。 このような問題を解決するために、焦電型赤外線センサ
の視野を複数の検知領域に分割して、各検知領域への人
の出入りに伴って焦電型赤外線センサで受光される赤外
線量が変化するようにし、人が少し動くだけでも出力信
号が得られるようにしたものが提案されている。すなわ
ち、第13図に示すように、人体から放射される赤外線を
反射鏡７により反射させた後、焦電型赤外線センサ20に
導入するのであり、反射鏡７は多面体状に形成された多
分割凹面鏡になっている。また、反射鏡７の各面は、そ
れぞれ焦電型赤外線センサ20の受光面の中心付近に焦点
を有する凹面鏡として形成されている。 この構成によれば、各検知領域が比較的小さくなり人が
少し動くだけでも検知できるから、焦電型赤外線センサ
の視野内に人がいる間は、ほぼ連続的に出力信号を得る
ことができる。その結果、室内に人がいる間、照明器具
を点灯させるような場合でも、人を検知してから出力を
保持する時間を従来よりも短縮することができ、人が視
野から出れば比較的短時間で消灯させることができるよ
うになる。また、人が視野内に存在する間に照明器具が
消灯することも防止できることになる。

【発明が解決しようとする課題】

しかしながら、上記構成では、焦電型赤外線センサの受
光面が矩形状に形成されていて、第14図に示すように、
縦横の寸法がそれぞれa,bであり、かつ反射鏡７の焦点
距離がｆであるとすれば、反射鏡７から距離ｄだけ離れ
た場所に形成される検知領域の縦横の寸法A,Bは、それ
ぞれ Ａ＝ａ×d/f Ｂ＝ｂ×d/f となる。すなわち、反射鏡７からの距離ｄが大きくなる
ほど検知領域の面積が大きくなる。その結果、近距離で
は人が少し動くだけでも検知するが、遠距離になるほど
人の動きを検知しにくくなるのであり、反射鏡７を用い
る形式では、反射鏡７を用いない場合に生じていた問題
を、近距離については解決するが、遠距離については十
分に解決できない。 本発明は上記問題点の解決を目的とするものであり、熱
源のわずかな動きを検出するとともに、距離にはほとん
ど関係なくほぼ均一な検出感度が得られるようにした焦
電型熱源検知器を提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

本発明では、上記目的を達成するために、取付面に固定
されるハウジング内に納装された焦電型赤外線センサ
と、焦電型赤外線センサの受光面の前方でハウジングに
形成された開口を覆うフレネルレンズとを設け、フレネ
ルレンズを焦電型赤外線センサを囲む球面の一部を形成
する形状に形成し、焦電型赤外線センサの視野を複数の
領域に分割する複数のレンズ部をフレネルレンズに設
け、各レンズ部を焦電型赤外線センサの受光面の中心に
焦点が位置するように形成し、かつ各レンズ部の面積
を、焦電型赤外線センサの受光面の法線と各レンズ部の
光軸との間の角度に対する余弦の二乗の逆数をあらかじ
め設定された基準面積に乗じた大きさに設定している。

【作用】

上記構成によれば、焦電型赤外線センサを囲む球面の一
部を構成するフレネルレンズに、焦電型赤外線センサの
視野を複数の領域に分割する複数のレンズ部を設け、か
つ各レンズ部の焦点が焦電型赤外線センサの受光面の中
心に位置するようにしているので、フレネルレンズに設
けられた各レンズ部により焦電型赤外線センサの視野を
複数の検知領域に分割することができるのであって、熱
源の移動量が小さくても検知できるのである。また、球
面上にレンズ部を形成し、かつ各レンズ部の焦点が焦電
型赤外線センサの受光面の中心に位置するようにしてい
るから、焦電型赤外線センサに収束すべく各レンズ部に
入射する光束は光軸に略平行になり、収差（とくにコマ
収差）が少なくなって、入射光線の立ち上がりと立ち下
がりとが急峻になり変化量が大きくなる。すなわち、焦
電型赤外線センサの出力レベルが大きくなるのであり、
高感度な検出が行えるという利点がある。しかも、各レ
ンズ部の面積を、焦電型赤外線センサの受光面の法線と
各レンズ部の光軸との間の角度に対する余弦の二乗の逆
数をあらかじめ設定された基準面積に乗じた大きさに設
定しているので、焦電型赤外線センサの受光面から各レ
ンズ部を見込む面積が等しくなるのであり、各レンズ部
により設定される各検知領域に対する受光感度を等しく
することができるのである。

【実施例１】 第１図および第２図に示すように、ハウジング１は基台
11と、基台11の上面中央部に被嵌されるカバー12とを組
立ねじ13により結合して形成される。基台11は、保持筒
14を有し、保持筒14の上端縁から円板状のフランジ15が
延設された形状に形成されている。 保持筒14内には、焦電型赤外線センサ20を納装した可動
枠２が保持される。焦電型赤外線センサ20は可動枠２内
に固定された基板21上に処理回路とともに実装されてい
る。可動枠２の外周面は球面の一部を形成する形状に形
成されており、可動枠２の下面に形成された開口には熱
線が透過しやすい合成樹脂（たとえば、高密度ポリエチ
レン）よりなるフレネルレンズ22が装着されている。こ
のフレネルレンズ22は、球面の一部を形成する形状に形
成され、可動枠２とフレネルレンズ22とにより球状体が
形成され、球状体の中心付近に焦電型赤外線センサ20が
配置される。このように、焦電型赤外線センサ20を可動
枠２とフレネルレンズ22とで形成される球状態の中心付
近に配置しているから、焦電型赤外線センサ20は外気流
に触れることがないのであり、外気流の乱れにより温度
分布に差が生じても焦電型赤外線センサ20が誤検出を行
うことが防止できるのである。可動枠２は、第３図に示
すように、焦電型赤外線センサ20の受光面に直交する一
面で分割した半割体2a,2bを組立ねじ23により結合して
形成される。すなわち、一方の半割体2aの内周面に突設
されたボス24に、他方の半割体2bを通して挿入される組
立ねじ23を螺合させるのである。半割体2a,2bの内周面
には、基板21を保持する位置決め突起25が突設され、ま
た、フレネルレンズ22の基部に形成された鍔部22aが嵌
合する溝26が形成される。以上の構成により、焦電型赤
外線センサ20を実装した基板21とフレネルレンズ22と
を、両半割体2a,2b間に装着し組立ねじ23を締め付けれ
ば、可動枠２とフレネルレンズ22とにより球状体が形成
されることになる。したがって、可動枠２は、保持筒14
に対して回動自在となる。可動枠２は保持筒14の開口縁
に対して下方への抜け止めがなされた状態で装着され、
基台11に固定された板状の押えばね16により浮き上がり
が防止されている。 ところで、フレネルレンズ22は、第４図に示すように、
12個のレンズ部27a,27bの集合体となっており、各レン
ズ部27a,27bの光軸は焦電型赤外線センサ20を中心とす
る放射状に設定されている。ここに、フレネルレンズ22
の凹凸面は内周面側に形成してあり、外周面での反射が
少なくなるようにして透過効率の低下を防止している。
ところで、焦電型赤外線センサ20の視野角は一般に115
〜120゜であるから、この範囲においてレンズ部27a,27b
が形成されているのであり、焦電型赤外線センサ20の受
光面の中心に立てた法線とフレネルレンズ22との交点を
中心とし、この中心の回りにレンズ部27a,27bを形成し
ている。すなわち、レンズ部27a,27bは、上記中心付近
を周方向に90゜間隔に分割した４個のレンズ部27aと、
レンズ部27aの外周で45゜間隔に分割した８個のレンズ
部27bとからなる。レンズ部27aの光軸は、焦電型赤外線
センサ20の受光面に対する上記法線に対して15゜をな
し、レンズ部27bの光軸は32゜をなすように形成され
る。また、上記法線に対する光軸の傾斜角をθとすると
き、所定の基準面積Ａに対して、各レンズ部27a,27bの
面積Ｓは、Ｓ＝A/cos²θとなるように設定される。した
がって、レンズ部27aの面積はA/cos²15゜≒1.07A、レン
ズ部27bの面積はA/cos²32゜≒1.24Aとなる。ここに、基
準面積Ａは適宜設定すればよい。このように、レンズ部
27a,27bの面積を設定しているのは、焦電型赤外線セン
サ20の正面方向に対して角度θの方向から見込む焦電型
赤外線センサ20の受光面積Ｓ_θは、正面方向から見込む
受光面積S₀に対して、Ｓ_θ＝S₀・cos²θとなるからであ
る。すなわち、各レンズ部27a,27bの面積を上述のよう
に設定したことにより、各レンズ部27a,27bに対応して
設定された各検知領域に対する焦電型赤外線センサ20の
受光感度がほぼ等しくなるのである。 カバー12は、上面が閉塞されており、基台11に固定され
た上記押えばね16と、押えばね16の下方と上方とにそれ
ぞれ配設された回路基板28a,28bとを覆うように基台11
に被嵌される。カバー12の上面にはそれぞれ端子ねじ29
aを有する一対の端子部29が露出しており、外部回路に
接続できるようになっている。 ところで、焦電型赤外線センサ20は、第５図に示すよう
に、一対の焦電素子20a,20bをTO−５型等のパッケージ2
0c内に納装して形成されており、第５図（ｃ）のように
焦電素子20a,20bは逆直列に接続されている。したがっ
て、一方の焦電素子20aを＋素子、他方の焦電素子20bを
−素子とすれば、各焦電素子20a,20bへの入射エネルギ
が第６図（ａ）のように変化したとき（左側のパルス状
信号は＋素子、右側のパルス状信号は−素子への入射に
対応するものとする）、＋素子からは第６図（ｂ）のよ
うな出力信号が得られ、−素子からは第６図（ｃ）のよ
うな出力信号が得られる。したがって、両焦電素子20a,
20bの直列回路の出力信号は、重ね合わせとして第６図
（ｄ）のようになる。つまり、合成出力のレベルは焦電
素子20a,20bが１個のときよりも絶対値が大きくなるの
である。 このように構成された焦電型熱源検知器を天井に取り付
けるには、フランジ15に形成された取付孔17を通して取
付ねじ18を天井面に螺入すればよい。また、ハウジング
１の下面には、可動枠２の下部を露出させる開口窓31を
備えた化粧プレート３が装着される。 上述した焦電型熱源検知器Ａを照明器具Ｃの点滅制御に
使用する場合は、たとえば第７図に示すように、人を検
知すべき領域の広さや形状に応じて適宜個数を天井４に
取り付けておき、信号線l_Sを介してコントローラＢと接
続する。また、コントローラＢには、制御線l_Cを介して
照明器具Ｃが接続されるとともに、電源線l_Pを介して電
源Ｄが接続される。 すなわち、各焦電型熱源検知器Ａの焦電型赤外線センサ
20の出力は、第８図に示すように、増幅回路41で増幅さ
れた後、フィルタ42により雑音成分が除去され、比較回
路43に入力される。比較回路43では、基準電圧設定部44
によりあらかじめ設定された基準電圧とレベルが比較さ
れ、レベルが上記基準電圧以上であると、熱源を検知し
たものとして出力回路45を介して検知信号（電圧信号）
を発生する。検知信号は、信号線l_Sを介してコントロー
ラＢに伝送される。コントローラＢでは、電圧検出回路
46によって検知信号を検出し、タイマ回路47により出力
回路48に設けたリレー接点を一定時間だけ閉成する。タ
イマ回路47の限時時間は、焦電型赤外線センサ20の視野
内に人が存在するときに出力信号が得られる間隔よりも
長く設定されるのであり、この限時時間は調節可能とな
っている。また、上述のように、焦電型赤外線センサ20
の視野は、レンズ部27a,27bにより12個の検知領域に分
割されているから、人が視野内に存在する間は、比較的
短い間隔で出力信号が得られるのであり、限時時間は比
較的に短い時間に設定されている。その結果、焦電型赤
外線センサ20の視野から人が出れば短時間で照明器具Ｃ
が消灯され、むだな電力消費が防止できるのである。ま
た、視野内に人がいる間は、出力信号が比較的短い時間
間隔で断続的に得られるから、人がいる間に照明器具Ｃ
が消灯されることも防止できる。 ここにおいて、各焦電型熱源検知器Ａが複数個配設され
ているが、可動枠２とフレネルレンズ22との結合体が球
状に形成されているから、各焦電型熱源検知器Ａの検知
方向が異なっていても外観上に相違が生じないのであ
り、違和感が生じないのである。また、上述したよう
に、フレネルレンズ22を複数個のレンズ部27a,27bの集
合体とし、各レンズ部27a,27bを通して焦電型赤外線セ
ンサ20に入射する光量がほぼ等しくなるようにしている
から、各レンズ部27a,27bに対応して設定される検知領
域に対する感度のばらつきがなく、検知方向を調節して
も感度のばらつきが生じないのである。さらに、各レン
ズ部27a,27bの焦点を焦電型赤外線センサ20の受光面に
設定するから、焦電型赤外線センサ20からの距離が大き
くなっても検知領域があまり大きく広がらず、各レンズ
部27a,27bに対応する検知領域を比較的小さい領域に設
定することができる。すなわち、熱源の動きが小さくて
も検出が可能になるのである。また、各レンズ部27a,27
bの面積を上述したように設定しているから、どの検知
領域に対しても焦電型赤外線センサ20の検知感度をほぼ
一定にすることができるのである。

【実施例２】 本実施例では、第９図に示すように、焦電型赤外線セン
サ20が、パッケージ20c内に４個の焦電素子20d〜20gを
納装して形成されている。焦電素子20d〜20gは、第10図
に示すように、極性を交互に反転させて直列接続する
か、一対ずつ逆直列接続した２組の直列回路を並列接続
するか、２個ずつ極性を逆にして並列接続するかのいず
れかの形式で接続されるが、いずれにしても１つの焦電
型赤外線センサ20が、４つの検知領域を形成することに
なる。したがって、フレネルレンズ22の各レンズ部27a,
27bに対してそれぞれ４つの検知領域が設定されること
になり、１個の焦電型熱源検知器Ａについて、４×12＝
48個の検知領域が設定される。 たとえば、第11図および第12図に示すように、焦電型熱
源検知器Ａを天井に取り付けている場合には、2m下方
（2.7mの天井で床から70cmの机上と考えることができ
る）で、各焦電素子20d〜20gに対応する検知領域（第11
図に で示してある）の縦横寸法が約20cm、各レンズ部27a,27
bに対応する検知領域の最大間隔が約40cmとなるから、
手などの動きを検知できるのである。つまり、焦電型赤
外線センサ20の視野内に人が存在すれば、ほぼ連続的に
出力信号が得られるのであり、上述したタイマ回路47の
限時時間を実施例１よりも一層短く設定できるのであ
り、電力消費のむだが防止できるのである。この構成の
場合、焦電型赤外線センサ20の視野の直径は約3mになる
から、６畳程度の部屋では焦電型熱源検知器Ａを２個設
けることにより、室内のほぼ全領域を検知領域とするこ
とができる。また、たとえば、天井が3.5mの部屋なら
ば、１個当たりの床面での視野の直径を5m程度に設定で
きるから、天井高さや部屋の広さに応じて焦電型熱源検
知器Ａの個数を調節すればよい。

【発明の効果】

本発明は上述のように、取付面に固定されるハウジング
内に納装された焦電型赤外線センサと、焦電型赤外線セ
ンサの受光面の前方でハウジングに形成された開口を覆
うフレネルレンズとを設け、フレネルレンズを焦電型赤
外線センサを囲む球面の一部を形成する形状に形成し、
焦電型赤外線センサの視野を複数の領域に分割する複数
のレンズ部をフレネルレンズに設け、各レンズ部を焦電
型赤外線センサの受光面の中心に焦点が位置するように
形成しているものであり、焦電型赤外線センサを囲む球
面の一部を構成するフレネルレンズに、焦電型赤外線セ
ンサの視野を複数の領域に分割する複数のレンズ部を設
け、かつ各レンズ部の焦点が焦電型赤外線センサの受光
面の中心に位置するようにしているので、フレネルレン
ズに設けられた各レンズ部により焦電型赤外線センサの
視野を複数の検知領域に分割することができるのであっ
て、熱源の移動量が小さくても検知できるのである。ま
た、球面上にレンズ部を形成し、かつ各レンズ部の焦点
が焦電型赤外線センサの受光面の中心に位置するように
しているから、焦電型赤外線センサに収束すべく各レン
ズ部に入射する光束は光軸に略平行になり、収差が少な
くなって、入射光線の立ち上がりと立ち下がりとが急峻
になり変化量が大きくなる。すなわち、焦電型赤外線セ
ンサの出力レベルが大きくなるのであり、高感度な検出
が行えるという利点がある。さらに、検知ビームの広が
りが比較的少ないから、比較的遠距離でも検知領域があ
まり広がらないのである。 また、各レンズ部の面積を、焦電型赤外線センサの受光
面の法線と各レンズ部の光軸との間の角度に対する余弦
の二乗の逆数をあらかじめ設定された基準面積に乗じた
大きさに設定しているので、焦電型赤外線センサの受光
面から各レンズ部を見込む面積が等しくなるのであり、
各レンズ部により設定される各検知領域に対する受光感
度を等しくすることができるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）（ｂ）はそれぞれ本発明の実施例１を示す
一部切欠側面図と一部切欠下面図、第２図は同上の分解
斜視図、第３図は同上に用いる可動枠を示す分解斜視
図、第４図（ａ）（ｂ）はそれぞれ同上に用いるフレネ
ルレンズの正面図と断面図、第５図（ａ）（ｂ）はそれ
ぞれ同上に用いる焦電型赤外線センサの正面図と側面
図、第５図（ｃ）は同上における焦電素子の接続状態を
示す回路図、第６図は同上に用いる焦電型赤外線センサ
の動作説明図、第７図は同上の使用例を示す概略構成
図、第８図は同上のブロック図、第９図（ａ）（ｂ）は
それぞれ本発明の実施例２に用いる焦電型赤外線センサ
を示す正面図と断面図、第10図（ａ）〜（ｃ）は同上に
おける焦電素子の接続状態を示す回路図、第11図および
第12図はそれぞれ同上の動作説明図、第13図は従来例を
示す分解斜視図、第14図は同上の動作説明図である。 １……ハウジング、20……焦電型赤外線センサ、20a,20
b,20d〜20g……焦電素子、20c……パッケージ、22……
フレネルレンズ、27a,27b……レンズ部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 桐畑 慎司 大阪府門真市大字門真1048番地 松下電工 株式会社内 (56)参考文献 実開 昭64−5128（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭63−167284（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】取付面に固定されるハウジング内に納装さ
   れた焦電型赤外線センサと、焦電型赤外線センサの受光
   面の前方でハウジングに形成された開口を覆うフレネル
   レンズとを備え、フレネルンズは、焦電型赤外線センサ
   を囲む球面の一部を形成する形状に形成されるととも
   に、焦電型赤外線センサの視野を複数の領域に分割する
   複数のレンズ部を有し、各レンズ部は焦電型赤外線セン
   サの受光面の中心に焦点が位置するように形成され、か
   つ各レンズ部の面積は、焦電型赤外線センサの受光面の
   法線と各レンズ部の光軸との間の角度に対する余弦の二
   乗の逆数をあらかじめ設定された基準面積に乗じた大き
   さに設定されて成ることを特徴とする焦電型熱源検知
   器。