JPH07198480A - 熱線式検知装置のセンサーヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】１つのヘッド部材上に、監視区域に対応させて
複数のフレネルレンズを容易に組合せ配置して複数の監
視方向を設定する。 【構成】焦点位置に配置された焦電センサーＭに対し、
焦点位置を中心に焦点距離に一致する半径の内面をもつ
半球状のヘッド部材Ｈを配置し、ヘッド部材Ｈの所定位
置に、遠から近までの監視区域をカバーするサイズを持
ち且つ複数方向の監視区域をカバーする異なる光軸を持
つ複数の部分球面フレネルレンズを配置した集光窓Ｌを
一体に形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱線式検知装置のセン
サーヘッドに関し、特に球面フレネルレンズの一部分を
切り出して得た部分球面フレネルレンズを用いて熱源を
監視する熱線式検知装置のセンサーヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】熱線式検知装置において、監視区域から
の熱線を焦電センサーに集光して電気信号を取り出す時
に使用する集光手段としては、反射鏡、平面フレネルレ
ンズ、または球面フレネルレンズがある。このような熱
線式検知装置をより小型化するためには、反射鏡ではど
うしても大きくなり小型化に限度が有り、更に反射鏡が
高価である。

【０００３】また、平面フレネルレンズ方式では、監視
区域の数に応じて複数の平面フレネルレンズの面の角度
を、監視方向に応じて平面フレネルレンズ毎に定義して
用意しなければならず、実用化に面倒が有る。また、平
面フレネルレンズを円筒形にして立体角を持たせたもの
も、予め円筒形で監視する状態のフレネルレンズの面の
角度を計算して、それでいて平面フレネルレンズを形成
しなければならず、形成が煩雑である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】熱線式検知装置を小型
化するには、遠・近の両方の監視領域を含む複数方向の
監視区域を１つのセンサーヘッドでカバーできるように
することが望ましい。しかし、平面フレネルレンズまた
は平面フレネルレンズを円筒形にして立体角を持たせた
ものを複合させて、遠・近の両方の監視領域を含む複数
方向の監視区域を１つのセンサーヘッドでカバーさせよ
うとすると、フレネルレンズ毎に焦電センサーへの焦点
距離が異なってしまい、集光効率が悪いという問題があ
った。

【０００５】また、出来上ったカバーの形状もでこぼこ
となってしまい見栄えが悪いという問題があった。本発
明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、１つ
のヘッド部材上に、監視区域に対応させて複数のフレネ
ルレンズを容易に組合せ配置して複数の監視方向を設定
可能とする熱線式検知装置のセンサーヘッドを提供する
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、焦点位置に配
置された焦電センサーに対し、焦点位置を中心に焦点距
離に一致する半径の内面を持つ半球状のヘッド部材を配
置し、ヘッド部材の所定位置にフレネルレンズを一体に
形成した熱線式検知装置のセンサーヘッドであって、フ
レネルレンズとして、焦電センサー及びヘッド部材に適
合した球面フレネルレンズを焦電センサー側から投影し
た時の投影面での形状が矩形状となるように切り出した
部分球面フレネルレンズを用いると共に、遠から近まで
の監視区域をカバーするように異なるサイズを持ち且つ
複数方向の監視区域をカバーするように異なる光軸を持
つ複数の部分球面フレネルレンズを、型抜き成形により
ヘッド部材の内側に監視区域に対応させ且つ組み合せて
一体に形成したことを特徴とする。

【０００７】また、部分球面フレネルレンズの個々は、
焦電センサーでの検出に必要な集光量が得られるサイズ
に設定される。

【０００８】

【作用】このような構成を備えた本発明の熱線式検知装
置のセンサーヘッドにあっては、焦点位置に配置された
焦電センサーに対し、焦点位置を中心に焦点距離に一致
する半径の内面を持つ半球状のヘッド部材を配置し、ヘ
ッド部材の所定位置にフレネルレンズを一体に形成した
熱線式検知装置のセンサーヘッドであって、フレネルレ
ンズとして、焦電センサー及びヘッド部材に適合した球
面フレネルレンズを焦電センサー側から投影した時の投
影面での形状が矩形状となるように切り出した部分球面
フレネルレンズを用いると共に、遠から近までの監視区
域をカバーするように異なるサイズを持ち且つ複数方向
の監視区域をカバーするように異なる光軸を持つ複数の
部分球面フレネルレンズを、型抜き成形によりヘッド部
材の内側に監視区域に対応させ且つ組み合せて一体に形
成したことにより、遠から近までの複数方向の監視区域
をカバーする異なる光軸およびサイズがどのような部分
球面フレネルレンズであっても集光効率が良く、焦電セ
ンサーでの検出に必要な集光量を確実に得ることができ
る。

【０００９】また焦電センサー側から投影した時の投影
面での形状が矩形形状となるように切り出した部分球面
レンズを用いることで、１つのカバー上に複数のフレネ
ルレンズを、監視区域に対応させ且つ組合せることが容
易となり、複数の監視方向と異なった監視距離を必要に
応じて設定することができる。

【００１０】

【実施例】まず本発明の部分フレネルレンズは次の原理
によって、集光性能を損わない範囲での型抜きを可能と
する。まず従来の球面フレネルレンズにあっては、レン
ズ中心を基準に、必要な集光量が得られるサイズのもの
を使用する。このため球面フレネルレンズは、レンズ中
心を通る光軸に対し各リングのエッジ形状が対称とな
る。この対称エッジ形状が、型抜きの際に、抜きを妨げ
るクサビとして作用し、無理に抜くと、エッジが大きく
変形したり破損する。このため型抜き成形した球面フレ
ネルレンズは、予定した集光性能が得られず、また型抜
きごとに変形や破損の度合が異なることから、バラツキ
が大きく実用化がむずかしい。

【００１１】本発明は、球面フレネルレンズを、仮想的
な面を僅かに越える面で分割した略半分の範囲に含まれ
る部分球面フレネルレンズを使用する。例えば半分に切
った部分球面フレネルレンズの場合、各リング部分は、
光軸を挟んだ向い合う位置に相対するエッジをもたず、
非対称エッジとなる。このため型抜きの際には、各エッ
ジは一方に解放した片持ち状態にあり、向い合うエッジ
をもつ場合に比べ型抜きの際のエッジの変形量は半分で
済む。

【００１２】これによって、型抜きが容易になり、型抜
きを行ってもエッジの変形は半分で済むことから、エッ
ジの変形や破損の程度も大幅に改善される。その結果、
半球状のヘッド部材に監視方向（光軸方向）の異なる複
数の部分フレネルレンズを形成したような場合にも、無
理なく型抜きができ、有用なセンサーヘッドを実用化で
きる。

【００１３】図１、図２は仮想凸レンズと同じ集光力を
持つように設計された球面フレネルレンズＦ（口径２０
mm、焦点距離２８mm）に対して熱線検知能力の条件を追
求したテスト例である。区画Ｌ₁ ，Ｌ₂ ，Ｌ₃ ，Ｌ₄ の
面積は投影平面として１２×１２mm² である。この区画
面積１４４mm² は、事前の予備テストで得た結果の値で
ある。テストの結果、同心円的な階段形状となるリング
状エッジで作られた球面フレネルレンズついて、最も中
心に近いリング状エッジである最小円レンズ要素を含む
約１４４mm² の面積区画があれば、遠・近両領域の熱源
（例えば人間）に対して、監視に必要な従来と同等程度
の電気出力を取り出すことができた。

【００１４】ところで、同心円的な階段形状でなるリン
グ状エッジをもつ球面フレネルレンズとして、この程度
の小さなレンズあれば、光軸方向に成形型を抜くことは
出来る。しかし、このような小さな球面フレネルレンズ
を半球状のヘッドに複数配置して、複数の方向を監視さ
せようとする場合、各球面フレネルレンズは光軸を多様
な角度を持つ方向に設定して配置される。

【００１５】このため特定の光軸方向に型抜きしようと
しても、異なった方向に光軸を設定している他の球面フ
レネルレンズの型抜きが困難となり、無理に抜くとリン
グ状エッジレンズを破損してしまう。このため球面フレ
ネルレンズのもつ光軸方向の型抜き条件を満たさなくと
も容易に型抜きできるようにしなければならない。図
１、図２のテストでは、光軸焦点に置いた焦電センサー
Ｍに対して縦１２mm横１２mmの部分区画Ｌ₁ は光軸に位
置し、区画Ｌ₂ はその中心と光軸間の垂直距離で２．５
mm、区画Ｌ₃ は同様に５．０mm、区画Ｌ₄ は７．５mmに
それぞれ位置した時の電気出力Ｖの値を調べた。ここ
で、部分球面フレネルレンズとなる各区画Ｌ₁ 〜Ｌ₄ の
フレネルレンズＦからの切出しは、焦電センサーＭ側か
ら監視区域に向けて投影した時の投影面での形状が矩形
状となるように切りだしている。

【００１６】この結果、レンズ要素の部分区画の各出力
は、光軸との偏位距離によらず略一定である重大な結果
を得た。区画Ｌの大きさは、投影面で縦１２mm、横１２
mmである。

【００１７】

【表１】

【００１８】光軸からの偏位ｄが変っても所定の電気出
力を得る区画Ｌ₁ 〜Ｌ₄ をもつ部分球面フレネルレンズ
要素を調べた結果、最小円レンズ要素を欠いても熱線の
集光能力に差がないことが確証される。区画Ｌ₁ のレン
ズ要素はリング状エッジが同心円的に階段状に並び、外
側のリング状エッジは矩形の境界部分で切れた部分球面
フレネルレンズである。区画Ｌ₂ ，Ｌ₃ ，Ｌ₄ は中心の
最小円のリング状エッジをも含まず、リング状エッジの
一部分が同心円的に階段状に並んだ部分球面フレネルレ
ンズと言えるものである。

【００１９】これらの区画Ｌ₂ 〜Ｌ₄ の階段状のリング
状エッジを見れば、完全な円とはなっておらず、円弧と
なっている。このため各リング状エッジは光軸を介して
相対する位置に向い合うエッジをもたず、型抜きが容易
になる。また球面フレネルレンズＦから切り出した部分
球面フレネルレンズは、区画面積を小さくすればするほ
ど球面変化の量は少なくなり、平面に近づくから、階段
状のリング状エッジによる型抜き方向に対するアンダー
カットの量を小さくできる。

【００２０】このように本発明で利用する個々の部分球
面フレネルレンズは、上記特性により、球面変化が与え
る型抜き時のアンダーカット量を減少して、型抜き時に
起こるリング状エッジレンズに対する歪変形の発生を実
質的に解消している。また型抜きに対するリング状エッ
ジのアンダーカットが少ないことで、監視方向の異なる
複数の部分球面フレネルレンズを型抜き成形によりセン
サーヘッドに形成する場合にも、無理なく型抜きでき、
型抜きに伴なう各部分フレネルレンズにおけるリング状
エッジの変形破損も少ないことから、レンズ製造時の型
抜きによって集光力を損わず、設計値に対応する集光能
力を持つことができる。更にヘッド部材の内側にフレネ
ルレンズを形成することで、見栄えが良い。

【００２１】図３のセンサーヘッドＨの一実施例は、上
記部分球面フレネルレンズＬ₁ 〜Ｌ ₄ を複数配置した２
つの集光窓Ｌを、焦熱センサーＭに対してその位置を固
定して半球状の球面ヘッドに一体成形してある。上記の
ようにアンダーカット量が制限された部分球面フレネル
レンズＬ₁ 〜Ｌ₄ は、センサーヘッドＨを製造する際の
上下方向の型抜きを妨げず、また型抜き時の部分球面フ
レネルレンズの各リング状エッジもほとんど損傷を受け
ない。

【００２２】各集光窓Ｌは、その中に配置した複数の部
分球面フレネルレンズＬ₁ 〜Ｌ₄ が対応する多方向をカ
バーして熱源検出を行う。即ち、複数方向の監視区域を
カバーするように、異なる光軸方向をもつ部分球面フレ
ネルレンズＬ₁ 〜Ｌ₄ を型抜き成形によりヘッド部材Ｈ
の内側に組合せて一体に形成している。ここで、各集光
窓Ｌには、上記実施例のように、異なった部分球面フレ
ネルレンズＬ₁ 〜Ｌ₄を配置してもよいし、同じ部分球
面フレネルレンズ、例えば部分球面フレネルレンズＬ₁
のみを複数配置してもよい。

【００２３】また図１の部分球面フレネルレンズＬ₁ 〜
Ｌ₄ は同じ区画面積１４４mm² を例にとっていることか
ら、監視に必要な焦電センサーＭの電気出力が得られる
熱源までの最大監視距離は同じであるが、区画面積を大
きくすると電気出力が増加して監視距離が伸び、区画面
積を小さくすると電気出力が減少して監視距離が縮まる
ことから、必要な監視距離に応じて部分球面フレネルレ
ンズＬ₁ 〜Ｌ₄ のサイズを決めればよい。即ち、遠から
近までをカバーするように、異なるサイズをもつ部分球
面フレネルレンズＬ₁ 〜Ｌ₄ を型抜き成形によりヘッド
部材Ｈの内側に組合せて一体に形成している。

【００２４】ヘッド（Ｈ）としては、例えば、ポリエチ
レンを使用する。ポリエチレンでなるヘッドＨの内側に
部分球面フレネルレンズを一体成形する。図４は、球面
フレネルレンズＦにおける本発明で使用可能なアンダー
カットの少ない部分球面フレネルレンズの切り出しを示
している。アンダーカットを少くするためには、エッジ
状リングの数が少なく、同時にエッジ状リング（円弧）
の長さが短いことが必要である。

【００２５】まず部分球面フレネルレンズＩは、球面フ
レネルレンズＦの光軸（レンズ中心を通り紙面に直交す
る方向の軸線）を通る仮想的な区画面Ｓで分割した上半
分に位置し、最小円となる第１円と次の第２円となる２
つのエッジ状リングの位置で切り出した矩形形状をも
つ。この部分球面フレネルレンズＩは、半円形のエッジ
状リングしかもたず、型抜きを妨げる光軸を介して対向
する位置にエッジ状リングを持たないため、アンダーカ
ットは相当に少なく、型抜き時にレンズ要素を損傷する
惧れはない。更に、部分球面フレネルレンズＩを区画面
Ｓを越え、最小円のエッジ状リングを完全に含み、次の
第２円のエッジ状リングも半分円より大きくなる区画面
Ｓ₁ まで広げてもよい。この場合にも、アンダーカット
は相当に少なく、型抜き時にレンズ要素を損傷する惧れ
は事実上ない。

【００２６】光軸方向に依存する型抜き方向をより自由
にするには、球面フレネルレンズＦを半分に仕切る区画
面Ｓに対し、例えば部分球面フレネルレンズＩ´を使用
することが好ましい。また球面フレネルレンズＦを半分
に仕切る区画面Ｓを含まない外側の部分球面フレネルレ
ンズIII とすれば、円弧となるリング状エッジの直径が
大きくなってカーブが緩くなり、直線に近づくことでア
ンダーカットを大幅に排除することができる。更に、区
画面Ｓの斜め左上の部分球面フレネルレンズIIは、部分
球面フレネルレンズＩ´に比べエッジ状リングは長い
が、その数が３本と少なく、また部分球面フレネルレン
ズIII に比べ、エッジ状リングの数は多いが、その長さ
が短い。したがって部分球面フレネルレンズIIのアンダ
ーカットは、部分球面フレネルレンズＩ´とIII の中間
にあるといえる。

【００２７】これを整理すると、本発明は、部分球面フ
レネルレンズとして、焦電センサー（Ｍ）及びヘッド部
材（Ｈ）に適合した球面フレネルレンズ（Ｆ）を、その
光軸を通る区画面（Ｓ）を僅かに越える区画面（Ｓ１）
で切断した略半分の範囲に含まれる部分を使用してい
る。また本発明の部分球面フレネルレンズは、球面フレ
ネルレンズ（Ｆ）の中心に最も近いリング状エッジであ
る最小円レンズ要素を含む順位区画平面まで拡大しても
よいことが判る。

【００２８】なお、凸レンズに相当させる球面フレネル
レンズＦの同心円状のリング状エッジの数、切り込み
量、およびピッチ間隔は設計上の自由度をもったパラメ
ータであり、図示のリング状エッジには限定されない。
これらの設計値は、レンズ材料によっても変更できる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、遠
から近までの複数方向の監視区域をカバーする異なる光
軸およびサイズがどのような部分球面フレネルレンズで
あっても集光効率が良く、焦電センサーでの検出に必要
な集光量を確実に得ることができる。

【００３０】また焦電センサー側から投影した時の投影
面での形状が矩形状となるように切り出した部分球面レ
ンズを用いることで、１つのカバー上に複数のフレネル
レンズを、監視区域に対応させ且つ組合せることが容易
となり、複数の監視方向と異なった監視距離を必要に応
じて任意に設定することができる。更に、ヘッド部材の
内側に複数の部分フレネルレンズを形成することで、ヘ
ッド部材の外側はでこぼこにならず、見栄えがよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】部分々割球面フレネルレンズの性能試験におけ
る変位々置を例示する概略図

【図２】図１の側面概略図

【図３】本発明の一実施例を示す立体センサーヘッドの
斜視図

【図４】球面フレネルレンズの多様な分割法を示す参照
平面略図

【符号の説明】

Ｆ：球面フレネルレンズ Ｌ：集光窓 Ｌ₁ 〜Ｌ₄ ：区画 Ｓ，Ｓ１：区画面 Ｈ：センサーヘッド Ｍ：焦電センサー

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】焦点位置に配置された焦電センサーに対
   し、前記焦点位置を中心に焦点距離に一致する半径の内
   面を持つ半球状のヘッド部材を配置し、該ヘッド部材の
   所定位置にフレネルレンズを一体に形成した熱線式検知
   装置のセンサーヘッドであって、 前記フレネルレンズとして、前記焦電センサー及び前記
   ヘッド部材に適合した球面フレネルレンズを前記焦電セ
   ンサー側から投影した時の投影面での形状が矩形状とな
   るように切り出した部分球面フレネルレンズを用いると
   共に、遠から近までの監視区域をカバーするように異な
   るサイズを持ち且つ複数方向の監視区域をカバーするよ
   うに異なる光軸を持つ複数の該部分球面フレネルレンズ
   を、型抜き成形により前記ヘッド部材の内側に監視区域
   に対応させ且つ組み合せて一体に形成したことを特徴と
   する熱線式検知装置のセンサーヘッド。
2. 【請求項２】請求項１記載の熱線式検知装置のセンサー
   ヘッドにおいて、前記部分球面フレネルレンズの個々
   は、焦電センサーでの検出に必要な集光量が得られるサ
   イズを有することを特徴とする熱線式検知装置のセンサ
   ーヘッド。