JPH1019670A - 人体検知センサ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 人体検知センサ装置の周囲温度が高く、人体
の表面温度との温度差が小さい場合においても、確実に
静止人体を検知できる人体検知センサ装置を提供するこ
と。 【解決手段】 熱を感知し抵抗値が変化する薄膜状サー
ミスタ３及び人体から放射される赤外線を透過するバン
ドパス光学フィルタ４を有する人体検知用赤外線センサ
２と、人体から放射される赤外線を集光する開口６１
と、を備える人体検知センサ装置１において、前記人体
検知用赤外線センサ２の近傍にこの人体検知用赤外線セ
ンサ２を冷却するためのペルチェ素子５を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人体から放射され
る赤外線によって人体を検知する人体検知センサ装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】人体検知用の赤外線センサとして、一般
に多く用いられているものは、焦電型赤外線センサと呼
ばれるものである。これは、赤外線としての熱エネルギ
を検出する検出素子としてチタン酸鉛などのセラミック
焦電体を用いたものである。

【０００３】焦電型赤外線センサは、感度・応答性とい
った性能面とともに量産面においても他の人体検知用赤
外線センサに比べ優れ、コスト面で最も優位なものであ
る。しかし、その原理上、定常熱源を検出できないとい
う欠点がある。すなわち、この焦電型赤外線センサの焦
電体は、静止人体等の定常熱源からの熱エネルギを検知
するために、チョッパーあるいはバイモルフ等の熱源か
らの熱エネルギの素子への入射を断続させる外部装置を
組み合わせる必要がある。従って、人体検知センサ装置
の小型化のため、外部装置なしで定常熱源を検出できる
赤外線センサが求められていた。

【０００４】上記の要求を満足するため、赤外線検出素
子に薄膜状サーミスタを用いた赤外線センサが提案され
ている。従来、このようなサーミスタ型赤外線センサで
は、感度や応答性あるいは量産性の点で問題があった
が、近年のマイクロ加工技術及び薄膜作製技術などの進
歩により、これらの問題は徐々に解決されてきている。

【０００５】一般に、赤外線検出素子による人体検知の
原理は下記の通りである。すなわち、定常熱源が赤外線
検出素子の検知領域である赤外線の集光領域内に存在す
るとき、その検出素子が定常熱源から受け取る赤外線の
エネルギー量ｑは、

【０００６】

【数１】

【０００７】ここで、σ：ステファン・ボルツマン定数 Ｔ１：人体の温度 Ｔ２：検出素子（サーミスタ）の温度 ｒ：人体と赤外線センサとの距離 ｋ：赤外線センサの構造等によって決まる定数で表され
る。この赤外線エネルギー量ｑは、その検出素子上で熱
に変わって検出素子の温度を変化させる。そして、検出
素子がサーミスタ素子の場合はその温度変化分だけサー
ミスタの抵抗が変化する。このとき、このサーミスタ素
子を所定の基板上で薄膜状にすることによって熱容量が
小さくなり、僅かな入射赤外線によって大きな抵抗変化
が得られるようになる。そして、この抵抗変化を外部回
路により電圧出力に変換して検出することによって定常
熱源である静止した人体が検知できることになる。

【０００８】サーミスタ素子による検出素子の抵抗変化
を電圧変化に変換する基本的な回路構成は、一般に第７
図に示すものが知られている。この回路構成において
は、周囲温度が同じくサーミスタ素子であるリファレン
ス素子Ｒｒによって検知され、その周囲温度分を人体か
ら入射される赤外線によるサーミスタＲｄの検知温度分
から差し引いた△Ｒによる電圧出力Ｖが人体検知信号で
ある。そして、

【０００９】

【数２】

【００１０】ここで、Ｒ１：リファレンス素子Ｒｒの抵
抗値 Ｒｆ：固定抵抗の抵抗値 Ｖｉ：印加電圧 Ａ ：増幅率として検出されることになる。すなわち、
Ｖｉは、この回路を駆動するための駆動用電源の印加電
圧で、バッファＡ１を介し所定の電圧が安定化され入力
され、リファレンス素子Ｒｒを有するリファレンス信号
変換部Ｓ１、検出素子Ｒｄを有する検知信号変換部Ｓ２
に入力される。そして、リファレンス信号変換部Ｓ１と
検知信号変換部Ｓ２との出力が差動増幅器Ａ４に入力さ
れて静止した人体が検知されることとなる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、（１）式か
ら、人体から検出素子に入射する赤外線エネルギー量ｑ
は、サーミスタの温度Ｔ２と人体の温度Ｔ１との温度差
△Ｔ、すなわちに（Ｔ１−Ｔ２）に依存するもので、従
って、温度差△Ｔが小さくなるに伴い、赤外線エネルギ
ー量ｑも小さくなることがわかる。そして、赤外線エネ
ルギー量ｑが小さくなることによって抵抗変化△Ｒも小
さくなり、電圧出力Ｖが小さくなる。その結果、検出素
子としてのサーミスタの温度Ｔ２が、ある温度以上にな
った場合には、人体を検出できないことが上記の式
（１）、（２）からわかる。

【００１２】すなわち、人体検知センサ装置において
は、検出素子の温度Ｔ２は人体検知用赤外線センサの周
囲温度と大略同一である。このことは、人体検知センサ
装置が取り付けられている場所の雰囲気温度が高い場
合、人体が検出できなくなることを意味している。

【００１３】本発明は、上記事由に鑑みてなしたもの
で、その目的とするところは、人体検知センサ装置の周
囲温度が高く、人体の表面温度との温度差が小さい場合
においても、確実に静止人体を検知できる人体検知セン
サ装置を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の人体検知センサ装置は、熱を感知し
抵抗値が変化する薄膜状サーミスタ及び人体から放射さ
れる赤外線を透過するバンドパス光学フィルタを有する
人体検知用赤外線センサと、人体から放射される赤外線
を集光する集光手段と、を備える人体検知センサ装置に
おいて、前記人体検知用赤外線センサの近傍にこの人体
検知用赤外線センサを冷却するための電子冷却素子を備
えることとしている。これにより、人体検知用赤外線セ
ンサの近傍に配設された電子冷却素子によって、人体検
知用赤外線センサが冷却されるものとなる。

【００１５】また、請求項２記載の人体検知センサ装置
は、請求項１記載の人体検知用赤外線センサの近傍に該
人体検知用赤外線センサ周辺の温度を検知する温度検知
手段を備え、この温度検知手段による検知温度が所定の
温度より高くなったことを検知したときに前記電子冷却
素子によって人体検知用赤外線センサを冷却するよう成
している。これにより、人体検知用赤外線センサの近傍
に配設された人体検知用赤外線センサ周辺の温度を検知
する温度検知手段によって、検知温度が所定の温度より
高くなったことが検知されたときに電子冷却素子によっ
て人体検知用赤外線センサが冷却されるものとなる。

【００１６】また、請求項３記載の人体検知センサ装置
は、請求項２記載の人体検知用赤外線センサは、前記薄
膜状サーミスタと同一基板上に温度検知手段としてのサ
ーミスタを有している。これにより、温度検知手段とし
てのサーミスタが薄膜状サーミスタと同一基板上に配設
されるものとなる。

【００１７】また、請求項４記載の人体検知センサ装置
は、請求項１乃至３記載の集光手段は、赤外線を集光す
るための集光領域を１つの領域としている。これによ
り、１つの集光領域を有する集光手段から赤外線が集光
されるものとなる。

【００１８】また、請求項５記載の人体検知センサ装置
は、請求項４記載の集光手段を、所定の集光領域を形成
し得る所定の大きさを有する開口としている。これによ
り、所定の集光領域を形成し得る所定の大きさを有する
開口によって集光手段が形成されるものとなる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の人体検知センサ装
置の第１の実施の形態を図１乃至図４に基づいて、第２
の実施の形態を図５に基づいて、それぞれ説明する。

【００２０】［第１の実施の形態］図１は、第１の実施
の形態の人体検知センサ装置の構成図である。図２は、
図１に示す人体検知センサ装置の要部である人体検知用
赤外線センサの検出素子の詳細図で、（ａ）は平面図、
（ｂ）は側面図である。図３は、図１に示す人体検知セ
ンサ装置の要部である集光手段の説明図で、（ａ）は開
口による構成図、（ｂ）は別の実施例としてのフレネル
レンズによる構成図である。図４は、検知動作説明のた
めの図１に示す人体検知センサ装置の設置図である。図
５は、図１に示す人体検知センサ装置の検知信号の波形
図である。

【００２１】この人体検知センサ装置１は、トイレ内の
天井あるいは壁面などに設置して検知領域Ａに存在する
人体を検知するもので、熱を感知し抵抗値が変化する薄
膜状サーミスタによる検出素子３及び人体から放射され
る赤外線を透過するバンドパス光学フィルタ４とを有す
る人体検知用赤外線センサ２と、人体検知用赤外線セン
サ２を冷却するための電子冷却素子であるペルチェ素子
５と、ハウジング６と、温度センサ８を有する信号処理
回路７とを備えている。

【００２２】人体検知用赤外線センサ２は、人体から放
射されている赤外線である熱線を感知するもので、キャ
ップ２２とステム２３によって形成されたメタルパッケ
ージ２１内に密閉されて実装されている検出素子３と、
バンドパス光学フィルタ４とを有している。キャップ２
２には、検出素子３に赤外線を入射させるための開口２
４が形成され、この開口２４には人体から放射される波
長領域の赤外線のみを透過する赤外バンドパスフィルタ
ー４が設けられている。

【００２３】検出素子３は、熱を感知してその抵抗値が
変化する薄膜状サーミスタで、図２の（ｂ）に示すよう
に、例えばブリッジ構造をもつシリコン基板３１の略中
央の薄膜部分にサーミスタ材料であるＳｉＣ薄膜３２
が、Ｃｒ電極３３、３３によって内設されてパターン形
成され、上方に赤外線吸収膜３４が積層されて微細加工
によって加工形成されている。この検出素子３は、ブリ
ッジ構造によって近傍の構造体との熱的な絶縁性を向上
させて、赤外線入射時のＳｉＣ薄膜３２自体の温度変化
を大きくすることにより赤外線に対する感度の向上した
ものにしている。また、この検出素子３には、上記の赤
外線吸収膜３４が積層された検知部Ｒｄと、例えばアル
ミ薄膜などによる赤外線反射膜３５が積層されたリファ
レンス部Ｒｒとが併設されている。なお、この検出素子
３は、上記のブリッジ構造の他梁型構造としても良い。

【００２４】バンドパス光学フィルタ４は、人体から放
射される赤外線のみを透過するもので、人体の表面温度
である略３０℃の熱源による赤外線である７μｍ〜２０
μｍの波長帯域のみを透過させる、シリコンの薄膜体の
表面に金属酸化被膜を多層に蒸着した光学フィルタであ
る。このバンドパス光学フィルタ４は、前記メタルパッ
ケージ２１の開口２４の内側に接着剤によって固着され
ている。

【００２５】ペルチェ素子５は、周知の通りの二つの異
種金属の接合部を通って電流が流れるときに近傍の熱が
吸収されるペルチェ効果による作用を利用した電子冷却
素子で、このものにおいては所定のパッケージに収納さ
れ、前記人体検知用赤外線センサ２のステム２３に当接
して後述する信号処理回路７を形成するプリント基板７
１上に配設されている。そして、信号処理回路７によっ
て通電電流が制御され人体検知用赤外線センサ２を冷却
する。

【００２６】ハウジング６は、人体検知センサ装置１の
各部材を収納するとともに、検知領域として人体検知用
赤外線センサ２の検出素子３に向けて赤外線を集光する
ための１つの集光領域Ａを形成するもので、例えば合成
樹脂材料によって所定の形状に形成される。集光領域Ａ
は、このものにおいては集光手段としての開口６１によ
って形成される。なお、開口６１の開口寸法Ｘ１は、図
３の（ａ）に示すように、ハウジング６の前方Ｙ２の距
離において所望の大きさＸ２の検知領域を形成する場
合、ハウジング６の内部の人体検知用赤外線センサ２の
検出素子３の設置されている位置寸法Ｙ１とし、次式に
基づいて計算している。

【００２７】

【数３】

【００２８】なお、この式においては、検出素子の取付
高さの寸法は十分小さいものとして無視して計算し、例
えば、検出素子３の設置されている位置寸法Ｙ１が５２
ｍｍ、検知距離Ｙ２が１７００ｍｍ、検知領域の寸法Ｘ
２が１３００ｍｍとしたとき、開口寸法Ｘ１は大略３８
ｍｍと計算される。

【００２９】信号処理回路７は、人体検知用赤外線セン
サ２からの出力信号を処理するとともに、例えばサーミ
スタ素子などによって形成される温度センサ８の出力に
より、ペルチェ素子５の通電電流を制御し定常熱源であ
る静止した人体を良好に検知するもので、図７に示す従
来例のものの回路と大略同一の回路等を有している。こ
のものの信号処理回路７は、図１に示すように、人体検
知用赤外線センサ２を冷却するためのペルチェ素子５が
人体検知用赤外線センサ２のステム２３に当接し、ま
た、この人体検知用赤外線センサ２の周辺温度を検知す
る温度検知手段である温度センサ８がプリント基板７１
上に配設される。そして、温度センサ８による検知温度
が所定の温度より高くなったことを検知し、ペルチェ素
子５に通電するよう制御する。なお、温度センサ８は、
熱を感知し抵抗値が変化するサーミスタ素子の他例えば
半導体センサなどでも良い。

【００３０】次に、図４、図５及び図７に基づいて、上
記の構成による人体検知センサ装置の動作について説明
する。この人体検知センサ装置１は、図４に示すように
トイレ内の天井面に設置される。そして、トイレ内への
人体の入室及び人体がトイレ内に継続して静止し存在す
るのを検知して照明を点灯するとともに、トイレから人
体が退室するのを検知し照明を消灯する人体検知スイッ
チに使用される。

【００３１】まず、（ａ）の信号波形に示すように、Ｔ
１にて人体がトイレ内の検知領域Ａに入ると、開口６１
及びバンドパス光学フィルタ４を介して検出素子３に人
体熱による赤外線が入射する。そして、この赤外線が検
出素子３の表面にて熱に変換され、検出素子３の温度を
上昇させて検出素子３の赤外線吸収膜３４を有している
検知部Ｒｄの薄膜サーミスタの抵抗を大きく変化させ
る。その結果、差動増幅器Ａ４によって、赤外線反射膜
３５を有しているリファレンス素子Ｒｒによる周囲温度
による影響が差し引かれることによって、閾値レベルＴ
Ｌより出力信号が大きくなったことが検知され検知領域
Ａの人体の侵入が検知される。

【００３２】次いで、人体の各種の動作の後、Ｔ２にて
人体が検知領域Ａの中で静止状態に移行し、静止状態が
継続しても出力信号の存在が閾値レベルＴＬより大きい
状態が継続し人体の検知領域Ａ内の存在が継続して検知
される。

【００３３】上記の（ａ）の信号波形は、トイレ内の周
囲温度が大略２０℃の時を示す。そして、トイレ内の周
囲温度が例えば大略３０℃以上の場合、この周囲温度が
温度センサ８によって検知され、ペルチェ素子５に所定
の大きさの電流が通電される。そして、ペルチェ素子５
によって人体検知用赤外線センサ２が冷却される。

【００３４】このときに、開口６１及びバンドパス光学
フィルタ４を介して検出素子３に人体熱による赤外線が
入射した場合、上記と同様に（ｂ）の信号波形に示すよ
うに、閾値レベルＴＬより出力信号が大きくなったこと
が検知されて検知領域Ａへの人体の侵入及び存在が検知
される。すなわち、（ｃ）の信号波形に示す、人体検知
用赤外線センサ２が冷却されない場合の閾値レベルＴＬ
より出力信号が小さいことと比べ、トイレ内への人体の
入室及び人体がトイレ内に継続して静止し存在すること
が確実に検知される。

【００３５】以上説明した人体検知センサ装置による
と、人体検知用赤外線センサ２の近傍に配設されたペル
チェ素子５によって、人体検知用赤外線センサ２が冷却
されるものとなるので、人体検知センサ装置１の周囲温
度が高く、人体の表面温度との温度差が小さい場合にお
いても、確実に静止人体を検知できる。また、人体検知
用赤外線センサ２の近傍に配設された人体検知用赤外線
センサ２周辺の温度を検知する温度センサ８によって、
検知温度が所定の温度より高くなったことが検知された
ときにペルチェ素子５によって人体検知用赤外線センサ
２が冷却されるものとなるので、周囲温度の高いときの
みペルチェ素子５に通電され消費電流を少なくすること
ができる。また、１つの集光領域を有する開口６１から
赤外線が集光されるものとなるので、検知領域Ａへの人
体の侵入及び存在に基づく赤外線の入射量の変化分が大
きく取れることによって人体の検知感度を高くできる。
また、所定の集光領域を形成し得る所定の大きさを有す
る開口６１によって集光手段が形成されるものとなるの
で、例えばフレネルレンズなどを設けることに比べコス
トを安くできる。

【００３６】なお、上記の開口６１による集光手段は、
図３の（ｂ）に示すように、赤外線集光レンズ６２を用
いてもよい。この赤外線集光レンズ６２は、前記検出素
子３の表面に所定の検知距離によって人体が結像する所
定の焦点距離ｆと、所定の光学的な利得を得る所定の開
口面積とを持って、人体の表面温度である略３０℃の熱
源による赤外線を透過するに最適な材料であるポリエチ
レン樹脂材料による薄板状のフレネルレンズにより形成
される。そして、前記のＹ１の値が赤外線集光レンズ６
２の焦点距離ｆとなるようにして、前記検出素子３の前
面に赤外線を集光するための集光領域Ａを１つ形成す
る。

【００３７】［第２の実施の形態］図６は、第２の実施
の形態の人体検知センサ装置の要部である人体検知用赤
外線センサの検出素子の平面図である。

【００３８】この人体検知センサ装置は、人体検知用赤
外線センサ２の構成が第１の実施の形態と異なるもの
で、他の構成部材は第１の実施の形態のものと大略同一
である。

【００３９】このものの人体検知用赤外線センサ２は、
検出素子３の薄膜状サーミスタと同一基板上に温度検知
手段としてのサーミスタを有する。詳しくは、図６に示
すように、このものの検出素子３は、赤外線吸収膜３４
が積層された検知部Ｒｄと、例えばアルミ薄膜などによ
る赤外線反射膜３５が積層されたリファレンス部Ｒｒ及
び温度検知部Ｔｈが併設されている。そして、この温度
検知部Ｔｈの抵抗値の変化によって信号処理回路７が周
囲温度を検知し、検知温度が所定の温度より高くなった
ことを検知したとき、前記のペルチェ素子５によって人
体検知用赤外線センサ２を冷却するよう制御する。

【００４０】以上説明した人体検知センサ装置による
と、温度検知手段としてのサーミスタＴｈが薄膜状サー
ミスタ３４（Ｒｄ）と同一基板３１上に配設されるもの
となるので、外部に別途温度センサを設ける必要が無く
なり、また検知部Ｒｄを作製する工程と同じ工程によっ
て作製できるため、小型及び低コストが達成される。

【００４１】

【発明の効果】請求項１記載の人体検知センサ装置は、
人体検知用赤外線センサの近傍に配設された電子冷却素
子によって、人体検知用赤外線センサが冷却されるもの
となるので、人体検知センサ装置の周囲温度が高く、人
体の表面温度との温度差が小さい場合においても、確実
に静止人体を検知できる。

【００４２】また、請求項２記載の人体検知センサ装置
は、請求項１記載のものの効果に加え、人体検知用赤外
線センサの近傍に配設された人体検知用赤外線センサ周
辺の温度を検知する温度検知手段によって、検知温度が
所定の温度より高くなったことが検知されたときに電子
冷却素子によって人体検知用赤外線センサが冷却される
ものとなるので、周囲温度の高いときのみ電子冷却素子
に通電され消費電流を少なくすることができる。

【００４３】また、請求項３記載の人体検知センサ装置
は、請求項２記載のものの効果に加え、温度検知手段と
してのサーミスタが薄膜状サーミスタと同一基板上に配
設されるものとなるので、外部に別途温度検知手段を設
ける必要が無くなり、また検知部の薄膜状サーミスタを
作製する工程と同じ工程によって作製できるため、小型
及び低コストが達成される。

【００４４】また、請求項４記載の人体検知センサ装置
は、請求項１乃至３記載のものの効果に加え、１つの集
光領域を有する集光手段から赤外線が集光されるものと
なるので、検知領域への人体の侵入及び存在に基づく赤
外線の入射量の変化分が大きく取れることによって人体
の検知感度を高くできる。

【００４５】また、請求項５記載の人体検知センサ装置
は、請求項４記載のものの効果に加え、所定の集光領域
を形成し得る所定の大きさを有する開口によって集光手
段が形成されるものとなるので、例えばフレネルレンズ
などを設けることに比べコストを安くできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す人体検知セン
サ装置を示す構成図である。

【図２】図１に示す人体検知センサ装置の要部である人
体検知用赤外線センサの検出素子の詳細図で、（ａ）は
平面図、（ｂ）は側面図である。

【図３】図１に示す人体検知センサ装置の要部である集
光手段の説明図で、（ａ）は開口による構成図、（ｂ）
は別の実施例としてのフレネルレンズによる構成図であ
る。

【図４】検知動作説明のための図１に示す人体検知セン
サ装置の設置図である。

【図５】図１に示す人体検知センサ装置の検知信号の波
形図である。

【図６】第２の実施の形態の人体検知センサ装置の要部
である人体検知用赤外線センサの検出素子の平面図であ
る。

【図７】従来例の回路構成図である。

【符号の説明】

１ 人体検知センサ装置 ２ 人体検知用赤外線センサ ３ 検出素子 ３２ 薄膜サーミスタ ４ バンドパス光学フィルタ ５ ペルチェ素子（電子冷却素子） ６１ 開口（集光手段） ８ 温度センサ（温度検知手段） Ａ 検知領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小山 正樹 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱を感知し抵抗値が変化する薄膜状サー
   ミスタ及び人体から放射される赤外線を透過するバンド
   パス光学フィルタを有する人体検知用赤外線センサと、
   人体から放射される赤外線を集光する集光手段と、を備
   える人体検知センサ装置において、 前記人体検知用赤外線センサの近傍にこの人体検知用赤
   外線センサを冷却するための電子冷却素子を備えること
   を特徴とする人体検知センサ装置。
2. 【請求項２】 前記人体検知用赤外線センサの近傍に該
   人体検知用赤外線センサ周辺の温度を検知する温度検知
   手段を備え、この温度検知手段による検知温度が所定の
   温度より高くなったことを検知したときに前記電子冷却
   素子によって人体検知用赤外線センサを冷却するよう成
   したことを特徴とする請求項１記載の人体検知センサ装
   置。
3. 【請求項３】 前記人体検知用赤外線センサは、前記薄
   膜状サーミスタと同一基板上に温度検知手段としてのサ
   ーミスタを有することを特徴とする請求項２記載の人体
   検知センサ装置。
4. 【請求項４】 前記集光手段は、赤外線を集光するため
   の集光領域を１つの領域とすることを特徴とする請求項
   １乃至３記載の人体検知センサ装置。
5. 【請求項５】 前記集光手段を、所定の集光領域を形成
   し得る所定の大きさを有する開口とすることを特徴とす
   る請求項４記載の人体検知センサ装置。