特許 5780579 赤外線受光装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5780579

(24)【登録日】2015年7月24日

(45)【発行日】2015年9月16日

(54)【発明の名称】赤外線受光装置

(51)【国際特許分類】

   G01V 8/20 20060101AFI20150827BHJP

   G01J 1/02 20060101ALI20150827BHJP

【ＦＩ】

   G01V9/04 P

   G01J1/02 Y

   G01J1/02 W

【請求項の数】6

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2010-258441(P2010-258441)

(22)【出願日】2010年11月19日

(65)【公開番号】特開2012-108058(P2012-108058A)

(43)【公開日】2012年6月7日

【審査請求日】2013年10月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】504150450

【氏名又は名称】国立大学法人神戸大学

(74)【代理人】

【識別番号】100114616

【弁理士】

【氏名又は名称】眞下 晋一

(72)【発明者】

【氏名】堀江 聡

(72)【発明者】

【氏名】石田 謙司

(72)【発明者】

【氏名】上田 裕清

【審査官】 後藤 大思

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−１８１１１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２５５９２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平７−９２０２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平８−９４４３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２２１１６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２０９８６９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｊ １／００−１／６０

Ｇ０１Ｖ ８／００−８／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

焦電体からなる３つ以上の受光素子が基材の表面に間隔をあけて配置された焦電体基板と、
前記各受光素子に対応して設けられ、外部から入射した赤外線をそれぞれ前記受光素子に集光する集光レンズと、
前記焦電体基板および前記集光レンズを厚み方向に間隔をあけて保持するケーシングとを備え、
前記受光素子は、検知領域が複数に分割されており、
予め設定された複数の空間領域と前記検知領域との間に生じる重複が、前記空間領域毎に異なる複数の前記受光素子の組み合わせによって生じるように、前記ケーシングが厚み方向に湾曲している赤外線受光装置。

【請求項2】

前記受光素子は一列に配置されており、前記ケーシングは前記受光素子の配列方向に沿って湾曲している請求項１に記載の赤外線受光装置。

【請求項3】

前記受光素子はマトリクス状に配置されており、前記ケーシングは球面状に湾曲している請求項１に記載の赤外線受光装置。

【請求項4】

前記ケーシングは、側壁に塑性曲げ変形が生じるように形成されている請求項１から３のいずれかに記載の赤外線受光装置。

【請求項5】

前記受光素子から出力された検出信号を処理する信号処理部を更に備え、前記信号処理部は、前記ケーシングにコネクタを介して着脱自在に装着される請求項１から４のいずれかに記載の赤外線受光装置。

【請求項6】

前記受光素子と前記ケーシングの底部との間に間隙が形成されている請求項１から５のいずれかに記載の赤外線受光装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、赤外線受光装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の赤外線受光装置として、特許文献１に開示された赤外線センサ装置が知られている。図１３に示すように、この赤外線センサ装置５０は、第１の検知領域５１ａ〜５１ｄを有する焦電素子５１と、第２の検知領域５２ａ〜５２ｄを有する焦電素子５２とが、所定の間隔をおいて配置されており、２つの焦電素子５１，５２の検知領域が互いに部分的に重なり合うように構成することで、被検知体の存在や動きを検知可能とされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００５−１８１１１６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところが、上記従来の赤外線センサ装置は、２つの焦電素子の検知領域を重ね合わせるために、２つの焦電素子の配置や向きを個別に調整しなければならず、設置作業が煩雑であるという問題があった。このような問題は、広範囲の検知を行うために焦電素子を多数設けた場合に、より顕著なものとなっていた。

【0005】

そこで、本発明は、設置作業が容易であると共に、人体等を広範囲において正確に検知することができる赤外線受光装置の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の前記目的は、焦電体からなる３つ以上の受光素子が基材の表面に間隔をあけて配置された焦電体基板と、前記各受光素子に対応して設けられ、外部から入射した赤外線をそれぞれ前記受光素子に集光する集光レンズと、前記焦電体基板および前記集光レンズを厚み方向に間隔をあけて保持するケーシングとを備え、前記受光素子は、検知領域が複数に分割されており、予め設定された複数の空間領域と前記検知領域との間に生じる重複が、前記空間領域毎に異なる複数の前記受光素子の組み合わせによって生じるように、前記ケーシングが厚み方向に湾曲している赤外線受光装置により達成される。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、設置作業が容易であると共に、人体等を広範囲において正確に検知することができる赤外線受光装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の一実施形態に係る赤外線受光装置の平面図である。

【図2】図１のＡ−Ａ断面図である。

【図3】図１のＢ−Ｂ断面における要部拡大図である。

【図4】図１に示す赤外線受光装置の湾曲後の状態を示す側面図である。

【図5】本発明の他の実施形態に係る赤外線受光装置の平面図である。

【図6】受光素子の検知領域を説明するための概略側面図である。

【図7】赤外線受光装置の検知領域を説明するための概略側面図である。

【図8】赤外線受光装置の湾曲状態における検知領域を説明するための概略側面図である。

【図9】赤外線受光装置の他の湾曲状態における検知領域を説明するための概略側面図である。

【図10】本発明の各実施形態に係る赤外線受光装置にチョッパを設けたセンサ装置の一実施形態を示す側面図である。

【図11】図１０のＣ−Ｃ断面図である。

【図12】赤外線受光装置の更に他の湾曲状態における検知領域を説明するための概略側面図である。

【図13】従来の赤外線センサの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る赤外線受光装置の平面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図１および図２に示すように、赤外線受光装置１は、焦電体基板１０と、焦電体基板１０の表面側に配置された集光レンズ２０と、焦電体基板１０および集光レンズ２０を厚み方向に所定の間隔をあけて保持するケーシング３０とを備える焦電型赤外線センサである。

【0010】

図３は、図１のＢ−Ｂ断面における焦電体基板１０の構成を示す要部拡大図である。図３に示すように、焦電体基板１０は、支持基材１１の表面に焦電体膜１２が形成されており、焦電体膜１２の表裏面に受光電極１３および対向電極１４が配置されている。支持基材１１は、例えばポリイミドやポリエチレン等の高分子材料からなる厚みが５〜２００μｍ程度のシート状部材であり、可撓性を有することが好ましい。焦電体膜１２は、主として屈曲に耐える柔軟な有機強誘電体であることが好ましい。焦電効果を示す材料要件は、自発分極を有する誘電体であって、分子構造や分子間の相互作用によって極性部位を有するものである。本発明において上記要件を満たせば特に限定されないが、たとえば、炭素（C）鎖に水素（H）とフッ素（F）が配置されたCH2-CF2を極性部位の基本単位とするポリフッ化ビニリデン（PVDF）やその共重合体など一連の化合物、Cと窒素（N)のCNを極性部位とするシアン化ビニリデン系化合物、尿素結合部分（NH-C=O-NH）を極性部位とするポリ尿素などのウレタン系化合物、水素結合が極性部位として働くポリアミド化合物であるナイロン（特に炭素数7と11のナイロン7、ナイロン11）、OH基を有するポリ乳酸L体などの一部のポリエステル材料が挙げられる。また、焦電効果の向上を目的として、チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）やチタン酸バリウムなどの無機系の極性材料と有機材料との複合系でも柔軟性を有していれば利用できる。

【0011】

受光電極１３および対向電極１４は、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｐｔ等の金属またはこれらの合金の蒸着膜や、炭素蒸着膜、あるいは、ポリアニリン、ポリチオフェン、ＰＥＤＯＴ−ＰＳＳなどの有機電極等を用いることができる。受光電極１３は、赤外線吸収性が高い材質からなることが好ましい。

【0012】

上記の構成を備える焦電体基板１０は、例えば、支持基材１１の表面に対向電極１４を真空蒸着やスピンコート等により形成した後、対向電極１４の表面に焦電体膜１２を真空蒸着等により形成し、焦電体膜１２の表面に受光電極１３を真空蒸着やスピンコート等により形成して得ることができる。焦電体基板１０は、後述するケーシング３０の曲げ変形に容易に追従することができるように、全体として可撓性を有することが好ましい。

【0013】

受光電極１３および対向電極１４は、支持基材１１の長手方向に沿って複数に分割されており、それぞれ焦電体膜１２を挟んで互いに対向するように配置されている。焦電体膜１２は、対向する受光電極１３と対向電極１４との間で分極処理が施されることで、一列に配置された複数の受光素子１６ａ〜１６ｅ（図３では、２つの受光素子１６ｃ，１６ｄを示す）を形成している。受光素子１６ａ〜１６ｅの数は複数であれば特に限定されないが、３つ以上であることが好ましい。受光電極１３および対向電極１４は、いずれか一方のみを分割して形成し、他方は単一の共通電極として構成することも可能である。受光素子１６ａ〜１６ｅは、マスクやフォトリソグラフィにより焦電体膜１２をパターニングして形成することができる。

【0014】

集光レンズ２０は、図１および図２に示すように、ポリエチレンなどの赤外線透過性を有する基材フィルム２１の一方面に、金型を用いた射出成形等により形成されており、各受光素子１６ａ〜１６ｅの直上に位置するように複数配置されている。集光レンズ２０は、外部から入射した赤外線を対応する各受光素子１６ａ〜１６ｅに集光できるように、例えばフレネルレンズ等から構成されている。集光レンズ２０の表面側または裏面側には、赤外線のみを透過する赤外線フィルタ(図示せず）を設けてもよい。

【0015】

ケーシング３０は、図２に示すように、フレーム３１の表裏面がそれぞれキャップ３２およびベース３３で覆われて、平面視が矩形の偏平な筐体状に形成されている。ケーシング３０の側壁を構成するフレーム３１は、細長の平板状部材の長手方向（図２を貫通する方向）に沿って等間隔に貫通孔３１１を設けて形成されており、ベース３３上に配置された焦電体基板１０の各受光素子１６ａ〜１６ｅをそれぞれ貫通孔３１１内に収容する。フレーム３１の厚みは、集光レンズ２０から各受光素子１６ａ〜１６ｅまでの焦点距離によって決定され、例えば１ｍｍ程度である。

【0016】

キャップ３２は、各受光素子１６ａ〜１６ｅの直上にそれぞれ窓部３２１を有している。キャップ３２の表面には、集光レンズ２０が窓部３２１に位置するように、基材フィルム２１が配置されている。ベース３３は、各受光素子１６ａ〜１６ｅの直下に、各受光素子１６ａ〜１６ｅと略同じ大きさを有する凹部３３１が形成されており、低熱容量化を図っている。フレーム３１の貫通孔３１１は、基材フィルム２１、キャップ３２およびベース３３により密閉される。この密閉空間は、窒素等の不活性ガスを注入したり真空引きする等して、受光素子１６ａ〜１６ｅや集光レンズ２０の劣化を抑制するようにしてもよい。

【0017】

ケーシング３０は、ゴム、合成樹脂、金属等の材料により形成され、板厚方向（ベース３３、フレーム３１およびキャップ３２の積層方向）に曲げ変形が可能となるように、厚みを約２ｍｍ以下にすることが好ましい。ケーシング３０の変形は、弾性変形または塑性変形のいずれであってもよいが、曲げた後の形状保持が容易となるように、ケーシング３０をアルミニウムや銅などの塑性変形が容易な材料により形成することが好ましい。この場合、フレーム３１のみをアルミニウム等で形成し、キャップ３２およびベース３３は、他の変形可能な材料で形成してもよい。ケーシング３０は、貫通孔３１１の内部を外乱からシールドするため、導電性材料により形成したり、内面側に導電性コート層を形成することが好ましい。また、必要に応じて集光レンズ２０の内面側にも、赤外線透過性を有する導電性薄膜や金網等からなる電磁波シールド層を形成してもよい。

【0018】

図１に示すように、ケーシング３０には、信号処理ボックス４０がコネクタ４２を介して着脱自在に装着されている。信号処理ボックス４０は、例えば、各受光素子１６ａ〜１６ｅの検出電流を電圧信号に変換する電流電圧変換回路や、電圧信号を増幅して検知信号を生成する増幅回路等が、高剛性の筐体内に収容されて構成されている。信号処理ボックス４０により生成された検知信号は、有線または無線で接続された外部の制御装置（図示せず）に送信され、この制御装置において検知信号と閾値との比較や閾値の調整等が行われて、各受光素子１６ａ〜１６ｅによる人体等の検出の有無が判別される。

【0019】

このように構成された赤外線受光装置１は、図４に示すように、ケーシング３０を厚み方向に湾曲させて、設置面に対して直接あるいはブラケット等を介して取り付けることにより、位置及び湾曲後の形状が固定された状態で使用することができる。図４に示すケーシング３０は、広範囲を検出できるように、集光レンズ２０（図４では１つの位置のみを示す）が外面側となるように湾曲させているが、集光レンズ２０が内面側となるようにケーシング３０を湾曲させることも可能であり、例えば円管の外周面を検査する等の用途に好適である。信号処理ボックス４０は、ケーシング３０に対してコネクタ４２を介して接続されているため、信号処理ボックス４０には曲げ変形は生じない。したがって、赤外線受光装置１の信頼性や耐久性を高めることができると共に、受光素子の一部が損傷した場合や受光素子の数や配置を異ならせるニーズが生じた場合でも、新たなケーシング３０に迅速容易に取り替えることができる。但し、信号処理ボックス４０の筐体をフレキシブルパッケージとして、図５に示すようにケーシング３０の表面に設けることにより、信号処理ボックス４０がケーシング３０と一体的に曲げ変形するように構成してもよい。

【0020】

次に、上記赤外線受光装置１の使用方法を説明する。図６に示すように、受光素子１６ａの検知領域Ｅ１は、集光レンズ２０のレンズ形状によって、それぞれの間に非検知領域が介在するように複数に分割されている（他の受光素子１６ｂ〜１６ｅについても同様）。各受光素子１６ａ〜１６ｅの検知領域は、レンズ形状の設定による以外に、例えば、それぞれを複数の素子から構成することによって分割することもできる。

【0021】

ケーシング３０を湾曲させる前の各受光素子１６ａ〜１６ｅが直線状に配置された状態では、図７に示すように、各受光素子１６ａ〜１６ｅの検知領域Ｅ１〜Ｅ５は、大部分が互いに重複する。したがって、赤外線受光装置１の周辺に人体等の検知対象となる空間領域Ｓ１〜Ｓ３を設定した場合、いずれの空間領域Ｓ１〜Ｓ３においても、全ての受光素子１６ａ〜１６ｅの検知領域が重複するため、赤外線受光装置１の検知角度や検知精度は、受光素子が単一の場合と比べてほとんど変わらないことになる。

【0022】

これに対し、図８に示すように、ケーシング３０を各受光素子１６ａ〜１６ｅの配列方向に沿って側面視円弧状に湾曲させた場合には、赤外線受光装置１の検知角度が拡がるだけでなく、各受光素子１６ａ〜１６ｅの検知領域の重複が、それぞれの空間領域によって変化する。すなわち、５つの空間領域Ｓ１１〜Ｓ１５を設定した場合、空間領域Ｓ１１においては、２つの受光素子１６ａ，１６ｂの検知領域Ｅ１，Ｅ２のみが重複するのに対し、空間領域Ｓ１２においては、更に受光素子１６ｃを加えた３つの受光素子１６ａ〜１６ｃの検知領域Ｅ１〜Ｅ３が重複する。また、空間領域Ｓ１３においては、３つの受光素子１６ｂ〜１６ｄの検知領域Ｅ２〜Ｅ４が重複し、空間領域Ｓ１４においては、３つの受光素子１６ｃ〜１６ｅの検知領域Ｅ３〜Ｅ５が重複する。空間領域Ｓ１５においては、２つの受光素子１６ｄ，１６ｅの検知領域Ｅ４，Ｅ５が重複する。

【0023】

このように、本実施形態の赤外線受光装置１は、ケーシング３０の湾曲によって、各空間領域Ｓ１１〜Ｓ１５における検知領域Ｅ１〜Ｅ５の重複が、空間領域Ｓ１１〜Ｓ１５毎に異なる受光素子１６ａ〜１６ｅの組み合わせによって生じるため、人体等を単に検知するだけでなく、検知した人体等がどの空間領域Ｓ１１〜Ｓ１５に存在するかを、受光素子１６ａ〜１６ｅの組み合わせによって正確に判別することができる。判別可能な空間領域の数は、各受光素子の検知領域の分割と共に、受光素子の数を増やすことによって相乗的に増加させることができ、検知対象となる広範囲の領域を細分化して、高い精度で検知することができる。

【0024】

また、本実施形態の赤外線受光装置１は、ケーシング３０の湾曲によって、各受光素子１６ａ〜１６ｅの相対的な位置や向きが変化するだけでなく、受光素子１６ａ〜１６ｃ自体も湾曲することで、検知領域Ｅ１〜Ｅ５の大きさを変化させることができる。すなわち、曲げ角に応じて視野角や分解能を連続的に細かく調整することが可能であり、複数の赤外線センサを個別に配置する場合と比較して、上述した検知領域Ｅ１〜Ｅ５の所望の組み合わせを迅速容易に実現することができる。焦電体基板１０および集光レンズ２０は、厚み方向に間隔をあけて保持されているため、ケーシング３０の湾曲状態においても、良好な検知領域Ｅ１〜Ｅ５が維持される。

【0025】

図８に示す赤外線受光装置１の湾曲形状は、空間領域Ｓ１１〜Ｓ１５を互いに間隔をあけて設定した場合に対応しており、人の流れや速度を検知するのに適している。これに対し、図９に示すように、空間領域Ｓ２１〜Ｓ２９を隙間無く設定して人体等の位置検出を行う場合には、湾曲させたケーシング３０の曲率半径を、図８の場合よりも大きくすればよい。このように、ケーシング３０の湾曲形状を変えることで、設置環境や目的等に応じた最適なセッティングを迅速容易に行うことができる。静止状態の人体等を検知可能とするために、赤外線受光装置１には、各受光素子１６ａ〜１６ｅの検知領域Ｅ１〜Ｅ５を遮断するチョッパを適宜設けてもよい。

【0026】

図９において、複数の受光素子１６ａ〜１６ｅの組み合わせによる検知領域Ｅ１〜Ｅ５の重複は、設定した全ての空間領域Ｓ２１〜Ｓ２９で生じる必要はなく、一部の空間領域Ｓ２１〜Ｓ２９のみで生じていればよい。例えば、空間領域Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２８，Ｓ２９においては、それぞれ単一の検知領域Ｅ１，Ｅ２，Ｅ４，Ｅ５しか存在しないが、この場合でも、他の空間領域（例えばＳ２３，Ｓ２４）において検知領域の重複（例えばＥ１およびＥ３，Ｅ２およびＥ４）が生じることによって、これらを判別することが可能である。すなわち、複数の空間領域Ｓ２１〜Ｓ２９と検知領域Ｅ１〜Ｅ５との間に生じる重複は、空間領域Ｓ２１〜Ｓ２９毎に異なる受光素子１６ａ〜１６ｅによって生じていれば、単一の受光素子１６ａ〜１６ｅによるものであってもよい。更に、各空間領域Ｓ２１〜Ｓ２９と検知領域Ｅ１〜Ｅ５との重複を生じさせる受光素子１６ａ〜１６ｅは、必ずしも全ての空間領域Ｓ２１〜Ｓ２９で異なる必要はない。例えば、空間領域Ｓ２４，Ｓ２６は、いずれも同じ受光素子１６ｂ，１６ｄの組み合わせによって検知領域Ｅ２，Ｅ４の重複が生じているが、隣接する空間領域における検知状況等から判別することができる。

【0027】

図１０は、湾曲させた赤外線受光装置１に対して、チョッパ４４を設けたセンサ装置の一実施形態を示す側面図であり、図１１は、図１０のＣ−Ｃ断面図である。図１０および図１１に示すように、赤外線受光装置１は、側面視半円状に湾曲させた状態で、駆動モータ４５と共に保持ブロック４６の表面に固定されている。チョッパ４４は、有蓋円筒状に形成されており、蓋部の中心に駆動モータ４５の回転軸４５ａが結合されて、回転可能に支持されている。チョッパ４４の側壁４４ａは、赤外線受光装置１の各受光素子１６ａ〜１６ｅとの間に生じる隙間が一定となるように赤外線受光装置１の湾曲形状に沿って形成されており、各受光素子１６ａ〜１６ｅと対向する位置に、各受光素子１６ａ〜１６ｅと略同じ大きさを有する開口４４ｂを有している。このセンサ装置によれば、各受光素子１６ａ〜１６ｅは、チョッパ４４の回転により開口４４ｂと重なったときのみセンシングを行うことができるので、各受光素子１６ａ〜１６ｅに入射する赤外線がチョッピングされる。したがって、検知領域Ｅ１〜Ｅ５内で人体等が静止している場合であっても確実に検出することができ、且つその位置を特定することができる。開口４４ｂは、本実施形態では単一としているが、複数設けてもよい。

【0028】

図８および図９に示す実施形態は、赤外線受光装置１のケーシング３０を側面視円弧状に湾曲させているが、図１２に示すように、側面視円形状に湾曲させて、３６０度の視野角を有する配置としてもよい。この構成によれば、設定した全ての空間領域Ｓ３１〜Ｓ４０に対して単一の検知領域Ｅ１〜Ｅ５が存在するか、あるいは、２つの受光素子１６ａ〜１６ｅの組み合わせによる検知領域Ｅ１〜Ｅ５の重複が得られ、全方向における人の流れを検出することができる。

【0029】

その他、側面視を波形状や楕円形状としたり、台形状などの多角形状とする等、ケーシング３０の湾曲形状は特に限定されるものではなく、設定された空間領域において所望の検知領域の重複が生じるように、任意の形状とすることができる。また、ケーシング３０の先端部など一部のみを湾曲させたものであってもよい。本実施形態の赤外線受光装置１は、受光素子１６ａ〜１６ｅを一列に配置しているが、マトリクス状や放射状など他の配置であってもよい。例えば、マトリクス状に配置された受光素子を収容したケーシングを球面状に湾曲させることにより、検知領域を平面状に拡げることができ、広範囲の検知を行うことができる。

【符号の説明】

【0030】

１ 赤外線受光装置
１０ 焦電体基板
１１ 基材
１２ 焦電体
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ 受光素子
２０ 集光レンズ
３０ ケーシング
３１ ベース（底部）
３１ａ 凹部
３３ フレーム（側壁）
４０ 信号処理部
４２ コネクタ
Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４，Ｅ５ 検知領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】