(57)【要約】【課題】不所望な赤外線の入射を抑制し、検知精度を向上させる。【解決手段】２つの赤外線センサ素子（１１、１２）を有する第１素子対（１０）と、開口部（２１）を有し、当該開口部の外側と当該開口部の内側に配置された第１素子対とを光学的に接続する視野制限部（２０）と、を備え、上面視で、２つの赤外線センサ素子の受光面の中央どうしを結ぶ線を受光中心線（Ｌｍ）とし、当該受光中心線に平行であり、且つ２つの赤外線センサ素子の受光面それぞれを通る直線と開口部の外縁線とは、垂直を除く角度で交差する赤外線センサ装置（１）を実現する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの赤外線センサ素子を有する第１素子対と、
開口部を有し、当該開口部の外側と当該開口部の内側に配置された前記第１素子対とを光学的に接続する視野制限部と、を備え、
上面視で、前記２つの赤外線センサ素子の受光面の中央どうしを結ぶ線を第１受光中心線とし、当該第１受光中心線に平行であり、且つ前記２つの赤外線センサ素子の前記受光面それぞれを通る直線と前記開口部の外縁線とは、垂直を除く角度で交差する赤外線センサ装置。
【請求項２】
２つの赤外線センサ素子からなる第２素子対をさらに備え、当該第２素子対に含まれる２つの赤外線センサ素子は、前記第１受光中心線と直交する方向に対向して配置され、
上面視で、前記第２素子対に含まれる前記２つの赤外線センサ素子の受光面の中央どうしを結ぶ線を第２受光中心線とし、当該第２受光中心線に平行であり、且つ前記第２素子対に含まれる２つの赤外線センサ素子の前記受光面それぞれを通る直線と前記開口部の外縁線とは、垂直を除く角度で交差する請求項１記載の赤外線センサ装置。
【請求項３】
前記開口部に、当該開口部を通る光を調整する光学調整部をさらに備える請求項１または請求項２記載の赤外線センサ装置。
【請求項４】
前記開口部は、上面視で矩形状であり前記２つの赤外線センサ素子をその内側に含み、且つ、前記開口部の一の対角線が前記第１受光中心線と重なっている請求項１記載の赤外線センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、開口部を備えた視野角制限部を有する赤外線センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネルギー化や環境センサの観点から、赤外線センサが注目されている。人体が発する赤外線を検知する人感センサは、照明やエアコンなどに搭載され、省エネルギー化に貢献している。また、赤外線センサは、測定対象物から入射する赤外線のエネルギー量を定量し、温度を検出する、非接触式温度計としても期待されている。
赤外線センサは、測定対象物から入射する赤外線エネルギーを精度良く検出するために、赤外線検出部に入射する赤外線の視野角を制限して、検出対象物以外の背景から放射される赤外線などの外乱光を除去する必要がある。このため、赤外線検出部の前面には、視野角を制限するために、開口部を備えた視野角制限部が配置される。
【０００３】
例えば、特許文献１には、視野角制限部（特許文献１においては「コールドシールド」と称される）を有する赤外線検出器が開示されている。この赤外線検出器は、視野角制限部からの熱輻射によるノイズが発生しにくいように、大きな熱伝導率を有する材質を用いるという工夫がなされている。この赤外線検出器では、視野角が、視野制限の開口部（特許文献１においては「開口」）の内径と、開口部の厚みと、開口部と赤外線センサ素子（特許文献１においては「赤外線検知素子」）との距離で決定される。
以上のように、視野角制限部を有する赤外線センサにおいては、開口部の内径と、開口部の厚みと、開口部と赤外線センサ素子との距離によって、視野角の大きさが決定され、開口部の内径を小さく、開口部の厚みを厚く、開口部と赤外線センサ素子との距離を長くすることで、より狭い検出対象範囲からの赤外線を精度良く定量することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２９２２７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、金属等の熱伝導率の高い材質は、一般的には赤外線反射率が高くなる。そのため、図１１に示すように、視野外からの赤外線が、開口部の壁面で反射し、赤外線センサ素子に入射してしまうため、視野外からの不所望な赤外線も検知してしまう可能性がある。
この不所望な赤外線の入射は、２つの赤外線センサ素子を用いて、各々の赤外線センサ素子の出力差や出力比を用いることで、測定対象物の位置を検知するような赤外線センサ装置では特に問題となり、測定対象物の到来方向や位置を正しく検知できなくなってしまう。
本発明は、この点に着目してなされたものであり、検知精度をより向上させることの可能な赤外線センサ装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様による赤外線センサ装置は、２つの赤外線センサ素子（例えば図１に示す、赤外線センサ素子１１、１２）を有する第１素子対と、開口部（例えば図１に示す、開口部２１）を有し、当該開口部の外側と当該開口部の内側に配置された前記第１素子対とを光学的に接続する視野制限部（例えば図１に示す、視野制限部２０）と、を備え、上面視で、前記２つの赤外線センサ素子の受光面の中央どうしを結ぶ線を第１受光中心線（例えば図１に示す、受光中心線    Ｌｍ）とし、当該第１受光中心線に平行であり、且つ前記２つの赤外線センサ素子の前記受光面それぞれを通る直線と前記開口部の外縁線とは、垂直を除く角度で交差することを特徴とする。
【０００７】
２つの赤外線センサ素子からなる第２素子対をさらに備え、当該第２素子対に含まれる２つの赤外線センサ素子（例えば図５に示す、赤外線センサ素子１３、１４）は、前記第１受光中心線と直交する方向に対向して配置され、上面視で、前記第２素子対に含まれる前記２つの赤外線センサ素子の受光面の中央どうしを結ぶ線を第２受光中心線（例えば図５に示す、受光中心線Ｌｍ２）とし、当該第２受光中心線に平行であり、且つ前記第２素子対に含まれる２つの赤外線センサ素子の前記受光面それぞれを通る直線と前記開口部の外縁線とは、垂直を除く角度で交差してよい。
前記開口部に、当該開口部を通る光を調整する光学調整部（例えば図４に示す、光学調整部２５）をさらに備えていてよい。
前記開口部は、上面視で矩形状であり前記２つの赤外線センサ素子をその内側に含み、且つ、前記開口部の一の対角線が前記第１受光中心線と重なっていてよい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の赤外線センサ装置によれば、視野外からの不所望な赤外線を低減できるため、より高精度な赤外線検知が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態における赤外線センサ装置の一例を示す概略構成図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は斜視図である。
【図２】比較例の一例を示す概略構成図である。
【図３】第２実施形態における赤外線センサ装置の一例を示す概略構成図である。
【図４】第３実施形態における赤外線センサ装置の一例を示す概略構成図である。
【図５】第４実施形態における赤外線センサ装置の一例を示す概略構成図である。
【図６】実施例１における赤外線センサ素子の出力信号の測定方法を説明するための図である。
【図７】実施例１における赤外線センサ素子の出力信号の一例を示す特性図である。
【図８】実施例１における赤外線センサ素子の出力信号の差分信号の一例を示す特性図である。
【図９】比較例１における赤外線センサ素子の出力信号の一例を示す特性図である。
【図１０】比較例１における赤外線センサ素子の出力信号の差分信号の一例を示す特性図である。
【図１１】視野制限部を備えた赤外線センサ装置の動作説明に供する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
本発明の赤外線センサ装置は、２つの赤外線センサ素子を有する第１素子対と、開口部を有し、当該開口部を通して、赤外線を光学的に第１素子対に供給する視野制限部と、を備え、開口部側を上面としたとき上面視で、前述の２つの赤外線センサ素子の受光面の中央どうしを結ぶ線を受光中心線とし、当該受光中心線に平行であり、且つ２つの赤外線センサ素子の受光面それぞれを通る直線と開口部の外縁線とは、垂直を除く角度で交差する、ことを特徴とする。
【００１１】
すなわち、上述の赤外線センサ装置を開口部側からみたとき、第１素子対の２つの赤外線センサ素子の受光面は開口部の開口面に平行に面しており、第１素子対の２つの赤外線センサ素子の受光面の中心を結ぶ直線（受光中心線）に平行でありかつ２つの赤外線センサ素子それぞれを通る直線と、開口部の外縁線とが垂直を除く角度で交わる。これにより、視野外、特に第１素子対の２つの赤外線センサ素子の中心を結ぶ直線方向すなわち受光中心線の延びる方向の視野外からの不所望な赤外線が赤外線センサ素子に入射することを低減でき、より高精度な赤外線検知が可能になる。
【００１２】
次に、本実施形態の赤外線センサ装置を、図面を伴って説明する。
まず、第１実施形態を説明する。
図１は、第１実施形態における赤外線センサ装置１を説明するための説明図である。なお、図１では、後述の開口部が上側にある状態を基準として説明する。
図１において、（ａ）は、開口部２１側から見た平面模式図、つまり赤外線センサ装置１を模式的に表した上面図であり、（ｂ）は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ´面での断面模式図であり、（ｃ）は斜視模式図である。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態の赤外線センサ装置１は、基板５と、２つの赤外線センサ素子１１および１２からなる第１素子対１０と、視野制限部２０とを備える。
視野制限部２０は、中央部付近に上面視で略正方形の開口部２１が形成された直方体状の部材からなり、視野制限部２０は基板５に搭載され、開口部２１の内側面は垂直面を形成している。
なお、ここでは、視野制限部２０が直方体状の部材からなる場合について説明するが、これに限るものではなく、任意の形状とすることができる。
【００１４】
基板５の、開口部２１で囲まれた部分には第１素子対１０が配置される。第１素子対１０は、２つの赤外線センサ素子１１、１２の受光面が上となるように配置され、基板５の上面と赤外線センサ素子１１、１２の上面とが一つの面を形成するように配置される。このような構成とすることによって、２つの赤外線センサ素子１１、１２は、開口部２１によって、視野制限部２０の外部と光学的に接続されるようになっている。
開口部２１は、上面視で、２つの赤外線センサ素子１１、１２が開口部２１に含まれる大きさに形成され、開口部２１および赤外線センサ素子１１、１２は、第１素子対１０の２つの赤外線センサ素子１１、１２それぞれの受光面の中心を結ぶ直線を受光中心線Ｌｍとしたとき、この受光中心線Ｌｍと平行であり、且つ２つの赤外線センサ素子１１、１２それぞれを通る直線と、開口部２１の外縁線Ｌｏとが、垂直を除く角度で交わるように配置される。図１の場合には、受光中心線Ｌｍと平行であり、赤外線センサ素子１１の受光面および赤外線センサ素子１２の受光面を通る直線Ｌ１が、開口部２１の外縁線Ｌｏと、約４５度をなす角度で交差するように配置されている。
【００１５】
開口部２１および、赤外線センサ素子１１、１２をこのように配置することによって、視野外、特に、第１素子対１０の２つの赤外線センサ素子１１、１２を結ぶ受光中心線Ｌｍの延びる方向からの不所望な赤外線が、赤外線センサ素子１１、１２に入射することを低減でき、より高精度な赤外線検知が可能になる。
図１（ａ）〜（ｃ）に、視野外の、第１素子対１０の赤外線センサ素子１１、１２を結ぶ受光中心線Ｌｍの延びる方向からの赤外線として、物体Ｂ１からの赤外線の光路を矢印で示している。矢印で示すように、物体Ｂ１から出射された赤外線は、直進して、開口部２１の側面で反射される。このとき、赤外線は、地点Ｂ１から、受光中心線Ｌｍと平行な直線に沿って進み、開口部２１の第１の側面Ｌｏ１で反射され、開口部２１の第１の側面Ｌｏ１で反射された赤外線は水平方向に約９０度向きを変えて第２の側面Ｌｏ２方向に進むとともに垂直下方向に向きを変えて、赤外線センサ素子１１、１２に入射することなく、基板５に到達することがわかる。
【００１６】
図２（ａ）〜（ｃ）は、比較例として記載したものであり、第１素子対１０の２つの赤外線センサ素子１１、１２の受光面の中心を結ぶ受光中心線Ｌｍに平行であり、かつ２つの赤外線センサ素子１１、１２を通る直線Ｌ２と、開口部２１の外縁線Ｌｏとが垂直に交わる構造の赤外線センサ装置１を示したものである。
図２に示す赤外線センサ装置１の場合、赤外線センサ素子１１の視野外の物体Ｂ１から出射された赤外線は、視野制限部２０の第１の側面Ｌｏ１で反射し、垂直方向に反射されて赤外線センサ素子１１に到達してしまうことがわかる。
【００１７】
次に、本発明の第２実施形態を説明する。
図１では、基板５に対して垂直な側面を有する開口部２１について説明したが、これに限るものではない。
例えば、図３に示すように、開口部２１の、赤外線センサ素子１１、１２側の領域２１ａが、開口端側の領域２１ｂよりも広く開口した形状を有する開口部２１であってもよい。このように、赤外線センサ素子１１、１２側の領域２１ａが、開口端側の領域２１ｂよりも広い開口である形状とすることによって、視野外からの不所望な赤外線をより効率的に低減することができる。つまり、赤外線センサ素子１１、１２側の領域２１ａがより広いため、その分、開口部２１内における赤外線を、基板５の、赤外線センサ素子１１、１２が配置されていない領域に導きやすくすることができる。そのため、視野外からの不所望な赤外線をより効率的に低減することができる。
【００１８】
次に、本発明の第３実施形態を説明する。
図１に示す赤外線センサ装置１において、例えば、図４に示すように、視野制限部２０の開口部２１に、さらに、その開口端部分に、特定の波長を選択的に透過可能な光学フィルタや、光を収束または発散させる光学レンズなどの光学調整部２５を備えてもよい。
このように、光学フィルタや、光学レンズなどの光学調整部２５を設けることによって、対象物が発する赤外線以外の赤外線（例えば太陽光由来の赤外線等）の低減が可能である。また、光学レンズを使用すると、より遠距離にある対象物の検出が可能となり、また視野角を絞ることが可能になる。
【００１９】
次に、本発明の第４実施形態を説明する。
図５は、第４実施形態における赤外線センサ装置１の一例を示す構成図である。
第４実施形態における赤外線センサ装置１は、２つの赤外線センサ素子１１、１２からなる第１素子対１０ａと、第１素子対１０ａの２つの赤外線センサ素子１１、１２の受光面の中心を結ぶ受光中心線Ｌｍと直交する方向に並んで配置された、２つの赤外線センサ素子１３、１４からなる第２素子対１０ｂと、赤外線センサ素子１１〜１４と外部とを光学的に接続する開口部２１を有する視野制限部２０と、を備える赤外線センサ装置である。
【００２０】
赤外線センサ装置１を開口部２１側から見たときに、第１素子対１０ａの２つの赤外線センサ素子１１、１２の受光面の中央を結ぶ受光中心線Ｌｍ１に平行であり、且つ２つの赤外線センサ素子１１、１２を通る直線と、開口部２１の外縁線とが垂直に交わらず、かつ、第２素子対１０ｂの２つの赤外線センサ素子１３、１４の受光面の中心を結ぶ直線である受光中心線Ｌｍ２に平行であり、且つ２つの赤外線センサ素子１３、１４を通る各直線と、開口部２１の外縁線とが垂直に交わらない構成となっている。
図５に示した赤外線センサ装置１によれば、受光中心線Ｌｍ１の延びる方向の物体検知だけでなく、受光中心線Ｌｍ１と直交する受光中心線Ｌｍ２の延びる方向の物体検知においても、視野外からの不所望な赤外線が赤外線センサ素子に入射することを低減でき、より高精度な赤外線検知が可能になる。
【００２１】
なお、上述したすべての実施形態の赤外線センサ装置は、各赤外線センサ素子からの出力を増幅するためのゲイン部や、真値に近づけるための補正部や、各赤外線センサ素子の出力に応じて所望の出力をおこなう演算部等をそれぞれ独立または組み合わせて有していてもよい。
また、上記の実施形態の赤外線センサ装置では、赤外線センサ装置が第１素子対または第１素子対と第２素子対を備える形態を例にしたが、本実施形態の赤外線センサ装置はこれに限られず、さらに別の赤外線センサ素子を備えていてもよい。例えば、第１素子対および／または第２素子対を構成する２つの赤外線センサ素子の中心を結ぶ直線上に、他の赤外線センサ素子をさらに備える構成であっても適用することができ、この場合も、上述の実施形態と同様の効果を奏すことができる。
【００２２】
また、上記実施形態においては、開口部２１を略正方形状に形成した場合について説明したが、これに限るものではなく、開口部２１は、長方形状であってもよい。また、矩形状に限らず、六角形、菱形、など、少なくとも対向する１対の角部を有する形状であれば適用することができ、一対の角部どうしを結ぶ線分と、受光中心線とが上面視で重なるように配置すればよく、さらに、開口部２１は、上面視で、２つの赤外線センサ素子１１、１２を、開口部２１の内側に含む大きさであればよい。
また、図５に示すように、２対の赤外線センサ素子を備える場合には、開口部２１は、対向する２対の角部を有し、各対の角部どうしを結ぶ線分と、第１素子対、第２素子対の受光中心線とがそれぞれ上面視で重なりかつ、上面視で４つの赤外線センサ素子１１〜１４を、開口部２１の内側に含む大きさであればよい。
【００２３】
＜実施形態の効果＞
このように、本実施形態においては、開口部２１の外縁部と、赤外線センサ素子１１、１２、または１１〜１４の配置位置とを調整し、開口部２１内において、開口部２１に直交しないように、赤外線が入射されるようにすることで、赤外線が、赤外線センサ素子１１、１２、または１１〜１４に入射されにくくなるようにしたため、視野外の不要な赤外線が、赤外線センサ素子に入射されることを抑制することができる。その結果、検知対象部材の検知精度をより向上させることができる。
【実施例】
【００２４】
次に、本発明の実施例を説明する。
＜実施例１＞
図１に示す、２つの赤外線センサ素子１１、１２からなる第１素子対１０と、２つの赤外線センサ素子１１、１２と外部とを光学的に接続する開口部２１を有する視野制限部２０を備え、２つの赤外線センサ素子１１、１２の中心を結ぶ受光中心線Ｌｍに平行かつ２つの赤外線センサ素子１１、１２を通る直線Ｌ１と、開口部２１の外縁線Ｌｏとが垂直に交わらず、４５度の角度をなす構成の赤外線センサ装置１を準備した。赤外線センサ素子１１、１２としては、ＧａＡｓ基板５上に形成されたｎ型ＩｎＳｂ、ｉ型ＩｎＳｂ，ｐ型ＡｌＩｎＳｂ、ｐ型ＩｎＳｂからなるｐｉｎ接合を有する、量子型の赤外線センサ素子を用いた。
【００２５】
図６に示すように、光源１００として、点光源黒体炉（Φａ＝１２．７ｍｍ）を用い、該点光源黒体炉の温度を５００Ｋに設定し、光源１００から１４０ｍｍ離れたところに、回転可能な台座１１０に搭載した赤外線センサ装置１を配置した。開口部２１と光源１００とが対向する位置を０°として、台座１１０を−９０°から＋９０°回転させながら、５°ごとに、２つの赤外線センサ素子１１、１２の出力を取得した。第１の赤外線センサ素子１１の出力の最大値で規格化した各赤外線センサ素子１１、１２の信号を図７に示す。
【００２６】
図７中ｐ１が第１の赤外線センサ素子１１からの出力信号を表し、ｐ２が第２の赤外線センサ素子１２からの出力信号を表す。なお、図７および後述の図７から図１０において、横軸は、台座１１０の角度、縦軸は、各赤外線センサ素子１１、１２の出力信号または、出力信号を演算した演算値である。
図７より、第１および第２の赤外線センサ素子１１、１２は、各々の視野角に応じた信号を出力していることがわかる。このことから、本実施形の赤外線センサ装置１によれば、赤外線センサ装置１を固定したときに、物体の位置に応じた赤外線を正確に検出することが可能となり、視野を横切る物体を精度よく検知できることが理解される。
【００２７】
また、第１の赤外線センサ素子１１と第２の赤外線センサ素子１２との出力差を図８に示す。図８から、第１の赤外線センサ素子１１と第２の赤外線センサ素子１２の出力差は、回転可能な台座１１０の回転に応じた出力を示していることがわかる。
なお、本実施例では第１の赤外線センサ素子１１と第２の赤外線センサ素子１２の出力差を用いて説明したが、第１の赤外線センサ素子１１と第２の赤外線センサ素子１２の出力比を用いても同様の効果を示すことがわかる。
このことから、本実施形態の赤外線センサ装置によれば、赤外線センサ装置１を固定したときに、視野を横切る物体を精度よく検知でき、高精度な物体の位置検知が可能であることが理解される。これは防犯用途や省エネ用途の物体の位置検知に応用することが可能である。
【００２８】
＜比較例１＞
赤外線センサ装置１について、２つの赤外線センサ素子１１、１２の受光部の中心を結ぶ受光中心線Ｌｍに平行かつ２つの赤外線センサ素子１１、１２を通る直線Ｌ１と、開口部２１の外縁線とが垂直に交わる構成とした以外は、実施例１と同様の測定を行った。このとき得られた第１および第２の赤外線センサ素子１１、１２からの出力ｐ１１、ｐ２１を図９に示し、それらの出力差を図１０に示す。
図９中に矢印で示すように、第１の赤外線センサ素子１１の出力ｐ１１も、第２の赤外線センサ素子１２の出力ｐ２１も、本来は視野以外の領域に点光源があるにもかかわらず、出力が増加する領域が生じてしまっている。これは、図２に示す様に、本来は視野外の光源から発生された赤外線が、視野制限部２０の開口部２１の壁面で反射して各々の赤外線センサ素子１１、１２に入射してしまったことに起因すると考えられる。また、図１０中に矢印で示すように、出力差においても本来は観測されないはずの信号が生じている。出力比を用いても同様に本来は観測されないはずの信号が生じてしまう。
【００２９】
これは物体の位置検知において誤検知が生じてしまうことにつながることがわかる。
なお、本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態や実施例に限定されるものではない。当業者の知識に基づいて各実施形態や実施例に設計の変更等を加えてもよく、また、各実施形態や実施例を任意に組み合わせてもよく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらす、すべての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、すべての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。
【符号の説明】
【００３０】
１  赤外線センサ装置
５  基板
１１、１２、１３、１４  赤外線センサ素子
２０  視野制限部
２１  開口部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2015190906.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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