(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線を放射する物体を感知するための赤外線センサーと、
圧電素材で形成された板状本体に、風車状に分割された電極構造をもつ圧電振動体と、
前記圧電振動体の横面に沿ってリング形状を有し、前記圧電振動体のねじれ振動を回転力に転換するための回転子を含む回転型超音波モーターと、
前記赤外線センサーの前方に入射する赤外線を断続するように、前記回転子と結合し、前記回転型超音波モーターの回転子と一体化されて回転可能に備えられるフレネルレンズと、
前記回転型超音波モーターに必要な矩形波を出力する発振部と、
前記赤外線センサーによって感知された信号を利用して、前記発振部を制御して、前記回転型超音波モーターの駆動を制御する制御部と、を含む、
回転型超音波モーターを利用した赤外線センサーモジュール。
【請求項２】
前記発振部から出力された矩形波を、前記回転型超音波モーターに適切な電圧に調節するブースター部をさらに含む、
請求項１に記載の回転型超音波モーターを利用した赤外線センサーモジュール。
【請求項３】
前記制御部は、前記赤外線センサーから基準値以上の信号が伝達される時、前記発振部を制御することで、前記回転型超音波モーターを回転させて、
前記赤外線センサーから基準値未満の信号が伝達される時、前記発振部を制御することで、前記回転型超音波モーターの回転を停止させる、
請求項１に記載の回転型超音波モーターを利用した赤外線センサーモジュール。
【請求項４】
前記制御部は、前記赤外線センサーによって設定された時間を超えて、伝達される信号がなければ、前記発振部の電源を落とす、
請求項１に記載の回転型超音波モーターを利用した赤外線センサーモジュール。
【請求項５】
前記発振部によって設定された高さ以上の駆動周波数をもつ矩形波が、前記回転型超音波モーターに印加されると、前記圧電振動体には、ねじれ振動が誘発されて、前記印加された矩形波のパルス数に対応する角度だけ前記回転子が回転する、
請求項１に記載の回転型超音波モーターを利用した赤外線センサーモジュール。
【請求項６】
前記回転型超音波モーターは、前記回転型超音波モーターに組み付けられる部品の電気信号を伝達するための電線を、下部にリードするために、複数のホールを備える、
請求項１に記載の回転型超音波モーターを利用した赤外線センサーモジュール。
【請求項７】
前記赤外線センサーの信号を増幅するＯＰアンプをさらに含み、前記ＯＰアンプは、前記赤外線センサーと前記回転型超音波モーターの上部に取り付けられる、
請求項１に記載の回転型超音波モーターを利用した赤外線センサーモジュール。
【請求項８】
前記フレネルレンズには、活性化領域と非活性化領域が面上に交互に分布するものが利用され、中央部には前記非活性化領域が備えられる、
請求項１に記載の回転型超音波モーターを利用した赤外線センサーモジュール。
【請求項９】
前記フレネルレンズは、前記回転型超音波モーターによって回転させられることにより、全領域で前記赤外線センサーに入射する赤外線を断続可能に形成される、
請求項８に記載の回転型超音波モーターを利用した赤外線センサーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、赤外線センサーモジュールに関し、より詳細には回転型超音波モーターを利用することによって周期的な回転が可能で、低い電圧によって駆動が可能で、停止した赤外線放射体に対しても連続的な信号を感知することができる回転型超音波モーターを利用した赤外線センサーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、焦電型赤外線センサーは、超電材料の超電性を利用するもので、黒体放射を根拠とした、赤外線の放射エネルギーの吸収による温度変化を利用するセンサーである。前記焦電型赤外線センサーは、人から輻射される赤外線を感知することができるため、人体感知に最も多く利用されていて、自動照明ランプ、出入り口の自動開閉、自動給水装置、侵入警報器などに活用されている。また、赤外線吸収を利用した種々のガス検知器、有毒ガス警報器、火災警報器などにも応用されている。
【０００３】
ところで、前記焦電型赤外線センサーは、過渡的な温度変化を検出するので、超電材料の温度が変わった後、安定状態になると、出力はこれ以上検出されない。つまり、赤外線が入射する最初の１回だけ出力信号が発生して、その後に熱源がずっと存在していても、動きがない場合には、それ以上の出力信号が発生しない。
【０００４】
このような理由から、前記焦電型赤外線センサーは、その応用分野において、決定的な問題点を有している。例えば、お手洗い、マンションの玄関、地下階段などに焦電型赤外線センサーを備えた自動照明ランプが多く設置されているが、これらの照明は、人が現れると一旦ランプに明かりがつくが、一定時間が経過すると、人がいるのにもかかわらず、照明ランプが消えるという短所がある。
【０００５】
図１は、従来の圧電バイモルフとスリットで構成された焦電型赤外線センサーの斜視図である。図１を参照すると、赤外線を選択的に透過するシリコン窓１０がキャップ上部１１に設置される。そして、このシリコン窓１０を介して赤外線（ＩＲ）が入射する。
【０００６】
前記入射した赤外線は、圧電バイモルフ１３自由端の先に設置されたスリット板１４、１４'によって断続される。そして、超電素子１５が設置されたシールドボックス１６の上部の原形ホール１７を通過して超電素子１５に入射する。これにより、赤外線量に比例する電圧が検出される。
【０００７】
焦電型赤外線センサーにおいて、赤外線が断続される原理は、図２を参照して確認することができる。まず、図２（ａ）を参照すると、最初に圧電バイモルフに印加される電圧が０Ｖである場合には、上部スリット板１４'と下部スリット板１４が開いているため、赤外線（ＩＲ）が通過できるようになっている。
【０００８】
しかし、圧電バイモルフに電圧が印加されると、図２（ｂ）に示したように、上部スリット板１４'と下部スリット板１４が互いにずれた形態に配置されることにより、赤外線（ＩＲ）を遮断することができる。
【０００９】
このような構造によると、入射光が、スリット板のスリット以外の閉鎖された面によって半分レベルと低くなるので、これに比例して出力電圧も半分レベルに低くなるという短所がある。
【００１０】
また、スリット板のスリット加工度の精度が低い場合、感度の変化が激しく、スリットを加工するための単価が高く、実際の圧電バイモルフの終端は直線運動でない円弧運動をするので、これに適したスリットを加工するには困難が伴う。また、二つの圧電バイモルフのサイズ及び圧電性が正確に一致しなければならないため製作上の困難がある。
【００１１】
尚、赤外線センサーが内蔵されたシールドボックス上にホールが形成されていて、その上に、圧電バイモルフの終端に設置されたスリット板が、左右に動きながら空気の流れを発生させるので、ノイズを増加させる原因になるという問題点があった。
【００１２】
このような問題点が現れる原因は、圧電バイモルフの変位が充分ではないため発生するもので、発生変位を増加させる方案が研究されているが、構造的に複雑であるため、商業的な利用は困難であった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の実施形態は、回転型超音波モーターを利用して、比較的簡単な一体型構造をもつと共に、周期的な回転が可能で、低い電圧下でも駆動が可能で、停止した赤外線放射体に対して連続的な信号を感知することができる、回転型超音波モーターを利用した赤外線センサーモジュールを提供する。このような回転型超音波モーターは、駆動時に電磁気波を発生させず、駆動による回転型超音波モーターの圧電振動体の温度の上昇幅が周辺温度に比べて+１ｏＣ以上にならないという条件を満たす。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の一側面によると、赤外線を放射する物体を感知するための赤外線センサーと；圧電素材で形成された板状本体に、風車状に分割された電極構造をもつ圧電振動体と、前記圧電振動体の横面に沿って誘発されるねじれ振動によって駆動するリング形状回転子を含む回転型超音波モーターと；前記赤外線センサーの前方に入射する赤外線を断続するように、前記回転子と結合して回転可能に備えられるフレネルレンズと；前記回転型超音波モーターに必要な矩形波を出力する発振部と；前記赤外線センサーによって感知された信号を利用して、前記発振部を制御して、前記回転型超音波モーターの駆動を制御する制御部と；を含む回転型超音波モーターを利用した赤外線センサーモジュールを提供する。
【００１５】
前記発振部から出力された矩形波を、前記回転型超音波モーターに適切な電圧に調節するブースター部をさらに含んでもよい。
【００１６】
前記制御部は、前記赤外線センサーから基準値以上の信号が伝達される時、前記発振部を制御することで、前記回転型超音波モーターを回転させて、前記赤外線センサーから基準値未満の信号が伝達される時、前記発振部を制御することで、前記回転型超音波モーターの回転を停止させることができる。
【００１７】
前記制御部は、前記赤外線センサーによって設定された時間を超えて、伝達される信号がなければ、前記発振部の電源を落とすことができる。
【００１８】
前記発振部によって設定された高さ以上の駆動周波数をもつ矩形波が、前記回転型超音波モーターに印加されると、前記圧電振動体には、ねじれ振動が誘発されて、前記印加された矩形波のパルス数に対応する角度だけ前記回転子が回転するように構成されることができる。
【００１９】
前記回転型超音波モーターは、前記回転型超音波モーターに組み付けられる部品の電気信号を伝達するための電線を、下部にリードするために、複数のホールを備えることができる。
【００２０】
前記赤外線センサーの信号を増幅するＯＰアンプをさらに含み、前記ＯＰアンプは、前記赤外線センサーと前記回転型超音波モーターの上部に取り付けられることができる。
【００２１】
前記回転子と組み付けられて、前記赤外線センサーと前記フレネルレンズとの間の焦点距離を調節可能に形成されるケースをさらに含んでもよい。
【００２２】
前記フレネルレンズには、活性化領域と非活性化領域が面上に交互に分布するものが利用され、中央部には前記非活性化領域が備えられることができる。
【００２３】
前記フレネルレンズは、前記回転型超音波モーターによって回転させられることにより、全領域で前記赤外線センサーに入射する赤外線を断続可能に形成されることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の実施形態によると、回転型超音波モーターを利用して、比較的簡単な一体型構造を備えて、周期的な回転が可能で、低い電圧下でも駆動が可能で、停止した赤外線放射体に対して連続的な信号を感知することができるという効果がある。
【００２５】
特に、本発明の実施形態は、ステップ駆動が可能で、１ｗａｔｔ以下の低電力駆動及び５〜２０Ｖの低電圧駆動が可能で、ノイズの原因になる電磁気ノイズまたは超音波回転モーターから発生する発熱現象を０．２℃以下にして駆動できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】圧電バイモルフとスリットで構成された焦電型赤外線センサーの斜視図である。
【図２】図１に図示された焦電型赤外線センサーにおいて、赤外線を断続する原理を説明するための概念図である。
【図３】本発明の実施形態に係る回転型超音波モーターを利用した赤外線センサーモジュールの構成図である。
【図４】本発明の実施形態に係る回転型超音波モーターを利用した赤外線センサーモジュールの細部構成図である。
【図５】本発明の実施形態に係る回転型超音波モーターを利用した赤外線センサーモジュールに利用可能なフレネルレンズの例示的形状を示した例示図である。
【図６】本発明の実施形態に係る回転型超音波モーターを利用した赤外線センサーモジュールの使用図である。
【図７】本発明の実施形態に係る回転型超音波モーターを利用した赤外線センサーモジュールの使用図である。
【図８】本発明の実施形態に係る回転型超音波モーターを利用した赤外線センサーモジュールの使用図である。
【図９】本発明の実施形態に係る回転型超音波モーターが１０００ｈｒ連続駆動した場合における、温度変化の測定結果を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態に係る回転型超音波モーターを利用した赤外線センサーモジュールについて詳細に説明する。
【００２８】
図３は、本発明の実施形態に係る回転型超音波モーターを利用した赤外線センサーモジュールの構成図であり、図４は、本発明の実施形態に係る回転型超音波モーターを利用した赤外線センサーモジュールの細部構成図である。
【００２９】
図３及び図４を参照すると、本発明の実施形態に係る回転型超音波モーターを利用した赤外線センサーモジュール（以下、単に‘赤外線センサーモジュール’という）１００は、赤外線センサー１０３、回転型超音波モーター１１０、フレネルレンズ１２０、発振部１４０、及び制御部１３０を含む。
【００３０】
前記赤外線センサー１０３は慣用的に知られた通り、赤外線を利用して温度、圧力または放射線の強度などの物理量や化学量を検知して、信号処理が可能な電気量に変化させる装置に該当する。
【００３１】
前記回転型超音波モーター１１０は、圧電素材で形成された板状本体に、風車状に分割された電極構造をもつ圧電振動体１１１と、前記圧電振動体の横面に沿って誘発されるねじれ振動によって駆動するリング形状回転子１１３を含む。
【００３２】
前記フレネルレンズ１２０は、前記赤外線センサー１０３の前方に入射する赤外線を断続するように、前記回転子１１３と結合して回転可能に備えられる構成に該当する。
【００３３】
前記発振部１４０は、前記回転型超音波モーター１１０に必要な矩形波を出力するように構成されることができる。また、好ましくは、前記発振部１４０から出力された矩形波を、前記回転型超音波モーター１１０に適切な電圧に調節するブースター部（図示せず）をさらに含むように構成されることができる。
【００３４】
前記制御部１３０は、前記赤外線センサーによって感知された信号を利用して前記発振部を制御して、前記回転型超音波モーターの駆動を制御するように構成されることができる。そして、前記制御部１３０は、図３に示したように、赤外線センサーを制御するセンサー制御部１５０をさらに含んでもよい。
【００３５】
そして、前記制御部１３０は、前記赤外線センサー１０３から基準値以上の信号が伝達される時、前記発振部１４０を制御して前記回転型超音波モーター１１０を回転させることができる。また、前記制御部１３０は、前記赤外線センサー１０３から基準値未満の信号が伝達される時、前記発振部１４０を制御して前記回転型超音波モーター１１０の回転を停止させることができる。
【００３６】
そして、前記制御部１３０は、前記赤外線センサー１０３によって設定された時間を超えて、伝達される信号がない場合、前記発振部１４０の電源を落とすことができるように構成されることができる。
【００３７】
一方、前記発振部１４０によって設定された高さ以上の駆動周波数をもつ矩形波が、前記回転型超音波モーター１１０に印加された場合を考慮することができる。
【００３８】
この場合、前記圧電振動体１１１にはねじれ振動が誘発されて、前記印加された矩形波のパルス数に対応する角度だけ前記回転子１１３を回転させることができるようになる。
【００３９】
図４（ａ）を参照すると、回転型超音波モーター１１０の構造を確認することができる。前記回転型超音波モーター１１０は、圧電素材で形成された板状本体に、風車状に分割された電極構造をもつ圧電振動体１１１と、前記圧電振動体１１１の横面に沿って誘発されるねじれ振動によって駆動するリング形状回転子１１３を含む。
【００４０】
そして、図４（ｂ）を参照すると、前記赤外線センサー１０３の信号を増幅させる構成としてＯＰアンプ１０５をさらに含んでもよい。好ましくは、前記ＯＰアンプ１０５は、前記赤外線センサー１０３と共に前記回転型超音波モーター１１０の上部に取り付けられる構造で構成されることができる。そして、図４（ｃ）を参照すると、前記回転型超音波モーター１１０に組み付けられる部品の電気信号を伝達するための電線を、下部にリードするために、複数（例：４個）のホール１１７が備えられた形態を確認することができる。
【００４１】
そして、再び図４（ａ）を参照すると、前記回転型超音波モーター１１０のすべての電気的な信号を入力して取り出す複数（例：３個）の端子は、複数のホール１１５を貫いて前記回転型超音波モーター１１０の下部から取り出されて、再び制御部１３０に連結されることができる。
【００４２】
また、前記回転型超音波モーター１１０の上部を覆う形態で、ケース１０１が備えられることができる。前記ケース１０１は一例であり、図３に図示された形態で提供され、これとは異なる形態で、その形状及び構造が少しずつ変更されても構わない。そして、前記ケース１０１は、前記回転型超音波モーター１１０（さらに具体的には、回転子１１３）と組み付けられることができる。また、前記ケース１０１は、前記赤外線センサー１０３と前記フレネルレンズ１２０との間の焦点距離を調節することができるように構成されることができる。
【００４３】
図５は、本発明の実施形態に係る、回転型超音波モーターを利用した赤外線センサーモジュールに利用可能なフレネルレンズの例示的形状を示した例示図である。図５に図示されたフレネルレンズは、二つの形態（すなわち、図５（ａ）と図５（ｂ）に区分）で示されている。これらの差異点を通して、本発明の実施形態に係るフレネルレンズの構造及び作用効果について説明する。
【００４４】
図示されたフレネルレンズ１２０は、赤外線放射体（例：人体など）から放射される赤外線を、赤外線センサーに集光するように備えられたセル（以下、‘活性化領域１２３’という）と、前記活性化領域１２３間の境界上に備えられて、赤外線を赤外線センサーに集光できないように断続するセル（以下、‘非活性化領域１２１’という）を備えることができる。前記活性化領域１２３と非活性化領域１２１は、一定の間隔で分布でき、図５（ａ）と（ｂ）に図示された形態のように提供されることができる。
【００４５】
ところで、図５（ａ）と（ｂ）を通して示されたフレネルレンズ１２０において、活性化領域１２３と非活性化領域１２１が分布した構造には差がある。すなわち、図５（ｂ）に図示されたフレネルレンズ１２０の場合、図５（ａ）に図示されたものとは異なり、中央部（Ｃ）に活性化領域が存在しないという特徴がある。
【００４６】
先述した通り、非活性化領域１２１を通して赤外線が入力される時には、赤外線センサーは赤外線を感知できず、活性化領域１２３を通して赤外線が入力される時に、赤外線を感知できる。
【００４７】
より効果的に前記赤外線を遮断するためには、前記フレネルレンズ１２０内の活性化領域１２３と非活性化領域１２１が、回転型超音波モーターの動作に連動して、交互になるべきである。
【００４８】
ところで、図５（ａ）に図示されたフレネルレンズの構造によると、フレネルレンズの中央部（Ｃ）に活性化領域１２３が形成されるので、赤外線を断続する機能が効果的に働かなくなる。
【００４９】
これとは異なり、図５（ｂ）に図示されたフレネルレンズの場合、活性化領域１２３と非活性化領域１２１が一定に分布されることはもちろん、特に、中央部（Ｃ）に活性化領域１２３が存在しない構造で提供される。したがって、図５（ｂ）に図示されたフレネルレンズ１２０を利用することによって、前記回転型超音波モーターの回転子が前記フレネルレンズ１２０を回転させる場合、全領域で赤外線センサーに入射する赤外線を断続させることができる。このような理由から、本発明の実施形態に係るフレネルレンズは、図５（ｂ）に図示された構造を利用することが好ましい。
【００５０】
次に、本発明の実施形態に係る赤外線センサーモジュールの作動方法に関して簡単に説明する。図６〜図８は、本発明の実施形態に係る、回転型超音波モーターを利用した赤外線センサーモジュールの使用図である。
【００５１】
まず、図６を参照すると、赤外線センサー、回転型超音波モーター１１０、フレネルレンズ１２０、発振部１４０、及び制御部１３０（センサー制御部１５０含む）等で構成された赤外線センサーモジュール１００に、オシロスコープ１６０が連結された構成が示されている。
【００５２】
これにより、リアルタイムで赤外線放射体（例：人体など）から放出される赤外線を感知することができる。また、前記オシロスコープ１６０を利用すると、赤外線センサーの信号を、外部で容易にモニタリングすることができる。
【００５３】
図７は、赤外線放射体（以下、例えば‘停止した人体’という）２００が、赤外線センサーモジュール１００に感知されて、発振部１４０を動作させた場合を示している。
【００５４】
停止した人体２００が、赤外線センサーモジュール１００、特にフレネルレンズ１２０の感知領域内部に入ってくると、前記発振部１４０から出力されたパルス波が、周期的に回転型超音波モーター１１０に入力される。そして、前記回転子１１３は、回転方向に沿って回転するようになる。この時、前記フレネルレンズ１２０の活性化領域と非活性化領域が、前記回転子１１３の回転運動によって回転することで、赤外線センサーに入射する赤外線を断続する。
【００５５】
したがって、停止した人体２００から放射される赤外線が、連続的に赤外線センサーを介して入射することで、制御部１３０、特にセンサー制御部１５０と連結されたオシロスコープ１６０によって読み込まれる信号は、連続的な信号（例：５Ｖｐ−ｐ
）となる。これで、たとえ停止した人体２００のように、動かない赤外線放射体から放出される赤外線でも効果的に感知することができる。
【００５６】
図８は、停止した人体２００が存在しない場合を示す図面である。図示したように、前記フレネルレンズ１２０の感知領域内に、停止した人体が存在しない場合に、回転型超音波モーター１１０が駆動することで、前記フレネルレンズ１２０を回転させることができる。
【００５７】
この時には、センサー制御部１５０と連結されたオシロスコープ１６０から収得されるノイズ信号が、先の図７と比較して、きわめて小さい値（例：０．３Ｖｐ−ｐ）を示すことができる。
【００５８】
そして、このように構成された赤外線センサーモジュール１００は、Ｓ／Ｎ比が優れており（例：Ｓ／Ｎ比が１６以上）、停止した人体に対して、連続的な感知が可能である装置として効果があることを証明する。
【００５９】
前記のように、本発明の構成及び作用によると、回転型超音波モーターを利用して、比較的簡単な一体型構造をもって、周期的な回転が可能で、低い電圧下でも駆動が可能で、停止した赤外線放射体に対して連続的な信号を感知できる、という効果がある。
【００６０】
特に、本発明の実施形態によると、ステップ駆動が可能で、１ｗａｔｔ以下の低電力駆動及び５〜２０Ｖの低電圧駆動が可能で、ノイズの原因になる電磁気ノイズまたは超音波回転モーターから発生する発熱現象を０．５℃以下に制御して駆動させることができる、という長所がある。
【００６１】
すなわち、超音波回転モーターは、焦電型赤外線センサーと一体型で、フレネルレンズと共に独立空間に置かれているので、回転型超音波モーターの動作時の温度が上昇する場合、赤外線センサーのノイズ信号が増加することで、製品の性能に悪影響を及ぼす。
【００６２】
前記回転型超音波モーターが１０００ｈｒ連続駆動した場合における、回転型超音波モーターの温度変化の測定結果を図９に示した。すなわち、１０００ｈｒ動作させる間、温度変化は０．５℃以下に維持されることがわかる。
【図１】
0006273038.tif 000002
【図２（ａ）】
0006273038.tif 000003
【図２（ｂ）】
0006273038.tif 000004
【図３】
0006273038.tif 000005
【図４（ａ）】
0006273038.tif 000006
【図４（ｂ）】
0006273038.tif 000007
【図４（ｃ）】
0006273038.tif 000008
【図５（ａ）】
0006273038.tif 000009
【図５（ｂ）】
0006273038.tif 000010
【図６】
0006273038.tif 000011
【図７】
0006273038.tif 000012
【図８】
0006273038.tif 000013
【図９】
0006273038.tif 000014