赤外線検知方法及び赤外線センサ
【課題】日射や空調などの影響により検知エリア内における背景温度が変動するような環境下においても、長時間静止している人体を安定して検知することが可能な赤外線センサを提供すること。
【解決手段】本発明は、赤外線センサを用いて対象物を検出する赤外線センサである。微分回路４０２は赤外線検出素子から出力される検出信号を微分する。第１判定回路４０３は微分回路４０２による微分値に基づく信号と第１閾値とを比較する。基準値設定回路４０５は第１判定回路４０３による比較の結果に基づいて、検知対象物の有無を判定するための判定基準値を書き換える。第２判定回路４０６は検出信号と基準値設定回路４０５で設定された基準値の差分を第２閾値と比較する検知対象の有無を判定する。
【解決手段】本発明は、赤外線センサを用いて対象物を検出する赤外線センサである。微分回路４０２は赤外線検出素子から出力される検出信号を微分する。第１判定回路４０３は微分回路４０２による微分値に基づく信号と第１閾値とを比較する。基準値設定回路４０５は第１判定回路４０３による比較の結果に基づいて、検知対象物の有無を判定するための判定基準値を書き換える。第２判定回路４０６は検出信号と基準値設定回路４０５で設定された基準値の差分を第２閾値と比較する検知対象の有無を判定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線検知方法及び赤外線センサに関し、より詳細には、日射や空調などの影響により検知エリア内における背景温度が変動するような環境下においても、長時間静止している人体を安定して検知することが可能な検知アルゴリズム、及び当該検知アルゴリズムを利用した赤外線検知方法及び赤外線センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、照明灯やテレビ、パソコン画面の自動点灯・消灯などの様々な場面で人感センサが使用されている。これらの機器に人感機能を付加する目的は、人が不在なのに照明が点灯した状態が継続されたり、テレビがオンのまま放置されるのを防止することにより省エネを図ることにある。あるいはパソコン前から人が離席したのを検知してディスプレイにロックをかけることで第三者が不正にパソコンを操作したり情報を盗み見るのを防止するといったセキュリティ上の目的もある。
【０００３】
このような人感センサとしては、人体から発せられる赤外線を検知するものが知られており、その中でも特に焦電センサが広く用いられている。焦電センサはセンサに入射する赤外線エネルギーの変化量に応じた電気信号を出力するものである。例えば、人体が検知エリア内に侵入した場合、侵入前後で検知エリア内の赤外線エネルギー量は変化するので、それに応じた電気信号が出力され人を検知することが可能である。しかし、検知エリア内で人が継続して静止し続けた場合は、センサに入射する赤外線量はほとんど変化しないため、焦電センサから出力される電気信号はわずかな値となり人体検知が困難になるという欠点がある。
【０００４】
そのため焦電センサを人感用途に用いる場合、通常はタイマーと組み合わせて使用する方法が知られている。その一例として人感センサで照明灯の自動点灯・消灯することを考える。焦電センサが一旦人体を検知すると、タイマーで設定した時間内は照明灯の点灯を継続する。タイマー設定時間内に再度人体の動きを検知した場合はタイマーをリセットすることで点灯状態は継続される。もし人が検知エリア外に去った場合は、焦電センサからの出力は観測されなくなるためタイマー設定時間になると消灯する。
【０００５】
検知エリア内で人が椅子に座るなどしてほとんど動かない状態が継続し、焦電センサの出力信号が小さくなった場合でも、焦電センサとタイマーを組み合わせることにより、あらかじめ設定された時間までは照明灯は継続して点灯するので、しばらく動かない場合でも勝手に照明灯が消えてしまう確率を低減することができる。しかし、タイマーの設定時間よりも長い時間人体の静止状態が継続すると検知エリア内に人体が存在する場合でも不在と誤判定してしまうという欠点がある。この欠点を回避するためにタイマーの設定時間を長くすると、不在になったにもかかわらず長時間照明が点灯しつづけることになり、省エネ目的という人感センサを設置した本来の目的に反することとなる。
【０００６】
焦電センサ以外の赤外線センサとしては、量子型赤外線センサがある。量子型赤外線センサは対象物と自分自身の温度差に応じた赤外線の絶対値を検知することができる。そのため静止した物体の検知をタイマーと組み合わせることなく使用可能であるという特徴を有する。
【０００７】
図１１（ａ）乃至（ｃ）は、従来の赤外線センサを用いた対象物の検知方法の動作を説明するための図で、図１１（ａ）は、静止した対象物の検知が可能な赤外線センサによる検知の最も簡単なアルゴリズムを説明するための図、図１１（ｂ）は、背景温度と人体温度の関係を説明するための図、図１１（ｃ）は、背景温度がドリフトした場合を説明するための図である。
【０００８】
図１１（ａ）の縦軸は、赤外線センサが出力する電気信号の値（以下、電圧，電流などの出力値という）を示し、横軸は時間を示している。人体が検知エリアに存在しない場合、量子型赤外線センサは、検知エリア内の壁、床などの背景からの赤外線輻射をうけており、このときの赤外線センサ出力値は、背景温度とセンサ自身の温度差に応じた値をとる。
【０００９】
次に、人体が検知エリア内に侵入した場合を考える。人体、特に顔など皮膚の露出した部分の温度は、およそ３５℃程度であり、通常の室内温度（例えば、２５℃）より高温である。したがって、人体が検知エリアに侵入した場合は、赤外線センサの出力値は上昇する。人体が検知エリアから外れると、赤外線センサの出力値は再び背景温度に応じたレベルに戻る。したがって、人体が検知エリア内に存在するか否かの判定基準となる閾値（固定）を図１１（ａ）に示すように設定し、赤外線センサの出力値と閾値の大小関係を比較することで検知エリア内に人体が存在するかどうか判定することが可能となる。図１１（ａ）においては、区間Ａで示す間が人体ありと判定される部分である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００９−２３６７５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、実際には壁や床などの背景物体の温度は一定というわけではなく、日照やエアコンなど空調機器の運転状況によって変化する。また、センサの温度自体も周辺環境の影響をうけて変化する。すなわち、タイマーを必要としない量子型赤外線センサであっても正確な検知が出来ない場合が発生する。
【００１２】
例えば、図１１（ｂ）に示すように、背景温度と人体温度の大小関係によっては、人体検出時の出力値の極性が変化する場合、判定の閾値を図中に示した固定値に設定してしまうと、直射日光で壁が温められるなどして背景温度が人体温度より高温になった場合には検知不能になってしまう。
【００１３】
また、図１１（ｃ）に示すように、背景からの赤外線輻射が時間とともに変化する場合も正確な検知ができない場合が有り得る。具体的には空調設備により室内が冷房もしくは暖房されて周囲温度が徐々に変化する場合や、日射の影響で床や壁の温度が上昇する場合である。このような状況下で、赤外線センサの出力が図１１（ｃ）のように変化した場合、人体判定の閾値の設定が図中の閾値１であれば正しい判定が可能だが、閾値２に示す値であった場合は、人の侵入は正確に検知できるが人がいなくなったことを正しく検知できず、人が存在し続けていると誤判定してしまう。閾値３のような設定の場合は、実際に人がいてもいなくても常に人が存在すると誤判定することになる。
【００１４】
以上のように、量子型赤外線センサ出力信号の絶対値とある固定された閾値との大小を単純に比較する従来の量子型赤外線センサでは、人体の有無を正確に判定することは困難な場合があった。
【００１５】
その他の方法としては、赤外線センサの出力信号の絶対値だけでなく、出力信号の微分値も同時に活用して人体検知する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１には、人体が検知エリア内に侵入したかどうかを出力の微分信号をもとに判定し、侵入した瞬間における絶対値信号を基準に閾値を設定するという方法が開示されている。
【００１６】
このアルゴリズムは、短時間の静止人体検知には有効であると考えられる。しかし、長時間にわたる人体検知、例えば、パソコンで３０分〜１時間程度、あるいはそれ以上の時間作業した後に離席したような場合において、パソコン作業中に空調機器の運転状況や日射の影響で検知エリア内の背景温度が大きく変化してしまうと、最初に設定した基準電圧が時間の経過とともに適切ではなくなってしまい、人がいるのにいなくなったと誤認識したり、人がいなくなったことを検知できない事例が発生する場合がある。
【００１７】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、日射や空調などの影響により検知エリア内における背景温度が変動するような環境下においても、長時間静止している人体を安定して検知することが可能な検知アルゴリズム、及び当該検知アルゴリズムを利用した赤外線検知方法及び赤外線センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、赤外線センサを用いて対象物を検出する赤外線検知方法において、赤外線検出素子から出力される検出信号を微分して微分値を得る微分ステップと、該微分ステップによる微分値に基づく信号と第１閾値とを比較する第１比較ステップと、該第１比較ステップによる比較の結果に基づいて、検知対象物の有無を判定するための判定基準値を書き換える基準値設定ステップと、前記検出信号と前記基準値設定ステップで設定された基準値の差分を、第２閾値と比較することで検知対象物の有無を判定する第２比較ステップとを有することを特徴とする。
【００１９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１比較ステップが、微分値に基づく信号と第１閾値とを比較して、前記微分値が正負の微分閾値の範囲内であるか範囲外であるかを判定するステップであり、前記基準値設定ステップが、１周期前の第２比較ステップにおける検知対象物の有無の判定結果と、前記第１比較ステップの判定結果に基づいて判定基準値を書き換えるステップであることを特徴とする。
【００２０】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記微分値が正負の微分閾値の範囲外であり、かつ、１周期前の微分値が正負の微分閾値の範囲内にあり、かつ、１周期前の第２比較ステップにおいて検知対象物が存在しないと判定していた場合、そのときの検出信号を第１基準信号として記憶し、
前記微分値が正負の微分閾値の範囲内であり、かつ、１周期前の微分値が正負の微分閾値の範囲外にある場合、そのときの検出信号を第２基準信号として記憶し、前記基準値設定ステップが、（１）１周期前の第２比較ステップにおいて検知対象物が存在すると判定していた場合は、検出信号に前記第１基準信号を加算し、かつ、前記第２基準信号を減算した値を前記判定基準値として書き換え、（２）１周期前の第２比較ステップにおいて検知対象物が存在しないと判定していた場合であって、前記微分値が正負の微分閾値の範囲外であるときは、１周期前の判定基準値を保持し、（３）１周期前の第２比較ステップにおいて検知対象物が存在しないと判定していた場合であって、前記微分値が正負の微分閾値の範囲内であるときは、１周期前の検出信号を判定基準値として書き換えることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の発明において、前記赤外線検出素子が、量子型赤外線検出素子であることを特徴とする。
【００２２】
また、請求項５に記載の発明は、赤外線センサを用いて対象物を検出する赤外線センサにおいて、赤外線検出素子から出力される検出信号を微分する微分手段と、該微分手段による微分値に基づく信号と第１閾値とを比較する第１比較手段と、該第１比較手段による比較の結果に基づいて、検知対象物の有無を判定するための判定基準値を書き換える基準値設定手段と、前記検出信号と前記基準値設定手段で設定された基準値の差分を第２閾値と比較する検知対象の有無を判定する第２比較手段とを備えていることを特徴とする。
【００２３】
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記第１比較手段が、前記微分手段による微分値に基づく信号と、第１閾値とを比較することで、前記微分値に基づく信号が正負の微分閾値の範囲内であるか範囲外であるかを判定する手段であり、前記基準値設定手段が、１周期前の第２比較手段における検知対象物の有無の判定結果と、前記第１比較手段の判定結果に基づいて判定基準値を書き換える手段であることを特徴とする。
【００２４】
また、請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載の発明において、前記微分値が正負の第１閾値の範囲を超えたときの検出信号を第１基準信号として記憶し、前記微分値が正負の第１閾値の範囲内に入ったときの検出信号を第２基準信号として記憶することが可能な記憶手段を更に備えていることを特徴とする。
【００２５】
また、請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の発明において、前記基準値設定手段が、（１）検出信号に前記第１基準信号を加算し、かつ、前記第２基準信号を減算した値を前記判定基準値として書き換える動作、（２）１周期前の判定基準値を保持する動作、（３）１周期前の検出信号を判定基準値として書き換える動作、が可能な手段であることを特徴とする。
【００２６】
また、請求項９に記載の発明は、請求項１乃至８のいずれかに記載の発明において、前記赤外線検出素子が、量子型赤外線検出素子であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、赤外線検出素子から出力される検出信号を微分する微分手段と、微分手段による微分値に基づく信号と第１閾値とを比較する第１比較手段と、第１比較手段による比較の結果に基づいて、検知対象物の有無を判定するための判定基準値を書き換える基準値設定手段と、検出信号と基準値設定手段で設定された基準値の差分を第２閾値と比較する検知対象の有無を判定する第２比較手段とを備えているので、日射や空調などの影響により検知エリア内における背景温度が変動するような環境下においても、長時間静止している人体を安定して検知することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は、本発明に係る赤外線検知方法の実施形態１の動作原理を説明するための図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は、図１における点線Ａ及びＢで囲んだ部分をそれぞれ拡大したものであり、人が検知エリア内に侵入した瞬間の出力Ｖｏｕｔ及びその微分値の変化、及び人が検知エリアからいなくなった瞬間の出力Ｖｏｕｔ及びその微分値の変化を表す図である。
【図３】図１（ａ）に示す赤外線検出素子の出力に実施形態１の信号処理手法を適用して赤外線検出素子の出力Ｖｏｕｔと判定基準値Ｖｒｅｆの差（Ｖｏｕｔ−Ｖｒｅｆ）を計算した結果を示す図である。
【図４】本発明に係る赤外線センサの実施形態１を説明するための構成図である。
【図５】図４に示した実施形態１に係る赤外線センサの動作を説明するためのフローチャートを示す図である。
【図６】図４に示した基準値設定回路の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は、図６に示した第１基準値Ｖｒｅｆ１及び第２基準値Ｖｒｅｆ２の設定方法について説明するためのフローチャートを示す図である。
【図８】本発明に係る赤外線センサの実施形態２を説明するための構成図である。
【図９】本発明に係る赤外線センサの実施形態３を説明するための構成図である。
【図１０】（ａ）乃至（ｃ）は、検知エリア内の背景温度が変動する環境下において実施形態１に示した本発明の赤外線センサ及び従来の赤外線センサを用いた実施例・比較例を示す図である。
【図１１】（ａ）乃至（ｃ）は、従来の赤外線検知方法の動作を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
本実施形態において用いられる、赤外線検出素子は、いずれも光子がＰＮ接合又はＰＩＮ接合に入射したときに生じる電荷を検出する量子型の赤外線検出素子である。以下の実施形態においては、赤外線が入射する受光部としてＩｎＡｓxＳｂ(1-x)（０≦ｘ≦１）を用いた赤外線検出素子を用いたが、本発明は、これに限定されるものではない。赤外線が入射する受光部としてＩｎＡｓxＳｂ(1-x)（０≦ｘ≦１）が用いられた赤外線検出素子は、高感度、低ノイズ、高速応答といった特徴を有し、本発明に適用される赤外線検出素子として好ましい。また、本実施形態においては、検出対象として人体を例にとって説明するが、本発明はこれに限られず、環境温度とは異なる温度を有するものであればよい。
【００３０】
＜赤外線検知方法＞
図１（ａ），（ｂ）は、本発明に係る赤外線検知方法の実施形態１の動作原理を説明するための図で、図１（ａ）は本発明の赤外線センサを用いてエアコン運転中の室内で椅子に着席した人体を検知したときのセンサ出力波形の一例を示す図で、縦軸は赤外線センサの出力値、横軸は時間を示している。図１（ｂ）の縦軸は赤外線センサ出力値を微分した微分値を示す図で、横軸は時間を示している。
【００３１】
図１（ａ），（ｂ）に示した例では図中にＴで示した期間、検知エリア内に人が着席している。図１（ａ）において波形が全体的に小さく波打っているのはエアコンの風向がスイングしているために環境温度がゆらいでいる様子が検知されているためである。図１乃至図３に基づく本実施形態１の説明は、人体の温度が環境温度よりも高い場合を例に説明をしている。
【００３２】
本実施形態１の赤外線センサでは、赤外線検出素子が出力する検出信号に基づく値の値を一定の間隔（例えば、０．０１秒〜１秒程度の間隔）で取り込む。
【００３３】
検出信号に基づく値としては、赤外線検出素子の出力電圧値又は出力電流を電流電圧変換した値（出力電流値）である。出力電流値の方が赤外線検出素子の抵抗値の温度依存性の影響をうけないので望ましい。
【００３４】
微分処理については、一定間隔で取り込んだ検出信号に基づく値をもとに演算で求めてもよいし、センサの検出信号に基づく値を直接微分回路に入力し、微分処理したものを取り込んでも構わない。
【００３５】
微分処理によって求まる微分値は、赤外線センサが人体を検知していない状態から検知した状態へ移行したとき（図１（ｂ）中のＡｐ）、又は検知している状態から検知していない状態に移行したとき（図１（ｂ）中のＢｐ）に特に大きく変化する。そのため赤外線センサの出力の微分値を用いれば、人体が検知エリアへの人の出入りを判断することができる。判定に用いられる第１閾値は、図中＋Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ及び−Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆで示されている。
【００３６】
図２（ａ），（ｂ）は、図１における点線Ａ及びＢで囲んだ部分をそれぞれ拡大した図であり、人が検知エリア内に侵入した瞬間の出力Ｖｏｕｔ及びその微分値の変化、及び人が検知エリアからいなくなった瞬間の出力Ｖｏｕｔ及びその微分値の変化を表す図である。
【００３７】
図２（ａ）は、図１（ａ）の点線Ａで囲んだ部分を拡大した図であり、人が検知エリア内に侵入した瞬間の出力Ｖｏｕｔ及びその微分値の変化を表している。図２（ｂ）は、図１（ａ）の点線Ｂで囲んだ部分を拡大した図であり、人が検知エリア内から外に出て行った瞬間の出力Ｖｏｕｔ及びその微分値の変化をそれぞれ表している。
【００３８】
ここで、人体が検知エリアに存在しない期間をＰ１、検知エリアに侵入して微分閾値Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆより大きな微分出力が観測されている期間をＰ２，人体が検知エリア内に存在する期間をＰ３，検知エリアから外に出ようとして微分閾値−Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆより大きな微分出力が観測されている期間をＰ４とする。本実施形態１における赤外線検知方法及び赤外線センサは、出力値Ｖｏｕｔと判定基準値Ｖｒｅｆの差分（Ｖｏｕｔ−Ｖｒｅｆ）と、第２閾値である人体判定閾値Ｖｔｈとの大小関係によって人体の有無を判定するが、判定基準値Ｖｒｅｆは区間Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４においてそれぞれ異なる値に設定するものである。以下にその方法について説明する。
【００３９】
＜区間Ｐ１＞
区間Ｐ１は、人体非検知状態で、かつ微分出力も正の微分閾値及び負の微分閾値の間、すなわち、−Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ以上＋Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ以下の場合である。また、本実施形態1においては、所定の更新時間が設定されたサンプリング周期を有しており、各周期時点における信号（例えば、赤外線検出素子からの出力Ｖｏｕｔ等）を取得することが可能になっている。
【００４０】
区間Ｐ１における判定基準値Ｖｒｅｆは、所定の更新間隔が設定されたサンプリング周期の中、判定基準値Ｖｒｅｆを設定する時点より１つ前の周期の赤外線検出素子からの出力Ｖｏｕｔ（ｉ−１）に設定される。一般の生活環境における空調や日射の影響による背景の温度（環境温度）変化は、非常にゆるやかであり、測定に影響を与える程度の背景温度の変化には、例えば、数十秒〜数分、あるいは、それ以上の時間を要する。したがって、基準値Ｖｒｅｆの更新間隔を空調や日射による温度変化の所要時間より十分短く、特に制限されないが、例えば、１秒以下に設定して、判定基準値Ｖｒｅｆを随時更新すれば、空調や日射の影響で赤外線センサの出力が変動しても、それを人の侵入と誤判定することはない。
【００４１】
＜区間Ｐ２＞
区間Ｐ２は、人体非検知中に微分値が正の微分閾値＋Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆより大きな値が観測されている区間である。微分値が微分閾値＋Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆより大きくなった時刻をｔ１、再び微分閾値以下にもどった時刻をｔ２としたとき、区間Ｐ２、すなわち、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間における判定基準値Ｖｒｅｆの値は、時刻ｔ１における赤外線検出素子の出力Ｖｏｕｔ（ｔ１）に固定される。すなわち、区間Ｐ２においてＶｒｅｆ＝Ｖｏｕｔ（ｔ１）とされる。
【００４２】
また、区間Ｐ２においては、判定基準値Ｖｒｅｆの他に第１基準値Ｖｒｅｆ１及び第２基準値Ｖｒｅｆ２の値をそれぞれ、Ｖｒｅｆ１＝Ｖｏｕｔ（ｔ１）、Ｖｒｅｆ２＝Ｖｏｕｔ（ｔ２）という値に設定され、記憶される。これらの値は、次に説明する区間Ｐ３における判定基準値Ｖｒｅｆの設定に使用する。
【００４３】
＜区間Ｐ３＞
区間Ｐ３は、人体が検知エリアに完全に侵入し、微分値が再度正の微分閾値及び負の微分閾値の間にもどっている区間である。区間Ｐ３での判定基準値Ｖｒｅｆは、上述した方法で設定された第１基準値Ｖｒｅｆ１及び第２基準値Ｖｒｅｆ２、及びそのときの赤外線検出素子からの出力値Ｖｏｕｔ（ｉ）を用いてＶｒｅｆ＝Ｖｒｅｆ１−Ｖｒｅｆ２＋Ｖｏｕｔ（ｉ）に設定される。人体検知中の赤外線検出素子出力Ｖｏｕｔの値を判定基準値Ｖｒｅｆの設定のパラメータに用いることで、最終的な信号処理結果から空調などの影響による出力の揺らぎを除去することができる。
【００４４】
＜区間Ｐ４＞
区間Ｐ４は、人体検知中に微分値が負の微分閾値−Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆを越えた場合である。この区間における判定基準値Ｖｒｅｆの値は、微分値が負の微分閾値−Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆを越えた瞬間の時刻ｔ３における赤外線検出素子の出力Ｖｏｕｔ（ｔ３）に固定される。すなわち、Ｖｒｅｆ＝Ｖｏｕｔ（ｔ３）とされる。
【００４５】
＜判定＞
そして本実施形態１の赤外線検知方法及び赤外線センサは、各区間に応じて判定基準値Ｖｒｅｆを以上のように設定し、各区間及び各時間周期における赤外線検出素子の出力Ｖｏｕｔと判定基準値Ｖｒｅｆの差分（Ｖｏｕｔ−Ｖｒｅｆ）を計算し、あらかじめ設定された第２閾値である人体判定閾値Ｖｔｈとの大小関係を比較することで人体の有無を判定する。
【００４６】
図１（ａ）に示す赤外線検出素子の出力に本発明の信号処理手法を適用して赤外線検出素子の出力Ｖｏｕｔと判定基準値Ｖｒｅｆの差（Ｖｏｕｔ−Ｖｒｅｆ）を計算した結果を図３に示す。
【００４７】
図３は、図１（ａ）に示す赤外線検出素子の出力に実施形態１の信号処理手法を適用して赤外線検出素子の出力Ｖｏｕｔと判定基準値Ｖｒｅｆの差（Ｖｏｕｔ−Ｖｒｅｆ）を計算した結果を示す図である。図１（ａ）に示されるように、赤外線検出素子の出力それ自体は、空調機器の影響で揺らいでいるが、本発明の信号処理手法を適用することで、図３に示すように揺らぎのない安定した信号を得ることができ、図中に示した人体判定閾値Ｖｔｈとの大小を比較することで正確な人体検知が可能となる。
【００４８】
以上説明した例では、人体の温度が環境温度よりも高い場合、すなわち、人体を検知した場合に出力値が増加する方向に変化する例を示している。本発明の赤外線検知方法は、第１閾値としての微分閾値Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ、第２閾値としての人体判定閾値Ｖｔｈをいずれも絶対値とし、出力の微分値の絶対値や、出力Ｖｏｕｔと判定基準値Ｖｒｅｆの差の絶対値（｜Ｖｏｕｔ−Ｖｒｅｆ｜）と比較することによって、人体の温度が環境温度よりも高い場合、すなわち、人体を検知した場合に出力値が増加する方向に変化する場合であっても、人体の温度が環境温度より低い場合、すなわち、人体を検知した場合に出力値が減少する方向に変化する場合であっても、同様の検出が可能であり、環境温度によらず人体を検知することが可能である。
【００４９】
＜赤外線センサ＞
図４は、本発明に係る赤外線センサの実施形態１を説明するための構成図である。図中符号４０１は赤外線検出素子、４０２は微分回路（微分手段）、４０３は第１判定回路（第１比較手段）、４０４は記憶回路（記憶手段）、４０５は基準値設定回路（基準値設定手段）、４０６は第２判定回路（第２比較手段）、４０７は出力回路を示している。
【００５０】
本実施形態１は、赤外線センサを用いて対象物を検出する赤外線センサである。微分回路４０２は赤外線検出素子から出力される検出信号を微分する。第１判定回路４０３は微分回路４０２による微分値に基づく信号と第１閾値とを比較する。基準値設定回路４０５は第１判定回路４０３による比較の結果に基づいて、検知対象物の有無を判定するための判定基準値を書き換える。第２判定回路４０６は検出信号と基準値設定回路４０５で設定された基準値の差分を第２閾値と比較する検知対象の有無を判定する。この場合、赤外線検出素子は、量子型の赤外線検出素子であることが望ましい。
【００５１】
第１判定回路４０３は、微分回路４０２による微分値に基づく信号と第１閾値とを比較することで、微分値に基づく信号が正負の微分閾値の範囲内であるか範囲外であるかを判定する。基準値設定回路４０５は、１周期前の第２判定回路４０６における検知対象物の有無の判定結果と、第１判定回路４０３の判定結果に基づいて判定基準値を書き換える回路である。
【００５２】
また、微分値が正の第１閾値を超えたときの検出信号を第１基準信号として記憶し、微分値が正の第１閾値よりも小さくなったときの検出信号を第２基準信号として記憶することが可能な記憶回路４０４を更に備えている。
【００５３】
また、基準値設定回路４０５は、（１）検出信号に第１基準信号を加算し、かつ、第２基準信号を減算した値を判定基準値として書き換える動作、（２）１周期前の判定基準値を保持する動作、（３）１周期前の検出信号を判定基準値として書き換える動作が可能な回路である。
【００５４】
以下、本発明に係る赤外線センサの各構成要素について説明する。本発明に係る赤外線センサの実施形態１において、量子型の赤外線検出素子４０１は検出信号を出力する。
【００５５】
＜微分手段＞
実施形態１の赤外線センサは、量子型の赤外線検出素子から出力される検出信号を微分する微分手段として、赤外線検出素子の出力値を入力して微分値を得る微分回路４０２を備えている。
【００５６】
＜第１比較手段＞
本実施形態１の赤外線センサは、微分回路４０２による微分値に基づく信号と、あらかじめ定められた第１閾値とを比較する第１比較手段として、微分回路４０２によって得られた微分値を微分信号に基づく信号とし、微分閾値Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆを前記第１閾値として両者を比較し、微分値の絶対値が微分閾値Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆより大きい場合、この微分値に対応する出力値の出力タイミングに基づいた所定のタイミングの赤外線センサの検出信号を第１基準値Ｖｒｅｆ１及び第２基準値Ｖｒｅｆ２に設定する第１判定回路４０３とを備えている。
【００５７】
また、実施形態１の赤外線センサは記憶回路４０４を備えており、第１判定回路で設定された第１基準値Ｖｒｅｆ１、第２基準値Ｖｒｅｆ２が記憶される。
【００５８】
＜基準値設定手段＞
本実施形態１の赤外線センサは、第１判定回路４０３による比較の結果に基づいて、検知対象の有無を判定するための判定基準値を書き換える基準値設定手段として、第１判定回路４０３及び第２判定回路４０６の判定結果と、赤外線検出素子４０１の出力及び記憶回路４０４に記憶されている第１基準値Ｖｒｅｆ１及び第２基準値Ｖｒｅｆ２に基づいて、基準値Ｖｒｅｆを設定する基準値設定回路４０５を備えている。
【００５９】
＜第２比較手段＞
本実施形態１の赤外線センサは、検出信号と基準値設定回路４０５で設定された基準値の差分をあらかじめ定められた第２閾値と比較する検知対象の有無を判定する第２比較手段として、赤外線検出素子４０１の出力（Ｖｏｕｔ）と、基準値設定回路４０５において設定された判定基準値（Ｖｒｅｆ）との差分信号の絶対値（｜Ｖｏｕｔ−Ｖｒｅｆ｜）を計算し、人体判定用の第２閾値と比較し、その結果に基づいて検知対象の有無を判定する第２判定回路４０６とを備えている。
【００６０】
＜出力回路＞
また、本実施形態１の赤外線センサは、第２判定回路４０６によって出力される判定結果を示す信号を入力し、判定結果を外部に知らせるための出力する出力回路４０７を備えている。出力回路４０７によって出力される信号は、ブザー等の音声信号であってもよいし、テキストや画像データであっても良い。更に照明器具やパソコン画面を消灯させるための制御信号であっても良い。
【００６１】
＜各要素の具体的な動作説明＞
本発明に係る赤外線検知方法は、赤外線センサを用いて対象物を検出する赤外線検知方法である。まず、赤外線検出素子から出力される検出信号を微分して微分値を得る微分ステップと、この微分ステップによる微分値に基づく信号と第１閾値とを比較する第１比較ステップと、この第１比較ステップによる比較の結果に基づいて、検知対象物の有無を判定するための判定基準値を書き換える基準値設定ステップと、検出信号と基準値設定ステップで設定された基準値の差分を、第２閾値と比較することで検知対象物の有無を判定する第２比較ステップとを有している。この場合、赤外線検出素子は、量子型の赤外線検出素子であることが望ましい。
【００６２】
また、第１比較ステップは、微分値に基づく信号と第１閾値とを比較して、微分値が正負の微分閾値の範囲内であるか範囲外であるかを判定するステップであり、基準値設定ステップは、１周期前の第２比較ステップにおける検知対象物の有無の判定結果と、第１比較ステップの判定結果に基づいて判定基準値を書き換えるステップである。
【００６３】
また、微分値が正負の微分閾値の範囲外であり、かつ、１周期前の微分値が正負の微分閾値の範囲内にある場合、または、１周期前の第２比較ステップにおいて検知対象物が存在しないと判定していた場合、そのときの検出信号を第１基準信号として記憶し、微分値が正負の微分閾値の範囲内であり、かつ、１周期前の微分値が正負の微分閾値の範囲外にある場合、そのときの検出信号を第２基準信号として記憶し、基準値設定ステップは、（１）１周期前の第２比較ステップにおいて検知対象物が存在すると判定していた場合は、検出信号に第１基準信号を加算し、かつ第２基準信号を減算した値を判定基準値として書き換え、（２）１周期前の第２比較ステップにおいて検知対象物が存在しないと判定していた場合であって、微分値が正負の微分閾値の範囲外であるときは、１周期前の判定基準値を保持し、（３）１周期前の第２比較ステップにおいて検知対象物が存在しないと判定していた場合であって、微分値が正負の微分閾値の範囲内であるときは、１周期前の検出信号を判定基準値として書き換える。
【００６４】
図５は、図４に示した実施形態１に係る赤外線センサの動作を説明するためのフローチャートを示す図である。図５に示した赤外線センサは、赤外線検出素子４０１が出力した検出信号を入力している（取り込んでいる）（ステップＳ５０１）。赤外線検出素子の出力電圧をそのまま取り込んでも良いし、出力電流を電流電圧変換回路を経由して取り込んでも構わない。また、オペアンプなどの増幅回路で増幅した後に取り込んでもよい。なお、赤外線検出素子の出力値の入力は連続的に行っても良いし０．１秒程度の周期で行っても良い。
【００６５】
赤外線検出素子から出力される検出信号を微分する微分ステップとして、ステップＳ５０１で取り込まれた検出信号は、微分回路４０２において微分処理される（ステップＳ５０２）。
【００６６】
上述した微分ステップによる微分値に基づく信号と、あらかじめ定められた第１閾値とを比較する第１比較ステップとして、微分処理によって得られた微分値に基づく信号は、第１判定回路４０３によって第１閾値である微分閾値Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆと比較され、正負の微分閾値の範囲（−Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ〜＋Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ）内であるか、範囲外であるかの判定が行われる（ステップＳ５０３）。
【００６７】
上述した第１比較ステップによる比較の結果に基づいて検知対象の有無を判定するための判定基準値を書き換える基準値設定ステップとして、第１判定回路４０３での判定結果と１周期前の第２判定回路の結果に基づいて、基準値設定回路４０６が判定基準値Ｖｒｅｆを設定する（ステップＳ５０４）。基準値設定回路４０６で設定された判定基準値Ｖｒｅｆは第２判定回路４０６に送られる。
【００６８】
上述した検出信号と上述した基準値設定ステップで設定された基準値の差分を、あらかじめ定められた第２閾値と比較することで検知対象の有無を判定する第２比較ステップとして、第２判定回路４０６においては、赤外線検出素子４０１の出力Ｖｏｕｔと基準値設定回路４０５で設定された判定基準値Ｖｒｅｆとの差分の絶対値（｜Ｖｏｕｔ−Ｖｒｅｆ｜）が、あらかじめ設定されている人体判定用の第２閾値Ｖｔｈより大きい場合は、検知エリア内に人体ありと判定（ステップＳ５０６）し、人体を検知したことを示す信号を出力回路４０７に出力し、人体の検知を外部に通知する。もし、｜Ｖｏｕｔ−Ｖｒｅｆ｜が人体判定用の第２閾値Ｖｔｈより小さい場合は、検知エリア内に人体なしと判定し（ステップＳ５０７）、次の時間周期における赤外線検出素子の出力値を取り込む。
【００６９】
＜基準値設定回路の動作説明＞
図６は、図４に示した基準値設定回路の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。基準値設定回路４０６において、１周期前の人体判定結果が「人体あり」だった場合、判定基準値Ｖｒｅｆの値は、記憶回路に格納されている第１基準値Ｖｒｅｆ１、第２基準値Ｖｒｅｆ２及びそのときの赤外線検出素子からの出力値Ｖｏｕｔ（ｉ）を用いてＶｒｅｆ＝Ｖｒｅｆ１−Ｖｒｅｆ２＋Ｖｏｕｔ（ｉ）で計算される値に書き換えられる（ステップＳ６０１）。
【００７０】
１周期前の人体判定結果Ｓ５０８が「人体なし」だった場合、ステップＳ６０２において、微分回路４０２で得られた微分値が正負の微分閾値の範囲（−Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ〜＋Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ）の範囲外にあると判定された場合（ステップＳ６０２：Ｔｒｕｅ）、判定基準値Ｖｒｅｆの値は前の周期における値のまま保持される（ステップＳ６０３）。
【００７１】
ステップＳ６０２において、微分回路４０２で得られた微分値が正負の微分閾値の範囲（−Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ〜＋Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ）の範囲内と判断された場合（ステップＳ６０２：Ｆａｌｓｅ）、判定基準値Ｖｒｅｆは更新され、その値は１つ前の周期で入力された赤外線検出素子の出力に書き換えられる（ステップＳ６０４）。
【００７２】
＜第１基準値及び第２基準値の設定方法＞
図７（ａ），（ｂ）は、図６に示した第１基準値Ｖｒｅｆ１及び第２基準値Ｖｒｅｆ２の設定方法について説明するためのフローチャートを示す図である。まず、第１基準値Ｖｒｅｆ１の設定について図７（ａ）を用いて説明する。
【００７３】
ある時間周期ｉにおける微分回路４０２で計算された微分値が正負の微分閾値の範囲（−Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ〜＋Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ）の範囲外にあり、かつ１つ前の時間周期ｉ−１における微分値が正負の微分閾値の範囲（−Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ〜＋Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ）の範囲内にある場合（ステップＳ７０１：Ｔｒｕｅ）で、なおかつ周期ｉ−１における人体判定結果が人体なし判定（ステップＳ５０８：Ｆａｌｓｅ）である場合は、第１基準値Ｖｒｅｆ１の値は１つ前の周期ｉ−１における赤外線検出素子４０１の出力Ｖｏ（ｉ−１）に書き換えられる。それ以外の場合、すなわち、ステップＳ７０１の判定結果がＦａｌｓｅであった場合、もしくはステップＳ５０８の判定結果がＴｒｕｅであった場合は、第１閾値Ｖｒｅｆ１は更新されない。
【００７４】
次に、第２基準値Ｖｒｅｆ２の設定について図７（ｂ）を用いて説明する。
ある時間周期ｉにおいて微分回路４０２で計算された微分値が正負の微分閾値の範囲（−Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ〜＋Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ）の範囲内にあり、それより１つ前の時間周期ｉ−１における微分値が正負の微分閾値の範囲（−Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ〜＋Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ）の範囲外にある場合（ステップＳ７０４：Ｔｒｕｅ）、第２閾値Ｖｒｅｆ２は１つ前の時間周期における赤外線検出素子４０１の出力Ｖｏ（ｉ−１）に書き換えられ、そうでない場合（ステップＳ７０４：Ｆａｌｓｅ）は、第２基準値Ｖｒｅｆ２の値はそのまま保持される（ステップＳ７０６）。
【００７５】
＜平均化回路を備えた赤外線センサ＞
図８は、本発明に係る赤外線センサの実施形態２を説明するための構成図で、上述した実施形態１の赤外線センサに平均化回路を更に備えた赤外線センサの構成図である。図中符号８０１は平均化回路を示している。なお、図４と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
【００７６】
図８に示した赤外線センサは、赤外線検出素子４０１の直後に平均化回路８０１を設けるものである。このような構成によれば、赤外線検出素子の出力を平均化することで電気回路中のノイズの影響を低減して、人体検知の信頼性を高めることができる。
【００７７】
＜温度検出素子と温度補正回路を備えた赤外線センサ＞
図９は、本発明に係る赤外線センサの実施形態３を説明するための構成図で、上述した実施形態１の赤外線センサに温度検出素子と温度補正回路を更に備えた赤外線センサの構成図である。図中符号９０１は温度検出素子、９０２は温度補正回路を示している。なお、図４と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
【００７８】
図９に示した赤外線センサは、温度検出素子９０１と赤外線検出素子４０１の直後に温度補正回路９０２を設けるものである。温度検出素子９０１は、赤外線検出素子の温度を検出するために設置されるものであり、可能な限り赤外線検出素子の近くに設置するのが望ましい。
【００７９】
温度検出素子９０１と温度補正回路９０２を加えることにより、赤外線検出素子の温度が変動した時の赤外線検出素子の出力の変動を抑制することが可能となり、より正確な判定を行うことができる。
【００８０】
図１０（ａ）乃至（ｃ）は、検知エリア内の背景温度が変動する環境下において実施形態１に示した本発明に係る赤外線センサ及び従来の赤外線センサを用いた実施例・比較例を示す図である。
【００８１】
図１０（ａ）に示すような天井にエアコンが設置された部屋において、エアコンのルーバーを稼動させた状態で、エアコンの真下に配置した机の上に実施形態１に示した赤外線センサを配置し、センサから距離６０ｃｍの位置で着席、離席を行って人体あり、なしの判定を実施した。
【００８２】
このときの赤外線検出素子の出力波形を図１０（ｂ）に示す。縦軸が出力を示し、横軸が時間を示している。図１０（ｂ）中に示す時刻ｔ１において着席し、約１０分経過後の時刻ｔ２において離席している。図１０（ｂ）を見れば着席中においてもエアコンの影響で壁や床といった周囲温度や赤外線検出素子の温度が常に変動しているため、赤外線検出素子の絶対値は大きく変化している。
【００８３】
＜比較例＞
従来技術である特許文献１に開示されている赤外線検知方法では、赤外線検出素子の出力の微分値の変化をもとに、着席の瞬間（図１０（ｂ）中の時刻ｔ１における赤外線検出素子の出力Ｖｏｕｔ（ｔ１）を基準値Ｖｒｅｆと設定するため、時刻ｔ１からｔ３の間は正確に人体の存在を検知することができるが、時刻ｔ３以降の時間においては赤外線検出素子の出力Ｖｏｕｔが基準値より小さくなってしまうため、離席したと誤検知してしまう。
【００８４】
＜実施例＞
一方、実施形態１に示した赤外線検知方法を適用した例を図１０（ｃ）に示す。図１０（ｃ）は、赤外線検出素子の出力Ｖｏｕｔと先に説明した実施形態１の信号処理方法に基づいて設定した判定基準値Ｖｒｅｆの差分Ｖｏｕｔ−Ｖｒｅｆの値を示したものである。図中に示した人体検知閾値との大小関係を比較することで、検知エリア内における背景温度が変動する環境下において長時間静止している人体を安定して検知することが可能となることが理解される。
【００８５】
このように、本発明によれば、日射や空調などの影響により検知エリア内における背景温度が変動するような環境下においても、長時間静止している人体を安定して検知することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、赤外線検知方法及び赤外線センサに関し、日射や空調などの影響により検知エリア内における背景温度が変動するような環境下においても、長時間静止している人体を安定して検知することが可能な検知アルゴリズム、及び当該検知アルゴリズムを利用した赤外線検知方法及び赤外線センサを提供することができる。
【符号の説明】
【００８７】
４０１ 赤外線検出素子
４０２ 微分回路
４０３ 第１判定回路
４０４ 記憶回路
４０５ 基準値設定回路
４０６ 第２判定回路
４０７ 出力回路
９０１ 温度検出素子
９０２ 温度補正回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線検知方法及び赤外線センサに関し、より詳細には、日射や空調などの影響により検知エリア内における背景温度が変動するような環境下においても、長時間静止している人体を安定して検知することが可能な検知アルゴリズム、及び当該検知アルゴリズムを利用した赤外線検知方法及び赤外線センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、照明灯やテレビ、パソコン画面の自動点灯・消灯などの様々な場面で人感センサが使用されている。これらの機器に人感機能を付加する目的は、人が不在なのに照明が点灯した状態が継続されたり、テレビがオンのまま放置されるのを防止することにより省エネを図ることにある。あるいはパソコン前から人が離席したのを検知してディスプレイにロックをかけることで第三者が不正にパソコンを操作したり情報を盗み見るのを防止するといったセキュリティ上の目的もある。
【０００３】
このような人感センサとしては、人体から発せられる赤外線を検知するものが知られており、その中でも特に焦電センサが広く用いられている。焦電センサはセンサに入射する赤外線エネルギーの変化量に応じた電気信号を出力するものである。例えば、人体が検知エリア内に侵入した場合、侵入前後で検知エリア内の赤外線エネルギー量は変化するので、それに応じた電気信号が出力され人を検知することが可能である。しかし、検知エリア内で人が継続して静止し続けた場合は、センサに入射する赤外線量はほとんど変化しないため、焦電センサから出力される電気信号はわずかな値となり人体検知が困難になるという欠点がある。
【０００４】
そのため焦電センサを人感用途に用いる場合、通常はタイマーと組み合わせて使用する方法が知られている。その一例として人感センサで照明灯の自動点灯・消灯することを考える。焦電センサが一旦人体を検知すると、タイマーで設定した時間内は照明灯の点灯を継続する。タイマー設定時間内に再度人体の動きを検知した場合はタイマーをリセットすることで点灯状態は継続される。もし人が検知エリア外に去った場合は、焦電センサからの出力は観測されなくなるためタイマー設定時間になると消灯する。
【０００５】
検知エリア内で人が椅子に座るなどしてほとんど動かない状態が継続し、焦電センサの出力信号が小さくなった場合でも、焦電センサとタイマーを組み合わせることにより、あらかじめ設定された時間までは照明灯は継続して点灯するので、しばらく動かない場合でも勝手に照明灯が消えてしまう確率を低減することができる。しかし、タイマーの設定時間よりも長い時間人体の静止状態が継続すると検知エリア内に人体が存在する場合でも不在と誤判定してしまうという欠点がある。この欠点を回避するためにタイマーの設定時間を長くすると、不在になったにもかかわらず長時間照明が点灯しつづけることになり、省エネ目的という人感センサを設置した本来の目的に反することとなる。
【０００６】
焦電センサ以外の赤外線センサとしては、量子型赤外線センサがある。量子型赤外線センサは対象物と自分自身の温度差に応じた赤外線の絶対値を検知することができる。そのため静止した物体の検知をタイマーと組み合わせることなく使用可能であるという特徴を有する。
【０００７】
図１１（ａ）乃至（ｃ）は、従来の赤外線センサを用いた対象物の検知方法の動作を説明するための図で、図１１（ａ）は、静止した対象物の検知が可能な赤外線センサによる検知の最も簡単なアルゴリズムを説明するための図、図１１（ｂ）は、背景温度と人体温度の関係を説明するための図、図１１（ｃ）は、背景温度がドリフトした場合を説明するための図である。
【０００８】
図１１（ａ）の縦軸は、赤外線センサが出力する電気信号の値（以下、電圧，電流などの出力値という）を示し、横軸は時間を示している。人体が検知エリアに存在しない場合、量子型赤外線センサは、検知エリア内の壁、床などの背景からの赤外線輻射をうけており、このときの赤外線センサ出力値は、背景温度とセンサ自身の温度差に応じた値をとる。
【０００９】
次に、人体が検知エリア内に侵入した場合を考える。人体、特に顔など皮膚の露出した部分の温度は、およそ３５℃程度であり、通常の室内温度（例えば、２５℃）より高温である。したがって、人体が検知エリアに侵入した場合は、赤外線センサの出力値は上昇する。人体が検知エリアから外れると、赤外線センサの出力値は再び背景温度に応じたレベルに戻る。したがって、人体が検知エリア内に存在するか否かの判定基準となる閾値（固定）を図１１（ａ）に示すように設定し、赤外線センサの出力値と閾値の大小関係を比較することで検知エリア内に人体が存在するかどうか判定することが可能となる。図１１（ａ）においては、区間Ａで示す間が人体ありと判定される部分である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００９−２３６７５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、実際には壁や床などの背景物体の温度は一定というわけではなく、日照やエアコンなど空調機器の運転状況によって変化する。また、センサの温度自体も周辺環境の影響をうけて変化する。すなわち、タイマーを必要としない量子型赤外線センサであっても正確な検知が出来ない場合が発生する。
【００１２】
例えば、図１１（ｂ）に示すように、背景温度と人体温度の大小関係によっては、人体検出時の出力値の極性が変化する場合、判定の閾値を図中に示した固定値に設定してしまうと、直射日光で壁が温められるなどして背景温度が人体温度より高温になった場合には検知不能になってしまう。
【００１３】
また、図１１（ｃ）に示すように、背景からの赤外線輻射が時間とともに変化する場合も正確な検知ができない場合が有り得る。具体的には空調設備により室内が冷房もしくは暖房されて周囲温度が徐々に変化する場合や、日射の影響で床や壁の温度が上昇する場合である。このような状況下で、赤外線センサの出力が図１１（ｃ）のように変化した場合、人体判定の閾値の設定が図中の閾値１であれば正しい判定が可能だが、閾値２に示す値であった場合は、人の侵入は正確に検知できるが人がいなくなったことを正しく検知できず、人が存在し続けていると誤判定してしまう。閾値３のような設定の場合は、実際に人がいてもいなくても常に人が存在すると誤判定することになる。
【００１４】
以上のように、量子型赤外線センサ出力信号の絶対値とある固定された閾値との大小を単純に比較する従来の量子型赤外線センサでは、人体の有無を正確に判定することは困難な場合があった。
【００１５】
その他の方法としては、赤外線センサの出力信号の絶対値だけでなく、出力信号の微分値も同時に活用して人体検知する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１には、人体が検知エリア内に侵入したかどうかを出力の微分信号をもとに判定し、侵入した瞬間における絶対値信号を基準に閾値を設定するという方法が開示されている。
【００１６】
このアルゴリズムは、短時間の静止人体検知には有効であると考えられる。しかし、長時間にわたる人体検知、例えば、パソコンで３０分〜１時間程度、あるいはそれ以上の時間作業した後に離席したような場合において、パソコン作業中に空調機器の運転状況や日射の影響で検知エリア内の背景温度が大きく変化してしまうと、最初に設定した基準電圧が時間の経過とともに適切ではなくなってしまい、人がいるのにいなくなったと誤認識したり、人がいなくなったことを検知できない事例が発生する場合がある。
【００１７】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、日射や空調などの影響により検知エリア内における背景温度が変動するような環境下においても、長時間静止している人体を安定して検知することが可能な検知アルゴリズム、及び当該検知アルゴリズムを利用した赤外線検知方法及び赤外線センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、赤外線センサを用いて対象物を検出する赤外線検知方法において、赤外線検出素子から出力される検出信号を微分して微分値を得る微分ステップと、該微分ステップによる微分値に基づく信号と第１閾値とを比較する第１比較ステップと、該第１比較ステップによる比較の結果に基づいて、検知対象物の有無を判定するための判定基準値を書き換える基準値設定ステップと、前記検出信号と前記基準値設定ステップで設定された基準値の差分を、第２閾値と比較することで検知対象物の有無を判定する第２比較ステップとを有することを特徴とする。
【００１９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１比較ステップが、微分値に基づく信号と第１閾値とを比較して、前記微分値が正負の微分閾値の範囲内であるか範囲外であるかを判定するステップであり、前記基準値設定ステップが、１周期前の第２比較ステップにおける検知対象物の有無の判定結果と、前記第１比較ステップの判定結果に基づいて判定基準値を書き換えるステップであることを特徴とする。
【００２０】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記微分値が正負の微分閾値の範囲外であり、かつ、１周期前の微分値が正負の微分閾値の範囲内にあり、かつ、１周期前の第２比較ステップにおいて検知対象物が存在しないと判定していた場合、そのときの検出信号を第１基準信号として記憶し、
前記微分値が正負の微分閾値の範囲内であり、かつ、１周期前の微分値が正負の微分閾値の範囲外にある場合、そのときの検出信号を第２基準信号として記憶し、前記基準値設定ステップが、（１）１周期前の第２比較ステップにおいて検知対象物が存在すると判定していた場合は、検出信号に前記第１基準信号を加算し、かつ、前記第２基準信号を減算した値を前記判定基準値として書き換え、（２）１周期前の第２比較ステップにおいて検知対象物が存在しないと判定していた場合であって、前記微分値が正負の微分閾値の範囲外であるときは、１周期前の判定基準値を保持し、（３）１周期前の第２比較ステップにおいて検知対象物が存在しないと判定していた場合であって、前記微分値が正負の微分閾値の範囲内であるときは、１周期前の検出信号を判定基準値として書き換えることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の発明において、前記赤外線検出素子が、量子型赤外線検出素子であることを特徴とする。
【００２２】
また、請求項５に記載の発明は、赤外線センサを用いて対象物を検出する赤外線センサにおいて、赤外線検出素子から出力される検出信号を微分する微分手段と、該微分手段による微分値に基づく信号と第１閾値とを比較する第１比較手段と、該第１比較手段による比較の結果に基づいて、検知対象物の有無を判定するための判定基準値を書き換える基準値設定手段と、前記検出信号と前記基準値設定手段で設定された基準値の差分を第２閾値と比較する検知対象の有無を判定する第２比較手段とを備えていることを特徴とする。
【００２３】
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記第１比較手段が、前記微分手段による微分値に基づく信号と、第１閾値とを比較することで、前記微分値に基づく信号が正負の微分閾値の範囲内であるか範囲外であるかを判定する手段であり、前記基準値設定手段が、１周期前の第２比較手段における検知対象物の有無の判定結果と、前記第１比較手段の判定結果に基づいて判定基準値を書き換える手段であることを特徴とする。
【００２４】
また、請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載の発明において、前記微分値が正負の第１閾値の範囲を超えたときの検出信号を第１基準信号として記憶し、前記微分値が正負の第１閾値の範囲内に入ったときの検出信号を第２基準信号として記憶することが可能な記憶手段を更に備えていることを特徴とする。
【００２５】
また、請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の発明において、前記基準値設定手段が、（１）検出信号に前記第１基準信号を加算し、かつ、前記第２基準信号を減算した値を前記判定基準値として書き換える動作、（２）１周期前の判定基準値を保持する動作、（３）１周期前の検出信号を判定基準値として書き換える動作、が可能な手段であることを特徴とする。
【００２６】
また、請求項９に記載の発明は、請求項１乃至８のいずれかに記載の発明において、前記赤外線検出素子が、量子型赤外線検出素子であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、赤外線検出素子から出力される検出信号を微分する微分手段と、微分手段による微分値に基づく信号と第１閾値とを比較する第１比較手段と、第１比較手段による比較の結果に基づいて、検知対象物の有無を判定するための判定基準値を書き換える基準値設定手段と、検出信号と基準値設定手段で設定された基準値の差分を第２閾値と比較する検知対象の有無を判定する第２比較手段とを備えているので、日射や空調などの影響により検知エリア内における背景温度が変動するような環境下においても、長時間静止している人体を安定して検知することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は、本発明に係る赤外線検知方法の実施形態１の動作原理を説明するための図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は、図１における点線Ａ及びＢで囲んだ部分をそれぞれ拡大したものであり、人が検知エリア内に侵入した瞬間の出力Ｖｏｕｔ及びその微分値の変化、及び人が検知エリアからいなくなった瞬間の出力Ｖｏｕｔ及びその微分値の変化を表す図である。
【図３】図１（ａ）に示す赤外線検出素子の出力に実施形態１の信号処理手法を適用して赤外線検出素子の出力Ｖｏｕｔと判定基準値Ｖｒｅｆの差（Ｖｏｕｔ−Ｖｒｅｆ）を計算した結果を示す図である。
【図４】本発明に係る赤外線センサの実施形態１を説明するための構成図である。
【図５】図４に示した実施形態１に係る赤外線センサの動作を説明するためのフローチャートを示す図である。
【図６】図４に示した基準値設定回路の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は、図６に示した第１基準値Ｖｒｅｆ１及び第２基準値Ｖｒｅｆ２の設定方法について説明するためのフローチャートを示す図である。
【図８】本発明に係る赤外線センサの実施形態２を説明するための構成図である。
【図９】本発明に係る赤外線センサの実施形態３を説明するための構成図である。
【図１０】（ａ）乃至（ｃ）は、検知エリア内の背景温度が変動する環境下において実施形態１に示した本発明の赤外線センサ及び従来の赤外線センサを用いた実施例・比較例を示す図である。
【図１１】（ａ）乃至（ｃ）は、従来の赤外線検知方法の動作を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
本実施形態において用いられる、赤外線検出素子は、いずれも光子がＰＮ接合又はＰＩＮ接合に入射したときに生じる電荷を検出する量子型の赤外線検出素子である。以下の実施形態においては、赤外線が入射する受光部としてＩｎＡｓxＳｂ(1-x)（０≦ｘ≦１）を用いた赤外線検出素子を用いたが、本発明は、これに限定されるものではない。赤外線が入射する受光部としてＩｎＡｓxＳｂ(1-x)（０≦ｘ≦１）が用いられた赤外線検出素子は、高感度、低ノイズ、高速応答といった特徴を有し、本発明に適用される赤外線検出素子として好ましい。また、本実施形態においては、検出対象として人体を例にとって説明するが、本発明はこれに限られず、環境温度とは異なる温度を有するものであればよい。
【００３０】
＜赤外線検知方法＞
図１（ａ），（ｂ）は、本発明に係る赤外線検知方法の実施形態１の動作原理を説明するための図で、図１（ａ）は本発明の赤外線センサを用いてエアコン運転中の室内で椅子に着席した人体を検知したときのセンサ出力波形の一例を示す図で、縦軸は赤外線センサの出力値、横軸は時間を示している。図１（ｂ）の縦軸は赤外線センサ出力値を微分した微分値を示す図で、横軸は時間を示している。
【００３１】
図１（ａ），（ｂ）に示した例では図中にＴで示した期間、検知エリア内に人が着席している。図１（ａ）において波形が全体的に小さく波打っているのはエアコンの風向がスイングしているために環境温度がゆらいでいる様子が検知されているためである。図１乃至図３に基づく本実施形態１の説明は、人体の温度が環境温度よりも高い場合を例に説明をしている。
【００３２】
本実施形態１の赤外線センサでは、赤外線検出素子が出力する検出信号に基づく値の値を一定の間隔（例えば、０．０１秒〜１秒程度の間隔）で取り込む。
【００３３】
検出信号に基づく値としては、赤外線検出素子の出力電圧値又は出力電流を電流電圧変換した値（出力電流値）である。出力電流値の方が赤外線検出素子の抵抗値の温度依存性の影響をうけないので望ましい。
【００３４】
微分処理については、一定間隔で取り込んだ検出信号に基づく値をもとに演算で求めてもよいし、センサの検出信号に基づく値を直接微分回路に入力し、微分処理したものを取り込んでも構わない。
【００３５】
微分処理によって求まる微分値は、赤外線センサが人体を検知していない状態から検知した状態へ移行したとき（図１（ｂ）中のＡｐ）、又は検知している状態から検知していない状態に移行したとき（図１（ｂ）中のＢｐ）に特に大きく変化する。そのため赤外線センサの出力の微分値を用いれば、人体が検知エリアへの人の出入りを判断することができる。判定に用いられる第１閾値は、図中＋Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ及び−Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆで示されている。
【００３６】
図２（ａ），（ｂ）は、図１における点線Ａ及びＢで囲んだ部分をそれぞれ拡大した図であり、人が検知エリア内に侵入した瞬間の出力Ｖｏｕｔ及びその微分値の変化、及び人が検知エリアからいなくなった瞬間の出力Ｖｏｕｔ及びその微分値の変化を表す図である。
【００３７】
図２（ａ）は、図１（ａ）の点線Ａで囲んだ部分を拡大した図であり、人が検知エリア内に侵入した瞬間の出力Ｖｏｕｔ及びその微分値の変化を表している。図２（ｂ）は、図１（ａ）の点線Ｂで囲んだ部分を拡大した図であり、人が検知エリア内から外に出て行った瞬間の出力Ｖｏｕｔ及びその微分値の変化をそれぞれ表している。
【００３８】
ここで、人体が検知エリアに存在しない期間をＰ１、検知エリアに侵入して微分閾値Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆより大きな微分出力が観測されている期間をＰ２，人体が検知エリア内に存在する期間をＰ３，検知エリアから外に出ようとして微分閾値−Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆより大きな微分出力が観測されている期間をＰ４とする。本実施形態１における赤外線検知方法及び赤外線センサは、出力値Ｖｏｕｔと判定基準値Ｖｒｅｆの差分（Ｖｏｕｔ−Ｖｒｅｆ）と、第２閾値である人体判定閾値Ｖｔｈとの大小関係によって人体の有無を判定するが、判定基準値Ｖｒｅｆは区間Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４においてそれぞれ異なる値に設定するものである。以下にその方法について説明する。
【００３９】
＜区間Ｐ１＞
区間Ｐ１は、人体非検知状態で、かつ微分出力も正の微分閾値及び負の微分閾値の間、すなわち、−Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ以上＋Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ以下の場合である。また、本実施形態1においては、所定の更新時間が設定されたサンプリング周期を有しており、各周期時点における信号（例えば、赤外線検出素子からの出力Ｖｏｕｔ等）を取得することが可能になっている。
【００４０】
区間Ｐ１における判定基準値Ｖｒｅｆは、所定の更新間隔が設定されたサンプリング周期の中、判定基準値Ｖｒｅｆを設定する時点より１つ前の周期の赤外線検出素子からの出力Ｖｏｕｔ（ｉ−１）に設定される。一般の生活環境における空調や日射の影響による背景の温度（環境温度）変化は、非常にゆるやかであり、測定に影響を与える程度の背景温度の変化には、例えば、数十秒〜数分、あるいは、それ以上の時間を要する。したがって、基準値Ｖｒｅｆの更新間隔を空調や日射による温度変化の所要時間より十分短く、特に制限されないが、例えば、１秒以下に設定して、判定基準値Ｖｒｅｆを随時更新すれば、空調や日射の影響で赤外線センサの出力が変動しても、それを人の侵入と誤判定することはない。
【００４１】
＜区間Ｐ２＞
区間Ｐ２は、人体非検知中に微分値が正の微分閾値＋Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆより大きな値が観測されている区間である。微分値が微分閾値＋Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆより大きくなった時刻をｔ１、再び微分閾値以下にもどった時刻をｔ２としたとき、区間Ｐ２、すなわち、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間における判定基準値Ｖｒｅｆの値は、時刻ｔ１における赤外線検出素子の出力Ｖｏｕｔ（ｔ１）に固定される。すなわち、区間Ｐ２においてＶｒｅｆ＝Ｖｏｕｔ（ｔ１）とされる。
【００４２】
また、区間Ｐ２においては、判定基準値Ｖｒｅｆの他に第１基準値Ｖｒｅｆ１及び第２基準値Ｖｒｅｆ２の値をそれぞれ、Ｖｒｅｆ１＝Ｖｏｕｔ（ｔ１）、Ｖｒｅｆ２＝Ｖｏｕｔ（ｔ２）という値に設定され、記憶される。これらの値は、次に説明する区間Ｐ３における判定基準値Ｖｒｅｆの設定に使用する。
【００４３】
＜区間Ｐ３＞
区間Ｐ３は、人体が検知エリアに完全に侵入し、微分値が再度正の微分閾値及び負の微分閾値の間にもどっている区間である。区間Ｐ３での判定基準値Ｖｒｅｆは、上述した方法で設定された第１基準値Ｖｒｅｆ１及び第２基準値Ｖｒｅｆ２、及びそのときの赤外線検出素子からの出力値Ｖｏｕｔ（ｉ）を用いてＶｒｅｆ＝Ｖｒｅｆ１−Ｖｒｅｆ２＋Ｖｏｕｔ（ｉ）に設定される。人体検知中の赤外線検出素子出力Ｖｏｕｔの値を判定基準値Ｖｒｅｆの設定のパラメータに用いることで、最終的な信号処理結果から空調などの影響による出力の揺らぎを除去することができる。
【００４４】
＜区間Ｐ４＞
区間Ｐ４は、人体検知中に微分値が負の微分閾値−Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆを越えた場合である。この区間における判定基準値Ｖｒｅｆの値は、微分値が負の微分閾値−Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆを越えた瞬間の時刻ｔ３における赤外線検出素子の出力Ｖｏｕｔ（ｔ３）に固定される。すなわち、Ｖｒｅｆ＝Ｖｏｕｔ（ｔ３）とされる。
【００４５】
＜判定＞
そして本実施形態１の赤外線検知方法及び赤外線センサは、各区間に応じて判定基準値Ｖｒｅｆを以上のように設定し、各区間及び各時間周期における赤外線検出素子の出力Ｖｏｕｔと判定基準値Ｖｒｅｆの差分（Ｖｏｕｔ−Ｖｒｅｆ）を計算し、あらかじめ設定された第２閾値である人体判定閾値Ｖｔｈとの大小関係を比較することで人体の有無を判定する。
【００４６】
図１（ａ）に示す赤外線検出素子の出力に本発明の信号処理手法を適用して赤外線検出素子の出力Ｖｏｕｔと判定基準値Ｖｒｅｆの差（Ｖｏｕｔ−Ｖｒｅｆ）を計算した結果を図３に示す。
【００４７】
図３は、図１（ａ）に示す赤外線検出素子の出力に実施形態１の信号処理手法を適用して赤外線検出素子の出力Ｖｏｕｔと判定基準値Ｖｒｅｆの差（Ｖｏｕｔ−Ｖｒｅｆ）を計算した結果を示す図である。図１（ａ）に示されるように、赤外線検出素子の出力それ自体は、空調機器の影響で揺らいでいるが、本発明の信号処理手法を適用することで、図３に示すように揺らぎのない安定した信号を得ることができ、図中に示した人体判定閾値Ｖｔｈとの大小を比較することで正確な人体検知が可能となる。
【００４８】
以上説明した例では、人体の温度が環境温度よりも高い場合、すなわち、人体を検知した場合に出力値が増加する方向に変化する例を示している。本発明の赤外線検知方法は、第１閾値としての微分閾値Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ、第２閾値としての人体判定閾値Ｖｔｈをいずれも絶対値とし、出力の微分値の絶対値や、出力Ｖｏｕｔと判定基準値Ｖｒｅｆの差の絶対値（｜Ｖｏｕｔ−Ｖｒｅｆ｜）と比較することによって、人体の温度が環境温度よりも高い場合、すなわち、人体を検知した場合に出力値が増加する方向に変化する場合であっても、人体の温度が環境温度より低い場合、すなわち、人体を検知した場合に出力値が減少する方向に変化する場合であっても、同様の検出が可能であり、環境温度によらず人体を検知することが可能である。
【００４９】
＜赤外線センサ＞
図４は、本発明に係る赤外線センサの実施形態１を説明するための構成図である。図中符号４０１は赤外線検出素子、４０２は微分回路（微分手段）、４０３は第１判定回路（第１比較手段）、４０４は記憶回路（記憶手段）、４０５は基準値設定回路（基準値設定手段）、４０６は第２判定回路（第２比較手段）、４０７は出力回路を示している。
【００５０】
本実施形態１は、赤外線センサを用いて対象物を検出する赤外線センサである。微分回路４０２は赤外線検出素子から出力される検出信号を微分する。第１判定回路４０３は微分回路４０２による微分値に基づく信号と第１閾値とを比較する。基準値設定回路４０５は第１判定回路４０３による比較の結果に基づいて、検知対象物の有無を判定するための判定基準値を書き換える。第２判定回路４０６は検出信号と基準値設定回路４０５で設定された基準値の差分を第２閾値と比較する検知対象の有無を判定する。この場合、赤外線検出素子は、量子型の赤外線検出素子であることが望ましい。
【００５１】
第１判定回路４０３は、微分回路４０２による微分値に基づく信号と第１閾値とを比較することで、微分値に基づく信号が正負の微分閾値の範囲内であるか範囲外であるかを判定する。基準値設定回路４０５は、１周期前の第２判定回路４０６における検知対象物の有無の判定結果と、第１判定回路４０３の判定結果に基づいて判定基準値を書き換える回路である。
【００５２】
また、微分値が正の第１閾値を超えたときの検出信号を第１基準信号として記憶し、微分値が正の第１閾値よりも小さくなったときの検出信号を第２基準信号として記憶することが可能な記憶回路４０４を更に備えている。
【００５３】
また、基準値設定回路４０５は、（１）検出信号に第１基準信号を加算し、かつ、第２基準信号を減算した値を判定基準値として書き換える動作、（２）１周期前の判定基準値を保持する動作、（３）１周期前の検出信号を判定基準値として書き換える動作が可能な回路である。
【００５４】
以下、本発明に係る赤外線センサの各構成要素について説明する。本発明に係る赤外線センサの実施形態１において、量子型の赤外線検出素子４０１は検出信号を出力する。
【００５５】
＜微分手段＞
実施形態１の赤外線センサは、量子型の赤外線検出素子から出力される検出信号を微分する微分手段として、赤外線検出素子の出力値を入力して微分値を得る微分回路４０２を備えている。
【００５６】
＜第１比較手段＞
本実施形態１の赤外線センサは、微分回路４０２による微分値に基づく信号と、あらかじめ定められた第１閾値とを比較する第１比較手段として、微分回路４０２によって得られた微分値を微分信号に基づく信号とし、微分閾値Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆを前記第１閾値として両者を比較し、微分値の絶対値が微分閾値Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆより大きい場合、この微分値に対応する出力値の出力タイミングに基づいた所定のタイミングの赤外線センサの検出信号を第１基準値Ｖｒｅｆ１及び第２基準値Ｖｒｅｆ２に設定する第１判定回路４０３とを備えている。
【００５７】
また、実施形態１の赤外線センサは記憶回路４０４を備えており、第１判定回路で設定された第１基準値Ｖｒｅｆ１、第２基準値Ｖｒｅｆ２が記憶される。
【００５８】
＜基準値設定手段＞
本実施形態１の赤外線センサは、第１判定回路４０３による比較の結果に基づいて、検知対象の有無を判定するための判定基準値を書き換える基準値設定手段として、第１判定回路４０３及び第２判定回路４０６の判定結果と、赤外線検出素子４０１の出力及び記憶回路４０４に記憶されている第１基準値Ｖｒｅｆ１及び第２基準値Ｖｒｅｆ２に基づいて、基準値Ｖｒｅｆを設定する基準値設定回路４０５を備えている。
【００５９】
＜第２比較手段＞
本実施形態１の赤外線センサは、検出信号と基準値設定回路４０５で設定された基準値の差分をあらかじめ定められた第２閾値と比較する検知対象の有無を判定する第２比較手段として、赤外線検出素子４０１の出力（Ｖｏｕｔ）と、基準値設定回路４０５において設定された判定基準値（Ｖｒｅｆ）との差分信号の絶対値（｜Ｖｏｕｔ−Ｖｒｅｆ｜）を計算し、人体判定用の第２閾値と比較し、その結果に基づいて検知対象の有無を判定する第２判定回路４０６とを備えている。
【００６０】
＜出力回路＞
また、本実施形態１の赤外線センサは、第２判定回路４０６によって出力される判定結果を示す信号を入力し、判定結果を外部に知らせるための出力する出力回路４０７を備えている。出力回路４０７によって出力される信号は、ブザー等の音声信号であってもよいし、テキストや画像データであっても良い。更に照明器具やパソコン画面を消灯させるための制御信号であっても良い。
【００６１】
＜各要素の具体的な動作説明＞
本発明に係る赤外線検知方法は、赤外線センサを用いて対象物を検出する赤外線検知方法である。まず、赤外線検出素子から出力される検出信号を微分して微分値を得る微分ステップと、この微分ステップによる微分値に基づく信号と第１閾値とを比較する第１比較ステップと、この第１比較ステップによる比較の結果に基づいて、検知対象物の有無を判定するための判定基準値を書き換える基準値設定ステップと、検出信号と基準値設定ステップで設定された基準値の差分を、第２閾値と比較することで検知対象物の有無を判定する第２比較ステップとを有している。この場合、赤外線検出素子は、量子型の赤外線検出素子であることが望ましい。
【００６２】
また、第１比較ステップは、微分値に基づく信号と第１閾値とを比較して、微分値が正負の微分閾値の範囲内であるか範囲外であるかを判定するステップであり、基準値設定ステップは、１周期前の第２比較ステップにおける検知対象物の有無の判定結果と、第１比較ステップの判定結果に基づいて判定基準値を書き換えるステップである。
【００６３】
また、微分値が正負の微分閾値の範囲外であり、かつ、１周期前の微分値が正負の微分閾値の範囲内にある場合、または、１周期前の第２比較ステップにおいて検知対象物が存在しないと判定していた場合、そのときの検出信号を第１基準信号として記憶し、微分値が正負の微分閾値の範囲内であり、かつ、１周期前の微分値が正負の微分閾値の範囲外にある場合、そのときの検出信号を第２基準信号として記憶し、基準値設定ステップは、（１）１周期前の第２比較ステップにおいて検知対象物が存在すると判定していた場合は、検出信号に第１基準信号を加算し、かつ第２基準信号を減算した値を判定基準値として書き換え、（２）１周期前の第２比較ステップにおいて検知対象物が存在しないと判定していた場合であって、微分値が正負の微分閾値の範囲外であるときは、１周期前の判定基準値を保持し、（３）１周期前の第２比較ステップにおいて検知対象物が存在しないと判定していた場合であって、微分値が正負の微分閾値の範囲内であるときは、１周期前の検出信号を判定基準値として書き換える。
【００６４】
図５は、図４に示した実施形態１に係る赤外線センサの動作を説明するためのフローチャートを示す図である。図５に示した赤外線センサは、赤外線検出素子４０１が出力した検出信号を入力している（取り込んでいる）（ステップＳ５０１）。赤外線検出素子の出力電圧をそのまま取り込んでも良いし、出力電流を電流電圧変換回路を経由して取り込んでも構わない。また、オペアンプなどの増幅回路で増幅した後に取り込んでもよい。なお、赤外線検出素子の出力値の入力は連続的に行っても良いし０．１秒程度の周期で行っても良い。
【００６５】
赤外線検出素子から出力される検出信号を微分する微分ステップとして、ステップＳ５０１で取り込まれた検出信号は、微分回路４０２において微分処理される（ステップＳ５０２）。
【００６６】
上述した微分ステップによる微分値に基づく信号と、あらかじめ定められた第１閾値とを比較する第１比較ステップとして、微分処理によって得られた微分値に基づく信号は、第１判定回路４０３によって第１閾値である微分閾値Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆと比較され、正負の微分閾値の範囲（−Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ〜＋Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ）内であるか、範囲外であるかの判定が行われる（ステップＳ５０３）。
【００６７】
上述した第１比較ステップによる比較の結果に基づいて検知対象の有無を判定するための判定基準値を書き換える基準値設定ステップとして、第１判定回路４０３での判定結果と１周期前の第２判定回路の結果に基づいて、基準値設定回路４０６が判定基準値Ｖｒｅｆを設定する（ステップＳ５０４）。基準値設定回路４０６で設定された判定基準値Ｖｒｅｆは第２判定回路４０６に送られる。
【００６８】
上述した検出信号と上述した基準値設定ステップで設定された基準値の差分を、あらかじめ定められた第２閾値と比較することで検知対象の有無を判定する第２比較ステップとして、第２判定回路４０６においては、赤外線検出素子４０１の出力Ｖｏｕｔと基準値設定回路４０５で設定された判定基準値Ｖｒｅｆとの差分の絶対値（｜Ｖｏｕｔ−Ｖｒｅｆ｜）が、あらかじめ設定されている人体判定用の第２閾値Ｖｔｈより大きい場合は、検知エリア内に人体ありと判定（ステップＳ５０６）し、人体を検知したことを示す信号を出力回路４０７に出力し、人体の検知を外部に通知する。もし、｜Ｖｏｕｔ−Ｖｒｅｆ｜が人体判定用の第２閾値Ｖｔｈより小さい場合は、検知エリア内に人体なしと判定し（ステップＳ５０７）、次の時間周期における赤外線検出素子の出力値を取り込む。
【００６９】
＜基準値設定回路の動作説明＞
図６は、図４に示した基準値設定回路の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。基準値設定回路４０６において、１周期前の人体判定結果が「人体あり」だった場合、判定基準値Ｖｒｅｆの値は、記憶回路に格納されている第１基準値Ｖｒｅｆ１、第２基準値Ｖｒｅｆ２及びそのときの赤外線検出素子からの出力値Ｖｏｕｔ（ｉ）を用いてＶｒｅｆ＝Ｖｒｅｆ１−Ｖｒｅｆ２＋Ｖｏｕｔ（ｉ）で計算される値に書き換えられる（ステップＳ６０１）。
【００７０】
１周期前の人体判定結果Ｓ５０８が「人体なし」だった場合、ステップＳ６０２において、微分回路４０２で得られた微分値が正負の微分閾値の範囲（−Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ〜＋Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ）の範囲外にあると判定された場合（ステップＳ６０２：Ｔｒｕｅ）、判定基準値Ｖｒｅｆの値は前の周期における値のまま保持される（ステップＳ６０３）。
【００７１】
ステップＳ６０２において、微分回路４０２で得られた微分値が正負の微分閾値の範囲（−Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ〜＋Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ）の範囲内と判断された場合（ステップＳ６０２：Ｆａｌｓｅ）、判定基準値Ｖｒｅｆは更新され、その値は１つ前の周期で入力された赤外線検出素子の出力に書き換えられる（ステップＳ６０４）。
【００７２】
＜第１基準値及び第２基準値の設定方法＞
図７（ａ），（ｂ）は、図６に示した第１基準値Ｖｒｅｆ１及び第２基準値Ｖｒｅｆ２の設定方法について説明するためのフローチャートを示す図である。まず、第１基準値Ｖｒｅｆ１の設定について図７（ａ）を用いて説明する。
【００７３】
ある時間周期ｉにおける微分回路４０２で計算された微分値が正負の微分閾値の範囲（−Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ〜＋Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ）の範囲外にあり、かつ１つ前の時間周期ｉ−１における微分値が正負の微分閾値の範囲（−Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ〜＋Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ）の範囲内にある場合（ステップＳ７０１：Ｔｒｕｅ）で、なおかつ周期ｉ−１における人体判定結果が人体なし判定（ステップＳ５０８：Ｆａｌｓｅ）である場合は、第１基準値Ｖｒｅｆ１の値は１つ前の周期ｉ−１における赤外線検出素子４０１の出力Ｖｏ（ｉ−１）に書き換えられる。それ以外の場合、すなわち、ステップＳ７０１の判定結果がＦａｌｓｅであった場合、もしくはステップＳ５０８の判定結果がＴｒｕｅであった場合は、第１閾値Ｖｒｅｆ１は更新されない。
【００７４】
次に、第２基準値Ｖｒｅｆ２の設定について図７（ｂ）を用いて説明する。
ある時間周期ｉにおいて微分回路４０２で計算された微分値が正負の微分閾値の範囲（−Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ〜＋Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ）の範囲内にあり、それより１つ前の時間周期ｉ−１における微分値が正負の微分閾値の範囲（−Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ〜＋Ｖｔｈ＿ｄｉｆｆ）の範囲外にある場合（ステップＳ７０４：Ｔｒｕｅ）、第２閾値Ｖｒｅｆ２は１つ前の時間周期における赤外線検出素子４０１の出力Ｖｏ（ｉ−１）に書き換えられ、そうでない場合（ステップＳ７０４：Ｆａｌｓｅ）は、第２基準値Ｖｒｅｆ２の値はそのまま保持される（ステップＳ７０６）。
【００７５】
＜平均化回路を備えた赤外線センサ＞
図８は、本発明に係る赤外線センサの実施形態２を説明するための構成図で、上述した実施形態１の赤外線センサに平均化回路を更に備えた赤外線センサの構成図である。図中符号８０１は平均化回路を示している。なお、図４と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
【００７６】
図８に示した赤外線センサは、赤外線検出素子４０１の直後に平均化回路８０１を設けるものである。このような構成によれば、赤外線検出素子の出力を平均化することで電気回路中のノイズの影響を低減して、人体検知の信頼性を高めることができる。
【００７７】
＜温度検出素子と温度補正回路を備えた赤外線センサ＞
図９は、本発明に係る赤外線センサの実施形態３を説明するための構成図で、上述した実施形態１の赤外線センサに温度検出素子と温度補正回路を更に備えた赤外線センサの構成図である。図中符号９０１は温度検出素子、９０２は温度補正回路を示している。なお、図４と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
【００７８】
図９に示した赤外線センサは、温度検出素子９０１と赤外線検出素子４０１の直後に温度補正回路９０２を設けるものである。温度検出素子９０１は、赤外線検出素子の温度を検出するために設置されるものであり、可能な限り赤外線検出素子の近くに設置するのが望ましい。
【００７９】
温度検出素子９０１と温度補正回路９０２を加えることにより、赤外線検出素子の温度が変動した時の赤外線検出素子の出力の変動を抑制することが可能となり、より正確な判定を行うことができる。
【００８０】
図１０（ａ）乃至（ｃ）は、検知エリア内の背景温度が変動する環境下において実施形態１に示した本発明に係る赤外線センサ及び従来の赤外線センサを用いた実施例・比較例を示す図である。
【００８１】
図１０（ａ）に示すような天井にエアコンが設置された部屋において、エアコンのルーバーを稼動させた状態で、エアコンの真下に配置した机の上に実施形態１に示した赤外線センサを配置し、センサから距離６０ｃｍの位置で着席、離席を行って人体あり、なしの判定を実施した。
【００８２】
このときの赤外線検出素子の出力波形を図１０（ｂ）に示す。縦軸が出力を示し、横軸が時間を示している。図１０（ｂ）中に示す時刻ｔ１において着席し、約１０分経過後の時刻ｔ２において離席している。図１０（ｂ）を見れば着席中においてもエアコンの影響で壁や床といった周囲温度や赤外線検出素子の温度が常に変動しているため、赤外線検出素子の絶対値は大きく変化している。
【００８３】
＜比較例＞
従来技術である特許文献１に開示されている赤外線検知方法では、赤外線検出素子の出力の微分値の変化をもとに、着席の瞬間（図１０（ｂ）中の時刻ｔ１における赤外線検出素子の出力Ｖｏｕｔ（ｔ１）を基準値Ｖｒｅｆと設定するため、時刻ｔ１からｔ３の間は正確に人体の存在を検知することができるが、時刻ｔ３以降の時間においては赤外線検出素子の出力Ｖｏｕｔが基準値より小さくなってしまうため、離席したと誤検知してしまう。
【００８４】
＜実施例＞
一方、実施形態１に示した赤外線検知方法を適用した例を図１０（ｃ）に示す。図１０（ｃ）は、赤外線検出素子の出力Ｖｏｕｔと先に説明した実施形態１の信号処理方法に基づいて設定した判定基準値Ｖｒｅｆの差分Ｖｏｕｔ−Ｖｒｅｆの値を示したものである。図中に示した人体検知閾値との大小関係を比較することで、検知エリア内における背景温度が変動する環境下において長時間静止している人体を安定して検知することが可能となることが理解される。
【００８５】
このように、本発明によれば、日射や空調などの影響により検知エリア内における背景温度が変動するような環境下においても、長時間静止している人体を安定して検知することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、赤外線検知方法及び赤外線センサに関し、日射や空調などの影響により検知エリア内における背景温度が変動するような環境下においても、長時間静止している人体を安定して検知することが可能な検知アルゴリズム、及び当該検知アルゴリズムを利用した赤外線検知方法及び赤外線センサを提供することができる。
【符号の説明】
【００８７】
４０１ 赤外線検出素子
４０２ 微分回路
４０３ 第１判定回路
４０４ 記憶回路
４０５ 基準値設定回路
４０６ 第２判定回路
４０７ 出力回路
９０１ 温度検出素子
９０２ 温度補正回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線センサを用いて対象物を検出する赤外線検知方法において、
赤外線検出素子から出力される検出信号を微分して微分値を得る微分ステップと、
該微分ステップによる微分値に基づく信号と第１閾値とを比較する第１比較ステップと、
該第１比較ステップによる比較の結果に基づいて、検知対象物の有無を判定するための判定基準値を書き換える基準値設定ステップと、
前記検出信号と前記基準値設定ステップで設定された基準値の差分を、第２閾値と比較することで検知対象物の有無を判定する第２比較ステップと
を有することを特徴とする赤外線検知方法。
【請求項２】
前記第１比較ステップが、微分値に基づく信号と第１閾値とを比較して、前記微分値が正負の微分閾値の範囲内であるか範囲外であるかを判定するステップであり、
前記基準値設定ステップが、１周期前の第２比較ステップにおける検知対象物の有無の判定結果と、前記第１比較ステップの判定結果に基づいて判定基準値を書き換えるステップであることを特徴とする請求項１に記載の赤外線検知方法。
【請求項３】
前記微分値が正負の微分閾値の範囲外であり、かつ、１周期前の微分値が正負の微分閾値の範囲内にあり、かつ、１周期前の第２比較ステップにおいて検知対象物が存在しないと判定していた場合、そのときの検出信号を第１基準信号として記憶し、
前記微分値が正負の微分閾値の範囲内であり、かつ、１周期前の微分値が正負の微分閾値の範囲外にある場合、そのときの検出信号を第２基準信号として記憶し、
前記基準値設定ステップが、
（１）１周期前の第２比較ステップにおいて検知対象物が存在すると判定していた場合は、検出信号に前記第１基準信号を加算し、かつ、前記第２基準信号を減算した値を前記判定基準値として書き換え、
（２）１周期前の第２比較ステップにおいて検知対象物が存在しないと判定していた場合であって、前記微分値が正負の微分閾値の範囲外であるときは、１周期前の判定基準値を保持し、
（３）１周期前の第２比較ステップにおいて検知対象物が存在しないと判定していた場合であって、前記微分値が正負の微分閾値の範囲内であるときは、１周期前の検出信号を判定基準値として書き換える
ことを特徴とする請求項２に記載の赤外線検知方法。
【請求項４】
前記赤外線検出素子が、量子型赤外線検出素子であることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の赤外線検知方法。
【請求項５】
赤外線センサを用いて対象物を検出する赤外線センサにおいて、
赤外線検出素子から出力される検出信号を微分する微分手段と、
該微分手段による微分値に基づく信号と第１閾値とを比較する第１比較手段と、
該第１比較手段による比較の結果に基づいて、検知対象物の有無を判定するための判定基準値を書き換える基準値設定手段と、
前記検出信号と前記基準値設定手段で設定された基準値の差分を第２閾値と比較する検知対象の有無を判定する第２比較手段と
を備えていることを特徴とする赤外線センサ。
【請求項６】
前記第１比較手段が、前記微分手段による微分値に基づく信号と、第１閾値とを比較することで、前記微分値に基づく信号が正負の微分閾値の範囲内であるか範囲外であるかを判定する手段であり、
前記基準値設定手段が、１周期前の第２比較手段における検知対象物の有無の判定結果と、前記第１比較手段の判定結果に基づいて判定基準値を書き換える手段であることを特徴とする請求項５に記載の赤外線センサ。
【請求項７】
前記微分値が正負の第１閾値の範囲を超えたときの検出信号を第１基準信号として記憶し、前記微分値が正負の第１閾値の範囲内に入ったときの検出信号を第２基準信号として記憶することが可能な記憶手段を更に備えていることを特徴とする請求項５又は６に記載の赤外線センサ。
【請求項８】
前記基準値設定手段が、
（１）検出信号に前記第１基準信号を加算し、かつ、前記第２基準信号を減算した値を前記判定基準値として書き換える動作、
（２）１周期前の判定基準値を保持する動作、
（３）１周期前の検出信号を判定基準値として書き換える動作、
が可能な手段であることを特徴とする請求項７に記載の赤外線センサ。
【請求項９】
前記赤外線検出素子が、量子型赤外線検出素子であることを特徴とする請求項５乃至８のいずれかに記載の赤外線センサ。
【請求項１】
赤外線センサを用いて対象物を検出する赤外線検知方法において、
赤外線検出素子から出力される検出信号を微分して微分値を得る微分ステップと、
該微分ステップによる微分値に基づく信号と第１閾値とを比較する第１比較ステップと、
該第１比較ステップによる比較の結果に基づいて、検知対象物の有無を判定するための判定基準値を書き換える基準値設定ステップと、
前記検出信号と前記基準値設定ステップで設定された基準値の差分を、第２閾値と比較することで検知対象物の有無を判定する第２比較ステップと
を有することを特徴とする赤外線検知方法。
【請求項２】
前記第１比較ステップが、微分値に基づく信号と第１閾値とを比較して、前記微分値が正負の微分閾値の範囲内であるか範囲外であるかを判定するステップであり、
前記基準値設定ステップが、１周期前の第２比較ステップにおける検知対象物の有無の判定結果と、前記第１比較ステップの判定結果に基づいて判定基準値を書き換えるステップであることを特徴とする請求項１に記載の赤外線検知方法。
【請求項３】
前記微分値が正負の微分閾値の範囲外であり、かつ、１周期前の微分値が正負の微分閾値の範囲内にあり、かつ、１周期前の第２比較ステップにおいて検知対象物が存在しないと判定していた場合、そのときの検出信号を第１基準信号として記憶し、
前記微分値が正負の微分閾値の範囲内であり、かつ、１周期前の微分値が正負の微分閾値の範囲外にある場合、そのときの検出信号を第２基準信号として記憶し、
前記基準値設定ステップが、
（１）１周期前の第２比較ステップにおいて検知対象物が存在すると判定していた場合は、検出信号に前記第１基準信号を加算し、かつ、前記第２基準信号を減算した値を前記判定基準値として書き換え、
（２）１周期前の第２比較ステップにおいて検知対象物が存在しないと判定していた場合であって、前記微分値が正負の微分閾値の範囲外であるときは、１周期前の判定基準値を保持し、
（３）１周期前の第２比較ステップにおいて検知対象物が存在しないと判定していた場合であって、前記微分値が正負の微分閾値の範囲内であるときは、１周期前の検出信号を判定基準値として書き換える
ことを特徴とする請求項２に記載の赤外線検知方法。
【請求項４】
前記赤外線検出素子が、量子型赤外線検出素子であることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の赤外線検知方法。
【請求項５】
赤外線センサを用いて対象物を検出する赤外線センサにおいて、
赤外線検出素子から出力される検出信号を微分する微分手段と、
該微分手段による微分値に基づく信号と第１閾値とを比較する第１比較手段と、
該第１比較手段による比較の結果に基づいて、検知対象物の有無を判定するための判定基準値を書き換える基準値設定手段と、
前記検出信号と前記基準値設定手段で設定された基準値の差分を第２閾値と比較する検知対象の有無を判定する第２比較手段と
を備えていることを特徴とする赤外線センサ。
【請求項６】
前記第１比較手段が、前記微分手段による微分値に基づく信号と、第１閾値とを比較することで、前記微分値に基づく信号が正負の微分閾値の範囲内であるか範囲外であるかを判定する手段であり、
前記基準値設定手段が、１周期前の第２比較手段における検知対象物の有無の判定結果と、前記第１比較手段の判定結果に基づいて判定基準値を書き換える手段であることを特徴とする請求項５に記載の赤外線センサ。
【請求項７】
前記微分値が正負の第１閾値の範囲を超えたときの検出信号を第１基準信号として記憶し、前記微分値が正負の第１閾値の範囲内に入ったときの検出信号を第２基準信号として記憶することが可能な記憶手段を更に備えていることを特徴とする請求項５又は６に記載の赤外線センサ。
【請求項８】
前記基準値設定手段が、
（１）検出信号に前記第１基準信号を加算し、かつ、前記第２基準信号を減算した値を前記判定基準値として書き換える動作、
（２）１周期前の判定基準値を保持する動作、
（３）１周期前の検出信号を判定基準値として書き換える動作、
が可能な手段であることを特徴とする請求項７に記載の赤外線センサ。
【請求項９】
前記赤外線検出素子が、量子型赤外線検出素子であることを特徴とする請求項５乃至８のいずれかに記載の赤外線センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−２１５４０２（Ｐ２０１２−２１５４０２Ａ）
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７９２７４（Ｐ２０１１−７９２７４）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（３０３０４６２７７）旭化成エレクトロニクス株式会社 (840)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（３０３０４６２７７）旭化成エレクトロニクス株式会社 (840)
【Ｆターム（参考）】
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