JPH04342438A - 赤外線透過性レンズおよびそれを用いた赤外線検出センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は非酸化物からなる赤外線
透過性レンズと、このレンズを集光レンズとして用いた
焦電型赤外センサからなる人体検出センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】焦電型赤外センサを用いた人体検出セン
サは家電製品や産業機器において広く利用されている。 例えば、人の出入りに伴うドアーの自動開閉、水洗便器
の自動給水栓、エアコンの冷風噴き出し方向制御などが
ある。一般に、このような人体検出センサでは、センサ
の前面に人体から出る８〜１２μｍの赤外線を効率よく
集めるため、赤外光のみを透過するフィルタが設けられ
ている。このフィルタ材料としては、従来、シリコン、
ゲルマニウムや金属ハロゲン化物などが使用されていた
。

【０００３】さらに近年は、焦電型赤外センサの前に赤
外光のみを透過する材料でレンズを作り、人体の有無の
検出だけでなく、人数や体温までも測ろうとすることが
試みられている。このような用途には、従来の材料を用
いてレンズを作製することは危険であり、困難であった
。図２はこのような人体検出センサの一例を示すもので
、複数の焦電型赤外センサ１１を横に配列し、レンズ１
２を左右に動かして、焦電型赤外センサ１１に像を送る
ためのレンズドライバ（図示せず）がレンズと垂直の方
向にある。発生した電圧を電極１３で取り出すが、赤外
線信号を増幅し易くするため、チョッパ用ドライバ１５
で回転されているチョッパ１４で入射光を強度変調して
いる。また、センサ１１は支持棒１６で支持され、リ−
ド線１７を通って信号を伝達する。

【０００４】従来、このような赤外センサの集光レンズ
として、レンズ化が容易な赤外線透過性ガラスであるカ
ルコゲナイドガラスが注目されている。カルコゲナイド
ガラスはカルコゲン元素（イオウ、セレン、テルル）を
主成分とするガラスであり、実用的には、ヒ素−イオウ
、ゲルマニウム−ヒ素−セレン、ゲルマニウム−セレン
−テルル、ゲルマニウム−セレン−アンチモンがおもに
研究開発されている（例えば第３１回ガラス討論会講演
要旨集、ｐ．７１−７４（１９９０））。しかし、前２
者のガラスはヒ素を含有しており、毒性に問題があった
。また後２者は可視光をほとんど透過しないため、セン
サを組み立てる時にレンズとセンサとの光軸合わせを目
視で行うことができず、数千万円もする高価な赤外撮像
装置が必要であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来の構成では、シリコンやゲルマニウムを用いたレンズ
では、８〜１２μｍの赤外線の透過率が低いことや材料
のコストが高いという問題があった。例えば２ｍｍ厚の
シリコンの１０μｍにおける透過率は４５％であり、金
属ハロゲン化物の一つである塩化銀の７５％よりかなり
透過率が低く、センサの誤作動の一因となっていた。ま
た、ゲルマニウムのコストは高純度シリコンの約３倍（
キロあたり約２５万円）であり、広範な応用展開には支
障があった。さらに、ゲルマニウムは水蒸気により容易
に酸化され、赤外線透過率の低下を引き起こすという問
題があった。

【０００６】一方、従来の金属ハロゲン化物は、赤外線
透過率は大きいが、耐光性や毒性に問題があった。例え
ば、塩化銀は透過領域が０．４〜２８μｍとほぼ可視光
から赤外光全域を透過するが、０．４μｍ以下の波長の
紫外光に感光し、銀を析出して、速やかに黒化し、赤外
線の透過率も低下していた。この紫外線による黒化を防
止するためには、硫化アンチモンなどの紫外線遮蔽膜を
レンズ表面に設けねばならなかった。その結果、可視光
を全く透過しなくなるという新たな問題が発生していた
。　　また、よく知られているＫＲＳ−５（臭化タリウ
ムとヨウ化タリウムの混合物）は透過領域が０．５〜４
０μｍと、ほぼ可視光から赤外光全域を透過させるが、
タリウムがきわめて毒性が強いという問題があった。

【０００７】また、カルコゲナイドガラスはカルコゲン
元素（イオウ、セレン、テルル）を主成分とするガラス
であり、実用的には、ヒ素−イオウ、ゲルマニウム−ヒ
素−セレン、ゲルマニウム−セレン−テルル、ゲルマニ
ウム−セレン−アンチモンがおもに研究開発されている
が、前２者のガラスはヒ素を含有しており、毒性に問題
があった。また後２者は可視光をほとんど透過しないた
め、組み立て時のレンズとセンサとの光軸合わせを目視
による調整が不可能で、数千万円もする高価な赤外撮像
装置が必要であった。また、この材料は、再加熱時に結
晶化しやすいので、プレス成形によるレンズ化が困難で
あるなどの課題があった。

【０００８】本発明はこのような課題を解決するもので
、人体から出る８〜１２μｍの赤外線を透過するととも
に可視光も透過し、毒性がなくて、結晶化しにくくてプ
レス成形によるレンズ化が容易であり、化学的な耐久性
が優れている赤外線透過性材料を実現し、この赤外線透
過レンズを用いた赤外線センサを提供することを目的と
するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明は、出発物質が非酸化物で、ゲルマニウムとイ
オウを主体とする非酸化物ガラスで赤外線透過性レンズ
を構成するようにしたものである。

【００１０】また、原子％で、ゲルマニウム５〜５５％
、イオウ３５〜９０％およびヨウ素０〜２０％を主体と
するガラスで赤外線透過性レンズを構成したものである
。

【００１１】また、原子％で、ゲルマニウム１５〜５０
％、イオウ５０〜８０％およびアンチモン０〜１０％を
主体とするガラスで赤外線透過性レンズを構成したもの
である。

【００１２】また、原子％で、ゲルマニウム１０〜２５
％、イオウ７０〜９０％およびテルル０〜１０％を主体
とするガラスで赤外線透過性レンズを構成したものであ
る。

【００１３】原子％で、ゲルマニウム５〜５５％、イオ
ウ３５〜８０％、セレンまたはテルルのいずれかを０〜
１０％およびヨウ素０〜２０％を主体とするガラスで赤
外線透過性レンズを構成したものである。

【００１４】また、上記の赤外線透過レンズにより赤外
線を焦電型赤外センサ上に集光することにより赤外線検
出センサを構成したものである。

【００１５】

【作用】この構成の赤外レンズにより、毒性のない元素
を主成分とするカルコゲナイドガラスが実現し、上記の
問題点を解決し得ることを見いだした。すなわち、カル
コゲナイドガラスの主要元素はイオウ、セレン、テルル
、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモンである。このうち毒
物に指定されているのはヒ素、セレンであるが、特に毒
性の強いのはヒ素とされている。セレンはトマトジュー
スに多く含まれ、また家畜の必須栄養素であることから
、それ自体の毒性は弱いとされている。ヒ素を除いた元
素から、さらに可視光も透過することを条件に入れると
、ゲルマニウム、イオウが主成分となる。すなわち、少
なくともゲルマニウム、イオウを主成分とするガラスか
らなるレンズを使用した焦電型赤外センサからなる人体
センサが有望である。また赤外線透過ガラスにはゲルマ
ニウム、イオウに加えて、赤外透過域の拡大や結晶化の
抑制のためヨウ素、アンチモン、テルル、セレンなどの
添加が効果的である。さらに、熱膨張係数を適正化する
ために、少量のリチウム、ナトリウム、銅、銀、ホウ素
、ガリウム、インジウム、シリコン、スズ、鉛、ビスマ
ス、リン、臭素を含むことが望ましい。

【００１６】本発明の赤外線透過ガラスの組成は、以下
の理由により選定された。ゲルマニウム−イオウ−ヨウ
素系（Ｇｅ−Ｓ−Ｉ系、以下系を元素記号で示す）では
ゲルマニウムが５〜５５％以外、イオウが３５〜９０％
以外ではガラス化しない。また、ヨウ素が２０％を越え
ると可視光を透過しなくなる。Ｇｅ−Ｓ−Ｓｂ系ではゲ
ルマニウムが１５〜５０％、イオウが５０〜８０％以外
ではガラス化しない。また、アンチモンが１０％を越え
ると可視光を透過しなくなる。Ｇｅ−Ｓ−Ｔｅ系ではゲ
ルマニウムが１０〜２５％、イオウが７０〜９０％以外
ではガラス化しない。また、テルルが１０％を越えると
可視光を透過しなくなる。Ｇｅ−Ｓ−Ｉ−Ｓｅ（または
Ｔｅ）系ではゲルマニウムが５〜５５％、イオウが３５
〜８０％以外ではガラス化しない。また、セレンまたは
テルルが１０％を、ヨウ素が２０％を越えると可視光を
透過しなくなる。

【００１７】以上の構成により赤外光〜可視光を透過し
、毒性が無く、結晶化し難いプレス成形が可能なレンズ
が実現することとなる。

【００１８】

【実施例】毒性の無い元素を主成分とするカルコゲナイ
ドガラスを使用し上記の問題点を解決し得ることを見い
だした。カルコゲナイドガラスの主要元素はイオウ、セ
レン、テルル、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモンである
。このうち毒物に指定されているのはヒ素、セレンであ
るが、特に毒性の強いのはヒ素とされている。セレンは
トマトジュースに多く含まれ、また家畜の必須栄養素で
あることからそれ自体の毒性は弱いとされている。ヒ素
を除いた元素から、さらに可視光も透過することを条件
に入れるとゲルマニウム、イオウが主成分となる。すな
わち少なくともゲルマニウム、イオウを主成分とするこ
とにより、赤外線透過ガラスからなるレンズを使用した
焦電型赤外センサからなる人体センサが実現できる。 またガラスにはゲルマニウム、イオウに加えて、赤外透
過域の拡大や結晶化の抑制のためヨウ素、アンチモン、
テルル、セレンなどを加えることが効果的である。さら
に熱膨張係数の適正化のため少量のリチウム、ナトリウ
ム、銅、銀、ホウ素、ガリウム、インジウム、シリコン
、スズ、鉛、ビスマス、リン、臭素を含むことが望まし
い。

【００１９】（実施例１）原子％でＧｅ：Ｓ＝２５：７
５の比でＧｅとＳを秤量し、石英アンプルに真空封止し
た。これを電気炉中で８００℃で１２時間溶融してガラ
スを得た。得られたガラスは肉眼では黄色で、２ｍｍ厚
（以下同じ）の試料で１０．５μｍまでの赤外線を５０
％以上透過した。

【００２０】（実施例２）原子％でＧｅ：Ｓ：Ｉ＝３０
：６０：１０の比でＧｅとＳとＩを秤量し、石英アンプ
ルに真空封止した。これを電気炉中で８００℃で１２時
間溶融してガラスを得た。得られたガラスは茶色で、１
１μｍまでの赤外線を５０％以上透過した。なお、本実
施例ではＧｅが５〜５５％、Ｓが３５〜９０％以外では
ガラス化しなかった。また、Ｉが２０％を越えると可視
光を透過しなくなった。

【００２１】（実施例３）原子％でＧｅ：Ｓ：Ｓｂ＝３
０：６０：１０の比でＧｅとＳとＳｂを秤量し、石英ア
ンプルに真空封止した。これを電気炉中で９５０℃で１
２時間溶融してガラスを得た。得られたガラスはこげ茶
色で、１１μｍまでの赤外線を５０％以上透過した。な
お、本実施例ではＧｅが１５〜５０％、Ｓが５０〜８０
％以外ではガラス化しない。また、Ｓｂが１０％を越え
ると可視光を透過しなくなった。

【００２２】（実施例４）原子％でＧｅ：Ｓ：Ｔｅ＝２
３．７５：７１．２５：５．００の比でＧｅとＳとＴｅ
を秤量し、石英アンプルに真空封止した。これを電気炉
中で９００℃で１２時間溶融してガラスを得た。得られ
たガラスは青色で、１１μｍまでの赤外線を５０％以上
透過した。なお、本実施例ではＧｅが１０〜２５％、Ｓ
が７０〜９０％以外ではガラス化しない。また、Ｔｅが
１０％を越えると可視光を透過しなくなった。

【００２３】（実施例５）原子％でＧｅ：Ｓ：Ｉ：Ｓｅ
＝２３．７５：６１．２５：１０．５０の比でＧｅとＳ
とＩとＳｅを秤量し、石英アンプルに真空封止した。こ
れを電気炉中で９００℃で１２時間溶融してガラスを得
た。得られたガラスは青色で、１１μｍまでの赤外線を
５０％以上透過した。なお、本実施例では、Ｇｅが５〜
５５％、Ｓが３５〜８０％以外ではガラス化しない。ま
た、ＳｅまたはＴｅが１０％を越えると、Ｉが２０％以
上では可視光を透過しなくなる。

【００２４】（実施例６）実施例１〜５のガラスを７０
℃の湯に１時間浸漬したが、表面の変質は全く認められ
ず、これらのガラスが化学的耐久性に優れていることが
確認できた。

【００２５】実施例１のガラスを４００℃でプレスして
レンズを成形した。レンズの厚みは約２ｍｍでＦナンバ
ーは１．０、焦点距離は３ｍｍとした。レンズの両面に
はフッ化鉛を１．４μｍ蒸着して反射防止膜とした。こ
のレンズを、横に１０個並べた焦電型赤外センサの前に
設置し、図１に示す人体検出センサを構成した。レンズ
は左右１２０゜可動するようにした。センサの正面に男
性２人を５０ｃｍ離れて立たせて、レンズを動かしなが
ら、センサ出力電圧を調べたところ、人体を検知したと
ころで電圧が約２００ｍＶ発生し、センサとしての性能
を確認できた。

【００２６】また実施例２〜５のガラスでも、同様にレ
ンズを成形してセンサの性能試験を行ったが、赤外線透
過波長が広くなった分だけセンサ出力電圧がやや高くな
った他は同様な結果が得られた。

【００２７】（実施例７）空調装置への応用例として図
１に示すように実施例１〜５の赤外線検出センサ１をエ
アコン本体２に設置して、エアコンの正面に男性２人を
５０ｃｍ離れて立たせて、人体５を検知した方向に交互
にルーバー３を向けるようにした。その結果、使用者が
手動でルーバーを操作しなくてもセンサの信号で自動的
にファン４からの送風がルーバー３により人体５のほう
を向くようになった。

【００２８】なお、本発明の赤外線検出センサの応用例
は実施例７に限定されるものではなく、以上の実施例以
外にも、照明装置への応用として、例えば人体検知セン
サを門柱灯に設置して、人体を検知した方向に灯火を向
けるようにし、夜間の訪問者の人数の確認を容易にする
。また、給水装置への応用として、例えば人体検知セン
サを水道栓に設置して、複数の人体の方向にシャワーを
向けるようにし、人が手動でシャワー口を操作しなくて
もよいようにすることも可能である。

【００２９】

【発明の効果】本発明の人体検知センサは、赤外光集光
レンズとして可視光も透過し、毒性の無いカルコゲナイ
ドガラスを使用しているので、センサや検出装置の組み
立てが容易であり、プレス成形でレンズを作製できるの
で、安全で安価であるため民生器具や産業機器に広く用
いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の赤外線検知センサを用いたエアコンの
構成図

【図２】従来の人体検知センサの断面図

【符号の説明】

１　　赤外線検出センサ ２　　エアコン本体 ３　　ルーバー ４　　ファン ５　　人体

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】出発物質が非酸化物で、ゲルマニウムとイ
   オウを主体とする非酸化物ガラスからなる赤外線透過性
   レンズ。
2. 【請求項２】原子％で、ゲルマニウム５〜５５％、イオ
   ウ３５〜９０％およびヨウ素０〜２０％を主体とするガ
   ラスからなる請求項１記載の赤外線透過性レンズ。
3. 【請求項３】原子％で、ゲルマニウム１５〜５０％、イ
   オウ５０〜８０％およびアンチモン０〜１０％を主体と
   するガラスからなる請求項１記載の赤外線透過性レンズ
   。
4. 【請求項４】原子％で、ゲルマニウム１０〜２５％、イ
   オウ７０〜９０％およびテルル０〜１０％を主体とする
   ガラスからなる請求項１記載の赤外線透過性レンズ。
5. 【請求項５】原子％で、ゲルマニウム５〜５５％、イオ
   ウ３５〜８０％、セレンまたはテルルのいずれかを０〜
   １０％およびヨウ素０〜２０％を主体とするガラスから
   なる請求項１記載の赤外線透過性レンズ。
6. 【請求項６】請求項１〜５記載のレンズにより赤外光を
   焦電型赤外センサ上に集光するように構成した赤外線検
   出センサ。