JP4613153B2 - 自動ドア開閉制御用反射型センサ - Google Patents

Description

本発明は、赤外線を利用した自動ドア開閉制御用反射型センサに関し、さらに詳しく言えば、金属やガラスなどの光反射材から反射される強い反射光による自動ドアの誤動作を防止する自動ドア開閉制御用反射型センサに関するものである。

赤外線を利用した自動ドア開閉制御用反射型センサ（以下、単に「反射型センサ」ということがある。）においては、自動ドアの上方に赤外線発光素子と赤外線受光素子とが並設され、自動ドア近傍の床面を監視領域として、赤外線発光素子よりその監視領域に向けて赤外線を照射し、監視領域からの反射光を赤外線受光素子にて受光し、その受光量の変化にて自動ドアに接近する人などの物体を検知し、自動ドアに開信号を与えるようにしている。

通常、赤外線発光素子には赤外線発光ダイオードが用いられ、赤外線受光素子にはフォトダイオードが用いられる。また、多くの場合、その取り付け位置には自動ドアの無目部分が選択され、設置時に床面や周囲の壁面などからの反射を考慮して最適な感度となるように感度調整が行われる。

また、設置後の例えば床面のワックスがけや床面の汚れなどによる反射率の変化による影響に対しては、全体の反射光量に対して自動追尾型の感度調整機能を持たせ、ある程度の幅で全体の感度（閾値）を変更することにより対処するようにしている（類例として、特許文献１参照）。

特開２００３−３７５０号公報

しかしながら、設置後にインテリア改修などにより、監視領域の床面に例えば金属鋲が打たれたり、また、自動ドア近傍にガラス装飾品などの強反射材が設置され、その強反射材に赤外線発光素子から出射された赤外線があたり強い反射光が発生した場合には、上記自動追尾型の感度調整機能では対応することができず、自動ドアが突然開いたりすることがある。

また、上記強反射材による多重反射は鋭い指向性を持つことが多いため、当初はその反射光のレイトレースが赤外線受光素子に戻ることがなくても、荷重変化などにより建物に歪みが生じたりすると、反射光が突然赤外線受光素子に入射することもある。

このような設置後に生ずる誤動作の原因解明は、その時々で現場で対応せざるを得ないが、赤外線であるがゆえに不可視であるため、上記強反射材による反射光のレイトレースは容易でなく、その原因解明に多くの時間を要することになる。

一方で、上記強反射材による反射光の存在を想定して、あらかじめ制御系全体の感度を落とすと、感度不足により本来検知すべき人が接近しても自動ドアが開かないことがあるため、その感度調整には何回もの試行錯誤を要し、時間的に不経済でもある。

したがって、本発明の課題は、自動ドアの近傍の床面や壁面などに存在する金属やガラスなどの強反射材による反射光を拾わないようにした自動ドア開閉制御用反射型センサを提供することにある。

赤外線には、直線偏光として入射面に対して垂直（ドイツ語でｓｅｎｋｒｅｃｈｔ）なＳ偏光成分と、入射面に対して平行（ｐａｒａｌｌｅｌ）なＰ偏光成分とが含まれており、このうち、Ｓ偏光成分は金属やガラスなどの強反射材により全反射された場合、その偏光面が維持され反射光はＳ偏光である。これに対して、拡散反射の場合にはＳ偏光が崩れ、その反射光にはＳ偏光成分とＰ偏光成分の双方が存在する。

なお、屈折率の異なる物質の界面で反射される光が完全に偏光となる入射角度をブリュースター角（または偏光角）と言い、Ｐ偏光成分の反射光はブリュースター角でほぼ「０」まで減少してその後増加するのに対して、Ｓ偏光成分は単調に増加すると言う特性を有している。

本発明は、この点に着目してなされたもので、上記課題を解決するため、自動ドア近傍を監視領域として、上記自動ドアに対して所定の位置に配置され上記監視領域に向けて赤外線を出射する赤外線発光素子と、上記自動ドアに対して所定の位置に配置され上記監視領域からの反射光を受光する赤外線受光素子とを含む自動ドア開閉制御用反射型センサにおいて、上記赤外線発光素子から上記監視領域に至る光往路に配置され、上記赤外線発光素子から出射される赤外線に含まれているＳ偏光成分のみを界面反射させるブリュースター角を有する第１偏光反射手段と、上記監視領域から上記赤外線受光素子に至る光復路に配置され、上記反射光に含まれているＰ偏光成分のみを界面反射させる第２偏光反射手段とを備え、上記第１偏光反射手段と上記第２偏光反射手段として、ガラス材などの光学部材からなり界面でＳ偏光成分を反射させるブリュースター角付近の曲面を有する第１および第２凹面鏡が用いられ、上記第２偏光反射手段としての上記第２凹面鏡の向きが、上記第１偏光反射手段としての上記第１凹面鏡に対して９０゜ずらされていることを特徴としている。

本発明によれば、赤外線発光素子から監視領域に至る光往路に赤外線発光素子から出射される赤外線に含まれているＳ偏光成分のみを界面反射させるブリュースター角を有する第１偏光反射手段を配置するとともに、監視領域から赤外線受光素子に至る光復路に反射光に含まれているＰ偏光成分のみを界面反射させる第２偏光反射手段を配置したことにより、監視領域に存在する人などによる拡散反射光のみが赤外線受光素子にて受光され、自動ドアの近傍の床面や壁面などに存在する金属やガラスなどの強反射材による反射光が拾われることがないため、自動ドアの信頼性をより高めることができる。

また、第１偏光反射手段と第２偏光反射手段として、ガラス材などの光学部材からなり界面でＳ偏光成分を反射させるブリュースター角付近の曲面を有する第１および第２凹面鏡が用いられ、第２偏光反射手段としての第２凹面鏡の向きが、第１偏光反射手段としての第１凹面鏡に対して９０゜ずらされているため、第１凹面鏡と第２凹面鏡は実質的に同一であってよいとともに、凹面鏡の集光作用によりレンズ系を不要として、その分コストの削減が図られる。

次に、図１ないし図６により、第１ないし第４の実施形態について説明するが、第１，第２および第４実施形態は参考実施形態であり、第３実施形態が請求項１に係る実施形態である。

まず、図１に示す本発明の第１実施形態（参考実施形態）について説明する。この第１実施形態に係る反射型センサは、基本的な構成として、赤外線発光ダイオードなどの赤外線発光素子１０と、フォトダイオードなどからなる赤外線受光素子２０とを備える。なお、図には赤外線発光素子１０と赤外線受光素子２０とが対としてそれぞれひとつしか示されていないが、実際にはその複数対が用いられる。

赤外線発光素子１０と赤外線受光素子２０は、図示しない自動ドアの例えば無目部分に並設され、赤外線発光素子１０は、自動ドア近傍の床面を監視領域Ｆとして、その監視領域Ｆに向けて赤外線を出射する。なお、この第１実施形態および後述する各実施形態では、監視領域Ｆ内に本来検知すべき物体である人Ｈと、強反射材である金属鋲Ｒとが存在していることを想定している。

なお、赤外線発光素子１０と赤外線受光素子２０を例えば自動ドアの側方もしくは斜め上方に配置し、その監視領域に床面のみでなく自動ドア近傍の壁面を含ませてもよい。

赤外線受光素子２０は、監視領域Ｆからの反射光を受光し、その受光信号を増幅器３１を介して制御系に含まれる判定論理回路３２に与える。判定論理回路３２には、例えばウインドコンパレータが設けられており、反射光の受光量（もしくは強度）が所定の閾値を超えたとき、自動ドアのドアエンジンに開信号を出力する。判定論理回路３２は、通常よく用いられるものであってよい。

なお、本発明においては、後述するように赤外線発光素子１０から出射される光量のうち、赤外線受光素子２０は一方向の偏光のみを受光する。したがって、受光光量が低下するので、例えば増幅器３１の増幅度を高める必要がある。

この第１実施形態では、赤外線発光素子１０から監視領域Ｆに至る光往路Ａに第１偏光フィルタ１１と投光レンズ１２とが配置され、監視領域Ｆから赤外線受光素子２０に至る光復路Ｂに第２偏光フィルタ２１と集光レンズ２２とが配置される。

発光側の第１偏光フィルタ１１は、赤外線発光素子１０から出射される赤外線に含まれているＳ偏光成分のみを通過させる偏光フィルタであり、受光側の第２偏光フィルタ２１は、監視領域Ｆからの反射光に含まれているＰ偏光成分のみを通過させる偏光フィルタである。第１偏光フィルタ１１と第２偏光フィルタ２１には、回折格子型や偏光フィルムなど各種のものを使用することができる。

これによれば、赤外線発光素子１０からＳ偏光成分のみの赤外光（Ｓ偏光光）が監視領域Ｆに照射される。このＳ偏光光のうち、金属鋲Ｒで全反射された反射光は、その偏光面が維持され依然としてＳ偏光光であるため、受光側の第２偏光フィルタ２１で阻止されることになり、赤外線受光素子２０には入射されない

これに対して、人Ｈによる反射は拡散反射であるためＳ偏光光の偏光が崩れ、その反射光にはＳ偏光成分とＰ偏光成分とが含まれる。したがって、そのＰ偏光成分の赤外光（Ｐ偏光光）のみが受光側の第２偏光フィルタ２１を通過して、赤外線受光素子２０に入射されることになる。判定論理回路３２は、このＰ偏光光の変動量（もしくは強度）に基づいてドアエンジンに「ドア開」もしくは「ドア閉」信号を出力する。

なお、ここで説明する実施形態では、説明の便宜上、発光側をＳ偏光，受光側をＰ偏光としているが、これらは直交する偏光であればよい。

このようにして、金属やガラスなどの強反射材から全反射される指向性の強い反射光が除去されるのであるが、第１偏光フィルタ１１に、例えば特開平２００４−１４５３０５号公報に記載されているようなＰＳ偏光変換素子を用いることにより、原理的に第１偏光フィルタ１１で光の強度が１／２になるのを防ぐことができ、これにより赤外線発光素子１０の出力パワーを相対的に下げることができる。

また、赤外線発光素子１０として、図２に示す赤外レーザ光源１１０を用いることもできる。この赤外レーザ光源１１０は任意の偏光光を出射し得るレーザ光源で、レーザ発生部１１１の一方の出射面１１１ａ側に被照射体に向けてレーザ光を照射するハーフミラー１１２が配置され、他方の出射面１１１ｂ側にレーザ光を増幅するための光反射板１１３が配置されている。

この赤外レーザ光源１１０によると、例えば他方の出射面１１１ｂ側のブリュースター角θａを選択し、その偏光モードで発振させることにより、Ｓ偏光の赤外レーザを得ることができる。したがって、この赤外レーザ光源１１０を用いることにより、発光側の第１偏光フィルタ１１を省略することができる。

なお、発光側の投光レンズ１２と受光側の集光レンズ２２は、偏光フィルタ１１，２１の前後のいずれかに配置されてよいが、赤外線発光素子１０と赤外線受光素子２０とが複数個用いられる場合には、偏光フィルタの使用個数（コスト）を削減するうえで、赤外線発光素子１０側と赤外線受光素子２０側とに配置されることが好ましい。

次に、図３に示す本発明の第２実施形態（参考実施形態）について説明する。この第２実施形態では、上記第１実施形態における第１，第２偏光フィルタ１１，１２に代えて、赤外線発光素子１０から監視領域Ｆに至る光往路Ａに第１偏光反射板１３が配置され、監視領域Ｆから赤外線受光素子２０に至る光復路Ｂに第２偏光反射板２３が配置される。

第１偏光反射板１３と第２偏光反射板２３は、ともに平板ガラスなどの平面反射体からなり、発光側の第１偏光反射板１３は、赤外線発光素子１０から出射される赤外線の入射角がＳ偏光成分のみを界面反射させるブリュースター角θｂとなるように配置される。

これに対して、受光側の第２偏光反射板２３は、監視領域Ｆからの反射光に含まれているＰ偏光成分のみを界面反射させる。これを実現するには、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分は偏波面が９０゜ずれているため、第２偏光反射板２３に対する反射光の入射角が第１偏光反射板１３と同じブリュースター角θｂとなるようにして、第２偏光反射板２３の偏光面を第１偏光反射板１３の偏光面に対して９０゜ずらせばよい。

この第２実施形態においても、発光側の第１偏光反射板１３によりＳ偏光成分のみの赤外光（Ｓ偏光光）が監視領域Ｆに照射され、金属鋲Ｒで全反射されたＳ偏光の反射光は、受光側の第２偏光反射板２３で阻止されることになるため、赤外線受光素子２０には入射されない

これに対して、人Ｈによる反射は拡散反射で、その反射光にはＳ偏光成分とＰ偏光成分とが含まれることになり、そのうちのＰ偏光成分の赤外光（Ｐ偏光光）のみが受光側の第２偏光反射板２３により選択されて、赤外線受光素子２０に入射されることになる。

なお、この第２実施形態では、投光レンズ１２と集光レンズ２２は、それぞれ赤外線発光素子１０と赤外線受光２０側とに配置されているが、場合によっては、上記第１実施形態のように反素子１０，２０側に配置されてもよい。

次に、図４により本発明の第３実施形態（請求項１に係る実施形態）について説明する。この第３実施形態は、特に赤外線発光素子１０と赤外線受光素子２０を複数対（この例では３対）として用いる場合にコスト的に有効であり、上記第２実施形態での第１，第２偏光反射板１３，１４に代えて、発光側と受光側とに第１，第２凹面鏡１４，２４を用いる。

これによれば、監視領域Ｆに複数の光スポットを形成する場合、凹面鏡の集光作用により、従来必要とされていた投光レンズ，集光レンズを含むレンズ系が不要となり、その分コスト削減が図れる。

第１，第２凹面鏡１４，２４ともに、好ましくはガラスもしくはＰＭＭＡアクリル樹脂やＡＳアクリルスチレン樹脂などの高光学屈折率の透明材からなり界面でＳ偏光成分を反射させるブリュースター角θｂ付近の曲面を有する凹面鏡である。

この場合、第１，第２凹面鏡１４，２４は透明材からなるため、それらの裏面側に透過光吸収用の黒色体１４ａ，２４ａを配置することが好ましい。なお、凹面鏡は必ずしも透明材である必要はなく、屈折率が高ければ黒色体などであってもよい。

上記したように、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分は位相が９０゜ずれていることから、受光側の第２凹面鏡２４でＰ偏光成分のみを選択するため、受光側の第２凹面鏡２４の偏光面を発光側の第１凹面鏡１４の偏光面に対して９０゜ずらす。図４に示すように、発光側の第１凹面鏡１４の偏光面が正面に向いているとすれば、受光側の第２凹面鏡２４の偏光面を横向きとする。

この第３実施形態によれば、複数の赤外線発光素子１０から出射された赤外線に含まれているＳ偏光成分のみが第１凹面鏡１４にて選択されて監視領域Ｆに照射される。これに対して、監視領域Ｆからの反射光は第２凹面鏡２４に集められ、その反射光に含まれているＰ偏光成分のみが選択されて各赤外線発光素子１０と対応する各赤外線受光素子２０に入射される。

なお、各凹面鏡１４，２４の曲面は、放物面，楕円面，球面，非球面など、用途や精度に応じて種々選択されてよいが、いずれにしても、複数の赤外線発光素子１０，複数の赤外線受光素子２０に各ひとつの凹面鏡１４，２４で対応させるためには、各素子１０，２０を接近させて配置し、焦点付近に近づけることが重要である。また、透明板１枚ではＳ偏光成分の反射が少ない場合には、透明板を多重に重ねるか、もしくは多重反射膜をガラス面に生成すればよい。

また、監視領域Ｆが広い場合には、図５に示すように、上記第３実施形態による反射型センサを複数台（この例では３台）を並設して用いればよい。この場合、隣接する赤外線受光素子２０間での迷光を防止するため、それらの間に遮光カバー２４ａを配置することが好ましい。

次に、図６により本発明の第４実施形態（参考実施形態）について説明する。この第４実施形態は、金属やガラスなどの強反射材で全反射される反射光は偏光方向が左右反転することに着目したものである。なお、図６において、赤外線受光素子２０に接続される増幅回路３１および制御系の判定論理回路３２は省略されている。

この第４実施形態によると、赤外線発光素子１から監視領域Ｆに至る光往路Ａと、監視領域Ｆから赤外線受光素子２０に至る光復路Ｂとに、赤外線発光素子１０から出射される赤外線および監視領域Ｆからの反射光に含まれるＳ偏光成分もしくはＰ偏光成分のいずれか一方の直線偏光成分のみを通過させる同一特性の偏光フィルタ６１がそれぞれ配置される。

また、発光側では偏光フィルタ６１の光出射側，受光側では偏光フィルタ６１の光入射側にそれぞれ１／４波長板６２が配置される。なお、この例では、１／４波長板６２と監視領域Ｆとの間に投光および集光用のレンズ６３が配置されているが、レンズ６３は偏光フィルタ６１と１／４波長板６２との間もしくは素子１０，２０側に配置されてもよい。

例えば、偏光フィルタ６１がＳ偏光成分（Ｓ偏光光）のみを通過させる偏光フィルタで、そのＳ偏光光が１／４波長板６２にて例えば左旋回の円偏光に変換されて、監視領域Ｆに照射され強反射材として例示されている金属鋲Ｒにて全反射されると、偏光方向が左右反転するため反射光は右旋回の円偏光となる。

上記反射光は１／４波長板６２にて再度直線偏光に戻されるが、その偏光面は照射時のＳ偏光と逆のＰ偏光となっているため、偏光フィルタ６１にて通過が阻止される。これにより、強反射材による反射光は赤外線受光素子２０にて検出されない。

これに対して、人Ｈなどにより反射された反射光は拡散反射光でＳ偏光成分とＰ偏光成分とが含まれているため、このうちのＳ偏光成分が１／４波長板６２にて再度直線偏光に戻され、偏光フィルタ６１を通過して赤外線受光素子２０にて検出される。

このようにして、第４実施形態においても、強反射材による反射光を拾うことなく、自動ドアに近づく人などの物体を確実に検知することができるが、第４実施形態の場合、照射光を１／４波長板６２にて円偏光に変換しているため、直線偏光に比べて、傾斜した金属面などによる反射光に対しても効果が大きい。

本発明の第１実施形態を示す模式図。 上記第１実施形態に適用可能なレーザ光源を示す模式図。 本発明の第２実施形態を示す模式図。 本発明の第３実施形態を示す模式図。 上記第３実施形態の変形例を示す模式図。 本発明の第４実施形態を示す模式図。

１０ 赤外線発光素子
１１ 第１偏光フィルタ
１２ 投光レンズ
１３ 第１偏光反射板
１４ 第１凹面鏡
２０ 赤外線受光素子
２１ 第２偏光フィルタ
２２ 集光レンズ
２３ 第２偏光反射板
２４ 第２凹面鏡
３２ 判定論理回路
６１ 偏光フィルタ
６２ １／４波長板

Claims (1)

1. 自動ドア近傍を監視領域として、上記自動ドアに対して所定の位置に配置され上記監視領域に向けて赤外線を出射する赤外線発光素子と、上記自動ドアに対して所定の位置に配置され上記監視領域からの反射光を受光する赤外線受光素子とを含む自動ドア開閉制御用反射型センサにおいて、
   上記赤外線発光素子から上記監視領域に至る光往路に配置され、上記赤外線発光素子から出射される赤外線に含まれているＳ偏光成分のみを界面反射させるブリュースター角を有する第１偏光反射手段と、上記監視領域から上記赤外線受光素子に至る光復路に配置され、上記反射光に含まれているＰ偏光成分のみを界面反射させる第２偏光反射手段とを備え、
   上記第１偏光反射手段と上記第２偏光反射手段として、ガラス材などの光学部材からなり界面でＳ偏光成分を反射させるブリュースター角付近の曲面を有する第１および第２凹面鏡が用いられ、上記第２偏光反射手段としての上記第２凹面鏡の向きが、上記第１偏光反射手段としての上記第１凹面鏡に対して９０゜ずらされていることを特徴とする自動ドア開閉制御用反射型センサ。

Images