DE4445196A1 - Bewegungsmelder zur Erfassung der aus einem zu überwachenden Raumbereich kommenden Strahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Bewegungsmelder nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Bewegungsmelder dienen dazu in einem von ihnen überwachten Raum­ bereich Bewegungen bestimmter Objekte, insbesondere Bewegungen von Menschen, zu erfassen und gegebenenfalls ein Schaltsignal auszulösen. Das zum Einschalten einer Beleuchtung oder Warnein­ richtung erforderliche Schaltsignal wird solange aufrechterhal­ ten, wie Bewegungen von Personen erkannt werden. Mit dem Wegfall erkennbarer Bewegungen, entfällt nach einer angemessenen Verzö­ gerungszeit auch das zur Betätigung einer nachgeschalteten Be­ leuchtungs- oder Warneinrichtung benötigte Schaltsignal.

Es gibt aktive Bewegungsmelder, die mit einem Sender und einem Empfänger arbeiten und passive Bewegungsmelder, bei denen im allgemeinen das bewegte Objekt selbst als Sender dient. Zu die­ ser besonders verbreiteten Gruppe gehören die Passiv-Infrarot- Bewegungsmelder, die auf relativ kleine Temperaturänderungen an­ sprechen und somit auch die von Menschen emittierte Wärme erfas­ sen können.

Passiv-Infrarot-Bewegungsmelder besitzen in den meisten Fällen pyroelektrische Infrarot-Sensoren, mit zwei empfindlichen Ele­ menten, die in Reihen- oder Parallelschaltung gegensinnig mit­ einander verbunden sind. Eine aus vielen Einzellinsen bestehende Fresnel-Optik definiert zusammen mit dem Infrarot-Sensor ver­ schiedene Strahlenkeulen. Bei Bewegungen von wärmeemittierenden Objekten zwischen verschiedenen Strahlenkeulen wird ein Wechsel­ strahlungsfluß im pyroelektrischen Sensor erzeugt, der zu einem Schaltsignal das Bewegungsmelders führt. Bei zentraler Annähe­ rung an derartige Bewegungsmelder werden jedoch am Sensor oft nur so geringe Wechselstrahlungsflüsse erzeugt, daß der Bewe­ gungsmelder nicht oder erst verspätet anspricht. Ähnlich liegen die Verhältnisse bei einer Anwesenheitsdetektion, bei der es darum geht, ggf. vor dem Abschalten der Raumbeleuchtung, noch im Raum anwesende Personen mit Hilfe ihrer Bewegungen zu ermitteln. Besonders bei Schreibtischarbeitern sind etwaige Bewegungen oft nur so schwach ausgeprägt, daß sie von normalen Bewegungsmeldern nicht wahrgenommen werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Bewegungsmelder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dahingehend zu verbessern, daß er auch geringfügige Bewegungen mit hoher Empfindlichkeit erfassen kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüche genannt.

Mit Hilfe einer aus mindestens vier strahlungsempfindlichen Ele­ menten gebildeten Reihenschaltung gelingt es, auch bei geringfü­ gigen Bewegungen eine ausreichend hohe Empfindlichkeit zu errei­ chen. Entscheidend ist jedoch zugleich der ständige Polaritäts­ wechsel zwischen den einzelnen in Reihe liegenden strahlungsemp­ findlichen Elementen. Dieser sorgt dafür, daß sich die Gleich­ spannungsanteile, die sich auch bei fehlender Bewegung an den einzelnen strahlungsempfindlichen Elementen bilden können, ge­ genseitig kompensieren, so daß im wesentlichen nur der durch Be­ wegungen hervorgerufene Wechselanteil erhalten bleibt. Dieses Signal wird von den beiden freien Enden der Serienschaltung ab­ gegriffen und einer nachgeschalteten Sensorelektronik zugeführt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist vorgesehen, die durch die strahlungsempfindlichen Elemente gebildete Serienschaltung auf einem gemeinsamen Träger zu inte­ grieren. Es ist zweckmäßig, den Träger aus strahlungsempfindli­ chem, vorzugsweise pyroelektrischem Material herzustellen, das eine einheitliche Richtung der spontanen Polarisation aufweist. In diesem Fall kann an zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Trägers, jeweils mit Abstand zueinander, einerseits eine Reihe aus Frontelektroden und andererseits eine Reihe aus Rückelektro­ den so angeordnet werden, daß sich die beiden Elektrodenplatten teilweise überlappen. Im Überlappungsbereich entstehen strah­ lungsempfindliche Elemente, die durch die Elektroden bei stets wechselnder Polarität in Reihe geschaltet sind. Ein derart auf­ gebauter Sensor läßt sich mit kleinen Abmessungen herstellen und dementsprechend im Zentrum einer Sammeloptik plazieren.

Es ist auch möglich, den Sensor in Dünnschichttechnik herzustel­ len, wobei es dann zweckmäßig ist, den Träger aus einer pyro­ elektrischen Dünnschicht mit einer Dicke von höchstens 2 µm zu gestalten. Weiterhin wurde festgestellt, daß es vorteilhaft ist, wenn der Träger aus einem pyroelektrischen Material mit einer relativen Dielektrizitätszahl von mindestens 100 besteht. Zur Erhöhung des örtlichen Auflösungsvermögens kann es zweckmäßig sein, in unmittelbarer Umgebung der strahlungsempfindlichen Ele­ mente das Material des Trägers partiell oder vollständig zu ent­ fernen.

Ein Strahlungssensor dieser Art kann in allen bekannten Aufbau­ ten zur Anwendung gelangen. So ist es möglich, die Lichtstrahlen durch eine infrarotdurchlässige Einzellinse auf den Sensor zu fokussieren oder auch eine Optik aus mehreren infrarotdurchläs­ sigen Sammellinsen aufzubauen. Auch Fresnellinsen, die sich im Bereich der Bewegungsmelder sehr bewährt haben, können zur An­ wendung gelangen. Ebenso kann eine Optik erstellt werden, die aus fokussierenden Linsen besteht, die mit geeigneten Infrarot- Umlenkspiegeln zusammenwirken.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen Träger des Sensors mit Front- und Rückelek­ troden seitlich im Schnitt,

Fig. 2 den Träger nach Fig. 1 in Draufsicht,

Fig. 3 das elektrische Prinzipschaltbild einer aus gegen­ polig geschalteten strahlungsempfindlichen Elemen­ ten gebildeten Reihenschaltung mit Sensorelektro­ nik.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine spezielle konstruktive Lösung zum Aufbau eines Sensors S, der wie Fig. 3 zeigt, aus gegenpolig in Reihe geschalteten strahlungsempfindlichen Elementen LE besteht. Jeweils zwei in Reihe geschaltete strahlungsempfindliche Ele­ mente LE bilden jeweils ein Paar 1, 1′ bis 4, 4′, so daß im vor­ liegenden Beispiel die Reihenschaltung aus vier Paaren von strahlungsempfindlichen Elementen besteht. Geht man davon aus, daß im Ruhezustand, also bei fehlender Bewegung, alle strah­ lungsempfindliche Elemente LE eine etwa gleichgroße, konstante Strahlung LS erreicht, so werden die an den einzelnen strah­ lungsempfindlichen Elementen LE erzeugten Signalgrundpegel etwa gleichgroß sein und sich gegenseitig weitgehend kompensieren.

Sobald jedoch ein Wärmestrahlen emittierendes Objekt in den Er­ fassungsbereich des Sensors S gelangt, wird das Gleichgewicht gestört und entsprechend der Bewegungsrichtung werden bestimmte strahlungsempfindliche Elemente mit einer erhöhten Strahlung LS beaufschlagt. Hierdurch entsteht ein Wechselsignal, das an den beiden freien Enden A und B der Reihenschaltung abgegriffen und einer Sensorelektronik E zugeführt werden kann. Letztere kann nun beispielsweise ein von der Bewegung ausgelöstes Steuersignal erzeugen.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte konstruktive Ausgestaltung des Sensors S erfolgt mit relativ einfachen Mitteln. Als Grund­ element dient ein Träger T, der aus pyroelektrischem Material mit einer einheitlichen Richtung der spontanen Polarisation be­ steht. Auf zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Trägers T sind, mit entsprechendem Abstand zueinander, einerseits eine Reihe aus Frontelektroden F und andererseits eine Reihe aus Rück­ elektroden R angeordnet. Die Anordnung wurde dabei so vorgenom­ men, daß sich die beiden Elektrodenarten teilweise überlappen und dadurch mit dem Träger einzelne strahlungsempfindliche Ele­ mente LE bilden. Hierbei ergibt sich automatisch eine wechselnde Polarität, wobei die Elektroden F, R für eine Verbindung in Form einer Reihenschaltung sorgen. An den Anschlüssen A und B kann eine Spannung abgegriffen werden, die von einem sich bewegenden strahlungsemittierenden Körper erzeugt wird. Durch die-Kompensa­ tion der statischen Signalgrundpegel wird die Sensorelektronik E nur mit einem Wechselsignal beaufschlagt, das jedoch durch die Reihenschaltung vieler strahlungsempfindliche Elemente LE rela­ tiv hoch ausfällt, so daß auch verhältnismäßig geringfügige Be­ wegungen noch erfaßt werden können. Die Empfindlichkeit des Be­ wegungsmelders ist damit deutlich erhöht.

Claims (10)

1. Bewegungsmelder mit einem Strahlungssensor (S) zur Er­ fassung der aus einem zu überwachenden Raumbereich kommenden Strahlung, vorzugsweise Wärmestrahlung im infraroten Spektralbe­ reich, und zur Umwandlung der Strahlung in ein entsprechendes elektrisches Signal, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungs­ sensor (S) durch eine Serienschaltung gebildet ist, die aus ei­ nem ganzzahligen Vielfachen von zwei gegenpolig in Reihe liegen­ den strahlungsempfindliche Elementen (LE) besteht, und daß das von den beiden freien Enden (A, B) dieser Serienschaltung abge­ griffene elektrische Signal einer nachgeschalteten Sensorelek­ tronik (E) zugeführt ist.

2. Bewegungsmelder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Serienschaltung auf einem gemeinsamen Träger (T) inte­ griert ist.

3. Bewegungsmelder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (T) aus strahlungsempfindlichem, insbesondere py­ roelektrischem Material mit einheitlicher Richtung der spontanen Polarisation (P) besteht und auf zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Trägers (T), jeweils mit Abstand zueinander, einer­ seits eine Reihe aus Frontelektroden (F) und andererseits eine Reihe aus Rückelektroden (R) so angeordnet ist, daß sich die beiden Elektrodenarten teilweise überlappen und in ihren Über­ lappungsbereichen mit dem Träger (T) einzelne strahlungsempfind­ liche Elemente (LE) bilden, die durch die Elektroden (F, R) bei stets wechselnder Polarität in Reihe geschaltet sind.

4. Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (T) aus einer pyroelektrischen Dünnschicht mit einer Dicke von höchstens 2 Mi­ krometer besteht.

5. Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (T) aus einem pyroelektrischen Material mit einer relativen Dielektrizitäts­ zahl von mindestens 100 besteht.

6. Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in unmittelbarer Umgebung der strahlungsempfindlichen Elemente (LE) das Material des Trä­ gers (T) partiell oder vollständig entfernt ist.

7. Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung (LS) durch eine infrarotdurchlässige Einzellinse auf den Strahlungssensor fokussiert ist.

8. Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung (LS) durch mehrere infrarotdurchlässige Sammellinsen auf den Strahlungssen­ sor fokussiert ist.

9. Bewegungsmelder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die infrarotdurchlässigen Sammellinsen als Fresnellinsen aufgebaut sind.

10. Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß fokussierende Linsen mit Infrarot-Umlenkspiegeln zusammenwirken.