JP2001324390A - 熱型赤外線イメージセンサ - Google Patents
熱型赤外線イメージセンサInfo
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- JP2001324390A JP2001324390A JP2000145263A JP2000145263A JP2001324390A JP 2001324390 A JP2001324390 A JP 2001324390A JP 2000145263 A JP2000145263 A JP 2000145263A JP 2000145263 A JP2000145263 A JP 2000145263A JP 2001324390 A JP2001324390 A JP 2001324390A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】高速で、かつ自己発熱の影響を無くして測定す
ることができる熱型赤外線イメージセンサを提供する。 【解決手段】ボロメータ型赤外線センサ素子２ａを多数
並設したセンサアレイに対し被温度測定物からの赤外線
を照射して、赤外線の熱をセンサ素子２ａで吸収し、こ
の熱による各センサ素子２ａの抵抗値変化を当該センサ
素子２ａへの通電を行いながら読み取り、各センサ素子
２ａ毎の熱画像データが得られる。赤外線検出部（セン
サ素子２ａ）は、大気または乾燥窒素ガスで充填された
パッケージ内に封止され、高熱伝導性雰囲気中に配置さ
れている。同一のセンサ素子２ａの抵抗値変化の読み取
り間隔が、当該センサ素子２ａの熱時定数よりも大きく
なっている。
ることができる熱型赤外線イメージセンサを提供する。 【解決手段】ボロメータ型赤外線センサ素子２ａを多数
並設したセンサアレイに対し被温度測定物からの赤外線
を照射して、赤外線の熱をセンサ素子２ａで吸収し、こ
の熱による各センサ素子２ａの抵抗値変化を当該センサ
素子２ａへの通電を行いながら読み取り、各センサ素子
２ａ毎の熱画像データが得られる。赤外線検出部（セン
サ素子２ａ）は、大気または乾燥窒素ガスで充填された
パッケージ内に封止され、高熱伝導性雰囲気中に配置さ
れている。同一のセンサ素子２ａの抵抗値変化の読み取
り間隔が、当該センサ素子２ａの熱時定数よりも大きく
なっている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、熱型赤外線セン
サ素子を用いた熱型赤外線イメージセンサに関するもの
である。
サ素子を用いた熱型赤外線イメージセンサに関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】赤外線センサを用いて人体の接近や存在
を検出するためには、非常に高い感度の素子が必要とな
る。ボロメータ型と呼ばれる抵抗体の抵抗値変化を読み
取る赤外線センサは、低コストでできる一方、センサ素
子の感度が低い。素子の感度を向上させる方法として
は、赤外線吸収膜の吸収率の向上、素子の背面基板を掘
り込んで熱分離空間を設ける等の方法があるが、これら
の方法による感度向上には限界がある。
を検出するためには、非常に高い感度の素子が必要とな
る。ボロメータ型と呼ばれる抵抗体の抵抗値変化を読み
取る赤外線センサは、低コストでできる一方、センサ素
子の感度が低い。素子の感度を向上させる方法として
は、赤外線吸収膜の吸収率の向上、素子の背面基板を掘
り込んで熱分離空間を設ける等の方法があるが、これら
の方法による感度向上には限界がある。
【０００３】更なる感度向上のためには、例えば特開平
６−７４８１８号公報に開示されているように低熱伝導
ガス雰囲気中に素子を封止する方法や、特開平６−１２
９８９８号公報に開示されているように真空封止すれば
よい。これにより、素子の感度向上は改善できるが、素
子の熱時定数（素子が周りと熱的に飽和して安定する温
度の約６３％の温度に達するまでに必要とする時間）が
大きくなる。素子の熱時定数はセンサそのものの応答性
につながり、高速応答性が要求されるような用途には適
応できなくなる。
６−７４８１８号公報に開示されているように低熱伝導
ガス雰囲気中に素子を封止する方法や、特開平６−１２
９８９８号公報に開示されているように真空封止すれば
よい。これにより、素子の感度向上は改善できるが、素
子の熱時定数（素子が周りと熱的に飽和して安定する温
度の約６３％の温度に達するまでに必要とする時間）が
大きくなる。素子の熱時定数はセンサそのものの応答性
につながり、高速応答性が要求されるような用途には適
応できなくなる。
【０００４】また、このボロメータ型センサは抵抗値読
み取り時の通電により抵抗体が自己発熱を起こす。高速
で測定する場合、図９（ａ）に示すように、熱時定数が
測定間隔より小さい（短い）場合には問題は発生しない
が、図９（ｂ）に示すように、熱時定数が測定間隔より
大きいと（長いと）、この自己発熱の影響が残っている
うちにまた次の測定のための通電が始まり、測定誤差に
つながり問題となる。
み取り時の通電により抵抗体が自己発熱を起こす。高速
で測定する場合、図９（ａ）に示すように、熱時定数が
測定間隔より小さい（短い）場合には問題は発生しない
が、図９（ｂ）に示すように、熱時定数が測定間隔より
大きいと（長いと）、この自己発熱の影響が残っている
うちにまた次の測定のための通電が始まり、測定誤差に
つながり問題となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような背
景の下になされたものであり、その目的は、高速で、か
つ自己発熱の影響を無くして測定することができる熱型
赤外線イメージセンサを提供することにある。
景の下になされたものであり、その目的は、高速で、か
つ自己発熱の影響を無くして測定することができる熱型
赤外線イメージセンサを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、熱型赤外線センサ素子を高熱伝導性雰囲気中に配置
するとともに、同一の熱型赤外線センサ素子の抵抗値変
化の読み取り間隔を、当該センサ素子の熱時定数よりも
大きくしたことを特徴としている。よって、高速で、か
つ自己発熱の影響を無くして測定することができること
となる。
は、熱型赤外線センサ素子を高熱伝導性雰囲気中に配置
するとともに、同一の熱型赤外線センサ素子の抵抗値変
化の読み取り間隔を、当該センサ素子の熱時定数よりも
大きくしたことを特徴としている。よって、高速で、か
つ自己発熱の影響を無くして測定することができること
となる。
【０００７】請求項２に記載の発明は、熱型赤外線セン
サ素子を高熱伝導性雰囲気中に配置するとともに、一定
時間内に同一の熱型赤外線センサ素子の抵抗値変化の読
み取りを所定回行ってこの所定回での読み取り結果を平
均化して出力する際に、同一の熱型赤外線センサ素子の
抵抗値変化の読み取り間隔を、当該センサ素子の熱時定
数よりも大きくしたことを特徴としている。よって、高
速で、かつ自己発熱の影響を無くして測定することがで
きることとなる。
サ素子を高熱伝導性雰囲気中に配置するとともに、一定
時間内に同一の熱型赤外線センサ素子の抵抗値変化の読
み取りを所定回行ってこの所定回での読み取り結果を平
均化して出力する際に、同一の熱型赤外線センサ素子の
抵抗値変化の読み取り間隔を、当該センサ素子の熱時定
数よりも大きくしたことを特徴としている。よって、高
速で、かつ自己発熱の影響を無くして測定することがで
きることとなる。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、この発明を具体化した実施
の形態を図面に従って説明する。本実施形態においては
センサ素子として熱型赤外線センサ素子であるボロメー
タ型赤外線センサ素子を用いており、同ボロメータ型赤
外線センサ素子を多数並設してセンサアレイを構成して
いる。
の形態を図面に従って説明する。本実施形態においては
センサ素子として熱型赤外線センサ素子であるボロメー
タ型赤外線センサ素子を用いており、同ボロメータ型赤
外線センサ素子を多数並設してセンサアレイを構成して
いる。
【０００９】図１には、赤外線イメージセンサの構成を
示す。同センサは、赤外線集光レンズ１を備えており、
この赤外線集光レンズ１は高密度ポリエチレン、カルコ
ゲンガラス、ＢａＦ2 、ＺｎＳ等からなる。この赤外線
集光レンズ１は、球面、非球面、フレネルレンズ形状の
いずれでもよい。
示す。同センサは、赤外線集光レンズ１を備えており、
この赤外線集光レンズ１は高密度ポリエチレン、カルコ
ゲンガラス、ＢａＦ2 、ＺｎＳ等からなる。この赤外線
集光レンズ１は、球面、非球面、フレネルレンズ形状の
いずれでもよい。
【００１０】赤外線集光レンズ１に対し離間した位置に
は、赤外線センサアレイ２が配置されている。この赤外
線センサアレイ２は、センサ素子２ａを、例えば１５×
１０個のようにマトリクス状に集合した形状をしてい
る。そして、前述のレンズ１で被温度測定物からの赤外
線が集光されてセンサアレイ２上に熱画像として結像す
る。
は、赤外線センサアレイ２が配置されている。この赤外
線センサアレイ２は、センサ素子２ａを、例えば１５×
１０個のようにマトリクス状に集合した形状をしてい
る。そして、前述のレンズ１で被温度測定物からの赤外
線が集光されてセンサアレイ２上に熱画像として結像す
る。
【００１１】赤外線センサアレイ２におけるセンサ素子
２ａを図２の縦断面図を用いて説明する。シリコン基板
１１の表面には凹部１２が形成されている。また、シリ
コン基板１１の上面にはＳｉＯ2 薄膜１３が凹部１２の
開口部を塞ぐように配置されている。凹部１２の開口部
におけるＳｉＯ2 薄膜１３の上には金属薄膜抵抗（金属
抵抗体）１４が配置されるとともに、その上には吸収膜
１５が積層されている。このように、凹部１２の開口部
に膜１３，１４，１５の積層体が配置され、凹部１２の
内部の塞がれた領域が空洞１６となっている。即ち、セ
ンサ素子２ａはメンブレン構造体となっている。
２ａを図２の縦断面図を用いて説明する。シリコン基板
１１の表面には凹部１２が形成されている。また、シリ
コン基板１１の上面にはＳｉＯ2 薄膜１３が凹部１２の
開口部を塞ぐように配置されている。凹部１２の開口部
におけるＳｉＯ2 薄膜１３の上には金属薄膜抵抗（金属
抵抗体）１４が配置されるとともに、その上には吸収膜
１５が積層されている。このように、凹部１２の開口部
に膜１３，１４，１５の積層体が配置され、凹部１２の
内部の塞がれた領域が空洞１６となっている。即ち、セ
ンサ素子２ａはメンブレン構造体となっている。
【００１２】そして、入射した赤外線は、吸収膜１５で
吸収され、熱に変わる。ＳｉＯ2 薄膜１３は、シリコン
基板１１上に設けられた空洞１６上に浮いた構造をして
いるので、熱を蓄え外部より断熱することができる。金
属薄膜抵抗１４は、温度により抵抗値が変化する。よっ
て、この抵抗値変化を測定することにより、被温度測定
物の温度が検出できる。
吸収され、熱に変わる。ＳｉＯ2 薄膜１３は、シリコン
基板１１上に設けられた空洞１６上に浮いた構造をして
いるので、熱を蓄え外部より断熱することができる。金
属薄膜抵抗１４は、温度により抵抗値が変化する。よっ
て、この抵抗値変化を測定することにより、被温度測定
物の温度が検出できる。
【００１３】上記の抵抗値変化を読み取るための回路ブ
ロック図を、図３に示す。図３において、センサアレイ
２にはセンサ素子２ａの他に温度補償用素子（リファレ
ンス素子）２４が設けられている。センサ素子２ａと温
度補償用素子２４には素子選択回路２３が接続されると
ともに、素子選択回路２３には信号発生回路２１および
選択素子制御回路２２が接続されている。また、センサ
素子２ａと温度補償用素子２４には差動増幅回路２５を
介してＡ／Ｄ変換回路２６が接続されている。このＡ／
Ｄ変換回路２６にはデータ処理回路２７が接続されてい
る。さらに、データ処理回路２７にはデータ送信回路２
８を介して各種システム制御回路２９が接続されてい
る。ここで、信号発生回路２１から、抵抗値を読み出す
ための測定電流が、選択素子制御回路２２にて制御され
た素子選択回路２３に流れる。素子選択回路２３にて選
択されたセンサ素子２ａと温度補償用素子２４が通電さ
れて測定電流が流れ、抵抗値に応じた電圧が発生する。
この電圧を差動増幅回路２５にて増幅し、Ａ／Ｄ変換回
路２６にてデジタル信号に変換する。その後、データ処
理回路２７にて取得した赤外線熱画像データが作成され
る。作成された熱画像データは、データ送信回路２８か
ら各種システム制御回路２９に送られ、そのデータを基
に各種アプリケーションでの制御が行われる。
ロック図を、図３に示す。図３において、センサアレイ
２にはセンサ素子２ａの他に温度補償用素子（リファレ
ンス素子）２４が設けられている。センサ素子２ａと温
度補償用素子２４には素子選択回路２３が接続されると
ともに、素子選択回路２３には信号発生回路２１および
選択素子制御回路２２が接続されている。また、センサ
素子２ａと温度補償用素子２４には差動増幅回路２５を
介してＡ／Ｄ変換回路２６が接続されている。このＡ／
Ｄ変換回路２６にはデータ処理回路２７が接続されてい
る。さらに、データ処理回路２７にはデータ送信回路２
８を介して各種システム制御回路２９が接続されてい
る。ここで、信号発生回路２１から、抵抗値を読み出す
ための測定電流が、選択素子制御回路２２にて制御され
た素子選択回路２３に流れる。素子選択回路２３にて選
択されたセンサ素子２ａと温度補償用素子２４が通電さ
れて測定電流が流れ、抵抗値に応じた電圧が発生する。
この電圧を差動増幅回路２５にて増幅し、Ａ／Ｄ変換回
路２６にてデジタル信号に変換する。その後、データ処
理回路２７にて取得した赤外線熱画像データが作成され
る。作成された熱画像データは、データ送信回路２８か
ら各種システム制御回路２９に送られ、そのデータを基
に各種アプリケーションでの制御が行われる。
【００１４】本センサの使用例を図４に示す。図４にお
いて、乗用車の室内において天井には前席用センサ４０
と後席用センサ４１が配置され、それぞれ２個ずつ赤外
線センサアレイが設置されている。そして、座席周辺の
赤外線を赤外線集光レンズ１で集光して赤外線センサア
レイ２上に熱画像として結像させる。この時、レンズ１
は、例えば５００ｍｍ離れた位置で７５０×５００ｍｍ
の範囲を集光できるよう設計されている。また、センサ
アレイ２のセンサ素子２ａを１５×１０個とすると、１
つのセンサ素子２ａで検出できる範囲（位置分解能）
は、５０ｍｍ四方となる。
いて、乗用車の室内において天井には前席用センサ４０
と後席用センサ４１が配置され、それぞれ２個ずつ赤外
線センサアレイが設置されている。そして、座席周辺の
赤外線を赤外線集光レンズ１で集光して赤外線センサア
レイ２上に熱画像として結像させる。この時、レンズ１
は、例えば５００ｍｍ離れた位置で７５０×５００ｍｍ
の範囲を集光できるよう設計されている。また、センサ
アレイ２のセンサ素子２ａを１５×１０個とすると、１
つのセンサ素子２ａで検出できる範囲（位置分解能）
は、５０ｍｍ四方となる。
【００１５】このように、ボロメータ型赤外線センサ素
子２ａを多数並設したセンサアレイ２に対し被温度測定
物からの赤外線を照射して、赤外線の熱をボロメータ型
赤外線センサ素子２ａで吸収し、この熱による各ボロメ
ータ型赤外線センサ素子２ａの抵抗値変化を当該センサ
素子２ａへの通電を行いながら読み取り、各ボロメータ
型赤外線センサ素子２ａ毎の熱画像データを得ることが
できるようになっている。
子２ａを多数並設したセンサアレイ２に対し被温度測定
物からの赤外線を照射して、赤外線の熱をボロメータ型
赤外線センサ素子２ａで吸収し、この熱による各ボロメ
ータ型赤外線センサ素子２ａの抵抗値変化を当該センサ
素子２ａへの通電を行いながら読み取り、各ボロメータ
型赤外線センサ素子２ａ毎の熱画像データを得ることが
できるようになっている。
【００１６】そして、赤外線センサアレイ２からの赤外
線の受光量に応じた信号が図３の差動増幅回路２５で増
幅され、Ａ／Ｄ変換回路２６でデジタル信号に変換さ
れ、さらに、データ処理回路２７を介して信号（画像デ
ータ）がデータ送信回路２８から各種システム制御回路
２９に送信される。各種システム制御回路２９におい
て、画素毎の温度検知機能を利用した自動車の各席の乗
員・侵入物の有無や位置の検出データを用いて、エアコ
ンによる車内空調制御、エアバッグの展開制御、セキュ
リティ制御等に利用される。
線の受光量に応じた信号が図３の差動増幅回路２５で増
幅され、Ａ／Ｄ変換回路２６でデジタル信号に変換さ
れ、さらに、データ処理回路２７を介して信号（画像デ
ータ）がデータ送信回路２８から各種システム制御回路
２９に送信される。各種システム制御回路２９におい
て、画素毎の温度検知機能を利用した自動車の各席の乗
員・侵入物の有無や位置の検出データを用いて、エアコ
ンによる車内空調制御、エアバッグの展開制御、セキュ
リティ制御等に利用される。
【００１７】ここで、本実施形態においては、赤外線検
出部（センサ素子２ａ）は、大気または乾燥窒素ガスで
充填されたパッケージ内に封止され、高熱伝導性雰囲気
中に配置されている。つまり、赤外線検出部は大気（ま
たは乾燥窒素などの通常の熱伝導性を持った気体）で封
止されており、素子の熱時定数が数ｍｓｅｃと短くなっ
ている。また、同一のセンサ素子２ａの測定間隔（抵抗
値変化の読み取り間隔）をセンサ素子２ａの熱時定数よ
りも大きくしている。よって、数十ｍｓｅｃのインター
バルで同素子を測定しても、次の測定時までに素子は熱
的に安定な状態となり、自己発熱の影響なく温度測定を
することができる。
出部（センサ素子２ａ）は、大気または乾燥窒素ガスで
充填されたパッケージ内に封止され、高熱伝導性雰囲気
中に配置されている。つまり、赤外線検出部は大気（ま
たは乾燥窒素などの通常の熱伝導性を持った気体）で封
止されており、素子の熱時定数が数ｍｓｅｃと短くなっ
ている。また、同一のセンサ素子２ａの測定間隔（抵抗
値変化の読み取り間隔）をセンサ素子２ａの熱時定数よ
りも大きくしている。よって、数十ｍｓｅｃのインター
バルで同素子を測定しても、次の測定時までに素子は熱
的に安定な状態となり、自己発熱の影響なく温度測定を
することができる。
【００１８】つまり、ボロメータ型センサでは、抵抗値
読み取り時の通電により抵抗体が自己発熱を起こし、こ
の自己発熱による抵抗値変化がそのまま測定誤差とな
り、センサの測定精度の低下をもたらす。しかし、本実
施形態では、素子の熱時定数が小さく、自己発熱の影響
が無くなってから、再度、同素子に通電して測定するこ
とにより、測定精度の高い被測定物温度の検出が可能と
なる。
読み取り時の通電により抵抗体が自己発熱を起こし、こ
の自己発熱による抵抗値変化がそのまま測定誤差とな
り、センサの測定精度の低下をもたらす。しかし、本実
施形態では、素子の熱時定数が小さく、自己発熱の影響
が無くなってから、再度、同素子に通電して測定するこ
とにより、測定精度の高い被測定物温度の検出が可能と
なる。
【００１９】さらに、本実施形態においては、図５に示
すような回路構成を採用している。図５において、多数
のセンサ素子（測定素子）２ａと、複数の温度補償用素
子２４と差動増幅回路２５とＡ／Ｄ変換回路２６を備え
ている。各センサ素子（測定素子）２ａは縦横に配置さ
れ、温度補償用素子２４は縦に一列に配置されている。
同様に、差動増幅回路２５とＡ／Ｄ変換回路２６も一列
分用意されている。
すような回路構成を採用している。図５において、多数
のセンサ素子（測定素子）２ａと、複数の温度補償用素
子２４と差動増幅回路２５とＡ／Ｄ変換回路２６を備え
ている。各センサ素子（測定素子）２ａは縦横に配置さ
れ、温度補償用素子２４は縦に一列に配置されている。
同様に、差動増幅回路２５とＡ／Ｄ変換回路２６も一列
分用意されている。
【００２０】図５のＡ／Ｄ変換回路２６の具体的な構成
を図６に示す。図６において、Ａ／Ｄ変換回路２６はリ
ングゲート遅延回路５０を備えている。リングゲート遅
延回路５０は、ＮＡＮＤゲート５１と複数個のインバー
タ５２ａ，５２ｂ，…，５２ｍからなる。ＮＡＮＤゲー
ト５１は反転動作時間が印加電圧Ｖinに応じて変化す
る。複数個のインバータ５２ａ，５２ｂ，…，５２ｍは
同じく反転動作時間が印加電圧Ｖinに応じて変化し、イ
ンバータ５２ａ，５２ｂ，…，５２ｍはリング状に連結
されている。
を図６に示す。図６において、Ａ／Ｄ変換回路２６はリ
ングゲート遅延回路５０を備えている。リングゲート遅
延回路５０は、ＮＡＮＤゲート５１と複数個のインバー
タ５２ａ，５２ｂ，…，５２ｍからなる。ＮＡＮＤゲー
ト５１は反転動作時間が印加電圧Ｖinに応じて変化す
る。複数個のインバータ５２ａ，５２ｂ，…，５２ｍは
同じく反転動作時間が印加電圧Ｖinに応じて変化し、イ
ンバータ５２ａ，５２ｂ，…，５２ｍはリング状に連結
されている。
【００２１】さらに、周回数カウンタ５３とスタックメ
モリ５４を有する。周回数カウンタ５３はリングゲート
遅延回路５０内でのパルス信号の反転回数（周回数）を
カウントする。スタックメモリ５４は、周回数カウンタ
５３の計数値を上位ビットとし、且つリングゲート遅延
回路５０内の各インバータ５２ａ，５２ｂ，…，５２ｍ
の出力を下位ビットとして格納する。
モリ５４を有する。周回数カウンタ５３はリングゲート
遅延回路５０内でのパルス信号の反転回数（周回数）を
カウントする。スタックメモリ５４は、周回数カウンタ
５３の計数値を上位ビットとし、且つリングゲート遅延
回路５０内の各インバータ５２ａ，５２ｂ，…，５２ｍ
の出力を下位ビットとして格納する。
【００２２】リングゲート遅延回路５０内のＮＡＮＤゲ
ート５１及びインバータ５２ａ，５２ｂ，…，５２ｍに
は、図５の差動増幅回路２５からの出力電圧（センサ素
子２ａの出力信号に相当する電圧）が与えられる。ま
た、図６のリングゲート遅延回路５０への印加電圧（セ
ンサ信号）Ｖinのみが変化し、それ以外の回路（例え
ば、図６のカウンタ５３やステックメモリ５４）への印
加電圧Ｖccは一定として駆動させるようになっている。
さらに、ＮＡＮＤゲート５１には、図７に示すパルス信
号ＰＡを与えられ、このパルスがオンレベルの時にセン
サ素子２ａが通電される。さらには、スタックメモリ５
４には図７に示すパルス列の信号ＰＢが与えられ、この
信号ＰＢは一定のサンプリング周期Δｔ（例えば、１０
０μｓｅｃ）を得るためのものである。
ート５１及びインバータ５２ａ，５２ｂ，…，５２ｍに
は、図５の差動増幅回路２５からの出力電圧（センサ素
子２ａの出力信号に相当する電圧）が与えられる。ま
た、図６のリングゲート遅延回路５０への印加電圧（セ
ンサ信号）Ｖinのみが変化し、それ以外の回路（例え
ば、図６のカウンタ５３やステックメモリ５４）への印
加電圧Ｖccは一定として駆動させるようになっている。
さらに、ＮＡＮＤゲート５１には、図７に示すパルス信
号ＰＡを与えられ、このパルスがオンレベルの時にセン
サ素子２ａが通電される。さらには、スタックメモリ５
４には図７に示すパルス列の信号ＰＢが与えられ、この
信号ＰＢは一定のサンプリング周期Δｔ（例えば、１０
０μｓｅｃ）を得るためのものである。
【００２３】このような構成のＡ／Ｄ変換回路２６によ
る変換原理は以下の通りである。リングゲート遅延回路
５０内のＮＡＮＤゲート５１に対し、図７のパルス信号
ＰＡが与えられると、ＮＡＮＤゲート５１及び各インバ
ータ５２ａ，５２ｂ，…，５２ｍが電圧Ｖin（センサ信
号相当値）に応じた速度で逐次的に反転動作を開始し
て、そのパルス信号ＰＡの入力期間中は信号反転動作
（信号周回動作）が継続して行われる。そして、このパ
ルス信号反転回数（周回数）を示す二進数のデジタルデ
ータが、スタックメモリ５４に対しリアルタイムで与え
られることになる。
る変換原理は以下の通りである。リングゲート遅延回路
５０内のＮＡＮＤゲート５１に対し、図７のパルス信号
ＰＡが与えられると、ＮＡＮＤゲート５１及び各インバ
ータ５２ａ，５２ｂ，…，５２ｍが電圧Ｖin（センサ信
号相当値）に応じた速度で逐次的に反転動作を開始し
て、そのパルス信号ＰＡの入力期間中は信号反転動作
（信号周回動作）が継続して行われる。そして、このパ
ルス信号反転回数（周回数）を示す二進数のデジタルデ
ータが、スタックメモリ５４に対しリアルタイムで与え
られることになる。
【００２４】この後、図７に示すように、一定のサンプ
リング周期Δｔ（例えば、１００μｓｅｃ）を得るため
のパルス信号ＰＢの立上がり毎にスタックメモリ５４を
ラッチする。これにより、スタックメモリ５４内の各ラ
ッチデータの差に基づいて、インバータ５２ａ，５２
ｂ，…，５２ｍに与えられている電圧Ｖin（センサ信号
相当値）を２進数のデジタルデータに変換した値が得ら
れる。
リング周期Δｔ（例えば、１００μｓｅｃ）を得るため
のパルス信号ＰＢの立上がり毎にスタックメモリ５４を
ラッチする。これにより、スタックメモリ５４内の各ラ
ッチデータの差に基づいて、インバータ５２ａ，５２
ｂ，…，５２ｍに与えられている電圧Ｖin（センサ信号
相当値）を２進数のデジタルデータに変換した値が得ら
れる。
【００２５】このように図６のＡ／Ｄ変換回路（センサ
素子２ａの出力信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路）
２６は、反転動作時間が印加電圧Ｖinに応じて変化する
複数個の反転回路５２ａ，５２ｂ，…，５２ｍをリング
状に連結したリングゲート遅延回路５０を含んで構成さ
れ、差動増幅回路２５からの出力信号（センサ素子２ａ
の出力信号）をリングゲート遅延回路５０に印加電圧Ｖ
inとして与えるとともに、この状態でリングゲート遅延
回路５０にパルス信号ＰＡが入力されたときのパルス信
号反転回数（周回数）に基づいてボロメータ型赤外線セ
ンサ素子２ａの出力信号をＡ／Ｄ変換することができ
る。
素子２ａの出力信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路）
２６は、反転動作時間が印加電圧Ｖinに応じて変化する
複数個の反転回路５２ａ，５２ｂ，…，５２ｍをリング
状に連結したリングゲート遅延回路５０を含んで構成さ
れ、差動増幅回路２５からの出力信号（センサ素子２ａ
の出力信号）をリングゲート遅延回路５０に印加電圧Ｖ
inとして与えるとともに、この状態でリングゲート遅延
回路５０にパルス信号ＰＡが入力されたときのパルス信
号反転回数（周回数）に基づいてボロメータ型赤外線セ
ンサ素子２ａの出力信号をＡ／Ｄ変換することができ
る。
【００２６】この図６のＡ／Ｄ変換回路２６を用いるこ
とにより、パルス信号ＰＢの立上がり毎にＡ／Ｄ変換が
可能となり、図８に示すように、１素子の測定中（通電
時間中）にパルス信号ＰＢを繰り返し立ち上げることに
よって、１回の測定で数回のＡ／Ｄ変換されたデータを
得ることができる。その数回分のデータを平均すること
によって、１回の測定におけるデータの信頼性を向上す
ることが可能となる。
とにより、パルス信号ＰＢの立上がり毎にＡ／Ｄ変換が
可能となり、図８に示すように、１素子の測定中（通電
時間中）にパルス信号ＰＢを繰り返し立ち上げることに
よって、１回の測定で数回のＡ／Ｄ変換されたデータを
得ることができる。その数回分のデータを平均すること
によって、１回の測定におけるデータの信頼性を向上す
ることが可能となる。
【００２７】このようにして、センサ素子２ａの熱時定
数が数ｍｓｅｃと短いために、信号処理回路にて熱画像
データを作成する時に、数回の平均化処理が可能とな
る。仮に、熱時定数が５ｍｓｅｃで、センサの熱画像出
力サイクルが３０ｍｓｅｃとする。１０ｍｓｅｃ間隔で
測定したとしても、自己発熱の影響は無視できる。よっ
て、１回のデータ出力（１画素分のデータ出力）までに
３回のデータ取得が可能となり、平均して出力すること
により、センサの高周波ノイズを取り除くことが可能と
なり、より信頼性の高い熱画像データの作成が可能とな
る。
数が数ｍｓｅｃと短いために、信号処理回路にて熱画像
データを作成する時に、数回の平均化処理が可能とな
る。仮に、熱時定数が５ｍｓｅｃで、センサの熱画像出
力サイクルが３０ｍｓｅｃとする。１０ｍｓｅｃ間隔で
測定したとしても、自己発熱の影響は無視できる。よっ
て、１回のデータ出力（１画素分のデータ出力）までに
３回のデータ取得が可能となり、平均して出力すること
により、センサの高周波ノイズを取り除くことが可能と
なり、より信頼性の高い熱画像データの作成が可能とな
る。
【００２８】さらに、図６のＡ／Ｄ変換回路２６を用い
ることによる効果について言及する。赤外線センサにお
いて、センサ素子の数（画素数）が増えてくると、１素
子の検知時間間隔を律速するのは検出回路よりもむしろ
後段の信号処理回路側である。画素数が増えて、高速で
なおかつ高精度な測定を可能にするためには、高機能の
Ａ／Ｄ変換回路が必要となる。しかし、安価なコストが
求められるセンサには、そのような高機能のＡ／Ｄ変換
回路は使えない。
ることによる効果について言及する。赤外線センサにお
いて、センサ素子の数（画素数）が増えてくると、１素
子の検知時間間隔を律速するのは検出回路よりもむしろ
後段の信号処理回路側である。画素数が増えて、高速で
なおかつ高精度な測定を可能にするためには、高機能の
Ａ／Ｄ変換回路が必要となる。しかし、安価なコストが
求められるセンサには、そのような高機能のＡ／Ｄ変換
回路は使えない。
【００２９】図６のＡ／Ｄ変換回路２６は、数μＶの電
圧分解能で１８ビット相当のＡ／Ｄ変換が可能である。
しかも、通常のＣＭＯＳ回路作成工程で作成することが
できる。よって、通常のＡ／Ｄ変換回路に比べてその占
有面積も小さくできるため、非常に低コストである。そ
の結果、図５のように、一つのセンサアレイに対して、
複数のＡ／Ｄ変換回路２６を持つことが可能となる。つ
まり、センサアレイの縦の列と同じ数のＡ／Ｄ変換回路
２６を用いたとすると、１個のＡ／Ｄ変換回路２６が受
け持つ素子数はセンサアレイの横の列と同じ数となり、
縦一列毎を同時にＡ／Ｄ変換していけば、Ａ／Ｄ変換に
要する時間は１素子の測定時間×センサアレイの横列の
数の時間とすることができる。これにより、熱時定数と
同等以上の待ち時間で１素子を繰り返し測定することが
可能となり、数回の平均をとることができる。
圧分解能で１８ビット相当のＡ／Ｄ変換が可能である。
しかも、通常のＣＭＯＳ回路作成工程で作成することが
できる。よって、通常のＡ／Ｄ変換回路に比べてその占
有面積も小さくできるため、非常に低コストである。そ
の結果、図５のように、一つのセンサアレイに対して、
複数のＡ／Ｄ変換回路２６を持つことが可能となる。つ
まり、センサアレイの縦の列と同じ数のＡ／Ｄ変換回路
２６を用いたとすると、１個のＡ／Ｄ変換回路２６が受
け持つ素子数はセンサアレイの横の列と同じ数となり、
縦一列毎を同時にＡ／Ｄ変換していけば、Ａ／Ｄ変換に
要する時間は１素子の測定時間×センサアレイの横列の
数の時間とすることができる。これにより、熱時定数と
同等以上の待ち時間で１素子を繰り返し測定することが
可能となり、数回の平均をとることができる。
【００３０】また、図６のＡ／Ｄ変換回路２６のタイミ
ングを制御しているＰＡ、ＰＢのパルス信号を、図５の
各列のＡ／Ｄ変換回路２６に同時に入力することによ
り、複数の素子の同タイミングでの測定が可能となる。
これにより、測定時間の短縮が可能となる。
ングを制御しているＰＡ、ＰＢのパルス信号を、図５の
各列のＡ／Ｄ変換回路２６に同時に入力することによ
り、複数の素子の同タイミングでの測定が可能となる。
これにより、測定時間の短縮が可能となる。
【００３１】なお、図６に示したＡ／Ｄ変換回路２６は
基板の占有面積が狭いため、各素子にそれぞれ１個ずつ
Ａ／Ｄ変換回路を持つことも可能である。これにより、
各画素のデータ取り込みタイミングをそろえることが可
能である。また、ある位置の画素（センサ素子２ａ）の
みサンプリング周期を短くしたり、ある画素群だけ同時
に取得したりと、ランダムなデータ取得タイミングを調
整することも可能である。
基板の占有面積が狭いため、各素子にそれぞれ１個ずつ
Ａ／Ｄ変換回路を持つことも可能である。これにより、
各画素のデータ取り込みタイミングをそろえることが可
能である。また、ある位置の画素（センサ素子２ａ）の
みサンプリング周期を短くしたり、ある画素群だけ同時
に取得したりと、ランダムなデータ取得タイミングを調
整することも可能である。
【００３２】このように本実施形態は、下記の特徴を有
する。 （イ）ボロメータ型赤外線センサ素子２ａを高熱伝導性
雰囲気中に配置するとともに、同一のボロメータ型赤外
線センサ素子２ａの抵抗値変化の読み取り間隔Δｔを、
当該センサ素子２ａの熱時定数よりも大きくした。よっ
て、高速で、かつ自己発熱の影響を無くして測定するこ
とができる。 （ロ）ボロメータ型赤外線センサ素子２ａを高熱伝導性
雰囲気中に配置するとともに、一定時間内に同一のボロ
メータ型赤外線センサ素子２ａの抵抗値変化の読み取り
を所定回行ってこの所定回での読み取り結果を平均化し
て出力する際に、同一のボロメータ型赤外線センサ素子
２ａの抵抗値変化の読み取り間隔Δｔを、当該センサ素
子２ａの熱時定数よりも大きくした。よって、高速で、
かつ自己発熱の影響を無くして測定することができる。 （ハ）図６のＡ／Ｄ変換回路２６を用いることによっ
て、 ・一つのセンサ素子２ａへの一回の通電にて複数のＡ／
Ｄ変換データを得たり、 ・ボロメータ型赤外線センサ素子２ａを多数並設したセ
ンサアレイ２に対しＡ／Ｄ変換回路２６を複数設けた
り、 ・複数のセンサ素子２ａに対し同時に通電して読み取り
を行うようにしたり、 ・複数のＡ／Ｄ変換回路２６を用いて、複数のセンサ素
子２ａを同時に通電した際の複数のセンサ素子２ａの出
力信号を同時にＡ／Ｄ変換するといったことができる。
する。 （イ）ボロメータ型赤外線センサ素子２ａを高熱伝導性
雰囲気中に配置するとともに、同一のボロメータ型赤外
線センサ素子２ａの抵抗値変化の読み取り間隔Δｔを、
当該センサ素子２ａの熱時定数よりも大きくした。よっ
て、高速で、かつ自己発熱の影響を無くして測定するこ
とができる。 （ロ）ボロメータ型赤外線センサ素子２ａを高熱伝導性
雰囲気中に配置するとともに、一定時間内に同一のボロ
メータ型赤外線センサ素子２ａの抵抗値変化の読み取り
を所定回行ってこの所定回での読み取り結果を平均化し
て出力する際に、同一のボロメータ型赤外線センサ素子
２ａの抵抗値変化の読み取り間隔Δｔを、当該センサ素
子２ａの熱時定数よりも大きくした。よって、高速で、
かつ自己発熱の影響を無くして測定することができる。 （ハ）図６のＡ／Ｄ変換回路２６を用いることによっ
て、 ・一つのセンサ素子２ａへの一回の通電にて複数のＡ／
Ｄ変換データを得たり、 ・ボロメータ型赤外線センサ素子２ａを多数並設したセ
ンサアレイ２に対しＡ／Ｄ変換回路２６を複数設けた
り、 ・複数のセンサ素子２ａに対し同時に通電して読み取り
を行うようにしたり、 ・複数のＡ／Ｄ変換回路２６を用いて、複数のセンサ素
子２ａを同時に通電した際の複数のセンサ素子２ａの出
力信号を同時にＡ／Ｄ変換するといったことができる。
【００３３】これまでの説明においてはセンサ素子とし
て熱型赤外線センサ素子であるボロメータ型赤外線セン
サ素子を用いた場合について述べてきたが、他の熱型赤
外線センサ素子である焦電型やサーモパイル型等を用い
た場合に適用してもよい。
て熱型赤外線センサ素子であるボロメータ型赤外線セン
サ素子を用いた場合について述べてきたが、他の熱型赤
外線センサ素子である焦電型やサーモパイル型等を用い
た場合に適用してもよい。
【００３４】また、自動車用以外にも、人物の位置取得
を利用した各種家電製品、工業製品の制御に利用するこ
とができる。
を利用した各種家電製品、工業製品の制御に利用するこ
とができる。
【図１】 赤外線イメージセンサの構成図。
【図２】 センサ素子の縦断面図。
【図３】 回路構成を示す図。
【図４】 使用例を示す図。
【図５】 回路構成を説明するための図。
【図６】 リングゲート遅延回路を備えたＡ／Ｄ変換回
路の構成図。
路の構成図。
【図７】 Ａ／Ｄ変換回路に与えるパルス信号を示す
図。
図。
【図８】 サンプリングタイミングを説明するための
図。
図。
【図９】 熱時定数差による測定誤差を説明するための
図。
図。
２…赤外線センサアレイ、２ａ…ボロメータ型赤外線セ
ンサ素子、２６…Ａ／Ｄ変換回路、５０…リングゲート
遅延回路、５２ａ…インバータ、５２ｂ…インバータ、
５２ｍ…インバータ。
ンサ素子、２６…Ａ／Ｄ変換回路、５０…リングゲート
遅延回路、５２ａ…インバータ、５２ｂ…インバータ、
５２ｍ…インバータ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｊ 5/02 Ｇ０１Ｊ 5/02 Ｃ 5/48 5/48 Ｄ Ｈ０１Ｌ 27/14 Ｈ０１Ｌ 37/02 37/02 Ｈ０４Ｎ 5/33 Ｈ０４Ｎ 5/33 Ｈ０１Ｌ 27/14 Ｋ (72)発明者 安藤 浩 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 2G065 AB02 BA11 BA12 BA13 BA34 BA36 BA38 BC03 BC05 BC07 BC17 BC19 BC22 BC28 BC31 BC33 CA13 2G066 AC13 BA09 BB09 BC02 BC07 CA02 4M118 AA10 CA16 CA40 CB20 GA10 GD03 GD07 GD09 HA02 5C024 AX06 BX04 CX31 EX15 GY31 HX21 HX23 HX32 HX52 HX53 JX06 JX45
Claims (7)
- 【請求項１】 熱型赤外線センサ素子（２ａ）を多数並
設したセンサアレイ（２）に対し被温度測定物からの赤
外線を照射して、赤外線の熱を前記熱型赤外線センサ素
子（２ａ）で吸収し、この熱による各熱型赤外線センサ
素子（２ａ）の抵抗値変化を当該センサ素子（２ａ）へ
の通電を行いながら読み取り、各熱型赤外線センサ素子
（２ａ）毎の熱画像データを得るようにした熱型赤外線
イメージセンサにおいて、 前記熱型赤外線センサ素子（２ａ）を高熱伝導性雰囲気
中に配置するとともに、同一の熱型赤外線センサ素子
（２ａ）の抵抗値変化の読み取り間隔（Δｔ）を、当該
センサ素子（２ａ）の熱時定数よりも大きくしたことを
特徴とする熱型赤外線イメージセンサ。 - 【請求項２】 熱型赤外線センサ素子（２ａ）を多数並
設したセンサアレイ（２）に対し被温度測定物からの赤
外線を照射して、赤外線の熱を前記熱型赤外線センサ素
子（２ａ）で吸収し、この熱による各熱型赤外線センサ
素子（２ａ）の抵抗値変化を当該センサ素子（２ａ）へ
の通電を行いながら読み取り、各熱型赤外線センサ素子
（２ａ）毎の熱画像データを得るようにした熱型赤外線
イメージセンサにおいて、 前記熱型赤外線センサ素子（２ａ）を高熱伝導性雰囲気
中に配置するとともに、一定時間内に同一の熱型赤外線
センサ素子（２ａ）の抵抗値変化の読み取りを所定回行
ってこの所定回での読み取り結果を平均化して出力する
際に、同一の熱型赤外線センサ素子（２ａ）の抵抗値変
化の読み取り間隔（Δｔ）を、当該センサ素子（２ａ）
の熱時定数よりも大きくしたことを特徴とする熱型赤外
線イメージセンサ。 - 【請求項３】 請求項１または２に記載の熱型赤外線イ
メージセンサにおいて、 前記熱型赤外線センサ素子（２ａ）の出力信号をＡ／Ｄ
変換するＡ／Ｄ変換回路（２６）として、反転動作時間
が印加電圧に応じて変化する複数個の反転回路（５２
ａ，５２ｂ，…，５２ｍ）をリング状に連結したリング
ゲート遅延回路（５０）を含んで構成し、 前記熱型赤外線センサ素子（２ａ）の出力信号を前記リ
ングゲート遅延回路（５０）に印加電圧として与えると
ともに、この状態で前記リングゲート遅延回路（５０）
にパルス信号（ＰＡ）が入力されたときの反転回数に基
づいて前記熱型赤外線センサ素子（２ａ）の出力信号を
Ａ／Ｄ変換するようにしたことを特徴とする熱型赤外線
イメージセンサ。 - 【請求項４】 請求項３に記載の熱型赤外線イメージセ
ンサにおいて、 前記Ａ／Ｄ変換回路（２６）を用いて、一つのセンサ素
子（２ａ）への一回の通電にて複数のＡ／Ｄ変換データ
を得ることを特徴とする熱型赤外線イメージセンサ。 - 【請求項５】 請求項３に記載の熱型赤外線イメージセ
ンサにおいて、 前記熱型赤外線センサ素子（２ａ）を多数並設したセン
サアレイ（２）に対し前記Ａ／Ｄ変換回路（２６）を複
数設けたことを特徴とする熱型赤外線イメージセンサ。 - 【請求項６】 請求項３に記載の熱型赤外線イメージセ
ンサにおいて、 複数のセンサ素子（２ａ）に対し同時に通電して読み取
りを行うようにしたことを特徴とする熱型赤外線イメー
ジセンサ。 - 【請求項７】 請求項６に記載の熱型赤外線イメージセ
ンサにおいて、 前記複数のＡ／Ｄ変換回路（２６）を用いて、複数のセ
ンサ素子（２ａ）を同時に通電した際の複数のセンサ素
子（２ａ）の出力信号を同時にＡ／Ｄ変換するようにし
たことを特徴とする熱型赤外線イメージセンサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000145263A JP2001324390A (ja) | 2000-05-17 | 2000-05-17 | 熱型赤外線イメージセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000145263A JP2001324390A (ja) | 2000-05-17 | 2000-05-17 | 熱型赤外線イメージセンサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001324390A true JP2001324390A (ja) | 2001-11-22 |
Family
ID=18651794
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000145263A Pending JP2001324390A (ja) | 2000-05-17 | 2000-05-17 | 熱型赤外線イメージセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001324390A (ja) |
Cited By (14)
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-
2000
- 2000-05-17 JP JP2000145263A patent/JP2001324390A/ja active Pending
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