JP2008082789A

JP2008082789A - 赤外線センサ装置

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Publication number: JP2008082789A
Application number: JP2006261462A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Hyodo; 聡兵頭
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2026-09-26
Also published as: JP4840046B2

Abstract

【課題】センサ素子の周囲温度による検出精度のばらつきを抑制することができる赤外線センサ装置を提供する。
【解決手段】計測手段８は、センサ回路７に読出電圧を印加して抵抗ボロメータからなるセンサ素子Ｓに電流を流すことにより、センサ素子Ｓの抵抗値に相当する計測値を計測する。オフセット値レジスタ２０は、センサ素子Ｓが赤外線を受光していない状態で計測手段８により計測された計測値をオフセット値として保持する。検出値レジスタ２１は、センサ素子Ｓが赤外線を受光している状態で計測手段８により計測された計測値とオフセット値との差分を検出値として検出する。計測手段８は、読出電圧をセンサ回路７に印加する計測期間の前に、所定のアイドリング値の電圧をセンサ回路７に印加するアイドリング動作をセンサ素子Ｓの温度が安定するまで行うアイドリング期間を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線の受光量を検出する赤外線センサ装置に関するものである。

従来から、この種の赤外線センサ装置として、赤外線を受光することによる温度上昇に応じて抵抗値が変化する抵抗ボロメータをセンサ素子として備え、センサ素子の抵抗値の変化に基づいてセンサ素子での赤外線の受光量を検出するものが知られている（たとえば特許文献１参照）。

この種の赤外線センサ装置の動作について図８を参照して以下に説明する。なお、図８では、（ａ）に赤外線の照射量、（ｂ）にセンサ素子に印加される電圧Ｖｒ、（ｃ）にセンサ素子Ｓａの抵抗値Ｒａ、（ｄ）にセンサ素子Ｓａとは別のセンサ素子Ｓｂの抵抗値Ｒｂを示す。

期間ｔ５〜ｔ７において、図８（ａ）に示すように赤外線が照射されると、赤外線センサ装置は図８（ｃ）、（ｄ）のようにセンサ素子Ｓａ，Ｓｂの抵抗値Ｒａ，Ｒｂが赤外線受光による温度上昇に応じてそれぞれ変化する。ここで、センサ素子Ｓａの抵抗値Ｒａは、期間ｔ６〜ｔ７のようにセンサ素子Ｓａに電圧Ｖｒを印加してセンサ素子Ｓａに電流を流した状態で、たとえばセンサ素子Ｓａの抵抗値Ｒａに相当する電圧に基づいて計測される。センサ素子Ｓｂの抵抗値Ｒｂも同様に計測される。

ところで、センサ素子は、赤外線吸収による温度上昇を抵抗値変化として出力するだけでなく、センサ素子の周囲温度（たとえばセンサ素子が実装された基板の温度）の変化に対しても抵抗値変化を生じる。そのため、各々にセンサ素子Ｓａ，Ｓｂを備える複数台の赤外線センサ装置では、センサ素子Ｓａ，Ｓｂでの赤外線受光量が同一であってもセンサ素子Ｓａ，Ｓｂの周囲温度によって赤外線センサ装置ごとに検出結果がばらつき、検出精度のばらつきを生じる可能性がある。そこで、センサ素子の周囲温度変化によるセンサ素子の抵抗値変化を抑制するための構成がたとえば特許文献１に提案されている。

特許文献１には、赤外線の計測時以外において、センサ素子の温度を周囲温度によらず一定に保つようにセンサ素子を通電加熱する構成が記載されている。また、赤外線の計測時にセンサ素子を通電加熱することにより、センサ素子の温度を周囲温度によらず一定に保つ構成も特許文献１に記載されている。
特開２００２−３１０７８３号公報（第３頁）

しかし、特許文献１に記載された前者の構成では、温度センサによって検出した周囲温度に応じてセンサ素子への通電を制御するため、センサ素子への通電制御の構成が複雑になる。また、特許文献１に記載された後者の構成では、センサ素子への通電時間を長くとることができずセンサ素子の温調範囲が比較的狭いので、センサ素子の温度が安定する前に計測値が読み出されることによって、センサ素子の周囲温度による検出精度のばらつきを生じることがある。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであって、センサ素子の周囲温度による検出精度のばらつきを抑制することができる赤外線センサ装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明では、赤外線受光による温度上昇に応じて抵抗値が変化する抵抗ボロメータからなるセンサ素子と、センサ素子を含むセンサ回路に読出電圧を印加してセンサ素子に電流を流すことにより、センサ素子の抵抗値に相当する計測値を計測する計測手段と、センサ素子が赤外線を受光していない状態で計測手段により計測された計測値をオフセット値として保持するオフセット値保持手段と、センサ素子が赤外線を受光している状態で計測手段により計測された計測値と前記オフセット値との差分を、センサ素子での赤外線の受光量を表す検出値として検出する検出手段とを備え、計測手段は、前記読出電圧をセンサ回路に印加する計測期間の前に、所定のアイドリング値の電圧をセンサ回路に印加するアイドリング動作をセンサ素子の温度が安定するまで行うアイドリング期間を有し、アイドリング期間においては、センサ素子が赤外線を受光していない状態と受光している状態とで同等のアイドリング動作を行うことを特徴とする。

この構成によれば、計測手段が、計測期間の前のアイドリング期間に、所定のアイドリング値の電圧をセンサ回路に印加するアイドリング動作をセンサ素子の温度が安定するまで行うので、計測期間には、センサ素子の温度が周囲温度の変化によらず比較的安定することとなり、センサ素子の周囲温度変化によるセンサ素子の抵抗値変化が抑制される。しかも、アイドリング期間においては、センサ素子が赤外線を受光していない状態と受光している状態とで同等のアイドリング動作が行われるので、センサ素子が赤外線を受光していない状態で計測される計測値と、センサ素子が赤外線を受光している状態で計測される計測値とのいずれについても、センサ素子の周囲温度による検出精度のばらつきが抑制される。ここに、センサ素子が赤外線を受光していない状態で計測される計測値をオフセット値とし、センサ素子が赤外線を受光している状態で計測される計測値とオフセット値との差分を検出値としているので、検出値に関してセンサ素子の周囲温度による検出精度のばらつきが抑制されることになる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記計測手段が、前記センサ素子が赤外線を受光していない状態での前記計測期間において、前記アイドリング値よりも小さい既定値をアイドリング値に加算した加熱値の電圧を前記読出電圧として印加する加熱動作と、アイドリング値から前記既定値を減算した放熱値の電圧を読出電圧として印加する放熱動作とを同一時間長で交互に行い、前記オフセット値保持手段が、加熱動作中に計測されるセンサ素子の抵抗値に相当する値と放熱動作中に計測されるセンサ素子の抵抗値に相当する値との平均値を前記オフセット値として保持することを特徴とする。

この構成によれば、計測期間においてセンサ回路に印加される電圧値は、アイドリング動作時に比べると加熱動作時には既定値だけ大きくなり放熱動作時には既定値だけ小さくなるので、センサ素子の抵抗値はアイドリング動作終了時点から加熱動作中および放熱動作中に電流変化に伴ってそれぞれ変化する。ここで、加熱動作中に計測されるセンサ素子の抵抗値に相当する値と、放熱動作中に計測されるセンサ素子の抵抗値に相当する値との平均値をオフセット値としているので、アイドリング動作終了時点からの電流変化に伴う抵抗値変化はオフセット値に反映されない。そのため、通電に対するセンサ素子の温度上昇傾向にセンサ素子ごとにばらつきがあっても、オフセット値の検出精度のばらつきを抑制することができる。なお、オフセット値はアイドリング値の電圧をセンサ回路に印加した場合に得られるオフセット値と同値となる。また、放熱動作時にはアイドリング動作時や加熱動作時に比べてセンサ素子を流れる電流が小さくなるので、センサ素子は、アイドリング動作時および加熱動作時にジュール熱により加熱され温度が上昇した後、放熱動作時において放熱により温度が低下することとなる。その結果、たとえば比較的短い間隔で読出電圧が繰り返し印加されても、放熱動作時においてセンサ素子の放熱が起こることにより、経時的にセンサ素子の温度が徐々に上昇することを防止でき、センサ素子の経時的な抵抗値変化を抑制することができる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記計測手段が、前記センサ素子が赤外線を受光している状態での前記計測期間において、前記アイドリング値よりも小さい既定値をアイドリング値に加算した加熱値の電圧を前記読出電圧として印加する加熱動作と、アイドリング値から前記既定値を減算した放熱値の電圧を読出電圧として印加する放熱動作とを同一時間長で交互に行い、前記検出手段が、加熱動作中に計測されるセンサ素子の抵抗値に相当する値と放熱動作中に計測されるセンサ素子の抵抗値に相当する値との平均値と前記オフセット値との差分を前記検出値として検出することを特徴とする。

この構成によれば、計測期間においてセンサ回路に印加される電圧値は、アイドリング動作時に比べると加熱動作時には既定値だけ大きくなり放熱動作時には既定値だけ小さくなるので、センサ素子の抵抗値はアイドリング動作終了時点から加熱動作中および放熱動作中に電流変化に伴ってそれぞれ変化する。ここで、加熱動作中に計測されるセンサ素子の抵抗値に相当する値と、放熱動作中に計測されるセンサ素子の抵抗値に相当する値との平均値とオフセット値との差分を検出値としているので、アイドリング動作終了時点からの電流変化に伴う抵抗値変化は検出値に反映されない。そのため、通電に対するセンサ素子の温度上昇傾向にセンサ素子ごとにばらつきがあっても、検出値の検出精度のばらつきを抑制することができる。なお、検出値はアイドリング値の電圧をセンサ回路に印加した場合に得られる検出値と同値となる。また、放熱動作時にはアイドリング動作時や加熱動作時に比べてセンサ素子を流れる電流が小さくなるので、センサ素子は、アイドリング動作時および加熱動作時にジュール熱により加熱され温度が上昇した後、放熱動作時において放熱により温度が低下することとなる。その結果、たとえば比較的短い間隔で読出電圧が繰り返し印加されても、放熱動作時においてセンサ素子の放熱が起こることにより、経時的にセンサ素子の温度が徐々に上昇することを防止でき、センサ素子の経時的な抵抗値変化を抑制することができる。

請求項４の発明は、請求項２または請求項３の発明において、前記計測手段が、前記加熱動作と前記放熱動作とを少なくとも１回ずつ行う度に、前記アイドリング動作を行うことを特徴とする。

この構成によれば、加熱動作と放熱動作とを少なくとも１回ずつ行う度に、センサ回路に印加される電圧が加熱値と放熱値との中間値となるアイドリング値に戻されるので、センサ素子において加熱と放熱との対称性が維持され赤外線受光量の検出精度の向上が期待できる。

本発明は、計測手段が、計測期間の前のアイドリング期間に、所定のアイドリング値の電圧をセンサ回路に印加するアイドリング動作をセンサ素子の温度が安定するまで行うので、計測期間には、センサ素子の温度が周囲温度の変化によらず比較的安定することとなり、センサ素子の周囲温度変化によるセンサ素子の抵抗値変化が抑制される。しかも、アイドリング期間においては、センサ素子が赤外線を受光していない状態と受光している状態とで同等のアイドリング動作が行われるので、センサ素子が赤外線を受光していない状態で計測される計測値と、センサ素子が赤外線を受光している状態で計測される計測値とのいずれについても、センサ素子の周囲温度による検出精度のばらつきが抑制される。ここに、センサ素子が赤外線を受光していない状態で計測される計測値をオフセット値とし、センサ素子が赤外線を受光している状態で計測される計測値とオフセット値との差分を検出値としているので、検出値に関してセンサ素子の周囲温度による検出精度のばらつきが抑制されるという利点がある。

（実施形態１）
本実施形態では、それぞれ赤外線の受光量を検出する多数のセンサ素子を１枚の基板上にマトリクス状に２次元配列してなるセンサアレイを備え、温度分布を所謂熱画像として画像情報と同様に扱うことができる赤外線イメージセンサを赤外線センサ装置の一例として説明する。なお、各センサ素子はそれぞれ画素を構成する。

本実施形態の赤外線センサ装置１は、図２に示すように、筐体２内に上記センサアレイ３が他の電子部品と共に実装された回路基板４を収納して構成されている。筐体２においては、センサアレイ３の前方（図２（ｂ）の左方）に窓孔５が開口され、赤外線に対して透過性を有するレンズ６が窓孔５を塞ぐように配置される。したがって、センサアレイ３は、筐体２の前方に存在する対象物から赤外線が放射されるとレンズ６を通してこの赤外線を受光することになる。

センサアレイ３の各センサ素子Ｓ（画素）は、図３に示すように、それぞれ赤外線受光による温度上昇に応じて抵抗値が変化する抵抗ボロメータから構成されている。ここに、赤外線センサ装置１はセンサ素子Ｓを含むセンサ回路７（図１参照）に電圧信号からなる読出信号（読出電圧）を印加してセンサ素子Ｓに電流を流すことによりセンサ素子Ｓの抵抗値を検出する計測手段８（図１参照）を有し、この抵抗値を使用して赤外線受光量を求める。以下に計測手段８の概略構成について説明する。

センサ素子Ｓは、各一端部がスイッチング素子Ｑ１を介してセンサアレイ３の行ごとに共通の水平走査線９に接続される。各水平走査線９は、それぞれ増幅器１０およびサンプル・ホールド回路１１を介して、入力を択一的に選択するマルチプレクサ１２に接続されている。

各スイッチング素子Ｑ１はセンサアレイ３の列ごとに共通の垂直走査線１３に接続されており、各垂直走査線１３に択一的に選択信号を出力する走査回路１４からの前記選択信号を受けてそれぞれオンする。すなわち、走査回路１４で垂直走査線１３を択一的に選択し且つマルチプレクサ１２で水平走査線９を択一的に選択することにより、マルチプレクサ１２の入力対象として１つのセンサ素子Ｓを選択することができる。なお、ここではセンサ素子Ｓが１２８行×１２８列に配置され、水平走査線９および垂直走査線１３が１２８本ずつ設けられた例を示す。

ここにおいて、各水平走査線９はそれぞれ赤外線が照射されても抵抗値が変化しない（所謂受光感度のない）参照抵抗Ｒｒ（リファレンス抵抗）を介して接地されている。参照抵抗Ｒｒはセンサ素子Ｓの初期抵抗値（赤外線が照射されていない状態での抵抗値）と同一の抵抗値を持ち、センサ素子Ｓと共にセンサ回路７を構成する。センサ素子Ｓと参照抵抗Ｒｒとは、抵抗値の整合をとるため同一基板上に同一の加工プロセスにより形成される。

各センサ素子Ｓは読出信号を発生する読出信号発生回路１５（図１参照）に他端部１６（スイッチング素子Ｑ１とは反対側の端部）が接続されており、対応するスイッチング素子Ｑ１のオン時にセンサ素子Ｓおよび参照抵抗Ｒｒの直列回路（センサ回路７）の両端間に前記読出信号が印加される。これにより、計測手段８は、マルチプレクサ１２の入力対象として１つのセンサ素子Ｓを選択した状態で、当該センサ素子Ｓを含むセンサ回路７に読出信号を印加すれば当該センサ素子Ｓの抵抗値に応じた電圧（参照抵抗Ｒｒの両端電圧）がインピーダンス変換と増幅とを行う増幅器１０およびサンプル・ホールド回路１１を通してマルチプレクサ１２に入力されることになる。

したがって、マルチプレクサ１２で水平走査線９を順次選択して各センサ素子Ｓの抵抗値を計測する処理を、走査回路１４で垂直走査線１３を切り替えながら全ての垂直走査線１３について行うことにより、全てのセンサ素子Ｓの抵抗値を時系列的に計測することができる。なお、マルチプレクサ１２の出力はＡ／Ｄコンバータ１７によりアナログ−ディジタル変換されて出力される。Ａ／Ｄコンバータ１７より後段の回路はディジタル回路で構成される。

ところで、センサ素子Ｓに電流を流すと、電流によって生じるジュール熱がセンサ素子Ｓの温度を上昇させ、この温度上昇によってもセンサ素子Ｓの抵抗値が僅かながら変化する。ここにおいて、本実施形態の赤外線センサ装置１は、検出結果からジュール熱の影響を除くために、センサ素子Ｓの抵抗値を直接用いて赤外線受光量を求めるのではなく、センサ素子Ｓの抵抗値に相当する計測値を計測手段８で算出し、当該計測値と後述のオフセット値との差分をとることにより赤外線受光量を求める構成を採用する。計測値を算出する構成については後述する。以下では、計測値を用いてセンサ素子Ｓへの赤外線受光量を求めるための構成について図１を用いて説明する。

図１は検出対象とする１つのセンサ素子Ｓａについて計測値を計測するための構成を等価的に図示したものであって、第１のスイッチＳＷ１が上述したスイッチング素子Ｑ１に相当し、第２のスイッチＳＷ２が上述したマルチプレクサ１２に相当する。すなわち、センサ素子Ｓａに対応した垂直走査線１３に走査回路１４から選択信号が出力されると第１のスイッチＳＷ１がオンし、マルチプレクサ１２でセンサ素子Ｓａに対応した水平走査線９が選択されると第２のスイッチＳＷ２がオンする。そして、第１および第２の両スイッチＳＷ１，ＳＷ２がオンした状態で読出信号発生回路１５が読出信号を発生すると、センサ素子Ｓａの抵抗値Ｒａに相当する電圧（参照抵抗Ｒｒの両端電圧）が増幅器１０で増幅されて出力値Ｖｏｕｔとなり、Ａ／Ｄコンバータ１７を通して出力される。

ここにおいて、詳しくは後述するが、計測手段８の最後段には平均値レジスタ１８が設けられており、増幅器１０の出力値Ｖｏｕｔから算出された値が平均値レジスタ１８に保持される。この平均値レジスタ１８に保持される値が計測手段８で計測される計測値となる。

平均値レジスタ１８の後段には、出力先を第１出力１９ａおよび第２出力１９ｂから択一的に選択する第１の選択回路１９が接続されている。選択回路１９の第１出力１９ａには平均値レジスタ１８の出力（つまり計測値）をオフセット値ｒ０として保持するオフセット値レジスタ２０（オフセット値保持手段）が接続され、選択回路１９の第２出力１９ｂにはオフセット値レジスタ２０に保持されたオフセット値ｒ０と選択回路１９の出力（つまり計測値）との差分を検出値ｒ１として保持する検出値レジスタ２１（検出手段）が接続される。

一方、本実施形態の赤外線センサ装置１では、赤外線受光量の測定を行う前に、レンズ６に赤外線を遮断するフィルム（図示せず）を貼り付けセンサ素子Ｓへの赤外線照射を禁止した状態で、計測手段８により計測値の計測を少なくとも１度行う。ここでは、赤外線照射が禁止された状態での計測値の計測を赤外線センサ装置１の出荷前に行う例を示すが、これに限らず、たとえば赤外線センサ装置１の電源を投入する度に行うようにしてもよい。

選択回路１９は、計測手段８に設けられたタイミング制御回路２２によって出力先を選択するタイミングが制御され、平均値レジスタ１８の計測値が更新されるごとに第１出力１９ａと第２出力１９ｂとのいずれかに計測値を出力するように構成される。ここでは、センサ素子Ｓａが赤外線を受光していない状態（センサ素子Ｓへの赤外線照射が禁止された状態）で計測された計測値がオフセット値レジスタ２０に出力され、センサ素子Ｓａが赤外線を受光している状態で計測された計測値が検出値レジスタ２１に出力されるように出力先を選択する。

この構成によれば、オフセット値レジスタ２０に入力される計測値（つまりオフセット値レジスタ２０に設定されるオフセット値ｒ０）には、読出信号の印加によるジュール熱に起因した抵抗値Ｒａの変化が反映され、一方、検出値レジスタ２１に入力される計測値には、読出信号の印加によるジュール熱に起因した抵抗値Ｒａの変化と赤外線受光による温度上昇に起因した抵抗値Ｒａの変化との両方が反映される。

したがって、オフセット値ｒ０と検出値レジスタ２１の入力値との差分である検出値ｒ１においては、ジュール熱に起因したセンサ素子Ｓａの抵抗値Ｒａの変化は反映されず、赤外線受光によるセンサ素子Ｓａの温度上昇に起因した抵抗値Ｒａの変化のみが反映される。ここで、赤外線センサ装置１は、センサ素子Ｓａでの赤外線の受光量を表す値として検出値ｒ１を出力する。その結果、センサ素子Ｓａでの赤外線受光量の検出結果（検出値ｒ１）にジュール熱の影響が反影されることはない。

さらに、通電に対するセンサ素子Ｓａの温度上昇傾向にはセンサ素子Ｓａごとに多少のばらつきがあり、ジュール熱に起因する抵抗値の変化量はセンサ素子Ｓａごとに異なることがある。ここに、本実施形態の構成によれば、検出値ｒ１にジュール熱の影響が反影されることはないので、複数台の赤外線センサ装置１について、通電に対するセンサ素子Ｓａの温度上昇傾向に赤外線センサ装置１ごとにばらつきがあっても、センサ素子Ｓａでの赤外線受光量が同一であれば全ての赤外線センサ装置１において同値の検出値ｒ１を得ることができ、赤外線センサ装置１ごとの検出精度のばらつきを抑制することができる。

ところで、本実施形態の読出信号発生回路１５は、読出信号をセンサ回路７に印加する計測期間Ｔｂ（図４（ｂ）参照）の前に、所定のアイドリング値Ａの電圧をセンサ回路７に印加するアイドリング動作を行うアイドリング期間Ｔａ（図４（ｂ）参照）が設定されている。

アイドリング期間Ｔａにおいては、ジュール熱により変化したセンサ素子Ｓａの温度が安定するまでアイドリング動作が行われる。ここでは、センサ回路７の出力（センサ素子Ｓａと参照抵抗Ｒｒとの接続点の電位）の経時的な変動が、赤外線センサ装置１で検出可能な赤外線受光量の最小単位（つまり分解能）に対するセンサ回路７の出力変化よりも小さい適当な範囲内に収まる状態を、センサ素子Ｓａの温度が安定した状態とする。たとえば、赤外線センサ装置１で検出可能な赤外線受光量の最小単位に対するセンサ回路７の出力変化が１０μＶである場合には、その半分（５μＶ）以下にセンサ回路７の出力変動が収まるまでアイドリング動作を行うことが望ましい。アイドリング動作は、センサ素子Ｓａが赤外線を受光していない状態と受光している状態とで、同一のアイドリング値Ａの電圧を用いて同様に行われる。

この構成によれば、アイドリング期間Ｔａに、アイドリング値Ａの電圧がセンサ回路７に印加されることによりセンサ素子Ｓａが通電加熱されるので、アイドリング期間Ｔａ終了後の計測期間Ｔｂには、センサ素子Ｓａの温度が周囲温度の変化によらず比較的安定することとなり、センサ素子Ｓａの周囲温度変化によるセンサ素子Ｓａの抵抗値Ｒａの変化が抑制される。しかも、センサ素子Ｓａが赤外線を受光していない状態と受光している状態とで同等のアイドリング動作が行われるので、センサ素子Ｓａが赤外線を受光していない状態で計測される計測値と、センサ素子Ｓａが赤外線を受光している状態で計測される計測値とのいずれについても、センサ素子Ｓａの周囲温度による検出精度のばらつきが抑制される。ここに、センサ素子Ｓａが赤外線を受光していない状態で計測される計測値をオフセット値ｒ０とし、センサ素子Ｓａが赤外線を受光している状態で計測される計測値とオフセット値ｒ０との差分を検出値ｒ１としているので、検出値ｒ１に関してセンサ素子Ｓａの周囲温度による検出精度のばらつきが抑制されることになる。

また、読出信号として一定値の電圧を繰り返し印加した場合には、ジュール熱によりセンサ素子Ｓａが繰り返し加熱される。ここに、比較的短い間隔で読出信号が繰り返し印加されると、センサ素子Ｓａが放熱される前に再加熱されることにより、センサ素子Ｓａの温度が徐々に上昇し、センサ素子Ｓａの抵抗値Ｒａが徐々に変化する可能性がある。この場合に、上述したオフセット値ｒ０の設定を適当な時間間隔で行いオフセット値ｒ０を更新していくようにすれば、センサ素子Ｓａの経時的な抵抗値Ｒａ変化がオフセット値ｒ０に反映されるので、センサ素子Ｓａの経時的な抵抗値Ｒａ変化が差し引かれた検出値ｒ１を検出することができる。

ただし、本実施形態のように赤外線センサ装置１の出荷前にのみオフセット値ｒ０の設定が行われる場合には、センサ素子Ｓａの経時的な抵抗値Ｒａ変化が検出値ｒ１に反映され、赤外線の検出精度が経時的に低下する可能性がある。そこで、本実施形態では以下に説明する構成により、センサ素子Ｓａの経時的な抵抗値Ｒａ変化そのものを抑制する。

すなわち、本実施形態の計測手段８は、読出信号発生回路１５が、一定の大きさの電圧信号ではなく、期間ごとに大きさ（電圧値）の変化する電圧信号を読出信号（図４（ｂ）参照）として出力している。ここでは、計測期間Ｔｂにおいて、アイドリング値Ａよりも既定値α（ただし、α＜Ａ）だけ高い加熱値（Ａ＋α）の電圧を読出信号として出力する加熱動作と、アイドリング値Ａよりも既定値αだけ低い放熱値（Ａ−α）の電圧を読出信号として出力する放熱動作との２種類の動作を交互に行う。具体的には、読出信号発生回路１５は、アイドリング動作を行った後、加熱動作および放熱動作を交互に行うことにより、図４（ｂ）の期間ｔ２〜ｔ４と期間ｔ５〜ｔ７と期間ｔ８〜ｔ１０に示す電圧Ｖｒを読出信号としてセンサ回路７に印加する。図４（ｂ）では、アイドリング動作と加熱動作と放熱動作との組み合わせを繰り返し行う例を示す。

読出信号発生回路１５は、センサ回路７への印加電圧の大きさを変化させるタイミングがタイミング制御回路２２によって制御されており、ここではアイドリング期間Ｔａと、計測期間Ｔｂのうち加熱動作を行う期間と放熱動作を行う期間とのそれぞれが同一時間長（以下、単位時間長という）となるように制御されている。本実施形態では、この単位時間長がタイミング制御回路２２で制御可能な時間の最小単位である。

計測手段８は、加熱動作の終了時点で計測されたセンサ素子Ｓａの抵抗値Ｒａと、放熱動作の終了時点で計測されたセンサ素子Ｓａの抵抗値Ｒａとの平均値を、計測値として上述の平均値レジスタ１８に保持するように構成されている。具体的に説明すると、マルチプレクサ１２の後段（つまり図１ではＡ／Ｄコンバータ１７の後段）には、出力先を第１出力２３ａおよび第２出力２３ｂから択一的に選択する第２の選択回路２３が接続されている。選択回路２３の第１出力２３ａにはセンサ素子Ｓａの抵抗値Ｒａに応じた増幅器１０の出力値Ｖｏｕｔを保持する加熱時レジスタ２４が接続され、第２出力２３ｂには同出力値Ｖｏｕｔを保持する放熱時レジスタ２５が接続される。なお、出力値Ｖｏｕｔは、Ａ／Ｄコンバータ１７でディジタル値に変換されてから加熱時レジスタ２４および放熱レジスタ２５に保持される。

選択回路２３は、タイミング制御回路２２によって出力先を選択するタイミングが制御され、加熱動作の終了時点で加熱時レジスタ２４に出力値Ｖｏｕｔを出力し、放熱動作の終了時点で放熱時レジスタ２５に出力値Ｖｏｕｔを出力するように構成される。これにより、加熱時レジスタ２４には加熱値（Ａ＋α）の電圧を読出信号としてセンサ回路７に印加した状態でのセンサ素子Ｓａの抵抗値Ｒａが保持され、放熱時レジスタ２５には放熱値（Ａ−α）の電圧を読出信号としてセンサ回路７に印加した状態でのセンサ素子Ｓａの抵抗値Ｒａが保持される。

平均値レジスタ１８は、加熱時レジスタ２４と放熱時レジスタ２５との後段に接続され、加熱時レジスタ２４に保持された値と放熱時レジスタ２５に保持された値との平均値を算出し、計測値として保持する。なお、加熱時レジスタ２４および放熱時レジスタ２５に保持される値はディジタル値であって２進数で表されるので、平均値レジスタ１８は、加熱時レジスタ２４に保持された値に放熱時レジスタ２５に保持された値を加算後、右に１桁シフトすることによって平均値を算出する。

すなわち、平均値レジスタ１８には、加熱動作の終了時点での出力値Ｖｏｕｔと、放熱動作の終了時点での出力値Ｖｏｕｔとの平均値が計測値として保持される。これにより、アイドリング値Ａの電圧をセンサ回路７に印加した状態で得られる計測値と同値の計測値が得られる。平均値レジスタ１８はタイミング制御回路２２で動作タイミングが制御されており、ここでは放熱動作の終了時点の次のタイミング（つまり放熱動作の終了時点から単位時間長の時間経過後）で計測値を算出するように構成される。なお、第１の選択回路１９は、平均値レジスタ１８で計測値が算出された時点の次のタイミング（つまり計測値が算出された時点から単位時間長の時間経過後）で、オフセット値レジスタ２０あるいは検出値レジスタ２１に計測値を出力する。

上述した構成によれば、計測期間Ｔｂにおいてセンサ回路７に印加される電圧値は、アイドリング期間Ｔａに比べると加熱動作時には既定値αだけ大きくなり放熱動作時には既定値αだけ小さくなるので、センサ素子Ｓａの抵抗値Ｒａはアイドリング動作終了時点から加熱動作中および放熱動作中に電流変化に伴ってそれぞれ変化する。ここで、加熱動作の終了時点での出力値Ｖｏｕｔと、放熱動作の終了時点での出力値Ｖｏｕｔとの平均値を平均値レジスタ１８に保持させているので、アイドリング動作終了時点からの電流変化に伴う抵抗値変化は平均値レジスタ１８に保持された値（計測値）に反映されない。そのため、通電に対するセンサ素子Ｓａの温度上昇傾向にセンサ素子Ｓａごとにばらつきがあっても、オフセット値ｒ０および検出値ｒ１においては検出精度のばらつきが抑制される。

さらに、放熱動作時には、アイドリング動作時や加熱動作時に比べて、センサ回路７に印加される電圧が小さくなるからセンサ素子Ｓａを流れる電流が小さくなる。そのため、センサ素子Ｓａは、アイドリング動作時および加熱動作時にジュール熱により加熱され温度が上昇した後、放熱動作時において放熱により温度が低下することとなる。その結果、比較的短い間隔で読出信号が繰り返し印加されても、放熱動作時においてセンサ素子Ｓａが放熱されることにより、経時的にセンサ素子Ｓａの温度が徐々に上昇することを防止でき、センサ素子Ｓａの経時的な抵抗値Ｒａ変化を抑制することができる。

以下、本実施形態の赤外線センサ装置１の動作について図４を参照して説明する。なお、図４では、（ａ）に赤外線の照射量、（ｂ）にセンサ回路７への印加電圧Ｖｒ、（ｃ）にセンサ素子Ｓａの抵抗値Ｒａ、（ｄ）に出力値Ｖｏｕｔ、（ｅ）に加熱時レジスタ２４の内容、（ｆ）に放熱レジスタ２５の内容、（ｇ）に平均値レジスタ１８の内容、（ｈ）にオフセット値レジスタ２０の内容、（ｉ）に検出値レジスタ２１の内容を示す。

期間ｔ０〜ｔ４は遮断期間Ｔ０とし、レンズ６に赤外線を遮断するフィルムを貼り付けセンサ素子Ｓａへの赤外線照射を禁止している。そして、期間ｔ１〜ｔ２のアイドリング期間Ｔａに、アイドリング値Ａの電圧Ｖｒがセンサ回路７に印加され、時点ｔ２においてはセンサ素子Ｓａの抵抗値Ｒａはアイドリング値Ａに応じた値で飽和する。

その後、期間ｔ２〜ｔ４の計測期間Ｔｂのうち、期間ｔ２〜ｔ３の加熱動作時には加熱値（Ａ＋α）の電圧Ｖｒがセンサ回路７に印加され、時点ｔ３においてはセンサ素子Ｓａの抵抗値Ｒａが加熱値に応じた値で飽和するとともに、このときの抵抗値Ｒａに相当する出力値Ｖｏｕｔが加熱時レジスタ２４に保持される。期間ｔ３〜ｔ４の放熱動作時には放熱値（Ａ−α）の電圧Ｖｒがセンサ回路７に印加され、時点ｔ４においてはセンサ素子Ｓａの抵抗値Ｒａが放熱値に応じた値で飽和するとともに、このときの抵抗値Ｒａに相当する出力値Ｖｏｕｔが放熱時レジスタ２５に保持される。

その後、時点ｔ５において、加熱時レジスタ２４に保持されている値と放熱時レジスタ２５に保持されている値との平均値が平均値レジスタ１８に保持され、時点ｔ６において、平均値レジスタ１８に保持されている値（計測値）がオフセット値レジスタ２０にオフセット値ｒ０として保持される。ここまでの動作により、オフセット値ｒ０が設定される。

一方、時点ｔ４以降は、レンズ６のフィルムが剥がされセンサ素子Ｓａで赤外線を受光可能な状態にある。時点ｔ４以降においても、読出信号発生回路１５と加熱時レジスタ２４と放熱時レジスタ２５と平均値レジスタ１８との動作は、オフセット値ｒ０の設定時と同様である。ただし、平均値レジスタ１８に計測値を保持した次のタイミングで、平均値レジスタ１８に保持されている値がオフセット値レジスタ２０ではなく、検出値レジスタ２１に出力される点がオフセット値ｒ０の設定時とは相違する。すなわち、時点ｔ９や時点ｔ１２においては、平均値レジスタ１８に保持されている計測値とオフセット値レジスタ２０に保持されているオフセット値ｒ０との差分が検出値レジスタ２１に検出値ｒ１として保持される。これにより、センサ素子Ｓａでの赤外線の受光量を表す検出値ｒ１を検出することができる。

また、この赤外線センサ装置１は、上述したように多数のセンサ素子Ｓでセンサアレイ３を構成しているので、センサアレイ３を構成するセンサ素子Ｓ間でも、通電に対する温度上昇傾向にばらつきを生じる可能性がある。すなわち、たとえばセンサアレイ３のうちの対向する角部（たとえば左上と右下）にそれぞれ設けられたセンサ素子Ｓａとセンサ素子Ｓｂとにおいては、各センサ回路７に同等の読出信号を印加した場合でも、図５に示すようにジュール熱による抵抗値Ｒａ，Ｒｂの変化に違いがある。なお、図５では、（ａ）に赤外線の照射量、（ｂ）にセンサ回路７への印加電圧Ｖｒ、（ｃ）にセンサ素子Ｓａの抵抗値Ｒａ、（ｄ）にセンサ素子Ｓｂの抵抗値Ｒｂを示す。

そこで、本実施形態の赤外線センサ装置１は、計測手段８での計測値の計測と、オフセット値レジスタ２０へのオフセット値ｒ０の設定と、検出値レジスタ２１での検出値ｒ１の算出との全ての処理を、センサ素子Ｓごとに行う構成を採用している。この構成によれば、各センサ素子Ｓについて、個別に設定されたオフセット値ｒ０を用いて検出値ｒ１がそれぞれ検出されることとなり、各検出値ｒ１にはそれぞれ、赤外線受光による温度上昇に起因した抵抗値変化のみが反映され、ジュール熱に起因したセンサ素子Ｓの抵抗値の抵抗値変化は反映されない。その結果、図５（ｃ）、（ｄ）に示すように、ジュール熱による抵抗値変化が異なるセンサ素子Ｓａとセンサ素子Ｓｂとに関しても、各センサ素子Ｓａ，Ｓｂでの赤外線受光量が同一であれば両センサ素子Ｓａ，Ｓｂにおいて同値の検出値ｒ１を得ることができ、センサ素子Ｓごとの検出精度のばらつきを抑制することができる。なお、図５の例では、期間ｔ４〜ｔ６に亘りアイドリング動作を継続しているが、期間ｔ４〜ｔ５のアイドリング動作は必須ではない。

また、本実施形態では、読出信号発生回路１５が加熱動作と放熱動作とを一通り行う度に、つまり計測期間Ｔｂが終了する度にアイドリング動作を行うことにより、センサ回路７への印加電圧Ｖｒを計測期間Ｔｂが終了する度に加熱値と放熱値との平均値（中間値）となるアイドリング値Ａに戻すようにしてあるので、センサ素子Ｓにおいて加熱と放熱との対称性が維持され赤外線受光量の検出精度の向上が期待できる。ただし、このように計測期間Ｔｂが終了する度にアイドリング動作を行わせる構成は必須ではなく、また、読出信号発生回路１５が加熱動作と放熱動作とを複数回ずつ行う度に、つまり複数回の計測期間Ｔｂが終了する度にアイドリング動作を行うようにしてもよい。

（実施形態２）
本実施形態の赤外線センサ装置１は、図６に示すように筐体２の窓孔５を閉塞する閉塞位置（図６（ｃ）の状態）と開放する開放位置（図６（ｂ）の状態）との間で移動可能なシャッター２６を有する点が実施形態１の赤外線センサ装置１とは相違する。シャッター２６は赤外線を遮断する材料からなり、シャッター２６が閉塞位置にある状態では、赤外線は窓孔５を通して筐体２内に照射することがないので、センサ素子Ｓへの赤外線照射が禁止されることとなる。

オフセット値レジスタ２０へのオフセット値ｒ０の設定を行うためには、センサ素子Ｓへの赤外線照射が禁止された環境を用意する必要がある。本実施形態の構成によれば、シャッター２６を閉塞位置に移動するだけでセンサ素子Ｓへの赤外線照射を容易に禁止できるので、オフセット値レジスタ２０へのオフセット値ｒ０の設定を簡単に行うことができる。そこで、本実施形態の赤外線センサ装置１は、オフセット値ｒ０の設定を適当な時間間隔で行いオフセット値ｒ０を更新していく構成を採用している。

以下に、赤外線センサ装置１の動作について図７を参照して説明する。なお、図７では、（ａ）に赤外線の照射量、（ｂ）にセンサ回路７への印加電圧Ｖｒ、（ｃ）にセンサ素子Ｓａの抵抗値Ｒａ、（ｄ）に出力値Ｖｏｕｔ、（ｅ）に加熱時レジスタ２４の内容、（ｆ）に放熱レジスタ２５の内容、（ｇ）に平均値レジスタ１８の内容、（ｈ）にオフセット値レジスタ２０の内容、（ｉ）に検出値レジスタ２１の内容を示す。本実施形態の基本的な動作は図４に示した実施形態１の動作と同様であるから、実施形態１と共通する動作については説明を省略する。

図７では、期間ｔ０〜ｔ４を遮断期間Ｔ０とし、シャッター２６を閉塞位置に配置してセンサ素子Ｓａへの赤外線照射を禁止している。この状態で期間ｔ２〜ｔ４の計測期間Ｔｂに計測された計測値が、時点ｔ６においてオフセット値ｒ０として設定される。

一方、期間ｔ４〜ｔ１１は、シャッター２６が開放位置に配置されセンサ素子Ｓａで赤外線を受光可能な状態にある。この状態で期間ｔ５〜ｔ７および期間ｔ８〜ｔ１０の計測期間Ｔｂに計測された計測値に関しては、時点ｔ６で設定されたオフセット値ｒ０を用いて検出値ｒ１がそれぞれ検出される（時点ｔ９、時点ｔ１２）。

ここで、時点ｔ１１以降に再び遮断期間Ｔ０を設定し、シャッター２６を閉塞位置に配置してセンサ素子Ｓａへの赤外線照射を禁止している。この状態で期間ｔ１３〜ｔ１５の計測期間Ｔｂに計測された計測値によって、オフセット値レジスタ２０内のオフセット値ｒ０が更新され、次回の赤外線受光量の検出時には、更新後のオフセット値ｒ０を用いて検出値ｒ１が検出される。

上述した構成により、たとえば赤外線センサ装置１の使用環境（周囲温度など）が変わっても、常に適正な値がオフセット値ｒ０として設定されることとなり、赤外線受光量の検出精度の向上が期待できる。その他の構成および機能は実施形態１と同様である。

なお、上述した各実施形態では、多数のセンサ素子１を有するセンサアレイ３を備えた赤外線イメージセンサを赤外線センサ装置１の一例として示したが、本発明は、赤外線イメージセンサに限らず、赤外線受光による温度上昇に応じて抵抗値が変化する抵抗ボロメータからなるセンサ素子Ｓを備え、センサ素子Ｓの抵抗値の変化に基づいて赤外線の受光量を検出する種々の赤外線センサ装置１に適用することができる。

本発明の実施形態１の要部の概略構成を示すブロック図である。同上の構成を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図である。同上の構成を示す概略回路図である。同上の動作説明図である。同上の動作説明図である。本発明の実施形態２の構成を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）はシャッターが開放位置にある状態の断面図、（ｃ）はシャッターが閉塞位置にある状態の断面図である。同上の動作説明図である。従来例の動作説明図である。

符号の説明

１赤外線センサ装置
７センサ回路
８計測手段
２０オフセット値レジスタ（オフセット値保持手段）
２１検出値レジスタ（検出手段）
Ａアイドリング値
ｒ０オフセット値
ｒ１検出値
Ｓセンサ素子
Ｔａアイドリング期間
Ｔｂ計測期間
α 既定値

Claims

赤外線受光による温度上昇に応じて抵抗値が変化する抵抗ボロメータからなるセンサ素子と、センサ素子を含むセンサ回路に読出電圧を印加してセンサ素子に電流を流すことにより、センサ素子の抵抗値に相当する計測値を計測する計測手段と、センサ素子が赤外線を受光していない状態で計測手段により計測された計測値をオフセット値として保持するオフセット値保持手段と、センサ素子が赤外線を受光している状態で計測手段により計測された計測値と前記オフセット値との差分を、センサ素子での赤外線の受光量を表す検出値として検出する検出手段とを備え、計測手段は、前記読出電圧をセンサ回路に印加する計測期間の前に、所定のアイドリング値の電圧をセンサ回路に印加するアイドリング動作をセンサ素子の温度が安定するまで行うアイドリング期間を有し、アイドリング期間においては、センサ素子が赤外線を受光していない状態と受光している状態とで同等のアイドリング動作を行うことを特徴とする赤外線センサ装置。
前記計測手段は、前記センサ素子が赤外線を受光していない状態での前記計測期間において、前記アイドリング値よりも小さい既定値をアイドリング値に加算した加熱値の電圧を前記読出電圧として印加する加熱動作と、アイドリング値から前記既定値を減算した放熱値の電圧を読出電圧として印加する放熱動作とを同一時間長で交互に行い、前記オフセット値保持手段は、加熱動作中に計測されるセンサ素子の抵抗値に相当する値と放熱動作中に計測されるセンサ素子の抵抗値に相当する値との平均値を前記オフセット値として保持することを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ装置。
前記計測手段は、前記センサ素子が赤外線を受光している状態での前記計測期間において、前記アイドリング値よりも小さい既定値をアイドリング値に加算した加熱値の電圧を前記読出電圧として印加する加熱動作と、アイドリング値から前記既定値を減算した放熱値の電圧を読出電圧として印加する放熱動作とを同一時間長で交互に行い、前記検出手段は、加熱動作中に計測されるセンサ素子の抵抗値に相当する値と放熱動作中に計測されるセンサ素子の抵抗値に相当する値との平均値と前記オフセット値との差分を前記検出値として検出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の赤外線センサ装置。
前記計測手段は、前記加熱動作と前記放熱動作とを少なくとも１回ずつ行う度に、前記アイドリング動作を行うことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の赤外線センサ装置。