JP2009288066A - 赤外線センサ - Google Patents

Abstract

【課題】赤外線センサから離れた領域において高い分解能で温度を検出できる赤外線センサを提供する。
【解決手段】基板と、基板の上に設けられた絶縁膜と、絶縁膜上に、１軸上に配置された第１画素と第２画素とを含み、所定の検出領域の温度を検出する赤外線センサが、それぞれの画素は、絶縁膜の上に設けられた温接点と冷接点を有する熱電対と、熱電対の温接点を覆うように設けられた赤外線吸収膜とを含み、第１画素とその検出領域との間の距離は、第２画素とその検出領域との間の距離より大きく、第１画素の赤外線吸収膜の面積は、第２画素の赤外線吸収膜の面積より小さい。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線センサに関し、特に、人体の位置や室内の温度分布を検出するサーモパイルリニア型赤外線センサに関する。

エアコン等の家電製品では、省エネルギーかつ快適空間を実現するために、人体の位置や室内の温度分布を検知する高感度で簡便な赤外線検出器が必要とされる。このような赤外線検出器には、従来から、サーモパイルを画素に用いた赤外線センサ（素子）が使用されていた。この赤外線センサでは、熱電対の温接点がキャビティ上に、冷接点が枠体上にそれぞれ配置され、温接点の熱容量を低減したり、温接点から冷接点への熱伝導性を抑制することにより、高感度化がなされていた。サーモパイルはアレイ状に配置され、水平１軸方向に走査駆動を行い、任意の測定域の温度検出を行っていた（例えば、特許文献１参照）。

また、３個以上サーモパイルの画素がアレイ状に並べた赤外線センサも使用されていた。この赤外線検出器では、アレイの周端部の画素は、支持基板に熱が容易に伝わるため、支持基板に近い画素と、支持基板から遠い画素では、熱の逃げ方に差ができ、画素間で感度がばらつくという問題があった。このため、例えばサーモパイルの数に差をつけることにより、画素間の検出感度の差を補償する手段等が用いられていた（例えば、特許文献２参照）。
特開２００７−２８５８９２号公報 ＷＯ２００３−００６９３９号

しかしながら、このような赤外線センサでは、画素サイズがすべて同じであるため、赤外線検出器をエアコンなどに任意の俯角で設置した場合、赤外線検出器から近い領域を検知する画素の視野は狭くなり、一方、遠い領域を検知する画素の視野は広くなる。１つの画素からの出力は、その画素の視野全体の温度の平均値となるため、赤外線検出器から離れた領域では、温度検出の分解能が低くなるという問題があった。

本発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、赤外線センサから離れた領域において高い分解能で温度を検出できる赤外線センサの提供を目的とする。

本発明は、基板と、基板の上に設けられた絶縁膜と、絶縁膜上に、１軸上に配置された第１画素と第２画素とを含み、所定の検出領域の温度を検出する赤外線センサであって、それぞれの画素は、絶縁膜の上に設けられた温接点と冷接点を有する熱電対と、熱電対の温接点を覆うように設けられた赤外線吸収膜とを含み、第１画素とその検出領域との間の距離は、第２画素とその検出領域との間の距離より大きく、第１画素の赤外線吸収膜の面積は、第２画素の赤外線吸収膜の面積より小さいことを特徴とする赤外線センサである。

以上のように、赤外線センサを用いることにより、赤外線センサから離れた領域において、温度検出の分解能を向上させることができる。

実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１にかかる赤外線センサの上面図であり、図２は、図１のＡ−Ａにおける断面図である。
図１、２に示すように、赤外線センサ１００は、シリコン等の基板１を含む。基板１の表面には、例えばＳｉＯ_２やＳｉＮからなる絶縁膜２が設けられている。絶縁膜２の上には、複数の熱電対からなるサーモパイル（熱電堆：多数の熱電対を直列に接続して出力電圧を高くしたもの）７が設けられている。

図２に示すように、熱電対は、例えば、アルミニウム膜７ａとポリシリコン膜７ｂの対からなる。アルミニウム膜７ａとポリシリコン膜７ｂは、中心軸近傍で接続されて温接点４となる。温接点４の上には、例えば、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴｉＯＮ、Ｃｒ、ＮｉＣｒやこれらの積層膜からなる赤外線吸収膜３が設けられている。また、赤外線吸収膜３の下部の基板１は除去されて、キャビティ６が形成され（図１で、細線で囲まれた領域）、中空構造となっている。キャビティ６を設けることにより赤外線吸収膜３やサーモパイル７から熱が基板１に逃げるのを防止している。

一方、アルミニウム膜７ａとポリシリコン膜７ｂは、キャビティ６の外方の基板１の上で接続されて冷接点５となる。赤外線吸収膜３が赤外線を吸収することにより温接点４の温度が上昇し、温接点４と冷接点５との間に温度差ができ、ゼーベック効果により起電力が発生する。この起電力を検出することにより赤外線吸収膜３に入射した赤外線を検出することができる。

図１に示すように、赤外線センサ１００には、中心軸を挟んで略対称となるようにサーモパイル７が配置されている。絶縁膜２には、中心軸に垂直な方向（図１では横方向）に延びたスリット８が設けられている。スリット８は、キャビティ６の左端部から右端部に渡って、絶縁膜２を貫通するように設けられている。スリット８は、上下方向に一定間隔Ｗで並列に配置され、スリット８とスリット８との間が１つの画素となる。スリット８は、隣接する画素の間を熱的に分離している。赤外線センサ１００は、中心軸（１軸）に沿って配置された、縦４×横１の画素からなることになる。なお、図１では、理解しやすいように、スリット８にハッチングを付したが、実際は開口した構造である。

本実施の形態１にかかる赤外線センサ１００では、赤外線センサ１００が設置された位置から近い領域の温度を検出する画素の水平方向の視野は広く、遠い領域の温度を検出する画素の水平方向の視野は狭くなるようになっている。具体的には、図１において、上が遠い領域を検出する画素であり、下が近い領域を検出する画素となっている。赤外線吸収膜３は、上から下に向かって幅が次第に広くなる台形形状であり、上底および下底が中心線に垂直方向になるように設けられている。例えば、１番上の赤外線吸収膜３は、上辺（上底）ａ、下辺（下底）ｂの台形形状（ａ＜ｂ）となっている。また、２番目の赤外線吸収膜３は、上辺ｃ、下辺ｄの台形形状、３番目の赤外線吸収膜３は、上辺ｅ、下辺ｆの台形形状、４番目の赤外線吸収膜３は、上辺ｇ、下辺ｈの台形形状となっている（ａ＜ｂ＜ｃ＜ｄ＜ｅ＜ｆ＜ｇ＜ｈ）。具体的なａ〜ｈの値は、赤外線センサ１００と測定対象との位置関係（距離、俯角等）により決定される。これにより、赤外線センサ１００が設置された位置からの距離によらず、検出領域の幅を一定にできる。

なお、図１に示すように、赤外線吸収膜３の面積が大きくなるに従って、温接点５の面積も大きくなるのが好ましい。また、上述のように、上下方向の長さはＷで一定となっている。

図３は、赤外線センサ１００を備えた赤外線検出器９を、所定の高さに、所定の俯角で設置して床面の温度を検出する場合の、各画素の視野を示すものである。図３は床面を上方から見た場合の図であり、破線で囲んだ領域が、４つの画素に対応する視野（検出領域）となっている。赤外線センサ１００の中心軸は、床に垂直な平面内に配置される。赤外線検出器９は、例えば、レンズを有する金属製ＣＡＮケースに、赤外線センサ１００が搭載された構造となっている。

図１に示すように、赤外線センサ１００の赤外線吸収部３の水平方向の幅ａ〜ｈに対応した視野角θａ〜θｈとなっている。この結果、床状の視野の幅は、赤外線センサ１００からの距離によらず一定の値ｂとなっている。

これに対して、図４には、各画素の赤外線吸収部の水平方向の寸法が同じ従来構造の赤外線センサを、任意の高さ、任意の俯角で設置して床面の温度を検出した場合の、各画素の視野（検出領域）を示す。図４も、図３と同様に床面を上方から見た場合の図であり、実線で囲んだ領域が従来の赤外線センサの視野である。本発明にかかる赤外線センサ１００の視野を、破線で囲んだ領域として重ねて表示する。

図４から明らかなように、従来の赤外線センサでは、赤外線センサを含む赤外線検出器９からの距離が遠くなる程、視野の幅が広くなる。これに対して、本発明にかかる赤外線センサ１００では、赤外線検出器９からの距離が遠くなっても、視野の幅が一定となり、分解能を向上させることができる。

図５は、本実施の形態１にかかる赤外線検出器９により、床面の温度を検出した場合の視野を示す。Ｙ軸方向に並んだ４つの矩形領域が、図１に示す赤外線センサ１００の４つの画素に対応する視野である。視野の幅は、赤外線検出器９からの距離（Ｙ）によらず、一定値ｂとなっている。赤外線検出器９は、横方向Ｘに移動させることにより、図５に示すような隣接する領域の温度を順次検出することができる。これにより、所定の領域内の、人体や床の温度分布を検出することが可能となる。

取得される画像のＹ軸方向の解像度は、赤外線センサに配置される縦方向（中心軸方向）の画素数により決まる。一方、Ｘ軸方向（水平方向）の解像度は、撮像時に赤外線センサを、所定の移動ピッチだけ水平移動させる回数により決まる。
このように、本実施の形態１では、赤外線検出器９のＸ軸方向（水平方向）の移動ピッチを変更することにより、取得する画像の解像度を変更することが容易である。

ここで、赤外線センサ１００の赤外線吸収部３の横方向の寸法（図１のａ〜ｈ）は、各画素が検出する視野角に応じて決められる。図６を参照しながら、赤外線センサ（縦４×横１の画素）１００を含む赤外線検出器９を用いて床面の温度を検出する場合について説明する。赤外線センサ１００は、図６の平面内に中心軸が含まれるように配置される。

図６は、図５を横方向（Ｘ軸方向）に見た場合の図であり、図６に示す「Ｈ」は、赤外線検出器９が設置される高さである。また、「θ」及び「Ｌ」は、赤外線検出器９が高さＨの位置に設置されたときの俯角(物を見下ろしたとき、水平面と視線方向のなす角)によって決定される。赤外線検出器９は、縦４×横１の画素を備えた赤外線センサ１００を有する。赤外線センサ１００の４つの画素の垂直方向の視野角θ１は、各画素の垂直方向の長さがＷで一定であるため、すべての画素において同じ値θ１となる。

従って、赤外線検出器９からから最も離れた領域を検出する画素の視野範囲（検出領域）の横軸方向の長さＸ_１は、以下の式（１）で表される。

同様に、Ｘ_２は、

で表される。Ｘ_３、Ｘ_４も同様に表される。

図３に示した水平方向の視野角と関連付けて説明すると、図３に示す視野幅ｂは、検出する床面の水平方向の視野範囲であり、検出対象の大きさ、必要とされる分解能などに応じて決められる。赤外線検出器９から最も遠い領域を検出する画素の視野角θａは、次式（３）で表される。

一方、赤外線検出器９から最も近い領域を検出する画素の視野角θｈは、次式（４）で表される。

赤外線センサ１００を設計する場合、この水平方向の視野角の比率（θａ：θｂ：…θｇ：θｈ）に応じて、各画素の赤外線吸収部の水平方向の寸法（ａ〜ｈ）を決定すればよい。

実施の形態２．
図７は、全体が２００で表される、本実施の形態２にかかる赤外線センサの上面図である。図７中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
赤外線センサ２００では、中心軸に沿った方向の各画素の幅が、上から下に向かって順に大きくなっている（Ｗ＜Ｘ＜Ｙ＜Ｚ）。他の構造は、実施の形態１にかかる赤外線センサ１００と同じである。

赤外線センサ２００では、上から下に向かって、赤外線吸収膜３の大きさが、水平方向（ａ〜ｈ）だけでなく、垂直方向（Ｗ〜Ｚ）においても順に大きくなる。１番上が遠い領域の温度を検出する画素、４番目が近い領域の温度を検出する画素となっており、赤外線センサ２００が設置された位置からの距離によらず、検出領域の幅に加えて、検出領域の長さも一定にできる。即ち、４つの画素の検出領域の形状を略同一にすることができる。

各画素の中心軸に沿った方向の長さを変えるには、スリット８を形成する位置を中心軸に沿った方向（図７の上下方向）にずらして、スリット８のピッチを変えれば良い。スリット８の開口幅を変えることによっても、垂直方向の画素の長さを変えることができる。

図８は、本実施の形態２にかかる赤外線検出器９により、床面の温度を検出した場合の視野を示す。Ｙ軸方向に並んだ４つの矩形領域が、図７に示す赤外線センサ２００の４つの画素に対応する視野領域（検出領域）である。視野の幅は、赤外線検出器９からの距離（Ｙ）によらず、一定値ｂとなっている。更に、視野の長さも、赤外線検出器９からの距離（Ｙ）によらず、一定値ａとなっている。赤外線検出器９は、例えば、ステッピングモータのような駆動手段を用いて横方向Ｘに移動させることにより、図８に示すような隣接する領域の温度を順次検出することができる。これにより、所定領域の、人体や床の温度分布を検出することが可能となる。このように、本実施の形態１の赤外線検出器と同様に、本実施の形態２にかかる赤外線検出器９でも、Ｘ軸方向（水平方向）の移動ピッチを変更することにより、取得する画像の解像度を容易に変更できる。

図７の垂直方向の各画素の大きさ（Ｗ〜Ｚ）、具体的には、赤外線吸収膜３の大きさは、各画素が検出する視野角に応じて決められる。
図９は、図８を横方向（Ｘ軸方向）に見た場合の図であり、図９に示す「Ｈ」は、赤外線検出器９が設置される高さである。また、「θ」及び「Ｌ」は、赤外線検出器９が高さＨの位置に設置されたときの俯角によって決定される。赤外線検出器９は、縦４×横１の画素を備えた赤外線センサ２００を有する。図９の横軸のａは、１つの画素が検出する検出領域の長さであり、４つの検出領域で等しくなっている。ａの値は、検出対象の大きさ、必要とする分解能などに応じて決められる。
ここで、赤外線検出器２００から最も遠い領域の温度を検出する画素の視野角θ_１は、次式（５）で表される。

また、２番目に遠い領域の温度を検出する画素の視野角θ_２は、次式（６）で表される。

３、４番目の画素の垂直方向の視野角も同様に表すことができる。この視野角の比（θ_１：θ_２：θ_３：θ_４）に応じて、各画素の長さ（Ｗ、Ｘ、Ｙ、Ｚ）、即ち赤外線吸収膜３の長さを決定し、かかる間隔に応じて画素間にスリット８を形成する。これにより、赤外線センサから遠い領域を検出する画素の垂直方向（図７の中心軸に沿った方向）の長さ（例えばＷ）は、赤外線センサから近い領域を検出する画素の長さ（例えばＺ）に比べて小さくなるように、画素間にスリット８が形成される。

かかる構造の赤外線センサ２００を用いることにより、赤外線検出器からの距離によらず検出領域の大きさ（長さａおよび幅ｂ）を一定にすることができ、特に赤外線センサから離れた領域でも高い分解能で温度の検出が可能となる。

ここでは、赤外線センサの赤外線吸収膜の水平方向の大きさ（ａ〜ｈ）、垂直方向の大きさ（Ｗ〜Ｚ）を変化させたが、垂直方向の大きさ（Ｗ〜Ｚ）のみを変えても構わない。

なお、実施の形態１、２を通じて、赤外線センサの赤外線吸収膜の水平方向の大きさ（ａ〜ｈ）や、垂直方向の大きさ（Ｗ〜Ｚ）は、赤外線センサが配置される位置（高さＨ、俯角θ）や、検出領域の位置、必要とされる分解能に応じて設計される。

また、実施の形態１では視野（検出領域）の幅ｂが一定となるように、また、実施の形態２では視野（検出領域）の長さａと幅ｂがともに一定となるように、赤外線吸収膜３の寸法を設計したが、視野（検出領域）の長さや幅が任意の値となるように、赤外線吸収膜３の寸法を設計することも可能である。

本発明の実施の形態１にかかる赤外線センサの上面図である。 図１のＡ−Ａにおける断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる赤外線センサの各画素の視野を示す。 本発明の実施の形態１にかかる赤外線センサの視野と、従来の赤外線センサの視野との比較を示す。 本実施の形態１にかかる赤外線検出器により、床面の温度を検出した場合の視野を示す。 図５を横方向（Ｘ軸方向）に見た場合の図である。 本発明の実施の形態２にかかる赤外線センサの上面図である。 本実施の形態２にかかる赤外線検出器により、床面の温度を検出した場合の視野を示す。 図８を横方向（Ｘ軸方向）に見た場合の図である。

符号の説明

１ 基板、２ 絶縁膜、３ 赤外線吸収膜、４ 温接点、５ 冷接点、６ キャビティ、７ サーモパイル、８ スリット、１００ 赤外線センサ。

Claims (6)

1. 基板と、
   該基板の上に設けられた絶縁膜と、
   該絶縁膜上に、１軸上に配置された第１画素と第２画素とを含み、所定の検出領域の温度を検出する赤外線センサであって、
   それぞれの画素は、該絶縁膜の上に設けられた温接点と冷接点を有する熱電対と、該熱電対の温接点を覆うように設けられた赤外線吸収膜とを含み、
   該第１画素とその検出領域との間の距離は、該第２画素とその検出領域との間の距離より大きく、該第１画素の該赤外線吸収膜の面積は、該第２画素の該赤外線吸収膜の面積より小さいことを特徴とする赤外線センサ。
2. 上記第１画素の赤外線吸収膜は、上記１軸方向に垂直な上底ａと下底ｂを有する台形からなり、上記第２画素の赤外線吸収膜は、該１軸方向に垂直な上底ｃと下底ｄを有する台形からなり、ａ＜ｂ＜ｃ＜ｄの関係が成り立つことを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
3. 上記第１画素および上記第２画素の赤外線吸収膜は、それぞれが上記１軸に垂直な２辺を有する四角形であり、該第２画素の赤外線吸収膜の該２辺の間の距離Ｙは、該第１画素の赤外線吸収膜の該２辺の間の距離Ｘより大きい（Ｘ＜Ｙ）ことを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線センサ。
4. 上記第１画素と上記第２画素との間に、上記１軸方向に垂直な方向に上記絶縁膜を貫通したスリットが設けられたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の赤外線センサ。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の赤外線センサをケース内に配置した赤外線検出器。
6. 請求項５の赤外線検出器と、上記１軸方向に垂直な方向に該赤外線検出器を移動させる駆動手段とを含む赤外線撮像装置。