JP2011252869A - 焦電素子及び焦電型赤外線センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 想定外の方向から想定外の大きさの赤外線放射物が検知領域に侵入してきても誤判定をおこさず、なおかつ赤外線以外の影響が補償できる焦電素子及び焦電型赤外線センサを提供すること。
【解決手段】 焦電体基板３４の受光面に、第一の矩形電極３５と第二の矩形電極３６とが互いに近接して第一の中心線に対して対称に配置され、第三の矩形電極３８と第四の矩形電極３９とが第一の矩形電極３５および第二の矩形電極３６の短辺の外側に近接して第二の中心線に対して対称に配置されており、第一の矩形電極３５と第二の矩形電極３６との間は接続電極３７によって接続され、第一の矩形電極３５および第二の矩形電極３６と、第三の矩形電極３８および第四の矩形電極３９が、それぞれＹ方向およびＸ方向に複数個配置されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、受光面に照射された赤外線を検知する焦電素子と、複数個の焦電素子を用いて対象物から放射される赤外線を検知する焦電型赤外線センサに関する。

赤外線センサの一種である焦電型赤外線センサは、複数個の焦電素子を検出画素として備えている。

焦電素子は、焦電体基板の表裏に電極を設置した構造となっている。焦電体は、温度が変化していない状態でも自発分極により表面電荷を有するが、通常は表面に周囲の浮遊電荷を引き寄せて中性状態となっている。温度変化に伴い自発分極の状態が変化すると、その際の浮遊電荷の応答が遅いことから中性状態が崩れ、この結果表面電荷を生じる。この表面電荷の変化を焦電体基板の表裏に設けた電極から取り出し、出力信号としている。

次に焦電型赤外線センサについて説明する。図９は、２つの焦電素子を用いた赤外線センサの従来の一般的な検出回路を示す図である。図９において、１、２は焦電素子、１ａ、１ｂと２ａ、２ｂはそれぞれの焦電素子の表面および裏面に設けた電極、３、４は抵抗、５は電界効果型トランジスタ（以下ＦＥＴと記載する）、６は電源端子、７は出力端子、８はグランド端子である。

焦電素子１、２と、焦電素子１、２の高い出力インピーダンスを抵抗４で決まる低い出力インピーダンスに変換するためのＦＥＴ５と、焦電素子１、２とＦＥＴ５とのインピーダンス整合をとる抵抗３から構成されている。

図９の２つの焦電素子１、２及びそれらの電極１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂの構成の一例が特許文献１に記載されている。図１０は特許文献１に記載された焦電素子の構成を示す図であり、図１０（ａ）は受光面側からみた平面図、図１０（ｂ）は底面図である。図１０（ａ）に示すように焦電体基板９の一方の主面である受光面に２つの矩形状の電極１ｂ、２ｂが配置され、このふたつの電極が接続電極１０によって接続されている。焦電体基板９の裏面には図１０（ｂ）に示すように上記の電極１ｂ、２ｂと略同一の形状を有し、且つ電極１ｂ、２ｂと焦電体基板９を挟んでそれぞれ対向する電極１ａ、２ａが設置されている。さらに焦電体基板９の両端部には、外部と電気的接続を行うための取り付け電極１１ａ、１２ａが設置されており、この取り付け電極１１ａ、１２ａと上記の電極１ａ、２ａが各々リード電極１１ｂ、１２ｂにより接続されている。

焦電素子１、２を図１０（ｂ）の取り付け電極１１ａ、１２ａにより外部回路と接続すると、図９に示すように、焦電素子１に対して焦電素子２が極性が相反するように直列に接続されていることになる。このように接続することによって、外部温度の変化等で両素子に電荷が発生しても、その電荷量が同一であれば焦電素子１と焦電素子２の各々の出力は相殺されるため焦電素子１および２で受光される赤外線以外の影響が補償されるようになっている。

従って図９に示す検出回路により、電源端子６に所定の電圧を印加すると、出力端子７とグランド端子８の間に、焦電素子１および２で受光された赤外線量に応じた出力が得られる。

上述のように同一基板上に２つの基本的な焦電素子、すなわちシングル素子を配置し且つその２つのシングル素子の極性を反転して直列に接続したものをデュアル素子と称している。このデュアル素子を複数個、同一基板上に配置した焦電素子による焦電型赤外線センサの例が特許文献２に記載されている。図１１は特許文献２に記載された従来の焦電型赤外線センサを説明するための図である。図１１（ａ）は２つのデュアル素子からなる焦電素子の構成および検出回路を模式的に示す図である。図１１（ｂ）は４つのデュアル素子を用いた焦電素子の平面図、図１１（ｃ）は検出対象と焦電素子および光学系の配置を示す図である。図１１（ａ）において、焦電体基板１３にデュアル素子１４とデュアル素子１５が配置され、焦電素子１１０が構成されている。デュアル素子１４とデュアル素子１５は、図１０（ａ）、図１０（ｂ）に記載した素子と同一のものであるため説明を省略する。人体などの赤外線を放射する物体が移動している場合、光学系により焦電体基板１３の受光面に結像される検出対象はまずデュアル素子１４の検知領域に入りデュアル素子１４にて赤外線を検出し増幅器１６にて検知信号は増幅される。次に赤外線を放射する物体がデュアル素子１５の検知領域に移動するとデュアル素子１５にて赤外線を検知し増幅器１７にて検知信号が増幅される。この２つの検知信号には赤外線を放射する物体の移動速度に関連した時間のずれが生じ、この検知信号のずれを出力識別回路１８にて識別および判断を行い、赤外線を放射する物体の移動方向を検出する。

また、図１１（ｂ）に示すように、焦電素子１２０は、１枚の焦電体基板１９に、２つのデュアル素子２０、２１を単一軸上に配置し、さらにこれと並行に２つのデュアル素子２２、２３を並べた構造になっている。これと図１１（ｃ）に示すような専用の光学系２４を用い、デュアル素子２０とデュアル素子２１で遠距離の検知を行い、デュアル素子２２とデュアル素子２３で近距離の検知を行うように光学系２４と焦電素子１２０を配置する。この構成により、赤外線を放射する物体の移動方向と移動位置、距離を判断することができ、より詳細な検出が可能となる。

デュアル素子を複数個配置した従来の焦電素子及び焦電型赤外線センサは、特許文献３にも記載されている。図１２は特許文献３に記載された焦電型赤外線センサを説明するための図であり、図１２（ａ）は焦電素子の受光面側の平面図、図１２（ｂ）は底面図、図１２（ｃ）は検出対象と焦電素子および光学系の配置を示す図、図１２（ｄ）は検出回路を示す図である。図１２（ａ）に示すように、焦電体基板の受光面側に焦電素子の電極２６ａ、２５ａ、２５ｂ、２６ｂが順に配列され、焦電体基板の裏面には、図１２（ｂ）に示すように、前記の各電極２６ａ、２５ａ、２５ｂ、２６ｂにそれぞれ対向した位置に電極２８ａ、２７ａ、２７ｂ、２８ｂと、それらの電極に接続された取り出し電極が配置されている。電極２５ａ、２５ｂと電極２７ａ、２７ｂとで第１のデュアル素子２５を形成し、電極２６ａ、２６ｂと電極２８ａ、２８ｂとで第２のデュアル素子２６を形成している。さらにこれらのデュアル素子は図１２（ｄ）に示すように検出回路に接続される。図１２（ｄ）の検出回路では、第１のデュアル素子の検出結果をＦＥＴ２９を介して出力し、第２のデュアル素子の検出結果をＦＥＴ３０を介して出力する構成となっている。

次に図１２（ｃ）に基づいて特許文献３のセンサの動作を説明する。焦電素子１３０の電極２６ａ、２５ａ、２５ｂ、２６ｂには、それぞれ、検知領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄで放射する赤外線が、レンズ１２９にて集光され照射される。検知領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは連続した異なる領域である。赤外線が照射されることにより、第１のデュアル素子の電極２５ａ、２５ｂからの検出結果はＦＥＴ２９を介して出力され、第２のデュアル素子２６の電極２６ａ、２６ｂから検出結果はＦＥＴ３０を介して出力される。いま、図１２（ｃ）のように、検知対象である人が検知領域をＡからＢ、ＢからＣ、ＣからＤへと移動した場合、電極２６ａ、２５ａ、２５ｂ、２６ｂの順番で赤外線が照射される。この結果、検出回路により図１２（ｃ）に示すようなＦＥＴ２９の出力とＦＥＴ３０の出力が得られる。このように、ＦＥＴ２９、ＦＥＴ３０の出力を観測することで、赤外線を放射する物体の移動を検出することができる。また、この焦電素子１３０は、第１のデュアル素子を第２のデュアル素子が挟み込むことで、中心にある領域Ｂ、Ｃの警戒領域を第１のデュアル素子で検出し、警戒領域の周辺即ち領域Ａ、Ｄの警戒準備領域を第２のデュアル素子で検出する焦電素子として使用することもできる。

特開平５−１８７９１８号公報 登録実用新案公報第３０４２０６１号公報 特開２００７−２９２４６１号公報

焦電型赤外線センサは従来からセキュリティ用途に多く使用され、当初は図１０のような簡素な構造の焦電素子を用いて、検知領域への侵入の有無を検知できれば機能としては十分であった。しかし最近では、電気機器などの省エネルギー対策や使用者の利便性向上を目的とした用途にも多く使用され始め、検知領域内での人の移動方向や位置の特定、さらには人の動作を検知する機能が要求されてきている。これらの要求に対応するためには、特許文献２や特許文献３に記載されているセンサのように、一つの焦電素子内に多くのシングル素子やデュアル素子を配置し、検知領域を細分化することが必要である。しかし、このように複数の素子を配置した従来の焦電素子には以下に述べる問題があった。

第一の問題は、各シングル素子毎に検出する領域よりも大きな物が検知領域に侵入してきた場合や、赤外線を放射する物体が想定外の方向に移動する場合である。図１３はこのような従来の焦電素子により検出が難しい場合の例を説明する図であり、従来の図１１（ｂ）に示した焦電素子１２０を使用した場合の受光面が検知する領域を模式的に示す図である。図１３において、通常、焦電素子１２０は、受光面に結像される大きさが電極２０ａなどの幅と同程度以下である赤外線を放射する物体３３が矢印方向、すなわち左右に移動するのを検出することを目的とする。しかし安全性やセキュリティの観点からは、想定外の方向に移動する物体や想定外の大きさの物体が侵入した場合も検出できることが望ましい。もし、焦電素子１２０に３１で示した赤外線を放射する物体が矢印の向き、すなわち下に移動していく場合、まず電極２０ａに赤外線が照射される。電極２０ａは電極２０ｂとデュアル素子を形成しているので、電極２０ａにのみ赤外線が照射された場合、電極２０ａと電極２０ｂの発生する電荷量に不平衡が発生し、図９の検出回路において出力端子７に検出信号を発生する。次に赤外線を放射する物体３１が電極２２ａに移動すると、電極２０ａと電極２０ｂは平衡状態となり検出信号は出力されなくなるが、電極２２ａと電極２２ｂに発生する電荷量に不平衡が発生し後段の回路から検出信号が出力される。以上のように赤外線を放射する物体が３１のように移動する場合には、その移動方向や位置の検出が行える。

しかし、赤外線を放射する物体が大きいため、結像された像の大きさが電極の幅よりも大きい場合、例えば図１３に示すように赤外線を放射する物体３２の像の大きさがデュアル素子よりも大きい場合、または物体の大きさが小さくても予定した距離よりも近くに物体が存在するため、受光面上の像が大きくなる場合に問題が発生する。例えば、赤外線を放射する物体３２が矢印の向き、すなわち下に移動していく場合、まず電極２０ａと２０ｂに同時に赤外線が照射される。電極２０ａは電極２０ｂとデュアル素子を形成しているので、同時に赤外線が照射された電極２０ａと電極２０ｂの発生する電荷量は平衡しており、図９の検出回路において出力端子７には検出信号は発生しない。従って、センサとしては、検知領域に赤外線を放射する物体が何もない場合と同じ出力である。次に赤外線を放射する物体３２が電極２２ａと２２ｂに移動しても、電極２２ａと電極２２ｂに発生する電荷量に不平衡は発生しないので回路から検出信号が出力されない。以上のように赤外線を放射する物体が３２のように大きい場合には、センサは、赤外線を放射する物体が何も通過しなかった場合と同じ応答となり、結果的には誤判定となる。

第二の問題は周囲温度の補償である。図９の検出回路および図１０（ａ）、図１０（ｂ）のような焦電素子を使用した場合、焦電素子１に対して焦電素子２は極性が反転するように直列に接続され、このようなデュアル素子とすることによって、外部温度の変化等で両素子に電荷が発生しても、その電荷量が同一であれば焦電素子１と焦電素子２の各々の出力は相殺されるため焦電素子１、焦電素子２で受光される赤外線以外の影響が補償されるようになっている。しかし、例えば、エアコンの空調の効いた部屋のように検知領域の温度勾配が大きいと２つの検知領域の周囲温度に差が発生し、赤外線以外の影響を補償するとは言えない。よってデュアル素子の各シングル素子が検出する領域は隣接しているか、近いほうが好ましい。しかしながら図１２の従来の焦電素子１３０では、最外の一番離れたシングル素子同士でデュアル素子を構成するため、この２つのシングル素子が各々検出する領域は大きく離れるため２つの検知領域の周囲温度が異なる可能性があり、赤外線以外の影響が補償されるようにはなっていない。また、最外の一番離れたシングル素子同士でデュアル素子を構成するため、両素子間では焦電体基板の板厚にも違いが発生しやすく、また電極厚にも違いが発生しやすいので、デュアル素子を構成する両素子の特性に違いが発生しやすい。両シングル素子の特性に違いがあると補償の精度も悪くなるので、デュアル素子を構成する両シングル素子は、可能な限り近い位置に配置することが望ましい。

そこで本発明の課題は、想定外の方向から想定外の大きさの赤外線放射物が検知領域に侵入してきても誤判定をおこさず、なおかつ赤外線以外の影響が補償できる焦電素子及び焦電型赤外線センサを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明における焦電素子は、焦電体基板の受光面に形成された、互いに同一の形状を有する第一の電極および第二の電極と、互いに同一の形状を有する第三の電極および第四の電極とを有し、前記第一の電極と第二の電極とが互いに近接して第一の中心線に対して対称に配置され、前記第三の電極と第四の電極とが前記第一の電極および第二の電極の外側に近接して前記第一の中心線に直交する第二の中心線に対して対称に配置されており、前記第一の電極と第二の電極との間、および前記第三の電極と第四の電極との間がそれぞれ電気的に接続されていることを特徴とする。

ここで、前記第一の電極と第二の電極との間、および前記第三の電極と第四の電極との間がそれぞれ焦電体基板の受光面に形成された接続電極によって接続されていてもよい

また、前記焦電体基板の受光面の、前記第一の中心線の方向または前記第二の中心線の方向の少なくとも一方の方向に、前記第一の電極および第二の電極と、前記第三の電極および第四の電極がそれぞれ複数個配置されていてもよい。

また、前記焦電体基板の受光面の、前記第一の中心線の方向および前記第二の中心線の方向に、前記第一の電極および第二の電極と、前記第三の電極および第四の電極がそれぞれ複数個配置されていてもよい。

本発明における焦電型赤外線センサは、上記のいずれかの焦電素子を使用し、前記焦電体基板を介して前記第一の電極と対向するよう形成した第一の対向電極と、前記焦電体基板を介して前記第二の電極と対向するよう形成した第二の対向電極の間に発生する電圧により第一の出力を検出し、前記第三の電極と前記焦電体基板を介して前記第三の電極と対向するよう形成した第三の対向電極の間に発生する電圧と、前記第四の電極と前記焦電体基板を介して前記第四の電極と対向するよう形成した第四の対向電極の間に発生する電圧の差を差動増幅し、時間微分した第二の出力を検出することを特徴とする。

本発明においては、上記の焦電素子を使用することにより、デュアル素子を構成する各シングル素子の間隔を近接させることができるので赤外線以外の影響が補償でき、かつ、２つの軸を分離して検出できる焦電型赤外線センサが可能となる。また、２つの軸を分離して検出するため、想定外の方向から想定以上の大きさの物体の侵入が検知可能となる。

以上のように、本発明により、想定外の方向から想定外の大きさの赤外線放射物が検知領域に侵入してきても誤判定を起こさず、なおかつ赤外線以外の影響が補償できる焦電素子及び焦電型赤外線センサが得られる。

本発明による焦電素子の第１の実施の形態を示す図であり、受光面側からみた平面図。 本発明による焦電素子の第１の実施の形態を示す底面図。 本発明による焦電型赤外線センサの第１の実施の形態の検出回路を示す図。図３（ａ）は一例を示す図。図３（ｂ）は他の例を示す図。 図１に示した焦電素子の受光面が検知する領域を模式的に示す図。 本発明による焦電素子の第２の実施の形態を示す図であり、受光面側からみた平面図。 本発明による焦電素子の第３の実施の形態を示す図であり、受光面側からみた平面図。 本発明による焦電型赤外線センサの第３の実施の形態の検出回路の一例を示す図。 本発明による焦電素子の第４の実施の形態を示す図であり、受光面側からみた平面図。 ２つの焦電素子を用いた赤外線センサの従来の一般的な検出回路を示す図。 従来の焦電素子の構成を示す図であり、図１０（ａ）は受光面側からみた平面図、図１０（ｂ）は底面図。 従来の焦電型赤外線センサを説明するための図であり、図１１（ａ）は２つのデュアル素子からなる焦電素子の構成および回路を模式的に示す図、図１１（ｂ）は４つのデュアル素子を用いた焦電素子の平面図、図１１（ｃ）は検出対象と焦電素子および光学系の配置を示す図。 従来の焦電型赤外線センサを説明するための図であり、図１２（ａ）は焦電素子の受光面側の平面図、図１２（ｂ）は底面図、図１２（ｃ）は検出対象と焦電素子および光学系の配置を示す図、図１２（ｄ）は検出回路を示す図。 従来の焦電素子を使用した場合の受光面が検知する領域を模式的に示す図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。

（実施の形態１）
図１、図２は本発明による焦電素子の第１の実施の形態を示す図であり、図１は受光面側からみた平面図、図２は底面図である。焦電体基板３４の一方の主面である受光面に、互いに同一の形状を有する第一の矩形電極３５および第二の矩形電極３６と、互いに同一の形状を有する第三の矩形電極３８および第四の矩形電極３９とを有し、第一の矩形電極３５と第二の矩形電極３６とが互いに近接して第一の中心線２０１に対して対称に配置され、第三の矩形電極３８と第四の矩形電極３９とが第一の矩形電極３５および第二の矩形電極３６の短辺の外側に近接して第一の中心線２０１に直交する第二の中心線２０２に対して対称に配置されており、第一の矩形電極３５と第二の矩形電極３６との間は接続電極３７によって接続されている。

図２に示した底面側においては、受光面に配置された第一の矩形電極３５と第二の矩形電極３６、第三の矩形電極３８と第四の矩形電極３９とそれぞれ略同一の形状を有し、かつ焦電体基板３４を挟んで対向する位置に、第一の対向電極４０と第二の対向電極４１、第三の対向電極４２と第四の対向電極４３がそれぞれ配置されている。更に第一の対向電極４０は接続電極４４を介して外部へ接続するための第一の取り出し電極４８へ接続されている。同じように、第二の対向電極４１は接続電極４５を介して第二の取り出し電極４９へ、第三の対向電極４２は接続電極４６を介して第三の取り出し電極５０へ、第四の対向電極４３は接続電極４７を介して第四の取り出し電極５１へそれぞれ接続されている。図２は一つの実施の形態を示したものであり、各接続電極や各取り出し電極の位置や形は、外部へ接続しやすい位置や形であれば図２の形態に限られるものではない。なお、取り出し電極４８、４９、５０、５１からはリード線やピンや金属板など電気的導通可能な部材を介して、後述するＦＥＴ５２や抵抗５３、５４が実装される図示しない回路基板上に構成された電極に接続される。取り出し電極と導通可能な部材の間、導通可能な部材と回路基板の間を接着する方法としては、はんだづけや導電接着剤の塗布などの手段を用いる。

図３は上記の第１の実施の形態の焦電素子を用いた本発明による焦電型赤外線センサの第１の実施の形態の検出回路を示す図である。図３（ａ）は一例を示す図。図３（ｂ）は他の例を示す図である。図３（ａ）は基本的に図９で示した検出回路の構成と同じであり、焦電素子と、焦電素子の高い出力インピーダンスを抵抗５４で決まる低インピーダンスに変換するためのＦＥＴ５２と、焦電素子とＦＥＴ５２の整合をとる抵抗５３から構成されている。図３（ａ）に示したように、第一の矩形電極３５と第一の対向電極４０により構成されるシングル素子に対して、第二の矩形電極３６と第二の対向電極４１により構成されるシングル素子は極性が相反するように直列に接続されてデュアル素子を構成し、赤外線以外の影響が補償されるようになっている。従って、電源端子５５に所定の電圧を印加すると、出力端子５６とグランド端子５７の間に、焦電素子で受光された赤外線量に応じた出力が得られる。

次に図３（ｂ）に示した検出回路について説明する。第三の矩形電極３８と第三の対向電極４２により構成されるシングル素子は、一方がＦＥＴ５８のゲートへ接続され、一方はグランド端子６３へ接続される。第三の矩形電極３８と第三の対向電極４２により構成されるシングル素子とＦＥＴ５８、およびＦＥＴ５８との整合をとる抵抗５９により、焦電素子から出力された電荷による信号出力はＦＥＴ５８を介して抵抗６０で決まる低インピーダンス出力に変換される。従って、電源端子６１に所定の電圧を印加すると、出力端子６２とグランド端子６３の間に、第三の矩形電極３８と第三の対向電極４２により構成されるシングル素子で受光された赤外線量に応じた出力が出力端子６２より得られる。次に、第四の矩形電極３９と第四の対向電極４３により構成されるシングル素子は、一方がＦＥＴ６４のゲートへ接続され、一方はグランド端子６３へ接続される。第四の矩形電極３９と第四の対向電極４３により構成されるシングル素子とＦＥＴ６４、およびＦＥＴ６４との整合をとる抵抗６５により、焦電素子から出力された電荷による信号出力はＦＥＴ６４を介して抵抗６６で決まる低インピーダンス出力に変換される。従って、電源端子６１に所定の電圧を印加すると、出力端子６７とグランド端子６３の間に、第四の矩形電極３９と第四の対向電極４３により構成されるシングル素子で受光された赤外線量に応じた出力が出力端子６７より得られる。出力端子６２の出力と出力端子６７の出力は差動増幅ブロック６８へ入力され、２つの入力の差分が差動増幅ブロック６８の出力端とグランド端子６３の間に配置された抵抗６９の両端電圧となる。差動増幅ブロック６８の内部の一例としては、例えばオペアンプで構成しその非反転入力端子を出力端子６２に接続し、反転入力端子を出力端子６７に接続し、オペアンプの出力端子を差動増幅ブロック６８の出力端子とする。この時、オペアンプの入力抵抗と出力から入力へ帰還する抵抗の比によって決まる利得は、差動増幅ブロック６８の出力電圧が飽和しないように適宜に設定する。そしてこの抵抗６９の両端電圧値がコンデンサ７０を介して、この検出回路の出力端子７１に取り出される。

ここで、第三の矩形電極３８と第三の対向電極４２により構成されるシングル素子と、第四の矩形電極３９と第四の対向電極４３により構成されるシングル素子は隣接していないので、両素子が監視する検知領域も隣接しない。したがって両検知領域には周囲温度に差がある可能性があるため、図３（ａ）の検出回路のように、両素子を極性が相反するように直列に接続しても、赤外線以外の影響を補償できるとは言えない。そこで図３（ｂ）に示した検出回路のように、一旦、第三の矩形電極３８と第三の対向電極４２により構成されるシングル素子の出力電荷量に見合った出力を出力端子６２に、第四の矩形電極３９と第四の対向電極４３により構成されるシングル素子の出力電荷量に見合った出力を出力端子６７にそれぞれ出力させる。差動増幅ブロック６８はこの２つの出力端子を入力とするので、両入力の差が所定の利得を持って出力となる。よって、第三の矩形電極３８と第三の対向電極４２により構成されるシングル素子が検知する領域と第四の矩形電極３９と第四の対向電極４３により構成されるシングル素子が検知する領域の間に周囲温度に差がなく、他に赤外線を放射する物体がない場合には差動増幅ブロック６８の出力はなく、出力端子７１にも出力は生じない。両検知領域の間に周囲温度に差が有り、他に赤外線を放射する物体がない場合には、差動増幅ブロック６８は周囲温度差分を出力するが、周囲温度は一般に急激に変化しないため差動増幅ブロック６８の出力値は時間的にゆっくりと変化することはあっても急激に変化することはないため、直流を通過させないコンデンサ７０を介した後の出力端子７１には出力は生じない。どちらかの検知領域に赤外線を放射する物体が侵入してきた場合には、それを検出した素子が接続されている出力端子即ち出力端子６２か出力端子６７の何れか一方のみの出力が急激に変化するので差動増幅ブロック６８の出力も急激に変化し、コンデンサ７０を介した出力端子７１の出力も急激に変化する。

以上により、図３（ｂ）の検出回路では、第三の矩形電極３８と第三の対向電極４２により構成されるシングル素子が検知する領域と第四の矩形電極３９と第四の対向電極４３により構成されるシングル素子が検知する領域の間に周囲温度差があっても出力は生ぜず、赤外線を放射する物体が侵入してきた時には出力が生ずることとなる。又、以上の説明より、コンデンサ７０はコンデンサに限らず、微分検出の機能を有する他の部品に置き換えることも可能であり、回路全体としても同じ機能を有すれば他の構成でも問題ない。

次に、図４に基づいて、本実施の形態の焦電型赤外線センサの動作を説明する。図４は、図１に示した焦電素子の受光面が検知する領域を模式的に示す図である。第一の矩形電極３５が検出する領域を３５ｓ、第二の矩形電極３６が検出する領域を３６ｓ、第三の矩形電極３８が検出する領域を３８ｓ、第四の矩形電極３９が検出する領域を３９ｓとして示している。本来検出したい移動の方向をＸ方向、想定外の移動の方向をＹ方向とする。赤外線を放射する物体７２がＸ方向へ移動する場合、まず領域３５ｓへ侵入し第一の矩形電極３５が赤外線を受光する。このとき第二の矩形電極３６の赤外線受光量と不均衡が発生し図３（ａ）の出力端子５６に出力される。次に赤外線を放射する物体７２が領域３６ｓへ侵入すると、第二の矩形電極３６が赤外線を受光する。このとき第一の矩形電極３５は赤外線の受光が無くなっているので両矩形電極の赤外線受光量に不均衡が発生し図３（ａ）の出力端子５６に出力される。このようにして第一の矩形電極３５と第二の矩形電極３６にてＸ方向への移動を検出する。

次に従来の特許文献２の焦電型赤外線センサでは検出が不可能であった、領域３５ｓと領域３６ｓをまたぐ大きさの赤外線を放射する物体７３がＹ方向へ移動する場合の説明をする。まず領域３９ｓへ侵入した時、第四の矩形電極３９が赤外線を受光し、図３（ｂ）に示す出力端子６７の出力が急激に変化するが、第三の矩形電極３８の赤外線受光状態は変わらないので出力端子６２の出力に変化はない。従って一方の入力のみ急激な変化をするので差動増幅ブロック６８の出力も急激な変化をし、出力端子７１の出力も急激に変化する。次に赤外線を放射する物体７３が領域３５ｓと領域３６ｓに侵入した時には、第一の矩形電極３５と第二の矩形電極３６は赤外線を受光するが、両領域からの赤外線受光量が同じ場合両素子は平衡状態にあるため図３（ａ）に示す出力端子５６は出力しない。第三の矩形電極３８と第四の矩形電極３９も赤外線は受光していないので図３（ｂ）に示す出力端子７１も出力しない。次に赤外線を放射する物体７３が領域３８ｓへ侵入した時、第三の矩形電極３８が赤外線を受光し、図３（ｂ）に示す出力端子６２の出力が急激に変化するが、第四の矩形電極３９の赤外線受光状態は変わらないので出力端子６７の出力に変化はない。従って一方の入力のみ急激な変化をするので差動増幅ブロック６８の出力も急激な変化をし、出力端子７１の出力も急激に変化する。このようにして第三の矩形電極３８と第四の矩形電極３９にてＹ方向への移動を検出することができる。

本実施の形態の焦電型赤外線センサにおいて、Ｙ方向の移動による検出は想定外のことに対する補助的な機能と考える場合、例えば、第三の矩形電極３８と第四の矩形電極３９の短辺方向の長さを短くすることも可能である。一方、図４に示す赤外線を放射する物体７４がＸ方向に移動した場合、赤外線を放射する物体７４の一部が領域３５ｓ、領域３６ｓの死角となる領域を通過する可能性がある。この場合は第三の矩形電極３８と第四の矩形電極３９によってその一部が検知できるので、全検知領域におけるＸ方向への移動物体の検知における死角を低減することにおいて、第三の矩形電極３８と第四の矩形電極３９は有効である。従って用途によって、それぞれの電極の形状を最適化すれば検知性能も向上する。

（実施の形態２）
図５は本発明による焦電素子の第２の実施の形態を示す図であり、受光面側からみた平面図である。図５に示すように、本実施の形態の焦電素子においては、図１に示した第一の電極３５および第二の電極３６と、第三の電極３８および第四の電極３９が、それぞれ焦電体基板３４の受光面の、第一の中心線２０１の方向、すなわちＹ方向、および第二の中心線２０２の方向、すなわちＸ方向に、複数個配置されている。ここで図１において説明した構成に対し、同じ機能を有するものについては同一の符合を付して示しており、詳細な説明は省略する。本実施の形態は、Ｘ方向の移動を検出する、第一の矩形電極３５と第二の矩形電極３６と接続電極３７で構成されるデュアル素子をＸ方向およびＹ方向にアレイ化し、Ｙ方向に配列されたデュアル素子の間に、Ｙ方向の移動を検出する第三の矩形電極３８と第四の矩形電極３９を交互に挿入したものである。焦電体基板３４の裏面には、図２と同様に、各矩形電極と略同一の形状を有し、かつ焦電体基板３４を挟んで対向する位置に対向電極が配置される。対向電極を外部と接続するための取り出し電極と、対向電極と取り出し電極を接続する接続電極を任意の位置に設けることができる。

本実施の形態の焦電素子を使用した本発明による焦電型赤外線センサの第２の実施の形態においては、第一の矩形電極３５と第二の矩形電極３６と接続電極３７で構成されるデュアル素子の検出回路は図３（ａ）に示す検出回路、第三の矩形電極３８と第四の矩形電極３９の検出回路は図３（ｂ）に示す検出回路を使用し、それらの回路をアレイ化すればよい。

第２の実施の形態の焦電素子および焦電型赤外線センサにおいては、第１の実施の形態よりもさらに広範囲の検知をすること、又は検知範囲をより細分化して検出することが可能となる。また、Ｙ方向の検出を想定外のことに対する補助的な機能と考える場合、Ｙ方向への移動を検出する第三の矩形電極３８と第四の矩形電極３９は、Ｙ方向において第一の矩形電極３５と第二の矩形電極３６と接続電極３７で構成されるデュアル素子間のすべてに必ずしも挿入される必要はなく、任意の間隔で挿入すればよい。

（実施の形態３）
図６は本発明による焦電素子の第３の実施の形態を示す図であり、受光面側からみた平面図である。本実施の形態においては図１の焦電素子と同様に焦電体基板３４の一方の主面である受光面に、互いに同一の形状を有する第一の矩形電極３５および第二の矩形電極３６と、互いに同一の形状を有する第三の矩形電極３８および第四の矩形電極３９とを有し、第一の矩形電極３５と第二の矩形電極３６とが互いに近接して第一の中心線２０１に対して対称に配置され、第三の矩形電極３８と第四の矩形電極３９とが第一の矩形電極３５および第二の矩形電極３６の短辺の外側に近接して第一の中心線２０１に直交する第二の中心線２０２に対して対称に配置されており、第一の矩形電極３５と第二の矩形電極３６との間は接続電極３７によって接続されている。本実施の形態の図１との違いは第三の矩形電極３８と第四の矩形電極３９の間にも接続電極７５が配置されていることである。

図７は本実施の形態の焦電素子を用いた本発明による焦電型赤外線センサの第３の実施の形態に使用することができる検出回路の一例を示す図である。図１に示した焦電素子を用いる第１の実施の形態では、第三の矩形電極３８の検知領域と第四の矩形電極３９の検知領域が隣り合っていないことから赤外線以外の影響を補償するために、第三の矩形電極３８と第四の矩形電極３９の検出回路には図３（ｂ）に示す検出回路を使用した。しかしながら、第三の矩形電極３８の検知領域と第四の矩形電極３９の検知領域が近くにあり精度の良い補償回路を必要としない場合には、本実施の形態においては図７の検出回路を使用することで回路の簡素化が可能となる。図７の検出回路は図３（ａ）に示す検出回路と同じ構成であり、説明は省略する。

（実施の形態４）
図８は本発明による焦電素子の第４の実施の形態を示す図であり、受光面側からみた平面図である。図８に示すように、本実施の形態の焦電素子においては、図６に示した第一の電極３５および第二の電極３６と、第三の電極３８および第四の電極３９が、それぞれ焦電体基板３４の受光面の、第一の中心線２０１の方向、すなわちＹ方向、および第二の中心線２０２の方向、すなわちＸ方向に、複数個配置されている。図５の第２の実施の形態と同様に、Ｘ方向の移動を検出する、第一の矩形電極３５と第二の矩形電極３６と接続電極３７で構成されるデュアル素子をＸ方向およびＹ方向にアレイ化し、Ｙ方向に配列されたデュアル素子の間に、Ｙ方向の移動を検出する第三の矩形電極３８と第四の矩形電極３９を交互に挿入したものである。但し、本実施の形態の焦電素子においては、第三の電極３８と第四の電極３９が接続電極７５で接続されている。焦電体基板３４の裏面には、図２と同様に、各矩形電極と略同一の形状を有し、かつ焦電体基板３４を挟んで対向する位置に対向電極が配置される。対向電極を外部と接続するための取り出し電極と、対向電極と取り出し電極を接続する接続電極を任意の位置に設けることができる。

本実施の形態の焦電素子を用いた本発明による焦電型赤外線センサの第４の実施の形態においては、第一の矩形電極３５と第二の矩形電極３６と接続電極３７で構成されるデュアル素子の検出回路は図３（ａ）に示す検出回路、第三の矩形電極３８と第四の矩形電極３９と接続電極７５で構成されるデュアル素子の検出回路は図７に示す検出回路を使用しアレイ化すればよい。

第４の実施の形態においては、第３の実施の形態よりもさらに広範囲の検知をすること、又は検知範囲をより細分して検出することが可能となる。また、Ｙ方向の検出を想定外のことに対する補助的な機能と考える場合、Ｙ方向への移動を検出する第三の矩形電極３８と第四の矩形電極３９は、Ｙ方向において第一の矩形電極３５と第二の矩形電極３６と接続電極３７で構成されるデュアル素子の間のすべてに必ずしも挿入される必要はなく、任意の間隔で挿入すればよい。

以上述べたように、本発明による焦電素子、およびそれを用いた焦電型赤外線センサでは、赤外線以外の影響が補償でき、かつ、Ｘ、Ｙの２つの軸の移動を分離した検出や想定外の方向からの物体の侵入、および想定以上の大きさの物体の侵入が検知可能となる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではないことはいうまでもなく、焦電型赤外線センサの目的や用途に応じて設計変更可能である。例えば、焦電体基板に設置されるシングル素子やデュアル素子の電極形状や個数、配置形態についても任意に選択でき、矩形以外の多角形や円、楕円などの電極形状、２次元配置でなく１方向のみの１列の配置なども可能である。

１、２、１１０、１２０、１３０ 焦電素子
１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ、２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂ，２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂ、２５ａ、２５ｂ、２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂ、２８ａ、２８ｂ 電極
３、４、５３、５４、５９、６０、６５、６６、６９ 抵抗
５、２９、３０、５２、５８、６４ ＦＥＴ
６、５５、６１ 電源端子
７、５６、６２、６７、７１ 出力端子
８、５７、６３ グランド端子
９、１３、１９、３４ 焦電体基板
１０、３７、４４、４５、４６、４７、７５ 接続電極
１１ａ、１２ａ 取り付け電極
１１ｂ、１２ｂ リード電極
１４、１５、２０、２１、２２、２３、２５、２６ デュアル素子
１６、１７ 増幅器
１８ 出力識別回路
２４ 光学系
１２９ レンズ
３１、３２、３３、７２、７３、７４ 赤外線を放射する物体
３５ｓ、３６ｓ、３８ｓ、３９ｓ 領域
３５ 第一の矩形電極
３６ 第二の矩形電極
３８ 第三の矩形電極
３９ 第四の矩形電極
４０ 第一の対向電極
４１ 第二の対向電極
４２ 第三の対向電極
４３ 第四の対向電極
４８ （第一の）取り出し電極
４９ （第二の）取り出し電極
５０ （第三の）取り出し電極
５１ （第四の）取り出し電極
６８ 差動増幅ブロック
７０ コンデンサ
２０１ 第一の中心線
２０２ 第二の中心線

Claims (5)

1. 焦電体基板の受光面に形成された、互いに同一の形状を有する第一の電極および第二の電極と、互いに同一の形状を有する第三の電極および第四の電極とを有し、前記第一の電極と第二の電極とが互いに近接して第一の中心線に対して対称に配置され、前記第三の電極と第四の電極とが前記第一の電極および第二の電極の外側に近接して前記第一の中心線に直交する第二の中心線に対して対称に配置されており、前記第一の電極と第二の電極との間、および前記第三の電極と第四の電極との間がそれぞれ電気的に接続されていることを特徴とする焦電素子。
2. 前記第一の電極と第二の電極との間、および前記第三の電極と第四の電極との間がそれぞれ焦電体基板の受光面に形成された接続電極によって接続されていることを特徴とする請求項１に記載の焦電素子。
3. 前記焦電体基板の受光面の、前記第一の中心線の方向または前記第二の中心線の方向の少なくとも一方の方向に、前記第一の電極および第二の電極と、前記第三の電極および第四の電極がそれぞれ複数個配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の焦電素子。
4. 前記焦電体基板の受光面の、前記第一の中心線の方向および前記第二の中心線の方向に、前記第一の電極および第二の電極と、前記第三の電極および第四の電極がそれぞれ複数個配置されていることを特徴とする請求項３に記載の焦電素子。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の焦電素子を使用し、前記焦電体基板を介して前記第一の電極と対向するよう形成した第一の対向電極と、前記焦電体基板を介して前記第二の電極と対向するよう形成した第二の対向電極の間に発生する電圧により第一の出力を検出し、前記第三の電極と前記焦電体基板を介して前記第三の電極と対向するよう形成した第三の対向電極の間に発生する電圧と、前記第四の電極と前記焦電体基板を介して前記第四の電極と対向するよう形成した第四の対向電極の間に発生する電圧の差動増幅電圧を時間微分した第二の出力を検出することを特徴とする焦電型赤外線センサ。

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