JP2014006078A - 走査型赤外線センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、人体やその他の熱物体の空間分布を高精度に測定可能な小型の赤外線センサを提供することを目的とする。
【解決手段】この目的を達成するために本発明は、固定部２と、固定部２に一端が接続された第一の振動部３ａと、第一の振動部３ａの他端に接続されたセンサ部４ａを有した可動部を備え、第一の振動部３ａは、第一の下部電極層７と、第一の下部電極層７上に形成された圧電体層８と、圧電体層８上に形成された第一の上部電極層９により構成された駆動部５ａを有し、駆動部５ａがセンサ部４ａを駆動部５ａの回動軸１０周りに回動させるように走査することにより熱物体の空間分布を測定する構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、人体及び熱物体を検知する走査型赤外線センサに関する。

近年、赤外線センサにより人体の存在を検知し、その結果に応じて照明やエアコンの使用状況をコントロールすることにより、無駄なエネルギーを低減するといった取組みが積極的に行われている。特に、人体やその他の熱物体の空間分布を測定する必要がある場合、量子型赤外線センサをアレイ状に配置する、もしくは熱型赤外線センサを走査するといった手段が用いられる。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開昭６４−８８３９１号公報

量子型赤外線センサアレイは、検出感度は高いが、動作温度が低い。そのため、冷却機構が必要となることから、サイズが大きくコストも高いといった課題を有している。

また、熱型赤外線センサは、常温での使用が可能であるが、検出感度が低くアレイ状に配置する場合にはサイズを大きくする必要がある。また、１つのセンサを二次元方向に走査する場合には、複雑な機構部材が必要となるため、こちらもサイズが大きくなるといった課題を有している。即ち、人体やその他の熱物体の空間分布を高精度に測定する場合には、赤外線センサのサイズが大きくなるといった課題を有していた。

そこで、本発明は、人体やその他の熱物体の空間分布を高精度に測定可能な赤外線センサの小型化を目的とする。

この目的を達成するために、本発明は、固定部と、前記固定部に一端が接続された第一の振動部と、前記第一の振動部の他端に接続された可動部を備え、前記第一の振動部は、第一の下部電極層と、前記第一の下部電極層上に形成された圧電体層と、前記圧電体層上に形成された第一の上部電極層により構成された駆動部を有し、前記可動部は、赤外線を検出する赤外線センサ部を有し、前記駆動部が前記可動部を前記駆動部の回動軸周りに回動させるように走査することにより熱物体の空間分布を測定する構成とし、これにより所期の目的を達する。

以上のように、本発明は、圧電体層で赤外線センサを走査することにより、赤外線センサを二次元方向へ走査するデバイスを単一デバイスとできることから、人体やその他の熱物体の空間分布を高精度に測定可能な赤外線センサの小型化を実現することができる。

本発明の実施例１における走査型赤外線センサの斜視図 図１におけるＡ−Ａ線による走査型赤外線センサの断面図 本発明の実施例１における走査型赤外線センサのセンサ部の拡大図 同走査型赤外線センサの製造方法を説明する断面図 同走査型赤外線センサの斜視図 （ａ）同走査型赤外線センサのＳ／Ｎ比を向上させたセンサ部の拡大図、（ｂ）同走査型赤外線センサのＳ／Ｎ比を向上させたセンサ部の拡大図 同走査型赤外線センサの第一振動部を対向配置したときの斜視図 本発明の実施例２における走査型赤外線センサの斜視図 同走査型赤外線センサの斜視図 同走査型赤外線センサの斜視図

（実施例１）
まず、図１に示すように本実施例１の走査型赤外線センサ１は、固定部２と、この固定部２に一端が接続された第一の振動部３ａと、この第一の振動部３ａの他端に接続されたセンサ部４ａ（可動部）とを備えている。本実施例１において、センサ部と可動部は一体化しているため、センサ部として説明をする。

第一の振動部３ａはトーションバー形状に形成され、駆動部５ａを有している。図２は図１のＡ−Ａ線による断面図を示しており、図２に示すように、駆動部５ａは基板６上に形成された第一の下部電極層７と、第一の下部電極層７上に形成された第一の圧電体層８と、圧電体層８上に形成された第一の上部電極層９から構成されている。ここで、第一の下部電極層７と第一の上部電極層９の間に電界を印加した場合には、逆圧電効果により第一の圧電体層８が平面方向に伸縮する。このとき、第一の圧電体層８にて発生した力は、第一の振動部３ａの厚み方向にモーメントとして働き、第一の振動部３ａは撓む。ここで、隣接した駆動部５ａに夫々逆位相の電界を印加する。その結果、第一の振動部３ａに接続されたセンサ部４ａの傾きが変動し、第一の回動軸１０周りに回動する。

また、センサ部４ａは、赤外線センサ部１１ａを有しており、図２に示すように、赤外線センサ部１１ａは第二の下部電極層１２と、第二の下部電極層１２上の焦電体層１３と、焦電体層１３上に形成された第二の上部電極層１４から構成されている。ここで、赤外線センサ部１１ａが赤外線を受光した場合には、焦電効果によって焦電体層１３の表面に電荷が誘起され、第二の下部電極層１２と第二の上部電極層１４間で生じる電荷量を測定することで、赤外線をセンシングできる。

本実施例１の走査型赤外線センサ１は、センサ部４ａの傾きを駆動部５ａにより変動させながら、赤外線センサ部１１ａで赤外線をセンシングすることが可能である。即ち、人体やその他の熱源を、赤外線センサを走査することで広範囲に測定することができ、またその空間分布についても測定することが可能となる。

ここで、赤外線センサ部１１ａはセンサ部４ａの第一の回動軸１０に対して線対称となるように配置することが望ましい。図３に第一の回動軸１０に対して線対称に赤外線センサ部１１ａを形成したセンサ部４ａの拡大図を示す。センサ部４ａを回転動作させる際には、そのサイズや動作スピードに応じてセンサ部４ａ自身が変形することが知られている。ここで生じる変形に伴い、赤外線センサ部１１ａでは、赤外線を受けていない場合にも、圧電効果により電荷が発生する。即ち、赤外線センサ部１１ａで生じる電荷量は、赤外線を受けて焦電効果により発生する電荷量と、センサ部４ａの変形を受けて圧電効果により生じる電荷量の和で出力され、その結果赤外線センサ部１１ａで検出される赤外線のＳ／Ｎ比が低下するといった課題が生じる。しかしながら、赤外線センサ部１１ａを第一の回動軸１０に対して線対称となるように配置することにより、センサ部４ａが第一の回動軸１０に対して互いに逆方向に変形するので、圧電効果により生じる電荷量が打消しあい、赤外線センサ部１１ａで生じるノイズを低減することが可能となる。

本実施例１において、圧電体層８に用いる材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛、ニオブ酸カリウムナトリウム等を用いても良い。また、焦電体層１３としては、チタン酸ジルコン酸鉛やタンタル酸リチウム等を用いても良い。

ここで、本実施例１の走査型赤外線センサ１は、圧電体層８と焦電体層１３を、例えばチタン酸ジルコン酸鉛のような、圧電性能と焦電性能がいずれも高い同一材料で構成することにより、走査型赤外線センサ１が、簡便なプロセスにより単一のデバイスにて形成されることから、従来に比べて小型化が可能となる。

次に、本発明の実施例１における走査型赤外線センサ１の製造方法を、以下に説明する。

まず、図４（ａ）に示すように、シリコン基板１５ａと酸化シリコンからなる犠牲層１５ｂとシリコン基板１５ｃから構成されるシリコン積層基板１５上の一面に、下部電極層として白金１６と、圧電体層及び焦電体層としてチタン酸ジルコン酸鉛１７と、上部電極層として金１８をスパッタ法等により順に積層形成する。

次に、感光性を有する弾性樹脂層をエッチングマスクとして用い、ＩＣＰドライエッチングによって第一の下部電極層７及び第二の下部電極層１２と、圧電体層８及び焦電体層１３と、第一の上部電極層９及び第二の上部電極層１４を加工し、図４（ｂ）に示すように駆動部５ａと赤外線センサ部１１ａを形成する。

次に図４（ｃ）に示すように、シリコン基板１５ｃをエッチング処理する。

最後に、シリコン基板１５ａ側から、感光性樹脂からなる弾性樹脂層をエッチングマスクとして用い、図４（ｄ）に示すようにシリコン基板１５ａ及び犠牲層１５ｂをエッチング処理することで、走査型赤外線センサ１を形成する。

このように、圧電体層８と焦電体層１３を同一材料とすることで、駆動部５ａと赤外線センサ部１１ａを同時に形成できることから、走査型赤外線センサ１の作製プロセスが簡便なものとなる。

また、第一の振動部３ｂは、図５に示すとおり、センサ部４ａとほぼ平行に複数延接され、同一平面状で折り返し連結されてなるミアンダ形状とすることが好ましい。このとき、第一の振動部３ｂ上の駆動部５ｂに対し、ミアンダ形状の折り返し毎に、逆方向へ電界を印加することで、センサ部４ａに沿って生じる撓みが重畳される。このことにより、第一の振動部３ｂに接続されたセンサ部４ａの傾きを、さらに大きくすることが可能となる。即ち、人体やその他の熱源を、より広範囲に測定することができる。

図６（ａ）、図６（ｂ）に赤外線のＳ／Ｎ比を向上させたセンサ部の拡大図を示す。図６（ａ）に示すように、赤外線センサ部１１ｂの第一の振動部３をミアンダ形状に形成したときのように、センサ部４ｂが第一の回動軸１０に対して互いに逆方向に変形しない場合には、センサ部４ｂで生じる変形に応じて圧電効果により生じる電荷量が打消しあうように赤外線センサ部１１ｂを形成することにより第一の振動部３をトーションバー形状に形成したときと同様に、赤外線センサ部１１ｂで生じる電荷量は、赤外線を受けて焦電効果により発生する電荷量と、センサ部４ｂの変形を受けて圧電効果により生じる電荷量の和で出力され、その結果赤外線センサ部１１ｂで検出される赤外線のＳ／Ｎ比が低下するといった課題を解決することが出来る。

さらに、図６（ｂ）に示すように、赤外線センサ部１１ｃと第一の振動部３とを、センサ部４ｃの第一の回動軸１０に対してセンサ部４ｃが一方向に大きく変形するように接続した場合には、センサ部４ｃの変形が対称となる変形中心線１９に対して、赤外線センサ部１１ｃを線対称となるように２つ形成し、その一方の表面に例えば酸化シリコンのような赤外線吸収膜（図示せず）を形成するとよい。そして、赤外線吸収膜を有する赤外線センサ部１１ｃで生じる電荷量から、赤外線吸収膜のない赤外線センサ部１１ｃで生じる電荷量の差分を測定することで、圧電効果によって生じるノイズを低減し、Ｓ／Ｎ比を向上させることが可能となる。

また、図７に示すとおり、固定部２を方形状とし、一対の第一の振動部３ｂを、センサ部４ａを挟むように対向配置することが好ましい。これにより、センサ部４ａの傾きが変動する際、回動軸１０を中心に回転動作させることが可能となり、センサ部４ａが有する赤外線センサ部１１ａの回転位置を、安定的に変動させることができる。

また、第一の振動部３ｂの動作速度は、人体やその他の熱源の移動速度に比べて速いことが好ましい。焦電体は、赤外線を照射されると、その熱エネルギーを吸収して自発分極に変化を起こし、その変化量に比例して電荷が誘起される。ここで、焦電体が常に一定の赤外線を照射されている場合には、変化量がゼロとなるため、人体やその他の熱源を正確にセンシングできない。しかしながら、第一の振動部３ｂの動作速度、即ち赤外線センサ部１１ａの動作速度を、熱源の移動速度に比べて速く設定することによれば、このようなセンシングできないといった不具合を抑制することができる。

また、第一の振動部３ｂの動作周波数を、一定時間毎に変動させることが好ましい。このことにより、人体やその他の熱源の移動速度が不均一な場合であっても、熱源の移動速度と赤外線センサ部１１ａの動作速度が常時一定となることがないため、センシングできないといった不具合を抑制することができる。

また、第一の振動部３ｂは、駆動部５ｂと共に、位置検出部を有していることが好ましい。なお、位置検出部は、第三の下部電極層と、第三の下部電極層上に形成された位置検出用圧電体層と、位置検出用圧電体層上に形成された第三の上部電極層から構成されている（図示せず）。なお、位置検出部はトーションバー形状なら駆動部５ａと固定部２との接続部近傍、ミアンダ形状ならミアンダ形上の直線部分など変位の大きい箇所に設けると効果的である。この位置検出部を用いて、圧電効果により第一の振動部３ａの動作状況、即ちセンサ部４ａの位置情報を正確に読取ることで、人体やその他の熱源の存在位置を高精度にセンシングすることが可能となる。

（実施例２）
まず、図８に示すように本実施例２の走査型赤外線センサ２１は、固定部２と、この固定部２に一端が回動軸１０方向に接続された第一の振動部３ａと、この第一の振動部３ａの他端に接続された可動部２４を備えている。

第一の振動部３ａは、第一の駆動部５ａを有しており、第一の駆動部５ａは第一の下部電極層７と、第一の下部電極層７上に形成された第一の圧電体層８と、第一の圧電体層８上に形成された第一の上部電極層９から構成されている。

また、可動部２４は、枠体２５と、この枠体２５の内側から、第一の回動軸１０と略直交する方向（第二の回動軸２６）に一端が接続された第二の振動部２７ａと、この第二の振動部２７ａの他端に接続されたセンサ部２８とを備えている。

そして、第二の振動部２７ａは、第一の回動軸１０方向にほぼ平行に延接されている。また、第二の振動部２７ａは、第二の駆動部２９ａを有しており、第四の下部電極層と、第四の下部電極層上に形成された第二の圧電体層と、第二の圧電体層上に形成された第四の上部電極層から構成されている（図示せず）。

ここで、第一の下部電極層７と第一の上部電極層９の間に電界を印加した場合には、逆圧電効果により第一の圧電体層８が平面方向に伸縮する。このとき、第一の圧電体層８にて発生した力は、第一の振動部３ａの厚み方向にモーメントとして働き、第一の振動部３ａは撓む。その結果、第一の振動部３ａに接続された可動部２４の傾きが変動する。また、第四の下部電極層と第四の上部電極層の間に電界を印加した場合には、同様に第二の振動部２７ａが撓み、第二の振動部２７ａに接続されたセンサ部２８の傾きが変動する。ここで、第一の振動部３ａと第二の振動部２７ａの延接される方向が略直交していることから、可動部２４とセンサ部２８の傾き方向も直交し、その結果センサ部２８は二次元方向に傾きを変動させることが可能となる。

また、センサ部２８は、赤外線センサ部３０を有しており、赤外線センサ部３０は第二の下部電極層と、第二の下部電極層上の焦電体層と、焦電体層上に形成された第二の上部電極層から構成されている。ここで、赤外線センサ部が赤外線を受光した場合には、焦電効果によって焦電体層の表面に電荷が誘起され、第二の下部電極層と第二の上部電極層間で生じる電荷量を測定することで、赤外線をセンシングできる（図示せず）。

本実施例２の走査型赤外線センサ２１は、センサ部２８の傾きを、第一の駆動部５ａと第二の駆動部２９ａにより二次元方向へ変動させながら、赤外線センサ部３０で赤外線をセンシングすることが可能である。即ち、人体やその他の熱源を、赤外線センサ部３０を二次元方向へ走査することで広範囲に測定することができ、またその空間分布についても測定することが可能となる。

また、本実施例２の走査型赤外線センサ２１は、第一の圧電体層、第二の圧電体層及び焦電体層を、例えばチタン酸ジルコン酸鉛のような、圧電性能と焦電性能がいずれも高い同一材料で構成している。これにより、二次元方向への走査型赤外線センサ２１が、簡便なプロセスにより単一のデバイスにて形成されることから、従来に比べて小型化が可能となる。

なお、本発明の実施例２における走査型赤外線センサ２１の製造方法については、実施例１における走査型赤外線センサ１の場合と同様であるため、説明を省略する。

また、第二の振動部２７ｂは、図９に示すとおり、第二の回動軸方向にほぼ平行に複数延接され、同一平面状で折り返し連結されてなるミアンダ形状とすることが好ましい。このとき、第二の振動部２７ｂ上の第二の駆動部２９ｂに対し、ミアンダ形状の折り返し毎に、逆方向へ電界を印加することで、センサ部２８に沿って生じる撓みが重畳される。本実施例２における二次元方向への走査型赤外線センサ２１は、第二の振動部２７ｂを可動部２４の内側に設ける関係上、第二の振動部２７ｂを形成する面積が、第一の振動部３ａを形成する面積に比べて小さく、第二の振動部２７ｂによって変動するセンサ部２８の傾きは、第一の振動部３ａによって変動する可動部２４の傾きより小さい傾向にある。しかしながら、第二の振動部２７ｂをミアンダ形状とすることにより、第二の振動部２７ｂに接続されたセンサ部２８の傾きを大きくすることが可能となり、第一の振動部３ａに接続された可動部２４の傾きと同程度とすることが可能となる。即ち、人体やその他の熱源を、二軸方向へ広範囲に測定することができる。

また、図１０に示すとおり、一対の第一の振動部３ｂを、可動部２４を挟むように対向配置し、さらには一対の第二の振動部２７ｂを、センサ部２８を挟むように対向配置することが好ましい。これにより、可動部２４及びセンサ部２８の傾きが変動する際、それぞれ一定の軸を中心に回転動作させることが可能となり、センサ部２８が有する赤外線センサ部３０の回転位置を、安定的に変動させることができる。

また、第一の振動部３ｂ、第二の振動部２７ｂの動作速度は、人体やその他の熱源の移動速度に比べて速いことが好ましい。焦電体は、赤外線を照射されると、その熱エネルギーを吸収して自発分極に変化を起こし、その変化量に比例して電荷が誘起される。ここで、焦電体が常に一定の赤外線を照射されている場合には、変化量がゼロとなるため、人体やその他の熱源を正確にセンシングできない。しかしながら、第一の振動部３ｂ、第二の振動部２７ｂの動作速度、即ち赤外線センサ部３０の動作速度を、熱源の移動速度に比べて速く設定することによれば、このようなセンシングできないといった不具合を抑制することができる。

また、第一の振動部３ｂ、第二の振動部２７ｂの動作周波数を、一定時間毎に変動させることが好ましい。このことにより、人体やその他の熱源の移動速度が不均一な場合であっても、熱源の移動速度と赤外線センサ部３０の動作速度が常時一定となることがないため、センシングできないといった不具合を抑制することができる。

また、第一の振動部３ｂ、第二の振動部２７ｂは、それぞれ、第一の駆動部５ｂ、第二の駆動部２９ｂと共に、第一の位置検出部、第二の位置検出部を有していることが好ましい（図示せず）。なお、第一の位置検出部、第二の位置検出部は、第三の下部電極層と、第三の下部電極層上に形成された位置検出用圧電体層と、位置検出用圧電体層上に形成された第三の上部電極層から構成されている。この第一の位置検出部を用いて、第一の振動部３ｂの動作状況を、第二の位置検出部を用いて第二の振動部２７ｂの動作状況を測定できる。このことにより、センサ部２８の二次元方向の位置情報を正確に読取ることができ、人体やその他の熱源の存在位置を高精度にセンシングすることが可能となる。

また、第二の振動部２７ｂが有する第二の駆動部２９ｂを除去し、第一の振動部３ｂが有する第一の駆動部５ｂのみを用いて、第一の振動部３ｂと第二の振動部２７ｂを同時に駆動することが好ましい。特に、図１０に示すような第一の振動部３ｂ、第二の振動部２７ｂがそれぞれ一対のミアンダ形状とした場合には、第一の振動部３ｂを用いて可動部２４を傾ける固有振動モードの固有振動数において、ミアンダ形状の折り返し毎に、逆方向へ電界を印加し、且つ第二の振動部２７ｂを用いてセンサ部２８を傾ける固有振動モードを固有振動数において、一方の第一の振動部３ｂが有する第一の駆動部５ｂに全て同位相の電界を印加し、他方の第一の振動部３ｂが有する第一の駆動部５ｂに全て逆位相の電界を印加することで、第二の駆動部２９ｂを除去した場合にも、センサ部２８を二次元方向へ傾けることができる。このような構成にした場合には、電極パターンを簡素化でき、さらなる小型化が可能となる。また、赤外線センサ部３０を、信号が入力される駆動部から遠ざけることができ、結果としてセンシング時のノイズ成分を低減することが可能となる。

本発明の走査型赤外線センサは、広範囲に走査可能で、且つ小型化できるため、ナイトビジョンや防犯カメラなどの人体検知用途に有用である。

１、２１ 走査型赤外線センサ
２ 固定部
３、３ａ、３ｂ 第一の振動部
４ａ、４ｂ、４ｃ、２８ センサ部
５ａ、５ｂ 駆動部
６ 基板
７ 第一の下部電極層
８ 圧電体層
９ 第一の上部電極層
１０ 回動軸
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、３０ 赤外線センサ部
１２ 第二の下部電極層
１３ 焦電体層
１４ 第二の上部電極層
１５ シリコン積層基板
１５ａ、１５ｃ シリコン基板
１５ｂ 犠牲層
１６ 白金
１７ チタン酸ジルコン酸鉛
１８ 金
１９ 変形中心線
２４ 可動部
２５ 枠体
２６ 第二の回動軸
２７ａ、２７ｂ 第二の振動部
２９ａ、２９ｂ 第二の駆動部

Claims (11)

1. 固定部と、
   前記固定部に一端が接続された第一の振動部と、
   前記第一の振動部の他端に接続された可動部を備え、
   前記第一の振動部は、
   第一の下部電極層と、
   前記第一の下部電極層上に形成された圧電体層と、
   前記圧電体層上に形成された第一の上部電極層により構成された駆動部を有し、
   前記可動部は、
   赤外線を検出する赤外線センサ部を有し、
   前記駆動部が前記可動部を前記可動部の回動軸周りに回動させるように走査することにより熱物体の空間分布を測定することを特徴とする走査型赤外線センサ。
2. 前記赤外線センサ部は、前記可動部の回動軸に対して対称に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の走査型赤外線センサ。
3. 前記赤外線センサ部は、前記可動部の変形中心に対して線対称に２つ形成し、
   前記２つの赤外線センサ部のうちのいずれか１つの上に赤外線吸収膜を形成したことを特徴とする請求項２に記載の走査型赤外線センサ。
4. 前記赤外線センサ部は、
   第二の下部電極層と、
   前記第二の下部電極層上に形成された焦電体層と、
   前記焦電体層上に第二の上部電極層を有していることを特徴とする請求項１に記載の走査型赤外線センサ。
5. 前記圧電体層と前記焦電体層が同一の材料で形成されていることを特徴とする請求項４に記載の走査型赤外線センサ。
6. 前記固定部は方形状に形成され、
   前記可動部は前記固定部の内側に一端が接続され、前記可動部を挟むように対向して他端が接続された一対の第一の振動部で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の走査型赤外線センサ。
7. 前記可動部は、
   枠体と、
   前記枠体の内側から前記第一の振動部と略直交する方向に一端が接続された第二の振動部と、
   前記第二の振動部の他端に接続されたセンサ部により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の走査型赤外線センサ。
8. 前記第一の振動部と前記第二の振動部のうち少なくともいずれか一方がミアンダ形状に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の走査型赤外線センサ。
9. 前記センサ部は前記枠体の内側に一端が接続され、前記赤外線センサ部を挟むように対向して他端が接続された一対の第二の振動部で構成されていることを特徴とする請求項７に記載の走査型赤外線センサ。
10. 前記第一の振動部および前記第二の振動部の動作周波数を、
    一定時間毎に変動させることを特徴とする請求項７に記載の走査型赤外線センサ。
11. 前記第一の振動部または前記第二の振動部の少なくともいずれか一方には、
    第三の下部電極層と、この第三の下部電極層上に形成された圧電体層と、この圧電体層上に形成された第三の上部電極層により構成された位置検出部を有していることを特徴とする請求項７〜請求項１０に記載の走査型赤外線センサ。

Images