JP2022049140A - 焦電型赤外線検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】自動車、家屋のドアの開閉、窓の破壊等に伴う微弱な圧力の変化を検出する微気圧検出器と、人体等の熱源移動を検知する人感検出器の２つの機能を兼ね備えた焦電型赤外線検出器を提供する。【解決手段】焦電型赤外線検出器の既存金属製検出器容器に通気孔１７を設け、焦電型光電変換素子１２上の１対の正負電極から微気圧出力と人感出力の双方を得る。従って従来の容器サイズにおいて微気圧検出器と人感検出器の単独での性能を維持したまま、２つの検出器の機能を兼ね備えることを可能とする。【選択図】図１

Description

本発明は、気圧変化を熱変化として検出する微気圧検出と、人体等の動作によって生じる熱変化を検出する人感検出の双方を可能にした焦電型赤外線検出器に関する。

微気圧変化を検出する検出器として、焦電型光電変換素子を利用し、検出器容器に通気孔を有し、前記容器に焦電型光電変換素子と信号処理回路からなる風速変位検出器、微気圧検出器が開示されている（特許文献１、２）。外部の気圧変化が通気孔を介して検出器内の圧力を変化させ、その圧力変化に伴う熱変化により焦電型光電変換素子表面の電荷が変化し電気的信号が出力される。

人体等の熱源移動を検出する人感検出器として、赤外線透過のための光学フィルタを有した焦電型赤外線検出器が広く使用される。

特開昭６２－３８３６７号公報 特開２０１０－９１５３１号公報

微気圧検出器によるドア開閉検出は、人感検出器による人の進入検出の補助的な役割で使用され、一般に同一環境に設置される。１つのプリント基板上に双方の検出器を１つずつ搭載する例もあり、２つの検出器を搭載することによるサイズダウン、コストダウンが課題である。

本発明は、光学フィルタを有する焦電型赤外線検出器の検出器容器に通気孔を設け、焦電型光電変換素子上の１対の正負電極から微気圧出力と人感出力の双方を得る。

本発明は、従来の容器サイズを維持したまま、微弱な気圧変化と人体等の熱源移動の両方を検出することを可能とする。さらに微気圧出力と人感出力を共通の正負電極から得ることにより、各検出器単独での性能と同等以上の性能を有することを可能とするほか、双方の出力端子で人体検出可能エリアに違いを持たせることにより、人体移動の方向性検出や小動物誤検出防止等への転用も可能となる。

本発明の実施の一形態の焦電型赤外線検出器を示す断面構造図である。 実施の一形態の焦電型赤外線検出器において用いられる焦電型光電変換素子における表面電極と裏面電極の電極形状を示す平面図である。 実施の一形態の焦電型赤外線検出器において用いられる焦電型光電変換素子を示す断面図である。 実施の一形態の焦電型赤外線検出器を示す回路図である。 微気圧検出の実験における焦電型赤外線検出器の出力波形の図である。 人感検出の実験における焦電型赤外線検出器の出力波形の図である。 実施の一形態の焦電型赤外線検出器の人感検出エリアを示す図である。

本発明を実施するための形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の実施の一形態の焦電型赤外線検出器の断面構造図である。
本発明の焦電型赤外線検出器は、検出器容器と、前記容器中の焦電型光電変換素子１２及び基板１４から構成される。検出器容器は、シリコンに特定温度波長域のみ透過するようコーティングを施した光学フィルタ１１、金属製の缶１５及びステム１６から構成される。

ステム１６は出力端子を４本、及び外部の気圧変化を取り込むための通気孔１７を１つ有する。出力端子は、ガラスにて気密封止されたドレイン端子３１、人感出力端子３２及び微気圧出力端子３３の３本と、ステムに直接接合されたグラウンド端子３４からなる。通気孔１７は必ずしもステム１６にある必要はないが、人体等の熱変化を検出するために光学フィルタを基板に対し焦電型光電変換素子側に設ける必要があるため、通気孔はステム１６に設けた方が製造しやすい。また、通気孔の大きさは０．５ｍｍ～１．５ｍｍ程度が望ましく、前記通気孔の大きさの範囲内では、通気孔の大きさによる微気圧出力の出力差への影響は小さい。
前記ステム１６は、接着剤にて光学フィルタ１１を固定された缶１５と抵抗溶接もしくは半田等で接合され検出器容器を形成する。

基板１４はプリント基板、セラミック基板等であり、図４に示す信号処理を行う２つの電界効果トランジスタ（以後ＦＥＴ）、３つの焦電型光電変換素子支持台１３、及び外部電磁波対策等必要に応じた抵抗やコンデンサが実装され、前記ステム１６の出力端子３１～３４に半田により接続される。

図２及び図３は、本発明の実施の一形態の焦電型赤外線検出器に用いられる焦電型光電変換素子１２を示している。
焦電型光電変換素子１２は焦電体２１及び電極２２、２３で構成される。
焦電体２１はチタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウム等であり、焦電効果を有する。電極は、ＮｉＣｒ及びＡｇ等を前記焦電体２１の両面に蒸着することで形成される。図２において焦電体の表面に形成される表面電極パターン２２は実線で示され、焦電体の裏面に形成される裏面電極パターン２３は破線で示されている。図２の斜線で示された表面電極パターン２２及び裏面電極パターン２３が重なっている部分が、熱変化を検出可能な有効電極、正電極２４及び負電極２５になる。表面電極パターン２２及び裏面電極パターン２３が重なってない、その他の表裏面電極部分は、前記正電極２４及び負電極２５から信号を取り出すための回路的役割を担う。
表面電極パターン２２では、正電極２４及び負電極２５は回路的につながっており、正負電極の間から信号を取り出すための微気圧出力信号取り出し部２６が設けられている。裏面電極パターン２３では正電極２４及び負電極２５からそれぞれの信号を取り出すための、人感出力信号取り出し部２７及びグラウンド取り出し部２８が設けられている。熱変化を検出可能な有効電極である正電極２４及び負電極２５は四角形状である必要はないが、それぞれの電極面積は等しくある必要がある。これは外部の圧力変化の際、正電極２４と負電極２５の電荷の変化が完全に相殺される必要があるためである。詳しくは本発明の焦電型赤外線検出器の原理に記載する。
前記焦電型光電変換素子１２の信号取り出し部２６～２８は基板１４の焦電型光電変換素子支持台１３に導電性接着剤で固定され、焦電型光電変換素子１２、基板１４及びステム１６により図４の回路を形成する。

前記焦電型光電変換素子１２と図４の回路について説明する。
微気圧出力端子３３につながったＦＥＴのゲートには前記焦電型光電変換素子１２の表面電極パターン２２である微気圧出力信号取り出し部２６が接続され、人感出力端子３２につながったＦＥＴのゲートには前記焦電型光電変換素子１２の裏面電極パターン２３である人感出力信号取り出し部２７が接続され、グラウンド取り出し部２８は基板１４のグラウンドを介してステム１６のグラウンド端子３４に接続されている。人感出力端子３２については、グラウンドから負電極２５、正電極２４を通ってＦＥＴのゲートにつながり、微気圧出力端子３３については、グラウンドから負電極２５のみを通ってＦＥＴのゲートにつながることになる。

本発明の、１対の正負電極から微気圧出力及び人感出力の双方を得る焦電型赤外線検出器の原理について説明する。
焦電型光電変換素子１２の正電極２４及び負電極２５に入射する熱エネルギー量が変化すると、焦電型光電変換素子表面の電荷が変化し、グラウンドとＦＥＴゲート間の電位差に変化が生じ、出力端子の電圧が変動することで熱変化を検出する。入射する熱エネルギー量が多いほど、出力端子の電圧変動は大きくなる。つまり、正負電極の電極面積が大きいほど、入射する熱エネルギー量も増えるため、出力端子の電圧変動は大きくなる。正電極２４及び負電極２５に同量の熱変化が同時に生じた場合は、それぞれの電荷の変化が相殺され、グラウンドとＦＥＴゲート間の電位差に変化は生じず、熱変化を検出しない。正負電極の電極面積に違いがあった場合は、同量の熱変化が同時に生じた場合であっても、完全には相殺されず、相殺されずに残った電荷の分だけグラウンドとＦＥＴゲート間の電位差が変化し、出力端子の電圧が変動する。
外部で圧力変化が生じた場合、通気孔１７を介して検出器内の圧力が変化し、それに伴う熱変化によって、焦電型光電変換素子表面の電荷が変化する。外部の圧力変化による検出器内の熱変化は正電極２４及び負電極２５の両電極に対し、同時に同量の熱変化を与えるため、グラウンドから負電極２５、正電極２４を通ってＦＥＴにつながる人感出力端子３２では、正電極２４と負電極２５の電荷の変化が相殺されるためグラウンドとＦＥＴゲート間の電位差に変化は生じず、外部の圧力変化を検出しない。対して、グラウンドから負電極２５のみを通ってＦＥＴにつながる微気圧出力端子３３では、電荷の変化が相殺されないためグラウンドとＦＥＴゲート間の電位差に変化が生じ、外部の圧力変化を検出する。人感出力端子３２において、外部の圧力変化の際、正負電極からのそれぞれの電荷が完全に相殺されるために、正電極２４及び負電極２５の電極面積は等しくある必要がある。
人体等の動作によって生じる熱変化は、フレネルレンズ等で集光し光学フィルタ１１を介して焦電型光電変換素子１２の電極に入射するため、正電極２４及び負電極２５に同量の熱変化が同時に生じることはほとんどなく、人感出力端子３２でも信号は相殺されることなく人体等の熱変化を検出する。

次に本発明の焦電型赤外線検出器を用いて実際に行った微気圧検出の実験例を説明する。
コンクリート構造の建物の室内（１８８ｍ^３）に本発明の焦電型赤外線検出器を設置し、ドア（１．６ｍ^２）の開（負圧）閉（正圧）を行った。ドア開閉時の出力波形を図５に示す（約８秒時にドアを開け、約１２秒時にドアを閉めた）。アンプゲイン７２．５ｄＢ、１Ｈｚにて焦電型赤外線検出器の出力を増幅して測定を行った。
微気圧出力端子３３からの信号出力ではドアの開閉を検知しているのに対し、人感出力端子３２からの信号出力は雑音出力レベルのまま、ドアの開閉を検知しなかった。また既存の微気圧検出器の信号出力との比較より、本発明の焦電型赤外線検出器は単独の微気圧検出器と同等以上の検出能力を持つ。

次に本発明の焦電型赤外線検出器を用いて実際に行った人感検出の実験例を説明する。
本発明の焦電型赤外線検出器に１セグメントのフレネルレンズを装着し、検出器の正面で人体歩行の１／１０スケール相当の条件の熱源を移動させた。熱源の大きさは１５０×３０ｍｍ、熱源温度は室温＋４℃、熱源移動速度は１０ｍｍ／秒、熱源から検出器までの距離は７００ｍｍで行った。熱源は負電極２５側から正電極２４側に横切らせたのち、正電極２４側から負電極２５側へ再度正面を横切るよう移動させた。熱源移動時の、アンプゲイン７２．５ｄＢ、１Ｈｚでの増幅後の出力波形を図６に示す。
人感出力端子３２の信号出力は熱源移動に伴い、出力が正から負、負から正へと変化しており、正電極２４及び負電極２５の双方で熱源を検出している。対して微気圧出力端子３３の信号出力は人感出力端子３２の負出力のタイミングと同じタイミングでのみ出力しており、正電極２４では熱源を検出せず、負電極２５でのみ検出している。このことから、図７のように人感出力端子３２と微気圧出力端子３３では人体検出可能エリアに違いがあるため、双方の出力のタイミングや出力電圧の大きさ等を比較することで、人体移動の方向性検出や小動物誤検出防止への転用も可能である。また、焦電型光電変換素子の極性を逆転させることにより、微気圧出力端子３３の人感検出出力を負出力から正出力に変更することも可能である。
既存の人感検出器の信号出力との比較より、本発明の焦電型赤外線検出器は単独の人感検出器と同等の検出能力を持つ。

上記２つの実験例から、本発明の焦電型赤外線検出器はドアの開閉等の微弱な圧力の変化については微気圧出力端子３３でのみ検出し、人体等の熱源移動については人感出力端子３２では正電極２４及び負電極２５の両電極で検出し、微気圧出力端子３３では負電極２５でのみ検出する。

本発明において人感出力用と微気圧出力用として焦電型光電変換素子の負電極２５を共有しているが、焦電型光電変換素子の正負電極を人感出力用と微気圧出力用で共有化することなく、個別に設けることも可能である。ただし、双方出力のために焦電型光電変換素子を２つ、もしくは焦電型光電変換素子１つに正負電極を個別に設ける等した場合、それぞれの電極面積が小さくなることにより検出能力の低下や雑音出力の増大につながる。電極面積を維持するために、人感出力用焦電型光電変換素子を基板に対し光学フィルタ側に、微気圧出力用焦電型光電変換素子を基板の反対側に配置した場合であっても、構造の複雑化による大幅なコストアップは免れない。
人感出力用と微気圧出力用として焦電型光電変換素子の電極を一部共有にすることにより、各検出器単独での性能と同等以上の性能を有することを可能とするほか、双方の出力端子で人体検出可能エリアに違いを持たせることにより、人体移動の方向性検出や小動物誤検出防止等への転用も可能となる。

１１ 光学フィルタ
１２ 焦電型光電変換素子
１３ 焦電型光電変換素子支持台
１４ 基板
１５ 缶
１６ ステム
１７ 通気孔
２１ 焦電体
２２ 表面電極パターン
２３ 裏面電極パターン
２４ 正電極
２５ 負電極
２６ 微気圧出力信号取り出し部
２７ 人感出力信号取り出し部
２８ グラウンド取り出し部
３１ ドレイン端子
３２ 人感出力端子
３３ 微気圧出力端子
３４ グラウンド端子
４１ レンズ
４２ 人体検出可能エリア
４３ 非検出エリア

Claims (5)

1. 焦電型光電変換素子を受光素子とする焦電型赤外線検出器において、前記焦電型光電変換素子は、焦電体と、前記焦電体の表面に形成された正電極及び負電極と、前記焦電体の裏面において前記正電極及び前記負電極のそれぞれに対応して設けられた裏面電極とを有し、前記正電極及び負電極の１対から２つ以上の出力を得られるよう設計した焦電型赤外線検出器。
2. 前記正電極と前記負電極の間から出力を取り出すよう設計した請求項１に記載の焦電型赤外線検出器。
3. 検出器容器に通気孔を設け、かつ赤外線透過のための光学フィルタを有した請求項１または２に記載の焦電型赤外線検出器。
4. 微弱な圧力の変化と、人体等の動作によって生じる熱変化の双方を検知することを特徴とする請求項３に記載の焦電型赤外線検出器。
5. 検出器容器は缶、ステム、光学フィルタからなり、前記検出器容器のステムに通気孔を設けた請求項３に記載の焦電型赤外線検出器。

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