JP2671110B2

JP2671110B2 - 焦電形センサ

Info

Publication number: JP2671110B2
Application number: JP32804294A
Authority: JP
Inventors: 知弘神原; 規裕浅田
Original assignee: Nippon Signal Co Ltd
Current assignee: Nippon Signal Co Ltd
Priority date: 1994-12-28
Filing date: 1994-12-28
Publication date: 1997-10-29
Anticipated expiration: 2012-10-29
Also published as: JPH08184491A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、人体の検知等に用いら
れる焦電形センサに関し、特にその変調に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】赤外線センサは、量子形と熱形の２種に
大別される。量子形センサは、光子により発生した電荷
を検出するもので、応答が速く高感度であるが、冷却が
必要であり波長感度特性が平坦でない。一方熱形センサ
は、赤外線を熱エネルギとして吸収し、センサの温度上
昇による抵抗あるいは電荷の変化を検出するものであ
る。応答が遅く、感度は低いが、室温で動作可能であ
り、波長感度特性が平坦である。

【０００３】熱形センサとしては、サーモパイル，サミ
スタ，焦電形センサ等があるが、焦電形センサは熱形セ
ンサのなかでは応答速度，感度が比較的大きいため一般
によく用いられており、たとえば侵入警報装置，自動ド
アで用いられている。

【０００４】焦電形センサは、自発分極をもつＴＧＳ，
ＴｉＴａＯ₃ ，ＰｄＴｉＯ₃ などの物質が温度変化とと
もに分極を変化して外部自由電荷を発生することを利用
するものである。温度変化がないときは、表面の分極電
荷は付着したイオンなどにより中和されている。したが
って、強さが変化しない赤外線を検出するには、この赤
外線を断続する（変調あるいはチョッピングと称してい
る）必要がある。

【０００５】図７は従来の変調の仕方を示す図である。
（ａ）は、窓４２を開けた円筒体４１をモータ４４で回
転し、前述の自発分極をもつ物質すなわち焦電形赤外線
検出素子４３へ窓４２を介して入射する赤外線４０を断
続するものである。（ｂ）は周辺に多数の穴４６を開け
た円板４５をモータ４４で回転し、穴４６を介して焦電
形赤外線検出素子４３へ入射する赤外線４０を断続する
ものである。（ｃ）はスリット４８を開けたシャッタ板
４７を圧電素子４９で振動させ、スリット４８を介して
焦電形赤外線検出素子４３へ入射する赤外線４０を断続
するものである。

【０００６】ところで焦電形センサは、振動に弱く、振
動によっても信号が出力されてしまう。図８はこの振動
対策の説明図である。すなわち、（ｂ）のように素子が
振動すると、（ｃ），（ｄ）に誇張して示すように信号
が発生する。そこで（ａ）に示すように、赤外線が入射
するセンサ１と、赤外線を遮蔽したセンサ２を逆極性で
直列接続し、振動による信号が互に打ち消され、赤外線
による信号のみが出力されるようにしている。この方式
はデュアル形といい汎用されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の焦電形センサ
は、前述のように、回転する円筒体，円板、振動するシ
ャッタ板、モータ等を用いているため、小形化が困難で
あり、たとえば室内照明の制御に用いる場合に、スイッ
チボックス内に収納，配置できず、単体で室内に配置せ
ざるを得ないといった問題がある。また、モータを用い
るものは長寿命が期待できず、圧電素子を用いるものは
その駆動のため数１００Ｖの高電圧を必要とする問題が
ある。

【０００８】本発明は、このような状況のもとでなされ
たもので、小型，長寿命で低圧電源で動作可能な焦電形
センサを提供することを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明では、焦電形センサを次の（１）〜（４）の
とおりに構成するものである。

【００１０】（１）半導体基板に一体形成した、可動板
とこの可動板を前記半導体基板に対し揺動自在に軸支す
るトーションバーと、前記可動板の周縁部に設けた駆動
コイルと、この駆動コイルに静磁界を与える磁界発生手
段と、前記可動板上に形成した焦電形赤外線検出素子
と、この焦電形赤外線検出素子の受光面に対向する赤外
線導入口とを備え、前記駆動コイルに電流を流すことに
より発生する力により前記可動板を駆動し前記焦電形赤
外線検出素子の光軸方向を可変して変調する焦電形セン
サ。

【００１１】（２）駆動コイルと電磁結合する検出コイ
ルを設けた前記（１）記載の焦電形センサ。

【００１２】（３）ガルバノミラーと、このガルバノミ
ラーに設けた反射鏡に対向して受光面を配置した焦電形
赤外線検出素子とを備えた焦電形センサであって、前記
ガルバノミラーは、半導体基板に一体形成した、可動板
とこの可動板を前記半導体基板に対し揺動自在に軸支す
るトーションバーと、前記可動板の周縁部に設けた駆動
コイルと、この駆動コイルに静磁界を与える磁界発生手
段と、前記可動板上に形成した前記反射鏡とを備え、前
記駆動コイルに電流を流すことにより発生する力により
前記可動板を駆動して前記反射鏡で反射する赤外線の方
向を可変して前記焦電形赤外線検出素子の変調を行う焦
電形センサ。

【００１３】（４）駆動コイルと電磁結合する検出コイ
ルを設けた前記（３）記載の焦電形センサ。

【００１４】

【作用】前記（１），（２）の構成では、赤外線導入口
から焦電形赤外線検出素子へ入射する赤外線は、可動板
の揺動により断続あるいは強弱となり変調が行われる。

【００１５】前記（３），（４）の構成では、反射鏡で
反射し焦電形赤外線検出素子へ入射する赤外線は、可動
板の揺動により断続あるいは強弱となり変調が行われ
る。

【００１６】

【実施例】以下本発明を実施例により詳しく説明する。

【００１７】（実施例１）図１は実施例１である“焦電
形センサ”の構成，動作を示す模式図である。図１
（ａ）において、１００は検出対象である人等からの赤
外線、１０１はこの赤外線１００を遮蔽する遮蔽箱体、
１０２は遮蔽箱体１０１に開けた赤外線導入口、８は赤
外線導入口１０２に対向して受光面を配置した焦電形赤
外線検出素子である。５は焦電形赤外線検出素子８を支
持する可動板である。この可動板５は、後述の、ガルバ
ノメータの原理による駆動装置の一部であり、矢印１０
３で示すように回動する。

【００１８】この構成により、焦電形赤外線検出素子１
０３の見かけ上の受光面積が変化し、変調が行われる。

【００１９】なお、赤外線導入口１０２を図１（ｂ）に
示すように大きくしてもよく、焦電形センサの検出（走
査）可能範囲はこの赤外線導入口１０２の大きさに比例
する。この際、焦電形赤外線検出素子８を図１（ｃ）に
示す断面形状とし指向性を持たせるとよい。

【００２０】図２，図３は、前記駆動装置の構成を示す
図である。この駆動装置は、検流計（ガルバノメータ）
と同じ原理で動作するものである。なお、図２，図３で
は判り易くするため大きさを誇張して示している。後述
の図４についても同様である。

【００２１】図２及び図３において、駆動装置１は、半
導体基板であるシリコン基板２の上下面に、それぞれ例
えばホウケイ酸ガラス等からなる上側及び下側絶縁基板
としての平板状の上側及び下側ガラス基板３，４を接合
した３層構造となっている。前記上側ガラス基板３は、
後述する可動板５上部分を開放するようシリコン基板２
の左右端（図２における）に積層されている。

【００２２】前記シリコン基板２には、平板状の可動板
５と、この可動板５の中心位置でシリコン基板２に対し
て基板上下方向に揺動可能に可動板５を軸支するトーシ
ョンバー６とが半導体製造プロセスにおける異方性エッ
チングによって一体形成されている。従って、可動板５
及びトーションバー６もシリコン基板２と同一材料から
なっている。前記可動板５の上面周縁部には、可動板５
駆動用の駆動電流と、この駆動電流に重畳する変位角検
出用の検出用電流とを流すための銅薄膜からなる平面コ
イル７が、絶縁被膜で覆われて設けられている。前記検
出用電流は、下側ガラス基板４に後述するように設けら
れる検出コイル１２Ａ，１２Ｂとの相互インダクタンス
に基づいて可動板５の変位を検出するためのものであ
る。

【００２３】ここで、コイルは抵抗分によってジュール
熱損失があり、抵抗の大きな薄膜コイルを平面コイル７
として高密度に実装すると発熱により駆動力が制限され
ることから、公知の電解メッキによる電鋳コイル法によ
って前記平面コイル７を形成してある。電鋳コイル法
は、基板上にスパッタで薄いニッケル層を形成し、この
ニッケル層の上に銅電解めっきを行って銅層を形成し、
コイルに相当する部分を除いて銅層及びニッケル層を除
去することで、銅層とニッケル層からなる薄膜の平面コ
イルを形成するもので、薄膜コイルを低抵抗で高密度に
実装できる特徴があり、マイクロ磁気デバイスの小型化
・薄型化に有効である。

【００２４】また、可動板５の平面コイル７で囲まれた
上面中央部には、焦電形赤外線検出素子８が公知の手法
で形成されている。更に、シリコン基板２のトーション
バー６の側方上面には、平面コイル７とトーションバー
６の部分を介して電気的に接続する一対の電極端子９，
９が設けられており、この電極端子９，９は、シリコン
基板２に電鋳コイル法による平面コイル７と同時に形成
される。

【００２５】上側及び下側ガラス基板３，４の左右側
（図２における）には、前記トーションバー６の軸方向
と平行な可動板５の対辺の平面コイル７部分に磁界を作
用させる、互いに対をなす円形状の永久磁石１０Ａ，１
０Ｂと１１Ａ，１１Ｂが設けられている。上下の互いに
対をなす各３個づつの永久磁石１０Ａ，１０Ｂは、上下
の極性が同じとなるよう、例えば図３に示すように、下
側がＮ極、上側がＳ極となるよう設けられている。ま
た、他方の各３個づつの永久磁石１１Ａ，１１Ｂも、上
下の極性が同じとなるよう、例えば図３に示すように、
下側がＳ極、上側がＮ極となるよう設けられている。そ
して、上側ガラス基板３側の永久磁石１０Ａと１１Ａ及
び下側ガラス基板４側の永久磁石１０Ｂと１１Ｂは、図
３からも判るように、互いに上下の極性が反対となるよ
うに設けられる。

【００２６】また、前述したように、下側ガラス基板４
の下面には、平面コイル７と電磁結合可能に配置され各
端部がそれぞれ対をなす電極端子１３，１４に電気的に
接続された一対のコイル１２Ａ，１２Ｂがパターニング
されて設けられている（なお、図２では、模式的に１本
の破線で示したが実際は複数巻回してある）。検出コイ
ル１２Ａ，１２Ｂは、トーションバー６に対して対称位
置に配置されて可動板５の変位角を検出するもので、平
面コイル７に駆動電流に重畳して流す検出用電流に基づ
く平面コイル７と検出コイル１２Ａ，１２Ｂとの相互イ
ンダクタンスが、可動板５の角度変位により一方が接近
して増加し他方が離間して減少するよう変化するので、
例えば相互インダクタンスに基づいて出力される電圧信
号の変化を差動で検出することにより可動板５の変位角
をが検出できる。

【００２７】次に、駆動装置１の動作について説明す
る。

【００２８】例えば、一方の電極端子９を＋極、他方の
電極端子９を一極として平面コイル７に電流を流す。可
動板５の両側では、永久磁石１０Ａと１０Ｂ、永久磁石
１１Ａと１１Ｂによって、図４の矢印Ｂで示すような可
動板５の平面に沿って平面コイル７を横切るような方向
に磁界が形成されており、この磁界中の平面コイル７に
電流が流れると、平面コイル７の電流密度と磁束密度に
応じて平面コイル７、言い換えれば可動板５の両端に、
電流・磁束密度・力のフレミングの左手の法則に従った
方向（図４の矢印Ｆで示す）に力Ｆが作用し、この力は
ローレンツ力から求められる。

【００２９】この力Ｆは、平面コイル７に流れる電流密
度をｉ、上下永久磁石による磁束密度をＢとすると、下
記の（１）の式で求められる。

【００３０】Ｆ＝ｉ×Ｂ……（ｉ）実際には、平面コイル７の巻数ｎと、力Ｆが働くコイル
長ｗ（図３中に示す）により異なり、下記の（２）の式
のようになる。

【００３１】Ｆ＝ｎｗ（ｉ×Ｂ）……（２）一方、可動板５が回動することによりトーションバー６
が捩じられ、これによって発生するトーションバー６の
ばね反力Ｆ′と可動板５の変位角φの関係は、下記の
（３）式のようになる。

【００３２】 θ＝（Ｍｘ／ＧＩｐ）＝Ｆ′Ｌ／８．５×１０⁹ ｒ⁴ ）×ｌ₁ ……（３）ここで、Ｍｘは捩りモーメント、Ｇは横弾性係数、Ｉｐ
は極断面二次モーメントである。また、Ｌ、ｌ₁ 、ｒは
それぞれ、トーションバーの中心軸から力点までの距
離、トーションバーの長さ、トーションバーの半径であ
り、図４に示してある。

【００３３】そして、前記力Ｆとばね反力Ｆ′が釣り合
う位置まで可動板５が回動する。従って、（３）式の
Ｆ′に（２）式のＦを代入することにより、可動板５の
変位角φは平面コイル７に流れる電流ｉに比例すること
が判る。

【００３４】従って、平面コイル７に流す電流を制御す
ることにより、可動板５の変位角φを制御するとができ
るので、例えば、トーションバー６の軸に対して垂直な
面内において焦電形赤外線検出素子８の光軸方向を自由
に制御でき、連続的にその変位角を変化させれば、変調
ができる。

【００３５】この焦電形赤外線検出素子８の光軸の変位
角φを制御する際に、平面コイル７に、駆動電流に重畳
して駆動電流周波数に比べて少なくとも１００倍以上の
周波数で変位角検出用の検出用電流を流す。すると、こ
の検出用電流に基づいて、平面コイル７と下側ガラス基
板５に設けた検出コイル１２Ａ，１２Ｂとの間の相互イ
ンダクタンスによる誘導電圧がそれぞれの検出コイル１
２Ａ，１２Ｂに発生する。検出コイル１２Ａ，１２Ｂに
発生する各誘導電圧は、可動板５、いい換えれば、焦電
形赤外線検出素子８が水平位置にある時には、検出コイ
ル１２Ａ，１２Ｂと対応する平面コイル７との距離が等
しいことから等しくなりその差は零である。可動板５が
前述の駆動力でトーションバー６を支軸として回動する
と、一方の検出コイル１２Ａ（または１２Ｂ）では接近
して相互インダクタンスの増加により誘導電圧は増大
し、他方の検出コイル１２Ｂ（又は１２Ａ）では離間し
て相互インダクタンスの減少により誘導電圧は低下す
る。従って、検出コイル１２Ａ，１２Ｂに発生する誘導
電圧は焦電形赤外線検出素子８の変位に応じて変化し、
この誘導電圧を検出することで、焦電形赤外線検出素子
８の光軸変位角φを検出することができる。

【００３６】そして、例えば、図５に示すように、検出
コイル１２Ａ，１２Ｂの他に２つの抵抗を設けて構成し
たブリッジ回路に電源を接続し、検出コイル１２Ａと検
出コイル１２Ｂとの中点と２つの抵抗の中点との電圧を
入力とする差動増幅器を設けて構成した回路を用い、前
記両中点の電圧差に応じた差動増幅器の出力を、可動板
５の駆動系にフィートバックし、駆動電流を制御するよ
うにすれば、焦電形赤外線検出素子８の光軸変位角φを
精度良く制御するとが可能であり、たとえば検出対象の
温度をより正確に検出できる。

【００３７】以上説明したように、本実施例では、変調
のための構成が小型にできるので、焦電形センサを小型
化でき、モータを用いていないので長寿命となり、ガル
バノメータの原理を用いているため低電圧，小電力で駆
動できる。

【００３８】（実施例２）図６は実施例２である“焦電
形センサ”の構成，動作を示す模式図である。図６
（ａ）において、２００は検出対象からの赤外線、２０
１は赤外線２００を反射させる反射鏡、２０２は反射鏡
２０１に対向して受光面を配置した焦電形赤外線検出素
子である。

【００３９】図６（ａ）において、反射鏡２０１を実
線，一点鎖線の間で矢印２０３のように回動すると、焦
電形赤外線検出素子２０２へ入射する赤外線２００は断
続し変調が行われる。

【００４０】なお、図６（ｂ）に示すように、焦電形赤
外線検出素子２０２をアレイ状に並べることによって検
出対象を走査することができる。すなわち、検出範囲を
広くすることができる。

【００４１】反射鏡２０１は、いわゆる“ガルバノミラ
ー”の一部を構成しており、本実施例におけるガルバノ
ミラーは、図２〜図４に示す駆動装置１における焦電形
赤外線検出素子８を反射鏡２０１で置き換えた構成のも
のである。検出コイルによるフィードバックによりたと
えば検出対象の温度をより正確に検出できる。

【００４２】以上説明したように、本実施例においても
実施例１と同様に、変調のための構成が小型にできるの
で焦電形センサを小型化でき、モータを用いないので長
寿命となり、ガルバノメータの原理を用いているため低
電圧，小電力で駆動でき、要部である可動板，トーショ
ンバーを同一半導体基板から半導体素子製造プロセスを
利用して形成できるので、量産によるコストダウンが期
待できる。

【００４３】（変形）実施例１では、焦電形赤外線検出
素子への赤外線量は強弱に変化するが、これに限らず、
図１において、赤外線導入口１０２を傾けるあるいは、
焦電形赤外線検出素子１０４の静止位置を傾けるなどし
て焦電形赤外線検出素子への赤外線を完全に断続する形
で実施することができる。

【００４４】また、実施例２では、焦電形赤外線検出素
子への赤外線は断続しているが、これに限らず、図６に
おける反射鏡２０１の回動角度を減らし、赤外線量を強
弱に変化させる形で実施することができる。

【００４５】また必要に応じて焦電形赤外線検出素子の
前面に入射光を収束するマイクロレンズを設ける形で実
施することができる。

【００４６】また、各実施例では、可動板の中央部をト
ーションバーで軸支しているが、これに限らず、可動板
の端部たとえば図２における可動板５の右辺部を軸支す
る形で実施することができ、この場合、左辺部に１個の
検出コイルを設け変位角を検出することになる。

【００４７】更に各実施例は、図２に示す１次元で回動
する駆動装置，ガルバノミラーを用いるものであるが、
これに限らず、２次元で回動する駆動装置，ガルバノミ
ラーを用いる形で実施することができ、これにより検出
（走査）可能範囲を２次元とすることができる。この２
次元で回動する構成は、本出願人の出願にかかる平成６
年特許願第３１０６５７号に詳細に記載されている。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
小型，長寿命で、低電圧，小電力で駆動でき、量産によ
るコストダウンが期待できる焦電形センサを提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の構成，動作を示す模式図

【図２】実施例１の要部構成を示す図

【図３】図２のＡ−Ａ断面図

【図４】実施例１における可動板の動作説明図

【図５】実施例１における可動板の変位角検出の説明
図

【図６】実施例２の構成，動作を示す模式図

【図７】従来例の変調の仕方を示す図

【図８】焦電形センサの振動対策の説明図

【符号の説明】

５可動板８焦電形赤外線検出素子１０２赤外線導入口

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０１Ｖ 8/12 Ｇ０１Ｖ 9/04 Ａ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板に一体形成した、可動板とこ
の可動板を前記半導体基板に対し揺動自在に軸支するト
ーションバーと、前記可動板の周縁部に設けた駆動コイ
ルと、この駆動コイルに静磁界を与える磁界発生手段
と、前記可動板上に形成した焦電形赤外線検出素子と、
この焦電形赤外線検出素子の受光面に対向する赤外線導
入口とを備え、前記駆動コイルに電流を流すことにより
発生する力により前記可動板を駆動し前記焦電形赤外線
検出素子の光軸方向を可変して変調することを特徴とす
る焦電形センサ。
【請求項２】駆動コイルと電磁結合する検出コイルを
設けたことを特徴とする請求項１記載の焦電形センサ。
【請求項３】ガルバノミラーと、このガルバノミラー
に設けた反射鏡に対向して受光面を配置した焦電形赤外
線検出素子とを備えた焦電形センサであって、前記ガル
バノミラーは、半導体基板に一体形成した、可動板とこ
の可動板を前記半導体基板に対し揺動自在に軸支するト
ーションバーと、前記可動板の周縁部に設けた駆動コイ
ルと、この駆動コイルに静磁界を与える磁界発生手段
と、前記可動板上に形成した前記反射鏡とを備え、前記
駆動コイルに電流を流すことにより発生する力により前
記可動板を駆動して前記反射鏡で反射する赤外線の方向
を可変して前記焦電形赤外線検出素子の変調を行うこと
を特徴とする焦電形センサ。
【請求項４】駆動コイルと電磁結合する検出コイルを
設けたことを特徴とする請求項３記載の焦電形センサ。