JP3346028B2 - 焦電型赤外線センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物体から放出される赤
外線を非接触で検知する焦電型赤外線センサに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】近年、焦電型赤外線センサは、電子レン
ジにおける調理物の温度測定や、エアコンにおける人体
の位置検出などの幅広い分野で利用され、今後ますます
需要が大きくなると思われる。焦電型赤外線センサは、
ＬｉＴａＯ₃単結晶等の焦電体による焦電効果を利用し
たものである。焦電体は自発分極を有しており常に表面
電荷が発生するが、大気中における定常状態では大気中
の電荷と結びついて電気的に中性を保っている。この焦
電体に赤外線が入射すると焦電体の温度が変化し、これ
にともない表面の電荷状態も中性状態が崩れて変化す
る。この表面に発生する電荷を検知し、赤外線入射量を
測定するのが、焦電型赤外線センサである。物体はその
温度に応じた赤外線を放射しており、このセンサを用い
ることにより物体の位置や温度を検出できる。焦電効果
は赤外線の入射量の変化に起因するものであり、焦電型
赤外線センサとして物体の温度を検出する場合、赤外線
入射量を変化させる必要がある。この手段として用いら
れるのがチョッパであり、入射する赤外線を強制的に断
続し検出物体の温度を検出する。従来のチョッパとして
は、電磁モータ及び圧電アクチュエータ等が用いられて
いた。

【０００３】図３は弾性体平板に圧電体を接着したアク
チュエータをチョッパとして用いた焦電型赤外線センサ
の従来例である。金属等の弾性体平板に圧電体を接着し
て貼り合わせ素子を構成して片端を固定し、圧電体によ
る歪を利用して全体を屈曲運動を発生させるアクチュエ
ータは、一般には弾性体平板の両面に圧電体を接着した
ものはバイモルフ型、片面にのみ接着したものはユニモ
ルフ型と呼ばれており、また弾性体平板はシムと呼ばれ
ており、以下各部材をそのように呼ぶ。

【０００４】図３はバイモルフ型素子を焦電型赤外線セ
ンサのチョッパとして用いたものであり、３１はシム、
３２ａ，３２ｂは圧電体、３３は遮蔽板、３４は台座、
３５は固定具、３６はシム用配線、３７ａ，３７ｂは圧
電体用配線、３８は赤外線検出部、３９はスリット、４
０は赤外線である。シム３１の両面には圧電体３２ａ，
３２ｂがそれぞれ接着され、バイモルフ型素子が構成さ
れている。圧電体３２ａ，３２ｂは表面に電極が印刷さ
れ、また接着面に対し垂直方向に分極処理が施されてお
り、圧電体３２ａ，３２ｂそれぞれの分極の方向は、シ
ムから取り出された配線３６と圧電体から取り出された
配線３７ａ，３７ｂによりシム３１と圧電体３２ａ，３
２ｂそれぞれの間に加えられる電界の向きにより異なる
が、圧電体３２ａ，３２ｂが常に互いに逆の方向に歪を
発生するように決められる。すなわち、圧電体３２ａ，
３２ｂの片方が分極方向に伸びる方向で歪むとき、もう
一方は分極方向に縮むように印加電界の方向と分極方向
は決められる。バイモルフ型素子は台座３４と固定具３
５とによりシム３１の部分と圧電体３２ａ，３２ｂの部
分が同時に挟み込まれることにより保持されている。シ
ム３１の圧電体３２ａ，３２ｂが接着されていない部分
にはシム用配線３６が取り付けられ、また圧電体３２
ａ，３２ｂ表面には圧電体用配線３７ａ，３７ｂが取り
付けられている。バイモルフ型素子の自由端の先端部分
には遮蔽板３３が取り付けられ、遮蔽板３３にはスリッ
ト３９が設けられている。遮蔽板３３の近傍には赤外線
検出部３８が遮蔽板３３及び、バイモルフ型素子に接触
しないように配置される。シム用配線３６及び圧電体用
配線３７ａ，３７ｂによりシム３１と圧電体３２ａ，３
２ｂの間にそれぞれ電界が印加されると、バイモルフ型
素子は片端固定の屈曲運動を発生し、先端に取り付けら
れた遮蔽板３３及びスリット３９は電界の印加方向の変
化に応じて往復運動を行う。このスリット３９の往復運
動により赤外線検出部３８に入射する赤外線４０を断続
する。

【０００５】しかしながら、上記の構成のバイモルフ型
チョッパは、赤外線を断続するのに十分な移動距離を得
るために、固定部から先端の移動部までの寸法を大きく
する必要があり、また非常に高い駆動電圧を必要とす
る。

【０００６】そこで、その改善手段として、バイモルフ
型素子あるいはユニモルフ型素子の先端移動部分に荷重
負荷を設けて共振周波数を低下させ、固定をシム部分の
みで行うことにより圧電体が脆性破壊することを防止
し、更に必要に応じて固定部近傍のシムに切り欠きを設
けるなどの手段により共振周波数をより低下させること
で、低電圧駆動で大きな変位を得ることが考えられる。
以下にこの特徴を持つチョッパの構造の従来例を示す。

【０００７】図４は従来例における、焦電型赤外線セン
サ用チョッパとしてのユニモルフ型素子を、シム部分の
固定場所の幅が細くなるように成形した場合の一例を示
す斜視図である。図４において、４１ａ，４１ｂはシ
ム、４２ａ，４２ｂは圧電体、４３ａ，４３ｂは重り、
４４はセンサ台座、４５ａ，４５ｂはユニモルフ型素子
固定具、４６ａ，４６ｂはシム用配線、４７ａ，４７ｂ
は圧電体用配線、４８は赤外線検出部、４９ａ，４９
ｂ，４９ｃ，４９ｄはユニモルフ型素子固定ネジ、５０
は赤外線である。

【０００８】また図５はシム４１ａの詳細を示す斜視図
であり、５１は遮蔽部、５２は圧電体接着部、５３は切
り欠き部、５４は位置決め部、５５ａ，５５ｂは固定用
穴である。遮蔽部５１と圧電体接着部５２は折曲げによ
って直角をなし、圧電体接着部５２から位置決め部５４
にいたる間に幅が圧電体接着部５２よりも細くなるよう
に成形された切り欠き部５３を設け、位置決め部５４の
両端には固定用穴５５ａ，５５ｂが設けられている。

【０００９】図４においてシム４１ａ，４１ｂは図５で
説明したように幅が細い切り欠き部５３が設けられ、切
り欠き部５３においてセンサ台座４４とユニモルフ型素
子固定具４５ａ，４５ｂによって挟まれ、更にユニモル
フ型素子固定ネジ４９ａ，４９ｂ，４９ｃ，４９ｄをそ
れぞれ固定用穴５５ａ，５５ｂに挿入して位置決め及び
片端固定され、互いに平行に向かい合うように配置され
ている。またシム４１ａ，４１ｂのそれぞれ向かい合う
面すなわち圧電体接着部５２には圧電体４２ａ，４２ｂ
が、センサ台座４４やユニモルフ型素子固定具４５ａ，
４５ｂ及びシム４１ａ，４１ｂ先端の遮蔽部、加えて切
り欠き部５３に接触しない位置で接着されてユニモルフ
型圧電アクチュエータを構成している。赤外線検出部４
８はセンサ台座４４上にてユニモルフ型素子の自由端近
傍にて配され、赤外線５０の入射あるいは遮断をうけ
る。赤外線５０を断続する遮蔽部はシム４１ａ，４１ｂ
の固定する側と反対側の端部を折り曲げて構成され、こ
の部分の平面部分に重り４３ａ，４３ｂがそれぞれ接着
されている。シム４１ａ，４１ｂの可動部以外の一箇所
すなわち位置決め部５４の一箇所にはシム用配線４６
ａ，４６ｂが、圧電体４２ａ，４２ｂには圧電体用配線
４７ａ，４７ｂがそれぞれユニモルフ型素子の固定部に
近い位置で取り付けられており、シム用配線４６ａ，４
６ｂ及び圧電体用配線４７ａ，４７ｂによりシム４１ａ
と圧電体４２ａ、シム４１ｂと圧電体４２ｂの間に電界
を加えるとユニモルフ型素子は曲げを起こし、先端の遮
蔽部が移動する。２つのユニモルフ型素子を同一周波数
にて反対方向に駆動し、赤外線５０を断続する。

【００１０】圧電体とユニモルフ型素子の固定部の間の
シム部に切り欠き部を設けることで、同一寸法で切り欠
き部を設けないユニモルフ型素子に比べてより共振周波
数を低下させることができるので、切り欠き部を設けな
いものに比べてチョッパの小型化と低周波数駆動時の変
位量の増大が図れる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
切り欠き部と、先端部に重りを持った構成のバイモルフ
型あるいはユニモルフ型チョッパは、外部からの振動に
対して非常に敏感で、特にチョッパの長手方向の軸に対
して回転する方向の振動が発生し易く、正確な変位を得
る事が困難であり、また前記の回転振動によりチョッパ
へ余分な応力が加わるといった問題点を有していた。

【００１２】また重りの取付や切り欠き部の設置等で共
振周波数を低下させ、共振周波数近傍で駆動する事で変
位の増大を図る場合、共振周波数に近すぎると、外気の
温度変化等の影響による共振周波数の変化によりチョッ
パの変位は著しく変化し、さらにチョッパの固体間の共
振周波数をより高精度に合わせこむ必要がある。逆に駆
動周波数を共振周波数から離しすぎると共振による変位
拡大の効果が減少する。

【００１３】さらに共振周波数近傍での駆動であるので
チョッパの構造自体を目的の駆動周波数に合わせる必要
があるが、従来のセラミック等の研磨による赤外線検出
素子の感度を十分に確保できるチョッパ開閉周波数は一
例では１０Hz程度で、この近傍までチョッパの共振周波
数を低下させるとチョッパの剛性が著しく低下し、不要
振動の発生が顕著となる。

【００１４】本発明は、より信頼性が高く、安定した駆
動特性の得られる圧電アクチュエータを用いた焦電型赤
外線センサを提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、圧電体と弾性部材の貼り合わせ型素子によるチョッ
パの、固定を行う弾性部材部分に切り欠き部の代わりに
孔加工を行い、チョッパの幅方向において、孔加工部の
両側面または孔加工部から少し外れた下方部の２箇所に
て固定を行い、チョッパの持つ固有の共振周波数よりも
５〜１５％低い周波数でチョッパを振動させ、先端の重
りはこの固定箇所間の幅の内側に位置するように取り付
ける構成とする。

【００１６】

【００１７】焦電型赤外線センサの赤外線を検出する素
子を薄膜により構成し、この焦電型赤外線センサに共振
周波数近傍で駆動するチョッパを用いる。

【００１８】

【作用】チョッパの構成部材であるシムの固定される部
分において孔加工を行い、この孔部分においてチョッパ
を固定することで、チョッパは所定の振動方向での共振
周波数を低下させる効果を失うことなく２箇所において
固定がなされるので、外部から加わる力による不要な振
動の発生を抑え、より正確に所定の方向にのみ振動を発
生させることができる。またチョッパ先端部に取り付け
る重りを固定箇所間の幅の内側に配置することにより、
不要な振動の発生を軽減できる。

【００１９】チョッパの駆動をチョッパ自身が持つ固有
の共振周波数の５〜１５％低い周波数で行うことで、共
振による変位拡大の効果を利用しつつ、変位の不安定な
共振点より離れた駆動が行えるので、より駆動特性を安
定化できる。

【００２０】また薄膜により構成された赤外線検出素子
は、セラミック素子等、研磨等の機械的な手法によって
加工された赤外線検出素子と比べて非常に高感度であ
り、特に短い時間でのチョッパ開閉において高い出力を
もつので、薄膜の赤外線検出素子と共振周波数近傍駆動
のチョッパを組み合わせることで、チョッパの開閉周波
数を高く設定でき、共振周波数の低減化に伴うチョッパ
の剛性不足による不要振動の発生を軽減できる。

【００２１】

【実施例】以下、図にしたがって本発明の一実施例につ
いて説明する。図１は本発明の実施例における、ユニモ
ルフ型の圧電アクチュエータを用いた焦電型赤外線セン
サ用チョッパの一例を示す斜視図である。

【００２２】図１において、１１ａ，１１ｂはシム、１
２ａ，１２ｂは圧電体、１３ａ，１３ｂは重り、１４は
センサ台座、１５ａ，１５ｂはユニモルフ型素子固定
具、１６ａ，１６ｂはシム用配線、１７ａ，１７ｂは圧
電体取り付け用配線、１８ａ，１８ｂは圧電体用配線、
１９は赤外線検出部、２０は赤外線、２１ａ，２１ｂは
固定部孔である。

【００２３】シム１１ａは一端に直角な折り曲げ部と、
固定部孔２１ａ及び２箇所の固定箇所２３ａ，２４ａと
が設けられ、さらに固定部孔２１ａの先端に幅の広い部
分が再び設けられ、この部分においてシム用配線１６ａ
がシム１１ａに対して半田付けされている。シム１１ａ
の折り曲げ部には重り１３ａが取り付けられており、前
記の固定部孔２１ａと合わせチョッパの共振周波数の低
減に寄与している。重り１３ａはシム１１ａの固定箇所
２３ａと２４ａとの幅の内側になるように取り付けられ
ている。シム１１ａは固定箇所２３ａと２４ａとにおい
てセンサ台座１４とユニモルフ型素子固定具１５ａによ
り挟み込まれ、さらに半田によって固着される形また
は、ネジ止め（図示せず）で片端固定されている。これ
らの構成はシム１１ｂ側についても同様のものである。
センサ台座１４のチョッパを固定する２箇所の部分は互
いに段差を持っており、チョッパを固定した場合チョッ
パはそれぞれの可動端が段差を有するように配置され
る。シム１１ａ，１１ｂはそれぞれ折り曲げられた側の
面同士が平行に向かい合うように配置され、おのおの向
かい合った面には圧電体１２ａ，１２ｂがシム１１ａ，
１１ｂの折り曲げ部および固定部孔２１ａ，２１ｂに接
触しないように接着されてチョッパであるユニモルフ型
素子が構成されている。圧電体１２ａ，１２ｂの表面に
おいて圧電体取り付け用配線１７ａ，１７ｂが、シム１
１ａ，１１ｂの固定部孔２１ａ，２１ｂに近い部分にて
半田付けされ、さらにセンサ台座１４の端面に取り付け
られた中継基板２２を介して圧電体取り付け用配線１７
ａ，１７ｂから圧電体用配線１８ａ，１８ｂに電気的に
接続されている。圧電体１２ａ，１２ｂはそれぞれ接着
されていない面が正となるようにあらかじめ分極処理さ
れている。センサ台座１４上には赤外線検出部１９がセ
ンサ台座１４と電気的には絶縁されて配置されている。
シム用配線１６ａ，１６ｂと圧電体用配線１８ａ，１８
ｂにより圧電体１２ａ，１２ｂに電界を印加すると、圧
電体１２ａ，１２ｂに変形が生じ、チョッパの可動部に
おいて屈曲変形が起こり、重り１３ａ，１３ｂの取り付
けられている先端部が変位する。２枚のチョッパそれぞ
れに同じ電界を印加すると、２枚のチョッパは常に逆方
向に先端部が変位し、したがって両先端部は赤外線検出
部１９に入射する赤外線２０を入射あるいは遮断し、焦
電型赤外線センサのチョッパとしての機能を果たす。

【００２４】図２（ａ），図２（ｂ）は前記チョッパに
用いられるシムの形状を詳細に説明するための斜視図で
ある。

【００２５】図２（ａ），図２（ｂ）において、２５
ａ，３０は折り曲げ部、１１ａ，２６は圧電体接着部、
２１ａ，２７は固定部孔、２３ａ，２４ａ，２８，２９
は固定箇所である。

【００２６】圧電体接着部１１ａ，２６の両端にそれぞ
れ折り曲げ部２５ａ，３０及び固定部孔２１ａ，２７が
一体的に構成されており、圧電体接着部１１ａ，２６の
折り曲げ部２５ａ，３０の折り曲げられている方向の面
にそれぞれ圧電体を接着し、必要な場合には折り曲げ部
２５ａ，３０の上面に重りを取り付け、固定箇所２３ａ
と２４ａまたは２８と２９とにおいて片端固定すること
で、先端の折り曲げ部の部分を可動部とするチョッパが
構成される。このように固定すると幅の小さい２つの部
材のみとなるので、従来のような固定部孔のない部分に
おいて固定した場合に比べチョッパの持つ共振周波数を
低下させることができる。

【００２７】図２（ａ）に示すシムは全体の幅が一定で
あるが、場合によっては図２（ｂ）に示すシムのよう
に、長手方向に向かってシム幅にテーパを持たせる形状
としたり、あるいは曲線状に変化を持たせる形状（図示
せず）としても良い。幅にテーパを持たせることでチョ
ッパを固定する部材の間隔を大きくでき、共振周波数を
低下させる効果を持ちつつ、より安定な固定を行うこと
ができる。

【００２８】また、先端部に取り付ける重りの外形がチ
ョッパを直接固定する部分の間隔内に納まるようにする
と、重りの取り付け位置が幅方向のどちらか一方にずれ
た場合でも安定であり、所定の方向以外のチョッパの振
動の発生を抑制することができる。

【００２９】また、前記構造のチョッパや、従来例のチ
ョッパにおいて、共振周波数近傍で駆動する方式を採用
すると、共振の影響により極めて大きい変位が得られる
反面、共振点での変位量は不安定で、一定した駆動特性
が得られにくい。そこで、共振周波数より５〜１５％だ
け低い周波数においてチョッパの駆動を行う方法を採用
する。具体的には、リン青銅製のシムに圧電体を接着し
た長さ約１２mm、共振周波数が約２２Hzのユニモルフ型
チョッパに対して、１０％共振周波数を低下させた駆動
周波数は２０Hzである。この場合、８０Ｖの電圧を圧電
体の分極方向にのみ交流で加え、分極と逆方向に分極破
壊を起こさない程度の電界を加えると、１．２mm以上の
チョッパの変位を得ることが可能である。この駆動周波
数を使用することで、共振のもつ不安定さを回避し、か
つ共振による変位拡大の効果も合わせ持つので大きい変
位量が得られる。また、逆に共振周波数より高い側に周
波数をずらして駆動した場合においても同様の効果が得
られるが、センサの赤外線検出部の感度を大きく持たせ
たい場合、駆動周波数は低い側の方が良い。

【００３０】また、周波数のずれが５％より少ないと、
振動を安定させる効果が薄く、反対に、周波数のずれが
１５％を超えると、共振による変位拡大の効果が小さく
なってしまうので、周波数の設定範囲は共振周波数の５
〜１５％低目が良い。

【００３１】図６は、本発明の他の実施例の斜視図であ
る。構造については図１とほぼ同様であり、同じ機能の
部分については図１と同じ番号を付している。図１と異
なるのはユニモルフ型素子固定具１５ｃであり、図１で
は固定部孔２１ａを直接挟み込むように取り付けてあっ
たが、本実施例では孔加工部２１ｃから少し外れた下方
部にてシム１１ａを挟み込んでいる。

【００３２】このように孔加工部２１ｃの近傍で押さえ
ることにより、図１のように孔加工部を直接挟み込んだ
場合に比較してシム１１ａをより広い面積で固定でき、
固定を安定的に行えることにより、チョッパ自体の共振
周波数を安定させることができ、多数のチョッパを製作
する際にも、チョッパ固体間の共振周波数のバラツキを
抑えることができるので、品質の均一な製品が提供出来
る。

【００３３】かつ、孔加工部周辺の微小面積で固定した
場合よりも固定が広い面積で行われ、かつ孔加工部を直
接押さえつけないので、シム１１ａ内での孔加工部付近
への応力集中を緩和することができるので、機械的信頼
性が増すものである。

【００３４】なお、このように固定具の位置をずらすこ
とにより固定面積を増したことによる効果は、図４に示
す従来例のような切り欠き部をもったチョッパにおいて
も同様の作用をするものである。

【００３５】なお、本実施例ではチョッパとしてユニモ
ルフ型の素子を用いたが、バイモルフ型の素子を用いて
も同様の効果が得られることはいうまでもない。

【００３６】以上のように本発明は、ユニモルフ型素子
あるいはバイモルフ型素子のシム部分でのみ固定して共
振周波数を低下させたチョッパにおいて、固定部を孔加
工部の両側面または孔加工部から少し外れた下方部の２
箇所で固定することにより、より安定したチョッパの固
定を行うことができ、長手方向の軸に対する回転振動
等、所定の振動以外の方向の振動発生を抑制でき、また
チョッパの持つ固有の共振周波数よりも５〜１５％低い
周波数でチョッパを振動させることによって、外部から
の振動による不要振動の発生を低減でき、チョッパの駆
動特性が向上できる。また共振周波数低下のためにチョ
ッパ先端部に取り付ける重りをチョッパ固定箇所の幅方
向の間隔の内側に取り付けることにより、重りの取り付
け時の重心のずれや、駆動中の重心移動により生ずる、
チョッパの長手方向を軸とする回転振動等の不要な方向
への振動の発生を防止できる。

【００３７】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における焦電型赤外線センサ
の斜視図

【図２】（ａ）本発明の実施例における、シム形状の一
例を示す斜視図 （ｂ）本発明の実施例における、シム形状の一例を示す
斜視図

【図３】従来例における焦電型赤外線センサの一例を示
す斜視図

【図４】従来例における焦電型赤外線センサの一例を示
す斜視図

【図５】従来例におけるシム形状の一例を示す斜視図

【図６】本発明の他の実施例による焦電型赤外線センサ
の斜視図

【符号の説明】

１１ａ，１１ｂ シム １２ａ，１２ｂ 圧電体 １３ａ，１３ｂ 重り １９ 赤外線検出部 ２１ａ， 固定部孔 ２３ａ，２４ａ 固定箇所

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 今田 勝巳 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平５−196506（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−209913（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−164722（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01J 1/02 - 1/04 G01J 5/02 G01J 5/62 G02B 26/04

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 先端に赤外線遮蔽部を有し、平板状の弾
   性部材に平板状の圧電体を貼り合わせ、圧電体に交流電
   圧を印加することにより振動するチョッパと、焦電効果
   により赤外線を検知する赤外線検出部とを備え、前記弾
   性部材は、この弾性部材に施した孔加工部の両側面また
   は孔加工部から少し外れた下方部の２箇所で固定され、
   チョッパの持つ固有の共振周波数よりも５〜１５％低い
   周波数でチョッパを振動させる焦電型赤外線センサ。
2. 【請求項２】 先端の赤外線遮蔽部に重りを取り付け、
   この重りは、平板を固定する２箇所の固定箇所の間隔内
   に位置させた請求項１の焦電型赤外線センサ。
3. 【請求項３】 焦電効果をもつ検出部の素子が薄膜によ
   り構成されている請求項１又は請求項２のいずれか一つ
   に記載の焦電型赤外線センサ。