JP3399314B2 - 焦電型赤外線検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、焦電素子を用い
て、人体から輻射される赤外線エネルギーを検出し、人
体の存在や移動の検知を行ったり、輻射エネルギー、室
温を検出することで放射温度計として働く、焦電型赤外
線検出装置の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１９は、この種の焦電型赤外線検出装
置に従来より用いられているＦＥＴを用いた電流電圧変
換回路を示している。この電流電圧変換回路は、ＦＥＴ
のゲートに赤外線受光部が１つのシングルタイプの焦電
素子１と高抵抗Ｒｇを並列に接続し、ＦＥＴのソースと
グランドに接続した出力抵抗Ｒｓより電圧信号を取り出
すようになっており、熱線を感知したとき焦電素子１か
ら出力される信号電流は高抵抗Ｒｇで電圧に変換され、
それをＦＥＴのゲートで受けてＦＥＴと抵抗Ｒｓに電流
を流すことによってＦＥＴのソース電圧を変化させ、そ
のときに抵抗Ｒｓに加わる電圧を信号増幅回路に出力す
る構成としている。

【０００３】また、図２０は、受光部が２つのデュアル
タイプの焦電素子１，１’を使用したもので、２つの赤
外線受光部を直列に接続した例を示している。基本動作
は図１９に示したものと同様である。ところで、このよ
うなＦＥＴを用いた電流電圧変換回路では、赤外線に対
する感度を示す出力電圧Ｖは数１によって求められる。

【０００４】

【数１】

【０００５】これを解析すると、赤外線Ｐの入射に対す
る出力電圧Ｖは、図２１に示すグラフとなる。ここに、
輻射率：η、有効受光面積：Ａ、入力抵抗：Ｒ、焦電係
数：λ、熱拡散係数：Ｇ、熱時定数：τｔ、電気時定
数：τである。また、このようなＦＥＴを用いた電流電
圧変換回路では、発生するノイズも、数２によって求め
られ、その解析結果は図１４に示すグラフのようにな
る。

【０００６】

【数２】

【０００７】ここに、ボルツマン定数：ｋ、絶対温度：
Ｔ、素子容量：Ｃｉ、素子誘電体損失：ｔａｎδ、ＦＥ
Ｔの電流性ノイズ：Ｉｎ、ＦＥＴの電圧性ノイズ：Ｅｎ
である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、赤外線検出
装置にとって重要なことは、単に焦電素子に於ける出力
信号Ｓが大きければ良いと言うことではなく、素子自身
から発生するノイズＮとの比、つまりＳ／Ｎ比が重要で
ある。それは、例えて言うならば、焦電素子を改良して
同一の赤外線入射パワーに対する出力信号が従来より２
倍大きくなっても、定常出力ノイズが４倍に増えていた
ような場合には、検出分解能や検出精度は１／２にな
り、かえって赤外線の検出能力は低下したことになる。

【０００９】したがって、赤外線検出装置として、検出
能力をアップするためには、 １）同一の赤外線入力に対して、出力信号Ｓをいかに大
きくできるか ２）出力ノイズＮをいかに小さく抑えることができるか つまり、いかにして大きなＳ／Ｎ比を得るかが、センサ
の良否、つまり赤外線検出装置の商品的価値を決定する
ことになる。

【００１０】ここで、ＦＥＴを用いた従来の焦電素子を
解析して見ると、出力電圧Ｖは、数１に示したように、
輻射率η、有効受光面積Ａ、入力抵抗Ｒ、焦電係数λ、
熱拡散係数Ｇによって基本的感度が決まり、また熱時定
数τｔ、電気時定数τｅによってその周波数特性が決定
されている。したがって、これらの個々のパラメータを
最適に設定することで最大の信号出力が得られるように
設計が行われているが、実際には新しい素材の焦電素子
を開発し、焦電係数の改善や、その実装方法を開発して
熱拡散係数を改善することが主となっている。

【００１１】また、焦電素子に於けるノイズは １）入力抵抗雑音：Ｖｒ ２）ｔａｎδ雑音：Ｖδ ３）ＦＥＴ電流雑音：Ｖｉ ４）ＦＥＴ電圧雑音：Ｖｎ ５）温度雑音：Ｖｔ で構成され、上記した数２に示すような式で求められ、
最終的には各ノイズの二乗平均でノイズ出力電圧ＶＮが
決定される。

【００１２】このノイズ出力電圧ＶＮは図２２に示さ
れ、Ｓ／Ｎ比は図２４に示される。なお、温度雑音Ｖｔ
は通常桁違いに小さく、この例でもグラフの範囲外に有
り、表記されていない。焦電素子の最大のアプリケーシ
ョンである人体検知のための検出周波数として重要な１
Ｈｚ近傍に着目して代表的パラメータを分析すれば、支
配的になっているのは、入力抵抗による熱雑音である。
この入力抵抗熱雑音は、抵抗値を更に大きな値にすれば
低減できることは解析より明らかである。

【００１３】しかしながら、Ｒｇ＝１００ＧΩを越える
値を採用するというのは、焦電センサに於ける動作の安
定性、つまり外来ノイズ、ＦＥＴのバイアス電流変動、
高抵抗自身の抵抗値変化などを考慮するとほぼ限界に近
い値になっており、これ以上のノイズの低減は殆ど困難
な状況にある。したがって、従来の焦電センサはそのノ
イズ特性に於いては、ほとんど限界に達していると言え
る。

【００１４】本発明者らが検討した結果によれば、従来
のＦＥＴによる電流電圧変換回路を用いた場合のＳ／Ｎ
比の改善は、ノイズの低減はほとんど期待できず、出力
信号を増やす、例えば、焦電係数の改善、熱拡散係数の
改善などの方法しか残されていないが、現実には、種々
の出力特性の改善も限界に近づいており、素子や実装条
件を変えるだけでは２〜３倍といったＳ／Ｎ比の改善を
望むことが出来ないのが現状である。

【００１５】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは、
焦電素子が有する素子容量のインピーダンスの周波数特
性を電流電圧変換に用いることを試験的に試み、繰り返
し検討を重ねた結果、焦電型赤外線検出装置のＳ／Ｎ比
の向上に有益でかつ実現可能なことを知得して本発明に
到達したものである。

【００１６】すなわち、本発明者らは、焦電素子の素材
を変更する手法に依らずに、焦電素子に、更に別の焦電
素子を、帰還容量として付加した演算増幅器を接続して
電流電圧変換回路を構成し、この電流電圧変換回路の入
力換算ノイズを低減させるために種々のシミュレーショ
ン、試験的設計を行うことによって、本発明として到達
したものである。

【００１７】したがって、請求項１において提案された
本発明の赤外線検出装置は、交流帰還回路と直流帰還回
路とを付加接続した演算増幅器に、第１の焦電素子を接
続して構成された電流電圧変換回路を備えた焦電型赤外
線装置であって、上記電流電圧変換回路は、 上記演算増
幅器の反転入力端子と上記第１の焦電素子の一端を接続
するとともに、 その演算増幅器の出力端子と上記反転入
力端子との間には、上記第１の焦電素子とは異なる、第
２の焦電素子を上記交流帰還回路として接続するととも
に、入力抵抗に直流帰還回路を直列接続したものを並列
に接続して構成されており、かつ上記電流電圧変換回路
の変換インピーダンス特性は、上記直流帰還回路によっ
て定まるＤＣ帰還時定数に対応する特定周波数よりも周
波数の高い側に現れる、上記第２の焦電素子のインピー
ダンスが作用する周波数側に、人体検知に必要な周波数
帯を設定していることを特徴としている。このような構
成では、交流帰還回路は、電子部品として製造されたコ
ンデンサを使用することなく、焦電素子がそのまま使用
できる。

【００１８】請求項２や３で提案する本発明の赤外線検
出装置は、同一の焦電素子基板に複数の赤外線受光部を
形成した多素子タイプの焦電素子や、デュアルタイプの
焦電素子の赤外線受光部の一部を第１の焦電素子、第２
の焦電素子に割り当てて使用するものであり、第２の焦
電素子でも第１の焦電素子と同様に赤外線が検知でき
る。この場合、第１、第２の焦電素子を同一極性にして
もよいが、それぞれを逆極性にすれば、温度のゆらぎな
どのノイズ成分を除去でき信頼性が向上する。

【００１９】また、多素子タイプの焦電素子を使用する
場合には、第１、第２のそれぞれの焦電素子を、複数の
赤外線線受光部を直列や並列あるいは直並列に接続して
構成してもよく、その際、第１、第２の焦電素子に割当
てた後に残った赤外線受光部を温度補償として使用して
もよく、これらはいずれも本発明の適用範囲である。請
求項４では、演算増幅器について言及している。前述し
た解析から明かなように、焦電素子を固定した場合、演
算増幅器を用いた電流電圧変換回路では、ノイズ成分と
して、焦電素子の誘電体損失による雑音成分が支配的で
あるが、演算増幅器も電流雑音、電圧雑音成分を有す
る。ところで、この２種類の雑音成分では、電圧雑音が
周波数に影響せずにほぼ一定であり、電流雑音より小さ
いが、電流雑音は周波数に影響して変化する。したがっ
て、このような演算増幅器においては、電流雑音を抑制
することが必要となり、そのための条件として、電流雑
音成分が誘電体損失による雑音成分よりも小さくなるよ
うな入力インピーダンスを有した演算増幅器を用いるこ
とを提案している。実際の使用に際しては、入力インピ
ーダンスの大きな演算増幅器を使用すれば十分である。

【００２０】また、請求項５，６，７では、帰還容量を
付加した演算増幅器の動作を安定化するために付加され
る直流帰還回路の具体的な構成を提案している。請求項
５では、積分回路で構成したもの、請求項６では、直流
帰還回路に、電圧電流変換回路を付加したもの、請求項
７では電圧電流変換回路を抵抗で構成したものを提案
し、現実の回路を構成する際の小型化を図っている。

【００２１】以上のような電流電圧回路を備えた本発明
の赤外線検装置によれば、従来のＦＥＴを用いた電流電
圧変換回路において、熱雑音の要素として支配的であっ
た高抵抗を使用していないため、全体としての雑音成分
が減少し、赤外線検出装置として使用される周波数域で
は、Ｓ／Ｎ比が著しく改善された。このような本発明
は、焦電素子そのものが従来と同様のチップであっても
（素子電流Ｉｐの改善が無くても）、電流電圧変換部に
於ける出力電圧を大きくしたり、入力換算ノイズを低減
することによって、従来より高いＳ／Ｎ比を得ることが
出来る。

【００２２】更に、請求項８において提案する本発明の
赤外線検出装置は、直流帰還回路を、帰還コンデンサを
付加した演算増幅器の出力端子と、その基準入力端子の
各々に異なる抵抗を接続することによって、電流電圧変
換回路にバンドパスフィルタ特性を持たせるとともに、
異なる抵抗の温度特性を同一に揃えることによって、電
流電圧変換回路のインピーダンス特性にピーク値をなく
して温度変化によって帰還動作が不安定になるのを防止
している。

【００２３】

【発明の実施の形態】

［回路の実施例］図１に本発明の赤外線検出装置の要部
をなす電流電圧変換回路の基本構成を示す。図に見るよ
うに、第１の焦電素子１は一端をグランドに接続し、他
端を演算増幅器２の入力端子（図では反転入力端子）に
接続しており、演算増幅器２の出力端子と入力端子との
間には、別の第２の焦電素子１’を帰還容量Ｃｆとして
接続している。ここに、帰還容量Ｃｆは、交流帰還回路
を構成している。また、演算増幅器２の出力端子と入力
端子間には、低域における回路動作を安定化させるため
直流帰還回路３を設け、演算増幅器２の出力を入力抵抗
Ｒｉを通じて帰還させている。

【００２４】このような直流帰還回路３は、図２に示す
ように、インピーダンス変換のための演算増幅器２とは
異なる別の演算増幅器３１にコンデンサＣ１と抵抗Ｒ１
とを付加させた積分回路で構成できる。このような構成
の電流電圧変換回路によれば、第１の焦電素子１から出
力される電流は、帰還容量Ｃｆのインピーダンスを用い
て、電圧に変換される。

【００２５】図３，図４は、直流帰還回路３に、更に分
圧回路４を接続した構成を示しており、図１に対応する
部分には同じ符号を付して説明を省略する。積分回路に
よって構成された直流帰還回路３は、演算増幅器２から
の出力電圧を分圧回路４によって分圧し入力させてい
る。図４の例では、Ｔ型に組まれた３つの入力抵抗Ｒ２
〜Ｒ４は、それぞれの他端を演算増幅器２の入力端子、
演算増幅器３１の出力端子、グランドに接続しており、
３つの入力抵抗Ｒ２〜Ｒ４をＴ型に組むことで、帰還回
路の見かけ上のフィードバック利得を減少させ、積分回
路の持つフィードバック時定数を低域へシフトさせ実質
的に時定数を大きくして、直流帰還回路の部品の小型化
を図っている。

【００２６】また、このような分圧回路４は、図４に示
したようなＴ型に構成する必要はなく、通常の２つの抵
抗を接続したものでもよいが、直流帰還回路のオフセッ
ト等の性能を考慮すれば、Ｔ型の方がより利点がある。
以上のような構成によれば、帰還容量Ｃｆのインピーダ
ンスを用いて、第１の焦電素子１からの素子電流を電圧
に変換しているため、入力抵抗Ｒｇによって素子電流を
電圧に変換していた従来のＦＥＴバッファを用いた回路
に比べて、後述する解析で明かなように、出力ノイズ電
圧を支配していた抵抗の熱雑音が排除され、そのためノ
イズ源を根本的になくすことが出来るので、トータルノ
イズの低減化が図れる。

【００２７】また、第２の焦電素子１’も、赤外線検出
素子として動作するので、第１の焦電素子１と同じ極性
にしておけば、双方の出力が加えられて大きい感度が得
られるが、第１の焦電素子１と第２の焦電素子１’とを
互いに逆極性にしておけば、双方の焦電素子１，１’が
太陽光や温度のゆらぎなどで同時に赤外線を検知した場
合にも、ノイズとして相殺されるので誤動作が少なくな
り、信頼性が向上する。

【００２８】なお、図５〜図８は、デュアルタイプの焦
電素子を使用した場合の使用例を示している。このよう
なデュアルタイプの焦電素子を使用して、第１、第２の
焦電素子を構成する場合、焦電素子基板に形成された２
つの赤外線受光部を直列に接続したものを、それぞれ第
１、第２の焦電素子として使用したり、２つの赤外線受
光部のそれぞれを、第１、第２の焦電素子として使用す
ることが出来る。

【００２９】図５の（ａ），（ｂ）は、２つの赤外線受
光部１０ａ（Ａ），１０ｂ（Ｂ）を直列に接続したもの
を、第１、第２の焦電素子として使用する場合の焦電素
子基板１０の表、裏面の導電パターンを示している。こ
こに、裏面の導電パターンは表面から透視した図として
示されている。１０ｅは接続端子や受光部どうしを電気
的に接続する導電路を形成する導電パターンである。図
６に示す等価回路では、焦電素子基板１０の表、裏面に
形成された２つの赤外線受光部１０ａ，１０ｂによっ
て、容量素子ＣＡ，ＣＢが形成され、第１、第２の焦電
素子は、いずれも２つの容量素子ＣＡ，ＣＢを直列に接
続して構成されている。

【００３０】また、図７の（ａ），（ｂ）は、２つの赤
外線受光部１０ａ（Ａ），１０ｂ（Ｂ）のそれぞれを、
第１、第２の焦電素子１，１’に割り当てて使用する場
合の焦電素子基板１０の表、裏面の導電パターンを示す
図（裏面は表面から透視した状態を示している）、図８
はその等価回路を示している。この等価回路では、焦電
素子基板１０の表、裏面に形成された２つの赤外線受光
部１０ａ，１０ｂによって、容量素子ＣＡ，ＣＢが形成
され、容量素子ＣＢが第２の焦電素子として、帰還容量
となっている。

【００３１】更に、図９〜図１０は、多素子タイプの焦
電素子を使用した場合の使用例を示している。図９の
（ａ），（ｂ）は、４つの赤外線受光部を直並列に接続
して使用する場合の焦電素子基板の表、裏面の導電パタ
ーンを示す図、図１０はその等価回路であり、この例で
は、４つの赤外線受光部１０ａ（Ａ）〜１０ｃ（Ｄ）の
うち、２つの赤外線受光部１０ａ（Ａ），１０ｃ（Ｃ）
と、１０ｂ（Ｂ），１０ｄ（Ｄ）とはいずれも並列に接
続され、第１、第２の焦電素子１，１’として使用さ
れ、容量素子ＣＡ，ＣＣを並列接続したものが第１の焦
電素子１を構成し、容量素子ＣＢ，ＣＤを並列接続した
ものが第２の焦電素子１’として使用されている。図１
１は、多素子タイプの焦電素子を用いて構成された電流
電圧変換回路を図２に対応させて示すものである。な
お、図９の（ａ）、（ｂ）において、１０ｅの左、右の
パターン部分は、表と裏面で短絡している ［シミュレーション結果の検討］ついで、電流電圧変換
回路の周波数特性について、シミュレーションした結果
を示す。

【００３２】以下では、積分回路で直流帰還回路を構成
した図２に示した回路についてのシミュレーション結果
を説明する。デュアルタイプ、多素子タイプの焦電素子
を使用する場合は、合成容量、合成帰還容量の値を置き
換えれば同様である。まず、信号出力となる出力電圧Ｖ
について解析する。変換インピーダンスＺと、素子電流
Ｉｐとは数３によって求められるので、その変換インピ
ーダンス特性は図１２に示される。

【００３３】

【数３】

【００３４】この図１２から分かることは、周波数に対
して傾斜部分のインピーダンス特性はインピーダンスＺ
＝１／（ω・Ｃｆ）で与えられるので、周波数が低くな
るにしたがってその値は上昇していくが、直流帰還回路
が働いているため、帰還回路の時定数τｄｃによって決
まる特定周波数から下は、第２の焦電素子１´のインピ
ーダンスが作用して、逆にインピーダンスは下降してい
く。

【００３５】つまり、インピーダンスＺは、帰還回路時
定数τｄｃによって定まる各速度ωｄｃでピークを持つ
ようなカーブとなる。 ここに、帰還回路の時定数τｄｃ＝√（Ｒ１・Ｃ１・Ｒｉ・Ｃｆ） ＝１／ωｄｃである。 また、焦電素子から出力される素子電流Ｉｐは、熱時定
数τｔをポールとするＨＰＦのような特性を示す。

【００３６】従って、出力電圧Ｖは、変換インピーダン
スＺと素子電流Ｉｐの積となり、Ｖ＝Ｚ×Ｉｐとして求
められる。その結果、低減のカットオフ周波数がτｄｃ
で、高域のカットオフ周波数がτｔで決定されるＢＰＦ
のような特性を示すことになる。次いで、ノイズ特性の
解析を行う。

【００３７】図１３は各ノイズ電圧について解析した結
果を示している。この図では焦電素子の温度雑音等や演
算増幅器の１／ｆノイズは、それほど影響がないため、
支配的となるパラメータを記述している。したがって、
ノイズ出力電圧は、 １）ｔａｎδ雑音：Ｖδ ２）ＯＰＡｍｐ電流雑音：Ｖｉ ３）ＯＰＡｍｐ電圧雑音：Ｖｅ ４）ＦＢ系統雑音：Ｎfb で構成され、数４に示すような式で求められる。

【００３８】

【数４】

【００３９】図１４は代表的パラメータを用いて、各々
のノイズ電圧を実際に計算してシミュレーションした結
果を、図１５はＳ／Ｎ比をシミュレーションした結果を
グラフで示している。各ノイズ特性から分かるようにコ
ンデンサの誘電体損失＝ｔａｎδによるノイズＶδが支
配的となっており（但し、１Ｈｚ近傍）、図１５では、
そのトータルノイズをＮｖ、信号出力をＳｖとして示し
ている。Ｓ／Ｎ比はＳｖ／Ｎｖで求められる。

【００４０】また、従来のＦＥＴバッファを用いたもの
との比較を行うため、ＦＥＴバッファを用いた電流電圧
変換回路についても、本発明と同様な条件でシミュレー
ションを行った。図２３，図２４はそれぞれ、図１４、
図１５に対応したグラフである。ここでは、焦電素子の
素子熱基準電流を本発明の場合と同様に０．１ｆＡと
し、他の回路条件も同じものにした。

【００４１】両者の分析の結果、Ｓ／Ｎ比は次のように
なり、本発明によるＳ／Ｎ比は、 Ｎｖ(out)＝２．４［μＶ／√Ｈｚ］ Ｓｖ(out)＝３．０［μＶ］ ゆえに、Ｓ／Ｎ＝１．３（但し、１Ｈｚ） これに対して、従来のＦＥＴバッファを用いた方式によ
るＳ／Ｎ比は、 Ｎｖ(out)＝２．４［μＶ／√Ｈｚ］ Ｓｖ(out)＝１．４［μＶ］ Ｓ／Ｎ＝０．５８（但し、１Ｈｚ）という計算結果とな
った。

【００４２】以上のシミュレーション結果から、本発明
では、人体検知周波数として重要な１Ｈｚの近傍におい
ては、従来のＦＥＴバッファを用いた場合に比べて、２
倍ほどのＳ／Ｎ比改善が行われていることが分かる。ま
た、素子容量Ｃｉが２０ｐＦから１０ｐＦになったた
め、同じ素子感度でローノイズ化も達成されていること
も分かる。

【００４３】これを定性的に分析すれば、従来のノイズ
成分として支配的であった抵抗Ｒｇによる熱雑音がなく
なることで全体としてローノイズ化が図れたものと思わ
れる。なお、図１４、図１５のシミュレーション結果で
は、変換インピーダンスがＦＥＴバッファを用いたもの
よりも上がったためノイズの絶対値は下がっていない
が、その分、信号出力電圧Ｓｖも上昇しているので、結
果としてＳ／Ｎ比も向上している。

【００４４】また、本発明者らが行ったノイズ解析によ
れば、演算増幅器の帰還容量が小さいほどより高いＳ／
Ｎ比が得られる事も分かっている。シミュレーションの
例では、帰還容量を構成する焦電素子の素子容量を１０
ｐＦより小さい値とすることで、従来の方式に対して更
に２倍以上のＳ／Ｎ比の改善を行うことも可能である。

【００４５】更に、本発明者らによって確認されたノイ
ズ解析の結果から、本発明において高いＳ／Ｎ比を得る
ためにはＩ／Ｖ変換のために用いる演算増幅器の電流雑
音は小さい方が良く、従って、入力バイアス電流の小さ
なタイプ、つまり入力インピーダンスが高いタイプが望
まれる。このような条件の演算増幅器は、一般的には入
力段にＦＥＴを用いたタイプを使用すればよい。

【００４６】ついで、電流電圧変換回路について説明す
る。図１６は、この回路の実施例を示しており、直流帰
還回路は、帰還コンデンサＣ１を接続した演算増幅器３
２の出力端子と、第２の焦電素子１’より成る帰還容量
Ｃｆを付加した演算増幅器２の反転入力端子との間に抵
抗Ｒｉを接続し、さらに抵抗Ｒ１を基準電圧Ｖｒに接続
して構成される。第１の焦電素子１は演算増幅器２の反
転入力端子に接続されており、この点は前述の回路と同
じである。また、演算増幅器２の出力端子は、そのまま
演算増幅器３２の非反転入力端子に接続され、演算増幅
器２の非反転入力端子には基準電圧Ｖｒが加えられてい
る。

【００４７】なお、この回路では、演算増幅器２と３２
には基準電圧Ｖｒを与えることによって、演算増幅器が
片電源駆動方式である場合にも、動作点をＶｒに上げる
ことによって、正、負のいずれの入力信号に対しても出
力信号が得られるようにしている。この場合Ｖｒは、０
＜Ｖｒ＜ＶDD（ここに、ＶDDは演算増幅器の駆動電源）
の範囲に設定されるが、Ｖｒ＝ＶDD／２に設定すれば、
正、負いずれの入力信号対しても最大の動作範囲を得る
ことが可能となる。

【００４８】このような直流帰還回路は、バンドパスフ
ィルタとして働き、この時のインピーダンスＺ（ｓ）は
数５で表わされる。

【００４９】

【数５】

【００５０】ここで、２次のバンドパスフィルタの標準
形は、数６で表わされるから、数５，数６の２つの式よ
り、数７が求められる。

【００５１】

【数６】

【００５２】

【数７】

【００５３】すなわち、この回路の変換インピーダンス
の周波数特性は、バンドパスフィルタの作用をなすこと
が分かる。ここに、ω0は中心周波数でＱは一般に選択
度と呼ばれるものである。ところで、焦電型赤外線検出
装置における電流電圧変換回路では、ノイズ成分の一つ
としてＲｉによる熱雑音が問題となり、これを抑えるた
めにはＲｉの値を１Ｔ（テラ）Ω程度以上の高抵抗にし
なければならないが、このような高抵抗は温度特性が大
きく、温度変化によりＲｉの値が大きく変動することに
なる。ところが、抵抗値が大きくなると、変換インピー
ダンスの周波数特性にピークが表れ、回路は不安定な状
態になる。

【００５４】請求項８において提案する直流帰還回路
は、このような問題点を解決するため、温度が変化して
も電流電圧変換回路の変換インピーダンスの周波数特性
にピークが生じない、すなわち回路の安定性が温度変化
に対して強い構成にしている。この直流帰還回路では、
バンドパスフィルタを形成することとなる抵抗Ｒ１とＲ
ｉに同じ温度特性を持つものを選択しており、そのため
温度変化によりＲｉの値が大きく変動しても、同じよう
にＲ１の値も変動して温度補償がなされるため、結果と
してＱは変動しない。つまり、変換インピーダンスの周
波数特性にピークが生じないので、安定化することにな
る。

【００５５】図１７は、この電流電圧変換回路における
変換インピーダンスの周波数特性をシミュレーションし
た結果を示している。回路定数は焦電素子Ａの素子容量
Ｃｉ＝１２ｐＦ，帰還容量Ｃｆとなる焦電素子Ｂの素子
容量Ｃｉ＝Ｃｆ＝１２ｐＦ，Ｒｉ＝１ＴΩ，Ｒ１＝２．
４ＧΩ，Ｃ１＝１０ｎＦとしている。（Ａ）は抵抗Ｒ
ｉ，Ｒ１を１倍にした場合、（Ｂ）は５倍にした場合、
（Ｃ）は１０倍にした時のシミュレーショ結果を示して
いる。

【００５６】図１８は、抵抗ＲｉとＲ１の温度特性を揃
えない場合のインピーダンスの周波数特性を表わしてい
る。回路定数は図１７の場合と同じであるが、（Ａ）は
抵抗Ｒｉのみを１倍、（Ｂ）は５倍（Ｂ）、（Ｃ）は１
０倍にした時の特性を示している。これらの結果からわ
かるように、図１８では、抵抗が大きくなれば変換イン
ピーダンスの周波数特性にピークが鋭くなっていくのに
対して、図１７では、鋭いピークはなく、グラフの形に
変動がなくなっていることがわかる。このような電流電
圧変換回路によれば、温度変化により回路中の高抵抗素
子の値が大きく変動しても、回路のＱ値は変わらないの
で、環境温度が変化しても回路の安定性を向上させるこ
とができる。特に、人体検知周波数となる１Ｈｚ近傍
は、平坦なピーク値より更に低い傾斜したレベルにある
ので、人体検知の周波数特性としては極めて安定化して
いることが分かるはずである。

【００５７】

【発明の効果】本発明の赤外線検出装置（請求項１〜
８）によれば、以下のような効果が得られる。 （１）ＦＥＴを用いた従来の電流電圧変換回路に比べ
て、Ｓ／Ｎ比が著しく改善出来る。

【００５８】シミュレーション結果から明かなように、
ＦＥＴを用いて構成された従来品と比べて、高抵抗によ
る熱雑音が排除され、トータル的にノイズの低減化が図
れる。また、高抵抗などの外付け部品を使用せず、半導
体素子を用いて回路構成できるため、焦電素子、レンズ
の小型化も可能となり、検出器も小型化できる。 （２）帰還容量に焦電素子を使用しているので、別に電
子部品としてのディスクリートのコンデンサを必要とせ
ず、部品が削減でき、小型でローコスト化が図れる。ノ
イズ分析から結果から分かるように、ローノイズ化を図
るためには、誘電体損失の小さいコンデンサが必要とさ
れるが、本発明では、焦電素子で兼用しているので、電
子部品としてのコンデンサは不要となり、部品点数も軽
減される。 （３）出力電圧の低域の時定数を回路素子でコントロー
ルできる。

【００５９】ＦＥＴを用いた従来品では、並列抵抗×素
子容量で決まる電気時定数で決定されていたが、本発明
ではインピーダンス変換のために帰還容量を付加した演
算増幅器に、更に付加される直流帰還回路の回路素子を
選択することによって、出力電圧の低域の時定数が調整
できる。 （４）特に、請求項８において提案された温度特性を同
じくする抵抗素子を用いて直流帰還回路を構成し、電流
電圧回路にバンドパスフィルタ特性を持たせたもので
は、温度環境が変化した場合にも、変換インピーダンス
特性にピーク値が生じないので、安定した焦電型赤外線
検出装置が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の焦電型赤外線検出装置の要部をなす電
流電圧変換回路の基本構成を示す図である。

【図２】直流帰還回路を積分回路で構成した電流電圧変
換回路の基本回路図である。

【図３】直流帰還回路に電圧電流変換回路を付加した本
発明の基本回路図である。

【図４】電圧電流回路を更に具体的に示した本発明の基
本回路図である。

【図５】（ａ），（ｂ）は、本発明において、第１、第
２の焦電素子として使用するデュアルタイプの焦電素子
基板の表、裏面の導電パターンの一例を示す説明図であ
る。

【図６】図５の焦電素子基板によって構成される等価回
路図である。

【図７】（ａ），（ｂ）は、本発明において、第１、第
２の焦電素子として使用するデュアルタイプの焦電素子
基板の表、裏面の導電パターンの他例を示す説明図であ
る。

【図８】図７の焦電素子基板によって構成される等価回
路図である。

【図９】（ａ），（ｂ）は、本発明において、第１、第
２の焦電素子として使用する多素子タイプの焦電素子基
板の表、裏面の導電パターンの他例を示す説明図であ
る。

【図１０】図９の焦電素子基板によって構成される等価
回路図である。

【図１１】図９に示した多素子タイプの焦電素子基板を
用いて電流電圧変換回路を構成した場合の回路構成図で
ある。

【図１２】本発明による出力電圧の周波数特性を示す図
である。

【図１３】本発明によるノイズ出力電圧の周波数特性を
示す図である。

【図１４】本発明によるノイズ出力電圧のシミュレーシ
ョン結果を示すグラフである。

【図１５】本発明によるＳ／Ｎ比のシミュレーション結
果を示すグラフである。

【図１６】請求項８において提案された電流電圧変換回
路の一実施図である。

【図１７】図８に示した電流電圧変換回路の出力電圧の
シミュレーション結果を示すグラフである。

【図１８】抵抗の温度特性を揃えない場合の電流電圧変
換回路の出力電圧のシミュレーション結果を示すグラフ
である。

【図１９】ＦＥＴバッファを用いた従来の電流電圧変換
回路の一例（シングルタイプの焦電素子を用いたもの）
を示す図である。

【図２０】ＦＥＴバッファを用いた従来の電流電圧変換
回路の一例（デュアルタイプの焦電素子を用いたもの）
を示す図である。

【図２１】従来の電流電圧変換回路の出力電圧特性図で
ある。

【図２２】従来の電流電圧変換回路のノイズ出力電圧特
性図である。

【図２３】従来の電流電圧変換回路の各ノイズ出力電圧
のシミュレーション結果を示すグラフである。

【図２４】従来の電流電圧変換回路のＳ／Ｎ比のシミュ
レーション結果を示すグラフである。

【符号の説明】

１・・・第１の焦電素子 １’・・・第２の焦電素子 ２・・・演算増幅器 ３・・・直流帰還回路 ３１，３２・・・直流帰還のための演算増幅器 ４・・・電圧電流変換回路 Ｃｆ・・・帰還容量（交流帰還回路） Ｃｉ・・・素子容量 Ｒｉ，Ｒ１〜Ｒ４・・・抵抗 Ｃ１・・・コンデンサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 坂本 慎司 大阪府門真市大字門真1048番地 松下電 工株式会社内 (56)参考文献 特開 平１−286513（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−281866（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−181840（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01J 1/00 - 1/60 G01J 5/00 - 5/62

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】交流帰還回路と直流帰還回路とを付加接続
   した演算増幅器に、第１の焦電素子を接続して構成され
   た電流電圧変換回路を備えた焦電型赤外線装置であっ
   て、上記電流電圧変換回路は、 上記演算増幅器の反転入力端子と上記第１の焦電素子の
   一端を接続するとともに、 その演算増幅器の出力端子と上記反転入力端子との間に
   は、上記第１の焦電素子とは異なる、第２の焦電素子を
   上記交流帰還回路として接続するとともに、入力抵抗に
   直流帰還回路を直列接続したものを並列に接続して構成
   されており、かつ上記電流電圧変換回路の変換インピー
   ダンス特性は、上記直流帰還回路によって定まるＤＣ帰
   還時定数に対応する特定周波数よりも周波数の高い側に
   現れる、上記第２の焦電素子のインピーダンスが作用す
   る周波数側に、人体検知に必要な周波数帯を設定してい
   る ことを特徴とした焦電型赤外線検出装置。
2. 【請求項２】請求項１において、上記第１、第２の焦電
   素子は、同一の焦電素子基板に形成された複数の赤外線
   受光部を選択的に割り当てて構成されている焦電型赤外
   線検出装置。
3. 【請求項３】請求項１または２において、上記第１、第
   ２の焦電素子は、同一の焦電素子基板に２つの赤外線受
   光部を形成したデュアルタイプ焦電素子のそれぞれの赤
   外線受光部を選択的に割り当てて構成されている焦電型
   赤外線検出装置。
4. 【請求項４】請求項１〜３のいずれかにおいて、上記演
   算増幅器は、その電流雑音成分が上記焦電素子の誘電体
   損失によって生じる雑音成分よりも小さくなる程度に十
   分に大きい入力インピーダンスを有したものである焦電
   型赤外線検出装置。
5. 【請求項５】請求項１〜４において、上記直流帰還回路
   が、積分回路で構成されている焦電型赤外線検出装置。
6. 【請求項６】請求項１〜４において、上記直流帰還回路
   には、上記演算増幅器の出力電圧を電流信号に変換する
   電圧電流変換回路を更に接続した構成としている焦電型
   赤外線検出装置。
7. 【請求項７】請求項６において、上記電圧電流変換回路
   は、３つの抵抗を接続して構成されている焦電型赤外線
   検出装置。
8. 【請求項８】請求項１〜７において、上記直流帰還回路
   は、コンデンサを付加した演算増幅器を有し、その出力
   端子と、その基準入力端子の各々に、異なる抵抗を接続
   することによって、上記電流電圧変換回路にバンドパス
   フィルタ特性を持たせており、かつ上記双方の異なる抵
   抗の温度特性を同じに揃えた構成としている焦電型赤外
   線検出装置。