JP3472906B2 - 焦電型赤外線検出装置 - Google Patents
焦電型赤外線検出装置Info
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Description
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。
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
のゲートに焦電素子1と高抵抗Rgを並列に接続し、F
ET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。
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。
る出力電圧Vは、図13に示すようなグラフとなる。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に示すグラフとなる。
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。
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、その定常出力ノイズが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。
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、素
子の良否、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。
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。
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。このノイズ出力電圧VNは図15に示さ
れ、S/N比は図16に示されるが、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
るが、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って表記されていない。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、従
って、これ以上のノイズの低減は殆ど困難な状況にあ
り、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。
子の最大のアプリケーションである人体検知に於ける検
出周波数が1Hz中心であることから、1Hz近傍に着
目して行っている。以上の事実を考慮すると、従来のF
ETによる電流電圧変換回路を用いてS/N比を改善す
る場合、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
などしか方法が残されていないが、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比の改善は望み
ようもないのが現状である。
鋭意検討の結果なされたもので、コンデンサのインピー
ダンスの周波数特性を電流電圧変換に用いることを種々
の観点から試験的に考察した結果、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。
を変更する手法に依らずに、焦電素子に帰還容量を付加
した演算増幅器を接続して電流電圧変換回路を構成し、
この電流電圧変換に対して入力変換ノイズを低減させる
種々のシミュレーション、設計を行うことによって、本
発明に到達したものである。したがって、請求項1にお
いて提案された焦電型赤外線検出装置は、焦電素子と、
その焦電素子の出力電流を電圧信号に変換する電流電圧
変換回路とを備えた焦電型赤外線検知装置において、上
記電流電圧変換回路は、第1の演算増幅器の反転入力端
子には、上記焦電素子の一端を接続するとともに、交流
帰還のためのコンデンサの一端と入力抵抗の一端子とを
互いに接続し、上記第1の演算増幅器の出力端子には、
上記コンデンサの他端と直流帰還回路の入力端子とを接
続し、さらに上記入力抵抗の他端を上記直流帰還回路の
出力端子に接続して構成され、そ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高い周波数側に、人体検
知に必要な周波数帯が設定されており、この周波数帯で
は、上記コンデンサの静電容量が逆数として作用する特
性、つまり、周波数が高くなるにつれてインピーダンス
が低下する特定を呈することを特徴とする。また、請求
項2において提案された赤外線検出装置においては、上
記変換インピーダンス特性は、上記特定周波数よりも周
波数の低い側に現れる直流帰還回路の周波数特性によっ
て、上記特定周波数よりも低い側が直流側に向かって降
下する特性に設定されている。
出装置によれば、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す
る。また、演算増幅器の帰還動作を安定化するため直流
帰還回路を接続しているので、低周波に対して不安定な
帰還容量に対してもインピーダンス特性を安定化してい
るので、赤外線検出装置として使用される周波数ではS
/N比が著しく改善された。
演算増幅器の構成を具体化したものを提案している。す
なわち、請求項3では、上記直流帰還回路は、その出力
端子を上記入力抵抗の他端に接続し、かつその非反転入
力端子を上記第1の演算増幅器の出力端子に接続した第
2の演算増幅器を備え、この第2の演算増幅器の反転入
力端子と上記出力端子との間にコンデンサを接続すると
ともに、その第2の演算増幅器の反転入力端子に一端を
接地した抵抗を接続して構成された積分回路である。請
求項4では、上記第1の演算増幅器は、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大きい入力インピーダンス
を有したものである。前述した解析から明らかなよう
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。特にこの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。
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。
した第1の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。すな
わち、請求項5では、直流帰還回路の入力側に分圧回路
を接続したもの、請求項6では、分圧回路を3つの抵抗
をT型に接続して構成したものをそれぞれ提案してい
る。
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)、電流電圧変換部における出力電圧を大きく
したり、入力変換ノイズを低減することによって、従来
より高いS/N比を得るものである。更に請求項7で
は、上記電流電圧変換回路は、上記第1の演算増幅器の
反転入力端子に一端を接続した入力抵抗と、請求項3に
記載された直流帰還回路を構成する上記第2の演算増幅
器の反転入力端子に接続した抵抗とを異なる抵抗値に設
定して、バンドパスフィルタ特性を持たせており、か
つ、上記入力抵抗と上記抵抗とは、抵抗の対温度抵抗値
特性を同一に揃えた構成としている。これによって、温
度補償を行い、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。
を示す。図に見るように、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、コンデンサで構成された帰還容量
Cfを接続している。ここに、帰還容量Cfは交流帰還
回路として構成されている。また、演算増幅器2の出力
端子と入力端子間には、更に直流帰還回路3を設け、入
力抵抗Riによって帰還を行っている。
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出来る。このような構成の
電流電圧変換回路によれば、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、電流
から電圧に変換される。
回路を接続した構成を示している。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によって分圧して入力させてい
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、
このようにして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することで、直流
帰還回路の部品の小型化を図っている。
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。しかし、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。以上のような本発明によれば、コンデンサ容量のイ
ンピーダンスを用いて信号電流を電圧に変換しているた
め、図12に示したように入力抵抗Rgによって信号電
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、出力ノイズ電圧を支配していた抵抗の熱
雑音が排除されるため、ノイズ源を根本的になくすこと
が出来きるので、トータルノイズの低減化が図れる。
した回路についてのシミュレーション結果を説明する。
まず、信号出力となる出力電圧Vについて解析する。出
力電圧Vは、数3によって求められた変換インピーダン
スと、素子電流との積として求められ、変換インピーダ
ンス特性は図5に示すようになる。
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
る周波数から下は逆にインピーダンスは下降していく。
つまり、インピーダンスは、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。
1・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、前述し
た解析で示したように熱時定数τtをポールとするHP
Fのような特性を示す。従って、出力電圧Vは、変換イ
ンピーダンスZに素子電流Ipをかけて、V=Z×Ip
として求められる。
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。図6は各ノイズ電圧について解析し
た結果を示す。図6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。
ノイズ出力電圧を実際に計算してシミュレーションした
結果を、図8はS/N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近傍に於いて)、図8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。したがって、S/N比はSv/Nvで求め
られる。
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15,図16はそれぞれ、図7、図8
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
回路条件を同じものにした。
のようになり、本発明によるS/N比は、 Nv(out)=2.8[μV/√Hz] Sv(out)=3.0[μV] ゆえに、S/N=1.1(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。
では、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。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7、図8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、結果とし
てS/N比が向上している。
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。従って、シミュレー
ションの例では、帰還容量を10pF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
改善を行うことも可能である。
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。
圧変換回路について説明する。図9は、この回路の実施
例を示しており、直流帰還回路は、コンデンサC1を接
続した演算増幅器32の出力端子と、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は抵抗Ri
を接続し、さらに演算増幅器32の反転入力端子は、抵
抗R1を介してグランドに接続された基準電圧Vrが接
続されている。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。
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、入力信号が正、負のいずれに対しても出
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。
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。
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。
の周波数特性は、バンドパスフィルタの役割を果たすこ
とが分かる。ここで、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。このような電流電圧変換回
路では、ノイズ成分の一つとしてRiによる熱雑音が支
配的であり、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いため、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、回路が不安定な状態になってしまう。
解決するもので、温度が変化しても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。この電流電
圧変換回路では、直流帰還回路部のバンドパスフィルタ
を形成することとなる抵抗R1とRiに同じ温度特性
(温度変化に対して、抵抗値が同じ度合いで変化する特
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
変動するため、温度補償がなされ、結果としてQは変動
しない。したがって、変換インピーダンスの周波数特性
にピークが生じないことになる。
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。回路定数は素子容量Ci=12p
F,帰還容量Cf=12pF,Ri=1TΩ,R1=
2.4GΩ,C1=10nFとしている。(A)は抵抗
Ri,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。
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10の場合と同じであるが、(A)は
抵抗Riのみを1倍、(B)は5倍、(C)は10倍に
した時の結果を示している。これらの結果からわかるよ
うに、図11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10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。
度変化により回路中の高抵抗器の値が大きく変動して
も、回路のQ値は変わらない。したがって、温度変化に
対しても回路の安定性を向上させることができる。
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。
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)焦電素子に関係なく、帰還容量の値によって、出
力電圧の利得がコントロールできる。
メータで決定される単なるバッファであるので利得を調
整することができなかったが、本発明では帰還容量のイ
ンピーダンス特性を用いているので、帰還容量の値を変
更すれば利得調整が出来る。 (3)焦電素子に関係なく、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。
容量で決まる電気時定数で決定されていたが、本発明で
は帰還容量を付加した演算増幅器に更に付加する直流帰
還回路の回路素子を選択することによって、出力電圧の
低域の時定数を調整できる。 (4)周波数特性を、焦電素子に関係なく調整できる。
上記した(2)及び(3)の効果は、焦電素子自身のパ
ラメータに関係なく、利得と周波数特性を、外部の回路
素子によって設計可能であることを意味するので、後段
に続く増幅回路やシステム全体の周波数特性の設計変更
を図る点で大きなメリットとなる。したがって、焦電素
子の低域の感度を上げたい場合には、FETを用いた従
来では、並列抵抗Rg、素子容量Ciのどちらかを変更
するしか方法はなかったが、前述のようにRgの変更は
もう限界に来ている。また、焦電素子の容量の変更も厚
み等の物理的寸法の変更が必要で、他の素子特性も変化
してしまうため、低域の感度特性だけを変更することは
容易ではなかったが、このような問題も解決できる。
よれば、上記した効果に加えて、電流電圧変換回路の温
度環境が変化した場合にも、変換インピーダンス特性に
ピーク値を生じないので、温度変化に対して安定した焦
電型赤外線検出装置が実現できる。
発明の基本回路図である。
本回路図である。
である。
ある。
す図である。
ン結果を示すグラフである。
を示すグラフである。
の一実施図である。
シミュレーション結果を示すグラフである。
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。
回路の一例を示す図である。
ある。
性図である。
のシミュレーション結果を示すグラフである。
レーション結果を示すグラフである。
Claims (7)
- 【請求項1】焦電素子と、その焦電素子の出力電流を電
圧信号に変換する電流電圧変換回路とを備えた焦電型赤
外線検知装置において、 上記電流電圧変換回路は、第1の演算増幅器の反転入力端子には、上記焦電素子の
一端を接続するとともに、交流帰還のためのコンデンサ
の一端と入力抵抗の一端子とを接続し、 上記第1の演算増幅器の出力端子には、上記コンデンサ
の他端と直流帰還回路の入力端子とを接続し、 さらに上記入力抵抗の他端を上記直流帰還回路の出力端
子に接続して構成され、 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高い周波数側に、人体検知に必要
な周波数帯が設定されており、 その周波数帯では、上記コンデンサの静電容量が逆数と
して作用する特性、つまり周波数が高くなるにつれて、
インピーダンスが低下する特性を呈することを特徴とす
る、 焦電型赤外線検出装置。 - 【請求項2】請求項1において、 上記変換インピーダンス特性は、上記特定周波数よりも
周波数の低い側に現れる直流帰還回路の周波数特性によ
って、上記特定周波数よりも低い側が直流側に向かって
降下する特性に設定されている、 焦電型赤外線検出装置。 - 【請求項3】請求項1または2において、 上記直流帰還回路は、その出力端子を上記入力抵抗の他端に接続し、かつその
非反転入力端子を上記第1の演算増幅器の出力端子に接
続した第2の演算増幅器を備え 、この第2の演算増幅器の反転入力端子と上記出力端子と
の間に、上記交流帰還のためのコンデンサとは異なる別
のコンデンサを接続するとともに、その第2の 演算増幅
器の反転入力端子に一端を接地した抵抗を接続して構成
された 積分回路である、 焦電型赤外線検出装置。 - 【請求項4】請求項1〜3のいずれかにおいて、 上記第1の演算増幅器は、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。 - 【請求項5】請求項3において、 上記積分回路を構成する上記第2の演算増幅器の上記非
反転入力端子には、上記第1の演算増幅器からの出力電
圧を分圧する分圧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。 - 【請求項6】請求項5において、 上記分圧回路は、3つの抵抗をT型に接続した構成とし
ている、焦電型赤外線検出装置。 - 【請求項7】請求項3〜6のいずれかにおいて、上記電流電圧変換回路は、 上記第1の演算増幅器の反転入力端子に一端を接続した
上記入力抵抗と、請求項3に記載された上記積分回路を
構成する上記第2の演算増幅器の反転入力端子に接続し
た上記抵抗とを異なる抵抗値に設定して、バンドパスフ
ィルタ特性を持たせており、 かつ、上記入力抵抗と上記抵抗とは、 抵抗の対温度抵抗
値特性を同一に揃えた構成としている、焦電型赤外線検
出装置。
Priority Applications (8)
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