JP5520020B2 - Infrared sensor - Google Patents
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Description
本発明は、赤外線信号を処理する赤外線センサに係り、特に量子型のセンサ素子を含む赤外線センサに関する。 The present invention relates to infrared sensors that processes the infrared signal, and more particularly including infrared sensor quantum type sensor element.
赤外線センサは、被測定対象物から放射される赤外線エネルギーを赤外線センサ素子（以降、単にセンサ素子と記す）で感知し、感知されたエネルギーの大きさに対応した電圧、あるいは電流を信号として出力するセンサである。センサ素子は、一般的に、被測定対象物から放射される赤外線エネルギーが変わらない場合であっても、センサ素子自身の温度が変わると、出力される信号の値が変化する。このようなセンサ素子の出力信号の温度特性は、被測定対象物の赤外線放射エネルギーが変化したと誤って判断されてしまい、赤外線センサの測定精度を低下させる一因となる。 An infrared sensor senses infrared energy emitted from an object to be measured by an infrared sensor element (hereinafter simply referred to as a sensor element), and outputs a voltage or current corresponding to the magnitude of the sensed energy as a signal. It is a sensor. In general, the sensor element changes the value of the output signal when the temperature of the sensor element itself changes even if the infrared energy emitted from the measurement object does not change. Such a temperature characteristic of the output signal of the sensor element is erroneously determined that the infrared radiation energy of the object to be measured has changed, which contributes to a decrease in measurement accuracy of the infrared sensor.
これを解決するために、センサ素子の近傍に温度測定用の部品を配置し、その部品の抵抗値を測定して温度に換算し、センサ素子の出力信号の温度特性を補正する赤外線センサがある。温度測定用部品には、サーミスタや白金抵抗等が用いられる。サーミスタや白金抵抗は、温度によってその抵抗値が大きく変化することから、温度測定に用いられる。こうした赤外線センサは、温度を測定し、センサ素子の出力信号の温度特性を補正するので、誤った判断が無くなり、赤外線センサの測定精度を向上させる。 In order to solve this, there is an infrared sensor that arranges a temperature measurement component in the vicinity of the sensor element, measures the resistance value of the component, converts it to a temperature, and corrects the temperature characteristic of the output signal of the sensor element. . A thermistor, a platinum resistor, or the like is used for the temperature measurement component. Thermistors and platinum resistors are used for temperature measurement because their resistance values vary greatly with temperature. Such an infrared sensor measures the temperature and corrects the temperature characteristic of the output signal of the sensor element, thereby eliminating erroneous determination and improving the measurement accuracy of the infrared sensor.
特許文献１に記載された赤外線センサでは、センサ素子の抵抗値が温度に対して大きく変化することを活かし、センサ素子自身が温度を測定する部品として利用されている。このような特許文献１に記載された赤外線センサでは、サーミスタや白金抵抗等の温度測定に用いられる専用部品が不要となり、システムの小型化ができ、赤外線センサのコストの低廉化ができる。また、温度測定部品を介さずに、センサ素子自身の温度を直接に測定することができるため、温度の読み取り誤差が小さくなり、精度良くセンサ素子の出力信号の温度特性を補正することができる。
In the infrared sensor described in
しかしながら、上記した特許文献１では、センサ素子から赤外線を感知した信号（以降、赤外線感知信号と記す）を増幅する信号処理装置（以降、赤外線信号増幅処理装置と記す）と、センサ素子の温度で変化するセンサ素子の抵抗値に応じた信号（以降、温度測定信号と記す）を増幅する信号処理装置（以降、抵抗信号増幅処理装置と記す）とが、別個に設けられている。赤外線信号増幅処理装置と抵抗信号増幅処理装置とは、切り替えられながら各々信号の増幅処理を行っている。
However, in the above-mentioned
このような特許文献１に記載された従来技術では、センサ素子が温度測定用部品を兼ねてシステムの小型化に寄与するものの、赤外線信号増幅処理装置、抵抗信号増幅処理装置の規模が大きいままである。このため、特許文献１に記載されている従来技術は、赤外線センサのいっそうの小型化について、課題を残すものであった。
なお、本明細書では、上記した赤外線信号増幅処理装置、抵抗信号増幅処理装置を一括して信号処理装置と記すものとする。
In the conventional technique described in
In this specification, the infrared signal amplification processing device and the resistance signal amplification processing device described above are collectively referred to as a signal processing device.
また、特許文献１に記載されている従来技術では、信号処理がそれぞれの装置で独立に行われるため、それぞれの処理に独立の誤差が生じる。生じた誤差を残したままでセンサ素子の赤外線感知信号の温度特性を補正することは、赤外線センサの精度を損なう一因になる。
さらに、特許文献１に記載された従来技術では、赤外線感知信号が、センサ素子の端子間に生じる電圧値を示している。この電圧は、赤外線感知によって生じる電流が、センサ素子自身の抵抗に流れて生じるもので、この電流と抵抗の積から成るものである。このように、赤外線感知信号に不要な抵抗成分が含まれるため、センサ素子の抵抗値のばらつきや抵抗の温度特性等が赤外線感知信号に影響し、赤外線センサの精度を低下させることになる。
In the prior art described in
Furthermore, in the prior art described in
本発明は、上記した点に鑑みてなされたものであり、センサ素子と信号処理装置と補正演算部からなる赤外線センサのシステム全体を小型化にし、さらに、より高い精度で赤外線を感知することができる赤外線センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and can reduce the size of the entire infrared sensor system including a sensor element, a signal processing device, and a correction calculation unit, and can detect infrared rays with higher accuracy. an object of the present invention is to provide an infrared sensor that can be.
以上の課題を解決するため、本発明の請求項１の赤外線センサの信号処理装置は、赤外線センサ素子と、基準電圧を有する第１の端子と前記基準電圧にバイアス電圧が加えられた電圧を有する第２の端子とが設けられ、前記赤外線センサ素子の一方の端子に印加する電圧を切り替える切替部と、前記第１の端子と前記第２の端子とのいずれかを選択して前記一方の端子を前記第１の端子と前記第２の端子とのいずれかに接続させる切替制御部と、
前記切替制御部が前記第１の端子を選択しているときに赤外線を感知することにより前記赤外線センサ素子から出力される第１の信号と、前記切替制御部が前記第２の端子を選択しているときに前記赤外線センサ素子から出力される前記赤外線センサ素子の抵抗値に応じた第２の信号とのいずれかを増幅する増幅部と、を有し、前記増幅部は、前記切替制御部が前記第１の端子を選択しているときに、前記第１の信号に対応した第１の増幅率で前記第１の信号を増幅し、前記切替制御部が前記第２の端子を選択しているときに、前記第２の信号に対応した前記第１の増幅率と異なる第２の増幅率で前記第２の信号を増幅することを特徴とする。
In order to solve the above problems, an infrared sensor signal processing device according to
A first signal output from the infrared sensor element by sensing infrared light when the switching control unit selects the first terminal, and the switching control unit selects the second terminal. anda amplifier for amplifying either the second signal corresponding to the resistance value of the infrared sensor element output from the infrared sensor element when being, the amplifying unit, the switching control unit When the first terminal is selected, the first signal is amplified with a first amplification factor corresponding to the first signal, and the switching control unit selects the second terminal. The second signal is amplified at a second amplification factor different from the first amplification factor corresponding to the second signal .
本発明の請求項２に記載の赤外線センサは、請求項１において、前記センサ素子が、量子型のセンサ素子であることを特徴とする。
本発明の請求項３に記載の赤外線センサは、請求項１または請求項２において、前記増幅部は、第１の抵抗素子と、非反転入力端子に前記基準電圧が与えられ、出力端子と反転入力端子との間に前記第１の抵抗素子が接続された第１の演算増幅器と、前記第１の演算増幅器の出力端子に接続された増幅器と、を有し、前記赤外線センサ素子の一方の端子が、前記切替部に接続され、前記赤外線センサ素子の他方の端子が、前記第１の演算増幅器の反転入力端子に接続され、前記第１の抵抗素子の抵抗値が切替可能または前記増幅器の増幅率が切替可能であることを特徴とする。
Infrared sensor according to
Infrared sensor according to claim 3 of the present invention, in
本発明の請求項４に記載の赤外線センサは、請求項３において、前記増幅器が、反転増幅器であることを特徴とする。
本発明の請求項５に記載の赤外線センサは、請求項４において、前記反転増幅器は、前記第１の演算増幅器の出力端子に一端が接続された第２の抵抗素子と、第３の抵抗素子と、非反転入力端子に前記基準電圧が与えられ、出力端子と反転入力端子との間に前記第３の抵抗素子が接続された第２の演算増幅器と、を有し、前記第１の抵抗素子、前記第２の抵抗素子、及び前記第３の抵抗素子のうち少なくとも１つの抵抗値が切替可能であることを特徴とする。
本発明の請求項６に記載の赤外線センサは、請求項３において、前記増幅器は、非反転増幅器であることを特徴とする。
本発明の請求項７に記載の赤外線センサは、請求項１から６のいずれかにおいて、前記第１の信号の増幅値および前記第２の信号の増幅値および前記赤外線センサ素子の内部の抵抗の温度特性値に基づいて、前記赤外線センサ素子の温度特性を補正する補正演算部と、を備えることを特徴とする。
An infrared sensor according to a fourth aspect of the present invention is the infrared sensor according to the third aspect, wherein the amplifier is an inverting amplifier .
An infrared sensor according to a fifth aspect of the present invention is the infrared sensor according to the fourth aspect, wherein the inverting amplifier includes a second resistance element having one end connected to an output terminal of the first operational amplifier, and a third resistance element. And a second operational amplifier in which the reference voltage is applied to the non-inverting input terminal and the third resistance element is connected between the output terminal and the inverting input terminal, and the first resistor At least one resistance value of the element, the second resistance element, and the third resistance element can be switched.
An infrared sensor according to a sixth aspect of the present invention is the infrared sensor according to the third aspect, wherein the amplifier is a non-inverting amplifier.
An infrared sensor according to a seventh aspect of the present invention is the infrared sensor according to any one of the first to sixth aspects, wherein the amplified value of the first signal, the amplified value of the second signal, and the resistance inside the infrared sensor element And a correction calculation unit that corrects the temperature characteristic of the infrared sensor element based on a temperature characteristic value.
以上の課題を解決するため、本発明の赤外線センサの一態様は、赤外線センサ素子の一方の端子に接続され、その一方の端子に印加する電圧を切り替える切替部と、前記赤外線センサ素子の他方の端子に接続され、その他方の端子から出力される信号を増幅する増幅部を有する。切替部の制御により、センサ素子にゼロ電圧が与えられると、センサ素子から赤外線を感知した第一の信号、即ち、赤外線感知信号が出力され、増幅部で増幅される。また、センサ素子にバイアス電圧が与えられると、センサ素子からセ
ンサ素子の抵抗値に応じた第二の信号、即ち、温度測定信号が出力され、増幅部で増幅される。このように、センサ素子単独で、赤外線感知と温度測定の信号が得られるので、専用温測部品が不要となり、部品点数の増加を効果的に抑えることができる。また、信号処理装置は、入力される信号として、赤外線感知信号、温度測定信号のいずれか一方を選択する切替部を備えている。このため、赤外線感知信号、温度測定信号の両方を交互に信号処理装置に入力させることができる。また、信号処理装置の増幅部が、赤外線感知信号、温度測定信号の両方を増幅することから、唯一の信号処理装置を使って赤外線感知信号、温度測定信号の両方を処理することができる。このため、センサ素子と信号処理装置と演算増幅部からなる赤外線センサのシステム全体を小型化にすることができる。さらに、赤外線感知信号、温度測定信号の演算誤差が同一の要素に起因するものとなり、同一の誤差要因を除去することによって演算誤差を修正することができるので、効率的に誤差要因を排除することができ、かつ高い精度の赤外線センサを提供することができる。
To solve the above problems, one aspect of the infrared sensor of the present invention is connected to one terminal of the infrared sensor element, a switching unit for switching the voltage applied to the one terminal and the other of said infrared sensor element And an amplifier for amplifying a signal output from the other terminal. When a zero voltage is applied to the sensor element by the control of the switching unit, a first signal that senses infrared rays, i.e., an infrared sensing signal, is output from the sensor element and amplified by the amplification unit. Further, when a bias voltage is applied to the sensor element, a second signal corresponding to the resistance value of the sensor element, that is, a temperature measurement signal is output from the sensor element, and is amplified by the amplifying unit. In this manner, since the infrared sensing and temperature measurement signals can be obtained by the sensor element alone, a dedicated temperature measurement component is not required, and an increase in the number of components can be effectively suppressed. In addition, the signal processing apparatus includes a switching unit that selects one of an infrared detection signal and a temperature measurement signal as an input signal. For this reason, both the infrared detection signal and the temperature measurement signal can be alternately input to the signal processing device. Further, since the amplification unit of the signal processing device amplifies both the infrared detection signal and the temperature measurement signal, it is possible to process both the infrared detection signal and the temperature measurement signal using a single signal processing device. For this reason, the whole system of the infrared sensor which consists of a sensor element, a signal processor, and an operation amplification part can be reduced in size. Furthermore, the calculation error of the infrared detection signal and the temperature measurement signal is caused by the same factor, and the calculation error can be corrected by removing the same error factor, so that the error factor is efficiently eliminated. And an infrared sensor with high accuracy can be provided.
本発明の赤外線センサの一態様は、センサ素子に量子型のセンサ素子を用いることができる。量子型センサ素子の抵抗値は温度に対して大きく変化するので、温度測定として利用できる。専用温測部品が不要となり、部品点数の増加を効果的に抑えることができる。また、温度測定部品を介さずに、センサ素子自身の温度を直接に測定することができるため、温度の読み取り誤差が小さくなり、精度良くセンサ素子の赤外線感知信号の温度特性を補正することができる。 One aspect of the infrared sensor of the present invention can be used quantum type sensor element in the sensor element. Since the resistance value of the quantum sensor element varies greatly with temperature, it can be used for temperature measurement. Dedicated temperature measurement parts are not required, and the increase in the number of parts can be effectively suppressed. Further, since the temperature of the sensor element itself can be directly measured without using a temperature measurement component, the temperature reading error is reduced, and the temperature characteristics of the infrared detection signal of the sensor element can be corrected with high accuracy. .
本発明の赤外線センサの一態様は、非反転入力端子に基準電圧が与えられ、出力端子と反転入力端子との間に抵抗が接続された演算増幅器を備え、赤外線センサ素子の他方の端子がこの演算増幅器の反転入力端子に接続されている。この接続により、センサ素子から流れ来る電流を電圧に変換する電流−電圧変換器を構成することができる。また、センサ素子の一方の端子に、切替部により前記基準電圧が接続されたとき、センサ素子にはゼロ電圧が与えられ、センサ素子から赤外線に感知した電流のみが取り出せる。この赤外線感知信号は、電流以外の不要な成分を含まないため、赤外線センサの精度を向上させる。また、前記赤外線センサ素子の一方の端子に、切替部により前記基準電圧にバイアス電圧が付加された電圧が接続されたとき、センサ素子にはバイアス電圧が与えられ、センサ素子からバイアス電圧値をセンサ素子の抵抗値で割った電流が取り出せる。センサ素子の抵抗値が温度によって変化することから、この信号は温度で変化し、温度測定信号として利用できる。赤外線感知信号、温度測定信号ともに電流であるので、同一の電流−電圧変換器で信号増幅することができる。このため、センサ素子と信号処理装置と演算増幅部からなる赤外線センサのシステム全体を小型化にすることができる。さらに、赤外線感知信号、温度測定信号の信号処理上の誤差が同一の要因によって生じることになるので、一つの誤差要因を排除することで、赤外線感知信号、温度測定信号の信号処理上の誤差を同時に排除することができる。これより、効率的に誤差要因を排除することができ、高い精度の赤外線センサを提供することができる。
本発明の赤外線センサの一態様は、センサ素子の赤外線感知信号、温度測定信号の入力、増幅から、温度に基づく赤外線感知信号の補正までを一括して処理することができる。
One aspect of the infrared sensor of the present invention, the non-inverting reference voltage is applied to the input terminal, comprises an operational amplifier whose resistance is connected between the output terminal and the inverting input terminal, the other terminal of the infrared sensor element The operational amplifier is connected to the inverting input terminal. With this connection, it is possible to configure a current-voltage converter that converts a current flowing from the sensor element into a voltage. Further, when the reference voltage is connected to one terminal of the sensor element by the switching unit, a zero voltage is applied to the sensor element, and only the current sensed by infrared rays can be taken out from the sensor element. Since this infrared detection signal does not include unnecessary components other than the current, the accuracy of the infrared sensor is improved. Further, when a voltage obtained by adding a bias voltage to the reference voltage by the switching unit is connected to one terminal of the infrared sensor element, a bias voltage is applied to the sensor element, and the bias voltage value is detected from the sensor element. The current divided by the resistance value of the element can be taken out. Since the resistance value of the sensor element changes with temperature, this signal changes with temperature and can be used as a temperature measurement signal. Since both the infrared detection signal and the temperature measurement signal are currents, they can be amplified by the same current-voltage converter. For this reason, the whole system of the infrared sensor which consists of a sensor element, a signal processing apparatus, and an operation amplification part can be reduced in size. Furthermore, since the error in the signal processing of the infrared detection signal and the temperature measurement signal is caused by the same factor, the error in the signal processing of the infrared detection signal and the temperature measurement signal can be eliminated by eliminating one error factor. It can be eliminated at the same time. As a result, it is possible to efficiently eliminate an error factor, and it is possible to provide an infrared sensor with high accuracy.
One aspect of the infrared sensor of the present invention, the infrared sensing signal of the sensor element, the input of the temperature measurement signal, from the amplification can be processed collectively to correct the infrared sensor signal based on the temperature.
以下、図を参照して本発明に係る赤外線センサの信号処理装置、赤外線センサの実施形態１、実施形態２を説明する。
実施形態１
（赤外線センサ）
図１は、本発明の実施形態１の赤外線センサを説明するための回路図である。図示した赤外線センサは、量子型のセンサ素子１１と、センサ素子１１によって感知された赤外線に応じて出力される信号（以降、赤外線感知信号ａと記す）を処理する信号処理装置１０１と、信号処理装置１０１で同じく処理されるセンサ素子１１の抵抗値に応じて出力される信号（以降、温度測定信号ｂ）から温度を換算して赤外線感知信号ａの温度特性を補正する補正演算部５６と、を備えている。
DESCRIPTION OF THE
(Infrared sensor)
FIG. 1 is a circuit diagram for explaining an infrared sensor according to
（赤外線センサ素子）
量子型のセンサ素子は、光エネルギーによって起こる電気現象を検知することによって赤外線を感知するセンサ素子である。量子型センサ素子としては、例えば、フォトダイオード等がある。センサ素子１１にゼロ電圧が与えられると、センサ素子１１から赤外線感知に応じた電流のみが生じて、赤外線感知信号ａが得られる。
(Infrared sensor element)
The quantum type sensor element is a sensor element that senses infrared rays by detecting an electrical phenomenon caused by light energy. Examples of the quantum sensor element include a photodiode. When a zero voltage is applied to the
また、センサ素子１１は所定の内部抵抗値を有し、その抵抗値の温度変化が大きいものとする。ここで、図２に、量子型のセンサ素子１１の抵抗値が温度によって変化する特性を例示する。図２に示したグラフの横軸は、センサ素子自身の温度である。縦軸は、センサ素子１１の抵抗値を示している。図２から明らかなように、量子型のセンサ素子１１の抵抗値は、温度に対して指数関数的に大きく変化する。このため、センサ素子１１は、温度を計測する素子としても適している。センサ素子１１に所定の電圧が印加されると、センサ素子１１からセンサ素子１１の抵抗値に応じた信号が得られる。この信号は、所定の電圧値をセンサの抵抗値で割った電流として取り出せる。所定の電圧を一定にすれば、センサ素子１１の抵抗値が温度によって変化することから、この信号は温度で変化し、温度測定信号ｂとして利用できる。
The
このような実施形態１によれば、温度を測定する専用の部品を設ける必要がなく、赤外線センサの部品点数を低減すると共に、コストの低廉化を図ることができる。また、温度測定部品を介さずに、センサ素子自身の温度を直接に測定することができるため、温度の読み取り誤差が小さくなり、精度良くセンサ素子の赤外線感知信号の温度特性を補正することができる。 According to the first embodiment, it is not necessary to provide a dedicated component for measuring temperature, and the number of components of the infrared sensor can be reduced and the cost can be reduced. Further, since the temperature of the sensor element itself can be directly measured without using a temperature measurement component, the temperature reading error is reduced, and the temperature characteristics of the infrared detection signal of the sensor element can be corrected with high accuracy. .
（信号処理装置）
信号処理装置１０１は、赤外線感知信号ａ及び温度測定信号ｂに共通に設けられ、これら信号のうち、いずれか一方を選択して入力する切替部２１、切替部２１によって選択された信号に、増幅を含む処理を実行する信号処理部４１を備えている。信号処理部４１は、切替部２１によって赤外線感知信号ａが選択された場合、入力された赤外線感知信号ａに増幅を含む処理を実行する。また、信号処理部４１は、切替部２１によって温度測定信号ｂが選択された場合には、温度測定信号ｂに対しても、増幅を含む処理を実行する。
(Signal processing device)
The
また、信号処理装置１０１は、信号処理部４１によって増幅を含む処理がされ、出力されたアナログ信号ｃをデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ５１を備えている。Ａ／Ｄコンバータ５１から出力されたデジタル信号は、補正演算部５６によって補正処理された後、出力端子６１から外部に出力される。
実施形態１が従来と異なるのは、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂが、切替部２１で切り替えられながら共通の信号処理部４１に入力される点である。このような実施形態１によれば、センサ素子１１から出力される赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂを１つの信号処理部４１によって処理することができるので、センサ素子１１と信号処理装置１０１とを含めた赤外線センサのシステム全体をより小型化することができる。また、部品点数を低減したことにより、赤外線センサのコストをより効果的に低減することができる。
Further, the
The first embodiment is different from the conventional one in that the infrared detection signal a and the temperature measurement signal b are input to the common
また、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂを同一の信号処理部４１によって処理するため、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂの信号処理上の誤差が同一の要因によって生じることになる。このため、一つの誤差要因を排除することにより、赤外線感知信号ａに対する処理、温度測定信号ｂに対する処理上で生じる誤差を同時に排除することができる。このことにより、実施形態１は、効率的に誤差要因を排除することができ、かつ高い精度の赤外線センサを提供することができる。
Further, since the infrared detection signal a and the temperature measurement signal b are processed by the same
（補正演算部）
Ａ／Ｄコンバータ５１は、信号処理部４１によって処理された赤外線感知信号ａと、温度測定信号ｂとを交互にデジタル信号に変換する。デジタル変換された信号は、補正演算部５６に出力される。補正演算部５６により、温度測定信号ｂから温度が読み取られ、赤外線感知信号ａが補正される。補正された赤外線感知信号は、出力端子６１から外部に出力される。
(Correction calculation section)
The A /
なお、補正演算部５６における補正は、例えば、次のように行われる。補正演算部５６には、赤外線感知信号ａと温度測定信号ｂとが交互に入力される。そして、赤外線感知信号ａの直前、または直後に入力された温度測定信号ｂより温度を求めて、入力された赤外線感知信号ａに対して温度補正を施し、被測定対象物の正確な赤外線放射エネルギーを求める。
The correction in the
このような補正をするため、補正演算部５６には記憶装置をもっていて、基準となるべくセンサ素子の温度が室温のときの被測定対象物の赤外線放射エネルギーに対する赤外線感知信号ａが記憶されている。また、センサ素子の温度と温度測定信号ｂの関係を示す温度データも記憶されており、これによりセンサ素子の温度が算出される。さらに、センサ素子の温度が変化しても、基準となる赤外線感知信号ａが出力されるように温度補正データも記憶されており、この温度補正データを使って入力された赤外線感知信号ａに対して温度補正がなされる。
In order to perform such correction, the
実施形態２
図３は、本発明の実施形態２の赤外線センサを説明するための回路図である。図３に示した構成のうち、図１に示した構成と同様の構成については同様の符号を付し、説明を一部略すものとする。
図示した赤外線センサは、センサ素子１２と、センサ素子１２によって出力された信号を処理する信号処理装置１０２と、補正演算部５６を備えている。実施形態２のセンサ素子１２は、赤外線を感知する量子型のセンサ素子である。なお、実施形態２においても、センサ素子１２自身の抵抗値を使ってセンサ素子１２の温度を測定するものとする。
FIG. 3 is a circuit diagram for explaining the infrared sensor according to the second embodiment of the present invention. Among the configurations shown in FIG. 3, configurations similar to those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is partially omitted.
The illustrated infrared sensor includes a
以下、実施形態２を、信号処理装置を中心に説明する。
信号処理装置１０２は、初段演算増幅器７１、２段目演算増幅器７２を備えている。初段演算増幅器７１、２段目演算増幅器７２は、いずれも反転入力端子、非反転入力端子を有している。初段演算増幅器７１の非反転入力端子７１ａには、基準電圧ＶREFが与えられている。初段演算増幅器７１の出力端子７１ｃと反転入力端子７１ｂとの間には抵抗値Ｒ2の抵抗素子２０１が接続されている。
Hereinafter, the second embodiment will be described focusing on the signal processing device.
The
また、信号処理装置１０２は、切替部２２、切替制御部９１を備えている。切替部２２は、切替制御部９１によって制御され、端子Ａ、端子Ｂのいずれか一方にセンサ素子１２が接続される。切替制御部９１は、切替部２２を交互に切り替えるよう制御している。さらに、信号処理装置１０２は、Ａ／Ｄコンバータ５１を備えている。
初段演算増幅器７１、２段目演算増幅器７２が同一基板上に形成されるものであれば、両者のプロセスに起因する特性に生じるばらつきは同様のものになる。したがって、実施形態２のように、２つの演算増幅器によって増幅器を構成しても、共通の要素を除去することによって赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂの演算誤差を除去することができる。
In addition, the
If the first-stage
センサ素子１２の出力端子１２ｂは、初段演算増幅器７１の反転入力端子７１ｂに接続されている。この接続により、初段演算増幅器７１は、センサ素子から流れ来る電流を電圧に変換する電流−電圧変換器を構成することができる。また、センサ素子１２の入力端子１２ａは、切替部２２に接続されている。切替部２２には端子Ａ、端子Ｂが設けられていて、センサ素子１２の入力端子１２ａは、切替制御部９１によって端子Ａ、端子Ｂのいずれかに接続される。切替制御部９１によって切替部２２の端子Ａが選択された場合、センサ素子１２には基準電圧ＶREFに接続される。また、切替部２２の端子Ｂが選択されたとき、センサ素子１２は、基準電圧ＶREFにバイアス電圧ＶBIASが加えられた電圧に接続される。
The
２段目演算増幅器７２は、反転増幅器を構成する。２段目演算増幅器７２の非反転入力端子７２ａには基準電圧ＶREFが与えられていて、２段目演算増幅器７２の出力端子７２ｃと反転入力端子７２ｂの間には抵抗値がＲ4の抵抗素子２０３が接続されている。２段目演算増幅器７２の反転入力端子７２ｂには、抵抗値が変更可能な抵抗素子２０２が接続されている。可変抵抗素子２０２の抵抗値は、切替制御部９１によって切替部２２の端子Ａが選択されたときはＲ3Aとなり、端子Ｂが選択されたときはＲ3Bとなる。
The second stage
切替部２２の端子Ａが選択されたとき、センサ素子１２の端子１２ａが基準電圧ＶREFに接続され、センサ素子１２にはゼロ電圧が与えられる。このとき、センサ素子１２の端子１２ｂからは、センサ素子１２が赤外線を感知したことによって生じた電流Ｉoだけが取り出される。２段目演算増幅器７２の出力ＶOUTAは、センサ素子１２によって感知された赤外線に応じて出力される赤外線感知信号ａを増幅したものになる。出力ＶOUTAは、以下の式（１）のように表される。
ＶOUTA＝Io・Ｒ2・Ｒ4／Ｒ3A …式（１）
When the terminal A of the switching
VOUTA ＝ Io ・ R2 ・ R4 / R3A ... Formula (1)
切替部２２の端子Ｂが選択されたとき、センサ素子１２の端子１２ａに、基準電圧ＶREFにバイアス電圧ＶBIASが加えられた電圧が印加される。センサ素子１２にはバイアス電圧ＶBIASが与えられる。このとき、センサ素子１２ｂからは、バイアス電圧値をセンサ素子の抵抗値Ｒsで割った電流が取り出される。バイアス電圧ＶBIASは、センサ素子が発熱しない程度に与えるのが好ましい。２段目演算増幅器７２の出力ＶOUTBは、センサ素子１２の抵抗値に応じて出力される温度測定信号ｂを増幅したものになる。出力ＶOUTBは、以下の式（２）のように表される。
ＶOUTB＝ＶBIAS・（Ｒ4／Ｒ3B）・（Ｒ2／Ｒs） …式（２）
When the terminal B of the switching
VOUTB = VBIAS · (R4 / R3B) · (R2 / Rs) ... Formula (2)
Ａ／Ｄコンバータ５１には、式（１）に示した赤外線感知信号ａ、式（２）に示した温度測定信号ｂが交互に入力される。Ａ／Ｄコンバータ５１は、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂを交互にデジタル信号に変換する。出力端子６２からは、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂがデジタル信号として取り出される。実施形態２の赤外線センサでは、センサ素子１２の抵抗値の温度特性によって出力ＶOUTBが決まるので、出力ＶOUTBから温度を換算して、赤外線感知信号ａが温度補正される。
To the A /
以上述べた実施形態２では、センサ素子１２を使って赤外線感知と温度測定の信号が得られるので、温度を測定する専用の部品を設ける必要がなく、赤外線センサの部品点数低減及びコストの低廉化に寄与することができる。また、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂを同一の信号処理装置１０２で切り替えながら処理することができる。このため、センサ素子と信号処理装置と補正演算部からなる赤外線センサのシステム全体を小型化することができる。
In the second embodiment described above, since the infrared sensing and temperature measurement signals can be obtained using the
また、実施形態２では、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂを同一の信号処理装置１０２で処理するので、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂのそれぞれに同一の誤差が生じる。このため、一つの誤差要因を排除すれば、それぞれの信号に生じる誤差が排除できる。これにより、効率的に誤差要因を排除することができ、かつ高い精度の赤外線センサを提供することができる。
さらに、実施形態２では、赤外線の感知によって生じる電流Ｉoだけが信号として取り出せるので、赤外線感知信号に不要な成分による誤差が含まれず、赤外線センサの精度を向上させることができる。
In the second embodiment, since the infrared detection signal a and the temperature measurement signal b are processed by the same
Furthermore, in the second embodiment, since only the current Io generated by infrared sensing can be extracted as a signal, the infrared sensing signal does not include errors due to unnecessary components, and the accuracy of the infrared sensor can be improved.
（変形例）
また、実施形態２では、２段目演算増幅器７２が反転増幅器を構成する例を示したが、実施形態２はこのような構成に限定されるものではなく、非反転増幅器を構成するものであってもよい。また、実施形態２では、抵抗素子２０２において抵抗値をＲ3AとＲ3Bとに切り替える例を示している。しかし、実施形態２はこのような構成に限定されるものでなく、初段演算増幅器７１の出力が、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂに大きな差がなければ、切り替えの必要はなく、一定の抵抗値Ｒ3を持つ抵抗素子を用いても良い。
(Modification)
In the second embodiment, the second-stage
さらに、実施形態２では、抵抗素子２０２の抵抗値を切り替えているが、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂのそれぞれに適当な増幅率が与えられれば良いので、抵抗値の切替は抵抗素子２０１、抵抗素子２０３で行っても良い。
また、センサ素子１２が信号処理装置１０２に接続する向きは、実施形態２とは逆であっても良い。
また、実施形態１、実施形態２では、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂについてはＡ／Ｄコンバータ５１でデジタル信号に変換しているが、これに限定されるものでなく、デジタル信号に変換せずにアナログ信号のまま温度補正を行っても良い。
以上のように、実施形態１、実施形態２は、さらに種々の形態で実現できることは明らかであり、上述した実施の形態に制約されるものではない。
Furthermore, in the second embodiment, the resistance value of the
The direction in which the
In the first and second embodiments, the infrared detection signal a and the temperature measurement signal b are converted into digital signals by the A /
As described above, it is obvious that the first and second embodiments can be realized in various forms, and the present invention is not limited to the above-described embodiments.
（従来技術との対比）
図４は、従来の赤外線センサの概略図であって、上記した実施形態１と比較するための構成を示している。なお、図４に示した構成のうち、図１に示した赤外線センサと同様の構成については同様の符号を付して示し、説明の一部を略す。
図４に示した赤外線センサにあっても、センサ素子１１は赤外線感知信号ａと共に温度測定信号ｂを出力している。切替部２１は、赤外線感知信号ａを信号処理部４１に、温度測定信号ｂを信号処理部４２に、交互に入力する。従来技術であっても、センサ素子１１が温度の測定を兼用するので小型化できるが、信号処理部４１、４２を備えるため、システム全体の小型化には改善の余地がある。
(Contrast with conventional technology)
FIG. 4 is a schematic diagram of a conventional infrared sensor, and shows a configuration for comparison with the first embodiment. In addition, about the structure similar to the infrared sensor shown in FIG. 1 among the structures shown in FIG. 4, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.
Even in the infrared sensor shown in FIG. 4, the
また、センサ素子１１から出力される赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂは、別々の信号処理部４１、４２で処理される。このため、従来の赤外線センサでは、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂのそれぞれ無相関な誤差が生じてしまう。このような誤差には、例えば、別々の信号処理部４１、４２における信号処理の増幅率のばらつき、増幅率の温度特性、増幅器のオフセットばらつき、オフセットの温度特性等の誤差である。
このような誤差を残したままで、センサ素子１１の温度特性を補正すると、赤外線センサの精度を損なう一因になる。
In addition, the infrared detection signal a and the temperature measurement signal b output from the
If the temperature characteristic of the
一方、図５は、従来の赤外線センサの概略図であって、上記した実施形態２と比較するための構成を示している。なお、図５に示した構成のうち、図２に示した赤外線センサと同様の構成については同様の符号を付して示し、説明の一部を略す。
センサ素子１２は量子型のセンサ素子であって、入力端子が基準電圧ＶREFに固定されている。センサ素子１２の出力端子は、切替部２２に接続されている。切替部２２は、赤外線感知信号ａを電圧計４６に、センサ素子１２の抵抗値に相当する、温度測定信号ｂを、計測部４７に入力するように、交互に接続を切り替えている。ここでいう赤外線感知信号ａは、赤外線感知によって生じる電流が、センサ素子自身の抵抗に流れて生じるもので、この電流と抵抗の積から成る電圧である。このように、赤外線感知信号ａは不要な抵抗成分が含まれるため、センサ素子の抵抗値のばらつきや抵抗の温度特性等が赤外線感知信号に影響し、赤外線センサの精度を低下させることになる。
On the other hand, FIG. 5 is a schematic diagram of a conventional infrared sensor, and shows a configuration for comparison with the second embodiment. Note that, in the configuration illustrated in FIG. 5, the same configuration as the infrared sensor illustrated in FIG. 2 is denoted by the same reference numeral, and a part of the description is omitted.
The
図４、図５に示した構成に比べ、実施形態１、実施形態２は、センサ素子から出力される赤外線感知信号、温度測定信号を１つの信号処理部によって処理することができるので、センサ素子と信号処理装置と補正演算部からなる赤外線センサのシステム全体をより小型化することができる。また、部品点数を低減したことにより、赤外線センサのコストをより効果的に低減することができるという利点がある。 Compared to the configurations shown in FIGS. 4 and 5, the first and second embodiments can process the infrared detection signal and the temperature measurement signal output from the sensor element by one signal processing unit. In addition, the entire infrared sensor system including the signal processing device and the correction calculation unit can be further downsized. Moreover, there is an advantage that the cost of the infrared sensor can be more effectively reduced by reducing the number of parts.
また、実施形態１、実施形態２は、赤外線感知信号、温度測定信号を同一の信号処理部によって処理するため、赤外線感知信号、温度測定信号の信号処理上の誤差が同一の要因によって生じることになる。このため、一つの誤差要因を排除することにより、赤外線感知信号に対する処理、温度測定信号に対する処理上で生じる誤差を同時に排除することができる。即ち、効率的に誤差要因を排除することができ、かつ高い精度の赤外線センサを提供することができるという利点がある。
さらに、実施形態１、実施形態２は、赤外線の感知によって生じる電流だけが信号として取り出せるので、赤外線感知信号に不要な成分による誤差が含まれず、赤外線センサの精度を向上させることができる利点がある。
In the first and second embodiments, since the infrared signal and the temperature measurement signal are processed by the same signal processing unit, the error in the signal processing of the infrared signal and the temperature measurement signal is caused by the same factor. Become. For this reason, by eliminating one error factor, it is possible to simultaneously eliminate errors that occur in the processing for the infrared detection signal and the processing for the temperature measurement signal. That is, there is an advantage that an error factor can be efficiently eliminated and a highly accurate infrared sensor can be provided.
Furthermore, the first embodiment and the second embodiment have an advantage that only the current generated by infrared sensing can be taken out as a signal, so that the infrared sensing signal does not include errors due to unnecessary components, and the accuracy of the infrared sensor can be improved. .
本発明は、センサ素子と信号処理装置と補正演算部からなる赤外線センサのシステム全体の小型化と、センサ素子の赤外線感知信号の温度特性を補正し、高い精度の赤外線センサの応用分野において利用できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in the application field of high-accuracy infrared sensors by reducing the size of the entire infrared sensor system including a sensor element, a signal processing device, and a correction calculation unit, and correcting the temperature characteristics of the infrared detection signal of the sensor element. .
１１、１２ センサ素子
２１、２２ 切替部
４１、４２ 信号処理部
５１ Ａ／Ｄコンバータ
５６ 補正演算部
７１ 初段演算増幅器
７２ ２段目演算増幅器
９１ 切替制御部
１０１、１０２ 信号処理装置
２０１、２０２ 抵抗素子
DESCRIPTION OF
Claims (7)
基準電圧を有する第１の端子と前記基準電圧にバイアス電圧が加えられた電圧を有する第２の端子とが設けられ、前記赤外線センサ素子の一方の端子に印加する電圧を切り替える切替部と、
前記第１の端子と前記第２の端子とのいずれかを選択して前記一方の端子を前記第１の端子と前記第２の端子とのいずれかに接続させる切替制御部と、
前記切替制御部が前記第１の端子を選択しているときに赤外線を感知することにより前記赤外線センサ素子から出力される第１の信号と、前記切替制御部が前記第２の端子を選択しているときに前記赤外線センサ素子から出力される前記赤外線センサ素子の抵抗値に応じた第２の信号とのいずれかを増幅する増幅部と、
を有し、
前記増幅部は、
前記切替制御部が前記第１の端子を選択しているときに、前記第１の信号に対応した第１の増幅率で前記第１の信号を増幅し、前記切替制御部が前記第２の端子を選択しているときに、前記第２の信号に対応した前記第１の増幅率と異なる第２の増幅率で前記第２の信号を増幅することを特徴とする赤外線センサ。 An infrared sensor element;
A second terminal is provided having a first terminal and a voltage bias voltage is applied to the reference voltage with a reference voltage, and a switching unit for switching the voltage to be marked pressure to one terminal of said infrared sensor element,
A switching control unit that selects one of the first terminal and the second terminal and connects the one terminal to either the first terminal or the second terminal;
A first signal output from the infrared sensor element by sensing infrared light when the switching control unit selects the first terminal, and the switching control unit selects the second terminal. An amplifying unit for amplifying one of the second signal corresponding to the resistance value of the infrared sensor element output from the infrared sensor element when
Have,
The amplification unit is
When the switching control unit selects the first terminal, the first signal is amplified at a first amplification factor corresponding to the first signal, and the switching control unit is configured to select the second terminal. when selecting the terminals, infrared sensor, characterized by amplifying the second signal said first gain corresponding to said second signal in a different second gain.
前記赤外線センサ素子が、量子型赤外線センサ素子であることを特徴とする赤外線センサ。 An infrared sensor according to claim 1,
The infrared sensor element, an infrared sensor, which is a quantum infrared sensor elements.
前記増幅部は、
第１の抵抗素子と、
非反転入力端子に前記基準電圧が与えられ、出力端子と反転入力端子との間に前記第１の抵抗素子が接続された第１の演算増幅器と、
前記第１の演算増幅器の出力端子に接続された増幅器と、
を有し、
前記赤外線センサ素子の一方の端子が、前記切替部に接続され、
前記赤外線センサ素子の他方の端子が、前記第１の演算増幅器の反転入力端子に接続され、
前記第１の抵抗素子の抵抗値が切替可能または前記増幅器の増幅率が切替可能であることを特徴とする赤外線センサ。 An infrared sensor according to claim 1 or 2,
The amplification unit is
A first resistance element;
Non the reference voltage to the inverting input terminal is supplied, a first operational amplifier, wherein the first resistive element is connected between the output terminal and the inverting input terminal,
An amplifier connected to an output terminal of the first operational amplifier;
Have,
One terminal of the infrared sensor element is connected to the switching unit,
The other terminal of the infrared sensor element is connected to the inverting input terminal of the first operational amplifier ;
Infrared sensor resistance value of said first resistor element, wherein the gain of the switchable or the amplifier can be switched.
前記増幅器は、反転増幅器であることを特徴とする赤外線センサ。An infrared sensor, wherein the amplifier is an inverting amplifier.
前記反転増幅器は、 The inverting amplifier is
前記第１の演算増幅器の出力端子に一端が接続された第２の抵抗素子と、 A second resistance element having one end connected to the output terminal of the first operational amplifier;
第３の抵抗素子と、 A third resistance element;
非反転入力端子に前記基準電圧が与えられ、出力端子と反転入力端子との間に前記第３の抵抗素子が接続された第２の演算増幅器と、 A second operational amplifier in which the reference voltage is applied to a non-inverting input terminal and the third resistance element is connected between an output terminal and an inverting input terminal;
を有し、 Have
前記第１の抵抗素子、前記第２の抵抗素子、及び前記第３の抵抗素子のうち少なくとも１つの抵抗値が切替可能であることを特徴とする赤外線センサ。 An infrared sensor, wherein a resistance value of at least one of the first resistance element, the second resistance element, and the third resistance element can be switched.
前記増幅器は、非反転増幅器であることを特徴とする赤外線センサ。 An infrared sensor, wherein the amplifier is a non-inverting amplifier.
前記第１の信号の増幅値および前記第２の信号の増幅値および前記赤外線センサ素子の内部の抵抗の温度特性値に基づいて、前記赤外線センサ素子の温度特性を補正する補正演算部と、
を備えることを特徴とする赤外線センサ。 The infrared sensor according to any one of claims 1 to 6,
Before SL based on the temperature characteristic value of the internal resistance of the amplification value and the infrared sensor elements of the amplification value and the second signal of the first signal, and a correction calculating unit for correcting the temperature characteristics of the infrared sensor element,
Infrared sensor comprising: a.
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