JP5736744B2 - 熱センサーデバイス及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、熱センサーデバイス及び電子機器等に関する。

従来より、焦電素子を用いた赤外線の検出回路が知られている。例えば人体からは、波長が１０μｍ付近の赤外線が輻射されており、これを検出することで人体の存在や温度の情報を非接触で取得できる。従って、このような赤外線の検出回路を利用することで、侵入検知や物理量計測を実現できる。

赤外線の検出回路の従来技術としては例えば特許文献１、２に開示される技術が知られている。例えば特許文献１の従来技術では、チョッパーを用いて、焦電素子への赤外線の照射・遮断を繰り返しながら、焦電素子からの焦電流を読み出す。

しかしながら、この従来技術には、チョッパーとＦＰＡの間の同期をとる必要があったり、チョッパーの寿命が短いなどの課題がある。

特許文献２の従来技術では、焦電素子に対してパルス電圧を印加する方式を採用している。即ち、強誘電体により実現される焦電素子の自発分極量等は、焦電素子に入射した赤外線に起因する焦電素子の温度に応じて変化する。そこで、自発分極量等に対応して変化した焦電素子の表面電荷量を測定することで、入射した赤外線量を測定する。

しかしながら、この従来技術では、パルス電圧印加時に放電用抵抗素子に電流が流れ続けてしまうために、消費電力が大きくなるという課題がある。

その他、焦電素子の電気容量の変化をアンプ等で増幅する技術も知られている。しかしこの従来技術では、回路構成が複雑になるために、ノイズの発生や消費電力の増加などの課題がある。

特開昭５９−１４２４２７号公報 特開平６−２６５４１１号公報

本発明の幾つかの態様によれば、簡素な構成で精度の高い熱検出が可能な熱センサー用検出回路、熱センサーデバイス及び電子機器等を提供できる。

本発明の一態様は、熱センサー素子の一端のノードである検出ノードと第２の電源ノードとの間に設けられる充電回路と、前記検出ノードと第１の電源ノードとの間に設けられる放電回路とを含み、前記放電回路は、前記検出ノードと前記第１の電源ノードとの間に直列に設けられる放電用抵抗素子及び放電用トランジスターを有する熱センサー用検出回路に関係する。

本発明の一態様によれば、例えばチョッパー等が不要な分極量検出方式を用いることで、簡素な回路で熱センサー用検出回路を構成すること等が可能になる。

また本発明の一態様では、前記充電回路は、前記第２の電源ノードと前記検出ノードとの間に設けられる充電用トランジスターを含み、充電期間では、前記充電用トランジスターはオン状態になり、前記放電用トランジスターはオフ状態になり、放電期間では、前記充電用トランジスターはオフ状態になり、前記放電用トランジスターはオン状態になってもよい。

このようにすれば、充電期間において放電用抵抗素子に電流が流れないから、消費電力を低減することなどが可能になる。

また本発明の一態様では、制御回路と、前記検出ノードの電圧を検出する電圧検出回路とを含み、前記制御回路は、前記充電期間では、前記充電用トランジスターをオン状態にし、前記放電用トランジスターをオフ状態にする制御を行い、前記放電期間では、前記充電用トランジスターをオフ状態にし、前記放電用トランジスターをオン状態にする制御を行い、前記放電期間の後の読み出し期間では、前記充電用トランジスターをオフ状態にし、前記放電用トランジスターをオフ状態にする制御を行い、前記電圧検出回路に対して前記検出ノードの電圧をサンプリングする指示を行ってもよい。

このようにすれば、読み出し期間では熱センサー素子の放電が止まり、放電が止まった時点の電圧値が検出ノードに保持されるから、この電圧値を、制御回路からのサンプリング指示に基づいて、電圧検出回路が検出することができる。

また本発明の一態様では、前記制御回路は、前記熱センサー素子の測定モードに応じて、前記放電用トランジスターをオフ状態にするタイミングを切り換えてもよい。

このようにすれば、測定モードに応じて、最適な放電時間を設定することができるから、検出ノードの電圧の検出精度を高めることができる。その結果、熱センサー用検出回路の検出精度を高めることなどが可能になる。

また本発明の一態様では、前記制御回路は、前記熱センサー素子の測定モードが低温測定モードである場合には、前記放電用トランジスターをオフ状態にするタイミングを、前記測定モードが高温測定モードである場合よりも早いタイミングに設定してもよい。

このようにすれば、検出ノードの電圧が急速に降下する低温測定の場合に、最適なタイミングで電圧を検出することができる。その結果、広い温度範囲で熱センサー用検出回路の検出精度を高めることなどが可能になる。

本発明の他の態様は、複数のセンサーセルを有するセンサーアレイと、１又は複数の行線と、１又は複数の列線と、前記１又は複数の行線に接続される行選択回路と、前記１又は複数の列線に接続される読み出し回路と、制御回路とを含み、前記複数のセンサーセルの各センサーセルは、熱センサー素子と、前記熱センサー素子の一端のノードである検出ノードと第２の電源ノードとの間に設けられる充電回路と、前記検出ノードと第１の電源ノードとの間に設けられる放電回路と、前記検出ノードと前記１又は複数の列線のいずれかとの間に設けられる選択用スイッチ素子とを含む熱センサーデバイスに関係する。

本発明の他の態様によれば、分極量検出方式について、検出部を列ごとに共有して用いることで、センサーセルの回路構成を簡素にすることができる。その結果、センサーセルのサイズを小さくすることができるから、熱センサーデバイスの高精細化などが可能になる。

本発明の他の態様は、複数のセンサーセルを有するセンサーアレイと、１又は複数の行線と、１又は複数の列線と、前記１又は複数の行線に接続される行選択回路と、前記１又は複数の列線に接続される読み出し回路と、制御回路とを含み、前記複数のセンサーセルの各センサーセルは、熱センサー素子と、前記熱センサー素子の一端のノードである検出ノードと第２の電源ノードとの間に設けられる充電回路と、前記検出ノードと前記１又は複数の列線のいずれかとの間に設けられる選択用スイッチ素子とを有し、前記読み出し回路は、前記１又は複数の列線のいずれかと第１の電源ノードとの間に設けられる放電用抵抗素子を有し、充電期間では、前記充電回路により充電を行い、前記充電期間の後の放電期間では、前記選択用スイッチ素子をオン状態にして、前記放電用抵抗素子を介して放電を行う熱センサーデバイスに関係する。

本発明の他の態様によれば、例えばチョッパー等が不要な分極量検出方式を用いることで、センサーセルの回路構成を簡素にすることができる。その結果、センサーセルのサイズを小さくすることができるから、熱センサーデバイスの高精細化などが可能になる。また充電期間に放電用抵抗素子に電流が流れないから、消費電力を低減することなどが可能になる。また、簡素な回路で信号を検出することができ、さらに同じ列の信号を１つの抵抗素子で検出することができる。その結果、検出のばらつきを低減することが可能になる。

本発明の他の態様は、上記に記載の熱センサー用検出回路を含む電子機器に関係する。

本発明の他の態様は、上記に記載の熱センサーデバイスを含む電子機器に関係する。

図１（Ａ）〜図１（Ｃ）は、分極量検出方式を説明する図。 検出電圧と放電時間との関係の一例。 図３（Ａ）、図３（Ｂ）は、熱センサー用検出回路の構成例。 熱センサー用検出回路のタイミングチャートの一例。 測定モードによる放電時間の切り換えを説明する図。 図６（Ａ）、図６（Ｂ）は、熱センサーデバイスの構成例。 センサーアレイ、読み出し回路の詳細な構成例。 センサーアレイ、読み出し回路の別の構成例。 センサーセルの別の構成例。 電子機器の構成例。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

１．熱センサー用検出回路の方式
本実施形態の熱センサー用検出回路では、熱センサー素子として例えば焦電素子を用いることができる。焦電素子は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電体を用いた素子であって、強誘電体の分極が温度により変化することを利用して温度を測定する。焦電素子を用いる熱センサー方式としては、焦電流検出方式及び分極量検出方式（容量検出方式）などがある。本実施形態の熱センサー用検出回路は、例えば赤外線を検出して赤外線源の温度測定に利用することができる。

焦電流検出方式では、チョッパー等により焦電素子に照射される赤外線を周期的に遮断することで、焦電素子の温度を変化させて焦電流を発生させる。しかしチョッパーと検出回路との同期をとる必要があること、チョッパーの寿命が短いことなどの問題がある。本実施形態の熱センサー用検出回路では、チョッパーが不要な分極量検出方式を用いる。以下に、分極量検出方式の原理を説明する。

図１（Ａ）〜図１（Ｃ）は、分極量検出方式を説明する図である。図１（Ａ）に、初期状態における焦電体１１の自発分極及び電極１２ａ、１２ｂに生じる表面電荷を示す。初期状態では、自発分極量と表面電荷とは釣り合っている、すなわち電気的に中性であって、電荷は移動しない。従って、抵抗素子ＲＢには電流は流れない。次に図１（Ｂ）に示すように、焦電素子１０に電圧ＶＢを印加する。電圧ＶＢを印加することで、表面電荷の一部が消滅して、自発分極量と表面電荷との釣り合いが崩れた状態になる。

次に図１（Ｃ）に示すように電圧源を取り去ると、再び自発分極量と表面電荷とが釣り合うように電荷が移動し、その結果放電電流ＩＢが生じる。放電電流ＩＢの電流値は、印加される電圧ＶＢが一定であれば焦電体１１の自発分極量（又はキャパシタンス）に依存し、また自発分極量（又はキャパシタンス）は焦電体１１の温度に依存する。従って、この放電電流ＩＢ又は抵抗素子ＲＢの両端に発生する検出電圧ＶＯＵＴを検出することで、赤外線を検出し、赤外線源の温度を測定することができる。この分極量検出方式では、焦電素子に照射される赤外線を周期的に遮断する必要がないから、チョッパー等が不要になるという利点がある。

図２に、検出電圧ＶＯＵＴと放電時間との関係の一例を示す。図２では、抵抗素子の抵抗値が１ｋΩで、熱センサー素子（焦電素子）の容量値が９０ｐＦ、９５ｐＦ、１００ｐＦである場合に、放電による検出電圧ＶＯＵＴの時間的変化を示す。焦電素子からの放電電流は時間の経過と共に減少し、最終的にはゼロになるが、焦電素子の容量（キャパシタンス）によって電流値の変化が異なる。すなわち容量が小さい場合には、放電電流（又は検出電圧ＶＯＵＴ）は急速に減少し、容量が大きい場合には、放電電流は緩やかに減少する。また焦電素子の容量は焦電素子の温度に依存し、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）では、低温の場合には容量が小さく、高温の場合には容量が大きい。したがって検出電圧ＶＯＵＴの時間変化を検出することで、焦電素子の温度を検出し、さらに赤外線源の温度を測定することができる。具体的には、図２に示すように所定の放電時間ｔｄが経過した時点でＶＯＵＴを検出することで温度を測定することができる。例えば、時刻ｔｄにおける検出電圧ＶＯＵＴの電圧値がＶ１、Ｖ２、Ｖ３である場合には、対応する容量値はそれぞれ１００ｐＦ、９５ｐＦ、９０ｐＦであるから、焦電素子の容量の温度依存性から温度を算出することができる。

以上説明したように、本実施形態の熱センサー用検出回路によれば、熱センサー素子として例えば焦電素子を用いて、分極量検出方式による温度測定を行うことができる。焦電流検出方式ではないから、チョッパー等が不要になるという利点がある。

２．熱センサー用検出回路
図３（Ａ）、図３（Ｂ）に、本実施形態の熱センサー用検出回路の構成例を示す。図３（Ａ）の構成例は、熱センサー素子ＣＦとして焦電素子、充電回路２０、放電回路３０、制御回路４０及び電圧検出回路５０を含む。充電回路２０は、熱センサー素子ＣＦの一端のノードである検出ノードＮ１と高電位側電源ノードＶＤＤ（広義には第２の電源ノード）との間に設けられる。放電回路３０は、検出ノードＮ１と低電位側電源ノードＶＳＳ（広義には第１の電源ノード）との間に設けられる。なお、本実施形態の熱センサー用検出回路は図３（Ａ）、図３（Ｂ）の構成に限定されず、その構成要素の一部を省略したり、他の構成要素に置き換えたり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。

図３（Ｂ）の構成例は、熱センサー素子ＣＦとしてボロメーター及びキャパシターを直列接続したものを用いる。ボロメーターは、高温の場合には抵抗値が大きく、低温の場合には抵抗値が小さくなる。したがって、高温の場合には放電時間が長く、低温の場合には放電時間が短くなるから、検出電圧ＶＯＵＴの時間変化を検出することで温度を測定することができる。

充電回路２０は、高電位側電源ノードＶＤＤと検出ノードＮ１との間に設けられる充電用トランジスターＴ１を含む。また放電回路３０は、検出ノードＮ１と低電位側電源ノードＶＳＳとの間に直列に設けられる放電用抵抗素子ＲＡ及び放電用トランジスターＴ２を含む。充電期間では、充電用トランジスターＴ１はオン状態であり、放電用トランジスターＴ２はオフ状態である。一方、放電期間では、充電用トランジスターＴ１はオフ状態であり、放電用トランジスターＴ２はオン状態である。

なお、図３（Ａ）、図３（Ｂ）では、充電用トランジスターＴ１はＰ型（広義には第１の伝導型）トランジスターであるが、Ｎ型（広義には第２の伝導型）トランジスターであってもよい。また放電用抵抗素子ＲＡ及び放電用トランジスターＴ２の接続については、図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示すものと逆の接続であってもよい。すなわちＴ２のドレインを検出ノードに接続し、Ｔ２のソースと低電位側電源ノードＶＳＳとの間にＲＡを設けてもよい。

制御回路４０は、充電回路２０、放電回路３０及び電圧検出回路５０を制御する。具体的には、制御回路４０は、充電期間には、充電用トランジスターＴ１をオン状態にし、放電用トランジスターＴ２をオフ状態にする制御を行う。また放電期間では、充電用トランジスターＴ１をオフ状態にし、放電用トランジスターＴ２をオン状態にする制御を行う。さらに放電期間に続く読み出し期間では、充電用トランジスターＴ１をオフ状態にし、放電用トランジスターＴ２をオフ状態にする制御を行う。そして電圧検出回路５０に対して検出ノードＮ１の電圧（検出電圧ＶＯＵＴ）をサンプリング（取得）する指示を行う。

電圧検出回路５０は、制御回路４０の制御に基づいて検出ノードＮ１の電圧（検出電圧ＶＯＵＴ）を検出する。具体的には、電圧検出回路５０は、例えば検出電圧ＶＯＵＴを増幅するアンプＡＭＰ、アナログデータをデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器などを含む。

図４に、本実施形態の熱センサー用検出回路（図３（Ａ）、図３（Ｂ））のタイミングチャートの一例を示す。以下に、図４を用いて熱センサー用検出回路の動作を説明する。

充電期間ＴＣでは、充電制御信号ＣＨＧはＬレベル（低電位レベル）であるから、充電用トランジスターＴ１はオン状態である。また放電制御信号ＤＣＨはＬレベルであるから、放電用トランジスターＴ２はオフ状態である。こうすることで熱センサー素子ＣＦにＨレベル（高電位レベル）の電圧が印加され、充電用トランジスターＴ１を介して充電電流ＩＣが流れ、ＣＦの充電が行われる。また充電期間ＴＣでは、放電用トランジスターＴ２はオフ状態であり、放電用抵抗素子ＲＡに電流が流れないから、消費電力を低減することができる。

放電期間ＴＤでは、充電制御信号ＣＨＧはＨレベルであるから、充電用トランジスターＴ１はオフ状態である。また放電制御信号ＤＣＨはＨレベルであるから、放電用トランジスターＴ２はオン状態である。こうすることで熱センサー素子ＣＦへの電圧印加がなくなり、放電用抵抗素子ＲＡ及び放電用トランジスターＴ２を介して放電電流ＩＤが流れ、ＣＦの放電が行われる。この放電によって検出電圧（出力電圧）ＶＯＵＴは降下を始めるが、上述したように、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）では、低温の場合には容量が小さいから急速に降下し（図４のＡ１）、高温の場合には容量が大きいから緩やかに降下する（図４のＡ２）。

読み出し期間ＴＲでは、充電制御信号ＣＨＧはＨレベルであるから、充電用トランジスターＴ１はオフ状態である。また放電制御信号ＤＣＨはＬレベルであるから、放電用トランジスターＴ２はオフ状態である。こうすることで熱センサー素子ＣＦの放電が止まり、検出電圧ＶＯＵＴは放電が止まった時点の電圧値が保持される。この電圧値を制御回路４０からのサンプリング信号ＳＭＰに基づいて、電圧検出回路５０が検出する。

以上説明したように、本実施形態の熱センサー用検出回路によれば、チョッパー等が不要な分極量検出方式（容量検出方式）を用いることで、簡素な回路構成で温度測定（赤外線検出）が可能になる。さらに充電期間において放電用抵抗素子に電流を流さないから、検出回路の消費電力を低減することができる。

既に述べたように、熱センサー素子ＣＦの温度によりＣＦのキャパシタンス値（容量値）或いはボロメーターの場合では抵抗値が変化するから、放電による出力電圧ＶＯＵＴの電圧降下の速さが異なる。このために、測定する温度領域により、電圧検出に適する放電時間が異なってくる。すなわち低温領域ではＶＯＵＴの降下が速いから、高温の場合よりも放電時間を短くする方が望ましい。放電時間を長くするとＶＯＵＴがＬレベル近くに収束するから、電圧差を精度良く検出することが難しくなり、その結果、検出精度（温度分解能）が悪くなるからである。

一方、測定する温度領域が高温の場合ではＶＯＵＴの降下が遅いから、低温の場合よりも放電時間を長くする方が望ましい。放電時間を短くすると、ＶＯＵＴの電圧差が大きくなる前に放電を止めてしまうことになるから、電圧差を精度良く検出することが難しくなり、その結果、検出精度（温度分解能）が悪くなるからである。

本実施形態の熱センサー用検出回路によれば、制御回路４０は、熱センサー素子ＣＦの測定モードに応じて、放電用トランジスターＴ２をオフ状態にするタイミングを切り換えることができる。具体的には、例えば熱センサー素子ＣＦとしてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いると、制御回路４０は、熱センサー素子ＣＦの測定モードが低温測定モードである場合には、放電用トランジスターＴ２をオフ状態にするタイミングを、測定モードが高温測定モードである場合よりも、早いタイミングに設定することができる。

なお、熱センサー素子ＣＦとして他の材料を用いる場合に、ＰＺＴとは逆に、低温領域では容量が大きくて電圧降下が遅く、高温領域では容量が小さくて電圧降下が速くなることがあり得る。この場合には、上記のタイミング設定を逆にすればよい。すなわち、熱センサー素子ＣＦの測定モードが高温測定モードである場合には、放電用トランジスターＴ２をオフ状態にするタイミングを、測定モードが低温測定モードである場合よりも、早いタイミングに設定する。

図５は、測定モードによる放電時間の切り換えを説明する図である。測定温度領域が低温領域である場合には、例えば図５の実線に示すように検出電圧ＶＯＵＴが急速に降下する。したがって低温測定モードでは、放電期間ＴＤを放電時間が短い放電期間ＴＤ１とすることで、図５のＢ１、Ｂ２に示すように電圧差が大きくなるタイミングで電圧値を検出することができる。

一方、測定温度領域が高温領域である場合には、例えば図５の破線に示すようにＶＯＵＴが緩やかに変化する。したがって高温測定モードでは、放電期間ＴＤを放電時間が長い放電期間ＴＤ２とすることで、図５のＢ３、Ｂ４に示すように電圧差が大きくなるタイミングで電圧値を検出することができる。

このようにすることで、測定対象の温度領域に対応して最適な放電時間を設定することができるから、広い温度範囲で熱センサー用検出回路の検出精度（温度分解能）を高めることが可能になる。

例えば、物体の温度分布を取得するサーモグラフィー機器などでは、人の体温を中心とする温度領域に最適な測定モード（低温測定モード）に切り換えることにより、高い精度で体温を測定することが可能になる。また火や発熱を検知するセキュリティー機器などでは、高温測定モードに切り換えることにより、確実に火や発熱を検知することが可能になる。このように測定モードを切り換えることで、用途に応じた温度領域の検出精度を高めることが可能になる。

３．熱センサーデバイス
図６（Ａ）に本実施形態の熱センサーデバイスの構成例を示す。この熱センサーデバイスは、センサーアレイ１００と、行選択回路（行ドライバー）１１０と、読み出し回路１２０を含む。またＡ／Ｄ変換部１３０、制御部１５０を含むことができる。この熱センサーデバイスを用いることで、例えばナイトビジョン機器などに用いられる赤外線カメラなどを実現できる。

センサーアレイ１００（焦点面アレイ）には、複数のセンサーセルが配列（配置）される。また複数の行線（ワード線、走査線）と複数の列線（データ線）が設けられる。なお行線及び列線の一方の本数が１本であってもよい。例えば行線が１本である場合には、図６（Ａ）において行線に沿った方向（横方向）に複数のセンサーセルが配列される。一方、列線が１本である場合には、列線に沿った方向（縦方向）に複数のセンサーセルが配列される。

図６（Ｂ）に示すように、センサーアレイ１００の各センサーセルは、各行線と各列線の交差位置に対応する場所に配置（形成）される。例えば図６（Ｂ）のセンサーセルは、行線ＷＬ１と列線ＤＬ１の交差位置に対応する場所に配置されている。他のセンサーセルも同様である。

行選択回路１１０は、１又は複数の行線に接続される。そして各行線の選択動作を行う。例えば図６（Ｂ）のようなＱＶＧＡ（３２０×２４０画素）のセンサーアレイ１００（焦点面アレイ）を例にとれば、行線ＷＬ０、ＷＬ１、ＷＬ２・・・・ＷＬ２３９を順次選択（走査）する動作を行う。即ちこれらの行線を選択する信号（ワード選択信号）をセンサーアレイ１００に出力する。

読み出し回路１２０は、１又は複数の列線に接続される。そして各列線の読み出し動作を行う。ＱＶＧＡのセンサーアレイ１００を例にとれば、列線ＤＬ０、ＤＬ１、ＤＬ２・・・・ＤＬ３１９からの検出信号（検出電流、検出電荷）を読み出す動作を行う。

Ａ／Ｄ変換部１３０は、読み出し回路１２０において取得された検出電圧（測定電圧、到達電圧）をデジタルデータにＡ／Ｄ変換する処理を行う。そしてＡ／Ｄ変換後のデジタルデータＤＯＵＴを出力する。具体的には、Ａ／Ｄ変換部１３０には、複数の列線の各列線に対応して各Ａ／Ｄ変換器が設けられる。そして、各Ａ／Ｄ変換器は、対応する列線において読み出し回路１２０により取得された検出電圧のＡ／Ｄ変換処理を行う。なお、複数の列線に対応して１つのＡ／Ｄ変換器を設け、この１つのＡ／Ｄ変換器を用いて、複数の列線の検出電圧を時分割にＡ／Ｄ変換してもよい。

制御部１５０（タイミング生成部）は、各種の制御信号を生成して、行選択回路１１０、読み出し回路１２０、Ａ／Ｄ変換部１３０に出力する。例えば充電や放電（リセット）の制御信号を生成して出力する。或いは、各回路のタイミングを制御する信号を生成して出力する。

図７に、センサーアレイ１００や読み出し回路１２０の詳細な構成例を示す。図７では、センサーセル及び読み出し回路として図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示した構成を用いているが、他の構成・手法を組み合わせた変形実施も可能である。

センサーセルは、熱センサー素子ＣＦ、充電回路２０、放電回路３０及び選択用スイッチ素子ＴＷを含む。充電回路２０は、熱センサー素子ＣＦの一端のノードである検出ノードＮ１と高電位側電源ノードＶＤＤ（広義には第２の電源ノード）との間に設けられる。放電回路３０は、検出ノードＮ１と低電位側電源ノードＶＳＳ（広義には第１の電源ノード）との間に設けられる。選択用スイッチ素子ＴＷは、検出ノードＮ１と１又は複数の列線ＤＬ（ＤＬ０〜ＤＬ３１９）のいずれかとの間に設けられる。

各センサーセルの動作は、既に説明した検出回路（図３（Ａ）、図３（Ｂ））の動作と同様である。行線ＷＬ０が選択される場合には、行線ＷＬ０にゲートが接続される選択用スイッチ素子ＴＷがオン状態になる。そして行線ＷＬ０に対応する１又は複数のセンサーセルが、それぞれ対応する列線ＤＬ（ＤＬ０〜ＤＬ３１９）に電気的に接続される。この時、行線ＷＬ０以外の行線ＷＬ（ＷＬ１〜ＷＬ２３９）は非選択である。

充電期間ＴＣでは、充電制御信号ＣＨＧはＬレベル（低電位レベル）であるから、充電用トランジスターＴ１はオン状態である。また放電制御信号ＤＣＨはＬレベルであるから、放電用トランジスターＴ２はオフ状態である。こうすることで熱センサー素子ＣＦにＨレベル（高電位レベル）の電圧が印加され、充電用トランジスターＴ１を介して充電電流が流れ、ＣＦの充電が行われる。また充電期間ＴＣでは、放電用トランジスターＴ２はオフ状態であり、放電用抵抗素子ＲＡに電流が流れないから、消費電力を低減することができる。

放電期間ＴＤでは、充電制御信号ＣＨＧはＨレベルであるから、充電用トランジスターＴ１はオフ状態である。また放電制御信号ＤＣＨはＨレベルであるから、放電用トランジスターＴ２はオン状態である。こうすることで熱センサー素子ＣＦへの電圧印加がなくなり、放電用抵抗素子ＲＡ及び放電用トランジスターＴ２を介して放電電流が流れ、ＣＦの放電が行われる。この放電によって検出電圧（出力電圧）ＶＯＵＴは降下を始める。

読み出し期間ＴＲでは、充電制御信号ＣＨＧはＨレベルであるから、充電用トランジスターＴ１はオフ状態である。また放電制御信号ＤＣＨはＬレベルであるから、放電用トランジスターＴ２はオフ状態である。こうすることで熱センサー素子ＣＦの放電が止まり、検出電圧ＶＯＵＴは放電が止まった時点の電圧値が保持される。この電圧値は、選択された各センサーセルに対応する列線ＤＬ（ＤＬ０〜ＤＬ３１９）を介して、読み出し回路１２０によって読み出される。

このようにして、行線ＷＬ０に対応する１又は複数のセンサーセルからの検出信号が列（カラム）毎に読み出される。その後、他の行線ＷＬ（ＷＬ１〜ＷＬ２３９）が順次選択され、上記と同様にして各センサーセルから検出信号が読み出される。

なお、充電期間ＴＣ、放電期間ＴＤ、読み出し期間ＴＲのタイミングについては、上記のように順次１行毎に充電、放電、読み出しのサイクルを繰り返していく方法の他に、種々の方法が可能である。例えば、全てのセンサーセルについて同時に充電、放電を行い、その後に順次１行毎に読み出す方法も可能である。

図８に、センサーアレイ１００や読み出し回路１２０の別の構成例を示す。図８の構成例では、センサーセルに放電回路を設けずに、読み出し回路１２０に放電用抵抗素子ＲＡを設ける。

具体的には、センサーセルは、熱センサー素子ＣＦ、充電回路２０及び選択用スイッチ素子ＴＷを含む。充電回路２０は、熱センサー素子ＣＦの一端のノードである検出ノードＮ１と高電位側電源ノードＶＤＤ（広義には第２の電源ノード）との間に設けられる。選択用スイッチ素子ＴＷは、検出ノードＮ１と１又は複数の列線ＤＬ（ＤＬ０〜ＤＬ３１９）のいずれかとの間に設けられる。

読み出し回路１２０は、１又は複数の列線ＤＬ（ＤＬ０〜ＤＬ３１９）のいずれかと低電位側電源ノードＶＳＳ（広義には第１の電源ノード）との間に設けられる放電用抵抗素子ＲＡを含む。

充電期間ＴＣでは、選択用スイッチ素子ＴＷをオフ状態、すなわち非選択状態にして、充電回路２０により熱センサー素子ＣＦの充電を行う。放電期間ＴＤでは、選択用スイッチ素子ＴＷをオン状態、すなわち選択状態にして、対応する列線ＤＬ（ＤＬ０〜ＤＬ３１９）に接続された放電用抵抗素子ＲＡを介して熱センサー素子ＣＦの放電を行う。読み出し期間ＴＲでは、選択用スイッチ素子ＴＷをオフ状態、すなわち非選択状態にして、熱センサー素子ＣＦの放電を止める。検出電圧ＶＯＵＴは、放電が止まった時点の電圧値が保持される。この電圧値は読み出し回路１２０によって読み出される。

このようにすることで、放電用抵抗素子を列（カラム）毎に共有することができるから、センサーセルの構成を簡素にすることができる。また熱センサーデバイス全体で抵抗素子の総数を少なくすることができるから、抵抗素子の抵抗値のばらつきの影響を低減することが可能になる。

図９に、本実施形態のセンサーセルの別の構成例を示す。図９に示すセンサーセルでは、上述した図７のセンサーセルにＰ型トランジスターＴ３を付加し、検出電圧ＶＯＵＴによりＴ３のゲートを制御して、ＶＯＵＴに応じた出力電流ＩＯＵＴを出力する。こうすることで、列線ＤＬ（ＤＬ０〜ＤＬ３１９）に流れる電流を増加させることができる。その結果、列線ＤＬの配線容量（寄生容量）による伝搬遅延を小さくすることができるから、読み出しに要する時間を短縮することができる。また列線ＤＬが拾うノイズの影響を低減することができる。

以上説明したように、本実施形態の熱センサーデバイスによれば、熱センサー素子の分極量（容量、キャパシタンス）を検出する方式であるため、チョッパー等が不要になる。またセンサーセルの回路構成が簡素であるため、発生するノイズが小さくすることができ、歩留まりを向上させることが可能になる。またセンサーセルのサイズを小さくすることができるから、熱センサーデバイスの高精細化が可能になる。さらに充電期間に放電用抵抗素子に電流が流れないから、消費電力を低減することが可能になる。

図８に示すセンサーセルは、放電回路を含まないためサイズをより小さくできるから、熱センサーデバイスの高精細化に有利である。抵抗素子の総数を少なくすることができるから、抵抗素子の抵抗値のばらつきの影響を受けにくいという利点がある。しかし列線ＤＬの配線抵抗及び配線容量により放電時間が長くなるから、測定時間が長くなるという欠点がある。

図９に示すセンサーセルは、列線ＤＬの配線容量（寄生容量）による伝搬遅延を小さくすることができるから、読み出しに要する時間を短縮することができ、列線ＤＬが拾うノイズの影響を低減することができるという利点がある。しかしセンサーセルのサイズが大きくなるため、高精細化には不利である。

４．電子機器
図１０に本実施形態の熱センサー用検出回路や熱センサーデバイスを含む電子機器の構成例を示す。この電子機器は、例えば赤外線カメラであって、光学系２００、熱センサーデバイス２１０、画像処理部２２０、処理部２３０、記憶部２４０、操作部２５０、表示部２６０を含む。なお本実施形態の電子機器は図１０の構成に限定されず、その構成要素の一部（例えば光学系、操作部、表示部等）を省略したり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。

光学系２００は、例えば１又は複数のレンズや、これらのレンズを駆動する駆動部などを含む。そして熱センサーデバイス２１０への物体像の結像などを行う。また必要であればフォーカス調整なども行う。

熱センサーデバイス２１０は、図６（Ａ）等で説明したものであり、物体像の撮像処理を行う。画像処理部２２０は、熱センサーデバイス２１０からのデジタルの画像データ（画素データ）に基づいて、画像補正処理などの各種の画像処理を行う。

処理部２３０は、電子機器の全体の制御を行ったり、電子機器内の各ブロックの制御を行う。この処理部２３０は、例えばＣＰＵ等により実現される。記憶部２４０は、各種の情報を記憶するものであり、例えば処理部２３０や画像処理部２２０のワーク領域として機能する。操作部２５０は、ユーザが電子機器を操作するためのインターフェースとなるものであり、例えば各種ボタンやＧＵＩ（Graphical User Interface）画面などにより実現される。表示部２６０は、例えば熱センサーデバイス２１０により取得された画像やＧＵＩ画面などを表示するものであり、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイなどの各種のディスプレイや投射型表示装置などにより実現される。

なお本実施形態は、ＦＰＡ（Focal Plane Array：焦点面アレイ）を用いた赤外線カメラや赤外線カメラを用いた電子機器に適用できる。赤外線カメラを適用した電子機器としては、例えば夜間の物体像を撮像するナイトビジョン機器、物体の温度分布を取得するサーモグラフィー機器、人の侵入を検知する侵入検知機器、物体の物理情報の解析（測定）を行う解析機器（測定機器）、火や発熱を検知するセキュリティー機器、工場などに設けられるＦＡ（Factory Automation）機器などが想定できる。ナイトビジョン機器を車載機器に適用すれば、車の走行時に夜間の人等の姿を検知して表示することができる。またサーモグラフィー機器に適用すれば、インフルエンザ検疫等に利用することができる。

なお、以上のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語（第１の電源ノード、第２の電源ノード）と共に記載された用語（ＶＳＳノード、ＶＤＤノード）は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また熱センサー用検出回路、熱センサーデバイス及び電子機器の構成、動作も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。

１１ 焦電体、１２ 電極、２０ 充電回路、３０ 放電回路、４０ 制御回路、
５０ 電圧検出回路、１００ センサーアレイ、１１０ 行選択回路（行ドライバー）、
１２０ 読み出し回路、１３０ Ａ／Ｄ変換部、１４０ カラム走査回路、
１５０ 制御部、２００ 光学系、２１０ 熱センサーデバイス、２２０ 画像処理部、
２３０ 処理部（ＣＰＵ）、２４０ 記憶部、２５０ 操作部、２６０ 表示部、
ＣＦ 熱センサー素子、Ｎ１ 検出ノード、ＲＡ 放電用抵抗素子、
Ｔ１ 充電用トランジスター、Ｔ２ 放電用トランジスター

Claims (6)

1. 複数のセンサーセルを有するセンサーアレイと、
   複数の行線と、
   １又は複数の列線と、
   前記複数の行線に接続される行選択回路と、
   前記１又は複数の列線に接続される読み出し回路と、
   制御回路とを含み、
   前記複数のセンサーセルの各センサーセルは、
   熱センサー素子と、
   前記熱センサー素子の一端のノードである検出ノードと第２の電源ノードとの間に設けられる充電回路と、
   前記検出ノードと前記１又は複数の列線のいずれかとの間に設けられる選択用スイッチ素子とを有し、
   前記読み出し回路は、前記１又は複数の列線のいずれかと第１の電源ノードとの間に設けられる放電用抵抗素子を有し、
   前記放電用抵抗素子は、前記１又は複数の列線のいずれかである第ｉの列線に接続される第１〜第ｎのセンサーセルに共用される抵抗素子であり、
   充電期間では、前記第１〜第ｎのセンサーセルの各センサーセルの前記充電回路により充電を行い、前記充電期間の後の放電期間では、前記第１〜第ｎのセンサーセルの各センサーセルの前記選択用スイッチ素子をオン状態にして、前記第１〜第ｎのセンサーセルに共用される前記放電用抵抗素子を介して放電を行うことを特徴とする熱センサーデバイス。
2. 請求項１において、
   前記充電回路は、前記第２の電源ノードと前記検出ノードとの間に設けられる充電用トランジスターを含み、
   充電期間では、前記充電用トランジスターはオン状態になり、前記選択用スイッチ素子はオフ状態になり、
   放電期間では、前記充電用トランジスターはオフ状態になり、前記選択用スイッチ素子はオン状態になることを特徴とする熱センサーデバイス。
3. 請求項２において、
   前記放電期間の後の読み出し期間では、前記充電用トランジスター及び前記放電用トランジスターがオフ状態になり、放電停止時点の電圧値が保持され、保持された前記電圧値が前記読み出し回路により読み出されることを特徴とする熱センサーデバイス。
4. 請求項３において、
   前記熱センサー素子の測定モードに応じて、前記放電用トランジスターがオフ状態になるタイミングが切り替わることを特徴とする熱センサーデバイス。
5. 請求項４において、
   前記熱センサー素子の測定モードが低温測定モードである場合には、前記放電用トランジスターがオフ状態になるタイミングが、前記測定モードが高温測定モードである場合よりも早いタイミングに設定されることを特徴とする熱センサーデバイス。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の熱センサーデバイスを含む電子機器。

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