JP5781869B2

JP5781869B2 - 焦電型赤外線センサ

Info

Publication number: JP5781869B2
Application number: JP2011197350A
Authority: JP
Inventors: 孝弘新井
Original assignee: Citizen Holdings Co Ltd; Citizen Electronics Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Holdings Co Ltd; Citizen Electronics Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2011-09-09
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2031-09-09
Also published as: JP2013057632A

Description

本発明は、焦電型の赤外線センサに関するものであり、詳しくは焦電センサ素子の受光面の２つの電極間に赤外線吸収機能と抵抗体機能とをあわせ持つ赤外線吸収膜層を形成し、赤外線を効率よく吸収すると同時に、赤外線吸収膜層の材料抵抗をリーク抵抗に利用することにより外付けのリーク抵抗を省略した焦電型赤外線センサに関する。

ＴＶ、照明、セキュリティなどの人体検知に用いられる従来の焦電型の赤外線センサの一つに図９および図１０（ａ）に示すような一般的な例がある。図９は赤外線センサに使用される焦電センサ素子６０の構造を示し、図１０（ａ）はその回路構成を示す。図９において、赤外線Ｐ１、赤外線Ｐ２を受光する焦電体基板５０の受光側の面には２つの受光電極５１ａと補償電極５２ａが配設され、狭い連結部５３により電気的に接続している。受光電極５１ａと補償電極５２ａには焦電体基板５０を挟んで対向電極５１ｂと対向電極５２ｂがそれぞれ対向配置されている。受光電極５１ａと対向電極５１ｂは受光素子部５１を、補償電極５２ａと対向電極５２ｂは補償素子部５２をそれぞれ形成し焦電センサ素子６０を形成している。

次に、図１０（ａ）の回路図において、図９と同じ構成要素には同一番号を付し説明する。図１０（ａ）において、受光素子部５１と補償素子部５２は極を向い合せに直列に、接続部５３で接続され、電極５１ｂはＦＥＴ５５のゲート５５ａに、電極５２ｂはＧＮＤ５７に接続されている。また、受光素子部５１自身と補償素子部５２自身の内部抵抗５０（抵抗値１０^１２Ωオーダー以上）は電極５１ｂ、５２ｂに等価的に並列接続され焦電センサ素子６０を構成している。また、外付けのリーク抵抗５４（抵抗値１０^１０〜１０^１１Ωオーダー）は焦電センサ素子６０に並列に接続されている。

受光素子部５１と補償素子部５２にそれぞれ入射する赤外線Ｐ１、赤外線Ｐ２において、人体などの動作により光の量に偏りが発生すると受光素子部５１と補償素子部５２の分極に差が発生し、出力が得られる。発生した出力は、主にリーク抵抗５４によって電圧に変換され、ＦＥＴ５５のＧＡＴＥ５５ａに加わる。これにより、焦電センサ素子６０の出力に応じて出力端子５６に電圧信号が出力される。なお、この場合、内部抵抗５０は抵抗値が１０^１２Ω以上と非常に高いためリーク抵抗としては無視できる。

次に、図１０（ｂ）に特許文献１に示される赤外線センサの回路図を示す。発明の趣旨を逸脱しない範囲において、図１０（ａ）と同一構成要素には同一番号を付し、同一名称とした。特許文献１に開示された提案によれば、焦電センサ素子６０を構成する焦電体基板５０の材料組成を変えて内部抵抗５０を外付けリーク抵抗５４と同等の値に設定し、代用することで外付けリーク抵抗５４を省略した。これにより、回路構成の大幅な簡素化を達成した。

特開平５−３３２８３０号公報

しかしながら、上記、特許文献１に開示された提案においては、焦電センサ素子６０に使用される焦電体基板５０をチタン酸ジルコン酸鉛系の材料やチタン酸鉛系の材料によって作成する際、その材料組成を変えることにより絶縁抵抗５０を変え、本来、焦電体基板５０が持つ絶縁抵抗１０^１２Ωオーダーの抵抗値を１０^１０〜１０^１１Ωのオーダーの抵抗値に調整したとしているが、材料の組成を変えることにより、本来の目的である焦電特性に悪影響を与えることになる。また、所望の絶縁抵抗５０を得るためには焦電体の材料組成の管理と電極間体積の管理とが必要となり、極めて困難である。また、焦電センサ素子６０の歩留まり低下などの問題も発生しコスト増加につながる。

（発明の目的）
本発明は、上記問題点を解決しようとするものであり、焦電センサ素子に使用する焦電体基板において特別の材料組成を用意することなく、焦電センサ素子内部にリーク抵抗を構成し、外付けリーク抵抗を省略し、かつ、赤外線の吸収効率向上を図り、小型で廉価な赤外線センサを提供することを目的とする。

分離された赤外線受光電極と補償電極を１対として焦電体基板の表面に配置され、焦電体基板の裏面には赤外線受光電極と補償電極のそれぞれに対向する位置に対向電極が配設され、それぞれ赤外線受光素子部と補償素子部が形成され、２つの素子部が逆極性に並列に接続され、かつ赤外線受光電極の電極表面および補償電極の電極表面には抵抗体としての機能を有する赤外線吸収膜層が形成され、赤外線吸収膜層は赤外線受光電極および補償電極を覆い、かつ前記赤外線受光電極および前記補償電極と電気的に接続されたことを特徴とする。

上記構成によれば、赤外線受光電極と補償電極は表面側電極に赤外線吸収膜層が配設されるために赤外線吸収効率が向上すると同時に、電極間連結部分を抵抗体として機能させるため、リーク抵抗として利用できる。そのため、焦電体基板に特別な材料組成を用意しなくても外付けリーク抵抗を省略することが可能となり、本来の焦電性能を保ったままで、小型で廉価な赤外線センサを提供することができる。

赤外線受光電極および補償電極の表面に設けられた赤外線吸収膜層は赤外線受光電極と補償電極との連結部分において、その体積を変化させることにより材料抵抗値を制御すると良い。

赤外線受光電極および補償電極の表面に設けられた赤外線吸収膜層の連結部分の体積を調整することによりリーク抵抗としての抵抗値を容易に１０１０〜１０１１Ωの範囲に正確に合わせ込むことができる。極めて簡易な方法により抵抗値の調整が可能となり、抵抗値のバラツキを小さくでき、検知精度を向上させることができる。

赤外線受光電極および補償電極を１対として複数対を配設すると良い。

赤外線受光電極および補償電極を１対として複数対を配設することにより、アレイセンサにも応用できる。

本発明によれば、赤外線受光電極と補償電極の表面側電極に抵抗機能を合わせ持つ赤外線吸収膜層を配設することにより、赤外線吸収効率が向上すると同時に、赤外線吸収膜層の連結部分をリーク抵抗として代用できる。そのため、焦電センサ素子に使用する焦電体基板に特別の材料組成を用意しなくても焦電性能を保持して、小型で廉価な赤外線センサを提供することができる。

本発明の第１実施形態における焦電センサ素子の分解斜視図及び斜視図である。本発明の第１実施形態における焦電センサ素子の回路図及び平面図である。本発明の第１実施形態における赤外線センサの断面図および斜視図である。本発明の第２実施形態における赤外線吸収膜層の抵抗値の制御方法を示す分解斜視図および平面図である。本発明の第３実施形態における赤外線吸収膜層の抵抗値の制御方法を示す分解斜視図および断面図である。本発明の第４実施形態における分解斜視図である。本発明の第４実施形態の別の形態の焦電センサ素子の分解斜視図である。本発明の第５実施形態における焦電センサ素子の分解斜視図である。従来の焦電センサ素子を説明するための分解斜視図である。従来の赤外線センサを説明する回路図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の好適な実施形態として、第１実施形態を、図１〜図３を参照して説明する。図１は焦電センサ素子１０の分解斜視図および斜視図を、図２は赤外線センサ８０の回路図および焦電センサ素子１０の平面図を、図３は赤外線センサ８０の断面図およびベース２１の斜視図を、それぞれ示す。

（赤外線センサ８０の構成）
図１（ａ）、（ｂ）において、赤外線Ｐ１、赤外線Ｐ２を受光する焦電体基板５の受光側の面には受光電極１ａと補償電極２ａが分離されて配設され、受光電極１ａと補償電極２ａには焦電体基板５を挟んで対向電極１ｂと対向電極２ｂがそれぞれ対向して配設されている。受光電極１ａと対向電極１ｂは受光素子部１を、補償電極２ａと対向電極２ｂは補償素子部２をそれぞれ構成している。受光素子部１と補償素子部２により焦電センサ素子１０が構成されている。

焦電体基板５はチタン酸ジルコン酸鉛系の材料やチタン酸鉛系やタンタル酸リチウム系などの公知の素材に材料からなり、各受光電極、各対向電極はＮｉ（ニッケル）やＮｉ／Ｃｒ（ニッケル／クロム）などの材料をスパッタや蒸着などの方法により、焦電体基板５の表面に形成する。

受光電極１ａ、補償電極２ａ、対向電極１ｂ、対向電極２ｂにはそれぞれ電極接続部ｆが形成されており、受光面には受光電極１ａと補償電極２ａが距離を介して対向し、それぞれの電極接続部ｆが向き合って配設されている。また、対向面には対向電極１ｂと対向電極２ｂが距離を介して対向し、それぞれの電極接続部ｆが向き合って配設されている。焦電体基板５を挟んで、受光電極１ａの電極接続部ｆと対向電極２ｂの電極接続部ｆが導電性接着剤４にて電気的に接続固定され、同様に補償電極２ａの電極接続部ｆと対向電極１ｂの電極接続部ｆが導電性接着剤４にて電気的に接続固定されている。これにより、受光素子部１と補償素子部２は逆極性に並列に接続される。

次に、受光面側において、受光電極１ａと補償電極２ａを覆うように赤外線吸収膜層３が形成されている。赤外線吸収膜層３の３Ａ部は受光電極１ａを覆い、３Ｂ部は補償電極２ａを覆い、３Ｃ部は受光電極１ａと補償電極２ａの間の電極の無い部分を覆っている。赤外線吸収膜層３はグラファイトやアルミナなどを主原料とし、所望の領域の赤外線をよく吸収し、同時に抵抗体としての機能も合わせ持っている。赤外線吸収膜層３の材料組成と膜層の形態は、赤外線の吸収性能と電極間連結部３Ｃの抵抗値を考慮して構成され、外付け抵抗２７と同等の抵抗値１０^１０〜１０^１１Ωオーダーに合わせ込むことができる。なお、赤外線吸収膜層３はスクリ―ン印刷などの方法により、受光面側に一定の膜厚に形成される。

次に図２（ａ）、（ｂ）を参照して、回路図において各構成要素について説明する。図２（ａ）において、図１（ａ）と同じ構成要素には同一番号を付し説明する。図２（ａ）において、受光素子部１と補償素子部２は逆極性に並列に接続され、一方の接続部は増幅器６の入力端子６ａに、他方の接続部はＧＮＤ８に接続されている。また、受光素子部１自身と補償素子部２自身の内部抵抗５０（抵抗値１０１２Ωオーダー以上）は受光素子部１と補償素子部２の接続部に等価的に並列接続され、さらに赤外線吸収膜層３の連結部３Ｃに形成された材料抵抗３Ｃも同様に並列接続され、焦電センサ素子１０が構成されている。
以上により、赤外線吸収膜層３の材料抵抗３Ｃは従来の外付け抵抗２７と同等の抵抗値オーダー（１０１０〜１０１１Ω）に形成され、焦電センサ素子１０内部に形成されたことになり、外付け抵抗２７と同等の作用が可能となった。これにより、従来の外付け抵抗２７は省略できた。なお、受光素子部１と補償素子部２が持つ内部抵抗５０はそれぞれ１０１２Ω以上と高いためリーク抵抗としては無視できる。

次に図３（ａ）、（ｂ）を参照し、前述の焦電センサ素子１０を組み込んだ例として赤外線センサ８０についてその構成を説明する。図３（ａ）において、赤外線センサ８０はベース２１、焦電センサ素子１０を接続固定した第１スペーサ２２、第２スペーサ２３、光学フィルタ２４の順に接着し組立ができる構造になっている。各構成要素はそれぞれ、導電性接着剤２６をスクリーン印刷などの方法によって適量を塗布し位置決めし、接着固定することが可能な構造となっている。

ベース２１は多層基板からなり、上層には回路部品が実装可能なパターンが形成され、中間層はシールドのための層となっていてＧＮＤに接続され、下層には表面実装が可能なパターンが形成されている。上層、中間層、下層はビアによって必要な部分が接続され、２（ａ）に示すような回路が構成されている。ベース２１の上層には増幅器６がハンダ付け等により固定されている。図３には前述した如く、省略できた外付け抵抗２７を点線にて記載した。第１スペーサ２２は中空構造に加工された絶縁部材で、表面が金属膜層に覆われた枠体である。また、中空内部の互いに向き合う一対の辺の側面には凸形状に形成された受け部２２Ａと受け部２２Ｂが配設されている。焦電センサ素子１０の一方の電極は受け部２２Ａに、他方の電極は受け部２２Ｂに導電性接着剤２６を介して接続固定される。受け部２２Ａは電極となる金属膜層が導電性接着剤２６を介してベース２１のパターンに接続されＧＮＤに接続される。受け部２２Ｂは電極となる金属膜層が加工により周囲の金属膜層から分離されており、導電接着剤２６を介してベース２１のパターンに接続され、増幅器６の入力端子６ａに接続される。第２スペーサ２３は中空構造に加工された絶縁部材で、表面を金属膜層に覆われた枠体であり、第１スペーサ２２の上面に導電性接着剤２６を介して接続固定される。光学フィルタ２４は単結晶シリコンなどからなり、選択的に赤外線を透過させる機能を持ち、導電性接着剤２６を介して第２スペーサ２３の上面に接続固定される。なお、赤外線センサ８０の外部から入射する光が光学フィルタ２４を通過する際、例えば、太陽光や照明器具のような光は遮断し、人体から放射される赤外線は透過するような光学フィルタ２４を選定することができる。以上により外付けのリーク抵抗２７を省略した赤外線センサ８０を得る。

（赤外線センサ８０の動作）
図２（ａ）、（ｂ）および図３（ａ）を参照して赤外線センサ８０の動作について説明する。人体などの動作により、受光素子部１と補償素子部２にそれぞれ入射する赤外線Ｐ１と赤外線Ｐ２の光の量に偏りが発生すると受光素子部１と補償素子部２の分極の値に差が発生し出力が得られる。ここで発生した出力は前述した赤外線吸収膜層３の連結部３Ｃからなるリーク抵抗３Ｃによって電圧に変換され増幅器６の入力端子６ａに加わる。これにより、焦電センサ素子１０の出力に応じて出力端子７に電圧信号が出力される。また、光の量に偏りが無い場合や周囲の温度変化が発生した場合は分極の値に差が発生しないので受光素子部１と補償素子部２の電圧が打ち消し合い出力は得られない。

（実施形態１の効果）
以上説明した第１実施形態によれば、受光電極１ａと補償電極２ａの表面側電極に赤外線吸収膜層３を配設し、受光電極１ａと補償電極２ａの連結部３Ｃの材料抵抗を利用することにより、リーク抵抗３Ｃを焦電センサ素子１０の内部に形成することができた。これにより、焦電体基板５として特別な材料組成の用意を必要とすることなく、外付けのリーク抵抗２７を省略でき、簡素化された赤外線センサ８０を提供することができる。同時にコスト低減、スペース効率向上および小型化が可能となった。また、赤外線吸収膜層３は赤外線の吸収機能を持つため、光から熱への変換効率が向上し、焦電センサ素子１０の感度が向上した。

なお、本発明に係る赤外線センサ８０は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、受光電極１ａ、補償電極２ａ、対向電極１ｂ、対向電極２ｂはＮｉ（ニッケル）やＮｉ／Ｃｒ（ニッケル／クロム）などの材料としたが他の金属でもよい。また、電極の形成についてはスパッタ法や蒸着などの方法としたがこれに限定されるものではない。また、電極の形状や接続部の形状も実施例に限定されるものではなく、大きさや配列を変えてもよい。また、電極間の接続はリード線による方法でも良い。また、赤外線吸収層３の材質については、グラファイトやアルミナなどを主原料とするとしたが別の材料でも良く赤外線吸収機能と抵抗体機能を合わせ持った材料で有れば良い。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態による赤外線センサ８０について、図４を参照して説明する。図４（ａ）は焦電センサ素子２０において赤外線吸収膜層３の別の形態を示し、（ｂ）はその赤外線吸収膜層３の平面図を示す。図３（ａ）において、図１（ａ）と同じ構成要素には同一番号を付し、重複する説明を省略する。図４（ａ）に示す焦電センサ素子２０が実施形態１と異なるところは赤外線吸収膜層３の連結部３Ｃの幅を調整している点である。赤外線吸収膜層３の連結部３Ｃの体積はその距離Ｌと膜厚ｔと幅ｄによって決まる。連結部３Ｃの材料抵抗値は体積に依存するので、例えば、膜厚ｔと距離Ｌが一定の場合は幅ｄをｄ１、ｄ２、ｄ３のように調整することにより材料抵抗値を調整することができる。これにより、より正確な抵抗値を持つ焦電センサ素子２０を得ることができ、より検知精度に優れた赤外線センサ８０を提供できる。また、赤外線吸収膜層３の連結部３Ｃは電極が形成されていない部分に形成されるので、その体積を変化させても焦電センサ素子２０の感度に影響を与えない。そのため、材料抵抗値の調整作業を行っても焦電センサ素子２０の性能を維持できる。

なお、本発明に係る赤外線センサ８０は上記実施形態に限定されるものではない。赤外線吸収膜層３の連結部３Ｃの両側から幅をｄ１、ｄ２、ｄ３に調整したが、どちらか一方から調整することもできる。また、中央部から両側へ広げるように調整することもできる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態による赤外線センサ８０について、図５を参照して説明する。図５（ａ）は焦電センサ素子２５において赤外線吸収膜層３の材料抵抗値調整の別の形態を示し、（ｂ）はその赤外線吸収膜層３の断面図を示す。図５（ａ）において、図４（ａ）と同じ構成要素には同一番号を付し、重複する説明を省略する。図５（ａ）に示す焦電センサ素子２５が実施形態２と異なるところは赤外線吸収膜層３の連結部３Ｃの厚さｔを調整している点である。前述の如く、連結部３Ｃの材料抵抗値は体積に依存するので、例えば、幅ｄと距離Ｌが一定の場合は膜厚ｔをｔ１、ｔ２、ｔ３のように調整することにより、材料抵抗値を調整することができる。これにより、正確な抵抗値を持つ焦電センサ素子２５を得ることができ、検知精度に優れた赤外線センサ８０を提供できる。

なお、本発明に係る赤外線センサ８０は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、赤外線吸収膜層３の連結部３Ｃの膜厚ｔを距離Ｌの範囲全体をｔ１、ｔ２、ｔ３のように調整したが、距離Ｌより狭い範囲で調整することもできる。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態による赤外線センサ８０について、図６を参照して説明する。図６は焦電センサ素子３０において電極接続部ｆの別の接続形態を示す。図６において、図１（ａ）と同じ構成要素には同一番号を付し、重複する説明を省略する。図６に示す焦電センサ素子３０が実施形態１と異なるところは電極接続部ｆを接続する形態が導電性接着剤４により接続するのではなく、電極接続用金具１１を使用している点である。電極接続用金具１１はステンレスやバネ用リン青銅などの金属性の薄板を曲げ加工して使用することができる。また、電極接続用金具１１に導電性接着剤４を併用することもできる。これにより、電極接続がより安定し、廉価で品質に優れた赤外線センサ８０を提供できる。

また、焦電センサ素子３５において電極接続部ｆの別の接続形態について、図７を参照して説明する。図７において、図１（ａ）と同じ構成要素には同一番号を付し、重複する説明を省略する。図７に示す焦電センサ素子３５が実施形態１と異なるところは電極接続部ｆを接続する形態が導電性接着剤４により接続するのではなく、蒸着法やスパッタ法にて上下の電極接続部ｆを金属膜ｇにて接続する点である。これにより電極接続が確実になり組立工数を削減し、品質に優れた赤外線センサ８０を提供できる。

なお、本発明に係る赤外線センサ８０は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、図７に示すように焦電体基板５の側面において金属膜ｇを形成するのではなく、焦電体基板５を挟んで２つの電極接続部ｆの間に孔を形成し、穴の中に金属膜ｇを形成してもよい。

（第５実施形態）
次に、第５実施形態による赤外線センサ８０について図８を参照して説明する。図８は焦電センサ素子４０においてアレイタイプの一形態を示す。図８において、図１（ａ）と同じ構成要素には同一番号を付し、重複する説明を省略する。図８に示す焦電センサ素子４０が実施形態１と異なるところは受光素子部１と補償素子部２が１対となってそれぞれ間隔を介して複数アレイ状に配設されており、各センサ素子部の電極接続部がそれぞれ配設されている点である。これにより、赤外線センサ８０は焦電センサ素子４０が収納できるように形状を変更して、その内部に複数対の電極受け部を設け、そこに各センサ素子部を接続固定することができる。以上により、焦電体基板５として特別な材料組成を用意することなく、外付けのリーク抵抗２７を複数個省略でき、小型で廉価な赤外線アレイセンサ８０を提供することができる。

なお、本発明に係る赤外線センサ８０は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、赤外線吸収膜層３については図４、図５に示すように、抵抗値の調整形態として、膜厚ｔを調整しても良いし、膜の幅ｄを調整しても良い。また、電極接続部については、図１、図６、図７に示すように、導電性接着剤による接続方法でもよいし、金属板による方法でもよいし、直接金属膜を形成する方法でもよい。また、図８では４対の焦電センサ素子を用いたが、その数は目的にあわせて、例えば８素子のように変更することができる。

１受光素子部
１ａ受光電極
１ｂ対向電極
２補償素子部
２ａ補償電極
２ｂ対向電極
３赤外線吸収膜層
３Ａ赤外線吸収膜層（受光素子部）
３Ｂ赤外線吸収膜層（補償素子部）
３Ｃ赤外線吸収膜層連結部
４導電性接着剤
５焦電体基板
６増幅器
６ａ入力端子
７出力端子
８ＧＮＤ
１０、２０、２５、３０、３５、４０焦電センサ素子
１１接続用金具
２１ベース
２２第１スペーサ
２３第２スペーサ
２４光学フィルタ
２６導電性接着剤
２７省略された外付けリーク抵抗
８０赤外線センサ
Ｐ１、Ｐ２赤外線

Claims

分離された赤外線受光電極と補償電極とを１対として焦電体基板の表面に配置され、焦電体基板の裏面には前記赤外線受光電極と補償電極のそれぞれに対向する位置に対向電極が配設され、それぞれ赤外線受光素子部と補償素子部が形成され、前記２つの素子部が逆極性に並列に接続され、かつ前記赤外線受光電極の電極表面および前記補償電極の電極表面には抵抗体としての機能を有する赤外線吸収膜層が形成され、前記赤外線吸収膜層は前記赤外線受光電極および前記補償電極を覆い、かつ前記赤外線受光電極および前記補償電極と電気的に接続されたことを特徴とする焦電型赤外線センサ。
前記赤外線受光電極および前記補償電極の表面に設けられた前記赤外線吸収膜層は前記赤外線受光電極と前記補償電極との連結部分において、その体積を変化させることにより材料抵抗値を制御することを特徴とする請求項１に記載の焦電型赤外線センサ。
前記赤外線受光電極および前記補償電極を１対として複数対が配設された請求項１または２に記載の焦電型赤外線センサ。