JP5911609B2 - 加速度センサを備えた赤外線センサ及び該赤外線センサの動作方法 - Google Patents

Description

本発明は、特に民間用途のための、集積された赤外線センサと加速度センサとを備えたシステム、並びに、加速度センサを備えた赤外線センサを動作させるための方法に関している。

赤外線センサ、特に遠赤外線領域（FIR；“far infrared”）の赤外線センサは、様々な撮像技法のために、例えば陸上車両における歩行者識別や感熱カメラのために使用される。これらの赤外線センサは、微小電子機械構造（MEMS；“micro-electromechanical structures”）からなるアレイで製造されている。独国特許出願公開第１０ ２００８ ０４１５８７号明細書及び国際公開第２００７/１４７６６３号パンフレットには、例えば、ＭＥＭＳベースの赤外線センサが開示されている。

赤外線センサ及び赤外線センサアレイは、民生用途以外でも、例えば軍事用途にも使用することができ、例えば、ミサイルやその他の軍事用飛翔体を制御するための撮像装置にも使用することができる。例えば米国特許第６，２７９，４７８号明細書には、例えば、爆発性飛翔体に赤外線センサを使用することが開示されている。それ故に、これらの赤外線センサ及び赤外線センサアレイは、元々民生利用のみを想定して設けられている場合であっても、いわゆる「二重用途品」としてランク付けされ、その使用若しくは輸出に規制がかけられている。

それ故、その限られた機能性によって軍事用途には適さない赤外線センサ及び赤外線センサアレイへの需要と、軍事用途に使用できないか又は使用してもあまり意味のない、赤外線センサ及び赤外線センサアレイの動作方法への需要が高まっている。

発明の開示
本発明の一態様によれば、赤外線放射を検出し、赤外線画像データを出力するように構成されている赤外線センサと、センサ装置の瞬間加速度を検出し、加速度データを出力するように構成された少なくとも１つの加速度センサとを備えたセンサ装置であって、前記センサ装置の前記瞬間加速度が予めプログラミングされた閾値を上回った場合に、前記赤外線センサからの前記赤外線画像データの出力が阻止されるセンサ装置が得られる。

本発明の別の一態様によれば、本発明による前記センサ装置と、加速度センサの加速度データを受信し、前記センサ装置の前記瞬間加速度を予めプログラミングされた閾値と比較し、この比較結果に依存して、前記赤外線センサからの赤外線画像データの出力を所定の持続時間の間遮断するように構成された評価回路とを備えたセンサシステムが得られる。

本発明のさらに別の一態様によれば、センサシステムを動作させるための方法であって、該方法は、センサシステムの瞬間加速度値を検出するステップと、前記瞬間加速度の前記検出値を所定の閾値と比較するステップと、前記検出値が前記閾値を上回っていないかまたは不十分に長い間しか上回っていない場合に、前記赤外線センサの前記赤外線画像データをトリガするステップと、前記検出値が前記閾値を十分に長い期間上回っていた場合に、前記赤外線センサからの前記赤外線画像データを阻止するか又は前記赤外線センサを非活動化させるステップとを含んでいる。

発明の効果
本発明の考察は、赤外線センサ若しくは赤外線センサアレイを備えた加速度センサを、センサ装置内に統合することからなっており、それにより、所定の閾値を超えたセンサ装置からの加速度値が存在する場合に、赤外線センサ若しくは赤外線センサアレイが非活動化されるか、ないしは、それらからのセンサデータの出力が所定の期間の間中断される。この目的のために、例えば、赤外線センサないし赤外線センサアレイのデータ出力を、加速度センサによって求められた加速度値に依存して阻止ないしはトリガさせる評価回路が設けられていてもよい。

このセンサ装置の大きな利点は、軍事用途に対する適用可能性が前記手順によって著しく制限されることにある。なぜなら、典型的な民生用途で発生する加速度値は、軍事用途で発生する典型的な加速度値よりも著しく低いからである。

特に有利には、１つ以上の赤外線センサと加速度センサは、基板内にモノリシックに集積される。それにより、一方では、構造空間が節約され、他方では、過度に高い加速度値の場合に制限されるセンサデータ出力の、赤外線センサの改造又は分離による回避が困難になる。基板内への様々なセンサの集積化によって縦方向の集積化の試みを追い続けることができ、これによって製造コストも削減され、製造過程の簡易化も図れるようになる。

有利には、加速度センサは付加的に次のことに使用することができる。すなわち、赤外線センサによって検出された対象物の移動方向を求めるのに使用することができる。例えば、検出された対象物の横方向加速度及び速度を、赤外線センサのセンサデータと加速度センサの加速度データの同時評価によって求めることができる。このことは、陸上車両用の暗視装置、例えば自動車用暗視装置が実装されている場合に、車両の前方を移動する歩行者や獣などの生き物を検出するときに特に有利となる。歩行者や動物の移動方向を確定することによって、自動的な回避行動を取ることが可能になる。

本発明によるセンサ装置の一実施形態によれば、赤外線センサ及び少なくとも１つの加速度センサが、微小電子機械構造を有し得る。

本発明によるセンサ装置の更に別の実施形態によれば、赤外線センサ及び少なくとも１つの加速度センサは、半導体基板にモノリシックに集積されてもよい。

本発明によるセンサ装置の更に別の実施形態によれば、少なくとも１つの加速度センサは、圧電抵抗性又は容量性の感知素子を有している。

本発明によるセンサ装置のさらなる実施形態によれば、少なくとも１つの加速度センサを、次のように構成することができる。すなわち、赤外線センサの検出方向に向かう加速度を検出するように構成することができる。軍事用途では、多くの場合、赤外線センサの運動方向での画像化技術に焦点が絞られる。このような使用は、例えばロケット発射の際の赤外線センサの視野方向におけるセンサシステムの加速度を求める際に効果的に阻止される。

本発明によるセンサシステムの一実施形態によれば、さらに評価回路が、次のように構成される。すなわち、センサ装置の瞬間加速度が、予めプログラミングされた閾値を所定の期間よりも長い間上回っている場合に、赤外線センサによる赤外線画像データの出力が、所定の期間の間阻止されるように構成される。このことは、次のような利点となる。すなわち、例えば当該センサシステムを使用する機器が短絡した場合に、短期間の閾値超過は赤外線画像データのトリガのもとで考慮されなくなる。

本発明によるセンサシステムの更なる実施形態によれば、所定の閾値は１０ｇであってもよい。このことは、当該センサシステムが、民生用途の使用に対してはほぼ無制限に直ぐに使用できるようになる利点をもたらす。

本発明による方法の一実施形態によれば、さらにこの方法が、赤外線画像データ内で検出された運動対象物の運動パラメータを求めるために、赤外線画像データを瞬間加速度の検出値と組み合わせるステップを有し得る。

本発明のさらに別の実施形態の特徴および利点は、添付の図面に基づいて以下の明細書から明らかとなる。

本発明の実施形態による赤外線センサと加速度センサとを備えたセンサ装置の概略図 別の実施形態による赤外線センサと加速度センサとを備えたセンサ装置の概略図 さらに別の実施形態による１つの赤外線センサピクセルと３つの加速度センサとを備えたＭＥＭＳセンサ装置の概略図 図１によるセンサ装置の概略的断面図 さらに別の実施形態によるセンサシステムの動作方法の概略図

実施例
図１は、センサ装置１と評価回路４とを備えたセンサシステム１０の概略図が示されている。このセンサ装置１は、例えば赤外線センサ２ないし赤外線センサアレイ２と、少なくとも１つの加速度センサ３とを備えている。このセンサ装置１は、例えば微小電子機械構造ベースのセンサ（ＭＥＭＳセンサ）を有しており、例えばＳＯＩ（silicon on insulator）技術で設計することができる。赤外線センサ２の数ないし赤外線センサアレイ２の画素の数、並びに加速度センサ３の数は、図１において例示的にのみ示されており、原則的に制限されるものではない。

赤外線センサ２は、例えば、撮像すべき対象物の遠赤外線領域（FIR；“far infrared”）の放射線を検出して赤外画像データ４ａを出力するように設計されていてもよい。その際、この赤外センサ２ないし赤外線センサアレイ２は、主検出方向を有しており、この主検出方向は、センサ装置１の活性面に対して実質的に垂直方向にある。この主検出方向は、以下では赤外線センサ２ないし赤外線センサアレイ２の視線方向と称する。

加速度センサ３は、センサ装置１の加速度を検出し、検出された加速度の値を加速度データ４ｂとして出力するように構成され得る。この場合、加速度センサ３は、例えば、センサ装置１の活性面に対して実質的に垂直な方向、すなわち赤外線センサ２ないし赤外線センサアレイ２の視線方向に発生する加速度を検出可能である。さらに、図１には詳細に示されていないが、センサ装置１の他の空間方向の加速度を検出する、さらなる複数の加速度センサが使用されてもよい。

前記赤外線画像データ４ａ及び加速度データ４ｂは、評価回路４に伝送可能である。この評価回路４は、画像を形成すべく前記赤外線センサ２ないし赤外線センサアレイ２によって検出される移動対象物を特徴付ける運動パラメータ４ｃを出力するために、複数のデータを組み合わせることができる。

前記赤外線画像データ４ａの出力は、センサ装置１の瞬間加速度が所定の閾値、例えば１０ｇを超えた場合に、阻止することができる。そのために、前記評価回路４は、加速度センサ３の加速度データ４ｂを受信し、センサ装置１の瞬間加速度を、予めプログラミングされた閾値と比較し、この比較に依存して、赤外線センサ２による赤外線画像データ４ａの出力を、所定の持続時間の間阻止するか、又は、前記赤外線センサ２を相応に一時的に非活動化させるように構成されていてもよい。前記の所定の持続時間は、例えば数秒であってもよい。

図２には、別の実施例による、センサ装置１と評価回路４とを備えたセンサシステム１０の概略図が示されている。前記センサ装置１は、例えば赤外線センサ２乃至赤外線センサアレイ２と、少なくとも１つの加速度センサ３とを備えている。図１のセンサ装置１と図２のセンサ装置１との間の実質的な違いは、赤外線センサ２ないし赤外線センサアレイ２内に評価論理回路２ｃが統合されている点である。この評価論理回路２ｃは、加速度センサ３の加速度データ４ｂを評価し、かつ、比較結果に依存して、赤外線センサ２の赤外線画像データ４ａの出力を、所定の持続時間の間、阻止するように構成されている。

図３には、１つの赤外線センサピクセル２と３つの加速度センサ３，５，６とを有するＭＥＭＳセンサ装置１の概略図が示されている。前記赤外線センサピクセル２は、例えば、微小電子機械構造部（ＭＥＭＳ）として、２つの直列に接続されたダイオード２ａ，２ｂを有していてもよい。但し前記ダイオード２ａ，２ｂの個数は、原則的に限定されるものではない。前記加速度センサ３は、例えば、ｚ軸加速度センサとして例示的に示されており、このセンサは、例えば前記センサ装置１の基板と圧電的に結合可能なＭＥＭＳ検出素子３ａを備えている。これに類似して前記加速度センサ５及び６は、横方向加速度センサとして示されており、これらのセンサも相応のＭＥＭＳ検出素子５ａ，６ａを有している。これらのＭＥＭＳ検出素子５ａ，６ａも、例えば前記センサ装置１の基板に圧電的若しくは圧電抵抗的に結合可能である。この場合前記赤外線センサピクセル２と３つの加速度センサ３，５，６は、ＭＥＭＳ基板内にモノリシックに統合されていてもよい。すなわち、前記赤外線センサピクセル２のＭＥＭＳ機能面と前記３つの加速度センサ３，５，６のＭＥＭＳ機能面が前記ＭＥＭＳ基板の同じ活性面上に統合されていてもよい。この前記赤外線センサピクセル２と前記加速度センサ３，５，６のモノリシックな統合化は次のような利点をもたらす。すなわち、機能方式のプログラミング変更が簡単に実施できない、すなわち、加速度閾値を超えた場合の赤外線画像データ４ａ出力の遮断解除が安易に実施されない利点をもたらす。

図４は、センサ装置１の横断面、特に赤外線センサピクセル２と加速度センサ３の横断面を概略的に表した図である。このセンサ装置１は、基板１３上、例えばシリコンなどの半導体基板上に形成されていてもよい。この基板１３上には、（ＳＯＩ技法により）エピタキシャル層１２若しくはデバイス層が被着されてもよい。エピタキシャル層若しくはデバイス層１２の上には、例えばシリコン酸化物層からなる絶縁層１１が被着され得る。赤外線センサピクセル２は、ドープされたダイオード部分２ａ，２ｂを有し、これらのダイオード部分２ａ，２ｂは、電気的な接触接続のための金属化構造部１８を含んでいる。さらにここでは、複数の接触接続層１７が電気的なリード導体として設けられていてもよい。前記ダイオード部分２ａ，２ｂは、フリーエッチング処理により、前記基板１３ないし前記エピタキシャル層ないし前記デバイス層１２における当該ダイオード部分下方にあるキャビティ構造部１４を介して、基板から離間され、それによって前記赤外線ピクセル２は、周囲温度から分離される。それに対しては、複数のエッチングチャネルが前記絶縁層１１内に設けられていてもよく、それらのエッチングチャネルを介して、前記エピタキシャル層１２ないしデバイス層１２と、前記基板１３のフリーエッチングが実行できるようになる。

同じフリーエッチングステップにおいては、加速度センサ３の検出素子３ａの下方のキャビティ構造部１５のフリーエッチングも実施可能である。この検出素子３ａは、加速度センサ３の慣性質量体を表し、さらなる金属化構造部１９を有していてもよい。加速度センサ３は、例えば基板１３に対して容量的に分離されていてもよいし、圧電抵抗作用に基づいていてもよい。この場合、加速度センサ３をＭＥＭＳ構造体において形成するために多くの手段の存在が明らかであり、前記加速度センサ３，５，６のタイプは基本的に自由に選択され得る。

センサ装置１は、真空封入でキャッピングすることができ、そのため、赤外線センサピクセル２と加速度センサ３，５，６は、相応に絶縁され、外部の影響から保護されている。

図５は、センサシステム、特に図１乃至図４に関連して説明したようなセンサシステム１０を動作させるための方法手順２０が概略的に示されている。この方法手順２０は、例えば、センサシステム１０の適用可能性を、民生用途に限定する、例えば赤外線カメラ、暗視デバイス又はこれらに類似した分野に限定するのに使用することができる。

第１のステップ２１では、まず最初に、センサシステム１０ないしセンサ装置１の瞬間加速度値の検出が行われる。それに対して、例えば前記センサ装置１の加速度センサ３，５，６のうちの少なくとも１つの出力データ４ｂが評価される。この評価は、評価回路４によって行うことができる。第２のステップ２２では、瞬間加速度の検出値が予めプログラミングされた閾値と比較される。ここでの予め定められる閾値は、適用ケース毎に定められる。例えば閾値として１０ｇが定められる。またこれよりも大きい閾値若しくは小さい閾値を予めプログラミングすることも可能である。

ステップ２３では、瞬間加速度の検出値が閾値を上回ったか否かが判断される。この場合、例えば単純な瞬間値比較のみが実行されてもよい。しかしながらここでは、また、検出値が少なくとも１つの所定の期間の間、閾値を上回っている場合にのみ、閾値の上回りを確定するようにしてもよい。ここでの所定の期間とは、例えば１秒であってもよい。しかしながらこの期間は、適用ケースに応じて長めに選択することも、あるいは短めに選択することも可能である。ステップ２３において、検出された値が、閾値を超えなかったか、若しくは、十分な長さに亘って上回らなかった場合には、ステップ２４において、赤外線センサ２ないし赤外線センサアレイ２のセンサデータ乃至赤外線結像データ４ａのトリガが引き起こされる。その後で、センサシステム１０の加速度値の新たな検査ないし監視が、ステップ２１において開始されるように行われる。

ステップ２３において、検出値が十分に長い期間の間、閾値を上回っていたことが確定されると、ステップ２５において、赤外線センサ２ないし赤外線センサアレイ２のセンサデータないし赤外線画像データ４ａの阻止又は赤外線センサ２ないし赤外線センサアレイ２の非活動化が引き起こされる。この阻止又は非活動化は、予め設定された期間の間、例えば数秒間、維持することが可能である。この期間が経過した後で初めて、ステップ２１で始まるセンサシステム１０の加速度値の新たな検査ないし監視が実行される。これにより、センサシステム１０は軍事用途には使えないようにさせられる。なぜならそこでは、高速な飛行物体を追跡できるようにするためには、比較的長い期間に亘って高い加速度値が頻繁に発生し、高い画像繰り返しレートが必要とされるからである。適切な閾値の設定によって、センサシステム１０の軍事利用は除外される。それに対して民間での利用は、実質的な制限なしでさらに維持し続けられる。

適切な加速度センサは３，５，６が使用されるならば、加速度データ４ｂを赤外線画像データ４ａと任意に組み合わせて、赤外線画像データ４ａ内で検出された運動物体の運動を結像することも可能になる。このことは、例えば横方向加速度センサ５及び／又は６の横方向加速度値が存在する場合には、評価回路４において行うことが可能である。この評価回路４は、車両または機器の運動パラメータ４ｃを出力することができ、そのためセンサシステム１０の例えば車両の暗視装置における使用のもとで、赤外線センサ２が、歩行者や動物、又はその他の移動物体を検出した場合に、それらの運動ないし移動軌跡に基づいて回避行動を取ることが可能になる。

Claims (9)

1. センサシステム（１０）であって、
   赤外線放射を検出し、赤外線画像データ（４ａ）を出力するように構成されている赤外線センサ（２）と、
   前記センサ装置（１）の瞬間加速度を検出し、加速度データ（４ｂ）を出力するように構成されている少なくとも１つの加速度センサ（３）とを有するセンサ装置（１）と、
   前記加速度センサ（３）の前記加速度データ（４ｂ）を受信し、かつ、前記センサ装置（１）の前記瞬間加速度を所定の閾値と比較し、かつ、前記比較に依存して、前記赤外線センサ（２）からの前記赤外線画像データ（４ａ）の出力を、予め定められた持続時間の間、阻止するように構成された評価回路（４）とを備えていることを特徴とする、センサシステム（１０）。
2. 前記評価回路（４）は、さらに、前記センサ装置（１）の前記瞬間加速度が所定の閾値を、予め定められた期間よりも長い間上回っている場合に、前記赤外線センサ（２）による前記赤外線画像データ（４ａ）の出力を、予め定められた持続時間の間、阻止するように構成されている、請求項１記載のセンサシステム（１０）。
3. 前記赤外線センサ（２）及び前記少なくとも１つの加速度センサ（３）は、微小電子機械構造を有している、請求項１又は２記載のセンサシステム（１０）。
4. 前記赤外線センサ（２）及び前記少なくとも１つの加速度センサ（３）は、半導体基板（１３）にモノリシックに集積されている、請求項３記載のセンサシステム（１０）。
5. 前記少なくとも１つの加速度センサ（３）は、圧電抵抗性又は容量性の検出素子（１９）を有している、請求項３及び４いずれか１項記載のセンサシステム（１０）。
6. 前記少なくとも１つの加速度センサ（３）は、前記赤外線センサ（２）の検出方向に向かう加速度を検出するように構成されている、請求項１から５いずれか１項記載のセンサシステム（１０）。
7. 前記所定の閾値は、１０ｇである、請求項１から６いずれか１項記載のセンサシステム（１０）。
8. 請求項１から７いずれか１項記載のセンサシステム（１０）を動作させるための方法（２０）であって、
   前記センサシステム（１０）の瞬間加速度値を検出するステップ（２１）と、
   前記瞬間加速度の前記検出値を所定の閾値と比較するステップ（２２）と、
   前記検出値が前記閾値を上回っていないか、又は、不十分に長い期間しか上回っていない場合に、前記赤外線センサ（２）の前記赤外線画像データ（４ａ）をトリガするステップ（２４）と、
   前記検出値が、固定的に設定された期間よりも長い期間の間、前記閾値を上回っていた場合に、前記赤外線センサ（２）からの前記赤外線画像データ（４ａ）を阻止するか又は前記赤外線センサ（２）を非活動化させるステップ（２５）とを含んでいることを特徴とする方法（２０）。
9. さらに、前記赤外線画像データ（４ａ）内で検出された運動物体の運動パラメータ（４ｃ）を求めるために、前記赤外線画像データ（４ａ）を、前記瞬間加速度の前記検出値と組み合わせるステップを含んでいる、請求項８記載の方法（２０）。

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