JPH01221626A - 赤外線センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は固体の弾性表面波を利用した赤外線センサに関
するものである。

〔従来技術〕

−ａにこの種の赤外線センサとしては、圧電性を有する
基板上にアルミニウムの薄膜を蒸着し、。

その表面に励振用電極としてのインタディジタル電極及
び該電極の両側に位置させて反射用電極としてのグレー
ティング反射電極をパターン形成し、インタディジタル
電極によって基板に弾性表面波を生ぜしめ、グレーティ
ング反射電極間にて弾性表面波を反復的に反射させて弾
性表面波の共振を行わせる一方、前記インタディジタル
電極を例えばコルピッツ型発振回路に接続して弾性表面
波発信器を構成し、発信される共振周波数が基板温度に
関連して変化することから共振周波数の変化を捉えて赤
外線を検出するようになっている（センサ技術Ｖｏ１２
．　Ｎ［ＬｌＯ，１９８２年９月号）。

なお、第６図は従来の弾性表面波を利用した赤外線セン
サの模式図であり　（ＮＩＫＫＥＩ　ＥＬＥＣＴＲＯＮ
ＩＣＳＢＯＯＫＳ、　４１０〜４１１頁、　１９８１年
１１月２日発行）、図中２１は共振器、２２は発振器、
２３は周波数カウンタを示している。

共振器２１はＬｉＮｂ０．等を材料にして矩形板状に形
成した圧電性を備える基板（例えばＹカット、Ｚ方向伝
播）２４上における相対応する２辺寄りの位置に夫々各
１組の交差形電極２５　、２６を形成し、また基板２４
の下面には熱吸収体２７を設けて構成しである。

各対をなす交差形電極２５．２６の各一方の電極２５ｂ
。

２６ｂは接地され、また各他方の電極２５ａ　、　２６
ａは発振器２２を構成する増幅器２２ａを介在させて相
互に接続されると共に、前記増幅器の出力端はまたコン
デンサＣを介在させて周波数カウンタ２３に接続しであ
る。

而して例えば交差形電極２５を通じて基板２４に弾性表
面波を生じさせ、これを交差形電極２６を通じて電気信
号に変換し、これを増幅器２２ａにて増幅し、再び交差
形電極２５を通じて基板２４に弾性表面波を生じさせる
過程を順次反復して弾性表面波を共振させ、そのときの
発振周波数を周波数カウンタ２３にて計数しておく。

いま赤外線が基板２４に入射し、その熱エネルギーにて
基板２４の温度が変化するとこれに応じて変化する基板
２４の弾性定数の変化、即ち弾性表面波の伝播速度変化
によって発振周波数が変化することとなり、予め求めて
おいた赤外線入射前の発振周波数との比較により発振周
波数の変化を求め、赤外線を検出するようになっている
。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述したように、従来の赤外線センサにあっては雰囲気
温度の変化による影響を受は易く、被検対象物からの入
射赤外線のみを検出するのは難しく検出精度が低いとい
う問題がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、そ
の目的とするところは、雰囲気温度変化による影響を低
減して被検対象物からの赤外線を高精度に検出すること
ができる赤外線センサを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

第１発明に係る赤外線センサは、圧電性基板面に励振用
電極及びこの励振用電極を隔てて一対の反射用電極を形
成してなる弾性表面波用の２個の共振器を有し、前記一
方の共振器反射用電極間の圧電性基板面には赤外線吸収
膜を、また他方の共振器における反射用電極間のにおけ
る圧電性基板面には赤外線反射膜を夫々配設してあるこ
とを特徴とする。

第２発明に係る赤外線センサは、圧電性基板面に、１組
の交差形電極と、該交差形電極と所要の間隔を隔てて対
向させたこれよりも短い２組の交差形電極とを形成し、
前記１組の交差形電極と前記２組の各交差形電極との間
の圧電性基板面に一方には赤外線吸収膜を、他方には赤
外線反射膜を夫々設けたことを特徴とする。

第３発明に係る赤外線センサは、圧電性基板面の一方の
面に、励振用電極及びこの励振用電極を隔てて一対の反
射用電極を形成して弾性表面波用の２個の共振器を構成
し、前記一方の共振器における励振用電極と反射用電極
との間の圧電性基板面に赤外線吸収膜を、また他方の共
振器における励振用電極と反射用電極との間の圧電性基
板面に赤外線反射膜を夫々設けたことを特徴とする。

〔作用〕 本発明にあってはこれによって、雰囲気温度の影響を排
除することができ、被検対象物からの赤外線のみを抽出
して検出することが可能となる。

〔実施例〕

以下本発明に係る第１発明の実施例を示す図面に基づき
具体的に説明する。

第１図は第１発明の赤外線センサの側面図、第２図は検
出部を拡大して示す模式図であり、図中１はセラミック
製のパッケージ、１ａはシリコン等を用いて構成した赤
外線透過窓、１ｂは信号取出用のピンを示している。

パッケージ１の周壁の一部に赤外線透過窓１ａが開口さ
れており、内部には第２図に示す如き検出器３，４が配
設されている。検出器４はその表面が前記赤外線透過窓
１ａに面して配置され、また検出器４は赤外線透過窓１
ａと対向する位置でもよいが、望ましくは赤外線透過窓
１ａと直接対向しない位置に配置される。

検出器３．４はいずれもＡＩＮ等の材料を用いて長方形
状に形成した圧電性基板３１．４１の一面における長手
方向の中央部に励振用電極たるインクディジタル電極３
２．４２を、また長手方向の両端部寄りの位置に反射用
電極たるグレーティング反射電極３３，３４．４３．４
４を夫々、例えばホトエツチング法等によりパターン形
成し、次いでこれらグレーティング反射電極３３．３４
．４３．４４及びインタディジタル電極３２．４２の上
面及びその周囲の圧電性基板３１．４１上にわたって検
出器３にあっては合焦等の赤外線吸収膜３５を、また検
出器４にあってはへ１等の赤外線反射膜４５を夫々薄膜
状にコーティングせしめである。

赤外線吸収膜３５、赤外線反射膜４５の材料については
特に上記した材料にのみ限定するものではなく、従来知
られているものを適宜採択してよいことは勿論である。

インクディジタル電極３２．４２はフォーク状をなす各
電極３２ａ、３２ｂ　、４２ａ、４２ｂを圧電性基板３
１．４１の短辺方向の両側から向い合わせに延在して、
先端部を交互にオーバラップするよう形成して構成して
あり、画電極３２ａ、３２ｂ　、４２ａ、４２ｂ間に電
気的信号を印加することにより、圧電性基板３１．４１
に弾性表面波を生じさせる外、この圧電性基板に生じた
弾性表面波を電気信号に変換する電気−弾性表面波のエ
ネルギ変換器として機能するようになっている。

グレーティング反射電極３３，３４．４３．４４は所定
のピッチで基板３１．４１の長方形の両端部寄りの位置
に夫々基板３Ｌ４１の短辺と平行な向きに延在形成した
多数の電極にて構成されており、前記インクディジタル
電極３２．４２にて圧電性基板３１．４１に生ぜしめら
れ、両端側に伝播されてきた弾性表面波を夫々反射させ
、両グレーティング反射電極３３゜３４間及び４３．４
４間で弾性表面波を共振せしめる共振子として機能する
ようになっている。

この共振子は水晶振動子と同様の特性を有しており、前
記インクディジタル電ｉ３２．４２を、例えばコルピッ
ツ発振回路に接続され、弾性表面波の発振器が構成され
ている。この発振器における発振周波数ｆは弾性表面波
の共振子の共振周波数と略等しく、下式で表される。

ｆ＝Ｖｓ／２Ｐ 但し、 Ｐニゲレーティング反射電極の電極ピッチｖｓ：圧電性
基板を伝播する弾性表面波の伝播速度 いま弾性表面波が共振状態にある場合において、赤外線
が検出器３の赤外線吸収膜３５に入射し、基板３１の温
度が変化し、或いは雰囲気温度の変化によって検出器４
の基板４１の温度が変化すると、前弐における弾性表面
波の伝播速度Ｖｓが圧電性基板３１．４１の弾性定数、
密度の温度係数に従って変化し、同時に電極ピッチＰも
熱膨張係数に従って変化する。その結果、発振器の発振
周波数ｆが変化し、その周波数変化を読み出して周波数
変化量を求める。

この周波数変化量は周波数温度係数と称され、使用され
る圧電性基板３１．４１の結晶によって定まり、物質定
数として結晶特有の値を示すから、既知の温度係数を有
する圧電性基板を使った弾性表面波の共振周波数と温度
との関係を求めておくことにより、圧電性基板３１．４
１が受けた温度変化、換言すれば赤外線を測定すること
が可能となる。

検出器３はパッケージ１内において赤外線透過窓１ａを
透過した赤外線が赤外線吸収膜３５に入射するように配
設されており、その圧電性基板３１はこの赤外線透過窓
１ａを通して赤外線吸収膜３５に入射した赤外線に因る
影響と、周辺の雰囲気温度変化に伴う影響とによる共振
周波数変化に基づき赤外線量を検出することとなる。

一方、検出４は、パッケージ１内において赤外線透過窓
１ａとは対向しない位置、換言すれば赤外線透過窓１ａ
を透過してくる赤外線の影響を受けない位置に配置され
、しかも表面にはＡＩ膜をコーティングして赤外線透過
窓１ａを透過した赤外線を反射し、その影響を遮断する
ようにしであるからその圧電性基板４１は雰囲気温度変
化のみによる共振周波数変化に基づき赤外線を検出する
こととなる。

従って検出器３で捉えた赤外線量と検出器４で捉えた赤
外線量との差は赤外線透過窓１ａを通じて被検対象物か
ら入射された赤外線量となり、被検対象物からの赤外線
のみを抽出して検出し得ることとなる。

なお上述の実施例では各検出器３，４毎に別の圧電性基
板３１．４１を用いた構成を説明したが単一の圧電性基
板を兼用する構成としてもよいことは勿論である。

第３図は第２発明の赤外線センサの弾性表面波素子を用
いた共振器及びその結線図であり、図中ｌＯは弾性表面
波素子を用いた共振器を示している。

共振器１０はＬｉＮｂ０１等を材料として長方形状に形
成した圧電性を備える基板（Ｙカット　Ｚ方向伝播）１
２の表面であって、その相対向する一方の短辺に沿わせ
て１組の交差形電極１３を設け、また他方の短辺に沿わ
せて前記交差形電極１３よりも短い同様の交差形電極１
４．１５を交差形電極１３と対向させて設け、また前記
交差形電極１３と交差形電極１４との間の弾性表面波の
伝播路である基板１２上には例えばＮｉ−Ｃｒ等にて形
成された赤外線吸収膜１６を、また前記交差形電極１３
と１５との間の基板１２上には例えば＾１等にて形成さ
れた赤外線反射膜１７を夫々帯状に形成せしめである。

１２ａは基板１２の表面に形成した熱の伝導を遮断する
溝であり、前記赤外線吸収膜１６と赤外線反射膜１７と
の間を隔てるようにこれらと略等長に形成されている。

各組の交差形電極１３．１４．１５における一方の電極
１３ｂ、　１４ｂ、　１５ｂは夫々接地され、また他方
の電極１３ａ。

１４ａ、　１５ａのうち電極１４ａと１３ａと、また電
極１５ａと１３ａとは相互に増幅器１８．１９を介在さ
せて接続され夫々共振器Ａ、Ｂが構成されている。そし
て共振器Ａにおける増幅器１８の出力端は直流成分をカ
ットするコンデンサＣＩを介在させて判別回路１００に
、また増幅器１９の出力端は同じく直流成分をカットす
るコンデンサＣ２を介在せて判別回路１００に夫々接続
されている。

判別回路１００にあっては共振器Ａ、　Ｂから入力され
る信号に基づいて夫々の共振周波数を比較し、両者に一
定以上の差がある場合には外部からの入射赤外線ありと
判断してその差に相応する信号を出力し、また両者の差
が一定以下の場合には赤外線の入射なしと判断して信号
を出力しないよう構成されている。

而してこのような共振器にあっては、いま交差形電極１
３の電極１３ａ、　１３ｂを用いて基板１２に弾性表面
波を生ぜしめ、この弾性表面波を交差形電極１４゜１５
にて電気信号に変喚し、増幅器１８．１９にて増幅した
後、再び交差形電極１３にて基板１２に弾性表面波を生
じさせる過程を反復して弾性表面波を共振状態に至らし
め、共振状態時の各増幅器１８．１９の出力を判別回路
１００に取り込み、その共振周波数を求めて比較する。

外部からの赤外線の入射がない状態では両弁振器Ａ、　
Ｂにおける弾性表面波伝播路の温度変化は雰囲気温度変
化に従うが、この場合に両弾性表面波伝播路相互の温度
差は殆どないか、また仮りにあっても僅かであり、判別
回路１００がらの信号の出力はない。

これに対し基板１２上に外部から赤外線が入射すると、
赤外線吸収膜１６はこれを吸収し、また赤外線反射膜１
７はこれを反射するから、これら赤外線吸収膜１６を配
した部分の基板１２の温度が上昇し、これに伴って共振
器Ａの共振周波数が大きく変化し、外部からの赤外線の
影響が少ない共振器Ｂの共振周波数との間に一定以上の
差が生じる。両弁振器Ａ、Ｈの共振周波数差を求めるこ
とによって雰囲気温度変化に伴う影響を相殺し得、従っ
て両弁振器Ａ、Ｂにおける共振周波数が変化し、その差
が一定以上になって判別回路１００からその差に相応し
た信号が出力され、被検対象物から入射した赤外線のみ
が検出されることとなる。

第４図及び第５図は第３発明の赤外線センサの側面図及
びその検出部を拡大して示す模式図である。セラミック
製のパッケージ５０にはシリコン等を用いて構成した赤
外線透過窓５０ａ及び信号取出用のピン５０ｂを設けて
いる。

パッケージ５０の内部には第５図に示す如き検出器５１
．５２が形成されている。検出器５１はその表面が前記
赤外線透過窓５０ａに面して配置される。

検出器５１．５２はＡＩＮ等の材料を用いて長方形状に
形成した圧電性基板５３の一面における長手方向の中央
部に励振用電極たるインタディジタル電極５４を、また
長手方向の両端部寄りの位置に反射用１掻たるグレーテ
ィング反射電極５５．５６を夫々、例えばホトエツチン
グ法等によりパターン形成している。そしてインタディ
ジタル電極５４と一方のグレーティング反射電極５５と
の間の圧電性基板５３の上面に合焦等の赤外線吸収膜５
７を、またインクディジタル電極５４と他方のグレーテ
ィング反射電極５６との間の圧電性基板５３の上面にへ
１等の赤外線反射膜５８を夫々薄膜状にコーティングし
である。

赤外線吸収膜５７、赤外線反射膜５８の材料については
特に前記した材料にのみ限定するものではなく、従来知
られているものを適宜選択してよいのは勿論である。

インクディジタル電極５４はフォーク状をなす各電極５
４ａ、　５４ｂを圧電性基板５３の短辺方向の両側から
向い合わせに延在して、先端部を交互にオーバラップす
るよう形成して構成してあり、画電極５４ａ。

５４ｂ間に電気的信号を印加することにより、圧電性基
板５３に弾性表面波を生じさせる外、この圧電性基板５
３に生じた弾性表面波を電気信号に変換する電気−弾性
表面波のエネルギー変換器として機能するようになって
いる。

グレーティング反射電極５５．５６は前記インタディジ
タル電極５４と同様に、フォーク状をなす各電極５５ａ
、５５ｂ　、５６ａ、５６ｂを圧電性基板５３の短辺方
向の両側から向い合わせに延在して、先端部を交互にオ
ーバラップするように形成して構成されており、前記イ
ンタディジタル電極５４にて圧電性基板５３に生ぜしめ
られ、その両端側に伝播されてきた弾性表面波を夫々反
射させ、インタディジタル電極５４とグレーティング反
射電極５５．５６との夫々の間で弾性表面波を共振せし
める共振子として機能するようになっている。

この共振子は水晶振動子と同様の振動特性を有しており
、前記インクディジタル電極５４を、例えばコルピッツ
発振回路に接続され、弾性表面波の発振器が構成されて
いる。この発振器における発振周波数ｒは弾性表面波の
共振子の共振周波数と略等しく、下式で表される。

ｆ　＝Ｖｓ／２Ｐ 但し、 Ｐニゲレーティング反射電極の電極ピッチｖｓ：圧電性
基板を伝播する弾性表面波の伝播速度 いま弾性表面波が共振状態にある場合において、赤外線
が検出器５１の赤外線吸収膜５７に入射し、その部分の
圧電性基板５３の温度が変化し、あるいは雰囲気温度の
変化によって検出器５２の部分の圧電性基板５３の温度
が変化すると、両式における弾性表面波の伝播速度Ｖｓ
が圧電性基板５３の弾性定数、密度の温度係数に従って
変化し、同時に電極ピ゛ツチＰも熱膨張係数に従って変
化する。その結果、発振器の発振周波数ｆが変化し、そ
の周波数変化を読み出して周波数変化量を求める。

この周波数変化量は周波数温度係数と称され、使用され
る圧電性基板５３の結晶によって定まり、物質定数とし
て結晶特有の値を示すから、既知の温度係数を有する圧
電性基板を使った弾性表面波の共振周波数と温度との関
係を求めておくことにより、圧電性基板５３が受けた温
度、換言すれば赤外線を測定することが可能となるので
ある。

検出器５１はパッケージ５０内において赤外線透過窓５
０ａを透過した赤外線が赤外線吸収膜５７に入射するよ
うになっているから、その圧電性基板５３はこの赤外′
ｆａ透過窓５０ａを通して赤外線吸収膜５７に入射した
赤外線に因る影響と、周辺の雰囲気温度の変化に伴う影
響とによる共振周波数変化に基づき赤外線量を検出する
こととなる。

一方、検出器５２はパッケージ５０内において赤外線透
過窓５０ａと対向しない位置、即ち赤外線透過窓５０ａ
を透過してくる赤外線の影響を受けないように設けられ
ており、しかも表面にはＡＩ膜をコーティングして赤外
線を反射し、その影響を遮断するようにしであるから、
その部分の圧電性基板５３は雰囲気温度の変化のみによ
る共振周波数変化に基づき赤外線を検出することとなる
。

従って、検出器５１で捉えた赤外線量と、検出器５２で
捉えた赤外線量との差は赤外線透過窓５０ａを通じて被
検対象物から入射した赤外線量となり、被検対象物から
の赤外線のみを抽出して検出し得ることとなる。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明の赤外線センサにあっては
雰囲気温度の変化による影響を受けることなく、被検対
象物からの赤外線のみを測定することができ、測定精度
の格段の向上を図ることができる優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は第１発明に係る赤外線センサの側面
図及びその検出器の拡大模式図、第３図は第２発明に係
る赤外線センサの弾性表面波素子を利用した共振器と共
に示すその結線図、第４図及び第５図は第３発明に係る
赤外線センサの側面図及びその検出器の拡大模式図、第
６図は従来の赤外線センサの模式図である。 ｌ・・・パッケージ　３．４・・・検出器　１０・・・
共振器１３、１４．１５・・・交差形電極　１６・・・
赤外線吸収膜１７・・・赤外線反射膜　１８．１９・・
・増幅器３１．４１・・・圧電性基板 ３２．４２・・・インクディジタル電極３３．３４，４
３．４４・・・グレーティング反射電極３５・・・赤外
線吸収膜　４５・・・赤外線反射膜５０・・・パッケー
ジ　５１．５２・・・検出器５３・・・圧電性基板　５
４・・・インクディジタル電極５５．５６・・・グレー
ティング反射電極５７・・・赤外線吸収膜　５８・・・
赤外線反射膜１００・・・判別回路　Ｃ＋、Ｃｔ・・・
コンデンサ特　許　出願人　　三洋電機株式会社 代理人　弁理士　　河　野　　登　夫 第６図 第　　４　　図 ｊｌ　　　　　　　　　　　　々 第　５Ｉ１０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、圧電性基板面に励振用電極及びこの励振用電極を隔
   てて一対の反射用電極を形成してなる弾性表面波用の２
   個の共振器を有し、前記一方の共振器における反射用電
   極間の圧電性基板面には赤外線吸収膜を、また他方の共
   振器における反射用電極間の圧電性基板面には赤外線反
   射膜を夫々配設してあることを特徴とする赤外線センサ
   。 ２、圧電性基板面に、１組の交差形電極と、該交差形電
   極と所要の間隔を隔てて対向させたこれよりも短い２組
   の交差形電極とを形成し、前記１組の交差形電極と前記
   ２組の各交差形電極との間の圧電性基板面に一方には赤
   外線吸収膜を、他方には赤外線反射膜を夫々設けたこと
   を特徴とする赤外線センサ。 ３、圧電性基板面の一方の面に、励振用電極及びこの励
   振用電極を隔てて一対の反射用電極を形成して弾性表面
   波用の２個の共振器を構成し、前記一方の共振器におけ
   る励振用電極と反射用電極との間の圧電性基板面に赤外
   線吸収膜を、また他方の共振器における励振用電極と反
   射用電極との間の圧電性基板面に赤外線反射膜を夫々設
   けたことを特徴とする赤外線センサ。