JPH037055B2

JPH037055B2 -

Info

Publication number: JPH037055B2
Application number: JP21291781A
Authority: JP
Inventors: Masao Kasahara; Ritsuo Inaba
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1981-12-28
Filing date: 1981-12-28
Publication date: 1991-01-31
Also published as: JPS58113822A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は赤外線検出装置に関するものである。

従来、赤外線検出装置には、熱型、光量子型が
ある。これらのうち、生活空間温度の測定には、
波長の長い領域（5μｍ以上）で、比較的感度が
高く、また低価格の熱型検出装置が使用されてい
る。代表的なものをあげると、電子レンジや防犯
用装置などの用途に用いられる焦電型素子があ
る。その他にも、サーミスタボロメータ、サーモ
パイル等がある。しかし、これらの装置あるいは
素子はいずれもアナログ出力を得るものであり、
耐雑音性に難点がある。そのため、デジタル出力
を有する赤外線検出装置の出現が望まれていた。

さらに一方で、マイクロコンピユータの発達に
より、直接デジタル信号をマイクロコンピユータ
に入力できるような素子の出現が希望されてい
る。

本発明はこれらの要求を満足するものであつ
て、デジタル出力信号を発生する、高感度で低価
格な熱型の赤外線検出装置を提供するものであ
る。以下に図面を用い、その詳細について説明す
る。

第１図は、本発明の原理的な構成を示すもので
ある。図において、１はニオブ酸リチウム等の圧
電体からなる基板で、この圧電体基板１の研磨表
面に、弾性波送波用トランスデユーサ２、および
受波用トランスデユーサ３が蒸着等の方法により
付設されて、弾性波素子が構成されている。トラ
ンスデユーサ２，３には、それぞれ増幅器４の出
力端、入力端が接続されて、帰還型発振器５が構
成される。

圧電体基板１の弾性波伝搬表面上に赤外線が照
射されると、この圧電体基板１の温度が上昇す
る。このときの圧電体基板１の温度上昇分は、70
℃の物体（図示せず）をその表面から７cm離した
位置においたとき、約1/1000℃である。この1/10
００℃の微小温度上昇分は、通常の熱膨脹測定など
では測定困難な量である。

この温度上昇分により、圧電体基板１における
弾性波の速度が変化し、この弾性波の速度変化に
より、トランスデユーサ２からトランスデユーサ
３へ伝搬する弾性波（弾性表面波）の、トランス
デユーサ３に到着するときの位相が変化し、その
位相変化分だけ、発振器５の出力信号の周波数が
変化する。この出力信号を、コンデンサ６を通し
て出力端子７よりとり出す。

このときの周波数の変化分は、上記のような70
℃の物体を７cm離して置いたとき、発振器５の発
振周波数が176MHzである場合、約700Hzであつ
た。この周波数変化分は、発振器５の周波数が高
いほど、また圧電体基板１の温度係数が大きいほ
ど、大きくなる。すなわち、周波数変化分Δは、
次式で与えられる。

Δ＝１／３α・・Ql₂／ｋここでαは圧電体基板１の温度係数、は発振
器５の発振周波数、ｋは圧電体基板１の熱伝道
率、ｌはトランスデユーサ２，３間距離の1/2、
Ｑは圧電体基板１に与えられる赤外線のエネルギ
ーを表わす。上式によるとα、ｆ、Ｑ、ｌが大き
く、ｋの値の小さい圧電体基板１を用いた構成に
すると、赤外線照射による周波数変化が大きくな
る。このとき、圧電体基板１へ赤外線を照射する
物体の温度が圧電体基板１のそれに比べて高けれ
ば高いほど、周波数変化は大きくなる。すなわ
ち、圧電体基板１と同程度の温度の物体に対して
は、その発振周波数変化が小さくなり、周波数変
化の検出がむずかしくなる。これはたとえば室温
（25℃位）において人体温（30℃位）を検出した
いときなどに相当する。

本発明は、このように検出器の圧電体と被検出
物体の温度差が小さいときの、発振周波数変化を
大きくし、赤外線検出感度を高めることができる
ものである。

第２図は、第１図に示す構成の装置において、
シヤツタを用いて、赤外線の照射を断続させたと
きの周波数変化の様子を示している。図におい
て、曲線１１，１３はシヤツタを開いたときの発
振周波数の変化を示し、曲線１２はシヤツタを閉
じたときの周波数の変化を示す。₀は171MHzで
あり、_oはシヤツタを開いたときに発振周波数が
変化（低下）したときの最小値であり、またt₁は
シヤツタ開閉の時間間隔を示す。すなわち、発振
器５はｔ＜０では₀すなわち171MHzの周波数で
発振している。ｔ＝０でシヤツタを開くと、圧電
体基板１は赤外線の照射を受け、次第に発振器５
の発振周波数が低下して行く。そして、ｔ＝t₁で
は発振周波数は最初から₀−_oだけ変化する。こ
のときの発振周波数の減衰の状態が曲線１１に示
されているわけである。ｔ＝t₁になつたときに、
シヤツタを閉じると、圧電体基板１には赤外線が
照射されなくなり、発振周波数は再び₀＝171M
Hzに上昇する。この状態を曲線１２を示す。ｔ＝
2t₁で再びシヤツタを開くと、前述と同様にして、
発振周波数が低下し、曲線１３をたどる。これを
くり返す。このとき、赤外線の検出をするのに、
単なる周波数でなくて、発振器からの出力波の波
頭を計数するようにし、計数時間を延長すると、
それだけ感度が上がることになる。そして、シヤ
ツタの開閉に伴う波頭の計数の差（開の時の計数
値と閉の時の計数値との差）を計測することによ
り、赤外線を感度よく検出することができる。つ
まり、図のt₁が１秒より長いときには、曲線１１
と縦軸、横軸で囲まれる領域の面積すなわち斜線
を付した領域１４，１５の面積の和と、t₁からt₂
までの曲線１２と横軸で囲まれる領域の面積すな
わち斜線を付した領域１６，１７の面積の和との
差が、出力計数値として出力されることになる。
ところが、このときタイミングをψだけずらして
計数すると、上記面積差すなわち出力計数値をよ
り大きく（すなわちより高感度）にすることがで
きる。すなわち、この計数のタイミングをψだけ
ずらし、シヤツタを開いた時間に相当する計数を
領域１５，１６の面積の和とし、シヤツタを閉じ
た時間に相当する計数を図の領域１７，１８の面
積の和とするものである。このタイミングずれ量
ψは圧電体基板に用いる材料、その構成等により
異なるが、発明者らの実験によればそれが約0.05
秒から0.7秒のときに出力がもつとも大きくなる。
なお、この実験においては、圧電体基板材料とし
てニオブ酸リチウムを用い、トランスデユーサの
間隔を約2.5mmとし、発振周波数を171MHz（ただ
し赤外光の非照射時）としたとき、第２図のt₁が
１〜２秒であつた。

第３図には、上述の計測を実施するための装置
の構成の一例を示す。図において、赤外線検出器
２１は第１図に示した構成のものである。周囲温
度の変動等による赤外線検出器２１の発振周波数
の変化を除去するために、赤外線検出器２１の近
くにそれと同じ構成の参照用発振器２２が配置さ
れている。そして、シールド３５によつて、赤外
線検出器２１に赤外線が照射され、参照用発振器
２２に赤外線が照射されないように構成されてい
る。赤外線検出器２１、参照用発振器２２からの
出力は、それぞれバツフア２３，２４を介して、
ミキサ２５に印加され、赤外線検出器２１および
参照用発振器２２のそれぞれの発振周波数の差の
周波数の出力がミキサ２５から得られる。これら
によつて温度などのドリフト分による影響を低減
することができる。

一方、水晶発振子などを用いた発振器２６から
の出力を分周器２７で分周し、シヤツタ開閉時間
のタイミング信号を作る。分周器２７からの出力
はシヤツタ開閉駆動部２８に印加され、このシヤ
ツタ開閉駆動部２８はシヤツタ２９を駆動する。
さらに、分周器２７からの信号は、第２図におい
て述べたタイミングずれ量ψだけ移相する移相器
３０でタイミングずれ信号とされ、ゲート回路３
１，３２をそれぞれ制御する。この二つのゲート
３１，３２の動作タイミングは、それぞれ第２図
におけるψからt₁＋ψまで、t₁＋ψから2t₁＋ψま
でに相当し、この時間に入るミキサ２５からの出
力波の波頭を計数する時間を決定する。したがつ
て、これらのゲート回路３１，３２をそれぞれ通
過した信号は、アツプ／ダウンカウンタ３３に入
力され、その信号の差分が計数される。このアツ
プ／ダウンカウンタ３３は移相器３０からの信号
により動作し、その出力信号は表示器３４により
表示される。

第４図は、この表示器３４によつて得られた結
果を示したものである。この図より、感度は、40
Hz／℃となり、単にシヤツタ開閉による発振器５
からの周波数変化量に比べて約10倍の感度となつ
た。勿論、赤外線検出器に光学系たとえばレンズ
系、あるいはカセグレンなどの反射系を用いて赤
外線を集束照射すれば、それだけ感度を向上させ
ることができる。

以上説明したように、本発明にかかる赤外線検
出装置は、弾性波素子と増巾器とで帰還型発振器
を構成し、この弾性波素子に照射される赤外線を
シヤツタで断続するとともに、このシヤツタの開
閉時刻より一定の時間遅れて互いに反対位相で動
作する第１、第２のゲート回路で、帰還型発振器
の出力を通過させ、これらゲート回路の出力の周
波数差から赤外線、さらにはそのエネルギーを検
出するものである。この装置は、弾性波素子への
赤外線の照射の断続のタイミングに対して一定時
間遅れて第１、第２のゲート回路で、前記帰還型
発振器の出力を交互に通過させ、その通過信号の
周波数差から赤外線を検出しているので、その検
出感度が非常に高いという特長を有する。そし
て、周波数差が赤外線のエネルギーに対応するこ
とから、被測定対象に接触することなく、その温
度を測定することができる。さらに、前記帰還型
発振器に、それと実質的に同じ構成で赤外線の照
射されない参照用発振器を並置し、これら二つの
発振器の周波数差の信号を、第１、第２のゲート
回路に印加することによつて、温度変化等による
影響を転減でき、測定精度を高めることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる赤外線検出装置の原理
的な構造を示す斜視図である。第２図は本発明に
かかる赤外線検出装置の原理を説明するための
図、第３図はその一実施例の構成を示すブロツク
図、第４図はその被測定対象の温度と出力との関
係の一例を示す図である。１……圧電体基板、２，３……トランスデユー
サ、４……増巾器、５……帰還型発振器、２１…
…赤外線検出器、２２……参照用発振器、２５…
…ミキサ、２６……発振器、２７……分周器、２
８……シヤツタ開閉駆動部、２９……シヤツタ、
３０……移相器、３１，３２……ゲート回路、３
３……アツプ／ダウンカウンタ、３４……表示
器。

Claims

【特許請求の範囲】１弾性波素子と増巾器とで構成された帰還型発
振器を有する赤外線検出器、前記弾性波素子に照
射されるべき赤外線を断続するシヤツタ、およ
び、前記シヤツタの開閉時刻より一定時間遅れて
互いに反対位相で動作し、前記赤外線検出器の出
力を通過させる第１、第２のゲート回路を具備
し、前記第１、第２のゲート回路の出力の周波数
差から赤外線を検出することを特徴とする赤外線
検出装置。２弾性波素子と増巾器とで構成された帰還型発
振器を有する赤外線検出器、前記弾性波素子に照
射されるべき赤外線を断続するシヤツタ、前記帰
還型帰還発振器と実質的に同じ構成で、赤外線が
照射されない参照用発振器、前記赤外線検出器の
出力と前記参照用発振器の出力が印加され、これ
ら二つの周波数差を有する出力を発生するミキ
サ、および、前記シヤツタの開閉時刻より一定時
間遅れて互いに反対位相で動作し、前記ミキサの
出力を通過させる第１、第２のゲート回路を具備
し、前記第１、第２のゲート回路の周波数差から
赤外線を検出することを特徴とする赤外線検出装
置。