JPH06109536A

JPH06109536A - 赤外線測定装置

Info

Publication number: JPH06109536A
Application number: JP4262138A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kawai; 高志河合; Shunichi Miyazaki; 俊一宮崎; Muneki Ran; 宗樹蘭
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1992-09-30
Filing date: 1992-09-30
Publication date: 1994-04-19

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は赤外線測定装置に関し、その目的
は、性能指数の高い焦電素子を用いた感度の高い赤外線
測定装置を提供することにある。【構成】ある温度範囲で高温相／低温相転移を起こす
焦電素子と、該焦電素子の温度を制御する温度調節手段
と、前記焦電素子に赤外線を断続的に入射させる手段
と、前記焦電素子から出力される交流電圧を測定する手
段とで構成されたもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は赤外線測定装置に関し、
詳しくは、赤外線の測定に用いる焦電素子の改良に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】赤外線は、近年、家庭電化製品，火災報
知機，侵入防犯機器，工場排水や温水放出管理，非接触
の温度測定等、各種の産業分野で広く用いられており、
赤外線を電気信号に変換する赤外線測定装置の需要も高
まっている。

【０００３】このような赤外線測定装置は、動作原理の
面から、大きく量子型センサーと熱型センサーに分類で
きる。ここで、熱型センサーは赤外線吸収による温度変
化を利用するものである。該熱型センサーは量子型セン
サーに比べて検出感度が小さく、応答速度が遅いという
短所があるものの、紫外光領域から遠赤外光，ミリ波領
域に至るまでの広い波長領域において感度に波長依存性
がなく一定であり、特別な冷却が不要で室温動作が可能
である等の優れた特徴を持っていることから、最近注目
されている。

【０００４】熱型センサーのなかでも、強誘電体の有す
る焦電効果を利用した焦電型赤外線センサー（パイロセ
ンサー）は感度，応答速度がともに一番優れており、使
い易さと相俟って熱型センサーの主流になりつつある。

【０００５】次に、焦電効果について説明する。まず、
焦電効果(pyroelectric effect) とは、焦電体に赤外線
が照射されることによって熱エネルギーが吸収されて温
度変化を生じ、その微少な温度変化に比例した電荷が表
面に誘起される現象をいう。

【０００６】すなわち、全結晶の対称中心の有無及び非
極性・極性による分類（３２晶族）のうち、１０晶族の
極性結晶が焦電性を持っている。強誘電体とは、これら
焦電結晶のうちで絶縁破壊以内の外部電界によって自発
分極の方向を反転させられるものであって、Ｄ−Ｅヒス
テリシスループを描く。なお、自発分極の大きさは、応
力を加えることにより応力に比例した分極が生じるＰＺ
Ｔ等の圧電素子において、正負に分極した時の電界の大
きさで表される。強誘電体は必ず焦電性を持つものであ
り、外部電界による単一分域化が容易であって焦電効果
も大きく、特性の優れた焦電体の中心になっている。自
発分極の揃った焦電体が定常状態にあるとき、自発分極
に付随した表面電荷は、付着したイオン或いは表面や内
部の電気伝導により中和されている。ここで、自発分極
は温度の関数であるから焦電体の温度を変化させると自
発分極の大きさが変化し、その結果、表面電荷の中和が
破れて表面電極に電荷が発生する。該電荷は外部の電気
回路によって電流または電圧として検出することができ
る。

【０００７】焦電電流ｉ_ｐ（Ｔ）は、自発分極をＰ_Ｓと
し、電極面積をＡとすると、ｉ_ｐ（Ｔ）＝Ａ（ｄＰ_Ｓ／ｄｔ）＝Ａ（ｄＰ_Ｓ／ｄｔ）（ｄＴ／ｄｔ）［Ａ］…(1) になる。該(1) 式から明らかなように、温度の時間変化
に比例した電流ｉ_ｐが流れることになる。

【０００８】そして、自発分極Ｐ_Ｓの温度Ｔによる変化
率は焦電係数ｐと呼ばれ、前記(1)式から、ｐ＝ｄＰ_Ｓ／ｄＴ＝（ｉ_ｐ（Ｔ）／Ａ）／（ｄＴ／ｄｔ）［Ｃ／ｍ^２・℃］…(2) として、ｉ_ｐ（Ｔ）と温度変化（ｄＴ／ｄｔ）に基づい
て求められる。なお、焦電係数ｐは、（１０^−８［Ｃ／
ｃｍ^２・℃］）の単位で表示されることが多い。

【０００９】焦電測定法は、静的測定法と動的測定法の
２つに大別できる。静的測定法は微少温度変化（ｄＴ／
ｄｔ）を等速で与える方法であって、焦電係数ｐが直接
求められる都合のよい方法であり、近年のコンピュータ
技術の発達に伴う自動測定法の発展により全自動化が容
易である。これに対し、動的測定法は微少温度変化（ｄ
Ｔ／ｄｔ）を断続光の照射によって交流的に与える方法
であり、元来、強誘電体の自発分極Ｐ_Ｓを研究する手段
として用いられてきた方法である。その理由は、強誘電
体の抗電界が高くて十分なＤ−Ｅヒステリシスループを
得るために絶縁破壊以上の高電界を印加する必要がある
場合でも、この測定法によれば非破壊で自発分極Ｐ_Ｓが
得られることによる。

【００１０】ところで、従来から、赤外線を測定する方
法として、焦電素子を一定の温度に保ちながらこれに断
続した赤外線を入射させ、そのときに焦電素子が発生す
る交流電圧を測定することが行われている。

【００１１】このような赤外線の測定に用いる焦電材料
としては、入射される赤外線を吸収した熱エネルギーに
よる温度変化を大きくするために、体積比熱は小さいこ
とが望ましい。そして、信号出力を大きくするために、
焦電係数は大きくて静電容量すなわち比誘電率は小さい
ことが望ましい。さらに、誘電損失に伴う雑音（ジョン
ソン雑音）を軽減するために、ｔａｎδは小さい方が望
ましい。

【００１２】このような焦電材料の特性を評価する指標
の一つとして、一般に次式で表される性能指数が採用さ
れている。性能指数＝焦電係数／誘電率^１／２

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、一般に焦電係
数ｐが大きい材料は誘電率も大きく、性能指数の高い材
料はこれまで報告されていなかった。例えば、ＰＺＴ系
のセラミクスの焦電係数ｐは５．０［１０^−８Ｃ／ｃｍ
^２・℃］と比較的大きいが、比誘電率εも３８０と大き
くなっている。これに対し、ＰＶＤＦの比誘電率εは１
３とかなり小さいが、焦電係数ｐも０．４［１０^−８Ｃ
／ｃｍ^２・℃］と１桁以上小さくなっている。

【００１４】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたものであり、その目的は、従来よりも性能指
数の高い焦電素子を用いた感度の高い赤外線測定装置を
提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
赤外線測定装置は、ある温度範囲で高温相／低温相転移
を起こす焦電素子と、該焦電素子の温度を制御する温度
調節手段と、前記焦電素子に赤外線を断続的に入射させ
る手段と、前記焦電素子から出力される交流電圧を測定
する手段、とで構成されたことを特徴とするものであ
る。

【００１６】そして、本発明の請求項２に係る赤外線測
定装置は、ある温度範囲で高温相／低温相転移を起こす
焦電素子と、該焦電素子の温度を一定に制御する温度調
節手段と、前記焦電素子に強さを変えながら電界を印加
する手段と、前記焦電素子に赤外線を断続的に入射させ
る手段と、前記焦電素子から出力される交流電圧を測定
する手段、とで構成されたことを特徴とするものであ
る。

【００１７】

【作用】焦電素子の温度が上昇していく過程で入射され
る赤外線の１パルス目で温度が上昇して転移が起こり、
これに対応する転移の電荷と焦電効果による電荷が発生
する。そして、焦電素子の温度が１パルス目の赤外線で
上昇した最高温度以上に加熱されていると、２パルス目
の赤外線の入射によってさらに相転移が起こり、電荷が
発生する。

【００１８】このように、通常の焦電効果に相転移の効
果が加算されることになり、大きな出力信号が得られ
る。

【００１９】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳
細に説明する。はじめに、本発明で用いる焦電素子材料
の特性について説明する。

【００２０】図１（ａ）は温度Ｔ（℃）の変化に対する
自発分極Ｐの特性変化図であり、横軸には温度Ｔ（℃）
をとり、縦軸には自発分極Ｐをとっている。図１（ｂ）
は温度の変化に対する電荷の特性変化図であり、横軸に
は温度をとり、縦軸には電荷をとっている。図１（ｃ）
は温度Ｔの変化に対する焦電電流ｉの特性変化図であ
り、横軸には温度Ｔをとり、縦軸には焦電電流ｉをとっ
ている。

【００２１】３成分系のＰＺＴのジルコン酸鉛に近い領
域では結晶形が菱面体晶であり、室温よりも少し高い温
度で図１（ａ），（ｂ）のように低温／高温の相転移を
起こす。ここで、低温相及び高温相は、それぞれの温度
で結晶構造が安定な状態をいう。すなわち、例えば２７
℃では低温相で安定状態になっているが、２８℃に変化
させると結晶構造が変化して電荷が発生する。そして、
このときの温度変化に対して発生する電荷は、（ｃ）か
ら明らかなように通常の焦電効果の１０倍程度と非常に
大きい。なお、強誘電体では自発分極が消滅してしまう
キュリー温度よりも低い温度で使用する必要がある。ま
た、キュリー温度の近傍では焦電係数，すなわち感度が
大きく変化するので、キュリー温度はある程度高い方が
よい。キュリー温度が室温近くにあると焦電効果は大き
いが、感度も温度に強く依存するようになる。逆に、キ
ュリー温度が十分高いと焦電係数は小さくなるが、感度
はあまり周囲温度に影響されなくなる。さらに、電圧感
度は素子の厚みに反比例するので、素子を薄く加工する
ことも必要である。

【００２２】しかしながら、この転移は１次転移であっ
て転移温度は幅を持っている。また、転移温度は温度の
上昇，下降に対してヒステリシスも持っている。このた
め、このような材料を焦電材料として用いるために転移
温度付近で一定の温度に保ち、赤外線をチョッパーで断
続させながら入射させても、赤外線に応じて発生する交
流電圧は通常の焦電効果と同じ値しか得られない。なぜ
なら、１パルスの赤外線による温度上昇で転移が起こっ
た後では、ヒステリシスのために、そのときの最高温度
を越えない限り転移は起こらないからである。

【００２３】このような相転移を利用するためには、素
子の温度を一定の速度で変化させる必要がある。すなわ
ち、素子の温度が上昇していく過程で入射される赤外線
の１パルス目で温度が上昇して転移が起こり、これに対
応する転移の電荷と焦電効果による電荷が発生する。赤
外線が入射されていないと温度はわずかに下がり、電荷
は焦電効果による電荷のみが発生する。素子の温度が１
パルス目の赤外線で上昇した最高温度以上に加熱されて
いると、２パルス目の赤外線の入射によってさらに相転
移が起こり、電荷が発生する。このような出力信号に着
目すると、通常の焦電効果に相転移の効果が加算される
ので、大きな出力信号が得られる。

【００２４】図２は上昇温度Ｔ_ＵＰを横切る温度勾配を
変えた場合の焦電電流ｉの変化の様子を示し、図３は温
度勾配と焦電電流ｉの振幅の倍率の計算値と実測値の関
係を示している。

【００２５】図２において、温度Ｔの変化する勾配が大
きくなるのに従って上昇温度Ｔ_ＵＰを横切る点における
焦電電流ｉの振幅Ａ_Ｘと温度上昇開始点における焦電電
流ｉの振幅Ａ_Ｏとの比で表される倍率Ｇ（＝Ａ_Ｘ／
Ａ_Ｏ）も大きくなるが、温度勾配が大きくなると直流レ
ベルも上がるので温度勾配の大きさには限界がある。

【００２６】図３において、焦電電流ｉの振幅の倍率の
計算値と実測値は、温度上昇速度が０．１（℃／ｓｅ
ｃ）以下の比較的低い領域ではほぼ等しいが、温度上昇
速度が０．１（℃／ｓｅｃ）を越える領域では実測値は
計算値よりも小さくなり、その差は温度上昇速度に応じ
て広がっている。

【００２７】図４は本発明の一実施例の構成図である。
図において、１は焦電素子である。該焦電素子１として
は、低温／高温転移する強誘電体セラミックスよりなる
焦電材料の薄板または薄膜に、検出用の電極が取り付け
られたものを用いる。２は焦電素子１を加熱したり冷却
したりして焦電素子１を所望の温度に調節するペルチェ
素子を用いた加熱／冷却素子であり、温度調節器３によ
り任意のパターンに従って駆動制御される。４はチョッ
パーであり、焦電素子１に入射される赤外線を断続させ
るとともに、信号処理のための同期信号を発生して同期
検波器５に出力する。該同期検波器５は焦電素子１から
出力される交流電圧を同期信号に従って同期検波し、積
分器６に出力する。７はファンクションジェネレータで
あり、ＣＰＵ８の制御に従って温度調節器３に制御信号
を出力するとともに、積分器６に積分時間同期信号を出
力する。９はＡ／Ｄコンバータであり、積分器６の出力
をディジタル信号に変換してＣＰＵ８に入力する。

【００２８】このような構成において、加熱／冷却素子
２で焦電素子１を加熱することによりその温度が上昇す
る。赤外線が入射されない状態では、焦電素子１には焦
電効果による電荷のみが発生する。そして、該温度上昇
の過程でチョッパー４を介して赤外線パルスを入射させ
ることにより焦電素子１の温度が上昇して転移が起こ
る。この結果、転移による電荷と焦電効果による電荷が
発生して加算され、大きな出力信号が得られる。

【００２９】図５は本発明の他の実施例の構成図であ
り、（ａ）は接続図を示し、（ｂ）は（ａ）の等価回路
を示している。図において、１０は焦電素子１にバイア
ス電界を加えるための可変バイアス電源である。すなわ
ち、図４の構成において、一定速度で温度を変化させる
と測定時間が長くかかり、感度が高い部分の時間も短く
なる。ところが、相転移点のわずか上の温度に一定に保
った状態において焦電素子１に可変バイアス電源１０か
らバイアス電界を加えると、該バイアス電界によって高
温相を低温相に転移させることができる。ここで、可変
バイアス電源１０から加えられるバイアス電界を一定の
速さで変化させることにより、温度を変化させた場合と
同様の効果が得られる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明した本発明によれば、低温相と
高温相間で転移する焦電材料の温度またはバイアス電界
を制御して相転移を制御することにより性能指数の高い
焦電センサーが得られ、検出感度の高い赤外線測定装置
が構成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で用いる焦電素子材料の特性説明図であ
る。

【図２】上昇温度Ｔ_ＵＰを横切る温度勾配を変えた場合
の焦電電流ｉの変化の関係説明図である。

【図３】温度勾配と焦電電流ｉの振幅の倍率の計算値と
実測値の関係説明図である。

【図４】本発明の一実施例の構成図である。

【図５】本発明の他の実施例の構成図である。

【符号の説明】

１焦電素子２加熱／冷却素子３温度調節器４チョッパー５同期検波器６積分器７ファンクションジェネレータ８ＣＰＵ９Ａ／Ｄコンバータ１０バイアス電源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ある温度範囲で高温相／低温相転移を起
こす焦電素子と、該焦電素子の温度を制御する温度調節手段と、前記焦電素子に赤外線を断続的に入射させる手段と、前記焦電素子から出力される交流電圧を測定する手段、
とで構成されたことを特徴とする赤外線測定装置。
【請求項２】ある温度範囲で高温相／低温相転移を起
こす焦電素子と、該焦電素子の温度を一定に制御する温度調節手段と、前記焦電素子に強さを変えながら電界を印加する手段
と、前記焦電素子に赤外線を断続的に入射させる手段と、前記焦電素子から出力される交流電圧を測定する手段、
とで構成されたことを特徴とする赤外線測定装置。