JPH08271333A

JPH08271333A - 焦電型赤外線センサ

Info

Publication number: JPH08271333A
Application number: JP7490795A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Koide; 篤史小出
Original assignee: Nohmi Bosai Ltd
Current assignee: Nohmi Bosai Ltd
Priority date: 1995-03-31
Filing date: 1995-03-31
Publication date: 1996-10-18

Abstract

(57)【要約】【目的】小型で受光効率の高い焦電素子からなる焦電
型赤外線センサを提供する。【構成】所定波長の赤外線を透過するフィルタ４を介
して受光し、両面に薄膜電極１２，１３，１４，１５を
配設した平板状の焦電体をセンサ素子とする焦電型赤外
線センサであって、ＰＶＤＦフィルムからなる少なくと
も２個の薄膜状焦電体すなわち第１ＰＶＤＦ１０及び第
２ＰＶＤＦ１１が所定の間隔をもって積層され、かつ電
気的に直列接続された複合型の焦電素子３１をセンサ素
子として有するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は例えば火災報知機や侵
入検知器等の防災・防犯システムの端末において使用さ
れる焦電型赤外線センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】誘電体の自発分極の温度変化特性（焦電
性という）を利用した焦電型赤外線センサが開発されて
以来、このタイプの赤外線センサが重用されてきてい
る。焦電型センサは感度は半導体センサに劣るものの、
検出波長領域が広く、冷却の必要がないので、装置とし
て簡単に構成できる優れた特徴がその主たる理由であ
る。焦電型赤外線センサのセンサ部は焦電性材料によっ
て構成されるが、従来の主流となっていた無機物系の焦
電（圧電）セラミックスに代って、最近は有極性高分子
を分極処理して得られる高分子系のものが注目・使用さ
れている。このようなタイプの代表的な焦電材料とし
て、ポリフッ化ビニリデン（以下ＰＶＤＦという）があ
る。これは（ＣＨ_２−ＣＦ_２）_ｎの分子構造をもつ極性
の強いポリマーで、α，β結晶のうちβ結晶が大きい焦
電性を示す、換言すれば周知の焦電効果が大きいので、
ＰＶＤＦを主材とするコポリマ等の焦電フィルムが、焦
電型赤外線センサとして広く使用されるようになってき
ている。

【０００３】焦電フィルムの場合、赤外線に対する感度
を上げるために熱容量を小さくする必要上、できるだけ
薄くすることが望ましいとされているが、赤外線センサ
としては、所定の有効面積をもつ一枚の平板状のＰＶＤ
Ｆを主材とするコポリマ等のフィルム（以下ＰＶＤＦフ
ィルムという）で構成しているのが、通常の使用方法で
ある。赤外線センサとしての構成・動作は周知であるの
で、詳しい説明は省略するが、実際には、上述のように
一枚のＰＶＤＦフィルムの両面に膜状電極を設け、これ
を介して外部に電気的に導出するために、膜状電極と接
続するリードを有するセンサケースに収納しておく。そ
して、この状態で、窓として設けられ所定波長の赤外線
を透過するフィルタを介して入射してくる赤外線（熱線
ともいう）を効率よく受光して、ＰＶＤＦフィルムの両
面に前述の焦電効果により発生する電荷を電気的に検出
するようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような従来の赤外線センサは、一枚のＰＶＤＦフィルム
の両面に膜状電極を設け、これを介して外部に電気的信
号を取り出している。この構成自体に特に不都合の問題
点があるわけではないが、装置の改良は開発当初からの
命題であり、焦電型赤外線センサも小型化を要請されて
いる現状から、小型でかつ高感度の焦電型赤外線センサ
の開発は斯界の重要な課題となっていた。

【０００５】この発明は上述のような課題を解決するた
めになされたもので、小型で受光効率の高い焦電素子か
らなる焦電型赤外線センサを提供することを目的とする
ものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る焦電型赤外
線センサは、所定波長の赤外線を透過するフィルタを介
して受光し、両面に薄膜電極を配設した平板状の焦電体
をセンサ素子とする焦電型赤外線センサにおいて、少な
くとも２個の薄膜状焦電体が所定の間隔をもって積層さ
れ、かつ電気的に直列接続された複合型の焦電素子をセ
ンサ素子として有するものである。このとき、センサ素
子の薄膜状焦電体が積層されるときに、下方の薄膜状焦
電体の上面の電極と上方の薄膜状焦電体の下面の電極が
重なるように配置され、両電極間の電気的接続が導電性
接着剤で行われているものである。そして、最上部の薄
膜状焦電体の上面の電極とプリント基板の回路線とが導
線を介して接続されているものである。そして、２個の
薄膜状焦電体が積層される所定の間隔は、中心部に開口
部を有する枠状の基台により設定されていて、その基台
には、開口部に通じる通気部が形成されているものであ
る。さらに、薄膜状焦電体には、ＰＶＤＦを主材とする
フィルムを用いることが望ましい。

【０００７】

【作用】本発明においては、少なくとも２個の薄膜状焦
電体が所定の間隔をもって積層され、かつ電気的に直列
接続されて複合型の焦電素子を構成しているから、受光
側（上側）の焦電体で吸収しきれずに通過した透過赤外
線を下側の焦電体で受光するので、赤外線のこぼれをな
くすることができる。従って、これらの焦電体の発生電
荷を積算することにより、センサの出力が測定対象の全
赤外線量を積算した形で出力できるようになる。

【０００８】このとき、電気的接続前のセンサ素子とし
て積層焦電体を形成した後、薄膜電極の内の特定の電極
とプリント基板の特定の回路線との配線接続や、薄膜電
極間の電気的な直列接続を導電性接着材又は導線を使用
して行うから、特に薄く、かつ耐熱性の弱いＰＶＤＦ等
のフィルムを形状的にも性能的にも損傷させることなく
電気的接続を可能とする。

【０００９】そして、２個の薄膜状焦電体が積層される
所定の間隔は、中心部に開口部を有する枠状の基台によ
り設定されていて、その基台には、開口部に通じる通気
部が形成されているものであるから、薄膜状焦電体を積
層するときに間隔を一定とでき、また、通気部を形成し
ておくことにより、密閉空間の形成による焦電体の出力
低下を防止することができる。さらに、薄膜状焦電体に
は、ＰＶＤＦを主材とするフィルムを用いることが望ま
しく、赤外線検出能が高く、積層する際に基台に貼設す
れば所定の間隔を設定できる。

【００１０】

【実施例】図１は本発明の一実施例の焦電型赤外線セン
サを原理的に示す模式断面図であり、図２は図１の焦電
型赤外線センサ素子（以下焦電素子という）の部分の配
線等の詳細構造を示す模式説明図である。まず、図１に
見られるように、焦電型赤外線センサは、端子１を備え
たステム２上に設けられたプリント基板３の上に組立て
配設されたこの発明による焦電型赤外線センサ素子（詳
細は図２を用いて後述）が、所定の波長を透過するシリ
コン等によるフィルタ４を窓材として有する蓋状のキャ
ン５によって覆われて囲まれた空間に、収納された格好
で構成されている。なお、端子１は絶縁シール６によっ
てステム２とは絶縁された端子と、例えば接地用として
ステム２と短絡した端子とからなっている。絶縁された
端子はセンサの電気信号を外部回路（後述）に接続する
ものである。また、２層状の焦電型赤外線センサは、中
心部に開口部７ａと開口部８ａを有する絶縁材（アルミ
ナ、プラスチック等）からなるそれぞれ下基台７と上基
台８とを介してプリント基板３上に配設されている。そ
して、フィルタ４はハーメチックシールのための半田な
どによるシール材９により気密状に接着されてキャン５
に設けられている。

【００１１】この発明による焦電素子３１は、図２に示
すように、焦電体として第１ＰＶＤＦ１０及び第２ＰＶ
ＤＦ１１の２つの焦電体フィルムを、プリント基板３上
に下基台７及び上基台８を介して、近接させて配設した
たものとなっている。第１ＰＶＤＦ１０及び第２ＰＶＤ
Ｆ１１には、膜状のそれぞれ第１表電極１２，第１裏電
極１３及び第２表電極１４，第２裏電極１５が形成され
ていて、それぞれ独立した１個の焦電型赤外線センサ素
子を２個複合した構成となっている。この場合、第１裏
電極１３と第２表電極１４は互いに接触することなく、
かつできるだけ接近して配設するように配慮して、特に
上基台８は可能な限り薄い基台であることが望ましい。
ここで、表電極とはいずれも受光側の電極であり、裏電
極とは表電極の反対側に設けた電極を指している。プリ
ント基板３及び上基台８には、それぞれ密封空間を形成
させないための通気部としての貫通孔３ｂ、８ｂが形成
されている。

【００１２】そして、第１裏電極１３と第２表電極１４
は、図２に見られるように、それらの外側面で導電性接
着剤１６により短絡される。また、第１表電極１２はそ
の脇表面に設けた導電性接着剤１７とこれに接続するワ
イヤ１８を介して、これに続くプリント基板３上の導電
性接着剤１９によってプリント基板３の回路（後述）に
接続される。また、第２裏電極１５はその脇表面に設け
た導電性接着剤２０によって、プリント基板３の回路
（例えば接地回路）に接続される。なお、この導電性接
着剤による接着は、ＰＶＤＦフィルムの耐熱性を考慮し
て行われたものであり、できるだけ低温接着によりＰＶ
ＤＦフィルムの損傷を防止している。また、各電極は例
えばニクロム膜を蒸着等の方法で形成したものである。
また、下基台７及び上基台８の電極が引き出され導電性
接着剤がもられるような位置には、接触面積が大きくな
るように切欠部７ｃ、８ｃが形成されている。

【００１３】ここで、焦電型赤外線センサ及び焦電素子
３１周りの大きさ、間隔等の各種寸法の一例について記
載する。まず、キャン５の外径は直径約１０ｍｍであ
り、フィルタが構成している窓の大きさは直径約８ｍｍ
である。また、第１ＰＶＤＦ１０と第２ＰＶＤＦ１１と
の間隔は約０．５ｍｍであり、第１ＰＶＤＦ１０と第２
ＰＶＤＦ１１の膜厚はいずれも１５±１０μｍ、第１表
電極１２等の各電極の厚みは８０〜１５０オングストロ
ーム（Ａ）程度のものである。

【００１４】図５は実際の焦電型赤外線センサの構成を
示す説明図である。本発明による焦電型赤外線センサは
図５の点線括弧によって示される構成、すなわち本発明
による焦電素子３１とプリント基板３に形成されている
作動回路を構成する２，３の回路部品（図１の回路部品
２１等）及び入出力端子とによって構成されている。図
５において、３１はＰＶＤＦ等の材質によって形成され
た焦電素子で、３２はＦＥＴで、そのゲート電極は焦電
素子３１の一方の電極と接続されている。また、３３は
焦電素子３１に並列接続されるＦＥＴ３２のゲート抵
抗、３４はＦＥＴ３２のドレイン電極に接続されたドレ
イン端子、３５はＦＥＴ３２のソース電極に接続された
ソース端子、３６はＦＥＴ３２の他の電極と接続された
アース端子である。３７はＦＥＴ３２のドレイン電極と
アース間に設けられ、供給電圧を安定させるためのコン
デンサ、３８はＦＥＴ３２のソース電極とアース間に設
けられ、高周波側の誘導ノイズをカットするためのコン
デンサである。コンデンサ３７，３８は容量が１０ｐＦ
程度のものであり、原理的な構成上はなくてもよい。Ｆ
ＥＴ３２及びゲート抵抗３３等からなる電気回路部は、
筐体内のプリント基板３に設けられるが、点線で示され
ている領域部分は、フィルタ４、キャン５及びステム２
により外周がシールドされており、端子の内、アース端
子３６だけがステム２に直接接続されている。

【００１５】また、焦電素子３１にフィルタ４を介して
所定波長の赤外線が入射すると、焦電素子３１の焦電体
の温度上昇による自発分極によって焦電素子３１の一方
の電極（アース電極でない電極）の電位が上昇し、これ
に接続するＦＥＴ３２のゲート電圧が上昇するので、ソ
ース−ドレイン間に電流が流れる。従って、この電流を
電圧変換することにより電気的に赤外線量を計測するこ
とができるようになり、焦電素子３１は赤外線センサと
しての役割を果たすことができる。すなわち、目的とす
る赤外波長を透過するフィルタ４を窓材とし、透過して
くる赤外線を少なくとも２層の焦電体からなる焦電型赤
外線センサすなわち焦電素子３１の加算出力でセンサの
感度をアップさせるようになっている。例えば、焦電体
を焦電素子３１のように２層に積層することにより、同
じ受光面積で同じ材質・サイズの焦電体１個の場合よ
り、感度が１，３倍増大した結果を得ている（具体的に
は、１層の焦電体からなる素子が例えば４．３ｍＶ出力
する条件で、２層の場合５．９ｍＶもの出力が得られ
た）。これは、１層目の焦電体で吸収できずに透過した
言わばおこぼれ赤外線を２層目の焦電体でほぼ完全にキ
ャッチしたからである。従って、感度を上げるには、積
層度をさらにあげればよいことになるが、２層構造程度
のものが、実用的にも採算的にも好適であると言えよ
う。

【００１６】以下、第１ＰＶＤＦ１０と第２ＰＶＤＦ１
１の配置の仕方の違いによる本発明の焦電素子３１の形
成方法に関する２つの実施例について説明する。［実施例１］図３は図２の実施例の一上面図に準ずる図
による説明図である。図３において、各部品番号は図
１，２の説明において用いたものと同じであるが、第２
ＰＶＤＦ１１周りと下基台７周りの部品は図面上は隠れ
て見えていない。なお、本実施例の４つの電極は、その
平面形状が図のように柄杓状であり、柄杓の丸い部分が
開口部８ａの中心部になるように配置されている。ただ
し、この形状は柄杓状に限定されるものではない。そし
て、上基台８の開口部８ａを中心として、第１ＰＶＤＦ
１０上の第１表電極１２と第１ＰＶＤＦ１０下の第１裏
電極１３とが配置されている有様が示されている。ここ
で、導電性接着剤１６は、図２によっても明示されてい
るように、第１裏電極１３と第２表電極１４とを接続す
るものであり、導電性接着剤２０は、第２裏電極１５と
プリント基板３の図示しない回路（例えばアース線）と
を接続している。また、導電性接着剤１９は、ワイヤ１
８を介して導電性接着剤１７によって接続している第１
表電極１１をプリント基板３の図示しない回路（出力
線）と接続している。この接続方式によって、ＰＶＤＦ
フィルムを１枚の場合と同じプリント基板３を用いるこ
とができる。

【００１７】［実施例２］図４は図２のの実施例の他の
上面図に準ずる図による説明図である。図４に見られる
ように、本実施例では第１ＰＶＤＦ１０の電極と第２Ｐ
ＶＤＦ１１の電極とが互いに直交するように配置されて
いる。第１表電極１２をプリント基板３の図示しない回
路と接続するには導電性接着材１７で、また第２裏電極
１５をプリント基板３の図示しない回路（例えばアース
線）と接続するには導電性接着材２０で、それぞれ直接
接続が可能であるという利点がある。しかし、第１裏電
極１３と第２表電極１４との接続による第１ＰＶＤＦ１
０と第２ＰＶＤＦ１１との直列接続は次のようにして行
う。すなわち、導電性接着剤１６ａで第２表電極１４を
上基台８と接続し、導電性接着剤１６ｂで第１裏電極１
３を上基台８と接続しておき、ワイヤ（又は導電パター
ン）１６ｃで導電性接着剤１６ａと導電性接着剤１６ｂ
とを接続している。この接続方式では、ワイヤ１６ｃを
導電パターンにすることにより、導電性接着剤のみで電
気的接続を行うことができる。

【００１８】以上のように上述の実施例によれば、２個
の薄膜状焦電体すなわち第１ＰＶＤＦ及び第２ＰＶＤＦ
が所定の間隔をもって積層され、かつ電気的に直列接続
されて複合型の焦電素子を構成しているから、ほぼ全赤
外線量をキャッチして赤外線検出ができるようになり、
結果的に、同じ受光面積で同じ材質・サイズの焦電体１
個の場合より、感度が１，３倍増大するというような優
れた結果が得られた。また、その製造方法では、各電極
の配線乃至電極間接続には導電性接着剤を使用するよう
にしたので、薄くて繊細なＰＶＤＦフィルムを形状的に
も特性的にも損なうことなく、容易に焦電型赤外線セン
サを組立てることができるようになった。

【００１９】

【発明の効果】以上のように本発明の焦電型赤外線セン
サによれば、少なくとも２個の薄膜状焦電体が所定の間
隔をもって積層され、かつ電気的に直列接続されて複合
型の焦電素子を構成しているから、受光側（上側）の焦
電体で吸収しきれずに通過した透過赤外線を下側の焦電
体で受光することができるので、赤外線のこぼれをなく
し、複数の焦電体に発生した電荷を積算することによ
り、センサの出力が測定対象の全赤外線量を出力できる
ようになるこのため、焦電型赤外線センサの感度が大幅
に増大する効果が得られた。

【００２０】また、電気的接続前のセンサ素子として積
層焦電体を形成した後、薄膜電極の内の特定の電極とプ
リント基板の特定の回路線との配線接続や、薄膜電極間
の電気的な直列接続を導電性接着材又は導線を使用して
行うから、特に薄くて、かつ耐熱性の弱いＰＶＤＦ等の
フィルムを、形状的にも性能的にも損傷させることなく
電気的接続ができる効果がある。そして、２個の薄膜状
焦電体が積層される所定の間隔は、中心部に開口部を有
する枠状の基台により設定されていて、その基台には、
開口部に通じる通気部が形成されているものであるか
ら、薄膜状焦電体を積層するときに間隔を一定とでき、
また、通気部を形成しておくことにより、密閉空間の形
成による焦電体の出力低下を防止することができる。さ
らに、薄膜状焦電体には、ＰＶＤＦを主材とするフィル
ムを用いることが望ましく、赤外線検出能が高く、積層
する際に基台に貼設すれば所定の間隔を設定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の焦電型赤外線センサを原理
的に示す模式断面図である。

【図２】図１の焦電型赤外線センサ素子の配線等の詳細
構造を示す模式説明図である。

【図３】図２の実施例の一上面図に準ずる図による説明
図である。

【図４】図２のの実施例の他の上面図に準ずる図による
説明図である。

【図５】実際の焦電型赤外線センサの回路を含む全構成
を示す説明図である。

【符号の説明】

１端子２ステム３プリント基板３ｂ，８ｂ貫通孔４フィルタ５キャン６絶縁シール６７下基台７ａ，８ａ開口部７ｃ，８ｃ切欠部８上基台９シール材１０第１ＰＶＤＦ１１第２ＰＶＤＦ１２第１表電極１３第１裏電極１４第２表電極１５第２裏電極１６，１７，１９，２０導電性接着剤１８ワイヤ２１回路部品３１焦電素子３２ＦＥＴ３３ゲート抵抗３４ドレイン端子３５ソース端子３６アース端子３７，３８コンデンサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定波長の赤外線を透過するフィルタを
介して受光し、両面に薄膜電極を配設した平板状の焦電
体をセンサ素子とする焦電型赤外線センサにおいて、少なくとも２個の薄膜状焦電体が所定の間隔をもって積
層され、かつ電気的に直列接続された複合型の焦電素子
を前記センサ素子として有することを特徴とする焦電型
赤外線センサ。
【請求項２】前記センサ素子の前記薄膜状焦電体が積
層されるときに、下方の薄膜状焦電体の上面の電極と上
方の薄膜状焦電体の下面の電極が重なるように配置さ
れ、両電極間の電気的接続を導電性接着剤で行うことを
特徴とする請求項１記載の焦電型赤外線センサ。
【請求項３】前記センサ素子の前記薄膜状焦電体の最
上部の薄膜状焦電体の上面の電極とプリント基板の回路
線とが導線を介して接続されていることを特徴とする請
求項１記載の焦電型赤外線センサ。
【請求項４】前記少なくとも２個の薄膜状焦電体が積
層される所定の間隔は、中心部に開口部を有する枠状の
基台により設定されていることを特徴とする請求項１記
載の焦電型赤外線センサ。
【請求項５】前記基台には、開口部に通じる通気部が
形成されていることを特徴とする請求項４記載の焦電型
赤外線センサ。
【請求項６】前記薄膜状焦電体は、ＰＶＤＦを主材と
するフィルムであることを特徴とする請求項１、２、３
又は４記載の焦電型赤外線センサ。