JPH09236486A

JPH09236486A - 焦電型赤外線センサ

Info

Publication number: JPH09236486A
Application number: JP8045896A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Koide; 篤史小出
Original assignee: Nohmi Bosai Ltd
Current assignee: Nohmi Bosai Ltd
Priority date: 1996-03-04
Filing date: 1996-03-04
Publication date: 1997-09-09

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、両面に薄膜電極すなわち表電極１０及び裏
電極１１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、ＰＶＤＦフィルム平板状
の焦電体８がフィルタに可能な限り近接して配設され、
かつ表電極１０及び裏電極１１の面積は焦電体８の面積
とほぼ同じにしてセンサ素子を構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は例えば火災報知機
や進入検知器等の防災・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。焦電性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、
β結晶のＰＶＤＦを材料とする焦電フィルムが、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、熱に対する感度を上
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、所定の有効面積を持つ一枚の平板状のＰＶＤＦフ
ィルムで構成しているのが、通常の使用方法である。Ｐ
ＶＤＦフィルム素子の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フィルムの両面に適当
な面積の膜状電極を設け、これを介して外部に電気的に
信号を導出するために、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
ルターを介して入射してくる赤外線（熱線ともいう）を
可能な限り効率よく受光して、ＰＶＤＦフィルムの両面
に前述の焦電効果により発生する電圧を電気的に検出す
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
の両面に適宜の面積を有する膜状電極を設け、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、平板
状の焦電体がフィルタに近接して配設され、かつ薄膜電
極の面積を焦電体面積に近付けてセンサ素子を構成した
ものである。この場合、薄膜状焦電体はＰＶＤＦフィル
ムであり、さらに薄膜電極の厚さはＰＶＤＦフィルムの
厚さより小さいものであることが望ましい。

【０００７】本発明においては、平板状焦電体の両面が
フィルタの開口部の面積と同等面積の薄膜電極を有して
焦電素子を構成し、この焦電素子をフィルタにできるだ
け接近して配設しているから、入射赤外線による自発分
極により発生した電位差をできるだけ高効率で電気的に
取出せるようになる。

【０００８】また、電気的接続前のセンサ素子として可
能な限り大きい面積の薄膜電極を有する焦電素子を形成
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】

【発明の実施の形態】

［実施形態１］図１は本発明による焦電型赤外線センサ
の一実施形態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）
の部分のセンサや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、この焦電型赤外線センサは、中心
部に開口部７ａを有する絶縁材（アルミナ、プラスチッ
ク等）からなる基台７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。

【００１０】この発明による平板状の焦電体８は、図２
に示すように、焦電素子としてのＰＶＤＦからなる焦電
体フィルムを、プリント基板３上に基台７を介し配設
し、焦電体８をできるだけフィルタ４に近接させて配設
したものとなっている。焦電体８の両面には、膜状の表
電極１０及び裏電極１１が形成されていて、１個の焦電
型赤外線センサ素子を構成している。この場合、できる
だけフィルタ４に接近して配設しておくことが望まし
い。ここで、表電極とは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。また、最
も重要なことは、膜状の表電極１０及び裏電極１１の各
面積が、焦電体８の面積と同等又はそれ以上の面積と
し、従来の表電極及び裏電極の各面積より大きくしてい
ることである。

【００１１】そして、表電極１０はその脇表面に設けた
導電性接着剤１２を介して、プリント基板３の回路（例
えば出力回路：後述）に接続される。また、裏電極１１
はその脇表面に設けた導電性接着剤１３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ＰＶＤＦ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。

【００１２】ここで、焦電型赤外線センサの焦電体８周
りの大きさ、間隔等の各種寸法について記載する。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、ＰＶＤＦフィルムからなる焦電体８の膜厚は１５±
１０μｍ程度のものである。さらに、キャン５の窓に対
して、視野角が１１０°となるように焦電体８が配置さ
れ、焦電体８のステム２からの高さを表電極１０、裏電
極１１の面の直径に合わせて調整している。

【００１３】図４は実際の焦電型赤外線センサの構成を
示す回路図である。本発明による焦電型赤外線センサは
図４によって示される構成、すなわち本発明による焦電
素子（前記の焦電体８に表電極１０及び裏電極１１を有
するもの）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の回路素子２１等）
及び入出力端子とによって構成されている。

【００１４】図４において、３１は本発明によって形成
された焦電素子であり、３２はＦＥＴ（電界効果トラン
ジスタ）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ＦＥ
Ｔ３２のソース電極に接続されたソース端子、３６はＦ
ＥＴ３２の他の電極と接続されたアース端子である。３
７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ＦＥＴ
３２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。ＦＥＴ３２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の
アース端子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例えばシリコンのフィルタ４を窓
材とし、透過してくる光を焦電体８上のできるだけ大き
な面積の表電極１０及び裏電極１１を有する焦電素子３
１の出力でセンサの感度をアップさせるようになってい
る。

【００１６】以下、本発明による焦電素子３１の一つの
形成方法について説明する。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。なお、２つの電極すなわち表電極１０及び裏電極
１１は、その平面形状が図のように柄の細いラケット状
であり、ラケットの丸い部分が開口部７ａの中心部に位
置し、かつ開口部７ａの大きさにほぼ等しい面積になる
ように配置されている。なお、この形状はラケット状に
限定されるものではない。

【００１７】そして、基台７の開口部７ａを中心とし
て、焦電体８の表裏に表電極１０と裏電極１１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
１２は、図２によっても明示されているように、表電極
１０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。また、導電性接着剤１３は、裏電極１１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。なお、この導電性接着剤による接続の
代わりに、一部導電性接着剤を使用したワイヤ等の導線
で接続してもよい。

【００１８】以上のように上述の実施形態によれば、平
板状の焦電体の両面に設けた電極の面積を大きくし、か
つこの焦電素子をフィルタの近くに配設して入射する赤
外線に対する視野角を大きくしたので、自発分極によっ
て発生した電荷を従来より多く取込むことができ、結果
的に、同じ材質・サイズの焦電体の場合より、感度が約
１．５倍増大するというような優れた結果が得られた。

【００１９】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
焦電体フィルムを、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。

【００２０】［実施形態２］実施形態２においては、焦
電体の電極の大きさ（面積）を変えた場合における電極
の大きさとセンサ出力との関係について検討した結果を
説明する。図５及び図６は図１に示した焦電素子の電極
直径（横軸）を変化させた場合のセンサのそれぞれ感度
（縦軸）及び暗視ノイズ（縦軸）を示す線図である。こ
の場合の試料としては、本例の場合通常型と称する基準
の焦電体８を使用し、その両面に形成されている表電極
１０及び裏電極１１の各面積・厚さ（材質は当然同じ）
が等しい場合の試料について、上記の各面積の変化試料
として、電極の直径を変えた４種のものを作製した。図
５において、縦軸の感度は、所定の赤外線量に対するセ
ンサ出力として得られた生の電圧（ｍＶ）で表してい
る。また図６において、縦軸の暗視ノイズはいわゆる雑
音（バックグランド）に相当し、無光状態でのセンサ出
力として検出された電圧（μＶ）で表している。

【００２１】図５及び図６の結果から明らかなように、
電極の直径（電極の面積）を大きくすると共に、感度が
上昇（図５）し、かつ暗視ノイズが低下（図６）してい
る。このことから、電極サイズを大きくすることは、セ
ンサの感度を大きくできると共にノイズを低減でき、同
一赤外線入力に対して信号として利用できる幅がより以
上に大きくなることを示すという好都合な効果が得られ
た。［実施形態３］実施形態３においては、焦電体そのもの
の大きさを実施形態２のものとは変えた一つの場合にお
ける電極サイズの大きさとセンサ出力との関係について
検討した結果を説明する。本実施形態の試料としては、
前述の基準の通常型（図５，６の試料）の焦電体８の代
わりに拡大型と称する焦電フィルム自体のサイズを１．
８倍とした焦電体８を使用し、その両面に形成されてい
る表電極１０及び裏電極１１の各面積を変化した試料と
して、電極の直径を変えた３種のものを作製した。図７
及び図８はこれら３種の試料について焦電素子の電極直
径（横軸）を変化させた場合のセンサのそれぞれ感度
（縦軸）及び暗視ノイズ（縦軸）を示す線図である。

【００２２】図７及び図８の結果から明らかなように、
電極の直径（電極の面積）を大きくすると共に、感度が
上昇（図７）し、かつ暗視ノイズが低下（図８）してい
る。このことから、電極サイズを大きくすることは、セ
ンサの感度を大きくできると共にノイズを低減でき、同
一赤外線入力に対して信号として利用できる幅がより以
上に大きくなることを示すという実施形態２の場合と同
様な好都合な効果が得られた。

【００２３】［実施形態４］実施形態４においては、焦
電体の表・裏の各電極の厚さを変えた場合における電極
の厚さとセンサ出力との関係について検討した結果を説
明する。図７及び図８の測定に使用した焦電素子におい
て、表電極１０及び裏電極１１の膜厚を変化させた場合
の各感度を図９及び図１０に示す。

【００２４】図９に見られるように、裏電極１１の膜厚
を１００オングストローム（Ａ）一定として表電極１０
の膜厚を変えた場合は、膜厚が薄くなるにつれて感度が
大幅に上昇し、１００Ａ以下に薄くなっても感度が上昇
する傾向が見られる。しかし、膜厚が１００Ａよりも薄
くなると、電極として十分な働きをすることができず、
出力が不安定となるので、１００Ａが最適である。ま
た、図１０に見られるように、表電極１０の膜厚を１０
０Ａ一定として裏電極１１の膜厚を変えた場合は、３０
０Ａまで変化させても、多少感度が上昇する程度で、ほ
とんど感度上昇の効果が得られない。そして、実用上は
表電極１０の膜厚と同じ膜厚の１００Ａとすることによ
り、電極材料の蒸着条件等が同じになるので、製造面か
らメリットがあるが、実質的に裏電極の膜厚は、蒸着時
間や電極材料の使用量との関係から、１５０Ａ程度が最
適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態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の実施形態の一上面図に準ずる図による説
明図である。

【図４】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。

【図５】電極サイズを変えた時の感度を示す実施形態線
図である。

【図６】図５の測定時の暗視ノイズを示す線図である。

【図７】焦電フィルムサイズを変えた時の感度を示す実
施形態線図である。

【図８】図７の測定時の暗視ノイズを示す線図である。

【図９】図７の表電極の膜厚を変えた時の感度を示す実
施形態線図である。

【図１０】図７の裏電極の膜厚を変えた時の感度を示す
実施形態線図である。

【符号の説明】

１端子２ステム３プリント基板４フィルタ５キャン６絶縁シール６７基台７ａ開口部８焦電体９シール材１０表電極１１裏電極１２，１３導電性接着剤２１回路素子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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０８Ｂ 17/06 Ｇ０１Ｖ 9/04 Ａ

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、前記平板状の焦電体が前記フィルタに近接して配設さ
れ、かつ前記薄膜電極の面積を前記焦電体の面積に近付
けて前記センサ素子を構成したことを特徴とする焦電型
赤外線センサ。