JPH10197342A - 焦電型赤外線検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 減衰時間が短く、誤作動の少ない赤外線検出
器を得る。 【解決手段】 受光面に受光電極１１を設け、当該受光
電極に対応した反対面に導出電極１２を形成し、少なく
とも１組の電極を有する焦電素子１と、前記電極の一方
をＦＥＴのゲートに、他方をアース接続してなり、かつ
前記一方の電極とＦＥＴのゲートの中間点とアース間に
負荷抵抗を接続してなる焦電型赤外線検出器であって、
被検知体の移動に対応する最適の応答周波数に設定する
最適負荷抵抗値に対して、最適負荷抵抗値の２０％から
５０％低い値の抵抗を負荷抵抗Ｒｇとして用いた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人体検知システム
等に用いられる焦電素子等を用いた赤外線検出器に係
り、特に人体検知後の誤作動を防止する赤外線検出器に
関するものである。

【０００２】赤外線検知素子として例えば焦電素子がよ
く知られている。焦電素子は赤外線を受けるとその熱エ
ネルギーを吸収して温度変化を生じ、自発分極が変化
し、表面に電荷が生じる。このように微少温度変化に比
例して表面に電荷が誘起され、この電荷が外部回路によ
って電流または電圧として検出される。焦電型赤外線検
出器はこのような焦電効果を利用し、人体検出等に用い
られている。

【０００３】一般的な赤外線検出器の構成の概要を図１
とともに説明する。焦電素子１の受光上面には受光電極
１１が形成されており、その前面には検出すべき赤外線
のみを通過させる赤外線通過フィルタ５が形成されてい
る。赤外線透過フィルタ５はシリコンからなるフィルタ
母材とその表面に形成された光学多層膜とからなる。赤
外線透過フィルタを介して、検出すべき赤外線を焦電素
子に入射させることにより、その熱エネルギーを吸収し
て温度変化が生じ、これにより発生した電荷を図２に示
すような電荷−電圧変換回路により電圧に変換する。図
２において１は電極形成された焦電素子、２１はＦＥＴ
であり、Ｒｇは負荷抵抗で、当該負荷抵抗は被検知体の
移動に対応する応答周波数を決定するパラメーターとな
っている。この被検知体の移動に対応する応答周波数ｆ
ｃは一般に（１）式で表される。 ｆｃ＝１／（２π・Ｃ・Ｒｇ）・・・（１） ここでＣは焦電素子および電気入力回路の合成容量で、
Ｒｇは負荷抵抗の抵抗値である。（１）式に従い、所望
の周波数に調整することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】通常、人体検知用の赤
外線検出器感度の応答周波数は、０．１〜１０Ｈｚの範
囲に設定され、人体の移動速度等によってその値を定め
る。例えば、負荷抵抗Ｒｇの値を１００ギガオーム程度
に設定し、約０.１５Ｈｚに出力感度のピークが位置す
るように設定していた。

【０００５】なおこの感度特性は応答周波数に依存し、
ピーク電圧を中心に山形の特性が現れることが知られて
おり、電気時定数（ここでは負荷抵抗）を大きくする
と、より高感度にかつより狭帯域になり、小さくすると
より低感度にかつより広帯域になる。

【０００６】ところで、上述したような赤外線検出器の
感度、すなわち検出器に赤外線の単位入力を与えたとき
の電圧応答特性は、検出器のもつ電気時定数のほかに熱
時定数にも依存する。熱時定数は焦電素子の熱容量等と
散逸熱で決まり、一般には熱時定数に比べて電気時定数
は大きいので、電圧応答の立ち上がり勾配は熱時定数に
概ね依存し、立ち上がり後の特性は電気時定数に概ね依
存することが知られている。すなわち、赤外線検出後の
電圧の減衰特性（減衰時間）は電気時定数に概ね依存し
ていることを示している。

【０００７】従って、上記負荷抵抗値では電気時定数が
大きいため、後述の図３に示すように減衰時間（出力電
圧のゆらいでいる時間）がどうしても長くなり、上記合
成容量の値にもよるが、一般的には上記１００ギガオー
ム程度の抵抗を用いた構成では減衰時間に３０秒以上の
時間がかかっていた。このような場合、所定時間内に電
圧のゆらぎが減衰しないために、使用する回路によって
は誤作動を発生させることがあった。

【０００８】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたもので、減衰時間が短く、誤作動の少ない赤外線検
出器を得ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明による焦電型赤外線検出器は、請求項１に
示すように、受光面に受光電極を設け、当該受光電極に
対応した反対面に導出電極を形成してなる、少なくとも
１組の電極を有する焦電素子と、前記電極の一方をＦＥ
Ｔのゲートに、他方をアース接続してなり、かつ前記一
方の電極とＦＥＴのゲートの中間点とアース間に負荷抵
抗を接続してなる焦電型赤外線検出器において、被検知
体の移動に対応する最適の応答周波数に設定する最適負
荷抵抗値に対して、最適負荷抵抗値の２０％から５０％
低い値の抵抗を負荷抵抗として用いたことを特徴として
いる。

【００１０】また、請求項２に示すように、受光面に受
光電極を設け、当該受光電極に対応した反対面に導出電
極を形成してなる、少なくとも１組の電極を有する焦電
素子と、前記電極の一方をＦＥＴのゲートに、他方をア
ース接続してなり、かつ前記一方の電極とＦＥＴのゲー
トの中間点とアース間に負荷抵抗を接続してなる人体検
出用の焦電型赤外線検出器において、前記負荷抵抗を５
０ギガオーム以上８０ギガオーム以下としてもよい。

【００１１】図２に示したような回路構成において、負
荷抵抗値を変化させた場合の感度−応答周波数特性を図
５に示す。図５において使用した焦電型赤外線検出器は
図１に示した２組の電極を有するデュアル型と称される
もので、焦電素子の材料として、チタン酸鉛系の焦電材
料を用い、厚さ0.1mmの基板に２.５mm²の受光電極を設
けた。このような焦電素子に対して、負荷抵抗Ｒｇの値
を変化させて、感度の周波数特性を調べた。図５におい
て、それぞれＡは１００ギガオーム、Ｂは８０ギガオー
ム、Ｃは５５ギガオーム、Ｄは３０ギガオームの負荷抵
抗を用いている。図５から明らかなとおり、負荷抵抗を
大きくすれば、高感度になり、小さくすれば、低感度に
なることがわかる。

【００１２】ところで図５において、負荷抵抗を約半分
の値とした場合、ピーク感度がずれ、感度がやや低下す
るが、実用上は問題のないレベルの感度特性を得ている
ことがわかる。

【００１３】一方、上記と同じ条件で、負荷抵抗を変化
させた場合の赤外線検出後の減衰時間についても調べ
た。その結果を図３、図４に示す。図３において上記Ａ
に示す１００ギガオームの負荷抵抗を用いた場合の減衰
時間ｔを示す図、図４は上記Ｃに示す５５ギガオームの
負荷抵抗を用いた場合の減衰時間ｔを示す図である。図
３、図４から明らかなように、負荷抵抗を小さくすると
減衰時間ｔが短くなり、例えば１００ギガオームを使用
した場合は減衰時間が３０秒以上となり、５５ギガオー
ムを使用するとその約半分程度と、減衰時間が格段に改
善されている。

【００１４】従って、被検知体の移動に対応する最適の
応答周波数に設定する最適負荷抵抗値に対して、最適負
荷抵抗値の２０％から５０％低い抵抗を負荷抵抗として
用いることにより、実用的な感度と良好な減衰時間を得
ることができる。５０％以上低い抵抗であると感度の低
下で実用的な感度を得ることができず、２０％以下の抵
抗であると減衰時間が長くなりすぎ、誤動作の確率が高
くなる。また人体検知として使用する場合は、５０ギガ
オームから８０ギガオームの負荷抵抗を用いることによ
り、実用的な感度と良好な減衰時間を得ることができ
る。同じように５０ギガオーム未満であると感度の低下
で実用的な感度を得ることができず、８０％以上である
と減衰時間が長くなりすぎ、誤動作の確率が高くなる。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明による実施の形態を人体検
出用の焦電型赤外線検出器を例にとり、図面とともに説
明する。図１は焦電型赤外線検出器の内部構造図、図２
は電荷−電圧変換回路を示す図である。赤外線検出素子
となる焦電素子１はチタン酸鉛系の焦電性を有するセラ
ミックからなり、板厚方向に分極処理され、かつ矩形形
状に切断加工されている。この焦電素子１の表面には、
金属材料（ＣｒあるいはＮｉ−Ｃｒ等）からなり、互い
に共通接続された２つの受光電極１１が設けられてお
り、裏面においては図示していないが、上記受光電極に
対応した金属膜電極１２（Ａｇ等）が設けられている。

【００１６】この焦電素子１はプリント配線基板２に支
持体６１，６２を介して搭載されている。また、プリン
ト配線基板２の裏面には回路を構成するＦＥＴ，抵抗等
の回路部品２１，２２が取り付けられており、前記焦電
素子と必要な電気的接続がなされている。ベース３は金
属製のシェル３ａに絶縁ガラスＧを介して、互いに電気
的に独立したリード端子３１，３２が植設されており，
またリード端子３３がシェル３ａと導通した状態で植設
されている。このリード端子３３はアース端子として機
能する。これらリード端子の上部に前記プリント配線基
板が搭載され、必要な電気的接続がなされている。

【００１７】これら各構成要素を封止するキャップ４は
金属製であり、上面には光線入射窓４１が設けられてい
る。この光線入射窓４１の内方に取り付けられる赤外線
透過フィルタ５は、例えばシリコン等の赤外線透過材料
からなる非絶縁性基板５１の表裏面に特定の赤外線のみ
を透過させるための多層光学膜５２を形成した構成であ
り、かつ、この赤外線透過フィルタ５の外周近傍の焦電
素子側が切り欠かれ、前記多層光学膜５２下部の非絶縁
性基板５１が露出し、薄肉部分と厚肉部分を有する切り
欠き部５ａを形成している。そして前記キャップ４とこ
の赤外線透過フィルタ５の対向面に、まずエポキシ樹脂
系の絶縁性接合材Ｓ１を塗布し、これらを当接させ機械
的に予備接着を行う。ここで用いた絶縁性接合材Ｓ１は
塗布量が多くても、その表面張力により前記切り欠き部
５ａの薄肉部のエッジ部分で止まる。そして、次に厚肉
部分の切り欠き部５ａに導電性接合材Ｓ２を塗布するこ
とにより、キャップ４と赤外線透過フィルタ５が電気的
接続されかつ機械的接続の強化がなされる。このように
導電性接合材を用いることにより、外部からの不要な電
磁波を遮断する効果が得られる。なお、気密性に優れた
導電性接合材を用いる場合は、上記のように２度の接着
は必要とせず、導電性接合材のみで電気的機械的接合を
行ってもよい。また、赤外線透過フィルタは切り欠き部
を形成しない通常の断面（側面）のものであってもよ
い。

【００１８】検出すべき赤外線を焦電素子に入射させる
ことにより、その熱エネルギーを吸収して温度変化が生
じ、これにより発生した電荷を図２に示すような電荷−
電圧変換回路により電圧に変換する。図２において１は
電極形成された焦電素子であり、前記電極の一方をＦＥ
Ｔ２１のゲートに、他方をアース接続してなり、かつ前
記一方の電極とＦＥＴのゲートの中間点とアース間に負
荷抵抗を接続した構成である。人体検知の場合、人体の
移動に対応する応答周波数を０．１〜１０Ｈｚの範囲に
感度のピークが来るように時定数を調整する。この実施
の形態においては、例えば応答周波数に対する最適の負
荷抵抗値１００ギガオームであった場合、使用する抵抗
値を半分の５５ギガオームに設定している。これにより
実用的な感度を確保しつつ、減衰時間を半分あるいはそ
れ以上に減じることができる。

【００１９】上記実施例は人体検出について説明した
が、本発明は、人体検出のみならず、被検知体の設定し
た応答周波数を実現する最適の負荷抵抗値に対して、抵
抗値の５０〜８０％小さい抵抗を用いることにより、実
用的な感度を確保しつつ、減衰時間を半分以上に減じる
ことができる。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、被検知体の移動に対応
する最適の応答周波数に設定する最適負荷抵抗値に対し
て、最適負荷抵抗値の２０から５０％低い抵抗を負荷抵
抗として用いることにより、実用的な感度を確保しつ
つ、減衰時間を半分以上に減じることができる。

【００２１】また、人体検知として使用する場合は、５
０ギガオームから８０ギガオームの負荷抵抗を用いるこ
とにより、実用的な感度と良好な減衰時間を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による焦電型赤外線検出器の内部構造を
示す図。

【図２】電荷−電圧変換回路を示す図。

【図３】比較例を示す図。

【図４】比較例を示す図。

【図５】比較例を示す図。

【符号の説明】

１ 焦電素子（赤外線検出素子） ２ プリント配線基板 ２１ ＦＥＴ ３ ベース ３１、３２、３３ リード端子 ４ キャップ ５ 赤外線透過フィルタ ５ａ 切り欠き部 Ｒｇ 負荷抵抗

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 受光面に受光電極を設け、当該受光電極
   に対応した反対面に導出電極を形成してなる、少なくと
   も１組の電極を有する焦電素子と、前記電極の一方をＦ
   ＥＴのゲートに、他方をアース接続してなり、かつ前記
   一方の電極とＦＥＴのゲートの中間点とアース間に負荷
   抵抗を接続してなる焦電型赤外線検出器において、 被検知体の移動に対応する最適の応答周波数に設定する
   最適負荷抵抗値に対して、最適負荷抵抗値の２０％から
   ５０％低い値の抵抗を負荷抵抗として用いたことを特徴
   とする焦電型赤外線検出器。
2. 【請求項２】 受光面に受光電極を設け、当該受光電極
   に対応した反対面に導出電極を形成してなる、少なくと
   も１組の電極を有する焦電素子と、前記電極の一方をＦ
   ＥＴのゲートに、他方をアース接続してなり、かつ前記
   一方の電極とＦＥＴのゲートの中間点とアース間に負荷
   抵抗を接続してなる人体検出用の焦電型赤外線検出器に
   おいて、 前記負荷抵抗を５０ギガオーム以上８０ギガオーム以下
   としたことを特徴とする焦電型赤外線検出器。