JPH1062243A

JPH1062243A - 焦電型赤外線センサ

Info

Publication number: JPH1062243A
Application number: JP8237243A
Authority: JP
Inventors: Shinya Nozu; 津真也野; Satoshi Ito; 藤聡伊
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1996-08-19
Filing date: 1996-08-19
Publication date: 1998-03-06

Abstract

(57)【要約】【課題】小型で、長期信頼性を有し、微動検知のみを
行うことができる焦電型赤外線センサを得る。【解決手段】焦電型赤外線センサ１０は、第１および
第２の焦電体センサ素子２４，２６を含む。焦電体２
８，３６の分極方向が逆になるように、第１および第２
の焦電体センサ素子２４，２６を積層し、窓部材２０側
の第１の焦電体センサ素子２４を赤外線透過性の材料で
形成する。第１および第２の焦電体センサ素子２４，２
６の電極３４ａ，４２ａを接地し、電極３４ｂ，４２ｂ
をＦＥＴ４６のゲートに接続する。電極３４ａ，４２ａ
と電極３４ｂ，４２ｂとの間に抵抗４４を接続する。Ｆ
ＥＴ４６は、ソースフォロア回路とする。電極３４ａ，
３４ｂに対向する電極３０ａ，３０ｂを電極３２で接続
し、電極４２ａ，４２ｂに対向する電極３８ａ，３８ｂ
を電極４０で接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は焦電型赤外線セン
サに関し、特にたとえば、防犯装置などに組み込まれて
人間などを検知するために用いられる焦電型赤外線セン
サに関する。

【０００２】

【従来の技術】焦電体の両面に電極を形成した焦電型赤
外線センサは、たとえばライトスイッチ，空調機器，防
犯装置など、幅広い分野で利用されている。最近、これ
らの分野において、人体のわずかな動き（微動検知）
や、止まっている人体の検知（静止人体検知）が要求さ
れている。しかしながら、焦電型赤外線センサの検知メ
カニズムは、入射赤外線エネルギーの変化による焦電体
の温度変化を電気信号に変換するものである。そして、
赤外線エネルギーの変化量と電気信号の変化量とが比例
関係を有することから、人体の動きなどを検知してい
る。したがって、何らかの方法で、入射赤外線エネルギ
ーを変化させないと、人体などの検知を行うことができ
ない。このことから、焦電型赤外線センサのみでは、原
理的に静止人体検知は不可能であるとされている。

【０００３】このような問題を解決するために、たとえ
ばチョッパーが利用されている。この方法では、入射赤
外線エネルギーをチョッパーを用いて一定間隔で切り、
検知対象物の赤外線エネルギーとチョッパー自身の赤外
線エネルギーの差から、焦電体への入射赤外線エネルギ
ーを変化させている。これによって得られた焦電体の温
度変化が、電気信号に変換される。たとえば、人体と背
景の差などのように、検知対象物の赤外線エネルギーが
変化すると、チョッパー自身の赤外線エネルギーの量は
一定であるため、チョッパーによって断続された検知対
象物の赤外線エネルギーの量とチョッパーの赤外線エネ
ルギーとの差も同様に変化する。それにより、人体があ
ることが検出される。具体的なチョッピング方式として
は、ステッピングモータやサーボモータなどを用いた回
転チョッパー式、バイモルフ圧電素子や磁気コイルなど
を用いた往復式などが考案実用化されている。

【０００４】また、別の方法として、焦電型赤外線セン
サの検知ゾーンの細分化および高密度化がある。この方
法は、微動検知において用いられる。一般的に、焦電型
赤外線センサでは、検知対象である赤外線の波長領域
（１μｍ以上）の関係から、光学レンズの材質として、
たとえばポリエチレン，ポリプロピレンなどのオレフィ
ン系ポリマーなど、赤外線を透過する材料を使用するこ
とが多い。したがって、レンズとしては、フレネルレン
ズを使用するのが一般的である。

【０００５】このフレネルレンズにおいて、１つのレン
ズユニットに複数のレンズを形成し、それらのレンズを
たとえば４×４のように配置して、適当な数のゾーンが
２次元的に形成される。さらに、可能であれば、焦電体
上の電極が、２×２のような形で形成される。すると、
結果として、１６×４＝６４の検知ゾーンが形成され
る。レンズユニット上のフレネルレンズの指向性を工夫
することにより、６４のゾーンを非常に狭い投影面とし
たとき、各ゾーンの間隔は非常に狭いものとなるので、
たとえば人体のわずかな動きに対しても焦電体に対して
赤外線エネルギーの変化が与えられ、人体の微動を検出
することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、チョッ
パー方式においては、どのような方式を採用しても、チ
ョッパーが必要であるため、装置の寸法が大きくなる。
また、チョッパーを駆動するための回路が必要となり、
コストの増大や消費電力の増大などが発生し、電池駆動
などの低消費電流化の流れに逆行する。さらに、チョッ
パーには回転部などが存在するため、磨耗などの問題が
あり、長期信頼性に対して不安が残る。

【０００７】多分割レンズと多素子化による微動検知に
おいては、プラスチックレンズの焦点精度を得ることが
難しく、低周波感度を得ることが困難である。また、数
Ｈｚという比較的高い周波数の信号の出力で、低周波成
分が得にくい。さらに、特に焦電体の両面に１対の電極
を形成したシングル素子においては、周囲の温度変動に
よる低周波出力、外乱光などの擾乱ノイズにより、低周
波（微動）での人の移動出力を十分に得にくい。

【０００８】それゆえに、この発明の主たる目的は、小
型で、長期信頼性を有し、微動検知のみを行うことがで
きる焦電型赤外線センサを提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は、焦電体の両
面に電極が形成された低周波の動きに対して感度の低い
第１の焦電体センサ素子と、焦電体の両面に電極が形成
された第１の焦電体センサ素子に比べて低周波の動きに
対して感度の高い第２の焦電体センサ素子と、第１の焦
電体センサ素子の出力信号と第２の焦電体センサ素子の
出力信号とを合成するための合成手段とを含み、第１の
焦電体センサ素子の焦電体の分極方向と第２の焦電体セ
ンサ素子の焦電体の分極方向とが、赤外線受光面に対し
て互いに逆向きに配置された、焦電型赤外線センサであ
る。この焦電型赤外線センサにおいて、第１の焦電体セ
ンサ素子と第２の焦電体センサ素子とが積層され、第１
の焦電体センサ素子および第２の焦電体センサ素子の中
の赤外線を直接受けるほうの材料が赤外線透過性材料で
形成されるようにしてもよい。また、第１の焦電体セン
サ素子と第２の焦電体センサ素子とが互いに並列に配置
されてもよい。さらに、第１の焦電体センサ素子の出力
信号と第２の焦電体センサ素子の出力信号とが、ＦＥＴ
で形成された１つのソースフォロア回路に入力されるこ
とによって合成手段を形成することができる。また、第
１の焦電体センサ素子の出力信号および第２の焦電体セ
ンサ素子の出力信号が、ＦＥＴで形成された２つのソー
スフォロア回路に入力され、２つのソースフォロア回路
の出力信号が合成されることによって合成手段を形成し
てもよい。

【００１０】第１の焦電体センサ素子と第２の焦電体セ
ンサ素子とでは、低周波の動きに対する感度が異なるた
め、低周波の動きによる赤外線エネルギーの変化に対し
て異なるレベルの信号が出力される。しかも、第１の焦
電体センサ素子の分極方向と第２の焦電体センサ素子の
分極方向とが、互いに逆になるように配置されているた
め、出力される信号は逆極性となる。これらの信号を合
成すると、２つの信号のレベル差に相当する信号が得ら
れる。しかしながら、高周波の動きに対しては、２つの
焦電体センサ素子の感度に差がないため、出力信号を合
成することによりこれらの信号が相殺される。したがっ
て、この焦電型赤外線センサでは、低周波の動きに対し
てのみ、出力信号が得られる。

【００１１】２つの焦電体センサ素子に赤外線エをルギ
ーを与えるためには、これらの焦電体センサ素子を積層
し、一方を赤外線を透過する材料で形成すればよい。ま
た、２つの焦電体センサ素子を並列に配置して、同時に
赤外線エネルギーを与えてもよい。さらに、信号の合成
手段としては、１つのソースフォロア回路に２つの焦電
体センサ素子の出力信号を入力してもよいし、それぞれ
の焦電体センサ素子をソースフォロア回路に接続し、そ
れらのソースフォロア回路の出力信号を合成してもよ
い。

【００１２】

【発明の効果】この発明によれば、低周波の動きに対し
てのみ、出力信号が得られるため、微動検知に適した焦
電型赤外線センサを得ることができる。また、チョッパ
ーなどのように機械的に動作する部分がないため、小型
にすることができ、消費電力を低くすることができる。
さらに、機械的な動作部分がないため、磨耗などの心配
がなく、長期信頼性を得ることができる。

【００１３】この発明の上述の目的，その他の目的，特
徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明の実施
の形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の焦電型赤外線セ
ンサの一例を示す斜視図であり、図２はその内部を示す
図解図である。焦電型赤外線センサ１０は、ハーメチッ
クシールタイプのケース１２を含む。ケース１２内に
は、検出回路部１４およびセンサ部１６が納められる。
また、ケース１２の上部には赤外線入射窓１８が形成さ
れ、この赤外線入射窓１８には、窓部材２０が取り付け
られる。窓部材２０は、たとえばシリコンやゲルマニウ
ムなどの赤外線透過材料で形成される。さらに、ケース
１２の下部には、複数の外部端子２２が延びるように形
成される。

【００１５】センサ部１６は、図３に示すように、第１
の焦電体センサ素子２４と第２の焦電体センサ素子２６
とを含む。第１の焦電体センサ素子２４は、たとえば矩
形板状の焦電体２８を含む。焦電体２８の一方面上に
は、互いに間隔を隔てて、電極３０ａ，３０ｂが形成さ
れる。これらの電極３０ａ，３０ｂは、細い電極３２に
よって接続される。さらに、焦電体２８の他方面上に
は、電極３０ａ，３０ｂに対向する位置に、電極３４
ａ，３４ｂが形成される。

【００１６】第２の焦電体センサ素子２６は、たとえば
矩形板状の焦電体３６を含む。焦電体３６の一方面上に
は、互いに間隔を隔てて、電極３８ａ，３８ｂが形成さ
れる。これらの電極３８ａ，３８ｂは、細い電極４０に
よって接続される。さらに、焦電体３６の他方面上に
は、電極３８ａ，３８ｂに対向する位置に、電極４２
ａ，４２ｂが形成される。第１の焦電体センサ素子２４
と第２の焦電体センサ素子２６とは積層され、第１の焦
電体センサ素子２４が、赤外線入射窓１８の窓部材２０
側に配置される。

【００１７】第１の焦電体センサ素子２４の焦電体２８
としては、たとえば焦電性有機フィルムのような赤外線
を透過し、かつチョッピング周波数において、図４のａ
に示すような低周波感度の低い材料が用いられる。この
ような材料の具体例としては、たとえばフッ化ビニリデ
ンの重合体、フッ化ビニリデンと３フッ化エチレンのラ
ンダム共重合体、フッ化ビニリデンと４フッ化エチレン
のランダム共重合体、シアノビニリデンと酢酸ビニルの
交互共重合体などの焦電性有機フィルムが使用可能であ
る。また、チタン酸鉛系，ＰＺＴ系の材料によるセラミ
ックス薄膜も、ある程度赤外線を透過するため使用可能
である。さらに、タンタル酸リチウム，ニオブ酸リチウ
ムなどの単結晶材料も、鏡面研磨処理などを行うと赤外
線を透過するので使用可能である。

【００１８】また、第２の焦電体センサ素子２６の焦電
体３６の材料としては、たとえばＰＺＴに代表される焦
電体セラミックスなどの、図４のｂに示すような低周波
感度の高い材料が用いられる。なお、焦電体３６として
は、焦電体２８より低周波感度の高い材料であれば、セ
ラミックスにこだわらず、ＬｉＴａＯ₃などの単結晶、
焦電性有機薄膜、セラミックス薄膜でもかまわない。ま
た、焦電体２８と焦電体３６とが同じ焦電性有機フィル
ムであっても、フィルムの厚みその他の条件を変更し
て、低周波感度を向上させることにより、第２の焦電体
センサ素子２６の焦電体３６として使用可能である。こ
のような材料の具体例としては、たとえばチタン酸ジル
コン酸鉛およびこれに各種添加物を加えたもの、チタン
酸鉛およびこれに各種添加物を加えたもの、タンタル酸
リチウム，ニオブ酸リチウムの単結晶などの強誘電体単
結晶およびセラミックスが使用可能である。また、これ
らの材料で形成された焦電性有機フィルムなども使用可
能である。

【００１９】第１の焦電体センサ素子２４と第２の焦電
体センサ素子２６を配置する際、それぞれの焦電体２
８，３６の分極方向が互いに逆方向となるように配置さ
れる。つまり、図５の矢印に示すように、たとえば焦電
体２８が電極３４ａ，３４ｂ側から電極３０ａ，３０ｂ
側に向かって分極している場合、焦電体３６は電極３８
ａ，３８ｂ側から電極４２ａ，４２ｂ側に向かって分極
される。第１の焦電体センサ素子２４の電極３４ａ，３
４ｂと第２の焦電体センサ素子２６の電極４２ａ，４２
ｂは並列に接続される。電極３４ａ，４２ａは接地さ
れ、電極３４ｂ，４２ｂはＦＥＴ４６のゲートに接続さ
れ、これらの間に抵抗４４が接続される。ＦＥＴ４６
は、ソースフォロア回路として用いられる。したがっ
て、第１の焦電体センサ素子２４および第２の焦電体セ
ンサ素子２６の出力信号は、合成されてＦＥＴ４６のゲ
ートに入力される。なお、抵抗４４やＦＥＴ４６などに
よる回路は、検出回路部１４に形成される。

【００２０】赤外線入射窓１８から入射した赤外線は、
第１の焦電体センサ素子２４で検知されるとともに、第
１の焦電体センサ素子２４を透過して、第２の焦電体セ
ンサ素子２６に達する。ここで、検知対象物の動きが速
い場合、第１の焦電体センサ素子２４の感度と第２の焦
電体センサ素子２６の感度がほぼ同じであるため、図６
に示すように、ほぼ同じレベルの出力が得られる。ただ
し、第１の焦電体センサ素子２４と第２の焦電体センサ
素子２６とは、その分極方向が逆となるように配置され
ているため、出力信号の位相は逆となる。これらの出力
信号が合成されてＦＥＴ４６に入力されるため、２つの
出力信号が相殺されて、ＦＥＴ４６への入力信号はほぼ
０になる。したがって、動きの速い検知対象物について
は、ＦＥＴ４６からは信号が出力されない。

【００２１】また、動きの遅い検知対象物については、
図４に示すように、第１の焦電体センサ素子２４と第２
の焦電体センサ素子２６とでチョッピング周波数特性が
異なるため、図７に示すように、２つの出力信号にレベ
ル差がある。そのため、これらの信号が合成されても相
殺されず、ＦＥＴ４６にはあるレベルの信号が入力され
る。それによって、ＦＥＴ４６から信号が出力され、検
出対象物の微動が検出される。このようにして、この焦
電型赤外線センサ１０では、検知対象物の微動のみを検
出することができる。図４に示すような特性を有する焦
電体センサ素子２４，２６を用いた場合、約０．７Ｈｚ
以下のゆっくりした動きのみを検出することができる。

【００２２】このように、この焦電型赤外線センサ１０
は、低周波の動きを検出することができるが、このよう
なセンサでは、雰囲気温度の変化などの誤動作の原因と
なるエネルギー変化についても検出しやすくなる。しか
しながら、この焦電型赤外線センサ１０では、焦電体に
２対の電極を形成した第１および第２の焦電体センサ素
子２４，２６を使用している。そのため、図８に示すよ
うに、第１の焦電体センサ素子２４は、互いに逆向きに
分極された２つの焦電体センサ素子を直列接続している
のと等価となる。同様に、第２の焦電体センサ素子２６
も、互いに逆向きに分極された２つの焦電体センサ素子
を直列接続しているのと等価となる。そのため、第１お
よび第２の焦電体センサ素子２４，２６の電極形成部に
同時に赤外線エネルギーが与えられた場合、発生した信
号がそれぞれの素子内で相殺され、２つの焦電体センサ
素子２４，２６からは信号が出力されない。このような
相殺効果により、雰囲気温度の変化などによる誤動作を
起こしにくい焦電型赤外線センサ１０を得ることができ
る。

【００２３】この焦電型赤外線センサ１０では、従来の
チョッパー方式などのように、機械的な動作部分がない
ため、小型にすることができ、しかも消費電力が大きく
ならない。また、機械的な動作部分がないため、磨耗な
どの心配がなく、長期信頼性を得ることができる。

【００２４】なお、２つの焦電体センサ素子２４，２６
の出力信号を合成するために、図９に示すように、それ
ぞれの焦電体センサ素子２４，２６をＦＥＴ５０，５２
に接続してもよい。そして、２つのＦＥＴ５０，５２の
出力信号を合成すれば、検知対象物の速い動きに対する
信号は相殺されるが、遅い動きに対する信号は相殺され
ず、検知対象物の微動のみを検出することができる。

【００２５】また、第１の焦電体センサ素子２４および
第２の焦電体センサ素子２６を積層せず、図１０に示す
ように、並列に配置してもよい。この場合、２つの焦電
体センサ素子２４，２６の高さに差があってもよいが、
図１０のＸ方向にずれてはならない。なぜならば、速い
動きに対する出力信号を合成して相殺するためには、第
１および第２の焦電体センサ素子２４，２６の電極３０
ａ形成部分および電極３８ａ形成部分に同時に赤外線エ
ネルギーが与えられ、また電極３０ｂ形成部分および電
極３８ｂ形成部分に同時に赤外線エネルギーが与えられ
る必要があるからである。つまり、この焦電型赤外線セ
ンサ１０は、Ｘ方向の動きを検知するためのものであ
る。Ｙ方向の動きについては、電極３０ａ，３０ｂ形成
部分に同時に赤外線エネルギーが与えられ、また電極３
８ａ，３８ｂ形成部分に同時に赤外線エネルギーが与え
られるため、それぞれの焦電体センサ素子２４，２６に
おいて出力信号が相殺される。

【００２６】Ｙ方向の動きを検出するためには、図１１
に示すように、焦電体の両面において対向する１対の電
極を形成した焦電体センサ素子５４，５６，５８，６０
を使用することができる。この場合、Ｘ方向およびＹ方
向の両方について、異なる分極方向となるように４つの
焦電体センサ素子５４，５６，５８，６０を配置すれ
ば、人体の移動の検知は多少難しくなるが、Ｘ方向およ
びＹ方向の両方について微動検知が可能である。

【００２７】また、図１２に示すように、第１および第
２の焦電体センサ素子２４，２６は、３対以上の電極を
形成した多素子のものを使用してもよい。素子の配置と
しては、一直線状の配置でもよいし、２×２や４×４の
２次元配置でもよいし、２次元配置を３次元方向にずら
した３次元配置でもよい。ただし、この場合、１焦電素
子より複数のソースフォロア回路が独立に出るとき、上
段側と下段側で向かい合った電極については、同じソー
スフォロア回路に入力される必要がある。このような焦
電型赤外線センサ１０においても、検知対象物の微動を
検出することができる。

【００２８】さらに、第１および第２の焦電体センサ素
子２４，２６としては、焦電体に１対の電極を形成した
シングル素子を使用してもよい。この場合でも、検知対
象物の微動を検出することができる。ただし、この場
合、雰囲気の温度変化などに対して、それぞれの焦電体
センサ素子２４，２６の出力信号相殺効果がないため、
誤動作の発生が起こり得る。

【００２９】なお、２つの焦電体センサ素子２４，２６
を積層する場合、これらの間隔をあけずに配置してもよ
い。この場合、２つの焦電体センサ素子２４，２６を単
純に重ねてもよいし、電極以外の部分を接着してもよ
い。また、２つの焦電体センサ素子２４，２６を一体的
に成形してもよい。このように、２つの焦電体センサ素
子の間隔をあけない場合、熱の拡散や伝導の問題から、
これらの焦電体センサ素子２４，２６の間の最適条件
は、間隔をあけた場合とは変わってくる。このように、
２つの焦電体センサ素子２４，２６の間隔をあけない場
合、両方に赤外線エネルギーの入射が同一に起こり、低
周波の動きに対する検知を確実に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の焦電型赤外線センサの一例を示す斜
視図である。

【図２】図１に示す焦電型赤外線センサの内部を示す図
解図である。

【図３】図１に示す焦電型赤外線センサのセンサ部を示
す図解図である。

【図４】図３に示すセンサ部の中の２つの焦電体センサ
素子の特性を示すグラフである。

【図５】図１に示す焦電型赤外線センサの回路を示す図
解図である。

【図６】高周波の動きに対する各部の出力信号を示す波
形図である。

【図７】低周波の動きに対する各部の出力信号を示す波
形図である。

【図８】図５に示す回路を解析するための等価回路図で
ある。

【図９】この発明の焦電型赤外線センサの他の例を示す
回路図である。

【図１０】複数の焦電体センサ素子の配置の他の例を示
す斜視図である。

【図１１】複数の焦電体センサ素子の配置のさらに他の
例を示す斜視図である。

【図１２】複数対の電極を形成した焦電体センサ素子を
用いた例を示す斜視図である。

【符号の説明】

１０焦電型赤外線センサ１２ケース１４検出回路部１６センサ部１８赤外線入射窓２０窓部材２４第１の焦電体センサ素子２６第２の焦電体センサ素子４６ＦＥＴ５０ＦＥＴ５２ＦＥＴ５４，５６，５８，６０焦電体センサ素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】焦電体の両面に電極が形成された低周波
の動きに対して感度の低い第１の焦電体センサ素子、焦電体の両面に電極が形成された前記第１の焦電体セン
サ素子に比べて低周波の動きに対して感度の高い第２の
焦電体センサ素子、および前記第１の焦電体センサ素子
の出力信号と前記第２の焦電体センサ素子の出力信号と
を合成するための合成手段を含み、前記第１の焦電体センサ素子の焦電体の分極方向と前記
第２の焦電体センサ素子の焦電体の分極方向とが、赤外
線受光面に対して互いに逆向きに配置された、焦電型赤
外線センサ。
【請求項２】前記第１の焦電体センサ素子と前記第２
の焦電体センサ素子とが積層され、前記第１の焦電体セ
ンサ素子および前記第２の焦電体センサ素子の中の赤外
線を直接受けるほうの材料が赤外線透過性材料で形成さ
れた、請求項１に記載の焦電型赤外線センサ。
【請求項３】前記第１の焦電体センサ素子と前記第２
の焦電体センサ素子とが互いに並列に配置される、請求
項１に記載の焦電型赤外線センサ。
【請求項４】前記第１の焦電体センサ素子の出力信号
と前記第２の焦電体センサ素子の出力信号とが、ＦＥＴ
で形成された１つのソースフォロア回路に入力されるこ
とによって前記合成手段が形成される、請求項１ないし
請求項３のいずれかに記載の焦電型赤外線センサ。
【請求項５】前記第１の焦電体センサ素子の出力信号
および前記第２の焦電体センサ素子の出力信号が、ＦＥ
Ｔで形成された２つのソースフォロア回路に入力され、
前記２つのソースフォロア回路の出力信号が合成される
ことによって前記合成手段が形成される、請求項１ない
し請求項３のいずれかに記載の焦電型赤外線センサ。