JPH116762A - 焦電型赤外線センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は焦電体により赤外線を検出する焦電
型赤外線センサに関するものであり、広範囲な検知領域
を持ち、かつ小型の焦電型赤外線センサを提供すること
を目的とする。 【解決手段】 赤外線５を検知する焦電体よりなる受光
部１と、前記受光部１を内蔵した開口部３に赤外線透過
窓４を有する封止缶２と、前記封止缶２の上部に位置し
少なくとも２個以上の回折光学素子を有する回折光学素
子アレイ６とを備え、前記受光部は少なくとも２個以上
の領域に分割され、各々の受光部がある傾きを持って実
装されていることを特徴とし、この構成によって、より
広範囲な検知領域を持ち、かつ小型のセンサを実現でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、焦電体により赤外
線を検出す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】近年、焦電型赤外線センサは非接触で物
体の検知や温度検出ができる点を生かして、電子レンジ
の調理物の温度測定、エアコンの室内温度制御あるいは
自動ドア、警報装置での人体検知等に利用されており、
今後その利用範囲は拡大していくと思われる。

【０００３】焦電型赤外線センサは、ＬｉＴａＯ₃単結
晶などの焦電効果を利用したものである。焦電体は自発
分極を有しており常に表面電荷が発生するが、大気中に
おける定常状態では大気中の電荷と結び付いて電気的に
中性を保っている。これに赤外線が入射すると焦電体の
温度が変化し、これに伴い表面の電荷状態も中性状態が
壊れて変化する。このときに表面で発生する電荷を検出
し、赤外線入射量を測定するのが焦電型赤外線センサで
ある。一般に物体はその温度に応じた赤外線を放出して
おり、この焦電型赤外線センサを用いることにより物体
の存在や温度を検知できる。

【０００４】以下に従来の焦電型赤外線センサについて
説明する。図７は従来の焦電型赤外線センサの概略を示
すものである。赤外線２５を検知する例えばセラミック
を材料とする焦電体よりなる受光部２１と、受光部２１
を外乱光及び電磁ノイズから保護する封止缶２２と、こ
の封止缶２２の開口部２３に取り付けられた赤外線透過
窓２４と、封止缶２２の外側に位置し検知領域内に侵
入、または検知領域内で移動する検知対象物体により放
射された赤外線２５を受光部２１上の焦電体に集光させ
る回折光学素子アレイ２６より構成されている。

【０００５】前記回折光学素子アレイ２６は広範囲に赤
外線２５を検出するため複数の回折光学素子により構成
され、各々の回折光学素子の光軸は例えば図に示すよう
に検知領域を一定間隔に各々の素子が視野を有するよう
に分散している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の構成では、回折光学素子アレイ２６の外側に位置す
る回折光学素子により集光される赤外線量は回折光学素
子アレイ２６及び受光部２１の有効受光面積が減少する
ため、中心近辺に位置する回折光学素子により集光され
る赤外線量と比べるとどうしても少なくなるとともに、
検知領域内を移動する対象物体を常に同一感度で検知す
るためには回折光学素子アレイ２６の中心から外側にい
くにつれ回折光学素子の面積を徐々に大きくし、感度補
正しなければならず、そのためどうしても回折光学素子
アレイの面積は大きくなり、結果として赤外線センサの
大型化、高コスト化といった問題を引き起こすものであ
った。

【０００７】本発明は前記従来の課題を解決するもの
で、より広範囲な検知領域を持ち、かつ小型の焦電型赤
外線センサを提供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明は、赤外線を検知する焦電体よりなる受光部
と、この受光部を内蔵し開口部に赤外線透過窓を有する
封止缶と、少なくとも２個以上の回折光学素子を有する
回折光学素子アレイとを備えており、前記受光部は少な
くとも２個以上の領域に分割され、各々の受光部はある
傾きを持って実装されている。この構造により、このセ
ンサに対して斜入射となる赤外線に対し受光部の有効受
光面積が大きくなるため、各々の回折光学素子の面積比
を変えることによる感度補正がほとんど必要なくなる。
結果として広範囲な検知領域を有する小型の焦電型赤外
線センサを実現することが可能となる。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、赤外線を検知する焦電体よりなる受光部と、この受
光部を内蔵し開口部に赤外線透過窓を有する封止缶と、
少なくとも２個以上の回折光学素子を有する回折光学素
子アレイとを備えており、前記受光部は少なくとも２個
以上の領域に分割され、各々の受光部はある傾きを持っ
て実装されている。この構造により、このセンサに対し
斜入射となる赤外線に対し受光部の有効受光面積が大き
くなるため、結果として広範囲な検知領域を有する小型
の焦電型赤外線センサを実現することが可能となる。

【００１０】本発明の請求項２に記載の発明は、赤外線
を検知する焦電体よりなる受光部と、この受光部を内蔵
し開口部に赤外線透過窓を有する封止缶と、少なくとも
２個以上の回折光学素子を有する回折光学素子アレイと
を備えており、前記回折光学素子アレイは少なくとも２
個以上の領域に分割され、各々の回折光学素子部はある
傾きを持って実装されている。この構造により、このセ
ンサに対し斜入射となる赤外線に対し回折光学素子部の
有効受光面積が大きくなるため、結果として広範囲な検
知領域を有する小型の焦電型赤外線センサを実現するこ
とが可能となる。

【００１１】本発明の請求項３に記載の発明は、赤外線
を検知する焦電体よりなる受光部と、この受光部を内蔵
し開口部に赤外線透過窓を有する封止缶と、少なくとも
２個以上の回折光学素子を有する回折光学素子アレイと
を備えており、前記受光部及び回折光学素子アレイは少
なくとも２個以上の領域に分割され、各々の受光部及び
回折光学素子部はある傾きを持って実装されている。こ
の構造により、このセンサに対し斜入射となる赤外線に
対し受光部及び回折光学素子部の有効受光面積が大きく
なるため、結果として広範囲な検知領域を有する小型の
焦電型赤外線センサを実現することが可能となる。

【００１２】本発明の請求項４に記載の発明は、請求項
１から３のいずれか１つに記載の構成において赤外線透
過窓として回折光学素子アレイを用いたもので、超小
型、低コストを実現できるものである。

【００１３】本発明の請求項５に記載の発明は、請求項
１から４のいずれか１つに記載の構成において回折光学
素子として、その位相変調量に応じた凹凸を有する回折
光学レンズを用いたもので、回折効率の高い光学系とな
り、高出力な焦電型赤外線センサを実現できるものであ
る。

【００１４】本発明の請求項６に記載の発明は、請求項
５に記載の構成において回折光学レンズの凹凸の形状を
階段状としたもので、回折効率をほとんど低下させるこ
となく、例えばエッチングにより高精度で非常に容易に
作製でき、かつ低コスト化できるものである。

【００１５】（実施の形態１）以下本発明の第１の実施
の形態について図面を参照しながら説明する。図１は本
発明の第１の実施の形態における焦電型赤外線センサの
概略断面図を示すものである。少なくとも２個以上（例
えば３個）の回折光学素子を有する例えばシリコンを材
料とした回折光学素子アレイ６と、赤外線５を検知する
少なくとも２個以上（例えば３個）の焦電体がある傾き
を持って（例えば入射赤外線に対し垂直に）実装されて
いる受光部１と、受光部１を外乱光及び電磁ノイズから
保護する開口部３を有する封止缶２と、この封止缶２の
開口部３を覆うように封着された例えばシリコンを材料
とした赤外線透過窓４により構成されている。

【００１６】以上のように構成された焦電型赤外線セン
サについて、その動作を説明する。まず、回折光学素子
アレイ６と受光部１により形成される検知視野に検知対
象物が侵入する場合、その検知対象物より放出された赤
外線５は回折光学素子アレイ６を構成する回折光学素子
により受光部１に集光する。このとき受光部１を構成す
る焦電体の温度が変化し、これに伴い表面の電荷状態も
中性状態が壊れて変化する。このときに表面に発生する
電荷を検出することにより、検知対象物の存在を検知す
る。

【００１７】一般に図７に示すような光学系を考えた場
合、角度θで斜入射する赤外線に対して受光部２１の有
効受光面積はｃｏｓθ倍となるため、垂直入射する赤外
線と比較すると、その量はｃｏｓθ倍となる。このた
め、検知領域内を移動する対象物体を常に同一感度で検
知するためには回折光学素子アレイ２６の中心から外側
にいくにつれ回折光学素子の面積を徐々に大きくし、感
度補正しなければならず、結果として赤外線センサの大
型化、高コスト化といった問題を引き起こす。

【００１８】本実施の形態においては、角度θで斜入射
する赤外線に対してできるだけ垂直に近づくような角度
で受光部１を実装する構造にしており、受光部１の有効
受光面積が大きくなるため、回折光学素子アレイ６の各
々の回折光学素子の面積比を変えることによる感度補正
がほとんど必要なくなり、結果として広範囲な検知領域
を有する小型の焦電型赤外線センサを実現することが可
能となる。

【００１９】（実施の形態２）以下本発明の第２の実施
の形態について図面を参照しながら説明する。図２は本
発明の第２の実施の形態における焦電型赤外線センサの
概略断面図を示すものである。第１の実施の形態と異な
るのは、受光部７が１つの焦電体により構成されている
点、及び少なくとも２個以上（例えば３個）の回折光学
素子を有する回折光学素子アレイ８が少なくとも２個以
上の領域に分割され、各々の回折光学素子部はある傾き
を持って（例えば入射赤外線に対し垂直に）実装されて
いる点である。

【００２０】以上のように構成された焦電型赤外線セン
サについて、その動作を説明する。まず、回折光学素子
アレイ８と受光部７により形成される検知視野に検知対
象物が侵入する場合、その検知対象物より放出された赤
外線５は回折光学素子アレイ８を構成する回折光学素子
により受光部７に集光する。このとき受光部７を構成す
る焦電体の温度が変化し、これに伴い表面の電荷状態も
中性状態が壊れて変化する。このときに表面に発生する
電荷を検出することにより、検知対象物の存在を検知す
る。

【００２１】一般に図７に示すような光学系を考えた場
合、角度θで斜入射する赤外線に対して回折光学素子ア
レイ２６の有効受光面積はｃｏｓθ倍となるため、垂直
入射する赤外線と比較すると、その量はｃｏｓθ倍とな
る。そのため、回折光学素子アレイ２６の外側に位置す
る回折光学素子により集光される赤外線量は中心に位置
する回折光学素子により集光される赤外線量と比較する
とｃｏｓθ倍の量になる。検知領域内を移動する対象物
体を常に同一感度で検知するためには回折光学素子アレ
イ２６の中心から外側にいくにつれ回折光学素子の面積
を徐々に大きくし、感度補正しなければならない。この
ためどうしても回折光学素子アレイの面積は大きくな
り、結果として赤外線センサの大型化、高コスト化とい
った問題を引き起こす。

【００２２】本実施の形態においては、角度θで斜入射
する赤外線に対してできるだけ垂直に近づくような角度
で回折光学素子部を実装する構造にしており、回折光学
素子部の有効受光面積が大きくなるため、回折光学素子
アレイ８の各々の回折光学素子の面積比を変えることに
よる感度補正がほとんど必要なくなり、結果として広範
囲な検知領域を有する小型の焦電型赤外線センサを実現
することが可能となる。

【００２３】（実施の形態３）以下本発明の第３の実施
の形態について図面を参照しながら説明する。図３は本
発明の第３の実施の形態における焦電型赤外線センサの
概略断面図を示すものである。第１及び２の実施の形態
と異なるのは、受光部９及び回折光学素子アレイ１０が
少なくとも２個以上（例えば３個）の領域に分割され、
各々の受光部及び回折光学素子部がある傾きを持って
（例えば入射赤外線に対し垂直に）実装されている点で
ある。

【００２４】以上のような構成にすることにより角度θ
で斜入射する赤外線に対し受光部及び回折光学素子部の
有効受光面積が大きくなるため、回折光学素子アレイ１
０の各々の回折光学素子の面積比を変えることによる感
度補正がほとんど必要なくなり、結果として広範囲な検
知領域を有する小型の焦電型赤外線センサを実現するこ
とが可能となる。

【００２５】（実施の形態４）以下本発明の第４の実施
の形態について図面を参照しながら説明する。図４は本
発明の第４の実施の形態における焦電型赤外線センサの
概略断面図を示すものである。その構成について前記実
施の形態１，２及び３と異なるのは、赤外線透過窓上に
回折光学素子アレイ１１を直接設けたという点である。
このような構成にすることにより外部回折光学素子アレ
イが不要となるため、超小型、低コストで広範囲な検知
領域を有し、かつ一体化することにより透過率が向上し
高出力が得られる焦電型赤外線センサを実現できる。

【００２６】（実施の形態５）以下本発明の第５の実施
の形態について図面を参照しながら説明する。図５は本
発明の第５の実施の形態における焦電型赤外線センサの
概略断面図を示すものである。その構成について前記実
施の形態１，２，３及び４と異なるのは、回折光学素子
アレイに回折光学レンズアレイ１３を用いたという点で
ある。

【００２７】この回折光学レンズアレイ１３の断面は鋸
歯形状であり、この形状は設計波長に対しレンズの位相
変調量に応じた凹凸であり、回折現象によりこの回折光
学レンズアレイ１３を通過した赤外線５は受光部１４に
集光するようになっている。本実施の形態では回折光学
素子アレイに回折効率が理論的に１００％である高効率
な回折光学レンズアレイ１３を用いることにより、集光
する赤外線５の光量が増加し、焦電型赤外線センサの感
度を向上させることが可能となる。

【００２８】（実施の形態６）以下本発明の第６の実施
の形態について図面を参照しながら説明する。図６は本
発明の第６の実施の形態における回折光学レンズの拡大
説明図を示すものである。その構成について前記実施の
形態１，２，３，４及び５と異なるのは回折光学レンズ
の断面形状をレンズの位相変調量に応じた凹凸１５に内
接するように例えばその段数を８とした階段形状１６に
近似した点である。

【００２９】このような形状の回折光学レンズでは回折
効率をほとんど低下させることなく（段数が８の場合の
回折効率は約９５％）、例えばエッチングにより高精度
で非常に容易に作製することが可能となる。

【００３０】なお、前記実施の形態１〜６に記載の構成
において受光部としてＬａまたはＭｇを少なくとも１種
類含むＰｂＴｉＯ₃薄膜を材料として用いた場合、従来
のセラミックタイプと比べＳ／Ｎが１０倍良好でセンサ
の高感度化、受光部の小型化が可能となり、それに比例
して回折光学素子が短焦点化できるため、結果としてセ
ンサ自体の小型化、低コスト化が実現できることはいう
までもない。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明は、受光部または回
折光学素子アレイを斜入射する赤外線に対しできるだけ
垂直になるように実装することにより有効受光面積を増
大させ、結果として広範囲な検知領域を有する小型の焦
電型赤外線センサを実現することが可能となる。また、
回折光学素子アレイとして回折光学レンズアレイを用い
ることにより、より高出力の焦電型赤外線センサを実現
することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態における焦電型赤外
線センサの概略断面図

【図２】本発明の第２の実施の形態における焦電型赤外
線センサの概略断面図

【図３】本発明の第３の実施の形態における焦電型赤外
線センサの概略断面図

【図４】本発明の第４の実施の形態における焦電型赤外
線センサの概略断面図

【図５】本発明の第５の実施の形態における焦電型赤外
線センサの概略断面図

【図６】本発明の第６の実施の形態における回折光学レ
ンズの概略説明図

【図７】従来の焦電型赤外線センサの概略断面図

【符号の説明】

１ 受光部 ２ 封止缶 ３ 開口部 ４ 赤外線透過窓 ５ 赤外線 ６ 回折光学素子アレイ ７ 受光部 ８ 回折光学素子アレイ ９ 受光部 １０ 回折光学素子アレイ １１ 回折光学素子アレイ １２ 受光部 １３ 回折光学レンズアレイ １４ 受光部 １５ 位相変調量に応じた凹凸 １６ 階段形状

フロントページの続き (72)発明者 野村 幸治 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 赤外線を検知する焦電体よりなる受光部
   と、この受光部を内蔵し開口部に赤外線透過窓を有する
   封止缶と、前記封止缶の上部に位置し少なくとも２個以
   上の回折光学素子を有する回折光学素子アレイとを備
   え、前記受光部は少なくとも２個以上の領域に分割さ
   れ、各々の受光部がある傾きを持って実装されているこ
   とを特徴とする焦電型赤外線センサ。
2. 【請求項２】 赤外線を検知する焦電体よりなる受光部
   と、この受光部を内蔵し開口部に赤外線透過窓を有する
   封止缶と、前記封止缶の上部に位置し少なくとも２個以
   上の回折光学素子を有する回折光学素子アレイとを備
   え、前記回折光学素子アレイは少なくとも２個以上の領
   域に分割され、各々の回折光学素子部がある傾きをもっ
   て実装されていることを特徴とする焦電型赤外線セン
   サ。
3. 【請求項３】 赤外線を検知する焦電体よりなる受光部
   と、この受光部を内蔵し開口部に赤外線透過窓を有する
   封止缶と、前記封止缶の上部に位置し少なくとも２個以
   上の回折光学素子を有する回折光学素子アレイとを備
   え、前記受光部及び回折光学素子アレイが少なくとも２
   個以上の領域に分割され、各々の受光部及び回折光学素
   子部がある傾きをもって実装されていることを特徴とす
   る焦電型赤外線センサ。
4. 【請求項４】 焦電型赤外線センサの赤外線透過窓とし
   て回折光学素子アレイを用いた請求項１から３のいずれ
   か１つに記載の焦電型赤外線センサ。
5. 【請求項５】 回折光学素子アレイとして回折光学レン
   ズアレイを用い、前記回折光学レンズはその位相変調量
   に応じた凹凸を有することを特徴とする請求項１から４
   のいずれか１つに記載の焦電型赤外線センサ。
6. 【請求項６】 凹凸の形状が階段状であることを特徴と
   する請求項５記載の焦電型赤外線センサ。