JPS5868631A - 赤外線検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は赤外線放射体の赤外線放射エネルギ〜を検出
可能な赤外線検出装置に関するものであるＯ 従来赤外領域の検出にはＣｄＨｇＴｅ、　８ｉ、　Ｐｂ
Ｓなどの半導体で代表される量子縁のものと、サーミス
タ、ホロメータ、ゴレイセル、サーモパイル、焦電体な
どで代表される熱型のものが実用化されている。

このうち量子型のものは特定波長でのみ大きな感度があ
り、しかも充分な感度を得るためｔこは液体窒素１１度
（７７’ｋ　）や液体ヘリウム温度（４°ｋ）に冷却す
ることが必要で、携帯することが不可能なばかりでなく
長時間使用すると冷却のためのコストが非常に高価なも
のになり、民生機器に利用するのが難しい欠点があった
。一方、熱型のものは量子型のような冷却が不要で、し
かも特定の波長のみで大きな感度をもつようなことがな
く　ＳＯμｍ以上の波長の赤外線までも平担な感度の波
長特性をもつ長所を有している。また上述したように冷
却の必要がないため小型軽量の構成にでき、しかも構造
を簡単にできるので製造コストも緻子形に比較して大幅
に安くでき、検出器の稼動コストも安くできる。このよ
うな長所は民生機器には最適で−あり家庭用防犯機器、
電子レンジ、照明器等に夷；℃１゜ 開化されている。中でも焦電型検出器は他の熱型検出器
に比べ時定数が小さく、またサーミスタボロメータのよ
うに温度補償用のサーミスタと対にする必要もないとい
う長所を屯ち、低コストで小型、軽量であるばかりか長
波長赤外線も検出できるということで急速に脚光を浴び
ている。

ところが、以上述べた従来の赤外線検出４は量子型、熱
型を問わず以下のような欠点がある。すなわち、従来の
赤外線検出器はいずれも赤外線エネルギーを電気エネル
ギーに変換するものだが。

かかる赤外線エネルギーは検出４の受光面におけるエネ
ルギーで赤外線放射源のエネルギーを示していない。こ
のことは−例として遠距離ζこある高温物体と近距離に
ある低温物体から検出器の受光面に入射するエネルギー
が等しくなる場合には誤動作の原因となる。つまり一例
として炎検知に用いた時、炎の発生を検知するのが目的
でありながら、検出器の前を人が横切った時ｌこも電気
信号を出してしまうことがあり、また他の例として電子
レンジに取付け、料理物の表面温度を検知する場合で、
料理物の表面の凹凸が大きく、又ムラの無いこげ方にす
る為に料理物を回転させる様な場合。

料理物の表面と検出器間の距離は常に変化していて、充
分焼けていなくても凸部が検出器の直下に来た場合、凹
部に充分焼けた料理物があるのと同じ出力を出してしま
うことなどが考えられる。

大きな要因から成り立っている為である。したキ。

って、もし距離がわかれば上記の様な誤動作は１′げろ
ことになるが、従来の上記の様な応用に用いる赤外線検
出器には測距機能が付加されていないのが普通である。

一方、放射温度計などの測定器の分野ではゲルマニウム
、シリコン、Ｋμｓ等赤等線外線透過材料なるレンズを
用い、このレンズ位置を移動させながら検出器の出力を
見て、これが最大になった時のレンズと検出器の受光面
間距＊、レンズの焦点距離からレンズ−放射体間距離を
測定し、この距離と温度のわかっている参照用赤外線放
射体からの入力エネルギーで較正された信号とで熱源の
放射温度を知るようにしたものがある。

ところが、このような赤外線透過形のレンズ系は非常に
高価で、もき４と装置全体の価格が高いものであればそ
のコストを吸収できるが、家庭内で使用する民生用機器
に取付けるには高価すぎ。

このことが炎検知、侵入者検知や電子レンジの料理物の
測温に付加できない理由の１つであった。

また、もう１つの理由として例えば侵入者検知に用いら
れる赤外線検知器を例にとると、このものは数ｍ以との
検知距離能力を得るのに高価なレンズの代わりに凹面鏡
が用いられるが、この場合第１図に示すように凹面鏡１
の焦点２上に検出器受光面３を配置し、凹面鏡１に入射
した平行光線４を検出器受光面３に収束し結像し、検出
器の出力として凹面ｉＩｌの直径に等しい平行光線束の
中にある赤外線放射体つまり発熱物体５に関する信号を
得るようにしている。このような構成において物体５の
放射エネルギ一つまり表面温度を知るには検出器の出力
に加え受光面３と物体５の間の距離がわかればよい。そ
こでかかる距離の測定手段としてレンズを用いた光学系
６を付加することが考えられるが、このものはコストが
高くなるだけでなく光学系６の光軸７と、検出器受光面
３と凹面！！１の光軸８を一致させるのが構造上不可能
なので光軸８）１．にある物体５に光軸７があたるよう
えない赤外領域−こ相当するものであれば可視用のし光
学系６では測定不可能になる欠点があった。以上が測距
機能を付加できないもう一つの理由であった。

この発明は上記欠点を除去するためなされたもので、赤
外線検出手段と同軸上に超音波により検出器と赤外線放
射体との間の距離を測定する手段を付加することにより
赤外線放射体の放射エネｌレギ一つまり発熱温度を簡檗
に且つ確実に測定できる赤外線検出装置を提供すること
を目的とする。

以下、この発明の一実施例を図面に従い説明する。

第２図において、１１は凹面鏡で、この凹面鏡１１の焦
点１２上に検出器１３を配置している。

この場合、検出器１３は第３図に示すように構成してい
る。図１ｃＥいて１４はＥ方を開口したケースで、この
ケース１４は底面に突出部１４１を有している。この突
出部１４１に超音波送受信素子例えば互に分極軸が逆方
向−どなるようにＰＺＴなどの圧電体番貼合せてなる圧
電バイモルフ１５を設け。

この圧電バイモルフ１５上にケース１４の開口に向は音
響ホーン１６を設け、そして圧電バイモルフ１５のリー
ド線１７．１７を端子１８，１８を介してケース１４外
部に導出し、これら圧電バイモルフ１５音響ホーン１６
、圧電バイモルフ１５とケース１４の底面の間の空間が
なす背気室１９、リード線１７および端子１８により超
音波送受系を形成する。

上記音響ホーン１６上ｔζ赤外線検出素子例えば８８Ｎ
、ＬｉＴａ０．などの単結晶、ＺｎＯなどのＣ軸配向し
た薄膜、ＰＺＴ、　ＴｂＴｉ０．などの分極されたセラ
ミックなどの基体両面にＡｇ、　Ａｕ　、　Ｎｉ　−Ｃ
ｒなどの電極°を付すとと−く赤外線入射側の而に白金
黒、全黒などの赤外線吸収膜を付した焦電素子２０を設
ける。

この焦電素子２０は受光面をト記圧電バイモルフ１５と
同軸上に位置し、赤外線信号を超音波信号と同軸上で検
出できるようにしている。この場合焦電素子２０の赤外
線検出系変の周波数特性は音響ホーン１６の熱伝導率で
左右される。そしてこのような焦電素子２０の電極を同
電極上に発生する電荷を敗り出すリード線２１．２１を
介して端子２２　、２２に接続し、これら焦電素子２０
％リード線２１、端子２２により赤外線検出系を形成す
る。

仁の場合検出器１３の電気回路は第４図に示すようにな
る。

また、検出回路１３の制御回路は第５図Ｉこ示すようｔ
こ構成している。すなわち焦電東予２０にプリアンプ２
３．メインアンプ２４およびアクティブフィルタ２５を
介して直流変換器２６を接続し、この直流変換器Ｔ１６
に人り変換器２７８よび送信回路２８を接続している。

一方、圧電／イイモルフ１５に上記送信回路２８メ受信
回格２９を接続し。

これら送信回路２８８よび受信回路２９をカウンタ回路
３０に接続している。そして、上記ＡＤ変換回路２７お
よびカウンタ回路３０に演算回路３１を接続し、この演
算回路３１−こ表示回路３２および警報等駆動回路３３
を接続している。

次ｌＣ１その作用を説明する。

この場合、検出器１３は第２図に示すように凹面１１１
１の焦点１２ｈに妃電されろカＳ、このとき焦電素子２
０の受光面が光軸１２１と重直になるようにする。また
この場合、赤外線検出素子として微分型の焦電素子２０
を使用する関係で視舒内に温度物体が移動してくるか、
被検物体の温度変化がないかぎり赤外線噴出信号を発生
せず、温度の変化量があって始めて噴出信号を発生する
。したがって、このものは移動する温度物体を検知する
か、静止温度物体の前面にチ１ツバ−を配しこれによっ
て温度変化を与えて温度差を検出することが必要となる
。前者の利用方法は侵入者検知、後者は放射温度計が代
表的利用法である。

しかして、いま第２図において視野１２２内に第６図の
時刻Ｔ、で赤外線放射体例えば人間３４が入ってきたと
すると人間３４の体温に相当する赤外線（１０μｍ近く
の波長）が凹面鏡１１に入射し、ここで反射されたのち
検出３１３の焦電素子２０の受光面に入射され温度変化
を生ずる。すると、焦電素子２０の焦電効果によりｔ４
６図（ａ）に示す検出信号が発生する。この場合焦電素
子２０はインピーダンスが大きくこの検出信号をそのま
ま増巾できないので第５図に示すようにプリアンプ２３
を通してインピーダンス変換したのちメインアンプ２４
に入力する。そして、メインアンプ２４にて増巾された
信号はアクティブフィルタ２５に入力される。このフィ
ルタ２５は雑音除去のため例えばローパスフィルタが用
いられ上限周波数を視野１２２内の人間３４の移動速度
に対応して決められ通常１０ＨＩ以下をパスするように
している。な２゜静止温度物体に温度変化を与えるチ１
ツバを使用する場合はチ嘗ツバの回転周波数（通常１０
Ｈｚ藺後）を中心としたバンドパスフィルタが用いられ
る。

フィルタ２５を通した検出信号は雑蒔など目的としない
信号が除去されたのち直流変換３２６に与えられここで
直流信号に変換される。この直流れ、第６図（ｂｌに示
すようにｐＨ０−１００ＫＨｚ　程ｆ　テ数１０〜数ｘ
ｏｏｖ−ＰＰの交流信号が時間Ｔ、−Ｔ、の関だけ圧電
バイモルフ１５＋Ｃ印加される。これにより圧電バイモ
ルフ１５［振動が生じ音響ホーン１６を介して超音波信
号が空中に放射される。この超音波信号は凹面鏡１１で
反射され光軸１２１に沿って視野１２２内にいる人間鵞
４に達し、ここで反射され、再び光軸１２１に沿って進
み凹面鏡１１を介して検出器１３に入射される（＠６図
の時刻Ｔ４）。これによりこの入射超音波信号は圧電バ
イモルフ１５にで電気信号に変換され、増巾機能を有す
る受信回路２９に入力される。この受信回路２９の出力
信号はカウンタ回路３０に与えられる。

この場合、カウンタ回路３０は送信回路２８の時刻Ｔ、
での出力信号ｌこよりカウントを開始しており上記受信
回路２９の時刻Ｔ４での出力信号により力３１に与えら
れる。これにより演算回路３１にて上記カウンタ出力の
１／２に空中の音波伝播速度（＝の２乗値で上記直流変
換器２６よりＡ　Ｄ変換＋０１路２７を介してディジタ
ル信号化して与えられる焦電素子２０の検出信号を除す
るなどするこきにより人間３４の放射エネルギ一つまり
発熱温度が演算される。そしてこの演算回路３１の出力
は表示回路３２で表示され、また侵入者監視装置や炎検
知等の警報装置を利用する場合は警報等駆動回路３３を
介してベルやブザーなどが駆動される。

なお１人間３４が視野１２２から外へ出るときつまり窮
６図の時刻Ｔ、にも焦電素子２０より逆極性の出力が発
生されるが、この出力を特に利用しないときはダイオー
ドで検波すればよく、またこの１ 出力を用いれば第６図１ζ示す’＋　（−Ｔ４−ＴＩ）
から人間３４の移動速度やチヲッパーを用いる場合はこ
れの周波数などを測定することができる。

したがって、このような発明によると赤外線を検出する
焦電素子内超音波を送受信する圧電バイモルフを同軸上
に配冒した検出器を用い、赤外線放射体からの赤外線を
焦電素子で検出するとともに上記赤外線の検出路に沿っ
て上記赤外線放射体との間で送受信される超音波ｆこよ
り検出器と赤外線放射体との間の距離を測定し、もって
赤外線放射体の放射エネルギーを測定するようにしたの
で。

従来の距離測定−と高価な光学系を用いたものに比ベコ
スト的に安価にできしかも機槍的操作などの面倒な手間
がないばかりか目にみえない赤外領斌での距離測定が不
可能になることもないので赤外線放射体の放射エネルギ
ーを簡単に且つ確実に測定できる。

なお、この発明は上記実施例にのみ限定されず要旨を変
更しない範囲で適宜変形して実施できる。）例えば上述
では赤外線検出素子として両面−と電極を有する焦電素
子を用いているが、焦電素子は片面にくし形状の対向電
極を有するものでもよいし、片面全面、片面分割電極と
し、分割電極の両方から信号を取り出すようなもので本
よい。勿論焦電素子に代えて他の検出素子を用いること
もできる。

また、上述では超音波送受信素子として圧電バイモルフ
を用い、この圧電バイモルフとして分極−が互に逆にな
るように２枚の圧電体を貼り合せたシリース構造のもの
を述べたが１分極軸を同方向ｆどなるように貼合せ３端
子とするパラレル構造のものを用いることもできる。こ
の場合端子数が一本多くなる。勿論圧電バイモフに代え
て他の超音波送受信素子を用いることもできる。（に上
述では凹面鏡の焦点に検出器を配置する構成としたが。

赤外線検出素子（よる赤外線検出路と超音波の送受信路
が同軸上（こなるような構成ならば他の構成を用いるこ
ともできる。

以上述べたようにこの発明によれば赤外線検出手段と同
軸上に超音波ｌこより検出器と赤外線放射体との間の距
離を測定する手段を付加することにより赤外線放射体の
放射エネルギ一つまり発熱温度を簡単に且つ確実に測定
できる赤外線検出装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の赤外線検出装置の一例を示す概略的構成
図、第２図はこの発明の一実施例を示す概略的構成図、
第３・碩は同実脩例（こ用いられる検出器の概略的構成
図、第４図は同検出４の電気回路を示す回路図、第５図
は同検出器の制御回路を示すブロック図、第６図は同実
杓例の作用を説明するためのタイムチャートである。 １・・・凹＠鏡　　　　　２・・・焦点３・・・検出器
受光面　　４・・・半行光線５・・・物体　　　　　　
６・・・光学系７．８・・・光軸　　　　１１・・・凹
面鏡１２・・・焦点　　　　　１２１・・・光軸１２２
・・・視野　　　　　１３・・・検出器１４・・・ケー
ス　　　　１４１・・・突出部１５・・・圧電バイモル
フ　１６・・・音響ポーン１７．２１・・・リード線　
　　１８．２２・・・端子１９・・・背気室　　　　　
２ｏ・・・焦電素子２３・・・プリアンプ　　　２４・
・・メインアンプ２５・・・アクティブフィルタ ２６・・・直流変換器　　　２７・・・ＡＤ変換器２８
・・・送信回路　　　　２９・・・受信回路３０・・・
カウンタ回路　　　３１・・・演算回路３２・・・表示
回路　　　　　３３・・・警報等駆動回路３４・・・人
間 第２図 第３図　　　　　第４閃 ＋８　　　２２　　　１９

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）赤外線放射体からの赤外線を検出する赤外線検出
   素子およびこの噴出素子と同軸上に配置されるとともに
   上記赤外線の検出路に沿って上記赤外線放射体との間で
   超音波を送受信する超音波送受信素子を有する検出器と
   、上記超音波送受信素子にて送受信される超音波より上
   記検出器と赤外線放射体との間の距離を測定するととも
   に上記赤外線検出素子の検出出力によりＥ記赤外線放射
   体の赤外線放射エネルギーを演算する手段とを具備した
   ことを特徴とする赤外線検出装置。
2. （２）上記赤外線検出素子には焦電素子を用い、上記超
   音波送受信素子には圧電バイモルフを用いた仁とを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の赤外線検出装置。
3. （３）上記手段は赤外線検出素子の検出出力を増巾する
   アンプ、雑音を除去するアクティブフィルタ、上記検出
   出力を直流化する直流変換器、この直流変換器により起
   動され上記超音波送受信素子に送信出力を与える送信回
   路、上記超音波送信素子の受信出力が与えられる受信回
   路、上記送眉回路の送信出力で起動され上記受信回路の
   出力で停止されるカウンタ回路および上記カウンタ回路
   のカウンタ内容から検出器と赤外線放射体の間の距峨を
   演算するとともに上記直流変換器の出力より上記赤外４
   Ｉ放射体の赤外線放射エネルギーを演算する演算回路を
   有することを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２
   項記載の赤外線検出装置。