JPS59114422A - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、赤外線検出装置に関するものである。

（従来例の構成とその問題点） 従来、赤外線検出装置として熱型、光量子型のものが用
いられている。これらのうち、生活空間温度の測定には
５μｍ以上の波長領域で比較的感度が高く、また低価格
である熱型の検出装置が使用されている。熱型の検出装
置として代表的なものに電子レンジ、防犯用などの用途
に用いられる焦電型素子がある。その他にもサーミスタ
ボロメータ、サーモ／ぐイル等がある。しかし、これら
の装置あるいは素子は、いずれもアナログ出力を得るも
のであり、耐雑音性の面から難点があシ、ディジタル出
力を有する赤外線検出装置の出現が望まれていた。

さらに一方ではマイコンの発達によシ、直接ディジタル
信号をマイコンに入力できるような素子の出現が要望さ
れている。

（発明の目的） 本発明は、これらの要求を満足するアイノタル出力信号
を有し、しかも高感度で低価格な熱型の赤外線検出装置
を提供することを目的とするものである。

（発明の構成） 上記目的を達成するため本発明では、弾性表面波素子と
増幅器からなる帰還型発振器を少なくとも２個設け、こ
の弾性表面波素子に赤外光を照射し、素子の微小温度変
化を前記発振器の発振周波数の変化として出力し、素子
に入射される赤外光を素子前方に設けたシャッタの開閉
によシ継続的に入射し、前記２個以上の素子に入射する
赤外光を前記シャッタの開閉位相をずらせて行わせ、前
記発振器からの出力波形の波頭（パルス）を計数し、前
記シャッタの開時間と閉時間におけるパルス数の差を求
めることによシ赤外線エネルギーを連続して検知するよ
うにしたものである。

（実施例の説明） 本発明の詳細な説明する前に、本出願人の出願にかかる
特願昭５７−５１７４７号に示した赤外線検出装置を第
１図で説明する。

第１図においては、１はニオブ酸リチウム等よシなる圧
電性基板であり、２および３はそれぞれ圧電性基板１の
研磨表面に蒸着等の方法によ多形成された弾性表面波送
信用インターディジタル電極、弾性表面波受信用インタ
ーディジタル電極である。弾性表面波送信用インタープ
イノタル電極２および弾性表面波受信用インターディジ
タル電極３の一端はアースされ、他端はそれぞれ増幅器
４の出力側および入力側に接続されている。５はコンデ
ンサ６を介して増幅器４の出力側と接続された出力端子
である。

以上のようにして帰還型の発振器７が構成されている。

８は赤外光を発生する被検出体であシ、９は被検出体８
と発振器７の間に設けられたシャッタである。シャッタ
９は、たとえばソレノイド等の駆動手段（図示せず）に
より矢印Ａ、Ｂ方向に移動可能に設けられておシ、点線
に示す位置にあるときには被検出体８からの赤外光が発
振器７へ到達するのを遮きる役目を持つ。シャッタ９が
矢印Ｂ方向へ移動し、圧電性基板１の弾性表面波伝搬表
面上に赤外光が照射されると、圧電性基板ｌの温度が上
昇する。たとえば圧電性基板１の表面から７ｃｒｎ離れ
た７０℃の被検出体８から出た赤外光による圧電性基板
１の温度上昇分は約１７１０００℃程度である。この１
／１０００℃の微少温度上昇分は通常の熱膨張測定など
では測定困難な量である。

本発明は、この微少温度上昇を圧電性基板１の弾性定数
の変化によシ検出しようとするものである。すなわち、
この温度上昇分によシ圧電性基板１の表面を伝搬する弾
性表面波の速度が変化し、この弾性表面波の速度変化に
より、弾性表面波送信用および受信用のインターディジ
タル電極２，３の間で伝搬する弾性表面波の弾性表面波
受信用インターディジタル電極３に到達するときの位相
が変化する。その位相変化分だけ発振器７からの出力周
波数が変化することになシ、その周波数をコンデンサ６
を介して出力端子５よシ取り出そうとするものである。

このときの周波数の変化分は、たとえば上記のような７
０℃の被検出体８を発振器７から７ｍ離して置き、がっ
発振器７の出力周波数を１７１　ＭＨｚに設定した場合
において約７００Ｈｚであった。この周波数変化分は、
発振器７の周波数が高い程、また圧電性基板１の温度係
数が大きい程大きく変化し、計算によると次式で与えら
れる。すなわち周波数変化分Δｆは、 である。ここでａＶは圧電性基板１の温度係数、ｆは発
振器７の発振周波数、ｋは圧電性基板１の熱伝導率、ｔ
は弾性表面波送信用および受信用インターディジタル電
極２．３間の距離の半分、Ｑは圧電性基板１に与えられ
る赤外光のエネルギーを表わす。（１）式によるとａＶ
　Ｈｆｒ　Ｑ　ｒ　Ｚが大きく、ｋの小さい圧電性基板
１を用いた構成にすると、赤外光照射による周波数変化
が大きくなる。このとき、圧電性基板１へ赤外光を照射
する被検出体８の温度が高ければ高い程、周波数変化は
大きくなる。逆に、圧電性基板ｌと同程度の温度の被検
出体８からの赤外光エネルギーは小さく、周波数変化は
小さくなり周波数変化の検出がむずかしくなる。これは
例えば、室温（約２５℃）において、人体源（約３０℃
）を検出したい場合などに相当する。

第１図の装置によれば、温度差（検出器の圧電性基板１
の温度と被検出体８の温度差）が小さく、出力周波数変
化の小さいときでも、感度よく赤外光を検出できるもの
である。

第２図は、第１図に示す赤外線検出装置において、赤外
光をシャッタ９の開閉に応じて、照射したシ照射しなか
ったシしたときの周波数変化の様子を示している。図に
おいて、曲線１１’　、　１３はシャッタ９を開けたと
きの発振周波数の変化を示し、曲線１２．１４はシャッ
タを閉じたときの周波数の変化を示す。ｆＯはシャッタ
９が閉じられた状態における発振器７の発振周波数であ
り、ｆｎはシャッタ９を開けた状態において発振周波数
が変化（低下）したときの最小値を示す。すなわち、時
間をｔとした場合１＜０では発振器７はｆＯなる周波数
で発振しておシ、シャッタを１＝０で開けると、圧電性
基板１は赤外光の照射を受け、圧電性基板１の温度がそ
れに応じて上昇するため、弾性定数の変化により発振周
波数は次第に低下していきＩｎに達する。このときの周
波数の減少の様子が曲線１１に示されている。そこでシ
’ｒｙ夕９を−再び閉じると、圧電性基板ｌには赤外光
は照射されなくなシ、圧電性基板１の温度は低下し、弾
性定数の変化によシ発振周波数はｆＯに戻る。この過程
が曲線１２に示されている。同様にして曲線１３．１４
が繰シ返えされる。たとえば実験によると、圧電性基板
１の表面よｌ）７ｃｍ離れた位置に１００℃の物体を設
置すると、シャッタ９の閉時においてｆＯ−１７１１Ｍ
）（ｚの発振周波数であったものが、シャッタ９の開時
においては３００Ｈｚ減少したＯ さらに、上記の発振器７からの発振信号を、他の発振器
（同じ構成による参照用発振器でもよいし、他の型の発
振器でもよい）からの発振信号との差信号（たとえば発
振器７が１７１ＭＨｚの場合、他の発振器を１７０ＭＨ
ｚとすると、その差信号はＩＭＨｚとなる）を、上記シ
ャッタ開閉用の出力信号に用いると、赤外光の照射時と
非照射時の周波数の差３００Ｈｚはそのままの値である
ので、周波数差に対する信号周波数の比は３００／ＩＭ
Ｈｚ　＝　３Ｘ　１０　’となシ前述の１７１　ＭＨｚ
の時の比−３００／１７１ＭＨｚ＝１．７５　ｘｌｏ−
６よシ比の値が太きくなシ、より検出感度が増大するこ
とになる。このとき、上述の他の発振器として、第１図
のものと同じ構成で赤外光を照射しないだけの参照用発
振器を用いると、同じ構成であるために発振器７との発
振周波数差はよシ小さくなシ、上述のように検出感度の
向上をよりはかることができ、その上さらに発振器の周
囲温度の変化によシ生じる発振周波数の変化分は発振器
７も参照用発振器も同じであるので、差し引かれて周囲
温度の影響がない構成のものができることになる。つま
シ温度ドリフトのない赤外線検出器を構成することがで
きる。

本発明は、前述した第１図、第２図に示した赤外検出装
置の応答速度を速くシ、よシ高感度としたものであり、
以下図を用いて説明する。

第３図は本発明の赤外線検出装置の一実施例を示す。図
の２１．２２は圧電性基板を示している。

これらの基板２１．２２の表面には、第１図の２および
３で示したようなインターディジタル電極（例えば２３
）が設けられている。これらのインターディジタル電極
は増幅器２４．２５に接続され、第１図に示したような
赤外線検出装置り。

３１を構成している。圧電性基板２１．２２の前面には
、それぞれシャッタ２６．２７が設けられており、赤外
線（矢印で示す）の入射に対して開閉するようになって
いる。第３図には赤外線検出装置が２個の場合を示して
あシ、シャッタ２６゜２７は開閉位相が互いに１８０°
となっている。つまシシャッタ２６．２７は開閉が互い
に逆になっている。これらの赤外線検出装置３０．３１
の出力２８．２９は波形整形器３２．３３に入力され出
力端子３４．３５に出力される。

波形整形された出力波形はパルス波形となって出力３４
．３５から出力される。検出装置３０゜３１からの出力
周波数の変化に応じて出力３４゜３５のパルス数も変化
する。そのため、出力周波数の波頭をパルスとしてよい
。

第４図は、第３図の赤外線検出装置３０，３１の出力２
８．２９における周波数の変化を示したものである。曲
線４１．４２はそれぞれ出力２８゜２９の周波数変化を
示す。時間が０から１．の間は、シャッタ２６が開き、
シャッタ２７が閉じる期間である。

シャッタ２６が開くと、赤外線は基板２１に入射し、検
出装置３０の出力周波数が下降する。この時の下降曲線
はほぼエキスポネンシャルな曲線である。同様にこの期
間はシャッタ２７が閉じるため、基板２２には赤外線が
入射せず、検出装置３１の出力周波数は上昇する。この
上昇曲線もほぼエキスポネンシャル曲線である。以下、
ｔｌからｔ２までは、反対にシャッタ２６が閉じ、シャ
ッタ２７が開くため図のような曲線となｐ、ｔ２からｔ
３＋ｊｌ＋からｔ４と同様にくシ返す。この時対象物（
図示せず）からの赤外線エネルギーを測定しようとする
と（すなわち対象物の温度を測定しようとすると）、対
象物温度が高いほど赤外線放射エネルギーが高いだめ、
シャッタの開閉による周波数変化量が大きくなる。すな
わち、第４図における曲線の縦軸の高さが大きくな多曲
線４１゜４２がそれぞれ曲線４３．４４となる。それに
伴って、第３図の出力端子３４．３５からの／Ｊ？ルス
数の変化量も大きくなる。したがって、シャツタ閉時の
週波数（パルス数）と、７ヤツタ開時の周波数（／クル
ス数）の差を求めると、対象物の温度（赤外線量）が求
められる。この時もし赤外線検出装置が１個のみ（例え
ばす）であると、−回の測定にシャッタの閉時から開時
まで（第４図のｔｌからｔ３まで）の時間を必要とする
。これを第３図に示すように、例えば２個の検出器で構
成するとシャッタの開閉が交互に行なえるため、−回の
測定に要する時間が半分となｐｔｌですむようになる。

すなわち応答速度が早くなる。この時、測定の方法とし
て第４図の曲線４１においてＯからｊ２＋ｊ２からｔ４
の間に測定し、同時に曲線４２においてｔｌからｊ３．
ｔｌ３からｔ５と測定する方法と同時に、曲線４１．４
２を用いてＯから１．で測定、ｔｌからｔ２で測定する
というように測定する方法がある。また、第３図におけ
る出力端子３４．３５からの／’ルス出力をマイコンに
入力し、シャッタ開閉時刻に同期させて加減させること
により、ディジタル信号として処理することができる。

第５図は、本発明の他の実施例を示す。図において、２
１から２９は第３図におけるものと全く同じである。ま
た検出装置３０．３１の番号も同じである。第５図では
、新たに参照用検出装置５０を設けである。参照用検出
装置νは、赤外線検出装置王」あるいは胆とほとんど同
じ構造であるが、赤外線が入射しない構造になっている
。

すなわち、圧電性基板５１の表面にインターディジタル
電極５２を設け、増幅器５３に接続され帰還型発振器を
構成している。基板５１には外部からの赤外線が入射し
ないように、ふた５４が設けられていて、一定の周波数
をもつ出力が出力端５５に出力される。３つの基板２１
，２２．５１は互いに熱耐に接続されていて、周囲温度
変化に対して同じように影響をうけるようになっている
。

出力２８．２９の出力信号は、ミキ＋ｊ５６．５７で出
力端５５からの信号と混合され、それぞれ出力端５８．
５９に導かれる。出力端５８．５９の出力信号はそれぞ
れ検出装置すと検出装置巨および検出装置Ｕと検出装置
旦」の出力周波数の差の周波数となっている。つまシ出
力端５８の信号は、検出装置蟇と検出装置５０の出力信
号の周波数の差の周波数の信号となっている。さらに、
出力端５８．５９の信号は周囲温度に対して補償されて
、極めて安定な周波数となる。さらにまた、この出力信
号は通常のマイコンで扱える程度の低い周波数とするこ
とができる利点がある。

さらに図示はしないが、出力端５８　、５’９などにお
いて、ダブルヘテロゲイン方式を用いると、周波数をよ
シ低下させることができる。したがって低価格、低速度
のマイコン使用に有利になる。

（ｉ明の効果） 本発明にかかる赤外線検出器は、弾性表面波素子を用い
た少なくとも２個以上の帰還型発振器の、前記弾性表面
素子に赤外線を照射し、素子の微小温度変化を発振器の
発振周波数の変化として出力し、素子に入射させる赤外
光を素子前方に設けたシャッタの開閉によシ断続的に入
射し、前記２個以上の素子に入射する赤外線を前記シャ
、りの開閉位相をずらせて行わせ、前記発振器からの出
力波形の波頭（７′ｅルス）を計数し、前記シャッタの
開時間と、閉時間におけるパルス数の差を求めることに
よシ、赤外線エネルギーを連続して検知するようにした
ものである。なお、本発明に光学係、たとえばレンズ係
あるいはカセグレンなどの反射系を用いて赤外光を集束
すれば、感度をよシ向上させるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の赤外線検出装置に用いられる赤外線検
出部の概略構成図、第２図は第１図に示す赤外線検出部
においてシャッタを開閉したときの発振周波数の変化を
示す図、第３図は本発明になる赤外線検出装置の一実施
例を示す構成図、第４図は第３図の構成図の動作を説明
する図、第５図は本発明の・他の一実施例を示す図であ
る。 １．２１，２２，５１・・・圧電性基板、２・・・弾性
表面波送信用インターディジタル電極、３・・・弾性表
面波受信用インターディジタル電極、４，２４゜２５．
５３・・・増幅器、５・・・出力端子、６・・・コンデ
ンサ、７・・・発振器１，８・・・被検出体、９，２６
゜２７・・・シャッタ、３０　’、　３１　・・・赤外
線検出装置、３２．３３・・・波形整形器、Ｕ・・・参
照世検出装置、５６．５７・・・ミキサ。 第１図　　］８ 第２図 時ｆ４ 第３図 第４図 第５図 １３４

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）弾性表面波素子と増幅器とから構成される帰還型
   発振器よシなシ、前記弾性表面波素子に赤外線を照射し
   、前記赤外光のエネルギーによる前記弾性表面素子の微
   小温度変化を前記帰還型発振器の発振周波数の変化とし
   て出力する赤外検出装置において、前記弾性表面波素子
   と増幅器とよシなる発振器を少なくとも２組設け、これ
   らの２組の発振器において、前記弾性表面波素子の赤外
   線照射面の前方に設けたシャッタの開閉によシ、前記弾
   性表面波素子に入射される赤外光を、前記シャツタ開閉
   位相をずらせて断続的に入射するとともに、前記帰還型
   発振器の発振出力波形の波頭パルスを計数し、前記シャ
   ツタ開時間と閉時間における前記パルスの数の差を求め
   、これを前記２個以上のシャッタ付発振器から順次出方
   することによシ、前記パルス数の差から赤外線エネルギ
   ーを連続して検知することを特徴とする赤外線検出装置
   。
2. （２）帰還型発振器を少なくとも３個設け、そのうち少
   なくとも１個を赤外線を照射しない参照用発振器とし、
   前記２個以上の赤外線が照射される帰還型発振器と、前
   記参照用発振器のそれぞれの発振周波数差信号の出力波
   形波頭数を計数することによシ、赤外線エネルギーを連
   続して検知するこ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）帰還型発振器からの出力波形波頭数、および前記
   赤外線入射用弾性表面波発振器出力周波数と前記参照用
   発振器からの出力周波数との差の周波数信号の波頭数を
   マイクロコンピュータを用いて計数することを特徴とす
   る特許請求の範囲第（１）項または第（２）項記載の赤
   外線検出装置。