WO2013111366A1 - 焦電型赤外線センサ - Google Patents

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正博 斎藤
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Necトーキン株式会社
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    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02Constructional details
    • G01J5/07Arrangements for adjusting the solid angle of collected radiation, e.g. adjusting or orienting field of view, tracking position or encoding angular position

Definitions

  • the present invention relates to a pyroelectric infrared sensor, and more particularly to a pyroelectric infrared sensor capable of obtaining a sufficient detection capability in a range of several meters.
  • the pyroelectric infrared sensor is a kind of infrared sensor, and includes a pyroelectric element in which electrodes are installed on the front and back of a pyroelectric substrate as detection pixels.
  • a surface charge due to spontaneous polarization exists on the surface of the pyroelectric substrate.
  • the surface charge attracts surrounding floating charges, so that the surface charge of the pyroelectric substrate is kept in an electrically neutral state if the temperature around the pyroelectric substrate is constant.
  • the state of spontaneous polarization in the pyroelectric substrate changes accordingly. Since the state change of the spontaneous polarization is faster than the response of the floating charge existing around the pyroelectric substrate, the electrical neutral state collapses on the surface of the pyroelectric substrate. As a result, surface charges are generated on the pyroelectric substrate surface. By taking out this surface charge as an output signal from the electrode, the pyroelectric element can be used as a sensor. Many of the pyroelectric infrared sensors use the pyroelectric elements as described above as detection pixels, and are configured by a sensor element group including a plurality of pyroelectric elements.
  • Patent Document 1 discloses a pyroelectric infrared sensor called a compensation single type.
  • the pyroelectric infrared sensor includes an electrode (light-receiving main element) that detects infrared rays and an electrode (temperature compensation element) that monitors a change in ambient temperature and corrects the temperature change.
  • a filter is provided in a window portion of a shield case (exterior can) of an infrared filter.
  • This filter transmits infrared rays so that the infrared rays are incident only on the light receiving main element.
  • the temperature compensation element is shielded so as not to be affected by infrared rays irradiated from the outside.
  • Patent Document 2 discloses a dual-type infrared sensor in which two current collecting elements having different polarization directions are connected in series or in parallel.
  • the structures (shapes and dimensions) of the light receiving main element and the temperature compensation element disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2 are limited by the size of the shield case and the area of the opening through which infrared rays are transmitted.
  • the infrared rays can enter the temperature compensation element and affect the sensitivity of the sensor. There is sex.
  • the opening is made small, not only the infrared irradiation range and irradiation amount are limited, but also the sensor viewing angle becomes narrow, and the sensor output decreases.
  • the viewing angle of the sensor becomes narrower as the distance between the light receiving main element and the opening becomes longer unless the area of the opening is changed, and becomes wider as it becomes shorter.
  • a light shielding plate or a condensing mirror for improving sensor sensitivity is disposed in the space between the opening and the sensor element, a certain space is required between the shield case and the sensor element. The presence of this space is a factor that limits the settable range of the viewing angle in an actual design, and has been an obstacle to downsizing the sensor.
  • an object of the present invention is to provide a pyroelectric infrared sensor that is small in size and can provide a sufficient output with a wide viewing angle.
  • One aspect of the present invention is a first pyroelectric infrared sensor that includes a sensor element, a shield case that covers the sensor element, an infrared transmission filter, and an output that outputs an output signal of the sensor element after impedance conversion.
  • a pyroelectric infrared sensor including a circuit and at least one reflective film is obtained.
  • the sensor element has at least one pyroelectric element.
  • the pyroelectric element includes a pyroelectric substrate having a front surface serving as a light receiving surface and a back surface opposite to the front surface, a front surface electrode provided on the front surface, and a position corresponding to the front surface electrode among the back surface And a back electrode provided on the substrate.
  • the shield case has an opening.
  • the opening is formed so as to be located above the surface electrode.
  • the infrared transmission filter is provided in the opening.
  • the reflective film reflects infrared rays incident from the outside. At least a part of the reflective film is located in a region between the infrared transmission filter and the surface electrode.
  • the front surface electrode and the back surface electrode are arranged to face each other across the pyroelectric substrate, a capacitor is formed. It is desirable that the surface electrode has a large electrode area so that as much surface charge as possible can be obtained according to the amount of received infrared light. By increasing the electrode area, the capacitance of the sensor element is increased and the S / N ratio of the sensor is improved.
  • the infrared absorption efficiency is improved by coating the surface of the surface electrode with an infrared absorption film such as titanium oxide or carbon as necessary. That is, a highly sensitive infrared sensor with high thermal efficiency and resistance to external noise can be obtained.
  • an output electrode for extracting the sensor output signal is provided on the back surface of the pyroelectric substrate. It is desirable to arrange the output electrode as far as possible from the front electrode and the back electrode. Thereby, the release of heat absorbed by the surface electrode can be reduced.
  • the shield case it is desirable to use 42 alloy with high electromagnetic shielding performance and low linear expansion coefficient.
  • an inexpensive Fe-based metal or non-magnetic metal subjected to surface treatment with Ni plating or the like may be used.
  • the infrared transmission filter is formed by forming a layer of zinc sulfide or the like on an infrared transmission material such as silicon or germanium.
  • the wavelength of infrared light that can be transmitted through the infrared transmission filter is preferably about 5 ⁇ m to 15 ⁇ m. If necessary, the transmittance can be improved by forming a multilayer antireflection film.
  • the output circuit is composed of only junction field effect transistors.
  • a resistor having a high resistance value may be connected in parallel with the sensor element. Thereby, the fluctuation
  • the second pyroelectric infrared sensor is a first pyroelectric infrared sensor, wherein the surface electrode includes at least two regions and the two regions.
  • a pyroelectric infrared sensor having a connecting portion to be connected and having the reflecting film provided to face the connecting portion is obtained.
  • the third pyroelectric infrared sensor is the first or second pyroelectric infrared sensor, wherein the reflective film is formed by sputtering or vacuum deposition. A pyroelectric infrared sensor is obtained.
  • the fourth pyroelectric infrared sensor is the first or second pyroelectric infrared sensor, wherein the reflective film is formed by a printing method, coating, transfer, or dip. A pyroelectric infrared sensor formed by the construction method is obtained.
  • the fifth pyroelectric infrared sensor is the first or second pyroelectric infrared sensor, wherein the reflective film is formed on a surface of a thin plate.
  • the pyroelectric infrared sensor in which the thin plate is bonded to the shield case or the infrared transmission filter is obtained.
  • the surface electrode by dividing the surface electrode into a plurality of parts and connecting adjacent surface electrodes in pairs, one can be shielded with a reflective film and used as a temperature compensation electrode, and the other can be used as an infrared detection electrode. .
  • the sensor elements are connected in series with their polarities reversed, and the influence of ambient light can be further reduced.
  • the reflective film and the conductor patterns of the surface electrodes connected in pairs may be arranged so as to face each other.
  • the range (viewing angle) in which each sensor element can detect infrared rays is determined by the positional relationship between each electrode of the current collecting element and the reflective film. Therefore, by arranging the reflective film and the conductor pattern so as to face each other, the viewing angles can be arranged so as not to cross each other.
  • a reflection film for reflecting infrared rays incident from the outside is provided in a part of a region between the infrared transmission filter and the surface electrode.
  • the distance between the infrared transmission filter and the surface electrode is short.
  • the reflective film can be used as an infrared light shielding plate. That is, the compensation electrode that needs to be shielded from infrared rays can prevent the infrared rays from wrapping around, so that the compensation electrode can be reliably shielded from the infrared rays.
  • the pyroelectric infrared sensor according to the present invention includes a light receiving side electrode having a sufficient viewing angle. Further, the pyroelectric infrared sensor can be easily downsized by reducing the clearance between the shield case and the sensor element.
  • the pyroelectric type can change the viewing angle freely and with high accuracy.
  • An infrared sensor is obtained.
  • the surface electrodes divided into two are connected to each other, and the angle of view that each surface electrode can detect is adjusted so as not to cancel each other.
  • the area can be assigned to each divided electrode.
  • a pyroelectric infrared sensor having a wider viewing angle than the viewing angle formed by one electrode can be obtained. Furthermore, a pyroelectric infrared that can detect movement in a narrower area by providing an area (dead zone) in which infrared rays are not detected in the area that can be detected by each light receiving electrode, and detecting entry and exit from the light receiving area A sensor is obtained.
  • the reflective film may be formed by sputtering or vacuum deposition.
  • the film thickness can be reduced by using these methods.
  • a reflective film having a thin film pressure has a very small heat capacity and improves heat dissipation. Thereby, the thermal influence which acts on a sensor element can be reduced.
  • the reflective film formed on the infrared transmission filter may be formed by a printing method, coating, transferring, or dipping method. According to such a construction method, the reflective film can be formed without using a large-scale manufacturing facility such as a sputtering apparatus or a vacuum evaporation apparatus. That is, the pyroelectric infrared sensor can be manufactured at low cost.
  • the pyroelectric infrared sensor can be more easily manufactured by attaching a thin plate having a reflection film on the surface to a shield case or the infrared transmission filter.
  • FIG. 2 is a plan view of an infrared transmission filter of the pyroelectric infrared sensor of FIG. 1. It is a block diagram showing the circuit of the pyroelectric infrared sensor of FIG.
  • FIG. 7 is a plan view of an infrared transmission filter of the pyroelectric infrared sensor of FIG. 6. It is the figure which showed the operation
  • the infrared sensor according to the present embodiment is used as follows, for example. As shown in the upper part of FIG. 1, when a measurement object (person) enters the viewing angle 11a of the infrared sensor from the left side of the figure, the electrical neutral state in the vicinity of the surface electrode 2a collapses, and the voltage of Vout is used as a reference. Potential is detected on the minus side. If the movement further continues and enters the viewing angle 11b, the electrical neutral state in the vicinity of the surface electrode 2b collapses, and a potential is detected on the plus side with respect to the voltage of Vout. Thereby, the pyroelectric infrared sensor can be used as direction detection when the measurement object enters and exits.
  • the pyroelectric infrared sensor includes a sensor element 1, a shield case 8, an infrared transmission filter 7, and a reflective film 9.
  • the sensor element 1 has one pyroelectric element.
  • the pyroelectric element includes a pyroelectric substrate having a front surface and a back surface, front surface electrodes 2a and 2b provided on the front surface, and back surface electrodes 3a and 3b provided on the back surface.
  • the surface of the pyroelectric substrate is a light receiving surface.
  • the surface electrodes 2a and 2b are connected to each other and arranged on the light receiving surface side (front surface) of the pyroelectric substrate.
  • the surface electrode 2a is used as a temperature compensation electrode
  • the surface electrode 2b is used as a light receiving electrode.
  • back surface electrodes 3 a and 3 b are disposed on the back surface of the sensor element 1.
  • the back electrodes 3a and 3b are positioned so as to face the front electrodes 2a and 2b, respectively.
  • the output electrodes provided on the back electrodes 3 a and 3 b are bonded to the circuit board 6 by the conductive adhesive 5.
  • a junction field effect transistor 4 is mounted on the circuit board 6 as an impedance conversion circuit. As shown in FIG. 5, the gate input electrode of the junction field effect transistor 4 is connected to the back electrode 3a, and GND is connected to the back electrode 3b. The junction field effect transistor 4 impedance-converts the output signal of the sensor element 1 and outputs it.
  • the outer periphery of the circuit board 6 is covered with a shield case 8.
  • the shield case 8 has an opening (window) 10.
  • the opening 10 is formed so as to be positioned above the surface electrodes 2a and 2b. That is, the surface electrodes 2 a and 2 b can be visually recognized through the opening 10.
  • An infrared transmission filter 7 is fixed to the opening 10.
  • the infrared transmission filter 7 is provided with a reflective film 9 that reflects infrared rays.
  • the reflective film 9 is located in a region between the infrared transmission filter 7 and the surface electrode 2a. That is, the reflective film 9 is provided above the surface electrode 2 a and below the infrared transmission filter 7.
  • a part of the reflective film according to the present embodiment is opposed to the surface electrode 2a.
  • the reflective film 9 according to the present embodiment is an Ag film having a thickness of 0.5 ⁇ m.
  • the reflective film 9 is formed with a thickness of 1 ⁇ m or less by a sputtering method or a vacuum deposition method so as not to affect the height of the sensor element. Since the heat capacity of the reflective film 9 is sufficiently smaller than the heat capacity of the sensor element 1, the influence on the characteristics of the sensor element is extremely small.
  • the step of forming the reflection film can be performed simultaneously with the formation of the infrared transmission film in the vacuum deposition process included in the manufacturing process of the infrared transmission filter 7.
  • the reflective film 9 can also be formed by any one of a printing method, coating, transferring, and dipping methods.
  • a thin plate having a reflective film formed on the surface may be cut into a predetermined shape and attached to a shield case or the infrared transmission filter. According to these methods, since the reflective film can be formed without using a production facility such as a sputtering device or a vacuum vapor deposition device, the pyroelectric infrared sensor can be manufactured at low cost.
  • the viewing angle capable of detecting infrared rays is determined by the positional relationship between the reflective film 9, the opening 10 of the shield case 8, and the surface electrodes 2a and 2b.
  • the reflective film 9 may be disposed outside the shield case (that is, the upper surface of the infrared transmission filter 7).
  • the shield case 8 that is, the lower surface of the infrared transmission filter 7
  • the viewing angle of the surface electrode 2a temperature compensation electrode
  • the viewing angle of the surface electrode 2b light receiving electrode
  • the infrared sensor by the 2nd Embodiment of this invention is provided with the sensor element 1 similar to 1st Embodiment.
  • both the surface electrodes 2a and 2b are used as light receiving electrodes, and as shown in FIGS. 6, 7 and 9, the reflective film 9 is connected between the surface electrodes 2a and 2b.
  • the point which forms so that a pattern may be covered differs from 1st Embodiment.
  • two pyroelectric bodies having different polarization directions are connected in series. Even if charges are generated in both pyroelectric elements due to a change in external temperature, external light, or the like, the total amount of charges existing on the surface electrodes 2a and 2b is constant, so the outputs are offset. As a result, influences other than infrared rays are compensated.
  • the operation of the pyroelectric infrared sensor according to this embodiment will be described with reference to FIG.
  • the electrical neutral state in the vicinity of the surface electrode 2a collapses, and a potential is detected on the negative side with respect to the voltage of Vout.
  • the electrical neutral state in the vicinity of the surface electrode 2b collapses, and a potential is detected on the plus side with reference to the voltage of Vout. Therefore, it can be used as direction detection when the measurement object enters and exits.
  • an intermediate area (dead zone) that is not detected at each viewing angle can be easily formed. By detecting the entry / exit between the dead zone and the viewing angle, the sensor can react even when the measurement object moves in a narrower range.
  • the sensor element 1 and the circuit board 6 are mounted with a certain interval. As a result, the release of heat absorbed by the sensor element surface electrode can be reduced.
  • the infrared transmission filter 7 is preferably fixed to the opening of the shield case 8 and the shield case 8 and the ground of the circuit board 6 are electrically connected.
  • the viewing angle capable of detecting infrared rays is determined by the positional relationship between the reflective film 9, the opening 10 of the shield case 8, and the surface electrodes 2a and 2b.
  • the reflective film 9 By forming the reflective film 9 so as to cover the connection pattern, the viewing angle of the surface electrode 2a and the viewing angle of the surface electrode 2b do not overlap each other, so that the sensor output is not canceled out.
  • the sensor element 1 has a surface electrode 2a disposed at the center of the pyroelectric substrate and surface electrodes 2b disposed on both sides of the surface electrode 2a.
  • the surface electrode 2a and the two surface electrodes 2b are connected by a connection pattern.
  • the surface electrode 2a and the surface electrode 2b have the same height.
  • the width of the surface electrode 2b is approximately half that of the surface electrode 2a.
  • the back electrodes 3a and 3b are arranged so as to face the front electrodes 2a and 2b with the pyroelectric substrate interposed therebetween.
  • the reflective film 9 is formed so as to cover the connection pattern connecting the surface electrodes 2a and 2b, as in the second embodiment.
  • the viewing angle at which infrared rays can be detected is determined by the positional relationship among the reflective film 9, the opening 10 of the shield case 8, and the surface electrodes 2a and 2b.
  • the sensor element 1 of the infrared sensor according to the fourth embodiment of the present invention includes four surface electrodes 2a, 2b, 2c and 2d.
  • the surface electrodes 2a, 2b, 2c and 2d have the same area.
  • the surface electrode 2a and the surface electrode 2b are connected to each other, and the surface electrode 2c and the surface electrode 2d are connected to each other.
  • the back surface electrodes 3 a, 3 c, 3 b and 3 d are formed on the back surface of the sensor element 1 so as to face the surface electrodes, respectively.
  • the surface electrodes 2a and 2b are connected to each other by output electrodes, and the surface electrodes 2c and 2d are also connected to each other by output electrodes.
  • the reflective film 9 is provided in a region above the surface electrode 2b and a region above the surface electrode 2c among the four regions obtained by cutting the infrared transmission filter into four crosses and dividing into four equal parts. ing.
  • the reflective film 9 is provided in a region above the surface electrode 2b and a region above the surface electrode 2c among the four regions obtained by cutting the infrared transmission filter into four crosses and dividing into four equal parts. ing.
  • the present invention is based on Japanese Patent Application No. 2012-014984 filed with the Japan Patent Office on January 27, 2012, the contents of which are incorporated herein by reference.

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Abstract

【課題】小型・広視野角・高出力の焦電型赤外線センサを提供する。 【解決手段】焦電型赤外線センサは、センサ素子1と、前記センサ素子1を覆うシールドケース8と、赤外線透過フィルター7と、前記センサ素子1の出力信号をインピーダンス変換して出力する出力回路と、少なくとも1つの反射膜9とを備えている。かかる焦電型赤外線センサにおいて、シールドケース8に装着された赤外線透過フィルター7と表面電極2a、2bとの間に、赤外線を反射する反射膜9を少なくとも1つ以上設け、赤外線透過フィルター7を表面電極2a、2bの極めて近くに配置した。

Description

焦電型赤外線センサ
 本発明は、焦電型赤外線センサに関し、特に数mの範囲で十分な検知能力が得られる焦電型赤外線センサに関する。
 焦電型赤外線センサは、赤外線センサの一種であり、焦電体基板の表裏に電極が設置されてなる焦電素子を検出画素として備えている。
 焦電体基板の表面には自発分極による表面電荷が存在する。通常は表面電荷が周囲の浮遊電荷を引き寄せるため、焦電体基板の周囲の温度が一定であれば焦電体基板の表面の電荷は電気的に中性の状態に保たれている。
 焦電体基板の周囲の温度が変化すると、それに伴い焦電体基板における自発分極の状態は変化する。自発分極の状態変化は焦電体基板の周囲に存在する浮遊電荷の応答よりも早いため、焦電体基板表面においては電気的な中性状態が崩れる。この結果、焦電体基板表面には表面電荷が生じる。この表面電荷を電極から出力信号として取り出すことで、焦電素子をセンサとして使用できる。焦電型赤外線センサの多くは、上記のような焦電素子を検出画素として用いており、複数の焦電素子から構成されるセンサ素子群により構成されている。
 焦電型赤外線センサの例として、特許文献1には補償シングル型と呼ばれる焦電型赤外線センサが開示されている。当該焦電型赤外線センサは、赤外線を検知する電極(受光主エレメント)と周囲の温度変化をモニターして温度変化を補正する電極(温度補償エレメント)とを備えている。
 特許文献1において、赤外線フィルターのシールドケース(外装缶)の窓部にはフィルターが設けられている。このフィルターは、受光主エレメントのみに赤外線が入光するように赤外線を透過させる。温度補償エレメントは外部から照射される赤外線の影響を受けないように、遮蔽されている。
 また特許文献2には、分極方向が互いに異なる2つの集電素子を、直列または並列に接続したデュアル型の赤外線センサが開示されている。
実用新案登録第3043381号公報 特開昭62-187277号公報
 特許文献1及び特許文献2に開示されている受光主エレメント及び温度補償エレメントの構造(形状、寸法)は、シールドケースの大きさと、赤外線が透過する開口部の面積によって制限を受ける。
 例えば、シールドケース上面部に形成された開口部を大きくして赤外線の照射量を増やし、センサの視野角を拡げようとすると、温度補償エレメントに赤外線が回り込んでセンサの感度に影響を及ぼす可能性がある。一方、開口部を小さくすると、赤外線の照射範囲や照射量を制限してしまうだけでなくセンサの視野角も狭くなり、センサ出力が低下する。
 また、センサの視野角は、開口部の面積を変えなければ受光主エレメントと開口部との距離が長い程狭くなり、短い程広くなる。しかし、開口部とセンサ素子の空間にセンサ感度を向上させるための遮光板や集光ミラーを配置する場合、シールドケースとセンサ素子の間には一定の空間が必要である。この空間が存在することは実際の設計において視野角の設定可能範囲を制限する要因であり、センサを小型化するための妨げとなっていた。
 そこで、本発明の課題は、小型、広視野角で十分な出力が得られる焦電型赤外線センサを提供することにある。
 本発明の一の側面は、第1の焦電型赤外線センサとして、センサ素子と、前記センサ素子を覆うシールドケースと、赤外線透過フィルターと、前記センサ素子の出力信号をインピーダンス変換して出力する出力回路と、少なくとも1つの反射膜を備える焦電型赤外線センサが得られる。前記センサ素子は、少なくとも1つの焦電素子を有している。前記焦電素子は、受光面となる表面及び前記表面の反対の面である裏面を有する焦電体基板と、前記表面に設けられた表面電極と、前記裏面のうち前記表面電極に対応する位置に設けられた裏面電極とを備えている。前記シールドケースは、開口部を有している。前記開口部は、前記表面電極の上方に位置するように形成されている。前記赤外線透過フィルターは、前記開口部に設けられている。前記反射膜は、外部から入射する赤外線を反射する。前記反射膜の少なくとも一部は、前記赤外線透過フィルターと前記表面電極との間の領域に位置している。
 ここで、表面電極と裏面電極は焦電体基板を挟んで互いに対向して配置されるため、コンデンサが形成される。表面電極は、赤外線の受光量に応じて出来るだけ大きな表面電荷を得られるよう、電極面積を大きくすることが望ましい。電極面積を大きくすることで、センサ素子の静電容量が大きくなり、センサのS/N比が向上する。
 また、必要に応じて表面電極の表面に酸化チタンまたはカーボン等の赤外線吸収膜をコーティングすることにより、赤外線の吸収効率が向上する。すなわち、熱効率が高く、外来ノイズに強い、高感度の赤外線センサが得られる。
 焦電体基板の裏面には、裏面電極のほかにセンサの出力信号を引き出す出力電極が設けられる。出力電極は、表面電極及び裏面電極から出来るだけ離して配置することが望ましい。これにより、表面電極で吸収された熱の放出を少なくすることができる。
 シールドケースは電磁シールド性能が高く線膨張係数の低い42アロイを使用することが望ましい。しかし、その代用として安価なFe系金属または非磁性系の金属にNiメッキ等で表面処理を施したものを使用してもよい。
 赤外線透過フィルターは、珪素やゲルマニウムなどの赤外線透過材に硫化亜鉛等の層を多層形成して作成される。赤外線透過フィルターを透過可能な赤外線の波長は5μm~15μm程度とするのが望ましい。必要であれば、さらに反射防止膜を多層形成することにより透過率を向上できる。
 出力回路は接合型電界効果トランジスタのみで構成されることが望ましい。しかし、必要に応じて抵抗値の高い(数GΩ~数十GΩ程度)抵抗器をセンサ素子と並列に接続してもよい。これにより、基準電圧の変動を抑制し、安定したセンサ出力が得られる。
 また、本発明の他の側面によれば、第2の焦電型赤外線センサとして、第1の焦電型赤外線センサであって、前記表面電極は、少なくとも2つの領域と、前記2つの領域を接続する接続部とを有しており、前記反射膜は、前記接続部と対向するように設けられている、焦電型赤外線センサが得られる。
 また、本発明の他の側面によれば、第3の焦電型赤外線センサとして、第1又は第2の焦電型赤外線センサであって、前記反射膜は、スパッタ法又は真空蒸着法により形成される、焦電型赤外線センサが得られる。
 また、本発明の他の側面によれば、第4の焦電型赤外線センサとして、第1又は第2の焦電型赤外線センサであって、前記反射膜は、印刷法または塗布、転写又はディップ工法により形成される、焦電型赤外線センサが得られる。
 また、本発明の他の側面によれば、第5の焦電型赤外線センサとして、第1又は第2の焦電型赤外線センサであって、前記反射膜は、薄板の表面に形成されており、前記薄板は、前記シールドケース又は前記赤外線透過フィルターへ貼り合わせられている、焦電型赤外線センサが得られる。
 さらに、表面電極を複数に分割し、隣り合った表面電極をペアにして接続することにより、一方を反射膜で遮蔽して温度補償電極として使用し、他方を赤外線検知電極として使用することができる。これにより、センサ素子は極性を反転させて直列に接続された状態となり、外乱光による影響をさらに低減できる。
 さらに、反射膜と、上記ペアにして接続した表面電極の導体パターンとを互いに対向するように配置してもよい。それぞれのセンサ素子が赤外線を検知できる範囲(視野角)は、集電素子の各々の電極と反射膜との位置関係によって決まる。従って、反射膜と導体パターンとを互いに対向するように配置することにより、視野角が互いに交わらないように配置できる。
 本発明による焦電型赤外線センサにおいては、赤外線透過フィルターと表面電極との間の領域の一部分に外部から入射する赤外線を反射する反射膜が設けられている。また、赤外線透過フィルターと表面電極との距離は近い。その結果、反射膜を赤外線の遮光板として使用できる。すなわち、赤外線の遮蔽が必要な補償電極に対しては、赤外線の回り込みを防ぐことができるため、補償電極を赤外線から確実に遮蔽することができる。
 さらに、本発明による焦電型赤外線センサは、十分な視野角を持つ受光側電極を備えている。さらに、シールドケースとセンサ素子のクリアランスを低減することにより、焦電型赤外線センサの小型化も容易となる。
 また、赤外線透過フィルターと表面電極との間の距離をきわめて短く(赤外線透過フィルターと表面電極とをきわめて近い距離で配置)しているため、視野角を自由に且つ高い精度で変更できる焦電型赤外線センサが得られる。例えば、デュアル型の焦電型赤外線センサにおいては、二つに分割された表面電極を互いに接続して、当該表面電極それぞれが検知可能な視野角を、互いに打ち消さないよう調整することにより、赤外線受光領域を分割されたそれぞれの電極に分担できる。
 このような構成とすることで、1つの電極で構成する視野角に比べて広範囲な視野角を持つ焦電型赤外線センサが得られる。さらに、各々の受光電極で検知可能な領域に、赤外線が検知されない領域(不感帯領域)を設けて受光範囲からの出入りを検知することで、さらに狭い範囲での移動を検知可能な焦電型赤外線センサが得られる。
 また、反射膜はスパッタ法または真空蒸着法により形成してもよい。これらの方法を用いることで膜厚を薄くできる。膜圧の薄い反射膜は熱容量が非常に少なく、放熱性が向上する。これにより、センサ素子に及ぼす熱的な影響を低減することができる。
 また、赤外線透過フィルターに形成される反射膜を、印刷法または塗布、転写、ディップ工法により形成してもよい。かかる工法によれば、スパッタ装置や真空蒸着装置のような大掛かりな製造設備を用いることなく反射膜を形成できる。すなわち、焦電型赤外線センサを安価に製造することができる。
 また、上記方法に変えて、表面に反射膜を形成した薄板をシールドケースまたは前記赤外線透過フィルターに貼り合わせることにより、焦電型赤外線センサの製造がより簡便になる。
 添付の図面を参照しながら下記の最良の実施の形態の説明を検討することにより、本発明の目的が正しく理解され、且つその構成についてより完全に理解されるであろう。
本発明の第1の実施の形態による焦電型赤外線センサの動作と表面電極の電圧の変化とを示した図である。 図1の焦電型赤外線センサのセンサ素子の表面を表す平面図である。 図1の焦電型赤外線センサのセンサ素子の裏面を表す平面図である。 図1の焦電型赤外線センサの赤外線透過フィルターの平面図である。 図1の焦電型赤外線センサの回路を表すブロック図である。 本発明の第2の実施の形態による焦電型赤外線センサの動作と表面電極の電圧の変化とを示した図である。 図6の焦電型赤外線センサのセンサ素子の表面を表す平面図である。 図6の焦電型赤外線センサのセンサ素子の裏面を表す平面図である。 図6の焦電型赤外線センサの赤外線透過フィルターの平面図である。 本発明の第3の実施の形態による焦電型赤外線センサの動作と表面電極の電圧の変化とを示した図である。 図10の焦電型赤外線センサのセンサ素子の表面を表す平面図である。 図10の焦電型赤外線センサのセンサ素子の裏面を表す平面図である。 図10の焦電型赤外線センサの赤外線透過フィルターの平面図である。 本発明の第4の実施の形態による焦電型赤外線センサのセンサ素子の表面を表す平面図である。 本発明の第4の実施の形態による焦電型赤外線センサのセンサ素子の裏面を表す平面図である。 本発明の第4の実施の形態による焦電型赤外線センサの赤外線透過フィルターの平面図である。
 本発明については多様な変形や様々な形態にて実現することが可能であるが、その一例として、図面に示すような特定の実施の形態について、以下に詳細に説明する。図面及び実施の形態は、本発明をここに開示した特定の形態に限定するものではなく、添付の請求の範囲に明示されている範囲内においてなされる全ての変形例、均等物、代替例をその対象に含むものとする。
(第1の実施の形態)
 本実施の形態による赤外線センサは、例えば、次のように利用される。図1の上部に示すように、測定対象物(人)が赤外線センサの視野角11aに図の左側から進入すると、表面電極2a近傍の電気的な中性状態が崩れ、Voutの電圧を基準としてマイナス側に電位が検出される。さらに移動を続けて視野角11bに進入すると、表面電極2b近傍の電気的な中性状態が崩れ、Voutの電圧を基準としてプラス側に電位が検出される。これにより、焦電型赤外線センサは、測定対象物が出入りする際の方向検知として利用することが可能である。
 図1に示されるように、本実施の形態による焦電型赤外線センサは、センサ素子1と、シールドケース8と、赤外線透過フィルター7と、反射膜9とを備えている。
 図2に示されるように、本実施の形態によるセンサ素子1は、1つの焦電素子を有している。焦電素子は、表面及び裏面を有する焦電体基板と、表面に設けられた表面電極2a及び2bと、裏面に設けられた裏面電極3a及び3bとを備えている。ここで、焦電体基板の表面は、受光面である。表面電極2a及び2bは、互いに接続され、焦電体基板の受光面側(表面)に配置されている。表面電極2aは温度補償電極として使用され、表面電極2bは受光電極として使用される。また、図3に示されるように、センサ素子1の裏面には、裏面電極3a及び3bが配置されている。裏面電極3a及び3bは、表面電極2a及び2bとそれぞれ対向するように位置している。
 図1及び図3に示されるように、裏面電極3a及び3bに設けられた出力電極は導電接着剤5により回路基板6に接着される。回路基板6には、インピーダンス変換回路として、接合型電界効果トランジスタ4が実装されている。図5に示すように、接合型電界効果トランジスタ4のゲート入力電極は裏面電極3aに接続され、GNDは裏面電極3bにそれぞれ接続される。接合型電界効果トランジスタ4は、センサ素子1の出力信号をインピーダンス変換して出力する。
 図1に示されるように、回路基板6の外周はシールドケース8で覆われている。シールドケース8は、開口部(窓部)10を有している。開口部10は、表面電極2a及び2bの上方に位置するように形成されている。即ち、表面電極2a及び2bは、開口部10を通して視認することができる。開口部10には赤外線透過フィルター7が固着される。図4に示すとおり、赤外線透過フィルター7には、赤外線を反射する反射膜9が設けられる。反射膜9は、赤外線透過フィルター7と表面電極2aとの間の領域に位置している。即ち、反射膜9は、表面電極2aの上方、且つ、赤外線透過フィルター7の下方に設けられている。本実施の形態による反射膜の一部は、表面電極2aと対向している。本実施の形態による反射膜9は、厚み0.5μmのAg膜である。
 ここで、反射膜9は、センサ素子の高さに影響を与えないようにするため、スパッタ法または真空蒸着法等により1μm以下の厚みで形成する。反射膜9の熱容量はセンサ素子1の熱容量に比較して十分小さいため、センサ素子の特性に与える影響はきわめて小さい。この反射膜を形成する工程は、赤外線透過フィルター7の製造工程に含まれる真空蒸着工程において、赤外線透過膜の形成と同時に行うことができる。
 また、反射膜9は、印刷法または塗布、転写、ディップ工法のいずれかにより形成することもできる。他の方法として、表面に反射膜を形成した薄板を所定の形状にカットし、シールドケースまたは前記赤外線透過フィルターに貼付してもよい。これらの方法によれば、スパッタ装置や真空蒸着装置のような製造設備を用いることなく反射膜を形成できるので、焦電型赤外線センサを安価に製造することができる。
 赤外線を検知可能な視野角は、この反射膜9と、シールドケース8の開口部10と、表面電極2a及び2bの位置関係によって決まる。反射膜9は、シールドケースの外側(即ち、赤外線透過フィルター7の上面)に配置しても構わない。しかし、シールドケース8の内側(即ち、赤外線透過フィルター7の下面)に配置することにより、表面電極2a(温度補償電極)の視野角を狭くする一方、表面電極2b(受光電極)の視野角を広くできる。そのため視野角が重複した場合でも、センサ出力が相殺される領域を極めて少なくできる。その結果、数mの範囲であれば十分な検知能力を有する焦電型赤外線センサが得られる。
(第2の実施の形態)
 図6乃至図9を参照して、本発明の第2の実施の形態による赤外線センサは、第1の実施形態と同様のセンサ素子1を備えている。しかし、表面電極2a及び2bを共に受光電極として使用している点、及び、図6、図7及び図9に示されるように、反射膜9は、表面電極2a、2bの中間に存在する接続パターンを覆うように形成する点が、第1の実施の形態と異なっている。
 本実施の形態による構成によれば、分極方向の異なる焦電体が二つ直列に接続された状態となる。仮に外部温度の変化または外来光等で両焦電素子に電荷が発生したとしても、表面電極2a及び2b上に存在する電荷の総量は一定であるから、各々の出力が相殺される。この結果、赤外線以外の影響が補償される。
 本実施の形態による焦電型赤外線センサの動作を、図6を用いて説明する。図6に示されるように、測定対象物が図の左側から視野角11bに進入すると、表面電極2a近傍の電気的な中性状態が崩れ、Voutの電圧を基準としてマイナス側に電位が検出される。さらに移動を続けて視野角11aに進入すると、表面電極2b近傍の電気的な中性状態が崩れ、Voutの電圧を基準としてプラス側に電位が検出される。よって、測定対象物が出入りする際の方向検知として利用することが可能である。また、反射膜の幅を変えることで、各視野角で検知されない中間の領域(不感帯領域)を容易に形成できる。この不感帯領域と視野角との間の出入りを検知することで、測定対象物がより狭い範囲で動く場合にもセンサを反応できる。
 本実施の形態において、センサ素子1と回路基板6は一定の間隔を空けて実装することが好ましい。これにより、センサ素子表面電極で吸収した熱の放出を少なくすることができる。
 また、ノイズ対策として、赤外線透過フィルター7はシールドケース8の開口部に固着し、シールドケース8と回路基板6のグランドとを電気的に接続しておくことが好ましい。
 赤外線を検知可能な視野角は、この反射膜9と、シールドケース8の開口部10と、表面電極2a及び2bの位置関係によって決まる。接続パターンを覆うように反射膜9を形成することにより、表面電極2aの視野角と、表面電極2bの視野角とが重なることがなくなるため、センサ出力が相殺されることはない。
(第3の実施の形態)
 本発明の第3の実施の形態による焦電型赤外線センサの動作を、図10を用いて説明する。図10の上部に示されるように、本実施の形態による赤外線センサは、測定対象物が左側の視野角11bに図の左側から進入した場合、表面電極2a近傍の電気的な中性状態が崩れ、Voutの電圧を基準としてマイナス側に電位が検出される。さらに移動を続けて視野角11aに進入すると、プラス側の電位が検出される。さらに右に移動を続けて右側の視野角11bに侵入すると表面電極2b近傍の電気的な中性状態が崩れ、Voutからマイナスの電位が検出される。また、視野角11aと11bの間には、どちらの視野範囲にも属さない不感帯領域をつくることにより検知領域を細分化することが可能となる。各領域を横切った場合のみならず、細かい動作が行われた場合にもセンサ出力が得られる。
 図11に示されるように、センサ素子1は、焦電体基板の中央に配置された表面電極2aと、表面電極2aの両側に配置された表面電極2bとを有している。表面電極2aと2つの表面電極2bとは、接続パターンで接続されている。表面電極2aと表面電極2bとは高さが等しい。表面電極2bの幅は表面電極2aのほぼ半分である。さらに、図12に示されるように、焦電体基板を挟んで表面電極2a及び2bと対向するように裏面電極3a及び3bが配置されている。
 図13に示されるように、反射膜9は、上述した第2の実施形態と同様に、表面電極2a及び2bを接続する接続パターンを覆うように形成されている。赤外線を検知可能な視野角は、この反射膜9と、シールドケース8の開口部10と、表面電極2a及び2bの位置関係によって決定される。接続パターンを覆うように反射膜9を形成することにより、表面電極2aの視野角と、表面電極2bの視野角とが重なることがなくなり、センサ出力の相殺はなくなる。
 (第4の実施の形態)
 図14に示されるように、本発明の第4の実施の形態による赤外線センサのセンサ素子1は、4つの表面電極2a、2b、2c及び2dを備えている。表面電極2a、2b、2c及び2dの面積は、互いに等しい。表面電極2aと表面電極2bとが互いに接続され、表面電極2cと表面電極2dとが互いに接続されている。図15に示されるように、センサ素子1の裏面には、その表面電極にそれぞれ対向して形成された裏面電極3a、3c、3b及び3dが形成されている。表面電極2a、2bは、出力電極によって互いに接続され、表面電極2c、2dも出力電極によって互いに接続されている。図16に示されるように、反射膜9は、赤外線透過フィルターを十字に切って4等分した4つの領域のうち、表面電極2bの上方の領域と、表面電極2cの上方の領域に設けられている。このような構成とすることで、電極が2つの場合に比べてより細かい位置の検知が可能となる。さらに細かい検知を必要とするような電極を複数並べるアレイ型の素子においても、これら同様、容易に対応できる。
 なお、これらの実施例に留まらず、請求の範囲内で様々な工夫を加えることも可能であり、様々な要求に応じて変形することでもよい。
 本発明は2012年1月27日に日本国特許庁に提出された日本特許出願第2012-014984号に基づいており、その内容は参照することにより本明細書の一部をなす。
 本発明の最良の実施の形態について説明したが、当業者には明らかなように、本発明の精神を逸脱しない範囲で実施の形態を変形することが可能であり、そのような実施の形態は本発明の範囲に属するものである。
1   センサ素子
2a、2b、2c、2d   表面電極
3a、3b、3c、3d   裏面電極
4   接合型電界効果トランジスタ
5   導電接着剤
6   回路基板
7   赤外線透過フィルター
8   シールドケース
9   反射膜
10   開口部
11a、11b   視野角

Claims (5)

  1.  センサ素子と、前記センサ素子を覆うシールドケースと、赤外線透過フィルターと、前記センサ素子の出力信号をインピーダンス変換して出力する出力回路と、少なくとも1つの反射膜とを備える焦電型赤外線センサであって、
     前記センサ素子は、少なくとも1つの焦電素子を有しており、
     前記焦電素子は、受光面となる表面及び前記表面の反対の面である裏面を有する焦電体基板と、前記表面に設けられた表面電極と、前記裏面のうち前記表面電極に対応する位置に設けられた裏面電極とを備えており、
     前記シールドケースは、開口部を有しており、
     前記開口部は、前記表面電極の上方に位置するように形成されており、
     前記赤外線透過フィルターは、前記開口部に設けられており、
     前記反射膜は、外部から入射する赤外線を反射するものであり、
     前記反射膜の少なくとも一部は、前記赤外線透過フィルターと前記表面電極との間の領域に位置している、
    焦電型赤外線センサ。
  2.  請求項1に記載の焦電型赤外線センサであって、
     前記表面電極は、少なくとも2つの領域と、前記2つの領域を接続する接続部とを有しており、
     前記反射膜は、前記接続部と対向するように設けられている、
    焦電型赤外線センサ。
  3.  請求項1又は請求項2に記載の焦電型赤外線センサであって、
     前記反射膜は、スパッタ法又は真空蒸着法により形成される、
    焦電型赤外線センサ。
  4.  請求項1又は請求項2に記載の焦電型赤外線センサであって、
     前記反射膜は、印刷法または塗布、転写又はディップ工法により形成される、
    焦電型赤外線センサ。
  5.  請求項1又は請求項2に記載の焦電型赤外線センサであって、
     前記反射膜は、薄板の表面に形成されており、
     前記薄板は、前記シールドケース又は前記赤外線透過フィルターへ貼り合わせられている、
    焦電型赤外線センサ。
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