JP2011058861A - 焦電型赤外線検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の焦電型赤外線検出器における焦電素子と信号取り出し回路の結合形態では、結合部に外来雑音が混入すると、雑音はそのまま出力として取り出されてしまう。
【解決手段】焦電素子に第１の電極および第２の電極を形成した焦電素子容量部と、第１の電極に接続され、第１の電極からの信号を増幅する第１の増幅器と、第２の電極に接続され、第２の電極からの信号を増幅する第２の増幅器とを具備する。それぞれ増幅された電荷（信号）を平衡信号（差動）出力することにより、出力を２倍にすることができるとともに、容量部に混入した外部からの雑音を低減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、焦電型赤外線検出器に係り、焦電素子容量部の対向する２つの電極に発生する電荷を有効に利用し、高感度で良質な信号の平衡出力を持つ平衡信号出力焦電型赤外線検出器に関する。

焦電型赤外線検出器は、焦電素子への入射赤外線エネルギーの変化に伴って、素子自身に温度変化が生じ、焦電素子の表裏面の電荷量（誘起電荷）が変化する。

この焦電素子の表裏両面に電極を設け、電極間に負荷を接続すると、前述した誘起電荷はこの負荷を通して電流（焦電流）として流れる。

この負荷抵抗を高くして使用する場合を電圧モード、負荷抵抗を小さくして焦電流を検出する場合を電流（電荷）モードと呼ぶ。

焦電型赤外線検出器は人体を対象にした近接センサの検出部として多用されている。

人体はおおむね３１０Ｋ程度の熱放射源と考えられ、焦電素子部の大きさが数ｍｍ角の面積とした場合、素子部への入力エネルギーは〜１０μＷ程度と考えられる。

このエネルギーの変化から一般に多用されるＰＺＴやＰｂＴｉＯ_３等を焦電素子とした場合、焦電素子部に発生する電荷量を見積もると〜０．１ｐＣ程度の値であり（素子部容量の両端の電圧として見積もると〜１ｍＶ程度の電圧値であり）、焦電素子部に発生する信号は極めて微弱な信号である。従って、外来雑音からの耐性が大きな課題となる。

外来雑音の要因は、焦電素子と信号取り出し回路への飛び込みと、取り出された信号の伝送路上への飛び込みが考えられる。

焦電素子と信号取り出し回路の結合形態として、特許文献１に示される図１と図１２がある。

図８に示すのは、特許文献１の図１に示された信号取り出し回路である。この回路は、前述した誘起電荷の時間変化である焦電流を増幅器の帰還容量により電流電圧変換し、信号を取り出すものである。誘起電荷を焦電素子容量と帰還容量で電荷増幅を行っていると考えることもできる。

図９に示すのは、特許文献１の図１２に示された信号取り出し回路である。この回路は、焦電素子に高抵抗を接続し、その両端の電圧をＦＥＴのソースフォロアーバッファーで信号電圧を取り出している。

特開平１０−２８１８６６号公報

上記の焦電素子と信号取り出し回路の結合形態においては、結合部に外来雑音が混入すると、雑音はそのまま取り出されてしまうという課題がある。

また、取り出された信号を伝送する場合に、外来雑音が信号線に混入するという課題がある。

また、焦電素子容量部の二つの電極の一方はいずれも基準電位（接地電位）に接続されており、両電極の誘起電荷が有効に利用されていないという課題もある。

本発明は、焦電素子容量部に混入したノイズを低減することに加え、信号品質を向上できる平衡信号出力焦電型赤外線検出器を提供することを目的とする。

尚、本発明においては、上記全ての課題を解決しなければならないわけではなく、これらの課題のうち、少なくとも一つを解決できればよいものとする。また、本発明においては、上記全ての目的を達成しなければならないわけではなく、これらの目的のうち、少なくとも一つを達成できればよいものとする。

本発明の焦電型赤外線検出器は、焦電素子に表面電極（以下第１の電極）および裏面電極（以下第２の電極）を具備した焦電素子容量部（以下容量部）と、第１の電極に接続され、第１の電極からの信号を増幅する第１の増幅器と、第２の電極に接続され、第２の電極からの信号を増幅する第２の増幅器とを具備している。

この構成によれば、第１の電極と第２の電極がそれぞれ有する電荷（誘起電荷）をそれぞれ別の増幅器に送ることができる。そのため、第１の電極が有する電荷と第２の電極が有する電荷を有効に利用することができるという効果がある。

さらに詳述すると、焦電素子への入射赤外線エネルギーの変化に伴って、素子自身に温度変化が生じ、焦電素子の表裏面の電荷量（誘起電荷）が変化し、焦電素子の特性から各電極には相補（大きさが同じで符号が逆）の電荷が誘起することになる。そして、増幅された電荷（信号）も同様に相補な信号となる。

一方、容量部に外部からのノイズが混入した場合には、各電極のノイズ信号は同位相となる。従って、これらの信号を平衡信号（差動）出力し、平衡（差動）接続して利用（一方の信号からもう一方の信号を減算）することにより、出力（差動接続出力）を２倍にすることができるとともに容量部に混入した外部からの雑音を低減することができるという効果がある。

また、本発明の焦電型赤外線検出器は、容器をさらに具備し、容量部と、第１の増幅器及び第２の増幅器は、容器内に収納されていることが好ましい。

この構成によれば、外来からのノイズを低減することができるという効果がある。また、容量部と前記第１および第２の増幅器を容器内に収納することで、外付け部品が不要で小型化が可能であり、接続損失もなく信頼性の高い出力特性を得ることが可能となる。

また、本発明の焦電型赤外線検出器は、容器が、容量部を搭載する基板と、容量部を搭載した基板を覆う蓋体とで構成されており、蓋体に赤外線を容量部に伝達するための赤外線透過窓を有していることが好ましい。

この構成によれば、小型で実装性に優れた焦電型赤外線検出器を得ることができる。

また、本発明の焦電型赤外線検出器は、容量部と、第１の増幅器及び第２の増幅器は、基板の第１の面上に搭載され、第１の増幅器の出力端子と、第２の増幅器の出力端子と、電圧供給端子と接地端子が、基板の第２の面に実装されていることが好ましい。

この構成によれば、小型で実装性に優れた焦電型赤外線検出器を得ることができる。

また、本発明の焦電型赤外線検出器は、蓋体が金属からなり、接地端子は、基板を通して蓋体と電気的に接続していることが好ましい。

このような構成にすることで、接地端子が蓋体と電気的に接続することになり、容器の外から電磁的な雑音が入るのを低減することができるという効果がある。

また、本発明の焦電型赤外線検出器は、容量部が複数個存在していてもよい。

本発明の焦電型赤外線検出器は、複数個存在する容量部の第１の電極の信号は、それぞれ同一の第１の増幅器の入力端子に接続されており、複数個存在する容量部の前記第２の電極の信号は、それぞれ同一の第２の増幅器の入力端子に接続されることが好ましい。

このような構成とすることで、焦電型赤外線検出器全体の大きさを低減することができる。また、複数個の容量部を並列接続して用いることにより、出力（感度）を高めることができ、小型で高感度の焦電型赤外線検出器を形成可能である。

また、両電極に発生した信号を効率的に増幅する手段として用いられる第１及び第２の増幅器は、容量結合型電荷増幅器を使用することが好ましい。容量結合型電荷増幅器は、焦電素子部の容量と増幅器の入力端子と出力端子に接続された帰還容量で増幅度が決定できる増幅器であり、シンプルな構成で実現できるからである。

ここで、容量部、第１の増幅器及び第２の増幅器を同一のプリント基板の第１面上に搭載し、容量部の第１の電極と第１の増幅器をボンディングワイヤ等で接続し、容量部の第２の電極と第２の増幅器をボンディングワイヤ等で接続し、第１の増幅器の出力端子と第２の増幅器の出力端子と増幅器への電圧供給端子と接地端子（基準電位端子）を外部への接続端子としてプリント基板の第２面に配置し、容量部、第１の増幅器及び第２の増幅器を覆うように金属キャップを基板に貼り付けることで、センサーユニットを形成してもよい。

また、容量部、第１の増幅器及び第２の増幅器が収納されている容器全体をセンサーユニットと呼ぶこともできる。このセンサーユニットは、近接センサなどの基板に貼り付けられ、センサーとして機能することとなる。

ここで、キャップには、容量部に赤外線を導入する赤外線透過窓が設けられることが好ましい。このセンサーユニットは、搭載可能なパッケージとも呼ぶことができる。

また本発明は、上記焦電型赤外線検出器において、前記第１および第２の増幅器がＩＣで構成されたものを含む。この構成によれば、さらなる小型化が可能となる。

また本発明は、上記焦電型赤外線検出器において、前記第１の増幅器の前記第１の出力端子と、前記第２の増幅器の前記第２の出力端子の出力信号は、互いに逆位相であるものを含む。

また本発明は、上記焦電型赤外線検出器において、前記第１の電極が基準電位（接地電位）に接続されていないものを含む。

また本発明は、上記焦電型赤外線検出器において、前記第２の電極が基準電位（接地電位）に接続されていないものを含む。

また、本発明の平衡信号焦電型赤外線検出器を用いて、前記第１の増幅器からの出力信号と、前記第２の増幅器からの出力信号を、第３の増幅器を具備して減算した信号を出力する構成とすることもできる。

このような構成とすることで、小型で高出力の不平衡出力焦電型赤外線検出器を得ることもできる。

また、第１、第２と第３の増幅器をＩＣで構成することでさらなる小型化が可能となる。

また、本発明の平衡信号焦電型赤外線検出器を用いて、前記第１の増幅器からの出力信号と、前記第２の増幅器からの出力信号をアナログ−デジタル変換するアナログ−デジタル変換器に接続し、出力信号がデジタル信号であるデジタル信号出力焦電型赤外線検出器を構成することもできる。

なお、ここでデジタル信号出力は、焦電型赤外線検出器に入力された赤外線入力信号を”１”、”０”のデジタル信号として出力する検出器をいうものとする。

また、本発明のデジタル信号出力焦電型赤外線検出器は、前記第１の増幅器、前記第２の増幅器及びアナログ−デジタル変換器がＩＣで構成されたものを含む。

また、本発明のデジタル信号出力焦電型赤外線検出器に用いた、アナログ−デジタル変換記はΔシグマ変調器であることが望ましい。

また、本発明のデジタル信号出力焦電型赤外線検出器の出力はＰＤＭ（パルス密度変調）方式のデジタル信号出力焦電型赤外線検出器を含む。

なお、以上の特徴を矛盾が生じないように適宜組み合わせることが出来ることはいうまでもない。例えば、複数のＭＥＭＳ素子、第１の増幅器及び第２の増幅器が一つの容器内に収納されているような構成も当然可能である。

また、それぞれの特徴において、効果が複数期待できるときも、全ての効果を発揮できなければいけないわけではない。

本発明によれば、焦電素子容量部の両電極に生成される相補関係にある信号を用いることで、混入外来ノイズを低減できる焦電型赤外線検出器を提供することができる。さらに、上記相補関係にある信号を有効利用できる接続構成により、損失を低減するとともに感度の向上をはかることができる。

本発明の第１の実施の形態における平衡信号出力型赤外線検出器の接続構成を示す図 本発明の第１の実施の形態における平衡信号出力型赤外線検出器の焦電素子の概略図と等価回路の一例を示す図 本発明の第１の実施の形態における平衡信号出力型赤外線検出器の実装構成の一例を示す図 本発明の第１の実施の形態における平衡信号出力型赤外線検出器の実装構成の変形例を示す図 本発明の第１の実施の形態における特性を示す図 本発明の第２の実施の形態における平衡信号出力型赤外線検出器の接続構成を示す図 本発明の第３の実施の形態におけるデジタル信号出力赤外線検出器の接続構成を示す図 従来の赤外線検出器の接続構成を示す図 従来の赤外線検出器の接続構成を示す図

（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１の実施の形態について、図１〜図４を参照して詳細に説明する。また、本発明で使用している、材料、数値は好ましい例を例示しているだけであり、この形態に限定されることはない。

また、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに加えるならば、他の実施の形態との組み合わせなども可能である。

＜回路構成＞
図１は、本発明の第１の実施の形態における平衡信号出力焦電型赤外線検出器の等価回路の概略図である。

図１に示すように、平衡信号出力焦電型赤外線検出器は、焦電素子１００の表面電極（第１の電極）１０１と裏面電極（第２の電極）１０２とを具備した焦電素子容量部１０５と、焦電素子部の第１の電極１０１に接続され第１の電極１０１からの信号を増幅する第１の増幅器２０１と、第２の電極１０２に接続され第２の電極１０２からの信号を増幅する第２の増幅器２０２を主な構成とする。

焦電素子容量部１０５は分極操作によって、自発分極を持たせた強誘電体の１種であり、焦電特性をもっているものであって、よく用いられるものとしてはＰｂＴｉＯ_３やＰＺＴがある。

焦電素子容量部１０５が赤外線エネルギ−を熱として吸収し、自身の温度が変化すると自発分極の大きさも変化し、両電極に誘起電荷が焦出する。

第１の電極１０１は、第１の電極端子１１１を通して、第１の増幅器２０１の反転入力端子２１２に接続されている。第２の電極１０２は、第２の電極端子１１２を通して、第２の増幅器２０２の反転入力端子２２１に接続している。

ここで、第１の増幅器２０１と第２の増幅器２０２は同一の性能のものである。また、第１の増幅器２０１の非反転入力端子２１１と第２の増幅器２０２の非反転入力端子２２２は基準電位（接地電位）に接続されている。

ここで、第１及び２の増幅器２０１、２０２は、高入力インピーダンス増幅器であって、高入力インピーダンスを達成するためのＣＭＯＳ型であることが好ましい。また、動作電源として正・負２電源を使用してもよいが、単電源動作をするような高入力インピーダンスＣＭＯＳ型増幅器であることが好ましい。

第１及び第２の増幅器２０１、２０２のそれぞれに接続されている帰還抵抗２１３、２２３はそれぞれの増幅器が飽和するのを防ぐための放電抵抗であり、第１及び第２の増幅器２０１、２０２のそれぞれに接続している帰還容量２１４、２２４は電荷の増幅度合いを決定するものである。

ここで、増幅器、帰還抵抗、帰還容量を有する構造を容量結合型電荷増幅器と呼ぶこともできる。

第１及び第２の増幅器２０１、２０２からの出力信号は、外部の平衡信号出力端子１２０、１２３へとそれぞれ導かれる。また、端子１２１は増幅器への電圧供給端子であり、端子１２２は接地端子（基準電位）である。接地端子はシールドをかねる容器構成体３００にも接続されて、外部からの電磁雑音が混入するのを低減する効果がある。

赤外線を透過するような部材からなる赤外線透過窓１３０は、容器構成体３００の蓋体に取り付けられ、可視光を遮断して赤外線を透過し、焦電素子容量部１０５に導く働きをするものである。赤外線透過窓１３０には、使用波長域の選択性をもたせることもできる。

人体が発する赤外線は１０μｍ近傍となるので、２μｍから１５μｍの赤外線を透過するシリコン窓を好適に用いることができる。

図２（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る焦電素子容量部の形状の概略図を示し、図２（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係る焦電素子容量部の等価回路の概略図を示している。

図２（ａ）に示す焦電素子容量部は、焦電素子材料に前述した強誘電体セラミックを用いたものである。分極操作を行った焦電材料であるセラミックを研磨して素子片１００とし、素子片の表面に表面電極１０１と裏面電極１０２を蒸着する。表面電極には熱の吸収効率を上げるために、金黒やニクロム等を蒸着電極材料に用いる。

表面電極１０１上には、電極端子１１１として、部分的にアルミや金などの金属膜を蒸着する。

裏面の裏面電極１０２と電極端子１１２には、全面にアルミや金などの金属膜を蒸着する。

このように、素子片に電極を蒸着して、焦電素子容量部１０５を形成する。

上記材料の加工時には、自発分極方向を電極面とするように加工・研磨する。
また、焦電素子容量部の保持方法により、検出器ベースへの熱伝導度合いを変えることができる。

さらに、電気的絶縁構造体で素子端部を支持することで、焦電素子容量部は接地電位に接続されないフローティング構成とすることができる。

一般的に、素子大きさは数ミリ角で、厚みは５０μｍ前後がよく用いられる。
焦電素子部の容量Ｃ_ｍは、表裏電極の面積と素子片の厚みと素子材料の固有特性に依存し、次式で表される。

ただし、Ｃ_ｍ［Ｆ］：容量、ε_０［Ｆ／ｍ］：真空中の誘電率、ε_Ｓ：焦電材料の比誘電率、
Ａ［ｍ^２］：電極面積、ｔ[ｍ]：素子厚み である。

次に、焦電素子容量部の回路図について、図２（ｂ）を用いて説明する。

一定の温度にある焦電素子容量部の内部自発分極電荷による表裏電極上の電荷は、通常大気中の浮遊電荷を捕獲して電気的平衡状態（表面電極総電荷量ΣＱ_{ｆｒｏｎｔ}と裏面電極総電荷量ΣＱ_ｂａｃｋは平衡していて、ΣＱ_{ｆｒｏｎｔ}＝ΣＱ_ｂａｃｋ＝０）になっている。

時間ｔ＝ｔ_０[ｓｅｃ]で、前述の平衡状態にある焦電素子容量部が赤外線エネルギーを吸収し、Δｔ[ｓｅｃ]の間に素子自身の温度がΔＴ[Ｋ]変化すると、焦電効果により新たな平衡状態に達するまでの時間中に、表面電極上に＋Δｑ[Ｃ]、裏面電極上に−Δｑ[Ｃ] の電荷（焦電荷）が表れる。＋Δｑ[Ｃ]と−Δｑ[Ｃ]は、それぞれ次式で表される。

ただし、λ[Ｃ／ｍ^２Ｋ]：焦電係数、Ａ［ｍ^２］：電極面積、ΔＴ[Ｋ]：Δｔ[ｓｅｃ]の時間における素子自身の温度変化である。

焦電素子容量部の表裏面電極に生じる電荷の読み取り回路では、前述した従来例で示されるように、一方の電極は接地電位に接続されており、両電極の焦電荷を有効に利用する考察はこれまで論じられたことはない。

本発明の第１の実施の形態に係る平衡信号出力焦電型赤外線検出器は、容量部の両電極に生じた信号電荷を有効に利用することができる点に特徴がある。

また、従来は表面電極（第１の電極）もしくは裏面電極（第２の電極）を基準電位（接地電位）に接続していたため、一方の電極の信号だけしか利用しておらず、信号利用率（効率）は５０％であったと考えられる。

従って、第１の電極が接地電位に接続していない構成及び第２の電極が接地電位に接続していない構成にすることで、信号利用率が１００％となるという効果がある。これは、出力が約２倍となる効果があるということもできる。

ここで、焦電素子容量部１０５を信号源として、第１及び第２の増幅器２０１、２０２の平衡信号出力端子１２０、１２３の出力電圧について考えることにする。ここで第１及び第２の増幅器は、反転型の容量結合電荷増幅器である。

第１及び第２の増幅器２０１と２０２において、反転入力端子２１２と２２１は、非反転入力端子２１１と２２２との間で、通常の反転増幅器と同じように仮想短絡が発生する。

この仮想短絡により、反転入力端子２１２と２２１の入力インピーダンスは無限大となり、反転入力端子には電流は流れ込まない。また、上記仮想短絡により、第２の電極端子１１２は仮想接地されて、第２の増幅器２０２は第１の増幅器２０１へ影響を与えない。

同様に、第１の電極端子１１１は仮想接地されて、第１の増幅器２０１は第２の増幅器２０２へ影響を与えない。

従って、第１の電極１０１上の電極の電荷は帰還容量２１４と帰還抵抗２１３へ、第２の電極１０２上の電荷は帰還容量２２４と帰還抵抗２２３へと流れ込む。

帰還容量２１４、２２４の容量値をＣ_ｆ、帰還抵抗２１３、２２３の抵抗値をＲ_ｆとすると、焦電素子容量部の信号電荷と容量から平衡信号出力１２０と１２３は次式で表される。
出力１２０：

出力１２３：

ただし、Δｖ＝ＡλΔＴ／Ｃ_ｍである。

さらに、帰還抵抗と帰還容量で決定できる低域カットオフフィルターが形成されるため上式は以下で述べるカットオフ周波数ｆ_ｃｕｔより高い周波数領域で成り立つ。低域カットオフ周波数ｆ_ｃｕｔは、焦電型赤外線検出器の使用帯域を勘案して決定できる。

上式からわかるように、上記接続構成により、二つの平衡信号出力端子１２０と１２３には、第１の電極１０１と第２の電極１０２に生じた相補な信号電荷に対応した相補な信号（位相が逆で大きさは同じ信号）を得ることができる。

相補な信号を平衡接続処理（減算処理）すれば、２倍の大きさの信号が得られるとともに、焦電型赤外線検出器に同相で入力される外来ノイズは相殺・低減することができる。

次に、平衡信号出力端子に表れる雑音について検討する。

前述したように、仮想短絡により第２の増幅器２０２は第１の増幅器２０１へ影響を与えない。同様に、第１の増幅器２０１は第２の増幅器２０２へ影響を与えない。そのため、平衡信号出力端子１２０に表れる雑音要因は、焦電素子容量部の容量Ｃｍ、第１の増幅器２０１の雑音、帰還容量Ｃｆと帰還抵抗Ｒｆとなる。

また、平衡信号出力端子１２３に表れる雑音要因は、焦電素子容量部の容量Ｃｍ、第２の増幅器２０２の雑音、帰還容量Ｃｆと帰還抵抗Ｒｆであり、要因が同じであるため雑音の大きさは同じとなる。

従って、平衡接続（減算処理後）信号の大きさは２倍で、雑音は√２倍であるため、信号対雑音比は√２倍（３ｄＢ）改善され、品質のよい平衡信号を供給できることとなる。

＜実装構造＞
次に、本発明の第１の実施の形態に係る平衡信号型出力焦電型赤外線検出器の実装概観図について説明する。図３（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第１の実施の形態に係る平衡信号出力型焦電型赤外線検出器の実装概観図である。

図３（ａ）は平衡信号出力型焦電型赤外線検出器（モジュール）の上側面図を表し、図３（ｂ）は同右側面図を表し、図３（ｃ）は平衡信号出力型焦電型赤外線検出器（モジュール）の金属キャップを外した状態の平面図を表し、図３（ｄ）は平行信号出力型焦電型赤外線検出器（モジュール）の断面図を表し、図３（ｅ）は同下面図を表している。

図３（ａ）〜（ｅ）に示すように、平衡信号出力型焦電型赤外線検出器は、プリント基板３０１と金属キャップ３０２から構成される容器３００内に、一つのＩＣの中に第１の増幅器２０１と第２の増幅器２０２が集積化されているＩＣ２５０と、焦電素子容量部３０３とが収納されていることで構成されている。

プリント基板３０１の第１面には、焦電素子容量部３０３と、第１及び第２の増幅器２０１、２０２が集積化されたＩＣ２５０とを接着材で接着実装する。焦電素子容量部３０３は、図２で説明した焦電素子容量部が、複数の絶縁体により端部を支持されてプリント基板３０１上に浮いた状態で固定されるフローティング構造を有している。

これによりプリント基板３０１からの熱の影響を受けにくい断熱構造となっている。

ＩＣ２５０内の第１及び第２の増幅器２０１、２０２は、それぞれ入力端子、電源端子、出力端子及び接地端子を有しているＣＭＯＳ型高入力インピーダンス増幅器である。

プリント基板３０１の第２面には、第１の増幅器の出力端子１２０、第１の増幅器及び第２の増幅器に電圧を供給する電圧（電源）供給端子１２１、接地端子１２２、及び第２の増幅器の出力端子１２３が形成され、面実装端子構造が形成されている。端子１２０〜１２３は、外部とのインターフェース端子となる。

また、接地端子１２２は、金属キャップ３０２とプリント基板３０１を通して電気的に接続され、容器３００は、接地電位を有する外部からの電磁的な雑音から容器内部を保護するシールド容器となる。

ＩＣ２５０内の第１の増幅器と焦電素子容量部３０３の第１の電極、及びＩＣ２５０内の第２の増幅器と焦電素子容量部３０３の第２の電極は、それぞれボンディングワイヤ３１３により接続されている。

また、赤外線エネルギーを導入する赤外線透過窓３０４が金属キャップ３０２に形成されている。赤外線透過窓３０４は、金属キャップ３０２に孔を設け、その孔をふさぐようにシリコン片を接着したものである。

なお、赤外線透過窓３０４には、シリコンの他にゲルマニウム（Ｇｅ）や、サファイアに光学的フィルタを蒸着したものを有する材料も用いることが可能である。プリント基板３０１と金属キャップ３０２は半田リフロー等で結合される。

焦電素子容量部３０３の大きさが□１．５ｍｍ程度で、ＩＣ２５０が１ｍｍ×０．５ｍｍ程度とすると、図３のように配置をした場合には、その大きさがおおよそ６ｍｍ（Ｗ）×４ｍｍ（Ｄ）×２ｍｍ（Ｈ）の平衡信号出力型焦電型赤外線検出器を構成することができる。上述の数値は、配置構造やチップの大きさにもよるが、さらに小さな数値とすることも可能である。

図４（ａ）〜（ｅ）に示すのは、図３に示した平衡信号出力型焦電型赤外線検出器の変形例を示す実装概観図である。

図３と異なる点は、赤外線エネルギーを導入する赤外線透過窓３０４が、金属キャップ３０２に設けられるのではなく、焦電素子容量部３０３の下部におけるプリント基板３０１に設けられている点である。その他の構成は、図３と同様である。

このように、赤外線透過窓３０４の位置は、熱源の方向に対応して焦電素子容量部３０３の上下いずれにも形成することが可能である。

＜出力信号データ＞
次に、本発明の第１の実施の形態に係る平衡信号出力型赤外線検出器を用いて得られた信号の実験データについて説明する。

図５（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係る平衡信号出力型赤外線検出器の実特性を説明する図である。

使用した焦電素子容量部の容量Ｃｍは２［ｐＦ］、帰還容量Ｃｆは２．５６［ｐＦ］、帰還抵抗ＲｆはＣＭＯＳ ＩＣのＭＯＳ ＯＮ抵抗を用いており、ＣＭＯＳ型高入力インピーダンス増幅器は発明者らが開発・試作したＩＣを用いている。

図５（ａ）は、赤外線を発する熱放射源（はんだごて）を試作赤外線検出器上で移動させた場合の信号で、横軸を時間軸に取ったときの信号出力端子１２０からの出力信号４１１と信号出力端子１２３からの出力信号４１２を示している。

本図から信号出力端子１２０からの出力信号４１１と信号出力端子１２３からの出力信号４１２は、振幅が同じで位相が逆の信号であることが分かる。

図５（ｂ）は、図５（ａ）の信号をオシロスコープ上で減算処理を行った信号４１３を示しており、減算した信号の大きさは２倍の大きさになっていることがわかる。

（第２の実施の形態）
以下、本発明の第２の実施の形態について、図６を参照して詳細に説明する。本発明で使用している、材料、数値は好ましい例を例示しているだけであり、この形態に限定されることはない。また、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。

さらに加えるならば、他の実施の形態との組み合わせなども可能である。なお、ここでは、平衡信号出力型赤外線検出器の容量部は、焦電素子容量部である。

また、本発明の第２の実施の形態は、容量部を複数個並列接続する実施形態であるが、特に、容量部が２つある場合の構成について説明する。

図６は、本発明の第２の実施の形態における平衡信号出力型赤外線検出器の等価回路の概略図である。

第１の容量部１０５ａと並列に接続された第２の容量部１０５ｂの第１の電極１０１ｂは、第１の電極端子１１１ｂを通して、第１の増幅器２０１の反転入力端子２１２に接続されている。

同様に、第２の容量部１０５ｂの第２の電極１０２ｂは、第２の電極端子１１２ｂを通して、第２の増幅器２０２の反転入力端子２２１に接続されている。

その他の構成、接続関係及び効果は、第１の実施の形態における図１の説明と同様なので、説明を省略することとする。

また、第１の実施の形態における図２（ａ）、（ｂ）に対応する説明は、第２の実施の形態についても同様なので、説明を省略することとする。

このように接続することで、第１の容量素子部１０５ａは第２の容量素子部１０５ｂの負荷にならず、同様に、第２の容量素子部１０５ｂは第１の容量素子部１０５ａの負荷にはならない。従って、それぞれの容量素子部の信号は損失なく、増幅することができる。

なお、容量部の数がＮ個の場合には、容量部が２個の場合と同様に、Ｎ個の容量部の第１の電極をそれぞれの電極端子を通して、第１の増幅器２０１の反転入力端子２１２に接続する。

また、Ｎ個の容量部の第２の電極１０２はそれぞれの電極端子を通して、第２の増幅器２０２の反転入力端子２２１に接続する。容量部がＮ個の場合については、このような構成とすることで、容量部が２個の場合と同様の議論が出来る。

焦電素子容量部が複数個（Ｎ個）並列接続されても、第１の実施の形態（Ｎ＝１）で説明した議論と同じ議論が成立するので、平衡信号出力については２・Ｎ倍の大きさを得ることができる。

また、複数個接続の場合においても、Ｎ＝１の場合と同様に容量部に同相で入力されるノイズは相殺・低減することができる。

（第３の実施の形態）
次に、本発明の実施の形態３について説明する。図７は、本発明の実施の形態におけるデジタル信号出力赤外線検出器の接続構成を示す概略図である。

このデジタル信号出力赤外線検出器は、容器構成体７０５内で構成され、実施の形態１で説明した平衡信号出力赤外線検出器の第１の増幅器２０１の平衡信号出力端子１２０と、第２の増幅器２０２の平衡信号出力端子１２３が、アナログ−デジタル変換器７０４の入力端子７０２及び７０１に接続され、アナログ−デジタル変換器の出力はデジタル出力端子７０３へ導かれる。

アナログ−デジタル変換器７０４と、第１および第２の増幅器２０１、２０２を１チップ上に構成することにより、電源供給端子１２１および接地端子１２２を共用することができる。

また、アナログ−デジタル変換器７０４と、第１および第２の増幅器２０１、２０２の共通回路、例えば低電圧発生回路、を１つにすることができ、低消費電力およびチップサイズを小さくすることが可能となり、より安価なデジタル出力赤外線検出器を提供することができる。

焦電型赤外線検出器を用いて構成するデジタル信号出力赤外線検出器のアナログ−デジタル変換器７０４は、高分解能を特徴とするΔシグマ変調器であることが望ましい。

特に、クロック周波数１Ｍ〜４ＭＨｚ、オーバーサンプリング率５０〜６４倍、４次のΔシグマ変調器を用いることで、高信号対雑音比を低消費電力で実現することができる。

デジタル信号出力赤外線検出器の出力端子７０３は、一定幅のパルスの密度より、波形を表すＰＤＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）形式で出力し、外部のＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）により、例えばオーディオインターフェイスフォーマットのＳＰＤＩＦフォーマットに変換される。

また、容器構成体７０５内にＤＳＰを取り込むことで、前記デジタル信号出力センサの出力端子７０３は、例えばオーディオインターフェイスフォーマットのＳＰＤＩＦフォーマットで出力することも可能である。

実施の形態１で説明したように、平衡信号出力端子１２０および１２３での信号品質が向上するため、平衡信号出力端子１２０および１２３と、アナログ−デジタル変換器７０４の入力端子７０２および７０１とを接続をすることにより、デジタル信号出力赤外線検出器の信号品質も向上し、より品質のよいデジタル出力信号を供給できる。

なお、実施の形態２で説明したように複数個の焦電型容量部を並列接続した場合は、信号品質がより向上するため、より品質のよいデジタル出力信号を供給できる。

本発明は、焦電素子容量部の表裏電極の両極信号電荷を有効に使用し、混入外来ノイズを相殺・低減できる平衡信号出力型赤外線検出器であって、感度及び信号品質の向上が図れる点で有用である。

１００ 焦電素子
１０１ 第１の電極（表面電極）
１０２ 第２の電極（裏面電極）
１０５ 焦電素子容量部
１１１ 第１の電極端子
１１２ 第２の電極端子
１２０，１２３ 平衡信号出力端子
２０１ 第１の増幅器
２０２ 第２の増幅器
２１１，２２２ 非反転入力端子
２１２，２２１ 反転入力端子
２１３，２２３ 帰還抵抗
２１４，２２４ 帰還容量
２５０ ＩＣ
３００ 容器構成体
３０１ プリント基板
３０２ 金属キャップ
３０３ 焦電素子容量部
３０４ 赤外線透過窓
７０１，７０２ 入力端子
７０３ デジタル出力端子
７０４ アナログ−デジタル変換器
７０５ 容器構成体

Claims (21)

1. 焦電素子に第１の電極及び前記第１の電極に対向する第２の電極を具備した焦電素子容量部と、
   前記第１の電極に接続され、前記第１の電極からの信号を増幅する第１の増幅器と、
   前記第２の電極に接続され、前記第２の電極からの信号を増幅する第２の増幅器とを具備した焦電型赤外線検出器。
2. 請求項１に記載の焦電型赤外線検出器であって、
   容器をさらに具備し、
   前記焦電素子容量部、前記第１の増幅器及び前記第２の増幅器は、前記容器内に収納されていることを特徴とする焦電型赤外線検出器。
3. 請求項２に記載の焦電型赤外線検出器であって、
   前記容器は、前記焦電素子容量部を搭載する基板と、前記焦電素子容量部の搭載された前記基板を覆う蓋体とで構成され、
   前記蓋体に、赤外線を前記容量部に伝達するための赤外線透過窓を有することを特徴とする焦電型赤外線検出器。
4. 請求項３に記載の焦電型赤外線検出器であって、
   前記焦電素子容量部、前記第１の増幅器及び前記第２の増幅器は、前記基板の第１の面上に搭載され、
   前記第１の増幅器の出力端子と、前記第２の増幅器の出力端子と、電圧供給端子と接地端子が、前記基板の第２の面に実装されていることを特徴とする焦電型赤外線検出器。
5. 請求項４に記載の焦電型赤外線検出器であって、
   前記蓋体は金属からなり、
   前記接地端子は、前記基板を通して前記蓋体と電気的に接続していることを特徴とする焦電型赤外線検出器。
6. 請求項１乃至５に記載の焦電型赤外線検出器であって、
   前記焦電素子容量部は、複数個存在することを特徴とする焦電型赤外線検出器。
7. 請求項６に記載の焦電型赤外線検出器であって、
   前記複数個存在する焦電素子容量部の前記第１の電極の信号は、それぞれ前記第１の増幅器の入力端子に、
   前記複数個存在する焦電素子容量部の前記第２の電極の信号は、それぞれ前記第２の増幅器の入力端子に接続されることを特徴とする焦電型赤外線検出器。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の焦電型赤外線検出器であって、
   前記第１の増幅器及び前記第２の増幅器が容量結合型電荷増幅器を構成していることを特徴とする焦電型赤外線検出器。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の焦電型赤外線検出器であって、
   前記第１の増幅器及び第２の増幅器がＩＣで構成されていることを特徴とする焦電型赤外線検出器。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の焦電型赤外線検出器であって、
    前記第１の増幅器からの出力信号と、前記第２の増幅器からの出力信号は、実質的に逆位相であることを特徴とする焦電型赤外線検出器。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載の焦電型赤外線検出器であって、
    前記第１の電極が接地電位に接続されていないことを特徴とする焦電型赤外線検出器。
12. 請求項１乃至１０に記載の焦電型赤外線検出器であって、
    前記第２の電極が接地電位に接続されていないことを特徴とする焦電型赤外線検出器。
13. 請求項１乃至１２に記載の焦電型赤外線検出器であって、
    前記第１の増幅器からの出力信号と、前記第２の増幅器からの出力信号を減算する機能を有する第３の増幅器が具備された焦電型赤外線検出器。
14. 請求項１３の焦電型赤外線検出器であって、
    前記第１の増幅器、前記第２の増幅器と前記第３の増幅器がＩＣで構成されていることを特徴とする焦電型赤外線検出器。
15. 請求項１乃至１２に記載の焦電型赤外線検出器であって、
    前記第１の増幅器からの出力信号と、前記第２の増幅器からの出力信号をアナログ−デジタル変換するアナログ−デジタル変換器に接続し、出力信号がデジタル信号であるデジタル信号出力焦電型赤外線検出器。
16. 請求項１５に記載のデジタル信号出力焦電型赤外線検出器であって、
    前記第１の増幅器、前記第２の増幅器およびアナログ−デジタル変換器がＩＣで構成されていることを特徴とするデジタル信号出力焦電型赤外線検出器。
17. 請求項１５乃至１６に記載のデジタル信号出力焦電型赤外線検出器であって、
    アナログ−デジタル変換器がΔシグマ変調器であることを特徴とするデジタル信号出力焦電型赤外線検出器。
18. 請求項１５乃至１７に記載のデジタル信号出力焦電型赤外線検出器であって、
    デジタル出力信号がパルス密度変調方式であることを特徴とするデジタル信号出力焦電型赤外線検出器。
19. 基板と、
    前記基板に搭載された焦電素子容量部と、
    前記焦電素子容量部を覆う蓋体とで構成され、
    前記蓋体に、赤外線を前記容量部に伝達するための赤外線透過窓を有していることを特徴とする焦電型赤外線検出器。
20. 基板と、
    前記基板に搭載された焦電素子容量部と、
    前記焦電素子容量部を覆う蓋体とで構成され、
    前記基板に、赤外線を前記容量部に伝達するための赤外線透過窓を有していることを特徴とする焦電型赤外線検出器。
21. 基板と蓋体からなる容器内に焦電素子容量部を有し、
    前記容器は、赤外線を透過する部材を有していることを特徴とする焦電型赤外線検出器。
    

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