(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線の入射により生じる温度変化に応じて電気特性が変化する第１及び第２の温度センサを備えた熱型赤外線検知器を有する画素を２次元マトリックス状に配列して同時に視野全体をみるようにした赤外線アレイセンサであって、
各行ごとに前記第１の温度センサをそれぞれ電気的に直列に接続することにより前記第１の温度センサがそれぞれ示す電気特性の和となる電気特性に応じた電気信号を外部に出力として取り出し得るように構成された行方向直列回路と、
各列ごとに前記第２の温度センサをそれぞれ電気的に直列に接続することにより前記第２の温度センサがそれぞれ示す電気特性の和となる電気特性に応じた電気信号を外部に出力として取り出し得るように構成されて列方向直列回路と、を備え、
前記温度センサは、サーモパイル型温度センサ、抵抗ボロメータ型温度センサ、又はダイオード型温度センサのいずれかで構成されたことを特徴とする赤外線アレイセンサ。
【請求項２】
赤外線の入射により生じる温度変化に応じて電気特性が変化する温度センサを１つ備えた熱型赤外線検知器を有する画素を２次元マトリックス状に配列した赤外線アレイセンサであって、
各行ごとに前記温度センサをそれぞれ電気的に直列に接続する行方向直列回路と、
各列ごとに前記温度センサをそれぞれ電気的に直列に接続する列方向直列回路と、
各前記行方向直列回路を電気的に接続し異なる列間の前記温度センサの電気的な接続を全て切断する状態と、前記各列方向直列回路を電気的に接続し行間の前記温度センサの電気的な接続を全て切断する状態とを切り替える切替手段と、を設けており、
前記温度センサは、サーモパイル型温度センサ、抵抗ボロメータ型温度センサ、又はダイオード型温度センサのいずれかで構成されたことを特徴とする赤外線アレイセンサ。
【請求項３】
請求項２の赤外線アレイセンサであって、
行方向及び列方向にそれぞれ隣接する前記画素の前記温度センサの間にそれぞれスイッチングトランジスタを電気的に直列に接続し、
前記切替手段が、２つの制御信号によって前記スイッチングトランジスタをＯＮ／ＯＦＦすることにより前記状態を切り替えることを特徴とする赤外線アレイセンサ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかの赤外線アレイセンサであって、
前記各温度センサは、赤外線の入射により生じる温度変化に応じて電気特性が同等に変化することを特徴とする赤外線アレイセンサ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかの赤外線アレイセンサであって、
前記温度センサは、前記各画素ごとに熱的に独立する検知部位における温度変化に応じて電気特性が変化することを特徴とする赤外線アレイセンサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかの赤外線アレイセンサであって、
前記温度センサを、ヒートシンクとなる基板上に脚部を介して支持された検知器構造体上に設けたことを特徴とする赤外線アレイセンサ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかの赤外線アレイセンサであって、
各前記行方向直列回路の一端及び／又は各前記列方向直列回路の一端を全て短絡させ、短絡された一端を電源又は接地レベルに接続したことを特徴とする赤外線アレイセンサ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかの赤外線アレイセンサであって、
各行又は各列の少なくとも一方に、各前記行方向直列回路及び各前記列方向直列回路から取り出した信号を入力信号として該入力信号に応じて定まる電流を流す定電流源をそれぞれ有し、各前記定電流源の第１の端子を一定電位にそれぞれ接続し、隣接する前記定電流源の第２の端子をそれぞれ抵抗を介して接続し、両最外行及び両最両外列の各前記定電流源の第２の端子をそれぞれ抵抗を介して電圧源に接続したことを特徴とした赤外線アレイセンサ。
【請求項９】
請求項８の赤外線アレイセンサであって、
少なくとも各行又は各列の隣接する前記定電流源の第２の端子間に接続される各抵抗の抵抗値が全て同等であることを特徴とする赤外線アレイセンサ。
【請求項１０】
請求項８又は９の赤外線アレイセンサであって、
少なくとも各行又は各列の各前記定電流源の入力信号に対して流す電流の交換特性が全て同等であることを特徴とする赤外線アレイセンサ。
【請求項１１】
請求項８〜１０のいずれかの赤外線アレイセンサであって、
両最外行又は両最外列の前記定電流源の第２の端子に抵抗を介して接続した電圧源の電源電圧が同等であることを特徴とする赤外線アレイセンサ。
【請求項１２】
請求項８〜１１のいずれかの赤外線アレイセンサであって、
前記両最外行又は前記両最外列の少なくとも一方の各前記定電流源に接続された抵抗に定電圧を供給する電圧源を備えた電流−電圧交換アンプをそれぞれ接続し、各前記電流−電圧変換アンプの出力端子を差動アンプと加算アンプとにそれぞれ接続し、前記差動アンプと加算アンプの出力を当該センサの出力とすることを特徴とする赤外線アレイセンサ。
【請求項１３】
請求項８〜１２の赤外線アレイセンサであって、
行又は列の少なくとも一方について、行及び列の和信号を制御入力信号として、上記和信号によって決まる電流を流すことのできる第１の定電流源が抵抗列に接続された節に、第１の端子が接続され、電流量を制御することができる入力を持った第２の定電流源を有し、前記定電流源の第２の端子を一定電位に接続し、前記定電流源の電流量を制御するためのデータを供給するための補正データ供給回路を有することを特徴とした赤外線アレイセンサ。
【請求項１４】
請求項１〜７のいずれかの赤外線アレイセンサであって、
第１の状態において各前記列方向直列回路から取り出される出力と第２の状態において各前記列方向直列回路から取り出される出力との差が最大となる行を検知するピーク行検知回路、及び／又は、
第１の状態において各前記列方向直列回路から取り出される出力と、第２の状態において各前記列方向直列回路から取り出される出力との差が最大となる列を検知するピーク列検知回路を備えたことを特徴とする赤外線アレイセンサ。
【請求項１５】
請求項１〜７のいずれかの赤外線アレイセンサであって、
第１の状態において各前記行方向直列回路から取り出される出力と、第２の状態において各前記行方向直列回路から取り出される出力との差を関数にフィッティングし、そのフィッティングされた関数の値が最大となる行位置を検知するピーク行位置検知回路、及び／又は、
第１の状態において各前記列方向直列回路から取り出される出力と、第２の状態において各前記列方向直列回路から取り出される出力との差を関数にフィッティングし、そのフィッティングされた関数の値が最大となる列位置を検知するピーク列位置検知回路を備えたことを特徴とする赤外線アレイセンサ。
【請求項１６】
請求項１〜７のいずれかの赤外線アレイセンサであって、
第１の状態において各前記行方向直列回路から取り出される出力と、第２の状態において各前記行方向直列回路から取り出される出力との差を全ての行について加算する行加算回路、及び／又は、
第１の状態において各前記列方向直列回路から取り出される出力と、第２の状態において各前記列方向直列回路から取り出される出力との差を全ての列について加算する列加算回路を備えたことを特徴とする赤外線アレイセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検知対象物（発熱体）により放射される赤外線を検知する熱型赤外線検知器を基板上に複数画素、２次元に配列した赤外線アレイセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、可視光を検知するものとしては、スポット状の光の位置を検知可能なＰＳＤ（Position Sensitive Detector、可視光位置センサ）のほかに、光を電荷に変換するフォトダイオードが画素ごとにアレイ状に配列されたＣＭＯＳ（Complementary Metal-oxide Semiconductor）アレイセンサ等が開発されている。このようなＣＭＯＳアレイセンサは、各画素で発生した電荷を電気信号として取り出すことにより、高輝度点の位置特定や追尾を複雑な画像処理を行うことなく実現することも可能である。【０００３】
一方、赤外線を検知する赤外線アレイセンサ、特に熱型赤外線検知器を基板上に２次元に配列した赤外線アレイセンサの分野では、発熱体である検知対象物の位置特定や追尾を複雑な画像処理を行うことなく実現する技術は提案されていない。また、単画素赤外線センサでは２次元情報を取得することができない。【０００４】
従来の赤外線アレイセンサとしては、行選択用及び列選択用のシフトレジスタを有し、これらシフトレジスタによって電子的に走査することにより、画素ごとに電気信号を外部に読み出す構成のもの（例えば、特許文献１参照。）等が知られている。
【特許文献１】特許第３４８４３５４号公報（段落〔００３３〕、図３等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記のような赤外線アレイセンサでは、赤外線を放射する検知対象物の位置特定や追尾を行うためには、赤外線アレイセンサの全ての画素ごとに走査回路で行及び列を選択して電気信号を順次読み出し、画像処理用のＬＳＩ（Large Scale Integration、大規模集積回路）等を用いて高度な信号処理を行う必要がある。そのため、走査回路やＬＳＩ等の電子部品が必要となる上、取得した画像から発熱点を検知する画像処理プログラムを開発する必要がある。こうしたシステムは、高解像度の画像を得ることが必要な軍事分野等には適しているが、複雑かつ大規模なシステムとなり、高コストとなる。そのため、単画素赤外線センサでは不可能な２次元情報を取得する必要があり、それほど高い性能は必要としないが低コストが要求される分野には適していないという問題があった。【０００６】
本発明は、以上のような事情や問題点に鑑みてなされたものであり、画像処理を行うことなく２次元情報を取得することができ、低コストの赤外線アレイセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の赤外線アレイセンサは、赤外線の入射により生じる温度変化に応じて電気特性が変化する第１及び第２の温度センサを備えた熱型赤外線検知器を有する画素を２次元マトリックス状に配列して同時に視野全体をみるようにした赤外線アレイセンサであって、各行ごとに前記第１の温度センサをそれぞれ電気的に直列に接続することにより前記第１の温度センサがそれぞれ示す電気特性の和となる電気特性に応じた電気信号を外部に出力として取り出し得るように構成された行方向直列回路と、各列ごとに前記第２の温度センサをそれぞれ電気的に直列に接続することにより前記第２の温度センサがそれぞれ示す電気特性の和となる電気特性に応じた電気信号を外部に出力として取り出し得るように構成された列方向直列回路と、を備え、前記温度センサは、サーモパイル型温度センサ、抵抗ボロメータ型温度センサ、又はダイオード型温度センサのいずれかで構成されたことを特徴としている。
【０００９】
請求項２に記載の赤外線アレイセンサは、赤外線の入射により生じる温度変化に応じて電気特性が変化する温度センサを１つ備えた熱型赤外線検知器を有する画素を２次元マトリックス状に配列した赤外線アレイセンサであって、各行ごとに前記温度センサをそれぞれ電気的に直列に接続する行方向直列回路と、各列ごとに前記温度センサをそれぞれ電気的に直列に接続する列方向直列回路と、各前記行方向直列回路を電気的に接続し異なる列間の前記温度センサの電気的な接続を全て切断する状態と、前記各列方向直列回路を電気的に接続し行間の前記温度センサの電気的な接続を全て切断する状態とを切り替える切替手段と、を設けており、前記温度センサは、サーモパイル型温度センサ、抵抗ボロメータ型温度センサ、又はダイオード型温度センサのいずれかで構成されたことを特徴としている。
【００１０】
請求項３に記載の赤外線アレイセンサは、請求項２の赤外線アレイセンサであって、行方向及び列方向にそれぞれ隣接する前記画素の前記温度センサの間にそれぞれスイッチングトランジスタを電気的に直列に接続し、前記切替手段が、２つの制御信号によって前記スイッチングトランジスタをＯＮ／ＯＦＦすることにより前記状態を切り替えることを特徴としている。
【００１１】
請求項４に記載の赤外線アレイセンサは、請求項１〜３のいずれかの赤外線アレイセンサであって、前記各温度センサは、赤外線の入射により生じる温度変化に応じて電気特性が同等に変化することを特徴としている。
【００１２】
請求項５に記載の赤外線アレイセンサは、請求項１〜４のいずれかの赤外線アレイセンサであって、前記温度センサは、前記各画素ごとに熱的に独立する検知部位における温度変化に応じて電気特性が変化することを特徴としている。
【００１３】
請求項６に記載の赤外線アレイセンサは、請求項１〜５のいずれかの赤外線アレイセンサであって、前記温度センサを、ヒートシンクとなる基板上に脚部を介して支持された検知器構造体上に設けたことを特徴としている。
【００１４】
請求項７に記載の赤外線アレイセンサは、請求項１〜６のいずれかの赤外線アレイセンサであって、各前記行方向直列回路の一端及び／又は各前記列方向直列回路の一端を全て短絡させ、短絡された一端を電源又は接地レベルに接続したことを特徴としている。
【００１５】
請求項８に記載の赤外線アレイセンサは、請求項１〜７のいずれかの赤外線アレイセンサであって、各行又は各列の少なくとも一方に、各前記行方向直列回路及び各前記列方向直列回路から取り出した信号を入力信号として該入力信号に応じて定まる電流を流す定電流源をそれぞれ有し、各前記定電流源の第１の端子を一定電位にそれぞれ接続し、隣接する前記定電流源の第２の端子をそれぞれ抵抗を介して接続し、両最外行及び両最両外列の各前記定電流源の第２の端子をそれぞれ抵抗を介して電圧源に接続したことを特徴としている。
【００１６】
請求項９に記載の赤外線アレイセンサは、請求項８の赤外線アレイセンサであって、少なくとも各行又は各列の隣接する前記定電流源の第２の端子間に接続される各抵抗の抵抗値が全て同等であることを特徴としている。
【００１７】
請求項１０に記載の赤外線アレイセンサは、請求項８又は９の赤外線アレイセンサであって、少なくとも各行又は各列の各前記定電流源の入力信号に対して流す電流の交換特性が全て同等であることを特徴としている。
【００１８】
請求項１１に記載の赤外線アレイセンサは、請求項８〜１０のいずれかの赤外線アレイセンサであって、両最外行又は両最外列の前記定電流源の第２の端子に抵抗を介して接続した電圧源の電源電圧が同等であることを特徴としている。
【００１９】
請求項１２に記載の赤外線アレイセンサは、請求項８〜１１のいずれかの赤外線アレイセンサであって、前記両最外行又は前記両最外列の少なくとも一方の各前記定電流源に接続された抵抗に定電圧を供給する電圧源を備えた電流−電圧交換アンプをそれぞれ接続し、各前記電流−電圧変換アンプの出力端子を差動アンプと加算アンプとにそれぞれ接続し、前記差動アンプと加算アンプの出力を当該センサの出力とすることを特徴としている。
【００２０】
請求項１３に記載の赤外線アレイセンサは、請求項８〜１２の赤外線アレイセンサであって、行又は列の少なくとも一方について、行及び列の和信号を制御入力信号として、上記和信号によって決まる電流を流すことのできる第１の定電流源が抵抗列に接続された節に、第１の端子が接続され、電流量を制御することができる入力を持った第２の定電流源を有し、前記定電流源の第２の端子を一定電位に接続し、前記定電流源の電流量を制御するためのデータを供給するための補正データ供給回路を有することを特徴としている。
【００２１】
請求項１４に記載の赤外線アレイセンサは、請求項１〜７のいずれかの赤外線アレイセンサであって、第１の状態において各前記列方向直列回路から取り出される出力と第２の状態において各前記列方向直列回路から取り出される出力との差が最大となる行を検知するピーク行検知回路、及び／又は、第１の状態において各前記列方向直列回路から取り出される出力と、第２の状態において各前記列方向直列回路から取り出される出力との差が最大となる列を検知するピーク列検知回路を備えたことを特徴としている。
【００２２】
請求項１５に記載の赤外線アレイセンサは、請求項１〜７のいずれかの赤外線アレイセンサであって、第１の状態において各前記行方向直列回路から取り出される出力と、第２の状態において各前記行方向直列回路から取り出される出力との差を関数にフィッティングし、そのフィッティングされた関数の値が最大となる行位置を検知するピーク行位置検知回路、及び／又は、第１の状態において各前記列方向直列回路から取り出される出力と、第２の状態において各前記列方向直列回路から取り出される出力との差を関数にフィッティングし、そのフィッティングされた関数の値が最大となる列位置を検知するピーク列位置検知回路を備えたことを特徴としている。
【００２３】
請求項１６に記載の赤外線アレイセンサは、請求項１〜７のいずれかの赤外線アレイセンサであって、第１の状態において各前記行方向直列回路から取り出される出力と、第２の状態において各前記行方向直列回路から取り出される出力との差を全ての行について加算する行加算回路、及び／又は、第１の状態において各前記列方向直列回路から取り出される出力と、第２の状態において各前記列方向直列回路から取り出される出力との差を全ての列について加算する列加算回路を備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２６】
請求項１に記載の赤外線アレイセンサによれば、各行の第１の温度センサをそれぞれ電気的に直列に接続した行方向直列回路を備え、各画素の第１の温度センサは赤外線の入射により生じる温度変化に応じて電気特性が変化する。そのため、温度変化が生じた画素が存在する場合、当該画素を含む行の行方向直列回路から取り出される電気信号に変化が生じ、赤外線の入射に変化が生じた画素を含む行を特定することが可能となる。また、同様に、列方向直列回路を備えるため、赤外線の入射に変化が生じた画素を含む列を特定することが可能となる。よって、赤外線の入射に変化が生じたか否かを検知することが可能となる。さらに、赤外線の入射に変化を生じさせた発熱体が視野内で１つでありセンサ上に結像されたときに１画素程度やそれ以下の大きさになる場合には、赤外線の入射に変化を生じた画素が特定できるため、当該発熱体の位置を一意的に特定することが可能となる。さらに、赤外線の入射に変化を生じさせた発熱体がセンサ上に結像されたときに１画素程度を越える大きさになる場合には、当該発熱体の広がりや数を、場合によっては位置を特定することが可能となる。そこで、画像処理を行うことなく、２次元情報を取得することが可能な赤外線アレイセンサを低コストで提供することができる。さらに、行方向直列回路及び列方向直列回路の各温度センサを常に電気的に接続した状態とすることができ、温度センサ間の接続を切り替え可能な切替手段等を設けて制御する必要がないので、制御手段を簡素化することが可能となる。また、各温度センサを、冷却不要で常温動作が可能なサーモパイル型温度センサ、抵抗ポロメータ型温度センサ、又はダイオード型温度センサのいずれかで構成したので、非冷却式の赤外線アレイセンサとすることができると共に、赤外線アレイセンサの簡素化、小型化、及び低消費電力化を実現することができる。
【００２７】
請求項２に記載の赤外線アレイセンサによれば、各行の温度センサをそれぞれ電気的に直列に接続した行方向直列回路を備え、各画素の温度センサは赤外線の入射により生じる温度変化に応じて電気特性が変化する。そのため、温度変化が生じた画素が存在する場合、当該画素を含む行の行方向直列回路から取り出される電気信号に変化が生じ、赤外線の入射に変化が生じた画素を含む行を特定することが可能となる。また、同様に、列方向直列回路を備えるため、赤外線の入射に変化が生じた画素を含む列を特定することが可能となる。よって、赤外線の入射に変化が生じたか否かを検知することが可能となる。さらに、赤外線の入射に変化を生じさせた発熱体が視野内で１つでありセンサ上に結像されたときに１画素程度やそれ以下の大きさになる場合には、赤外線の入射に変化を生じた画素が特定できるため、当該発熱体の位置を一意的に特定することが可能となる。さらに、赤外線の入射に変化を生じさせた発熱体がセンサ上に結像されたときに１画素程度を越える大きさになる場合には、当該発熱体の広がりや数を、場合によっては位置を特定することが可能となる。そこで、画像処理を行うことなく、２次元情報を取得することが可能な赤外線アレイセンサを低コストで提供することができる。さらに、切替手段を備えるので、各画素に１つの温度センサのみを設けた構成が可能となるため、使用する温度センサの個数や配線を簡素化することができるとともに、熱コンダクタンスを小さくして高感度化を実現することが可能となる。
【００２８】
請求項３に記載の赤外線アレイセンサによれば、隣接する画素の温度センサの間にそれぞれスイッチングトランジスタを電気的に直列に接続し、切替手段が、２つの制御信号によってスイッチングトランジスタをＯＮ／ＯＦＦすることにより接続状態を切り替る。そのため、接続状態を切り替る構成を簡易に実現することができる。
【００２９】
請求項４に記載の赤外線アレイセンサによれば、各温度センサが赤外線の入射により生じる温度変化に応じて電気特性が同等に変化する。そのため、行方向直列回路や列方向直列回路から取り出した電気信号を処理する手段を簡易に構成することが可能となるとともに、温度センサの感度ばらつきによる検知精度の低下を防止することができる。なお、各温度センサが温度変化に応じて電気特性が同等に変化するとは、任意の温度変化に対応する電気特性の変化が等しい、又は温度センサの検知精度を考慮した場合に等しいとみなせる程度にばらつきが小さいことを意味する。
【００３０】
請求項５に記載の赤外線アレイセンサによれば、温度センサが各画素ごとに熱的に独立する検知部位における温度変化に応じて電気特性が変化する。即ち、各画素ごとに熱的に独立する検知部位における温度変化を温度センサが検知する。そのため、各画素の検知部位においては画素間の熱移動がないので、隣接する画素の温度変化に影響されずに各画素に固有の温度変化を温度センサが検知することができる。よって、当該赤外線アレイセンサの検知精度を向上させることが可能となる。なお、検知部位が熱的に独立するとは、検知部位間に高い熱抵抗が存在し、検知部位間における熱伝導が非常に少なく、当該赤外線アレイセンサの検知時間間隔を考慮した場合に検知部位間における温度変化の伝達が無視できることを意味する。
【００３１】
請求項６に記載の赤外線アレイセンサによれば、各画素ごとに熱的に独立する検知部位における温度変化を温度センサが検知することが可能となる構成を簡易に実現することができ、当該赤外線アレイセンサの検知精度を向上させることが可能となる。
【００３２】
請求項７に記載の赤外線アレイセンサによれば、各行方向直列回路や各列方向直列回路からの出力を当該赤外線アレイセンサから取り出すための配線を減らすことができる。
【００３３】
請求項８に記載の赤外線アレイセンサによれば、例えば、行に関して当該請求項９に記載の構成を有する赤外線アレイセンサの場合、抵抗を介して電圧源に接続された両最外行の各定電流源の第２の端子を出力端子とすることにより、行に関する出力端子を２つとすることができる。そして、これらの出力端子からの出力に基き、最大出力行及び全行方向直列回路から取り出される電気信号の和を求めることが可能となる。そのため、簡易な電流型アナログ回路を構成することにより、行に関する出力端子を行の数又はその２倍から２つに減らすことが可能となる。列に関しても同様である。
【００３４】
請求項９から１１に記載の赤外線アレイセンサによれば、前記出力端子からの出力に基き最大出力行等を求める手段を簡易に構成することが可能となるとともに、その検知精度の低下を防止することができる。なお、請求項９から１１における同等とは、完全に等しいのみに限られず、当該赤外線アレイセンサの検知精度を考慮した場合に前記出力端子からの出力が等しいとみなせる程度にばらつきが小さいことを意味する。
【００３５】
請求項１２に記載の赤外線アレイセンサによれば、電流型アナログ回路の出力を電圧に変換し、差と和を求める回路を設けたので、発熱体の位置検知と発熱体の面積計測を赤外線アレイセンサの出力から直接求めることができる。
【００３６】
請求項１３に記載の赤外線アレイセンサによれば、電流型アナログ信号処理回路に補正機能を付加したので、感度バラツキを持った赤外線アレイセンサの感度バラツキに起因した検知能力の低下を防止でき、また、任意の基準背景からの変化を検知する機能を特定の画像メモリを用いることなく実現することができる。
【００３７】
請求項１４に記載の赤外線アレイセンサによれば、ピーク行検知回路やピーク列検知回路を備えるため、温度ピークとなる発熱点の位置を画素単位で特定することができ、検知対象物の追尾が容易になる。
【００３８】
請求項１５に記載の赤外線アレイセンサによれば、ピーク行位置検知回路やピーク列位置検知回路を備えるため、温度ピークとなる発熱点の位置を画素間のピッチ未満の長さの精度で出力が最大となる点を求めることができ、発熱点の位置特定の精度を向上させることができる。
【００３９】
請求項１６に記載の赤外線アレイセンサによれば、行加算回路や列加算回路を備えるため、検知対象物の面積を所定程度以下に特定することが容易に可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、本発明に係る赤外線アレイセンサ１００について、図面に基づいて説明する。赤外線アレイセンサ１００は、図１に概念的に示すように、熱型赤外線検知器１０１を有する画素１０２が２次元マトリックス状に配列されており、行出力取出手段１０３と列出力取出手段１０４とを備えている。なお、画素１０２の行数及び列数は、図１のような３行×３列に限定されるものではなく、２行又は４行以上、２列又は４列以上であってもよい。また、画素１０２の行数と列数とは同数である必要もない。また、行や列ごとに画素の数が異なっていてもよい。また、行と列は直交している必要もない。【００４２】
熱型赤外線検知器１０１は、赤外線の入射により生じる熱変化に応じて電気特性が変化することにより、赤外線を検知する。行出力取出手段１０３は、各行の熱型赤外線検知器１０１がそれぞれ示す電気特性の和となる電気特性に応じた電気信号を外部に出力として取り出し得るように構成されている。列出力取出手段１０４は、各列の熱型赤外線検知器がそれぞれ示す電気特性の和となる電気特性に応じた電気信号を外部に出力として取り出し得るように構成されている。【００４３】
以下、本発明の第１の実施形態に係る赤外線アレイセンサ１について、図面に基づいて説明する。赤外線アレイセンサ１は、図２に示すように、第１及び第２の温度センサ２，３を備えた熱型赤外線検知器４を有する画素５が２次元マトリックス状に配列されており、各行ごとに第１の温度センサ２をそれぞれ電気的に直列に接続した行方向直列回路６と、各列ごとに第２の温度センサ３をそれぞれ電気的に直列に接続した列方向直列回路７と、を備えている。【００４４】
第１及び第２の温度センサ２，３は、赤外線の入射により生じる温度変化に応じて電気特性が変化するセンサである。温度センサ２，３は、その形式として、抵抗ボロメータ型、サーモパイル型、ダイオード型等が挙げられるが、直列に電気的に接続することにより、各温度センサ２，３の出力の和が得られる種類のものであればよい。このような温度センサ２，３を用いた赤外線アレイセンサ１が検知可能な赤外線の波長帯は、特に限定されるものではないが、室温付近の物体について十分な放射がありかつ大気の透過率が高い３〜５ミクロンメートル帯及び／又は８〜１４ミクロンメートル帯が好適である。また、第１の温度センサ２と第２の温度センサ３とは、同じ形式のものであってもよいし、異なる形式のものであってもよい。【００４５】
第１の温度センサ２は各行ごとに電気的に直列に接続されており、直列に接続された例えば３つの第１の温度センサ２により、行方向直列回路６が行ごとに形成されている。各行方向直列回路６は、その両端（一端及び他端）６ａ，６ｂから、各行の第１の温度センサ２がそれぞれ示す電気特性の和となる電気特性に応じた電気信号を外部に取り出し得るように構成されており、前記行出力取出手段１０３となっている。各行方向直列回路６の両端６ａ、６ｂからそれぞれ取り出される出力は、各行方向直列回路６に含まれる各第１の温度センサ２の出力の和となっている。【００４６】
第２の温度センサ３は各列ごとに電気的に直列に接続されており、直列に接続された例えば３つの第２の温度センサ３により、列方向直列回路７が行ごとに形成されている。各列方向直列回路７は、その両端（一端及び他端）７ａ，７ｂから、各列の第２の温度センサ３がそれぞれ示す電気特性の和となる電気特性に応じた電気信号を外部に取り出し得るように構成されており、前記列出力取出手段１０４となっている。各列方向直列回路７の両端７ａ、７ｂからそれぞれ取り出される出力は、各行方向直列回路７に含まれる各第２の温度センサ３の出力の和となっている。【００４７】
次に、赤外線アレイセンサ１の動作について、図２及び図３に基づいて説明する。なお、これらの図における「０」及び「１」は各行方向直列回路６の両端６ａ，６ｂや各列方向直列回路７の両端７ａ，７ｂから取り出される出力のレベル（信号レベル）を概念的に表したものであり、「０」は各行や各列に含まれるどの画素５の検知範囲（視野）内にも検知対象物（発熱体）Ｔがない、即ち、撮像している対象領域に検知対象がない場合を示し、「１」は各行や各列に含まれるいずれかの画素５の検知範囲内に所定温度の検知対象物Ｔがある、即ち、撮像している対象領域に検知対象がある場合を示している。ここで、各行や各列に含まれるどの画素５の検知範囲内にも検知対象物Ｔがない状態でも、全ての画素５に対して均一に赤外線が放射されている必要はない。また、温度センサ２，３の特性のバラツキにより、各行や各列に含まれるどの画素５の検知範囲内にも検知対象物Ｔがない状態における各行方向直列回路６や各列方向直列回路７から取り出される出力のレベルが異なっていてもよい。これら出力のレベルが時間的に変化しない場合、その定常状態を基準とし、基準との出力のレベルの差を計測すれば、検知対象物Ｔを検知することができる。従って、「０」で表される場合の出力の絶対値は、各行や各列で異なっていてもよい。【００４８】
例えば、第２行・第１列の位置にある画素５が検知対象物Ｔを検知した場合、即ち、画素５にある第１及び第２の温度センサ２，３が温度変化を検知した場合、第２行の列方向直列回路６の両端６ａ，６ｂから取り出される出力のレベル、及び第１列の列方向直列回路７の両端７ａ，７ｂから取り出される出力のレベルが変化する。この場合、検知対象物Ｔを検知した画素５の位置は、出力のレベルが変化した行・列である第２行・第１列と特定される。【００４９】
例えば、第１及び第２の温度センサ２，３がサーモパイル型温度センサである場合、各画素５の温度センサ２，３は、画素５が受光した赤外線のエネルギーに対応した起電力を発生する。各行方向直列回路６から取り出される出力のレベルは、各行に含まれる各第１の温度センサ２が発生する起電力を加算したものになる。各列方向直列回路７から取り出される出力のレベルは、各列に含まれる各第２の温度センサ３が発生する起電力を加算したものになる。各行の起電力の加算値は、各行方向直列回路６の両端６ａ，６ｂの電圧を計測することにより得ることができる。各列の起電力の加算値は、各列方向直列回路７の両端７ａ，７ｂの電圧を計測することにより得ることができる。【００５０】
一方、第１及び第２の温度センサ２，３が抵抗ボロメータ型温度センサである場合、各画素５の温度センサ２，３は、画素５が受光した赤外線のエネルギーに対応した電気抵抗値を示す。各行方向直列回路６の電気抵抗値は、各行に含まれる各第１の温度センサ２が示す電気抵抗値を加算したものになる。各列方向直列回路７の電気抵抗値は、各行に含まれる各第２の温度センサ３が示す電気抵抗値を加算したものになる。各行方向直列回路６の電気抵抗値や各列方向直列回路７の電気抵抗値はそれぞれ、各直列回路６，７の一端６ａ，７ａに電源を接続し、直列回路６，７の他端６ｂ，７ｂを負荷抵抗又は定電流源を介して接地した状態で、直列回路６，７の他端６ｂ，７ｂの電圧を計測することにより得ることができる。【００５１】
一方、温度センサ２，３が、順方向に定電流バイアスしたダイオードを用いたダイオード型温度センサである場合、各画素５の温度センサ２，３は、画素５が受光した赤外線のエネルギーに対応した順方向電圧（ダイオード両端の電圧降下）を示す。各行方向直列回路６の全体の順方向電圧（直列に接続した全てのダイオード両端の電圧降下）は、各行に含まれる各第１の温度センサ２の順方向電圧（ダイオード両端の電圧降下）を加算したものになる。各列方向直列回路７の全体の順方向電圧（直列に接続した全てのダイオード両端の電圧降下）は、各列に含まれる各第２の温度センサ３の順方向電圧（ダイオード両端の電圧降下）を加算したものになる。各行方向直列回路６の全体の順方向電圧や各列方向直列回路７の全体の順方向電圧はそれぞれ、直列回路６，７の一端６ａ，７ａに電源を接続し、直列回路６，７の他端６ｂ，７ｂを定電流源を介して接地した状態で、直列回路６，７の他端６ｂ，６ｂの電圧を計測することにより得ることができる。なお、上記のようなダイオード型の温度センサ２，３を構成するダイオードの数は１つである必要はなく、複数のダイオードで１つの温度センサ２，３をそれぞれ構成してもよい。複数のダイオードで構成された温度センサ２，３を使用すれば、大きな出力を得ることができ、高感度化が可能である。【００５２】
このように、赤外線アレイセンサ１によれば、各行の第１の温度センサ２をそれぞれ電気的に直列に接続した行方向直列回路６を備え、各画素の第１の温度センサ２は赤外線の入射により生じる温度変化に応じて電気特性が変化する。そのため、温度変化が生じた画素５が存在する場合、当該画素５を含む行の行方向直列回路６から取り出される電気信号に変化が生じ、赤外線の入射に変化が生じた画素５を含む行を特定することが可能となる。また、同様に、列方向直列回路７を備えるため、赤外線の入射に変化が生じた画素５を含む列を特定することが可能となる。よって、赤外線の入射に変化が生じたか否かを検知することが可能となる。さらに、赤外線の入射に変化を生じさせた発熱体が視野内で１つでありセンサ上に結像されたときに１画素程度やそれ以下の大きさになる場合には、赤外線の入射に変化を生じた画素５が特定できるため、赤外線の入射に変化が生じた画素５を一意的に特定することが可能となる。さらに、赤外線の入射に変化を生じさせた発熱体がセンサ上に結像されたときに１画素程度を越える大きさになる場合には、赤外線の入射に変化が生じた画素５の広がりや数を、場合によっては位置を特定することが可能となる。そこで、画像処理を行うことなく、検知対象物Ｔの位置特定や動線追尾をある程度行うことが低コストで実現することが可能となる。さらに、各温度センサ２，３を、冷却不要で常温動作が可能なサーモパイル型温度センサ、抵抗ボロメータ型温度センサ、又はダイオード型温度センサのいずれかで構成すれば、非冷却式の赤外線アレイセンサ１とすることができると共に、赤外線アレイセンサ１の簡素化、小型化、及び低消費電力化を実現することができるという利点がある。【００５３】
なお、各第１及び第２の温度センサ２，３が赤外線の入射により生じる温度変化に応じて電気特性が同等に変化すれば、行方向直列回路６や列方向直列回路７から取り出した電気信号を処理する手段を簡易に構成することが可能となるとともに、温度センサ２，３の感度ばらつきによる赤外線アレイセンサ１の検知精度の低下を防止することができ、好ましい。【００５４】
赤外線アレイセンサ１の各画素５はそれぞれが、例えば、図４に示すように、主な構成要素として、単結晶シリコン基板等で構成された基板８、及びこの基板８上に配列された熱型赤外線検知器４を備えている。全ての画素５の基板８が１枚の単結晶シリコン基板等から構成されているものであっても、１又は複数の画素５のみが共通して１枚の単結晶シリコン基板等から構成されているものであってもよい。【００５５】
熱型赤外線検知器４は、ヒートシンクとなる基板８上に例えば４つの脚部４Ａを介して支持された検知器構造体４Ｂ上に、２つの端子２ａ，２ｂを有する第１の温度センサ２及び２つの端子３ａ，３ｂを有する第２の温度センサ３を設けたものである。【００５６】
検知器構造体４Ｂは、例えば下地板４Ｃとその上に積層された赤外線吸収層４Ｄとで構成されており、高い熱抵抗を有するように、基板８の上面８Ａに形成された凹部８Ｃ内の略中央に左右２つずつの脚部４Ａを介して上面８Ａが基板８の上面８Ａと面一となるように架設されている。このような赤外線吸収層４Ｄは、検知器構造体４Ｂの上部の代わりに又は検知器構造体４Ｂの上部と共に、温度センサ２，３上にそれぞれ設けてもよい。いずれにしても、赤外線吸収層４Ｄは、温度センサ２，３に接触するように適宜の位置に設けておけばよい。なお、ここでいう熱抵抗とは、検知器構造体４Ｂから基板８への熱伝導のしにくさを表す物理量をいう。また、脚部４Ａの数は４つに限定されるものではなく、少なくとも１つの脚部４Ａで検知器構造体４Ｂが支持されていればよい。更に、基板８の上面８Ａに凹部８Ｃを設けない場合、検知器構造体４Ｂは、少なくとも１つの脚部４Ａを介して基板８の上空に支持されていればよい。【００５７】
なお、温度センサ２，３が各画素５ごとに熱的に独立する検知部位における温度変化に応じて電気特性が変化する、即ち、各画素５ごとに熱的に独立する検知部位における温度変化を温度センサ２，３が検知するのであれば、画素５の構成は図４に示された構成に限定されるものではない。例えば、検知器構造体４Ｂが、高い熱抵抗を有する支持体によって基板８の上方に支持されるものであってもよい。【００５８】
ここで、図示しないが、第１の状態において各列方向直列回路６から取り出される出力と第２の状態において各列方向直列回路６から取り出される出力との差が最大となる行を検知するピーク行検知回路、及び／又は、第１の状態において各列方向直列回路７から取り出される出力と、第２の状態において各列方向直列回路７から取り出される出力との差が最大となる列を検知するピーク列検知回路を、赤外線アレイセンサ１が備えることが好ましい。例えば、ピーク行検知回路が、検知対象物Ｔを検知していない場合に各行方向直列回路６の両端６ａ，６ｂから取り出される出力と、検知対象物Ｔを検知した場合に各行方向直列回路６の両端６ａ，６ｂから取り出される出力との差が最大となる行を検知し、ピーク列検知回路が、検知対象物Ｔを検知していない場合に各列方向直列回路７の両端７ａ，７ｂから取り出される出力と、検知対象物Ｔを検知した場合に各列の直列回路２２の両端２２ａ、２２ｂから取り出される出力との差が最大となる列を検知する。これにより、温度ピークとなる発熱点の位置を画素５単位で特定することができ、検知対象物Ｔの追尾が容易になる。なお、ピーク行検知回路やピーク列検知回路は、赤外線アレイセンサ１を含むチップ内に設けてもよいし、チップ外に設けてもよい。【００５９】
また、図示しないが、第１の状態において各行方向直列回路６から取り出される出力と、第２の状態において各行方向直列回路６から取り出される出力との差を関数にフィッティングし、そのフィッティングされた関数の値が最大となる行位置を検知するピーク行位置検知回路、及び／又は、第１の状態において各列方向直列回路７から取り出される出力と、第２の状態において各列方向直列回路７から取り出される出力との差を関数にフィッティングし、そのフィッティングされた関数の値が最大となる列位置を検知するピーク列位置検知回路を、赤外線アレイセンサ１が備えることが好ましい。例えば、ピーク行位置検知回路が、検知対象物Ｔを検知していない場合に各行方向直列回路６の両端６ａ，６ｂから取り出される出力と、検知対象物Ｔを検知した場合に各行方向直列回路６の両端６ａ，６ｂから取り出される出力との差を関数にフィッティングし、そのフィッティングされた関数の値が最大となる行位置を検知し、ピーク列位置検知回路は、検知対象物Ｔを検知していない場合に各列方向直列回路７の両端７ａ，７ｂから取り出される出力と、検知対象物Ｔを検知した場合に各列方向直列回路７の両端７ａ，７ｂから取り出される出力との差を関数にフィッティングし、そのフィッティングされた関数の値が最大となる列位置を検知する。これにより、温度ピークとなる発熱点の位置を画素間のピッチ未満の長さの精度で出力が最大となる点（例えば、１．９行・１．１列）を求めることができ、発熱点の位置特定の精度を向上させることができる。関数としては、一般的な分布関数である正規分布関数等が挙げられる。なお、ピーク行位置検知回路やピーク列位置検知回路は、赤外線アレイセンサ１を含むチップ内に設けてもよいし、チップ外に設けてもよい。【００６０】
更に、図示しないが、各行方向直列回路６の両端６ａ，６ｂから取り出される出力を増幅するアンプを行ごとに設け、各列方向直列回路７の両端７ａ，７ｂから取り出される出力を増幅するアンプを列ごとに設けておけば、より大きな電気信号を出力することができる。上記のようなアンプを搭載する場合、赤外線アレイセンサ１の製造に必要な工程に、アンプ作製に必要なトランジスタ作製工程を加えればよい。但し、アンプは必須のものではないので、アンプを設けないで製造工程を減らすことにより更なる低コスト化を図ってもよい。なお、アンプは、赤外線アレイセンサ１を含むチップ内に設けてもよいし、チップ外に設けてもよい。【００６１】
また、図示しないが、各行方向直列回路６からの出力や各列方向直列回路７からの出力を、積分回路を通して出力するように構成しておけば、信号周波数帯域を減少させてＳ／Ｎ（ＳＮ比）を向上させることができる。なお、積分回路は、赤外線アレイセンサ１を含むチップ内に設けてもよいし、チップ外に設けてもよい。【００６２】
更に、図示しないが、各行方向直列回路６からの出力や各列方向直列回路７からの出力を、コンパレータを通して出力するように構成しておけば、各行方向直列回路６からの出力や各列方向直列回路７からの出力が設定レベルを超えた場合にのみ検知対象物Ｔの位置検知を行うように構成することができる。なお、コンパレータは、赤外線アレイセンサ１を含むチップ内に設けてもよいし、チップ外に設けてもよい。【００６３】
更に、各画素５の温度センサ２，３の電気特性や断熱特性の差による感度のバラツキによって適正な電気信号を得ることができないという不具合が生じる場合がある。そのため、各行方向直列回路６からの出力を補正する補正回路（図示せず）を行ごとに設け、各列方向直列回路７からの出力を補正する補正回路（図示せず）を列ごとに設けておけば、より適正な電気信号を出力して上記のような不具合が生じるのを防止することができる。なお、補正回路は、赤外線アレイセンサ１を含むチップ内に設けてもよいし、チップ外に設けてもよい。【００６４】
また、温度センサ２，３が、サーモパイル型温度センサのように基板８と画素５内の検知器構造体４Ｂ部分との温度差を利用するものでない場合は、基板８の温度の変化により出力が変動するという不具合が生じる場合があるが、断熱構造を有しない画素５からなる行と列、又は赤外線を吸収しない画素５からなる行と列を設け、これらを基準に各行と各列の出力を読み出すこと等により基板８の温度の変動による出力変動を補正する変動補正回路（図示せず）を設けておけば、上記のような不具合が生じるのを防止することができる。なお、変動補正回路は、赤外線アレイセンサ１をチップ内に設けてもよいし、チップ外に設けてもよい。【００６５】
更に、各行方向直列回路６からの出力や各列方向直列回路７からの出力を全て並列で読み出すように構成しておけば、画素５ごとの信号を順次読み出す従来の方式よりも高速な読み出しを実現できるので、信号処理の高速化を図ることができる。また、並列で信号出力をするように構成しておけば、高速動作も実現することができる。【００６６】
一方、並列読み出しを行わず、各行からの出力や各列からの出力をマルチプレックスして読み出す方式を採用した場合でも、Ｎ×Ｎ個の画素５があれば、従来方式ではＮ×Ｎ個の信号を読み出す必要があるのに対し、本発明の方式では２Ｎ個の信号を読み出すだけでよいので、従来方式と同じクロック周波数を用いた場合では、高速読み出しが可能である。また、従来方式と同じフレームレートで動作させた場合では、出力の信号帯域を狭くできるので、低雑音化が可能である。【００６７】
加えて、赤外線アレイセンサ１を、従来の人体検知用等に使用されている赤外線センサに内蔵された単画素の焦電型の赤外線センサの代わりに使用した場合、従来方式では、大きな画素の一部に高温物体の像が結像されるので、画素全体は大部分の背景温度領域像と一部の高温物体像との平均的な温度となり、高温物体の存在の効果が薄められた形になるのに対し、本発明による赤外線アレイセンサ１では、複数画素５のうちの１つ、又は隣接する複数の画素５の全体又は広い面積に高温物体の像が結像され、高温物体の像が結像された画素５では従来方式に比べて画素５の温度変化が大きくなるので、感度（Ｓ／Ｎ比）を向上させることができる。【００６８】
以下、本発明の第２の実施形態に係る赤外線アレイセンサ１１について、図面に基づいて説明する。赤外線アレイセンサ１１は、図５に示すように、第１の実施形態に係る赤外線アレイセンサ１の構成に加え、行加算回路１２及び列加算回路１３を更に備えたものである。【００６９】
行加算回路１２は、第１の状態において各行方向直列回路６から取り出される出力と、第２の状態において各行方向直列回路６から取り出される出力との差を全ての行について加算する。行加算回路１２は、例えば、検知対象物Ｔを検知していない場合に各行方向直列回路６の両端６ａ，６ｂから取り出される出力と、検知対象物Ｔを検知した場合に各行方向直列回路７の両端６ａ，６ｂから取り出される出力との差を全ての行について加算する。【００７０】
列加算回路１３は、第１の状態において各列方向直列回路７から取り出される出力と、第２の状態において各列方向直列回路７から取り出される出力との差を全ての列について加算する。列加算回路１３は、例えば、検知対象物Ｔを検知していない場合に各列方向直列回路７の両端７ａ，７ｂから取り出される出力と、検知対象物Ｔを検知した場合に各列方向直列回路７の両端７ａ，７ｂから取り出される出力との差を全ての列について加算する。【００７１】
なお、行加算回路１２や列加算回路１３は、赤外線アレイセンサ１１を含むチップ内に設けてもよいし、チップ外に設けてもよい。また、行加算回路１２や列加算回路１３は、本実施形態のように両方設けてもよいし、いずれか一方のみを設けてもよい。行加算回路１２と列加算回路１３の両方を設けた場合は、全行の加算値と全列の加算値のうちのいずれか大きい方、いずれか小さい方、両者の平均値、又は両者の和に基づいて検知対象物Ｔの面積を計測することができる。【００７２】
次に、赤外線アレイセンサ１１の動作について、図５に基づき説明する。なお、赤外線アレイセンサ１１の動作は第１の実施形態に係る赤外線アレイセンサ１と同様であり、図５における「０」、「１」、及び「２」は各行方向直列回路６や各列方向直列回路７から取り出される出力のレベルを概念的に表している。「０」は各行や各列に含まれるどの画素５の検知範囲内にも検知対象物Ｔがない場合を示し、「１」は各行や各列に含まれる１つのみの画素５の検知範囲内に検知対象物Ｔがある場合を示している。そして、検知対象物Ｔが人体等のようにほぼ同じ温度の物体であれば、検知対象物Ｔが検知範囲内にある各画素５から取り出される出力のレベルはほぼ同じとなる。そこで、各行や各列に含まれる２つの画素５の検知範囲内に検知対象物Ｔがある場合に取り出される出力のレベルを、各行や各列に含まれる１つの画素５の検知範囲内に検知対象物Ｔがある場合に取り出される出力のレベル「１」の２倍である「２」としている。【００７３】
例えば、第１行・第３列、第２行・第１列、及び第２行・第３列の各位置にある画素５が検知対象物Ｔをそれぞれ検知すれば、第１行及び第２行の行方向直列回路６から取り出される出力の値、並びに、第１列及び第３列の列方向直列回路７から取り出される出力の値が増加する。【００７４】
全行分の出力は、行加算回路１２により加算される。全列分の出力は、列加算回路１３により加算される。この場合、全行分の加算値及び／又は全列分の加算値により、検知対象物Ｔの面積（大きさ）が特定される。【００７５】
このように、赤外線アレイセンサ１１によれば、第１の実施形態に係る赤外線アレイセンサ１と同様の利点の他、検知対象物Ｔの面積を計測することが可能となり得るという利点がある。少なくとも、検知対象物Ｔの面積を所定程度以下に特定することが容易に可能となる。【００７６】
以下、本発明の第３の実施形態に係る赤外線アレイセンサ２１について、図面に基づいて説明する。赤外線アレイセンサ２１は、図６に示すように、第１の実施形態に係る赤外線アレイセンサ１の構成に加え、各行方向直列回路６の一端６ｂ及び各列方向直列回路７の一端７ｂを全て短絡させたものである。図６においては、短絡された一端６ｂ，７ｂを接地レベルに接続しているが、電源に接続してもよい。【００７７】
このような赤外線アレイセンサ２１によれば、各行方向直列回路６や各列方向直列回路７からの出力を外部に取り出すための配線を減らすことができるので、第１の実施形態に係る赤外線アレイセンサ１と同様の利点の他、組み立てが容易になるという利点がある。なお、本実施形態においても、必要に応じて、第２の実施形態に係る構成を採用することができる。【００７８】
以下、本発明の第４の実施形態に係る赤外線アレイセンサ３１について、図面に基づいて説明する。赤外線アレイセンサ３１は、図７及び図８に示すように、第１の実施形態に係る赤外線アレイセンサ１とほぼ同様の構成であるが、各画素５の検知器構造体４は温度センサ９を１つのみ有している。【００７９】
赤外線アレイセンサ３１は、温度センサ９を備えた熱型赤外線検知器４を有する画素５が２次元マトリックス状に配列されており、各行ごとに温度センサ９をそれぞれ電気的に直列に接続した行方向直列回路３２と、各列ごとに第２の温度センサ９をそれぞれ電気的に直列に接続した列方向直列回路３３と、各行方向直列回路３２を電気的に接続し異なる列間の温度センサ９の電気的な接続を全て切断する状態と、各列方向直列回路３３を電気的に接続し行間の温度センサ９の電気的な接続を全て切断する状態とを切り替える切替手段３４と、を備えている。そして、行方向及び列方向にそれぞれ隣接する画素５の温度センサ９の間にそれぞれスイッチングトランジスタ３５，３６，３７，３８が電気的に直列に接続され、切替手段３４が、２つの制御信号によってスイッチングトランジスタをＯＮ／ＯＦＦすることにより前記状態を切り替る。【００８０】
赤外線アレイセンサ３１は、より具体的には、各画素５の熱型赤外線検知器４に第１及び第２の端子９ａ，９ｂを有する温度センサ９をそれぞれ設け、各画素５の基板８上に第１及び第２の入出力端子Ａ，Ｂを有する第１、第２、第３、及び第４のスイッチングトランジスタ３５，３６，３７，３８をそれぞれ設け、各画素５の第１及び第２のスイッチングトランジスタ３５，３６の各第１の入出力端子Ａを温度センサ９の第１の端子９ａにそれぞれ接続し、各画素５の第３及び第４のスイッチングトランジスタ３７，３８の各第１の入出力端子Ａ２を温度センサ９の第２の端子９ｂにそれぞれ接続し、行方向に隣接する画素５間の第１及び第３のスイッチングトランジスタ３５，３７の第２の入出力端子Ｂ同士を直列に接続して行ごとに行方向直列回路３２を設け、列方向に隣接する画素５間の第２及び第４のスイッチングトランジスタ３６，３８の第２の入出力端子Ｂ同士を直列に接続して列ごとに列方向直列回路３３を設け、第１及び第３のスイッチングトランジスタ３５，３７を第１のＯＮ／ＯＦＦ制御信号で駆動しかつ第２及び第４のスイッチングトランジスタ３６，３８を第２のＯＮ／ＯＦＦ制御信号で駆動することによって、第１のＯＮ／ＯＦＦ制御信号により第１及び第３のスイッチングトランジスタ３５，３７がＯＮとされた場合に、各行方向直列回路３２の両端３２ａ，３２ｂをそれぞれ出力として取り出すように構成し、かつ第２のＯＮ／ＯＦＦ制御信号により第２及び第４のスイッチングトランジスタ３６，３８がＯＮとされた場合に、各列方向直列回路３３の両端３３ａ，３３ｂをそれぞれ出力として取り出すように構成したものである。【００８１】
スイッチングトランジスタ３５，３６，３７，３８の種類は、特に限定されるものではないが、ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）等が好適である。第１及び第２のＯＮ／ＯＦＦ制御信号は、図示しないＯＮ／ＯＦＦ制御部により出力されるように構成しておけばよく、第１のＯＮ／ＯＦＦ制御信号により第１及び第３のスイッチングトランジスタ３５，３７がＯＮとされた状態と、第２のＯＮ／ＯＦＦ制御信号により第２及び第４のスイッチングトランジスタ３６，３８がＯＮとされた状態とが重ならないように制御すればよい。【００８２】
赤外線アレイセンサ３１の基本的な動作は、スイッチングトランジスタ３５，３６，３７，３８により各行方向直列回路３２と各列方向直列回路３３との間で接続が設定時間ごとに切り替えられる点を除き、第１の実施形態に係る赤外線アレイセンサ１と同様である。また、本実施形態においても、必要に応じて、第２の実施形態や第３の実施形態に係る構成を採用することができる。【００８３】
このように、赤外線アレイセンサ３１によれば、第１の実施形態に係る赤外線アレイセンサと同様の利点の他、各画素５ごとに温度センサ９を１つしか必要としないので、使用する温度センサの個数や配線を簡素化することができるとともに、熱コンダクタンスを小さくして高感度化を実現することが可能となるという利点がある。【００８４】
以下、本発明の第５の実施形態に係る赤外線アレイセンサ４１について、図面に基づいて説明する。赤外線アレイセンサ４１は、ピーク行検知回路及びピーク列検知回路を備えている。赤外線アレイセンサ４１は、図９に示すように、第１の実施形態に係る赤外線アレイセンサ１の行方向直列回路６及び列方向直列回路７の一端６ａ，７ａに電源４２，４３を付加し、他端６ｂ，７ｂは各行及び列ごとに設けられたアンプ（増幅器）４４，４５を通して、各行及び列ごとに設けられたＭＯＳトランジスタ４６，４７のゲート電極に接続されている。【００８５】
ＭＯＳトランジスタ４６，４７のソース電極は接地されており、ＭＯＳトランジスタ４６，４７は、隣接するドレインは抵抗体４８，４９を介して接続されており、最外端のＭＯＳトランジスタ４６，４７のドレインは抵抗体４８，４９を介して出力端子５０ａ，５０ｂ，５１ａ，５１ｂに接続されている。なお、各抵抗体４８及び各抵抗体４９の抵抗値は全て同等であるとする。このようにして、ピーク行検知回路はアンプ４４、抵抗体４８及び出力端子５０ａ，５０ｂを含めた回路として、ピーク列検知回路はアンプ４５、抵抗体４９及び出力端子５１ａ，５１ｂを含めた回路として、それぞれ構成されている。【００８６】
赤外線アレイセンサ４１は、温度センサ２，３の形式としては、サーモパイル型としているが、温度センサ２，３を動作させるための駆動方式と信号の取得方式を変更することで、抵抗ボロメータ方式とダイオード方式の温度センサを用いることもできる。【００８７】
第１の温度センサ２は行ごとに直列に接続されており、直列に接続された例えば４つの第１の温度センサ２により、行方向直列回路６が行ごとに形成されている。各行方向直列回路６の一端６ａは電源４２を介して接地されており、他端６ｂにはアンプ４４が接続されている。アンプ４４には行ごとの各第１の温度センサ２の出力の和が入力信号として入力されている。一方、第２の温度センサ３は行ごとに直列に接続されており、直列に接続された例えば４つの第２の温度センサ３により、行方向直列回路７が行ごとに形成されている。各行方向直列回路７の一端７ａは電源４３を介して接地されており、他端７ｂにはアンプ４５が接続されている。アンプ４５には列ごとの各第２の温度センサ３の出力の和が入力信号として入力されている。なお、アンプ４４，４５は、行方向直列回路６及び列方向直列回路７の片端６ｂ，７ｂからの出力を入力信号とする形式にしているが、差動増幅器を用いて、行方向直列回路６及び列方向直列回路７の両端６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂを入力信号として用いる形式をとることもできる。【００８８】
ＭＯＳトランジスタ４６，４７の各端子電圧の範囲は、飽和領域となるよう設計されており、ゲート−ソース間の電圧が決まると、それに対応したドレイン電流がドレイン−ソース間を流れる。なお、ＭＯＳトランジスタを用いているが、アンプ４４，４５から電流出力が得られるようにすれば、ＭＯＳトランジスタの代わりにバイポーラトランジスタを用いることも可能である。トランジスタの特性（ＭＯＳトランジスタの場合、相互コンダクタンス）は等しく、同じゲート電圧が入力されると、同じ電流が流れるとして、以下の説明を行うが、必ずしも同じ特性を持つ必要はない。【００８９】
なお、画素５の行数及び列数は、図９に示すような４行×４列に限定されるものではなく、２行以上、２列以上であればよい。また、画素５の行数と列数とは、同数である必要もない。【００９０】
図１０は、図９の列方向の加算信号を処理する回路を抜き出して、その動作を説明する図であり、ＭＯＳトランジスタ４７は等価回路として定電流源５２に置き換えてある。また、各ＭＯＳトランジスタ４７（定電流源５２）に流れ込む電流成分についても図示されている。図９は、すべての列から同じ電気信号が得られ、各定電流源５２を流れる電流値は同じとなっている状態を示している。以下の説明は、図９に示す列方向の加算信号を処理する回路を用いて行うが、行方向の加算信号を処理する回路についても同じような動作をする。【００９１】
次に、赤外線アレイセンサ４１の信号読出回路の動作を、図９及び図１０に基づいて、説明する。まず、図１０（ａ）の全ての列から得られる電気信号が同じ大きさの場合について考える。端子５１ａ，５１ｂには図示されていないが、同じ電圧を供給する電源が接続されているものとする。この状態において、定電流源はインピーダンスが無限大で、両端の電圧にかかわらず一定の電流を流すことができ、それぞれの電流源に流れる電流は端子５１ａ，５１ｂに接続した電圧源から供給されるので、電流成分を図１０のように分割して考えると、
ｉ＝ｉaa＋ｉab=ｉba＋ｉbb=ｉca＋ｉcb=ｉda＋ｉdb、
Ｉa＝ｉaa＋ｉba＋ｉca＋ｉda、
Ｉb＝ｉab＋ｉbb＋ｉcb＋ｉdb
となる。【００９２】
それぞれの電流成分を決定するには、定電流源をひとつだけ残し、他の電流源をある部分を電気的に開放した状態を考える。例えば、ｉba，ｉbbを決定するためには、左から２番目の電流源のみがあると考える。ｉbaは左側の端子５１ａにある電源から電流が供給され、２つの抵抗体４９を通って定電流源に達するが、右側の端子５１ｂにある電源から電流が供給されるので、ｉbbは３つの抵抗体６９を通って定電流源に達する。両方の端子５１ａ，５１ｂに接続する電源の電圧は同じであるので、両方の経路の電圧降下は等しくならなければならない。したがって、
ｉba：ｉbb＝３：２
となり、定電流源の電流の大きさが決まれば、ｉbaとｉbbを決定することができる。その他の電流成分についても同じようにして求めることができ、回路全体の電流は、図１０（ａ）に示すように、上記のようにして求めた個々の電流成分の加算したものになる。【００９３】
次に、図１０（ｂ）について考える。図１０（ｂ）は、左から２番目の列のいずれかの画素５に検知対象物（発熱体）Ｔが検地された状態を示す図であり、図１０（ａ）に示した状態から、左から２番目のＭＯＳトランジスタ４７（定電流源５２）への入力が大きくなり、電流が△ｉだけ増加した状態を示している。電流成分としては、ＭＯＳトランジスタ４７（定電流源５２）への入力の増大による電流の増分のみが示されている。この電流の増分が左右どのように分配されるかということも、上で説明したように、△ｉという大きさの定電流源のみを考えて、最後に全体を重ね合わせればいいので、
△ｉa：△ｉb＝３：２
となる。この場合、左側の端子５１ａから流れ込む電流の増分△ｉaは△ｉaに等しく、右側の端子５１ｂから流れ込む電流の増分△ｉbは△ｉbに等しい。従って、左側の電流の増分の方が右側の電流の増分より大きいことがわかる。【００９４】
同様にして、一番左側の定電流源の電流のみが増加した場合は、
△ｉa：△ｉb＝４：１
、右から２番目の定電流源の電流のみが増加した場合は、
△ｉa：△ｉb＝２：３
、一番右側の定電流源の電流のみが増加した場合は、
△ｉa：△ｉb＝１：４
となる。このように、増加した電流の位置に応じて左右に分割される電流値が変わるので、左右の電流の増分を計測し比較することで、どの位置の電流源の電流が増大したかを検知することができ、その結果、どの列の信号が大きくなったかを知ることができ、検知対象物Ｔの存在する列を特定することができる。行方向についても、同様の動作により検知対象物Ｔの位置特定ができる。そして、行列の情報を組み合わせることで、検知対象物Ｔの２次元空間上での位置を特定できる。【００９５】
また、検知対象物Ｔの面積計測については、図１０（ａ）の構成で、端子５０ａ，５０ｂに流れ込む電流の和、又は端子５１ａ，５１ｂに流れ込む電流の和を計測することによって行うことができる。【００９６】
以下、本発明の第６の実施形態に係る赤外線アレイセンサ６１について、図面に基づいて説明する。赤外線アレイセンサ６１は、ピーク行検知回路及びピーク列検知回路を備えている。赤外線アレイセンサ６１は、図１１に示すように、第５の実施形態に係る赤外線アレイセンサ４１の端子５０ａ，５０ｂ及び端子５１ａ，５１ｂに、電流−電圧変換アンプ６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂ、差動アンプ６４，６５、加算回路６６，６７を付加した構成になっている。端子６８，６９，７０，７１は出力端子である。【００９７】
次に、赤外線アレイセンサ６１の動作について説明する。赤外線アレイセンサ４１と同じ構成の部分は、上記で説明した動作を行う。電流−電圧変換アンプ６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂは、端子５０ａ，５０ｂ，５１ａ，５１ｂに定電圧を供給するとともに、端子５０ａ，５０ｂ，５１ａ，５１ｂに流れ込む電流の値に比例した電圧を出力する。なお、図１２で点線内に示した回路は、オペアンプを用いたトランスインピーダンスアンプであるが、この回路自身は一般的なものであるので、ここでは詳細な説明は省略する。【００９８】
電流−電圧変換アンプ６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂの出力は、それぞれ２分割され、一方は差動アンプ６４，６５に入力される。例えば、差動アンプ６４は電流−電圧変換アンプ６２ａと６２ｂの出力を入力とし、その差を出力する。この出力から、上記で説明したように、検知対象物Ｔが存在する行を特定することができる。同様に、差動アンプ６５は電流−電圧変換アンプ６３ａと６３ｂの出力を入力とし、その差を出力する。この出力から、検知対象物Ｔが存在する列を特定することができる。したがって、差動アンプ６４、６５の出力６８，６９から、検知対象物Ｔの２次元空間での位置を特定することができる。【００９９】
電流−電圧変換アンプ６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂの出力のもう一方は、加算回路６６，６７に入力される。例えば、加算回路６６は、電流−電圧変換アンプ６２ａと６２ｂの出力を入力とし、その和を出力する。加算回路６６，６７の抵抗値を全て等しくすることで、単純加算（極性は反転）した値を得ることができる。この加算値は、前記端子５０ａ，５０ｂに流れ込む電流値の和に比例しており、出力端子７０から得られた信号から検知対象物Ｔの面積を計測することができる。また、同様の計測は、加算回路６７の出力端子７１から得られた信号を用いても行うことができる。【０１００】
以下、本発明の第７の実施形態に係る赤外線アレイセンサ８１について、図面に基づいて説明する。赤外線アレイセンサ８１は、図１２に示すように、第５の実施形態に係る赤外線アレイセンサ４１に、ＭＯＳトランジスタ８２，８３及び補正データ供給回路８４，８５を付加した構成になっている。アンプ８６，８７は、第１の実施形態と同じ機能を持ったアンプであるが、補正データを取得する際、端子８８，８９から入力する信号に従って個別にＯＮ／ＯＦＦできるようなアンプである。【０１０１】
赤外線アレイセンサでは、画素５ごとに温度センサ２，３の感度が異なり、均一に赤外線を放射している検知対象物Ｔを観測した場合でも、各画素５の温度センサ２，３からの出力に差を生じるので、均一な出力を得るためには、補正を行う必要がある。また、温度センサ２，３の使用方法によっては、不均一に赤外線を放射している状態を基準として、この状態からの変化を見たい場合もある。赤外線アレイセンサ８１は、こうした要求を満たすように構成されている。【０１０２】
次に、赤外線アレイセンサ８１の動作について説明する。新たに付加したＭＯＳトランジスタ８２，８２も、ＭＯＳトランジスタ５１，５２と同様に飽和領域で定電流源動作させる。したがって、図１０について上記で説明したように、ＭＯＳトランジスタ８２，８３を通して流れる電流は、左右の端子５０ａ，５０ｂ及び端子５１ａ，５１ｂに分割されて、赤外線アレイセンサ８１の信号によって決まる電流を流すＭＯＳトランジスタ５１，５２を流れる。【０１０３】
ＭＯＳトランジスタ８２を流れる電流は、同じノードにドレインが接続された対応するＭＯＳトランジスタ５１の電流が増減する図１０（ｂ）に示す場合と同じ効果を生じる。したがって、たとえば、均一に赤外線を放射されている状態を観測している状態で、ＭＯＳトランジスタ５１を流れる電流にばらつきがある場合、全ての行の中で、最大の電流を流している行を基準にして、これから不足している電流量をＭＯＳトランジスタ８２で供給することによって均一な状態に対応した出力を得ることができる。ＭＯＳトランジスタ８２を流れる電流量は、補正データ供給回路８４に記録された補正データをＭＯＳトランジスタ８２のゲート電極に印加することによって行う。列についても同じような動作で均一な状態に対応した出力を得ることができる。【０１０４】
補正データ供給回路に記録する補正データは、均一に赤外線を放射されている状態を観測している状態で、端子８８に加える信号を変化させ、ＭＯＳトランジスタ５１のうちの１つのみを動作状態にし、補正データ供給回路８４からＭＯＳトランジスタ８２に与える電圧を変化させ、端子５０ａ，５０ｂに流れ込む電流の和が目標とする値になるよう調整し、このとき、補正データ供給回路８４からＭＯＳトランジスタ８２に供給する電圧を補正データとして記憶する。この動作を、各行について行い、補正データ供給回路８４に記憶する全データ取得を完了する。列方向についても、同じようにして補正データを取得することができる。【０１０５】
上記の動作で、均一に赤外線を放射されている状態を、基準となる背景の状態とすれば、基準からの変化に対応した出力を得ることができる。この場合の補正データも、補正データ取得時に観測する対象を基準となる背景とすることで、取得することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
以上のように、本発明に係る赤外線アレイセンサは、画像処理を行うことなく、検知対象物の位置特定や動線追尾をすることが可能なようにして、低コスト化、簡素化、小型化、及び低消費電力化を実現するのに適している。また、スイッチングトランジスタにより各行方向直列回路と各列方向直列回路との間で接続を設定時間ごとに切り替えるように構成したものは、使用する温度センサの数やそのための配線数を減らすことができるようにして、熱コンダクタンスを小さくして高感度化を実現するのに適している。さらに、電流型アナログ信号処理回路、電流?電圧変換アンプ、差動アンプ、加算アンプ、補正回路を付加することで、出力端子数が少なく、使いやすい赤外線アレイセンサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】本発明に係る赤外線アレイセンサ１００の概念図。
【図２】第１の実施形態に係る赤外線アレイセンサ１の概略回路図。
【図３】検知対象物Ｔを検知した状態を説明するための赤外線アレイセンサ１１の概略回路図。
【図４】赤外線アレイセンサ１の画素４の構造例を示す概略断面斜視図。
【図５】第２の実施形態に係る赤外線アレイセンサ１１において、検知対象物Ｔを検知した状態を説明するための概略回路図。
【図６】第３の実施形態に係る赤外線アレイセンサ２１の概略回路図。
【図７】第４の実施形態に係る赤外線アレイセンサ３１の要部拡大概略回路図。
【図８】赤外線アレイセンサ３１の１つの画素４部分の拡大図。
【図９】第５の実施形態に係る赤外線アレイセンサ４１の概略回路図。
【図１０】（ａ）及び（ｂ）は、赤外線アレイセンサ４１の電流型アナログ信号処理回路の動作を説明する図。
【図１１】第６の実施形態に係る赤外線アレイセンサ６１の概略回路図。
【図１２】第７の実施形態に係る赤外線アレイセンサ８１の概略回路図。
【符号の説明】
【０１０８】
１、１１、２１、３１、４１、６１、８１、１００  赤外線アレイセンサ
２  第１の温度センサ
３  第２の温度センサ
４、１０１  熱型赤外線検知器
４Ａ  脚部
４Ｂ  検知器構造体
５、１０２  画素
６、３２  行方向直列回路
６ａ、３２ａ  一端
６ｂ、３２ｂ  他端
７、３３  列方向直列回路
７ａ、３３ａ  一端
７ｂ、３３ｂ  他端
８  基板
９  温度センサ
Ｔ  検知対象物
１２  行加算回路
１３  列加算回路
３４  切替手段
３５，３６，３７，３８  スイッチングトランジスタ
４２、４３  電源
４４、４５  アンプ（増幅器）
４６、４７  ＭＯＳトランジスタジスタ
４８、４９  抵抗体
５０ａ、５０ｂ、５１ａ、５０ｂ  端子
６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ  電流−電圧変換アンプ
６４、６５  差動アンプ
６６、６７  加算回路
６８，６９，７０，７１  端子
８２、８３  ＭＯＳトランジスタ
８４、８５  補正データ供給回路
８６、８７  アンプ
８８、８９  端子
１０３  行出力取出手段
１０４  列出力取出手段
Ａ  （スイッチングトランジスタの）第１の入出力端子
Ｂ  （スイッチングトランジスタの）第２の入出力端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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