(57)【要約】【課題】２つの焦電素子で対象の２軸方向の移動方向を検知可能な焦電センサを提供する。【解決手段】焦電センサは、フレーム部１１と、フレーム部１１に支持され、直線状の屈曲部１２０において屈曲されることにより、互いに異なる平面となる第１領域１２ａ及び第２領域１２ｂを有するダイヤフラム部１２と、第１領域１２ａに形成された第１焦電素子２ａと、第２領域１２ｂに形成され、屈曲部１２０の延伸方向において、第１焦電素子２ａに対してずらして配置された第２焦電素子２ｂとを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレーム部と、
前記フレーム部に支持され、直線状の屈曲部において屈曲されることにより、互いに異なる平面となる第１領域及び第２領域を有するダイヤフラム部と、
前記第１領域に形成された第１焦電素子と、
前記第２領域に形成され、前記屈曲部の延伸方向において、前記第１焦電素子に対してずらして配置された第２焦電素子と
を備えることを特徴とする焦電センサ。
【請求項２】
第１焦電素子は、前記屈曲部の延伸方向における一端側に形成され、
第２焦電素子は、前記屈曲部の延伸方向における他端側に形成されることを特徴とする請求項１に記載の焦電センサ。
【請求項３】
前記第１焦電素子及び前記第２焦電素子は、互いに９０°の回転対称性を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の焦電センサ。
【請求項４】
前記第１焦電素子及び前記第２焦電素子が、対象が放射する赤外線に応じて出力する信号の振幅、立ち上がり時間及び立ち下がり時間に基づいて、対象の２軸方向の移動方向を検知する移動方向検知部を更に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の焦電センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象の移動方向を検知する焦電センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
アレイ状に配置された複数の焦電素子を備え、２つ以上の焦電素子により検出された電磁波に基づいて、人体の移動方向を判定する焦電センサが提案されている（特許文献１参照）。このような焦電センサは、縦横の２軸方向にそれぞれ２つ以上の焦電素子を配置することにより、２軸方向の移動方向を検知することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１３４２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の技術は、２軸方向にそれぞれ２つ以上の焦電素子を要するため、焦電素子の出力信号を処理する処理回路が複雑となって構成部品数が増加し、焦電センサの小型化を阻害する可能性がある。
本発明は、上記問題点を鑑み、２つの焦電素子で対象の２軸方向の移動方向を検知可能な焦電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】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、フレーム部と、フレーム部に支持され、直線状の屈曲部において屈曲されることにより、互いに異なる平面となる第１領域及び第２領域を有するダイヤフラム部と、第１領域に形成された第１焦電素子と、第２領域に形成され、屈曲部の延伸方向において、第１焦電素子に対してずらして配置された第２焦電素子とを備える焦電センサであることを要旨とする。
【０００６】
また、本発明の第２の態様に係る焦電センサは、第１の態様に係る焦電センサにおいて、第１焦電素子が、屈曲部の延伸方向における一端側に形成され、第２焦電素子が、屈曲部の延伸方向における他端側に形成されることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の第３の態様に係る焦電センサは、第１又は第２の態様に係る焦電センサにおいて、第１焦電素子及び第２焦電素子が、互いに９０°の回転対称性を有することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の第４の態様に係る焦電センサは、第１〜第３のいずれかの態様に係る焦電センサにおいて、第１焦電素子及び第２焦電素子が、対象が放射する赤外線に応じて出力する信号の振幅、立ち上がり時間及び立ち下がり時間に基づいて、対象の２軸方向の移動方向を検知する移動方向検知部を更に備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、２つの焦電素子で対象の２軸方向の移動方向を検知可能な焦電センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る焦電センサの基本的な構成を説明する平面図である。（ｂ）は、（ａ）のＸ−Ｘ方向から見た断面図である。（ｃ）は、（ａ）の側面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る焦電センサの基本的な構成を説明するブロック図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る焦電センサの縦方向の視野を説明する図である。
【図４】（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る焦電センサが縦方向に移動する対象を検出する場合の動作を説明する図である。（ｂ）は、（ａ）の逆方向の場合を説明する図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る焦電センサの横方向の視野を説明する図である。
【図６】（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る焦電センサが横方向に移動する対象を検出する場合の動作を説明する図である。（ｂ）は、（ａ）の逆方向の場合を説明する図である。
【図７】（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る焦電センサの基本的な構成を説明する平面図である。（ｂ）は、（ａ）のＸ−Ｘ方向から見た断面図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る焦電センサの縦方向の視野を説明する図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る焦電センサの横方向の視野を説明する図である。
【図１０】（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る焦電センサが横方向に移動する対象を検出する場合の動作を説明する図である。（ｂ）は、（ａ）の逆方向の場合を説明する図である。
【図１１】（ａ）は、本発明のその他の実施形態に係る焦電センサを説明する平面図である。（ｂ）は、（ａ）のＸ−Ｘ方向から見た断面図である。
【図１２】（ａ）は、本発明のその他の実施形態に係る焦電センサを説明する平面図である。（ｂ）は、（ａ）のＸ−Ｘ方向から見た断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、図面を参照して、本発明の第１及び第２実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付し、重複する説明を省略している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。また、以下に示す第１及び第２実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【００１２】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る焦電センサは、図１に示すように、枠状のフレーム部１１と、フレーム部１１に支持されたダイヤフラム部１２と、第１焦電素子２ａと、第２焦電素子２ｂとを備える。第１実施形態に係る焦電センサは、対象が放射する赤外線を受信することにより、対象の２軸方向の移動方向を検知する。
【００１３】
フレーム部１１は、例えば、シリコン（Ｓｉ）等からなる半導体基板１０１と、半導体基板１０１の上面に形成された薄膜層１０２から構成される。薄膜層１０２は、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）とシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）との積層膜からなる。ダイヤフラム部１２は、薄膜層１０２から構成される。
【００１４】
ダイヤフラム部１２は、直線状の屈曲部１２０において上方が凸となるように屈曲されることにより、互いに異なる平面となる第１領域１２ａ及び第２領域１２ｂとを有する。ダイヤフラム部１２は、フレーム部１１の内側に配置される。
【００１５】
第１焦電素子２ａは、第１領域１２ａの上面に形成される。第２焦電素子２ｂは、第２領域１２ｂの上面に形成され、屈曲部１２０の延伸方向（縦方向）において、第１焦電素子２ａに対してずらして配置される。第１焦電素子２ａは、第１領域１２ａの、屈曲部１２０の延伸方向における一端側に形成される。第２焦電素子２ｂは、第２領域１２ｂの、屈曲部１２０の延伸方向における他端側に形成される。
【００１６】
第１焦電素子２ａ及び第２焦電素子２ｂ（以下、総称する場合において単に「焦電素子２」という。）は、それぞれ、下層電極膜と、焦電体膜と、上層電極膜とが積層されてなる。焦電素子２は、対象が放射する赤外線を受信し、焦電効果により、受信した赤外線に応じた電圧を下層電極膜と上層電極膜との間に発生する。焦電素子２は、室温で使用可能であり、他の方式の赤外線センサに比べて応答速度が速い。
【００１７】
第１焦電素子２ａの下層電極膜及び上層電極膜は、一対の第１配線部２１ａによりそれぞれ引き出され、一対の第１パッド部２２ａにそれぞれ接続される。第１配線部２１ａは、縦方向において第１焦電素子２ａと反対側に延伸し、フレーム部１１の上面に形成された第１パッド部２２ａに接続される。第１焦電素子２ａにおいて発生した電圧は、第１配線部２１ａを介して、第１パッド部２２ａから出力される。
【００１８】
第２焦電素子２ｂの下層電極膜及び上層電極膜は、一対の第２配線部２１ｂによりそれぞれ引き出され、一対の第２パッド部２２ｂにそれぞれ接続される。第２配線部２１ｂは、縦方向において第２焦電素子２ｂと反対側に延伸し、フレーム部１１の上面に形成された第２パッド部２２ｂに接続される。第２焦電素子２ｂにおいて発生した電圧は、第２配線部２１ｂを介して、第２パッド部２２ｂから信号として出力される。
【００１９】
第１実施形態に係る焦電センサは、例えば、屈曲部１２０の中心を通り、フレーム部１１の上面により形成される平面に対する垂線を対称の中心（回転軸）とした、９０°の回転対称性を有する。即ち、フレーム部１１、ダイヤフラム部１２、第１焦電素子２ａ、第１配線部２１ａ、第１パッド部２２ａ、第２焦電素子２ｂ、第２配線部２１ｂ及び第２パッド部２２ｂが９０°の回転対称性を有する。
【００２０】
その他、第１実施形態に係る焦電センサは、図２に示すように、焦電素子２が第１パッド部２２ａ及び第２パッド部２２ｂを介して出力する信号を処理する信号処理部３と、対象の移動方向を検知する移動方向検知部４とを備える。
【００２１】
信号処理部３は、焦電素子２により出力された信号を増幅して出力する増幅器３１と、増幅器３１により増幅された信号の振幅を比較する振幅比較器３２と、増幅器３１により増幅された信号の時間を比較する時間比較器３３とを備える。時間比較器３３は、信号の立ち上がり時間及び立ち下がり時間の少なくともいずれかを比較する。
【００２２】
移動方向検知部４は、振幅比較器３２が比較した振幅と、時間比較器３３が比較した立ち上がり時間及び立ち下がり時間の少なくともいずれかに基づいて、対象の２軸方向の移動方向を検知する。
【００２３】
第１焦電素子２ａの縦方向の視野は、図３に示すように、Ｌ２からＬ４までの範囲である。第２焦電素子２ｂの縦方向の視野は、Ｌ１からＬ３までの範囲である。Ｌ１〜Ｌ４は、図３に示す縦方向において上から下に順に位置する。このように、第１焦電素子２ａ及び第２焦電素子２ｂは、縦方向において互いにずらして配置されるので、縦方向の視野範囲が互いにずれている。
【００２４】
図３において、対象が第１焦電素子２ａ及び第２焦電素子２ｂの視野内を上方向から下方向に移動する場合、第１焦電素子２ａ及び第２焦電素子２ｂの出力波形は、例えば、図４（ａ）に示すように、第２焦電素子２ｂ（一点鎖線）が先行する。この場合、第１焦電素子２ａ及び第２焦電素子２ｂの出力波形は、ほぼ等しくなり、移動方向検知部４は、出力波形の位相差から、対象の移動方向を特定することができる。
【００２５】
図３において、対象が第１焦電素子２ａ及び第２焦電素子２ｂの視野内を下方向から上方向に移動する場合、第１焦電素子２ａ及び第２焦電素子２ｂの出力波形は、例えば、図４（ｂ）に示すように、第１焦電素子２ａ（破線）が先行する。この場合も、第１焦電素子２ａ及び第２焦電素子２ｂの出力波形は、ほぼ等しくなり、移動方向検知部４は、出力波形の位相差から、対象の移動方向を特定することができる。
【００２６】
第１焦電素子２ａの横方向の視野は、図５に示すように、Ｃ２からＣ４までの範囲である。第２焦電素子２ｂの横方向の視野は、Ｃ１からＣ３までの範囲である。Ｃ１〜Ｃ４は、横方向において左から右に順に位置する。このように、第１焦電素子２ａ及び第２焦電素子２ｂは、それぞれ第１領域１２ａ及び第２領域１２ｂに配置されるので、横方向の視野範囲が互いに異なる。
【００２７】
図５において、対象が第１焦電素子２ａ及び第２焦電素子２ｂの視野内を左方向から右方向に移動する場合、第１焦電素子２ａ及び第２焦電素子２ｂの出力波形は、例えば、図６（ａ）に示すように、第２焦電素子２ｂ（一点鎖線）が先行する。この場合、遅れて出力される第１焦電素子２ａの波形（破線）は、対象が第１焦電素子２ａの視野内に進入した後、短い立ち上がり時間で振幅が大きくなり、そして長い立ち下がり時間で出力がなくなる。第２焦電素子２ｂの波形は、長い立ち上がり時間で振幅が増加し、そして短い立ち下がり時間で振幅が大きくなる。
【００２８】
図５において、対象が第１焦電素子２ａ及び第２焦電素子２ｂの視野内を右方向から左方向に移動する場合、第１焦電素子２ａ及び第２焦電素子２ｂの出力波形は、例えば、図６（ｂ）に示すように、第１焦電素子２ａ（破線）が先行する。この場合、第１焦電素子２ａの波形は、長い立ち上がり時間で振幅が増加し、そして短い立ち下がり時間で振幅が大きくなる。遅れて出力される第２焦電素子２ｂの波形（一点鎖線）は、対象が第２焦電素子２ｂの視野内に進入した後、短い立ち上がり時間で振幅が大きくなり、そして長い立ち下がり時間で出力がなくなる。
【００２９】
移動方向検知部４は、振幅比較器３２及び時間比較器３３の比較結果に基づいて、第１焦電素子２ａ及び第２焦電素子２ｂの出力波形の特性を検出することにより、対象の横方向の移動方向を特定することができる。
【００３０】
第１実施形態に係る焦電センサによれば、異なる平面にずらして配置された焦電素子２の出力波形に基づいて、２つの焦電素子で対象の縦横の２軸方向の移動方向を検知することができる。
【００３１】
また、第１実施形態に係る焦電センサによれば、焦電素子２が縦方向における両端側に配置されることにより、出力波形の差を大きくし、高精度に対象の移動方向を検知することができる。
【００３２】
また、第１実施形態に係る焦電センサによれば、焦電素子２等が回転対称性を有して配置されることにより、ダイヤフラム部１２における熱特性を均一化し、対象に対する検知精度を向上できる。
（第２実施形態）
【００３３】
本発明の第２実施形態に係る焦電センサは、図７に示すように、直線状の屈曲部１２０Ａにおいて下方が凸となるように屈曲されるダイヤフラム部１２Ａを備える点で第１実施形態と異なる。第２実施形態において説明しない他の構成は、第１実施形態と実質的に同様であるので重複する説明を省略する。
【００３４】
ダイヤフラム部１２Ａは、屈曲部１２０Ａにおいて屈曲されることにより、互いに異なる平面となる第１領域１２Ａａ及び第２領域１２Ａｂとを有する。ダイヤフラム部１２Ａは、平面視、フレーム部１１の内側に配置される。
【００３５】
第１焦電素子２ａは、第１領域１２ａの上面に形成される。第２焦電素子２ｂは、第２領域１２ｂの上面に形成され、屈曲部１２０の延伸方向（縦方向）において、第１焦電素子２ａに対してずらして配置される。第１焦電素子２ａは、第１領域１２ａの、屈曲部１２０の延伸方向における一端側に形成される。第２焦電素子２ｂは、第２領域１２ｂの、屈曲部１２０の延伸方向における他端側に形成される。
【００３６】
第２実施形態に係る焦電センサは、例えば、屈曲部１２０Ａの中心を通り、フレーム部１１の上面により形成される平面に対する垂線を対称の中心（回転軸）とした、９０°の回転対称性を有する。
【００３７】
第１焦電素子２ａの縦方向の視野は、図８に示すように、Ｌ６からＬ８までの範囲である。第２焦電素子２ｂの縦方向の視野は、Ｌ５からＬ７までの範囲である。Ｌ５〜Ｌ８は、図８に示す縦方向において上から下に順に位置する。このように、第１焦電素子２ａ及び第２焦電素子２ｂは、縦方向において互いにずらして配置されるので、縦方向の視野範囲が互いにずれている。
【００３８】
図８において、対象が第１焦電素子２ａ及び第２焦電素子２ｂの視野内を縦方向に移動する場合の第１焦電素子２ａ及び第２焦電素子２ｂの出力波形は、図４に示す第１実施形態と同様である。
【００３９】
第１焦電素子２ａの横方向の視野は、図９に示すように、Ｃ６から左方向である。第２焦電素子２ｂの横方向の視野は、Ｃ５から右方向である。Ｃ５，Ｃ６は、横方向において左から右に順に位置する。このように、第１焦電素子２ａ及び第２焦電素子２ｂは、それぞれ第１領域１２Ａａ及び第２領域１２Ａｂに配置されるので、横方向の視野範囲が互いに異なる。
【００４０】
図９において、対象が第１焦電素子２ａ及び第２焦電素子２ｂの視野内を左方向から右方向に移動する場合、第１焦電素子２ａ及び第２焦電素子２ｂの出力波形は、例えば、図１０（ａ）に示すように、第１焦電素子２ａ（破線）が先行する。第１焦電素子２ａの波形は、長い立ち上がり時間で振幅が大きくなり、そして短い立ち下がり時間で出力がなくなる。遅れて出力される第２焦電素子２ｂの波形（一点鎖線）は、対象が第２焦電素子２ｂの視野内に進入した後、短い立ち上がり時間で振幅が大きくなり、そして長い立ち下がり時間で出力がなくなる。
【００４１】
図９において、対象が第１焦電素子２ａ及び第２焦電素子２ｂの視野内を右方向から左方向に移動する場合、第１焦電素子２ａ及び第２焦電素子２ｂの出力波形は、例えば、図１０（ｂ）に示すように、第２焦電素子２ｂ（一点鎖線）が先行する。第２焦電素子２ｂの波形は、長い立ち上がり時間で振幅が大きくなり、そして短い立ち下がり時間で出力がなくなる。遅れて出力される第１焦電素子２ａの波形（破線）は、対象が第１焦電素子２ａの視野内に進入した後、短い立ち上がり時間で振幅が大きくなり、そして長い立ち下がり時間で出力がなくなる。
【００４２】
第２実施形態に係る焦電センサによれば、異なる平面にずらして配置された焦電素子２の出力波形に基づいて、２つの焦電素子で対象の縦横の２軸方向の移動方向を検知することができる。
【００４３】
また、第２実施形態に係る焦電センサによれば、焦電素子２が縦方向における両端側に配置されることにより、出力波形の差を大きくし、高精度に対象の移動方向を検知することができる。
【００４４】
また、第２実施形態に係る焦電センサによれば、焦電素子２等が回転対称性を有して配置されることにより、ダイヤフラム部１２における熱特性を均一化し、対象に対する検知精度を向上できる。
【００４５】
（その他の実施形態）
上記のように、本発明を実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００４６】
例えば、既に述べた第１及び第２実施形態において、焦電素子２は、縦方向において互いに重ならない場合を説明したが、図１１に示すように、縦方向において互いに重なる第１焦電素子２Ａａ及び第２焦電素子２Ａｂであってもよい。第１焦電素子２Ａａ及び第２焦電素子２Ａｂは、例えば、縦方向を長手方向とする長方形状である。その他、ダイヤフラム部１２、第１焦電素子２Ａａ及び第２焦電素子２Ａｂ等は、移動方向検知部４が、縦方向の移動方向を検知できるような形状であれば、どのような形状でも構わない。
【００４７】
また、既に述べた第１及び第２実施形態において、第１パッド部２２ａ及び第２パッド部２２ｂは、図１２に示すように、焦電素子２の横方向に位置する第１パッド部２２Ａａ及び第２パッド部２２Ａｂであってもよい。第１パッド部２２Ａａ及び第２パッド部２２Ａｂは、フレーム部１１上に形成される他の回路等を考慮して、適宜配置を変更可能である。同様に、第１配線部２１ａ及び第２配線部２１ｂは、それぞれ第１パッド部２２Ａａ及び第２パッド部２２Ａｂに向けて延伸し、ダイヤフラム部１２において屈曲する第１配線部２１Ａａ及び第２配線部２１Ａｂであってもよい。
【００４８】
また、既に述べた第１及び第２実施形態において、焦電素子２は必ずしも対称性を有さなくてもよい。焦電素子２が非対称に配置されても、信号処理部３及び移動方向検知部４における補正等の設計により、移動方向検知部４が２軸方向の移動方向を検知できるような配置であれば、どのような配置でも構わない。
【００４９】
この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。  
【符号の説明】
【００５０】
２，２ａ，２ｂ，２Ａａ，２Ａｂ  焦電素子
４  移動方向検知部
１１  フレーム部
１２，１２Ａ，  ダイヤフラム部
１２ａ，１２Ａａ  第１領域
１２ｂ，１２Ａｂ  第２領域
１２０，１２０Ａ  屈曲部
【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】
2014235143.tif 000008
【図７】
2014235143.tif 000009
【図８】
2014235143.tif 000010
【図９】
2014235143.tif 000011
【図１０】
2014235143.tif 000012
【図１１】
2014235143.tif 000013
【図１２】
2014235143.tif 000014