(57)【要約】  熱型赤外線撮像素子は、ダイオード（１）を含み、外部から受けた赤外線光に応じた電気信号を生成する温度検知画素（３）が行及び列方向において二次元状に配列されて成る画素アレイ部（１００）と、行毎に設けられ、温度検知画素（３）の一端を行毎に共通接続した複数の駆動線（１２）と、列毎に設けられ、温度検知画素（３）の他端を列毎に共通接続する複数の信号線（１３）と、駆動線を順次選択する垂直走査回路（４）と、信号線を順次選択する信号線選択回路（６）と、垂直走査回路により選択された駆動線及び信号線選択回路により選択された信号線の双方に接続された温度検知画素からの電気信号を増幅する、少なくとも１つの読出し回路（７）と、を備える。読出し回路（７）の数は、列毎に設けられた信号線の数よりも少ない。
2019234966.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイオードを含み、外部から受けた赤外線光に応じた電気信号を生成する温度検知画素が行及び列方向において二次元状に配列されて成る画素アレイ部と、
行毎に設けられ、前記温度検知画素の一端を行毎に共通接続した複数の駆動線と、
列毎に設けられ、前記温度検知画素の他端を列毎に共通接続する複数の信号線と、
前記駆動線を順次選択する垂直走査回路と、
前記信号線を順次選択する信号線選択回路と、
前記垂直走査回路により選択された駆動線及び前記信号線選択回路により選択された信号線の双方に接続された温度検知画素からの電気信号を増幅する、少なくとも１つの読出し回路と、を備え、
前記読出し回路の数は、列毎に設けられた前記信号線の数よりも少ない
ことを特徴とする、赤外線撮像素子。
【請求項２】
信号線選択回路の動作を制御するための制御信号を出力するクロック可変出力部と、
前記読出し回路からの信号に基づき、出力信号における画素の配列を調整することで前記出力信号を生成する画像演算部と
をさらに備えたことを特徴とする、請求項１に記載の赤外線撮像素子。
【請求項３】
前記二次元状に配列されて成る画素アレイ部と、前記読出し回路との間に、信号線を順次選択する前記信号線選択回路が配置された、請求項１に記載の赤外線撮像素子。
【請求項４】
前記クロック可変出力部と前記信号線選択回路とにより、読出す画素列が任意に切り替え可能な、請求項３に記載の赤外線撮像素子。
【請求項５】
前記垂直走査回路と前記クロック可変出力部と前記信号線選択回路とにより、読出す画素が任意に切り替え可能な、請求項３に記載の赤外線撮像素子。
【請求項６】
前記ダイオードの陰極側に接続された電流源をさらに備え、
前記垂直走査回路は、前記駆動線を介して各ダイオードの正極側に接続されている、
前記垂直走査回路は、各温度検知画素への通電周期が一定となるように前記駆動線の選択を行う、ことを特徴とする、請求項１に記載の赤外線撮像素子。
【請求項７】
前記信号線選択回路と前記読出し回路の接続点に接続された電流源をさらに備え、
前記垂直走査回路は、前記駆動線を介して各ダイオードの正極側に接続されており、
前記信号線選択回路は、前記信号線を介して各ダイオードの負極側に接続されており、
前記信号線選択回路は、一定間隔で前記信号線の選択を行うことを特徴とする、請求項１に記載の赤外線撮像素子。
【請求項８】
Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の読出し回路が設けられ、
前記複数の信号線は、前記Ｎ個の読出し回路に対応してＮ個のグループに分割され、
前記信号線選択回路は、前記グループ毎に１つの信号線を選択し、対応する読出し回路に接続する、請求項１に記載の赤外線撮像素子。
【請求項９】
前記複数の読出し回路それぞれからの出力信号を入力し、前記複数の出力信号のうちの１つを順次選択して出力する水平走査回路をさらに備えた、ことを特徴とする、請求項８に記載の赤外線撮像素子。
【請求項１０】
前記垂直走査回路が前記画素アレイ部の画素配列において最初の行から最後の行までの走査をＭ（２以上の整数）回繰り返す期間の間、前記信号線選択回路は、同一画素列を選択し続け、
前記赤外線撮像素子は、同一画素について得られたＭ個の出力信号を平均して当該温度検知画素の出力信号を求める画像演算部をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の赤外線撮像素子。
【請求項１１】
前記画素アレイ部は、少なくとも一つ以上の前記温度検知画素の列と、少なくとも一つ以上の、外部から入射する赤外線光の影響を受けない参照画素の列とを有し、
前記垂直走査回路はさらに前記参照画素の一端を順次選択し、
前記読出し回路は前記参照画素の他端に接続され、前記参照画素から信号を読み出し、
読出し回路は、温度検知画素からの信号と前記参照画素からの信号との差分を演算する
ことを特徴とする、請求項１に記載の赤外線撮像素子。
【請求項１２】
前記参照画素は、前記温度検知画素の構成に加えて、赤外線の入射を遮断する赤外線遮光膜をさらに備えた構成を有する、ことを特徴とする、請求項１１に記載の赤外線撮像素子。
【請求項１３】
前記参照画素の列は、前記画素アレイ部の駆動線の両端に配置されることを特徴とする、請求項１１または１２に記載の赤外線撮像素子。
【請求項１４】
任意の行の前記温度検知画素からの信号と、前記温度検知画素の一端と同じ行の駆動線で接続された前記参照画素からの信号と、の差分を演算出力することを特徴とする、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の赤外線撮像素子。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の赤外線撮像素子と、
前記赤外線撮像素子の出力信号から人体の存在位置を検知する検知手段と、
設定温度を変更する設定温度変更手段と、
送風方向を変更する風向変更手段と、
送風速度を変更する風速変更手段と、
前記検知手段からの信号に基づき、前記設定温度変更手段、前記風向変更手段、および風速変更手段を制御する主制御手段と、
を備えたことを特徴とする空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、入射赤外線による温度変化を２次元配列された半導体センサで検出する熱型赤外線固体撮像素子およびそれを備えた空気調和機に関し、特に、半導体センサからの電気信号を信号処理回路にて積分処理した後に出力する熱型赤外線固体撮像素子およびそれを備えた空気調和機に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な熱型赤外線固体撮像素子では、断熱構造を有する画素を２次元に配列し、入射した赤外線によって画素の温度が変化することを利用して赤外線像を撮像する。非冷却型の熱型赤外線固体撮像素子の場合、画素を構成する温度センサに、ポリシリコン、アモルファスシリコン、炭化ケイ素や酸化バナジウム等のボロメータの他、ダイオードやトランジスタ等の半導体素子を用いたものが知られている。【０００３】
また、ダイオードを温度センサとして用いる熱型赤外線固体撮像素子では、画素は二次元に配列されており、行ごとに駆動線によって接続され、列ごとに信号線によって接続されている。垂直走査回路とスイッチにより各駆動線が順番に選択され、選択された駆動線を介して電源から画素に通電される。画素の出力は信号線を介して積分回路に伝えられ、積分回路で積分及び増幅され、水平走査回路とスイッチによって順次出力端子へ出力される。【０００４】
例えば、特許文献１は、温度センサであるダイオードを含む温度検知部を中空断熱とした熱型赤外線固体撮像素子を開示する。この熱型赤外線固体撮像素子では、被写体から射出される赤外線放射光により温度検知部が発熱する。温度検知部の発熱は定電流動作されるダイオードにより電気信号に変換され、電気信号は画素列ごとに配置された積分回路を経て出力端子に出力される。【０００５】
また、ＣＭＯＳセンサに代表される画像センサ分野では、フレームレート向上や体重読出し平均化によるS/N向上、低消費電力化のために間引きや間欠出力が可能な読出し方式が採用されている。【０００６】
例えば、特許文献２は、二次元に配置された複数の画素を有する撮像領域と、一水平期間内に与えるクロック信号の数とタイミングとを可変することによって、撮像領域における複数の画素のうち、任意の画素行を選択することが可能な垂直シフトレジスタ回路と、垂直シフトレジスタ回路で選択された任意の画素行に駆動パルスを供給するパルスセレクタ回路とを備える固体撮像装置を開示する。この固体撮像装置は、画素列それぞれに読出し回路を配置している。この構成により、読出しを行う選択画素行を任意に選択することが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２３３３１３
【特許文献２】特開２０１０−１８３４３５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１および特許文献２の構成では、読出し回路を画素列と同数配置しており、また、読出し回路配置面積は画素配列ピッチの制約を受けるため、チップ面積増大によるコスト増加を引き起こす。【０００９】
この発明は、回路面積を縮小し、製造コストを低減できる赤外線撮像素子およびそれを備えた空気調和機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】
【００１０】
本発明に係る赤外線撮像素子は、ダイオードを含み、外部から受けた赤外線光に応じた電気信号を生成する温度検知画素が行及び列方向において二次元状に配列されて成る画素アレイ部と、行毎に設けられ、温度検知画素の一端を行毎に共通接続した複数の駆動線と、列毎に設けられ、温度検知画素の他端を列毎に共通接続する複数の信号線と、駆動線を順次選択する垂直走査回路と、信号線を順次選択する信号線選択回路と、垂直走査回路により選択された駆動線及び前記信号線選択回路により選択された信号線の双方に接続された温度検知画素からの電気信号を増幅する、少なくとも１つの読出し回路と、を備える。読出し回路（７）の数は、列毎に設けられた信号線の数よりも少ない。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、読出し回路の数を温度検知画素の列数よりも少なくする。これにより、チップ面積縮小による低コスト化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る赤外線撮像素子の構成図である。
【図２】実施の形態１に係る、画素アレイ番号、垂直走査回路番号、信号線選択回路番号を示した図である。
【図３】画素の読出し順序の第１の例を示した図である。
【図４】画素の読み出し順序の第２の例を示した図である。
【図５】画素の読出し順序の第３の例を示した図である。
【図６】画素の読出し順序の第４の例を示した図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る赤外線撮像素子の構成図である。
【図８】実施の形態２における、画素の読出し順序の第１の例を示した図である。
【図９】実施の形態２における、画素の読出し順序の第２の例を示した図である。
【図１０】本発明の実施の形態３に係る赤外線撮像素子の構成図である。
【図１１】図１３に示す構成における画素の読出し順序の例を示した図である。
【図１２】実施の形態３における、信号線選択回路の別の構成を示した図である。
【図１３】図１５に示す構成における画素の読出し順序の例を示した図である。
【図１４】本発明の実施の形態４に係る、参照画素を含む赤外線撮像素子の構成図である。
【図１５】温度検知画素と参照画素の断面構造の第一例を示す図である。
【図１６】温度検知画素と参照画素の断面構造の第二例を示す図である。
【図１７】温度検知画素と参照画素の断面構造の第三例を示す図である。
【図１８】本発明の実施の形態５に係る、参照画素を含む赤外線撮像素子の構成図である。
【図１９】本発明の実施の形態６に係る、空気調和機の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る赤外線撮像素子の構成図である。赤外線撮像素子は、画素アレイ部１００と、垂直走査回路４と、信号線選択回路６と、クロック可変出力部８と、読出し回路７と、アナログ・デジタルコンバータ（ＡＤＣ）９と、画像演算部１０とを備える。
【００１４】
画素アレイ部１００は、行及び列方向において二次元的に配列された複数の温度検知画素３を含む。温度検知画素３は、受光した赤外線光の強度を電気信号に変換するダイオード１を含む。水平方向において画素行駆動線１２（駆動線の一例）により複数の温度検知画素３が共通接続され、垂直方向において画素列信号線１３（信号線の一例）により複数の温度検知画素３が共通接続される。
【００１５】
より具体的には、画素行駆動線１２は、温度検知ダイオード１の陽極側と垂直走査回路４を、支持脚配線２を介して電気的に接続する。一本の画素行駆動線１２は画素アレイ部１００に配置されている一行すべての温度検知画素３に接続されている。画素列信号線１３は、温度検知ダイオード１の陰極側と、信号線選択回路６と、定電流源５（電流源の一例）とを、支持脚配線２を介して電気的に接続する。一本の画素列信号線１３は画素アレイ部１００に配置されている一列すべての温度検知画素３に接続されている。
【００１６】
垂直走査回路４は、複数の画素行駆動線１２のうち、読出しを行う行の画素行駆動線１２のみを選択する。垂直走査回路４は、選択した画素行駆動線１２を、電源電圧を供給する電源電圧端子（図示せず）に接続する。これにより、選択された画素行駆動線１２を介して、その画素行駆動線１２に接続される温度検知画素３に電源電圧が供給される。このため、垂直走査回路４は、画素行駆動線１２のそれぞれに電源電圧端子を選択的に接続する駆動線選択スイッチ４−１〜４−４を備える。
【００１７】
信号線選択回路６は、複数の画素列信号線１３のうち、読出しを行う列の画素列信号線１３のみを選択して、後段の読出し回路７に接続する。すなわち、信号線選択回路６の出力は、読出し回路７に入力される。読出し回路７の設置段数は、画素列の数よりも少なくする。また、読出し回路７の配置ピッチは画素配列の配置ピッチと等しくなくてもよい。図１の例では、読出し回路７は一段のみ設けている。信号線選択回路６で、画素列信号線１３のうちの任意の一本のみを選択し、後段の読出し回路７に接続する。このため、信号線選択回路６は、画素列信号線１３のそれぞれを読出し回路７に選択的に接続する信号線選択スイッチ６−１〜６−４を備える。
【００１８】
クロック可変出力部８は、信号線選択回路６の動作を制御するための制御信号を出力する回路である。すなわち、クロック可変出力部８は、信号線選択回路６における信号線選択スイッチ６−１〜６−４を所定のタイミングで切り替えるための制御信号を生成し、信号線選択回路６へ出力する。
【００１９】
読出し回路７は、各温度検知画素３から読み出された信号（すなわち、赤外線入射による信号成分）を増幅処理し、赤外線入射信号を生成する。
【００２０】
アナログ・デジタルコンバータ９は、読出し回路７から入力した赤外線入射信号をデジタル信号に変換する。画像演算部１０は、デジタル信号に変換された読出し回路７からの信号に対して所定の画像処理（画像合成、画像判定等）を実施する。例えば、画像演算部１０は、デジタル信号に変換された読出し回路７からの信号に基づき、出力信号における画素の配列を調整することで出力信号を生成する回路である。
【００２１】
以下、赤外線撮像素子による画素データの読出し動作について説明する。図２は、読出し動作の説明のために、画素アレイ部１００の画素構成を模式的に示した図である。本実施の形態では、一例として、画素アレイ部１００は、温度検知画素３が４行×４列に配置された構成を有するが、画素アレイ部１００の行数、列数はこれに限定されない。以下の説明では、座標（ｘ、ｙ）にある温度検知画素３を画素（ｘ，ｙ）と表記する。
【００２２】
まず、垂直走査回路４において駆動線選択スイッチ４−１がオンにされることで、画素（１，１）（２，１）（３，１）（４，１）に接続されている画素行駆動線１２に電源電圧が印加される。このとき、すべての列に定電流源５が接続されているため、垂直走査回路４の駆動線選択スイッチ４−１で選択されたすべての画素（１，１）（２，１）（３，１）（４，１）に電流が流れる。つまり、画素（１，１）から画素（４，１）のすべての画素における赤外線入射による信号成分が、それぞれの画素列信号線１３に出力される。
【００２３】
一方、信号線選択回路６において、一つの信号線選択スイッチ（図２では、信号線選択スイッチ６−１）が選択される。選択されたスイッチの端子は読出し回路７に接続される。これにより、読出し回路７において、選択された信号線選択スイッチに接続する画素列信号線１３から、赤外線入射による信号成分が入力され、増幅処理されて出力される。
【００２４】
ここで、垂直走査回路４で選択された行に配置されているすべての温度検知画素３は通電状態となる。このため、垂直走査回路４の駆動線選択スイッチ４−１〜４−６を順次選択した状態であれば、信号線選択回路６の選択の順序に関わらず、画素アレイ部１００に配置されているすべての温度検知画素３の通電周期は一定となる。このため、前述した通電周期と非通電周期の不規則による温度検知誤差は発生しないことになる。
【００２５】
読出し回路７から出力された信号成分は後段のアナログ・デジタルコンバータ（ＡＤＣ）９でデジタル信号に変換される。その後、画像演算部１０において、デジタル変換された読出し回路７からの信号に基づき画像合成もしくは画像判定が行われる。例えば、画像演算部１０は、画素毎に読出し回路７からの信号の平均値を求めたり、読出し回路７からの信号を任意の配列に再配置したりすることで出力画像を生成する。
【００２６】
上記の赤外線撮像素子の構成によれば、読出し回路７の設置段数は画素列数よりも少なくしている。これにより、チップ面積縮小によるチップコスト低減が可能である。また、読出し回路７の配置ピッチは温度検知画素３のピッチの制約を受けることがないため、回路構成の自由度が上がり、素子性能の向上が容易となる。
【００２７】
本実施の形態の赤外線撮像素子における、画素の読出し順序の一例を図３に示す。まず、信号線選択スイッチ６−１を選択し、その状態で垂直走査回路４においてオンさせる駆動線選択スイッチを、スイッチ４−１からスイッチ４−４へ順次切り替える。垂直走査回路４において駆動線選択スイッチ４−４がオンされた後、再度、駆動線選択スイッチ４−１に戻る。それと同時に信号線選択回路６において、次の信号線選択スイッチに切り替える。つまり、信号線選択回路６において信号線選択スイッチ６−２を選択する。その後、同様に、駆動線選択スイッチ４−１から駆動線選択スイッチ４−４へ順次切り替えていく。このような信号線選択スイッチ６−１〜６−４と駆動線選択スイッチ４−１の切り替えを繰り返すことにより、一画面（フレーム）分のデータを順次読み出すことが可能になる。
【００２８】
ここで、垂直走査回路４の駆動線選択スイッチ４−１〜４−４を順次選択すれば、信号線選択回路６の信号線選択スイッチ６−１〜６−４を任意の順に選択しても、画素アレイ部１００に配置されているすべての温度検知画素３の通電周期は一定となる。通電周期と非通電周期が不規則な場合、読み出し毎に画素の自己発熱状況が異なる。赤外線入射による温度検知部の微小発熱と比べ、この自己発熱状況の差が無視できない場合、結果的に温度検知誤差が生じ得る。これに対して、前述したように温度検知画素３の通電周期を一定とすることで、通電周期と非通電周期の不規則性に起因する基づく自己発熱状況の差による温度検知誤差は発生しない。
【００２９】
この利点を生かし、図４に示すような列方向の間欠的な出力も可能となる。これにより、高フレームレートでの読出しが可能となる。この読み出し方式では、例えば観測する物体の移動速度に応じて、画素の読み出し方法（すなわち、駆動方法）を変更することが可能になる。例えば、観測対象の物体の速度が低速の場合は、画素の読み出し方法を図３に示すような全画面読み出しに設定し、高速の移動物体が観測された場合に、高速移動物体を追従するように図４に示すような間欠的な読み出しに切り替えることができる。それらの制御は、クロック可変出力部８から信号線選択回路６に入力するクロックパターンの変更により実現できる。すなわち、クロック可変出力部８により信号線選択回路６に入力される制御信号を変更できるため、様々な動作モードへの切り替えが可能となる。
【００３０】
また、図５に示すように斜め方向の読出しも可能である。この読出し方法によれば、読出している画素を境界線として、それを横切る移動物体を高フレームレートで判定することができる。
【００３１】
また、図６に示すように同一画素列を複数回連続して読出しを行ってもよい。具体的には、画素アレイ部１００における一つの画素列について、その画素列に接続する画素を列方向に複数回（Ｍ回：Ｍは２以上の整数）走査してデータを読み出す。すなわち、ある画素列について、最初の行（例えば、最下行）から最後の行（例えば、最上行）までの走査をＭ回繰り返す期間の間、信号線選択回路（６）は、同一画素列を選択し続けて、画像データを読み出す。１つの画素列についてＭ回の走査が終了すると、次の画素列に移動して同様の読み出し動作を行う。このとき、画像演算部１０は、同一画素について得られたＭ個の出力信号を平均して当該画素の出力信号を求める。
【００３２】
このような読み出し方式によれば、例えば図３で示したような一画面出力の複数フレーム積分を行った際に発生し得る、時間的な誤差を抑えた画像を得ることができる。
【００３３】
すなわち、図３に示すように一画面ずつ順次出力した場合、画素（１，１）は、第ｎフレームにおいて第一番目に出力され、その次の第ｎ＋１フレームにおいて、画素行数×画素列数分だけ時間的に遅延した後、出力される。移動物体が高速の場合、この時間遅延により画像のぼやけが発生する可能性がある。これに対して、図６に示すような読み出し方式では、画素（１，１）は、第ｎフレームにおいて出力した後、第ｎ＋１フレームにおいて、画素行数分だけ時間的に遅延したタイミングで出力される。よって、図３に示す読み出し方法に比べて遅延時間が小さくなり、画像のぼやけが発生する可能性を低減できる。すなわち、垂直走査回路４が画素行駆動線１２の最初の行から最後の行まで走査する時間は、一画面分のフレームレートと比べて短く設定できる。よって、タイムラグの少ない情報どうしで出力信号の平均化を行うことができるため、高速移動被写体撮像と高精度撮像を両立することが可能となる。
【００３４】
なお、図３から図６で示した読み出し方式は一例である。垂直走査回路４を順次選択した状態であれば、信号線選択回路６の選択の順序に関わらず、画素アレイ部１００に配置されているすべての温度検知画素３の通電周期は一定となる。このため、前述した通電周期と非通電周期の不規則による温度検知誤差は発生しないという効果は保たれる。つまり、使用用途ごとに信号線選択回路６の選択方法は自由に変更してもよく、図３から図６に示す読出し方法に限定されるものではない。
【００３５】
また、温度検知画素３は、赤外線吸収構造体１４を有しない場合、温度検知部１５の面積が赤外線受光面積となるため感度低下が発生し、赤外線受光感度が低下する。ただ、その場合でもＳ／Ｎ性能が使用用途の求める性能を満たせるのであれば問題なく、赤外線吸収構造体１４は必須の構成ではない。
【００３６】
実施の形態２．
図７は本実施の形態２に係る、赤外線固体撮像素子の回路図である。実施の形態１との相違点は、定電流源５の位置である。実施の形態１では、定電流源５は画素列信号線１３に接続されていた。これに対して、実施の形態２では、定電流源５は信号線選択回路６の出力と、読出し回路７との接続点に接続されている。
【００３７】
この構成によれば、垂直走査回路４により選択された画素行駆動線１２に接続されている温度検知画素３の中で、信号線選択回路６により選択された画素列信号線１３に接続された画素だけが定電流動作となり、それ以外の画素は非通電状態となる。
【００３８】
この場合、垂直走査回路４および信号線選択回路６における画素の選択順序（選択周期）を一定に固定し、画素毎の通電期間／非通電期間をそれぞれ一定となるように調整する。図３に示すように、例えばすべての画素を行方向、列方向に順次選択して読出しを行う場合、各温度検知画素３は、一画面の出力期間中で一画素の読出し期間においてのみ通電されるため、通電周期と非通電周期の不規則による温度検知誤差は発生しない。
【００３９】
同様に、図８に示すように信号線選択回路６の選択順序を変更した場合も、すべての温度検知画素３は、一画面の出力期間中で一つの画素の読出し期間においてのみ通電されるため、通電周期と非通電周期の不規則による温度検知誤差は発生しない。また、図９に示すように画素アレイ部１００中で読出しを行う温度検知画素３を選択したとしても、同様の効果が得られる。
【００４０】
なお、垂直走査回路４および信号線選択回路６の選択順序が一定に固定されており、画素毎の通電、非通電期間が一定となるように調整されていればよく、読み出し方式は上記の例に限定されない。
【００４１】
本実施の形態２の回路構成により、実施の形態１と同様に、読出し回路７の設置段数は画素列数よりも少なくすることが可能であり、チップ面積縮小によるチップコスト低減が可能である。さらに、定電流源５の配置面積を縮小することができるため、さらなるチップ面積縮小が可能となる。また、複数の画素列信号線１３に対して一つの定電流源５のみが接続されるため、定電流源５の性能のばらつきによる特性ばらつきを抑えることができる。
【００４２】
また、高フレームレート読み出し／低フレーム読出し、複数回読出しの平均化によるS/N向上、低消費電力化のために間引きや間欠出力等の読み出し方式の変更可能性等の、実施の形態１と同様の効果も得られる。
【００４３】
実施の形態３．
図１０は実施の形態３に係る赤外線撮像素子の回路図である。実施の形態１との相違点は、読出し回路７−１、７−２を二段（複数段）配置し、さらに、読出し回路７−１、７−２の後段に各読出し回路７−１、７−２からの出力信号をシリアル出力する水平走査回路１１を配置している点である。さらに信号線選択回路６は、画素列信号線１３のうちの奇数列の任意の一列、および偶数列の任意の一列を二つの読出し回路７−１、７−２にそれぞれ接続している点が異なる。
【００４４】
図１１は、図１０に示す赤外線撮像素子の構成における読出し画素順序を示す図である。信号線選択回路６−Ａは、奇数列（すなわち、第一列または第三列）の画素列信号線１３を第一の読出し回路７−１に接続している。また、信号線選択回路６−Ａは、偶数列（すなわち、第二列または第四列）の画素列信号線１３を第二の読出し回路７−２に接続している。換言すれば、画素列信号線１３を奇数列と偶数列のグループに分けている。そして、奇数列のグループの画素列信号線１３を読出し回路７−１に接続し、偶数列のグループの画素列信号線１３を読出し回路７−２に接続している。このような接続により、一列目、二列目の画素列を同時に読み出すことが可能であり、フレームレートの向上を図れる。さらに、読出し回路７−１、７−２の設置段数を画素列の数よりも少なくすることが可能となる。よって、チップ面積縮小によるチップコスト低減が可能となる。同時に、高フレームレートや低フレーム読出し、複数回読出し平均化によるS/N向上、低消費電力化のために間引きや間欠出力等の読み出し方式変更が同一素子であっても可能となる。
【００４５】
図１２は、実施の形態３に係る赤外線撮像素子の回路図の別の構成を示した図である。図１２の構成において、信号線選択回路６−Ｂは読出し回路７−１に接続する１つの画素列信号線１３を選択する。信号線選択回路６−Ｂは、第一及び第二列の画素列信号線１３を読出し回路７−１に接続し、第三及び第四列の画素列信号線１３を読出し回路７−２に接続する。換言すれば、画素列信号線１３を前半と後半のグループに分けている。そして、前半のグループの画素列信号線１３を読出し回路７−１に接続し、後半のグループの画素列信号線１３を読出し回路７−２に接続している。
【００４６】
図１３は、図１２に示す構成における読出し画素の順序を説明した図である。このように、信号線選択回路６の選択方式は、エリアごとなど、自由に配置することが可能である。また、画素列信号線１３のグループ分けの数、すなわち、読出し回路７の段数は二に限らず、画素列の数よりも少なければ任意（Ｎ）の数でよい。
【００４７】
以上のように、読出し回路７を複数設けることで、フレームレートの向上を図れると共に、様々な画像取得方法が可能となる。例えば、連続する画素列を同時選択することで画素アレイ部のうち被写体が横切る動きを高フレームレートで検知したり、間欠した画素列を同時選択したりすることで、幅広い画角を網羅しつつ、高フレームレートでの検知が可能となる。また、水平走査回路１１を読出し回路７−１、７−２の後段に配置することで、信号成分を一つの出力端子で出力することが可能となる。
【００４８】
実施の形態４．
図１４は本実施の形態４に係る赤外線撮像素子の回路図である。実施の形態１との相違点は、画素アレイ部１００に、外部から入射する赤外線光の影響を受けない参照画素１８を配置した点である。参照画素１８の信号成分は読出し回路７に入力される。読出し回路７は、参照画素１８の信号成分と温度検知画素３の信号成分との差分信号を増幅して出力する。なお、画素アレイ部１００において、参照画素１８の列は少なくとも一列設ければよい。参照画素１８における温度検知ダイオード１の陽極端子は画素行駆動線１２に、陰極端子は画素列信号線１３に接続されている。
【００４９】
図１５〜図１７は、温度検知画素３と参照画素１８の断面構造の例を示した図であり、それぞれ参照画素１８の異なる断面構造を示している。
【００５０】
温度検知画素３は、温度検知ダイオード１を含む温度検知部１５と、温度検知部１５に接続されて構成された赤外線吸収構造体１４と、温度検知部１５を保持する支持脚配線２とを含んでいる。支持脚配線２は、温度検知部１５と、画素行駆動線１２および画素列信号線１３とを電気的に接続する。支持脚配線２は、基板１６と温度検知部１５が直接熱的に接続しないように温度検知部１５を中空状態に保持する。このため、基板１６には中空部１７が設けられている。赤外線が画素上部から入射した場合、赤外線吸収構造体１４で吸収され、発熱し、温度検知部１５の温度が変化する。温度検知部１５内の温度検知ダイオード１は定電流源５の作用により一定電流動作しているため、温度検知ダイオード１の陽極と陰極間の電圧差は温度変化により変化する。これらの作用により、画素列信号線１３の電圧には、入射する赤外線光に応じた電圧成分が含まれることになる。参照画素１８は、温度検知画素３と同様に、温度検知ダイオード１を含む温度検知部１５と支持脚配線２を有する。
【００５１】
図１５に示す例では、参照画素１８は、温度検知画素３の構成に加えて、赤外線吸収構造体１４の受光面側に赤外線を吸収する赤外線非吸収構造体１９をさらに有している。赤外線非吸収構造体１９は、赤外線の波長領域に対して高い反射率を有する材料で構成される。
【００５２】
図１６に示す例では、参照画素１８は、温度検知画素３の構成に加えて、赤外線の温度検知部１５への入射を遮光する赤外線遮光膜２０を有している。赤外線遮光膜２０は、赤外線吸収構造体１４の受光面に赤外線光が入射されないように赤外線吸収構造体１４の受光面側に配置される。
【００５３】
図１７に示す例では、参照画素１８は、温度検知画素３の構成において中空断熱構造を設けないことで参照画素１８を構成している。すなわち、参照画素１８では、基板１６に中空部１７を設けていない。
【００５４】
図１５〜図１７に示す構成により、参照画素１８は、外部から入射する赤外線光の影響を受けることがない。
【００５５】
図１５および図１６に示す参照画素１８の通電周期と非通電周期は、垂直走査回路４の走査を初段から最後段にかけて一定としている限り、温度検知画素３の通電周期と非通電周期と一致する。つまり、参照画素１８は、通電／非通電によって発生する自己発熱に関して、温度検知画素３と同様の傾向を持った出力信号を発生する。このため、読出し回路７で参照画素１８と温度検知画素３の差分信号を取得した場合、自己発熱および基板温度に起因する信号成分が除去でき、基板温度の変化に対して出力変化の小さい出力を得ることができる。ただし、自己発熱温度は温度検知部１５および赤外線吸収構造体１４の熱容量と、支持脚配線２の熱コンダクタンスの関係性で決定される。また、参照画素１８からの信号成分と、温度検知画素３からの信号成分とには、電源端子からの同相雑音が重畳している。このため、二つの信号の差分を取ることで電源雑音の影響を低減できる。
【００５６】
図１６に示すように、参照画素１８において、赤外線遮光膜２０が参照画素１８内の温度検知部１５と熱的に非接触状態に配置されることで、参照画素１８と温度検知画素３の構造を同一にすることができる。よって、図１６に示す構成の方が、図１５に示す構成よりも自己発熱および基板温度に起因する信号成分を除去する効果が高いため、より好ましい。また、垂直走査回路４から画素行駆動線１２に印加される電源電圧に内在する雑音成分も、読出し回路７で、参照画素１８からの信号成分と温度検知画素３からの信号成分の差分をとることにより除去できるため、Ｓ／Ｎが改善される。
【００５７】
図１７に示す構成の参照画素１８は、中空部１７がなく、中空断熱構造を有してないため、自己発熱が全く発生せず、基板温度に起因した信号成分が発生する。このため、読出し回路７で参照画素１８と温度検知画素３の差分信号を取得した場合、基板温度に起因する信号成分が除去でき、基板温度変化に対して出力変化の小さい出力を得ることができる。また、電源端子Ｖｄの電圧に内在する雑音成分も、読出し回路７で差分出力化することにより除去できるため、Ｓ／Ｎが改善される。
【００５８】
参照画素１８は、図１５〜１７に示す参照画素構造に限らない。参照画素１８は、垂直走査回路４により電源端子に接続され、温度検知画素３と同じ通電／非通電周期で動作し、外部から入射する赤外線光の影響を受けないものであれば任意の構成で良い。
【００５９】
また、図１４では参照画素１８は画素アレイ部１００の外側に配置しているが、参照画素１８の配置はそれに限らない。例えば、参照画素１８を、行方向において画素アレイ部１００の左右両端に配置してもよい。これにより、差分信号の高精度化が図れる。もしくは、参照画素１８を、画素アレイ部１００内に複数列配置してもよい。これにより、差分信号の更なる高精度化が図れる。
【００６０】
実施の形態５．
図１８は、本実施の形態５に係る赤外線撮像素子の回路図である。実施の形態４との相違点は、画素アレイ部１００の画素行駆動線１２の両端に、外部から入射する赤外線光の影響を受けない参照画素１８を配置した点である。参照画素１８の信号成分は読出し回路７に入力される。読出し回路７は、参照画素１８の信号成分と温度検知画素３の信号成分との差分信号を増幅して出力する。
【００６１】
本実施の形態５では、信号を読み出す温度検知画素３に接続された画素行駆動線１２の、両端に接続された参照画素１８のうち、いずれか近い方の参照画素１８とこの温度検知画素３との差分信号を出力する。これにより、自己発熱および基板温度に起因する信号成分が除去でき、基板温度の変化に対して出力変化の小さい出力をより精度よく得ることができる。なお、画素アレイ部１００において、参照画素１８の列は、少なくとも画素行駆動線１２の両端に一列ずつ設ければよい。
【００６２】
実施の形態６．
図１９は、全体が３００で表される、本発明の実施の形態６に係る空気調和機の構成を示す概略図である。図１９において、空気調和機３００は、赤外線撮像素子２００の信号により人体の存在位置を検知する位置検知手段、空気調和機３００の主な制御を行う主制御手段、設定温度を変更する設定温度変更手段、空気調和機３００からの送風方向を風向制御翼などにより変更する風向変更手段、空気調和機３００からの送風速度を変更する風速変更手段を備える。
【００６３】
空気調和機３００では、一定の赤外線検知領域を有する赤外線撮像素子２００の出力から、位置検知手段が人体の存在位置を検知する。人体が空調調和機３００から一定距離内に進入したことを位置検知手段が検知した場合、主制御手段により、設定温度変更手段、風速変更手段、および風向変更手段が制御され、設定温度、風速、風向の設定が行われる。これにより、わずらわしい設定操作を行わなくても、人の動きに合わせて自動的に人体の移動に合わせて空気調和機３００の制御が行われ、快適で且つ便利な空調機制御が得られる。
【符号の説明】
【００６４】
１．温度検知ダイオード、２．支持脚配線、３．温度検知画素、４．垂直走査回路、５．定電流源、６．信号線選択回路、７．読出し回路、８．クロック可変出力部、９．アナログ・デジタルコンバータ、１０． 画像演算部、１１．水平走査回路、１２．画素行駆動線、１３．画素列信号線、１４．赤外線吸収構造体、１５．温度検知部、１６．基板、１７．中空部、１８．参照画素、１９．赤外線非吸収構造体、２０．赤外線遮光膜、１００．画素アレイ部、２００．赤外線撮像素子、３００．空気調和機。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年9月4日(2019.9.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイオードを含み、外部から受けた赤外線光に応じた電気信号を生成する温度検知画素が行及び列方向において二次元状に配列されて成る画素アレイ部と、
行毎に設けられ、前記温度検知画素の一端を行毎に共通接続した複数の駆動線と、
列毎に設けられ、前記温度検知画素の他端を列毎に共通接続する複数の信号線と、
前記駆動線を順次選択する垂直走査回路と、
前記信号線を順次選択し、前記複数の信号線に直接接続される信号線選択回路と、
前記垂直走査回路により選択された駆動線及び前記信号線選択回路により選択された信号線の双方に接続された温度検知画素からの電気信号を増幅し、前記信号選択回路と直接接続される少なくとも１つの読出し回路と、を備え、
前記読出し回路の数は、列毎に設けられた前記信号線の数よりも少ないことを特徴とする、赤外線撮像素子。
【請求項２】
信号線選択回路の動作を制御するための制御信号を出力するクロック可変出力部と、
前記読出し回路からの信号に基づき、出力信号における画素の配列を調整することで前記出力信号を生成する画像演算部と
をさらに備えたことを特徴とする、請求項１に記載の赤外線撮像素子。
【請求項３】
前記二次元状に配列されて成る画素アレイ部と、前記読出し回路との間に、信号線を順次選択する前記信号線選択回路が配置された、請求項１に記載の赤外線撮像素子。
【請求項４】
前記クロック可変出力部と前記信号線選択回路とにより、読出す画素列が任意に切り替え可能な、請求項３に記載の赤外線撮像素子。
【請求項５】
前記垂直走査回路と前記クロック可変出力部と前記信号線選択回路とにより、読出す画素が任意に切り替え可能な、請求項３に記載の赤外線撮像素子。
【請求項６】
前記ダイオードの陰極側に接続された電流源をさらに備え、
前記垂直走査回路は、前記駆動線を介して各ダイオードの正極側に接続されている、
前記垂直走査回路は、各温度検知画素への通電周期が一定となるように前記駆動線の選択を行う、ことを特徴とする、請求項１に記載の赤外線撮像素子。
【請求項７】
前記信号線選択回路と前記読出し回路の接続点に接続された電流源をさらに備え、
前記垂直走査回路は、前記駆動線を介して各ダイオードの正極側に接続されており、
前記信号線選択回路は、前記信号線を介して各ダイオードの負極側に接続されており、
前記信号線選択回路は、一定間隔で前記信号線の選択を行うことを特徴とする、請求項１に記載の赤外線撮像素子。
【請求項８】
Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の読出し回路が設けられ、
前記複数の信号線は、前記Ｎ個の読出し回路に対応してＮ個のグループに分割され、
前記信号線選択回路は、前記グループ毎に１つの信号線を選択し、対応する読出し回路に接続する、請求項１に記載の赤外線撮像素子。
【請求項９】
前記複数の読出し回路それぞれからの出力信号を入力し、前記複数の出力信号のうちの１つを順次選択して出力する水平走査回路をさらに備えた、ことを特徴とする、請求項８に記載の赤外線撮像素子。
【請求項１０】
前記垂直走査回路が前記画素アレイ部の画素配列において最初の行から最後の行までの走査をＭ（２以上の整数）回繰り返す期間の間、前記信号線選択回路は、同一画素列を選択し続け、
前記赤外線撮像素子は、同一画素について得られたＭ個の出力信号を平均して当該温度検知画素の出力信号を求める画像演算部をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の赤外線撮像素子。
【請求項１１】
前記画素アレイ部は、少なくとも一つ以上の前記温度検知画素の列と、少なくとも一つ以上の、外部から入射する赤外線光の影響を受けない参照画素の列とを有し、
前記垂直走査回路はさらに前記参照画素の一端を順次選択し、
前記読出し回路は前記参照画素の他端に接続され、前記参照画素から信号を読み出し、
読出し回路は、温度検知画素からの信号と前記参照画素からの信号との差分を演算する
ことを特徴とする、請求項１に記載の赤外線撮像素子。
【請求項１２】
前記参照画素は、前記温度検知画素の構成に加えて、赤外線の入射を遮断する赤外線遮光膜をさらに備えた構成を有する、ことを特徴とする、請求項１１に記載の赤外線撮像素子。
【請求項１３】
前記参照画素の列は、前記画素アレイ部の駆動線の両端に配置されることを特徴とする、請求項１１または１２に記載の赤外線撮像素子。
【請求項１４】
任意の行の前記温度検知画素からの信号と、前記温度検知画素の一端と同じ行の駆動線で接続された前記参照画素からの信号と、の差分を演算出力することを特徴とする、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の赤外線撮像素子。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の赤外線撮像素子と、
前記赤外線撮像素子の出力信号から人体の存在位置を検知する検知手段と、
設定温度を変更する設定温度変更手段と、
送風方向を変更する風向変更手段と、
送風速度を変更する風速変更手段と、
前記検知手段からの信号に基づき、前記設定温度変更手段、前記風向変更手段、および風速変更手段を制御する主制御手段と、
を備えたことを特徴とする空気調和機。
【請求項１６】
前記信号線選択回路は、複数の信号線選択スイッチを備え、
前記複数の信号線選択スイッチは、前記信号線にそれぞれ接続され、前記読出し回路に共通接続されることを特徴とする請求項１に記載の赤外線撮像素子。
【手続補正書】
【提出日】令和1年11月20日(2019.11.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイオードを含み、外部から受けた赤外線光に応じた電気信号を生成する温度検知画素が行及び列方向において二次元状に配列されて成る画素アレイ部と、
行毎に設けられ、前記温度検知画素の一端を行毎に共通接続した複数の駆動線と、
列毎に設けられ、前記温度検知画素の他端を列毎に共通接続する複数の信号線と、
前記駆動線を順次選択する垂直走査回路と、
前記信号線を順次選択し、前記複数の信号線に直接接続される信号線選択回路と、
前記垂直走査回路により選択された駆動線及び前記信号線選択回路により選択された信号線の双方に接続された温度検知画素と、
前記信号線選択回路により、選択された前記信号線を介して前記温度検知画素と直接接続され、前記信号線選択回路を介して前記温度検知画素から直接入力された信号を増幅処理する少なくとも１つの読出し回路と、を備え、
前記読出し回路の数は、列毎に設けられた前記信号線の数よりも少ないことを特徴とする、赤外線撮像素子。
【請求項２】
前記信号線選択回路の動作を制御するための制御信号を出力するクロック可変出力部と、
前記読出し回路からの信号に基づき、アナログ・デジタルコンバータによりデジタル信号に変換された信号の配列を調整することで出力信号を生成する画像演算部とをさらに備えたことを特徴とする、請求項１に記載の赤外線撮像素子。
【請求項３】
前記二次元状に配列されて成る画素アレイ部と、前記読出し回路との間に、信号線を順次選択する前記信号線選択回路が配置された、請求項１に記載の赤外線撮像素子。
【請求項４】
前記クロック可変出力部と前記信号線選択回路とにより、読出す画素列が任意に切り替え可能な、請求項２に記載の赤外線撮像素子。
【請求項５】
前記垂直走査回路と前記クロック可変出力部と前記信号線選択回路とにより、読出す画素が任意に切り替え可能な、請求項２に記載の赤外線撮像素子。
【請求項６】
前記ダイオードの陰極側に接続された電流源をさらに備え、
前記垂直走査回路は、前記駆動線を介して各ダイオードの正極側に接続されている、
前記垂直走査回路は、各温度検知画素への通電周期が一定となるように前記駆動線の選択を行う、ことを特徴とする、請求項１に記載の赤外線撮像素子。
【請求項７】
前記信号線選択回路と前記読出し回路の接続点に接続された電流源をさらに備え、
前記垂直走査回路は、前記駆動線を介して各ダイオードの正極側に接続されており、
前記信号線選択回路は、前記信号線を介して各ダイオードの負極側に接続されており、
前記信号線選択回路は、一定間隔で前記信号線の選択を行うことを特徴とする、請求項１に記載の赤外線撮像素子。
【請求項８】
Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の読出し回路が設けられ、
前記複数の信号線は、前記Ｎ個の読出し回路に対応してＮ個のグループに分割され、
前記信号線選択回路は、前記グループ毎に１つの信号線を選択し、対応する読出し回路に接続する、請求項１に記載の赤外線撮像素子。
【請求項９】
前記複数の読出し回路それぞれからの出力信号を入力し、前記複数の出力信号のうちの１つを順次選択して出力する水平走査回路をさらに備えた、ことを特徴とする、請求項８に記載の赤外線撮像素子。
【請求項１０】
前記垂直走査回路が前記画素アレイ部の画素配列において最初の行から最後の行までの走査をＭ（２以上の整数）回繰り返す期間の間、前記信号線選択回路は、同一画素列を選択し続け、
前記赤外線撮像素子は、同一画素について得られたＭ個の出力信号を平均して当該温度検知画素の出力信号を求める画像演算部をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の赤外線撮像素子。
【請求項１１】
前記画素アレイ部は、少なくとも一つ以上の前記温度検知画素の列と、少なくとも一つ以上の、外部から入射する赤外線光の影響を受けない参照画素の列とを有し、
前記垂直走査回路はさらに前記参照画素の一端を順次選択し、
前記読出し回路は前記参照画素の他端に接続され、前記参照画素から信号を読み出し、
読出し回路は、温度検知画素からの信号と前記参照画素からの信号との差分を演算する
ことを特徴とする、請求項１に記載の赤外線撮像素子。
【請求項１２】
前記参照画素は、前記温度検知画素の構成に加えて、赤外線の入射を遮断する赤外線遮光膜をさらに備えた構成を有する、ことを特徴とする、請求項１１に記載の赤外線撮像素子。
【請求項１３】
前記参照画素の列は、前記画素アレイ部の駆動線の両端に配置されることを特徴とする、請求項１１または１２に記載の赤外線撮像素子。
【請求項１４】
任意の行の前記温度検知画素からの信号と、前記温度検知画素の一端と同じ行の駆動線で接続された前記参照画素からの信号と、の差分を演算出力することを特徴とする、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の赤外線撮像素子。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の赤外線撮像素子と、
前記赤外線撮像素子の出力信号から人体の存在位置を検知する検知手段と、
設定温度を変更する設定温度変更手段と、
送風方向を変更する風向変更手段と、
送風速度を変更する風速変更手段と、
前記検知手段からの信号に基づき、前記設定温度変更手段、前記風向変更手段、および風速変更手段を制御する主制御手段と、
を備えたことを特徴とする空気調和機。
【請求項１６】
前記信号線選択回路は、複数の信号線選択スイッチを備え、
前記複数の信号線選択スイッチは、一端で前記信号線にそれぞれ直接接続され、他端で前記読出し回路に共通に直接接続されることを特徴とする請求項１に記載の赤外線撮像素子。
【国際調査報告】
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