(57)【要約】【課題】製造方法が複雑な干渉フィルタを用いず、検出対象物の背景温度に影響されないで、長波長カットフィルタのカット波長をおよそ下限とする波長帯の赤外線を検出する赤外線センサを提供する。【解決手段】特定波長以上の赤外線をカットするフィルタを組み合わせた第１の赤外線受光素子と、フィルタを組み合わせない第２の赤外線受光素子とで対を形成し、２つの赤外線受光素子の出力信号の差分を使って、該フィルタのカット波長をおよそ下限とする波長帯の赤外線に感度を持つ赤外線センサを構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定波長λ1以上の赤外線をカットするフィルタと、該フィルタを透過した赤外線を検出する第１の赤外線受光素子と、フィルタを透過させずに直接赤外線を検出する第２の赤外線受光素子とからなり、前記第１の赤外線受光素子の出力信号と、前記第２の赤外線受光素子の出力信号との差分をとることにより、該フィルタのカット波長をおよそ下限とする波長帯λ1〜λ2の赤外線に感度を有することを特徴とする赤外線センサ。
【請求項２】
前記第１および第２の赤外線受光素子が、ともに化合物半導体受光素子からなることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
【請求項３】
前記第１および第２赤外線受光素子が、ＩnＡsxＳb1-x（０≦ｘ≦０．７５）からなる化合物半導体受光素子であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の赤外線センサ。
【請求項４】
前記フィルタは、特定波長λ1がおよそ５μｍ以上の赤外線をカットする特性を有しているフィルタであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の赤外線センサ。
【請求項５】
前記フィルタが、珪酸塩ガラス、ホウ珪酸ガラス、リン酸塩ガラス、またはソーダガラスの中から選ばれることを特徴とする請求項４に記載の赤外線センサ。
【請求項６】
前記第１および第２赤外線受光素子の前面に、可視光をカットするためのフィルタを取り付けることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の赤外線センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特定波長以上の赤外線をカットするフィルタのカット波長をおよそ下限とする波長帯の赤外線を検出する赤外線センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、室温で動作可能な赤外線センサの受光素子としては、焦電素子やサーモパイルなどが主に用いられてきた。しかし、これらの受光素子は赤外線を吸収したあと、受光素子中で変換された熱による焦電効果や熱起電力に従って赤外線を検出するため、検出感度の赤外線波長に対する選択性が低く、人体をより効率よく検出する場合には、およそ透過波長帯として８〜１４μｍの遠赤外線領域のみを帯域透過する干渉フィルタが必要である。この干渉フィルタは製造方法が複雑で難しく、人感センサのコストを高くする一因となっている。
焦電素子は、入射する赤外線量の変化に伴う自発分極の変化を利用する。この方法では、焦電素子内部の温度の変化でも信号が出力されるため、検出対象物の背景温度の揺らぎに弱いという欠点がある。そのため、その影響を小さくする目的で、２個または４個の焦電素子を組み合わせて赤外線センサを形成し、検出対象物の動きによる赤外線量の変化を各焦電素子間の出力信号の差として検出することになるので、動いている人体を検出するのには向いている。しかし、人体が静止している場合は素子間の出力信号の差がゼロとなり検出できず、人感センサとして使用する用途には向いていないという問題がある。
【０００３】
サーモパイルは、入射する赤外線の温度を直接検出できるので、静止している人体の検出にも向いている。しかしながら、焦電素子と同様に背景温度が変化すると検出レベルが変動するため、人体の有無を識別するしきい値を変動させる必要があり、その制御方法が複雑になるという問題がある。この問題を解決するため、特許文献１にあるように、２個の素子、誘電体多層膜干渉フィルタ、差動増幅器、および基準電圧比較器を組み合わせて人体を検出する赤外線センサが開示されている。しかし、この発明では、複雑な製造方法を有する誘電体多層膜干渉フィルタが２枚必要であり、しかも、サーモパイルは、上記の通り検出感度の赤外線波長に対する選択性が低いため、遮断特性の急峻な干渉フィルタを必ず複数枚必要とするため、製造方法を複雑にする要因となる。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−２５６６９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、長波長カットフィルタのカット波長をおよそ下限とする波長帯の赤外線を検出する赤外線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】
【０００６】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、赤外線受光素子と特定波長以上の赤外線をカットするフィルタを組み合わせることにより、上記目的に適合することを見いだし、この知見に基づいて本発明をなすに至った。
つまり、請求項１に記載されるように、特定波長λ1以上の赤外線をカットするフィルタと、該フィルタを透過した赤外線を検出する第１の赤外線受光素子と、フィルタを透過させずに直接赤外線を検出する第２の赤外線受光素子とからなり、前記第１の赤外線受光素子の出力信号と、前記第２の赤外線受光素子の出力信号との差分をとることにより、該フィルタのカット波長をおよそ下限とする波長帯λ1〜λ2の赤外線に感度を有することを特徴とする赤外線センサを構成する。
【０００７】
また、請求項２に記載されるように、前記第１および第２の赤外線受光素子が、ともに化合物半導体受光素子からなることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサを構成する。
請求項３に記載されるように、前記第１および第２赤外線受光素子が、ＩnＡsxＳb1-x（０≦ｘ≦０．７５）からなる化合物半導体受光素子であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の赤外線センサを構成する。
請求項４に記載されるように、前記フィルタは、特定波長λ1がおよそ５μｍ以上の赤外線をカットする特性を有しているフィルタであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の赤外線センサを構成する。
【０００８】
請求項５に記載されるように、前記フィルタが、珪酸塩ガラス、ホウ珪酸ガラス、リン酸塩ガラス、またはソーダガラスの中から選ばれることを特徴とする請求項４に記載の赤外線センサを構成する。
請求項６に記載されるように、前記第１および第２赤外線受光素子の前面に、可視光をカットするためのフィルタを取り付けることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の赤外線センサを構成する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、干渉フィルタを用いず、検出対象物の背景温度に影響されないで、長波長カットフィルタのカット波長をおよそ下限とする波長帯の赤外線に感度を有する赤外線センサを作ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本願発明を実施するための最良の形態について具体的に説明する。
第１の赤外線受光素子は特定波長λ1以上の赤外線をカットするフィルタを該受光素子の前面に配置して赤外線を検出し、第２の赤外線受光素子は前記フィルタを透過させずに直接赤外線を検出し、前記第１と第２の赤外線受光素子の出力信号を差動増幅器に入力して差分を得ることにより、該フィルタのカット波長をおよそ下限とする波長帯の赤外線に感度を有する赤外線センサを構成する。
また、前記第１と第２の赤外線受光素子の出力信号の差分を得る別の方法として、前記第１と第２の赤外線受光素子を電気的に直列接続してブリッジを構成し、該ブリッジの中点から出力しても良い。
【００１１】
ここで、特定波長λ1とは該フィルタのカット波長を示しており、本発明における赤外線センサの検出波長帯のおよそ下限値をいう。また、波長λ2は、本発明で用いる赤外線受光素子が受光感度を持つ波長の上限値をいう。
次に、本発明を応用して人体を検出する場合の実施形態について説明する。
人体が放射する赤外線の波長領域で良好な感度を有する赤外線受光素子としては、下記の理由から化合物半導体を用いることが好ましい態様であり、化合物半導体の具体例としては、ＩnＡsxＳb1-x（ｘは組成割合）が好適に用いることができる。しかしながら、これに限定しなくとも、その他の半導体としてＨg1-xＣdxＴeやＰb1-xＳnxＴeも、同じ目的で同様に使用することができる。
【００１２】
赤外線受光素子の受光感度分布は、図３に示すように人体を３１０°Ｋの黒体と見なしたときに放射される赤外線波長分布に合わせて、より強く反応するように決めることができる。つまり、図２に示されるように、最大検出感度を示す波長が６〜１４μｍの領域に含まれ、良好な感度を持つように決められる。この目的を達成するため、組成割合ｘにより所望の感度分布を制御できる化合物半導体を薄膜として用いるのが好ましい。化合物半導体がＩnＡsxＳb1-xの場合、その組成割合ｘは、０≦ｘ≦０．７５で設定される。このときの赤外線受光素子が受光感度を持つ上限波長λ2はおよそ６．９〜１１．５μｍとなる。さらに、人体が放出する赤外線を、より効率よく選択性を高めるためには、最大検出感度を示す波長を人体が放出する赤外線波長分布の最大値近傍に設定するのが好ましい。この目的で受光感度を持つ上限波長λ2は、好ましくは９．０〜１１．５μｍになるように組成が決められる。この条件を満たすために、ＩnＡsxＳb1-xの組成割合ｘは、０．１３≦ｘ≦０．５８から選ばれるのがより好ましい形態である。
【００１３】
化合物半導体としてＩnＡsxＳb1-xを用いると、真空蒸着装置やＭＢＥ（モレキュラービームエピタキシー）装置を用いて、基板上に化合物半導体薄膜を形成することができる。この目的で使用する基板としては、ＧaＡs基板やＳi基板が好ましい。また、予めマイカ基板上に形成した化合物半導体薄膜を、ＧaＡs基板やＳi基板、あるいはガラスやプラスチックなどの基板に接着剤を使って貼り合わせ、その後、マイカを剥離して形成するのも、好適な製造方法の一つである。
上記ＩnＡsxＳb1-xの薄膜の厚みは０．１〜１０．０μｍの間で設定して、上記条件の赤外線をより強く吸収されるようにする。前記のように、ＧaＡs基板やＳi基板に化合物半導体薄膜を真空蒸着装置やＭＢＥ装置を用いて製造する関係上、あまり厚い薄膜は製造時間が長くかかり実用的ではなく、また薄すぎると基板との界面に発生する欠陥が受光素子として動作させたときの特性に悪影響を及ぼしやすい。従って、より好ましくは、化合物半導体薄膜の厚みとして０．５〜５．０μｍの範囲で最適化される。
【００１４】
上記のように赤外線受光素子として化合物半導体薄膜を用いると、化合物半導体のバンドギャップエネルギーに相当する波長以上の赤外線には感度を持たなくなる。そのため、長波長側の上限値は化合物半導体を用いることで自ずと設定され、しかも上限値λ2における遮断特性は比較的急峻な特性である。
本発明の赤外線受光素子は短波長側において、波長５μｍ以上の遠赤外領域はもとより、波長０．７〜５μｍの近・中赤外領域や波長０．４〜０．７μｍの可視領域の光にもわずかながら受光感度を持つことになる。人体の放射する遠赤外線に選択的に反応するよう波長６〜１４μｍの光を赤外線受光素子に入射させるためには、前記特定波長以上の赤外線をカットするフィルタと組み合わせて用いることが必要である。つまり、化合物半導体の赤外線受光素子２個を対として、その一方に図４に示すような波長５μｍ以上の赤外線をカットするフィルタを用い、波長６〜１４μｍの領域に最大感度を持つような赤外線センサを構成することは、本発明にとって好ましい形態である。
【００１５】
前記波長５μｍ以上の赤外線をカットする特性を持つフィルタとしては、ガラスを用いることができ、たとえば珪酸塩ガラス、ホウ珪酸ガラス、リン酸塩ガラスなどが好適に用いることができる。さらには、図４に示されるような透過特性を持つソーダガラスは好ましいガラスの一つである。しかしながら、図４に示されるような透過特性を達成することができる物質ならば、他のものも使用することができる。
ガラスの厚みは、フィルタとして図４に示されるような特性を達成できれば自由に選択することができるが、０．０５〜５．０ｍｍの範囲が好ましい。この範囲外で厚みが薄すぎると、機械的強度が不足して製造工程上また使用中に落下などの衝撃で割れてしまうおそれがあるため、好ましくない。また、厚すぎるとセンサの薄型化・小型化という観点から、好ましくない。従って、ガラスの厚みとしては、０．１〜１．０ｍｍの範囲から選ばれるのが、より好ましい実施形態である。
【００１６】
上記のようなフィルタを、対を形成する赤外線受光素子の一方の前面に配置することにより、フィルタを透過する波長領域の光に対しては各赤外線受光素子の出力には差が発生しないか発生したとしてもごく小さいのに対し、フィルタを透過しない波長領域の赤外光に対しては赤外線受光素子の出力に大きな差を生じることになる。従って、対を形成する赤外線受光素子の出力を差動増幅器３へ入力して差分を得ることにより、人感センサとして構成することが可能となる。
図５は、化合物半導体を用いた赤外線受光素子と特定波長以上の赤外線をカットするフィルタを組み合わせて、該フィルタのカット波長をおよそ下限とする波長帯の赤外線に感度を持つ本発明の赤外線センサの感度特性を表す図である。つまり、特定の組成を持つ化合物半導体赤外線受光素子の感度特性と、特定波長以上をカットするフィルタの透過特性を掛け合わせることで、図中斜線で示されるような、該フィルタのカット波長λ1をおよそ下限とする波長帯λ1〜λ2の赤外線に感度を持つ赤外線センサが構成されることが示されている。
【００１７】
また、前記フィルタは特定波長λ1以下の領域で透過率が１００％ではないため、本来差分が生じて欲しくない特定波長λ1以下の入射光に対しても、２つの赤外線受光素子の出力に差を生じることがあるが、しきい値で識別してオン・オフ信号を出すように設定した基準比較器をその後に取り付けることで、人感センサとして構成することは可能である。しかしながら、あまり絶対強度の大きな可視領域の光が入射すると、このしきい値以上に大きな差分を生じることがあり、そうならないようにしきい値を設定することは可能であるが、そのときは本来十分な感度を持つべき検出波長帯の光に対しての感度を落としてしまうことがあり、かつ、複雑な処理を行ってしきい値を可変させる必要が出てくる。従って、可視光カットフィルタを２つの赤外線受光素子の前面に配置することにより、より的確に検出波長帯の赤外線が検出でき、人体の放射する遠赤外線に良好な感度を有する人感センサとすることが可能になる。この目的で、およそ波長１μｍ以下の可視光をカットするフィルタとして、シリコン基板が好適に用いることができる。
【００１８】
次に、実施形態１〜５によって本発明を説明する。
【００１９】
〔実施形態１〕
図１に示すように、特定波長以上の赤外線をカットするフィルタ２と、フィルタ２を透過した赤外線を検出する第１の赤外線受光素子１ａと、フィルタを透過させずに直接赤外線を検出する第２の赤外線受光素子１ｂとからなり、第１の赤外線受光素子１ａの出力信号と、前記第２の赤外線受光素子１ｂの出力信号とを差動増幅器３に入力して差分を得ることにより、フィルタ２のカット波長をおよそ下限とする波長帯の赤外線に感度を有する赤外線センサを構成する。
【００２０】
〔実施形態２〕
可視領域の光の影響をより小さくする目的で、２つの赤外線受光素子に可視光をカットするフィルタを取り付けて使用することも、本発明の好ましい形態の一つである。図６に示すように、特定波長以上の赤外線をカットするフィルタ２を透過した赤外線を検出する第１の赤外線受光素子１ａと、フィルタ２を透過させずに直接赤外線を検出する第２の赤外線受光素子１ｂと、これら２つの赤外線受光素子１ａ，１ｂの前方に可視光カットフィルタ４を具備し、２つの赤外線受光素子１ａ，１ｂから出力される信号を差動増幅器３に入力して差分を得ることにより、フィルタ２のカット波長をおよそ下限とする波長帯の赤外線に感度を有する赤外線センサを構成する。
【００２１】
〔実施形態３〕
図７に示すように、可視光をカットするフィルタが赤外線受光素子を固定する機能も有するように固定基板５として用い、これに２つの赤外線受光素子１ａ、１ｂを受光面が固定基板５に面するように固定して、片方の赤外線受光素子１ａの前面にのみ、特定波長以上の赤外線をカットするフィルタ２を取り付け、２つの赤外線受光素子１ａ，１ｂから出力される信号を差動増幅器３に入力して差分を得て、フィルタ２のカット波長をおよそ下限とする波長帯の赤外線に感度を有する赤外線センサを構成する。この際、固定基板５としてはＧaＡs基板やＳi基板あるいはプラスチック基板など可視光をカットするフィルタとして使用できるものは、好適に使用することができる。
【００２２】
〔実施形態４〕
特定波長以上をカットするフィルタを、２つの赤外線受光素子１ａ，１ｂを固定するための固定基板５としても利用可能な場合は、図８に示すように、２つの赤外線受光素子１ａ、１ｂのうち、一方の赤外線受光素子１ｂはフィルタの前面に受光面を光源へ向けて固定し、もう一方の赤外線受光素子１ａは固定基板５の裏面に受光面を固定基板５へ向けて固定して、これら２つの赤外線受光素子１ａ、１ｂから出力される信号を差動増幅器３に入力して差分を得ることにより、フィルタ２のカット波長をおよそ下限とする波長帯の赤外線に感度を有する赤外線センサを構成する。
【００２３】
〔実施形態５〕
ＧaＡs基板上に、ＭＢＥ装置を用いてＩnＡs0.35Ｓb0.65の薄膜を厚さ１．２５μｍになるように成長させ、半導体製造プロセスにより、素子分離して保護膜を形成後、２端子電極を付けた赤外線受光素子チップを製造する。図９に示すように、切り出した２つの赤外線受光素子１ａ、１ｂを、ガラスエポキシ支持パッケージ９にそれぞれの受光素子１ａ、１ｂが近接するように貼り付けて、同一方向へ向けて同じ対象物からの赤外線が入射するように設置する。その一方の赤外線受光素子１ａには、前面に厚さ０．５ｍｍのソーダガラスのフィルタ２を配置し、赤外線受光素子１ａに直接触れない状態で取り付ける。
【００２４】
２つの赤外線受光素子１ａ、１ｂは、電気的に直列接続し、その両端には電源とアースを接続する。その中点電位点をローパスフィルタ８を介して電圧増幅器６に接続する。電圧増幅器６の出力信号は、予めしきい値が設定されている基準比較器７に入力される。この基準比較器７は、電圧増幅器６の出力信号が該しきい値より大きいとオン信号を、小さいとオフ信号を出力するように設定され、フィルタ２のカット波長をおよそ下限とする波長帯の赤外線に感度を有する赤外線センサを構成する。
なお、この赤外線センサの動作確認をしたところ、センサの前端より１ｍ離れた距離にいる人体から放射される赤外線を入射するとオン信号が出力されたが、人体と同じ位置に設置した白熱灯や蛍光灯からの光を入射したり、あるいは太陽光を入射しても、オン信号は出力されなかった。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は、人体の存在を検出する人感センサとして好適に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明記載の赤外線センサの実施形態１を示す図である。
【図２】本発明に用いる赤外線受光素子の相対感度分布を示す図である。
【図３】３１０°Ｋ黒体放射分布を示す図である。
【図４】ソーダガラスの透過率を示す図である。
【図５】本発明の赤外線センサの構成における相対感度と透過率を示す図である。
【図６】本発明記載の赤外線センサの実施形態２を示す図である。
【図７】本発明記載の赤外線センサの実施形態３を示す図である。
【図８】本発明記載の赤外線センサの実施形態４を示す図である。
【図９】本発明記載の赤外線センサの実施形態５を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１ａ、１ｂ    赤外線受光素子
２            フィルタ
３            差動増幅器
４            可視光カットフィルタ
５            固定基板
６            電圧増幅器
７            基準比較器
８            ローパスフィルタ
９            ガラスエポキシ支持パッケージ
【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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