(57)【要約】      （修正有）【課題】筐体の開口部によって赤外線センサの視野角を制限でき、周囲の温度変化や、測定装置内部の温度変化による測定誤差を高精度に補正することが可能な赤外線検出装置を提供する。【解決手段】第一の赤外線センサ部１０と、前記第一の赤外線センサ部１０から出力される検出信号を補正する検出信号を出力する、第二の赤外線センサ１１と、前記第一の赤外線センサ部１０および前記第二の赤外線センサ部１１の視野角を制限する壁面５１を有する開口部５２が形成された構造体５とを備え、前記第一の赤外線センサ部１０は、前記開口部５２外からの赤外線が入射される位置に配置され、前記第二の赤外線センサ部１１は、前記開口部５２外からの赤外線が入射されない位置、かつ、前記構造体５の前記壁面５１からの放射赤外線が入射される位置に配置されたことを特徴とする。【選択図】図１
2013181760.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の赤外線センサ部と、
前記第一の赤外線センサ部から出力される検出信号を補正する検出信号を出力する、第二の赤外線センサと、
前記第一の赤外線センサ部および前記第二の赤外線センサ部の視野角を制限する壁面を有する開口部が形成された構造体と
を備え、
前記第一の赤外線センサ部は、前記開口部外からの赤外線が入射される位置に配置され、
前記第二の赤外線センサ部は、前記開口部外からの赤外線が入射されない位置、かつ、前記構造体の前記壁面からの放射赤外線が入射される位置に配置されたことを特徴とする赤外線検出装置。
【請求項２】
前記第二の赤外線センサ部が、前記第一の赤外線センサ部と近接して配置される請求項１に記載の赤外線検出装置。
【請求項３】
前記第一の赤外線センサ部と、前記第二の赤外線センサ部が、同一面上に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出装置。
【請求項４】
前記第一の赤外線センサ部が、赤外線に対して透過性のある基板上に形成されたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１に記載の赤外線検出装置
【請求項５】
前記第一の赤外線センサ部と、前記第二の赤外線センサ部が、赤外線に対して透過性のある半導体基板上に形成された量子型赤外線センサであり、前記半導体基板の屈折率が３以上であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１に記載の赤外線検出装置。
【請求項６】
前記第二の赤外線センサ部が、前記第一の赤外線センサ部の中心に対して対称となるように、前記第一の赤外線センサ部の両側もしくは周辺部に近接して配置されたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１に記載の赤外線検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線検出装置に関する。詳細には、主として人体の検知や非接触温度測定に用いられる波長帯に感度を有する赤外線検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線を用いた人体の検知や非接触の温度測定では、一般に５〜１５μmの波長帯に感度を有する赤外線センサを用いて、赤外線の変化量や、その絶対値を測定している。
【０００３】
例えば、人体の検知では、焦電センサが広く用いられているが、このセンサは、人体と周囲温度の差に起因する赤外線量の違いにより、センサの視野角内を人体が移動した際に生じる出力信号の変化を利用して人の検知を行っている。しかし、すべての物体はその温度に応じた赤外線を放射しているため、人体以外の背景からだけでなく、センサの周辺の構造体、例えばセンサを実装した機器の筐体や、機器内部の周辺の部品からの赤外線も検知してしまうため、機器の温度変化の影響によって、人体が移動したのと同程度の信号が発生することもあり、誤検知を起こすことがあった。
【０００４】
また、放射温度計や耳式温度計などでは、物体から放射される赤外線の絶対量を測定することにより測定対象物の温度を測定するが、この場合も赤外線センサの測定視野角内には測定対象物からの放射赤外線のみが入射するようになっていないと正確な温度測定はできない。しかし、実際には上記の場合と同様に、センサが配置される機器の筐体や、周辺の部材からの輻射される赤外線の影響によって、測定値の誤差が生じることがあった。
【０００５】
こうした問題を解決するために、数多くの方法が提案されてきたが、その最も代表的なものが、特許文献１のように同一の赤外線センサを２つ用意し、一方を対象物の測定用の赤外線センサとして、もう一方を参照用の赤外線センサとして用いる方法である。この方法では、主として本来センサが測定したい視野角からの赤外線を検知する測定用の赤外線センサに隣接して、外部からの赤外線が入射しないよう構造体で覆われた参照用の赤外線センサを独立して配置し、２つの赤外線センサの出力の差分をとっている。この方法によれば、測定用の赤外線センサの視野角に入ってくる機器の筐体部からの輻射の影響を除外できるだけでなく、測定用の赤外線センサの温度変化によって生じる温度特性の変動分を比較的簡単に相殺させることもできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４８０２２４２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の方法によると、筐体あるいは赤外線検出装置を構成する構造体の受光面側からの輻射による影響はある程度除去できる。
【０００８】
しかし実際には、携帯機器の筐体部は、外部の環境温度変化や機器内部の発熱により激しい温度変化が常に起きており、筐体の内部と筐体外部で温度差が発生する。このため、測定用の赤外線センサの視野角を制限している筐体の開口部を形成する壁面部においても、壁面の筐体外部に近い部分と筐体内部に近い部分とで温度差が生じ、壁面の各部分からの輻射は不均一となり、測定精度が低下する。この場合、特許文献１に記載の方法の様に、筐体内側の輻射を参照するだけでは、筐体内部の温度と筐体外部の温度の差に起因する、測定精度の低下を解消することはできなかった。
【０００９】
また、５μｍ以上の波長帯の赤外線は、ガラスやアクリル、エポキシ樹脂などの窓材をほとんど透過しないことから、赤外線センサを搭載する機器の筐体に穴をあけ、赤外線を取り込む開口部が必要になるが、実使用時の機械的強度の確保や、デザイン上の点から、大きな穴をあけるのは困難になってきている。例えば携帯機器では、最大でも１ｍｍ程度の開口部しか許容されないこともある。このため、赤外線センサの受光部の大きさを筐体の開口径よりも小さくした場合でも、赤外線センサの視野角内に筐体の開口部の壁面が入ってしまうため、壁面からの輻射による測定誤差の影響が大きくなる。
【００１０】
筐体内部に設けられた赤外線センサの視野角の制限は、筐体の厚さと開口径で決まるが、携帯機器の場合でも筐体は少なくとも１ｍｍ程度の厚さがあるため、該筐体の開口部で幾何学的に制限される視野角は、±４５度程度となる。これに対し、センサの視野角はほぼ１８０度あるため、筐体とセンサとの距離を接触する程度まで近接させたとしても、筐体の開口部、特に壁面部からの輻射を検知してしまうことになる。開口部の壁面の輻射は周囲温度の変化に応じて随時変化するため、この変化に起因する測定誤差を補正することはできなかった。
【００１１】
すなわち、本発明は、筐体の開口部によって赤外線センサの視野角を制限する赤外線検出装置において、周囲の温度変化や、測定装置内部の温度変化による測定誤差を高精度に補正することが可能な赤外線検出装置を提供することを目的とする。
【００１２】
とりわけ、小型、薄型の携帯機器に代表される機器を中心として、筐体に設ける開口部の大きさに制限のあるような用途において、周囲の温度変化や、測定装置内部の温度変化による測定誤差を高精度に補正することが可能な赤外線検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、赤外線センサの視野角を制限している構造体の壁面からの輻射による赤外線のみを受光する補償用の赤外線センサを第一のセンサの近傍に配置した赤外線検出装置により、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。
【００１４】
すなわち、本発明は以下のとおりである。
【００１５】
１．第一の赤外線センサ部と、前記第一の赤外線センサ部から出力される検出信号を補正する検出信号を出力する、第二の赤外線センサと、前記第一の赤外線センサ部および前記第二の赤外線センサ部の視野角を制限する壁面を有する開口部が形成された構造体とを備え、前記第一の赤外線センサ部は、前記開口部外からの赤外線が入射される位置に配置され、前記第二の赤外線センサ部は、前記開口部外からの赤外線が入射されない位置、かつ、前記構造体の前記壁面からの放射赤外線が入射される位置に配置されたことを特徴とする、赤外線検出装置。
【００１６】
２．前記第二の赤外線センサ部が、前記第一の赤外線センサ部と近接して配置される前記１．に記載の赤外線検出装置。
【００１７】
３．前記第一の赤外線センサ部と、前記第二の赤外線センサ部が、同一面上に配置されたことを特徴とする前記１．に記載の赤外線検出装置。
【００１８】
４．前記第一の赤外線センサ部が、赤外線に対して透過性のある基板上に形成されたことを特徴とする前記１．〜３．の何れか１に記載の赤外線検出装置
５．前記第一の赤外線センサ部と、前記第二の赤外線センサ部が、赤外線に対して透過性のある半導体基板上に形成された量子型赤外線センサであり、前記半導体基板の屈折率が３以上であることを特徴とする前記１.〜４．の何れか１に記載の赤外線検出装置。
【００１９】
６．前記第二の赤外線センサ部が、前記第一の赤外線センサ部の中心に対して対称となるように、前記第一の赤外線センサ部の両側もしくは周辺部に近接して配置されたことを特徴とする前記１．〜４．の何れか１に記載の赤外線検出装置。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、筐体の開口部によって赤外線センサ部の視野角を制限する赤外線検出装置において、周囲の温度変化や、測定装置内部の温度変化による測定誤差を高精度に補正することが可能な赤外線検出装置を提供することが可能になる。とりわけ、筐体の厚みや開口部の大きさ、赤外線センサ部の背高に制限のある場合において、周囲の温度変化や、測定装置内部の温度変化による測定誤差を高精度に補正することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第一の実施形態である赤外線検出装置の断面図である。
【図２】補正用赤外線センサ部を第一の赤外線センサの両側に配置した、本発明の第二の実施形態である赤外線検出装置の断面図である。
【図３】本発明の赤外線検出装置を機器の筐体に組み込んだ、本発明の第三の実施形態である赤外線検出装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明の各実施形態について説明する。
【００２３】
図１は、本発明の第一の実施形態である赤外線検出装置の断面図である。図１の赤外線検出装置は、第一の赤外線センサ部１０、第二の赤外線センサ部１１、基板２、センサパッケージ部３、および構造体５を備えている。構造体５には、開口部５２が形成され、開口部５２には、第一の赤外線センサ部１０の視野角を制限する壁面５１が形成される。第一の赤外線センサ部１０と第二の赤外線センサ部１１は、それぞれ基板２の底部表面上に形成されている。基板２は、センサパッケージ部３中に配置されている。センサパッケージ部３と基板２の一部は接合部４を介して構造体５と接合されている。
【００２４】
第一の赤外線センサ部１０は、開口部５２の開口幅よりも広い幅を有している。第一の赤外線センサ部１０の中心は、開口部５２の中心を通る中心軸と略同一の軸上に配置されている。第二の赤外線センサ部１１は、第一の赤外線センサ部１０よりも狭い幅を有しており、第一の赤外線センサ１０に近接して同一面上に配置されている。また、開口部５２は空洞となっている。
【００２５】
［動作説明］    
以下、第一の実施形態の赤外線検出装置の動作原理について説明する。
【００２６】
図１において、開口部５２（屈折率＝ｎ１）の外側から基板２（屈折率＝ｎ２）に対し、基板２に入射しうる最も大きい入射角φ１で入射した赤外線６１は、下記式（１）で表されるスネルの法則に従い、赤外線６１´として入射角φ２で基板２を透過する。
Ｓｉｎφ２＝Ｓｉｎφ１×ｎ１／ｎ２      （１）
赤外線６１´は、基板２を透過した後、第一の赤外線センサ部１０に入射する。
【００２７】
一方で、第一の実施形態における第二の赤外線センサ部１１は、赤外線６１が入射されない位置に配置されている。すなわち、赤外線６１´が入射される第１の赤外線センサ部１０の外側に配置されるため、開口部５２の外からの赤外線は第二の赤外線センサ部１１に入射されない。よって、第二の赤外線センサ部１１には構造体５の左側の壁面５１´から輻射される赤外線と、接合部４から輻射される赤外線のみが入射される。
【００２８】
本発明の第一の実施形態である赤外線検出装置において、第一の赤外線センサ部１０には、開口部５２の外から入射される赤外線と、構造体５の壁面５１、５１´及び接合部からの赤外線と、が入射される一方、第二の赤外線センサ部１１には構造体５の左側の壁面５１´から輻射される赤外線と、接合部４から輻射される赤外線のみが入射される。
【００２９】
ここで、開口部５２の外から入射される赤外線のみを測定するために、第二の赤外線センサ部１１は、第一の赤外線センサ部１０の補正用赤外線センサ部として機能し、第一の赤外線センサ部１０から出力される検出信号を補正する検出信号を出力する。第一の赤外線センサ部１０から出力される検出信号と、第二の赤外線センサ部１１から出力される検出信号とに基づいて信号処理をすることにより、第一の赤外線センサ部１０に開口部５２の外から入射される赤外線のみに基づく検出信号を導出することが可能になる。
【００３０】
これにより、周囲の温度変化や測定装置内部の温度変化によって構造体５に温度変化が生じ、壁面５１各部の温度に違いが生じた場合であっても、その温度の違いによる測定誤差を低減することが可能になることが理解される。
【００３１】
［各構成要素］    
以下、本実施形態で用いられる第一の実施形態の赤外線検出装置の各構成要素について説明する。
【００３２】
［赤外線センサ部１０、１１］    
第一の赤外線センサ部１０および第二の赤外線センサ部１１は、人体検知や非接触温度計に用いられる赤外線の波長帯、具体的には５〜１５μｍ帯、のいずれかに感度を有するものであれば良い。第一の赤外線センサ部１０および第二の赤外線センサ部１１としては、量子型赤外線センサや、サーモパイルや焦電型赤外線センサに例示される熱型赤外線センサなどを用いることができる。中でも携帯機器への応用を考えた場合、センサが小型化しやすく、応答速度の速い量子型赤外線センサが好ましい。しかし、熱型赤外線センサでもＭＥＭＳプロセスを用いたサーモパイルや焦電型赤外線センサであれば小型化が可能であり、本発明は赤外線センサの種類に限定されない。また、量子型赤外線センサを使用する場合は、ＩｎＳｂや、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＧａＳｂ、ＩｎＡｌＳｂなどのＩＩＩ−Ｖ属の化合物半導体が用いられたセンサであることが好ましい。
【００３３】
第一の赤外線センサ部１０は、開口部５２の外からの赤外線が入射されるように配置されていれば、すなわち、開口部５２の外側から、基板２に入射角φ１で入射した赤外線６１´が入射されるように配置されていれば、特に制限はない。ただし、信号処理を容易にする観点からは、構造体５から第二の赤外線センサ部１１に入射される赤外線と略同じ量の赤外線が入射されるように配置されることが好ましい。また、第一の赤外線センサ部１０の視野角は、構造体５の厚さ、開口径、基板２の厚さ、屈折率等に基づいて設計することが可能である。
【００３４】
第二の赤外線センサ部１１は、開口部５２外からの赤外線が入射されない様に配置されており、かつ、構造体５の壁面５１からの赤外線が入射されるように配置されていれば特に制限されない。
【００３５】
ただし、信号処理を容易にする観点から、第二の赤外線センサ部１１は、構造体５の壁面５１´全体から輻射される赤外線が入射される位置に配置されることが好ましい。すなわち、基板２に入射角φ１で入射した赤外線６１が、赤外線６１´として入射角φ２で基板２を介して入射される位置から、基板２に入射角φ１´で入射した赤外線６２が、赤外線６２´として入射角φ２´で基板２を介して入射される位置に渡って配置されることが好ましい。
【００３６】
第二の赤外線センサ部１１に入射される赤外線は、構造体５の厚さ、開口径、基板２の厚さ、屈折率等に基づいて定まるため、第二の赤外線センサ部１１の配置はそれらを考慮して適宜設計することが可能である。
【００３７】
構造体５とセンサパッケージ部３は、ある一定の位置決め精度で固定されるが、第一の赤外線センサ部１０、あるいは構造体の壁面５１に対して位置ずれが生じる可能性がある。ここで、信号処理を容易にする観点から、図２に示す本発明の第二の実施形態である赤外線検出装置のように、第二の赤外線センサ部１１を、この第一の赤外線センサ部１０を中心に、対称となるように第一の赤外線センサ部１０の両側に隣接して配置することも好ましい。さらに場合によっては、第一の赤外線センサ部１０の周囲を取り囲むように配置することも好ましく、状況に応じて最適な設計を使い分けることが可能である。
【００３８】
［基板２］    
本実施形態において、基板２は、第一の赤外線センサ部１０および第二の赤外線センサ部１１を同一面に形成でき、かつ検知する赤外線に対して透過性があるものであれば特に制限されない。量子型赤外線センサとしてＩＩＩ−Ｖ属の化合物半導体を用いる場合、基板上に低欠陥のＩＩＩ−Ｖ属の化合物半導体層が得られる観点から、ＧａＡｓ基板を用いることが好ましい。また、工業的に最も普及しており、安価に入手できるＳｉ基板を使うことも可能である。また、必要に応じて基板の裏面（赤外線が入射する面）に光学フィルター用の膜や、反射防止膜を設けることも可能であり、場合に応じて使い分けられる。
【００３９】
前記動作説明の欄で説明した通り、開口部５２（屈折率＝ｎ１）の外側から基板２（屈折率＝ｎ２）に対し、基板２に入射しうる最も大きい入射角φ１で入射した赤外線６１は、スネルの法則に従い、赤外線６１´として入射角φ２で基板２に入射される。前記式（１）から理解されるように、基板２の屈折率が高いほど、入射角φ２は小さな値となって屈折するので、基板２の屈折率ｎ２が大きいほど、第一の赤外線センサ部１０および第二の赤外線センサ部１１はより小さい面積で構成することが可能となる。よって、赤外線センサ部の小型化やコストの低減の観点から、基板２部分の屈折率が大きいことが好ましい。
【００４０】
［センサパッケージ部３］    
センサパッケージ部３は、第一の赤外線センサ部１０や第二の赤外線センサ部１１に量子型赤外線センサを用いる場合は、一般的に用いられるエポキシ樹脂等による樹脂パッケージを用いることが可能である。サーモパイルや、焦電センサ等の熱型の赤外線センサを用いる場合は、第一の赤外線センサ部や第二の赤外線センサ部とその周囲を熱的に遮断する必要があるため、赤外線センサ部の周辺は中空にする必要がある。図１中の基板２を用いず（すなわち、図１中の基板２の部分を中空にし）、第一の赤外線センサ部１０および第二の赤外線センサ部１１のみ形成することも可能だが、開口部も中空の場合、開口部と図１中の基板２の領域に対応する中空部分の屈折率が同じになるため、図１の６１と６２の関係のような屈折がおきず、より広い面積の第二の赤外線センサ部１１が必要になる。
【００４１】
［接合部４］    
接合部４は、構造体５とセンサパッケージ部３を接合している。接続の様態に特に制限はないが、赤外線検出装置の機械的強度の観点から、力学的に接合していることが好ましい。また、検出精度を向上させる観点から、熱的に結合していることが好ましい。第一の赤外線センサ部１０および第二の赤外線センサ部１１の出力は、センサ自身の温度とセンサの視野内に見える物体の温度に依存した放射赤外線量の差分エネルギーに依存するため、センサ自身と同じ温度の物体からの赤外線は出力には反映されない。このため、センサパッケージ部３や構造体５からの輻射による出力を低減する観点から、接合部４は可能な限り薄く、熱伝導の良い材料が好ましい。具体的には、生産性、コストなどの観点から接着性の樹脂や、両面テープなどが好ましいが、第一の赤外線センサ部１０および第二の赤外線センサ部１１、センサパッケージ部３、構造体５の間に温度差が付きにくいように固定できる方法であればよく、接着方法や材料は適宜選択される。
【００４２】
［構造体５］    
構造体５は、第一の赤外線センサ部１０および第二の赤外線センサ部１１の視野角を幾何学的に決定する視野角制限体としての機能を有している。構造体５は、赤外線検出装置１を含む機器の筐体にあたる部分であってもよい。材料の一例としては、ポリカーボネート、スチレン樹脂、あるいはアルミ合金やマグネシウム合金が挙げられる。また、図３に示す本発明の第三の実施形態である赤外線検出装置のように、赤外線検出装置１が機器等の筐体７に組み込まれて用いられる場合、構造体５とセンサパッケージ部３を同種の素材とすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、携帯機器をはじめとする、小型、薄型が要求される機器において、周囲温度の変化にも影響されず、誤検知が少ない、あるいは正確な測定が可能なセンサを提供することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１    赤外線検出装置
２    基板
３    センサパッケージ部
４    接合部
５    構造体
１０  第一の赤外線センサ部
１１、１２  第二の赤外線センサ部
２    基板
３    センサパッケージ部
４    接合部
５    構造体
５１  開口部を形成する構造体の壁面
５２  開口部
６１、６２  赤外線
６１´、６２´  赤外線
７    機器の筐体
【図１】
2013181760.tif 000003
【図２】
2013181760.tif 000004
【図３】
2013181760.tif 000005