JP2009288066A - 赤外線センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】赤外線センサから離れた領域において高い分解能で温度を検出できる赤外線センサを提供する。
【解決手段】基板と、基板の上に設けられた絶縁膜と、絶縁膜上に、1軸上に配置された第1画素と第2画素とを含み、所定の検出領域の温度を検出する赤外線センサが、それぞれの画素は、絶縁膜の上に設けられた温接点と冷接点を有する熱電対と、熱電対の温接点を覆うように設けられた赤外線吸収膜とを含み、第1画素とその検出領域との間の距離は、第2画素とその検出領域との間の距離より大きく、第1画素の赤外線吸収膜の面積は、第2画素の赤外線吸収膜の面積より小さい。
【選択図】図1
【解決手段】基板と、基板の上に設けられた絶縁膜と、絶縁膜上に、1軸上に配置された第1画素と第2画素とを含み、所定の検出領域の温度を検出する赤外線センサが、それぞれの画素は、絶縁膜の上に設けられた温接点と冷接点を有する熱電対と、熱電対の温接点を覆うように設けられた赤外線吸収膜とを含み、第1画素とその検出領域との間の距離は、第2画素とその検出領域との間の距離より大きく、第1画素の赤外線吸収膜の面積は、第2画素の赤外線吸収膜の面積より小さい。
【選択図】図1
Description
本発明は、赤外線センサに関し、特に、人体の位置や室内の温度分布を検出するサーモパイルリニア型赤外線センサに関する。
エアコン等の家電製品では、省エネルギーかつ快適空間を実現するために、人体の位置や室内の温度分布を検知する高感度で簡便な赤外線検出器が必要とされる。このような赤外線検出器には、従来から、サーモパイルを画素に用いた赤外線センサ(素子)が使用されていた。この赤外線センサでは、熱電対の温接点がキャビティ上に、冷接点が枠体上にそれぞれ配置され、温接点の熱容量を低減したり、温接点から冷接点への熱伝導性を抑制することにより、高感度化がなされていた。サーモパイルはアレイ状に配置され、水平1軸方向に走査駆動を行い、任意の測定域の温度検出を行っていた(例えば、特許文献1参照)。
また、3個以上サーモパイルの画素がアレイ状に並べた赤外線センサも使用されていた。この赤外線検出器では、アレイの周端部の画素は、支持基板に熱が容易に伝わるため、支持基板に近い画素と、支持基板から遠い画素では、熱の逃げ方に差ができ、画素間で感度がばらつくという問題があった。このため、例えばサーモパイルの数に差をつけることにより、画素間の検出感度の差を補償する手段等が用いられていた(例えば、特許文献2参照)。
特開2007−285892号公報
WO2003−006939号
しかしながら、このような赤外線センサでは、画素サイズがすべて同じであるため、赤外線検出器をエアコンなどに任意の俯角で設置した場合、赤外線検出器から近い領域を検知する画素の視野は狭くなり、一方、遠い領域を検知する画素の視野は広くなる。1つの画素からの出力は、その画素の視野全体の温度の平均値となるため、赤外線検出器から離れた領域では、温度検出の分解能が低くなるという問題があった。
本発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、赤外線センサから離れた領域において高い分解能で温度を検出できる赤外線センサの提供を目的とする。
本発明は、基板と、基板の上に設けられた絶縁膜と、絶縁膜上に、1軸上に配置された第1画素と第2画素とを含み、所定の検出領域の温度を検出する赤外線センサであって、それぞれの画素は、絶縁膜の上に設けられた温接点と冷接点を有する熱電対と、熱電対の温接点を覆うように設けられた赤外線吸収膜とを含み、第1画素とその検出領域との間の距離は、第2画素とその検出領域との間の距離より大きく、第1画素の赤外線吸収膜の面積は、第2画素の赤外線吸収膜の面積より小さいことを特徴とする赤外線センサである。
以上のように、赤外線センサを用いることにより、赤外線センサから離れた領域において、温度検出の分解能を向上させることができる。
実施の形態1.
図1は、全体が100で表される、本発明の実施の形態1にかかる赤外線センサの上面図であり、図2は、図1のA−Aにおける断面図である。
図1、2に示すように、赤外線センサ100は、シリコン等の基板1を含む。基板1の表面には、例えばSiO2やSiNからなる絶縁膜2が設けられている。絶縁膜2の上には、複数の熱電対からなるサーモパイル(熱電堆:多数の熱電対を直列に接続して出力電圧を高くしたもの)7が設けられている。
図1は、全体が100で表される、本発明の実施の形態1にかかる赤外線センサの上面図であり、図2は、図1のA−Aにおける断面図である。
図1、2に示すように、赤外線センサ100は、シリコン等の基板1を含む。基板1の表面には、例えばSiO2やSiNからなる絶縁膜2が設けられている。絶縁膜2の上には、複数の熱電対からなるサーモパイル(熱電堆:多数の熱電対を直列に接続して出力電圧を高くしたもの)7が設けられている。
図2に示すように、熱電対は、例えば、アルミニウム膜7aとポリシリコン膜7bの対からなる。アルミニウム膜7aとポリシリコン膜7bは、中心軸近傍で接続されて温接点4となる。温接点4の上には、例えば、Ti、TiN、TiON、Cr、NiCrやこれらの積層膜からなる赤外線吸収膜3が設けられている。また、赤外線吸収膜3の下部の基板1は除去されて、キャビティ6が形成され(図1で、細線で囲まれた領域)、中空構造となっている。キャビティ6を設けることにより赤外線吸収膜3やサーモパイル7から熱が基板1に逃げるのを防止している。
一方、アルミニウム膜7aとポリシリコン膜7bは、キャビティ6の外方の基板1の上で接続されて冷接点5となる。赤外線吸収膜3が赤外線を吸収することにより温接点4の温度が上昇し、温接点4と冷接点5との間に温度差ができ、ゼーベック効果により起電力が発生する。この起電力を検出することにより赤外線吸収膜3に入射した赤外線を検出することができる。
図1に示すように、赤外線センサ100には、中心軸を挟んで略対称となるようにサーモパイル7が配置されている。絶縁膜2には、中心軸に垂直な方向(図1では横方向)に延びたスリット8が設けられている。スリット8は、キャビティ6の左端部から右端部に渡って、絶縁膜2を貫通するように設けられている。スリット8は、上下方向に一定間隔Wで並列に配置され、スリット8とスリット8との間が1つの画素となる。スリット8は、隣接する画素の間を熱的に分離している。赤外線センサ100は、中心軸(1軸)に沿って配置された、縦4×横1の画素からなることになる。なお、図1では、理解しやすいように、スリット8にハッチングを付したが、実際は開口した構造である。
本実施の形態1にかかる赤外線センサ100では、赤外線センサ100が設置された位置から近い領域の温度を検出する画素の水平方向の視野は広く、遠い領域の温度を検出する画素の水平方向の視野は狭くなるようになっている。具体的には、図1において、上が遠い領域を検出する画素であり、下が近い領域を検出する画素となっている。赤外線吸収膜3は、上から下に向かって幅が次第に広くなる台形形状であり、上底および下底が中心線に垂直方向になるように設けられている。例えば、1番上の赤外線吸収膜3は、上辺(上底)a、下辺(下底)bの台形形状(a<b)となっている。また、2番目の赤外線吸収膜3は、上辺c、下辺dの台形形状、3番目の赤外線吸収膜3は、上辺e、下辺fの台形形状、4番目の赤外線吸収膜3は、上辺g、下辺hの台形形状となっている(a<b<c<d<e<f<g<h)。具体的なa〜hの値は、赤外線センサ100と測定対象との位置関係(距離、俯角等)により決定される。これにより、赤外線センサ100が設置された位置からの距離によらず、検出領域の幅を一定にできる。
なお、図1に示すように、赤外線吸収膜3の面積が大きくなるに従って、温接点5の面積も大きくなるのが好ましい。また、上述のように、上下方向の長さはWで一定となっている。
図3は、赤外線センサ100を備えた赤外線検出器9を、所定の高さに、所定の俯角で設置して床面の温度を検出する場合の、各画素の視野を示すものである。図3は床面を上方から見た場合の図であり、破線で囲んだ領域が、4つの画素に対応する視野(検出領域)となっている。赤外線センサ100の中心軸は、床に垂直な平面内に配置される。赤外線検出器9は、例えば、レンズを有する金属製CANケースに、赤外線センサ100が搭載された構造となっている。
図1に示すように、赤外線センサ100の赤外線吸収部3の水平方向の幅a〜hに対応した視野角θa〜θhとなっている。この結果、床状の視野の幅は、赤外線センサ100からの距離によらず一定の値bとなっている。
これに対して、図4には、各画素の赤外線吸収部の水平方向の寸法が同じ従来構造の赤外線センサを、任意の高さ、任意の俯角で設置して床面の温度を検出した場合の、各画素の視野(検出領域)を示す。図4も、図3と同様に床面を上方から見た場合の図であり、実線で囲んだ領域が従来の赤外線センサの視野である。本発明にかかる赤外線センサ100の視野を、破線で囲んだ領域として重ねて表示する。
図4から明らかなように、従来の赤外線センサでは、赤外線センサを含む赤外線検出器9からの距離が遠くなる程、視野の幅が広くなる。これに対して、本発明にかかる赤外線センサ100では、赤外線検出器9からの距離が遠くなっても、視野の幅が一定となり、分解能を向上させることができる。
図5は、本実施の形態1にかかる赤外線検出器9により、床面の温度を検出した場合の視野を示す。Y軸方向に並んだ4つの矩形領域が、図1に示す赤外線センサ100の4つの画素に対応する視野である。視野の幅は、赤外線検出器9からの距離(Y)によらず、一定値bとなっている。赤外線検出器9は、横方向Xに移動させることにより、図5に示すような隣接する領域の温度を順次検出することができる。これにより、所定の領域内の、人体や床の温度分布を検出することが可能となる。
取得される画像のY軸方向の解像度は、赤外線センサに配置される縦方向(中心軸方向)の画素数により決まる。一方、X軸方向(水平方向)の解像度は、撮像時に赤外線センサを、所定の移動ピッチだけ水平移動させる回数により決まる。
このように、本実施の形態1では、赤外線検出器9のX軸方向(水平方向)の移動ピッチを変更することにより、取得する画像の解像度を変更することが容易である。
このように、本実施の形態1では、赤外線検出器9のX軸方向(水平方向)の移動ピッチを変更することにより、取得する画像の解像度を変更することが容易である。
ここで、赤外線センサ100の赤外線吸収部3の横方向の寸法(図1のa〜h)は、各画素が検出する視野角に応じて決められる。図6を参照しながら、赤外線センサ(縦4×横1の画素)100を含む赤外線検出器9を用いて床面の温度を検出する場合について説明する。赤外線センサ100は、図6の平面内に中心軸が含まれるように配置される。
図6は、図5を横方向(X軸方向)に見た場合の図であり、図6に示す「H」は、赤外線検出器9が設置される高さである。また、「θ」及び「L」は、赤外線検出器9が高さHの位置に設置されたときの俯角(物を見下ろしたとき、水平面と視線方向のなす角)によって決定される。赤外線検出器9は、縦4×横1の画素を備えた赤外線センサ100を有する。赤外線センサ100の4つの画素の垂直方向の視野角θ1は、各画素の垂直方向の長さがWで一定であるため、すべての画素において同じ値θ1となる。
従って、赤外線検出器9からから最も離れた領域を検出する画素の視野範囲(検出領域)の横軸方向の長さX1は、以下の式(1)で表される。
同様に、X2は、
で表される。X3、X4も同様に表される。
図3に示した水平方向の視野角と関連付けて説明すると、図3に示す視野幅bは、検出する床面の水平方向の視野範囲であり、検出対象の大きさ、必要とされる分解能などに応じて決められる。赤外線検出器9から最も遠い領域を検出する画素の視野角θaは、次式(3)で表される。
一方、赤外線検出器9から最も近い領域を検出する画素の視野角θhは、次式(4)で表される。
赤外線センサ100を設計する場合、この水平方向の視野角の比率(θa:θb:…θg:θh)に応じて、各画素の赤外線吸収部の水平方向の寸法(a〜h)を決定すればよい。
実施の形態2.
図7は、全体が200で表される、本実施の形態2にかかる赤外線センサの上面図である。図7中、図1と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
赤外線センサ200では、中心軸に沿った方向の各画素の幅が、上から下に向かって順に大きくなっている(W<X<Y<Z)。他の構造は、実施の形態1にかかる赤外線センサ100と同じである。
図7は、全体が200で表される、本実施の形態2にかかる赤外線センサの上面図である。図7中、図1と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
赤外線センサ200では、中心軸に沿った方向の各画素の幅が、上から下に向かって順に大きくなっている(W<X<Y<Z)。他の構造は、実施の形態1にかかる赤外線センサ100と同じである。
赤外線センサ200では、上から下に向かって、赤外線吸収膜3の大きさが、水平方向(a〜h)だけでなく、垂直方向(W〜Z)においても順に大きくなる。1番上が遠い領域の温度を検出する画素、4番目が近い領域の温度を検出する画素となっており、赤外線センサ200が設置された位置からの距離によらず、検出領域の幅に加えて、検出領域の長さも一定にできる。即ち、4つの画素の検出領域の形状を略同一にすることができる。
各画素の中心軸に沿った方向の長さを変えるには、スリット8を形成する位置を中心軸に沿った方向(図7の上下方向)にずらして、スリット8のピッチを変えれば良い。スリット8の開口幅を変えることによっても、垂直方向の画素の長さを変えることができる。
図8は、本実施の形態2にかかる赤外線検出器9により、床面の温度を検出した場合の視野を示す。Y軸方向に並んだ4つの矩形領域が、図7に示す赤外線センサ200の4つの画素に対応する視野領域(検出領域)である。視野の幅は、赤外線検出器9からの距離(Y)によらず、一定値bとなっている。更に、視野の長さも、赤外線検出器9からの距離(Y)によらず、一定値aとなっている。赤外線検出器9は、例えば、ステッピングモータのような駆動手段を用いて横方向Xに移動させることにより、図8に示すような隣接する領域の温度を順次検出することができる。これにより、所定領域の、人体や床の温度分布を検出することが可能となる。このように、本実施の形態1の赤外線検出器と同様に、本実施の形態2にかかる赤外線検出器9でも、X軸方向(水平方向)の移動ピッチを変更することにより、取得する画像の解像度を容易に変更できる。
図7の垂直方向の各画素の大きさ(W〜Z)、具体的には、赤外線吸収膜3の大きさは、各画素が検出する視野角に応じて決められる。
図9は、図8を横方向(X軸方向)に見た場合の図であり、図9に示す「H」は、赤外線検出器9が設置される高さである。また、「θ」及び「L」は、赤外線検出器9が高さHの位置に設置されたときの俯角によって決定される。赤外線検出器9は、縦4×横1の画素を備えた赤外線センサ200を有する。図9の横軸のaは、1つの画素が検出する検出領域の長さであり、4つの検出領域で等しくなっている。aの値は、検出対象の大きさ、必要とする分解能などに応じて決められる。
ここで、赤外線検出器200から最も遠い領域の温度を検出する画素の視野角θ1は、次式(5)で表される。
図9は、図8を横方向(X軸方向)に見た場合の図であり、図9に示す「H」は、赤外線検出器9が設置される高さである。また、「θ」及び「L」は、赤外線検出器9が高さHの位置に設置されたときの俯角によって決定される。赤外線検出器9は、縦4×横1の画素を備えた赤外線センサ200を有する。図9の横軸のaは、1つの画素が検出する検出領域の長さであり、4つの検出領域で等しくなっている。aの値は、検出対象の大きさ、必要とする分解能などに応じて決められる。
ここで、赤外線検出器200から最も遠い領域の温度を検出する画素の視野角θ1は、次式(5)で表される。
また、2番目に遠い領域の温度を検出する画素の視野角θ2は、次式(6)で表される。
3、4番目の画素の垂直方向の視野角も同様に表すことができる。この視野角の比(θ1:θ2:θ3:θ4)に応じて、各画素の長さ(W、X、Y、Z)、即ち赤外線吸収膜3の長さを決定し、かかる間隔に応じて画素間にスリット8を形成する。これにより、赤外線センサから遠い領域を検出する画素の垂直方向(図7の中心軸に沿った方向)の長さ(例えばW)は、赤外線センサから近い領域を検出する画素の長さ(例えばZ)に比べて小さくなるように、画素間にスリット8が形成される。
かかる構造の赤外線センサ200を用いることにより、赤外線検出器からの距離によらず検出領域の大きさ(長さaおよび幅b)を一定にすることができ、特に赤外線センサから離れた領域でも高い分解能で温度の検出が可能となる。
ここでは、赤外線センサの赤外線吸収膜の水平方向の大きさ(a〜h)、垂直方向の大きさ(W〜Z)を変化させたが、垂直方向の大きさ(W〜Z)のみを変えても構わない。
なお、実施の形態1、2を通じて、赤外線センサの赤外線吸収膜の水平方向の大きさ(a〜h)や、垂直方向の大きさ(W〜Z)は、赤外線センサが配置される位置(高さH、俯角θ)や、検出領域の位置、必要とされる分解能に応じて設計される。
また、実施の形態1では視野(検出領域)の幅bが一定となるように、また、実施の形態2では視野(検出領域)の長さaと幅bがともに一定となるように、赤外線吸収膜3の寸法を設計したが、視野(検出領域)の長さや幅が任意の値となるように、赤外線吸収膜3の寸法を設計することも可能である。
1 基板、2 絶縁膜、3 赤外線吸収膜、4 温接点、5 冷接点、6 キャビティ、7 サーモパイル、8 スリット、100 赤外線センサ。
Claims (6)
- 基板と、
該基板の上に設けられた絶縁膜と、
該絶縁膜上に、1軸上に配置された第1画素と第2画素とを含み、所定の検出領域の温度を検出する赤外線センサであって、
それぞれの画素は、該絶縁膜の上に設けられた温接点と冷接点を有する熱電対と、該熱電対の温接点を覆うように設けられた赤外線吸収膜とを含み、
該第1画素とその検出領域との間の距離は、該第2画素とその検出領域との間の距離より大きく、該第1画素の該赤外線吸収膜の面積は、該第2画素の該赤外線吸収膜の面積より小さいことを特徴とする赤外線センサ。 - 上記第1画素の赤外線吸収膜は、上記1軸方向に垂直な上底aと下底bを有する台形からなり、上記第2画素の赤外線吸収膜は、該1軸方向に垂直な上底cと下底dを有する台形からなり、a<b<c<dの関係が成り立つことを特徴とする請求項1に記載の赤外線センサ。
- 上記第1画素および上記第2画素の赤外線吸収膜は、それぞれが上記1軸に垂直な2辺を有する四角形であり、該第2画素の赤外線吸収膜の該2辺の間の距離Yは、該第1画素の赤外線吸収膜の該2辺の間の距離Xより大きい(X<Y)ことを特徴とする請求項1または2に記載の赤外線センサ。
- 上記第1画素と上記第2画素との間に、上記1軸方向に垂直な方向に上記絶縁膜を貫通したスリットが設けられたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の赤外線センサ。
- 請求項1〜4のいずれか1つに記載の赤外線センサをケース内に配置した赤外線検出器。
- 請求項5の赤外線検出器と、上記1軸方向に垂直な方向に該赤外線検出器を移動させる駆動手段とを含む赤外線撮像装置。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2008140924A JP2009288066A (ja) | 2008-05-29 | 2008-05-29 | 赤外線センサ |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109238472A (zh) * | 2013-05-17 | 2019-01-18 | 松下电器(美国)知识产权公司 | 热图像传感器以及空气调节机 |
-
2008
- 2008-05-29 JP JP2008140924A patent/JP2009288066A/ja active Pending
Cited By (2)
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CN109238472A (zh) * | 2013-05-17 | 2019-01-18 | 松下电器(美国)知识产权公司 | 热图像传感器以及空气调节机 |
CN109238472B (zh) * | 2013-05-17 | 2020-05-26 | 松下电器(美国)知识产权公司 | 热图像传感器以及空气调节机 |
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