JP4006985B2 - 焦電型赤外線検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、焦電型赤外線検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、従来の焦電型赤外線検出装置の回路構成を示すもので、電流電圧変換回路と直流帰還回路とから構成されている。電流電圧変換回路は、演算増幅器ＯＰ１を備え、非反転入力端子は接地され、反転入力端子は集電素子に接続され、出力端子は検出信号の信号出力端Ｐｏｕｔとなっている。また、演算増幅器ＯＰ１の入出力間、すなわち反転入力端子と出力端子との間には、帰還用のコンデンサＣｆが介設されている。演算増幅器ＯＰ１の出力端子と反転入力端子との間には、入力抵抗Ｒｉを介して直流帰還回路３０が接続されており、信号出力端Ｐｏｕｔから出力される電圧信号の動作点を安定させている。
【０００３】
直流帰還回路３０は、ハイパスフィルタとして機能するもので、演算増幅器ＯＰ２と、演算増幅器ＯＰ２の出力端子及び反転入力端子の間に介設されたコンデンサＣ１０と、一端が演算増幅器ＯＰ２の反転入力端子に接続され、他端が接地された抵抗Ｒ１０とから構成されている。焦電素子１は、信号入力端Ｐｉｎと接地間に接続されている。
【０００４】
このように構成された焦電型赤外線検出装置は、焦電素子１に赤外線が入射し、焦電素子１の温度が上昇すると、温度上昇分に応じて自発分極が発生し、焦電素子１に分極電荷が発生する。この分極電荷によって、信号入力端Ｐｉｎを介して演算増幅器１の反転入力端子に電流信号が入力される。電流信号は、演算増幅器ＯＰ１及び帰還用のコンデンサＣｆにより電流電圧変換され、電圧信号として信号出力端Ｐｏｕｔに出力される。ところで、信号出力端Ｐｏｕｔから出力される電圧信号の動作点は、演算増幅器ＯＰ１に混入されるノイズ及び演算増幅器ＯＰ１のオフセット成分により、変動する可能性がある。そこで、ハイパスフィルタとしての機能を有する直流帰還回路３０を設け、演算増幅器ＯＰ１から出力される電圧信号の低周波成分をカットすることにより、信号出力端Ｐｏｕｔから出力される電圧信号の動作点の変動を抑制し、安定した電流電圧変換を行っている。
【０００５】
ここで、図７に示す焦電型赤外線検出装置のインピーダンス特性Ｚ(ｓ)は数１で示される。
【０００６】
【数１】
【０００７】
数１で示されるインピーダンス特性Ｚ(ｓ)のグラフは、特開平１０−２８１８６６号公報に示すように、２次のバンドパスフィルタを構成する。したがって、図７に示す焦電型赤外線検出装置は、２次のバンドパスフィルタとしての機能を有している。
【０００８】
ここで、２次のバンドパスフィルタの伝達関数の標準形は、一般的に、数２により表わされる。
【０００９】
【数２】
【００１０】
上記数１及び数２より、中心周波数ω０付近の伝送特性を示すクオリティファクタＱは、数３で表わされる。
【００１１】
【数３】
【００１２】
インピーダンス特性Ｚ(ｓ)は、クオリティファクタＱの値が増加するにつれて、中心周波数ω０付近で急峻となる傾向を有している。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、焦電型赤外線検出装置は、人体や生体の検出のためには、０．１〜１Ｈｚ付近の低周波信号を検出する必要があるが、そのためには、高抵抗の抵抗体を使用しなければならない。すなわち、図７に示す焦電型赤外線検出装置において、入力抵抗Ｒｉ及び抵抗Ｒ１０として高抵抗のものを使用しなければならない。
【００１４】
このように高抵抗の抵抗体は、一般的に、温度特性の影響により、わずかな温度変化に対してもその値が大きく変動し、これら回路素子の値がばらついて変動すると、クオリティファクタＱの値が変化し、インピーダンス特性Ｚ(ｓ)が変化してしまうため、安定した電流電圧変換が困難となる。
【００１５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、焦電素子からの検出電流に対して、安定した電流電圧変換を可能とし、人体や生体の検出のための低周波信号を検出することができる焦電型赤外線検出装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１記載の発明は、赤外線を検出する焦電素子と、前記焦電素子からの電流信号を電圧信号に変換すると共に、ローパスフィルタとしての特性を有する電流電圧変換部と、前記電流電圧変換部に直列接続されたハイパスフィルタとを備え、前記電流電圧変換部は、前記焦電素子に接続される演算増幅器と、前記演算増幅器の入出力間に接続された帰還用のコンデンサと、前記コンデンサと並列接続された高抵抗を有する帰還用の第１の抵抗回路素子とを備え、前記電流電圧変換部の遮断周波数を０．１Ｈｚに設定したことを特徴とする焦電型赤外線検出装置である。
【００１７】
この発明によれば、焦電素子からの電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、電流電圧変換部に直列接続されたハイパスフィルタとを備え、しかも前記電流電圧変換部は、ローパスフィルタとしての特性を有するので、人体や生体の検出のための、例えば０．１Ｈｚ〜１Ｈｚの低周波信号が得られる。そして、帰還用コンデンサ及び第１の抵抗回路素子が並列接続され演算増幅器とハイパスフィルタとを直列接続して構成しているため、各回路素子の値が温度特性により変動しても、インピーダンス特性のピーク付近の傾きが急峻とはならず、安定した電流電圧変換が可能となる。このため、本焦電型赤外線検出装置は、人体や生体を検出することができる。
【００１８】
また、演算増幅器の出力端子に、ハイパスフィルタを直列接続しているため、演算増幅器から出力される電圧信号の動作点の変動分がカットされ、安定した電流電圧変換が可能となる。
【００１９】
更に、帰還用のコンデンサ及び高抵抗を有する第１の抵抗回路素子を並列接続したため、電流信号の高周波成分は、帰還用のコンデンサのインピーダンス成分により電圧信号に変換され、電流信号の低周波成分は、第１の抵抗回路素子のインピーダンス成分により電圧信号に変換される。演算増幅器に帰還用のコンデンサのみ接続した場合、電流信号は、コンデンサのインピーダンス成分により電圧信号に変換されるが、コンデンサのインピーダンス成分は低周波になるほど増大するため、電流信号に低周波のノイズが混入すると、この低周波のノイズ成分が大きな電圧信号として出力され、安定した電流電圧変換を行うことができない可能性がある。そこで、帰還用のコンデンサに第１の抵抗回路素子を並列接続し、低周波成分は、第１の抵抗回路素子のインピーダンス成分により電流電圧変換させることにより、低周波の電流信号が大きな電圧信号となって出力されることを防止し、安定した電流電圧変換を可能としている。
【００２０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の焦電型赤外線検出装置において、前記第１の抵抗回路素子は、ポリシリコンを抵抗材とするものであることを特徴とする。この発明によれば、製造工程において、ポリシリコンに不純物のドープ処理を行わないようにして、容易に高抵抗の抵抗材が得られる。また、ポリシリコンにより構成したため、回路素子が小型となる。
【００２１】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の焦電型赤外線検出装置において、前記第１の抵抗回路素子は、互いに逆向きに並列接続されたダイオードにより構成されていることを特徴とする。この発明によれば、通常動作時においては、演算増幅器の入出力端子間の電位差が小さいため、両ダイオードはオフ状態であり、第１の抵抗回路素子の抵抗値は、ダイオードのオフ抵抗により決定され、両ダイオードは高抵抗の抵抗材として機能する。
【００２２】
また、ノイズなどの影響により演算増幅器から出力される電圧信号が飽和した場合、演算増幅器の入出力端子間の電位差がダイオードのスレショルド電圧を超え、両ダイオードのうちいずれか一方のダイオードがオンとなり、第１の抵抗回路素子の抵抗値はオンされたダイオードの抵抗値により決定される。このダイオードのオン抵抗は小さく、電流電圧変換回路の時定数を小さくする。この結果、本焦電型赤外線検出装置における電流電圧変換回路の帰還作用は高まり、飽和した電圧信号は速やかに通常動作時の振幅レベルの電圧信号に戻される。
【００２３】
また、ダイオードを逆方向に並列接続するという簡素な構成により、第１の抵抗回路素子を構成したため、回路の小型化及び低コスト化が可能となる。
【００２４】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の焦電型赤外線検出装置において、前記第１の抵抗回路素子は、スイッチトキャパシタにより構成されていることを特徴とする。この発明によれば、第１の抵抗回路素子の抵抗値は、キャパシタの容量とスイッチングを切り替えるサンプリング周波数により決定される。キャパシタの容量及びサンプリング周波数を適当な値に設定することにより、高抵抗が実現される。また、スイッチトキャパシタのキャパシタの容量を小さくするほど、高抵抗となるため、小容量のキャパシタで高抵抗が実現される。この結果、回路の小型化と共に、温度特性による影響が少い高抵抗の第１の抵抗回路素子が得られる。
【００２５】
請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の焦電型赤外線検出装置において、前記ハイパスフィルタは、高抵抗を有する第２の抵抗回路素子を有し、この第２の抵抗回路素子は、ポリシリコンを抵抗材とするものであることを特徴とする。この発明によれば、製造工程において、ポリシリコンに不純物のドープ処理を行わないようにして、容易に高抵抗のフィルタが得られる。また、ポリシリコンを用いたため、回路が小型となる。
【００２６】
請求項６記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の焦電型赤外線検出装置において、前記ハイパスフィルタは、高抵抗を有する第２の抵抗回路素子を有し、この第２の抵抗回路素子は、スイッチトキャパシタにより構成されていることを特徴とする。この発明によれば、第２の抵抗回路素子をスイッチトキャパシタにより構成したため、高抵抗でありながら温度特性による影響が少ない抵抗材が得られる。また、第２の抵抗回路素子を小容量のキャパシタで構成するため、回路が小型となる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る焦電型赤外線検出装置の基本構成を示している。この焦電型赤外線検出装置は、赤外線を検出する焦電素子１と、焦電素子１からの入力される電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換回路２とを備えている。電流電圧変換回路２は、電流電圧変換を行う電流電圧変換部２１と、電流電圧変換部２１に直列接続されたハイパスフィルタ２２とから構成されている。
【００２８】
電流電圧変換部２１は、焦電素子１が反転入力端子に接続される演算増幅器ＯＰと、演算増幅器ＯＰの出力端子と反転入力端子との間に介設された帰還用のコンデンサＣｆと、コンデンサＣｆと並列接続された第１の抵抗回路素子Ｚ１とを備えている。演算増幅器ＯＰの非反転入力端子には、演算増幅器ＯＰの動作点の電位をＶｒに設定するべく基準電位Ｖｒが接続されている。動作点の電位をＶｒに設定することで、１個の電源による演算増幅器ＯＰの駆動を可能としている。
【００２９】
ハイパスフィルタ２２は、演算増幅器１の出力側と出力端Ｐｏｕｔとの間に介設されたコンデンサＣ１と、出力端Ｐｏｕｔと接地間との間に基準電位Ｖｒを介して接続された第２の抵抗回路素子Ｚ２とから構成されている。また、第２の抵抗回路素子Ｚ２の一端には、ハイパスフィルタ２２の基準電位をＶｒに設定するために基準電位Ｖｒが接続されている。
【００３０】
電流電圧変換部２１は、演算増幅器ＯＰの出力端子と反転入力端子との間にコンデンサＣｆ及び第１の抵抗回路素子Ｚ１が並列接続されているため、ローパスフィルタとしての特性を有しており、後段に直列接続されたハイパスフィルタ２２とで、２次のバンドパスフィルタとしての特性を有している。
【００３１】
ローパスフィルタとしての特性を有する電流電圧変換部２１の遮断周波数ｆｃｈは、第１の抵抗回路素子Ｚ１のインピーダンスＺ１及びコンデンサＣｆの容量Ｃｆの関係からｆｃｈ＝１／(２π・Ｚ１・Ｃｆ)と表わされ、高域遮断周波数ｆｃｈより高い周波数成分は、コンデンサＣｆのインピーダンス成分１／(２π・ｆ・Ｃｆ)により電流電圧変換が行われる。Ｓ／Ｎ比の低減による高安定の電流電圧変換を行うためには、帰還用のコンデンサＣｆのインピーダンス成分により電流電圧変換を行うのが好ましい。しかも、０．１〜１．０Ｈｚの周波数帯域が人体検知においては重要であるため、本電流電圧変換回路２では、電流電圧変換部２１の遮断周波数ｆｃｈ＝１／(２π・Ｚ１・Ｃｆ)の値を０．１Ｈｚあるいは０．１Ｈｚよりも小さな値に設定し、０．１〜１．０Ｈｚの電流信号をコンデンサＣｆのインピーダンス成分により電流電圧変換するようにしている。
【００３２】
次に、電流電圧変換回路２の動作について説明する。焦電素子１は、赤外光を受光し電流として出力する。焦電素子１から出力された電流信号のうち、高周波成分は、コンデンサＣｆのインピーダンス成分１／(２π・ｆ・Ｃｆ)で電流電圧変換され、低周波成分は、第１の抵抗回路素子Ｚ１により電流電圧変換される。次いで、ハイパスフィルタ２２により、動作点の変動分をカットするため遮断周波数ｆｃｌ＝１／(２π・Ｃ１・Ｚ２)以下の低周波成分がカットされ、出力端Ｐｏｕｔから電圧信号として出力される。
【００３３】
このように、本電流電圧変換回路２では、ローパスフィルタとしての特性を有する電流電圧変換部２１とハイパスフィルタ２２とを直列接続して構成しているため、回路素子の抵抗値、容量値が変動しても、インピーダンス特性のピーク付近の傾きが急峻となならないため、安定した電流電圧変換を行うことができる。
【００３４】
(第１実施形態)
図２は、第１実施形態における電流電圧変換回路を示している。第１実施形態に係る電流電圧変換回路２は、第１の抵抗回路素子Ｚ１を、不純物がドープされていないポリシリコンからなる抵抗(以下、ノンドープポリシリ抵抗Ｒ１という。)により構成したものである。ノンドープポリシリ抵抗Ｒ１は、例えば、集積回路の製造工程において、ポリシリコンに不純物がドープされないようにマスキングを施すだけで、小型かつ高抵抗の抵抗材を容易に得ることができる。このように第１実施形態によれば、高抵抗の抵抗材を容易に得ることができる。
【００３５】
(第２実施形態)
図３は、第２実施形態に係る電流電圧変換回路を示している。第２実施形態の電流電圧変換回路２は、第１の抵抗回路素子Ｚ１として、ダイオードＤＡ及びＤＢをそれぞれ逆方向に並列接続したものである。すなわち、ダイオードＤＡは、アノードが演算増幅器ＯＰの反転入力端子に接続され、カソードが演算増幅器ＯＰの出力端子に接続されている。ダイオードＤＢは、アノードが演算増幅器ＯＰの出力端子に接続されており、カソードが演算増幅器ＯＰの反転入力端子に接続されている。
【００３６】
ダイオードＤＡ及びＤＢは、本電流電圧変換回路２の通常動作時においては、オフ常態であり、高抵抗の抵抗材として機能するものである。本電流電圧変換回路は、小さな振幅レベルの信号を取り扱うものであるため、通常動作時においては、演算増幅器ＯＰの反転入力端子及び出力端子間の電位差は、ダイオードＤＡ及びＤＢのスレショルド電圧Ｖｆよりも小さい。このため、ダイオードＤＡ及びＤＢはいずれもオフであり、ダイオードＤＡ及びＤＢのオフ抵抗は大きいため、ダイオードＤＡ及びＤＢは、高抵抗材として機能するのである。
【００３７】
また、ダイオードＤＡ及びＤＢは、電流信号に含まれるノイズなどの影響により、演算増幅器ＯＰから出力される電圧信号の振幅レベルが演算増幅器に供給される電源電圧以上となり、出力される電圧信号が飽和した場合、演算増幅器ＯＰの出力端子及び反転入力端子間の電位差が、ダイオードＤＡ及びＤＢのスレショルド電圧Ｖｆ以上となって、ダイオードＤＡ及びＤＢのいずれか一方がオンとなるため、このオン抵抗による抵抗値を有する抵抗材として機能する。例えば、演算増幅器ＯＰの出力端子の電位が反転入力端子の電位に対してスレショルド電圧Ｖｆ以上になった場合、ダイオードＤＢはオンとなり、第１の抵抗回路素子Ｚ１は、このダイオードＤＢのオン抵抗の抵抗値を有する抵抗材となる。
【００３８】
このダイオードＤＢのオン抵抗は小さいため、電流電圧変換回路２の時定数は小さくなる。この結果、ダイオードＤＢを介して多くの帰還電流が流れ、帰還作用が高まるため、飽和状態にあった電圧信号は速やかに、通常動作時の振幅レベルを有する電圧信号へ戻される。
【００３９】
また、第１の抵抗回路素子Ｚ１を、ダイオードを逆方向に並列接続して構成しているため、回路を簡素に構成することができ、回路の小型化及び低コスト化が可能となる。
【００４０】
このように、第２実施形態の電流電圧変換回路２によれば、第１の抵抗回路素子Ｚ１を小型かつ低コストで実現することができるとともに、出力される電圧信号が飽和状態にあっても、速やかに通常動作時の振幅レベルに戻すことのできる抵抗材にすることができる。
【００４１】
(第３実施形態)
図４は、第３実施形態に係る電流電圧変換回路を示している。この電流電圧変換回路２は、第１の抵抗回路素子Ｚ１として、スイッチトキャパシタＳＣを用いたものである。スイッチトキャパシタＳＣは、例えばＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子とコンデンサとを組み合わせ、クロックパルス(図略)でスイッチング素子をオン・オフ制御することによって、等価的に抵抗材として機能するものである。スイッチトキャパシタＳＣの等価抵抗値Ｒの値は、スイッチング素子をスイッチングする周波数(サンプリング周波数)をｆ、容量をＣとすると、Ｒ＝１／ｆＣと表わされる。サンプリング周波数ｆを小さくし、かつ、スイッチトキャパシタの容量Ｃを小さく設定することで、スイッチトキャパシタＳＣとして高抵抗のものを得ることができる。
【００４２】
また、スイッチトキャパシタＳＣを採用することで、高抵抗でありながら優れた温度特性を有する抵抗材を得ることができるとともに、回路を小型にすることができる。
【００４３】
本電流電圧変換回路２においては、サンプリング周波数ｆ＝３５Ｈｚ、容量Ｃ＝０．１ｐＦとして、等価抵抗値ＲをＲ＝１／(３５Ｈｚ×０．１ｐＦ)＝２８６ＧΩとし、第１の抵抗回路素子Ｚ１の抵抗値として好適な値としている。
【００４４】
このように、第３実施形態によれば、第１の抵抗回路素子Ｚ１を、小型にすることができるとともに、高抵抗でありながら温度特性の優れた抵抗材にすることができる。
【００４５】
(第４実施形態)
図５は、第４実施形態に係る電流電圧変換回路を示している。この電流電圧変換回路２は、第２の抵抗回路素子Ｚ２として、ノンドープポリシリ抵抗Ｒ２を用いたものである。ハイパスフィルタ２２の第２の抵抗回路素子Ｚ２として、ノンドープポリシリ抵抗Ｒ２を用いることにより、第２の抵抗回路素子Ｚ２として高抵抗の抵抗材を容易に得ることができる。
【００４６】
(第５実施形態)
図６は、第５実施形態に係る電流電圧変換回路を示している。この電流電圧変換回路２は、第２の抵抗回路素子Ｚ２として、スイッチトキャパシタＳＣを用いたものである。ハイパスフィルタ２２の第２の抵抗回路素子Ｚ２として、スイッチトキャパシタＳＣを用いることにより、回路を小型にすることができるとともに、高抵抗でありながら温度特性の優れた抵抗材にすることができる。
【００４７】
なお、本発明は、以下の態様を採ることができる。
【００４８】
(１)上記第１〜第３実施形態では、第２の抵抗回路素子Ｚ２を特に限定していないが、第２の抵抗回路素子Ｚ２として、第４実施形態で示したノンドープポリシリ抵抗Ｒ２、あるいは、第５実施形態で示したスイッチトキャパシタＳＣを用いてもよい。
【００４９】
(２)上記第４及び第５実施形態では、第１の抵抗回路素子Ｚ１を特に限定していないが、第１の抵抗回路素子Ｚ１として、第１実施形態に示したノンドープポリシリ抵抗Ｒ１、第２実施形態に示したダイオードＤＡ及びＤＢ、第３実施形態に示したスイッチトキャパシタＳＣを用いてもよい。
【００５０】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、電流電圧変換部における帰還用のコンデンサに第１の抵抗回路素子を並列接続するとともに、電流電圧変換部がローパスフィルタとしての特性を有し、電流電圧変換部における演算増幅器の出力端子にハイパスフィルタを直列接続して構成したので、安定した電流電圧変換を行うことができ、人体や生体の検出に好適な、例えば０．１Ｈｚ〜１Ｈｚの低周波信号が得られ、人体や生体を検出することができる。
【００５１】
請求項２記載の発明によれば、第１の抵抗回路素子として、ポリシリコンからなる抵抗を用いたため、容易に高抵抗の抵抗材が得ることができ、また、回路を小型にすることができる。
【００５２】
請求項３記載の発明によれば、第１の抵抗回路素子として、互いに逆方向に接続されたダイオードにより構成したので、回路の小型化及び低コスト化を図ることができるととともに、ノイズの影響により出力電圧が飽和した場合であっても、速やかに通常動作時の振幅レベルに戻すことができる。
【００５３】
請求項４記載の発明によれば、第１の抵抗回路素子として、スイッチトキャパシタにより構成したので、回路を小型にすることができるとともに、高抵抗でありながら優れた温度特性を有する抵抗材を得ることができる。
【００５４】
請求項５記載の発明によれば、第２の抵抗回路素子をポリシリコン抵抗により構成したため、容易に高抵抗の抵抗材を得ることができるとともに、回路を小型にすることができる。
【００５５】
請求項６記載の発明によれば、第２の抵抗回路素子をスイッチトキャパシタにより構成したため、回路を小型にすることができるととともに、高抵抗でありながら優れた温度特性を有する抵抗材を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の電流電圧変換回路の基本回路構成を示した図である。
【図２】 本発明の第１実施形態に係る電流電圧変換回路を示した図である。
【図３】 本発明の第２実施形態に係る電流電圧変換回路を示した図である。
【図４】 本発明の第３実施形態に係る電流電圧変換回路を示した図である。
【図５】 本発明の第４実施形態に係る電流電圧変換回路を示した図である。
【図６】 本発明の第５実施形態に係る電流電圧変換回路を示した図である。
【図７】 従来の電流電圧変換回路を示した図である。
【符号の説明】
ＳＣ スイッチトキャパシタ
ＤＡ ダイオード
ＤＢ ダイオード
Ｒ１ ノンドープポリシリ抵抗
Ｒ２ ノンドープポリシリ抵抗
Ｖｒ 基準電圧源
ＯＰ 演算増幅器
Ｃｆ 帰還用のコンデンサ
Ｃ コンデンサ
Ｚ１ 第１の抵抗回路素子
Ｚ２ 第２の抵抗回路素子
１ 焦電素子
２ 電流電圧変換回路
２１ 電流電圧変換部
２２ ハイパスフィルタ
【発明の属する技術分野】
本発明は、焦電型赤外線検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、従来の焦電型赤外線検出装置の回路構成を示すもので、電流電圧変換回路と直流帰還回路とから構成されている。電流電圧変換回路は、演算増幅器ＯＰ１を備え、非反転入力端子は接地され、反転入力端子は集電素子に接続され、出力端子は検出信号の信号出力端Ｐｏｕｔとなっている。また、演算増幅器ＯＰ１の入出力間、すなわち反転入力端子と出力端子との間には、帰還用のコンデンサＣｆが介設されている。演算増幅器ＯＰ１の出力端子と反転入力端子との間には、入力抵抗Ｒｉを介して直流帰還回路３０が接続されており、信号出力端Ｐｏｕｔから出力される電圧信号の動作点を安定させている。
【０００３】
直流帰還回路３０は、ハイパスフィルタとして機能するもので、演算増幅器ＯＰ２と、演算増幅器ＯＰ２の出力端子及び反転入力端子の間に介設されたコンデンサＣ１０と、一端が演算増幅器ＯＰ２の反転入力端子に接続され、他端が接地された抵抗Ｒ１０とから構成されている。焦電素子１は、信号入力端Ｐｉｎと接地間に接続されている。
【０００４】
このように構成された焦電型赤外線検出装置は、焦電素子１に赤外線が入射し、焦電素子１の温度が上昇すると、温度上昇分に応じて自発分極が発生し、焦電素子１に分極電荷が発生する。この分極電荷によって、信号入力端Ｐｉｎを介して演算増幅器１の反転入力端子に電流信号が入力される。電流信号は、演算増幅器ＯＰ１及び帰還用のコンデンサＣｆにより電流電圧変換され、電圧信号として信号出力端Ｐｏｕｔに出力される。ところで、信号出力端Ｐｏｕｔから出力される電圧信号の動作点は、演算増幅器ＯＰ１に混入されるノイズ及び演算増幅器ＯＰ１のオフセット成分により、変動する可能性がある。そこで、ハイパスフィルタとしての機能を有する直流帰還回路３０を設け、演算増幅器ＯＰ１から出力される電圧信号の低周波成分をカットすることにより、信号出力端Ｐｏｕｔから出力される電圧信号の動作点の変動を抑制し、安定した電流電圧変換を行っている。
【０００５】
ここで、図７に示す焦電型赤外線検出装置のインピーダンス特性Ｚ(ｓ)は数１で示される。
【０００６】
【数１】
数１で示されるインピーダンス特性Ｚ(ｓ)のグラフは、特開平１０−２８１８６６号公報に示すように、２次のバンドパスフィルタを構成する。したがって、図７に示す焦電型赤外線検出装置は、２次のバンドパスフィルタとしての機能を有している。
【０００８】
ここで、２次のバンドパスフィルタの伝達関数の標準形は、一般的に、数２により表わされる。
【０００９】
【数２】
上記数１及び数２より、中心周波数ω０付近の伝送特性を示すクオリティファクタＱは、数３で表わされる。
【００１１】
【数３】
インピーダンス特性Ｚ(ｓ)は、クオリティファクタＱの値が増加するにつれて、中心周波数ω０付近で急峻となる傾向を有している。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、焦電型赤外線検出装置は、人体や生体の検出のためには、０．１〜１Ｈｚ付近の低周波信号を検出する必要があるが、そのためには、高抵抗の抵抗体を使用しなければならない。すなわち、図７に示す焦電型赤外線検出装置において、入力抵抗Ｒｉ及び抵抗Ｒ１０として高抵抗のものを使用しなければならない。
【００１４】
このように高抵抗の抵抗体は、一般的に、温度特性の影響により、わずかな温度変化に対してもその値が大きく変動し、これら回路素子の値がばらついて変動すると、クオリティファクタＱの値が変化し、インピーダンス特性Ｚ(ｓ)が変化してしまうため、安定した電流電圧変換が困難となる。
【００１５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、焦電素子からの検出電流に対して、安定した電流電圧変換を可能とし、人体や生体の検出のための低周波信号を検出することができる焦電型赤外線検出装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１記載の発明は、赤外線を検出する焦電素子と、前記焦電素子からの電流信号を電圧信号に変換すると共に、ローパスフィルタとしての特性を有する電流電圧変換部と、前記電流電圧変換部に直列接続されたハイパスフィルタとを備え、前記電流電圧変換部は、前記焦電素子に接続される演算増幅器と、前記演算増幅器の入出力間に接続された帰還用のコンデンサと、前記コンデンサと並列接続された高抵抗を有する帰還用の第１の抵抗回路素子とを備え、前記電流電圧変換部の遮断周波数を０．１Ｈｚに設定したことを特徴とする焦電型赤外線検出装置である。
【００１７】
この発明によれば、焦電素子からの電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、電流電圧変換部に直列接続されたハイパスフィルタとを備え、しかも前記電流電圧変換部は、ローパスフィルタとしての特性を有するので、人体や生体の検出のための、例えば０．１Ｈｚ〜１Ｈｚの低周波信号が得られる。そして、帰還用コンデンサ及び第１の抵抗回路素子が並列接続され演算増幅器とハイパスフィルタとを直列接続して構成しているため、各回路素子の値が温度特性により変動しても、インピーダンス特性のピーク付近の傾きが急峻とはならず、安定した電流電圧変換が可能となる。このため、本焦電型赤外線検出装置は、人体や生体を検出することができる。
【００１８】
また、演算増幅器の出力端子に、ハイパスフィルタを直列接続しているため、演算増幅器から出力される電圧信号の動作点の変動分がカットされ、安定した電流電圧変換が可能となる。
【００１９】
更に、帰還用のコンデンサ及び高抵抗を有する第１の抵抗回路素子を並列接続したため、電流信号の高周波成分は、帰還用のコンデンサのインピーダンス成分により電圧信号に変換され、電流信号の低周波成分は、第１の抵抗回路素子のインピーダンス成分により電圧信号に変換される。演算増幅器に帰還用のコンデンサのみ接続した場合、電流信号は、コンデンサのインピーダンス成分により電圧信号に変換されるが、コンデンサのインピーダンス成分は低周波になるほど増大するため、電流信号に低周波のノイズが混入すると、この低周波のノイズ成分が大きな電圧信号として出力され、安定した電流電圧変換を行うことができない可能性がある。そこで、帰還用のコンデンサに第１の抵抗回路素子を並列接続し、低周波成分は、第１の抵抗回路素子のインピーダンス成分により電流電圧変換させることにより、低周波の電流信号が大きな電圧信号となって出力されることを防止し、安定した電流電圧変換を可能としている。
【００２０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の焦電型赤外線検出装置において、前記第１の抵抗回路素子は、ポリシリコンを抵抗材とするものであることを特徴とする。この発明によれば、製造工程において、ポリシリコンに不純物のドープ処理を行わないようにして、容易に高抵抗の抵抗材が得られる。また、ポリシリコンにより構成したため、回路素子が小型となる。
【００２１】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の焦電型赤外線検出装置において、前記第１の抵抗回路素子は、互いに逆向きに並列接続されたダイオードにより構成されていることを特徴とする。この発明によれば、通常動作時においては、演算増幅器の入出力端子間の電位差が小さいため、両ダイオードはオフ状態であり、第１の抵抗回路素子の抵抗値は、ダイオードのオフ抵抗により決定され、両ダイオードは高抵抗の抵抗材として機能する。
【００２２】
また、ノイズなどの影響により演算増幅器から出力される電圧信号が飽和した場合、演算増幅器の入出力端子間の電位差がダイオードのスレショルド電圧を超え、両ダイオードのうちいずれか一方のダイオードがオンとなり、第１の抵抗回路素子の抵抗値はオンされたダイオードの抵抗値により決定される。このダイオードのオン抵抗は小さく、電流電圧変換回路の時定数を小さくする。この結果、本焦電型赤外線検出装置における電流電圧変換回路の帰還作用は高まり、飽和した電圧信号は速やかに通常動作時の振幅レベルの電圧信号に戻される。
【００２３】
また、ダイオードを逆方向に並列接続するという簡素な構成により、第１の抵抗回路素子を構成したため、回路の小型化及び低コスト化が可能となる。
【００２４】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の焦電型赤外線検出装置において、前記第１の抵抗回路素子は、スイッチトキャパシタにより構成されていることを特徴とする。この発明によれば、第１の抵抗回路素子の抵抗値は、キャパシタの容量とスイッチングを切り替えるサンプリング周波数により決定される。キャパシタの容量及びサンプリング周波数を適当な値に設定することにより、高抵抗が実現される。また、スイッチトキャパシタのキャパシタの容量を小さくするほど、高抵抗となるため、小容量のキャパシタで高抵抗が実現される。この結果、回路の小型化と共に、温度特性による影響が少い高抵抗の第１の抵抗回路素子が得られる。
【００２５】
請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の焦電型赤外線検出装置において、前記ハイパスフィルタは、高抵抗を有する第２の抵抗回路素子を有し、この第２の抵抗回路素子は、ポリシリコンを抵抗材とするものであることを特徴とする。この発明によれば、製造工程において、ポリシリコンに不純物のドープ処理を行わないようにして、容易に高抵抗のフィルタが得られる。また、ポリシリコンを用いたため、回路が小型となる。
【００２６】
請求項６記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の焦電型赤外線検出装置において、前記ハイパスフィルタは、高抵抗を有する第２の抵抗回路素子を有し、この第２の抵抗回路素子は、スイッチトキャパシタにより構成されていることを特徴とする。この発明によれば、第２の抵抗回路素子をスイッチトキャパシタにより構成したため、高抵抗でありながら温度特性による影響が少ない抵抗材が得られる。また、第２の抵抗回路素子を小容量のキャパシタで構成するため、回路が小型となる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る焦電型赤外線検出装置の基本構成を示している。この焦電型赤外線検出装置は、赤外線を検出する焦電素子１と、焦電素子１からの入力される電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換回路２とを備えている。電流電圧変換回路２は、電流電圧変換を行う電流電圧変換部２１と、電流電圧変換部２１に直列接続されたハイパスフィルタ２２とから構成されている。
【００２８】
電流電圧変換部２１は、焦電素子１が反転入力端子に接続される演算増幅器ＯＰと、演算増幅器ＯＰの出力端子と反転入力端子との間に介設された帰還用のコンデンサＣｆと、コンデンサＣｆと並列接続された第１の抵抗回路素子Ｚ１とを備えている。演算増幅器ＯＰの非反転入力端子には、演算増幅器ＯＰの動作点の電位をＶｒに設定するべく基準電位Ｖｒが接続されている。動作点の電位をＶｒに設定することで、１個の電源による演算増幅器ＯＰの駆動を可能としている。
【００２９】
ハイパスフィルタ２２は、演算増幅器１の出力側と出力端Ｐｏｕｔとの間に介設されたコンデンサＣ１と、出力端Ｐｏｕｔと接地間との間に基準電位Ｖｒを介して接続された第２の抵抗回路素子Ｚ２とから構成されている。また、第２の抵抗回路素子Ｚ２の一端には、ハイパスフィルタ２２の基準電位をＶｒに設定するために基準電位Ｖｒが接続されている。
【００３０】
電流電圧変換部２１は、演算増幅器ＯＰの出力端子と反転入力端子との間にコンデンサＣｆ及び第１の抵抗回路素子Ｚ１が並列接続されているため、ローパスフィルタとしての特性を有しており、後段に直列接続されたハイパスフィルタ２２とで、２次のバンドパスフィルタとしての特性を有している。
【００３１】
ローパスフィルタとしての特性を有する電流電圧変換部２１の遮断周波数ｆｃｈは、第１の抵抗回路素子Ｚ１のインピーダンスＺ１及びコンデンサＣｆの容量Ｃｆの関係からｆｃｈ＝１／(２π・Ｚ１・Ｃｆ)と表わされ、高域遮断周波数ｆｃｈより高い周波数成分は、コンデンサＣｆのインピーダンス成分１／(２π・ｆ・Ｃｆ)により電流電圧変換が行われる。Ｓ／Ｎ比の低減による高安定の電流電圧変換を行うためには、帰還用のコンデンサＣｆのインピーダンス成分により電流電圧変換を行うのが好ましい。しかも、０．１〜１．０Ｈｚの周波数帯域が人体検知においては重要であるため、本電流電圧変換回路２では、電流電圧変換部２１の遮断周波数ｆｃｈ＝１／(２π・Ｚ１・Ｃｆ)の値を０．１Ｈｚあるいは０．１Ｈｚよりも小さな値に設定し、０．１〜１．０Ｈｚの電流信号をコンデンサＣｆのインピーダンス成分により電流電圧変換するようにしている。
【００３２】
次に、電流電圧変換回路２の動作について説明する。焦電素子１は、赤外光を受光し電流として出力する。焦電素子１から出力された電流信号のうち、高周波成分は、コンデンサＣｆのインピーダンス成分１／(２π・ｆ・Ｃｆ)で電流電圧変換され、低周波成分は、第１の抵抗回路素子Ｚ１により電流電圧変換される。次いで、ハイパスフィルタ２２により、動作点の変動分をカットするため遮断周波数ｆｃｌ＝１／(２π・Ｃ１・Ｚ２)以下の低周波成分がカットされ、出力端Ｐｏｕｔから電圧信号として出力される。
【００３３】
このように、本電流電圧変換回路２では、ローパスフィルタとしての特性を有する電流電圧変換部２１とハイパスフィルタ２２とを直列接続して構成しているため、回路素子の抵抗値、容量値が変動しても、インピーダンス特性のピーク付近の傾きが急峻となならないため、安定した電流電圧変換を行うことができる。
【００３４】
(第１実施形態)
図２は、第１実施形態における電流電圧変換回路を示している。第１実施形態に係る電流電圧変換回路２は、第１の抵抗回路素子Ｚ１を、不純物がドープされていないポリシリコンからなる抵抗(以下、ノンドープポリシリ抵抗Ｒ１という。)により構成したものである。ノンドープポリシリ抵抗Ｒ１は、例えば、集積回路の製造工程において、ポリシリコンに不純物がドープされないようにマスキングを施すだけで、小型かつ高抵抗の抵抗材を容易に得ることができる。このように第１実施形態によれば、高抵抗の抵抗材を容易に得ることができる。
【００３５】
(第２実施形態)
図３は、第２実施形態に係る電流電圧変換回路を示している。第２実施形態の電流電圧変換回路２は、第１の抵抗回路素子Ｚ１として、ダイオードＤＡ及びＤＢをそれぞれ逆方向に並列接続したものである。すなわち、ダイオードＤＡは、アノードが演算増幅器ＯＰの反転入力端子に接続され、カソードが演算増幅器ＯＰの出力端子に接続されている。ダイオードＤＢは、アノードが演算増幅器ＯＰの出力端子に接続されており、カソードが演算増幅器ＯＰの反転入力端子に接続されている。
【００３６】
ダイオードＤＡ及びＤＢは、本電流電圧変換回路２の通常動作時においては、オフ常態であり、高抵抗の抵抗材として機能するものである。本電流電圧変換回路は、小さな振幅レベルの信号を取り扱うものであるため、通常動作時においては、演算増幅器ＯＰの反転入力端子及び出力端子間の電位差は、ダイオードＤＡ及びＤＢのスレショルド電圧Ｖｆよりも小さい。このため、ダイオードＤＡ及びＤＢはいずれもオフであり、ダイオードＤＡ及びＤＢのオフ抵抗は大きいため、ダイオードＤＡ及びＤＢは、高抵抗材として機能するのである。
【００３７】
また、ダイオードＤＡ及びＤＢは、電流信号に含まれるノイズなどの影響により、演算増幅器ＯＰから出力される電圧信号の振幅レベルが演算増幅器に供給される電源電圧以上となり、出力される電圧信号が飽和した場合、演算増幅器ＯＰの出力端子及び反転入力端子間の電位差が、ダイオードＤＡ及びＤＢのスレショルド電圧Ｖｆ以上となって、ダイオードＤＡ及びＤＢのいずれか一方がオンとなるため、このオン抵抗による抵抗値を有する抵抗材として機能する。例えば、演算増幅器ＯＰの出力端子の電位が反転入力端子の電位に対してスレショルド電圧Ｖｆ以上になった場合、ダイオードＤＢはオンとなり、第１の抵抗回路素子Ｚ１は、このダイオードＤＢのオン抵抗の抵抗値を有する抵抗材となる。
【００３８】
このダイオードＤＢのオン抵抗は小さいため、電流電圧変換回路２の時定数は小さくなる。この結果、ダイオードＤＢを介して多くの帰還電流が流れ、帰還作用が高まるため、飽和状態にあった電圧信号は速やかに、通常動作時の振幅レベルを有する電圧信号へ戻される。
【００３９】
また、第１の抵抗回路素子Ｚ１を、ダイオードを逆方向に並列接続して構成しているため、回路を簡素に構成することができ、回路の小型化及び低コスト化が可能となる。
【００４０】
このように、第２実施形態の電流電圧変換回路２によれば、第１の抵抗回路素子Ｚ１を小型かつ低コストで実現することができるとともに、出力される電圧信号が飽和状態にあっても、速やかに通常動作時の振幅レベルに戻すことのできる抵抗材にすることができる。
【００４１】
(第３実施形態)
図４は、第３実施形態に係る電流電圧変換回路を示している。この電流電圧変換回路２は、第１の抵抗回路素子Ｚ１として、スイッチトキャパシタＳＣを用いたものである。スイッチトキャパシタＳＣは、例えばＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子とコンデンサとを組み合わせ、クロックパルス(図略)でスイッチング素子をオン・オフ制御することによって、等価的に抵抗材として機能するものである。スイッチトキャパシタＳＣの等価抵抗値Ｒの値は、スイッチング素子をスイッチングする周波数(サンプリング周波数)をｆ、容量をＣとすると、Ｒ＝１／ｆＣと表わされる。サンプリング周波数ｆを小さくし、かつ、スイッチトキャパシタの容量Ｃを小さく設定することで、スイッチトキャパシタＳＣとして高抵抗のものを得ることができる。
【００４２】
また、スイッチトキャパシタＳＣを採用することで、高抵抗でありながら優れた温度特性を有する抵抗材を得ることができるとともに、回路を小型にすることができる。
【００４３】
本電流電圧変換回路２においては、サンプリング周波数ｆ＝３５Ｈｚ、容量Ｃ＝０．１ｐＦとして、等価抵抗値ＲをＲ＝１／(３５Ｈｚ×０．１ｐＦ)＝２８６ＧΩとし、第１の抵抗回路素子Ｚ１の抵抗値として好適な値としている。
【００４４】
このように、第３実施形態によれば、第１の抵抗回路素子Ｚ１を、小型にすることができるとともに、高抵抗でありながら温度特性の優れた抵抗材にすることができる。
【００４５】
(第４実施形態)
図５は、第４実施形態に係る電流電圧変換回路を示している。この電流電圧変換回路２は、第２の抵抗回路素子Ｚ２として、ノンドープポリシリ抵抗Ｒ２を用いたものである。ハイパスフィルタ２２の第２の抵抗回路素子Ｚ２として、ノンドープポリシリ抵抗Ｒ２を用いることにより、第２の抵抗回路素子Ｚ２として高抵抗の抵抗材を容易に得ることができる。
【００４６】
(第５実施形態)
図６は、第５実施形態に係る電流電圧変換回路を示している。この電流電圧変換回路２は、第２の抵抗回路素子Ｚ２として、スイッチトキャパシタＳＣを用いたものである。ハイパスフィルタ２２の第２の抵抗回路素子Ｚ２として、スイッチトキャパシタＳＣを用いることにより、回路を小型にすることができるとともに、高抵抗でありながら温度特性の優れた抵抗材にすることができる。
【００４７】
なお、本発明は、以下の態様を採ることができる。
【００４８】
(１)上記第１〜第３実施形態では、第２の抵抗回路素子Ｚ２を特に限定していないが、第２の抵抗回路素子Ｚ２として、第４実施形態で示したノンドープポリシリ抵抗Ｒ２、あるいは、第５実施形態で示したスイッチトキャパシタＳＣを用いてもよい。
【００４９】
(２)上記第４及び第５実施形態では、第１の抵抗回路素子Ｚ１を特に限定していないが、第１の抵抗回路素子Ｚ１として、第１実施形態に示したノンドープポリシリ抵抗Ｒ１、第２実施形態に示したダイオードＤＡ及びＤＢ、第３実施形態に示したスイッチトキャパシタＳＣを用いてもよい。
【００５０】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、電流電圧変換部における帰還用のコンデンサに第１の抵抗回路素子を並列接続するとともに、電流電圧変換部がローパスフィルタとしての特性を有し、電流電圧変換部における演算増幅器の出力端子にハイパスフィルタを直列接続して構成したので、安定した電流電圧変換を行うことができ、人体や生体の検出に好適な、例えば０．１Ｈｚ〜１Ｈｚの低周波信号が得られ、人体や生体を検出することができる。
【００５１】
請求項２記載の発明によれば、第１の抵抗回路素子として、ポリシリコンからなる抵抗を用いたため、容易に高抵抗の抵抗材が得ることができ、また、回路を小型にすることができる。
【００５２】
請求項３記載の発明によれば、第１の抵抗回路素子として、互いに逆方向に接続されたダイオードにより構成したので、回路の小型化及び低コスト化を図ることができるととともに、ノイズの影響により出力電圧が飽和した場合であっても、速やかに通常動作時の振幅レベルに戻すことができる。
【００５３】
請求項４記載の発明によれば、第１の抵抗回路素子として、スイッチトキャパシタにより構成したので、回路を小型にすることができるとともに、高抵抗でありながら優れた温度特性を有する抵抗材を得ることができる。
【００５４】
請求項５記載の発明によれば、第２の抵抗回路素子をポリシリコン抵抗により構成したため、容易に高抵抗の抵抗材を得ることができるとともに、回路を小型にすることができる。
【００５５】
請求項６記載の発明によれば、第２の抵抗回路素子をスイッチトキャパシタにより構成したため、回路を小型にすることができるととともに、高抵抗でありながら優れた温度特性を有する抵抗材を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の電流電圧変換回路の基本回路構成を示した図である。
【図２】 本発明の第１実施形態に係る電流電圧変換回路を示した図である。
【図３】 本発明の第２実施形態に係る電流電圧変換回路を示した図である。
【図４】 本発明の第３実施形態に係る電流電圧変換回路を示した図である。
【図５】 本発明の第４実施形態に係る電流電圧変換回路を示した図である。
【図６】 本発明の第５実施形態に係る電流電圧変換回路を示した図である。
【図７】 従来の電流電圧変換回路を示した図である。
【符号の説明】
ＳＣ スイッチトキャパシタ
ＤＡ ダイオード
ＤＢ ダイオード
Ｒ１ ノンドープポリシリ抵抗
Ｒ２ ノンドープポリシリ抵抗
Ｖｒ 基準電圧源
ＯＰ 演算増幅器
Ｃｆ 帰還用のコンデンサ
Ｃ コンデンサ
Ｚ１ 第１の抵抗回路素子
Ｚ２ 第２の抵抗回路素子
１ 焦電素子
２ 電流電圧変換回路
２１ 電流電圧変換部
２２ ハイパスフィルタ
Claims (6)
- 赤外線を検出する焦電素子と、
前記焦電素子からの電流信号を電圧信号に変換すると共に、ローパスフィルタとしての特性を有する電流電圧変換部と、
前記電流電圧変換部に直列接続されたハイパスフィルタとを備え、
前記電流電圧変換部は、前記焦電素子に接続される演算増幅器と、前記演算増幅器の入出力間に接続された帰還用のコンデンサと、
前記コンデンサと並列接続された高抵抗を有する帰還用の第１の抵抗回路素子とを備え、
前記電流電圧変換部の遮断周波数を０．１Ｈｚに設定したことを特徴とする焦電型赤外線検出装置。 - 前記第１の抵抗回路素子は、ポリシリコンを抵抗材とするものであることを特徴とする請求項１記載の焦電型赤外線検出装置。
- 前記第１の抵抗回路素子は、互いに逆向きに並列接続されたダイオードにより構成されていることを特徴とする請求項１記載の焦電型赤外線検出装置。
- 前記第１の抵抗回路素子は、スイッチトキャパシタにより構成されていることを特徴とする請求項１記載の焦電型赤外線検出装置。
- 前記ハイパスフィルタは、高抵抗を有する第２の抵抗回路素子を有し、この第２の抵抗回路素子は、ポリシリコンを抵抗材とするものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の焦電型赤外線検出装置。
- 前記ハイパスフィルタは、高抵抗を有する第２の抵抗回路素子を有し、この第２の抵抗回路素子は、スイッチトキャパシタにより構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の焦電型赤外線検出装置。
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