JPH10318834A

JPH10318834A - 焦電型赤外線検出装置

Info

Publication number: JPH10318834A
Application number: JP9126109A
Authority: JP
Inventors: Toshio Fujimura; 俊夫藤村; Yuji Takada; 裕司高田; Shinji Sakamoto; 慎司坂本; Mitsuteru Hataya; 光輝畑谷
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1997-05-15
Filing date: 1997-05-15
Publication date: 1998-12-04
Anticipated expiration: 2017-05-15
Also published as: JP3472908B2

Abstract

(57)【要約】【課題】バンドパスフィルタ機能を有した電圧増幅回路
を、外付けコンデンサの数が少なくし、しかも静電容量
も小さくして小型化できる焦電型赤外線装置を提供す
る。【解決手段】焦電素子から出力される焦電電流を電圧信
号に変換し、電圧増幅回路で所定の周波数帯域の電圧信
号を増幅処理して、検知信号を出力するようにした赤外
線検出装置において、バンドパスフィルタ機能を有した
電圧増幅回路を不完全積分回路に、積分回路と反転増幅
回路とを付加接続して構成している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人体から輻射され
る赤外線エネルギーを検出し、人体の存在や移動の検知
を行なう焦電型赤外線検出装置の改良に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】この種の焦電型赤外線検出装置は、焦電
素子が熱線の変化を感知したときに、出力する焦電電流
を、電流電圧変換回路によって電圧信号に変換し、所定
の周波数帯域（人体検知の移動検知を目的する場合は、
１Ｈｚを中心とした帯域）の電圧信号のみを増幅し、こ
のようにして増幅された電圧信号を予め設定したしきい
値と比較判別して検知信号を出力する構成となってい
る。

【０００３】図１３は、従来より広く使用されている２
段アンプの電圧増幅回路を、ＦＥＴを用いた電流電圧変
換回路とともに示している。電流電圧変換回路１０１で
は、人体の移動時における熱線の変化を感知した焦電素
子Ｃｓから出力される微小の焦電電流（ｆＡオーダー）
を、高抵抗Ｒｇ、素子容量Ｃｓ、ＦＥＴの入力インピー
ダンスの合成インピーダンスで電圧に変換し、それをＦ
ＥＴのゲートで受けて、インピーダンス変換を行い、Ｆ
ＥＴのソースフォロア動作によりソース電圧を変化さ
せ、そのとき出力抵抗Ｒｏ’に生じる出力電圧を、演算
増幅器ＯＰ１’，ＯＰ２’を用いた２段アンプ（８０ｄ
Ｂ程度）により増幅するが、２段アンプを構成する演算
増幅器ＯＰ１’，ＯＰ２’に接続した抵抗ＲＬ，ＲＨ、
コンデンサＣＬ，ＣＨの値を選択することによって、人
体の移動に応じた周波帯域（１Ｈｚ付近）のバンドパス
フィルタを構成している。そして、、このような２段ア
ンプを構成する電圧増幅回路１００では、回路条件を簡
易にするため、１段目と２段目のアンプゲインも殆ど同
一になるように設計されている。なお、電圧増幅回路１
０２によって増幅された電圧信号は、上下のしきい値を
規定するため３つの抵抗Ｒ’によって生成される基準電
圧の加えられた２つの演算増幅器ＯＰ３’，ＯＰ３’を
組み合わせて構成されたウインドコンパレータに入力さ
れ、ここで上下のしきい値と比較判別された後、出力抵
抗Ｒｏを通じて検知信号が出力される構成になってい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】また、このような電圧
増幅回路では、バンドパスフィルタの低域側のカットオ
フ周波数は、演算増幅器ＯＰ１’，ＯＰ２’の反転入力
端子に直列に接続した抵抗ＲＬとコンデンサＣＬの静電
容量の積で定まり、ゲインを構成する抵抗ＲＨ，ＲＬに
も影響を与える。

【０００５】ところで、回路の小型化を図る場合、コン
デンサＣＨ，ＣＬとしては、静電容量が小さい程望まし
いが、抵抗ＲＨやＲＬの抵抗値は、素子の安定性、回路
の安定性を考慮すると、余り大きい抵抗値のものは採用
し得ず、そのため、従来の２段構成の電圧増幅回路で
は、１段あたり４０ｄＢのゲインを確保するために抵抗
ＲＨと抵抗ＲＬとは、１ＭΩ前後と１０ＫΩ前後の組合
わせが採用されている。したがって、かりに、抵抗ＲＬ
を１０ＫΩ前後に設定すると、その条件下で低域のカッ
トオフ周波数を１Ｈｚ以下にするためには、コンデンサ
ＣＬは数十μＦ程度の静電容量が必要とされ、そのた
め、コンデンサＣＬとしては小型のチップコンデンサが
使用できず、回路全体の小型化を図ることは困難とされ
ていた。

【０００６】すなわち、現在の回路技術では、コンデン
サの静電容量が数十μＦ程度になると、小型のチップコ
ンデンサは使用できず、大型のチップコンデンサや電解
型のコンデンサを使用しなければならない。また、後者
のような電解型コンデンサを使用する場合には、電解型
コンデンサに特有の特性、例えば漏れ電流が無視でき
ず、バラツキが多い上に温度変化に弱く、長期信頼性が
悪いなどの問題もあり、電圧増幅回路、それ自体の回路
特性のバラツキや信頼性の劣化にも大きく関係し、回路
の不動作や誤動作も誘発しやすいなどの問題があった。

【０００７】更に、図１３に示したように、ＦＥＴを用
いて電流電圧変換回路１０１を構成したものでは、高抵
抗Ｒｇで発生する熱雑音が大きくなるため、Ｓ／Ｎ比の
向上にも一定の限度があり、現状の回路では、これ以上
感度を上げることもできなかった。図１４は、図１３に
示された従来の焦電型赤外線検出装置の全体的な構造を
示すもので、回路基板２０１には、ＦＥＴによるインピ
ーダンス変換回路を組み込んだ焦電素子２００に、コン
デンサ、抵抗などの外付け電子部品２０２〜２０４を実
装し、焦電素子２００の上方にはマルチレンズ２０５を
装着した構造になっており、全体的に見れば、平面の回
路基板２０１の上に、多数の電子部品を実装した、縦、
横方向に広がった構造になっており、そのため形状も大
型化し、外来ノイズに弱い欠点があった。

【０００８】すなわち、従来構造は、焦電素子から出力
される微弱な焦電電流を、平面の回路基板上で引き回し
増幅する構造であるため、空間的に飛来するノイズ、例
えば、アマチュア無線、携帯電話などの電波ノイズ、モ
ータ、照明等のオン、オフスイッチ等でのノイズに対し
て誤動作しやすい。そこで、そのような問題を解決する
ため、ノイズ対策用のコンデンサ、インダクタタコイル
を接続付加するなどの方法が採用されているが、これが
ますます形状を大きくして、小型化、部品削減によるロ
ーコスト化を程遠いものにしている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、従来の焦電型
赤外線検出装置がこのような問題を有している点に鑑み
て開発されたものであり、特に、バンドパスフィルタ機
能を備えた電圧増幅回路を、不完全積分回路と、積分回
路とを組み合わせて構成することによって、外付けコン
デンサの必要個数を少なくするとともに、静電容量を小
さくできる構成として、回路全体の小型化を図るもので
ある。

【００１０】したがって、本発明は、カットオフ周波数
を１Ｈｚ付近に設定するためある程度容量の大きい外付
けコンデンサを使用しなければならなかった従来の電圧
増幅回路に代わる小型化の可能な電圧増幅回路を備えた
焦電型赤外線検出装置を提案することを目的としてい
る。本発明は、このような目的を達成するため提案さ
れ、請求項１において提案する焦電型赤外線検出装置
は、不完全積分回路に、積分回路と反転増幅回路とを接
続付加してバンドパスフィルタを構成している。

【００１１】請求項２において提案する焦電型赤外線検
出装置は、請求項１に記載の電圧増幅回路において、不
完全積分回路は、第１の演算増幅器に、コンデンサ、抵
抗を接続して構成され、積分回路は、第２の演算増幅器
にコンデンサ、抵抗を接続して構成され、反転増幅回路
は、第３の演算増幅器に抵抗を付加接続して構成され、
バンドパスフィルタの低域側のカットオフ周波数、高域
側のカットオフ周波数は、第１、第２、第３の演算増幅
器に接続されているコンデンサ、抵抗の値を選択するこ
とによって規定する構成としている。

【００１２】請求項３において提案する焦電型赤外線検
出装置は、請求項１，２のいずれかにおいて、電圧増幅
回路を構成する積分回路は、コンデンサとともに第２の
演算増幅器に接続付加される抵抗を高抵抗に構成するこ
とによって、その抵抗とともに低域側のカットオフ周波
数を規定するコンデンサの静電容量を小さく出来る構成
として、更に小型化を図っている。

【００１３】また、請求項４において提案する焦電型赤
外線検出装置は、請求項１〜３のいずれかにおいて、電
圧増幅回路を構成する積分回路は、コンデンサに代え
て、容量増幅回路を接続した構成として、実際に外付け
され、実装されるべきコンデンサの静電容量を一層小さ
いものにしている。また、請求項５において提案する焦
電型赤外線検出装置は、請求項３において、電圧増幅回
路の容量増幅回路の入力抵抗を高抵抗で構成するととも
に、積分回路の抵抗も高抵抗で構成することによって、
低域側のカットオフ周波数を規定するため積分回路に接
続付加されるコンデンサの静電容量を小さくして、コン
デンサの小型化を図っている。

【００１４】請求項６において提案する焦電型赤外線検
出装置は、請求項３，５において使用される高抵抗を、
ＩＣとして回路に一体化させて組み込み出来るノンドー
プポリシリ抵抗やトランジスタのオフ抵抗で構成するこ
とによって、回路全体を、よりＩＣ化し、１チップ化し
やすい構造にしている。さらに、請求項７，８において
提案する焦電型赤外線検出装置は、焦電素子からの焦電
電流を電圧信号に変換出力する電流電圧変換回路の構成
に特徴を有したものであり、帰還容量を付加した演算増
幅器によるインピーダンス変換を利用することによって
Ｓ／Ｎ比を著しく向上させ、低ノイズで感度の高い焦電
型赤外線検出装置を提供している。なお、請求項８で
は、帰還容量に固有な低域におけるインピーダンス変換
動作の不安定性を改善するため、帰還容量を付加した演
算増幅器には更に直流帰還回路を付加して、低域での動
作の安定性を図っている。

【００１５】請求項９，１０において提案する焦電型赤
外線検出装置は、電圧増幅回路の出力側、入力側のそれ
ぞれにハイパスフィルタを接続付加した構成として、バ
ンドパスフィルタで生じた低周波ノイズなどの影響も除
去でき、また、電圧増幅回路の電源投入時における立ち
上がり動作を迅速にする構成としている。更に請求項１
１，１２，１３において提案する焦電型赤外線検出装置
は、焦電素子を上面部に実装し、かつ、表立面と裏立面
には請求項１〜６の電圧増幅回路を含む電流電圧変換回
路、信号処理回路などの内部回路を構成する電子部品を
実装させた３次元回路ブロックを、上部に光学的フィル
タ窓を形成した筒状キャンに収容するとともに、筒状キ
ャンの上部には集光レンズを装着させた構造としてい
る。すなわち、電圧増幅回路を含む殆どの回路をＩＣ化
して１チップ化を図り、更に１チップ化された内部回路
を他の外付け部品とともに３次元回路ブロックに実装す
ることによって、赤外線検出装置から平面の回路基板を
なくし、小型化でかつ軽量化を図った構造を実現してい
る。また、このような構造では、回路基板を用いずに、
１チップ化した内部回路を３次元回路ブロックに実装
し、３次元ブロックの全体を筒状キャンの内部に収容し
ているので、信号の引き回しが短く、しかも３次元回路
ブロックの全体を筒状キャンに収容しているので外部ノ
イズに対するシールド効果も高い。

【００１６】請求項１２，１３は、請求項１１の基本構
成に加えて、内部回路に含まれる電圧増幅回路の出力
側、入力側にハイパスフィルタを接続付加した構成にす
ることによって、より一層、低周波数ノイズに強くて小
型化の可能な焦電型赤外線検出装置を提案している。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に添付図を参照して、本発明
の一実施例を説明する。図１〜図３は、請求項１，２に
記載された本発明の要部をなす電圧増幅回路の一実施例
を示す内部回路のブロック図である。焦電型赤外線検出
装置の全体構成は、図１に見るように、熱線の変化を検
知した焦電素子Ｃｓから出力される焦電電流を電圧信号
に変換するため、Ｉ／Ｖ変換ブロックを電流電圧変換回
路Ｂとして設けており、この電流電圧変換回路Ｂから出
力された電圧信号を、更に電圧増幅回路Ａに入力して、
人体の移動検知に必要な所定の周波数帯域の電圧信号を
増幅処理した後、出力回路Ｃから出力される検知信号を
用いて必要な制御がなされるようになっている。

【００１８】ここに、電圧増幅回路Ａは、演算増幅器Ｏ
Ｐ１に、コンデンサＣ１と抵抗Ｒ１、Ｒ２とを外付け接
続して構成された不完全積分回路１に、積分回路２と反
転増幅回路３とを付加接続した構成となっており、積分
回路２は非反転入力端子に基準電圧Ｖｒｅｆを印加させ
た演算増幅器ＯＰ２にコンデンサＣ２と抵抗Ｒ３とを接
続して構成され、反転増幅回路３は非反転入力端子に基
準電圧Ｖｒｅｆを印加させた演算増幅器ＯＰ３に抵抗Ｒ
４，Ｒ５を接続して構成されている。

【００１９】ところで、このような構成の電圧増幅回路
Ａでは、その電圧増幅度は、不完全積分回路１を構成す
る抵抗Ｒ１とＲ２の比で定まり、Ｒ２／Ｒ１となる。ま
た、このような電圧増幅回路Ａは、バンドパスフィルタ
としての機能も有しており、高域側のカットオフ周波数
ｆｃ１は、ローパスフィルタを構成することになる不完
全積分回路１、つまり演算増幅器ＯＰ１の出力端子と反
転入力端子との間に並列に接続されたコンデンサＣ１の
静電容量と抵抗Ｒ２の抵抗値との積によって定まり、ｆｃ１＝１／（２・π・Ｒ２・Ｃ１）・・・（１）で定められる。一方、低域側のカットオフ周波数ｆｃ２
は、フィードバック回路全体で計算すると、ＶO＝Ｒ２／Ｒ１（ＶB−Ｖi）・・・（２）ＶB＝Ｒ５／Ｒ４ＶA ・・・（３）ＶA＝１／（Ｒ３・Ｃ２ｓ）・Ｖo ・・・（４）これらの（２）〜（４）からゲイン（ＶO／Ｖi）を求め
ると、

【００２０】

【数１】

【００２１】ここに、ｓ＝ｊωであるから、

【００２２】

【数２】

【００２３】カットオフ周波数ｆｃ２はゲインが３ｄＢ
低下する周波数であるので、

【００２４】

【数３】

【００２５】となる。以上より、ｆｃ２＝（Ｒ２・Ｒ５）／（２π・Ｒ１・Ｒ３・Ｒ４・Ｃ２）・・・（５）で定められる。したがって、今、回路設計を行う際に、
Ｃ１＝０．１μＦ、Ｃ２＝２２μＦ、Ｒ１＝１００Ω、
Ｒ２＝１ＭΩ、Ｒ３＝１０ＭΩ、Ｒ４＝１ＭΩ、Ｒ５＝
１００ＫΩの値を選択すれば、Ｒ２／Ｒ１＝１Ｍ／１００＝１０，０００ｆｃ１＝１／（２π・１Ｍ・０．１μ）＝１．５９（Ｈｚ）ｆｃ２＝（１Ｍ・１００Ｋ）／（２π・１００・１０Ｍ
・１Ｍ・２２μ）＝０．７２３（Ｈｚ）となる。したがって、以上のような回路設計をすれば、１段構成
で１０，０００倍の電圧増幅度が得られ、しかも人体の
移動検知に最適な１Ｈｚ付近の信号を増幅するバンドパ
スフィルタとして構成できることが分かる。

【００２６】また、このような電圧増幅回路を、図１３
に示した従来の電圧増幅回路と比較すれば、４つのコン
デンサが必要であったものが２つに削減できるので、部
品点数を削減して低コスト化が図れる。また、一般に、
コンデンサの静電容量は０．１μＦを越えると、現在の
技術では、小型のチップコンデンサで構成し難くいが、
抵抗Ｒ３に高抵抗を用いれば、積分回路２のコンデンサ
Ｃ２として数＋μＦオーダーのものを用いることなく、
小型のチップコデンサを用いて同じ周波数特性の回路が
構成できる（請求項３）。

【００２７】例えば、Ｒ３＝２．２ＧΩの高抵抗を使用
すれば、Ｃ２＝０．１μＦのコンデンサを使用すればよ
く、この場合、低域側のカットオフ周波数ｆｃ２は、ｆ
ｃ２＝（１Ｍ・１００Ｋ）／（２π・１００・２．２Ｇ
・１Ｍ・０．１μ）＝０．７２３（Ｈｚ）となり、人体
検知に必要な範囲に決定できる。抵抗Ｒ３としては、拡
散抵抗やポリシリ抵抗ではなく、ノンドープポリシリ抵
抗、トランジスタのオフ抵抗などの高抵抗を用いれば、
ＩＣ化した回路に容易に組み込みできる（請求項６）。
また、この場合、コンデンサＣ２の値を０．１μＦ以下
に選択できるので、積分回路２のコンデンサの静電容量
も小さくでき、低域側のカットオフ周波数を同じにし
て、回路全体としての小型化、低コスト化が図れる。

【００２８】図２は、電圧増幅回路Ａに加えて、電流電
圧変換回路Ｂ、出力回路Ｃの詳細な回路構成を組み込ん
だブロック図を示している。電流電圧変換回路Ｂは、焦
電素子Ｃｓから出力される微小な焦電電流（数ｆＡ程
度）を、非反転入力端子に基準電圧Ｖｒｅｆを入力さ
せ、帰還容量Ｃ３を付加した演算増幅器ＯＰ６に入力さ
せる構成としており、帰還容量Ｃ３のインピーダンス変
換によって、微小な焦電電流を電圧信号（数μＶ程度）
に変換している。この図２では、演算増幅器ＯＰ６に
は、別の演算増幅器ＯＰ７にコンデンサＣ４と抵抗Ｒ６
を付加した積分回路を、直流帰還回路として付加接続し
た構成にして、低周波の信号に対して動作が安定になる
コンデンサのインピーダンス特性を改善している（請求
項７，８）。

【００２９】この電流電圧変換回路Ｂは、既に特願平９
−９１０４７号〜特願平９−９１０４９号などにおい
て、本出願人によって提案したものであるが、ＦＥＴバ
ッファを用いた従来の電流電圧変換回路において支配的
な要因とされた熱雑音の影響を少なくして、Ｓ／Ｎ比を
著しく改善し、低ノイズ化とともに感度を向上させるも
のである。その回路の詳細な構成、原理、利点について
は前述の先願発明を参照されたい。

【００３０】一方の出力回路Ｃは、電圧増幅回路Ａによ
って所定レベルまで増幅された電圧信号（アナログ信
号）を、２つの演算増幅器ＯＰ４，ＯＰ５を用いて構成
されたウインドコンパレータ４で波形成形して、検知信
号を出力させる構成となっており、電圧増幅回路Ａから
出力される電圧信号は、ウインドコンパレータ４によっ
て上、下２つのしきい値と比較判別され、上、下いずれ
かのしきい値を越えたときには、その出力信号はゲート
回路４１を介してレベルシフト回路４２に入力され、Ｐ
ＭＯＳトランジスタ４３を駆動することよって、出力抵
抗Ｒｏから所定レベルの検知信号を出力する構成として
いる。なお、Ｄは赤外線検出装置の電源回路である。

【００３１】図３は、本発明の焦電型赤外線検出装置の
基本構成を示した図である。太線Ｅで囲んだ部分が、内
部回路であり、焦電素子Ｃｓ、外付けコンデンサ以外の
電子部品は１チップとしてＩＣ化され、後述する３次元
回路ブロックに実装される。Ａは前述の電圧増幅回路
部、Ｂは演算増幅に付加接続したコンデンサＣ３のイン
ピーダンス特性を利用して、焦電素子Ｃｓより出力され
た焦電電流を電圧信号に変換出力するＩ／Ｖ変換ブロッ
クを構成する電流電圧回路、Ｃは出力回路、Ｄは電源回
路を示している。なお、Ｃ１，Ｃ２は前述した電圧増幅
回路の一部を構成するため、外付けされるコンデンサ、
Ｃ４は電流電圧変換回路Ｂの一部を構成するため外付け
されるコンデンサ、Ｃ５，Ｃ６は外部電源、及び内部電
源に付設された外付けコンデンサであり、これらは比較
的、静電容量が大きくなるために、１チップ化された内
部回路Ｅに外付け部品として付加接続されている。

【００３２】本発明によれば、この図に示したように、
焦電素子Ｃｓ、外付けコンデンサＣ１，Ｃ２・・・など
の一部の電子部品を除いて、その殆どがＩＣ化され、１
チップＥ内に実装出来るため、焦電型赤外線装置が一層
小型化でき、低コスト化も実現できた。なお、内部回路
ＥをＩＣ化して１チップとして構成する際、この図で
は、電流電圧変換回路Ｂは、演算増幅に付加したコンデ
ンサのインピーダンス特性を利用して電圧信号に変換出
力するものを採用しているが、ＦＥＴバッファを用いた
従来の電流電圧変換回路を用いてもよい。電圧増幅回路
Ａを図１や図２に示した構成にする限り、内部回路Ｅを
１チップ化したり、ＩＣ化する際の妨げにはならない。

【００３３】図４、図５は、電圧増幅回路の他例を示し
ている。この図では、不完全積分回路１に付加される積
分回路２は、コンデンサに代えて、容量増幅回路５を用
いており、これによって、必要なコンデンサの静電容量
を更に小さくして、一層の小型化を図っている。容量増
幅回路５は、例えば図５に示すように、演算増幅器ＯＰ
８に抵抗Ｒ６，Ｒ７、コンデンサＣ３を用いて構成で
き、この回路では、演算増幅器ＯＰ８はバッファを構成
しているため、反転入力端子の電位と出力端子の電位は
同電位となる。

【００３４】したがって、不完全積分回路１を構成する
演算増幅器ＯＰ１の出力から抵抗Ｒ３を介して流れ込む
電流Ｉは、抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ７の比で分割され、抵抗Ｒ
７に流れる電流Ｉ２は、Ｉ２＝（Ｒ６／（Ｒ６＋Ｒ
７））・Ｉとなり、この電流Ｉ２で演算増幅器ＯＰ２’
の出力端子に接続したコンデンサＣ３が充電されること
になる。

【００３５】したがって、容量増幅回路５のａ点から見
た等価容量Ｃａとすると、Ｃ・Ｖ＝Ｉ・ｔより、Ｃａ＝（Ｉ・ｔ）／Ｖ＝（（Ｒ６＋Ｒ７）／Ｒ６）・Ｉ２）／Ｖ＝（（Ｒ６＋Ｒ７）／Ｒ６）・Ｃ３となり、更に、Ｒ６＜＜Ｒ７の条件では、Ｃａ＝（Ｒ７／Ｒ６）・Ｃ３となる。

【００３６】ここで、回路設計条件として、Ｒ６＝１ＫΩ、Ｒ７＝２．２ＭΩ、Ｃ３＝０．１μＦを選択すれば、＝（２．２Ｍ／１Ｋ）・０．１μ ＝２２０（μＦ）となる。すなわち、容量増幅回路５では、その内部のコンデンサ
Ｃ３は、見かけ上、Ｒ７／Ｒ６倍となるので、必要な静
電容量も小さくでき、電圧増幅回路を一層、小型、ＩＣ
化することが出来る。また、このような方法では、後述
するように高抵抗を使用して時定数を決定しなくても、
コンデンサの静電容量を小さくできるため、高抵抗を用
いたときに生じがちなバラツキや温度特性の変化も受け
にくい安定した電圧増幅回路が実現する。また、このよ
うな容量増幅回路５を用いたものでは、回路の設計条件
も簡略化できる利点がある（請求項４）。

【００３７】一方、このような容量増幅回路５を構成す
る場合、積分回路２の抵抗Ｒ３と、容量増幅回路５の抵
抗６に高抵抗を用いてもよく、このようにすれば高抵抗
による温度特性変化やバラツキを打ち消すことができる
ため、バンドパスフィルタとして温度特性変化の小さい
電圧増幅回路が構成できる（請求項５）。この場合の回
路設計条件を考察して見ると、Ｃ１＝０．１μＦ、Ｃ３
＝０．１μＦ、Ｒ１＝１００Ω、Ｒ２＝１ＭΩ、Ｒ３＝
１ＴΩ、Ｒ４＝１ＭΩ、Ｒ５＝１００ＫΩ、Ｒ６＝１Ｇ
Ω、Ｒ７＝２．２ＭΩの値を選択すれば、容量増幅回路
５における等価容量Ｃａは、Ｃａ＝（２．２Ｍ／１Ｇ）・０．１μ ＝２２０（ｐＦ）となる。

【００３８】一方、低域側のカットオフ周波数ｆｃ２
は、ｆｃ２＝（１Ｍ・１００Ｋ）／（２π・１００・１
Ｔ・１Ｍ・２２０ｐ）＝０．７２３（Ｈｚ）となり、高
抵抗による温度特性変化やバラツキを打ち消すことがで
き、バンドパスフィルタとして温度特性変化の小さい電
圧増幅回路が実現する。

【００３９】図６は、電圧増幅回路Ａの出力側にハイパ
スフィルタＦを接続付加した内部回路の基本構成を示し
たブロック図を示している（請求項９）。図７，図８
は、電圧増幅回路の温度変化時における周波数特性のシ
ュミレーション結果を示すグラフである。図７は高抵抗
を用いた場合、図８はハイパスフィルタを設けた場合の
周波数特性のシュミレーション結果を示すグラフであ
る。

【００４０】コンデンサＣｈ、抵抗Ｒｈとして、Ｃｈ＝
０．１μＦ、Ｒｈ＝２．２Ｍを選択すると、この場合、
低域側のカットオフ周波数ｆｃ３は、ｆｃ３＝１／（２π・Ｃｈ・Ｒｈ）＝１／（２π・０．１μ・２．２Ｍ）＝０．７２３（Ｈｚ）となる。図７と図８のグラフの比較で分かるように、高抵抗を用
いた電圧増幅回路では、温度変化が生じる（温度が低く
なる）と、そのピーク値が低域側に延びているが、ハイ
パスフィルタＦを設けた電圧増幅回路では、温度変化
（温度が低くなる）が生じても、ピーク値がそれほど低
域側に延びずに安定しており、電流電圧変換回路Ｂと電
圧増幅回路Ａで発生する低周波ノイズを除去して、より
ノイズ特性が改善されていることが分かる。

【００４１】また、電圧増幅回路Ｂと出力回路Ｃとの間
にハイパスフィルタＦを挿入しているので、高抵抗を用
いた場合にも、温度特性変化を小さくできるばかりでな
く、電圧増幅回路Ａで発生した低周波ノイズも除去でき
る。図９は、電圧増幅回路Ａの入力側にハイパスフィル
タＦを接続付加した内部回路の基本構成を示したブロッ
ク図を示している（請求項１０）。このような構成で
は、電流電圧変換回路Ｂと電圧増幅回路Ａはハイパスフ
ィルタＦによって直流的に分離されることになる。した
がって、電圧増幅回路Ａの起動時は、電流電圧変換回路
Ｂの動作が安定しなくても、電源回路Ｄから供給される
基準電圧によって立上がらせることができるので、立ち
上がり時間を速く出来る。また、このような構成のもの
では、電流電圧変換回路Ｂに高抵抗を用いた構成であっ
ても、その高抵抗によって発生する熱雑音の影響も少な
くでき、やはり温度特性変化を小さくできる。

【００４２】最後に、請求項１１において提案した焦電
型赤外線検出装置の一実施例について説明する。この焦
電型赤外線検出装置は、図１０に示したように、３次元
回路ブロック４０を実装し、３本のリードを突設したベ
ース４５に、光学的フィルタ窓４７ａを上部に形成した
導電素材で形成された筒状のキャン４７が被せられ、更
にその上方より赤外線を集光させるためのマルチレンズ
４８が装着される縦長筒体構造をなしている。

【００４３】図１１、図１２は、３次元回路ブロック４
０の詳細構造を示すブロックの表立面と裏立面を示して
おり、ブロック４０の本体部は、ワンショットあるいは
二色成形されたＭＩＤ基板として構成されており、その
表立面に形成された導電パターン４２には、前述した電
圧増幅回路Ａ、電流電圧回路Ｂ、出力回路ＣなどのＩＣ
化された回路部が実装された内部回路Ｅが１チップの回
路部品として実装され、ブロック４０の上部には焦電素
子４３が橋渡しされるように実装されている。一方の裏
立面には、前述した電圧増幅回路Ａ、電流電圧回路Ｂ、
出力回路Ｃ、電源回路Ｄなどに外付けされるコンデンサ
などの外付部品が４４が実装されている。このような構
造によれば、外付けとなる電子部品以外の回路は、１チ
ップ化された内部回路Ｅに実装されているので、平面の
回路基板に、焦電素子や電子部品を実装していた従来構
造のものに比べて著しく小型化ができる。また、このよ
うな構造では、焦電素子から出力される微弱な焦電電流
を引き回し、増幅するための回路上の距離も従来構造に
比べて著しく短くなり、しかも内部回路を実装した３次
元回路ブロックも筒状キャンの内部に収容されるので外
来ノイズに対するシールド効果も高い。そのため、ノイ
ズ対策のためのコンデンサやインダクタコイルも不要と
なるので、一層小型でかつ耐ノイズ特性が良好で、低コ
スト化の図れる焦電型赤外線検出装置が提供できる。ま
た、筒体キャンに収容された電子部品として取り扱うこ
とも出来るので、他の装置、機器に実装する際の取扱も
容易になるなど、種々の利点がある。

【００４４】

【発明の効果】本発明の赤外線検出装置によれば、次の
ような効果がある。請求項１，２において提案した赤外
線検出装置によれば、電圧増幅回路を、不完全積分回
路、積分回路、反転増幅器を組み合わせて構成している
ので、従来の２段増幅回路に比べて、必要なコンデンサ
の個数が軽減されるとともに、コンデンサの静電容量も
小さくできる。このため、焦電素子と数個のコンデンサ
以外は、全てワンチップのＩＣ内に集積でき、小型化、
低コスト化を図ることができる。また、小型化を図るた
め従来より多用されていた電解型コンデンサを用いる必
要がなく、小型のセラミックコンデンサなどを用いて構
成できるため、電解型コンンデサの持つバラツキや、漏
れ電流などの悪影響を受けずに、信頼性の優れた焦電型
赤外線検出装置が実現する。

【００４５】請求項３において提案した赤外線検出装置
によれば、コンデンサとともに高域側のカットオフ周波
数を規定する電圧増幅回路の積分回路の抵抗を高抵抗で
構成しているので、積分回路のコンデンサの静電容量が
小さく出来、小型化できる。請求項４において提案した
赤外線検出装置によれば、電圧増幅回路を構成する積分
回路にはコンデンサを接続せずに、容量増幅回路を接続
した構成としているので、請求項１の効果に加えて、必
要な外付けコンデンサの静電容量を一層小さくして小型
化が出来る。また、このような容量増幅回路を用いたも
のでは、温度特性が悪く、バラツキの大きい高抵抗を積
分回路に付加接続することなく、抵抗も小さくできるの
で、温度変化によるフィルタの特性に悪影響を与えるこ
ともない。

【００４６】請求項５において提案した赤外線検出装置
によれば、容量増幅回路と積分回路に接続された抵抗
を、高抵抗で構成しているので、高抵抗を使用する場合
も、高抵抗同士による温度特性とバラツキを打ち消すこ
とができるため、温度特性変化の小さいバンドパスフィ
ルタを構成できる。請求項６において提案した赤外線検
出装置によれば、高抵抗をＩＣ回路に組み込んで形成で
きるので、内部回路のＩＣ化、１チップ化がより容易に
出来る焦電型赤外線検出装置が得られ、回路実装時にお
ける作業性も向上する。

【００４７】請求項７，８において提案した焦電型赤外
線検出装置によれば、電流電圧変換回路を、帰還容量を
付加した演算増幅器によるインピーダンス変換を利用す
る構成としているので、Ｓ／Ｎ比が著しく向上でき、低
ノイズで感度の高い焦電型赤外線検出装置が実現する。
特に、請求項８では、帰還容量を付加した演算増幅器に
は更に直流帰還回路を接続付加しているので、帰還容量
に固有な低域におけるインピーダンス変換動作の不安定
性も改善される。

【００４８】請求項９、１０において提案した赤外線検
出装置によれば、電圧増幅回路の出力、入力側にハイパ
スフィルタを設けているので、回路部品に高抵抗を用い
た場合も高抵抗により発生する温度特性変化を小さくす
ることができる。また、電圧増幅回路の出力側にハイパ
スフィルタを設けたものでは、電圧増幅回路で発生する
低周波ノイズもカットでき、よりノイズ特性の良い回路
となる。一方、電圧増幅回路の入力側にハイパスフィル
タを設けたものでは、電流電圧変換回路の動作が安定し
なくても、電圧増幅回路を迅速に立ち上がらせることが
出来るので、動作が迅速になる。

【００４９】請求項１１〜１３において提案した赤外線
検出装置によれば、平面の回路基板を用いずに、電圧増
幅回路を含む回路部をＩＣ化し、１チップ化した部品を
３次元回路ブロックに実装し、フィルタ窓を形成した筒
状キャン内に収容させ、上から集光レンズを装着させた
構造としているので、より一層小型化で、取扱も容易と
なる。また、このような構造のものでは、焦電素子から
出力される焦電電流の回路上での引き回し距離が短くな
る上に、内部回路を１チップ化して実装した３次元回路
ブロックの全体を筒状キャンに収容して、シールドして
いるため、外来ノイズに対して、一層強い焦電型赤外線
検出装置が実現する。

【００５０】更に、請求項１２，１３において提案した
赤外線検出装置によれば、より一層小型化で、取扱が容
易で、しかも外来ノイズや内部で発生する低周波数ノイ
ズに対して強い焦電型赤外線検出装置が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】電圧増幅回路の詳細を示した本発明の焦電素子
型赤外線検出装置のブロック図。

【図２】本発明の焦電素子型赤外線検出装置の詳細な構
成を示したブロック図。

【図３】１チップにＩＣ化された本発明の焦電素子型赤
外線検出装置の構成を示すブロック図。

【図４】容量増幅回路を用いて構成した電圧増幅回路の
他例を示した本発明の焦電素子型赤外線検出装置のブロ
ック図

【図５】図４の電圧増幅回路をより詳細に示す本発明の
焦電素子型赤外線検出装置のブロック図。

【図６】電圧増幅回路の出力側にハイパスフィルタを設
けた本発明の焦電素子型赤外線検出装置のブロック図。

【図７】電圧増幅回路の周波数特性をシミュレーション
した結果を示すグラフ。

【図８】電圧増幅回路の周波数特性をシミュレーション
した結果を示すグラフ。

【図９】電圧増幅回路の入力側にハイパスフィルタを設
けた本発明の焦電素子型赤外線検出装置のブロック図。

【図１０】ＩＣ化された内部回路を、３次元回路ブロッ
クに実装して構成した焦電素子型赤外線検出装置の構造
を示す分解斜視図。

【図１１】３次元回路ブロックの表立面を示す図。

【図１２】３次元回路ブロックの裏立面を示す図。

【図１３】２段増幅の電圧回路を組み込んだ従来の焦電
素子型赤外線検出装置の基本回路の構成を示すブロック
図。

【図１４】回路基板上に焦電素子、その他の電子部品を
実装して構成される従来の焦電素子型赤外線検出装置の
構造を示す図。

【符号の説明】

Ａ・・・電圧増幅回路Ｂ・・・電流電圧変換回路Ｃ・・・出力回路Ｄ・・・電源回路Ｅ・・・チップ化された内部回路１・・・不完全積分回路２・・・積分回路３・・・反転増幅回路４・・・ウインドコンパレータ５・・・容量増幅回路ＯＰ１〜ＯＰ８・・・演算増幅器Ｃ１〜Ｃ５・・・コンデンサＲ１〜Ｒ８・・・抵抗Ｃｓ・・・焦電素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者畑谷光輝大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】焦電素子から出力される焦電電流を電圧信
号に変換し、電圧増幅回路で所定の周波数帯域の電圧信
号を増幅処理して、検知信号を出力するようにした赤外
線検出装置において、上記電圧増幅回路は、不完全積分回路に、積分回路と反
転増幅回路とを接続付加したバンドパスフィルタを構成
していることを特徴としている焦電型赤外線検出装置。
【請求項２】請求項１において、上記不完全積分回路は、第１の演算増幅器に、コンデン
サ、抵抗を接続して構成され、上記積分回路は、第２の演算増幅器にコンデンサ、抵抗
を接続して構成され、上記反転増幅回路は、第３の演算増幅器に抵抗を接続し
て構成されており、低域側のカットオフ周波数、高域側のカットオフ周波数
を、上記第１、第２、第３の演算増幅器に接続されてい
るコンデンサの静電容量、抵抗の抵抗値を選択すること
によって規定される構成としている焦電型赤外線検出装
置。
【請求項３】請求項１，２のいずれかにおいて、上記電圧増幅回路を構成する積分回路は、高抵抗を接続
して構成していることを特徴とする焦電型赤外線検出装
置。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかにおいて、上記電圧増幅回路を構成する積分回路は、コンデンサに
代えて、容量増幅回路で構成されていることを特徴とす
る焦電型赤外線検出装置。
【請求項５】請求項３において、上記容量増幅回路の入力抵抗を更に高抵抗で構成し、か
つ上記積分回路に高抵抗を接続していることを特徴とす
る焦電型赤外線検出装置。
【請求項６】請求項３，５のいずれかにおいて、上記高抵抗が、ノンドープポリシリ抵抗あるいはトラン
ジスタのオフ抵抗で構成されていることを特徴とする焦
電型赤外線検出装置。
【請求項７】請求項１〜６のいずれかにおいて、焦電素子からの焦電電流を電圧信号に変換出力する電流
電圧変換回路を、帰還容量を付加した演算増幅器で構成
としていることを特徴とする焦電型赤外線検出装置。
【請求項８】請求項７において、上記電流電圧変換回路の演算増幅器は、直流帰還回路を
更に付加した構成としている焦電型赤外線検出装置。
【請求項９】請求項１〜８のいずれかにおいて、上記電圧増幅回路の出力側にハイパスフィルタを接続付
加していることを特徴とする焦電型赤外線検出装置。
【請求項１０】請求項１〜８のいずれかにおいて、上記電圧増幅回路の入力側にハイパスフィルタを接続付
加していることを特徴とする焦電型赤外線検出装置。
【請求項１１】上部には焦電素子を実装し、かつ、表立
面と裏立面には、請求項１〜６の電圧増幅回路を含む内
部回路を構成するための電子部品を実装させた３次元回
路ブロックを、上部に光学的フィルタ窓を形成した筒状
キャンに収容するとともに、該筒状キャンの光学的フィ
ルタ窓には集光レンズを装着させた構造とした焦電型赤
外線検出装置。
【請求項１２】請求項１１において、上記３次元回路ブロックに実装される内部回路には、請
求項１〜８に記載された電圧増幅回路と、その出力側に
接続付加されるハイパスフィルタとを含んだ構造として
いることを特徴とする焦電型赤外線検出装置。
【請求項１３】請求項１１において、上記３次元回路ブロックに実装される内部回路には、請
求項１〜８に記載された電圧増幅回路と、その入力側に
接続付加されるハイパスフィルタとを含んだ構造として
いることを特徴とする焦電型赤外線検出装置。