JPS6018730A - 焦電型検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は感度つまり比検出率を向トさせるとともに、
耐Ｉ′Ａ％境特１１Ｉの改善を図った焦電型検出器に関
するしのである。

良く知られているように、焦電型検出器の感度（Ｒｖ）
は次式（１）で表わされている。

η：放ＩＪ率 λ：焦雷係数（ｄｐｓ／ｄＰＴ） ω：チーｌツバ角周波数 Ａ：受光面積 Ｒ：合成抵抗 Ｇ：熱拡散定数 τＥ：雷気１１．１定数 τＴ：熱時定数 Ｃ：容量 ｔ：素子の厚み ＣＰ：熱容量 アメリカ特許３，８３９，６４０、イギリス特許１，４
４７，３７２に示されている、Ｊこうに、一枚の焦電体
基板に２個の受光電極部が直列にかつ逆極性に電気接続
された、いわゆる２素子直列逆極性接続型のものｔ：Ｌ
人体移動検知用として広く利用されており、したがって
低周波で大ぎな感度をもつものが好ましいとされている
。

第１図、第２図はこの２素子直列逆極性接続型の焦電型
検出器の概略図である。

図においＴ、１はＰｂ　（Ｚｒ、Ｔ　ｉ　＞０３系磁器
、ＰｂＴｉＯ３系磁器、３ｒＢａＮｂなどの材わ１から
なる焦電体基板を示し、−面には受光側の電極２ａ、２
ｂ、細面には電極３ａ、　３ｂが電極２ａ、　２ｂに対
向して形成されており、第１図に示したものは電極２ａ
、２ｂの上に赤外線吸収膜５．６が形成され、第２図に
示したものも同様に電極２ａ、　２ｂの１−に赤外線吸
収膜５．６が形成されている。そして第１図に示したも
のは電極２ａと電極２ｈとは導体４で連結されており、
第２図に示したものは電極３ａと電極３ｂとは導体４で
連結されている。焦電体基板１０分極軸はそれぞれ矢印
方向にある。７はＦＥＴを示し、このＦＦＴ　７のゲー
ト８は、第１図に示したものでは、電極３ａに接続され
、電極３ｂはアース端子９に接続されている。また第２
図に示したものでは、ＦＥＴ７のゲート８は電極２ａに
接続され、電極２１）はアース※１１：子９に接続され
ている。

１０はド１ツイン、１１はソースを示す。

ドレイン１０から直流電圧を印加しておき、電極２ａ、
　２ｂに片方かあるいは各電極２ａ、　２ｂに順次放射
エネルギーが入って青用温度ど焦電体基板１との間に温
疫変化が牛じるど、焦電体基板１に魚雷効果により電荷
が瞬時に発ηし、電極３と電極４の間に接続された抵抗
ＲＱ、焦電体基板１の抵抗、およびＦＥＴ　７の入力抵
抗の合成抵抗に電流が流れこの合成抵抗に応じた電圧が
発生する。この電圧はＦＥＴ　７のソース・フォロワ回
路によりインピーダンス変換され、抵抗ｐ　３０両端の
電圧変化として直流バイアス電圧に重畳して交流出力信
号がソース１１から出力される。

第１図の例によれば、電１Φ３ａはゲー１−８に対して
マイナス（−）の極１！１に４【す、電極３ａに対応す
る電極２ａはプラス（十）の極性、導体４で電極２ａと
連結された′電極２　ｔ＋　ＬＸマイナス（−）の極性
、電極２ｂに対応する電極３ｂはプラス（＋）の極性に
なっている。

また第２図の例によれば、電極２ａはゲート８に対して
マイナス（−）の極性になり、電極２ａに対応する電極
３ａはプラス（＋）の極性、導体４で電極３ａと連結さ
れた電極３１）はマイナス（−）の極性、電極３ｂに対
応する電極２ｂはプラス（＋）の極性になっている。

いま、上記した（１）式において、ωτＦ＞）１、ωτ
■シ１のとき、次のく２）式が成り立つ。

ε０：真空の誘電率 εｒ：比誘電率 したがって、焦電体基板１の材料としては比誘、電率（
εｒ）の小さいものが好ましい。しかしながら焦電体基
板１の材料として示したＰｂ　（Ｔｉ、Ｚｒ）０３系磁
器、ｐｂ　Ｔｉ　０３系磁器、５ｒＢａＮｂは比誘電率
（εｒ）が２００以上と大きく、材料の観点から感度（
Ｒｖ　’）を向上させることば難しい。

また（２）式の６式よりＣは小さいほうがよく、ざらに
焦電型検出器は熱変換タイプであるのでＣｐ、ｔを小さ
くしなければならない。しかしながら、特性上εｒ　、
Ａ、ｔを変えることに制約があり、容量Ｃを小さくする
設計を考慮する必要がある。

第１図、第２図に示したものは２素子直列逆極性接続型
であることから、ゲート８とアース９間の容量Ｃは１素
子型、つまり焦電体基板の両面に一対の対向電極を形成
したものにくらべ１／２になるが、容ｆｆ１（Ｃ）が依
然どして大きいこと、焦電流によるチャージが長ずきる
こと、すなわち電圧として十分な出力が取り出せないこ
となどの点で問題を有している。

また、電極形成の過程で２素子間の容量にバラツキが生
じたり、あるいは赤外線吸収膜の形成工程で厚みにバラ
ツキが牛じるなどの原因で２素子間に感度差が生じる。

そのため、 （１）太陽光などの外乱光を２素子で十分にキヤンレル
できない。

（２）振動ノイズを２素子で十分にキャンセルできない
。

（３）周囲温度の変動により発生する電荷を２素子で十
分にキャンセルできない。

など、本来直列逆極性接続型の焦電型検出器の特徴が十
分に生かされていない。

したがって、この発明は容量を小さくすることにＪ：っ
て感度つまり比検出率を向上さけた焦電型検出器を提供
することを目的とする。

また、この発明は機械的１辰動特性や周囲温度変動に対
する雑音特性などの耐環境特性を改善した焦電型検出器
を提供することを目的とする。

このような目的を達成するこの発明の要旨とするところ
は次のとおりである。すなわち、焦電体基板と、 この焦電体基板の分極軸が対向電極面と垂直になるよう
に焦電体基板の両面に形成された対向電極とを含み、 前記対向電極は少なくとも４個以上でかつ偶数個形成さ
れた６受）１１市極部を構成しており、奇数番目の受）
１′、電極部を一方の受光電極部群に、偶数Ｍ　＋］の
受光電極部を使方の受光電極部群に２分割し、 奇数番１１の受）１−１け１４ｉ部群の各受光電極部と
偶数番口の受光電極部群の各受光電極部とを交互にかつ
直列に電気接続し、 一方の受光電極部１１１′と使方の受光電極部群とを逆
極ｆ＋に４「るよ・）に電気接続したことを特徴とする
焦電型検出器で７％る。

以Ｔ、この発明を実Ｍｌｉ例にもとづいて詳細に説明す
る。

第３図・〜・第（１図はこの発明にががる焦電４１′１
検出器の一実施例を示したものである。第３図（ａ）は
焦電型検出器に相、７ノ込まれる焦電素子ユニットの斜
視図、第３図（１））は第３図（ａ　）の■−ｒ線断面
図、第４図、第５図は焦電型検出器の回路例、第６図は
焦電索子コーニツトを組み込んだ状態の焦電型検出器の
断面図である。

図において、１０１は焦電体基板を示し、この焦電体基
板１０１の一面には対向電極１１１．１１４．１１５、
および１１８が形成され、また他面には対向電極１１２
．１１３．１１６および１１７が形成されている。

各対向型＠１１１〜１１８はほぼ三角形状をなしている
。各対向電極１１１〜１１８のうち、対向電極１１１ど
対向電極１１２、対向電極１１３と対向電極１１４、対
向電極１１５と対向電極１１６、および対向電極１１７
と対向電極１１８がそれぞれ焦電体基板１０１を介して
形成されている。そして焦電体基板１０１の一面、つま
り、図示状態では裏面についてみれば、対向電極１１１
と対向電極１１５はスリット　１２４を介して分離され
ており、双方でほぼ矩形状になっており、また対向電極
１１４と対向電極１１８はスリット１２７を介して分離
されており、双方でほぼ矩形状になっている。一方、焦
電体基板１０１の他面、つまり、図示した状態では表面
についてみれば、対向電極１１２と対向電極１１６はス
リット１２５を介して分離されており、双方でほぼ矩形
状になっており、また対向電極１１３と対向電極１１７
はスリット　１２６を介して分離されており、双方でほ
ぼ矩形状になっている。さらに対向電極１１２と対向電
極１１３は導体路　１１９で連結されており、対向電極
１１４ど対向電極１１５は）９係路１２０で連結されて
おり、ス・１向電極１１６と対向電極１１７は導体路１
２１で連結されている。図中、１２２．１２３はそれぞ
れ引出電極を示し、’ｌ＝Ｉ向電極１１１、対向電極１
１８にそ札ぞれ接続されている。

このような構成において、対向電極１１１と対向電極１
１２どは受光′電極部ａを構成し、対向電極１１３と対
向電極１１４は受光電極部すを構成し、対向電極１１５
と対向電極１１６は受光電極部Ｃ−を構成し、さらにλ
１向電極１１７と対向型Ｉ！１１１８は受光電極部ｄを
構成している。

また各受光電極部ａ〜ｄをａ、ｂ、Ｃ，ｄの順番で数え
て奇数番目の受光電極部ａ、Ｃが受光電極部群へとして
配ｌ賀され、一方偶数番日の受光電極部ｂ、（１が受光
電極部群Ｂとして配置され、結果的には２分割されてい
る。

第３図（ａ　）、（ｂ）に示した電極配置構造から明ら
かなように、受光電極部ａ”−ｄの結線は第４図に示し
たようになり、受光電極部群Ａの各受光電極部ａ、Ｃと
受光電極部群Ｂの各受光電極部す、ｄは受光電極部ａ→
受光電＊部Ｃ→受光電極部ｈ→受光電極部（１のように
電気接続されることになる。各受光電極部ａ−ｄに対応
する部分をそれぞれ焦電素子ユニツ１〜と仮定すると、
その結線は第５図のようになる。なお、第４図、第５図
において、焦電体基板１中に示された矢印は分極軸を示
し、各対向電極１１１ヘ−１１８と直交する配置になっ
ている。

第３図（１））、第４図において、１２８．１２９は赤
外線吸収膜を示し、受光電極部群Ａ、受光電極部群Ｂの
領域の表面に形成されている。詳細には、赤外線吸収膜
１２８は対向電極１１２、対向電極１１６を含む領域に
形成され、赤外線吸収膜１２９は対向電極１１３、対向
電極１１７を含む領域に形成されている。またこの赤外
線吸収膜１２８．１２９の材わｌとしては、対向電極が
それぞれ近接している配置になっていることから、導電
性の大ぎいＮｉ　−Ｏｒなどは不適当であり、たとえば
絶縁性の高い有機膜が好ましい。

また、第４図、第１１図において、１３０はＦ「Ｔを示
（）、　１３１はゲー１−１１３２はドレイン、１３３
はソース、１３４は）ノースをそれぞれ示す。そして「
ＦＴ１３（＋のゲー１へ　１３１か１）児れば対向電極
１１１はマイナス（−１）の＋４ｉ　（Ｉ＋どなり、以
下類に対向電極１１２はプラス（＋）極、対向電極１１
３はマイナス（−）極、ス・１向雷極１１４はプラス（
十）極、対向電極１１５はマイノース（−）極、対向電
極１１６はプラス（−１−）極、対向電極１１７はマイ
ナス（−）極、対向電極１１８はマイナス（−）極とな
る。したがって、受光電（４！部群八において、焦電体
基板１０１の裏面の各対向電極１１１．１１５はマイナ
ス（−）極となり、表面の名ス・１向電極１１２．１１
６はプラス（−←）極となる。一方、受光電極部群Ｂに
おいて、焦電体基板１０１の表面の各対向電極１１４．
１１８はプラス（＋）極となり、表面の各対向電極１１
３．１１７はマイナス（−）極となる。

したがって、上記した構成から明らかなように、特に第
５図から明らかイ【ように、各魚雷素子ユニットが４個
直列接続された態様となり、第１図、第２図の従来例に
くらべて容量が１／２となり、上記（２）式Ｊ、り感度
（Ｒｖ　）を改善できることが叩解できる。また各受光
電極部ａ〜ｄで決まる容０）のバラツキを小さくするこ
とができ、また赤外線吸収も均一に行われるので、受光
電極部群Ａ、８間の感度差が小さくなり、その結果機械
的撮動特性や周囲温度変向に対する雑音特性などの耐環
境性↑１も大きく改善されることになる。さらに上記し
た構造によれば、赤外線エネルギーが各分割された受光
電極部群Ａ、Ｂに分散吸収されやすいため、マルチミラ
ー、レンズなどの焦光系と組み合せたときに有効なもの
となる。

第６図は上記した構成からなる焦電素子ユニットを回路
を含めて実装した焦電型検出器の断面図である。図中、
２０１は上記した構成からなる焦電素子１ニツトを示し
、セラミクスなどの絶縁基板２０２の上に載同固定され
ている。２０３はＦＥＴを示し、焦電素子ユニット２０
１とは第４図、第５図に示した回路例を構成するように
電気接続されている。焦電素子ユニツ１〜２０１、ＦＩ
ＥＴ２０３を固定した絶縁基板２０２はステム２０４か
ら突出しているビン端子２０５．２０６．２０７に接続
されている。ビン端子２０５．２０６．２０７はそれぞ
れ第４図、第５図にお（」るドレイン１３２、ソース１
３３、アース１３４に対応している。２０８はステム２
０４に固定されたキャップを示し、キャップ２０８の上
部には赤外線透過窓２０９が設（−〕られている。

次に、具体的な実施例について説明する。いま焦電体基
板の利オ′１１どして、特開昭５３−２０６００号公報
に記載されているＰｂ　（Ｓｎ、ｈＳｂ７．）０３−Ｐ
ｂ　Ｚｒ　Ｏｎ　−Ｐｌ＋　Ｔｉ　Ｏａ系材料を用いた
。イして使用（）た材１１の特性は、誘電率（ε）＝３
８０、誘電損失（ｔａｎδ）−１，４％、焦電材料評価
指数として、Ｆｖ−λ／εｒ　−ｃｏ＝　１．９５　ｘ
ｌＯ（ｃ　−ｃｍ／Ｊ　）　、Ｆｎ−λ／　ＣＰ／’ｇ
下τπＴ丁＝　３．２１−「 ｘｌｏ　（ｃ　−ｃｍ／　Ｊ　）であった。

そして、放用源である黒体炉の湿度を５００°Ｋ（−２
２７℃）、族ｍ１ネルギー０．８７ＩｌｌＷ　／　ｃｍ
２とし、ブヨラビング周波数を変化させたときの出力電
圧を測定したところ、第７図に示すような結果が得られ
た。図中番号１のものはこの発明にかかるものであり、
番号２は従来例、つまり第１図に示した焦電型検出器の
ものである。出力電圧は出力波形のピークからピークの
値を読みとったものである。

第７図から明らかなように、この発明にかかるものは、
たとえばチョッピング周波数１ｌ−１ｚにおいて、従来
のものにくらべて３０％出力電圧の向上が図れており、
感度の向上が見られる。

また耐環境時１”ｌのうち、周囲温度変動による雑音発
生を測定した。第８図がその測定結果であり、この発明
によるものは従来例にくらべ、温ｍ十臂時あるいは温度
下降時における雑音発生電圧を低く抑えることが可１ｉ
ｕとなっている。

さらに、この発明にがかる焦電型検出器は周波数２０ｈ
ｌ　ｚ　、１．２Ｇ　、１．５ｍｍの振幅の条件で刹１
音を従来例にくらべて２０％低減させることかでき、機
械的振動特性の点でも改善されていることがモイ［認で
きた。

第９図、第１０図はそれぞれこの発明にがかる焦電型検
出器の仙の実施例を示覆斜視図である。図示したちのは
特に対向型１４ｊの形状、配置を変えたものであり、し
た！へってこの点に重点を冒いて以下に説明する。

図中、第３図（ａ）、（ｌ））に示したものと同じ構成
部分は同一番目を付している。第９図に示したものは対
向型４４ｉ１１１〜１１８を矩形状とした点に特徴があ
る。（）たがって、受光電極部は４個形成されており、
奇数番目の受光電極部は一方の受光電極部群、偶数番「
」の受光電極部は他方の受光電極部群に分割されており
、さらに奇数番目の受光電極部群の各受ソ（１電極部Ｗ
と偶数番目の受光電極部群の各受光電１ｊ部とが交互に
かつ直列に電気接続されるという構成は」−記した実施
例と同じである。

また第１０図に示したｂのは、第９図の構成にさらに対
向電極を増ヤ）し、各受光電極部群にそれぞれ３個の受
光電（ａ部を含ませたものである。詳しく説明寸れば、
焦電体基板１０１の表面に対向電極１３６．１３７を形
成し、裏面に対向電極１３５．１３８を形成したもので
ある。そして、対向電極１３５は導体路１２０で対向電
極１１４と連結され、対向電極１３６は導体路１３９で
対向電極１３７と連結され、さらに対向電極１３８は導
体路１４０で対向電極１１５と連結されている。ちらろ
ん図示した状態から明らかなように、対向電極１３５と
対向電極１３６は焦電体基板１０１を介して対向してお
り、また対向電極１３７と対向電極１３８は焦電体基板
１０１を介して対向している。この実施例によれば、第
１図、第２図に示したものにくらべ容量を１／３にする
ことができ、さらに感度および比検出率を向上させると
ともに、耐環境特性を改善り゛ることができる。

なお、付記しておくが、第９図の実施例においても説明
したように、この実施例においてもすでに上記した第３
図〜第６図の実施例に必要な構成を満足している。

以上の説明から明らかなようにこの発明によれば、容量
を小さくすることができるため感度の向上、つまり比検
出率の向上が可０しであり、耐環境時ｆ１にもすぐれた
焦電型検出器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は従来例にがかる２素子直列逆極性接続
型の魚雷検出器の１１１略図、第３図（ａ）は焦電型検
出器に組み込まれる焦電素子ユニットの斜視図、第３図
（１））は第３図（ａ　）のＩ−Ｉ線断面図、第４図、
第５図は焦電型検出器の回路例、第６図は焦電素子ユニ
ットを組み込んだ状態の焦電型検出器の断面図、第７図
はチョッピング周波数と出力積Ｉ［の関係特性図、第８
図は周囲温度変化に対り゛る雑音の関係特性図、第９図
、第１０図はこの発明の他の実施例を示す斜視図である
。 １０１は焦電体基板、１１１．１１２．１１３．１１４
．１１５．１１６．１１７．１１８は対向電極、１１９
．１２０は導体路、１２８．１２９は赤外線吸収膜、ａ
、ｂ、ｃ。 ｄは受光電極部、Δ、Ｂは受光電極部群。 特　許　出　願　人 株式会社村田製作所 第１図 第２図 第３図 （久） 第３図 （しン ｆｆ７１２９１１５１０１　１１６１２９乙ト十４＼１
　△□上上記２１２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 焦電体基板と、 この焦電体基板の分極軸が対向電極面と垂直になるよう
   に焦電体基板の両面に形成された対向電極とを含み、 前記対向電極は少なくとも４個以上でかつ個数個形成さ
   れた各受光電極部を構成しており、奇数番目の受光電極
   部を一方の受光電極部群に、偶数番目の受光電極部を他
   方の受光電極部群に２分割し、 奇数番目の受光電極部群の各受光電極部と偶数番目の受
   光電極部群の各受光電極部とを交互にかつ直列に電気接
   続し、一方の受光電極部群と他方の受光電極部群とを逆
   極性になるように電気接続したことを特徴とＪる焦電型
   検出器。