JPH053346A - 焦電アレイセンサ - Google Patents

焦電アレイセンサ

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JPH053346A
JPH053346A JP3123496A JP12349691A JPH053346A JP H053346 A JPH053346 A JP H053346A JP 3123496 A JP3123496 A JP 3123496A JP 12349691 A JP12349691 A JP 12349691A JP H053346 A JPH053346 A JP H053346A
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electrode
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pyroelectric
infrared
light receiving
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Nobuyuki Yoshiike
信幸 吉池
Koji Arita
浩二 有田
Susumu Kobayashi
晋 小林
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 簡易で低コストの輻射温度分布測定装置用ア
レイセンサを提供する。 【構成】 焦電基板10の表面に受光電極20と補償電
極21とを一対とした電極対を複数個配置し、基板10
の裏面には該電極対と対峙する位置に対極30、31を
各々設け、受光電極20は赤外線照射状態とし、かつ、
補償電極21は赤外線遮光状態とした焦電アレイセンサ
である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、赤外線、特に熱線を検
知する焦電アレイセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】従来、赤外線、特に熱線を検知する焦電
センサは焦電効果を有する基材の両面に電極を設け、赤
外線照射により該電極間電位が変化することを利用して
検知するものである。材料としては硫酸グリシン系、ポ
リ弗化ビニリデン系、LiTaO3、PbTiO3などの
強誘電体材料が用いられ、また、基材の形態は硫酸グリ
シン系、LiTaO3等は結晶体が用いられ、PbTi
3系は結晶の形成が困難なことから焼結セラミックも
しくは薄膜技術により形成した薄膜を用いるのが一般的
である。
【0003】
【発明が解決しょうとする課題】薄膜センサは感度は高
いがコストと信頼性の点で問題が有り、それとは逆に、
結晶体やセラミック体は生産性および信頼性の点で優れ
ているという特徴がある。該結晶体やセラミック体を切
削・研磨加工により薄板化し、外基板上に電極を形成し
てセンサ素子をライン状に並べたアレイセンサを形成す
る場合、基板の温度変化や振動に対し敏感に出力電圧が
変化するという課題が有った。
【0004】本発明は、上述の問題に鑑みて試されたも
ので、結晶体もしくはセラミック体を用いて低コストで
信頼性が高いアレイセンサを提供するものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は上述の課題を解
決するため、焦電効果を有する結晶体もしくはセラミッ
ク体基材の表面に赤外線受光部用電極と該電極と電気的
に接触した補償用の電極とを一対とした電極対を複数個
ライン状に所定間隔で配置し、該基板の裏面には該電極
対と対峙する位置に対極を各々設け、該対極から外部電
気回路への電極引出部をそれぞれ設けた構造とし、該赤
外線受光部用電極には赤外線照射状態となるよう受光窓
を設け、かつ、補償電極には赤外線遮光状態としたこと
を特徴とするものである。
【0006】
【作用】本発明は上述の構成によって、各センサ出力
が、基材の温度変化や、振動に影響されることなく、2
次元の入射赤外線量(熱量)を正確に測定することを可
能とするものである。
【0007】
【実施例】図1、図2および図3は本発明の一実施例を
説明するための焦電体部の概略構成を示すものであっ
て、図1に示すように切削・研磨加工により薄板化した
PbTiO3等からなる焦電体基板10の表面には、蒸
着もしくはスパッター法により受光電極20と補償電極
21を複数個設け、電極は各々電極接続部22により電
気的に接続する構造とする。さらに、焦電体基板10の
裏面には、蒸着もしくはスパッター法により、受光電極
20と補償電極21とに各々対峙する位置に受光電極用
対極30および補償電極用対極31を設け、各々外部回
路へ接続するための電極引出部32を形成する。各電極
パターンはメタルマスク法でもホトリソグラフィによっ
てもよい。このとき、隣接する受光電極間距離は10か
ら200μmとし、受光電極20と補償電極21間隔、
すなわち、電極接続部22の長さは500μmから2m
mがよい。また、受光電極と補償電極は同一面積である
ことが望ましいい。電極接続部および電極引出部におけ
る線巾は20−100μmが良い。
【0008】次に、図2に示すように焦電体基板10の
受光表面前面には、赤外線選択透過窓41を有する赤外
線選択透過基板40を配置することにより、受光電極2
0にのみ赤外線50が照射されるようにし、補償電極2
1に遮光状態とする。
【0009】図3には焦電体基板10と赤外線選択透過
基板40および受光電極20上に赤外線を集光するため
の赤外線透過レンズ60とチョッパ70との相対位置を
示す。当然のことながら、集光後の赤外線は赤外線選択
透過基板40によって、補償電極21側には照射され
ず、受光電極20側のみに照射されものである。また、
赤外線50はチョッパ70により、断続的に入射するこ
とにより、焦電出力を得る。
【0010】上述の赤外線選択透過基板40は、電磁波
の遮蔽効果を有する金属材料を用いるのが好ましく、さ
らには、赤外線選択透過窓41はシリコン薄板で覆って
もよい。また、赤外線選択透過基板40は赤外線透過レ
ンズ60と焦電体基板10との中間に設けるのがよく、
焦電体基板10上の数mm以下の位置に固定するのがよ
い。
【0011】図4には1つの受光部の等価回路の原理図
を示す。R1,R2,R3は抵抗を示し、60は増幅回
路であって、受光部25とは焦電体基板10を介して受
光電極20と受光電極用対極30とで形成されるもので
あり、補償部26とは焦電体基板10を介して補償電極
21と補償電極用対極31とで形成されるものである。
【0012】図4において、焦電体基板の表面電荷(焦
電出力)は、一般に焦電体の温度変化や振動、または吸
着ガス種によって変動するものであり、補償部26がな
い場合、受光部両端子の容量ドリフトがそのままVOUT
出力として、検出され、入射赤外線50のエネルギー変
化を正確に測定することができにくい。しかし、補償電
極部26を設けることにより、上述の要因による変動成
分は、お互いに相殺され、出力端子の容量ドリフは発生
せず、受光部25に赤外線が照射された場合にのみ、発
生し、受光部25の表面電荷の変化を増幅しVOUTとし
て検出可能となる。
【0013】なお、変化量は、周囲温度で若干異なる
が、焦電体部の温度をモニターしフィールドバックする
ことにより、正確な赤外線エネルギー変化を測定でき
る。
【0014】実際に、受光電極部および補償電極部を同
一焦電体基板上に10個アレイ状に形成し、画角80度
の赤外線レンズ系を用いて測定した結果、アレイ状の方
向の1次元の温度分布を±0.2℃の精度で空間分解能
10(8度)で正確に測定することができた。
【0015】次に、焦電体基板10と赤外線選択透過基
板40と赤外線透過レンズ60とチョッパー70とを回
転部として一体化し、該回転部をステッピングモータに
機械的に接続し、受光電極のアレイ状方向(長軸方向)
を縦方向として、チョッピングをかけながら、ステッピ
ングモータを駆動させ、回転部を断続的に横方向に回転
させることによりセンサおよびレンズが面している方向
を左右に走査させながら、温度分布を測定した。測定
後、電気信号処理により各方向の縦の温度分布をつなぎ
合わせると、空間の2次元の反転温度分布が得られた。
横(左右)方向の空間分解能はステッピングモータの1
回の回転角に依存するものであり、例えば、3.6度回
転毎に信号入力し、トータル180度回転させた場合に
は、横方向の空間分解能は50となり、縦方向の空間分
解能は上述の如く10であるのでセンサ位置から見て縦
80度、横180度の空間を±0.2℃の精度で空間分
解能10×50の分解能で温度分布を測定できた。
【0016】以上、本発明のセンサを用いて、空間の2
次元温度分布測定が達成できた。なお、受光電極の形状
は入射画角の分解能で決定するものであり、上述の場
合、アレイ方向(縦):横方向=5:1とするのがよ
い。
【0017】実施例1に記載した焦電体電極形状に関し
て、図5に示すように焦電体基板裏面に形成する補償電
極用対極を1つの幅広い電極で補償電極用共通電極33
とする。このとき、補償電極用共通電極は焦電基板表面
に形成した全ての補償電極21に対峙するように配置す
る。以上の構成とすることにより、補償電極用電極の電
極引出部32が1つとなり、焦電体基板から外部の電気
回路への配線が極端に単純、簡単化することができた。
【0018】図6には、焦電体基板上に形成する電極パ
ターンの1例を示す。図を示すように焦電体基板表面1
1には受光電極20、電極接続部22および補償電極2
1からなる電極群を2列設けた。このとき、列間の隣接
距離は受光電極間で10−200μmとした。焦電基板
裏面12には受光電極徒歩焦電極にそれぞれ対峙する位
置に受光電極用対極30と補償電極用対極31を設け
る。32は各電極から外部電気回路へ接続するための電
極引出し部である。各電極の寸法は実施例1と同様であ
る。
【0019】実際に、受光電極部および補償電極部を同
一焦電体基板上に10個アレイ状に2列形成し、受光電
極部にのみ、赤外線照射を可能とする赤外線選択透過基
板を上部に配することにより、画角80度の赤外線レン
ズ系を用いて測定した結果、2次元の温度分布を±0.
2℃の精度で空間分解能2×10で正確に測定すること
ができた。
【0020】次に、実施例1と同様に、焦電体基板と赤
外線選択透過基板と赤外線透過レンズとチョッパーとを
回転部として一体化し、該回転部をステッピングモータ
に機械的に接続し、受光電極のアレイ状方向(長軸方
向)を縦方向として、チョッピングをかけながら、ステ
ッピングモータを駆動させ、回転部を断続的に横方向に
回転させることによりセンサおよびレンズが面している
方向を左右に走査させながら、温度分布を測定した。測
定後、電気信号処理により各方向の縦の温度分布をつな
ぎ合わせると、空間の2次元の反転温度分布が得られ
た。横(左右)方向の空間分解能はステッピングモータ
の1回の回転角に依存するものであり、例えば、1ステ
ップ3.6度回転毎に信号入力し、トータル180度回
転させた場合には、横方向の空間分解能は100とな
り、縦方向の空間分解能は上述の如く10であるのでセ
ンサ位置から見て縦80度、横180度の空間を±0.
2℃の精度で空間分解能10*100の分解能で温度分
布を測定できた。
【0021】以上、本発明のセンサを用いて、空間の2
次元温度分布を測定する場合、実施例1より2倍の分解
能を向上させることができた。また、分解能を同じとす
るならば、走査時間を半減させることが可能であった。
【0022】図7は受光電極および補償電極と各対極と
の対峙状態を示すものであり、各々の引出電極および電
極接続部が極力対峙しないように設計することにより誤
動作を最小限に抑えることができる。
【0023】さらに、受光電極と補償電極は同一形状が
好ましいが、場合によっては図8に示す実施例のよう
に、受光電極と補償電極の面積を等しいものであれば、
形状は異ってもよく、そうすることによって、焦電体基
板裏面32における電極引出部のひきまわしが容易とな
り、両サイドから電極を引き出すことができる。また、
引出し電極部を削減することを目的として、図9に示す
ように焦電体基板裏面に形成する補償電極用対極を1つ
の幅広い電極で補償電極用共通電極33とする。このと
き、該補償電極用共通電極は焦電基板表面に形成した全
ての補償電極21に対峙するように配置する。以上の構
成とすることにより、補償電極用電極の電極引出し部3
2が2つとなり、焦電体基板から外部の電気回路への配
線が極端に単純、簡単化することができた。
【0024】
【発明の効果】以上のように、本発明の赤外線を検知す
るアレイセンサにおいては、次に示すような効果があ
る。(1) 基材の温度変化や、振動によって発生する焦電
体表面の電荷密度変化は電気回路上、補償電極によって
相殺され、受光電極に照射された入射赤外線量(熱量)
を正確に測定することを可能とするものである。(2) 受
光部を2列とし、各々の引出し電極および電極接続部が
対峙しないようにすることにより、2次元でありながら
温度変化や、振動に左右されない誤動作を最小限に抑え
たセンサができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の焦電センサ−の焦電体部の
概略図
【図2】同焦電センサ−における焦電基板と赤外線選択
透過基板との相対位置関係図
【図3】同焦電センサ−を構成要素とする測定装置の概
念図
【図4】同測定装置の電気回路図
【図5】本発明の異なる実施例の焦電体部の概略図
【図6】焦電センサ−における具体的な電極パターンの
概略図
【図7】焦電センサ−における具体的な電極パターンの
概略図
【図8】焦電センサ−における具体的な電極パターンの
概略図
【図9】焦電センサ−における具体的な電極パターンの
概略図
【符号の説明】
10 焦電体基板 11 焦電体基板表面 12 焦電体基板裏面 20 受光電極 21 補償電極 22 電極接続部 25 受光部 26 補償部 30 受光電極用対極 31 補償電極用対極 32 電極引出部 33 補償電極用共通対極 40 赤外線選択透過基板 41 赤外線選択透過窓 50 赤外線 60 赤外線透過レンズ 70 チョッパ 80 増幅回路

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 焦電効果を有する基板の表面に赤外線受
    光電極と前記電極と電極接続部を介して電気的に接触し
    た補償電極とを一対とした電極対を複数個ライン状に所
    定間隔で配置し、前記基板の裏面には前記電極対と対峙
    する位置に各々対極を設け、前記対極から外部電気回路
    への取出用電極引出部をそれぞれ設け、前記赤外線受光
    電極を赤外線照射用状態とし前記補償電極を赤外線遮光
    状態とする赤外線選択透過基板を設けたことを特徴とす
    る焦電アレイセンサ。
  2. 【請求項2】 電極対を複数個ライン状に所定間隔で2
    列配置し、基板の裏面には前記電極対と対峙する位置に
    対極を設け、前記対極から外部電気回路への取出用電極
    引出部を前記基板表面に形成した電極接続部と非対峙状
    態に設けたことを特徴とする請求項1記載の焦電アレイ
    センサ。
  3. 【請求項3】 焦電効果を有する基板の裏面には受光電
    極に対峙した位置にそれぞれ対極を設け、補償電極に対
    峙する位置には1つの幅広い電極で共通の対極としたこ
    とを特徴とする請求項1または2記載の焦電アレイセン
    サ。
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