赤外線センサの信号処理装置、赤外線センサ
【課題】赤外線センサのシステム全体を小型化にし、さらに、より高い精度の赤外線センサを提供する。
【解決手段】赤外線を感知するセンサ素子１１と、センサ素子１１によって赤外線が感知されたことによって出力される赤外線感知信号ａを処理する信号処理装置１０１と、信号処理装置１０１で同じく処理されるセンサ素子１１の抵抗値に応じて出力される温度測定信号ｂから温度を換算して赤外線感知信号ａの温度補正をする補正演算部５６と、を備える。切替部２１の制御により、センサ素子１１にゼロ電圧が与えられると、センサ素子１１から赤外線感知信号が出力され、信号処理部４１で増幅される。また、センサ素子１１にバイアス電圧が与えられると、センサ素子１１からセンサ素子１１の抵抗値に応じた温度測定信号が出力され、信号処理部４１で増幅される。
【解決手段】赤外線を感知するセンサ素子１１と、センサ素子１１によって赤外線が感知されたことによって出力される赤外線感知信号ａを処理する信号処理装置１０１と、信号処理装置１０１で同じく処理されるセンサ素子１１の抵抗値に応じて出力される温度測定信号ｂから温度を換算して赤外線感知信号ａの温度補正をする補正演算部５６と、を備える。切替部２１の制御により、センサ素子１１にゼロ電圧が与えられると、センサ素子１１から赤外線感知信号が出力され、信号処理部４１で増幅される。また、センサ素子１１にバイアス電圧が与えられると、センサ素子１１からセンサ素子１１の抵抗値に応じた温度測定信号が出力され、信号処理部４１で増幅される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外センサにおいて赤外線信号を処理する赤外線センサの信号処理装置、赤外線センサに係り、特に量子型のセンサ素子を含む赤外線センサの信号処理装置、赤外線センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線センサは、被測定対象物から放射される赤外線エネルギーを赤外線センサ素子（以降、単にセンサ素子と記す）で感知し、感知されたエネルギーの大きさに対応した電圧、あるいは電流を信号として出力するセンサである。センサ素子は、一般的に、被測定対象物から放射される赤外線エネルギーが変わらない場合であっても、センサ素子自身の温度が変わると、出力される信号の値が変化する。このようなセンサ素子の出力信号の温度特性は、被測定対象物の赤外線放射エネルギーが変化したと誤って判断されてしまい、赤外線センサの測定精度を低下させる一因となる。
【０００３】
これを解決するために、センサ素子の近傍に温度測定用の部品を配置し、その部品の抵抗値を測定して温度に換算し、センサ素子の出力信号の温度特性を補正する赤外線センサがある。温度測定用部品には、サーミスタや白金抵抗等が用いられる。サーミスタや白金抵抗は、温度によってその抵抗値が大きく変化することから、温度測定に用いられる。こうした赤外線センサは、温度を測定し、センサ素子の出力信号の温度特性を補正するので、誤った判断が無くなり、赤外線センサの測定精度を向上させる。
【０００４】
特許文献１に記載された赤外線センサでは、センサ素子の抵抗値が温度に対して大きく変化することを活かし、センサ素子自身が温度を測定する部品として利用されている。このような特許文献１に記載された赤外線センサでは、サーミスタや白金抵抗等の温度測定に用いられる専用部品が不要となり、システムの小型化ができ、赤外線センサのコストの低廉化ができる。また、温度測定部品を介さずに、センサ素子自身の温度を直接に測定することができるため、温度の読み取り誤差が小さくなり、精度良くセンサ素子の出力信号の温度特性を補正することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ／２００７／１２５８７３号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記した特許文献１では、センサ素子から赤外線を感知した信号（以降、赤外線感知信号と記す）を増幅する信号処理装置（以降、赤外線信号増幅処理装置と記す）と、センサ素子の温度で変化するセンサ素子の抵抗値に応じた信号（以降、温度測定信号と記す）を増幅する信号処理装置（以降、抵抗信号増幅処理装置と記す）とが、別個に設けられている。赤外線信号増幅処理装置と抵抗信号増幅処理装置とは、切り替えられながら各々信号の増幅処理を行っている。
【０００７】
このような特許文献１に記載された従来技術では、センサ素子が温度測定用部品を兼ねてシステムの小型化に寄与するものの、赤外線信号増幅処理装置、抵抗信号増幅処理装置の規模が大きいままである。このため、特許文献１に記載されている従来技術は、赤外線センサのいっそうの小型化について、課題を残すものであった。
なお、本明細書では、上記した赤外線信号増幅処理装置、抵抗信号増幅処理装置を一括して信号処理装置と記すものとする。
【０００８】
また、特許文献１に記載されている従来技術では、信号処理がそれぞれの装置で独立に行われるため、それぞれの処理に独立の誤差が生じる。生じた誤差を残したままでセンサ素子の赤外線感知信号の温度特性を補正することは、赤外線センサの精度を損なう一因になる。
さらに、特許文献１に記載された従来技術では、赤外線感知信号が、センサ素子の端子間に生じる電圧値を示している。この電圧は、赤外線感知によって生じる電流が、センサ素子自身の抵抗に流れて生じるもので、この電流と抵抗の積から成るものである。このように、赤外線感知信号に不要な抵抗成分が含まれるため、センサ素子の抵抗値のばらつきや抵抗の温度特性等が赤外線感知信号に影響し、赤外線センサの精度を低下させることになる。
【０００９】
本発明は、上記した点に鑑みてなされたものであり、センサ素子と信号処理装置と補正演算部からなる赤外線センサのシステム全体を小型化にし、さらに、より高い精度で赤外線を感知することができる赤外線センサの信号処理装置、赤外線センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以上の課題を解決するため、本発明の請求項１の赤外線センサの信号処理装置は、赤外線センサ素子の一方の端子に接続され、該一方の端子に印加する電圧を切り替える切替部と、前記赤外線センサ素子の他方の端子に接続され、該他方の端子から出力される信号を増幅する増幅部と、を有し、前記増幅部が、前記赤外線センサ素子の一方の端子にゼロ電圧を与えて、赤外線を感知することにより前記赤外線センサ素子から出力される第一の信号と、前記赤外線センサ素子の一方の端子にバイアス電圧を与えて、前記赤外線センサ素子の抵抗値に応じた第二の信号のいずれか一方と、を、前記切替部で選択して増幅することを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項２に記載の赤外線センサの信号処理装置は、請求項１において、前記センサ素子が、量子型のセンサ素子であることを特徴とする。
本発明の請求項３に記載の赤外線センサの信号処理装置は、請求項１または請求項２において、非反転入力端子に基準電圧が与えられ、出力端子と反転入力端子との間に抵抗が接続された演算増幅器と、前記基準電圧と、前記基準電圧にバイアス電圧が付加された電圧と切替可能な切替部と、を有し、前記赤外線センサ素子の一方の端子が、前記切替部に接続され、前記赤外線センサ素子の他方の端子が、前記演算増幅器の反転入力端子に接続されることを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項４に記載の赤外線センサは、赤外線センサ素子と、前記請求項１から３のいずれか１項に記載の赤外線センサの信号処理装置と、前記第一の信号の増幅値および前記第二の信号の増幅値および前記赤外線センサ素子の内部の抵抗の温度特性値に基づいて、前記赤外線センサ素子の温度特性を補正する補正演算部とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
以上の課題を解決するため、本発明の請求項１の赤外線センサの信号処理装置は、赤外線センサ素子の一方の端子に接続され、その一方の端子に印加する電圧を切り替える切替部と、前記赤外線センサ素子の他方の端子に接続され、その他方の端子から出力される信号を増幅する増幅部を有する。切替部の制御により、センサ素子にゼロ電圧が与えられると、センサ素子から赤外線を感知した第一の信号、即ち、赤外線感知信号が出力され、増幅部で増幅される。また、センサ素子にバイアス電圧が与えられると、センサ素子からセンサ素子の抵抗値に応じた第二の信号、即ち、温度測定信号が出力され、増幅部で増幅される。このように、センサ素子単独で、赤外線感知と温度測定の信号が得られるので、専用温測部品が不要となり、部品点数の増加を効果的に抑えることができる。また、信号処理装置は、入力される信号として、赤外線感知信号、温度測定信号のいずれか一方を選択する切替部を備えている。このため、赤外線感知信号、温度測定信号の両方を交互に信号処理装置に入力させることができる。また、信号処理装置の増幅部が、赤外線感知信号、温度測定信号の両方を増幅することから、唯一の信号処理装置を使って赤外線感知信号、温度測定信号の両方を処理することができる。このため、センサ素子と信号処理装置と演算増幅部からなる赤外線センサのシステム全体を小型化にすることができる。さらに、赤外線感知信号、温度測定信号の演算誤差が同一の要素に起因するものとなり、同一の誤差要因を除去することによって演算誤差を修正することができるので、効率的に誤差要因を排除することができ、かつ高い精度の赤外線センサを提供することができる。
【００１４】
本発明の請求項２に記載の赤外線センサの信号処理装置は、センサ素子に量子型のセンサ素子を用いることができる。量子型センサ素子の抵抗値は温度に対して大きく変化するので、温度測定として利用できる。専用温測部品が不要となり、部品点数の増加を効果的に抑えることができる。また、温度測定部品を介さずに、センサ素子自身の温度を直接に測定することができるため、温度の読み取り誤差が小さくなり、精度良くセンサ素子の赤外線感知信号の温度特性を補正することができる。
【００１５】
本発明の請求項３に記載の赤外線センサの信号処理装置は、非反転入力端子に基準電圧が与えられ、出力端子と反転入力端子との間に抵抗が接続された演算増幅器を備え、赤外線センサ素子の他方の端子がこの演算増幅器の反転入力端子に接続されている。この接続により、センサ素子から流れ来る電流を電圧に変換する電流−電圧変換器を構成することができる。また、センサ素子の一方の端子に、切替部により前記基準電圧が接続されたとき、センサ素子にはゼロ電圧が与えられ、センサ素子から赤外線に感知した電流のみが取り出せる。この赤外線感知信号は、電流以外の不要な成分を含まないため、赤外線センサの精度を向上させる。また、前記赤外線センサ素子の一方の端子に、切替部により前記基準電圧にバイアス電圧が付加された電圧が接続されたとき、センサ素子にはバイアス電圧が与えられ、センサ素子からバイアス電圧値をセンサ素子の抵抗値で割った電流が取り出せる。センサ素子の抵抗値が温度によって変化することから、この信号は温度で変化し、温度測定信号として利用できる。赤外線感知信号、温度測定信号ともに電流であるので、同一の電流−電圧変換器で信号増幅することができる。このため、センサ素子と信号処理装置と演算増幅部からなる赤外線センサのシステム全体を小型化にすることができる。さらに、赤外線感知信号、温度測定信号の信号処理上の誤差が同一の要因によって生じることになるので、一つの誤差要因を排除することで、赤外線感知信号、温度測定信号の信号処理上の誤差を同時に排除することができる。これより、効率的に誤差要因を排除することができ、高い精度の赤外線センサを提供することができる。
本発明の請求項４に記載の赤外線センサは、センサ素子の赤外線感知信号、温度測定信号の入力、増幅から、温度に基づく赤外線感知信号の補正までを一括して処理することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態１の赤外線センサを説明するための回路図である。
【図２】本発明の実施形態１のセンサ素子の抵抗の温度特性を例示した図である。
【図３】本発明の実施形態２の赤外線センサを説明するための回路図である。
【図４】本発明の実施形態１の従来技術に相当する回路を示した図である。
【図５】本発明の実施形態２の従来技術に相当する回路を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図を参照して本発明に係る赤外線センサの信号処理装置、赤外線センサの実施形態１、実施形態２を説明する。
実施形態１
（赤外線センサ）
図１は、本発明の実施形態１の赤外線センサを説明するための回路図である。図示した赤外線センサは、量子型のセンサ素子１１と、センサ素子１１によって感知された赤外線に応じて出力される信号（以降、赤外線感知信号ａと記す）を処理する信号処理装置１０１と、信号処理装置１０１で同じく処理されるセンサ素子１１の抵抗値に応じて出力される信号（以降、温度測定信号ｂ）から温度を換算して赤外線感知信号ａの温度特性を補正する補正演算部５６と、を備えている。
【００１８】
（赤外線センサ素子）
量子型のセンサ素子は、光エネルギーによって起こる電気現象を検知することによって赤外線を感知するセンサ素子である。量子型センサ素子としては、例えば、フォトダイオード等がある。センサ素子１１にゼロ電圧が与えられると、センサ素子１１から赤外線感知に応じた電流のみが生じて、赤外線感知信号ａが得られる。
【００１９】
また、センサ素子１１は所定の内部抵抗値を有し、その抵抗値の温度変化が大きいものとする。ここで、図２に、量子型のセンサ素子１１の抵抗値が温度によって変化する特性を例示する。図２に示したグラフの横軸は、センサ素子自身の温度である。縦軸は、センサ素子１１の抵抗値を示している。図２から明らかなように、量子型のセンサ素子１１の抵抗値は、温度に対して指数関数的に大きく変化する。このため、センサ素子１１は、温度を計測する素子としても適している。センサ素子１１に所定の電圧が印加されると、センサ素子１１からセンサ素子１１の抵抗値に応じた信号が得られる。この信号は、所定の電圧値をセンサの抵抗値で割った電流として取り出せる。所定の電圧を一定にすれば、センサ素子１１の抵抗値が温度によって変化することから、この信号は温度で変化し、温度測定信号ｂとして利用できる。
【００２０】
このような実施形態１によれば、温度を測定する専用の部品を設ける必要がなく、赤外線センサの部品点数を低減すると共に、コストの低廉化を図ることができる。また、温度測定部品を介さずに、センサ素子自身の温度を直接に測定することができるため、温度の読み取り誤差が小さくなり、精度良くセンサ素子の赤外線感知信号の温度特性を補正することができる。
【００２１】
（信号処理装置）
信号処理装置１０１は、赤外線感知信号ａ及び温度測定信号ｂに共通に設けられ、これら信号のうち、いずれか一方を選択して入力する切替部２１、切替部２１によって選択された信号に、増幅を含む処理を実行する信号処理部４１を備えている。信号処理部４１は、切替部２１によって赤外線感知信号ａが選択された場合、入力された赤外線感知信号ａに増幅を含む処理を実行する。また、信号処理部４１は、切替部２１によって温度測定信号ｂが選択された場合には、温度測定信号ｂに対しても、増幅を含む処理を実行する。
【００２２】
また、信号処理装置１０１は、信号処理部４１によって増幅を含む処理がされ、出力されたアナログ信号ｃをデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ５１を備えている。Ａ／Ｄコンバータ５１から出力されたデジタル信号は、補正演算部５６によって補正処理された後、出力端子６１から外部に出力される。
実施形態１が従来と異なるのは、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂが、切替部２１で切り替えられながら共通の信号処理部４１に入力される点である。このような実施形態１によれば、センサ素子１１から出力される赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂを１つの信号処理部４１によって処理することができるので、センサ素子１１と信号処理装置１０１とを含めた赤外線センサのシステム全体をより小型化することができる。また、部品点数を低減したことにより、赤外線センサのコストをより効果的に低減することができる。
【００２３】
また、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂを同一の信号処理部４１によって処理するため、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂの信号処理上の誤差が同一の要因によって生じることになる。このため、一つの誤差要因を排除することにより、赤外線感知信号ａに対する処理、温度測定信号ｂに対する処理上で生じる誤差を同時に排除することができる。このことにより、実施形態１は、効率的に誤差要因を排除することができ、かつ高い精度の赤外線センサを提供することができる。
【００２４】
（補正演算部）
Ａ／Ｄコンバータ５１は、信号処理部４１によって処理された赤外線感知信号ａと、温度測定信号ｂとを交互にデジタル信号に変換する。デジタル変換された信号は、補正演算部５６に出力される。補正演算部５６により、温度測定信号ｂから温度が読み取られ、赤外線感知信号ａが補正される。補正された赤外線感知信号は、出力端子６１から外部に出力される。
【００２５】
なお、補正演算部５６における補正は、例えば、次のように行われる。補正演算部５６には、赤外線感知信号ａと温度測定信号ｂとが交互に入力される。そして、赤外線感知信号ａの直前、または直後に入力された温度測定信号ｂより温度を求めて、入力された赤外線感知信号ａに対して温度補正を施し、被測定対象物の正確な赤外線放射エネルギーを求める。
【００２６】
このような補正をするため、補正演算部５６には記憶装置をもっていて、基準となるべくセンサ素子の温度が室温のときの被測定対象物の赤外線放射エネルギーに対する赤外線感知信号ａが記憶されている。また、センサ素子の温度と温度測定信号ｂの関係を示す温度データも記憶されており、これによりセンサ素子の温度が算出される。さらに、センサ素子の温度が変化しても、基準となる赤外線感知信号ａが出力されるように温度補正データも記憶されており、この温度補正データを使って入力された赤外線感知信号ａに対して温度補正がなされる。
【００２７】
実施形態２
図３は、本発明の実施形態２の赤外線センサを説明するための回路図である。図３に示した構成のうち、図１に示した構成と同様の構成については同様の符号を付し、説明を一部略すものとする。
図示した赤外線センサは、センサ素子１２と、センサ素子１２によって出力された信号を処理する信号処理装置１０２と、補正演算部５６を備えている。実施形態２のセンサ素子１２は、赤外線を感知する量子型のセンサ素子である。なお、実施形態２においても、センサ素子１２自身の抵抗値を使ってセンサ素子１２の温度を測定するものとする。
【００２８】
以下、実施形態２を、信号処理装置を中心に説明する。
信号処理装置１０２は、初段演算増幅器７１、２段目演算増幅器７２を備えている。初段演算増幅器７１、２段目演算増幅器７２は、いずれも反転入力端子、非反転入力端子を有している。初段演算増幅器７１の非反転入力端子７１ａには、基準電圧ＶREFが与えられている。初段演算増幅器７１の出力端子７１ｃと反転入力端子７１ｂとの間には抵抗値Ｒ2の抵抗素子２０１が接続されている。
【００２９】
また、信号処理装置１０２は、切替部２２、切替制御部９１を備えている。切替部２２は、切替制御部９１によって制御され、端子Ａ、端子Ｂのいずれか一方にセンサ素子１２が接続される。切替制御部９１は、切替部２２を交互に切り替えるよう制御している。さらに、信号処理装置１０２は、Ａ／Ｄコンバータ５１を備えている。
初段演算増幅器７１、２段目演算増幅器７２が同一基板上に形成されるものであれば、両者のプロセスに起因する特性に生じるばらつきは同様のものになる。したがって、実施形態２のように、２つの演算増幅器によって増幅器を構成しても、共通の要素を除去することによって赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂの演算誤差を除去することができる。
【００３０】
センサ素子１２の出力端子１２ｂは、初段演算増幅器７１の反転入力端子７１ｂに接続されている。この接続により、初段演算増幅器７１は、センサ素子から流れ来る電流を電圧に変換する電流−電圧変換器を構成することができる。また、センサ素子１２の入力端子１２ａは、切替部２２に接続されている。切替部２２には端子Ａ、端子Ｂが設けられていて、センサ素子１２の入力端子１２ａは、切替制御部９１によって端子Ａ、端子Ｂのいずれかに接続される。切替制御部９１によって切替部２２の端子Ａが選択された場合、センサ素子１２には基準電圧ＶREFに接続される。また、切替部２２の端子Ｂが選択されたとき、センサ素子１２は、基準電圧ＶREFにバイアス電圧ＶBIASが加えられた電圧に接続される。
【００３１】
２段目演算増幅器７２は、反転増幅器を構成する。２段目演算増幅器７２の非反転入力端子７２ａには基準電圧ＶREFが与えられていて、２段目演算増幅器７２の出力端子７２ｃと反転入力端子７２ｂの間には抵抗値がＲ4の抵抗素子２０３が接続されている。２段目演算増幅器７２の反転入力端子７２ｂには、抵抗値が変更可能な抵抗素子２０２が接続されている。可変抵抗素子２０２の抵抗値は、切替制御部９１によって切替部２２の端子Ａが選択されたときはＲ3Aとなり、端子Ｂが選択されたときはＲ3Bとなる。
【００３２】
切替部２２の端子Ａが選択されたとき、センサ素子１２の端子１２ａが基準電圧ＶREFに接続され、センサ素子１２にはゼロ電圧が与えられる。このとき、センサ素子１２の端子１２ｂからは、センサ素子１２が赤外線を感知したことによって生じた電流Ｉoだけが取り出される。２段目演算増幅器７２の出力ＶOUTAは、センサ素子１２によって感知された赤外線に応じて出力される赤外線感知信号ａを増幅したものになる。出力ＶOUTAは、以下の式（１）のように表される。
ＶOUTA＝Io・Ｒ2・Ｒ4／Ｒ3A …式（１）
【００３３】
切替部２２の端子Ｂが選択されたとき、センサ素子１２の端子１２ａに、基準電圧ＶREFにバイアス電圧ＶBIASが加えられた電圧が印加される。センサ素子１２にはバイアス電圧ＶBIASが与えられる。このとき、センサ素子１２ｂからは、バイアス電圧値をセンサ素子の抵抗値Ｒsで割った電流が取り出される。バイアス電圧ＶBIASは、センサ素子が発熱しない程度に与えるのが好ましい。２段目演算増幅器７２の出力ＶOUTBは、センサ素子１２の抵抗値に応じて出力される温度測定信号ｂを増幅したものになる。出力ＶOUTBは、以下の式（２）のように表される。
ＶOUTB＝ＶBIAS・（Ｒ4／Ｒ3B）・（Ｒ2／Ｒs） …式（２）
【００３４】
Ａ／Ｄコンバータ５１には、式（１）に示した赤外線感知信号ａ、式（２）に示した温度測定信号ｂが交互に入力される。Ａ／Ｄコンバータ５１は、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂを交互にデジタル信号に変換する。出力端子６２からは、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂがデジタル信号として取り出される。実施形態２の赤外線センサでは、センサ素子１２の抵抗値の温度特性によって出力ＶOUTBが決まるので、出力ＶOUTBから温度を換算して、赤外線感知信号ａが温度補正される。
【００３５】
以上述べた実施形態２では、センサ素子１２を使って赤外線感知と温度測定の信号が得られるので、温度を測定する専用の部品を設ける必要がなく、赤外線センサの部品点数低減及びコストの低廉化に寄与することができる。また、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂを同一の信号処理装置１０２で切り替えながら処理することができる。このため、センサ素子と信号処理装置と補正演算部からなる赤外線センサのシステム全体を小型化することができる。
【００３６】
また、実施形態２では、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂを同一の信号処理装置１０２で処理するので、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂのそれぞれに同一の誤差が生じる。このため、一つの誤差要因を排除すれば、それぞれの信号に生じる誤差が排除できる。これにより、効率的に誤差要因を排除することができ、かつ高い精度の赤外線センサを提供することができる。
さらに、実施形態２では、赤外線の感知によって生じる電流Ｉoだけが信号として取り出せるので、赤外線感知信号に不要な成分による誤差が含まれず、赤外線センサの精度を向上させることができる。
【００３７】
（変形例）
また、実施形態２では、２段目演算増幅器７２が反転増幅器を構成する例を示したが、実施形態２はこのような構成に限定されるものではなく、非反転増幅器を構成するものであってもよい。また、実施形態２では、抵抗素子２０２において抵抗値をＲ3AとＲ3Bとに切り替える例を示している。しかし、実施形態２はこのような構成に限定されるものでなく、初段演算増幅器７１の出力が、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂに大きな差がなければ、切り替えの必要はなく、一定の抵抗値Ｒ3を持つ抵抗素子を用いても良い。
【００３８】
さらに、実施形態２では、抵抗素子２０２の抵抗値を切り替えているが、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂのそれぞれに適当な増幅率が与えられれば良いので、抵抗値の切替は抵抗素子２０１、抵抗素子２０３で行っても良い。
また、センサ素子１２が信号処理装置１０２に接続する向きは、実施形態２とは逆であっても良い。
また、実施形態１、実施形態２では、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂについてはＡ／Ｄコンバータ５１でデジタル信号に変換しているが、これに限定されるものでなく、デジタル信号に変換せずにアナログ信号のまま温度補正を行っても良い。
以上のように、実施形態１、実施形態２は、さらに種々の形態で実現できることは明らかであり、上述した実施の形態に制約されるものではない。
【００３９】
（従来技術との対比）
図４は、従来の赤外線センサの概略図であって、上記した実施形態１と比較するための構成を示している。なお、図４に示した構成のうち、図１に示した赤外線センサと同様の構成については同様の符号を付して示し、説明の一部を略す。
図４に示した赤外線センサにあっても、センサ素子１１は赤外線感知信号ａと共に温度測定信号ｂを出力している。切替部２１は、赤外線感知信号ａを信号処理部４１に、温度測定信号ｂを信号処理部４２に、交互に入力する。従来技術であっても、センサ素子１１が温度の測定を兼用するので小型化できるが、信号処理部４１、４２を備えるため、システム全体の小型化には改善の余地がある。
【００４０】
また、センサ素子１１から出力される赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂは、別々の信号処理部４１、４２で処理される。このため、従来の赤外線センサでは、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂのそれぞれ無相関な誤差が生じてしまう。このような誤差には、例えば、別々の信号処理部４１、４２における信号処理の増幅率のばらつき、増幅率の温度特性、増幅器のオフセットばらつき、オフセットの温度特性等の誤差である。
このような誤差を残したままで、センサ素子１１の温度特性を補正すると、赤外線センサの精度を損なう一因になる。
【００４１】
一方、図５は、従来の赤外線センサの概略図であって、上記した実施形態２と比較するための構成を示している。なお、図５に示した構成のうち、図２に示した赤外線センサと同様の構成については同様の符号を付して示し、説明の一部を略す。
センサ素子１２は量子型のセンサ素子であって、入力端子が基準電圧ＶREFに固定されている。センサ素子１２の出力端子は、切替部２２に接続されている。切替部２２は、赤外線感知信号ａを電圧計４６に、センサ素子１２の抵抗値に相当する、温度測定信号ｂを、計測部４７に入力するように、交互に接続を切り替えている。ここでいう赤外線感知信号ａは、赤外線感知によって生じる電流が、センサ素子自身の抵抗に流れて生じるもので、この電流と抵抗の積から成る電圧である。このように、赤外線感知信号ａは不要な抵抗成分が含まれるため、センサ素子の抵抗値のばらつきや抵抗の温度特性等が赤外線感知信号に影響し、赤外線センサの精度を低下させることになる。
【００４２】
図４、図５に示した構成に比べ、実施形態１、実施形態２は、センサ素子から出力される赤外線感知信号、温度測定信号を１つの信号処理部によって処理することができるので、センサ素子と信号処理装置と補正演算部からなる赤外線センサのシステム全体をより小型化することができる。また、部品点数を低減したことにより、赤外線センサのコストをより効果的に低減することができるという利点がある。
【００４３】
また、実施形態１、実施形態２は、赤外線感知信号、温度測定信号を同一の信号処理部によって処理するため、赤外線感知信号、温度測定信号の信号処理上の誤差が同一の要因によって生じることになる。このため、一つの誤差要因を排除することにより、赤外線感知信号に対する処理、温度測定信号に対する処理上で生じる誤差を同時に排除することができる。即ち、効率的に誤差要因を排除することができ、かつ高い精度の赤外線センサを提供することができるという利点がある。
さらに、実施形態１、実施形態２は、赤外線の感知によって生じる電流だけが信号として取り出せるので、赤外線感知信号に不要な成分による誤差が含まれず、赤外線センサの精度を向上させることができる利点がある。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、センサ素子と信号処理装置と補正演算部からなる赤外線センサのシステム全体の小型化と、センサ素子の赤外線感知信号の温度特性を補正し、高い精度の赤外線センサの応用分野において利用できる。
【符号の説明】
【００４５】
１１、１２ センサ素子
２１、２２ 切替部
４１、４２ 信号処理部
５１ Ａ／Ｄコンバータ
５６ 補正演算部
７１ 初段演算増幅器
７２ ２段目演算増幅器
９１ 切替制御部
１０１、１０２ 信号処理装置
２０１、２０２ 抵抗素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外センサにおいて赤外線信号を処理する赤外線センサの信号処理装置、赤外線センサに係り、特に量子型のセンサ素子を含む赤外線センサの信号処理装置、赤外線センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線センサは、被測定対象物から放射される赤外線エネルギーを赤外線センサ素子（以降、単にセンサ素子と記す）で感知し、感知されたエネルギーの大きさに対応した電圧、あるいは電流を信号として出力するセンサである。センサ素子は、一般的に、被測定対象物から放射される赤外線エネルギーが変わらない場合であっても、センサ素子自身の温度が変わると、出力される信号の値が変化する。このようなセンサ素子の出力信号の温度特性は、被測定対象物の赤外線放射エネルギーが変化したと誤って判断されてしまい、赤外線センサの測定精度を低下させる一因となる。
【０００３】
これを解決するために、センサ素子の近傍に温度測定用の部品を配置し、その部品の抵抗値を測定して温度に換算し、センサ素子の出力信号の温度特性を補正する赤外線センサがある。温度測定用部品には、サーミスタや白金抵抗等が用いられる。サーミスタや白金抵抗は、温度によってその抵抗値が大きく変化することから、温度測定に用いられる。こうした赤外線センサは、温度を測定し、センサ素子の出力信号の温度特性を補正するので、誤った判断が無くなり、赤外線センサの測定精度を向上させる。
【０００４】
特許文献１に記載された赤外線センサでは、センサ素子の抵抗値が温度に対して大きく変化することを活かし、センサ素子自身が温度を測定する部品として利用されている。このような特許文献１に記載された赤外線センサでは、サーミスタや白金抵抗等の温度測定に用いられる専用部品が不要となり、システムの小型化ができ、赤外線センサのコストの低廉化ができる。また、温度測定部品を介さずに、センサ素子自身の温度を直接に測定することができるため、温度の読み取り誤差が小さくなり、精度良くセンサ素子の出力信号の温度特性を補正することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ／２００７／１２５８７３号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記した特許文献１では、センサ素子から赤外線を感知した信号（以降、赤外線感知信号と記す）を増幅する信号処理装置（以降、赤外線信号増幅処理装置と記す）と、センサ素子の温度で変化するセンサ素子の抵抗値に応じた信号（以降、温度測定信号と記す）を増幅する信号処理装置（以降、抵抗信号増幅処理装置と記す）とが、別個に設けられている。赤外線信号増幅処理装置と抵抗信号増幅処理装置とは、切り替えられながら各々信号の増幅処理を行っている。
【０００７】
このような特許文献１に記載された従来技術では、センサ素子が温度測定用部品を兼ねてシステムの小型化に寄与するものの、赤外線信号増幅処理装置、抵抗信号増幅処理装置の規模が大きいままである。このため、特許文献１に記載されている従来技術は、赤外線センサのいっそうの小型化について、課題を残すものであった。
なお、本明細書では、上記した赤外線信号増幅処理装置、抵抗信号増幅処理装置を一括して信号処理装置と記すものとする。
【０００８】
また、特許文献１に記載されている従来技術では、信号処理がそれぞれの装置で独立に行われるため、それぞれの処理に独立の誤差が生じる。生じた誤差を残したままでセンサ素子の赤外線感知信号の温度特性を補正することは、赤外線センサの精度を損なう一因になる。
さらに、特許文献１に記載された従来技術では、赤外線感知信号が、センサ素子の端子間に生じる電圧値を示している。この電圧は、赤外線感知によって生じる電流が、センサ素子自身の抵抗に流れて生じるもので、この電流と抵抗の積から成るものである。このように、赤外線感知信号に不要な抵抗成分が含まれるため、センサ素子の抵抗値のばらつきや抵抗の温度特性等が赤外線感知信号に影響し、赤外線センサの精度を低下させることになる。
【０００９】
本発明は、上記した点に鑑みてなされたものであり、センサ素子と信号処理装置と補正演算部からなる赤外線センサのシステム全体を小型化にし、さらに、より高い精度で赤外線を感知することができる赤外線センサの信号処理装置、赤外線センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以上の課題を解決するため、本発明の請求項１の赤外線センサの信号処理装置は、赤外線センサ素子の一方の端子に接続され、該一方の端子に印加する電圧を切り替える切替部と、前記赤外線センサ素子の他方の端子に接続され、該他方の端子から出力される信号を増幅する増幅部と、を有し、前記増幅部が、前記赤外線センサ素子の一方の端子にゼロ電圧を与えて、赤外線を感知することにより前記赤外線センサ素子から出力される第一の信号と、前記赤外線センサ素子の一方の端子にバイアス電圧を与えて、前記赤外線センサ素子の抵抗値に応じた第二の信号のいずれか一方と、を、前記切替部で選択して増幅することを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項２に記載の赤外線センサの信号処理装置は、請求項１において、前記センサ素子が、量子型のセンサ素子であることを特徴とする。
本発明の請求項３に記載の赤外線センサの信号処理装置は、請求項１または請求項２において、非反転入力端子に基準電圧が与えられ、出力端子と反転入力端子との間に抵抗が接続された演算増幅器と、前記基準電圧と、前記基準電圧にバイアス電圧が付加された電圧と切替可能な切替部と、を有し、前記赤外線センサ素子の一方の端子が、前記切替部に接続され、前記赤外線センサ素子の他方の端子が、前記演算増幅器の反転入力端子に接続されることを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項４に記載の赤外線センサは、赤外線センサ素子と、前記請求項１から３のいずれか１項に記載の赤外線センサの信号処理装置と、前記第一の信号の増幅値および前記第二の信号の増幅値および前記赤外線センサ素子の内部の抵抗の温度特性値に基づいて、前記赤外線センサ素子の温度特性を補正する補正演算部とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
以上の課題を解決するため、本発明の請求項１の赤外線センサの信号処理装置は、赤外線センサ素子の一方の端子に接続され、その一方の端子に印加する電圧を切り替える切替部と、前記赤外線センサ素子の他方の端子に接続され、その他方の端子から出力される信号を増幅する増幅部を有する。切替部の制御により、センサ素子にゼロ電圧が与えられると、センサ素子から赤外線を感知した第一の信号、即ち、赤外線感知信号が出力され、増幅部で増幅される。また、センサ素子にバイアス電圧が与えられると、センサ素子からセンサ素子の抵抗値に応じた第二の信号、即ち、温度測定信号が出力され、増幅部で増幅される。このように、センサ素子単独で、赤外線感知と温度測定の信号が得られるので、専用温測部品が不要となり、部品点数の増加を効果的に抑えることができる。また、信号処理装置は、入力される信号として、赤外線感知信号、温度測定信号のいずれか一方を選択する切替部を備えている。このため、赤外線感知信号、温度測定信号の両方を交互に信号処理装置に入力させることができる。また、信号処理装置の増幅部が、赤外線感知信号、温度測定信号の両方を増幅することから、唯一の信号処理装置を使って赤外線感知信号、温度測定信号の両方を処理することができる。このため、センサ素子と信号処理装置と演算増幅部からなる赤外線センサのシステム全体を小型化にすることができる。さらに、赤外線感知信号、温度測定信号の演算誤差が同一の要素に起因するものとなり、同一の誤差要因を除去することによって演算誤差を修正することができるので、効率的に誤差要因を排除することができ、かつ高い精度の赤外線センサを提供することができる。
【００１４】
本発明の請求項２に記載の赤外線センサの信号処理装置は、センサ素子に量子型のセンサ素子を用いることができる。量子型センサ素子の抵抗値は温度に対して大きく変化するので、温度測定として利用できる。専用温測部品が不要となり、部品点数の増加を効果的に抑えることができる。また、温度測定部品を介さずに、センサ素子自身の温度を直接に測定することができるため、温度の読み取り誤差が小さくなり、精度良くセンサ素子の赤外線感知信号の温度特性を補正することができる。
【００１５】
本発明の請求項３に記載の赤外線センサの信号処理装置は、非反転入力端子に基準電圧が与えられ、出力端子と反転入力端子との間に抵抗が接続された演算増幅器を備え、赤外線センサ素子の他方の端子がこの演算増幅器の反転入力端子に接続されている。この接続により、センサ素子から流れ来る電流を電圧に変換する電流−電圧変換器を構成することができる。また、センサ素子の一方の端子に、切替部により前記基準電圧が接続されたとき、センサ素子にはゼロ電圧が与えられ、センサ素子から赤外線に感知した電流のみが取り出せる。この赤外線感知信号は、電流以外の不要な成分を含まないため、赤外線センサの精度を向上させる。また、前記赤外線センサ素子の一方の端子に、切替部により前記基準電圧にバイアス電圧が付加された電圧が接続されたとき、センサ素子にはバイアス電圧が与えられ、センサ素子からバイアス電圧値をセンサ素子の抵抗値で割った電流が取り出せる。センサ素子の抵抗値が温度によって変化することから、この信号は温度で変化し、温度測定信号として利用できる。赤外線感知信号、温度測定信号ともに電流であるので、同一の電流−電圧変換器で信号増幅することができる。このため、センサ素子と信号処理装置と演算増幅部からなる赤外線センサのシステム全体を小型化にすることができる。さらに、赤外線感知信号、温度測定信号の信号処理上の誤差が同一の要因によって生じることになるので、一つの誤差要因を排除することで、赤外線感知信号、温度測定信号の信号処理上の誤差を同時に排除することができる。これより、効率的に誤差要因を排除することができ、高い精度の赤外線センサを提供することができる。
本発明の請求項４に記載の赤外線センサは、センサ素子の赤外線感知信号、温度測定信号の入力、増幅から、温度に基づく赤外線感知信号の補正までを一括して処理することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態１の赤外線センサを説明するための回路図である。
【図２】本発明の実施形態１のセンサ素子の抵抗の温度特性を例示した図である。
【図３】本発明の実施形態２の赤外線センサを説明するための回路図である。
【図４】本発明の実施形態１の従来技術に相当する回路を示した図である。
【図５】本発明の実施形態２の従来技術に相当する回路を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図を参照して本発明に係る赤外線センサの信号処理装置、赤外線センサの実施形態１、実施形態２を説明する。
実施形態１
（赤外線センサ）
図１は、本発明の実施形態１の赤外線センサを説明するための回路図である。図示した赤外線センサは、量子型のセンサ素子１１と、センサ素子１１によって感知された赤外線に応じて出力される信号（以降、赤外線感知信号ａと記す）を処理する信号処理装置１０１と、信号処理装置１０１で同じく処理されるセンサ素子１１の抵抗値に応じて出力される信号（以降、温度測定信号ｂ）から温度を換算して赤外線感知信号ａの温度特性を補正する補正演算部５６と、を備えている。
【００１８】
（赤外線センサ素子）
量子型のセンサ素子は、光エネルギーによって起こる電気現象を検知することによって赤外線を感知するセンサ素子である。量子型センサ素子としては、例えば、フォトダイオード等がある。センサ素子１１にゼロ電圧が与えられると、センサ素子１１から赤外線感知に応じた電流のみが生じて、赤外線感知信号ａが得られる。
【００１９】
また、センサ素子１１は所定の内部抵抗値を有し、その抵抗値の温度変化が大きいものとする。ここで、図２に、量子型のセンサ素子１１の抵抗値が温度によって変化する特性を例示する。図２に示したグラフの横軸は、センサ素子自身の温度である。縦軸は、センサ素子１１の抵抗値を示している。図２から明らかなように、量子型のセンサ素子１１の抵抗値は、温度に対して指数関数的に大きく変化する。このため、センサ素子１１は、温度を計測する素子としても適している。センサ素子１１に所定の電圧が印加されると、センサ素子１１からセンサ素子１１の抵抗値に応じた信号が得られる。この信号は、所定の電圧値をセンサの抵抗値で割った電流として取り出せる。所定の電圧を一定にすれば、センサ素子１１の抵抗値が温度によって変化することから、この信号は温度で変化し、温度測定信号ｂとして利用できる。
【００２０】
このような実施形態１によれば、温度を測定する専用の部品を設ける必要がなく、赤外線センサの部品点数を低減すると共に、コストの低廉化を図ることができる。また、温度測定部品を介さずに、センサ素子自身の温度を直接に測定することができるため、温度の読み取り誤差が小さくなり、精度良くセンサ素子の赤外線感知信号の温度特性を補正することができる。
【００２１】
（信号処理装置）
信号処理装置１０１は、赤外線感知信号ａ及び温度測定信号ｂに共通に設けられ、これら信号のうち、いずれか一方を選択して入力する切替部２１、切替部２１によって選択された信号に、増幅を含む処理を実行する信号処理部４１を備えている。信号処理部４１は、切替部２１によって赤外線感知信号ａが選択された場合、入力された赤外線感知信号ａに増幅を含む処理を実行する。また、信号処理部４１は、切替部２１によって温度測定信号ｂが選択された場合には、温度測定信号ｂに対しても、増幅を含む処理を実行する。
【００２２】
また、信号処理装置１０１は、信号処理部４１によって増幅を含む処理がされ、出力されたアナログ信号ｃをデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ５１を備えている。Ａ／Ｄコンバータ５１から出力されたデジタル信号は、補正演算部５６によって補正処理された後、出力端子６１から外部に出力される。
実施形態１が従来と異なるのは、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂが、切替部２１で切り替えられながら共通の信号処理部４１に入力される点である。このような実施形態１によれば、センサ素子１１から出力される赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂを１つの信号処理部４１によって処理することができるので、センサ素子１１と信号処理装置１０１とを含めた赤外線センサのシステム全体をより小型化することができる。また、部品点数を低減したことにより、赤外線センサのコストをより効果的に低減することができる。
【００２３】
また、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂを同一の信号処理部４１によって処理するため、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂの信号処理上の誤差が同一の要因によって生じることになる。このため、一つの誤差要因を排除することにより、赤外線感知信号ａに対する処理、温度測定信号ｂに対する処理上で生じる誤差を同時に排除することができる。このことにより、実施形態１は、効率的に誤差要因を排除することができ、かつ高い精度の赤外線センサを提供することができる。
【００２４】
（補正演算部）
Ａ／Ｄコンバータ５１は、信号処理部４１によって処理された赤外線感知信号ａと、温度測定信号ｂとを交互にデジタル信号に変換する。デジタル変換された信号は、補正演算部５６に出力される。補正演算部５６により、温度測定信号ｂから温度が読み取られ、赤外線感知信号ａが補正される。補正された赤外線感知信号は、出力端子６１から外部に出力される。
【００２５】
なお、補正演算部５６における補正は、例えば、次のように行われる。補正演算部５６には、赤外線感知信号ａと温度測定信号ｂとが交互に入力される。そして、赤外線感知信号ａの直前、または直後に入力された温度測定信号ｂより温度を求めて、入力された赤外線感知信号ａに対して温度補正を施し、被測定対象物の正確な赤外線放射エネルギーを求める。
【００２６】
このような補正をするため、補正演算部５６には記憶装置をもっていて、基準となるべくセンサ素子の温度が室温のときの被測定対象物の赤外線放射エネルギーに対する赤外線感知信号ａが記憶されている。また、センサ素子の温度と温度測定信号ｂの関係を示す温度データも記憶されており、これによりセンサ素子の温度が算出される。さらに、センサ素子の温度が変化しても、基準となる赤外線感知信号ａが出力されるように温度補正データも記憶されており、この温度補正データを使って入力された赤外線感知信号ａに対して温度補正がなされる。
【００２７】
実施形態２
図３は、本発明の実施形態２の赤外線センサを説明するための回路図である。図３に示した構成のうち、図１に示した構成と同様の構成については同様の符号を付し、説明を一部略すものとする。
図示した赤外線センサは、センサ素子１２と、センサ素子１２によって出力された信号を処理する信号処理装置１０２と、補正演算部５６を備えている。実施形態２のセンサ素子１２は、赤外線を感知する量子型のセンサ素子である。なお、実施形態２においても、センサ素子１２自身の抵抗値を使ってセンサ素子１２の温度を測定するものとする。
【００２８】
以下、実施形態２を、信号処理装置を中心に説明する。
信号処理装置１０２は、初段演算増幅器７１、２段目演算増幅器７２を備えている。初段演算増幅器７１、２段目演算増幅器７２は、いずれも反転入力端子、非反転入力端子を有している。初段演算増幅器７１の非反転入力端子７１ａには、基準電圧ＶREFが与えられている。初段演算増幅器７１の出力端子７１ｃと反転入力端子７１ｂとの間には抵抗値Ｒ2の抵抗素子２０１が接続されている。
【００２９】
また、信号処理装置１０２は、切替部２２、切替制御部９１を備えている。切替部２２は、切替制御部９１によって制御され、端子Ａ、端子Ｂのいずれか一方にセンサ素子１２が接続される。切替制御部９１は、切替部２２を交互に切り替えるよう制御している。さらに、信号処理装置１０２は、Ａ／Ｄコンバータ５１を備えている。
初段演算増幅器７１、２段目演算増幅器７２が同一基板上に形成されるものであれば、両者のプロセスに起因する特性に生じるばらつきは同様のものになる。したがって、実施形態２のように、２つの演算増幅器によって増幅器を構成しても、共通の要素を除去することによって赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂの演算誤差を除去することができる。
【００３０】
センサ素子１２の出力端子１２ｂは、初段演算増幅器７１の反転入力端子７１ｂに接続されている。この接続により、初段演算増幅器７１は、センサ素子から流れ来る電流を電圧に変換する電流−電圧変換器を構成することができる。また、センサ素子１２の入力端子１２ａは、切替部２２に接続されている。切替部２２には端子Ａ、端子Ｂが設けられていて、センサ素子１２の入力端子１２ａは、切替制御部９１によって端子Ａ、端子Ｂのいずれかに接続される。切替制御部９１によって切替部２２の端子Ａが選択された場合、センサ素子１２には基準電圧ＶREFに接続される。また、切替部２２の端子Ｂが選択されたとき、センサ素子１２は、基準電圧ＶREFにバイアス電圧ＶBIASが加えられた電圧に接続される。
【００３１】
２段目演算増幅器７２は、反転増幅器を構成する。２段目演算増幅器７２の非反転入力端子７２ａには基準電圧ＶREFが与えられていて、２段目演算増幅器７２の出力端子７２ｃと反転入力端子７２ｂの間には抵抗値がＲ4の抵抗素子２０３が接続されている。２段目演算増幅器７２の反転入力端子７２ｂには、抵抗値が変更可能な抵抗素子２０２が接続されている。可変抵抗素子２０２の抵抗値は、切替制御部９１によって切替部２２の端子Ａが選択されたときはＲ3Aとなり、端子Ｂが選択されたときはＲ3Bとなる。
【００３２】
切替部２２の端子Ａが選択されたとき、センサ素子１２の端子１２ａが基準電圧ＶREFに接続され、センサ素子１２にはゼロ電圧が与えられる。このとき、センサ素子１２の端子１２ｂからは、センサ素子１２が赤外線を感知したことによって生じた電流Ｉoだけが取り出される。２段目演算増幅器７２の出力ＶOUTAは、センサ素子１２によって感知された赤外線に応じて出力される赤外線感知信号ａを増幅したものになる。出力ＶOUTAは、以下の式（１）のように表される。
ＶOUTA＝Io・Ｒ2・Ｒ4／Ｒ3A …式（１）
【００３３】
切替部２２の端子Ｂが選択されたとき、センサ素子１２の端子１２ａに、基準電圧ＶREFにバイアス電圧ＶBIASが加えられた電圧が印加される。センサ素子１２にはバイアス電圧ＶBIASが与えられる。このとき、センサ素子１２ｂからは、バイアス電圧値をセンサ素子の抵抗値Ｒsで割った電流が取り出される。バイアス電圧ＶBIASは、センサ素子が発熱しない程度に与えるのが好ましい。２段目演算増幅器７２の出力ＶOUTBは、センサ素子１２の抵抗値に応じて出力される温度測定信号ｂを増幅したものになる。出力ＶOUTBは、以下の式（２）のように表される。
ＶOUTB＝ＶBIAS・（Ｒ4／Ｒ3B）・（Ｒ2／Ｒs） …式（２）
【００３４】
Ａ／Ｄコンバータ５１には、式（１）に示した赤外線感知信号ａ、式（２）に示した温度測定信号ｂが交互に入力される。Ａ／Ｄコンバータ５１は、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂを交互にデジタル信号に変換する。出力端子６２からは、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂがデジタル信号として取り出される。実施形態２の赤外線センサでは、センサ素子１２の抵抗値の温度特性によって出力ＶOUTBが決まるので、出力ＶOUTBから温度を換算して、赤外線感知信号ａが温度補正される。
【００３５】
以上述べた実施形態２では、センサ素子１２を使って赤外線感知と温度測定の信号が得られるので、温度を測定する専用の部品を設ける必要がなく、赤外線センサの部品点数低減及びコストの低廉化に寄与することができる。また、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂを同一の信号処理装置１０２で切り替えながら処理することができる。このため、センサ素子と信号処理装置と補正演算部からなる赤外線センサのシステム全体を小型化することができる。
【００３６】
また、実施形態２では、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂを同一の信号処理装置１０２で処理するので、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂのそれぞれに同一の誤差が生じる。このため、一つの誤差要因を排除すれば、それぞれの信号に生じる誤差が排除できる。これにより、効率的に誤差要因を排除することができ、かつ高い精度の赤外線センサを提供することができる。
さらに、実施形態２では、赤外線の感知によって生じる電流Ｉoだけが信号として取り出せるので、赤外線感知信号に不要な成分による誤差が含まれず、赤外線センサの精度を向上させることができる。
【００３７】
（変形例）
また、実施形態２では、２段目演算増幅器７２が反転増幅器を構成する例を示したが、実施形態２はこのような構成に限定されるものではなく、非反転増幅器を構成するものであってもよい。また、実施形態２では、抵抗素子２０２において抵抗値をＲ3AとＲ3Bとに切り替える例を示している。しかし、実施形態２はこのような構成に限定されるものでなく、初段演算増幅器７１の出力が、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂに大きな差がなければ、切り替えの必要はなく、一定の抵抗値Ｒ3を持つ抵抗素子を用いても良い。
【００３８】
さらに、実施形態２では、抵抗素子２０２の抵抗値を切り替えているが、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂのそれぞれに適当な増幅率が与えられれば良いので、抵抗値の切替は抵抗素子２０１、抵抗素子２０３で行っても良い。
また、センサ素子１２が信号処理装置１０２に接続する向きは、実施形態２とは逆であっても良い。
また、実施形態１、実施形態２では、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂについてはＡ／Ｄコンバータ５１でデジタル信号に変換しているが、これに限定されるものでなく、デジタル信号に変換せずにアナログ信号のまま温度補正を行っても良い。
以上のように、実施形態１、実施形態２は、さらに種々の形態で実現できることは明らかであり、上述した実施の形態に制約されるものではない。
【００３９】
（従来技術との対比）
図４は、従来の赤外線センサの概略図であって、上記した実施形態１と比較するための構成を示している。なお、図４に示した構成のうち、図１に示した赤外線センサと同様の構成については同様の符号を付して示し、説明の一部を略す。
図４に示した赤外線センサにあっても、センサ素子１１は赤外線感知信号ａと共に温度測定信号ｂを出力している。切替部２１は、赤外線感知信号ａを信号処理部４１に、温度測定信号ｂを信号処理部４２に、交互に入力する。従来技術であっても、センサ素子１１が温度の測定を兼用するので小型化できるが、信号処理部４１、４２を備えるため、システム全体の小型化には改善の余地がある。
【００４０】
また、センサ素子１１から出力される赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂは、別々の信号処理部４１、４２で処理される。このため、従来の赤外線センサでは、赤外線感知信号ａ、温度測定信号ｂのそれぞれ無相関な誤差が生じてしまう。このような誤差には、例えば、別々の信号処理部４１、４２における信号処理の増幅率のばらつき、増幅率の温度特性、増幅器のオフセットばらつき、オフセットの温度特性等の誤差である。
このような誤差を残したままで、センサ素子１１の温度特性を補正すると、赤外線センサの精度を損なう一因になる。
【００４１】
一方、図５は、従来の赤外線センサの概略図であって、上記した実施形態２と比較するための構成を示している。なお、図５に示した構成のうち、図２に示した赤外線センサと同様の構成については同様の符号を付して示し、説明の一部を略す。
センサ素子１２は量子型のセンサ素子であって、入力端子が基準電圧ＶREFに固定されている。センサ素子１２の出力端子は、切替部２２に接続されている。切替部２２は、赤外線感知信号ａを電圧計４６に、センサ素子１２の抵抗値に相当する、温度測定信号ｂを、計測部４７に入力するように、交互に接続を切り替えている。ここでいう赤外線感知信号ａは、赤外線感知によって生じる電流が、センサ素子自身の抵抗に流れて生じるもので、この電流と抵抗の積から成る電圧である。このように、赤外線感知信号ａは不要な抵抗成分が含まれるため、センサ素子の抵抗値のばらつきや抵抗の温度特性等が赤外線感知信号に影響し、赤外線センサの精度を低下させることになる。
【００４２】
図４、図５に示した構成に比べ、実施形態１、実施形態２は、センサ素子から出力される赤外線感知信号、温度測定信号を１つの信号処理部によって処理することができるので、センサ素子と信号処理装置と補正演算部からなる赤外線センサのシステム全体をより小型化することができる。また、部品点数を低減したことにより、赤外線センサのコストをより効果的に低減することができるという利点がある。
【００４３】
また、実施形態１、実施形態２は、赤外線感知信号、温度測定信号を同一の信号処理部によって処理するため、赤外線感知信号、温度測定信号の信号処理上の誤差が同一の要因によって生じることになる。このため、一つの誤差要因を排除することにより、赤外線感知信号に対する処理、温度測定信号に対する処理上で生じる誤差を同時に排除することができる。即ち、効率的に誤差要因を排除することができ、かつ高い精度の赤外線センサを提供することができるという利点がある。
さらに、実施形態１、実施形態２は、赤外線の感知によって生じる電流だけが信号として取り出せるので、赤外線感知信号に不要な成分による誤差が含まれず、赤外線センサの精度を向上させることができる利点がある。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、センサ素子と信号処理装置と補正演算部からなる赤外線センサのシステム全体の小型化と、センサ素子の赤外線感知信号の温度特性を補正し、高い精度の赤外線センサの応用分野において利用できる。
【符号の説明】
【００４５】
１１、１２ センサ素子
２１、２２ 切替部
４１、４２ 信号処理部
５１ Ａ／Ｄコンバータ
５６ 補正演算部
７１ 初段演算増幅器
７２ ２段目演算増幅器
９１ 切替制御部
１０１、１０２ 信号処理装置
２０１、２０２ 抵抗素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線センサ素子の一方の端子に接続され、該一方の端子に印加する電圧を切り替える切替部と、
前記赤外線センサ素子の他方の端子に接続され、該他方の端子から出力される信号を増幅する増幅部と、
を有し、
前記増幅部が、
前記赤外線センサ素子の一方の端子にゼロ電圧を与えて、赤外線を感知することにより前記赤外線センサ素子から出力される第一の信号と、
前記赤外線センサ素子の一方の端子にバイアス電圧を与えて、前記赤外線センサ素子の抵抗値に応じた第二の信号のいずれか一方と、を、
前記切替部で選択して増幅することを特徴とする赤外線センサの信号処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載の赤外線センサの信号処理装置であって、
前記赤外線センサ素子が、量子型赤外線センサ素子であることを特徴とする赤外線センサの信号処理装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の赤外線センサの信号処理装置であって、
非反転入力端子に基準電圧が与えられ、出力端子と反転入力端子との間に抵抗が接続された演算増幅器と、
前記基準電圧と、前記基準電圧にバイアス電圧が付加された電圧とを切替可能な切替部と、
を有し、
前記赤外線センサ素子の一方の端子が、前記切替部に接続され、
前記赤外線センサ素子の他方の端子が、前記演算増幅器の反転入力端子に接続されることを特徴とする赤外線センサの信号処理装置。
【請求項４】
赤外線センサ素子と、
前記請求項１から３のいずれかに記載の信号処理装置と、
前記第一の信号の増幅値および前記第二の信号の増幅値および前記赤外線センサ素子の内部の抵抗の温度特性値に基づいて、前記赤外線センサ素子の温度特性を補正する補正演算部と、
を備えることを特徴とする赤外線センサ。
【請求項１】
赤外線センサ素子の一方の端子に接続され、該一方の端子に印加する電圧を切り替える切替部と、
前記赤外線センサ素子の他方の端子に接続され、該他方の端子から出力される信号を増幅する増幅部と、
を有し、
前記増幅部が、
前記赤外線センサ素子の一方の端子にゼロ電圧を与えて、赤外線を感知することにより前記赤外線センサ素子から出力される第一の信号と、
前記赤外線センサ素子の一方の端子にバイアス電圧を与えて、前記赤外線センサ素子の抵抗値に応じた第二の信号のいずれか一方と、を、
前記切替部で選択して増幅することを特徴とする赤外線センサの信号処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載の赤外線センサの信号処理装置であって、
前記赤外線センサ素子が、量子型赤外線センサ素子であることを特徴とする赤外線センサの信号処理装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の赤外線センサの信号処理装置であって、
非反転入力端子に基準電圧が与えられ、出力端子と反転入力端子との間に抵抗が接続された演算増幅器と、
前記基準電圧と、前記基準電圧にバイアス電圧が付加された電圧とを切替可能な切替部と、
を有し、
前記赤外線センサ素子の一方の端子が、前記切替部に接続され、
前記赤外線センサ素子の他方の端子が、前記演算増幅器の反転入力端子に接続されることを特徴とする赤外線センサの信号処理装置。
【請求項４】
赤外線センサ素子と、
前記請求項１から３のいずれかに記載の信号処理装置と、
前記第一の信号の増幅値および前記第二の信号の増幅値および前記赤外線センサ素子の内部の抵抗の温度特性値に基づいて、前記赤外線センサ素子の温度特性を補正する補正演算部と、
を備えることを特徴とする赤外線センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１１９３９８（Ｐ２０１１−１１９３９８Ａ）
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７４６２４（Ｐ２００９−２７４６２４）
【出願日】平成２１年１２月２日（２００９．１２．２）
【出願人】（３０３０４６２７７）旭化成エレクトロニクス株式会社 (840)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月２日（２００９．１２．２）
【出願人】（３０３０４６２７７）旭化成エレクトロニクス株式会社 (840)
【Ｆターム（参考）】
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