赤外線検出器とそれを用いた残焼検出装置

トップ :: G 物理学 :: G01 測定;試験

【発明の名称】	赤外線検出器とそれを用いた残焼検出装置
【発明者】	【氏名】石川泰三
【要約】	【課題】検出トランジスタＱ１の入力側に焦電型の赤外線検出素子１０の出力信号以外の信号成分が加わらないようにしつつ該赤外線検出素子１１の出力を電気的にチョッピングすることのできる赤外線検出器を提供する。【解決手段】焦電型の赤外線検出素子１０と、その出力を増幅する検出トランジスタＱ１と、該赤外線検出素子１０の出力側に接続され、オンされたとき赤外線検出素子１０を放電するチョッピングトランジスタＱ２を少なくとも備えている。トランジスタがＦＥＴの場合、赤外線検出素子１０にパラレルに抵抗Ｒ１を接続することにより赤外線検出素子１０に生じた電荷による電流をその抵抗Ｒ１に流れるようにして電圧に変換し、該抵抗Ｒ１の端子電圧を検出トランジスタＱ１に入力する。

【特許請求の範囲】
【請求項１】赤外線を受光しその受光量に応じた電荷を発生する焦電型赤外線検出素子と、上記焦電型赤外線検出素子の出力を増幅する検出トランジスタと、上記焦電型赤外線検出素子の出力側に接続され、チョッピング用パルスを受けオンしたとき該焦電型赤外線検出素子を放電するチョッピングトランジスタと、を少なくとも備えたことを特徴とする赤外線検出器。
【請求項２】火災消火後等の残焼から発生する赤外線を検出する赤外線検出器と、該赤外線検出器の出力を処理してその検出結果を可視的及び／又は可聴的に出力する出力部を有する残焼検出装置であって、赤外線検出器として請求項１記載の赤外線検出器を備えたことを特徴とする残焼検出装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、焦電型赤外線検出素子（本明細書において以下単に「赤外線検出素子」という場合には「焦電型赤外線検出素子」を指す。）を使用した赤外線検出器と、それを用いたところの、消火活動後における残焼の有無を検知することができる残焼検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】火災が発生したとき消防隊員が通報に基づいて消防車で火災発生場所に向かい、そこに到着すると消火活動を為し、それによりやがて鎮火すると、消火活動が一応終了したといえるが、しかし、完全に鎮火したか否かの判断が難しい。というのは、火事の残焼の有無は従来消防隊員が現場の状況から経験的に判断していたに過ぎず、客観的に残焼が完全になくなったと言える状況かどうかを示す合理的根拠なく主として現場にいる隊員のなかでベテランと称される比較的経験の豊富な人の主観によって判断していた。
【０００３】このように、従来において、残焼が完全になくなったといえるか否かを合理的根拠なく消防隊員の主観により判断していたので、判断ミスの生じる場合があるという問題があった。この点について詳しく述べると、確かに、消防隊員の永年の経験は残焼の有無の判断力を強め、経験豊富な人の判断力は軽視することが出来ない。
【０００４】しかしながら、いかに経験豊富な消防隊員とはいえどその時々の体調、悩み等により判断力が低下することもある。そして、判断力の低下したときの判断により判断ミスを侵し、消火活動を終了したために、一旦鎮火した筈の火災が残焼により再度激しくなり、莫大な被害が生じるということがあった。
【０００５】また、現場にいる消防隊員のなかに残焼の有無を的確に判断できるベテランがいないということも生じ得る。というのは、消防隊員は交代制で勤務しているからである。このような場合も、当然のことながら、的確な判断ができない可能性がある。加えて、焼け落ちてきた例えばトタンの下の木屑等の焼け残り等は目視では物理的に確認が困難である。
【０００６】勿論、的確な判断ができない場合、慎重を期し、鎮火して残焼のおそれがなくなったと判断されてもなお消火活動を続け、完璧に誰が判断しても残焼の可能性がなくなったと判断できる状態になるまで消火するようにするとよいといえる。しかし、火災の規模等により一つの消防グループが一箇所にのみ長く留まって消火続けることが許されず、鎮火したら直ちに次の場所に移って新たに消火活動を行うことが必要となるような場合もある。このような場合、残焼の有無を迅速且つ的確に判断しなければならないが、従来においてはそれが難しいというのが実情であった。
【０００７】そこで、本願発明者は、このような問題点を解決すべく、即ち、残焼の有無を物理的検出結果に基づいて客観的に判断することのできる可搬的残焼検出装置を提供するべく模索し、それに成功した。即ち、残焼を検出する赤外線検出器と、該赤外線検出器の出力を処理してその検出結果を出力する出力部を有する残照検出器を発明した。そして、その発明及びそれと関連して為した発明とについて特許出願（特願平７－１８８２１０）をした。
【０００８】そして、その残焼検出装置の赤外線検出器としては、当初特公昭６０－３５０１４号公報に紹介されたものを用いることを検討してみた。図４はその赤外線検出器の回路図であり、この図に従って赤外線検出器を簡単に説明すると、次のとおりである。図において、１は焦電型の赤外線検出素子で、赤外線を受光し、その受光量に応じた電荷を生じる。２はコンデンサ、３は該コンデンサ２と直列回路を構成する変調信号発生器で、この変調信号検出器３とコンデンサ２からなる直列回路が赤外線検出素子の出力端子間に接続されている。
【０００９】４はＦＥＴ（電界効果トランジスタ）で、そのゲートは上記コンデンサ２と上記変調信号発生器３との接続点と接続されている。そして、該ＦＥＴ４のドレインは電源端子（＋Ｂ）に接続され、ソースは負荷抵抗５を介してアースされており、Ｇはアース側端子である。そして、６はＦＥＴ４のソースと負荷抵抗５との接続点であり、これがＦＥＴ４及び負荷抵抗５からなるソースホロア回路の出力点となる。
【００１０】変調信号発生器３の反コンデンサ２側の端子及び赤外線検出素子１の同じく反コンデンサ２側の端子は共に、アースされている。この赤外線検出器は、変調信号発生器３の出力信号により変調された信号を赤外線検出素子１に印加するようにして機械的チョッパを不要にしている。この点について詳しく説明すると次のとおりである。
【００１１】即ち、赤外線検出素子１の発生電荷量を電流検知するにあたり、その電流ｉはｉ＝Ｋ（ｄＰ／ｄＴ）・（ｄＴ／ｄｔ）で表される（尚、Ｋ：定数、ｄＰ／ｄＴ：焦電係数、ｄＴ／ｄｔ：温度の時間変化）。従って、電流値ｉを大きくして感度を確保するには、ｄＴ／ｄｔを大きくすることが必要であり、そのため、受光赤外量を光り変調する必要があり、上記公告による技術的提案のあるまでは、それを、赤外線検出素子１に向かう赤外入光の経路に開閉可能な窓を設け、該窓を開閉してチョッピングすることにより行っていた。しかし、それでは機械的チョッパが必要であり、赤外線検出器の大型化が伴ってしまう。そこで、機械的チョッパを設けないで、ｄＴ／ｄｔを大きくするべく考案されたのが図４に示す回路なのである。つまり、変調電気信号により電気的手法によって赤外線検出素子１をチョッピングするのである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】ところで、図４に示す赤外線検出器にも問題があった。というのは、図４に示す赤外線検出器には、変調信号発生器３の出力信号の成分が赤外線検出素子１の出力信号と共に検出トランジスタ４に加わってしまうので、赤外線検出素子１の出力信号が変調信号発生器３の出力と共に増幅される。従って、トランジスタ４からなるソースホロア回路の出力信号から変調信号発生器３の出力信号成分を取り去ることが必要であり、そのため誤差が生じ易くなったり、Ｓ／Ｎの向上が難しくなったりする問題があった。
【００１３】本発明はこのような問題を解決すべく為されたもので、検出トランジスタの入力側に赤外線検出素子の出力信号以外の信号成分が加わらないようにしつつ赤外線検出素子の出力を電気的にチョッピングすることのできる赤外線検出器を提供することを目的とし、更には斯かる赤外線検出器を用いた残焼検出装置を提供することを目的とする。
【００１４】本発明赤外線検出器は、赤外線検出素子と、該赤外線検出素子の出力を増幅する検出トランジスタと、該赤外線検出素子の出力側に接続され、オンされたとき赤外線検出素子を放電するチョッピングトランジスタを少なくとも備えたことを特徴とする。
【００１５】従って、本発明赤外線検出器によれば、チョッピングトランジスタを或る一定の周期、デューティーレシオを有するチョッピング用パルスにより駆動し、オンしたときのチョッピングトランジスタにより赤外線検出素子の出力を放電（リセット）することができるので、所定の周波数のパルスを印加することにより赤外線検出素子のチョッピングができ、チョッピングに機械的チョッパを必要としない。そして、チョッピングトランジスタにより赤外線検出素子の出力が短絡（抵抗を介しても短絡も含む。）されることによって放電されるもチョッピングトランジスタは検出トランジスタの入力側に信号を出力するわけではない。だから、検出トランジスタの入力に赤外線検出素子の出力が加わる状態と、赤外線検出素子の出力側がチョッピングトランジスタにより短絡されて赤外線検出素子の出力が加わらない状態とが交互に生じるのみで、赤外線検出素子の出力以外の信号が検出トランジスタの入力側に加わることはない。
【００１６】依って、図４に示すような従来の赤外線検出器におけるような問題、即ちソースホロア回路の出力信号から変調信号発生器３の出力信号成分を取り去ることが必要であり、誤差が生じ易くなったり、Ｓ／Ｎの向上が難しくなったりする問題は、本発明赤外線検出器によれば生じるおそれがない。
【００１７】
【発明の実施の形態】本発明赤外線検出器は、赤外線検出素子と、該赤外線検出素子の出力を増幅する検出トランジスタと、該赤外線検出素子の出力側に接続され、オンされたとき赤外線検出素子を放電するチョッピングトランジスタを少なくとも備えたものであり、赤外線検出素子は焦電効果を利用した赤外線検出素子、即ち焦電型の赤外線検出素子であれば何を用いても良い。そして、スイッチングトランジスタには適宜な抵抗を直列に接続し、該直列回路により赤外線検出素子の出力側を短絡するようにすると良い。但し、チョッピングトランジスタＱ２自身がオン時であってもインピーダンスを持つので、そのインピーダンスが必要な大きさを持つ場合には、抵抗Ｒ３は必要ではない。
【００１８】上記各トランジスタはバイポーラトランジスタで構成しても良いが、入力インピーダンスが大きいＦＥＴ（電界効果トランジスタ）で構成した方が良い。その場合、赤外線検出素子に並列的に抵抗を接続し、この抵抗に赤外線検出素子の出力電流を流し、その電流により該抵抗に発生する端子電圧を赤外線検出素子の出力電圧として検出トランジスタのゲートに印加するようにすることになる。もしトランジスタとしてバイポーラトランジスタを用いた場合には赤外線検出素子に生じた電荷による電流をそのまま検出トランジスタにベース電流として流すことができるので、赤外線検出素子に並列に接続する抵抗は必要ではない。但し、ベース電流が流れる経路に抵抗を介在させる必要がある場合が多いであろう。
【００１９】そして、チョッピングトランジスタは周波数例えば１Ｈｚ、デューティレシオ例えば１０％というようなチョッピング用パルスで駆動する。赤外線検出器の感度をより高めるために、赤外線検出素子の受光側にレンズを設けて該レンズにより集光した光を赤外線検出器に入力するようにすると良い。そして、レンズとして厚さを相当に薄くできるフレネルレンズを用いると赤外線検出器、或いは赤外線検出器を用いた装置、例えば残焼検出装置を徒に大型化することなく高感度化を図ることができる。尚、本発明赤外線検出器は残焼検出装置用の赤外線検出器として用いることができるが、それ以外の装置にも用いることができる。
【００２０】
【実施例】以下、本発明を図示実施例に従って詳細に説明する。図１は本発明赤外線検出器の一つの実施例を示す回路、図２は赤外線検出器の動作を説明するためのタイムチャートである。図面において、１０は赤外線検出素子で、赤外線を受光し、その受光量に応じた電荷を生じる。ＦＮＬはフレネルレンズ、Ｒ１は該赤外線検出素子１０に並列に接続された抵抗で、赤外線検出素子１０に生じた電荷による電流が流れると、その電流に比例した端子電圧が発生する。
【００２１】Ｑ１は抵抗Ｒ１の出力電圧をゲートに受ける検出トランジスタで、ｎチャンネルＭＯＳトランジスタからなり、そのドレインは電源電圧＋Ｂ（Ｖ_DD）端子に接続され、ソースは抵抗Ｒ２を介してアースラインＧに接続されており、該抵抗Ｒ２と該トランジスタＱ１とで入力インピーダンスの高いソースホロア回路が構成される。そして、そのトランジスタＱ１と抵抗Ｒ２との接続点が赤外線検出器の出力端子となる。
【００２２】Ｑ２はチョッピング用パルスを受け、オン状態のとき赤外線検出素子１０の出力側を放電（リセット）するチョッピングトランジスタであり、ｎチャンネルＭＯＳトランジスタからなり、そのソースは接地され、ソースは抵抗Ｒ３を介して上記検出トランジスタのゲートに接続されている。尚、チョッピングトランジスタＱ２自身がオン時であってもインピーダンスを持つので、そのインピーダンスが必要な大きさを持つならば抵抗Ｒ３は必要ではない。
【００２３】次に、動作について図２に従って説明する。チョッピング用パルスは周期が例えば１秒、デューティーレシオが例えば１０％であり（飽くまでこれは一例）、これがハイのときトランジスタＱ２がオンして赤外線検出素子１０が該トランジスタＱ２及び抵抗Ｒ３により放電（短絡）され、検出トランジスタＱ１の入力が急激に低下せしめられ、従って出力信号も急激に低くなる。チョッピング用パルスがハイからロウに立ち下がると、チョッピング用トランジスタＱ２はオフし、検出トランジスタＱ１のゲートの電位は赤外線検出素子１０の受光量に応じた値を目指して上昇する。そして、チョッピング用パルスがハイに立ち上がったらチョッピング用トランジスタＱ２がオンになり、上述したように検出トランジスタＱ１のゲートが急激に低下せしめられる。そして、このような動作を繰り返すのである。
【００２４】従って、赤外線検出器の出力信号は、図２に示すようになり、赤外線検出素子１０の赤外線受光量が少ない場合には破線に示すように、普通の場合は実線のように、多い場合には２点鎖線のようになり、その各周期（チョッピング用パルスの周期）における積分値或いはピーク値は赤外線受光量に比例する。従って、赤外線検出器の出力信号から例えば測定対象物の温度、残焼の有無等を検出することができる。
【００２５】本赤外線検出器によれば、チョッピングトランジスタＱ２をオンすることにより赤外線検出素子１０の出力を放電（リセット）することができるので、所定の周波数のチョッピング用パルスを印加することにより赤外線検出素子１０の出力（具体的には抵抗Ｒ１の端子電圧）のチョッピングができ、チョッピングに機械的チョッパを必要としない。そして、チョッピングトランジスタＱ２により赤外線検出素子１０の出力が抵抗Ｒ３を介して短絡されるも該チョッピングトランジスタＱ２は検出トランジスタＱ１の入力側に信号を出力しない。だから、検出トランジスタＱ１の入力に赤外線検出素子１０の出力が加わる状態と、赤外線検出素子１０の出力側がチョッピングトランジスタＱ１により短絡されて赤外線検出素子１０の出力が加わらない状態とが交互に生じるのみで、赤外線検出素子１０の出力以外の信号が検出トランジスタの入力側に加わることはない。
【００２６】依って、図４に示す従来の赤外線検出器におけるような、ソースホロア回路の出力信号から変調信号発生器３の出力信号成分を取り去ることを必要とし、誤差が生じ易くなったり、Ｓ／Ｎの向上が難しくなったりする問題の生じるおそれは、本赤外線検出器にはない。
【００２７】図３は図１に示す赤外線検出器を用いた残焼検出装置のブロック図である。同図において、ＦＮＬはフレネルレンズ、１１は赤外線検出器（図１に示す赤外線検出器）で、火災の残焼から発生する赤外線を検出する。１２は該検出器１１の出力信号を増幅するプリアンプ、１３は該プリアンプ２の出力信号、即ち温度検出量を拡大するための対数増幅をするログアンプ、１４は該ログアンプ３の出力信号を表示する、可視的表示手段たるディスプレイで、例えば液晶により或いは複数の発光ダイオードにより出力信号のレベルを表示する。
【００２８】１５は可聴的表示をスピーカ１６に行わせる音声変調器で、上記ログアンプ１３の出力信号の量に応じて音程或いは大きさ、或いは断続音の断続周波数或いはそのデューティーレシオ等を制御して温度の高さを判断できるような音声の信号をスピーカ１６へ出力する。該スピーカ１６は受けた音声信号に応じた音声を発生する。
【００２９】１７はレーザ発生器で、赤外線検出器１１の光軸の向きが解るようにマークとなるレーザビームを発生する。具体的には、該レーザ発生器１７は発生するレーザビームの向きが上記赤外線発生器１１の光軸と合致するように位置決めされている。
【００３０】尚、図３に示すような回路は手に持てるような大きさの容器に収納され、消防隊員の例えば全員或いは一部が持ち、その残焼検出装置に基づいて残照の有無を判断できるようにする。
【００３１】この残焼検出装置の使用方法について説明する。消防隊員は消火が進み鎮火したと思われるときに、火災現場において、残照検出器を、残焼の存在の可能性のある箇所に赤外線検出器１１が向くような方向に、向ける。具体的には、マークとなるレーザビームが検出目標を向くように残焼検出装置を動かす。
【００３２】すると、そのレーザビームの当たったところが赤外線検出器１１の光軸の向いたところであるから、検出目標の温度を検出することができる。そして、その箇所からの赤外線が赤外線検出器１１により検出されると、赤外線検出器１１の出力はその箇所の温度に対応した値になり、その値はプリアンプ２により増幅され、更に、ログアンプ１３により対数圧縮され、ディスプレイ１４と音声変調器１５に入力される。
【００３３】ディスプレイ１４はログアンプ１３の出力を視覚を通じて認識できるようにアナログ或いはディジタル表示をする。従って、この表示から残焼か否かを判断できる。また、残焼でないとしても、残焼に近い状態か、残焼が全くない状態（完全鎮火状態）かの判断もできる。そして、残焼である場合であっても、残焼が強い状態か、弱く鎮火状態に比較的近い状態かについても周辺との温度変化から判断ができる。
【００３４】また、音声変調器１５の出力を受けるスピーカ１６は、単に残焼のある時警告音を発生するに留まらず、残焼の温度が強いほど大きく或いは高くなり、或いは断続音の場合、断続の周波数或いはデューティーレシオが高くなる音を発生するので、その音の大きさ、高さ、断続音における断続の周波数或いはデューティーレシオにより残焼の温度の程度が大まかに解る。
【００３５】
【発明の効果】請求項１の赤外線検出器によれば、チョッピングトランジスタをオンすることにより赤外線検出素子の出力を放電することができるので、所定の周波数のパルスを印加することにより赤外線検出素子の出力のチョッピングができ、チョッピングに機械的チョッパを必要としない。そして、チョッピングトランジスタにより赤外線検出素子の出力が短絡（抵抗を介しても短絡も含む。）されることにより放電されるもチョッピングトランジスタは検出トランジスタの入力側に信号を出力しない。であるから、検出トランジスタの入力に赤外線検出素子の出力が加わる状態と、赤外線検出素子の出力側がチョッピングトランジスタにより短絡されて赤外線検出素子の出力が加わらない状態とが交互に生じるのみで、赤外線検出素子の出力以外の信号が検出トランジスタの入力側に加わることはない。
【００３６】依って、図４に示す従来の赤外線検出器におけるような、ソースホロア回路の出力信号から変調信号発生器３の出力信号成分を取り去ることが必要であり、誤差が生じ易くなったり、Ｓ／Ｎの向上が難しくなったりする問題が生じるおそれは本赤外線検出器によれば、ない。
【００３７】請求項２の残焼検出装置によれば、残焼があると、それがない場合に比較してその周辺温度が高く、赤外線検出器の検出出力が大きくなる。従って、その出力部の出力により検出対象の温度の程度を客観的に認識でき、延いては残焼の有無を判断することができるので、残焼の有無を客観的に判断することができ、残焼の有無について判断ミスを侵し、残焼が再度拡大して大火事になり大きな損害を受けるというおそれがなくなると共に、請求項１の赤外線検出器を用いるが故に、該赤外線検出器が持つ上述した利点を享受することができる。

【出願人】	【識別番号】５９５１０６９８１【氏名又は名称】石川泰三
【出願日】	平成９年（１９９７）１２月１９日
【代理人】	【弁理士】【氏名又は名称】尾川秀昭
【公開番号】	特開平１１－１８３２４８
【公開日】	平成１１年（１９９９）７月９日
【出願番号】	特願平９－３５０８９６