赤外線センサの調査検討

目的

　ここでは、赤外線ＬＥＤと赤外線受光センサの仕組み、特性及び使い方を調べ、ＭＩＲＳにおける利用法を検討する。

赤外線について

　赤外線とは、波長約0.7μm〜約1000μmの電磁波のことである。これは、可視光線より長い波長領域にある。すべての物体は、それの持つ温度に対応した電磁波を放射しており、温度が 700℃以下ならば放射波分布は赤外線領域にある。

赤外線センサについて

　赤外線センサとは、照射光（ＭＩＲＳでは赤外線ＬＥＤにより放射）のフォトン（光子）エネルギーを何らかの形で変換し、電気的に扱えるようにするものである。エネルギーの変換のしかたにより以下のように分類される：

熱形
　エネルギー吸収による温度変化を利用するもの。素子としては、熱電対、サーミスタ・ボロメータ、焦電形素子などがある。特に焦電形素子は、比較的感度が高く、構造が簡単なのでよく用いられる。
量子形
　フォトンエネルギーにより励起される電子によって生ずる導電率の変化（光導電形）や光起電力の発生（光起電力形）により検出する。量子形センサは、反応時間が短いなどの利点はあるが、液体窒素等による冷却が必要なので、ＭＩＲＳ競技等への利用は望めない。

　赤外線センサの利点は、主に「赤外線は可視光線に比べて空気中の透過率が高い、」ということにある（但し、波長によっては透過率が低い赤外線もある。）。

仕様

ＬＥＤ
　ＭＩＲＳ競技規定に従うものとする。
受光部
　本ＭＩＲＳ機においては、開発計画書に書かれたものを変更し、、追跡用３つ、捜索用４つの計７つの赤外線センサを用いる。変更は、前方の死角をなくすために行った。位置は概観図を参照のこと。追跡用センサは検出範囲を限定し、捜索用には幅広い視向性を持たせる。完全な指向角度は実験により定める。 　赤外線を検出したら出力信号はＨレベル（ＴＴＬレベル）で出力し、検出できない場合はＬレベルを出力するものとする。

資料及び検討

1. 赤外線ＬＥＤ　ＴＬＮ１０５Ｂ

   特徴

   • 放射強度が大きい。
   • 指向特性が広い
   • 光出力の直線性が良く、パルス動作、高周波による変調が可能。

   最大定格（Ｔａ＝２５℃）

   項目	記号	定格	単位
   直流順電流	ＩＦ	100	ｍＡ
   直流電流低減率（Ｔａ＞２５℃）	ΔＩＦ／℃	-1.33	ｍＡ／℃
   パルス順電流	ＩＦＰ（注）	1	Ａ
   直流逆電圧	ＶＲ	5	Ｖ
   許容損失	ＰＤ	150	ｍＷ
   動作温度	Ｔｏｐｒ	-20〜75	℃
   保存温度	Ｔｓｔｇ	-30〜100	℃

   （注）パルス幅＜＝１００μｓ、繰り返し周波数＝１００Ｈｚ 電気的特性（Ｔａ＝２５℃）

   項目	記号	測定条件	最小	標準	最大	単位
   順電圧	ＶＦ	ＩＦ=100mA	−	1.35	1.5	Ｖ
   逆電流	ＩＲ	ＶＲ=5V	−	−	10	Ａ
   放射強度	ＩＥ	ＩＦ=50mA	12	20	−	mＷ/sr
   光出力	ＰＯ	ＩＦ=50mA	−	11	−	ｍＷ
   端子間容量	ＣＴ	ＶＲ= 0, f=1MHz	−	20	−	ｐＦ
   ピーク間容量	λＰ	ＩＦ=50mA	−	950	−	ｎｍ
   スペクトル半値幅	Δλ	ＩＦ=50mA	−	50	−	ｎｍ
   半値角	θ１／２	ＩＦ=50mA	−	±23.5	−	°

   使用上の注意

   • 半田付けは、リードのストッパ部より先端部分で行なうこと。
   • 半田付け温度＜＝２６０℃、半田付け時間＜＝５秒
   • リードフォーミングする時は、リードのストッパ部より先端部分で、素子本体　にフォーミングストレスが残らないように曲げ、半田付けはリードフォーミング　のあとで実施する。

   検討

   • 競技規定に合う照度になるような電流を流す。(放射する光の照度は電流の大きさにほぼ比例する。）
   • 受光センサＩＳ１Ｕ６０はパルス波の赤外線しか感知しないので、パルス電流を作る外部回路が必要である。受け付けるパルス幅は約26.4μsである（後述）ので、ＬＥＤの規格に合う。ただし、ＩＳ１Ｕ６０は、同じパルス波を連続的に受け付けると受光基準値が上昇するという特性があるので断続的に放射しなければならない（詳細は受光センサのところで述べる）。

2. 受光センサ　ＩＳ１Ｕ６０

   特徴

   • 出力はＴＴＬレベルによるＯＮ，ＯＦＦのみであり、細かい外部回路を作る必要がほとんど無い。しかし、受信した光の強度を測定できないので、得られる情報量は少ないといえる。

   　内部構成

   ＩＳ１Ｕ６０の内部構成を以下に示す。 最大定格

   項目	記号	定格値	単位
   電源電圧	Ｖcc	0〜6.0	Ｖ
   動作温度	Ｔopr	-10〜+60	℃
   保存温度	Ｔstg	-20〜+70	℃
   半田温度	Ｔsol	260 （５秒以内）	℃

   推奨動作条件

   項目	記号	動作条件	単位
   電源電圧	Ｖcc	4.7〜5.3	Ｖ

   電気的特性

   項目	記号	ＭＩＮ	ＴＹＰ	ＭＡＸ	単位	備考
   消費電流	Ｉcc	−	2.8	4.5	mA	入力光なし,出力端子OPEN
   ハイレベル出力電圧	Ｖoh	Ｖcc-0.2	−	−	V	＊２,出力端子OPEN
   ローレベル出力電圧	Ｖol	−	0.45	0.6	V	＊２,プルアップ抵抗2.2kΩ
   ハイレベルパルス幅	Ｔ1	400	−	800	μs	＊２
   ローレベルパルス幅	Ｔ2	400	−	800	μs	＊２
   Ｂ.Ｐ.Ｆ.中心周波数	ｆo	−	38	−	kHz

   ＊２）　下図に示すバースト波を、送信機にて送信するものとする。

   　検討

   • 電源電圧は５Ｖの物を使用するので問題ない
   • 出力電圧はＴＴＬレベルの範囲内にあるから問題ない。ただし、出力はパルス波（方形波）で送られてくるのでそれを処理する回路が必要である。
   • はんだ付け、又はお茶漬けを行うときは、資料に記されたやり方で行うことが大事である。
   • ほこり等で受光面が汚れると誤動作することがあるので、保存場所や周囲温度には十分気を配る必要がある。また、受光面は触れないようにする。
   • 受光特性や可視光遮断フィルタについては実験により確かめるほうがよい。

必要な外部回路

1. ＬＥＤパルス発生回路
   　受光センサＩＳ１Ｕ６０はパルス波の信号しか受け付けないので、それをＬＥＤで発生させるための回路が必要である。論理素子によって作るが、クロック周波数やＭＩＲＳ競技規定に左右される。
   赤外線信号処理回路

   　ＩＳ１Ｕ６０から出力される信号はパルス波であるから、これを一つの方形波にまとめる回路が必要である。また、割り込み信号を作成する回路も作らねばならない。

　これらの回路の詳細設計は後に行うこととする。（卒研生の物を利用？）

まとめ

　以上で報告を終了する。