沼津高専 電子制御工学科
赤外線センサ
MIRS0102-TECH-0001
改訂記録
版数 作成日 作成者 承認 改訂内容
A01 2001.12.11 望月 増田 初版

1 目的

システム主要構成部品のひとつである赤外線センサについてその基本性能及び特性を調査、理解し、MIRSにおける利用方法を検討する。



2 赤外線とは??


  赤外線の種類は波長によって近赤外(0.7〜3μm)、中赤外(3〜6μm)、遠赤外(6〜15μm)、超遠赤外(15〜1000μm)に分類される。近赤外線の領域は、赤外線受光素子として汎用になっている半導体のシリコンやゲルマニウムが使用できるため、小型の発光ダイオードに用いられている。
ノイズ対策(符号化信号の利用)

過去のMIRSの実績では、外部光(日射、撮影用ライト)によるノイズにより赤外線を誤認識する場合があった。
符号化信号を利用することにより、発信器からのノイズを確実に処理することが可能である。

 信号処理の方法としては、
・符号化信号を平滑化する前の信号をFPGA内のメモリに記憶させて、RT‐taskにより定期的にそのデータを取り出し、規定のパターンと一致しているかを確認する。
・符号化信号を平滑する段階で、信号パターンが規定のコードと一致しているかをハードウェア的に認識させ、一致していた場合のも、その後の処理を行うようにさせる。
などが考えられる。

3 赤外線センサの種類


◎量子型
フォトンを吸収しキャリアを励起することによって直接赤外線を検出するセンサである。このセンサは後に述べる熱型センサより100〜1000倍の検出能力を持つが、動作温度が低いため通常は液体窒素などで冷却の必要があるため、MIRSでの利用は望めない。

◎熱型
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、サーモパイル、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。


4 指向特性


◎送信機側の指向特性


* 理論値による指向特性 *
指向特性 

実験によりとったデータによる指向特性

指向特性 


赤外線受信機の指向特性について

性能

赤外線受信機は、受信した光の強度を測定できないため、送信機と受信機の間の距離を知ることは出来ない、つまり、得られる情報は少ないのである。 図1に示す送信機を用いて、図2の光学系においてリモコンセンサの出力信号が下記の各項目を満足すること。

直線受信距離特性

図2において、L=0.2〜5m、Ee<10lx(※3)、φ=0°のとき、出力信号が1ー4項の電気的特性を満足すること。


指向角受信距離特性

図2において、L=0.2〜3m、Ee<10lx、X方向φ≦30°、Y方向θ=0°のとき1ー4項の電気的特性を満足すること。
又、L=0.2〜3m、Ee<10lx、X方向φ=0°、Y方向θ≦15°のとき1ー4項の電気的特性を満足すること。


  ※3) 受光面照度を示す。


図1 送信機 
図1 送信機 


図2 光学系 
図2 光学系


理論値による赤外線受信機の指向特性

1−6 指向角特性

X方向特性 
X方向特性


Y方向特性 
Y方向特性


実験によってとったデータによる赤外線受信機の指向特性

(注)実験では赤外線送信機を固定して指向特性を調べたものである。
X方向特性 
X方向特性




5 赤外線センサー


  1. 使用素子
  2. ・<発光側>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。

    ・<受光側> SHARP   IS1U60



  3. 発光側の定格及び特性
    1. 外観
    2. LED外観

    3. 最大定格
    4. 最大定格(Ta=25)
      項   目記号定格単位
      直流順電流IF100mA
      直流順電流低減率(Ta>25℃)ΔIF/℃-1.33mA/℃
      パルス順電流IFP(注)1A
      直流逆電圧VR5V
      許容損失PD150mW
      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

    5. 電気的特性
    6. 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VFIF=100mA---1.351.5V
      逆電圧IRVR=5V------10μA
      放射強度IEIF=50mA1220---mW/sr
      光出力POIF=50mA---11---mW
      端子間容量CTVR=0,f=1MHz---20---pF
      ピーク発光波長λPIF=50mA---950---nm
      スペクトル半値幅ΔλIF=50mA---50---nm
      半値角θ1/2IF=50mA---±23.5---°

    7. 波長特性
    8. (標準値、IF=50mA、Ta=25℃において)
      波長特性(グラフ)

    9. 製作における注意
      1. リードフォーミングは、リード線のストッパ部より先端部分で、素子に跡が残らないように曲げ、その後に半田付けする。
      2. 半田付けは、リード線のストッパ部より先端部分で行う。
      3. 半田付けの温度は、260℃以下。時間は5秒以下とする。

  4. 受光側の定格及び特性
    1. 外形
    2. 4−1 IS1U60外形図

    3. マーク図
    4. 定格
    5. 3-1.構成図

      3-2.絶対最大定格

      項目 記号 定格値 単位
       電源電圧  VCC  0〜6.0  V 
       動作温度  Topr ※1 −10〜60  ℃ 
       保存温度  Tstg  −20〜70  ℃ 
       半田温度  Tsol ※2    260  ℃ 
       ※1 結露なきこと。 ※2 樹脂端面より下部の位置で5秒間

      3-3.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 

      3-4.電気的特性

      項目 記号 最小 標準 最大 単位 備考
       消費電流  ICC  −  2.8 4.5  mA  入力光なし、出力端子OPEN
       Hレベル出力電圧  VOH CC−20  −  −  V   ※3、出力端子OPEN
       Lレベル出力電圧  VOL  − 0.45 0.6  V   ※3、プルアップ抵抗2.2kΩ
       Hレベルパルス幅  T1  400  − 800  μs  ※3
       Lレベルパルス幅  T2  400  − 800  μs  ※3
       B.P.F中心周波数 f0  −  38  −  kHz  
       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。
      バースト波

  • 回路構成
  • 赤外線センサ信号回路

    赤外線センサ信号処理回路

    赤外線センサ信号処理回路


    ・割り込み信号部は、赤外線センサー受光部からの信号に変化が生じたときに割り込み信号を出すと思う。信号自体は、一発パルスではなく他の波形になると思われる。