4.　赤外センサの調査・研究

4.1　主旨

本書は、本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を調査、理解し、後のシステム動作方式、統括制御方式の研究に役立てるためのものである。

4.2　赤外線とは

可視光線の長波長側の限界（〜0.75mm）から約１mmまでの波長の電磁波は赤外線と呼ばれる。また、赤外線は熱線ともいわれる。それは、赤外線は強い熱効果、すなわち物質に吸収されてその物質を発熱される効果があるためである。

4.3　赤外線の特徴

1. 肉眼で直接観測できない。
2. 波長が可視光線や紫外線に比べて長いので微粒子によって散乱される度合が少なく空気中を比較的よく透過する。
3. 周波数が物質を構成している分子の固有振動数とだいたい同程度の範囲にあるため物質に当たると電磁的な共振がおこり、そのエネルギーが無駄なく物質に吸収される。

4.4　赤外線センサの種類

4.4.1　光電子型、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。

4.4.2　熱型

赤外線を熱に変換し、その熱を電気量に変換するセンサである。熱型赤外線センサは安価だが一般に周波数応答が低い。この熱型赤外線センサの一種で、焦電型センサというものがあり、これは他の熱型センサに比べ感度が高く、また構造が簡単であるためよく使われている。これは、焦電効果によって発っせられた電荷によって創られる電圧をFETで増幅し出力するセンサである。

※焦電効果とは
焦電効果は強誘電体における自発分極の温度特性を利用している。温度上昇によって焦電体セラミックスの分極の大きさが変化するとその変化分が電荷として放出されることになる。

これから実際に使われるセンサの詳細を示す。

4.5　赤外線センサと送信機（詳細）

4.5.1　送信機

表4.1　最大定格（Ｔa=25）

項　　　目	記号	定格	単位
直流順電流	IF	100	mA
直流順電流低減率（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

Fig 4.1　外形

表4.2　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
逆電圧	IR	VR=5V	---	---	10	μA
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
ピーク発光波長	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	---	°

Fig 4.2　波長特性[標準値] (IF=50mA,Ta=25℃)

Fig 4.3　指向特性[標準値] (Ta=25℃)

4.5.2　センサ

定格及び特性

Fig 4.4　構成図

表4.3　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	-10〜+60 ※1	℃
保存温度	Tstg	-20〜+70	℃
保存温度	Tsol	260 ※2	℃

※1 )結露なきこと。　　※2 )樹脂端面より下部の位置で5秒間

表4.4　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

表4.5　電気的特性　（特に指定の無い限りＴa=25℃,Ｖcc=5V)

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,ﾌﾟﾙｱｯﾌﾟ抵抗ｋΩ
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	f0	---	38	---	kHz

※2) 下図に示すバースト波を、Fig4.6に示す送信機にて送信するものとする。

Fig 4.5　バースト波

性能
Fig4.6に示す送信機を用いて、Fig4.7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
Fig4.7において、Ｌ＝0.2〜5ｍ、Ee＜10lx(※3)、φ＝0°のとき、出力信号が表4.5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°のとき表4.5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°のとき表4.5の電気的特性を満足すること。
　 ※3)　受光面照度を示す。

Fig 4.6　送信機

Fig 4.7　光学系

指向角特性

Fig 4.8　X方向特性

Fig 4.9　Y方向特性

Fig 4.10　赤外線センサ外形図

4.6　赤外線センサ信号処理回路

Fig 4.11　回路構成

1. 同期回路
   
2. 割り込み信号発生回路

割り込み信号部について
ここの部分は、恐らく、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ようになると思う。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。