JP2005207869A - 赤外線検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】 デュワ熱伝導部である内筒先端部に使用されていたコバール、インバーは、約80Kの極低温において、部分的あるいは全体的にマルテンサイト変態を生じ、体積膨張する。それによりデュワの赤外線検出素子実装部に大きな応力が発生する可能性があった。本発明では、従来のインバーの熱膨張係数を維持しつつ、冷却時のマルテンサイト変態を抑制することを目的とする。
【解決手段】 この発明の赤外線検出器は、入射赤外線を透過する窓を有する外筒及び、前記外筒と一体化され、冷却手段を挿入する空間を形成する内筒からなる真空断熱構造を有するデュワと、前記デュワの内筒先端部のデュワ熱伝導部に配置され、前記冷却手段により冷却される赤外線検出素子と、を備えた赤外線検出器において、前記デュワ熱伝導部は、炭素含有量0.06〜0.1％のインバー合金（36％Ni−Fe）であるものである。
【選択図】 図１

Description

この発明は物体から放射される赤外線を画像情報として検出する赤外線検出器に関するものである。

シリコンまたはカドミウム水銀テルライドからなる赤外線検出素子は、温度外乱を除去するため極低温（約80Kの液体窒素温度）に冷却された状態で動作させる必要がある。そのため赤外線を透過する窓を備え、検出素子の極低温冷却が可能な特別な構造のデュワと呼ばれる容器に赤外線検出素子本体を搭載して駆動させる。従来の赤外線検出器は、入射赤外線を透過する窓を気密接合したデュワ外筒とこれにつながる一体化されたデュワ内筒で構成され、デュワ内筒先端部に赤外線素子をフレーム状パッケージ、パッケージ底面で構成されるサブパッケージを介して搭載し、その上部にコールドシールドと呼ばれる入射赤外線の迷光遮蔽壁を設けており、検出素子からの電気信号はサブパッケージのターミナルを経由してデュワ外筒に設けられた気密端子板により外部に取出される。デュワ内筒に、ジュールトムソン型または、スターリングサイクル等クローズドサイクル型の冷却器を挿入し、デュワ内筒先端部を通して検出素子が極低温（約80K）に冷却される。検出素子がシリコンまたはカドミウム水銀テルライド、パッケージは、アルミナまたはムライト、パッケージ底面は、窒化アルミニウムまたは炭化ケイ素であることから、内筒先端部は、コバールまたはインバーの熱膨張係数が比較的近い金属材料が使用されていた。（例えば、特許文献１）これらのFe-Ni合金は、極低温にて部分的あるいは全体的にマルテンサイト変態が発生し、体積膨張する。したがって冷却時、デュワの赤外線検出素子実装部にマルテンサイト変態による大きな応力が発生する恐れがあった。また、Ni含有量によりマルテンサイト変態発生の温度が変化することが一般に知られている。（例えば、非特許文献１）

特開平４−２６１０６６号公報（第３頁、第１図） AMERICAN SOCIETY FOR METALS 「MATERIALS AT LOW TEMPERATURES」 CARNES PUBLICATION SERVICES,Inc. P.322

従来の赤外線検出器では同部分の構成に対して、素子本体がシリコンまたはカドミウム水銀テルライド、パッケージはアルミナまたはムライト、パッケージ底面は、窒化アルミニウムまたは炭化ケイ素であることから、内筒先端部は、コバールまたはインバーの熱膨張係数が比較的近い金属材料が使用されていた。熱膨張係数が近い材料を用いることにより、赤外線検出器動作時の冷却で発生する熱応力を極力抑えることを目的としている。しかしながら、このデュワ熱伝導部である内筒先端部に使用されていたコバール、インバーは、約80Kの極低温において、部分的あるいは全体的にマルテンサイト変態を生じ、体積膨張する。それによりデュワの赤外線検出素子実装部に大きな応力が発生する可能性があった。そのため、デュワを製造する過程でコバール、インバー等の構成材料を予め極低温に冷却し、マルテンサイト変態を発生させ、それ以降の冷却時には体積膨張が発生しないようにする前処理を行う必要があった。

本発明では、従来のインバーの熱膨張係数を維持しつつ、冷却時のマルテンサイト変態を抑制することを目的とする。

この発明の赤外線検出器は、入射赤外線を透過する窓を有する外筒及び、前記外筒と一体化され、冷却手段を挿入する空間を形成する内筒からなる真空断熱構造を有するデュワと、前記デュワの内筒先端部のデュワ熱伝導部に配置され、前記冷却手段により冷却される赤外線検出素子と、を備えた赤外線検出器において、前記デュワ熱伝導部は、炭素含有のインバー合金(Ni−Fe)であるものである。

本発明によれば、従来のインバーの熱膨張係数を維持しつつ、冷却時のマルテンサイト変態を抑制することができる。

実施の形態１．

図１から図７は、本発明の実施の形態１を示す図である。図１は、本発明の赤外線検出器を示す図である。図１において、赤外線入射光１を透過する赤外線透過窓２を気密接合したデュワ外筒３とこれにつながる一体化されたデュワ内筒４で構成される。デュワ熱伝導部４aに赤外線検出素子７をフレーム状パッケージ８、パッケージ底板９で構成されるサブパッケージを介して搭載し、その上部にコールドシールド１０と呼ばれる入射赤外線の迷光遮蔽壁を設けている。赤外線検出素子７からの電気信号はパッケージのターミナルを経由してデュワ外筒に設けられた気密端子板により外部に取り出される。デュワ内筒の冷却器挿入部１１に、ジュールトムソン型または、スターリングサイクル等クローズドサイクル型の冷却器を挿入し、デュワ熱伝導部４aを通して赤外線検出素子７が極低温（約80K）に冷却される。

つまり、デュワは、入射赤外線を透過する窓２を有するデュワ外筒３及び、デュワ外筒３と一体化され、冷却手段を挿入する空間を形成するデュワ内筒４からなる真空断熱構造を有する。また、赤外線検出素子７は、デュワ内筒４の先端部であるデュワ熱伝導部４ａに配置され、冷却手段により冷却される。

この発明では、図１に示すデュワ熱伝導部４aの材料として、炭素（C）含有量0.06〜0.1％のインバー合金（36%Ni−Fe）を採用する。

インバーは、鉄（Fe）およびニッケル（Ni）の合金であるが、その他炭素（C）、シリコン（Si）、マンガン（Mn）、リン（P）、硫黄（S）、コバルト（Co）等の微量成分が介在物として存在するものである。一般的にそうした介在物は、不純物質であるため、極力混入しないよう製造されている。Cについては、およそ0.02〜0.03％に抑えるよう調整されることが多い。また、これらの介在物の含有量が増加することで、熱膨張係数も増加する傾向にある。炭素含有量についても同様で、ある程度抑制する必要がある。

インバー合金は、オーステナイト系の金属であるが、低温降下させると組織の一部がマルテンサイト変態を起こす。マルテンサイト変態が起きると結晶の体積膨張が起こることが一般的に知られている。本発明を適用しようとするものは、常温から約80K（-193℃）まで冷却される。そのため液体窒素（-196℃）で冷却してもマルテンサイト変態を起さない材料が必要となる。

そこで、マルテンサイト変態を抑制するために、通常は成分を抑制される炭素（C）の含有量をあえて増加することとした。式（１）に各成分含有量によるマルテンサイト変態温度（以下Md点という）の算出で用いられる、ステンレス協会編「ステンレス便覧」日刊工業新聞社 P.559に記載のAngelの式を示す。この式によれば、炭素含有量のMd点低下への寄与は、ニッケル含有量増加の約５０倍に相当するため、炭素量を例えば0.03％から0.08％へ増加させることによってニッケル含有量が2.5％増加したのに等しい効果が得られる。図２には、ニッケル含有量とマルテンサイト変態点の関係および炭素量を0.08％へ増加した場合のマルテンサイト変態温度の関係を示す。ニッケル含有量とマルテンサイト変態点の関係を実線で表わし、炭素量を0.08％へ増加した場合のマルテンサイト変態温度の関係を二点鎖線で表わす。また、インバーはニッケル含有率36％であるが、偏析（ニッケル含有量のばらつき）が材料内であるため、それを示す分布図も図２に示した。およそ33％から38％の間にばらつきがある。これによれば、炭素量を0.08％へ増加した場合、偏析によるニッケル成分の分布を考慮しても、80K（-193℃）付近で全くマルテンサイトが発生しないこととなる。

前記のマルテンサイト変態抑制原理を実験により検証した結果を図３に示す。ニッケル含有率36％のインバー材への適用を行うが、図２に示したとおり、もともとニッケルの含有量を36％とするとマルテンサイト変態する結晶の割合は極少ない。偏析によりニッケル含有量が33％程度の箇所でマルテンサイト変態が起こる可能性があることから、確率的に低く、検出できない可能性が高いため、検証実験では、ニッケル含有量32％の合金で行った。この32％ニッケル合金の炭素量をおよそ0.004％、0.05％、0.1％と変化させ、この試料を液体窒素に浸漬して冷却した後、Ｘ線回折によりマルテンサイト結晶の体積率（α量％）を測定した。これによると、炭素量を増加させることによって、マルテンサイト変態する結晶の割合が減少し、マルテンサイト変態抑制効果があることが分かった。組織観察結果を図４に示す。炭素含有量0.1％では、マルテンサイト結晶の特徴である針状結晶がほとんど見られない。また、図５によりα量20％以下で変態発生がほとんどないと考えると炭素含有量を0.06%以上とする必要がある。この検証実験ではニッケル32%合金で評価を行ったが、例えばニッケル36％合金とするとよりマルテンサイト変態を抑制することができると推定される。つまり、ニッケルが32%以上で有れば良いと考えられる。

一般に炭素の含有量が増加すると熱膨張係数が増加することが知られている。そこで次に炭素含有量を変化させたときの熱膨張係数を測定した。図６および図７に炭素含有量を0.004%、0.05%、0.1%としたときのニッケル含有量36％インバー合金の熱膨張係数を示す。この値は、赤外線検出器の使用温度範囲（20〜-190℃）での熱膨張係数である。図７から熱膨張係数をおよそ1.9×10^-6以下とする必要があるため、炭素量としては、0.1％以下とする必要がある。
以上のように本発明の赤外線検出器は、デュワ熱伝導部を炭素含有量0.06〜0.1％のインバー合金（36％Ni−Fe）とすることにより、熱膨張係数を従来のインバーとほとんど変えることなく、冷却時のマルテンサイト変態を抑制することができる。

この発明の赤外線検出器は、入射赤外線を透過する窓を有するデュワ外筒３及び、デュワ外筒３と一体化され、冷却手段を挿入する空間を形成するデュワ内筒４からなる真空断熱構造を有するデュワと、前記デュワのデュワ内筒４先端部のデュワ熱伝導部４ａに配置され、前記冷却手段により冷却される赤外線検出素子と、を備えた赤外線検出器において、デュワ熱伝導部は、炭素含有量0.06〜0.1％のインバー合金（36％Ni−Fe）である。この発明において、デュワ熱伝導部に炭素含有量0.06〜0.1％のインバー合金（36％Ni−Fe）を使用することにより、マルテンサイト変態を抑制する。そのため、デュワを製造する過程でコバール、インバー等の構成材料を予め極低温に冷却し、マルテンサイト変態を発生させる前処理を省略することが可能となる。

この発明の実施の形態１を示す図である。 ニッケル含有量とマルテンサイト変態点を示す図である。 炭素含有量とマルテンサイト変態発生割合についての検証実験結果である。 炭素含有量とマルテンサイト変態発生割合についての検証実験結果で、組織観察状況を示す図である。 炭素含有量とマルテンサイト変態発生割合についての関係を示す図である。 炭素含有量と熱膨張係数についての検証実験結果である。 炭素含有量と熱膨張係数についての関係を示す図である。

符号の説明

１：赤外線入射光
２：赤外線透過窓
３：デュワ外筒
４：デュワ内筒
４a：デュワ熱伝導部
５：気密端子板
６：配線
７：赤外線検出素子
８：パッケージ
９：パッケージ底板
１０：コールドシールド
１１：冷却器挿入部
１２：真空部。

Claims (3)

1. 入射赤外線を透過する窓を有する外筒及び、前記外筒と一体化され、冷却手段を挿入する空間を形成する内筒からなる真空断熱構造を有するデュワと、
   前記デュワ内のデュワ熱伝導部に配置され、前記冷却手段により冷却さる赤外線検出素子と、を備えた赤外線検出器において、
   前記デュワ熱伝導部は、炭素含有のインバー合金(Ni−Fe)である赤外線検出器。
2. 前記炭素含有量は、0.06〜0.1％である請求項１に記載の赤外線検出器。
3. 前記インバー合金は、Niが32%以上である請求項２に記載の赤外線検出器。

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