JP2007101513A - 赤外線センサ - Google Patents

Abstract

【課題】検知対象物からの赤外線を正確に検出し、検知対象物を正しく結像させることのできる赤外線センサを提供する。
【解決手段】ケース２０内にリング状のインナー１２を固定する。ケース２０内に外乱ノイズが入射してしまった場合であっても、外乱ノイズの光路がインナー１２により物理的に制限される。外乱ノイズはセンサチップ１０に届かず、対象物から放射されレンズ１１により集光された赤外線エネルギーのみをセンサチップ１０に入射させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、赤外線センサに関する。

赤外線センサは、物体、人体等の検知対象物が発光する赤外線を検出するセンサであり、従来から、例えば非接触放射温度計、耳式体温計、防災防犯用品、家電製品、分析計等に用いられている。

このような赤外線センサとして、パッケージ内に基板上に実装されたセンサチップを配置し、パッケージの上部にレンズを取り付けたものがある（例えば特許文献１）。
この赤外線センサにおいては、物体等から放射された赤外線をレンズによりセンサチップに集光して、入射された赤外線エネルギーに応じた出力信号をセンサチップから発生させる。
特開平９−２９７０６４号公報

赤外線センサにおいては、検知対象物から放射された赤外線のみをセンサチップに集光させるべく、検知対象物以外からの赤外線の光路を制限する必要がある。

このために上述の赤外線センサでは、パッケージのレンズ取付部の開口径を調整することにより、検知対象物以外からの入射赤外線エネルギーの光路を制限していた。

しかしながら、レンズ取付部の開口径を調整するのみでは、検知対象物以外からの赤外線の光路の制限に限界があり、パッケージ内に外乱ノイズが入射してしまう。パッケージ内に外乱ノイズが入射した後、パッケージ内部の反射率が高いと、内部で乱反射してしまう場合があった。

その結果、物体等からの赤外線をセンサチップに正しく結像させることが困難であるという問題があった。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたもので、検知対象物からの赤外線を正確に検出し、検知対象物を正しく結像させることのできる赤外線センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の赤外線センサは、
検知対象物からの赤外線を検出するセンサチップと、該センサチップを搭載するステムと、該センサチップを収納するケースとを備えた赤外線センサであって、
前記ケース内に、検知対象物以外からの赤外線の前記センサチップへの入射を制限するためのインナーを備えたことを特徴とする。

また、インナーは、ケース内面からケース中央部に向かって突出して形成され、該ケース中央部には検知対象物からの赤外線を通過させる貫通孔が形成されるようにしてもよい。

また、前記インナーは、その表面が凹凸状であるようにしてもよい。

また、前記インナーは、赤外線の入光方向に開放された筒状であり、赤外線を通過させる貫通孔が底面に形成されるようにしてもよい。

また、前記インナーを前記ステム上に取り付けるようにしてもよい。

また、前記インナーは、金属製であるようにしてもよい。

また、前記インナーは、黒色アルマイト処理または黒色塗料を塗布されるようにしてもよい。

本発明によれば、検知対象物からの赤外線を正確に検出し、検知対象物を正しく結像させることのできる赤外線センサを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態に係る赤外線センサ１は、図１に示すように、センサチップ１０と、レンズ１１と、インナー１２と、ステム(基板)１３と、リード端子１４と、ケース（パッケージ）２０とを備えている。

センサチップ１０には、検知対象物からの赤外線を検出するための素子が形成されており、例えばヒートシンク上に熱電対により構成されるサーモパイル等が形成されている。なお、センサチップ１０には、赤外線吸収体を形成するようにしてもよい。センサチップ１０は、ステム１３上に搭載される。また、ステム１３には外部接続端子となるリード端子１４が固定されている。

レンズ１１は、センサチップ１０に赤外線を集光させるための光学系である。レンズ１１の焦点はセンサチップ１０の受光面に合わせられる。なお、レンズ１１は、赤外線を透過する材料により形成される。

ケース２０は、ステム１３上に固定され、ケース２０とステム１３との隙間は封止される。ケース２０には、センサチップ１０と対向する面に開口した窓部２０ａが形成されている。この窓部２０ａには、レンズ１１が取り付けられ、窓部２０ａとレンズ１１との隙間は封止される。これにより、封止されたケース２０内にセンサチップ１０が収納される。

インナー１２は、検知対象物以外からの赤外線のセンサチップ１０への入射を制限するためのもの、すなわち、物体等の検知対象物から放射される赤外線の光路を絞ってセンサチップ１０に入射させるためのものである。インナー１２は、図２に示すように、リング状の形状をなしており、検知対象物からの赤外線を通過させる貫通孔１２ａが中央に形成されている。インナー１２は、ケース２０内に水平に例えば接着剤等により固定される。

インナー１２は、熱伝導率の高い金属により形成されている。また、インナー１２には黒色アルマイト処理が施され黒色に着色されている。なお、黒色アルマイト処理の代わりに黒色塗料を塗布するようにしてもよい。

次に、本実施の形態の赤外線センサ１において、対象物からの赤外線をセンサチップ１０に集光させる方法について説明する。

比較のために、図３に、インナー１２を用いていない赤外線センサの例を示す。なお、図１に示す矢印の説明については、図３、図４、図６においても同様とする。矢頭が白抜きの一点鎖線の矢印が対象物以外からの赤外線エネルギー(外乱ノイズ)の方向、矢頭が黒い一点鎖線の矢印が対象物からの赤外線エネルギーの方向、実線の矢印がインナー１２からの赤外線エネルギーの方向を示している。

図３に示すように、インナー１２を用いない場合には、ケース２０内に入射した外乱ノイズがケース２０の内部で乱反射してしまい、乱反射した外乱ノイズがセンサチップ１０に入射してしまう。

これに対して、図１に示すように、インナー１２を用いた場合には、ケース２０内に外乱ノイズが入射してしまった場合であっても、外乱ノイズの光路がインナー１２により物理的に制限される。よって、外乱ノイズはセンサチップ１０に届かず、対象物から放射されレンズ１１により集光された赤外線エネルギーのみをセンサチップ１０に入射させることができる。

このように本実施の形態の赤外線センサでは、対象物から放射された赤外線をセンサチップ１０に正しく結像させて、赤外線エネルギーを正確に検出することができる。

また、インナー１２は熱伝導率の高い金属により形成されているために、ケース２０の内部に温度傾斜が生じるようなことがなくなり、ケース２０内部の温度が均一になる。すなわち、インナー１２の温度とセンサチップ１０の温度との差が小さくなり、インナー１２自体から放射されてセンサチップ１０に入射される赤外線エネルギーの影響が小さくなる。よって、このことからも対象物から放射された赤外線エネルギーを正確に検出することができるようになる。

さらに、インナー１２には黒色アルマイト処理が施されているために、ケース２０内に入射した外乱ノイズの乱反射をより抑制することができる。よって、このような面からも対象物から放射された赤外線エネルギーを正確に検出することが可能となる。

［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態に係る赤外線センサ３０は、図４及び図５に示すように、同心円の階段形状に形成されたインナー３２を備えている。第２の実施の形態は、第１の実施の形態とインナー３２の構成のみが異なるので、その他の構成については同一の符号を付しその説明を省略する。

インナー３２は、同心円の階段形状３２ｂを有する。階段形状３２ｂは、中央に向かっていくにつれて下がる階段形状となっている。また、インナー３２には、対象物からの赤外線エネルギーを通過させるための貫通孔３２ａが中央に形成されている。

このように本実施の形態の赤外線センサ３０では、インナー３２に階段形状３２ｂを有するようにしたので、第１の実施の形態と比べて、ケース２０内に入射した外乱ノイズの光路をより広い範囲でより効果的に制限することができる。よって、本実施の形態の赤外線センサ３０では、対象物から放射された赤外線エネルギーをより正確に検出することができる。

［第３の実施の形態］
本発明の第３の実施の形態に係る赤外線センサ４０は、図６及び図７に示すように、ステム１３に取り付けられたインナー４２を備えている。第３の実施の形態は、第１の実施の形態とインナー４２の構成のみが異なるので、その他の構成については同一の符号を付しその説明を省略する。

インナー４２は、センサチップ１０が固定されたステム１３上に取り付けられている。インナー４２は、例えば接着剤による接着や溶接等によりステム１３に取り付けられる。インナー４２は、逆椀状に形成され、テーパ面４２ｂを有し、その中央に対象物からの赤外線エネルギーを通過させるための貫通孔４２ａが形成されている。

このように本実施の形態の赤外線センサ４０では、インナー４２の取付位置をセンサチップ１０が固定されているステム１３上にしたので、インナー４２とセンサチップ１０の温度の差がより小さくなる。これにより、第１の実施の形態と比べて、インナー４２自体の赤外線エネルギーとセンサチップ１０自体の赤外線エネルギーとの差が十分小さくなり、インナー４２から放射されてセンサチップ１０に入射される赤外線エネルギーの影響がより小さくなる。よって、本実施の形態の赤外線センサ４０では、対象物から放射された赤外線エネルギーをより正確に検出することができる。

［第４の実施の形態］
本発明の第４の実施の形態に係る赤外線センサ５０は、図８及び図９に示すように、ケース２０に取り付けられたインナー５２を備えている。第４の実施の形態は、第１の実施の形態とインナー５２及びレンズ５１の構成のみが異なるので、その他の構成については同一の符号を付しその説明を省略する。

インナー５２は、赤外線の入光側である上方が開放された深さの浅い筒状体からなる。インナー５２には、対象物からの赤外線エネルギーを通過させるための貫通孔５２ａが底面の中央に形成されている。インナー５２はケース２０の内壁面に沿ってはめ込まれる。なお、レンズ５１は片凸型である。レンズ５１は、ケース２０内に、ケース２０の窓部２０ａが形成された面とインナー５２によって挟持されて取り付けられる。

このように本実施の形態の赤外線センサ５０では、インナー５２を筒状体にしたので、ケース２０とインナー５２の接着面積が大きくなり熱結合が良くなるので、第１の実施の形態と比べて、インナー５２とセンサチップ１０の温度の差がより小さくなる。
これにより、第１の実施の形態と比べて、インナー５２自体の赤外線エネルギーとセンサチップ１０自体の赤外線エネルギーとの差が十分小さくなり、インナー５２から放射されてセンサチップ１０に入射される赤外線エネルギーの影響がより小さくなる。
よって、本実施の形態の赤外線センサ５０では、対象物から放射された赤外線エネルギーをより正確に検出することができる。また、インナー５２は筒状体であり、この筒状体の部分がケース２０に沿ってはめ込まれるため、取りつけやすい。また、ケース２０とインナー５２でレンズ５１をはさむ形で固定するため、取付位置を一定に決めやすい。

以上、複数の実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、本実施の形態では、赤外線センサ１，３０，４０，５０がレンズ１１，５１を備える例について説明したが、レンズ１１が外付けとされている赤外線センサに本発明を適用することは可能である。

また、本実施の形態では、センサチップ１０がサーモパイルを備える例について説明したが、本発明の赤外線センサはサーモパイル型の赤外線センサに限らず、他の熱型赤外線センサであってもよく、赤外線センサの方式は問われない。

また、本実施の形態のレンズ１１は主に両凸型のレンズを例に説明したが、レンズ１１の形状は両凸型のレンズに限らず、例えば片凸型であってもよいし、センサチップ１０に赤外線を集光できる形状であればよい。

また、本実施の形態では、インナー１２が金属製である例について説明したが、熱伝導性が高いものであれば金属製である必要はない。また、本実施の形態では、インナー１２に黒色アルマイト処理または黒色塗料を塗布する例について説明したが、製造を容易にするためには必ずしも黒色アルマイト処理を施す必要はない。

また、第１の実施の形態では、リング状のインナー１２について説明したが、インナーはケース２０の内面からケース２０の中央部に向かって突出して形成されたものであればよく、例えばセンサチップ１０の四角形の形状に合わせた形状であってもよい。

また、第２の実施の形態では、階段形状３２ｂのインナー３２について説明したが、階段形状に限らずインナー３２の表面が凹凸状であれば外乱ノイズを分散して遮蔽することができる。

本発明の第１の実施形態に係る赤外線センサを表す断面図である。 図１に示した赤外線センサが備えたインナーを表す斜視図である。 インナーを備えない赤外線センサを表す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る赤外線センサを表す断面図である。 図４に示した赤外線センサが備えたインナーを表す斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る赤外線センサを表す断面図である。 図６に示した赤外線センサが備えたインナーを表す斜視図である。 本発明の第４の実施形態に係る赤外線センサを表す断面図である。 図８に示した赤外線センサが備えたインナーを表す斜視図である。

符号の説明

１，３０，４０，５０ 赤外線センサ
１０ センサチップ
１１ レンズ
１２，３２，４２，５２ インナー
１３ ステム(基板)
２０ ケース

Claims (7)

1. 検知対象物からの赤外線を検出するセンサチップと、該センサチップを搭載するステムと、該センサチップを収納するケースとを備えた赤外線センサであって、
   前記ケース内に、検知対象物以外からの赤外線の前記センサチップへの入射を制限するためのインナーを備えたことを特徴とする赤外線センサ。
2. 前記インナーは、ケース内面からケース中央部に向かって突出して形成され、該ケース中央部には検知対象物からの赤外線を通過させる貫通孔が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
3. 前記インナーは、その表面が凹凸状であることを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線センサ。
4. 前記インナーは、赤外線の入光方向に開放された筒状であり、赤外線を通過させる貫通孔が底面に形成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
5. 前記インナーを前記ステム上に取り付けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
6. 前記インナーは、金属製であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
7. 前記インナーは、黒色アルマイト処理または黒色塗料を塗布されたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
   

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