JP2009175018A - 赤外線センサ - Google Patents

Abstract

【課題】パッケージ内の気密性を十分に保つことができ、光学レンズおよび赤外線入射フィルタの低コスト化を実現することができる赤外線センサを提供する。
【解決手段】センサチップを収納した状態でステムと固着され、センサチップと対向する位置に窓部を有するキャップと、窓部を塞ぐようキャップ内に配置されたフレネルレンズと、フレネルレンズを窓部側に押し付けるようキャップ内側に嵌入して配置され、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インナーと、インナーの貫通孔を塞いでインナーに接着された赤外線入射フィルタとを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、人体検知や非接触での物体温度計測などに用いられる赤外線センサに関し、特にセンサチップおよび赤外線用光学レンズをパッケージ化した赤外線センサに関する。

人体検知や非接触での物体温度計測などを目的としたセンサとして赤外線センサが一般的に知られている。該熱型赤外線センサは、対象物から放出される赤外線の放射エネルギーを吸収し、赤外線のもつ熱効果によって赤外線検知素子が暖められ、その温度上昇によって生じる電気的性質の変化を検出する。

赤外線検知素子は例えばサーモパイル素子などからなる半導体チップであり、この半導体チップは、電極配線を有する基板にマウントされ光学レンズなどと一緒にパッケージに実装される。そして、光学レンズには、赤外線領域のみを透過させるフィルタ特性をもあわせ持つシリコンを材料とするものが一般的に知られているが、コストなどの問題からプラスチック製のレンズ使用の要求が高まってきている。赤外線センサでプラスチックレンズを使う場合、パッケージ内に赤外線検知素子及び赤外線入射フィルタを実装し、それ全体をＰＣＢ基板などに実装して、更に外側に被せる形でプラスチッックレンズが使用される。

その場合、ＰＣＢ基板には予めプラスチックレンズが取り付けられるような構造にしておく必要がある。プラスチックレンズは、その赤外線透過率の影響を少なくするためにフレネルレンズ形状を取り入れてレンズ材の肉厚を薄くする工夫がなされている。赤外線センサにおける光学レンズとして、プラスチックレンズ（ポリエチレン材料からなるフレネルレンズ）を用いることは、例えば、特許文献１および特許文献２に開示され知られている。

特開平１０−００２７９１号公報 特開平０９−１０５６６８号公報

上述の特許文献１には詳細な構造が記載されていないが、パッケージ内に赤外線検知素子及び赤外線入射フィルタを実装し、それ全体を覆うようなプラスチックレンズをＰＣＢ基板に固定する場合、プラスチックレンズにはＰＣＢ基板に固定するための足などの取付け部分を予め形成しなければならない。また、該取付け部分を使い実装するＰＣＢ基板の対応部分にも穴を開けて、プラスチックレンズが取り付けられるようにする必要があった。これにより、赤外線入射フィルタおよびプラスチックレンズを有する赤外線センサでは、全体の小型化には限界があった。また、その構造がレンズの単価を押し上げる要因になっていた。

レンズの実装では特許文献２などのように、平板状のフレネルレンズを用いてパッケージに直接固着することもアイデアとして知られているが、レンズ材料として赤外線透過率の高い高密度ポリエチレンを用いた場合には、両者を接着剤で固着するのは困難である。つまり、高密度ポリエチレン材とパッケージ（金属キャップ）との接着性に起因して、外からの水分の浸入可能性があるなど、パッケージ内の気密性が十分に保たれないという問題があった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、パッケージ内の気密性を十分に保つことができ、光学レンズおよび赤外線入射フィルタの低コスト化を実現することができるパッケージ構造を有する赤外線センサを提供することを目的とする。

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赤外線センサチップと、赤外線センサチップを搭載するステムと、センサチップを収納した状態で前記ステムと固着され、赤外線センサチップと対向する位置に窓部を有するキャップと、窓部を塞ぐようキャップ内に配置されたフレネルレンズと、フレネルレンズを前記窓部側に押し付けるようキャップ内側に嵌入して配置され、キャップの内面からキャップ中央部に向かって突出する部分を持ち、その中央部には前記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インナーと、インナーの貫通孔を塞いで前記インナーに接着された平板状のシリコン材からなる赤外線入射フィルタとを有することを特徴とする。

本発明の赤外線センサによれば、平板状のフレネルレンズ、インナー、平板状の赤外線入射フィルタの組み合わせの構造の採用により、光学系部品において低コスト化を実現すると同時に、赤外線センサチップの配置されたパッケージ内の空間を、小さい体積で気密性を十分に保つことが出来る。

以下、本発明の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態に係わる赤外線センサの構成を示す概略的な断面図である。また、図２は図１に示した赤外線センサが備えるフレネルレンズの構造図であり、図３はインナーの斜視図である。

本発明の実施の形態に係わる赤外線センサは、図１に示されるように、赤外線センサチップ１と、ステム（基板）２と、キャップ（パッケージ）３と、フレネルレンズ５と、インナー６と、赤外線入射フィルタ７および電極端子８を有している。

赤外線センサチップ１には、センサ前方に位置する検知対象物（図示せず）から放射される赤外線による熱エネルギーを検出し電圧信号として出力する赤外線検出素子、例えばサーモパイル素子が形成されている。そして、赤外線センサチップ１は、ステム２上に搭載され、ステム２に固定された外部機器との接続用の電極端子８と電気的に接続される。

赤外線センサチップ１を搭載したステム２は、その中に赤外線センサチップ１が収納されるようキャップ３と固着されるが、このキャップ３には、赤外線センサチップ１と対向する位置に窓部４が設けられており、この窓部４を通して検知対象物から放射される赤外線が赤外線センサチップ１に到達する構造になっている。

また、キャップ３には、集光レンズとして、窓部４を塞ぐようその内側から平板状のフレネルレンズ５が配置される。このフレネルレンズ自体は、例えば、特開平８−２１０９１０に記載されているように一般的に知られたものであり、所定の屈折率を有する平板状の透明材料に対して、一方の面に同心円状に全て角度の異なる溝が形成（フレネル加工）されている。

本発明の赤外線センサが備えるフレネルレンズも同様であり、図２にその概略構造を示す。図２中、図（ａ）はフレネル加工面側から見た平面図であり、図（ｂ）はＡ−ａ線に沿った断面図である。フレネルレンズ５は、その屈折率および製品コストを勘案して高密度ポリエチレン樹脂を材料とする平板が選択され、その外形は、キャップ３（図１）の内面形状に合うよう円形であり、一方の面５ａにフレネル加工が施されている。本実施の形態では、平板状のフルネルレンズを例として説明しているが、これに限らず、球状のフルネルレンズを用いることもできる。

そして、キャップ３への実装に際しては、フレネル加工が施された面５ａがキャップ３内側に向くよう配置される。これは、赤外線センサ使用過程におけるフレネル加工面へのゴミの付着を防止するためである。上述の形態は逆に、フレネル加工が施された面５ａをキャップ３の外側に向くよう配置することもでき、その場合には、センサにて検出できる範囲が広がるという利点があるが、検出可能範囲はレンズ自体の設計によって適宜設定することができより広角にすることも可能である。

フレネルレンズ５のキャップ３への実装おいては、接着剤を併用することも可能であるが、使用材料（レンズ５およびキャップ３を構成する材料）の影響により、センサ内の気密性を保つような接着効果は期待出来ないため、インナー６を使った固着方法を採用している。つまり、インナー６は、キャップ３の内面からキャップ中央部に向かって突出する部分を持ち、中央部には前記検知対象物からの赤外線を通過させる貫通孔６ａが形成された形状であり、フレネルレンズ５を窓部４側に押し付けるようキャップ内側に嵌入して取り付けられている。図中６ｂで示される面がキャップ３の内側と接する面である。このインナー６は、フレネルレンズ５を通して入射して来る外乱ノイズとなる赤外線の通過を制限する絞り部品としての役割とともに、フレネルレンズ５を固定する役割をも兼用することになる。

このとき、キャップ３とフレネルレンズ５は、寸法公差を考え、タイトに設計することで、押し込むように取り付けられる。これにより、レンズの中心を合わせるのが容易になると共にフレネルレンズの外形寸法でレンズの中心が合わせ易くなるという効果を有する。また、キャップ３の中にフレネルレンズ５を入れることで、レンズに吸収された赤外線による温度上昇の誤差要因が、金属製のキャップ３内部に取り込むことで、より冷接点に近くなり温度誤差要因を少なく出来るという効果を有する。

そして、インナー６には、その貫通孔６ａを塞ぐようにシリコン材からなる平板状の赤外線入射フィルタ７が接着されている。この赤外線入射フィルタ７のインナー６への接着により、インナー６とキャップ３間の固着効果と合わせて、赤外線センサチップ１の配置された空間９の気密性が保たれる。図１に示す構造では、赤外線入射フィルタ７をインナー６の下側（赤外線センサチップ側）に配置した例となっているが、インナー６の上側（フレネルレンズ側）に配置することも可能であり、同様の効果を得ることが出来る。

従来の構造においては、シリコン材料からなる赤外線入射フィルタは、光学レンズの役割を持たせ直接キャップの窓部に固着されていたため、ある程度の機械的強度も要求されていたが、上述の本発明の構造では、シリコン板はインナーに取り付けるため機械的な強度は要求されない。つまり、本発明構造では、透過率が良いがこすると直ぐに傷つくようなフッ化カルシウム材や、透過率向上のために薄膜化したシリコン材が使えるようになるという利点がある。また、上述の他にＧｅ、ＺｎＳ、サファイアー、フッ化バリウムなども使用することが可能である。

さらに、次のような効果を得ることが出来る。第一に、インナー６に設けられた貫通孔と赤外線センサチップ１との距離を比較的近くすることが出来る。これにより、使用する窓材（赤外線入射フィルタ７）のサイズが小さくでき、低コスト化が可能となる。また、外乱等、例えば迷光による鏡筒（キャップ３）内乱反射を効率的に防止できる。

第二に、赤外線センサチップ１の配置されたキャップ内の空間９の体積を小さくすることが出来る。気密封止、特に真空気密封止の場合、真空を維持すためにゲッター材が必要になるが、その作用は気密封止領域から出るアウトガスをゲッター材で吸収することにより真空を維持する。つまり、気密封止領域の体積が小さいほうが、アウトガスの量も少ないことが期待でき、ゲッター材による吸収が長期間の継続が望める。また、最適化によりでゲッター材も小さく出来る可能性があり、低コスト化が可能となる。

本発明の実施の形態に係わる赤外線センサの構成を示す概略的な断面図である。 図１に示した赤外線センサが備えるフレネルレンズの構造図である。 図１に示した赤外線センサが備えるインナーの斜視図である。

符号の説明

１ 赤外線センサチップ
２ ステム
３ キャップ
５ フレネルレンズ
６ インナー
７ 赤外線入射フィルタ
８ 電極端子
１０ 赤外線センサ

Claims (1)

1. 検知対象物からの赤外線を検出する赤外線センサチップと、
   前記赤外線センサチップを搭載するステムと、
   前記センサチップを収納した状態で前記ステムと固着され、前記赤外線センサチップと対向する位置に窓部を有するキャップと、
   前記窓部を塞ぐよう前記キャップ内に配置されたフレネルレンズと、
   前記フレネルレンズを前記窓部側に押し付けるよう前記キャップ内側に嵌入して配置され、前記キャップの内面からキャップ中央部に向かって突出する部分を持ち、その中央部には前記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インナーと、
   前記インナーの貫通孔を塞いで前記インナーに接着された平板状の赤外線入射フィルタとを有することを特徴とする赤外線センサ。

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