JP2012047626A - 焦電型赤外線センサ - Google Patents

Abstract

【課題】電磁ノイズシールド性とセンサ内部の気密性を保ち、製造容易な焦電型赤外線センサを提供する。
【解決手段】表面、裏面電極を持つ焦電センサ素子７、センサ素子７の出力をインピーダンス変換するＦＦＴ９、センサ素子７の回路基板８、回路基板８の樹脂ホルダー６、樹脂ホルダー６上で基板８と接続した入出力用端子５及びグランド用端子、樹脂ホルダー６の外周面を覆い開口部２ｂを持つシールドケース２、開口部２ｂの赤外線透過部材３、シールドケース２と樹脂ホルダー６間の封止樹脂を持つ焦電型赤外線センサで、センサ素子７のグランドと回路基板８のグランドパターン及び回路基板８のグランドパターンとグランド用端子とが電気的接続され、グランド用端子は突起４ａを有し、突起４ａとシールドケース２の機械的接触でグランド用端子とシールドケース２が電気的に接続され、シールドケース２とセンサ素子７のグランドが一体となる焦電型赤外線センサ。
【選択図】図４

Description

本発明は、受光面に照射された赤外線を検知する焦電素子からなるセンサ素子を実装した焦電型赤外線センサに関する。

赤外線センサの一種である焦電型赤外線センサは、焦電素子を検出画素として備えている。

焦電素子は、焦電体基板の表裏に電極を設置した構造となっている。焦電体は、赤外線が照射されていない状態、すなわち温度が変化していない状態でも自発分極により表面電荷を有するが、通常は表面に周囲の浮遊電荷を引き寄せて中性状態となっている。温度変化に伴い自発分極の状態が変化すると、その際の浮遊電荷の応答が遅いことから中性状態が崩れ、この結果表面電荷を生じる。この表面電荷の変化を焦電体基板の表裏に設けた電極から取り出し、出力信号としている。

焦電素子から出力される出力信号は極めて微弱であるため、電磁ノイズの影響を受けた場合、信号とノイズの判別がつかずに誤動作の要因となる。よって焦電型赤外線センサには、高い電磁ノイズシールド性が要求される。

また、焦電型赤外線センサは、焦電素子やその他の実装部品が収納されている内部空間に、ガスや水分が侵入すると、絶縁抵抗の劣化や腐食が進行し、長期的な信頼性に影響することがある。このため、焦電型赤外線センサには、外部から流体が侵入出来ないような気密性が必要となる。

図５は、従来の焦電型赤外線センサの一例を示す図で、図５（ａ）は外観斜視図、図５（ｂ）は分解斜視図である。従来の焦電型赤外線センサは、赤外線透過用の窓およびシリコン等からなる赤外線透過用フィルタ１３を備えた金属製ケース１４と、入出力用端子１５およびグランド用端子１６を備えた金属製ベース１７とを組み合わせることで出来る空間の中に、プリント基板１８、焦電素子１９が配置されている。金属製ケース１４と金属製ベース１７、金属製ベース１７とグランド用端子１６、グランド用端子１６とプリント基板１８のグランドパターン、プリント基板１８のグランドパターンと焦電素子１９は、それぞれ半田付け、導電性接着剤、溶接などの方法で電気的に接続される。特に金属製ケース１４と金属製ベース１７の接合においては溶接を用いることが多く、気密性を得る構造となっている。その結果グランドが一体となった、気密性のある金属の空間内に焦電素子１９を閉じ込めることが出来る。これにより高い電磁ノイズシールド性と気密性を確保していた。

上述したような従来の焦電型赤外線センサは、例えば特許文献１、特許文献２に開示されている。特許文献１では、焦電素子と、焦電素子の出力を増幅するオペアンプと、負特性の温度依存性を有する帰還抵抗を電気的に接続し、これを導電性を有するシールドケース内に内蔵し、温度依存性の少ない焦電型赤外線センサが提案されている。また、特許文献２では、ステム（金属製ベースに相当）、キャン（金属製ケースに相当）およびフィルタの密封状態を強固にするため、キャンの窓穴を封ずるフィルタに銀ロウ半田を窓穴の周囲に配置して溶解後固化させることにより接続した焦電素子が提案されている。

特開平７−１４６１７６号公報 特開平５−２８８６０３号公報

従来構造により、電磁ノイズシールド性が高く、且つ、センサ内部気密性の高い焦電型赤外線センサ実現することが出来る。しかしながら、金属製ベース１７が高価な上に、金属製ケース１４と金属製ベース１７を溶接する溶接機、溶接工程が必要となり製造コストが高くなり、また製造も困難であるという課題があった。

本発明は上述した課題を解決する為になされたもので、本発明の目的は、電磁ノイズシールド性と焦電型赤外線センサ内部の気密性を確保し、安価で製造が容易な焦電型赤外線センサを提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明による焦電型赤外線センサは、焦電体基板の受光面側に設置された表面電極と前記表面電極に前記焦電体基板を挟んで対向する裏面電極とを備える焦電素子を少なくとも１個有するセンサ素子と、前記センサ素子を実装する回路基板と、前記回路基板を保持する樹脂ホルダーと、前記樹脂ホルダーに組み付けられ、前記回路基板と電気的に接続し入出力用端子およびグランド用端子と、前記樹脂ホルダーの外周面を覆い前記受光面側に開口部を有するシールドケースと、前記シールドケースの前記開口部に装着された赤外線透過部材と、前記シールドケースと前記樹脂ホルダーの間隙を埋める封止樹脂を備える焦電型赤外線センサであって、前記シールドケースと前記樹脂ホルダーは前記封止樹脂により気密に封止され、前記グランド用端子は、前記グランド用端子の一部を加工して出来る突起を有し、前記突起と前記シールドケースの機械的接触により、前記グランド用端子と前記シールドケースが電気的に接続され、前記シールドケースと前記センサ素子のグランドが一体となることで電磁ノイズシールド性を得ることを特徴とする。

すなわち、本発明によれば、焦電体基板の受光面側に設置された表面電極と前記表面電極に前記焦電体基板を挟んで対向する裏面電極とを備える焦電素子を少なくとも１個有するセンサ素子と、前記センサ素子の出力信号をインピーダンス変換して出力するための手段と前記センサ素子を実装する回路基板と、前記回路基板を保持する樹脂ホルダーと、前記樹脂ホルダーに組み付けられ、前記回路基板と電気的に接続し入出力を行う入出力用端子およびグランド用端子と、前記樹脂ホルダーの外周面を覆い前記受光面側に開口部を有するシールドケースと、前記シールドケースの前記開口部に装着された赤外線透過部材と、前記シールドケースと前記樹脂ホルダーの間隙を埋める封止樹脂を備える焦電型赤外線センサであって、前記センサ素子のグランドと前記回路基板のグランドパターンおよび前記回路基板のグランドパターンと前記グランド用端子とが電気的に接続され、前記グランド用端子は突起を有し、前記突起と前記シールドケースの機械的接触により、前記グランド用端子と前記シールドケースが電気的に接続され、前記シールドケースと前記センサ素子のグランドが一体となることを特徴とする焦電型赤外線センサが得られる。

本発明によれば、前記突起は、板バネ状で、前記シールドケースの内壁とバネ性によって圧接し、機械的且つ電気的に接続することを特徴とする上記の焦電型赤外線センサが得られる。

本発明によれば、前記シールドケースは、突出部を有し、前記突出部はグランド端子とすることを特徴とする上記の焦電型赤外線センサが得られる。前記突出部は、焦電型赤外線センサを実装する外部基板のグランドパターンに接続され、焦電型赤外線センサの固定および電気的な接地を行うことが可能となる。

上述した本発明の構成を採用することにより、センサ素子は焦電型赤外線センサの外部とは繋がりを持たない気密な空間に収められながら、センサ素子と回路基板のグランドパターンとグランド用端子とシールドケースを一体のグランドとし、電磁ノイズシールド性を確保することが可能となる。また、従来の金属製ベースを使用して、金属製ケースと金属製ベースを溶接する構造に比べ、安価で容易に製造することが可能である。

すなわち、本発明によれば、電磁ノイズシールド性と焦電型赤外線センサ内部の気密性を確保し、安価で製造が容易な焦電型赤外線センサを提供することが可能となる。

本発明に係る焦電型赤外線センサを示す図。図１（ａ）は外観平面図、図１（ｂ）は外観斜視図。 本発明に係る焦電型赤外線センサの分解斜視図。 図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図。 本発明に係る焦電型赤外線センサを説明する図で、図４（ａ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ線断面図で、図４（ｂ）はシールドケースと樹脂ホルダーの組み付けの説明図。 従来の焦電型赤外線センサの一例を示す図。図５（ａ）は外観斜視図、図５（ｂ）は分解斜視図。

次に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。まず図１、図２、図３を用いて、本発明に係る焦電型赤外線センサの全体構成について説明する。図１は、本発明に係る焦電型赤外線センサを示す図で、図１（ａ）は外観平面図、図１（ｂ）は外観斜視図である。図２は、本発明に係る焦電型赤外線センサの分解斜視図である。図３は、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。なお、図１（ａ）のＢ−Ｂ線断面図は図４において後に説明する。

本発明の焦電型赤外線センサ１は、センサ素子７と、センサ素子７の出力信号をインピーダンス変換して出力する手段として用いられるＦＥＴ９と、センサ素子７とＦＥＴ９を実装する回路基板８と、回路基板８を保持する樹脂ホルダー６と、樹脂ホルダー６に組み付けられ、回路基板８と電気的に接続し入出力を行う入出力用端子５およびグランド用端子４と、樹脂ホルダー６の外周面を覆い受光面側に開口部２ｂを有するシールドケース２と、シールドケース２の開口部２ｂに装着される赤外線透過部材３と、シールドケース２と樹脂ホルダー６の間隙を埋める封止樹脂１０を備えている。

センサ素子７は、焦電体基板７ａの受光面側に設置された表面電極７ｂと、表面電極７ｂに焦電体基板７ａを挟んで対向する裏面電極（図示しない）を形成した焦電素子を備えている。本実施の形態では、焦電素子は１個としたが、用途により、焦電体基板７ａに表面電極７ｂと裏面電極を複数組形成し、複数個としてもよい。焦電体基板７ａの材質としては、チタン酸ジルコン酸鉛やチタン酸バリウム等の強誘電体セラミックス、タンタル酸リチウム等の単結晶、ポリフッ化ビニリデン等の有機材料が用いられ、本実施の形態ではチタン酸ジルコン酸鉛を使用した。

センサ素子７は裏面電極で回路基板８のセンサ素子実装用ランド８ａと接続される。接続には導電性接着剤または半田が用いられ、本実施の形態では導電性接着剤１２を使用した。回路基板８を保持する樹脂ホルダー６には入出力用端子５およびグランド用端子４が組み付けられる。組み付けは端子の圧入により行うが、樹脂ホルダー６と入出力用端子５およびグランド用端子４の一体成形（インサート成形）によって行っても良い。樹脂ホルダー６は高耐熱樹脂を用いるのが好ましく熱可塑性の液晶ポリマーが使用できる。これにより半田リフローによる表面実装部品への対応が可能となる。

入出力用端子５およびグランド用端子４と回路基板８は回路基板側面に配置されているサイドスルーホール８ｂで接続される。この接続には導電性接着剤または半田が用いられ、本実施の形態では半田を使用した。入出力用端子５およびグランド用端子４の材質は、金属または合金が用いられるが、端子としての機能を満足するような導電性、回路基板の接続に半田を使用する場合は半田性が必要であり、また後述するグランド用端子４の一部を加工して出来る板バネ状の突起４ａにはバネ性を必要とするため、リン青銅やステンレス鋼等の合金が好ましく、本実施の形態では、リン青銅を使用した。また、半田性や耐食性を考慮し、メッキ処理を施すことも可能である。

シールドケース２は、センサ素子７に対して周囲環境からの電磁ノイズが影響を与えないように、センサ素子７を周囲から保護する目的で樹脂ホルダー６に設置されている。電磁ノイズからの保護という目的から材質は、銅、銀、金、アルミニウム、ニッケル、鉄、クロム、亜鉛、錫等の金属または合金、これら金属のメッキを施した樹脂または金属が好ましい。本実施の形態では、電磁シールド性に加え、加工性と半田性、耐食性を考慮して、銅と亜鉛の合金である黄銅にニッケルメッキを施したものを使用した。

シールドケース２は開口部２ｂを有し、開口部２ｂには赤外線透過部材３が組み付けられる。赤外線透過部材３は焦電型赤外線センサ内部へ所定範囲の波長を持つ赤外線をセンサ内部に透過させる目的で設置され、本実施の形態では赤外線フィルタを使用した。また、赤外線フィルタの組み付けにはエポキシ系接着剤１１を使用した。赤外線透過部材３として、赤外線集光レンズを用いることも可能である。

樹脂ホルダー６にシールドケース２を挿入し組み付けたとき、樹脂ホルダー６とシールドケース２には図３に示すような樹脂を流し込むための段差が出来る。組みつけた後の樹脂ホルダー６とシールドケース２を、上下反転させ、前述した段差に封止樹脂１０を流し込み硬化させる。このとき、樹脂ホルダー６とシールドケース２の間に出来る間隙（樹脂ホルダー６にシールドケース２を挿入できるように設計した加工寸法精度による間隙）にも、封止樹脂１０が埋め込まれ、焦電型赤外線センサの内部を気密に封止している。封止樹脂１０の材質はエポキシ系の接着剤を使用した。封止樹脂１０で樹脂ホルダー６とシールドケース２の間隙を埋めた後、入出力用端子５とグランド用端子４は折り曲げられ、所望の長さにカットされる。

次に、グランド用端子４の一部を加工して出来る板バネ状の突起４ａについて、図２、図４を用いて説明する。図４は本発明に係る焦電型赤外線センサを説明する図で、図４（ａ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ線断面図で、図４（ｂ）はシールドケースと樹脂ホルダーの組み付けの説明図である。グランド用端子４は、図２に示すように、板状の支持部４ｂと、この支持部４ｂの一方の長辺に互いに垂直になるように長手方向の一端が連結した端子部４ｃ、および支持部４ｂの端子部４ｃを設けた長辺に傾斜を持たせて連結した突起４ａから構成される。これらは同一の金属板からなり、金属板をエッジング、プレス、ワイヤー加工、レーザー加工等の方法で切断し、端子部４ｃと突起４ａを曲げ加工を施して作製する。端子部４ｃは支持部４ｂと垂直になるように曲げ加工し、突起４ａは下方向に傾斜を持たせるように曲げ加工し、さらに先端を屈曲させ、板バネ状に作製する。グランド用端子４を樹脂ホルダー６に組み付ける際、グランド用端子４の突起４ａは、図４（ｂ）に示すようにシールドケース２を樹脂ホルダー６に挿入する時にシールドケース２の内壁が配置される部分よりも突出した位置に配置される。シールドケース２の内壁よりも突出した突起４ａは、シールドケース２挿入時はシールドケース２の挿入方向（Ｃ方向）と同じ方向（Ｄ方向）にシールドケース２の内壁を摺るように撓み、シールドケース２を挿入し終えた時には、そのバネ性によりシールドケース２の内壁と機械的に接触し、この接触により電気的に接続する。なお、突起４ａの形状は本実施の形態に限定されるものではなく、シールドケース２と機械的に接触できる板バネの機能を持つ形状であればよい。また、突起４ａの数量も本実施の形態では１個としたが、例えば同様の形状の突起を複数個作製し、より確実な接触とすることも可能である。

次に、シールドケース２の一部を加工して出来る突出部２ａについて図４を用いて説明する。突出部２ａは、シールドケース２と同一部材で形成され、シールドケース２の側面下部の一部を切り込み、この切り込みに外側に突出するように曲げ加工を施し作製する。図４（ａ）に示すようにグランド用端子の突起４ａとシールドケース２の内壁の機械的接触により、シールドケース２とグランド用端子は電気的な接続を持っている。すなわちシールドケース２の一部を加工して出来る突出部２ａもグランド端子としての機能を持つことが出来る。具体的には、焦電型赤外線センサ１を実装する外部基板のグランドパターンに接続され、センサ固定用のグランド端子としての機能と、電気的な接地の機能とを同時に持つことが可能となる。

以上のように、本発明によれば、電磁ノイズシールド性と焦電型赤外線センサ内部の気密性を確保し、安価で製造が容易な焦電型赤外線センサを提供することが可能となった。

人体検知が必要な小型機器を含む様々な用途に広く利用可能である。

１ 焦電型赤外線センサ
２ シールドケース
２ａ 突出部
２ｂ 開口部
３ 赤外線透過部材
４、１６ グランド用端子
４ａ 突起
４ｂ 支持部
４ｃ 端子部
５、１５ 入出力用端子
６ 樹脂ホルダー
７ センサ素子
７ａ 焦電体基板
７ｂ 表面電極
８ 回路基板
８ａ センサ素子実装用ランド
８ｂ サイドスルーホール
９ ＦＥＴ
１０ 封止樹脂
１１ エポキシ系接着剤
１２ 導電性接着剤
１３ 赤外線透過用フィルタ
１４ 金属製ケース
１７ 金属製ベース
１８ プリント基板
１９ 焦電素子

Claims (3)

1. 焦電体基板の受光面側に設置された表面電極と前記表面電極に前記焦電体基板を挟んで対向する裏面電極とを備える焦電素子を少なくとも１個有するセンサ素子と、前記センサ素子の出力信号をインピーダンス変換して出力するための手段と前記センサ素子を実装する回路基板と、前記回路基板を保持する樹脂ホルダーと、前記樹脂ホルダーに組み付けられ、前記回路基板と電気的に接続し入出力を行う入出力用端子およびグランド用端子と、前記樹脂ホルダーの外周面を覆い前記受光面側に開口部を有するシールドケースと、前記シールドケースの前記開口部に装着された赤外線透過部材と、前記シールドケースと前記樹脂ホルダーの間隙を埋める封止樹脂を備える焦電型赤外線センサであって、前記センサ素子のグランドと前記回路基板のグランドパターンおよび前記回路基板のグランドパターンと前記グランド用端子とが電気的に接続され、前記グランド用端子は突起を有し、前記突起と前記シールドケースの機械的接触により、前記グランド用端子と前記シールドケースが電気的に接続され、前記シールドケースと前記センサ素子のグランドが一体となることを特徴とする焦電型赤外線センサ。
2. 前記突起は、板バネ状で、前記シールドケースの内壁とバネ性によって圧接し、機械的且つ電気的に接続することを特徴とする請求項１に記載の焦電型赤外線センサ。
3. 前記シールドケースは、突出部を有し、前記突出部はグランド端子とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の焦電型赤外線センサ。

Images