JP2012057979A - 焦電型赤外線センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 焦電型赤外線センサ内部の圧力上昇を緩和し、気密性が高く、安価で製造な容易である焦電型赤外線センサを提供すること。
【解決手段】 少なくとも１個の貫通孔６ｂを設けることにより、熱処理工程の際に内部空間に発生したガスや水分の気化による圧力上昇を緩和し、熱処理工程後に貫通孔６ｂを閉塞することにより内部空間を気密化し、また薄肉部６ａを設けることにより、貫通孔６ｂの閉塞後の圧力上昇を緩和する。
【選択図】図２

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。

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に気密性が必要となる。

図６は、従来の焦電型赤外線センサの一例を示す図で、図６（ａ）は斜視図、図６（ｂ）は分解斜視図である。従来の焦電型赤外線センサでは、センサ入出力用端子１６およびグランド用端子１７を備えた金属製ベース１８に焦電素子２０を実装したプリント基板１９を組み付ける。センサ入出力用端子１６およびグランド用端子１７とプリント基板１９の接続は半田で行われる。焦電素子２０はプリント基板１９に導電接着剤で接続される。最後に、焦電素子２０を実装したプリント基板１９を組み付けた金属製ベース１８に、赤外線透過用の窓および赤外線透過部材１４を備えた金属製ケース１５を組み付ける。金属製ベース１８と金属製ケース１５の接合は溶接を用いることが多い。この構造は例えば特許文献１に記載されており、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ーが提案されている。

また、特許文献２では、上記の金属製ベースおよび金属製ケースの代わりに、それぞれセラミックのような誘電体からなるベースおよびケースを使用する方法が開示されている。このような、セラミックからなるベースおよびケースの接合には接合面をエポキシ樹脂で接着する方法や、ベースおよびケースそれぞれの接合面にメッキやスパッタリングなどで金属を密着させ、その金属部分を溶接する方法などが用いられる。

特開平７−１４６１７６号公報 特開平４−１５８２２８号公報

上述したような、金属製ベースおよび金属製ケース、またはセラミックなどの誘電体からなるベースおよびケースを組み合わせて出来る内部空間に焦電素子を収める構造を用いる焦電型赤外線センサは、気密性という面では十分な性能を持っているが、焦電型赤外線センサをリフローなどの高温環境下（例えば、最高温度２８０℃）にさらしたとき、内部空間に設けられる接着剤や半田などから発生するガスや、内部空間内の水分の気化などにより内部空間内の圧力が上昇し、この圧力を逃がすことが出来ず、焦電素子や赤外線透過部材の性能に影響をおよぼす可能性が恐れがある。

内部空間で発生するガスや水分の気化による圧力を軽減する方法としては、ベースとケースを組み合わせる前に高温で熱処理を行い、事前にガスを発生させた上で、露点の低い窒素や真空雰囲気中でベースとケースを溶接する方法が用いられる。しかしながら、非常に高価な設備が必要であるため焦電型赤外線センサの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ためになされたもので、本発明の目的は、焦電型赤外線センサ内部の圧力上昇を緩和し、気密性が高く、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を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る赤外線透過部材と、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、前記樹脂ホルダーの底板には、少なくとも１個の貫通孔を設けることにより、熱処理工程の際に内部空間に発生したガスや水分の気化による圧力上昇を緩和し、熱処理工程後に前記貫通孔を閉塞することにより内部空間を気密化し、また薄肉部を設けることにより、前記貫通孔を閉塞後の圧力上昇を緩和す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を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る赤外線透過部材と、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、前記樹脂ホルダーの底板には、少なくとも１個の貫通孔が設けられ、封止材により前記貫通孔が閉塞され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、前記樹脂ホルダーの底板の外側面には、前記貫通孔と連結する中空部を有する円筒状の突出段部が設けられ、前記突出段部を溶着して封止材とすることにより、前記貫通孔が閉塞され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、前記樹脂ホルダーの底板には、内部の圧力上昇を緩和する薄肉部が設けられてい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、前記貫通孔もしくは前記突出段部および前記薄肉部の周囲には、前記封止樹脂の流入を防止する壁が設けられてい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。

本発明の構成により、封止樹脂硬化やリフロー等の熱処理工程で、内部空間内に発生したガスや水分の気化による圧力上昇が発生した場合には、貫通孔からガスや水蒸気を逃がすことができ、更に、熱処理工程後に貫通孔を閉塞することにより、センサ素子は外部とは繋がりを持たない気密な空間に収めることができる。また、貫通孔の閉塞後に内部空間内で圧力上昇が発生した場合には、薄肉部が膨張することにより圧力を緩和をすることができる。従って、窒素雰囲気や真空雰囲気での溶接等を行うような高価な設備を導入することなく、内部空間の圧力を緩和することが可能となる。

本発明によれば、焦電型赤外線センサ内部の圧力上昇を緩和し、気密性が高く、安価で製造な容易である焦電型赤外線センサを提供することができる。

本発明に係る焦電型赤外線センサの平面図。 本発明に係る焦電型赤外線センサの底面図。 本発明に係る焦電型赤外線センサの分解図。 図２のＡ−Ａ線断面図。 図２のＢ−Ｂ線断面図。 従来の焦電型赤外線センサの一例を示す図。図６（ａ）は斜視図、図６（ｂ）は分解斜視図。

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の平面図である。図２は、本発明に係る焦電型赤外線センサの底面図である。図３は、本発明に係る焦電型赤外線センサの分解図である。なお、図２のＡ−Ａ線断面図、Ｂ−Ｂ線断面図については図４、図５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２ａ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２ａ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。

次に、図２、図４、図５を用いて、本発明に係る焦電型赤外線センサの詳細を説明する。図４は、図２のＡ−Ａ線断面図であり、図５は、図２のＢ−Ｂ線断面図である。図４および図５は図面の表記を上下を反転させて示している。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。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、また曲げ加工を行うため加工性も必要である。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様に、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、電磁ノイズシールド性を持たせるためグランドとするのが好ましく、本実施の形態では、グランド用端子４と導電接着剤により導通させることによりグランド化した。

シールドケース２は開口部２ａを有し、開口部２ａ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透過部材３として、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使用す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４に示すような樹脂を流し込むための段差が出来、この段差に封止樹脂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。樹脂ホルダー６にシールドケースを組み付けた本発明の焦電型赤外線センサの外径寸法は７ｍｍ×６ｍｍ（端子を含むと６．５ｍｍ）×ｔ２．５ｍｍとした。

次に、樹脂ホルダー６に設けられる貫通孔６ｂについて、図２、図４を用いて説明する。樹脂ホルダー６の底板には、樹脂ホルダー６とシールドケース２を組み合わせた時に、内部空間１３とセンサ外部を繋ぐ貫通孔６ｂが形成されている。貫通孔６ｂは封止樹脂１０が硬化されるまで開放している。封止樹脂１０は熱硬化性または熱可塑性の樹脂が使用され、高温雰囲気中で硬化するため、硬化時には内部空間１３内にある接着剤や半田などからのガスが発生したり、内部空間１３内の水分が気化する。貫通孔６ｂは、このようなガスや水分気化による水蒸気をセンサ外部に逃がし、内部空間１３の圧力上昇を緩和する役割を果たす。貫通孔６ｂは、本実施の形態ではφ０．３ｍｍとし、１個形成したが、内部空間１３の容積およびガスを発生させる接着剤や半田の量に応じて、貫通孔の直径や数量を適当に設計して、圧力を逃がす手段を増減することも可能である。

樹脂ホルダー６の貫通孔６ｂ形成部分の外側には、貫通孔６ｂと連結する中空部を有する円筒状の突出段部６ｃが設けられている。貫通孔６ｂは、封止樹脂１０の硬化工程の後、気密性を持たせる為に閉塞する。貫通孔６ｂを閉塞するためには、樹脂を埋め込んだり、溶着をしたりする方法がある。この突出段部６ｃは、熱溶着等の方法により突出段部６ｃを形成する樹脂を押圧、溶解することで、貫通孔６ｂを閉塞する役割を果たす。これにより内部空間１３はセンサ外部と繋がりを持たない気密な空間とすることが出来る。本実施の形態では、貫通孔６ｂがφ０．３ｍｍに対して、厚さ０．１ｍｍ、高さ０．２ｍｍの突出段部６ｃを形成した。突出段部６ｃは、貫通孔６ｂが閉塞できるような厚さと高さを持つように設計すればよい。なお、貫通孔６ｂを封止する封止材として、樹脂の埋め込みや金属の蓋等を用いることができる。樹脂や金属の蓋で封止するような場合は、突出段部６ｃは必ずしも必要では無いが、確実に閉塞し、製造が容易であるということから、突出段部６ｃを設けて熱溶着する方法が好ましい。

次に、樹脂ホルダー６に設けられる薄肉部６ａについて、図２、図５を用いて説明する。樹脂ホルダー６の底板の中央部には、周囲より厚さが薄い薄肉部６ａが設けられている。貫通孔６ｂを塞さいだ後で、焦電型赤外線センサをリフローなどの高温環境下にさらされた際、貫通孔６ｂを閉塞する前に排出しきれなかったガスや水分の気化による圧力上昇が発生する場合がある。この場合に、薄肉部６ａは外側に膨張し、内部空間１３の容積を広くし、圧力上昇を緩和する役割を果たす。薄肉部６ａは、樹脂ホルダーの中央部に１．５ｍｍ×１．５ｍｍ×ｔ０．２ｍｍで形成した。薄肉部の場所や大きさ、厚さは本発明の実施の形態に限定されるものではなく、内部空間１３の容積およびガスを発生させる接着剤や半田の量に応じて設計できる。

また、樹脂ホルダー６の底板には、突出段部６ｃおよび薄肉部６ａの周囲を囲む様に、壁６ｄが設けられている。壁６ｄは封止樹脂１０が、突出段部６ｃおよび薄肉部６ａに干渉しない様に、封止樹脂１０の流入を防止する役割を果たす。

本発明の構成により、封止樹脂１０の硬化までの間に、内部空間１３に発生したガスや水分の気化による圧力上昇は貫通孔６ｂより逃がすことができ、更に封止樹脂１０の硬化後に突出段部６ｃを溶着して貫通孔６ｂを閉塞することにより、内部空間１３の気密性が高くなる。また、貫通孔６ｂ封止後に内部空間１３内で発生する圧力上昇については、薄肉部６ａが膨張することにより緩和をすることが出来る。従って、高価な設備を導入することなく、内部空間の圧力上昇に対する対策をとることができる。

以上のように、本発明によれば、焦電型赤外線センサ内部の圧力上昇を緩和し、気密性が高く、安価で製造な容易である焦電型赤外線センサを提供することが可能となった。

温度変化による人体検知を行う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 開口部
３、１４ 赤外線透過部材
４ グランド用端子
５ 入出力用端子
６ 樹脂ホルダー
６ａ 薄肉部
６ｂ 貫通孔
６ｃ 突出段部
６ｄ 壁
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 内部空間
１５ 金属製ケース
１６ センサ入出力用端子
１７ グランド用端子
１８ 金属製ベース
１９ プリント基板
２０ 焦電素子

Claims (4)

1. 焦電体基板の受光面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を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る赤外線透過部材と、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、前記樹脂ホルダーの底板には、少なくとも１個の貫通孔が設けられ、封止材により前記貫通孔が閉塞されることを特徴とする焦電型赤外線センサ。
2. 前記樹脂ホルダーの底板の外側面には、前記貫通孔と連結する中空部を有する円筒状の突出段部が設けられ、前記突出段部を溶着して封止材とすることにより、前記貫通孔が閉塞され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. 前記樹脂ホルダーの底板には、内部の圧力上昇を緩和する薄肉部が設けられてい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。
4. 前記貫通孔もしくは前記突出段部および前記薄肉部の周囲には、前記封止樹脂の流入を防止する壁が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の焦電型赤外線センサ。

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