JP2012198096A - 赤外線センサモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】測定精度が低下してしまうのを抑制することのできる赤外線センサモジュールを得る。
【解決手段】基板２上に配置した赤外線センサ３の上方にレンズ５が配置されており、開口部６１が形成された座壁６２と、赤外線センサ３の周囲を覆う側壁６３とを有するセンサカバー６が基板２上に搭載されている。また、ワイヤ１２を介して赤外線センサ３と電気的に接続されるＩＣ搭載部４が基板２上に配置されている。そして、センサカバー６を基板２の上面２ａおよびＩＣ搭載部４の上面４ａに配置した。
【選択図】図２

Description

本発明は、赤外線センサモジュールに関する。

従来、赤外線センサモジュールとして、基板に実装した赤外線センサの外側を開口部が形成されたケースで覆い、当該ケースの開口部にレンズを配置したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１では、赤外線センサの視野角に入った対象物体からの赤外線をケースの開口部からレンズを介して赤外線センサに入射させることで、対象物体からの赤外線を赤外線センサにて検知するようにしている。

特表２００７−５０３５８６号公報

しかしながら、上記従来の赤外線センサモジュールでは、赤外線を検知しようとする対象物体以外からの赤外線が赤外線センサに入射するおそれがあった。このように、従来の技術では、対象物体以外からの赤外線が赤外線センサに入射してしまい、本来測定しようとする対象物体の赤外線の測定精度が低下してしまうおそれがあった。

そこで、本発明は、測定精度が低下してしまうのを抑制することのできる赤外線センサモジュールを得ることを目的とする。

本発明にあっては、基板に配置されて赤外線を受信する赤外線センサと、前記赤外線センサの上方に配置され、外部から入射する赤外線を前記赤外線センサに結像させるレンズと、前記赤外線を入射させる入射窓を有し、当該入射窓が前記レンズの位置に合うように前記基板に搭載され、前記赤外線センサを収納する金属ケースと、前記赤外線が通過する開口部が形成され、前記開口部が前記赤外線センサと前記レンズとの間に位置するように前記基板に搭載されて前記赤外線センサを覆うセンサカバーと、前記基板に配置され、ワイヤを介して前記赤外線センサと電気的に接続されるＩＣ搭載部と、を備え、前記センサカバーが前記基板の上面および前記ＩＣ搭載部の上面に配置されていることを主要な特徴とする。

本発明によれば、赤外線が通過する開口部が形成され、開口部が赤外線センサとレンズとの間に位置するように基板に搭載されて赤外線センサを覆うセンサカバーを備えているため、赤外線センサをセンサカバーによって覆うことができる。その結果、赤外線を検知しようとする対象物体以外からの赤外線をセンサカバーによって遮断することができ、本来測定しようとする対象物体の赤外線の測定精度が低下してしまうのを抑制することができる。

図１は、本発明の一実施形態にかかる赤外線センサモジュールを示しており、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。 図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。 図３は、本発明の一実施形態にかかる赤外線センサモジュールの作用を説明する断面図である。 図４は、本発明の一実施形態にかかる赤外線センサモジュールの変形例を示す図であって、図２に対応した断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

本実施形態にかかる赤外線モジュール１は、赤外線センサ３、処理回路（ＩＣ搭載部）４、レンズ５、センサカバー６および金属ケース７などを備えており、回路基板（基板）２に実装されている。この赤外線モジュール１は、赤外線を受信して、例えば温度分布や熱源の有無などを検出するものである。

赤外線センサ３は、測定しようとする対象物体の赤外線を受信するようになっており、この赤外線センサ３で受信した赤外線がＩＣを用いた処理回路４で処理される。レンズ５は、入射する赤外線を赤外線センサ３に結像させるようになっており、このレンズ５は金属ケース７に保持されている。そして、赤外線センサ３、センサカバー６および処理回路４は、金属ケース７に収納されるようになっている。

基板２は、ほぼ矩形の平板形状をなしており、セラミック基板などの多層基板として形成されている。そして、基板２の内層には図示せぬグランドパターンや電気回路配線が形成されている。グランドパターンはベタグランドパターンであり、基板２内を通って図示せぬ外部端子によってグランドに接続される。

赤外線センサ３および処理回路４は、基板２の上面に配置されており、ダイボンド樹脂１１およびワイヤ１２によってダイボンドおよびワイヤボンドすることで実装されている。赤外線センサ３と処理回路４とは、ワイヤ１２によって相互に電気的に接続されており、赤外線センサ３は、ワイヤ１２によって基板２の図示せぬ電気回路配線に接続されている。

本実施形態では、基板２の上面２ａに凹部２１が形成されており、当該凹部２１内に処理回路４が実装されている。このように、凹部２１を形成して当該凹部２１内に処理回路４を実装することで、処理回路４の上面４ａと基板２の凹部２１が形成されていない部位の上面２ａとがほぼ面一となるようにしている。

赤外線センサ３は、多数の受光素子がアレイ（格子）状に配列されており、各受光素子毎に赤外線信号を受光して受光強度に対応する出力信号を出力するようになっている。処理回路４は、赤外線センサ３の出力信号を処理し、赤外線センサ３の出力信号に基づいて、例えば温度分布や熱源の有無などの検出処理を行うものである。

レンズ５は、赤外線センサ３の受光面との間に所定距離をおいて金属ケース７に保持されており、赤外線センサ３に赤外線を結像させるようにしている。また、レンズ５は、赤外線センサ３と対向するように赤外線センサ３の上方に配置されている。

また、レンズ５には、赤外線透過率の良いＳｉなどにより赤外線の集光機能を司るレンズ母体が形成されており、このレンズ母体の表面に赤外線周辺波長を選択的に透過させる光学多層膜からなるバンドパスフィルタが形成されている。

さらに、レンズ５は、図１に示すように、矩形状に形成されており、片面（上面）が平坦面、他面（下面）が凸面となる凸レンズとして形成されている。なお、レンズ５は、両面が凸面に形成されていてもよく、また、片面が凹面で他面がその凹面よりも曲率の大きな凸面で形成されていてもよい。すなわち、レンズ５は赤外線センサ３に集光させる機能を有していればよい。また、凸面や凹面が放物面であってもよい。

センサカバー６は、赤外線を検知しようとする対象物体以外からの赤外線を遮断する機能を有するものである。

本実施形態では、センサカバー６はコバール等の金属材料で形成されており、平面視で矩形状となるように形成されている。具体的には、センサカバー６は、赤外線センサ３の対向部分（上方部分）を覆い、赤外線が通過する開口部６１が設けられた矩形状の座壁６２と、当該座壁６２の各辺から下方に延設されて赤外線センサ３の周囲を覆う４つの側壁６３と、を有している。

開口部６１は矩形状に形成されており、センサカバー６は、開口部６１が赤外線センサ３の対向方向（真上）に配置されるようにした状態で、赤外線センサ３とレンズ５との間に位置するように基板２の上面２ａおよび処理回路４の上面４ａに搭載されている。

本実施形態では、側壁６３の下端縁が高熱伝導性材料１３により基板２の台座接合部（グランドパターンの一部）および処理回路４の上面４ａに接合されている。この高熱伝導性材料１３としては、Ａｇペーストなどの導電性樹脂を用いることができる。また、弾性率が小さいシリコン系の導電性樹脂を用いることもできる。

金属ケース７は、矩形状の天壁７１と、この天壁７１の四辺から垂設して赤外線センサ３を囲繞する側壁７２と、によってほぼ直方体の箱状に形成されている。天壁７１には赤外線を入射させるための入射窓７３が、赤外線センサ３に対応する部位に形成されている。この入射窓７３は、レンズ５の外側形状に沿った矩形状に形成されている。そして、入射窓７３の内側寸法は、レンズ５の外側寸法よりも若干小さく形成されており、入射窓７３の内周縁部でレンズ５の上面の外周縁部を支持できるようにしている。

また、周方向に配置される４面の側壁７２は、それぞれの下端縁が面一に形成されている。そして、金属ケース７の入射窓７３の内周縁部とレンズ５の外周縁部とが封止樹脂１５によって接合され、金属ケース７の側壁７２の下端縁の外周全周が、基板２の上面の外周部に設けた接合用電極１６に接合される。こうして、金属ケース７とレンズ５と基板２とにより囲まれた空間が気密封止されるようにしている。そして、赤外線センサ３および処理回路４が気密封止された内方に中空封止されるようにしている。封止樹脂１５としては、エポキシ樹脂に加えてＡｇペーストなどの導電性樹脂を用いることができ、接合用電極１６は、基板２のグランドパターンと電気的に接続された導電部材により形成することができる。

ここで、本実施形態では、センサカバー６を基板２の上面２ａおよび処理回路（ＩＣ搭載部）４の上面４ａに配置している。具体的には、センサカバー６は、側壁６３のうち処理回路（ＩＣ搭載部）４側の側壁６３の中央部が処理回路（ＩＣ搭載部）４の上面４ａ上に位置するように配置した状態で、基板２の上面２ａおよび処理回路４の上面４ａに実装されている。このとき、その他の側壁６３が赤外線センサ３の処理回路（ＩＣ搭載部）４側以外の三方を囲むようにして実装される。なお、処理回路（ＩＣ搭載部）４側の側壁６３の両端部は、基板２の上面２ａに接合されている。

また、本実施形態では、センサカバー６を、基板２の上面２ａを形成するセラミックと熱伝導率がほぼ同じとなる材料を用いて形成している。すなわち、センサカバー６と基板２の熱伝導率が同じとなるようにしている。

また、本実施形態では、図２に示すように、センサカバー６の処理回路（ＩＣ搭載部）４の上面４ａに配置される部位には樹脂膜１７が形成されている。この樹脂膜１７はポリイミド樹脂で形成されている。すなわち、センサカバー６は、ポリイミド樹脂を介して処理回路（ＩＣ搭載部）４の上面４ａに配置されている。

さらに、センサカバー６は、処理回路（ＩＣ搭載部）４における赤外線センサ３近傍の上面４ａに配置されており、処理回路（ＩＣ搭載部）４のデジタル部４１がセンサカバー６の配置領域の外側に配置されるようにしている（図２参照）。このデジタル部４１は、信号処理を行う際に熱が発生する部位であり、処理回路（ＩＣ搭載部）４の熱発生部に相当するものである。

すなわち、処理回路４の赤外線センサ３側とは反対側にデジタル部４１を設け、センサカバー６を処理回路４における赤外線センサ３近傍の上面４ａに配置することで、デジタル部４１がセンサカバー６の配置領域の外側に配置されるようにしている。

具体的には、処理回路（ＩＣ搭載部）４のデジタル部（熱発生部）４１が平面視でセンサカバー６の配置領域とオーバーラップしないようにセンサカバー６を実装するようにしている。

また、本実施形態では、図２に示すように、赤外線センサ３と処理回路４とを電気的に接続するワイヤ１２が、センサカバー６で覆われるようにしている。なお、処理回路（ＩＣ搭載部）４側の側壁６３に切り欠きを形成し、当該側壁６３が赤外線センサ３と処理回路４とを電気的に接続するワイヤ１２と干渉しないようにしてもよい。また、赤外線センサ３と基板２の図示せぬ電気回路配線とを電気的に接続するワイヤ１２についても同様で、センサカバー６で全体を覆うようにしてもよいし、側壁６３に切り欠きを形成してワイヤ１２と側壁６３とが干渉しないようにしてもよい。

以上説明したように、本実施形態では、赤外線が通過する開口部６１が形成され、開口部６１が赤外線センサ３とレンズ５との間に位置するように基板２に搭載されて赤外線センサ３を覆うセンサカバー６を備えている。そのため、赤外線センサ３をセンサカバー６によって覆うことができ、赤外線を検知しようとする対象物体以外からの赤外線をセンサカバー６によって遮断することができる。

ところで、赤外線センサモジュール１は、本来は視野角α内に位置する対象物体からの赤外線８をレンズ５を通して赤外線センサ３に結像させるものである。ところが、赤外線センサモジュール１にセンサカバーが存在しない場合、視野角α外に有る対象物体以外からの赤外線９が、大きな傾斜角度をもってレンズ５から入射し、金属ケース７の内面に反射して赤外線センサ３に入射してしまう場合がある。また、視野角α外に有る対象物体以外からの赤外線９によって金属ケース７が加熱され、加熱された金属ケース７の輻射熱による赤外線９が直接または間接に赤外線センサ３に入射する場合がある。

このように、赤外線センサモジュール１にセンサカバーが存在しない場合、視野角α外に有る対象物体以外からの赤外線９が直接または間接に赤外線センサ３に入射されてノイズ原因となる。

これに対して本実施形態では、図３に示すように、視野角α外に有る対象物体以外からの赤外線９をセンサカバー６の座壁６２や側壁６３で遮断することができる。したがって、本実施形態では、視野角α外に有る対象物体以外からの赤外線９が赤外線センサ３に影響するのをセンサカバー６によって抑制することができ、赤外線センサ３による測定精度を向上させることができる。このように、本実施形態によれば、本来測定しようとする対象物体の赤外線の測定精度が低下してしまうのを抑制することができる。

また、センサカバー６を設けることで、処理回路（ＩＣ搭載部）４と赤外線センサ３の間に壁（処理回路４側の側壁６３）が形成される。そのため、発熱した処理回路（ＩＣ搭載部）４により過熱された雰囲気が赤外線センサ３の周囲に到達することを抑制することができ、本来測定しようとする対象物体の赤外線の測定精度が低下してしまうのをより一層抑制することができる。

また、本実施形態では、センサカバー６を基板２の上面２ａおよび処理回路（ＩＣ搭載部）４の上面４ａに配置している。このように、センサカバー６を基板２上だけでなく、処理回路（ＩＣ搭載部）４上にも配置することで、赤外線センサモジュール１の小型化を図ることができる。

また、本実施形態では、処理回路（ＩＣ搭載部）４を基板２に形成された凹部２１に配置している。そのため、センサカバー６の基板２の上面２ａおよび処理回路（ＩＣ搭載部）４の上面４ａへの取り付け部をフラットにすることができ、赤外線センサモジュール１の組立をより容易かつ安定して行うことができるようになる。

また、本実施形態では、センサカバー６を、基板２の上面２ａを形成するセラミックと熱伝導率がほぼ同じとなる材料で形成している。そのため、処理回路（ＩＣ搭載部）４で発生した熱を基板２とセンサカバー６の両方からほぼ同程度の割合で赤外線センサ３側に伝達させることができる。言い換えると、処理回路（ＩＣ搭載部）４で発生した熱が基板２およびセンサカバー６のうちいずれか一方から偏って伝達してしまうのを抑制することができる。そのため、赤外線センサ３の周囲温度雰囲気をより均一化させることができ、より精度よく対象物体の赤外線の測定を行うことができるようになる。その結果、本来測定しようとする対象物体の赤外線の測定精度が低下してしまうのをより一層抑制することができる。なお、基板２の上面２ａが形成される部位と同一の材料を用いてセンサカバー６を形成する必要はなく、熱伝導率がほぼ同じとなる材料を用いてセンサカバー６を形成してもよい。このように、センサカバー６の熱伝導率を基板２の熱伝導率とほぼ同じとなるようにすれば、同様の作用、効果を奏することができる。

また、本実施形態では、センサカバー６の少なくとも処理回路（ＩＣ搭載部）４の上面４ａに配置される部位に樹脂膜１７を設けている。このように、センサカバー６と処理回路（ＩＣ搭載部）４との間に樹脂を介在させることで、センサカバー６と処理回路（ＩＣ搭載部）４との接触時の衝撃を樹脂膜１７によって緩和することができる。

また、本実施形態では、センサカバー６は、高熱伝導性材料１３により処理回路（ＩＣ搭載部）４の上面４ａに接合されている。このとき、センサカバー６を低弾性率の樹脂により処理回路（ＩＣ搭載部）４の上面４ａに接合させれば、センサカバー６から処理回路（ＩＣ搭載部）４に伝わる応力を低減させることができる。

また、本実施形態では、センサカバー６を、処理回路（ＩＣ搭載部）４における赤外線センサ３近傍の上面４ａに配置している。さらに、処理回路（ＩＣ搭載部）４のデジタル部（熱発生部）４１を、センサカバー６の配置領域の外側に配置している。このように、デジタル部（熱発生部）４１を、センサカバー６の配置領域の外側に配置することで、デジタル部４１の発熱により気体伝播する熱ノイズをセンサカバー６の外に存在させることができる。その結果、デジタル部（熱発生部）４１の熱ノイズによる影響が赤外線センサ３に到達してしまうのを、センサカバー６によって抑制することができる。

ところで、本実施形態では、矩形状の座壁６２と、当該座壁６２の各辺から下方に延設された４つの側壁６３を有するセンサカバー６を例示したが、センサカバーの形状はこれに限らず、例えば図４に示す形状とすることも可能である。

図４に記載のセンサカバー６Ａは、上記センサカバー６と同様に、赤外線が通過する開口部６１が形成された座壁６２と赤外線センサ３の周囲を覆う側壁６３とを有している。

ここで、図４に記載のセンサカバー６Ａが上記センサカバー６と主に異なる点は、側壁６３のうち少なくとも処理回路（ＩＣ搭載部）４側の側壁６３に、座壁６２よりも上方に延在する延設壁部６４を設けた点にある。本実施形態では、処理回路（ＩＣ搭載部）４側の側壁６３のみに延設壁部６４を設けたものを例示している。

このように、処理回路（ＩＣ搭載部）４側の側壁６３に延設壁部６４を形成すれば、処理回路（ＩＣ搭載部）４のデジタル部（熱発生部）４１の熱による影響をセンサカバー６Ａの上方でも遮断することができ、デジタル部（熱発生部）４１の熱が赤外線センサ３に到達するのをより一層低減させることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず、種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、座壁とレンズとが離間するようにセンサカバーを配置したものを例示したが、センサカバーとレンズとを接合してセンサカバーがレンズを支持するようにしてもよい。

また、基板やレンズ、その他細部のスペック（形状、大きさ、レイアウト等）も適宜変更することが可能である。

１ 赤外線センサモジュール
２ 回路基板（基板）
２ａ 上面
３ 赤外線センサ
４ 処理回路（ＩＣ搭載部）
４ａ 上面
５ レンズ
６ センサカバー
７ 金属ケース
８ 赤外線
９ 赤外線（対象物体以外からの赤外線）
１７ 樹脂膜
２１ 凹部
４１ デジタル部（熱発生部）
６１ 開口部
６２ 座壁
６３ 側壁
６４ 延設壁部
７３ 入射窓

Claims (8)

1. 基板に配置されて赤外線を受信する赤外線センサと、
   前記赤外線センサの上方に配置され、外部から入射する赤外線を前記赤外線センサに結像させるレンズと、
   前記赤外線を入射させる入射窓を有し、当該入射窓が前記レンズの位置に合うように前記基板に搭載され、前記赤外線センサを収納する金属ケースと、
   前記赤外線が通過する開口部が形成され、前記開口部が前記赤外線センサと前記レンズとの間に位置するように前記基板に搭載されて前記赤外線センサを覆うセンサカバーと、
   前記基板に配置され、ワイヤを介して前記赤外線センサと電気的に接続されるＩＣ搭載部と、
   を備え、
   前記センサカバーが前記基板の上面および前記ＩＣ搭載部の上面に配置されていることを特徴とする赤外線センサモジュール。
2. 前記ＩＣ搭載部が前記基板に形成された凹部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサモジュール。
3. 前記センサカバーは、前記基板と熱伝導率がほぼ同じとなる材料で形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の赤外線センサモジュール。
4. 前記センサカバーの少なくとも前記ＩＣ搭載部の上面に配置される部位に樹脂膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の赤外線センサモジュール。
5. 前記センサカバーは、低弾性率の樹脂により前記ＩＣ搭載部の上面に接合されていることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の赤外線センサモジュール。
6. 前記センサカバーは、前記ＩＣ搭載部における前記赤外線センサ近傍の上面に配置されていることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１項に記載の赤外線センサモジュール。
7. 前記ＩＣ搭載部は熱発生部を有しており、
   前記熱発生部は、前記センサカバーの配置領域の外側に配置されていることを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか１項に記載の赤外線センサモジュール。
8. 前記センサカバーは、前記赤外線が通過する開口部が形成された座壁と前記赤外線センサの周囲を覆う側壁とを有しており、
   前記側壁のうち少なくとも前記ＩＣ搭載部側の側壁に、前記座壁よりも上方に延在する延設壁部が形成されていることを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか１項に記載の赤外線センサモジュール。

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