JP2012215439A - 赤外線センサ - Google Patents

Abstract

【課題】小型薄型でかつ簡便な素子形状を有し、外部からの熱放射（輻射）や感熱素子自体からの熱放射等の温度外乱やセンサ素子の設置場所に温度分布があったとしても、安定して被測定物の温度を検知することができるようにした赤外線センサを提供すること。
【解決手段】赤外線を受光する受光面を有し、受光した赤外線を検出して電気信号として出力するセンサ素子と、前記センサ素子からの出力を外部装置へ出力するための接続端子と、前記センサ素子と前記接続端子とを電気的に接続する接続配線と、前記受光面を開口した状態で該センサ素子を前記接続端子と前記接続配線とともに封止する封止部材とを具えた赤外線センサであって、前記封止部材は、前記センサ素子を保持する保持部と、前記受光面の周囲を取り囲んで前記保持部から延びるように形成することにより前記受光面の赤外線に対する視野範囲を制限する視野角制限部とを有し、前記受光面の外縁部が、前記視野角制限部に覆われていることを特徴とする赤外線センサ。
【選択図】図６

Description

本発明は、赤外線センサに関し、より詳細には、赤外線センサの受光面に視野角制限部を一体で配置することにより、赤外線センサの出力が外乱の影響を受けにくいようにした小型・薄型赤外線センサの外乱防止に関する。

一般に、赤外線センサは、物体の表面温度の非接触での検知、物体の存在検知、また、大気中のガス濃度の測定など各種の用途に使われている。この赤外線センサとしては、大きく分けて熱型赤外線センサと量子型赤外線センサが知られている。

熱型赤外線センサは、赤外線（ＩＲ：Ｉｎｆｒａｒｅｄ）を受光して熱によってセンサ素子が温められ、そのセンサ素子の温度の上昇によって変化する電気的性質を検知するもので、感度や応答速度は低いが、波長帯域が広く常温で使えるのが特徴である。熱起電力効果を原理としたサーモパイル、焦電センサのＰＺＴ、温度変化による電気抵抗の変化のサーミスタ、ボロメータなどがある。熱型赤外線センサを使用した場合には、熱の遮断を目的として、缶パッケージの開口部に赤外線を透過させる光学フィルタを接合し、この光学フィルタを透過した赤外線の検出を行う赤外線検出素子を缶パッケージの内部に収納する形状が用いられている。また、サーモパイル型センサとして、簡素化や耐久性の向上を図るために、缶パッケージを使用せずにモールド樹脂中に構成したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に記載のものは、特定の波長帯域の赤外光を選択的に透過させる平板状の光フィルタと、光フィルタを透過した赤外光を検出するための検出素子部が一方の面に形成された赤外線検出素子と、光フィルタと赤外線検出素子における検出素子形成面との間に設けられ、光フィルタと赤外線検出素子とを接着するとともに、光フィルタと検出素子形成面との間に所定の隙間を確保するための支持体とを備えたものである。つまり、この特許文献１に記載のものは、缶パッケージを採用しない簡素化した構成であるが、赤外線センサの検出素子形成面上に所定の隙間を確保して光学フィルタを設ける構造とすることで、前記缶パッケージを用いるのと同様に中空構造にすることが開示されている。

一方、量子型赤外線センサは、半導体に赤外線が照射されると、その光量子によって発生する電子や正孔を利用するセンサであり、光導電型（ＨｇＣｄＴｅなど）や光起電力型（ＩｎＡｓなど）がある。この量子型赤外線センサは、感度の波長依存性があり、高感度で、応答速度が速いという特長があるが、一般に冷却する必要があり、ペルチェ素子やスターリングクーラーなどの冷却機構とともに用いられる。また、室温で動作可能な量子型赤外線センサも提案されている（例えば、特許文献２参照）。

この特許文献２に記載の量子型赤外線センサは、基板上に設けられた化合物半導体層により赤外線を検知して電気信号を出力する化合物半導体センサ部と、この化合物半導体センサ部からの電気信号を演算する集積回路部とを備え、この化合物半導体センサ部と集積回路部とを同一パッケージ内に収納したものである。これにより、電磁ノイズや熱ゆらぎの影響を受けにくくするとともに、室温での検知を可能とし、モジュールの小型化を可能にしたものである。

また、赤外線センサを用いて非接触で表面温度を正確に検知するためには、被測定物以外の対象物から放射される赤外線を受光しないように、赤外線センサの視野角を制限することも重要である。視野角を制限する機能を備えた非接触測温センサとしては、例えば特許文献３のものが知られている。

この特許文献３に記載の非接触測温センサは、赤外線センサ、光学レンズ、自己温度センサを取り付け支持する筐体に、視野角を制限するための導光器を配置した構成となっている。この非接触測温センサにおいて、光学レンズは測定物から放射される赤外線を集光して前記赤外線センサへ送り、赤外線センサが被測定物から放射される赤外線を検出して電気信号を発生する。また、自己温度センサは補正を行うために赤外線センサ自身の温度を検出している。この非接触測温センサにおいて、視野角を制限する視野角制限部として機能する導光器は、前記光学レンズと被測定物との間にレンズ側に収斂するテーパ状の内径を有しており、赤外線センサの視野角を制限することによって周辺への感度を減衰させ視野特性をシャープにしている。

特開２００６−１９４７９１号公報 国際公開第ＷＯ２００５／０２７２２８号パンフレット 特開平１０−２２７６９７号公報

上述したように視野角制限部は、赤外線センサの受光部に対して視野を制限する視野角制限窓として機能することによって赤外線センサの視野範囲を規定できるのであるが、特許文献３のテーパ形態以外にも図１に示すような形態のものも一般に用いられている。図１に記載された視野角制限部１７は、赤外線センサを封止した封止部材１５の上面に、赤外線センサの受光部１８を囲うように設けられている。この視野角制限部１７は、上方（高さ方向）に垂直に延びており、その上端の内周が視野角制限窓１６として機能し、この視野角制限窓１６と受光面（赤外線センサの受光部１８）とのなす角によって赤外線センサの視野角限界１９を規定している。また、赤外線センサの受光部１８の中心（受光面中心）と視野角制限部１７の中心(受光窓中心)を結ぶ方向が視野角での感度が最大となる視野方向２２となる。

ところで、視野角制限部を用いる場合、視野角制限部と赤外線センサの温度の差が測定誤差となる。従って測定誤差を低減し安定してセンサ出力を得るためには、この温度差を低減するか、温度差を補正する必要がある。

この温度差による測定誤差の問題を解決するために、上述した前記特許文献３ではレンズとテーパ状の視野角制限部を用いる事が提案されている。またその他にも、視野角制限部にヒーターを取り付け温度と一定に保つ方法や、視野角制限部を大型化し熱容量を増やす方法や、周辺部との間に空間を空けて周辺部と熱遮断することにより周辺の温度変化の影響を少なくした状態で該視野角制限部の温度を検知して赤外線センサの出力補正する方法が行われてきた。しかし、いずれの方法も視野角制限部の構造の複雑化や大型化を伴うため、制御の複雑化や周囲温度変化時の安定性の悪化と言った問題があった。

また、赤外線センサの受光部に視野角制限部を用いる場合、図２に示すように、赤外線センサの組み立て公差により受光窓（赤外線センサの受光部１８）と視野角制限部１７との相対位置ずれが発生する可能性もある。例えば設計上では視野角制限部１７を視野角限界１９ａとなる位置に取り付けるべきであるところ、一体封止する場合は成形用金型の配置位置のずれ、別体として取り付けする場合は接着位置のずれなどの製造時に生ずる誤差の影響から、視野角限界１９ａと異なる視野角限界となる位置に構成される場合がある。例えばこのズレ位置（製造公差）が、視野角限界１９ｂや視野角限界１９ｃに示す位置であった場合は、センサ素子の視野方向２２ａが視野方向２２ｂや視野方向２２ｃに示す方向へずれることになり、赤外線センサの視野角限界や視野方向のずれや出力低下が生じるため好ましくない。

このため、製造公差を考慮して、センサ素子の受光窓（受光面１８）の寸法より十分大きな寸法を有する内周の前記視野角制限部１７を用いる必要がある。しかしながら、十分大きな寸法の内周の視野角制限部１７で視野角を制限する場合は、その高さも十分大きくしなければならない。図３に示すように、受光面に対して同じ視野角制限を与えるためには、視野角制限部の内周寸法が大きくなればなるほど、より高い位置に視野角制限窓（視野角制限部の上端内周）を設ける必要があるからである。従って、小型化する場合には、組み立て時の高い加工精度が要求されるなどの問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、小型薄型でかつ簡便な素子形状を有し、外部からの熱放射（輻射）や感熱素子自体からの熱放射等の温度外乱やセンサ素子の設置場所に温度分布があったとしても、安定して被測定物の温度を検知することができるようにした赤外線センサを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は赤外線を受光する受光面を有し、受光した赤外線を検出して電気信号として出力するセンサ素子と、前記センサ素子からの出力を外部装置へ出力するための接続端子と、前記センサ素子と前記接続端子とを電気的に接続する接続配線と、前記受光面を開口した状態で該センサ素子を前記接続端子と前記接続配線とともに封止する封止部材とを具えた赤外線センサであって、前記封止部材は、前記センサ素子を保持する保持部と、前記受光面の周囲を取り囲んで前記保持部から延びるように形成することにより前記受光面の赤外線に対する視野範囲を制限する視野角制限部とを有し、前記受光面の外縁部が、前記視野角制限部に覆われていることを特徴とする赤外線センサである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の赤外線センサにおいて、前記センサ素子の受光面における赤外線の反射を防止するための光学調整膜が前記センサ素子の受光面に設けられていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の赤外線センサにおいて、前記封止部材は、該センサ素子を保持する保持部と前記視野角制限部とが一体に形成されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の赤外線センサにおいて、前記視野角制限部は、該センサ素子を保持する保持部に対して前記視野角制限部を接着する接着層をさらに具えることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の赤外線センサにおいて、前記接続配線は、ワイヤーボンディングであることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の赤外線センサにおいて、前記接続配線は、フリップチップボンドであることを特徴とする。

本発明によれば、赤外線センサを構成するセンサ素子と同一構造内で近接して一体的に視野角制限部を設け、視野角制限窓を受光面の内側になる形状としたので、視野角制限部の相対位置ずれに対して視野角方向の変動がなく、また、視野角制限部を小型薄型でき、かつ、赤外線センサと視野角制限部の温度差が低減し、小型薄型で安定性の高い赤外線センサを構成できるという効果を有する。

赤外線センサの視野を説明するための断面図である。 従来の視野角制限部ずれを説明するための断面図である。 従来の視野角制限部ずれを考慮した場合の視野角制限部の高さを説明するための断面図である。 本発明に係る赤外線センサの第１の実施形態を説明するための断面図である。 本発明に係る赤外線センサの視野角制限部の構成を説明するための断面図である。 本発明に係る赤外線センサの視野角制限部のずれを説明するための断面図である。 本発明に係る赤外線センサの第２の実施形態を説明するための断面図である。 本発明に係る赤外線センサの第３の実施形態を説明するための断面図である。 本発明に係る赤外線センサの第４の実施形態を説明するための断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

（第１の実施形態）
図４は、本発明に係る赤外線センサの第１の実施形態を説明するための構成図である。図４において、赤外線センサ１０は、赤外線センサ素子１と、光学調整部２と、接続配線３と、パッケージの接続端子４と、パッケージの封止部材５と、視野角制限窓６とを具えている。

本実施形態の赤外線センサ１０では、赤外線を検出するための赤外線センサ素子１がその受光面側が開口された状態で封止部材５によって封止されている。封止部材５は赤外光を遮ることができる、例えば、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂、ホットメルト型樹脂など、一般的な電子部品の封止用樹脂を用いることができる。

光学調整部２は赤外線センサ素子１の受光側に配置された光学フィルタである。また、赤外線センサ素子１の周辺には複数の接続端子４が配置されており、複数のワイヤーボンディングからなる接続配線３によって赤外線センサ素子１と接続され、これらも封止部材５によって封止されている。また、封止部材５には視野角制限窓６が形成されており、赤外線を光学調整部２へ導入している。

光学調整部２は、反射防止フィルタであり、赤外線センサ素子１の受光面での赤外線の反射を防止している。赤外線センサ素子１は、光学調整部２を透過した赤外線を受光し、その赤外線を検出して電気信号を出力する。赤外線センサ素子１から出力された電気信号は接続配線３を介して接続端子４に出力される。接続端子４は、外部機器と電気的に接続され、赤外線センサ素子１からの出力信号を外部機器に出力する。

赤外線センサ素子１は、封止部材５に直接接触しているため、センサ素子を基板の裏側の面（光学調整部２とは反対側の面）に設けた構成であることが望ましい。具体的には赤外線センサ素子１基板に光電変換部を搭載したチップ型の赤外線センサ素子を用いることができる。このようなチップ型の赤外線センサ素子としては、代表的には赤外線を電気信号に直接変換する機能を有する量子型の赤外線センサが考えられるがこれに限定されない。チップ型に構成可能な赤外線センサ素子であれば、赤外線を一旦熱に変換してから電気信号に変換する機能を有するＭＥＭＳ技術を用いたサーモパイルなどのいわゆる熱型センサでも同様の構成とすることができる。また、光学調整部２は、ＬＰＦやＢＰＦ等の光学フィルタであってもよく、Ｓｉ基板やサファイヤ基板などを用いて製作されたＬＰＦやＢＰＦ等の光学フィルタであってもよい。Ｓｉ基板やサファイヤ基板などを用いて製作された該光学フィルタの場合は、封止部材５で保持される構造であっても良い。

封止部材５は、その機能から、赤外線センサ素子１を保持する保持部（封止部ともいう）と、前記受光面の周囲を取り囲んで前記保持部から延びるように形成することにより前記受光面の赤外線に対する視野範囲（視野角）を制限している視野角制限部とに分けられる。

ここで、本発明の赤外線センサ１０における、赤外線センサ素子１の受光面への視野角を制限する視野角制限部の構成について説明する。図５（ａ）、６は、本発明に係る赤外線センサ１０の視野を説明するための断面図である。また図５（ｂ）は図５（ａ）の平面図である。図５、６において、パッケージの封止部５ａと、視野角制限部７と、受光部８と、視野角限界９（９ａ、９ｂ、９ｃ）と、視野方向１２（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）とが示されている。なお、図５、６においては、赤外線センサ素子１の受光面８と視野角制限部７との関係が明確になるように赤外線センサ素子１の受光面８以外を省略して示している。

視野角制限部７は、封止部材５に視野角制限窓６（視野角制限部上端の内周部分）を形成するための構造部であり、本実施形態では封止部５ａと一体に形成されている。受光部８は、赤外線センサ素子１の受光窓部である。

また、視野角限界９は、受光部８と視野角制限部７によって決まる赤外線センサの視野角限界である。視野方向１２は、赤外線センサの受光部８に接する視野角制限部７の下面の中心（受光面中心）と視野角制限窓６となる視野角制限部７上端の中心（受光窓中心）とを結ぶ方向が感度の最大となる視野方向である。

本発明の赤外線センサ１０では、図５に示すように、受光部８の受光面の外縁部８ａが、視野角制限部７に覆われている。すなわち外縁部８ａとは、図５（ｂ）に示すように、受光部８の受光面のうち、視野角制限部７の下端で覆われている部分のことをいう。視野角制限部７によって覆われる受光部の外縁部８ａの幅Wは、特に制限されないが、安定して被測定物の温度を検知する観点から視野角制限部７と受光部８の相対的位置関係の製造公差分以上の幅あることが好ましく、赤外線センサの出力を低減させない観点から前記製造公差分の幅であることがより好ましい。

また図６から明らかなように、受光部８における赤外線受光が可能な視野角限界９は、受光部８の受光面の外縁部８ａの内周と視野角制限部７の上端における視野角制限窓６とのなす角で決まる。本発明の赤外線センサでは受光部８の外縁部８ａが視野角制限部７に覆われているので、視野角限界９を規定する受光部８の外縁部８ａの内周が小さくなる。したがって、受光部１８の外側に視野角制限部１７を設けた従来の視野角限界１９と同一の視野角限界９を形成する視野角制限部７はその上端を従来よりも受光部８に近い位置に形成することが可能となる。すなわち受光部８の受光面の外縁部８ａが、視野角制限部７に覆われている結果、従来の視野角制限部１７ａ〜１７ｃ（図３参照）のように視野角制限部７の上端位置（視野角制限窓６の最上部の位置）を高くする必要がない。また、上面から見た（平面視の）視野角制限窓６の形状は、四角形でも丸形でもよいが、加工の容易さから丸形であることが好ましい。

また、視野方向１２は、赤外線センサの受光部８に接する視野角制限部７の下面と視野角制限窓６となる視野角制限部７上面の中心とを結ぶ方向で規定される。図６は、本発明に係る赤外線センサの視野角制限部７のずれを説明するための断面図である。図６に示すように、受光部８と視野角制限部７との位置ずれにより、相対的に視野角限界９ａから視野角限界９ｂや視野角限界９ｃの範囲でずれたとしても、受光部８に接する視野角制限部７の下面の中心（受光面中心）と視野角制限窓６となる視野角制限部７上面の中心（受光窓中心）の相対位置関係は変化しないので、視野方向１２ａから１２ｃは変化することがない。

以上説明したように、本実施形態の構成によれば、一体的に視野角制限部を設けた従来の赤外線センサよりも、視野角制限部を小型薄型でき、これにより赤外線センサと視野角制限部の温度差が低減するので、小型薄型で安定性の高い赤外線センサを構成することができる。

（第２の実施形態）
図７は本発明に係る赤外線センサ２０の本実施形態を示す図である。この実施形態は、第１の実施形態では封止部材の一部として形成されていた視野角制限部を、封止部とは別体に形成し、これらを接着層１１等を介して貼り合せて封止部材とした構成である。

この実施形態の赤外線センサ２０では、封止部５ａと視野角制限部７との間に接着層１１を有することから、接着部材等の滲みが受光部８に接する視野角制限部７の下面まで達しないよう考慮する必要がある。なお、接着層１１における接着方法は、接着剤を用いた方法以外にも超音波や加熱等により貼り合わせることも可能である。超音波や加熱等により貼り合わせた場合は、接着部材の滲み幅は考慮しなくてよい。

よって、本実施形態の構成によれば、封止部と視野角制限部とを貼り合せて封止部材とした赤外線センサの場合でも、従来よりも視野角制限部を小型薄型でき、これにより赤外線センサと視野角制限部の温度差が低減するので、小型薄型で安定性の高い赤外線センサを構成することができる。

（第３の実施形態）
図８は、本発明に係る赤外線センサの第３の実施形態を説明するための構成図である。この実施形態は、第１の実施形態においてセンサ素子と接続端子との接続配線としてワイヤーボンディングを採用していたのに対し、センサ素子と接続端子との接続配線としてフリップチップボンドを採用した構成である。

本実施形態の構成によれば、図８に示すように、赤外線センサ素子１と接続端子４との接続のために要するスペースが第１の実施形態の構成よりも削減できる。したがって、第１の実施形態よりも、パッケージ幅の狭い小型の赤外線センサ３０を構成することができるので、一体的に視野角制限部を設けた赤外線センサを小型薄型で安定性のより高い構成とすることができる。

（第４の実施形態）
図９は、本発明に係る赤外線センサの第４の実施形態を説明するための構成図である。この実施形態は、第３の実施形態では封止部材の一部として形成されていた視野角制限部を、封止部とは別体に形成し、接着層１１等を介して貼り合せて封止部材とした構成である。

この実施形態の赤外線センサ４０では、封止部５ａと視野角制限部７との間に接着層１１を有することから、接着部材等の滲みが受光部８に接する視野角制限部７の下面まで達しないよう考慮する必要がある。なお、接着層１１における接着方法は、接着剤を用いた方法以外にも超音波により貼り合わせることも可能である。超音波により貼り合わせた場合は、接着部材の滲み幅は考慮しなくてよい。

本実施形態の構成によれば、図９に示すように、赤外線センサ素子１と接続端子４との接続のために要するスペースが第２の実施形態の構成よりも削減できる。したがって、第２の実施形態よりも、パッケージ幅の狭い小型の赤外線センサ４０を構成することができるので、封止部材と視野角制限部とを貼り合せて形成した赤外線センサを小型薄型で安定性のより高い構成とすることができる。

１ センサ素子
２ 光学調整部
３ 接続配線
４ 接続端子
５、１５ 封止部材
５ａ 封止部
６、１６ 視野角制限窓
７、１７、１７ａ〜１７ｃ、 視野角制限部
８、１８ 受光部
９、９ａ〜９ｃ、１９、１９ａ〜１９ｃ 視野角限界
１１ 接着層
１２、１２ａ〜１２ｃ、２２、２２ａ〜２２ｃ 視野方向
１０、２０、３０、４０ 赤外線センサ

Claims (6)

1. 赤外線を受光する受光面を有し、受光した赤外線を検出して電気信号として出力するセンサ素子と、
   前記センサ素子からの出力を外部装置へ出力するための接続端子と、
   前記センサ素子と前記接続端子とを電気的に接続する接続配線と、
   前記受光面を開口した状態で該センサ素子を前記接続端子と前記接続配線とともに封止する封止部材とを具えた赤外線センサであって、
   前記封止部材は、前記センサ素子を保持する保持部と、前記受光面の周囲を取り囲んで前記保持部から延びるように形成することにより前記受光面の赤外線に対する視野範囲を制限する視野角制限部とを有し、
   前記受光面の外縁部が、前記視野角制限部に覆われていることを特徴とする赤外線センサ。
2. 前記センサ素子の受光面における赤外線の反射を防止するための光学調整部が前記センサ素子の受光面に設けら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。
3. 前記封止部材は、該センサ素子を保持する保持部と前記視野角制限部とが一体に形成されてい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. 前記視野角制限部は、該センサ素子を保持する保持部に対して前記視野角制限部を接着する接着層をさらに具え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。
5. 前記接続配線は、ワイヤーボンディングであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の赤外線センサ。
6. 前記接続配線は、フリップチップボンドであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の赤外線センサ。

Images