JP2013124907A - Infrared sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、赤外線センサに関する。 The present invention relates to an infrared sensor.
従来、赤外線センサとして、基板に実装した赤外線センサ素子および信号処理部を収納し、かつレンズなどの光学系を備えた入射窓を有する金属製のケースと、当該ケース内部に前記光学系を介して赤外線センサ素子に赤外線を入射させる開口部を備えるセンサカバーとを配置したものが知られている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, as an infrared sensor, an infrared sensor element mounted on a substrate and a signal processing unit are housed, and a metal case having an incident window provided with an optical system such as a lens, and the optical system inside the case via the optical system An arrangement in which a sensor cover having an opening for allowing infrared rays to enter the infrared sensor element is known (see, for example, Patent Document 1).
この特許文献1では、赤外線センサの視野内に入った対象物体からの赤外線をケースの入射窓からレンズを介して赤外線センサ素子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素子にて検知するようにしている。
In
また、本赤外線センサでは、ケース内部のセンサカバーにより、視野外の非対象物からの赤外線のうち、金属製のケースを経て入射する輻射線や、ケース内部の反射による輻射線が除去される。 Moreover, in this infrared sensor, the radiation from the non-object outside the field of view through the metal case and the radiation by reflection inside the case are removed by the sensor cover inside the case.
上記従来の赤外線センサでは、長方形状の基板の長手方向に赤外線センサ素子と当該赤外線センサ素子の出力信号を処理する信号処理部が並設されている。そして、赤外線センサ素子を覆うようにセンサカバーが設けられている。 In the conventional infrared sensor, an infrared sensor element and a signal processing unit for processing an output signal of the infrared sensor element are arranged in parallel in the longitudinal direction of the rectangular substrate. A sensor cover is provided so as to cover the infrared sensor element.
ところで、信号処理部は発熱するものであり、この信号処理部によって生じた熱は、基板やケース内の気体に伝達されて基板やケース内の気体が温められることとなる。具体的には、外気に曝されるケースと発熱した信号処理部との間に温度差が生じるため、信号処理部の発熱によって生じた熱が信号処理部からケースに向けて移動し、当該熱の移動によってケース内が温められる。このとき、赤外線センサ素子のみをセンサカバーで覆っているため、信号処理部の熱がセンサカバー内の気体に伝わりにくく、信号処理部に近い部分と遠い部分との間に温度差が生じ、センサカバー内の温度分布に偏りが生じてしまう。そして、センサカバー内の温度分布に偏りが生じると、赤外線センサ素子表面に形成された複数個のセルの間にも温度差が生じてしまい、赤外線センサ素子表面のセル間で特性のバラツキが生じてしまうおそれがある。 By the way, the signal processing unit generates heat, and the heat generated by the signal processing unit is transmitted to the gas in the substrate and the case to warm the gas in the substrate and the case. Specifically, since a temperature difference occurs between the case exposed to the outside air and the generated signal processing unit, the heat generated by the heat generation of the signal processing unit moves from the signal processing unit toward the case, and the heat The inside of the case is warmed by the movement of. At this time, since only the infrared sensor element is covered with the sensor cover, the heat of the signal processing unit is not easily transmitted to the gas in the sensor cover, and a temperature difference is generated between a portion near the signal processing unit and a portion far from the signal processing unit. The temperature distribution in the cover will be biased. If the temperature distribution in the sensor cover is biased, a temperature difference also occurs between a plurality of cells formed on the surface of the infrared sensor element, resulting in variations in characteristics among the cells on the surface of the infrared sensor element. There is a risk that.
このように、上記従来の技術では、信号処理部の発熱による熱ノイズの影響によって検知精度が低下してしまうおそれがある。 As described above, in the conventional technique, the detection accuracy may be deteriorated due to the influence of the thermal noise due to the heat generated by the signal processing unit.
そこで、本発明は、検知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を得ることを目的とする。 Then, an object of this invention is to obtain the infrared sensor which can suppress that a detection accuracy falls.
本発明の第1の特徴は、赤外線を受光する赤外線センサ素子と、当該赤外線センサ素子の出力信号を処理する信号処理部と、前記赤外線センサ素子および前記信号処理部が並設された基板と、赤外線を前記赤外線センサ素子に入射させる開口部を有し、前記基板に取り付けられて前記赤外線センサ素子および前記信号処理部を覆うケースと、を備え、前記赤外線センサ素子および前記信号処理部は、当該赤外線センサ素子および前記信号処理部の並設方向と交差する方向両側に設けられた結線部を介して前記基板に電気的に接続されており、前記赤外線センサ素子および信号処理部の両方を覆うカバーが前記ケース内に設けられており、当該カバーは、前記基板における前記並設方向の両端部で当該基板に取り付けられていることを要旨とする。 A first feature of the present invention is an infrared sensor element that receives infrared rays, a signal processing unit that processes an output signal of the infrared sensor element, a substrate on which the infrared sensor element and the signal processing unit are arranged in parallel, An opening that allows infrared light to enter the infrared sensor element, and a case that is attached to the substrate and covers the infrared sensor element and the signal processing unit, and the infrared sensor element and the signal processing unit include A cover that is electrically connected to the substrate via connection portions provided on both sides in a direction intersecting with the parallel arrangement direction of the infrared sensor element and the signal processing unit, and covers both the infrared sensor element and the signal processing unit Is provided in the case, and the cover is attached to the substrate at both ends of the substrate in the juxtaposed direction. .
本発明の第2の特徴は、前記カバーの内面に防錆処理が施されていることを要旨とする。 The gist of the second feature of the present invention is that the inner surface of the cover is subjected to rust prevention treatment.
本発明の第3の特徴は、前記カバーにおける前記並設方向と交差する方向両側の少なくとも前記赤外線センサ素子と対向する部位に、庇部が設けられていることを要旨とする。 The gist of the third feature of the present invention is that a flange portion is provided at least on the opposite side of the cover in the direction crossing the juxtaposed direction and facing the infrared sensor element.
本発明の第4の特徴は、前記カバーは、前記信号処理部に対応する部位が下段となり、前記赤外線センサ素子に対応する部位が上段となる段差状に形成されていることを要旨とする。 The gist of the fourth feature of the present invention is that the cover is formed in a step shape in which a portion corresponding to the signal processing unit is in the lower stage and a portion corresponding to the infrared sensor element is in the upper stage.
本発明によれば、赤外線センサ素子および信号処理部の両方を覆うカバーをケース内に設けている。このように、カバーをケース内に設けることで、カバー内部の空間の体積(内部空間に存在する気体の量)はケース内部の空間の体積(内部空間に存在する気体の量)よりも小さくなって、空間内の部位によるバラツキが生じにくくなるため、カバー内部の空間の温度分布の偏りを抑制することができ、カバー内部の空間温度をより均一な温度にすることができる。 According to the present invention, the cover that covers both the infrared sensor element and the signal processing unit is provided in the case. Thus, by providing the cover in the case, the volume of the space inside the cover (the amount of gas existing in the internal space) becomes smaller than the volume of the space inside the case (the amount of gas existing in the internal space). Thus, variations due to the portions in the space are less likely to occur, so that the uneven temperature distribution in the space inside the cover can be suppressed, and the space temperature inside the cover can be made more uniform.
さらに、本発明では、カバーを基板の並設方向両端部に取り付けているため、信号処理部の発熱によって生じた熱の一部が基板を介してカバーに伝達されるようになる。このように、信号処理部の発熱によって生じた熱がカバーに伝達すると、カバーと発熱した信号処理部との間の温度差は、発熱した信号処理部とケースとの間の温度差よりも小さくなる。そして、カバーに熱が伝達すると、当該カバーからも空間内に熱が伝達されることとなる。その結果、カバー内部の空間の温度分布の偏りをより一層抑制することができるようになり、カバー内部の空間温度をより均一な温度にすることができる。 Furthermore, in the present invention, since the covers are attached to both ends of the substrates in the side-by-side direction, part of the heat generated by the heat generated by the signal processing unit is transmitted to the cover through the substrate. Thus, when the heat generated by the heat generation of the signal processing unit is transferred to the cover, the temperature difference between the cover and the generated signal processing unit is smaller than the temperature difference between the generated signal processing unit and the case. Become. When heat is transmitted to the cover, heat is also transmitted from the cover into the space. As a result, the uneven temperature distribution in the space inside the cover can be further suppressed, and the space temperature inside the cover can be made more uniform.
このように、本発明によれば、赤外線センサ素子表面に形成されたそれぞれのセルの間に温度差が生じてしまうのを抑制することができ、ひいては、赤外線センサ素子表面のセル間で特性にバラツキが生じてしまうのを抑制することができるようになる。その結果、赤外線センサの検知精度が低下してしまうのを抑制することができるようになる。 As described above, according to the present invention, it is possible to suppress the occurrence of a temperature difference between the cells formed on the surface of the infrared sensor element. It becomes possible to suppress the occurrence of variations. As a result, it is possible to suppress a decrease in detection accuracy of the infrared sensor.
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。なお、以下の複数の実施形態には、同様の構成要素が含まれている。よって、以下では、それら同様の構成要素には共通の符号を付与するとともに、重複する説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that similar components are included in the following embodiments. Therefore, in the following, common reference numerals are given to those similar components, and redundant description is omitted.
(第1実施形態)
本実施形態にかかる赤外線センサ1は、赤外線Rを受光する赤外線センサ素子2と、赤外線センサ素子2の出力信号を信号処理するIC素子(信号処理部)3と、を備えており、赤外線センサ素子2およびIC素子3が基板4に実装されている。この赤外線センサ1は、赤外線を受光して、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。
(First embodiment)
The
赤外線センサ素子2としては、例えば、ゼーベック効果を利用して赤外線Rを電圧として検知できるサーモパイル型赤外線センサを用いることができる。このサーモパイル型赤外線センサは、受光した赤外線Rを赤外線吸収膜で熱に変換し、この熱により発生した温接点部の温度変化を直列に多数個接続した熱電対により電圧として出力するものである。
As the
そして、赤外線センサ素子2およびIC素子3は、長方形状の基板4の長手方向(X方向:並設方向)に近接して並設されている。このとき、IC素子3が配置される部分の基板4には凹部41が形成されており、この凹部41にIC素子3の底部3aが嵌め込まれた状態で実装されている。
The
基板4は、ほぼ矩形の平板形状をなしており、樹脂系のプリント基板や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4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4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。
The
また、赤外線センサ素子2およびIC素子3は、基板4に設置される金属製のケース5に収容されている。このケース5は、矩形状の天壁51と周壁52とによって、底面部分が開放した直方体状に形成されている。そして、周壁52の開放側端には取付け用のフランジ部53が折曲形成されており、このフランジ部53を金属リング54を介して基板4に接続することで、ケース5を基板4に設置している。
The
また、ケース5の天壁51には、測定しようとする対象物体の赤外線Rを赤外線センサ素子2に入射させる窓部(開口部)55が形成されている。そして、この窓部55を下方から覆うようにレンズ(光学系)56が取り付けられている。
The
このように、本実施形態のケース5は、開口部により対象物体の赤外線Rを入射する機能を有し、基板4に取り付けられて赤外線センサ素子2およびIC素子3を覆うケースに相当するものである。
As described above, the
なお、レンズ56は、赤外線センサ素子2の受光面との間に所定距離をおいて天壁51に保持されており、窓部55を通過する赤外線Rを、赤外線センサ素子2に結像させるようにしている。また、レンズ56は、赤外線センサ素子2と対向するように赤外線センサ素子2の上方に配置されている。
The
また、レンズ56には、赤外線を透過する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。
Further, the
さらに、レンズ56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56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56は赤外線センサ素子2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。
Further, as shown in FIG. 1, the
また、赤外線センサ素子2およびIC素子3は、ボンディングワイヤ等の結線部6によって基板4に電気的に接続されている。本実施形態では、結線部6は、図4に示すように、基板4の短手方向(Y方向:並設方向と交差する方向)に設けられている。
Further, the
ここで、本実施形態では、ケース5の内方に、赤外線センサ素子2およびIC素子3の両方を覆うカバー7を設けている。このカバー7は、コバール等の金属板で形成されている。さらに、本実施形態では、カバー7の内面には防錆処理が施されている。
Here, in the present embodiment, a
カバー7は、図2に示すように、基板4の長手方向(X方向)に長辺となる矩形状の天壁71と、この天壁71の長辺方向両端部に設けられる脚壁72とによって、正面視で扁平な逆U字状に形成されている。また、脚壁72の先端部は外方に折曲形成されており、この部分が取付面73となっている。そして、取付面73を銀ペースト等によって基板4に固定することで、カバー7が、赤外線センサ素子2およびIC素子3をX方向に跨いだ状態で基板4に取り付けられている。このとき、カバー7の天壁71は、基板4の表面、すなわち赤外線センサ素子2の設置面から所定高さhをもって配置されている。本実施形態では、この所定高さhは、赤外線センサ素子2に対象物体からの赤外線Rを結像させるための距離よりも短くなるように設定している。すなわち、レンズ56と天壁71との間に隙間が形成されるようにカバー7を取り付けている。
As shown in FIG. 2, the
また、カバー7の天壁71の赤外線センサ素子2に対応する部位には、ケース5の窓部55から入射した赤外線Rを赤外線センサ素子2に透過させる透過窓74が設けられている。本実施形態では、透過窓74は、矩形状の単なる開口部となっている。
Further, a
また、本実施形態では、図2および図3に示すように、カバー7の基板4の短手方向(Y方向)両側部に、基板4に向かって屈曲する庇部75が折曲形成されている。本実施形態では、この庇部75は、カバー7の両側部の略全長に亘って設けられている(図2参照)が、必ずしもカバー7の両側部の全長に亘って設ける必要はなく、少なくとも赤外線センサ素子2に対向する部位に設けられていればよい。
Further, in this embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3, hooks 75 that are bent toward the
次に、かかる構成の赤外線センサ1の作用について説明する。
Next, the operation of the
まず、対象物体から放射される赤外線Rが窓部55のレンズ56を介して赤外線センサ1内に入射され、赤外線センサ素子2にて結像することとなる。そして、赤外線センサ素子2が入射した赤外線Rに応じた電圧を出力し、この出力信号をIC素子3が処理することで、対象物体の温度が検知される。
First, the infrared ray R radiated from the target object enters the
このとき、IC素子(信号処理部)3の発熱によって生じた熱が、基板4、およびケース5内の気体を介して赤外線センサ素子2に伝達される。
At this time, the heat generated by the heat generation of the IC element (signal processing unit) 3 is transmitted to the
本実施形態では、赤外線センサ素子2およびIC素子(信号処理部)3の両方を覆うカバー7をケース5内に設けている。このように、カバー7をケース5内に設けることで、カバー7内部の空間の体積(内部空間に存在する気体の量)はケース5内部の空間の体積(内部空間に存在する気体の量)よりも小さくなるため、カバー7内部の空間の温度分布の偏りを抑制することができ、カバー7内部の空間温度をより均一な温度にすることができる。
In the present embodiment, a
さらに、本実施形態では、カバー7を基板4のX方向(長手方向:並設方向)の両端部に取り付けているため、IC素子(信号処理部)3の発熱によって生じた熱の一部が基板4を介してカバー7に伝達されるようになる。このように、IC素子(信号処理部)3の発熱によって生じた熱がカバー7に伝達すると、カバー7と発熱したIC素子(信号処理部)3との間の温度差は、外気に曝されるケース5と発熱したIC素子(信号処理部)3との間の温度差よりも小さくなる。そして、カバー7に熱が伝達すると、当該カバー7からも空間内に熱が伝達されることとなる。その結果、カバー7内部の空間の温度分布の偏りをより一層抑制することができるようになり、カバー7内部の空間温度をより均一な温度にすることができる。特に、本実施形態では、金属製のカバー7を用いているため、カバー7の表面の温度がより均一になりやすく、カバー7内部の空間温度をより一層均一な温度にすることができるようになる。
Furthermore, in this embodiment, since the
このように、本実施形態によれば、赤外線センサ素子2の表面に形成された複数個のセルの間に温度差が生じてしまうのを抑制することができ、ひいては、赤外線センサ素子2の表面の素子間で特性にバラツキが生じてしまうのを抑制することができるようになる。その結果、赤外線センサ1の検知精度が低下してしまうのを抑制することができるようになる。
As described above, according to the present embodiment, it is possible to suppress the occurrence of a temperature difference between the plurality of cells formed on the surface of the
また、赤外線センサ素子2およびIC素子3は、Y方向(短手方向:赤外線センサ素子2およびIC素子3の並設方向と交差する方向)の両側に設けられた電極パッドにより、ボンディングワイヤ等の結線部6を介して前記基板に電気的に接続されている。そして、赤外線センサ素子2およびIC素子3を覆うカバー7は、X方向(長手方向:並設方向)両端部(脚壁72の取付面73)を基板4に取り付けることで、基板4に実装されている。このように実装されることで、カバー7を設置する際の、赤外線センサ素子2およびIC素子3を基板4に電気的に接続する結線部6とカバー7の脚壁72との接触が抑制され、接触不良が生じるのを抑制することができる。また、カバー7の実装作業を容易に行うことができるようになる。
Further, the
また、本実施形態によれば、カバー7の内面に防錆処理を施しているため、カバー7内面が経年劣化等の腐食によって変色してしまうのを抑制することができる。その結果、腐食による変色で赤外線センサ2への受光量が変化することに起因する測定温度の特性変動を抑制することができるようになる。
Moreover, according to this embodiment, since the antirust process is performed to the inner surface of the
また、本実施形態によれば、カバー7の基板4の短手方向(Y方向)両側部に、基板4に向かって屈曲する庇部75を設けている。そして、この庇部75によって赤外線センサ素子2を囲うことができるようにしている。その結果、カバー内の空間の温度分布が偏ってしまうのをより一層抑制することができ、IC素子3の発熱による熱ノイズの影響をより低減させることができる。
In addition, according to the present embodiment, the
ところで、赤外線センサ1は、本来は視野角内に位置する対象物体からの赤外線Rをレンズ56を通して赤外線センサ素子2に結像させるものである。ところが、赤外線センサ1にカバー7が存在しない場合、視野角外に有る対象物体以外からの赤外線が、大きな傾斜角度をもってレンズ56から入射し、ケース5の内面に反射して赤外線センサ素子2に入射してしまう場合がある。また、視野角外に有る対象物体以外からの赤外線によってケース5が加熱され、加熱されたケース5の輻射熱による赤外線が直接または間接に赤外線センサ素子2に入射する場合がある。
By the way, the
このように、赤外線センサ1にカバー7が存在しない場合、視野角外に有る対象物体以外からの赤外線が直接または間接に赤外線センサ素子2に入射されてノイズ原因となる。
Thus, when the
これに対して本実施形態では、視野角外に有る対象物体以外からの赤外線をカバー7の天壁71や脚壁72、庇部75で遮断することができる。したがって、本実施形態では、視野角外に有る対象物体以外からの赤外線が赤外線センサ素子2に影響するのをカバー7によって抑制することができ、赤外線センサ素子2による測定精度を向上させることができるようになる。
On the other hand, in the present embodiment, infrared rays from other than the target object outside the viewing angle can be blocked by the
(第2実施形態)
本実施形態にかかる赤外線センサ1Aが、上記第1実施形態と主に異なる点は、カバー7を、赤外線センサ素子2とIC素子3に対応する部分の間で段差状にしたことにある。
(Second Embodiment)
The
すなわち、本実施形態では、図5に示すように、カバー7の天壁71を、IC素子3に対応する部分が下段71aとなり、赤外線センサ素子2に対応する部分が上段71bとなる段差状に形成している。このとき、上段71bの基板4からの高さは、上記第1実施形態の天壁71の高さと同じhとなるように設定している。
That is, in this embodiment, as shown in FIG. 5, the
また、本実施形態にあっても、カバー7は赤外線センサ素子2およびIC素子3の両方を覆っている。
Also in this embodiment, the
以上の本実施形態によっても、上記第1実施形態と同様の作用、効果を奏することができる。 Also according to this embodiment described above, the same operations and effects as those of the first embodiment can be achieved.
また、本実施形態によれば、カバー7を段差状に形成し、IC素子(信号処理部)3に対応する部分を下段71aとし、赤外線センサ素子2に対応する部分を上段71bとしている。したがって、カバー7の上段71bの高さを、上記第1実施形態のカバー7の高さと同じレベルhとした場合、下段71aの位置をよりIC素子3に近づけることができるようになり、カバー7の内部空間の体積(内部空間に存在する気体の量)をより小さくすることができる。そのため、IC素子3が発熱した際に、カバー7の内部空間をより素早く温めることができるようになり、カバー7内部空間の温度(特に、赤外線センサ素子2の表面近傍の温度)をより素早く均一な状態とすることができる。
Further, according to the present embodiment, the
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。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made.
1、1A 赤外線センサ
2 赤外線センサ素子
3 IC素子(信号処理部)
4 基板
5 ケース
6 結線部
7 カバー
55 窓部(開口部)
71a 下段
71b 上段
75 庇部
1,
4
71a
Claims (4)
前記赤外線センサ素子および前記信号処理部は、当該赤外線センサ素子および前記信号処理部の並設方向と交差する方向両側に設けられた結線部を介して前記基板に電気的に接続されており、
前記赤外線センサ素子および信号処理部の両方を覆うカバーが前記ケース内に設けられており、当該カバーは、前記基板における前記並設方向の両端部で当該基板に取り付けられていることを特徴とする赤外線センサ。 An infrared sensor element that receives infrared light, a signal processing unit that processes an output signal of the infrared sensor element, a substrate on which the infrared sensor element and the signal processing unit are arranged, and infrared light is incident on the infrared sensor element A case that has an opening and is attached to the substrate and covers the infrared sensor element and the signal processing unit,
The infrared sensor element and the signal processing unit are electrically connected to the substrate via connection portions provided on both sides of the direction intersecting the parallel arrangement direction of the infrared sensor element and the signal processing unit,
A cover that covers both the infrared sensor element and the signal processing unit is provided in the case, and the cover is attached to the substrate at both ends of the substrate in the juxtaposition direction. Infrared sensor.
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