JP2013137259A - 赤外線検出器 - Google Patents
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Abstract
【課題】異なる波長域の赤外線を同時に検出し各検出結果を独立して出力することが可能な赤外線検出器を提供する。
【解決手段】焦電素子３００からなる検知体３は、信号を出力する第１の検知部３１と第２の検知部３２とを有している。第１の検知部３１の出力と第２の検知部３２の出力とは、回路ブロック５の第１の増幅部と第２の増幅部とで互いに独立して別々に処理される。キャップ部２２には筐体２内に赤外線を取り込むための窓孔２２２が形成され、窓孔２２２には、赤外線を透過させる光学フィルタ７が設けられている。光学フィルタ７は、第１の検知部３１に対応する位置に配置された第１の透過部７１と、第２の検知部３２に対応する位置に配置された第２の透過部７２とで赤外線の透過特性が異なっている。
【選択図】図１
【解決手段】焦電素子３００からなる検知体３は、信号を出力する第１の検知部３１と第２の検知部３２とを有している。第１の検知部３１の出力と第２の検知部３２の出力とは、回路ブロック５の第１の増幅部と第２の増幅部とで互いに独立して別々に処理される。キャップ部２２には筐体２内に赤外線を取り込むための窓孔２２２が形成され、窓孔２２２には、赤外線を透過させる光学フィルタ７が設けられている。光学フィルタ７は、第１の検知部３１に対応する位置に配置された第１の透過部７１と、第２の検知部３２に対応する位置に配置された第２の透過部７２とで赤外線の透過特性が異なっている。
【選択図】図１
Description
本発明は、焦電素子を用いて赤外線量の変化を検出する赤外線検出器に関する。
従来から、たとえば人体検知などの目的で赤外線量の変化を検出する素子として、焦電素子が一般的に用いられている。焦電素子を用いた赤外線検出器は、防犯用の侵入検知器の他、照明等の負荷の自動制御用として使われている。
この種の赤外線検出器としては、金属製の土台部（ベース部）に金属製のキャップ部（キャップカバー）を被せてなる金属製の筐体（パッケージ）内部に、焦電素子および信号処理回路を収容した構造の検出器がある（たとえば特許文献１参照）。特許文献１に記載の赤外線検出器は、キャップ部の上面に赤外線を透過する光学フィルタ（赤外線フィルタ）が設けられており、光学フィルタを通して透過した赤外線が焦電素子の検知部に入射する。
さらに、特許文献１に記載の赤外線検出器は、信号処理回路にバンドパスアンプおよびウインドコンパレータの組み合わせで構成している。これにより、赤外線検出器は、焦電素子の出力を電圧に変換後、バンドパスアンプで所定周波数の信号を取り出し、予めしきい値を設定したウインドコンパレータからＨ，Ｌレベルの信号を出力する。
また、複数の焦電素子（焦電型赤外線検出素子）と信号処理回路（検出回路）とを同一の筐体（パッケージ）内に収めた構成の赤外線検出器も提案されている（たとえば特許文献２参照）。特許文献２に記載の赤外線検出器は、各焦電素子の電極にそれぞれ独立した信号処理回路が接続されており、焦電素子ごとにそれぞれ独立した信号を出力する。これにより、赤外線検出器は、分離独立した赤外線検出領域並びに検出角度が得られる構成となる。
ところで、赤外線検出器は、異なる波長域の赤外線を同時に検出し各検出結果を独立して出力することができれば、その出力を用いてたとえば検知対象の種別の識別やノイズ除去などが可能になると考えられる。すなわち、波長域ごとの赤外線変動量の分布が分かれば、この分布から検知対象の種別を識別することが可能になり、また、異なる波長域の赤外線変動量の差分から、人体等の検知対象から環境温度等のノイズ成分を除去した検知が可能になると考えられる。
しかし、特許文献１の構成では、１つの焦電素子から１つの出力が得られるだけであるので、異なる波長域の赤外線を同時に検出し各検出結果を独立して出力することはできない。また、特許文献２の構成であっても、複数の焦電素子および信号処理回路を用いることにより赤外線の検出領域を焦電素子ごとに空間的に分離しているだけであるから、異なる波長域の赤外線を同時に検出し各検出結果を独立して出力することはできない。
本発明は上記事由に鑑みて為されており、異なる波長域の赤外線を同時に検出し各検出結果を独立して出力することが可能な赤外線検出器を提供することを目的とする。
本発明の赤外線検出器は、焦電素子を有する検知体と、前記検知体から出力される信号を処理する信号処理回路を有した回路ブロックと、前記回路ブロックに電気的に接続される端子ピンが挿通された土台部と、前記土台部と共に前記検知体および前記回路ブロックを収納する金属製の筐体を構成するキャップ部と、前記キャップ部の一部に開口した窓孔に設けられ赤外線を透過させる光学フィルタとを備え、前記検知体は、前記筐体内で前記光学フィルタと対向する位置に前記回路ブロックにて支持されており、前記光学フィルタに沿う面内で異なる位置に配置され個別に信号を出力する第１の検知部と第２の検知部とを有し、前記回路ブロックは、前記第１の検知部からの信号を増幅して出力する第１の増幅部と前記第２の検知部からの信号を増幅して出力する第２の増幅部とを有し、前記光学フィルタは、前記第１の検知部に対応する位置に配置された第１の透過部と、前記第２の検知部に対応する位置に配置された第２の透過部とで赤外線の透過特性が異なることを特徴とする。
この赤外線検出器において、前記光学フィルタは、前記第１の透過部と前記第２の透過部とで面積が異なることが望ましい。
この赤外線検出器において、前記筐体内には、前記検知体と前記光学フィルタとの間の空間を、前記第１の検知部と前記第２の検知部との間で仕切る間仕切りが設けられていることがより望ましい。
この赤外線検出器において、前記間仕切りは、表面が赤外線を反射する反射面を形成していることがより望ましい。
この赤外線検出器において、前記検知体は前記焦電素子を複数備え、前記第１の検知部と前記第２の検知部とは別々の前記焦電素子に形成されていることがより望ましい。
この赤外線検出器において、前記焦電素子は、矩形板状であって前記回路ブロックに対して４箇所以上の固定点で固定されており、前記固定点は、いずれも前記焦電素子の板面における向き合う一対の辺上に位置することがより望ましい。
この赤外線検出器において、前記回路ブロックは、基板を有し、当該基板の前記土台部側の一面に前記信号処理回路を構成する電子部品が取り付けられ、前記基板の他面に前記検知体が取り付けられていることがより望ましい。
本発明は、異なる波長域の赤外線を同時に検出し各検出結果を独立して出力することが可能であるという利点がある。
（実施形態１）
本実施形態の赤外線検出器１は、図１に示すように、金属製の筐体２内に、赤外線検知素子である焦電素子３００を有する検知体３と、信号処理回路を構成するＩＣ（集積回路）が実装された回路ブロック５とを収納して構成されている。以下では、図１（ａ）の上方を上方、下方を下方として説明するが、赤外線検出器１の使用時の向きを限定する趣旨ではない。なお、回路ブロック５に実装されるＩＣには第１のＩＣ４１と第２のＩＣ４２とがあるが（図２（ｂ）参照）、以下、第１のＩＣ４１と第２のＩＣ４２とを特に区別しないときには単に「ＩＣ４０」という。
本実施形態の赤外線検出器１は、図１に示すように、金属製の筐体２内に、赤外線検知素子である焦電素子３００を有する検知体３と、信号処理回路を構成するＩＣ（集積回路）が実装された回路ブロック５とを収納して構成されている。以下では、図１（ａ）の上方を上方、下方を下方として説明するが、赤外線検出器１の使用時の向きを限定する趣旨ではない。なお、回路ブロック５に実装されるＩＣには第１のＩＣ４１と第２のＩＣ４２とがあるが（図２（ｂ）参照）、以下、第１のＩＣ４１と第２のＩＣ４２とを特に区別しないときには単に「ＩＣ４０」という。
筐体２は、金属製であって円盤状に形成された土台部（ステム）２１と、金属製であって有底円筒状に形成されたキャップ部２２とで構成されている。キャップ部２２は、下面が開放されており、土台部２１に上方から被せるように組み合わされて土台部２１と接合されることにより、筐体２を形成する。図１において（ａ）は赤外線検出器１の外観を示し、（ｂ）はキャップ部２２を外した状態（キャップ部２２は２点差線で示す）の赤外線検出器１を示している。
土台部２１は、その外周部が内側の部分に比べて薄肉となるように上面を一段掘り下げたフランジ部２１１を構成しており、キャップ部２２の下端縁がフランジ部２１１の上面に接合されることにより、キャップ部２２と接合される。土台部２１には、回路ブロック５に電気的に接続される複数本（ここでは４本）の端子ピン６が挿通されており、筐体２の外部と筐体２内の回路ブロック５との電気的な接続を可能にしている。
具体的には、土台部２１はフランジ部２１１の内側に複数個（ここでは４個）の貫通孔２１２が形成されており、各貫通孔２１２に端子ピン６が挿通されている。ここで、土台部２１は、貫通孔２１２の径が端子ピン６の径よりも大きく形成されており、貫通孔２１２の内周面と端子ピン６との隙間が充填材にて埋められることにより端子ピン６を保持している。なお、グランド接続用の端子ピン６が挿通された貫通孔２１２には導電性の充填材が用いられて筐体２をグランド電位とし、その他の貫通孔２１２には絶縁性の充填材が用いられて筐体２と端子ピン６との絶縁性を確保する。フランジ部２１１の外周面における周方向の一部には、位置決め用の凸部２１３が形成されている。
キャップ部２２の底板２２１の中央部には、矩形状（ここでは正方形状）に開口し筐体２内に赤外線を取り込むための窓孔２２２が形成され、この窓孔２２２には赤外線を透過させる光学フィルタ７が窓孔２２２を塞ぐように設けられている。詳しくは後述するが、筐体２内における窓孔２２２の真下に検知体３が配置されており、これにより、筐体２の外側から光学フィルタ７を透過した赤外線が検知体３に入射することになる。
光学フィルタ７は、単結晶シリコンからなる支持体の表面に多種の金属材料などを何層も蒸着することにより形成されている。光学フィルタ７は、窓孔２２２よりも一回り大きい矩形板状であって、外周部が他の部位よりも薄肉となるように上面を一段掘り下げられており、その外周部が導電性接着剤などで底板２２１の下面における窓孔２２２の周囲に接着されている。これにより、光学フィルタ７は外界の電磁ノイズから保護するシールドとしての機能も持つ。さらに信頼性を高めるために、ウレタン樹脂やエポキシ樹脂等でキャップ部２２の内側や外側がコーティングされていてもよい。
なお、本実施形態では、赤外線検出器１の低背化を図るべく、キャップ部２２は深さ寸法（上下方向の寸法）が外径に比べて小さく設定されている。
検知体３は、タンタル酸リチウムやチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの材料より形成され自発分極を持つ焦電素子３００からなり、ここでは焦電素子３００は板面が正方形状の板状に形成されている。この検知体３は、焦電素子３００表面に入射した赤外線による温度変化に応じて、表面電荷が変化する現象（焦電効果）を用いて赤外線の変化量を検知することができる。検知体３は、窓孔２２２の真下に配置されるように、筐体２内において光学フィルタ７と対向する位置に回路ブロック５にて支持されている。
本実施形態においては、検知体３は、図１（ｂ）に示すように、光学フィルタ７に沿う面内で異なる位置に配置された第１の検知部３１と第２の検知部３２との複数（２つ）の検知部を有している。このように光学フィルタ７に沿って並ぶように配置された第１の検知部３１と第２の検知部３２とは、各々個別に赤外線を受光し且つ各々個別に信号を出力する。第１の検知部３１と第２の検知部３２とは１つの焦電素子３００に対して、焦電素子３００の中心を対称点として点対称に構成されており、以下、第１の検知部３１と第２の検知部３２とを特に区別しないときには単に「検知部３０」という。
各検知部３０は、焦電素子３００の表裏に焦電素子３００を形成する材料と略同じ材料からなる厚さ５〜５０μｍ程度の矩形板状のエレメント３０１（図１では上面のエレメントのみ図示している）が形成されることによって構成されている。なお、エレメント３０１を別材料によって支持する構造は必要ない。また、検知部３０同士はたとえば１０μｍ以上の間隔を空けて並べられている。
焦電素子３００は、各エレメント３０１に接続された電極３０２を上面に有している。ここでは、第１の検知部３１における上面側のエレメント３０１に接続された電極３０２と下面側のエレメントに接続された電極３０２とは、焦電素子３００の上面の第１の辺上に並べて形成されている。また、第２の検知部３２における上面側のエレメント３０１に接続された電極３０２と下面側のエレメントに接続された電極３０２とは、焦電素子３００の上面の第２の辺上に並べて形成されている。第１の辺と第２の辺とは、焦電素子３００の外周縁において第１の検知部３１と第２の検知部３２とが並ぶ方向に対向する一対の辺である。
さらに、検知体３は、各検知部３０で検知した温度変化を外に逃がさず、また各検知部３０の熱容量を小さくして検知感度を向上するために、各検知部３０の外周縁の一部にスリット３０３が形成されている。図１の例では、スリット３０３は、各検知部３０の外周縁のうち第１の検知部３１と第２の検知部３２とが並ぶ方向に対向する一対の辺に沿って形成されている。このようなスリット３０３を設けることにより、検知体３が回路ブロック５に実装された状態で回路ブロック５からの熱応力が検知部３０に与える影響を抑制することもできる。スリット３０３の幅寸法はたとえば１０μｍ以上である。なお、スリット３０３は、各検知部３０の外周縁のうちエレメント３０１−電極３０２間の配線を引き回す必要がある部位を除く全周に設けられていてもよい。
一方、回路ブロック５は、円盤状に形成された絶縁性の基板５１を有し、基板５１の上面に検知体（焦電素子３００）３が取り付けられることにより検知体３を支持している。基板５１は、図２（ａ）に示すように、上面に複数個（ここでは４個）の素子接続パッド５２が形成されており、これら素子接続パッド５２に電極３０２を導電性接着剤で固定することにより検知体３が取り付けられる。素子接続パッド５２を含む導体パターンは、金属板やメッキなどによって形成されている。ここで、導体パターンは、基板５１を厚み方向に貫通するビア配線５３（図４参照）を含んでおり、素子接続パッド５２はビア配線５３を通して基板５１の下面に設けられているＩＣ接続パッド５４（図２（ｂ）参照）に接続されている。
回路ブロック５は、ガラス繊維およびエポキシ樹脂などの有機材料やセラミックのような無機材料を絶縁体として用いており、基板５１もこれらの材料（ここではガラスエポキシ樹脂とする）で形成されている。導体パターンとしては主に銅が用いられ、接続方法に応じて銀や金による表面処理が施されている。なお、基板５１は、絶縁性の基材に対して上述したような導体パターンが形成される構造に限らず、所定の形状に形成された金属板（たとえば銅板）を成形樹脂などで支持した構造であってもよい。
また、本実施形態では、基板５１における検知体（焦電素子３００）３が取り付けられる面のうち、検知部３０の直下に当たる部位に、図２（ａ）に示すように焦電素子３００との間に熱絶縁用の隙間を確保する凹部５１１が形成されている。凹部５１１は焦電素子３００よりも一回り小さく、基板５１の上面における素子接続パッド５２に挟まれた位置に形成されており、焦電素子３００は凹部５１１の両側間に跨って配置される。凹部５１１の深さは、たとえば０．１ｍｍ以上に設定されている。このような凹部５１１が形成されることにより、検知部３０は回路ブロック５の表面に直接接しなくなるので、焦電素子３００と回路ブロック５との間の熱絶縁をとることができ、検知体３の感度が高くなる。ただし、感度確保のための凹部５１１によって焦電素子３００がキャップ部２２の底板２２１や回路ブロック５の表面の法線に対して傾斜してしまうことがないように、焦電素子３００は凹部５１１の両側間に架設されている。
ＩＣ４０は、図２（ｂ）に示すように、基板５１の下面側に配置され、一部の端子が金やアルミや銅からなる金属細線（ボンディングワイヤ）５５にて、超音波あるいは熱と超音波とを併用したワイヤボンディング技術を用いてＩＣ接続パッド５４に接続されている。さらに、基板５１の下面にはＩＣ接続パッド５４以外にも、ＩＣ４０を接続するための導電パッドが形成されており、ＩＣ４０の他の端子が金属細線５５にて導電パッドに接続される。また、基板５１の下面には、端子ピン６を接続するための端子接続パッド５６が端子ピン６に対応して複数（ここでは４つ）形成されている。４つの端子接続パッド５６は、基板５１下面の外周部に、基板５１下面の外周縁に沿って等間隔で配置されている。
ここで、ＩＣ４０は検知体３から出力される信号を処理する信号処理回路を構成しており、信号処理回路は、第１の検知部３１に接続される第１の増幅部と、第２の検知部３２に接続される第２の増幅部との複数（２つ）の増幅部を有している。第１の増幅部と第２の増幅部とは、第１の検知部３１と第２の検知部３２との各々から個別に出力される信号を、個別に処理（増幅）して出力する。
本実施形態では、第１の増幅部は第１のＩＣ４１にて構成され、第２の増幅部は第２のＩＣ４２にて構成されている。つまり、第１のＩＣ４１は第１の検知部３１に接続されて第１の検知部３１からの信号を増幅して出力し、第２のＩＣ４２は第２の検知部３２に接続されて第２の検知部３２からの信号を増幅して出力する。ただし、第１の増幅部と第２の増幅部とが別々のＩＣ４１，４２からなることは必須ではなく、１つのＩＣに複数の増幅部（第１の増幅部および第２の増幅部）が構成されていてもよい。本実施形態では、各ＩＣ４０は、バンドパスアンプおよびウインドコンパレータを含み、バンドパスアンプで所定周波数の信号を取り出し、予めしきい値を設定したウインドコンパレータからＨ，Ｌレベルの信号を出力する。
ところで、本実施形態の赤外線検出器１において、光学フィルタ７は、図１に示すように第１の検知部３１に対応する位置に配置された第１の透過部７１と、第２の検知部３２に対応する位置に配置された第２の透過部７２とで赤外線の透過特性が異なっている。一例として、第１の透過部７１は波長４μｍ以上の遠赤外線のみを透過するのに対し、第２の透過部７２は波長２μｍ以下の近赤外線のみを透過する。
すなわち、キャップ部２２の窓孔２２２に設けられている光学フィルタ７は、第１の検知部３１と第２の検知部３２とが並ぶ方向において、第１の透過部７１と第２の透過部７２との複数（２つ）の透過部に分割されている。図１の例では光学フィルタ７は、第１の検知部３１と第２の検知部３２とが並ぶ方向に２等分されており、第１の検知部３１に対向する部分が第１の透過部７１になり、第２の検知部３２に対向する部分が第２の透過部７２になる。
言い換えれば、第１の検知部３１は検知体３上面に対する第１の透過部７１の垂直投影面内に位置し、第２の検知部３２は検知体３上面に対する第２の透過部７２の垂直投影面内に位置している。そのため、窓孔２２２に赤外線が入射した際、第１の検知部３１には第１の透過部７１を透過した赤外線が入射し、第２の検知部３２には第２の透過部７２を透過した赤外線が入射する。ここで、第１の透過部７１と第２の透過部７２とは互いに赤外線の透過特性が異なっているので、第１の検知部３１と第２の検知部３２とには互いに波長域の異なる赤外線が同時に入射することになる。
第１の検知部３１の出力と第２の検知部３２の出力とは、上述したように第１のＩＣ（第１の増幅部）４１と第２のＩＣ（第２の増幅部）４２とで互いに独立して別々に処理されるので、第１の検知部３１の出力と第２の検知部３２の出力とが混ざり合うことはない。したがって、赤外線検出器１においては、第１の検知部３１と第２の検知部３２とに同時に入射した波長域の異なる赤外線に応じた検出結果を別々に出力するので、結果的に、異なる波長域の赤外線を同時に検出し各検出結果を独立して出力可能になる。
ここにおいて、光学フィルタ７は、１枚のシリコン単結晶の支持体上にたとえばメタルマスクを用いた蒸着などの方法で、異なる透過特性の透過部（第１の透過部７１および第２の透過部７２）が形成されている。ただし、この構成に限らず、透過特性の異なる複数枚（２枚）の光学フィルタを個片化し、これら複数枚の光学フィルタを並べて支持体に貼り付けることにより、各光学フィルタにて第１の透過部７１と第２の透過部７２とを構成してもよい。
ここで、赤外線の透過特性は、波長域に限らず、たとえば偏光方向であってもよい。この場合、第１の透過部７１と第２の透過部７２とは互いに偏光方向が異なる偏光フィルタからなり、第１の検知部３１と第２の検知部３２とには互いに偏光方向の異なる赤外線が同時に入射することになる。この場合、第１の透過部７１と第２の透過部７２とでは、赤外線の透過波長は同じ（たとえば４μｍ以上）であってよい。
次に、上述した赤外線検出器１の組み立て手順について、図３を参照して簡単に説明する。なお、図３は回路ブロック５をＩＣ４０の実装面（以下、裏面という）側から見た状態を表している。
組み立てを行う作業者は、図３（ａ）に示すように、導体パターンが形成された基板５１の裏面に各ＩＣ４０をエポキシ樹脂などで搭載固定し、さらに基板５１上の導体パターンに各ＩＣ４０を金属細線５５にて導通接続する。導体パターンとＩＣ４０の端子との接続は、アルミや金や銅などの金属細線５５を用いて加熱および超音波の併用や、超音波のみなどの方法で、金属細線５５の先端と導体パターン表面を固相拡散させて行われる。
その後、作業者は、図３（ｂ）に示すように、基板５１の裏面に合成樹脂性の封止枠５７を搭載し接着する。封止枠５７は、基板５１の裏面の外周よりもやや小さい略円環状に形成されており、基板５１裏面からの高さ寸法は少なくともＩＣ４０や金属細線５５よりも大きく形成されている。さらに、封止枠５７は、４つの端子接続パッド５６に対応する部位が、端子接続パッド５６を避けるように内側に窪んでいる。
それから、作業者は、図３（ｃ）に示すように、封止枠５７の内側に液状のエポキシ樹脂などの封止材５８を充填して封止材５８を加熱硬化させることにより、封止枠５７に囲まれたＩＣ４０や金属細線５５を封止材５８にて封止する。このとき、基板５１表面（検知部３の実装面）並びに端子接続パッド５６には封止材５８がまわらないようにする。
その後、作業者は、基板５１を裏返して検知部３の実装面を上にし、端子ピン６を保持する土台部２１上面の中央部分に基板５１を搭載して接着し、向かい合った端子ピン６と端子接続パッド５６とを導電性接着剤などで導通させる。それから、作業者は、焦電素子３００を基板５１に載せ、素子接続パッド５２に電極３０２を導電性接着剤で固定することにより検知体３を回路ブロック５に固定し且つ電気的に接続する。なお、端子ピン６と接続される端子接続パッド５６は、段差が形成され、この段差によって生じる端子ピン６との隙間から導電性接着剤を塗布できる形状であってもよい。
それから、作業者は、キャップ部２２を抵抗溶接などの方法で土台部２１に接合して、検知体３および回路ブロック５を金属製の筐体２内に密封する。筐体２は所謂ＣＡＮパッケージであり、外来ノイズに対するシールド効果を高めるとともに、気密性の向上による耐候性の向上を図ることができる。
また、焦電素子３００からなる検知体３の赤外線入射による表面電荷の変化は非常に微小であり、一方、信号処理回路を構成するＩＣ４０は検知体３の出力を筐体２内で比較的大きな信号に増幅する。そのため、電磁波ノイズから保護する筐体（ＣＡＮパッケージ）２内においても、検知体３とＩＣ４０とが容量結合しないための機能を設けることが望ましい。
そこで、本実施形態では、ＩＣ４０の出力と検知体３との間の容量結合による誤動作を予防する為に、図４に示すようにグランド電位のシールド板５９が回路ブロック５に設けられている。シールド板５９は、基板５１の裏面に沿った薄板状の導電体であって、検知体３とＩＣ４０との間に位置するように基板５１内に埋め込まれており、検知体３とＩＣ４０とを接続するビア配線５３を通す部位にだけ透孔５９１が空いている。
さらに、グランド電位のシールド板５９とビア配線５３とが近接することで検知体３にて発生した電荷がグランドに漏洩することを防止するため、図５に示すように、シールド板５９の透孔５９１内に信号処理回路の基準電位の基準パターン５９２を設けてもよい。基準パターン５９２は、シールド板５９の透孔５９１の周縁からは離間し、各検知部３０に接続された一対のビア配線５３のうち一方のビア配線５３を囲むような弧状に形成されており、他方のビア配線５３に対して接続されている。なお、シールド板５９および基準パターン５９２は、基板５１を構成する絶縁性の基材上に形成されたパターンが形成される構造に限らず、所定の形状に形成された金属板（銅板）が基材に導電接着剤で貼り付けた構造であってもよい。
また、端子ピン６は、基板５１を貫通して基板５１における検知部３の実装面側で回路ブロック５と接続可能な構成であってもよい。ただし、この場合、ＩＣ４０の出力と検知体３との間の容量結合を防止するシールド板５９が、ＩＣ４０の出力に接続される端子ピン６と検知体３との間にも配置されていることが望ましい。
以上説明した本実施形態の赤外線検出器１によれば、光学フィルタ７の第１の透過部７１と第２の透過部７２とで透過特性が異なるので、第１の検知部３１と第２の検知部３２とでは、波長域の異なる赤外線を同時に検出可能になる。さらに、第１の検知部３１の出力と第２の検知部３２の出力とは、第１のＩＣ（第１の増幅部）４１と第２のＩＣ（第２の増幅部）４２とで別々に処理されるので、異なる波長域の赤外線を同時に検出し各検出結果を独立して出力可能になる。
したがって、この赤外線検出器１の出力を用いることにより、たとえば検知対象の種別の識別やノイズ除去などが可能になる。すなわち、波長域ごとの赤外線変動量の分布が分かれば、この分布から検知対象の種別を識別することが可能になり、また、異なる波長域の赤外線変動量の差分から、人体等の検知対象から環境温度等のノイズ成分を除去した検知が可能になる。具体的には、赤外線検出器１は、検知対象の波長域を複数設定することで、人と小動物など温度の異なる熱源を区別して検知することや、参照光との対比により検知精度を向上することが可能になる。
また、第１の透過部７１と第２の透過部７２との赤外線の透過波長を同値（たとえば４μｍ以上）とし、第１の透過部７１と第２の透過部７２とで偏光方向を異ならせることにより、赤外線検出器１の出力から、熱源の移動方向（縦、横）が判別可能になる。なお、たとえば表面に多数の溝が形成されたフィルタを光学フィルタ７とし、第１の透過部７１と第２の透過部７２とで溝の向きを異ならせることによっても、同様に熱源の移動方向（縦、横）が判別可能になる。
また、本実施形態では、焦電素子３００が回路ブロック５に固定されているので、回路ブロック５からの熱応力が焦電素子３００にかかることがある。焦電素子３００の表面電荷は応力にも反応するので、検知体３は、赤外線の入射にかかわらず、回路ブロック５からの熱応力に反応して出力を生じる可能性がある。とくに、検知部３０に熱応力がかかると、より直接的に信号として出力されてしまうので、焦電素子３００への熱応力の影響は極力軽減することが望ましい。
ここで、焦電素子３００は、４箇所に形成された電極３０２を回路ブロック５の素子接続パッド５２に導電性接着剤で固定されることにより、各電極３０２を固定点として回路ブロック５に固定されている。仮に、これら固定点としての４箇所の電極３０２が、焦電素子３００の上面の各辺に１つずつ配置されているとすれば、回路ブロック５との線膨張係数や弾性係数の差に応じた応力が各辺から焦電素子３００にかかるため、熱応力の影響が比較的大きくなる。
これに対して、本実施形態では、これら固定点としての４箇所の電極３０２は、上述したように焦電素子３００の上面における向き合う一対の辺（第１の辺、第２の辺）上に分かれて配置されている。つまり、焦電素子３００の固定点は、いずれも焦電素子３００の板面において、互いに向き合う一対の辺上に位置することになる。これにより、回路ブロック５から焦電素子３００への熱応力を一方向化することができ、熱応力の影響を軽減できるという利点がある。
さらに本実施形態においては、検知体３は、各検知部３０で検知した温度変化を外に逃がさず、また各検知部３０の熱容量を小さくして検知感度を向上するために、各検知部３０の外周縁の一部にスリット３０３が形成されている。このスリット３０３は、固定点としての電極３０２と検知部３０との間に形成されているので、回路ブロック５から検知部３０への熱応力をより低減することができる。
ところで、検知体３は、第１の検知部３１と第２の検知部３２との２つの検知部３０に加え、さらに検知部を有していてもよい。つまり、検知体３は、第１の検知部３１、第２の検知部３２、第３の検知部・・・というように、少なくとも第１の検知部３１と第２の検知部３２とを含む３つ以上の検知部を１つの焦電素子３００に有していてもよい。たとえば、第１〜３の検知部がある場合、第３の検知部は第３の増幅部に接続され、光学フィルタ７は、第１の透過部７１と、第２の透過部７２と、第３の検知部に対応する位置に配置された第３の透過部とで赤外線の透過特性が異なる構成となる。このように、検知部ごとに個別の増幅部が設けられ、さらに透過特性の異なる透過部が設けられることにより、検知体３が３つ以上の検知部を有する場合でも、各検知部にて異なる波長域の赤外線を同時に検出し各検出結果を独立して出力可能になる。
検知体３を構成する焦電素子３００上における複数（２つ以上）の検知部の配置は、マトリクス状であっても列状であってもよく、あるいはランダムであってもよい。
また、検知体３は、図６に示すように焦電素子３００を複数備え、第１の検知部３１と第２の検知部３２とが別々の焦電素子３００に形成されていてもよい。図６の例では、検知体３は一対の焦電素子３００からなり、一方の焦電素子３００に第１の検知部３１が形成され、他方の焦電素子３００に第２の検知部３２が形成されている。これら一対の焦電素子３００は、基板５１の上面に互いに所定の間隔を空けて配置されている。各焦電素子３００は、一対以上の電極３０２を有しており、各電極３０２を回路ブロック５の素子接続パッド５２に導電性接着剤で固定されることにより、回路ブロック５に固定され且つ電気的に接続される。さらに、検知体３が複数の焦電素子３００からなる場合でも、各焦電素子３００に複数の検知部が形成されていてもよい。
また、光学フィルタ７は、図７に示すように、集光機能を有するように、表面が曲面を成す単結晶シリコンを用いて形成されていてもよい。図７の例では、光学フィルタ７は、窓孔２２２から筐体２外部に露出する表面（上面）が曲面を成しており、これにより、光学フィルタ７を透過した赤外線は検知部３０に集光される。
なお、回路ブロック５の導体パターンにおいて、検知体３−ＩＣ４０間の配線は、他電位の配線に対して十分な絶縁性（たとえば１ＴΩ以上）を確保している。また、信号処理回路を構成するＩＣ４０は、半導体集積回路の製造技術を用いて形成されており、シリコン単結晶の表面に回路形成されている。そのため、一塊のシリコン単結晶の表面に複数の増幅部（第１の増幅部および第２の増幅部）を形成してもよいし、複数のシリコン単結晶の各々に個別に増幅部を形成してもよい。
さらに、信号処理回路（ＩＣ４０）に対する検知体３や電源などの接続は、ワイヤボンディング技術に限らず、シリコン単結晶上の電極に形成した金属突起を利用したフリップチップ技術、あるいは銅や共晶金属を用いたはんだ付け技術を用いて行ってもよい。または、多元系共晶金属であって、２５０℃以下の温度で熱処理した後に、融点が３００℃以上になる材料で接着してもよい。いずれの接続方法においても、接続界面近傍は外部環境からの保護と強度確保のため、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂などの封止材５８で保護することが望ましい。
また、上記赤外線検出器１は、人体検知としての用途に限らず、たとえばガスセンサとしての用途もある。ガスセンサとして用いる場合の第１の透過部７１、第２の透過部７２の赤外線の透過特性の具体例を以下に示す。
第１の透過部７１を透過中心波長４．２６μｍ、半値幅０．１８μｍ、第２の透過部７２を透過中心波長３．９５μｍ、半値幅０．１６μｍのバンドパスフィルタとすることで、赤外線検出器１をＣＯ２センサとして用いることができる。この場合、第１の透過部７１を透過して第１の検知部３１に入射する赤外線が検知波長域となり、第２の透過部７２を透過して第２の検知部３２に入射する赤外線が参照波長域となる。
一方、第１の透過部７１を透過中心波長３．３０μｍ、半値幅０．１６μｍ、第２の透過部７２を透過中心波長３．９５μｍ、半値幅０．１６μｍのバンドパスフィルタとすることで、赤外線検出器１をＣＨ４センサとして用いることができる。この場合、第１の透過部７１を透過して第１の検知部３１に入射する赤外線が検知波長域となり、第２の透過部７２を透過して第２の検知部３２に入射する赤外線が参照波長域となる。
（実施形態２）
本実施形態の赤外線検出器１は、光学フィルタ７が透過部ごとに面積が異なっている点で、実施形態１の赤外線検出器１と相違する。以下では、実施形態１と同様の構成については共通の符号を付して適宜説明を省略する。
本実施形態の赤外線検出器１は、光学フィルタ７が透過部ごとに面積が異なっている点で、実施形態１の赤外線検出器１と相違する。以下では、実施形態１と同様の構成については共通の符号を付して適宜説明を省略する。
すなわち、本実施形態においては、光学フィルタ７は、図８に示すように第１の透過部７１と第２の透過部７２とで面積が異なっている。図８（ａ）の例では、光学フィルタ７が２等分ではなく、第２の透過部７２が第１の透過部７１に比べて大きくなるように分割されている。図８（ｂ）の例では、窓孔２２２が、第２の透過部７２に対応する部分の幅を第１の透過部７１に対応する部分よりも小さくした形に形成され、第２の透過部７２が第１の透過部７１に比べて小さくなっている。また、図８（ｃ）の例では、窓孔２２２が２つ設けられており、第２の透過部７２を設けた窓孔２２２が第１の透過部７１を設けた窓孔２２２よりも小さく形成されて、第２の透過部７２が第１の透過部７１に比べて小さくなっている。
第１の透過部７１と第２の透過部７２とは、赤外線の透過特性が異なるため、赤外線の透過率そのものが異なる場合があるが、上述のように第１の透過部７１と第２の透過部７２とで面積を異ならせることにより、透過率の差異を吸収することができる。要するに、第１の検知部３１に入射する赤外線量と第２の検知部３２に入射する赤外線量とで偏りが生じないように、第１の透過部７１および第２の透過部７２の透過率に応じて各透過部の受光面積が調整されていればよい。
なお、検知体３における各検知部３０の面積も透過部に合わせて変更されていてもよい。その他の構成および機能は実施形態１と同様である。
（実施形態３）
本実施形態の赤外線検出器１は、図９に示すように、筐体２内に検知体３と光学フィルタ７との間の空間を、第１の検知部３１と第２の検知部３２との間で仕切る間仕切り８が設けられている点で実施形態１の赤外線検出器を相違する。以下では、実施形態１と同様の構成については共通の符号を付して適宜説明を省略する。
本実施形態の赤外線検出器１は、図９に示すように、筐体２内に検知体３と光学フィルタ７との間の空間を、第１の検知部３１と第２の検知部３２との間で仕切る間仕切り８が設けられている点で実施形態１の赤外線検出器を相違する。以下では、実施形態１と同様の構成については共通の符号を付して適宜説明を省略する。
すなわち、本実施形態の赤外線検出器１は、検知体３が複数の検知部３０を有し且つ各検知部３０の出力を別々の増幅部で処理しているので、複数の検知部３０間で干渉が極力生じないように、複数の検知部３０間に間仕切り８を設けている。間仕切り８は、隣接する検知部３０間に形成され、各検知部３０に入射する赤外線が他方の検知部３０に干渉することを防止する。つまり、間仕切り８は、筐体２内において、検知体３と光学フィルタ７との間の空間を仕切っており、第１の透過部７１を透過した赤外線が第２の検知部３２に入射するのを防止し、第２の透過部７２を透過した赤外線が第１の検知部３１に入射するのを防止する。
間仕切り８は、たとえば回路ブロック５表面に成形によって形成されていてもよいし、回路ブロック５と別部材として構成され回路ブロック５上に固定（接着）されてもよい。また、間仕切り８は、光学フィルタ７の支持体（シリコン単結晶）あるいは蒸着体にて形成されていてもよいし、光学フィルタ７と別部材として構成され光学フィルタ７に固定（接着）されてもよい。また、間仕切り８は、キャップ部２２を構成する金属によってキャップ部２２と一体に形成されていてもよいし、キャップ部２２と別部材として構成されキャップ部２２に固定（接着）されてもよい。
以上説明した本実施形態の構成によれば、間仕切り８を設けたことにより、第１の透過部７１を透過した赤外線が第２の検知部３２に入射するのを防止でき、第２の透過部７２を透過した赤外線が第１の検知部３１に入射するのを防止できる。したがって、複数の検知部３０間での赤外線の干渉を抑制することが可能である。
さらに、間仕切り８は、その表面が赤外光を反射する反射面を形成するように、赤外線を反射する材料で形成されるか、あるいは鏡面加工などの表面処理が施されていてもよい。この場合、間仕切り８に入射した赤外線は間仕切り８の表面で反射されて検知部３０に入射するので、間仕切り８を設けたことにより検知部３０へ入射する赤外線量が低減することを抑制できる。
なお、本実施形態で説明した間仕切り８は、実施形態１の構成に限らず、実施形態２の構成と組み合わせて採用されてもよい。その他の構成および機能は実施形態１と同様である。
１ 赤外線検出器
２ 筐体
３ 検知体
５ 回路ブロック
６ 端子ピン
７ 光学フィルタ
８ 間仕切り
２１ 土台部
２２ キャップ部
３１ 第１の検知部
３２ 第２の検知部
４０ ＩＣ（電子部品）
４１ 第１のＩＣ（第１の増幅部）
４２ 第２のＩＣ（第２の増幅部）
５１ 基板
７１ 第１の透過部
７２ 第２の透過部
２２２ 窓孔
３００ 焦電素子
３０２ 電極（固定部）
２ 筐体
３ 検知体
５ 回路ブロック
６ 端子ピン
７ 光学フィルタ
８ 間仕切り
２１ 土台部
２２ キャップ部
３１ 第１の検知部
３２ 第２の検知部
４０ ＩＣ（電子部品）
４１ 第１のＩＣ（第１の増幅部）
４２ 第２のＩＣ（第２の増幅部）
５１ 基板
７１ 第１の透過部
７２ 第２の透過部
２２２ 窓孔
３００ 焦電素子
３０２ 電極（固定部）
Claims (7)
- 焦電素子を有する検知体と、前記検知体から出力される信号を処理する信号処理回路を有した回路ブロックと、前記回路ブロックに電気的に接続される端子ピンが挿通された土台部と、前記土台部と共に前記検知体および前記回路ブロックを収納する金属製の筐体を構成するキャップ部と、前記キャップ部の一部に開口した窓孔に設けられ赤外線を透過させる光学フィルタとを備え、
前記検知体は、前記筐体内で前記光学フィルタと対向する位置に前記回路ブロックにて支持されており、前記光学フィルタに沿う面内で異なる位置に配置され個別に信号を出力する第１の検知部と第２の検知部とを有し、
前記回路ブロックは、前記第１の検知部からの信号を増幅して出力する第１の増幅部と前記第２の検知部からの信号を増幅して出力する第２の増幅部とを有し、
前記光学フィルタは、前記第１の検知部に対応する位置に配置された第１の透過部と、前記第２の検知部に対応する位置に配置された第２の透過部とで赤外線の透過特性が異なることを特徴とする赤外線検出器。 - 前記光学フィルタは、前記第１の透過部と前記第２の透過部とで面積が異なることを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出器。
- 前記筐体内には、前記検知体と前記光学フィルタとの間の空間を、前記第１の検知部と前記第２の検知部との間で仕切る間仕切りが設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線検出器。
- 前記間仕切りは、表面が赤外線を反射する反射面を形成していることを特徴とする請求項３に記載の赤外線検出器。
- 前記検知体は前記焦電素子を複数備え、前記第１の検知部と前記第２の検知部とは別々の前記焦電素子に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
- 前記焦電素子は、矩形板状であって前記回路ブロックに対して４箇所以上の固定点で固定されており、前記固定点は、いずれも前記焦電素子の板面における向き合う一対の辺上に位置することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
- 前記回路ブロックは、基板を有し、当該基板の前記土台部側の一面に前記信号処理回路を構成する電子部品が取り付けられ、前記基板の他面に前記検知体が取り付けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
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Patent Citations (5)
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