JP2015132573A - 赤外線センサ - Google Patents

Abstract

【課題】基板スペースを有効に利用できる赤外線センサを提供する。
【解決手段】赤外線センサの基板１１上に、開口部２２ａを有する金属製板状部材２０を配設し、開口部２２ａ内の基板１１上に、赤外線検出素子４０を機能させるための電子回路を構成する１つ以上の電子部品１５を配設することにより、キャップ部外（基板１１の裏面等）に配設される部品数を低減する。
【選択図】図２

Description

本発明は、物体が発生する赤外線を検知する赤外線センサに関する。

物体が発生する赤外線を検知する赤外線センサとして、図３に示したように、基板５１上に、リード付きの金属ステム５２を固定し、その金属ステム５２の中央に赤外線検出素子５４を固定し、赤外線検出素子５４を固定した金属ステム５２を、赤外線を透過する光学部材（フィルタやレンズ）５５ａと金属製キャップ５５ｂとを主要構成要素としたキャップ部５５にて覆ったものが知られている。

また、同様の構成を有する赤外線センサとして、図４に模式的に示してあるように、リード付きの金属ステム５２の代わりに、リードが付いていない金属ステム５３を用いたもの（例えば、特許文献１参照）も知られている。

特許第５２８７９０６号公報

金属ステム５２，５３の中央に赤外線検出素子５４を取り付けた上で、当該金属ステム５２，５３をキャップ部５５にて覆っておけば（図３，４参照）、赤外線検出素子５４の周囲の温度を均一化できるため、赤外線検出素子５４が、温度の測定対象物体からの赤外線のみにより加熱されるようにすることが出来る。従って、図３及び図４に示したような構成を採用しておけば、高精度の赤外線センサを実現することが出来る。

ただし、金属ステム５２，５３が用いられている既存の赤外線センサは、赤外線センサを実際にセンサとして機能させるために必要とされる抵抗、コンデンサ等の素子を、キャップ部５５の外部（基板５１の裏面等）に設けたものとなっている。そのため、既存の赤外線センサには、基板５１のスペースを有効に利用できない（例えば、コネクタをキャップ部５５の裏に配置することができない）という問題があった。

そこで、本発明の課題は、従来構造のセンサと同程度に高精度な、従来構造のセンサよりも基板スペースを有効に利用できる赤外線センサを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の赤外線センサは、基板と、前記基板上に配設された、開口部を有する金属製板状部材と、前記金属製板状部材上に配設された赤外線検出素子と、前記金属製板状部材の、前記赤外線検出素子が配設されている箇所を含む部分を覆うキャップ部であって、開口部を有する金属製の筐体及び外部からの赤外線を透過して前記赤外線検出素子に導入する光学部材を含むキャップ部と、複数の素子が組み合わされた、前記赤外線検出素子を機能させるための電子回路とを、含む。そして、本発明の赤外線センサにおける前記複数の素子中の１つ以上の素子は、前記基板の、前記金属製板状部材の前記開口部内に位置する開口部下領域に配設される。

すなわち、本発明の赤外線センサは、従来、基板の裏面（金属製板状部材が配設されていない側の面）や基板の表面のキャップ部の外側の部分に配設されていた幾つかの素子が
、キャップ部内に配設される構成を有している。そして、幾つかの素子がキャップ部内に配設されれば、当該幾つかの素子が取り付けられていた基板スペースを他の用途に使用できるし、素子配設用の開口部を設けた金属製板状部材を用いても、センサとして性能が低下しないことが確認できている。従って、本発明の赤外線センサは、従来構造のセンサと同程度に高精度なセンサであると共に、基板スペースを従来よりも有効に利用できるセンサとなっていると言うことが出来る。

尚、本発明の赤外線センサを実現するに際しては、『前記複数の素子の全てが、前記キャップ部内に収容されている』ようにしておくことが望ましい。ただし、基板のキャップ部外の部分（基板の裏面等）に幾つかの素子が残っていても、基板スペースを従来よりも有効に利用できることにはなる。具体的には、例えば、基板の裏面に配設される素子の数が少なくなっていれば、『電源端子及び出力端子として機能する、表面実装型のコネクタが、前記基板の、前記金属製板状部材が配設されていない側の面に、前記基板の厚さ方向から見て前記キャップ部と重なる部分を有するように、実装されている』構成を採用することによって、赤外線センサの全体的なサイズを小さくすることが出来る。従って、幾つかの素子が、基板の裏面等に残っているセンサとして、本発明の赤外線センサを実現しておいても良い。

本発明の赤外線センサの基板の開口部下領域に配設する一部の素子は、リード部品であっても良い。ただし、一部の素子をリード部品とした場合、基板裏面の自由に使用できる領域が狭くなってしまうし、各（全）素子がチップ部品であった方が、赤外線センサの製造（基板の製造、赤外線センサの組み立て）が容易になる。そのため、キャップ部内に収容する１つ以上の素子（基板の開口部下領域に配設する１つ以上の素子）は、チップ部品としておくことが好ましい。また、発熱量が多い素子を基板の開口部下領域に配設しておくと、キャップ部内の温度に分布が生じてしまう虞がある。そのため、本発明の赤外線センサの基板の開口部下領域に配設する１つ以上の素子は、受動素子等の、発熱量が比較的に少ない素子としておくことが好ましい。また、“赤外線検出素子を機能させるための電子回路”に、発熱量の多い素子が含まれる場合には、当該素子を、金属製板状部材上か、基板のキャップ部外の部分に配設しておくことが好ましい。

また、本発明の赤外線センサを、電子回路を構成する複数の素子の中に、温度の測定機能を有する集積回路が含まれるセンサとして実現する場合には、当該集積回路にて基準となる温度を正確に測定できるようにするために、当該集積回路を、キャップ部により覆われた金属製板状部材上に配設しておくことが好ましい。

さらに、上記場合には、集積回路と基板との間の電気的接続を容易に行えるようにするために、『前記金属製板状部材は、前記開口部とは異なる第２開口部を有し、前記基板の、前記金属製板状部材の前記第２開口部内に位置する領域に、前記集積回路の複数の電極とそれぞれワイヤーにより接続される複数の電極が形成されている』構成を採用しておくことが好ましい。

また、本発明の赤外線センサを、『前記金属製板状部材の開口部が、前記金属製板状部材を前記赤外線検出素子の配設位置の中心を通る直線にて２分することにより得られる２領域の一方の領域内に設けられており、当該２領域の他方の領域内に、前記金属製板状部材の前記第２開口部と前記集積回路を取り付けるための領域とが設けられている』ものとして実現しておくことも出来る。そのような構成を採用しておけば、開口部、第２開口部、集積回路の位置が適度に分布する結果として、キャップ部内の温度をより均一化できて、検出精度を向上させる。

また、本発明の赤外線センサに、『キャップ部の前記筐体の、前記金属製板状部材と接
する側の端部が、前記金属製板状部材に熱伝導性接着剤によって固定されている』構成、及び／又は、『前記キャップ部の前記筐体は、前記金属製板状部材と接する側の端部に、外側に向かって延びたフランジ部を備え、前記キャップ部の前記筐体の前記フランジ部が、前記金属製板状部材に固定されている』構成を採用しておくことも出来る。そのような構成を採用しておけば、キャップ部（の筐体）と金属製板状部材との間を熱的接触が良好な状態で接続できるため、環境温度が急激な変化しても検出結果に大きな誤差が生じない赤外線センサを得ることができる。

また、本発明の赤外線センサにおける金属製板状部材の基板への特に限定されない。ただし、『前記金属製板状部材が、前記基板の、前記金属製板状部材の配設面に形成されている複数のランドに対して半田付けされている』構成を採用しておけば、金属製板状部材の基板への強固な固定が簡単に実現できることになる。

本発明によれば、従来構造のセンサと同程度に高精度な、従来構造のセンサよりも基板スペースを有効に利用できる赤外線センサを提供することが出来る。

図１は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの部分切欠き斜視図である。 図２は、キャップ部を取り付けていない状態にある赤外線センサの上面図である。 図３は、リード付き金属ステムが用いられた存の赤外線センサの構成の説明図である。 図４は、リードが付いていない金属ステムが用いられた赤外線センサの構成の説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係る赤外線センサ１０の部分切欠き斜視図を示し、図２に、キャップ部３０を取り付けていない状態にある赤外線センサ１０の上面図を示す。尚、上記説明及び以下の説明において、上面及び表面とは、図１における上側の面のことである。同様に、以下の説明において、上、下とは、それぞれ、図１における上方向、下方向のことである。

図１及び図２に示してあるように、本実施形態に係る赤外線センサ１０は、基板１１、金属ステム２０、赤外線検出素子１３、ＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)１４、複数の電子部品１５、キャップ部３０及びコネクタ３５を、備える。

キャップ部３０（図１）は、赤外線透過部材３１と、金属キャップ３２と、樹脂製の内側キャップ３３及び外側キャップ３４とを組み合わせた有蓋筒状の部材である。このキャップ部３０に用いられる赤外線透過部材３１は、ゲルマニウム(Ｇｅ) 、シリコン（Ｓｉ)
、サファイア(Ａｌ_２Ｏ_３)等の赤外線を透過する材料からなるフィルタ又はレンズであ
る。また、キャップ部３０を構成する金属キャップ３２、内側キャップ３３及び外側キャップ３４は、それぞれ、それを上方から見た中央部分に円形の開口部を有している。これらのキャップ３２〜３４の具体的な形状は、キャップ部３０を金属ステム２０に対して固定したときに、外側キャップ３４に嵌め込まれている赤外線透過部材３１を透過した外部からの赤外光が、各キャップの開口部を通って金属ステム２０に固定されている赤外線検出素子１３に到達するように定められている。また、金属キャップ３２と金属ステム２０
との間の熱伝導性が悪いと、環境温度の急激な変化時に、金属キャップ３２と金属ステム２０との間に比較的に大きな温度差が生じてしまう虞がある。そして、金属キャップ３２と金属ステム２０との間に温度差が生ずると正確な測定結果が得られない。そのため、本実施形態に係るキャップ部３０には、金属ステム２０に対する固定時に金属ステム２０との間に良好な熱的接触を確保できるようにするために、金属ステム２０と接触する側の端部に、外側に向かって延びたフランジ部を設けた金属キャップ３２が採用されている。尚、キャップ部３０の金属ステム２０への固定は、キャップ部３０の筐体をなす金属キャップ３２のフランジ部を熱伝導性の良い接着剤等により金属ステム２０に対して取り付けることにより行われる。

赤外線検出素子１３は、赤外線透過部材３１を介して入射される赤外光を検出する（当該赤外光による温度上昇量を測定する）素子である。この赤外線検出素子１３としては、1つの活性領域をもつ単素子センサ、又は、２つ以上の活性領域をもつ複素子センサ（所
謂アレイセンサ）が使用される。尚、赤外線検出素子１３の動作原理は特に限定されない。従って、赤外線センサ１０には、赤外線検出素子１３として、サーモパイル型やボロメータ型などの熱型赤外線センサや、量子型赤外線センサを使用することが出来る。

ＡＳＩＣ１４は、赤外線検出素子１３とワイヤーにより接続される、赤外線検出素子１３の出力を増幅する機能等を有する集積回路である。このＡＳＩＣ１４としては、通常、少なくとも、赤外線検出素子１３の出力を増幅する機能と金属ステム２０の温度の検出機能とを有する回路（例えば、絶対温度に比例した電圧を出力する ＰＴＡＴ ( Proportional To Absolute Temperature) 電圧源やチョッパアンプ等を含む回路）が使用される。ただし、ＡＳＩＣ１４が低機能だと、赤外線センサ１０に搭載する素子数を増やさなければならなくなる。そのため、ＡＳＩＣ１４としては、上記二機能と共に、赤外線検出素子１３の出力からノイズを除去する機能、増幅しノイズを除去した赤外線検出素子１３の出力をデジタルデータに変換する機能、デジタルデータに変換した赤外線検出素子１３の出力等に基づき演算処理を行う機能、デジタルデータに変換した赤外線検出素子１３の出力や演算処理の処理結果をコネクタ３５を介して他装置（赤外線センサ１０を用いて温度を測定・出力する情報処理装置）に送信する機能等も有する回路を使用しておくことが好ましい。

赤外線センサ１０が備える複数の電子部品１５（図２）は、ＡＳＩＣ１４と組み合わされて（電気的に接続されて）、赤外線センサ１０を実際に温度の測定を行えるセンサとして機能させるための電子回路を構成する表面実装型の電子部品（チップ抵抗、チップコンデンサなどのチップ部品）である。

金属ステム２０（図２）は、その表面に、赤外線検出素子１３とＡＳＩＣ１４とが実装される、金属製の板状部材である。

図２に示してあるように、本実施形態に係る赤外線センサ１０の金属ステム２０には、赤外線検出素子１３を実装できる幅の帯状の第１部分２１ａと、当該第１部分２１ａと直交するように当該第１部分２１ａから一方向に伸びた，ＡＳＩＣ１４を実装できる幅の帯状の第２部分２１ｂとが、その中央部分に残るように、３つの開口部２２ａ〜２２ｃが形成されている。また、開口部２２ａは、第１部分２１ａのほぼ中心（第１部分２１ａに固定された赤外線検出素子１３のほぼ中心）を通る直線にて２分することにより得られる二領域の一方の領域内に形成されており、開口部２２ｂ及び２２ｃは、当該二領域の他方の領域内に、第２部分２１ｂをそれらの間に挟む形で形成されている。さらに、金属ステム２０の第１部分２１ａには、赤外線検出素子１３の実装時に、素子固定のために使用する樹脂が素子に接触する領域を限定するための溝部２３が形成されている。

尚、金属ステム２０の構成材料は特に限定されない。ただし、金属ステム２０の構成材料としては、熱伝導性が良好な、鉄、銅、アルミ等を用いておくことが好ましい。また、金属ステム２０として、さびを防止すると共に半田付け性を良好なものとするための表面コーティング（例えば、ニッケルメッキ）が施されている部材を採用しておくことも好ましい。

基板１１は、ＡＳＩＣ１４、複数の電子部品１５及びコネクタ３５間を電気的に接続するための配線が形成されている配線板である。基板１１の表面の、金属ステム２０の開口部２２ａ下となる領域内には、各電子部品１５をクリーム半田にて取り付けるための電極（図示略）が形成されている。また、基板１１の表面の、開口部２２ｂ下となる領域には、ＡＳＩＣ１４を接続するための複数の電極が形成されている。基板１１の表面の、開口部２２ｃ下となる領域にも、ＡＳＩＣ１４を接続するための複数の電極が形成されている。尚、実際にＡＳＩＣ１４と接続される電極の数、組み合わせは、赤外線センサ１０に搭載されている赤外線検出素子１３及びＡＳＩＣ１４の機能によって異なる。

基板１１の表面には、金属ステム２０の四隅を半田４０にて基板１１の表面に固定（実装）するためのランド１０ａが設けられている。

尚、上記したように、各電子部品１５も表面実装型の電子部品である。従って、基板１１に対する金属ステム２０、各電子部品１５の固定は、金属ステム２０を基板１１上に実装してから各電子部品１５を基板１１上（基板１１の開口部２２ａ内の領域上）に実装するといった手順か、各電子部品１５を基板１１に実装した後に金属ステム２０を基板１１に実装するといった手順か、各電子部品１５と金属ステム２０とを同時に基板１１に実装するといった手順で行われる。また、金属ステム２０上への赤外線検出素子１３及びＡＳＩＣ１４の固定は、基板１１に対して金属ステム２０を固定してから、熱伝導性の良い接着剤を用いて行われる。

基板１１の裏面には、表面実装型のコネクタ３５を実装するためのコネクタ実装エリアが設けられている。このコネクタ実装エリアは、図２に点線枠で示してあるように、赤外線センサ１０の上方（又は下方）から見て金属ステム２０（及びキャップ部３０）とその一部が重なる形でコネクタ３５を基板１１に実装できる位置に設けられている。

以上、説明したように、本実施形態に係る赤外線センサ１０には、従来は、基板１１の裏面に実装されていた複数の電子部品１５をキャップ部３０内（金属ステム２０の開口部２２ａ内）に収容する構成が採用されている。そして、当該構成を採用しておけば、上記したように、当該複数の電子部品１５の固定に使用されていた基板スペースにコネクタ３５を取り付けることにより従来よりもコンパクトな赤外線センサ１０を実現することや、当該複数の電子部品１５の固定に使用されていた基板スペースを、他の用途に使用する（例えば、赤外線センサ１０を、他装置に固定するための領域として使用する）ことが可能となる。

さらに、上記構成を有する赤外線センサ１０の性能（温度の測定精度等）が、開口部２２ａを設けていない金属ステム５４が用いられた赤外線センサ（図４）と同程度のものとなることが各種実験により確認できている。従って、上記した赤外線センサ１０の構成を採用しておけば、センサとしての性能を損ねることなく、基板スペースを従来よりも有効に利用することが出来る。

《変形形態》
上記した実施形態に係る赤外線センサ１０は、各種の変形を行えるものである。例えば、赤外線センサ１０を、コネクタ３５を備えないセンサ（基板１１に設けられている電極
にリード線を直結して使用するセンサ等）に変形することが出来る。また、金属ステム２０として、上記したものとは開口部の数や形状が異なっている金属製板状部材、例えば、開口部２２ｂ又は２２ｃを有さない形状の部材や、円形や四角形の開口部を備えた部材、を採用することも出来る。

ただし、開口部２２ａを過度に大きくした場合、キャップ部２０内に温度分布が生じてしまうことが考えられる。そのため、金属ステム２０としては、上記したように、赤外線検出素子の配設位置の中心を通る直線にて２分することにより得られる２領域の一方の領域内に、開口部２２ａが形成されており、他方の領域に、少なくとも１つのワイヤボンディング用の開口部（２２ｂ又は２２ｃ）とＡＳＩＣ１４を取り付けるための領域とが設けられているものを採用しておくことが好ましい。尚、そのような金属ステム２０を採用しておけば、開口部２２ａ、ワイヤボンディング用の開口部、ＡＳＩＣ１４の位置が適度に分布するので、キャップ部３０内の温度の均一化を図れることにもなる。

また、既に説明したように、上記した形状の金属ステム２０を用いても、センサとしての性能が劣化しないことが確認できているのであるが、キャップ部３０内の温度がより均一となるようにするために、金属ステム２０に、上記形状の開口部２２ａの代わりに、開口部２２ｂ及び２２ｃを第１部分２１ａの中心線で反転した形状の２つの開口部を設けておくことも出来る。換言すれば、金属ステム２０として、より対称性の高い形状の部材を用いておくことも出来る。

また、上記した赤外線センサ１０は、電子部品１５としてチップ部品をキャップ部３０内に収容したものであるが、キャップ部３０内に収容する一部の電子部品１５をリード部品としておくことも出来る。ただし、一部の電子部品１５をリード部品とした場合、基板１０裏面の自由に使用できる領域が狭くなってしまうし、各（全）電子部品１５がチップ部品であった方が、赤外線センサ１０の製造（基板１１の製造、赤外線センサ１０の組み立て）が容易になる。そのため、キャップ部３０内に収容する各電子部品１５は、チップ部品としておくことが好ましい。

上記した赤外線センサ１０は、チップ抵抗、チップコンデンサなどの発熱量の少ない受動素子が金属ステム２０の開口部２２ａ内に収容されたものであったが、赤外線センサ１０を、金属ステム２０の開口部２２ａ内に発熱量の多い素子が収容されるセンサに変形することも出来る。ただし、発熱量が多い素子を開口部２２ａ内に配置すると、キャップ部３０内の温度が不均一になってしまう虞がある。そのため、金属ステム２０の開口部２２ａ内に収容する素子は、発熱量が少ない素子としておくことが好ましい。また、発熱量が多い素子は、金属ステム２０上か、キャップ部３０の外側に配置しておくことが好ましい。

１０ 赤外線センサ
１１ 基板
１３ 赤外線検出素子
１４ ＡＳＩＣ
２０ 金属ステム
３０ キャップ部
３１ 赤外線透過部材
３２ 金属キャップ
３３ 内側キャップ
３４ 外側キャップ
３５ コネクタ

Claims (11)

1. 基板と、
   前記基板上に配設された、開口部を有する金属製板状部材と、
   前記金属製板状部材上に配設された赤外線検出素子と、
   前記金属製板状部材の、前記赤外線検出素子が配設されている箇所を含む部分を覆うキャップ部であって、金属製の筐体及び外部からの赤外線を透過して前記赤外線検出素子に導入する光学部材を含むキャップ部と、
   複数の素子が組み合わされた、前記赤外線検出素子を機能させるための電子回路と、
   を含み、
   前記複数の素子中の１つ以上の素子が、前記基板の、前記金属製板状部材の前記開口部内に位置する開口部下領域に配設されている
   ことを特徴とする赤外線センサ。
2. 前記基板の前記開口部下領域に配設されている前記１つ以上の素子が、受動素子である
   ことを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
3. 前記基板の前記開口部下領域に配設されている前記１つ以上の素子が、チップ部品である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線センサ。
4. 前記複数の素子の中に、温度の測定機能を有する集積回路が含まれ、
   前記集積回路が、前記キャップ部により覆われた前記金属製板状部材上に配設されている
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の赤外線センサ。
5. 前記金属製板状部材は、前記開口部とは異なる第２開口部を有し、
   前記基板の、前記金属製板状部材の前記第２開口部内に位置する領域に、前記集積回路の複数の電極とそれぞれワイヤーにより接続される複数の電極が形成されている
   ことを特徴とする請求項４に記載の赤外線センサ。
6. 前記金属製板状部材の前記開口部が、前記金属製板状部材を前記赤外線検出素子の配設位置の中心を通る直線にて２分することにより得られる２領域の一方の領域内に設けられており、
   当該２領域の他方の領域内に、前記金属製板状部材の前記第２開口部と前記集積回路を取り付けるための領域とが設けられている
   ことを特徴とする請求項５に記載の赤外線センサ。
7. 前記複数の素子の全てが、前記キャップ部内に収容されている
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の赤外線センサ。
8. 電源端子及び出力端子として機能する、表面実装型のコネクタが、前記基板の、前記金属製板状部材が配設されていない側の面に、前記基板の厚さ方向から見て前記キャップ部と重なる部分を有するように、実装されている
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に赤外線センサ。
9. 前記キャップ部の前記筐体の、前記金属製板状部材と接する側の端部が、前記金属製板状部材に熱伝導性接着剤によって固定されている
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に赤外線センサ。
10. 前記キャップ部の前記筐体は、前記金属製板状部材と接する側の端部に、外側に向かって延びたフランジ部を備え、
    前記キャップ部の前記筐体の前記フランジ部が、前記金属製板状部材に固定されている
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に赤外線センサ。
11. 前記金属製板状部材が、前記基板の、前記金属製板状部材の配設面に形成されている複数のランドに対して半田付けされている
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に赤外線センサ。