JP2019168347A - 赤外線センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ベース部材からの熱放射による感熱素子の温度変化を抑制し、感度及び精度を向上させることができる赤外線センサ装置を提供すること。【解決手段】 赤外線センサ本体１と、赤外線センサ本体を上部に搭載したベース部材１１とを備え、赤外線センサ本体が、絶縁性基板２と、絶縁性基板に設けられた検出用感熱素子３Ａ及び補償用感熱素子３Ｂと、絶縁性基板に設けられ検出用感熱素子に接続された一対の検出側配線及び補償用感熱素子に接続された一対の補償側配線とを備え、ベース部材が、上部に溝部１２ｄを有し、溝部が、ベース部材の一方の側面から検出用感熱素子の直下と補償用感熱素子の直下とを介してベース部材の他方の側面まで貫通して延在している。【選択図】図３

Description

本発明は、測定対象物からの赤外線を検知して該測定対象物の温度等を測定する赤外線センサ装置に関する。

従来、測定対象物から輻射により放射される赤外線を非接触で検知して測定対象物の温度を測定する温度センサとして、赤外線センサが使用されている。
例えば、特許文献１には、絶縁性フィルムと、該絶縁性フィルムの一方の面に互いに離間させて設けられた第１の感熱素子及び第２の感熱素子と、絶縁性フィルムの一方の面に形成され第１の感熱素子に接続された導電性の第１の配線膜及び第２の感熱素子に接続された導電性の第２の配線膜と、第２の感熱素子に対向して絶縁性フィルムの他方の面に設けられた赤外線反射膜とを備えた赤外線センサが記載されている。この赤外線センサでは、赤外線反射膜によって赤外線の反射領域を設けており、絶縁性フィルムの他方の面が赤外線の受光領域と反射領域とに左右に分かれている。

また、このような赤外線センサを実装する際に、赤外線センサを支持して実装基板上に設置すると共に導通を図る実装部材が用いられる。例えば、特許文献２には、絶縁性フィルムに感熱素子及び複数の端子電極が形成された赤外線センサ本体を、上部に固定して基板へ実装可能な赤外線センサ実装部材が記載されている。この赤外線センサ実装部材は、樹脂製の実装部材本体と、実装部材本体に取り付けられ上端部が端子電極に接続されると共に下端部が基板への実装時に接続される導電性の複数の端子部材とを備えている。
また、この赤外線センサ実装部材は、感熱素子の直下に凹部が形成されている。

特開２０１１−１０２７９１号公報 特開２０１４−７１０５１号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
上記従来の赤外線センサ実装部材（以下、ベース部材という）では、感熱素子の直下に凹部を形成して感熱素子と直下のベース部材との距離を大きく設定することで、ベース部材からの熱放射による影響を抑制している。しかしながら、小型化した場合、感熱素子の直下に形成した凹部も小さくなるため、感熱素子がベース部材に近づいてしまい、感熱素子がベース部材の温度の影響を受けやすくなってしまう不都合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、ベース部材からの熱放射による感熱素子の温度変化を抑制し、感度及び精度を向上させることができる赤外線センサ装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係る赤外線センサ装置は、赤外線センサ本体と、前記赤外線センサ本体を上部に搭載したベース部材とを備え、前記赤外線センサ本体が、赤外線の受光側に上面を配する絶縁性基板と、前記絶縁性基板に設けられた検出用感熱素子及び補償用感熱素子と、前記絶縁性基板に設けられ前記検出用感熱素子に接続された一対の検出側配線及び前記補償用感熱素子に接続された一対の補償側配線とを備え、前記ベース部材が、上部に溝部を有し、前記溝部が、前記ベース部材の一方の側面から前記検出用感熱素子の直下と前記補償用感熱素子の直下とを介して前記ベース部材の他方の側面まで貫通して延在していることを特徴とする。

この赤外線センサ装置では、ベース部材が、上部に溝部を有し、溝部が、ベース部材の一方の側面から検出用感熱素子の直下と補償用感熱素子の直下とを介してベース部材の他方の側面まで貫通して延在しているので、溝部を介して検出用感熱素子の周囲と補償用感熱素子の周囲との空気環境が共通することで、互いの熱バランスを取ることができると共に、溝部により感熱素子の直下だけでなく溝部に沿ってベース部材と赤外線センサ本体との距離が大きくなり、ベース部材からの熱放射による赤外線センサ本体への影響を小さくすることができる。また、横方向に貫通している溝部を介して外気も両感熱素子に導入することができ、外気の温度変化にも両感熱素子が同様に追従しやすくなる。さらに、溝部形成によってベース部材の体積も小さくでき、熱容量を低減して応答性を向上させることもできる。

第２の発明に係る赤外線センサ装置では、第１の発明において、前記ベース部材が、上部に前記検出用感熱素子と前記補償用感熱素子との間に前記溝部よりも深く形成された中間穴部を有していることを特徴とする。
すなわち、この赤外線センサ装置では、ベース部材が、上部に検出用感熱素子と補償用感熱素子との間に溝部よりも深く形成された中間穴部を有しているので、深い中間穴部内の空気層による断熱性を利用して検出用感熱素子と補償用感熱素子とを熱的に独立させやすくなって温度差がつきやすくなり、感度を向上させることができる。さらに、中間穴部形成によってベース部材の体積及び熱容量をより低減でき、応答性をさらに向上させることもできる。

第３の発明に係る赤外線センサ装置では、第２の発明において、前記中間穴部が、前記検出用感熱素子と前記補償用感熱素子との間を横切って延在する長穴であることを特徴とする。
すなわち、この赤外線センサ装置では、中間穴部が、検出用感熱素子と補償用感熱素子との間を横切って延在する長穴であるので、ベース部材の検出用感熱素子側と補償用感熱素子側とを長穴状の中間穴部で分断することができ、検出用感熱素子と補償用感熱素子とをより熱的に独立させやすくなる。さらに、長穴状の中間穴部形成によってベース部材の体積及び熱容量をさらに低減することができる。

第４の発明に係る赤外線センサ装置では、第１から第３の発明のいずれかにおいて、前記ベース部材が、前記検出用感熱素子と前記補償用感熱素子との直下に上下に貫通した貫通孔をそれぞれ有し、前記貫通孔と前記溝部とが連通していることを特徴とする。
すなわち、この赤外線センサ装置では、ベース部材が、検出用感熱素子と補償用感熱素子との直下に上下に貫通した貫通孔をそれぞれ有し、貫通孔と溝部とが連通しているので、貫通孔によって下方からの外気の導入も可能になり、外気の温度変化に対して両感熱素子がより追従しやすくなる。さらに、貫通孔形成によってベース部材の体積及び熱容量をさらに低減することができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る赤外線センサ装置によれば、ベース部材が、上部に溝部を有し、溝部が、ベース部材の一方の側面から検出用感熱素子の直下と補償用感熱素子の直下とを介してベース部材の他方の側面まで貫通して延在しているので、ベース部材からの熱放射による赤外線センサ本体への影響を小さくすることができると共に、外気の導入により外気の温度変化にも両感熱素子が同様に追従しやすくなる。
したがって、本発明の赤外線センサ装置では、小型化してもベース部材の温度の影響を感熱素子が受け難く、感度及び精度を向上させることができる。

本発明に係る赤外線センサ装置の一実施形態を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図１のＢ−Ｂ線断面図である。 本実施形態において、ベース部材を示す平面図である。 本実施形態において、赤外線センサ本体を示す平面図である。

以下、本発明に係る赤外線センサ装置の一実施形態を、図１から図５を参照しながら説明する。

本実施形態の赤外線センサ装置１０は、図１から図３に示すように、赤外線センサ本体１と、赤外線センサ本体１を上部に搭載したベース部材１１とを備えている。
上記赤外線センサ本体１は、赤外線の受光側に上面を配する絶縁性基板２と、絶縁性基板２に設けられた検出用感熱素子３Ａ及び補償用感熱素子３Ｂと、絶縁性基板２に設けられ検出用感熱素子３Ａに接続された一対の検出側配線４Ａ及び補償用感熱素子３Ｂに接続された一対の補償側配線４Ｂとを備えている。

上記ベース部材１１は、上部に溝部１２ｄを有している。
上記溝部１２ｄは、ベース部材１１の一方の側面から検出用感熱素子３Ａの直下と補償用感熱素子３Ｂの直下とを介してベース部材１１の他方の側面まで貫通して延在している。すなわち、図３の二点鎖線の矢印で示すように、溝部１２ｄは、横方向に貫通し、検出用感熱素子３Ａの直下の空間と補償用感熱素子３Ｂの直下の空間とに連通している。
また、ベース部材１１は、上部に検出用感熱素子３Ａと補償用感熱素子３Ｂとの間に溝部１２ｄよりも深く形成された中間穴部１２ｅを有している。

上記中間穴部１２ｅは、検出用感熱素子３Ａと補償用感熱素子３Ｂとの間を横切って延在する長穴である。
さらに、ベース部材１１は、検出用感熱素子３Ａと補償用感熱素子３Ｂとの直下に上下に貫通した貫通孔１２ｃをそれぞれ有し、貫通孔１２ｃと溝部１２ｄとが連通している。
すなわち、一対の貫通孔１２ｃの上端は、それぞれ溝部１２ｄの途中に開口している。

上記ベース部材１１は、樹脂等で成形された絶縁性のベース本体１２と、ベース本体１２に取り付けられ上端部が端子電極４ｃにはんだ等の導電性接着材で接続されると共に下端部が実装時に基板用にはんだ等の導電性接着材で接続される導電性の複数の端子部材１３とを備えている。
なお、上記ベース部材１１は、平面視で略長方形状又は略正方形状とされ、４つの端子部材１３を備えている。

上記赤外線センサ本体１は、図１及び図５に示すように、絶縁性基板２の上面にパターン形成された赤外線遮蔽部５を備えている。
上記絶縁性基板２の上面の一端側は、赤外線の受光領域とされ、検出用感熱素子３Ａが、受光領域に対向して配されている。本実施形態では、絶縁性基板２の下面に検出用感熱素子３Ａ及び補償用感熱素子３Ｂが実装されている。
上記赤外線遮蔽部５は、上記絶縁性基板２の上面の他端側に形成されている主遮蔽部５ａと、絶縁性基板２の外縁に沿って延在し受光領域を囲んで形成された外周遮蔽部５ｂとを有し、補償用感熱素子３Ｂが、主遮蔽部５ａに対向して配されている。
なお、図１及び図５において赤外線遮蔽部５には、ハッチングを施している。

また、検出側配線４Ａ及び補償側配線４Ｂには、その一端部にそれぞれ絶縁性基板２に形成された一対の接着電極４ａが接続されていると共に、他端部にそれぞれ絶縁性基板２に形成された端子電極４ｃが接続されている。また、検出側配線４Ａ及び補償側配線４Ｂは、接着電極４ａと端子電極４ｃとを接続して延在する接続配線部４ｂをそれぞれ有している。
二対の端子電極４ｃは、絶縁性基板２の四隅近傍に配されている。
なお、上記接着電極４ａには、それぞれ対応する検出用感熱素子３Ａ及び補償用感熱素子３Ｂの端子部が半田等の導電性接着材で接着されている。

上記絶縁性基板２は、ポリイミド樹脂シート等の絶縁性フィルムで略長方形状又は略正方形状に形成され、赤外線遮蔽部５，検出側配線４Ａ及び補償側配線４Ｂが銅箔で形成されている。すなわち、これらは、絶縁性基板２とされるポリイミド基板の両面に、赤外線遮蔽部５，検出側配線４Ａ及び補償側配線４Ｂとされる銅箔のフロート電極がパターン形成された両面フレキシブル基板によって作製されたものである。

上記赤外線遮蔽部５は、絶縁性基板２よりも高い赤外線反射率を有する材料で形成された赤外線反射膜であり、本実施形態では銅箔上に金メッキ膜が施されてパターン形成されている。
なお、金メッキ膜の他に、例えば鏡面のアルミニウム蒸着膜やアルミニウム箔等で形成しても構わない。

上記検出用感熱素子３Ａ及び補償用感熱素子３Ｂは、両端部に端子部が形成されたチップサーミスタである。このサーミスタとしては、ＮＴＣ型、ＰＴＣ型、ＣＴＲ型等のサーミスタがあるが、本実施形態では、検出用感熱素子３Ａ及び補償用感熱素子３Ｂとして、例えばＮＴＣ型サーミスタを採用している。このサーミスタは、Ｍｎ−Ｃｏ−Ｃｕ系材料、Ｍｎ−Ｃｏ−Ｆｅ系材料等のサーミスタ材料で形成されている。

上記端子部材１３は、ベース本体１２より熱伝導性の高い金属等の材料で形成されていると共に、側方に突出した端子ピン部１３ａを有している。
上記ベース本体１２は、側部に形成され端子ピン部１３ａが差し込み固定される端子部材用穴部１２ａを有している。
長く突出した端子ピン部１３ａは、長孔形状の端子部材用穴部１２ａに差し込まれて嵌め込まれることで固定される。

本実施形態では、ベース本体１２が平面視で略長方形状又は略正方形状に形成された薄板状のブロック形状であり、４つの端子部材１３が４つの角部の近傍に嵌め込まれ、対向する両側にそれぞれ２つずつ端子部材１３が配されている。すなわち、ベース本体１２の両側にそれぞれ赤外線センサ本体１を支持する部分が２つずつ互いに間隔を空けて設けられ、全部で４箇所で赤外線センサ本体１が支持、固定される。

なお、赤外線センサ本体１は、ベース本体１２との間に隙間を設けて支持されている。すなわち、上記端子部材１３は、その上部がベース本体１２の上面から一定量だけ突出しており、上端部にはんだ付け等の導電性接着材で接続された赤外線センサ本体１をベース本体１２から浮かせた状態で支持している。

端子部材１３は、端子ピン部１３ａの下に該端子ピン部１３ａの突出方向と逆に延在した端子スリット部１３ｂを有し、ベース本体１２は、端子スリット部１３ｂに差し込まれる端子用差し込み部１２ｂを有している。
端子部材１３の上端部及び下端部は、はんだ付け用に平坦部とされている。
なお、上記端子部材１３は、金属板から型抜き加工、エッチング加工又はレーザ加工によって形成された板状である。

このように本実施形態の赤外線センサ装置１０では、ベース部材１１が、上部に溝部１２ｄを有し、溝部１２ｄが、ベース部材１１の一方の側面から検出用感熱素子３Ａの直下と補償用感熱素子３Ｂの直下とを介してベース部材１１の他方の側面まで貫通して延在しているので、溝部１２ｄを介して検出用感熱素子３Ａの周囲と補償用感熱素子３Ｂの周囲との空気環境が共通することで、互いの熱バランスを取ることができると共に、溝部１２ｄにより感熱素子３Ａ，３Ｂの直下だけでなく溝部１２ｄに沿ってベース部材１１と赤外線センサ本体１との距離が大きくなり、ベース部材１１からの熱放射による赤外線センサ本体１への影響を小さくすることができる。

また、横方向に貫通している溝部１２ｄを介して外気も両感熱素子３Ａ，３Ｂに導入することができ、外気の温度変化にも両感熱素子３Ａ，３Ｂが同様に追従しやすくなる。さらに、溝部１２ｄ形成によってベース部材１１の体積も小さくでき、熱容量を低減して応答性を向上させることもできる。

また、ベース部材１１が、検出用感熱素子３Ａと補償用感熱素子３Ｂとの間に溝部１２ｄよりも深く形成された中間穴部１２ｅを有しているので、深い中間穴部１２ｅ内の空気層による断熱性を利用して検出用感熱素子３Ａと補償用感熱素子３Ｂとを熱的に独立させやすくなって温度差がつきやすくなり、感度を向上させることができる。さらに、中間穴部１２ｅ形成によってベース部材１１の体積及び熱容量をより低減でき、応答性をさらに向上させることもできる。

特に、中間穴部１２ｅが、検出用感熱素子３Ａと補償用感熱素子３Ｂとの間を横切って延在する長穴であるので、ベース部材１１の検出用感熱素子３Ａ側と補償用感熱素子３Ｂ側とを長穴状の中間穴部１２ｅで分断することができ、検出用感熱素子３Ａと補償用感熱素子３Ｂとをより熱的に独立させやすくなる。さらに、長穴状の中間穴部１２ｅ形成によってベース部材１１の体積及び熱容量をさらに低減することができる。

さらに、ベース部材１１が、検出用感熱素子３Ａと補償用感熱素子３Ｂとの直下に上下に貫通した貫通孔１２ｃをそれぞれ有し、貫通孔１２ｃと溝部１２ｄとが連通しているので、貫通孔１２ｃによって下方からの外気の導入も可能になり、外気の温度変化に対して両感熱素子３Ａ，３Ｂがより追従しやすくなる。さらに、貫通孔１２ｃ形成によってベース部材１１の体積及び熱容量をさらに低減することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態では、チップサーミスタの感熱素子を採用しているが、薄膜サーミスタで形成された感熱素子を採用しても構わない。
なお、感熱素子としては、上述したように薄膜サーミスタやチップサーミスタが用いられるが、サーミスタ以外に焦電素子等も採用可能である。

１…赤外線センサ本体、２…絶縁性基板、３Ａ…検出用感熱素子、３Ｂ…補償用感熱素子、４Ａ…検出側配線、４Ｂ…補償側配線、５…赤外線遮蔽部、１０…赤外線センサ装置、１１…ベース部材、１２ｃ…貫通孔、１２ｄ…溝部、１２ｅ…中間穴部

Claims (4)

1. 赤外線センサ本体と、
   前記赤外線センサ本体を上部に搭載したベース部材とを備え、
   前記赤外線センサ本体が、赤外線の受光側に上面を配する絶縁性基板と、
   前記絶縁性基板に設けられた検出用感熱素子及び補償用感熱素子と、
   前記絶縁性基板に設けられ前記検出用感熱素子に接続された一対の検出側配線及び前記補償用感熱素子に接続された一対の補償側配線とを備え、
   前記ベース部材が、上部に溝部を有し、
   前記溝部が、前記ベース部材の一方の側面から前記検出用感熱素子の直下と前記補償用感熱素子の直下とを介して前記ベース部材の他方の側面まで貫通して延在していることを特徴とする赤外線センサ装置。
2. 請求項１に記載の赤外線センサ装置において、
   前記ベース部材が、上部に前記検出用感熱素子と前記補償用感熱素子との間に前記溝部よりも深く形成された中間穴部を有していることを特徴とする赤外線センサ装置。
3. 請求項２に記載の赤外線センサ装置において、
   前記中間穴部が、前記検出用感熱素子と前記補償用感熱素子との間を横切って延在する長穴であることを特徴とする赤外線センサ装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の赤外線センサ装置において、
   前記ベース部材が、前記検出用感熱素子と前記補償用感熱素子との直下に上下に貫通した貫通孔をそれぞれ有し、
   前記貫通孔と前記溝部とが連通していることを特徴とする赤外線センサ装置。

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