JP3447910B2

JP3447910B2 - 光電変換素子収容真空容器

Info

Publication number: JP3447910B2
Application number: JP04108597A
Authority: JP
Inventors: 芳夫渡邊; 敏之上田; 徳朋佐藤
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1997-02-25
Filing date: 1997-02-25
Publication date: 2003-09-16
Anticipated expiration: 2017-02-25
Also published as: JPH10242313A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光電変換素子収容真
空容器に係り、特に、冷却を必要とする赤外線検知素子
を真空雰囲気内に収容しており、装置本体に取付けられ
る光電変換素子収容真空容器に関する。地球を観察する
装置の一つとして、航空機等に搭載され、地球から発せ
られている赤外線を検知する探査装置がある。この探査
装置は、赤外線検知素子を使用する。ここで、赤外線検
知素子はノイズとなる暗電流を低く抑えるために、液体
窒素の温度である極低温まで冷却して使用される。極低
温まで冷却したときに結露が発生しないようにするため
に、また、断熱効果を上げるために、赤外線検知素子の
周囲は真空とする必要がある。

【０００２】上記の探査装置１０は、図８に示すよう
に、赤外線検知素子１１を真空雰囲気内に収容している
赤外線検知素子収容真空容器１２を、冷却装置１３が備
えてある探査装置本体１４に取り付けて組立られた構成
である。冷却装置１３は、例えば逆スターリングサイク
ルの原理等を利用したものであり、コンプレッサ１５
と、エキスパンダ１６と、クーリングヘッド１７とより
なる構成である。探査装置１０は、コンプレッサ１５を
起動させて冷却装置１３を動作させ、赤外線検知素子１
１を極低温まで冷却した状態で動作される。

【０００３】近年、探査の高精度化のために、赤外線検
知素子の画素数が増加してきている。赤外線検知素子の
画素数が増加すると、赤外線検知素子上での一画素に対
応する領域のサイズが小さくなり、よって、探査装置に
おける赤外線検知素子の位置をより精度良く定める必要
がある。このことは、赤外線検知素子収容真空容器につ
いてみると、赤外線検知素子収容真空容器を探査装置本
体に取り付けたときに赤外線検知素子の探査装置に対す
る位置がより精度良く決まる構成であることが要求され
る。

【０００４】また、赤外線検知素子の極低温までの冷却
を効率良く行えることも要求される。

【０００５】

【従来の技術】従来の赤外線検知素子収容真空容器２０
は、図９に示すように、クーリングヘッドが挿入される
内筒２１と、内筒２１と溶接してあり内筒２１を覆う外
筒２２と、内筒２１の頂部に取り付けられた赤外線検知
素子２３と、赤外線検知素子２３を覆うコールドシール
ド２４とを有し、内筒２１と外筒２２との間に真空空間
２５を有する構成である。

【０００６】外筒２２は窓２６を有する。内筒２１は、
図１０に示すように、ガラス製の筒３０と、筒３０の頂
面に固定してあるヘッド３１と、筒３０の下端に嵌合し
て固定してあるジョイント３２と、ジョイント３２と嵌
合して溶接してあるベース３３と、ベース３３と嵌合し
て溶接してあるゲッタケース３４とよりなる構成であ
る。３６はゲッタであり、ゲッタケース３４内に設けて
あり、赤外線検知素子収容真空容器２０内で発生したガ
スを吸収する。

【０００７】赤外線検知素子収容真空容器２０は、図９
に示すように、ゲッタケース３４を探査装置本体１４の
凹状の取付け部１４ａに嵌合させて溶接される。クーリ
ングヘッド１７が内筒２１内に挿入してあり、クーリン
グヘッド１７の頂部がヘッド３１と熱的に導通してい
る。ここで、筒３０がガラス製であるのは、ガラスの熱
伝導率が小さいためである。即ち、常温状態にある赤外
線検知素子２３を極低温まで冷却することが効率良く行
なえるようにするためである。筒３０の厚さｔ１は、強
度を考慮して、約１ｍｍとしてある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】内筒２１は、複数の部
品を組み合わせてなる構成であるため、各部品の組み合
わせ部の寸法ずれが累積したものが、ヘッド３１のゲッ
タケース３４に対するずれとなる。部品の組み合わせ部
は、筒３０とヘッド３１との間、筒３０とジョイント３
２との間、ジョイント３２とベース３３との間、ベース
３３とゲッタケース３４との間の４個所もあり、ヘッド
３１のゲッタケース３４に対するずれ量を小さくするこ
とは困難である。このため、赤外線検知素子収容真空容
器２０を探査装置本体１４に取り付けたときの赤外線検
知素子２３の探査装置３５に対する位置精度、平行度を
良くするには限度がある。このため、画素数の多い赤外
線検知素子を使用する場合には、赤外線検知素子を画素
数に応じた良好な精度で実装することが困難となり、結
果として、得た画像の画質が低下してしまう恐れがあっ
た。また、赤外線検知素子収容真空容器２０を探査装置
本体１４に取り付けた後に、位置を調整する面倒な作業
が必要となり、探査装置３５の組立てが面倒となってい
た。

【０００９】また、画素数が増えると赤外線検知素子の
サイズが大きくなり、これに応じて、径の大きい筒３０
を使用する必要がある。筒３０の径を大きくすると、筒
３０の体積が増え、筒３０の熱容量が増え、よって、常
温状態にある赤外線検知素子２３を極低温まで冷却する
のに要する時間が長くかかり、探査装置３５の動作の立
ち上がりに時間がかかり、消費電力が多くなってしま
う。

【００１０】そこで、本発明は、上記課題を解決した光
電変換素子収容真空容器を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、内筒
と、該内筒を覆う外筒と、該内筒の頂部に取り付けられ
た冷却を必要とする光電変換素子とを有してなり、該光
電変換素子が配されている該内筒と該外筒との間に真空
空間を有し、装置本体に取付けられる光電変換素子収容
真空容器において、素材を旋盤を使用して切削して削り
出して製造された容器本体を有し、該容器本体は、頂部
に上記光電変換素子を有する光電変換素子組立体が嵌合
して取り付けられる光電変換素子取付け部を有する内筒
部と、装置本体に嵌合させて装置本体に取付けられるベ
ース部とを一体に有し、上記ベース部と上記光電変換素
子取付け部とは該ベース部の中心と該光電変換素子取付
け部の中心とが該容器本体の中心線上に位置する関係に
ある構成であり、上記内筒部は強度を保てる程度に薄い
肉厚である構成であり、上記光電変換素子組立体が上記
光電変換素子取付け部に嵌合して取り付けてあり、上記
光電変換素子収容真空容器が、上記容器本体の上記ベー
ス部を該装置本体に嵌合させて該装置本体に取り付けら
れる構成としたものである。

【００１２】請求項２の発明は、可撓性を有する合成樹
脂製のベース上に銅薄膜製の配線パターンが接着剤無し
で被着されている構成のフレキシブルケーブルを、上記
光電変換素子の出力を取り出すために、上記真空空間内
に配線して設けた構成としたものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施例になる
赤外線検知素子収容真空容器４０を示す。赤外線検知素
子収容真空容器４０は、図２に示す容器本体４１と、外
筒４２と、配線板４３とを有し、容器本体４１と外筒４
２との間に真空空間４４を有する構成である。真空空間
４４内に、光電変換素子としての赤外線検知素子４５
と、フレキシブルケーブル４６と、コールドシールド４
７と、ゲッタ４８とが設けてある。

【００１４】容器本体４１は、後述するようにコバール
の素材を旋盤加工して切削して形成したものであり、内
筒部４１ａと、内筒部４１ａの頂上部の凹状の赤外線検
知素子取付け部４１ｂと、内筒部４１ａの下端側より外
側に拡がっている略筒状のベース部４１ｃと、ベース部
４１ｃとつながってベース部４１ｃの上側に位置してい
る略筒状のゲッタケース部４１ｄとを一体に有する構成
である。赤外線検知素子取付け部４１ｂは、円形の凹形
状を有する。

【００１５】この容器本体４１は、後述するようにコバ
ールの素材を旋盤加工して切削して形作られたものであ
り、赤外線検知素子取付け部４１ｂの中心０１とベース
部４１ｃの中心０２とは、容器本体４１の中心線ＣＬ１
上に精度良く位置している。また、赤外線検知素子取付
け部４１ｂの面Ｓ１とベース部４１ｃの下端の面Ｓ２と
の平行度も良好な精度を有する。

【００１６】また、内筒部４１ａの肉厚ｔ１は、容器本
体４１が所定の機械的強度を保つのに必要な最低の厚
さ、例えば、０．１ｍｍである。材料が金属であるであ
るため、肉厚ｔ１が０．１ｍｍでも容器本体４１は所定
の機械的強度を有する。図３に示すように、赤外線検知
素子４５は、予め、赤外線検知素子組立体５０の形に組
み立ててある。赤外線検知素子４５はＩｎ製バンプ５１
によってサファイア製基板５２上にフリップチップボン
ディングしてある。基板５２は、Ｉｎ製接着シート５３
によって、コバール製のマウント台５４上に接着してあ
る。マウント台５４は、下面に、前記凹状の赤外線検知
素子取付け部４１ｂに対応した円柱形状の凸部５４ａを
有する。マウント台５４には、凸部５４ａを基準とする
位置合わせマーク（図示せず）が形成してあり、サファ
イア製基板５２にも位置合わせマーク（図示せず）が形
成してある。基板５２とマウント台５４とは、拡大投影
を利用した治具を使用して、サファイア製基板５１の位
置合わせマークとマウント台５４の位置合わせマークと
を位置合わせして接着してある。よって、マウント台５
４の凸部５４ａの中心０３と赤外線検知素子４５の中心
０４とは、マウント台５４の中心線ＣＬ２上に精度良く
位置している。

【００１７】凹状の赤外線検知素子取付け部４１ｂの表
面には、例えばダウコーニング社製の型６−１１４０の
シリコーンラバーやアラルダイトが塗布されて、シリコ
ーンラバー膜５５が形成してある。凸部５３ａを凹状の
赤外線検知素子取付け部４１ｂに嵌合させ、シリコーン
ラバー膜（又はアラルダイト膜）５５で接着して、赤外
線検知素子組立体５０が赤外線検知素子取付け部４１ｂ
に取り付けてある。これによって、赤外線検知素子４５
が赤外線検知素子取付け部４１ｂに取り付けられてい
る。

【００１８】凸部５３ａと凹状の赤外線検知素子取付け
部４１ｂとの嵌合の精度は高い。よって、赤外線検知素
子４５が赤外線検知素子取付け部４１ｂに取り付けられ
た状態で、赤外線検知素子４５の中心０４は、容器本体
４１の中心線ＣＬ１上に精度良く位置している。ここ
で、接着剤であるシリコーンラバーやアラルダイトは十
分に薄く塗布されており、膜厚は無視できる程度の厚さ
（１μｍ程度）となっている。

【００１９】赤外線検知素子収容真空容器４０は、図１
に示すように、ベース部４１ｃを探査装置本体６０の凹
状の取付け部６１に嵌合させて取付けられる。よって、
ベース部４１ｃと取付け部６１との嵌合の精度は高い。
よって、赤外線検知素子収容真空容器４０が取付け部６
１に嵌合させて取付けた状態で、赤外線検知素子４５の
中心０４は探査装置本体６０の中心線ＣＬ３上に精度良
く位置している。また、赤外線検知素子４５の表面Ｓ３
の取付け部６１の面Ｓ４に対する平行度も良好な精度を
有する。よって、その後の位置調整は不要である。この
ため、探査装置６３の組立作業を能率良く行うことが可
能となる。

【００２０】また、クーリングヘッド１７が内筒部４１
ａ内に挿入しており、クーリングヘッド１７の頂部が赤
外線検知素子取付け部４１ｂの下面と熱的に導通してい
る。探査装置６３は、冷却装置１３を動作させ、即ち、
コンプレッサ１５を起動させてエキスパンダ１６を動作
させ、逆スターリングサイクルの原理でクーリングヘッ
ド１７を冷却し、赤外線検知素子１１を極低温まで冷却
した状態で動作する。

【００２１】また、内筒部４１ａの肉厚ｔ１は、０．１
ｍｍであり、従来のガラス製の筒３０の厚さｔ２（１ｍ
ｍ）の１０分の１と薄い。よって、コバールの熱伝導率
は、１．３×１０^-1Ｗ／ｃｍ・ｄｅｇであり、ガラスの
熱伝導率７．２×１０^-3Ｗ／ｃｍ・ｄｅｇより約１８倍
も高いけれども、内筒部４１ａに沿う熱伝導に対する抵
抗は十分に高い。よって、赤外線検知素子の冷却は効率
良く、少ない消費電力で行われる。

【００２２】また、画素数の増加によって赤外線検知素
子４５のサイズが従来より大きくなっており、これに伴
って、内筒部４１ａの径Ｄ１も従来より大きくなってい
る。しかし、内筒部４１ａの肉厚ｔ１が０．１ｍｍと薄
いため、径Ｄ１が大きくなっても、内筒部４１ａの熱容
量はさほどは増えない。このことによっても、赤外線検
知素子の冷却は効率良く、少ない消費電力で行われる。

【００２３】また、容器本体４１が一つの部品で図１０
に示す複数の部品の代わりとなっているため、赤外線検
知素子収容真空容器４０は、従来に比べて少ない部品点
数で構成されている。次に、赤外線検知素子収容真空容
器４０のうち上記の構成以外の部分の構成について説明
する。

【００２４】配線板４３は、セラミック製であり、容器
本体４１のゲッタケース部４１ｄの上面にろう付けして
固定してある。６５はろう付け部である。外筒４２は、
内筒部４１ａを覆って、配線板４３に溶接してある。６
６は溶接部である。外筒４２は窓６７を有する。コール
ドシールド４７が、赤外線検知素子４５を覆うように設
けてある。

【００２５】フレキシブルケーブル４６が、内筒部４１
ａの頂部と配線板４３との間に配線してある。赤外線検
知素子４５の出力は、フレキシブルケーブル４６、配線
板４３のパターンを経て、真空空間４４の外部の端子６
７から取り出される。フレキシブルケーブル４６の構造
については後述する。ゲッタケース部４１ｄ内にゲッタ
４８が設けてあり、ゲッタ４８によって、赤外線検知素
子収容真空容器４０内で発生したガスが吸収される。

【００２６】ここで、基板５２をサファイア製としたの
は、サファイアの熱膨張係数が赤外線検知素子４５の材
料であるシリコンの熱膨張係数と近いからである。マウ
ント台５４及び容器本体４１をコバール製としたのは、
コバールの熱膨張係数が基板５２の材料であるサファイ
アの熱膨張係数と近く、且つ、値段も手頃であり、しか
も、切削加工が可能だからである。

【００２７】次に、容器本体４１の加工について説明す
る。容器本体４１は、精密旋盤を使用し、図４（Ａ）の
コバールの丸棒の素材７０をチャッキングし、途中でチ
ャッキングを外さずに、チャッキングしたままで最後ま
で加工して製造する。素材７０は、ゲッタケース部４１
ｄの外径と同径に高い精度で加工した、円柱である。

【００２８】先ず、図４（Ｂ）に示すように、内筒部４
１ａの外側を削り出す。次に、図４（Ｃ）に示すよう
に、内筒部４１ａの内側を削り出す。このとき、内筒部
４１ａの肉厚は、内筒部４１ａの先端の赤外線検知素子
取付け部４１ｂの加工を正常に行える強度を有する最小
の厚さ（例えば、１ｍｍ）を残しておく。次に、図４
（Ｄ）に示すように、内筒部４１ａの先端を切削して、
赤外線検知素子取付け部４１ｂを形成する。

【００２９】次に、図４（Ｅ）に示すように、ゲッタケ
ース部４１ｄを削り出し、続いて、ベース部４１ｃを削
り出す。この状態で、削り出された赤外線検知素子取付
け部４１ｂの中心と削り出されたベース部４１ｃの中心
とは精度良く位置だしされている。最後に、図４（Ｆ）
に示すように、内筒部４１ａの外周面を研磨し、内筒部
４１ａの肉厚を徐々に薄くして、０．１ｍｍとする。こ
れによって、容器本体４１が完成する。

【００３０】ここで、内筒部４１ａの面の精度は問題で
はない。内筒部４１ａの外周面を研磨しても、削り出さ
れた赤外線検知素子取付け部４１ｂの中心と削り出され
たベース部４１ｃの中心との精度に影響を与えないから
である。図５（Ａ）乃至（Ｃ）は、赤外線検知素子収容
真空容器４０の組立の手順を示す。

【００３１】先ず、図５（Ａ）に示すように、ゲッタケ
ース部４１ｄ内にゲッタ４８を納め、配線板４３を容器
本体４１にゲッタケース部４１ｄの上面にろう付けして
固定する。次いで、図５（Ｂ）に示すように、赤外線検
知素子組立体５０を赤外線検知素子取付け部４１ｂに取
り付け、フレキシブルケーブル４６を張る。

【００３２】次いで、図５（Ｃ）に示すように、外筒４
２を、内筒部４１ａを覆って、配線板４３に溶接して固
定する。最後に、内部空間の空気を真空排気して、赤外
線検知素子収容真空容器４０が完成する。次に、フレキ
シブルケーブル４６について説明する。フレキシブルケ
ーブル４６は、内筒部４１ａが金属製であり内筒部４１
ａの周面に配線パターンを形成することが出来ないた
め、設けてある。ここで、フレキシブルケーブル４６
は、真空空間４４内に配線されることを考慮した構造と
してある。

【００３３】図６に示すように、フレキシブルケーブル
４６は、厚さが３０μｍのポリイミド製のベース８０の
片面に、厚さが７μｍの銅薄膜の配線パターン８１が、
接着剤無しで被着されており、各配線パターン８１がＡ
ｕ薄膜８２で覆われた構成でる。通常のフレキシブルケ
ーブルが有している配線パターンを覆うカバーは無い。
よって、フレキシブルケーブル４６はガスを発生しない
構成である。

【００３４】フレキシブルケーブル４６の上端は、接着
剤（商品名：キャストール、型格Ｅ−１５２０／ＲＴ
７）８５でもって、内筒部４１ａの頂部に接着してあ
る。接着剤の量は必要最小限に留めてあり、ガスの発生
が抑えてある。ここで、フレキシブルケーブル４６は質
量が小さいため、振動は問題とならない。

【００３５】また、図４（Ａ）の素材７０に代えて、図
７に示す素材９０を使用してもよい。素材９０は、コバ
ール製の外周部９１とインコネル又はステンレス製の中
心部９２とよりなる構造である。この素材９０を使用す
ると、完成した容器本体の内筒部はインコネル又はステ
ンレス製となり、ゲッタケース部及びベース部はコバー
ル製となる。インコネル又はステンレスはコバールに比
べて剛性が高く、よって、内筒部の肉厚を薄くするのに
有利である。

【００３６】また、上記の素材９０は、コバール製の筒
内にインコネル又はステンレス製の円柱を圧入すること
によって、又は、コバール製の筒とこれに挿入されたイ
ンコネル又はステンレス製の円柱とをろう付けすること
によって製造される。なお、真空容器内に収容される素
子は赤外線検知素子に限らず、冷却を必要とする光電変
換素子であればよい。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、容器本体が、素材を切削して削り出して形成さ
れた内筒部とベース部とを一体に有し、内筒部の頂部
に、光電変換素子を有する光電変換素子組立体が嵌合し
て取付けられる光電変換素子取付け部を有する構成であ
るため、ベース部に対する光電変換素子取付け部に取付
けられた光電変換素子の位置精度を向上させることが出
来、よって、真空容器を装置本体に嵌合して取付けた後
の位置調整を不要と出来る。

【００３８】また、内筒部は強度を保てる程度に薄い肉
厚を有するため、熱抵抗は高く、よって、光電変換素子
の冷却を効率良く行うことが出来る。請求項２の発明に
よれば、フレキシブルケーブルは、可撓性を有する合成
樹脂製のベース上に銅薄膜製の配線パターンが接着剤無
しで被着されている構成であるため、ガスが発生せず、
よって、真空空間の真空度が劣化しないようにすること
が出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例になる赤外線検知素子収容真
空容器を示す図である。

【図２】図１中、容器本体を示す図である。

【図３】図１中、赤外線検知素子の取付け部を拡大して
示す図である。

【図４】図２の容器本体の製造を説明する図である。

【図５】図１の赤外線検知素子収容真空容器の組み立て
を説明する図である。

【図６】図１中、フレキシブルケーブルの断面図であ
る。

【図７】図４（Ａ）の素材の変形例を示す図である。

【図８】一般の探査装置の構成を示す図である。

【図９】従来の赤外線検知素子収容真空容器を示す図で
ある。

【図１０】図９中、内筒の構造を示す図である。

【符号の説明】

４０赤外線検知素子収容真空容器４１容器本体４１ａ内筒部４１ｂ凹状の赤外線検知素子取付け部４１ｃベース部４１ｄゲッタケース部４２外筒４３配線板４４真空空間４５赤外線検知素子４６フレキシブルケーブル４７コールドシールド４８ゲッタ５０赤外線検知素子組立体５１Ｉｎ製バンプ５２サファイア製基板５３Ｉｎ製接着シート５４マウント台５４ａ凸部６０探査装置本体６１凹状の取付け部６２探査装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭50−11191（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 23/00 - 23/10 H01L 23/16 H01L 31/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内筒と、該内筒を覆う外筒と、該内筒の
頂部に取り付けられた冷却を必要とする光電変換素子と
を有してなり、該光電変換素子が配されている該内筒と
該外筒との間に真空空間を有し、装置本体に取り付けら
れる光電変換素子収容真空容器において、素材を旋盤を使用して切削して削り出して製造された容
器本体を有し、該容器本体は、頂部に上記光電変換素子を有する光電変
換素子組立体が嵌合して取り付けられる光電変換素子取
付け部を有する内筒部と、装置本体に嵌合させて装置本
体に取付けられるベース部とを一体に有し、上記ベース
部と上記光電変換素子取付け部とは該ベース部の中心と
該光電変換素子取付け部の中心とが該容器本体の中心線
上に位置する関係にある構成であり、上記内筒部は強度
を保てる程度に薄い肉厚である構成であり、上記光電変換素子組立体が上記光電変換素子取付け部に
嵌合して取り付けてあり、上記光電変換素子収容真空容器が、上記容器本体の上記
ベース部を該装置本体に嵌合させて該装置本体に取り付
けられる構成としたことを特徴とする光電変換素子収容
真空容器。
【請求項２】可撓性を有する合成樹脂製のベース上に
銅薄膜製の配線パターンが接着剤無しで被着されている
構成のフレキシブルケーブルを、上記光電変換素子の出
力を取り出すために、上記真空空間内に配線して設けた
構成としたことを特徴とする請求項１記載の光電変換素
子収容真空容器。