JP3657701B2 - 光検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光検出素子の冷却機能を備えた光検出装置に関するものであるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、撮像素子に冷却素子を取り付けた構造の検出装置としては、特開平６−２１６４０２号公報に記載されるものが知られている。この公報に記載される装置は、放射線検出器であって、この公報の図１に示されるように、密封されたパッケージ内部に冷却素子であるペルチェ素子が配置され、そのペルチェ素子上に撮像素子であるＣＣＤが取り付けられた構造となっている。この種の検出装置において、撮像素子としてＰＮ接合型やＰＩＮ型などを利用したものを用いた場合、その撮像素子に高い逆バイアスを印加しなければならない。このバイアス印加により撮像素子内に大きな電流が流れ、撮像素子の内部で熱が発生し、その熱に起因して撮像素子内でノイズが生ずることとなる。これらの発熱およびノイズを抑えるために、撮像素子に冷却素子を取り付けて、撮像素子を効率良く冷却できる構造とされている。そして、冷却素子および撮像素子の具体的な取付構造としては、冷却素子のコールドサイド上に撮像素子が熱伝導性樹脂により接着して取り付けられ、冷却素子のホットサイドがパッケージに熱伝導性樹脂により接着して取り付けられた構造とされている。そして、冷却素子のペルチェ効果により撮像素子が吸熱により冷却され、冷却素子で発せられる熱をパッケージを通じて放出している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の検出装置にあっては、以下のような問題点がある。まず第一には、冷却素子により撮像素子が十分に冷却できないという問題点がある。すなわち、パッケージ内は冷却素子による冷却効果を高めるために真空状態とするのが望ましいが、接着に用いた熱伝導性樹脂からガスが放出されるため、パッケージ内を常に低い圧力に維持すること困難である。また、パッケージが金属などで形成されている場合、熱伝導性樹脂の熱伝導率がパッケージに比べ小さくなり、冷却素子から放出される熱を効率良く伝導することができない。このように、放出されたガスによる熱対流の発生や熱伝導性の低下により、冷却素子の冷却性能を十分に発揮することができず、パッケージ内の撮像素子が十分に冷却されない。
【０００４】
第二には、冷却素子の放熱面の反り及びその取付状態にバラツキを生じ、撮像素子の冷却が安定して行えないという問題点がある。すなわち、冷却素子の取付は熱伝導性樹脂を塗り付けたパッケージ内面へ冷却素子を押し付けることにより行われるが、その押し付け方によって冷却素子とパッケージの間の熱伝導性樹脂の厚みが微妙に変わってしまう。複数の光検出装置を製造する場合、その取付状態を同一とし冷却素子の放熱性能をバラツキなく一定とするのは困難である。また、光検出装置をベーキングすると、熱伝導性樹脂が冷却素子またはパッケージの表面から剥離するおそれがあり、そのような場合には冷却素子の冷却機能が発揮できない。
【０００５】
そこで本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたものであって、真空中で光検出素子を効率良く冷却できる光検出装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明は、密封されたハウジング内に光検出素子および冷却素子が配設された光検出装置において、冷却素子のコールドサイド側に光検出素子が取り付けられ、その冷却素子のホットサイドがハウジング内の放熱体へ金属箔を挟んで押圧されていることを特徴とする。
【０００７】
このような発明によれば、冷却素子の取付に起因してガス放出を伴わないため、光検出素子の周囲を真空状態に維持することが可能となる。また、冷却素子から発せられる熱が金属箔を通じて効率良く放熱体へ伝導されることとなる。更に、冷却素子や放熱体の表面に反りがあっても、柔軟な金属箔を介して冷却素子と放熱体が密着してそれらの間に間隙が生じないので、熱伝導性が低減することがない。
【０００８】
また本発明は、前述の冷却素子のホットサイドが弾力的に放熱体側へ押し付けていることを特徴とする。
【０００９】
このような発明によれば、冷却素子が弾力的に保持されるから、押圧力の強過ぎによる冷却素子の破損、押圧力の弱過ぎによる冷却素子の位置ズレなどの不具合が回避可能となる。
【００１０】
更に本発明は、前述の金属箔が銅製であることを特徴とする。このような発明によれば、低いコストでありながら高い熱伝導性が得られる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき、本発明に係る光検出装置の実施形態の一例について説明する。尚、各図において同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００１２】
（実施形態１）
図１は光検出装置の断面図である。図１において、光検出装置１は、入射する光の検出を行う装置であって、密封されたハウジング１１の内部空間１２に冷却素子２および光検出素子３が配設された構造とされている。光検出素子３は、ハウジング１１に設けられた透光性の面板１３を通じて入射する光を受けて光電変換を行う素子であって、たとえばＣＣＤ、ＭＯＳ型撮像素子または赤外線エリアセンサなどが用いられる。この光検出素子３には複数の端子３１が設けられ、ハウジング１１の内外を貫通するピン１４へ接続されており、電気信号の入出力が行えるようになっている。
【００１３】
冷却素子２は、光検出素子３を冷却するためのものであって、たとえば電流供給により吸熱機能を有するペルチェ素子などが用いられる。図１においては、冷却素子２として、セラミック板の間に半導体を挟んだ層体を三層構造としたペルチェ素子が図示されているが、二層以下または四層以上の構造を有するものであってもよい。この冷却素子３には、吸熱を行うコールドサイド２１と熱を放出するホットサイド２２とが設けられており、電流が供給されることによりそれぞれ熱の吸収または放出が行われる。この冷却素子２で冷却して光検出素子３をより低温な状態とするほど、光検出素子３内で生ずるノイズが低減できるため、光検出素子３の出力におけるＳ／Ｎ比の向上が図られることとなる。従って、光検出素子３を効率良く冷却することが光検出装置１の特性向上のために非常に重要である。
【００１４】
冷却素子２と光検出素子３との取付構造は、たとえば、図１のように、冷却素子２のコールドサイド２１にスペーサ１５を介して光検出素子３が取り付けられた構造とされる。スペーサ１５は、熱伝導性に優れた素材で形成され、光検出素子３の冷却素子２へ取付を容易するために配設されるものであって、その内部には温度センサが配置されている（図示なし）。スペーサ１５と冷却素子２の取付は、スペーサ１５側に固定したホルダ１６で冷却素子２を掛止するなどして行えばよい。また、光検出素子３とスペーサ１５の取付は、ねじ止めなどにより行えばよい。なお、冷却素子２と光検出素子３をスペーサ１５を介さずに直接取り付ける場合もある。
【００１５】
図１に示すように、ハウジング１１の底面には放熱体４が設けられ、内部空間１２内で発生した熱を外部へ放熱可能となっている。すなわち、放熱体４は、熱伝導性に優れた素材、例えば銅などの金属で形成され、その一部がハウジング１１の外部へ露出しており、ハウジング１１内の冷却素子３から放出される熱をハウジング１１外部へ伝導して放熱する構造となっている。また、放熱体４は、図１に示すように、本体である放熱ブロック４１に対し、冷却素子２が取り付けられるスペーサ４２を着脱自在な構造としておくことが望ましい。このように構造とすることにより、スペーサ４２へ冷却素子２などの部品の取付作業とハウジング１１への部品の取付作業が分業して行え、また、スペーサ４２側のみの交換が容易に行えるため、光検出装置１の製造作業が効率良く行える。スペーサ４２と放熱ブロック４１との連結はねじ止めなどにより行えばよい。
【００１６】
放熱体４のスペーサ４２には、金属箔である銅箔５を介して冷却素子２が取り付けられている。すなわち、スペーサ４２の表面に銅箔５が配置され、その銅箔５を挟み込む状態で冷却素子２のホットサイド２２がスペーサ４２側へ押圧されている。この押圧は、ばね板４３などを利用して冷却素子２を弾力的にスペーサ４２側へ押し付けて行うのが望ましい。たとえば、図２に示すように、ねじ止めなどによりばね板４３の一端をスペーサ４２に固定し、その他端を冷却素子２に掛止させて冷却素子２をスペーサ４２へ弾力的に押し付けることにより、固定端の固定状態（ねじ止め状態など）にかかわらず冷却素子２がほぼ一定の押圧力で押し付けられる。このため、押圧力の強過ぎによる冷却素子の破損、押圧力の弱過ぎによる冷却素子のズレなどが回避できる。従って、放熱体４への冷却素子２の取付が容易であって、取付作業の効率化が図れる。なお、図２において、ばね板４３の掛止側の端部はＬ字形を呈しているが、冷却素子２を掛止できればＬ字形に限られるものではなく、その他の形状であってもよい。更に、放熱体４のスペーサ４２側へ冷却素子２を押圧することができれば、押圧手段としてばね板４３以外のものを用いてもよい。
【００１７】
銅箔５は、放熱体４と冷却素子２との間に間隙が形成されるのを防止して、冷却素子２の熱を放熱体４へ効率良く伝導させるために配されるものであって、冷却素子２の底面やスペーサ４２の表面の反り（たとえば、冷却素子の底板がセラミック板である場合の反りは１０〜５０μｍ程度）に応じて厚さ２０〜１２０μｍ程度のものが用いられる。この銅箔５は、薄板状であって柔軟性があるため、接合される表面などの反りに対応して変形し、放熱体４と冷却素子２との両側の接合面にそれぞれ密着することとなる。このため、銅箔５の介在により、放熱体４と冷却素子２との間に間隙が生ずることがなく、冷却素子２から放熱体４への熱伝導が有効に行われる。また、銅箔５は、低コストでありながら十分な熱伝導性を有しており、冷却素子２と放熱体４の取付に適している。なお、金属箔としては、銅箔５に限られるものではなく、熱伝導性および柔軟性を有するものであれば、金、銀またはアルミなどその他の金属箔であってもよい。
【００１８】
次に、光検出装置１の動作について説明する。
【００１９】
図１において、まず、ピン１４に所定の電圧を印加して光検出装置１に電源を投入する。すると、光検出素子３に電流が供給され、面板１３を通じて入射する光を受けて光電変換可能な状態となる。また、冷却素子２にも電流が供給され、ペルチェ効果などにより、コールドサイド２１で熱が吸収されて低温状態となり、ホットサイド２２で熱が放出されて高温状態となる。このとき、光検出素子３は電流供給により熱を発する。しかし、この熱は冷却素子２のコールドサイド２１の吸熱作用によりスペーサ１５を介して吸収されるため、光検出素子３の低温状態が維持される。
【００２０】
一方、冷却素子２のホットサイド２２から放出された熱は、放熱体４内を伝導してハウジング１１外、即ち光検出装置１外へ放出される。このとき、ホットサイド２２が柔軟性有する銅箔５を挟んで放熱体４に密着しているから、ホットサイド２２と放熱体４との間に熱伝導を妨げる間隙が存在せず、ホットサイド２２の熱が銅箔５を通じて放熱体４へ確実に伝導されていく。また、銅箔５は熱伝導性に優れているから、熱伝導が効率良く行われる。更に、冷却素子２（ホットサイド２２）と放熱体４との取付構造に樹脂からなる接着剤などが用いられていないので、内部空間１２内にガスが放出されることがなく、その真空状態が確実に維持される。このため、ホットサイド２２または放熱体４の熱が内部空間１２を通じて熱対流により光検出素子３へ伝わることがなく、光検出素子３の低温状態に影響を及ぼすことがない。
【００２１】
このように、冷却素子２におけるホットサイド２２の放熱が効率良く、かつ、確実に行われるため、冷却素子２の冷却機能が十分に発揮されて光検出素子３の冷却が確実に行え、低温状態に維持することができる。従って、光検出素子３にの出力おけるノイズを低減でき、光検出装置１としての検出感度の向上が図れる。
【００２２】
次に、光検出装置における冷却特性について説明する。
【００２３】
図３に示す測定系にて、実際の光検出装置１の冷却特性の測定を行った。冷却素子２としてペルチェ素子を用い、冷却素子２のコールドサイド２１にスペーサ１５を取り付けホットサイド２２に放熱体４を取り付けたものを被測定体とした。そして、この被測定体を真空オーブン６１内の空冷式の放熱ブロック４０上に載置し、真空オーブン６１内を温度を２０°Ｃ、圧力を２Ｔｏｒｒに保った状態とした。
【００２４】
この状態において、真空オーブン６１の外部の電源６４により冷却素子２へ所定の電圧を印加し、スペーサ１５内に設置した温度センサ６２により冷却温度を検出し記録計６３にて冷却温度を測定した。被測定体における放熱体４に対する冷却素子２の取付構造については、前述した光検出装置１と同様に放熱体４との間に銅箔５を挟み込んで冷却素子２を押圧した構造としたものと、冷却素子２の押圧は行うが銅箔５を挟み込まない取付構造のものについて、それぞれ測定を行った。
【００２５】
測定の結果、本発明に係る取付構造（図３に示すもの：銅箔５あり）のものについては冷却温度が−５１°Ｃであり、良好な結果が得られた。一方、銅箔５の介在なし（銅箔５なし）のものについては冷却温度−４３°Ｃであり、冷却素子２の冷却性能が十分に発揮できなかった。このことから、放熱体４に対し冷却素子２を単に押圧するだけでなく、放熱体４と冷却素子２との間に銅箔５を介在させることによりホットサイド２２と放熱体４との熱伝導性が向上し、冷却素子２のホットサイド２２における放熱が効率良く行われて、非常に良い冷却特性が得られることが分かった。
【００２６】
（実施形態２）
前述の光検出装置１は、冷却素子２と放熱体４との間に金属箔（例えば、銅箔５）を介在させるものであったが、冷却素子２とスペーサ１５との間にも金属箔を介在させてスペーサ１５の取付を行ってもよい。すなわち、冷却素子２のホットサイド２２側だけでなく、コールドサイド２１側にも金属箔を介在させて冷却素子２と光検出素子３の取付を行い、吸熱効率を向上させてよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、次のような効果を得ることができる。
【００２８】
すなわち、冷却素子が金属箔を挟んで放熱体へ押圧されて取り付けられることにより、その冷却素子の取付に際しガス放出を伴う熱伝導性樹脂などを用いる必要がない。このため、光検出素子の周囲を真空状態に維持することが可能となり、熱対流により光検出素子の温度上昇が回避できる。また、冷却素子から発せられる熱が金属箔を通じて効率良く放熱体へ伝導されるから、冷却素子による冷却が効率良く行われる。更に、冷却素子や放熱体の表面に反りがあっても、柔軟な金属箔がそれらの間に密着するから、熱伝導性が低減することがない。従って、光検出素子を低温状態に維持することができ、光検出装置としての検出感度を向上させることができる。
【００２９】
また、冷却素子が弾力的に放熱体側へ押し付けられて押圧されることにより、冷却素子をほぼ一定した押圧力で保持でき、押圧力の強過ぎによる冷却素子の破損、押圧力の弱過ぎによる冷却素子の位置ズレなどの不具合が回避できる。
【００３０】
更に、金属箔を銅製とすることにより、低コストでありながら冷却素子と放熱体間の高い熱伝導性が得られ、熱伝導性に優れた冷却素子の取付が低コストで行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】光検出装置の説明図である。
【図２】光検出装置における冷却素子の取付構造の拡大説明図である。
【図３】冷却特性測定における測定系の説明図である。
【符号の説明】
１…光検出装置、１１…ハウジング、２…冷却装置、２１…コールドサイド、
２２…ホットサイド、３…光検出素子、４…放熱体、５…銅箔（金属箔）

Claims (3)

1. 密封されたハウジング内に光検出素子および冷却素子が配設された光検出装置において、
   前記冷却素子のコールドサイド側に前記光検出素子が取り付けられ、その冷却素子のホットサイドが前記ハウジング内の放熱体へ金属箔を挟んで押圧されていることを特徴とする光検出装置。
2. 前記冷却素子のホットサイドが弾力的に放熱体側へ押し付けられていることを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
3. 前記金属箔が銅製であることを特徴とする請求項１または２に記載の光検出装置。

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