JP3723677B2

JP3723677B2 - 熱型赤外線検出器

Info

Publication number: JP3723677B2
Application number: JP32524797A
Authority: JP
Inventors: 克昭小椋; 孝夫南井; 秀次高田; 俊行野村
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 1997-11-10
Filing date: 1997-11-10
Publication date: 2005-12-07
Anticipated expiration: 2017-11-10
Also published as: JPH11142245A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、キャンとステムとよりなる容器内にサーモパイルよりなる感温素子を設けた熱型赤外線検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
物体の温度を非接触で測定する温度測定装置の一つに、導電体で形成された容器内に感温素子を設けた熱型赤外線検出器がある。この熱型赤外線検出器は、図１１に示すように、二種の熱電材料を接続した複数の熱電対を直列に接続したサーモパイルよりなる感温素子６１を設け、この感温素子６１の冷接点をヒートシンク６２に熱的に接続するとともに、容器６４のキャン６４ａに例えばフッ化カルシウム材料の赤外線透過窓６３を設け、容器６４のステム６４ｂに絶縁部材６５を介して支持される正リードピン６６および負リードピン６７を設け、このリードピン６６，６７で絶縁状態で支持される支持部材６８を設けるとともに、ステム６４ｂに接地リードピン６９をハンダ７０を介して設け、感温素子６１の温接点において測定対象である物体から放射されている赤外線を検出するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述のように構成した従来の熱型赤外線検出器においては、以下に示す問題点があった。
【０００４】
（１）キャン６４ａとヒートシンク６２との熱的結合が不十分であった。すなわち、組付時において、支持部材６８の上面に感温素子６１を介してヒートシンク６２を設けた状態でキャン６４ａをヒートシンク６２に外嵌させる訳であるが、ヒートシンク６２のキャン内周面ｍとの接触部６２ａは予め折曲げ成形されており、この状態でヒートシンク６２に対してキャン６４ａが挿入・嵌合されるから、キャン６４ａの内径の寸法誤差やヒートシンク６２の外形の寸法誤差等のようにキャン６４ａやヒートシンク６２の製作上のばらつきに起因する嵌合誤差で隙間ができるおそれがあった。
【０００５】
（２）ヒートシンク６２とステム６４ｂの熱的結合が不十分であった。すなわち、感温素子６１の冷接点を容器６４の温度にできるだけ近づけたい訳であるが、外気の急激な温度変化によりステム６４ｂとヒートシンク６２との間に温度差が生じ、温度差に相当する信号量が発生して赤外線検出器の出力の誤動作の原因になっていた。
【０００６】
（３）感温素子６１はステム６４ｂ側に対して熱的に無防備であった。すなわち、外気の急激な温度変化に対して感温素子６１はステム６４ｂ側との温度差による放射熱や伝導熱を直接受けることになり、結果として、ステム６４ｂとヒートシンク６２との間に生じる温度差による赤外線検出器の出力の誤動作の原因の１つになっていた。
【０００７】
（４）実質的にリードピン６６，６７でヒートシンク６２を支持しているだけなので、支持のための機械的強度が弱く、キャン６４ａをヒートシンク６２に外嵌して組付ける際リードピン６６，６７を破損する等赤外線検出器を破壊するおそれがあり、歩留りが悪かった。
【０００８】
この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、外気の急激な温度変化に対する出力の誤動作を防止できる熱型赤外線検出器を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明は、赤外線透過窓を設けたキャンおよびステムからなり、絶縁膜上に形成された感温素子を内蔵する容器と、前記絶縁膜を支持する状態でステムの上面に設けられ、感温素子の冷接点よりも外側にまでわたる凹入部または孔を有し、熱伝導性材料よりなる支持部材と、感温素子の受光部に対応する位置に孔を有し、前記絶縁膜上に設けられたヒートシンクとを備え、更に、前記ヒートシンクは、その外周縁に、キャンをヒートシンクに対して外嵌する組付時においてキャンにより折曲げられてキャン内周面と熱的に接触する複数の接触片を有する一方、前記ヒートシンクをリン青銅で構成している。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の詳細について図を参照しながら説明する。
【００１１】
図１〜図３は、この発明の第１の実施形態を示し、まず、図１において、１は下部側が開放された筒状のキャン２と、このキャン２の下方開口側を閉塞する板状のステム３とからなる導電体の容器で、両者２，３は、例えば溶接（または圧接）によって接合され、これにより容器１が封止されている。
【００１２】
前記キャン２は、例えばコバールなどの鉄系金属で形成されており、上面中央部には、当該部分を適宜の大きさだけ矩形状に切除して形成された開口に、シリコン、ゲルマニウム等の熱伝導性が良好な半導体を母材とする赤外線透過窓３０が、前記母材の両面にコーティング膜を有する状態で、はんだａ付けすることにより形成されている。そして、半導体を母材としているので、電気伝導性が良好である。なお、５はキャン２の開放下端部に形成される鍔部である。
【００１３】
前記ステム３は、例えばコバールなどの鉄系金属で形成されている。そして、ステム３の裏側３ａには感温素子（後述する）の冷接点の温度補償用センサ４が搭載されている。
【００１４】
更に、ステム３には、信号取り出し用の正リードピン６および負リードピン７が上下に貫通して設けられ、この貫通部３４はリードピン６，７とステム３とを電気的に絶縁するためにガラス溶着が施されハーメチックシールされている。ｂはそのガラス溶着部である。また、ステム３には、前記センサ４用の２つのリードピン（図示せず）が貫設され、リードピン６，７と同じくハーメチックシールされている。
【００１５】
なお、キャン２、ステム３の材質として鉄系金属以外に銅も好ましく、この場合、キャン２を所定厚さの銅板をプレス加工によりハット状に形成し、その外面に鏡面あるいは光沢めっきを施してもよく、また、ステム３を所定厚さの銅板で構成できる。
【００１６】
９は感温素子で、図２にも示すように、二種の熱電材料１０，１１を接続した複数の熱電対を直列に接続したサーモパイルよりなり、例えばポリエチレンテレフタレートなどのポリエチレン系樹脂よりなる薄い絶縁膜１２上に、冷接点１３が外側に、温接点１４が内側にそれぞれ位置するように形成されてなるものである。１５，１５は、熱電対の端子９ａ，９ａに接続された信号取り出しリード部であり、絶縁膜１２を貫通した信号取り出し用の正・負のリードピン６，７の上端（例えば正リードピン６の上端６ａ）が絶縁膜１２の上面において導電性の接着剤１６で前記信号取り出しリード部１５に接続されている。
【００１７】
更に、感温素子９の温接点１４を含む絶縁膜１２上の領域には感温素子９の受光部Ｒが形成されている。この受光部Ｒは、例えば、カーボンブラック膜で構成される。
【００１８】
２０は、前記赤外線透過窓３０を透過した赤外線を透過させるもう一つの赤外線透過窓で、シリコン、ゲルマニウム等の熱伝導性が良好な半導体を母材とし、この母材の両面に波長選択性多層膜を形成して構成されている。これにより、前記赤外線透過性窓３０を通過した赤外線のうち特定波長の赤外光のみが透過する。
【００１９】
２１は、前記赤外線透過性窓２０を前記赤外線透過性窓３０に臨むようにして保持するヒートシンクで、熱伝導係数の大なる金属材料であるリン青銅よりなり、図３に示すように、その外周縁に、組付時においてキャン２により折曲げられてキャン内周面Ｍと熱的に接触する複数の接触片２４を有する。なお、図１では、ヒートシンク２１は組付後の状態を示している。また、図３には、組付前のヒートシンク２１の形状が示されており、図３において、ヒートシンク２１は、感温素子９の受光部Ｒに対応する位置に孔２２を有するドーナツ形の内周部分（ヒートシンク本体）２３と、この内周部分２３の外周縁から突設された外周部分とからなる。更に、この外周部分は、内周部分２３の前記外周縁において周方向に略等間隔で径方向に所定長さＬ分だけ内周部分２３から突設された複数の接触片２４で構成されている。この場合、接触片２４の厚みｐは内周部分２３の厚みＰよりも小に設定されている。なお、ヒートシンク２１の孔２２の径Ｄは、感温素子９の受光部Ｒの径ｄの略１．５倍以下に設定されている。そして、図４にも示すように、ヒートシンク２１は感温素子９の冷接点１３が熱的に接続された状態で前記絶縁膜１２上に接着されている。すなわち、ヒートシンク２１の内周部分２３の下面２３ａと、感温素子９の受光部Ｒの領域を除く前記絶縁膜１２の上面１２ａとが熱伝導性に優れた接着剤（例えば、エポキシ樹脂）ｃで接着されている。
【００２０】
２５は、正のリードピン６の上端６ａが絶縁膜１２の上面１２ａにおいて位置させるための孔で、２６は同じく負リードピン７の孔、２７，２７は前記温度補償用のセンサ４の２つのリードピンのための孔である。前記赤外線透過窓２０は、熱伝導性に優れた接着剤（例えば、エポキシ樹脂）ｃでヒートシンク２１の上面２１ａに接着されている。
【００２１】
２８は感温素子９、絶縁膜１２およびヒートシンク２１を下側から支持する支持部材で、熱伝導係数の大なる金属材料、例えば、リン青銅、銅、アルミニウムなどよりなり、機械的強度に優れている。この支持部材２８は、感温素子９の冷接点１３よりも外側にまでわたる凹入部２９を上面側に有している。そして、この凹入部２９を絶縁膜１２側に向けた状態にして、ステム３および絶縁膜１２間に設けられている。すなわち、絶縁膜１２の下面１２ｂと、支持部材２８の凹入部２９を除く凹入部２９の周りの上面２８ａとが熱伝導性に優れた接着剤（例えば、エポキシ樹脂）ｃで接着される一方、支持部材２８の下面２８ｂと、ステム３の上面３ｂとが熱伝導性に優れた接着剤（例えば、エポキシ樹脂）ｃで接着されている。３３は、正のリードピン６の貫通部３４に連通する連通孔で、空隙３５によってリードピン６が支持部材２８とは電気的に絶縁された状態で上下に貫通して設けられる。なお、リードピン６を貫通させたときに空隙３５を形成することなく連通孔３３を設ける場合は、少なくとも連通孔３３の内周面に絶縁性の樹脂コーティングを施して支持部材２８と電気的に絶縁状態にしてもよい。また、図示はしないが、負リードピン７の連通孔および前記温度補償用のセンサ４の２つのリードピンのための連通孔も連通孔３３と同様に支持部材２８に形成されていることは言うまでもない。なお、凹入部２９の代わりに貫通孔を形成してもよい。
【００２２】
このように、感温素子９は、上に位置するヒートシンク２１と下に位置する支持部材２８に挟まれた状態で冷接点１３とヒートシンク２１とが熱的に結合するようにして配置されている。
【００２３】
更に、支持部材２８は、感温素子９を介して上に位置するヒートシンク２１と、下に位置するステム３に挟まれた状態で両者２１，３と熱的に結合するようにして配置されている。
【００２４】
以下、赤外線検出器の組付手順について、図４〜図９を参照して説明する。なお、図１が、図３および図２におけるγ−γ’線に沿う状態でみた赤外線検出器を示しているのに対し、図９は、例えば図３におけるγ−β線に沿う状態でみた赤外線検出器を示している。図４〜図８も例えば図３におけるγ−β線に沿う状態でみた赤外線検出器の組付手順を示している。また、図４〜図９において、図１〜図３で用いた符号と同一の符号は、同一または相当物を示す。
図４に示すように、感温素子９が形成された絶縁膜１２をヒートシンク２１に接着した後、支持部材２８を絶縁膜１２に、赤外線透過窓２０をヒートシンク２１にそれぞれ接着する〔図５参照〕。続いて、支持部材２８とステム３を接着するとともに、リードピン６，７と感温素子９の信号取り出しリード部１５，１５を接続する〔図６参照〕。
【００２５】
次に、予めはんだａ封止された赤外線透過窓３０を有する鉄系金属材料のキャン２〔図７参照〕を、リン青銅材料のヒートシンク２１の上方から挿入・嵌合する。この場合、ヒートシンク２１の複数の接触片２４は、図８のように、キャン２により下方に折曲げられてキャン内周面Ｍと熱的に接触する。つまり、キャン２をヒートシンク２１に外嵌するときに、キャン２で接触片２４を変形させ、これによって、キャン内周面Ｍおよび折曲げられた接触片２４間に隙間が生じることのない状態にできる。更に、溶接（または圧接）によってキャン２とステム３を接合して容器１が封止される。最後に、ステム３の裏側３ａに感温素子９の冷接点１３の温度補償用センサ４を搭載して赤外線検出器を得る〔図９参照〕。なお、温度補償用センサ４は、容器１内のヒートシンク２１の上面２１ａにおける赤外線透過窓２０と隣接する位置に搭載してもよい。
【００２６】
而して、赤外線透過性窓３０を通過した入射赤外線のうち、特定波長の赤外光のみが赤外線透過性窓２０を透過して受光部Ｒに至る。この際、入射赤外線による赤外線透過性窓２０の発生する熱をヒートシンク２１および支持部材２８に効率良く逃がすことができ、前記熱によって放射される赤外線が無くなるので、入射赤外線のうち赤外線透過性窓２０を透過した特定波長の赤外光だけに感温素子９が感応する。よって、視野特性の良好な熱型赤外線検出器を得ることができる。
【００２７】
また、赤外線透過性窓３０の母材であるシリコン、ゲルマニウム等の半導体と導電体の容器１がハンダａを介して電気的に結合されるので、電磁気に対するシールド性を向上でき、電気的なノイズを受けることはない。よって、長期間にわたって安定に動作する熱型赤外線検出器を得ることができる。
【００２８】
また、キャン内周面Ｍおよび折曲げられた接触片２４間に隙間が生じないので、キャン２とヒートシンク２１との熱的結合が良好になる。そして、ヒートシンク２１およびステム３間に支持部材２８を設けて熱的結合を行うようにしたので、ヒートシンク２１およびステム３間の温度差が軽減される。更に、支持部材２８が感温素子９のステム３側に位置するので、感温素子９はステム３側から放射熱や伝導熱を直接受けることがなくなる。しかも、機械的強度に優れている支持部材２８でヒートシンク２１や感温素子９を支持しているので、組付時においてリードピン６，７等を破損するなど赤外線検出器を破壊するおそれがなくなる。
【００２９】
図１０は、ステム３における支持部材２８との接着部分を所定長さＮだけ突出させて突出部４０を形成し、この突出部４０を、キャン２をヒートシンク２１に挿入・外嵌するときのガイドに構成したこの発明の第２の実施形態を示す。なお、図１０において、図１〜図９で用いた符号と同一の符号は、同一または相当物を示す。
【００３０】
なお、上記各実施形態において、ステム３と支持部材２８を同一材料で一体成形してもよく、また、支持部材２８をシリコン、ゲルマニウム等の熱伝導性が良好な半導体で形成してもよい。
【００３１】
【発明の効果】
この発明では、キャンをヒートシンクに対して外嵌するときに、キャンでヒートシンク外周縁の接触片を変形させ、これによって、キャン内周面および折曲げられた接触片間に隙間が生じることのない状態にできる。その結果、キャンの内径の寸法誤差やヒートシンクの外形の寸法誤差等があっても、キャンとヒートシンクとの熱的結合が常に良好である。
【００３２】
また、ヒートシンクおよびステム間に熱伝導率の大きい材料よりなる支持部材を設けて熱的結合を行うようにしたので、ヒートシンクおよびステム間の温度差を軽減できる。
【００３３】
更に、支持部材が感温素子のステム側に位置するので、感温素子はステム側との温度差がなくなることから、その温度差による放射熱や伝導熱を直接受けることがなくなる。
【００３４】
以上のことから、赤外線検出器の出力の誤動作がなくなる。
【００３５】
しかも、支持部材でヒートシンクや感温素子を支持しているので、組付時においてリードピンを破損する等赤外線検出器を破壊するおそれがなくなり、歩留りが向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の熱型赤外線検出器の第１の実施形態を示す断面図である。
【図２】前記熱型赤外線検出器で用いる感温素子の構成を概略的に示す平面図である。
【図３】前記熱型赤外線検出器で用いるヒートシンクの構成を概略的に示す斜視図である。
【図４】前記熱型赤外線検出器の組付の第１の手順を説明するための図である。
【図５】前記熱型赤外線検出器の組付の第２の手順を説明するための図である。
【図６】前記熱型赤外線検出器の組付の第３の手順を説明するための図である。
【図７】前記熱型赤外線検出器の組付の第４の手順を説明するための図である。
【図８】前記熱型赤外線検出器の組付の第５の手順を説明するための図である。
【図９】前記熱型赤外線検出器の組付の第６の手順を説明するための図である。
【図１０】この発明の熱型赤外線検出器の第２の実施形態を示す断面図である。
【図１１】従来例を示す断面図である。
【符号の説明】
１…容器、２…キャン、３…ステム、９…感温素子、１２…絶縁膜、１３…冷接点、２１…リン青銅材料のヒートシンク、２２…孔、２４…接触片、２８…支持部材、２９…凹入部、Ｒ…感温素子の受光部。

Claims

赤外線透過窓を設けたキャンおよびステムからなり、絶縁膜上に形成された感温素子を内蔵する容器と、前記絶縁膜を支持する状態でステムの上面に設けられ、感温素子の冷接点よりも外側にまでわたる凹入部または孔を有し、熱伝導性材料よりなる支持部材と、感温素子の受光部に対応する位置に孔を有し、前記絶縁膜上に設けられたヒートシンクとを備え、更に、前記ヒートシンクは、その外周縁に、キャンをヒートシンクに対して外嵌する組付時においてキャンにより折曲げられてキャン内周面と熱的に接触する複数の接触片を有する一方、前記ヒートシンクをリン青銅で構成したことを特徴とする熱型赤外線検出器。
前記感温素子は、二種の熱電材料を接続した複数の熱電対を直列に接続したサーモパイルよりなる一方、前記ステムには、信号取り出し用のリードピンが電気的に絶縁された状態で上下に貫通して設けられ、かつ、その貫通部に連通する連通孔が前記リードピンとは空隙を有する絶縁状態で前記支持部材に上下に貫設され、更に、前記リードピンと前記熱電対の端子とが接続されている請求項１に記載の熱型赤外線検出器。
絶縁膜上に形成された感温素子を内蔵する容器は、下部側が開放された筒状のキャンと、このキャンの下方開口側を閉塞する板状のステムとからなり、絶縁膜上に設けられた、組付前の前記ヒートシンクは、感温素子の受光部に対応する位置に孔を有するドーナツ形の本体と、この本体の外周縁から突設された複数の接触片とからなり、前記複数の接触片は、前記本体の前記外周縁において周方向に略等間隔で径方向に所定長さ分だけ前記本体から突設しており、前記複数の接触片の厚みは前記本体の厚みより小さく設定されている請求項１または請求項２に記載の熱型赤外線検出器。
感温素子、絶縁膜およびリン青銅のヒートシンクを下側から支持する支持部材が銅よりなる請求項１〜請求項３のいずれかに記載の熱型赤外線検出器。
ステムの上面に接着剤を介して支持部材を設け、ステムにおける支持部材との接着部分を所定長さだけ突出させてなる突出部を設け、この突出部を、組付時においてキャンをヒートシンクに外嵌するときのガイドに構成した請求項１に記載の熱型赤外線検出器。