JP4925258B2 - 赤外線検出器 - Google Patents

Description

本発明は人体等から放射される赤外線を焦電素子で検出するようにした赤外線検出器に関するものである。

一般に、人体を赤外線の変化量で検出する赤外線検出素子には、焦電素子と呼ばれるものが多く使用されている。このような焦電素子を用いた赤外線検出器は、防犯用の進入検知の他、照明などの負荷制御用として使われている。この赤外線検出器としては例えば図４に示すように人体の動作により発生した赤外線を、レンズ１００により焦電素子Ｘの受光部に集光させ、赤外線の変化に応じて発生する焦電素子Ｘの分極による信号を電流電圧変換回路１０１で電圧信号に変換した後、バンドパスアンプ１０２で所定の周波数帯域を選択的に増幅し、予め閾値を設定しているウィンドコンパレータ１０３から”Ｈ”、”Ｌ”レベルの検出信号を出力するタイプのものがあり、このウィンドコンパレータ１０３から出力される検出信号が負荷制御に用いられるのである。

ところで、従来の赤外線検出器には図５（ａ）に示すように焦電素子Ｘの両端部を回路基板１０４上に設けた電子回路素子からなる凸状支持部１０５、１０５間に橋渡すように固定して回路基板１０４から焦電素子Ｘを浮かして焦電素子Ｘの受光面と背方の回路基板１０４との間に熱絶縁用の空間Ｙを設け、焦電素子Ｘが赤外線を受光したときに赤外線のエネルギが逃げないようにし、焦電素子Ｘの感度を高めているものがある。そして焦電素子Ｘの電荷は非常に微小なため、非常に大きな増幅をしなければならず、その影響で、焦電素子Ｘの出力にわずかでもノイズが入ると、後段のバンドパスアンプ１０２でノイズも増幅され、本来の信号とノイズとの区別が困難となる。そこで図５（ａ）に示すように金属製のキャップ（ＣＡＮ）１０６と、ステム１０７からなる容器の中に焦電素子Ｘ及び回路基板１０４を封止してシールドを図ったパッケージ構造によって、外来ノイズを遮断している（例えば特許文献１）。尚図５（ａ）中１０８は出力用の端子ピン、１０９はキャップ１０５の赤外線通過窓で、この赤外線通過窓１０９には所定の周波数域の赤外線のみを通過させるバンドパス型の光学フィルタ１１０が装着されている。

ところで、特許文献１に開示されているパッケージ構造の赤外線検出器は、内部に電流電圧変換回路のみを設ける構成であるため、図５（ｂ）のような構成をとっており、プリント板１１１上に図５（ｂ）に示すキャップ１０６とステム１０７からなる容器内に焦電素子Ｘを内蔵した赤外線検出器のほか、レンズ１１２、更にコンデンサや抵抗、ＩＣ素子などの外付け電子回路素子１１３が実装され、上述の光学フィルタやウィンドウコンパレータ、更にはタイマ、出力アンプが付加されて用いられるのが一般的である。

一方、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように樹脂成型品で製作される３次元回路ブロック（ＭＩＤ基板）２００に、焦電素子Ｘとバンドパスアンプやとウィンドウコンパレータを構成する電子回路素子２０１を実装し、キャップ１０６とステム１０７からなる容器内に内蔵して封止することにより、小型化を図った赤外線検出器が提供されている（例えば特許文献２）。この赤外線検出器に用いる３次元回路ブロック２００は、表立面と裏立面とを形成した縦方向に起立する縦長のブロックとなっており、立面には電子回路素子２０１を実装し、上部には焦電素子Ｘの熱絶縁をとるための空間を作る凹部２０２を一体形成し、凹部２０２の両端間に焦電素子Ｘを橋渡ししてある。
特開平５−３３２８２９号公報（図１、段落番号００１５〜１００６） 特許第３２１１０７４号公報（図６〜図８及び段落番号００１８〜００２１）

上述の特許文献１に開示されているような赤外線検出器の場合、焦電素子Ｘが赤外線を受けたときに赤外線エネルギが逃げないようにするために焦電素子Ｘの受光面を回路基板１０４より浮かす支持部１０５を設けているが、この支持部１０５が回路基板１０４とは別部品であるため、別途部品実装工程が必要となりコストアップの要因となっていた。また別部品として支持部１０５を設ける場合、取り付け誤差により支持部１０５の高さが変わり、焦電素子Ｘの熱絶縁の効果にばらつきが発生するなどの問題があった。また特許文献１の赤外線検出器の場合、図５（ｂ）のような外付け回路部が必要で、そのため電子回路素子１１３を大きなプリント基板１１１に実装する構成であるため回路規模が非常に大きくなるという問題があり、昨今の小型化・薄型化の要請には答えられないという問題があり、また回路部品が外付けになると電磁ノイズの影響を受けやすくなり、ノイズ環境が悪いところでは、誤動作の要因となっていた。これを防ぐために、外付け回路部に大きなシールド板を取り付けることが必要となるという問題もあった。

一方特許文献２に開示されている赤外線検出器のように３次元回路ブロック２００を用いたものは、特許文献１に開示されている赤外線検出器の問題点を或る程度解決できる。

すなわち３次元回路ブロック２００に直接焦電素子Ｘを浮かす凹部２０２を形成するためため、部品点数削減や低コスト化が可能となり、また電子回路素子２０１を金属製のキャップとステムからなる容器に内蔵するＣＡＮパッケージとすることで、小型化が可能となる上に、バンドパスアンプやウィンドコンパレータをＩＣ化することで回路部を小型化することも可能である。また焦電素子Ｘとバンドパスアンプの入力部までの距離を短くすることができるため、プリント基板による外付け部品で増幅する方法より外来ノイズが入りにくくなり、ノイズに強い構成となる。更に焦電素子Ｘと回路部全体を金属製キャップとステムからなる容器内に内蔵してシールドすることにより、外来ノイズに非常に強い構成が実現できるという利点がある。

しかしながら、この特許文献２に開示されている赤外検出器では、３次元回路ブロック２００が縦長で起立して表立面と裏立面とを形成した回路部に電子部品やＩＣを実装しているため、パッケージが縦長になるのは避けられない。

そのため、この特許文献２に開示されている赤外線検出器を取り付ける機器の厚みに制限が発生し薄型化が困難になるなどの、更なる小型化、薄型化の要請には応えられなかった。

本発明は、上述の点に鑑みて為されたものであって、その目的とするところは薄型化と同時に部品削減が図れる赤外線検出器を提供することにある。

上述の目的を達成するために、請求項１の発明では、ステムと、該ステム上に被着するキャップとからなる容器内部に、赤外線検知素子とＩＣ素子を含む電子回路素子とを実装するとともに実装する一部の電子回路素子を内蔵した基板部を収納し、前記ステムの上面に設けた基板搭載部から前記基板部方向に突出させた端子ピンと前記基板部とを接合固定することで前記基板搭載部上方に前記基板部を固持させたものであって、前記基板部は下面を前記端子ピンの上端に当接して前記端子ピンに接合固定され、前記ステムは前記基板搭載部のみにフィルム状のエポキシ樹脂からなる絶縁層を形成していて、前記キャップには、光学フィルタを装着した赤外線通過窓を開口しており、前記光学フィルタは、４μｍ以上の波長の光を通し、それより低い赤外線をカットすることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、基板部が端子ピンによって固定保持されるためステムの基板搭載部と基板部の下面までの距離確保に別部材のスペーサを設ける必要がなく、また基板搭載部の形成した絶縁層の厚みのみでステムの基板搭載部と基板部との間の絶縁のための距離を規定できるため、基板部の下面側に実装する電子回路素子やスペーサなど形成精度を考慮した物理的な距離で基板部とステムとの間の絶縁を図る必要がなくなり、部品点数の削減と赤外線検出器全体の薄型化を同時に達成でき、またステムでは基板搭載部のみに絶縁層を形成するため、端子ピンや、キャップの下端を接合するステムのフランジの表面で電気的導通が図ることが可能で、またフランジとキャップの下端との間の封止工程に抵抗溶接等の封止工程を採用できる。

本発明は、形成精度の低いスペーサ等を用いる必要がなくなり、部品点数の削減と赤外線検出器全体の薄型化を同時に達成することができるという効果がある。

以下本発明を実施形態により説明する。
（実施形態１）
本実施形態の赤外線検出器Ａは、図１（ａ）、（ｂ）及び図２（ａ）、（ｂ）に示すように円盤状の金属製のステム１と、金属製のキャップ２とからなるＣＡＮパッケージ用の容器内に、赤外線検知素子である焦電素子Ｘと、ＩＣ素子１６やチップ状電子部品１７からなる電子回路素子とを実装するとともに例えばチップ状の電子部品１７を内蔵した基板部３を収納して構成されたものである。尚焦電素子Ｘ以外の赤外線検知素子（サーモパイルや、ボローメータ）を用いてもよい。

ステム１は中央部を周辺部より一段上方へ突出させて基板搭載部１ａを形成するとともにこの基板搭載部１ａの周部には基板搭載部１ａの面よりも低い環状のフランジ１ｂを形成している。

キャップ２は下部が開口し、天井部の中央には光学フィルタ５を装着した矩形の赤外線通過窓４を開口しており、ステム１の基板搭載部１ａの周辺のフランジ１ｂ上にキャップ２の下端周縁に突出形成した鍔部２ａを載せて抵抗溶接等によって接合することでキャップ２はステム１上に被着されて容器を形成するとともに、容器内を封止するとともに電磁シールドを行うようになっている。

赤外線通過窓４に装着する光学フィルタ５は、特定の波長域の赤外線のみを通過させるもので、外乱光の影響を低減するためのもので、人体検知の場合、おおよそ４μｍ以上の波長の光を通し、それより低い赤外線をカットするようにコーティングを施したものを用いる。

基板部３は、ガラスエポキシ等から形成された回路基板７と、この回路基板７上に配置形成される樹脂層体８と、この樹脂層体８上に配置されるガラスエポキシ等から形成された基板９と、この基板９上に配置形成される樹脂層体１０とからなる多層構造の基板ユニットから構成され、樹脂層体１０、８は基板７、９に一体的に積層されるように形成される。

基板部３の上面となる樹脂層体１０の上面中央部には凹部１１を形成しており、この凹部１１は焦電素子Ｘの検知部（受光面）を空中に浮かすことによって熱絶縁を図るためのもので、凹部１１の両側の樹脂層体１０の上面部位が焦電素子Ｘの両側を支える支持受け部を構成する。この支持受け部には焦電素子Ｘの両側の電極を接合するランド（図示せず）を設けている。

このように基板部３の上面に設けた凹部１１で焦電素子Ｘの検知部の熱絶縁を図ることで、非常に感度の高い測定を可能としている。

基板９は、焦電素子Ｘの出力と後段のバンドパスアンプ（図４参照）との容量結合などによる発振現象を防ぐための金属箔（例えば銅箔）により形成したシールド層（図示せず）を上面又は下面若しくは両面に形成している。尚銅箔や金属板層のみでシールド層を形成しても勿論良い。また焦電素子Ｘの増幅部で余り大きく増幅しない場合は、容量結合などによる発振現象が起こりにくいため、シールド層を設けなくても良いため基板９を省略することができる。

最下層となる回路基板７は図１に示すように下面側に増幅器（図４参照）やウィンドウコンパレータ（図４参照）を構成するＩＣ素子１６を実装し、上面には図２（ｅ）に示すようにチップ状電子部品１７を実装する面とし、夫々の面にはこれら電子回路素子を接続することで赤外線検出器として必要な回路部を構成するための回路パターン（図示せず）を形成している。そしてチップ状電子部品１７をリフロー半田により回路パターンに接続実装し、ＩＣ素子１６をフリップチップ（或いはワイヤボンディング）により回路パターンに実装している。

回路基板７の上部と基板９との間に配置形成される樹脂層体８は回路基板７の上面側に実装された電子部品１７を内蔵する（埋め込む）ことで多層基板ユニット構造である基板部３全体の薄型化を図っている。

上述のように構成される回路基板７、樹脂層体８、基板９、樹脂層体１０が積層されて多層の基板部３が構成されることになり、焦電素子Ｘの出力は基板部３の上面側から貫通させ、内面に導電メッキを施したスルーホール（図示せず）を介してＩＣ素子１６及び電子部品１７から構成される回路部に電気的に接続され、また上述のシールド層が所定の電位部位（例えばグランド電位）に接続されることになる。

ここで容器をキャップ２とで構成するステム１は金属製（ＳＰＣ、コバールなど）であって、上述したように中央部に基板搭載部１ａを形成するとともに、その周部にフランジ１ｂを形成し、基板搭載部１ａの上面のみに所定の耐電圧規格によって設定された厚み（例えば０．０５ｍｍ程度）の絶縁層６を形成している。尚絶縁層６は、Ｂステージ（未架橋状態）でフィルム状のエポキシ樹脂に対して予め端子ピン１２の位置をくり抜き、この端子ピン１２をくり抜いたフィルム状のエポキシ樹脂をステム１の基盤搭載部１ａ上面に治具によってスタンピングすることで形成している。

そして基板搭載部１ａには周方向に所定間隔を開けた位置で３本の端子ピン１２を貫通保持しており、３本の端子ピン１２の内グランド電位に接続する端子ピン１２は基板搭載部１ａ及び絶縁層６に直接貫通するとともに、基板搭載部１ａの下面側において半田１３により貫通部位を封止する形でステム１に固定保持され、その他の端子ピン１２は基板搭載部１ａに貫通させた孔１ｃを埋める形で設けたガラス等の絶縁材１４にインサートされることでステム１に固定保持されている。尚絶縁材１４の上面に対応する絶縁層６の部位には絶縁材１４の直径相当の孔６ａを形成してある。

而して赤外線検出器を組み立てるに当たっては、まず上述のように基板部３の下面に各端子ピン１２に対応して設けたランド（図示せず）を端子ピン１２の上端に当接し、各ランド１２を対応する端子ピン１２に対して銀ペースト若しくは半田などの導電材（図示せず）で接合固定することで、ステム１の基板搭載部１ａの上方に配置固定するとともに回路基板７に形成した回路パターンと電気的に接続することで基板部３の回路から出力を端子ピン１２を通じて容器外へ取り出すことができるようになる。

ここで端子ピン１２の上端で基板部３下面を固定保持するとともに、絶縁層６を基板搭載部１ａの上面に形成していることで、スペーサを必要とせず、しかも端子ピン１２の上端から絶縁層６の上面までの距離を、回路基板７の下面に実装するＩＣ素子１６の厚み寸法に対応させても絶縁層６によって所定の絶縁性能を確保することで、基板部３の上面の高さ位置を低くしてある。

さて基板部３をステム１の基板搭載部１ａの上方に配置固定した後、キャップ２の鍔部３ａをステム１のフランジ１ａ上に載せて抵抗溶接等により接合して封止することで、ステム１とキャップ２とからなる気密構造の容器内に基板部３を収納した所望の赤外線検出器Ａが完成することになる。

このように完成された本実施形態の赤外線検出器Ａは、薄型且つ小型で、信頼性の高いものとなる。

更に基板９のシールド層により焦電素子Ｘの出力と増幅された後段出力の距離が近くなることに起因する容量結合の問題を解消できる。つまり焦電素子Ｘの下部層に、特定電位若しくはグランド電位をもつシールド層を設けることで、焦電素子Ｘとその下部の回路部との容量結合を遮断し、これにより非常に精度の高い測定が可能になる。

尚焦電素子Ｘの受光面に対向するように別部品の集光用レンズを設ける場合、基板部３の上面側に実装される焦電素子Ｘと、集光用レンズとの間の位置精度を高くすることができ、感度などの検出性能を向上させることも可能となる。
（実施形態２）
上記実施形態１では端子ピン１２の上端を基板部３の下面に接合させて基板部３を固定保持する構成であったが、本実施形態では、図３（ａ）、（ｂ）に示すように基板部３を上下方向に貫通させた貫通孔１８に端子ピン１２を貫挿させてその端子ピン１２の上端を基板部３の上面に設けた電極等の接続部１９に半田付けや導電性接着剤で接合固定させるものであって、基板部３の下面側に実装するフリップチップ実装するＩＣ素子１６の平坦な面を基板搭載部１ａの上面に絶縁性の接着剤２０で接合固定することで、基板部３の下面とステム１の基板搭載部１ａの上面との間の距離を確保し、スペーサを不要としている。

而して本実施形態の赤外線検出器Ａでは、スペーサが不要となる上にその分だけ高さ寸法を小さくすることが可能となって、部品点数の削減と全体構成の薄型化が図れる。また精度の低い別部品であるスペーサを用いないため回路ブロック３の上面側に実装される焦電素子Ｘと、別部品として設ける例えば集光用レンズとの間の位置精度が高くなって感度などの検出性能を向上させることも可能となる。

尚上述以外の構成は実施形態と同じであるため、図３（ａ）、（ｂ）において、図１（ａ）、（ｂ）及び図２（ａ）、（ｂ）で示す構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付し、説明を省略する。

（ａ）は実施形態１の断面図、（ｂ）は実施形態１の斜めから見た断面図である。 （ａ）は実施形態１の斜視図、（ｂ）はキャップを外した状態の斜視図である。 （ａ）は実施形態２の断面図、（ｂ）は実施形態２の斜めから見た断面図である。 赤外線検出器の回路構成図である。 （ａ）は従来例の断面図、（ｂ）は従来例の実使用時の分解斜視図である。 （ａ）は別の従来例の３次元回路ブロックの分解斜視図、（ｂ）は別の従来例のキャップを外した状態の斜視図、（ｃ）は別の従来例の斜視図である。

符号の説明

１ ステム
１ａ 基板搭載部
１ｂ フランジ
２ キャップ
３ 基板部
４ 赤外線通過窓
５ 光学フィルタ
６ 絶縁層
６ａ 孔
７ 回路基板
８ 樹脂層体
９ 基板
１０ 樹脂層体
１１ 凹部
１２ 端子ピン
１３ 半田
１６ ＩＣ素子
１７ 電子部品
Ａ 赤外線検出器
Ｘ 焦電素子

Claims (1)

1. ステムと、該ステム上に被着するキャップとからなる容器内部に、赤外線検知素子とＩＣ素子を含む電子回路素子とを実装するとともに実装する一部の電子回路素子を内蔵した基板部を収納し、前記ステムの上面に設けた基板搭載部から前記基板部方向に突出させた端子ピンと前記基板部とを接合固定することで前記基板搭載部上方に前記基板部を固持させたものであって、
   前記基板部は下面を前記端子ピンの上端に当接して前記端子ピンに接合固定され、前記ステムは前記基板搭載部のみにフィルム状のエポキシ樹脂からなる絶縁層を形成していて、
   前記キャップには、光学フィルタを装着した赤外線通過窓を開口しており、
   前記光学フィルタは、４μｍ以上の波長の光を通し、それより低い赤外線をカットすることを特徴とする赤外線検出器。

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