JP5296353B2

JP5296353B2 - センサ

Info

Publication number: JP5296353B2
Application number: JP2007230592A
Authority: JP
Inventors: 秀成松熊; 浩仁林; 大佐々木
Original assignee: Hochiki Corp; Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Hochiki Corp; Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2007-09-05
Filing date: 2007-09-05
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2027-09-05
Also published as: JP2009063376A

Description

本発明は、光を検出して電気信号を出力するセンサに関する。

従来から、光を検出して電気信号を出力するセンサとして、様々な作動原理を利用したセンサが用いられている。例えば焦電センサが、赤外領域の波長を有する光である赤外線を検出するためのセンサとしての用途等に用いられている。焦電センサは、焦電効果、すなわち電気的に分極している強誘電体（以下では焦電体と呼ぶ）に赤外線のような熱エネルギーが与えられた場合に、焦電体の自発分極に変化が発生し、その変化量に比例して焦電体表面に電荷が誘起される効果を利用して光電変換を行うセンサであり、例えば特許文献１に記載されているように、外部からの赤外線を通す開口部を有するパッケージ、開口部を覆うように設置され赤外線を透過させるフィルタ、パッケージの内部に収容されている回路基板、及び、回路基板上に実装された焦電素子を備えている。

焦電素子は、焦電体と、焦電体の表面で生じる電荷の増減を電気出力として取り出すために当該焦電体の表面に形成された電極とを備えている。また、焦電体の両表面に形成されている電極のうち受光面側に形成された受光電極の表面には、赤外線の吸収率を向上させるための黒化膜が形成されており、受光電極の表面において赤外線を高感度で検出可能となっている。

また、赤外線を透過させるフィルタを、特定の現象において発生する所定の波長帯域の赤外線のみを選択的に検出する目的で設ける場合もある。例えば炎検出を目的とする場合には、燃焼によって発生する二酸化炭素の共鳴放射帯である４．３μｍ付近の赤外線を選択透過させる干渉フィルタが用いられている。

特開２００６−１０５８３７号公報

ところで、上述のようにパッケージの開口部を設ける場合において、焦電素子における受光電極の面積を最大限活用し所定の視野及び出力を得るため、図７に示すように、焦電素子の受光電極に対して開口部の開口径を大きくしていた。これに伴って、開口部を覆うように設置されているフィルタの外径も大きくする必要があった。しかし、焦電センサの構成部品の中でもフィルタは最も高価な部品のひとつであり焦電センサのコストに占める割合が大きい。従ってフィルタを大きくすることによって焦電センサのコストも高くなってしまっていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、従来と同等以上の視野を確保しつつフィルタの外径を小型化することによりコストを低減したセンサを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１に記載の本発明は、光が照射されると電気信号を出力する光検出手段と、前記光検出手段を収容する収容体と、前記収容体に穿設され、当該収容体の外部から前記光検出手段へ光を通過させる開口と、を備え、前記光検出手段における光を検出する領域である有効検出領域と前記開口とを所定の位置関係に固定配置した炎検出用のセンサにおいて、前記開口の開口面と略直交する方向から当該開口面に対して前記有効検出領域を投影し、当該有効検出領域の投影像と前記開口面とを重畳させた場合に、前記有効検出領域の投影像と前記開口の周縁の全部又は一部とが重畳するように、前記有効検出領域を形成し、前記光検出手段を、複数の焦電体と、当該複数の焦電体の各々の表面であって同一平面内の表面に設けられた受光電極と、を備えた焦電素子として形成し、複数の前記受光電極を内包する領域を、前記有効検出領域とし、前記収容体の外部から前記開口を介して前記複数の受光電極のうちの一部の受光電極に光を通過させる視野角範囲と、前記収容体の外部から前記開口を介して前記複数の受光電極のうちの他の受光電極に光を通過させる視野角範囲と、の相互の重複範囲を、前記有効検出領域の一部とすることを特徴とする。

また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の本発明において、前記開口と前記有効検出領域とを、互いに相似の形状としたことを特徴とする。

また、請求項３に記載の本発明は、請求項１又は２に記載の本発明において、前記収容体の外部から前記光検出手段に対して所定の波長帯域の光を選択透過させるフィルタを備え、前記フィルタは、前記開口を塞ぐように配置されていることを特徴とする。

請求項１に記載の本発明によれば、開口の開口径を縮小する一方で、センサの有効検出領域の外径を開口の開口径以上の大きさとしたので、センサの広視野を確保しつつ、開口の開口径を縮小することができる。これに伴って、開口に取り付けられているフィルタのサイズを縮小することが出来るので、高価なフィルタのコストを低減することができ、センサとしてのコストを大幅に低減することができる。
また、焦電体の表面に設けられた受光電極の外径を開口の開口径以上の大きさとしたので、焦電センサの広視野を確保しつつ開口径を縮小することが出来、これに伴ってフィルタのサイズを縮小することができる。従って、焦電センサのコストを大幅に低減することができる。
また、複数の受光電極の最外周の少なくとも一部を、開口の周縁と同じ位置、あるいは開口の周縁よりも外側に位置するように配置したので、センサの広い視野を確保しつつ、開口の大きさを縮小することができる。また、個々の受光電極を大径化する必要がないので、センサの応答性能の低下を避けることができる。
また、複数の焦電体のそれぞれの表面に受光電極を配置しているので、例えば焦電体のうちの１つに不具合が生じた場合でも、他の焦電体にて動作を維持することができ、センサとしての動作を保つことができる。

また、請求項２に記載の本発明によれば、開口と有効検出領域とを、互いに相似の形状としたので、開口を通過した光を、有効検出領域全体に効果的に照射させることができる。特に、有効検出領域が単一の受光電極で構成されている場合などは、光軸周りの視野角度、範囲を容易に把握出来る。

また、請求項３に記載の本発明によれば、フィルタの外径を開口の開口径と同等以上としているので、開口の開口径を縮小することにより、当該開口径の縮小と比例してフィルタの外径も縮小することができ、フィルタに要するコストを低減することができる。

以下に添付図面を参照して、この発明に係るセンサの各実施の形態を詳細に説明する。まず、〔Ｉ〕各実施の形態の基本的概念を説明した後、〔II〕各実施の形態の具体的内容について説明し、〔III〕最後に、各実施の形態に対する変形例について説明する。ただし、各実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

〔Ｉ〕各実施の形態の基本的概念
まず、各実施の形態に共通の基本的概念について説明する。各実施の形態に係るセンサは、光の検出を目的とするものである。ここで「光」とは、いわゆる可視光線に限られず、光学的に観測可能な電磁波全般を含むものとする。

各実施の形態に係るセンサの具体的構成は任意であり、光を検出する光検出手段と、外部から検出素子へ光を通過させる開口とを備える、全てのセンサに本発明を適用できる。例えば、赤外線を検出する焦電センサやサーモパイルに適用することができ、あるいは、可視光を検出するフォトダイオードに適用することができる。

各実施の形態に係るセンサの特徴の一つは、概略的に、光を検出する領域である有効検出領域の中心と開口部の中心とを重ねたときに、開口部の周縁の全部または一部が有効検出領域の最外縁の内側に含まれるように、有効検出領域及び開口部の形状・サイズを形成したことにある。例えば、有効検出領域及び開口部の形状がともに円形であり、同軸上に配置される場合には、有効検出領域の外径と比較して開口部の開口径を小さくする。さらに、所定の受光視野を確保するために、有効検出領域の外径を適宜大きくする、あるいは、有効検出領域と開口部との間隔を適宜小さくする等、有効検出領域と開口部とを適切に配置したことにある。これにより、受光視野を縮減することなく、フィルタを小型化することができ、コスト低減を実現することができる。

〔II〕各実施の形態の具体的内容
次に、本発明に係る各実施の形態の具体的内容について説明する。なお、上述の如く各実施の形態に係るセンサの検出対象は任意であるが、以下では赤外線を検出する焦電センサを例に挙げて説明を行う。

〔実施の形態１〕
まず実施の形態１について説明する。この形態は、焦電体の表面に設けられた受光電極の外径を開口径と同一、又は開口径よりも大きくした形態である。

（焦電センサの構成）
まず、焦電センサの構成を説明する。図１は本実施の形態１に係る焦電センサの外観図、図２は図１に示した焦電センサの側断面図である。図２に示すように、焦電センサ１は、ステム１０、回路部１１、ケース１２、及び、フィルタ１３を備えている。

（焦電センサの構成−ステム１０）
ステム１０は、焦電センサ１の基礎となる部分であり、ベース１００及びリード端子１０１を備えている。ベース１００は、後述する基板１１０をリード端子１０１を介して搭載するためのものであり、略平板体として形成されている。リード端子１０１は、基板１１０を保持するための支持構造であるとともに、焦電センサ１の外部の回路と基板１１０とを電気的に接続するための端子でもある。リード端子１０１は、その長手方向がベース１００の平板面と略直交するようにベース１００に対して挿通及び固定されている。

（焦電センサの構成−回路部１１）
回路部１１は、焦電センサ１を機能させるために必要な電子部品を搭載しており、具体的には、基板１１０、抵抗１１１、コンデンサ１１２、ＦＥＴ１１３、及び、焦電素子１１４を備えている。基板１１０は、抵抗１１１や焦電素子１１４等の電子部品を搭載する絶縁体であり、これらの電子部品を電気的に接続するための配線を有している。また、基板１１０はリード端子１０１を介してベース１００上に固定されており、このリード端子１０１を介して当該基板１１０と焦電センサ１の外部の回路とを電気的に接続させることができる。抵抗１１１、コンデンサ１１２、及び、ＦＥＴ１１３は、焦電素子１１４の電気出力を電気信号として焦電センサ１の外部に出力するための電子部品であり、それぞれが基板１１０の配線上に実装されている。焦電素子１１４は、赤外線のような光（熱線）エネルギーが与えられた場合において、その光（熱線）エネルギーの変動に応じて電気出力するものであり、特許請求の範囲における光検出手段に対応している。焦電素子１１４は、焦電体１１４ａ、受光電極１１４ｂ、及び、取出電極１１４ｃを備えている。焦電体１１４ａは、電気的に分極している強誘電体であって、温度変化が生じると自発分極に変化が生じる性質を有するものである。焦電体１１４ａとして用いられる具体的な材料は任意であるが、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミック等を用いることができる。受光電極１１４ｂ及び取出電極１１４ｃは、焦電体１１４ａと基板１１０上の回路とを電気的に接続することにより、焦電体１１４ａの自発分極の変化により当該焦電体１１４ａの表面に誘起された電荷を外部へと取り出すための電極であり、焦電体１１４ａの表面に形成されている。受光電極１１４ｂ及び取出電極１１４ｃの材料は任意であるが、例えば耐食性に優れたモネルを用いることができる。また、受光電極１１４ｂの表面には、赤外線の吸収率を向上させるための熱吸収膜が設けられている（図示せず）。熱吸収膜の材料や形成方法は任意であるが、例えば、受光電極１１４ｂの表面に黒色のスクリーンインキを印刷することによって設けることができる。

略平板状の基板１１０の両面のうち、ベース１００と対向している面には抵抗１１１、コンデンサ１１２、及び、ＦＥＴ１１３が実装され、他方の面には焦電素子１１４が実装されている。この焦電素子１１４が実装されている側の面が後述するフィルタ１３と対向して配置されており、フィルタ１３を透過して入射した赤外線が焦電素子１１４によって受光されるようになっている。詳細には、熱吸収膜が設けられている受光電極１１４ｂの部分が赤外線を有効に検出可能な有効検出領域となっており、本実施の形態では円形状に形成されている。この有効検出領域に照射された赤外線に基づいて焦電素子１１４から電気出力が発生する。

焦電素子１１４の受光電極１１４ｂ及び取出電極１１４ｃと基板１１０の配線との間は、導電性接着剤によって電気的に接続されている。この内、取出電極１１４ｃは配線を介してＦＥＴ１１３のゲートに接続されている。また、導電性接着剤によって、焦電素子１１４は基板１１０に機械的にも固定されている。

（焦電センサの構成−ケース１２）
ケース１２は、回路部１１を収容して焦電素子１１４を外乱光や外部環境から防護するためのものであり、特許請求の範囲における収容体に対応している。ケース１２は、一方の端面が開放された略円筒形状を有している。この開放された端面にはステム１０のベース１００に嵌め込み接着されており、ケース１２とベース１００とで囲繞された空間の内部に回路部１１を収容することができる。また、他方の端面の中央近傍には円形の開口部１２０が設けられている。開口部１２０は、焦電センサ１の外部から当該焦電センサ１に向かって照射されている赤外線を、後述するフィルタ１３を通して焦電センサ１の内部の受光電極１１４ｂまで通過させるためのものであり、特許請求の範囲における開口に対応している。開口部１２０の具体的な形状は任意であり、例えば円形や方形とすることができる。また、開口部１２０の大きさは、後述するように受光電極１１４ｂとの相互の位置関係に基づいて決定される。

（焦電センサの構成−フィルタ１３）
フィルタ１３は、焦電センサ１の検出対象に応じて特定の波長帯の赤外線を焦電センサ１の内部の受光電極１１４ｂまで透過させるためのものであり、開口部１２０に装着されている。フィルタ１３の具体的な形状は任意であるが、開口部１２０全体をフィルタ１３で覆うために、当該フィルタ１３の外径が少なくとも開口部１２０の開口径と同等以上になるように形成されている。

（焦電センサの構成−受光電極１１４ｂと開口部１２０との相互関係）
次に、受光電極１１４ｂと開口部１２０との配置における相互関係について説明する。図３は受光電極１１４ｂ及び開口部１２０の配置と焦電センサ１の視野との関係を示した側断面図である。

本発明にかかる焦電センサ１においては、受光電極１１４ｂ及び開口部１２０の大きさ、及び、受光電極１１４ｂと開口部１２０との距離（図３のｄ）が、焦電センサ１に要求される視野角を満足するように決定される。具体的には、図３に示すように、受光電極１１４ｂの最外周の任意の点と開口部１２０の周縁の任意の点とを結ぶ直線を全て内包する円錐において、その頂角αが焦電センサ１の視野角に対応している。この頂角αが焦電センサ１に要求される視野角以上の大きさとなるように、受光電極１１４ｂと開口部１２０との相互関係を決定する。本発明に係る焦電センサ１においては、開口部１２０の開口径を縮小する一方で、焦電素子１１４の受光電極１１４ｂの外径を拡大し開口部１２０の開口径以上の大きさとすることで、頂角αについては従来と同等の大きさが確保されている。従って、焦電センサ１の視野は従来と同程度に維持されている。あるいは、開口部１２０と受光電極１１４ｂとの距離ｄを小さくすることで、頂角αの大きさを維持しつつ開口部１２０の開口径を縮小することもできる。

このように、開口部１２０の大きさ、受光電極１１４ｂ（有効検出領域）の大きさ、あるいは、互いの配置関係、たとえば距離ｄを適宜に調整することによって幾何学的視野角度である頂角αを決定することが出来る。ここで、距離ｄには各部品の寸法精度や組み立て精度、信頼性等の観点から許容し得る最小寸法があり、それ以上に短くすることは出来ない。またフィルタ１３のフィルタ面における入射臨界角を超える広角視野を得ることは出来ないので、たとえば受光電極１１４ｂの大きさにも、実質的な効果を得られる上限が存在する。同様に、フィルタ１３にも寸法下限値が存在する。

ここでは幾何学的限界視野角についてのみ説明しているが、実際には当該視野角の範囲において感度分布が存在しており、この感度分布は上記の寸法、配置調整によっても変化する。すなわち、幾何学的限界視野角を調整するとその視野角範囲内でのセンサの感度分布も変化するので、検出光源（熱源）の種類や規模、必要な検出範囲等、センサの用途目的によって適切に選択することになるが、本発明は少なくとも、安価に、比較的広い幾何学的視野角度を確保できるという効果を奏する。

なお上述の感度分布は概略的に、フィルタ１３の入射角度−透過率特性と、受光電極１１４ｂの入射角度―感度特性（受光電極１１４ｂ上の任意の各点での光の入射角に対する感度特性（たとえば余弦則）の集積結果）を重ね合わせた結果を、開口部１２０の外側で遮断切除したものになる。

（実施の形態１の効果）
このように実施の形態１によれば、開口部１２０の開口径を縮小する一方で、焦電センサ１における赤外線の有効検出領域である受光電極１１４ｂの外径を開口部１２０の開口径以上の大きさとしたので、焦電センサ１の広視野を確保しつつ、開口部１２０の開口径と同等以上の外径を有するフィルタ１３の大きさを縮小することができる。これにより、高価なフィルタ１３のコストを低減することができ、焦電センサ１としてのコストを大幅に低減することができる。

〔実施の形態２〕
次に、実施の形態２について説明する。この形態は、複数の受光電極を二次元的に配置した形態である。

図４は本実施の形態２に係る二つの受光電極１１４ｂを焦電体１１４ａ上に配置した焦電センサ１の正面図、図５は四つの受光電極１１４ｂを焦電体１１４ａ上に配置した焦電センサ１の正面図、図６は図４に示した焦電センサ１の側断面図である。なお、実施の形態２の構成は、特記する場合を除いて実施の形態１の構成と略同一であり、実施の形態１の構成と略同一の構成についてはこの実施の形態１で用いたのと同一の符号及び／又は名称を必要に応じて付して、その説明を省略する。

（焦電センサの構成−回路部１１）
実施の形態１では、受光電極１１４ｂを大径化することにより、焦電センサ１の視野を維持しつつ開口部１２０及びフィルタ１３の小径化を実現している。しかし、受光電極１１４ｂを大径化した場合、ホワイトノイズに対する耐性は向上するものの、電極の電気容量が増大するためにセンサとしての応答速度が遅くなる傾向がある。これが問題となる場合には、小径化した複数の受光電極１１４ｂを二次元的に配置することにより、受光電極１１４ｂを大径化した場合と同等の有効検出領域を得ることができる。

本実施の形態２に係る回路部１１においては、焦電体１１４ａの表面に複数の受光電極１１４ｂが二次元的に配置されている。例えば、図４に示すように、円形の二つの受光電極１１４ｂが焦電体１１４ａ上に配置されている。あるいは、図５に示すように円形の四つの受光電極１１４ｂを焦電体１１４ａ上に配置してもよい。以下では、図４に示した二つの受光電極１１４ｂを備える焦電センサ１を例にとって説明する。

図４に示した焦電センサ１における視野は、図６に示すように、各受光電極１１４ｂの最外周の任意の点と開口部１２０の周縁の任意の点とを結ぶ直線全てを内包する円錐において、その頂角βが焦電センサ１の視野角に対応している。従って、実施の形態１と同様に、この頂角βが焦電センサ１に要求される視野角以上の大きさとなるように、受光電極１１４ｂと開口部１２０との相互関係を決定する。本実施の形態２に係る焦電センサ１では、開口部１２０の開口径を縮小する一方で、焦電センサ１の外部における開口部１２０と対向する位置から焦電センサ１を見た場合に、複数の受光電極１１４ｂの最外周の少なくとも一部を開口部１２０の周縁と同じ位置、あるいは周縁よりも外側に配置しているので、頂角βについては従来と同等の大きさが確保されている。従って、焦電センサ１の視野は従来と同程度に維持されている。

（実施の形態２の効果）
このように実施の形態２によれば、複数の受光電極１１４ｂの最外周の少なくとも一部を開口部１２０の周縁と同じ位置、あるいは周縁よりも外側に配置したので、焦電センサ１の広い視野を確保しつつ、開口部１２０に装着されるフィルタ１３の大きさを縮小することができる。また、個々の受光電極１１４ｂを大径化する必要がないので、焦電センサ１の応答速度の低下を避けることができる。

また、複数の受光電極１１４ｂを単一の焦電体１１４ａの表面に配置しているので、焦電体１１４ａの配置調整を行わなくとも、開口部１２０に対する受光電極１１４ｂの配置調整を容易に行うことができる。

〔III〕各実施の形態に対する変形例
以上、本発明に係る各実施の形態について説明したが、本発明の具体的な構成及び手段は、特許請求の範囲に記載した各発明の技術的思想の範囲内において、任意に改変及び改良することができる。以下、このような変形例について説明する。

（解決しようとする課題や発明の効果について）
まず、発明が解決しようとする課題や発明の効果は、前記した内容に限定されるものではなく、本発明によって、前記に記載されていない課題を解決したり、前記に記載されていない効果を奏することもでき、また、記載されている課題の一部のみを解決したり、記載されている効果の一部のみを奏することがある。

（センサについて）
上述の各実施の形態では、赤外線を検出する焦電センサを例に挙げて説明したが、同様の構造を有する他のセンサにも本発明を適用することができる。例えば、焦電センサと同様に赤外線を検出できるサーモパイルに適用する場合には、赤外線を検出する部分である温接点（熱電対が多数直列に接続されている部分）の外径をケースの開口部の開口径以上の大きさとすることで、サーモパイルの広い視野を確保しつつ、開口部に装着されるフィルタの大きさを縮小することができる。また、可視光を検出するフォトダイオードに適用する場合には、可視光を検出する受光面の外径をケースの開口部の開口径以上の大きさとすることで、フォトダイオードの広い視野を確保しつつ、開口部に装着されるフィルタの大きさを縮小することができる。

（複数の受光電極を備える場合について）
実施の形態２では、複数の受光電極を単一の焦電体の表面に配置した場合を例に挙げて説明したが、複数の焦電体のそれぞれの表面に受光電極を配置してもよい。これにより、例えば焦電体のうちの１つに不具合が生じた場合でも、他の焦電体にて動作を維持することができ、センサとしての動作を保つことができる。

この発明に係るセンサは、光を検出して電気信号を出力するセンサに適用でき、従来と同等以上の視野を確保しつつフィルタの外径を小型化することによりコストを低減したセンサに有用である。

本実施の形態１に係る焦電センサの外観図である。図１に示した焦電センサの側断面図である。受光電極１１４ｂ及び開口部１２０の配置と焦電センサ１の視野との関係を示した側断面図である。本実施の形態２に係る二つの受光電極１１４ｂを焦電体１１４ａ上に配置した焦電センサ１の正面図である。四つの受光電極１１４ｂを焦電体１１４ａ上に配置した焦電センサ１の正面図である。図４に示した焦電センサ１の側断面図である。従来の焦電センサにおける受光電極及び開口部の配置と焦電センサの視野との関係を示した側断面図である。

符号の説明

１焦電センサ
１０ステム
１１回路部
１２ケース
１３フィルタ
１００ベース
１０１リード端子
１１０基板
１１１抵抗
１１２コンデンサ
１１３ＦＥＴ
１１４焦電素子
１１４ａ焦電体
１１４ｂ受光電極
１１４ｃ取出電極
１２０開口部

Claims

光が照射されると電気信号を出力する光検出手段と、
前記光検出手段を収容する収容体と、
前記収容体に穿設され、当該収容体の外部から前記光検出手段へ光を通過させる開口と、を備え、
前記光検出手段における光を検出する領域である有効検出領域と前記開口とを所定の位置関係に固定配置した炎検出用のセンサにおいて、
前記開口の開口面と略直交する方向から当該開口面に対して前記有効検出領域を投影し、当該有効検出領域の投影像と前記開口面とを重畳させた場合に、前記有効検出領域の投影像と前記開口の周縁の全部又は一部とが重畳するように、前記有効検出領域を形成し、
前記光検出手段を、複数の焦電体と、当該複数の焦電体の各々の表面であって同一平面内の表面に設けられた受光電極と、を備えた焦電素子として形成し、
複数の前記受光電極を内包する領域を、前記有効検出領域とし、
前記収容体の外部から前記開口を介して前記複数の受光電極のうちの一部の受光電極に光を通過させる視野角範囲と、前記収容体の外部から前記開口を介して前記複数の受光電極のうちの他の受光電極に光を通過させる視野角範囲と、の相互の重複範囲を、前記有効検出領域の一部とすること、
を特徴とするセンサ。
前記開口と前記有効検出領域とを、互いに相似の形状としたこと、
を特徴とする請求項１に記載のセンサ。
前記収容体の外部から前記光検出手段に対して所定の波長帯域の光を選択透過させるフィルタを備え、
前記フィルタは、前記開口を塞ぐように配置されていること、
を特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ。