JP5838347B2 - 赤外線式炎検知器 - Google Patents

赤外線式炎検知器 Download PDF

Info

Publication number
JP5838347B2
JP5838347B2 JP2011545201A JP2011545201A JP5838347B2 JP 5838347 B2 JP5838347 B2 JP 5838347B2 JP 2011545201 A JP2011545201 A JP 2011545201A JP 2011545201 A JP2011545201 A JP 2011545201A JP 5838347 B2 JP5838347 B2 JP 5838347B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
infrared
wavelength
filter
film
infrared light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2011545201A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2011071011A1 (ja
Inventor
西川 尚之
尚之 西川
渡部 祥文
祥文 渡部
雄一 稲葉
雄一 稲葉
孝彦 平井
孝彦 平井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Original Assignee
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd filed Critical Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority to JP2011545201A priority Critical patent/JP5838347B2/ja
Publication of JPWO2011071011A1 publication Critical patent/JPWO2011071011A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5838347B2 publication Critical patent/JP5838347B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02Details
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/34Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using capacitors, e.g. pyroelectric capacitors
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02Details
    • G01J1/04Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/0014Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry for sensing the radiation from gases, flames
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/0014Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry for sensing the radiation from gases, flames
    • G01J5/0018Flames, plasma or welding
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02Constructional details
    • G01J5/04Casings
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02Constructional details
    • G01J5/04Casings
    • G01J5/041Mountings in enclosures or in a particular environment
    • G01J5/045Sealings; Vacuum enclosures; Encapsulated packages; Wafer bonding structures; Getter arrangements
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02Constructional details
    • G01J5/08Optical arrangements
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02Constructional details
    • G01J5/08Optical arrangements
    • G01J5/0801Means for wavelength selection or discrimination
    • G01J5/0802Optical filters
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02Constructional details
    • G01J5/08Optical arrangements
    • G01J5/0875Windows; Arrangements for fastening thereof
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/60Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using determination of colour temperature
    • G01J5/602Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using determination of colour temperature using selective, monochromatic or bandpass filtering
    • GPHYSICS
    • G08SIGNALLING
    • G08BSIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B17/00Fire alarms; Alarms responsive to explosion
    • G08B17/12Actuation by presence of radiation or particles, e.g. of infrared radiation or of ions
    • GPHYSICS
    • G08SIGNALLING
    • G08BSIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B17/00Fire alarms; Alarms responsive to explosion
    • G08B17/12Actuation by presence of radiation or particles, e.g. of infrared radiation or of ions
    • G08B17/125Actuation by presence of radiation or particles, e.g. of infrared radiation or of ions by using a video camera to detect fire or smoke
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02Details
    • G01J1/04Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
    • G01J1/0488Optical or mechanical part supplementary adjustable parts with spectral filtering

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Emergency Management (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Fire-Detection Mechanisms (AREA)

Description

本発明は、赤外線式炎検知器に関するものである。
従来から、火災時に炎の中の炭酸ガス(COガス)の共鳴放射(CO共鳴放射とも呼ばれている)により発生する特定波長(4.3μmないし4.4μm)の赤外線を検出して炎検知を行う赤外線式炎検知器が各所で研究開発されている(例えば、日本公開特許公報特開平3−78899号公報:特許文献1)。
ここにおいて、CO共鳴放射により発生する赤外線は、図23に示すように、太陽光や高温物体あるいは低温物体から放射される赤外線の相対強度スペクトル分布とは大きく異なることや、放射される赤外線量が常に変動し、変動周波数が1〜15Hzの間に集中することが広く知られている(例えば、空気調和・衛生工学会、“2.赤外線3波長式炎検知器”、〔online〕、〔平成21年3月21日検索〕、インターネット<URL:http://www.shasej.org/gakkaishi/0109/0109-koza-02.html>:非特許文献1)。
ところで、上記非特許文献1には、図24に示す構成の赤外線3波長式炎検知器が開示されている。この赤外線3波長式炎検知器は、CO共鳴放射帯域の3つの波長帯(4.0μm、4.4μm、5.0μm)の赤外線を選択的に透過させる3つの光学フィルタ(赤外線光学フィルタ)220,220,220と、各光学フィルタ220,220,220それぞれを透過した赤外線を各別に受光する3つの赤外線センサ240,240,240とを備えている。また、この赤外線3波長式炎検知器は、各赤外線センサ240,240,240それぞれの出力のうち1〜10Hzのちらつき周波数成分だけを通過させる電気的バンドパスフィルタを有し当該周波数成分だけを選択的に増幅する3つの信号増幅部250,250,250を備えている。さらに、この赤外線3波長式炎検知器は、各信号増幅部250,250,250から出力される信号値の大きさや信号値間の比率などを独自のアルゴリズムにより計算し、炎から放射されたCO共鳴放射のスペクトルピークパターンを検出した場合にのみ火災であると判断し、警報信号出力部270に火災信号を送出する火災判断部&制御部260を備えている。上記非特許文献1には、この赤外線3波長式炎検知器は、炎に対する選択性能が非常に高く、自然光や、蛍光灯、ナトリウム灯、水銀灯などの人工照明には反応しないことが記載されている。
しかしながら、上記非特許文献1に開示された赤外線3波長式炎検知器は、各光学フィルタ220,220,220および各赤外線センサ240,240,240それぞれを個別部品として備えている。このため、この赤外線3波長式炎検知器は、各光学フィルタ220,220,220が取り付けられるとともに各赤外線センサ240,240,240が収納される器体(図示せず)のサイズが、上記特許文献1に記載された赤外線式炎検知器のキャンパッケージに比べてかなり大きかった。
一方、上記特許文献1に開示された赤外線式炎検知器は、図25A、図25Bに示すように、4つの赤外線検出素子40,40,40,40が配置された円盤状の絶縁基板171と、絶縁基板171に結合される金属製のキャップ172と、キャップ172の前壁に形成された透光窓7aを閉塞する形で配置され各赤外線検出素子40,40,40,40それぞれに対応する部位に互いに透過波長帯域の異なるバンドパスフィルタ部202,202,202,202を有する赤外線光学フィルタ20’とを備えている。この赤外線炎検知器は、絶縁基板171とキャップ172とでキャンパッケージを構成している。ここにおいて、図25A、図25Bに示した構成の赤外線式炎検知器では、4つのバンドパスフィルタ部202,202,202,202のうちの1つが、4.3μmの赤外線を透過するように透過波長帯域を設定してある。また、赤外線光学フィルタ20’は、1枚のガラス基板上に各バンドパスフィルタ部202,202,202,202それぞれの透過特性に応じて設計した多層膜を4回に分けて選択蒸着するか、あるいは4枚の扇形のバンドパスフィルタ部202,202,202,202を張り合わせることで形成されている。
また、従来から、赤外線式ガス検知器として、図26に示すように、2つの赤外線光学フィルタ20,20と、2つの赤外線受光素子40,40と、両赤外線光学フィルタ20,20および両赤外線受光素子40,40を収納したパッケージ7とを備え、2つの赤外線光学フィルタ20,20の透過波長域を検出対象ガスの吸収波長の赤外線と参照光の波長として設定した波長の赤外線とを各別に透過できるように設定したものが知られており、この種の赤外線式ガス検知器を赤外線炎検知器として用いることが考えられる。なお、パッケージ7は、金属製のステム71と金属製のキャップ72とで構成されるキャンパッケージが用いられており、各赤外線光学フィルタ20,20が、キャップ72に設けられた2つの透光窓それぞれを閉塞する形でキャップ72に実装されている。
しかしながら、図26に示した構成では、透過波長域の異なる2つの赤外線光学フィルタ20,20が個別の部品により構成されているので、部品点数が増加し、2つの赤外線光学フィルタ20,20それぞれをパッケージ7に実装する工程が各別に必要となり、コストが高くなってしまうという問題がある。また、パッケージ7において各赤外線光学フィルタ20,20ごとに接着部分ののりしろが必要となり、パッケージ7の小型化が難しい。
これに対して、赤外線式ガス検知器のパッケージに収納して用いる赤外線受光モジュールとして、図27に示すように、MgO基板からなる基板300の一表面側に2つの赤外線受光素子400,400が形成され、各赤外線受光素子400,400それぞれに互いに透過波長の異なる狭帯域透過フィルタ部200,200が積層されたものが提案されている(日本公開特許公報特開平7−72078号公報:特許文献2)。ここにおいて、各赤外線受光素子400,400および各狭帯域透過フィルタ部200,200はスパッタ法などを利用して形成されている。これら各赤外線受光素子400,400は、Pt膜からなる下部電極401,401と、下部電極401,401上のPbTiO膜からなる焦電体膜402,402と、焦電体膜402,402上のNiCr膜からなる上部電極403,403とからなる焦電素子で構成されている。また、各狭帯域透過フィルタ部200,200となる各多層膜を構成する複数種類の薄膜の材料の組み合わせとしては、Si,Ge,Se,Te,LiF,NaF,CaF,MgFの群から選択した材料の組み合わせなどが採用されている。なお、図27に示した構成の赤外線光学モジュールでは、2つの赤外線受光素子400,400の下部電極401,401同士が連続一体に形成されて電気的に接続されている。
また、従来から、図28A、図28Bに示す構成の赤外線式ガス検知器が提案されている(日本公開特許公報特開平3−205521号公報:特許文献3)。この赤外線式ガス検知器は、互いに透過波長の異なる複数個の赤外線光学フィルタ20,20,20,20を同一厚さとして当該複数個の赤外線光学フィルタ20,20,20,20の隣り合う側面同士を接着剤からなる接着層19(図28C参照)を介して接着することにより形成された赤外線光学フィルタモジュール5と、各赤外線光学フィルタ20,20,20,20それぞれを透過した赤外線を受光する複数個の赤外線受光素子40,40,40,40とが、パッケージ7に収納されている。このパッケージ7は、金属製のステム71と金属製のキャップ72とで構成されるCANパッケージからなる。また、この赤外線式ガス検知器は、キャップ72の前壁に設けられた透光窓7aが、サファイア基板からなる赤外線透過部材80により閉塞され、パッケージ7内に、Nもしくは乾燥空気が封入されている。
上記特許文献3に開示された各赤外線光学フィルタ20,20,20,20は、図28Cに示すように、Si基板からなるフィルタ形成用基板1の一表面側に、赤外線の所定の波長帯域を透過させる狭帯域透過フィルタ部2’が形成されるとともに、フィルタ形成用基板1の他表面側に、狭帯域透過フィルタ部2’での透過帯域以外のノイズ成分を除くために、赤外線の短波長帯域と長波長帯域とをカットする広帯域遮断フィルタ部3’が形成されている。そして、上記特許文献3には、狭帯域透過フィルタ部2’および広帯域遮断フィルタ部3’それぞれを、GeとSiOとよりなる多層膜などで形成することが記載されている。
ところで、赤外線式炎検知器では、COガスの共鳴放射により発生する4.3μmの赤外線を選択的に透過させる狭帯域フィルタ部の中心波長を4.3μm、透過帯域幅を0.2μm程度に設定し、ライターほどの大きさの炎を10m以上の距離で検知できる必要がある。
そこで、赤外線式炎検知器の分野においては、赤外線受光素子として、高感度の測定が可能な焦電素子やサーモパイルが用いられることが多い。焦電素子の出力を増幅する方式としては、FETと当該FETのゲートに接続した抵抗とを用いた電流電圧変換回路や、演算増幅器の出力端子と反転入力端子との間にコンデンサを接続した電流電圧変換回路(日本公開特許公報特開平10−281866号公報:特許文献4)などがある。
ところで、上記特許文献3に開示された図28A、図28Bに示す構成の赤外線式ガス検知器を赤外線炎検知器として用いることが考えられる。しかしながら、製造時に、フィルタ特性の異なる複数種の赤外線光学フィルタ20,20,20,20を互いに異なるウェハに形成してから、各ウェハそれぞれから個別の赤外線光学フィルタ20,20,20,20にダイシングした後で、フィルタ特性の異なる赤外線光学フィルタ20,20,20,20同士を接着剤19で接着する必要がある。このため、このような赤外線炎検知器では、コストが高くなるとともに、複数個の赤外線光学素子40,40,40,40により構成される赤外線光学素子モジュールの小型化が難しく赤外線受光素子40,40,40,40の中心間距離が大きくなって、赤外線受光素子40,40,40,40において到達する赤外線の光路長の差が大きくなってしまう。つまり、このような赤外線炎検知器では、第1の選択波長である4.3μmの赤外線からなる検出光と、当該第1の選択波長以外の第2の選択波長の赤外線からなる参照光との光路長の差が大きくなってしまう。また、このような赤外線炎検知器では、各赤外線受光素子40,40,40,40の受光効率が低下してしまう。
また、図28A、図28Bに示す構成の赤外線式ガス検知器では、キャップ72の前壁に設けられた透光窓7aがサファイア基板からなる赤外線透過部材80により閉塞されているので、赤外線透過部材80により、ノイズの原因となる太陽光や照明光などの外乱光の遠赤外線を遮断することができるが、部品点数が増加するとともに組み立て工数が増えてしまい、しかも、サファイア基板は高価であるとともにダイシングなどの加工が難しいため、コストが高くなってしまう。また、赤外線光学フィルタ20,20,20,20における多層膜の層数を増加させれば、狭帯域のバンドパスフィルタを実現しつつ遠赤外線を遮断することはできるが、コストが高くなってしまう。
また、図28A、図28Bに示す構成の赤外線式ガス検知器では、赤外線光学フィルタ20,20,20,20間で導通をとるために接着剤19として銀ペーストなどの導電性接着剤を用いた場合には、機械的強度が低くなってしまう。また、図25A、図25Bに示した構成の赤外線式炎検知器のように、1枚のガラス基板上に各バンドパスフィルタ部202,202,202,202それぞれの透過特性に応じて設計した誘電体多層膜を4回に分けて選択蒸着することで赤外線光学フィルタ20’を形成したものでは、バンドパスフィルタ部202,202,202,202それぞれを構成する各多層膜を順次形成する必要があるので、製造コストが高くなるという問題がある。また、4枚の扇形のバンドパスフィルタ部202,202,202,202を張り合わせることで赤外線光学フィルタ20’を形成したものでは、透過特性の異なるバンドパスフィルタ部202,202,202,202を別々に形成するとともに扇形にする必要があり、製造コストが高くなるとともに機械的強度が低くなってしまうという問題がある。
また、図28A、図28Bに示した構成では、各赤外線光学フィルタ20,20,20,20それぞれの一表面および他表面の周部が露出している。このため、この構成では、不要な赤外線が赤外線受光素子40,40,40,40に入射しないように複数個の赤外線受光素子40,40,40,40を保持するホルダ90に複数個の収納部90,90,90,90を設け、各収納部90,90,90,90に各別に赤外線受光素子40,40,40,40を収納する必要がある。
これに対して、上記特許文献2に開示された図27に示す構成の赤外線光学モジュールでは、MgO基板からなる基板300の一表面側に2つの赤外線受光素子400,400が形成され、各赤外線受光素子400,400それぞれに互いに透過波長の異なる狭帯域透過フィルタ部200,200が積層されている。したがって、この赤外線光学モジュールでは、狭帯域透過フィルタ部200,200の中心間距離を短くできて、第1の選択波長(4.3μm)の赤外線と、第1の選択波長以外の第2の選択波長の赤外線(参照光)との光路長の差を小さくできるとともに、低コスト化を図れる。
しかし、図27に示した構成の赤外線光学モジュールでは、赤外線受光素子400,400が焦電素子などの熱型の赤外線受光素子であるにもかかわらず、赤外線受光素子400,400上に直接、狭帯域透過フィルタ部200,200が積層されている。このため、この赤外線光学モジュールでは、熱容量が大きくななるとともに熱絶縁性の確保が難しくなり、応答性や感度が低下してしまう。
また、上記特許文献4に記載された電流電圧変換回路により構成される増幅回路では、各赤外線受光素子の出力を各別に増幅する必要があるが、各赤外線受光素子の出力には太陽光、アーク光や、蛍光灯や熱源などからの赤外線などの外乱光に起因した直流バイアス成分があるので、赤外線受光素子に入射する赤外線の強度が強すぎると、増幅回路の出力の飽和により増幅回路のゲインを高めることが制限され、S/N比の向上が制限され、赤外線式炎検知器において炎を検知できない場合が生じる恐れがある。同様に、図24に示した赤外線3波長式炎検知器においても、赤外線センサ240,240,240に入射する赤外線の強度が大きすぎると、信号増幅部250,250,250での信号の飽和が起こり、S/N比の向上が制限されて感度が低下し、炎を検知できない場合が生じる恐れがある。
また、焦電素子は、赤外線を熱エネルギとして吸収し、その結果生じる電荷量の変化(焦電効果)を検出するいわゆる微分型の検出素子であるから、赤外線の変化分しか検出することができず、0.1〜10Hz程度という低周波の赤外線を検出する必要がある。しかし、上述の各電流電圧変換回路のインピーダンスは、100GΩ〜1TΩと非常に大きく、高インピーダンスによる高S/N化を図ることは効果的であるが、インピーダンスが高いため、外来の輻射ノイズの影響を受けやすい。
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、高感度化および低コスト化が可能な赤外線式炎検知器を提供することにある。
本発明の赤外線式炎検知器は、赤外線受光素子がパッケージ内に収納され、前記パッケージにおいて前記赤外線受光素子の前方に赤外線光学フィルタが配置された赤外線式炎検知器であって、前記パッケージは、ステムと、前記赤外線受光素子を覆うように前記ステムに固着された金属製のキャップとを備え、前記赤外線受光素子は、互いに極性の異なる2つ1組の焦電素子が焦電素子形成用基板において並設され且つ逆直列もしくは逆並列に接続されてなり、前記赤外線光学フィルタは、赤外線透過材料からなるフィルタ形成用基板と、前記フィルタ形成用基板の一表面側において前記各焦電素子それぞれに対応する部位に形成され、炎に起因するCOガスの共鳴放射により発生する特定波長からなる第1の選択波長の赤外線および当該特定波長以外の参照波長である第2の選択波長の赤外線それぞれを選択的に透過させる2つ1組の狭帯域透過フィルタ部と、前記フィルタ形成用基板の他表面側に形成され、前記各狭帯域透過フィルタ部により設定される赤外線の反射帯域よりも長波長の赤外線を吸収する広帯域遮断フィルタ部とを備え、前記2つ1組の狭帯域透過フィルタ部の各々は、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類の薄膜が積層された第1のλ/4多層膜と、前記第1のλ/4多層膜における前記フィルタ形成用基板側とは反対側に形成され前記複数種類の薄膜が積層された第2のλ/4多層膜と、前記第1のλ/4多層膜と前記第2のλ/4多層膜との間に介在し前記選択波長に応じて光学膜厚を前記各薄膜の光学膜厚とは異ならせた波長選択層とを有してなり、前記2つ1組の狭帯域透過フィルタ部のうち前記第1の選択波長の赤外線を選択的に透過させる狭帯域透過フィルタ部と、前記第2の選択波長の赤外線を選択的に透過させる狭帯域透過フィルタ部と、は、前記第1のλ/4多層膜及び前記第2のλ/4多層膜の薄膜構造が共通であり、前記2つ1組の狭帯域透過フィルタ部の各々は、前記第1のλ/4多層膜及び前記第2のλ/4多層膜により共通の反射帯域が形成され、前記2つ1組の狭帯域透過フィルタ部の反射帯域を決める、前記各薄膜に共通する光学膜厚の4倍に相当する設定波長をλ とすれば、前記各薄膜の物理膜厚は、高屈折率材料の屈折率をn 、低屈折率材料の屈折率をn とすると、それぞれλ /4n 、λ /4n となるように設定されており、前記第1の選択波長の赤外線を選択的に透過させる狭帯域透過フィルタ部の前記波長選択層は、前記反射帯域の中に前記第1の選択波長の赤外線を選択的に透過させる狭帯域の透過帯域が局在するように光学膜厚が設定され、前記第2の選択波長の赤外線を選択的に透過させる狭帯域透過フィルタ部の前記波長選択層は、前記反射帯域の中に前記第2の選択波長の赤外線を選択的に透過させる狭帯域の透過帯域が局在するように光学膜厚が設定され、前記赤外線光学フィルタは、前記キャップにおける前記赤外線受光素子の前方の窓部を閉塞する形で、導電性の接合材料からなる接合部により前記パッケージに接合されていることを特徴とする。
この赤外線式炎検知器において、前記広帯域遮断フィルタ部は、屈折率が異なる複数種類の薄膜が積層された多層膜からなり、当該複数種類の薄膜のうち少なくとも1種類の薄膜が遠赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料により形成されてなることが好ましい。
この赤外線式炎検知器において、前記フィルタ形成用基板は、Si基板もしくはGe基板であることが好ましい。
この赤外線式炎検知器において、前記パッケージが金属製であり、前記フィルタ形成用基板が前記パッケージに電気的に接続されてなることが好ましい。
この赤外線式炎検知器において、前記赤外線受光素子の出力を増幅する増幅回路の構成部品が前記パッケージ内に収納されてなることが好ましい。
図1Aは実施形態の赤外線式炎検知器の概略平面図、図1Bは赤外線式炎検知器の概略断面図である。 同上の赤外線式炎検知器の概略分解斜視図である。 図3Aは同上の赤外線式炎検知器における赤外線受光素子の概略平面図、図3Bは赤外線受光素子の回路図、図3Cは赤外線検出素子の他の構成例の回路図である。 同上の赤外線式炎検知器における赤外線光学フィルタの概略断面図である。 同上の赤外線光学フィルタにおける設定波長と反射帯域との関係説明図である。 同上の赤外線光学フィルタの反射帯域幅を説明するための屈折率周期構造の透過スペクトル図である。 同上の屈折率周期構造における低屈折率材料の屈折率と反射帯域幅との関係説明図である。 同上の赤外線光学フィルタのフィルタ本体部の基本構成を示す概略断面図である。 同上の基本構成の特性説明図である。 同上の基本構成の特性説明図である。 同上の赤外線光学フィルタにおける遠赤外線吸収材料により形成した薄膜の透過スペクトル図である。 同上の赤外線光学フィルタの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上の赤外線光学フィルタの2つの狭帯域透過フィルタ部により構成される部分の透過スペクトル図である。 同上におけるイオンビームアシスト蒸着装置を用いて形成した薄膜の膜質をFT−IR(フーリエ変換赤外分光法)により分析した結果を示す図である。 図15AはSi基板上に膜厚が1μmのAl膜を成膜した参考例の透過スペクトル図、図15Bは図15Aの透過スペクトル図に基づいて算出したAl膜の光学パラメータ(屈折率、吸収係数)の説明図である。 同上の赤外線光学フィルタの透過スペクトル図である。 同上の赤外線光学フィルタの広帯域遮断フィルタ部の透過スペクトル図である。 同上の赤外線式炎検知器を用いた赤外線式炎検知装置の概略構成図である。 同上の比較例の赤外線式炎検知器を用いた赤外線式炎検知装置の概略構成図である。 物体の温度と放射エネルギとの関係説明図である。 Siの透過特性の説明図である。 Geの透過特性の説明図である。 赤外線発生源の強度波長分布と従来例の赤外線3波長式炎検知器の検出波長帯域との関係説明図である。 従来例の赤外線3波長式炎検知器のブロック図である。 図25Aは他の従来例の赤外線式炎検知器の概略斜視図、図25Bは当該赤外線式炎検知器の要部概略斜視図である。 従来例の赤外線式ガス検知器の概略構成図である。 従来の赤外線受光モジュールの概略断面図である。 図28Aは他の従来例の赤外線式ガス検知器の概略縦断面図、図28Bは当該赤外線式ガス検知器の概略横断面図、図28Cは赤外線光学フィルタの概略側面図である。
本実施形態の赤外線式炎検知器は、図1および図2に示すように、複数(ここでは、2つ)の焦電素子4,4を有する赤外線受光素子40および赤外線受光素子40の出力を信号処理する信号処理回路が設けられた回路ブロック6と、回路ブロック6を収納するキャンパッケージ(ここでは、TO−5)からなるパッケージ7とを備えている。
パッケージ7は、回路ブロック6が絶縁材料からなるスペーサ9を介して実装される金属製のステム71と、回路ブロック6を覆うようにステム71に固着される金属製のキャップ72とを備え、回路ブロック6の適宜部位と電気的に接続される複数本(ここでは、3本)の端子ピン75がステム71を貫通する形で設けられている。ここにおいて、ステム71は、円盤状に形成され、キャップ72は、後面が開放された有底円筒状の形状に形成されており、後面がステム71により閉塞されている。なお、スペーサ9と回路ブロック6およびステム71とは接着剤により固着されている。
また、パッケージ7の一部を構成する上述のキャップ72において赤外線受光素子40の前方に位置する前壁には、矩形状(本実施形態では、正方形状)の窓部7aが形成されており、赤外線光学フィルタ20が窓部7aを覆うようにキャップ72の内側から配設されている。
また、ステム71は、上述の各端子ピン75それぞれが挿通される複数の端子用孔71bが厚み方向に貫設されており、各端子ピン75が端子用孔71bに挿通された形で封止部74により封着されている。
上述のキャップ72およびステム71は鋼板により形成されており、ステム71の周部に形成されたフランジ部71cに対して、キャップ72の後端縁から外方に延設された外鍔部72cを溶接により封着してある。
回路ブロック6は、上述の信号処理回路の構成要素であるIC63およびチップ状の電子部品64が互いに異なる面に実装されたプリント配線板(例えば、コンポジット銅張積層板など)からなる第1の回路基板62と、第1の回路基板62における電子部品64の実装面側に積層された樹脂層65と、ガラスエポキシなどからなる絶縁性基材の表面に金属材料(例えば、銅など)からなる金属層(以下、シールド層と称す)が形成され樹脂層65に積層されたシールド板66と、赤外線受光素子40が実装されるとともにシールド板66に積層されたプリント配線板(例えば、コンポジット銅張積層板)からなる第2の回路基板67とで構成されている。なお、シールド板66の代わりに、銅箔や金属板のみでシールド層を形成してもよい。
第1の回路基板62は、図2における下面側にIC63がフリップチップ実装され、図2における上面側に複数の電子部品64が半田リフローにより実装されている。
上述の赤外線受光素子40は、互いに極性の異なる2つ1組の焦電素子4,4が焦電材料(例えば、リチウムタンタレートなど)からなる焦電素子形成用基板41において並設され且つ2つの焦電素子4,4の差動出力が得られるように逆直列に接続されたデュアル素子である(図3B参照)。IC63は、赤外線受光素子40の所定周波数帯域(例えば、1〜10Hz程度)の出力を増幅する増幅回路(バンドパスアンプ)や当該増幅回路の後段のウインドウコンパレータなどが集積化されている。ここで、本実施形態における回路ブロック6では、上述のシールド板66が設けられているので、赤外線受光素子40と上記増幅回路との容量結合などに起因した発振現象の発生を防止することができる。また、赤外線受光素子40は、2つ1組の焦電素子4,4の差動出力が得られるものであればよく、2つ1組の焦電素子4,4が逆直列に接続されたものに限らず、例えば、図3Cに示すように、逆並列に接続されたものでもよい。
第2の回路基板67には、赤外線受光素子40の焦電素子4,4と第2の回路基板67とを熱絶縁するための熱絶縁用孔67aが厚み方向に貫設されているので、赤外線受光素子40の焦電素子4,4とシールド板66との間に空隙が形成され、感度が高くなる。なお、第2の回路基板67に熱絶縁用孔67aを貫設する代わりに、第2の回路基板67に、赤外線受光素子40の焦電素子4,4と第2の回路基板67との間に空隙が形成される形で赤外線受光素子40を支持する支持部を突設してもよい。
回路ブロック6は、第1の回路基板62、樹脂層65、シールド板66、第2の回路基板67それぞれに、上述の端子ピン75が挿通されるスルーホール62b,65b,66b,67bが厚み方向に貫設されており、赤外線受光素子40と上記信号処理回路とが端子ピン75を介して電気的に接続されている。なお、第1の回路基板62、樹脂層65、シールド板66、第2の回路基板67を積層し、回路ブロック6の厚み方向に貫通する貫通孔を形成する1回の孔あけ加工でスルーホール62b,65b,66b,67bを形成するような部品内蔵基板工法を採用すれば、製造工程の簡略化を図れるとともに回路ブロック6内の電気的な接続が容易になる。
上述の3本の端子ピン75は、1本が給電用の端子ピン75(75a)、他の1本が信号出力用の端子ピン75(75b)、残りの1本がグランド用の端子ピン75(75c)であり、シールド板66におけるシールド層はグランド用の端子ピン75cと電気的に接続されている。ここで、端子ピン75a,75bを封着する封止部74,74(74a,74b)は、絶縁性を有する封着用のガラスにより形成されており、端子ピン75cを封着する封止部74(74c)は、金属材料により形成されている。要するに、端子ピン75a,75bはステム71と電気的に絶縁されているのに対し、グランド用の端子ピン75cはステム71と同電位となっている。したがって、シールド板66の電位はグランド電位に設定されるが、シールド機能を果たすことが可能な特定の電位であれば、グランド電位以外の電位に設定してもよい。
本実施形態の赤外線式炎検知器の製造にあたっては、赤外線受光素子40が搭載された回路ブロック6をステム71にスペーサ9を介して実装した後、赤外線光学フィルタ20が窓部7aを閉塞する形で固着されたキャップ72の外鍔部72cとステム71のフランジ部71cとを溶接することにより、キャップ72とステム71とからなる金属製のパッケージ7内を封止すればよい。ここで、パッケージ7内は、湿度などの影響による赤外線受光素子40の特性変化を防止するために、ドライ窒素が封入されている。なお、本実施形態におけるパッケージ7は、上述のようにキャンパッケージであり、外来ノイズに対するシールド効果を高めるとともに、気密性の向上による耐候性の向上を図れる。ただし、パッケージ7は、シールド効果を有するセラミックスパッケージにより構成してもよい。
ところで、上述の赤外線光学フィルタ20は、後述の各狭帯域フィルタ部2,2および広帯域遮断フィルタ部3が形成されたフィルタ本体部20aと当該フィルタ本体部20aの周部から外方に延設されキャップ72における窓部7aの周部に固着されるフランジ部20bとを有している。ここにおいて、赤外線光学フィルタ20は、フィルタ部20aの平面視形状が矩形状(本実施形態では、正方形状)であり、フランジ部20bの外周形状が矩形状(本実施形態では、正方形状)に形成されている。なお、本実施形態では、フィルタ本体部20aの平面形状を数mm□の正方形状としてあるが、フィルタ本体部20aの平面形状や寸法は特に限定するものではない。
赤外線光学フィルタ20は、図4に示すように、赤外線透過材料(例えば、Siなど)からなるフィルタ形成用基板1と、当該フィルタ形成用基板1の一表面側(図4における上面側)において各焦電素子4,4それぞれに対応する部位に形成され、炎に起因するCOガスの共鳴放射により発生する特定波長からなる第1の選択波長の赤外線および当該特定波長以外の参照波長である第2の選択波長の赤外線それぞれを選択的に透過させる2つ1組の狭帯域透過フィルタ部2,2と備えている。さらに、赤外線光学フィルタ20は、フィルタ形成用基板1の他表面側(図4における下面側)に形成され、各狭帯域フィルタ部2,2により設定される赤外線の反射帯域よりも長波長の赤外線を吸収する広帯域遮断フィルタ部3を備えている。
上述の赤外線光学フィルタ20は、フィルタ形成用基板1の上記一表面側で2つ1組の狭帯域透過フィルタ部2,2が並設されている。各狭帯域透過フィルタ部2,2は、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類(ここでは、2種類)の薄膜21b,21aが積層された第1のλ/4多層膜21と、第1のλ/4多層膜21におけるフィルタ形成用基板1側とは反対側に形成され上記複数種類の薄膜21a,21bが積層された第2のλ/4多層膜22と、第1のλ/4多層膜21と第2のλ/4多層膜22との間に介在し各選択波長に応じて光学膜厚を各薄膜21a,21bの光学膜厚とは異ならせた波長選択層23,23とを備えている。なお、2種類の薄膜21a,21bについての光学膜厚のばらつきの許容範囲は±1%程度であり、当該光学膜厚のばらつきに応じて物理膜厚のばらつきの許容範囲も決まる。
また、赤外線光学フィルタ20は、第1のλ/4多層膜21および第2のλ/4多層膜22における低屈折率層である薄膜21bの材料(低屈折率材料)として遠赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料の一種であるAlを採用し、高屈折率層である薄膜21aの材料(高屈折率材料)としてGeを採用している。また、赤外線光学フィルタ20は、波長選択層23,23の材料を、当該波長選択層23,23直下の第1のλ/4多層膜21の上から2番目の薄膜21b,21aの材料と同じ材料とし、第2のλ/4多層膜22のうちフィルタ形成用基板1から最も遠い薄膜21b,21bが、上述の低屈折率材料により形成されている。ここで、遠赤外線吸収材料としては、Alに限らず、Al以外の酸化物であるSiOや、Taを採用してもよく、SiOの方がAlよりも屈折率が低いので、高屈折率材料と低屈折率材料との屈折率差を大きくできる。
ところで、火災時に炎の中のCOガスの共鳴放射により発生する特定波長である第1の選択波長は、4.3μm(ないし4.4μm)であり、住宅内などで発生する可能性のある各種ガスにおける赤外線の吸収波長に関して、CH(メタン)が3.3μm、CO(一酸化炭素)が4.7μm、NO(一酸化窒素)が5.3μmである。そこで、本実施形態における赤外線光学フィルタ20では、参照波長である第2の選択波長を第1の選択波長に比較的近い3.9μmに設定してあり、第1の選択波長および第2の選択波長それぞれの赤外線を選択的に検知するために、狭帯域透過フィルタ部2,2が3.1μm〜5.5μm程度の赤外領域に反射帯域を有する必要があって、2.4μm以上の反射帯域幅Δλが必要不可欠である。なお、反射帯域は、各薄膜21a,21bに共通する光学膜厚の4倍に相当する設定波長をλとすれば、図5に示すように、入射光の波長の逆数である波数を横軸、透過率を縦軸とした透過スペクトル図において、1/λを中心として対称となる。
ここにおいて、本実施形態では、波長選択層23,23の各光学膜厚を適宜設定することによって上述の第1の選択波長の赤外線の検出が可能となるように、第1のλ/4多層膜21および第2のλ/4多層膜22の設定波長λを4.0μmとしている。また、各薄膜21a,21bの物理膜厚は、薄膜21aの材料である高屈折率材料の屈折率をn、薄膜21bの材料である低屈折率材料の屈折率nとすると、それぞれλ/4n、λ/4nとなるように設定してある。具体的には、高屈折率材料がGe、低屈折率材料がAlの場合、n=4.0、n=1.7として、高屈折率材料により形成する薄膜21aの物理膜厚を250nmに設定し、低屈折率材料により形成する薄膜21bの物理膜厚を588nmに設定してある。
ここで、Si基板からなるフィルタ形成用基板1の一表面側に低屈折率材料からなる薄膜21bと高屈折率材料からなる薄膜21aとを交互に積層したλ/4多層膜(屈折率周期構造)の積層数を21とし、各薄膜21a,21bでの吸収がない(つまり、各薄膜21a,21bの消衰係数を0)と仮定して、設定波長λを4μmとした場合の透過スペクトルのシミュレーション結果を図6に示す。
図6は、横軸が入射光(赤外線)の波長、縦軸が透過率であり、同図中の“A”は高屈折率材料をGe(n=4.0)、低屈折率材料をAl(n=1.7)とした場合の透過スペクトルを、同図中の“B”は高屈折率材料をGe(n=4.0)、低屈折率材料をSiO(n=1.5)とした場合の透過スペクトルを、同図中の“C”は高屈折率材料をGe(n=4.0)、低屈折率材料をZnS(n=2.3)とした場合の透過スペクトルを、それぞれ示している。
また、図7に、高屈折率材料をGeとして、低屈折率材料の屈折率を変化させた場合のλ/4多層膜(屈折率周期構造)の反射帯域幅Δλをシミュレーションした結果を示す。なお、図7中の“A”、“B”、“C”は、それぞれ図6中の“A”、“B”、“C”の点に対応している。
図6および図7から、高屈折率材料と低屈折率材料との屈折率差が大きくなるにつれて反射帯域幅Δλが増大することが分かり、高屈折率材料がGeの場合には、低屈折率材料としてAlもしくはSiOを採用することにより、少なくとも3.1μm〜5.5μmの赤外領域の反射帯域を確保できるとともに、反射帯域幅Δλを2.4μm以上とできることが分かる。
次に、図8に示すように、第1のλ/4多層膜21の積層数を4、第2のλ/多層膜22の積層数を6として、薄膜21aの高屈折率材料をGe、薄膜21bの低屈折率材料をAl、第1のλ/4多層膜21と第2のλ/4多層膜22との間に介在させる波長選択層23の材料を低屈折率材料であるAlとし、当該波長選択層23の光学膜厚を0nm〜1600nmの範囲で種々変化させた場合の透過スペクトルについてシミュレーションした結果を図9および図10に示す。ここで、図8中の矢印A1は入射光、矢印A2は透過光、矢印A3は反射光をそれぞれ示している。また、波長選択層23の光学膜厚は、当該波長選択層23の材料の屈折率をn、当該波長選択層23の物理膜厚をdとすると、屈折率nと物理膜厚dとの積、つまり、ndで求められる。なお、このシミュレーションにおいても、各薄膜21a,21bでの吸収がない(つまり、各薄膜21a,21bの消衰係数を0)と仮定して、設定波長λを4μm、薄膜21aの物理膜厚を250nm、薄膜21bの物理膜厚を588nmとした。
図9および図10から、第1のλ/4多層膜21および第2のλ/4多層膜22により、3μm〜6μmの赤外領域に反射帯域が形成されていることが分かるとともに、波長選択層23の光学膜厚ndを適宜設定することにより、3μm〜6μmの反射帯域の中に狭帯域の透過帯域が局在していることが分かる。具体的には、波長選択層23の光学膜厚ndを0nm〜1600nmの範囲で変化させることにより、透過ピーク波長を3.1μm〜5.5μmの範囲で連続的に変化させることが可能であることが分かる。より具体的には、波長選択層23の光学膜厚ndを、1390nm、0nm、95nm、235nm、495nmと変化させれば、透過ピーク波長がそれぞれ、3.3μm、4.0μm、4.3μm、4.7μm、5.3μmとなる。
したがって、第1のλ/4多層膜21および第2のλ/4多層膜22の設計を変えることなく波長選択層23の光学膜厚の設計のみを適宜変えることにより、特定波長が4.3μmの炎のセンシングに限らず、特定波長が3.3μmのCH、特定波長が4.7μmのCO、特定波長が5.3μmのNOなどの種々のガスのセンシングが可能となる。なお、光学膜厚ndの0nm〜1600nmの範囲は、物理膜厚dの0nm〜941nmの範囲に相当する。また、波長選択層23の光学膜厚ndが0nmの場合、つまり、図9において波長選択層23がない場合の透過ピーク波長が4000nmとなるのは、第1のλ/4多層膜21および第2のλ/4多層膜22の設定波長λを4μm(4000nm)に設定しているからであり、第1のλ/4多層膜21および第2のλ/4多層膜22の設定波長λを適宜変化させることにより、波長選択層23がない場合の透過ピーク波長を変化させることができる。
ところで、薄膜21bの低屈折率材料として、第1のλ/4多層膜21および第2のλ/4多層膜22により設定される赤外線の反射帯域(つまり、狭帯域透過フィルタ部2,2により設定される赤外線の反射帯域)よりも長波長域の赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料であるAlを採用しているが、遠赤外線吸収材料としては、MgF、Al、SiO、Ta、SiNの5種類について検討した。具体的には、MgF膜、Al膜、SiO膜、Ta膜、SiN膜それぞれについて膜厚を1μmに設定してSi基板上に成膜する際の成膜条件を下記表1のように設定し、MgF膜、Al膜、SiO膜、Ta膜、SiN膜それぞれの透過スペクトルを測定した結果を図11に示す。ここで、MgF膜、Al膜、SiO膜、Ta膜、SiN膜の成膜装置としては、イオンビームアシスト蒸着装置を用いた。
Figure 0005838347
ここにおいて、表1中の「IB条件」は、イオンビームアシスト蒸着装置で成膜する際のイオンビームアシストの条件であり、「IBなし」は、イオンビームの照射なし、「酸素IB」は、酸素イオンビームの照射あり、「ArIB」は、アルゴンイオンビームの照射あり、を意味している。また、図11は、横軸が波長、縦軸が透過率であり、同図中の“A1”がAl膜、“A2”がTa膜、“A3”がSiO膜、“A4”がSiN膜、“A5”がMgF膜、それぞれの透過スペクトルを示している。
また、上述のMgF膜、Al膜、SiO膜、Ta膜、SiN膜について、「光学特性:吸収」、「屈折率」、「成膜容易性」を評価項目として、検討した結果を下記表2に示す。
Figure 0005838347
ここにおいて、「光学特性:吸収」の評価項目については、図11の透過スペクトルから算出した6μm以上の遠赤外線の吸収率により評価した。表2では、各評価項目それぞれについて、評価の高いランクから低いランクの順に「◎」、「○」、「△」、「×」を記載してある。ここで、「光学特性:吸収」の評価項目については、遠赤外線の吸収率が高い方が評価のランクを高く、遠赤外線の吸収率が低い方を評価のランクを低くしてある。また、「屈折率」の評価項目については、高屈折率材料との屈折率差を大きくする観点から、屈折率が低い方が評価のランクを高く、屈折率が高い方が評価のランクを低くしてある。また、「成膜容易性」の評価項目については、蒸着法もしくはスパッタ法により緻密な膜の得やすい方が評価のランクを高く、緻密な膜の得にくい方が評価のランクを低くしてある。ただし、各評価項目について、SiOはSiOとして、SiNはSiとして評価した結果である。
表2より、MgF、Al、SiO、Ta、SiNの5種類に関して、「成膜容易性」の評価項目については大差がなく、「光学特性:吸収」および「屈折率」の評価項目に着目した結果、遠赤外線吸収材料としては、Al、SiO、Ta、SiNのいずれかを採用することが好ましいとの結論に至った。ここにおいて、遠赤外線吸収材料としてAlもしくはTを採用する場合には、遠赤外線吸収材料がSiOやSiNである場合に比べて、遠赤外線の吸収性を向上させることができる。ただし、高屈折率材料との屈折率差を大きくするという観点からは、TよりもAlの方が好ましい。また、遠赤外線吸収材料としてSiNを採用する場合には、遠赤外線吸収材料により形成される薄膜21bの耐湿性を高めることができる。また、遠赤外線吸収材料としてSiOを採用すれば、高屈折率材料との屈折率差を大きくすることができ、第1のλ/4多層膜21および第2のλ/4多層膜22の積層数(層数)の低減を図れる。
以下、赤外線光学フィルタ20における狭帯域透過フィルタ部2,2の製造方法について図12A〜図12Eを参照しながら説明する。
まず、Si基板からなるフィルタ形成用基板1の一表面側の全面に、低屈折率材料であるAlからなる所定の物理膜厚(ここでは、588nm)の薄膜21bと高屈折率材料であるGeからなる所定の物理膜厚(ここでは、250nm)の薄膜21aとを交互に積層することで第1のλ/4多層膜21を形成する第1のλ/4多層膜形成工程を行う。続いて、フィルタ形成用基板1の上記一表面側(ここでは、第1のλ/4多層膜21の表面)側の全面に、第1のλ/4多層膜21の上から2番目に位置する薄膜21bと同じ材料(ここでは、低屈折率材料であるAl)からなり1つの狭帯域透過フィルタ部2の選択波長に応じて光学膜厚を設定した波長選択層23を成膜する波長選択層成膜工程を行うことによって、図12Aに示す構造を得る。なお、各薄膜21b,21aおよび波長選択層23の成膜方法としては、例えば、蒸着法やスパッタ法などを採用すれば2種類の薄膜21b,21aを連続的に成膜することができるが、低屈折率材料が上述のようにAlの場合には、イオンビームアシスト蒸着法を採用し、薄膜21bの成膜時に酸素イオンビームを照射するようにして薄膜21bの緻密性を高めることが好ましい。また、低屈折率材料としては、Al以外の遠赤外線吸収材料であるSiO、T、SiNを採用してもよい。いずれにしても、遠赤外線吸収材料からなる薄膜21bの成膜にあたっては、イオンビームアシスト蒸着法により成膜することが望ましく、低屈折率材料からなる薄膜21bの化学的組成を精密に制御できるとともに、薄膜21bの緻密性を高めることができる。
上述の波長選択層成膜工程の後、狭帯域透過フィルタ部2に対応する部位のみを覆うレジスト層31をフォトリソグラフィ技術を利用して形成するレジスト層形成工程を行うことによって、図12Bに示す構造を得る。
その後、レジスト層31をマスクとし、第1のλ/4多層膜21の一番上の薄膜21aをエッチングストッパ層として波長選択層23の不要部分を選択的にエッチングする波長選択層パターニング工程を行うことによって、図12Cに示す構造を得る。ここで、波長選択層パターニング工程では、上述のように低屈折率材料が酸化物(Al)、高屈折率材料が半導体材料(Ge)であれば、エッチング液としてフッ酸系溶液を用いたウェットエッチングを採用することにより、ドライエッチングを採用する場合に比べて、エッチング選択比の高いエッチングが可能となる。これは、AlやSiOのような酸化物はフッ酸系溶液に溶解しやすいのに対して、Geはフッ酸系溶液に非常に溶けにくいためである。一例を挙げれば、フッ酸系溶液としてフッ酸(HF)と純水(HO)との混合液からなる希フッ酸(例えば、フッ酸の濃度が2%の希フッ酸)を用いてウェットエッチングを行えば、Alのエッチングレートが300nm/min程度で、AlとGeとのエッチングレート比が500:1程度であり、エッチング選択比の高いエッチングを行うことができる。
上述の波長選択層パターニング工程の後、レジスト層31を除去するレジスト層除去工程を行うことによって、図12Dに示す構造を得る。
上述のレジスト層除去工程の後、フィルタ形成用基板1の上記一表面側の全面に、高屈折率材料であるGeからなる所定の物理膜厚(250nm)の薄膜21aと低屈折率材料であるAlからなる所定の物理膜厚(588nm)の薄膜21bとを交互に積層することで第2のλ/4多層膜22を形成する第2のλ/4多層膜形成工程を行うことによって、図12Eに示す構造を得る。ここにおいて、第2のλ/4多層膜形成工程を行うことによって、狭帯域透過フィルタ部2に対応する領域では、第1のλ/4多層膜21の最上層の薄膜21a上に直接、第2のλ/4多層膜22の最下層の薄膜21aが積層されることとなり、当該最上層の薄膜21aと当該最下層の薄膜21aとで狭帯域透過フィルタ部2の波長選択層23を構成している。ただし、この狭帯域透過フィルタ部2の透過スペクトルは、図10のシミュレーション結果では、光学膜厚ndが0nmの場合に相当する。なお、各薄膜21a,21bの成膜方法としては、例えば、蒸着法やスパッタ法などを採用すれば2種類の薄膜21a,21bを連続的に成膜することができるが、低屈折率材料が上述のようにAlの場合には、イオンビームアシスト蒸着法を採用し、薄膜21bの成膜時に酸素イオンビームを照射するようにして薄膜21bの緻密性を高めることが好ましい。
要するに、赤外線光学フィルタ20の狭帯域透過フィルタ部2,2の製造にあたっては、フィルタ形成用基板1の上記一表面側に屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類(ここでは、2種類)の薄膜21b,21aを積層する基本工程の途中で、当該途中における積層膜(ここでは、第1のλ/4多層膜21)の上から2番目の層と同じ材料からなる波長選択層23(ここでは、i=1)であって複数の狭帯域透過フィルタ部2,・・・,2(ここでは、m=2)のうちの任意の1つの狭帯域透過フィルタ部2(ここでは、i=1)の選択波長に応じて光学膜厚を設定した波長選択層23を上記積層膜上に成膜する波長選択層成膜工程と、波長選択層成膜工程にて成膜した波長選択層23のうち上記任意の1つの狭帯域透過フィルタ部2に対応する部分以外の不要部分を上記積層膜の1番上の層をエッチングストッパ層としてエッチングする波長選択層パターニング工程とからなる波長選択層形成工程を1回行っており、複数の狭帯域透過フィルタ部2,2が形成される。ここで、上述の基本工程の途中で、波長選択層形成工程を複数回行うようにすれば、1チップで、より多くの選択波長を有する赤外線光学フィルタ20を製造することができる。
また、上述の製造方法においては、フィルタ形成用基板1の上記一表面側に複数種類の薄膜21a,21bを積層する基本工程の途中で、当該途中における積層膜(ここでは、第1のλ/4多層膜21)の上から2番目の層と同じ材料からなる薄膜であって各フィルタ部2,・・・,2(ここでは、m=2)のうちの任意の1つのフィルタ部2(ここでは、i=1)の選択波長に応じて光学膜厚を設定した薄膜を上記積層膜上に成膜し、上記積層膜上に成膜した薄膜のうち上記任意の1つのフィルタ部2(ここでは、i=1)に対応する部分以外の部分をエッチングすることで少なくとも1つの波長選択層23のパターンを形成している。しかしながら、これに限らず、基本工程の途中で、少なくとも1つの波長選択層23のパターンを形成すればよく、例えば、波長選択層23が、波長選択層23と同じ材料であり且つ波長選択層23よりも光学膜厚が小さく設定されている場合には、上記積層膜上の薄膜を途中までエッチングすることで2つの波長選択層23,23のパターンを形成するようにしてもよい。
また、上述の製造方法に限らず、フィルタ形成用基板1の上記一表面側に第1のλ/4多層膜21を形成する第1のλ/4多層膜形成工程と、第1のλ/4多層膜におけるフィルタ形成用基板1側とは反対側に第2のλ/4多層膜22を形成する第2のλ/4多層膜形成工程との間で、各フィルタ部2,・・・,2(ここでは、m=2)に対応する各部位それぞれに、互いに光学膜厚の異なる波長選択層23,・・・,23(ここでは、m=2)をマスク蒸着により形成するようにしてもよい。
また、上述の製造方法において、上述の2種類の薄膜21a,21bのうち一方の薄膜21bの遠赤外線吸収材料がSiOもしくはSiNであり、他方の薄膜21aがSiである場合には、Siを蒸発源とするイオンビームアシスト蒸着装置を用い、Siからなる薄膜21aを成膜するときは真空雰囲気とし、酸化物であるSiOからなる薄膜21bを成膜するときは酸素イオンビームを照射し、窒化物であるSiNからなる薄膜21bを成膜するときは窒素イオンビームを照射するようにすることが好ましい。これにより、上述の製造方法において、2種類の薄膜21a,21bの蒸発源を共通化することができるので、複数の蒸発源を備えたイオンビームアシスト蒸着装置を用意する必要がなく、製造コストの低コスト化を図れる。同様に、上述の製造方法において、上述の2種類の薄膜21a,21bのうち一方の薄膜21bの遠赤外線吸収材料がSiOもしくはSiNであり、他方の薄膜21aがSiである場合、Siをターゲットとするスパッタ装置を用い、Siからなる薄膜21aを成膜するときは真空雰囲気とし、SiOからなる薄膜21bを成膜するときは酸素雰囲気とし、SiNからなる薄膜21bを成膜するときは窒素雰囲気とすることが好ましい。これにより、上述の製造方法において、2種類の薄膜21a,21bのターゲットを共通化することができるので、複数のターゲットを備えたスパッタ装置を用意する必要がなく、製造コストの低コスト化を図れる。
上述の赤外線光学フィルタ20の狭帯域透過フィルタ部2,2では、波長選択層23,23それぞれの光学膜厚ndを適宜設定することにより、図13に示すように、略3.9μmと略4.3μmとに透過ピーク波長(中心波長)を有する赤外線光学フィルタ20を1チップで実現することができる。ここで、透過ピーク波長が略3.9μmの透過スペクトルと、透過ピーク波長が略4.3μmの透過スペクトルとは、両方とも半値幅(FWHM)が約100nmであるが、狭帯域透過フィルタ部2,2を適宜設計することにより、半値幅を広げたり、透過率を上げたりすることができる。
なお、第1のλ/4多層膜21および第2のλ/4多層膜22は、屈折率周期構造を有していればよく、3種類以上の薄膜を積層したものでもよい。
次に、赤外線光学フィルタ20の広帯域遮断フィルタ部3について説明する。
広帯域遮断フィルタ部3は、屈折率が異なる複数種類(ここでは、2種類)の薄膜3a,3bが積層された多層膜により構成されている。ここにおいて、広帯域遮断フィルタ部3は、相対的に屈折率の低い低屈折率層である薄膜3aの材料として、遠赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料の一種であるAlを採用し、相対的に屈折率の高い高屈折率層である薄膜3bの材料としてGeを採用しており、薄膜3aと薄膜3bとを交互に積層し積層数を11としてあるが、この積層数は特に限定するものではない。ただし、広帯域遮断フィルタ部3は、フィルタ形成用基板1から最も遠い最上層を低屈折率層である薄膜3aにより構成することが光学特性の安定性の観点から望ましい。ここで、遠赤外線吸収材料としては、Alに限らず、Al以外の酸化物であるSiO、Taを採用してもよく、SiOの方がAlよりも屈折率が低いので、高屈折率材料と低屈折率材料との屈折率差を大きくできる。また、遠赤外線吸収材料としては、窒化物であるSiNを採用してもよい。
上述のように、広帯域遮断フィルタ部3は、2種類の薄膜3a,3bのうちの1種類の薄膜3aが遠赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料であるAlにより形成されているが、複数種類のうちの少なくとも1種類が遠赤外線吸収材料により形成されていればよい。例えば、3種類の薄膜としてGe膜とAl膜とSiO膜とが、Si基板よりなる半導体基板1に近い側からGe膜−Al膜−Ge膜−SiO膜−Ge膜−Al膜−Ge膜・・・の順に積層された多層膜としてもよく、この場合は、3種類の薄膜のうち2種類の薄膜が遠赤外線吸収材料により形成されることとなる。
ところで、上述の広帯域遮断フィルタ部3では、狭帯域透過フィルタ部2,2により設定される赤外線の反射帯域よりも長波長域の遠赤外線を吸収する。ここで、広帯域遮断フィルタ部3では、赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料としてAlを採用しているが、上述の狭帯域透過フィルタ部2,2と同様、遠赤外線吸収材料としては、MgF、Al、SiO、Ta、SiNの5種類について検討した。
ここにおいて、本願発明者らは、イオンビームアシストの効果を確認するために、Si基板上にAl膜を成膜する時のイオンビームの照射量を種々変化させたサンプルを用意し、各サンプルのAl膜の膜質の違いをFT−IR(フーリエ変換赤外分光)により分析した。図14は、FT−IRによる分析結果を示し、横軸が波数、縦軸が吸収率であり、同図中の“A1”はイオンビームアシストなしの場合のサンプル、“A2”、“A3”、“A4”、“A5”、“A6”はイオンビームの照射量を少ない方から多い方へ変化させた場合の各サンプルそれぞれの分析結果を示している。この図14から、イオンビームを照射することにより、水分に起因した3400cm−1付近の吸収率を低減でき、イオンビームの照射量を多くするほど水分に起因した3400cm−1付近の吸収率が低下していることが分かる。要するに、イオンビームアシストによりAl膜の膜質を向上でき、緻密性を高めることができるものと推測される。
また、上述のように、遠赤外線吸収材料としてAlもしくはTを採用する場合には、遠赤外線吸収材料がSiOやSiNである場合に比べて、遠赤外線の吸収性を向上させることができる。
また、本願発明者らは、Si基板上に1μmのAl膜を成膜した参考例の透過スペクトルを測定したところ図15Aの“A1”に示すような実測値が得られ、実測値“A1”が図15A中の“A2”に示す計算値からずれているという知見を得て、Alにより形成される薄膜3aの光学パラメータ(屈折率、吸収係数)を図15Aの実測値“A1”からCauchyの式により算出した。この算出した光学パラメータを図15Bに示してある。図15Bに示した新規の光学パラメータでは、屈折率および吸収係数のいずれも800nm〜20000nmの波長域で一定という訳ではなく、波長が長くなるにつれて屈折率が徐々に低下し、また、波長が7500nm〜15000nmの波長域では波長が長くなるにつれて吸収係数が徐々に大きくなる。
上述のAl膜の新規の光学パラメータを用いて赤外線光学フィルタ20として、下記表3の積層構造を有し透過ピーク波長が4.4μmの狭帯域透過フィルタ部2と、下記表4の積層構造を有する広帯域遮断フィルタ部3とがフィルタ形成用基板1の厚み方向において重なるように形成されている部分の透過スペクトルのシミュレーション結果を図16の“A1”に示す。また、上述のAl膜の新規の光学パラメータを用いずに、Al膜の屈折率を一定、吸収係数を0で一定とした比較例のシミュレーション結果を図16の“A2”に示す。なお、実施例、比較例のいずれもGeの屈折率を4.0で一定、吸収係数を0.0で一定としてシミュレーションした。
Figure 0005838347
Figure 0005838347
上述の図16は、横軸が入射光(赤外線)の波長、縦軸が透過率である。図16から、Al膜の新規の光学パラメータを用いていない比較例の透過スペクトル“A2”では、9000nm〜20000nmの遠赤外線が遮断されていないのに対して、Al膜の新規の光学パラメータを用いた実施例の透過スペクトル“A1”では9000nm〜20000nmの遠赤外線も遮断されており、積層数が29層の広帯域遮断フィルタ部3と積層数が11層の狭帯域透過フィルタ部2とで波長が800nm〜20000nmの広帯域の赤外線を遮断でき、4.3μm付近のみに狭帯域の透過帯域を局在させ得ることが分かる。なお、広帯域遮断フィルタ部3の透過スペクトルは、例えば、図17に示すようになり、図17の例では、4μm以下の近赤外線と5.6μm以上の遠赤外線とが遮断される。
本実施形態の赤外線光学フィルタ20の製造にあたっては、まず、Si基板からなるフィルタ形成用基板1の上記他表面側に例えばAl膜からなる薄膜3aと例えばGe膜からなる薄膜3bとを交互に積層することで広帯域遮断フィルタ部3を形成する広域遮断フィルタ部形成工程を行い、その後、フィルタ形成用基板1の上記一表面側に上述のようにして狭帯域透過フィルタ部2,2を形成すればよい。
次に、本実施形態の赤外線式炎検知器を用いた赤外線式炎検知装置について図18を参照しながら説明する。
図18に示した赤外線式炎検知装置は、互いに極性の異なる2つ1組の焦電素子4,4が焦電素子形成用基板41において並設され且つ逆直列に接続された赤外線受光素子40と、広帯域遮断フィルタ部3および互いに透過波長域の異なる2つの狭帯域透過フィルタ部2,2を有し赤外線受光素子40の前方に配置された赤外線光学フィルタ20と、赤外線受光素子40の出力(2つ1組の焦電素子4,4の差動出力)を増幅する増幅部(増幅回路)63aと、増幅部63aの出力信号に基づいて火災の炎の有無を判定するマイクロコンピュータなどからなる信号処理部100とを備えている。ここにおいて、信号処理部100は、火災の炎が有ると判断した場合には、火災検知信号を外部の通報装置へ出力するようにしてもよいし、LEDやディスプレイなどの表示装置やスピーカやブザーなどの音響装置から火災の発生を報知させるようにしてもよい。なお、増幅部63aは上述のIC63に設けられているが、IC63には、増幅部63aだけでなく、信号処理部100も設けてもよい。要するに、本実施形態の赤外線式炎検知器に信号処理部100を設けてもよい。
ところで、図18に示した構成の赤外線式炎検知装置の比較例として、図19に示す構成の赤外線式炎検知装置が考えられる。
図19に示す構成の赤外線式炎検知装置は、それぞれ1つの焦電素子からなる赤外線受光素子40,40と、サファイア基板を用いて形成され赤外線受光素子40,40の前方に配置された赤外線光学フィルタ320,320と、各赤外線受光素子40,40それぞれの出力信号を各別に増幅する2つの増幅部(増幅回路)163,163と、2つの増幅部163,163の出力信号の差分を求める減算器164と、減算器164の出力信号に基づいて火災の炎の有無を判定するマイクロコンピュータなどからなる信号処理部100’とを備えている。なお、図19に示す構成の赤外線式炎検知装置は、赤外線受光素子40,40と、赤外線受光素子40,40を収納したキャンパッケージ170,170と、赤外線光学フィルタ320,320とで赤外線センサ340,340を構成している。しかしながら、この赤外線式炎検知装置では、赤外線受光素子40,40の出力信号が微弱であり、電磁ノイズの影響を受けやすいので、2つの赤外線センサ340,340と2つの増幅部163,163と減算器164とを、シールド部材180によりシールドすることによって赤外線式炎検知器を構成しており、赤外線式炎検知器のサイズがキャンパッケージ170,170のサイズに比べて、かなり大型化し、赤外線式炎検知装置も大型化してしまう。
これに対して、図18に示した構成の赤外線式炎検知装置は、上述の赤外線式炎検知器を用いているので、図19に示した構成の赤外線式炎検知装置に比べて、赤外線炎検知器の劇的な小型化を図れ、赤外線式炎検知装置の劇的な小型化を図れる。
また、図18に示した構成の赤外線式炎検知装置は、上述の赤外線光学フィルタ20を備えているので、熱の放射により発生した赤外線の影響を除去できるというメリットがある。ここで、物体が黒体の場合、物体の温度と放射エネルギとの関係は図20に示すようになり、物体から放射される赤外線の放射エネルギ分布は、物体の温度に依存する。ここにおいて、ウィーンの変位側によれば、放射エネルギ分布の極大値を与える赤外線の波長をλ〔μm〕、物体の絶対温度をT〔K〕とすれば、波長λは、λ=2898/Tとなる。熱源から放射されるスペクトルは発光ダイオードから放射されるスペクトルに比べて非常にブロードである。このため、図19に示した比較例の赤外線式炎検知装置では、ノイズの原因となったり、増幅部163,163の飽和の原因となり、感度低下の原因となってしまうが、図18に示した構成の赤外線式炎検知装置では、増幅部63aの飽和を防止でき、感度の向上を図れる。
ところで、火災時には、炎の熱によりCOガスの共鳴放射が起こり、4.3μmをピーク波長とした赤外線が放射される。このCOガスの共鳴放射により発生する赤外線の放射スペクトルは、4.3μmをピーク波長とする狭帯域の放射スペクトルである。一方、太陽光や熱源、アーク、照明などの外乱光は、一般的に特定波長のスペクトルが放射されることは希であり、大抵は帯域の広いブロードな放射スペクトルとなる。そこで、本実施形態では、上述のように、第1の選択波長をCOガス共鳴放射のピーク波長である4.3μm、第2の選択波長を4.3μm近傍の3.9μmに設定してある。ここで、第2の選択波長は、外乱光の当該第2の選択波長の赤外線強度が、外乱光の4.3μmの赤外線強度とできるだけ近くなるような波長に設定することが好ましい。
ここで、図19に示した構成の赤外線式炎検知装置において、各赤外線光学フィルタ320,320それぞれの選択波長を4.3μm、3.9μmとし、各赤外線受光素子40,40それぞれの出力信号のうち炎に起因した4.3μm、3.9μmそれぞれの赤外線による信号成分をIs1,Is2、外乱光のみに起因した4.3μm、3.9μmそれぞれの赤外線による直流バイアス成分をId1,Id2とし、各増幅部163,163の増幅率をG1,G2とし、各増幅部163,163の出力信号をI1,I2とすると、
I1=(Is1+Id1)×G1
I2=(Is2+Id2)×G2
となる。したがって、減算器164の出力信号は、
I1−I2=(Is1+Id1)×G1−(Is2+Id2)×G2
となる。しかしながら、外乱光による直流バイアス成分Id1,Id2が非常に大きい場合、各増幅部163,163の飽和が起こるので、S/N比が低下してしまう。
これに対して、図18に示した構成の赤外線式炎検知装置における赤外線受光素子40は、焦電素子形成用基板41上で2つの焦電素子4,4の差動出力が得られるように両焦電素子4,4が図3(b)のように接続されているから、焦電素子4,4それぞれの出力信号が上述の赤外線受光素子40,40と同じであるとし、赤外線受光素子40の出力をIとすると、
I=(Is1+Id1)−(Is2+Id2)
となる。ここで、外乱光の放射スペクトルは一般的にはブロードなので、第1の選択波長と第2の選択波長とを、外乱光の放射強度が略同じとなる波長帯域に含まれるように選択しておけば、
Id1=Id2
とみなすことができ、
I=Is1−Is2
となり、太陽光などの外乱光による直流バイアス成分の影響をキャンセルすることができ(つまり、火災が発生しておらず、CO2ガスの共鳴放射に起因した赤外線の発生がない場合には、赤外線受光素子40の出力は略ゼロとなり)、赤外線受光素子40の出力を増幅する増幅部63aのゲインを大きくできてS/N比の向上が可能となる。
また、本実施形態の赤外線式炎検知器では、上述のように、赤外線光学フィルタ20が、赤外線透過材料からなるフィルタ形成用基板1と、当該フィルタ形成用基板1の上記一表面側において各焦電素子4,4それぞれに対応する部位に形成され、炎に起因するCOガスの共鳴放射により発生する特定波長(4.3μm)からなる第1の選択波長の赤外線および当該特定波長以外の参照波長(例えば、3.9μm)である第2の選択波長の赤外線それぞれを選択的に透過させる2つ1組の狭帯域透過フィルタ部2,2と、フィルタ形成用基板1の上記他表面側に形成され、各狭帯域透過フィルタ部2,2により設定される赤外線の反射帯域よりも長波長の赤外線を吸収する広帯域遮断フィルタ部3とを備えている。ここで、赤外線式炎検知器は、各狭帯域透過フィルタ部2,2が、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類の薄膜21a,21bが積層された第1のλ/4多層膜21と、第1のλ/4多層膜21におけるフィルタ形成用基板1側とは反対側に形成され複数種類の薄膜21a,21bが積層された第2のλ/4多層膜22と、第1のλ/4多層膜21と第2のλ/4多層膜22との間に介在し上記選択波長に応じて光学膜厚を各薄膜21a,21bの光学膜厚とは異ならせた波長選択層23,23とを有している。しかして、本実施形態の赤外線式炎検知器では、複数の狭帯域透過フィルタ部2,2を有する赤外線受光フィルタ20の小型化による低コスト化を図れ、しかも、複数の狭帯域透過フィルタ部2,2の中心間距離を短くできて特定波長の赤外線と参照波長の赤外線との光路長の差を小さくすることができ、赤外線受光素子40の各焦電素子4,4の受光効率の向上を図れる。
また、本実施形態の赤外線式炎検知器では、赤外線光学フィルタ20の広帯域遮断フィルタ部3が、屈折率が異なる複数種類の薄膜3a,3bが積層された多層膜からなり、当該複数種類の薄膜3a,3bのうち少なくとも1種類の薄膜3aが遠赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料により形成されている。しかして、本実施形態の赤外線式炎検知器によれば、多層膜の層数の低減を図りながらも、広帯域遮断フィルタ部3を構成する多層膜による光の干渉効果と、当該多層膜を構成する薄膜3aの遠赤外線吸収効果とにより、サファイア基板を用いることなく近赤外線から遠赤外線までの広帯域における赤外線遮断機能を実現することができ、低コスト化を図れる。
また、本実施形態の赤外線式炎検知器では、赤外線光学フィルタ20の狭帯域透過フィルタ部2,2においても、第1のλ/4多層膜21および第2のλ/4多層膜22による光の干渉効果と、第1のλ/4多層膜21と波長選択層23,23と第2のλ/4多層膜22とで構成される多層膜における薄膜21bの遠赤外線吸収材料での遠赤外線吸収効果とにより、近赤外線から遠赤外線までの広帯域における赤外線遮断機能を有するから、近赤外線から遠赤外線までの広帯域における赤外線遮断機能を有し、且つ、所望の選択波長の赤外線を選択的に透過させることが可能な低コストの赤外線光学フィルタ20を実現できる。
また、上述の赤外線光学フィルタ20では、遠赤外線吸収材料として、酸化物もしくは窒化物を採用しているので、遠赤外線吸収材料からなる薄膜3a,21bが酸化して光学特性が変化するのを防止することができる。また、上述の赤外線光学フィルタ20では、広帯域遮断フィルタ部3および各狭帯域透過フィルタ部2,2のいずれもフィルタ形成用基板1から最も遠い最上層が上述の酸化物もしくは窒化物により形成されているので、空気中の水分や酸素などとの反応や不純物の吸着や付着などに起因して最上層の薄膜3a,21bの物性が変化するのを防止できてフィルタ性能の安定性が高くなるとともに、広帯域遮断フィルタ部3および各狭帯域透過フィルタ部2,2の表面での反射を低減でき、フィルタ性能の向上を図れる。
また、上述の赤外線光学フィルタ20では、遠赤外線吸収材料により形成された薄膜3aと、遠赤外線吸収材料よりも高屈折率材料であるGeにより形成された薄膜3bとが交互に積層されて広帯域遮断フィルタ部3の多層膜が構成されているので、高屈折率材料がSiやPbTeやZnSである場合に比べて、高屈折率材料と低屈折率材料との屈折率差を大きくすることができ、当該多層膜の積層数を低減できる。また、高屈折率材料としてSiを採用した場合には、高屈折率材料がZnSである場合に比べて、多層膜における高屈折率材料と低屈折率材料との屈折率差を大きくすることができ、多層膜の積層数(層数)を低減できる。また、狭帯域透過フィルタ部2,2に関しても、同様の理由により積層数を低減できる。
ところで、本実施形態では、赤外線光学フィルタ20のフィルタ形成用基板1としてSi基板を用いているが、フィルタ形成用基板1はSi基板に限らず、Ge基板を用いてもよい。SiおよびGeそれぞれの透過特性についてインターネット上で開示されているデータをそれぞれ、図21,22に示す(〔平成21年2月25日検索〕、インターネット<URL:http://www.spectra.co.jp/kougaku.files/k_kessho.files/ktp.htm>)。
本実施形態の赤外線式炎検知器では、上述のように、フィルタ形成用基板1としてSi基板もしくはGe基板を用いることにより、フィルタ形成用基板1がサファイア基板やMgO基板やZnS基板である場合に比べて低コスト化を図れる。
また、本実施形態の赤外線式炎検知器は、パッケージ7が金属製であり、フィルタ形成用基板1がパッケージ7のキャップ72に対して導電性の接合材料(例えば、銀ペースト、半田など)からなる接合部58により接合して電気的に接続されている。これにより、本実施形態の赤外線式炎検知器では、フィルタ形成用基板1とパッケージ7とで電磁シールドを行うことができ、赤外線受光素子40への外来の輻射ノイズ(電磁ノイズ)の影響を防止でき、S/N比の向上による高感度化を図れる。
また、本実施形態の赤外線式炎検知器では、キャップ72の窓部7aが矩形状に開口されるとともに、赤外線光学フィルタ20に、キャップ72における窓部7aの内周面および周部に位置決めされる段差部20cが形成されており、赤外線光学フィルタ20における段差部20cを上記接合材料からなる接合部58を介してキャップ72に固着してある。したがって、赤外線光学フィルタ20と赤外線受光素子40との平行度を高めることができ、赤外線光学フィルタ20の各狭帯域透過フィルタ部2,2の光軸方向における各狭帯域透過フィルタ部2,2と赤外線受光素子40の各焦電素子4,4との距離精度を高めることができるとともに、各狭帯域透過フィルタ部2,2の光軸と各焦電素子4,4の受光面の光軸との合わせ精度を高めることができる。
また、本実施形態の赤外線式炎検知器では、赤外線受光素子40の出力を増幅する増幅部(増幅回路)63aの構成部品がパッケージ7内に収納されているので、赤外線受光素子40と増幅部63aとの電路を短くできるとともに、増幅部63aも電磁シールドされるから、S/N比のより一層の向上による高感度化を図れる。

Claims (5)

  1. 赤外線受光素子がパッケージ内に収納され、前記パッケージにおいて前記赤外線受光素子の前方に赤外線光学フィルタが配置された赤外線式炎検知器であって、
    前記パッケージは、ステムと、前記赤外線受光素子を覆うように前記ステムに固着された金属製のキャップとを備え、
    前記赤外線受光素子は、互いに極性の異なる2つ1組の焦電素子が焦電素子形成用基板において並設され且つ逆直列もしくは逆並列に接続されてなり、
    前記赤外線光学フィルタは、赤外線透過材料からなるフィルタ形成用基板と、前記フィルタ形成用基板の一表面側において前記各焦電素子それぞれに対応する部位に形成され、炎に起因するCOガスの共鳴放射により発生する特定波長からなる第1の選択波長の赤外線および当該特定波長以外の参照波長である第2の選択波長の赤外線それぞれを選択的に透過させる2つ1組の狭帯域透過フィルタ部と、前記フィルタ形成用基板の他表面側に形成され、前記各狭帯域透過フィルタ部により設定される赤外線の反射帯域よりも長波長の赤外線を吸収する広帯域遮断フィルタ部とを備え、
    前記2つ1組の狭帯域透過フィルタ部の各々は、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類の薄膜が積層された第1のλ/4多層膜と、前記第1のλ/4多層膜における前記フィルタ形成用基板側とは反対側に形成され前記複数種類の薄膜が積層された第2のλ/4多層膜と、前記第1のλ/4多層膜と前記第2のλ/4多層膜との間に介在し前記選択波長に応じて光学膜厚を前記各薄膜の光学膜厚とは異ならせた波長選択層とを有してなり、
    前記2つ1組の狭帯域透過フィルタ部のうち前記第1の選択波長の赤外線を選択的に透過させる狭帯域透過フィルタ部と、前記第2の選択波長の赤外線を選択的に透過させる狭帯域透過フィルタ部と、は、前記第1のλ/4多層膜及び前記第2のλ/4多層膜の薄膜構造が共通であり、
    前記2つ1組の狭帯域透過フィルタ部の各々は、前記第1のλ/4多層膜及び前記第2のλ/4多層膜により共通の反射帯域が形成され、
    前記2つ1組の狭帯域透過フィルタ部の反射帯域を決める、前記各薄膜に共通する光学膜厚の4倍に相当する設定波長をλ とすれば、前記各薄膜の物理膜厚は、高屈折率材料の屈折率をn 、低屈折率材料の屈折率をn とすると、それぞれλ /4n 、λ /4n となるように設定されており、
    前記第1の選択波長の赤外線を選択的に透過させる狭帯域透過フィルタ部の前記波長選択層は、前記反射帯域の中に前記第1の選択波長の赤外線を選択的に透過させる狭帯域の透過帯域が局在するように光学膜厚が設定され、
    前記第2の選択波長の赤外線を選択的に透過させる狭帯域透過フィルタ部の前記波長選択層は、前記反射帯域の中に前記第2の選択波長の赤外線を選択的に透過させる狭帯域の透過帯域が局在するように光学膜厚が設定され、
    前記赤外線光学フィルタは、前記キャップにおける前記赤外線受光素子の前方の窓部を閉塞する形で、導電性の接合材料からなる接合部により前記パッケージに接合されていることを特徴とする赤外線式炎検知器。
  2. 前記広帯域遮断フィルタ部は、屈折率が異なる複数種類の薄膜が積層された多層膜からなり、当該複数種類の薄膜のうち少なくとも1種類の薄膜が遠赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料により形成されてなることを特徴とする請求項1記載の赤外線式炎検知器。
  3. 前記フィルタ形成用基板は、Si基板もしくはGe基板であることを特徴とする請求項1記載の赤外線式炎検知器。
  4. 前記フィルタ形成用基板が前記パッケージに電気的に接続されてなることを特徴とする請求項3記載の赤外線式炎検知器。
  5. 前記赤外線受光素子の出力を増幅する増幅回路の構成部品が前記パッケージ内に収納されてなることを特徴とする請求項4記載の赤外線式炎検知器。
JP2011545201A 2009-12-09 2010-12-06 赤外線式炎検知器 Expired - Fee Related JP5838347B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011545201A JP5838347B2 (ja) 2009-12-09 2010-12-06 赤外線式炎検知器

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009279693 2009-12-09
JP2009279693 2009-12-09
PCT/JP2010/071813 WO2011071011A1 (ja) 2009-12-09 2010-12-06 赤外線式炎検知器
JP2011545201A JP5838347B2 (ja) 2009-12-09 2010-12-06 赤外線式炎検知器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2011071011A1 JPWO2011071011A1 (ja) 2013-04-22
JP5838347B2 true JP5838347B2 (ja) 2016-01-06

Family

ID=44145555

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011545201A Expired - Fee Related JP5838347B2 (ja) 2009-12-09 2010-12-06 赤外線式炎検知器

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20120298867A1 (ja)
EP (1) EP2511679A1 (ja)
JP (1) JP5838347B2 (ja)
KR (1) KR101372989B1 (ja)
CN (1) CN102713540A (ja)
TW (1) TWI421475B (ja)
WO (1) WO2011071011A1 (ja)

Families Citing this family (38)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5226883B2 (ja) * 2011-02-01 2013-07-03 Necトーキン株式会社 焦電型赤外線センサ
CN102384788B (zh) * 2011-11-11 2013-07-03 山东省科学院自动化研究所 手持式防爆红紫外火焰探测器现场检测装置
US9587987B2 (en) 2012-03-12 2017-03-07 Honeywell International Inc. Method and device for detection of multiple flame types
WO2014014534A2 (en) * 2012-04-26 2014-01-23 Xyratex Technology Ltd. Monitoring radiated infrared
US9103986B2 (en) * 2012-06-08 2015-08-11 Empire Technology Development Llc Multi frequency filter arrays for low cost spectrometers
JP6042137B2 (ja) * 2012-08-31 2016-12-14 旭化成エレクトロニクス株式会社 赤外線センサモジュール
US9939323B2 (en) * 2012-12-28 2018-04-10 Illinois Tool Works Inc. IR sensor with increased surface area
JP6057254B2 (ja) * 2013-01-23 2017-01-11 パナソニックIpマネジメント株式会社 赤外線受光ユニット、赤外線式ガスセンサ
CN104937385B (zh) * 2013-01-21 2017-11-03 松下知识产权经营株式会社 红外线检测元件、红外线检测器及红外线式气体传感器
CN103405875B (zh) * 2013-08-05 2015-06-24 同济大学 可旋转火焰探测装置
JP6390117B2 (ja) 2014-02-26 2018-09-19 セイコーエプソン株式会社 光学モジュール、及び電子機器
JP6430795B2 (ja) * 2014-11-27 2018-11-28 ホーチキ株式会社 炎検出装置
CN105917201A (zh) * 2015-06-02 2016-08-31 东莞传晟光电有限公司 热释电传感器
CN105205969B (zh) * 2015-09-23 2016-05-25 陈一平 三维空间火源探测智能定位装置
DE102015223362A1 (de) * 2015-11-25 2017-06-01 Minimax Gmbh & Co. Kg Explosionsgeschütztes Gehäuse für Mittel zum Senden und Empfangen elektromagnetischer Strahlung
WO2017088071A1 (en) * 2015-11-26 2017-06-01 Sensirion Ag Infrared device
CN106932104A (zh) * 2015-12-30 2017-07-07 上海新微技术研发中心有限公司 一种双元火焰探测传感器
JP6738632B2 (ja) * 2016-03-30 2020-08-12 能美防災株式会社 炎検知器
JP2017201262A (ja) * 2016-05-06 2017-11-09 国立大学法人神戸大学 焦電型赤外線センサ素子
CN109155097B (zh) * 2016-05-13 2020-10-09 西门子瑞士有限公司 具有用于感测环境光的光电二极管以基于其来加速发出潜在火警报的火检测器
US10012545B2 (en) * 2016-12-07 2018-07-03 Wing Lam Flame detector with proximity sensor for self-test
CN106698323A (zh) * 2017-01-16 2017-05-24 北京芯创睿胜科技有限公司 一种红外吸收结构及其与红外传感器件的集成方法
US20180235478A1 (en) * 2017-02-18 2018-08-23 VVV IP Holdings Limited Multi-Vital Sign Detector in an Electronic Medical Records System
KR101767980B1 (ko) 2017-04-11 2017-08-14 김수언 적외선 열화상을 이용한 지능형 불꽃 검출 장치 및 방법
US10690057B2 (en) 2017-04-25 2020-06-23 General Electric Company Turbomachine combustor end cover assembly with flame detector sight tube collinear with a tube of a bundled tube fuel nozzle
JP6989291B2 (ja) * 2017-05-29 2022-01-05 ホーチキ株式会社 火炎検出装置
JP6998144B2 (ja) * 2017-07-12 2022-01-18 リンナイ株式会社 フレームロッド
EP3462149B1 (en) 2017-09-28 2023-10-25 Sensirion AG Infrared device
WO2019131642A1 (ja) * 2017-12-28 2019-07-04 株式会社村田製作所 光検出器
JP7032982B2 (ja) * 2018-04-18 2022-03-09 ホーチキ株式会社 炎検出装置
CN111365730B (zh) * 2018-12-26 2022-06-24 Abb瑞士股份有限公司 火焰检测器
CN113167650B (zh) * 2019-01-16 2024-05-10 松下知识产权经营株式会社 光学滤光器、光检测装置及光检测系统
JP7275946B2 (ja) * 2019-07-10 2023-05-18 セイコーエプソン株式会社 光学フィルター、及び電子機器
CN114641672A (zh) * 2019-11-18 2022-06-17 株式会社村田制作所 光传感器
WO2022004507A1 (ja) * 2020-06-29 2022-01-06 株式会社堀場製作所 放射温度計
CN113238311B (zh) * 2021-07-12 2021-10-01 翼捷安全设备(昆山)有限公司 一种红外滤光片及其制备方法、红外气体传感器
CN114180081A (zh) * 2021-11-19 2022-03-15 中国直升机设计研究所 一种直升机光感式火警探测及逻辑判断方法
CN117705270B (zh) * 2024-02-06 2024-04-30 华中科技大学 一种高精度太阳能辐射测量装置及方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05249313A (ja) * 1992-03-05 1993-09-28 Fujikura Ltd 光学多層膜フィルタ
JPH0581667U (ja) * 1992-03-31 1993-11-05 国際技術開発株式会社 赤外線受光装置
JPH07159234A (ja) * 1993-12-11 1995-06-23 Horiba Ltd 赤外線検出器
JPH1078510A (ja) * 1996-09-05 1998-03-24 Yokogawa Electric Corp フィルタ
JPH10339698A (ja) * 1997-06-09 1998-12-22 Itachibori Seisakusho Kk 赤外線式ガス検出装置
JP2007225455A (ja) * 2006-02-23 2007-09-06 Matsushita Electric Works Ltd 赤外線検出器
JP2010186147A (ja) * 2009-02-13 2010-08-26 Panasonic Electric Works Co Ltd 赤外線光学フィルタおよびその製造方法
JP2010186146A (ja) * 2009-02-13 2010-08-26 Panasonic Electric Works Co Ltd 赤外線光学フィルタおよびその製造方法
JP2011027699A (ja) * 2009-06-25 2011-02-10 Panasonic Electric Works Co Ltd 赤外線式ガス検知器および赤外線式ガス計測装置

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60125530A (ja) * 1983-12-09 1985-07-04 Kureha Chem Ind Co Ltd 赤外線センサ
JPH0378899A (ja) 1989-08-23 1991-04-04 Nippon Mining Co Ltd 火災検知装置
JPH0760119B2 (ja) 1989-09-30 1995-06-28 株式会社堀場製作所 赤外線検出器
JPH0772078A (ja) 1993-09-02 1995-03-17 Matsushita Electric Ind Co Ltd 赤外線式ガスセンサー
US5574375A (en) * 1995-03-15 1996-11-12 Kureha Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha Dual pyroelectric sensor
JP3472906B2 (ja) 1997-04-09 2003-12-02 松下電工株式会社 焦電型赤外線検出装置
US5831537A (en) * 1997-10-27 1998-11-03 Slc Technologies, Inc. Electrical current saving combined smoke and fire detector
CN2532483Y (zh) * 2001-11-09 2003-01-22 周流 红外线火焰探测器
EP1592067A4 (en) * 2004-01-15 2007-05-02 Matsushita Electric Ind Co Ltd TUBE-FREE PICTURE DEVICE, PROCESS FOR PRODUCING A TUBE-FREE PICTURE DEVICE AND CAMERA THEREWITH
CN100487900C (zh) * 2004-01-15 2009-05-13 松下电器产业株式会社 固体成像装置,其制造方法,和使用固体成像装置的相机
DE102004028433B4 (de) * 2004-06-14 2006-08-31 Danfoss A/S IR-Sensor, insbesondere CO2-Sensor
TWI407387B (zh) * 2007-02-09 2013-09-01 Multi - band flame detection device and method thereof
US20110310472A1 (en) * 2009-02-13 2011-12-22 Takahiko Hirai Infrared optical filter and manufacturing method of the infrared optical filter
US20120235038A1 (en) * 2009-06-25 2012-09-20 Takayuki Nishikawa Infrared gas detector and infrared gas measuring device

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05249313A (ja) * 1992-03-05 1993-09-28 Fujikura Ltd 光学多層膜フィルタ
JPH0581667U (ja) * 1992-03-31 1993-11-05 国際技術開発株式会社 赤外線受光装置
JPH07159234A (ja) * 1993-12-11 1995-06-23 Horiba Ltd 赤外線検出器
JPH1078510A (ja) * 1996-09-05 1998-03-24 Yokogawa Electric Corp フィルタ
JPH10339698A (ja) * 1997-06-09 1998-12-22 Itachibori Seisakusho Kk 赤外線式ガス検出装置
JP2007225455A (ja) * 2006-02-23 2007-09-06 Matsushita Electric Works Ltd 赤外線検出器
JP2010186147A (ja) * 2009-02-13 2010-08-26 Panasonic Electric Works Co Ltd 赤外線光学フィルタおよびその製造方法
JP2010186146A (ja) * 2009-02-13 2010-08-26 Panasonic Electric Works Co Ltd 赤外線光学フィルタおよびその製造方法
JP2011027699A (ja) * 2009-06-25 2011-02-10 Panasonic Electric Works Co Ltd 赤外線式ガス検知器および赤外線式ガス計測装置

Also Published As

Publication number Publication date
WO2011071011A1 (ja) 2011-06-16
CN102713540A (zh) 2012-10-03
US20120298867A1 (en) 2012-11-29
TW201142256A (en) 2011-12-01
TWI421475B (zh) 2014-01-01
KR20120103662A (ko) 2012-09-19
KR101372989B1 (ko) 2014-03-12
JPWO2011071011A1 (ja) 2013-04-22
EP2511679A1 (en) 2012-10-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5838347B2 (ja) 赤外線式炎検知器
JP5374297B2 (ja) 赤外線式ガス検知器および赤外線式ガス計測装置
KR101311322B1 (ko) 적외선식 가스 검지기 및 적외선식 가스 계측 장치
US9528879B2 (en) Infrared detection element, infrared detector, and infrared type gas sensor
US20190323947A1 (en) Wafer arrangement
US6756594B2 (en) Micromachined tuned-band hot bolometer emitter
US10444076B2 (en) Infrared device
US20050030628A1 (en) Very low cost narrow band infrared sensor
JP5223298B2 (ja) 赤外線光源
US5668376A (en) Double radiation source assembly and transducer
US11209353B2 (en) Infrared device
JP2014142319A (ja) 赤外線応用装置
KR20100036853A (ko) 웨이퍼 레벨 패키징을 이용한 ndir 방식의 가스 센서용적외선 감지소자 및 그의 제조방법
JP6330909B2 (ja) 熱型赤外線センサおよびガス測定装置
US20060104319A1 (en) Device for reflecting and detecting electromagnetic radiation
KR101449655B1 (ko) 파장 선택적 광 감지 센서 및 이를 이용한 센싱 방법
JPH03134798A (ja) 赤外線センサ
CN116008228A (zh) 一种芯片集成式ndir气体传感器及其制备方法
EP4232799A1 (en) Optical detector and method for determining at least one property of at least one substance
JP2022127448A (ja) 赤外線検出器および赤外線検出器を備えたガスセンサ
JPH06213807A (ja) 火災感知器及び受光素子

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20140107

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20140303

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20140805

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711

Effective date: 20141008

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20141209

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20150309

A911 Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20150317

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20150519

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20150612

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees