JP6001992B2

JP6001992B2 - 遠近判定装置

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Publication number: JP6001992B2
Application number: JP2012227092A
Authority: JP
Inventors: 聡佑西田; 藍加藤
Original assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Current assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Priority date: 2012-10-12
Filing date: 2012-10-12
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2032-10-12
Also published as: JP2014081204A

Description

本発明は、遠近判定装置に関し、より詳細には、光電変換部を備える赤外線センサ素子と、この赤外線センサ素子の視野の一部を覆う視野制限部とを備えている遠近判定装置に関する。

一般に、赤外線センサは、赤外領域の光（赤外線ＩＲ：ＩｎｆｒａｒｅｄＲａｙ）を受光して電気信号に変換し、必要な情報として取り出すために用いられている。例えば、物体がその温度に応じた赤外線を放射することから、赤外線センサ装置は、所望の部位の温度を非接触で測定する手段としても用いられている。
この種の赤外線センサ装置は、所望の部位から温度に応じて放射される赤外線と赤外線センサ装置自身の持つ温度での赤外線との差分を赤外線センサの感度で電気信号に変換して出力するので、赤外線センサ装置の出力値と感度と温度により、所望の部位の温度算出している。このような非接触で温度測定する赤外線センサ装置では、所望の部位の温度を正確に測定するために、赤外線センサの温度を正確に測定すると共に、視野角制限体を設けて所望の部位以外の周囲の赤外線をカットしている。このような視野制限体が設けられた赤外線センサ装置としては、例えば、特許文献１に記載のような光デバイス（赤外線センサ装置）が知られている。

図１は、特許文献１に開示されている視野制限部を備える従来の赤外線センサ装置の断面構成図である。この赤外線センサ装置である光デバイスでは、センサ素子を構成する基板１２と信号処理回路１５とを開口部１４を残して封止部材１３で樹脂封止する構成としたことにより、基板１２へ入射する光の視野が開口部１４のみからに制限されている。また、この光デバイスは、開口部１４からの入射される光のうち赤外光のみを透過させる光学調整部１１と、透過した赤外線を光電変換する光電変換部１０とを搭載した基板１２を備えている。光電変換された信号は、光電変換部１０と電気的に接続された信号処理回路部１５によりさらに信号処理される。

さらに、この光デバイスでは、光電変換部１０を搭載した基板６２と信号処理回路部１５とが互いに熱の影響を与えないようにする観点から、配線端子上に積層されたインターポーザー１７上に金属バンプ１６など介して基板１２と信号処理回路部１５とを設けている。すなわち、光電変換部１０と信号処理回路部１５とは、インターポーザー１７上で、互いに熱の影響を与えない（与えにくい）位置に、光電変換部１０および信号処理回路部１５を配置することにより、光電変換部１０の温度を安定させ、所望の信号精度得るようにしたものである。

このように、視野制限部を有する赤外線センサ装置においては、開口部の内径と、開口部の厚みと、開口部と赤外線検出部との距離によって、視野角の大きさが決定され、開口部の内径を小さく、開口部の厚みを厚く、開口部と赤外線検出部との距離を長くすることで、より狭い検出対象範囲からの赤外線を精度良く定量することができることが知られていた。

また、例えば、特許文献２に記載の赤外線センサは、赤外線検出素子の外乱要素となる赤外線導入窓以外の部分と赤外線検出素子との距離が近いために両者間の温度差を少なくして外乱赤外線による誤差を低減できるように、赤外線導入窓（スルーホール）の内面には、光吸収性の高い塗料等を塗布することで、導波管の内面よりも赤外線放射率が高くなるようにしてあり、赤外線導入窓によって視野角を制御できるようにしたものである。

国際公開２００６／０９５８３４号パンフレット特開２００１−１５９５６６号公報

上述したような赤外線センサ装置が搭載される電子機器（例えば、携帯電話やスマートフォン、液晶ディスプレイ等）においては、外観上の審美性が重要視されている。この種の電子機器の表面に搭載される赤外線センサ装置においては、その視野制限部が目立たないように極めて小さな開口部の視野制限部を用いることの要請が高まっている。また、防塵性や防水性の観点からも、小さな開口部の視野制限部を用いることの要請を後押ししている。

しかしながら、視野制限部の開口部が小さくなると、赤外線センサ素子から見たときの視野が極めて狭い範囲になるため、測定対象物が赤外線センサの近傍に存在するとき、測定対象物がどれくらいの近さに存在するかどうかの定量化が行えなくなってしまう。
図２（ａ），（ｂ）は、視野制限部を備える赤外線センサ装置を備える電子機器において、測定対象物である人間の手を赤外線センサ素子上で上下に移動させたときの模式図で、従来の赤外線センサ装置による遠近判定の動作を示す図である。図２（ａ）は、狭い開口部の視野制限部の場合で、図２（ｂ）は、広い開口部の視野制限部の場合を示している。

図２（ａ）に示すように、狭い開口部の視野制限部２２を備える赤外線センサ装置を備える電子機器において、測定対象物である人間の手を赤外線センサ素子２１上で上下に移動させたときに、手が上の位置２３０ａにあっても下の位置２３０ｂにあっても、いずれも赤外線センサ素子の視野の全てが手で覆われているため、いずれの位置にあっても出力は変化せず、遠近判定が実現されないことが理解される。すなわち、従来の赤外線センサ装置では、図２（ａ）に示すような赤外線センサ装置と測定対象物との距離が近い領域での遠近判定が困難であることが理解される。

この問題を解決するための一手段としては、図２（ｂ）に示すように、赤外線センサ素子の受光部の面積に対して、開口部を広くすることが考えられるが、電子機器上の審美性が損なわれ、また、防塵性や防水性が悪化してしまうという問題がある。
また、上述した特許文献２には、キャップの内面のうち、赤外線検出素子の近くは赤外線放射率の高い領域とし、それ以外では赤外線放射率の低い領域とすることが開示されている。この特許文献２の発明では、赤外線放射率の高い領域が図２に示した視野制限部として機能しており、該赤外線放射率の高い領域の延長上に赤外線放射率の低い材料からなる導波路を設けて、赤外線検出素子と測定対象物との距離を長くした（赤外線センサモジュールと測定対象物との距離を短くした）ものである。この特許文献２に開示されている赤外線センサを、携帯電話等の電子機器に用いられる赤外線センサとして適用すると、導波路が電子機器の表面に突出してしまい審美性や機能性が損なわれるか、赤外線センサの厚みが大きくなり実装上の問題が生じてしまう。

また、特許文献２の実施例として開示されている形態は、いずれも赤外線検出素子の近くを赤外線放射率の高い領域としているため、赤外線センサと、導波路の赤外線放射率の高い領域の温度差がわずかでも、センサの出力に大きな影響を与えるため、周辺温度が変化した際に検出誤差が大きくなるという問題が生じてしまう。ここで、赤外線センサまでの距離が近いほど、センサの視野を覆う面積が大きくなり、その赤外線輻射の影響が大きくなることは言うまでもない。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、開口部が狭い視野制限部を備えている遠近判定装置において、視野制限部の開口部が狭くても、近接距離での遠近判定が可能な遠近判定装置を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、光電変換部を有する赤外線センサ素子（３１０）と、開口部（３２１）を有し、かつ、前記赤外線センサ素子の視野の一部を覆うように筺体として機能する視野制限部（３２０）と、を備え、前記視野制限部（３２０）の開口部（３２１）を形成する表面の一部が、前記視野制限部（３２０）の他の表面よりも反射率の高い反射膜（３２２）で覆われ、前記視野制限部の開口部を形成する表面の、外部空間側の表面が前記反射率の高い反射膜で覆われていないことを特徴とする遠近判定装置である。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記赤外線センサ素子（３１０）の面積よりも、前記視野制限部（３２０）の開口部（３２１）の面積の方が小さいことを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記視野制限部（３２０）の開口部（３２１）の面積が、０．０４ｍｍ^２以上１００ｍｍ^２以下であることを特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、前記視野制限部（３２０）の開口部（３２１）の高さが、１ｍｍ以上１０００ｍｍ以下であることを特徴とする。
また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記赤外線センサ素子（３１０）の受光部の面積が、０．２ｍｍ^２以上１０ｍｍ^２以下であることを特徴とする。
また、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の発明において、前記赤外線センサ素子（３１０）が、量子型赤外線センサであることを特徴とする。

本発明によれば、視野制限部の開口部を形成する表面の一部が、視野制限部の他の表面よりも反射率の高い材料で覆われているので、視野制限部の開口部が狭くても、近接距離での遠近判定が可能な遠近判定装置を提供することが可能になる。

特許文献１に開示されている視野制限部を備える従来の赤外線センサ装置の断面構成図である。（ａ），（ｂ）は、視野制限部を備える赤外線センサ装置を備える電子機器において、測定対象物である人間の手を赤外線センサ素子上で上下に移動させたときの模式図である。本発明に係る赤外線センサ装置の実施例１を説明するための断面構成図である。手の位置における赤外線センサ素子の出力の関係を示す図である。本発明に係る赤外線センサ装置の実施例２を説明するための断面構成図である。

以下、図面を参照して本発明の各実施例について説明する。

図３は、本発明に係る赤外線センサ装置の実施例１を説明するための断面構成図で、図中符号３１０は赤外線センサ素子、３１１は赤外線センサ素子の基板、３２０は視野制限部、３２１は開口部、３２２は反射膜、３３０ａ，３３０ｂは測定対象物の手を示している。
本実施例１の赤外線センサ装置は、光電変換部を有する赤外線センサ素子３１０と、開口部３２１を有し、かつ、赤外線センサ素子の視野の一部を覆う視野制限部３２０とを備えている赤外線センサ装置である。視野制限部３２０の開口部３２１を形成する表面の一部が、視野制限部３２０の他の表面よりも反射率の高い反射膜３２２で覆われている。

また、視野制限部３２０の開口部３２１を形成する表面の、外部空間側の表面が反射率の高い反射膜３２２で覆われていない構成になっている。
これにより、電子機器上の審美性や、防塵性、防水性を向上させるために、開口部を小さくした場合においても、必要な視野範囲を得ることができる。ここで、開口部を有し、かつ、赤外線センサ素子の視野の一部を覆う視野制限部は、赤外線センサ素子の近傍に配置してもよいし、赤外線センサ素子から所定の距離だけ離して配置してもよい。また、本発明の赤外線センサ装置が搭載される電子機器の筐体に開口部を設けるなどして、筐体を視野制限部としてもよい。

上述した図２（ａ）に示した従来技術のように、視野制限部の全ての表面が反射率の低い材料で覆われている場合、赤外線センサ素子２１から見た視野は、図２（ａ），（ｂ）の一点破線の領域となる。したがって、手が２３０ａの位置にあっても、２３０ｂの位置にあっても、手が赤外線センサ素子２１のすべての視野を覆っているため、同じ出力が得られる。したがって、手が２３０ａの位置にあるのか、２３０ｂの位置にあるのかは区別することが出来ない。

しかしながら、実施例１の赤外線センサ装置では、視野制限部３２０の開口部３２１を形成する表面の一部が、反射膜３２２で覆われているため、図３の一点破線３４０の領域のみではなく、点線で示される領域の範囲内からの赤外線もが赤外線センサ素子３１０に到達するため、実質的な視野は点線３５０で囲まれる領域となる。
したがって、手が３３０ａの位置にある場合は、手から放出される赤外線のほかに、手が覆っていない背景からの赤外線も赤外線センサ素子に到達する。また、手が３３０ｂの位置にある場合は、手が視野の全てを覆っているため、背景からの赤外線は赤外線センサ素子に到達しない。

図４は、手の位置における赤外線センサ素子の出力の関係を示す図で、背景の温度が２０℃であり、手の温度が３３℃であった場合において、手を３３０ａの位置に挿入し、その後、徐々に３３０ｂの位置に近づけたときの赤外線センサ素子の出力を示す図である。
手が３３０ａの位置に挿入すると、視野の一部を手が覆っているので、手が視野を全く覆っていなかったときの出力（挿入前に背景温度の２０℃を見ている時の出力）よりも少し高い出力（２０℃〜３３℃の間の出力）が得られる。そして手が、赤外線センサ装置に近づくにつれて出力が増大していき、赤外線センサ素子の視野をすべて覆う３３０ｂの位置に来ると、手から放射されるすべての赤外線を受光し、３３℃の物体を見ている時の出力が得られる。

すなわち、この赤外線センサ装置からの出力に基づけば、狭い開口部の視野制限部を備える赤外線センサ装置であっても、近接距離の遠近判定が可能になることが理解される。この出力を使えば、搭載される電子機器のリニアな変量の制御が可能になり、例えば音量調節や再生速度変調、表示画像の拡大／縮小などの制御を非接触で実行することが可能になる。

図３に示した実施例１では、視野制限部３２０の開口部３２１を形成する表面の一部が、視野制限部の他の表面よりも反射率の高い反射膜３２２で覆われている場合を例示したが、視野制限部３２０の開口部３２１を形成する表面の全てが、視野制限部の他の表面よりも反射率の高い反射膜３２２で覆われていてもよい。その場合、視野角は１８０度となる。すなわち、所望の視野角に応じて反射膜３２２の被覆率を設計すればよい事が理解される。

また、上述した実施例１では、開口部３２１が空洞の場合を例示したが、必要に応じて特定の波長を透過／遮断する光学フィルタ等の窓材が設けられていてもよい。
また、赤外線センサ素子３１０の面積よりも、視野制限部３２０の開口部３２１の面積の方が小さいことが望ましい。これにより、開口部がより小さくなり、電子機器上の審美性や、防塵性、防水性を向上させることができる。

また、視野制限部３２０の開口部３２１の面積は、０．０４ｍｍ^２以上１００ｍｍ^２以下であるが望ましい。ここで、実装位置ずれを考慮した場合、開口面積は０．０４ｍｍ^２以上であることが要求される。さらには、電子機器上の審美性などの観点より１００ｍｍ^２以下であることが求められている。
また、視野制限部３２０の開口部３２１の高さは、１ｍｍ以上１０００ｍｍ以下であることが望ましい。ここで、視野角制限部の開口部の高さというのは、赤外線センサ素子の受光面から視野角制限部の開口部の上面までの距離をいう。例えば、本発明の赤外線センサ装置が搭載される電子機器の筐体に開口部を設けるなどして、筐体を視野制限部として用いる場合は、赤外線センサ素子の受光面から筐体の外側までの距離である。

また、通常、手などのサイズの熱源の遠近判定を行う場合は、視野角が±２０°以上が好ましいが、例えば、視野制限体の高さが１ｍｍにおいて、例えば、赤外線センサ素子の感光部のサイズが０．４ｍｍ^２で、開口部が０．２ｍｍ^２（開口部面積が０．０４ｍｍ^２）である場合、視野角は±１０°程度となり、赤外線センサ素子からの直線距離が３０ｃｍで１０ｃｍ^２程度の狭い範囲しか観測できないため、本発明の技術を用いて見かけ上の視野を広げる必要が出てくる。

また、赤外線センサ素子から観測したい熱源までの距離が１０００ｍｍ以上となると、遠近判定に必要な出力を得られにくくなるため、視野制限部の開口部の高さは１０００ｍｍ以下が好ましい。
また、赤外線センサ素子３１０の受光部の面積は、０．２ｍｍ^２以上１０ｍｍ^２以下であることが望ましい。手などの熱源の遠近判定を行うために十分な出力を得るためには、赤外線センサの受光部の面積は０．２ｍｍ^２以上は必要であり、また、赤外線センサ装置の小型化を実現するためには１０ｍｍ^２である必要がある。

また、本発明の赤外線センサ装置において用いられる赤外線センサ素子としては、入射される赤外線に応じて光電変換がなされる光電変換部を有するものであれば特に制限されず、例えば、フォトダイオードやフォトコンダクタなど、光電変換によって信号を出力する「量子型センサ」や、サーモパイルや焦電型センサなど、赤外線吸収による温度変化を電気信号に変換する「熱型センサ」を用いることができる。

ここで、サーモパイルなども量子型赤外線センサと同様に使用可能ではあるが、サーモパイルはゼーベック効果を用いたセンサであるため、出力を十分に得るには温点と冷点（基準点）の温度差を大きくとるために距離を取る必要があり、小面積にセンサを作製すると十分な出力が得られない。逆に必要な信号が得られるようにすると、サイズが大きくなり、小型の電子機器には入らないサイズになってしまう。よって、赤外線検出部が備える赤外線センサは、量子型赤外線センサであることが望ましい。

本発明の赤外線センサ装置において用いられる反射膜を除く視野制限部の材質としては、外乱光を効率よく除去する観点から、赤外線の透過率が低い材料であることが好ましい。赤外線の透過率が低い材料としては、例えば、赤外線を反射しないように表面処理された金属、プラスチック、エポキシ樹脂、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリエステル樹脂などが挙げられるが、この限りではない。視野制限部は、赤外線センサ装置全体の筐体としての役割を果たしてもよいし、筐体とは別途設けられる部材であってもよい。また、開口部は、赤外線を透過する方向に貫通した形状であれば特に制限されず、円形、楕円、正方形、長方形、多角形のいずれであってもよい。

また、反射膜の材料としては、反射膜を除く視野制限部の材料よりも反射率が高いものであれば特に制限されないが、例えばＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｓｎなどが挙げられる。ここで、この限りではないことは言うまでもない。
このように、本発明の赤外線センサ装置によれば、視野制限部の開口部を形成する表面の一部が、視野制限部の他の表面よりも反射率の高い材料で覆われているので、視野制限部の開口部が狭くても、近接距離での遠近判定が可能な赤外線センサ装置を実現することができる。

図５は、本発明に係る赤外線センサ装置の実施例２を説明するための断面構成図で、図中符号５１０は赤外線センサ素子、５２０は視野制限部、５２２は反射膜を示している。
上述した実施例１の赤外線センサ装置と比べて、開口部の縦方向の長さが長くなっている。開口部の縦方向の長さが長い場合、赤外線センサ素子の視野は一点破線５４０で囲まれる領域となり狭くなるが、反射膜５２２によりその視野角は実施例１と同様に点線５５０で囲まれる範囲に拡張され、反射膜５２２を備えない従来の赤外線センサ装置では困難であった近接距離での遠近判定が可能になる。

また、本発明は、上述した実施例１及び２に記載の赤外線センサ装置を備えている遠近判定装置を実現することができる。ここで遠近判定装置とは、例えば、赤外線センサ装置の出力値に対して閾値を設定可能で、その閾値を超えた際に所定の距離より、人体などの熱源が近づいたか、もしくは離れたかを判定できる装置や、赤外線センサ装置の出力値に基づいて、相対的に熱源が近づいたのか離れたのかを判定できる装置を意味している。

本発明は、光電変換部を備える赤外線センサ素子と、この赤外線センサ素子の視野の一部を覆う視野制限部とを備えている赤外線センサ装置及び遠近判定装置に関するもので、このような赤外線センサ装置によれば、近接距離での遠近判定が可能となり、狭い開口部の視野制限体を用いることの要求の高い電子機器等に好適に用いることが可能である。

１０光電変換部
１１光学調整部
１２基板
１３封止部材
１４開口部
１５信号処理回路部
１６金属バンプ
１７インターポーザー
２１赤外線センサ素子
２２視野制限部
２３開口部
３１０，５１０赤外線センサ素子
３１１基板
３２０，５２０視野制限部
３２１開口部
３２２，５２２反射膜
２３０、３３０手

Claims

光電変換部を有する赤外線センサ素子と、
開口部を有し、かつ、前記赤外線センサ素子の視野の一部を覆うように筺体として機能する視野制限部と、を備え、
前記視野制限部の開口部を形成する表面の一部が、前記視野制限部の他の表面よりも反射率の高い反射膜で覆われ、前記視野制限部の開口部を形成する表面の、外部空間側の表面が前記反射率の高い反射膜で覆われていないことを特徴とする遠近判定装置。
前記赤外線センサ素子の面積よりも、前記視野制限部の開口部の面積の方が小さいことを特徴とする請求項１に記載の遠近判定装置。
前記視野制限部の開口部の面積が、０．０４ｍｍ^２以上１００ｍｍ^２以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の遠近判定装置。
前記視野制限部の開口部の高さが、１ｍｍ以上１０００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の遠近判定装置。
前記赤外線センサ素子の受光部の面積が、０．２ｍｍ^２以上１０ｍｍ^２以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の遠近判定装置。
前記赤外線センサ素子が、量子型赤外線センサであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の遠近判定装置。