JP6132223B2

JP6132223B2 - 赤外線センサ

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Publication number: JP6132223B2
Application number: JP2011273208A
Authority: JP
Inventors: 吉田　岳司; 岳司吉田; 杉山　貴則; 貴則杉山
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2031-12-14
Also published as: WO2013088653A1; TW201323841A; JP2013124907A

Description

本発明は、赤外線センサに関する。

従来、赤外線センサとして、基板に実装した赤外線センサ素子および信号処理部を収納し、かつレンズなどの光学系を備えた入射窓を有する金属製のケースと、当該ケース内部に前記光学系を介して赤外線センサ素子に赤外線を入射させる開口部を備えるセンサカバーとを配置したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１では、赤外線センサの視野内に入った対象物体からの赤外線をケースの入射窓からレンズを介して赤外線センサ素子に入射させることで、対象物体からの赤外線を赤外線センサ素子にて検知するようにしている。

また、本赤外線センサでは、ケース内部のセンサカバーにより、視野外の非対象物からの赤外線のうち、金属製のケースを経て入射する輻射線や、ケース内部の反射による輻射線が除去される。

特開２０１１−１２８０６５号公報

上記従来の赤外線センサでは、長方形状の基板の長手方向に赤外線センサ素子と当該赤外線センサ素子の出力信号を処理する信号処理部が並設されている。そして、赤外線センサ素子を覆うようにセンサカバーが設けられている。

ところで、信号処理部は発熱するものであり、この信号処理部によって生じた熱は、基板やケース内の気体に伝達されて基板やケース内の気体が温められることとなる。具体的には、外気に曝されるケースと発熱した信号処理部との間に温度差が生じるため、信号処理部の発熱によって生じた熱が信号処理部からケースに向けて移動し、当該熱の移動によってケース内が温められる。このとき、赤外線センサ素子のみをセンサカバーで覆っているため、信号処理部の熱がセンサカバー内の気体に伝わりにくく、信号処理部に近い部分と遠い部分との間に温度差が生じ、センサカバー内の温度分布に偏りが生じてしまう。そして、センサカバー内の温度分布に偏りが生じると、赤外線センサ素子表面に形成された複数個のセルの間にも温度差が生じてしまい、赤外線センサ素子表面のセル間で特性のバラツキが生じてしまうおそれがある。

このように、上記従来の技術では、信号処理部の発熱による熱ノイズの影響によって検知精度が低下してしまうおそれがある。

そこで、本発明は、検知精度が低下してしまうのを抑制することのできる赤外線センサを得ることを目的とする。

本発明の第１の特徴は、赤外線を受光する赤外線センサ素子と、当該赤外線センサ素子の出力信号を処理する信号処理部と、前記赤外線センサ素子および前記信号処理部が並設された基板と、赤外線を前記赤外線センサ素子に入射させる開口部を有し、前記基板に取り付けられて前記赤外線センサ素子および前記信号処理部を覆うケースと、を備え、前記赤外線センサ素子および前記信号処理部は、当該赤外線センサ素子および前記信号処理部の並設方向と交差する方向両側に設けられた結線部を介して前記基板に電気的に接続されており、前記赤外線センサ素子および信号処理部の両方を覆うカバーが前記ケース内に設けられており、当該カバーは、前記基板における前記並設方向の両端部で当該基板に取り付けられ、前記カバー内部の空間の体積は前記ケース内部の空間の体積よりも小さく、前記ケースと前記カバーとが互いに当接しないように構成されていることを要旨とする。

本発明の第２の特徴は、前記カバーは、前記信号処理部に対応する部位が下段となり、前記赤外線センサ素子に対応する部位が上段となる段差状に形成されていることを要旨とする。

本発明によれば、赤外線センサ素子および信号処理部の両方を覆うカバーをケース内に設けている。このように、カバーをケース内に設けることで、カバー内部の空間の体積（内部空間に存在する気体の量）はケース内部の空間の体積（内部空間に存在する気体の量）よりも小さくなって、空間内の部位によるバラツキが生じにくくなるため、カバー内部の空間の温度分布の偏りを抑制することができ、カバー内部の空間温度をより均一な温度にすることができる。

さらに、本発明では、カバーを基板の並設方向両端部に取り付けているため、信号処理部の発熱によって生じた熱の一部が基板を介してカバーに伝達されるようになる。このように、信号処理部の発熱によって生じた熱がカバーに伝達すると、カバーと発熱した信号処理部との間の温度差は、発熱した信号処理部とケースとの間の温度差よりも小さくなる。そして、カバーに熱が伝達すると、当該カバーからも空間内に熱が伝達されることとなる。その結果、カバー内部の空間の温度分布の偏りをより一層抑制することができるようになり、カバー内部の空間温度をより均一な温度にすることができる。

このように、本発明によれば、赤外線センサ素子表面に形成されたそれぞれのセルの間に温度差が生じてしまうのを抑制することができ、ひいては、赤外線センサ素子表面のセル間で特性にバラツキが生じてしまうのを抑制することができるようになる。その結果、赤外線センサの検知精度が低下してしまうのを抑制することができるようになる。

本発明の第１実施形態にかかる赤外線センサを示す平面図である。図１のI−I線断面図である。図１のII−II線断面図である。図１に示す赤外線センサのケースを取り除いた状態を示す平面図である。本発明の第２実施形態にかかる赤外線センサを示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の複数の実施形態には、同様の構成要素が含まれている。よって、以下では、それら同様の構成要素には共通の符号を付与するとともに、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
本実施形態にかかる赤外線センサ１は、赤外線Ｒを受光する赤外線センサ素子２と、赤外線センサ素子２の出力信号を信号処理するＩＣ素子（信号処理部）３と、を備えており、赤外線センサ素子２およびＩＣ素子３が基板４に実装されている。この赤外線センサ１は、赤外線を受光して、例えば、温度分布や熱源の有無などを検出するものである。

赤外線センサ素子２としては、例えば、ゼーベック効果を利用して赤外線Ｒを電圧として検知できるサーモパイル型赤外線センサを用いることができる。このサーモパイル型赤外線センサは、受光した赤外線Ｒを赤外線吸収膜で熱に変換し、この熱により発生した温接点部の温度変化を直列に多数個接続した熱電対により電圧として出力するものである。

そして、赤外線センサ素子２およびＩＣ素子３は、長方形状の基板４の長手方向（Ｘ方向：並設方向）に近接して並設されている。このとき、ＩＣ素子３が配置される部分の基板４には凹部４１が形成されており、この凹部４１にＩＣ素子３の底部３ａが嵌め込まれた状態で実装されている。

基板４は、ほぼ矩形の平板形状をなしており、樹脂系のプリント基板やセラミック基板などの多層基板として形成されている。そして、基板４の内層には図示せぬグランドパターンや電気回路配線が形成されている。グランドパターンはベタグランドパターンであり、基板４内を通って図示せぬ外部端子によってグランドに接続される。

また、赤外線センサ素子２およびＩＣ素子３は、基板４に設置される金属製のケース５に収容されている。このケース５は、矩形状の天壁５１と周壁５２とによって、底面部分が開放した直方体状に形成されている。そして、周壁５２の開放側端には取付け用のフランジ部５３が折曲形成されており、このフランジ部５３を金属リング５４を介して基板４に接続することで、ケース５を基板４に設置している。

また、ケース５の天壁５１には、測定しようとする対象物体の赤外線Ｒを赤外線センサ素子２に入射させる窓部（開口部）５５が形成されている。そして、この窓部５５を下方から覆うようにレンズ（光学系）５６が取り付けられている。

このように、本実施形態のケース５は、開口部により対象物体の赤外線Ｒを入射する機能を有し、基板４に取り付けられて赤外線センサ素子２およびＩＣ素子３を覆うケースに相当するものである。

なお、レンズ５６は、赤外線センサ素子２の受光面との間に所定距離をおいて天壁５１に保持されており、窓部５５を通過する赤外線Ｒを、赤外線センサ素子２に結像させるようにしている。また、レンズ５６は、赤外線センサ素子２と対向するように赤外線センサ素子２の上方に配置されている。

また、レンズ５６には、赤外線を透過するＳｉなどにより赤外線の集光機能を司るレンズ母体が形成されており、このレンズ母体の表面に赤外線周辺波長を選択的に透過させる光学多層膜からなるバンドパスフィルタが形成されている。

さらに、レンズ５６は、図１に示すように、矩形状に形成されており、片面（上面）が平坦面、他面（下面）が凸面となる凸レンズとして形成されている。なお、レンズ５６は、両面が凸面に形成されていてもよく、また、片面が凹面で他面がその凹面よりも曲率の大きな凸面で形成されていてもよい。すなわち、レンズ５６は赤外線センサ素子２に集光させる機能を有していればよい。また、凸面や凹面が放物面であってもよい。

また、赤外線センサ素子２およびＩＣ素子３は、ボンディングワイヤ等の結線部６によって基板４に電気的に接続されている。本実施形態では、結線部６は、図４に示すように、基板４の短手方向（Ｙ方向：並設方向と交差する方向）に設けられている。

ここで、本実施形態では、ケース５の内方に、赤外線センサ素子２およびＩＣ素子３の両方を覆うカバー７を設けている。このカバー７は、コバール等の金属板で形成されている。さらに、本実施形態では、カバー７の内面には防錆処理が施されている。

カバー７は、図２に示すように、基板４の長手方向（Ｘ方向）に長辺となる矩形状の天壁７１と、この天壁７１の長辺方向両端部に設けられる脚壁７２とによって、正面視で扁平な逆Ｕ字状に形成されている。また、脚壁７２の先端部は外方に折曲形成されており、この部分が取付面７３となっている。そして、取付面７３を銀ペースト等によって基板４に固定することで、カバー７が、赤外線センサ素子２およびＩＣ素子３をＸ方向に跨いだ状態で基板４に取り付けられている。このとき、カバー７の天壁７１は、基板４の表面、すなわち赤外線センサ素子２の設置面から所定高さｈをもって配置されている。本実施形態では、この所定高さｈは、赤外線センサ素子２に対象物体からの赤外線Ｒを結像させるための距離よりも短くなるように設定している。すなわち、レンズ５６と天壁７１との間に隙間が形成されるようにカバー７を取り付けている。

また、カバー７の天壁７１の赤外線センサ素子２に対応する部位には、ケース５の窓部５５から入射した赤外線Ｒを赤外線センサ素子２に透過させる透過窓７４が設けられている。本実施形態では、透過窓７４は、矩形状の単なる開口部となっている。

また、本実施形態では、図２および図３に示すように、カバー７の基板４の短手方向（Ｙ方向）両側部に、基板４に向かって屈曲する庇部７５が折曲形成されている。本実施形態では、この庇部７５は、カバー７の両側部の略全長に亘って設けられている（図２参照）が、必ずしもカバー７の両側部の全長に亘って設ける必要はなく、少なくとも赤外線センサ素子２に対向する部位に設けられていればよい。

次に、かかる構成の赤外線センサ１の作用について説明する。

まず、対象物体から放射される赤外線Ｒが窓部５５のレンズ５６を介して赤外線センサ１内に入射され、赤外線センサ素子２にて結像することとなる。そして、赤外線センサ素子２が入射した赤外線Ｒに応じた電圧を出力し、この出力信号をＩＣ素子３が処理することで、対象物体の温度が検知される。

このとき、ＩＣ素子（信号処理部）３の発熱によって生じた熱が、基板４、およびケース５内の気体を介して赤外線センサ素子２に伝達される。

本実施形態では、赤外線センサ素子２およびＩＣ素子（信号処理部）３の両方を覆うカバー７をケース５内に設けている。このように、カバー７をケース５内に設けることで、カバー７内部の空間の体積（内部空間に存在する気体の量）はケース５内部の空間の体積（内部空間に存在する気体の量）よりも小さくなるため、カバー７内部の空間の温度分布の偏りを抑制することができ、カバー７内部の空間温度をより均一な温度にすることができる。

さらに、本実施形態では、カバー７を基板４のＸ方向（長手方向：並設方向）の両端部に取り付けているため、ＩＣ素子（信号処理部）３の発熱によって生じた熱の一部が基板４を介してカバー７に伝達されるようになる。このように、ＩＣ素子（信号処理部）３の発熱によって生じた熱がカバー７に伝達すると、カバー７と発熱したＩＣ素子（信号処理部）３との間の温度差は、外気に曝されるケース５と発熱したＩＣ素子（信号処理部）３との間の温度差よりも小さくなる。そして、カバー７に熱が伝達すると、当該カバー７からも空間内に熱が伝達されることとなる。その結果、カバー７内部の空間の温度分布の偏りをより一層抑制することができるようになり、カバー７内部の空間温度をより均一な温度にすることができる。特に、本実施形態では、金属製のカバー７を用いているため、カバー７の表面の温度がより均一になりやすく、カバー７内部の空間温度をより一層均一な温度にすることができるようになる。

このように、本実施形態によれば、赤外線センサ素子２の表面に形成された複数個のセルの間に温度差が生じてしまうのを抑制することができ、ひいては、赤外線センサ素子２の表面の素子間で特性にバラツキが生じてしまうのを抑制することができるようになる。その結果、赤外線センサ１の検知精度が低下してしまうのを抑制することができるようになる。

また、赤外線センサ素子２およびＩＣ素子３は、Ｙ方向（短手方向：赤外線センサ素子２およびＩＣ素子３の並設方向と交差する方向）の両側に設けられた電極パッドにより、ボンディングワイヤ等の結線部６を介して前記基板に電気的に接続されている。そして、赤外線センサ素子２およびＩＣ素子３を覆うカバー７は、Ｘ方向（長手方向：並設方向）両端部（脚壁７２の取付面７３）を基板４に取り付けることで、基板４に実装されている。このように実装されることで、カバー７を設置する際の、赤外線センサ素子２およびＩＣ素子３を基板４に電気的に接続する結線部６とカバー７の脚壁７２との接触が抑制され、接触不良が生じるのを抑制することができる。また、カバー７の実装作業を容易に行うことができるようになる。

また、本実施形態によれば、カバー７の内面に防錆処理を施しているため、カバー７内面が経年劣化等の腐食によって変色してしまうのを抑制することができる。その結果、腐食による変色で赤外線センサ２への受光量が変化することに起因する測定温度の特性変動を抑制することができるようになる。

また、本実施形態によれば、カバー７の基板４の短手方向（Ｙ方向）両側部に、基板４に向かって屈曲する庇部７５を設けている。そして、この庇部７５によって赤外線センサ素子２を囲うことができるようにしている。その結果、カバー内の空間の温度分布が偏ってしまうのをより一層抑制することができ、ＩＣ素子３の発熱による熱ノイズの影響をより低減させることができる。

ところで、赤外線センサ１は、本来は視野角内に位置する対象物体からの赤外線Ｒをレンズ５６を通して赤外線センサ素子２に結像させるものである。ところが、赤外線センサ１にカバー７が存在しない場合、視野角外に有る対象物体以外からの赤外線が、大きな傾斜角度をもってレンズ５６から入射し、ケース５の内面に反射して赤外線センサ素子２に入射してしまう場合がある。また、視野角外に有る対象物体以外からの赤外線によってケース５が加熱され、加熱されたケース５の輻射熱による赤外線が直接または間接に赤外線センサ素子２に入射する場合がある。

このように、赤外線センサ１にカバー７が存在しない場合、視野角外に有る対象物体以外からの赤外線が直接または間接に赤外線センサ素子２に入射されてノイズ原因となる。

これに対して本実施形態では、視野角外に有る対象物体以外からの赤外線をカバー７の天壁７１や脚壁７２、庇部７５で遮断することができる。したがって、本実施形態では、視野角外に有る対象物体以外からの赤外線が赤外線センサ素子２に影響するのをカバー７によって抑制することができ、赤外線センサ素子２による測定精度を向上させることができるようになる。

（第２実施形態）
本実施形態にかかる赤外線センサ１Ａが、上記第１実施形態と主に異なる点は、カバー７を、赤外線センサ素子２とＩＣ素子３に対応する部分の間で段差状にしたことにある。

すなわち、本実施形態では、図５に示すように、カバー７の天壁７１を、ＩＣ素子３に対応する部分が下段７１ａとなり、赤外線センサ素子２に対応する部分が上段７１ｂとなる段差状に形成している。このとき、上段７１ｂの基板４からの高さは、上記第１実施形態の天壁７１の高さと同じｈとなるように設定している。

また、本実施形態にあっても、カバー７は赤外線センサ素子２およびＩＣ素子３の両方を覆っている。

以上の本実施形態によっても、上記第１実施形態と同様の作用、効果を奏することができる。

また、本実施形態によれば、カバー７を段差状に形成し、ＩＣ素子（信号処理部）３に対応する部分を下段７１ａとし、赤外線センサ素子２に対応する部分を上段７１ｂとしている。したがって、カバー７の上段７１ｂの高さを、上記第１実施形態のカバー７の高さと同じレベルｈとした場合、下段７１ａの位置をよりＩＣ素子３に近づけることができるようになり、カバー７の内部空間の体積（内部空間に存在する気体の量）をより小さくすることができる。そのため、ＩＣ素子３が発熱した際に、カバー７の内部空間をより素早く温めることができるようになり、カバー７内部空間の温度（特に、赤外線センサ素子２の表面近傍の温度）をより素早く均一な状態とすることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず、種々の変形が可能である。

１、１Ａ赤外線センサ
２赤外線センサ素子
３ＩＣ素子（信号処理部）
４基板
５ケース
６結線部
７カバー
５５窓部（開口部）
７１ａ下段
７１ｂ上段
７５庇部

Claims

赤外線を受光する赤外線センサ素子と、当該赤外線センサ素子の出力信号を処理する信号処理部と、前記赤外線センサ素子および前記信号処理部が並設された基板と、赤外線を前記赤外線センサ素子に入射させる開口部を有し、前記基板に取り付けられて前記赤外線センサ素子および前記信号処理部を覆うケースと、を備え、
前記赤外線センサ素子および前記信号処理部は、当該赤外線センサ素子および前記信号処理部の並設方向と交差する方向両側に設けられた結線部を介して前記基板に電気的に接続されており、
前記赤外線センサ素子および信号処理部の両方を覆うカバーが前記ケース内に設けられており、当該カバーは、前記基板における前記並設方向の両端部で当該基板に取り付けられ、
前記カバー内部の空間の体積は前記ケース内部の空間の体積よりも小さく、
前記ケースと前記カバーとが互いに当接しないように構成されていることを特徴とする赤外線センサ。
前記カバーは、前記信号処理部に対応する部位が下段となり、前記赤外線センサ素子に対応する部位が上段となる段差状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。