JP6547967B2

JP6547967B2 - 赤外線検出装置

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Publication number: JP6547967B2
Application number: JP2016198152A
Authority: JP
Inventors: 暢彦宮前; 真吾濱田; 直也宮地
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2016-10-06
Filing date: 2016-10-06
Publication date: 2019-07-24
Anticipated expiration: 2036-10-06
Also published as: US20180100769A1; CN107917900A; JP2018059842A; EP3306288A1

Description

本発明は、拡散反射光のように受光量が少ない赤外線であっても高精度に検出可能な赤外線検出装置に関するものである。

まず、対象物の表面での赤外線の反射の様子について、図４の（ａ）と図４の（ｂ）とを用いて説明する。図４の（ａ）では、赤外線の第１入射光２２が第１対象物２１の表面で反射する際に、第１入射光２２の光軸と第１対象物２１の表面とのなす角θｉと、第１反射光２３の光軸と第１対象物２１の表面とのなす角θｒとが等しくなる方向に、第１直接反射光２３が反射している。第１対象物２１の表面が、平坦な場合には、第１直接反射光２３のようにθｉ=θｒの方向の反射が支配的となる。

一方で、図４の（ｂ）では、θｉ＝θｄの方向の直接反射光３０だけでなく、θｉ＝θｄではない方向にも、第２拡散反射光２７が存在している。第２対象物２４の表面が、平坦ではない場合、又は、ざらざらしている場合には、第２入射光２５が様々な方向に反射しているかのように見え、以後、これを拡散反射光と呼ぶ。

直接反射光を受光するための、従来の赤外線検出装置としては、たとえば、特許文献１に記載されているようなものがあった。図５は、特許文献１に記載されている赤外線式ガス分析装置に搭載された赤外線検出装置の構成を示す図である。赤外光源に赤外レーザー（非表示）を用いており、赤外レーザーから出射した赤外線を、マルチセルパス３１内で反射させた直接反射光３２を赤外線検出器４１で受光していた。このような構成では、直接反射光３２の経路上に赤外線検出器４１を設置することにより、赤外線検出器４１が受光する赤外線強度が最大になる。赤外レーザーは、波長５μｍ以上の、中赤外領域のものを用いている。

しかしながら、対象物の表面の状態又は使用する光源によっては、直接反射光を受光することができずに、拡散反射光を受光せざるを得ないことがある。図４の（ｂ）において、第２拡散反射光２７は、反射点２６から発散していくが、発散していく赤外線を受光するための、従来の赤外線検出装置としては、たとえば、特許文献２に記載されているようなものがあった。図６は、特許文献２に記載された赤外線検出装置５００を示している。図６に示す赤外線検出装置５００の固定機構は、赤外線式ガスセンサへ搭載されたものであり、赤外線検出器８００が、キャップ部８１と押さえ板８２とからなる保持部材８０によって固定されていた。また、赤外線検出装置５００の試料セル８０２は、赤外光源８０１から放射された赤外線を赤外線検出器８００側へ反射する構成として、試料セル８０２の内部は回転楕円体の形状を成している。そして、赤外光源８０１を、試料セル８０２の中心軸上において、回転楕円体の一方の焦点位置に配置し、赤外線検出器８００を、試料セル８０２の中心軸上において、回転楕円体の他方の焦点位置よりも赤外光源８０１に近い側に配置していた。この構成（以後、楕円体導波路）により、赤外光源８０１から発散していく赤外線を赤外線検出器８００に効率良く集光し、光量を確保している。

さらに、拡散反射光の反射点を走査しながら、赤外線を受光する赤外線検出装置が必要となる場合もある。このようなものとして、たとえば、リサイクル材料選別装置に用いられた、特許文献３に記載されているようなものがあった。図７は、特許文献３に記載されているリサイクル材料選別装置に搭載された赤外線検出装置の模式図である。ポリゴン回転ミラー１７０によって、拡散反射光の反射点を走査幅１ｍで走査しながら、赤外線検出器（非表示）によって、拡散反射光を受光していた。受光する赤外線の波長は、１．４０μｍ以上でかつ２．５０μｍ以下の近赤外線領域のものを用いている。

次に、赤外線の直接反射光又は拡散反射光を、赤外線検出素子で受光する際の、光量とノイズとについて説明する。ノイズとは、３００Ｋ背景放射の下における赤外線検出装置の出力と定義する。赤外線検出素子は、受光した赤外線のパワーに応じて、電気信号を生成する。生成された電気信号は、増幅回路によって増幅されることが一般的であるが、この時には、ノイズも同時に増幅されるため、高精度な赤外線検出器を実現する場合には、ノイズを赤外線検出素子が受光する光量による電気信号に対して十分に小さくしておくことが求められる。

まず、レーザー光のような指向性の強い赤外線を、対象物に入射させた際に、直接反射光を赤外線検出素子によって検出する場合の構成と動作について説明する。このような場合は、直接反射光の光軸と同軸上に赤外線検出素子の中心が存在するような構成とすることにより、赤外線検出素子が受光する光量が最大となる。しかしながら、発散していく拡散反射光を受光する場合には、赤外線検出素子の大きさにより、反射光のパワーの損失が大きくなる。たとえば、拡散反射光は、反射点を中心とした半球上に一様に発散していくものとし、赤外線検出素子を反射点から１００ｍｍ離れた場所に設置し、赤外線検出素子の大きさとして正方形の一辺が１．０ｍｍの場合には、赤外線検出素子にて受光されるパワーは、全反射光のパワーの１．０２／（２×３．１４×１００２）≒１．６×１０^−５倍となり、パワー損失の少ない、直接反射光を受光する場合に比べて非常に少ない量となる。

国際公開第２０１５／０３３５８２号特開２０１５−７５３８４号公報国際公開第２０１２／０３５７８５号

しかしながら、図５の赤外線検出装置では、直接反射光３２をマルチセルパス３１内に取り込んで直接反射光３２の光量を増加させることはできるが、拡散反射光をマルチセルパス３１内に取り込むことが困難であるため、拡散反射光の光量を増加させることはできなかった。さらに、図５の赤外線検出装置では、中赤外線領域での赤外線検出器であるため、近赤外線領域での赤外線検出器に比べて、赤外線検出器のＳ／Ｎ比が１０００倍以下になることも多く、中赤外線領域の拡散反射光を受光するために、ノイズのより少ない高精度な赤外線検出装置の開発が望まれていた。

また、図６の赤外線検出装置５００では、楕円体導波路の試料セル８０２により、赤外光源８０１から発散していく拡散反射光を赤外線検出器８００に効率良く集光して光量を確保し、拡散反射光の光量を増加させることはできるが、楕円体導波路の試料セル８０２が必要となり、複雑でかつ大きな構成となってしまい、走査などの取扱いが困難であった。

特に、拡散反射光の反射点を走査しながら、赤外線を受光する赤外線検出装置が必要となる場合には、楕円体導波路の試料セル８０２を移動させることは困難であり、簡単な構成で拡散反射光の光量を増加させることができる赤外線検出装置の開発が望まれていた。

本発明は、上記課題を解決するために、拡散反射光のように受光量が少ない赤外線であっても、簡単な構造でもって高精度に検出可能な赤外線検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の１つの態様にかかる赤外線検出装置は、
赤外線を受光する赤外線検出器と、
赤外線検出器用増幅基板と、
前記赤外線検出器を保持する第１プレートと第２プレートと、アナロググランド電位でかつ前記赤外線検出器用増幅基板を支持する第３プレートとを有する導電性の固定具とを備え、
前記赤外線検出器は、外面に鍔を有する金属ケースと、金属ケースの内部にそれぞれ配置された、赤外線検出素子と電子冷却素子とサーミスタとを備えており、
前記赤外線検出器の前記金属ケースが貫通する前記第１プレートの貫通穴に前記金属ケースを貫通させた状態で、前記金属ケースの前記鍔が、前記第１プレートと前記第２プレートとによって挟まれて保持され、
前記第２プレートと前記第３プレートとは交差するように連結されて電気的に接続され、
前記赤外線検出器用増幅基板のアナロググランド部は、基板取付穴の周囲のランドであり、
前記第３プレートに立設された導電性の支柱が前記基板取付穴に挿入されて固定され、前記支柱を介して、前記ランドと前記第３プレートとが電気的に接続されて、前記金属ケースの電位と前記赤外線検出器用増幅基板の前記アナロググランド部のアナロググランド電位とが同電位となるように前記固定具によって電気的に接続されている。

本発明の前記態様にかかる赤外線検出装置によれば、赤外線検出器の金属ケースの電位と赤外線検出器用増幅基板のアナロググランド電位とを同電位にすることにより、ノイズの少ない赤外線検出装置を実現し、その結果、拡散反射光のように受光量が少ない赤外線であっても、簡単な構造でもって高精度に検出することができる。

本発明の実施の形態１の赤外線検出装置の模式図本発明の実施の形態１の赤外線検出器の模式図本発明の実施の形態１の赤外線検出装置の一部をＹ方向から見た側面図対象物の表面で赤外線の反射の様子を示す模式図であって、（ａ）は対象物の表面で赤外線の直接反射の様子を示す模式図、（ｂ）は対象物の表面で赤外線の拡散反射の様子を示す模式図特許文献１に記載された従来の直接反射光を受光する赤外線検出装置の模式図特許文献２に記載された従来の拡散反射光を受光する赤外線検出装置の模式図特許文献３に記載された従来の近赤外線検出装置が備える近赤外線走査ユニットの模式図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る赤外線検出装置１００の模式図である。

赤外線検出装置１００は、赤外線を受光する赤外線検出器１と、赤外線検出器用増幅基板３と、導電性の固定具２とを備えて構成されている。赤外線検出器用増幅基板３は、赤外線検出器１で赤外線を受光したとき、受光した赤外線のパワーに応じて電気信号を生成し、生成された電気信号を増幅回路によって増幅するものである。

固定具２は、赤外線検出器１と赤外線検出器用増幅基板３とを固定して保持するための部材である。固定具２は、一例として、導電性例えば金属製の長方形板状の第１プレート４と、導電性例えば金属製の長方形板状の第２プレート５と、導電性例えば金属製の長方形板状の第３プレート６とによって構成される。第１プレート４と第２プレート５とは赤外線検出器１を挟持して保持する。第３プレート６は赤外線検出器用増幅基板３を支持する。第２プレート５と第３プレート６とは交差（例えば直交）するように連結されて電気的に接続されている。

図１では、固定具２は、さらに、複数のねじ７と、導電性の複数の支柱１０とを備えて構成される。一例として、第１プレート４は、第２プレート５の表面の図１の上部に、例えば互いに平行に配置されて、複数のねじ７で固定される。第３プレート６は、アナロググランドに接続されてアナロググランド電位が維持されており、第２プレート５の裏面の図１の下部に、第２プレート５に対して直交するように配置されて、複数（例えば２本）のねじ３７で締め付けて固定されている。

赤外線検出器用増幅基板３は、第３プレート６の上に、複数（例えば４本）の導電性例えば金属製の支柱１０で支持されて配置されている。各支柱１０は、例えば、長方形の第３プレート６の角部の近傍に立設されている。増幅基板３には、例えば円形の複数の基板取付穴８が形成され、複数の基板取付穴８のそれぞれに、各支柱１０の上部が挿入されて固定されている。よって、基板取付穴８の表面の周囲に配置されかつアナロググランド部の一例として機能する各ランド９と各支柱１０とが電気的に接続されている。よって、基板取付穴８の周囲の各ランド９（すなわち、アナロググランド部の一例）は、各支柱１０及び第３プレート６を介してアナロググランドと電気的に接続されており、各ランド９の電位はアナロググランド電位と同電位となっている。このため、第２プレート５と第３プレート６と各支柱１０とを介して、金属ケース１７の電位と赤外線検出器用増幅基板３のランド９のアナロググランド電位とが同電位となっている。

図２は、実施の形態１に係る、赤外線検出器１の模式図である。図２の（ａ）は赤外線検出器１の側面図、（ｂ）は赤外線検出器１の底面図である。

赤外線検出器１は、例えば蓋付円筒状の金属ケース１７の内部に、一例として、ＩｎＳｂ型の赤外線検出素子１６と、電子冷却素子１８と、サーミスタ１９とが内蔵されている。ＩｎＳｂ型の赤外線検出素子１６のノイズが小さいほど、少ない光量であっても赤外線を高精度に検出することが可能である。ノイズは、赤外線検出素子１６の温度が低温になるほど小さくなり、ノイズを小さくするように赤外線検出素子１６の温度を低下させるために、電子冷却素子１８が赤外線検出素子１６に接触して内蔵されている。赤外線検出素子１６の温度を測定するために、サーミスタ１９が内蔵されている。

一例として、赤外線検出素子１６には、受光した光量に応じて生成される電気信号を赤外線検出器１の外部へ取り出すための２本のリード１１が接続されている。また、一例として、電子冷却素子１８とサーミスタ１９とにもそれぞれリード１１が２本ずつ接続されている。よって、この例では、合計６本のリード１１が金属ケース１７の下方に突出している。なお、各リード１１は、第２プレート５と小基板１２とを貫通する部分は少なくとも絶縁体で覆われている。

金属ケース１７は、円筒状の形状をしており、金属ケース１７の外周面の下端のリード１１との接続部に、前記円筒状の領域よりも断面積が大きくなるように金属ケース１７の外周面から突出した円環状の金属製の鍔２０を備えている。一例として、鍔２０の厚みは、０．５〜１．０ｍｍ程度とする。

第１プレート４には、赤外線検出器１の鍔２０は貫通できないが鍔２０を除く金属ケース１７の部分が貫通できる円形の貫通穴４ａを形成している。第２プレート５には、赤外線検出器１の各リード１１が貫通する各貫通穴５ａを形成している。よって、金属ケース１７を貫通穴４ａに貫通させるとともに、各リード１１を貫通穴５ａに貫通させて、赤外線検出器１の鍔２０を第１プレート４と第２プレート５との間で挟み付けた状態で、第１プレート４と第２プレート５とを複数（例えば４本）のねじ７で締め付けて固定する。このように構成することによって、赤外線検出器１が赤外線検出装置１００内に固定して保持されている。

具体的な一例として、金属ケース１７の円筒状の部分の外径は１０〜２０ｍｍ程度であり、円筒状の部分の高さは５〜１０ｍｍ程度であるとする。また、一例として、鍔２０の外径は、金属ケース１７の外径に比べて１ｍｍ程度大きい。一例として、赤外線検出素子１６の大きさとしては、正方形の一辺が０．５ｍｍ〜２．０ｍｍ程度とする。赤外線検出素子１６の大きさが大きいほど、広い領域で赤外線を受光できることにより、赤外線の受光量が増えるが、前記ノイズの大きさも、赤外線検出素子１６が大きいほど大きくなる。

次に、赤外線検出器１と増幅基板３との電気的接続について、図３を用いて説明する。

第２プレート５の裏面に小基板１２が配置されている。赤外線検出器１は、鍔２０を第１プレート４と第２プレート５とによって挟まれた状態で、各リード１１が第２プレート５と小基板１２とを貫通させて小基板１２の各端子に、はんだ付けされる。各リード１１は、小基板１２の一方の端面（例えば図３の裏面）１３から２〜３ｍｍ突き出た状態（以後、はんだ付け長さ２〜３ｍｍとする。）で、はんだ付けされることが望ましい。小基板１２の端面１３には、赤外線検出器１の各リード１１（すなわち、小基板１２の各端子）に対応する各接続端子を持った第１コネクタ１４が実装されている。小基板１２の第１コネクタ１４と赤外線検出器用増幅基板３の第２コネクタ１５とを電気的に接続することによって、赤外線検出器１と赤外線検出器用増幅基板３とは電気的に接続される。

前記構成にかかる実施の形態１に係る赤外線検出装置１００によれば、赤外線検出器１の金属ケース１７を、第２プレート５と第３プレート６と支柱１０とランド９とを電気的に接続して、金属ケース１７の電位と増幅基板３のアナロググランド電位とを同電位にするといった簡単な構成により、金属ケース１７から混入するノイズを小さくすることができる。

また、第２プレート５の厚みを例えば３ｍｍ以上でかつ４ｍｍ以下のように薄くすることにより、リード１１の長さも前記厚みの２倍以上でかつ２．７倍以下まで短くすることができ、リード１１から混入するノイズを小さくすることもできる。

さらに、赤外線検出器１に内蔵されている電子冷却素子１８によって赤外線検出素子１６の温度を低温に制御することにより、ノイズを小さくすることもできる。この際に、電子冷却素子１８によって、赤外線検出素子１６から吸収した熱を放熱することが必要となるが、赤外線検出器１の金属ケース１７の体積及び表面積分による放熱だけでは不十分なため、金属製の第２プレート５を通して放熱することができる。第２プレート５の厚みを厚くするほど、第２プレート５の体積及び表面積が大きくなるため放熱性に優れるが、小基板１２へのはんだ付けのために、リード１１の長さを長くする必要があり、放熱性とリード長さとにトレードオフが発生する。はんだ付け長さ２ｍｍを確保した上で、種々の実験を通して、一例として、第２プレート５の厚みを３ｍｍ〜４ｍｍとし、小基板１２の厚みを１．６ｍｍにすることによって、赤外線検出素子１６を−３５度以下に保つことが可能な放熱性を確保できることを確認した。第２プレート５の厚みを前記範囲とする理由は、第２プレート５の厚みが３ｍｍ未満の場合は、放熱性が低下する一方、第２プレート５の厚みが４ｍｍを越える場合には、リード長が長すぎて、リードから混入するノイズが増加するためである。なお、小基板１２の厚みは放熱性には関係が無い。

また、このように第２プレート５の厚みを３ｍｍ〜４ｍｍ程度に薄くする構成によって、各リード１１の長さを８ｍｍ（第２プレート５の厚みの２倍以上でかつ２．７倍以下の長さ）まで短くすることができて、各リード１１の長さが１００ｍｍであったときに比べて、ノイズを２０％以上低減できることを実験によって確認した。

このような簡単な構成の赤外線検出装置１００によって、ノイズを小さくするとともに放熱性を向上させることより、拡散反射光のように受光量が少ない赤外線であっても、楕円体導波路構造などの複雑で大きな構成を用いることなく、簡単な構造でもって高精度に検出することが可能である。

なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。

本発明の前記様態にかかる赤外線検出装置は、拡散反射光のように受光量が少ない赤外線であっても、楕円体導波路構造などを用いることなく、簡単な構造でもって高精度に検出可能な赤外線検出装置として有用であり、拡散反射光の反射点を走査しながら赤外線を受光する場合にも適用することができる。

１赤外線検出器
２固定具
３赤外線検出器用増幅基板
４第１プレート
４ａ貫通穴
５第２プレート
５ａ貫通穴
６第３プレート
７ねじ
８基板取付穴
９基板取付穴周囲のランド
１０支柱
１１リード
１２小基板
１３端面
１４第１コネクタ
１５第２コネクタ
１６赤外線検出素子
１７金属ケース
１８電子冷却素子
１９サーミスタ
２０鍔
２１第１対象物
２２第１入射光
２３第１反射光
２４第２対象物
２５第２入射光
２６反射点
２７第２拡散反射光
３０直接反射光
３１マルチセルパス
３２直接反射光
３７ねじ
４１赤外線検出器
１００赤外線検出装置
１７０ポリゴン回転ミラー
５００赤外線検出装置
８００赤外線検出器
８０１赤外光源
８０２試料セル

Claims

赤外線を受光する赤外線検出器と、
赤外線検出器用増幅基板と、
前記赤外線検出器を保持する第１プレートと第２プレートと、アナロググランド電位でかつ前記赤外線検出器用増幅基板を支持する第３プレートとを有する導電性の固定具とを備え、
前記赤外線検出器は、外面に鍔を有する金属ケースと、金属ケースの内部にそれぞれ配置された、赤外線検出素子と電子冷却素子とサーミスタとを備えており、
前記赤外線検出器の前記金属ケースが貫通する前記第１プレートの貫通穴に前記金属ケースを貫通させた状態で、前記金属ケースの前記鍔が、前記第１プレートと前記第２プレートとによって挟まれて保持され、
前記第２プレートと前記第３プレートとは交差するように連結されて電気的に接続され、
前記赤外線検出器用増幅基板のアナロググランド部は、基板取付穴の周囲のランドであり、
前記第３プレートに立設された導電性の支柱が前記基板取付穴に挿入されて固定され、前記支柱を介して、前記ランドと前記第３プレートとが電気的に接続されて、前記金属ケースの電位と前記赤外線検出器用増幅基板の前記アナロググランド部のアナロググランド電位とが同電位となるように前記固定具によって電気的に接続されている、
赤外線検出装置。
前記第２プレートの厚みが３ｍｍ以上でかつ４ｍｍ以下である、請求項１に記載の赤外線検出装置。
前記赤外線検出器のリードの長さが、前記第２プレートの厚みの２倍以上でかつ２．７倍以下である、請求項１又は２に記載の赤外線検出装置。