JP6741201B2 - 赤外線センサ - Google Patents

Description

本発明は、測定対象物からの赤外線を検知して該測定対象物の温度等を測定する赤外線センサに関する。

従来、測定対象物から輻射により放射される赤外線を非接触で検知して測定対象物の温度を測定する温度センサとして、赤外線センサが使用されている。
例えば、特許文献１には、赤外線入射窓を有する金属キャップ内に、測定用赤外線センサ素子と、補償用赤外線センサ素子とを収納した赤外線センサが記載されている。
この赤外線センサでは、測定用赤外線センサ素子を実装した基板と、補償用赤外線センサ素子を実装した基板とが、互いに間隔を空けて設置されている。

また、特許文献２には、赤外線が入射する入射窓を有する容器と、容器内で入射窓に対向配置された第１の赤外線検出素子と、第１の赤外線検出素子が実装された基板と、基板の下に配されて入射窓からの赤外線が遮蔽された第２の赤外線検出素子とを備えた赤外線検出器が記載されている。
この赤外線検出器でも、特許文献１の赤外線センサと同様に、第１の赤外線検出素子が実装された基板と、第２の赤外線検出素子が実装された基板とが、互いに間隔を空けて設置されている。

特開昭６４−３２１３１号公報 特開平１１−１３２８５７号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
上記従来技術では、赤外線検出用及び補償用の感熱素子が別々のプリント基板等の実装基板上に実装されていると共に、これらの実装基板は、ステム部材の上方に互いに間隔を開けて支柱で支持されている。このため、ステム部材等から放射される赤外線が側方から支柱の間を介して実装基板の間に入射されてしまい、検出精度が低下してしまう問題があった。また、補償用の感熱素子を実装した基板が、ステム部材から浮いている状態で支持されているためステム部材から熱を受け難く、補償用の感熱素子が外部環境の温度変化に追従し難くなるという不都合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、ステム部材等の側方からの赤外線の影響を抑制し、検出精度の低下を抑制することができる赤外線センサを提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係る赤外線センサは、下部センサ部材と、前記下部センサ部材上に設置された中間実装部材と、前記中間実装部材上に設置された上部センサ部材とを備え、前記下部センサ部材が、絶縁性基板と、前記絶縁性基板の上面に設けられた補償用感熱素子と、前記絶縁性基板の上面に形成され前記補償用感熱素子に接続された一対の下部パターン配線とを備え、前記上部センサ部材が、前記中間実装部材の上面に設置された絶縁性フィルムと、前記絶縁性フィルムの下面に設けられた検出用感熱素子と、前記絶縁性フィルムの下面に形成され前記検出用感熱素子に接続された一対の上部パターン配線とを備え、前記中間実装部材が、上下に貫通している素子収納孔を有し前記絶縁性基板の上面に設置された絶縁性の実装部材本体と、前記実装部材本体に設けられ一対の前記上部パターン配線に接続されている少なくとも一対の接続部材とを備え、前記補償用感熱素子が前記素子収納孔の下部開口部に配されていると共に、前記検出用感熱素子が前記素子収納孔の上部開口部に配され、互いに対向配置されていることを特徴とする。

すなわち、この赤外線センサでは、補償用感熱素子が素子収納孔の下部開口部に配されていると共に、検出用感熱素子が素子収納孔の上部開口部に配され、互いに対向配置されているので、補償用感熱素子と検出用感熱素子との間に側方外部から赤外線が入射せず、側方からの赤外線の影響を抑制し、検出精度の低下を抑制することができる。また、補償用感熱素子と検出用感熱素子とが共通した素子収納孔において配置されることで、全体を小型化できると共に、互いに同空間で近接しており、中間実装部材からの輻射熱を同様に受けることで、その影響もキャンセルすることができる。さらに、補償用感熱素子が、中間実装部材に近接していることで熱的に結合し、外部環境の変化に追従し易くなる。したがって、補償用感熱素子により中間実装部材及び絶縁性基板を含むパッケージの温度補償を取ることができ、周囲温度変化に対する赤外線の検出精度の低下を抑制することができる。

第２の発明に係る赤外線センサは、第１の発明において、一対の前記上部パターン配線が、前記検出用感熱素子の周囲を覆って形成されていることを特徴とする。
すなわち、この赤外線センサでは、一対の上部パターン配線が、検出用感熱素子の周囲を覆って形成されているので、一対の上部パターン配線が集熱膜として機能し、絶縁性フィルムで受光した赤外線による熱を集熱して効率的に検出用感熱素子に伝えることができる。また、上部パターン配線が遮光膜としても機能し、赤外線の一部が絶縁性フィルムを透過しても絶縁性フィルム下面の広い上部パターン配線で多くが遮光され、素子収納孔下方の補償用感熱素子に対する影響を抑制することができる。

第３の発明に係る赤外線センサは、第１又は第２の発明において、前記接続部材が、前記実装部材本体から上方に突出して設けられ、前記上部センサ部材が、前記実装部材本体との間に隙間を空けた状態で前記接続部材の上端部に固定されていることを特徴とする。
すなわち、この赤外線センサでは、上部センサ部材が、実装部材本体との間に隙間を空けた状態で接続部材の上端部に固定されているので、上部センサ部材が実装部材本体から浮いた状態となり、実装部材本体からの熱が上部センサ部材に伝わり難くなり、より検出精度の低下を抑制することができる。

第４の発明に係る赤外線センサは、第１から第３の発明のいずれかにおいて、前記下部センサ部材と前記中間実装部材と前記上部センサ部材とが上部に設置された金属製のステム部材と、前記ステム部材内に封着ガラスで絶縁封着され貫通状態で気密に保持され一対の前記下部パターン配線及び一対の上部パターン配線に電気的に接続された３本以上のリード線と、赤外線入射窓を有していると共に前記下部センサ部材と前記中間実装部材と前記上部センサ部材とを収納して前記ステム部材上に固定され前記ステム部材上を気密に封止する金属製のキャップとを備え、前記絶縁性基板が、前記ステム部材の上面に接着されていることを特徴とする。
すなわち、この赤外線センサでは、上記ステム部材と上記リード線と上記キャップとを備えているので、下部センサ部材と中間実装部材と上部センサ部材とをキャップ内に気密封止した状態で、ハーメチックシールされたリード線によって他の基板に容易に実装可能である。また、ステム部材の上面に補償用感熱素子を実装した絶縁性基板が接着されているので、ステム部材から熱を受け易く外部環境の温度変化に追従し易くなる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る赤外線センサによれば、補償用感熱素子が素子収納孔の下部開口部に配されていると共に、検出用感熱素子が素子収納孔の上部開口部に配され、互いに対向配置されているので、側方からの赤外線の影響を抑制できると共に、中間実装部材からの輻射熱の影響もキャンセルすることができ、検出精度の低下を抑制することができる。

本発明に係る赤外線センサの第１実施形態において、赤外線センサを示す概略的な断面図である。 第１実施形態において、ステム部材上に下部センサ部材だけを設置した状態を示す平面図である。 第１実施形態において、上部センサ部材を示す裏面図である。 第１実施形態において、中間実装部材を示す平面図である。 第１実施形態において、中間実装部材上に赤外線センサ部材を設置した状態を示す平面図（ａ）及びＡ−Ａ線断面図（ｂ）である。 第１実施形態において、中間実装部材を示す側面図である。 本発明に係る赤外線センサの第２実施形態において、上部センサ部材を示す裏面図である。 本発明に係る赤外線センサの第１実施形態の他の例において、ステム部材に下部センサ部材を設置した状態を示す概略的な断面図である。 第１実施形態の他の例において、ステム部材上に下部センサ部材だけを設置した状態を示す平面図である。 第１実施形態の他の例において、ステム部材上に下部センサ部材だけを設置した状態を示す平面図である。

以下、本発明に係る赤外線センサの第１実施形態を、図１から図６を参照しながら説明する。

本実施形態の赤外線センサ１は、図１から図３に示すように、下部センサ部材２と、下部センサ部材２上に設置された中間実装部材３と、中間実装部材３上に設置された上部センサ部材４とを備えている。
また、本実施形態の赤外線センサ１は、下部センサ部材２と中間実装部材３と上部センサ部材４とが上部に設置された金属製のステム部材５と、ステム部材５内に封着ガラス６ａで絶縁封着され貫通状態で気密に保持された二対のリード線６と、赤外線入射窓７ａを有していると共に下部センサ部材２と中間実装部材３と上部センサ部材４とを収納してステム部材５上に固定されステム部材５上を気密に封止する金属製のキャップ７とを備えている。

上記下部センサ部材２は、図２に示すように、絶縁性基板８と、絶縁性基板８の上面に設けられた補償用感熱素子９と、絶縁性基板８の上面に形成され補償用感熱素子９に接続された一対の下部パターン配線１０とを備えている。
上記上部センサ部材４は、図３および図５に示すように、中間実装部材３の上面に設置された絶縁性フィルム１１と、絶縁性フィルム１１の下面に設けられた検出用感熱素子１２と、絶縁性フィルム１１の下面に形成され検出用感熱素子１２に接続された一対の上部パターン配線１３とを備えている。

上記中間実装部材３は、図４に示すように、上下に貫通している素子収納孔Ｈを有し絶縁性基板８の上面に設置された絶縁性の実装部材本体１４と、実装部材本体１４に設けられ一対の上部パターン配線１３に接続されている二対の接続部材１５とを備えている。
なお、上記二対のリード線６は、一対の下部パターン配線１０及び一対の上部パターン配線１３に電気的に接続されている。

上記補償用感熱素子９は、図１に示すように、素子収納孔Ｈの下部開口部に配されていると共に、検出用感熱素子１２は、素子収納孔Ｈの上部開口部に配され、互いに対向配置されている。
上記接続部材１５は、実装部材本体１４から上方に突出して設けられ、上部センサ部材４が、実装部材本体１４との間に隙間を空けた状態で接続部材１５の上端部に固定されている。なお、上記隙間は、側方から赤外線が素子収納孔Ｈ内に入射しない程度の僅かな隙間に設定されている。

上記絶縁性基板８は、略正方形状に形成されたプリント基板である。
また、中間実装部材３は、樹脂等の絶縁性材料により平面視で略正方形状に形成されている。
上記中間実装部材３は、絶縁性基板８と中心軸が一致した状態で、対角線Ｌ１を絶縁性基板８の対角線Ｌ２に対して４５度傾けて絶縁性基板８上に設置されている。
なお、本実施形態では、絶縁性基板８の４つの角部が平面視で中間実装部材３の各辺から突出している。

一対の上部パターン配線１３の他端には、二対の端子電極１３ａが設けられている。すなわち、一対の上部パターン配線１３がそれぞれ２つに分岐し、絶縁性フィルム１１の各角部の近傍にまで延在して端子電極１３ａを設けている。なお、端子電極１３ａの外周上には、はんだが拡がらないようにソルダレジストを環状に形成している。
上記絶縁性基板８の上面には、一対の接続用電極１６ａと、一対の固定用電極１６ｂとがパターン形成されている。なお、接続部材１５への熱の逃げを抑制するために、一対の上部パターン配線１３を分岐せずに、一対の接続用電極１６ａと接続された一対の端子電極１３ａのみと接続してもよい。
なお、下部パターン配線１０と接続用電極１６ａと固定用電極１６ｂとは、銅箔等でパターン形成されている。
絶縁性基板８には、各角部にリード線６の上部が挿通可能なリード用挿通孔２ａが形成されている。

一対の接続用電極１６ａは、４つのリード用挿通孔２ａのうち２つにまで延在し、それらリード用挿通孔２ａ回りに円環状に形成された上部用接続部１６ｃを有している。
また、一対の下部パターン配線１０は、上記上部用接続部１６ｃの無い２つのリード用挿通孔２ａにまで延在し、それらリード用挿通孔２ａ回りに円環状に形成された下部用接続部１０ａを有している。
各リード線６は、リード用挿通孔２ａに上部が挿通された状態で、対応する上部用接続部１６ｃ又は下部用接続部１０ａにはんだ接合されている。

各接続部材１５は、図５に示すように、実装部材本体１４に取り付けられ、上端部が端子電極１３ａにはんだ付け等で接続されると共に、下端部が対応する一対の接続用電極１６ａと一対の固定用電極１６ｂとにはんだ付け等で接続されている。
上記接続部材１５は、図３に示すように、実装部材本体１４より熱伝導性の高い金属等の導電性材料で形成されていると共に、側方に突出した端子ピン部１５ａを有している。

上記実装部材本体１４は、側部に形成され端子ピン部１５ａが差し込み固定される接続部材用穴部１４ａと、接続部材用穴部１４ａに連通している中間穴部１４ｄとを有している。
すなわち、長く突出した端子ピン部１５ａは、長孔形状の貫通孔である接続部材用穴部１４ａに差し込まれて嵌め込まれることで固定される。
なお、上記端子ピン部１５ａの先端部は、中間穴部１４ｄ内に突出している。

本実施形態では、実装部材本体１４が平面視略正方形状に形成された薄板状のブロック形状であり、４つの接続部材１５が４つの角部の近傍に設置され、対向する両側にそれぞれ２つずつ接続部材１５が配されている。すなわち、実装部材本体１４の両側にそれぞれ上部センサ部材４を支持する部分が２つずつ互いに間隔を空けて設けられ、４箇所で上部センサ部材４が支持、固定される。

なお、上部センサ部材４は、実装部材本体１４との間に平行な隙間を設けて支持されている。すなわち、上述したように、接続部材１５は、その上部が実装部材本体１４の上面から一定量だけ突出しており、上端部にはんだ付け等で接続された上部センサ部材４を実装部材本体１４から浮かせた状態で支持している。

接続部材１５は、端子ピン部１５ａの下に該端子ピン部１５ａの突出方向と逆に延在した端子スリット部１５ｃを有し、実装部材本体１４は、端子スリット部１５ｃに差し込まれる端子用差し込み部１４ｃを有している。
なお、上記端子スリット部１５ｃの基端から端子ピン部１５ａの先端までを端子ピン部１５ａの長さと規定すると、端子ピン部１５ａは、実装部材本体１４の厚さ以上の長さに設定されている。

上記端子スリット部１５ｃは、端子用差し込み部１４ｃが差し込み可能に横方向に切り込まれて形成されている。
接続部材１５の下端部は、実装部材本体１４に取り付けられた状態で実装部材本体１４の両側よりも内側に配されており、全体として傾きが生じ難く設定されている。
接続部材１５の上端部及び下端部は、はんだ付け用に平坦部とされている。
なお、上記接続部材１５は、金属板から型抜き加工、エッチング加工又はレーザ加工によって形成された板状である。

また、上部パターン配線１３及び下部パターン配線１０には、その一端部に接着電極が設けられており、接着電極には、それぞれ対応する検出用感熱素子１２又は補償用感熱素子９の端子部がはんだ等の導電性接着剤で接着される。
上記絶縁性フィルム１１は、ポリイミド樹脂シート等で形成され、上部パターン配線１３が銅箔で形成されている。

上記補償用感熱素子９及び検出用感熱素子１２は、両端部に端子部が形成されたチップサーミスタである。このサーミスタとしては、ＮＴＣ型、ＰＴＣ型、ＣＴＲ型等のサーミスタがあるが、本実施形態では、補償用感熱素子９及び検出用感熱素子１２として、例えばＮＴＣ型サーミスタを採用している。このサーミスタは、Ｍｎ−Ｃｏ−Ｃｕ系材料、Ｍｎ−Ｃｏ−Ｆｅ系材料等のサーミスタ材料で形成されている。

このように本実施形態の赤外線センサ１は、補償用感熱素子９が素子収納孔Ｈの下部開口部に配されていると共に、検出用感熱素子１２が素子収納孔Ｈの上部開口部に配され、互いに対向配置されているので、補償用感熱素子９と検出用感熱素子１２との間に側方外部から赤外線が入射せず、側方からの赤外線の影響を抑制し、検出精度の低下を抑制することができる。また、補償用感熱素子９と検出用感熱素子１２とが共通した素子収納孔Ｈにおいて配置されることで、全体を小型化できると共に、互いに同空間で近接しており、中間実装部材３からの輻射熱を同様に受けることで、その影響もキャンセルすることができる。

さらに、補償用感熱素子９が、中間実装部材３に近接していることで熱的に結合し、外部環境の変化に追従し易くなる。したがって、補償用感熱素子９により中間実装部材３及び絶縁性基板８を含むパッケージの温度補償を取ることができ、周囲温度変化に対する赤外線の検出精度の低下を抑制することができる。

また、上部センサ部材４が、実装部材本体１４との間に隙間を空けた状態で接続部材１５の上端部に固定されているので、上部センサ部材４が実装部材本体１４から浮いた状態となり、実装部材本体１４からの熱が上部センサ部材４に伝わり難くなり、より検出精度の低下を抑制することができる。

さらに、本実施形態の赤外線センサ１では、上記ステム部材５と上記リード線６と上記キャップ７とを備えているので、下部センサ部材２と中間実装部材３と上部センサ部材４とをキャップ７内に気密封止した状態で、ハーメチックシールされたリード線６によって他の基板に容易に実装可能である。また、ステム部材５の上面に補償用感熱素子９を実装した絶縁性基板８が接着されているので、ステム部材５から熱を受け易く外部環境の温度変化に追従し易くなる。

次に、本発明に係る赤外線センサの第２実施形態について、図７を参照して以下に説明する。なお、以下の各実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、上部センサ部材４の上部パターン配線１３が線幅が細く延在しているのに対し、第２実施形態の赤外線センサでは、図７に示すように、上部センサ部材２４の一対の上部パターン配線１３が、検出用感熱素子１２の周囲を覆っており、第１実施形態の上部パターン配線１３よりも幅広に形成されている点である。
すなわち、第２実施形態では、絶縁性フィルム１１の受光領域の直下部分をほとんど覆うように幅広の上部パターン配線２３が形成され、検出用感熱素子１２の周囲を覆っている。

したがって、第２実施形態の赤外線センサでは、一対の上部パターン配線２３が、検出用感熱素子１２の周囲を覆って形成されているので、一対の上部パターン配線２３が集熱膜として機能し、絶縁性フィルム１１で受光した赤外線による熱を集熱して効率的に検出用感熱素子１２に伝えることができる。
また、上部パターン配線２３が遮光膜としても機能し、赤外線の一部が絶縁性フィルム１１を透過しても絶縁性フィルム１１下面の広い上部パターン配線２３で多くが遮光され、素子収納孔Ｈ下方の補償用感熱素子９に対する影響を抑制することができる。

なお、第１実施形態では、検出用感熱素子１２の両端子部と上部パターン配線１３との接続部が２カ所であるのに対し、第２実施形態では、検出用感熱素子１２の両端子部と上部パターン配線２３との接続部が６カ所とされている。
したがって、上部パターン配線の無いくびれ部がサーマルランドとして機能し、検出用感熱素子１２の両端子部と上部パターン配線２３とをハンダ付けする時に、熱が必要以上に周囲に逃げてハンダが溶け難くなり、ハンダ不良となることを抑制することができる。
なお、接続部材１５への熱の逃げを抑制するために、一対の上部パターン配線２３を、一対の接続用電極１６ａと接続された一対の端子電極１３ａのみと接続してもよい。

なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態では、チップサーミスタの感熱素子を採用しているが、薄膜サーミスタで形成された感熱素子を採用しても構わない。
なお、感熱素子としては、上述したように薄膜サーミスタやチップサーミスタが用いられるが、サーミスタ以外に焦電素子等も採用可能である。

また、上記第１実施形態では、リード線６が、対応する上部用接続部１６ｃ又は下部用接続部１０ａにはんだ接合されているが、他の電気的接続手段を採用しても構わない。例えば、図８に示すように、一対の接続用電極１６ａ及び一対の下部パターン配線１０と、対応するリード線６の上端部とをワイヤーボンディングによりワイヤーＹで電気的に接続しても構わない。

さらに、第１実施形態では、絶縁性基板８の下面全体とステム部材５とを接着剤で固定しているが、図８に示すように、絶縁性基板８の下面の一部とステム部材５とを接着剤８ａで固定し、絶縁性基板８とステム部材５との間に隙間を設けても構わない。

また、第１実施形態では、一対の下部パターン配線１０が一対の下部用接続部１０ａに接続されているが、図９に示すように、下部センサ部材２２において、一対の下部パターン配線１０のうち一方を、一対の接続用電極１６ａのうち一方に接続しても構わない。これにより、グランド接続用のリード線６を共通にして第１実施形態のリード線６を１本削減し、３本のリード線６を有した赤外線センサとしてもよい。
また、図１０に示すように、下部センサ部材３２において、一対の下部パターン配線１０のうち一方を分岐線１０ａに分岐し、分岐線１０ａにより一対の接続用電極１６ａのうち一方に接続しても構わない。この場合も、グランド接続用のリード線６が共通になり、第１実施形態のリード線６を１本削減して３本のリード線６を有した赤外線センサとすることができる。

１…赤外線センサ、２，２２，３２…下部センサ部材、３…中間実装部材、４，２４…上部センサ部材、５…ステム部材、６…リード線、６ａ…封着ガラス、７…キャップ、７ａ…赤外線入射窓、８…絶縁性基板、９…補償用感熱素子、１０…下部パターン配線、１１…絶縁性フィルム、１２…検出用感熱素子、１３，２３…上部パターン配線、１４…実装部材本体、１５…接続部材、Ｈ…素子収納孔

Claims (4)

1. 下部センサ部材と、
   前記下部センサ部材上に設置された中間実装部材と、
   前記中間実装部材上に設置された上部センサ部材とを備え、
   前記下部センサ部材が、絶縁性基板と、前記絶縁性基板の上面に設けられた補償用感熱素子と、前記絶縁性基板の上面に形成され前記補償用感熱素子に接続された一対の下部パターン配線とを備え、
   前記上部センサ部材が、前記中間実装部材の上面に設置された絶縁性フィルムと、前記絶縁性フィルムの下面に設けられた検出用感熱素子と、前記絶縁性フィルムの下面に形成され前記検出用感熱素子に接続された一対の上部パターン配線とを備え、
   前記中間実装部材が、上下に貫通している素子収納孔を有し前記絶縁性基板の上面に設置された絶縁性の実装部材本体と、前記実装部材本体に設けられ一対の前記上部パターン配線に接続されている少なくとも一対の接続部材とを備え、
   前記補償用感熱素子が前記素子収納孔の下部開口部に配されていると共に、前記検出用感熱素子が前記素子収納孔の上部開口部に配され、互いに対向配置されていることを特徴とする赤外線センサ。
2. 請求項１に記載の赤外線センサにおいて、
   一対の前記上部パターン配線が、前記検出用感熱素子の周囲を覆って形成されていることを特徴とする赤外線センサ。
3. 請求項１又は２に記載の赤外線センサにおいて、
   前記接続部材が、前記実装部材本体から上方に突出して設けられ、
   前記上部センサ部材が、前記実装部材本体との間に隙間を空けた状態で前記接続部材の上端部に固定されていることを特徴とする赤外線センサ。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の赤外線センサにおいて、
   前記下部センサ部材と前記中間実装部材と前記上部センサ部材とが上部に設置された金属製のステム部材と、
   前記ステム部材内に封着ガラスで絶縁封着され貫通状態で気密に保持され一対の前記下部パターン配線及び一対の上部パターン配線に電気的に接続された３本以上のリード線と、
   赤外線入射窓を有していると共に前記下部センサ部材と前記中間実装部材と前記上部センサ部材とを収納して前記ステム部材上に固定され前記ステム部材上を気密に封止する金属製のキャップとを備え、
   前記絶縁性基板が、前記ステム部材の上面に接着されていることを特徴とする赤外線センサ。

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