JPH0760120B2 - 光パワーセンサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光パワーセンサに関し、詳しくは入射光を吸収
して熱に変換する受光体、変換された熱を熱起電力とし
て測定する熱電対及び熱電対の検出熱エネルギーを校正
する校正ヒータよりなる光パワーセンサに関するもので
ある。

〔従来の技術〕

第３図は従来光パワーの測定に用いられている光パワー
センサの裏面図で熱電対群の配列パターンを示す平面
図、第４図は第３図のＢ−Ｂ線を断面図を示す。

第４図において、センサとしての受光体31と校正用ヒー
タ32とが接着剤によって基板34状に接着され、基板34の
反対面には受光体31に発生した熱を測定する熱電対群
（サーモパイル）が取り付けられている。

熱電対群は、第３図に示すように、受光体31に対応する
基板34の反対面に積層された均熱膜35の周囲に、温接点
36を配置し、それぞれの熱電対を放射状に配置して隣接
する熱電対と冷接点37を直列に接続し熱起電力を検出す
る。

受光体は通常銅の箔膜に黒色被膜を設けたもので、黒色
被膜としては金黒が利用されていた。基板の裏面の、受
光体に対応する部分には温度分布を均一にしてその周囲
に配置されている副数個の熱電対の高温接点の起電力を
均一にする均熱膜35が接着されている。

受光体として金黒被膜は全反射率が低く、機械的振動や
摩擦によって剥落し易く、また、高温条件下で水分を吸
収して反射率が増加するという問題がある。

これに対し、発明者らが開発した黒色被膜（特願昭63−
231761号及び特願昭63−231760号明細書に記載）は、ニ
ッケル・リン合金の無電解めっき被膜を形成し、これを
酸化処理して得られ、その全反射率は0.2％と極めて低
く、且つ、その光吸収特性に波長依存性が小さいという
優れた性能を有し、しかも、強度も十分あるので、機械
的振動や摩擦によって剥落しにくく、周囲温度条件に左
右されず、水分を吸収しにくいなどの利点を有する。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のニッケル・リン黒色被膜を光パワー測定のセンサ
として用いた場合、その感度を上げるためには受光体に
発生した熱を測定するサーモパイルの熱電対数をできる
だけ多くすることが好ましい。

しかしながら、従来の光パワーセンサにおいては、第４
図に示すように、基板34の裏面に熱電対、例えばビスマ
スとアンチモンとを真空蒸着によって順次隣接して配置
し、温接点36と冷接点37とを直列結合してサーモパイル
を構成していたので、熱電対数を増加させると熱電対線
の幅が極めて狭くなり、そのため抵抗が増加するので、
熱電対数の増加には限界があり、したがって感度の向上
が困難であった。

本発明の目的は、このような光パワーセンサにおいて、
感度の優れた光パワーセンサを提供するにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、従来熱電対を構成する各金属を基板上に隣接
して配列したのに対し、絶縁層を介して積層配設するこ
とにより上記の課題を解決したものである。

すなわち、本発明は、基板（４）と、該基板に形成され
入射光を吸収して熱に変換する受光体（１）と、一方の
熱電素子（ｂ）の一端と他方の熱電素子（ａ）の一端と
を接続して温接点（６）とし他端を冷接点（７）とした
熱電対素子を複数対前記受光体と同心に放射状に配置
し、且つ、前記一方の熱電素子と他方の熱電素子とをそ
れぞれの他端が隣合って配置された他の熱電素子の他端
に接続されるように各熱電対素子を直列接続して設けら
れた前記受光体によって変換された熱を熱起電力として
検出するための熱電対素子群と、該熱電対素子群の両端
部に接続された電極（９、10）と、前記熱電対素子群に
よって検出された熱エネルギーを校正するための校正ヒ
ータ（２）とを備えた光パワーセンサであって、前記熱
電対素子群は、各熱電対素子が、前記受光対の中心から
温接点までの距離及び冷接点までの距離がそれぞれ等し
くなるように隣合って前記基板上でほぼ点対称に放射状
に配置形成されるように、前記基板上に設けられた一方
の熱電素子の温接点部分と冷接点部分以外の領域が絶縁
層（８）で被覆され、前記一方の熱電素子に大部分の領
域が重なり合ってその間に該絶縁層が介在するように他
方の熱電素子が該絶縁層の上に積層され、それぞれ直列
接続されていることを特徴とする光パワーセンサであ
る。

第１図は本発明の光パワーセンサの一実施例の熱電対素
子群の配置パターンを示し、積層体の一部を欠如して積
層状態を示してある。第２図は第１図のＡ−Ａ線の断面
図である。

本発明の光パワーセンサにおいて、熱電対素子群の配置
パターンは次のように行なわれる。

基板４の均熱膜５の周囲に、先ず一方の熱電素子ｂが放
射状に配設され、次いでその上を熱電素子ｂの温接点部
６と冷接点部７とを残して、絶縁層８で被覆する。さら
にその上に他方の熱電素子ａが積層され、その温接点6a
と6bとが接合されて熱電対が構成される。この場合、こ
の熱電対素子ａの冷接点部7aは隣の熱電対の熱電素子ｂ
の冷接点部7bと直接接合される。

すなわち、第１図に示すように、絶縁層８を挟んで積層
された熱電対の一方の熱電素子ａの冷接点部の側部が隣
接する熱電素子ｂの方に突出して接合部7aを形成し、該
隣接熱電対の熱電素子ｂの突出した接合部7bと直接積層
し結合する。

一方、接合の行なわれない側の冷接点部は、それぞれの
熱電素子が他の熱電素子の接合部に接触しないよう欠如
されたパターンを形成している。直列結合された熱電対
群の両端部にはそれぞれ熱起電力測定用電極９及び10が
設けられる。

熱電素子ａとｂとを絶縁する絶縁層８は、温接点部を残
してほぼ円板状で、その外周部の熱電素子の上記冷接点
接合部７に対応する部分のみ欠如した凹部を有するパタ
ーンに形成される。

基板 本発明の光パワーセンサの基板としては、絶縁性を有
し、材料は雲母、セラミックス、ガラス、マイラー等を
挙げることができる。ここでは厚さ30〜60μｍのアルミ
ナを用いた。

受光体 本発明で光センサ素子として用いられる受光体１は、光
を吸収してそのエネルギを熱エネルギに変換するもので
あれば任意のものが使用し得る。一般には熱容量の小さ
い、黒色処理された金属の薄膜が用いられ、前記の金黒
被膜、黒色被膜処理された無電解ニッケル・リンめっき
等のいずれでもよいが、センサとしての感度及び使用上
の強度の点から全反射率の極めて小さい黒色被膜処理さ
れた無電解ニッケル・リンめっきを有する銅の薄膜が好
ましく、特に特願昭63−231760号及び同63−231761号に
記載されているニッケル・リン合金系黒色被膜を有する
金属薄膜が好ましい。

受光体１の寸法は任意であるが、例えば直径6mm、厚さ2
0μｍの円形銅箔上に厚さ50μｍの無電解ニッケル・リ
ンめっきを施し、酸化処理により黒色被膜を形成させた
ものが用いられる。この受光体１は校正用ヒータ２の上
に接着してもよいし、また、校正用ヒータの上に絶縁膜
を設け、その表面にめっき、蒸着等の手段で、銅層、無
電解ニッケル・リンめっき層を積層し、その表面を黒色
化処理してもよい。

校正用ヒータ 受光体１と基板４との間に配置され、熱電体素子群で検
出された熱起電力をヒータの加熱に要した電気量により
校正する。

ヒータ材質は任意であるが、窒化タンタル（Ta₂N）等の
膜などが用いられ、リング状のパターンの両端より導線
が引き出される。

均熱膜 受光体１と対応した基板４の反対面に積層される均熱膜
５は、受光体とほぼ同じ大きさの円板状パターンで、
金、銅などの熱伝導の良好な金属膜を、蒸着等の方法で
積層させる。受光体に発生した熱は均熱膜の周囲に配置
された熱電対素子群の温接点に均等に伝達される。

熱電対素子 熱電対素子群の構成素子は、必要なパターンが蒸着又は
CVD等の手段で基板状に積層される。熱電対材料として
は、Bi−Sb、Au−αGe等が用いられるが、金（Au）とア
モルファスゲルマニウム（αGe）の組み合わせが好まし
い。

この場合、基板上に熱電素子ｂとしてαGeのパターンを
積層した後、絶縁層パターン、及び熱電素子ａとしてNi
−Crを下地とするAuのパターンを順次積層する。

これらのパターンの積層はそれぞれの素材によって、蒸
着、スパッタリング、CVD等の積層手段、レジストによ
るパターニング及びエッチング等が組み合わされる。

絶縁層 絶縁層８の絶縁材としては窒化けい素、酸化けい素を挙
げることができるが、一種類の絶縁材の被膜ではピンホ
ール等による絶縁不良を生じ易いので、二種類以上の材
料で複層構造とすることが好ましい。

基板上に熱電素子ｂのパターンを積層した上に絶縁層８
の被覆を施した後、熱電素子ａを積層すると、絶縁層の
ない部分で温接点の接合及び冷接点の直列結合が行なわ
れ、熱電対素子群が構成される。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を示すが、本発明はこの実施例によ
って限定を受けるものではない。

実施例１ 第１図及び第２図で示す形状及びパターンを有する12対
の熱電対素子群を有する光パワーセンサを作製した。

厚さ50μｍのアルミナ基板４の表面に、CVDによりαGe
を全面に約２μｍ堆積させ、第１図に示す温接点径7mm
φ、冷接点径16mmの熱電素子ａのパターンをフォトエッ
チングにより形成した。

アルミナ基板の裏面に校正用ヒータ２の抵抗としてTa₂N
を約0.1μｍスパッタリングし、その上にヒータ用電極
（図示せず）として先ずNiCr合金500Åを、次いでAu1μ
ｍを順次蒸着し、それぞれフォトエッチングによるパタ
ーニングを２回行ない、リング状の抵抗及びその電極を
積層した。この校正用ヒータは熱処理により抵抗を所定
の値に調整する。

表面の熱電素子ａパターンの上にSiN_x層0.2μｍとSiO₂
層0.5μｍを順次CVDにより２層に積層し、フォトエッチ
ングにより絶縁層８のパターンを形成せしめた。

更に、その上にNiCr合金（500Å）及びAu（１μｍ）を
順次全面蒸着し、フォトエッチングにより熱電素子ｂ、
均熱膜及び電極のパターンを形成させた。

裏面の校正用ヒータの上には20μｍの銅箔と30μｍの無
電解ニッケル・リンめっき層を積層し、その表面を黒化
処理して得られた6mmφを受光体を接着した。

比較例１ 従来品の例として、第３図に示す６対の熱電対素子群を
有する光パワーセンサを作製した。

受光体、校正用ヒータ、基板、熱電素子ａ及び熱電素子
ｂの材質は実施例１と同一であり、熱電素子の厚さ及び
幅も実施例と実質的に同じであるが、熱電素子ａとｂと
を絶縁体を介して積層せず、第３図のように基板上に隣
接して配置し直列に接続した。

比較例２ 比較例１において、熱電対素子の対数を12とした以外
は、比較例１と同様に構成した。すなわち熱電素子ａ及
びｂの幅は約半分とした。

以上の３種の光パワーセンサの性能を比較すると次表の
とおりである。

〔作用及び効果〕 本発明の光パワーセンサは、各熱電対素子が受光体の中
心から温接点までの距離及び冷接点までの距離がそれぞ
れ等しくなるように、隣合って基板上でほぼ点対称に放
射状に配置形成され、基板上に設けられた一方の熱電素
子の温接点部分と冷接点部分以外の領域が絶縁層で被覆
され、一方の熱電素子に他方と熱電素子の大部分が重な
り合ってその間に絶縁層が介在してそれぞれ直列接続さ
れているので、従来技術に比べ同一面積当りの熱電対素
子の対数を増やすことができ、検出起電力の感度をあげ
ることができる。

また、熱電対素子の対数を増加させない場合には、各熱
電対素子の幅を広くとることができる。

このことは、いずれの場合にも熱起電力の測定値に対す
る測定ノイズの低減効果を有し、従来より低レベルの光
パワーの測定を可能にする。

さらに、各熱電対素子が受光体中心と同心でほぼ点対称
で放射状に配置され、受光体の中心から各熱電対素子の
温接点までの距離及び冷接点までの距離がそれぞれ等し
いので、光スポットが受光体上に入射すれば、どの方向
にズレても、合成されて出力される検出熱起電力は平均
化され、ほぼ一定となり、入射する光スポットの位置決
めが容易で、光パワーの測定を迅速且つ性格に行なうこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光パワーセンサの一実施例での熱電対
素子群の配置パターンを、積層体の一部を欠如して積層
状態を示し、第２図は第１図のＡ−Ａ断面図である。 第３図は従来の光パワーセンサの熱電対素子群の配置パ
ターンを示す平面図、第４図は第３図のＢ−Ｂ断面図で
ある。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板（４）と、該基板に形成され入射光を
   吸収して熱に変換する受光体（１）と、一方の熱電素子
   （ｂ）の一端と他方の熱電素子（ａ）の一端とを接続し
   て温接点（６）とし他端を冷接点（７）とした熱電対素
   子を複数対前記受光体と同心に放射状に配置し、且つ、
   前記一方の熱電素子と他方の熱電素子とをそれぞれの他
   端が隣合って配置された他の熱電素子の他端に接続され
   るように各熱電対素子を直接接続して設けられた前記受
   光体によって変換された熱を熱起電力として検出するた
   めの熱電対素子群と、該熱電対素子群の両端部に接続さ
   れた電極（９、10）と、前記熱電対素子群によって検出
   された熱エネルギーを校正するための校正ヒータ（２）
   とを備えた光パワーセンサであって、 前記熱電対素子群は、各熱電対素子が、前記受光体の中
   心から温接点までの距離及び冷接点までの距離がそれぞ
   れ等しくなるように隣合って前記基板上でほぼ点対称に
   放射状に配置形成されるように、前記基板状に設けられ
   た一方の熱電素子の温接点部分と冷接点部分以外の領域
   が絶縁層（８）で被覆され、前記一方の熱電素子に大部
   分の領域が重なり合ってその間に該絶縁層が介在するよ
   うに他方の熱電素子が該絶縁層の上に積層され、それぞ
   れ直接接続されていることを特徴とする光パワーセン
   サ。