JPH08166290A

JPH08166290A - 熱電素子

Info

Publication number: JPH08166290A
Application number: JP12363095A
Authority: JP
Inventors: Hedler Harry; ハリー、ヘドラー; Winterfeldt Joachim; ヨーアヒム、ヴィンターフェルト; Herrnsdorf Johannes; ヨハネス、ヘルンスドルフ; Lilienhof Hans-Joachim; ハンス−ヨーアヒム、リーリエンホーフ
Original assignee: HL Planartechnik GmbH
Current assignee: TE Connectivity Sensors Germany GmbH
Priority date: 1994-08-03
Filing date: 1995-05-23
Publication date: 1996-06-25
Also published as: EP0695932A1

Abstract

(57)【要約】【目的】赤外線および可視光線用の熱電素子におい
て、これに小さい開口角で、できるだけ不活性性が低
く、しかも本質的に高い感度をもたらすこと。【構成】光入射窓３ないし開口２から間隔を置いて、
かつ好ましくはこれと同心的に、反射鏡ないし反射鏡光
学系の形態における光捕集素子９がケーシング１内に配
置され、またケーシング壁内面がこのような光捕集素子
９を構成し、放射素子８が光入射窓３ないし開口２から
光捕集素子９に向けて指向せしめられていることを特徴
とする熱電素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は気密的に閉鎖されているのが好ま
しく、特定のガスが充填されるセンサ空間を形成し、か
つ光線を透過させる光入射窓で閉鎖されている開口を有
するケーシング、このケーシング内に配置されているセ
ンサ担体、その上に載置され、かつ活性表面を有する放
射素子、およびこの放射素子のための、ケーシングから
延びている電気的接続導線を具備する、ことに赤外線お
よび可視光線用の熱電素子に関するものであって、この
ような熱電素子は、受光素子であっても、送光素子であ
ってもよい。

【０００２】このような熱電素子は、すでに以前から公
知である。受光素子として構成されている熱電素子
（「メジヤメント」１９８８年１月−３月、第６巻、１
号、２−４頁）は、閉鎖されたセンサ空間を形成するケ
ーシングを有する。このケーシングには、アルゴン、ク
リプトン、キセノン、窒素のような特定の乾燥保護ガス
か、または排気による特定のわずかな減圧残留空気が充
填されている。ケーシングは、例えば溶接または接着に
より密封され、作動によりセンサ空間内の充填ガスに変
化をもたらさいようになされるのが好ましい。このガス
充填は、ことにわずかな熱放射エネルギー流を検出せね
ばならないので、一定のセンサ特性のために極めて重要
である。

【０００３】このような熱電素子は、簡単に密封された
素子であって、ケーシング内には、電気スイッチを備え
た周縁枠部材から成るセンサ担体と、この枠部材内に展
張された担体薄膜と、この薄膜上に在って、外部と電気
的に接続されている放射素子としての薄膜受光部材とが
設けられている。この受光部材表面は、ケーシング内の
光入射窓の表面より小さい。

【０００４】本発明の出発点を成すこのような公知の熱
電素子は、多数の相互に接続され、一体的に構成された
放射素子で作動する。この熱電素子は、担体薄膜の中央
に星形状に配置され、その測定作用位置は、吸収膜とし
て構成されている担体薄膜中央の被覆膜下面に在り、熱
電素子の比較作用位置は熱留まりとして作用する枠部材
上に存在する。ケーシングの開口からそこに設けられて
いる入射窓を経て入射する光線、ことに赤外線は、吸収
膜において熱に変換され、これは熱素子の測定位置に作
用し、入射光線の電気的測定を可能ならしめる。

【０００５】実際上の使用により公知になされている他
の熱電光センサにおいては、吸収膜黒化表面を有する白
金層ないし担体薄膜上の半導体サーミスタを有するボロ
メータの原理により作用する。

【０００６】担体薄膜は、例えばシリコンから成る枠部
材において、裏面のミクロメカニックエッチングにより
形成されるが、これはしばしばシリコンオキシドニトリ
ドから構成され、これはシリコンエッチングにより損傷
されない。

【０００７】このような熱電光センサの特別の埋設金属
部分は、放射高熱計である（例えば米国特許４３４７４
１８号明細書参照）。このような実施態様では、完全密
閉光線センサは、パラボラ反射鏡光学系の焦点に在る。
パラボラ反射鏡光学系は、光線センサのための保持桁材
により、約１０ｍｍの直径を有する光センサの大部分に
わたり覆われる。パラボラ反射鏡光学系の直径自体も比
較的大きいものでなければならない。さらにこのような
開放光学系は、汚れに対して敏感である。パラボラ反射
光学系の前方に光センサを配置するために、この反射光
学系では浄化作業がなし難い。公知の密閉光センサのす
べてが、このような外部光学系と結合されている。

【０００８】またさらに他の慣用の熱電光センサにおい
て、測定感度は、吸収膜（被覆膜）面の光入射窓面に対
する面積割合に依存する。すなわち、光源からケーシン
グの光入射窓を経て直接受光部材上に入射する光の一部
分のみが、評価可能信号になされるに過ぎない。光線
（赤外線を含む）の大部分は、担体薄膜、枠部材および
ケーシング部分の外方に入射し、吸収膜を加熱すること
なく、従って測定信号にならない。逆に云えば、枠部材
におけるこのような熱留まりの加熱は、測定信号に悪影
響を及ぼす可能性がある。有効使用割合が、入射全光線
のわずかに２ないし５％に過ぎない場合がしばしばであ
る。

【０００９】この有効使用割合は、側方測定、ことに直
径、吸収膜、その厚さを大きくすることにより高め得
る。これにより有効使用割合を高めるが、同時に光線セ
ンサは、吸収膜の熱容量が高められるために鈍感にな
る、さらに側方計測の拡大は制約される。受光部材にお
いて熱素子を使用する場合、担体薄膜の中央に集中配置
された熱素子の測定位置と、吸収膜として構成された被
覆膜との間の横方向間隔をそれほど大きくなし得ないか
らである。

【００１０】さらに、使用可能の開口角範囲の制限は、
構造上、光入射窓の縮小によってのみ可能である。例え
ば１０°以下の開口角では、受光素子は実際上実現不可
能である。

【００１１】光有効使用割合および／または開口角に関
する対策は、前述した外部光学系装置による限り達成さ
れ難く、同じく前述したような諸問題をもたらす。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】そこで、ここで対象に
されている赤外線および可視光線用の熱電素子の技術的
課題は、ことに小さい開口角で、できるだけ不活性性が
低く、しかも本質的に高い感度をもたらすことである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】しかるに上述の課題は、
光入射窓ないし開口から間隔を置いて、かつ好ましくは
これと同心的に、反射鏡ないし反射鏡光学系の形態にお
ける光捕集素子がケーシング内に配置され、またはケー
シング壁内面がこのような光捕集素子を構成し、放射素
子が光入射窓ないし開口から光捕集素子に向けて指向せ
しめられていることを特徴とする熱電素子により解決さ
れることが、本発明者らにより見出された。本発明によ
ると、センサ用内部空間を有し、光学的有効なケーシン
グ内において各部材ないし素子が一体化される。このよ
うな光センサの個々の部材ないし構成素子は、本発明に
より、ことにケーシングに対して二倍に使用され、ケー
シング壁体は同時に光捕集素子を構成する。密閉光入射
窓の場合、密閉ケーシングによりセンサ内部空間におけ
る変化しない雰囲気がもたらされ、これが光学系に利点
をもたらす。すなわち、光学系に汚れがもたらされるこ
とがなく、光捕集素子の大きさは、最小限度に抑えられ
る。

【００１４】光入射窓の小さい開口角範囲、すなわち平
行光線の捕捉にさらに接近する熱電素子特性は、光入射
方向において放射素子より「後」に配置された、反射壁
の形態における光捕集素子に著しい影響を与える。この
場合、光捕集素子は、放射素子の活性表面の「前」に配
置された赤外線レンズとして構成するのが有効である。
赤外線波長範囲において、高い透過性を示すレンズ構成
材料は前述したようにコストが高いが、放射素子の活性
表面は、著しく小さくすることができる。ケーシングの
光入射窓により構成される実質的受光面の、受光素子形
成的面、すなわち放射素子活性表面の割合は、ファクタ
１０００ないしそれ以上になり得ない。これは放射素子
としての構成にも該当する。上述した両受光素子面の大
きな割合の故に、本発明による一体的光学素子を具備す
るケーシングにおいては、光路は、放射素子によってわ
ずかな影響を受けるに止まる。ことに赤外線問題となる
波長範囲、ことに赤外線波長範囲の光捕集素子は、でき
るだけ高い反射率を有するものであるべきである。これ
により、同時に受光素子として構成されている放射素子
の特別の問題が解決される。赤外線波長範囲における受
光素子は、ケーシング壁体からの熱放射に対して特に敏
感である。しかしながら、活性表面を有する受光素子
は、本発明により高反射性光捕集素子に指向されるの
で、熱電素子の残余部分は、受光素子に関して実質的に
完全に保護される。送光素子を有する熱電素子の場合、
対象外の放射線は、余り悪い影響を及ぼさない。それぞ
れの活性表面が一平面内において並列されている少なく
とも２個の、好ましくはそれ以上の複数の独立した受光
素子が、反射鏡として構成された光捕集素子と結合され
ており、ことに小型化された分光計、なかんずく赤外線
分光計と結合されている場合に、特別の利点がもたらさ
れる。

【００１５】

【実施形】以下において、相違する数実施形を例示する
添付図面を参照して、本発明をさらに具体的に詳述す
る。

【００１６】本発明の対象は、赤外線および可視光線
用、ことに赤外線用に適する熱電素子に関する。すなわ
ち、本発明は受光素子として作用する熱電素子に係り、
また送光素子として作用する熱電素子に係る。受光素子
として作用する構成素子は、例えば放射高温計において
広い範囲の用途を有する。

【００１７】図１と図２を対比することにより認められ
るように、この熱電素子実施形は、ケーシング（１）を
有し、この開口（２）は、本実施形において、広義の光
線（可視光線のほかに赤外線を含む）を透過させる光入
射窓（３）により密閉されている。ケーシングは原則と
して開放的であってもよいが、汚染の懸念がある。この
ような熱電素子のためには、ケーシング（１）は閉鎖的
に構成され、ガス充填（乾燥保護ガスないし排気された
後の減圧残気）したセンサ空間を形成する方が好まし
い。これによりセンサ感度を良好ならしめ得る。

【００１８】ケーシング（１）内には、センサ担体
（４）が設けられ、図１および図２においては単に示唆
するに止まるが、この担体（４）は、電気スイッチ
（６）を設けた周縁枠部材（５）、この枠部材に展張さ
れた担体薄膜（７）およびこの担体薄膜上にスイッチ
（６）と電気的に接続された薄膜状放射素子（８）から
成る。これは図２から理解され得る。受光素子としての
放射素子（８）の場合には、吸収膜を設けることができ
る。その他の点については、本明細書冒頭において従来
技術の説明を参照され度い。なお、本実施形において
も、そこで説明された構造の並列接続された一連の熱素
子により処理される。

【００１９】図１は比較的小さい開口角を前提条件とし
て、光線（赤外線を含む広義の光線）はケーシング
（１）の入射窓（３）から入射することを明らかにして
いる。この光線は、平行光線である。この場合、特別の
対策を構ずることがなければ、ケーシング（１）におけ
る入射窓（３）を経て入射する光線が極く一部分が放射
素子（８）の活性表面に到達するに止まる。しかしなが
ら、本発明においては、ケーシング（１）に、入射窓
（３）から間隔を置いて反射鏡（ないし反射鏡光学系）
としての光捕集光学素子（９）が設けられる。放射素子
（８）の活性表面は、図示されている好ましい実施形の
いずれの場合にも、入射窓（３）から光捕集素子（９）
の方向に指向せしめられる。本発明における光線の波長
範囲、ことに赤外線波長範囲において、なるべく高い反
射率をもたらすように、反射鏡（９）が設けられるべき
ことは明らかである。放射素子（８）は、ケーシング
（１）の内部ではなく、光入射窓（３）に、またはその
近傍に配置される。

【００２０】図１（および図３）に示される実施形にお
いては、放射素子（８）は受光素子として構成され、入
射窓（３）の一定の開口角範囲において入射する光線
は、放射素子（８）の活性表面上に集中される。これに
対して、図６および図７に示される実施形においては、
放射素子（８）は、送光素子として構成され、光捕集素
子（９）、すなわち反射鏡は、放射素子（８）の活性表
面から放射される光線を光入射窓（３）に向けて変向さ
せ、光線を一定の開口角範囲で入射窓（３）から放射さ
せる。

【００２１】送光素子は、しばしば、それ自体公知の電
流加熱膜抵抗体として構成される。

【００２２】以下の説明において、放射素子が、受光素
子であるか送光素子であるかはそれ程重要なことではな
い。

【００２３】まず図１において（他の図面でも同様であ
るが）、図示された好ましい実施形では、ケーシング
（１）の内壁面自体が、光捕集素子（９）を形成する。
すなわちこの光捕集素子ないし反射鏡は、追加的な構成
部材ではなく、光入射窓（３）に対向するケーシング
（１）の一体的壁面構成部分である。さらに図１から、
光捕集素子（９）が球面鏡体として構成されていること
が認められる。図示の好ましい実施態様では、光捕集素
子（９）は断面半円形ないしパラボラ鏡面を構成し、放
射素子（８）はこの反射鏡面の焦点面に在る。これが本
発明の意図する小さい開口角範囲に対応する。上記断面
のほかに双曲線面、楕円面、円形面（図１０参照）であ
ってもよい。

【００２４】図示されているように、光捕集素子（９）
と、光入射窓（３）との間の開口角範囲を限定するた
め、ケーシング（１）の壁面に直線状断面区間が設けら
れる。この断面直線状区間が長い程、開口角は小さくな
る。側方から入射する散光は、反射により放射素子に到
達しないからである。この点に関連して、図５には特殊
な構造が示されている。すなわち、光捕集素子（９）
は、放射素子（８）に対して、ことに光入射窓（３）に
おける光路方向に対して、変位可能であり、採用される
開口角範囲を調整し得るように構成されている。この変
位可能性は、調節ねじ（１０）により達成される。すな
わち対応螺合する内外のねじにより光捕集素子（９）は
光路方向において位置を変えることができ、従ってコリ
メーション角度、すなわち視準角を調整できる。

【００２５】図１および図２に示される実施形におい
て、放射素子（８）を具備するセンサ担体（４）は、光
入射窓（３）上に設けられ、光導波路（１１）としての
放射素子（８）と光入射窓（３）との電気的接続が、接
続ワイヤ（１２）により行われる。図２を図１と対比し
て見れば、まず接続ワイヤ（１２）は、スイッチ（６）
から光導波路（１１）の接続パッド上の枠部材（５）に
導かれていることが認められる。ケーシング（１）の壁
体として構成されている光捕集素子（９）の輪郭破線
（図２）により外方の接続面（１３）に向けて光導波路
（１１）が延びている。

【００２６】図３の実施形でも、センサ担体（４）は直
接入射窓（３）上に置かれるが、この場合入射窓上には
光導波路（１１）は設けられず、放射素子（８）用の接
続ワイヤ（１２）は直接、周縁接触環状体（１４）ない
しこれに対応する接触面に接続される。

【００２７】図１１および図１２の改変実施形では、放
射素子（８）を具備するセンサ担体（４）は、入射窓
（３）とは別の保持部材（２２）上に置かれ、この保持
部材（２２）は、その形態と使用される材料とにより、
入射窓（３）を透過する光路をできるだけ妨害しないよ
うにする。光導波路としての放射素子（８）の保持部材
（２２）との電気接続を、接続ワイヤで行い、かつ／も
しくは保持部材（２２）の構成部材自体で行う。

【００２８】図１１に示される実施形では、中空円筒体
としての保持部材（２２）は、その上面で直径方向に延
びるセンサ担体（４）、保持用の桁材（２３）を有す
る。平面図としての図１２は、これを明確に示してい
る。この保持部材（２３）が、ケーシング（１）におけ
る入射窓（３）を透過する光路を著しく制約することが
認められる。この保持部材（２３）には、放射素子
（８）用の接続ワイヤが外部から容易に結合され得る。
この保持部材（２２）を形成する中空円筒体は、アルミ
ニウムを材料として射出成形される。

【００２９】なお、光捕集素子（９）、すなわち一方端
が閉鎖されている中空筒体反射鏡を有するケーシング
（１）は、図１１に示されるように、中空円筒体として
構成される保持部材（２２）に適合せしめられる。ケー
シング（１）の長さないし高さが増大する程、マイクロ
波放射線などが側方から放射素子に入射するのを阻止し
得る。いずれの中空円筒体も、横断面円形を示すが、こ
れは必須不可欠ではない。この中空円筒体の壁面厚さ
は、かなりの熱容量を有し、従って光捕集素子（９）の
ために均斉で、比較的定常的な周囲温度をもたらすよう
にするのが好ましい。さらにこの中空円筒体の内壁面
は、充分に反射性を持たせ、温度条件下に損傷されない
ように高強度を持たせる必要がある。

【００３０】図１１の断面側面図において、中空円筒体
として構成されたケーシング（１）は、接続導線を導通
させるための軸線方向の導通溝腔を有する。この中空円
筒状ケーシング（１）は、中空円筒状保持部材（２２）
を簡単に嵌合収納し得る。

【００３１】放射素子（８）と、そのための接続導線
は、入射窓（３）を透過する光路をできるだけ妨害しな
いようにせねばならない。図１と図３は、これに関連し
て本発明による放射素子の接続導線の選択された配線を
明確に示している。

【００３２】本明細書の従来技術に関する冒頭の説明に
おいて述べたように、放射素子（８）はシリコンのミク
ロメカニックエッチングにより形成される。また必要な
波長の光線は極めてよく透過させるため、光入射窓のた
めの材料は、同様にシリコンで構成される。図１の実施
形において、ケーシング（１）は断面で示される導電板
体により構成され、これに開口（２）が穿設される。

【００３３】実験の結果、極めて薄い導電性板体、こと
に導電路を有すね板体は、光入射窓の機能を同様に果た
し得る合成樹脂で形成され得ることが判明した。このよ
うな合成樹脂は、厚さ５０μｍまでの、例えばカプトン
シートまたはＰＥシートであって、５μｍから１５μｍ
の波長範囲の光を充分に透過させるものである。光捕集
素子（９）に対向するケーシング（１）の側において、
光入射窓（３）を形成する合成樹脂シートは、同時に全
体的に導電路を形成することができる。この高コスト
の、導電板体と接続されるシリコン入射窓は、開口と協
働して使用されることができ、製造技術的に極めて有利
である。

【００３４】またケーシング（１）自体も、合成樹脂、
ことにセンサ技術分野で一般的に使用されているＡＢＳ
樹脂で構成されるのが有利である。光捕集素子（９）を
形成するため、合成樹脂から成るケーシング（１）は、
その内壁面において光反射層、すなわち鏡面金層が形成
され、赤外線帯域の光を最高限度の反射率で反射し得る
ようになされる。

【００３５】熱電素子、ことに受光素子として構成され
た熱電素子において、これに関連する波長範囲を特定波
長範囲の光線用のフィルタにより制限することは公知で
ある。このフィルタは原則的に光入射窓（３）に設けら
れるが、このフィルタ面は当然のことながら比較的広く
構成されねばならない。図３はこの点においてことに好
ましい実施態様を示しており、光入射窓（３）と放射素
子（８）の活性表面との間において、特定波長範囲の光
線用フィルタ（１５）が配置されている。しかしなが
ら、このフィルタ（１５）はまた放射素子（８）の活性
表面上に設けてもよい。この場合、フィルタを支承する
面はかなり狭いが、高コストのフィルタ光学系を使用し
て対処できる。この場合には、光入射窓をこの目的に関
して光学的に好ましいが、フィルタ装着用基板として必
ずしも好ましくない材料で構成することもできる。

【００３６】上述実施形におけるフィルタ（１５）のほ
かに、焦点形成を改善するため、すなわち余計な妨害光
線を排除するために、オリフィス絞りを設け得る。これ
は、シリコン基板にマイクロメカニック手段で形成され
ることができる。

【００３７】上述した構成は、図１１および図１２に示
される実施形の放射素子（８）のためにも採用され得
る。図１０に示される実施形は、一方において、光捕集
素子（９）はケーシング（１）の内壁面に形成された反
射性層によりもたらされ、他方において、この光捕集素
子（９）に対向するケーシング（１）の部分において、
導電性板体（２０）により電気的接続が行われ得ること
を示している。しかしながら、この実施形においては、
横方向に延びる導電性板体（２０）を、光導波路（２
１）の端部が貫通して、ケーシング（１）内に進入して
いる。すなわち、ケーシング（１）の一部を成す導電性
板体（２０）における開口（２）を経て、ケーシング
（１）内に進入する光導波路（２１）の端部は、光入射
窓（３）を形成している。放射素子（８）は、この場
合、光入射窓（３）に配置されているのではなく、その
近傍に配置されており、しかも光導波路（２１）の端部
を成す光入射窓（３）の側方に在る。この図１０に示さ
れる実施形においては、さらに、反射鏡として構成され
ている光捕集素子（９）は、楕円体状に構成され、光導
波路（２１）の端部ならびに放射素子（８）は、それぞ
れこの楕円体状光捕集素子（９）の焦点面に配置されて
いる。

【００３８】センサ空間内の光学的入射窓（３）は、光
導波路（２１）の端部の上面であって、かなり面積が縮
少されている。センサ空間から外方接合部に至る接線導
線を支承する導電性板体（２０）、すなわちこれを構成
する合成樹脂シート（カプトンシート）上において、放
射素子（８）が装着される。この放射素子（８）におけ
る可能な限り高い発光効率は、導電性板体ないしこれを
構成する合成樹脂シートの内方面に光反射性層が設けら
れ、ことに金属鏡面化処理することにより、場合により
境界線により相違する接続導線を平面化することにより
実現され得る。

【００３９】それぞれの構成素子の必要的構成により、
可能な限り良好な環境との熱的結合もしくは環境との熱
的遮断が実現され得る。

【００４０】放射素子（８）および／またはその活性表
面に対向する裏面に在るセンサ担体（４）が、光透過性
であること、または必要な波長範囲の光線のために不透
過性層が形成されていることは図面には示されていな
い。これに対して、環境温度とセンサ担体（４）の温度
とを放射素子（８）により別個に測定し、結果的に有効
な「正味光線」を測定技術的に可能ならしめるための、
ことに有利な実施態様は図示されている。そのために
は、放射素子（８）および／またはセンサ担体（４）
は、その活性表面に対向するその裏面に、環境温度（参
照温度）測定用に薄膜熱センサ素子（１６）が設けられ
る。

【００４１】図４から、センサ担体（４）において外方
に延びる光導波路（１１）を有する薄膜センサ素子（１
６）が認められる。この薄膜センサ素子（１６）は、図
示された実施形においては、同時に上述した逆向光線用
の不透過性層の作用を果たす。

【００４２】すでに上述した受光素子への異質光線の問
題は、この薄膜センサ素子（１６）によって光入射窓
（３）における温度を把握することにより完全に解決さ
れる。これにより正味光線が事実上確認され得るからで
ある。薄膜センサ素子（１６）は、例えばＮｉ抵抗であ
ってもよく、これは抵抗路の形態で入射窓（３）に直接
的に載置される。

【００４３】さらに他の分析可能性として、放射素子
（８）のほかに、さらに他のフィルタ（１５）を具備す
る放射素子（８）を設けることができる。場合によって
は、さらに他の複数の放射素子（８）が設けられる。フ
ィルタ（１５）を正しい選択および調整、適合により、
例えば受光した光スペクトルは相互減算され、減法スペ
クトルにおける水蒸気ラインの検討により、空気中の水
蒸気量割合を確認することができる。この減法原理は、
多数の放射素子（８）により、種々の用途に応じて変性
される。水蒸気ラインの確認は、ミクロ波処理の領域に
おいてことに重要である。

【００４４】放射素子（８）としての受光素子が、吸収
膜を具備し得ることは、すでに示唆ないし言及した。余
り強くない吸収性の被覆層を設け、これに対して受光素
子においてもたらされる、いわゆる層序の層厚さを、干
渉系形成のために調整して、これを検知されるべき光線
の関連波長範囲内における波長に対応させることも可能
である。

【００４５】図６および図７は、受光素子として構成さ
れた放射素子（８）を具備する熱電素子の実施例を示
す。この構成は、図１および図３による受光素子を使用
する場合の構成と、図７におけるフィルタ（１５）の配
置に関しても、基本的に対応するものである。

【００４６】送光素子の場合と異なる特殊性、すなわち
送光素子として構成される放射素子（８）の活性表面に
対向するその裏面に、光反射素子層が設けられており、
空間貫通性を有する放射素子（８）が構成されることは
図示されていない。下方に放射された送光出力は、正し
い方向に再び反射される。上記空間貫通性は、また熱膨
張により応力を減少させる。

【００４７】なお、受光素子に関して前述したような、
別個の保持部材のために必要となる構成は、送光素子に
対しても同様である。

【００４８】なお、放射素子（８）として送光素子を具
備する熱電素子の実施形について、放射素子（８）の上
方に、若干の間隔をおいて、さらに他の窓を設けること
ができ、これにより表面における対流挙動が調整可能で
あることが図示されていない。この窓はトランスミッシ
ョンフィルタとして構成され得る。これは放射素子のた
めの被覆スイッチを結果的にもたらす。

【００４９】図８及び図９に示される本発明による熱電
素子実施形は、基本的には光捕集素子（９）と無関係で
あるが、前述した各種実施形の発明的諸特徴と結合し
て、ことに有利に使用され得る。

【００５０】この場合、放射素子（８）が少なくとも２
個の、好ましくはこれよりさらに多数個の相互に独立し
た受光素子（１７）を有し、その各活性表面が一平面内
に在るように並列されていることが特徴的である。図８
から１２個のこのような縞状受光素子（１７）が、単一
の放射素子（８）内に配列されていることが認められ
る。なお、これを除いては、枠部材（５）と担体薄膜
（７）を具備する一般的構造が採用されている。

【００５１】このように１個の放射素子（８）に多数の
受光素子（１７）を配置することにより、ことに前述し
たように光捕集素子（９）が設けられている場合に、入
射する光線の空間的分析がまず行われる。このような構
造が図９に示されている。

【００５２】相違する種々の光周波数（波長）に、相違
する複数の受光素子（１７）が同調、調整され、ことに
相違する干渉膜系でこれが行われることにより、比較的
簡単な分光計装置が得られる。

【００５３】図９に示される実施形は、光入射窓（３）
に、またはその近傍に、光線の波長に対応して回折させ
る入射フィルタ（１８）が、ことに回折格子として設け
られることを特徴とする、さらに他の実施態様を示して
いる。入射フィルタ（１８）としての回折格子は、この
場合光入射窓（３）上に直接設けられる。

【００５４】図８および図９に示される実施形におい
て、相違する複数の受光素子（１７）の接続、接触のた
めには、前述した他の実施形における実施態様が準用さ
れる。しかしながら、図８に示される熱電素子の特殊性
は、個々の縞状受光素子（１７）が、担体薄膜（７）に
穿設された長いスロットにより、相互に接触しないよう
に相互に分離されていることである。各受光素子（１
７）間の横方向熱伝導が行われないような熱的減結合
（漏熱減衰）が重要である。

【００５５】担体薄膜（７）としては、関連波長範囲の
光線を透過させる材料から構成されていること、充分な
幅を有する細長いスリットが設けられていることが必要
であり、従って並列されている一連の縞状の受光素子
（１７）が、光入射窓（３）の表面をほぼ被覆しおり、
これら各並列受光素子（１７）の間を光路が貫通し、こ
れら並列受光素子（１７）自体が回折格子の機能を有す
る改変実施形が可能となる。このこと自体は、図面に明
示されていない。

【００５６】なお、この実施形においても、光入射窓
（３）の層形成および材料選択により、好ましくは波長
の光に対するフィルタ作用が行われ、さらに妨害作用す
る光の入射を制約し、いわゆる正味光線を確認するため
にも上述した種々の対策が構じられる。

【００５７】最後に、図１３はいわば、「光学的結合
器」と称されるべき２個の結合された熱電素子を使用す
る特殊な実施形を示す。この場合、測定区間（２４）
は、対向する２個の熱電素子の間に設けられ、この部分
をガス（例えばＣＯ₂ 含有空気）が流過せしめられる。
送光素子として構成されている、例えば上方の熱電素子
から放射された光線が、受光素子として構成されている
下方の熱電素子により受領される。ガス流中の吸収は、
ガス流の組成用の尺度を成す。

【図面の簡単な説明】

【図１】受光素子を備えた形態の熱電素子の第１実施形
の原理を説明する断面図である。

【図２】第１の熱電素子の入射窓内部平面図である。

【図３】受光素子を備えた本発明により熱電素子の他の
実施形を示す、図１に対応する断面図である。

【図４】上記熱電素子の入射窓内部平面図である（ただ
し受光素子は図示されない）。

【図５】本発明による熱電素子の第３実施形を示す、図
１に対応する断面図である。

【図６】送光素子を有する本発明熱電素子の第４の実施
形を示す、図１に対応する断面図である。

【図７】送光素子を有する本発明熱電素子のさらに他の
実施形を示す、図６に対応する断面図である。

【図８】並列配置された複数個の受光素子を上方に載置
したセンサ担持体の斜視図である。

【図９】赤外線分光計の形態における熱電素子に図８の
センサ担持体を組込んだ装置を示す斜視図である。

【図１０】光導波路を備えた、本発明熱電素子のさらに
他の実施形を示す、図１に類する断面図である。

【図１１】本発明熱電素子のさらに他の実施形を示す、
図１に類する断面図である。

【図１２】図１１の素子用の保持部材を示す平面図であ
る。

【図１３】本発明による熱電素子２個を有する測定装置
の断面図である。

【符号の説明】

１‥‥ケーシング２‥‥開口３‥‥光入射窓４‥‥センサ担体５‥‥枠部材６‥‥（電気）スイッチ７‥‥担体薄膜８‥‥放射素子９‥‥光捕集素子（反射鏡）１０‥‥（上記光捕集素子の）変位調節ねじ１１‥‥光導波路１２‥‥接続ワイヤ１５‥‥フィルタ１６‥‥薄膜熱センサ素子１７‥‥受光素子１８‥‥送光素子２０‥‥導電性板体２１‥‥光導波路２２‥‥（センサ担体４の）保持部材２３‥‥（同上の）保持桁材２４‥‥測定区間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 37/00 (72)発明者ハリー、ヘドラードイツ、81377、ミュンヒェン、ペラルゴーニエンヴェーク、50アー (72)発明者ヨーアヒム、ヴィンターフェルトドイツ、58239、シュヴェルテ、フィール、モルゲン、シュトラーセ、14 (72)発明者ヨハネス、ヘルンスドルフドイツ、58313、ヘルデッケ、アウフ、デム、シュネー、104ツェー (72)発明者ハンス−ヨーアヒム、リーリエンホーフドイツ、44532、リューネン、グロガウエルシュトラーセ、21

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】気密的に閉鎖されているのが好ましく、
特定のガスが充填されるセンサ空間を形成し、かつ光線
を透過させる光入射窓（３）で閉鎖されている開口
（２）を有するケーシング（１）、このケーシング内に
配置されているセンサ担体（４）、その上に載置され、
かつ活性表面を有する放射素子（８）、およびこの放射
素子のための、ケーシング（１）から延びている電気的
接続導線（１１、１２）を具備する、ことに赤外線およ
び可視光線用の熱電素子であって、光入射窓（３）ない
し開口（２）から間隔を置いて、かつ好ましくはこれと
同心的に、反射鏡ないし反射鏡光学系の形態における光
捕集素子（９）がケーシング（１）内に配置され、また
はケーシング壁内面がこのような光捕集素子（９）を構
成し、放射素子（８）が光入射窓（３）ないし開口
（２）から光捕集素子（９）に向けて指向せしめられて
いることを特徴とする熱電素子。
【請求項２】放射素子（８）が光入射窓（３）ないし
開口（２）に、またはその近傍に配置されていることを
特徴とする、上記請求項による熱電素子。
【請求項３】放射素子（８）が受光素子として構成さ
れ、光捕集素子（９）が、一定の開口角範囲で入射した
光線を放射素子（８）の活性表面に集注させることを特
徴とする、上記請求項のいずれかによる熱電素子。
【請求項４】放射素子（８）が送光素子として構成さ
れ、光捕集素子（９）が、放射素子（８）の活性表面か
ら放射された光線を、入射窓（３）ないし開口（２）に
向けて変向させ、これから一定の開口角範囲で放射させ
ることを特徴とする、上記請求項のいずれかによる熱電
素子。
【請求項５】放射素子（８）の活性表面が、光捕集素
子（９）に対して同心的に指向していることを特徴とす
る、上記請求項のいずれかによる熱電素子。
【請求項６】光捕集素子（９）が、球面反射鏡、好ま
しくは円形断面を有する、ことにパラボラ反射鏡として
形成され、放射素子（８）が、反射鏡の焦点面に配置さ
れていることを特徴とする、上記請求項のいずれかによ
る熱電素子。
【請求項７】光捕集素子（９）と光入射窓（３）ない
し開口（２）との間に、ケーシング（１）の直線状壁区
間が設けられていることを特徴とする、上記請求項のい
ずれかによる熱電素子。
【請求項８】光捕集素子（９）が、放射素子（８）に
対して、ことに光入射窓（３）における光路方向におい
て、変位可能になされていることを特徴とする、上記請
求項のいずれかによる熱電素子。
【請求項９】放射素子（８）を具備するセンサ担体
（４）を光入射窓（３）の上に載置し、放射素子（８）
のための電気的接続を、光入射窓（３）上の導電路（１
１）および／または細い接続ワイヤ（１２）により行う
ことを特徴とする、上記請求項のいずれかによる熱電素
子。
【請求項１０】放射素子（８）を具備するセンサ担体
（４）を、光入射窓（３）とは別個の保持部材（２２）
の上に載置し、この保持部材（２２）を、その構造的形
態および使用材料によって、光入射窓（３）ないし開口
（２）を通る光路をなるべく妨害しないようにすること
を特徴とする、上記請求項のいずれかによる熱電素子。
【請求項１１】保持部材（２２）を、アルミニウムか
ら構成し、ことに射出成形により形成した、センサ担体
（４）用の幅の狭い保持桁材（２３）を上面直径方向に
設けた中空円筒体としたことを特徴とする、上記請求項
のいずれかによる熱電素子。
【請求項１２】光捕集素子（９）を具備するケーシン
グ（１）が、一方端が閉鎖されている中空円筒体として
構成され、中空円筒体として構成された保持部材（２
２）がこれに嵌合装填されていることを特徴とする、上
記請求項のいずれかによる熱電素子。
【請求項１３】上記中空円筒体の横断面が、円形であ
ることを特徴とする、上記請求項のいずれかによる熱電
素子。
【請求項１４】中空円筒体として構成されたケーシン
グ（１）に、接続導線を導通するための溝腔（２５）が
穿設されていることを特徴とする、上記請求項のいずれ
かによる熱電素子。
【請求項１５】放射素子（８）のための電気的接続
が、保持部材上の導電路および／または細い接続ワイヤ
により行われ、かつ／もしくは保持部材に担持され、ま
たはこれと一体的に形成された部材により行われること
を特徴とする、上記請求項のいずれかによる熱電素子。
【請求項１６】光入射窓（３）が、ケーシング（１）
の光捕集素子（９）に対向する側に形成されていること
を特徴とする、上記請求項のいずれかによる熱電素子。
【請求項１７】光入射窓（３）が導電板体として、ま
たは導電路（１１）を有する合成樹脂シートとして構成
されていることを特徴とする、上記請求項のいずれかに
よる熱電素子。
【請求項１８】ケーシング（１）が合成樹脂、ことに
ＡＢＳ合成樹脂から構成され、ことに光捕集素子（９）
の反射鏡面化が、合成樹脂の金属被着により行われるこ
とを特徴とする、上記請求項のいずれかによる熱電素
子。
【請求項１９】ケーシング（１）の壁体内面に反射性
層が形成され、ことに鏡面金属被着が行われることを特
徴とする、上記請求項のいずれかによる熱電素子。
【請求項２０】光入射窓（３）ないし開口（２）と、
放射素子（８）の活性表面との間に、特定波長範囲の光
線用フィルタが設けられていることを特徴とする、上記
請求項のいずれかによる熱電素子。
【請求項２１】放射素子（８）の活性表面上にフィル
タ（１５）が設けられていることを特徴とする、上記請
求項のいずれかによる熱電素子。
【請求項２２】光入射窓（３）ないし開口（２）と、
放射素子（８）の活性表面との間に、ことに放射素子
（８）の活性表面上に、孔隙が設けられていることを特
徴とする、上記請求項のいずれかによる熱電素子。
【請求項２３】ケーシング（１）が、光捕集素子
（９）に対向する側部分において好ましくは導電板体な
いし合成樹脂板体により閉鎖されており、この閉鎖部分
において光導波路（２１）の一方端部がケーシング
（１）内に突入して、この端部が光入射窓を構成し、放
射素子（８）がこの光導波路（２１）の端部の側方に並
置されていることを特徴とする、上記請求項のいずれか
による熱電素子。
【請求項２４】反射鏡として構成されている光捕集素
子（９）が楕円形状に構成され、光導波路（２１）の上
記端部と放射素子（８）とが、それぞれ楕円反射鏡の焦
点に配置されていることを特徴とする、上記請求項のい
ずれかによる熱電素子。
【請求項２５】導電板体（２０）ないし合成樹脂板体
が、その内方面に反射性層が形成され、ことに金属鏡面
が被着され、場合により分離線を経て別の接続導線が面
状帯域として構成されていることを特徴とする、上記請
求項のいずれかによる熱電素子。
【請求項２６】放射素子（８）および／またはセンサ
担体（４）が、活性表面に対向するその裏面において、
光が透過しないようになされ、あるいは光が透過しない
遮断層が設けられていることを特徴とする、上記請求項
のいずれかによる熱電素子。
【請求項２７】放射素子（８）および／またはセンサ
担体（４）が、活性表面に対向するその裏面において、
参照温度（チップ温度、環境温度など）を測定するため
の熱薄膜センサ素子（１６）が設けられていることを特
徴とする、上記請求項のいずれかによる熱電素子。
【請求項２８】受光素子として構成されている放射素
子（８）が、波長干渉系を形成するために関連波長範囲
の光を案内する層序の層厚さで形成されていることを特
徴とする、上記請求項のいずれかによる熱電素子。
【請求項２９】送光素子として構成されている放射素
子（８）の活性表面に対向する裏面に、光線反射遮断層
が設けられていることを特徴とする、上記請求項のいず
れかによる熱電素子。
【請求項３０】放射素子（８）が受光素子として構成
されており、少なくとも２個の、好ましくはさらに多く
の相互に独立した受光素子（１７）を有し、それぞれの
活性表面が一平面内に並置されいることを特徴とする、
上記請求項のいずれかによる熱電素子。
【請求項３１】それぞれ相違する受光素子（１７）
が、それぞれ相違する光周波数（波長）に同調せしめら
れ、ことにそれぞれ相違する干渉膜系により同調するよ
うになされていることを特徴とする、請求項３０による
熱電素子。
【請求項３２】光入射窓（３）において、またはその
近傍において、光線波長に応じて光路を回折する入射フ
ィルタ（１８）、ことに回折格子として構成されたフィ
ルタが設けられていることを特徴とする、請求項３０ま
たは３１による熱電素子。
【請求項３３】放射素子（８）が、複数個並列配置さ
れた一連の縞状受光素子（１７）を有することを特徴と
する、請求項３０から３２のいずれかによる熱電素子。
【請求項３４】光捕集素子（９）が円筒状反射鏡とし
て構成されていることを特徴とする、請求項３３による
熱電素子。
【請求項３５】個々の各縞状受光素子（１７）が、担
体膜（７）に穿設されたスリットにより相互に接触しな
いようになされるいることを特徴とする、請求項３３ま
たは３４による熱電素子。
【請求項３６】一連の縞状受光素子（１７）が、光入
射窓（３）の表面を被覆しており、光路が一連の縞状受
光素子を通過して構成され、この受光素子自体が回折格
子の作用を果たすようになされていることを特徴とす
る、請求項３３から３５のいずれかによる熱電素子。
【請求項３７】放射素子（８）の近傍に他のフィルタ
（１５）を具備する放射素子（８）が配置され、対応す
るフィルタ（１５）の選択により変更された測定、こと
に減法測定が行われ得るようになされていることを特徴
とする、上記請求項のいずれかによる熱電素子。
【請求項３８】２個の熱電素子（Ａ）と（Ｂ）が対向
して配置され、一方の熱電素子が放射素子（８）として
送光素子を、他方の熱電素子が放射素子（８）として受
光素子をそれぞれ具備することにより、オプトカップラ
ー、すなわち光学的結合器として構成され、両熱電素子
のそれぞれのケーシング（１）の両光入射部分間に計測
区間（２４）、ことにガス流による貫流のための計測区
間が形成されていることを特徴とする、上記各請求項の
いずれかによる熱電素子。
【請求項３９】ケーシング（１）内において、評価エ
レクトロニクス装置が、チップないし放射素子（８）を
有するチップと一体化されていることを特徴とする、上
記各請求項のいずれかによる熱電素子。