KR101036362B1

KR101036362B1 - 수지 성형 광학 렌즈

Info

Publication number: KR101036362B1
Application number: KR1020080109938A
Authority: KR
Inventors: 토시노리 히라오; 신고 키무라; 준 콘도; 모토키 타나카
Original assignee: 니폰 세라믹 가부시키가이샤
Priority date: 2007-12-05
Filing date: 2008-11-06
Publication date: 2011-05-23
Also published as: CN101451888B; CN101451888A; KR20090059031A; JP2009139190A; CN201352154Y

Abstract

적외선 수광 소자로, 검출 대상면의 적외선을 집광시키는 수지재로 구성되는 광학 렌즈는, 렌즈 지지부와 렌즈부의 형상 사이즈에 있어, 사출 성형의 성립 조건면에 의해 렌즈부 형상이나 크기에 관해 설계 제약을 가지고 있다.

상부측에 배치하는 적외선 집광 렌즈부와, 하부측에 배치하는 초전형 적외선 검출기로의 장착을 위한 지지부로 독립 분리시킨 수지 성형품을 형성하고, 상기 집광 렌즈부와 지지부를 초음파 용착한 일체화 광학 렌즈로서 구성한다. 또, 적외선 검출 장치의 구축안에 맞게, 상기 상부측 집광렌즈를 다양한 적외선 검출 영역을 가지는 각종 렌즈로 변경, 조정 함으로써, 적외선 검출 영역의 분할, 구분에 대한 선택을 용이하게 실시할 수 있다.

적외선 검출, 적외선 수광, 광학 렌즈, 집광 렌즈, 성형

Description

수지 성형 광학 렌즈{OPTICAL PLASTIC LENS}

본 발명은 인체 검출 장치에 탑재되는 초전형 적외선 검출기에 구비하는, 인체로부터의 적외선을 적외선 수광 소자로 집광시키는 수지 성형 광학 렌즈에 관한 것이다.

초전형 적외선 검출기를 이용한 인체 검출 등을 목적으로 하는 적외선 검출 장치는, 초전형 적외선 검출기 내부에 배치된 적외선 수광 소자로, 검출 대상 영역 내로부터의 방사 적외선을 집광시키는 광학 렌즈를, 상기 초전형 적외선 검출기에 초점 위치를 맞추는 형태로 설치 함으로써, 설계 구분화된 적외선 검출 영역을 가질 수 있도록 구축되고 있다.

상기 광학 렌즈는 일반적으로 적외선 투과재료로 이루어지는 수지재가 이용되고 있어, 예컨대 일정 범위의 검출 대상면을 복수의 적외선 검출 영역으로 분할화시키는 경우, 볼록형상체 또는 프레스넬(fresnel)형상체의 작은렌즈 세그먼트(segment)를 조밀하게 집합 배치한 다집합형 렌즈로서 구성되고, 상기 광학 렌즈부의 외형상태는 육박구면형상(肉薄球面形狀) 또는 비구면형상(非球面形狀)의 것이 많이 사용되고 있다.

여기서 초전형 적외선 검출기에 구비되는 광학 렌즈(3a)는, 도 10에 도시한 집광렌즈로서, 상기 적외선 수광 소자(4)와의 촛점거리 관계를 고려하여 광학 설계되고, 최적한 적외선 집광성을 얻는 위치에 배치하기 위해, 상기 초전형 적외선 검출기(5)와 함께 배선 기판(6) 상에 고정된다.

도 9는, 도 10의 분해 외관도에 개시된 적외선 검출 장치의 측면 개요도를 도시하고 있고, 적외선 수광 소자(4)를 기점으로하여 각 집광렌즈 A, B, C, ...의 초점간 거리가 F가 되도록 구성 배치된 적외선 검출 장치를 도시하고 있다.

상기 도면에서는 배선 기판 상의 회로 접속용 결선 및 실장 전자 부품 등이 존재하지만, 도면이 복잡해지기 때문에 이를 생략한다.

또한, 일본 특허공개 평8-313339호, 일본 특허공개 2001-304956호에 개시되는 것과 같이, 집광 광축 엇갈림 억제나, 검출기 주변에 발생하는 바람의 요동에 의한 검출 표류(drift)를 회피하여 오동작을 방지하는 목적으로, 광학 렌즈를 적외선 검출기에 직접 장착시켜 고정 지지하는 방법도 보급되어 있다.

특허 문헌 1 : 일본 특허공개 평8-313339호

특허 문헌 2 : 일본 특허공개 2001-304956호

해결하려고 하는 문제점은, 예컨대 도 8에 도시한 바와 같은 초전형 적외선 검출기(5)에 직접 장착 지지시키는 광학 렌즈(3b)는, 종래 적외선 투과성이 뛰어난 고밀도 폴리에틸렌(polyethylene)재 등으로 이루어지는 사출 성형품으로, 렌즈부(1)와 지지부(2)가 일체형으로 형성되고 있지만, 사출 성형 금형의 구조상 및 성형 성립 조건면에 의해, 초전형 적외선 검출기에 장착되는 지지부(2)의 최대 외형 사이즈에 대해서, 상측에 위치하는 집광 렌즈부(1) 최대 외형 사이즈를 지지부 보다 크게 하는 구성은, 사출 성형에 있어서 일체형으로 형성하는 것 곤란하다는 점에 있다.

따라서, 예컨대 검출 대상면의 적외선 검출 영역을 세세하게 분할하는 복수개의 작은렌즈 세그먼트를 조밀하게 배치하는 것과 같이 설계된 광학 렌즈(볼록형상체나 프레스넬 형상체로 이루어지는 다집합형 집광렌즈)를 구비하는 적외선 검출 장치를 구축하는 경우, 일반적으로 적외선 검출 성능을 유지할 목적으로, 상기 복수개 배치된 작은렌즈 세그먼트 면적을 넓게 하여 검출 대상 영역의 적외선량을 많이 수광시키는 광학 설계를 실시할 필요가 있고, 구성되는 광학 렌즈부 자체의 형상, 크기가, 예컨대 TO-5형 초전형 적외선 검출기를 탑재 사용하는 경우에는, 검출기관의 패키지 사이즈 보다도 크게 하는 설계를 채용할 수 밖에 없다하는 문제가 발생하고 있다.

다시 말해, 일체형 사출 성형에서는, 광학 렌즈의 고정 지지부의 크기가 탑 재 상정하고 있는 초전형 적외선 검출기 패키지 외주 보다 커지게 되는 것을 의미하게 되고, 렌즈 지지부를 초전형 적외선 검출기에 직접 고정(hold)이 가능하게 설치하는 구조로 성형하는 것이 곤란하다.

이는 광학 렌즈의 적외선 검출 장치로의 설치 방법으로 초전형 적외선 검출기에 직접 장착을 실시한다고 하는 간소화한 조립공정의 적용, 도입에 방해가 되고, 결과적으로 광학 렌즈부와 동일한 사이즈의 스페이스가 상기 광학 렌즈의 고정 영역으로서 배선 기판면 상에 필요하게 된다.

상기 과제를 해결하기 위해 본원발명의 청구항 1에서는, 종래 일체형의 사출 성형품인 수지 성형 광학 렌즈의 상부측 렌즈부와 하부측 고정 지지부를, 상부측에 배치되는 다종 다양한 적외선 검출 영역을 가지는 집광 렌즈부와 하부측에 배치되는 초전형 적외선 검출기에 직접 장착하여 고정하는 지지부를 각각 독립 분리시킨 2개의 수지 성형품으로 제작하고,, 상기 집광 렌즈부와 지지부를 맞물리고, 맞물린 부분에 리브(rib) 성형을 실행 함으로써, 초음파 용착법을 이용하여 리브를 녹여 상하부를 기계적 접속시켜 일체화 광학 렌즈로서 구성하는 것을 특징으로 한다.

청구항 2에서는, 상기 상부측 집광 렌즈부가 복수개 배치 구성된 다집합형 집광렌즈로서 형성된 청구항 1 기재의 광학 렌즈에 대해, 초전형 적외선 검출기로의 장착 방향을 적외선 수광 소자와 동일한 축 방향으로 배치하는 제1 지지점과 45도 축회전시킨 방향으로 배치하는 제2 지지점과의 2 방향으로 설치 가능한 구성을 가지고 있어, 적외선 검출 영역의 투영 형상이 선택 가능한 구성인 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 수지 성형 광학 렌즈에 의하면, 청구항 1로서, 사출 성형에서 일체형 구조의 성형 성립면에 한계가 있었던 형상 사이즈의 광학 렌즈 구성을, 상부측 집광 렌즈부와 하부측 지지부에 독립 분리하여 형성 함으로써, 일체형 구조에서는 곤란했던 크기나 형상으로 구성되는 상부측에 배치되는 집광 렌즈부를, 초전형 적외선 검출기에 직접 장착 설치가 가능한 구조를 마련한 하부측 지지부에 맞물려 초음파 용착을 실시 함에 따라, 간단하게 기계적으로 접속된 일체화 구성을 이룰 수가 있다.

초음파 용착 방법에 따라 집광 렌즈부와 지지부가 일체화된 광학 렌즈가 제작 가능 함에 따라, 종래 렌즈부 형상이 크기 때문에, 렌즈 고정을 배선 기판 상으로만 배치하지 않으면 구성할 수 없었던 사이즈의 사출 성형 광학 렌즈라도, 집광 렌즈부와 지지부를 독립 분리시킨 구조를 적용하면, 실장 탑재 기판부의 면적 저감화 및 적외선 검출 장치의 조립 공정의 간소화를 진행시킬 수가 있다.

더욱이 광학 렌즈를 초전형 적외선 검출기에 직접 장착시켜 고정을 실시 함으로써, 렌즈와 적외선 수광 소자와의 집광 광축의 위치 엇갈림이 발생하기 어려워져 집광 로스(loss)도 저감하기 때문에, 광학 위치가 최적한 안정된 적외선 검출 성능을 가진 적외선 검출 장치의 제공이 가능하게 된다.

청구항 2로서 청구항 1 기재의 광학 렌즈에서, 초전형 적외선 검출기로의 광학 렌즈 장착 방향의 지지점이 2 방향으로 선택 가능하기 때문에, 하나의 타입의 복수 분할형 광학 렌즈를 이용하여 2개의 타입의 적외선 검출 영역으로 분할, 구분 형성시키는 것이 가능하고, 인체 검출 등의 적외선 검출 장치의 구축 설계에 관해 일조할 수 있으며, 설계 선택의 자유도가 있는 제안이 제공 가능하다 할 수 있다.

더욱이, 청구항 1또는 2에 기재된 광학 렌즈에서, 상부측 집광 렌즈부를 볼록형상체 또는 프레스넬 형상체로 이루어진 단안형(單眼型)이나 렌즈부가 복수개 배열된 다집합형의 각종 배열(arrange)된 작은렌즈 세그먼트를 갖는, 육박구면형상 또는 비구면형상에 성형된 다종 다양한 적외선 검출 영역에 분할 구분되는 각종의 집광 렌즈부로서 형성하고, 탑재되는 초전형 적외선 검출기의 패키지 형상에 적합시킨 공통 사용 가능한 하나의 하부측 지지부와 각각 조합하여, 용착 접합에 의해 일체화된 광학 렌즈로서 구성 함에 따라, 다양한 종류를 넘어 저가이면서 또한 소형인 제품을 제공할 수가 있다.

또한, 상부측 집광 렌즈부의 성형면을 고려하여도, 공통의 하부측 지지부를 사용 함으로써, 종래의 일체형 구조 광학 렌즈를 성형하는 경우 보다 투자액이 적게되고, 아울러 저가의 렌즈부를 제작할 수 있다.

또한, 더불어 적외선 검출 장치의 구축에 있어, 설계상 초기 고안하던 사이즈가 제약되어도, 상부측 집광 렌즈부를 원하는 사양에 따라 적합한 렌즈로 선택하고, 일체화 광학 렌즈 구조에서 탑재를 실시한다면, 배선 기판측의 면적 스페이스의 변경이나 초전형 적외선 검출기의 사양 변경 등의 새로운 추가 검토를 생략하고, 단순하게 렌즈부의 교체 만으로 대응 가능한 구성을 제안할 수 있으므로, 설계 공임이 억제되는 것에도 이익이 된다.

또한, 하기에 기술하는 본 실시예에서는, TO-5형의 초전형 적외선 검출기 패키지 사이즈에 적합 장착되는 구조 형상의 하부측 지지부를 공통 이용한 광학 렌즈로서 예시하고 있지만, 상부측 집광 렌즈부 만을, 단안형 프레스넬 형상 육박 렌즈나, 양볼록형상체 또는 편볼록형상체로 구성되는 작은렌즈 세그먼트를 복수개 배치 구성한 다집합형의 구면 형상 렌즈, 더불어 평면형 프레스넬 형상 육박 렌즈로서 형성되는 비구면형 렌즈로서 제작하고, 각종 렌즈를 하부측 지지부에 조합시켜 용착하여 일체화 렌즈 구성을 실시하는 것도 가능하다.

또한, 예컨대 12.5mm각(角)의 플랫 패키지형이나 TO-18형의 초전형 적외선 검출기 등의 각종 패키지 사이즈에 적합한 하부측 지지부를 가지는 용착 일체형 광학 렌즈를 구성할 수 있다.

적외선을 집광시키는 집광 렌즈부와 초전형 적외선 검출기에 장착시키는 지지부에 독립 분리시킨 광학 렌즈로서 도 1에 사시 방향 분해 외관도를, 도 2에 상기 집광 렌즈부와 지지부를 초음파 용착한 일체화 광학 렌즈를, 초전형 적외선 검출기에 장착한 상태의 측면 구조 개요도를 도시한다.

도 3은 도 2에서 장착한 광학 렌즈와 초전형 적외선 검출기의 표면 구조 개요도를 도시한다.

실시예 1

우선 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명과 관련되는 수지 성형 광학 렌즈에 대해 상세하게 설명한다.

본 실시예 1에서는, TO-5형의 초전형 적외선 검출기에 장착할 수 있는 광학 렌즈를 예시하고 있다.

상부측에 배치되는 집광렌즈(1)는 적외선 검출 영역을 9분할로 구분한, 각 렌즈부가 프레스넬 형상체로 이루어지는 육박구면형 렌즈이고, 각 렌즈와 적외선 수광 소자(4)와의 촛점거리 관계가 6.5mm ± 0.2mm로 유지되며, 렌즈 구면 반경은 6.7mm ± 0.2mm로서 설계되고 있다.

TO-5형 초전형 적외선 검출기(5)에 장착시키는 하부측 지지부(2)는, 검출기의 케이스(7) 천정면부와 검출기 TAB(8)이 장착 억지점이 되고, 상기 지지부(2)의 내면 측에 위치하는 억지부(9)와 바닥면부에 검출기 TAB(8)에 연하도록 드로잉 가공(drawing process)된 2개소의 지지점(10, 11)에 의해, 초전형 적외선 검출기(5)와의 집광 광축 맞춤을 실시하는 구조로 하는 원주관 형태를 이루고 있다.

여기서 상부측 집광 렌즈부(1)의 최대 외주 사이즈는 직경 12.8mm이고, 하부측 지지부(2)의 최대 직경 10.2mm로 하고 있다.

또한, 집광렌즈(1)면에는 육박의 프레스넬 형상 작은렌즈 세그먼트가 배치되고 있지만, 도면이 복잡해지기 때문에 이를 생략한다.

상기 하부측 지지부의 천정면 측에는 맞물림골(12)을 설치해두고, 상기 상부측 집광 렌즈부의 바닥면 측에 위치하는 맞물림부(13)를 골(12)에 접합시키는 구조로서, 렌즈부와 지지부가 일시적으로 고정 유지된다.

그리고 또한, 골(12)부 상측으로는 수지를 감싸올린 리브(14)가 시행되어 있고, 상기 리브(14)를 초음파를 이용하여 녹여 용착(溶着)시킴으로써 상하부를 기계적으로 접합시켜 일체화 구성이 되는 광학 렌즈를 형성하고 있다.

여기서, 접합용착부의 강도는, 최저발력(最低拔力) 5 kgf/평방 센티미터가 유지되는 조건으로 용착하고 있어 상부측 렌즈부와 하부측 지지부가 용이하게 분리하지 않고 기계적 접속을 실시하고 있다.

또, 렌즈 재질은 종래보다 넓게 사용되고 있는 고밀도 폴리에틸렌 재질을 이용하고 있다.

하부측 지지부의 바닥면 부에 위치하는 검출기 장착 방향 규정 지지점(10, 11)은, 2개소의 드로잉 가공을 시행한 구조로 되어 있다.

상기 2개소의 위치 관계는, 정규 기준이 되는 제1 지지점(10)에 대해서 45도 축회전한 바닥면 위치에 제2 지지점(11)을 설치하고 있다.

또한, 제1 지지점(10) 위쪽으로 리브(15)를 설치하고, 제1 지지점(10)과 제2 지지점(11)을 인식 구분하는 구조로 되어 있다.

도 3은 하부측 지지부(2)를 초전형 적외선 검출기로의 정규 기준으로 하는 제1 지지점(10)을, 검출기 TAB(8)에 맞춰진 방향으로 장착한, 즉 적외선 수광 소자(4)에 대해서 제1 지지점(10)을 동일축 라인상에 배치하는 경우의 각 9개의 집광렌즈 위치 관계를 나타내고 있다.

도 4는, 도 3에 도시하는 방향으로 광학 렌즈를 설치하고, 1 소자당 적외선 수광 소자 사이즈가 X 방향 1 mm, Y 방향 2 mm, 두 소자 간 간격(gap)이 1 mm인 듀 얼형 적외선 수광 소자로 구성된 초전형 적외선 검출기(5)의 상기 적외선 수광 소자(4)가, 마루면에 수평으로 위치하는 형태로 설치되는 경우의 검출 대상 거리 5 m 지점으로 투영되는 적외선 검출 영역을 도시하는 것이다.

상기 조건에서의 적외선 검출 영역의 투영 형상은 X 방향 최대폭 11.8 m, Y 방향 최대폭 10.8 m가 되는 마름모 형태로 배광 형성된다.

실시예 2

도 5와 도 6을 이용하여, 본 실시예 2의 발명에 관한 형태를 설명한다.

도 5는, 실시예 1에서 이용한 광학 렌즈를 하부측 지지부(2)의 제2 지지점(11)과 검출기 TAB(8)을 맞추는 방향, 즉 적외선 수광 소자(4)와 각 렌즈부의 배광 광축을 정규 기준에 대해서 45도 축회전시켰을 경우의 상면 투시 개요를 도시하고 있고, 도 6은 도 5의 적외선 검출 장치에서, 도 4와 동일한 조건으로 설치한 검출 대상 거리 5 m 지점에서의 투영 적외선 검출 영역을 도시한 것이다.

이 경우, 렌즈부의 광축 변경에 따라, 분할 구분되는 적외선 검출 영역의 크기, 형상, 배광이 도 4에 도시한 적외선 검출 영역과 달리, 적외선 검출 영역의 투영 형상은 X 방향 최대폭 9.4 m, Y 방향 최대폭 8.3 m가 되는 4각형 모양으로 형성된다.

실시예 3

도 7은, 상부측 집광렌즈로서 촛점거리를 5.8 mm ± 0.2 mm로 하고, 적외선 검출 영역을 7분할 한 프레스넬 형상 렌즈 집합체를 구면 반경이 6 mm ± 0.2 mm가 되는 위치에 배치한 육박 구면 형상 렌즈를 형성하며, 실시예 1 및 2에서 이용한 하부측 지지부에 맞물린 후, 초음파 용착시킨 듀얼형 적외선 검출기(5)에 장착 구비한 적외선 검출 장치에서, 도 4 및 도 6과 동일한 설치 조건하에서의 검출 대상 거리 5 m 지점의 적외선 검출 영역을 도시한 것이다.

상기 7 분할된 광학 렌즈에 의한 적외선 검출 영역은 X 방향 최대폭 9.1 m, Y 방향 최대폭 9.0 m가 되는 열십자 형상으로 형성된다.

도 1은 본 발명의 실시예 1과 관련하여 수지 성형 광학 렌즈를 구비한 적외선 검출 장치를 도시하는 사시 분해 외관도이다.

도 2는 본 발명의 실시예 1과 관련하여 수지 성형 광학 렌즈를 구비한 적외선 검출 장치를 도시하는 측면 투시 개요도이다.

도 3은 본 발명의 실시예 1과 관련하여 수지 성형 광학 렌즈를 구비한 적외선 검출 장치를 도시하는 표면 투시 개요도이다.

도 4는 본 발명의 실시예 1과 관련하여 수지 성형 광학 렌즈를 구비한 적외선 검출 장치의 적외선 검출 영역을 도시한 도면이다.

도 5는 본 발명의 실시예 2와 관련하여 수지 성형 광학 렌즈를 구비한 적외선 검출 장치를 나타내는 표면 투시 개요도이다.

도 6은 본 발명의 실시예 2와 관련하여 수지 성형 광학 렌즈를 구비한 적외선 검출 장치의 적외선 검출 영역을 도시한 도면이다.

도 7은 본 발명의 실시예 3과 관련하여 수지 성형 광학 렌즈를 구비한 적외선 검출 장치의 적외선 검출 영역을 도시한 도면이다.

도 8은 종래의 수지 성형 광학 렌즈를 초전형 적외선 검출기에 장착시킨 적외선 검출 장치의 측면 투시 개요도이다.

도 9는 종래의 수지 성형 광학 렌즈를 탑재한 적외선 검출 장치의 측면 투시 개요도이다.

도 10은 종래의 수지 성형 광학 렌즈를 탑재한 적외선 검출 장치의 사시 분 해 외관도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1　상부측 집광 렌즈부

2　하부측 지지부

3 a, 3 b　수지 성형 광학 렌즈

4　적외선 수광 소자

5　초전형 적외선 검출기

6　배선 기판

7　검출기 케이스

8　검출기 TAB

9　렌즈 지지부 내면측 억지부

10　제1 지지점

11　제2 지지점

12　맞물림골

13　맞물림부

14　용착용 리브

15　방향 인식용 리브

A 제1 집광렌즈

B 제2의 집광렌즈

C 제３ 집광렌즈

F 촛점거리

Claims

검출 대상면으로부터 적외선 수광 소자로의 적외선을 집광시키는 광학 렌즈에 있어서,

상부측으로 배치되어 구비되는 집광 렌즈부와, 하부측으로 배치되어 구비되는 초전형 적외선 검출기에 장착 고정하는 지지부를 각각 독립 분리한 수지 성형품으로서 형성하고, 상기 초전형 적외선 검출기에 상기 지지부가 장착 고정하는 위치를, 상기 적외선 수광 소자와 동일한 축 방향으로 설치시키는 제1 지지점, 또는 상기 축 방향에 대해 45도로 회전시킨 방향으로 설치시키는 제2 지지점 중 어느 하나로 하여, 상기 검출 대상면의 적외선 검출 영역의 투영 형상이 선택적으로 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 수지 성형 광학 렌즈.
제1항에 있어서,

상기 수지 성형 광학 렌즈는,

상기 집광 렌즈부와 지지부를 맞물리며, 초음파 용착법에 의해 상하부를 일체화하여 상기 초전형 적외선 검출기에 탑재되는 것을 특징으로 하는 수지 성형 광학 렌즈.