KR20120103662A - 적외선 불꽃 검출기 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 적외선 불꽃 검출기는 적외선 수광 소자가 패키지 내에 수납된다. 적외선 수광 소자는 2개 1조의 초전 소자가 초전 소자 형성용 기판에 병설되고, 또한 역직렬로 접속되어 있다. 적외선 광학 필터는 적외선 투과 재료로 이루어지는 필터 형성용 기판과, 필터 형성용 기판의 하나의 표면 측에서 각각의 초전 소자 각각에 대응하는 부위에 형성되고, 불꽃에 기인하는 CO2 가스의 공명 방사에 의해 발생하는 특정 파장으로 이루어지는 제1 선택 파장의 적외선 및 상기 특정 파장 이외의 참조 파장인 제2 선택 파장의 적외선 각각을 선택적으로 투과시키는 2개 1조의 협대역 투과 필터부와 필터 형성용 기판의 다른 표면 측에 형성되고, 각각의 협대역 투과 필터부에 의해 설정되는 적외선의 반사 대역보다 장파장의 적외선을 흡수하는 광대역 차단 필터부를 구비한다. 각각의 협대역 투과 필터부는 제1 λ/4 다층 막과 제2 λ/4 다층 막의 사이에 개재해 선택 파장에 따라 광학 막 두께를 설정한 파장 선택층을 가진다.
Description
본 발명은 적외선 불꽃 검출기에 관한 것이다.
종래부터, 화재시에 불꽃 안의 탄산 가스(CO2 가스)의 공명 방사("CO2 공명 방사"라고도 불리고 있다)에 의해 발생하는 특정 파장(4.3㎛ 내지 4.4㎛의 적외선을 검출하여 불꽃 검출을 행하는 적외선 불꽃 검출기가 여러 기관에서 연구 및 개발되고 있다(예를 들면, 일본 공개 특허 공보 일본공개특허 1991-78899호 공보: 특허문헌 1).
CO2 공명 방사에 의해 발생하는 적외선은, 도 23에 나타낸 바와 같이, 태양 광이나 고온 물체 또는 저온 물체로부터 방사되는 적외선의 상대 강도 스펙트럼 분포와는 크게 상이하거나, 방사되는 적외선 양이 항상 변동되고, 변동 주파수가 1~15Hz의 사이에 집중되는 것으로 알려져 있다(예를 들면, "The Society of Heating, Air-Conditioning and Sanitary Engineers of Japan", "2.적외선 3파장 불꽃 검출기", online, 2009년 3월 21일, 인터넷 URL: http://www.shasej.org/gakkaishi/0109/0109-koza-02.html: 비특허문헌 1).
그런데, 상기 비특허문헌 1에는, 도 24에 나타낸 구성의 적외선 3파장식 불꽃 검출기가 개시되어 있다. 이 적외선 3파장식 불꽃 검출기는, CO2 공명 방사 대역의 3개의 파장대(4.0㎛, 4.4㎛, 5.0㎛의 적외선을 선택적으로 투과시키는 3개의 광학 필터(적외선 광학 필터)(2201, 2202, 2203)와 각각의 광학 필터(2201, 2202, 2203)를 투과한 적외선을 별개로 수광하는 3개의 적외선 센서(2401, 2402, 2403)를 구비하고 있다. 또한, 이 적외선 3파장식 불꽃 검출기는, 각각의 적외선 센서(2401, 2402, 2403)의 출력 중 1~10Hz의 플리커 주파수 성분만을 통과시키는 전기적 밴드패스 필터를 가지고 상기 주파수 성분만을 선택적으로 증폭하는 3개의 신호 증폭부(2501, 2502, 2503)를 구비하고 있다. 또한, 이 적외선 3파장식 불꽃 검출기는 각 신호 증폭부(2501, 2502, 2503)로부터 출력되는 신호 값의 크기나 신호 값 사이의 비율 등을 독자적인 알고리즘에 의해 계산하고, 불꽃으로부터 방사된 CO2 공명 방사의 스펙트럼 피크 패턴을 검출한 경우에만 화재인 것으로 판단하고, 경보 신호 출력부(270)에 화재 신호를 송출하는 화재 판단부 및 제어부(260)를 구비하고 있다. 상기 비특허문헌 1에서 이 적외선 3파장식 불꽃 검출기는 불꽃에 대한 선택 성능이 매우 높고 자연광, 형광 등, 나트륨 등불, 수은 등 등의 인공 조명에는 반응하지 않는 것으로 기재되어 있다.
그러나, 상기 비특허문헌 1에 개시된 적외선 3파장식 불꽃 검출기는, 각각의 광학 필터(2201, 2202, 2203) 및 각각의 적외선 센서(2401, 2402, 2403)를 개별 부품으로서 구비하고 있다. 그러므로, 이 적외선 3파장식 불꽃 검출기는 각각의 광학 필터(2201, 2202, 2203)가 장착되고, 또한 각각의 적외선 센서(2401, 2402, 2403)가 수납되는 장비(도시하지 않음)의 사이즈가, 상기 특허문헌 1에 기재된 적외선 불꽃 검출기의 캔 패키지에 비해 매우 컸다.
한편, 상기 특허문헌 1에 개시된 적외선 불꽃 검출기는, 도 25의 (a), 도 25의 (b)에 나타낸 바와 같이, 4개의 적외선 검출 소자(401, 402, 403, 404)가 배치된 원반형의 절연 기판(171)과 절연 기판(171)에 결합되는 금속제의 캡(172)과 캡(172)의 전면 벽에 형성된 투광창(7a)을 폐쇄하는 형태로 배치되고, 각각의 적외선 검출 소자(401, 402, 403, 404)에 대응하는 부위에 서로 투과 파장 대역이 상이한 밴드패스 필터부(2021, 2022, 2023, 2024)를 가지는 적외선 광학 필터(20')를 구비하고 있다. 이 적외선 불꽃 검출기는 절연 기판(171)과 캡(172)으로 캔 패키지를 구성하고 있다. 여기서, 도 25의 (a) 및 도 25의 (b)에 나타낸 구성의 적외선 불꽃 검출기에서는, 4개의 밴드패스 필터부(2021, 2022, 2023, 202a) 중 1개가 4.3㎛의 적외선을 투과하도록 투과 파장 대역을 설정하고 있다. 또한, 적외선 광학 필터(20')는 1개의 유리 기판상에 각각의 밴드패스 필터부(2021, 2022, 2023, 2024)의 투과 특성에 따라 설계한 다층 막을 4회로 나누어 선택 증착하든가, 또는 4개의 부채형의 밴드패스 필터부(2021, 2022, 2023, 2024)를 접착시킴으로써 형성되어 있다.
또한, 종래부터, 적외선식 가스 검출기로서, 도 26에 나타낸 바와 같이, 2개의 적외선 광학 필터(201, 202), 2개의 적외선 수광 소자(401, 402), 적외선 광학 필터(201, 202) 및 적외선 수광 소자(401, 402)를 수납한 패키지(7)를 구비하고, 2개의 적외선 광학 필터(201, 202)의 투과 파장역을 검출 대상 가스의 흡수 파장의 적외선과 참조광의 파장으로서 설정한 파장의 적외선을 별개로 투과 가능하도록 설정한 것이 알려져 있고, 이 종류의 적외선식 가스 검출기를 적외선 불꽃 검출기로서 사용하는 것이 고려된다. 그리고, 패키지(7)는 금속제의 스템(71)과 금속제의 캡(72)으로 구성되는 캔 패키지가 사용되어 있고, 각각의 적외선 광학 필터(201, 202)가, 캡(72)에 설치된 2개의 투광창 각각을 폐쇄하는 형태로 캡(72)에 실장되어 있다.
그러나, 도 26에 나타낸 구성에서는, 투과 파장역이 상이한 2개의 적외선 광학 필터(201, 202)가 개별적인 부품에 의해 구성되어 있으므로, 부품 수가 증가하고, 2개의 적외선 광학 필터(201, 202)의 각각을 패키지(7)에 실장하는 공정이 별개로 필요하게 되므로, 비용이 높아진다는 문제가 있다. 또한, 패키지(7)에 있어서 각각의 적외선 광학 필터(201, 202)마다 접착 부분이 필요하게 되지므로, 패키지(7)의 소형화가 어렵다.
이에 대하여, 적외선식 가스 검출기의 패키지에 수납하여 사용하는 적외선 수광 모듈로서, 도 27에 나타낸 바와 같이, MgO 기판으로 이루어지는 기판(300)의 하나의 표면 측에 2개의 적외선 수광 소자(4001, 4002)가 형성되고, 각각의 적외선 수광 소자(4001, 4002)에 서로 투과 파장이 상이한 협대역 투과 필터부(2001, 2002)가 적층된 것이 제안되어 있다(일본 공개 특허 공보 일본공개특허 1995-72078호 공보: 특허문헌 2). 여기서, 각각의 적외선 수광 소자(4001, 4002) 및 각각의 협대역 투과 필터부(2001, 2002)가 스퍼터법 등을 이용하여 형성되어 있다. 이들 각각의 적외선 수광 소자(4001, 4002)는, Pt막으로 이루어지는 하부 전극(4011, 4012)과 하부 전극(4011, 4012) 상의 PbTiO3 막으로 이루어지는 초전체막(4021, 4022)과 초전체막(4021, 4022) 상의 NiCr막으로 이루어지는 상부 전극(4031, 4032)으로 이루어지는 초전 소자로 구성되어 있다. 또한, 각각의 협대역 투과 필터부(2001, 2002)가 되는 각 다층 막을 구성하는 복수 종류의 박막의 재료의 조합로서는, Si, Ge, Se, Te, LiF, NaF, CaF2, MgF2의 군으로부터 선택한 재료의 조합 등이 채용되어 있다. 그리고, 도 27에 나타낸 구성의 적외선 광학 모듈에서는, 2개의 적외선 수광 소자(4001, 4002)의 하부 전극(4011, 4012)끼리가 연속 일체로 형성되어 전기적으로 접속되어 있다.
또한, 종래부터, 도 28의 (a) 및 도 28의 (b)에 나타낸 구성의 적외선식 가스 검출기가 제안되어 있다(일본 공개 특허 공보 일본공개특허 1991-205521호 공보: 특허문헌 3). 이 적외선식 가스 검출기는 서로 투과 파장이 상이한 복수 개의 적외선 광학 필터(201, 202, 203, 204)를 동일 두께로 하고 상기 복수 개의 적외선 광학 필터(201, 202, 203, 204)의 인접하는 측면끼리를 접착제로 이루어지는 접착층(19)(도 28의 (c) 참조)에 의해 접착함으로써 형성된 적외선 광학 필터 모듈(5)와 각각의 적외선 광학 필터(201, 202, 203, 204)를 투과한 적외선을 수광하는 복수 개의 적외선 수광 소자(401, 402, 403, 404)가 패키지(7)에 수납되어 있다. 이 패키지(7)는 금속제의 스템(71)과 금속제의 캡(72)으로 구성된 CAN 패키지로 이루어진다. 또한, 이 적외선식 가스 검출기는 캡(72)의 전면 벽에 설치된 투광창(7a)이 사파이어 기판으로 이루어지는 적외선 투과 부재(80)에 의해 폐쇄되고, 패키지(7) 내에 N2 또는 건조 공기가 밀봉되어 있다.
상기 특허문헌 3에 개시된 각각의 적외선 광학 필터(201, 202, 203, 204)는, 도 28의 (c)에 나타낸 바와 같이, Si 기판으로 이루어지는 필터 형성용 기판(1)의 하나의 표면 측에, 적외선의 소정의 파장 대역을 투과시키는 협대역 투과 필터부(2')가 형성되고, 또한 필터 형성용 기판(1)의 다른 표면 측에, 협대역 투과 필터부(2')에서의 투과 대역 이외의 노이즈 성분을 제외하기 위해, 적외선의 단파장 대역과 장파장 대역을 차단하는 광대역 차단 필터부(3')가 형성되어 있다. 그리고, 상기 특허문헌 3에는, 협대역 투과 필터부(2') 및 광대역 차단 필터부(3') 각각을, Ge와 SiO로 이루어지는 다층 막 등으로 형성하는 것이 기재되어 있다.
그런데, 적외선 불꽃 검출기에서는, CO2 가스의 공명 방사에 의해 발생하는 4.3㎛의 적외선을 선택적으로 투과시키는 협대역 필터부의 중심 파장을 4.3㎛로 하고, 투과 대역폭을 0.2㎛ 정도로 설정하고, 라이터 정도의 크기의 불꽃을 10m 이상의 거리로 검지할 수 있을 필요가 있다.
그래서, 적외선 불꽃 검출기의 분야에서는, 적외선 수광 소자로서, 고감도의 측정이 가능한 초전 소자나 서모파일이 사용되는 경우가 많다. 초전 소자의 출력을 증폭하는 방식으로서는, FET와 상기 FET의 게이트에 접속한 저항을 사용한 전류 전압 변환 회로나, 연산 증폭기의 출력 단자와 반전 입력 단자 사이에 커패시터를 접속한 전류 전압 변환 회로(일본 공개 특허 공보 일본공개특허 1998-281866호 공보: 특허문헌 4) 등이 있다.
그런데, 상기 특허문헌 3에 개시된 도 28의 (a) 및 도 28의 (b)에 나타낸 구성의 적외선식 가스 검출기를 적외선 불꽃 검출기로서 사용하는 것이 고려된다. 그러나, 제조 시에, 필터 특성이 상이한 복수 종류의 적외선 광학 필터(201, 202, 203, 204)를 서로 다른 웨이퍼에 형성하고 나서, 각 웨이퍼로부터 개별적인 적외선 광학 필터(201, 202, 203, 204)에 다이싱한 다음에, 필터 특성이 상이한 적외선 광학 필터(201, 202, 203, 204)를 서로 접착제(19)로 접착할 필요가 있다. 그러므로, 이와 같은 적외선 불꽃 검출기에서는, 비용이 높아지면 모두 복수 개의 적외선 광학 소자(401, 402, 403, 404)에 의해 구성되는 적외선 광학 소자 모듈의 소형화가 어렵고 적외선 수광 소자(401, 402, 403, 404)의 중심 사이의 거리가 멀어져서, 적외선 수광 소자(401, 402, 403, 404)에 도달하는 적외선의 광로 길이의 차가 커져 버린다. 즉, 이와 같은 적외선 불꽃 검출기에서는, 제1 선택 파장인 4.3㎛의 적외선으로 이루어지는 검출광과 상기 제1 선택 파장 이외의 제2 선택 파장의 적외선으로 이루어지는 참조광의 광로 길이의 차가 커져 버린다. 또한, 이와 같은 적외선 불꽃 검출기에서는, 각각의 적외선 수광 소자(401, 402, 403, 404)의 수광 효율이 저하된다.
또한, 도 28의 (a) 및 도 28의 (b)에 나타낸 구성의 적외선식 가스 검출기에서는, 캡(72)의 전면 벽에 설치된 투광창(7a)이 사파이어 기판으로 이루어지는 적외선 투과 부재(80)에 의해 폐쇄되어 있으므로, 적외선 투과 부재(80)에 의해, 노이즈의 원인으로 되는 태양 광이나 조명광 등의 외란광의 원적외선을 차단할 수 있지만, 부품 수가 증가하면 모두 조립 공정 수가 증가하게 되고, 또한 사파이어 기판은 고가임과 동시에 다이싱 등의 가공이 어렵기 때문에 비용이 높아진다. 또한, 적외선 광학 필터(201, 202, 203, 204)에서의 다층 막의 층수를 증가시키고, 협대역의 밴드패스 필터를 실현하면서 원적외선을 차단할 수 있지만, 비용이 높아진다.
또한, 도 28의 (a) 및 도 28의 (b)에 나타낸 구성의 적외선식 가스 검출기에서는, 적외선 광학 필터(201, 202, 203, 204) 사이에서 통전을 취하기 위해 접착제(19)로서 은 페이스트 등의 도전성 접착제를 사용한 경우에는, 기계적 강도가 낮아진다. 또한, 도 25의 (a) 및 도 25의 (b)에 나타낸 구성의 적외선 불꽃 검출기와 같이, 1개의 유리 기판상에 각각의 밴드패스 필터부(2021, 2022, 2023, 2024)의 투과 특성에 따라 설계한 유전체 다층 막을 4회로 나누어 선택 증착함으로써 적외선 광학 필터(20')를 형성한 것에서는, 밴드패스 필터부(2021, 2022, 2023, 2024) 각각을 구성하는 각 다층 막을 순차적으로 형성할 필요가 있으므로, 제조 비용이 높아지는 문제가 있다. 또한, 4개의 부채형의 밴드패스 필터부(2021, 2022, 2023, 2024)를 접착시킴으로써 적외선 광학 필터(20')를 형성한 것에서는, 투과 특성이 상이한 밴드패스 필터부(2021, 2022, 2023, 2024)를 별개로 형성하고, 또한 부채형으로 할 필요가 있고, 제조 비용이 높아지면 기계적 강도가 낮아진다는 문제가 있다.
또한, 도 28의 (a) 및 도 28의 (b)에 나타낸 구성에서는, 각각의 적외선 광학 필터(201, 202, 203, 204) 각각의 하나의 표면 및 다른 표면의 주위부가 노출되어 있다. 그러므로, 이 구성에서는, 불필요한 적외선이 적외선 수광 소자(401, 402, 403, 404)에 입사되지 않도록 복수 개의 적외선 수광 소자(401, 402, 403, 404)를 지지하는 홀더(90)에 복수 개의 수납부(901, 902, 903, 904)를 설치하고, 각각의 수납부(901, 902, 903, 904)에 별개로 적외선 수광 소자(401, 402, 403, 404)를 수납할 필요가 있다.
이에 대하여, 상기 특허문헌 2에 개시된 도 27에 나타낸 구성의 적외선 광학 모듈에서는, MgO 기판으로 이루어지는 기판(300)의 하나의 표면 측에 2개의 적외선 수광 소자(4001, 4002)가 형성되고, 각각의 적외선 수광 소자(4001, 4002) 각각에 서로 투과 파장이 상이한 협대역 투과 필터부(2001, 2002)가 적층되어 있다. 따라서, 이 적외선 광학 모듈에서는, 협대역 투과 필터부(2001, 2002)의 중심 사이 거리를 짧게 할 수 있으므로, 제1 선택 파장(4.3㎛)의 적외선과 제1 선택 파장 이외의 제2 선택 파장의 적외선(참조 광)의 광로 길이의 차이를 작게 할 수 있는 동시에, 저비용화가 도모된다.
그러나, 도 27에 나타낸 구성의 적외선 광학 모듈에서는, 적외선 수광 소자(4001, 4002)가 초전 소자 등의 열 적외선 수광 소자인 것이지만, 적외선 수광 소자(4001, 4002) 상에 직접 협대역 투과 필터부(2001, 2002)가 적층되어 있다. 그러므로, 이 적외선 광학 모듈에서는, 열용량이 크게 되고, 또한 열 절연성의 확보가 어려워져, 응답성이나 감도가 저하된다.
또한, 상기 특허문헌 4에 기재된 전류 전압 변환 회로에 의해 구성되는 증폭 회로에서는, 각각의 적외선 수광 소자의 출력을 별개로 증폭할 필요가 있지만, 각각의 적외선 수광 소자의 출력에는 태양 광, 아크 광, 형광 등, 열원 등으로부터의 적외선 등의 외란 광에 기인한 직류 바이어스 성분이 있으므로, 적외선 수광 소자에 입사하는 적외선의 강도가 너무 강하면, 증폭 회로의 출력의 포화에 의해 증폭 회로의 이득을 높이는 것이 제한되어 S/N비의 향상이 제한되어 적외선 불꽃 검출기에서 불꽃을 검지할 수 없는 경우가 생길 수 있다. 마찬가지로, 도 24에 나타낸 적외선 3파장식 불꽃 검출기에서도, 적외선 센서(2401, 2402, 2403)에 입사하는 적외선의 강도가 너무 크면, 신호 증폭부(2501, 2502, 2503)에서의 신호의 포화가 일어나, S/N비의 향상이 제한되어 감도가 저하되고, 불꽃을 검지할 수 없는 경우가 생기는 우려가 있다.
또한, 초전 소자는 적외선을 열에너지로서 흡수하고, 그 결과 생기는 전하량의 변화(초전 효과)를 검출하는 이른바 미분형의 검출 소자이므로, 적외선의 변화분 밖에 검출할 수 없어, 0.1~10Hz 정도의 저주파의 적외선을 검출할 필요가 있다. 그러나, 전술한 각 전류 전압 변환 회로의 임피던스는, 100GΩ~1TΩ 라는 매우 큰 고임피던스에 의한 고S/N화를 도모하는 것은 효과적이지만, 임피던스가 높으므로, 외래의 복사 노이즈의 영향을 받기 쉽다.
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 고감도화 및 저비용화가 가능한 적외선 불꽃 검출기를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 적외선 불꽃 검출기는, 적외선 수광 소자가 패키지 내에 수납되고, 상기 패키지에서 상기 적외선 수광 소자의 전방에 적외선 광학 필터가 배치된 적외선 불꽃 검출기로서, 상기 적외선 수광 소자는, 서로 극성이 상이한 2개 1조의 초전 소자가 초전 소자 형성용 기판에서 병설되고, 또한 역직렬 또는 역병렬로 접속되고, 상기 적외선 광학 필터는, 적외선 투과 재료로 이루어지는 필터 형성용 기판과, 상기 필터 형성용 기판의 하나의 표면 측에서 상기 각각의 초전 소자 각각에 대응하는 부위에 형성되고, 불꽃에 기인하는 CO2 가스의 공명 방사에 의해 발생하는 특정 파장으로 이루어지는 제1 선택 파장의 적외선 및 상기 특정 파장 이외의 참조 파장인 제2 선택 파장의 적외선 각각을 선택적으로 투과시키는 2개 1조의 협대역 투과 필터부와, 상기 필터 형성용 기판의 다른 표면 측에 형성되고, 상기 각각의 협대역 투과 필터부에 의해 설정되는 적외선의 반사 대역보다 장파장의 적외선을 흡수하는 광대역 차단 필터부를 구비하고, 상기 각각의 협대역 투과 필터부는, 굴절률이 상이하고 또한 광학 막 두께가 같은 복수 종류의 박막이 적층된 제1 λ/4 다층 막과, 상기 제1 λ/4 다층 막에서의 상기 필터 형성용 기판 측과는 반대 측에 형성되고 상기 복수 종류의 박막이 적층된 제2 λ/4 다층 막과, 상기 제1 λ/4 다층 막과 상기 제2 λ/4 다층 막 사이에 개재해 상기 선택 파장에 따라 광학 막 두께를 상기 각 박막의 광학 막 두께와는 상이하게 한 파장 선택층을 가지고 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이 적외선 불꽃 검출기에서, 상기 광대역 차단 필터부는, 굴절률이 상이한 복수 종류의 박막이 적층된 다층 막으로 이루어지고, 상기 복수 종류의 박막 중 적어도 한 종류의 박막이 원적외선을 흡수하는 원적외선 흡수 재료에 의해 형성되어 이루어지는 것이 바람직하다.
이 적외선 불꽃 검출기에서, 상기 필터 형성용 기판은, Si 기판 또는 Ge 기판인 것이 바람직하다.
이 적외선 불꽃 검출기에 있어서, 상기 패키지가 금속으로 이루어지며, 상기 필터 형성용 기판이 상기 패키지에 전기적으로 접속되어 이루어지는 것이 바람직하다.
이 적외선 불꽃 검출기에서, 상기 적외선 수광 소자의 출력을 증폭하는 증폭 회로의 구성 부품이 상기 패키지 내에 수납되어 이루어지는 것이 바람직하다.
도 1의 (a)는 실시형태의 적외선 불꽃 검출기의 개략 평면도, 도 1의 (b)는 적외선 불꽃 검출기의 개략 단면도이다.
도 2는 상기의 적외선 불꽃 검출기의 개략 분해사시도이다.
도 3의 (a)는 상기의 적외선 불꽃 검출기에서의 적외선 수광 소자의 개략 평면도, 도 3의 (b)는 적외선 수광 소자의 회로도, 도 3의 (c)는 적외선 검출 소자의 다른 구성예의 회로도이다.
도 4는 상기의 적외선 불꽃 검출기에서의 적외선 광학 필터의 개략 단면도이다.
도 5는 상기의 적외선 광학 필터에서의 설정 파장과 반사 대역과의 관계 설명도이다.
도 6은 상기의 적외선 광학 필터의 반사 대역폭을 설명하기 위한 굴절률 주기 구조의 투과 스펙트럼 도면이다.
도 7은 상기의 굴절률 주기 구조에서의 저굴절률 재료의 굴절률과 반사 대역폭과의 관계 설명도이다.
도 8은 상기의 적외선 광학 필터의 필터 본체부의 기본 구성을 나타낸 개략 단면도이다.
도 9는 상기의 기본 구성의 특성 설명도이다.
도 10은 상기의 기본 구성의 특성 설명도이다.
도 11은 상기의 적외선 광학 필터에서의 원적외선 흡수 재료에 의해 형성한 박막의 투과 스펙트럼 도면이다.
도 12는 상기의 적외선 광학 필터의 제조 방법을 설명하기 위한 주요 공정 단면도이다.
도 13은 상기의 적외선 광학 필터의 2개의 협대역 투과 필터부에 의해 구성되는 부분의 투과 스펙트럼 도면이다.
도 14는 이온 빔 어시스트 증착 장치를 사용하여 형성한 박막의 막질을 FT-IR(푸리에 변환 적외 분광법)에 의해 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 15의 (a)는 Si 기판상에 막 두께가 1㎛의 Al2O3 막을 성막한 참고 예의 투과 스펙트럼도이고, 도 15의 (b)는 도 15의 (a)의 투과 스펙트럼 도면을 참조하여 산출한 Al2O3 막의 광학 파라미터(굴절률, 흡수 계수)의 설명도이다.
도 16은 상기의 적외선 광학 필터의 투과 스펙트럼 도면이다.
도 17은 상기의 적외선 광학 필터의 광대역 차단 필터부의 투과 스펙트럼 도면이다.
도 18은 상기의 적외선 불꽃 검출기를 사용한 적외선식 불꽃 검출 장치의 개략적인 구성도이다.
도 19은 상기의 비교예의 적외선 불꽃 검출기를 사용한 적외선식 불꽃 검출 장치의 개략적인 구성도이다.
도 20은 물체의 온도와 방사 에너지와의 관계 설명도이다.
도 21은 Si의 투과 특성의 설명도이다.
도 22는 Ge의 투과 특성의 설명도이다.
도 23은 적외선 발생원의 강도 파장 분포와 종래예의 적외선 3파장식 불꽃 검출기의 검출 파장 대역과의 관계 설명도이다.
도 24는 종래예의 적외선 3파장식 불꽃 검출기의 블록도이다.
도 25의 (a)는 다른 종래예의 적외선 불꽃 검출기의 개략 사시도, 도 25의 (b)는 상기 적외선 불꽃 검출기의 주요부 개략 사시도이다.
도 26은 종래예의 적외선식 가스 검출기의 개략적인 구성도이다.
도 27은 종래의 적외선 수광 모듈의 개략 단면도이다.
도 28의 (a)는 다른 종래예의 적외선식 가스 검출기의 개략 종단면도, 도 28의 (b)는 상기 적외선식 가스 검출기의 개략 횡단면도, 도 28의 (c)는 적외선 광학 필터의 개략 측면도이다.
도 2는 상기의 적외선 불꽃 검출기의 개략 분해사시도이다.
도 3의 (a)는 상기의 적외선 불꽃 검출기에서의 적외선 수광 소자의 개략 평면도, 도 3의 (b)는 적외선 수광 소자의 회로도, 도 3의 (c)는 적외선 검출 소자의 다른 구성예의 회로도이다.
도 4는 상기의 적외선 불꽃 검출기에서의 적외선 광학 필터의 개략 단면도이다.
도 5는 상기의 적외선 광학 필터에서의 설정 파장과 반사 대역과의 관계 설명도이다.
도 6은 상기의 적외선 광학 필터의 반사 대역폭을 설명하기 위한 굴절률 주기 구조의 투과 스펙트럼 도면이다.
도 7은 상기의 굴절률 주기 구조에서의 저굴절률 재료의 굴절률과 반사 대역폭과의 관계 설명도이다.
도 8은 상기의 적외선 광학 필터의 필터 본체부의 기본 구성을 나타낸 개략 단면도이다.
도 9는 상기의 기본 구성의 특성 설명도이다.
도 10은 상기의 기본 구성의 특성 설명도이다.
도 11은 상기의 적외선 광학 필터에서의 원적외선 흡수 재료에 의해 형성한 박막의 투과 스펙트럼 도면이다.
도 12는 상기의 적외선 광학 필터의 제조 방법을 설명하기 위한 주요 공정 단면도이다.
도 13은 상기의 적외선 광학 필터의 2개의 협대역 투과 필터부에 의해 구성되는 부분의 투과 스펙트럼 도면이다.
도 14는 이온 빔 어시스트 증착 장치를 사용하여 형성한 박막의 막질을 FT-IR(푸리에 변환 적외 분광법)에 의해 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 15의 (a)는 Si 기판상에 막 두께가 1㎛의 Al2O3 막을 성막한 참고 예의 투과 스펙트럼도이고, 도 15의 (b)는 도 15의 (a)의 투과 스펙트럼 도면을 참조하여 산출한 Al2O3 막의 광학 파라미터(굴절률, 흡수 계수)의 설명도이다.
도 16은 상기의 적외선 광학 필터의 투과 스펙트럼 도면이다.
도 17은 상기의 적외선 광학 필터의 광대역 차단 필터부의 투과 스펙트럼 도면이다.
도 18은 상기의 적외선 불꽃 검출기를 사용한 적외선식 불꽃 검출 장치의 개략적인 구성도이다.
도 19은 상기의 비교예의 적외선 불꽃 검출기를 사용한 적외선식 불꽃 검출 장치의 개략적인 구성도이다.
도 20은 물체의 온도와 방사 에너지와의 관계 설명도이다.
도 21은 Si의 투과 특성의 설명도이다.
도 22는 Ge의 투과 특성의 설명도이다.
도 23은 적외선 발생원의 강도 파장 분포와 종래예의 적외선 3파장식 불꽃 검출기의 검출 파장 대역과의 관계 설명도이다.
도 24는 종래예의 적외선 3파장식 불꽃 검출기의 블록도이다.
도 25의 (a)는 다른 종래예의 적외선 불꽃 검출기의 개략 사시도, 도 25의 (b)는 상기 적외선 불꽃 검출기의 주요부 개략 사시도이다.
도 26은 종래예의 적외선식 가스 검출기의 개략적인 구성도이다.
도 27은 종래의 적외선 수광 모듈의 개략 단면도이다.
도 28의 (a)는 다른 종래예의 적외선식 가스 검출기의 개략 종단면도, 도 28의 (b)는 상기 적외선식 가스 검출기의 개략 횡단면도, 도 28의 (c)는 적외선 광학 필터의 개략 측면도이다.
본 실시형태의 적외선 불꽃 검출기는, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 복수(여기서는, 2개)의 초전 소자(41, 42)를 가지는 적외선 수광 소자(40) 및 적외선 수광 소자(40)의 출력을 신호 처리하는 신호 처리 회로가 설치된 회로 블록(6)과 회로 블록(6)을 수납하는 캔 패키지(여기서는, TO-5)로 이루어지는 패키지(7)를 구비하고 있다.
패키지(7)는 회로 블록(6)이 절연 재료로 이루어지는 스페이서(9)를 통하여 실장되는 금속제의 스템(71)과 회로 블록(6)을 덮도록 스템(71)에 고착되는 금속제의 캡(72)을 구비하고, 회로 블록(6)의 적절한 부위와 전기적으로 접속되는 복수 개(여기서는, 3개)의 단자 핀(75)이 스템(71)을 관통하는 형태로 설치되어 있다. 여기서, 스템(71)은 원반형으로 형성되고, 캡(72)은 후면이 개방된 바닥이 있는 원통형의 형상으로 형성되어 있고, 후면이 스템(71)에 의해 폐쇄되어 있다. 그리고, 스페이서(9), 회로 블록(6) 및 스템(71)은 접착제에 의해 고착되어 있다.
또한, 패키지(7)의 일부를 구성하는 전술한 캡(72)에서, 적외선 수광 소자(40)의 전방에 위치하는 전면 벽에는, 직사각형(본 실시형태에서는, 정사각형 상태)의 윈도우부(7a)가 형성되어 있고, 적외선 광학 필터(20)가 윈도우부(7a)를 덮도록 캡(72)의 내측으로부터 설치되어 있다.
또한, 스템(71)은, 전술한 각각의 단자 핀(75) 각각이 삽통되는 복수 개의 단자 홀(71b)이 두께 방향으로 관통형성되어 있고, 각각의 단자 핀(75)가 단자 홀(71b)에 삽통된 형태로 밀봉부(74)에 의해 봉합되어 있다.
전술한 캡(72) 및 스템(71)은 강판에 의해 형성되어 있고, 스템(71)의 주위부에 형성된 플랜지부(71c)에 대하여, 캡(72)의 후단 가장자리로부터 외측으로 연장 형성된 플랜지부(72c)가 용접에 의해 봉합되어 있다.
회로 블록(6)은 전술한 신호 처리 회로의 구성 요소인 IC(63) 및 칩형의 전자 부품(64)이 서로 다른 면에 실장된 프린트 배선판(예를 들면, 복합 동박 적층판 등)으로 이루어지는 제1 회로 기판(62)와 제1 회로 기판(62)에서의 전자 부품(64)의 실장면 측에 적층된 수지층(65)과 유리 에폭시 등으로 이루어지는 절연성 기재의 표면에 금속 재료(예를 들면, 구리)로 이루어지는 금속층(이하, 차폐층이라고 함)이 형성되고 수지층(65)에 적층된 차폐판(66)과 적외선 수광 소자(40)이 실장되고, 또한 차폐판(66)에 적층된 프린트 배선판(예를 들면, 복합 동박 적층판)으로 이루어지는 제2 회로 기판(67)으로 구성되어 있다. 그리고, 차폐판(66) 대신에, 동박이나 금속판만으로 차폐층을 형성해도 된다.
제1 회로 기판(62)은 도 2에서의 하면 측에 IC(63)가 플립 칩 실장되고 도 2에서의 상면 측에 복수 개의 전자 부품(64)가 납땜 리플로우에 의해 실장되어 있다.
전술한 적외선 수광 소자(40)는 서로 극성이 상이한 2개 1조의 초전 소자(41, 42)가 초전 재료(예를 들면, 리튬 탄탈레이트 등)로 이루어지는 초전 소자 형성용 기판(41)에 병설되고, 또한 2개의 초전 소자(41, 42)의 차동 출력을 얻을 수 있도록 역직렬로 접속된 듀얼 소자이다(도 3의 (b) 참조). IC(63)는, 적외선 수광 소자(40)의 소정 주파수 대역(예를 들면, 1~10Hz 정도)의 출력을 증폭하는 증폭 회로(밴드패스 증폭기)나 상기 증폭 회로의 후단의 윈도우 비교기 등이 집적화되어 있다. 여기서, 본 실시형태에서의 회로 블록(6)에서는, 전술한 차폐판(66)이 형성되어 있으므로, 적외선 수광 소자(40)의 상기 증폭 회로와의 용량 결합 등에 기인한 발진 현상의 발생을 방지할 수 있다. 또한, 적외선 수광 소자(40)는 2개 1조의 초전 소자(41, 42)의 차동 출력을 얻을 수 있는 것이면 되고, 2개 1조의 초전 소자(41, 42)가 역직렬로 접속된 것에 한정되지 않고, 예를 들면, 도 3의 (c)에 나타낸 바와 같이, 역병렬로 접속된 것이어도 된다.
제2 회로 기판(67)에는 적외선 수광 소자(40)의 초전 소자(41, 42)와 제2 회로 기판(67)을 열 절연하기 위한 열 절연용 구멍(67a)이 두께 방향으로 관통형성되어 있으므로, 적외선 수광 소자(40)의 초전 소자(41, 42)와 차폐판(66) 사이에 공극이 형성되고, 감도가 높아진다. 그리고, 제2 회로 기판(67)에 열 절연용 구멍(67a)을 관통 형성하는 대신에, 제2 회로 기판(67)에 적외선 수광 소자(40)의 초전 소자(41, 42)와 제2 회로 기판(67) 사이에 공극이 형성되는 형태로 적외선 수광 소자(40)를 지지하는 지지부를 돌출해도 된다.
회로 블록(6)은 제1 회로 기판(62), 수지층(65), 차폐판(66), 제2 회로 기판(67) 각각에, 전술한 단자 핀(75)이 삽통되는 스루홀(62b, 65b, 66b, 67b)이 두께 방향으로 관통형성되어 있고, 적외선 수광 소자(40)와 상기 신호 처리 회로가 단자 핀(75)을 통하여 전기적으로 접속되어 있다. 그리고, 제1 회로 기판(62), 수지층(65), 차폐판(66), 제2 회로 기판(67)을 적층하고, 회로 블록(6)의 두께 방향으로 관통하는 관통 구멍을 형성하는 1회의 구멍 뚫기 가공으로 스루홀(62b, 65b, 66b, 67b)을 형성하도록 한 부품 내장 기판 공법을 채용하면, 제조 공정의 간략화가 도모되고, 또한 회로 블록(6) 내의 전기적인 접속이 용이하게 된다.
전술한 3개의 단자 핀(75)은 1개가 급전용의 단자 핀 (75: 75a), 다른 1개가 신호 출력용의 단자 핀 (75: 75b), 나머지 1개가 그라운드용의 단자 핀 (75: 75c)이며, 차폐판(66)에서의 차폐층은 그라운드용의 단자 핀(75c)과 전기적으로 접속되어 있다. 여기서, 단자 핀(75a, 75b)을 봉합하는 밀봉부(74, 74; 74a, 74b)는 절연성을 가지는 봉합용의 유리에 의해 형성되어 있고, 단자 핀(75c)을 봉합하는 밀봉부(74; 74c)는 금속 재료에 의해 형성되어 있다. 요컨대, 단자 핀(75a, 75b)은 스템(71)과 전기적으로 절연되어 있는 것에 대해, 그라운드용의 단자 핀(75c)은 스템(71)과 같은 전위로 되어 있다. 따라서, 차폐판(66)의 전위는 접지 전위로 설정되지만, 차폐 기능을 완수할 수 있는 특정한 전위이면, 접지 전위 이외의 전위로 설정해도 된다.
본 실시형태의 적외선 불꽃 검출기의 제조에 대해서는, 적외선 수광 소자(40)가 탑재된 회로 블록(6)을 스템(71)에 스페이서(9)를 통하여 실장한 후, 적외선 광학 필터(20)가 윈도우부(7a)를 폐쇄하는 형태로 고착된 캡(72)의 외측 플랜지부(72c)와 스템(71)의 플랜지부(71c)를 용접함으로써, 캡(72)과 스템(71)으로 이루어지는 금속제의 패키지(7) 내를 밀봉하면 된다. 여기서, 패키지(7) 내부는 습도 등의 영향에 의한 적외선 수광 소자(40)의 특성 변화를 방지하기 위해, 드라이 질소가 밀봉되어 있다. 그리고, 본 실시형태에서의 패키지(7)는 전술한 바와 같이 캔 패키지이며, 외부 노이즈에 대한 차폐 효과를 높이는 동시에, 기밀성의 향상에 의한 내후성의 향상이 도모된다. 단, 패키지(7)는 차폐 효과를 가지는 세라믹스 패키지에 의해 구성해도 된다.
그런데, 전술한 적외선 광학 필터(20)는 후술하는 각각의 협대역 필터부(21, 22) 및 광대역 차단 필터부(3)가 형성된 필터 본체부(20a)와 상기 필터 본체부(20a)의 주위부로부터 외측으로 연장되고 캡(72)에서의 윈도우부(7a)의 주위부에 고착되는 플랜지부(20b)를 가지고 있다. 여기에서, 적외선 광학 필터(20)는 필터부(20a)의 평면에서 볼 때 형상이 직사각형(본 실시형태에서는, 정사각형 상태)이며, 플랜지부(20b)의 외주 형상이 직사각형(본 실시형태에서는, 정사각형 상태)으로 형성되어 있다. 그리고, 본 실시형태에서는, 필터 본체부(20a)의 평면 형상을 수 mm2의 정사각형 상태로 하고 있지만, 필터 본체부(20a)의 평면 형상이나 치수는 특별히 한정하는 것은 아니다.
적외선 광학 필터(20)는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 적외선 투과 재료(예를 들면, Si 등)로 이루어지는 필터 형성용 기판(1)과 상기 필터 형성용 기판(1)의 하나의 표면 측(도 4에서의 상면 측)에 있어서 각각의 초전 소자(41, 42) 각각에 대응하는 부위에 형성되고, 불꽃에 기인하는 CO2 가스의 공명 방사에 의해 발생하는 특정 파장으로 이루어지는 제1 선택 파장의 적외선 및 상기 특정 파장 이외의 참조 파장인 제2 선택 파장의 적외선 각각을 선택적으로 투과시키는 2개 1조의 협대역 투과 필터부(21, 22)를 구비하고 있다. 또한, 적외선 광학 필터(20)는 필터 형성용 기판(1)의 다른 표면 측(도 4에서의 하면 측)에 형성되고, 각각의 협대역 필터부(21, 22)에 의해 설정되는 적외선의 반사 대역보다 장파장의 적외선을 흡수하는 광대역 차단 필터부(3)를 포함한다.
전술한 적외선 광학 필터(20)는 필터 형성용 기판(1)의 상기 하나의 표면 측에서 2개 1조의 협대역 투과 필터부(21, 22)가 병설되어 있다. 각각의 협대역 투과 필터부(21, 22)는 굴절률이 상이하고 또한 광학 막 두께가 같은 복수 종류(여기서는, 2종류)의 박막(21b, 21a)이 적층된 제1 λ/4 다층 막(21)과 제1 λ/4 다층 막(21)에서의 필터 형성용 기판(1) 측과는 반대 측에 형성되고 상기 복수 종류의 박막(21a, 21b)이 적층된 제2 λ/4 다층 막(22)과, 제1 λ/4 다층 막(21)과 제2 λ/4 다층 막(22) 사이에 개재해 각 선택 파장에 따라 광학 막 두께를 각 박막(21a, 21b)의 광학 막 두께와는 상이하게 한 파장 선택층(231, 232)을 구비하고 있다. 그리고, 2종류의 박막(21a, 21b)에 대한 광학 막 두께의 불균일의 허용 범위는±1% 정도며, 상기 광학 막 두께의 불균일에 따라 물리 막 두께의 불균일의 허용 범위도 정해진다.
또한, 적외선 광학 필터(20)는 제1 λ/4 다층 막(21) 및 제2 λ/4 다층 막(22)에서의 저굴절률층인 박막(21b)의 재료(저굴절률 재료)로서 원적외선을 흡수하는 원적외선 흡수 재료의 일종인 Al2O3를 채용하고, 고굴절률층인 박막(21a)의 재료(고굴절률 재료)로서 Ge를 채용하고 있다. 또한, 적외선 광학 필터(20)는 파장 선택층(231, 232)의 재료를, 파장 선택층(231, 232) 바로 아래의 제1 λ/4 다층 막(21) 위로부터 2번째의 박막(21b, 21a)의 재료와 같은 재료로 하고, 제2 λ/4 다층 막(22) 중 필터 형성용 기판(1)으로부터 가장 먼 박막(21b, 21b)이 전술한 저굴절률 재료에 의해 형성되어 있다. 여기서, 원적외선 흡수 재료로서는, Al2O3에 한정되지 않고, Al2O3 이외의 산화물인 SiO2나, Ta2O5를 채용해도 되고, SiO2쪽이 Al2O3보다 굴절률이 낮기 때문에, 고굴절률 재료와 저굴절률 재료와의 굴절률 차를 크게 할 수 있다.
그런데, 화재시에 불꽃 안의 CO2 가스의 공명 방사에 의해 발생하는 특정 파장인 제1 선택 파장은, 4.3㎛(내지 4.4㎛)이며, 주택 내 등에서 발생할 가능성이 있는 각종 가스에서의 적외선의 흡수 파장에 관하여, CH4(메탄)가 3.3㎛, CO(일산화탄소)가 4.7㎛, NO(일산화 질소)가 5.3㎛이다. 그래서, 본 실시형태에서의 적외선 광학 필터(20)에서는, 참조 파장인 제2 선택 파장을 제1 선택 파장에 비교적 가까운 3.9㎛로 설정하고 있어, 제1 선택 파장 및 제2 선택 파장 각각의 적외선을 선택적으로 검출하기 위해, 협대역 투과 필터부(21, 22)가 3.1㎛~5.5㎛ 정도의 적외 영역에 반사 대역을 가질 필요가 있어, 2.4㎛ 이상의 반사 대역폭 Δλ이 필요 불가결하다. 그리고, 반사 대역은, 각 박막(21a, 21b)에 공통되는 광학 막 두께의 4배에 상당하는 설정 파장을 λ0로 하면, 도 5에 나타낸 바와 같이, 입사광의 파장의 역수인 파수를 가로축, 투과율을 세로축으로 한 투과 스펙트럼 도면에 있어서, 1/λ0을 중심으로 하여 대칭이 된다.
여기에서, 본 실시형태에서는, 파장 선택층(231, 232)의 각각의 광학 막 두께를 적절하게 설정함으로써 전술한 제1 선택 파장의 적외선의 검출이 가능하도록, 제1 λ/4 다층 막(21) 및 제2 λ/4 다층 막(22)의 설정 파장 λ0을 4.0㎛로 하고 있다. 또한, 각 박막(21a, 21b)의 물리 막 두께는, 박막(21a)의 재료인 고굴절률 재료의 굴절률을 nH, 박막(21b)의 재료인 저굴절률 재료의 굴절률 nL로 하면, 각각 λ0/(4nH), λ0/(4nL)이 되도록 설정하고 있다. 구체적으로는, 고굴절률 재료가 Ge, 저굴절률 재료가 Al2O3의 경우, nH=4.0, nL=1.7로서, 고굴절률 재료에 의해 형성하는 박막(21a)의 물리 막 두께를 250㎚로 설정하고, 저굴절률 재료에 의해 형성하는 박막(21b)의 물리 막 두께를 588㎚로 설정하고 있다.
여기서, Si 기판으로 이루어지는 필터 형성용 기판(1)의 하나의 표면 측에 저굴절률 재료로 이루어지는 박막(21b)과 고굴절률 재료로 이루어지는 박막(21a)을 교호적으로 적층한λ/4 다층 막(굴절률 주기 구조)의 적층 수를 21로 하고, 각 박막(21a, 21b)에서의 흡수가 없다(즉, 각 박막(21a, 21b)의 소쇠 계수를 0)고 가정해, 설정 파장 λ0을 4㎛로 한 경우의 투과 스펙트럼의 시뮬레이션 결과를 도 6에 나타낸다.
도 6은 가로축이 입사광(적외선)의 파장, 세로축이 투과율이며, 동 도면 중의 "A"는 고굴절률 재료를 Ge(nH=4.0), 저굴절률 재료를 Al2O3(nL=1.7)으로 한 경우의 투과 스펙트럼을, 동 도면 중의 "B"는 고굴절률 재료를 Ge(nH=4.0), 저굴절률 재료를 SiO2(nL=1.5)으로 한 경우의 투과 스펙트럼을, 동 도면 중의 "C"는 고굴절률 재료를 Ge(nH=4.0), 저굴절률 재료를 ZnS(nL=2.3)으로 한 경우의 투과 스펙트럼을, 각각 나타내고 있다.
또한, 도 7에, 고굴절률 재료를 Ge로서, 저굴절률 재료의 굴절률을 변화시킨 경우의 λ/4 다층 막(굴절률 주기 구조)의 반사 대역폭 Δλ을 시뮬레이션 한 결과를 나타낸다. 그리고, 도 7중의 "A", "B", "C"는, 각각, 도 6 중의 "A", "B", "C"의 점에 대응하고 있다.
도 6 및 도 7로부터, 고굴절률 재료와 저굴절률 재료의 굴절률 차가 커짐에 따라 반사 대역폭 Δλ이 증대하는 것을 알게 되고, 고굴절률 재료가 Ge의 경우에는, 저굴절률 재료로서 Al2O3 또는 SiO2를 채용함으로써, 적어도 3.1㎛~5.5㎛의 적외 영역의 반사 대역을 확보할 수 있는 동시에, 반사 대역폭 Δλ을 2.4㎛ 이상으로 하는 것을 알 수 있다.
다음에, 도 8에 나타낸 바와 같이, 제1 λ/4 다층 막(21)의 적층 수를 4, 제2 λ/다층 막(22)의 적층 수를 6으로 하고, 박막(21a)의 고굴절률 재료를 Ge, 박막(21b)의 저굴절률 재료를 Al2O3, 제1 λ/4 다층 막(21)과 제2 λ/4 다층 막(22) 사이에 개재시키는 파장 선택층(23)의 재료를 저굴절률 재료인 Al2O3으로 하고, 상기 파장 선택층(23)의 광학 막 두께를 0㎚~1600㎚의 범위에서 여러 가지 변화시킨 경우의 투과 스펙트럼에 대하여 시뮬레이션 한 결과를 도 9 및 도 10에 나타낸다. 여기서, 도 8 중의 화살표 A1는 입사광, 화살표 A2는 투과광, 화살표 A3는 반사광을 각각 나타내고 있다. 또한, 파장 선택층(23)의 광학 막 두께는, 상기 파장 선택층(23)의 재료의 굴절률을 n, 상기 파장 선택층(23)의 물리 막 두께를 d로 하면, 굴절률 n과 물리 막 두께 d의 곱, 즉, "nd"가 구해진다. 그리고, 이 시뮬레이션에서도, 각 박막(21a, 21b)에서의 흡수가 없다(즉, 각 박막(21a, 21b)의 소쇠 계수를 0)고 가정해, 설정 파장 λ0을 4㎛, 박막(21a)의 물리 막 두께를 250㎚, 박막(21b)의 물리 막 두께를 588㎚로 했다.
도 9 및 도 10으로부터, 제1 λ/4 다층 막(21) 및 제2 λ/4 다층 막(22)에 의해, 3㎛~6㎛의 적외 영역에 반사 대역이 형성되어 있는 것이 알 수 있는 것과 함께, 파장 선택층(23)의 광학 막 두께 "nd"를 적절하게 설정함으로써, 3㎛~6㎛의 반사 대역 중에 협대역의 투과 대역이 국부적으로 존재하고 있는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 파장 선택층(23)의 광학 막 두께 "nd"를 0㎚~1600㎚의 범위에서 변화시킴으로써, 투과 피크 파장을 3.1㎛~5.5㎛의 범위에서 연속적으로 변화시키는 것이 가능한 것이 알 수 있다. 더 구체적으로, 파장 선택층(23)의 광학 막 두께 "nd"를, 1390㎚, 0㎚, 95㎚, 235㎚, 495㎚로 변화시키면, 투과 피크 파장이 각각 3.3㎛, 4.0㎛, 4.3㎛, 4.7㎛, 5.3㎛로 된다.
따라서, 제1 λ/4 다층 막(21) 및 제2 λ/4 다층 막(22)의 설계를 변경하지 않고 파장 선택층(23)의 광학 막 두께의 설계만을 적절하게 변경함으로써, 특정 파장이 4.3㎛의 불꽃의 센싱에 한정되지 않고, 특정 파장이 3.3㎛의 CH4, 특정 파장이 4.7㎛의 CO, 특정 파장이 5.3㎛의 NO 등의 각종 가스의 센싱이 가능해진다. 그리고, 광학 막 두께 "nd"의 0㎚~1600㎚의 범위는, 물리 막 두께 d의 0㎚~941㎚의 범위에 상당한다. 또한, 파장 선택층(23)의 광학 막 두께 "nd"가 0㎚의 경우, 즉, 도 9에 있어서 파장 선택층(23)이 없는 경우의 투과 피크 파장이 4000㎚가 되는 것은, 제1 λ/4 다층 막(21) 및 제2 λ/4 다층 막(22)의 설정 파장 λ0을 4㎛(4000㎚)로 설정하고 있으므로, 제1 λ/4 다층 막(21) 및 제2 λ/4 다층 막(22)의 설정 파장 λ0을 적절하게 변화시킴으로써, 파장 선택층(23)이 없는 경우의 투과 피크 파장을 변화시킬 수 있다.
그런데, 박막(21b)의 저굴절률 재료로서, 제1 λ/4 다층 막(21) 및 제2 λ/4 다층 막(22)에 의해 설정되는 적외선의 반사 대역(즉, 협대역 투과 필터부(21, 22)에 의해 설정되는 적외선의 반사 대역)보다 장파장역의 적외선을 흡수하는 원적외선 흡수 재료인 Al2O3를 채용하고 있지만, 원적외선 흡수 재료로서는, MgF2, Al2O3, SiOx, Ta2O5, SiNx의 5종류에 대하여 검토했다. 구체적으로는, MgF2 막, Al2O3 막, SiOx 막, Ta2O5 막, SiNx 막 각각에 대하여 막 두께를 1㎛로 설정하여 Si 기판상에 성막할 때의 성막 조건을 하기 표 1과 같이 설정하고, MgF2 막, Al2O3 막, SiOx 막, Ta2O5 막, SiNx 막 각각의 투과 스펙트럼을 측정한 결과를 도 11에 나타낸다. 여기서, MgF2 막, Al2O3 막, SiOx 막, Ta2O5 막, SiNx 막의 성막 장치로서는, 이온 빔 어시스트 증착 장치를 사용한다.
| MgF2 | Al2O3 | SiOX | Ta2O5 | Si3N4 | ||
| 굴절률 | 1.38 | 1.68 | 1.70 | 2.10 | 2.30 | |
| 성막 조건 | 공통 조건 | 기판: Si 기판, 두께: 1㎛, 증착 레이트: 5Å/초 기판 온도: 250℃ |
||||
| IB 조건 | IB 없음 | 산소 IB | IB 없음 | 산소 IB | Ar IB | |
여기서, 표 1 중의 "IB조건"은 이온 빔 어시스트 증착 장치에서 성막할 때의 이온 빔 어시스트의 조건 하에서, "IB 없음"은 이온 빔 조사가 없는 것을, "산소 IB"는 산소 이온 빔의 조사가 행해지는 것을, "Ar IB"는 아르곤 이온 빔의 조사가 행해지는 것을 의미하고 있다. 또한, 도 11은 가로축이 파장, 세로축이 투과율이며, 동 도면 중의 "A1"은 Al2O3 막, "A2"는 Ta2O5 막, "A3"은 SiOx 막, "A4"는 SiNx 막, "A5"는 MgF2 막의 각각의 투과 스펙트럼을 나타내고 있다.
또한, 전술한 MgF2 막, Al2O3 막, SiOx 막, Ta2O5 막, SiNx 막에 대하여, "광학 특성: 흡수", "굴절률", "성막 용이성"을 평가 항목으로 해서, 검토한 결과를 하기 표 2에 나타낸다.
| MgF2 | Al2O3 | SiOX | Ta2O5 | Si3N4 | |
| 광학 특성: 흡수 | 불량 | 양호 | 평균 | 양호 | 평균 |
| 굴절률 | 매우 양호 | 양호 | 양호 | 평균 | 평균 |
| 성막 용이성 | 평균 | 매우 양호 | 평균 | 양호 | 평균 |
여기서, "광학 특성: 흡수"의 평가 항목에 대해서는, 도 11의 투과 스펙트럼으로부터 산출한 6㎛ 이상의 원적외선의 흡수율에 의해 평가했다. 표 2에서는, 각 평가 항목 각각에 대하여, 평가의 높은 랭크보다 낮은 랭크의 순으로 "매우 양호", "양호", "평균", "불량"이 기억되어 있다. 여기서, "광학 특성: 흡수"의 평가 항목에 대해서는, 원적외선의 흡수율이 높은 쪽이 평가의 랭크가 높고, 원적외선의 흡수율이 낮은 쪽을 평가의 랭크를 낮게 하고 있다. 또한, "굴절률"의 평가 항목에 대해서는, 고굴절률 재료와의 굴절률 차를 크게 하는 관점에서, 굴절률이 낮은 쪽이 평가의 랭크를 높게, 굴절률이 높은 쪽이 평가의 랭크를 낮게 하고 있다. 또한, "성막 용이성"의 평가 항목에 대해서는, 증착법 또는 스퍼터법에 의해 치밀한 막의 얻기 쉬운 방법이 평가의 랭크가 높고, 치밀한 막의 얻기 어려운 부분이 평가의 랭크가 낮게 되어 있다. 단, 각 평가 항목에 대하여, SiOx는 SiO2로서, SiNx는 Si3N4로서 평가한 결과이다.
표 2로부터, MgF2, Al2O3, SiOx, Ta2O5, SiNx의 5종류에 관하여, "성막 용이성"의 평가 항목에 대해서는 큰 차이가 없고, "광학 특성: 흡수" 및 "굴절률"의 평가 항목에 주목한 결과, 원적외선 흡수 재료로서는, Al2O3, SiOx, Ta2O5, SiNx 중 어느 하나를 채용하는 것이 바람직하다는 결론에 이르렀다. 여기에서, 원적외선 흡수 재료로서 Al2O3 또는 T2O5를 채용하는 경우에는, 원적외선 흡수 재료가 SiOx나 SiNx인 경우와 비교하여, 원적외선의 흡수성을 향상시킬 수 있다. 단, 고굴절률 재료와의 굴절률 차를 크게 한다는 관점에서는, T2O5보다 Al2O3 쪽이 바람직하다. 또한, 원적외선 흡수 재료로서 SiNx를 채용하는 경우에는, 원적외선 흡수 재료에 의해 형성되는 박막(21b)의 내습성을 높일 수 있다. 또한, 원적외선 흡수 재료로서 SiOx를 채용하면, 고굴절률 재료와의 굴절률 차를 크게 할 수 있고, 제1 λ/4 다층 막(21) 및 제2 λ/4 다층 막(22)의 적층 수(층수)의 저감을 도모된다.
이하, 적외선 광학 필터(20)에서의 협대역 투과 필터부(21, 22)의 제조 방법에 대해 도 12의 (a)~도 12의 (e)를 참조하면서 설명한다.
먼저, Si 기판으로 이루어지는 필터 형성용 기판(1)의 하나의 표면 측의 전체 면에, 저굴절률 재료인 Al2O3으로 이루어지는 소정의 물리 막 두께(여기서는, 588㎚의 박막(21b)과 고굴절률 재료인 Ge으로 이루어지는 소정의 물리 막 두께(여기서는, 250㎚)의 박막(21a)을 교호적으로 적층하여, 제1 λ/4 다층 막(21)을 형성하는 제1 λ/4 다층막 형성 공정을 행한다. 이어서, 필터 형성용 기판(1)의 상기 하나의 표면 측(여기서는, 제1 λ/4 다층 막(21)의 표면) 측의 전체 면에, 제1 λ/4 다층 막(21) 위로부터 2번째에 위치하는 박막(21b)과 같은 재료(여기서는, 저굴절률 재료인 Al2O3)로 이루어지고 1개의 협대역 투과 필터부(21)의 선택 파장에 따라 광학 막 두께를 설정한 파장 선택층(231)을 성막하는 파장 선택층 성막 공정을 행함으로써, 도 12의 (a)에 나타낸 구조를 얻는다. 그리고, 각 박막(21b, 21a) 및 파장 선택층(231)의 성막 방법으로서는, 예를 들면 증착법이나 스퍼터법 등을 채용하면 2종류의 박막(21b, 21a)을 연속적으로 성막할 수 있지만, 저굴절률 재료가 전술한 바와 같이 Al2O3의 경우에는, 이온 빔 어시스트 증착법을 채용하고, 박막(21b)의 성막 시에 산소 이온 빔을 조사하도록 하여 박막(21b)의 치밀성을 높이는 것이 바람직하다. 또한, 저굴절률 재료로서는, Al2O3 이외의 원적외선 흡수 재료인 SiOx, T2O5, SiNx를 채용해도 된다. 어느 것으로 해도, 원적외선 흡수 재료로 이루어지는 박막(21b)의 성막에 해당해서는, 이온 빔 어시스트 증착법에 의해 성막하는 것이 바람직하고, 저굴절률 재료로 이루어지는 박막(21b)의 화학적 조성을 정밀하게 제어할 수 있는 동시에, 박막(21b)의 치밀성을 높일 수 있다.
전술한 파장 선택층 성막 공정 후, 협대역 투과 필터부(21)에 대응하는 부위만을 덮는 레지스트층(31)을 포토리소그라피 기술을 이용하여 형성하는 레지스트층 형성 공정을 행함으로써, 도 12의 (b)에 나타낸 구조를 얻는다.
그 후, 레지스트층(31)을 마스크로 하고, 제1 λ/4 다층 막(21)의 가장 위의 박막(21a)을 에칭 스토퍼 층으로서 파장 선택층(231)의 불필요한 부분을 선택적으로 에칭하는 파장 선택층 패터닝 공정을 행함으로써, 도 12의 (c)에 나타낸 구조를 얻는다. 여기서, 파장 선택층 패터닝 공정에서는, 전술한 바와 같이 저굴절률 재료가 산화물(Al2O3), 고굴절률 재료가 반도체 재료(Ge)이면, 에칭액로서 플루오르화수소산계 용액을 사용한 웨트 에칭을 채용함으로써, 드라이 에칭을 채용하는 경우와 비교하여, 에칭 선택비의 높은 에칭이 가능해진다. 이것은, Al2O3나 SiO2와 같은 산화물은 플루오르화수소산계 용액에 용해하기 쉬운데 대하여, Ge는 플루오르화수소산계 용액에 매우 녹기 어렵기 때문이다. 일례를 들면, 플루오르화수소산계 용액으로서 플루오르화수소산(HF)과 순수(H2O)와의 혼합액으로 이루어지는 희 플루오르화수소산(예를 들면, 플루오르화수소산의 농도가 2%의 희 플루오르화수소산)을 사용하여 웨트 에칭을 행하면, Al2O3의 에칭 레이트가 300㎚/min 정도로, Al2O3와 Ge와의 에칭 레이트비가 500:1 정도이며, 에칭 선택비의 높은 에칭을 행할 수 있다.
전술한 파장 선택층 패터닝 공정 후, 레지스트층(31)을 제거하는 레지스트층 제거 공정을 행함으로써, 도 12의 (d)에 나타낸 구조를 얻는다.
전술한 레지스트층 제거 공정 후, 필터 형성용 기판(1)의 상기 하나의 표면 측의 전체 면에, 고굴절률 재료인 Ge으로 이루어지는 소정의 물리 막 두께(250㎚)의 박막(21a)과 저굴절률 재료인 Al2O3으로 이루어지는 소정의 물리 막 두께(588㎚)의 박막(21b)을 교호적으로 적층함으로써 제2 λ/4 다층 막(22)을 형성하는 제2 λ/4 다층 막 형성 공정을 행함으로써, 도 12의 (e)에 나타낸 구조를 얻는다. 여기에서, 제2 λ/4 다층 막 형성 공정을 행함으로써, 협대역 투과 필터부(22)에 대응하는 영역에서는, 제1 λ/4 다층 막(21)의 최상층의 박막(21a) 상에 직접 제2 λ/4 다층 막(22)의 최하층의 박막(21a)이 적층됨으로써 이루어지고, 상기 최상층의 박막(21a)과 상기 최하층의 박막(21a)으로 협대역 투과 필터부(22)의 파장 선택층(232)을 구성하고 있다. 단, 이 협대역 투과 필터부(22)의 투과 스펙트럼은, 도 10의 시뮬레이션 결과에서는, 광학 막 두께 "nd"가 0㎚의 경우에 상당한다. 그리고, 각 박막(21a, 21b)의 성막 방법으로서는, 예를 들면, 증착법이나 스퍼터법 등을 채용하면 2종류의 박막(21a, 21b)을 연속적으로 성막할 수 있지만, 저굴절률 재료가 전술한 바와 같이 Al2O3의 경우에는, 이온 빔 어시스트 증착법을 채용하고, 박막(21b)의 성막 시에 산소 이온 빔을 조사하도록 하여 해 박막(21b)의 치밀성을 높이는 것이 바람직하다.
요컨대, 적외선 광학 필터(20)의 협대역 투과 필터부(21, 22)의 제조에 있어서, 필터 형성용 기판(1)의 상기 하나의 표면 측에 굴절률이 상이하고 또한 광학 막 두께가 같은 복수 종류(여기서는, 2종류)의 박막(21b, 21a)을 적층하는 기본 공정의 도중에, 상기 도중에서의 적층막(여기서는, 제1 λ/4 다층 막(21))의 위로부터 2번째의 층과 같은 재료로 이루어지는 파장 선택층(23i)(여기서는, i=1)인 복수 개의 협대역 투과 필터부(21,..., 2m)(여기서는, m=2) 중 임의의 하나의 협대역 투과 필터부(2i)(여기서는, i=1)의 선택 파장에 따라 광학 막 두께를 설정한 파장 선택층(23i)을 상기 적층막 상에 성막하는 파장 선택층 성막 공정과, 파장 선택층 성막 공정에 의해 성막한 파장 선택층(23i) 중 상기 임의의 하나의 협대역 투과 필터부(2i)에 대응하는 부분 이외의 불필요한 부분을 상기 적층막의 가장 위의 층을 에칭 스토퍼 층으로서 에칭하는 파장 선택층 패터닝 공정로 이루어지는 파장 선택층 형성 공정을 1회 행하고 있고, 복수 개의 협대역 투과 필터부(21, 22)가 형성된다. 여기서, 전술한 기본 공정의 도중에, 파장 선택층 형성 공정을 복수 회 행하도록 하면, 하나의 칩으로, 더 많은 선택 파장을 가지는 적외선 광학 필터(20)를 제조할 수 있다.
또한, 전술한 제조 방법에서, 필터 형성용 기판(1)의 상기 하나의 표면 측에 복수 종류의 박막(21a, 21b)을 적층하는 기본 공정의 도중에, 상기 도중에서의 적층막(여기서는, 제1 λ/4 다층 막(21))의 위로부터 2번째의 층과 같은 재료로 이루어지는 박막으로서 각각의 필터부(21,...,2m)(여기서, m=2) 중 임의의 하나의 필터부(2i)(여기서, i=1)의 선택 파장에 따라 광학 막 두께를 설정한 박막을 상기 적층막 상에 성막하고, 상기 적층막 상에 성막한 박막 중 상기 임의의 하나의 필터부(2i)(여기서는, i=1)에 대응하는 부분 이외의 부분을 에칭함으로써 적어도 1개의 파장 선택층(231)의 패턴을 형성하고 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 기본 공정의 도중에, 적어도 1개의 파장 선택층(231)의 패턴을 형성하면 되고, 예를 들면, 파장 선택층(232)이 파장 선택층(231)과 같은 재료이며 또한 파장 선택층(231)보다 광학 막 두께가 작게 설정되어 있는 경우에는, 상기 적층막 위의 박막을 도중까지 에칭함으로써 2개의 파장 선택층(231, 232)의 패턴을 형성하도록 해도 된다.
또한, 전술한 제조 방법에 한정되지 않고, 필터 형성용 기판(1)의 상기 하나의 표면 측에 제1 λ/4 다층 막(21)을 형성하는 제1 λ/4 다층 막 형성 공정과, 제1 λ/4 다층 막에서의 필터 형성용 기판(1) 측의 반대 측에 제2 λ/4 다층 막(22)을 형성하는 제2 λ/4 다층 막 형성 공정 사이에서, 각각의 필터부(21,..., 2m)(여기서는, m=2)에 대응하는 각각의 부위 각각에, 서로 광학 막 두께가 상이한 파장 선택층(231,...,23m)(여기서는, m=2)을 마스크 증착에 의해 형성하도록 해도 된다.
또한, 전술한 제조 방법에서, 전술한 2종류의 박막(21a, 21b) 중 한쪽의 박막(21b)의 원적외선 흡수 재료가 SiOx 또는 SiNx이며, 다른 쪽의 박막(21a)이 Si인 경우에는, Si를 증발원으로 하는 이온 빔 어시스트 증착 장치를 사용하고, Si으로 이루어지는 박막(21a)을 성막할 때는 진공 분위기로 하고, 산화물인 SiOx으로 이루어지는 박막(21b)을 성막할 때는 산소 이온 빔을 조사하고, 질화물인 SiNx으로 이루어지는 박막(21b)을 성막할 때는 질소 이온 빔을 조사하도록 하는 것이 바람직하다. 이로써, 전술한 제조 방법에 있어서, 2종류의 박막(21a, 21b)의 증발원을 공통화할 수 있으므로, 복수 개의 증발원을 구비한 이온 빔 어시스트 증착 장치를 준비할 필요가 없고, 제조 비용의 저비용화가 도모된다. 마찬가지로, 전술한 제조 방법에 있어서, 전술한 2종류의 박막(21a, 21b) 중 한쪽의 박막(21b)의 원적외선 흡수 재료가 SiOx 또는 SiNx이며, 다른 쪽의 박막(21a)이 Si인 경우, Si를 타겟으로 하는 스퍼터 장치를 사용하고, Si으로 이루어지는 박막(21a)을 성막할 때는 진공 분위기로 하고, SiOx으로 이루어지는 박막(21b)을 성막할 때는 산소 분위기로 하고, SiNx으로 이루어지는 박막(21b)을 성막할 때는 질소 분위기로 하는 것이 바람직하다. 이로써, 전술한 제조 방법에 있어서, 2종류의 박막(21a, 21b)의 타겟을 공통화할 수 있으므로, 복수 개의 타겟을 구비한 스퍼터 장치를 준비할 필요가 없고, 제조 비용의 저비용화를 도모된다.
전술한 적외선 광학 필터(20)의 협대역 투과 필터부(21, 22)에서는, 파장 선택층(231, 232) 각각의 광학 막 두께 "nd"를 적절하게 설정함으로써, 도 13에 나타낸 바와 같이, 대략 3.9㎛와 대략 4.3㎛에 투과 피크 파장(중심 파장)을 가지는 적외선 광학 필터(20)를 1칩으로 실현할 수 있다. 여기서, 투과 피크 파장이 대략 3.9㎛의 투과 스펙트럼과 투과 피크 파장이 대략 4.3㎛의 투과 스펙트럼이란, 양쪽 모두 반치폭(FWHM)이 약 100㎚이지만, 협대역 투과 필터부(21, 22)를 적절하게 설계함으로써, 반치폭을 넓게 하거나 투과율을 올릴 수 있다.
그리고, 제1 λ/4 다층 막(21) 및 제2 λ/4 다층 막(22)은 굴절률 주기 구조를 가지고 있으면 되고, 3종류 이상의 박막을 적층한 것이어도 된다.
다음에, 적외선 광학 필터(20)의 광대역 차단 필터부(3)에 대하여 설명한다.
광대역 차단 필터부(3)는 굴절률이 상이한 복수 종류(여기서는, 2종류)의 박막(3a, 3b)이 적층된 다층 막에 의해 구성되어 있다. 여기에서, 광대역 차단 필터부(3)는 상대적으로 굴절률이 낮은 저굴절률층인 박막(3a)의 재료로서, 원적외선을 흡수하는 원적외선 흡수 재료의 일종인 Al2O3를 채용하고, 상대적으로 굴절율이 높은 고굴절률층인 박막(3b)의 재료로서 Ge를 채용하고 있고, 박막(3a)과 박막(3b)을 교호적으로 적층하고 적층 수를 11로 하고 있지만, 이 적층 수는 특별히 한정하는 것은 아니다. 단, 광대역 차단 필터부(3)는 필터 형성용 기판(1)으로부터 가장 먼 최상층을 저굴절률층인 박막(3a)에 의해 구성하는 것이 광학 특성의 안정성의 관점에서 바람직하다. 여기서, 원적외선 흡수 재료로서는, Al2O3에 한정되지 않고, Al2O3이외의 산화물인 SiO2, Ta2O5를 채용해도 되고, SiO2쪽이 Al2O3보다 굴절률이 낮기 때문에, 고굴절률 재료와 저굴절률 재료와의 굴절률 차를 크게 할 수 있다. 또한, 원적외선 흡수 재료로서는, 질화물인 SiNx를 채용해도 된다.
전술한 바와 같이, 광대역 차단 필터부(3)는 2종류의 박막(3a, 3b) 중 1종류의 박막(3a)이 원적외선을 흡수하는 원적외선 흡수 재료인 Al2O3에 의해 형성되어 있지만, 복수 종류 중 적어도 1종류가 원적외선 흡수 재료에 의해 형성되어 있으면 된다. 예를 들면, 3종류의 박막으로서 Ge막, Al2O3막 및 SiOx막이, Si 기판으로 이루어지는 반도체 기판(1)에 가까운 측으로부터 Ge막-Al2O3막-Ge막-SiOx막-Ge막-Al2O3막-Ge막의 순으로 적층된 다층 막으로 해도 되고, 이 경우에는 3종류의 박막 중 2종류의 박막이 원적외선 흡수 재료에 의해 형성되게 된다.
그런데, 전술한 광대역 차단 필터부(3)에서는, 협대역 투과 필터부(21, 22)에 의해 설정되는 적외선의 반사 대역보다 장파장역의 원적외선을 흡수한다. 여기서, 광대역 차단 필터부(3)에서는, 적외선을 흡수하는 원적외선 흡수 재료로서 Al2O3를 채용하고 있지만, 전술한 협대역 투과 필터부(21, 22)와 마찬가지로, 원적외선 흡수 재료로서는, MgF2, Al2O3, SiOx, Ta2O5, SiNx의 5종류에 대하여 검토했다.
여기에서, 본원 발명자들은, 이온 빔 어시스트의 효과를 확인하기 위해, Si 기판상에 Al2O3 막을 성막하는 시의 이온 빔의 조사량을 여러 가지 변화시킨 샘플을 준비하고, 각 샘플의 Al2O3 막의 막질의 차이를 FT-IR(푸리에 변환 적외 분광)에 의해 분석하였다. 도 14는, FT-IR에 의한 분석 결과를 나타내고, 가로축이 파수, 세로축이 흡수율이며, 동 도면 중의 "A1"은 이온 빔 어시스트 없음의 경우의 샘플, "A2", "A3", "A4", "A5", "A6"는 이온 빔의 조사량을 적은 쪽부터 많은 쪽으로 변화시킨 경우의 각 샘플 각각의 분석 결과를 나타내고 있다. 이 도면(도 14)으로부터, 이온 빔을 조사함으로써, 수분에 기인한 3400cm-1 부근의 흡수율을 저감할 수 있고, 이온 빔의 조사량을 많이할수록 수분에 기인한 3400cm-1 부근의 흡수율이 저하되는 것을 알 수 있다. 요컨대, 이온 빔 어시스트에 의해 Al2O3 막의 막질을 향상시킬 수 있고, 치밀성을 높일 수 있는 것으로 추측된다.
또한, 전술한 바와 같이, 원적외선 흡수 재료로서 Al2O3 또는 T2O5를 채용하는 경우에는, 원적외선 흡수 재료가 SiOx나 SiNx인 경우와 비교하여, 원적외선의 흡수성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본원 발명자들은, Si 기판상에 1㎛의 Al2O3 막을 성막한 참고 예의 투과 스펙트럼을 측정한 바, 도 15의 (a)의 "A1"에 나타낸 바와 같은 실측값을 얻을 수 있어 실측값 "A1"이, 도 15의 (a) 중의 "A2"에 나타낸 계산 값으로부터 어긋나 있다고 하는 의견을 얻어, Al2O3에 의해 형성되는 박막(3a)의 광학 파라미터(굴절률, 흡수 계수)를 도 15의 (a)의 실측값"A1"로부터 Cauchy의 식에 의해 산출하였다. 이 산출한 광학 파라미터를 도 15의 (b)에 나타내고 있다. 도 15의 (b)에 나타낸 신규의 광학 파라미터에서는, 굴절률 및 흡수 계수의 모두 800㎚~20000㎚의 파장역에서 일정한 것은 아니고, 파장이 길어짐에 따라 굴절률이 서서히 저하되고, 또한 파장이 7500㎚~15000㎚의 파장역에서는 파장이 길어짐에 따라 흡수 계수가 서서히 커진다.
전술한 Al2O3 막의 신규의 광학 파라미터를 사용하여 적외선 광학 필터(20)로서, 하기 표 3의 적층 구조를 가지고 투과 피크 파장이 4.4㎛의 협대역 투과 필터부(21)과 하기 표 4의 적층 구조를 가지는 광대역 차단 필터부(3)가 필터 형성용 기판(1)의 두께 방향에서 중첩되도록 형성되어 있는 부분의 투과 스펙트럼의 시뮬레이션 결과를 도 16의 "A1"에 나타낸다. 또한, 전술한 Al2O3 막의 신규의 광학 파라미터를 이용하지 않고, Al2O3 막의 굴절률을 일정하게 하고, 흡수 계수를 0으로 일정하게 한 비교예의 시뮬레이션 결과를 도 16의 "A2"에 나타낸다. 그리고, 실시예와 비교예의 모두 Ge의 굴절률을 4.0으로 일정하게 하고, 흡수 계수를 0.0으로 일정하게 하여 시뮬레이션했다.
| 구성요소 | 막의 재료 | 두께 (nm) |
| 박막 21b | Al2O3 | 600 |
| 박막 21a | Ge | 230 |
| 박막 21b | Al2O3 | 600 |
| 박막 21a | Ge | 230 |
| 박막 21b | Al2O3 | 600 |
| 파장 선택층 231 | Ge | 460 |
| 박막 21b | Al2O3 | 600 |
| 박막 21a | Ge | 230 |
| 박막 21b | Al2O3 | 600 |
| 박막 21a | Ge | 230 |
| 박막 21b | Al2O3 | 600 |
| 필터 형성 기판 1 | Si 기판 | - |
| 구성요소 | 막의 재료 | 두께 (nm) |
| 박막 3a | Al2O3 | 749 |
| 박막 3b | Ge | 73 |
| 박막 3a | Al2O3 | 563 |
| 박막 3b | Ge | 37 |
| 박막 3a | Al2O3 | 463 |
| 박막 3b | Ge | 149 |
| 박막 3a | Al2O3 | 254 |
| 박막 3b | Ge | 91 |
| 박막 3a | Al2O3 | 433 |
| 박막 3b | Ge | 517 |
| 박막 3a | Al2O3 | 182 |
| 박막 3b | Ge | 494 |
| 박막 3a | Al2O3 | 185 |
| 박막 3b | Ge | 498 |
| 박막 3a | Al2O3 | 611 |
| 박막 3b | Ge | 465 |
| 박막 3a | Al2O3 | 626 |
| 박막 3b | Ge | 467 |
| 박막 3a | Al2O3 | 749 |
| 박막 3b | Ge | 513 |
| 박막 3a | Al2O3 | 1319 |
| 박막 3b | Ge | 431 |
| 박막 3a | Al2O3 | 1319 |
| 박막 3b | Ge | 86 |
| 박막 3a | Al2O3 | 140 |
| 박막 3b | Ge | 27 |
| 박막 3a | Al2O3 | 39 |
| 박막 3b | Ge | 4 |
| 박막 3a | Al2O3 | 15 |
| 필터 형성용 기판 1 | Si 기판 | － |
전술한 도 16은, 가로축이 입사광(적외선)의 파장이고 세로축이 투과율이다. 도 16으로부터, Al2O3 막의 신규의 광학 파라미터를 사용하고 있지 않은 비교예의 투과 스펙트럼 "A2"에서는, 9000㎚~20000㎚의 원적외선이 차단되어 있지 않은 것에 대해, Al2O3 막의 신규의 광학 파라미터를 사용한 실시예의 투과 스펙트럼 "A1"에서는 9000㎚~20000㎚의 원적외선도 차단되어 있고, 적층 수가 29층의 광대역 차단 필터부(3)와 적층 수가 11층의 협대역 투과 필터부(21)에서 파장이 800㎚~20000㎚의 광대역의 적외선을 차단할 수 있어, 4.3㎛ 부근에만 협대역의 투과 대역을 국부적으로 존재시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 그리고, 광대역 차단 필터부(3)의 투과 스펙트럼은, 예를 들면 도 17에 나타낸 바와 같이 되어, 도 17의 예에서는, 4㎛ 이하의 근적외선과 5.6㎛ 이상의 원적외선이 차단된다.
본 실시형태의 적외선 광학 필터(20)의 제조에 대하여, 먼저 Si 기판으로 이루어지는 필터 형성용 기판(1)의 상기 다른 표면 측에, 예를 들면, Al2O3 막으로 이루어지는 박막(3a)과, 예를 들면 Ge막으로 이루어지는 박막(3b)을 교호적으로 적층함으로써, 광대역 차단 필터부(3)를 형성하는 광역 차단 필터부 형성 공정을 행하고, 그 후 필터 형성용 기판(1)의 상기 하나의 표면 측에 전술한 바와 같이 협대역 투과 필터부(21, 22)를 형성하면 된다.
다음에, 본 실시형태의 적외선 불꽃 검출기를 사용한 적외선식 불꽃 검출 장치에 대해도 18을 참조하면서 설명한다.
도 18에 나타낸 적외선식 불꽃 검출 장치는, 서로 극성이 상이한 2개 1조의 초전 소자(41, 42)가 초전 소자 형성용 기판(41)에 병설되고, 또한 역직렬로 접속된 적외선 수광 소자(40)와, 광대역 차단 필터부(3) 및 서로 투과 파장역이 상이한 2개의 협대역 투과 필터부(21, 22)를 가지고 적외선 수광 소자(40)의 전방에 배치된 적외선 광학 필터(20)와, 적외선 수광 소자(40)의 출력(2개 1조의 초전 소자(41, 42)의 차동 출력)을 증폭하는 증폭부(증폭 회로)(63a)와, 증폭부(63a)의 출력 신호에 기초하여 화재의 불꽃의 유무를 판정하는 마이크로 컴퓨터 등으로 이루어지는 신호 처리부(100)를 구비하고 있다. 여기에서, 신호 처리부(100)는 화재의 불꽃이 있는 것으로 판단한 경우에는, 화재 검지 신호를 외부의 통보 장치에 출력하도록 해도 되고, LED나 디스플레이 등의 표시 장치나 스피커나 버저 등의 음향 장치로부터 화재의 발생을 통지시키도록 해도 된다. 그리고, 증폭부(63a)는 전술한 IC(63)에 설치되어 있지만, IC(63)에는, 증폭부(63a) 뿐만 아니라, 신호 처리부(100)도 설치해도 된다. 요컨대, 본 실시형태의 적외선 불꽃 검출기에 신호 처리부(100)를 설치해도 된다.
그런데, 도 18에 나타낸 구성의 적외선식 불꽃 검출 장치의 비교예로서, 도 19에 나타낸 구성의 적외선식 불꽃 검출 장치가 고려될 수 있다.
도 19에 나타낸 구성의 적외선식 불꽃 검출 장치는, 각각 1개의 초전 소자로 이루어지는 적외선 수광 소자(401, 402)와, 사파이어 기판을 사용하여 형성되고 적외선 수광 소자(401, 402)의 전방에 배치된 적외선 광학 필터(3201, 3202)와, 각각의 적외선 수광 소자(401, 402) 각각의 출력 신호를 별개로 증폭하는 2개의 증폭부(증폭 회로)(1631, 1632)와, 2개의 증폭부(1631, 1632)의 출력 신호의 차분을 구하는 감산기(164)와, 감산기(164)의 출력 신호에 기초하여 화재의 불꽃의 유무를 판정하는 마이크로 컴퓨터 등으로 이루어지는 신호 처리부(100')를 구비하고 있다. 그리고, 도 19에 나타낸 구성의 적외선식 불꽃 검출 장치는, 적외선 수광 소자(401, 402)와, 적외선 수광 소자(401, 402)를 수납한 캔 패키지(1701, 1702)와, 적외선 광학 필터(3201, 3202)와, 적외선 센서(3401, 3402)를 구성하고 있다. 그러나, 이 적외선식 불꽃 검출 장치에서는, 적외선 수광 소자(401, 402)의 출력 신호가 미약하고, 전자 노이즈의 영향을 받기 쉬우므로, 2개의 적외선 센서(3401, 3402)와 2개의 증폭부(1631, 1632)와 감산기(164)를, 차폐 부재(180)에 의해 차폐함으로써 적외선 불꽃 검출기를 구성하고, 적외선 불꽃 검출기의 사이즈가 캔 패키지(1701, 1702)의 사이즈에 비해, 매우 대형화되고, 적외선식 불꽃 검출 장치도 대형화된다.
이에 대하여, 도 18에 나타낸 구성의 적외선식 불꽃 검출 장치는, 전술한 적외선 불꽃 검출기를 사용하고 있으므로, 도 19에 나타낸 구성의 적외선식 불꽃 검출 장치와 비교하여, 적외선 불꽃 검출기의 소형화를 도모되고, 적외선식 불꽃 검출 장치의 극적인 소형화를 도모할 수 있다.
또한, 도 18에 나타낸 구성의 적외선식 불꽃 검출 장치는, 전술한 적외선 광학 필터(20)를 구비하고 있으므로, 열의 방사에 의해 발생한 적외선의 영향을 제거할 수 있는 장점이 있다. 여기서, 물체가 흑체인 경우, 물체의 온도와 방사 에너지의 관계는 도 20에 나타낸 바와 같이 되어, 물체로부터 방사되는 적외선의 방사 에너지 분포는 물체의 온도에 의존한다. 여기에 있어서, 빈의 변위 법칙에 의하면, 방사 에너지 분포의 극대값을 부여하는 적외선의 파장을 λ〔㎛〕, 물체의 절대온도를 T〔K〕로 하면, 파장 λ는, λ=2898/T가 된다. 열원으로부터 방사되는 스펙트럼은 발광 다이오드로부터 방사되는 스펙트럼에 비해 매우 넓다. 그러므로, 도 19에 나타낸 비교예의 적외선식 불꽃 검출 장치에서는, 노이즈의 원인이 되거나 증폭부(1631, 1632)의 포화의 원인으로 되고, 감도 저하의 원인으로 되지만, 도 18에 나타낸 구성의 적외선식 불꽃 검출 장치에서는, 증폭부(63a)의 포화를 방지할 수 있고, 감도의 향상이 도모된다.
그런데, 화재시에는, 불꽃의 열에 의해 CO2 가스의 공명 방사가 일어나, 4.3㎛를 피크 파장으로 한 적외선이 방사된다. 이 CO2 가스의 공명 방사에 의해 발생하는 적외선의 방사 스펙트럼은, 4.3㎛를 피크 파장으로 하는 협대역의 방사 스펙트럼이다. 한편, 태양 광이나 열원, 아크, 조명 등의 외란광은, 일반적으로 특정 파장의 스펙트럼이 방사되는 것은 드물고, 대체로는 대역의 넓은 방사 스펙트럼이 된다. 그래서, 본 실시형태에서는, 전술한 바와 같이, 제1 선택 파장을 CO2 가스 공명 방사의 피크 파장인 4.3㎛, 제2 선택 파장을 4.3㎛ 근방의 3.9㎛로 설정하고 있다. 여기서, 제2 선택 파장은, 외란광의 상기 제2 선택 파장의 적외선 강도가, 외란광의 4.3㎛의 적외선 강도로 가능한 가깝도록 하는 파장으로 설정하는 것이 바람직하다.
여기서, 도 19에 나타낸 구성의 적외선식 불꽃 검출 장치에 있어서, 각각의 적외선 광학 필터(3201, 3202) 각각의 선택 파장을 4.3㎛, 3.9㎛으로 하고, 각각의 적외선 수광 소자(401, 402) 각각의 출력 신호 중 불꽃에 기인한 4.3㎛, 3.9㎛ 각각의 적외선에 의한 신호 성분을 Is1, Is2로 하고, 외란광에만 기인한 4.3㎛, 3.9㎛ 각각의 적외선에 의한 직류 바이어스 성분을 Id1, Id2으로 하고, 각 증폭부(1631, 1632)의 증폭률을 G1, G2으로 하고, 각 증폭부(1631, 1632)의 출력 신호를 I1, I2로 하면,
I1=(Is1＋Id1)×G1
I2=(Is2＋Id2)×G2가 된다. 따라서, 감산기(164)의 출력 신호는,
I1-I2=(Is1＋Id1)×G1-(Is2＋Id2)×G2가 된다. 그러나, 외란광에 의한 직류 바이어스 성분 Id1, Id2가 매우 큰 경우, 각 증폭부(1631, 1632)의 포화가 일어나므로, S/N비가 저하된다.
이에 대하여, 도 18에 나타낸 구성의 적외선식 불꽃 검출 장치에 있어서의 적외선 수광 소자(40)는 초전 소자 형성용 기판(41) 상에서 2개의 초전 소자(41, 42)의 차동 출력을 얻을 수 있도록 양 초전 소자(41, 42)가 도 3의 (b)과 같이 접속되어 있으므로, 초전 소자(41, 42) 각각의 출력 신호가 전술한 적외선 수광 소자(401, 402)와 동일하게 하고, 적외선 수광 소자(40)의 출력을 I로 하면,
I=(Is1＋Id1)-(Is2＋Id2)가 된다. 여기서, 외란광의 방사 스펙트럼은 일반적으로는 넓게 하였으므로, 제1 선택 파장과 제2 선택 파장을, 외란광의 방사 강도가 대략 동일하게 되는 파장 대역에 포함되도록 선택하여 두면,
Id1=Id2가 되는 것으로 간주할 수 있으며,
I=Is1-Is2로 되고, 태양 광 등의 외란광에 의한 직류 바이어스 성분의 영향을 캔슬할 수 있고(즉, 화재가 발생하고 있지 않고, CO2 가스의 공명 방사에 기인한 적외선의 발생이 없는 경우에는, 적외선 수광 소자(40)의 출력은 대략 제로로 되고), 적외선 수광 소자(40)의 출력을 증폭하는 증폭부(63a)의 이득을 크게 할 수 있어 S/N비의 향상이 가능해진다.
또한, 본 실시형태의 적외선 불꽃 검출기에서는, 전술한 바와 같이, 적외선 광학 필터(20)가 적외선 투과 재료로 이루어지는 필터 형성용 기판(1)과 상기 필터 형성용 기판(1)의 상기 하나의 표면 측에 있어서 각각의 초전 소자(41, 42) 각각에 대응하는 부위에 형성되고, 불꽃에 기인하는 CO2 가스의 공명 방사에 의해 발생하는 특정 파장(4.3㎛)으로 이루어지는 제1 선택 파장의 적외선 및 상기 특정 파장 이외의 참조 파장(예를 들면, 3.9㎛)인 제2 선택 파장의 적외선 각각을 선택적으로 투과시키는 2개 1조의 협대역 투과 필터부(21, 22)와, 필터 형성용 기판(1)의 상기 다른 표면 측에 형성되고, 각각의 협대역 투과 필터부(21, 22)에 의해 설정되는 적외선의 반사 대역보다 장파장의 적외선을 흡수하는 광대역 차단 필터부(3)를 구비하고 있다. 여기서, 적외선 불꽃 검출기는, 각각의 협대역 투과 필터부(21, 22)가 굴절률이 상이하고 또한 광학 막 두께가 같은 복수 종류의 박막(21a, 21b)이 적층된 제1 λ/4 다층 막(21)과 제1 λ/4 다층 막(21)에서의 필터 형성용 기판(1) 측과는 반대 측에 형성되고 복수 종류의 박막(21a, 21b)이 적층된 제2 λ/4 다층 막(22)과 제1 λ/4 다층 막(21)과 제2 λ/4 다층 막(22)의 사이에 개재해 상기 선택 파장에 따라 광학 막 두께를 각 박막(21a, 21b)의 광학 막 두께와는 상이하게 한 파장 선택층(231, 232)를 가지고 있다. 따라서, 본 실시형태의 적외선 불꽃 검출기에서는, 복수 개의 협대역 투과 필터부(21, 22)를 가지는 적외선 수광 필터(20)의 소형화에 의한 저비용화를 도모되고, 또한 복수 개의 협대역 투과 필터부(21, 22)의 중심 사이 거리를 짧게 할 수 있어, 특정 파장의 적외선과 참조 파장의 적외선의 광로 길이의 차이를 작게 할 수 있고, 적외선 수광 소자(40)의 각각의 초전 소자(41, 42)의 수광 효율의 향상이 도모된다.
또한, 본 실시형태의 적외선 불꽃 검출기에서는, 적외선 광학 필터(20)의 광대역 차단 필터부(3)가 굴절률이 상이한 복수 종류의 박막(3a, 3b)이 적층된 다층 막으로 이루어지고, 상기 복수 종류의 박막(3a, 3b) 중 적어도 1종류의 박막(3a)이 원적외선을 흡수하는 원적외선 흡수 재료에 의해 형성되어 있다. 따라서, 본 실시형태의 적외선 불꽃 검출기에 의하면, 다층 막의 층수의 저감을 도모하면서도, 광대역 차단 필터부(3)를 구성하는 다층 막에 의한 광의 간섭 효과와 상기 다층 막을 구성하는 박막(3a)의 원적외선 흡수 효과에 의해, 사파이어 기판을 사용하지 않고 근적외선으로부터 원적외선까지의 광대역에서의 적외선 차단 기능을 실현할 수 있고, 저비용화가 도모된다.
또한, 본 실시형태의 적외선 불꽃 검출기에서는, 적외선 광학 필터(20)의 협대역 투과 필터부(21, 22)에서도, 제1 λ/4 다층 막(21) 및 제2 λ/4 다층 막(22)에 의한 광의 간섭 효과와 제1 λ/4 다층 막(21)과 파장 선택층(231, 232)과 제2 λ/4 다층 막(22)으로 구성되는 다층 막에서의 박막(21b)의 원적외선 흡수 재료에서의 원적외선 흡수 효과에 의해, 근적외선으로부터 원적외선까지의 광대역에서의 적외선 차단 기능을 가지는 것으로부터, 근적외선으로부터 원적외선까지의 광대역에서의 적외선 차단 기능을 가지고, 또한 원하는 선택 파장의 적외선을 선택적으로 투과시키는 것이 가능한 저비용의 적외선 광학 필터(20)를 실현할 수 있다.
또한, 전술한 적외선 광학 필터(20)에서는, 원적외선 흡수 재료로서 산화물 또는 질화물을 채용하고 있으므로, 원적외선 흡수 재료로 이루어지는 박막(3a, 21b)이 산화하여 광학 특성이 변화하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 전술한 적외선 광학 필터(20)에서는, 광대역 차단 필터부(3) 및 각각의 협대역 투과 필터부(21, 22)의 모두 필터 형성용 기판(1)으로부터 가장 먼 최상층이 전술한 산화물 또는 질화물에 의해 형성되어 있으므로, 공기 중의 수분이나 산소 등과의 반응이나 불순물의 흡착이나 부착 등에 기인하여 최상층의 박막(3a, 21b)의 물성이 변화하는 것을 방지할 수 있어 필터 성능의 안정성이 높아지면, 광대역 차단 필터부(3) 및 각각의 협대역 투과 필터부(21, 22)의 표면에서의 반사를 저감할 수 있고, 필터 성능의 향상이 도모된다.
또한, 전술한 적외선 광학 필터(20)에서는, 원적외선 흡수 재료에 의해 형성된 박막(3a)과 원적외선 흡수 재료보다 고굴절률 재료인 Ge에 의해 형성된 박막(3b)이 교호적으로 적층되어 광대역 차단 필터부(3)의 다층 막이 구성되어 있으므로, 고굴절률 재료가 Si, PbTe 또는 ZnS인 경우와 비교하여, 고굴절률 재료와 저굴절률 재료의 굴절률 차를 크게 할 수 있고, 상기 다층 막의 적층 수를 저감할 수 있다. 또한, 고굴절률 재료로서 Si를 채용한 경우에는, 고굴절률 재료가 ZnS인 경우와 비교하여, 다층 막에서의 고굴절률 재료와 저굴절률 재료의 굴절률 차를 크게 할 수 있고, 다층 막의 적층 수(층수)를 저감할 수 있다. 또한, 협대역 투과 필터부(21, 22)에 관해서도, 동일한 이유에 의해 적층 수를 저감할 수 있다.
그런데, 본 실시형태에서는, 적외선 광학 필터(20)의 필터 형성용 기판(1)으로서 Si 기판을 사용하고 있지만, 필터 형성용 기판(1)은 Si 기판에 한정되지 않고, Ge 기판을 사용해도 된다. Si 및 Ge 각각의 투과 특성에 대하여 인터넷상에서 개시되어 있는 데이터를 각각 도 21 및 도 22에 나타낸다(2009년 2월 25일에 검색한, 인터넷＜URL: http://www.spectra.co.jp/kougaku.files/k_kessho.files/ktp.htm＞).
본 실시형태의 적외선 불꽃 검출기에서는, 전술한 바와 같이, 필터 형성용 기판(1)으로서 Si 기판 또는 Ge 기판을 사용함으로써, 필터 형성용 기판(1)이 사파이어 기판이나 MgO 기판이나 ZnS 기판인 경우와 비교하여 저비용화가 도모된다.
또한, 본 실시형태의 적외선 불꽃 검출기는, 패키지(7)가 금속제이며, 필터 형성용 기판(1)이 패키지(7)의 캡(72)에 대하여 도전성의 접합 재료(예를 들면, 은 페이스트, 납땜 등)으로 이루어지는 접합부(58)에 의해 접합하여 전기적으로 접속되어 있다. 이로써, 본 실시형태의 적외선 불꽃 검출기에서는, 필터 형성용 기판(1)과 패키지(7)에 의해 전자 차폐를 행할 수 있고, 적외선 수광 소자(40)로의 외래의 복사 노이즈(전자 노이즈)의 영향을 방지할 수 있고, S/N비의 향상에 의한 고감도화가 도모된다.
또한, 본 실시형태의 적외선 불꽃 검출기에서는, 캡(72)의 윈도우부(7a)가 직사각형으로 개구되고, 또한 적외선 광학 필터(20)에, 캡(72)에서의 윈도우부(7a)의 내주면 및 주위부에 위치 결정되는 단차부(20c)가 형성되어 있고, 적외선 광학 필터(20)에서의 단차부(20c)를 상기 접합 재료로 이루어지는 접합부(58)을 통하여 캡(72)에 고착하고 있다. 따라서, 적외선 광학 필터(20)와 적외선 수광 소자(40)의 평행도를 높일 수 있고, 적외선 광학 필터(20)의 각각의 협대역 투과 필터부(21, 22)의 광축 방향에서의 각각의 협대역 투과 필터부(21, 22)와 적외선 수광 소자(40)의 각각의 초전 소자(41, 42)의 거리 정밀도를 높일 수 있는 동시에, 각각의 협대역 투과 필터부(21, 22)의 광축과 각각의 초전 소자(41, 42)의 수광면의 광축의 정렬 정밀도를 높일 수 있다.
또한, 본 실시형태의 적외선 불꽃 검출기에서는, 적외선 수광 소자(40)의 출력을 증폭하는 증폭부(증폭 회로)(63a)의 구성 부품이 패키지(7) 내에 수납되어 있으므로, 적외선 수광 소자(40)와 증폭부(63a)의 전기회로를 짧게 할 수 있는 동시에, 증폭부(63a)도 전자 차폐되므로, S/N비의 향상에 의한 고감도화가 도모된다.
Claims (5)
- 적외선 불꽃 검출기(infrared flame detector)로서,
패키지 내에 수납되는 적외선 수광 소자; 및
상기 패키지 내에 상기 적외선 수광 소자의 전방에 배치된 적외선 광학 필터
를 포함하며,
상기 적외선 수광 소자는 서로 극성이 상이한 2개 1조의 초전 소자(pyroelectric element)가 초전 소자 형성용 기판에 병설되고, 또한 역직렬 또는 역병렬로 접속되어 있고,
상기 적외선 광학 필터는,
적외선 투과 재료로 이루어지는 필터 형성용 기판;
상기 필터 형성용 기판의 제1 표면 측에서 상기 각각의 초전 소자 각각에 대응하는 부위에 형성되고, 불꽃에 기인하는 CO2 가스의 공명 방사(resonance radiation)에 의해 발생하는 특정 파장으로 이루어지는 제1 선택 파장의 적외선 및 상기 특정 파장 이외의 참조 파장인 제2 선택 파장의 적외선 각각을 선택적으로 투과시키는 2개 1조의 협대역 투과 필터부(narrowband transmission filter); 및
상기 필터 형성용 기판의 제2 표면 측에 형성되고, 상기 각각의 협대역 투과 필터부에 의해 설정되는 적외선의 반사 대역보다 장파장의 적외선을 흡수하는 광대역 차단 필터부를 구비하고,
상기 협대역 투과 필터부는 각각,
굴절률이 상이하고 또한 광학 막 두께가 같은 복수 종류의 박막이 적층된 제1 λ/4 다층 막;
상기 제1 λ/4 다층 막에서의 상기 필터 형성용 기판 측과는 반대 측에 형성되고 상기 복수 종류의 박막이 적층된 제2 λ/4 다층 막; 및
상기 제1 λ/4 다층 막과 상기 제2 λ/4 다층 막 사이에 개재해 상기 선택 파장에 따라 광학 막 두께를 상기 각 박막의 광학 막 두께와는 상이하게 한 파장 선택층을 포함하는, 것을 특징으로 하는 적외선 불꽃 검출기. - 제1항에 있어서,
상기 광대역 차단 필터부는, 굴절률이 상이한 복수 종류의 박막이 적층된 다층 막으로 이루어지고, 상기 복수 종류의 박막 중 적어도 한 종류의 박막은 원적외선(far-infrared radiation)을 흡수하는 원적외선 흡수 재료에 의해 형성되어 이루어지는, 적외선 불꽃 검출기. - 제1항에 있어서,
상기 필터 형성용 기판은, Si 기판 또는 Ge 기판인 것인, 적외선 불꽃 검출기. - 제3항에 있어서,
상기 패키지는 금속으로 이루어져 있으며,
상기 필터 형성용 기판은 상기 패키지에 전기적으로 접속되어 이루어지는 것인, 적외선 불꽃 검출기. - 제4항에 있어서,
상기 적외선 수광 소자의 출력을 증폭하는 증폭 회로의 구성 부품이 상기 패키지 내에 수납되어 이루어지는 것인, 적외선 불꽃 검출기.
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