WO2016163195A1 - 焦電型赤外線検出器 - Google Patents

焦電型赤外線検出器 Download PDF

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WO2016163195A1
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ground
substrate
ground pattern
lead terminal
infrared detector
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雅人 南
哲治 松崎
正幸 市丸
恵一 岡野
正嗣 松井
Original Assignee
株式会社村田製作所
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N15/00—Thermoelectric devices without a junction of dissimilar materials; Thermomagnetic devices, e.g. using the Nernst-Ettingshausen effect
    • H10N15/10—Thermoelectric devices using thermal change of the dielectric constant, e.g. working above and below the Curie point

Definitions

  • the present invention relates to a pyroelectric infrared detector.
  • Pyroelectric infrared detectors with improved noise reduction effects are disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2.
  • a pyroelectric element is supported on a printed wiring board laminated in three layers.
  • the ground pattern and the power supply pattern are formed in a solid pattern on the printed wiring board in the second layer and below, and are arranged in different layers. With this configuration, impedance against high frequency can be effectively reduced.
  • a noise reduction effect can be obtained by stabilizing the stray capacitance in the high impedance portion of the uppermost layer.
  • a self-diagnosis circuit is formed on a substrate on which an FET is mounted.
  • a ground pattern is disposed between the self-diagnosis circuit and the gate portion of the FET. The ground pattern can prevent current leakage from the self-diagnosis circuit to the gate portion. Furthermore, the action of the electric field and magnetic field generated in the self-diagnosis circuit on the gate portion can be reduced.
  • a pyroelectric infrared detector capable of enhancing the noise reduction effect is desired.
  • An object of the present invention is to provide a pyroelectric infrared detector capable of enhancing the noise reduction effect.
  • a pyroelectric infrared detector provides: A substrate on which a ground pattern is formed; A pyroelectric element mounted on the substrate; An electronic circuit element that is mounted on the substrate and outputs an electrical signal depending on a voltage generated in the pyroelectric element; A stem for supporting the substrate; The stem includes a lead terminal that outputs an electric signal from the electronic circuit element, a ground lead terminal that applies a ground potential to the ground pattern from the outside, and a support base that is electrically connected to the ground lead terminal, The ground pattern is electrically connected to the support base in at least two places.
  • the pyroelectric infrared detector according to the second aspect of the present invention includes: The stem further includes a stud that protrudes upward from the support and supports the substrate; The stud is in electrical contact with the ground pattern.
  • the pyroelectric infrared detector according to the third aspect of the present invention includes:
  • the ground lead terminal includes a protrusion protruding upward from the support; A part of the protruding portion of the ground lead terminal is inserted into the first through hole of the substrate and electrically connected to the ground pattern, The stud is connected to the ground pattern on the top surface of the stud.
  • the pyroelectric infrared detector according to the fourth aspect of the present invention includes: The ground pattern is disposed on an upper surface and a lower surface of the substrate, and the ground pattern on the upper surface of the substrate and the ground pattern on the lower surface of the substrate are the first through hole and the first They are connected to each other through a second through hole arranged at a different position from the through hole.
  • the distance from the connection point between the stud and the ground pattern to the second through hole is shorter than the distance from the connection point between the stud and the ground pattern to the first through hole.
  • the stud is thicker than the protruding portion of the ground lead terminal.
  • the pyroelectric infrared detector according to the sixth aspect of the present invention is induced by a wiring pattern connecting the pyroelectric element and the lead terminal, in addition to the configurations of the infrared detectors according to the first to fifth aspects. And a noise removal circuit for causing the noise current to flow through the ground pattern.
  • the ground pattern is electrically connected to the support base in at least two places, the ground can be strengthened. Thereby, noise tolerance can be improved.
  • the stud has both a function of supporting the substrate and a function of applying a ground potential to the ground pattern.
  • a current path from the ground pattern to the support base via the ground lead terminal and a current path from the ground pattern to the support base via the stud are formed. The Thereby, the ground can be strengthened.
  • the current path from the ground pattern formed on the upper surface to the support base via the first through hole and the second through hole are supported.
  • a current path to the table is formed. Since the distance from the connection point between the stud and the ground pattern to the second through hole is shorter than the distance from the connection point between the stud and the ground pattern to the first through hole, the distance from the ground pattern formed on the upper surface to the second through hole is small.
  • the current path from the through hole and the stud to the support base is shortened. Thereby, the ground can be strengthened.
  • the impedance of the current path passing through the stud can be reduced. For this reason, high-frequency noise current tends to flow.
  • the noise resistance can be improved.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of the pyroelectric infrared detector according to the first embodiment.
  • 2A is a cross-sectional view passing through the centers of two studs of the pyroelectric infrared detector according to the first embodiment
  • FIG. 2B is a cross-sectional view passing through the centers of the ground lead terminal and the first lead terminal.
  • FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the pyroelectric infrared detector according to the first embodiment and an output signal processing circuit of the pyroelectric infrared detector.
  • 4A is a partial cross-sectional view of the pyroelectric infrared detector according to Example 1
  • FIG. 4B is a partial cross-sectional view of the pyroelectric infrared detector according to the comparative example.
  • FIGS. 5A and 5B are graphs showing the results of an evaluation experiment of noise resistance of the infrared detector according to the comparative example shown in FIG. 4B.
  • FIGS. 5C and 5D are graphs showing noise resistance of the infrared detector according to Example 1.
  • FIG. It is a graph which shows the result of evaluation experiment.
  • 6A to 6C are equivalent circuit diagrams of an infrared detector according to a modification of the first embodiment.
  • FIG. 7 is an equivalent circuit diagram of the pyroelectric infrared detector according to the second embodiment.
  • FIG. 8A is a plan view of the stem and substrate of the pyroelectric infrared detector according to the third embodiment, and
  • FIG. 8B is a cross-sectional view taken along one-dot chain line 8B-8B in FIG. 8A.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of the pyroelectric infrared detector according to the first embodiment.
  • the substrate 20 is supported and fixed to the stem 10.
  • the stem 10 includes a support base 11, a ground lead terminal 12, a first lead terminal 13, a second lead terminal 14, and two studs 15.
  • the support base 11 has a circular planar shape.
  • the ground lead terminal 12 includes a protruding portion that protrudes upward from the support base 11 and a lead portion that extends downward, and is electrically connected (short-circuited) to the support base 11.
  • Each of the studs 15 protrudes upward from the upper surface of the support base 11, and is lower than the protrusion protruding above the ground lead terminal 12. Furthermore, each of the studs 15 is thicker than the ground lead terminal 12 and has a flat upper surface.
  • the support base 11, the ground lead terminal 12, and the stud 15 can be formed of a single conductive material (for example, a metal material).
  • 1st lead terminal 13 and 2nd lead terminal 14 penetrate the penetration hole provided in support stand 11 in the up-and-down direction.
  • the first lead terminal 13 and the second lead terminal 14 are fixed to the support base 11 by an insulating material 16 embedded in the through hole, and are electrically insulated from the support base 11.
  • a ground pattern 21 is formed on the upper surface of the substrate 20, and a ground pattern (not shown in FIG. 1) is also formed on the lower surface. Further, a pair of pads 23 and 24 are formed on the upper surface of the substrate 20. One pad 23 is continuous with the ground pattern 21. The signal wiring pattern 30 continues to the other pad 24.
  • a first through hole 25 is provided on the substrate 20 at a position corresponding to the ground lead terminal 12.
  • a second through hole 26 is provided inside the ground pattern 21 or the pad 23.
  • the ground pattern 21 is electrically connected to the ground pattern on the lower surface of the substrate 20 through the first through hole 25 and the second through hole 26.
  • a third through hole 27 and a fourth through hole 28 are formed at positions corresponding to the first lead terminal 13 and the second lead terminal 14, respectively.
  • a through hole 29 for connecting the upper conductive pattern and the lower conductive pattern is formed as necessary.
  • the electronic circuit element 33 is mounted on the lower surface of the substrate 20.
  • the upper ends of the ground lead terminal 12, the first lead terminal 13, and the second lead terminal 14 are inserted into the first through hole 25, the third through hole 27, and the fourth through hole 28, respectively, and soldered.
  • a pyroelectric element 40 is mounted on the upper surface of the substrate 20.
  • a pair of terminals of the pyroelectric element 40 are connected to the pads 23 and 24, respectively.
  • the substrate 20 When the ground pattern formed on the lower surface of the substrate 20 contacts the upper surface of the stud 15, the substrate 20 is supported at a certain height. Further, a ground pattern formed on the lower surface of the substrate 20 is electrically connected to the stud 15.
  • FIG. 2A and 2B are sectional views of the pyroelectric infrared detector according to the first embodiment.
  • FIG. 2A is a longitudinal sectional view passing through the centers of the two studs 15, and
  • FIG. 2B is a longitudinal sectional view passing through the centers of the ground lead terminal 12 and the first lead terminal 13.
  • two studs 15 protrude upward from the upper surface of the support base 11.
  • a ground pattern 21 and pads 23 and 24 are formed on the upper surface of the substrate 20, and a ground pattern 22 is formed on the lower surface.
  • the ground pattern 22 on the lower surface is in contact with and electrically connected to the upper surface of the stud 15.
  • the ground pattern 22 on the lower surface and the ground pattern 21 on the upper surface are connected to each other via a conductive material in the second through hole 26.
  • An electronic circuit element 33 is mounted on the lower surface of the substrate 20.
  • a pyroelectric element 40 is mounted on the upper surface of the substrate 20. A pair of terminals of the pyroelectric element 40 are connected to the pads 23 and 24, respectively.
  • the substrate 20 and the pyroelectric element 40 supported by the stem 10 are covered with a cap 41 and sealed.
  • An infrared transmission window 42 is provided on the top surface of the cap 41. Infrared light passes through the infrared transmission window 42 and enters the pyroelectric element 40.
  • the support base 11, the stud 15, and the ground lead terminal 12 are formed of a single metal material.
  • the first lead terminal 13 vertically penetrates the through hole provided in the support base 11.
  • the first lead terminal 13 is fixed to the support base 11 by an insulating material 16 filled in the through hole.
  • a part (upper end) of the ground lead terminal 12 is inserted into the first through hole 25 of the substrate 20, and a part (upper end) of the first lead terminal 13 is inserted into the third through hole 27 of the substrate 20.
  • the ground lead terminal 12 is connected to the ground patterns 21 and 22 by the solder 35 filled in the first through hole 25.
  • the first lead terminal 13 is connected to the signal wiring pattern 30 formed on the substrate 20 by the solder 36 filled in the third through hole 27.
  • a ground potential is applied to the ground patterns 21 and 22 through the ground lead terminal 12 from the outside.
  • One terminal of the pyroelectric element 40 is fixed to one pad 23 on the upper surface of the substrate 20.
  • the pad 23 is continuous with the ground pattern 21.
  • FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram of the pyroelectric infrared detector 50 according to the first embodiment and the output signal processing circuit of the pyroelectric infrared detector 50.
  • the pyroelectric infrared detector 50 includes a field effect transistor (FET) 51, an inductor 53, and a capacitor 54 as electronic circuit elements 33 (FIGS. 1 and 2A) mounted on the substrate 20.
  • FET field effect transistor
  • the pyroelectric element 40 As the pyroelectric element 40, a dual element in which two electrode pairs are provided on a pyroelectric ceramic plate is employed. Two pairs of electrodes are connected in series with opposite polarities.
  • the pyroelectric element 40 may be a single element provided with one set of electrode pairs, or a quad element provided with four sets of electrode pairs. In addition, it is possible to employ pyroelectric elements having various structures.
  • One terminal of the pyroelectric element 40 is connected to the ground lead terminal 12 via the ground patterns 21 and 22, and the other terminal is connected to the gate terminal of the FET 51.
  • the drain terminal of the FET is connected to the second lead terminal 14, and the source terminal is connected to the first lead terminal 13 via the inductor 53.
  • the FET 51 outputs an electrical signal depending on the voltage generated in the pyroelectric element 40.
  • the FET 51 has a function of reducing the high output impedance of the pyroelectric element 40.
  • a connection point between the first lead terminal 13 and the inductor 53 is connected to the ground patterns 21 and 22 via the capacitor 54.
  • the inductor 53 and the capacitor 54 constitute a noise removal circuit 52.
  • the noise removal circuit 52 has a function of flowing high-frequency noise current induced in the pyroelectric element 40 and the signal wiring pattern formed on the substrate 20 to the ground patterns 21 and 22.
  • the power supply voltage VDD is applied to the drain terminal of the FET 51 through the second lead terminal 14.
  • the ground lead terminal 12 is grounded.
  • a source resistor 60 is inserted between the first lead terminal 13 and the ground lead terminal 12.
  • the first lead terminal 13 is connected to the amplifier 62.
  • the amplifier 62 for example, a voltage follower circuit of an operational amplifier is used.
  • An output signal of the amplifier 62 is input to the comparator 63.
  • the output voltage of the comparator 63 becomes high (H) level when the input voltage is equal to or higher than the reference voltage, and becomes low (L) level when the input voltage is lower than the reference voltage.
  • FIG. 4A shows a partial cross-sectional view of the pyroelectric infrared detector according to the first embodiment.
  • a ground pattern 21 is formed on the upper surface of the substrate 20, and a ground pattern 22 is formed on the lower surface.
  • the ground pattern 21 on the upper surface and the ground pattern 22 on the lower surface are connected to the ground lead terminal 12.
  • a ground pattern 22 on the lower surface is connected to the stud 15.
  • the ground pattern 21 on the upper surface is connected to the ground pattern 22 on the lower surface via the inside of the second through hole 26.
  • the ground patterns 21 and 22 formed on the substrate 20 are electrically connected to the support base 11 at at least two positions: the position where the ground lead terminal 12 is disposed and the position where the stud 15 is disposed.
  • the distance from the connection point P between the stud 15 and the ground pattern 22 on the lower surface to the second through hole 26 is shorter than the distance from the connection point P to the first through hole 25.
  • a current path 70 that passes through the ground pattern 22, the point P, and the stud 15, and a current path that passes through the ground pattern 22 and the ground lead terminal 12. 71 is formed.
  • a current path 73 passing through the second through hole 26, the ground pattern 22, and the ground lead terminal 12, and a current path 74 passing through the ground pattern 21, the first through hole 25, and the ground lead terminal 12 are formed.
  • FIG. 4B shows a partial cross-sectional view of a pyroelectric infrared detector according to a comparative example.
  • the ground pattern 22 on the lower surface is not electrically connected to the stud 15. Only a current path 71 that passes through the ground pattern 22 and the ground lead terminal 12 is formed as a current path from the point A in the ground pattern 22 on the lower surface to the support base 11. Only a current path 74 passing through the ground pattern 21, the first through hole 25, and the ground lead terminal 12 is formed as a current path from the point B in the ground pattern 21 on the upper surface to the support base 11.
  • the point A is connected to the support base 11 by two current paths 70 and 71, and the point B is connected to the support base 11 by three current paths 72, 73, and 74.
  • the point A is connected to the support base 11 by only one current path 71, and the point B is connected to the support base 11 by only one current path 73.
  • the points A and B in the ground patterns 21 and 22 are connected to the support base 11 through more current paths than in the comparative example. For this reason, the ground can be strengthened. Thereby, noise tolerance can be improved.
  • the shortest current path from the point P to the second through hole 26 is defined as the first through hole 25 from the point P. It is preferable that the current path be shorter than the shortest current path.
  • the ground patterns 21 and 22 of the substrate 20 are electrically connected to the support base 11 at a total of three locations via one ground lead terminal 12 and two studs 15.
  • the ground patterns 21 and 22 of the substrate 20 may be electrically connected to the support base 11 at two locations.
  • the ground patterns 21 and 22 may be electrically connected to the support base 11 via one ground lead terminal 12 and one stud 15.
  • the upper end of the ground lead terminal 12 may not be connected to the ground pattern 22 but the two studs 15 may be connected to the ground pattern 22.
  • the ground patterns 21 and 22 may be electrically connected to the support base 11 at four or more locations.
  • the infrared detector according to the comparative example has the same configuration as the infrared detector according to the first embodiment except that the stud 15 is not connected to the ground pattern 22 on the lower surface of the substrate 20.
  • the infrared detector was placed in an anechoic chamber, the infrared detector was irradiated with high frequency electromagnetic noise, and the output signal of the comparator 63 (FIG. 3) was monitored with an oscilloscope.
  • the frequency of the high frequency electromagnetic noise was changed in the range of 1 GHz to 2.7 GHz.
  • the electric field strength at the position where the infrared detector is disposed was 15 V / m or 20 V / m.
  • the high frequency electromagnetic noise was on / off modulated with a modulation pulse having a frequency of 1 Hz and a duty of 50%.
  • the modulation time was 3 seconds.
  • FIGS. 5A and 5B show the evaluation results of the infrared detector according to the comparative example
  • FIGS. 5C and 5D show the evaluation results of the infrared detector according to Example 1.
  • FIG. 5A and 5C show the evaluation results when the electric field strength of the high frequency electromagnetic noise is 15 V / m
  • FIGS. 5B and 5D show the evaluation results when the electric field strength of the high frequency electromagnetic noise is 20 V / m.
  • the horizontal axis of FIGS. 5A to 5D represents the frequency of the high frequency electromagnetic noise in the unit “GHz”
  • the vertical axis represents the output level of the comparator 63 (FIG. 3).
  • the output level is L level, it means that there is no false detection
  • the output level is H level, it means that there is a false detection.
  • FIGS. 6A to 6C show equivalent circuit diagrams of the infrared detectors according to the respective modifications.
  • an inductor 55 is inserted between the drain of the FET 51 and the second lead terminal 14. Further, the connection point between the inductor 55 and the second lead terminal 14 is connected to the ground patterns 21 and 22 via the capacitor 56.
  • the inductors 53 and 55 and the capacitors 54 and 56 constitute a noise removal circuit 52.
  • the inductors 53 and 55 of the modification shown in FIG. 6A are omitted.
  • a gate resistor 57 may be inserted in parallel with the pyroelectric element 40 of the modification shown in FIG. 6B.
  • the noise tolerance can be increased as in the first embodiment.
  • an infrared detector according to the second embodiment will be described.
  • differences from the first embodiment shown in FIGS. 1 to 3 will be described, and description of common configurations will be omitted.
  • FIG. 7 shows an equivalent circuit diagram of the pyroelectric infrared detector 50 according to the second embodiment.
  • One terminal of the pyroelectric element 40 is connected to the ground patterns 21 and 22, and the other terminal is connected to the input terminal of the A / D converter 58.
  • the A / D converter 58 A / D converts the voltage between the terminals of the pyroelectric element 40.
  • a parallel digital signal obtained by A / D converting the voltage between the terminals of the pyroelectric element 40 is input to the parallel-serial conversion circuit 59.
  • a serial digital signal that has been subjected to parallel-serial conversion by the parallel-serial conversion circuit 59 is output from the first lead terminal 13.
  • the power supply voltage VDD is supplied from the second lead terminal 14 to the A / D converter 58 and the parallel / serial conversion circuit 59.
  • Example 1 shown in FIGS. 1 to 3 the voltage generated in the pyroelectric element 40 is output as an analog signal.
  • the voltage generated in the pyroelectric element 40 is output as a digital signal.
  • the ground patterns 21 and 22 formed on the substrate 20 are electrically connected to the support base 11 (FIG. 1) in at least two places, thereby improving the high-frequency noise resistance. Can do.
  • Example 3 an infrared detector according to Example 3 will be described with reference to FIGS. 8A and 8B.
  • differences from the first embodiment shown in FIGS. 1 to 3 will be described, and description of common configurations will be omitted.
  • FIG. 8A shows a plan view of the stem 10 and the substrate 20 of the pyroelectric infrared detector according to the third embodiment.
  • the stem 10 and the substrate 20 have a rectangular or square planar shape.
  • a first through hole 25, a third through hole 27, and a fourth through hole 28 are formed in the substrate 20.
  • a pyroelectric element 40 is mounted on the upper surface of the substrate 20.
  • FIG. 8B shows a cross-sectional view taken along one-dot chain line 8B-8B in FIG. 8A.
  • the support base 11 of the stem 10 includes a rectangular or square bottom plate 17, a side plate 18 rising upward from an edge of the bottom plate 17, and a flange 19 projecting outward from the upper end of the side plate 18.
  • the stud 15 (FIG. 1) provided in the stem 10 of the first embodiment is not provided in the stem 10 of the third embodiment.
  • the ground pattern 22 on the lower surface of the substrate 20 extends to the vicinity of the edge of the substrate 20.
  • the ground pattern 22 is electrically connected to the upper surface of the flange portion 19 of the support base 11 in a region near the edge.
  • the ground pattern 22 is electrically connected to the support base 11 at at least two locations of the connection location with the ground lead terminal 12 and the connection location with the flange portion 19. For this reason, as in the case of the first embodiment, the noise resistance can be increased.

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Abstract

【解決手段】基板にグランドパターンが形成されている。基板に焦電素子及び電子回路素子が実装されている。電子回路素子は、焦電素子に発生した電圧に依存する電気信号を出力する。基板はステムに支持される。ステムは、電子回路素子からの電気信号を出力するリード端子、グランドパターンに外部からグランド電位を与えるグランドリード端子、及びグランドリード端子に電気的に接続されている支持台を含む。基板に形成されたグランドパターンは、少なくとも２か所において支持台に電気的に接続されている。上記構成により、ノイズの低減効果を高めることができる。

Description

焦電型赤外線検出器
　本発明は、焦電型赤外線検出器に関する。
　ノイズ低減効果を高めた焦電型赤外線検出器が、特許文献１及び特許文献２に開示されている。特許文献１に開示された焦電型赤外線検出器においては、三層に積層されたプリント配線板に焦電素子が支持されている。グランドパターンと電源パターンとが、二層目以下のプリント配線板にベタパターンで形成され、それぞれ別の層に配置される。この構成により、高周波に対するインピーダンスを効果的に低減することができる。最上層の高インピーダンス部分の浮遊容量の安定化が図られることにより、ノイズ低減効果が得られる。
　特許文献２に開示された焦電型赤外線検出器においては、ＦＥＴが実装された基板に自己診断回路が形成されている。この自己診断回路とＦＥＴのゲート部との間に、グランドパターンが配置されている。グランドパターンにより、自己診断回路からゲート部への電流のリークを防止することができる。さらに、自己診断回路で発生する電界と磁界の、ゲート部への作用を低減することができる。
特開平６－１１７９２６号公報 実開平６－４９９７４号公報
　ノイズの低減効果を高めることができる焦電型赤外線検出器が望まれている。本発明の目的は、ノイズの低減効果を高めることができる焦電型赤外線検出器を提供することである。
　本発明の第１の観点による焦電型赤外線検出器は、
　グランドパターンが形成された基板と、
　前記基板に実装された焦電素子と、
　前記基板に実装され、前記焦電素子に発生した電圧に依存する電気信号を出力する電子回路素子と、
　前記基板を支持するステムと
を有し、
　前記ステムは、前記電子回路素子からの電気信号を出力するリード端子、前記グランドパターンに外部からグランド電位を与えるグランドリード端子、及び前記グランドリード端子に電気的に接続されている支持台を含み、前記グランドパターンは、少なくとも２か所において前記支持台に電気的に接続されている。
　本発明の第２の観点による焦電型赤外線検出器は、第１の観点による赤外線検出器の構成に加えて、
　前記ステムが、さらに、前記支持台から上方に突出し、前記基板を支持するスタッドを含み、
　前記スタッドが、前記グランドパターンに電気的に接触している。
　本発明の第３の観点による焦電型赤外線検出器は、第２の観点による赤外線検出器の構成に加えて、
　前記グランドリード端子が、前記支持台から上方に突出した突出部を含み、
　前記グランドリード端子の前記突出部の一部は、前記基板の第１のスルーホールに挿入されて前記グランドパターンに電気的に接続されており、
　前記スタッドは、該スタッドの上面において前記グランドパターンに接続されている。
　本発明の第４の観点による焦電型赤外線検出器は、第３の観点による赤外線検出器の構成に加えて、
　前記グランドパターンが、前記基板の上面及び下面に配置されており、前記基板の上面の前記グランドパターンと、前記基板の下面の前記グランドパターンとが、前記第１のスルーホール及び、前記第１のスルーホールとは異なる位置に配置された第２のスルーホールを介して相互に接続されておおり、
　前記スタッドと前記グランドパターンとの接続箇所から前記第２のスルーホールまでの距離が、前記スタッドと前記グランドパターンとの接続箇所から前記第１のスルーホールまでの距離より短い。
　本発明の第５の観点による焦電型赤外線検出器は、第３または第４の観点による赤外線検出器の構成に加えて、前記スタッドが、前記グランドリード端子の前記突出部より太い。
　本発明の第６の観点による焦電型赤外線検出器は、第１乃至第５の観点による赤外線検出器の構成に加えて、前記焦電素子と前記リード端子とを接続する配線パターンに誘起されたノイズ電流を前記グランドパターンに流すノイズ除去回路を、さらに有する。
　第１の観点による焦電型赤外線検出器においては、グランドパターンが、少なくとも２か所において支持台に電気的に接続されているため、グランドを強化することができる。これにより、ノイズ耐性を高めることができる。
　第２の観点による焦電型赤外線検出器においては、スタッドが、基板を支持する機能と、グランドパターンにグランド電位を与える機能とを併せ持つ。
　第３の観点による焦電型赤外線検出器においては、グランドパターンからグランドリード端子を経由して支持台に至る電流経路と、グランドパターンからスタッドを経由して支持台に至る電流経路とが形成される。これにより、グランドを強化することができる。
　第４の観点による焦電型赤外線検出器においては、上面に形成されたグランドパターンから、第１のスルーホールを経由して支持台に至る電流経路と、第２のスルーホールを経由して支持台に至る電流経路とが形成される。スタッドとグランドパターンとの接続箇所から第２のスルーホールまでの距離が、スタッドとグランドパターンとの接続箇所から第１のスルーホールまでの距離より短いため、上面に形成されたグランドパターンから第２のスルーホール及びスタッドを経由して支持台に至る電流経路が短くなる。これにより、グランドを強化することができる。
　第５の観点による焦電型赤外線検出器においては、スタッドが太いため、スタッドを経由する電流経路のインピーダンスを小さくすることができる。このため、高周波ノイズ電流が流れやすくなる。
　第６の観点による焦電型赤外線検出器においては、配線パターンに誘起されたノイズ電流がノイズ除去回路を経由してグランドパターンに流れるため、ノイズ耐性を高めることができる。
図１は、実施例１による焦電型赤外線検出器の分解斜視図である。 図２Ａは、実施例１による焦電型赤外線検出器の２つのスタッドの中心を通過する断面図であり、図２Ｂは、グランドリード端子及び第１のリード端子の中心を通過する断面図である。 図３は、実施例１による焦電型赤外線検出器、及び焦電型赤外線検出器の出力信号処理回路の等価回路図である。 図４Ａは、実施例１による焦電型赤外線検出器の部分断面図であり、図４Ｂは、比較例による焦電型赤外線検出器の部分断面図である。 図５Ａ及び図５Ｂは、図４Ｂに示した比較例による赤外線検出器のノイズ耐性の評価実験の結果を示すグラフであり、図５Ｃ及び図５Ｄは、実施例１による赤外線検出器のノイズ耐性の評価実験の結果を示すグラフである。 図６Ａ～図６Ｃは、実施例１の変形例による赤外線検出器の等価回路図である。 図７は、実施例２による焦電型赤外線検出器の等価回路図である。 図８Ａは、実施例３による焦電型赤外線検出器のステム及び基板の平面図であり、図８Ｂは、図８Ａの一点鎖線８Ｂ－８Ｂにおける断面図である。
　図１に、実施例１による焦電型赤外線検出器の分解斜視図を示す。基板２０は、ステム１０に支持され、固定される。ステム１０は、支持台１１、グランドリード端子１２、第１のリード端子１３、第２のリード端子１４、及び２つのスタッド１５を含む。支持台１１は円形の平面形状を有する。
　グランドリード端子１２は、支持台１１から上方に向かって突出した突出部、及び下方に向かって延びる引出部を含み、支持台１１に電気的に接続（短絡）されている。スタッド１５の各々は、支持台１１の上面から上方に向って突出しており、グランドリード端子１２の上方に突出した突出部よりも低い。さらに、スタッド１５の各々は、グランドリード端子１２よりも太く、かつ平坦な上面を有する。支持台１１、グランドリード端子１２、及びスタッド１５は、単一の導電性材料（例えば金属材料）で形成することができる。
　第１のリード端子１３及び第２のリード端子１４は、支持台１１に設けられた貫通孔を上下方向に貫通する。第１のリード端子１３及び第２のリード端子１４は、貫通孔に埋め込まれた絶縁材１６により支持台１１に固定されており、支持台１１から電気的に絶縁されている。
　基板２０の上面にグランドパターン２１が形成されており、下面にもグランドパターン（図１には現れていない）が形成されている。さらに、基板２０の上面に、一対のパッド２３、２４が形成されている。一方のパッド２３は、グランドパターン２１に連続する。他方のパッド２４に信号配線パターン３０が連続する。
　基板２０の、グランドリード端子１２に対応する位置に、第１のスルーホール２５が設けられている。グランドパターン２１またはパッド２３の内側に、第２のスルーホール２６が設けられている。グランドパターン２１は、第１のスルーホール２５及び第２のスルーホール２６内を経由して、基板２０の下面のグランドパターンに電気的に接続される。第１のリード端子１３及び第２のリード端子１４に対応する位置に、それぞれ第３のスルーホール２７及び第４のスルーホール２８が形成されている。その他に、必要に応じて、上面の導電パターンと下面の導電パターンとを接続するためのスルーホール２９が形成されている。
　基板２０の下面に、電子回路素子３３が実装されている。グランドリード端子１２、第１のリード端子１３、及び第２のリード端子１４の上端が、それぞれ第１のスルーホール２５、第３のスルーホール２７、及び第４のスルーホール２８に挿入され、半田によって固定される。基板２０の上面に、焦電素子４０が実装される。焦電素子４０の一対の端子が、それぞれパッド２３、２４に接続される。
　基板２０の下面に形成されているグランドパターンが、スタッド１５の上面に接触することにより、基板２０が一定の高さに支持される。さらに、基板２０の下面に形成されているグランドパターンがスタッド１５に電気的に接続される。
　図２Ａ及び図２Ｂに、実施例１による焦電型赤外線検出器の断面図を示す。図２Ａは、２つのスタッド１５の中心を通過する縦断面図であり、図２Ｂは、グランドリード端子１２及び第１のリード端子１３の中心を通過する縦断面図である。
　図２Ａに示すように、支持台１１の上面から上方に向って、２つのスタッド１５が突出している。基板２０の上面に、グランドパターン２１、及びパッド２３、２４が形成されており、下面に、グランドパターン２２が形成されている。下面のグランドパターン２２が、スタッド１５の上面に接触し、電気的に接続されている。下面のグランドパターン２２と、上面のグランドパターン２１とが、第２のスルーホール２６内の導電材を介して相互に接続されている。基板２０の下面に電子回路素子３３が実装されている。基板２０の上面に、焦電素子４０が実装されている。焦電素子４０の一対の端子が、それぞれパッド２３、２４に接続されている。
　ステム１０に支持された基板２０及び焦電素子４０が、キャップ４１で覆われて、封止されている。キャップ４１の天面に、赤外線透過窓４２が設けられている。赤外線が赤外線透過窓４２を透過して、焦電素子４０に入射する。
　図２Ｂに示すように、支持台１１、スタッド１５、及びグランドリード端子１２が、単一の金属材料で形成されている。支持台１１に設けられた貫通孔を第１のリード端子１３が上下に貫通している。この貫通孔内に充填された絶縁材１６により、第１のリード端子１３が支持台１１に固定されている。
　グランドリード端子１２の一部（上端）が、基板２０の第１のスルーホール２５に挿入されており、第１のリード端子１３の一部（上端）が、基板２０の第３のスルーホール２７に挿入されている。第１のスルーホール２５に充填された半田３５により、グランドリード端子１２がグランドパターン２１、２２に接続されている。第３のスルーホール２７に充填された半田３６により、第１のリード端子１３が、基板２０に形成された信号配線パターン３０に接続されている。外部からグランドリード端子１２を通して、グランドパターン２１、２２にグランド電位が与えられる。
　焦電素子４０の一方の端子が、基板２０の上面の一方のパッド２３に固定されている。パッド２３は、グランドパターン２１に連続している。
　図３に、実施例１による焦電型赤外線検出器５０、及び焦電型赤外線検出器５０の出力信号の処理回路の等価回路図を示す。焦電型赤外線検出器５０は、基板２０に実装された電子回路素子３３（図１、図２Ａ）として、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）５１、インダクタ５３、及びキャパシタ５４を含む。
　焦電素子４０として、焦電体セラミック板に二組の電極対が設けられたデュアル素子が採用される。二組の電極対は、相互に逆向きの極性で直列に接続される。その他に、焦電素子４０として、一組の電極対を設けたシングル素子と採用してもよいし、四組の電極対を設けたクワッド素子を採用してもよい。さらに、その他に、種々の構造の焦電素子を採用することが可能である。
　焦電素子４０の一方の端子が、グランドパターン２１、２２を介してグランドリード端子１２に接続されており、他方の端子がＦＥＴ５１のゲート端子に接続されている。ＦＥＴのドレイン端子が、第２のリード端子１４に接続されており、ソース端子が、インダクタ５３を介して第１のリード端子１３に接続されている。
　ＦＥＴ５１は、焦電素子４０に発生した電圧に依存する電気信号を出力する。ＦＥＴ５１は、焦電素子４０の高い出力インピーダンスを低下させる機能を有する。第１のリード端子１３とインダクタ５３との接続点が、キャパシタ５４を介してグランドパターン２１、２２に接続されている。インダクタ５３とキャパシタ５４とにより、ノイズ除去回路５２が構成される。ノイズ除去回路５２は、焦電素子４０、基板２０に形成されている信号配線パターンに誘起された高周波ノイズ電流をグランドパターン２１、２２に流す機能を有する。
　次に、焦電型赤外線検出器５０の外部の回路について説明する。第２のリード端子１４を介してＦＥＴ５１のドレイン端子に電源電圧ＶＤＤが印加される。グランドリード端子１２が接地される。第１のリード端子１３とグランドリード端子１２との間にソース抵抗６０が挿入される。
　第１のリード端子１３が、増幅器６２に接続される。増幅器６２には、例えばオペアンプのボルテージフォロワ回路が用いられる。増幅器６２の出力信号が、比較器６３に入力される。比較器６３の出力電圧は、入力電圧が参照電圧以上のときハイ（Ｈ）レベルとなり、入力電圧が参照電圧未満のときロー（Ｌ）レベルとなる。
　次に、図４Ａ及び図４Ｂを参照して、上記実施例１による焦電型赤外線検出器の優れた効果について説明する。
　図４Ａに、実施例１による焦電型赤外線検出器の部分断面図を示す。基板２０の上面にグランドパターン２１が形成されており、下面にグランドパターン２２が形成されている。第１のスルーホール２５の位置において、上面のグランドパターン２１及び下面のグランドパターン２２が、グランドリード端子１２に接続されている。下面のグランドパターン２２がスタッド１５に接続されている。上面のグランドパターン２１が、第２のスルーホール２６内を経由して下面のグランドパターン２２に接続されている。基板２０に形成されたグランドパターン２１、２２は、グランドリード端子１２が配置された位置、及びスタッド１５が配置された位置の少なくとも２か所で、支持台１１に電気的に接続されている。
　スタッド１５と下面のグランドパターン２２との接続箇所Ｐから第２のスルーホール２６までの距離は、接続箇所Ｐから第１のスルーホール２５までの距離より短い。
　下面のグランドパターン２２内の点Ａから支持台１１に至る電流経路として、グランドパターン２２、点Ｐ、及びスタッド１５を経由する電流経路７０、及びグランドパターン２２、グランドリード端子１２を経由する電流経路７１が形成される。上面のグランドパターン２１内の点Ｂから支持台１１に至る電流経路として、グランドパターン２１、第２のスルーホール２６、グランドパターン２２、点Ｐ、及びスタッド１５を経由する電流経路７２、グランドパターン２１、第２のスルーホール２６、グランドパターン２２、及びグランドリード端子１２を経由する電流経路７３、及びグランドパターン２１、第１のスルーホール２５、及びグランドリード端子１２を経由する電流経路７４が形成される。
　図４Ｂに、比較例による焦電型赤外線検出器の部分断面図を示す。比較例においては、下面のグランドパターン２２がスタッド１５に電気的に接続されていない。下面のグランドパターン２２内の点Ａから支持台１１に至る電流経路として、グランドパターン２２及びグランドリード端子１２を経由する電流経路７１のみが形成される。上面のグランドパターン２１内の点Ｂから支持台１１に至る電流経路として、グランドパターン２１、第１のスルーホール２５、及びグランドリード端子１２を経由する電流経路７４のみが形成される。
　図４Ａに示した実施例１においては、点Ａが２つの電流経路７０、７１により、支持台１１に接続され、点Ｂが３つの電流経路７２、７３、７４により支持台１１に接続される。これに対して、図４Ｂに示した比較例においては、点Ａは、１つの電流経路７１のみにより支持台１１に接続され、点Ｂは、１つの電流経路７３のみにより支持台１１に接続される。実施例１においては、グランドパターン２１、２２内の点Ａ、点Ｂが、比較例と比べてより多くの電流経路で支持台１１に接続される。このため、グランドを強化することができる。これにより、ノイズ耐性を高めることができる。
　上側のグランドパターン２１内の点Ｂから支持台１１に至る電流経路をできるだけ短くするために、点Ｐから第２のスルーホール２６までの最短の電流経路を、点Ｐから第１のスルーホール２５までの最短の電流経路より短くすることが好ましい。
　上記実施例では、基板２０のグランドパターン２１、２２が、１本のグランドリード端子１２、及び２つのスタッド１５を介して、合計３か所において支持台１１に電気的に接続されていた。その他の構成として、基板２０のグランドパターン２１、２２を、２か所において支持台１１に電気的に接続してもよい。例えば、１本のグランドリード端子１２及び１つのスタッド１５を介して、グランドパターン２１、２２を支持台１１に電気的に接続してもよい。または、グランドリード端子１２の上端は、グランドパターン２２に接続せず、２つのスタッド１５をグランドパターン２２に接続してもよい。さらに、４か所以上において、グランドパターン２１、２２を支持台１１に電気的に接続してもよい。
　図５Ａ～図５Ｄを参照して、図１～図３、及び図４Ａに示した実施例１による赤外線検出器、及び図４Ｂに示した比較例による赤外線検出器のノイズ耐性を評価した実験結果について説明する。比較例による赤外線検出器は、スタッド１５が基板２０の下面のグランドパターン２２に接続されていない点を除いて、実施例１による赤外線検出器と同一の構成を有する。
　赤外線検出器を電波暗室に配置し、赤外線検出器に高周波電磁ノイズを照射して、比較器６３（図３）の出力信号をオシロスコープでモニタした。高周波電磁ノイズの周波数は１ＧＨｚから２．７ＧＨｚの範囲で変化させた。赤外線検出器が配置されている位置における電界強度は、１５Ｖ／ｍまたは２０Ｖ／ｍとした。高周波電磁ノイズは、周波数１Ｈｚ、デューティ５０％の変調パルスでオンオフ変調した。変調時間は３秒とした。
　図５Ａ及び図５Ｂは、比較例による赤外線検出器の評価結果を示し、図５Ｃ及び図５Ｄは、実施例１による赤外線検出器の評価結果を示す。図５Ａ及び図５Ｃは、高周波電磁ノイズの電界強度が１５Ｖ／ｍのときの評価結果を示し、図５Ｂ及び図５Ｄは、高周波電磁ノイズの電界強度が２０Ｖ／ｍのときの評価結果を示す。図５Ａ～図５Ｄの横軸は高周波電磁ノイズの周波数を単位「ＧＨｚ」で表し、縦軸は、比較器６３（図３）の出力レベルを表す。出力レベルがＬレベルであることは、誤検出が無かったことを意味し、出力レベルがＨレベルであることは、誤検出が有ったことを意味する。
　比較例による赤外線検出器においては、誤検出が発生したが、実施例１による赤外線検出器においては、誤検出は発生しなかった。実施例１による赤外線検出器において、グランドを強化することにより、ノイズ耐性が向上したことが実験により確認された。
　図６Ａ～図６Ｃを参照して、図１～図３に示した実施例１の変形例について説明する。以下、図１～図３に示した実施例１との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。図６Ａ～図６Ｃは、各変形例による赤外線検出器の等価回路図を示す。
　図６Ａに示した変形例では、ＦＥＴ５１のドレインと第２のリード端子１４との間に、インダクタ５５が挿入されている。さらに、インダクタ５５と第２のリード端子１４との接続点が、キャパシタ５６を介してグランドパターン２１、２２に接続されている。インダクタ５３、５５、及びキャパシタ５４、５６が、ノイズ除去回路５２を構成する。
　図６Ｂに示した変形例では、図６Ａに示した変形例のインダクタ５３、５５が省略されている。図６Ｃに示すように、図６Ｂに示した変形例の焦電素子４０に並列にゲート抵抗５７を挿入してもよい。
　図６Ａ～図６Ｂに示した実施例においても、実施例１と同様に、ノイズ耐性を高めることができる。
　図７を参照して、実施例２による赤外線検出器について説明する。以下、図１～図３に示した実施例１との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。
　図７に、実施例２による焦電型赤外線検出器５０の等価回路図を示す。焦電素子４０の一方の端子がグランドパターン２１、２２に接続され、他方の端子がＡ／Ｄコンバータ５８の入力端子に接続されている。Ａ／Ｄコンバータ５８は、焦電素子４０の端子間電圧をＡ／Ｄ変換する。焦電素子４０の端子間電圧をＡ／Ｄ変換されて得られたパラレルデジタル信号が、パラレルシリアル変換回路５９に入力される。パラレルシリアル変換回路５９でパラレルシリアル変換されたシリアルデジタル信号が、第１のリード端子１３から出力される。第２のリード端子１４から、Ａ／Ｄコンバータ５８及びパラレルシリアル変換回路５９に、電源電圧ＶＤＤが供給される。
　図１～図３に示した実施例１では、焦電素子４０に発生した電圧がアナログ信号として出力された。これに対し、図７に示した実施例では、焦電素子４０に発生した電圧が、デジタル信号として出力される。図７に示した実施例においても、基板２０に形成されたグランドパターン２１、２２を、少なくとも２か所において支持台１１（図１）に電気的に接続することにより、高周波ノイズ耐性を高めることができる。
　次に、図８Ａ及び図８Ｂを参照して、実施例３による赤外線検出器について説明する。以下、図１～図３に示した実施例１との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。
　図８Ａに、実施例３による焦電型赤外線検出器のステム１０及び基板２０の平面図を示す。ステム１０及び基板２０は、長方形または正方形の平面形状を有する。基板２０に、第１のスルーホール２５、第３のスルーホール２７、及び第４のスルーホール２８が形成されている。基板２０の上面に焦電素子４０が実装されている。
　図８Ｂに、図８Ａの一点鎖線８Ｂ－８Ｂにおける断面図を示す。ステム１０の支持台１１が、長方形または正方形の底板１７、底板１７の縁から上方に立ち上がった側板１８、及び側板１８の上端から外側に張り出した鍔部１９を含む。実施例１のステム１０に設けられていたスタッド１５（図１）は、実施例３のステム１０には設けられていない。基板２０の下面のグランドパターン２２が、基板２０の縁の近傍まで広がっている。グランドパターン２２が、縁の近傍領域において、支持台１１の鍔部１９の上面に電気的に接続されている。
　実施例３においても、グランドパターン２２は、グランドリード端子１２との接続箇所、及び鍔部１９との接続箇所の少なくとも２か所において、支持台１１に電気的に接続される。このため、実施例１の場合と同様に、ノイズ耐性を高めることができる。
　各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
１０　ステム
１１　支持台
１２　グランドリード端子
１３　第１のリード端子
１４　第２のリード端子
１５　スタッド
１６　絶縁材
１７　底板
１８　側板
１９　鍔部
２０　基板
２１　上面のグランドパターン
２２　下面のグランドパターン
２３、２４　パッド
２５　第１のスルーホール
２６　第２のスルーホール
２７　第３のスルーホール
２８　第４のスルーホール
２９　スルーホール
３０　信号配線パターン
３３　電子回路素子
３５、３６　半田
４０　焦電素子
４１　キャップ
４２　赤外線透過窓
５０　焦電型赤外線検出器
５１　電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）
５２　ノイズ除去回路
５３　インダクタ
５４　キャパシタ
５５　インダクタ
５６　キャパシタ
５７　ゲート抵抗
５８　Ａ／Ｄコンバータ
５９　パラレルシリアル変換回路
６０　ソース抵抗
６２　増幅器
６３　比較器
７０、７１、７２、７３、７４　電流経路

Claims (6)

  1. 　グランドパターンが形成された基板と、
    　前記基板に実装された焦電素子と、
    　前記基板に実装され、前記焦電素子に発生した電圧に依存する電気信号を出力する電子回路素子と、
    　前記基板を支持するステムと
    を有し、
    　前記ステムは、前記電子回路素子からの電気信号を出力するリード端子、前記グランドパターンに外部からグランド電位を与えるグランドリード端子、及び前記グランドリード端子に電気的に接続されている支持台を含み、前記グランドパターンは、少なくとも２か所において前記支持台に電気的に接続されている焦電型赤外線検出器。
  2. 　前記ステムは、さらに、前記支持台から上方に突出し、前記基板を支持するスタッドを含み、
    　前記スタッドが、前記グランドパターンに電気的に接触している請求項１に記載の焦電型赤外線検出器。
  3. 　前記グランドリード端子は、前記支持台から上方に突出した突出部を含み、
    　前記グランドリード端子の前記突出部の一部は、前記基板の第１のスルーホールに挿入されて前記グランドパターンに電気的に接続されており、
    　前記スタッドは、該スタッドの上面において前記グランドパターンに接続されている請求項２に記載の焦電型赤外線検出器。
  4. 　前記グランドパターンは、前記基板の上面及び下面に配置されており、前記基板の上面の前記グランドパターンと、前記基板の下面の前記グランドパターンとが、前記第１のスルーホール及び、前記第１のスルーホールとは異なる位置に配置された第２のスルーホールを介して相互に接続されておおり、
    　前記スタッドと前記グランドパターンとの接続箇所から前記第２のスルーホールまでの距離が、前記スタッドと前記グランドパターンとの接続箇所から前記第１のスルーホールまでの距離より短い請求項３に記載の焦電型赤外線検出器。
  5. 　前記スタッドが、前記グランドリード端子の前記突出部より太い請求項３または４に記載の焦電型赤外線検出器。
  6. 　前記焦電素子と前記リード端子とを接続する配線パターンに誘起されたノイズ電流を前記グランドパターンに流すノイズ除去回路を、さらに有する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の焦電型赤外線検出器。
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