JP2018091797A

JP2018091797A - 赤外線センサ

Info

Publication number: JP2018091797A
Application number: JP2016237245A
Authority: JP
Inventors: 崇史奥戸; Takashi Okuto; 勝己垣本; Katsumi Kakimoto; 洋右萩原; Yosuke Hagiwara; 松浦　昭; Akira Matsuura; 昭松浦
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2016-12-07
Filing date: 2016-12-07
Publication date: 2018-06-14

Abstract

【課題】本発明は、赤外線の検出精度を向上させた赤外線センサを提供することを目的とする。
【解決手段】この目的を達成するために本発明は、基板２と、基板２に設けられた赤外線検出素子３と、基板２に設けられた支持部５と、支持部５に設けられたレンズ１１と、基板２に設けられ赤外線検出素子３と支持部５とを覆い孔６を有したパッケージ７と、支持部５とパッケージ７に接続された非球面形状の第１のミラー８を備え、孔６から入射した赤外線が第１のミラー８の凹面に反射した後に、レンズ１１を通過し、赤外線検出素子３に入射する構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、対象物の温度を非接触で検出する赤外線センサに関する。

従来、基板と、基板に設けられた赤外線検出素子と、赤外線検出素子を覆うパッケージを有した赤外線センサが知られている。（特許文献１）

特許第５８４２１１８号公報

しかしながら、上記従来の赤外線センサでは、広角に入射した赤外線に対する検出感度が悪いという課題があった。

本発明は、上記課題を解決し、広角に入射した赤外線に対しても感度よく検出することができる赤外線センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、基板と、前記基板に設けられた赤外線検出素子と、前記基板に設けられた支持部と、前記支持部に設けられたレンズと、前記基板に設けられ前記赤外線検出素子と前記支持部とを覆い孔を有したパッケージと、前記支持部と前記パッケージに接続された非球面形状の第１のミラーを備え、前記孔から入射した赤外線が前記第１のミラーの凹面に反射した後に、前記レンズを通過し、前記赤外線検出素子に入射する構成とした。

本発明の赤外線センサは、赤外線がミラーで反射してから赤外線検出素子に入射するため、広角に入射した赤外線でも感度よく検出することができる。

実施の形態１の赤外線センサの側断面図同赤外線センサのミラーの位置関係を示す図同赤外線センサの赤外線検出素子の配置を表す図実施の形態２の赤外線センサの側断面図

以下に、実施の形態に係る赤外線センサについて図面を用いて説明をする。なお、各図面において、同様の構成については、同一の符号を付し、説明を省略する。また、各実施の形態における各構成要素は矛盾のない範囲で任意に組み合わせても良い。
（実施の形態１）
以下に、実施の形態１における赤外線センサについて図面を用いながら説明する。

図１は実施の形態１の赤外線センサの側断面図、図２は同赤外線センサのミラーの位置関係を示す図、図３は同赤外線センサの赤外線検出素子の配置を表す図を示している。図２において、パッケージ内の構成は破線で示してある。

赤外線センサ１は、基板２と、基板２に設けられた赤外線検出素子３と、赤外線検出素子３の出力を処理する処理回路素子４と、支持部５と、赤外線検出素子３と処理回路素子４と支持部５とを覆い孔６を有したパッケージ７と、パッケージ７と支持部５に接続された第１のミラー８と第２のミラー９と、を有している。基板２は主面１０を有し、赤外線検出素子３と、処理回路素子４と、支持部５と、パッケージ７は主面１０に設けられている。支持部５にはレンズ１１が設けられている。なお、以降の説明では、図１における孔６と赤外線検出素子３を結ぶ方向をＸ軸方向、基板２の主面１０のある平面方向でＸ軸と直交する方向をＹ軸方向、Ｘ軸、Ｙ軸と直交する方向をＺ軸方向として説明する。また、図面において、Ｚ軸方向＋側を前方、Ｚ軸方向−側を後方として説明する。

赤外線検出素子３は、感温部が埋設された熱型赤外線検出器を有しており、感温部には被検出体から放射された赤外線による熱エネルギーを電気エネルギーに変換するサーモパイルにより構成される熱電変換部が用いられている。また、赤外線センサ１は、感温部および感温部の出力電圧を取り出すためのＭＯＳトランジスタを有したａ×ｂ個の画素部１２（非接触赤外線検知素子）が、半導体基板２の一表面側においてａ行ｂ列の２次元アレイ状に配置されており、画素部１２は１６×４に構成されている。なお、画素部１２は１６×４でなくても良く、例えば、８×８としても良い。赤外線検出素子３はワイヤーボンディングにより基板２に接続されている。画素部１２のａ行はＸ軸方向に配置され、ｂ列はＹ軸方向に配置されている。

パッケージ７は、表面をニッケルでめっきした鉄や、ＳＵＳ等の金属材料で構成される。パッケージ７は孔６を有する。孔６は、パッケージ７における赤外線検出素子３の上方にあたる部分に配置されている。基板２の上面を覆ったパッケージ７内の空間は、窒素を充填したドライ雰囲気としている。パッケージ７で覆われた空間の雰囲気はこれに限らず、例えば、真空雰囲気としてもよい。パッケージ７で覆われた空間を真空雰囲気とする場合、残留ガスなどを吸着するゲッタを内部に配置すればよい。ゲッタの材料としては、例えば、ジルコニウムの合金やチタンの合金等からなる非蒸発ゲッタを採用すればよい。パッケージ７の孔６は平面視で赤外線検出素子３と重ならない位置に配置され、赤外線センサ１においてはＸ軸方向にずれた位置に配置されている。

支持部５は、表面をニッケルでめっきした鉄や、ＳＵＳ等の材料により形成されている。支持部５には、赤外線検出素子３と処理回路素子４を囲むキャップが用いられている。支持部５は、赤外線検出素子３と処理回路素子４の側方を囲むことにより、赤外線検出素子３に対する輻射ノイズの影響を低減することができる。さらに、支持部５は、異物による検出精度の低下を防止することができる。なお、支持部５としてキャップが用いられているが、これに限らず、支持部５を円柱形状などの別の形状に形成しても良い。この場合、支持部５にキャップを用いた場合に比べて輻射ノイズの影響の低減効果や、異物による検出精度の低下の防止効果は低減する。

第１のミラー８と第２のミラー９は非球面形状に形成され、赤外線は第１のミラー８の第１の凹面と第２のミラー９の第２の凹面で反射する。第１のミラー８は孔６の後方に配置され、第２のミラー９はレンズ１１の前方に配置される。第１のミラー８は、第１のミラー８の中心（凹面の底部）を通る法線と基板２の法線のなす角度が４５度となるように配置されている。これにより、第１のミラー８で反射した赤外線の進行方向を変更し、第２のミラー９に集光できている。第２のミラー９は、第２のミラー９の中心（凹面の底部）を通る法線と基板２の法線のなす角度が４５度となるように配置されている。これにより、第２のミラー９で反射した赤外線の進行方向を変更し、赤外線検出素子３に集光できている。第１のミラー８の赤外線が照射される範囲を第１の照射範囲、第２のミラー９の赤外線が照射される範囲を第２の照射範囲として説明する。第１のミラー８は孔６から入
射した光を漏らさずに全て反射できる程度の大きさがあれば良く、第２のミラー９は第１のミラー８で反射した光を全て漏らさずに反射できる大きさがあれば良い。すなわち、第１のミラー８は第１の照射範囲よりも大きければよく、第２のミラー９は第２の照射範囲よりも大きければよい。赤外線センサ１は、第１のミラー８が第１の照射範囲と同じ大きさ、形状に形成されており、第２のミラー９が第２の照射範囲と同じ大きさ、形状に形成されている。これにより、第１のミラー８と第２のミラー９を小型化できるため、赤外線センサ１を小型化できる。なお、第１のミラー８の第１の照射範囲と第２のミラー９の第２の照射範囲を非球面形状にし、上記構成となるように形成していれば実施の形態１の赤外線センサ１の効果を得ることができる。第１のミラー８と第２のミラー９はＸ軸方向に並んで配置されている。第１のミラー８の焦点距離は第１のミラー８の中心から第２のミラー９の中心までの距離よりも短くなっている。なお、第１のミラー８の焦点距離を第１のミラー８の中心から第２のミラー９の中心までの距離よりも長くしても良い。

以下に、赤外線が孔６から赤外線センサ１に入射したときの赤外線検出素子３への入射の仕方について説明する。第１のミラー８へ入射する赤外線の進行方向と基板２の法線とのなす第１の角度をθ_１とし、レンズ１１へ入射する赤外線の進行方向と基板２の法線とのなす第２の角度をθ_２として説明する。また、第１のミラー８の赤外線が反射する点を第１の反射点とし、第２のミラー９の赤外線が反射する点を第２の反射点として説明する。

孔６の前方から赤外線センサ１に入射した赤外線は第１のミラー８の第１の反射点で反射した後に第２のミラー９の第２の反射点で反射し、レンズ１１を通過して赤外線検出素子３に入射する。孔６の中心に入射した赤外線は赤外線検出素子３の中心に入射するように赤外線検出素子３が配置されている。第１のミラー８と第２のミラー９は第２の反射点の曲率が第１の反射点の曲率よりも小さくなるように形成されている。このため、第１のミラー８の中心の曲率が第２のミラー９の中心の曲率よりも大きくなっている。これにより、赤外線は孔６に入射するときよりもレンズ１１に入射するときの方がより狭角に入射するようになる。すなわち、第２の角度θ_２が第１の角度θ_１よりも小さくなっている。また、第１のミラー８の中心の曲率が第２のミラー９の中心の曲率よりも大きいため、第１のミラー８で反射した赤外線の進行方向が大きく変化し、第２のミラー８への赤外線の周効率が向上する。これにより、第１のミラー８で反射した後にレンズ１１に入射する赤外線が少なくなり、第２のミラー９への赤外線の集光率が向上する。第２のミラー９は赤外線検出素子３への赤外線の集光率が高くなる曲率であれば良く、第１のミラー８よりも小さい曲率とすることにより、第２のミラー９の後方に位置する赤外線検出素子３への赤外線の集光率が向上する。第１のミラー８の曲率を第２のミラー９の曲率よりも大きい関係にすることで、第１のミラー８と第２のミラー９の間の距離や、第２のミラー９と赤外線検出素子３との間の距離を長くする必要がなくなり、赤外線センサ１を小型化できる。従来の赤外線センサ１の様に第１の入射角θ_１と同じ角度で赤外線が赤外線検出素子３に入射する場合、第１の入射角θ_１が大きくなればなるほど像面湾曲による収差が大きくなり、第１の入射角θ_１が一定以上大きくなるとレンズ１１の一部の領域で全反射して赤外線検出素子３への集光率が悪くなる。このため、第１の入射角θ_１が大きい赤外線の検出精度が低下、または、検出不可能となり、赤外線センサ１の検出精度が低下なる。しかしながら、赤外線センサ１は、ミラーを用いて第１の入射角θ_１に比べて第２の入射角θ_２が小さくなっているため、像面湾曲による収差の影響を低減することができ、赤外線センサ１の検出精度を向上させることができている。また、全反射する赤外線も減少するため、さらに赤外線センサ１の検出精度を向上できる。像面湾曲の影響は赤外線検出素子３の中心からの距離が長くなるほど大きくなるため、ａ行に多くの画素が配置された赤外線センサ１では、特にＸ軸方向の像面湾曲による収差の影響を低減することができている。

このように、赤外線センサ１は、第１のミラー８と第２のミラー９の両方を非球面形状
とすることにより、像面湾曲による収差の影響を効果的に低減することができる。

なお、赤外線センサ１では、第１のミラー８にどの様に赤外線が入射しても第１の反射点の曲率＞第２の反射点の曲率となるように第１のミラー８と第２のミラー９が形成されているが、例えば、Ｘ軸方向の赤外線検出素子３の中心から遠い位置に入射する赤外線においてのみ、第１の反射点の曲率＞第２の反射点の曲率となるようにしても良い。この場合でも、赤外線センサ１の様に、Ｙ軸方向の画素数が少なく、画素部１２の最外部の画素への像面湾曲の収差の影響が小さければ、赤外線センサ１を問題なく使用することができる。

また、レンズ１１が支持部５に設けられていることにより、支持部５とパッケージ７の間の空間がアパーチャの働きをするため、アパーチャを設けずに軸外収差の影響を低減することができる。これにより、赤外線センサ１の検出精度を向上させるとともに、赤外線センサ１を小型化することができる。
（実施の形態２）
実施の形態２について図面を用いて説明する。

図４に実施の形態２の赤外線センサの側断面図を示す。

赤外線センサ２１は、基板２と、基板２に設けられた赤外線検出素子３と、赤外線検出素子３の出力を処理する処理回路素子４と、支持部５と、赤外線検出素子３と処理回路素子４と支持部５とを覆い孔６を有したパッケージ７と、パッケージ７と支持部５に接続された第１のミラー２２と第２のミラー２３と、を有している。基板２は主面１０を有し、赤外線検出素子３と、処理回路素子４と、支持部５と、パッケージ７は主面１０に設けられている。

第１のミラー２２は非球面形状に形成され、第２のミラー９は平板状に形成されている。第１のミラー２２の焦点距離は第１のミラー２２の中心から第２のミラー２３の中心までの距離よりも長くなっている。この様に構成することで、第２のミラー２３を非球面形状に形成しなくても、第１のミラー２２で反射された赤外線が実施の形態１の赤外線センサ１と同程度赤外線検出素子３に入射する。この場合、実施の形態１の赤外線センサ１に比べてパッケージ７のサイズは大きくなり、実施の形態１の赤外線センサ１ほど赤外線センサ１のレンズ１１への入射角が狭角にならないが、第２のミラー２３をより簡易に製造することができ、赤外線センサ２１の生産性が向上する。

なお、第２のミラー２３を平板状としたが、第２のミラー２３は球面形状としても良い。また、第１のミラー２２を平板状や球面形状に形成し、第２のミラー２３を非球面形状に形成しても良い。このように形成しても、同様の効果を得ることができる。

本発明は、赤外線センサの検出精度を向上させることができるため、人の温度に応じて制御の仕方を変更する空調制御装置等に有用である。

１、２１赤外線センサ
２基板
３赤外線検出素子
４処理回路素子
５支持部
６孔
７パッケージ
８、２２第１のミラー
９、２３第２のミラー
１０主面
１１レンズ
１２画素部

Claims

基板と、
前記基板に設けられた赤外線検出素子と、
前記基板に設けられた支持部と、
前記支持部に設けられたレンズと、
前記基板に設けられ前記赤外線検出素子と前記支持部とを覆い孔を有したパッケージと、前記支持部と前記パッケージに接続された非球面形状の第１のミラーを備え、
前記孔から入射した赤外線が前記第１のミラーの凹面に反射した後に、前記レンズを通過し、前記赤外線検出素子に入射する赤外線センサ。
前記第１のミラーの中心を通る前記第１のミラーの法線と前記基板の主面の法線とのなす角度が４５度である請求項１に記載の赤外線センサ。
第２のミラーをさらに備え、赤外線が前記第１のミラーと前記第２のミラーの両方で反射する請求項１または２に記載の赤外線センサ。
前記第２のミラーが非球面形状で、赤外線が前記第２のミラーの凹面に反射する請求項３に記載の赤外線センサ。
前記第２のミラーの中心を通る前記第２のミラーの法線と前記基板の主面の法線とのなす角度が４５度である請求項４に記載の赤外線センサ。
前記第１のミラーの中心の曲率は前記第２のミラーの中心の曲率よりも大きい請求項３〜５のいずれかに記載の赤外線センサ。
前記第１のミラーに入射する赤外線の進行方向と前記基板の主面の法線とのなす第１の角度が、前記レンズに入射する赤外線の進行方向と前記基板の主面の法線となす第２の角度よりも大きい請求項３〜６のいずれかに記載の赤外線センサ。
前記赤外線検出素子はａ（ａ≧２）×ｂ（ｂ≧２）個の画素部から構成されるａ行ｂ列の２次元アレイ状に配置されている請求項１〜７のいずれかに記載の赤外線センサ。
前記支持部は前記赤外線検出素子を囲むキャップである請求項１〜８のいずれかに記載の赤外線センサ。
前記孔と前記赤外線検出素子が平面視で重ならない位置に配置されている請求項１〜９のいずれかに記載の赤外線センサ。