生命科学関連特許情報
| タイトル： | 公開特許公報(A)_赤外線センサ |
| 出願番号： | 2009250285 |
| 年次： | 2011 |
| IPC分類： | G01J 1/02,G01N 21/35,G01J 5/28 |
特許情報キャッシュ
長野 修一 JP 2011095143 公開特許公報(A) 20110512 2009250285 20091030 赤外線センサ 旭化成エレクトロニクス株式会社 303046277 谷 義一 100077481 長野 修一 G01J 1/02 20060101AFI20110415BHJP G01N 21/35 20060101ALN20110415BHJP G01J 5/28 20060101ALN20110415BHJP JPG01J1/02 BG01N21/35 ZG01J5/28 6 2 ＯＬ 8 2G059 2G065 2G066 2G059AA01 2G059BB02 2G059EE01 2G059HH01 2G059KK01 2G065AB02 2G065BA02 2G065BA36 2G065CA21 2G065DA08 2G065DA20 2G066AC13 2G066BA11 2G066BA55 2G066BB11 2G066CA08 2G066CA15 本発明は赤外線センサに関し、より詳細には、赤外線を検知して、温度の測定、人・物の検出、ガス濃度の検出等をする赤外線センサであって、温度補正を精度よく高速に行える小型の赤外線センサに関する。 一般に、赤外線センサは、赤外線を検知して、対象物の温度を非接触で測定することができる。赤外線センサは、人体検出、非接触温度測定、及び大気中のガス濃度測定などの様々な用途で用いられている。従来の赤外線センサを使った温度計測の技術としては、特許文献１などが知られている。赤外線センサの視野部において樹脂と金属とをうまく組み合わせて、導光管となる金属部の温度が外界からの影響を受け難くなる構造にするとともに、視野部からの直接の影響を補正するために補正用温度計を視野部へ設けることにより、高精度な温度センサを実現している。また、特許文献２及び特許文献３のように、動的にパッケージの温度を制御して赤外線センサの温度変化を極力減らすような手法が知られている。また、特許文献４のようにサーミスタを複数利用して導光管の影響を補正する手法が知られている。 一般に、精度の高い温度計及び人感センサを実現するために、焦電センサ又はサーモパイル等の赤外線センサ素子をＣＡＮパッケージに入れ、さらに熱伝導性を高めるためにその周囲を金属ブロックなどで覆うことにより、比較的大型な構造となることが知られている。特開平０８−１９１８００号公報特開平１１−１５５８１９号公報特許第３３４６５８３号公報特開２００７−２４８２０１号公報 このように、高精度の温度計及び人感センサにおいては、焦電センサ又はサーモパイル等の赤外線センサ素子を熱容量の大きいＣＡＮパッケージに内蔵したものを利用されることが多い。これらの周辺部には、赤外線センサの受光面に対して入射する赤外線の角度を制限するサイズ及び熱容量の大きい視野制限物、並びにヒートシンク等の外付け部品を装着しなければならず、小型化をすることが困難であった。 本発明は、非接触温度計用途、人感センサ用途、ガスセンサ用途等で用いる赤外線センサであって、小型で高速かつ高精度な温度補償が可能な赤外線センサを提供することを目的とする。 このような課題を解決するために、請求項１に記載の赤外線センサは、温度センサ素子と、外部からの赤外線を受光する量子型の赤外線センサ素子と、前記赤外線センサ素子と前記温度センサ素子とを包み込む樹脂パッケージと、赤外線を前記赤外線センサ素子の受光面に導くように前記樹脂パッケージに設けられた開口部分とを備えることを特徴とする。 請求項２に記載の赤外線センサは、請求項１に記載の赤外線センサであって、前記温度センサ素子は、前記赤外線センサ素子と接するように配置されていることを特徴とする。 請求項３に記載の赤外線センサは、請求項１又は２に記載の赤外線センサであって、前記開口部分の側面は、前記赤外線センサ素子と熱的に結合された金属フレームで覆われていることを特徴とする。 請求項４に記載の赤外線センサは、請求項１又は２に記載の赤外線センサであって、前記開口部分の側面を囲むように、前記赤外線センサ素子と熱的に結合された樹脂層を設け、前記樹脂層は、前記樹脂層の周囲の前記樹脂パッケージの樹脂より熱伝導率が高いことを特徴とする。 請求項５に記載の赤外線センサは、請求項１から４のいずれかに記載の赤外線センサであって、前記樹脂パッケージの前記開口部分の深さを５ｍｍ以下としたことを特徴とする。 請求項６に記載の赤外線センサは、請求項１から５のいずれかに記載の赤外線センサであって、前記樹脂パッケージにおいて前記開口部分を有する面に対向する面以外の面のいずれかの場所に、前記赤外線センサ素子及び前記温度センサ素子を外部に露出させないように切り欠けられた複数の切り欠け部を設けることを特徴とする。 本発明に係る赤外線センサは、サイズ及び熱容量の大きい視野制限物、並びにヒートシンク等を装着する必要がないため、赤外線センサ全体を小型化することができる。そのため、特別な光学系を用意することなく、本願発明に係る赤外線センサ及び後処理の信号処理系だけで、非常に小型の非接触温度計を構成することができる。したがって、ＰＤＡ端末、携帯電話、腕時計及び小型電子機器などに容易に非接触温度計を組み込むことができる。さらに、使用する赤外線センサがサーモパイル又は焦電センサ等のような熱型の赤外線センサでなく、量子型の赤外線センサであるため、センサ自身の応答性が高速であり、熱容量の大きいＣＡＮパッケージを必要としないことにより、赤外線センサ自身の温度も変化も速いため、赤外線センサとパッケージの温度の追随性がよく、温度補正を高速かつ精度よく行うことができる。 本発明に係る赤外線センサは、開口部分の側面を覆うように、量子型赤外線センサ素子と熱的に結合された金属フレームを設けることにより、量子型赤外線センサ素子と樹脂パッケージとの間の熱伝導性を高めることができ、量子型赤外線センサ素子と開口部分の温度の追随性がよいため、温度補正を高速に精度よく行うことができる。 本発明に係る赤外線センサは、開口部分の側面を囲むように量子型赤外線センサ素子と熱的に結合された樹脂層を設け、該樹脂層がその周囲の樹脂パッケージの樹脂より熱伝導率が高くなるような構成とすることにより、外部の影響を受け難い赤外線センサを構成することができる。 本発明に係る赤外線センサは、樹脂パッケージの開口部分の深さを５ｍｍ以下とすることにより、量子型赤外線センサ素子と樹脂パッケージとの間の熱伝導率を高め、量子型赤外線センサ素子と樹脂パッケージとの温度差を少なくすることができ、温度補正を高速に精度よく行うことができる。 本発明に係る赤外線センサは、樹脂パッケージの表面に切り欠け部を設け、外気との接触面をさらに増加させることによって、赤外線センサ素子自身の温度と樹脂パッケージ部とが常に同じ温度となる。その結果、樹脂パッケージに内蔵した温度センサ素子のみで必要な赤外線センサ素子の温度補正を迅速かつ精度よく行うことができる。本発明に係る赤外線センサの斜視図である。本発明に係る赤外線センサの断面図である。本発明の実施例１に係る赤外線センサの断面図である。本発明に係る、小型化した例示的な赤外線センサの断面図である。本発明の実施例２に係る赤外線センサの断面図である。本発明の実施例３に係る赤外線センサの断面図である。 以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。 図１は、本発明に係る赤外線センサの斜視図である。図２は、本発明に係る赤外線センサの断面図である。図１、２に示すように、本発明に係る赤外線センサは、樹脂パッケージ１と、樹脂パッケージ１内に包み込まれた量子型赤外線センサ素子４及び温度センサ素子５とを備える。樹脂パッケージ１には、開口部分２が設けられている。 量子型赤外線センサ素子４及び温度センサ素子５は、薄型の樹脂パッケージ１に埋め込まれている。温度センサ素子５は、量子型赤外線センサ素子４に近接するように配置されている。開口部分２は、量子型赤外線センサ素子４の受光面３上の樹脂パッケージ１をくり貫くことによって設けられる。この開口部分２は、量子型赤外線センサ素子４の受光面３へ光を導く導光管及び視野を絞る視野制限部の役割を果たす。開口部分２の形状は特に制限がなく、四角形でも丸型でもよい。後述するように、必要に応じて、開口部分２を塞ぐように樹脂パッケージ１に薄膜の光学フィルタを取り付けてもよい。開口部分２は、複数あってもよく、開口部分２の深さは、数ｍｍ以下である。 本発明に係る赤外線センサは、赤外線センサ素子の信号を増幅し、温度センサ素子からの温度信号から一意に決めた値を加減する信号処理回路と、信号処理回路とのインターフェース用の端子（図示せず）を備える。ここで、信号処理回路とは、赤外線センサ素子からの信号を増幅するとともに、温度センサ素子からの温度信号に基づき、補正演算を行う回路である。これにより、温度センサ素子の出力から赤外線センサ素子の出力の温度補正を容易に行うことができる。 また、本発明に係る赤外線センサは、樹脂パッケージ１内に、量子型赤外線センサ素子４及び温度センサ素子５の信号を取り出す端子（図示せず）を備える構成としてもよい。つまり、信号処理回路部を別パッケージとしてもよい。 さらに、後述するように、樹脂パッケージ１に切り欠き部分を複数設けた構造にしてもよい。これにより、表面積を大きくすることができ、より効果的に樹脂パッケージ１の温度と量子型赤外線センサ素子４の温度とを同一にすることができる。 さらに、開口部分２の最上部から樹脂パッケージ１の底部までの高さは、１０ｍｍ以下とすることができる。これにより、パッケージの熱容量を小さくできることに加え、十分な視野制限を確保でき、近距離の非接触温度計としての使用が可能となる。 以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施例について説明する。 図３は、本発明の実施例１に係る赤外線センサの断面図である。上記のように、量子型赤外線センサ素子４と温度センサ素子５とを薄型の樹脂パッケージ１に埋め込み、量子型赤外線センサ素子４の受光面３を露出するように樹脂パッケージ１に開口部分２を設ける。開口部分２は、視野制限部の役割を果たす。樹脂パッケージ１は、開口部分２の深さが５ｍｍ以下になるような薄型の樹脂パッケージ１とする。このような薄型の樹脂パッケージ１を用いることにより、開口部分２の側面の樹脂パッケージ１と量子型赤外線センサ素子４との温度差を小さくすることができる。図３では、開口部分２を塞ぐように、樹脂パッケージ１に５μｍ以下の波長をカットする光学フィルタが取りつけられている。量子型赤外線センサ素子４には、ＩｎＳｂを用いた室温動作型の赤外線センサ素子を用いた。 図３のように、開口部分２の側面を囲むように、量子型赤外線センサ素子４と熱的に結合された熱伝導性の高い樹脂層又は金属フレーム８を設けることができる。熱伝導性の高い樹脂層又は金属フレーム８において熱伝導性の高い樹脂をする場合、通常のＰＰＳ樹脂の熱伝導率は、０．４Ｗ／ｍ・Ｋ程度であるが、樹脂に金属フィラーを入れるなどして、熱伝導率を数Ｗ／ｍ・Ｋまで高めた樹脂が知られており、それを利用してもよい。 さらに、近年では熱伝導率が２５Ｗ／ｍ・Ｋ程度まで高められた樹脂も知られている。そのような熱伝導性の高い樹脂を開口部分２の側面を囲むように設けることで、量子型赤外線センサ素子４の温度と開口部分２の側面の温度とをほぼ同じにすることができる。これにより、量子型赤外線センサ素子４と樹脂パッケージ１との間の熱伝導性を高めることができ、温度補正を高速に精度よく行うことができる。熱伝導性の高い樹脂層又は金属フレーム８において金属フレームを使用する場合も同様に、量子型赤外線センサ素子４と樹脂パッケージ１との間の熱伝導性を高めることができ、量子型赤外線センサ素子４と開口部分の温度の追随性がよいため、温度補正を高速に精度よく行うことができる。 外部からの熱伝導の影響を抑えるために、開口部分２の側面に、赤外線センサ素子と熱的に結合された特定の樹脂層を設け、その特定の樹脂層がその周囲の樹脂パッケージ１の樹脂より熱伝導率が高くなるような構成としてもよい。例えば、開口部分２の側面を囲むように熱伝導性の高い樹脂層を設け、それ以外の部分の樹脂パッケージ１には、熱伝導性の悪い樹脂を使用することができる。これにより、外部の影響を受け難い赤外線センサを構成することができる。 このような熱伝導性の高い樹脂又は金属フレーム８は、はじめに、熱伝導性の高い樹脂又は金属フレーム８以外の部分を一体でモールド成型した後、熱伝導性の高い樹脂又は金属フレーム８を別途モールドした筒状のものを後付けで挿入・貼り付けし、組み込むことによって設けることができる。また、最初に量子型赤外線センサ素子４と熱伝導性の高い樹脂又は金属フレーム８のモールド部品とを張り合わせておき、後で一体成型することによって設けてもよい。 外部の温度の影響は受けやすくとも、量子型赤外線センサ素子４の温度と開口部分２の側面の樹脂パッケージ１の温度とが同じになりやすければ、高速な温度モニターにより量子型赤外線センサ素子４の温度特性を高速に補正することができる。 図４は、樹脂パッケージ１の内部の温度と外部の温度とが均一になるように、樹脂パッケージ１のサイズを可能な限り小型化した例である。視野制限部を残して、パッケージ樹脂１の厚さを薄くすることにより、パッケージ樹脂１から量子型赤外線センサ素子４への熱伝導効率を上げるような構造となる。図示はしていないが、信号取り出し用にリード線及びパッドを備えている。図４のような構造では、外部の温度の影響は受けやすいが、量子型赤外線センサ素子４と開口部分２の側面の樹脂パッケージ１との間に温度差を生じにくいので、量子型赤外線センサ素子４の温度特性を高速に補正することが可能である。以下、外部の温度の影響は受けやすいが、量子型赤外線センサ素子４と開口部分２の側面の樹脂パッケージ１との間に温度差を生じにくい構造の例について説明する。 以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施例について説明する。 図５は、本発明の実施例２に係る赤外線センサの断面図である。上記のように、量子型赤外線センサ素子４と温度センサ素子５とを薄型の樹脂パッケージ１に埋め込み、量子型赤外線センサ素子４の受光面３を露出するように樹脂パッケージ１に開口部分２を設ける。開口部分２は、視野制限部の役割を果たす。樹脂パッケージ１において開口部分２が設けられている面のいずれかの場所に、量子型赤外線センサ素子４近傍まで切り欠き部分７を設ける。このように、切り欠き部分を設けて外部との接触面をさらに増加させることによって、開口部分２の側面の樹脂パッケージ１と量子型赤外線センサ素子４との温度差が少なくなるような構造となる。 量子型赤外線センサ素子４及び開口部分２の側面の樹脂パッケージ１の温度を高速で追従する必要があるため、開口部分２の側面に熱伝導性の高い樹脂又は金属フレーム８を設け、量子型赤外線センサ素子４と熱的に結合するとよい。開口部分２の側面の熱伝導性の高い樹脂又は金属フレーム８以外の樹脂パッケージ１の材質としては、熱伝導性の悪い樹脂（通常の樹脂）を使用する。また、切り込み部分７の周囲に、部分的に熱伝導性の高い樹脂又は金属フレーム８を設けてもよい。好ましくは、切り込み部分７と量子型赤外線センサ素子４とを繋ぐように、熱伝導性の高い樹脂又は金属フレーム８を設けるとよい。切り欠き部分７を設けることによって、開口部分２の側面と量子型赤外線センサ素子４との温度差が少なくなるため、開口部分２の側面の樹脂パッケージ１の温度と量子型赤外線センサ素子４の温度との追随性がよく、温度補正を高速かつ精度よく行うことができる。 必要に応じて、開口部分２を塞ぐように樹脂パッケージ１に光学フィルタ６を取りつけてもよい。 以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施例について説明する。図６は、本発明の実施例３に係る赤外線センサの断面図である。上記のように、量子型赤外線センサ素子４と温度センサ素子５を薄型の樹脂パッケージ１に埋め込み、量子型赤外線センサ素子４の受光面３を露出するように樹脂パッケージ１に開口部分２を設ける。開口部分２は、視野制限部の役割を果たす。樹脂パッケージ１において開口部分２が設けられている面及び樹脂パッケージ１において開口部分２を有する面と対向する面以外の面のいずれかの場所に、量子型赤外線センサ素子４近傍まで切り欠き部分７を設ける。このように、切り欠き部分を設けて外部との接触面をさらに増加させることによって、開口部分２の側面の樹脂パッケージ１と量子型赤外線センサ素子４との温度差が少なくなるような構造となる。 実施例２で説明したように、開口部分２の側面に熱伝導性の高い樹脂又は金属フレーム８を設け、量子型赤外線センサ素子４と熱的に結合するとよい。開口部分２の側面の熱伝導性の高い樹脂又は金属フレーム８以外の樹脂パッケージ１の材質としては、熱伝導性の悪い樹脂（通常の樹脂）を使用する。また、切り込み部分７の周囲に、部分的に熱伝導性の高い樹脂又は金属フレーム８を設けてもよい。好ましくは、切り込み部分７と量子型赤外線センサ素子４とを繋ぐように、熱伝導性の高い樹脂又は金属フレーム８を設けるとよい。 また、実施例２と併せて、樹脂パッケージ１において開口部分２を有する面と対向する面以外の面のいずれかの場所に、量子型赤外線センサ素子４近傍まで切り欠き部分７を設けてもよい。 切り欠き部分７を設けることによって、開口部分２の側面の樹脂パッケージ１と量子型赤外線センサ素子４との温度差が少なくなるため、開口部分２の側面の温度と量子型赤外線センサ素子４の温度との追随性がよく、温度補正を高速かつ精度よく行うことができる。 必要に応じて、開口部分２を塞ぐように樹脂パッケージ１に光学フィルタ６を取りつけてもよい。 １ 樹脂パッケージ ２ 開口部分 ３ 受光部 ４ 量子型赤外線センサ素子 ５ 温度センサ素子 ６ 光学フィルタ ７ 切り欠き部分 ８ 熱伝導性の高い樹脂又は金属フレーム 温度センサ素子と、 外部からの赤外線を受光する量子型の赤外線センサ素子と、 前記赤外線センサ素子と前記温度センサ素子とを包み込む樹脂パッケージと、 赤外線を前記赤外線センサ素子の受光面に導くように前記樹脂パッケージに設けられた開口部分と を備えることを特徴とする赤外線センサ。 前記温度センサ素子は、前記赤外線センサ素子と接するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。 前記開口部分の側面は、前記赤外線センサ素子と熱的に結合された金属フレームで覆われていることを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線センサ。 前記開口部分の側面を囲むように、前記赤外線センサ素子と熱的に結合された樹脂層を設け、前記樹脂層は、前記樹脂層の周囲の前記樹脂パッケージの樹脂より熱伝導率が高いことを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線センサ。 前記樹脂パッケージの前記開口部分の深さを５ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の赤外線センサ。 前記樹脂パッケージにおいて前記開口部分を有する面に対向する面以外の面のいずれかの場所に、前記赤外線センサ素子及び前記温度センサ素子を外部に露出させないように切り欠けられた複数の切り欠け部を設けることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の赤外線センサ。 【課題】温度補正を精度よく高速に行える小型の赤外線センサを提供する。【解決手段】本発明に係る赤外線センサは、温度センサ素子と、外部からの赤外線を受光する量子型の赤外線センサ素子と、前記赤外線センサ素子と前記温度センサ素子とを包み込む樹脂パッケージと、赤外線を前記赤外線センサ素子の受光面に導くように前記樹脂パッケージに設けられた開口部分とを備えることを特徴とする。【選択図】図２