JP2015190897A - 赤外線センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型でありながら、より高精度に入射した赤外線の測定が可能な赤外線センサを提供する。
【解決手段】本発明の赤外線センサは、入射した赤外線に応じた信号を出力する量子型の赤外線センサ素子と、上面に開口部が形成された樹脂パッケージであって、開口部には、開口部を介して外部と光学的に接続される、赤外線センサ素子と外部とを光学的に接続する、樹脂パッケージと、開口部内に配置され、赤外線センサ素子と直接的または金属を介して間接的に接合され、赤外線透過率の切り替えが可能な光学シャッタ部と、光学シャッタ部に接続され、制御信号に基づいて光学シャッタ部の赤外線透過率を制御する制御部とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線センサ装置に関し、より詳細には、光学シャッタが設けられた赤外線センサ装置に関する。

量子型の赤外線センサは、半導体のバンドギャップエネルギーに相当する波長以下の赤外線に対して感度を有し、感度を有する特定の波長域の赤外線が入射することで起電力が生じることが知られている。このような赤外線センサを室温で人感センサとして用いる場合、赤外線センサ自体の温度と、赤外線センサが感知した人間の体温との差分に応じた電流が出力される。

量子型の赤外線センサは、周囲の熱雑音等のノイズの影響を受けやすいため、量子型の赤外線センサを用いて赤外線エネルギー量から対象物の温度を測定する場合、センサから得られる信号を、測定時のセンサの周囲の環境温度に応じて補正する種々の方法が知られている（例えば特許文献１）。

特許文献１には、赤外線レンズと量子型の赤外線センサ素子との間に、物理的に駆動し、開閉可能なシャッタを設けることで、シャッタを開閉することにより赤外線センサ素子に対して赤外線が入射していない状態とを生じさせて、赤外線センサ素子に赤外線が入射していないときに検出されるノイズをキャンセルする。特許文献１に記載の赤外線センサは、専用の基準熱源を用いることなく正しい温度を計測することが可能となる。

特開平２０００−１３１１４９号公報

しかし、特許文献１に記載の従来のシャッタ付赤外線センサ装置では、赤外線センサ素子がシャッタ自体から放射される赤外線まで受光してしまう。したがって、シャッタと赤外線センサ素子との温度が異なっている場合は、赤外線センサ素子の出力がシャッタから放射される赤外線の影響を受けてしまうため、対象物の正確な温度を計測することができないという課題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、小型でありながら入射した赤外線の測定を高精度に行うことが可能な赤外線センサを提供することにある。

具体的には、本発明の第１の態様の赤外線センサは、入射した赤外線に応じた信号を出力する量子型の赤外線センサ素子と、上面に開口部が形成された樹脂パッケージであって、前記開口部には、当該開口部を介して外部と光学的に接続される、前記赤外線センサ素子と外部とを光学的に接続する、樹脂パッケージと、前記開口部内に配置され、前記赤外線センサ素子と直接的または金属を介して間接的に接合され、赤外線透過率の切り替えが可能な光学シャッタ部と、前記光学シャッタ部に接続され、制御信号に基づいて前記光学シャッタ部の赤外線透過率を制御する制御部とを備えることを特徴とする。

また、本発明の第２の態様の赤外線センサは、第１の態様の赤外線センサであって、前記制御部が前記光学シャッタ部の前記赤外線透過率を低い状態に制御している際に、前記赤外線センサ素子の出力をゼロにする補正信号を生成する演算部をさらに備えることを特徴とする。

また、本発明の第３の態様の赤外線センサは、第１の態様または第２の態様の赤外線センサであって、前記光学シャッタ部は前記赤外線センサ素子の視野をすべて覆っていることを特徴とする。

本発明の赤外線センサ装置は、小型でありながら、入射した赤外線のより高精度な測定が可能となる。

本発明の第１の実施形態にかかる赤外線センサ装置の構成例を示す断面模式図である。 本発明の第２の実施形態にかかる赤外線センサ装置の構成例を示す断面模式図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる赤外線センサ１００の構成例を示す断面模式図である。赤外線センサ１００は、赤外線センサ素子１１０と、開口部１２１が形成された樹脂パッケージ１２０と、赤外線センサ素子１１０に入射する赤外線の透過率を切り替える光学シャッタ部１３０と、光学シャッタ１３０の赤外線透過率を制御する制御部１４０と、赤外線センサ素子１１０からの出力をゼロにする補正信号を生成する演算部１５０とを備える。

赤外線センサ１１０は、入射した赤外線に応じた電気信号を出力する量子型の赤外線センサ素子である。樹脂パッケージ１２０には、上面に開口部１２１が形成され、開口部１２１には、外部と光学的に接続された赤外線センサ素子１１０が設けられる。

光学シャッタ部１３０は、樹脂パッケージ１２０の開口部１２１内に配置され、赤外線センサ素子１１０と直接的に接合される。光学シャッタ部１３０は、例えばシャッタが開閉することで、赤外線センサ素子１１０に入射する赤外線の透過率を切り替えることができる。本実施形態において、光学シャッタ部１３０は開口部１２１の全部を覆うように配置されているが、開口部１２１の一部のみ覆うように配置されていてもよい。光学シャッタ部１３０が赤外線センサ素子１１０の視野をすべて覆っていることが好ましい。

制御部１４０は、光学シャッタ部１３０の赤外線透過率を制御するもので、光学シャッタ部１３０に接続され、赤外線センサ素子１１０の出力に基づく制御信号を出力して光学シャッタ部１３０の赤外線透過率を切り替える。ここで、制御信号に応じて赤外線透過率を切り替えることが可能な光学シャッタとしては、電圧印加により多層膜の相対的位置を変化させて透過率を切り替えることができる干渉フィルタを用いたシャッタが挙げられる。

制御部１４０は、光学シャッタ部１３０のシャッタを開閉することにより赤外線センサ素子１１０に対して赤外線が入射している状態と、赤外線センサ素子１１０に対して赤外線が入射していない状態とを生じさせる。したがって、光学シャッタ部１３０は、赤外線透過率の低い第１の状態と赤外線透過率の高い第２の状態とに制御可能であることが必要である。光学シャッタ部１３０は、赤外線透過率の低い第１の状態としての赤外線透過率を１０％以下、好ましくは５％以下、より好ましくは１％以下に制御可能なものであることが好ましい。また、赤外線透過率の高い第２の状態として赤外線透過率を９０％以上、好ましくは９５％以上、より好ましくは９９％以上に制御可能なものであることが好ましい。

演算部１５０は、赤外線センサ素子１１０と制御部１４０とに接続され、赤外線センサ素子１１０からの出力信号と制御部１４０とからの制御信号が入力される。ここで、制御部１４０が光学シャッタ部１３０を赤外線透過率を低い状態（上述の第１の状態）に制御している場合、演算部１５０は赤外線センサ素子１１０からの出力をゼロにする補正信号を生成する。

光学シャッタ部１３０が、第１の状態に制御されている場合、赤外線センサ素子１１０に外部から入射される赤外線は実質的に遮断されるため、赤外線センサ素子１１０に入射される赤外線は光学シャッタ部１３０の温度に起因する赤外線のみとなる。ここで、赤外線センサ１００は、赤外線センサ素子１１０と光学シャッタ部１３０とが直接的に接合されているため、赤外線センサ素子１１０と光学シャッタ部１３０とが熱的に平衡な状態となる。したがって、赤外線センサ素子１１０と光学シャッタ部１３０とに温度差は生じず、赤外線センサ素子１１０の出力が光学シャッタ部１３０の影響を受けることがない。

したがって、光学シャッタ部１３０が、赤外線透過率の低い状態に制御されている場合には、赤外線センサ素子１１０の出力は原理的にゼロとなる。ただし、赤外線センサ素子１１０は、視野内の物体からの赤外線以外に、周囲の熱雑音、電磁ノイズ及びＩＣによるオフセット等の様々なノイズに起因した信号をさらに出力するため、赤外線センサ素子１１０の出力は完全にゼロとなることはない。このとき、演算部１５０が赤外線センサ素子１１０の出力をゼロにするような補正信号を生成することにより、様々なノイズに起因した信号をキャンセルすることが可能となる。

演算部１５０が赤外線センサ素子１１０からの信号を補正することにより、光学シャッタ部１３０を赤外線透過率が高い状態（上述の第２の状態）に制御している場合においても、赤外線センサ素子１１０の出力から様々なノイズに起因した信号をキャンセルすることができる。

赤外線センサ１００は、赤外線センサ素子１１０と光学シャッタ部１３０とが熱的に平衡な状態であるため、赤外線センサ素子１１０の出力が光学シャッタ部１３０の影響を受けることがない。したがって、光学シャッタ部１３０からの熱雑音に起因した信号をキャンセルする必要がないため、従来のシャッタ付赤外線センサよりも高精度な赤外線の測定が可能となる。

［第２の実施形態］
図２は、本発明の第２の実施形態にかかる赤外線センサ２００の構成例を示す断面模式図である。赤外線センサ２００は、赤外線センサ素子２１０と、開口部２２１が形成された樹脂パッケージ２２０と、赤外線センサ素子２１０に接続された金属２２５と、赤外線センサ素子２１０に入射する赤外線の透過率を切り替える光学シャッタ部２３０と、赤外線センサ素子２１０からの出力をゼロにする補正信号を生成する制御部２４０とを備える。

赤外線センサ２１０は、入射した赤外線に応じた電気信号を出力する量子型の赤外線センサ素子である。樹脂パッケージ２２０には、上面に開口部２２１が形成され、開口部２２１は開口部底面に設けられた赤外線センサ素子２１０と外部とを光学的に接続する。

光学シャッタ部２３０は、樹脂パッケージ２２０の開口部２２１内に配置され、赤外線センサ素子２１０と金属２２５を介して間接的に接合される。光学シャッタ部２３０は、赤外線センサ素子２１０に入射する赤外線の透過率を切り替えることができる。

金属２２５は、熱伝導率の高い金属であることが好ましく、具体的には銅、アルミ、ステンレス等が挙げられる。

制御部２４０は、光学シャッタ部２３０の赤外線透過率を制御するもので、光学シャッタ部２３０に接続され、制御信号を出力して光学シャッタ部２３０の赤外線透過率を切り替える。

演算部２５０は、赤外線センサ素子２１０と制御部２４０とに接続され、赤外線センサ素子２１０からの出力信号と制御部２４０からの制御信号が入力される。ここで、制御部２４０が光学シャッタ部２３０を赤外線透過率を低い状態（上述の第１の状態）に制御している場合、演算部２５０は赤外線センサ素子２１０からの出力をゼロにする補正信号を生成する。

赤外線センサ２００は、赤外線センサ素子２１０と光学シャッタ部２３０とが金属２２５を介して間接的に接合されているが、金属２２５は熱伝導率の高い部材であるため、赤外線センサ素子２１０と光学シャッタ部２３０とが熱的に平衡な状態になる。したがって赤外線センサ素子２１０と光学シャッタ部２３０とに温度差は生じず、赤外線センサ素子２１０の出力が光学シャッタ部２３０の影響を受けることがない。したがって、光学シャッタ部２３０からの熱雑音に起因した信号をキャンセルする必要がないため、従来のシャッタ付赤外線センサよりも高精度な赤外線の測定が可能となる。

本発明は、物体検知や温度センサに用いる赤外線センサ装置として好適である。

１００、２００ 赤外線センサ装置
１１０、２１０ 赤外線センサ素子
１２０、２２０ 構造体
１２１、２２１ 開口部
１３０、２３０ 光学シャッタ部
１４０、２４０ 制御部
２２５ スペーサ
１５０、２５０ 演算部

Claims (3)

1. 入射した赤外線に応じた信号を出力する量子型の赤外線センサ素子と、
   上面に開口部が形成された樹脂パッケージであって、前記開口部には、当該開口部を介して外部と光学的に接続される、前記赤外線センサ素子と外部とを光学的に接続する、樹脂パッケージと、
   前記開口部内に配置され、前記赤外線センサ素子と直接的または金属を介して間接的に接合され、赤外線透過率の切り替えが可能な光学シャッタ部と、
   前記光学シャッタ部に接続され、制御信号に基づいて前記光学シャッタ部の赤外線透過率を制御する制御部と
   を備えることを特徴とする赤外線センサ。
2. 前記制御部が前記光学シャッタ部の前記赤外線透過率を低い状態に制御している際に、前記赤外線センサ素子の出力をゼロにする補正信号を生成する演算部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
3. 前記光学シャッタ部は前記赤外線センサ素子の視野をすべて覆っ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。

Images