JP2015197311A - 赤外線センサ - Google Patents

Abstract

【課題】赤外線センサにおいて、副視野から出力信号を低減する。
【解決手段】本発明の赤外線センサ装置は、入射された赤外線に応じた信号を出力する受光体を有するセンサユニットと、受光体を、開口部を介して包み込むように形成された樹脂パッケージと、開口部内に設けられた光学フィルタとを備え、開口部は、第１開口部と、第２開口部と、第３開口部とから構成され、第１開口部は、樹脂パッケージ外部に対して開口し、光学フィルタが充填され、第２開口部と第３開口部とは、受光体の受光面側の空隙部となるように垂直方向に連続して配置され、第３開口部は前記センサユニット側に、第２開口部は第１開口部と第３開口部との間に第１開口部及び第３開口部双方に連通するよう配置され、第１開口部の開口面積および第３開口部の開口面積が、第２開口部の開口径よりも大きいことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は赤外線センサに関し、より詳細には、視野角を制限するようにした赤外線センサに関する。

温度、圧力、光等の物理的な変化量を、電流や電圧などの電気的な変化量に変換するものとして、センサが知られている。センサを使用することにより、様々な物理的な変化量を数値として測定することが可能となる。特に、近年の環境問題への関心の高まりから、省エネルギー化、高効率化に貢献することが可能なセンサが注目を集めている。

上述したセンサには、赤外線の変化量を検出して赤外線を電気信号に変換する赤外線センサがある。赤外線センサは、人間の目に影響を与えることなく情報を送信できることから、テレビのリモコン装置等に利用されている。

さらに、赤外線センサは対象物の温度を直接接触せずに感知できるという特徴を有し、人体などの熱源を感知する人感センサや非接触温度計として赤外線センサを用いることができる。例えば赤外線センサを人感センサとして利用する場合には、赤外線センサを照明などに搭載することで不要な電力を有効に削減できる。また、赤外領域に吸収帯を有する気体（二酸化炭素、一酸化炭素など）に対しては、赤外線センサはガスセンサとしても応用可能であり、人感センサよりも様々な用途で利用することが期待されている。

赤外線センサはその動作原理から、熱型センサと量子型センサに分類される。熱型センサは人感センサなどで広く用いられているが、周波数応答性が低いという課題がある。また、熱型センサをガスセンサとして使用する場合には、ガス検出の応答性が低く、迅速な異常検知の点で課題がある。

一方、量子型センサは、周波数応答性が高いという特徴があり、この点で、熱型センサに比べて非常に有望である。

特開平６−６７０１３号公報

赤外線センサは、測定対象物以外からの外乱光の影響を減らし、所定の視野範囲から入射した赤外線に応じた信号を精度よく出力するものとするために、視野角を絞るための開口部が形成された構造体を設ける形態が知られている。また、赤外線センサの受光体を独立に複数にし、受光体ごとに構造体に開口部を設ける形態も知られている。それぞれの受光体に異なる視野に対する信号出力特性を与え、異なる視野の各受光体からの信号を利用し、物体の位置の検出も可能となる。

特許文献１には、赤外線センサに入射する入射光の視野を制限する光隔壁により仕切られた光学フィルタを有する光学センサが開示されている。特許文献１の赤外線センサは、光学フィルタを光隔壁により仕切り、赤外線センサ受光体に入射する赤外線の視野を制限する構成を考えることができる。

図１は、特許文献１に記載の赤外線センサ装置１００の構成を示す断面図である。赤外線センサ１００は、入射した赤外線に応じた信号を出力する受光体１１１を複数有する赤外線センサユニット１１０と、受光体１１１の視野を制限する光隔壁１２０と、光隔壁１２０により仕切られた光学フィルタ１３０とを備える。

図１に記載の赤外線センサ装置１００では、光学フィルタ１３０の側面（光隔壁１２０）による光の反射の影響によってフィルタ側面で反射しない主視野と、光学フィルタ側面の反射による副視野の２種類の視野が生じる。この場合、図１から分かる通り、副視野（主視野外）から入射された赤外線が、光学フィルタ１３０において屈折後、光隔壁１２０において反射してしまい、受光体１１１に到達してしまう。したがって、外乱光が受光部１１１に到達してしまい、主視野における精度の高い赤外線検知ができないという課題がある。さらに独立した複数の受光体を持つ場合、副視野の影響により出力結果の大小関係を判断することが困難である。

このような課題を解決するために、本発明の第１の態様の赤外線センサは、入射された赤外線に応じた信号を出力する受光体を有するセンサユニットと、前記受光体を、開口部を介して包み込むように形成された樹脂パッケージと、前記開口部内に設けられた光学フィルタとを備える赤外線センサであって、前記開口部は、第１開口部と、第２開口部と、第３開口部とから構成され、前記第１開口部は、前記樹脂パッケージ外部に対して開口し、前記光学フィルタが充填され、前記第２開口部と前記第３開口部とは、前記受光体の受光面側の空隙部となるように垂直方向に連続して配置され、前記第３開口部は前記センサユニット側に、前記第２開口部は前記第１開口部と前記第３開口部との間に前記第１開口部及び前記第３開口部双方に連通するよう配置され、前記第１開口部の開口面積および前記第３開口部の開口面積が、前記第２開口部の開口径よりも大きいことを特徴とする。

また、本発明の第２の態様の赤外線センサは、前記受光体の受光面方向の幅をＬ、前記光学フィルタの前記受光面方向の幅をｄ_１、前記光学フィルタの前記受光面に対して垂直方向の厚みをｈ_１、前記光学フィルタの屈折率をｎ_２、前記第２開口部の記受光面方向の幅を幅をｄ_２、前記光学フィルタの前記受光体側端面から前記前記受光体までの垂直方向の距離をｈ、及び空気の屈折率をｎ_１としたときに、前記Ｌ、ｄ_１、ｈ_１、ｎ_２、ｄ_２、ｈ、及びｎ_１が、

の式を満たすことを特徴とする。

前記受光体の受光面方向の幅をｘ、前記光学フィルタの前記第２開口部の前記受光面方向の幅をδ、前記光学フィルタの前記受光体側端面から、前記前記受光体までの垂直方向の距離をｈ、前記第２開口部の前記受光面方向の厚みをＺとしたときに、前記ｘ、δ、ｈ及びＺが、

の式を満たすことを特徴とする。

また、本発明の第４の態様の赤外線センサは、第１の態様から第３の態様のいずれか１つの赤外線センサであって、前記樹脂パッケージは、放射率が０．７以上であることを特徴とする。

本発明の赤外線センサ装置によれば、外乱光の影響の原因となる副視野から出力信号を低減し主視野の赤外線量を精度よく定量することが可能になる。

特許文献１に記載の赤外線センサの構成を示す断面模式図である。 本発明の１実施形態の赤外線センサの構成例を示す平面図である。 図２に記載の赤外線センサのＡ−Ａ´における断面図である。 図２の赤外線センサの断面図に、式（１）を説明するための光路等を加えた図である。 図２の赤外線センサの断面図に、式（２）を説明するための光路等を加えた図である。 図２の赤外線センサの視野を示す断面図である。 従来の赤外線センサの視野を示す断面図である。

以下、本発明を実施するための実施形態を、図面を参酌しながら説明する。

図２は、本発明の１実施形態に係る赤外線センサ２００の構成例を示す平面図である。また、図３は、図２に記載の赤外線センサ２００のＡ−Ａ´における断面図である。図３において、赤外線センサ２００は、一方の面（上面）に受光体２１１を有するセンサユニット２１０と、センサユニット２１０の上面側に設けられ、受光体２１１を、開口部２２１を介して包み込むように形成された樹脂パッケージ２２０と、開口部２２１内に設けられた光学フィルタ２３０とを備える。樹脂パッケージは放射率が０．７以上の材料により形成される。

受光体２１１は入射した赤外線に応じた電気信号を出力する。また、受光体２１１は、センサユニット２１０の上面に、開口部２２１が形成された樹脂パッケージ２２０を備えることにより、視野角が制限される。受光体２１１の視野角は、樹脂パッケージ２２０の開口径及び開口深さによって、一定角度内に制限される。

開口部２２１は、樹脂パッケージ２２０のセンサユニット２１０が設けられた面と反対側の面（樹脂パッケージ上面）に対して開口し、第１開口部２２１ａと、第２開口部２２１ｂと、第３開口部２２１ｃとから構成される。ここで、第１開口部２２１ａは、樹脂パッケージ２２０外部に対して開口し、光学フィルタ２３０充填される。本実施形態において、第１開口部２２１ａと、第２開口部２２１ｂと、第３開口部２２１ｃとは、角柱状に形成されている。

第２開口部２２１ｂと第３開口部２２１ｃとは、受光体２１１の受光面側の空隙部となるように垂直方向に連続して配置され、第３開口部２２１ｃはセンサユニット２１１側に、第２開口部２２１ｂは第１開口部２２１ａと第３開口部２２１ｃとの間に配置される。第２開口部２２１ｂは、第１開口部２２１ａ及び第３開口部２２１ｃ双方に連通する。

再び図２に戻り、赤外線センサ２００は、平面視したときに、第１開口部２２１ａおよび第３開口部２２１ｃの外縁内に、第２開口部２２１ｂの外縁が配置される。つまり、第１開口部２２１ａの開口径および第３開口部２２１ｃの開口面積が、第２開口部２２１ｂの開口面積よりも大きい。

第１開口部２２１ａおよび第３開口部２２１ｃの外縁内に、第２開口部２２１ｂの外縁が配置されることにより、樹脂パッケージ２２０の第１開口部２２１ａ内の開口部壁（光学フィルタ２３０の側面）で反射した光が、第２開口部２２１ｂに入射せずに、第２開口部２２１ｂを形成する樹脂パッケージ壁で反射または吸収される。したがって、副視野からの赤外線の受光体２１１への入光を低減し、主視野から入射される赤外線量を高精度に定量することが可能になる。

ここで、本実施形態において、赤外線センサ２００の寸法を、具体的に以下のように設計することとする。まず、図２に記載の赤外線センサ２００の各構成の寸法を示すパラメータを、次のように設定する。
Ｌ：受光体２１１の（ｘ軸方向の）幅
ｄ_１：光学フィルタ２３０の（ｘ軸方向の）幅
ｈ_１：光学フィルタ２３０の（ｚ軸方向の）厚み
ｄ_２：第２開口部２２１ｂの（ｘ軸方向の）幅
ｈ：受光体２１１から光学フィルタ２３０の受光体２１１側端面までの（ｚ軸方向の）距離
ｈ_２：第２開口部２２１ｂの（ｚ軸方向の）厚み
ｎ_１：空気の屈折率
ｎ_２：光学フィルタ２３０の屈折率
次に、各構成のパラメータＬ、ｄ_１、ｈ_１、ｄ_２、ｈ、ｎ_１、及びｎ_２が下記式（１）を満たすように設定する。

また、Ｌ、ｄ_２、ｈ、及びｈ_２が下記式（２）を満たすように設定する。

ここで、本実施形態の赤外線センサ２００は、効率的に副視野から出力信号を低減し主視野の赤外線量を精度よく定量するために、断面視したときに第１開口部２２１ａ〜第３開口部２２１ｃの重心と、受光体２１１の中心が一直線上になるように配置されることが好ましい。

以下、式（１）及び式（２）の技術的意義を、図面を参酌しながら説明する。

図４は、図２の赤外線センサ２００を示す断面図に、式（１）を説明するための光路等を加えた図である。

図４において、第３開口部２２１ｃ側の受光体２１１の端点ｋ_１と、第１開口部２１１ａ側の第２開口部２２１ｂの端点ｋ_２とを線で結び、結んだ線分を線分１とする。第１開口部２１１ａ側の第２開口部２２１ｂの端点ｋ_２から受光体２１１の受光面に対して垂線を引き、引いた線分を線分２とする。また、線分２と受光体２１１の受光面との交点をｋ_３とする。θ_１を線分１と線分２のなす角とすると、パラメータＬ、ｄ_２、ｈ、及びθ_１について下記式（３）が成り立つ。

第２開口部２２１ｂ側の第１開口部２２１ａの端点ｋ_２から第１開口部２２１ａの開口側の端点ｋ_４を線で結び、結んだ線分を線分３とする。そして、線分２を延長して第１開口部２２１ａの開口面と交差する点をｋ_５とする。線分３と線分２とのなす角をθ_２とする。

ここで、線分２を、樹脂パッケージ２２０外部から端点ｋ_４に反射して第１開口部２２１ａ内の光学フィルタ２３０に入射する光線の光路と考え、線分１を、第１開口部２２１ａから第２開口部２２１ｂ及び第３開口部２２１ｃを介して受光体２１１の端点ｋ_１に入射する光線の光路と考える。樹脂パッケージ２２０外部から第１開口部２２１ａ内の光学フィルタ２３０への入射角はθ_２であり、第１開口部２２１ａ内の光学フィルタ２３０から第２開口部２２１ｂへの入射角はθ_１である。パラメータθ_１、θ_２、ｎ_１、及びｎ_２について、下記式（４）が成り立つ。

ｋ_４とｋ_５とを結ぶ線分の距離Ｐが、パラメータｄ_１及びｄ_２との間で下記式（５）の関係を満たすことで、光学フィルタ２３０側面で反射した赤外線が、受光体２１１に到達することを低減できる。

さらにＰ、ｈ_１及びθ₂は下記式（６）の関係を満たす。

式（６）をＰについて解くと下記式（７）となる

式（７）を因数分解をすると下記式（８）が導出される。

式（８）式と式（５）より、下記式（９）が導出される。

式（９）式と式（４）より下記式（１０）が導出される。

そして、式（１０）と式（３）から、式（１）が算出される。

すなわち、式（１）を満たせば、所望の視野以外からの赤外線の入射を効率的に低減することが可能になる。

次に、式（２）の技術的意義を説明する。

図５は、図２の本実施形態の赤外線センサ装置２００の断面図に、式（２）を説明するための光路等を加えた図である。

図５において、第２開口部２２１ｂの第３開口部２２１ｃ側の２つの端点ｋ_６及びｋ_７を線で結び、結んだ線を線分４とし、線分１（図４と同一）と線分４の交点をｋ_８とする。ｋ_７とｋ_８を結んだ線分の長さをＱとする。Ｑがｄ_２より大きいと、第２開口部２２１ｂが受光体２１１の端に入射する光を遮蔽してしまうため、受光体２１１の主視野が狭くなってしまう。そこで、ｄ_２及びＱが下記式（１１）を満たすことで、第２開口部２２１ｂが受光体２１１の主視野の光路を遮蔽しないようにすることが可能となる。

端点ｋ_１（図４と同一）と交点ｋ_３（図４と同一）を結んだ線分を線分５とする。ここで、線分１と線分２と線分５からなる三角形と線分１と線分２と線分４がなす三角形が相似であるため、各辺の比の式（１２）が成り立つ。

そうすると、Ｑの値が算出できる（式（１３））。

式（１１）と式（１３）より、下記式（１４）の関係を得る。

式（１４）をｄ_２についてまとめると、式（２）が導ける。

図６は、図２及び図３において示した赤外線センサ装置の視野を説明するための断面図である。図６において、破線で示した範囲内が、光学フィルタ２３０の側面（第１開口部２２１ａの壁面）での反射を考慮しない場合の主視野の範囲となる。

ここで、主視野外（副視野）から出力された赤外線の一部（実線により示す）は、光学フィルタ２３０に入射して屈折し、光学フィルタ２３０の側面（第１開口部２２１ａの壁面）に反射する。しかし、第１開口部２２１ａの底部の壁面を形成する樹脂パッケージにより光路が遮蔽され、第２開口部２２１ｂ内には侵入しないことが理解される。

すなわち、第２開口部２２１ｂおよび第３開口部２２１ｃが受光体２１１上の中空部となるように樹脂パッケージ２２０がセンサユニット２１０上に配置され、赤外線センサ装置２００を平面視したときに、第１開口部２２１ａおよび第３開口部２２１ｃの外縁内に、第２開口部２２１ｂの外縁が配置されることにより、副視野からの赤外線の受光体２１１への到達を低減し、主視野から入射される赤外線量を高精度に定量することが可能になることが理解される。

一方、図７は、従来の赤外線センサ装置の視野を説明するための断面模式図である。光学フィルタ部が配置される開口部（図２の第１開口部２２１ａに相当）と、その下の開口部（図２の第２開口部２２１ｂに相当）が、同じ形状（断面視したときに幅が同一、平面視したときに外縁が重なる）である。図７から分かる通り、副視野（主視野外）から入射した赤外線が、光学フィルタにおける屈折および反射により、受光体に到達してしまうことが理解される
以下、本実施形態の赤外線センサ装置の各構成要件について説明する。以下の説明は、上述の赤外線センサ装置にそれぞれ独立または組み合わせて適用することができる。

（センサユニット）
センサユニット２１０に使用する赤外線センサは、熱型赤外線センサ、量子型赤外線センサ等が挙げられるが、感度や応答性の観点から、量子型赤外線センサであることが好ましい。センサユニット２１０は、必要に応じて受光体２１１を支持する基板を備えていてもよい。

受光体２１１は１つであってもよいし、複数であってもよい。受光体２１１が複数の場合、それぞれの受光体から出力されるそれぞれの信号の大きさの大小関係を用いた位置検出や、それぞれの信号変化の微分値を用いた動き検出する赤外線センサ装置として応用が可能になる。ここで、それぞれの受光体は異なる視野を有するが、この際、受光体のそれぞれが副視野を有することになる。すなわち、ある受光体に対する主視野が、別の受光体に対する副視野（主視野外）となる。

従来の赤外線センサ装置では、副視野からの赤外線が受光体に到達し得るため、上述した位置検出や動き検出の誤検知が生じてしまうが、本実施形態の赤外線センサ装置によれば、副視野からの赤外線が低減されるため、より高精度に位置検出や動き検出が可能になる。

また、赤外線センサ装置２００は、受光体２１１から出力される信号を増幅・演算するための回路部を更に備えていてもよい。

（樹脂パッケージ）
樹脂パッケージ２２０に形成された第１開口部２２１ａ〜第３開口部２２１ｃの形状は、本実施形態においては、角柱状に形成されているが、第１開口部２２１ａおよび第３の開口部２２１ｃの外縁内に、第２開口部２２１ｂの外縁が配置されていれば特に制限されず、角柱状に限らず、円柱状でもよい。また樹脂パッケージを構成する材料としては、放射率が０．７以上の材料であれば特に制限されず、例えば熱硬化性のエポキシ樹脂等が挙げられる。

効率的に副視野からの赤外線を低減する観点から、第１開口部２２１ａ〜第３開口部２２１ｃの側面（樹脂パッケージ２２０の内壁面）と、受光体２１１平面のなす角が９０±５°であることが好ましい。

（光学フィルタ）
光学フィルタ２３０は、入射した赤外線を選択的に透過させるものであり、所定の波長以上の光を透過させるものであってもよいし、所定の波長以下の光を透過させるものであってもよいし、所定の帯域の波長を透過させるものであってもよい。また複数の材料から構成されるものであってもよい。光学フィルタ２３０の具体的な材料としてはＳｉ等が挙げられる。外乱光の遮断や、異物の侵入を防止する観点から、光学フィルタ２３０は第１の開口部を充填していることが好ましい。

本発明は、位置検出や動き検出に適用され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
１１０、２１０ センサユニット
１１１、２１１ 受光体
１２０ 光隔壁
１３０、２３０ 光学フィルタ
２２０ 樹脂パッケージ
２２１、２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ 開口部
ｋ_１〜ｋ_８ 点

Claims (4)

1. 入射された赤外線に応じた信号を出力する受光体を有するセンサユニットと、
   前記受光体を、開口部を介して包み込むように形成された樹脂パッケージと、
   前記開口部内に設けられた光学フィルタとを備える赤外線センサであって、
   前記開口部は、第１開口部と、第２開口部と、第３開口部とから構成され、前記第１開口部は、前記樹脂パッケージ外部に対して開口し、前記光学フィルタが充填され、前記第２開口部と前記第３開口部とは、前記受光体の受光面側の空隙部となるように垂直方向に連続して配置され、前記第３開口部は前記センサユニット側に、前記第２開口部は前記第１開口部と前記第３開口部との間に前記第１開口部及び前記第３開口部双方に連通するよう配置され、
   前記第１開口部の開口面積および前記第３開口部の開口面積が、前記第２開口部の開口径よりも大きい
   ことを特徴とする赤外線センサ。
2. 前記受光体の受光面方向の幅をＬ、前記光学フィルタの前記受光面方向の幅をｄ_１、前記光学フィルタの前記受光面に対して垂直方向の厚みをｈ_１、前記光学フィルタの屈折率をｎ_２、前記第２開口部の前記受光面方向の幅をｄ_２、前記光学フィルタの前記受光体側端面から前記前記受光体までの垂直方向の距離をｈ、及び空気の屈折率をｎ_１としたときに、前記Ｌ、ｄ_１、ｈ_１、ｎ_２、ｄ_２、ｈ、及びｎ_１が、
   

   

   の式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
3. 前記受光体の受光面方向の幅をｘ、前記光学フィルタの前記第２開口部の前記受光面方向の幅をδ、前記光学フィルタの前記受光体側端面から、前記前記受光体までの垂直方向の距離をｈ、前記第２開口部の前記受光面方向の厚みをＺとしたときに、前記ｘ、δ、ｈ及びＺが、
   

   

   の式を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線センサ。
4. 前記樹脂パッケージは、放射率が０．７以上であることを特徴とする請求項１乃至４に記載の赤外線センサ。

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