JPH11163374A - 光電変換素子装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は光電変換素子装置に関し、外部から
振動を受けた場合の画素ずれの発生を抑えることを課題
とする。 【解決手段】 赤外線検知素子４５は内筒４１ａの頂部
に固定してある。４本のポリイミド樹脂製の線状の部材
７０−１〜７０−４が、一端を下部外筒４２ａの内面に
接着材で接着してあり、９０度間隔で配してあり、下部
外筒４２ａの中心方向に延びている。この先端が、内筒
４１ａの頂部に接着してある。これによって、内筒４１
ａの頂部が下部外筒４２ａに対して支持されており、内
筒４１ａの共振周波数が高められている。よって、共振
時の内筒４１ａの頂部の振れ幅、即ち赤外線検知素子４
５の振れ幅が小さく制限され、よって、画素ずれが抑え
られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光電変換素子装置に
係り、特に、冷却を必要とする赤外線検知素子を真空雰
囲気内に収容している光電変換素子装置に関する。地球
を観察する装置の一つとして、航空機等に搭載され、地
球から発せられている赤外線を検知する探査装置があ
る。この探査装置は、赤外線検知素子を使用する。ここ
で、赤外線検知素子はノイズとなる暗電流を低く抑える
ために、液体窒素の温度である極低温まで冷却して使用
される。極低温まで冷却したときに結露が発生しないよ
うにするために、また、断熱効果を上げるために、赤外
線検知素子の周囲は真空とする必要がある。

【０００２】上記の赤外線検知素子装置（探査装置）１
０は、図８に示すように、赤外線検知素子１１を真空雰
囲気内に収容している赤外線検知素子収容真空容器１２
を、冷却装置１３が備えてある探査装置本体１４に取り
付けて組立られた構成である。冷却装置１３は、例えば
逆スターリングサイクルの原理等を利用したものであ
り、コンプレッサ１５と、ディスプレイサ１６と、クー
リングヘッド１７とよりなる構成である。探査装置１０
は、コンプレッサ１５を起動させて冷却装置１３を動作
させ、赤外線検知素子１１を極低温まで冷却した状態で
動作される。

【０００３】近年、探査の高精度化のために、赤外線検
知素子の画素数が増加してきている。赤外線検知素子の
画素数が増加すると、赤外線検知素子上での一画素に対
応する領域のサイズが小さくなり、よって、振れ幅の画
素ずれに与える影響が大きくる。一方、探査装置の応用
分野の拡大に伴い、探査装置は航空機等にも搭載される
ようになってきている。航空機等にも搭載された場合に
は、探査装置は、例えばランダム８Ｇｒｍｓ等の厳しい
振動に曝されることがある。このような厳しい振動に曝
されると、赤外線検知素子の振れ幅が大きくなり易い。
よって、赤外線検知素子の振れを抑える対策が重要とな
る。

【０００４】

【従来の技術】従来の赤外線検知素子装置１９は、図９
に示すように、赤外線検知素子収容真空容器２０が、冷
却装置１３が備えてある探査装置本体１４に取り付けて
組立られた構成である。赤外線検知素子収容真空容器２
０は、クーリングヘッドが挿入される内筒２１と、内筒
２１と溶接してあり内筒２１を覆う外筒２２と、内筒２
１の頂部に取り付けられた赤外線検知素子２３と、赤外
線検知素子２３を覆うコールドシールド２４とを有し、
内筒２１と外筒２２との間に真空空間２５を有する構成
である。

【０００５】外筒２２は窓２６を有する。内筒２１は、
図１０に示すように、ガラス製の筒３０と、筒３０の頂
面に固定してあるヘッド３１と、筒３０の下端に嵌合し
て固定してあるジョイント３２と、ジョイント３２と嵌
合して溶接してあるベース３３と、ベース３３と嵌合し
て溶接してあるゲッタケース３４とよりなる構成であ
る。３６はゲッタであり、ゲッタケース３４内に設けて
あり、赤外線検知素子収容真空容器２０内で発生したガ
スを吸収する。

【０００６】赤外線検知素子収容真空容器２０は、図９
に示すように、ゲッタケース３４を探査装置本体１４の
凹状の取付け部１４ａに嵌合させて溶接される。クーリ
ングヘッド１７が内筒２１内に挿入してあり、クーリン
グヘッド１７の頂部がヘッド３１と熱的に導通してい
る。ここで、筒３０がガラス製であるのは、ガラスの熱
伝導率が小さいためである。即ち、常温状態にある赤外
線検知素子２３を極低温まで冷却することが効率良く行
なえるようにするためである。筒３０の厚さｔ１は、強
度を考慮して、約１ｍｍとしてある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来は、内筒２１の振
れを抑えるための特別の手段は設けられていない。この
ため、赤外線検知素子装置１９が例えば航空機等にも搭
載されて使用された場合には、内筒２１が振れて目立っ
た画素ずれが発生してしまう虞れがあった。そこで、本
発明は、上記課題を解決した光電変換素子装置を提供す
ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、ディ
スプレイサ本体とこれから突き出ている柱状のクーリン
グヘッドとよりなるディスプレイサと、内筒と該内筒を
覆う外筒とよりなり内部を真空とされており、該内筒が
上記クーリングヘッドに嵌合した状態で上記ディスプレ
イサ本体に取り付けてある二重円筒状の真空容器と、該
内筒の頂部に取り付けられた冷却を必要とする光電変換
素子とを有する光電変換素子装置において、該内筒の先
端側を該外筒に対して支える支持手段を設けた構成とし
たものである。

【０００９】内筒の先端側を外筒に対して支える支持手
段を設けることによって、内筒の共振周波数が数ｋＨｚ
程度にまで高められ、よって、共振が起きた場合の内筒
の先端の振れ幅のピークが小さく抑えられる。請求項２
の発明は、請求項１の発明において、支持手段は、一端
が該真空容器の外筒に固定してあり、内方に延びてお
り、先端が上記内筒の先端側に固定してある線状の部材
である構成としたものである。

【００１０】線状の部材であるため、熱伝導が良くな
く、よって光電変換素子の冷却効率は低下しない。請求
項３の発明は、ディスプレイサ本体とこれから突き出て
いる柱状のクーリングヘッドとよりなるディスプレイサ
と、該クーリングヘッドを覆って該ディスプレイサ本体
に取り付けてあり、内部を真空とされている略筒状の真
空容器と、クーリングヘッドの頂部に取り付けられた冷
却を必要とする光電変換素子とを有する光電変換素子装
置において、該クーリングヘッドの先端側を該真空容器
に対して支える支持手段を設けた構成としたものであ
る。

【００１１】クーリングヘッドの先端側を真空容器に対
して支える支持手段を設けることによって、クーリング
ヘッドの共振周波数が数ｋＨｚ程度にまで高められ、よ
って、共振が起きた場合のクーリングヘッドの先端の振
れ幅のピークが小さく抑えられる。請求項４の発明は、
請求項３の発明において、支持手段は、一端が該真空容
器の外筒に固定してあり、内方に延びており、先端が上
記クーリングヘッドの先端側に固定してあり、線状の筋
部を有し、且つ、配線パターンを有するシート状の部材
である構成としたものである。

【００１２】支持手段は、線状の筋部を有し、且つ、配
線パターンを有するシート状の部材であるため、フレキ
シブルケーブル等の配線手段を別途設ける必要が無い。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１実施例にな
る赤外線検知素子装置３９を示す。赤外線検知素子装置
３９は、赤外線検知素子収容真空容器２０が、冷却装置
１３が備えてある探査装置本体１４に取り付けて組立ら
れた構成である。赤外線検知素子収容真空容器４０は、
図３に示す容器本体４１と、下部外筒４２ａと、上部外
筒４２ｂと、配線板４３とを有し、容器本体４１と外筒
４２との間に真空空間４４を有する構成である。下部外
筒４２ａと上部外筒４２ｂとが外筒４２を構成する。真
空空間４４内に、光電変換素子としての赤外線検知素子
４５と、フレキシブルケーブル４６と、コールドシール
ド４７と、ゲッタ４８とが設けてある。

【００１４】配線板４３は、セラミック製であり、ろう
付け等が可能なように表面がメタライズ処理してあり、
容器本体４１のゲッタケース部４１ｄの上面にろう付け
して固定してある。６５はろう付け部である。外筒４２
は、内筒部４１ａを覆って、配線板４３に溶接してあ
る。６６は溶接部である。外筒４２は窓６７を有する。
下部外筒４２ａが配線板４３に溶接してあり、上部外筒
４２ｂが下部外筒４２ａに溶接してある。

【００１５】コールドシールド４７が、赤外線検知素子
４５を覆うように設けてある。フレキシブルケーブル４
６が、内筒部４１ａの頂部と配線板４３との間に配線し
てある。赤外線検知素子４５の出力は、フレキシブルケ
ーブル４６、配線板４３のパターンを経て、真空空間４
４の外部の端子６７から取り出される。ゲッタケース部
４１ｄ内にゲッタ４８が設けてあり、ゲッタ４８によっ
て、赤外線検知素子収容真空容器４０内で発生したガス
が吸収される。

【００１６】容器本体４１は、コバールの素材を旋盤加
工して切削して形成したものであり、内筒４１ａと、内
筒４１ａの頂上部の凹状の赤外線検知素子取付け部４１
ｂと、内筒４１ａの下端側より外側に拡がっている略筒
状のベース部４１ｃと、ベース部４１ｃとつながってベ
ース部４１ｃの上側に位置している略筒状のゲッタケー
ス部４１ｄとを一体に有する構成である。赤外線検知素
子取付け部４１ｂは、円形の凹形状を有する。

【００１７】また、内筒４１ａの肉厚ｔ２は、容器本体
４１が所定の機械的強度を保つのに必要な最低の厚さ、
例えば、０．１ｍｍである。材料が金属であるであるた
め、肉厚ｔ２が０．１ｍｍでも容器本体４１は所定の機
械的強度を有する。これに対して、外筒４２（下部外筒
４２ａ及び上部外筒４２ｂ）の肉厚ｔ３は１ｍｍと厚
く、丈夫である。

【００１８】赤外線検知素子４５は、台５０に搭載され
て、赤外線検知素子取付け部４１ｂに固定してある。赤
外線検知素子収容真空容器４０は、装置本体６０の凹状
の取付け部６１に嵌合して取り付けてある。また、クー
リングヘッド１７が内筒４１ａ内に挿入しており、クー
リングヘッド１７の頂部が赤外線検知素子取付け部４１
ｂの下面と熱的に導通している。

【００１９】赤外線検知素子装置３９は、冷却装置１３
を動作させ、即ち、コンプレッサ１５を起動させてエキ
スパンダ１６を動作させ、逆スターリングサイクルの原
理でクーリングヘッド１７を冷却し、赤外線検知素子１
１を極低温まで冷却した状態で動作する。６５は、対物
レンズである。また、上記のように内筒４１ａの肉厚ｔ
２は、０．１ｍｍであり、従来のガラス製の筒３０の厚
さｔ１（１ｍｍ）の１０分の１と薄い。よって、コバー
ルの熱伝導率は、１．３×１０^-1Ｗ／ｃｍ・ｄｅｇであ
り、ガラスの熱伝導率７．２×１０^-3Ｗ／ｃｍ・ｄｅｇ
より約１８倍も高いけれども、内筒４１ａに沿う熱伝導
に対する抵抗は十分に高い。よって、赤外線検知素子４
５の冷却は効率良く、少ない消費電力で行われる。

【００２０】次に、内筒４１ａ（赤外線検知素子４５）
の防振対策について説明する。防振対策が必要な理由
は、熱伝導に対する抵抗を十分に高くするために内筒４
１ａの肉厚ｔ２が０．１ｍｍと薄くなっており、この結
果、内筒４１ａが振動し易くなったためである。防振対
策は、内筒４１ａの共振周波数を高めることによってな
されている。外部から同じ大きさの振動を加えた場合
に、内筒４１ａの上端の振れ幅は、図４中、線Ｉで示す
ように、周波数が上がるにつれて小さくなる傾向にある
ため、共振が低い周波数で起きた場合（線Ｉａで示す）
に比べて、共振が高い周波数で起きた場合（線Ｉｂで示
す）の方が、ピークの振れ幅が小さくなるからである。

【００２１】内筒４１ａの共振周波数を高めるべく、図
２に示すように、４本の線状の部材７０−１〜７０−４
を使用している。４本の線状の部材７０−１〜７０−４
は、その一端を下部外筒４２ａの内面に接着材で接着し
てあり、下部外筒４２ａの中心方向（内方）に延びてい
る。４本の線状の部材７０−１〜７０−４の先端が、内
筒４１ａの頂部（先端側）に接着してある。７１、７２
は接着部分である。４本の線状の部材７０−１〜７０−
４は、９０度間隔で配してあり、フレキシブルケーブル
４６と干渉しないようになっており、且つ、内筒４１ａ
の頂部は、外筒４２ａによって、周方向上何れの方向か
ら作用する振動に対しても均等に支持されている。

【００２２】４本の線状の部材７０−１〜７０−４は、
ポリイミド樹脂又はエポキシ樹脂製であり、径が０．５
ｍｍの細いパイプであり、材料及び断面形状からして熱
伝導度は低い。４本の線状の部材７０−１〜７０−４に
よって、内筒４１ａの共振周波数は例えば３ｋＨｚ程度
に高められており（線状の部材６０−１〜６０−４を設
けないとすると、内筒４１ａの共振周波数は例えば数１
００Ｈｚである）、共振が起きた場合の内筒の先端の振
れ幅のピーク、即ち赤外線検知素子４５の振れ幅のピー
クが小さく抑えられ、よって、画素ずれが抑えられる。

【００２３】なお、４本の線状の部材７０−１〜７０−
４の取付けは、上部外筒４２ｂを溶接する前の段階で行
う。４本の線状の部材７０−１〜７０−４の取付けを完
了してから、上部外筒４２ｂを溶接する。また、４本の
線状の部材７０−１〜７０−４の熱伝導度は低いため、
赤外線検知素子４５は、線状の部材７０−１〜７０−４
による影響を受けずに、効率良く冷却される。

【００２４】次に、図５乃至図７（Ａ），（Ｂ）を参照
して、本発明の第２実施例になる赤外線検知素子装置８
０について説明する。図５に示すように、赤外線検知素
子装置８０は、ＩＤＣＡ（Integreted DweerCooler Ass
embly) といわれるものであり、ディスプレイサのフラ
ンジ部が（真空容器の一部を成しており、ディスプレイ
サと真空容器とが一体を成している構成のものである。
この赤外線検知素子装置８０は、赤外線検知素子４５が
クーリングヘッド１７の頂部に固定してあり、赤外線検
知素子４５の冷却効率の向上を図ったものである。

【００２５】赤外線検知素子装置８０は、赤外線検知素
子４５が台８１に搭載されてディスプレイサ１６Ａのデ
ィスプレイサ本体１６Ａａから突き出ている柱状のクー
リングヘッド１７の頂部に直接固定してあり、略筒状の
真空容器８２が、ディスプレイサ本体１６Ａａのフラン
ジ１６Ａｂに溶接された構成である。略筒状の真空容器
８２は、フランジ１６Ａｂに溶接された筒部８２ａと、
筒部８２ａの上面にろう付けされた配線板４３Ａと、配
線板４３Ａの上面にろう付けされた蓋部８２ｂとよりな
る。配線板４３Ａは、台８１と同じ高さに位置してい
る。筒部８２ａ及び蓋部８２ｂの肉厚ｔ４は１ｍｍと厚
く、丈夫である。

【００２６】図７（Ａ），（Ｂ）に示すように、８３は
シート状部材であり、略扇形状を有しており、厚さが約
２０μｍのポリイミド製のシート部８４に両端に端子８
５、８６を有する配線パターン８７が多数本形成してあ
り、両側に、線状の筋部８８、８９を有する構成であ
る。筋部８８、８９は、ポリイミド製の細い幅の帯状体
を複数枚重ねて接着して形成しものであり、幅ｗ１が
１．５ｍｍであり、厚さｔ５が１ｍｍである。

【００２７】このシート状部材８３−１，８３−２は、
図５及び図６に示すように、円弧側９０を配線板４３Ａ
のうち真空容器８２の内部に突き出ている部分４３Ａａ
に接着してあり、真空容器８２の内部に張り出ている。
シート状部材８３−１，８３−２の先端側の直線側９１
が台８１上に接着してある。シート状部材８３−１，８
３−２は、クーリングヘッド１７に対して直径方向上両
側に設けてある。図６は蓋部８２ｂの頂部を破断して示
す。

【００２８】配線パターン８７によって赤外線検知素子
４５と配線板４３Ａとが電気的に接続してある。筋部８
８、８９は、略９０度間隔で４つ配されており、クーリ
ングヘッド１７の頂部を真空容器８２に対して支持して
いる。即ち、本実施例は、赤外線検知素子４５と配線板
４３Ａとが電気的に接続する部材を利用して、クーリン
グヘッド１７の頂部を真空容器８２に対して支持する構
成である。

【００２９】４本の筋部８８、８９によって支持するこ
とによって、クーリングヘッド１７の共振周波数は例え
ば２．５ｋＨｚ程度に高められており（４本の筋部８
８、８９を設けないとすると、クーリングヘッド１７の
共振周波数は例えば数１００Ｈｚである）、共振が起き
た場合のクーリングヘッドの先端の振れ幅のピーク、即
ち赤外線検知素子４５の振れ幅のピークが小さく抑えら
れ、よって、画素ずれが抑えられる。

【００３０】なお、シート状部材８３−１，８３−２の
取付けは、蓋部８２ｂをろう付けする前の段階で行う。
シート状部材８３−１，８３−２の取付けを完了してか
ら、蓋部８２ｂをろう付けする。なお、また、４本の４
本の筋部８８、８９の熱伝導度は低いため、赤外線検知
素子４５は、筋部８８、８９による影響を受けずに、効
率良く冷却される。

【００３１】なお、真空容器内に収容される素子は赤外
線検知素子に限らず、冷却を必要とする光電変換素子で
あればよい。また、図１の真空容器が別体型の赤外線検
知素子装置に、図７のシート状部材８３を適用してもよ
く、逆に、図５の真空容器が一体型の赤外線検知素子装
置に、図２に示すと同様に線状の部材を適用してもよ
い。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、内筒の先端側を外筒に対して支える支持手段を
設けた構成としたため、内筒の共振周波数が数ｋＨｚ程
度にまで高められ、よって、共振が起きた場合の内筒の
先端の振れ幅のピーク、即ち光電変換素子の振れ幅のピ
ークが小さく抑えられ、これによって、画素ずれを抑え
ることが出来る。

【００３３】請求項２の発明によれば、支持手段は、線
状の部材であるため、熱伝導が良くなく、よって光電変
換素子の冷却効率の低下が起きないようにすることが出
来る。請求項３の発明によれば、クーリングヘッドの先
端側を真空容器に対して支える支持手段を設けた構成と
したため、クーリングヘッドの共振周波数が数ｋＨｚ程
度にまで高められ、よって、共振が起きた場合のクーリ
ングヘッドの先端の振れ幅のピーク、即ち光電変換素子
の振れ幅のピークが小さく抑えられ、これによって、画
素ずれを抑えることが出来る。

【００３４】請求項４の発明によれば、支持手段は、線
状の筋部を有し、且つ、配線パターンを有するシート状
の部材であるため、フレキシブルケーブル等の配線手段
を別途設ける必要が無く、よって、組み立てがし易い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例になる赤外線検知素子装置
を示す図である。

【図２】図１中、内筒の頂部の外筒に対する支持状態を
示す図である。

【図３】図１中、容器本体を示す図である。

【図４】周波数と振れ幅との関係を示す図である。

【図５】本発明の第１実施例になる赤外線検知素子装置
を示す図である。

【図６】図５中、クーリングヘッドの頂部の真空容器に
対する支持状態を示す図である。

【図７】シート状部材を示す図である。

【図８】一般の赤外線検知素子装置の構成を示す図であ
る。

【図９】従来の赤外線検知素子装置を示す図である。

【図１０】図９中、内筒の構造を示す図である。

【符号の説明】

３９、８０ 赤外線検知素子装置 ４０ 真空容器 ４１ａ 内筒部 ４２ 外筒 ４２ａ 下部外筒 ４３Ａ 配線板 ４５ 赤外線検知素子 ７０−１〜７０−４ 線状の部材 ８３−１，８３−２ シート状部材 ８８，８９ 筋部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 濱嶋 茂樹 神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番 １号 富士通株式会社内 (72)発明者 土田 浩幸 神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番 １号 富士通株式会社内 (72)発明者 廣田 耕治 神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番 １号 富士通株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ディスプレイサ本体とこれから突き出て
   いる柱状のクーリングヘッドとよりなるディスプレイサ
   と、内筒と該内筒を覆う外筒とよりなり内部を真空とさ
   れており、該内筒が上記クーリングヘッドに嵌合した状
   態で上記ディスプレイサ本体に取り付けてある二重円筒
   状の真空容器と、該内筒の頂部に取り付けられた冷却を
   必要とする光電変換素子とを有する光電変換素子装置に
   おいて、 該内筒の先端側を該外筒に対して支える支持手段を設け
   た構成としたことを特徴とする光電変換素子装置。
2. 【請求項２】 上記支持手段は、一端が該真空容器の外
   筒に固定してあり、内方に延びており、先端が上記内筒
   の先端側に固定してある線状の部材である構成としたこ
   とを特徴とする請求項１記載の光電変換素子装置。
3. 【請求項３】 ディスプレイサ本体とこれから突き出て
   いる柱状のクーリングヘッドとよりなるディスプレイサ
   と、該クーリングヘッドを覆って該ディスプレイサ本体
   に取り付けてあり、内部を真空とされている略筒状の真
   空容器と、クーリングヘッドの頂部に取り付けられた冷
   却を必要とする光電変換素子とを有する光電変換素子装
   置において、 該クーリングヘッドの先端側を該真空容器に対して支え
   る支持手段を設けた構成としたことを特徴とする光電変
   換素子装置。
4. 【請求項４】 上記支持手段は、一端が該真空容器の外
   筒に固定してあり、内方に延びており、先端が上記クー
   リングヘッドの先端側に固定してあり、線状の筋部を有
   し、且つ、配線パターンを有するシート状の部材である
   構成としたことを特徴とする請求項３記載の光電変換素
   子装置。