特開 2024-111768 赤外線センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024111768

(43)【公開日】2024-08-19

(54)【発明の名称】赤外線センサ

(51)【国際特許分類】

   G01J 1/02 20060101AFI20240809BHJP

   G01J 1/06 20060101ALI20240809BHJP

   G01J 5/07 20220101ALN20240809BHJP

   G01J 5/00 20220101ALN20240809BHJP

【ＦＩ】

G01J1/02 H

G01J1/06 A

G01J5/07

G01J5/00 101G

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023016472

(22)【出願日】2023-02-06

(71)【出願人】

【識別番号】303046277

【氏名又は名称】旭化成エレクトロニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100165951

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 憲悟

(74)【代理人】

【識別番号】100180655

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 俊樹

(72)【発明者】

【氏名】井上 大志

(72)【発明者】

【氏名】稲葉 美来

【テーマコード（参考）】

2G065

2G066

【Ｆターム（参考）】

2G065AB02

2G065BA09

2G065BA14

2G065BB46

2G065CA05

2G066AC13

2G066BA11

2G066BA31

2G066BB01

(57)【要約】

【課題】装置の小型化及びコストの低減を可能にする赤外線センサが提供される。
【解決手段】赤外線センサ（１１）は、光路上に視野制限構造が設けられる赤外線センサであって、基板（１２）と、基板に接して配置され、測定対象から放射されて基板を通った光を受光する受光面（１３）と、を備え、視野制限構造は、受光面に受光させる光を通す開口部（２２）と、開口部に接続し、開口部の周囲に設けられる視野制限部（２３）と、を備え、断面視で、開口部が受光面に向かう方向に突出し、開口部に対する最大入射角の光が受光面に届かないように、視野制限部が開口部に対して傾斜した凸形状である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光路上に視野制限構造が設けられる赤外線センサであって、
基板と、
前記基板に接して配置され、測定対象から放射されて前記基板を通った光を受光する受光面と、を備え、
前記視野制限構造は、
前記受光面に受光させる光を通す開口部と、
前記開口部に接続し、前記開口部の周囲に設けられる視野制限部と、を備え、
断面視で、前記開口部が前記受光面に向かう方向に突出し、前記開口部に対する最大入射角の光が前記受光面に届かないように、前記視野制限部が前記開口部に対して傾斜した凸形状である、赤外線センサ。

【請求項2】

前記視野制限構造は前記基板に形成される、請求項１に記載の赤外線センサ。

【請求項3】

前記受光面から離れる方向に前記基板と接して配置され、光を透過させる光学部材を備え、
前記視野制限構造は前記光学部材に形成される、請求項１に記載の赤外線センサ。

【請求項4】

前記赤外線センサは、光路上に設けられた光学部材とともに用いられ、
前記視野制限構造は前記光学部材に形成される、請求項１に記載の赤外線センサ。

【請求項5】

前記開口部は平面視で多角形である、請求項１から４のいずれか一項に記載の赤外線センサ。

【請求項6】

前記開口部は平面視で円形である、請求項１から４のいずれか一項に記載の赤外線センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は赤外線センサに関する。

【背景技術】

【0002】

波長が２μｍ以上の赤外線は、その熱的効果及びガスによる赤外線吸収の効果から、人を検知する人感センサ、非接触温度測定装置及びガスセンサ等に使用されている。例えば赤外線センサを用いる非接触温度測定装置は、測定対象から入射する赤外線のエネルギー量に基づいて温度を検出する。

【0003】

ここで、赤外線センサを例えば非接触温度測定装置などの装置で使用する場合に、測定対象以外の物体からの光（赤外線）を受光しないように視野制限が必要になることが多い。例えば特許文献１は、第１光素子に入射し得る赤外線を遮断する視野角制限部材を備える光伝送装置を開示する。また、例えば特許文献２は、赤外線検出素子の周囲を囲む金属製の第二部材と、を備える、赤外線検出器のキャップを開示する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第６０１７６９４号公報

【特許文献2】特開２０２０－１２８９１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ここで、特許文献１及び特許文献２の手法は、赤外線センサの入射部分に、一定の大きさを有する金属のリフレクタなどの視野制限部材を設けるものである。そのため、装置の小型化に限界があった。また、金属のリフレクタは高価であることも多く、装置のコストの低減が難しかった。

【0006】

かかる事情に鑑みてなされた本開示の目的は、装置の小型化及びコストの低減を可能にする赤外線センサを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

（１）本開示の一実施形態に係る赤外線センサは、
光路上に視野制限構造が設けられる赤外線センサであって、
基板と、
前記基板に接して配置され、測定対象から放射されて前記基板を通った光を受光する受光面と、を備え、
前記視野制限構造は、
前記受光面に受光させる光を通す開口部と、
前記開口部に接続し、前記開口部の周囲に設けられる視野制限部と、を備え、
断面視で、前記開口部が前記受光面に向かう方向に突出し、前記開口部に対する最大入射角の光が前記受光面に届かないように、前記視野制限部が前記開口部に対して傾斜した凸形状である。

【0008】

（２）本開示の一実施形態として、（１）において、
前記視野制限構造は前記基板に形成される。

【0009】

（３）本開示の一実施形態として、（１）において、
前記受光面から離れる方向に前記基板と接して配置され、光を透過させる光学部材を備え、
前記視野制限構造は前記光学部材に形成される。

【0010】

（４）本開示の一実施形態として、（１）において、
前記赤外線センサは、光路上に設けられた光学部材とともに用いられ、
前記視野制限構造は前記光学部材に形成される。

【0011】

（５）本開示の一実施形態として、（１）から（４）のいずれかにおいて、
前記開口部は平面視で多角形である。

【0012】

（６）本開示の一実施形態として、（１）から（４）のいずれかにおいて、
前記開口部は平面視で円形である。

【発明の効果】

【0013】

本開示によれば、装置の小型化及びコストの低減を可能にする赤外線センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、本開示の一実施形態に係る赤外線センサの構成を示す断面図である。

【図2】図２は、視野制限部の開口部に対する傾斜を説明するための図である。

【図3】図３は、開口部の形状の一例を示す平面図である。

【図4】図４は、開口部の形状の別の例を示す平面図である。

【図5】図５は、本開示の一実施形態に係る赤外線センサの別の構成を示す断面図である。

【図6】図６は、本開示の一実施形態に係る赤外線センサの別の構成を示す断面図である。

【図7】図７は、視野制限構造のない従来の赤外線センサの構成を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面を参照して本開示の一実施形態に係る赤外線センサが説明される。各図中、同一又は相当する部分には、同一符号が付されている。本実施形態の説明において、同一又は相当する部分については、説明を適宜省略又は簡略化する。

【0016】

図１は、本実施形態に係る赤外線センサ１１の構成を示す断面図である。赤外線センサ１１は、測定対象から放射される赤外線を検出する。また、赤外線センサ１１は、検出された赤外線のエネルギー量（以下、赤外線量）に応じた電気信号を出力する。赤外線量に応じた電気信号は例えば電流値であってよい。赤外線センサ１１は、半導体に赤外線が照射されるとその光量子によって発生する電子又は正孔を利用して、赤外線を検出する量子型のセンサであってよい。量子型のセンサは、熱型赤外線センサに比べて、高感度で応答速度が速い。

【0017】

赤外線センサ１１は、例えば人を検知する人感検出装置、非接触で温度を測定する非接触温度測定装置又は対象ガスの濃度を検出するガス検出装置の部品となり得る。本実施形態において、赤外線センサ１１は測定対象の温度を測定する非接触温度測定装置に内蔵されるとして説明する。非接触温度測定装置は様々な電子機器に組み込まれて使用されるが、一例としてイヤホンに組み込まれる。非接触温度測定装置がイヤホンの使用者の温度（体温）を測定し、測定された温度に基づいてイヤホンが装着状態であるかを判定可能にする。さらに、装着状態であるか否かによって、イヤホンの電源がオン又はオフに制御されてよい。

【0018】

赤外線センサ１１は、光路上に視野制限構造２１が設けられており、基板１２と、受光面１３と、を備える。受光面１３は、基板１２に接して配置され、測定対象から放射されて基板１２を通った光を受光する。ここで、「接する」とは直接的な接触だけでなく、光の透過等に大きく影響しない限り、間接的な接触も含む。例えば、赤外線の透過を阻害しない膜が受光面１３と基板１２との間に存在する場合も、受光面１３が基板１２に接して配置されることに含まれる。また、本実施形態において、赤外線センサ１１は少なくとも基板１２及び受光面１３を封止する封止部１４も備える。視野制限構造２１及び赤外線センサ１１の構成要素の詳細については後述する。また、以下において、赤外線を単に光と称することがある。

【0019】

ここで、図７は視野制限構造２１のない従来の赤外線センサ１１１の構成を示す断面図である。基板１２が例えばＧａＡｓ基板であるとすると、屈折率は約３．２８である。図７の破線で示すように、屈折率が１である空気中を通った光はＧａＡｓ基板で伝搬方向が大きく変わって受光面１３まで届く。つまり、視野制限構造２１のない従来の赤外線センサ１１１の視野角は、ほぼ１８０°である。小型の装置（特に非接触温度測定装置）に内蔵される場合に、測定対象以外の物体（一例として筐体）が視野に入らないように設計することは困難である。そのため、光路上に視野制限構造２１が設けられて、赤外線センサ１１で受光される光が測定対象からのものであるように制限することによって、高精度な測定が可能になる。

【0020】

以下、赤外線センサ１１の構成要素及び視野制限構造２１の詳細が説明される。ここで、図１には、赤外線センサ１１の向きに対応する直交座標が示されている。この直交座標は図２～図７でも用いられる。ｚ軸方向は、基板１２と受光素子とが積層される方向である。受光面１３は受光素子の受光部分の集合として形成される。以下において、ｚ軸方向は高さ方向又は深さ方向と表現されることがある。ｘ軸方向は、赤外線センサ１１の幅方向に対応する。また、ｙ軸方向は、赤外線センサ１１の奥行き方向に対応する。また、ｚ軸方向に沿った視線で、ｘｙ平面に平行な面を正面から見る見方を、以下において平面視と称することがある。例えば後述する図３及び図４では、平面視で赤外線センサ１１を見ている。また、赤外線センサ１１のｘｙ平面に垂直な断面を正面から見る見方を、以下において断面視と称することがある。本実施形態において、赤外線センサ１１は平面視で長方形状であり、ｘ軸方向が長手方向に対応し、ｙ軸方向が短手方向に対応するとして説明する。また、図１、図２及び図５～図７において、断面視の例としてｚｘ平面で赤外線センサ１１を切った断面を例示しているが、断面視はこれに限定されず、別の例としてｙｚ平面で赤外線センサ１１を切った場合も断面視である。

【0021】

基板１２は、半導体を含む材料を含んでよいし、絶縁性であってよい。基板１２は一例として、シリコン（Ｓｉ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、サファイヤ、リン化インジウム（ＩｎＰ）等で形成される。基板１２がＩｎ、Ｓｂ、Ａｓ、Ａｌ等を含むナローギャップ半導体材料を含む材料で形成される場合、格子欠陥の少ない半導体層が形成される。本実施形態において、基板１２はＧａＡｓ基板である。

【0022】

受光面１３は、上記のように受光素子の受光部分の集合として形成され得る。受光素子としては、例えばフォトダイオード、フォトコンダクタ、サーモパイル、焦電センサなどを用いることができる。複数の受光素子は、同一の基板１２上に形成され得る。本実施形態において、受光素子はフォトダイオードである。

【0023】

封止部１４は、樹脂材料で構成されており、上記のように少なくとも基板１２及び受光面１３を封止する。封止部１４は、例えばエポキシ樹脂等の樹脂材料で形成されてよい。封止部１４を構成する材料は、エポキシ樹脂等の樹脂材料の他にフィラー、不可避的に混在する不純物などを含んでいてよい。フィラーとしては、例えばシリカ、アルミナ等が好適に用いられる。

【0024】

視野制限構造２１は、開口部２２と、視野制限部２３と、を備える。開口部２２は、受光面１３に受光させる光を通す部分である。また、視野制限部２３は、開口部２２に接続し、開口部２２の周囲に設けられる。視野制限構造２１は、断面視で、開口部２２が受光面１３に向かう方向（ｚ軸負方向）に突出する凸形状である。開口部２２に対する最大入射角の光（図２参照）が受光面１３に届かないように、視野制限部２３は開口部２２に対して傾斜している。ここで、図１の例において、視野制限構造２１は基板１２に形成されている。凸形状である視野制限構造２１が、突出する部分をｚ軸負方向に向けるように基板１２に形成されているため、基板１２は断面視で一部がｚ軸負方向に窪んだ凹形状になっている。

【0025】

図１に示すように、視野制限部２３による段差によって遮られることなく、開口部２２まで届いた光は、スネルの法則（ｎ_１×ｓｉｎθ_１＝ｎ_２×ｓｉｎθ_２）に従って屈折して受光面１３に達する。ここで、θ_１及びθ_２はそれぞれ図１に示される入射角及び出射角である。また、ｎ_１は赤外線センサ１１の外部における屈性率であって、本実施形態において１（空気の屈折率）である。ｎ_２は基板１２の屈性率であって、例えば約３．２８（ＧａＡｓの屈折率）である。

【0026】

図２は、視野制限部２３の開口部２２に対する傾斜を説明するための図である。視野制限部２３は、最大入射角の光が受光面１３に届かないように、ｚ軸方向の深さＤ_ｉを有して形成される。ここで、説明のために、図２においてｘ軸負方向側の視野制限部２３が第１斜部と称され、ｘ軸正方向側の視野制限部２３が第２斜部と称される。例えば最大入射角の光は、第２斜部の開口部２２と接続しない方の端部から、開口部２２の第１斜部と接続する端部へと進む光である。最大入射角の光が基板１２を伝搬しても受光面１３に届かないように、深さＤ_ｉが定められればよい。

【0027】

この場合において、断面視で、最大入射角の光に対する視野制限部２３の角度（図２のθ_３）が９０°以上の値であることが好ましい。この場合に、視野制限部２３での反射光が基板１２の内部に入ることを防ぐことができる。

【0028】

視野制限部２３は、開口部２２に対する傾斜角を好ましい値に設定することによって、つまり、好ましい深さＤ_ｉを設定することによって、視野角を制限することができる。そして、制限された視野角内に測定対象からの光が入射されるようにし、測定対象以外の物体を視野角外に配置することで、高精度な測定が可能になる。また、本実施形態に係る赤外線センサ１１において、視野制限構造２１は光を反射するコーティングを必要としない。ただし、視野制限構造２１の視野制限部２３の外部に、周辺部２４が存在する場合に、周辺部２４をコーティングすることが好ましい。

【0029】

周辺部２４は、断面視で、視野制限構造２１の幅（図２のＷ_ａ）が、受光面１３の幅（図２のＷ_ｂ）より小さい場合に生じる。周辺部２４の部分については、図７と同様の構成となって視野角が制限されないため、光を反射するコーティングを施すことが好ましい。ここで、視野制限構造２１の開口部２２は、平面視で多角形であるように構成できる。図３に示すように、平面視で、開口部２２を赤外線センサ１１に合わせて長方形とし、各辺の視野制限部２３を受光面１３が完全に覆われるように封止部１４まで延ばすことによって、周辺部２４が生じないようにできる。また、視野制限構造２１の開口部２２は、平面視で円形であるように構成できる。このとき、周辺部２４が生じるが、図４に示すように視野制限構造２１の径をできるだけ大きくすることによって、周辺部２４の領域を小さくすることができる。光を反射するコーティングは、具体例として金属メッキ又は樹脂による被覆であってよい。

【0030】

ここで、視野制限構造２１は基板１２に形成されなくてよい。例えば図５に示すように、赤外線センサ１１は、受光面１３から離れる方向（ｚ軸正方向）に基板１２と接して配置され、光を透過させる光学部材３１を備えることがある。封止部１４は、基板１２、受光面１３及び光学部材３１を封止する。この場合に、視野制限構造２１は光学部材３１に形成されてよい。光学部材３１は、例えばＳｉ又はカルコゲナイドガラス（Ｃｈａｌｃｏｇｅｎａｉｄｅ Ｇｌａｓｓ）の層であってよい。Ｓｉは、中赤外線領域で輻射が少なくなるため、このような光学部材３１の材料として適している。また、カルコゲナイドガラスは、金型などによる成形が可能であって大量生産に向いているため、このような光学部材３１の材料として適している。

【0031】

また、例えば図６に示すように、赤外線センサ１１は光路上に設けられた光学部材３１とともに用いられることがある。図６の例において、光学部材３１は赤外線センサ１１の外部の部材である。視野制限構造２１は、このような光学部材３１に形成されてよい。光学部材３１は例えば窓材であって、Ｓｉなどで構成されていてよい。窓材は、視野制限構造２１の外部からの光が受光面１３に入射しないように、例えば樹脂などで形成される遮光部３２によって部分的に覆われてよい。

【0032】

図６の例において、例えば窓材の厚み（高さ）であるＤ_ｗが３００μｍ、視野制限部２３の深さＤ_ｉが１００μｍ、受光面１３の対角が５４０μｍの場合に、視野制限構造２１の幅であるＷ_ａは７２４μｍ以上に設定される。

【0033】

以上のように、本実施形態に係る赤外線センサ１１は、上記の構成によって、装置の小型化及びコストの低減を可能にする。

【0034】

本開示の実施形態について、諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形又は修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形又は修正は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。

【符号の説明】

【0035】

１１ 赤外線センサ
１２ 基板
１３ 受光面
１４ 封止部
２１ 視野制限構造
２２ 開口部
２３ 視野制限部
２４ 周辺部
３１ 光学部材
３２ 遮光部
１１１ 赤外線センサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】