(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内外気密性を有する密封構造のハウジングと、
このハウジングの内部で発生した熱をハウジングの外部へ伝導し放熱を行う放熱手段と、
前記ハウジング内に配置され、熱を吸収する吸熱面および熱を放出する放熱面を有し、前記放熱面が前記放熱手段へ当接されている冷却手段と、
前記放熱手段側に支持され、前記冷却手段の前記放熱面を前記放熱手段側へ押圧する第一保持手段と、
前記冷却手段の前記吸熱面側に取り付けられ、外部から入射する光を受けて光電変換を行う光検出手段と、
前記光検出手段側に支持され、前記冷却手段の前記吸熱面を前記光検出手段側へ押圧する第二保持手段と、
を備えた光検出装置。
【請求項２】
前記冷却手段の前記放熱面の端部に前記第一保持手段を掛止させる第一取付部が設けられると共に、前記冷却手段の前記吸熱面の端部に前記第二保持手段を掛止させる第二取付部が設けられていること特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光検出素子の冷却機能を備えた光検出装置に関するものであるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、撮像素子に冷却素子を取り付けた構造の検出装置としては、特開平６−２１６４０２号公報に記載されるものが知られている。この公報に記載される装置は、放射線検出器であって、この公報の図１に示されるように、密封されたパッケージ内部に冷却素子であるペルチェ素子が配置され、そのペルチェ素子上に撮像素子であるＣＣＤが取り付けられた構造となっている。この種の検出装置において、撮像素子としてＰＮ接合型やＰＩＮ型などを利用したものを用いた場合、その撮像素子に高い逆バイアスを印加しなければならない。このバイアス印加により撮像素子内に大きな電流が流れ、撮像素子の内部で熱が発生し、その熱に起因して撮像素子内でノイズが生ずることとなる。これらの発熱およびノイズを抑えるために、撮像素子に冷却素子を取り付けて、撮像素子を効率良く冷却できる構造とされている。そして、冷却素子および撮像素子の具体的な取付構造としては、冷却素子のコールドサイド（吸熱面）上に撮像素子が熱伝導性樹脂により接着して取り付けられ、冷却素子のホットサイド（放熱面）がパッケージに熱伝導性樹脂により接着して取り付けられた構造とされている。そして、冷却素子のペルチェ効果により撮像素子が吸熱により冷却され、冷却素子で発せられる熱をパッケージを通じて放出している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の検出装置にあっては、以下のような問題点がある。まず第一には、冷却素子により撮像素子が十分に冷却できないという問題点がある。
すなわち、パッケージ内は冷却素子による冷却効果を高めるために真空状態とするのが望ましいが、接着に用いた熱伝導性樹脂からガスが放出されるため、パッケージ内を常に低い圧力に維持すること困難である。また、パッケージが金属などで形成されている場合、熱伝導性樹脂の熱伝導率がパッケージに比べ小さくなり、冷却素子から放出される熱を効率良く伝導することができない。このように、放出されたガスによる熱対流の発生や熱伝導性の低下により、冷却素子の冷却性能を十分に発揮することができず、パッケージ内の撮像素子が十分に冷却されない。
【０００４】
第二には、冷却素子の取付状態にバラツキを生じ、撮像素子の冷却が安定して行えないという問題点がある。すなわち、冷却素子の取付は熱伝導性樹脂を塗り付けたパッケージ内面へ冷却素子を押し付けることにより行われるが、その押し付け方によって冷却素子とパッケージの間の熱伝導性樹脂の厚みが微妙に変わってしまう。複数の光検出装置を製造する場合、その取付状態を同一とし冷却素子の放熱性能をバラツキなく一定とするのは困難である。また、内部のガス放出を少なくするためにパッケージをベーキングした場合、熱伝導性樹脂が冷却素子またはパッケージの表面から剥離するおそれがあり、そのような場合には冷却素子の冷却機能が発揮できない。
【０００５】
このような問題点を解消するために、図７に示すように、パッケージＡ上に冷却素子Ｂを配置し、その冷却素子Ｂ上に撮像素子Ｃを配置し、パッケージＡに固定した取付用の枠体Ｄと撮像素子Ｃを連結して冷却素子Ｂを挟み込むように取り付ける構造とすることが考えられる。しかしながら、このような構造の場合、冷却素子Ｂから伝導したパッケージＡの熱が枠体Ｄを通じて撮像素子Ｃ側へ伝わり、撮像素子Ｃの冷却効率が低減してしまう。また、枠体Ｄを熱伝導性が小さい樹脂などで形成すると、この枠体Ｄからガスが放出されるためパッケージＡ内の真空状態が維持できないという弊害を生ずる。
【０００６】
そこで本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたものであって、光検出素子の冷却性能に優れた光検出装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明は、内外気密性を有する密封構造のハウジングと、このハウジングの内部で発生した熱をハウジングの外部へ伝導し放熱を行う放熱手段と、ハウジング内に配置され熱を吸収する吸熱面および熱を放出する放熱面を有しその放熱面が放熱手段へ当接されている冷却手段と、放熱手段側に支持され冷却手段の放熱面を放熱手段側へ押圧する第一保持手段と、冷却手段の吸熱面側に取り付けられ外部から入射する光を受けて光電変換を行う光検出手段と、光検出手段側に支持され冷却手段の吸熱面を光検出手段側へ押圧する第二保持手段とを備えて構成される。
【０００８】
このような発明によれば、光検出手段と放熱手段との間に冷却手段を配置して光検出手段の冷却を行うに際し、冷却手段の吸熱側と放熱側がそれぞれ独立して取り付けられているから、放熱面の熱が冷却面側へ伝導することが防止される。
このため、光検出手段の冷却効率が向上する。
【０００９】
また本発明は、前述の冷却手段の放熱面の端部に第一保持手段を掛止させる第一取付部が設けられると共に、冷却手段の吸熱面の端部に第二保持手段を掛止させる第二取付部が設けられていること特徴とする。
【００１０】
このような発明によれば、放熱手段側に固定した第一保持手段の一部を冷却手段の第一取付部に掛止させることで冷却手段の放熱面を放熱手段へ容易に密着させることが可能となる。同様に、熱伝導体側に固定した第二保持手段の一部を冷却手段の第二取付部に掛止させることで冷却手段の冷却面を熱伝導体へ容易に密着させることが可能となる。このため、簡易な取付構造でありながら、放熱手段と冷却手段との間および冷却手段と光検出手段との間における熱伝導効率が確実に高められる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき、本発明に係る光検出装置の実施形態の一例について説明する。尚、各図において同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００１２】
（実施形態１）
図１は光検出装置の断面図である。図１において、光検出装置１は、入射する光の検出を行う装置であって、密封されたハウジング１１の内部空間１２に冷却手段である冷却素子２と光検出手段である光検出素子３が配設された構造とされている。ハウジング１１は、内外の気密性を有する密封構造体であって、内部空間１２が外気の影響を受けずに真空状態が維持される。このハウジング１１には、放熱手段である放熱体４が設けられており、この放熱体４を通じてハウジング１１内の熱をその外部へ放出できる構造となっている。たとえば、放熱体４は、熱伝導性に優れた銅などの金属により形成され、ハウジング１１の内外においてその一部を露出させて設けられており、ハウジング１１内で発生した熱を伝導させてハウジング１１外部で放出する機能を有している。
【００１３】
光検出素子３は、ハウジング１１に設けられた透光性の面板１３を通じて入射してくる光を受けて光電変換を行う検出素子であって、たとえばＣＣＤ、ＭＯＳ型撮像素子または赤外線エリアセンサなどが用いられる。この光検出素子３には複数の端子３１が設けられ、ハウジング１１の内外を貫通するピン１４へ接続されており、電気信号の入出力が行えるようになっている。
【００１４】
冷却素子２は、光検出素子３を冷却するためのものであって、たとえば電流供給により吸熱機能を有するペルチェ素子などが用いられる。図１においては、冷却素子２として、セラミック板の間に半導体を挟んだ層体を三層構造としたペルチェ素子が図示されているが、二層以下または四層以上の構造を有するものであってもよい。この冷却素子３には、熱を吸収する吸熱面２１と熱を放出する放熱面２２が設けられており、電流が供給されることによりそれぞれ熱の吸収または放出が行われる。この冷却素子２で冷却して光検出素子３をより低温な状態とすることにより、光検出素子３内で生ずるノイズが低減でき、光検出素子３の出力におけるＳ／Ｎ比の向上が図られる。従って、光検出素子３を効率良く冷却することが光検出装置１の特性向上のために非常に重要である。
【００１５】
図１のように、ハウジング１１内の放熱体４の表面に冷却素子２が取り付けられている。すなわち、冷却素子２の放熱面２２がハウジング１１内で露出する放熱体４の表面に当接されており、第一保持手段である第一ホルダ４３により放熱面２２が放熱体４側へ押圧されている。第一ホルダ４３は、たとえば、図２に示すように、帯状の板体が用いられ、一端がねじ止めなどにより放熱体４に固定され、その他端が冷却素子２に掛止されており冷却素子２の放熱面２２を放熱体４側へ押圧している。この押圧に際し、予め冷却素子２の放熱面２２の端部に第一ホルダ４３を掛止させる第一取付部２３が設けられているのが望ましい。たとえば、冷却素子２の放熱面２２の端部を面方向に延出させて第一取付部２３とし、この第一取付部２３の放熱面２２の裏面側に第一ホルダ４３を掛止させることにより、冷却素子２の放熱面２２を放熱体４側へ容易に密着させることができる。
放熱面２２の延出は、冷却素子２の底板（冷却素子２がペルチェ素子の場合は底側のセラミックス板）として予め大きい面積のものを用いることにより行えばよい。
【００１６】
また、図１のように、放熱体４を分割可能な構造として、冷却素子２の取付部４２を本体４１と着脱自在とするのが好ましい。このように構造とすることにより、取付部４２への冷却素子２などの部品の取付作業と本体４１のハウジング１１への取付作業が分業して行える。また、取付部分４２側のみの交換が容易に行えるため、光検出装置１の製造作業が効率良く行える。取付部４２と本体４１との連結はねじ止めなどにより行えばよい。
【００１７】
また、図１のように、第一取付部２３が放熱面２２の両端にそれぞれ設けられていることが望ましい。両端に第一取付部２３を設けて複数の第一ホルダ４３により放熱面２２を押圧すれば、放熱面２２の密着が確実となる。更に、図３に示すように、第一ホルダ４３としてばね板を用いれば、冷却素子２を放熱体４側へ弾力的に押圧できるから、第一ホルダ４３の固定側端部の固定状態（ねじ止め状態など）にかかわらず冷却素子２がほぼ一定の押圧力で押し付けることが可能となる。このため、押圧力の強過ぎによる冷却素子の破損、押圧力の弱過ぎによる冷却素子のズレなどが回避できる。なお、図３において、第一ホルダ４３の掛止側の端部はＬ字形を呈しているが、冷却素子２を掛止できればＬ字形に限られるものではなく、その他の形状であってもよい。更に、放熱体４側へ冷却素子２を押圧することができれば、第一保持手段として第一ホルダ４３以外のものを用いてもよい。
【００１８】
一方、図１のように、冷却素子２の吸熱面２１には熱伝導体１５を介して光検出素子３が取り付けられている。熱伝導体１５は、光検出素子３を吸熱面２１に取り付けるために配設される部材であって、熱伝導性に優れる銅などの金属からなるブロック体などが用いられる。冷却素子２の吸熱面２１と熱伝導体１５とは、吸熱面２１が熱伝導体１５側に第二保持手段である第二ホルダ１６により押圧された状態で取り付けられて密着しており、熱伝導体１５の熱が効率良く冷却素子２により吸収できるようになっている。
【００１９】
第二ホルダ１６は、たとえば、図４に示すように、コ字型を呈する金属板が用いられ、対向する端部１６ａ、１６ａがねじ止めなどにより熱伝導体１５に固定され、その端部１６ａの内側部分が冷却素子２に掛止されており、冷却素子２の吸熱面２１を熱伝導体１５側、即ち光検出素子３側へ押圧している。第二ホルダ１６をコ字型とすることにより、冷却素子２の側方から差し込むことで第二ホルダ１６の取付が容易となり、冷却素子２の両脇を両方の端部１６ａ、１６ａで押圧できるから、冷却素子２と熱伝導体１５を確実に密着させることができる。第二ホルダ１６の押圧に際し、予め冷却素子２の吸熱面２１の端部に第二ホルダ１６を掛止させる第二取付部２４が設けられているのが望ましい。たとえば、冷却素子２の吸熱面２１の端部を面方向に延出させて第二取付部２４とし、この第二取付部２４の吸熱面２１の裏面側に第二ホルダ１６を掛止させることにより、冷却素子２の吸熱面２１を熱伝導体１５側へ容易に密着させることができる。吸熱面２１の延出は、冷却素子２の上板（冷却素子２がペルチェ素子の場合は上側のセラミックス板）として予め大きい面積のものを用いることにより行えばよい。
【００２０】
また、図５に示すように、第二ホルダ１６を撓らせて吸熱面２１を弾力的に押圧させれば、第二ホルダ１６の固定側端部の固定状態（ねじ止め状態など）にかかわらず冷却素子２がほぼ一定の押圧力で押し付けることが可能となる。このため、押圧力の強過ぎによる冷却素子の破損、押圧力の弱過ぎによる冷却素子のズレなどが回避できる。なお、熱伝導体１５側へ冷却素子２を押圧することができれば、第二保持手段として第二ホルダ４３以外のものを用いてもよい。
【００２１】
図１に示すように、熱伝導体１５には光検出素子３が接合されており、光検出素子３から発せられる熱が熱伝導体１５へ伝導される構成になっている。熱伝導体１５と光検出素子３との接合は、ガス放出のない方法、たとえば、ねじ止めなどにより行えばよい。なお、熱伝導体１５を配設せずに、光検出素子３を冷却素子２の吸熱面２１に直接取り付ける場合もある。
【００２２】
次に、光検出装置１の動作について説明する。
【００２３】
図１において、まず、ピン１４に所定の電圧を印加して光検出装置１に電源を投入する。すると、光検出素子３に所定の電流が供給され、面板１３を通じて入射する光を受けて光電変換可能な状態となる。また、冷却素子２にも電流が供給され、ペルチェ効果などにより、吸熱面２１で熱が吸収されて低温状態となり、放熱面２２で熱が放出されて高温状態となる。このとき、光検出素子３は電流供給により熱を発する。しかし、この熱は冷却素子２の吸熱面２１の吸熱作用により熱伝導体１５を介して吸収されるため、光検出素子３の低温状態が維持される。
【００２４】
一方、冷却素子２の放熱面２２から放出された熱は、放熱体４内を伝導してハウジング１１外、即ち光検出装置１外へ放出される。このとき、放熱面２２と冷却面２１は冷却素子２の本体以外で繋がっておらず、熱の伝導経路が存在しないため、放熱面２２の熱が冷却面２１へ伝導することがない。また、冷却素子２と放熱体４間、冷却素子２と熱伝導体１５間における取付構造に樹脂からなる接着剤などが用いられていないので、内部空間１２内にガスが放出されることがなく、その真空状態が確実に維持される。このため、放熱面２２または放熱体４の熱が内部空間１２を通じて熱対流により光検出素子３へ伝わることがなく、光検出素子３の冷却に影響を及ぼすことがない。
【００２５】
このように、冷却素子２における放熱面２２の放熱が効率良く確実に行われるため、冷却素子２の冷却機能が十分に発揮されて光検出素子３の冷却が確実に行え、低温状態に維持することができる。従って、光検出素子３の出力におけるノイズを低減でき、光検出装置１としての検出感度の向上が図れる。
【００２６】
次に、光検出装置における冷却特性について説明する。
【００２７】
図６に示す測定系にて、実際の光検出装置１の冷却特性の測定を行った。冷却素子２としてペルチェ素子を用い、冷却素子２の吸熱面２１に熱伝導体１５を取り付け放熱面２２に放熱体４を取り付けたものを第一被測定体（本発明に係るもの）とし、同一の冷却素子２に対し図７に示す構造（枠体Ｄを用いる構造）により熱伝導体１５、放熱体４をそれぞれ取り付けたものを第二被測定体（従来品）とした。そして、この被測定体を真空オーブン６１内の空冷式の放熱ブロック４０上に載置し、真空オーブン６１内を温度を２０°Ｃ、圧力を２Ｔｏｒｒに保った状態とした。この状態において、真空オーブン６１の外部の電源６４により冷却素子２へ所定の電圧を印加し、熱伝導体１５内に設置した温度センサ６２により冷却温度を検出し記録計６３にて冷却温度を測定した。
【００２８】
第一被測定体、第二被測定体についてそれぞれ測定した結果、第一被測定体（本発明）については冷却温度が−５８°Ｃであり、良好な結果が得られた。一方、第二被測定体については冷却温度−５４°Ｃであり、冷却素子２の冷却性能が十分に発揮できなかった。
【００２９】
以上、測定の結果から、冷却素子２に対して光検出素子３（熱伝導体１５）と放熱体４を別々に取り付けた構造とすることにより、放熱面２２から吸熱面２１への熱の伝導が防止され、非常に良い冷却特性が得られることが分かった。
【００３０】
ここで、光検出装置１において、光検出素子２の冷却温度が４°Ｃ（−５４°Ｃから−５８°Ｃ）下がったときの効果について説明すると、たとえば、光検出素子２がＣＣＤである場合、冷却温度が４°Ｃ下がるとＣＣＤ内に流れる暗電流は５４％に減少する。すなわち、ＣＣＤ内に流れる暗電流Ｎｄは、次の式（１）で与えられ、
0003694565.tif 000002
この式（１）のＴにそれぞれ２１９（−５４°Ｃ）と２１５（−５８°Ｃ）を代入して、Ｔ＝２１９のときの暗電流値Ｎｄ-54とＴ＝２１５のときの暗電流値Ｎｄ-58を算出した後、Ｎｄ-58／Ｎｄ-54の比を計算すると０.５４となり、冷却温度が−５４°Ｃから−５８°Ｃとなることで暗電流値が５４％に減少することとなる。
【００３１】
このため、同じ暗電流を許容するならば、冷却温度が−５４°Ｃから−５８°Ｃへ４°Ｃ下がることにより、暗電流に起因するノイズの低減が図れ、露光時間を１.８倍（１／０.５４倍）長くすることが可能となる。また、微弱光の画像化などにおいては、この露光時間の平方根に画像のＳＮ比が比例するから、冷却温度が４°Ｃ下がることでＳＮ比が約１.３倍向上することとなる。
【００３２】
このように、光検出装置１において、光検出素子２の冷却温度が４°Ｃ（−５４°Ｃから−５８°Ｃ）下がることにより、検出性能の向上が図れる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、次のような効果を得ることができる。
【００３４】
すなわち、冷却手段の放熱面に第一保持手段により放熱手段を取り付け、吸熱面に第二保持手段により光検出手段を取り付けて、それぞれ第一保持手段と第二保持手段を個別に設けることにより、冷却手段の冷却特性を向上させ光検出手段を効率良く冷却できる。このため、光検出手段の検出特性の向上が図れる。
【００３５】
また、冷却手段に第一取付部および第二取付部を設けることにより、簡易な構造でありながら、放熱手段、冷却手段間および冷却手段、光検出手段間における熱伝導効率を確実に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光検出装置の説明図である。
【図２】光検出装置における冷却素子と放熱体の取付構造の説明図である。
【図３】光検出装置における冷却素子と放熱体の取付構造の説明図である。
【図４】光検出装置における冷却素子と光検出素子（熱伝導体）の取付構造の説明図である。
【図５】光検出装置における冷却素子と光検出素子（熱伝導体）の取付構造の説明図である。
【図６】冷却特性試験の説明図である。
【図７】従来技術の説明図である。
【符号の説明】
１…光検出装置、１１…ハウジング、１６…第二ホルダ、２…冷却装置、２１…吸熱面、２２…放熱面、３…光検出素子、４…放熱体、４３…第一ホルダ
【図１】
0003694565.tif 000003
【図２】
0003694565.tif 000004
【図３】
0003694565.tif 000005
【図４】
0003694565.tif 000006
【図５】
0003694565.tif 000007
【図６】
0003694565.tif 000008
【図７】
0003694565.tif 000009