(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線センサと、該赤外線センサを真空保持する真空容器と、前記赤外線センサを冷却する冷却手段と、前記真空容器の前記赤外線センサ保持面に設けたコールドプレートと前記冷却手段のコールドフィンガーとの間の熱伝導を確保するサーマルインターフェイスとを少なくとも有する赤外線検知器において、
前記サーマルインターフェイスが、銅の箔を巻き重ねた円筒状の第１の構造体の内側に、弾性を有するリン青銅の箔を前記第１の構造体と同心に巻き重ねた円筒状の第２の構造体を設けた２重構造をなし、前記第１の構造体及び前記第２の構造体は、その中心軸が熱の伝達方向に対して略直交するように配置され、前記熱の伝達方向に対して押圧力を発生することを特徴とする赤外線検知器。
【請求項２】
前記第１の構造体の外周端部が固定され、前記第１の構造体の内周端部及び前記第２の構造体の端部が移動可能に開放され、前記第１の構造体の径が広がることなく外周方向に向かって押圧力が作用することを特徴とする請求項１記載の赤外線検知器。
【請求項３】
前記サーマルインターフェイスが、２以上並設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線検知器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外線検知器に関し、特に、冷却器端部のコールドフィンガーとコールドフィンガーを挿入する真空容器内壁のコールドプレートとの間に配設するサーマルインターフェイスの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、赤外線を検知するための赤外線検知器は、図６に示すように、赤外線センサ５を内蔵した真空容器２と、赤外線センサ５を極低温に冷却するための冷却器とで構成される。真空容器２は、冷却器のコールドフィンガー８が挿入される真空容器内壁２ｂと、赤外線透過窓１が設置される真空容器外壁２ａとからなり、真空容器内壁２ｂの先端にはコールドプレート６が取り付けられ、その上にはセンサ容器４を介して赤外線センサ５が保持されており、更に、赤外線センサ５と赤外線透過窓１との間には、余分な光を遮光するコールドシールド３が設置されている。また、冷却器のコールドフィンガー８と真空容器内壁２ｂとの間には、熱伝導性を維持するサーマルインターフェイス９が設けられている。
【０００３】
また、特開平６−２２１９１５号公報にも、単一材料の円筒を用いた方式が実施例として示されている。図６に示す構造及び上記公報記載の構造は、共にサーマルインターフェイス９として一種類の金属を円筒状に巻き付けたものを１個使用している実施例である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した構造のサーマルインターフェイス９の場合、コールドフィンガー８先端からコールドプレート６に至る伝熱経路は、断面形状で考えると、円筒状のサーマルインターフェイス９の半周それぞれの２経路しかなく、効率よく赤外線センサ５を冷却することができないという問題がある。
【０００５】
この熱伝達経路の断面積は、円筒状のサーマルインターフェイス９の厚さを変えることによって大きくすることができるが、真空容器内壁２ｂは外部との熱遮断を目的として一般に硝子を用いて形成されているため、真空容器の破損を避けるためにはサーマルインターフェイス９のばね定数は低く押さえる必要があり、円筒の厚さを厚くすることは困難である。
【０００６】
また、熱伝達効率を高めるために、コールドフィンガー８先端とコールドプレート６との間隙を小さくしてサーマルインターフェイス９の伝熱経路を短縮する方法も考えられるが、この場合も、真空容器２の破損を避けるためにはばね定数を大きくすることができず、そのためコールドフィンガー８先端とコールドプレート６との間隙もある程度大きくとらざるを得ない。
【０００７】
このように、単一の金属箔を巻き重ねた円筒型のサーマルインターフェイス９の構造では、真空容器２の破損を防止するためには、断面積を大きくしたり、熱伝達経路を短くするには限界があり、赤外線センサ５を所定の極低温に冷却するには、冷却能力の大きなクーラーを用いなければならなかった。
【０００８】
また、熱伝達性能を向上させる別の方法を図７及び図８に示す。図７は、従来の赤外線検知器の構造を示す断面図であり、図８は、サーマルインターフェイス１０部分を拡大した斜視図である。この方式のサーマルインターフェイス１０は、金メッキを施した銅の極細線を巻いて円筒状に成形した構造であり、コールドフィンガー８先端とコールドプレート６との間で円筒状にサーマルインターフェイス１０の形状を保持するためにリング１１で周方向を拘束している。
【０００９】
この方式では、サーマルインターフェイス１０の巻数を増やすことにより熱を伝える断面積を大きくすることが可能であるが、クーラーの冷却に伴うコールドフィンガー８とコールドプレート６間の寸法収縮の繰り返しにより、使用開始からの時間の経過と共にコールドフィンガー８及びコールドプレート６に対するサーマルインターフェイス１０の接触圧が低下し、冷却効率が劣化してしまうという欠点があった。
【００１０】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、コールドフィンガー及びコールドプレートに対する接触圧（ばね性）の劣化が無く、熱伝導効率の良いサーマルインターフェイスを有する赤外線検知器を提供することにある。
【００１１】
【問題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の赤外線検知器は、赤外線センサと、該赤外線センサを真空保持する真空容器と、前記赤外線センサを冷却する冷却手段と、前記真空容器の前記赤外線センサ保持面に設けたコールドプレートと前記冷却手段のコールドフィンガーとの間の熱伝導を確保するサーマルインターフェイスとを少なくとも有する赤外線検知器において、前記サーマルインターフェイスが、銅の箔を巻き重ねた円筒状の第１の構造体の内側に、弾性を有するリン青銅の箔を前記第１の構造体と同心に巻き重ねた円筒状の第２の構造体を設けた２重構造をなし、前記第１の構造体及び前記第２の構造体は、その中心軸が熱の伝達方向に対して略直交するように配置され、前記熱の伝達方向に対して押圧力を発生するものである。
【００１２】
本発明においては、前記第１の構造体の外周端部が固定され、前記第１の構造体の内周端部及び前記第２の構造体の端部が移動可能に開放され、前記第１の構造体の径が広がることなく外周方向に向かって押圧力が作用する構成とすることができる。
【００１３】
また、本発明においては、前記サーマルインターフェイスが、２以上並設されている構成とすることもできる。
【００１７】
このように、本発明は上記構成により、真空容器に大きな負荷をかけることなく、適度な接触圧を保持しつつ、良好な熱伝導性を確保することができる。また、円筒状のサーマルインターフェイスを複数並設することにより熱伝導経路を増やすことができ、熱伝導性を更に高めることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明に係る赤外線検知器は、その好ましい一実施の形態において、赤外線センサと、外壁と内壁との間の空間を真空保持する真空容器と、赤外線センサ及びコールドシールドを冷却する冷却手段とを備え、真空容器内壁の端面に設けたコールドプレートと冷却手段先端のコールドフィンガーとの間に設けるサーマルインターフェイスを、熱伝導率の大きい銅等の金属箔を巻き重ねた外側の円筒と弾性を有するリン青銅等の金属箔を巻き重ねた内側の円筒の２重構造とし、内側の円筒の弾性力により、外側の円筒が外周方向に向かって押圧されて、コールドプレート及びコールドフィンガーとの間の接触圧を保持し、また、サーマルインターフェイスを複数並設することにより、熱伝導経路の断面積を増やして熱伝導効率を高めるものである。以下、図１を参照して説明する。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態のサーマルインターフェイス７は、冷却器のコールドフィンガー８の先端部とセンサ容器４を取り付けているコールドプレート６の間の熱を伝える役割をしており、このサーマルインターフェイス７は、従来の構造と異なり、外側には、銅等の熱伝導性に優れた性質を持つ金属の薄膜の帯を円筒状に巻き、その内側に、リン青銅等のばね性に優れた性質を持つ金属の薄膜を巻いた円筒を挿入した２重構造である。そして、この２重構造の円筒を複数（本実施形態では２個）並べることにより、コールドフィンガー８とコールドプレート６の間の伝熱経路を短く、かつ、伝熱経路断面積を大きくして、熱抵抗を低減し熱伝導性を高めている。
【００２０】
このように、本実施形態のサーマルインターフェイス７は、コールドフィンガー８とコールドプレート６に接触する外側部分に、銅等の薄膜を使用することによって、熱伝導性を高めると共に、内側の円筒部分にリン青銅等を使用することによって、サーマルインターフェイス７の復元性を高め、コールドフィンガー８およびコールドプレート６との接触圧力を常に維持することができる。
【００２１】
【実施例】
上記した本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明すべく、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００２２】
［実施例１］
まず、本発明の第１の実施例に係る赤外線検知器について、図１乃至図３を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施例に係る赤外線検知器の構造を示す断面図であり、図２は、サーマルインターフェイスの構造を説明するための斜視図である。また、図３は、本発明の第１の実施例における動作を説明するための部分断面図である。
【００２３】
図１を参照して、本実施例の赤外線検知器について説明する。
【００２４】
赤外線センサ５は、センサ容器４に取り付けられており、センサ容器４は、コールドプレート６に取り付けられている。赤外線センサ５の受光側には、容器内部や視野外からの放射を遮るためのコールドシールド３が取り付けられている。赤外線センサ５、センサ容器４、コールドシールド３は、赤外透過窓１と真空容器外壁２ａと真空容器内壁２ｂとコールドプレート６とで形成される真空容器２により、外部から断熱されている。視野内の赤外線は、赤外透過窓１を通して赤外線センサ５に到達し、検知される。この赤外線センサ５は、赤外線を検知して画像を撮像するために、極低温に冷却する必要がある。
【００２５】
冷却器のコールドフィンガー８の先端部は、スターリングサイクルの原理により極低温に冷却され、サーマルインターフェイス７、コールドプレート６、センサ容器４を介して赤外線センサ５も極低温に冷却される。そして、サーマルインターフェイス７は、常温から極低温に温度変化することによってコールドプレート６とコールドフィンガー８との間の寸法変化が生じても、双方から離れることなく接し続けるように、コールドプレート６とコールドフィンガー８との間で適度に圧縮される状態で挟まれている。
【００２６】
本実施例の赤外線検知器に用いるサーマルインターフェイス７の構造を図２に示す。サーマルインターフェイス７は、材料の異なる二つの円筒を組み合わせた構成になっている。外側の円筒７ａは銅等の熱伝導性の良い金属箔を巻き重ねてあり、外周のみ一定の径よりも広がらないように固定部分７ｄによって拘束しているが、内周側の端は径方向の伸縮に合わせて自由に動けるようにしてあり、フレキシビリティのある熱伝導体の役割を持つ。また、内側の円筒７ｂは、リン青銅等のばね性の良い金属箔を巻き重ねたものであり、箔の外周端、内周端は共に拘束していない。そして、内側の円筒７ｂは外側の円筒７ａの内周に沿って広がるように挿入されており、そのばね性により、コールドフィンガー８先端とコールドプレート６との間の接触圧を保持する役割を持つ。
【００２７】
次に、図３を参照して、本実施例のサーマルインターフェイス７の動作について説明する。
【００２８】
サーマルインターフェイス７は、冷却器のコールドフィンガー８と真空容器２のコールドプレート６との間に挟まれるように取り付けられ、常にコールドフィンガー８とコールドプレート６に対して接触圧を生じるようになっている。
【００２９】
クーラーを動作させると、コールドフィンガー８先端が極低温に冷却され、コールドフィンガー８先端に接触しているサーマルインターフェイス７も極低温に冷却される。同様に、サーマルインターフェイス７に接触しているコールドプレート６が冷却されて、このコールドプレート６に取り付られているセンサ容器４を通して赤外線センサ５が極低温まで冷却される。
【００３０】
コールドフィンガー８の先端の温度が常温から極低温に低下するに従い、コールドフィンガー８とコールドプレート６の間の寸法が変化する。さらに、サーマルインターフェイス７自身も極低温にさらされるため、外径寸法の変化が生じる。このような状況下に於いても、サーマルインターフェイス７は、内側の円筒７ｂにより常に広がろうとするため、コールドフィンガー８とコールドプレート６から離れることなく接触を保ち続ける。
【００３１】
このように、コールドフィンガー８とコールドプレート６との間に設けるサーマルインターフェイス７を、銅等の熱伝導性の良い金属箔を巻き重ねて形成した外側の円筒７ａと、リン青銅等のばね性の良い金属箔を巻き重ねて形成した内側の円筒７ｂとの２重構造とすることによって、真空容器に大きな負荷をかけることなく、適度な接触圧を保持しつつ、良好な熱伝導性を確保することができる。また、上記構造のサーマルインターフェイス７を複数並設することにより熱伝導経路を増やすことができ、熱伝導性を更に高めることができる。
【００３２】
［実施例２］
次に、本発明の第２の実施例に係る赤外線検知器について、図４及び図５を参照して説明する。図４は、本発明の第２の実施例に係る赤外線検知器の構造を示す断面図であり、図５は、赤外線検知器の他の構造を示す断面図である。なお、本実施例は、熱伝達部分に改良を加えたことを特徴とするものであり、他の部分の構造に関しては、前記した第１の実施例と同様である。
【００３３】
図４は、サーマルインターフェイス７の部分に円筒を３個用いた例である。この構造は、コールドフィンガー８の先端とコールドプレート６とのクリアランスが小さい場合、もしくは真空容器の内壁２ｂの内径が十分大きい場合に応用できるものである。なお、本実施例ではサーマルインターフェイス７を３個の円筒で構成する場合について示しているが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、コールドフィンガー８の先端とコールドプレート６とのクリアランスを考慮して任意の個数に設定することができ、４個以上にしても構わない。
【００３４】
また、図５は、サーマルインターフェイス７の径に対してコールドフィンガー８とコールドプレート６とのクリアランスが大きい場合の例で、この場合には銅等の伝熱性に優れた金属板のスペーサー７ｃをコールドプレート６とコールドフィンガー８との間に設けることにより、良好な接触圧を維持することができる。なお、本実施例ではコールドプレート６側にスペーサー７ｃを設けた例を示しているが、コールドフィンガー７側に設けても構わない。
【００３５】
このように、コールドフィンガー８とコールドプレート６とのクリアランスに応じて円筒状のサーマルインターフェイス７を増やしたり、コールドフィンガー８とコールドプレート６との間に熱伝導性の良いスペーサー７ｃを設けることによって、コールドフィンガー８とコールドプレート６とのクリアランスを確保することができる。また、図５の構造の場合は、スペーサー７ｃによって熱分布を緩和することができ、赤外線センサ５の面積が大きい場合等には、赤外線センサ５を均一に冷却することができるという効果も生ずる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の赤外線検知器におけるサーマルインターフェイスの構造によれば、下記記載の効果を奏する。
【００３７】
本発明の第１の効果は、冷却効率の劣化を防ぐことができるということである。その理由は、サーマルインターフェイスを円筒形状にして、内側にばね性に優れる材料を使用することによって、常にコールドフィンガーとコールドプレートとの間に接触圧が生じるようにできるからである。
【００３８】
また、本発明の第２の効果は、従来の方式に比べて熱伝導効率を向上させることができるということである。その理由は、複数個の円筒型サーマルインターフェイスを使用することにより、コールドフィンガーからコールドプレートに至るサーマルインターフェイスの熱伝達経路を増やすことができ、伝熱のための断面積を大きくすることができるからである。さらに、サーマルインターフェイスの外側の円筒に熱伝導性の良い銅等の材料を使用することによって熱抵抗を低減することができるからである。
【００３９】
更に、本発明の第３の効果は、サーマルインターフェイスの製造が容易で、性能のばらつきを少なくすることができるということである。その理由は、サーマルインターフェイスは金属の箔をまき重ねた円筒の組み合わせであり、構造を単純化することができるからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る赤外線検知器の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施例に係る赤外線検知器のサーマルインターフェイスの構造を示す斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施例に係るサーマルインターフェイスの動作を説明するための断面図である。
【図４】本発明の第２の実施例に係る赤外線検知器の構造を示す断面図である。
【図５】本発明の第２の実施例に係る赤外線検知器の他の構造を示す断面図である。
【図６】従来の赤外線検知器の構造を示す断面図である。
【図７】従来の赤外線検知器の構造を示す断面図である。
【図８】従来の赤外線検知器のサーマルインターフェイスの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１  赤外線透過窓
２  真空容器
２ａ  真空容器外壁
２ｂ  真空容器内壁
３  コールドシールド
４  センサ容器
５  赤外線センサ
６  コールドプレート
７  サーマルインターフェイス
７ａ  外側の円筒
７ｂ  内側の円筒
７ｃ  スペーサー
７ｄ  固定部分
８  コールドフィンガー
９  サーマルインターフェイス
１０  サーマルインターフェイス
１１  リング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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