(57)【要約】【課題】各センサ素子の熱伝導リンクを確保し、熱抵抗を一定にして、各センサ素子間の熱抵抗を大きくすることで、熱分離を図る焦電アレイセンサ。【解決手段】複数の焦電センサ素子４ａ，４ｂと、複数の焦電センサ素子を保持し且つ凹部１ｃと凸部１ａ，１ｂとを有し熱伝導性材料からなるセンサ保持台１と、複数の焦電センサ素子に対応して設けられ、センサ保持台の凸部の上面に接着され且つ焦電センサ素子の下面側電極の信号を取り出すための電極パターンを有する複数の基板３ａ，３ｂと、センサ保持台の温度を検出する温度検出部７と、温度検出部で検出されたセンサ保持台の温度を所定の温度に制御する温度制御部２とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の焦電センサ素子と、
前記複数の焦電センサ素子を保持し且つ凹部と凸部とを有し熱伝導性材料からなるセンサ保持台と、
前記複数の焦電センサ素子に対応して設けられ、前記センサ保持台の前記凸部の上面に接着され且つ前記焦電センサ素子の下面側電極の信号を取り出すための電極パターンを有する複数の基板と、
前記センサ保持台の温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部で検出された前記センサ保持台の温度を所定の温度に制御する温度制御部と、
を備えることを特徴とする焦電アレイセンサ。
【請求項２】
前記センサ保持台の凹部と凸部とは、１次元又は２次元上に配列されていることを特徴とする請求項１記載の焦電アレイセンサ。
【請求項３】
前記センサ保持台は、ＰＢＮからなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の焦電アレイセンサ。  
【請求項４】
前記ＰＢＮの一方の面方向の熱伝導率が他方の面方向の熱伝導率よりも小さい場合に、前記一方の面方向が前記焦電センサ素子の配列方向と一致するように前記ＰＢＮに前記凹部と前記凸部とが形成されていることを特徴とする請求項３記載の焦電アレイセンサ。
【請求項５】
前記センサ保持台は、Ａｌ、Ｃｕ、ＢＮのいずれかからなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の焦電アレイセンサ。
【請求項６】
複数の焦電センサ素子と、
前記複数の焦電センサ素子を保持し且つ平板状でＰＢＮからなるセンサ保持台と、
前記複数の焦電センサ素子に対応して設けられ、前記センサ保持台の上部に接着され且つ前記焦電センサ素子の下面側電極の信号を取り出すための電極パターンを有する複数の基板と、
前記センサ保持台の温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部で検出された前記センサ保持台の温度を所定の温度に制御する温度制御部と、
を備えることを特徴とする焦電アレイセンサ。
【請求項７】
前記ＰＢＮの一方の面方向の熱伝導率が他方の面方向の熱伝導率よりも小さい場合に、前記一方の面方向が前記焦電センサ素子の配列方向と一致するように設定されていることを特徴とする請求項６記載の焦電アレイセンサ。
【請求項８】
前記焦電センサ素子は、ＤＬＡＴＧＳ、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３のいずれかからなることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の焦電アレイセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焦電効果を利用して赤外線を電気信号に変換する焦電アレイセンサに関し、特に、隣接する焦電センサ素子間の熱抵抗を大きくすることで熱分離を図る焦電アレイセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
焦電アレイセンサとしては、焦電センサ素子の複数箇所をリード端子や柱状スペーサにより支持した焦電アレイセンサが知られている（特許文献１）。
【０００３】
また、焦電センサ素子の温度上昇による熱的な飽和やキューリー温度に近づくことによる感度低下を防ぐべく熱伝導リンクを大きくするために、焦電センサ素子の下面を全面的にヒートシンク（支持基板）に接着した焦電アレイセンサが知られている（特許文献２）。
【０００４】
さらに、熱伝導リンクを確保しつつ、焦電センサ素子の圧電性ノイズやクラックの発生を防止するために、焦電センサ素子の下面の面積の９％〜１６％に相当する面積の略円形領域に導電性ペーストを塗布し、焦電センサ素子を支持することが知られている（特許文献３）。
【０００５】
また、焦電アレイセンサにおいて、焦電体板の中央付近に配置された焦電センサ素子は、センサ保持台の端部付近に配置された焦電センサ素子に比べて、放熱範囲が広いため、赤外線によって生じた熱が逃げ易い。即ち、焦電体板の中央付近に配置された焦電センサ素子では熱抵抗が小さくなりやすいため、焦電センサ素子の検出感度がばらつくといった問題があった（特許文献４）。
【０００６】
この問題を解決するために、特許文献４では、熱抵抗が大きくなる配列位置（センサ保持台の端部付近）になるに従って半田バンプの横断面積を大きくする。これにより、各焦電センサ素子の熱抵抗を一定にして、焦電センサ素子の検出感度のばらつきを小さくしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平０９−１８４７５６号公報
【特許文献２】特開平１１−２０１８１６号公報
【特許文献３】特開２００６−１０５８３７号公報
【特許文献４】実開平７−１０５８３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献４の焦電アレイセンサでは、場所によって半田バンプの面積が異なるので、半田バンプの作業性が悪かった。
【０００９】
本発明の課題は、各焦電センサ素子の熱伝導リンクを確保し、熱抵抗を一定にして、各焦電センサ素子間の熱抵抗を大きくすることで、熱分離を図ることができる焦電アレイ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】
【００１０】
本発明に係る焦電アレイセンサは、上記課題を解決するために、複数の焦電センサ素子と、前記複数の焦電センサ素子を保持し且つ凹部と凸部とを有し熱伝導性材料からなるセンサ保持台と、前記複数の焦電センサ素子に対応して設けられ、前記センサ保持台の前記凸部の上面に接着され且つ前記焦電センサ素子の下面側電極の信号を取り出すための電極パターンを有する複数の基板と、前記センサ保持台の温度を検出する温度検出部と、前記温度検出部で検出された前記センサ保持台の温度を所定の温度に制御する温度制御部とを備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る焦電アレイセンサは、複数の焦電センサ素子と、前記複数の焦電センサ素子を保持し且つ平板状でＰＢＮからなるセンサ保持台と、前記複数の焦電センサ素子に対応して設けられ、前記センサ保持台の上部に接着され且つ前記焦電センサ素子の下面側電極の信号を取り出すための電極パターンを有する複数の基板と、前記センサ保持台の温度を検出する温度検出部と、前記温度検出部で検出された前記センサ保持台の温度を所定の温度に制御する温度制御部とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、各焦電センサ素子の熱伝導リンクを確保し、熱抵抗を一定にして、各焦電センサ素子間の熱抵抗を大きくすることで、熱分離を図ることができる焦電アレイセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１の焦電アレイセンサの構成図である。
【図２】実施例１の焦電アレイセンサのＰＢＮの結晶構造を示す図である。
【図３】実施例１の焦電アレイセンサのセンサ保持台の構造例を示す図である。
【図４】実施例１におけるＰＢＮを使用した際の焦電アレイセンサを示す構成図である。
【図５】実施例１のＰＢＮにおける伝熱解析モデルを示す図である。
【図６】実施例１のセンサ保持台のＸ方向の温度分布及び経時変化を示す図である。
【図７】実施例２の焦電アレイセンサの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の焦電アレイセンサの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は、実施例１の焦電アレイセンサの構成図である。図１に示す焦電アレイセンサは、センサ保持台１、サーモモジュール２、基板３ａ，３ｂ、複数の焦電センサ素子４ａ，４ｂ、導電性ペースト５ａ，５ｂ、信号読み出し線６ａ，６ｂ、温度モニタ７を有して構成されている。
【００１６】
複数の焦電センサ素子は、１次元又は２次元上に配列されている。図１に示す複数の焦電アレイセンサでは、一例として２つの焦電センサ素子４ａ，４ｂが示されている。
【００１７】
焦電センサ素子４ａ，４ｂは、入射する赤外線を電気信号に変換する。ＦＴＩＲ（フーリエ変換型赤外分光装置）において、入射赤外線は、数十から数キロＨｚ程度で変調されている。
【００１８】
焦電センサ素子４ａ，４ｂは、ＤＬＡＴＧＳ（Deuterated L-Alanine Triglycine Sulphate（重水素化Ｌ−アラニンド−プトリグリシン硫酸結晶））、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３のいずれかからなる。
【００１９】
基板３ａ，３ｂは、焦電センサ素子４ａ，４ｂに対応して設けられ、センサ保持台１の凸部１ａ，１ｂの上面に接着剤により接着されており、且つ焦電センサ素子４ａ，４ｂの下面側電極の信号を取り出すための電極パターンを有している。
【００２０】
導電性ペースト５ａ，５ｂは、焦電センサ素子４ａ，４ｂを基板３ａ，３ｂに固定させ、焦電センサ素子４ａ，４ｂの下面電極と基板３ａ，３ｂとを導電させている。
【００２１】
信号読み出し線６ａ，６ｂは、焦電センサ素子４ａ，４ｂの上面電極と基板３ａ，３ｂにボンディングされ、焦電センサ素子４ａ，４ｂで発生した電気信号を読み出す。
【００２２】
温度モニタ７は、本発明の温度検出部に対応し、センサ保持台１の温度を検出する。サーモモジュール２は、本発明の温度制御部に対応し、温度モニタ７で検出されたセンサ保持台１の温度を所定の温度、例えば３０℃一定になるように冷却・加熱させる。
【００２３】
センサ保持台１は、焦電センサ素子４ａ，４ｂを保持し、且つ凸部１ａ，１ｂと凹部１ｃとを有し、熱伝導性材料からなる。センサ保持台１の熱伝導性材料としては、Ｃｕ、Ａｌ、ＢＮのいずれかからなる。
【００２４】
また、センサ保持台１の熱伝導性材料として、ボロンナイトライドや結晶方向によって異なった熱伝導率を持つＰＢＮ（Pyrolitic Boron Nitrogen）などを用いても良い。ＰＢＮの結晶構造を図２に示す。図２において、●がBoronで、○がNitrogenを示している。
【００２５】
センサ保持台１の凸部と凹部とは、例えば、図３（ａ）に示すように、センサ保持台１−１において２次元上に配列されてもよい。あるいは、センサ保持台１の凸部と凹部とは、図３（ｂ）に示すように、センサ保持台１−２において１次元上に配列されてもよい。
【００２６】
図４は、実施例１におけるＰＢＮを使用した際の焦電アレイセンサを示す構成図である。ＰＢＮの場合で、且つ一方の面方向の熱伝導率（図４のｃ面方向の熱伝導率０．００４ｃａｌ／（ｃｍ・ｓｅｃ・Ｋ））が他方の面方向の熱伝導率（図４のａ面方向の熱伝導率０．２５ｃａｌ／（ｃｍ・ｓｅｃ・Ｋ））よりも小さいとする。この場合、ＰＢＮ結晶の六方晶構造のｃ面方向が焦電センサ素子１ａ，１ｂの配列方向と一致するようにＰＢＮに凹部と凸部とが形成されている。
【００２７】
即ち、センサ保持台１は、ｃ面方向に対しては、熱伝導率が小さく、言い換えると、熱抵抗が大きい。従って、隣接する焦電センサ素子４ａと焦電センサ素子４ｂとの熱分離を図ることができる。
【００２８】
また、凸部１ａと凸部１ｂとの間に、凹部１ｃが設けられているので、焦電センサ素子４ａと焦電センサ素子４ｂとの間で、熱が伝導しにくくなる。従って、隣接する焦電センサ素子４ａと焦電センサ素子４ｂとの熱分離をさらに図ることができる。
【００２９】
また、例えば、センサ保持台１の材料として、ＰＢＮを想定した場合における各焦電センサ素子４ａ，４ｂ間で発生する熱の流入について検討する。センサ保持台１の凸部１ａ，１ｂの図４におけるａ方向に対して、簡易な解析モデルとして図５に示すようなモデルで伝熱解析を行う。
【００３０】
図５に示すＸ方向は、ＰＢＮ結晶の六方晶構造のａ面方向と一致している。ＰＢＮのＸ方向の長さは、１ｃｍである。Ｘ＝０側がサーモモジュール２側であり、Ｘ＝０．０１ｍ側が後述する赤外線受光部側である。センサ保持台１の温度は、サーモモジュール２による温度制御により３０℃一定で、安定しているものとする。
【００３１】
赤外線が焦電センサ素子４ａ，４ｂに入射すると、焦電センサ素子４ａ，４ｂで熱が発生し、導電性ペースト５ａ，５ｂ、基板３ａ，３ｂを介してセンサ保持台１に熱が流入する。なお、焦電センサ素子４ａ，４ｂ、導電性ペースト５ａ，５ｂ、基板３ａ，３ｂをまとめて、赤外線受光部と呼ぶ。
【００３２】
ここで、センサ保持台１の基板３側表面の温度がＤＬＡＴＧＳのキュリーである６０℃付近まで上昇したときの時刻をｔｏ＝０ｓｅｃとしてセンサ保持台１のＸ方向（ＰＢＮ結晶の六方晶構造のａ面方向）の温度分布および経時変化を計算した結果を図６に示す。図６においては、時刻ｔ＝０、１、５、１０、１５におけるＸ方向の温度分布を示している。
【００３３】
なお、ＰＢＮの比熱は、０．２ｃａｌ／（ｇ・Ｋ）であり、ＰＢＮの平均密度は、２．１８５ｇ／ｃｃである。ＰＢＮのａ面方向の熱伝導率は、０．２５ｃａｌ／（ｃｍ・ｓｅｃ・Ｋ）であり、ＰＢＮのｃ面方向の熱伝導率は、０．００４ｃａｌ／（ｃｍ・ｓｅｃ・Ｋ）である。
【００３４】
図６に示した結果により、センサ保持台１の赤外線受光部側がセンサ保持台1の制御温度である３０℃に対して、ΔＴ: ３０℃だけ上昇して６０℃になった場合に、赤外線受光部側から５ｍｍ離れた位置では、約１５秒程度経過した後に温度が上昇していることがわかる。
【００３５】
入射赤外線を１０Ｈｚで変調した場合、赤外線受光部の熱変動も同一の周波数程度（ｍｓｅｃオーダー）で変動している。従って、センサ保持台１の赤外線受光部側の表面層も同一周波数程度で温度変動していると考えられる。即ち、赤外線受光部の熱変動に寄与しているセンサ保持台１の熱交換部は、赤外線受光部側の表面層であると考えられる。
【００３６】
以上の理由から、図４に示すように、センサ保持台１に６〜１０ｍｍ程度の突起部を有した凸部１ａ，１ｂを形成することで、センサ保持台１の底面側において、赤外線受光部で発生する熱変動の影響により生ずる温度変動を抑えることができる。
【００３７】
これにより、図４に示すＡ方向について、焦電センサ素子４ａを保持している凸部１ａと、焦電センサ素子４ｂを保持している凸部１ｂとは、上記温度変動による温度差は略ゼロとみなすことができる。
【００３８】
また、ＰＢＮの六方晶構造のｃ面方向では熱伝導率が小さいため、センサ保持台１の凸部１ａと凸部１ｂとの間において定常時における熱の流入も抑制することができる。即ち、各焦電センサ素子４ａ，４ｂ間の熱抵抗を大きくすることで、熱分離を図ることができる。
【００３９】
また、焦電センサ素子４ａの熱が導電性ペースト５ａを介してセンサ保持台１の凸部１ａに逃げ、焦電センサ素子４ｂの熱が導電性ペースト５ｂを介してセンサ保持台１の凸部１ｂに逃げる。焦電センサ素子４ａ，４ｂの面積が同じで、凸部１ａ，１ｂの大きさが同じであるので、各焦電センサ素子４ａ，４ｂの熱伝導リンクを確保し、熱抵抗を一定にすることができる。
【実施例２】
【００４０】
図７は、実施例２の焦電アレイセンサの構成図である。図７に示す実施例２の焦電アレイセンサは、センサ保持台１Ａ、サーモモジュール２、基板３ａ，３ｂ、焦電センサ素子４ａ，４ｂ、導電性ペースト５ａ，５ｂ、信号読み出し線６ａ，６ｂ、温度モニタ７を有して構成されている。
【００４１】
図７に示すサーモモジュール２、基板３ａ，３ｂ、焦電センサ素子４ａ，４ｂ、導電性ペースト５ａ，５ｂ、信号読み出し線６ａ，６ｂ、温度モニタ７の構成は、図１に示すそれらと同じであるので、それらの説明は省略する。焦電センサ素子４ａ，４ｂは、ＤＬＡＴＧＳ、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３のいずれかからなる。
【００４２】
センサ保持台１Ａは、焦電センサ素子４ａ，４ｂを保持し且つ平板状でＰＢＮからなる。基板３ａ，３ｂは、焦電センサ素子４ａ，４ｂに対応して設けられ、センサ保持台１ａの上部に接着剤により接着されている。
【００４３】
また、実施例１の焦電アレイセンサと同様に、実施例２の焦電アレイセンサにおいても、図７に示すように、ＰＢＮのｃ面方向の熱伝導率がａ面方向の熱伝導率よりも小さい場合に、ｃ面方向が焦電センサ素子４ａ，４ｂの配列方向と一致するように設定されている。
【００４４】
これにより、隣接する焦電センサ素子４ａ，４ｂ間の熱の流入を抑えることができる。即ち、各焦電センサ素子４ａ，４ｂ間の熱抵抗を大きくすることで、熱分離を図ることができる。
【００４５】
また、実施例１の焦電アレイセンサと同様に、焦電センサ素子４ａ，４ｂの面積が同じで、基板３ａ，３ｂの大きさが同じであるので、各焦電センサ素子４ａ，４ｂの熱伝導リンクを確保し、熱抵抗を一定にすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明に係る焦電アレイセンサは、フーリエ変換型赤外線分光装置等に利用可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１，１Ａ  センサ保持台  
１ａ，１ｂ  凸部
１ｃ  凹部
２  サーモモジュール
３ａ，３ｂ  基板  
４ａ，４ｂ  焦電センサ素子  
５ａ，５ｂ  導電性ペースト  
６ａ，６ｂ  信号読み出し線  
７  温度モニタ
【図１】
2015203634.tif 000003
【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】
2015203634.tif 000008
【図７】
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