(57)【要約】【課題】光利用効率を向上させることができる検出器を提供する。【解決手段】  検出器としての遠赤外線センサは、受光器２１、センサ基板、パッケージ部材、及び集光レンズ２４などを有している。受光器２１は、Ｙ軸方向に沿って配列された複数の受光部を有している。集光レンズ２４の入射光学面は、ＸＺ断面がそれぞれ曲率を有する３つの領域（Ｓｂ、Ｓｍ、Ｓｔ）からなり、領域Ｓｂの頂点Ｐｂでの法線Ｌｂと領域Ｓｔの頂点Ｐｔでの法線Ｌｔとが非平行であり、集光レンズ２４から受光器２１に向かうに従い法線Ｌｂと法線Ｌｔとの間隔が狭くなる。【選択図】図２５
2015129717.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体を検出するための検出器であって、
第１の方向に沿って配列された複数の受光部を有する受光器と、
前記物体からの光を前記受光器に導く光学素子とを備え、
前記光学素子は、入射側又は射出側に、前記第１の方向に直交する第２の方向に関して、それぞれ曲率を有する第１の屈折面及び第２の屈折面を有し、
前記第１の屈折面の頂点での第１の法線と前記第２の屈折面の頂点での第２の法線とが非平行であり、
前記光学素子から前記受光器に向かうに従い前記第１の法線と前記第２の法線との間隔が狭くなることを特徴とする検出器。
【請求項２】
前記第１の屈折面の曲率と前記第２の屈折面の曲率とは同じであることを特徴とする請求項１に記載の検出器。
【請求項３】
前記第１の屈折面及び前記第２の屈折面は、前記光学素子における入射側に設けられ、
前記光学素子における射出側の面形状は、凹面形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の検出器。
【請求項４】
前記第１の屈折面及び前記第２の屈折面は、頂点から底部までの高さが１５０μｍ以上、２００μｍ以下の範囲内であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の検出器。
【請求項５】
前記第１の屈折面及び前記第２の屈折面は、前記受光器における射出側に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の検出器。
【請求項６】
前記光学素子は、前記第１の屈折面と前記第２の屈折面との間に、前記第２の方向に関して曲率を有する第３の屈折面を有し、
該第３の屈折面の頂点での法線は、前記第１の法線及び前記第２の法線のいずれにも非平行であり、
前記第３の屈折面の一側の底部は、第１の屈折面の他側の底部と一致し、前記第３の屈折面の他側の底部は、第２の屈折面の一側の底部と一致していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の検出器。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の検出器と、
前記検出器における受光器の出力に基づいて、物体情報を取得する処理部とを備えるセンシング装置。
【請求項８】
前記物体は人であることを特徴とする請求項７に記載のセンシング装置。
【請求項９】
外部からの信号によって制御される機器と、
請求項７又は８に記載のセンシング装置と、
前記センシング装置からの物体情報に基づいて前記機器を制御する信号を出力する制御装置とを備える制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出器、センシング装置及び制御システムに係り、更に詳しくは、物体を検出するための検出器、該検出器を有するセンシング装置、及び該センシング装置を備える制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネのために電子機器の電源制御が注目されている。そして、該電源制御を自動的に行うため、人体より放射される遠赤外線を受光して人の有無や位置を検出する人検知センサの開発が進められている。この人検知センサは、複数の受光部を有するアレイ型光検出器、及び複数の受光部に遠赤外線を導くための集光素子（レンズ）を有している。
【０００３】
例えば、特許文献１には、遠赤外線を集光する集光手段と、集光された遠赤外線を検出する検出手段とを含む遠赤外線検出装置が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の検出装置では、光利用効率が低いという不都合があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、物体を検出するための検出器であって、第１の方向に沿って配列された複数の受光部を有する受光器と、前記物体からの光を前記受光器に導く光学素子とを備え、前記光学素子は、入射側又は射出側に、前記第１の方向に直交する第２の方向に関して、それぞれ曲率を有する第１の屈折面及び第２の屈折面を有し、前記第１の屈折面の頂点での第１の法線と前記第２の屈折面の頂点での第２の法線とが非平行であり、前記光学素子から前記受光器に向かうに従い前記第１の法線と前記第２の法線との間隔が狭くなることを特徴とする検出器である。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の検出器によれば、光利用効率を向上させることができる。なお、本明細書では、光学素子に入射する光量に対する受光器で受光される光量の割合を光利用効率という。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一実施形態に係る制御システムとしての機器制御システム１０００の概略構成を説明するための図である。
【図２】人とセンサ装置１０Ａとの位置関係を説明するための図である。
【図３】図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、それぞれ人から発せられる遠赤外線を説明するための模式図である。
【図４】センサ装置１０Ａの構成を説明するための図である。
【図５】遠赤外線センサ２０を説明するための図である。
【図６】図５のＡ−Ａ断面図である。
【図７】図５のＢ−Ｂ断面図である。
【図８】受光器２１を説明するための図である。
【図９】受光器２１のセンサ基板２２への取り付け状態を説明するための図である。
【図１０】集光レンズ２４を説明するための図である。
【図１１】図１０のＡ−Ａ断面図である。
【図１２】図１０のＢ−Ｂ断面図である。
【図１３】図１３（Ａ）は、上下方向の検出範囲を説明するための図であり、図１３（Ｂ）は、水平方向の検出範囲を説明するための図である。
【図１４】各受光部で受光される遠赤外線の入射傾斜角と受光光量との関係のシミュレーション結果を説明するための図である。
【図１５】入射傾斜角が−２１．８７５°の遠赤外線が受光部ＲＬ１で受光され、入射傾斜角が−３．１２５°の遠赤外線が受光部ＲＬ４で受光される様子を説明するための図である。
【図１６】集光レンズ２４における３つの領域を説明するための図（その１）である。
【図１７】集光レンズ２４における３つの領域を説明するための図（その２）である。
【図１８】集光レンズ２４における３つの領域を説明するための図（その３）である。
【図１９】集光レンズ２４に段差がある場合を説明するための図である。
【図２０】角度θを設定する方法を説明するための図である。
【図２１】３つの領域を通過した光の受光器位置での光スポットを説明するための模式図である。
【図２２】集光レンズ２４を通過する光の角度光量分布を説明するための図である。
【図２３】角度θが０の場合を説明するための図である。
【図２４】角度θが０の場合に、３つの領域を通過した光の受光器位置での光スポットを説明するための図である。
【図２５】各領域の頂点での法線の関係を説明するための図である。
【図２６】図２６（Ａ）及び図２６（Ｂ）は、それぞれ集光レンズ２４による光の集光状態をシミュレーションする際の光の入射条件を説明するための図である。
【図２７】集光レンズ２４による光の集光状態をシミュレーションした結果を説明するための図（その１）である。
【図２８】集光レンズ２４による光の集光状態をシミュレーションした結果を説明するための図（その２）である。
【図２９】入射光学面が複数の領域に分割されていない場合を説明するための図である。
【図３０】図２９の場合の不都合点を説明するための図（その１）である。
【図３１】図２９の場合の不都合点を説明するための図（その２）である。
【図３２】図２９の場合の不都合点を説明するための図（その３）である。
【図３３】図２９の場合の不都合点を説明するための図（その４）である。
【図３４】Ｔ／σを説明するための図である。
【図３５】機器制御装置での「検知」判断を説明するための図である。
【図３６】集光レンズ２４の変形例１を説明するための図である。
【図３７】図３６のＡ−Ａ断面図である。
【図３８】図３６のＢ−Ｂ断面図である。
【図３９】集光レンズ２４の変形例２を説明するための図である。
【図４０】図３９のＡ−Ａ断面図である。
【図４１】図３９のＢ−Ｂ断面図である。
【図４２】変形例２の集光レンズ２４における３つの領域を説明するための図（その１）である。
【図４３】変形例２の集光レンズ２４における３つの領域を説明するための図（その２）である。
【図４４】集光レンズ２４の変形例３を説明するための図（その１）である。
【図４５】集光レンズ２４の変形例３を説明するための図（その２）である。
【図４６】集光レンズ２４の変形例３を説明するための図（その３）である。
【図４７】集光レンズ２４の変形例３を説明するための図（その４）である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の一実施形態を図１〜図３５に基づいて説明する。図１には、一実施形態に係る制御システムとしての機器制御システム１０００の概略構成が示されている。
【０００９】
この機器制御システム１０００は、４つの機器（１０１、１０２、１０３、１０４）、３つのセンサ装置（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）、及び機器制御装置２００などを有している。
【００１０】
そして、機器１０１とセンサ装置１０ＡはルームＡに設置されている。また、機器１０２と機器１０３とセンサ装置１０ＢはルームＢに設置されている。さらに、機器１０４とセンサ装置１０ＣはルームＣに設置されている。
【００１１】
各機器は、電源のオン／オフを外部からも行うことが可能な機器であり、例えば、デジタル複合機（ＭＦＰ：Ｍｕｌｔｉ−Ｆｕｎｃｔｉｏｎ  Ｐｒｉｎｔｅｒ）などが考えられる。
【００１２】
各センサ装置は、所定のタイミング毎に人の有無を検知し、その検知結果（「未検知」／「検知」）を機器制御装置２００に通知する。
【００１３】
機器制御装置２００は、各センサ装置の出力に基づいて各機器の電源を制御する。例えば、機器制御装置２００は、機器１０１の電源がオン状態のときに、センサ装置１０Ａからの通知が「未検知」であれば、機器１０１の電源をオフ状態にする。一方、機器１０１の電源がオフ状態のときに、センサ装置１０Ａからの通知が「検知」であれば、機器１０１の電源をオン状態にする。
【００１４】
また、機器制御装置２００は、機器１０２及び機器１０３の電源がオン状態のときに、センサ装置１０Ｂからの通知が「未検知」であれば、機器１０２及び機器１０３の電源をオフ状態にする。一方、機器１０２及び機器１０３の電源がオフ状態のときに、センサ装置１０Ｂからの通知が「検知」であれば、機器１０２及び機器１０３の電源をオン状態にする。
【００１５】
さらに、機器制御装置２００は、機器１０４の電源がオン状態のときに、センサ装置１０Ｃからの通知が「未検知」であれば、機器１０４の電源をオフ状態にする。一方、機器１０４の電源がオフ状態のときに、センサ装置１０Ｃからの通知が「検知」であれば、機器１０４の電源をオン状態にする。
【００１６】
ここで、各センサ装置について説明する。なお、各センサ装置は、いずれも同じ構成を有しているため、ここでは、代表として、センサ装置１０Ａについて説明する。本明細書では、一例として図２に示されるように、ＸＹＺ３次元直交座標系において、床面に直交する方向をＹ軸方向として説明する。そして、以下では、便宜上、センサ装置１０Ａは、検知対象である人Ｐの−Ｚ側であって、Ｙ軸方向に関しては人Ｐの頭の位置とほぼ同じ位置に配置されているものとする。
【００１７】
人Ｐからは、一例として図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に模式図的に示されるように、あらゆる方向に遠赤外線が放出されている。センサ装置１０Ａは、この遠赤外線を受光すると「検知」と判断する。
【００１８】
センサ装置１０Ａは、一例として図４に示されるように、遠赤外線センサ２０、増幅器５０、及び物体情報取得部６０などを有している。
【００１９】
遠赤外線センサ２０は、一例として図５〜図７に示されるように、受光器２１、センサ基板２２、パッケージ部材２３、集光レンズ２４などを有している。そして、これらは、ウエハレベルパッケージによって製造されている。なお、図６は、図５のＡ−Ａ断面図であり、図７は、図５のＢ−Ｂ断面図である。
【００２０】
受光器２１は、Ｙ軸方向に沿って配列された複数の受光部を有している。ここでは、一例として図８に示されるように、受光器２１は、８つの受光部を有しているものとする。各受光部は、Ｚ軸方向に直交する矩形形状の受光面を有している。
【００２１】
各受光面は、Ｘ軸方向に関する長さＤｘが１００μｍ、Ｙ軸方向に関する長さＤｙが５０μｍである。また、Ｙ軸方向に関して、隣接する２つの受光面の中心間距離Ｄｒは７０μｍである。なお、８つの受光部を区別する必要があるときは、＋Ｙ方向に向かって、受光部ＲＬ１、受光部ＲＬ２、受光部ＲＬ３、受光部ＲＬ４、受光部ＲＬ５、受光部ＲＬ６、受光部ＲＬ７、受光部ＲＬ８という。
【００２２】
この受光器２１は、一例として図９に示されるように、梁構造体２８を介してセンサ基板２２に保持（中空保持）されている。
【００２３】
図６に戻り、パッケージ部材２３は、センサ基板２２の−Ｚ側に設けられ、接合部材２６によって、センサ基板２２に接合されている。なお、図６における符号２７は、貫通配線である。
【００２４】
集光レンズ２４は、センサ基板２２の＋Ｚ側に設けられている。そして、集光レンズ２４とセンサ基板２２とパッケージ部材２３とによって空隙（キャビティ）が形成され、該空隙内に受光器２１が封入されている。この空隙内は、熱の影響を抑制するため、真空状態とされている。
【００２５】
ところで、受光器２１の各受光部は、遠赤外線を吸収し熱に変換するＳｉＯ２層を有し、その熱による回路要素の特性変化を出力する。そのため、各受光部では熱を長く留めておく必要がある。仮に、上記空隙内に空気があると、その空気が熱を伝達し、空隙を構成する壁面や、集光レンズ２４、パッケージ部材２３に熱を逃がすおそれがある。また、逆に、遠赤外線による熱ではない外界の熱を各受光部に伝えるおそれがある。これらは、受光器２１におけるＳ／Ｎの低下を引き起こす。
【００２６】
一例として図１０〜図１２に、集光レンズ２４の形状が示されている。なお、図１１は、図１０のＡ−Ａ断面図であり、図１２は、図１０のＢ−Ｂ断面図である。集光レンズ２４は、＋Ｚ側の面が入射側の面であり、−Ｚ側の面が射出側の面である。なお、以下では、煩雑さを避けるため、入射側の面を「入射光学面」といい、射出側の面を「射出光学面」ともいう。入射光学面及び射出光学面は、いずれも反射防止膜２５がコーティングされている。また、集光レンズ２４の材料は、シリコン（Ｓｉ）である。
【００２７】
入射光学面のＹＺ断面は、単一の凸型の円弧形状あるいは非球面形状であり、入射光学面のＸＺ断面は、凸型の円弧形状あるいは非球面形状が３つ繋がった形状である。
【００２８】
射出光学面のＹＺ断面は、単一の凹型の円弧形状あるいは非球面形状であり、射出光学面のＸＺ断面は、Ｚ軸方向に直交する単一の平面形状である。ここでは、射出光学面のＹＺ断面の曲率半径は７０μｍである。また、図１１における符号ｄ１は、射出光学面の彫り込み深さであり、ここでは、３００μｍである。
【００２９】
以下では、ＹＺ断面において、集光レンズ２４の入射光学面に入射する遠赤外線の範囲θ１（図１３（Ａ）参照）を「上下方向における検出範囲」といい、ＸＺ断面において、集光レンズ２４の入射光学面に入射する遠赤外線の範囲θ２（図１３（Ｂ）参照）を「水平方向における検出範囲」という。ここでは、θ１＝θ２＝５０°としている。
【００３０】
そして、受光器２１では、８つの受光部がＹ軸方向に沿って配置されている。すなわち、上下方向における検出範囲を８つの受光部で監視していることとなる。そこで、１つの受光部が監視する範囲はθ１÷８（ここでは、５０÷８＝６．２５°）である。なお、ここでは、便宜上、Ｚ軸方向に対する遠赤外線の入射方向の傾斜角を「入射傾斜角」という。
【００３１】
具体的には、ＹＺ断面での入射傾斜角が−２１．８７５°±３．１２５°の遠赤外線は、受光部ＲＬ１で受光され、ＹＺ断面での入射傾斜角が−１５．６２５°±３．１２５°の遠赤外線は、受光部ＲＬ２で受光され、ＹＺ断面での入射傾斜角が−９．３７５°±３．１２５°の遠赤外線は、受光部ＲＬ３で受光され、ＹＺ断面での入射傾斜角が−３．１２５°±３．１２５°の遠赤外線は、受光部ＲＬ４で受光されるように設定されている。
【００３２】
また、ＹＺ断面での入射傾斜角が３．１２５°±３．１２５°の遠赤外線は、受光部ＲＬ５で受光され、ＹＺ断面での入射傾斜角が９．３７５°±３．１２５°の遠赤外線は、受光部ＲＬ６で受光され、ＹＺ断面での入射傾斜角が１５．６２５°±３．１２５°の遠赤外線は、受光部ＲＬ７で受光され、ＹＺ断面での入射傾斜角が２１．８７５°±３．１２５°の遠赤外線は、受光部ＲＬ８で受光されるように設定されている。
【００３３】
このように、入射傾斜角と受光部とが対応していることを、以下では、「角度分離」ともいう。
【００３４】
図１４には、各受光部で受光される遠赤外線の入射傾斜角と受光光量との関係のシミュレーション結果が示されている。なお、本明細書では、集光レンズ２４に入射する光線数に対する受光部に到達する光線数の割合を光量（規格化値）としている。
【００３５】
図１５には、集光レンズ２４に入射する遠赤外線に含まれる入射傾斜角が−２１．８７５°の遠赤外線が受光部ＲＬ１で受光され、入射傾斜角が−３．１２５°の遠赤外線が受光部ＲＬ４で受光される様子が示されている。なお、図１５における符号ｄ２は、センサ基板２２の彫り込み深さであり、ここでは、１０５μｍである。また、前記ｄ１とｄ２の和を、集光レンズ２４と受光器２１のギャップ距離ともいう。ここでは、該ギャップ距離は４０５μｍである。
【００３６】
ところで、集光レンズ２４のＸＺ断面では、図１６に示されるように、入射光学面が３つの領域に分割されていると考えることができる。すなわち、入射光学面のＸＺ断面は、それぞれ曲率を有する３つの領域（屈折面）からなっている。ここでは、最も−Ｘ側の領域を領域Ｓｂ、最も＋Ｘ側の領域を領域Ｓｔ、中央の領域を領域Ｓｍとする。また、各領域のＸＺ断面における大きさｔは３００μｍである。そして、Ｘ軸方向に関する入射光学面の大きさＴｘは約９００μｍである。
【００３７】
各領域の曲率は、水平方向における検出範囲と領域の数によって決定される。ここでは、水平方向における検出範囲が５０°であり、領域の数が３であるため、該検出範囲のうちの１６．７°（＝５０°÷３）の範囲の光が各領域で集光されるように各領域の曲率が設定されている（図１７参照）。そこで、各領域の曲率は同じである。
【００３８】
領域Ｓｂは、領域Ｓｍの形状を距離ｔだけ−Ｘ方向に移動させ、領域Ｓｍの−Ｘ側の端部Ｐ１を通りＹ軸方向に平行な軸まわりに反時計回りでθ（＋θ）だけ回転させた形状である（図１８参照）。
【００３９】
領域Ｓｔは、領域Ｓｍの形状を距離ｔだけ＋Ｘ方向に移動させ、領域Ｓｍの＋Ｘ側の端部Ｐ２を通りＹ軸方向に平行な軸まわりに時計回りでθ（−θ）だけ回転させた形状である（図１８参照）。
【００４０】
この場合は、入射光学面に段差が生じるのを避けることができる。仮に、図１９に示されるように、入射光学面に段差があると、光が散乱され、受光部での受光量が減少したり、迷光が受光部に入射するおそれが生じる。また、集光レンズ２４を半導体プロセスで作製した場合、段差部分の角が鈍化し、更なる光の散乱や迷光の発生を引き起こすおそれがある。このため、本実施形態では、入射光学面を段差のない、ロバスト性の高い面形状としている。
【００４１】
ここでは、一例として図２０に示されるように、領域Ｓｍを通過する光の角度光量分布曲線と領域Ｓｂを通過する光の角度光量分布曲線とが交差する入射傾斜角Ａ１での光量（規格化値）が最大値の半分となり、領域Ｓｍを通過する光の角度光量分布曲線と領域Ｓｔを通過する光の角度光量分布曲線とが交差する入射傾斜角Ａ２での光量（規格化値）が最大値の半分となるように、上記θの値が設定されている。
【００４２】
この場合は、一例として図２１に示されるように、Ｚ軸方向における受光器２１の位置では、領域Ｓｍを通過した光の光スポットと、領域Ｓｂを通過した光の光スポット及び領域Ｓｔを通過した光の光スポットがそれぞれ重なって形成される。そして、一例として図２２に示されるように、集光レンズ２４を通過する光の角度光量分布はフラットトップとなる。
【００４３】
また、Ｚ軸方向における受光器２１の位置では、各領域を通過した光の光スポットのＸ軸方向に関する大きさは、領域のＸ軸方向に関する大きさよりも小さい。この場合は、ＸＺ断面での角度光量分布における裾野を、急峻な形状にすることができる。なお、図２２に示されるように、光量（規格値）が最大値の１／ｅ倍となるところの裾野の幅を「裾野の大きさ」σという。
【００４４】
ところで、仮に、図２３に示されるように、領域Ｓｂ及び領域Ｓｔにおける上記θが０°の場合、一例として図２４に示されるように、Ｚ軸方向における受光器２１の位置では、領域Ｓｍを通過した光の光スポットと、領域Ｓｂを通過した光の光スポット及び領域Ｓｔを通過した光の光スポットはいずれも重ならない。この場合は、集光レンズ２４を通過する光の角度光量分布はフラットトップとならない。
【００４５】
そこで、一例として図２５に示されるように、領域Ｓｂ（第１の屈折面）の頂点Ｐｂでの法線Ｌｂと領域Ｓｔ（第２の屈折面）の頂点Ｐｔでの法線Ｌｔとが非平行であり、集光レンズ２４から受光器２１に向かうに従い法線Ｌｂと法線Ｌｔとの間隔が狭くなる。
【００４６】
また、領域Ｓｂと領域Ｓｔとの間にある領域Ｓｍ（第３の屈折面）の頂点Ｐｍでの法線Ｌｍは、法線Ｌｂ及び法線Ｌｔのいずれにも非平行である。
【００４７】
そして、領域Ｓｍの−Ｘ側の底部は、領域Ｓｂの＋Ｘ側の底部と一致し、領域Ｓｍの＋Ｘ側の底部は、領域Ｓｔの−Ｘ側の底部と一致している。
【００４８】
また、各領域の頂点から底部までの高さ（レンズ高さ）は１５０μｍ以上、２００μｍ以下の範囲内である。この上限値は、現状の遠赤外線（ＦＩＲ）センサ用レンズの具体的な狙いの数値と同じである。シリコンウエハ上に大量のレンズ構造を作る場合、フォトリソグラフィ工程において塗布されるフォトレジストの膜厚と、シリコンとフォトレジストのエッチングレートの比（選択比）とで、作製可能なレンズの高さが決定される。選択比は大きくふれるパラメータであるが、プロセスの安定性（ウエハ面内分布等）から、レンズ厚の上限は２００μｍ程度と考えられる。なお、ウエハレベルの構成でレンズが薄くなると、レンズの光学面（曲率を有する面）の面積が小さくなり、結果として、光利用効率が低下する。レンズ高さの下限値は、従来のセンサにおける光利用効率から要請されるものであり、設計シミュレーションに基づき、レンズ無しの場合と比較して２０倍以上の光利用効率を実現するには、１５０μｍ以上のレンズ高さが好ましいという結果が得られた。
【００４９】
この場合は、焦点距離が約３００μｍである短焦点のレンズが実現可能であり、ウエハレベルパッケージが可能な構成で集光機能を実現でき、小型化及び低コスト化を図ることができる。
【００５０】
そして、市販の光線追跡に基づくシミュレータを用いて、波長が１０μｍの光を格子状に集光レンズ２４に入射させたときの、集光レンズ２４による光の集光状態をシミュレーションした。なお、このシミュレーションでは、集光レンズ２４の屈折率として、波長１０μｍの光に対するＳｉの屈折率（３．４３５）を用いた。
【００５１】
ＹＺ断面での入射傾斜角が３．１２５°（図２６（Ａ）参照）であり、ＸＺ断面での入射傾斜角が０°（図２６（Ｂ）参照）のときのシミュレーション結果が図２７に示されている。図２７では、中央に位置する８つの矩形が受光器２１の８つの受光部に対応している。また、図２７における多数の点は光線が受光面が含まれる面上での到達した位置を示している。
【００５２】
図２７によると、集光レンズ２４に入射した光は、Ｙ軸方向に関して、受光部ＲＬ５に集光されており、角度分離が正しくできていることが確認できる。
【００５３】
また、図２８には、ＹＺ断面での入射傾斜角が３．１２５°のとき、及びＹＺ断面での入射傾斜角が２１．８７５°のときについて、上記シミュレーションによって得られた角度光量分布が示されている。なお、ＹＺ断面での入射傾斜角が３．１２５°のときの光量（規格化値）は、受光部ＲＬ５での光量（規格化値）であり、ＹＺ断面での入射傾斜角が２１．８７５°のときの光量（規格化値）は、受光部ＲＬ８での光量（規格化値）である。
【００５４】
図２８によると、ＸＺ断面での入射傾斜角が±２５°近傍で光量（規格化値）が急激に減少しており、水平方向における検出範囲（ここでは、５０°）に関して、狙い通りの特性が得られている。また、小さな入射傾斜角（３．１２５°）のときの光量（規格化値）に対して、大きな入射傾斜角（２１．８７５°）のときの光量（規格化値）が大きく低下することがなく、ＸＺ断面での入射傾斜角による光量（規格化値）の低下が抑制されていることが確認できる。
【００５５】
ここで、仮に、図２９に示されるように、集光レンズ２４の入射光学面のＸＺ断面が単一の凸型の円弧形状あるいは非球面形状である場合を考える。この場合、ＹＺ断面での入射傾斜角が３．１２５°であり、ＸＺ断面での入射傾斜角が０°の遠赤外線が集光レンズ２４に入射すると、該遠赤外線の光スポットの大部分は、一例として図３０に示されるように、受光部ＲＬ５で受光される。そして、一例として図３１に示されるように、受光部ＲＬ５の出力レベルは予め設定されている閾値以上となる。
【００５６】
しかし、この場合、ＹＺ断面での入射傾斜角が３．１２５°であり、ＸＺ断面での入射傾斜角の絶対値が０°よりも大きい遠赤外線が集光レンズ２４に入射すると、該遠赤外線の光スポットは、一例として図３２に示されるように、Ｘ軸方向にシフトする。そして、一例として図３３に示されるように、受光部ＲＬ５の出力レベルは上記閾値以下となるおそれがある。
【００５７】
すなわち、集光レンズ２４の入射光学面のＸＺ断面が単一の凸型の円弧形状あるいは非球面形状の場合は、受光部の出力レベルが、ＹＺ断面での入射傾斜角に依存する。そこで、この場合は、ＹＺ断面での入射傾斜角の絶対値が大きいと、人検知ができないおそれがある。
【００５８】
なお、受光部の出力レベルが低下するのを考慮して、閾値を低くすることが考えられるが、この場合は、誤検知する確率が高くなる。
【００５９】
また、受光部の出力レベルが、ＹＺ断面での入射傾斜角に依存するのを抑制するため、集光レンズ２４の入射光学面のＸＺ断面を平面とすることが考えられるが、この場合は、光利用効率が非常に小さくなる。
【００６０】
一方、本実施形態では、ＹＺ断面での入射傾斜角の絶対値が大きくても、信号レベルの低下が抑制され、閾値を低くすることなく人検知が可能である。
【００６１】
ところで、ＸＺ断面での角度光量分布曲線は、フラットトップであるとともに、裾野部分が急激に立ち下がった形状であることが好ましい。図３４におけるＴ／σの値が１よりも小さくなると、裾野部分の影響が顕著となり、ＹＺ断面での入射傾斜角の絶対値が大きいと、人検知ができないおそれがある。
【００６２】
また、本実施形態では、集光レンズ２４の射出光学面は、ＹＺ断面が凹形状であり、ＸＺ断面が平坦な曲面である。この場合、集光レンズ２４の射出面での全反射を抑えることができる。集光レンズ２４が遠赤外線用の場合、集光レンズ２４に用いることができる透明な材料は一般的に屈折率が高い。例えば、シリコン（Ｓｉ）であれば、屈折率は３．４〜３．５である。そのため、仮に射出光学面が平面であれば、ＹＺ断面での入射傾斜角の絶対値が大きい光（具体的には、１７°以上の光）を受光器２１に導くのが困難である。
【００６３】
本実施形態のように、射出光学面のＹＺ断面を凹面形状とすることにより、光利用効率を更に向上させることができる。なお、凹面形状の曲率が大きいほど、焦点距離が長くなるため、本実施形態では、集光レンズ２４が形成されるＳｉ基板の厚さで決まる焦点距離に対して、光利用効率が最大となるように、凸面（入射光学面）及び凹面（射出光学面）の曲率を設計している。
【００６４】
ここで、遠赤外線センサ２０の製造方法について簡単に説明する。
【００６５】
集光レンズ２４は、入射光学面及び射出光学面ともに、フォトリソグラフィとドライエッチングにより作製する。例えば、微小な開口をもつマスクパターンに拡散光を照射することによりレジストパターンの高さに階調をもたせるグレースケール露光法により、レンズ形状の基になるレジストパターンを形成し、その後、六フッ化硫黄（ＳＦ６）をベースとしたエッチングガスにより、レジストパターンをマスクとしてドライエッチングを行う。なお、集光レンズ２４が形成されるＳｉ基板の初期厚さは８００μｍである。
【００６６】
センサ基板２２は、受光器２１、信号増幅回路、ノイズ除去回路、物体位置推定ロジック回路などを備えた電子回路群を同一基板上に設けたものであり、フォトリソグラフィにより作製する。受光器２１は、熱ノイズの影響を避けるために、受光器２１が設けられた領域の外周部を掘り抜いた中空構造を細い梁で支持した構造とする必要があり、集光レンズ２４と同様にＳＦ６をエッチングガスとしたドライエッチングにより形成する。
【００６７】
受光器２１は、高感度化のために真空封止されるとともに、電気配線を外部へ引き出す必要がある。これらは、貫通配線付きガラス基板や内部に多層配線を施したＬＴＣＣ（低温同時焼成セラミックス）基板などのパッケージ部材２３を利用して実現する。
【００６８】
集光レンズ２４、センサ基板２２及びパッケージ部材２３を、ガラスフリット接合法を用いて接合し、受光器２１を真空封止する構造を形成する。なお、ガラスフリット接合法とは、ペースト状のガラス剤をスクリーン印刷し、焼結、ガラス化して接合する方法である。
【００６９】
このように、集光レンズ２４、センサ基板２２及びパッケージ部材２３を、ウエハ状態のままで（個片化せずに）接合し、これを個片化（ダイシング）することで数千個／１ウエハの遠赤外線センサ２０が製造される。これは、ウエハレベルパッケージ（ＷＬＰ）と呼ばれている。なお、センサ基板２２は、パッケージ部材２３の貫通配線を通して外部と導通がとれ（配線され）、回路基板等に実装することが可能である。
【００７０】
このようなウエハレベルパッケージでは、集光レンズ２４の最大厚さはＳｉ基板の初期厚さに依存して決定される。そして、この集光レンズ２４の最大厚さにおいて、集光レンズ２４と受光器２１の上記ギャップ距離が設定される。ギャップ距離が定まると、各受光部に対応する入射傾斜角の光が光スポットを形成するように集光レンズ２４の面形状が設定される。
【００７１】
なお、使用する集光レンズ２４用のＳｉ基板及びセンサ基板２２の厚さにより、ギャップ距離の限界が決まる。これらの和が厚すぎると製造装置の搬送機構が機能しないなどの不都合が生じるため、半導体プロセスで用いることができる厚さに制限がある。
【００７２】
このような制約条件から、集光レンズ２４の厚さとして１５０μｍ〜２００μｍの曲率部を有する断面形状が適当であることを確認している。
【００７３】
なお、集光レンズ２４とセンサ基板の接合方法として、金（Ａｕ）などの金属による共晶結合を利用しても良い。代表的な例として、Ａｕ−Ｓｉ共晶接合を説明する。ＡｕをＳｉ上に成膜し、共晶点以上の温度に加熱すると、共晶反応によってＡｕがＳｉ内部に拡散し、合金を形成することにより、強力に接合される。この反応を２枚のＳｉ基板の間に進行させることにより、基板同士を接合することができる。実際には、一方のＳｉ基板表面に、クロム（Ｃｒ）／白金（Ｐｔ）／Ａｕなどの膜を形成する。Ｃｒは密着層として機能し、ＰｔはＡｕの拡散を止めるバリア層として機能する。そして、他方のＳｉ基板にＡｕを成膜して共晶反応を進めることにより、Ｓｉ基板同士が接合される。
【００７４】
Ａｕ−Ｓｉ共晶接合のほかにも、Ａｕ−Ｓｎ共晶接合などもある。これは、半田と同様の反応である。但し、通常の電極端子に用いる半田のような金属混合物ではなく、組成を合わせた膜を形成し、共晶反応により合金化させる。
【００７５】
また、Ｓｉ基板とガラス基板を接合するには「陽極接合」を用いることもできる。これは、ガラス基板を加熱した状態で数１００Ｖの強電界をかけることにより、ガラス基板中のＮａイオンをＳｉ側へ移動させ、静電引力により界面に共有結合が形成され、基板同士が強固に接合される。
【００７６】
図２に戻り、増幅器５０は、遠赤外線センサ２０の受光器２１の各受光部から出力される信号をそれぞれ増幅する。なお、以下では、増幅器５０から出力される信号を「増幅信号」ともいう。
【００７７】
物体情報取得部６０は、所定のタイミング毎に、増幅器５０からの増幅信号に基づいて、人の有無を判断する。この判断結果は、機器制御装置２００に通知される。ここでは、互いに隣接する３つ以上の受光部に対応する増幅信号のレベルが閾値を超えたときに「検知」と判断する（図３５参照）。
【００７８】
ところで、省エネのための電子機器の電源制御を目的として、人体より放射される遠赤外線を検出し、人検出を行う人体検知センサの開発が進められている。例えば、遠赤外線の検出が可能なサーモパイルなどの受光素子を１次元的あるいは２次元的に配列した遠赤外線イメージャ、赤外線レンズ、及び信号処理手段を、ＣＡＮパッケージを用いてモジュール化する技術が考えられている。また、集光素子とセンサ回路をウエハ状態で接合し、一体型赤外線センサとするウエハレベルパッケージ技術が考えられている。
【００７９】
しかしながら、従来の集光素子一体型の人体検知センサでは、ＣＡＮパッケージが採用されるため「サイズが大きい」、高精度な組み付けが必要となるため「低価格化が難しい」という不都合があった。また、ウエハレベルパッケージにおいても、低コスト化のためにセンササイズを小さくしようとすると、受光素子の感度自身が低くなるとともに、レンズ面積も小さくなるために、人体検知に必要な光量が確保できないという不都合があった。さらに、ライン型の受光器において、光量を稼ぐためにレンズによる２次元的な集光を行うと、受光光量の入射方向依存性を生じさせるという不都合があった。
【００８０】
また、特許文献１には、遠赤外線検出装置においてセンサ感度を向上させるとともに、画素が配置されている方向と垂直な方向の変化の検出を可能にする目的で、シリンドリカルレンズと凸レンズ群とを含む集光手段と、シリンドリカルレンズにより集光される遠赤外線と、凸レンズ群により集光される遠赤外線とを検出するセンサ素子とを含む検出手段を備えた赤外線検出装置が開示されている。しかしながら、この遠赤外線検出装置では、遠赤外線の入射方向によっては、検知ができないおそれがあった。
【００８１】
本実施形態では、集光レンズ２４に角度分離用と光利用効率向上用の２つの曲率形状を直交する２方向に持たせている。光利用効率向上用の曲率形状としては、曲面を複数の領域に分割し、各領域で集光効果を持たせるとともに、隣接する領域からの光スポットを受光面で重ね合わせることにより、所望の検出範囲において、角度光量分布のフラットトップ化を図っている。
【００８２】
以上の説明から明らかなように、本実施形態に係る遠赤外線センサ２０によって本発明の検出器が構成され、センサ装置によって本発明のセンシング装置が構成され、機器制御システム１０００によって本発明の制御システムが構成されている。そして、集光レンズ２４によって本発明の検出器の光学素子が構成されている。また、領域Ｓｂによって第１の屈折面が構成され、領域Ｓｔによって第２の屈折面が構成されている。
【００８３】
以上説明したように、本実施形態に係る遠赤外線センサ２０は、受光器２１、センサ基板２２、パッケージ部材２３、及び集光レンズ２４などを有している。
【００８４】
受光器２１は、Ｙ軸方向に沿って配列された８つの受光部を有している。集光レンズ２４の入射光学面は、ＸＺ断面がそれぞれ曲率を有する３つの領域（Ｓｂ、Ｓｍ、Ｓｔ）からなり、領域Ｓｂの頂点での法線Ｌｂと領域Ｓｔの頂点での法線Ｌｔとが非平行であり、集光レンズ２４から受光器２１に向かうに従い法線Ｌｂと法線Ｌｔとの間隔が狭くなる。
【００８５】
また、領域Ｓｂと領域Ｓｔとの間にある領域Ｓｍの頂点Ｐｍでの法線Ｌｍは、法線Ｌｂ及び法線Ｌｔのいずれにも非平行である。そして、領域Ｓｍの−Ｘ側の底部は、領域Ｓｂの＋Ｘ側の底部と一致し、領域Ｓｍの＋Ｘ側の底部は、領域Ｓｔの−Ｘ側の底部と一致している。
【００８６】
また、各領域の頂点から底部までの高さは１５０μｍ以上、２００μｍ以下の範囲内である。
【００８７】
この場合は、遠赤外線センサ２０における光利用効率を向上させることができる。
【００８８】
そして、各センサ装置は、遠赤外線センサ２０を有しているため、人の有無を精度良く検知することができる。
【００８９】
さらに、機器制御システム１０００は、センサ装置を備えているため、精度良く機器を制御することができる。
【００９０】
なお、上記実施形態では、受光器２１が８つの受光部を有する場合について説明したが、これに限定されるものではない。
【００９１】
また、上記実施形態では、「上下方向における検出範囲」が５０°の場合について説明したが、これに限定されるものではない。
【００９２】
また、上記実施形態では、「水平方向における検出範囲」が５０°の場合について説明したが、これに限定されるものではない。
【００９３】
また、上記実施形態では、「上下方向における検出範囲」と「水平方向における検出範囲」とが等しい場合について説明したが、これに限定されるものではない。
【００９４】
また、上記実施形態では、集光レンズ２４の入射光学面における３つの領域（Ｓｂ、Ｓｍ、Ｓｔ）の曲率が同じ場合について説明したが、これに限定されるものではない。
【００９５】
また、上記実施形態において、上下方向における検出範囲がそれほど広くなくて良い場合は、図３６〜図３８に示されるように、集光レンズ２４の射出光学面が凹型形状ではなく、平坦であっても良い。図３７は図３６のＡ−Ａ断面図であり、図３８は図３６のＢ−Ｂ断面図である。
【００９６】
また、上記実施形態では、集光レンズ２４のＸＺ断面で、入射光学面が３つの領域に分割されている場合について説明したが、これに限定されるものではなく、一例として図３９〜図４２に示されるように、集光レンズ２４のＸＺ断面で、射出光学面が３つの領域（Ｓｂ、Ｓｍ、Ｓｔ）に分割されていても良い。この場合は、設計の自由度が向上する。図４０は図３９のＡ−Ａ断面図であり、図４１は図３９のＢ−Ｂ断面図である。
【００９７】
この場合、集光レンズ２４の−Ｚ側には、センサ基板２２との接合面として平坦領域を残す必要があるため、入射光学面よりも小さい領域を分割している。また、この狭い領域に光線を効率良く取り込むために、入射光学面もＸＺ断面を単一の球面形状あるいは非球面形状としている。
【００９８】
領域Ｓｂ及び領域Ｓｔの傾きについては、上記実施形態と同様である。
【００９９】
領域Ｓｂは、領域Ｓｍの形状を距離ｔだけ−Ｘ方向に移動させ、領域Ｓｍの−Ｘ側の端部Ｐ１を通りＹ軸方向に平行な軸まわりに反時計回りでθ（＋θ）だけ回転させた形状である（図４３参照）。
【０１００】
領域Ｓｔは、領域Ｓｍの形状を距離ｔだけ＋Ｘ方向に移動させ、領域Ｓｍの＋Ｘ側の端部Ｐ２を通りＹ軸方向に平行な軸まわりに時計回りでθ（−θ）だけ回転させた形状である。隣接する２つの領域の境界部は段差のない、連続的につながった形状となっている（図４３参照）。
【０１０１】
また、上記実施形態では、集光レンズ２４の入射光学面を、ＸＺ断面において３つの領域（Ｓｂ、Ｓｍ、Ｓｔ）に分割する場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図４４に示されるように、集光レンズ２４の入射光学面を、ＸＺ断面において２つの領域（Ｓｂ、Ｓｔ）に分割しても良い。
【０１０２】
この場合、一例として図４５に示されるように、集光レンズ２４の入射光学面は、ＸＺ断面がそれぞれ曲率を有する２つの領域（屈折面）からなり、領域Ｓｂ（第１の屈折面）の頂点Ｐｂでの法線Ｌｂと領域Ｓｔ（第２の屈折面）の頂点Ｐｔでの法線Ｌｔとが非平行であり、集光レンズ２４から受光器２１に向かうに従い法線Ｌｂと法線Ｌｔとの間隔が狭くなる。また、各領域の曲率は同じである。
【０１０３】
そして、一例として図４６に示されるように、領域Ｓｂを通過する光の角度光量分布曲線と領域Ｓｔを通過する光の角度光量分布曲線とが交差する入射傾斜角での光量（規格化値）が最大値の半分となるように、上記θの値が設定されている。このとき、一例として図４７に示されるように、集光レンズ２４を通過する光の角度光量分布曲線はフラットトップとなる。
【０１０４】
また、上記実施形態において、センサ装置の遠赤外線センサ２０、増幅器５０、及び物体情報取得部６０が１チップ化されていても良い。
【０１０５】
また、上記実施形態では、機器制御システム１０００が４つの機器を制御する場合について説明したが、これに限定されるものではない。
【０１０６】
また、上記実施形態では、機器制御システム１０００が機器の電源を制御する場合について説明したが、これに限定されるものではない。
【０１０７】
また、上記実施形態では、物体情報取得部６０が人の有無のみを取得する場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、出力レベル量が閾値を超えた受光部の配置位置から人の方向を取得することができる。この場合、機器制御装置２００は、機器と人との相対的な位置関係を知ることができ、該位置関係に応じて機器を制御しても良い。
【０１０８】
また、上記実施形態では、制御システムとして機器制御システムの場合について説明したが、これに限定されるものではない。
【０１０９】
また、上記実施形態における集光レンズ２４は、遠赤外線以外の光を利用するセンサにも好適である。
【符号の説明】
【０１１０】
１０Ａ…センサ装置（センシング装置）、１０Ｂ…センサ装置（センシング装置）、１０Ｃ…センサ装置（センシング装置）、２０…遠赤外線センサ（検出器）、２１…受光器、２２…センサ基板、２３…パッケージ部材、２４…集光レンズ（光学素子）、５０…増幅器、６０…物体情報取得部、１０１…機器、１０２…機器、１０３…機器、１０４…機器、２００…機器制御装置（制御装置）、１０００…機器制御システム（制御システム）、Ｐ…人（物体）、Ｐｂ…頂点、Ｐｍ…頂点、Ｐｔ…頂点。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１１１】
【特許文献１】特開２０１２−１９８１９１号公報
【図１】
2015129717.tif 000003
【図２】
2015129717.tif 000004
【図３】
2015129717.tif 000005
【図４】
2015129717.tif 000006
【図５】
2015129717.tif 000007
【図６】
2015129717.tif 000008
【図７】
2015129717.tif 000009
【図８】
2015129717.tif 000010
【図９】
2015129717.tif 000011
【図１０】
2015129717.tif 000012
【図１１】
2015129717.tif 000013
【図１２】
2015129717.tif 000014
【図１３】
2015129717.tif 000015
【図１４】
2015129717.tif 000016
【図１５】
2015129717.tif 000017
【図１６】
2015129717.tif 000018
【図１７】
2015129717.tif 000019
【図１８】
2015129717.tif 000020
【図１９】
2015129717.tif 000021
【図２０】
2015129717.tif 000022
【図２２】
2015129717.tif 000023
【図２３】
2015129717.tif 000024
【図２５】
2015129717.tif 000025
【図２６】
2015129717.tif 000026
【図２７】
2015129717.tif 000027
【図２８】
2015129717.tif 000028
【図２９】
2015129717.tif 000029
【図３１】
2015129717.tif 000030
【図３３】
2015129717.tif 000031
【図３４】
2015129717.tif 000032
【図３５】
2015129717.tif 000033
【図３６】
2015129717.tif 000034
【図３７】
2015129717.tif 000035
【図３８】
2015129717.tif 000036
【図３９】
2015129717.tif 000037
【図４０】
2015129717.tif 000038
【図４１】
2015129717.tif 000039
【図４２】
2015129717.tif 000040
【図４３】
2015129717.tif 000041
【図４４】
2015129717.tif 000042
【図４５】
2015129717.tif 000043
【図４６】
2015129717.tif 000044
【図４７】
2015129717.tif 000045
【図２１】
2015129717.tif 000046
【図２４】
2015129717.tif 000047
【図３０】
2015129717.tif 000048
【図３２】
2015129717.tif 000049