(57)【要約】      （修正有）【課題】簡単な構造で内筒の振動の減衰と、断熱化を容易に行う内筒の補強手段を提供する。【解決手段】デュワ１の内筒１ｃの内側に密着するゼンマイ状の円筒板バネ構造の補強部材１０１を挿入し、この補強部材の内側との接触部には断熱材１０２を配置することにより、内筒の剛性と板バネ同士および内筒との接触による摩擦減衰の効果にて、赤外線検出素子６の振動を低減する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射赤外線を透過する窓を有する外筒及び、前記外筒と一体化され、冷却手段を挿入する空間を形成する内筒からなる真空断熱構造を有するデュワと、
前記デュワ内に配置され、前記冷却手段により冷却さる赤外線検出素子と、
を備えた赤外線検出器において、
前記冷却手段を挿入する空間を形成する内筒に弾性力により固着する板バネ補強部材を備える赤外線検出器。
【請求項２】
前記冷却手段を挿入する空間の内壁と、前記板バネ補強部材との間に断熱材を備える請求項１に記載の赤外線検出器。
【請求項３】
入射赤外線を透過する窓を有する外筒及び、前記外筒と一体化され、冷却手段を挿入する空間を形成する内筒からなる真空断熱構造を有するデュワと、
前記デュワ内に配置され、前記冷却手段により冷却さる赤外線検出素子と、
を備えた赤外線検出器において、
前記冷却手段を挿入する空間の内壁に弾性力により固着する板バネ補強部材を備え、
前記板バネ補強部材が断熱材である赤外線検出器。
【請求項４】
前記板バネ補強部材が少なくとも二巻以上のゼンマイ形状の板バネである請求項１から請求項３に記載の赤外線検出器。
【請求項５】
前記板バネ補強部材は、円筒の稜線が切断された切り欠き部を有するＣ型形状である請求項１から請求項４に記載の赤外線検出器。
【請求項６】
少なくとも２枚以上の前記Ｃ型形状の板バネ補強部材を挿入する際に、切り欠き部の位置を重ならないよう挿入する請求項５に記載の赤外線検出器。
【請求項７】
前記断熱部材は、少なくとも板バネ補強部材の最外周で前記内筒と接触する請求項１から請求項６のいずれかに記載の赤外線検出器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は物体から放射される赤外線を画像情報として検出する赤外線検出器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体シリコンのショットキー接合を利用する赤外線の検出器はその接合バリアが低く室温動作は困難であり、温度外乱を除去するため極低温（約８０Ｋの液体窒素温度）に冷却された状態で動作されなければならない。そのため赤外線を透過する窓を備え、検出素子の極低温冷却が可能な特別の構造のデュワと呼ばれる容器に素子本体を搭載して駆動させる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−１４９７８３（第５ページ、第１図）
【０００４】
従来の赤外線検出器の構造については、デュワと称する真空断熱容器にて構成されており、非常に一般的な確立された技術となっている。図７は、特許文献１から引用した従来の赤外線検出器の構造に示す断面図である。図において、１は内部を真空２に保持したデュワで、入射赤外線を透過させる透過窓１ａを気密に接合した外筒１ｂと、この外筒１ｂと一体化され後述する冷却器挿入空間１０を形成する内筒１ｃとから構成されており、この内筒１ｃには極低温で熱伝導が小さいホウケイ酸ガラスや金属チタン等のガラス、セラミックまたは金属材が採用されている。４は内筒先端部１ｄに取り付けられた検出素子搭載用のパッケージである。６は赤外線検出素子で検出素子搭載用のパッケージ４に接合されている。赤外線検出素子６の信号出力部とパッケージ４の内部に形成された内部金属リードとは、金属配線（図示せず）を介して電気的に接続されている。１４は、赤外線検出素子６の信号出力をパッケージ４を介して取り出すための金属配線である。金属配線１４は、ガラスハーメチックで封止されデュワ１を貫通する外部端子９を経てデュワ１外部に導出される。７は赤外線検出素子６等を覆うようにフレームに取り付けられたコールドシールドで、入射赤外線の迷光遮蔽壁を形成する。１０は内筒１ｃによって形成された冷却器挿入空間である。
【０００５】
次に、このような赤外線検出器の動作について説明する。赤外線透過窓１ａを通してデュワ内に入射した赤外線３は赤外線検出素子６に結像し、ここで赤外線の強弱に応じてキャリア電荷を生じ、この電荷が同一素子内に集積化された電荷転送部で読み出され、パッケージ４の内部金属リード、金属配線１４、および外部端子９を通って外部信号処理回路で画像情報として表示される。この検出器動作時にはデュワの冷却器挿入空間１０にジュール・トムソン型あるいはクローズドサイクル型等の冷却器からなる冷却手段を挿入し、デュワ内筒の先端部１ｄを通して検出素子６を８０Ｋレベルに冷却する。
【０００６】
従来の赤外線検出器は以上のように構成されているので、赤外線検出素子６を冷却するにはデュワ内筒の熱抵抗を大きくして外気からの熱侵入を少なくすることが必須であった。そのため、デュワ内筒は熱伝導率の低い材料を用いてしかも断面積を小さくするため薄肉加工を実施している。しかも、赤外線検出素子６は、内筒１ｃの先端に配置される構造となっている。これは、内筒１ｃの一端が固定され、他端に赤外線素子６などの質量が集中するいわゆる片持ち梁構造であるため低剛性な構造となっている。
【０００７】
本来、赤外線検出器は地上に固定されて使用されるため、この低剛性構造は特に顕著な問題とはならなかった。しかしながら、近年この赤外線検出器の適用範囲の拡大に伴ない多くの輸送機器に搭載されるケースが増加している。特に、車載や航空機等の比較的大きな振動を受ける場合、または上記の片持ち梁構造の共振周波数に近接した振動を受ける場合は、赤外線検出素子６がデュワ１に対して、検出画素単位を超える振幅となり、画像がぶれる現象が発生する危険性がある。これを回避するために、個別に内筒１ｃの材質や剛性を変更して対応することが可能であるが、内筒１ｃの断熱特性と剛性増加にはトレードオフの関係があり設計コスト、製造コストに大きく影響する欠点があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来の構造では振動が発生した。さらに、内筒の材質や剛性を変更して振動を回避した場合、断熱性を向上させることが困難であった。
【０００９】
本発明は、簡単な構造で内筒の振動の減衰と、断熱化を容易に行う内筒の補強手段を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる赤外線検出器は、入射赤外線を透過する窓を有する外筒及び、前記外筒と一体化され、冷却手段を挿入する空間を形成する内筒からなる真空断熱構造を有するデュワと、前記デュワ内に配置され、デュワ外部から前記冷却手段により冷却さる赤外線検出素子と、を備えた赤外線検出器において、前記冷却手段を挿入する空間の内壁に弾性力により固着する板バネ補強部材を備えるものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１を示す図で、図１（ａ）は組立手順を示す図、図１（ｂ）は本発明に係わる補強部材の装着状態を示す図である。図において、１０１はバネ性を有する弾性材料で構成された円筒板バネ構造の補強部材である。補強部材１０１は、通常は弾性のある金属材料または、高分子材料からなるものである。形状は密着して少なくとも二巻以上巻かれたゼンマイ形状で、内筒１ｃの内径より無負荷時の径は大きいものを用いる。内筒１ｃの内径部分が冷却器挿入空間１０となる領域であるので、内筒１ｃへの装着時の内径は、冷却手段２０が挿入できる最低限度の大きさとなるように構成されている。
【００１２】
１０２は補強部材に結合されている断熱材である。断熱材１０２は少なくとも補強部材１０１と内筒１ｃとの接触範囲内に配置されて、内筒１ｃと補強部材１０２との間で熱抵抗を大きく、しかも横滑りしないように摩擦力が大きくなるように構成する必要がある。そのため、熱伝導率の低い高分子材料、またはセラミック材料が用いられ、しかも摩擦係数の大きい材料が選定される。本実施例では、中空構造球状のアルミナ等のセラミック材料を接着剤に分散させた材料を用いた。この場合は内筒１ｃに用いられる金属チタンの熱伝導率が５．５Ｗ／ｍＫであるのに対して、熱伝導率が０．０２Ｗ／ｍＫと約２７０倍の断熱性能を確保できる。この時の摩擦係数は０．２〜０．３であり十分な摩擦力を発揮できる。別の実施例では、シリコンゴムを用いる場合で、この場合は熱伝導率が０．２Ｗ／ｍＫであるが、摩擦係数が０．５程度確保できる。以上の例のように断熱材１０２は、高分子材料、またはセラミック材料の片方または両方を適正に使用することにより、上記の目的を達成することができる。
【００１３】
図１（ａ）は、従来の赤外線検出器に対して、補強部材１０１を導入する組立方法を示したもので、以下に組み立て方法について説明する。補強部材１０１は少なくとも二巻以上巻かれた密着ゼンマイ形状で無負荷時の径は大きいが、組立時にはそのバネ性を利用してあらかじめ内筒１ｃの外径よりも小さい径に圧縮ささせることで内筒１ｃに挿入する。所定の位置に位置決めして開放すると補強部材１０１の弾性により外径が膨張し、所定の圧縮力で内筒１ｃと断熱材１０２を介し接触する。つぎに、内筒１ｃの内径部分の冷却器挿入空間１０にジュール・トムソン型あるいはクローズドサイクル型等の冷却器からなる冷却手段２０を挿入することで組み立ては完了する。このとき、補強部材１０１と冷却手段２０とは接触しないで一定のすきまを有していることは、組立の都合上当然である。しかも補強部材１０１のない従来の方式と同様に空気による断熱効果により、熱侵入量は従来とほぼ同等となる。
【００１４】
次に動作について説明する。図１（ｂ）は以上のようにして組み立てられた赤外線検出器に補強部材の装着状態を示す図である。図において、赤外線検出器動作時にはデュワの冷却器挿入空間１０（図１（ａ）参照、本図には図示せず、補強部材１０１の内径部分）にジュール・トムソン型あるいはクローズドサイクル型等の冷却器からなる冷却手段を挿入され、デュワ内筒の先端部１ｄを通して検出素子６を８０Ｋレベルに冷却することで赤外線を検出することは従来どおりの動作である。この際にデュワ円筒の先端部１ｄには、デュワ外部から内筒部１ｃを通じて侵入する従来と同等の熱量に加えて、デュワ外部から補強部材１０１、断熱材１０２、内筒１ｃのルートにて侵入する熱量が発生する。この熱量の増加は、冷却性能に大きく影響するため極力低減する必要がある。本発明においては、断熱材１０２の効果によって、熱流の大半は内筒１ｃを通る従来の熱流が圧倒的に大きいため、熱侵入量の増加は無視できる。
【００１５】
次に、振動中の動作について説明する。赤外線検出器が輸送機器等に搭載されデュワ構造全体が励振される場合を考える。この時、内筒１ｃの先端部１ｄに接合されたパッケージ５、赤外線検出素子６、コールドシールド７などの質量が集中している部分と、内筒１ｃの曲げ剛性により、バネ−質量系が構成される。そのため、励振周波数がこのバネ−質量系と一致した場合には、大きな振動振幅にて赤外線素子がデュワ１に対して振動することになる。特に、図において矢印Ｘの赤外線入射方向と直交する方向は、内筒１ｃの曲げ剛性が最も低く励振されやすく、検出画像がぶれることがある。次に、補強部材１０１が挿入された場合について説明する。内筒１ｃが曲げ励振された場合に補強部材１０１も同様に曲げ応力を受けるが単純に剛性も増加するため共振周波数が増加する傾向がある。さらに、曲げ励振された補強部材は密着ゼンマイ構造のため、各層間で摩擦を伴なうすべりが発生する。この層間の摩擦は熱エネルギとなって振動エネルギを吸収するため、大きな振動減衰効果を得ることができる。特に、摩擦面積が大きい場合には剛性増加とともに、摩擦エネルギが増加して圧倒的な減衰効果が期待できる。
【００１６】
減衰の効果を調べるため、図において、内筒１ｃの長さをＬとし、補強部材の長さＬｃを変化させたときの実験結果を示したのが図２である。図において、横軸は補強部材の長さＬｃを内筒１ｃの長さをＬ除して無次元化した量を示す。縦軸は補強部材の無い場合の共振周波数での振動振幅に対する補強部材が挿入されたとき共振周波数での振動振幅の比、つまり補強部材の無い場合の振動振幅を１としたときの振幅の比率を示したもので、小さい値ほど減衰効果が大きいことを示す。図によれば、例えば、補強部材の長さを内筒１ｃの長さと同等の場合（横軸が１の場合）は、補強部材が無い場合に比べて振動振幅が１／６０以上に低減されることが分かる。画像機器の性能としては、赤外線検出素子６の画素サイズと同等以下の振動振幅となるように適性に補強部材の長さを設定すればよい。
【００１７】
図３は、本発明に係わる補強部材１０１の構造の具体的な形状を示したもので、図３（ａ）は見取り図、図３（ｂ）は断面図を示す。断熱材１０２は、補強部材１０１の外周の一部に接合された切り欠き１０２ａを有する中空円筒である。切り欠き１０２ａは、ゼンマイ形状の補強部材の外径が自在に変形可能なために設けたもので、１０１が内筒１ｃに挿入配置するための最低限の外径が構成できる程度のきり欠き幅を設けたものである。断熱材１０２は、内筒１ｃと接触する断面を小さくし、その厚さが厚いほど断熱効果が発揮できるが、本実施例では、内筒１ｃに挿入する制約上厚さは、０．１から０．５ｍｍ程度、幅は加工の制約上０．１ｍｍから２ｍｍ程度としたが、構造や加工方法と製品の性能から任意の値に設定できる。
【００１８】
図４は、本発明に係わる補強部材１０１の別の構造を示したもので、図４（ａ）は見取り図、図４（ｂ）は断面図を示す。図において補強部材は、円筒の稜線が切断された切り欠き部を有するＣ型形状を内筒１ｃに少なくと１枚以上を挿入したもので、図には、３枚構成したものを示す。このＣ型形状の補強部材の最外周の１枚には断熱材が接合され、前述と同様の構成で動作も同様となる。組立時には、最外周から順次、円筒１ｃの内径に挿入して最後に冷却手段２０を挿入する点も同様である。
【００１９】
Ｃ型形状の補強部材の最外周の１枚には断熱材が接合された構成の場合は、断熱材１０２と内筒１ｃ間の摩擦による減衰効果のみが期待できる。振動振幅が大きくない場合には、この方法にて十分な性能が確保できる。以下、順次補強部材Ｃ型形状の補強部材を挿入すれば、摩擦力が増加して振動減衰特性が改善され希望の性能を確保できる。この様に、Ｃ型形状の補強部材の枚数によって自在に上記振動減衰特性が変更可能な点が、多品種少量生産の機種に対しては有効な手段である。
【００２０】
さらに、振動振幅が大きくない場合、また断熱性能の余裕がある場合は、上記の断熱材と補強部材をかねた１枚のＣ型形状の補強部材にて構成することも可能である。この時の材質は、状況によって熱伝導率を重視するか剛性を重視するかによって異なる。例えば、熱伝導率を重視して剛性を重視しない場合には、金属よりも熱伝導率が低いプラスティック材料を用いてもよい。この場合は例えば、いわゆるＡＢＳなどのいわゆるエンジニアリングプラスティックやフッ素樹脂などが考えられる。これらは剛性は金属材料よりも２桁以上小さい代わりに熱伝導率が１桁以上小さい。逆に、剛性を重視して熱伝導率を重視しない場合には、金属材料を用いる。一般には、バネ用材料として、ＳＵＳ３０４などの鉄系材料を用いるが、金属の中でも比較的熱伝導率の低いチタン合金を用いることも可能である。また、金属材料のなかでも、多孔質材料などはそれだけで減衰性能も有し断熱性もあるが、一般に孔の大きさが数１００μｍ程度あるため補強部材の厚さが厚くなり実際の配置上に制約が生じることが多いが、装置によっては可能な場合もあり有力な材料である。
【００２１】
前記において２枚以上のＣ型形状の補強部材１０１をデュワの内筒１ｃの内側に挿入する際の部材部１０１ａと切り欠き部１０１ｂの位置については特に既定しなかったが、切り欠き部１０１ｂの回転位置を変化させて順次挿入することにより、内筒１ｃの曲げ剛性の方向性を自在に設定することも可能である。図５は補強部材１０１の部材部１０１ａと切り欠き部１０１ｂの位置関係の相違を示した図である。図において一例として補強部材１０１が３枚の場合について説明するが３枚以上でも同様の効果を有することは言うまでもない。図において（ａ）は回転位置が同一の場合、（ｂ）は１２０度で均等にした場合を示す。（ａ）の場合は、図中矢印Ｚの方向の剛性が相対的に低く、矢印Ｙの方向が高くなる。一方、（ｂ）の場合は、対称性から図中矢印ＺおよびＹの方向もほぼ同一の剛性となる。
【００２２】
Ｃ型形状の板バネ補強部材の製造方法について図６に示す。図６（ａ）は加工前、（ｂ）は加工後の状態を示す。図６において２００は、デュワの内筒に装着時の補強部材の外径とほぼ同一の直径の穴を有する円筒治具である。前記に示した密着型ゼンマイ形状の板バネ１０１を円筒治具２００に挿入し両者ともに図６（ａ）の破線で示した円筒の稜線の一部を切断すると、図６（ｂ）のような形でＣ型形状の板バネ補強部材が製造できる。本方法によれば、個々に製造するＣ型形状の板バネに比べ、密着型のゼンマイ形状から作成しているため、装着時において各板バネが確実に密着し摩擦減衰の効果の高い補強部材の構造となる。本発明においては、断熱部材の無い場合について示したが、前記に示した密着型ゼンマイ形状の板バネ１０１の断熱部材１０２を接合したものを所定の内径の円筒治具に挿入して切断しても同様の効果が得られる。
【００２３】
本発明の一例において、このような１つの切り欠きを設けた断熱材の形状を示したが、断熱材１０２の形状は、補強部材１０１と内筒１ｃとの投影範囲内で熱抵抗を大きくするためにはなるべく面積を小さくすることが肝要である。しかも補強部材１０１の安定な設置のためには、補強部材１０１の概略円筒形状の少なくともほぼ両端面に配置する構成が望ましい。そのため、微細な突起状の断熱材を多数補強部材の表層に配置するなどの構成でも同等の効果が得られる。
【００２４】
この様に、共振周波数が高く減衰特性に優れた赤外線検出器が提供できる。そのため、輸送機等の大きな振動外乱のある装置に搭載しても、画素ぶれのない高性能な赤外線検出器が提供できる。
【００２５】
さらに、従来品と熱侵入量も同等の性能をもち、接着剤等に頼らない信頼性の高い装置を提供できる。
【００２６】
また、一部の部品を追加するだけで容易に製造でき、それぞれの要求性能に対応できるため、少品種大量生産の機種のみならず、多品種少量生産の機種に対しても高性能な装置を提供できる。
【００２７】
【発明の効果】
この様に、本発明によれば、簡単な構造で内筒の振動の減衰と、断熱化を容易に行う内筒の補強手段を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による赤外線検出器の断面図である。
（ａ）は、組立手順を示す図、（ｂ）は装着状態を示す図である。
【図２】本発明の一実施例による振動減衰特性を示す図である。
【図３】本発明の一実施例による補強部材の構造図である。
（ａ）は、見取り図、（ｂ）は断面図である。
【図４】本発明の他の実施例による補強部材の構造図である。
（ａ）は、見取り図、（ｂ）は断面図である。
【図５】本発明の補強部材と配置と剛性の関係を示す断面図である。
【図６】本発明の補強部材の製造方法に係わる断面図である。
（ａ）は、加工前の断面図、（ｂ）は加工後の断面図である。
【図７】従来例による赤外線検出器の断面図である。
【符号の説明】
１                    デュワ
１ａ                赤外線窓
１ｂ                外筒
１ｃ                内筒
１ｄ                内筒先端部
２                    真空
４                    パッケージ
６                    赤外線検出素子
７                    コールドシールド
９                    外部端子
１０                冷却器挿入空間
１４                金属配線
２０                冷却手段
１０１            補強部材
１０１ａ          部材部
１０１ｂ          切り欠き部
１０２              断熱部
１０２ａ          断熱部切り欠き部
２００              円筒治具
【図１】
2004271208.tif 000003
【図２】
2004271208.tif 000004
【図３】
2004271208.tif 000005
【図４】
2004271208.tif 000006
【図５】
2004271208.tif 000007
【図６】
2004271208.tif 000008
【図７】
2004271208.tif 000009