(57)【要約】【課題】  高価な機械加工の撮像用レンズを使用することなく、低コストで製造が可能な構造の集光ミラーを用いることにより、複数画素を有効活用するエネルギー集光を行う赤外線センサ装置を提供する。【解決手段】  集光ミラー３は、反射面がセンサチップ１に近い後段（第１の反射面（ゾーン１））と対象物の視野面６に近い前段（第２の反射面（ゾーン２））に分かれ、視野面６の中心からの光（赤外線）は、センサチップ１の中央素子に集光し、視野面６の周辺からの光は、チップ１の周辺素子に集光する。視野面６の中心から出た光６４は、直接チップ１の中央素子に入射し、同じく視野面６の中心から出た光６３、６５は、集光ミラー３の第１の反射面で反射してチップ１の中央素子に入射する。視野面６の周辺から出た光６１、６６は、集光ミラー３の第２の反射面で反射してチップ１の周辺素子に入射する。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アレイ状に配置された複数の赤外線検出素子を有するセンサチップと、内側に反射面が形成され、対象物に向かった一端が拡開し、前記センサチップを他端の延長線上に配置したときに、前記センサチップと前記対象物とが対向するように前記他端に開口が形成された回転体面反射鏡とを具備し、前記回転体面反射鏡の内側の反射面は、前記対象物の中心部からの光を前記センサチップの中央部付近に集める反射角を持つ第１の反射面と、前記対象物の中心部から外れた領域からの光を前記センサチップの前記中心部から外れたところに集める反射角を持つ第２の反射面を有することを特徴とする赤外線センサ装置。
【請求項２】
前記赤外線検出素子は、サーモパイル素子であることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低コストで結像可能な集光手段を有する多素子型赤外線センサ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
赤外線センサを用いた安価なシステムでは、ある一つの領域の温度変化（赤外線量）を検知することで、人が現れたことを検出できる。また、今後は様々な分野での応用が期待でき、人の有無だけなく、動きの方向や存在位置をも検知することが求められている。
赤外線センサ装置には、例えば、焦電素子を用いた単素子型の赤外線センサ装置と、例えば、複数のサーモパイル素子をアレイ状に配列して用いる多素子型の赤外線センサ装置がある。単素子型の赤外線センサ装置は、十分な感度を確保するために視野のエネルギーを集光する目的でシリコンレンズやプラスチック多面体レンズ、フレネルレンズ等が使用される。また、多素子型の赤外線センサ装置は、視野内の物体をセンサ面において像を結ばせる必要があるために、撮像（結像）用レンズが必要である。従来、レンズには高価なシリコンレンズやゲルマニウムレンズが使用されていた。
【０００３】
前述した、動きの方向や存在位置を検知するためには、多素子型の赤外線センサ装置である必要があり、そして、多素子型赤外線センサ装置においては、前述のように視野内の物体をセンサ面において像を結ばせるための撮像（結像）用レンズが必要である。このような赤外線センサ装置は、例えば、特許文献１に記載されている。特許文献１では、多素子サーモパイルチップの前方にシリコンレンズを配置することにより、赤外線を集光し結像している。安価な集光手段としては、例えば、特許文献２に内側に反射面が形成された回転放物面反射鏡が記載されている。
【０００４】
特許文献１に開示されている内容は、多素子サーモパイル、オペアンプ、マルチプレクサ、メモリ、抵抗、コンデンサ、マイコン等で構成させる多素子型サーモパイルモジュール（多素子型赤外線センサ装置）の光学系を、平凸単レンズと組み合わせる場合に於いて、平凸単レンズの焦点位置から各受光部との距離ズレ平均位置に各素子受光部が配置され、且つ、正規焦点距離から逸脱しないことにより、各素子毎の投影エリア鮮明度を同等レベルにするというものである。また、特許文献２に開示された内容は、太陽集光装置であって、複合（回転）放物面鏡と凹レンズを組合せ、凸レンズで集光した光を凹レンズで平行又はそれに近い角度の光に戻し、集光比を上げる手段を有し、たとえば、凹凸レンズと複合放物面鏡の向きを、朝、昼、夕簡単な装置で変えることで集光効率を高めることができるというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−５８２２８号公報
【特許文献２】特開平５−２７２８１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
赤外線領域は、可視光のように、プラスチック射出成形レンズを用いることができず、シリコンやゲルマニウムを機械加工により研磨したレンズを使用していた。このレンズは非常に高価である。
このような理由で、シリコンやゲルマニウムレンズを用いると、例えば、特許文献１に開示されているような多素子型の赤外線センサ装置は非常に高価になる。また、特許文献２に記載された集光手段自体は、安価であるが、センサ領域全体に対する集光のみであり、そのままでは多素子型赤外線センサ装置に適用できるものではない。
本発明は、このような事情によりなされたものであり、簡単な構造による低コストで結像可能な集光手段を有する多素子型の赤外線センサ装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の赤外線センサ装置は、アレイ状に配置された複数の赤外線検出素子を有するセンサチップと、内側に反射面が形成され、対象物に向かった一端が拡開し、前記センサチップを他端の延長線上に配置したときに、前記センサチップと前記対象物とが対向するように前記他端に開口が形成された回転体面反射鏡とを具備し、前記回転体面反射鏡の内側の反射面は、前記対象物の中心部からの光を前記センサチップの中央部付近に集める反射角を持つ第１の反射面と、前記対象物の中心部から外れた領域からの光を前記センサチップの前記中心部から外れたところに集める反射角を持つ第２の反射面を有することを特徴としている。前記赤外線検出素子は、サーモパイル素子であっても良い。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の赤外線センサ装置は、高価な機械加工の撮像用レンズを使用することなく、低コストで製造が可能な構造の集光ミラーを用いることにより、複数画素を有効活用するエネルギー集光を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１に係る赤外線センサ装置を搭載したセンサモジュールの斜視図。
【図２】実施例１に係る赤外線センサ装置を構成するセンサチップの平面図。
【図３】実施例１において説明する集光ミラーの斜視図及び側面図。
【図４】実施例１において説明する集光ミラーの斜視図。
【図５】実施例１において用いるセンサチップと対象物との間に介在する集光ミラーの作用効果を説明する概略図。
【図６】実施例１に係る集光ミラーと反射鏡の曲面が分割していない集光ミラーのセンサチップのセンサ面におけるエネルギー密度の違いを説明する特性図。
【図７】（ａ）実施例１において用いるセンサチップと対象物との間に介在する集光ミラーの作成を説明する概略図、（ｂ）集光ミラーの構造を示す断面図、（ｃ）対象物の視野面の見たい範囲を示す概念図。
【図８】実施例１に係る集光ミラーの曲面を決めるシュミレーションを説明する図。
【図９】実施例１に係る集光ミラーの曲面を決めるシュミレーションを説明する図。
【図１０】実施例１に係る集光ミラーの曲面を決めるシュミレーションを説明する図。
【図１１】実施例２に係る赤外線センサ装置を構成するセンサチップの平面図。
【図１２】実施例２に係る赤外線センサ装置の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１乃至図１０を参照して実施例１を説明する。
多素子型の赤外線センサ装置は、例えば、サーモパイル素子など赤外線検出素子がアレイ状に形成されたセンサチップとこのセンサチップ上に配置形成した集光ミラーとから構成され、プリント配線などの基板上に配置されている。基板上には付属部品として、オペアンプ、マルチプレクサ、メモリ、抵抗、コンデンサ、マイコン等が搭載されており、これらの構成品を含めてモジュ−ルを構成している。図１は、基板に赤外線センサ装置及び付属部品を搭載したセンサモジュ−ルを示している。図に示すように、プリント配線基板などの基板１００にセンサチップ１が取り付けられ、基板１００の他の領域には、オペアンプ、マルチプレクサ、メモリ、抵抗、コンデンサ、マイコン等の付属部品４が搭載されている。センサチップ１は、上部が開口した金属缶５により被覆され保護されている。そして、この開口の上に集光ミラー３が取り付けられている。この集光ミラー３及びこの開口を介して外部の赤外線が赤外線センサ装置内に入射する。
【００１２】
赤外線検出素子である、例えば、サーモパイル素子を構成する熱電対は、温度計の１種であり、異なる２種類の導電材料の細線の両端を接合し、２つの接合点の温度差により発生する電位差を測定することにより温度を測定する。
この実施例におけるセンサチップは、シリコンなどの半導体チップ上に、異種の導電材料からなる熱電対を複数個直列に接続した構造のサーモパイル素子を設ける。熱電対の温接点部は、半導体チップの中心付近に、冷接点部は半導体チップの周辺部に配置する。熱電対の上は黒体用絶縁膜で覆われている。黒体用絶縁膜上には、熱電対の温接点部上で、且つ冷接点部上にかからないように熱吸収膜（黒体）が配設される。半導体チップ上には、基準温度、即ち冷接点部の温度を測定するための温度検出素子が設置されている。この温度検出素子は、薄膜サーミスタやＰＮ接合型の素子を使うことが出来る。サーモパイル素子は、半導体チップ上のダイヤフラム構造の上に設けられている。このサーモパイル素子を載置するダイヤフラム構造は、キャビティとこのキャビティを覆って半導体チップ表面上に形成されるメンブレンから構成される。
【００１３】
キャビティは、エッチングなどにより形成され、メンブレンは、例えば、シリコン窒化膜を、例えば、ＬＰ−ＣＶＤ法により形成してなる。厚さは、１００ｎｍ程度である。メンブレン上に熱電対が形成される測定物から赤外線の入射があると、熱吸収膜がこの赤外線を吸収し、熱電対の温接点部の温度が上昇し、温接点部と冷接点部との間に温度差を生じ、これによって熱電対にそれぞれ熱起電力が生じる。サーモパイル素子にはこれらの熱電対の熱起電力が足し合わされ、サーモパイル引き出し電極から出力を取り出す。この場合、基準温度となる冷接点部の温度を薄膜サーミスタを用いて測定することによって、測定物の赤外線量を正確に測定でき、したがって、測定物の温度を測定することが可能になる。赤外線センサ装置として用いられる、例えば、サーモパイル型エリアセンサは、以上のように説明したサーモパイル素子を複数個、例えば、３×３個あるいは８×８個などアレイ状に配置してなるものである。
【００１４】
図２は、この実施例の赤外線センサ装置を構成するセンサチップ１を示している。センサチップ１の表面領域の中央部分には、例えば、３×３個（＝９個）のサーモパイル素子１０が縦横にアレイ状に配置形成され４隅には複数のアルミニウムなどのパッド２が形成されている。パッド２は、センサチップ１の内部回路と外部回路とを電気的に接続する接続電極である。
【００１５】
図３及び図５に示すように、集光ミラー３は、内側に反射面３１が形成され、対象物に向かった一端が拡開し、センサチップ１を他端の延長線上に配置したときに、センサチップ１と対象物とが対向するように前記他端に開口が形成された回転体面反射鏡からなる。図５には、集光ミラー（回転体面反射鏡）３に対向する対象物６の視野面が記載されている。集光ミラー３の内側の反射面３１は、対象物６の視野面の中心部からの光をセンサチップ１の中央部付近に集めるような反射角を持つ第１の反射面（ゾーン１）と、対象物の視野面６の中心部から外れた領域からの光をセンサチップ１の中心部から外れたところに集めるような反射角を持つ第２の反射面（ゾーン２）を有している。第１の反射面（ゾーン１）は、センサチップ１に近く、第２の反射面（ゾーン２）は、対象物の視野面６に近い。
【００１６】
図５は、赤外線センサ装置と対象物との間の位置関係を表す概略図である。集光ミラー３は、反射面がセンサチップ１に近い後段（第１の反射面（ゾーン１）の領域）と対象物の視野面６に近い前段（第２の反射面（ゾーン２）の領域）に分かれ、視野面６の中心からの光（赤外線）は、センサチップ１の中央素子に集光し、視野面６の周辺からの光は、センサチップ１の周辺素子に集光する様に構成されている。
視野面６の中心から出た光６４は、直接センサチップ１の中央素子に入射し、同じく視野面６の中心から出た光６３、６５は、集光ミラー３の第１の反射面（ゾーン１）で反射してセンサチップ１の中央素子に入射する。視野面６の周辺から出た光６１、６６は、集光ミラー３の第２の反射面（ゾーン２）で反射してセンサチップ１の周辺素子に入射するように構成されている。
以上、この実施例では、集光ミラーの曲面を２ゾーンに分け、１つのゾーンは視野面の中心付近のエネルギーが中央に集光するようにし、他のゾーンは視野面の中心以外の周辺部分がセンサチップの中心素子以外の周辺素子に集光するような形状にしているので、高価な機械加工の撮像用レンズを使用することなく、低コストで製造が可能な構成でアレイ状の複数素子を有効活用することが出来るようになった。
【００１７】
この実施例では、集光手段として反射鏡を用い、しかも反射鏡の曲面を２つのゾーンに分割している（図３参照）。図４に示す集光ミラー７は、この実施例のものとは異なり、例えば、放物面のような、単一な曲面形状であり、図１に記載されたプリント配線基板などの基板に搭載した赤外線センサ装置などに適用するることができる。即ち、基板１００に搭載された赤外線センサ装置の集光ミラー３に代えて内面に反射面７１を有する集光ミラー７を取り付ける。しかし、この集光ミラー７を用いた赤外線センサ装置は、この実施例の赤外線センサ装置と同様に、高価な機械加工の撮像用レンズを使用することなく低コストで製造が可能な構成でアレイ状の複数素子を活用出来るが、例えば、対象物の視野面の中心以外の３点に配置した視野内の熱源エネルギーは、センサチップの中央付近に集中する。したがって複数素子がアレイ状に配置されている赤外線センサ装置の素子配列を活かして空間的場所の違いをセンスすることが困難である（図６（ａ））。
【００１８】
これに対して、この実施例の赤外線センサ装置は、空間的場所の違いをセンスすることが低コストで実現出来る。例えば、対象物の視野面の中心以外の３点に配置した視野内の熱源エネルギーは、図２に示すように、３×３のアレイからなるセンサチップの中央以外の周辺に分かれて集まり、これにより視野面の位置の違いを認識することが出来る（図６（ｂ））。
【００１９】
次に、図７乃至図１０を参照して集光ミラーである回転体面反射鏡の形成を具体的に説明する。図７（ａ）は、図５と同じ赤外線センサ装置と対象物とを配置した概略図であり、センサチップ１、集光ミラー３及び対象物の視野面６が所定の間隔で配置されている。図７（ｂ）は、集光ミラー３の形状シュミレーション用に分割された状態を示す概念図であり、図７（ｃ）は、視野面６の見たい範囲を想定した図である。センサチップ１は、３×３個の素子（画素）からなり、素子の一辺は０．５ｍｍであり、したがって、センサチップ１の一辺は、１．５ｍｍとなり、センサ面エリアは、１．５×１．５ｍｍとなる。図７（ａ）において、ミラー先端（視野面６に対向する開口端原点（０）とし、原点からセンサチップ１までの距離をＢｍｍとし、原点から対象物までの標準距離をＡｍｍとする。図７（ｂ）において、集光ミラー３のシュミレーション時の分割単位をΔＬとし、第１の反射面（ゾーン１）の長さをＬ１、第２の反射面（ゾーン２）の長さをＬ２とし、ミラー先端の口径をＤ、他端のセンサチップ１側の開口の口径をｄとする。図７（ｃ）において、見たいもの（対象物）の存在する位置のおよその中心位置で見たい範囲を想定する。集光ミラー３の分割単位ΔＬは、微小領域Δ１、Δ２、Δ３・・・と名付ける。
【００２０】
まず、視野面の中心から外れた光（赤外線）Ｏ１が第２の反射面（ゾーン２）の最もミラー先端に近い微小領域（Δ１）で反射し、センサチップ１の中心から外れた素子Ｚ１に入射するように、この微小領域を３次元における各座標点より算出する。当然なことながら、入射角＝反射角である。光軸から離れた熱源Ｏ１の３次元空間における座標は、Ｏ１（ｘ１，ｙ１，Ａ）であり、光Ｏ１が入射するセンサチップ１の中心から外れた素子Ｚ１の３次元空間における座標は、Ｚ１（ｘ１，ｙ１，−Ｂ）である。なお、微小領域Δ１での３次元空間における座標Ｍは、（０，Ｄ／２，０）である（図８（ａ））。次に、視野面の中心から外れた光（赤外線）Ｏ１が第２の反射面の前記微小領域Δ１に隣接する微小領域Δ２で反射し、センサチップ１の中心から外れた素子Ｚ１に入射するように、この微小領域を３次元における各座標点より算出する（図８（ｂ））。同様に、微小領域Δ２に隣接する微小領域Δ３についてもその位置を算出する。この微小領域の位置の算出を第２の反射面（ゾーン２）の端部が来るまで行う。この様に全ての微小領域の位置を算出することによって、第２の反射面（ゾーン２）の形状が決まる（図９（ａ））。
【００２１】
次に、第２の反射面（ゾーン２）に続く第１の反射面（ゾーン１）を分割単位ΔＬに分けて、各微小単位の位置を前記第２の反射面（ゾーン２）の方法を用いて算出する。視野面の中心付近の光（赤外線）Ｏ２（光軸付近の熱源）が第２の反射面（ゾーン２）に最も近い微小領域で反射し、センサチップ１の中心の素子Ｚ０に入射するように、この微小領域を３次元における各座標点より算出する。光軸付近の熱源Ｏ２の３次元空間における座標は、Ｏ２（ｘ０，ｙ０，Ａ）であり、光Ｏ２が入射するセンサチップ１の中心の素子Ｚ０の３次元空間における座標は、Ｚ０（ｘ０，ｙ０，−Ｂ）である。次に、視野面の中心付近の光Ｏ２が第１の反射面の前記微小領域に隣接する次の微小領域で反射し、センサチップ１の中心の素子Ｚ０に入射するように、この微小領域を３次元における各座標点より算出する。同様に、次の微小領域に隣接する第３の微小領域についてもその位置を算出する。この微小領域の位置の算出を第１の反射面（ゾーン１）の端部が来るまで行う。この端部は、センサチップ１の受光面に接触しないようにする。この様に全ての微小領域の位置を算出することによって、第１の反射面（ゾーン１）の形状が決まる（図９（ｂ））。
【００２２】
第１の反射面及び第２の反射面の形状の回転体がこの実施例の集光ミラー３であり、各部寸法Ｄ、ｄ、Ｌ１、Ｌ２、Ａ、Ｂ（但し、Ｂ＝Ｌ１＋Ｌ２）を修正しながらシュミレーションを繰り返して反射面の形状を得る（図１０）。
この様に、各部寸法を適宜選択することにより、所定の性能を有する回転体面反射鏡からなる集光ミラーが得られる。
【実施例２】
【００２３】
次に、図１１及び図１２を参照して実施例２を説明する。
この実施例は赤外線センサ装置の構造に特徴がある。図１１及び図１２において、赤外線センサ装置は、センサチップ２１と、センサチップ２１に形成され、縦横に配列された複数の例えば、サーモパイル素子などからなる赤外線検出素子２０と、センサチップ２１上に形成され、赤外線検出素子２０の周辺部を囲むように形成されたスペーサ層２３と、センサチップ２１上に配置されたシリコンカバー２４と、シリコンカバー２４上に形成された集光ミラー（図示せず）から構成されている。集光ミラーは、図４に記載されたものを用いる。スペーサ層２３は、フォトリソグラフィーによりパターニングされた感光性ドライフィルムからなり、シリコンカバー２４は、センサチップ２１表面にスペーサ層２３により接着されている。赤外線センサ装置は、シリコンカバー２４を通して入射された赤外線を検出する。シリコンカバー２４の４隅には切り欠き部が形成されており、それに対応してセンサチップ２１の４隅は、シリコンカバー２４から露出している。そして、その４隅にはそれぞれ複数のパッド（接続電極）２２が形成されている。
【００２４】
この実施例の感光性ドライフィルムは、狭小な領域に適用するのに非常に有利である。感光性ドライフィルムは、例えば、片面、両面、多層基板の回路形成に使用されるフィルム状のエッチングレジストであり、ベースフィルム上に塗布したフォトレジスト層を乾燥後、保護フィルムをフォトレジスト層にラミネートして形成されるものである。また、スペーサ層１１は、シリコンカバーとセンサチップ間の距離を一定に保つことができる。
この実施例の赤外線センサ装置は、空間的場所の違いをセンスすることが低コストで実現出来る。また、センスチップとシリコンカバーとを感光性ドライフィルムを加工して作られたスペーサ層により接合されているので、両者間には均一な空間が形成され、小型であり、且つ低価格の赤外線センサ装置が得られる。
【符号の説明】
【００２５】
１、２１・・・センサチップ
２、２２・・・パッド
３、７・・・集光ミラー
４・・・付属部品
５・・・金属缶
６・・・対象物の視野面
１０、２０・・・赤外線検出素子
２３・・・スぺーサー層
２４・・・シリコンカバー
３１、７１・・・反射面
６１〜６６・・・光
１００・・・基板
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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