JP5287906B2 - 赤外線温度センサ、電子機器、および赤外線温度センサの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、物体が発生する赤外線によって該物体の温度を検出する赤外線温度センサに関する。
近年の電子機器においては、周囲環境を検出し、その検出結果を運転制御に利用することが行われている。例えば、エアコンにおいては、人の存在を検知し、人の存在する場所を狙って温度制御するといった運転制御が行われている。このような運転制御においては、周囲環境を検出するためのセンサ装置が用いられ、上記のようなエアコンでは物体からの輻射熱によって非接触で物体温度を検知する赤外線温度センサが用いられる。
従来の赤外線温度センサとして、金属ステムにセンサ素子と回路部を搭載した構成が良く知られている（例えば特許文献１）。金属ステムを用いた赤外線温度センサの構成を図７に示す。
図７に示す赤外線温度センサは、金属ステム１０１上にセンサ素子１０２および該センサ素子１０２の検知信号を増幅して出力するための回路部（図示せず）とを搭載している。また、金属ステム１０１には、これを貫通する電極棒１０３が設けられており、上記回路部と実装基板との接続は電極棒１０３を介して行われるようになっている。さらに、金属ステム１０１におけるセンサ素子１０２および回路部の搭載面は金属キャップ１０４によって覆われている。金属キャップ１０４には赤外線を通すための窓が設けられており、該窓には赤外線の透過率の高いガラスや透明樹脂からなるフィルタ１０５が取り付けられている。
上記赤外線温度センサにおいて、金属ステム１０１を用いている最大の理由は、内部熱による誤差対策である。すなわち、センサ素子１０２は、フィルタ１０５を透過する赤外線のみならず、センサ内部の輻射熱による赤外線をも受光する。この時、センサ内部の温度がセンサ素子１０２と同じであれば、センサ内部温度の影響は相殺されて誤差を生じさせない。一方、センサ内部の温度がセンサ素子１０２と異なっていれば、センサ内部の温度が誤差としてのってしまい、測定対象物の温度を正確に検知できなくなる。
このため、従来の赤外線温度センサでは、熱伝導性の高い金属ステムと金属キャップとを用いたパッケージ構造とし、センサ内部の温度が均一となるようにしている。
また、金属ステムを用いない構造の赤外線温度センサが、例えば特許文献２に開示されている。金属ステムを用いない赤外線温度センサの構成を図８に示す。
図８に示す赤外線温度センサは、支持基板２０１上にセンサチップ２０２を直接搭載し、支持基板２０１の配線とセンサチップ２０２とをワイヤ接続する構成となっている。また、上記赤外線温度センサにおいても、センサチップ２０２は金属キャップ２０３によって覆われている。
しかしながら、上述のような従来技術は、以下の問題を有する。
まず、金属ステムを用いる構造では、金属ステム自体の部材費が高い。金属ステムは、センサ信号をパッケージ外部に取り出すための電極棒を有しており、この電極棒は低融点ガラス等を用いてステム本体と絶縁されるため、構造が複雑であり部材費が高くなる。また、金属ステムの実装は、実装基板のスルーホールの金属棒を差し込んで、人手によって半田付けするといった工程が必要となり、組立加工費も高くなる。
一方、金属ステムを用いない構造では、支持基板の基材を一般的な樹脂基材とした場合、熱伝導性が悪いことから、センサチップとのキャップとの間に温度差が生じやすい。このため、周辺温度が変化した場合などには、パッケージ内側の放射赤外線によってセンサ出力が変動するといった問題が生じる。
また、金属ステムを用いない構造では、支持基板の基材を熱伝導性の良いセラミック基材にして、上記問題を解消することができる。しかしながらこの場合には、セラミック基板の価格が非常に高くなり、コスト面で不利となる。
本願発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、部材費および組立加工費が小さく安価でありながら、かつ、金属ステムを用いた従来構造と同程度の環境温度変化への出力変動耐性を有する赤外線温度センサを提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明の赤外線温度センサは、実装基板と、上記実装基板上に実装される金属板と、上記金属板上に搭載される赤外線を受信検知するセンサチップと、上記金属板上に搭載される上記センサチップの検知信号を増幅する回路部と、上記金属板上にかぶせられ、上記センサチップおよび上記回路部を覆う金属キャップとを有しており、上記金属板には開口部が設けられており、上記実装基板上の電極と上記回路部とは、上記開口部を通じてワイヤ接続されていることを特徴としている。
上記の構成によれば、上記センサチップおよび上記回路部は上記金属板上に搭載され、さらにその上から金属キャップがかぶせられる。すなわち、上記センサは、上記センサチップおよび上記回路部を上記金属板および上記金属キャップからなるパッケージ内に収容した構造となる。上記金属板および上記金属キャップを熱伝導性が高いため、上記パッケージはセンサ内部の温度を均一に保つ機能を有し、環境温度変化へ対する高い出力変動耐性を持たせることができる。
また、上記金属板には開口部が設けられており、上記実装基板上の電極と上記回路部とは、上記開口部を通じてワイヤ接続されている。このような上記実装基板と上記回路部とのワイヤボンディングは、通常のＣＯＢ(Chip On Board)実装技術が適用できるため、金属ステムを用いたセンサを実装する従来技術に比べ、組立加工費の大幅な低減が可能となる。
また、上記赤外線温度センサでは、上記金属板は上記実装基板上のＧＮＤ電位に接続されており、上記金属キャップは上記金属板に電気的に接続されている構成とすることができる。
上記の構成によれば、上記金属板および上記金属キャップからなるパッケージに、電波ノイズを遮断するシールド効果を持たせることができる。
また、上記赤外線温度センサでは、上記金属板は上記実装基板に対して半田付けにて実装されており、上記実装基板に形成される半田付け用ランドは、実装される上記金属板の４隅または４辺に対応する箇所と、金属板の中央に対応する箇所とに設けられている構成とすることができる。
上記の構成によれば、上記金属板の４隅または４辺に対応する箇所に設けられた半田付け用ランドによって金属板を位置ずれなく強固に実装することができる。金属板の中央に対応する箇所に設けられるランドによって、上記金属板と上記実装基板との間に隙間が生じて上記金属板に撓みが生じることを防ぐことができる。
また、上記赤外線温度センサでは、上記金属板は、半田付け性を確保するための表面コーティングが施されている構成とすることができる。これにより、半田付け実装の信頼性を上げることができる。
また、上記赤外線温度センサでは、上記金属板には、上記金属キャップを位置決めするためのキャップ位置決め用突起が設けられている構成とすることができる。これにより、上記金属キャップを上記金属板に実装する際、容易に精度良く位置決めできる。
また、上記赤外線温度センサでは、上記金属キャップの内側には、樹脂製の内側キャップが設けられている構成とすることができる。
上記構成によれば、外部環境温度の変化に追随してセンサ内温度が急激に変化することを回避でき、センサの環境温度変化への出力変動耐性を向上させることができる。
また、上記赤外線温度センサでは、上記金属キャップの上面には、赤外線をセンサ内部に取り込むための窓部が設けられており、上記窓部の直下には上記窓部を通過する赤外線をセンサチップ上に集光するレンズが配置されており、上記内側キャップは、上記レンズをはめ込むための窪み部を有している構成とすることができる。
上記の構成によれば、上記レンズをはめ込むための窪み部を上記内側キャップに設けることで、レンズの焦点をセンサチップ上に合わせるための位置合わせが容易となる。
また、上記赤外線温度センサでは、上記レンズの周辺部は上記金属キャップに接触または近接して配置されており、上記レンズと上記金属キャップとの隙間は接着剤が充填されている構成とすることができる。これにより、上記金属キャップと上記レンズとの間の熱伝導性を向上させ、センサ内温度の均一化を図ることができる。
また、本発明の赤外線温度センサの製造方法は、実装基板上に、開口部が設けられた金属板を実装する工程と、上記金属板上に、赤外線を受信検知するセンサチップと、上記センサチップの検知信号を増幅する回路部とを搭載する工程と、上記実装基板上の電極と上記回路部とを、上記金属板の開口部を通じてワイヤ接続する工程と、上記金属板上に、上記センサチップおよび上記回路部を覆う金属キャップをかぶせてパッケージングする工程とを有していることを特徴としている。
上記の構成によれば、部材費および組立加工費が小さく安価でありながら、かつ、金属ステムを用いた従来構造と同程度の環境温度変化への出力変動耐性を有する赤外線温度センサを製造できる。
本発明の赤外線温度センサは、上記センサチップおよび上記回路部を上記金属板および上記金属キャップからなるパッケージ内に収容した構造となる。上記パッケージは、高い熱導電性を有するため、センサ内部の温度を均一に保つ機能を有する。このため、上記赤外線温度センサは、環境温度変化へ対する高い出力変動耐性を有する、といった効果を奏する。
また、上記金属板には開口部が設けられており、上記実装基板上の電極と上記回路部とは、上記開口部を通じてワイヤ接続されている。このような上記実装基板と上記回路部とのワイヤボンディングは、通常のＣＯＢ実装技術が適用できる。このため、上記赤外線温度センサは、金属ステムを用いたセンサを実装する従来技術に比べ、組立加工費の大幅な低減が可能となる、といった効果を奏する。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施の形態に係る赤外線温度センサの構成を示す斜視図である。図１では、赤外線温度センサの内部構造が分かるように一部を断面としている。本実施の形態にかかる赤外線温度センサは、周囲環境を検出し、その検出結果を運転制御に利用する電子機器（エアコン等）において利用できる。
図１に示す赤外線温度センサは、積層基板１、金属板２、センサチップ３、ＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)４、金属キャップ５、内側キャップ６、およびレンズ７を備えて構成されている。積層基板１は、センサチップ３およびＡＳＩＣ４を実装するための実装基板であり、所定形状にパターニングされた配線層を有している。センサチップ３は赤外線を受信検知する素子であり、ＡＳＩＣ４はセンサチップ３の検知信号を増幅して出力するための回路部である。
積層基板１上には金属板２が取り付けられ、センサチップ３およびＡＳＩＣ４は金属板２上に搭載される。また、金属板２には、積層基板１とＡＳＩＣ４とをワイヤ接続するための開口部２１が設けられている。本実施の形態における金属板２の形状を図２に示す。
センサチップ３およびＡＳＩＣ４上には、金属キャップ５、内側キャップ６、およびレンズ７からなる構造がかぶせられている。レンズ７は内側キャップ６の上面に形成された窪み部に嵌めこまれ、さらにその上から金属キャップ５がかぶせられる。金属キャップ５は、内側キャップ６およびレンズ７をその内側に完全に収容し、その下端は金属板２に接している。また、金属キャップ５の上面には、赤外線をセンサ内部に取り込むための窓部が設けられており、レンズ７は該窓部の直下に配置される。
レンズ７は、金属キャップ５の窓部を通過する赤外線をセンサチップ３上に集光する。これによって、上記赤外線温度センサは効率のよい赤外線検知が可能となる。
また、金属板２と金属キャップ５との隙間およびレンズ７と金属キャップ５との隙間、は接着剤にて封止され、センサ内部が密閉されるようになっている。これはもちろん、センサ内部が密閉されていなければ、空気の出入りによってセンサ内部の温度維持が困難になるためである。但し、金属キャップ５の窓部に取り付けられる赤外線透過部材は、必ずしもレンズである必要は無く、上記集光機能を必要としなければガラス板や透明樹脂板等であっても良い。
上記構成の赤外線温度センサでは、金属板２と金属キャップ５とによるパッケージ構造が形成され、このパッケージ内部にセンサチップ３、ＡＳＩＣ４が配置される。このため、金属ステムを用いる従来構造のセンサと同程度に、センサ内温度を均一に保つことが可能となる。すなわち、従来構造と同程度の環境温度変化への出力変動耐性を有する赤外線温度センサを提供することができる。
金属板２の材質は特に限定されないが、特に熱伝導性が良好な、鉄、銅、アルミ等を好適に用いることができる。また、金属板２は、さび防止と、後述する半田付け性を確保するため、表面コーティング（例えばニッケルメッキ）が施されていても良い。
また、内側キャップ６は樹脂にて形成されている。内側キャップ６を設ける主な目的は、外部温度の変化に追随してセンサ内温度が急激に変化することを避けるためである。上述したように、センサ内温度が不均一であると検出誤差が生じるため、上記赤外線温度センサでは、金属板２と金属キャップ５とによるパッケージ構造によってセンサ内温度を均一に保つようになっている。しかしながら、パッケージにおける熱伝導性を向上させるのみでは、外部温度が急減に変化した場合、センサ内温度も急激に変化する。センサ内温度に関しては、このような急激な温度が生じることも好ましくない。このため、上記赤外線温度センサでは、樹脂にて形成された内側キャップ６を設け、外部温度の変化を緩和して、センサ内温度の急激な変化を避けるようにしている。
続いて、上記赤外線温度センサの組立手順を説明する。最初に、積層基板１上に金属板２を半田付けにて実装する。この半田付け工程では、間にクリーム半田を介在させた状態で金属板２を積層基板１上に載置し、リフローによって加熱するといった、電子部品の実装技術における一般的な半田付け方法が使用可能である。
このように、半田付けによって積層基板１上に金属板２を実装するため、積層基板１には半田付け用ランドが予め形成されている（図３参照）。半田付け用ランドは、少なくとも、金属板２の中心から上下左右に均等な位置で金属板２のエッジにかかる４箇所に対応して設けられる。半田付け用ランドは、実装される金属板２の４隅または４辺に対応する箇所に設けられていても良い。また、金属板２のほぼ中央に対応する箇所にも、半田付け用ランドを形成することが好ましい。これは、金属板２の中央部付近で金属板２と積層基板１との間に隙間が生じて、金属板２に撓みが生じることを防ぐためである。金属板２の中央に対応する箇所のランドは、１箇所であっても複数箇所であっても良い。
続いて、金属板２上にセンサチップ３、ＡＳＩＣ４が搭載される。センサチップ３、ＡＳＩＣ４は、金属板２上に接着剤によって実装することができる。その後、ワイヤボンディングによって配線接続（センサチップ３とＡＳＩＣ４との接続、およびＡＳＩＣ４と積層基板１との接続）がなされる。上述したように、金属板２には、積層基板１とＡＳＩＣ４とをワイヤ接続するための開口部２１が設けられている。つまり、金属板２が積層基板１に実装されている状態で、積層基板１側の接続用パッド（電極）は、開口部２１の領域に配置されている。このため、開口部２１を通じて積層基板１とＡＳＩＣ４とのワイヤボンディングが可能となる。このような積層基板１とＡＳＩＣ４とのワイヤボンディングは、通常のＣＯＢ(Chip On Board)実装技術が適用できるため、金属ステムを用いたセンサを実装する従来技術に比べ、組立加工費の大幅な低減が可能となる。
金属キャップ５、内側キャップ６、およびレンズ７については、積層基板１への実装前に、これら部材の組み立てが行われる。まず、内側キャップ６の上面に形成された窪み部にレンズ７が嵌めこまれ、さらにその上から金属キャップ５がかぶせられる。レンズ７はその焦点がセンサチップ上に来るように精度良く位置あわせして組み込む必要があるが、レンズ７をはめ込むための窪み部を内側キャップ６に設けることで、この位置合わせが容易となる。
レンズ７の周辺部は金属キャップ５に接触または近接して配置されており、金属キャップ５とレンズ７との隙間は接着剤にて封止される。この時、接着剤は、金属キャップ５とレンズ７との隙間の略全体を充填することが好ましい（図４参照）。これは、密閉性を高めるだけでなく、金属キャップ５とレンズ７との間の熱伝導性を向上させる意味がある。
金属キャップ５、内側キャップ６、およびレンズ７の組立物は、センサチップ３およびＡＳＩＣ４の実装がすんだ積層基板１の金属板２上にかぶせられ、センサがパッケージングされる。この時、金属キャップ５と金属板２とは接着剤にて封止され、赤外線温度センサの内部が密閉される。上記組立物の実装を容易にするため、金属板２には、キャップ位置決め用突起２２を設けても良い（図５参照）。キャップ位置決め用突起２２は、金属板２の４隅または４辺に設けられていることが好ましい。これにより、金属キャップ５を金属板２に実装する際、容易に精度良く位置決めできる。
本実施の形態に係る赤外線温度センサにおける環境温度変化への出力変動耐性を図６に示す。図６は、センサの周囲温度を２５℃から３５℃に上昇させた場合（温度変動に要した時間は約１００ｓ）の出力温度の変動をしめすグラフであり、横軸に時間、縦軸にセンサ出力温度誤差を示している。また、図６では、本実施の形態のセンサ以外に、比較例１，２におけるセンサの測定結果を示している。ここで、比較例１は、特許文献１の従来構造に対応するものであり、金属ステムを介して実装基板上にセンサチップが搭載された構造である。また、比較例２は、本発明と同様に、金属板を介して実装基板上にセンサチップが搭載されているが、レンズと金属キャップとの間が樹脂充填されておらず隙間が生じている構造である。
まず、本実施の形態に係るセンサは、周囲温度の急減な変化にも関わらず、出力温度の誤差はほぼ±０．５℃以内であり、また、周囲温度の変化後に発生する誤差の戻りも早い。一方、比較例１のセンサでは、最大誤差が０．８℃近くあり、温度変化開始後３００ｓ程度の時間が経過するまで、０．５℃以上の誤差が発生している。これより、本実施の形態に係るセンサは、金属ステムを用いない安価な構造であるに関わらず、金属ステムを用いた従来センサと同程度かそれ以上の環境温度変化への出力変動耐性を有していることが分かる。
また、比較例２のセンサでは、２．０℃に近い最大誤差が発生しており、誤差が０．５℃程度に収束するまで７００ｓ程度の時間を有している。これより、実装基板とセンサチップとの間に金属板を介して放熱性を高めても、センサ内の密閉性がなければ出力変動耐性を有さないことが分かる。
本発明の赤外線温度センサにおいては、金属板２は積層基板１上のＧＮＤ電位に接続され、かつ、金属板２と金属キャップ５とを導電性接着剤にて電気的に接続する構成とすることが好ましい。センサチップ３およびＡＳＩＣ４は電波ノイズの影響を受けやすいセンシティブなデバイスであるが、上記構成とすることで、金属板２および金属キャップ５からなるパッケージに電波ノイズを遮断するシールド効果をもたせることができる。また、上記構成は、積層基板１上の半田付け用ランドの少なくとも一つを、ＧＮＤ電位供給配線と接続しておけば容易に実現できる。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明は、周囲環境を検出し、その検出結果を運転制御に利用する電子機器（エアコン等）に利用することができる。
１ 積層基板（実装基板）
２ 金属板
３ センサチップ
４ ＡＳＩＣ（回路部）
５ 金属キャップ
６ 内側キャップ
７ レンズ
２１ 開口部
２２ キャップ位置決め用突起
２ 金属板
３ センサチップ
４ ＡＳＩＣ（回路部）
５ 金属キャップ
６ 内側キャップ
７ レンズ
２１ 開口部
２２ キャップ位置決め用突起
Claims (8)
- 実装基板と、
上記実装基板上に実装される金属板と、
上記金属板上に搭載される赤外線を受信検知するセンサチップと、
上記金属板上に搭載される上記センサチップの検知信号を増幅する回路部と、
上記金属板上にかぶせられ、上記センサチップおよび上記回路部を覆う金属キャップとを有しており、
上記金属板には開口部が設けられており、上記実装基板上の電極と上記回路部とは、上記開口部を通じてワイヤ接続されていると共に、
上記金属板は上記実装基板上のＧＮＤ電位に接続されており、
上記金属キャップは上記金属板に電気的に接続されていると共に、
上記金属板は上記実装基板に対して半田付けにて実装されており、
上記実装基板に形成される半田付け用ランドは、実装される上記金属板の４隅または４辺に対応する箇所と、金属板の中央に対応する箇所とに設けられていることを特徴とする赤外線温度センサ。 - 上記金属板は、半田付け性を確保するための表面コーティングが施されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線温度センサ。
- 上記金属板には、上記金属キャップを位置決めするためのキャップ位置決め用突起が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線温度センサ。
- 上記金属キャップの内側には、樹脂製の内側キャップが設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の赤外線温度センサ。
- 上記金属キャップの上面には、赤外線をセンサ内部に取り込むための窓部が設けられており、上記窓部の直下には上記窓部を通過する赤外線をセンサチップ上に集光するレンズが配置されており、
上記内側キャップは、上記レンズをはめ込むための窪み部を有していることを特徴とする請求項４に記載の赤外線温度センサ。 - 上記レンズの周辺部は上記金属キャップに接触または近接して配置されており、上記レンズと上記金属キャップとの隙間は接着剤が充填されていることを特徴とする請求項５に記載の赤外線温度センサ。
- 請求項１から６のいずれか一項に記載の赤外線温度センサを搭載したことを特徴とする電子機器。
- 請求項１から６のいずれか一項に記載の赤外線温度センサを製造するための赤外線温度センサの製造方法であって、
実装基板上に、開口部が設けられた金属板を実装する工程と、
上記金属板上に、赤外線を受信検知するセンサチップと、上記センサチップの検知信号を増幅する回路部とを搭載する工程と、
上記実装基板上の電極と上記回路部とを、上記金属板の開口部を通じてワイヤ接続する工程と、
上記金属板上に、上記センサチップおよび上記回路部を覆う金属キャップをかぶせてパッケージングする工程とを有していることを特徴とする赤外線温度センサの製造方法。
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