JP6319872B2 - 焦電型赤外線センサ - Google Patents

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Description

本発明は、焦電型赤外線センサに関する。
人体等の物体から放出される赤外線を検知するセンサとして、従来から焦電型赤外線センサが知られている。このセンサは、焦電体の両面に電極を備えたキャパシタ構造を受光部素子構成とする(以下焦電素子という)。焦電体は、電気的分極成分を持つ材料が用いられ、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、タンタル酸リチウム(LT)単結晶などのセラミック系材料の他、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)およびその化合物、ポリ尿素などの有機化合物材料が知られている。中でも有機化合物材料の場合、柔軟性を有することからセンサに形状的特徴を与えることができる。特許文献1には、図13に示すように、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等の可撓性を有する半円筒フィルム状の焦電体51が、半円筒状の基台52の外面側に配置され、平板状のプリント基板53に搭載された焦電素子50が開示されている。焦電体51の両面には表電極51aおよび裏電極51bが形成されている。表電極51aおよび裏電極51bは、導電性接着剤54,55によりプリント基板53の回路に接続されている。
上記従来の焦電素子50は、焦電体51自体は可撓性を有する一方で、焦電体51を支持する基台52に反りやねじれが生じ易いため、導電性接着剤54,55を介してプリント基板53に固定された部分に応力が集中するおそれがあり、更には振動や熱の外乱の影響を受け易くなっていた。また、基台52は曲げ変形させることができないため、検出目的等に応じて焦電体51の所望の曲率を得ることが困難であった。
また、特許文献2には、焦電素子と基板との間に鉛筆硬度が5B〜6B程度の柔らかい導電性接着剤を介在させて、焦電素子の電極と基板の導体パターンとを電気的に接続する構成が開示されている。ところが、この構成によれば、焦電素子の長手方向の撓みによる基板との接触を避けるため、あるいは素子と基板間の熱の蓄積による感度低下を避けるために導電性接着剤の高さを高くすると、電気抵抗が高くなって焦電感度が低下するおそれがあった。更にはその際、焦電素子は、更に幅方向にも傾斜するおそれがあるため、検出精度の維持が困難であった。
特開平8−271416号公報 特開平10−38679号公報
そこで、本発明は、振動や熱などの外乱に強く、検出感度を長期間良好に維持することができる焦電型赤外線センサの提供を目的とする。
本発明の前記目的は、可撓性を有する基板と、前記基板に搭載されたフィルム状の焦電素子とを備え、前記焦電素子を前記基板と共に湾曲させることが可能な焦電型赤外線センサであって、前記焦電素子は、矩形状に形成され、長手方向両側にそれぞれ設けられた支持体により、前記基板と間隔をあけて支持されており、前記支持体は、少なくとも一部が前記焦電素子の幅方向の略全体にわたって設けられており、前記基板の電気回路と前記焦電素子とを導通する突起電極を有し、前記焦電素子は、受光部を複数備えており、前記受光部の配置が幅方向に延びる湾曲部を挟んで線対称となるように、前記基板および前記焦電素子が一体的に湾曲されている焦電型赤外線センサにより達成される。
この焦電型赤外線センサにおいて、前記支持体は、電気絶縁性を有する弾性樹脂からなる緩衝部を備えていることが好ましく、前記緩衝部は、前記突起電極の少なくとも一部を被覆するように、前記焦電素子の幅方向の略全体にわたって設けられていることが好ましい。前記緩衝部は、少なくとも前記受光部と前記突起電極との間に配置されていることが好ましい。より詳細には、前記基板は、前記受光部と対向する位置に開口部が形成されていることが好ましく、前記緩衝部は、前記開口部の縁部と前記突起電極との間に液状の前記弾性樹脂を供給して形成されることが好ましい。前記弾性樹脂は、アクリル変性シリコーン樹脂、ウレタン樹脂などで構成されることが好ましい。
また、前記支持体は、前記突起電極が前記焦電素子の幅方向の略全体に延びるように形成されることも好ましい。
前記焦電素子の直下に高さ0.1mm以上の空間を有することが好ましい。
前記湾曲部は、2つの前記受光部を接続する中間配線の中央部に設けられていることが好ましい。
前記焦電素子は、前記基板上に設けられたキャップの内部に収容されていることが好ましい。
本発明によれば、振動や熱などの外乱に強く、検出感度を長期間良好に維持することができる焦電型赤外線センサを提供することができる。
本発明の一実施形態に係る焦電型赤外線センサの平面図である。 図1のA−A断面図である。 本発明の他の実施形態に係る焦電型赤外線センサの平面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る焦電型赤外線センサの平面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る焦電型赤外線センサの側面図である。 図1に示す焦電型赤外線センサの湾曲部を示す平面図および側面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る焦電型赤外線センサの湾曲部を示す平面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る焦電型赤外線センサの平面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る焦電型赤外線センサの要部側面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る焦電型赤外線センサの要部平面図および要部断面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る焦電型赤外線センサの要部側面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る焦電型赤外線センサの側面図である。 従来の焦電型赤外線センサの側面図である。
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る焦電型赤外線センサの平面図であり、図2は、図1のA−A断面図である。図1および図2に示すように、焦電型赤外線センサ1は、基板10と、基板10に搭載されたフィルム状の焦電素子20とを備えている。基板10は、ポリイミド樹脂などからなる可撓性のFPC(Flexible Printed Circuits)基板であり、表裏面に開口部121,122を有する貫通孔12が中央に形成され、貫通孔12を挟んで両側に電極部14a,14bが設けられている。電極部14a,14bは、配線パターン15a,15bを介して、基板10に設けられた信号処理回路などの電気回路(図示せず)に電気的に接続されている。電気回路は、焦電素子20から生じた焦電電流または電荷を電圧に変換するように構成されている。
焦電素子20は、矩形状に形成され可撓性を有する焦電体膜21の表面側に受光電極22を備え、焦電体膜21の裏面側に対向電極23を備えている。焦電体膜21の材料としては、例えば、フッ化ビニリデンを基本構成とする各種ポリマー、オリゴマー、ポリ尿素、奇数ナイロン、ポリ乳酸などの有機焦電材料や、これらの有機焦電材料とチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)のような無機セラミック系焦電体とのハイブリッド材などを挙げることができる。受光電極22および対向電極23は、いずれも複数に分割されており、それぞれが焦電体膜21を挟んで互いに対向するように配置されている。焦電体膜21は、対向する受光電極22と対向電極23との間で分極処理が施されており、これによって複数の受光部24a,24bが形成されている。これらの受光部24a,24bは、基板10に形成された貫通孔12の開口部と対向するように配置されている。本実施形態の焦電型赤外線センサ1は、2つの受光部24a,24bを備えるデュアルタイプであり、各受光部24a,24bは、分極方向が互いに相違するように、中間配線25を介して直列に接続されている。但し、各受光部24a,24bは、互いに逆極性となるように並列に接続することも可能である。焦電素子20の裏面側には、基板10との接続用電極である電極パッド26a,26bが、平面視において受光部24a,24bの両側に設けられている。焦電素子20は、本実施形態では自立膜タイプとしているが、図9に示すように、焦電体膜21の表裏面に受光電極22および対向電極23を備えるキャパシタ構造が、PET、PEN、ポリイミド等からなるフィルム基材29の面上に設けられた薄膜タイプであってもよい。
基板10の電極部14a,14bと、焦電素子20の電極パッド26a,26bは、突起電極31a,31bおよび導電性接着剤32a,32bを介して基板10の電極部14a,14bに接続されており、突起電極31a,31bおよび導電性接着剤32a,32bにより導通部33a,33bが形成されている。突起電極は、めっきバンプやスタッドバンプ、金属部品など極めて導電性の高いものから選択される。導電部33a,33bは、例えば、基板10の電極部14a,14bに突起電極31a,31bを形成した後、突起電極31a,31bに導電性接着剤32a,32bを塗布し、この上から焦電素子20の電極パッド26a,26bを押圧して形成することができる。導電性接着剤32a,32bは、基板10の電極部14a,14bまたは焦電素子20の電極パッド26a,26bと、突起電極31a,31bとの間に介在させてもよい。この場合は、検出感度を良好にするため、導電性接着剤32a,32bの厚みをなるべく小さく(例えば、30μm以下)することが好ましい。導電性接着剤32a,32bの代わりに、異方性導電フィルム(ACF)や、異方性導電ペースト(ACP)などを使用することも可能である。
導通部33a,33bは、電気絶縁性が高い弾性樹脂からなる緩衝部34a,34bによりそれぞれ側面の一部が被覆されている。緩衝部34a,34bは、例えば、ウレタン系樹脂やシリコーン系樹脂のように、硬化後も良好な弾性を示す樹脂を使用することができ、特にアクリル変性シリコーン樹脂のような変性シリコーンポリマーを主成分とするものを好適に使用することができる。緩衝部34a,34bのJISK6253の硬さ試験によるデュロメータ硬度(A硬度)は、好ましい一例を挙げると、樹脂の硬化後において30〜50程度である。緩衝部34a,34bは、焦電素子20の長手方向両側において、長手方向と直交する焦電素子20の幅方向の略全体にわたって形成されることが好ましい。
このような緩衝部34a,34bにより、導電性接着剤32a,32bを介して突起電極31a,31bの少なくとも一部を被覆することにより(あるいは、導電性接着剤32a,32bを介さずに突起電極31a,31bを直接被覆することにより)、基板10および焦電素子20を一体的に湾曲させたときに、導通部33a,33bに作用する曲げ応力の一部を緩衝部34a,34bで負担することができ、導通部33a,33bの剥離やクラック等による導通不良を抑制することができる。したがって、広視野角を有する焦電型赤外線センサ1の耐久性を確保することができ、検出感度を良好に維持することができる。特に、大面積パターンの場合や、後述するアレイタイプの場合には、導通部33a,33bの耐久性の問題が生じ易いため、本発明の構成が有効である。
突起電極31a,31bおよび緩衝部34a,34bは、焦電素子20の長手方向両側にそれぞれ設けられる支持体2a,2bを構成しており、これら支持体2a,2bによって、基板10と焦電素子20との間隔が保持される。焦電素子20は、可撓性を有することによって長手方向に下方への撓み変形を生じるため、基板10と焦電素子20との間隔が狭いと焦電素子20から基板10への熱移動が生じ易くなり、検出感度が低下するおそれがある。したがって、突起電極31a,31bの高さは、組立加工精度から0.1mm以上を確保することが好ましく、例えば0.5mmに設定することができる。突起電極31a,31bの高さの上限は特に存在しないが、高すぎると製造が困難になり易いことから、例えば、突起電極31a,31bの高さを1mm以下に設定することが好ましい。焦電素子20の直下には高さ0.1mm以上の空間が確保されていることが好ましい。基板10と焦電素子20との間隔を十分大きくできる場合には、基板10の貫通孔12は必ずしも必要ではない。
また、支持体2a,2bは、緩衝部34a,34bが焦電素子20の幅方向の略全体にわたって設けられているため、基板10に対して焦電素子20が幅方向に傾斜するのを防止することができ、検出感度を良好に維持することができる。緩衝部34a,34bの長さは、必ずしも焦電素子20の幅と完全に一致している必要はなく、焦電素子20の幅全体を実質的に支持可能であれば焦電素子20の幅よりも若干短くてもよい。具体的には、緩衝部34a,34bの長さは、焦電素子20の幅の50%以上であることが必要であり、焦電素子20の幅の90%以上であることが好ましく、焦電素子20の幅の95%以上であることがより好ましい。突起電極31a,31bの高さを高くすることで焦電素子20の幅方向の傾斜が生じ易くなることから、突起電極31a,31bの高さが高いほど、支持体2a,2bを幅広に形成する上記構成がより効果的なものとなる。
本実施形態においては、緩衝部34a,34bを、基板10と焦電素子20との間における導通部33a,33bの外周側の一部を被覆するように設けているが、導通部33a,33bの全体を緩衝部34a,34bで被覆してもよい。特に、受光部24a,24bと導通部33a,33bとの間に緩衝部34a,34bを設けた場合には、2つの受光部24a,24bの間で焦電型赤外線センサ1を湾曲させたときに、湾曲部により近い側を緩衝部34a,34bが支持することができるので、導通部33a,33bに作用する曲げ負荷をより軽減することができる。
図3は、受光部24a,24bと導通部33a,33bとの間に緩衝部34a,34bを設ける場合の一例を示す平面図である。基板10には受光部24a,24bに対向する位置に貫通孔12の開口部121が形成されているので、受光部24a,24bと導通部33a,33bとの間に供給された液状樹脂は、表面張力により開口部121の縁部121a,121bに保持される。したがって、液状樹脂を開口部121の縁部に沿って毛細管現象を利用して充填することで、図3にハッチングで示すように緩衝部34a,34bを容易に形成することができると共に、受光部24a,24bと基板10との間に緩衝部34a,34bが介在するおそれがないので、熱の拡散に伴う検出感度の低下を防止することができる。また、図4に示すように、供給された液状樹脂を基板10の外縁および開口部121の縁部で表面張力により保持して、液状樹脂を開口部121の縁部に沿って枠状に設けることも可能であり、緩衝部34a,34bを、互いに接続された状態で容易且つ確実に形成することができる。
本実施形態においては、導通部33a,33bにより基板10の電気回路に導通される2つの電極パッド26a,26bが、いずれも焦電素子20の裏面側に設けられているが、電極パッド26a,26bの表裏面における配置は特に限定されるものではなく、受光部の個数や接続形態等によって適宜定めることができる。例えば、図5に示すように、電極パッド26a,26bがいずれも焦電素子20の表面側に設けられている場合には、導電性接着剤32a,32bを複数回塗布する等して、電極パッド26a,26bと突起電極31a,31bとの間を導電性接着剤32a,32bにより導通する。また、受光部の数が奇数であるような場合など、電極パッド26a,26bが焦電素子20の表裏面にそれぞれ設けられた構成においては、表面側に配置された電極パッド26aについては、図5と同様に導電性接着剤32aを塗布し、裏面側に配置された電極パッド26bについては、図2と同様に導電性接着剤32bを塗布すればよい。いずれの場合も、緩衝部34a,34bの配置について、本実施形態と同様の変形例を適用可能であり、基板10と焦電素子20との間に介在される突起電極31a,31bが、緩衝部34a,34bと共に支持体2a,2bを構成する。図5に示すように、電極パッド26a,26bがいずれも焦電素子20の表面側に設けられた構成においては、図11に示すように、基板10と焦電素子20とを中間体18を介して導通可能に構成してもよく、これによって導電性接着剤32a,32bの厚みを小さくして(例えば、30μm以下)、良伝導性を確保することができ、感度の維持を容易にすることができる。図11において、図5と同様の構成部分には同一の符号を付している。
焦電型赤外線センサ1を湾曲させる際には、基板10および焦電素子20を一体的に湾曲させることが可能であり、物体の位置や距離、移動方向などを検出する一群の受光部24a,24bについて、図6(a)に示すように、中間配線25の中央部を湾曲部Wとすることが好ましい。湾曲部Wは、図6(b)に示すように、焦電型赤外線センサ1が一定の曲率で湾曲する箇所の曲げ方向に沿った中央部において、当該曲げ方向に垂直な仮想線からなる。図6(a)および(b)に示す焦電型赤外線センサ1は、長手方向両側に、一群の受光部24a,24bがそれぞれ設けられており、各群はいずれも受光部24a,24bの間で湾曲されている。焦電型赤外線センサ1の電気回路40は、本実施形態では基板の中央の湾曲が生じていない領域に形成されているが、湾曲箇所に形成することも可能である。湾曲部Wにおける湾曲は、受光部24a,24bの全体に生じていることが好ましく、受光部24a,24bが均一に湾曲することにより、各受光部24a,24bの検出感度のずれを抑制することができ、検出精度を良好に維持することができる。但し、図6(c)に示すように、受光部24a,24bの間で湾曲部Wを局所的に形成することも可能である。
受光部が3つ以上の場合にも、上記と同様に、各受光部を湾曲部Wを挟んで線対称となるように配置することで、検出精度を良好に維持することができる。長手方向両側にそれぞれ4つの受光部24a,24b,24c,24dを有する焦電型赤外線センサ1の湾曲部Wの具体例を、図7(a)および(b)に示す。
本発明の焦電型赤外線センサ1は、上記の構成以外に、受光部が縦方向および横方向にアレイ状に配置された構成であってもよい。図10は、このような焦電型赤外線センサ1の一実施形態を示しており、図10(a)は要部平面図、図10(b)は図10(a)のB−B断面図である。この焦電型赤外線センサ1は、上記の各実施形態と同様に基板10および焦電素子20を備えている。焦電素子20は、平行に複数設けられた帯状の受光電極22および対向電極23が互いに直交するように配置されており、それぞれの交差部に受光部24が形成されている。基板10は、受光部24に対向する位置に貫通孔12が形成されており、配線パターンが導通部33c,33dを介して受光電極22および対向電極23と導通されている。導通部33は、その一部が緩衝部34cにより被覆されている。この構成においては、隣接する貫通孔12,12の間にも緩衝部34dを設けることが好ましく、基板10の反りやねじれ等の変形を効果的に緩和して、導通部33c,33dの検出感度を良好に維持することができる。緩衝部34c,34dの材料や形成方法は、図2等に示す上記実施形態の緩衝部34a,34bと同様のものを使用することができる。特に、緩衝部34dについては、多数の貫通孔12を有する構成であっても、液状樹脂の毛細管現象を利用して充填することにより容易に形成可能である。
上記の各実施形態においては、支持体2a,2bが、突起電極31a,31bの少なくとも一部を被覆するように焦電素子20の幅方向全体にわたって設けられた緩衝部34a,34bを備えており、焦電素子20を湾曲させた場合であっても導通部33a,33bでの剥離を防止しつつ、焦電素子20が幅方向に傾斜するのを防止している。但し、図8に示すように、突起電極31a,31bを、焦電素子20の幅方向全体に延びるように形成することで、緩衝部34a,34bを備えない構成にしてもよい。この構成は、基板10を焦電素子20以外の部分で局所的に湾曲させる場合に、特に効果的である。図8に示す突起電極31a,31bの長さは、必ずしも焦電素子20の幅と完全に一致している必要はなく、焦電素子20の幅全体を実質的に支持可能であれば焦電素子20の幅よりも若干短くてもよい。具体的には、突起電極31a,31bの長さは、焦電素子20の幅の50%以上であることが必要であり、焦電素子20の幅の90%以上であることが好ましく、焦電素子20の幅の95%以上であることがより好ましい。
上記の焦電型赤外線センサ1は、図11に示すように、焦電素子20をI/V変換回路8と共に、キャップ4の内部に収容することができる。キャップ4は、あらかじめ基板10の変形に追従した3次元曲面状に成形されるか、あるいは、基板10と共に曲げ変形が可能となるように可撓性を有することが好ましい。キャップ4は、導電性材料により形成するか、あるいは、非導電物の内壁を導電性材料によりコーティングしてノイズシールド性を付与したものを好ましく使用することができ、基板10上にガードリング状に形成されたGND配線と導通させることができる。キャップ4の上部中央には、特定波長域の赤外線のみを透過させる窓材6が設けられている。キャップ4の内部には、焦電素子20を複数設けることも可能であり、この場合、キャップ4の全体を緩やかに湾曲させてもよく、あるいは、キャップ4を焦電素子20またはI/V変換回路8以外の部分で局所的に湾曲させてもよい。
1 焦電型赤外線センサ
2a,2b 支持体
10 基板
12 貫通孔
121 開口部
14a,14b 電極部
20 焦電素子
24a,24b 受光部
26a,26b 電極パッド
31a,31b 突起電極
33a,33b 導通部
34a,34b 緩衝部

Claims (9)

  1. 可撓性を有する基板と、前記基板に搭載されたフィルム状の焦電素子とを備え、前記焦電素子を前記基板と共に湾曲させることが可能な焦電型赤外線センサであって、
    前記焦電素子は、矩形状に形成され、長手方向両側にそれぞれ設けられた支持体により、前記基板と間隔をあけて支持されており、
    前記支持体は、少なくとも一部が前記焦電素子の幅方向の略全体にわたって設けられており、前記基板の電気回路と前記焦電素子とを導通する突起電極を有し、
    前記焦電素子は、受光部を複数備えており、前記受光部の配置が幅方向に延びる湾曲部を挟んで線対称となるように、前記基板および前記焦電素子が一体的に湾曲されている焦電型赤外線センサ。
  2. 前記支持体は、電気絶縁性を有する弾性樹脂からなる緩衝部を備えており、
    前記緩衝部は、前記突起電極の少なくとも一部を被覆するように、前記焦電素子の幅方向の略全体にわたって設けられている請求項1に記載の焦電型赤外線センサ。
  3. 前記緩衝部は、少なくとも前記受光部と前記突起電極との間に配置されている請求項2に記載の焦電型赤外線センサ。
  4. 前記基板は、前記受光部と対向する位置に開口部が形成されており、
    前記緩衝部は、前記開口部の縁部と前記突起電極との間に液状の前記弾性樹脂を供給して形成される請求項3に記載の焦電型赤外線センサ。
  5. 前記弾性樹脂は、アクリル変性シリコーン樹脂を含む請求項2に記載の焦電型赤外線センサ
  6. 前記支持体は、前記突起電極が前記焦電素子の幅方向の略全体に延びるように形成される請求項1に記載の焦電型赤外線センサ。
  7. 前記焦電素子の直下に高さ0.1mm以上の空間を有する請求項1から6のいずれかに記載の焦電型赤外線センサ。
  8. 前記湾曲部は、2つの前記受光部を接続する中間配線の中央部に設けられている請求項1から7のいずれかに記載の焦電型赤外線センサ。
  9. 前記焦電素子は、前記基板上に設けられたキャップの内部に収容されている請求項1から8のいずれかに記載の焦電型赤外線センサ。
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