JPH06186079A - Infrared detector - Google Patents
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- F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F25D19/00—Arrangement or mounting of refrigeration units with respect to devices or objects to be refrigerated, e.g. infrared detectors
- F25D19/006—Thermal coupling structure or interface
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、赤外線検出素子を極低
温に冷却して使用する赤外線検知器に関するものであ
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an infrared detector which cools an infrared detecting element to an extremely low temperature for use.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来のこの種の装置は図３に示す様な構
造であった。大別すると赤外線検知器は、赤外線検出素
子１を内蔵した真空容器３〜４と、赤外線検出素子１を
極低温例えば８０Ｋ前後に冷却するための冷凍機９〜１
２とで構成される。真空容器３〜４は、外筒３と内筒４
から構成される二重構造であり、外筒３には、赤外線を
透過する窓２が設けられ、内筒４の先端部６に赤外線検
出素子１が取り付けられ内筒４によって形成されるコー
ルドフィンガー挿入部１４に、冷凍機９〜１２のコール
ドフィンガー９が挿入されている。赤外線検出素子１に
被写体以外からの赤外線が入射しない様、コールドシー
ルド５によって、外乱光が赤外線検出素子１に入射する
のを防止される構造になっており、また赤外線検出素子
１に外部からの熱伝達がないように、外筒３と内筒４の
間の空間１５は真空にされ断熱され、内筒４を伝導する
熱侵入を低減する様に、内筒４は例えばガラスやセラミ
ックスなどの熱伝導率の小さい材料で作られている。2. Description of the Related Art A conventional device of this type has a structure as shown in FIG. The infrared detectors are roughly classified into vacuum vessels 3 to 4 in which the infrared detection element 1 is incorporated, and refrigerators 9 to 1 for cooling the infrared detection element 1 to an extremely low temperature, for example, around 80K.
2 and. The vacuum containers 3 to 4 include an outer cylinder 3 and an inner cylinder 4.
A cold finger formed by the inner cylinder 4 in which a window 2 for transmitting infrared rays is provided in the outer cylinder 3 and the infrared detecting element 1 is attached to a tip portion 6 of the inner cylinder 4. The cold fingers 9 of the refrigerators 9 to 12 are inserted into the insertion portion 14. The cold shield 5 prevents the ambient light from entering the infrared detecting element 1 so that infrared rays other than the subject do not enter the infrared detecting element 1, and the infrared detecting element 1 receives external light from the outside. In order to prevent heat transfer, the space 15 between the outer cylinder 3 and the inner cylinder 4 is evacuated and thermally insulated, so that the inner cylinder 4 is made of, for example, glass or ceramics so as to reduce heat invasion conducted to the inner cylinder 4. Made of material with low thermal conductivity.
【０００３】赤外線検知器には、冷凍機９〜１２として
スターリングサイクルを利用した冷却方式がよく利用さ
れるので、図３には一例としてスターリング冷凍機を示
した。冷凍機９〜１２は、膨張機９〜１０と圧縮機１２
とを、連結管１１によって接合された構成となってお
り、膨張機９〜１０には、コールドフィンガー９と呼ば
れる内筒状の冷却ヘッドが設けられており、コールドフ
ィンガー９の先端で冷却する構造となっている。Since a cooling system using a Stirling cycle is often used as the refrigerators 9 to 12 in the infrared detector, a Stirling refrigerator is shown as an example in FIG. The refrigerators 9 to 12 include the expanders 9 to 10 and the compressor 12.
Are joined by a connecting pipe 11, and the expanders 9 to 10 are provided with an inner cylindrical cooling head called a cold finger 9, and a structure in which the tip of the cold finger 9 is used for cooling. Has become.
【０００４】７ａはサーマルインターフェイスでコール
ドフィンガー９の先端に取り付けられ、一般に金属で作
られているコールドフィンガー９と一般にガラスで作ら
れている内筒４の熱膨張率の差異や、製造上の誤差によ
る両者間の寸法変化を吸収するためのものである。この
サーマルインターフェイス７ａは、例えば金属バネ形状
などの弾性があり、かつ熱伝導率の大きい材料（図３に
示した）や、積層された銅箔で作られており、その先端
は、常に内筒４の底面と弾性的に密着するようになって
いる。なお１３は放熱板である。7a is attached to the tip of the cold finger 9 by a thermal interface, and the difference in the coefficient of thermal expansion between the cold finger 9 which is generally made of metal and the inner cylinder 4 which is generally made of glass, and a manufacturing error. It is for absorbing the dimensional change between the two due to. The thermal interface 7a is made of a material having elasticity and a large thermal conductivity (shown in FIG. 3) such as a metal spring shape or a laminated copper foil, and its tip always has an inner cylinder. The bottom surface of No. 4 is elastically attached. In addition, 13 is a heat sink.
【０００５】次に図３に示す従来装置の動作について説
明する。冷凍機９〜１２が動作すると赤外線検出素子１
は、コールドインターフェイス７ａを介してコールドフ
ィンガー９の先端により冷却される。赤外線検出素子１
は、断熱構造を有する真空容器３〜４内で効率よく冷却
され、８０Ｋ前後になると、窓２を透過してくる赤外線
を検知し、電気信号に変換する。Next, the operation of the conventional device shown in FIG. 3 will be described. When the refrigerators 9 to 12 operate, the infrared detection element 1
Is cooled by the tip of the cold finger 9 via the cold interface 7a. Infrared detector 1
Is efficiently cooled in the vacuum containers 3 to 4 having a heat insulating structure, and when it reaches around 80K, it detects infrared rays passing through the window 2 and converts them into electric signals.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の技術
に於いては、コールドフィンガーの先端よりサーマルイ
ンターフェイスを介して赤外線検出素子を冷却する際、
サーマルインターフェイスは、銅板をバネ形状に曲げた
ものや、銅箔などの細長い弾性体を用いているため形状
が複雑で、挿入時に破壊、変形のおそれがあり、伝導距
離が長いため、赤外線検出素子とコールドフィンガーの
先端との熱抵抗が大きいので、両者の温度差が大きくな
り、赤外線検出素子を冷却するために、コールドフィン
ガーにより低い温度を生成しなければならず、大きな能
力を有する冷凍機が必要であるという問題点があった。In the prior art as described above, when the infrared detecting element is cooled from the tip of the cold finger through the thermal interface,
The thermal interface has a complicated shape because it uses a copper plate bent into a spring shape or a long and thin elastic body such as copper foil, and it may be damaged or deformed when it is inserted. Since the thermal resistance between the tip of the cold finger and the tip of the cold finger is large, the temperature difference between the two becomes large, and in order to cool the infrared detection element, the cold finger must generate a lower temperature, and a refrigerator with a large capacity is required. There was a problem that it was necessary.
【０００７】本発明は、この様な従来の問題点に鑑みて
なされたもので、赤外線検出素子とコールドフィンガー
先端を単純かつ強固な構造で接触させることで、熱抵抗
を小さくし、赤外線検出素子とコールドフィンガー先端
との温度差を小さくでき、従って、小さな能力の冷凍機
を使用出来る赤外線検知器を得ることを目的とする。The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems. The infrared detecting element and the tip of the cold finger are brought into contact with each other with a simple and strong structure to reduce the thermal resistance and to reduce the infrared detecting element. The temperature difference between the tip of the cold finger and the tip of the cold finger can be reduced, and therefore, an object is to obtain an infrared detector that can use a refrigerator with a small capacity.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明は、コールドフィ
ンガーの挿入穴を持つ真空容器（２、３、４）と、前記
真空容器（２、３、４）内に取り付けられた赤外線検出
素子（１）と、前記真空容器（２、３、４）の挿入穴
（１４）に挿入されたコールドフィンガー（９）を備
え、前記赤外線検出素子（１）を冷却する冷凍機（１
０、１１、１２、１３）と、を有する赤外線検知器にお
いて、前記コールドフィンガー（９）の先端に前記コー
ルドフィンガー（９）より熱膨張係数が小さくかつ変形
時の逃げ部（８ａ〜８ｈ）を形成した金属板（８）を周
縁部で取り付け、前記コールドフィンガー（９）の冷却
により、前記金属板（８）を変形させて前記真空容器
（２、３、４）に当接させたことを特徴とする赤外線検
知器である。According to the present invention, a vacuum container (2, 3, 4) having an insertion hole for a cold finger and an infrared detection element (2, 3, 4) mounted in the vacuum container (2, 3, 4) are provided. (1) and a cold finger (9) inserted into the insertion hole (14) of the vacuum container (2, 3, 4), and a refrigerator (1) for cooling the infrared detection element (1).
0, 11, 12, 13), and an escape portion (8a to 8h) having a thermal expansion coefficient smaller than that of the cold finger (9) and being deformed at the tip of the cold finger (9). The formed metal plate (8) was attached at the peripheral portion, and the cold finger (9) was cooled to deform the metal plate (8) so that it was brought into contact with the vacuum vessel (2, 3, 4). It is a featured infrared detector.
【０００９】[0009]
【作用】本発明に於いては、コールドフィンガーより熱
膨張係数が小さい金属板を、コールドフィンガーの先端
に取り付けて、冷却時に金属板が歪み、板バネ状となっ
てコールドステージと接触するようにしたので、装置の
種々の部分間の膨張差を補償し、又、製造上の加工、取
り付けの誤差を許容することに加えて、コールドフィン
ガー先端から金属板上面までの伝導距離が短いので低熱
抵抗となり、コールドフィンガーと赤外線検知素子との
温度差を小さくでき、より小さな能力の冷凍機で十分な
冷却温度を得ることができる。In the present invention, a metal plate having a coefficient of thermal expansion smaller than that of the cold finger is attached to the tip of the cold finger so that the metal plate is distorted during cooling and becomes a leaf spring so that it comes into contact with the cold stage. Therefore, in addition to compensating for the difference in expansion between various parts of the device and allowing for manufacturing processing and mounting errors, the conduction distance from the cold finger tips to the top surface of the metal plate is short, resulting in low thermal resistance. Therefore, the temperature difference between the cold finger and the infrared detection element can be reduced, and a sufficient cooling temperature can be obtained with a refrigerator having a smaller capacity.
【００１０】[0010]
【実施例】図１は、本発明の一実施例におけるコールド
フィンガー先端にサーマルインターフェースを取り付け
た図であり、赤外線検知器としての他の構成は図３の従
来技術と同じである。図示の如く、サーマルインターフ
ェイスとして、コールドフィンガー９より熱膨張係数が
小さくかつ変形時の逃げ部８ａ、８ｂ、…８ｈを形成し
たタコ足状の金属板８を周縁部でコールドフィンガー９
先端に取り付ける。コールドフィンガー９と金属板８の
取り付けは、金属板８の周縁部のみを溶接して行なう。
すなわち、タコ足状の先端部をコールドフィンガー９に
溶接する。図２は、真空容器内筒４内に、図１のコール
ドフィンガー部８、９を挿入した状態を示して動作を説
明するためのものである。最小の能力の冷凍機で、赤外
線検出素子を冷却するには、コールドフィンガー８先端
部と赤外線検出素子１との間の熱抵抗をできるだけ小さ
く抑えねばならない。一方、コールドフィンガー９の長
さと、真空容器内筒４の深さとの寸法には、加工精度誤
差により、図２（ｂ）の如く、コールドフィンガー部
８、９が冷却されていない状態で、通常コールドステー
ジ６下面と金属板８との間にはすき間ｌが生ずる。そし
て、コールドフィンガー９の冷却時には、コールドフィ
ンガー９と内筒４との膨張差により、コールドステージ
６下面とコールドフィンガー９との間にはすき間ｌ’を
生ずるが、金属板８はコールドフィンガー９に較べて熱
膨張係数が小さく、周縁部をコールドフィンガー９に溶
接されているため、冷却時には、熱収縮長の差異分、コ
ールドステージ６側へ板バネ状にふくらむ（図２
（ａ））。1 is a view in which a thermal interface is attached to the tip of a cold finger in one embodiment of the present invention, and the other constitution as an infrared detector is the same as that of the prior art in FIG. As shown in the figure, as a thermal interface, an octopus-shaped metal plate 8 having a thermal expansion coefficient smaller than that of the cold finger 9 and having escape portions 8a, 8b, ...
Attach to the tip. The cold finger 9 and the metal plate 8 are attached by welding only the peripheral edge of the metal plate 8.
That is, the octopus-shaped tip portion is welded to the cold finger 9. FIG. 2 shows the state in which the cold finger portions 8 and 9 of FIG. 1 are inserted in the vacuum container inner cylinder 4 to explain the operation. In order to cool the infrared detection element with the refrigerator having the minimum capacity, the thermal resistance between the tip of the cold finger 8 and the infrared detection element 1 must be kept as small as possible. On the other hand, in the dimensions of the length of the cold fingers 9 and the depth of the vacuum container inner cylinder 4, due to a processing accuracy error, as shown in FIG. A gap 1 is created between the lower surface of the cold stage 6 and the metal plate 8. When the cold finger 9 is cooled, a gap l'is generated between the cold finger 6 and the lower surface of the cold stage 6 due to a difference in expansion between the cold finger 9 and the inner cylinder 4, but the metal plate 8 does not move to the cold finger 9. In comparison, the coefficient of thermal expansion is small and the peripheral edge portion is welded to the cold fingers 9, so during cooling, the difference in thermal contraction length bulges toward the cold stage 6 side like a leaf spring (Fig. 2).
(A)).
【００１１】このとき、金属板８とコールドステージ６
とのすき間は金属板８が弾性的にコールドステージに当
接することで消失し、密着する。従って、単なる金属板
８により、サーマルインターフェイスを形成することが
でき、また、コールドフィンガー９が冷却されていない
状態では金属板８はコールドフィンガー９先端に偏平な
形で取り付いているので、コールドフィンガー９先端と
コールドステージ６との間の伝導距離が短くなるので、
能力の小さい冷凍機で十分な冷却温度を得ることができ
る。At this time, the metal plate 8 and the cold stage 6
The metal plate 8 is elastically brought into contact with the cold stage to disappear and the space between and disappears. Therefore, the thermal interface can be formed only by the metal plate 8, and when the cold finger 9 is not cooled, the metal plate 8 is attached to the tip of the cold finger 9 in a flat shape. Since the conduction distance between the tip and the cold stage 6 becomes shorter,
A refrigerator with a small capacity can obtain a sufficient cooling temperature.
【００１２】また、金属板８はコールドフィンガー９先
端に周縁部で固定されてコールドフィンガー９先端に張
り付いた状態なので、内筒４内に挿入する場合も、挿入
時に内筒４にぶつかる等して破壊、変形することがな
く、取り扱いが容易である。なお、以下に、上述の実施
例における材料及び金属板８のふくらみ量を上げておく
と、コールドフィンガー本体はステンレス、コールドフ
ィンガー９先端は銅、コールドフィンガー９の径は１c
m、金属板８は鉄、内筒４はガラスとすると、コールド
フィンガー９を約−２００度に冷却した場合、コールド
フィンガー９の縮み量は約６０μｍ位であり、このと
き、金属板８は約0.３mm位持ち上る。Further, since the metal plate 8 is fixed to the tip of the cold finger 9 at the peripheral portion and stuck to the tip of the cold finger 9, even when the metal plate 8 is inserted into the inner cylinder 4, the metal plate 8 does not hit the inner cylinder 4 at the time of insertion. It is easy to handle without breaking or deforming. In the following, when the material and the amount of bulge of the metal plate 8 in the above-described embodiment are increased, the cold finger body is made of stainless steel, the tip of the cold finger 9 is made of copper, and the diameter of the cold finger 9 is 1c.
m, the metal plate 8 is iron, and the inner cylinder 4 is glass, when the cold finger 9 is cooled to about -200 degrees, the contraction amount of the cold finger 9 is about 60 μm, and at this time, the metal plate 8 is about Raise about 0.3mm.
【００１３】従って、図２（ｂ）のｌが加工誤差を含め
て約0.２５mm程度より小さい値になるように設計すれば
よい。Therefore, it may be designed so that l in FIG. 2 (b) is smaller than about 0.25 mm including a processing error.
【００１４】[0014]
【発明の効果】以上の様に本発明によれば、簡単かつ強
固なサーマルインターフェース（金属板）を用いること
で、装置各所の製造加工精度誤差及び、熱収縮に影響さ
れず、かつ、従来よりも短い伝導距離でコールドフィン
ガーとコールドステージとを接触する効果がある。As described above, according to the present invention, by using a simple and strong thermal interface (metal plate), it is not affected by manufacturing processing accuracy error and heat shrinkage in various parts of the apparatus, and more The effect is to bring the cold finger and the cold stage into contact with each other with a short conduction distance.
【００１５】又、従来より簡単かつ強固な構造により、
内筒挿入時におけるサーマルインターフェース部の変
形、破壊等の危険もない等の利点もある。Further, due to the simpler and stronger structure than the conventional one,
There is also an advantage that there is no risk of deformation or breakage of the thermal interface portion when the inner cylinder is inserted.
【図１（ａ）、（ｂ）】本発明の一実施例の要部を示す
側面図（ａ）と平面図（ｂ）である。1 (a) and 1 (b) are a side view (a) and a plan view (b) showing an essential part of an embodiment of the present invention.
【図２】本発明の動作を説明する要部断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of an essential part for explaining the operation of the present invention.
【図３】従来の赤外線検知器の構成を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a conventional infrared detector.
１ 赤外線検出素子 ２ 窓 ３ 真空容器外筒 ４ 真空容器内筒 ５ コールドシールド ６ 内筒底面部材 ７ 取付板 ８ 弾性金属 ９ コールドフィンガー １０ 膨張機 １１ 連結管 １２ 圧縮機 １３ 放熱板 1 Infrared Detector 2 Window 3 Vacuum Container Outer Cylinder 4 Vacuum Container Inner Cylinder 5 Cold Shield 6 Inner Cylinder Bottom Member 7 Mounting Plate 8 Elastic Metal 9 Cold Finger 10 Expander 11 Connecting Pipe 12 Compressor 13 Radiating Plate
─────────────────────────────────────────────────────
─────────────────────────────────────────────────── ───
【手続補正書】[Procedure amendment]
【提出日】平成６年１月２１日[Submission date] January 21, 1994
【手続補正１】[Procedure Amendment 1]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】図面の簡単な説明[Name of item to be corrected] Brief description of the drawing
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]
【図１】（ａ）本発明の一実施例の要部を示す平面図で
ある。 （ｂ）本発明の一実施例の要部を示す側面図である。FIG. 1A is a plan view showing a main part of an embodiment of the present invention. (B) It is a side view which shows the principal part of one Example of this invention.
【図２】本発明の動作を説明する要部断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of an essential part for explaining the operation of the present invention.
【図３】従来の赤外線検知器の構成を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a conventional infrared detector.
【符号の説明】 １ 赤外線検出素子 ２ 窓 ３ 真空容器外筒 ４ 真空容器内筒 ５ コールドシールド ６ 内筒底面部材 ７ 取付板 ８ 弾性金属 ９ コールドフィンガー １０ 膨張機 １１ 連結管 １２ 圧縮機 １３ 放熱板[Explanation of symbols] 1 infrared detection element 2 window 3 vacuum container outer cylinder 4 vacuum container inner cylinder 5 cold shield 6 inner cylinder bottom member 7 mounting plate 8 elastic metal 9 cold finger 10 expander 11 connecting pipe 12 compressor 13 heat sink
Claims (1)
容器と、前記真空容器内に取り付けられた赤外線検出素
子と、前記真空容器の挿入穴に挿入されたコールドフィ
ンガーを備え、前記赤外線検出素子を冷却する冷凍機
と、を有する赤外線検知器において、前記コールドフィ
ンガーの先端に前記コールドフィンガーより熱膨張係数
が小さくかつ変形時の逃げ部を形成した金属板を周縁部
で取り付け、前記コールドフィンガーの冷却により、前
記金属板を変形させて前記真空容器に当接させたことを
特徴とする赤外線検知器。1. A vacuum container having an insertion hole for a cold finger, an infrared detection element mounted in the vacuum container, and a cold finger inserted in an insertion hole of the vacuum container, the infrared detection device being cooled. In the infrared detector having a refrigerator, which is, a metal plate having a thermal expansion coefficient smaller than that of the cold finger and forming an escape portion at the time of deformation is attached to the tip of the cold finger at the peripheral portion, and the cold finger is cooled. An infrared detector characterized in that the metal plate is deformed and brought into contact with the vacuum container.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4322874A JPH06186079A (en) | 1992-12-02 | 1992-12-02 | Infrared detector |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4322874A JPH06186079A (en) | 1992-12-02 | 1992-12-02 | Infrared detector |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06186079A true JPH06186079A (en) | 1994-07-08 |
Family
ID=18148579
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4322874A Pending JPH06186079A (en) | 1992-12-02 | 1992-12-02 | Infrared detector |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06186079A (en) |
-
1992
- 1992-12-02 JP JP4322874A patent/JPH06186079A/en active Pending
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