炎センサ
【課題】 炎センサにおけるノイズとなる熱と紫外線の影響を簡易な構成で除去し、信頼性を向上可能な炎センサを提供する。
【解決手段】 この炎センサは、光ファイバ４４による炎からの輻射熱低減特性、シリコンによる紫外線選択性、同軸配置による差動演算時のフォトダイオード信号等価性、パッケージによる外部環境保護耐性が優れることにより、第１アンプ１６は、非常に信頼性に優れた紫外光強度に対応する出力、すなわち、炎の点火の有無に応じた出力を発生することができる。第１アンプ１６の差動出力は、ボンディングワイヤ及び電極７を介して紫外光検出用リード端子２に接続される。第２アンプ１５の出力（端子１８）は、ボンディングワイヤ及び電極１０を介して温度検出用リード端子５に接続される。温度検出用リード端子５からは、赤外光強度に応じた炎の温度を出力する。第２アンプ１５もパッケージ内に収容されているため、温度や湿度による出力変化を抑制することができる。
【解決手段】 この炎センサは、光ファイバ４４による炎からの輻射熱低減特性、シリコンによる紫外線選択性、同軸配置による差動演算時のフォトダイオード信号等価性、パッケージによる外部環境保護耐性が優れることにより、第１アンプ１６は、非常に信頼性に優れた紫外光強度に対応する出力、すなわち、炎の点火の有無に応じた出力を発生することができる。第１アンプ１６の差動出力は、ボンディングワイヤ及び電極７を介して紫外光検出用リード端子２に接続される。第２アンプ１５の出力（端子１８）は、ボンディングワイヤ及び電極１０を介して温度検出用リード端子５に接続される。温度検出用リード端子５からは、赤外光強度に応じた炎の温度を出力する。第２アンプ１５もパッケージ内に収容されているため、温度や湿度による出力変化を抑制することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は炎センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、比較的高温状態にある炉に配設された燃焼器の燃焼状態（着火の有無）を検出する新たな火炎検出技術が期待されている。炉に配設された燃焼器の燃焼状態の検出には、従来、光電管式や半導体式の光センサが、実用レベルで使用されてきた。光電管式の光センサは、その検出感度が高いものの、高電圧電源が必要であり、高価である。
【０００３】
一方、半導体式の光センサを使用する技術としては、感応部にＣｄＳやＣｄＳｅ系の半導体を使用するものが実用レベルにある。この種の半導体式光センサは、燃焼炎から発する可視光及び赤外線を検出するものであり、例えば、燃料が油である油バーナーの燃焼状態を検出するために使用される。
【０００４】
しかしながら、燃料がメタンを主成分とする都市ガス等であるガスバーナーの燃焼炎を検出する場合、この種のバーナーは青火を形成するため、青火より発する紫外光によって炎の検出を行っている。しかし、比較的高温状態にある所謂、火炉において燃焼炎を検出しようとすると、炉壁の輻射が可視・赤外線を発生し、背景光ノイズとなる。また、背景光ノイズ抑制のため、紫外線透過フィルタを用いる試みが提案されている（特許文献１、特許文献２参照）。
【０００５】
ところが、炉内温度が、比較的高温の１０００℃〜１４００℃程度となる炉にあっては、充分に燃焼炎を検出することができない場合がある。この状況を更に詳細に説明すると、半導体式光センサとしてＳｉ系のフォトダイオードを使用して、紫外線透過フィルタとしてＵ−３４０（ホヤガラス社製）を使用する場合、燃焼器が消火状態にある場合においても、温度が１０００℃〜１４００℃の温度域にある場合には、十分なフィルタ除去ができず、６５０ｎｍから７５０ｎｍの波長域に強い光信号が検出される。
【０００６】
この光信号は、紫外域の炎の信号ではなく、熱の輻射による光信号であるため、ノイズ（Ｎ）の一成分となる。なお、ここで炎の信号の定義として、着火状態にある光信号強度と消火状態にある光信号強度との差が、燃焼炎のシグナル（Ｓ）であり、この信号強度に対して、消火状態にある場合の光信号強度がノイズ（Ｎ）としている。即ち、Ｓ／Ｎ比が、温度上昇に伴って急速に低下するため、このような比較的高温の温度域では、実質、炎の燃焼・消失を良好に検出することが困難になるという問題がある。
【０００７】
このような問題を解決する為に、特許文献２の技術では、半導体式光センサとして、６５０ｎｍ以上の波長領域に感度を有しないＧａＡｓＰやＧａＰ等の化合物半導体からなる半導体式紫外線センサを用いることを提案している。また、接合の深さが異なるフォトダイオードを利用することも提案されており（特許文献３）、更に、光検出素子としては、特許文献４や特許文献５に記載されるものが知られている。
【特許文献１】特開２０００−９９８５０号公報
【特許文献２】特開２００２−２８６５４３号公報
【特許文献３】特許第３２２０３０２号公報
【特許文献４】特開２０００−１６４９１４号公報
【特許文献５】特開２００３−２９８０３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、紫外線透過フィルタや化合物半導体は高価である。さらに、紫外線透過フィルタは紫外光以外の光を完全に遮断できないという問題もある。火炎検出時に微小でも紫外光以外の光、例えば可視や近赤外の一部の波長範囲の光がフィルタを透過すると、残留熱からの輻射光を検出してしまい、実際に火炎が消えていても、まだついていると誤認する可能性があり、その信頼性の向上が期待されていた。
【０００９】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、炎センサにおけるノイズとなる熱と紫外線の影響を簡易な構成で除去し、信頼性を向上可能な炎センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の課題を解決するため、本発明に係る炎センサは、（Ａ）炎から出射した紫外域から可視域を含む光が一端に入射できる光ファイバと、（Ｂ）光ファイバの他端から出射したこの光が入射する第１フォトダイオード、この光の紫外域成分が減少して入射するように第１フォトダイオードよりも深い位置に形成された第２フォトダイオード、及びこの光の紫外域成分がさらに減少して入射するように第２フォトダイオードよりも深い位置に形成された第３フォトダイオードが、シリコン半導体基板の厚み方向に沿って整列し光ファイバの他端から出射される光に対して同軸に配置されてなる光検出素子と、（Ｃ）第１及び第２フォトダイオードの出力が入力され差動増幅を行う第１アンプと、（Ｄ）第３フォトダイオードの出力が入力される第２アンプと、（Ｅ）光検出素子及び第１及び第２アンプを収容し、光ファイバの他端が取り付けられたパッケージと、（Ｆ）第１アンプの出力からパッケージの外部に延びる紫外光検出用リード端子と、（Ｇ）第２アンプの出力から前記パッケージの外部に延びる温度検出用リード端子とを備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明の炎センサによれば、炎から出射される光を、光ファイバを介して光検出素子に導くため、光検出素子の輻射加熱が抑制され、光検出素子内部で発生する背景光成分が減少する。また、光ファイバを用いて光を入射することで、太陽光や室内照明等の外乱光の影響を無くすことができる。
【００１２】
この光検出素子は、光ファイバからの光に対して同軸配置された第１、第２及び第３のフォトダイオードからなり、これらがシリコンからなるため、紫外線透過フィルタでは完全には除去できない紫外域の光を１つの光軸に対して、半導体基板の深さ方向に沿って除去することができる。第１及び第２フォトダイオードには、紫外域成分の強度が異なる光が入射するが、これらの出力は第１アンプによって差動増幅され、また、これらがパッケージ内に収容されて外部の温度及び湿度変化から保護されている。
【００１３】
これにより、すなわち、光ファイバによる炎からの輻射熱低減特性、シリコンによる紫外線選択性、同軸配置による差動演算時のフォトダイオード信号等価性、パッケージによる外部環境保護耐性が優れることにより、第１アンプは、非常に信頼性に優れた紫外光強度に対応する出力、すなわち、炎の点火の有無に応じた出力を発生することができる。
【００１４】
この出力はパッケージから外部に延びる紫外光検出用リード端子から取り出すことができる。
【００１５】
また、第３フォトダイオードには、紫外域の光が大きく減少した光が入射するため、すなわち、赤外域の光が選択的に検出されるため、これを第２アンプにて増幅し、その出力を温度検出用リード端子から取り出すことで、炎の温度を検出することができる。この第２アンプもパッケージ内に収容されているため、温度や湿度による出力変化を抑制することができる。
【００１６】
また、本発明に係る炎センサは、第１及び第２フォトダイオードの出力に接続された入力端子、及び第１アンプの２つの差動入力端子にそれぞれ接続された出力端子をそれぞれ有する第１及び第２中間アンプと、第１及び第２アンプとを備える半導体回路基板を備え、光検出素子の第１及び第２フォトダイオードと半導体回路基板の第１及び第２中間アンプの入力端子とは、それぞれボンディングワイヤで接続されていることを特徴とする。
【００１７】
第１及び第２中間アンプと、第１及び第２アンプは、同一基板上に形成されているため、簡易な構成とすることができ、且つ、光検出素子と半導体回路基板の中間アンプの入力端子とはボンディングワイヤで接続されているため、簡易な構成となり、また、これらを別体として製造することができるため、不良品の発生確率を低減することができる。
【００１８】
また、本発明に係る炎センサは、第３フォトダイオードと第２アンプの入力端子とは、ボンディングワイヤで接続されていることを特徴とする。
【００１９】
この場合も、簡易な構成とすることができ、また、これらを別体として製造することができるため、不良品の発生確率を低減することができる。
【００２０】
本発明に係る炎センサでは、光検出素子は、光入射面側に設けられ、第１フォトダイオードに接続された第１パッドと、光入射面側に設けられ、第２フォトダイオードに接続された第２パッドと、光入射面とは反対側に設けられ、第３フォトダイオードに接続された第３パッドと、を備えていることを特徴とする。
【００２１】
各フォトダイオードのパッドにはボンディングワイヤを接続することができ、電気信号をボンディングワイヤを介して各アンプに伝達することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の炎センサによれば、ノイズとなる熱と紫外線の影響を簡易な構成で除去し、信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、実施の形態に係る炎センサについて説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２４】
図１は炎センサを一部破断して示す斜視図、図２は光検出素子の模式的な断面図、図３は炎センサの回路図である。
【００２５】
この炎センサは、以下の要素を備えている。
・炎から出射した紫外域から可視域を含む光が一端に入射できる光ファイバ４４。
・炎からの光が光ファイバの他端から入射する光検出素子１００。
・各種のアンプ１３，１４，１５，１６が形成された半導体回路基板２００。
・光ファイバ４４の他端側に配置され光ファイバ４４の出射光を受光面１２上に集束させる球レンズ３０。
・球レンズ３０をパッケージ３２の内面に固定する固定部材３１。
・光検出素子１００、回路基板２００及び球レンズ３０を収容し光ファイバ４４の他端を固定するパッケージ３２。
・パッケージ３２の底部から延びたリード端子１，２，３，４，５。
・パッケージ３２のステム４５の内側面に設けられた電極６，７，８，１０。
【００２６】
以下、各要素について詳説する。
【００２７】
光ファイバ４４は、被覆４１内を貫通するクラッド４２及びコア４３を備えている。
【００２８】
光検出素子１００は、第１フォトダイオード（１２ａ（図３参照）：Ｎ型半導体層１０４，Ｐ型半導体層１０２ｂ（図２参照））、この光の紫外域成分が減少して入射するように第１フォトダイオード１２ａよりも深い位置に形成された第２フォトダイオード（１２ｂ（図３参照）：Ｎ型半導体層１０３、Ｐ型半導体層１０２ａ及びＰ型半導体層１０２ｂ）、及びこの光の紫外域成分がさらに減少して入射するように第２フォトダイオード１２ｂよりも深い位置に形成された第３フォトダイオード（１２ｃ（図３参照）：Ｐ型半導体層１０２ａ、Ｎ型半導体基板１０１）を備えている。
【００２９】
第１、第２及び第３フォトダイオード１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、シリコン半導体基板１００ａの厚み方向に沿って整列しており、光ファイバ４４の他端から出射される光に対して同軸に配置されている。
【００３０】
すなわち、図２を参照すると、Ｎ型半導体基板１０１上には、Ｐ型半導体層（Ｐ型ウェル層）１０２ａ、Ｎ型半導体層１０３、Ｐ型半導体層（Ｐ型ウェル層）１０２ａに連続するＰ型半導体層（Ｐ型ウェル層）１０２ｂ、Ｎ型半導体層１０４、絶縁膜１０５が順次形成されている。
【００３１】
この光検出素子１００は、Ｎ型半導体基板１０１上にＰ型ウェル層１０２ａ，１０２ｂを形成し、その中にＮ型半導体層１０３，１０４を表面側の下部に、２層形成する。この２つのＮ型半導体層（拡散層）１０３，１０４は、入射面側から見ると同軸になるように形成されている。
【００３２】
Ｎ型半導体基板１０１の裏面側には、第３フォトダイオード１２ｃの電極２２’が設けられ、光ファイバ４４の位置する光入射面側の光検出素子表面上には、絶縁膜１０５のコンタクトホールを介して第１フォトダイオード１２ａの電極２３’、第２フォトダイオード１２ｂの電極２１’、グランドの端子２４の電極２４’が設けられている。
【００３３】
Ｐウェル層内の表面側のＮ型半導体層１０４より出力１が、また、Ｐ型ウェル層内の下部のＮ型半導体層１０３より出力２が、Ｎ型半導体基板１０１側から出力３が得られる。そして、Ｐ型ウェル層１０２ａ，１０２ｂは、フォトダイオードのアノード電極（出力とは反対電極）となる。
【００３４】
出力１のＮ型半導体層１０４は、入射面から最も浅い部分に位置するため、吸収係数の大きい紫外線から青色の波長の光に感度が高い出力を得ることができる。また、出力２のＮ型半導体層１０３は、上下のＮ型半導体の中間に位置し、緑色の波長の光に感度が高い出力を得ることができる。さらに、出力３の基板となるＮ型層は最も深い部分に位置し、吸収係数が比較的小さい赤色から近赤外の波長の光に感度が高い出力を得ることができる。つまり、夫々異なる感度を有する３つのフォトダイオードが同軸上に形成されている。
【００３５】
光ファイバ４４からの出射光（例：信号ｈν１＋ｈν２（光のエネルギー））は、光検出素子の受光面１２上に入射し、紫外域成分が深さ方向に沿って減少しながら第３フォトダイオード１２ｃまで到達する。パッケージ３２は、ステム４５に対向する頂面にファイバ取り付け用の凹部を備えており、この凹部内に光ファイバ４４が挿入されている。
【００３６】
この炎センサによれば、炎から出射される光を、光ファイバ４４を介して光検出素子１００に導くため、光検出素子１００の輻射加熱が抑制され、光検出素子１００の内部で発生する熱ノイズが減少する。また、光ファイバ４４を用いることで、太陽光や室内照明等の外乱光の影響を無くすことが可能となる。
【００３７】
光検出素子１００は、光ファイバ４４からの光に対して同軸配置された第１、第２及び第３のフォトダイオード１２ａ，１２ｂ，１２ｃからなり、これらがシリコンからなるため、紫外線透過フィルタでは完全には除去できない紫外域の光を１つの光軸に対して半導体基板の深さ方向に沿って除去することができる。また、異なる感度を有するフォトダイオードが、光の入射方向に対して同軸上に形成されているため、小さい受光エリアで被検出光を有効に利用することができる。
【００３８】
図３に示すように、３つのフォトダイオード１２ａ，１２ｂ，１２ｃはアノードが共通にグランドに接続されている。第１及び第２フォトダイオード１２ａ，１２ｂのカソードは、それぞれ端子２３，２１を介して中間アンプ１３，中間アンプ１４に接続されており、中間アンプ１３，１４の出力は差動増幅を行う第１アンプ１６の差動入力端子に接続され、第１及び第２フォトダイオード１２ａ，１２ｂの差動出力が端子１７から出力される（紫外光の検出）。第３フォトダイオード１２ｃのカソードは、光検出素子１００の下に敷かれたサブマウント２５上の端子２２を介して中間アンプ１５に接続されている。サブマウント２５はステム４５と第３フォトダイオードの出力を電気的に絶縁するために、ステムと光検出素子１００の間に置かれている。また、第２アンプ１５の出力は端子１８から出力され、第３フォトダイオード１２ｃの出力である炎の温度が検出される（炉温の検出）。なお、各アンプ１３，１４，１５は、電流電圧変換アンプであって、オペアンプ１３ａ，１４ａ，１５ａ及び帰還抵抗１３ｂ，１４ｂ，１５ｂを備えており、入力端子の一方は基準電位Ｖｒｅｆに接続されている。
【００３９】
このように、半導体回路基板２００は、第１及び第２中間アンプ１３，１４と、第１及び第２アンプ１６，１５とを備えており、また、第１及び第２中間アンプ１３，１４は、第１及び第２フォトダイオード１２ａ，１２ｂの出力２３，２１に接続された入力端子、及び第１アンプ１６の２つの差動入力端子にそれぞれ接続された出力端子をそれぞれ有している。
【００４０】
第１及び第２フォトダイオード１２ａ，１２ｂには、紫外域成分の強度が異なる光が入射するが、これらの出力は第１アンプ１６によって差動増幅され、また、これらがパッケージ３２内に収容されて外部の温度及び湿度変化から保護されている。この炎センサでは、光ファイバ４４による炎からの輻射熱低減特性、シリコンによる紫外線選択性、同軸配置による差動演算時のフォトダイオード信号等価性、パッケージによる外部環境保護耐性が優れることにより、第１アンプ１６は、非常に信頼性に優れた紫外光強度に対応する出力、すなわち、炎の点火の有無に応じた出力を発生することができる。
【００４１】
図１に示すように、第１アンプ１６の出力（端子１７）は、ボンディングワイヤＢ４及び電極７を介して紫外光検出用リード端子２に接続され、紫外光検出用リード端子２は、ステム４５内からパッケージ３２の外部に延びている。このように、第１アンプ１６の出力はパッケージ３２から外部に延びる紫外光検出用リード端子２から取り出すことができる。
【００４２】
第２アンプ１５の出力（端子１８）は、ボンディングワイヤＢ５及び電極１０を介して温度検出用リード端子５に接続され、温度検出用リード端子５は、ステム４５内からパッケージ３２の外部に延びている。第３フォトダイオード１２ｃには、紫外域の光が大きく減少した光が入射するため、すなわち、赤外域の光が選択的に検出されるため、これを第２アンプ１５にて増幅し、その出力を温度検出用リード端子５から取り出すことで、赤外光強度に応じた炎の温度を検出することができる。第２アンプ１５もパッケージ３２内に収容されているため、温度や湿度による出力変化を抑制することができる。
【００４３】
光検出素子１００のグランド端子２４（光入射面側に設けられたパッド）は、ボンディングワイヤＢ６によりステム４５に接続され、リード端子４は、ステム４５と接続されてパッケージ３２の外部に延びている。
【００４４】
なお、リード端子１，３は、パッケージ内部の電極６，８に接続されており、各アンプに電源、基準電位を供給している。
【００４５】
最後に、差動増幅アンプ１６によって、炎に含まれる紫外域の光が検出できる原理について説明しておく。
【００４６】
図４は、フォトダイオード出力の波長依存性（分光感度特性）を示すグラフである。
【００４７】
点線は第１フォトダイオード１２ａの出力を示し、実線は第３フォトダイオード１２ｃの出力を示す。光入射面側に位置する第１フォトダイオード１２ａは、紫外域（２００ｎｍ〜）から赤外域（〜１０００ｎｍ）に及ぶ帯域内において検出可能な出力を有し、波長４００〜５００ｎｍの帯域内にピークを有する。一方、深い位置にある第３フォトダイオード１２ｃは、可視域（４５０〜）から赤外域（〜１１００ｎｍ）に及ぶ帯域内において検出可能な出力を有し、波長７００〜９００ｎｍの帯域内にピークを有する。
【００４８】
上述の実施形態の炎センサにおいては、第１フォトダイオード１２ａの出力ピーク波長と、第３フォトダイオード１２ｃの出力ピーク波長の中間に位置する波長において、出力ピークを有し、紫外域成分の出力が第１フォトダイオード１２ａよりも少ない第２フォトダイオード１２ｂを備えている。したがって、第１フォトダイオード１２ａの出力から第２フォトダイオード１２ｂの出力を減じると、紫外域成分の出力が得られる。
【００４９】
図５は、この場合のフォトダイオード出力の波長依存性（分光感度特性）を示すグラフである。
【００５０】
点線は第１フォトダイオード１２ａと第２フォトダイオード１２ｂの出力の差分を示し、実線は第３フォトダイオード１２ｃの出力を示す。
【００５１】
この差分の出力は、紫外域（２００ｎｍ〜）から可視域の一部（〜５００ｎｍ）に及ぶ帯域内において検出可能な出力を有し、波長３５０〜４５０ｎｍの帯域内にピークを有する。すなわち、差動増幅アンプ１６の出力端子１７（図３参照）からは、紫外域の光に対応する電気信号が得られることとなる。
【００５２】
差分の出力は、４５０ｎｍ以下の光に感度を有し、６５０ｎｍ以上の光による影響を排除したものである。これは、シリコンにおいて、短波長の光ほど光入射表面から浅い位置で吸収されてキャリアを発生するため、浅い位置に形成されたＰ型半導体層又はＮ型半導体層でキャリアは捕獲され、電流信号として出力される。一方、入射した光の中で長波長成分は、厚み方向の深い位置（第３フォトダイオード１２ｃ）でキャリアを発生する。
【００５３】
この光検出素子では、浅い位置で発生したキャリア、即ち短波長の光により発生したキャリアと、深い位置で発生した、即ち、より長波長の光により発生したキャリアとを別途捕獲しているので、電流信号の状態で差引くことで、長波長成分をキャンセルすることができる。
【００５４】
これにより、高価な化合物半導体からなる半導体光センサを用いなくても、所定（４５０ｎｍ以下）の紫外域の光にのみ感度を有することができる。本例の炎センサでは、シリコン基板の厚み方向の異なる深さ位置に複数のＰＮ接合を有する構成とし、安価なシリコンを用いつつも、深さ位置の異なる各ＰＮ接合からの信号を演算処理することにより、高価な化合物半導体を用いるものよりも、また、６５０ｎｍ以上の一部の波長を透過してしまう紫外線透過フィルタを用いるものよりも、高い信頼性を有する出力を得ることができる。
【００５５】
以上、説明したように、上述の実施形態における炎センサでは、輻射熱低減特性、紫外線選択性、フォトダイオード信号等価性、外部環境保護耐性が優れることにより、非常に信頼性に優れた紫外光強度に対応する出力を紫外光検出用リード端子から取り出し、赤外光強度に応じた炎の温度に対応する出力を温度検出用リード端子から取り出すことができる。また、高価な化合物半導体からなる光センサを用いず、かつ、高価な上に６５０ｎｍ以上の一部の波長を透過する紫外線透過フィルタを用いることなく、廉価で検出精度の高い火炎検出装置を実現できる。しかも、太陽光や室内照明らの外乱光の影響がない火炎検出装置が実現できる。
【００５６】
更に、第１及び第２中間アンプ１３，１４と、第１及び第２アンプ１６，１５は、同一基板上に形成されているため、簡易な構成とすることができ、且つ、光検出素子１００の第１及び第２フォトダイオード１２ａ，１２ｂと半導体回路基板２００の中間アンプ１３，１４の入力端子とはボンディングワイヤＢ１，Ｂ２で接続されているため、これも簡易な構成となり、また、これらを別体として製造することができるため、不良品の発生確率を低減することができる。なお、半導体回路基板２００はモノシリック半導体回路基板であるが、これはハイブリッド半導体回路基板としてもよい。
【００５７】
また、第３フォトダイオード１２ｃと第２アンプ１５の入力端子とは、ボンディングワイヤＢ３で接続されている。この場合も、簡易な構成とすることができ、また、これらを別体として製造することができるため、不良品の発生確率を低減することができる。
【００５８】
さらに、光検出素子１００は、光入射面側に設けられ、第１フォトダイオード１２ａに接続された第１パッド２３と、光入射面側に設けられ、第２フォトダイオード１２ｂに接続された第２パッド２１と、光入射面とは反対側に設けられ、第３フォトダイオード１２ｃに接続された第３パッド２２とを備えている。各フォトダイオードのパッドにはボンディングワイヤＢ１，Ｂ２．Ｂ３を接続することができ、電気信号をボンディングワイヤを介して各アンプに伝達することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、炎センサに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】炎センサを破断して示す斜視図である。
【図２】光検出素子の模式的な断面図である。
【図３】炎センサの回路図である。
【図４】分光感度特性を示すグラフである。
【図５】分光感度特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６１】
１，２，３，４，５・・・リード端子、６，７，８，１０・・・電極、
１００ａ・・・シリコン半導体基板、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ・・・フォトダイオード、１２・・・受光面、１３，１４，１５，１６・・・アンプ、１３ａ，１４ａ，１５ａ・・・オペアンプ、１３ｂ，１４ｂ，１５ｂ・・・帰還抵抗、１７・・・出力端子、３０・・・球レンズ、３１・・・固定部材、３２・・・パッケージ、４１・・・被覆、４２・・・クラッド、４３・・・コア、４４・・・光ファイバ、４５・・・ステム、１００・・・光検出素子、１０１・・・Ｎ型半導体基板、１０２ａ，１０２ｂ・・・Ｐ型ウェル層、１０３・・・Ｎ型半導体層、１０４・・・Ｎ型半導体層、１０５・・・絶縁膜、２００・・・半導体回路基板、Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６・・・ボンディングワイヤ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は炎センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、比較的高温状態にある炉に配設された燃焼器の燃焼状態（着火の有無）を検出する新たな火炎検出技術が期待されている。炉に配設された燃焼器の燃焼状態の検出には、従来、光電管式や半導体式の光センサが、実用レベルで使用されてきた。光電管式の光センサは、その検出感度が高いものの、高電圧電源が必要であり、高価である。
【０００３】
一方、半導体式の光センサを使用する技術としては、感応部にＣｄＳやＣｄＳｅ系の半導体を使用するものが実用レベルにある。この種の半導体式光センサは、燃焼炎から発する可視光及び赤外線を検出するものであり、例えば、燃料が油である油バーナーの燃焼状態を検出するために使用される。
【０００４】
しかしながら、燃料がメタンを主成分とする都市ガス等であるガスバーナーの燃焼炎を検出する場合、この種のバーナーは青火を形成するため、青火より発する紫外光によって炎の検出を行っている。しかし、比較的高温状態にある所謂、火炉において燃焼炎を検出しようとすると、炉壁の輻射が可視・赤外線を発生し、背景光ノイズとなる。また、背景光ノイズ抑制のため、紫外線透過フィルタを用いる試みが提案されている（特許文献１、特許文献２参照）。
【０００５】
ところが、炉内温度が、比較的高温の１０００℃〜１４００℃程度となる炉にあっては、充分に燃焼炎を検出することができない場合がある。この状況を更に詳細に説明すると、半導体式光センサとしてＳｉ系のフォトダイオードを使用して、紫外線透過フィルタとしてＵ−３４０（ホヤガラス社製）を使用する場合、燃焼器が消火状態にある場合においても、温度が１０００℃〜１４００℃の温度域にある場合には、十分なフィルタ除去ができず、６５０ｎｍから７５０ｎｍの波長域に強い光信号が検出される。
【０００６】
この光信号は、紫外域の炎の信号ではなく、熱の輻射による光信号であるため、ノイズ（Ｎ）の一成分となる。なお、ここで炎の信号の定義として、着火状態にある光信号強度と消火状態にある光信号強度との差が、燃焼炎のシグナル（Ｓ）であり、この信号強度に対して、消火状態にある場合の光信号強度がノイズ（Ｎ）としている。即ち、Ｓ／Ｎ比が、温度上昇に伴って急速に低下するため、このような比較的高温の温度域では、実質、炎の燃焼・消失を良好に検出することが困難になるという問題がある。
【０００７】
このような問題を解決する為に、特許文献２の技術では、半導体式光センサとして、６５０ｎｍ以上の波長領域に感度を有しないＧａＡｓＰやＧａＰ等の化合物半導体からなる半導体式紫外線センサを用いることを提案している。また、接合の深さが異なるフォトダイオードを利用することも提案されており（特許文献３）、更に、光検出素子としては、特許文献４や特許文献５に記載されるものが知られている。
【特許文献１】特開２０００−９９８５０号公報
【特許文献２】特開２００２−２８６５４３号公報
【特許文献３】特許第３２２０３０２号公報
【特許文献４】特開２０００−１６４９１４号公報
【特許文献５】特開２００３−２９８０３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、紫外線透過フィルタや化合物半導体は高価である。さらに、紫外線透過フィルタは紫外光以外の光を完全に遮断できないという問題もある。火炎検出時に微小でも紫外光以外の光、例えば可視や近赤外の一部の波長範囲の光がフィルタを透過すると、残留熱からの輻射光を検出してしまい、実際に火炎が消えていても、まだついていると誤認する可能性があり、その信頼性の向上が期待されていた。
【０００９】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、炎センサにおけるノイズとなる熱と紫外線の影響を簡易な構成で除去し、信頼性を向上可能な炎センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の課題を解決するため、本発明に係る炎センサは、（Ａ）炎から出射した紫外域から可視域を含む光が一端に入射できる光ファイバと、（Ｂ）光ファイバの他端から出射したこの光が入射する第１フォトダイオード、この光の紫外域成分が減少して入射するように第１フォトダイオードよりも深い位置に形成された第２フォトダイオード、及びこの光の紫外域成分がさらに減少して入射するように第２フォトダイオードよりも深い位置に形成された第３フォトダイオードが、シリコン半導体基板の厚み方向に沿って整列し光ファイバの他端から出射される光に対して同軸に配置されてなる光検出素子と、（Ｃ）第１及び第２フォトダイオードの出力が入力され差動増幅を行う第１アンプと、（Ｄ）第３フォトダイオードの出力が入力される第２アンプと、（Ｅ）光検出素子及び第１及び第２アンプを収容し、光ファイバの他端が取り付けられたパッケージと、（Ｆ）第１アンプの出力からパッケージの外部に延びる紫外光検出用リード端子と、（Ｇ）第２アンプの出力から前記パッケージの外部に延びる温度検出用リード端子とを備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明の炎センサによれば、炎から出射される光を、光ファイバを介して光検出素子に導くため、光検出素子の輻射加熱が抑制され、光検出素子内部で発生する背景光成分が減少する。また、光ファイバを用いて光を入射することで、太陽光や室内照明等の外乱光の影響を無くすことができる。
【００１２】
この光検出素子は、光ファイバからの光に対して同軸配置された第１、第２及び第３のフォトダイオードからなり、これらがシリコンからなるため、紫外線透過フィルタでは完全には除去できない紫外域の光を１つの光軸に対して、半導体基板の深さ方向に沿って除去することができる。第１及び第２フォトダイオードには、紫外域成分の強度が異なる光が入射するが、これらの出力は第１アンプによって差動増幅され、また、これらがパッケージ内に収容されて外部の温度及び湿度変化から保護されている。
【００１３】
これにより、すなわち、光ファイバによる炎からの輻射熱低減特性、シリコンによる紫外線選択性、同軸配置による差動演算時のフォトダイオード信号等価性、パッケージによる外部環境保護耐性が優れることにより、第１アンプは、非常に信頼性に優れた紫外光強度に対応する出力、すなわち、炎の点火の有無に応じた出力を発生することができる。
【００１４】
この出力はパッケージから外部に延びる紫外光検出用リード端子から取り出すことができる。
【００１５】
また、第３フォトダイオードには、紫外域の光が大きく減少した光が入射するため、すなわち、赤外域の光が選択的に検出されるため、これを第２アンプにて増幅し、その出力を温度検出用リード端子から取り出すことで、炎の温度を検出することができる。この第２アンプもパッケージ内に収容されているため、温度や湿度による出力変化を抑制することができる。
【００１６】
また、本発明に係る炎センサは、第１及び第２フォトダイオードの出力に接続された入力端子、及び第１アンプの２つの差動入力端子にそれぞれ接続された出力端子をそれぞれ有する第１及び第２中間アンプと、第１及び第２アンプとを備える半導体回路基板を備え、光検出素子の第１及び第２フォトダイオードと半導体回路基板の第１及び第２中間アンプの入力端子とは、それぞれボンディングワイヤで接続されていることを特徴とする。
【００１７】
第１及び第２中間アンプと、第１及び第２アンプは、同一基板上に形成されているため、簡易な構成とすることができ、且つ、光検出素子と半導体回路基板の中間アンプの入力端子とはボンディングワイヤで接続されているため、簡易な構成となり、また、これらを別体として製造することができるため、不良品の発生確率を低減することができる。
【００１８】
また、本発明に係る炎センサは、第３フォトダイオードと第２アンプの入力端子とは、ボンディングワイヤで接続されていることを特徴とする。
【００１９】
この場合も、簡易な構成とすることができ、また、これらを別体として製造することができるため、不良品の発生確率を低減することができる。
【００２０】
本発明に係る炎センサでは、光検出素子は、光入射面側に設けられ、第１フォトダイオードに接続された第１パッドと、光入射面側に設けられ、第２フォトダイオードに接続された第２パッドと、光入射面とは反対側に設けられ、第３フォトダイオードに接続された第３パッドと、を備えていることを特徴とする。
【００２１】
各フォトダイオードのパッドにはボンディングワイヤを接続することができ、電気信号をボンディングワイヤを介して各アンプに伝達することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の炎センサによれば、ノイズとなる熱と紫外線の影響を簡易な構成で除去し、信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、実施の形態に係る炎センサについて説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２４】
図１は炎センサを一部破断して示す斜視図、図２は光検出素子の模式的な断面図、図３は炎センサの回路図である。
【００２５】
この炎センサは、以下の要素を備えている。
・炎から出射した紫外域から可視域を含む光が一端に入射できる光ファイバ４４。
・炎からの光が光ファイバの他端から入射する光検出素子１００。
・各種のアンプ１３，１４，１５，１６が形成された半導体回路基板２００。
・光ファイバ４４の他端側に配置され光ファイバ４４の出射光を受光面１２上に集束させる球レンズ３０。
・球レンズ３０をパッケージ３２の内面に固定する固定部材３１。
・光検出素子１００、回路基板２００及び球レンズ３０を収容し光ファイバ４４の他端を固定するパッケージ３２。
・パッケージ３２の底部から延びたリード端子１，２，３，４，５。
・パッケージ３２のステム４５の内側面に設けられた電極６，７，８，１０。
【００２６】
以下、各要素について詳説する。
【００２７】
光ファイバ４４は、被覆４１内を貫通するクラッド４２及びコア４３を備えている。
【００２８】
光検出素子１００は、第１フォトダイオード（１２ａ（図３参照）：Ｎ型半導体層１０４，Ｐ型半導体層１０２ｂ（図２参照））、この光の紫外域成分が減少して入射するように第１フォトダイオード１２ａよりも深い位置に形成された第２フォトダイオード（１２ｂ（図３参照）：Ｎ型半導体層１０３、Ｐ型半導体層１０２ａ及びＰ型半導体層１０２ｂ）、及びこの光の紫外域成分がさらに減少して入射するように第２フォトダイオード１２ｂよりも深い位置に形成された第３フォトダイオード（１２ｃ（図３参照）：Ｐ型半導体層１０２ａ、Ｎ型半導体基板１０１）を備えている。
【００２９】
第１、第２及び第３フォトダイオード１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、シリコン半導体基板１００ａの厚み方向に沿って整列しており、光ファイバ４４の他端から出射される光に対して同軸に配置されている。
【００３０】
すなわち、図２を参照すると、Ｎ型半導体基板１０１上には、Ｐ型半導体層（Ｐ型ウェル層）１０２ａ、Ｎ型半導体層１０３、Ｐ型半導体層（Ｐ型ウェル層）１０２ａに連続するＰ型半導体層（Ｐ型ウェル層）１０２ｂ、Ｎ型半導体層１０４、絶縁膜１０５が順次形成されている。
【００３１】
この光検出素子１００は、Ｎ型半導体基板１０１上にＰ型ウェル層１０２ａ，１０２ｂを形成し、その中にＮ型半導体層１０３，１０４を表面側の下部に、２層形成する。この２つのＮ型半導体層（拡散層）１０３，１０４は、入射面側から見ると同軸になるように形成されている。
【００３２】
Ｎ型半導体基板１０１の裏面側には、第３フォトダイオード１２ｃの電極２２’が設けられ、光ファイバ４４の位置する光入射面側の光検出素子表面上には、絶縁膜１０５のコンタクトホールを介して第１フォトダイオード１２ａの電極２３’、第２フォトダイオード１２ｂの電極２１’、グランドの端子２４の電極２４’が設けられている。
【００３３】
Ｐウェル層内の表面側のＮ型半導体層１０４より出力１が、また、Ｐ型ウェル層内の下部のＮ型半導体層１０３より出力２が、Ｎ型半導体基板１０１側から出力３が得られる。そして、Ｐ型ウェル層１０２ａ，１０２ｂは、フォトダイオードのアノード電極（出力とは反対電極）となる。
【００３４】
出力１のＮ型半導体層１０４は、入射面から最も浅い部分に位置するため、吸収係数の大きい紫外線から青色の波長の光に感度が高い出力を得ることができる。また、出力２のＮ型半導体層１０３は、上下のＮ型半導体の中間に位置し、緑色の波長の光に感度が高い出力を得ることができる。さらに、出力３の基板となるＮ型層は最も深い部分に位置し、吸収係数が比較的小さい赤色から近赤外の波長の光に感度が高い出力を得ることができる。つまり、夫々異なる感度を有する３つのフォトダイオードが同軸上に形成されている。
【００３５】
光ファイバ４４からの出射光（例：信号ｈν１＋ｈν２（光のエネルギー））は、光検出素子の受光面１２上に入射し、紫外域成分が深さ方向に沿って減少しながら第３フォトダイオード１２ｃまで到達する。パッケージ３２は、ステム４５に対向する頂面にファイバ取り付け用の凹部を備えており、この凹部内に光ファイバ４４が挿入されている。
【００３６】
この炎センサによれば、炎から出射される光を、光ファイバ４４を介して光検出素子１００に導くため、光検出素子１００の輻射加熱が抑制され、光検出素子１００の内部で発生する熱ノイズが減少する。また、光ファイバ４４を用いることで、太陽光や室内照明等の外乱光の影響を無くすことが可能となる。
【００３７】
光検出素子１００は、光ファイバ４４からの光に対して同軸配置された第１、第２及び第３のフォトダイオード１２ａ，１２ｂ，１２ｃからなり、これらがシリコンからなるため、紫外線透過フィルタでは完全には除去できない紫外域の光を１つの光軸に対して半導体基板の深さ方向に沿って除去することができる。また、異なる感度を有するフォトダイオードが、光の入射方向に対して同軸上に形成されているため、小さい受光エリアで被検出光を有効に利用することができる。
【００３８】
図３に示すように、３つのフォトダイオード１２ａ，１２ｂ，１２ｃはアノードが共通にグランドに接続されている。第１及び第２フォトダイオード１２ａ，１２ｂのカソードは、それぞれ端子２３，２１を介して中間アンプ１３，中間アンプ１４に接続されており、中間アンプ１３，１４の出力は差動増幅を行う第１アンプ１６の差動入力端子に接続され、第１及び第２フォトダイオード１２ａ，１２ｂの差動出力が端子１７から出力される（紫外光の検出）。第３フォトダイオード１２ｃのカソードは、光検出素子１００の下に敷かれたサブマウント２５上の端子２２を介して中間アンプ１５に接続されている。サブマウント２５はステム４５と第３フォトダイオードの出力を電気的に絶縁するために、ステムと光検出素子１００の間に置かれている。また、第２アンプ１５の出力は端子１８から出力され、第３フォトダイオード１２ｃの出力である炎の温度が検出される（炉温の検出）。なお、各アンプ１３，１４，１５は、電流電圧変換アンプであって、オペアンプ１３ａ，１４ａ，１５ａ及び帰還抵抗１３ｂ，１４ｂ，１５ｂを備えており、入力端子の一方は基準電位Ｖｒｅｆに接続されている。
【００３９】
このように、半導体回路基板２００は、第１及び第２中間アンプ１３，１４と、第１及び第２アンプ１６，１５とを備えており、また、第１及び第２中間アンプ１３，１４は、第１及び第２フォトダイオード１２ａ，１２ｂの出力２３，２１に接続された入力端子、及び第１アンプ１６の２つの差動入力端子にそれぞれ接続された出力端子をそれぞれ有している。
【００４０】
第１及び第２フォトダイオード１２ａ，１２ｂには、紫外域成分の強度が異なる光が入射するが、これらの出力は第１アンプ１６によって差動増幅され、また、これらがパッケージ３２内に収容されて外部の温度及び湿度変化から保護されている。この炎センサでは、光ファイバ４４による炎からの輻射熱低減特性、シリコンによる紫外線選択性、同軸配置による差動演算時のフォトダイオード信号等価性、パッケージによる外部環境保護耐性が優れることにより、第１アンプ１６は、非常に信頼性に優れた紫外光強度に対応する出力、すなわち、炎の点火の有無に応じた出力を発生することができる。
【００４１】
図１に示すように、第１アンプ１６の出力（端子１７）は、ボンディングワイヤＢ４及び電極７を介して紫外光検出用リード端子２に接続され、紫外光検出用リード端子２は、ステム４５内からパッケージ３２の外部に延びている。このように、第１アンプ１６の出力はパッケージ３２から外部に延びる紫外光検出用リード端子２から取り出すことができる。
【００４２】
第２アンプ１５の出力（端子１８）は、ボンディングワイヤＢ５及び電極１０を介して温度検出用リード端子５に接続され、温度検出用リード端子５は、ステム４５内からパッケージ３２の外部に延びている。第３フォトダイオード１２ｃには、紫外域の光が大きく減少した光が入射するため、すなわち、赤外域の光が選択的に検出されるため、これを第２アンプ１５にて増幅し、その出力を温度検出用リード端子５から取り出すことで、赤外光強度に応じた炎の温度を検出することができる。第２アンプ１５もパッケージ３２内に収容されているため、温度や湿度による出力変化を抑制することができる。
【００４３】
光検出素子１００のグランド端子２４（光入射面側に設けられたパッド）は、ボンディングワイヤＢ６によりステム４５に接続され、リード端子４は、ステム４５と接続されてパッケージ３２の外部に延びている。
【００４４】
なお、リード端子１，３は、パッケージ内部の電極６，８に接続されており、各アンプに電源、基準電位を供給している。
【００４５】
最後に、差動増幅アンプ１６によって、炎に含まれる紫外域の光が検出できる原理について説明しておく。
【００４６】
図４は、フォトダイオード出力の波長依存性（分光感度特性）を示すグラフである。
【００４７】
点線は第１フォトダイオード１２ａの出力を示し、実線は第３フォトダイオード１２ｃの出力を示す。光入射面側に位置する第１フォトダイオード１２ａは、紫外域（２００ｎｍ〜）から赤外域（〜１０００ｎｍ）に及ぶ帯域内において検出可能な出力を有し、波長４００〜５００ｎｍの帯域内にピークを有する。一方、深い位置にある第３フォトダイオード１２ｃは、可視域（４５０〜）から赤外域（〜１１００ｎｍ）に及ぶ帯域内において検出可能な出力を有し、波長７００〜９００ｎｍの帯域内にピークを有する。
【００４８】
上述の実施形態の炎センサにおいては、第１フォトダイオード１２ａの出力ピーク波長と、第３フォトダイオード１２ｃの出力ピーク波長の中間に位置する波長において、出力ピークを有し、紫外域成分の出力が第１フォトダイオード１２ａよりも少ない第２フォトダイオード１２ｂを備えている。したがって、第１フォトダイオード１２ａの出力から第２フォトダイオード１２ｂの出力を減じると、紫外域成分の出力が得られる。
【００４９】
図５は、この場合のフォトダイオード出力の波長依存性（分光感度特性）を示すグラフである。
【００５０】
点線は第１フォトダイオード１２ａと第２フォトダイオード１２ｂの出力の差分を示し、実線は第３フォトダイオード１２ｃの出力を示す。
【００５１】
この差分の出力は、紫外域（２００ｎｍ〜）から可視域の一部（〜５００ｎｍ）に及ぶ帯域内において検出可能な出力を有し、波長３５０〜４５０ｎｍの帯域内にピークを有する。すなわち、差動増幅アンプ１６の出力端子１７（図３参照）からは、紫外域の光に対応する電気信号が得られることとなる。
【００５２】
差分の出力は、４５０ｎｍ以下の光に感度を有し、６５０ｎｍ以上の光による影響を排除したものである。これは、シリコンにおいて、短波長の光ほど光入射表面から浅い位置で吸収されてキャリアを発生するため、浅い位置に形成されたＰ型半導体層又はＮ型半導体層でキャリアは捕獲され、電流信号として出力される。一方、入射した光の中で長波長成分は、厚み方向の深い位置（第３フォトダイオード１２ｃ）でキャリアを発生する。
【００５３】
この光検出素子では、浅い位置で発生したキャリア、即ち短波長の光により発生したキャリアと、深い位置で発生した、即ち、より長波長の光により発生したキャリアとを別途捕獲しているので、電流信号の状態で差引くことで、長波長成分をキャンセルすることができる。
【００５４】
これにより、高価な化合物半導体からなる半導体光センサを用いなくても、所定（４５０ｎｍ以下）の紫外域の光にのみ感度を有することができる。本例の炎センサでは、シリコン基板の厚み方向の異なる深さ位置に複数のＰＮ接合を有する構成とし、安価なシリコンを用いつつも、深さ位置の異なる各ＰＮ接合からの信号を演算処理することにより、高価な化合物半導体を用いるものよりも、また、６５０ｎｍ以上の一部の波長を透過してしまう紫外線透過フィルタを用いるものよりも、高い信頼性を有する出力を得ることができる。
【００５５】
以上、説明したように、上述の実施形態における炎センサでは、輻射熱低減特性、紫外線選択性、フォトダイオード信号等価性、外部環境保護耐性が優れることにより、非常に信頼性に優れた紫外光強度に対応する出力を紫外光検出用リード端子から取り出し、赤外光強度に応じた炎の温度に対応する出力を温度検出用リード端子から取り出すことができる。また、高価な化合物半導体からなる光センサを用いず、かつ、高価な上に６５０ｎｍ以上の一部の波長を透過する紫外線透過フィルタを用いることなく、廉価で検出精度の高い火炎検出装置を実現できる。しかも、太陽光や室内照明らの外乱光の影響がない火炎検出装置が実現できる。
【００５６】
更に、第１及び第２中間アンプ１３，１４と、第１及び第２アンプ１６，１５は、同一基板上に形成されているため、簡易な構成とすることができ、且つ、光検出素子１００の第１及び第２フォトダイオード１２ａ，１２ｂと半導体回路基板２００の中間アンプ１３，１４の入力端子とはボンディングワイヤＢ１，Ｂ２で接続されているため、これも簡易な構成となり、また、これらを別体として製造することができるため、不良品の発生確率を低減することができる。なお、半導体回路基板２００はモノシリック半導体回路基板であるが、これはハイブリッド半導体回路基板としてもよい。
【００５７】
また、第３フォトダイオード１２ｃと第２アンプ１５の入力端子とは、ボンディングワイヤＢ３で接続されている。この場合も、簡易な構成とすることができ、また、これらを別体として製造することができるため、不良品の発生確率を低減することができる。
【００５８】
さらに、光検出素子１００は、光入射面側に設けられ、第１フォトダイオード１２ａに接続された第１パッド２３と、光入射面側に設けられ、第２フォトダイオード１２ｂに接続された第２パッド２１と、光入射面とは反対側に設けられ、第３フォトダイオード１２ｃに接続された第３パッド２２とを備えている。各フォトダイオードのパッドにはボンディングワイヤＢ１，Ｂ２．Ｂ３を接続することができ、電気信号をボンディングワイヤを介して各アンプに伝達することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、炎センサに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】炎センサを破断して示す斜視図である。
【図２】光検出素子の模式的な断面図である。
【図３】炎センサの回路図である。
【図４】分光感度特性を示すグラフである。
【図５】分光感度特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６１】
１，２，３，４，５・・・リード端子、６，７，８，１０・・・電極、
１００ａ・・・シリコン半導体基板、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ・・・フォトダイオード、１２・・・受光面、１３，１４，１５，１６・・・アンプ、１３ａ，１４ａ，１５ａ・・・オペアンプ、１３ｂ，１４ｂ，１５ｂ・・・帰還抵抗、１７・・・出力端子、３０・・・球レンズ、３１・・・固定部材、３２・・・パッケージ、４１・・・被覆、４２・・・クラッド、４３・・・コア、４４・・・光ファイバ、４５・・・ステム、１００・・・光検出素子、１０１・・・Ｎ型半導体基板、１０２ａ，１０２ｂ・・・Ｐ型ウェル層、１０３・・・Ｎ型半導体層、１０４・・・Ｎ型半導体層、１０５・・・絶縁膜、２００・・・半導体回路基板、Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６・・・ボンディングワイヤ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炎センサにおいて、
炎から出射した紫外域から可視域を含む光が一端に入射できる光ファイバと、
前記光ファイバの他端から出射した前記光が入射する第１フォトダイオード、前記光の紫外域成分が減少して入射するように前記第１フォトダイオードよりも深い位置に形成された第２フォトダイオード、及び前記光の紫外域成分がさらに減少して入射するように前記第２フォトダイオードよりも深い位置に形成された第３フォトダイオードが、シリコン半導体基板の厚み方向に沿って整列し前記光ファイバの他端から出射される光に対して同軸に配置されてなる光検出素子と、
前記第１及び第２フォトダイオードの出力が入力され差動増幅を行う第１アンプと、
前記第３フォトダイオードの出力が入力される第２アンプと、
前記光検出素子及び前記第１及び第２アンプを収容し、前記光ファイバの他端が取り付けられたパッケージと、
前記第１アンプの出力から前記パッケージの外部に延びる紫外光検出用リード端子と、
前記第２アンプの出力から前記パッケージの外部に延びる温度検出用リード端子と、
を備えることを特徴とする炎センサ。
【請求項２】
前記第１及び第２フォトダイオードの出力に接続された入力端子、及び前記第１アンプの２つの差動入力端子にそれぞれ接続された出力端子をそれぞれ有する第１及び第２中間アンプと、
前記第１及び第２アンプと、
を備える半導体回路基板を備え、
前記光検出素子の前記第１及び第２フォトダイオードと、前記半導体回路基板の前記第１及び第２中間アンプの入力端子とは、それぞれボンディングワイヤで接続されていることを特徴とする請求項１に記載の炎センサ。
【請求項３】
前記第３フォトダイオードと前記第２アンプの入力端子とは、ボンディングワイヤで接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の炎センサ。
【請求項４】
前記光検出素子は、
光入射面側に設けられ、前記第１フォトダイオードに接続された第１パッドと、
光入射面側に設けられ、前記第２フォトダイオードに接続された第２パッドと、
光入射面とは反対側に設けられ、前記第３フォトダイオードに接続された第３パッドと、
を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の炎センサ。
【請求項１】
炎センサにおいて、
炎から出射した紫外域から可視域を含む光が一端に入射できる光ファイバと、
前記光ファイバの他端から出射した前記光が入射する第１フォトダイオード、前記光の紫外域成分が減少して入射するように前記第１フォトダイオードよりも深い位置に形成された第２フォトダイオード、及び前記光の紫外域成分がさらに減少して入射するように前記第２フォトダイオードよりも深い位置に形成された第３フォトダイオードが、シリコン半導体基板の厚み方向に沿って整列し前記光ファイバの他端から出射される光に対して同軸に配置されてなる光検出素子と、
前記第１及び第２フォトダイオードの出力が入力され差動増幅を行う第１アンプと、
前記第３フォトダイオードの出力が入力される第２アンプと、
前記光検出素子及び前記第１及び第２アンプを収容し、前記光ファイバの他端が取り付けられたパッケージと、
前記第１アンプの出力から前記パッケージの外部に延びる紫外光検出用リード端子と、
前記第２アンプの出力から前記パッケージの外部に延びる温度検出用リード端子と、
を備えることを特徴とする炎センサ。
【請求項２】
前記第１及び第２フォトダイオードの出力に接続された入力端子、及び前記第１アンプの２つの差動入力端子にそれぞれ接続された出力端子をそれぞれ有する第１及び第２中間アンプと、
前記第１及び第２アンプと、
を備える半導体回路基板を備え、
前記光検出素子の前記第１及び第２フォトダイオードと、前記半導体回路基板の前記第１及び第２中間アンプの入力端子とは、それぞれボンディングワイヤで接続されていることを特徴とする請求項１に記載の炎センサ。
【請求項３】
前記第３フォトダイオードと前記第２アンプの入力端子とは、ボンディングワイヤで接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の炎センサ。
【請求項４】
前記光検出素子は、
光入射面側に設けられ、前記第１フォトダイオードに接続された第１パッドと、
光入射面側に設けられ、前記第２フォトダイオードに接続された第２パッドと、
光入射面とは反対側に設けられ、前記第３フォトダイオードに接続された第３パッドと、
を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の炎センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−１０５８７７（Ｐ２００６−１０５８７７Ａ）
【公開日】平成１８年４月２０日（２００６．４．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２９５３２７（Ｐ２００４−２９５３２７）
【出願日】平成１６年１０月７日（２００４．１０．７）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年４月２０日（２００６．４．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１０月７日（２００４．１０．７）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
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