(57)【要約】      （修正有）【課題】比較的簡単な構成で光変換器の損傷を検出するまでに要する時間を短くすることが可能な技術を提供する。【解決手段】入射光の少なくとも一部成分の波長を変換する光変換器の損傷を検出するための素子であって、（ａ）前記光検出器の光変換層１の少なくとも一面側に設けられた複数本の導電体膜２Ｂ，２Ｃを含み、（ｂ）前記複数の導電体膜の各々は、前記光変換層の一面側の一端と他端の間で複数回往復するように設けられ、かつ、互いに並列に接続されている、損傷検出素子である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光の少なくとも一部成分の波長を変換する光変換器の損傷を検出するための素子であって、
前記光検出器の光変換層の少なくとも一面側に設けられた複数本の導電体膜を含み、
前記複数の導電体膜の各々は、前記光変換層の一面側の一端と他端の間で複数回往復するように設けられ、かつ、互いに並列に接続されている、
損傷検出素子。
【請求項２】
前記複数の導電体膜は、各々、前記光変換層の一面側の互いに異なる領域にそれぞれ配置されている、
請求項１に記載の損傷検出素子。
【請求項３】
前記複数の導電体膜は、各々の前記一端と他端の間で１往復した部分同士が交互に並ぶように配置されている、
請求項１に記載の損傷検出素子。
【請求項４】
前記複数の導電体膜は、各々の全長が略同一である、
請求項１〜３の何れか１項に記載の損傷検出素子。
【請求項５】
前記複数の導電体膜は、各々の材質、膜厚、線幅が略同一である、
請求項１〜４の何れか１項に記載の損傷検出素子。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか１項に記載の損傷検出素子を含む光変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光変換器における損傷を検出するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
国際公開２０１６／１５６０００号公報（特許文献１）には、光変換器（波長変換器）と導電体膜を一体化し、その導電体膜を用いて光変換器の破損を検出する技術が記載されている。詳細には、導電体膜は、光変換器の一面に設けられており、例えば一方向に沿って何回か往復した一続きのパターン（全体として１本のパターン）に形成されるか、または一方向に沿った複数本のパターンに形成されている（特許文献１のＦＩＧ．２、ＦＩＧ．３参照）。光変換器の一部に損傷が生じた際にはその部分で導電体膜も破損するため、導電体膜の抵抗値が増加する。この抵抗値の増加を電子回路によって検出することで光変換器の破損を検出することができる。
【０００３】
上記のように導電体膜を用いて光変換器の破損を検出する場合、導電体膜のパターンをより細線化して短い間隔で導電体膜が配置されるようにすることで、より小さい破損であっても検出可能となる。また、光変換器により得られる光の輝度低下を抑えるには、導電体膜の厚さが小さいほどよい。しかしながら、導電体膜のパターンを細線化することや薄膜化することにより、導電体膜の抵抗値が大きくなる。導電体膜と接続される電子回路の入力端子やこの入力端子と導電体膜との間の配線には容量成分も含まれるので、導電体膜の抵抗値が増大すると、容量成分による信号遅延が大きくなる。このため、光変換器の損傷を検出するまでに要する時間が長くなる。
【０００４】
なお、特許文献１のＦＩＧ．３に記載されているように導電体膜を複数本のパターンに分けて並列に配置した場合には上記のような不都合が低減され得るが、この場合には導電体膜の本数に応じた入力端子および電子回路が必要となるため、構造が複雑になるという点で改良が望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開２０１６／１５６０００号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明に係る具体的態様は、比較的簡単な構成で光変換器の損傷を検出するまでに要する時間を短くすることが可能な技術を提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
［１］本発明に係る一態様の損傷検出素子は、入射光の少なくとも一部成分の波長を変換する光変換器の損傷を検出するための素子であって、（ａ）前記光検出器の光変換層の少なくとも一面側に設けられた複数本の導電体膜を含み、（ｂ）前記複数の導電体膜の各々は、前記光変換層の一面側の一端と他端の間で複数回往復するように設けられ、かつ、互いに並列に接続されている、損傷検出素子である。
［２］本発明に係る一態様の光変換器は、上記の損傷検出素子を含む光変換器である。
【０００８】
上記構成によれば、比較的簡単な構成で光変換器の損傷を検出するまでに要する時間を短くすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施形態の損傷検出素子とこれを備えた光変換器の構成を示す模式的な平面図である。
【図２】図２は、この光変換器の構成を示す模式的な断面図である。
【図３】図３は、導電体膜の一部（図１（Ａ）に点線の円で示す部分）の拡大図を示す図である。
【図４】図４は、比較例の光変換器の構成を示す模式的な平面図である。
【図５】図５（Ａ）は、各実施形態の損傷検出素子を用いる損傷検出回路の構成例を示す図である。図５（Ｂ）は、比較例の損傷検出素子を用いる損傷検出回路の構成例を示す図である。
【図６】図６は、Ｎに対するＲ１とＲ２の比を示す図である。
【図７】図７は、損傷検出回路に対するシミュレーション結果を示す図である。
【図８】図８は、損傷検出素子の変形例を示す模式的な平面図である。
【図９】図９は、損傷検出素子の変形例を示す模式的な平面図である。
【図１０】図１０は、損傷検出回路の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１（Ａ）は、一実施形態の損傷検出素子とこれを備えた光変換器の構成を示す模式的な平面図である。また、図２は、この光変換器の構成を示す模式的な断面図である。各図に示す光変換器は、入射光の少なくとも一部成分の波長を変換して出射させるものであり、波長変換層１、損傷検出素子２および基板３を含んで構成されている。
【００１１】
光変換層１は、入射光の少なくとも一部成分の波長を別の波長に変換するものであり、蛍光物質などを含んで構成されている。損傷検出素子２は、光変換層１の上面側に設けられており、光変換層１の損傷を検出するために用いられる。基板３は、例えばガラス基板のような透光性基板であり、一面側において光変換層１と損傷検出素子２を支持する。基板３は省いて、光変換層１および損傷検出素子２だけで光変換器を構成してもよい。その場合、光変換層１は、蛍光物質とガラスのような透光性材料の粉末を混ぜて焼結した板状の部材を使用する。なお、図２では透過型の光変換器を示しているが、光変換層１の下面側または基板３の他面側において反射層を設け、反射型の光変換器として構成してもよい。
【００１２】
図１（Ａ）に示すように、損傷検出素子２は、端子Ａ、端子Ｂの間で互いに並列に接続された２つの導電体膜２Ｂ、２Ｃを含んで構成されている。図中では、導電体膜２Ｂと導電体膜２Ｃを区別できるように、一方を実線、他方を点線で示している（以降においても同様）。これらの導電体膜２Ｂ、２Ｃは、それぞれ例えばＩＴＯ（インジウム錫酸化物）などの透明導電体を成膜し、パターニングすることによって形成される。図３は、導電体膜の一部（図１（Ａ）に点線の円で示す部分）の拡大図を示す図である。図３に例示するように、各導電体膜２Ｂ、２Ｃは、例えば５μｍ程度の線幅であり、隣り合う部位同士の間は例えば１７μｍ離間している。また、各導電体膜２Ｂ、２Ｃの膜厚は、例えば１００ｎｍ〜３００ｎｍ程度である。
【００１３】
図１（Ａ）に示すように、２つの導電体膜２Ｂ、２Ｃは、それぞれ光変換層１の一面のほぼ全体に亘るようにして、図中の右端と左端の間で蛇行して複数回往復するように形成されている。この実施形態では、導電体膜２Ｂと導電体膜２Ｃは、光変換層１の一面において互いに異なる領域に設けられている。詳細には、導電体膜２Ｂは、図中の上側に配置されており、光変換層１の左端と右端の間で２回半往復するようにして全体としてひとつながり（１本）の配線として形成されている。同様に、導電体膜２Ｃは、図中の下側に配置されており、光変換層１の左端と右端の間で２回半往復するようにして全体としてひとつながり（１本）の配線として形成されている。また、導電体膜２Ｂ、２Ｃは、それぞれの一端が端子Ａと接続され、それぞれの他端が端子Ｂと接続されている。図示のように、２つの導電体膜２Ｂ、２Ｃは、それぞれの全長（端子Ａから端子Ｂへ至るまでにたどる長さ）がほぼ同一になっている。それにより、導電体膜２Ｂと導電体膜２Ｃのそれぞれの抵抗値はほぼ同一になる。
【００１４】
なお、図１（Ｂ）に他の実施形態を示すように、２つの導電体膜２Ｂ、２Ｃは、互いの一部が交互に配置されるように形成されてもよい。図１（Ｂ）に示すように、導電体膜２Ｂ、２Ｃは、それぞれ図中の右端と左端の間で蛇行して複数回往復するように形成されている点では上記した図１（Ａ）に示すものと同様であるが、櫛歯状（入れ子状）となるように形成されている。具体的には、導電体膜２Ｂ、２Ｃは、互いに、図中の右端と左端の間で１往復した部分同士が図中の上下方向に沿って交互に配置されるように形成されている。別言すると、導電体膜２Ｂ、２Ｃは、一部分同士が２本ずつ図中の上下方向に沿って交互に配置されるように形成されている。導電体膜２Ｂは、図中の上側において、１往復した部分の１つから端子Ａへ繋ぐための部分も有する。同様に、導電体膜２Ｃは、図中の下側において、１往復した部分の１つから端子Ｂへ繋ぐための部分も有する。この実施形態においても、２つの導電体膜２Ｂ、２Ｃの全長はほぼ同一であり、それにより、導電体膜２Ｂと導電体膜２Ｃのそれぞれの抵抗値もほぼ同一である。
【００１５】
図４は、比較例の光変換器の構成を示す模式的な平面図である。上記した実施形態の光変換器と共通する構成要素については同符号を用いている。比較例の光変換器においては、損傷検出素子を構成する導電体膜２Ａが図中の右端と左端の間で蛇行して複数回往復しつつ全体として１本に繋がっている。ここで、導電体膜２Ａの往復回数、全長が上記した各実施形態における導電体膜２Ｂ、２Ｃと同じであり、膜厚等も同じであるとする。この場合、比較例の損傷検出素子において導電体膜２Ａの端子Ａと端子Ｂの間での抵抗値を１とすると、各実施形態の損傷検出素子２における導電体膜２Ｂ、２Ｃのそれぞれの端子Ａと端子Ｂの間での抵抗値は１／２となる。各実施形態の損傷検出素子２は、比較例との対比において、抵抗値が１／２である抵抗素子を端子Ａと端子Ｂの間で２つ並列に接続したものとなる。
【００１６】
図５（Ａ）は、各実施形態の損傷検出素子を用いる損傷検出回路の構成例を示す図である。ここでは損傷検出素子２の各導電体膜２Ｂ、２Ｃの等価回路を抵抗素子４Ｂ、４Ｃにより示している。この損傷検出回路５においては、抵抗素子４Ｂ、４Ｃの並列回路を電源３と抵抗素子６Ｂによりバイアスしている。導電体膜２Ｂや導電体膜２Ｃに損傷が生じた場合には、抵抗素子４Ｂ、４Ｃからなる並列回路の抵抗値が大きく上昇するので、比較器８の一方入力端に入力される電圧９が低下する。電源７によって比較器８の他方入力端に入力される参照電圧を適宜設定しておくことにより、電圧９の低下に伴って比較器８の出力電圧が変化する。この出力電圧を変化に基づいて光変換器の光変換層１の損傷を検出することができる。
【００１７】
図５（Ｂ）は、比較例の損傷検出素子を用いる損傷検出回路の構成例を示す図である。ここでは損傷検出素子２の導電体膜２Ａの等価回路を抵抗素子４Ａにより示している。この損傷検出回路５においては、抵抗素子４Ａを電源３と抵抗素子６Ａによりバイアスしている。この損傷検出回路５の動作については上記と同様である。
【００１８】
次に、各実施形態の損傷検出素子２による効果が得られるメカニズムを説明する。
まず、図５（Ｂ）に示した比較例において、電源３の電圧をＶ１、抵抗素子４Ａの抵抗値をＲ１、抵抗素子６Ａの抵抗値をＲ２とする。比較器８について、比較器８が検出可能である電圧の変化量をＶ２とする。電圧９の電圧変化を検出することで抵抗素子４Ａの抵抗値の変化を検出しているが、抵抗素子４Ａが断線することで、抵抗値がＲ１から無限大に変化した場合を想定する。この場合、電圧変化ΔＶＡは次式となる。
【００１９】
【数１】
2020085611.tif 000003
【００２０】
ここで、電圧変化ΔＶＡはＶ２より大きくする必要があるため、次式の条件が必要となる。
【００２１】
【数２】
2020085611.tif 000004
【００２２】
すると、Ｒ２は次式となる。
【００２３】
【数３】
2020085611.tif 000005
【００２４】
次に、図５（Ａ）に示した実施形態の回路を考える。この場合、抵抗素子４Ｂ、４Ｃの値はそれぞれ抵抗素子４Ａの１／２となる。破損により、抵抗素子４Ｂまたは抵抗素子４Ｃのいずれかが断線するものとすると、端子Ａおよび端子Ｂから見た損傷検出素子２の全体の抵抗値はＲ１／４からＲ１／２に変化することとなる。この場合、電圧変化ΔＶＢは次式となる。
【００２５】
【数４】
2020085611.tif 000006
【００２６】
比較例の場合と同様に、比較器８が検出可能である電圧変化をＶ２とすると、電圧変化ΔＶＢに必要とされる条件は次式となる。
【００２７】
【数５】
2020085611.tif 000007
【００２８】
ここで、数値例として、Ｖ１＝３．３ボルト、Ｖ２＝５０ｍボルトとすると、Ｒ２の条件は次式となる。
【００２９】
【数６】
2020085611.tif 000008
【００３０】
一方、式（３)の条件では以下のようになる。
【００３１】
【数７】
2020085611.tif 000009
【００３２】
つまり、Ｒ２として設定可能な最小値は約１／２となる。断線時に電圧９の電圧が変化する際の時定数はＲ２の値に比例するので、抵抗素子を２つにしてそれらを並列接続して抵抗値の変化を検出することで、電圧の変化に要する時間が短縮される。それにより、光変換器の損傷をより高速に検出することが可能となる。
【００３３】
同様にして、並列に接続される抵抗素子（導電体膜）の数を２以上の整数Ｎとすると、Ｎ本並列接続された抵抗素子のうち１本断線した場合の電圧変化ΔＶＣは次式となる。
【００３４】
【数８】
2020085611.tif 000010
【００３５】
断線検出の必要条件をＶ２＜＜ΔＶＣとすると、Ｒ２は次式となる。
【００３６】
【数９】
2020085611.tif 000011
【００３７】
Ｒ２の値が小さくなるに従い、寄生容量による速度低下の影響も低減される。ここで、電源電圧Ｖ１、比較器の閾値バラつき電圧Ｖ２、導電体膜の抵抗値の合計値Ｒ１を定数とする。これらの定数に対してＲ２を最小化すると寄生容量の影響も最小化される。例として、Ｖ１＝３．３ボルト、Ｖ２＝５０ｍボルトとした場合におけるＲ２のＮに対するＲ１とＲ２の比を図６に示す。この条件ではＮ＝２でＲ２／Ｒ１が激減し、Ｎ＝３以上でＲ２／Ｒ１が飽和を始め、Ｎ＝１３でＲ２／Ｒ１が最小となる。
【００３８】
電圧変化速度改善の検証として、図５（Ａ）に示した損傷検出回路５に対するシミュレーション結果を図７に示す。図７における縦軸ΔＶは、抵抗切断による電圧９の変化量である。このシミュレーションでは、抵抗切断により、Ｎ＝１では抵抗素子４が１ＭΩから１００ＭΩ、Ｎ＝１３では１２．８ＫΩから１１．８ＫΩに変化するものとしている。この抵抗素子４の条件で、電源３の電圧を３．３ボルトとし、抵抗切断により電圧９が５０ｍボルト増加するようにＲ２を設定し、寄生容量の影響についてシミュレーションを実施した。寄生容量は抵抗素子６と並列に発生するものと想定した。
【００３９】
図７に示すように、Ｎの値が２以上で大きくなるほど電圧９の変化速度が改善する傾向がみられた。また、実際の使用環境では絶縁体の抵抗も無限大ではなく、また不純物を含む水分等により、抵抗素子４Ｂ、４Ｃに寄生抵抗が並列に接続されている状態となる。このような抵抗成分も検出精度低下をもたらすが、抵抗素子を複数並列に接続した場合、抵抗値が低下するため、寄生抵抗の影響も低減される。また、導電体膜を形成する場合、その抵抗値は膜厚および線幅のバラつきにより変化する。上記した実施形態のように抵抗素子を並列接続し、そのいずれかの切断による抵抗変化を検出する場合、各抵抗素子の合計が一定ならば、全ての抵抗値が均一であるほうが望ましい。加工による膜厚及び幅の差は一般的に距離が近いほど少なくなる。そのため、例えば分割数Ｎ＝２の場合、図１（Ｂ）に示した実施形態の損傷検出素子のように２本の導電体膜部分が常に隣接するように配置することで、検出精度が向上する。また、分割数Ｎ＝３以上の場合も、図８に例示する構成の損傷検出素子のように、各導電体膜２Ｄ、２Ｅ、２Ｆが光変換層１の上面の面内において均一に配置されることが望ましい。分割数をさらに大きくした場合も同様であり、その一例としてＮ＝５とした場合の損傷検出素子の構成例を図９に示す。
【００４０】
以上のような実施形態によれば、導電体膜の本数に関係なく入力端子および電子回路が１組しか必要のない比較的簡単な構成で光変換器の損傷を検出するまでに要する時間を短くすることが可能となる。
【００４１】
なお、本発明は上記した実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。例えば、損傷検出素子を構成する各導電体の配置については上記したものに限定されない。また、上記した実施形態では光変換器の光変換層の一面側のみに損傷検出素子を設けていたが他面側にも同様にして損傷検出素子を設けてもよい。
【００４２】
また、上記した実施形態では、損傷検出回路において応答速度を高めるために比較器８を使用しているが、例えば抵抗素子６にオープンモードの故障が発生した場合、その故障を検出するのは難しい。一般的にシステムの冗長性を高めるためには多重化が考えられるが、例えば上記した実施形態の損傷検出回路では、抵抗素子４Ｂ、４Ｃと抵抗素子６Ｂは多重化できない。このため、より厳重な安全性が求められるシステムでは、その対策が必要となる。これについて、図１０に例示する損傷検出回路のように、別途増幅器１３を接続し、電圧９のアナログ電圧も同時にモニターする方法が考えられる。アナログ電圧監視による検出速度は、アナログ信号処理も必要となるために低速となるが、複数の故障が同時に発生する確率は非常に低いため、例えば抵抗素子６Ｂにオープンモードの故障が発生したとしても、同時に抵抗素子４Ｂまたは抵抗素子４Ｃに異常が発生する可能性は非常に低いため、アナログ電圧の監視による検出速度が低速であっても、より速やかに光変換器の損傷を検出して上位の処理回路１４へ通知することが可能となる。
【符号の説明】
【００４３】
１：光変換層、２：損傷検出素子、２Ｂ、２Ｃ：導電体膜、３、６Ｂ、７：電源、４Ａ、４Ｂ：抵抗素子、５：損傷検出回路、比較器８
【図１】
2020085611.tif 000012
【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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