(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一主面に発光部を有し、当該発光部で発光された光が前記第一主面とは逆側の第二主面から出射される第一基板と、
第一主面にセンサ部を有し、前記第一主面とは逆側の第二主面に入射される光を前記センサ部により検知する第二基板と、
前記第一基板及び前記第二基板のそれぞれの前記第二主面側に、当該第二主面それぞれから離して配置された第一光反射部と、
上面視で前記第一基板と前記第二基板との間に配置された第二光反射部と、
前記発光部に電流を供給すると共に、前記センサ部からの出力信号を処理する信号処理部と、を有し、
前記第一基板と前記第二基板と前記第一光反射部と前記第二光反射部とは、前記発光部で発光され前記第一基板の前記第二主面から出射された光が、少なくとも前記第一光反射部、前記第二光反射部及び前記第一光反射部の順で反射される光路を経てから、前記第二基板を通じて前記センサ部に入射されるように配置され、
前記第二光反射部は、前記センサ部の感度が１０％以上となる波長帯域中に、前記第二光反射部の反射率が３０％以上となる第一波長帯域と、当該第一波長帯域に隣接する長波長側及び短波長側それぞれに前記反射率が３０％未満となる第二波長帯域とを含む特性を有し、前記センサ部の感度が最大となる波長が前記第一波長帯域に含まれ、
前記第二光反射部と前記信号処理部とは一体形成されるガスセンサ。
【請求項２】
前記第二光反射部は、前記反射率が最大となる波長をλとしたときに、半値幅が０．５λ以下である請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記センサ部の感度が１０％以上となる波長帯域が、１μｍ以上１２μｍ以下である請求項１又は請求項２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記第二光反射部は、屈折率の異なる材料が積層された多層膜からなる干渉フィルタである請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記第一光反射部は、入射した光の少なくとも一部を集光して反射する凹面鏡である請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記第一基板、前記第二基板及び前記第二光反射部は封止部によって封止されている請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【請求項７】
前記センサ部及び前記発光部は、それぞれ同一の材料からなり且つ同一の積層構造からなる請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【請求項８】
前記積層構造は、少なくともＰ型半導体とＮ型半導体の２種類の層からなるダイオード構造であり、且つ、インジウム又はアンチモンのいずれかの材料を含む請求項７に記載のガスセンサ。
【請求項９】
前記第一基板及び前記第二基板は、同一の材料からなる請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【請求項１０】
前記信号処理部は、基板と当該基板の一方の面に形成された回路部とを含み、
前記第二光反射部は、前記信号処理部用の基板の、前記回路部が形成された面とは逆側の面に設けられる請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光素子は、多くの用途に用いられており、例えば、発光素子と受光素子とを組み合わせ、発光素子と受光素子とが配置された空間内の物体を検知するガスセンサ等にも用いられている。
例えば、特許文献１に記載の赤外線ガス分析計では、赤外線光源から発生された光が、測定対象のガスが導入されるセルを通過し、その後、光学特性が異なるフィルタを通過した光が赤外線検出センサに入光することによって、赤外線検出センサの出力信号に応じて測定対象のガスの有無や濃度を検出している。
また、特許文献２に記載の赤外線ガス分析計では、光源から出射された赤外光を、光源と向かい合うように配置された凹面反射鏡で反射し、受光器に入射する。このとき、光源及び受光器と凹面反射鏡との間の空間に被測定ガスを流入させることで、ガスによる赤外光の吸収の度合いを受光器で測定している。受光器の前面には、ガスによる吸収帯域の赤外光を通過させるための光学フィルタが設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０８−７５６４２号公報
【特許文献２】特開平０９−１８４８０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に記載されているような、光学特性が異なるフィルタを通過した光を赤外線検出センサで検出することにより、測定対象のガスの有無や濃度を検出する赤外線ガス分析計にあっては、測定対象のガスが赤外線を吸収するための光路長を十分に確保する必要があるため、赤外線光源等の発光部と赤外線検出センサ等の受光部とは十分に距離を離して配置されている。このため装置が大型化するという問題がある。
また、特許文献２に記載されているような、光源及び受光器と凹面反射鏡との間の空間に非測定ガスを流入させるようにした赤外線ガス分析計にあっては、光源から出射された赤外光を反射させるための反射鏡と、受光器が特定の波長帯の赤外光のみを受光するための光学フィルタが必要となる。このため、部品点数が多くなるという問題がある。
そこでこの発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、小型化が可能であり、部品点数を削減することの可能なガスセンサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によるガスセンサは、第一主面に発光部を有し、当該発光部で発光された光が前記第一主面とは逆側の第二主面から出射される第一基板と、第一主面にセンサ部を有し、前記第一主面とは逆側の第二主面に入射される光を前記センサ部により検知する第二基板と、前記第一基板及び前記第二基板のそれぞれの前記第二主面側に、当該第二主面それぞれから離して配置された第一光反射部と、上面視で前記第一基板と前記第二基板との間に配置された第二光反射部と、前記発光部に電流を供給すると共に、前記センサ部からの出力信号を処理する信号処理部と、を有し、前記第一基板と前記第二基板と前記第一光反射部と前記第二光反射部とは、前記発光部で発光され前記第一基板の前記第二主面から出射された光が、少なくとも前記第一光反射部、前記第二光反射部及び前記第一光反射部の順で反射される光路を経てから、前記第二基板を通じて前記センサ部に入射されるように配置され、前記第二光反射部は、前記センサ部の感度が１０％以上となる波長帯域中に、前記第二光反射部の反射率が３０％以上となる第一波長帯域と、当該第一波長帯域に隣接する長波長側及び短波長側それぞれに前記反射率が３０％未満となる第二波長帯域とを含む特性を有し、前記センサ部の感度が最大となる波長が前記第一波長帯域に含まれ、前記第二光反射部と前記信号処理部とは一体形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の一態様によれば、ガスセンサの小型化を図ることができると共に、さらに部品点数の削減も図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態に係るガスセンサの基本構造を説明するための構成図の一例である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るガスセンサの具体的構成を示す構成図の一例である。
【図３】光反射部の光学特性を示す特性図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るガスセンサの一例を示す構成図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係るガスセンサの一例を示す構成図である。
【図６】本発明の第４実施形態に係るガスセンサの一例を示す構成図である。
【図７】本発明の第５実施形態に係るガスセンサの一例を示す構成図である。
【図８】本発明の第６実施形態に係るガスセンサの一例を示す構成図である。
【図９】本発明の第７実施形態に係るガスセンサの一例を示す構成図である。
【図１０】本発明の第８実施形態に係るガスセンサの一例を示す構成図である。
【図１１】本発明の第８実施形態に係るガスセンサの他の例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態（以下、本実施形態という）について説明する。
なお、以下の詳細な説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するように多くの特定の具体的な構成について記載されている。しかしながら、このような特定の具体的な構成に限定されることなく他の実施態様が実施できることは明らかであろう。また、以下の実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１０】
＜第一の態様＞
［ガスセンサ］
第一の態様に係るガスセンサは、第一主面に発光部を有し、発光部で発光された光が第一主面とは逆側の第二主面から出射される第一基板と、第一主面にセンサ部を有し、第一主面とは逆側の第二主面に入射される光をセンサ部により検知する第二基板と、第一基板及び第二基板のそれぞれの第二主面側に、第二主面それぞれから離して配置された光反射部と、を備え、第一基板と第二基板と光反射部とは、発光部で発光され第一基板の第二主面から出射された光が光反射部で反射され、光反射部による反射光が第二基板を通じてセンサ部に入射されるように配置され、光反射部は、センサ部の感度が１０％以上となる波長帯域中に、光反射部の反射率が３０％以上となる第一波長帯域と、第一波長帯域に隣接する長波長側及び短波長側それぞれに反射率が３０％未満となる第二波長帯域とを含む特性を有し、センサ部の感度が最大となる波長が第一波長帯域に含まれている。
【００１１】
そして、第一基板及び第二基板と光反射部との間の空間に被検出ガスを導入することにより、被検出ガスの影響を受けた光がセンサ部に入射されることになり、この被検出ガスの影響を受けた光をセンサ部で検出することによって、被検出ガスの存在を検出することができる。
このような構成とすることにより、ガスセンサの小型化を図ることができ、且つ部品点数を削減することができる。
ここで、センサ部の感度（％）とは、「｛（ある波長でのセンサ部の感度）／（センサ部での感度の最大値）｝×１００」を意味する。
【００１２】
［第一基板］
第一基板は、第一主面上に発光部が形成されている。
第一基板の材料は特に制限されない。第一基板の材料として、例えばシリコンＳｉ、ガリウム砒素ＧａＡｓ、サファイア、リン化インジウムＩｎＰ、インジウム砒素ＩｎＡｓ、ゲルマニウムＧｅ等が挙げられるがこの限りではなく、使用する波長帯に応じて選択すればよい。
第一基板として、半絶縁性基板を使用することが可能であり、大口径化が可能である観点から、一実施形態としてＧａＡｓ基板を用いることができる。また、測定感度向上の観点から、第一基板の材料は、一実施形態として、発光部から出力される光の透過性が高いものを適用することができる。また、発光部の出力変動を高精度に補償する観点から、第一基板の材料は、一実施形態として第二主面において発光部から出力された光の一部を反射する材料を適用することができる。
【００１３】
また、第一基板は、第一主面上に、第二基板に設けられたセンサ部と同一のセンサ部をさらに備えていてもよい。第一基板の第一主面上に形成されたセンサ部は、第一基板の発光部から出射された光のうち第一基板の第二主面で反射する光を受光することができる。したがって、第一基板に形成されたセンサ部を、ガスセンサの参照用センサとして利用することが可能であり、ガス濃度の測定の精度を高めることができる。
【００１４】
［発光部］
発光部は第一基板の第一主面上に形成される。発光部は、被検出ガスによって吸収される波長を含む光を出力するものであれば特に制限されない。
発光部は、具体的には、第一基板の第一主面上に形成することができればどのような光源であっても適用することができる。発光部の具体的な形態としては、ＭＥＭＳやＬＥＤ等が挙げられる。その中で、被検出ガス以外の成分の光吸収によるノイズを低減する観点から、一実施形態として、被検出ガスの吸収が大きい波長帯の光のみを出力する発光部を用いることができる。具体的には、発光波長帯をアクティブ層（通称：活性層）のバンドギャップでコントロールすることができるという観点から、一実施形態として、ＬＥＤ構造の発光部を用いることができる。
【００１５】
一実施形態として、発光部はＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）又はＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）のような成膜方法を用いて成膜したＰＮ接合、又はＰＩＮ接合の積層構造部を備える。この積層構造部に電力を供給することによって、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）として動作し、活性層となるＩ層の材料のバンドギャップに応じた波長の光を放出することができる。
【００１６】
積層構造部は、一実施形態として、少なくともＰ型半導体とＮ型半導体の２種類の層からなるダイオード構造を含み、且つ、活性層はインジウムＩｎ又はアンチモンＳｂのいずれかの材料を含む。活性層がＩｎ又はＳｂを含むことにより赤外線領域の光（すなわち、赤外線）を発光させることが可能になる。具体的には、活性層にアンチモン化インジウムＩｎＳｂやＩｎＡｌＳｂやＩｎＡｓＳｂを用いることにより、１μｍ以上１０μｍ以下の波長を出力することができる。
【００１７】
被検出ガスが二酸化炭素の場合、二酸化炭素ガスは波長４．３μｍ付近に強い吸収を示すため、一実施形態として、活性層にＩｎＡｌＳｂを利用することができる。ここで、Ａｌの含有量を発光部（ＬＥＤ）の発光ピークが４．３μｍになるようにチューニングすることで高感度且つ高分解能のガスセンサを実現することができる。また、数μｍ以上１０μｍ以下付近に吸収のあるＣＯ結合を持つガス（例えば、１０μｍ付近に吸収がある気化したアルコール）であれば、活性層にＩｎＡｓＳｂを利用することが好ましい。
【００１８】
また後述のように第一基板の第一主面上に発光部と共にセンサ部を形成する場合に、さらに、第一基板に設けられた発光部と同様の発光部を第二基板の第一主面上に形成してもよい。これにより、第一基板の第一主面上に形成された発光部で不良が発生したような場合でも、第二基板の第一主面上に形成された発光部を代わりに光源として使用することが可能となる。また各基板に形成された発光部を一定の時間間隔で交互に駆動させることで、発光部の寿命を伸ばすことが可能となる。また一方の発光部をメインの光源として使用し、他方の発光部を校正用の光源として使用することもできる。これにより一方の光源の劣化の度合いを他方の光源の発光量等からモニタリングすることが可能となり、発光部の劣化補正が可能となる。
【００１９】
［第二基板］
第二基板は第一主面上にセンサ部を有していれば特に制限されない。第二主面から入射された光は、第二基板内部を通過して、センサ部に入射される。
第二基板の材料は特に制限されない。第二基板の材料として、例えばＳｉ、ＧａＡｓ、サファイア等が挙げられるがこの限りではない。一実施形態として、測定感度向上の観点から、第二基板の材料は、第二主面側から入射した光に対する透過性が高いものを適用することができる。また、量産性及び製造収率の観点から第一基板と第二基板とは、一実施形態として、同一の材料を適用することができる。
【００２０】
また、小型化の観点から、一実施形態として、第二基板は、第一基板と互いに側面を対向させて隣り合って配置され、第一基板と第二基板との間に光遮断部を配置させることも可能である。光遮断部は、入射される光を吸収する特性を有する。
第一基板と光遮断部とはこれらどうしが接するように配置してもよく、間隔を持って配置してもよい。同様に、光遮断部と第二基板とはこれらどうしが接するように配置してもよく、間隔を持って配置してもよい。第一基板と第二基板との間に光遮断部を有することにより、発光部から出力された光が第一基板と第二基板との間に介在するモールド樹脂等の封止部に伝達され、発光部から出力された光が、発光部、第一基板、封止用の材料、第二基板、センサ部の経路でセンサ部に伝達されてしまい、ガス空間を通過せずにセンサ部に入射することを防ぐことができる。その結果、検出感度（ガス濃度変化による信号の変化）を向上させることができる。
【００２１】
第二基板は、後述のように第一基板の第一主面上にもセンサ部を形成する場合に、第一基板に設けられた発光部と同様の発光部を第二基板の第一主面上に形成してもよい。これにより、第一基板の第一主面上に形成された発光部で不良が発生したような場合にも、第二基板の第一主面上に形成された発光部を代わりに光源として使用することが可能となる。また各基板に形成された発光部を一定の時間間隔で交互に駆動させることで、発光部の寿命を伸ばすことが可能となる。また一方の発光部をメインの光源として使用し、他方の発光部を校正用の光源として使用することもできる。これにより一方の光源の劣化の度合いを他方の光源の発光量などからモニタリングすることが可能となり、受光部の劣化補正が可能となる。
【００２２】
［センサ部］
センサ部は、第二基板の第一主面上に形成される。一実施形態では、センサ部は、後述するように、光反射部が選択的に反射する第一波長帯域の光に対して感度を有している。
センサ部の配置位置は、第一基板に設けられた発光部から出力された光のうち、光反射部から反射された光が入射される位置であれば特に制限されない。
信号処理の応答速度の観点から、センサ部は、ＰＮ接合、又はＰＩＮ接合のダイオード構造を有しており、インジウム又はアンチモンの何れかの材料を含んでも良い。さらに、センサ部は、被検出ガスの吸収波長に応じてＧａ、Ａｌ、Ａｓからなる群より選択される少なくとも１つの材料をさらに含む混晶系の材料を含んでも良い。
【００２３】
またセンサ部は、一実施形態として、センサの感度が１０％以上となる波長帯域が１μｍ以上１２μｍ以下の範囲に含まれている。センサ部が二酸化炭素ガス等の環境ガスの光吸収帯に感度を持つことで、センサ部の出力を環境ガスの濃度測定のために用いることが可能となる。
また、一実施形態として、量産性の観点から、センサ部の受光素子の材料及び積層構造は、発光部の材料及び積層構造と同様のものを用いることができる。
【００２４】
センサ部を回路（増幅器）に接続した場合のＳ／Ｎ比の観点から、多数の受光素子を設けることによって、受光部全体の内部抵抗を大きくすることができるため、増幅器に接続した場合、高いＳ／Ｎ比が実現できる。そのため、センサ部は、一実施形態として、受光素子を複数直列接続した形態としてもよい。
また前述のようなセンサ部を第一基板の第一主面上にさらに形成してもよい。この第一基板の第一主面上に形成されたセンサ部は、発光部から出射された光のうち第一基板の第二主面で反射する光を受光することができる。このセンサ部は、ガスセンサの参照用センサとして利用することが可能であり、参照用センサの出力を利用することで、受光部が第二基板にのみ形成されている場合と比べて、ガス濃度の測定の精度を高めることができる。
【００２５】
［光反射部］
光反射部は、第一基板及び第二基板の第二主面側に、第一基板及び第二基板それぞれから離れた位置に配置され、センサ部の感度が１０％以上となる波長帯域中に、反射率が３０％以上の第１波長帯域と、第１波長帯域に隣接する長波長側及び短波長側の両方の波長帯域に、反射率が３０％未満の第２波長帯域とを含む特性を有し、センサ部の感度が最大となる波長が第１波長帯域に含まれるものである。
ここで反射率とは、光反射部に略垂直に入射した特定の波長の光の強度に対する、光反射部から略垂直に反射する特定の波長の光の強度の比を意味する。
【００２６】
また光反射部は、センサ部をガスセンサの参照用センサとして利用する際にノイズを低減する観点から、一実施形態として、反射率が最大となる波長をλとしたときに、半値幅を０．５λ以下とすることができる。用途によっては、半値幅の０．２λ以下、又は半値幅の０．１λ以下が、被検出ガス濃度変化への感度（信号の変化／ガス濃度変化の信号比）向上の観点から好ましい場合がある。例えば、一実施形態として、ＣＯ２検出の場合、波長４．３μｍ付近で、半値幅を０．３μｍ以下とすることで感度向上を図ることができる。光反射部での反射率が最大となる波長λを測定対象ガスによる吸収が強い波長帯域と合わせて設計することで、センサ部に入射するノイズを低減し、ガス濃度測定の精度を向上させることが可能となる。
【００２７】
一般的には、入射角度によって反射特性は異なり、その最大値（ピーク）は光路設計によって異なる。垂直の入射角に対して、他の入射角度では反射特性のピークは短波長側にシフトするので、設計者は光路構造で決まる主な光のパスの入射／反射角度を中心にして、被検出ガスの吸収波長に合わせても良い。そうすると、僅かなガスの濃度変化に対して、信号の変化は大きくなるので、高感度且つ高精度のガスセンサを実現することができ、好ましい場合がある。
【００２８】
光反射部の一例として、Ｓｉ基板上に積層された多層構造の光学フィルタを適用した場合の、波長と透過特性の関係を後述の図３に示す。第一波長帯域は他の波長帯と比べて光学フィルタでの反射率が高くなる。光学フィルタでの反射率が高い程、ガスセンサのＳ／Ｎ比は良くなるため、一実施形態として、光学フィルタの第一波長帯域のピークの反射率は５０％とすることができ、また別の実施形態では６０％以上とすることができ、さらに別の実施形態では８０％以上とすることができる。
【００２９】
ＣＯ２ガスの検出装置又は濃度測定装置に使われる、ガスセンサに含まれる光反射部の場合、ＣＯ２ガスが強い吸収特性を持つ４．３μｍを第一波長帯域の中心として、中心から数１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の光を反射するようにしても良い。システムの高感度化を実現するには、ガスセンサの光学設計に合わせて、光反射部の反射特性を適宜変更しても良い。例えば特定の入射角のみの光を反射させるように設計しても良い。
【００３０】
光反射部は、第一基板の第二主面から出射した光のうち第一波長帯域以外の光を透過又は吸収してもよい。ここで、第一波長帯域以外の帯域を第二波長帯域と表す。第二波長帯域は発光部が発光する波長のうち、センサ部により検出されるが、測定対象の物質の検出に不要な波長帯のことを言う。光反射部は、第二波長帯域の光を透過してもよく、また、吸収してもよい。光反射部が光の吸収による輻射が発生すると外乱としてセンサ部に入ることが考えられるため、一実施形態として、第二波長帯域の光を透過させる構成とすることで、外乱を抑制することも可能である。例えば、発光部が２μｍ以上８μｍ以下付近の光を発光し、受光部が同様の波長帯を検出する能力を持ち、検出したい物質の吸収波長帯が４．２μｍ以上４．４μｍ以下付近にある場合、第二波長帯域は、２μｍ以上４．２μｍ以下付近及び４．４μｍ以上８μｍ以下付近にしても良い。この場合、一実施形態として、光反射部の第二波長帯域における透過率、又は吸収率を５０％以上とすればよい。
【００３１】
光反射部は、屈折率の異なる材料が積層された多層膜からなる干渉フィルタであってもよい。光反射部の具体的な例としては透明な基板上に、屈折率の異なる材料（例えば、Ｇｅ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＳｉＯ２、等）を交互に積層した干渉構造を利用することができる。波長によって、入射光が干渉現象によって、強めあったり、弱めあったりし、特定の光のみ強く反射させることができる。これらの積層構造は光反射部の基板の両面に形成しても良いし、片面でも良い。この基板の具体的な例としてはＧａＡｓやＳｉやサファイア等が挙げられる。
【００３２】
干渉フィルタの具体的な例としては、透過率の高いＳｉ基板の両面に、Ｇｅ及びＺｎＳの薄膜を交互に、数周期以上数十周期以下を積層した干渉フィルタが挙げられる。このような構造を利用することによって、一部の波長のみ反射率が強く（例えば８０％以上）なる干渉フィルタを実現でき、その他の波長を透過するような構造を実現することができる。
また、光反射部は後述の信号処理部に使われる基板（例えばＳｉ基板）の裏面（回路面と逆側の面）に設けても良い。この場合システムのさらなる小型化の観点から好ましい場合がある。
［信号処理部］
第１の態様に係るガスセンサは、発光部に電流を供給すると共に、センサ部からの出力信号を処理する信号処理部をさらに備えていてもよい。
【００３３】
＜第２の態様＞
次に、第２の態様を説明する。なお、第１の態様と同一部については説明を省略する。
［ガスセンサ］
第２の態様に係るガスセンサは、第一主面に発光部を有し、発光部で発光された光が第一主面とは逆側の第二主面から出射される第一基板と、第一主面にセンサ部を有し、第一主面とは逆側の第二主面に入射される光をセンサ部により検知する第二基板と、第一基板及び第二基板のそれぞれの第二主面側に、第二主面それぞれから離して配置された第一光反射部と、上面視で第一基板と第二基板との間に配置された第二光反射部と、を有し、第一基板と第二基板と第一光反射部と第二光反射部とは、発光部で発光され第一基板の第二主面から出射された光が、少なくとも第一光反射部、第二光反射部及び第一光反射部の順で反射される光路を経てから、第二基板を通じてセンサ部に入射されるように配置され、第二光反射部は、センサ部の感度が１０％以上となる波長帯域中に、第二光反射部の反射率が３０％以上となる第一波長帯域と、第一波長帯域に隣接する長波長側及び短波長側それぞれに反射率が３０％未満となる第二波長帯域とを含む特性を有し、センサ部の感度が最大となる波長が第一波長帯域に含まれている。
【００３４】
そして、第一基板、第二基板及び第一光反射部と、第二光反射部との間の空間に、被検出ガスを導入することにより、被検出ガスの影響を受けた光がセンサ部に入射されることになり、被検出ガスの影響を受けた光をセンサ部で検出することによって、被検出ガスの存在を検出することができる。
このような構成とすることにより、ガスセンサの小型化を図ることができ、且つ部品点数を削減することができる。その結果、小型でありながら、十分な光路長を確保することが可能となり、精度の高いガスセンサを提供することができる。
【００３５】
［第一光反射部］
第一光反射部は、第一基板及び第二基板の第二主面側に、これら第一基板及び第二基板それぞれから離れた位置に配置され、第一基板の第二主面から出射された光を反射する。また第一光反射部は、第一基板の第二主面から出射された光の一部が、第一光反射部及び第二光反射部で反射され、少なくとも１回、第二光反射部で反射された後に、第一光反射部によって反射されてセンサ部に入射されるように配置されている。
第一光反射部は、第二光反射部の反射面と平行な反射面を有する反射鏡であってもよく、また、入射した光の少なくとも一部を集光して反射する凹面鏡であってもよい。
【００３６】
［第二光反射部］
第二光反射部は、上面視で第一基板及び第二基板の間に設置され、第一光反射部で反射された光のうち第一波長帯域の光を選択的に反射する。また第二光反射部は、第一基板の第二主面から放出された光の一部が、第一光反射部及び第二光反射部で反射され、少なくとも１回第二光反射部で反射された後に、第一光反射部によって反射され、センサ部に入射されるように配置されている。
第二光反射部は、センサ部の感度が１０％以上となる波長帯域中に、第二光反射部の反射率が３０％以上の第一波長帯域と、この第一波長帯域に隣接する長波長側及び短波長側の波長帯域であり、第二光反射部の反射率が３０％未満となる第二波長帯域と、を含む特性を有し、センサ部の感度が最大となる波長が第一波長帯域に含まれている。ここで反射率とは、光反射部に略垂直に入射した特定の波長の光の強度に対する、光反射部から略垂直に反射する特定の波長の光の強度の比を意味する。
【００３７】
また第二光反射部は、センサ部をガスセンサの参照用センサとして利用する際にノイズを低減する観点から、一実施形態として、第二光反射部の反射率が最大となる波長をλとしたときに、半値幅を０．５λ以下とすることができる。用途によっては、半値幅の０．２λ以下、又は半値幅の０．１λ以下が、被検出ガス濃度変化への感度（信号の変化／ガス濃度変化の信号比）向上の観点から好ましい場合がある。例えば、ＣＯ２検出の場合、波長４．３μｍ付近で、半値幅を０．３μｍ以下とすることで感度向上を図ることができる。第二光反射部での反射率が最大となる波長λを測定対象ガスによる吸収が強い帯域と合わせて設計することで、センサ部に入射するノイズを低減し、ガス濃度測定の精度を向上させることが可能となる。
第二光反射部は、第一光反射部で反射された光のうち第一波長帯域を除く波長帯域の光を透過又は吸収してもよい。
第二光反射部は、屈折率の異なる材料が積層された多層膜からなる干渉フィルタであってもよい。
［封止部］
第一基板、第二基板、第一光反射部、及び第二光反射部は封止部によって封止されていてもよい。
【００３８】
＜実施形態＞
次に、図面を参照して本実施形態の具体例について説明する。なお、以下に説明する各図において、同一の構成を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
［第１実施形態］
図１は本発明の第１実施形態に係るガスセンサ１００の構成例を示す概念図であり、基本構造を示す。
測定対象のガスは、第一基板１１及び第二基板２１と、光反射部１５との間の空間に導入される。
第一基板１１の第一主面１２上に形成された発光部１３から出射された光は、第一基板１１の、第一主面１２とは逆側の第二主面１４から第一基板１１の外部に出射される。
第一基板１１から出射された光の一部は、光反射部１５に到達する。光反射部１５は、後述のセンサ部２４の感度が１０％以上となる波長帯域中に、光反射部１５の反射率が３０％以上の第一波長帯域と、この第一波長帯域に隣接する長波長側及び短波長側の両方に光反射部１５の反射率が３０％未満となる第二波長帯域と、を含む特性を有している。また、センサ部２４の感度が最大となる波長が第一波長帯域に含まれている。
【００３９】
そのため、光反射部１５に到達した、第一基板１１から出射され光のうち第一波長帯域の光が選択的に反射される。
光反射部１５で反射された第一波長帯域の光は、第二基板２１の第二主面２２に入射され、第二基板２１を通って、第二基板２１の第一主面２３に設けられたセンサ部２４に入射される。
そして、第一基板１１、発光部１３、第二基板２１及びセンサ部２４は、モールド樹脂等からなる封止部３１によって封止される。
図１に示すように、第一基板１１及び第二基板２１は、発光部１３から出射された光が光反射部１５で反射され、反射された光がセンサ部２４に入射されるように配置されている。また、センサ部２４で受光された第一波長帯域の光は、測定対象のガスによる吸収の影響を受けているため、その強度からガス濃度を演算することができる。
【００４０】
このように第１実施形態のガスセンサ１００は、発光部１３から出射された光を光反射部１５で反射し、この反射された光を受光部としてのセンサ部２４で受光するため、光路長として、発光部１３と光反射部１５との間の距離と、光反射部１５とセンサ部２４との間の距離との和相当の距離を得ることができる。したがって、発光部１３及びセンサ部２４と、光反射部１５との間の距離よりも、より長い光路長を得ることができる。つまり、光反射部１５を設けることで、発光部１３及びセンサ部２４と光反射部１５との間の距離はそのままで、より長い光路長を得ることができ、すなわち、光反射部１５を設けることで、発光部１３及びセンサ部２４と光反射部１５との間の距離を大きくしなくとも、発光部１３及びセンサ部２４と、光反射部１５との間の距離よりも長い光路長を確保することができる。そのため、ガスセンサの小型化を図ることができる。また、光反射部１５に、センサ部２４の感度が最大となる波長を含む第一波長帯域の光を反射する光学特性を持たせているため、別途光学フィルタを設ける必要がなく、従来のように反射鏡と光学フィルタの両方を必要としないため、部品点数を削減することもできる。
【００４１】
図２は第１実施形態に係るガスセンサ１００の構成をより詳細に示したものである。
図２に示すように、光反射部１５は保持部３２によって保持される。また、保持部３２は、凹部状に形成され凹部の底に相当する位置に光反射部１５が配置され、凹部の縁に相当する保持部３２の開口端で囲まれる領域内に、発光部１３が設けられた第一基板１１の第二主面１４と、センサ部２４が設けられた第二基板２１の第二主面２２とが含まれ、これら第二主面１４及び２２と光反射部１５とが向かい合うように位置決めし、モールド樹脂等の封止部３１により固定されている。これによって、第一基板１１及び第二基板２１の第二主面１４及び２２側と光反射部１５との間に、保持部３２の凹部からなる空間が形成され、ここに、図示しない導入口から測定対象のガスを導入することによって、濃度測定が行われる。
また、保持部３２は第一基板１１から出射された光を反射し、第二基板２１に効率良く入射することのできる適切な位置に、光反射部１５を保持するように設計される。
また保持部３２は、センサ部２４に入射する外乱を減らす観点から、保持部３２に到達した光を吸収するような構造を持つことが好ましい。
【００４２】
図３は第１実施形態に係るガスセンサ１００の光反射部１５の光学特性を示す図である。
図３において、横軸は波長、縦軸は光反射部１５の透過率及び反射率を示す特性図である。
図３に示すように、光反射部１５は、反射率が３０％以上となる反射特性を第一波長帯域に有する。そして、第一波長帯域に隣接する長波長側及び短波長側の帯域それぞれに、反射率が３０％未満となる第二波長帯域を有する。つまり、光反射部１５は、第一波長帯域では反射特性を有し、第一波長帯域の両側の第二波長帯域では透過特性を有する。また、センサ部２４の感度が最大となる波長が第一波長帯域に含まれている。つまり、光反射部１５により、センサ部２４の感度が最大となる波長を含む第一波長帯域の光が選択的に反射されてセンサ部２４に入射されるため、発光部１３から発光された光のうち、センサ部２４の感度が最大となる第一波長帯域に含まれる光を、効率よくセンサ部２４に入射させることができる。また、光反射部１５が、第一波長帯域の光を選択的に反射し、これがセンサ部２４に入射されるため、従来のように光学フィルタを設ける必要がない。
【００４３】
なお、第１実施形態において、光反射部１５は、第一基板１１の第二主面１４及び第二基板２１の第二主面２２と平行に配置されている必要はなく、発光部１３で発光し第一基板１１の第二主面１４から出射された光を、光反射部１５で反射させて第二基板２１の第二主面２２に入射し、第二基板２１を通じでセンサ部２４に入射することができれば、どのような位置関係に配置されていてもよい。
【００４４】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を説明する。
なお、第１実施形態に係るガスセンサと同一部には同一符号を付与しその詳細な説明は省略する。
図４は本発明の第２実施形態に係るガスセンサ２００の一例を示す構成図である。
第２実施形態に係るガスセンサ２００の第一光反射部４１は、例えば第二光反射部４２と平行な鏡面を有する反射鏡等で構成される。第一光反射部４１は、図２に示す第１実施形態に係るガスセンサ１００における光反射部１５に比較して面積がより広く、第一光反射部４１と第二光反射部４２との間で、第一基板１１から出射された発光部１３からの光を複数回、反射可能な大きさに形成されている。
【００４５】
第一光反射部４１は、図２に示す第１実施形態に係るガスセンサ１００と同様に、凹部状の保持部３２により保持され、第一光反射部４１と第二光反射部４２とが平行となるように位置決めされて、封止部３１により固定される。そして、第一基板１１及び第二基板２１の第二主面１４及び２２と第二光反射部４２とを含む面と、第一光反射部４１を含む保持部３２で囲まれる領域との間に空間が形成され、ここに図示しない導入口から測定対象のガスを導入することによって、濃度測定が行われる。
【００４６】
ガスセンサ２００は、図４に示すように、第一基板１１、第二基板２１、第一光反射部４１及び第二光反射部４２が、第一基板１１の第二主面１４から出射された発光部１３が発光した光の一部が、少なくとも１回、第二光反射部４２で反射された後に、第一光反射部４１によって反射されて、第二基板２１の第二主面２２から入射され、第一主面２３に設けられたセンサ部２４に入射されるように配置されている。つまり、発光部１３が発光し第二主面１４から出射された光が、少なくとも、第一光反射部４１、第二光反射部４２、第一光反射部４１の順で反射される光路を経てから、第二基板２１の第二主面２２に入射されて、センサ部２４に入射されるようになっている。
【００４７】
そして、第一基板１１、第二基板２１及び第二光反射部４２と、第一光反射部４１との間の空間に図示しない導入口を介して測定対象のガスが導入される。
このように、発光部１３から出射された光を、第一光反射部４１と第二光反射部４２とによって多重反射させることによって長い光路長を実現することができ、より測定対象のガスの影響を受けた光がセンサ部２４に入射されることになる。そのため、ガスセンサ２００の精度を高めることが可能となる。つまり、センサ部２４に入射される光の測定対象のガスが導入された空間における光路長が長いと、測定対象ガスによる吸収の影響が大きくなるため、Ｓ／Ｎ比が高くなり、ガスセンサの精度が向上する。さらに、複数回反射させることで、第二光反射部４２での波長選択性を高めることができる。つまり、物質（ガスなど）検出精度と感度の両方を高めることが可能となる。
【００４８】
［第３実施形態］
図５は本発明の第３実施形態に係るガスセンサ２００ａの一例を示す構成図であって、第３実施形態に係るガスセンサ２００ａは、第２実施形態に係るガスセンサ２００において、さらに信号処理部３３を備えたものである。
信号処理部３３は、発光部１３に電流を供給すると共にセンサ部２４からの出力信号を処理する。
この信号処理部３３は、例えば、ＳｉのＬＳＩ技術を利用して作成されたＩＣからなり、発光部１３を駆動する駆動回路、センサ部２４の出力信号をもとに測定対象のガスの濃度演算を行う濃度演算部、センサ部２４の出力信号を増幅する増幅回路、図示しない上位装置等の外部回路からの測定要求信号の入力、また、外部回路への濃度演算結果の送信等を行う入出力制御部、等を備える。
【００４９】
発光部１３及びセンサ部２４と信号処理部３３との間は、例えばワイヤーボンディング技術を利用して接続し、信号処理部３３と外部回路との接続（図示せず）は、リードフレームの端子を介して行う。
このような構成とすることによって、高精度且つ小型のガスセンサを実現することができ、信号処理部３３を含めて、設置場所の小さいエリア（例えば、基板表面垂直方向で全体の厚み５ｍｍ以下、又は２ｍｍ以下、更に１ｍｍ以下のエリア等）での設置が可能となる。
【００５０】
なお、図２に示す第１実施形態に係るガスセンサ１００において、同様にして信号処理部３３を設けることも可能である。
また、第１、第２実施形態に係るガスセンサ１００、２００のように、ＩＣ等で構成される信号処理部３３が、発光部１３及びセンサ部２４等と共にガスセンサ１００、２００内に組み込まれていない場合には、駆動回路や濃度演算部等の信号処理部３３に含まれる各種回路を外付けとし、ワイヤーボンディング技術等を利用して外付けのこれら回路と接続すればよい。
【００５１】
なお、第２及び第３実施形態において、第一光反射部４１と第二光反射部４２とは、必ずしも平行に配置される必要はなく、発光部１３で発光し第一基板１１の第二主面１４から出射された光を、第一光反射部４１、第二光反射部４２、第一光反射部４１の順に反射させる光路経てから、第二基板２１の第二主面２２に入射し、第二基板２１を通じでセンサ部２４に入射することができれば、どのような位置関係に配置されていてもよい。
【００５２】
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態を説明する。
なお、第２実施形態に係るガスセンサ２００と同一部には同一符号を付与しその詳細な説明は省略する。
図６は本発明の第４実施形態に係るガスセンサ３００の一例を示す構成図である。
第４実施形態に係るガスセンサ３００は、第２実施形態に係るガスセンサ２００において、第一光反射部４１を凹面鏡からなる第一光反射部４１ａに替えたものである。凹面鏡からなる第一光反射部４１ａは、入射した光の少なくとも一部を集光して反射する。第４実施形態に係るガスセンサ３００では、センサ部２４に入射する光量を最大限に高め、発光部１３で発光された光を無駄にせず効率良くセンサ部２４まで導くことができる。これによってセンサ部２４のＳ／Ｎ比が高くなり、ガスセンサ３００の測定精度が向上する。
【００５３】
第一光反射部４１ａは、保持部３２により保持され、第一光反射部４１ａの凹部の縁に相当する第一光反射部４１ａの開口内に、第一基板１１及び第二基板２１の第二主面１４及び２２と第二光反射部４２とが含まれるように位置決めして、第一光反射部４１ａ及び保持部３２側と、第一基板１１及び第二基板２１の第二主面１４及び２２と第二光反射部４２とを含む側とを、モールド樹脂等の封止部３１により固定し、第一基板１１及び第二基板２１の第二主面１４及び２２と第二光反射部４２とが含まれる面と第一光反射部４１ａとの間に形成される空間に、図示しない導入口から測定対象のガスを導入することによって、濃度測定が行われる。
【００５４】
［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態を説明する。
なお、第４実施形態に係るガスセンサ３００と同一部には同一符号を付与しその詳細な説明は省略する。
図７は、第５実施形態に係るガスセンサ３００ａの一例を示す構成図である。
第５実施形態に係るガスセンサ３００ａは、第一基板１１の第一主面１２に、発光部１３とセンサ部１３ａとを備える。センサ部１３ａは、第二基板２１に設けられたセンサ部２４と同一の機能構成を有する。また、ガスセンサ３００ａは、第二基板２１の第一主面２３に、センサ部２４と発光部２４ａとを備える。発光部２４ａは、第一基板１１に設けられた発光部１３と同一の機能構成を有する。
【００５５】
さらにガスセンサ３００ａは、発光部１３、２４ａに電流を供給すると共にセンサ部１３ａ、２４からの出力信号を処理する信号処理部３３ａを備える。この信号処理部３３ａは、第３実施形態で説明した信号処理部３３と同様に、例えば、ＳｉのＬＳＩ技術を利用して作成されたＩＣからなり、発光部１３、２４ａを駆動する駆動回路、センサ部１３ａ、２４の出力信号をもとに測定対象のガスの濃度演算を行う濃度演算部、センサ部１３ａ、２４の出力信号を増幅する増幅回路、図示しない上位装置等の外部回路からの測定要求信号の入力、また、外部回路への濃度演算結果の送信等を行う入出力制御部、さらに、各基板に形成された発光部１３、２４ａを一定の時間間隔で交互に駆動させ、発光部の寿命の延命を図ったり、一方の発光部をメインの光源として使用し、他方の発光部を校正用の光源として使用することにより一方の光源の劣化の度合いを他方の光源の発光量等からモニタリングすることで発光部の劣化補正等を行う制御部、等を備える。
【００５６】
発光部１３、２４ａ及びセンサ部１３ａ、２４と信号処理部３３との間は、例えばワイヤーボンディング技術を利用して接続し、信号処理部３３と外部回路との接続（図示せず）は、リードフレームの端子を介して行う。
このような構成とすることによって、信号処理部３３ａが組み込まれた高精度且つ小型のガスセンサを実現することができると共に、さらに、発光部の発熱による両側のセンサ部の温度差を抑えることができるため、高精度のガスセンサを実現することができる。
【００５７】
［第６実施形態］
図８は、本発明の第６実施形態に係るガスセンサ３００ｂの一例を示す構成図である。
第６実施形態に係るガスセンサ３００ｂは、図６に示す第４実施形態に係るガスセンサ３００において、第３実施形態における信号処理部３３と同一機能構成を有する信号処理部３３を設けると共に、この信号処理部３３の出力を取り出すための端子を、ガスセンサ３００ｂの素子に備えたものである。図８に示すように、ガスセンサ３００ｂの素子は、リードフレーム状に形成された端子部３５、３６を備える。
この端子部３５、３６は、外部回路３８と信号処理部３３との接続に使われる。端子部３５、３６と信号処理部３３との接続、及び、信号処理部３３と発光部１３及びセンサ部２４との接続はワイヤ３７を用いたワイヤボンディングで行われる。
【００５８】
［第７実施形態］
図９は、本発明の第７実施形態に係るガスセンサ３００ｃの一例を示す構成図である。
第７実施形態に係るガスセンサ３００ｃは、図７に示す第５実施形態に係るガスセンサ３００ａにおいて、信号処理部３３ａと第二光反射部４２とを一体形成したものである。信号処理部３３ａは基板ａ１と基板ａ１の一方の面に形成された回路部ａ２とを含む。第二光反射部４２は、基板ａ１の回路部ａ２が形成された面とは逆側の面に設けられる。このような構成とすることによって、信号処理部３３ａと第二光反射部４２が一体形成された高精度且つ小型のガスセンサを実現することができる。
【００５９】
［第８実施形態］
図１０及び図１１は、本発明の第８実施形態に係るガスセンサの一例を示す構成図である。
第８実施形態に係るガスセンサは、第一基板１１と第二基板２１との間に、光遮断部を設けたものであって、光遮断部は、入射される光を吸収する特性を有する。図１０は、図１及び図２に示す第１実施形態に係るガスセンサ１００において、第一基板１１と第二基板２１との間にさらに光遮断部５１を設けたものである。
仮に、発光部１３で出力された光が、第一基板１１から封止部３１に伝達されたとしても、光遮断部５１により吸収されるため、発光部１３から出力された光が、第一基板１１、封止部３１、第二基板２１を介してセンサ部２４に伝達されることを回避することができる。そのため、発光部１３から出力された光がガス空間を通過せずにセンサ部に入射されることを防止することができ、その結果、検出感度を向上させることができる。
【００６０】
また、図１１は、図８に示す第６実施形態に係るガスセンサ３００ｂにおいて、第一基板１１と第二光反射部４２の間に光遮断部５２を設け、第二光反射部４２と第二基板２１との間に光遮断部５３を設けたものである。光遮断部５２及び５３は、例えば、端子部３５、３６として設けられたリードフレーム状の複数の端子部の一部を光遮断部として流用してもよく、新たに設けてもよい。
【００６１】
仮に、発光部１３で出力された光が第一基板１１から封止部３１に伝達されたとしても、光遮断部５２により吸収されるため、発光部１３から出力された光が、第一基板１１、封止部３１を介して第二光反射部４２に伝達されることを回避することができる。同様に、仮に、第二光反射部４２に入射された光が、第二光反射部４２から封止部３１に伝達されたとしても、光遮断部５３により吸収されるため、第二光反射部４２に入射された光が、第二光反射部４２、封止部３１を介して第二基板２１に伝達されることを回避することができる。
そのため、発光部１３から出力された光がガス空間を十分に通過せずにセンサ部に入射されることを防止することができ、その結果、検出感度を向上させることができる。
なお、ここでは、第１実施形態及び第６実施形態に係るガスセンサにおいて、さらに、光遮断部を設けた場合について説明したが、他の実施形態においても同様に光遮断部を設けることができ、この場合も同等の作用効果を得ることができる。
【００６２】
＜その他＞
本発明に係るガスセンサは、赤外線式のガスセンサに限定されるものではなく、例えば紫外線式のガスセンサであってもよい。
なお、本発明は、以上に記載した実施形態に限定されるものではない。その技術適思想の範囲内において、当業者の知識に基づいて実施形態に設計の変更等を加えてもよく、また、第１〜第６実施形態を任意に組み合わせてもよく、そのような変更が加えられた態様も本発明の範囲に含まれる。
また、本発明の範囲は、各請求項により画される発明の特徴の組み合わせに限定されるものではなく、全ての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。
【符号の説明】
【００６３】
１１  第一基板
１２  第一主面
１３  発光部
１３ａ  センサ部
１４  第二主面
１５  光反射部
２１  第二基板
２２  第二主面
２３  第一主面
２４  センサ部
２４ａ  発光部
３１  封止部
３２  保持部
３３  信号処理部
３５、３６  端子部
４１、４１ａ  第一光反射部
４２  第二光反射部
５１〜５３  光遮断部
１００  ガスセンサ
２００、２００ａ  ガスセンサ
３００、３００ａ、３００ｂ、３００ｃ  ガスセンサ
【図１】
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【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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【図１１】
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