(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を内部に入射させる入射口を有し、樹脂により形成されたパッケージと、
前記パッケージに埋め込まれたリードと、
前記パッケージ内に収容された分光モジュールとを備え、
前記分光モジュールは、前記入射口から入射した光を透過させる本体部と、前記本体部を透過した光を分光して反射する分光部と、前記リードに電気的に接続され、前記分光部によって分光されて反射された光を検出する光検出素子とを有し、
前記分光モジュールは、所定の方向への前記本体部の移動が前記パッケージの内壁面によって規制された状態で、前記パッケージによって支持されており、
前記本体部は、所定の面を有し、
前記パッケージの前記内壁面には、前記所定の面の外縁を囲むように段差部が設けられており、
前記段差部は、前記所定の面の平行方向及び垂直方向への前記本体部の移動を規制し、
前記本体部の前記所定の面と対向する面上に前記光検出素子と電気的に接続される基板配線が形成され、
前記パッケージの前記内壁面に段差が設けられることでリード導出部が形成され、
前記リード導出部は前記リードの端部を導出及び支持し、当該リードの端部は、前記リード導出部で支持されながら前記基板配線に電気的に接続されることを特徴とする分光器。
【請求項２】
前記本体部は、前記所定の面を有する基板と、前記所定の面と前記分光部との間に設けられたレンズ部とを含み、
前記段差部は、前記所定の面の平行方向及び垂直方向への前記基板の移動を規制していることを特徴とする請求項１記載の分光器。
【請求項３】
前記段差部は、前記所定の面の平行方向において前記基板と離間する部分を有することを特徴とする請求項２記載の分光器。
【請求項４】
前記本体部は、前記所定の面を有する基板と、前記所定の面と前記分光部との間に設けられたレンズ部とを含み、
前記段差部は、前記所定の面の垂直方向への前記基板の移動を規制していると共に、前記所定の面の平行方向への前記レンズ部の移動を規制していることを特徴とする請求項１記載の分光器。
【請求項５】
前記パッケージは、光を遮断する樹脂により形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項記載の分光器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パッケージ内に分光モジュールが収容されてなる分光器に関する。
【背景技術】
【０００２】
分光器は、測定対象となる光をプリズムや回折格子等の分光部で各スペクトル成分に分解する光学装置である（例えば、特許文献１参照）。このような分光器によれば、分光部で分光された光のスペクトル成分を光検出素子により検出することで、光の波長分布や特定波長成分の強度等を知ることができる。
【特許文献１】特開平８−１４５７９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
近年、様々な分光測定装置や測定システムに対して適用される小型の分光器の開発が進められている。小型の分光器においては、光入射部、光検出素子、分光部等の各光学要素を高い位置精度で配置すると共に、パッケージをコンパクトにする必要がある。このような小型の分光器は、使用場所を問わずその場での光分析を可能にし、環境計測、果物等の糖度確認、プリンタ等の色補正等に使用することができる。そのため、使用環境によっては、分光器に振動や熱的負荷が加えられ、各光学要素の位置精度に影響を及ぼすことがある。分光器は、位置精度が悪くなると、対象光が不要なところで透過又は反射して迷光になり、正確な分光特性を得ることができない。したがって、特に小型の分光器には、様々な使用環境に対応するため高い信頼性が要求される。
【０００４】
上記特許文献１には、各種光学素子が装着される光学ベンチと、この光学ベンチが収容される容器とを備える分光器が開示されている。この分光器においては、光学ベンチは、光学素子が取り付けられる素子取付部と、容器に固定される容器固定部とを有し、素子取付部は、容器固定部に対して片持ちはりの構造で形成されている。
【０００５】
このような上記特許文献１記載の分光器を小型化した場合、容器の内壁面と、収容される各種光学素子との間隔がより狭くなる。そして、素子取付部が容器固定部に対して片持ちはりの構造で形成されているために、分光器に振動や熱的負荷が加えられると、光学素子が容器の内壁面と接触し、場合によっては破損するおそれがある。また、光学素子の位置精度が悪くなり迷光が生じるために、正確な分光特定を得ることができない。
【０００６】
そこで本発明では、このような事情に鑑みてなされたものであり、信頼性、特に正確な分光特性を維持しつつ小型化を図ることができる分光器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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の分光器は、光を内部に入射させる入射口を有し、樹脂により形成されたパッケージと、パッケージに埋め込まれたリードと、パッケージ内に収容された分光モジュールとを備え、分光モジュールは、入射口から入射した光を透過させる本体部と、本体部を透過した光を分光して反射する分光部と、リードに電気的に接続され、分光部によって分光されて反射された光を検出する光検出素子とを有し、分光モジュールは、所定の方向への本体部の移動がパッケージの内壁面によって規制された状態で、パッケージによって支持されていることを特徴とする。
【０００８】
この分光器において、分光モジュールは、所定の方向への本体部の移動がパッケージの内壁面によって規制された状態で、パッケージによって直接支持されているため、小型化を図った場合でも、分光モジュールを確実に支持することができると共に、パッケージの入射口、分光モジュールの分光部及び光検出素子同士の位置精度を十分に確保することができる。また、パッケージにリードが埋め込まれているため、例えばワイヤボンディングなどによってリードと光検出素子とを接続する際に、パッケージ自体が基台の役割を果たすので、分光モジュールの破損やずれなどを防止することができる。以上によって、信頼性、特に正確な分光特性を維持しつつ小型化を図ることができる。
【０００９】
また、本発明の分光器においては、本体部が、所定の面を有する基板と、所定の面と分光部との間に設けられたレンズ部とを含み、パッケージの内壁面には、所定の面の外縁を囲むように段差部が設けられており、段差部は、所定の面の平行方向及び垂直方向への基板の移動を規制していることが好ましい。この場合、パッケージの内壁面に設けられた段差部で所定の面の平行方向及び垂直方向への基板の移動を規制する構成となっているため、パッケージに分光モジュールを取り付けることにより、分光モジュールの支持と位置決めを同時に行うことができる。これによって、組立作業の効率化を図ることができると共に、部品同士の位置精度を一層向上させることができる。なお、所定の面の平行方向とは、所定の面に対して略平行な少なくとも一方向を意味し、所定の面の垂直方向とは、所定の面に対して略垂直な少なくとも一方向を意味する。
【００１０】
また、本発明の分光器においては、段差部が、所定の面の平行方向において基板と離間する部分を有することが好ましい。この場合、段差部が離間する部分で基板を狭持しながら組立作業を行うことができるため、作業効率を向上させることができる。
【００１１】
また、本発明の分光器においては、本体部が、所定の面を有する基板と、所定の面と分光部との間に設けられたレンズ部とを含み、パッケージの内壁面には、所定の面の外縁を囲むように段差部が設けられており、段差部は、所定の面の垂直方向への基板の移動を規制していると共に、所定の面の平行方向へのレンズ部の移動を規制していることが好ましい。この場合、パッケージの内壁面に設けられた段差部で所定の面の平行方向への基板の移動を規制し、所定の面の垂直方向へのレンズ部の移動を規制する構成となっているため、パッケージに分光モジュールを取り付けることにより、分光モジュールの支持と位置決めを同時に行うことができる。これによって、組立作業の効率化を図ることができると共に、部品同士の位置精度を一層向上させることができる。
【００１２】
また、本発明の分光器においては、パッケージが、遮光性や吸光性を有する樹脂などのような、光を遮断する樹脂により形成されていることが好ましい。この場合、パッケージの表面を遮光膜や吸光膜などで覆うことなく、パッケージ内に迷光が侵入することを確実に防止することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、信頼性、特に正確な分光特性を維持しつつ小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、本明細書中において、分光器１内に入射する光Ｌ１の進行方向を「下方」と定め、「上」「下」「水平」等の方向を表す語を用いることとする。
【００１５】
図１〜４に示すように、分光器１は、パッケージ３内に収容された分光モジュール２により、外部からパッケージ３内に入射した光Ｌ１を分光し、その分光された光Ｌ２のスペクトルを検出して出力するための装置である。
【００１６】
分光モジュール２は、光Ｌ１を透過させる本体部４と、本体部４の後面（所定の面）４ｂ側において本体部４を透過した光Ｌ１を分光して前面４ａ側に反射する分光部６と、分光部６によって分光されて反射された光Ｌ２を検出する光検出素子７とを備えている。
【００１７】
図５に示すように、本体部４は、ＢＫ７、パイレックス（登録商標）、石英等の光透過性ガラスなどによって長方形板状に形成された基板８と、基板８の後面４ｂに設けられたレンズ部９とから構成されている。このレンズ部９は、基板８と同一の材料、光透過性樹脂、光透過性の無機・有機ハイブリッド材料、或いはレプリカ成形用の光透過性低融点ガラス等によって形成されており、分光部６によって分光されて反射された光Ｌ２を光検出素子７の光検出部７ａに結像するレンズとして機能する。レンズ部９は、半球状のレンズがその平面部分と略直交し且つ互いに略平行な２つの平面で切り落とされて側面９ａ，９ｂが形成された形状に形成されている。このような形状によって、製造時にレンズ部９を保持し易くなると共に、分光モジュール２の小型化を図ることができる。レンズ部９は、その側面９ａ，９ｂが基板８の長手方向と略平行となるように配置され、基板８と同一の材料からなる場合には、光学樹脂やダイレクトボンディングによって基板８に貼り合わされている。
【００１８】
分光部６は、レンズ部９の外側表面に形成された回折層１１と、回折層１１の外側表面に形成された反射層１２とを有する反射型グレーティングである。回折層１１は、基板８の長手方向（図５における紙面左右方向）に沿って複数の溝を並設することによって形成され、例えば、鋸歯状断面のブレーズドグレーティング、矩形状断面のバイナリグレーティング、正弦波状断面のホログラフィックグレーティング等が適用される。この回折層１１は、例えば、光硬化性のエポキシ樹脂、アクリル樹脂、又は有機無機ハイブリッド樹脂などのレプリカ用光学樹脂を光硬化させることよって形成される。反射層１２は、膜状であって、例えば、回折層１１の外側表面にＡｌやＡｕ等を蒸着することで形成される。
【００１９】
光検出素子７は、長尺状のフォトダイオードがその長手方向と略直交する方向に１次元配列されてなり、分光部６によって分光されて反射された光Ｌ２を検出する光検出部７ａ、及びフォトダイオードの１次元配列方向において光検出部７ａと並設され、分光部６に進行する光Ｌ１が通過する光通過孔７ｂを有している。光通過孔７ｂは、基板８の短手方向に延在するスリットであり、光検出部７ａに対して高精度に位置決めされた状態でエッチング等によって形成されている。光検出素子７は、フォトダイオードの１次元配列方向が基板８の長手方向と略一致し且つ光検出部７ａが基板８の前面４ａ側を向くように配置されている。なお、光検出素子７は、フォトダイオードアレイに限定されず、Ｃ−ＭＯＳイメージセンサやＣＣＤイメージセンサ等であってもよい。
【００２０】
基板８の前面４ａには、光吸収層１３が形成されている。光吸収層１３には、分光部６に進行する光Ｌ１が通過するように光検出素子７の光通過孔７ｂと対向する位置にスリット１３ａが形成されると共に、光検出素子７の光検出部７ａに進行する光Ｌ２が通過するように光検出部７ａと対向する位置に開口部１３ｂが形成される。光吸収層１３は、所定の形状にパターニングされて、ＣｒＯ、ＣｒＯを含む積層膜、或いはブラックレジスト等によって一体成形される。
【００２１】
光吸収層１３の表面には、光検出素子７の入出力信号等を伝送するための基板配線１５が複数形成されている。各基板配線１５の一端は、光検出素子７を固定するためのＡｕ等のバンプ１４に接続され、他端は、基板８の両端部に形成された外部入出力のための電極パッド１６に接続されている。なお、図示はしていないが、基板配線１５と光吸収層１３との間に絶縁層を形成することが好ましい。また、基板配線１５は光吸収層１３の下層にあってもよい。この場合、電極パッド１６部分の光吸収層１３を開口する。光検出素子７は、光検出部７ａと基板８の前面４ａとが対向するようにバンプ１４によりフェースダウンボンディングされ、基板８に搭載されている。また、フェースダウンボンディングにより、基板８と光検出素子７との間に生じたギャップには、アンダーフィル材１７が充填され、光学的なカップリングがなされている。
【００２２】
図１〜４に戻って、上述のように構成された分光モジュール２は、光検出素子７が上側、分光部６が下側に配置されるようにパッケージ３に収容されている。このパッケージ３は、後面４ｂの平行方向（所定の面の平行方向）及び垂直方向（所定の面の垂直方向）への本体部４の移動を規制するように分光モジュール２を支持すると共に、外部からの光を遮断する機能を有するものであり、上面側が開口する直方体状の箱体２１と、箱体２１の上面側の開口部を封止する蓋体２２とを備えて構成されている。なお、本実施形態では、垂直方向については、下方への移動のみを規制している。このパッケージ３は、透光性の樹脂で成形され、その内面にブラックレジストなどを塗装することによって外部からの光を遮断するように形成されている。また、より好ましくは、遮光性又は吸光性を有する樹脂、例えば、液晶性全芳香性ポリエステル樹脂、ポリカーボネート、又は黒エポキシなどで成形する。この場合、パッケージ３の表面を遮光膜や吸光膜などで覆うことなく、パッケージ３内に迷光が侵入することを確実に防止することができる。
【００２３】
蓋体２２は、箱体２１の上端部に樹脂溶着や超音波溶着などによって取り付けられ、パッケージ３内の気密性を確保するためのものである。この蓋体２２には、中央位置に、光Ｌ１が分光モジュール２の光検出素子７の光通過孔７ｂを通過するように開口する入射口２２ａが形成されていると共に、入射口２２ａを閉塞するようにガラス窓２２ｂが樹脂接着などによって取り付けられている。なお、入射口２２ａから直接光Ｌ１を入射させてもよく、又は、入射口２２ａ周辺にファイバ挿入用コネクタを取り付けて、光ファイバを介して光Ｌ１を入射させてもよい。
【００２４】
箱体２１は、長方形板状の底壁部２１ａの長手方向の両端部に側壁部２１ｂ，２１ｃを立設すると共に短手方向の両端部に側壁部２１ｄ，２１ｅを立設し、側壁部２１ｂ，２１ｃに複数本のリード２３をインサート成形で埋め込むことによって形成されている。この側壁部２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅの内壁面には、分光モジュール２の基板８の後面４ｂの外縁を全周に亘って囲むように段差部２４が設けられている。また、リード２３が埋め込まれている側壁部２１ｂ，２１ｃの内壁面には、段差部２４よりも上側にリード導出部２６が設けられている。
【００２５】
段差部２４は、本体部４を支持すると共に後面４ｂの平行方向及び垂直方向への移動を規制するものであり、側壁部２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅの四方の内壁面２７と、内壁面２７よりも大きな内周を有して当該内壁面２７の上側に形成される四方の内壁面２８と、内壁面２７及び内壁面２８の間で水平方向に拡がり座面を形成する内壁面２９とから構成されている。上側の内壁面２８は、基板８の四方の側面と面接触することによって平行方向への基板８の移動を規制するものであり、基板８を支持することによって、パッケージ３の入射口２２ａと分光モジュール２との位置決めがなされるように形成されている。内壁面２９は、基板８の後面４ｂの四方の外縁部と面接触することによって垂直方向（ここでは下方向のみ）への基板８の移動を規制するものであり、基板８を支持した際に、分光部６を底壁部２１ａから離間させるような高さに配置されている。また、下側の内壁面２７は、水平方向へのレンズ部９の移動を規制するものであり、レンズ部９を支持することによって、パッケージ３の入射口２２ａと分光モジュール２との位置決めがなされるように形成されている。具体的には、基板８の長手方向で対向する側壁部２１ｂ，２１ｃにおける内壁面２７は、レンズ部９の基板８との接合部分における球面状の縁部９ｃ，９ｄとそれぞれ当接し（図２参照）、基板８の短手方向で対向する側壁部２１ｄ，２１ｅにおける内壁面２７は、レンズ部９の側面９ａ，９ｂと面接触する（図３参照）。
【００２６】
リード導出部２６は、リード２３が埋め込まれた側壁部２１ｂ，２１ｃにおいて、段差部２４の上側に更に段差が設けられることで形成された水平な内面壁によって構成されており、埋め込まれたリード２３の上端部２３ａを導出及び支持するものである。このリード導出部２６は、分光モジュール２の基板８の前面４ａと同じ高さ位置に形成されている。
【００２７】
リード２３は、側壁部２１ｂ，２１ｃ内部で上下方向に延在し、その下端側が外側へ屈曲してパッケージ３の外部へ導出されると共に、上端部２３ａ側が内側へ屈曲してパッケージ３内のリード導出部２６上に導出される。また、このリード２３は、基板８の短手方向に複数本並設される。リード２３の上端部２３ａは、リード導出部２６で支持されながら、基板８の両端部に形成された電極パッド１６とワイヤボンディングによって接続される。
【００２８】
上述した分光器１の作用効果について説明する。
【００２９】
この分光器１では、分光モジュール２が、後面４ｂの平行方向及び垂直方向への本体部４の移動がパッケージ３の内壁面２７，２９，２８によって規制された状態で、パッケージ３によって直接支持されているため、小型化を図った場合でも、分光モジュール２を確実に支持することができると共に、パッケージ３の入射口２２ａ、分光モジュール２の分光部６及び光検出素子７同士の位置精度を十分に確保することができる。また、パッケージ３にリード２３が埋め込まれてリード導出部２６で導出及び支持されているため、ワイヤボンディングによってリード２３と光検出素子７とを電気的に接続する際に、パッケージ３のリード導出部２６自体が基台の役割を果たすので、分光モジュール２の破損やずれなどを防止することができる。以上によって、信頼性、特に正確な分光特性を維持しつつ小型化を図ることができる。
【００３０】
また、パッケージ３の内壁面２７，２８，２９によって設けられた段差部２４で基板８の平行方向及び垂直方向への移動を規制する構成となっているため、パッケージ３に分光モジュール２を取り付けることにより、分光モジュール２の支持と位置決めを同時に行うことができる。これによって、組立作業の効率化を図ることができると共に、部品同士の位置精度を一層向上させることができる。
【００３１】
また、パッケージ３の内壁面２７，２８，２９によって設けられた段差部２４で、垂直方向への基板８の移動を規制し、平行方向へのレンズ部９の移動を規制する構成となっているため、パッケージ３に分光モジュール２を取り付けることにより、分光モジュール２の支持と位置決めを同時に行うことができる。これによって、組立作業の効率化を図ることができると共に、部品同士の位置精度を一層向上させることができる。
【００３２】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。
【００３３】
例えば、本実施形態においては、下端側と上端側とが屈曲したリード２３を用いてインサート成形されたパッケージ３を適用したが、これに代えて、図６に示すように、上端側のみが屈曲して当該屈曲部分が埋め込まれているリード５３を用いてインサート成形されたパッケージ３３を適用してもよい。また、図７に示すように、成形されたパッケージ４３に底壁部側からリード６３を圧入したものを適用してもよい。
【００３４】
また、本実施形態においては、底壁部２１ａ及び側壁部２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅがレンズ部９及び分光部６から離間しているパッケージ３を適用したが、これに代えて、図８に示すように、レンズ部９及び分光部６全体を樹脂で覆うことのできるパッケージ７３を適用してもよい。または、レンズ部９及び分光部６と箱体との間の空間に遮光材を充填してもよい。
【００３５】
また、本実施形態においては、段差部２４の内壁面２８が、基板８の側面の全周に亘って面接触して支持しているが、図９に示すように、溝部（所定の面の平行方向において基板と離間する部分）２８ａを設けることによって、一部で基板８の側面と離間してもよい。これによって、溝部２８ａを互いに対向する位置に形成した場合は、それらの溝部２８ａの位置で基板８を狭持しながら組立作業を行うことができるため、作業効率を向上させることができる。あるいは、互いに対向する側壁部２１ｂ，２１ｃ又は側壁部２１ｄ，２１ｅのいずれか一対のみで基板８を支持し、他方の一対の側壁部における内壁面２８は基板８から離間する構成としてもよい。
【００３６】
また、本実施形態においては、基板８及びレンズ部９の両方が段差部２４に平行方向に支持される構成とされているが、これに代えて、基板８又はレンズ部９の何れか一方のみが段差部２４で平行方向に支持され、他方は平行方向において段差部２４から離間するような構成としてもよい。
【００３７】
また、本実施形態においては、段差部２４が基板８の全周に亘って形成される構成とされているが、これに代えて、段差部を断続的に設けて、基板８の一部の領域のみで垂直方向の支持を行う構成としてもよい。
【００３８】
また、本実施形態においては、光通過孔７ｂが設けられた光検出素子７を適用しているが、これに代えて、光通過孔を有さない光検出素子を適用し、直接光吸収層１３のスリット１３ａに光Ｌ１を通過させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態に係る分光器の斜視図である。
【図２】図１に示すＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【図３】図１に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【図４】図１に示す分光器の分解斜視図である。
【図５】図２に示す分光モジュールの拡大断面図である。
【図６】他の実施形態に係る分光器を示す断面図であり、図２に対応する断面図である。
【図７】他の実施形態に係る分光器を示す断面図であり、図２に対応する断面図である。
【図８】他の実施形態に係る分光器を示す断面図であり、図２に対応する断面図である。
【図９】内壁面に設けられた溝を示す拡大図である。
【符号の説明】
【００４０】
１…分光器、２…分光モジュール、３…パッケージ、４…本体部、４ｂ…後面（所定の面）、６…分光部、７…光検出素子、８…基板、９…レンズ部、２２ａ…入射口、２３…リード、２４…段差部、２７，２８，２９…内壁面、２８ａ…溝（所定の面の平行方向において基板と離間する部分）。
【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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