JP2001296310A - 光センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構成が簡単で、しかも光の利用効率が高く、
すぐれた検出能力を有する光センサを得る。 【解決手段】 音波や加速度などの外的エネルギーにて
振動可能な光反射性の振動板４０と、同振動板４０に対
して光を照射する発光部２１およびその反射光を受光す
る受光部２２とを含み、受光部２２からの出力信号によ
り外的エネルギーを検出する光センサ１０において、発
光部２１および受光部２２の各々を同一基板２０上に配
置するとともに、その基板２０上に、振動板４０を支持
して所定容積の光キャビティを提供するマウント枠３０
を設け、発光部２１を光キャビティ内のほぼ中央に配置
するとともに、その周りに複数の受光部２２を配置す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光センサおよびその
製造方法に関し、さらに詳しく言えば、外的エネルギー
にて振動する振動膜の変位量を光学的に検出する光セン
サの構成およびその製造技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】振動膜を構成要素の一部として含む光セ
ンサは、加速度センサや圧力センサそれに光マイクロフ
ォンなどに適用されている。その内の光マイクロフォン
に関して言えば、ＡＥＳ学会論文：ＯＰＴＩＣＡＬＭＩ
ＣＲＯＰＨＯＮＥＳ ＢＲＥＡＫ−ＴＨＲＯＵＧＨ（著
者：ＡｌｅｘａｎｄｅｒＰａｒｉｔｓｋｙ他，１９９９
年Ｓｅｐ．２４ツ２７）には、図１０に示すような光マ
イクロフォンが提案されている。

【０００３】この光マイクロフォンは、発光素子１ａお
よび受光素子１ｂが実装されたベース基板１と、オプチ
カルヘッド３と、振動板４とを含み、発光素子１ａおよ
び受光素子１ｂとオプチカルヘッド３の間は、光ファイ
バ２ａ，２ｂにて接続されている。

【０００４】すなわち、発光素子１ａからの光は光ファ
イバ２ａを介してオプチカルヘッド３に導かれ、そこか
ら振動板４に向けて照射される。振動板４の反射光はオ
プチカルヘッド３から光ファイバ２ｂを介して受光素子
１ｂに導かれる。なお、図示されていないが、これらの
各構成要素は遮光性の光キャビティ内に設けられてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例では次のような課題がある。まず、素子１ａ，１ｂ
と振動板４との間に、オプチカルヘッド３および光ファ
イバ２ａ，２ｂを設ける構成であるため、多くの部品が
必要とされる。しかも、これらの部品相互を光カップリ
ングさせるには、高度な組立精度が要求されるため生産
性がよくない。

【０００６】振動板４からの反射光を光ファイバ２ｂで
受けるにしても、そのファイバ径が細いため、光ファイ
バ２ｂに入射する光は全反射光の一部であり、したがっ
て光の利用効率がよくない。さらに、光ファイバが揺れ
ることにより、光の光路が変化するため特性が一定でな
くなる。

【０００７】また、振動板４にアルミニウム、チタン、
金などの金属箔またはマイラーやプラスチックフィルム
が用いられているが、周波数特性を改善するために、そ
の厚さを薄くすると、マウント枠に張る際の作業性が極
端に悪くなり、振動膜として所定のテンション（張力）
をもって張ることが困難となる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、このような課
題を解決するためになされたもので、その第１の目的
は、構成が簡単でしかもすぐれた検出能力を有する光セ
ンサを提供することにある。また、本発明の第２の目的
は、生産性が高く、したがって光センサを低コストで製
造できる光センサの製造方法を提供することにある。ま
た、本発明の第３の目的は、膜厚が薄く広い周波数特性
が得られる光センサ用振動板の製造方法を提供すること
にある。

【０００９】上記第１の目的を達成するため、本発明
は、音波や加速度などの外的エネルギーにて振動可能な
光反射性の振動板と、同振動板に対して光を照射する発
光部およびその反射光を受光する受光部とを含み、上記
受光部からの出力信号により上記外的エネルギーを検出
する光センサにおいて、上記発光部および上記受光部を
有する基板と、上記振動板を支持し、上記基板上に所定
容積の光キャビティを提供するマウント枠とを含み、上
記発光部が上記光キャビティ内のほぼ中央に配置されて
いるとともに、その周りに複数の上記受光部が配置され
ていることを特徴としている。

【００１０】このように、発光部の周りに複数の受光部
が配置されていることにより、振動板よりの反射光がよ
り広い面で受光されるため、光の利用効率が改善され、
その分、検出能力が高められる。

【００１１】本発明において、各受光部は、発光部を中
心として同心状に配置されることが好ましいが、その配
置パターンは、例えば同心円的なリング状パターンであ
ってもよいし、各受光部がそれぞれ同一面積の受光面を
有するものとして、発光部の周りに分割状に設けられて
もよい。

【００１２】なお、同心円的なリング状パターンを採用
する場合には、発光部側寄りの第１受光部に対して、外
側に配置されている第２受光部は、その第１受光部の受
光面積よりも大きな受光面積を備えていることが好まし
い。そして、その各受光部の出力を差動増幅器の入力端
子に加えることにより、同相で入力される電磁ノイズや
漏洩光などによるノイズ成分をキャンセルすることがで
きる。

【００１３】本発明の製造方法は、第１基板上に発光部
を取り付ける第１工程と、第２基板上に複数の受光部を
同心状に形成する第２工程と、上記各受光部を収納し得
る所定容積の光キャビティを有するマウント枠を上記第
２基板上に設ける第３工程と、上記各受光部に対する中
心位置において、上記第２基板に上記発光部が挿通可能
な孔を開ける第４工程と、上記発光部が上記孔内を挿通
するように第１基板と上記第２基板とを組み合わせて、
上記発光部を上記各受光部の中心位置に配置する第５工
程と、上記マウント枠上に光反射性を有する振動板を設
ける第６工程とを含むことを特徴とし、これによって上
記第２の目的が達成される。

【００１４】なお、各工程付けられた序数は、工程の実
施順序を意味するものではない。すなわち、第１工程は
第２基板の工程とは無関係に実施されてよい。一例とし
て、第３工程と第４工程は入れ替えられてもよい。ま
た、第５工程と第６工程も入れ替え可能である。

【００１５】本発明の製造方法において、上記第３工程
でのマウント枠は、第２基板上にマウント枠形成パター
ンに沿ってレジストを形成した後、金属メッキを施して
形成することが好ましい。また、第１基板および第２基
板をマザー基板とし、最終工程で例えばダイシングソー
により個々の光センサを切り出すことが、量産化を図る
うえで好ましいといえる。

【００１６】また、本発明によれば、音波や加速度など
の外的エネルギーにて振動する光センサ用振動板を製造
するにあたって、高分子材料からなるベースフィルムの
一方の面に光反射膜となる金属膜を成膜し、そのベース
フィルを所定のテンションを加えた状態でマウント枠に
装着した後、エッチングによりベースフィルムの少なく
とも振動板として必要な領域の厚さを減ずることによ
り、広い周波数特性を有する光センサ用振動板が得られ
る。

【００１７】なお、ベースフィルムのエッチング量は、
厚さ的にその一部を残すハーフエッチングでもよいし、
ベースフィルムを全部除去して金属膜だけとする全厚エ
ッチングのいずれでもよい。また、マウント枠に装着す
る際、ベースフィルム側をマウント枠に対する取付面と
してもよいが、ダイレクトに金属膜に光を当てるように
することからすれば、金属膜側をマウント枠に対する取
付面とすることが好ましい。

【００１８】本発明の光センサ用振動板の製造方法に
は、所定厚さの金属箔を所定のテンションを加えた状態
でマウント枠に装着した後、エッチングによりその金属
箔の少なくとも振動板として必要な領域の厚さを薄くす
る態様も含まれる。

【００１９】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施例を図面を参
照しながら具体的に説明する。図１の一部に断面を含む
分解斜視図および図２の断面図を参照すると、この光セ
ンサ１０は、発光部２１と受光部２２とを有する基板２
０と、基板２０上に光キャビティを提供するマウント枠
３０と、マウント枠３０に支持された光反射性の振動板
４０とを備えている。

【００２０】図３に示されている基板２０の平面図を併
せて参照すると、発光部２１が光キャビティ内の中央位
置に配置され、その周りに受光部２２として、この実施
例では第１および第２の２つの受光部２２１，２２２が
同心円状に配置されている。

【００２１】発光部２１は発光ダイオードであってよ
い。また、各受光部２２１，２２２にはフォトダイオー
ドもしくはフォトトランジスタが用いられるが、それぞ
れ所定面積の受光面を備えている。この実施例におい
て、各受光部２２１，２２２は、円形状に形成されてい
るが、同心状であることを条件として、多角形パターン
であってもよい。

【００２２】発光部２１から出た光は、一般的に図４に
示されているような光強度分布をもって拡散して行く。
発光部２１から出射角度θで出た光は、振動板４０の光
反射膜により角度θで反射して各受光部２２１，２２２
の受光面に戻ってくる。この場合、角度θが大きくなる
にしたがい、その受光面での光強度は低下する。

【００２３】また、振動板４０で反射した光が受光面に
到達するまでの光路長は、上記角度θが大きくなるにし
たがって長くなり、その光強度も弱くなる。すなわち、
受光面に到達する光は、発光部２１から遠ざかるにした
がって弱くなる。

【００２４】他方において、基板２０と振動板４０との
間の距離と特定ポイントの受光面での光強度との関係
は、数μの近接状態から離して行くにしたがって光強度
は増加し、ピークを迎えた後、漸次減少していく。

【００２５】そして、このピーク点は、図５に示すよう
に、発光部２１に距離的に近い側、この実施例では第１
受光部２２１側で早く迎えるとともに、そのピーク光強
度も強い。これに対して、発光部２１から遠い第２受光
部２２２側では遅くピークを迎え、かつ、そのピーク光
強度も弱い。

【００２６】このように、第１受光部２２１と第２受光
部２２２とには光強度の差が存在するが、それらのトー
タル的な検出出力は、それぞれの受光面積を調整するこ
とにより同等とすることができる。

【００２７】図５は縦軸を光強度、横軸を基板２０と振
動板４０との距離とするグラフで、第１受光部２２１の
受光点として発光部２１から半径４０μｍの点をとり、
第２受光部２２２の受光点として発光部２１から半径１
００μｍの点をとったときのものであるが、光強度のピ
ーク値は、半径４０μｍの点では距離が３０μｍのとき
に現れ、半径１００μｍの点では距離が７０μｍのとき
に現れている。

【００２８】このグラフからすると、光強度のピーク値
は、半径４０μｍのときの方が半径１００μｍのときの
方よりも約２．４倍大きい。したがって、この例で言え
ば、基板２０と振動板４０との間隔を４５μｍに設定
し、第２受光部２２２の受光面のリング幅を第１受光部
２２１のリング幅の２．４倍として、図６に示すよう
に、各受光部２２１，２２２の出力を差動増幅器２３の
入力端子に加えることにより、同相で入力される電磁ノ
イズや漏洩光などによるノイズ成分をキャンセルするこ
とができる。

【００２９】なお、変形例として、図７（ａ）に示すよ
うに、発光部２１の周りに例えば４つの受光部２２を分
割的に配置してもよいし、また、図７（ｂ）に示すよう
に、所定個数（この例では５個）の発光部２１を一列状
に配置するとともに、その両側にそれぞれ所定個数（こ
の例では６個）の受光部２２を並べてもよい。

【００３０】例えば、マイクロフォンの振動板は、周波
数の高低により部分的に異なった振動（分割振動）を起
こすが、この変形例によれば、各受光部２２の出力を所
定に組み合わせて電気的に処理することにより、振動板
の局所的な変化分布や全面の変化分布などを検出するこ
とができる。

【００３１】なお、通常状態においても各受光素子には
光が入射しており、それがＤＣ成分として出力に現れる
ため、振動板の変化量（ＡＣ成分）が検出しにくいた
め、差動増幅器を用いるか、交流増幅器を用いて変化量
のみを取り出すようにすることが好ましい。また、ＤＣ
成分を受光部に帰還させて、そのオフセット分をキャン
セルさせてもよい。

【００３２】この光センサ１０は、マイクロフォンをは
じめとして、圧力計や加速度計などのセンサとしても適
用可能である。

【００３３】次に、上記光センサ１０の製造方法の一例
を図８（ａ）〜（ｇ）により説明するが、この製造方法
は、マザー基板から複数の光センサ１０を多数個取りす
る場合についてのものである。

【００３４】まず、図８（ａ）に示すように、シリコン
基板２０１上に、メッキによりマウント枠（光キャビテ
ィ）を形成するため、レジスト２０３を塗布し、露光・
現像してマウント枠となる形状をパターニングする。

【００３５】この場合、レジスト２０３の膜厚は必要と
するメッキ厚より厚めに設定する。上記のように基板２
０と振動板４０との間の距離を４５μｍに設定するので
あれば、レジスト２０３の膜厚は約５０μｍ以上が必要
である。なお、シリコン基板２０１上には、あらかじめ
上記第１受光部２２１と第２受光部２２２が形成されて
いる。この例ではシリコン基板を用いているが、受光部
が形成可能であれば、他の基板を用いてもよい。

【００３６】次に、図８（ｂ）に示すように、メッキに
よりマウント枠となる例えばＣＵやＮｉなどの金属材料
３０１を所定の厚さに形成する。そして、図８（ｃ）に
示すように、レジスト２０３を剥離してシリコン基板２
０１上にマウント枠３０を形成する。

【００３７】次に、図８（ｄ）に示すように、シリコン
基板２０１に例えばレーザーやッチングなどにより孔２
０４を開ける。この孔２０４は発光部２１を挿通させる
ためのもので、マウント枠３０による各光キャビティの
中央部分に設けられる。

【００３８】一方、図８（ｅ）に示すように、発光部２
１としての発光ダイオードは別基板としてのセラミック
基板２０２に実装された状態で提供される。図示されて
いないが、このセラミック基板２０２には所定の配線パ
ターンが形成されており、ワイヤーなどにより端子出し
が行なわれている。

【００３９】そして、図８（ｆ）に示すように、セラミ
ック基板２０２とシリコン基板２０１とを組み合わせ、
発光部２１を孔２０４を通して光キャビティの中央、す
なわち各受光部２２１，２２２の中心位置に配置する。

【００４０】しかる後、図８（ｇ）に示すように、各マ
ウント枠３０に振動板４０を所定のテンションをかけな
がら張設する。この場合、振動板４０を各基板２０１，
２０２とほぼ同じ大きさとして、各マウント枠３０に対
して一括して取り付けることが生産性を高める上で好ま
しい。最後に、ダイシングにより各光センサ１０を切り
出して完成品を得る。

【００４１】なお、上記実施例では、セラミック基板２
０２とシリコン基板２０１とを組み合わせた後、振動膜
を張るようにしているが、先に振動膜を張ってからセラ
ミック基板２０２とシリコン基板２０１とを組み合わせ
るようにしてもよい。また、基板２０を構成する２枚の
基板に、シリコン基板２０１とセラミック基板２０２と
を用いているが、基板の材質はこれに限定されない。

【００４２】ところで、マイクロフオン用の振動膜４０
には、音声だけの数ＫＨｚから、音楽のように人間の可
聴帯域である２０ＫＨｚくらいまでの周波数帯域が必要
とされる。この周波数応答性を実現するためには厚みを
きわめて薄く、例えば１μｍから数μｍ程度までの薄い
膜厚を安定に作り、かつ、所定のテンションをもって張
ることが要求される。

【００４３】本発明によれば、次に説明する方法によっ
て、このような要求を満たす振動膜が得られる。まず、
図９（ａ）に示すように、例えばポリエチレンテレフタ
レート（ＰＥＴ）などの厚さ数μｍの高分子フィルム４
０１の一方の面に、蒸着法もしくはスパッタ法などによ
り、例えばチタンやアルミニウムなどの金属からなる厚
さ０．１〜１μｍ程度の光反射膜４０２を形成して母材
４０ａを得る。

【００４４】そして、図９（ｂ）に示すように、この母
材４０ａを皺にならないように所定のテンションをかけ
ながらマウント枠３０に貼り付ける。その際、光反射膜
４０２側をマウント枠３０に対する取付面側とすること
が好ましい。なお、貼り付け方法は接着や溶着などであ
ってよい。

【００４５】次に、図９（ｃ）に示すように、高分子フ
ィルム４０１の他方の面にレジスト４０３を塗布し、フ
ォトマスクを介して露光し、現像して所定のレジストパ
ターンを形成する。この例では、マウント枠３０に対す
る支持部分のみにレジストパターンを形成するようにし
ているが、場合によっては、振動板として機能する部分
にもレジストパターンを形成してもよい。

【００４６】次に、図９（ｄ）に示すように、高分子フ
ィルム４０１を、湿式エッチングや例えばプラズマエッ
チング装置により酸素プラズマでガス化する乾式エッチ
ングなどによりエッチングして薄膜化する。このとき、
必要とされる周波数特性に応じてハーフエッチングで止
めるか、全厚エッチングして金属膜（光反射膜４０２）
だけにするか調整することができる。

【００４７】最後に、図９（ｅ）に示すように、レジス
ト４０３を除去することにより、目的とする薄くて光を
良好に反射し、かつ、周波数応答性にすぐれた振動板４
０がすでにマウント枠３０に張られた状態で得られる。

【００４８】なお、別の製造方法として、厚さ数μｍ程
度の金属箔を所定のテンションを付与した状態でマウン
ト枠に貼り付けた後、上記と同じく、レジスト塗布・レ
ジストパターンを形成した後、その金属箔をハーフエッ
チングして振動板を得ることも可能である。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
次のような効果が奏される。 （１）光ファイバやオプチカルヘッドなどの構成要素を
必要としないため、構成が簡単で小型化が可能であり、
製造面においても量産化に適しているため、低コストの
光センサが提供できる。 （２）発光部と受光部とが同一基板上に設けられ、受光
部が反射光の光強度分布を考慮した受光面パターンを備
えているため光の利用効率が高く、したがって検出感度
の良好な光センサが得られる。 （３）構造的に面実装可能なチップ化が可能である。 （４）各受光部の出力を差動増幅器に入力することによ
り、同相で入力される電磁ノイズや漏洩光などによるノ
イズ成分をキャンセルすることができる。 （５）厚みが薄いにも関わらず、マウント枠に対して所
定のテンションをもって張設され、周波数応答特性にす
ぐれた振動膜が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る光センサを示した一部に
断面を含む模式的分解斜視図。

【図２】上記光センサの内部構造を示した断面図。

【図３】上記光センサの基板面に設けられている発光部
および受光部を示した平面図。

【図４】上記光センサの光強度分布を示した模式図。

【図５】上記光センサの縦軸を光強度、横軸を基板と振
動板との距離とする光強度の測定グラフ。

【図６】上記光センサの各受光部が接続される差動増幅
器を示した部品図。

【図７】上記光センサの受光部の変形例を示した図３と
同様の平面図。

【図８】本発明の製造方法に含まれる各工程を示した模
式図。

【図９】本発明の光センサ用振動板の製造方法に含まれ
る各工程を示した模式図。

【図１０】従来例としての光センサを示した模式図。

【符号の説明】

１０ 光センサ ２０ 基板 ２０１ シリコン基板 ２０２ セラミック基板 ２１ 発光部 ２２ 受光部 ２２１ 第１受光部 ２２２ 第２受光部 ２３ 差動増幅器 ３０ マウント枠 ４０ 振動板 ４０１ 高分子フィルム ４０２ 金属箔（光反射膜）

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 音波や加速度などの外的エネルギーにて
   振動可能な光反射性の振動板と、同振動板に対して光を
   照射する発光部およびその反射光を受光する受光部とを
   含み、上記受光部からの出力信号により上記外的エネル
   ギーを検出する光センサにおいて、 上記発光部および上記受光部を有する基板と、上記振動
   板を支持し、上記基板上に所定容積の光キャビティを提
   供するマウント枠とを含み、上記発光部が上記光キャビ
   ティ内のほぼ中央に配置されているとともに、その周り
   に複数の上記受光部が配置されていることを特徴とする
   光センサ。
2. 【請求項２】 上記各受光部が、上記発光部を中心とし
   て同心状に配置されていることを特徴とする請求項１に
   記載の光センサ。
3. 【請求項３】 上記各受光部が、リング状のパターンに
   形成されていることを特徴とする請求項１または２に記
   載の光センサ。
4. 【請求項４】 上記発光部側寄りの第１受光部に対し
   て、その外側に配置されている第２受光部は、上記第１
   受光部の受光面積よりも大きな受光面積を備えているこ
   とを特徴とする請求項３に記載の光センサ。
5. 【請求項５】 上記各受光部はそれぞれ同一面積の受光
   面を有していることを特徴とする請求項１または２に記
   載の光センサ。
6. 【請求項６】 上記各受光部の出力が、差動増幅器の入
   力端子に加えられることを特徴とする請求項１ないし５
   に記載の光センサ。
7. 【請求項７】 第１基板上に発光部を取り付ける第１工
   程と、第２基板上に複数の受光部を同心状に形成する第
   ２工程と、上記各受光部を収納し得る所定容積の光キャ
   ビティを有するマウント枠を上記第２基板上に設ける第
   ３工程と、上記各受光部に対する中心位置において、上
   記第２基板に上記発光部が挿通可能な孔を開ける第４工
   程と、上記発光部が上記孔内を挿通するように第１基板
   と上記第２基板とを組み合わせて、上記発光部を上記各
   受光部の中心位置に配置する第５工程と、上記マウント
   枠上に光反射性を有する振動板を設ける第６工程とを含
   むことを特徴とする光センサの製造方法。
8. 【請求項８】 上記第３工程において、上記第２基板上
   にマウント枠形成パターンに沿ってレジストを形成した
   後、金属メッキを施すことにより上記マウント枠が形成
   される請求項７に記載の光センサの製造方法。
9. 【請求項９】 音波や加速度などの外的エネルギーにて
   振動する光センサ用振動板の製造方法において、 高分子材料からなるベースフィルムの一方の面に光反射
   膜となる金属膜を成膜し、上記ベースフィルを所定のテ
   ンションを加えた状態でマウント枠に装着した後、エッ
   チングにより上記ベースフィルムの少なくとも振動板と
   して必要な領域の厚さを減ずることを特徴とする光セン
   サ用振動板の製造方法。
10. 【請求項１０】 上記ベースフィルムを上記マウント枠
    に装着する際、上記金属膜側が上記マウント枠に対する
    取付面とされる請求項９に記載の光センサ用振動板の製
    造方法。
11. 【請求項１１】 音波や加速度などの外的エネルギーに
    て振動する光センサ用振動板の製造方法において、 所定厚さの金属箔を所定のテンションを加えた状態でマ
    ウント枠に装着した後、エッチングにより上記金属箔の
    少なくとも振動板として必要な領域の厚さを薄くするこ
    とを特徴とする光センサ用振動板の製造方法。