JP2017015567A - 受発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で、かつ、高精度な受発光装置を提供すること。【解決手段】本発明の受発光装置１００は、被検出ガスによって吸収される波長を含む光を出力し、第１集光部３の焦点位置に設置された発光部１と、発光部１から入射した光を集光する第１集光部３と、第１集光部３で集光された光を反射させる反射部４と、反射部４で反射した光を焦点位置に集光する第２集光部５と、第２集光部５の焦点位置に設置された受光部２とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、受発光装置に関し、より詳細には、小型で、かつ、高精度な受発光装置に関する。

従来から大気中の測定対象ガスの濃度測定を行うガス濃度測定装置として、ガスの種類によって吸収される赤外線の波長が異なることを利用し、この吸収量を検出することによりそのガス濃度を測定する非分散赤外吸収型（Ｎｏｎ−Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｉｎｆｒａｒｅｄ）ガス濃度測定装置が知られている。
例えば、特許文献１に記載の気体成分検出装置では、発光部から出射された赤外線を含む光が、測定対象のガスが導入されるセルを通過し、その後、受光部に入光し、受光部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。

国際公開第２０１２／１４０４８５号

しかしながら、より高精度にガス濃度を検知することが必要な場合、測定対象ガスによる吸収を大きくするために、セルを大型化し、光路を長くする必要がある。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、小型で、かつ、高精度な受発光装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る受発光装置は、発光部と、受光部と、焦点位置から入射した光を集光する第１集光部と、前記第１集光部で集光された光を反射させる反射部と、反射部で反射した光を焦点位置に集光する第２集光部と、を備え、前記発光部は前記第１集光部の焦点位置に設置され、前記受光部は前記第２集光部の焦点位置に設置される受発光装置である。

本発明によれば、小型で、かつ、高精度な受発光装置を実現することができる。

（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係る受発光装置の実施形態１を説明するための構成図である。 本発明に係る受発光装置の実施形態２を説明するための構成図である。 本発明に係る受発光装置の実施形態３を説明するための構成図である。 本発明に係る受発光装置の実施形態４を説明するための構成図である。 図３に示した実施形態３の受発光装置の斜視図である。 図５のＢ−Ｂ’線断面図である。 図１（ａ）〜（ｃ）に示した実施形態１の受発光装置の実装状態を示す図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明に係る受発光装置のその他の実施形態を説明するための構成図である。

以下、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、以下の実施形態は、特許請求の範囲にかか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。
＜受発光装置＞
本実施形態に係る受発光装置は、発光部と、受光部と、焦点位置から入射した光を集光する第１集光部と、第１集光部で集光された光を反射させる反射部と、反射部で反射した光を焦点位置に集光する第２集光部と、を備え、発光部は第１集光部の焦点位置に設置され、受光部は第２集光部の焦点位置に設置される。

＜発光部＞
本実施形態に係る受発光装置において、発光部は第１集光部の焦点位置に設置される。ここで発光部が第１集光部の焦点位置に設置されている状態とは、発光部の一部が後述する第１集光部の焦点を含む状態を意味する。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。具体的な例としては、ＭＥＭＳ光源やＬＥＤ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、被検出ガスの吸収が大きい波長帯の光のみを出力するものであることが好ましい。具体的には、発光波長帯をアクティブ層のバンドギャップでコントロールできるという観点から、ＬＥＤ構造は望ましい場合がある。ＬＥＤの光源を用いると、発光層に利用される材料のバンドギャップを被検出ガスの吸収波長にチューニングすることにより、光学フィルタ（例えば、バンドパスフィルタ）を使用せずに、特定のガスの検出が可能となり、光学フィルタ無しのガスセンサが実現できる。光学フィルタ無しのガスセンサが実現できると、受発光装置の構造が簡略化され、より好ましい形態となる。

＜受光部＞
本実施形態に係る受発光装置において、受光部は第２集光部の焦点位置に設置される。ここで受光部が第２集光部の焦点位置に設置されている状態とは、受光部の一部が後述する第２集光部の焦点を含む状態を意味する。受光部は被検出ガスによって吸収される波長を含む光の帯域に感度を有するものであれば特に制限されない。受光部には、焦電センサ（Ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｅｎｓｏｒ）、サーモパイル（Ｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅ）、ボロメータ（Ｂｏｌｏｍｅｔｅｒ）等の熱型センサや、ＰＩＮ構造を持ったフォトダイオードのような量子型センサ等が好適である。受光部は、測定対象ガスに併せて所望の光学特性を有する光学フィルタをさらに備えていてもよい。例えば、被検出ガスが炭酸ガスの場合、受光部には炭酸ガスによる赤外線吸収が多く生じる波長帯（代表的には４．３μｍ付近）の赤外線を濾波できるバンドパスフィルタを搭載する形態が例示される。

＜第１集光部＞
本実施形態に係る受発光装置において、第１集光部は、焦点位置から入射した光を集光する。ここで焦点位置は、第１集光部の形状から一意に定まるものである。第１集光部の焦点に発光部を設置すると、発光部から出射され第１集光部で反射された光は、第１集光部の対称軸方向と平行に揃うこととなる。第１集光部の具体的な形状としては、ある放物線を回転されたときにできる回転放物面を用いることができる。第１集光部は金属材料で形成されてもよいし、あるいは、金属以外の材料で特定の形状を形成した後に、その内面にアルミニウムなどの金属が蒸着又はめっきされることで形成されてもよい。特に、光を反射部分が蒸着やめっきによって形成される場合、金属材料で形成される場合と比較して、高生産性と寸法精度の向上を図ることができる。
また、本実施形態に係る受発光装置において、第１集光部は、放射面形状を有してもよい。これにより焦点位置の制御が容易となり、光路設計の精度を高めることが可能となる。

＜反射部＞
本実施形態に係る受発光装置において、反射部は、第１集光部で集光された光を反射させる。反射部を構成する材料は特に制限されない。例えば、金属、ガラス、セラミックス、ステンレス等の材料が挙げられるがこの限りではない。検出感度向上の観点から、発光部から出力された光の吸収係数が小さく、反射率が高い材料であることが好ましい。具体的にはアルミニウムからなる金属筐体や、アルミニウム、金、銀含む合金、もしくはこれらの積層体のコーティングが施された樹脂筐体、が好ましい。信頼性・経時変化の観点から金または金を含む合金層でコーティングされた樹脂筐体が好ましい。樹脂筐体の場合、射出成型法で形成することができるため、生産性の観点から好ましい場合はある。
また、本実施形態に係る受発光装置において、第１集光部で集光された光が、反射部で複数回反射されてもよい。これにより光路長の長い受発光装置が実現され、ガス濃度検知の精度をさらに向上させることが可能となる。

＜第２集光部＞
本実施形態に係る受発光装置において、第２集光部は、反射部で反射した光を焦点位置に集光する。ここで焦点位置は、第２集光部の形状から一意に定まるものである。第２集光部の焦点に受光部を設置すると、第２集光部の対称軸方向と平行に入射した光は、第２集光部の焦点位置に設置された受光部に入射する。第２集光部の具体的な形状としては、ある放物線を回転されたときにできる回転放物面を用いることができる。第２集光部は金属材料で形成されてもよいし、あるいは、金属以外の材料で特定の形状を形成した後に、その内面にアルミニウムや金や銀などの金属若しくはこれらの金属からなる合金が蒸着又はめっきされることで形成されてもよい。特に、光を反射部分が蒸着やめっきによって形成される場合、金属材料で形成される場合と比較して、低コスト化と寸法精度の向上を図ることができる。
また、本実施形態に係る受発光装置において、第２集光部は、放射面形状を有してもよい。これにより焦点位置の制御が容易となり、光路設計の精度を高めることが可能となる。

＜信号処理部＞
本実施形態に係る受発光装置において、受光部の出力が入力される信号処理部をさらに備えてもよい。信号処理部は、ガス濃度算出における演算が可能なものであれば特に制限されず、例えば、アナログＩＣ、ディジタルＩＣ及びＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等が好適である。信号処理部には、光源を制御するための機能が含まれていても構わない。また、信号処理部は受光部の出力信号から、被検出ガスの濃度を算出し、ディジタル若しくはアナログの電気信号として出力しても良い。または、被検出ガスが所定の濃度以上（若しくは所定の濃度以下）になった場合、その判定に相当するディジタル信号を出力しても良い。

＜封止部＞
本実施形態に係る受発光装置において、発光部、受光部及び信号処理部を一体封止する封止部をさらに備えてもよい。封止部の材料としては、例えば、樹脂モールド材料等を用いることができる。＜その他＞
本実施形態に係る受発光装置において、発光部が形成される基板上に第２の受光部をさらに形成し、且つ、受光部が形成される基板上に第２の発光部をさらに形成する形態も考えられる。２つの発光部を交互に駆動させることで、発光部の劣化の補正等を定期的に行うことが可能となる。

また、発光部の劣化が著しくない用途では、両方の光源を交互に駆動し、両側のセンサの温度差を抑制することができる。この温度差を低減することで、片方の受光部に基板内部反射の光を受け、もう片方の受光部に被検出ガスの吸収によって減衰された光信号を受光させ、両方の信号の割り算をすることで、発光・受光部の温度特性を相殺することができる。この温度特性改善が可能となるのは、交互に発光・受光が行われるためので、光路の形状は双方向の光路が等しくなるように、対称であることが好ましい場合はある。
本実施形態に係る受発光装置において、発光部は第１集光部の焦点位置に設置される形態について説明したが、他の実施形態として、発光部が第１集光部の焦点に設けられない形態についても考えられる。また同様に、受光部は第２集光部の焦点位置に設置される形態について説明したが、他の実施形態として、受光部が第２集光部の焦点に設けられない形態についても考えられる。

また、本実施形態では、発光部及び受光部が、それぞれ第１集光部及び第２集光部の焦点位置にある形態（結像系）について述べたが、第１集光部及び第２集光部が焦点を有しない通常の反射鏡である場合も考えられる（非結像系）。この場合には、発光部から出射された光は特定の場所に集光されることはないが、光路設計の自由度がより高まり、光路長のより長い受発光装置が実現可能である。
以下、図面を参照して本発明の各実施形態について説明する。

［実施形態１］
図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係る受発光装置の実施形態１を説明するための構成図で、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、図１（ｃ）は斜視図を示している。符号２００は実装部を示し、符号４００は光路部（図７）を示している。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。

本実施形態１の受発光装置１００は、図１に示すように、被検出ガスによって吸収される波長を含む光を出力し、第１集光部３の焦点位置に設置された発光部１と、発光部１から入射した光を集光する第１集光部３と、第１集光部３で集光された光を反射させる反射部４と、反射部４で反射した光を焦点位置に集光する第２集光部５と、第２集光部５の焦点位置に設置された受光部２と、を備えている。

本実施形態１に係る受発光装置１００によれば、発光部１から出射された光の一部は第１集光部３によってある特定の方向に集光されることになる。この集光された光は反射部４によって反射され、ある特定の方向から第２集光部５に入射する。第２集光部５は、特定の方向から入射した光を、その焦点位置である受光部２の位置へと集光させる。これによって、発光部１から出射された光の多くは反射回数を稼ぎつつ、受光部に入射されるため、高いＳ／Ｎ比の信号が得られ、これにより小型で、かつ、高精度な受発光装置１００を実現することができる。

図７は、図１（ａ）〜（ｃ）に示した実施形態１の受発光装置の実装状態を示す図である。なお、符号３００はプリント基板を示している。つまり、この受発光装置１００は、図７に示すように、接着剤１０２と半田１０１を用いて簡易にプリント基板３００等の実装基板上に実装可能である。
実装方法としては、下記の二通りの方法が有り得る。
（１）まず実装部２００をプリント基板３００上に、半田によって固定し、最後に、光路部４００を接着材１０２で固定する。

（２）一体化した実装部２００と光路部４００を半田と接着剤によってプリント基板に実装する。
実装部とプリント基板３００との電気接続は露出されたリードフレーム１１の一部と半田１０２によって行われる。方法（ｉ）では、光路部４００が樹脂製の場合、実装部２００の半田リフローの際に、十分な耐熱性はない可能性はあるため、好ましい場合はある。方法（ｉｉ）では、光路部４００は耐熱性の材質である必要はある。具体的な材質はセラミック、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）樹脂などが挙げられる。

［実施形態２］
図２は、本発明に係る受発光装置の実施形態２を説明するための構成図である。図２に示すように、本実施形態２の受発光装置１００は、第１集光部３で集光された光を複数回反射される反射部４ａ，４ｂを備えている。
本実施形態２に係る受発光装置１００によれば、発光部１から出射された光の一部は第１集光部３によってある特定の方向に集光されることになる。この集光された光は反射部４ａ，４ｂによって複数回反射された後に、ある特定の方向から第２集光部５に入射する。第２集光部５は特定の方向から入射した光を、その焦点位置である受光部２の位置へと集光させる。これによって、発光部１から出射された光の多くは反射回数を稼ぎつつ、受光部２に入射されるため、高いＳ／Ｎ比の信号が得られ、これにより小型で、かつ、高精度な受発光装置を実現することができる。
［実施形態３］
図３は、本発明に係る受発光装置の実施形態３を説明するための構成図である。図３に示すように、本実施形態３の受発光装置１００は、受光部２の出力が入力される信号処理部６と、発光部１、受光部２及び信号処理部６を一体封止する封止部７をさらに備えている。また、このときの発光部１、受光部２、信号処理部６及び封止部７を示したものが、後述する図６である。

なお、上述した実施形態１及び２において、反射部４は、発光部１及び受光部２の反対側にのみに配置されているのに対して、本実施形態３の受発光装置１００における反射部４１は、受発光装置１００内の四隅に配置して複数回の反射を行うようにしたものである。
本実施形態３に係る受発光装置１００によれば、発光部１、受光部２及び信号処理部６が一体に封止されていることで、同じ光路長の場合にも装置のさらなる小型化が可能となる。ここでは、発光部１、受光部２及び信号処理部６が小型な封止部で実現できるため、生産性の観点から好ましい場合はある。また一体に封止されていることで、その他の空間を光路の設計に自由に利用することが可能となり、光路設計の自由度が高まる。

図５は、図３に示した実施形態３の受発光装置の斜視図である。ここでは、発光部１の出射面側及び受光部２の受光面側に波長選択性のある光学フィルタ８ａ，８ｂを搭載している。また、光学フィルタ８ａ，８ｂを保持するフィルタ保持部９を備えている。
図６は、図５のＢ−Ｂ’線断面図である。符号１１はリードフレーム、１２は信号処理部６とリードフレーム１１とを接続するワイヤーを示している。

［実施形態４］
図４は、本発明に係る受発光装置の実施形態４を説明するための構成図である。図４に示すように、本実施形態４の受発光装置１００は、図３に示す受発光装置において、発光部１と受光部２をより近接して封止している。
本実施形態４に係る受発光装置１００によれば、光路長をさらに長くしつつ、発光部１と受光部２の温度差を小さくすることが可能となり、温度補正等の信号処理を容易に行うことが可能となる。また第１集光部と第２集光部は発光部１と受光部２は収まるだけの横幅にし、焦点距離がなるべく原点に近くなるように設計できるため、小型化の観点から好ましい場合はある。
本実施形態４の受発光装置１００の反射部４１は、上述した図３における反射部４１と同様に、受発光装置１００内の四隅に配置して複数回の反射を行うようにしたものである。

［その他の実施形態］
図８（ａ），（ｂ）は、本発明に係る受発光装置のその他の実施形態を説明するための構成図で、図８（ａ）は上面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＣ−Ｃ’線断面図である。
その他の実施形態として、図８（ａ），（ｂ）に示す受発光装置も考えられる。この受発光装置１００は、非結像系の光学設計となっており、発光部１から出射された光は、複数回反射させる反射部４２を介しているが、特定の場所に集光されることはないので、光路設計の自由度がより高まり、光路長のより長い受発光装置が実現可能である。
ここまでの説明は、被検出ガス導入・導出用の開口部は示さなかったが、光の発光・受光の効率を低下する場所でなければ、制限はされない。また、被検出ガスと一緒に粉じんなどの導入を防ぐため、開口部にフィルタなどを設けても良い。

また図示しないが、本発明に係る受発光装置のその他の実施形態として、受発光装置１００の上部及び下部に蓋を設けても良い。蓋の材質は特に限定されない。蓋を設けることで、受発光装置１００の光路内への粉じんの入り込みが抑制でき、光の集光率を高めることができるため、好ましい場合はある。これらの蓋は製造時に、受発光装置１００と一体化形成しても良い。この場合、生産性の観点から好ましい場合はある。
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。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４実施形態とその他の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。

１ 発光部
２ 受光部
３ 第１集光部
４，４ａ，４ｂ，４１，４２ 反射部
５ 第２集光部
６ 信号処理部
７ 封止部
８ａ，８ｂ 光学フィルタ
９ フィルタ保持部
１１ リードフレーム
１２ ワイヤー
１００ 受発光装置
１０１ 半田
１０２ 接着剤
２００ 実装部
３００ プリント基板
４００ 光路部

Claims (6)

1. 発光部と、
   受光部と、
   焦点位置から入射した光を集光する第１集光部と、
   前記第１集光部で集光された光を反射させる反射部と、
   反射部で反射した光を焦点位置に集光する第２集光部と、を備え、
   前記発光部は前記第１集光部の焦点位置に設置され、前記受光部は前記第２集光部の焦点位置に設置される受発光装置。
2. 前記第１集光部及び前記第２集光部は、放射面形状を有する請求項１に記載の受発光装置。
3. 前記第１集光部で集光された光が、前記反射部で複数回反射される請求項１または請求項２に記載の受発光装置。
4. 前記受光部の出力が入力される信号処理部をさらに備える請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の受発光装置。
5. 前記発光部、前記受光部及び前記信号処理部を一体封止する封止部をさらに備える請求項４に記載の受発光装置。
6. 前記第１集光部、前記反射部及び前記第２集光部が同一材料で一体形成される請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の受発光装置。

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