JP2018100934A - センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被計測物に含まれる検出対象物の量を高精度に計測できる小型のセンサ装置を提供する。【解決手段】センサ装置は、第１面２０ｂに凹部２０ａが設けられている矩形板状の基部２０、および第１面２０ｂの対向する２辺に沿って配設された一対の立壁部２１を有する基体と、一対の立壁部２１間に基体を覆うように配設される第１蓋体であって、基体に対向する第１対向面が光反射性を有し、第１対向面は、第１面２０ｂ、および一対の立壁部２１の相対向する面２１ａとともに、被計測物が通過する通路６を規定している第１蓋体と、凹部２０ａに収容され、通路６に向かって光を照射する発光素子３と、凹部２０ａに収容され、通路６を通過する被計測物に含まれる検出対象物からの散乱光および第１蓋体からの反射光を受光する受光素子４と、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、センサ装置、特に被計測物に含まれる検出対象物の量を計測するセンサ装置に関する。

被計測物に含まれる検出対象物の量、例えば室内に浮遊するほこりの量を高精度に計測できるセンサ装置が求められている。

空気中に浮遊するほこりの有無を検出するほこりセンサは、例えば、特許文献１に光電式ほこりセンサとして記載されており、筐体内に、ほこり通過経路、ほこり通過経路に光を照射するための、スリットを備えた発光部、ほこりからの散乱光を受光するための、スリットを備えた受光部、および散乱光以外の不要な光が受光部に入射することを防止する遮光板が設けられている。

特開２００４−２９４０８２号公報

従来の光電式ほこりセンサは、受光部がほこりからの散乱光を受光した受光量に基づき、ほこりの有無を検出するものであり、ほこりからの散乱光以外の光が受光部に入射すると、検出精度が低下してしまう。そのため、筐体内にスリットや遮光板等を配設し、ほこりからの散乱光以外の光が受光部に入射することを防止する必要があり、それによって、ほこりセンサが大型化するとともに、筐体内にほこりが堆積し易く、メンテナンス性が悪化するという問題がある。

本発明の一つの態様のセンサ装置は、複数の誘電体層が積層されてなる基体であって、第１面に凹部が設けられている矩形板状の基部と、前記第１面の４辺のうち対向する２辺に沿って配設された一対の立壁部とを有する基体と、
前記一対の立壁部間に前記基体を覆うように配設される矩形板状の第１蓋体であって、前記基体に対向する第１対向面が光反射性を有し、前記第１対向面は、前記基部の前記第１面および前記一対の立壁部の相対向する面とともに、被計測物が通過する通路を規定している第１蓋体と、
前記凹部に収容され、前記通路に向かって光を照射する発光素子と、
前記凹部に収容され、前記通路を通過する前記被計測物に含まれる検出対象物からの散乱光、および前記第１蓋体からの反射光を受光する受光素子と、
を含むことを特徴とする。

本発明の一つの態様のセンサ装置によれば、センサ装置の大型化を抑制するとともに、被計測物に含まれる検出対象物の量を高精度に計測することができる。

第１実施形態に係るセンサ装置を示す平面図である。 図１の切断面線Ａ−Ａで切断した断面図である。 図１の切断面線Ｂ−Ｂで切断した断面図である。 図３に示した断面図に対応する、第２実施形態に係るセンサ装置の断面図である。 図３に示した断面図に対応する、他の実施形態に係るセンサ装置の断面図である。 第３実施形態に係るセンサ装置を示す平面図である。 図６の切断面線Ｃ−Ｃで切断した断面図である。 第３実施形態に係るセンサ装置の第２絞り孔の変形例を示す平面図である。

図１は、本発明の第１実施形態に係るセンサ装置１を示す平面図である。図２は、図１の切断面線Ａ−Ａで切断した断面図であり、図３は、図１のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。なお、図１の平面図では、第１蓋体５を省略して図示している。

本実施形態のセンサ装置１は、レーザドップラー流量測定（Laser Doppler Flowmetry）を利用して、被計測物に含まれる検出対象物の量、例えば空気中のほこりの量を計測するセンサ装置である。センサ装置１は、基体２と、発光素子３と、受光素子４と、第１蓋体５とを含む。

基体２は、発光素子３および受光素子４を収容するとともに、第１蓋体５とともに、被計測物が通過する通路６を規定するものである。基体２は、複数の誘電体層が積層されて形成され、基部２０と、一対の立壁部２１とを含む。

基部２０は、矩形板状であり、発光素子３および受光素子を収容する凹部２０ａが、第１面（一方主面）２０ｂに開口するように設けられている。凹部２０ａの大きさは、発光素子３および受光素子４の大きさに応じて適宜設定すればよい。例えば、発光素子３として、垂直共振器面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）を使用し、受光素子４として、面入射フォトダイオードを使用する場合、凹部２０ａの開口は、その形状が、例えば矩形であっても正方形であってもよく、その大きさは、例えば、縦方向長さが０．３ｍｍ〜８．０ｍｍ、横方向長さが０．５ｍｍ〜１０．０ｍｍであり、深さは、０．２ｍｍ〜５．０ｍｍである。

本実施形態では、図１に示すように、平面視したときに、凹部２０ａは、矩形形状であり、基部２０の長手方向と凹部２０ａの長手方向とが平行である。このような構成によれば、発光素子３および受光素子４を矩形板状の基部２０に効率的に配置することができ、センサ装置の大型化を抑制できる。

また、凹部２０ａは、基部２０の第１面２０ｂに平行な断面の断面形状が深さ方向に一様な形状であってもよいが、図３の断面図に示すように、所定の深さまでは、断面形状が開口形状と同じで一様であり、所定の深さ以降は、断面形状が小さくなって底部まで一様であるような、段差部が設けられた凹部であってもよい。本実施形態では、２つの段差部２０ｄが凹部２０ａに設けられており、各段差部２０ｄの表面に、発光素子３または受光素子４と電気的に接続するための接続パッド２３ａが配設される。図１に示すように、接続パッド２３ａが配設される２つの段差部２０ｄは、凹部２０ａの内部において、互いに最も離間した位置に設けられていてもよい。このような構成によれば、発光素子３を駆動する駆動信号から発生する電磁波が、受光素子４の受光信号に混入することを抑制し、高精度の計測を行うことができる。

基部２０の第１面２０ｂには、第１面２０ｂの４辺のうちの対向する２辺２０ｅに沿って、一対の立壁部２１が設けられている。一対の立壁部２１は、一方側面同士が対向するように基部２０の第１面２０ｂ上に設けられている。また、本実施形態では、図１〜図３に示すように、立壁部２１は、矩形板状であり、第１面２０ｂの長手方向に延びる対向する２辺２０ｅに沿って配設されている。

本実施形態では、基体２は、複数のセラミック絶縁材料からなる誘電体層が積層されて構成されている。セラミック絶縁材料としては、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体またはガラスセラミックス焼結体等が挙げられる。

基体２は、樹脂絶縁材料、例えば有機材料からなる複数の誘電体層が積層されて構成されていてもよい。有機材料としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂またはフッ素系樹脂等が挙げられる。

第１蓋体５は、矩形板状であり、基体２の一対の立壁部２１間に配設される。第１蓋体５の、基体２に対向する第１対向面５ａは、発光素子３から発せられた光を反射する光反射性を有している。第１対向面５ａは、基部２０の第１面２０ｂ、および一対の立壁部２１の相対向する面２１ａとともに、被計測物が通過する通路６を規定している。

本実施形態では、第１蓋体５は、金属材料から構成される。金属材料としては、例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｗなどの金属及びこれらの合金等が挙げられる。第１蓋体５を構成する金属材料は、被計測物および検出対象物の種類、特性等に応じて選択されてもよく、発光素子３から出射される光の波長に対する反射率を考慮して選択されてもよい。

基部２０、立壁部２１、および第１蓋体５は、被計測物が通過する通路６を形成するため、所定の強度を有する。基部２０は、凹部２０ａに発光素子３および受光素子４が収容可能な厚みを有しており、例えば被計測物が室内空気である場合には、十分な強度を有している。立壁部２１の強度は、立壁部２１を構成する材料の強度、および板厚みによる。例えば被計測物が室内空気であり、基体２の構成材料としてセラミック絶縁材料を用いる場合は、例えば厚み（図１の上下方向における厚み）を０．０３ｍｍ〜３．０ｍｍとすればよい。

第１蓋体５の強度は、第１蓋体５を構成する材料の強度、および板厚みによる。例えば被計測物が室内空気であり、第１蓋体５の構成材料として金属材料を用いる場合は、例えば厚みを０．１ｍｍ〜３．０ｍｍとすればよい。

発光素子３は、凹部２０ａの底部に配設されており、通路６に向かって光を照射する。本実施形態では、発光素子３として、ＶＣＳＥＬを使用する。発光素子３が発する光の波長は、被計測物および被計測物に含まれる検出対象物と光との相互作用を考慮して選択されてもよい。検出対象物が空気中のほこりである場合には、例えば８５０ｎｍの波長の光を発する発光素子３を使用してもよい。

受光素子４は、凹部２０ａの底部に配設されている。受光素子４は、発光素子３から発せられ、通路６を通過する被計測物に含まれる検出対象物によって散乱された散乱光、および発光素子３から発せられ、第１蓋体５の第１対向面５ａで反射された反射光を受光する。検出対象物からの散乱光は、検出対象物の移動速度に応じたドップラーシフトを受けて、発光素子３から出射される光から波長が変化した光である。第１蓋体５からの反射光は、ドップラーシフトを受けないので、発光素子３から出射される光から波長が変化していない光である。本実施形態では、受光素子４として、面入射フォトダイオードを使用する。受光素子４は、被計測物からの散乱光、および第１蓋体５からの反射光を受光できるものであればよい。

前述のように、センサ装置１は、レーザドップラー流量測定を利用して、被計測物に含まれる検出対象物の量、例えば空気中のほこり等の量を計測するセンサ装置として好適に用いられる。発光素子３から通路６に向かって照射された光の一部は、通路６を通過する被計測物に含まれる検出対象物によって散乱され、検出対象物の移動速度に応じたドップラーシフトを受けて波長が変化した散乱光となる。検出対象物によって散乱されず、第１蓋体５の第１対向面５ａに到達した光は、第１対向面５ａで反射され、波長が変化しない反射光となる。受光素子４は、検出対象物からの散乱光、および第１蓋体５からの反射光の両方を受光し、散乱光と反射光との干渉による光ビート信号を検出する。この光ビート信号を、例えば外部実装基板に実装される演算素子で周波数解析することによって、検出対象物の速度分布、検出対象物の量等を算出することができる。

本実施形態のセンサ装置１では、第１蓋体５からの反射光は、検出対象物からの散乱光と干渉して、光ビート信号を生成するものであり、不要な光ではない。したがって、第１蓋体５からの反射光が受光素子４に入射することを防止するための遮光板等の光学部材を設ける必要がなく、センサ装置１の大型化を抑制することができる。

また、本実施形態のセンサ装置１は、第１蓋体５からの反射光および検出対象物からの散乱光の両方を利用することによって、高精度の計測を行うことができる。

本実施形態では、図１の平面図に示すように、立壁部２１は、基部２０の第１面２０ｂの対向する２辺２０ｅに沿って設けられており、発光素子３および受光素子４は、当該対向する２辺２０ｅに平行に並んでいる。したがって、発光素子３と受光素子４とが並設された方向は、通路６が延びる方向と平行である。換言すると、発光素子３および受光素子４は、被計測物が通路６を通過する方向に沿って並ぶように配設されている。このような構成によれば、発光素子３と受光素子４とが並ぶ方向と、被計測物が通路６を通過する方向とが平行になり、それによって、受光素子４が受光する検出対象物からの散乱光は波長の変化が大きい光となり、光ビート信号が検出し易くなるので、計測精度を向上することができる。

センサ装置１では、図１，図３に示すように、通路６の幅Ｗおよび通路６の高さＨが一定とされており、通路６の断面積が一定であるが、被計測物が通過する方向、例えば発光素子３から受光素子４に向かう方向において、通路６の断面積が徐々に大きくなっていてもよい。このような構成によれば、通路６における圧力損失を低減し、被計測物および被計測物に含まれる検出対象物の通過速度を増加させることができる。それによって、検出対象物からの散乱光における波長の変化が大きくなり、光ビート信号が検出し易くなるので、計測精度を向上することが可能になる。

本実施形態のセンサ装置１では、基体２が、第１接地ビア導体２２、信号配線導体２３、および外部接続端子２４をさらに有している。

第１接地ビア導体２２は、基部２０および立壁部２１を構成する各誘電体層を厚み方向に貫通する貫通導体が、基体２の厚み方向に複数連なって構成される。本実施形態では、例えば図２に示すように、第１接地ビア導体２２は、基体２全体を厚み方向に貫通しており、平面視したときに、各誘電体層に設けられる貫通導体の位置が同一である。すなわち、第１接地ビア導体２２は、立壁部２１の、基部２０に接する面とは反対側の面から、基部２０の、第１面２０ｂとは反対側の第２面２０ｃ面まで一直線状に貫通しており、第１接地ビア導体２２の一方端面２２ａが、立壁部２１の、基部２０に接する面とは反対側の面に露出し、他方端面２２ｂが、基部２０の第２面２０ｃ面に露出している。

第１接地ビア導体２２の一方端面２２ａは、第１蓋体５の第１対向面５ａに電気的に接続される。第１接地ビア導体２２の他方端面２２ｂは、基部２０の第２面２０ｃに配設される外部接続端子２４に接続される。このような第１接地ビア導体２２によって、第１蓋体５に接地電位が与えられる。

被計測物に含まれる検出対象物、例えば空気中のほこりは、帯電していることがある。帯電している検出対象物が、第１蓋体５の第１対向面５ａに付着すると、第１蓋体５の反射効率が低下してしまい、計測精度が低下することがある。

上記の第１接地ビア導体２２を設けることによって、帯電している検出対象物が第１蓋体５の第１対向面５ａに接触したときに、帯電している検出対象物が有する電荷は、第１蓋体５から第１接地ビア導体２２を流れ、基部２０の第２面２０ｃに到達し、外部へと放出される。したがって、本実施形態のセンサ装置１によれば、検出対象物が帯電している場合であっても、該被計測物が第１蓋体５の第１対向面５ａに付着することを抑制し、計測精度を維持することができる。

センサ装置１では、図１に示したように、第１接地ビア導体２２は、基体２の外形である矩形の４つの隅部のうちの１つの隅部に配設されており、残り３つの隅部には、配設されていないが、第１接地ビア導体２２は、４つの隅部のうちの２つ以上の隅部に配設されてもよく、４つの隅部の全てに配設されてもよい。第１接地ビア導体２２は、第１蓋体５の第１対向面５ａに接地電位を与えるものであればよく、４つの隅部以外の場所に配設されていてもよい。第１接地ビア導体２２を複数配設することによって、第１蓋体５の接地電位を安定化することができ、帯電している検出対象物が第１蓋体５の第１対向面５ａに付着することを一層効果的に抑制することができる。

第１接地ビア導体２２の配設位置は、発光素子３との距離および受光素子４との距離に基づいて決定されてもよい。第１接地ビア導体２２には、発光素子３または受光素子４と外部実装基板とを電気的に接続する信号配線導体２３に進入してしまうとノイズの原因となる不要な電荷が流れるので、第１接地ビア導体２２と、センサ装置１に形成される信号配線導体２３（接続パッド２３ａ、信号ビア導体２３ｂ、およびボンディングワイヤ７を含む）との距離を予め定める距離以上に大きくすることによって、第１接地ビア導体２２から信号配線導体２３に不要な電荷が進入してしまうことを低減できる。したがって、基体２のうち、信号配線導体２３との距離が予め定める距離よりも小さくなる位置には第１接地ビア導体２２を設けないのがよい。

また、第１接地ビア導体２２は、上記のように不要な電荷を誘導してセンサ装置１の外部に放出させるために、電気抵抗を低くすることが好ましく、電気抵抗を低くするためには、直径をより大きくすることが好ましい。しかしながら、直径を大きくし過ぎると、信号配線導体２３との距離が小さくなり、第１接地ビア導体２２から信号配線導体２３に不要な電荷が進入するおそれがある。したがって、これらを考慮して、第１接地ビア導体２２の直径は、例えば１０μｍ〜５００μｍとすればよい。

信号配線導体２３は、発光素子３または受光素子４と電気的に接続され、発光素子３に入力される電気信号が伝送され、受光素子４から出力される電気信号が伝送される。本実施形態における信号配線導体２３は、発光素子３または受光素子４と接続する接続部材であるボンディングワイヤ７と、ボンディングワイヤ７が接続される接続パッド２３ａと、接続パッド２３ａに電気的に接続して接続パッドの直下から基部２０の他方主面にまで一直線状に延びる信号ビア導体２３ｂと、外部接続端子２４とから成る。外部接続端子２４は、センサ装置１が実装される外部実装基板の接続端子とはんだ等の接合材料によって電気的に接続される。

外部接続端子２４は、はんだ等の接合材との濡れ性を向上させ、耐食性を向上させるために、例えば、ニッケル層と金層とをめっき法によって順次被着させてもよい。

図４は、本発明の第２実施形態のセンサ装置１Ａを示す断面図であり、図３に示した断面図に対応する。第２実施形態のセンサ装置１Ａは、第１実施形態のセンサ装置１と比較して、第１蓋体５が、非金属材料からなる矩形板状部材５ｂと第１金属薄層５ｃとを含む点で異なっており、その他については、同様の構成であるので、同様の構成同様の構成にはセンサ装置１と同じ参照符号を付して詳細な説明は省略する。

矩形板状部材５ｂは、ガラス材料からなり、一対の立壁部２１間に基体２を覆うように配設される。

矩形板状部材５ｂを構成するガラス材料は、例えば、ホウケイ酸ガラス、結晶化ガラス、石英、ソーダガラス等を用いることができる。矩形板状部材５ｂは、被計測物が直接接触する第１蓋体５の主要部分を構成するため、所定の強度を要する。矩形板状部材５ｂの厚みを、例えば０．１ｍｍ〜３．０ｍｍとすれば、第１蓋体５の十分な強度が得られる。

第１金属薄層５ｃは、光反射性を有し、第１蓋体５の光反射面を構成する。すなわち、第１金属薄層５ｃは、発光素子３から通路６に向かって照射され、第１蓋体５の第１金属薄層５ｃに到達した光を、当該光の波長を変化させることなく反射する。

第１金属薄層５ｃは、例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｗなどの金属及びこれらの合金等の金属材料を蒸着、スパッタ、焼付け等による金属薄膜として形成することができる。第１金属薄層５ｃの層厚みは、例えば、５００Å〜３０，０００Åである。

また、第１金属薄層５ｃは、第１接地ビア導体２２を介して、接地電位に接続されている。これにより、検出対象物が帯電している場合であっても、帯電している検出対象物が第１金属薄層５ｃに付着することを抑制できるので、計測精度を維持することができる。

本実施形態のセンサ装置１Ａは、基体２が、セラミック絶縁材料、例えば約７ｐｐｍ／Ｋの熱膨張係数を有している。上記構成の第１蓋体５の熱膨張係数は、実質的に、矩形板状部材５ｂの熱膨張係数に一致する。本実施形態では、矩形板状部材５ｂを構成する材料がガラス材料であるので、ガラス材料を適宜選択することによって、第１蓋体５の熱膨張係数と基体２を構成するセラミック絶縁材料の熱膨張係数とを実質的に一致させることができる。これにより、基体２と第１蓋体５との熱膨張差を低減し、基体２と第１蓋体５との間の熱応力の発生を抑制することができる。したがって、本実施形態によれば、センサ装置１Ａの変形を低減し、信頼性を向上することができる。

また、図４に示すように、矩形板状部材５ｂの、第２対向面５ｂａとは反対側の面５ｂｂ、すなわち矩形板状部材５ｂの外部に臨む面５ｂｂには、遮光性、光吸収性、または光反射性を有する光学部材５ｄが配設されていてもよい。

光学部材５ｄは、外部から到来する光が凹部２０ａに進入することを抑制する。外部から到来する光が凹部２０ａに進入すると、受光素子４が進入した光を受光してしまい、計測精度を低下させる原因となる。矩形板状部材５ｂの外部に臨む面５ｂｂに、光学部材５ｄを設けることで、不要な光の進入を抑制し、計測精度の低下を抑制することができる。

図５は、他の実施形態のセンサ装置１Ｂを示す断面図であり、図３に示した断面図に対応する。他の実施形態のセンサ装置は、第２実施形態のセンサ装置１Ａと比較して、第１金属薄層５ｃが形成される場所が相違し、第１接地ビア導体２２が設けられていない点で異なっており、その他については、同様の構成であるので、同様の構成にはセンサ装置１Ａと同じ参照符号を付して詳細な説明は省略する。

センサ装置１Ｂでは、第１金属薄層５ｃが、矩形板状部材５ｂの、第２対向面５ｂａとは反対側の面５ｂｂに形成されている。センサ装置１Ｂは、センサ装置１Ａと同様に、基体２と第１蓋体５との熱膨張差を低減し、基体２と第１蓋体５との間の熱応力の発生を抑制することができる。これにより、センサ装置１Ｂの変形を低減し、信頼性を向上することができる。

さらに、センサ装置１Ｂでは、第１金属薄層５ｃの、矩形板状部材５ｂに接している面が、発光素子３から通路６に向かって照射され、第１蓋体５の第１金属薄層５ｃに到達した光を、当該光の波長を変化させることなく反射する反射面として機能する。センサ装置１Ｂでは、反射面が露出していないので、被計測物、外気等による反射面の酸化、腐食等を抑制することができる。これにより、長期間にわたり第１蓋体５の光反射率を維持することができ、計測精度の低下を抑制することができる。

図６は、本発明の第３実施形態に係るセンサ装置１Ｃを示す平面図であり、図７は、図６のＣ−Ｃ線で切断した断面図である。なお、図６の平面図では、第１蓋体５を省略して図示している。

第３実施形態のセンサ装置１Ｃは、第２実施形態のセンサ装置１Ａと比較して、第２蓋体８、第２金属薄層９、第２接地ビア導体２５、導電性接合部材２６、および遮光壁２７を含む点で異なっており、その他については、同様の構成であるので、同様の構成にはセンサ装置１Ａと同じ参照符号を付して詳細な説明は省略する。

第２蓋体８は、絶縁材料からなる板状部材であり、凹部２０ａの開口部に設けられ、凹部２０ａの開口部を封止している。

第２蓋体８は、通路６に向かって照射される照射光、被計測物からの散乱光、および第１蓋体５からの反射光を透過する必要がある。照射光、散乱光、および反射光の特性は、搭載する発光素子によって決まるので、少なくとも搭載する発光素子が出射する光が透過するように構成されていればよい。第２蓋体８を構成する絶縁材料は、搭載する発光素子から出射される光の波長に対して、当該波長の光の透過率が、７０％以上であってもよく、９０％以上であってもよい。

第２蓋体８を構成する絶縁材料としては、例えばガラス材料、サファイア等の透明セラミック材料、または樹脂材料等を用いることができる。ガラス材料としては、ホウケイ酸ガラス、結晶化ガラス、石英、ソーダガラス等を用いることができる。樹脂材料としては、ポリカーボネート樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂等を用いることができる。

第２蓋体８は、被計測物が直接接触するため、所定の強度を要する。第２蓋体８の強度は、構成する材料の強度、板厚みによる。上記のようにガラス材料や透明セラミック材料であれば、所定の厚み以上とすることで十分な強度が得られる。第２蓋体８の構成材料としてガラス材料を用いる場合は、例えば厚みを０．１ｍｍ〜１．０ｍｍとすればよい。

第２蓋体８が導電性を有する材料で構成されていると、被計測物または被計測物に含まれる検出対象物から不要な電荷が放出され、第２蓋体８を通して凹部２０ａに電荷が流れ込みノイズが発生する。第２蓋体８をガラス材料で構成することにより、第２蓋体８を通して不要な電荷が流れ込むことを抑制することができる。

また、第２蓋体８を設けることにより、検出対象物が、発光素子３または受光素子４に付着して、発光素子３の発光効率または受光素子４の受光効率を低下させることを抑制できる。さらに、検出対象物が帯電している場合であっても、帯電している検出対象物が信号配線導体２３（ボンディングワイヤ７を含む）に接触し、ノイズを発生させることを抑制することができる。

第２蓋体８は、凹部２０ａを気密封止していてもよい。このような構成によれば、被計測物が凹部２０ａに進入しないので、発光素子３および受光素子４が破損することを防止できる。さらに、被計測物が、例えば液体であったとしても、当該被計測物に含まれる検出対象物の量を計測できる。本実施形態のセンサ装置１Ｃによれば、例えば血液中の赤血球の量を計測することができる。

第２金属薄層９は、第２蓋体８の、第１蓋体５に対向する第３対向面８ａに形成される。第２金属薄層９は、第２蓋体８の表面に、例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｗなどの金属及びこれらの合金等の金属材料を蒸着、スパッタ、焼付け等による金属薄膜として形成することができる。第２金属薄層９の層厚みは、例えば、５００Å〜３０，０００Åである。

第２金属薄層９には、発光素子３から発光された光を規制する第１絞り孔９ａ、および受光素子４によって受光される光を規制する第２絞り孔９ｂが形成されている。

第１絞り孔９ａは、発光素子３の上方に位置している。図６に示すように、平面視で、第１絞り孔９ａは、円形状であるとともに、第１絞り孔９ａの中心が、発光素子３の中心に一致している。第１絞り孔９ａは、平面視で、発光素子３の発光部と同じ大きさ、または発光素子３の発光部よりも大きい大きさに形成されていてもよい。このような構成によれば、発光素子３から発せられた光を通路６に向かって効率的に照射することができる。

第２絞り孔９ｂは、受光素子４の上方に位置している。図６に示すように、第２絞り孔９ｂは、平面視で、楕円形状を有している。また、平面視したときに、第２絞り孔９ｂの中心が、受光素子４の中心と発光素子３の中心とを結ぶ方向において、受光素子４の中心よりも発光素子３側に位置しているとともに、第２絞り孔９ｂの長軸が、受光素子４の中心と発光素子３の中心とを結ぶ方向に平行になっている。第２絞り孔９ｂは、平面視で、受光素子４の受光部の中心が第２絞り孔９ｂを規定する領域に露出するように構成されていてもよい。また、受光素子４の中心と発光素子３の中心とを結ぶ方向と垂直な方向において、第２絞り孔９ｂの大きさが、受光素子４の受光部の大きさよりも大きくてもよい。

上記構成によれば、受光素子４の受光部に入射する検出対象物からの散乱光の光量、および第１蓋体からの反射光の光量を増加させることが可能になり、計測精度を向上することができる。

第２金属薄層９は、不要な光が凹部２０ａから外部に出射しないよう、また不要な光が外部から凹部２０ａに進入しないように、第１絞り孔９ａおよび第２絞り孔９ｂが設けられたマスク部材としても機能する。

さらに、第２金属薄層９は、外部から到来する電磁波が凹部２０ａに進入することを抑制するための電磁シールドとしても機能する。電磁波が凹部２０ａに進入すると、信号配線導体２３、特にボンディングワイヤ７がアンテナとなって進入した電磁波を受信してしまいノイズ発生の原因となる。第２蓋体８の第３対向面８ａに、光を通過させるための第１絞り孔９ａおよび第２絞り孔９ｂを除いて第２金属薄層９を設けることで、電磁波の進入を抑制し、ノイズの発生を低減することができる。

第２金属薄層９は、第２接地ビア導体２５を介して、接地電位に接続されている。第２接地ビア導体２５は、基部２０を構成する各誘電体層を厚み方向に貫通する貫通導体が、基部２０の厚み方向に複数連なって構成される。

第２金属薄層９を接地電位に接続することにより、帯電している検出対象物が第２金属薄層９に接触し、不要な電荷が放出された場合であっても、当該電荷が凹部２０ａに流れ込みノイズを発生させることを抑制できる。

第２接地ビア導体２５は、例えば図６に示すように、平面視で、基部２０の凹部２０ａよりも外方に配設され、基部２０全体を厚み方向に貫通しており、基部２０を構成する各誘電体層に設けられる貫通導体の位置が同一である。すなわち、第２接地ビア導体は、基部２０の第１面２０ｂから第２面２０ｃまで一直線状に貫通している。第２接地ビア導体２５の一方端面２５ａが、基部２０の第１面２０ｂに露出し、例えばはんだである導電性接合部材２６を介して、第２金属薄層に電気的に接続されている。第２接地ビア導体の他方端面２５ｂは、基部２０の第２面２０ｃに露出し、外部接続端子２４に接続されている。

遮光壁２７は、凹部２０ａの底面に配設され、光を遮断し、図６の平面図に示すように、発光素子３の中心と受光素子４の中心とを結ぶ方向と垂直な方向に延びている。また、図７の断面図に示すように、遮光壁２７は、凹部２０ａの底面から、凹部２０ａの底面から基体２の高さ方向に沿って延び、第２蓋体８の、第３対向面８ａとは反対側の面に接触している。すなわち、遮光壁２７は、凹部２０ａ内の空間を、発光素子３が収容される第１収容空間２０ｆと、受光素子４が収容される第２収容空間２０ｇとに分割している。

発光素子３と受光素子４とを近接して配置すれば、センサ装置の大型化を抑制することが可能になるが、発光素子３から発せられた光が直接に受光素子４に入射し易くなり、ノイズ発生の原因となる。上記構成の遮光壁２７を設けることにより、発光素子３と受光素子４とを近接して配設することが可能になり、センサ装置の大型化を抑制できる。本実施形態では、十分な遮光効果を得るために、遮光壁２７の厚み（図７の左右方向における厚み）は、例えば０．０３ｍｍ〜３．０ｍｍである。

さらに、センサ装置１Ｃのような自発光型のセンサ装置では、発光素子３から出射される光が、被計測物によって散乱されて、あるいは第１蓋体５によって反射されて、受光素子４に至るまでの光路長が短くなれば、受光素子４が受光する光量が増加して、計測精度が向上する。センサ装置１Ｃによれば、遮光壁２７を設けることにより、発光素子３と受光素子４とを近接して配置することが可能になるので、発光素子３と受光素子４との間の光路長を短くして、計測精度を向上することができる。

図８（ａ），（ｂ），（ｃ）は、センサ装置１Ｃにおける第２絞り孔９ｂの変形例を示す平面図である。センサ装置１Ｃでは、第２絞り孔９ｂは、楕円形状であるが、第２絞り孔９ｂの形状は、楕円形状に限定されるものではない。第２絞り孔９ｂは、例えば、図８（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す形状であってもよい。なお、図８（ａ），（ｂ），（ｃ）では、発光素子３、受光素子４、第２蓋体８、第２金属薄層９、遮光壁２７以外の構成を省略して図示している。

第２絞り孔９ｂは、例えば図８（ａ）に示すように、平面視で、円形状の孔であり、第２絞り孔の中心が、受光素子の中心よりも発光素子側に位置していてもよい。さらに、第２絞り孔９ｂは、受光素子４の受光部の大きさと同程度の大きさを有していてもよい。このような構成によっても、受光素子４の受光部に入射する検出対象物からの散乱光の光量、および第１蓋体からの反射光の光量を増加させることができ、計測精度を向上することができる。

第２絞り孔９ｂは、例えば図８（ｂ）に示すように、平面視で、受光素子４と発光素子３とを結ぶ方向に垂直に延びる直線部と、曲線部とからなる形状の孔であってもよい。曲線部の形状は、円の一部であってもよく、楕円の一部であってもよい。図８（ｂ）に示すように、第２絞り孔９ｂは、平面視で、受光素子４の受光部の中心が第２絞り孔９ｂを規定する領域に露出するように形成されていてもよい。直線部は、受光素子４と発光素子３とを結ぶ方向に垂直な方向において、受光素子４の受光部の長さよりも大きい長さを有していてもよい。また、直線部は、平面視したときに、遮光壁２７の、受光素子４側の辺と重なっていてもよい。このような構成によれば、第２蓋体８を通過する検出対象物からの散乱光の光量、および第１蓋体５からの反射光の光量を増加させ、それによって、受光素子４の受光部に入射する散乱光の光量および反射光の光量を増加させることができ、計測精度を向上することができる。

第２絞り孔９ｂは、例えば図８（ｃ）に示すように、平面視で、２つの四角形状の孔が、発光素子３と受光素子４とを結ぶ直線に関して対称に形成され、受光素子４の受光部が、第２絞り孔を規定する領域に露出していない構成であってもよい。四角形状の孔は、図８（ｃ）に示すように、底辺が発光素子３と受光素子４とを結ぶ直線に垂直であり、脚が受光素子４の受光部の縁に接している台形状であってもよい。また、台形の脚を延長した線が、発光素子３の発光部を通っていてもよい。さらに、２つの底辺のうち、発光素子３に近い側の底辺の長さが、発光素子３から遠い側の底辺の長さよりも大きくてもよい。このような構成によれば、受光素子４によって受光される検出対象物からの散乱光、および第１蓋体５からの反射光のうち、検出対象物からの散乱光の割合を増加させることができる。それによって、例えば被計測物に含まれる検出対象物の量が少ない場合であっても、受光素子４によって受光される検出対象物からの散乱光の光量を、受光素子４によって受光される第１蓋体５からの反射光の光量に近づけて、光ビート信号の強度を強めることができるので、計測精度を向上することができる。

次に、センサ装置１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃの製造方法について説明する。まず、基体２を公知の多層配線基板の製造方法と同様にして作製する。基体２が、セラミック配線基板であり、セラミック材料がアルミナである場合は、まずアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）やシリカ（ＳｉＯ_２）、カルシア（ＣａＯ）、マグネシア（ＭｇＯ）等の原料粉末に適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して泥漿状とし、これを周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等によってシート状に成形してセラミックグリーンシート（以下、グリーンシートともいう）を得る。その後、グリーンシートを所定形状に打ち抜き加工するとともに、タングステン（Ｗ）とガラス材料等の原料粉末に有機溶剤、溶媒を添加混合して金属ペーストとし、これをグリーンシート表面にスクリーン印刷等の印刷法でパターン印刷する。また、ビア導体は、グリーンシートに貫通孔を設け、スクリーン印刷等によって金属ペーストを貫通孔に充填させる。こうして得られたグリーンシートを複数枚積層し、これを約１６００℃の温度で同時焼成することによって基体２が作製される。

次に、発光素子３および受光素子４を、基体２の凹部２０ａの底部に実装し、ボンディングワイヤ７で接続パッドと接続する。

発光素子３は、ＶＣＳＥＬ等の半導体レーザ素子を用いることができ、受光素子４は、シリコンフォトダイオード、ＧａＡｓフォトダイオード、ＩｎＧａＡｓフォトダイオード、ゲルマニウムフォトダイオード等の各種フォトダイオードを用いることができる。発光素子３および受光素子４は、被計測物および検出対象物の種類、計測するパラメータの種類等により適宜選択すればよい。

例えば空気中のほこりの量を測定する場合は、例えば、光のドップラー効果を利用して測定するために、発光素子３であるＶＣＳＥＬとして波長が８５０ｎｍのレーザ光を出射可能なものであればよい。その他の測定を行う場合は、測定目的に応じた波長のレーザ光を出射する発光素子３を選択すればよい。

受光素子４は、受光する光が発光素子３から出射されるレーザ光から波長の変化が無い場合、発光素子３の出射光を受光できるものであればよく、波長の変化が有る場合、変化後の波長の光を受光できるものであればよい。

センサ装置１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃでは、発光素子３および受光素子４と接続パッドとは、ボンディングワイヤ７によって電気的に接続されるが、フリップチップ接続、バンプ接続、異方性導電フィルムを用いた接続等他の接続方法であってもよい。

センサ装置１の第１蓋体５は、金属材料を、切削、切断等により所定の形状に切り出して、第１蓋体５を作製することができる。センサ装置１Ａ，１Ｂ，１Ｃの第１蓋体５は、ガラス材料を、切削、切断等により所定の形状に切り出して板状部材を準備し、該板状部材の一方主面上に、蒸着、スパッタ、焼付け等によって第１金属薄層５ｃを形成して、第１蓋体５を作製することができる。また、光学部材は、必要に応じて、公知の方法を使用して、第１蓋体５の他方主面に形成すればよい。

第２蓋体８は、ガラス材料を、切削、切断等により所定の形状に切り出した板状部材を準備し、該板状部材の一方主面上に、蒸着、スパッタ、焼付け等によって第２金属薄層を形成する。このとき、フォトリソグラフィー（ウェットエッチング）法、ドライエッチング法等によって金属薄膜にパターン加工することによって第１絞り孔９ａおよび第２絞り孔９ｂを形成し、第２蓋体８を作製することができる。

第１蓋体５は、ろう材等の金属溶湯物系接合材、またはエポキシ系、シリコン系、熱可塑性樹脂等の樹脂系接合材を用いて、基体２の所定の位置に接合すればよい。第２蓋体８は、ろう材等の金属溶湯物系接合材、またはエポキシ系、シリコン系、熱可塑性樹脂等の樹脂系接合材を用いて、基体２の所定の位置に接合した後、第２接地ビア導体２５と第２金属薄層９とを、例えばはんだである導電性接合部材２６によって、電気的に接続すればよい。

センサ装置１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、外部実装基板に実装されて使用される。外部実装基板には、例えば、発光素子３の発光を制御する制御素子、受光素子４から出力される電気信号に対してフーリエ変換等の周波数解析を行って、検出対象物の量等を算出する演算素子等も実装される。

例えば、センサ装置１Ｃを用いて、空気中のほこりの量を測定する場合には、被計測物である空気をセンサ装置１Ｃの通路６を介して通過させる。例えば、センサ装置１Ｃを、空気清浄機やエアコン等の空調機器の空気流路の内部に配置してもよく、空気を強制的に通路６を介して通過させる手段が設けられていてもよい。

外部実装基板からの発光素子制御電流が、外部接続端子２４を介して、センサ装置１Ｃに入力されると、信号ビア導体２３ｂ、接続パッド２３ａを通って発光素子３に入力されて発光素子３から測定用の光が出射される。発光素子３から出射され、第２蓋体８を透過し、第１絞り孔９ａを通過した光が、空気が通過している通路６に向かって照射される。通路６に向かって照射された光の一部は、空気中のほこりによって散乱され、ほこりの移動速度に応じたドップラーシフトを受けて、波長が変化した散乱光となる。ほこりによって散乱されず、第１蓋体５に到達した光は、第１蓋体５の第１金属薄層５ｃで反射され、波長が変化しない反射光となる。第２絞り孔９ｂを通過し、第２蓋体８を透過した、ほこりからの散乱光および第１蓋体５からの反射光が、受光素子４で受光されると、散乱光と反射光との干渉による光ビート信号を含む電気信号が受光素子４から出力される。出力された信号は、接続パッド２３ａ、信号ビア導体２３ｂを通り、外部接続端子２４を介してセンサ装置１Ｃから外部実装基板へと出力される。

外部実装基板では、センサ装置１Ｃから出力された電気信号が、演算素子に入力され、例えば、光ビート信号を含む電気信号を周波数解析することによって、ほこりの量、例えばほこりの総数等を算出することができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。例えば、検出対象物は空気中のほこりだけに限定されず、発光素子３が発する光の波長を適宜変更することにより、空気中の微粒子または化学物質を検出するようにしてもよい。あるいは、火災等で発生する煙を検出するようにしてもよい。

１ センサ装置
１Ａ センサ装置
１Ｂ センサ装置
１Ｃ センサ装置
２ 基体
３ 発光素子
４ 受光素子
５ 第１蓋体
５ａ 第１対向面
５ｂ 矩形板状部材
５ｂａ 第２対向面
５ｂｂ 反対側の面
５ｃ 第１金属薄層
５ｄ 光学部材
６ 通路
７ ボンディングワイヤ
８ 第２蓋体
８ａ 第３対向面
９ 第２金属薄層
９ａ 第１絞り孔
９ｂ 第２絞り孔
２０ 基部
２０ａ 凹部
２０ｂ 第１面
２０ｃ 第２面
２０ｄ 段差部
２０ｅ 対向する２辺
２０ｆ 第１収容空間
２０ｇ 第２収容空間
２１ 立壁部
２１ａ 相対向する面
２２ 第１接地ビア導体
２２ａ 一方端面
２２ｂ 他方端面
２３ 信号配線導体
２３ａ 接続パッド
２３ｂ 信号ビア導体
２４ 外部接続端子
２５ 第２接地ビア導体
２５ａ 一方端面
２５ｂ 他方端面
２６ 導電性接合部材
２７ 遮光壁
Ｗ 通路の幅
Ｈ 通路の高さ

Claims (10)

1. 複数の誘電体層が積層されてなる基体であって、第１面に凹部が設けられている矩形板状の基部と、前記第１面の４辺のうち対向する２辺に沿って配設された一対の立壁部とを有する基体と、
   前記一対の立壁部間に前記基体を覆うように配設される矩形板状の第１蓋体であって、前記基体に対向する第１対向面が光反射性を有し、前記第１対向面は、前記基部の前記第１面および前記一対の立壁部の相対向する面とともに、被計測物が通過する通路を規定している第１蓋体と、
   前記凹部に収容され、前記通路に向かって光を照射する発光素子と、
   前記凹部に収容され、前記通路を通過する前記被計測物に含まれる検出対象物からの散乱光、および前記第１蓋体からの反射光を受光する受光素子と、
   を含むことを特徴とするセンサ装置。
2. 前記発光素子および前記受光素子は、前記凹部の底部に配設され、
   平面視で、前記発光素子と前記受光素子とは、前記第１面の前記対向する２辺に平行に並んでいることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
3. 前記第１蓋体は、金属材料からなることを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ装置。
4. 前記第１蓋体は、ガラス材料からなる、前記一対の立壁部間に前記基体を覆うように配設される矩形板状部材を含み、該矩形板状部材の、前記基体に対向する第２対向面に第１金属薄層が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ装置。
5. 前記矩形板状部材の、前記第２対向面とは反対側の面に、遮光性、光吸収性、または光反射性を有する光学部材が配設されていることを特徴とする請求項４に記載のセンサ装置。
6. ガラス材料からなり、前記凹部の開口部を塞ぐように配設される第２蓋体をさらに含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のセンサ装置。
7. 前記第２蓋体の、前記第１蓋体に対向する第３対向面に第２金属薄層が形成され、
   前記第２金属薄層には前記発光素子によって発光された光を通過させる第１絞り孔、および前記受光素子によって受光される光を規制する第２絞り孔が形成されていることを特徴とする請求項６に記載のセンサ装置。
8. 平面視で、前記第１絞り孔は、円形状であり、前記第１絞り孔の中心が、前記発光素子の中心に一致していることを特徴とする請求項７に記載のセンサ装置。
9. 平面視で、前記第２絞り孔は、楕円形状であり、前記第２絞り孔の中心が、前記受光素子の中心と前記発光素子の中心とを結ぶ方向において、前記受光素子の中心よりも前記発光素子側に位置し、前記第２絞り孔の長軸が、前記方向に平行であることを特徴とする請求項７または８に記載のセンサ装置。
10. 前記凹部内に遮光壁が設けられ、該遮光壁は、前記凹部内の空間を、前記発光素子が収容される第１収容空間と、前記受光素子が収容される第２収容空間とに分割していることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のセンサ装置。