JP2019036715A - 測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光強度の微弱な光を検知するための測定装置の提供。【解決手段】光Ｌを受光し信号を発生する受光素子２１と、前記信号を伝達する電気的配線２８と、前記受光素子２１を覆う導電性部材で形成された筐体２４と、導電性を有する導電部１２を備え、光Ｌを透過する光学窓１１と、受光素子２１と増幅器２２とを接続する前記電気的配線２８ａの周囲に形成された配線囲み部材２３と、を有し、導電部１２と筐体２４とは、配線囲み部材２３と電気的に接続されている。【選択図】図１

Description

本発明は、測定装置に関する。

化学発光や生物化学発光を用いた化学物質の測定は、非常に低濃度の測定が可能であること、特異的な測定が可能であること、等の理由から、様々な分野で利用が進められている。
一般に、このような化学発光の光強度は小さく、発光物質から生じる微弱な光を検出するための測定装置が強く求められている。

本発明は、このような従来の事情に鑑み、光強度の微弱な光を検知するための測定装置の提供を目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明の測定装置は、光を受光し信号を発生する受光素子と、前記信号を伝達する電気的配線２８と、前記受光素子を覆う導電性部材で形成された筐体と、導電性を有する導電部を備え、前記光を透過する光学窓と、前記信号を伝達する前記電気的配線の周囲に形成された配線囲み部材と、を有し、前記導電部と前記筐体とは、前記配線囲み部材と電気的に接続されていることを特徴とする。

本発明の測定装置によれば、光強度の微弱な光を検知することが容易になる。

本発明の実施形態に係る測定装置の全体構成の一例を示す図である。 従来技術におけるコモンモードノイズの発生を模擬する図である。 図１に示したガードリングの構成を示す図である。 図１に示した測定装置の構成の第１の変形例を示す図である。 図１に示した測定装置の構成の第２の変形例を示す図である。 図１に示した導電部の構成の一例を示す図である。 図１に示した測定装置の構成の第３の変形例を示す図である。 図１に示した測定装置の構成の第４の変形例を示す図である。 図４に示した測定装置の構成の変形例を示す図である。 図５に示した測定装置の構成の変形例を示す図である。 図６に示した測定装置の構成の変形例を示す図である。 図７に示した測定装置の構成の変形例を示す図である。 図８に示した測定装置の構成の変形例を示す図である。 図８に示した測定装置の構成の変形例を示す図である。

本発明の実施形態の一例として図１に本発明の測定装置２００の概略構成を示す。

測定装置２００は、微弱な検出光Ｌを受光して信号を発生する受光素子２１と、少なくとも受光素子２１を覆う導電性部材で形成された筐体２４と、を有している。
測定装置２００は、筐体２４の一部に形成された検出光Ｌを透過する光学窓１１と、光学窓１１に形成された導電性を備える導電部１２と、を有している。
測定装置２００は、受光素子２１と電気的配線２８によって接続される外部コネクタ３０ａと、信号線である配線２８ａの周囲に形成された配線囲み部材たるガードリング２３と、を有している。

また、測定装置２００は、ケーブル３１によって増幅部２０１と接続されている。

受光素子２１は、検出光Ｌを受光したことを条件として、電気信号である出力信号Ｓｇを出力する素子であり、フォトダイオード、フォトトランジスタ、フォトＩＣ等の各種素子を自由に選択して良い。

筐体２４は、少なくとも受光素子２１を覆うように形成された導電性の金属部材である。
かかる筐体２４は、本実施形態では金属製の箱であるが、導電性を有する部材であれば特に金属に限定されるものではない。

光学窓１１は、検出光Ｌを透過するように筐体２４の開口部に形成されたガラスや樹脂等の窓である。光学窓１１の表面には、ＩＴＯ膜が蒸着処理されている。すなわち、光学窓１１は、その表面に、導電処理を施した部分である導電部１２を有している。
なお、筐体２４と導電部１２とは、電気的に接続されており同電位になっている。

導電部１２は、光学窓１１の表面に蒸着されたＩＴＯ膜であり、導電性を有するとともに、検出光Ｌの波長帯に対して高い透過性を有している。すなわち、検出光Ｌを透過する。
かかる構成により、微弱な検出光Ｌを妨げることなく、筐体２４と電気的に接続されるから、測定装置２００が電気的に同電位のグラウンドに覆われることとなり、外部からの影響によるノイズを低減することができる。なお、同電位であれば、特にグラウンドである必要はない。
このように蒸着等の導電処理を行った場合には、部品点数を削減することができる。
さらに、光学窓１１がレンズ形状のような特殊な形状であっても導電処理によれば歪み等の問題が生じにくいため、適している。

なお本実施形態では、「導電処理」をＩＴＯ膜の蒸着処理によって形成することとしているが、かかる構成に限定されるものではなく、例えばＦＴＯ、ＡＴＯ、ＧＺＯ等の透明導電膜の蒸着処理によっても良い。
また、かかる導電部１２は、光学窓１１の表面に当接して配置されたアキレス製ＳＴ−ＰＴＥや東レ製ＣＮＴ透明導電フィルムなどのフィルム部材を導電膜の代わりに用いても良い。
このように、透明な導電フィルムを導電部１２として用いた場合には、光学窓１１に導電処理を行うための工数を削減して、より簡易に開口部である光学窓１１を導電性部材で覆うことができる。

配線２８は、本実施形態においては、受光素子２１が配置された基板２７上に形成された電気的配線である。

外部コネクタ３０ａは、受光素子２１の出力信号Ｓｇを増幅部２０１に伝達するケーブル３１との接続部である。例えば本実施例では、トライアキシャルコネクタを用いている。
本実施形態では、測定装置２００は外部コネクタ３０ａによってケーブル３１と接続されているが、かかる構成に限定されるものではない。例えば測定装置２００の基板２７に直接接続される構成であっても良い。

増幅部２０１は、外部コネクタ３０ｂと、外部コネクタ３０ｂと電気的な配線２９によって接続され、測定装置２００から出力された電気信号Ｓｇを増幅する増幅器２２と、少なくとも増幅器２２を覆う導電性部材で形成された筐体２４ｂと、信号線である配線２９ｂの周囲に形成された配線囲み部材たるガードリング２３ｂと、を有している。外部コネクタ３０ｂは、測定装置２００から出力される電気信号Ｓｇを増幅部２０１に伝達するケーブル３１との接続部である。例えば本実施例ではトライアキシャルコネクタを用いている。
本実施形態では、増幅部２０１は外部コネクタ３０ｂによりケーブル３１と接続されているが、かかる構成に限定されるものではない。例えば増幅部２０１の基板２７ｂに直接接続される構成であっても良い。
配線２９は、本実施形態では、増幅器２２が配置された基板２７ｂ上に形成された電気的な配線である。

増幅器２２は、本実施形態ではオペアンプであり、受光素子２１の出力信号Ｓｇが入力されると、Ｉ／Ｖ変換抵抗７に応じて出力信号Ｓｇを増幅する。
増幅器２２は、例えば本実施形態では出力信号Ｓｇを１０^９倍程度まで増幅可能に設計されている。
筐体２４ｂは、少なくとも増幅器２２を覆うように形成された導電性の金属部材である。かかる筐体２４ｂは、本実施形態では金属製の箱であるが、導電性を有する部材であれば特に金属に限定されるものではない。

ケーブル３１は、信号をガードリングで囲むことと同等の効果が得られるケーブルである、例えば本実施例ではトライアキシャルケーブルを用いている。

ガードリング２３は、配線２８の周囲に形成された導電部材で構成される囲いであり、配線２８のうち、少なくとも受光素子２１と、外部コネクタ３０ａとの間を接続する配線２８ａを囲んでいる。すなわち本実施形態においてガードリング２３は配線囲み部材としての機能を有している。
ガードリング２３ｂについても同様に、外部コネクタ３０ｂと増幅器２２との間を接続する配線２９ｂを囲んでいる。
ここで、「囲む」とは、信号線である配線２８ａから周囲への電流リークを低減するように配置されることを示している。具体的には、最もこうしたノイズの作用が大きい基板２７の配線２８が形成された面の平面において囲むことを示している。
ガードリング２３は、例えば配線２８と同様の材質の導線であり、筐体２４と導電部１２とに電気的に接続されることで同電位となっている。
ここで、「電気的に接続」とは、例えば、図１中に▽で示した基準電位となるグラウンドを介して接続されているのでも良い。

このようなガードリング２３によりノイズを低減する仕組みについて説明する。
従来、微弱な電流信号に対しては、例えば外部からの静電誘導による信号への重畳等の多数のノイズ源が知られている。
こうした外部からの擾乱を抑制するために、従来技術としてシールド線のように、信号線の周囲をアース（接地）することで静電シールドにより静電誘導によるノイズを抑制する方法が最も良く知られている。

しかしながら、例えば図２に示すように従来技術によって筐体２４’をアースに接続しただけでは、外部につながる配線１、２、８、９に周囲環境により生じる誘導作用や電磁波によってコモンモードノイズ電流４が生じることまでは防ぎきれない。
このときコモンモードノイズ電流４は、受光素子２１’と静電シールドである筐体２４’との間の浮遊容量Ｃ（図２の浮遊容量５）や、空気の抵抗Ｒ（図２のインピーダンス６）が存在するために、図中に破線で示すような、アースから基板上の配線を共通に流れて反対側からアースに戻っていくループが生じる。
このようなアースを介した電流のループが配線２８’、２９’を巻き込んだ形で生じてしまうために、アースに対する信号線の電位が変動して、出力信号である電圧に対してノイズ電圧として変換・増幅されてしまう。

通常、受光素子２１’と筐体２４’との間の浮遊容量あるいは配線２８’、２９’とアースとの浮遊容量は微小なものであるが、本実施形態のようにハイインピーダンス回路では、微小な浮遊容量でも相対的にインピーダンスが低くなるのでコモンモードノイズ電流４が流れやすくなる問題がある。
なお、ここでいうようなコモンモードノイズ電流４の動作については、ノイズ発生メカニズムの一例にすぎず、他にもノイズの生じる経路は存在する。

このようなコモンモードノイズを低減するためには、信号線である配線２８ａが、コモンモードノイズ電流４の流路にならないように、回路を作成することが重要である。
すなわち、少なくとも配線２８ａが、ガードリング２３に囲まれることによって、基板２７の表面周囲への電流リークを防ぐとともに、ガードリング２３を筐体２４や導電部１２と電気的に接続することで、筐体２４と同電位になって浮遊容量をさらに低減することができる。
このとき、コモンモードノイズ電流は、最もインピーダンスの低い経路を通るため、基板２７の表面が最もリークしやすい。そこで本実施形態では、図３に示すように、ガードリング２３が、配線２８ａの基板２７表面における周囲を囲うように構成されている。
なお、かかる構成に限定されるものではなく、例えば配線２８ａをシールド線の信号線に見立てて、高さ方向たる基板２７の深さ方向についても囲うように形成しても良い。

また、筐体２４と、光学窓１１の導電部１２とガードリング２３とが電気的に接続されているために、例えば外部からの誘導に起因するコモンモードノイズ電流が生じたとしても、ガードリング２３側に流れることでループが完結し、配線２８ａへのノイズの影響は小さくすることができる。
このように、配線２８ａの周囲に形成されたガードリング２３をグラウンドに接続することによって、コモンモードノイズ電流が生じたとしても、配線２８ａの信号への影響が抑制される。
かかる構成により、光強度の微弱な光を高精度に検知することができる。

さらに、筐体２４における開口部である光学窓１１が、導電部１２を有し、導電部１２と筐体２４とガードリング２３とが電気的に接続されることにより、筐体２４全体も、外乱に対しての静電シールド的な効果を果たすことになるから、ノイズの低減をより効果的にできて、光強度の微弱な光を高精度に検知することができる。

以上のようなガードリング２３については、その他、色々な変形例が考えられる。
まず、第１の変形例として、図４に示すように、直流電圧源２６を用いてガードリング２３と筐体２４と導電部１２とグラウンドとにオフセットを持たせるとしても良い。
かかる構成により、受光素子２１を含む測定系全体が筐体２４及びグラウンドに対して一定電圧に保持される。筐体２４とガードリング２３との間の空気の電気抵抗やインピーダンスは、回路として接続された部分の電気抵抗よりもはるかに大きいために、コモンモードノイズ電流が流れずに、ノイズ電圧が生じにくく、高精度な測定が可能である。
また、増幅器２２の電源を単電源で駆動可能となるメリットもある。

また、第２の変形例として、図５に示したように、ガードリング２３と筐体２４と導電部１２とが、直流電圧源２６を介して接続されるとしても良い。
なお、本変形例においては、増幅器２２の正側と、ガードリング２３の電位を、グラウンドからオフセットする態様で直流電圧源２６を配置したが、かかる構成に限定されるものではない。
かかる構成によれば、ガードリング２３が筐体２４およびグラウンドに対して一定電圧に保持されるから、ガードリング２３にコモンモードノイズ電流が流れずに、ノイズ電圧が生じにくく、高精度な測定が可能である。
このとき、ガードリング２３の電位と、導電部１２の電位および筐体２４の電位との間にある空気の抵抗により、直流のノイズ電流が発生するおそれもある。しかしながら、これらの電気抵抗やインピーダンスは、回路として接続された部分の電気抵抗よりもはるかに大きいために、コモンモードノイズ電流が流れずに、ノイズ電圧が生じにくく、高精度な測定が可能である。

また、既に述べたように、あるいは図６に示すように、導電部１２は、光学窓１１の表面に当接して配置された透明導電フィルム１４であっても良い。
かかる構成によれば、光学窓１１の製造時の工程を減らすとともに、簡易に筐体２４と光学窓１１の導電部１２による静電シールド効果を期待できる。

また、第３の変形例として、図７に示すように、増幅部２０１がバッファ回路２５を有する構成としても良い。
バッファ回路２５は、信号線である配線２８ａに入力側が接続され、ガードリング２３に出力側が接続されているので、受光素子２１の信号に影響を与えることなく、受光素子２１の応答速度の向上や出力のダイナミックレンジの増大に寄与する。

第４の変形例として、図８、９、１０、１１、１２、１３、１４にそれぞれ示すように、測定装置２００と増幅部２０１とを一体に組み込む構成としても良い。
かかる構成では、外部コネクタ３０ａ、３０ｂやケーブル３１が不要になり、受光素子２１と増幅器２２とを近接して配置可能となる。そのため、よりノイズ低減が容易になる。

以上本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

７ Ｉ／Ｖ変換抵抗
１１ 光学窓
１２ 導電部
２１ 受光素子
２２ 増幅器（オペアンプ）
２３ 配線囲み部材（測定装置ガードリング）
２３ｂ 配線囲み部材（増幅部ガードリング）
２４ 筐体（測定装置筐体）
２４ｂ 筐体（増幅部筐体）
２５ バッファ回路
２６ 直流電圧源
２７ 基板（測定装置基板）
２７ｂ 基板（増幅部基板）
２８ 配線（測定装置配線）
２８ａ 配線（測定装置信号線）
２９ 配線（増幅部配線）
２９ｂ 配線（増幅部信号線）
３０ａ 外部コネクタ（測定装置外部コネクタ）
３０ｂ 外部コネクタ（増幅部外部コネクタ）
３１ ケーブル
２００ 測定装置
２０１ 増幅部

特開平０５−１３３８９２号公報 特開２００４−０１２４１１号公報 特許第３５５９９９８号公報 特開２００１−２４４４８３号公報

Claims (7)

1. 光を受光し信号を発生する受光素子と、
   前記受光素子を覆う導電性部材で形成された筐体と、
   導電性を有する導電部を備え、前記光を透過する光学窓と、
   前記信号を伝達する前記電気的配線の周囲に形成された配線囲み部材と、を有し、
   前記導電部と前記筐体とは、前記配線囲み部材と電気的に接続されていることを特徴とする測定装置。
2. 請求項１に記載の測定装置であって、
   前記受光素子と前記電気的配線によって接続され、前記受光素子の出力信号を増幅する増幅器を有することを特徴とする測定装置。
3. 請求項１または２に記載の測定装置であって、
   前記導電部と前記筐体と前記配線囲み部材とが何れも同電位にあることを特徴とする測定装置。
4. 請求項１乃至３の何れか１つに記載の測定装置であって、
   前記導電部が、前記光学窓に導電処理を施した部分であることを特徴とする測定装置。
5. 請求項１乃至３の何れか１つに記載の測定装置であって、
   前記導電部は、前記光学窓に当接して配置された導電膜であることを特徴とする測定装置。
6. 請求項１乃至５の何れか１つに記載の測定装置であって、
   前記導電部と前記筐体と前記配線囲み部材とが何れもグラウンドに接続されることを特徴とする測定装置。
7. 請求項１乃至５の何れか１つに記載の測定装置であって、
   前記前記筐体及び前記導電部が何れもグラウンドに接続され、
   前記配線囲み部材と前記グラウンドの間を一定電圧に保持されることを特徴とする測定装置。

Images