JP3212681B2

JP3212681B2 - 物質識別方法とそれを用いたセンシング部および半導体レーザ式物質識別センサ

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Publication number: JP3212681B2
Application number: JP11545992A
Authority: JP
Inventors: 泰彦荒川; 征夫軽部; 保樹刈田; 政雄西岡
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 1992-04-08
Filing date: 1992-04-08
Publication date: 2001-09-25
Anticipated expiration: 2016-09-25
Also published as: JPH0666721A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体レーザの発光面に
接触する液体などの物質の物性（特性）に依存して半導
体レーザの励起状態が変化することを利用して物質の識
別または物質の物性を識別する方法およびそれを用いた
半導体レーザ式物質識別センサに関する。特に，本発明
はＦＩＡ（Flow Injection Analysis)またはマイクロマ
シニングなどへの適用に好適な小型かつ集積化可能な光
センサのセンシング部およびそのセンシング部を用いた
半導体レーザ式物質識別センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】物質，より特定的には液体（または溶
液）を識別（特定）する，あるいは，その液体の物質の
物性を検証するセンサとしては光センサが知られてい
る。そのような光センサの適用例としては，液体の種別
の特定，液体の糖分等の濃度測定，物質表面の水分等の
吸着物の測定あるいは光ファイバを利用した水や油の漏
洩検出などがある。

【０００３】そのような光センサのうち，液体の種別の
特定，液体の糖分等の濃度測定，液体表面の水分等の吸
着物の測定などに使用する光センサは通常，計測対象で
ある液体に光を照射した際の光の反射率，透過率あるい
は屈折率などを測定してその計測結果からその液体の種
別を識別またはその液体の物性を検証している。

【０００４】最近のＦＩＡやマイクロマシーニング技術
を用いた各種計測機器においては，検出環境条件，検出
対象の量などの理由で小型かつ高性能なマイクロセンサ
あるいはスマートセンサの開発が要望されている。ま
た，検出原理の観点からも，特に，センシング部は小型
であることが望ましい。さらに，信号処理系を含めたセ
ンサ全体の寸法が小型であることが好ましく，半導体技
術を適用してセンサ全体を集積化することが望ましい。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来知られている光セ
ンサは，しかしながら，それらのいずれもそのセンシン
グ部を，発光部として発光ダイオードまたは単なる光出
射手段としての半導体レーザ，受光部を構成するフォト
ダイオードなど，それぞれが汎用的に使用されている個
別電子部品を組み合わせて構成しているため，センシン
グ部が比較的大きいという問題に遭遇している。その結
果として，光センサの寸法も大きい。かりにこれらの個
別電子部品を通常の一体化技術を適用して一体構造に形
成しても，センサとして要望されている上記要件を満足
させることはできない。

【０００６】したがって，本発明は上述した問題に鑑
み，センサの小型化，集積化を可能ならしめる新規な実
用的な物質識別方法の開発と，その物質識別方法を用い
た光センシング部分のセンシング部，および，半導体レ
ーザ式物質識別センサを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本件出願の発明者は，上
述した目的を達成するため，センサ自身が極めて小さく
形成できかつ集積可能なセンサを得るため鋭意研究検討
した結果，半導体レーザの反射面側発光面（光出射面）
に液体などの物質が接触した際生じる接触物質の物性に
起因する半導体レーザ自身の発振状態が変化する原理を
利用し，物質を識別または物質の物性を識別できること
を見出した。したがって，本発明によれば，半導体レー
ザの光出射部（発光面）に接触した物質に応じて規定さ
れるその半導体レーザの発振状態の変化を検出して上記
接触物質の種別または物性を識別する物質識別方法が提
供される。

【０００８】また本発明によれば，光出射部に接触した
物質に応じてその半導体レーザの発振状態が変化する半
導体レーザを光センサのセンシング部としたことを特徴
とする光センサが提供される。

【０００９】さらに本発明によれば，半導体レーザと，
この半導体レーザの動作状態を検出する手段と，この半
導体レーザ動作状態検出手段で検出した半導体レーザの
動作状態から半導体レーザの光出射部に接触した物質の
種別または物性を識別する手段とを有する半導体レーザ
式物質識別センサが提供される。特定的には，半導体レ
ーザを一定電流状態で付勢する場合は，半導体レーザ動
作状態検出手段は，半導体レーザの一方の光出射部に対
向する他方の光出射部と所定の間隔を隔てて位置する光
検出手段である。あるいは，半導体レーザを一定出力状
態で付勢する場合は，半導体レーザ動作状態検出手段は
半導体レーザの駆動電流を検出する電流検出手段であ
る。

【００１０】半導体レーザはファブリペロー型共振器を
有する半導体レーザまたは同等の半導体レーザであるこ
とが好適である。また半導体レーザは分布帰還型半導体
レーザまたは同等の半導体レーザであることが好適であ
る。

【００１１】また好適には，本発明によれば，光出射部
に接触した物質に応じてその動作状態の変化が規定され
るその半導体レーザと，この半導体レーザの一方の光出
射部と対向する他方の光出射部と所定の間隔を隔てて位
置する受光素子とを同一半導体基板に集積化発光・受光
デバイスとして一体化形成したことを特徴とする光セン
サのセンシング部が提供される。さらに上記センシング
部を用いた半導体レーザ式物質識別センサが提供され
る。この半導体レーザ式物質識別センサは，上記センシ
ング部と，上記センシング部内の半導体レーザを付勢す
る回路と，上記センシング部内の受光素子からの検出信
号を信号処理して上記半導体レーザの光出射部に接触し
た物質の種別または物性を識別する自動物質識別手段
と，該自動物質識別手段で識別した識別結果を出力する
識別結果出力手段とを有する。

【００１２】

【作用】本発明による上記センシング部を有する光セン
サおよび半導体レーザ式物質識別センサは，半導体レー
ザの発光面に物質が接触する際にその接触物質の物性に
依存して生じる半導体レーザ自身の発振状態の変化を測
定することにより，その接触物質の種別を識別またはそ
の物質の物性を検証する。つまり，半導体レーザの２つ
の対向する発光領域の少なくとも一方の光出射面に気体
や液体などの物質を接触させると接触物質の誘電率（屈
折率）に応じて発光領域の反射率が変化する。この反射
率変化は，たとえば，化合物半導体で形成されたダブル
ヘテロ型半導体レーザの反射損失の変化を引き起こし，
結果的に発振状態，すなわち，しきい値電流および外部
量子微分効率が変化する。その半導体レーザの発振状態
の変化を検出する方法としては，２つの方法があり，半
導体レーザを定電流駆動する場合には発振状態の変化を
レーザ出力変化として検出する，あるいは，定出力駆動
する場合には駆動電流変化として検出する。物質の種別
識別する，あるいは，物質の物性を識別する手段は，予
め決定しておいた上記半導体レーザの発振状態の変化特
性から，検出対象の物質を識別，あるいは，その物質の
物性を識別する。

【００１３】半導体レーザ式物質識別センサは，その主
要部品として，縦および横が数十μｍから数百μｍ，厚
さ約１００μｍ程度の極めて微小な半導体レーザを用い
るため，極めて微小なセンシング部を構成できること，
半導体レーザの微小な発光領域に接触した物質を測定で
きることから微小領域の物質の識別が可能となる。この
ように，光センサのセンシング部分を非常に小型に形成
できるから，それを用いた半導体レーザ式物質識別セン
サも小型になり，マイクロセンサとして実用できる。

【００１４】ここで用いられる半導体レーザとしては，
ファブリペロー型共振器を有する半導体レーザまたは同
等の半導体レーザが好適である。その理由は，利得が大
きく，内部損失が小さく，反射損失が小さく，増幅が容
易であるからである。ファブリペロー型共振器を有する
半導体レーザは，たとえば，ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，
ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰなどの化合物半導体から
なるダブルヘテロ型レーザあるいは量子井戸レーザであ
る。また，半導体レーザとしては分布帰還型半導体レー
ザ，または，ＤＢＲ，ＤＦＢなどの進行波型半導体レー
ザも好適である。

【００１５】半導体レーザおよびフォトダイオードなど
の光検出手段をその形成プロセスにおいて集積化するこ
とが容易であり，集積化発光・受光デバイスとしてセン
シング部を小型にできる。この集積化発光・受光デバイ
スを有するセンシング部に，半導体レーザ付勢回路，自
動物質識別手段および識別結果出力手段を付加すると，
スマートセンサとして，あるいは，ＦＩＡやマイクロマ
シーニングに好適に適用可能な半導体レーザ式物質識別
センサが構成される。

【００１６】

【実施例】図１に本発明の半導体レーザ式物質識別セン
サの実施例の構成図である。この半導体レーザ式物質識
別センサは，ファブリペロー型共振器を有する半導体レ
ーザ（ファブリペロー型半導体レーザ）１，この半導体
レーザのレーザ出力光を検出するシリコンフォトダイオ
ードあるいはＰＩＮフォトダイオードなどのフォトダイ
オード２，このフォトダイオードと協働しフォトダイオ
ード２の検出信号を信号処理する受光回路３，半導体レ
ーザ１の特性変化をレーザ出力光の変化としてプロット
するレコーダ４，半導体レーザ１の駆動電流を検出する
カレントプローブ５，および，半導体レーザ１を付勢す
る駆動回路６から構成されている。後述するように，フ
ォトダイオード２および受光回路３，または，カレント
プローブ５のいずれかを設ければよい。この半導体レー
ザ式物質識別センサを用いて，後述する検出（識別）動
作に従って，試料台７に載置されたファブリペロー型半
導体レーザ１の周囲，特に，その反射面に接触するよう
にピペット９を用いて置かれた検査対象液体８の種別を
特定する。

【００１７】図２に半導体レーザ１の１例としての断面
構造を示した斜視図を示す。この半導体レーザ１は，た
とえば，共振器長Ｌ＝３００μｍ，電極幅Ｗ＝１００μ
ｍ，高さＨ＝３００μｍ，つまり，その外形寸法が３０
０×３００×１００μｍである化合物半導体をヘテロ接
合したＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸レーザであり，
図１に示すように，その両端部から，たとえば，２．５
×１０μｍ〜２００×１０μｍ程度の波長の光を出射
（放射）する。共振器長Ｌがファブリペロー型共振器と
しての長さを規定している。

【００１８】図３は図２に示したファブリペロー型半導
体レーザ１の動作特性の変化を記述するため，図２に示
したファブリペロー型半導体レーザ１を模式的に示した
斜視図である。図２および図３を参照すると，ファブリ
ペロー型半導体レーザ１は，量子井戸を規定している活
性層とその両面に形成されたクラッド層とを有し，駆動
回路６から駆動電流Ｉが印加されると，その両端面から
前面光ＦＬと背面光ＲＬとを出射する。検査対象液体８
が光出射部に接触していないときのレーザ出力光をＰ₀
とする。ファブリペロー型半導体レーザ１の右側の端面
は反射面となっていて，その反射率をＲとする。反射面
に屈折率ｎの検査対象液体８が接触したとき，屈折率ｎ
と反射率をＲとの間には式１で規定される関係式が成立
する。

【数１】

【００１９】ファブリペロー型半導体レーザ１の上記反
射面に対向する他方の面からもレーザ出力光Ｐが出力さ
れ，このレーザ出力光Ｐを受光面が，たとえば，９ｘ９
ｍｍのフォトダイオード２で検出する。フォトダイオー
ド２で検出したレーザ出力光Ｐは受光回路３を介してレ
コーダ４に入力されてその検出値がプロットされる。

【００２０】図４は上記ファブリペロー型半導体レーザ
１の動作特性変化を示すグラフである。ファブリペロー
型半導体レーザ１のレーザ出力光Ｐは，駆動回路６から
のファブリペロー型半導体レーザ１に印加される駆動電
流Ｉが電流しきい値Ｉ_th以下の小さい領域では線形に増
加するが，その増加率は小さい。駆動電流Ｉが電流しき
い値Ｉ_thを越えると，レーザ出力光Ｐの増加率は極端に
大きくなり，駆動回路６からファブリペロー型半導体レ
ーザ１に印加される駆動電流Ｉの増加についてレーザ出
力光Ｐが大きくなる。検査対象液体８を識別するとき，
駆動回路６は電流しきい値Ｉ_th以上の駆動電流Ｉでファ
ブリペロー型半導体レーザ１を駆動（付勢）する。

【００２１】式２は電流しきい値Ｉ_thと，ファブリペロ
ー型半導体レーザ１の反射率Ｒ，共振器長Ｌ，電極の面
積Ｓ，内部損失α_iと，定数β，Γ，Ｉ₀との関係を示
す。

【数２】また電流しきい値Ｉ_thとファブリペロー型半導体レーザ
１に検査対象液体８が接触していない時のレーザ出力光
Ｐとの関係を式３に示す。

【数３】式３において，ｈはプランクの定数，νは発振レーザ光
の振動数，ｑは注入電子の電荷，η_dは外部微分量子効
率，Ｉは駆動電流を示す。

【００２２】図４における実線はファブリペロー型半導
体レーザ１の反射面に検査対象液体８が接触しない特性
曲線を示す。ファブリペロー型半導体レーザ１の反射面
に検査対象液体８が接触すると，図４に破線で示したよ
うに，ファブリペロー型半導体レーザ１の駆動電流Ｉ・
レーザ出力光Ｐの特性は変化する。電流しきい値Ｉ_thは
大きくなり，電流しきい値Ｉ_th以上の駆動電流Ｉにおい
てレーザ出力光Ｐの増加率は小さくなる。この動作特性
の変化は，ファブリペロー型半導体レーザ１の発光面に
検査対象液体８が接触することによるファブリペロー型
半導体レーザ１の発振状態の変化に起因する。したがっ
て，レコーダ４において，ファブリペロー型半導体レー
ザ１の動作特性変化を記録して分析すれば，ファブリペ
ロー型半導体レーザ１の反射面に接触している検査対象
液体８が識別できる。

【００２３】その識別原理をさらに詳細に述べる。図５
は検査対象液体８として，ベンゼンをピペット９でファ
ブリペロー型半導体レーザ１の反射面に接触させたとき
の時間経過に対するシリコンフォトダイオード２で検出
したレーザ出力光Ｐの挙動を示すグラフである。検査対
象液体８がファブリペロー型半導体レーザ１の反射面に
接触する前のほぼ２７０ｍＷであるレーザ出力光Ｐ
₀は，時間０秒において検査対象液体８がファブリペロ
ー型半導体レーザ１の発光面に接触すると軌跡ａ−ｂに
示すように急激に１００ｍＷ程度まで低下し，期間ｃの
間レーザ出力光Ｐはほぼ１００ｍＷの状態で維持され
る。その後，期間ｄからもとのレーザ出力光Ｐ₀に向か
って上昇しはじめ，過渡状態を経た後，時点ｅにおいて
急激にレーザ出力光が落ち込んだ後，再びもとのレーザ
出力光Ｐ₀に復帰する。期間ｃにおけるレーザ出力光Ｐ
の低下値は検査対象液体８の種別に応じて変化する。し
たがって，予め，この低下値を調べておけば，フォトダ
イオード２を介して検出したレーザ出力光Ｐをレコーダ
４で記録することにより，検査対象液体８の種別が特定
できる。また図５に示したように，検査対象液体８がフ
ァブリペロー型半導体レーザ１の発光面に接触すると急
激なレーザ出力光Ｐの変化が起こるから，検査対象液体
８を迅速に識別できる。換言すれば，検出時間が非常に
速い。

【００２４】このように，図１に示した半導体レーザ式
物質識別センサによれば，その検出原理から，非常に短
時間で検査対象液体８を識別できるが，ピペット９でフ
ァブリペロー型半導体レーザ１に検査対象液体８をドロ
ップさせる場合は，ファブリペロー型半導体レーザ１の
発光面に対する検査対象液体８の接触状態の不安定性か
ら，図５に示した期間ｃではその再現性が高くないこと
を見出した。そこで，図５に示した期間ｅにおける特性
変化に着目してその特性変化の安定性を検証した。図６
は駆動電流を変化させたときの時間経過に対するレーザ
ー光出力Ｐの変化を示す実測データをプロットしたグラ
フである。図６に示すように，図５における期間ｅの特
性は安定しており，再現性が高いから，図１に示したピ
ペット９を用いた識別方法においては，図５に示した期
間ｅにおける特性変化を検出して検査対象液体８を識別
することが，高い信頼性で識別する上で好適である。

【００２５】図７は，横軸に示した屈折率ｎを持つ，黒
丸で示したベンゼン，トリクレン，ｉ−ブタノールおよ
びメチルエチルケトン（ＭＥＫ）のレーザ出力光Ｐの変
化，および，白丸で示したベンゼン，トリクレン，ｉ−
ブタノールおよびメチルエチルケトン（ＭＥＫ）の電流
しきい値Ｉ_thの変化をレコーダ４においてプロットした
グラフを示す。この測定は，駆動回路６からファブリペ
ロー型半導体レーザ１をピーク値７００ｍＡ，パルス幅
０．１μｓ，パルス間隔１０μｓのパルス電流で駆動し
た結果である。このように，大気中でのレーザ出力光Ｐ
₀とピペット９によって半導体レーザ１の発光面に検査
対象液体８が接触した時のレーザ出力光Ｐの差がその液
体の持つ屈折率ｎに応じて変化することが判る。したが
って，上述したように，フォトダイオード２でレーザ出
力光Ｐの変化を検出してレコーダ４でその特性をプロッ
トすると，検査対象液体８の種別が特定できる。また検
査対象液体８の物性を分析しようとする場合に，フォト
ダイオード２でそのレーザ出力光Ｐを検出してレコーダ
４でその検出値をプロットすれば，その液体の物性を知
ることができる。この識別結果は，液体の屈折率に応じ
てレーザ出力が充分に変化しており，本半導体レーザ式
物質識別センサを用いて液体を識別することが充分，実
用できることが検証できた。

【００２６】図８は反射率Ｒを横軸にとった場合のベン
ゼン，トリクレン，ｉ−ブタノールおよびメチルエチル
ケトンのレーザ出力光Ｐの値（黒丸）と，電流しきい値
Ｉ_thの値（白丸）を示す。図７に示した特性と図８に示
した特性とは，式１〜式３を用いて関係づけられる。

【００２７】以上の例は，フォトダイオード２でファブ
リペロー型半導体レーザ１のレーザ出力光Ｐの変化を検
出して検査対象液体８を特定する，あるいは，検査対象
液体８の物性を分析する例を述べたが，図７および図８
は，フォトダイオード２におけるレーザ出力光Ｐの監視
に代えて，カレントプローブ５で駆動回路６からファブ
リペロー型半導体レーザ１に印加される電流の電流しき
い値Ｉ_thの変化を検出しても上記同様，検査対象液体８
の特定または検査対象液体８の物性を分析できることを
示している。つまり，ファブリペロー型半導体レーザ１
を一定電流状態で付勢する場合は，フォトダイオード２
などの半導体レーザの出力光を検出する光検出手段を用
いればよく，ファブリペロー型半導体レーザ１を一定出
力状態で付勢する場合は，カレントプローブ５などの半
導体レーザの駆動電流を検出する電流検出手段を用いれ
ばよい。

【００２８】図９は，本発明の第２実施例として上述し
た本発明の半導体レーザ式物体識別センサを，容器２７
に収容された検査対象液体２８を識別するため，そのセ
ンシング部を検査対象液体２８に浸漬させた構成図を示
す。この半導体レーザ式物体識別センサのセンシング部
は，半導体レーザの電極部１１ｃ，監視用レーザ出力光
出射面１１ａ，レーザ出力光反射面１１ｂを有し，監視
用レーザ出力光出射面１１ａと所定の間隙３０を隔てて
配設されたフォトダイオード１２とが電極部１１ｃの対
向電極とヒートシンクを兼ねる導電性基台２１に一体構
成されている。ファブリペロー型半導体レーザ１１はそ
の励起によって発熱するのでヒートシンクとしても機能
する基台２１で効率よく冷却する。このセンシング部に
は，上述した受光回路３，レコーダ４，および，駆動回
路６に相当する回路が設けられるが，図９にはこれらの
回路は図示していない。フォトダイオード１２にはケー
ブル３１，３２を介して受光回路３およびレコーダ４に
接続され，半導体レーザ１１の電極部１１ｃと基台２１
にはケーブル３３，３４を介して駆動回路６に接続され
る。

【００２９】半導体レーザ１１は，ケーブル３３を介し
て電極部１１ｃに印加され，基台２１を介して戻る電流
経路を流れる駆動回路６からの駆動電流Ｉで励起され
て，監視用レーザ出力光出射面１１ａおよびレーザ出力
光反射面１１ｂの両側から光を出射する。レーザ出力光
反射面１１ｂが液体２８に接触し半導体レーザ１１の動
作特性が変化させられる。監視用レーザ出力光出射面１
１ａに対向して間隙３０を隔てて配設されたフォトダイ
オード１２がそのレーザ出力光Ｐの変化を検出して，上
記同様，レコーダ４において検査対象液体２８の種別を
識別する。この検査対象液体２８に浸漬されたセンシン
グ部を用いた半導体レーザ式物質識別センサによって
も，図７および図８に図示した識別結果と同様の結果が
得られた。特に，図９に示した半導体レーザ１１を検査
対象液体２８内に浸漬させた状態における検査対象液体
２８の識別においては，図１に示したピペット９を用い
た方法と異なり，図５に示した期間ｃにおいても高い再
現性を示した。つまり，第１実施例のように，図５の期
間ｅにおける過渡状態を検出する以前に検査対象液体２
８を識別できることが判った。したがって，図９に示し
た半導体レーザ式物質識別センサにおいては，高い信頼
性で短時間で検査対象液体２８の種別を識別できる。

【００３０】本発明の半導体レーザ式物質識別センサの
第３実施例を述べる。図１０は図９に示したセンシング
部を集積化発光・受光デバイスとして半導体基板に集積
して形成した断面斜視図である。このセンシング部は，
半導体基板４０の一方の側に半導体レーザ４１を形成
し，分離溝４３を介して半導体基板４１と対向する他方
の側にフォトダイオード４２を形成してある。半導体レ
ーザ４１には電極４１ｃが形成されている。このセンシ
ング部に，図９に示したように受光回路３，レコーダ
４，カレントプローブ５，駆動回路６などが接続されて
半導体レーザ式物質識別センサが構成される。

【００３１】センシング部の具体的な例を示す。半導体
基板４０はＧａＡｓで形成され，幅１０μｍの分離溝４
３で分離した右側の半導体レーザ４１は，共振器長Ｌ＝
３００μｍ，電極幅Ｗ＝１００μｍのＧａＡｓ／ＡｌＧ
ａＡｓ多重量子井戸構造を有する量子井戸結晶のファブ
リペロー型半導体レーザである。分離溝４３の左側はＧ
ａＡｓのフォトダイオード４２である。駆動回路６はこ
のファブリペロー型半導体レーザ４１をピーク値７００
ｍＡ，パルス幅０．１μｓ，パルス間隔１０μｓのパル
ス電流で駆動する。

【００３２】図１１は図１０に示した集積化発光・受光
デバイスのセンシング部を用いた半導体レーザ式物質識
別センサにおける物質，ベンゼン，トリクレンおよびメ
チルエチルケトンの屈折率ｎとファブリペロー型半導体
レーザ４３のレーザ出力光Ｐの変化を示す。縦方向の線
は測定値のばらつきを示す。ベンゼン，トリクレン，メ
チルエチルケトンのレーザ出力光Ｐにはばらつきがあっ
ても，これらの間には充分な開きがあり正確にそれらを
識別できることが判る。つまり，図１０に示したセンシ
ング部を用いても充分，検査対象液体２８の種別を識別
でき，実用できることが判った。

【００３３】図１２は本発明の第４実施例としての半導
体レーザ式物質識別センサの構成を示す図である。この
半導体レーザ式物質識別センサ５０は，集積化発光・受
光デバイス５１，半導体レーザ付勢回路５２，自動物質
識別手段５３，および，識別結果出力手段５４が図示の
ごとく接続されている。集積化発光・受光デバイス５１
は，図１０に図解したセンシング部，つまり，半導体基
板４０に分離溝４３を隔てて集積された半導体レーザ４
１とフォトダイオード４２とからなるものと同等であ
る。半導体レーザ付勢回路５２は上述した駆動回路６と
同等の集積化発光・受光デバイス５１内の半導体レーザ
４１を付勢する回路である。自動物質識別手段５３はマ
イクロコンピュータなどで構成され，上述したレコーダ
４に代えて，上述したレーザ出力光の変化からプログラ
ム処理によって自動的に検査対象液体２８を識別する。
識別結果出力手段５４は，たとえば，液晶などの表示装
置を含み，自動物質識別手段５３で識別した結果を視認
可能な状態で表示する。この識別結果出力手段５４には
プリンタなどを付加して記録可能にすることができる。

【００３４】この半導体レーザ式物質識別センサ５０に
よれば，自動的に検査対象液体２８の種別を容易に識別
できる。特に，自動物質識別手段５３が半導体レーザ付
勢回路５２を複数回駆動し，集積化発光・受光デバイス
５１内のフォトダイオード４２から複数回のレーザ出力
光Ｐを入力して複数回の信号処理を行うことにより，よ
り正確な検査対象液体２８の識別が可能となる。また，
自動物質識別手段５３の処理プログラムによって，検査
対象液体２８の物性を検証することもできる。

【００３５】この半導体レーザ式物質識別センサ５０は
ＦＩＡやマイクロマシーニングなどに好適である。さら
に，現在の半導体集積技術を適用すれば，自動物質識別
手段５３を集積化発光・受光デバイス５１に集積するこ
とができ，センシング部とその信号処理部とを一体構成
したスマートセンサが実現できる。

【００３６】本発明の半導体レーザ式物質識別センサま
たは光センサのセンシング部分を実現するには，上述し
た実施例に限定されない。たとえば，本発明の半導体レ
ーザとしては，上述したファブリペロー型共振器を有す
る半導体レーザに限らず，ファブリペロー型共振器を有
する半導体レーザと同等の特性を有する他の半導体レー
ザ，たとえば，活性層に回折格子を形成したＤＢＲ，Ｄ
ＦＢなどの進行波形半導体レーザを用いることもでき
る。また本発明の半導体レーザとして分布帰還型半導体
レーザまたは同等の半導体レーザを好適に用いることが
できる。

【００３７】以上に述べた実施例は，本発明の半導体レ
ーザ式物質識別センサまたはセンシング部の検出原理を
実証する基本的な構成について述べたが，本発明の半導
体レーザ式物質識別センサまたはセンシング部は種々の
状況または用途，たとえば，ＦＩＡやマイクロマシーニ
ング技術を用いた各種計測機器における検査対象液体の
識別またはその物性の分析に適用できる。また検査対象
物質として液体または溶液について例示したが，本発明
に上述した液体以外の液体は勿論，屈折率の違いによっ
て半導体レーザの動作特性を変化させるその他の物質の
識別にも適用できる。

【００３８】

【発明の効果】以上述べたように，本発明によれば，半
導体レーザ自身の変化を利用する原理に基づき，ＦＩＡ
やマイクロマシーニングなどに適した微小な実用性の高
いセンサを構成できる。また本センサのセンシング部は
微小な半導体レーザから構成されるため，センサシステ
ムの微小化，集積化が実現できた。さらに本発明の半導
体レーザ式物質識別センサまたはセンシング部をＦＩＡ
やマイクロマシーニング技術を用いた各種計測機器に適
用することにより，計測システムの小型化，高性能化に
寄与する。本発明のセンシング部またはこのセンシング
部を用いた半導体レーザ式物質識別センサは応答性が早
く，迅速な検査対象物質の識別およびその物質の物性の
検証ができる。本発明のセンシング部と信号処理部とを
半導体基板に一体集積してスマートセンサを構成するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の半導体レーザ式物質識別
センサの構成図である。

【図２】図１に示した半導体レーザの詳細な断面構造を
示す斜視図である。

【図３】図２に示した半導体レーザの動作原理を示す図
である。

【図４】図１に示した半導体レーザの基本動作特性と，
その半導体レーザ１の反射面に接触した液体に依存して
変化するその半導体レーザーの動作特性変化を示すグラ
フである。

【図５】図１に示した半導体レーザに接触した液体によ
る時間経過に対するその半導体レーザの出力変化を示す
グラフである。

【図６】図５に示した期間ｅにおける種々の半導体レー
ザの駆動電流における時間経過に対するレーザー出力変
化を示すグラフである。

【図７】本発明の半導体レーザ式物体識別センサによる
液体の種別を識別するための，横軸を物質の屈折率とし
たときの，半導体レーザのレーザ出力変化および電流し
きい値変化を示すグラフである。

【図８】本発明の半導体レーザ式物体識別センサによる
液体の種別を識別するための，横軸を反射率としたとき
の，半導体レーザのレーザ出力変化および電流しきい値
変化を示すグラフである。

【図９】本発明の第２実施例としての半導体レーザ式物
質識別センサのセンシング部の断面斜視図である。

【図１０】本発明の第３実施例としての光センサのセン
シング部を集積化発光・受光デバイスとして一体化した
断面斜視図である。

【図１１】図１０に示したセンシング部を用いて測定し
た液体の測定結果を示すグラフである。

【図１２】本発明の第４実施例としての半導体レーザ式
物質識別センサの構成図である。

【符号の説明】

１・・半導体レーザ（ファブリペロー型半導体レーザ）２・・フォトダイオード３・・受光回路４・・レコーダ５・・カレントプローブ６・・駆動回路７・・試料台８・・検査対象液体９・・ピペット１１・・半導体レーザ（ファブリペロー型半導体レー
ザ）１１ａ・・監視用レーザ出力光出射面１１ｂ・・レーザ出力光反射面１１ｃ・・電極部１２・・フォトダイオード２１・・基台２７・・容器２８・・検査対象液体３０・・間隙３１〜３４・・ケーブル４０・・半導体基板４１・・半導体レーザ４１ｃ・・電極４２・・フォトダイオード４３・・分離溝５０・・半導体レーザ式物質識別センサ５１・・集積化発光・受光デバイス５２・・半導体レーザ付勢回路５３・・自動物質識別手段５４・・識別結果出力手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者軽部征夫神奈川県川崎市宮前区東有馬１−３−16 (72)発明者刈田保樹神奈川県藤沢市辻堂新町４−３−１エヌオーケー株式会社内 (72)発明者西岡政雄東京都板橋区蓮根２−30−19−204 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 21/00 - 21/01 G01N 21/17 - 21/61 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ) 実用ファイル（ＰＡＴＯＬＩＳ) 特許ファイル（ＰＡＴＯＬＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体レーザの光出射部に接触した物質に
応じて規定されるその半導体レーザの発振状態の変化を
検出して上記接触物質の種別または物性を識別する物質
識別方法。
【請求項２】光出射部に接触した物質に応じてその半導
体レーザの発振状態が変化する半導体レーザを光センサ
のセンシング部分としたことを特徴とする光センサ。
【請求項３】半導体レーザと，該半導体レーザの動作状
態を検出する手段と，該半導体レーザ動作状態出手段で
検出した半導体レーザの動作状態から上記半導体レーザ
の光出射部に接触した物質を種別または物性を識別する
手段とを有する半導体レーザ式物質識別センサ。
【請求項４】上記半導体レーザを一定電流状態で付勢す
る場合は，上記半導体レーザ動作状態検出手段は，半導
体レーザの一方の光出射部に対向する他方の光出射部と
所定の間隔を隔てて位置する光検出手段である請求項３
記載の半導体レーザ式物質識別センサ。
【請求項５】上記半導体レーザを一定出力状態で付勢す
る場合は，上記半導体レーザ動作状態検出手段は上記半
導体レーザの駆動電流を検出する電流検出手段である請
求項３記載の半導体レーザ式物質識別センサ。
【請求項６】上記半導体レーザがファブリペロー型共振
器を有する半導体レーザまたは同等の半導体レーザであ
る請求項３〜５いずれか記載の半導体レーザ式物質識別
センサ。
【請求項７】上記半導体レーザが分布帰還型半導体レー
ザまたは同等の半導体レーザである請求項３〜５いずれ
か記載の半導体レーザ式物質識別センサ。
【請求項８】光出射部に接触した物質に応じてその動作
状態の変化が規定されるその半導体レーザと，該半導体
レーザの上記一方の光出射部に対向する他方の光出射部
と所定の間隔を隔てて位置する受光素子とを同一半導体
基板に集積化発光・受光デバイスとして一体化形成した
ことを特徴とする光センサのセンシング部。
【請求項９】上記センシング部と，上記センシング部内
の半導体レーザを付勢する回路と，上記センシング部内
の受光素子からの検出信号を信号処理して上記半導体レ
ーザの光出射部に接触した物質の種別または物性を識別
する自動物質識別手段と，該自動物質識別手段で識別し
た識別結果を出力する識別結果出力手段とを有する請求
項８記載の半導体レーザ式物質識別センサ。
【請求項１０】上記半導体レーザがファブリペロー型共
振器を有する半導体レーザまたは同等の半導体レーザで
ある請求項８または９記載の半導体レーザ式物質識別セ
ンサ。
【請求項１１】上記半導体レーザが分布帰還型半導体レ
ーザまたは同等の半導体レーザである請求項８または９
記載の半導体レーザ式物質識別センサ。