JP3755838B2 - 光学装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般に、基板に対する半導体デバイスの取り付けに関するものであり、とりわけ、光センサにおける熱的な寸法変化の影響を最小限にすることに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光学装置に用いられる高精度で高解像度の光学計器は、ごくわずかな公差によるその光学コンポーネントの位置決め及び取り付けを必要とする。さらに、高精度及び高解像度であるためには、その光学コンポーネントの位置が時間及び温度変化に関して安定した状態を保つことを必要とする。分析化学計装に用いられる分光計は、この点に関して要求が極めて厳しい。分光計は、一般に、光学スリット、光学格子、及び、光センサを有し、それらの全ての位置がごくわずかな公差内に保持されなければならない。全ての材料は温度に応じて寸法変化を示すので、これらの変化を最小限に抑えるか、または、補償する設計を発見しなければならない。
【０００３】
一般にフォトダイオードまたは電荷結合素子から構成されるフォトセンサ・アレイは、通常、ＳｉまたはＧａｌｎＡｓのような半導体から作られており、比較的長く、細い形状を備えている。半導体材料は、一般に、セラミック・パッケージに納められるか、あるいは、セラミック基板に取り付けられる。フォトセンサ・アレイ及び関連するセラミック基板の熱膨張率は、一般に、他の光学コンポーネント、または、他の光学コンポーネントの取り付け具またはハウジングの熱膨張率と整合しない。この熱膨張率の不整合によって、フォトセンサ・アレイを利用する光学計器の性能が制限される。
【０００４】
既知の取り付け方法の１つでは、プリント回路基板を利用して、プラスチックまたはセラミックのパッケージが保持され、このパッケージによって、さらに、半導体アレイが保持される。この技術の主たる利点は、低コストと、交換の容易な部品にある。しかし、プリント回路基板に対するパッケージのハンダ付け、ハンダの熱膨張効果、及び、プリント回路基板材料の熱膨張特性に関する公差が比較的大きい。
【０００５】
フォトセンサ・アレイのための改良された取り付け技法では、セラミック基板に該アレイが取り付けられる。次に、組み合わせられたアレイと基板が、基板エッジの固定位置の保持ポイントに取り付けられる。この技法は、安価であり、部品交換を容易に行うことが可能であるが、基板エッジに対するアレイのある有限の位置公差がある。半導体材料、パッケージ材料、及び、基板の間に熱的不整合があれば、熱変化によって、固定取り付けポイントに対するアレイの理想の位置からのずれが増すことになる。一般にアレイのどの点も、熱サイクリング中、その理想の位置にとどまることはない。
【０００６】
アレイ・パッケージは、接着剤を用いて、直接計器ハウジングに取り付けることが可能である。適正な接着技術によれば、センサの中央位置をほぼ固定することが可能である。熱膨張によるずれは、アレイの全長に沿って最小限に抑えられる。あいにく、接着剤の場合、熱機械的特性が予測不能であり、センサ・アレイの取り外しが困難になり、接着剤及び計器ハウジング、アレイ・パッケージの熱機械的特性間の不整合によって、アレイ・パッケージに対する機械的応力を生じる可能性がある。
【０００７】
能動的または受動的熱補償を利用することが可能である。一般に、必要とされる追加コンポーネントによって、計器のサイズ及び複雑性が増し、コストが増すことになる。
【０００８】
センサ・アレイの全長に沿った熱変化に伴うずれを予測可能な最小限のものとする、改良された取り付けテクノロジが必要になる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、アレイの長さに沿った熱変化に伴うずれを予測可能な最小限のものにするやり方で、光センサを取り付けることにある。この取り付けでは、熱変化時に発生するセンサに対する応力が最小限にとどまり、交換が容易になり、安価で、簡単、小形になる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
光センサは、剛性基板に取り付けられる。基板には２つの位置決めホールが設けられており、センサは、このホール間に取り付けられる。計器のハウジングまたは別の所望の場所に取り付けられた剛性位置決めピンが、位置決めホール内に突き出す。バネで基板に加圧することによって、位置決めホールが対応する位置決めピンに押しつけられ、平面内で基板を整列させる。第１の実施例では、光センサがその中央点にしっかりと保持され、温度変化に伴うセンサの長さに沿った寸法のずれが最小限に抑えられるように、ホールの位置決めが実施される。センサ・アセンブリは、簡単に取り外すことが可能である。該取り付け装置は、熱サイクリング時に、基板またはセンサに機械的応力を加えることはない。該取り付け装置は、安価で、製造が容易であり、光センサの精密な取り付けを可能にする。
【００１１】
【実施例】
図１には、剛性基板１０２に取り付けられた光センサ１００が示されている。基板１０２は、２つの位置決めホール１０４及び１０６を備えている。位置決めホール１０４は、Ｖ字またはＬ字形状のコーナを形成する２つのコーナを備えている。位置決めホール１０６は、１つの位置決めエッジ１０７を備えている。ホール１０４のＶ字またはＬ字形状のコーナを形成する２つのエッジ及びホール１０６のエッジ１０７以外のホール１０４及び１０６の形状は、重要ではない。２つの円筒形位置決めピン１０８及び１１０は、光学計器のハウジング（不図示）の一部である。２つの位置決めピンは、図示のように２つの位置決めホール内に突き出している。破線１１４は、フォトセンサ・アレイの能動部分の全長の中央点を表している。第１の望ましい実施例の場合、アレイの中央点と照射ランプによって発生する６５６ｎｍのスペクトル線とを整列させることによって、吸収分光学に関する歪みが最小限に抑えられる。もう１つの実施例の場合、アレイの中央点を固定することによって、他のスペクトル線と整列することができるし、あるいは、計器の中央点と整列させることも可能であり、この位置によって機械的歪み全体が最小限に抑えられることになる。
【００１２】
簡単な平板バネ（不図示）によって、基板１０２に押しつける力１１２が生じる。この整列用のこの力の位置及び発生源は、本発明の適正な機能にとってことささら重要というものではない。位置決めホール１０４はＶ字形である。力１１２によって、Ｖ字形位置決めホール１０４は位置決めピン１０８に押しつけられる。また、力１１２によって、基板１０２は位置決めピン１０８のまわりを反時計廻り方向に回転し（矢印１１６で示すように）、位置決めホール１０６のエッジ１０７が位置決めピン１１０に押しつけられる。他の精密パッド（不図示）及びバネ力によって、基板の平面を固定する平面内の３つのポイントが形成される。
【００１３】
位置決めホール１０４のＶ字形側面を位置決めピン１０４に押しつけることによって、Ｘ方向とＹ方向の両方において位置決めホール１０４の整列がなされる。位置決めホール１０６の側面１０７を位置決めピン１１０に押しつけることによって、Ｘ方向において位置決めホール１０６のアライメントがとれる。位置決めホール１０６は、Ｙ方向には自由に移動する。Ｘ方向における２つの点とＹ方向における１つの点が整列することによって、基板の平面内において、基板１０２が整列する。
【００１４】
ある特定の実施例において、光センサ１００は、分析化学用の分光計に用いられるフォトダイオード・アレイである。基板１０２はセラミックである。位置決めホール１０４及び１０６は、レーザで切削され、そのコーナには、クラッキングを防止するため丸み付けが施される。
【００１５】
図１に示す取り付け方式には、いくつかの利点がある。実施例の１つでは、センサの中央点が固定されると、熱サイクリング時に少なくとも１つのポイントが固定され、アレイの長さに沿ったずれが最小限に抑えられる。センサ・アセンブリは、スナップ作用で簡単に所定位置につくので、簡単に交換することが可能である。位置決めホールは、レーザ切削を利用して、容易かつ精密に製作される。整列に用いられるエッジは、基板の外側エッジほど露出しないので、取扱い時における損傷は軽減され、結果として信頼性が向上する。位置決めホール１０６は、Ｘ方向においてしかセンサを固定しないので、センサは、熱サイクリング時にＹ方向に移動することが可能であり、サイクリングによって生じる機械的応力が除去される。
【００１６】
以上の説明は、半導体装置として光センサを例と下本発明の幾つかの実施例を示すものであるが、以下にさらに本発明の幾つかの実施態様を列挙して本発明の要旨の理解の便を計りたい。
【００１７】
（実施態様１）
基板（１０２）に取り付けられ、長さと、その長さに沿った中央点（１１４）とを備える光センサ（１００）を光学計器に取り付けるための装置において、
第１の位置決めホール（１０４）と、
第２の位置決めホール（１０６）と、
第１の位置決めホール内に突き出す第１の位置決めピン（１０８）と、
第２の位置決めホール内に突き出す第２の位置決めピン（１１０）と、
基板に押しつける力（１１２）を生じるバネを備え、
前記光センサが前記第１と第２の位置決めホールの間に配置され、バネによって、前記第１の位置決めホールと前記第１の位置決めピンが接触した状態に保持され、前記第２の位置決めホールと前記第２の位置決めピンが接触した状態に保持されることにより、前記光センサの中央点が特定の位置に固定されることを特徴とする、
光センサの取り付け装置。
【００１８】
（実施態様２）
さらに、前記第１の位置決めホールが２つのコーナ・エッジを備えており、前記バネによって両方の該コーナ・エッジが前記第１の位置決めピンに押しつけられて、２つの直交する方向において、前記第１の位置決めホールと整列することを特徴とする、実施態様１に記載の光センサの取り付け装置。
（実施態様３）
さらに、前記第２の位置決めホールが１つの位置決めエッジを備えており、前記バネによって前記位置決めエッジが前記第２の位置決めピンに押しつけられて、１つの方向において前記第２の位置決めホールと整列することを特徴とする、実施態様１に記載の光センサの取り付け装置。
（実施態様４）
前記光センサがフォトダイオード・アレイであることを特徴とする実施態様１に記載の光センサの取り付け装置。
（実施態様５）
分光計に用いられる実施態様１、２、３、または、４に記載の光センサの取り付け装置。
【００１９】
（実施態様６）
計器において、長さと中央点（１１４）とを備え、基板（１０２）に取り付けられた光センサ（１００）を整列するための方法において、
該基板に第１と第２の位置決めホール（１０４、１０６）を形成するステップと、
第１の位置決めピン（１０８）を第１の位置決めホールに挿入し、第２の位置決めピン（１１０）を第２の位置決めホールに挿入して、該第１と第２の位置決めピンで前記計器に前記基板を取り付けるステップと、
前記基板に力を加えて、その力で前記第１の位置決めピンが前記第１の位置決めホールに組合され、２つの直交方向において前記第１の位置決めホールと整列し、また、その力で前記第２の位置決めピンが前記第２の位置決めホールに組合わされ、１つの方向において前記第２の位置決めホールに整列するステップとを有する、
光センサの取付け方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による取り付けの特徴を備えたフォトセンサ・アレイの平面図である。
【符号の説明】
１００ 光センサ
１０２ 剛性基板
１０４ 位置決めホール
１０６ 位置決めホール
１０７ 位置決めエッジ
１０８ 位置決めピン
１１０ 位置決めピン

Claims (1)

1. ハウジングを有する光学計器と、
   前記ハウジング上に配置される光センサであって、第１の位置決めホールと第２の位置決めホールとを有する基板に取り付けられる光センサと、
   前記基板に対して該基板の面内方向に押し付ける力を生じるバネとを備え、
   第１の位置決めピンが前記第１の位置決めホール内に突き出し、第２の位置決めピンが前記第２の位置決めホール内に突き出すようにした光学装置であって、
   前記第１の位置決めホールと前記第２の位置決めホールは、前記基板の前記押し付ける力が作用する方向での前後端を画定する両端縁から離れた内側位置に設けられ、
   前記光センサは、前記バネの押し付ける方向に延びる長さと該長さに沿った中央点とを備え、前記第１、第２の位置決めホールを結ぶ線と前記長さが交差するようにして、且つ前記中央点が前記第１、第２の位置決めホールを結ぶ線と前記長さが交差する位置に置かれるようにして、前記第２の位置決めホールよりも前記第１の位置決めホールに近接して置かれ、
   前記第１、第２の位置決めピンが前記光学計器に取り付けられ、前記バネが前記第１、第２の位置決めピンの長手方向に対して直交する力を与え、前記第１、第２の位置決めホールはともに前記押し付ける力の作用する方向に沿って前記第１、第２の位置決めピンより大きな寸法とされ、前記バネによって、前記第１の位置決めホールと前記第１の位置決めピンとが前記押し付ける力の作用する方向に交差する方向を向いて少なくとも２点で接触した状態に保持され、且つ前記第２の位置決めホールと前記第２の位置決めピンとが前記押し付ける力の作用する方向を向いて１点で接触した状態に保持されることにより、前記光センサが前記バネの押し付ける方向に延びるようにして前記第１の位置決めホールに近接した特定の位置に固定され、分光計に用いられることを特徴とする光学装置。

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