JP4528522B2 - 光学分析用センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばエッチング液の銅イオン濃度等を測定するに好適な簡易な構造の光学分析用センサ装置に関する。

例えばエッチング液の銅イオン濃度の測定等に用いられる光学分析用センサ装置は、一般的には図３(ａ)に示すように白熱球やハロゲンランプ、或いは重水素ランプ等の光源１から発せられた光を回折格子２や干渉フィルタ（図示せず）を用いて波長選択して特定波長の光成分を得、この特定波長の光成分の試料３による透過光強度を受光器（フォトセンサ）４にて検出するように構成される。この際、例えばその光路中に設けたハーフミラー５を介して照射光の一部を分岐し、リファレンス用の受光器６にてその照射光量をモニタすることで前記光源１からの照射光量の変動を補償することも行われている。

しかしながら上述した構成の光学分析用センサ装置においては、重水素ランプ等の光源１の寿命が高々２０００時間程度と短い上、またその光路長を十分に長く設定することが必要なので、その小型化に限界があった。しかも回折格子２は高価であり、また干渉フィルタを用いた場合には、大きな減衰を伴うので十分な光量を確保することが困難である等の問題があった。

そこで前述した光源１に代えて特定波長域の光を発する発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源として用いることが考えられる。しかし発光ダイオードは、その発光量の温度依存性が高い上、発光動作状態が安定するまでの所要時間が２時間程度と非常に長い。しかも点灯開始直後に比較して、その安定状態における発光量が点灯開始直後の発光量に比較して７０〜８０％と大きく低下することが否めない。これ故、発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源１として採用する場合には、例えば図３(ｂ)に示すように発光ダイオード（光源１）の近傍にリファレンス用の受光器６を用いてその発光量をモニタすることが不可欠である。

ところで発光ダイオードは、専ら、透明または半透明のケーシング（外被部材）にて覆われてパッケージ化されている。これ故、発光ダイオードの近傍（側方または後方）にリファレンス用の受光器６を設けるだけで、その漏洩光から上記発光ダイオードの発光量を検出することができる。しかしその反面、試料や前記受光器（フォトセンサ）４にて反射した光が上述した透明・半透明のケーシング（外被部材）を介してリファレンス用の受光器６に入り込むことがあり、発光ダイオード（光源１）の発光量を正確にモニタすることができないと言う問題があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、光源としての発光ダイオードの発光量を正確にモニタしながら、例えばエッチング液の銅イオン濃度等を高精度に測定するに好適な、特に小型化を図った簡易な構造の光学分析用センサ装置を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係る光学分析用センサ装置は、並列に発光駆動されて特定波長域の光を発する、例えば透明または半透明のケーシングにて覆われてパッケージ化された赤色発光ダイオードからなる複数個の発光素子と、これらの発光素子から発せられて試料を透過した光を受光する受光素子とを具備したものであって、
特に前記発光素子と同一型式の補助発光素子と、この補助発光素子から発せられた光を受光する補助受光素子とを備えたリファレンス用センサを、前記発光素子を組み込んだ光源部に、該リファレンス用センサの周囲を光学的に遮光して一体に設け、前記発光素子と補助発光素子とを並列に発光駆動することを特徴としている。

上述した構成によれば、発光素子側から光学的に隔離して該発光素子と同一型式の補助発光素子を光源部に設けているので、補助発光素子と前記発光素子との温度環境をほぼ等しくすることができ、補助発光素子の発光量から前記発光素子の発光量を効果的にモニタすることができる。しかもリファレンス用センサが発光素子側から光学的に隔離して設けられているので、試料や前記受光器（フォトセンサ）４にて反射した光が補助受光器に入り込むことがない。更にはリファレンス用センサを発光素子を組み込んだ光源部に一体に設けているので、その全体形状のコンパクト化を測ることができる。

この結果、動作寿命の長い発光素子（例えば赤色発光ダイオード）を有効に活用した小型で計測精度の高い光学分析用センサ装置を容易に実現することが可能となり、その実用的利点が多大である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る光学分析用センサ装置について説明する。
図１はこの実施形態に係る光学分析用センサ装置の概略構成図で、１は特定波長域の光を発する光源としての発光素子（例えば赤色発光ダイオード）、４は上記発光素子１から発せられて試料３を透過した光の強度を検出する受光素子（例えばフォトトランジスタ）である。本発明に係る光学分析用センサ装置が特徴とするところは、上記発光素子（赤色発光ダイオード）１を設けた光源部７に、該発光素子１および前記受光素子４から光学的に隔離して、前記発光素子１と同一型式の補助発光素子（例えば赤色発光ダイオード）８と、この補助発光素子８から発せられた光を検出する補助受光素子９とを備えたリファレンス用のセルを一体に組み込んだことを特徴としている。

そして前記受光素子４にて試料３を透過した前記発光素子１からの光の強度Ｐを検出すると共に、前記補助受光素子９にて補助発光素子８から発せられた光の強度Ｐrefを検出し、例えばその比［Ｐ／Ｐref］を求めることで前記発光素子１から発せられる光の強度変化に拘わりなく試料３の状態、例えば試料３であるエッチング液の銅イオン濃度を検出するように構成される。

具体的には図２に光学分析用センサ装置の断面構造を示すように、この光学分析用センサ装置は試料３が導入される試料セル１０を挟んで、発光素子１を組み込んだ光源部７と受光素子４とを対峙させて一体化して実現される。即ち、試料セル１０は、金属製の円筒管１１と、この円筒管１１を横切るように該円筒管１１の周壁を貫通して互いに対峙させて取り付けた一対の試料通流管１２,１２とを備え、これらの試料通流管１２,１２が設けられた円筒管１１の内部の中央領域を、該円筒管１１の両端部からそれぞれＯリング１３,１３を介して嵌め込まれた一対の石英ガラス板１４,１４によって挟み込まれて所定容積の空間部を形成する試料室１５とした構造を有する。

尚、前記試料通流管１２,１２は、上記試料室１５内に突出するノズル部１２ａ,１２ａを備え、その反対側を試料導入チューブ（図示せず）が連結されるコネクタ部１２ｂ,１２ｂとしたものからなる。これらの試料通流管１２,１２の一方が、前記試料室１５に試料を導入する導入管として用いられ、他方が前記試料室１５から試料を排出する排出管として用いられる。

一方、前記光源部７および受光素子４は、それぞれ前記試料セル１０の円筒管１１に、その両端部からそれぞれ螺合させて装着される一対の筒状ユニット２０,２０にそれぞれ組み込まれている。これらの筒状ユニット２０,２０は、前述した石英ガラス板１４,１４を前記円筒管１１の内部に組み付けて固定する役割も果たす。そして一方の筒状ユニット２０は、その先端部に前記石英ガラス１４側に受光面を向けてフォトトランジスタからなる受光素子４が組み込まれて受光部として用いられる。尚、この受光部における上記受光素子４の後面側の空間部には、必要に応じてセンシングアンプ（図示せず）が組み込まれる。

また他方の筒状ユニット２０は、その先端部に前記石英ガラス１４側に受光面を向けて複数個の赤色発光ダイオードが発光素子１として組み込まれて光源部として用いられる。これらの複数個の発光素子（赤色発光ダイオード）１は、並列に発光駆動されることで試料に照射するに十分な光量を確保している。更にこの筒状ユニット（光源部）２０の上記発光素子１の裏面側には、補助発光素子８とこの補助発光素子８に対峙する補助受光素子９とを金属製の遮光体２１に囲んだリファレンス用セル２２が組み込まれている。この補助発光素子８は、前述した発光素子１と同じ型式（同じ仕様）の赤色発光ダイオードからなり、前記発光素子１と並列に発光駆動される。特にこのリファレンス用セル２２は、前記発光素子１とは光学的に遮光して設けられており、従って前記補助受光素子９は前記補助発光素子８の発光量（光強度）だけを検出するものとなっている。

かくしてこのように構成された光学分析用センサ装置によれば、発光素子（光源）１として寿命が長く小型で安価な赤色発光ダイオードを使用しても、該赤色発光ダイオードの発光量の変化を補助発光素子８と補助受光素子９とからなるリファレンス用セル２２を用いて容易に検出することができる。しかもこのリファレンス用セル２２が発光素子（光源）１に近接させて設けられているので、補助発光素子８および発光素子１の温度に依存する発光量変化を実質的に等しくすることができる。またリファレンス用セル２２がその周囲から光学的に遮光して設けられているので、赤色発光ダイオードが透明・半透明のケーシング（外被部材）にて覆われた構造を有するといえども、発光素子１等からの外光の影響を受けることなく補助発光素子８の発光量だけを正確に検出することができる。

この結果、補助発光素子８と補助受光素子９とからなるリファレンス用セル２２を、その外部から光学的に遮光して発光素子１を組み込んだ光源部（筒状ユニット２０）に一体に組み込むだけで、赤色発光ダイオードを用いた光源の光量変化を確実にモニタすることのできる小型で簡易な構造の光学分析用センサ装置を実現することが可能となる。特に図２に示す構造の光学分析用センサ装置によれば、試料セル１０の円筒管１１に光源部および受光部をなす一対の筒状ユニット２０,２０をそれぞれ装着するだけで良いのでその組み立て・分解性が良く、メンテナンスの容易化を図り得る等の効果も奏せられる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。ここでは赤色発光ダイオードを光源として用いる例について説明したが、他の波長域の発光ダイオードを光源として用いても良いことは言うまでもない。また試料セル１０の構造も種々変形可能なことは勿論のことである。またエッチング液の銅イオン濃度を測定するセンサのみならず、他の試料の光学的変化を検出するセンサにも同様に適用することができる。要は本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の一実施形態に係る光学分析用センサ装置の概略構成図。 光学分析用センサ装置の具体的な構造例を示す断面図。 従来一般的な光学分析用センサ装置の構成例を示す図。

符号の説明

１ 光源（発光素子）
４ 受光器（受光素子）
６ リファレンス用の受光器
７ 光源部
８ 補助発光素子
９ 補助受光素子
１０ 試料セル
１１ 円筒管
１２ 試料通流管
１４ 石英ガラス
１５ 試料室
２０ 筒状ユニット
２１ 遮光体
２２ リファレンス用セル

Claims (2)

1. 並列に発光駆動されて特定波長域の光を発する複数個の発光素子と、これらの発光素子から発せられて試料を透過した光を受光する受光素子とを具備した光学分析用センサ装置であって、
   前記発光素子と同一型式の補助発光素子と、この補助発光素子から発せられた光を受光する補助受光素子とを備えたリファレンス用センサを、前記発光素子を組み込んだ光源部に、該リファレンス用センサの周囲を光学的に遮光して一体に設け、前記発光素子と補助発光素子とを並列に発光駆動することを特徴とする光学分析用センサ装置。
2. 前記発光素子および補助発光素子は、透明または半透明のケーシングにて覆われてパッケージ化された赤色発光ダイオードからなる請求項１に記載の光学分析用センサ装置。

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