JP6029073B2 - 光センサ装置、光センサ装置に用いる光学要素の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、反射層を備える光学要素と受光素子とを備える光センサ装置、光センサ装置に用いる光学要素の製造方法に関する。
従来から、反射層を備える光学要素と受光素子とを備える光センサ装置としてガス検出器や人感センサなどが知られている。たとえば、日本国特許出願公開番号２０１２−２２０３５１（以下「文献１」という）に記載されたガスセンサは、発光素子（発光部）と受光素子（受光部）との間に検出対象の気体を導入する空間を形成し、かつ発光素子と受光素子との間に導光体を配置した構成を備える。導光体は、内部にアルミニウムなどの金属により形成された反射層（反射鏡）を備える。文献１に記載された反射鏡は、金属板あるいは金属膜により形成されている。このガスセンサは、導光体の中に導入された気体が特定波長の光を吸収することを利用することにより気体の濃度を検出することが可能になっている。
この種のガスセンサは、使用環境によっては内部に腐食性の気体が導入されることがある。たとえば、台所でガスセンサを使用するとすれば、硫化物や塩化物が導光体の内部に導入される可能性がある。そのため、金属により形成された反射層が腐食され、反射率の低下によって気体を検出する感度が低下することが懸念される。
反射層の腐食を抑制するために、反射層の表面に耐食層（防蝕皮膜）を形成することが考えられている（たとえば、日本国特許出願公開番号２００５−１４３９４３（以下「文献２」という）参照）。文献２には、合成樹脂からなる防蝕皮膜が開示されている。
上述したように、反射層の腐食を抑制するには、反射層の表面を耐食層で覆うことは有効であるが、合成樹脂を塗布して耐食層を形成する場合、合成樹脂を塗布した後の乾燥が必要になるから製造に要する時間が長くなるという問題がある。また、合成樹脂が乾燥する際に溶剤が蒸発するから、反射層の膜厚の制御が難しい上に、溶剤の蒸発に伴って気泡が混入し、結果的に歩留まりが低下する可能性もある。
本発明は、反射層を備える光学要素の製造に要する時間を短縮可能であり、しかも膜厚の制御が比較的容易であって、歩留まりの向上が期待できる光センサ装置を提供することを目的とし、さらに光センサ装置に用いる光学要素の製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る光センサ装置は、受光状態に応じた出力が得られる受光素子と、金属膜からなる反射層を備え前記受光素子への入射光の少なくとも一部が前記反射層で反射された光になるように配置される光学要素と、発光波長が所定の波長域である発光素子と、フィルタとを備え、前記光学要素は、前記反射層の腐食を抑制する耐食層をさらに備え、前記反射層は、気相メッキにより形成された前記耐食層により表面が覆われ、前記受光素子は、前記波長域のうち検知対象となる気体の種類により定まる特定の波長に対する受光強度が出力値に反映されるように構成され、前記光学要素は、前記検知対象となる気体が導入される監視空間に前記発光素子と前記受光素子との間の光路が形成されるように配置され、前記光学要素は、筒状であり、管壁を貫通する通気孔が形成され、かつ前記反射層が内側面に形成され、前記発光素子は、前記光学要素のうち前記光学要素の両端部の開口面が対向する特定方向における一端部に結合され、前記受光素子は、前記光学要素の前記特定方向における他端部に結合され、前記発光素子と前記受光素子との間で前記光学要素が導光を行い、前記フィルタは、前記通気孔を覆うように前記光学要素の外側面に設けられ、前記フィルタは、前記通気孔に気体を透過させ、異物および湿気の少なくともいずれかの透過を防止することを特徴とする。
この光センサ装置において、前記光学要素は、各々が前記反射層および前記耐食層を含む一対の半割体を備え、前記一対の半割体の各々には、前記通気孔を形成するための凹部が形成され、前記一対の半割体は、互いの前記凹部が対向して前記通気孔が形成されるように結合され、前記フィルタは、前記光学要素の外側面のうち、前記一対の半割体の結合部分の少なくとも一部を含む領域に設けられていることが好ましい。
この光センサ装置において、前記耐食層は、膜厚が１００ｎｍ以上であることが好ましい。
この光センサ装置において、前記耐食層は、膜厚が１２５ｎｍ以上２２５ｎｍ以下であることが好ましい。
この光センサ装置において、前記受光素子への入射光は赤外領域の光であって、前記反射層はＡｌで形成され、前記耐食層はＡｌ２Ｏ３で形成されることが好ましい。
上記光センサ装置に用いる光学要素を製造する方法であって、前記光学要素の基材において目的となる表面に、気相中でＡｌを成膜することにより前記反射層を形成した後、前記反射層の表面に気相中でＡｌ２Ｏ３からなる前記耐食層を形成することを特徴とする。
この光センサ装置に用いる光学要素の製造方法において、前記反射層の成膜と前記耐食層の成膜とを同一空間で行い、前記反射層の成膜を真空雰囲気で行い、前記耐食層の成膜を酸素が導入された酸化雰囲気で行うことが好ましい。
本発明の構成によれば、耐食層を気相メッキにより形成しており、耐食層として合成樹脂を反射層に塗布する場合のように耐食層を乾燥させる必要がないから、反射層を備える光学要素の製造に要する時間を短縮可能である。しかも膜厚の制御が比較的容易であって、耐食層に気泡が生じることもないから、歩留まりの向上が期待できるという利点を有する。
本発明の好ましい実施形態をより詳細に記述する。本発明の他の特徴および利点は、以下の詳細な記述および添付図面に関連して一層よく理解される。
図１Ａは実施形態に係るガスセンサを示す断面図、図１Ｂは実施形態に係るガスセンサの要部を示す断面図である。 実施形態に係るガスセンサの分解斜視図である。 実施形態に係るガスセンサに用いる反射層の膜厚および波長と反射率との関係を示す図である。 実施形態に係るガスセンサに用いる耐食層の膜厚に応じた反射率の低下の程度を示す図である。 実施形態に係るガスセンサに用いる耐食層の膜厚に応じた反射率の低下の程度を示す図である。 実施形態に係るガスセンサの変形例を示す断面図である。
本実施形態はガスセンサを例にして説明するが、以下に説明する実施形態を用いて説明する技術は、反射層を備えた光学要素と受光素子とを組み合わせて用いる光センサ装置であれば、他の構成にも利用可能である。たとえば、焦電型赤外線センサを受光素子に用いた光センサ装置としての人感センサにおいて、視野を定める光学要素としてミラーを用いる場合に、本実施形態で説明する技術を採用することが可能である。また、発光素子と受光素子との間に形成された光路を遮る通過者あるいは煙が存在することを検知する光センサ装置において、光路を設定するための光学要素としてミラーを用いる場合にも、本実施形態で説明する技術を採用可能である。
図１Ａ、図１Ｂ、図２に示すように、ガスセンサは、発光素子１１と受光素子１２と光学要素１３とを備える。光学要素１３に発光素子１１および受光素子１２を結合するには、光学要素１３と発光素子１１あるいは受光素子１２との間に介在する取付部材が必要であるが、取付部材は本実施形態では詳述しない。
発光素子１１は、代表例として発光ダイオード、レーザダイオード、ＯＬＥＤ（Organic Light Emitting Diode）などが知られている。受光素子１２は、代表例としてフォトダイオード、フォトトランジスタ、焦電型赤外線センサ、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサ、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサなどが知られている。例示した発光素子１１および受光素子１２の具体例は一例であって限定する趣旨ではない。
光学要素１３は、合成樹脂成形品であって筒状に形成され、光学要素１３の管壁には、複数個の通気孔１３１が貫通して形成されている。また、光学要素１３は、一対の半割体１３Ａ，１３Ｂを結合することにより形成されている。半割体１３Ａ，１３Ｂは、光学要素１３の両端部の開口面１３６，１３７が対向する特定方向に沿った中心線すなわち光学要素１３の中心線を含む平面で分割された対になる部材である。半割体１３Ａ，１３Ｂは、嵌め合いによる結合、超音波溶着、接着などから選択される技術により結合される。一対の半割体１３Ａ，１３Ｂの各々は、図２に示すように１つの部材で構成されてもよいし、複数の部材で構成されてもよい。本実施形態の光学要素１３では、上記特定方向が光学要素１３の長手方向となる。
光学要素１３は、上記特定方向において外側面の中央部が両端部よりも膨らんだ形状に形成されている。光学要素１３の上記特定方向に貫通する導光孔１３２は、口径が上記特定方向の中央部で最大になり両端部では中央部よりも小さくなった形状に形成されている。さらに、導光孔１３２は、発光素子１１が結合される一端部（開口面１３６）の口径よりも、受光素子１２が結合される他端部（開口面１３７）の口径が大きくなった形状に形成されている。光学要素１３の内側面は、光学要素１３の外側面と同様に、光学要素１３の上記特定方向における中央部が両端部よりも膨らんだ形状であって、滑らかに湾曲した形状に形成されている。
光学要素１３は、一対の半割体１３Ａ，１３Ｂの各々について、基材１３５と、金属膜からなり基材１３５の内側面の略全面を覆う反射層１３３と、反射層１３３の表面の全面を覆う耐食層１３４とを備える。反射層１３３は、発光素子１１と受光素子１２との間で授受される光の波長に対して高反射率になる材料が選択され、耐食層１３４は、受光素子１２が着目する光の波長に対して透過性を有する材料が選択される。反射層１３３および耐食層１３４の材料および膜厚の具体例は後述する。
光学要素１３は、上述した構成により、通気孔１３１を通して導光孔１３２に気体が流入する。気体による光の吸収率は気体の種類に応じた波長依存性を有しているから、発光素子１１と受光素子１２との間で授受する光の波長を選択することにより、受光素子１２での受光強度に基づいて、検知対象である気体の濃度を求めることが可能になる。
たとえば、検知対象である気体に吸収される光と当該気体に吸収されない光との互いに異なる波長を有する２種類の光を用いて、２種類の光（波長）に関する受光強度の比を求めると、検知対象である気体の濃度は、当該比をパラメータに含む形式で表される。つまり、気体の濃度と受光強度の比との関係を、関数あるいはデータテーブルの形式で表すことが可能である。
たとえば、検知対象を二酸化炭素とする。この場合、受光素子１２は、たとえば、二酸化炭素に吸収される光の波長４．３μｍを中心とする特定波長帯の受光強度と、二酸化炭素に吸収されない光の波長３．９μｍを中心とする特定波長帯の受光強度とを、出力値が反映するように構成される。この構成の受光素子１２は、それぞれの波長帯を選択して選択した波長帯の光を透過させる狭帯域の２個のバンドパスフィルタと、バンドパスフィルタごとに透過した光を受光する２個の赤外線センサとの組合せで実現可能である。
また、発光素子１１は、受光素子１２が受光する特定波長帯の光を含む所定の波長域の光を放射すればよい。すなわち、上述の例であれば、発光素子１１は、３．９〜４．３μｍの波長域を包含する赤外領域の光を放射するように構成されていればよい。この種の発光素子１１は、たとえば、赤外線発光ダイオードのほか、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により微細に加工された応答性のよいヒータも採用可能である。
この構成のガスセンサは、発光素子１１が間欠的に発光し、発光素子１１から放射された光が光学要素１３の内部を導光されて受光素子１２に到達する。発光素子１１から受光素子１２に導光される際に、発光素子１１から放射された光のうちの一部の光は反射層１３３で反射され、受光素子１２に入射する。光学要素１３の内側面は様々な角度に光を反射するように滑らかに湾曲し、発光素子１１から放射された光を導光孔１３２の内部空間の全体に行き渡らせる。
つまり、発光素子１１から放射された赤外領域の光は、光学要素１３の管壁で吸収されず、しかも、光学要素１３の内部空間の全体に広がって、受光素子１２に向かって導光される。そのため、発光素子１１から放射された光のうち受光素子１２に入射する光の割合が高い上に光路長が比較的長くなる。その結果、光学要素１３の内部における気体の存在が検出されやすくなる。
検知対象である気体が通気孔１３１を通り光学要素１３の内部空間に導入されている場合、発光素子１１から放射された特定波長の光は、気体の濃度に応じた吸光度で気体に吸収される。そのため、受光素子１２において特定波長帯に対する出力値（第１の出力値）は、検知対象である気体が存在しない場合よりも低下する。一方、検知対象である気体に吸収されない光の特定波長帯に対する出力値（第２の出力値）は、理想的には、検知対象である気体が存在する場合と変わらないから、２つの出力値の比（例えば、第１の出力値／第２の出力値）により、気体の濃度を知ることが可能になる。
上述した構成により、光学要素１３の内部空間（導光孔１３２）は、検知対象となる気体が導入される監視空間として機能し、発光素子１１からの光が監視空間を通る。発光素子１１と受光素子１２との間の光路は、光学要素１３の内側面の略全面に形成された反射層１３３によって監視空間に網目のように形成されるから、検知対象である気体が監視空間において局在している場合でも、気体に光を通過させることが可能になる。
ところで、上述したガスセンサは、使用環境によっては、検知対象の気体のみならず、硫黄、塩素、窒素などを含む腐食性の気体が光学要素１３に入り込む。反射層１３３は、高反射率が得られるように金属膜で形成されているから、反射層１３３を形成している金属の種類によっては腐食性の気体により腐食され、ガスセンサの性能が経年的に劣化することになる。
反射層１３３に用いる金属を選定するにあたっては、受光素子１２が検出する特定の波長に対する反射率が高いことはもちろんのことであるが、価格も考慮する必要がある。したがって、反射率の特性がよいが高価である金（Ａｕ）は、商品原価を考慮すると採用困難である。しかも、Ａｕは下地にニッケル（Ｎｉ）を用いることによって接合強度を高める場合が多く、Ａｕにピンホールが形成され、ピンホールに水分が付着し亜硫酸ガスなどが接触すると、ＡｕとＮｉとにより形成される局部電池により、腐食が加速する可能性がある。
一方、銀（Ａｇ）は、反射率がよくＡｕに比べて安価であるが、硫黄を含む腐食性の気体によって腐食されやすく、アルミニウム（Ａｌ）およびクロム（Ｃｒ）は、反射率がよくＡｕに比べて安価であるが、酸化により反射率が低下する。そのため、Ａｇ，Ａｌ，Ｃｒは、反射層１３３の材料の候補ではあるが、単独で用いることはできない。
さらに、反射層１３３は、光学要素１３を形成している合成樹脂成形品からなる基材１３５に固着させるから、上述した条件に加えて、基材１３５との接合が容易であることが要求される。また、金属の種類によっては、反射率に波長依存性があり、検出対象の気体に対応した波長域の反射率が基準（たとえば、反射率９０％以上）を満たさない場合もある。
光学要素１３の基材１３５は、成形が容易、かつ反射層１３３を固着させるための下地処理が容易であって、耐熱性が高く、低価格という条件を満たす材料が選択される。この種の材料として、たとえば、ナイロン系の合成樹脂、ポリフェニレンサルファイド、ポリブチレンテレフタレートなどが選択可能である。
基材１３５に反射層１３３を密着させるには、下地処理として基材１３５の表面にＳｉＯ２からなる下地層を形成しておくことが考えられる。しかしながら、基材１３５に対して反射層１３３と耐食層１３４とのほかに、反射層１３３とは異なる材料の下地層も併せて形成することは、工数の増加につながるという問題がある。そのため、本実施形態では、窒素雰囲気でプラズマ処理を行っている。基材１３５の表面にプラズマ処理を施すことにより、基材１３５の表面が清浄化され、反射層１３３の密着性が高くなる。
反射層１３３の表面は、上述したように、耐食層１３４で覆われる。耐食層１３４は、想定される腐食性の気体に腐食されず、かつ受光素子１２が検出する波長域の光を透過させる材料が選択される。この種の材料としては、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、ケイ酸ガラス、ダイヤモンドなどが選択可能である。
光学要素１３の基材１３５がナイロン、反射層１３３がＡｌ、耐食層１３４がＡｌ２Ｏ３で形成される場合に関し、反射層１３３の膜厚と反射率との関係を評価した結果を図３に示し、耐食層１３４の膜厚と反射率との関係を評価した結果を図４に示す。
図３に示すように、反射層１３３の反射率は、反射層１３３の膜厚および反射層１３３で反射する光の波長により変化する。特性Ａ１は反射層１３３の膜厚が４０ｎｍの場合、特性Ａ２は６０ｎｍの場合、特性Ａ３は８０ｎｍの場合、特性Ａ４は１００ｎｍの場合をそれぞれ示している。なお、耐食層１３４の膜厚は２００ｎｍとした。
検知対象である気体が二酸化炭素であって、着目する波長が３．９μｍと４．３μｍとであれば、図３から明らかなように、反射層１３３の膜厚が６０〜１００ｎｍの範囲では反射率にほとんど差が生じない。また、反射層１３３の膜厚が４０ｎｍであっても反射率は９０％以上であるから、実用上は問題がない。反射層１３３は、着目する波長について、膜厚が６０ｎｍでは反射率がほぼ飽和していると考えられ、膜厚を増加させても反射率に影響がない。また、膜厚が４０ｎｍの場合、波長が２．５μｍ以下では反射率が９０％未満になっている。
以上のことから、反射層１３３の膜厚は、実用上は、４０ｎｍ以上であればよく、汎用性を考慮すると膜厚は６０ｎｍ以上が望ましいと言える。なお、膜厚が１００ｎｍを超えても反射率が大きく増減することはないことが予想されるから、成膜が比較的容易である範囲であれば膜厚の上限はとくに規定しない。
図４は耐食層１３４の膜厚と反射率との関係を示す。本実施形態では、反射層１３３は耐食層１３４で覆われているから、耐食層１３４の膜厚が変化すれば反射率が変化することが予想される。図４において、実線Ｂ１は成膜直後の反射率を示し、一点鎖線Ｂ２は亜硫酸による耐久性試験を行った後の反射率を示す。耐食層１３４の膜厚は、５０ｎｍ、１００ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍの４種類とした。反射層１３３は膜厚を１５０ｎｍとした。図４に示した関係を表１に示す。なお、試験条件は、試料を、亜硫酸濃度１０ｐｐｍ、温度４０℃、湿度９５％の環境中に２４０時間放置し、反射率の測定波長４０００ｎｍとした。
Figure 0006029073
図４および表１によれば、耐食層１３４が５０ｎｍである場合、耐久性試験の後に明らかに反射率が低下しているが、耐食層１３４が１００ｎｍ以上である場合、耐久性試験の前後で反射率に有意の変化が生じていない。また、耐食層１３４の膜厚が５０ｎｍであっても耐久性試験の後の反射率は９０％以上であり、良好とは言えないまでも使用可能な範囲と言える。また、耐食層１３４の膜厚が１００〜３００ｎｍの範囲では、初期と試験後との両方で実質的に９５％以上の高い反射率が得られている。なお、耐食層１３４の膜厚が１００ｎｍと２００ｎｍとでは反射率にほとんど差が見られず、膜厚が３００ｎｍに達すると、１００ｎｍあるいは２００ｎｍの場合よりは反射率が低下している。ただし、膜厚が３００ｎｍであっても、ほぼ９５％以上の反射率が得られているので、３００ｎｍ以下は望ましい条件と言える。
また、図４の例とは異なる条件で成形したガスセンサにおける耐食層１３４の膜厚と反射率との関係を図５に示す。実線Ｂ１１は成膜直後の反射率を示し、一点鎖線Ｂ１２は亜硫酸による耐久性試験を行った後の反射率を示す。図５の特性を有するガスセンサは、図４の特性を有するガスセンサに比べて、表面粗さが小さい。なお、表面粗さが小さい、すなわち表面が滑らかなほうが反射率は向上する。
以上のことから、耐食層１３４の膜厚は５０ｎｍ以上であれば耐久性を満足させているが、耐食性試験の後の反射率を考慮すると、膜厚の下限値は１００ｎｍとすることが望ましい。耐食性試験の前の反射率と耐食性試験の後の反射率との差を考慮すると、さらに望ましい膜厚の下限値は１２５ｎｍである。また、膜厚の上限値は３００ｎｍであることが望ましい。耐食性試験の後の反射率を考慮すると、より望ましい膜厚の上限値は２２５ｎｍ、さらに望ましい膜厚の上限値は２００ｎｍである。
図５において、膜厚の下限値が１００ｎｍである場合、耐食性試験の前の反射率が９８．５％、耐食性試験の後の反射率が９６．５％であるから、耐食性試験の前の反射率と耐食性試験の後の反射率との差は２％である。一方、膜厚が１２５ｎｍ以上２２５ｎｍ以下である場合、耐食性試験の前の反射率と耐食性試験の後の反射率との差を２％未満にすることができる。膜厚が１２５ｎｍ以上２２５ｎｍ以下の範囲の中で反射率の差が最も大きい１５０ｎｍである場合、耐食性試験の前の反射率が９８．３％、耐食性試験の後の反射率が９６．６％であるから、耐食性試験の前の反射率と耐食性試験の後の反射率との差は１．７％である。
耐久性試験の後の反射率をある程度大きくし、かつ、耐久性試験の前の反射率と耐久性試験の後の反射率との差ができるだけ小さくするためには、耐食層１３４の膜厚は１２５ｎｍ以上２２５ｎｍ以下であることが望ましい。具体的には、膜厚が１２５ｎｍ以上２２５ｎｍ以下の範囲では、耐食性試験の後の反射率を９６％以上にし、かつ、耐食性試験の前の反射率と耐食性試験の後の反射率との差を２％未満にすることができる。
すなわち、受光素子１２への入射光が赤外領域（３．９〜４．３μｍの波長帯を含む領域）であって、反射層１３３がＡｌかつ耐食層１３４がＡｌ２Ｏ３で形成されている場合の条件は以下のようになる。すなわち、反射層１３３の膜厚の下限値は４０ｎｍ、望ましくは６０ｎｍである。また、耐食層１３４の膜厚の下限値は５０ｎｍ、望ましくは１００ｎｍであり、さらに望ましい膜厚の下限値は１２５ｎｍである。耐食層１３４の膜厚の上限値は３００ｎｍ、望ましくは２２５ｎｍ、さらに望ましくは２００ｎｍになる。耐久性試験の前後での反射率の劣化の低減を考慮すれば、耐食層１３４の膜厚は１２５ｎｍ以上２２５ｎｍ以下であることが望ましい。
なお、従来のように耐食層が合成樹脂で形成されていると、耐食層が赤外領域の光を吸収する可能性があり、赤外領域の光を利用する用途には適用が難しい。これに対して、気相メッキによるＡｌ２Ｏ３の耐食層１３４は、上述した例のように、赤外領域の光に対して反射層１３３の反射率を損なわないから赤外領域の光を利用する用途でも適用可能である。また、液相メッキを行う場合、前処理、反射層の形成、耐食層の形成の工程ごとに異なる槽が必要になるが、本実施形態は、耐食層１３４が気相メッキで形成されるから、同一チャンバ内ですべての工程を行うことが可能になる。また、液相メッキは、それぞれの処理工程の間に洗浄や乾燥の工程を必要とするが、気相メッキは、これらの工程が不要であるから、工程の簡略化につながる。
以下に、反射層１３３および耐食層１３４を形成する方法を説明する。反射層１３３および耐食層１３４の成膜は気相中で行われる。具体的には、反射層１３３および耐食層１３４が上述した材料である場合、蒸着またはスパッタリングによる成膜が行われる。反射層１３３および耐食層１３４として他の材料を採用する場合は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）による成膜を行うことも可能である。以下では、蒸着、スパッタリング、ＣＶＤを区別しない場合、気相メッキという。すなわち、気相メッキは、蒸着、スパッタリングおよびＣＶＤを含む総称である。
以下では、反射層１３３の材料にＡｌを選択し、耐食層１３４の材料にＡｌ２Ｏ３を選択した場合について、反射層１３３と耐食層１３４とを形成する方法を説明する。反射層１３３および耐食層１３４の成膜は、光学要素１３を形成する２個の半割体１３Ａ，１３Ｂを結合する前に行われる。つまり、半割体１３Ａ，１３Ｂのそれぞれの基材１３５に反射層１３３および耐食層１３４を成膜し、その後、半割体１３Ａ，１３Ｂが結合される。
反射層１３３の材料がＡｌであり、耐食層１３４の材料がＡｌ２Ｏ３である場合、反射層１３３および耐食層１３４は以下の２種類の方法のいずれかにより成膜する。
第１の方法は、半割体１３Ａ，１３Ｂの基材１３５において導光孔１３２となる部位に、気相メッキによりＡｌからなる反射層１３３を成膜する過程と、その後に、反射層１３３の表面に、気相メッキによりＡｌ２Ｏ３からなる耐食層１３４を成膜する過程とを含む。なお、成膜方法が蒸着である場合、反射層１３３の成膜と耐食層１３４の成膜とに際して蒸着材料を替える必要があり、成膜方法がスパッタリングである場合、反射層１３３の成膜と耐食層１３４の成膜とに際してターゲットを替える必要がある。
第２の方法は、半割体１３Ａ，１３Ｂの基材１３５において導光孔１３２となる部位に、真空雰囲気で気相メッキにより反射層１３３を成膜する過程と、その後に、酸素が導入された酸化雰囲気で気相メッキにより耐食層１３４を成膜する過程とを含む。すなわち、この方法は、真空雰囲気での反射層１３３の成膜後に、蒸着材料あるいはターゲットが変更されることなく酸素を導入した酸化雰囲気で耐食層１３４が成膜される。したがって、耐食層１３４は、蒸着材料あるいはターゲットの酸化物になる。本例において、反射層１３３の材料はＡｌであるから、蒸着材料あるいはターゲットを変更することなくＡｌ２Ｏ３からなる耐食層１３４が成膜される。
第２の方法を採用すると、反射層１３３および耐食層１３４の成膜に際して蒸着材料あるいはターゲットの変更を伴わず、成膜時の雰囲気を変更するだけで、異なる性質を有する反射層１３３と耐食層１３４とを成膜することが可能になる。
以上のことから、第２の方法は、第１の方法のように蒸着材料あるいはターゲットを替える作業を伴う場合に比べると、光学要素１３を作製する際の作業時間が短縮されるという利点がある。また、第１の方法では、蒸着材料あるいはターゲットを替えるたびに、チャンバ内が真空雰囲気になるように減圧することが必要になるのに対して、第２の方法では、反射層１３３と耐食層１３４とを成膜するためにチャンバ内を１回だけ減圧すればよい。つまり、第２の方法は、減圧するために必要なエネルギーが第１の方法よりも少なくなる点でも有利である。
第２の方法を実施する際の条件を例示する。反射層１３３を成膜するにあたり、まず、半割体１３Ａ，１３Ｂを投入したチャンバ内を１．０×１０−３Ｐａまで減圧することにより真空雰囲気とした。この真空雰囲気において、半割体１３Ａ，１３Ｂのうち導光孔１３２となる部位（内側面）にＡｌを蒸着により成膜した。このときの成膜速度は、３．０ｎｍ／ｓとし、１５０ｎｍの膜厚である反射層１３３を形成した。その後、チャンバに酸素を導入することにより、チャンバ内の圧力を３．０×１０−２Ｐａ程度に調整し、チャンバ内を酸化雰囲気とし、この酸化雰囲気において、Ａｌの蒸着を再度行った。このときの成膜速度は、０．５ｎｍ／ｓとし、最終的に２００ｎｍの膜厚である耐食層１３４を形成した。
反射層１３３および耐食層１３４について、上述した成膜の条件は一例であり、反射層１３３および耐食層１３４の膜厚および材料に応じて、真空雰囲気および酸化雰囲気におけるチャンバ内の圧力、成膜速度などは適宜に設定される。
本実施形態に係る光センサ装置（ガスセンサ）は、受光素子１２と、光学要素１３とを備える。受光素子１２は、受光状態に応じた出力が得られる。光学要素１３は、金属膜からなる反射層１３３を備え、受光素子１２への入射光の少なくとも一部が反射層１３３で反射された光になるように配置される。光学要素１３は、反射層１３３の腐食を抑制する耐食層１３４をさらに備える。反射層１３３は、気相メッキにより形成された耐食層１３４により表面が覆われている。
本実施形態のように、光センサ装置（ガスセンサ）は、発光素子１１をさらに備えることが好ましい。発光素子１１は、発光波長が所定の波長域である。この場合、受光素子１２は、波長域のうち検知対象となる気体の種類により定まる特定の波長に対する受光強度が出力値に反映されるように構成される。光学要素１３は、検知対象となる気体が導入される監視空間（導光孔１３２）に発光素子１１と受光素子１２との間の光路が形成されるように配置される。
本実施形態に係る光センサ装置（ガスセンサ）のように、光学要素１３は、筒状であり、管壁を貫通する通気孔１３１が形成され、かつ反射層１３３が内側面に形成されていることが好ましい。この場合、発光素子１１は、光学要素１３のうち光学要素１３の両端部の開口面１３６，１３７が対向する特定方向における一端部に結合される。受光素子１２は、光学要素１３の特定方向における他端部に結合される。発光素子１１と受光素子１２との間で光学要素１３が導光を行う。
本実施形態に係る光センサ装置（ガスセンサ）のように、耐食層１３４は、膜厚が１００ｎｍ以上であることが好ましい。
本実施形態に係る光センサ装置（ガスセンサ）のように、耐食層１３４は、膜厚が１２５ｎｍ以上２２５ｎｍ以下であることがより好ましい。
本実施形態に係る光センサ装置（ガスセンサ）のように、受光素子１２への入射光は赤外領域の光であって、反射層１３３はＡｌで形成され、耐食層１３４はＡｌ２Ｏ３で形成されることが好ましい。
本実施形態に係る光センサ装置（ガスセンサ）に用いる光学要素１３の製造方法は、光学要素１３の基材１３５において目的となる表面に、気相中でＡｌを成膜することにより反射層１３３を形成した後、反射層１３３の表面に気相中でＡｌ２Ｏ３からなる耐食層１３４を形成するステップを有する。
本実施形態に係る光センサ装置（ガスセンサ）に用いる光学要素１３の製造方法のように、反射層１３３の成膜と耐食層１３４の成膜とを同一空間で行い、反射層１３３の成膜を真空雰囲気で行い、耐食層１３４の成膜を酸素が導入された酸化雰囲気で行うことが好ましい。
なお、本実施形態に係る光センサ装置（ガスセンサ）は、図６に示すように、通気孔１３１を覆うように光学要素１３の外側面に設けられた複数（図示例では４枚）のフィルタ１４をさらに備えていてもよい。
各フィルタ１４は、複数（図示例では３つ）の通気孔１３１に気体を透過させ、複数の通気孔１３１への固体および液体の透過を防止する。各フィルタ１４は、たとえばポリテトラフルオロエチレンなどで形成されている。一例として、各フィルタ１４は、ポリテトラフルオロエチレンを用いたゴアテックス（登録商標）で形成されている。各フィルタ１４の膜厚は、好ましくは１ｍｍ程度である。
各フィルタ１４は、たとえば、複数の通気孔１３１を覆うように光学要素１３の外側面に接着されている。一例として、各フィルタ１４は、接着剤によって光学要素１３の外側面に接着されている。各フィルタ１４はシート状に形成されているので、光学要素１３の外側面が曲面であっても、各フィルタ１４は、光学要素１３の外側面の形状に変形した状態で上記外側面に接着されている。
これにより、図６に示す光センサ装置は、固体および液体が通気孔１３１を介して外部から導光孔１３２へ侵入するのを防止することができる。
なお、光センサ装置は、複数のフィルタ１４を備えるのではなく、１枚のフィルタのみを備えてもよい。また、各フィルタ１４は、複数の通気孔１３１を覆うことに限定されず、少なくとも１つの通気孔１３１を覆うように光学要素１３の外側面に設けられていればよい。
図６に示す光センサ装置のように、フィルタ１４は、光学要素１３の外側面のうち、一対の半割体１３Ａ，１３Ｂの結合部分の少なくとも一部を含む領域に設けられていることが好ましい。この場合、光学要素１３は、一対の半割体１３Ａ，１３Ｂを備える。一対の半割体１３Ａ，１３Ｂは、各々が反射層１３３および耐食層１３４を含む。一対の半割体１３Ａ，１３Ｂの各々には、通気孔１３１を形成するための凹部１３８，１３９が形成されている。一対の半割体１３Ａ，１３Ｂは、互いの凹部１３８，１３９が対向して通気孔１３１が形成されるように結合される。フィルタ１４は、光学要素１３の外側面のうち、一対の半割体１３Ａ，１３Ｂの結合部分の少なくとも一部を含む領域に設けられている。
図６に示す光センサ装置では、各フィルタ１４が半割体１３Ａと半割体１３Ｂとの結合部分に接着などで設けられるので、半割体１３Ａと半割体１３Ｂとの間の結合強度を高めることができる。
本発明を好ましい実施形態によって記述したが、本発明の本来の精神および範囲、すなわち請求の範囲を逸脱することなく、当業者によって様々な修正および変形が可能である。

Claims (7)

  1. 受光状態に応じた出力が得られる受光素子と、
    金属膜からなる反射層を備え前記受光素子への入射光の少なくとも一部が前記反射層で反射された光になるように配置される光学要素と、
    発光波長が所定の波長域である発光素子と、
    フィルタとを備え、
    前記光学要素は、前記反射層の腐食を抑制する耐食層をさらに備え、
    前記反射層は、気相メッキにより形成された前記耐食層により表面が覆われ、
    前記受光素子は、前記波長域のうち検知対象となる気体の種類により定まる特定の波長に対する受光強度が出力値に反映されるように構成され、
    前記光学要素は、前記検知対象となる気体が導入される監視空間に前記発光素子と前記受光素子との間の光路が形成されるように配置され、
    前記光学要素は、筒状であり、管壁を貫通する通気孔が形成され、かつ前記反射層が内側面に形成され、
    前記発光素子は、前記光学要素のうち前記光学要素の両端部の開口面が対向する特定方向における一端部に結合され、
    前記受光素子は、前記光学要素の前記特定方向における他端部に結合され、
    前記発光素子と前記受光素子との間で前記光学要素が導光を行い、
    前記フィルタは、前記通気孔を覆うように前記光学要素の外側面に設けられ、
    前記フィルタは、前記通気孔に気体を透過させ、固体および液体の少なくともいずれかの透過を防止する
    光センサ装置。
  2. 前記光学要素は、各々が前記反射層および前記耐食層を含む一対の半割体を備え、
    前記一対の半割体の各々には、前記通気孔を形成するための凹部が形成され、
    前記一対の半割体は、互いの前記凹部が対向して前記通気孔が形成されるように結合され、
    前記フィルタは、前記光学要素の外側面のうち、前記一対の半割体の結合部分の少なくとも一部を含む領域に設けられている
    ことを特徴とする請求項１記載の光センサ装置。
  3. 前記耐食層は、膜厚が１００ｎｍ以上である
    請求項１または２記載の光センサ装置。
  4. 前記耐食層は、膜厚が１２５ｎｍ以上２２５ｎｍ以下である
    請求項３記載の光センサ装置。
  5. 前記受光素子への入射光は赤外領域の光であって、
    前記反射層はＡｌで形成され、前記耐食層はＡｌ２Ｏ３で形成される
    請求項１〜４のいずれか１項に記載の光センサ装置。
  6. 請求項５記載の光センサ装置に用いる光学要素を製造する方法であって、
    前記光学要素の基材において目的となる表面に、気相中でＡｌを成膜することにより前記反射層を形成した後、
    前記反射層の表面に気相中でＡｌ２Ｏ３からなる前記耐食層を形成する
    光センサ装置に用いる光学要素の製造方法。
  7. 前記反射層の成膜と前記耐食層の成膜とを同一空間で行い、
    前記反射層の成膜を真空雰囲気で行い、前記耐食層の成膜を酸素が導入された酸化雰囲気で行う
    請求項６記載の光センサ装置に用いる光学要素の製造方法。
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