JP6356563B2

JP6356563B2 - 光センサモジュール

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Publication number: JP6356563B2
Application number: JP2014198075A
Authority: JP
Inventors: 阿部　真一; 真一阿部; 博昭落合; 弥生根本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2014-09-29
Filing date: 2014-09-29
Publication date: 2018-07-11
Anticipated expiration: 2034-09-29
Also published as: JP2016072331A

Description

本発明は、光センサモジュールに関するものである。

近年、微量な試料を容易かつ正確に測定するセンサ装置が求められている。このセンサ装置として、例えば金属表面に生じる表面プラズモンを応用した光センサ装置の開発が行なわれている。ここで、表面プラズモンを応用した光センサ装置は、光透過性媒体上に設けられた金属薄膜の表面で生じる光−表面プラズモン波の相互作用を利用して特定の物質を検出または測定するセンサである。表面プラズモンを用いた光センサ装置は、検出感度が高いことから、低濃度のガス、イオン、抗原、ＤＮＡ等の検出する方法として検討されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−３４４４３７号公報

特許文献１に記載された光センサ装置において、金属薄膜で反射した光をセンサアレイで受光している。このとき、センサアレイに入射する光の一部は、センサアレイの表面で反射することがある。その結果、センサアレイで反射された光が透過性媒体内で反射され、迷光となって再びセンサアレイに入射し、センサの検出精度が低下する虞があった。

本発明は、このような事情に鑑みて案出されたものであり、検出精度を向上させる光センサモジュールを提供することを目的とする。

本発明の光センサモジュールは、上面および下面を有した透光性基板と、前記透光性基板の前記上面に配された感応部と、前記透光性基板を介して前記感応部に入射する光を発する発光部と、前記感応部と前記透光性基板との境界で反射する光を受ける受光部とを備え、前記透光性基板の前記下面は、外縁部に位置し、前記境界で反射する光を前記受光部へ出射する第１領域を有しており、前記透光性基板の外形は、前記感応部から前記第１領域に入射し反射する光を、前記透光性基板の第１側面で反射させ、かつ前記第１領域を超えて前記透光性基板内を直進させる形状であり、前記下面は、前記第１領域に隣接した第
２領域を有しており、前記上面は、前記下面に沿って設けられており、かつ前記第１領域で反射した光をさらに反射する第３領域を有しており、前記第１側面は、前記下面に対して、前記第１領域に入射し反射する光を前記第３領域に向かって反射させ、かつ前記第３領域で反射する光を前記第２領域に入射させる角度で設けられており、前記上面は、前記感応部が配された第４領域をさらに有しており、前記上面において、前記第３領域は、前記第４領域よりも上方に位置しており、前記下面において、前記第２領域は、前記第１領域よりも下方に位置している。

本発明によれば、透光性基板の第１領域で反射した光（迷光）を、透光性基板の第１側面で反射し、第１領域を超えて透光性基板内を直進させるため、迷光が受光部に入射することを低減することができる。したがって、検出精度を向上させた光センサモジュールを提供することができる。

本発明の一実施形態にかかる光センサモジュールを示す断面図である。図１に示した光センサモジュールの外形を説明する断面図である。本発明の一実施形態にかかる光センサモジュールの変形例を示す断面図である。図３に示した光センサモジュールの外形を説明する断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る光センサモジュールについて、図１〜図４を参照しつつ以下に説明する。図１〜図４は、本発明の一実施形態に係る光センサモジュールの上下方向に切断した断面を示している。また、図１〜図４中に記載されている破線の矢印は、光路を例示している。なお、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更または改良等が可能である。

本実施形態に係る光センサモジュール１は、図１に示すように、透光性基板２、発光部３、受光部４および、特定の物質に反応する感応部５を有している。そして、発光部３から出射した光を、透光性基板２を介して感応部５に入射させ、感応部５と透光性基板２との境界で反射する光を、受光部４で受光する。このような構成を有していることによって、光センサモジュール１は、感応部５を例えば空気または液体等の流体中に露出させ、感応部５で反射する光の強度の変化を受光部４で検出することによって、流体中の特定の物質を検出することができる。

透光性基板２は、感応部５を支持するものである。また、透光性基板２は、発光部３で発した光を感応部５へ誘導し、かつ感応部５で反射した光を受光部４へ誘導するものである。透光性基板２は、例えばガラス、サファイア、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、シクロオレフィンポリマー樹脂またはシクロオレフィンコポリマー樹脂等の材料で形成される。透光性基板２の屈折率は、例えば１．４以上１．６以下に設定される。屈折率は、例えばエリプソメータ等で測定することができる。なお、透光性基板２は、ガラスまたは樹脂材料等を、例えば金型成形または切削加工することによって形成することができる。

透光性基板２は、上面２１および下面２２を有している。本実施形態では、上面２１は下面２２に沿って設けられている。本実施形態では、上面２１は、第３領域２１１と第４領域２１２とを有している。具体的には、第４領域２１２は感応部５が配置されている領域であり、第３領域２１１は第４領域２１２に隣接した領域である。

本実施形態では、透光性基板２の下面２２は、下面２２の外縁部に位置した第１領域２２１と、第１領域２２１に隣接した第２領域２２２と、第２領域２２２の第１領域２２１とは反対側に隣接した第５領域２２３とを有している。第１領域２２１は、発光部４が配置される領域であり、感応部５と透光性基板２との境界で反射した光を受光部４へ出射する出射面として機能する。第５領域２２３は、発光部３が配置される領域である。

透光性基板２の平面形状は、例えば矩形状または円状である。本実施形態では、透光性基板２は矩形状の平面形状を有しており、第１側面２３と、第１側面２３に対向した第２側面２４とを有している。受光部４は、第１側面２３の近傍に配置されており、発光部３は、第２側面２４の近傍に配置されている。言い換えれば、受光部４の近傍に位置した側面が第１側面２３であり、発光部３の近傍に位置した側面が第２側面２４である。

ここで、従来、感応部５で反射した光が受光部４に入射する際、透光性基板２の下面２２（第１領域２２１）で反射した光（迷光）が透光性基板２内を反射して再び受光部４に入射し、光センサモジュール１の検出精度が低下する虞があった。

これに対して、本実施形態では、透光性基板２の外形が、感応部５から第１領域２２１に入射し反射する光（迷光）を、透光性基板２の第１側面２３で反射させ、かつ第１領域２２１を超えて透光性基板２内を直進させる形状である。その結果、迷光が受光部４に入射することを低減することができる。したがって、光センサモジュール１の検出精度を向
上させることができる。また、本実施形態に係る光センサモジュール１では、第１領域２２１で反射した光を、透光性基板２外に取り出して消光したりする場合と異なり、透光性基板２に隣接する外部構造に依存しないため、設計の自由度を向上させることができる。したがって、光センサモジュール１を小型化することができる。

第１側面２３は、下面２２に対して、第１領域２２１で反射した光を第２側面２４に向かって反射させる角度で設けられてもよい。その結果、迷光を第１領域２２１から遠い方へ反射させやすくなり、第１領域２２１で反射した光を減衰させやくすることができる。

第１側面２３は、下面２２に対して、第１領域２２１で反射した光を下面２２に沿って反射させる角度で設けられてもよい。すなわち、迷光を透光性基板２の上面２１および下面２２で反射させない。その結果、上面２１および下面２２での反射後の光路等を考慮する必要がなく、透光性基板２、ひいては光センサモジュール１を低背化することができる。

第１側面２３は、下面２２から上面２１にかけて透光性基板２の内側に向かって傾斜するように設けられてもよい。これによって、透光性基板２の小型化に寄与しつつ、第１領域２２１で反射された光を、効果的に第２側面２４に向かって反射させることができる。

第１側面２３は、図２に示すように、透光性基板２を上下方向に切断した断面において、第１側面２３と上面２１とで成す角をθ１、第１領域２２１への光の入射角をθ２としたときに、θ１−９０°＝４５°―０．５・θ２の数式を満たすように傾斜していてもよい。その結果、第１側面２３で反射する光を効果的に下面２２に沿って直進させることができる。

一方、第１側面２３は、図３に示すように、下面２２に対して、第１領域２２１に反射した光を第３領域２１１に向かって反射させ、かつ第３領域２１１で反射する光を第２領域２２２に入射させる角度で設けられてもよい。その結果、迷光を上面２１および下面２２で反射させることによって、迷光を減衰させることができる。したがって、透光性基板２内を直進する光が感応部５等に入射して、光センサモジュール１の検出精度の低下を低減することができる。

透光性基板２の上面２１において、第３領域２１１は、第４領域２１２よりも上方に位置してもよい。すなわち、上面２１は、第３領域２１１と第４領域２１２とで段差が形成されていてもよい。その結果、第１側面２３で反射し第３領域２１１に入射する光の光路長を大きくすることができ、迷光を減衰させやすくすることができる。

透光性基板２の下面２２において、第２領域２２２は、第１領域２２１よりも下方に位置している。すなわち、下面２２は、第１領域２２１と第２領域２２２とで段差が形成されていてもよい。その結果、第３領域２１１で反射し第２領域２２２に入射する光の光路長を大きくすることができ、迷光を減衰させやすくすることができる。

第１側面２３は上面２１から下面２２にかけて透光性基板２の内側に向かって傾斜するように設けられていてもよい。これによって、迷光を、効果的に第３領域２１１に向かって反射させることができる。

第１側面２３は、図４に示すように、透光性基板２を上下方向に切断した断面において、第１領域２２１（受光部４）の幅をＬ、第１領域２２１における光の入射点から第１側面２３における光の入射点までの平面方向の距離をＤ、透光性基板２の厚みをＨ、第１領域２２１への光の入射角をθ３、上面２１に垂直な仮想線と第１側面２３とで成す角をθ
４としたとき、ｔａｎ（θ３−２θ４）＞（Ｌ＋Ｄ）／｛２Ｈ−Ｄ／ｔａｎ（θ３）｝を満たすように傾斜していてもよい。その結果、迷光の受光部４への入射を効果的に低減することができる。

透光性基板２の平面形状は、第１側面２３と第２側面２４とを結ぶ辺が長辺となる長方形状であってもよい。そして、第２側面２４の近傍には感応部５が配置されてもよい。その結果、第１側面２３で反射した光の感応部５への入射を低減することができる。

透光性基板２の第１側面２３の外表面には、光吸収部材６が配されていてもよい。その結果、第１側面２３で光が反射する際に、迷光を減衰させることができる。なお、光吸収部材６は、例えば、炭素を含むフィラーを含有した樹脂材料または酸化鉄等で形成される。また、光吸収部材６は、例えばフィルム貼付、スプレー塗布、ロール塗布、スパッタリングまたは蒸着法等によって透光性基板２の表面に形成される。

透光性基板２の第３領域２１１の外表面には、光吸収部材６が配されていてもよい。その結果、第３領域２１１に光が入射した際に、迷光を減衰させることができ、光センサモジュール１の検出精度を向上させることができる。なお、上面２１の第４領域２１２に限らず、第３領域２１１にも感応部５を形成することによって、第３領域２１１に位置した感応部５を光吸収部材６として機能させてもよい。

透光性基板２の第２領域２２２の外表面には、光吸収部材６が配されていてもよい。その結果、第２領域２２２に光が入射した際に、迷光を減衰させることができ、光センサモジュール１の検出精度を向上させることができる。

透光性基板２は、任意の方向に光を誘導するために、傾斜部が設けられてもよい。本実施形態では、第２側面２４を傾斜させることによって、傾斜部を形成している。また、透光性基板２の第２側面２４の外表面には、光を誘導する光反射膜７が設置されてもよい。また、透光性基板２の全てが透光性である必要はなく、発光部３の光を受光部４へ誘導することができれば、透光性基板２の一部は透光性を有していない材料で形成されても良い。

光反射膜７は、発光部３から発した光を反射させて光を誘導するものである。光反射膜７は、光を反射させるために、透光性基板２と屈折率の異なる材料からなる。光反射膜７は、例えば金、銀または銅等の金属材料等で形成される。なお、光反射膜７は、例えば蒸着法またはスパッタリング法等によって形成することができる。

発光部３は、透光性基板２を介して感応部５に入射する光を発するものである。発光部３としては、例えばレーザーダイオード（ＬＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）または面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）等を用いることができる。また、受光部４は、感応部５と透光性基板２との界面で反射する光を受けるものであり、感応部５の反射光の強度の変化を検出する。受光部４としては、例えばフォトダイオード（ＰＤ）などを用いることができる。発光部３および受光部４は、発光部分または受光部分を複数持つアレイ状素子を用いてもよい。

本実施形態では、発光部３および受光部４は、透光性基板２の下面に設置されている。発光部３および受光部４は、平面方向において、感応部５が間に位置するように所定の間隔をあけて配置されている。発光部３および受光部４は、感応部５に光学的に接続されている。また、複数の発光部分を持つ発光部３、複数の受光部分を持つ受光部４を用いることによって、平面方向に小型化することができる。

感応部５は、流体中に露出しており、流体中の特定の物質に反応することによって、光の屈折率を変化させ、感応部５で反射する反射光の光の強度を変動させるものである。感応部５は、雰囲気中に露出しており、雰囲気中の特定の物質に反応して、屈折率を変化させる機能を有する。本実施形態では、表面プラズモン共鳴現象を利用して感応部５での反射光の強度を変化させる。そのため、本実施形態では、感応部５は、透光性基板２の上面に配された第１薄膜５１と、第１薄膜５１の上面に配された第２薄膜５２を有している。なお、感応部５に入射する光は、第１薄膜５１に入射することになる。

第１薄膜５１は、表面に表面プラズモン波が励起しやすくなるように、金属材料で形成されている。具体的には、第１薄膜５１は、例えば、銀、金、銅、亜鉛、アルミニウムまたはカリウム等の金属材料を用いることができる。なお、第１薄膜５１の材料については、第１薄膜５１上に配置される第２薄膜５２の材料または発光部３の光の波長等を考慮して選択すればよい。また、第１薄膜５１は、金属材料を単層で用いてもよいし、複数の層を積層してもよい。なお、第１薄膜５１の厚さは、第１薄膜５１の上面で表面プラズモン波が励起するように、トンネル効果によって第１薄膜５１に入射した光が浸み出す厚さに設定される。具体的には、第１薄膜５１の厚みは、例えば０．５ｎｍ以上１μｍ以下となるように設定することができる。

第２薄膜５２は、雰囲気中の特定の物質に反応して屈折率（誘電率）を変化させる機能を有する。第２薄膜５２は、具体的に、水素ガスなどを検出する場合には、感応膜として、例えばマグネシウム、パラジウムなどの膜を用いることができる。また、アンモニアガスなどを検出する場合には、感応膜として、アクリル酸ポリマーまたは銅フタロシアニンなどの膜を用いることができる。他には、モノクローナル抗体、ビオチンまたはがレクチンなどの膜を用いることで抗原を検出することができる。

感応部５は、上記構成を有していることによって、透光性基板２内部を進んできた光が第１薄膜５１の界面で反射されると、第１薄膜５１の上面に表面プラズモン波が励起される。ここで、表面プラズモンは特定の入射角で第１薄膜５１に入射した光と共鳴することから、表面プラズモン波の励起によって光エネルギーの一部が損失して、特定の入射角で入射した光の第１薄膜５１での反射率が極端に小さくなる。そして、表面プラズモン波が励起する際の光の入射角は、第１薄膜５１の上面に位置する第２薄膜５２の屈折率によって異なることから、第２薄膜５２の屈折率が変化することによって、第１薄膜５１での光の反射率が変化し、ひいては感応部５での反射光の強度が変化することになる。よって、反射光の強度の変化を検出することによって、第２薄膜５２が反応した物質を特定することができる。

１光センサモジュール
２透光性基板
２１上面
２１１第３領域
２１２第４領域
２２下面
２２１第１領域
２２２第２領域
２２３第５領域
２３第１側面
２４第２側面
３発光部
４受光部
５感応部
５１第１薄膜
５２第２薄膜
６光吸収部材
７光反射膜

Claims

上面および下面を有した透光性基板と、
前記透光性基板の前記上面に配された感応部と、
前記透光性基板を介して前記感応部に入射する光を発する発光部と、
前記感応部と前記透光性基板との境界で反射する光を受ける受光部とを備え、
前記透光性基板の前記下面は、外縁部に位置し、前記境界で反射する光を前記受光部へ出射する第１領域を有しており、
前記透光性基板の外形は、前記感応部から前記第１領域に入射し反射する光を、前記透光性基板の第１側面で反射させ、かつ前記第１領域を超えて前記透光性基板内を直進させる形状であり、
前記下面は、前記第１領域に隣接した第２領域を有しており、
前記上面は、前記下面に沿って設けられており、かつ前記第１領域で反射した光をさらに反射する第３領域を有しており、
前記第１側面は、前記下面に対して、前記第１領域に入射し反射する光を前記第３領域に向かって反射させ、かつ前記第３領域で反射する光を前記第２領域に入射させる角度で設けられており、
前記上面は、前記感応部が配された第４領域をさらに有しており、
前記上面において、前記第３領域は、前記第４領域よりも上方に位置しており、
前記下面において、前記第２領域は、前記第１領域よりも下方に位置している、光センサモジュール。