JP7134246B2 - 光学センサ装置 - Google Patents

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Description

本開示は、光学センサ装置に関する。
血流等の生体情報あるいは半導体装置等を流れる流体の状態を簡単に、かつ高速に測定できる計測センサ等の光学センサ装置が求められている。例えば血流は、光のドップラー効果を利用して計測することができる。血液に光を照射すると、赤血球等の血球細胞で光が散乱される。照射光の周波数と散乱光の周波数とから血球細胞の移動速度が算出される。血流等を計測できる光学センサ装置は、例えば、特開２０１１－１３４４６３号公報（特許文献１）に開示されている。
しかしながら、特許文献１に開示された光学センサ装置では、例えば血液の場合、発光素子から発光された光が、少なくとも２つの物に当たって２つの光が反射される。対象物の１つは血管であり、もう１つは血液である。このとき、この２つの反射した光を受光素子で検知する際に、血管で反射した光の強度が強くなり、測定対象である血液で反射した光の強度が弱くなる可能性があった。
本開示の一実施形態に係る光学センサ装置は、基板と、受光素子と、発光素子と、第１透明基板と、第２透明基板とを備えている。基板は、第１開口部と、第１開口部と間を空けて位置した第２開口部とを有する。受光素子は、第１開口部に位置している。発光素子は、第２開口部に位置するとともに、受光素子と間を空けて位置している。第１透明基板は、基板の上面に位置し、第１開口部および第２開口部を塞いで基板と接合されている。第２透明基板は、第１透明基板の上面に位置している。
本開示の第１実施形態に係る光学センサ装置を示す斜視図である。 本開示の第１実施形態に係る光学センサ装置を示す分解斜視図である。 本開示の第１実施形態に係る光学センサ装置を示す断面図である。 本開示の第１実施形態に係る光学センサ装置のパラメータを示す断面図である。 本開示の第１実施形態に関わる他の形態に係る光学センサ装置を示す断面図である。 本開示の第１実施形態に関わる他の形態に係る光学センサ装置を示す断面図である。 本開示の第１実施形態に関わる他の形態に係る光学センサ装置を示す断面図である。 本開示の第１実施形態に関わる他の形態に係る光学センサ装置を示す断面図である。 本開示の第１実施形態に関わる他の形態に係る光学センサ装置を示す断面図である。 本開示の第１実施形態に関わる他の形態に係る光学センサ装置を示す断面図である。 本開示の第２実施形態および第３実施形態に係る光学センサ装置を示す斜視図である。 本開示の第２実施形態および第３実施形態に係る光学センサ装置を示す分解斜視図である。 本開示の第２実施形態に係る光学センサ装置を示す断面図である。 本開示の第２実施形態に関わる他の形態に係る光学センサ装置のパラメータを示す断面図である。 本開示の第２実施形態に係る光学センサ装置を示す平面図である。 本開示の第２実施形態に係る光学センサ装置を示す平面図である。 本開示の第３実施形態に係る光学センサ装置を示す断面図である。 本開示の第３実施形態に関わる他の形態に係る光学センサ装置を示す断面図である。 本開示の第３実施形態に関わる他の形態に係る光学センサ装置を示す断面図である。 本開示の第３実施形態に関わる他の形態に係る光学センサ装置を示す断面図である。 本開示の第３実施形態に係る光学センサ装置を示す平面図である。 本開示の第３実施形態に係る光学センサ装置を示す平面図である。
図１～図２２において、光学センサ装置１は、基板２と、第１透明基板３と、遮光膜４と、発光素子５と、受光素子６と、第２透明基板８とを備えている。
基板２は、平面視において、矩形状であって、複数の誘電体層が積層されて形成されていてもよい。基板２は、例えば、平面視において、大きさが０．５ｍｍ～５ｍｍであって、厚みが０．５ｍｍ～５ｍｍである。基板２は、例えば誘電体層がセラミック材料からなっていてもよく、誘電体層が有機材料からなっていてもよい。
基板２が、セラミック材料による配線基板（セラミック配線基板）の場合、セラミック材料からなる誘電体層に接続パッド、内部配線、信号配線等の各導体が形成される。
セラミック配線基板で用いられるセラミック材料としては、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体またはガラスセラミックス焼結体等が挙げられる。
また、基板２が、有機材料による配線基板（有機配線基板）の場合、有機材料からなる絶縁層に後述する信号配線等の配線導体が形成される。有機配線基板は、複数の有機誘電体層から形成される。有機配線基板は、例えば、プリント配線基板、ビルドアップ配線基板またはフレキシブル配線基板等の誘電体層が有機材料からなるものであればよい。有機配線基板で用いられる有機材料としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂またはフッ素系樹脂等が挙げられる。
また、この基板２には、少なくとも２つの開口部となる凹部が設けられており、２つの凹部のうちの一方は、受光素子６を収容する第１開口部２１であり、２つの凹部のうちの他方は、発光素子５を収容する第２開口部２２である。第１開口部２１および第２開口部２２は、基板２の同一の主面（基板２の第１面）に開口するように設けられている。
本開示の実施形態に係る光学センサ装置１は、光のドップラー効果を利用して、血流等の流体の流れを計測する計測センサに好適に用いられる。光のドップラー効果を利用するために、計測センサは、被計測物に光を照射する発光素子５と、被計測物によって散乱された光を受光する受光素子６とを備える。特に、血流を計測する場合には、例えば手指等の身体の一部に外部から光を照射し、皮膚下の血管を流れる血液に含まれる血球細胞によって散乱された光を受光して、周波数の変化から血流を測定する。そのため、光学センサ装置１においては、照射光と散乱光の位置関係に基づいて、発光素子５と受光素子６とを所定の間隔で配置する。第１開口部２１および第２開口部２２は、受光素子６および発光素子５との位置関係に応じて設けられる。
第１開口部２１の大きさ、第２開口部２２の大きさは、収容しようとする受光素子６および発光素子５の大きさに応じて適宜設定すればよい。受光素子６および発光素子５は、例えば、０．１ｍｍ×０．１ｍｍ×０．１ｍｍ～１．５ｍｍ×１．５ｍｍ×１．２ｍｍである。例えば、発光素子５として、垂直共振器面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）を用いる場合、第２開口部２２の開口は、その形状が、例えば矩形であっても正方形であってもよく、その大きさは、例えば、縦方向長さが０．３ｍｍ～２．０ｍｍ、横方向長さが０．３ｍｍ～２．０ｍｍであり、深さは、０．３ｍｍ～１．０ｍｍである。また、受光素子６として、面入射フォトダイオードを用いる場合、第１開口部２１の開口は、その形状が、例えば矩形であっても正方形であってもよく、その大きさは、例えば、縦方向長さが０．３ｍｍ～２．０ｍｍ、横方向長さが０．３ｍｍ～２．０ｍｍであり、深さは、０．４ｍｍ～１．５ｍｍである。第１開口部２１と第２開口部２２との間（受光素子６と発光素子５との間）は、発光素子５が発光した光が受光素子６に直接入射しない程度に離れていればよい。また、第１開口部２１と第２開口部２２との間（受光素子６と発光素子５との間）に遮光性のある壁を設けることで、第１開口部２１と第２開口部２２との間（受光素子６と発光素子５との間）の距離を近づけることができる。このとき、例えば、平面透視において、第１開口部２１の中心と受光素子６の中心とが重なって位置しており、第２開口部２２の中心と発光素子５の中心とが重なって位置していてもよい。
第１開口部２１および第２開口部２２は、開口形状が、例えば、円形状、正方形状、矩形状等であってもよく、その他の形状であってもよい。また、第１開口部２１および第２開口部２２は、基板２の主面に平行な断面形状が深さ方向に一様な形状であってもよいが、所定の深さまでは、断面形状が開口形状と同じで一様であり、所定の深さ以降は、断面形状が小さくなって底部まで一様であるような、段差付きの凹部であってもよい。本開示の一実施形態のように段差付きの凹部である場合は、第１開口部２１の底部に、受光素子６を実装するための実装領域が設けられ、第２開口部２２の底部に、発光素子５を実装するための実装領域が設けられる。また、段差表面には、発光素子５または受光素子６と電気的に接続するための接続パッドが設けられる。
また、基板２には、発光素子５または受光素子６と電気的に接続され、発光素子５に入力される電気信号が伝送され、受光素子６から出力される電気信号が伝送される信号配線があってもよい。この信号配線は、発光素子５または受光素子６と接続する接続部材であるボンディングワイヤと、ボンディングワイヤが接続される接続パッドと、接続パッドに電気的に接続して接続パッドの直下から基板２の下面（基板２の第２面）にまで延びるビア導体と、ビア導体に電気的に接続する外部接続端子とからなっていてもよい。外部接続端子は、基板２の下面に設けられており、光学センサ装置１を備える計測センサが実装される外部実装基板の接続端子とはんだ等の端子接続材料によって電気的に接続される。
外部接続端子は、はんだ等の接合材との濡れ性を向上させ、耐食性を向上させるために、例えば、厚さが０．５μｍ～１０μｍのニッケル層と厚さが０．５μｍ～５μｍの金層とをめっき法によって順次被着させてもよい。
第１透明基板３は、基板２の上面（基板２の第１面）を覆い、接合材によって基板２の第１面に接合される。第１透明基板３によって、受光素子６および発光素子５が収容された第１開口部２１および第２開口部２２が塞がれて封止される。第１透明基板３は、絶縁材料からなる板状部材であり、第２開口部２２に収容される発光素子５から出射される光が透過し、第１開口部２１に収容される受光素子６が受光する光が透過するような光透過性を有する材料で構成されていればよい。
発光素子５は、ＶＣＳＥＬ等の半導体レーザ素子を用いることができ、受光素子６は、シリコンフォトダイオード、ＧａＡｓフォトダイオード、ＩｎＧａＡｓフォトダイオード、ゲルマニウムフォトダイオード等の各種フォトダイオードを用いることができる。発光素子５および受光素子６は、被計測物の種類、計測するパラメータの種類等により適宜選択すればよい。
血流を測定する場合は、例えば、光のドップラー効果を利用して測定するために、発光素子５であるＶＣＳＥＬとして波長が８５０ｎｍのレーザ光を出射可能なものであればよい。その他の測定を行う場合は、測定目的に応じた波長のレーザ光を出射する発光素子５を選択すればよい。受光素子６は、受光する光が発光素子５から出射されるレーザ光から波長の変化が無い場合、発光素子５の出射光を受光できるものであればよく、波長の変化が有る場合、変化後の波長の光を受光できるものであればよい。
発光素子５および受光素子６と接続パッドとは、本実施形態では、例えば、ボンディングワイヤによって電気的に接続されるが、フリップチップ接続、バンプ接続、異方性導電フィルムを用いた接続等他の接続方法であってもよい。
また、第１透明基板３は、被計測物への照射光および散乱光を透過する必要がある。照射光および散乱光の特性は、搭載する発光素子によって決まるので、少なくとも搭載する発光素子が出射する光が透過するように構成されていればよい。発光素子から出射される光の波長に対して、当該波長の光の透過率が７０％以上、好ましくは９０％以上の透過率を有する絶縁材料で第１透明基板３を構成すればよい。
第１透明基板３は、絶縁材料としては、例えばサファイア等の透明セラミック材料、ガラス材料または樹脂材料等を用いることができる。ガラス材料としては、ホウケイ酸ガラス、結晶化ガラス、石英、ソーダガラス等を用いることができる。樹脂材料としては、ポリカーボネート樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂等を用いることができる。また、第１透明基板３は、平面視において、例えば矩形状であり、大きさは０．５ｍｍ×１ｍｍ～５ｍｍ×５ｍｍである。また、厚みは、０．５ｍｍ～５ｍｍである。
また接合材は、基板２と第１透明基板３とを接合する。より詳細には、基板２の上面と第１透明基板３の下面とを、外周部分で接合する。接合材は、基板２の上面に沿って環状に設けられており、基板２の第１開口部２１および第２開口部２２内の気密性および水密性を確保するためのシール材である。第１開口部２１および第２開口部２２に収容される受光素子６および発光素子５は、いずれも水分等に弱く、外部からの水分の進入を防止するために、接合材は、途切れの無い環状に設けられる。
さらに、接合材は遮光性を有していてもよい。接合材が遮光性を有することで、外部からの光が、基板２と第１透明基板３との間を通って、第１開口部２１内、第２開口部２２内に進入することを低減させることができる。
接合材が有する遮光性は、光の吸収による遮光性であってもよい。外部からの光の進入を防ぐ観点からは、反射による遮光性であってもよいが、計測センサの内部で発生した迷光が、接合材で反射してさらに受光素子に受光されてしまうおそれがある。接合材が光を吸収するものであれば、外部からの光を吸収して進入を防ぐとともに、内部で発生した迷光も吸収することができる。
接合材は、このような光の吸収による遮光性を有する材料としては、例えば、基板２と第１透明基板３との接合性を有するエポキシ樹脂、導電性シリコン樹脂等の樹脂系接着剤に、光吸収性材料を分散させて得られる。光吸収材料としては、例えば、無機顔料を用いることができる。無機顔料としては、例えば、カーボンブラックなどの炭素系顔料、チタンブラックなどの窒化物系顔料、Ｃｒ－Ｆｅ－Ｃｏ系、Ｃｕ－Ｃｏ－Ｍｎ系、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｍｎ系、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｎｉ－Ｃｒ系などの金属酸化物系顔料等を用いることができる。また、接合材は、はんだなどの金属材料で構成されていてもよい。例えば、Ｓｎ－Ａｇ、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ、Ａｕ－Ｓｎ、Ａｕ－Ｓｎ－Ａｇ、Ａｕ－Ｓｉなどのろう材を用いることができる。
第１透明基板３の下面において遮光膜４を有していてもよい。遮光膜４は、例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｉｎ、Ｎｉ若しくはＷなどの金属又はこれらの合金等の金属材料を蒸着、スパッタ、焼付け等によって形成される。遮光膜４の厚みは、例えば、５０ｎｍ～４００ｎｍである。遮光膜４は、発光素子５と重なって位置している。このとき、重なっているとは、遮光膜４が発光素子５の一部を覆っている状態のことを指す。遮光膜４は、少なくとも発光素子５が発光した光および受光素子６まで届く反射した光が通るように、一部に貫通孔がある。遮光膜４は、後述する第２透明基板８の上面に位置していてもよい。不要な散乱光が受光素子６に入射されることを低減させることができる。
第１貫通孔８１は、例えば、円形状、矩形状であり、大きさがΦ５０μｍ～Φ１ｍｍである。また、第２貫通孔８２は、例えば、円形状、矩形状であり、大きさがΦ５μｍ～Φ５００μｍである。本開示の第１実施形態においては、第２透明基板８は、第１開口部２１と重なる位置に第１貫通孔８１を有している。また、第２透明基板８は、第１貫通孔８１と間を空けて、第２開口部２２と重なる位置に第２貫通孔８２を有している。第１貫通孔８１には、レンズ９が位置している。
第１透明基板３の上面には、第２透明基板８が位置している。第２透明基板８は、例えば、サファイア等の透明セラミック材料、ガラス材料または樹脂材料等を用いることができる。ガラス材料としては、ホウケイ酸ガラス、結晶化ガラス、石英、ソーダガラス等を用いることができる。樹脂材料としては、ポリカーボネート樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂等を用いることができるまた、大きさは、平面視において、第１透明基板３と同じ大きさであってもよい。厚みは、対象物との距離を考慮したものであればよい。
レンズ９は、第１傾斜面Ｓ１を有している。第１傾斜面Ｓ１は、断面視において、発光素子５側から受光素子６側に向かって下方に傾斜している（図３において左側から右側へ傾斜）。換言すれば、断面視において、第１傾斜面Ｓ１は、発光素子５側から受光素子６側に向かうにつれて、第１透明基板３に近づくように傾斜している。つまり、基板２の内側から基板２の外側に向かってレンズの厚みが厚くなっている。なお、ここでいう、断面視とは、光学装置１を上下方向に、かつ、発光素子５の中心と受光素子６の中心とを結ぶ方向での断面のことである。
本開示の実施形態に係る光学センサ装置１では、第１傾斜面Ｓ１を有するレンズ９を備えている。そのため、対象物の表面に当たって反射した光（参照光）を全反射させやすくするとともに、対象物に当たって反射した光（測定光）をより強く受光素子６に入射させやすくすることができる。
本開示の第２実施形態においては、図１３および図１４に示すように、第２透明基板８の下面は、平面視において第１開口部２１と重なる位置に、表面が凹凸の第１回折レンズ９１を有している。第１回折レンズ９１は、中心、特に平面視において受光素子６と重なる位置から、外側に向かって凹部分と凸部分が交互に同心円状に並んでいてもよい。また、第１回折レンズ９１の凸部分は中心に向かう第３傾斜面Ｓ３を有していてもよく、第２透明基板８の厚み方向に垂直な方向に対してその第３傾斜面Ｓ３の傾斜角度が徐々に大きくなっていってもよい。このとき、傾斜角度は第２透明基板８の上面および下面等の平面に対する傾斜の角度のことである。つまり、平面視において、中心から外側に向かって凸部分のみ、凹部分のみあるいは、凸部分および凹部分が交互に同心円状に並んでおり、凸部分および凹部分の間隔が、外側に向かうに連れて狭くなっていてもよい。同心円状の場合には、球面レンズ等を用いることができる。また、微細加工にて表面を加工することでも作製できる。凸部分が傾斜していることによって、第３傾斜面Ｓ３で、対象物以外の反射光および対象物での反射角度よりも大きい反射光を受光素子６に入り難くすることができる。または、全反射させやすくすることができる。さらに同心円状であれば、どの方向からの受光素子６への入射に対しても、対象物での反射角度よりも大きい反射光を受光素子６に入り難くする、または全反射させやすくすることができる。反射光とは、対象物あるいは対象物以外の何かに発光素子５から発光した光が当たって反射した光のことをいう。
また、第２透明基板８の上面は、平面視において第２開口部２２と重なる位置に、表面が凹凸の第２回折レンズ９２を有していてもよい。第２回折レンズ９２は、第１回折レンズ９１と同様に、第２回折レンズ９２の凸部分は中心に向かう第４傾斜面を有していてもよく、中心、特に平面視において発光素子５と重なる位置から、外側に向かって凸部分のみ、凹部分のみあるいは、凸部分および凹部分が交互に同心円状になっていてもよい。また、第２透明基板８の厚み方向に垂直な方向に対してその第４傾斜面の傾斜角度が大きくなっていってもよい。つまり、平面視において、中心から外側に向かって、凸部分のみ、凹部分のみあるいは、凸部分および凹部分が交互に同心円状になっており、凸部分および凹部分の間隔が、外側に向かうに連れて狭くなっていてもよい。同心円状の場合には、球面レンズ等を用いることができる。また、微細加工にて表面を加工することでも作製できる。凸部分が傾斜していることによって、第４傾斜面で集光させて発光素子５からの光を対象物に集中して当てやすくすることができる。さらに同心円状であれば、どの方向からの発光素子５からの入射に対しても、集光させやすくすることができる。
本開示の実施形態に係る光学センサ装置１では、受光素子６と重なる位置に第１回折レンズ９１を有していることによって、参照光等の、計測したい光以外の光を全反射することができる。または、参照光等の、計測したい光以外の光の集光位置を受光素子６と重ならないようにすることができる。この結果、受光素子６に入射される信号光の大きさを相対的に大きくすることができる。
本開示の第３実施形態に係る発明は、第２透明基板８は、平面視において第１開口部２１と重なる位置に、屈折率が互いに異なる第１領域Ｒ１および第２領域Ｒ２を有する。なお、第１領域Ｒ１、第２領域Ｒ２等の複数の領域は、平面だけでなく、厚み方向も含めたものである。平面視において、第１領域Ｒ１および第２領域Ｒ２は順に、複数の領域の中心、特に平面視において受光素子６と重なる位置から、外側に向かって同心円状になっていてもよい。このとき、第１領域Ｒ１および第２領域Ｒ２よりも外側にさらに屈折率の異なる領域が位置していてもよい。さらに平面視における第１開口部２１と重なる位置において、屈折率が互いに異なる領域が同心円状に位置していてもよい。また、受光素子６と発光素子５の中心を結ぶ方向で、かつ、光学センサ装置１の上下方向における断面視において、第１領域Ｒ１および第２領域Ｒ２は、上面よりも下面が小さくなるように、第１領域Ｒ１および第２領域Ｒ２の境界が傾斜しており、第２透明基板８は、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との境界よりも第２領域Ｒ２の第１領域Ｒ１と反対側の境界の方が、傾斜角度が大きくなっていってもよい。第２透明基板８は、異なる屈折率の複数の領域を有しており、複数の領域が同心円状に並んでいてもよい。つまり、下面からの平面視において、複数の領域が位置する中心から外側に向かって同心円状になっており、領域の幅が、外側に向かうに連れて狭くなっていてもよい。同心円状の場合には、第２透明基板８としては、球面レンズ等を接着して用いることができる。また、レーザ光で屈折率を変化させる等の微細加工にて加工することでも作製できる。同心円状であれば、どの方向からの受光素子６への入射に対しても、対象物での反射角度よりも大きい反射光を受光素子６に入り難くする、または全反射させやすくすることができる。
また、第２透明基板８は、平面視において第２開口部２２と重なる位置に、屈折率が互いに異なる第３領域Ｒ３および第４領域Ｒ４を有する。第３領域Ｒ３および第４領域Ｒ４は順に、複数の領域が位置する中心、特に平面視において発光素子５と重なる位置から、外側に向かって同心円状になっていてもよい。また、第３領域Ｒ３および第４領域Ｒ４は、上面よりも下面が大きくなるように、第３領域Ｒ３および第４領域Ｒ４の境界が傾斜しており、第２透明基板８は、第３領域Ｒ３と第４領域Ｒ４との境界よりも第４領域Ｒ４の第３領域Ｒ３と反対側の境界の方が、傾斜角度が大きくなっていってもよい。つまり、各領域は、上面からの平面視において、複数領域が位置する中心から外側に向かって同心円状になっており、その幅が、外側に向かうに連れて狭くなっていてもよい。同心円状の場合には、球面レンズ等を接着して用いることができる。また、レーザ光で屈折率を変化させる等の微細加工にて加工することでも作製できる。同心円状であれば、どの方向からの発光素子５からの入射に対しても、集光させやすくすることができる。
本開示の実施形態に係る光学センサ装置１では、受光素子６と重なる位置に屈折率が互いに異なる第１領域Ｒ１および第２領域Ｒ２を有していることによって、参照光等の、計測したい光以外の光を全反射させることができる。または、参照光等の、計測したい光以外の光の集光位置を受光素子６と重ならないようにすることができる。この結果、受光素子６に入射される光の大きさを相対的に大きくすることができる。
＜光学センサ装置の製造方法＞
光学センサ装置１の製造方法について説明する。まず、基板２を多層配線基板の製造方法と同様にして作製する。基板２が、セラミック配線基板であり、セラミック材料がアルミナである場合は、まずアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）やシリカ（ＳｉＯ2）、カルシア（ＣａＯ）、マグネシア（ＭｇＯ）等の原料粉末に適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して泥漿状とし、これを周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等によってシート状に成形してセラミックグリーンシート（以下、グリーンシートともいう）を得る。その後、グリーンシートを所定形状に打ち抜き加工するとともに、タングステン（Ｗ）とガラス材料等の原料粉末に有機溶剤、溶媒を添加混合して金属ペーストとし、これをグリーンシート表面にスクリーン印刷等の印刷法でパターン印刷する。また、ビア導体は、グリーンシートに貫通孔を設け、スクリーン印刷等によって金属ペーストを貫通孔に充填させる。また、接地導体等となるメタライズ層は、金属ペーストによって最表面に形成される。こうして得られたグリーンシートを複数枚積層し、これを約１６００℃の温度で同時焼成することによって基板２が作製される。
一方、ガラス材料を、切削、切断等により所定の形状に切り出した第１透明基板３を準備する。第１透明基板３の下面に、蒸着、スパッタ、焼付け等によって後述する遮光膜４を形成する。
なお、上記では、ビア導体は、基板２内で上下方向に一直線状に形成される構成としているが、基板２の上面から下面の外部接続端子まで電気的に接続されていれば、一直線状でなく、基板２内で、内層配線や内部接地導体層等によってずれて形成されていてもよい。
第２透明基板８は、第１透明基板３及びレンズ９等の製造方法と同様に、切削加工、金型を用いたインプリント工法等を用いることができる。例えば、切削加工では直方体状の透明の基板を直接加工する方法と、穴あけ加工を行なった母体の基板に別体で作製したレンズや斜面状ガラスを埋め込んで接着材等で固定する方法である。
＜光学センサ装置の第１実施形態に関わる他の形態＞
本開示の他の実施形態に係る光学センサ装置１は、後述するように、レンズ９の下面の第１傾斜面Ｓ１は、対象物からの反射光よりも大きい反射光を全反射する傾斜角度を有していてもよい。この構成によれば、対象物以外の光が入射することを低減させることができ、対象物からの反射光の光強度を大きくすることができるため、より正確な測定を行なうことができる。
具体的には、発光素子５から発光した光が対象物である流体、例えば血液等に当たって反射する際の反射角をθ１とし、対象物の流体を覆う物体、例えば血管等の表面に当たって反射する際の反射角をθ２とした場合に、
条件１ α≧ｓｉｎ-1（ｎ１/ｎ２）－ｓｉｎ-1（ｎ１/ｎ２＊ｓｉｎθ２）＝α２
条件２ α＜ｓｉｎ-1（ｎ１/ｎ２）－ｓｉｎ-1（ｎ１/ｎ２＊ｓｉｎθ１）＝α１
とすると、α２≦α＜α１であればよい。なお、αは、図４に示したαのことである。
また、レンズ９の屈折率は、空気の屈折率よりも大きくてもよい。これは、先程の式に当てはめると、ｎ１が空気の屈折率で、ｎ２がレンズ９の屈折率であり、ｎ２の屈折率を大きくすることで、より全反射を起きやすくさせることができる。
また、図４に示す符号を用いて、測定したい光の強度を大きくすることができるそれぞれのパラメータとしては、以下の通りである。なお、ｈは被反射物から第１傾斜面Ｓ１を有するレンズ９の上面までの距離、ｄは第２透明基板８の厚み、ｇは、第１傾斜面Ｓ１を有するレンズ９から受光部までの距離、ｒは受光部幅の半値、Ｌは被反射物からの受光部中心までの水平距離、ｗは第１傾斜面Ｓ１を有するレンズ９の右端から受光点までの水平距離、ｎは第１傾斜面Ｓ１を有するレンズ９の屈折率、そしてθ、β、γはそれぞれ角度である。このとき、距離Ｌの位置で受光する場合のＷは、α＞０°の条件のもとでは、Ｗ＝（（Ｌ－ｈｔａｎθ－ｄｔａｎβ）（１－ｔａｎαｔａｎγ）－ｇｔａｎγ（１－ｔａｎαｔａｎβ））／（ｔanα(tanγ-tanβ)）である。左端、右端では、Ｗ１＝（（Ｌ±ｒ－ｈｔａｎθ－ｄｔａｎβ）（１－ｔａｎαｔａｎγ）－ｇｔａｎγ（１－ｔａｎαｔａｎβ））／（ｔａｎα（ｔａｎγ－ｔａｎβ））になる。
また、レンズ９は、断面視において、上面も発光素子５側から受光素子６側に向かって傾斜していてもよい。つまり、レンズ９は、上面に第２傾斜面Ｓ２を有していてもよい。このとき、第２傾斜面Ｓ２は、上方に向かって傾斜している。このことによって、より全反射させやすくすることができる。
このとき、参照光のみを全反射しやすくするために、レンズ９の上面のうち、図５に示すように発光素子５側の一部のみを傾斜させていてもよいし、全体が傾斜していてもよい。
また、レンズ９の下面の傾斜も同様に、参照光のみを全反射しやすくするために、レンズ９の下面のうち、発光素子５側の一部のみを傾斜させていてもよいし、全体が傾斜していてもよい。
また、レンズ９は、上下対称に傾斜していてもよく、その際に、上面および下面の一部が傾斜していてもよい。
＜光学センサ装置の第１実施形態に関わる他の形態＞
図８に示すように、本開示の他の実施形態に係る光学センサ装置１は、第１透明基板３の上面において、第１開口部２１および第１貫通孔８１と重なる位置であるとともに、レンズ９の下方には、第１集光レンズ１１が取付けられていてもよい。第１集光レンズ１１は、平面視において、例えば、大きさがΦ２０μｍ～Φ２ｍｍの、厚みは０．５ｍｍ～２ｍｍである。また、第１集光レンズ１１は、例えば、石英ガラス、ホウケイ酸ガラスなどのガラス材料、アクリル、ポリカーボネート、スチレン、ポリオレフィンなどの樹脂材料から成っている。第１集光レンズ１１は、発光素子５から放射された光を受光素子６に通すために透過性を有しているのがよい。また、第１集光レンズ１１は、集光性を有する、凸レンズ等の光を光軸方向に屈折させる性質をもつものを用いるのがよい。第１集光レンズ１１があることによって、発光素子５から照射された光である拡散光を屈折させ、集束光やコリメータ光にすることで受光素子６への光の集光性を向上させることができる。
このとき、第１透明基板３の上面において、第２開口部２２および第２貫通孔８２と重なる位置に、さらに第２集光レンズ１２が取付けられていてもよい。第２集光レンズ１２は、平面視において、例えば、大きさがΦ７０μｍ～Φ２ｍｍの、厚みは５０μｍ～２ｍｍである。また、第２集光レンズ１２は、例えば、石英ガラス、ホウケイ酸ガラスなどのガラス材料、アクリル、ポリカーボネート、スチレン、ポリオレフィンなどの樹脂材料から成っている。第２集光レンズ１２は、発光素子５から放射された光を通すために透過性を有しているのがよい。また、第２集光レンズ１２は、集光性を有する、凸レンズ等の光を光軸方向に屈折させる性質をもつものを用いるのがよい。第２集光レンズ１２があることによって、発光素子５から照射された拡散光を屈折させ、集束光やコリメータ光にすることで光の集光性を向上させることができる。
光学センサ装置１は、外部実装基板に実装されて使用される。外部実装基板には、例えば、発光素子５の発光を制御する制御素子、受光素子６の出力信号から血流速度等を算出する演算素子等も実装される。
測定する場合には、被計測物（対象物）として手指の指先を第２透明基板８の表面に接触させた状態で、外部実装基板から外部接続端子を介して発光素子制御電流が光学センサ装置１に入力され、ビア導体、接続パッド等を通って発光素子５に入力されて発光素子５から計測用の光が出射される。出射された光が、第１透明基板３を透過して指先に照射されると、血液中の血球細胞で散乱される。第１透明基板３を透過した散乱光が、受光素子６で受光されると、受光量に応じた電気信号が受光素子６から出力される。出力された信号は、接続パッド、ビア導体を通り、外部接続端子を介して光学センサ装置１から外部実装基板へと出力される。
外部実装基板では、光学センサ装置１から出力された信号が、演算素子に入力され、例えば、受光素子６が受光した散乱光の周波数毎の強度を解析することにより、血流速度を算出することができる。
また、本開示の他の実施形態に係る光学センサ装置１は、第１開口部２１と第２開口部２２との間において、第１透明基板３の下面と基板２との間が空いていてもよい。つまり、基板２は、第１開口部２１と第２開口部２２との間に遮光性を有する壁があり、その壁の上端の一部が無い状態のことをいう。このようにすることで、参照光を直接的に受光素子６に到達させることができるため、より正確な計測を実現することができる。
＜光学センサ装置の第２実施形態に関わる他の形態＞
本開示の他の実施形態に係る光学センサ装置１は、対象物からの反射光よりも入射角が大きい反射光を全反射する第１回折レンズ９１を有していてもよい。または、少なくとも対象物からの反射光よりも入射角が大きい反射光の集光位置を受光素子６と重ならないようにすることができる第１回折レンズ９１を有していてもよい。この構成によれば、対象物以外で反射した光が受光素子６に入射することを低減させることができ、対象物からの反射光の光強度を相対的に大きくすることができるため、より正確な測定を行なうことができる。
また、第１回折レンズ９１および第２回折レンズ９２を同じ形状にしてもよく、また、図１３に示すように、上面および下面において各レンズの形状および位置を同じにしてもよい。このような場合には、加工が容易になる。また、第１回折レンズ９１および第２回折レンズ９２は、異なる形状であってもよい。このとき、同じ大きさであってもよいし、形状が同じで相似の関係にあってもよい。
また、第１回折レンズ９１は、第１回折レンズ９１の中心から外側に向かって凹部分および凸部分が交互に並んでいてもよい。つまり、図１５に示すように、平面視において、第１回折レンズ９１は、外縁が矩形状であり、外縁の矩形の１辺に平行に凹凸が形成されていてもよい。この場合にも同様に、受光素子６の直上から離れていくにつれて、凸部分の第３傾斜面Ｓ３の傾斜角度が大きくなってもよい。つまり、平面視において、凹部分、凸部分または凹部分および凸部分の間隔が第１回折レンズ９１の中心から第１回折レンズ９１の外側に向かうに連れて狭くなっている。このことによって、どの方向からの受光素子６への入射に対しても、対象物での反射角度よりも大きい反射光を受光素子６に入り難くすることができる。
第１回折レンズ９１と同様に、第２回折レンズ９２も、中心から外側に向かって並んで凹凸になっていてもよい。つまり、平面視において、外縁が矩形状であり、矩形の１辺に平行に凹凸になっていてもよい。この場合にも同様に、発光素子５の直上から離れていくにつれて、凹凸の第３傾斜面Ｓ３の傾斜角度が大きくなってもよい。つまり、平面視において、凹凸の幅が中心から外側に向かうに連れて狭くなっている。
＜光学センサ装置の第３実施形態に関わる他の形態＞
本開示の他の実施形態に係る光学センサ装置１は、対象物からの反射光よりも入射角が大きい反射光を全反射することができるのがよい。または、少なくとも対象物からの反射光よりも入射角が大きい反射光の集光位置を受光素子６と重ならないようにすることができる。このとき、屈折率が異なる第１領域Ｒ１および第２領域Ｒ２を有していてもよい。この構成によれば、対象物以外の光が受光部に入射することを低減させることができ、対象物からの反射光の光強度を相対的に大きくすることができるため、より正確な測定を行なうことができる。

また、第１領域Ｒ１および第３領域Ｒ３、第２領域Ｒ２および第４領域Ｒ４をそれぞれ同じ形状にしてもよく、互いに対称に配置してもよい。このような場合には、加工が容易になる。また、第１領域Ｒ１および第３領域Ｒ３、第２領域Ｒ２および第４領域Ｒ４は、異なる形状であってもよい。
また、第１領域Ｒ１および第２領域Ｒ２は、中心から外側に向かって並んで位置していてもよい。つまり、図２１に示すように、平面視において、外縁が矩形状であり、矩形の１辺に平行に並んでいてもよい。また、第３領域Ｒ３および第４領域Ｒ４も、中心から外側に向かって並んで位置していても良い。
また、第１領域Ｒ１の屈折率よりも第２領域Ｒ２の屈折率が小さくてもよい。この場合には、第１領域Ｒ１および第２領域Ｒ２との境界面で全反射させやすくなる。また、受光素子６への入射を低減させやすくすることができる。
なお、本開示は上述の実施形態の例に限定されるものではなく、数値などの種々の変形は可能である。また、本実施形態における各素子の実装方法などは指定されない。また、本開示に係る各実施形態は、その内容に矛盾をきたさない限り、すべてにおいて組合せ可能である。また、本開示の実施形態に係る光学センサ装置は、その用途を脈波血流センサ装置として説明したが、発光素子および受光素子の一対のセンサ素子により動作するその他の装置、例えば近接照度一体型センサ装置、近接センサ装置、測距センサ装置等に応用が可能である。
１ 光学センサ装置
２ 基板
３ 第１透明基板
４ 遮光膜
５ 発光素子
６ 受光素子
８ 第２透明基板
９ レンズ
２１ 第１開口部
２２ 第２開口部
８１ 第１貫通孔
８２ 第２貫通孔
１１ 第１集光レンズ
１２ 第２集光レンズ
９１ 第１回折レンズ
９２ 第２回折レンズ
Ｒ１ 第１領域
Ｒ２ 第２領域
Ｒ３ 第３領域
Ｒ４ 第４領域
Ｓ１ 第１傾斜面
Ｓ２ 第２傾斜面
Ｓ３ 第３傾斜面

Claims (15)

  1. 第１開口部と、前記第１開口部と間を空けて位置した第２開口部とを有する基板と、
    前記第１開口部に位置した受光素子と、
    前記第２開口部に位置した発光素子と、
    前記基板の上面に位置し、前記第１開口部および前記第２開口部を塞いで前記基板と接合された第１透明基板と、
    前記第１透明基板の上面に位置した第２透明基板と、を備え、
    前記第２透明基板は、平面視において、前記第１開口部と重なる位置に配置された第１貫通孔と、前記第１貫通孔と間を空けて前記第２開口部と重なる位置に配置された第２貫通孔と、を有しており、
    前記第１貫通孔に、下面に第１傾斜面を有するレンズが位置しており、前記第１傾斜面は、断面視において、前記発光素子側から前記受光素子側に向かって下方に傾斜している、光学センサ装置。
  2. 第１開口部と、前記第１開口部と間を空けて位置した第２開口部とを有する基板と、
    前記第１開口部に位置した受光素子と、
    前記第２開口部に位置した発光素子と、
    前記基板の上面に位置し、前記第１開口部および前記第２開口部を塞いで前記基板と接合された第１透明基板と、
    前記第１透明基板の上面に位置した第２透明基板と、を備え、
    前記第２透明基板は、平面視において、前記第１開口部と重なる位置に、屈折率が互いに異なる第１領域および第２領域を有する、光学センサ装置。
  3. 前記第１傾斜面は、対象物からの反射光よりも反射角度の大きい反射光を全反射する傾斜角度を有している、請求項１に記載の光学センサ装置。
  4. 前記レンズの屈折率は、空気の屈折率よりも大きい、請求項１または請求項３に記載の光学センサ装置。
  5. 前記レンズは、断面視において、上面に第２傾斜面を有しており、前記第２傾斜面は、前記発光素子側から前記受光素子側に向かって上方に傾斜している、請求項１、３、４のいずれか１つに記載の光学センサ装置。
  6. 前記第１貫通孔であって前記レンズの下方に位置する第１集光レンズ及び前記第２貫通孔に位置する第２集光レンズの少なくともいずれか一方を有している、請求項１、３～５のいずれか１つに記載の光学センサ装置。
  7. 前記第２透明基板は、平面視において、前記第２開口部と重なる位置に、屈折率が互いに異なる第３領域および第４領域を有する請求項２に記載の光学センサ装置。
  8. 前記第１領域は、平面視において、前記受光素子の中心と重なって位置しており、
    前記第１領域の屈折率は前記第２領域の屈折率よりも大きい請求項７に記載の光学センサ装置。
  9. 前記第１領域は、平面視において、前記受光素子の中心と重なって位置しており、
    前記第１領域の屈折率は前記第２領域の屈折率よりも大きい請求項２に記載の光学センサ装置。
  10. 前記第３領域の屈折率は、前記第１領域の屈折率と同じであるとともに、第４領域の屈折率は、前記第２領域の屈折率と同じである請求項７または８に記載の光学センサ装置。
  11. 前記第２透明基板は、平面視において前記第１開口部と重なる位置に、屈折率が互いに異なる複数の領域を有しており、前記複数の領域は、平面視において同心円状に位置している請求項２、７～１０のいずれか１つに記載の光学センサ装置。
  12. 前記第１領域および前記第２領域のそれぞれは、上面よりも下面が小さくなるように傾斜している請求項２、７～１１のいずれか１つに記載の光学センサ装置。
  13. 前記第１領域および前記第２領域のそれぞれは、前記第２透明基板の厚みの中心に対して対称な形状である請求項２、７～１２のいずれか１つに記載の光学センサ装置。
  14. 前記第２透明基板の屈折率は、複数の領域が位置する中心から外側に向かって小さくなっている請求項２、７～１３のいずれか１つに記載の光学センサ装置。
  15. 前記第２透明基板の上面に位置する遮光膜をさらに有している請求項１～１４のいずれか１つに記載の光学センサ装置。
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