JP7379283B2 - センサモジュール - Google Patents

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Description

本発明は、センサモジュールに関する。
赤外線を用いるNDIR(非分散赤外線吸収法)方式により生体情報をモニタリングする手法が知られている。この手法は、赤外線放射源から出射された赤外線が気体の分子により吸収される現象を利用しており、様々な気体の計測が可能である。この手法を利用して、例えば、被験者の呼気に含まれる二酸化炭素濃度を検出するセンサモジュールを実現できる。
特表2010-517635号公報 特開2017-184993号公報
しかしながら、上記のセンサモジュールでは、微小な赤外線を検出するため、赤外線放射源からの光をミラーやレンズ等の光学部品を用いて収束する必要があり、小型化が困難であった。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、気体の濃度を測定するセンサモジュールの小型化を課題とする。
本センサモジュールは、光の吸収量の変化を利用して所定の気体の濃度を測定するセンサモジュールであって、発光素子と、前記発光素子の出射光を受光する受光素子と、を有し、前記発光素子は、第1基板に実装され、前記受光素子は、第2基板に実装され、前記発光素子と前記受光素子とが所定の間隙を介して対向するように、前記第1基板と前記第2基板とが離隔して配置され、前記発光素子及び前記受光素子は前記気体に晒される位置にあって、前記所定の間隙は前記気体の流路の一部をなし、前記所定の間隙は、0.2mm以上1.0mm以下であり、前記第1基板と前記第2基板とは、前記発光素子及び前記受光素子が実装された位置よりも外側に配置された接合部材を介して対向配置され、前記第1基板と前記第2基板と前記接合部材とで挟まれた空間は、前記気体の流路の一部をなす
開示の技術によれば、気体の濃度を測定するセンサモジュールの小型化を実現できる。
第1実施形態に係るセンサモジュールを例示する図である。 第1実施形態に係るセンサモジュールの中間基板を例示する図である。 第1実施形態に係るセンサモジュールの機能ブロックを例示する図である。 センサモジュールに気道アダプタを取り付けた状態を例示する図である。 第1実施形態の変形例1に係るセンサモジュールの中間基板を例示する図(その1)である。 第1実施形態の変形例1に係るセンサモジュールの中間基板を例示する図(その2)である。 第1実施形態の変形例1に係るセンサモジュールの金属柱を例示する図である。 第1実施形態の変形例2に係るセンサモジュールを例示する図である。
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
〈第1実施形態〉
(センサモジュールの構造)
図1は、第1実施形態に係るセンサモジュールを例示する図であり、図1(a)はセンサモジュール1を吸気側が手前側を向くよう配置した側面図、図1(b)はセンサモジュール1を吸気側が上側を向くように配置した斜視図である。センサモジュール1は、図1(b)の矢印A方向から吸気される。
図1に示すように、センサモジュール1は、発光素子実装基板10と、受光素子実装基板20と、中間基板30とを有している。センサモジュール1は、光の吸収量の変化を利用して所定の気体の濃度を測定する機能を有している。本実施形態では、一例として、センサモジュール1はカプノメータである。カプノメータは、赤外線の吸収量が二酸化炭素濃度により変化することを利用して、呼気に含まれる二酸化炭素濃度を測定する装置である。
発光素子実装基板10は、基板11と、発光素子12とを有している。発光素子実装基板10は、中間基板30を介して、受光素子実装基板20と対向して配置されている。
基板11は、例えば、樹脂基板(例えば、ガラスエポキシ基板等)、シリコン基板、セラミック基板等のリジッド基板である。基板11の両面側には、銅等からなる配線やパッドが形成されている。配線は、基板11の内層にあってもよい。すなわち、基板11は多層配線基板であってもよい。基板11の受光素子実装基板20側の面には、発光素子12が実装されている。発光素子12は、例えば、発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)である。
発光素子12は、外乱ノイズの影響を低減して測定精度を向上するため、吸気側(図1(b)の矢印A側)に近い位置に実装することが好ましい。発光素子12は、例えば、基板11の受光素子実装基板20側の面において、吸気側に近い位置の略中央部に実装される。又、基板11での光の反射は外乱ノイズとなるので、基板11での光の反射を抑えるため、基板11の発光素子12が実装される発光素子搭載面側の表面を黒色レジストで被覆することが好ましい。
受光素子実装基板20は、基板21と、受光素子22と、アンテナ23とを有している。受光素子実装基板20は、中間基板30を介して、発光素子実装基板10と対向して配置されている。発光素子実装基板10と受光素子実装基板20と中間基板30とで挟まれた空間は、気体の流路をなしている。
基板21は、例えば、樹脂基板(例えば、ガラスエポキシ基板等)、シリコン基板、セラミック基板等のリジッド基板である。基板21の両面側には、銅等からなる配線やパッドが形成されている。配線は、基板21の内層にあってもよい。すなわち、基板21は多層配線基板であってもよい。基板21の発光素子実装基板10側の面には、受光素子22が実装されている。受光素子22は、例えば、フォトダイオード(PD:Photo Diode)である。
受光素子22は、発光素子12の出射光を好適に受光できる位置に配置されている。具体的には、受光素子22は、所定の間隙Sを介して、発光素子12と対向して配置されている。つまり、発光素子12と受光素子22とが間隙Sを介して対向するように、発光素子実装基板10と受光素子実装基板20とが離間して配置されている。発光素子12及び受光素子22は気体に晒される位置にあって、間隙Sは気体の流路の一部をなす。
受光素子22は、外乱ノイズの影響を低減するため、吸気側に近い位置に実装することが好ましい。受光素子22は、例えば、基板21の発光素子実装基板10側の面において、吸気側に近い位置の略中央部に実装される。又、基板21での光の反射は外乱ノイズとなるので、基板21での光の反射を抑えるため、基板21の受光素子22が実装される受光素子搭載面側の表面を黒色レジストで被覆することが好ましい。
基板21の発光素子実装基板10とは反対側の面には、アンテナ23が実装されている。アンテナ23は、センサモジュール1と外部との間で電波を送受信する電子部品であり、例えば、センサモジュール1が測定した二酸化炭素濃度に関する情報を外部に送信できる。
なお、発光素子実装基板10及び受光素子実装基板20には、発光素子12、受光素子22、及びアンテナ23以外にも多数の電子部品(半導体部品及び受動部品)が実装されている。半導体部品としては、例えば、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、専用IC等が挙げられる。受動部品としては、例えば、抵抗、コンデンサ、インダクタ、コネクタ等が挙げられる。これらの半導体部品及び電子部品は、発光素子実装基板10と受光素子実装基板20の何れに実装されてもよい。
図2は、第1実施形態に係るセンサモジュールの中間基板を例示する図であり、図2(a)は平面図、図2(b)は斜視図である。
図2に示すように、中間基板30は、発光素子実装基板10の法線方向から視て、互いに対向して配置されたL字型の2枚の基板31及び32を含む。基板31及び基板32は、例えば、発光素子実装基板10の法線方向から視て、発光素子12及び受光素子22が実装された位置よりも外側に、点対称に配置される。
基板31及び32は、互いに対向する発光素子実装基板10と受光素子実装基板20との間に位置し、導電性接合材33により各々の基板の外縁部と接合されている。導電性接合材33としては、例えば、はんだボール、銅コアボール、樹脂コアボール等を用いることができる。基板31及び32には配線が設けられており、基板31及び32に設けられた配線を介して、発光素子実装基板10と受光素子実装基板20とが電気的に接続されている。
このように、基板31及び32と導電性接合材33とは、発光素子実装基板10と受光素子実装基板20とを接合する接合部材であり、発光素子実装基板10と受光素子実装基板20とは接合部材を介して対向配置されている。
(センサモジュールの機能)
図3は、第1実施形態に係るセンサモジュールの機能ブロックを例示する図である。図3に示すように、センサモジュール1は、機能ブロックとして、制御部301と、発光部302と、受光部303と、通信部304とを有している。センサモジュール1は、必要に応じて他の機能ブロックを有しても構わない。
制御部301は、例えば、CPU、ROM、RAM、メインメモリ等を含むことができる。この場合、制御部301の各種機能は、ROMに記録されたプログラムがメインメモリに読み出されてCPUにより実行されることによって実現できる。但し、制御部301は、ハードウェアのみにより実現されてもよい。制御部301は、センサモジュール1の外部に配置された電池40から電源供給を受けて動作することができる。
発光部302は、制御部301の制御により発光素子12を発光させる機能を有する。発光部302は、例えば、発光素子12と、発光素子12を駆動する駆動回路を含む。
受光部303は、発光部302から出射された光を受光し電気信号に変換する機能を有する。受光部303は、例えば、受光素子22と、受光素子22を駆動する駆動回路を含む。受光部303が受光し電気信号に変換された情報は、例えば、CPUに送られる。
通信部304は、無線により、制御部301と、センサモジュール1の外部に配置された情報処理装置50との間で情報の送受信を行う機能を有する。情報処理装置50は、例えば、パーソナルコンピュータやタブレット端末である。通信部304は、例えば、図示しない通信デバイスとアンテナ23により実現できる。通信部304は、例えば、制御部301が受光部303の出力に基づいて算出した二酸化炭素濃度のデータを情報処理装置50に送信することができる。
ここで、二酸化炭素濃度の計測原理について説明する。分子にはそれぞれ共鳴周波数が存在し、近共鳴の光を分子に照射すると光を吸収する。呼気に含まれる二酸化炭素は4.3μm付近に共鳴周波数が存在するため、4.3μm付近の波長帯の光を発する発光素子を用い、光の吸収を利用した赤外分光で二酸化炭素濃度を検出できる。
具体的には、発光素子12として4.3μm付近の波長帯の光を発する発光素子を用い、発光素子12から受光素子22に向けて光を照射する。発光素子12と受光素子22との間隙Sに二酸化炭素が飛来すると光の吸収が生じるため、受光素子22で受光される光強度が低下する。すなわち、二酸化炭素濃度が低いと受光素子22で受光される光強度が高く、二酸化炭素濃度が高くなるに従って受光素子22で受光される光強度が低くなるため、受光素子22で受光される光強度に基づいて二酸化炭素濃度を算出できる。
発光素子12の出射光は発散光であり平行光ではないため、受光素子22で受光される光強度は間隙Sが広くなるほど低下する。そこで、間隙Sは、発光素子12と受光素子22の互いに対向する面同士が接しない範囲で狭い方が好ましい。間隙Sは、0.2mm以上1.0mm以下であることが好ましく、0.2mm以上0.8mm以下であることがより好ましく、0.2mm以上0.4mm以下であることが特に好ましい。
間隙Sを1mm以下とすることで、二酸化炭素濃度の検出精度を向上できる。間隙Sを0.8mm以下とすることで、二酸化炭素濃度の検出精度をより向上できる。間隙Sを0.4mm以下とすることで、二酸化炭素濃度の検出精度を特に向上できる。一方、発光素子12及び受光素子22の実装精度を考慮すると、間隙Sを0.2mmよりも狭くすることは困難である。
なお、二酸化炭素濃度を検出する場合、発光素子12は4.3μm付近の波長帯の光のみを出射できれば十分であり、それ以外の広い波長帯の光を出射しても測定には利用されない。そのため、光の利用効率を向上して消費電力を下げる観点から、発光素子12のスペクトルは、4.3μmの波長を含み、半値全幅が0.8μm以下であることが好ましい。
又、受光素子22は、4.3μmの波長に対して受光感度を有するものであれば使用可能であるが、ノイズとなる光の受光を低減する観点から、4.3μmの波長を通過させるバンドパスフィルタを備えていることが好ましい。この際、バンド幅は狭い方が好ましい。
図4は、センサモジュールに気道アダプタを取り付けた状態を例示する図であり、図4(a)は斜視図、図4(b)は平面図(矢印A側から視た図)である。
図4に示すように、センサモジュール1は、例えば、気道アダプタ100に取り付けた状態で使用できる。図4において、矢印Aが吸気側、矢印Bが排気側である。気道アダプタ100は、気体流路110と、取付部120とを有している。気体流路110と取付部120とは、例えば、樹脂を用いた一体成型により作製できる。
気体流路110は、被験者の呼気を吸気する略中空円柱状の部材である。取付部120は、気道アダプタ100をセンサモジュール1に取り付けるための略中空矩形状の部材である。取付部120の矢印A側は気体流路110に連通しており、矢印B側はセンサモジュール1を嵌め込めるように額縁状に開口している。取付部120は、気体が外に漏れないように、少なくとも発光素子12及び受光素子22が配置されている領域の側方を囲むことが好ましい。取付部120は、発光素子実装基板10と受光素子実装基板20の側方全体を囲んでもよい。
矢印A側から気体流路110に吸気された被験者の呼気は、取付部120の中空部を通って、発光素子12と受光素子22とが形成する間隙Sに達する。このとき、発光素子12を発光させておけば、呼気に含まれる二酸化炭素の濃度に応じて受光素子22で受光される光強度が変化するため、受光素子22で受光される光強度に基づいて呼気に含まれる二酸化炭素濃度を算出できる。
なお、気体の吸気側から視て、間隙Sを含めた気体の流路の断面積は、80mm以上であることが好ましい。これにより、被験者が息苦しさを感じることなく呼吸ができる。又、呼気計測の観点から、気体の吸気側から視て、間隙Sを含めた気体の流路の断面積は、400mm以下であることが好ましい。
このように、センサモジュール1では、ミラーやレンズ等の光学部品を用いず、間隙Sを介して対向配置された発光素子12と受光素子22を用いて、間隙S間の気体の濃度を測定する。これにより、センサモジュール1を小型化、薄型化することが可能となる。発光素子12と受光素子22とを近接配置することで、外乱ノイズの影響を低減でき、気体の濃度の測定精度を向上できる。
〈第1実施形態の変形例1〉
第1実施形態の変形例1では、第1実施形態とは中間基板の形状が異なるセンサモジュールの例を示す。なお、第1実施形態の変形例1において、既に説明した実施形態と同一構成部品についての説明は省略する場合がある。
図5は、第1実施形態の変形例1に係るセンサモジュールの中間基板を例示する図(その1)であり、図5(a)は平面図、図5(b)は斜視図である。図6は、第1実施形態の変形例1に係るセンサモジュールの中間基板を例示する図(その2)であり、図6(a)は平面図、図6(b)は斜視図である。
第1実施形態では、中間基板30は、発光素子実装基板10の法線方向から視て、互いに対向して配置されたL字型の基板31及び32を含んでいた。しかし、図5に示す中間基板30Aのように、発光素子実装基板10の法線方向から視て、互いに対向して配置されたコの字型の基板31A及び32Aを含んでもよい。或いは、図6に示す中間基板30Bのように、発光素子実装基板10の法線方向から視て、互いに対向して配置されたI字型の基板31B及び32Bを含んでもよい。
但し、L字型の基板31及び32は、気体の流路の断面積を大きくできる点でコの字型の基板31A及び32Aよりも優れており、センサモジュールの組み立て時に自立できる点でI字型の基板31B及び32Bよりも優れている。
図7は、第1実施形態の変形例1に係るセンサモジュールの金属柱を例示する図であり、図7(a)は平面図、図7(b)は斜視図である。図7に示すように、発光素子実装基板10と受光素子実装基板20とを離間して配置するために両者の間に介在する接合部材は、中間基板に代えて金属柱35を含んでもよい。金属柱35は、発光素子実装基板10と受光素子実装基板20との間の電流経路となるため、銅等の導電性に優れた材料から形成することが好ましい。金属柱35は、例えば、はんだ等により発光素子実装基板10及び受光素子実装基板20と接合される。金属柱35の形状は、例えば、円柱状、楕円柱状、角柱状等である。
なお、発光素子実装基板10と受光素子実装基板20とを離間して配置するために両者の間に介在する接合部材として、中間基板や金属柱ではなく、コネクタ部品を用いてもよい。
〈第1実施形態の変形例2〉
第1実施形態の変形例2では、可撓性を有する基板を用いる例を示す。なお、第1実施形態の変形例2において、既に説明した実施形態と同一構成部品についての説明は省略する場合がある。
図8は、第1実施形態の変形例2に係るセンサモジュールを例示する図であり、センサモジュール2を吸気側が手前側を向くよう配置した側面図である。
図8に示すように、センサモジュール2は、可撓性を有する配線基板60を有しており、配線基板60の同一側に発光素子12及び受光素子22が実装されている。配線基板60は、発光素子12と受光素子22とが間隙Sを介して対向するように屈曲している。配線基板60としては、例えば、ポリイミド基板等を用いることができる。なお、図8では、発光素子12及び受光素子22以外の電子部品の図示は省略されている。
配線基板60を図8のような形状とすることで、例えば、センサモジュール1と同一の流路断面積を確保しつつ、センサモジュール2の幅を狭くすることができる。すなわち、可撓性を有する配線基板60を用いることで、横長形状や縦長形状等の要求仕様に応じた所望の形状を選択でき、設計自由度が向上する。
以上、好ましい実施形態等について詳説したが、上述した実施形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。
例えば、センサモジュール1等は、光の吸収量の変化を利用して所定の気体の濃度を測定する機能を有しているため、使用する波長を変えることで、二酸化炭素以外の気体の濃度を測定することが可能である。センサモジュール1等は、例えば、呼気に含まれるアセトンの濃度を検出できる。
1、2 センサモジュール
10 発光素子実装基板
11、21 基板
12 発光素子
20 受光素子実装基板
22 受光素子
23 アンテナ
30、30A、30B 中間基板
31、31A、31B、32、32A、32B 基板
33 導電性接合材
35 金属柱
60 配線基板
100 気道アダプタ
110 気体流路
120 取付部
301 制御部
302 発光部
303 受光部
304 通信部

Claims (10)

  1. 光の吸収量の変化を利用して所定の気体の濃度を測定するセンサモジュールであって、
    発光素子と、
    前記発光素子の出射光を受光する受光素子と、を有し、
    前記発光素子は、第1基板に実装され、
    前記受光素子は、第2基板に実装され、
    前記発光素子と前記受光素子とが所定の間隙を介して対向するように、前記第1基板と前記第2基板とが離隔して配置され、
    前記発光素子及び前記受光素子は前記気体に晒される位置にあって、前記所定の間隙は前記気体の流路の一部をなし、
    前記所定の間隙は、0.2mm以上1.0mm以下であり、
    前記第1基板と前記第2基板とは、前記発光素子及び前記受光素子が実装された位置よりも外側に配置された接合部材を介して対向配置され、
    前記第1基板と前記第2基板と前記接合部材とで挟まれた空間は、前記気体の流路の一部をなすセンサモジュール。
  2. 光の吸収量の変化を利用して所定の気体の濃度を測定するセンサモジュールであって、
    発光素子と、
    前記発光素子の出射光を受光する受光素子と、を有し、
    前記発光素子及び前記受光素子は、可撓性を有する第3基板に実装され、
    前記発光素子と前記受光素子とが所定の間隙を介して対向するように、前記第3基板が屈曲しており、
    前記発光素子及び前記受光素子は前記気体に晒される位置にあって、前記所定の間隙は前記気体の流路の一部をなし、
    前記所定の間隙は、0.2mm以上1.0mm以下であるセンサモジュール。
  3. 前記接合部材は、前記第1基板と前記第2基板とを電気的に接続する中間基板を含む請求項に記載のセンサモジュール。
  4. 前記中間基板は、前記第1基板の法線方向から視て、互いに対向して配置されたL字型の2枚の基板を含む請求項に記載のセンサモジュール。
  5. 前記第1基板の発光素子搭載面側は黒色レジストで覆われている請求項1、3、又は4に記載のセンサモジュール。
  6. 前記第2基板の受光素子搭載面側は黒色レジストで覆われている請求項1、又は3乃至の何れか一項に記載のセンサモジュール。
  7. 前記気体の吸気側から視て、前記所定の間隙を含めた前記気体の流路の断面積は、80mm以上である請求項1乃至の何れか一項に記載のセンサモジュール。
  8. 前記気体は、二酸化炭素である請求項1乃至の何れか一項に記載のセンサモジュール。
  9. 前記発光素子のスペクトルは、4.3μmの波長を含み、半値全幅が0.8μm以下である請求項に記載のセンサモジュール。
  10. 前記受光素子は、4.3μmの波長を通過させるバンドパスフィルタを備えている請求項又はに記載のセンサモジュール。
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