JPH11271217A - 光学的センサ - Google Patents

光学的センサ

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JPH11271217A
JPH11271217A JP7264898A JP7264898A JPH11271217A JP H11271217 A JPH11271217 A JP H11271217A JP 7264898 A JP7264898 A JP 7264898A JP 7264898 A JP7264898 A JP 7264898A JP H11271217 A JPH11271217 A JP H11271217A
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JP
Japan
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light
optical
sensor chip
light source
sensor
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JP7264898A
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English (en)
Inventor
Akihiro Takaya
明広 多加谷
Hironobu Yamamoto
弘信 山本
B Stamatoph James
ジェイムズ・ビー・スタマトフ
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Hoechst Research & Technology K
Hoechst Research & Technology Kk
Original Assignee
Hoechst Research & Technology K
Hoechst Research & Technology Kk
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55—Specular reflectivity
    • G01N21/552—Attenuated total reflection
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N21/7703—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ノイズ原因物質の光路での発生及び光路への
侵入を防止すること。 【解決手段】 光学的センサは、化学物質との相互作用
により物理的又は化学的特性が変化するポリマー薄膜２
Ｂを有するセンサ・チップ２と、センサ・チップ２を照
射する光を発する光源部１と、光源部１から発出されセ
ンサ・チップ２で反射された光を受け取る受光素子３
と、センサ・チップ２、光源部１及び受光素子３を一体
的に保持する筺体６とを備える。筺体６は、光源部１か
らの光がセンサ・チップ２で反射されて受光素子３に至
る光路を含み、空気の屈折率に比較して大きな屈折率の
透光性の樹脂で形成された部分８を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、センサ・チップ
に生じた物理的及び／又は化学的変化を光学的に検出す
るセンサに関するものであり、特に、埃などの多い環境
下や温度変化が生じ得る環境下であっても、上記の変化
を低ノイズで検出することが可能な簡素且つ安価な光学
的センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】水中に溶存する有機物質や大気中の有機
物質の存在及び／又は濃度を検出するための光学的セン
サは、例えば特開平９−３２９５５３号公報に記載され
ており、公知である。図６の（Ａ）は、上記公開公報に
記載された光学的センサの基本的構成を示している。図
６の（Ａ）において、光学的センサを構成する光源（例
えばレーザーダイオード）１、センサ・チップ２、受光
素子（例えばフォトダイオード）３、プリズム４、コリ
メートレンズを含む光学系５が、内部に空洞を有するア
ルミニウム製の筺体６の上部に一体に保持されている。
筺体６内のプリズム４の下側に設置されたセンサ・チッ
プ２は、ガラス基板２Ａとその下面に形成されたポリマ
ー薄膜２Ｂとからなり、ポリマー薄膜２Ｂは通路７内を
通過する水又は空気と接する。図６の（Ｂ）の示すとお
り、ポリマー薄膜２Ｂはその上下両面で光源１からの光
を反射し、その反射光は互いに干渉しながら受光素子３
に入射する。なお、プリズム４の屈折率は１．２〜２．
５の範囲にあることが望ましく、例えば波長６７０ｎｍ
の光に対してＢＫ７ガラスプリズムの屈折率は１．５
１、ＳＦ１１ガラスプリズムの屈折率は１．７７、ポリ
メタクリル酸メチルプリズムの屈折率は１．４９であ
る。
【０００３】ポリマー薄膜２Ｂは特定の種の化学物質と
物理的又は化学的に相互作用するため、こうした化学物
質が筺体６の外側に存在すると、ガラス基板２Ａ上に形
成されたポリマー薄膜２Ｂの屈折率、膜厚、吸光度等の
特性が変化し、その結果、ポリマー薄膜２Ｂによって反
射される光の強度、したがって受光素子３で検出される
光強度が変化する。このような光学的検出方法は干渉増
幅反射法（ＩＥＲ法）と呼ばれる。したがって、受光素
子３で検出される光強度の変化から、特定の化学物質の
存在や濃度を知ることが可能になる。
【０００４】光源１から発出された光は、ガラス基板２
Ａの上面で屈折されてポリマー薄膜２Ｂに角度θで入射
する。このとき、ガラス基板２Ａ及びポリマー薄膜２Ｂ
の屈折率と厚さに依存して、光学的センサが最も高い感
度を得るための最適な入射角θが存在する。この例のよ
うな、或る媒質から他の媒質への最適な入射角が存在す
る検出方法としては、導波モード法（ＷＧ法）、表面プ
ラズマ共振法（ＳＰＲ法）等、様々な手法がある。
【０００５】しかし、こうした光学的センサは、検出す
べき化学物質を取り扱う貯蔵所、製造所等で当該化学物
質の漏れ等を監視する目的で使用されるため、屋外に設
置されることが多く、常に風雨や埃、湿気にさらされる
場所や温度変化の大きい場所に設置されることが多い。
そのため、光を散乱、反射、屈折又、干渉等を生じる物
質が光学的センサ内の光路へ侵入したり、光学的センサ
内で発生したりすると、センサ出力でのノイズが増加し
たり、センサの分解能や検出下限界が低下したりするな
どの性能低下を招来することがある、したがって、こう
したノイズの原因となる物質の存在が大きく影響する環
境下では、最悪の場合、光学的センサが使用不能になる
場合もあり、特に大量の化学物質を扱う場所での漏れの
検出不能や誤検出は、環境破壊や大型設備の動作停止と
いった重大な被害につながる。
【０００６】これを回避するためには、光路中に埃や水
滴などが侵入するのを防止するように気密性の高い構造
にすることが必要であるが、気密性の高い構造を採用す
ると、製造工程やメンテナンス作業が複雑になり、製造
コストの上昇を招きかねない。また、光学的センサを気
密構造にした場合、温度変化が生じても光路内に結露に
よる水滴が付着しないよう、光学的センサの内部を十分
に低湿度状態にしなければならないので、製造工程がさ
らに複雑になりかねない。
【０００７】更に、光学的センサ内に配置される光源、
受光素子、センサ・チップ、レンズ、プリズム、ミラー
などの各種光学部品の間が透明な樹脂で埋められていな
い場合には、光学部品間の空間は空気や不活性ガスなど
の気体で満たされているのが普通であるから、こうした
気体を通過した光がセンサ・チップその他の光学部品に
入射するものとして光学的センサ内の光学系を設計しな
ければならず、設計の自由度が低くなるという課題もあ
る。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】この発明は、こうした
従来の課題を解決するために提案されたものであり、こ
の発明の目的は、構成が簡単で安価であり、製作が容易
で設計の自由度が高く、ノイズ原因物質の光路への侵
入、光路内での発生を防止することができる光学的セン
サを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この発明は、化学物質との相互作用により物理的
又は化学的特性が変化するポリマー薄膜を有するセンサ
・チップと、該センサ・チップを照射する光を発する光
源と、該光源から発出され前記センサ・チップで反射さ
れた光を受け取るよう配置された受光素子と、これらの
センサ・チップ、光源及び受光素子を所定の位置に保持
する筺体であって、前記光源からの光が前記センサ・チ
ップで反射されて前記受光素子に至る光路を含む部分
を、空気の屈折率に比較して大きな屈折率の透光性の樹
脂で形成してなる筺体と、を具備することを特徴とする
光学的センサ、を提供する。
【００１０】好ましくは、前記筺体は、前記光源と前記
センサ・チップと前記受光素子とを一体的に保持する保
持部と、前記光路を含むように前記保持部の内面に接し
て形成された前記透光性の樹脂からなる透光部とを備え
る。
【００１１】この発明の１つの実施の形態においては、
前記保持部は不透光性であり、前記透光部が透光性の樹
脂で形成されており、他の実施の形態においては、前記
保持部と前記透光部品とは透光性の同一の樹脂で形成さ
れている。
【００１２】この発明の別の実施の形態においては、前
記透光部は、前記光路に沿う所定の太さの導光路であ
る。
【００１３】前記透光性の樹脂と前記センサ・チップと
の屈折率の差は０．０１以下であることが望ましい。
【００１４】前記透光部は、屈折率の異なる複数の透明
樹脂の組み合わせにより形成することができる。
【００１５】この発明に係る光学的センサは、干渉増幅
反射法、表面プラズマ共振法及び導波モード法のうちの
いずれか１つにより動作する。
【００１６】
【作用】光源部から発出された光は、透光性の樹脂から
なる透光部を通ってセンサ・チップに入射し、該センサ
・チップで反射されて受光素子に至る。このとき、光源
からの光がセンサ・チップで反射されて受光素子に至る
光路を含む部分は、光学部品間の隙間を含めて、空気の
屈折率に比較して大きな屈折率の透光性の樹脂で充填さ
れ、光はノイズ原因物質により妨害されることがない。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、図１〜図５を参照しなが
ら、この発明に係る光学的センサの実施の形態を説明す
る。なお、図１〜図６において、同一の又は同様の構成
要素には、同じ参照数字を付すこととする。
【００１８】図１は、この発明に係る光学的センサの第
１の実施の形態の構成を概略的に示しており、図６に示
す光学的センサと同様に、筺体６に光源１、コリメート
レンズを含む光学系５、センサ・チップ２及び受光素子
３が一体に保持されている。筺体６は不透明な材料、例
えばアルミニウム製であり、筺体６の内部には、光源１
から出射された光がセンサ・チップ２で反射されて受光
素子３で受光されるように、内部に空洞が形成されてい
る。筺体６の下面に固定されたセンサ・チップ２はガラ
ス基板２Ａと、ガラス基板２Ａの下面に水や空気等と接
触することができるように形成されたポリマー薄膜２Ｂ
とを備えている。
【００１９】筺体６の内部の空洞は、光源１から出射さ
れた光がセンサ・チップ２で反射されて受光素子３に至
る光路を確保する透光部を構成するように透明樹脂８で
充填される。これにより、光源１、コリメートレンズを
含む光学系５、センサ・チップ２及び受光素子３が透明
樹脂８によって隙間なく充填されることになる。なお、
必要によっては、図６のようにセンサ・チップ２の上に
プリズム４を配置し、その状態で筺体６の内部の空洞を
透明樹脂８で充填するようにしてもよく、例えば、透光
性の接着剤やシーリング剤（シリコン樹脂）で充填して
もよい。
【００２０】光源１からの光をセンサ・チップ２に入射
させ、その反射光を受光して外部へ取り出す場合の１つ
の重要な点は、センサ・チップ２のガラス基板２Ａとそ
の周囲の媒質との屈折率をどう設定するかである。セン
サ・チップ２を構成するガラス基板２Ａの屈折率の方が
周囲の媒質の屈折率よりも大きいとき、ガラス基板２Ａ
のポリマー薄膜２Ｂ側の面で反射されて空洞へ出射され
る光は、入射角によっては全反射されて外部へ取り出せ
なくなることがあり、ガラス基板２Ａと空洞を充たす媒
質の屈折率との差が大きいほど、反射光を外部へ取り出
すための条件は狭く、限定される。逆に、両者の屈折率
の差が小さいほど、反射光を外部へ取り出すための条件
は広くなり、設計の自由度も増す。図６の光学的センサ
においては、光源１からの光は空気又は不活性ガス等の
低屈折率の媒質を通過してセンサ・チップ２に入射させ
る不具合を解消して媒質とガラス基板２Ａとの屈折率の
差を小さくするために、プリズム４を設けることが必要
であった。
【００２１】そこで、この発明の第１の実施の形態にお
いては、図６に示す光学的センサに用いられたプリズム
４と同様の大きな屈折率を有する透明樹脂８で筺体６の
空洞を充填する。透明樹脂８の屈折率はガラス基板２Ａ
の屈折率にほぼ等しく、両者の差は約０．０１以下であ
ることが望ましい。同様に、透明樹脂８の屈折率は光学
系を構成する部品の屈折率ともほぼ等しく、両者の差は
約０．０１以下であることが好ましい。
【００２２】この発明の光学的センサに使用される透明
樹脂８としては、適切な屈折率を有する熱硬化性樹脂、
紫外線硬化性樹脂，熱可塑性樹脂その他の多種多様な硬
化性樹脂の中から適宜選定すればよい。また、透明樹脂
８は必ずしも単一の材料である必要はなく、２種以上の
透明樹脂を組み合わせて用いることにより、所望の屈折
率の樹脂を作り、光源１から発出された光に対して反
射、屈折、干渉、散乱等の各種の操作を行うことも可能
であり、透明樹脂８の強度、安定性、加工性等の特性を
改質するための添加剤を加えてもよい。更に、光源１か
らセンサ・チップ２を経て受光素子３に至る光路に沿う
部分に高屈折率の透明樹脂を用い、光路から離れるに従
って屈折率が小さな透明樹脂を用いて、透明樹脂８の屈
折率に適宜の分布を持たせることにより、コリメートレ
ンズその他の光学部品を用いることなく、光源１からの
光を所望の方向へ導くことが可能になるので、光学部品
の幾何学的配置に関する設計の自由度が増し、光学的セ
ンサのコンパクト化も可能になる。
【００２３】なお、透明樹脂８の透明度は必ずしも高い
必要はなく、光源１からの光がセンサ・チップ２で反射
されて受光素子３に至るまでの光路で透明樹脂８によっ
て減衰されても、受光素子３での検出が可能である程度
の透明度であればよい。
【００２４】このように、図１に示す光学的センサにお
いては、従来はセンサ・チップの上に配置する必要があ
ったプリズムを省略することができるので、筺体６の空
洞内の適所にプリズムを精度良く配置するという細かな
工程を省くことができ、単に空洞に透明樹脂を充填する
のみであるため、製作が容易でコストを下げることがで
き、ノイズ原因物質の光路への侵入や光路での発生を確
実に防止することができる光学的センサを提供すること
が可能になる。
【００２５】現在、ＢＫ７ガラス（ホウケイ酸クラウン
ガラス）や合成溶融石英、アクリル樹脂等の材料で作ら
れたプリズムが市販されている。そこで、市販のプリズ
ムを使用して図６の構成とした光学的センサ（前者）
と、該プリズムと同じ屈折率の透明樹脂で筺体６の空洞
を充填して図１の構成とした光学的センサ（後者）とを
製作し、その応答を比較したところ、同様な応答を示す
ことが確認できた。また、筺体６の周囲温度を５°〜４
０°の範囲で周期的に変化させたところ、前者にあって
は、プリズム４の入射側と出射側との面や受光素子３の
受光面に水滴が生じ、水滴がないときに比べてノイズが
５０倍以上増加し、そのために光学的センサの分解能や
検出下限界が５０倍以上低下したが、後者ではそのよう
なノイズの増加は観察されず、分解能や検出下限界の低
下はなかった。更に、後者において、透明樹脂８の中に
例えばベンジル・ブチル・フタレートのような不活性な
低分子材料を添加することにより、透明樹脂８の屈折率
を微調整することが可能であることが確認できた。
【００２６】このように、図１に示す第１の実施の形態
は、ノイズ原因物質の光路への侵入、光路内での発生を
防止するために、筺体内を透明樹脂で充填することによ
り、光源からセンサ・チップを経て受光素子に至る光路
に存在する隙間、例えば、光源と光学系５との間の隙間
や光学系５を構成する光学部品間の隙間を透明樹脂で充
填するようにしたものである。
【００２７】図２は、図１に示す第１の実施の形態に対
する１つの変形例の構成を示している。同図において
は、光学系５からセンサ・チップ２に至る光路の途中に
ハーフミラー９が配置され、光学系５から発せられた光
はハーフミラー９によって二分される。ハーフミラー９
によって反射された光は一方の受光素子３1で受光さ
れ、ハーフミラー９を通過した光はセンサ・チップ２で
反射光されて他方の受光素子３2で受光される。
【００２８】図３の（Ａ）及び（Ｂ）は、この発明の第
２の実施の形態の構成を示している。同図の（Ａ）にお
いて、図６に示すようにセンサ・チップ２の上に配置さ
れたプリズム４と光源１又は光学系５との間を光ファイ
バ１０で連結し、筺体６の内部の空洞、光源１と光ファ
イバ１０との間の隙間、及び、光ファイバ１０とプリズ
ム４との間の隙間が透明樹脂８で充填されている。
（Ｂ）においては、光源１とプリズム４とを光ファイバ
１０で、プリズム４と受光素子３とを別の光ファイバ１
１でそれぞれ連結し、光源１と光ファイバ１０との間の
隙間、光ファイバ１０とプリズム４との間の隙間、プリ
ズム４と光ファイバ１１との間の隙間、及び、光ファイ
バ１１と受光素子３との間の隙間を透明樹脂で充填する
ようにしている。
【００２９】なお、光源１と光ファイバ１０との間に光
学系５を介在させてもよく、この場合には、光源１と光
学系５との間の隙間及び光学系５と光ファイバ１０との
間の隙間も透明樹脂８によって充填される。
【００３０】図１〜図３に示す光学的センサにおいて
は、筺体６の内部の空洞及び光学部品間の隙間に透明樹
脂８を充填するものであるが、筺体６を使用しない構成
とする実施の形態も可能である。図４はこうした光学的
センサの一例を示している。例えばテフロン製の型の中
に、光源１と、光学系５と、ガラス基板２Ａの一方の面
上にポリマー薄膜２Ｂが形成されたセンサ・チップ２
と、受光素子３とを所定の位置関係で配置した後、型に
透明樹脂を注入し、加熱、紫外線照射その他の適宜の方
法によって該透明樹脂を硬化させる。これにより、図４
に示すように、光源１と光学系５とセンサ・チップ２と
受光素子３とが透明樹脂製の本体１２に所定の位置関係
で保持された光学的センサを得ることができる。
【００３１】透明樹脂製の本体１２の形状は任意であ
り、図４は光源１、光学系５及び受光素子３が埋め込ま
れた本体１２を示しているが、本体１２を例えばプリズ
ム形とし、透明な接着剤によって本体１２の底面にセン
サ・チップ２を接着し、残りの２面のうちの一方の面に
光源１と光学系５を、他方の面に受光素子３をそれぞれ
接着するようにしてもよい。
【００３２】図４の光学的センサは、第１の実施の形態
に比べて、筺体６を作製する必要がないので、作製コス
トが低く、大量生産に適している。なお、本体１２を構
成する樹脂に対しては、この発明の第１の実施の形態に
おいて用いられる透明樹脂８に関する説明が当てはまる
ので、ここでは本体１２に使用する樹脂について重複し
て説明しないこととする。
【００３３】実際に、図４の構成の光学的センサと図１
に示す構成の光学的センサとを作製してそれらの性能を
比較したところ、差がないことが確認された。
【００３４】図５は、この発明に係る光学的センサの第
４の実施の形態を示している。同図においても、第１〜
第３の実施の形態と同じように、光源１、センサ・チッ
プ２及び受光素子３が、光源１から発出されてセンサ・
チップ２により反射された光が受光素子３に到達するよ
うに、樹脂製の筺体６に保持される。第４の実施の形態
においては、筺体６の内部に、光源１の発光面の中心と
センサ・チップ２の中心とを結ぶ線、及び、センサ・チ
ップ２の中心と受光素子３の受光面の中心とを結ぶ線を
囲む所定の太さの導光路１３が、該部分の周囲の樹脂よ
りも高い屈折率を持つ樹脂で形成される。なお、導光路
１３に用いられる樹脂に対しても、この発明の第１の実
施の形態において用いられる透明樹脂８に関する説明が
当てはまるので、ここでも導光路１３に使用する樹脂に
ついての説明は省略する。
【００３５】このように構成すると、光学系５を省略す
ることができ、低コストで光学的センサを作製すること
ができる。実際に、図５の構成の光学的センサと図１に
示す構成の光学的センサとを作製してそれらの性能を比
較したところ、差がないことが確認された。
【００３６】なお、以上説明してきたこの発明に係る光
学的センサは、従来の光学的センサと同様に、干渉増幅
反射法、表面プラズマ共振法及び導波モード法のいずれ
でも動作可能である。
【００３７】
【発明の効果】以上、若干の実施の形態を参照しながら
詳細に説明したところから明らかなとおり、この発明
は、光源からセンサ・チップを経て受光素子に至る光路
を含む所定の部分が透明樹脂によって形成されるので、
（１）光源からセンサ・チップを経て受光素子に至る光
路を含む所定の部分の隙間にも透明樹脂が充填されるこ
とになり、埃や水滴等のノイズ原因物質が光源からセン
サ・チップを経て受光素子に至る光路で発生し又は光路
に侵入することがないため、ノイズ原因物質に妨害され
ることがないうえ、所望の任意の場所に光学的センサを
設置することができ、また、受光素子から出力される信
号中のノイズ成分が大幅に減少して、その分だけセンサ
分解能が向上するので、微小な量の化学物質の存在をも
検出することが可能になる、（２）光源その他の光学部
品の幾何学的配置に関する設計の自由度が高くなるばか
りでなく、光学部品を精度高く所定の位置に取り付ける
ことが可能になる、（３）部品点数を減らすことが可能
であり、製造工程を簡略化、省力化することができ、製
造コストの削減が可能である、という格別の効果を奏す
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る光学的センサの第１の実施の形
態を示す図である。
【図２】図１に示す第１の実施の形態の変形例を示す図
である。
【図３】（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ、この発明に係る
光学的センサの第２の実施の形態を示す図である。
【図４】この発明に係る光学的センサの第３の実施の形
態を示す図である。
【図５】この発明に係る光学的センサの第４の実施の形
態を示す図である。
【図６】（Ａ）は従来の光学的センサの基本的構成を示
す図、（Ｂ）は要部を拡大した図である。
【符号の説明】
１：光源、 ２：センサ・チップ、 ２Ａ：ガラス基
板、２Ｂ：ポリマー薄膜、 ３：受光素子、 ４：プリ
ズム、５：光学系、６：筺体、、７：通路、８：透明樹
脂、 ９：ハーフミラー、１０、１１：光ファイバ、１
２：樹脂製の本体、 １３：導光路
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１１年３月１５日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正内容】
【書類名】 明細書
【発明の名称】 光学的センサ
【特許請求の範囲】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、センサ・チップ
に生じた物理的及び／又は化学的変化を光学的に検出す
るセンサに関するものであり、特に、埃などの多い環境
下や温度変化が生じ得る環境下であっても、上記の変化
を低ノイズで検出することが可能な簡素且つ安価な光学
的センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】水中に溶存する有機物質や大気中の有機
物質の存在及び／又は濃度を検出するための光学的セン
サは、例えば特開平９−３２９５５３号公報に記載され
ており、公知である。図６の（Ａ）は、上記公開公報に
記載された光学的センサの基本的構成を示している。図
６の（Ａ）において、光学的センサを構成する光源（例
えばレーザーダイオード）１、センサ・チップ２、受光
素子（例えばフォトダイオード）３、プリズム４、コリ
メートレンズを含む光学系５が、内部に空洞を有するア
ルミニウム製の筺体６の上部に一体に保持されている。
筺体６内のプリズム４の下側に設置されたセンサ・チッ
プ２は、ガラス基板２Ａとその下面に形成されたポリマ
ー薄膜２Ｂとからなり、ポリマー薄膜２Ｂは通路７内を
通過する水又は空気と接する。図６の（Ｂ）の示すとお
り、ポリマー薄膜２Ｂはその上下両面で光源１からの光
を反射し、その反射光は互いに干渉しながら受光素子３
に入射する。なお、プリズム４の屈折率は１．２〜２．
５の範囲にあることが望ましく、例えば波長６７０ｎｍ
の光に対してＢＫ７ガラスプリズムの屈折率は１．５
１、ＳＦ１１ガラスプリズムの屈折率は１．７７、ポリ
メタクリル酸メチルプリズムの屈折率は１．４９であ
る。
【０００３】ポリマー薄膜２Ｂは特定の種の化学物質と
物理的又は化学的に相互作用するため、こうした化学物
質が筺体６の外側に存在すると、ガラス基板２Ａ上に形
成されたポリマー薄膜２Ｂの屈折率、膜厚、吸光度等の
特性が変化し、その結果、ポリマー薄膜２Ｂによって反
射される光の強度、したがって受光素子３で検出される
光強度が変化する。このような光学的検出方法は干渉増
幅反射法（ＩＥＲ法）と呼ばれる。したがって、受光素
子３で検出される光強度の変化から、特定の化学物質の
存在や濃度を知ることが可能になる。
【０００４】光源１から発出された光は、ガラス基板２
Ａの上面で屈折されてポリマー薄膜２Ｂに角度θで入射
する。このとき、ガラス基板２Ａ及びポリマー薄膜２Ｂ
の屈折率と厚さに依存して、光学的センサが最も高い感
度を得るための最適な入射角θが存在する。この例のよ
うな、或る媒質から他の媒質への最適な入射角が存在す
る検出方法としては、導波モード法（ＷＧ法）、表面プ
ラズマ共振法（ＳＰＲ法）等、様々な手法がある。
【０００５】しかし、こうした光学的センサは、検出す
べき化学物質を取り扱う貯蔵所、製造所等で当該化学物
質の漏れ等を監視する目的で使用されるため、屋外に設
置されることが多く、常に風雨や埃、湿気にさらされる
場所や温度変化の大きい場所に設置されることが多い。
そのため、光を散乱、反射、屈折又、干渉等を生じる物
質が光学的センサ内の光路へ侵入したり、光学的センサ
内で発生したりすると、センサ出力でのノイズが増加し
たり、センサの分解能や検出下限界が低下したりするな
どの性能低下を招来することがある、したがって、こう
したノイズの原因となる物質の存在が大きく影響する環
境下では、最悪の場合、光学的センサが使用不能になる
場合もあり、特に大量の化学物質を扱う場所での漏れの
検出不能や誤検出は、環境破壊や大型設備の動作停止と
いった重大な被害につながる。
【０００６】これを回避するためには、光路中に埃や水
滴などが侵入するのを防止するように気密性の高い構造
にすることが必要であるが、気密性の高い構造を採用す
ると、製造工程やメンテナンス作業が複雑になり、製造
コストの上昇を招きかねない。また、光学的センサを気
密構造にした場合、温度変化が生じても光路内に結露に
よる水滴が付着しないよう、光学的センサの内部を十分
に低湿度状態にしなければならないので、製造工程がさ
らに複雑になりかねない。
【０００７】更に、光学的センサ内に配置される光源、
受光素子、センサ・チップ、レンズ、プリズム、ミラー
などの各種光学部品の間が透明な樹脂で埋められていな
い場合には、光学部品間の空間は空気や不活性ガスなど
の気体で満たされているのが普通であるから、こうした
気体を通過した光がセンサ・チップその他の光学部品に
入射するものとして光学的センサ内の光学系を設計しな
ければならず、設計の自由度が低くなるという課題もあ
る。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】この発明は、こうした
従来の課題を解決するために提案されたものであり、こ
の発明の目的は、構成が簡単で安価であり、製作が容易
で設計の自由度が高く、ノイズ原因物質の光路への侵
入、光路内での発生を防止することができる光学的セン
サを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この発明は、化学物質との相互作用により物理的
又は化学的特性が変化するポリマー薄膜を有するセンサ
・チップと、該センサ・チップを照射する光を発する光
源と、該光源から発出され前記センサ・チップで反射さ
れた光を受け取るよう配置された受光素子と、前記セン
サ・チップ、前記光源及び前記受光素子を所定の位置に
保持すると共に、前記光源から発出された光が前記セン
サ・チップで反射されて前記受光素子に至る光路を形成
する、空気よりも大きな屈折率の透光性樹脂で形成され
た筐体と、を具備し、前記センサ・チップと前記筐体と
の間、前記光源と前記筐体との間及び前記受光素子と前
記筐体との間を前記透光性樹脂で充填してなることを特
徴とする光学的センサ、を提供する。
【００１０】好ましくは、前記筺体は、前記光源と前記
センサ・チップと前記受光素子とを一体的に保持する保
持部と、前記光路を含むように前記保持部の内面に接し
て形成された前記透光性樹脂からなる透光部とを備え
る。
【００１１】この発明の１つの実施の形態においては、
前記保持部は不透光性であり、前記透光部が透光性樹脂
で形成されており、他の実施の形態においては、前記保
持部と前記透光部品とは透光性の同一の樹脂で形成され
ている。
【００１２】この発明の別の実施の形態においては、前
記透光部は、前記光路に沿う所定の太さの導光路であ
る。前記センサ・チップは前記透光性樹脂と一方の面が
接するガラス基板と該ガラス基板の他方の面に形成され
たポリマー薄膜とからなり、前記透光性樹脂と前記ガラ
ス基板との屈折率の差は０．０１以下であることが望ま
しい。
【００１３】前記透光部は、屈折率の異なる複数の透明
樹脂の組み合わせにより形成することができる。この発
明に係る光学的センサは、干渉増幅反射法、表面プラズ
マ共振法及び導波モード法のうちのいずれか１つにより
動作する。
【００１４】
【作用】光源部から発出された光は、透光性樹脂からな
る透光部を通ってセンサ・チップに入射し、該センサ・
チップで反射されて受光素子に至る。このとき、光源か
らの光がセンサ・チップで反射されて受光素子に至る光
路を含む部分は、光学部品間の隙間を含めて、空気の屈
折率に比較して大きな屈折率の透光性樹脂で充填され、
光はノイズ原因物質により妨害されることがない。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、図１〜図５を参照しなが
ら、この発明に係る光学的センサの実施の形態を説明す
る。なお、図１〜図６において、同一の又は同様の構成
要素には、同じ参照数字を付すこととする。
【００１６】図１は、この発明に係る光学的センサの第
１の実施の形態の構成を概略的に示しており、図６に示
す光学的センサと同様に、筺体６に光源１、コリメート
レンズを含む光学系５、センサ・チップ２及び受光素子
３が一体に保持されている。筺体６は不透明な材料、例
えばアルミニウム製であり、筺体６の内部には、光源１
から出射された光がセンサ・チップ２で反射されて受光
素子３で受光されるように、内部に空洞が形成されてい
る。筺体６の下面に固定されたセンサ・チップ２はガラ
ス基板２Ａと、ガラス基板２Ａの下面に水や空気等と接
触することができるように形成されたポリマー薄膜２Ｂ
とを備えている。
【００１７】筺体６の内部の空洞は、光源１から出射さ
れた光がセンサ・チップ２で反射されて受光素子３に至
る光路を確保する透光部を構成するように透明樹脂８で
充填される。これにより、光源１、コリメートレンズを
含む光学系５、センサ・チップ２及び受光素子３が透明
樹脂８によって隙間なく充填されることになる。なお、
必要によっては、図６のようにセンサ・チップ２の上に
プリズム４を配置し、その状態で筺体６の内部の空洞を
透明樹脂８で充填するようにしてもよく、例えば、透光
性の接着剤やシーリング剤（シリコン樹脂）で充填して
もよい。
【００１８】光源１からの光をセンサ・チップ２に入射
させ、その反射光を受光して外部へ取り出す場合の１つ
の重要な点は、センサ・チップ２のガラス基板２Ａとそ
の周囲の媒質との屈折率をどう設定するかである。セン
サ・チップ２を構成するガラス基板２Ａの屈折率の方が
周囲の媒質の屈折率よりも大きいとき、ガラス基板２Ａ
のポリマー薄膜２Ｂ側の面で反射されて空洞へ出射され
る光は、入射角によっては全反射されて外部へ取り出せ
なくなることがあり、ガラス基板２Ａと空洞を充たす媒
質の屈折率との差が大きいほど、反射光を外部へ取り出
すための条件は狭く、限定される。逆に、両者の屈折率
の差が小さいほど、反射光を外部へ取り出すための条件
は広くなり、設計の自由度も増す。図６の光学的センサ
においては、光源１からの光は空気又は不活性ガス等の
低屈折率の媒質を通過してセンサ・チップ２に入射させ
る不具合を解消して媒質とガラス基板２Ａとの屈折率の
差を小さくするために、プリズム４を設けることが必要
であった。
【００１９】そこで、この発明の第１の実施の形態にお
いては、図６に示す光学的センサに用いられたプリズム
４と同様の大きな屈折率を有する透明樹脂８で筺体６の
空洞を充填する。透明樹脂８の屈折率はガラス基板２Ａ
の屈折率にほぼ等しく、両者の差は約０．０１以下であ
ることが望ましい。同様に、透明樹脂８の屈折率は光学
系を構成する部品の屈折率ともほぼ等しく、両者の差は
約０．０１以下であることが好ましい。
【００２０】この発明の光学的センサに使用される透明
樹脂８としては、適切な屈折率を有する熱硬化性樹脂、
紫外線硬化性樹脂，熱可塑性樹脂その他の多種多様な硬
化性樹脂の中から適宜選定すればよい。また、透明樹脂
８は必ずしも単一の材料である必要はなく、２種以上の
透明樹脂を組み合わせて用いることにより、所望の屈折
率の樹脂を作り、光源１から発出された光に対して反
射、屈折、干渉、散乱等の各種の操作を行うことも可能
であり、透明樹脂８の強度、安定性、加工性等の特性を
改質するための添加剤を加えてもよい。更に、光源１か
らセンサ・チップ２を経て受光素子３に至る光路に沿う
部分に高屈折率の透明樹脂を用い、光路から離れるに従
って屈折率が小さな透明樹脂を用いて、透明樹脂８の屈
折率に適宜の分布を持たせることにより、コリメートレ
ンズその他の光学部品を用いることなく、光源１からの
光を所望の方向へ導くことが可能になるので、光学部品
の幾何学的配置に関する設計の自由度が増し、光学的セ
ンサのコンパクト化も可能になる。
【００２１】なお、透明樹脂８の透明度は必ずしも高い
必要はなく、光源１からの光がセンサ・チップ２で反射
されて受光素子３に至るまでの光路で透明樹脂８によっ
て減衰されても、受光素子３での検出が可能である程度
の透明度であればよい。
【００２２】このように、図１に示す光学的センサにお
いては、従来はセンサ・チップの上に配置する必要があ
ったプリズムを省略することができるので、筺体６の空
洞内の適所にプリズムを精度良く配置するという細かな
工程を省くことができ、単に空洞に透明樹脂を充填する
のみであるため、製作が容易でコストを下げることがで
き、ノイズ原因物質の光路への侵入や光路での発生を確
実に防止することができる光学的センサを提供すること
が可能になる。
【００２３】現在、ＢＫ７ガラス（ホウケイ酸クラウン
ガラス）や合成溶融石英、アクリル樹脂等の材料で作ら
れたプリズムが市販されている。そこで、市販のプリズ
ムを使用して図６の構成とした光学的センサ（前者）
と、該プリズムと同じ屈折率の透明樹脂で筺体６の空洞
を充填して図１の構成とした光学的センサ（後者）とを
製作し、その応答を比較したところ、同様な応答を示す
ことが確認できた。また、筺体６の周囲温度を５°〜４
０°の範囲で周期的に変化させたところ、前者にあって
は、プリズム４の入射側と出射側との面や受光素子３の
受光面に水滴が生じ、水滴がないときに比べてノイズが
５０倍以上増加し、そのために光学的センサの分解能や
検出下限界が５０倍以上低下したが、後者ではそのよう
なノイズの増加は観察されず、分解能や検出下限界の低
下はなかった。更に、後者において、透明樹脂８の中に
例えばベンジル・ブチル・フタレートのような不活性な
低分子材料を添加することにより、透明樹脂８の屈折率
を微調整することが可能であることが確認できた。
【００２４】このように、図１に示す第１の実施の形態
は、ノイズ原因物質の光路への侵入、光路内での発生を
防止するために、筺体内を透明樹脂で充填することによ
り、光源からセンサ・チップを経て受光素子に至る光路
に存在する隙間、例えば、光源と光学系５との間の隙間
や光学系５を構成する光学部品間の隙間を透明樹脂で充
填するようにしたものである。
【００２５】図２は、図１に示す第１の実施の形態に対
する１つの変形例の構成を示している。同図において
は、光学系５からセンサ・チップ２に至る光路の途中に
ハーフミラー９が配置され、光学系５から発せられた光
はハーフミラー９によって二分される。ハーフミラー９
によって反射された光は一方の受光素子３2で受光さ
れ、ハーフミラー９を通過した光はセンサ・チップ２で
反射光されて他方の受光素子３1で受光される。
【００２６】図３の（Ａ）及び（Ｂ）は、この発明の第
２の実施の形態の構成を示している。同図の（Ａ）にお
いて、図６に示すようにセンサ・チップ２の上に配置さ
れたプリズム４と光源１又は光学系５との間を光ファイ
バ１０で連結し、筺体６の内部の空洞、光源１と光ファ
イバ１０との間の隙間、及び、光ファイバ１０とプリズ
ム４との間の隙間が透明樹脂８で充填されている。
（Ｂ）においては、光源１とプリズム４とを光ファイバ
１０で、プリズム４と受光素子３とを別の光ファイバ１
１でそれぞれ連結し、光源１と光ファイバ１０との間の
隙間、光ファイバ１０とプリズム４との間の隙間、プリ
ズム４と光ファイバ１１との間の隙間、及び、光ファイ
バ１１と受光素子３との間の隙間を透明樹脂で充填する
ようにしている。
【００２７】なお、光源１と光ファイバ１０との間に光
学系５を介在させてもよく、この場合には、光源１と光
学系５との間の隙間及び光学系５と光ファイバ１０との
間の隙間も透明樹脂８によって充填される。
【００２８】図１〜図３に示す光学的センサにおいて
は、筺体６の内部の空洞及び光学部品間の隙間に透明樹
脂８を充填するものであるが、筺体６を使用しない構成
とする実施の形態も可能である。図４はこうした光学的
センサの一例を示している。例えばテフロン製の型の中
に、光源１と、光学系５と、ガラス基板２Ａの一方の面
上にポリマー薄膜２Ｂが形成されたセンサ・チップ２
と、受光素子３とを所定の位置関係で配置した後、型に
透明樹脂を注入し、加熱、紫外線照射その他の適宜の方
法によって該透明樹脂を硬化させる。これにより、図４
に示すように、光源１と光学系５とセンサ・チップ２と
受光素子３とが透明樹脂製の本体１２に所定の位置関係
で保持された光学的センサを得ることができる。
【００２９】透明樹脂製の本体１２の形状は任意であ
り、図４は光源１、光学系５及び受光素子３が埋め込ま
れた本体１２を示しているが、本体１２を例えばプリズ
ム形とし、透明な接着剤によって本体１２の底面にセン
サ・チップ２を接着し、残りの２面のうちの一方の面に
光源１と光学系５を、他方の面に受光素子３をそれぞれ
接着するようにしてもよい。
【００３０】図４の光学的センサは、第１の実施の形態
に比べて、筺体６を作製する必要がないので、作製コス
トが低く、大量生産に適している。なお、本体１２を構
成する樹脂に対しては、この発明の第１の実施の形態に
おいて用いられる透明樹脂８に関する説明が当てはまる
ので、ここでは本体１２に使用する樹脂について重複し
て説明しないこととする。
【００３１】実際に、図４の構成の光学的センサと図１
に示す構成の光学的センサとを作製してそれらの性能を
比較したところ、差がないことが確認された。図５は、
この発明に係る光学的センサの第４の実施の形態を示し
ている。同図においても、第１〜第３の実施の形態と同
じように、光源１、センサ・チップ２及び受光素子３
が、光源１から発出されてセンサ・チップ２により反射
された光が受光素子３に到達するように、樹脂製の筺体
６に保持される。第４の実施の形態においては、筺体６
の内部に、光源１の発光面の中心とセンサ・チップ２の
中心とを結ぶ線、及び、センサ・チップ２の中心と受光
素子３の受光面の中心とを結ぶ線を囲む所定の太さの導
光路１３が、該部分の周囲の樹脂よりも高い屈折率を持
つ樹脂で形成される。なお、導光路１３に用いられる樹
脂に対しても、この発明の第１の実施の形態において用
いられる透明樹脂８に関する説明が当てはまるので、こ
こでも導光路１３に使用する樹脂についての説明は省略
する。
【００３２】このように構成すると、光学系５を省略す
ることができ、低コストで光学的センサを作製すること
ができる。実際に、図５の構成の光学的センサと図１に
示す構成の光学的センサとを作製してそれらの性能を比
較したところ、差がないことが確認された。
【００３３】なお、以上説明してきたこの発明に係る光
学的センサは、従来の光学的センサと同様に、干渉増幅
反射法、表面プラズマ共振法及び導波モード法のいずれ
でも動作可能である。
【００３４】
【発明の効果】以上、若干の実施の形態を参照しながら
詳細に説明したところから明らかなとおり、この発明
は、光源からセンサ・チップを経て受光素子に至る光路
を含む所定の部分が透明樹脂によって形成されるので、
（１）光源からセンサ・チップを経て受光素子に至る光
路を含む所定の部分の隙間にも透明樹脂が充填されるこ
とになり、埃や水滴等のノイズ原因物質が光源からセン
サ・チップを経て受光素子に至る光路で発生し又は光路
に侵入することがないため、ノイズ原因物質に妨害され
ることがないうえ、所望の任意の場所に光学的センサを
設置することができ、また、受光素子から出力される信
号中のノイズ成分が大幅に減少して、その分だけセンサ
分解能が向上するので、微小な量の化学物質の存在をも
検出することが可能になる、（２）光源その他の光学部
品の幾何学的配置に関する設計の自由度が高くなるばか
りでなく、光学部品を精度高く所定の位置に取り付ける
ことが可能になる、（３）部品点数を減らすことが可能
であり、製造工程を簡略化、省力化することができ、製
造コストの削減が可能である、という格別の効果を奏す
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る光学的センサの第１の実施の形
態を示す図である。
【図２】図１に示す第１の実施の形態の変形例を示す図
である。
【図３】（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ、この発明に係る
光学的センサの第２の実施の形態を示す図である。
【図４】この発明に係る光学的センサの第３の実施の形
態を示す図である。
【図５】この発明に係る光学的センサの第４の実施の形
態を示す図である。
【図６】（Ａ）は従来の光学的センサの基本的構成を示
す図、（Ｂ）は要部を拡大した図である。
【符号の説明】 １：光源、 ２：センサ・チップ、 ２Ａ：ガラス基
板、２Ｂ：ポリマー薄膜、 ３：受光素子、 ４：プリ
ズム、５：光学系、６：筺体、、７：通路、８：透明樹
脂、 ９：ハーフミラー、１０、１１：光ファイバ、１
２：樹脂製の本体、 １３：導光路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェイムズ・ビー・スタマトフ 埼玉県川越市南台１−３−２ ヘキスト リサーチ アンド テクノロジー株式会社 内

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 化学物質との相互作用により物理的又は
    化学的特性が変化するポリマー薄膜を有するセンサ・チ
    ップと、 該センサ・チップを照射する光を発する光源と、 該光源から発出され前記センサ・チップで反射された光
    を受け取るよう配置された受光素子と、 これらのセンサ・チップ、光源及び受光素子を所定の位
    置に保持する筺体であって、前記光源からの光が前記セ
    ンサ・チップで反射されて前記受光素子に至る光路を含
    む部分を、空気の屈折率に比較して大きな屈折率の透光
    性の樹脂で形成してなる筺体と、 を具備することを特徴とする光学的センサ。
  2. 【請求項２】 前記光源から前記センサ・チップに至る
    光路にレンズ、ミラー、プリズム等の光学部品が配置さ
    れていることを特徴とする、請求項１に記載の光学的セ
    ンサ。
  3. 【請求項３】 前記筺体が、 前記光源と前記センサ・チップと前記受光素子とを一体
    的に保持する保持部と、 前記光路を含むように前記保持部の内面に接して形成さ
    れた前記透光性の樹脂からなる透光部とを備えることを
    特徴とする、請求項１又は２に記載の光学的センサ。
  4. 【請求項４】 前記保持部が不透光性であり、前記透光
    部が透光性の樹脂で形成されていることを特徴とする、
    請求項２又は３に記載の光学的センサ。
  5. 【請求項５】 前記透光部が、前記光路に沿う所定の太
    さの導光路であることを特徴とする、請求項２〜４のい
    ずれか１つに記載の光学的センサ。
  6. 【請求項６】 前記保持部と前記透光部とが、透光性の
    同一の樹脂で形成されていることを特徴とする、請求項
    ２〜４のいずれか１つに記載の光学的センサ。
  7. 【請求項７】 前記透光性の樹脂と前記センサ・チップ
    との屈折率の差が０．０１以下であることを特徴とす
    る、請求項１〜６のいずれか１つに記載の光学的セン
    サ。
  8. 【請求項８】 前記透光部が、屈折率の異なる複数の透
    明樹脂の組み合わせからなることを特徴とする、請求項
    １〜６のいずれか１つに記載の光学的センサ。
  9. 【請求項９】 干渉増幅反射法、表面プラズマ共振法及
    び導波モード法のうちのいずれか１つにより動作するこ
    とを特徴とする、請求項１〜８のうちのいずれか１つに
    記載の光学的センサ。
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