JP2018115975A - Light-emitting element and detection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発光素子、及び検出装置に関する。 The present invention relates to a light emitting element and a detection device.
非分散型赤外線分析式(NDIR式)ガス検知器では、赤外線を放射する光源を用いて測定対象ガスに含まれる特定ガスを検知する。このような検出装置では、多くのガスそれぞれが固有の赤外線波長を吸収する性質を利用して、試料ガスに赤外線を放射した時、どの波長がどれくらい吸収されたかを調べて、試料ガス中の成分と濃度とを検出する。また、このような検出装置では、機械式光チョッピングによりチョッピング周波数に応じた光を同期検波することでSN(信号対ノイズ)比を上げ、外部環境ノイズの影響を低減している。 In a non-dispersive infrared analysis type (NDIR type) gas detector, a specific gas contained in a measurement target gas is detected using a light source that emits infrared rays. In such a detection device, by utilizing the property that each of many gases absorbs a specific infrared wavelength, when the infrared ray is radiated to the sample gas, it is examined which wavelength is absorbed and how much the component in the sample gas. And concentration. Moreover, in such a detection apparatus, the signal (noise to signal) ratio is increased by synchronously detecting light corresponding to the chopping frequency by mechanical optical chopping, and the influence of external environmental noise is reduced.
また、近年、上述のような検出装置では、機械式光チョッピングの代わりに、例えば、赤外線を放射する発光素子への注入電流のオン状態とオフ状態とを切り替えて検出する技術が知られている(例えば、特許文献1及び特許文献2を参照)。このような機械式光チョッピングを用いない発光素子として、薄いダイヤフラム上へ発熱抵抗部を形成し、この発熱抵抗部を加熱して得られる輻射熱により赤外線を放射する素子が開発されている。
Further, in recent years, in the detection apparatus as described above, for example, a technique is known in which an on-state and an off-state of an injection current to a light emitting element that emits infrared light are switched and detected instead of mechanical light chopping. (For example, see
しかしながら、上述した発光素子では、例えば、製造時に薄いダイヤフラムが破損したり、発熱時にダイヤフラム面内の急激な熱分布の片寄りにより熱応力によって破損したりすることがあった。 However, in the above-described light emitting device, for example, a thin diaphragm may be damaged at the time of manufacture, or may be damaged due to a thermal stress due to an abrupt deviation of heat distribution in the diaphragm surface during heat generation.
本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、破損を低減することができる発光素子、及び検出装置を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a light emitting element and a detection device capable of reducing breakage.
上記問題を解決するために、本発明の一態様は、発熱抵抗部を有し、水晶により構成された平板部と、前記平板部と一体に水晶により構成され、前記平板部を支持するビーム部と、前記ビーム部を介して前記発熱抵抗部と電気的に接続するとともに、前記平板部の面のうち、外部に赤外線を放射する放射面側と、当該放射面と反対の面側とが空気に接して保持されるように、前記ビーム部を支持する接続部材とを備えることを特徴とする発光素子である。 In order to solve the above-described problem, an aspect of the present invention includes a flat plate portion that includes a heating resistor portion and is formed of crystal, and a beam portion that is formed of crystal integrally with the flat plate portion and supports the flat plate portion. And the surface of the flat plate portion that is electrically connected to the heating resistor portion through the beam portion, and the surface side opposite to the radiation surface is air. And a connecting member that supports the beam portion so as to be held in contact with the light emitting element.
また、本発明の一態様は、上記の発光素子において、前記発熱抵抗部は、前記放射面に配置されていることを特徴とする。 One embodiment of the present invention is characterized in that, in the above light-emitting element, the heating resistor portion is disposed on the radiation surface.
また、本発明の一態様は、上記の発光素子において、前記発熱抵抗部は、前記放射面と反対の面側に配置されていることを特徴とする。 One embodiment of the present invention is characterized in that, in the light-emitting element, the heating resistor portion is disposed on a surface opposite to the radiation surface.
また、本発明の一態様は、上記の発光素子において、前記平板部は、温度を検出する温度検出部を備えることを特徴とする。 One embodiment of the present invention is characterized in that in the light-emitting element, the flat plate portion includes a temperature detection portion that detects temperature.
また、本発明の一態様は、上記の発光素子において、前記温度検出部は、前記平板部の面のうち、前記発熱抵抗部と同一の面側に配置されていることを特徴とする。 One embodiment of the present invention is characterized in that, in the light-emitting element, the temperature detection unit is disposed on the same side of the flat plate portion as the heating resistor portion.
また、本発明の一態様は、上記の発光素子において、前記温度検出部は、前記平板部の面のうち、前記発熱抵抗部を有する面と反対の面側に配置されていることを特徴とする。 One embodiment of the present invention is characterized in that, in the light-emitting element, the temperature detection unit is disposed on a surface of the flat plate portion opposite to a surface having the heating resistor portion. To do.
また、本発明の一態様は、上記の発光素子において、前記接続部材は、前記ビーム部の端部を支持することを特徴とする。 Another embodiment of the present invention is the above light-emitting element, wherein the connection member supports an end portion of the beam portion.
また、本発明の一態様は、上記に記載の発光素子と、赤外線の光量を所定の周波数で変調して前記発光素子から放射させる変調部と、前記変調部によって前記発光素子から放射された赤外線であって、変調された赤外線が、流体を通過した通過光を受光して、受光した前記通過光に応じた受光信号を出力する受光部と、前記受光部が出力する前記受光信号に基づいて、検出対象の流体を検出する検出部とを備えることを特徴とする検出装置である。 One embodiment of the present invention includes the light-emitting element described above, a modulation unit that modulates the amount of infrared light at a predetermined frequency and emits the light from the light-emitting element, and the infrared light emitted from the light-emitting element by the modulation unit. The modulated infrared light receives the passing light that has passed through the fluid, and outputs a light receiving signal corresponding to the received passing light, and the light receiving signal output by the light receiving unit. And a detection unit that detects a fluid to be detected.
本発明によれば、破損を低減することができる。 According to the present invention, breakage can be reduced.
以下、本発明の一実施形態による発光素子及び検出装置について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, a light emitting device and a detection device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態による発光素子1の一例を示す外観図である。また、図2は、第1の実施形態による発光素子1の一例を示す断面図である。
なお、図1は、赤外線を放射する放射面F1(表面)から観察した平板部10及びビーム部11を示している。また、図2は、図1に示すAB線における発光素子1の断面図を示している。
[First Embodiment]
FIG. 1 is an external view showing an example of a
1 shows the
また、本実施形態では、図1及び図2に示す平板部10及びビーム部11を構成する基板SB1の長手方向をX軸方向、当該基板SB1の短手方向をY軸方向、当該基板SB1の厚み方向をZ軸方向として説明する。
図1及び図2に示すように、発光素子1は、平板部10と、ビーム部(11−1、11−2)と、バンプ(15−1、15−2)と、素子本体部16とを備える。
In the present embodiment, the longitudinal direction of the substrate SB1 constituting the
As shown in FIGS. 1 and 2, the light-emitting
なお、ビーム部11−1と、ビーム部11−2とは、発光素子1が備える任意のビーム部を示す場合、又は特に区別しない場合には、ビーム部11として説明する。
また、バンプ15−1と、バンプ15−2とは、発光素子1が備える任意のバンプを示す場合、又は特に区別しない場合には、バンプ15として説明する。
Note that the beam unit 11-1 and the beam unit 11-2 will be described as the
In addition, the bump 15-1 and the bump 15-2 are described as the
平板部10は、水晶により構成された平板状の基材であり、発熱抵抗体12を有している。ここで、平板部10の面のうち、赤外線を放射する面を放射面F1とし、放射面F1の反対の面を反対面F2として説明する。平板部10は、後述するバンプ15及び素子本体部16によって、放射面F1側、及び反対面F2側が、空気に接するように配置されている。
The
発熱抵抗体12(発熱抵抗部の一例)は、電流を流すことにより発熱して、平板部10の放射面F1側から外部に、例えば、赤外線を放射させる。発熱抵抗体12は、放射面F1側に配置されている。
The heat generating resistor 12 (an example of a heat generating resistor portion) generates heat by flowing current, and radiates, for example, infrared rays from the radiation surface F1 side of the
発熱抵抗体12は、例えば、TaN(窒化タンタル)、TaSiO(一酸化ケイ素タンタル)、TaSiNO(酸化窒化ケイ素タンタル)、TaSiC(炭化ケイ素タンタル)、TiSiCO、NbSiO(酸化ケイ素ニオブ)、ポリシリコン、TaSiO2(二酸化ケイ素タンタル)、TiON(窒化酸化チタン)、酸化ルテニウム、W(タングステン)、Mo(モリブデン)、NiCr(ニッケルクロム)、Pt(白金)、アモルファスシリコンの少なくとも1つの材料によって形成されている。発熱抵抗体12は、例えば、スパッタリングにより形成される。
The
ビーム部11は、平板部10と一体に水晶により構成され、平板部10を支持する支持部である。ビーム部11は、図1に示すように、平板部10の対角の2つの端部に接続されて、平板部10を支持している。ここで、ビーム部11−1は、平板部10の紙面左上端部から平板部10を支持し、ビーム部11−2は、平板部10の紙面右下端部から平板部10を支持している。
The
また、平板部10と、ビーム部11とは、水晶の基板SB1に一体に形成されている。基板SB1の厚さD(Z軸方向の長さ)は、例えば、40μm(マイクロメートル)〜100μmである。ここで、基板SB1の結晶の向きは、平板部10の主面(放射面F1及び反対面F2)が、例えば、Zカット面になるように構成されている。また、平板部10及びビーム部11には、例えば、水晶振動子などの従来の加工技術が利用できる。
The
基板SB1には、配線13及び配線14が形成されている。配線13及び配線14は、発熱抵抗体12とバンプ15とを電気的に接続する金属層である。配線13及び配線14は、例えば、Au(金)、Ag(銀)、Cu(銅)、Cr(クロム)、Al−Si(シリコン含有アルミ合金)、Ni(ニッケル)、Ptなどの金属材料によって形成されている。配線13及び配線14は、例えばスパッタリング、スクリーン印刷によって形成される。
A
配線13は、発熱抵抗体12の第1端とバンプ15−1とを電気的に接続する。また、配線13は、発熱抵抗体12に接して、放射面F1側に形成されており、さらに、バンプ15−1と接続するために、ビーム部11−1において、反対面F2側に引き回されて形成されている。
The
配線14は、発熱抵抗体12の第2端とバンプ15−2とを電気的に接続する。また、配線14は、発熱抵抗体12に接して、放射面F1側に形成されており、さらに、バンプ15−2と接続するために、ビーム部11−2において、反対面F2側に引き回されて形成されている。
The
バンプ15(接続部材の一例)は、ビーム部11を介して発熱抵抗体12と電気的に接続するとともに、平板部10の面のうち、放射面F1側と、当該放射面F1と反対の面(反対面F2)側とが空気に接して保持されるように、ビーム部11を支持する。バンプ15は、例えば、Au(金)、半田などで素子本体部16に形成されており、素子本体部16と、平板部10及びビーム部11を含む基板SB1とを接続する。
The bump 15 (an example of a connection member) is electrically connected to the
バンプ15−1は、ビーム部11−1の端部を支持するように、配線13と接続されている。また、バンプ15−2は、ビーム部11−2の端部を支持するように、配線14と接続されている。
The bump 15-1 is connected to the
素子本体部16は、例えば、セラミックで形成されており、中央に凹部を有している。素子本体部16は、この凹部により、図2に示すように、バンプ15を介して、平板部10を空気に接して保持する形状になっている。また、素子本体部16は、不図示の外部電極(外部端子)を有しており、外部電極は、バンプ15を介して配線(13、14)を接続されている。
The
次に、図3を参照して、本実施形態による発光素子1を備えた検出装置100の構成について説明する。
図3は、本実施形態による検出装置100の一例を示すブロック図である。
図3に示すように、検出装置100は、操作部110と、周波数生成部120と、温度制御部130と、電源部140と、発光素子1と、受光素子150と、ロックインアンプ160とを備える。
Next, the configuration of the
FIG. 3 is a block diagram illustrating an example of the
As illustrated in FIG. 3, the
検出装置100は、赤外線により、気体(ガス)や液体などの試料の流体(例えば、ガスや液体の成分、濃度など)を検出する。検出装置100は、例えば、非分散型赤外線分析式(NDIR式)ガス検知器であり、ピーク波長が3μm以上の赤外線やピーク波長が10μm以上の遠赤外線を放射し、気化しているガスの成分を分光により検出する。
The
操作部110は、例えば、機械式スイッチ、タッチパネルセンサー等である。操作部110は、利用者が操作した操作結果を検出し、検出した操作結果を温度制御部130に供給する。
周波数生成部120は、赤外線の変調用の所定の周波数のクロック信号を生成し、生成したクロック信号を温度制御部130とロックインアンプ160に供給する。
The
The
温度制御部130(変調部の一例)は、赤外線の光量を所定の周波数で変調して発光素子1から放射させる制御を行う。温度制御部130は、操作部110から供給される操作結果に基づいて、電源部140を介して、発光素子1をオン状態とオフ状態とを切り替えて変調させる。温度制御部130は、例えば、電源部140から発光素子1に供給する電流又は電圧を制御するとともに、周波数生成部120から供給されるクロック信号に同期させて、発光素子1をオン状態とオフ状態とを切り替える制御を行う。
The temperature control unit 130 (an example of a modulation unit) performs control to modulate the amount of infrared light at a predetermined frequency and emit the light from the
なお、発光素子1から放射される赤外線の波長は、発光素子1の平板部10の温度に依存する。温度制御部130は、電源部140から発光素子1に供給する電流又は電圧を制御することで、発光素子1の平板部10の温度を制御する。温度制御部130は、電源部140から発光素子1に供給する電流又は電圧の設定指示、及び電源部140から発光素子1に電流又は電圧を供給するか否かの指示を、電源部140に供給する。
また、温度制御部130は、例えば、検出対象の気体(ガス)に応じて、赤外線の波長を変更して、発光素子1から放射させる。
Note that the wavelength of infrared rays emitted from the
Moreover, the
電源部140は、温度制御部130から供給される各種指示に基づいて、発光素子1に電流又は電圧を供給する。
The
受光素子150(受光部の一例)は、発光素子1が放射する帯域の波長を受光することができる素子である。受光素子150は、受光した光を電気信号に変換して、変換した電気信号をロックインアンプ160に出力する。すなわち、受光素子150は、温度制御部130によって発光素子1から放射された赤外線であって、変調された赤外線が、試料のガス(流体)を通過した通過光を受光して、受光した通過光に応じた受光信号を出力する。
The light receiving element 150 (an example of a light receiving unit) is an element that can receive a wavelength in a band emitted from the
ロックインアンプ160(検出部の一例)は、受光素子150が出力する受光信号に基づいて、検出対象の気体(ガス)を検出する。ロックインアンプ160は、例えば、同期検波の技術を利用して、参照信号と周波数が等しい電気信号を検出する。ここで、参照信号は、周波数生成部120から供給されたクロック信号である。ロックインアンプ160は、受光信号に含まれる各種の信号のうち、参照信号の周波数と等しい成分のみを直流成分を出力する。また、ロックインアンプ160の出力先は、例えば、画像表示装置、印刷装置等である。
The lock-in amplifier 160 (an example of a detection unit) detects a detection target gas (gas) based on a light reception signal output from the
以上説明したように、本実施形態による発光素子1は、平板部10と、ビーム部11と、バンプ15(接続部材)とを備える。平板部10は、発熱抵抗体12(発熱抵抗部)を有し、水晶により構成されている。ビーム部11は、平板部10と一体に水晶により構成され、平板部10を支持する。バンプ15は、ビーム部11を介して発熱抵抗体12と電気的に接続するとともに、平板部10の面のうち、外部に赤外線を放射する放射面F1側と、当該放射面F1と反対の面(反対面F2)側とが空気に接して保持されるように、ビーム部11を支持する。
As described above, the
これにより、本実施形態による発光素子1は、水晶により平板部10及びビーム部11を構成することで、従来のように薄いダイヤフラムが不要になる。また、本実施形態による発光素子1は、水晶により平板部10を構成することで、例えば、シリコン(Si)上にMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術などで発熱抵抗体を形成する場合に比べて、発熱抵抗体12を有する平板部10を厚く(例えば、40μm〜100μm)することができる。よって、本実施形態による発光素子1は、発熱抵抗体12を有する平板部10及びビーム部11を、製造時の破損、及び、急激な熱分布の片寄りによって発生する熱応力による破損を低減することができる。
As a result, the
また、本実施形態による発光素子1は、例えば、シリコン(Si)より熱伝導率が低い水晶を平板部10及びビーム部11に用いるとともに、平板部10の放射面F1側と、反対面F2側とが空気に接して平板部10が保持される。そのため、本実施形態による発光素子1は、発熱抵抗体12により発生した熱が熱伝導により損失することを低減することができるとともに、発熱抵抗体12を発熱させるための消費電力を低減することができる。
In addition, the
また、図4は、本実施形態による発光素子1の発熱特性の一例を示す図である。
この図に示すグラフは、縦軸が温度[℃]であり、横軸が時間[秒]である。また、波形W1は、発光素子1に100mW(ミリワット)の電力を供給した場合の発熱特性のシミュレーション結果を示す温度波形である。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of heat generation characteristics of the
In the graph shown in this figure, the vertical axis represents temperature [° C.], and the horizontal axis represents time [seconds]. A waveform W1 is a temperature waveform showing a simulation result of heat generation characteristics when power of 100 mW (milliwatt) is supplied to the
本実施形態の発光素子1の平板部10は、熱伝導率が低い水晶を平板部10及びビーム部11に用いることにより、平板部10が熱し易く、冷めやすい温度特性を得ることができる。すなわち、図4の波形W1に示すように、発光素子1の平板部10は、0.02秒程度で温度の立ち上がり及び温度の立ち下がりが可能である。これにより、本実施形態による発光素子1は、例えば、10Hz(ヘルツ)程度の高い周波数により、変調及び同期検波を行うことができる。
The
また、本実施形態では、発熱抵抗体12は、放射面F1側に配置されている。
これにより、本実施形態による発光素子1は、発熱抵抗体12により放射面F1の温度を正確に制御することができる。
In the present embodiment, the
Thereby, the
また、本実施形態では、バンプ15は、ビーム部11の端部を支持する。
これにより、本実施形態による発光素子1は、ビーム部11の端部を介して、熱が素子本体部16に伝達されるため、平板部10の放射面F1の温度の低下をさらに抑制することができる。
In the present embodiment, the
Thereby, the
また、本実施形態による検出装置100は、上述した発光素子1と、温度制御部130(変調部)と、受光素子150(受光部)と、ロックインアンプ160(検出部)とを備える。温度制御部130は、赤外線の光量を所定の周波数で変調して発光素子1から放射させる。出力する受光素子150は、温度制御部130によって発光素子1から放射された赤外線であって、変調された赤外線が、流体(例えば、気体(ガス)や液体)を通過した通過光を受光して、受光した通過光に応じた受光信号を出力する。ロックインアンプ160は、受光素子150が出力する受光信号に基づいて、検出対象の流体を検出する。
これにより、本実施形態による検出装置100は、上述した発光素子1と同様に、平板部10における製造時の破損、及び熱応力による破損を低減することができる。また、本実施形態による検出装置100は、例えば、10Hz(ヘルツ)程度の高い周波数により変調できるため、検出時間を低減することができる。
The
Thereby, the
次に、本実施形態による発光素子1の変形例について説明する。
<第1の変形例>
まず、図5を参照して、第1の変形例の発光素子1aについて説明する。
図5は、本実施形態による第1の変形例の発光素子1aを示す外観図である。
なお、図5は、赤外線を放射する放射面F1(表面)から観察した平板部10及びビーム部11を示している。
Next, a modification of the
<First Modification>
First, a
FIG. 5 is an external view showing a
5 shows the
図5に示すように、発光素子1aは、発熱抵抗体12aを有する平板部10と、ビーム部(11−1、11−2)と、バンプ(15−1、15−2)と、素子本体部16とを備える。なお、この図において、図1と同一の構成には、同一の符号を付与し、その説明を省略する。
本変形例では、発熱抵抗体12aの形状が、図1に示す発熱抵抗体12と異なる。
As shown in FIG. 5, the
In this modification, the shape of the
発熱抵抗体12a(発熱抵抗部の一例)は、上述した発熱抵抗体12と同様に、放射面F1側に配置されており、電流を流すことにより発熱して、平板部10の放射面F1側から外部に、例えば、赤外線を放射させる。なお、発熱抵抗体12aの材質は、上述した発熱抵抗体12と同様である。発熱抵抗体12aは、平板部10上に、抵抗値を高めるように、引き回して形成されている。発熱抵抗体12aは、図5に示すように、矩形波状(メアンダ状)の形状に形成されている。
The
このように、第1の変形例では、発熱抵抗体12aが、矩形波状(メアンダ状)の形状に形成されていることにより、発熱抵抗体12aの抵抗値を高めることができる。発熱抵抗体12aは、ジュール熱により発熱するため、抵抗値が高い程、発熱量を大きくすることができる。よって、第1の変形例の発光素子1aは、発熱効率を高めることができる。
Thus, in the first modification, the
<第2の変形例>
次に、図6を参照して、第2の変形例の発光素子1bについて説明する。
図6は、本実施形態による第2の変形例の発光素子1bを示す外観図である。
なお、図6は、赤外線を放射する放射面F1(表面)から観察した平板部10及びビーム部11を示している。
<Second Modification>
Next, a
FIG. 6 is an external view showing a
FIG. 6 shows the
図6に示すように、発光素子1bは、発熱抵抗体12bを有する平板部10と、ビーム部(11−1、11−2)と、バンプ(15−1、15−2)と、素子本体部16とを備える。なお、この図において、図1と同一の構成には、同一の符号を付与し、その説明を省略する。
本変形例では、発熱抵抗体12bの形状が、図1に示す発熱抵抗体12と異なる。
As shown in FIG. 6, the
In this modification, the shape of the
発熱抵抗体12b(発熱抵抗部の一例)は、上述した発熱抵抗体12と同様に、放射面F1側に配置されており、電流を流すことにより発熱して、平板部10の放射面F1側から外部に、例えば、赤外線を放射させる。なお、発熱抵抗体12bの材質は、上述した発熱抵抗体12と同様である。発熱抵抗体12bは、図6に示すように、上述した発熱抵抗体12aよりもさらに抵抗値を高めるように、さらに長く引き回されて形成されている。
これにより、第2の変形例の発光素子1bは、発熱効率をさらに高めることができる。
The
Thereby, the
<第3の変形例>
次に、図7〜図9を参照して、第3の変形例の発光素子1cについて説明する。
第3の変形例の発光素子1cは、発熱抵抗体12cが、放射面F1と反対の面(反対面F2)に配置されている点が、上述した発光素子1と異なる。
<Third Modification>
Next, with reference to FIGS. 7-9, the
The
図7は、本実施形態による第3の変形例の発光素子1cを示す外観図である。また、図8は、第3の変形例の平板部10の裏面を示す図である。また、図9は、本変形例による発光素子1cの一例を示す断面図である。
なお、図7は、赤外線を放射する放射面F1(表面)から観察した発光素子1c(平板部10及びビーム部11)を示している。また、図8は、反対面F2(裏面)から観察した平板部10及びビーム部11を示している。また、図9は、図7に示すAB線における発光素子1cの断面図を示している。
FIG. 7 is an external view showing a
FIG. 7 shows the
図7〜図9に示すように、発光素子1cは、発熱抵抗体12cを有する平板部10と、ビーム部(11−1、11−2)と、バンプ(15−1、15−2)と、素子本体部16とを備える。
なお、図7〜図9において、図1及び図2と同一の構成には、同一の符号を付与し、その説明を省略する。
本変形例では、図7及び図8に示すように、平板部10の放射面F1側には、発熱抵抗体12cが配置されずに、反対面F2側に、発熱抵抗体12cが配置される。
As shown in FIGS. 7 to 9, the
7-9, the same code | symbol is provided to the structure same as FIG.1 and FIG.2, and the description is abbreviate | omitted.
In the present modification, as shown in FIGS. 7 and 8, the
発熱抵抗体12c(発熱抵抗部の一例)は、放射面F1と反対の面側(反対面F2側)に配置されており、電流を流すことにより発熱して、平板部10の放射面F1側から外部に、例えば、赤外線を放射させる。なお、発熱抵抗体12cの材質は、上述した発熱抵抗体12と同様である。
The
配線13a及び配線14aは、発熱抵抗体12cとバンプ15とを電気的に接続する金属層である。配線13a及び配線14aは、上述した発熱抵抗体12と同様の金属材料によって形成されている。
配線13aは、発熱抵抗体12cの第1端とバンプ15−1とを電気的に接続する。また、配線13aは、発熱抵抗体12cに接して、反対面F2側に形成されている。
配線14aは、発熱抵抗体12cの第2端とバンプ15−2とを電気的に接続する。また、配線14aは、発熱抵抗体12cに接して、反対面F2側に形成されている。
The
The
The
このように、本変形例の発光素子1cでは、発熱抵抗体12cは、放射面F1と反対の面側に配置されている。
これにより、本変形例の発光素子1cは、配線13a及び配線14aを、発熱抵抗体12cの配置されている面の反対側に、引き回す必要がない。そのため、本変形例の発光素子1cは、製造工程を簡略化することができる。
Thus, in the
Thereby, the
[第2の実施形態]
次に、図面を参照して、第2の実施形態による発光素子1d及び検出装置100aについて説明する。本実施形態では、発光素子1dの温度制御をより正確に行うために、温度検出部17を備える場合の一例について説明する。
[Second Embodiment]
Next, the
図10は、本実施形態による発光素子1dの一例を示す外観図である。また、図11は、本実施形態による発光素子1dの平板部10aの裏面(反対面F2)を示す図である。また、図12は、本実施形態による発光素子1dの一例を示す断面図である。
なお、図10は、赤外線を放射する放射面F1(表面)から観察した発光素子1d(平板部10a及びビーム部11a)を示している。また、図11は、反対面F2(裏面)から観察した平板部10a及びビーム部11aを示している。また、図12は、図11に示すAB線における発光素子1dの断面図を示している。
FIG. 10 is an external view showing an example of the
FIG. 10 shows the
図10〜図12に示すように、発光素子1dは、発熱抵抗体12及び温度検出部17を有する平板部10aと、ビーム部(11a−1、11a−2)と、バンプ(15−1、15−2、15−3、15−4)と、素子本体部16aとを備える。
なお、図10〜図12において、図1及び図2と同一の構成には、同一の符号を付与し、その説明を省略する。
As shown in FIGS. 10 to 12, the
10-12, the same code | symbol is provided to the structure same as FIG.1 and FIG.2, and the description is abbreviate | omitted.
本実施形態において、ビーム部11a−1と、ビーム部11a−2とは、発光素子1dが備える任意のビーム部を示す場合、又は特に区別しない場合には、ビーム部11aとして説明する。
また、バンプ15−1と、バンプ15−2と、バンプ15−3と、バンプ15−4とは、発光素子1dが備える任意のバンプを示す場合、又は特に区別しない場合には、バンプ15として説明する。
In the present embodiment, the
In addition, the bump 15-1, the bump 15-2, the bump 15-3, and the bump 15-4 are arbitrary bumps included in the
平板部10aは、水晶により構成された平板状の基材であり、発熱抵抗体12及び温度検出部17を備えている。ここで、平板部10aの面のうち、赤外線を放射する面を放射面F1とし、放射面F1の反対の面を反対面F2として説明する。平板部10aは、後述するバンプ15及び素子本体部16aによって、放射面F1側、及び反対面F2側が、空気に接するように配置されている。
The
温度検出部17は、例えば、薄膜サーミスタであり、平板部10aの温度を検出する。温度検出部17は、検出した温度情報を出力する。温度検出部17は、平板部10aの面のうち、発熱抵抗体12を有する面と反対の面側(例えば、反対面F2側)に配置されている。
The
ビーム部11aは、平板部10aと一体に水晶により構成され、平板部10aを支持する支持部である。ビーム部11aは、図10に示すように、平板部10aのY軸方向の中央(基板SB2の短手方向の中央)の2つの端部に接続されて、平板部10aを支持している。ここで、ビーム部11a−1は、平板部10aの紙面左側中央端部から平板部10aを支持し、ビーム部11a−2は、平板部10aの紙面右側中央端部から平板部10aを支持している。
The
また、平板部10aと、ビーム部11aとは、水晶の基板SB2に一体に形成されている。基板SB2の厚さD(Z軸方向の長さ)は、例えば、40μm(マイクロメートル)〜100μmである。ここで、基板SB2の結晶の向きは、平板部10aの主面(放射面F1及び反対面F2)が、例えば、Zカット面になるように構成されている。また、平板部10a及びビーム部11aには、例えば、水晶振動子などの従来の加工技術が利用できる。
The
基板SB2には、配線13a及び配線14aと、配線18及び配線19とが形成されている。
配線13a及び配線14aは、発熱抵抗体12とバンプ15とを電気的に接続する金属層である。配線13a及び配線14aの材質は、上述した第1の実施形態の配線13及び配線14と同様である。また、配線18及び配線19は、温度検出部17とバンプ15とを電気的に接続する金属層である。配線18及び配線19の材質は、上述した配線13a及び配線14aと同様である。
On the substrate SB2,
The
配線13aは、発熱抵抗体12の第1端とバンプ15−1とを電気的に接続する。また、配線13aは、発熱抵抗体12に接して、放射面F1側に形成されており、さらに、バンプ15−1と接続するために、ビーム部11a−1において、反対面F2側に引き回されて形成されている。
The
配線14aは、発熱抵抗体12の第2端とバンプ15−2とを電気的に接続する。また、配線14aは、発熱抵抗体12に接して、放射面F1側に形成されており、さらに、バンプ15−2と接続するために、ビーム部11a−2において、反対面F2側に引き回されて形成されている。
The
配線18は、温度検出部17の第1端とバンプ15−3とを電気的に接続する。また、配線18は、温度検出部17に接して、反対面F2側に形成されている。
配線19は、温度検出部17の第2端とバンプ15−4とを電気的に接続する。また、配線19は、温度検出部17に接して、反対面F2側に形成されている。
The
The
バンプ15(接続部材の一例)は、ビーム部11aを介して発熱抵抗体12と電気的に接続するとともに、ビーム部11aを介して温度検出部17と電気的に接続する。また、バンプ15は、平板部10aの面のうち、放射面F1側と、当該放射面F1と反対の面(反対面F2)側とが空気に接して保持されるように、ビーム部11aを支持する。バンプ15は、例えば、Au(金)、半田などで素子本体部16aに形成されており、素子本体部16aと、平板部10a及びビーム部11aを含む基板SB2とを接続する。
The bump 15 (an example of a connection member) is electrically connected to the
バンプ15−1は、ビーム部11a−1の端部を支持するように、配線13aと接続されている。また、バンプ15−2は、ビーム部11a−2の端部を支持するように、配線14aと接続されている。また、バンプ15−3は、ビーム部11a−1の端部を支持するように、配線18と接続されている。また、バンプ15−4は、ビーム部11a−2の端部を支持するように、配線19と接続されている。
本実施形態では、4つのバンプ15(バンプ15−1、バンプ15−2、バンプ15−3、及びバンプ15−4)が、ビーム部11a−1及びビーム部11a−2を介して、平板部10aを支持している。
The bump 15-1 is connected to the
In the present embodiment, four bumps 15 (bump 15-1, bump 15-2, bump 15-3, and bump 15-4) are formed into a flat plate portion via the
素子本体部16aは、例えば、セラミックで形成されており、中央に凹部を有している。素子本体部16aは、この凹部により、図12に示すように、バンプ15を介して、平板部10aを空気に接して保持する形状になっている。また、素子本体部16aは、不図示の外部電極(外部端子)を有しており、外部電極は、バンプ15を介して配線(13a、14a、18、19)を接続されている。
The
次に、図13を参照して、本実施形態による発光素子1dを備えた検出装置100aの構成について説明する。
図13は、本実施形態による検出装置100aの一例を示すブロック図である。
図13に示すように、検出装置100aは、操作部110と、周波数生成部120と、温度制御部130aと、電源部140と、発光素子1dと、受光素子150と、ロックインアンプ160とを備える。
なお、この図において、図3と同一の構成には、同一の符号を付与し、その説明を省略する。
Next, the configuration of the
FIG. 13 is a block diagram illustrating an example of the
As illustrated in FIG. 13, the
In this figure, the same components as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
温度制御部130a(変調部の一例)は、赤外線の光量を所定の周波数で変調して発光素子1から放射させる制御を行う。温度制御部130aは、操作部110から供給される操作結果に基づいて、電源部140を介して、発光素子1をオン状態とオフ状態とを切り替えて変調させる。
また、温度制御部130aは、発光素子1dの温度検出部17によって検出された温度情報に基づいて、目的の波長の赤外線が放射される温度になるように、電源部140から発光素子1に供給する電流又は電圧を制御する。
The
In addition, the
以上説明したように、本実施形態による発光素子1dは、平板部10aと、ビーム部11aと、バンプ15(接続部材)とを備える。平板部10aは、発熱抵抗体12(発熱抵抗部)を有し、水晶により構成されている。ビーム部11aは、平板部10aと一体に水晶により構成され、平板部10aを支持する。
これにより、本実施形態による発光素子1dは、第1の実施形態と同様の効果を奏し、発熱抵抗体12を有する平板部10a及びビーム部11aを、製造時の破損、及び、急激な熱分布の片寄りによって発生する熱応力による破損を低減することができる。
As described above, the
Thereby, the
また、本実施形態では、平板部10aは、温度を検出する温度検出部17を備える。
これにより、本実施形態による発光素子1dは、例えば、発光素子1dを使用した検出装置100aにおいて、発光素子1dの温度を正確に制御することが可能になる。すなわち、本実施形態による発光素子1dは、検出装置100aにおいて、発光素子1dの温度を正確に制御することができるため、放射する赤外線の波長(のピーク値)を正確に制御することができる。よって、本実施形態による発光素子1dは、検出装置100aにおいて、流体(例えば、気体(ガス)や液体)の検出精度を向上させることができる。
Moreover, in this embodiment, the
Thereby, the
また、温度検出部17は、平板部10aの面のうち、発熱抵抗体12を有する面と反対の面側(例えば、反対面F2側)に配置されている。
これにより、本実施形態による発光素子1dは、発熱抵抗体12と温度検出部17とを同一の面に配置しないので、平板部10aにおいて、放射面F1の面積(発熱抵抗体12の面積)を広く取ることができる。そのため、本実施形態による発光素子1dは、発熱効率を高めることができる。
Moreover, the
As a result, the
また、本実施形態による検出装置100aは、温度を検出する温度検出部17を備える発光素子1dと、温度検出部17によって検出された温度に基づいて、発光素子1dの温度を制御する温度制御部130aとを備える。
これにより、温度制御部130aは、発光素子1dの温度を正確に制御することにより、発光素子1dが放射する赤外線の波長を正確に制御することができる。よって、本実施形態による検出装置100aは、検出精度を向上させることができる。
In addition, the
Accordingly, the
次に、本実施形態による発光素子1dの変形例について説明する。
<第4の変形例>
図14は、本実施形態による変形例の発光素子1eを示す外観図である。
なお、図14は、赤外線を放射する放射面F1(表面)から観察した平板部10a及びビーム部11aを示している。
Next, a modification of the
<Fourth Modification>
FIG. 14 is an external view showing a
FIG. 14 shows the
図14に示すように、発光素子1eは、発熱抵抗体12及び温度検出部17を有する平板部10aと、ビーム部(11a−1、11a−2)と、バンプ(15−1、15−2)と、素子本体部16aとを備える。なお、この図において、図10及び図11と同一の構成には、同一の符号を付与し、その説明を省略する。
本変形例では、温度検出部17が、平板部10aの面のうち、発熱抵抗体12と同一の面側に配置されている点が、図10に示す発光素子1dと異なる。
As shown in FIG. 14, the
In the present modification, the
本変形例において、温度検出部17は、図14に示すように、放射面F1側に配置されており、発熱抵抗体12と同一の面側に配置されている。
また、配線13b及び配線14bは、発熱抵抗体12とバンプ15とを電気的に接続する金属層である。配線13b及び配線14bの材質は、上述した配線13a及び配線14aと同様である。なお、配線13b及び配線14bは、基板SB2の同一面に配線18a及び配線19aを配置するために、配線13a及び配線14aと形状が異なる。
In this modification, as shown in FIG. 14, the
The
配線13bは、発熱抵抗体12の第1端とバンプ15−1とを電気的に接続する。また、配線13bは、発熱抵抗体12に接して、放射面F1側に形成されており、さらに、バンプ15−1と接続するために、ビーム部11a−1において、反対面F2側に引き回されて形成されている。
The
配線14bは、発熱抵抗体12の第2端とバンプ15−2とを電気的に接続する。また、配線14bは、発熱抵抗体12に接して、放射面F1側に形成されており、さらに、バンプ15−2と接続するために、ビーム部11a−2において、反対面F2側に引き回されて形成されている。
The
また、配線18a及び配線19aは、温度検出部17とバンプ15とを電気的に接続する金属層である。配線18a及び配線19aの材質は、上述した配線13b及び配線14bと同様である。なお、配線18a及び配線19aは、上述した配線18及び配線19とは異なり、配線13b及び配線14bと同一面に形成されている。
Further, the
配線18aは、温度検出部17の第1端とバンプ15−3とを電気的に接続する。また、配線18aは、温度検出部17に接して、放射面F1側に形成されており、さらに、バンプ15−3と接続するために、ビーム部11a−1において、反対面F2側に引き回されて形成されている。
The
また、配線19aは、温度検出部17の第2端とバンプ15−4とを電気的に接続する。また、配線19aは、温度検出部17に接して、反対面F2側に形成されており、さらに、バンプ15−4と接続するために、ビーム部11a−2において、反対面F2側に引き回されて形成されている。
Further, the
以上説明したように、図14に示す変形例では、温度検出部17は、平板部10aの面のうち、発熱抵抗体12と同一の面側に配置されている。
これにより、本変形例の発光素子1eは、発熱抵抗体12と同一の面側の温度を温度検出部17により正確に検出できるため、発光素子1eの温度をさらに正確に制御することが可能になる。
As described above, in the modification shown in FIG. 14, the
As a result, the light-emitting
なお、本発明は、上記の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、上記の第2の実施形態において、上記の第1〜第3の変形例を適用するようにしてもよい。例えば、上記の第2の実施形態において、上記の第3の変形例を適用して、発熱抵抗体12を放射面F1と反対の面側に配置するようにしてもよい。なお、発熱抵抗体12を有する面と反対の面側に温度検出部17を配置して、上記の第3の変形例を適用した場合には、放射面F1側に温度検出部17が配置される。この場合、温度検出部17は、放射面F1側の温度を検出するため、放射される赤外線の波長をさらに正確に制御することが可能になる。
The present invention is not limited to the above embodiments, and can be modified without departing from the spirit of the present invention.
For example, in the second embodiment, the first to third modifications may be applied. For example, in the second embodiment described above, the
また、上記の第1及び第2の変形例において、発熱抵抗体12の引き回しの形状を変更して、抵抗値を高める例(発熱抵抗体12a及び発熱抵抗体12b)を説明したが、発熱抵抗体12の膜厚を薄くすることで、抵抗値を高めてもよい。また、発熱抵抗体12の電流の流れる経路の一部に、発熱抵抗体12が形成させないようにして、抵抗値を高めてもよい。
Further, in the first and second modified examples, the example in which the shape of the
また、上記の各実施形態において、検出装置100(100a)は、1個の発光素子1(1a〜1e)に複数の波長の赤外線を放射させる例を説明したが、これに限定されるものではない。検出装置100(100a)は、複数の発光素子1(1a〜1e)を備えて、各発光素子1(1a〜1e)に異なる波長の赤外線を放射させるようにしてもよい。 Further, in each of the above-described embodiments, the detection apparatus 100 (100a) has been described as an example in which one light-emitting element 1 (1a to 1e) emits infrared rays having a plurality of wavelengths. However, the present invention is not limited to this. Absent. The detection device 100 (100a) may include a plurality of light emitting elements 1 (1a to 1e) and cause each light emitting element 1 (1a to 1e) to emit infrared rays having different wavelengths.
なお、上述した検出装置100(100a)が備える各構成は、内部に、コンピュータシステムを有している。そして、上述した検出装置100(100a)が備える各構成の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより上述した検出装置100(100a)が備える各構成における処理を行ってもよい。ここで、「記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行する」とは、コンピュータシステムにプログラムをインストールすることを含む。ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
また、「コンピュータシステム」は、インターネットやWAN、LAN、専用回線等の通信回線を含むネットワークを介して接続された複数のコンピュータ装置を含んでもよい。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。このように、プログラムを記憶した記録媒体は、CD−ROM等の非一過性の記録媒体であってもよい。
In addition, each structure with which the detection apparatus 100 (100a) mentioned above is provided has a computer system inside. And the program for implement | achieving the function of each structure with which the detection apparatus 100 (100a) mentioned above is provided is recorded on a computer-readable recording medium, and the program recorded on this recording medium is read into a computer system, and is executed. By doing so, you may perform the process in each structure with which the detection apparatus 100 (100a) mentioned above is equipped. Here, “loading and executing a program recorded on a recording medium into a computer system” includes installing the program in the computer system. The “computer system” here includes an OS and hardware such as peripheral devices.
Further, the “computer system” may include a plurality of computer devices connected via a network including a communication line such as the Internet, WAN, LAN, and dedicated line. The “computer-readable recording medium” refers to a storage device such as a flexible medium, a magneto-optical disk, a portable medium such as a ROM and a CD-ROM, and a hard disk incorporated in a computer system. As described above, the recording medium storing the program may be a non-transitory recording medium such as a CD-ROM.
また、記録媒体には、当該プログラムを配信するために配信サーバからアクセス可能な内部又は外部に設けられた記録媒体も含まれる。なお、プログラムを複数に分割し、それぞれ異なるタイミングでダウンロードした後に検出装置100(100a)が備える各構成で合体される構成や、分割されたプログラムのそれぞれを配信する配信サーバが異なっていてもよい。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、ネットワークを介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ(RAM)のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また、上記プログラムは、上述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、上述した機能をコンピュータシステムに既に記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であってもよい。 The recording medium also includes a recording medium provided inside or outside that is accessible from the distribution server in order to distribute the program. It should be noted that the program may be divided into a plurality of parts and downloaded at different timings, and the configuration combined with each configuration included in the detection apparatus 100 (100a) or the distribution server that distributes each of the divided programs may be different. . Furthermore, a “computer-readable recording medium” holds a program for a certain period of time, such as a volatile memory (RAM) inside a computer system that becomes a server or client when the program is transmitted via a network. Including things. The program may be for realizing a part of the functions described above. Furthermore, what can implement | achieve the function mentioned above in combination with the program already recorded on the computer system, and what is called a difference file (difference program) may be sufficient.
また、上述した機能の一部又は全部を、LSI(Large Scale Integration)等の集積回路として実現してもよい。上述した各機能は個別にプロセッサ化してもよいし、一部、又は全部を集積してプロセッサ化してもよい。また、集積回路化の手法はLSIに限らず専用回路、又は汎用プロセッサで実現してもよい。また、半導体技術の進歩によりLSIに代替する集積回路化の技術が出現した場合、当該技術による集積回路を用いてもよい。 In addition, some or all of the functions described above may be realized as an integrated circuit such as an LSI (Large Scale Integration). Each function described above may be individually made into a processor, or a part or all of them may be integrated into a processor. Further, the method of circuit integration is not limited to LSI, and may be realized by a dedicated circuit or a general-purpose processor. In addition, when an integrated circuit technology that replaces LSI appears due to the advancement of semiconductor technology, an integrated circuit based on the technology may be used.
1、1a、1b、1c、1d、1e 発光素子
10、10a 平板部
11、11a、11−1、11a−1、11−2、11a−2 ビーム部
12、12a、12b、12c 発熱抵抗体
13、13a、13b、13c、14、14a、14b、14c、18、18a、19、19a 配線
15、15−1、15−2、15−3、15−4 バンプ
16、16a 素子本体部
17 温度検出部
100、100a 検出装置
110 操作部
120 周波数生成部
130、130a 温度制御部
140 電源部
150 受光素子
160 ロックインアンプ
F1 放射面
F2 反対面
SB1、SB2 基板
1, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e
Claims (8)
前記平板部と一体に水晶により構成され、前記平板部を支持するビーム部と、
前記ビーム部を介して前記発熱抵抗部と電気的に接続するとともに、前記平板部の面のうち、外部に赤外線を放射する放射面側と、当該放射面と反対の面側とが空気に接して保持されるように、前記ビーム部を支持する接続部材と
を備えることを特徴とする発光素子。 A flat plate portion having a heating resistance portion and made of crystal;
A beam unit configured of quartz integrally with the flat plate portion and supporting the flat plate portion;
While being electrically connected to the heating resistor portion through the beam portion, a radiation surface side for emitting infrared rays to the outside and a surface side opposite to the radiation surface are in contact with air among the surfaces of the flat plate portion. And a connecting member that supports the beam portion so as to be held.
ことを特徴とする請求項1に記載の発光素子。 The light-emitting element according to claim 1, wherein the heat generating resistance portion is disposed on the radiation surface.
ことを特徴とする請求項1に記載の発光素子。 The light-emitting element according to claim 1, wherein the heat generating resistance portion is disposed on a surface side opposite to the radiation surface.
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の発光素子。 The light emitting element according to any one of claims 1 to 3, wherein the flat plate portion includes a temperature detection unit that detects a temperature.
ことを特徴とする請求項4に記載の発光素子。 The light emitting device according to claim 4, wherein the temperature detection unit is disposed on the same side of the flat plate portion as the heating resistor portion.
ことを特徴とする請求項4に記載の発光素子。 The light emitting element according to claim 4, wherein the temperature detection unit is disposed on a surface side of the flat plate portion opposite to a surface having the heating resistor portion.
ことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の発光素子。 The light emitting element according to any one of claims 1 to 6, wherein the connection member supports an end portion of the beam portion.
赤外線の光量を所定の周波数で変調して前記発光素子から放射させる変調部と、
前記変調部によって前記発光素子から放射された赤外線であって、変調された赤外線が、流体を通過した通過光を受光して、受光した前記通過光に応じた受光信号を出力する受光部と、
前記受光部が出力する前記受光信号に基づいて、検出対象の流体を検出する検出部と
を備えることを特徴とする検出装置。 The light emitting device according to any one of claims 1 to 7,
A modulator that modulates the amount of infrared light at a predetermined frequency and emits the light from the light emitting element;
A light-receiving unit that receives infrared light emitted from the light-emitting element by the modulation unit, the modulated infrared light passing through the fluid, and outputs a light-receiving signal according to the received light;
A detection device comprising: a detection unit that detects a fluid to be detected based on the light reception signal output by the light reception unit.
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2017
- 2017-01-19 JP JP2017007361A patent/JP2018115975A/en active Pending
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