JPWO2019189630A1 - 流量流速算出装置、流量流速センサ装置、流量装置および流量流速算出方法 - Google Patents
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Abstract
流量流速センサ装置は、受光素子と、発光素子とが実装されたパッケージと、遮光膜を有する透明基板と、流量流速算出装置とを備えている。流量流速算出装置は、受信部と、補正部と、計算部と、送信部を有している。受信部は、第１パワースペクトルのデータを受信する。補正部は、受信部にて受信したデータから補正して第２パワースペクトルを算出する。計算部は、補正部にて算出された第２パワースペクトルに基づいて流量および／または流速を算出する。送信部は、計算部にて算出された流量および／または流速を外部に送信する。
Description
本発明は、流量流速算出装置、流量流速センサ装置、流量装置および流量流速算出方法に関する。
血流等の生体情報を簡単に、かつ高速に測定できる計測センサ等の流量流速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流量流速センサ装置は、例えば、特開平７−９２１８４号公報に記載されているように、受光素子と発光素子が収容された基板の上面に透明基板が接合されている。基板の一部が発光素子の一部を覆っている。
しかしながら、特開平７−９２１８４号公報に開示された流量流速センサ装置では、基準周波数において高流量の場合と、低流量の場合の違いが判別しにくいおそれがあった。その結果、流量の状態を正確に把握できないおそれがあった。
本発明の一実施形態に係る流量流速算出装置は、受信部と、補正部と、計算部と、送信部とを有している。受信部は、第１パワースペクトルのデータを受信する。補正部は、受信部にて受信したデータから補正して第２パワースペクトルを算出する。計算部は、補正部にて算出された第２パワースペクトルに基づいて流量および／または流速を算出する。送信部は、計算部にて算出されたデータを外部に送信する。
本発明の一実施形態に係る流量流速センサ装置は、受光素子と、発光素子とが実装されたパッケージと、遮光膜を有する透明基板と、流量流速算出装置とを備えている。
本発明の一実施形態に係る流量流速算出方法は、第１パワースペクトルを受信する第１処理と、第１処理にて得られた第１パワースペクトルに対して補正して第２パワースペクトルを算出する第２処理と、算出処理は、第２処理にて補正した第２パワースペクトルに基づいて流量および／または流速を算出する。
図１は、本発明の実施形態に係る流量流速センサ装置に含まれる流量流速センサを示す斜視図である。図２は、本発明の実施形態に係る流量流速センサ装置に含まれる流量流速センサを示す分解斜視図である。図３は、図１のＡ−Ａ線で切断した本発明の実施形態に係る流量流速センサ装置に含まれる流量流速センサを示す断面図である。図４は、本発明の他の実施形態に係る流量流速センサ装置に含まれる流量流速センサを示す断面図である。図５は、本発明の他の実施形態に係る流量流速センサ装置に含まれる流量流速センサを示す断面図である。図６は、本発明の他の実施形態に係る流量流速センサ装置に含まれる流量流速センサを示す断面図である。図７は、本発明の他の実施形態に係る流量流速センサ装置に含まれる流量流速センサを示す断面図である。図８は、本発明の実施形態に係る流量流速センサ装置を示す断面図である。図９は、本発明の他の実施形態に係る流量流速センサ装置を示す断面図である。図１０は、本発明の他の実施形態に係る流量流速センサ装置を示す断面図である。図１１は、本発明の他の実施形態に係る流量流速センサ装置を示す断面図である。図１２は、本発明の実施形態に係る流量流速センサ装置を示す断面図である。図１３および図１４は、本発明の実施形態に係る流量流速算出装置を示す構成図である。図１５は、本発明の他の実施形態に係る流量流速算出装置を示す構成図である。図１６は、本発明の実施形態に係る制御装置を示す構成図である。図１７は、本発明の実施形態に係る流量流速センサ装置を示す構成図である。図１８は、本発明の実施形態に係る流量流速算出装置で得られる補正されたグラフである。図１９は、本本発明の他の実施形態に係る流量流速算出装置で得られる補正されたグラフである。図２０および図２１は、本発明の実施形態に係る流量流速センサ装置のフローチャート図である。図２２は、本発明の他の実施形態に係る流量流速センサ装置のフローチャート図である。図２３は、本発明の他の実施形態に係る流量流速センサ装置のフローチャート図である。図２４は、本発明の他の実施形態に係る流量流速センサ装置のフローチャート図である。図２５は、本発明の実施形態に係る流量装置の断面図である。これらの図において流量流速センサ装置１００は、流量流速センサ１と、制御装置２０と、流量流速算出装置１０とを備えている。流量流速センサ１は、パッケージ２と、透明基板３とを備えている。透明基板３には遮光膜４を有しており、パッケージ２には発光素子５と、受光素子６が実装されている。流量装置１０１は、流量流速センサ１、実装基板３０、筐体５０および流路５１を備えている。
本発明の実施形態に係る流量流速センサ装置１００は、流量を検知する流量流速センサ１と、検知した情報を処理する制御装置２０と、処理した情報から流量を算出する流量流速算出装置１０とを備えている。流量流速センサ１は、パッケージ２と、透明基板３とを備えている。透明基板３には遮光膜４を有しており、パッケージ２には発光素子５と、受光素子６が実装されている。制御装置２０は、第２受信部２１と、ＡＤ変換部２２と、フーリエ変換部２３と、第２送信部２４とを有している。流量流速算出装置１０は、受信部１１と、補正部１２と、計算部１９と、送信部１５とを有している。さらに、流量流速算出方法としては、後述するように第１処理〜算出処理を有している。
パッケージ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。パッケージ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。パッケージ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、誘電体層が樹脂絶縁材料からなる有機配線基板であってもよい。
パッケージ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成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は、複数のセラミック誘電体層を含んでいる。
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、パッケージ２が、有機材料による配線基板（有機配線基板）の場合、有機材料から成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成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、フィラー粒子、ガラスクロスが含有していてもよい。
また、このパッケージ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２ａ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２ｂである。第１開口部２ａおよび第２開口部２ｂは、パッケージ２の同一の主面（パッケージ２の第１面）２１に開口するように設けられている。
また、パッケージ２は、基板２ｆと枠体２ｇが接合されて構成されていてもよい。この場合には、基板２ｆが有機材料を含んでおり、枠体２ｇがセラミック材料を含んでいてもよい。このことによって、枠体２ｇではノイズの低減を図るとともに、容易に作製することができる。
本発明の実施形態に係る流量流速センサ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と、被計測物によって散乱された光を受光する受光素子とを備える。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、流量流速センサ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２ａおよび第２開口部２ｂ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２ａの大きさ、第２開口部２ｂ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く、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: Vertical Cavity Surface Emitting Laser）を用いる場合、第１開口部２ａ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、ＬＥＤ（Light emitting Diode）を用いてもよい。
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２開口部２ｂ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２ａと第２開口部２ｂとの間（受光素子６と発光素子５との間）は、発光素子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２ａと第２開口部２ｂ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２ａと第２開口部２ｂ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。
第１開口部２ａおよび第２開口部２ｂは、開口形状が、例えば、円形状であってもよく、その他の形状であってもよい。また、第１開口部２ａおよび第２開口部２ｂは、パッケージ２の主面に平行な断面の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。段差付きの凹部である場合は、第１開口部２ａ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２ｂ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、パッケージ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パッケージ２の下面（パッケージ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成っていてもよい。外部接続端子は、パッケージ２の下面に設けられており、流量流速センサ１を備える計測センサが実装される実装基板３０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のがよい。このために、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。
透明基板３は、パッケージ２の上面（パッケージ２の第１面）を覆い、接合材によってパッケージ２の第１面に接合される。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２ａおよび第２開口部２ｂが塞がれて封止される。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２ｂ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２ａ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。なお、出射光は発光素子５より直接出射される光であり、後述する照射光は、発光素子５から出射された光のうち被計測物に照射される光のことであり、散乱光は、発光素子５から出射された光が内壁に反射、透明基板３を透過等した際に散乱する光のことである。
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３２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、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透明基板３を構成すればよい。
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、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、パッケージ２と透明基板３とを接合する。より詳細には、パッケージ２の上面と透明基板３の下面とを、外周部分で接合する。接合材は、パッケージ２の上面に沿って環状に設けられており、パッケージ２の第１開口部２ａおよび第２開口部２ｂ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２ａおよび第２開口部２ｂ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、パッケージ２と透明基板３との間を通って、第１開口部２ａ内、第２開口部２ｂ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ることが好ましい。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低減させるとともに、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を含んで構成される。接合材は、例えば、パッケージ２と透明基板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、導電性接合剤は、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。
透明基板３の下面において遮光膜４を有している。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、第１貫通孔２ｃと、第２貫通孔２ｄとを有している。第１貫通孔２ｃは、平面視において、第１開口部２ａと重なって位置している。また、第２貫通孔２ｄは、平面視において、第２開口部２ｂと重なって位置している。第２貫通孔２ｄは、発光素子５と重なって位置している。なお、第１貫通孔２ｃ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２ｄは、例えば、円形状、矩形状であり、大きさがΦ５μｍ〜Φ５００μｍである。このように、発光素子５が放射した光を透過させたい箇所のみ遮光膜４を設けず、その他の箇所に設けている場合には、透明基板３の他の箇所から光が漏れ出るのを低減させることができる。その結果、漏れ出ることによって被計測物にて予想外の反射をして受光素子６に光が入射することを低減させることができる。
流量流速算出装置１０は、受信部１１と、補正部１２と、計算部１９と、送信部１５とを備えている。受信部１１および送信部１５は、それぞれ電気信号等で外部からデータを受け取り、外部にデータを送信する部分である。なお、受信したパワースペクトルP(fn)第１パワースペクトル）のデータ（fnは、周波数）は、基準周波数λよりも低周波のパワースペクトル成分を持つデータである。このパワースペクトルにおいては、後述する基準周波数λは、流量流速センサ１にて測定した測定値をアナログデジタル（Analog- digital）変換（ＡＤ変換）するＡＤコンバータのサンプリングレートに依存する数値である。このサンプリングレートのために、基準周波数λよりも高周波のデータはそもそも表示されない。このとき、例えば、パワースペクトルのデータを周波数毎にわけて、パワー対流量のグラフを作成し、測定したい所望の流量域（流量の範囲）に応じて、計算に使う周波数（の範囲）を決定してもよい。
このため、補正部１２は、受信部１１にて受信したデータに基づいて流量および／または流速を算出するためのパワースペクトル（第２パワースペクトル）を計算するための補正を行う部分である。例えば、補正部１２は、データを補間する補間部１８のようなものであってもよいし、上述したような測定したい所望の流量域に応じて、計算に使う周波数を選択して決定するようなものであってもよい。補間部１８のようなものの場合には、受信部１１にて受信したデータに基づいて基準周波数λよりも高周波に位置したパワースペクトルを第１パワースペクトルとして算出して補間する。具体的には、受信部１１にて受信した第１パワースペクトルのうち、基準周波数λよりも高周波において、基準周波数よりも低周波のパワースペクトルの数値に対して最小二乗法を用いて近似式曲線を算出する。この近似式曲線を、受信部１１にて受信したパワースペクトルを仮に高周波側に延長した場合に、０になる周波数まで補間する。または、ベースラインを下回る周波数まで補間してもよい。この場合に、ベースラインはスペクトルにおけるノイズレベルに応じて決まる出力である。このとき、第２パワースペクトルは、ある値に収束していくように漸近する。この漸近する値のことをベースラインとしてもよい。補正部１２は、これらを計算するプログラムが組み込まれている。なお、補間前のグラフは図１７に示しており、横軸が周波数で縦軸がパワースペクトル（信号光強度）である。また、補間後のグラフは図１８に示しており、点線が補間されたグラフである。
さらに補正部１２は、測定対象（被計測物）の粘度の境界値Ｂを設定する設定部１６と、設定部１６にて設定した境界値Ｂよりも大きい粘度に対して第１近似をし、設定部１６にて設定した境界値Ｂよりも大きい粘度に対して第２近似をする選択部１７とを有していてもよい。第１近似および第２近似は、二次式近似、対数近似等、適切な近似式を選択すればよく、そのパターンは選択部１７に記憶させておき、計算するプログラムを組み込んでおけばよい。
また、補正部１２は、受光素子６における受光量に応じて流量を補正してもよい。流体の濃度によって測定流量値が変化する。このため、受光量を計測することによって、濃度の変化を検知し、その濃度の変化に応じて、流量を補正する。具体的には、濃度の基準値を決めて、ＤＣ（direct current）値を基準として、ＤＣの変化比率を流量値に積算して反映することで流量を算出することができる。
また、流体が流れる血管、チューブ等の影響を受けて光の反射量等が変化する。このため、他に受光センサを設けるあるいは、流量流速センサ装置１００に、受光センサ装置を設けて、流体の無い状態での透過光量、反射光量を推測してもよい。この場合には、補正部１２は、反射光量から、血管あるいはチューブの屈折率を算出するプログラムと、その屈折率と、受光センサ装置に到達した透過光量から算出される透過率とを用いて吸収率を推測させるプログラムをさらに有していてもよい。この推測した屈折率、吸収率から受光信号の被計測物の管の内側から反射した光の信号量を推測することができる。このとき、補正部１２は、ＤＣ受光量を掛けて算出させ、反射光量を差し引いて流量の算出を行なうのがよい。補正部１２は、このとき、受光センサ装置より透過率の情報を受信する他の受信部をさらに有しているのがよく、受光センサ装置は、流量流速算出装置１０に情報を送信する他の送信部を有しているのがよい。または、ＤＣ受光量に応じてＶＣＳＥＬの発光強度を調整してもよい。
また、受光センサ装置は、後述する流量流速センサ装置１００と一体物でもよい。この場合には、フレキシブルに動くゴム、ばね等で接続されており、被計測物を間に挟んで測定することができる。
計算部１９は、補正部１２にて補正されたパワースペクトルに基づいて流量および／または流速を算出する。例えば第１計算部１３と、第２計算部１４とを有していてもよい。第１計算部１３は、補正部１２にて算出されたパワースペクトルに対して周波数の重み付けをする。具体的には、各周波数に対して、
にて周波数の重み付けをしたパワースペクトル（第３パワースペクトル）を算出できる。
第２計算部１４は、第１計算部１３にて重み付けされたパワースペクトルに対して積分をする。積分は、
にて算出できる。この結果、パワースペクトルを１次モーメントの形とすることができる。
この流量流速算出装置１０は、パッケージ２内に位置していてもよい。この場合には、小型化を図ることができる。また、後述する実装基板３０に実装されていてもよい。この場合には、流量流速センサ１内にノイズが生じることを低減することができる。
制御装置２０は、流量流速センサ１にて測定したデータ（測定値）を電気信号等で受信する。制御装置２０は、流量流速センサ１にて測定したデータを受信する第２受信部２１と、流量流速算出装置１０にデータを送信する第２送信部２４とを備えている。
制御装置２０は、第２受信部２１で受信した測定信号（アナログ信号）をデジタル信号に変換するＡＤ変換部２２を有している。そして、ＡＤ変換部２２にて変換されたデータをフーリエ変換する変換部２３を有しており、この変換されたデータが第２送信部２４に電気信号等で送られる。
さらに、流量流速センサ装置１００として、流量流速算出装置１０にて算出したデータを受信して、視認できるように表示する表示部４０を備えていてもよい。表示部４０があることによって、誰にでも流量の状態が認識できるようになる。
本発明の実施形態に係る流量流速センサ装置１００では、上記のような構成であることにより、受信したパワースペクトルを補正して、より正確な流量および／または流速を算出することができる。高流量、低流量の場合わけを、基準周波数λよりも高周波の領域のデータを補正することによって、より正確に算出することができる。このため、様々な流量に対応して測定値を算出することができる。
＜流量流速センサの製造方法＞
流量流速センサ１の製造方法について説明する。まず、パッケージ２をセラミックグリーンシート積層法またはビルドアップ法等で多層配線基板の製造方法と同様にして作製する。パッケージ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、接地導体層５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パッケージ２が作製される。パッケージ２のうち、基板２ｆが有機材料を含んでいる場合には、所定の形状に成形できるような金型を用いて、トランスファーモールド法またはインジェクションモールド法等で成形することによって形成することができる。また、例えばガラスエポキシ樹脂のように、ガラス繊維から成る基材に樹脂を含浸させたものであってもよい。この場合には、ガラス繊維から成る基材にエポキシ樹脂の前駆体を含浸させ、このエポキシ樹脂前駆体を所定の温度で熱硬化させることによって形成できる。
流量流速センサ１の製造方法について説明する。まず、パッケージ２をセラミックグリーンシート積層法またはビルドアップ法等で多層配線基板の製造方法と同様にして作製する。パッケージ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、接地導体層５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パッケージ２が作製される。パッケージ２のうち、基板２ｆが有機材料を含んでいる場合には、所定の形状に成形できるような金型を用いて、トランスファーモールド法またはインジェクションモールド法等で成形することによって形成することができる。また、例えばガラスエポキシ樹脂のように、ガラス繊維から成る基材に樹脂を含浸させたものであってもよい。この場合には、ガラス繊維から成る基材にエポキシ樹脂の前駆体を含浸させ、このエポキシ樹脂前駆体を所定の温度で熱硬化させることによって形成できる。
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透明基板３を準備する。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、パッケージ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、パッケージ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、パッケージ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。
＜流量流速センサの他の実施形態＞
本発明の他の実施形態に係る流量流速センサ装置１００は、透明基板３の上面において、第１開口部２ａおよび第１貫通孔２ｃと重なる位置には、レンズ８が取付けられていてもよい。レンズ８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、レンズ８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。レンズ８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、レンズ８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。レンズ８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受光素子６への光の集光性を向上させることができる。
本発明の他の実施形態に係る流量流速センサ装置１００は、透明基板３の上面において、第１開口部２ａおよび第１貫通孔２ｃと重なる位置には、レンズ８が取付けられていてもよい。レンズ８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、レンズ８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。レンズ８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、レンズ８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。レンズ８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、透明基板３の上面において、第２開口部２ｂおよび第２貫通孔２ｄと重なる位置に、さらに第２のレンズ９が取付けられていてもよい。第２のレンズ９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のレンズ９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のレンズ９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のレンズレンズ９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のレンズ９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。また、一つのレンズがＶＣＳＥＬ上およびＰＤ（Photo diode）上に跨って配置され、ＶＣＳＥＬからの出射光、ＰＤへの受光をそれぞれ集光する構造をしていてもよい。
流量流速センサ１が、レンズ８および／または第２のレンズ９を有している場合には、各レンズと遮光膜４とによって、流体中の１点からの光を導入し、流速を算出することができる。流路の分布は、外側がゆっくりで、内側が早いため、レンズを用いることで、計測したい位置を狙って、流速という形で情報を取り入れる。この結果から、流速、断面積、粘度を考慮して流量の算出をすることができる。
この内側までの流量の測定に関しては、その流量流速センサ装置１００において、どの程度の深度まで測定できるのか事前に確認しておく必要がある。なお、計算式上は、以下の通りのため、奥深くまで光が到達すればドップラーシフト量は大きくなる。これを実測値にて測定するために後述するような装置にて算出する。
装置の一例として、ＬＤ（Laser diode）が実装された第１基板と、ＰＤが実装された第２基板を用意する。第１基板と第２基板との間の距離を可変にして測定すればよい。このとき、流量流速センサ装置１００は各基板の端部に位置するのがよい。第１基板と第２基板との距離に対して、受光量がどのように変動するかを算出することにより、測定位置の深度を推定することができる。このため、第１基板および第２基板に、無線通信できるセンサ（受信センサおよび送信センサ）、距離を検知するセンサ（例えば、ＴＯＦ（Time of Flight）センサ等）を有していてもよく、また、第１基板および第２基板の一方に距離と光の検知の結果を算出するプログラムが組み込まれた計算部を有していてもよい。第１基板と第２基板の距離は機械的に可変な装置としてもよい。その場合は、種々の測定対象に対して柔軟に深度推定ができる測定器とすることが可能になる。もしくは、流量装置１０１のように、センサを複数個、流路に沿って実装することでＬＤとＰＤの距離を可変にする基板と同等の効果を持った１枚の基板としてもよい。この場合は基板を可動させる必要がなく、また実装したセンサ間距離のブレについても低減が見込める。このとき、実装基板３０に複数の流量流速センサ１が、筐体５０に取り付けられた流路５１に沿って実装される。
本発明の他の実施形態に係る流量流速センサ１は、第１開口部２ａに、さらに第２の受光素子７が位置していてもよい。このとき、遮光膜４は、第２の受光素子７の上方も一部設けないのがよい。第２の受光素子７に向かって放射される光が透過される領域は空けておくことによって、外乱光を第２の受光素子７に到達させることを低減させることができる。
また、本発明の他の実施形態に係る流量流速センサ１は、遮光膜４は、第２開口部４２と重なる位置において、第２貫通孔２ｄと間を空けて位置した第３貫通孔２ｅを有していてもよい。第３貫通孔２ｅは、第１貫通孔２ｃと第２貫通孔２ｄとの間に位置しているのがよい。第３貫通孔２ｅは、いわゆる参照光用の貫通孔となり、より正確に受光素子６に光が伝わるため、速度算出をより正確にすることができる。このとき、第３貫通孔２ｅは、第２貫通孔２ｄよりも小さいのがよい。
また、本発明の他の実施形態に係る流量流速センサ１は、第１開口部２ａと第２開口部２ｂとの間において、透明基板３の下面とパッケージ２との間が空いている。つまり、パッケージ２は、第１開口部２ａと第２開口部２ｂ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。
＜流量流速センサ装置の他の実施形態＞
流量流速センサ１は、実装基板３０に実装されて使用されてもよい。実装基板３０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た制御装置２０が実装されていてもよい。また、流量流速センサ１を覆った筐体５０を備えていてもよい。筐体５０が有る場合には、外部からのノイズをより低減させることができる。
流量流速センサ１は、実装基板３０に実装されて使用されてもよい。実装基板３０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た制御装置２０が実装されていてもよい。また、流量流速センサ１を覆った筐体５０を備えていてもよい。筐体５０が有る場合には、外部からのノイズをより低減させることができる。
測定する場合には、被計測物として手指の指先を透明基板３の表面に接触させた状態で、実装基板３０から外部接続端子を介して発光素子制御電流が流量流速センサ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、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。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流量流速センサ１から実装基板３０へと出力される。
実装基板３０では、流量流速センサ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。
＜流量流速算出方法＞
流量流速算出方法の詳細な計算方法は、上述した流量流速算出装置に組み込まれるプログラムと同様のため、以下では省略する。主な流量流速算出方法は、測定値をＡＤ変換したデータは次のように補正されて、算出される。ＡＤ変換したデータよりパ第１ワースペクトルを算出する第１処理と、第１処理にて得られた第１パワースペクトルに対して基準周波数λよりも高周波のパワースペクトルを算出して補間するような第２パワースペクトルを補正する第２処理と、第２処理にて補正した第２パワースペクトルに基づいて流量および／または流速を算出する算出処理とを備えている。算出処理は、第２処理にて補正した第２パワースペクトルに基づいて周波数の重み付けをする第３処理と、第３処理にて得られた第３パワースペクトルに対して１次モーメントを算出する第４処理とを有している。
流量流速算出方法の詳細な計算方法は、上述した流量流速算出装置に組み込まれるプログラムと同様のため、以下では省略する。主な流量流速算出方法は、測定値をＡＤ変換したデータは次のように補正されて、算出される。ＡＤ変換したデータよりパ第１ワースペクトルを算出する第１処理と、第１処理にて得られた第１パワースペクトルに対して基準周波数λよりも高周波のパワースペクトルを算出して補間するような第２パワースペクトルを補正する第２処理と、第２処理にて補正した第２パワースペクトルに基づいて流量および／または流速を算出する算出処理とを備えている。算出処理は、第２処理にて補正した第２パワースペクトルに基づいて周波数の重み付けをする第３処理と、第３処理にて得られた第３パワースペクトルに対して１次モーメントを算出する第４処理とを有している。
このとき記第２処理において、最小二乗法を用いることができる。この際、第２処理において、パワースペクトルが０になる周波数まで直線近似式にて補間してもよい。
また、第２処理において、第１処理のデータのうち、測定対象の粘度の境界値Ｂを設定するとともに、設定した境界値Ｂよりも大きい粘度に対して第１近似を、境界値Ｂよりも小さい粘度に対して第２近似を行なってもよい。
このとき、図１９〜図２２のフローチャートは以下のことを示している。図１９は、第１処理〜第４処理に加えて、データを送信した、流量流速算出方法の単純化したフローである。図２０は、流量流速センサ１にて検知したデータを流量流速算出装置１０に送信するまでのフローである。また、図２１は、第２処理のうち補間処理におけるより具体的な処理方法を示したフローである。そして、図２２は、流量算出において、さらに流体の粘度まで考慮する際の粘度の算出方法を示すフローである。
なお、本発明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、本発明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。
１ 流量流速センサ
２ パッケージ
３ 透明基板
４ 遮光膜
５ 発光素子
６ 受光素子
７ 第２の受光素子
８ レンズ
９ 第２のレンズ
１０ 流量流速算出装置
１１ 受信部
１２ 補正部
１３ 第１計算部
１４ 第２計算部
１５ 送信部
１６ 設定部
１７ 選択部
１８ 補間部
１９ 計算部
２０ 制御装置
２１ 第２受信部
２２ ＡＤ変換部
２３ フーリエ変換部
２４ 第２送信部
３０ 実装基板
４０ 表示部
５０ 筐体
５１ 流路体
２ａ 第１開口部
２ｂ 第２開口部
２ｃ 第１貫通孔
２ｄ 第２貫通孔
２ｅ 第３貫通孔
２ｆ 基板
２ｇ 枠体
１００ 流量流速センサ装置
１０１ 流量装置
λ 基準周波数
Ｂ 境界値
２ パッケージ
３ 透明基板
４ 遮光膜
５ 発光素子
６ 受光素子
７ 第２の受光素子
８ レンズ
９ 第２のレンズ
１０ 流量流速算出装置
１１ 受信部
１２ 補正部
１３ 第１計算部
１４ 第２計算部
１５ 送信部
１６ 設定部
１７ 選択部
１８ 補間部
１９ 計算部
２０ 制御装置
２１ 第２受信部
２２ ＡＤ変換部
２３ フーリエ変換部
２４ 第２送信部
３０ 実装基板
４０ 表示部
５０ 筐体
５１ 流路体
２ａ 第１開口部
２ｂ 第２開口部
２ｃ 第１貫通孔
２ｄ 第２貫通孔
２ｅ 第３貫通孔
２ｆ 基板
２ｇ 枠体
１００ 流量流速センサ装置
１０１ 流量装置
λ 基準周波数
Ｂ 境界値
Claims (27)
- 第１パワースペクトルのデータを受信する受信部と、
前記受信部にて受信したデータから補正して第２パワースペクトルとして算出する補正部と、
前記第２パワースペクトルに基づいて、流体の流量および／または流速を算出する計算部と、
前記計算部にて算出されたデータを外部に送信する送信部とを備えたことを特徴とする流量流速算出装置。 - 前記補正部は、測定する流量の範囲に応じて、計算に用いる周波数の範囲を決定することを特徴とする請求項１に記載の流量流速算出装置。
- 前記補正部は、ＤＣ値を基準として、ＤＣ値の変化率を流速値および／または流量値に反映することを特徴とする請求項１に記載の流量流速算出装置。
- 前記補正部は、流体が位置する流路体の周壁における光の吸収率を算出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の流量流速算出装置。
- 前記吸収率は、前記周壁による射光量に基づく屈折率および／または透過光量に基づく透過率から算出されることを特徴とする請求項４に記載の流量流速算出装置。
- 前記受信部は、基準周波数よりも低周波に位置したパワースペクトルを前記第１パワースペクトルとして受信するとともに、前記補正部は、前記受信部にて受信したデータから前記基準周波数よりも高周波に位置したパワースペクトルを前記第２パワースペクトルとして算出して補間する補間部を有していることを特徴とする請求項１に記載の流量流速算出装置。
- 前記受信部にて受信したパワースペクトルのうち、前記基準周波数よりも高周波において、前記補正部は、前記基準周波数よりも低周波数のパワースペクトルの数値に対して最小二乗法にて近似式曲線を算出することを特徴とする請求項６に記載の流量流速算出装置。
- 前記補正部は、前記近似式曲線を、前記第２パワースペクトルが０になる周波数またはベースラインを下回る周波数まで補間することを特徴とする請求項７に記載の流量流速算出装置。
- 前記補正部は、前記受信部にて受信したデータのうち、測定対象の粘度の境界値を設定する設定部と、
前記設定部にて設定した前記境界値よりも大きい粘度に対して第１近似を、前記設定部にて設定した前記境界値よりも小さい粘度に対して第２近似を行なう選択部とを有していることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１つに記載の流量流速算出装置。 - 前記第１近似は対数近似であり、前記第２近似は二次式近似であることを特徴とする請求項９に記載の流量流速算出装置。
- 前記計算部は、前記第２パワースペクトルに対して周波数の重み付けをする第１計算部と、
前記第１計算部にて重み付けされた第３パワースペクトルに対して積分をする第２計算部とを有していることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の流量流速算出装置。 - 受光素子と、前記受光素子と間を空けて位置した発光素子とが実装されたパッケージと、前記パッケージの上面に位置するとともに、下面に遮光膜を有する透明基板と、を有する流量流速センサと、
前記流量流速センサにて測定したデータを受信する制御装置と、
前記制御装置からデータを受信する請求項１〜１１のいずれか１つに記載の流量流速算出装置とを備えたことを特徴とする流量流速センサ装置。 - 前記流量流速算出装置は、前記パッケージ内に位置することを特徴とする請求項１２に記載の流量流速センサ装置。
- 前記流量流速センサの下面には、実装基板が位置しており、
前記実装基板に前記制御装置および前記流量流速算出装置が実装されていることを特徴とする請求項１２に記載の流量流速センサ装置。 - 前記パッケージは、基板と前記基板を囲んで位置した枠体とを含んでおり、
前記基板は樹脂材料を含み、前記枠体はセラミック材料を含んでいることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか１つに記載の流量流速センサ装置。 - 前記流量流速算出装置からデータを受信して表示する表示部をさらに備えたことを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか１つに記載の流量流速センサ装置。
- 前記制御装置は、前記流量流速センサにて測定したデータを受信する第２受信部と、
前記第２受信部から受信した測定信号をデジタルに変換するＡＤ変換部と、
前記ＡＤ変換部にて変換したデータをフーリエ変換するフーリエ変換部と、
前記フーリエ変換部にて変換したデータを、前記流量流速算出装置に送信する第２送信部を有していることを特徴とする請求項１２〜１６のいずれか１つに記載の流量流速センサ装置。 - 前記流量流速センサを覆った筐体をさらに備えたことを特徴とする請求項１２〜１７のいずれか１つに記載の流量流速センサ装置。
- 第１パワースペクトルを受信する第１処理と、
前記第１処理にて得られた前記第１パワースペクトルに対して補正して第２パワースペクトルを算出する第２処理と、
前記第２パワースペクトルに基づいて流量および／または流速を算出する算出処理とを備えたことを特徴とする流量流速算出方法。 - 前記第１処理は、基準周波数よりも低い周波数のパワースペクトルを前記第１パワースペクトルとして受信し、
前記第２処理は、前記第１処理のデータに基づき前記基準周波数よりも高い周波数のパワースペクトルを前記第２パワースペクトルとして算出することを特徴とする請求項１９に記載の流量流速算出方法。 - 前記第２処理において、最小二乗法を用いることを特徴とする請求項２０に記載の流量流速算出方法。
- 前記第２処理において、前記第２パワースペクトルが０になる周波数またはベースラインを下回る周波数まで直線近似式にて補間することを特徴とする請求項２１に記載の流量流速算出方法。
- 前記第２処理において、前記第１処理のデータのうち、測定対象の粘度の境界値を設定するとともに、設定した前記境界値よりも大きい粘度に対して第１近似を、前記境界値よりも小さい粘度に対して第２近似を行なうことを特徴とする請求項１９〜２２のいずれか１つに記載の流量流速算出方法。
- 前記第２処理は、測定する流量の範囲に応じて、計算に用いる周波数の範囲を決定することを特徴とする請求項１９に記載の流量流速算出方法。
- 前記第２処理は、ＤＣ値を基準として、ＤＣ値の変化率を流速値および／または流量値に反映することを特徴とする請求項１９に記載の流量流速算出方法。
- 前記算出処理は補正した前記第２パワースペクトルに対して周波数の重み付けをする第３処理と、前記第３処理にて得られた第３パワースペクトルに対して１次モーメントを算出する第４処理とを有することを特徴とする請求項１９〜２５のいずれか１つに記載の流量流速算出方法。
- 受光素子と、前記受光素子と間を空けて位置した発光素子とが実装されたパッケージと、前記パッケージの上面に位置するとともに、下面に遮光膜を有する透明基板と、を有する複数の流量流速センサと、
前記複数の流量流速センサが実装される実装基板と、
前記実装基板の上方に位置した筐体と、
前記筐体に位置した流路体と、を備えたことを特徴とする流量流速装置。
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