JP2022003321A

JP2022003321A - センサモジュール

Info

Publication number: JP2022003321A
Application number: JP2020108087A
Authority: JP
Inventors: 達明傳田; Tatsuaki Denda; 裕司古田; Yuji Furuta
Original assignee: Shinko Electric Industries Co Ltd
Current assignee: Shinko Electric Industries Co Ltd
Priority date: 2020-06-23
Filing date: 2020-06-23
Publication date: 2022-01-11
Anticipated expiration: 2040-06-23
Also published as: US20210396658A1; JP7379283B2; US11530983B2

Abstract

【課題】気体の濃度を測定するセンサモジュールの小型化。
【解決手段】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、前記発光素子と前記受光素子とは、所定の間隙を介して対向して配置され、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以下である。
【選択図】図１

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、前記発光素子と前記受光素子とは、所定の間隙を介して対向して配置され、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以下である。

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^２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^２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

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、
前記発光素子と前記受光素子とは、所定の間隙を介して対向して配置され、
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以下であるセンサモジュール。
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前記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基板とが離間して配置されている請求項１に記載のセンサモジュール。
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請求項２に記載のセンサモジュール。
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３に記載のセンサモジュール。
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４に記載のセンサモジュール。
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２乃至５の何れか一項に記載のセンサモジュール。
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２乃至６の何れか一項に記載のセンサモジュール。
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前記所定の間隙を介して対向するように、前記第３基板が屈曲している請求項１に記載のセンサモジュール。
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^２以上である請求項１乃至８の何れか一項に記載のセンサモジュール。
前記気体は、二酸化炭素である請求項１乃至９の何れか一項に記載のセンサモジュール。
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１０に記載のセンサモジュール。
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１０又は１１に記載のセンサモジュール。