特開 2024-16628 振動型光センサ、分光器、食品分析装置および画像診断装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024016628

(43)【公開日】2024-02-07

(54)【発明の名称】振動型光センサ、分光器、食品分析装置および画像診断装置

(51)【国際特許分類】

   G01J 1/02 20060101AFI20240131BHJP

   G01N 21/359 20140101ALI20240131BHJP

   G01J 3/28 20060101ALI20240131BHJP

【ＦＩ】

G01J1/02 Z

G01N21/359

G01J3/28

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022118893

(22)【出願日】2022-07-26

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 令和４年２月１５日に、神戸大学大学院 工学研究科 機械工学専攻 令和３年度修士論文公聴会にて発表

(71)【出願人】

【識別番号】504150450

【氏名又は名称】国立大学法人神戸大学

(74)【代理人】

【識別番号】100109210

【弁理士】

【氏名又は名称】新居 広守

(72)【発明者】

【氏名】菅野 公二

(72)【発明者】

【氏名】磯野 吉正

【テーマコード（参考）】

2G020

2G059

2G065

【Ｆターム（参考）】

2G020AA03

2G020BA12

2G020CB42

2G020CC08

2G020CC27

2G020CD06

2G020CD12

2G059AA05

2G059BB04

2G059BB08

2G059BB11

2G059EE01

2G059EE11

2G059HH01

2G059HH02

2G059JJ01

2G059KK03

2G059KK10

2G065AA08

2G065AA13

2G065AB22

2G065BA03

2G065BA14

2G065BA33

2G065BB27

2G065BC40

(57)【要約】

【課題】光吸収量および光熱変換効率が向上した小型の振動型光センサを提供する。
【解決手段】振動型光センサ１は、微小機械振動子１０と、基体３０と、を備え、微小機械振動子１０は、基体３０と非接触で配置された、凹凸構造を有する受光部２００と、受光部２００と基体３０とを接続する梁２１Ｕ、２１Ｄ、２２Ｕおよび２２Ｄと、を備え、受光部２００は、支持層１２および支持層１２に積層された金属層１１を有し、梁２１Ｕ、２１Ｄ、２２Ｕおよび２２Ｄのそれぞれは、一端が支持層１２の異なる位置に接続されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

微小機械振動子と、
基体と、を備え、
前記微小機械振動子は、
前記基体と非接触で配置された、凹凸構造を有する受光部と、
前記受光部と前記基体とを接続する４本以上の梁と、を備え、
前記受光部は、支持層および該支持層に積層された金属層を有し、
前記４本以上の梁のそれぞれは、一端が前記支持層の異なる位置に接続されている、
振動型光センサ。

【請求項2】

前記基体は、前記受光部を挟んで前記４本以上の梁の長尺方向に対向する第１接続部および第２接続部を有し、
前記受光部は、前記第１接続部と最近接する第１端部および前記第２接続部と最近接する第２端部を有し、
前記４本以上の梁のそれぞれの他端は、前記第１接続部および前記第２接続部のいずれかに接続されており、
前記４本以上の梁のそれぞれの前記一端は、前記第１端部および前記第２端部を除く前記支持層の位置に接続されている、
請求項１に記載の振動型光センサ。

【請求項3】

前記４本以上の梁のそれぞれの前記一端は、前記第１端部よりも前記受光部の前記長尺方向の長さの１／４以上前記第１接続部から離れた位置、かつ、前記第２端部よりも前記受光部の前記長尺方向の長さの１／４以上前記第２接続部から離れた位置に接続されている、
請求項２に記載の振動型光センサ。

【請求項4】

前記基体は、前記受光部を挟んで前記４本以上の梁の長尺方向と交差する方向に対向する第３接続部および第４接続部を有し、
さらに、
前記第３接続部と前記受光部との間に接続された第１櫛歯容量素子と、
前記第４接続部と前記受光部との間に接続された第２櫛歯容量素子と、を備える、
請求項１に記載の振動型光センサ。

【請求項5】

前記金属層は、前記支持層の上方に配置され、前記４本以上の梁の長尺方向に繰り返された凹凸構造を有し、
前記受光部は、さらに、
前記金属層の上方に配置された誘電体層を有する、
請求項１に記載の振動型光センサ。

【請求項6】

前記金属層は、前記支持層の上方に配置され、
前記金属層および前記支持層は、前記４本以上の梁の長尺方向に繰り返された凹凸構造を有し、
前記金属層の上方表面は、露出している、
請求項１に記載の振動型光センサ。

【請求項7】

請求項１～６のいずれか１項に記載の振動型光センサを複数備え、
前記複数の振動型光センサのそれぞれは、前記受光部の前記凹凸構造の繰り返しピッチが異なる、
分光器。

【請求項8】

請求項１～６のいずれか１項に記載の振動型光センサを複数備え、
前記複数の振動型光センサのそれぞれは、前記受光部の前記凹凸構造の繰り返しピッチが異なる、
食品分析装置。

【請求項9】

請求項１～６のいずれか１項に記載の振動型光センサを複数備え、
前記複数の振動型光センサのそれぞれは、前記受光部の前記凹凸構造の繰り返しピッチが異なる、
画像診断装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、振動型光センサ、分光器、食品分析装置および画像診断装置に関する。

【背景技術】

【0002】

光熱変換可能な、ナノ凹凸構造を有する微小機械振動子の構造が開示されている（例えば、非特許文献１および特許文献１）。これによれば、微小機械振動子は、波長選択可能な光センサとして適用可能であり、分光器、食品分析装置および画像診断装置への応用が期待されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】"Si薄膜被覆金ナノグレーティング構造の近赤外域光吸収スペクトル",新居直之、上杉晃生、菅野公二、磯野吉正, IEEJ Trans. of Sensors and Micromachines, Vol.140, No.4,pp72-78, 2020

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１５－４０７６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、非特許文献１および特許文献１に開示された微小機械振動子を、高性能かつ小型の光センサに適用する場合、受光部の光吸収量および光熱変換効率を向上させることが要求される。

【0006】

本開示は、上述の事情を鑑みてなされたもので、光吸収量および光熱変換効率が向上した小型の振動型光センサ、分光器、食品分析装置および画像診断装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するために、本開示の一態様に係る振動型光センサは、微小機械振動子と、基体と、を備え、微小機械振動子は、基体と非接触で配置された、凹凸構造を有する受光部と、受光部と基体とを接続する４本以上の梁と、を備え、受光部は、支持層および該支持層に積層された金属層を有し、上記４本以上の梁のそれぞれは、一端が支持層の異なる位置に接続されている。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、光吸収量および光熱変換効率が向上した小型の振動型光センサ、分光器、食品分析装置および画像診断装置を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、実施の形態に係る振動型光センサの平面図および断面図である。

【図2A】図２Ａは、実施の形態に係る振動型光センサの受光部の構造を示す斜視図である。

【図2B】図２Ｂは、実施の形態に係る振動型光センサの受光部の構造を示す断面図である。

【図2C】図２Ｃは、変形例１に係る振動型光センサの受光部の構造を示す断面図である。

【図3】図３は、実施の形態に係る振動型光センサの検出システムを示すブロック図である。

【図4】図４は、実施の形態および比較例に係る振動型光センサの平面構造を示す図である。

【図5】図５は、実施の形態および比較例に係る振動型光センサの共振周波数変化率を示すグラフである。

【図6A】図６Ａは、変形例２に係る振動型光センサの微小機械振動子の平面図である。

【図6B】図６Ｂは、変形例３に係る振動型光センサの微小機械振動子の平面図および断面図である。

【図7】図７は、実施の形態に係る振動型光センサの光吸収率の波長依存性を示すグラフである。

【図8】図８は、実施の形態に係る分光器のブロック構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本開示の一態様に係る振動型光センサ、分光器、食品分析装置および画像診断装置について、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、構成要素、構成要素の配置位置などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また全ての実施の形態において、各々の内容を組み合わせることもできる。

【0011】

また、本開示において、平行および垂直等の要素間の関係性を示す用語、矩形状等の要素の形状を示す用語、ならびに、数値範囲は、厳格な意味のみを表すのではなく、実質的に同等な範囲、例えば数％程度の差異をも含むことを意味する。

【0012】

以下の各図において、ｘ軸およびｙ軸は、基体の主面と平行な平面上で互いに直交する軸である。具体的には、平面視において基体の外形が矩形状である場合、ｘ軸は基体の第１辺に平行であり、ｙ軸は基体の第１辺と直交する第２辺に平行である。また、ｚ軸は基体の主面に垂直な軸であり、その正方向は上方向を示し、その負方向は下方向を示す。

【0013】

また、本開示において、「基体の平面視」とは、ｚ軸正側からｘｙ平面に物体を正投影して見ることを意味する。「ＡがＢおよびＣの間に配置される」とは、Ｂ内の任意の点とＣ内の任意の点とを結ぶ複数の線分のうちの少なくとも１つがＡを通ることを意味する。

【0014】

また、本開示において、ＡおよびＢの間隔とは、Ａの表面の任意の点とＢの表面の任意の点とを結ぶ線分のうちの最短の長さを意味する。

【0015】

また、本開示において、「ＡがＢに配置される」とは、ＡがＢの主面上に配置されること、および、ＡがＢの内部に配置されることを含む。「ＡがＢの主面上に配置される」とは、ＡがＢの主面に接触して配置されることに加えて、Ａが主面と接触せずに当該主面の上方に配置されること（例えば、Ａが主面と接触して配置された他の部品上に積層されること）を含む。また、「ＡがＢの主面上に配置される」は、Ｂの主面に形成された凹部にＡが配置されることを含んでもよい。「ＡがＢ内に配置される」とは、ＡがＢ内にカプセル化されることに加えて、Ａの全部がＢの両主面の間に配置されているがＡの一部がＢに覆われていないこと、および、Ａの一部のみがＢ内に配置されていることを含む。

【0016】

（実施の形態）
［１．振動型光センサの構成］
本実施の形態に係る振動型光センサ１の構成について、図１を参照しながら説明する。図１は、実施の形態に係る振動型光センサ１の平面図および断面図である。図１の（ａ）には、基体３０の主面をｚ軸正方向側から見た場合の振動型光センサ１の平面図が示されている。また、図１の（ｂ）には、図１の（ａ）のＩｂ－Ｉｂ線における振動型光センサ１の断面図が示されている。また、図１に示された振動型光センサ１は、さらに、基体３０の表面および側面の一部を覆う樹脂部材および遮光部材などを備えてもよい。

【0017】

図１に示すように、振動型光センサ１は、微小機械振動子１０と、基体３０と、櫛歯容量素子２６および２８と、を備える。微小機械振動子１０は、受光部２００と、梁２１Ｄ、２１Ｕ、２２Ｄおよび２２Ｕ（以降、４本の梁と記す場合がある）と、を備える。基体３０は、接続端子２３、２４、２５および２７を含む。

【0018】

受光部２００は、基体３０と非接触で配置されており、支持層１２および支持層１２に積層された金属層１１を有している。支持層１２は、支持層１２Ｌ、１２Ｍおよび１２Ｒを含む。金属層１１は、金属層１１Ｌ、１１Ｍおよび１１Ｒを含む。受光部２００は、４本の梁の長尺方向（ｙ軸方向）に伸びた支持層１２Ｌおよび金属層１１Ｌの積層体と、上記長尺方向に伸びた支持層１２Ｍおよび金属層１１Ｍの積層体と、上記長尺方向に伸びた支持層１２Ｒおよび金属層１１Ｒの積層体とが、上記長尺方向と交叉する方向（ｘ軸方向）に、この順で並置され、これら３つの積層体は、上記長尺方向と交叉する方向に伸びた受光部２００の結合体で結合されている。

【0019】

梁２１Ｄ、２１Ｕ、２２Ｄおよび２２Ｕのそれぞれは、受光部２００と基体３０とを接続している。図１の（ａ）に示すように、梁２１Ｕの一端は受光部２００の結合体の位置２０１に接続され、梁２１Ｄの一端は受光部２００の結合体の位置２０２に接続され、梁２２Ｕの一端は受光部２００の結合体の位置２０３に接続され、梁２２Ｄの一端は受光部２００の結合体の位置２０４に接続されている。つまり、４本の梁のそれぞれは、一端が受光部２００を構成する支持層１２の異なる位置に接続されている。

【0020】

次に、受光部２００の積層構造について説明する。図２Ａは、実施の形態に係る振動型光センサ１の受光部２００の構造を示す斜視図である。また、図２Ｂは、実施の形態に係る振動型光センサ１の受光部２００の構造を示す断面図である。図２Ａおよび図２Ｂには、受光部２００を構成する積層体のうち、支持層１２Ｍおよび金属層１１Ｍの積層体の構造が示されている。なお、支持層１２Ｌおよび金属層１１Ｌの積層体、ならびに、支持層１２Ｒおよび金属層１１Ｒの積層体の構造も、図２Ａおよび図２Ｂに示された積層構造と同様である。

【0021】

図２Ａおよび図２Ｂに示すように、金属層１１Ｍは、支持層１２Ｍの上方（ｚ軸正方向）に配置され、４本の梁の長尺方向（ｙ軸方向）に繰り返された凹凸構造を有している。ここで、金属層１１Ｍの上記長尺方向の凹凸が繰り返されるピッチをＰａｕとする。なお、本実施の形態に係る受光部２００は、さらに、金属層１１Ｍの上方（ｚ軸正方向）に配置された誘電体層１３Ｍを有し、金属層１１Ｌの上方（ｚ軸正方向）に配置された誘電体層１３Ｌ（図２Ａおよび図２Ｂに図示せず）を有し、金属層１１Ｒの上方（ｚ軸正方向）に配置された誘電体層１３Ｒ（図２Ａおよび図２Ｂに図示せず）を有している。なお、以下において、誘電体層１３Ｍ、１３Ｌおよび１３Ｒを、まとめて誘電体層１３と記す場合がある。

【0022】

誘電体層１３によれば、当該誘電体層が形成されていない構成と比較して、ピッチＰａｕを小さくできる。ピッチＰａｕは、例えば近赤外光を受光部２００で検出する場合、４００ｎｍ～８００ｎｍである。これにより、集積度の高い受光部２００を形成できるので、小型の振動型光センサ１を提供できる。

【0023】

ここで、支持層１２Ｌ、１２Ｍおよび１２Ｒは、例えば、Ｓｉ（ケイ素）で構成されている。また、金属層１１Ｌ、１１Ｍおよび１１Ｒは、例えば、Ａｕ（金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｇ（銀）、およびＣｕ（銅）の少なくとも１つで構成されている。また、誘電体層１３Ｌ、１３Ｍおよび１３Ｒは、例えば、Ｓｉ（ケイ素）およびＳｉＯｘ（酸化ケイ素）の少なくとも１つで構成されている。

【0024】

振動型光センサ１の上記構成によれば、受光部２００に光が照射されると、受光部２００の凹凸構造において表面プラズモン共鳴により高効率な光熱変換が行われる。この高熱変換により発生する微小機械振動子１０の熱応力を、微小機械振動子１０の共振周波数の変化として高感度に検出できる。

【0025】

ここで、微小機械振動子１０の共振周波数の変化量をΔｆ、受光部２００が遮光されている場合の微小機械振動子１０の共振周波数をｆ_０、入射光量をＰ、受光部２００の光吸収率をβ、梁の幅をｗ、微小機械振動子１０（支持層１２および４本の梁）の厚さをｔ、４本の梁のそれぞれの長さをｌ、支持層１２および４本の梁の熱膨張係数をα、支持層１２および４本の梁の熱伝導率をｋとすると、共振周波数の変化量Δｆは、式１で表される。

【0026】

【数1】

（式１）

【0027】

式１より、入射光量Ｐおよび梁長さｌが大きいほど、また、梁の断面積（ｔ×ｗ）が小さいほど、共振周波数の変化量Δｆは大きくなり、検出感度が高くなることが解る。つまり、入射光量Ｐを大きくすべく受光部２００の受光面積を大きくするほど、また、４本の梁を細くかつ長くするほど共振周波数の変化量Δｆは大きくなり、微小機械振動子１０の光吸収量および光熱変換効率が向上する。

【0028】

また、受光部２００にて最大の吸収量となる波長（ピーク波長）を、ピッチＰａｕを調整することにより制御することが可能となる。

【0029】

なお、受光部２００は、誘電体層１３を備えていなくてもよい。図２Ｃは、変形例１に係る振動型光センサ１Ａの受光部２００Ａの構造を示す断面図である。同図に示すように、受光部２００Ａにおいて、金属層１１Ｍは、支持層１２Ｍの上方（ｚ軸正方向）に配置されている。誘電体層１３Ｍは配置されず、金属層１１Ｍの上方表面は露出している。支持層１２Ｍおよび金属層１１Ｍは、４本の梁の長尺方向（ｙ軸方向）に繰り返された凹凸構造を有している。

【0030】

これによれば、支持層１２Ｍ、１２Ｌおよび１２Ｒに凹凸が形成されているので、金属層１１Ｍ、１１Ｌおよび１１Ｒ自体にあらためて凹凸を形成する必要がない。また、金属層１１Ｍ、１１Ｌおよび１１Ｒの上方（ｚ軸正方向）に誘電体層が形成されず露出しているので、受光部２００Ａの製造工程を簡素化できる。なお、ピッチＰａｕは、例えば近赤外光を受光部２００Ａで検出する場合、１．２μｍ～５μｍである。

【0031】

図１に戻って、振動型光センサ１の構成について説明する。

【0032】

基体３０は、微小機械振動子１０を支持する。具体的には、基体３０の中央に設けられた凹部３５（または空洞）に微小機械振動子１０が配置されている。基体３０のｚ軸正方向側の主面には、接続端子２３、２４、２５および２７が設けられている。

【0033】

接続端子２３は第１接続部の一例であり、接続端子２４は第２接続部の一例である。接続端子２３および２４は、受光部２００を挟んで４本の梁の長尺方向（ｙ軸方向）に対向配置されている。接続端子２３および２４のそれぞれは、接続層４０を介して基体３０の本体に接続されている。梁２１Ｕの他端は接続端子２３に接続され、梁２１Ｄの他端は接続端子２４に接続され、梁２２Ｕの他端は接続端子２３に接続され、梁２２Ｄの他端は接続端子２４に接続されている。つまり、４本の梁のそれぞれは、両端のうち一端が受光部２００に接続され、他端が接続端子２３および２４のいずれかに接続され、両端以外の部分は基体３０および受光部２００を構成するいずれの部材とも接触していない。

【0034】

接続端子２５は第３接続部の一例であり、接続端子２７は第４接続部の一例である。接続端子２５および２７は、受光部２００を挟んで４本以上の梁の長尺方向と交差する方向（ｘ軸方向）に対向配置されている。接続端子２５および２７のそれぞれは、図１の（ｂ）に示すように、接続層４０を介して基体３０の本体に接続されている。

【0035】

接続端子２３、２４、２５および２７は、例えば、Ｓｉ（ケイ素）で構成されている。接続層４０は、例えば、ＳｉＯ_２（二酸化ケイ素）で構成されている。

【0036】

櫛歯容量素子２６は、第１櫛歯容量素子の一例であり、接続端子２５と受光部２００との間に接続されている。また、櫛歯容量素子２８は、第２櫛歯容量素子の一例であり、接続端子２７と受光部２００との間に接続されている。櫛歯容量素子２６および２８のそれぞれは、例えば、ｘ軸方向に対向する一対の櫛歯電極を有する。一対の櫛歯電極のそれぞれは、ｘ軸に沿って伸びる複数の電極指を含む。櫛歯容量素子２６および２８の上記構造によれば、容量素子を省面積化できる。

【0037】

櫛歯容量素子２６および２８によれば、受光部２００で吸収した光の波長および強度を検出するにあたり、例えば、櫛歯容量素子２６を微小機械振動子１０の励振アクチュエータとして用い、櫛歯容量素子２８を微小機械振動子１０の振動変化を電気信号で検出するセンサとして用いることができる。よって、小型の光検出システムを実現できる。

【0038】

なお、微小機械振動子１０の支持層１２Ｌ、１２Ｍおよび１２Ｒ、接続端子２３、２４、２５および２７を含む基体３０、ならびに櫛歯容量素子２６および２８は、例えば、シリコンウエハからＭＥＭＳ（Microelectromechanical systems）加工技術を用いて作製できる。これにより、振動型光センサ１の微細化と低コスト化が可能となる。

【0039】

図３は、実施の形態に係る振動型光センサ１の検出システムを示すブロック図である。同図に示すように、ロックインアンプ５２の出力端子から、接続端子２５上に配置された電極４１を介して櫛歯容量素子２６に交流信号が印加される。一方、櫛歯容量素子２８で検出された信号は、接続端子２７上に配置された電極４２およびチャージアンプ５１を介してロックインアンプ５２の入力端子に入力される。上記検出システムを用いて、受光部２００の遮光時に対する照射時の共振周波数の変化量Δｆが計測される。

【0040】

振動型光センサ１の上記構成によれば、２本の梁で支持された構造を有する従来の振動型光センサと比較して、梁２１Ｄ、２１Ｕ、２２Ｄおよび２２Ｕが、それぞれ支持層１２の異なる位置２０１～２０４に接続されているので、受光部２００を対称的かつ安定的に支持できる。これにより、受光部２００の面積を大きく確保しつつ微小機械振動子１０の不安定振動を抑制できる。よって、微小機械振動子１０の光吸収量および光熱変換効率が向上した小型の振動型光センサ１を提供できる。

【0041】

ＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウムヒ素）などの化合物半導体を用いた従来のフォトダイオードを用いた光センサは高コストであり、感度向上のため冷却器が必要となり、小型化に課題がある。これに対してＳｉおよびＡｕのショットキー接合型の光センサ、Ｓｉボロメータおよびサーモパイル型の光センサは低コストが可能であるが、感度に課題がある。また、波長依存性を有するフィルタまたは吸収体を集積したセンサは、小型化に課題がある。

【0042】

これに対して、本実施の形態に係る振動型光センサ１によれば、例えばＳｉを材料として一体成型できるため低コスト化が可能であり、また、光を熱応力に変換する検出原理を用いているため、冷却器は不要である。また、微小機械振動子１０として４本の梁を採用しているので、受光部２００の面積を大きく確保しつつ不安定振動を抑制できる。よって、光検出感度が向上した小型の振動型光センサ１を提供できる。

【0043】

［２．受光部および梁の配置］
次に、本実施の形態に係る振動型光センサ１を構成する受光部２００と４本の梁との配置関係について説明する。

【0044】

図４は、実施の形態および比較例に係る振動型光センサの平面構造を示す図である。同図の（ａ）には、本実施の形態に係る振動型光センサ１が備える微小機械振動子１０の平面構成図が示されており、同図の（ｂ）には、比較例に係る振動型光センサ５００が備える微小機械振動子の平面構成図が示されている。

【0045】

図４の（ｂ）に示すように、比較例に係る振動型光センサ５００において、受光部５２０は、接続端子２３と最近接する端部５０１を有している。また、受光部５２０は、接続端子２４と最近接する端部５０２を有している。梁５２１Ｕの一端は端部５０１に接続され、梁５２１Ｄの一端は端部５０２に接続されている。また、梁５２１Ｕの他端は接続端子２３に接続され、梁５２１Ｄの他端は接続端子２４に接続されている。

【0046】

比較例に係る振動型光センサ５００の受光部５２０、梁５２１Ｕおよび５２１Ｄの配置によれば、梁５２１Ｕは接続端子２３の最近接点である端部５０１に接続され、梁５２１Ｄは接続端子２４の最近接点である端部５０２に接続される。つまり、比較例に係る振動型光センサ５００では、接続端子２３および２４の間隔をＨ１とし、受光部５２０の梁の長尺方向の長さをＨ２とし、梁５２１Ｕの長さをＬ_５２１Ｕとし、梁５２１Ｄの長さをＬ_５２１Ｄとすると、Ｈ１＝Ｈ２＋Ｌ_５２１Ｕ＋Ｌ_５２１Ｄが成立している。このため、梁５２１Ｕおよび５２１Ｄを長く確保すると、受光部５２０の長さＨ２が小さくなる。また、受光部５２０の長さＨ２を大きく確保すると、梁５２１Ｕおよび５２１Ｄが短くなる。よって、受光面積の増大と２本の梁の長尺化とが両立できない。さらに、受光部５２０を２本の梁５２１Ｕおよび５２１Ｄにより２点支持しているので、例えば、梁の長尺方向と交差する方向（ｘ軸方向）への面内振動、および、２本の梁５２１Ｕおよび５２１Ｄを回転軸とした振動などの不安定な振動モードが発生する。

【0047】

これに対して、図４の（ａ）に示すように、本実施の形態に係る振動型光センサ１では、受光部２００は、接続端子２３と最近接する端部２０５（第１端部）および接続端子２４と最近接する端部２０６（第２端部）を有し、梁２１Ｕの一端、梁２１Ｄの一端、梁２２Ｕの一端、および梁２２Ｄの一端は、端部２０５および２０６を除く位置に接続されている。具体的には、梁２１Ｕの一端は位置２０１に接続され、梁２１Ｄの一端は位置２０２に接続され、梁２２Ｕの一端は位置２０３に接続され、および梁２２Ｄの一端は位置２０４に接続されている。

【0048】

これによれば、４本の梁は受光部２００と基体３０の接続端子とを最短で接続しない。つまり、受光部２００の長さＨ２は、梁２１Ｕ、２１Ｄ、２２Ｕおよび２２Ｄの長さに規制されることなく、最大Ｈ１まで大きく確保できる。また、梁２１Ｕ、２１Ｄ、２２Ｕおよび２２Ｄのそれぞれの長さは、受光部２００の長さＨ２に規制されることなく、それぞれの梁が対称性を確保しつつ、最大（Ｈ１／２）まで大きく確保できる。よって、受光面積の増大と４本の梁の長尺化とを両立できる。さらに、受光部２００を４本の梁により支持しているので、梁の長尺方向と交差する方向（ｘ軸方向）への面内振動、および、梁を回転軸とした振動などの不安定な振動モードを抑制できる。よって、微小機械振動子１０の小型化を確保しつつ、受光部２００の光吸収面積を向上でき、微小機械振動子１０の光熱変換効率を向上できる。

【0049】

図５は、実施の形態および比較例に係る振動型光センサの共振周波数変化率（Δｆ／ｆ_０）を示すグラフである。同図に示されたグラフにおいて、横軸は受光部での発熱密度を表し、縦軸は振動型光センサの共振周波数変化率（Δｆ／ｆ_０）を表している。同図に示すように、本実施の形態に係る振動型光センサ１は、比較例に係る振動型光センサ５００と比較して、同じ発熱密度に対しての共振周波数変化率が高い。つまり、本実施の形態に係る振動型光センサ１は、比較例に係る振動型光センサ５００よりも光熱変換効率が高いことが解る。これは、図４に示された比較例に係る受光部５２０の面積が４０００μｍ^２であるのに対して、本実施の形態に係る受光部２００の面積は６０２２４μｍ^２（梁長さｌ：２２５μｍ、梁幅ｗ：２μｍ）となっており、約１５倍の面積増加となっていることが主要因と考えられる。

【0050】

なお、梁２１Ｕ、２１Ｄ、２２Ｕおよび２２Ｄのそれぞれの一端は、端部２０５よりも受光部２００の長さＨ２の１／４以上、接続端子２３から離れた位置に接続され、かつ、端部２０６よりも受光部２００の長さＨ２の１／４以上、接続端子２４部から離れた位置に接続されていることが望ましい。

【0051】

これによれば、４本の梁が受光部２００と接続端子２３および２４とを最短で接続するのではなく、４本の梁のそれぞれと受光部２００とが、上記長尺方向に受光部２００の長さＨ２の１／４以上重複する。よって、受光面積の増大と４本の梁の長尺化とを両立できる。よって、微小機械振動子１０の小型化を確保しつつ、受光部２００の光吸収面積および光吸収密度を向上でき、微小機械振動子１０の光熱変換効率を向上できる。

【0052】

なお、本開示の振動型光センサ１の配置構成は、図１および図４の（ａ）に示された配置構成に限定されない。

【0053】

図６Ａは、変形例２に係る振動型光センサ１Ｂの平面図である。同図には、変形例２に係る振動型光センサ１Ｂのうち、微小機械振動子、接続端子２３および２４の平面構成が示されている。本変形例に係る振動型光センサ１Ｂは、受光部２００Ｂと、梁３１Ｕ、３１Ｄ、３２Ｕおよび３２Ｄと、接続端子２３および２４と、を備える。

【0054】

受光部２００Ｂは、基体３０の主面を平面視した場合、矩形となっている。梁３１Ｕの一端は受光部２００Ｂの位置２１１に接続され、他端は接続端子２３に接続されている。梁３１Ｄの一端は受光部２００Ｂの位置２１２に接続され、他端は接続端子２４に接続されている。梁３２Ｕの一端は受光部２００Ｂの位置２１３に接続され、他端は接続端子２３に接続されている。梁３２Ｄの一端は受光部２００Ｂの位置２１４に接続され、他端は接続端子２４に接続されている。受光部２００Ｂの位置２１１～２１４のそれぞれは、接続端子２３と最近接する端部ではなく、また、接続端子２４と最近接する端部ではない。

【0055】

これによれば、４本の梁は受光部２００Ｂと接続端子２３または２４とを最短で接続しない。つまり、受光部２００Ｂの長さＨ２は、梁３１Ｕ、３１Ｄ、３２Ｕおよび３２Ｄの長さに規制されることなく、最大Ｈ１まで大きく確保できる。また、梁３１Ｕ、３１Ｄ、３２Ｕおよび３２Ｄのそれぞれの長さは、受光部２００Ｂの長さＨ２に規制されることなく、それぞれの梁が対称性を確保しつつ、最大（Ｈ１／２）まで大きく確保できる。よって、受光面積の増大と４本の梁の長尺化とを両立できる。さらに、受光部２００Ｂを４本の梁により支持しているので、４本の梁の長尺方向と交差する方向（ｘ軸方向）への面内振動、および、梁を回転軸とした振動などの不安定な振動モードを抑制できる。よって、微小機械振動子の小型化を確保しつつ、受光部２００Ｂの光吸収面積を向上でき、微小機械振動子の光熱変換効率を向上できる。

【0056】

図６Ｂは、変形例３に係る振動型光センサ１Ｃの平面図および断面図である。同図の（ａ）には、変形例３に係る振動型光センサ１Ｃのうち、微小機械振動子、接続端子２３および２４の平面構成が示されている。また、同図の（ｂ）には、図６Ｂの（ａ）のＶＩＢ－ＶＩＢ線における振動型光センサ１Ｃの断面図が示されている。本変形例に係る振動型光センサ１Ｃは、受光部２００Ｃと、梁３３Ｕ、３３Ｄ、３４Ｕおよび３４Ｄと、接続端子２３および２４と、を備える。

【0057】

受光部２００Ｃは、基体３０の主面を平面視した場合、矩形となっている。梁３３Ｕの一端は受光部２００Ｃの位置２１５に接続され、他端は接続端子２３に接続されている。梁３３Ｄの一端は受光部２００Ｃの位置２１６に接続され、他端は接続端子２４に接続されている。梁３４Ｕの一端は受光部２００Ｃの位置２１７に接続され、他端は接続端子２３に接続されている。梁３４Ｄの一端は受光部２００Ｃの位置２１８に接続され、他端は接続端子２４に接続されている。受光部２００Ｃの位置２１５～２１８のそれぞれは、受光部２００Ｃの受光面と反対側の裏面に存在し、接続端子２３と最近接する端部ではなく、また、接続端子２４と最近接する端部ではない。

【0058】

これによれば、４本の梁は受光部２００Ｃと接続端子２３または２４とを最短で接続しない。つまり、受光部２００Ｃの長さＨ２は、梁３３Ｕ、３３Ｄ、３４Ｕおよび３４Ｄの長さに規制されることなく、最大Ｈ１まで大きく確保できる。また、梁３３Ｕ、３３Ｄ、３４Ｕおよび３４Ｄのそれぞれの長さは、受光部２００Ｃの長さＨ２に規制されることなく、それぞれの梁が対称性を確保しつつ、最大（Ｈ１／２）まで大きく確保できる。よって、受光面積の増大と４本の梁の長尺化とを両立できる。さらに、受光部２００Ｃを４本の梁により支持しているので、４本の梁の長尺方向と交差する方向（ｘ軸方向）への面内振動、および、梁を回転軸とした振動などの不安定な振動モードを抑制できる。よって、微小機械振動子の小型化を確保しつつ、受光部２００Ｃの光吸収面積を向上でき、微小機械振動子の光熱変換効率を向上できる。

【0059】

なお、受光部２００Ｂおよび２００Ｃは、上記平面視において矩形でなくてもよく、円形または多角形などであってもよい。

【0060】

［３．分光器１００の構成］
本実施の形態に係る振動型光センサ１は、分光器として適用することが可能である。

【0061】

図７は、実施の形態に係る振動型光センサ１の光吸収率の波長依存性を示すグラフである。同図に示されたグラフは、振動型光センサ１のピッチＰａｕに対する光吸収率の波長依存性を示しており、異なるピッチＰａｕごとの波形を重ねて表している。図７に示すように、ピッチＰａｕを変化させると、ピーク波長が変化する。具体的には、ピッチＰａｕを大きくするほど、ピーク波長が大きくなる。図７に示された特性を利用することにより、本実施の形態に係る振動型光センサ１を用いた分光器を構成することができる。

【0062】

図８は、実施の形態に係る分光器１００のブロック構成図である。同図に示すように、分光器１００は、振動型光センサ１、１Ｄ、１Ｅ、および１Ｆと、信号処理回路６０と、を備える。

【0063】

振動型光センサ１は、本実施の形態に係る振動型光センサ１であり、例えばピッチＰａｕ＝５００ｎｍとなっている。振動型光センサ１Ｄは、本実施の形態に係る振動型光センサ１の一例であり、例えばピッチＰａｕ＝５５０ｎｍとなっている。振動型光センサ１Ｅは、本実施の形態に係る振動型光センサ１の一例であり、例えばピッチＰａｕ＝６００ｎｍとなっている。振動型光センサ１Ｆは、本実施の形態に係る振動型光センサ１の一例であり、例えばピッチＰａｕ＝８００ｎｍとなっている。つまり、振動型光センサ１、１Ｄ、１Ｅ、および１Ｆは、ピッチＰａｕのみが異なる。

【0064】

信号処理回路６０は、振動型光センサ１、１Ｄ、１Ｅ、および１Ｆを制御する制御回路の一例である。信号処理回路６０は、例えば、ロックインアンプ、チャージアンプおよびプロセッサなどを有し、振動型光センサ１、１Ｄ、１Ｅ、および１Ｆの微小機械振動子を励振させるための信号を出力し、振動型光センサ１、１Ｄ、１Ｅ、および１Ｆから共振周波数の変化量を取得する。信号処理回路６０は、取得した共振周波数の変化量に基づいて対象物に入射した光の波長分析を実行する。

【0065】

上記構成によれば、複数の振動型光センサにおける受光部の凹凸構造のピッチＰａｕが異なるので、振動型光センサごとに光の検出波長が異なる。よって、光を波長ごとに分割する回折格子や、フォトダイオードの高検出感度を確保するための冷却器などを必要としない小型の分光器１００を構成できる。

【0066】

なお、本実施の形態に係る分光器１００は、食品分析装置に適用できる。これによれば、振動型光センサごとに光の検出波長が異なることを利用して、食品の新鮮度や腐食状況により反射光スペクトルが異なることで食品の鮮度などを分析することが可能となる。

【0067】

また、本実施の形態に係る分光器１００は、画像診断装置に適用できる。これによれば、振動型光センサごとに光の検出波長が異なることを利用して、人体臓器の状態などにより反射光スペクトルが異なることで人体を診断する装置として利用することが可能となる。

【0068】

また、本実施の形態に係る分光器１００は、アルコールセンサおよびガスセンサとしても適用可能である。本実施の形態に係る分光器１００は、小型および低コストにより、携帯端末にも搭載可能であり、また、車載用にも適用が可能である。

【0069】

（その他の実施の形態など）
以上、本発明に係る振動型光センサ、分光器、食品分析装置および画像診断装置について、実施の形態および変形例を挙げて説明したが、本発明に係る振動型光センサ、分光器、食品分析装置および画像診断装置は、上記実施の形態および変形例に限定されるものではない。上記実施の形態および変形例における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、上記実施の形態および変形例に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、上記振動型光センサ、分光器、食品分析装置および画像診断装置を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。

【0070】

上記実施の形態において、振動型光センサ１の微小機械振動子１０を構成する梁は４本に限定されず、４本以上であればよい。なお、微小機械振動子１０を構成する４本以上の梁のうちの２本以上の梁のそれぞれの一端は受光部２００の異なる位置に接続され、当該２本以上の梁のそれぞれの他端は対向する接続端子２３および２４のうちの一方の接続端子２３に接続され、また、上記２本以上の梁と異なる２本以上の梁のそれぞれの一端は受光部２００の異なる位置に接続され、当該２本以上の梁のそれぞれの他端は接続端子２３および２４のうちの他方の接続端子２４に接続されていることが好ましい。これによれば、微小機械振動子１０を構成する４本以上の梁が、対称的に受光部２００を支持できるので、受光面内の振動などの不安定な振動モードを抑制できる。よって、微小機械振動子１０の小型化を確保しつつ微小機械振動子１０の光熱変換効率を向上できる。

【0071】

（まとめ）
以上述べたように、第１の態様の振動型光センサ１は、微小機械振動子１０と、基体３０と、を備え、微小機械振動子１０は、基体３０と非接触で配置された、凹凸構造を有する受光部２００と、受光部２００と基体３０とを接続する梁２１Ｕ、２１Ｄ、２２Ｕおよび２２Ｄと、を備え、受光部２００は、支持層１２および支持層１２に積層された金属層１１を有し、梁２１Ｕ、２１Ｄ、２２Ｕおよび２２Ｄのそれぞれは、一端が支持層１２の異なる位置に接続されている。

【0072】

これによれば、２本の梁で支持された構造を有する従来の振動型光センサと比較して、４本の梁２１Ｕ、２１Ｄ、２２Ｕおよび２２Ｄが支持層１２の異なる位置に接続されているので、受光部２００を対称的かつ安定的に支持できる。これにより、受光部２００の面積を大きく確保しつつ微小機械振動子１０の不安定振動を抑制できる。よって、微小機械振動子１０の光吸収量および光熱変換効率が向上した小型の振動型光センサ１を提供できる。

【0073】

また、第２の態様の振動型光センサ１では、第１の態様において、基体３０は、受光部２００を挟んで梁２１Ｕ、２１Ｄ、２２Ｕおよび２２Ｄの長尺方向に対向する接続端子２３および２４を有し、受光部２００は、接続端子２３と最近接する端部２０５および接続端子２４と最近接する端部２０６を有し、梁２１Ｕ、２１Ｄ、２２Ｕおよび２２Ｄのそれぞれの他端は、接続端子２３および２４のいずれかに接続されており、梁２１Ｕ、２１Ｄ、２２Ｕおよび２２Ｄのそれぞれの一端は、端部２０５および２０６を除く支持層１２の位置に接続されている。

【0074】

これによれば、梁２１Ｕ、２１Ｄ、２２Ｕおよび２２Ｄが受光部２００と接続端子２３または２４とを最短で接続しないので、梁の長さに制限されずに受光部２００の上記長尺方向の長さを大きく確保できる。よって、受光部２００の光吸収量を向上できる。

【0075】

また、第３の態様の振動型光センサ１では、第２の態様において、梁２１Ｕ、２１Ｄ、２２Ｕおよび２２Ｄのそれぞれの一端は、端部２０５よりも受光部２００の上記長尺方向の長さの１／４以上接続端子２３から離れた位置、かつ、端部２０６よりも受光部２００の上記長尺方向の長さの１／４以上接続端子２４から離れた位置に接続されている。

【0076】

これによれば、梁２１Ｕ、２１Ｄ、２２Ｕおよび２２Ｄが受光部２００と接続端子２３または２４とを最短で接続するのではなく、４本の梁のそれぞれと受光部２００とが、上記長尺方向に、受光部２００の長さの１／４以上重複する。よって、接続端子２３および２４で挟まれた領域における受光部２００の占有面積を大きくできるので、受光部２００の光吸収量を、より向上できる。

【0077】

また、第４の態様の振動型光センサ１では、第１～第３のいずれかの態様において、基体３０は、受光部２００を挟んで上記長尺方向と交差する方向に対向する接続端子２５および２７を有し、振動型光センサ１は、さらに、接続端子２５と受光部２００との間に接続された櫛歯容量素子２６と、接続端子２７と受光部２００との間に接続された櫛歯容量素子２８と、を備える。

【0078】

これによれば、受光部２００で吸収した光の波長および強度を検出するにあたり、例えば、櫛歯容量素子２６を微小機械振動子１０の励振アクチュエータとして用い、櫛歯容量素子２８を微小機械振動子１０の振動変化を電気信号で検出するセンサとして用いることができる。よって、小型の光検出システムを実現できる。

【0079】

また、第５の態様の振動型光センサ１では、第１～第４のいずれかの態様において、金属層１１は、支持層１２の上方に配置され、上記長尺方向に繰り返された凹凸構造を有し、受光部２００は、さらに、金属層１１の上方に配置された誘電体層１３を有する。

【0080】

これによれば、金属層１１の上方に誘電体層１３が形成されているので、上記凹凸構造のピッチＰａｕを小さくできる。よって、集積度の高い受光部２００を形成できるので、小型の振動型光センサ１を提供できる。

【0081】

また、第６の態様の振動型光センサ１では、第１～第４のいずれかの態様において、金属層１１は、支持層１２の上方に配置され、金属層１１および支持層１２は、上記長尺方向に繰り返された凹凸構造を有し、金属層１１の上方表面は露出している。

【0082】

これによれば、支持層１２に凹凸が形成されているので金属層１１にあらためて凹凸を形成する必要がなく、また、金属層１１の上方に誘電体層１３が形成されず露出しているので、受光部２００Ａの製造工程を簡素化できる。

【0083】

また、第７の態様の分光器１００は、第１～第６のいずれかの態様の振動型光センサ１を複数備え、当該複数の振動型光センサ１のそれぞれは、受光部２００の凹凸構造のピッチＰａｕが異なる。

【0084】

これによれば、複数の振動型光センサ１における受光部２００の凹凸構造のピッチＰａｕが異なるので、振動型光センサ１ごとに光の検出波長が異なる。よって、光を波長ごとに分割する回折格子や、フォトダイオードの高検出感度を確保するための冷却器などを必要としない小型の分光器１００を構成できる。

【0085】

また、第８の態様の食品分析装置は、第１～第６のいずれかの態様の振動型光センサ１を複数備え、当該複数の振動型光センサ１のそれぞれは、受光部２００の凹凸構造のピッチＰａｕが異なる。

【0086】

これによれば、振動型光センサ１ごとに光の検出波長が異なるので、食品の新鮮度や腐食状況により反射光スペクトルが異なることで食品の鮮度などを分析する食品分析装置に適用できる。

【0087】

また、第９の態様の画像診断装置は、第１～第６のいずれかの態様の振動型光センサ１を複数備え、当該複数の振動型光センサ１のそれぞれは、受光部２００の凹凸構造のピッチＰａｕが異なる。

【0088】

これによれば、振動型光センサ１ごとに光の検出波長が異なるので、人体臓器の状態などにより反射光スペクトルが異なることで人体を診断する画像診断装置に適用できる。

【産業上の利用可能性】

【0089】

本発明は、小型、低コストおよび高感度の振動型光センサ、当該振動型光センサを有する分光器として、食品管理、製造管理、および医療分野などに適用可能である。

【符号の説明】

【0090】

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、５００ 振動型光センサ
１０ 微小機械振動子
１１、１１Ｌ、１１Ｍ、１１Ｒ 金属層
１２、１２Ｌ、１２Ｍ、１２Ｒ 支持層
１３、１３Ｌ、１３Ｍ、１３Ｒ 誘電体層
２１Ｄ、２１Ｕ、２２Ｄ、２２Ｕ、３１Ｄ、３１Ｕ、３２Ｄ、３２Ｕ、３３Ｄ、３３Ｕ、３４Ｄ、３４Ｕ、５２１Ｕ、５２１Ｄ 梁
２３、２４、２５、２７ 接続端子
２６、２８ 櫛歯容量素子
３０ 基体
３５ 凹部
４０ 接続層
４１、４２、４３ 電極
５１ チャージアンプ
５２ ロックインアンプ
６０ 信号処理回路
１００ 分光器
２００、２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、５２０ 受光部
２０１、２０２、２０３、２０４、２１１、２１２、２１３、２１４、２１５、２１６、２１７、２１８ 位置
２０５、２０６、５０１、５０２ 端部
Ｈ１ 間隔
Ｈ２ 長さ
Ｐａｕ ピッチ

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8】