(57)【要約】【課題】光源に流れる電流の設計を容易にして量産性を向上し、光源消灯時の光源に流れる電流を完全にカットして電力の浪費を無くした上で、光源の寿命を縮めることの無い光源駆動回路を提供する。【解決手段】光源７の一端にドレインが接続され、ソースがグラウンド電位に接続されるｎＭＯＳトランジスタ６１、反転入力端子１０１ｂ、非反転入力端子１０１ａ、出力端子１０１ｃを有する演算増幅器１０１を含み、演算増幅器１０１の出力端子１０１ｃがｎＭＯＳトランジスタ６１のゲートに接続され、光源７の消灯時、演算増幅器１０１の反転入力端子１０１ｂに、非反転入力端子１０１ａに供給されるバイアス電圧ＶBIASよりも高い電圧を供給し、光源７の点灯時、演算増幅器１０１の反転入力端子１０１ｂをｎＭＯＳトランジスタ６１のソースに接続する切替器６５によって光源駆動回路を構成する。【選択図】  図２
2011174820.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源を駆動する光源駆動回路であって、
前記光源の一端に電源電位が供給され、
前記一端と異なる他の一端にドレインが接続され、ソースが第１抵抗素子を介して基準電位に接続されるＭＯＳトランジスタと、
反転入力端子、非反転入力端子、出力端子を有する演算増幅器と、
を含み、
前記演算増幅器の出力端子が前記ＭＯＳトランジスタのゲートに接続され、
前記光源の消灯時、前記演算増幅器の反転入力端子に、前記演算増幅器の非反転入力端子に供給されるバイアス電圧よりも高い電圧を供給し、前記光源の点灯時、前記演算増幅器の反転入力端子を前記ＭＯＳトランジスタのソースに接続する切替器と、
を備えることを特徴とする光源駆動回路。
【請求項２】
前記電源電位と前記基準電位との間に直列に接続された複数の第２抵抗素子でなる抵抗素子群を備え、
前記演算増幅器の非反転入力端子が、前記抵抗素子群に含まれる前記第２抵抗素子のうち、所定の数の前記第２抵抗素子をはさんで前記基準電位に接続され、
前記切替器は、前記光源の消灯時、前記演算増幅器の反転入力端子を、前記所定の数より多い数の前記第２抵抗素子をはさんで前記基準電位に接続することによって前記バイアス電圧よりも高い電圧を前記演算増幅器の反転入力端子に供給することを特徴とする請求項１に記載の光源駆動回路。
【請求項３】
被測定ガスが導入される筒状のセルと、
前記セルの内面に設けられた赤外線を放射する光源と、
前記内面と対向する内面に設けられ、前記光源から放射された赤外線を検出する赤外線センサと、
請求項１または２に記載の光源駆動回路と、
前記赤外線センサの信号出力からガス濃度を算出する信号処理装置と、
を有することを特徴とするガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源駆動回路、ガスセンサに係り、特に非分散型赤外線吸収法を使った光源駆動回路、この光源駆動回路を適用したガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線によるガスセンサには、非分散型赤外線吸収法を使ったものがある。非分散型赤外線吸収法のガスセンサは、ガスが特有の波長領域の赤外線を吸収する特性を利用して、特有の波長領域のみの赤外線強度を検出する。
赤外線放射源として波長制限のない光源が用いられる。このような光源の一つとして、点滅の可能なフィラメント電球、いわゆる豆電球や麦球と呼ばれる電球が用いられる。フィラメント電球は、安価である上に、小型化や電気制御に有利な構成として知られている。
【０００３】
被測定ガスは、筒状のセルに取り込まれる。このセルの一端にはフィラメント電球が設けてあって、被測定ガスは、フィラメント電球から放射される赤外線のうち、特有の波長領域の赤外線を吸収する。また、セルには、被測定ガスによって吸収される波長領域の赤外線だけを透過して、他の波長の赤外線を透過しない光学フィルタが設けられている。
以上の構成のガスセンサでは、光学フィルタを透過した赤外線の強度を検出することにより、被測定ガスが特有の波長領域の赤外線を吸収した量が分かる。非分散型赤外線吸収法を使ったガスセンサでは、この吸収量から被測定ガスの濃度を算出することができる。
【０００４】
このようなガスセンサに用いられるフィラメント電球には、フィラメント電球を点滅させるためのパルス電圧が与えられる。フィラメント電球にフィラメント電球の定格電圧と同じパルス電圧を与えると、電圧の印加初期に、フィラメント電球にフィラメント電球の定格電流を超えた大きな突入電流が流れる。これは、印加初期に、フィラメントが冷えており、フィラメント電球の抵抗値が極端に小さいためである。印加初期の後は、フィラメントが温まり、フィラメント電球の抵抗値が高くなり、フィラメント電球に流れる電流が定格電流に落ち着く。パルス電圧を切る直前に、フィラメント電球に流れる電流がフィラメント電球の定格電流と同じになるよう設計されている場合には、光源の光量が大きくなって、ガスセンサとしてのＳ／Ｎ比が高くなる。ところが、印加初期に生じる定格電流を超えた突入電流は、フィラメント電球の寿命を縮めるために問題となっている。
【０００５】
突入電流の問題を解決する従来技術としては、例えば、特許文献１に記載されたガスセンサがある。特許文献１に記載されているガスセンサは、フィラメント電球に与えるパルス電圧の印加初期に、ローパス・フィルタを使って電圧を緩やかに上昇させている。電圧上昇を緩やかにすることにより、フィラメント電球に流れる電流上昇が緩やかになり、突入電流の発生を防いで、突入電流がフィラメント電球の寿命を縮める問題を解決した。
図４は、このような従来のガスセンサの光源駆動回路を説明するための回路図である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２９２３２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、図４に示した回路では、その構成上、フィラメント電球に流れる電流がフィラメント電球の抵抗値の大きさによって変化する。この変化は、フィラメント電球の抵抗値が小さいとき、フィラメント電球に流れる電流が大きくなり、フィラメント電球の抵抗値が大きいとき、フィラメント電球に流れる電流が小さくなるように起こる。
すなわち、光源７０に流れる電流ＩLIGHTは、Ｒ５、Ｒ６＞＞ＲLの条件の下では、以下の式（１）が成立する。
ＩLIGHT≒ＶBIAS×（Ｒ５＋Ｒ６）／｛Ｒ７×（Ｒ５＋Ｒ６）＋Ｒ６×ＲL｝  …式（１）
【０００８】
式（１）から明らかなように、電流ＩLIGHTには光源７０の抵抗値ＲLが含まれている。このため、光源７０へのパルス電圧の印加初期には、光源７０が次第に温まり、光源７０の抵抗値が過渡的に変化し、光源７０に流れる電流も過渡的に変化する。また、個体ばらつきによる光源７０の抵抗値のばらつきで、電流ＩLIGHTもばらついてしまう。印加初期の光源７０の抵抗値が定まらない上に、光源７０の個体ばらつきを考慮すると、演算増幅器１８１の非反転入力端子に接続されたローパス・フィルタ１８２を使って光源７０に流れる電流ＩLIGHTを緩やかに上昇させるよう設計するには、光源７０ごとにトライ・アンド・エラーによる調整が必要となる。このような点は、ガスセンサの量産性を低下させてしまう。
【０００９】
また、光源７０を消灯させているとき、演算増幅器１８１の非反転入力端子はグラウンド電位に接続されるため、理想的には演算増幅器１８１の反転入力端子もグラウンド電位となり、光源７０にかかる電圧がゼロとなり、電流もゼロとなる。
しかし、実際には、演算増幅器１８１のオフセット電圧等、不確定な要素により、光源７０に微小ではあるが電圧がかかり、微小な電流が流れてしまう。電池で動作するガスセンサにおいて、このような微小電力の消費は、電池の消耗を早めてしまうため解決すべき課題となる。
本発明は、上記した点に鑑みてなされたものであり、光源に流れる電流の設計を容易にして量産性を向上し、光源消灯時の光源に流れる電流を完全にカットして電力の浪費を無くした上で、光源の寿命を縮めることの無い光源駆動回路、この光源駆動回路を適用して構成されるガスセンサ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】
【００１０】
以上の課題を解決するため、本発明の請求項１の光源駆動回路は、光源を駆動する光源駆動回路であって、前記光源（例えば図２に示した光源７）の一端に電源電位（例えば図２に示した電源電位５１）が供給され、前記一端と異なる他の一端にドレインが接続され、ソースが第１抵抗素子（例えば図２に示した抵抗素子Ｒ１）を介して基準電位（例えば図２に示したグラウンド電位５２）に接続されるＭＯＳトランジスタ（例えば図２に示したｎＭＯＳトランジスタ６１）と、反転入力端子（例えば図２に示した反転入力端子１０１ｂ）、非反転入力端子（例えば図２に示した非反転入力端子１０１ａ）、出力端子（例えば図２に示した出力端子１０１ｃ）を有する演算増幅器（例えば図２に示した演算増幅器１０１）と、を含み、前記演算増幅器の出力端子が前記ＭＯＳトランジスタのゲートに接続され、前記光源の消灯時、前記演算増幅器の反転入力端子に、前記演算増幅器の非反転入力端子に供給されるバイアス電圧よりも高い電圧を供給し、前記光源の点灯時、前記演算増幅器の反転入力端子を前記ＭＯＳトランジスタのソースに接続する切替器（例えば図２に示した切替器６５）と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項２に記載の光源駆動回路は、請求項１の発明において、前記電源電位と前記基準電位との間に直列に接続された複数の第２抵抗素子（例えば図２に示した抵抗素子Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）でなる抵抗素子群を備え、前記演算増幅器の非反転入力端子が、前記抵抗素子群に含まれる前記第２抵抗素子のうち、所定の数の前記第２抵抗素子をはさんで前記基準電位に接続され、前記切替器は、前記光源の消灯時、前記演算増幅器の反転入力端子を、前記所定の数より多い数の前記第２抵抗素子をはさんで前記基準電位に接続することによって前記バイアス電圧よりも高い電圧を前記演算増幅器の反転入力端子に供給することを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項３に記載のガスセンサは、被測定ガスが導入される筒状のセル（例えば図１に示したセル２）と、前記セルの内面に設けられた赤外線を放射する光源（例えば図１に示した光源７）と、前記内面と対向する内面に設けられ、前記光源から放射された赤外線を検出する赤外線センサ（例えば図１に示した赤外線センサ１４ａ、１４ｂ）と、請求項１または２に記載の光源駆動回路（例えば図１に示した光源駆動回路１８）と、前記赤外線センサの信号出力からガス濃度を算出する信号処理装置（例えば図１に示した信号処理装置４）と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
以上の課題を解決するため、請求項１の発明によれば、演算増幅器の反転入力端子がバイアス電圧よりも高い電圧の配線に接続された場合、演算増幅器の出力が基準電位（例えばグラウンド電位）に固定されるので、ＭＯＳトランジスタが遮断され、消灯時光源に流れる電流は完全にゼロとなる。また、待機時の消灯や点滅動作時の消灯においても光源に流れる電流を完全にカットすることができるので、電力の浪費を無くし、消費電力の低減を図る光源駆動回路を提供することができる。このような効果は、特に電池で動作するガスセンサにとって有用である。
【００１４】
また、請求項１の発明によれば、光源の点灯時に光源駆動回路が定電流回路を構成し、光源に流れる電流は、バイアス電圧と第１抵抗素子の抵抗成分とで表わすことができる。光源に流れる電流が光源の抵抗値に依存しないため、光源に流れる電流の設計が容易にできる。また、光源ごとの抵抗値のばらつきにも依存しないので、量産性の高い光源駆動回路を提供することができる。また、光源の点灯初期に、突入電流は一切発生せず、点灯の初めから終わりまで、光源の定格電流を超えないように設計した定電流が光源に流れる。よって、光源の寿命を縮める問題は発生しない。
【００１５】
また、請求項２の発明によれば、簡易な構成によって演算増幅器の反転入力端子に非反転入力端子に供給されるバイアス電圧よりも高い電圧を供給する回路を実現することができる。
また、請求項３の発明によれば、電力の浪費を無くし、消費電力の低減を図るガスセンサを提供することができる。さらに、光源に流れる電流の設計が容易で、量産性が高く、しかも光源の寿命を縮めることの無いガスセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態のガスセンサを説明するための図である。
【図２】図１に示したガスセンサの光源駆動回路を説明するための回路図である。
【図３】図２に示した光源駆動回路でガスセンサを動作させたときの過渡応答特性を説明するための図である。
【図４】本発明の実施形態の従来技術に相当する回路を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係るガスセンサ、及び、ガスセンサの光源駆動回路を説明する。
（全体構成）
図１は、本実施形態のガスセンサを説明するための概略図である。図示したガスセンサは、被測定ガスが内部に導入される筒状のセル２、セル２の一端に設けられた光源７、セル２において、光源７の取付け面と対向する内面に設けられた赤外線センサ１４ａ、１４ｂ、光源７に電力を与える光源駆動回路１８、赤外線センサ１４ａ、１４ｂの信号出力からガス濃度を算出する信号処理装置４を備えている。赤外線センサ１４と光源７との間には、光学フィルタ１５ａ、１５ｂが設けられている。
【００１８】
セル２は、被測定ガスを導入するための容器である。セル２には、ガスを導入するための吸気口９ａと、排気口９ｂと、が設けられている。ここで、セル２の内壁が金やアルミ等の金属であると、光源７から放たれた赤外線が反射して、赤外線センサ１４で検出される赤外線強度が大きくなる。
光源７は、対向する赤外線センサ１４ａ、１４ｂに向かって赤外線を放出する。光源７には、波長制限のない非分散型の赤外線放射源が用いられる。赤外線放射源としては、黒体炉やフィラメント電球等が用いられる。
【００１９】
赤外線センサ１４ａ、１４ｂは、互いに隣接して配置されている。光学フィルタ１５ａ、１５ｂは、それぞれ赤外線センサ１４ａ、１４ｂの直前に設けられている。
赤外線センサ１４ａ、１４ｂは、光学フィルタ１５を透過した赤外線を感知し、電気信号に変換する。赤外線センサ１４ａ、１４ｂには、焦電素子、サーモパイル、量子型素子が用いられる。光学フィルタ１５は、所定の波長領域の赤外線を透過させる光学的なバンドパスフィルタである。
【００２０】
例えば、二酸化炭素の濃度を測定するガスセンサでは、二酸化炭素の赤外線吸収の起こりやすい４．２８μｍに中心波長がある光学フィルタ１５ａと、二酸化炭素の赤外線吸収がなく、かつ、水蒸気や他ガスの赤外線吸収の小さい３．９μｍに中心波長がある光学フィルタ１５ｂと、が用いられる。光学フィルタ１５ｂと赤外線センサ１４ｂは、ガスによる赤外線吸収量の検出には関係せず、主に光源７の状態をモニタする機能を有する。
【００２１】
つまり、光源７の赤外線強度は、劣化等の理由によって低下することがある。光源７の放射する赤外線の一部を光学フィルタ１５ｂで透過して赤外線センサ１４ｂで検出した信号出力を用いて、二酸化炭素の赤外線吸収をモニタしている光学フィルタ１５ａと赤外線センサ１４ａの信号出力を補正することにより、光源７によって放射される光量の変動によらず正確な二酸化炭素の赤外線吸収量を検出することができる。
【００２２】
なお、図１に示した構成は、光学フィルタ１５ａ、１５ｂと、光学フィルタ１５ａに対応する赤外線センサ１４ａ、光学フィルタ１５ｂに対応する赤外線センサ１４ｂを用いる例を示している。しかし、本実施形態は、このような構成に限定されるものではなく、例えば、光学フィルタ１５ａと赤外線センサ１４ａとだけによって赤外線の吸収量を検出することも可能である。
【００２３】
また、本実施形態では、ガスセンサを二酸化炭素ガスの濃度検出に適用する例を挙げている。本実施形態のガスセンサは、このような構成に限定されず、被測定ガスに応じて中心波長の異なる光学フィルタ１５に替えればよいので、一酸化炭素、メタンガス、ホルムアルデヒド、ＮＯX、ＳＯX、Ｈ2Ｓ等の濃度測定にも適用できる。さらに、光学フィルタ１５ａ、１５ｂと赤外線センサ１４ａ、１４ｂとは別個の構成であることに限定されず、両者をキャンパッケージに一体とした構成を用いても良い。
【００２４】
信号処理装置４は、赤外線センサ１４ａ、１４ｂの信号出力を増幅して、Ａ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換する。また、マイコン等のコンピュータによって信号出力からガス濃度を算出する。例えば、赤外線センサ１４ａ、１４ｂが量子型素子の場合、素子から出力された電流を電流−電圧変換器で電圧に変換し、増幅処理をし、信号をＡ／Ｄ変換器に入力させる。Ａ／Ｄ変換器でデジタルに変換された信号は、記憶装置に保存されている温度補正係数や濃度変換係数等と共に、コンピュータにおいてガス濃度を算出する処理に用いられる。
【００２５】
（光源駆動回路）
図２は、光源７を含む光源駆動回路１８を説明するための回路図である。図２に示した回路では、電源電位５１とグラウンド電位５２の間に、光源７、ｎＭＯＳトランジスタ６１、抵抗素子Ｒ１が接続されている。
また、光源駆動回路１８は、演算増幅器１０１を備えている。演算増幅器１０１は、非反転入力端子１０１ａ、反転入力端子１０１ｂ、出力端子１０１ｃを有し、演算増幅器１０１の出力端子１０１ｃは、ｎＭＯＳトランジスタ６１のゲートに接続されている。
【００２６】
非反転入力端子１０１ａには一定のバイアス電圧ＶBIASが与えられている。反転入力端子１０１ｂは、ｎＭＯＳトランジスタ６１のソースと抵抗素子Ｒ１との間の配線Ａと、バイアス電圧ＶBIASよりも高い電圧が印加される配線Ｂと、に接続の切り替えが可能な切替器６５に接続されている。切替器６５により、演算増幅器１０１の反転入力端子１０１ｂは、配線Ａ、配線Ｂのいずれか一方に接続されるように切り替えられる。配線Ｂの電位は、電源電位５１とグラウンド電位５２との間に直列に接続された抵抗素子Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４で作られた電位であり、簡易な構成でバイアス電圧ＶBIASより高い電位を生成している。
【００２７】
切替器６５には、点灯／消灯切替信号Ｓが入力される。切替器６５は、点灯／消灯切替信号Ｓによって演算増幅器１０１の反転入力端子１０１ｂを、配線Ａまたは配線Ｂに接続する。切替器６５によって演算増幅器１０１の反転入力端子１０１ｂが配線Ａに接続された場合、光源７に電流が流れて光源７が点灯する。また、反転入力端子１０１ｂが配線Ｂに接続された場合、光源７への電流供給が停止して光源７が消灯する。
【００２８】
光源７の点灯時は、光源駆動回路１８は定電流回路を構成する。このため、光源７に流れる電流ＩLIGHTは、以下の式（２）によって表される。
ＩLIGHT＝ＶBIAS／Ｒ1        …式（２）
式（２）から明らかなように、電流ＩLIGHTの値を表す式には光源７の抵抗値が含まれない。すなわち、本実施形態によれば、光源７に流れる電流ＩLIGHTが光源７の抵抗値に依らないため、光源７に流れる電流ＩLIGHTの設計が容易にできる。
【００２９】
また、本実施形態によれば、光源７ごとの抵抗値のばらつきにも依存しないので、量産性の高い光源駆動回路１８をつくることができる。また、本実施形態で説明した光源駆動回路１８の場合、点灯初期に突入電流は一切発生せず、点灯の初めから終わりまで式（２）で示した定電流が光源７に流れる。したがって、本実施形態によれば、ＩLIGHTを光源７の定格電流を超えないように設計して十分な光量を得ながら、光源７の寿命を縮める問題が発生しない。
【００３０】
また、光源７の消灯時は、演算増幅器１０１の出力端子１０１ｃの電位がグラウンド電位５２に固定される（張り付く）ので、ｎＭＯＳトランジスタ６１がオフされる。このため、光源７に流れる電流は完全にゼロとなる。したがって、本実施形態は、待機時の消灯や点滅動作時の消灯に光源に流れる電流を完全にカットすることができる。
このような本実施形態によれば、光源駆動回路１８における電力の浪費を無くし、ガスセンサを省力化することができる。省力化の効果は、特に電池動作のガスセンサにとって有用である。
【００３１】
また、切替器６５を配線Ｃや配線Ｄに設けても光源７を点滅させることは可能である。しかし、本発明の発明者らの研究によれば、切替器６５を配線Ｃや配線Ｄに設けた場合、点灯初期に非常に短い時間で定格を超える電流が発生する、あるいは消灯時に微小電流が流れてしまうことが分かった。このため、本実施形態のように、図２に示す位置に切替器６５を設けることが最も望ましい。
【００３２】
（応答特性）
図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本実施形態のガスセンサを、図２に示した光源駆動回路１８によって動作させたときの過渡応答特性を示した図である。光源７には、定格５Ｖ、１１５ｍＡのフィラメント電球を用いた。電源電位５１は４．５Ｖ、バイアス電圧ＶBIASは０．１Ｖ、抵抗素子Ｒ１は１Ωとした。
図３（ａ）の縦軸は点灯／消灯切替信号Ｓを示し、図３（ｂ）の縦軸は光源７の端子間にかかる電圧、図３（ｃ）の縦軸は光源７に流れる電流を示す。図３（ａ）〜（ｃ）のいずれにおいても、横軸は所定のタイミングを基準にした時間を示している。
図３（ａ）〜（ｃ）によれば、点灯の初期に突入電流は一切発生せず、点灯の初めから終わりまで、式（２）のとおり１００ｍＡの定電流が光源７に流れていることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、非分散型赤外線吸収法によるガスセンサおいて利用できる。
【符号の説明】
【００３４】
２  セル
４  信号処理装置
７  光源
９ａ  吸気口
９ｂ  排気口
１４ａ、１４ｂ  赤外線センサ
１５ａ、１５ｂ  光学フィルタ
１８  光源駆動回路
５１  電源電位
５２  グラウンド電位
６１  ｎＭＯＳトランジスタ
６５  切替器
１０１  演算増幅器
１０１ａ  演算増幅器１０１の非反転入力端子
１０１ｂ  演算増幅器１０１の反転入力端子
１０１ｃ  演算増幅器１０１の出力端子
７０  光源
１８１  演算増幅器
１８２  ローパス・フィルタ
【図１】
2011174820.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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