(57)【要約】【課題】本発明は、高精度なＡＤ変換部を用いずに検出精度を向上させた成分センサを提供することを目的とする。【解決手段】この目的を達成するために本発明は、赤外線を発光する光源部２と、赤外線を検出してリファレンス信号を出力する第１の受光部８と、赤外線を検出してセンス信号を出力する第２の受光部９と、第１の受光部８の出力信号を電流信号から電圧信号に変換する第１のＩＶ変換部１０と、第２の受光部９の出力信号を電流信号から電圧信号に変換する第２のＩＶ変換部１１と、第１のＩＶ変換部１０の出力信号と第２のＩＶ変換部１１の出力信号の差動演算を行う差動増幅部１４と、を有した構成とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線を発光する光源部と、
赤外線を検出してリファレンス信号を出力する第１の受光部と、
赤外線を検出してセンス信号を出力する第２の受光部と、
前記第１の受光部の出力信号を電流信号から電圧信号に変換する第１のＩＶ変換部と、
前記第２の受光部の出力信号を電流信号から電圧信号に変換する第２のＩＶ変換部と、
前記第１のＩＶ変換部の出力信号と前記第２のＩＶ変換部の出力信号の差動演算を行う差動増幅部と、を有した成分センサ。
【請求項２】
前記第１のＩＶ変換部の出力信号をデジタル信号に変換する第１のＡＤ変換部と、
前記差動増幅部の出力信号をデジタル信号に変換する第２のＡＤ変換部と、をさらに有した請求項１に記載の成分センサ。
【請求項３】
前記第１のＡＤ変換部の出力信号と前記第２のＡＤ変換部の出力信号を処理する信号処理部と、をさらに有した請求項２に記載の成分センサ。
【請求項４】
前記信号処理部は、前記光源部が赤外線を発光しているときの前記差動増幅部の出力信号と前記光源部が前記赤外線を発光していないときの前記差動増幅部の出力信号の差動演算を行う請求項３に記載の成分センサ。
【請求項５】
前記第２の受光部は前記光源部の発光する赤外線のうち所定の波長のみを検出する請求項１〜４のいずれかに記載の成分センサ。
【請求項６】
前記第２の受光部と異なる波長の赤外線を検出する第３の受光部と、
前記第３の受光部の出力信号を電流信号から電圧信号に変換する第３のＩＶ変換部と、
前記第１のＩＶ変換部の出力信号と前記第３のＩＶ変換部の出力信号の差動演算を行う第２の差動増幅部と、
前記差動増幅部の出力信号をデジタル信号に変換する第３のＡＤ変換部と、をさらに有した請求項５に記載の成分センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定対象の流体の成分を検出する成分センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＮＤＩＲ（Ｎｏｎ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  ＩｎｆｒａＲｅｄ）方式によりガスの成分を検出する成分センサが知られていた。（特許文献１、２）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開第２０１０−１３９２９９号公報
【特許文献２】特許第３５８８９８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１、２に記載のガスセンサではガス検出用のセンス信号と光量調整用のリファレンス信号の検出精度が低く、検出精度を向上させるには高精度なＡＤ変換回路が必要になるため回路規模が増大し消費電流が増加するという課題があった。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決し、高精度なＡＤ変換回路を用いなくてもセンス信号とリファレンス信号を精度良く検出することができる成分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】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明は、赤外線を発光する光源部と、赤外線を検出してリファレンス信号を出力する第１の受光部と、赤外線を検出してセンス信号を出力する第２の受光部と、前記第１の受光部の出力信号を電流信号から電圧信号に変換する第１のＩＶ変換部と、前記第２の受光部の出力信号を電流信号から電圧信号に変換する第２のＩＶ変換部と、前記第１のＩＶ変換部の出力信号と前記第２のＩＶ変換部の出力信号の差動演算を行う差動増幅部と、を有した構成とした。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の赤外線センサは、第１のＩＶ変換部の出力信号と第２のＩＶ変換部の出力信号の差動演算を行う差動増幅部を有し、ＡＤ変換に必要な分解能を抑えることができるため、高精度なＡＤ変換部を用いなくても成分センサの検出精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１の成分センサの回路図
【図２】同成分センサの信号を示す図
【図３】実施の形態２の成分センサの回路図
【図４】同成分センサの光源駆動電圧と検出信号の関係を示す図
【図５】実施の形態３の成分センサの回路図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、実施の形態に係る成分センサについて図面を用いて説明をする。なお、各図面において、同様の構成については、同一の符号を付し、説明を省略する。また、各実施の形態における各構成要素は矛盾のない範囲で任意に組み合わせても良い。
【００１０】
（実施の形態１）
以下に、実施の形態１における成分センサチップと赤外線センサについて図面を用いながら説明する。
【００１１】
図１は実施の形態１の成分センサの回路図である。
【００１２】
成分センサ１は、光源部２と、光源部２を駆動する光源駆動部３と、光源部２から放射された光を検出するセンサ部４と、センサ部４と接続された回路部５と、回路部５の出力信号を処理する信号処理部６と、信号処理部６の出力信号をデジタル信号からアナログ信号に変換して光源駆動部３に入力するＤＡ変換部７を有する。センサ部４は、第１の受光部８と第２の受光部９を有している。回路部５は、第１のＩＶ変換部１０と、第２のＩＶ変換部１１と、第１のＡＤ変換部１２と、第２のＡＤ変換部１３と、差動増幅部１４を有している。信号処理部６は、制御部１５を有している。成分センサ１は、ＮＤＩＲ方式のセンサであり、光源部２から光を被測定対象に放射し、その赤外線の減衰量から被測定対象である二酸化炭素などのガスや燃料成分などの流体の成分を検出する。
【００１３】
光源部２は、赤外線を発光可能な発光ダイオードを用いており、発光ダイオードには半導体のベアチップが用いられている。光源駆動部３の制御により光源部２は光を放射する。光源部２には発光ダイオードチップの替わりに、半導体基板上に形成した抵抗素子やレーザダイオード、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）等の微細加工技術を用いて製作された赤外線光源などを用いても良い。ただし、半導体のベアチップを用いることにより、光源部２を小型化できる。光源部２から放出される光は主に中波長の赤外線であり、光の波長は２．５μｍ以上１５μｍ以下である。２．５μｍ以上１５μｍ以下の波長の光を用いることにより、被測定対象に光が吸収されやすく、被測定対象のスペクトル特性が急峻となる。これにより、高感度で、対象物質選択性の高い成分センサ１を提供できる。
【００１４】
第１の受光部８と第２の受光部９は受光素子（図示せず）を有し、赤外線を吸収可能な焦電素子が用いられている。受光素子には半導体のベアチップやフォトダイオードなどを用いても良い。また、第１の受光部８と第２の受光部９は光学フィルタ（図示せず）を有しており、光源部２から発光された赤外線は光学フィルタを通過して第１の受光部８と第２の受光部９に入射する。第１の受光部８は光源部２の発光する赤外線をそのまま受光する。第２の受光部９は前方に設けられた光学フィルタが特定の波長のみを透過するため、光学フィルタが透過した波長のみを受光する。第１の受光部８の受光量と第２の受光部９の受光量を比較することで、被測定対象による赤外線の減衰量を検出することができ、これにより、被測定対象の成分を検出することができる。第２の受光部９が受光する赤外線の波長は被測定対象の吸収量の大きい波長とすることで被測定対象による赤外線の吸収量が大きくなり、成分センサ１の検出精度が向上する。このため、第２の受光部９の前方に設けられた光学フィルタが透過する光の波長は被測定対象によって適宜変更できるようにすることが好適である。
【００１５】
第１のＩＶ変換部１０は、演算増幅器ＯＰ１と帰還抵抗Ｒ１を備えている。第１のＩＶ変換部１０の演算増幅器ＯＰ１の正入力端子には基準電圧源Ｖｒｅｆが接続され、負入力端子には第１の受光部８が接続され第１の受光部８の出力信号が入力される。帰還抵抗Ｒ１は、一端が演算増幅器ＯＰ１の負入力端子に接続され、他端が演算増幅器ＯＰ１の出力端子に接続されている。第１の受光部８の出力信号は第１のＩＶ変換部１０により電流信号から電圧信号に変換される。
【００１６】
第２のＩＶ変換部１０は、演算増幅器ＯＰ１と帰還抵抗Ｒ１を備えている。第１のＩＶ変換部１０の演算増幅器ＯＰ１の正入力端子には基準電圧源Ｖｒｅｆが接続され、負入力端子には第２の受光部９が接続され第２の受光部９の出力信号が入力される。帰還抵抗Ｒ
１は、一端が演算増幅器ＯＰ１の負入力端子に接続され、他端が演算増幅器ＯＰ１の出力端子に接続されている。第２の受光部９の出力信号は第１のＩＶ変換部１０により電流信号から電圧信号に変換される。
【００１７】
差動増幅部１４は、演算増幅器ＯＰ２と帰還抵抗Ｒ２を備えている。差動増幅部１４の演算増幅器ＯＰ２の正入力端子には接地端子との間に抵抗Ｒ３が接続され、第２のＩＶ変換部１１の出力端子との間に抵抗Ｒ４が接続されている。正入力端子に第２のＩＶ変換部１１で電圧信号に変換された第２の受光部９から出力信号が入力されている。演算増幅器ＯＰ２の負入力端子には抵抗Ｒ５を介して第１のＩＶ変換部１０の出力端子が接続され、第１のＩＶ変換部１０で電圧信号に変換された第１の受光部８の出力信号が入力されている。帰還抵抗Ｒ２は一端が差動増幅部１４の負入力端子に接続され、他端が差動増幅部１４の出力端子に接続されている。差動増幅部１４は第１のＩＶ変換部１０の出力信号と第２のＩＶ変換部１１の出力信号の差動演算を行っている。
【００１８】
第１のＡＤ変換部１２の入力端子は第１のＩＶ変換部１０の出力端子と接続されている。第１のＡＤ変換部１２の出力端子は信号処理部６と接続され、第１のＩＶ変換部１０の出力信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、信号処理部６に入力している。
【００１９】
第２のＡＤ変換部１３の入力端子は差動増幅部１４の出力端子と接続されている。第２のＡＤ変換部１３の出力端子は信号処理部６と接続され、差動増幅部１４の出力信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、信号処理部６に入力している。
【００２０】
信号処理部６はマイコン等で構成され、第１のＡＤ変換部１２の出力信号と第２のＡＤ変換部１３の出力信号を処理している。信号処理部６はＤＡ変換部７と接続され、光源部２の発光を信号処理からの出力信号により制御している。なお、第１のＡＤ変換部１２と第２のＡＤ変換部１３が回路部５に設けられているものとして説明しているが、第１のＡＤ変換部１２と第２のＡＤ変換部１３が信号処理部６に設けられた構成としても良い。信号処理部６の制御部１５は第１のＡＤ変換部１２と接続され、第１のＡＤ変換部１２から入力されたリファレンス信号に応じて光源駆動部３を制御する信号をＤＡ変換部７に出力する。
【００２１】
信号処理部６における信号処理について説明する。図２は実施の形態１の成分センサの出力信号を示す図である。
【００２２】
図２には、光源駆動電圧と、第１のＩＶ変換部１０から出力されるリファレンス信号と、第２のＩＶ変換部１１から出力されるセンス信号と、差動増幅部１４から出力される検出信号が示してある。リファレンス信号、センス信号、検出信号は電圧信号として示されている。リファレンス信号、センス信号、検出信号は実線が被測定対象の濃度が低い場合の例を示しており、破線が被測定対象の濃度が高い場合の例を示している。被測定対象の濃度が高くなるに従って被測定対象による赤外線の吸収量が大きくなるため、センス信号は小さくなる。検出信号はセンス信号とリファレンス信号の差動演算を行っているため、検出信号は被測定対象の濃度によってセンス信号よりも大きく変化する。このため、検出信号の分解能を高くしなくても、成分センサ１の検出精度を向上できる。これにより、第１のＡＤ変換部１２、第２のＡＤ変換部１３に高精度なＡＤ変換部を用いなくても成分センサ１の検出精度を向上できる。高精度なＡＤ変換部を用いると回路規模が増大し、消費電力が大きくなるが、成分センサ１は高精度なＡＤ変換部を用いないため、第１のＡＤ変換部１２、第２のＡＤ変換部１３を回路規模と消費電力を抑制しながら成分センサ１の検出精度を向上させることができる。
【００２３】
（実施の形態２）
以下に、図面を用いて実施の形態２の成分センサについて説明する。
【００２４】
図３は、実施の形態２の成分センサの回路図である。
【００２５】
実施の形態２の成分センサ２１は、光源部２と、光源部２を駆動する光源駆動部３と、光源部２から放射された光を検出するセンサ部４と、センサ部４と接続された回路部５と、回路部５の出力信号を処理する信号処理部６と、信号処理部６の出力信号をデジタル信号からアナログ信号に変換して光源駆動部３に入力するＤＡ変換部７を有する。センサ部４は、第１の受光部８と第２の受光部９を有している。回路部５は、第１のＩＶ変換部１０と、第２のＩＶ変換部１１と、第１のＡＤ変換部１２と、第２のＡＤ変換部１３と、差動増幅部１４を有している。信号処理部６は、制御部１５と信号調整部２２を有している。第１のＡＤ変換部１２と第２のＡＤ変換部１３は信号調整部２２と接続され、成分センサ２１のその他の各構成は実施の形態１の図１と同様に接続されている。
【００２６】
信号調整部２２は、信号処理部６に設けられ、制御部１５より出力された制御信号をもとに、光源部２が発光しているときの検出信号と発光していないときの検出信号の差演算を行う。
【００２７】
図４は実施の形態２の成分センサの光源駆動電圧と検出信号の関係を示す図である。図４を用いて、成分センサ２１の信号処理部６の動作について説明する。図４には光源駆動電圧と、差動増幅部１４から出力される検出信号と、検出信号に影響するノイズ信号が示してある。図４に示されている検出信号はガス濃度が低いときであるが、ガス濃度に依らず実施の形態２の効果は得ることができる。図４には、光源部２が発光しているときを「光源ＯＮ時」と示し、光源部２が発光していないときを「光源ＯＦＦ時」と示してある。成分センサ２１の信号処理部６は、光源部２が発光しているときの検出信号と発光していないときの検出信号の差分を取っている。成分センサ２１の回路にノイズが生じることがあり、このノイズが検出信号に混入すると、成分センサ２１のＳＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ  ｔｏ  Ｎｏｉｓｅ  Ｒａｔｉｏ）特性が低下する。成分センサ２１は、信号調整部２２で光源部２が発光しているときの検出信号と発光していないときの検出信号の差分をとることでこのノイズの影響を除去することができるため、ＳＮＲ特性を向上できている。
【００２８】
成分センサ２１によるノイズの除去について説明する。検出信号をＳ、基準電圧をＶｒｅｆ、ノイズの影響をＮｏｉｓｅ、赤外線の受光による基準電圧からの上昇値をＳ１、上昇後の検出信号をＶ１、赤外線の発光停止による基準電圧からの下降値をＳ２、下降後の検出信号をＶ２としている。
【００２９】
回路ノイズが加わっている場合、検出信号は定常状態では、Ｓ＝Ｖｒｅｆ＋Ｎｏｉｓｅとなっている。第１の受光部８と第２の受光部９が光源部２の発光により赤外線を受光したとき、検出信号はＳ１だけ上昇してＳ＝Ｖ１となる。ここで、成分センサ２１は第１の受光部８と第２の受光部９に焦電素子を用いているため、焦電素子の温度変化により光源部２の発光を止めたときに基準電圧Ｖｒｅｆよりも低い値まで検出信号が下降する。このため、光源部２の発光を止めたときに検出信号が基準電圧Ｖｒｅｆよりも低い値となり、Ｓ＝Ｖ２まで下がった後にＶｒｅｆ＋Ｎｏｉｓｅまで戻り、定常状態となる。この様に、回路ノイズが加わっている状態だと、検出信号は常にＮｏｉｓｅが加えられた値が出力される。ここで、光源部２が発光しているときの検出信号と光源部２が発光していないときの差分を取った場合、（１）〜（３）式で表される。
【００３０】
Ｖ１＝Ｖｒｅｆ＋（Ｓ１＋Ｎｏｉｓｅ）  （１）
Ｖ２＝Ｖｒｅｆ−（Ｓ２−Ｎｏｉｓｅ）  （２）
Ｖ１−Ｖ２＝Ｖｒｅｆ＋（Ｓ１＋Ｎｏｉｓｅ）−（Ｖｒｅｆ−（Ｓ２−Ｎｏｉｓｅ））
＝Ｖｒｅｆ＋Ｓ１＋Ｎｏｉｓｅ−Ｖｒｅｆ＋Ｓ２−Ｎｏｉｓｅ
＝Ｓ１＋Ｓ２  （３）
この様に、光源部２が発光しているときの検出信号と光源部２が発光していないときの検出信号の出力信号の差分を取ることで、検出信号の純粋な変化分であるＳ１＋Ｓ２を得ることができる。これにより、回路ノイズの影響を除外できるため、成分センサ２１のＳＮＲ特性を向上させることができる。
【００３１】
（実施の形態３）
以下に、実施の形態３の成分センサについて図面を用いながら説明する。
【００３２】
図５は実施の形態３の成分センサの回路図を示している。
【００３３】
成分センサ３１は、光源部２と、光源部２を駆動する光源駆動部３と、光源部２から放射された光を検出するセンサ部４と、センサ部４と接続された回路部５と、回路部５の出力信号を処理する信号処理部６と、信号処理部６の出力信号をデジタル信号からアナログ信号に変換して光源駆動部３に入力するＤＡ変換部７を有する。センサ部４は、第１の受光部８と、第２の受光部９と、第３の受光部３２を有している。回路部５は、第１のＩＶ変換部１０と、第２のＩＶ変換部１１と、第３のＩＶ変換部３３と、第１のＡＤ変換部１２と、第２のＡＤ変換部１３と、第３のＡＤ変換部３４と、第１の差動増幅部３５と、第２の差動増幅部３６を有している。信号処理部６は光源駆動部３を制御する制御部１５を有している。第１の受光部８、第２の受光部９、第１のＩＶ変換部１０、第２のＩＶ変換部１１、第１の差動増幅部３５、第１のＡＤ変換部１２、第２のＡＤ変換部１３、ＤＡ変換部７、光源駆動部３、光源部２は実施の形態１の成分センサ１と同様に接続されている。第１の差動増幅部３５は実施の形態１の差動増幅部１４と同様の働きをしている。第３の受光部３２、第３のＩＶ変換部３３、第３のＡＤ変換部３４、第２の差動増幅部３６、について説明する。
【００３４】
第３の受光部３２は受光素子（図示せず）を有し、赤外線を吸収可能な焦電素子が用いられている。受光素子には半導体のベアチップやフォトダイオードなどを用いても良い。第３の受光部３２の前方には光学フィルタが設けられており、第２の受光部９の前方に設けられた光学フィルタと異なる波長の光を透過する。このため、第３の受光部３２では、第２の受光部９とは異なる種類の被測定対象による吸収量の大きい成分を検出することができる。
【００３５】
第３のＩＶ変換部３３は、演算増幅器ＯＰ１と帰還抵抗Ｒ１を備えている。第３のＩＶ変換部３３の演算増幅器ＯＰ１の正入力端子には基準電圧源Ｖｒｅｆが接続され、負入力端子には第３の受光部３２が接続され第３の受光部３２の出力信号が入力される。帰還抵抗Ｒ１は、一端が演算増幅器ＯＰ１の負入力端子に接続され、他端が演算増幅器ＯＰ１の出力端子に接続されている。第３の受光部３２の出力信号は第３のＩＶ変換部３３により電流信号から電圧信号に変換される。
【００３６】
第２の差動増幅部３６は、演算増幅器ＯＰ２と帰還抵抗Ｒ２を備えている。第２の差動増幅部３６の演算増幅器ＯＰ２の正入力端子には接地端子との間に抵抗Ｒ３が接続され、第３のＩＶ変換部３３の出力端子との間に抵抗Ｒ４が接続されている。正入力端子に第３のＩＶ変換部３３で電圧信号に変換された第３の受光部３２から出力信号が入力されている。演算増幅器ＯＰの負入力端子には抵抗Ｒ５を介して第１のＩＶ変換部１０の出力端子が接続され、第１のＩＶ変換部１０で電圧信号に変換された第１の受光部８の出力信号が入力されている。帰還抵抗Ｒ２は一端が第２の差動増幅部３６の負入力端子に接続され、他端が第２の差動増幅部３６の出力端子に接続されている。第２の差動増幅部３６は第１のＩＶ変換部１０の出力信号と第３のＩＶ変換部３３の出力信号の差動演算を行っている
。
【００３７】
第３のＡＤ変換部３４の入力端子は第２の差動増幅部３６の出力端子と接続されている。第３のＡＤ変換部３４の出力端子は信号処理部６と接続され、第３のＩＶ変換部３３の出力信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、信号処理部６に入力している。第３のＡＤ変換部３４は、第１のＡＤ変換部１２、第２のＡＤ変換部１３と同様に信号処理部６内に設けられていても良い。
【００３８】
成分センサ３１は、第３の受光部３２を設けたことによって、第３のＡＤ変換部３４に高精度なＡＤ変換部を用いずに被測定対象に含まれる複数の成分を精度良く検出することができる。このため、複数種の成分が含まれた被測定対象の検出精度が向上する。
【００３９】
なお、第３の受光部３２を設けた構成で説明したが、受光部を４つ以上設けた構成としても良い。４つ目以降の受光部についても、第２の受光部９、第３の受光部３２と同様に第１の受光部８の出力信号との差動演算を行うことで、ＡＤ変換部を高精度化せずに成分センサ３１で被測定対象に含まれる複数種の成分を精度良く検出することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、高精度なＡＤ変換部を用いて回路規模を増大させたり消費電流を増加させたりしなくても検出精度の高い成分センサを提供することができるため、二酸化炭素などのガスセンサや、ガソリンなどの燃料成分の検出に適用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１、２１、３１  成分センサ
２  光源部
３  光源駆動部
４  センサ部
５  回路部
６  信号処理部
７  ＤＡ変換部
８  第１の受光部
９  第２の受光部
１０  第１のＩＶ変換部
１１  第２のＩＶ変換部
１２  第１のＡＤ変換部
１３  第２のＡＤ変換部
１４  差動増幅部
１５  制御部
２２  信号調整部
３２  第３の受光部
３３  第３のＩＶ変換部
３４  第３のＡＤ変換部
３５  第１の差動増幅部
３６  第２の差動増幅部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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