(57)【要約】  高ダイナミックレンジを提供する電気化学ガスセンサセル用の電子検知回路が記載されている。電子回路は、抵抗性の帰還要素を持つ増幅器を利用して低い検出ガス濃度の高い感度の線形検知を提供する。電子回路はまた、十分な電流のソースとなる能力も提供して電気化学ガスセンサセルが非常に高いガス濃度条件下でもバイアスを生じることを防ぐ。この動作は、増幅器の帰還経路に非線形要素を付加することにより可能となり、この非線形要素は高いガス濃度条件中に導電し始める。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向電極、参照電極、および動作電極を有する電気化学検知セルのための検知回路であって；
前記電気化学検知セルは、ガスに曝露すると前記対向電極と前記動作電極との間に電流フローを生じ；
前記電気化学検知セルの前記参照電極に接続されるよう成された非反転入力と、前記電気化学検知セルの前記動作電極に接続されるよう成された反転入力とを有する増幅器を備え；
前記増幅器は更に、前記増幅器の出力から前記増幅器の反転入力への帰還経路における抵抗と、前記抵抗と並列に接続される非線形要素とを含み；
前記抵抗の両端に生じる電圧が、前記対向電極と前記動作電極との間の電流フローの表示を提供する；
検知回路。
【請求項２】
前記非線形要素が、少なくとも１つのトランジスタを備える；
請求項１の検知回路。
【請求項３】
前記非線形要素が、２つの直列に接続されるトランジスタを備える；
請求項２の検知回路。
【請求項４】
前記直列に接続されるトランジスタが、電圧フォロワとして構成される；
請求項３の検知回路。
【請求項５】
前記非線形要素は、前記増幅器の出力の極性が負の場合、導通しない；
請求項１の検知回路。
【請求項６】
前記非線形要素は、前記抵抗の両端が所定電圧を下回ると、導通しない；
請求項１の検知回路。
【請求項７】
前記抵抗の両端に掛かる電圧は、前記非線形要素が導通していない場合、前記対向電極と前記動作電極との間の電流フローの線形表示を提供する；
請求項６の検知回路。
【請求項８】
前記非線形要素は、前記抵抗の両端が所定電圧において、導通し始める；
請求項１の検知回路。
【請求項９】
前記抵抗の両端に掛かる電圧は、前記非線形要素が導通している場合、前記対向電極と前記動作電極との間の電流フローの線形表示をもはや提供せず、前記増幅装置は代わりに、前記動作電極に対する電流のソースとなって前記電気化学検知セルが検出ガスの高い濃度によりバイアスを生じることを防ぐ；
請求項８の検知回路。
【請求項１０】
前記増幅器は、一つの直流源によって駆動される；
請求項１の検知回路。
【請求項１１】
前記直流源は、前記電気化学検知セルの前記対向電極に動作可能なように接続されて、それらにオフセットを印加する；
請求項１０の検知回路。
【請求項１２】
バッテリー駆動の危険状態検出器に用いられる有害ガス検知器であって；
対向電極、参照電極、および動作電極を有する電気化学検知セルであって、前記対向電極はバッテリーに動作可能なように接続され、前記有害ガスに曝露されると前記対向電極と前記動作電極との間の電流フローを助長する電解質を含む電気化学検知セルと；
前記電気化学検知セルの前記参照電極に接続されるよう成される非反転入力と、前記電気化学検知セルの前記動作電極に接続されるよう成される反転入力とを有する増幅器であって、前記増幅器は更に、前記増幅器の出力と前記増幅器の反転入力との間に接続される帰還要素を含み、前記帰還要素は、抵抗と、  前記抵抗に並列に接続される非線形要素とを含む、増幅器と、を備え；
前記増幅器はバッテリー駆動される；
有害ガス検知器。
【請求項１３】
前記非線形要素が、少なくとも１つのトランジスタを備える；
請求項１２の有害ガス検知器。
【請求項１４】
前記非線形要素が、２つの直列に接続されるトランジスタを備える；
請求項１３の有害ガス検知器。
【請求項１５】
前記直列に接続されるトランジスタが、電圧フォロワとして構成される；
請求項１４の有害ガス検知器。
【請求項１６】
前記非線形要素は、前記増幅器の出力の極性が負の場合、導通しない；
請求項１２の有害ガス検知器。
【請求項１７】
前記非線形要素は、前記抵抗の両端が所定電圧を下回ると、導通しない；
請求項１２の有害ガス検知器。
【請求項１８】
前記抵抗の両端に掛かる電圧は、前記非線形要素が導通していない場合、前記電気化学検知セルにより検出される有害ガスの濃度の線形表示を提供する；
請求項１７の有害ガス検知器。
【請求項１９】
前記非線形要素は、前記抵抗の両端が所定電圧において、導通し始める；
請求項１２の有害ガス検知器。
【請求項２０】
前記抵抗の両端に掛かる電圧は、前記非線形要素が導通している場合、前記電気化学検知セルにより検出される有害ガスの濃度の線形表示をもはや提供せず、前記増幅装置は代わりに、前記動作電極に対する電流のソースとなって前記電気化学検知セルが前記有害ガスの高い濃度によりバイアスを生じることを防ぐ；
請求項１９の検知回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に電気化学検知回路に関し、より詳細には、３端子電気化学セルからのセル電流フローを検知する電気回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
３端子電気化学セルは、種々のガスモニタに使われている。これらのモニタは、分析対象のガスが導かれるセルと、離れて配置される３つの電極を備えている。３つの電極は、セル電流を発生する一対の主たる電極と、セル電解質の所定位置における電位をきちんと正確な値にできる参照電極を含む。セル電流は、セルによって検知される、例えば、一酸化炭素等の化合物や元素の濃度に比例する。
【０００３】
公知の３端子電気化学セルは、図１に示す回路を用いて安定化できる。セルを安定化するため、それぞれ"Ｗ"と"Ｒ"と示される「動作」電極と「参照」電極は、同電位となるようにしなければならない。参照電極から電流が取り出されることはない。代わりに電流が、増幅器Ａ１によって、両方の参照電極と動作電極、ＲとＷのそれぞれが同電位となるまで、"Ｃ"で示される対向電極に注入される。対向電極と動作電極の両方に流れる電流がセル電流である。セルの内部動作により、この電流は、セルによって検知される化合物の濃度に比例する。
【０００４】
図１を参照すると、増幅器Ａ１は、電流を対向電極に帰還することによって、参照電極を０Ｖに維持している。増幅器Ａ２の入力が０Ｖであるので、増幅器Ａ２は、動作電極を０Ｖに維持している。セル電流は、増幅器Ａ１により駆動されるが、増幅器Ａ２によって検知される。何故なら、セル電流は、抵抗Ｒ２を通って電圧Ｖｏｕｔを生じるからである。
【０００５】
図１に示す公知の従来回路の欠点は、発振しやすいことであるが、その理由は、各増幅器の仮想接地インピーダンスが、もう一方の増幅器の帰還経路の一部として現れるためである。これは、仮想接地インピーダンスがきちんと押さえられていない高周波領域の周波数で発振を起こす可能性がある。更なる欠点は、Ｖｏｕｔは通常、ガスが検出されている場合に正であるのに対して、対向電極は負に帯電し、増幅器Ａ１の出力も負になるよう要求することである。従って、図１に示す回路は、正負両方の電源（＋Ｖおよび−Ｖで示される）が必要である。
【０００６】
これらの欠点を解決し、検出器および周辺回路を単一のバッテリー電源により駆動できるようにするため、図２の回路が開発された。この回路は、Ｇｒｅｅｎ他に付与された米国特許第６，２７７，２５５号、発明の名称「電気化学検知回路」で説明されている。この特許は、図２に示すような電解質内の動作電極、対向電極、および参照電極を有する電気化学セルを説明している。このセルは、使用において、分析対象となるガスがセル内に導入される場合、対向電極と動作電極の間に電流が流れるように構成されている。電解質内のある位置の電位は、参照電極により検知される。この回路はまた、動作電極に対するオフセット電圧を対向電極に印加するための電源供給も含んでいる。増幅回路は、参照電極と動作電極との間の電位差を監視する。この増幅回路は、動作電極を参照電極と略同電位に維持するために、帰還ループを介して動作電極に電流を帰還する。この増幅器により動作電極に帰還した電流は、動作電極と対向電極との間に流れるセル電流の計測として監視される。この電流は、Ｖｏｕｔとして示される帰還ループ内の抵抗にかかる電圧として監視される。
【０００７】
この回路は従来の監視回路の欠点を克服し、バッテリー等の単一極性直流電源の使用を可能にした一方で、例えばＵＬ２０３４およびＥＮ５０２９１等の新しく制定されたエージェンシ・スタンダードが、電気化学セル検知回路に関し、更に多くの要求を求めるようになってきた。特に、電気化学ガスセンサは電流出力装置なので、対象のガス、例えば一酸化炭素（ＣＯ）が検知セル内に導入されると、セルにより生じる電流量が増加する。センサを正常に動作させるため、出力電流は、常に適切なバイアス条件に維持されている必要がある。上記の回路において、ＣＯ検出器等の製品に対して、出力電流は通常、増幅器によって電圧に変換される。次いで、この電圧はマイクロプロセッサに読み込まれることもある。マイクロプロセッサはこの出力電圧を様々な方法で読み込むことができる一方で、最も一般的な方法のひとつは、電圧をアナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータに供給することである。
【０００８】
エージェンシ・スタンダードに適合するためには、一般的なＣＯ検出器に用いる回路構成は、数十の百万分率（ｐｐｍ）濃度レベルにおける非常に低いレベルのＣＯにも反応できなければならない。しかしながら、一般的な一酸化炭素検出器は、より早い時間内ではあるが、数千ｐｐｍのＣＯ濃度に曝露されても反応しなければならない。ほとんどのマイクロプロセッサは、８または１０ビットであるＡ／Ｄコンバータを利用しているので、有効な分解能は、それぞれ、２５６または１０２４のどちらかの濃度である。多くの応用において、それ自身における、およびそれ自身のＡ／Ｄ分解能は、検出器が正確に検知できるべき入力条件の広い範囲にもかかわらず、それほど多くの制限を与えてはいない。その代わり、多くのかかる一酸化炭素検出器はバッテリー駆動装置であるので、電子機器回路に電力を供給する電源電圧の数と大きさが制限を与える要素となる。
【０００９】
最も簡単な実装では、電流−電圧コンバータとマイクロプロセッサは両方とも同じ電源により電源供給される。消費者向けの機器において、例えば、電池寿命を節約するため等の実際の目的に対し、この電源は直流３．３Ｖが一般的である。かかる制限により、問題は、増幅器、例えばトランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）が低レベルのＣＯに曝露されたセンサ出力電流を変換してマイクロプロセッサにより読み取られるようにでき、更に、増幅器が電気化学セルによって過度の曝露条件に対してＣＯガスに曝露される数万ｐｐｍにおいて生じる電流のソースとなることができるような十分な電源容量を持つ事ができるかである。検知電子機器回路がこの高い電流のソースとなることができない場合、センサは一般的にバイアスが掛かり、かかる高濃度暴露から、すぐに復帰することはできない。
【００１０】
従って、数十ｐｐｍから数万ｐｐｍのＣＯ濃度におけるガス濃度に反応する電気化学ガスセンサセルの出力を正確に監視できるよう、高ダイナミックレンジを有する電子回路の技術に対するニーズがある。詳細には、最大感度を可能にする一方で、電気化学センサの非常に高いガス濃度に対するセンサの復帰を可能にする増幅器の構成の技術に対するニーズが存在する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記に鑑みて、本発明の目的は、当該技術に存在する上記の問題点を克服する３端子電気化学ガスセンサセルからのセル電流フローを検知する、新規の、そして改良された電子回路を提供することである。詳細には、本発明の目的は、低いガス濃度の期間中に電気化学ガスセンサセル出力に対して高い感度を可能にする一方で、電気化学ガスセンサが非常に高いガス濃度に曝露されている場合に迅速なセンサ復帰を可能にする、新規の、そして改良された増幅器構成を提供することにある。特に、本発明の目的は、利用される危険状況検出器の動作がエージェンシ・スタンダードに適合するような、非常に高いダイナミックレンジを有する電気化学ガスセンサの出力を検知する、新規の、そして改良された電子回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に対する一実施の形態の電子回路において、回路は、測定の高い分解能を提供する一方で、高濃度のガスに対して必要な電源供給を制限する。この実施の形態では、増幅器の帰還部に非線形要素を利用することによってこれを実現している。このようにして、低レベルのガス濃度において、出力信号が帰還抵抗によって定められる。非線形要素が導通し始める時点では、ガス濃度は高くなっており、線形信号に対する対象領域は超えている。このような条件下では、増幅回路は、より小さな電源供給で電気化学ガスセンサがソースとなる電流を維持する事ができる。
【００１３】
本発明の好ましい実施の形態において、電子検知回路は、増幅器の出力から３端子電気化学ガスセンサセルの動作電極への抵抗性の帰還を利用している。この帰還抵抗に加え、直列に接続された１対のトランジスタが、帰還抵抗に並列に接続されている。これらの２つのトランジスタは、負の極性において導通せず、１個のダイオードのように動作する。しかし、正の極性において、これらの装置に電流が流れない、すなわち、帰還抵抗だけが電流が流れる要素となる電位領域が存在する。電位がトランジスタのターンオン電圧を超えて増加する場合、これらは導通し始める。この導通状態によって、増幅器は、帰還抵抗の両端に追加の電位を必要とせず、電気化学センサを通る電流を維持することができる。これにより、拡大したダイナミックレンジの増幅器を提供する一方で、バッテリーの低電圧供給も活用している。
【００１４】
本発明の他の局面、目的および利点は、以下の詳細な説明および添付図面から明らかになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明を特定の好適な実施の形態と関連付けて説明するが、これらの実施の形態に限定する意図はない。逆に、付帯する請求項により定義されるように、本発明の精神および範囲内に含まれるように、全ての代替、改変、および均等物を包含することを意図する。
【００１６】
図３を参照すると、電気化学セル３０は、従来の構造であり、監視対象のガスが導入されるチャンバ、すなわちキャビティ３２を備えている。３つの間隔の空いた電極、Ｗ、Ｃ、Ｒはキャビティ３２内に配置されている。電極Ｒは参照電極を構成し、演算増幅器３６の入力３４に接続される。増幅器３６の第２の入力３８は電極Ｗに接続される。増幅器３６の出力４０は、抵抗４２を含む帰還ループを介して電極Ｗに接続される。対向電極Ｃは、抵抗４４と、回路接地に接続されているダイオード４６とにより生じる参照電圧に接続される。
【００１７】
増幅器３６は、抵抗４２を介して電流を帰還させて動作電極と参照電極ＷとＲをそれぞれ同電位に維持している。
【００１８】
ガスがセル３０により検知される場合、増幅器３６の出力は正になって動作電極Ｗに正電流を流し、同時に、動作電極Ｗは対向電極Ｃに対して正に帯電する。この２つの効果により、増幅器３６の出力４０は常に回路接地に対して正の電位を維持することを確実にしている。
【００１９】
抵抗４２に掛かる電圧は、セル３０内のガス濃度に比例する正確な出力である。＋Ｖ電源が、隔離された電池（不図示）により供給される場合、抵抗４２の端子４８、５０は、一方の端子を外部の隔離された接地と接続させ、出力として取り出すことができる。正確さが比較的重要でない場合、回路接地に対する増幅器３６の出力で十分検知できるが、増幅器３６の出力電圧は、動作電極Ｗと対向電極Ｃとの間のオフセット電圧による成分を含んでいる。このオフセットは通常、非常に小さい電圧成分である。
【００２０】
対向電極Ｃのオフセット電圧は、抵抗４４とダイオード４６によって生じ、そうでなければ動作電極に対し対向電極が正になりやすいという構造上の傾向を有するこれらのセルを保護している。オフセット電圧はまた、そうでなければセルから不要な逆反応を引き起こすようなガスに曝露されることも考慮している。セルが対向電極Ｃから動作電極Ｗに構造上、正のバイアスを持つよう設計されている場合、対向電極Ｃにオフセット電圧を掛ける必要はない。
【００２１】
抵抗４２に加え、本発明の回路はまた、増幅器３６の帰還経路に非線形要素も利用している。特に、本発明の一実施の形態では、非線形要素は、抵抗４２に並列接続された１対のトランジスタ５２、５４として実装されてもよい。しかし、当業者にとって、単一のトランジスタを回路のパラメータによって利用してもよいことは明らかである。この非線形要素は、検出される低いガス濃度に対応する低い信号レベルにおいて非導通となるように動作する。そのように、端子４８、５０における電圧は、抵抗４２によって増加される出力電流によってのみ定まる。しかし、検出されるガスの濃度が増加するに従い、多くの電流が流れ始める。帰還抵抗４２の間に発生する電圧が、この増加する電流によって増加するに従い、非線形要素は導通し始め、帰還経路の抵抗を有効的に減らす。増幅器は次いで、電気化学センサ３０を通る電流を維持する一方で、電池から供給されるほんの少ない電源供給で動作させることもできる。
【００２２】
図３に示す本発明の実施の形態において、２つのトランジスタ５２、５４は、負の極性では導通しない単一のダイオードとして考えてもよい。しかし、正の極性では、これらのトランジスタ５２、５４は、導通し始めるかもしれない。すなわち、正の極性では、トランジスタ５２、５４が導通しない抵抗４２の両端の電位範囲が存在する。これは、回路の線形検知領域である。しかし、高い濃度の検出ガスの検知により、抵抗４２に掛かる電位が増加すると、線形検知対象の領域を越えてしまう。つまり、このような高い濃度では、一酸化炭素検出器は既に警報を鳴らしている。しかし、従来の回路とは異なり、本発明の回路は、非常に高いガス濃度がもはや存在しなければ、即座のセンサ復帰を提供する。すなわち、検出ガスの非常に高いガス濃度が解消されると、センサはその線形検知動作を即座に復帰する。増幅器３６は、非常に高い検出ガス濃度の間、十分な電流のソースとなることができるので、センサは、濃度が解消されると一般的に復帰が遅くなるようなバイアスを生じない。図３の回路において、抵抗４２に掛かる電圧がトランジスタ５２、５４のオン電圧を超えて増加すると、これらのトランジスタは導通フェーズに入って、追加の電位を抵抗４２掛ける必要なく、追加の電流をそれらの間に流すことができる。これにより、増幅器のダイナミックレンジを拡げる一方で、例えば、バッテリー等の低い供給電圧の使用をも可能にしている。
【００２３】
本明細書中で引用する刊行物、特許出願および特許を含むすべての文献を、各文献を個々に具体的に示し、参照して組み込むのと、また、その内容のすべてをここで述べるのと同じ限度で、ここで参照して組み込む。
【００２４】
本発明の説明に関連して（特に、特許請求の範囲に関連して）用いられる名詞及び同様な指示語の使用は、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、単数および複数の両方に及ぶものと解釈される。語句「備える」、「有する」、「含む」および「包含する」は、特に断りのない限り、オープンエンドターム（すなわち「〜を含むが限定しない」という意味）として解釈される。本明細書中の数値範囲の具陳は、本明細書中で特に指摘しない限り、単にその範囲内に該当する各値を個々に言及するための略記法としての役割を果たすことだけを意図しており、各値は、本明細書中で個々に列挙されるかのように、明細書に組み込まれる。本明細書中で説明されるすべての方法は、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、あらゆる適切な順番で行うことができる。本明細書中で使用するあらゆる例または例示的な言い回し（例えば「など」）は、特に主張しない限り、単に本発明をよりよく説明することだけを意図し、本発明の範囲に対する制限を設けるものではない。明細書中の如何なる言い回しも、本発明の実施に不可欠である、請求項に記載されていない要素を示すものとは解釈されないものとする。
【００２５】
本明細書中では、発明を実施するため本発明者が知っている最良の形態を含め、本発明の好ましい実施の形態について説明している。当業者にとっては、上記説明を読んだ上で、これらの好ましい実施の形態の変形が明らかとなろう。本発明者は、熟練者が適宜このような変形を適用することを期待しており、本明細書中で具体的に説明される以外の方法で発明が実施されることを予定している。従って本発明は、準拠法で許されているように、本明細書に添付された請求項に記載の内容の修正および均等物をすべて含む。さらに、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、好ましい実施の形態で考えられるすべての変形における上記要素のいずれの組合せも本発明に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
本明細書に組み込まれてその一部をなす付帯図面は、本発明のいくつかの態様を図解し、詳細な説明とともに本発明の原理を説明する。
【図１】図１は、従来の電気化学検知回路の簡略化されたシングルライン回路図である。
【図２】図２は、改良した従来の電気化学検知回路の簡略化されたシングルライン回路図である。
【図３】図３は、本発明の教示に従って構成された電気化学検出用回路の簡略化されたシングルライン回路図である。
【図１】
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【図２】
2008517271.tif 000004
【図３】
2008517271.tif 000005
【国際調査報告】
2008517271.tif 000006
2008517271.tif 000007