JP2007212459A - 放射源及び光センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】突入電流によるストレスを低減し、耐用年数を延長させた放射源の提供。
【解決手段】パルス動作の光センサ装置用の白熱灯を通る放射源のストレスを低減し、寸法及び製品コストを過度に増加することなく、耐用年数を延ばすために、放射源１０２は、広帯域光スペクトルを放出する白熱ランプ１０１と、白熱ランプ１０１と供給電圧Ｖ_sとの接続を切り替える半導体スイッチＶ1とを有する。白熱ランプ１０１を通るピーク電流を低減するために、半導体スイッチＶ1の制御端子及び（白熱ランプに接続するされた）第１端子の間にキャパシタＣ2が配置される。制御端子は、第１抵抗Ｒ1を介して制御信号に接続されると共に、第２抵抗Ｒ2又はキャパシタを介して基準電圧に接続される。
【選択図】図２

Description

本発明は、光センサ装置用の放射源、及び対応する光センサ装置に関する。本発明は特に、例えば二酸化炭素を検出するために光ガスセンサに使用することができるガスセンサ装置に関する。

一般的に、光ガスセンサ装置は、放射源により放出される放射が、被検出検体が存在する被計測距離を通過し、検体の存在のために放射強度の変化が、対応する検出器により評価されるという原理に基づいている。この放射強度は、吸収、散乱又は濁度により影響され、検体は液相又は気相で存在することができる。

メタン又は二酸化炭素等の多くの多様な検体を検出するのに、公知のガスセンサ装置が使用されている。これらのガスセンサ装置は、放射、特に赤外線波長帯の放射を吸収する多くの多原子ガスの特性に基づいている。吸収は、関係するガスの特性である波長、例えば二酸化炭素の場合は4.24μmで生ずる。従って、赤外線ガスを使用すると、被計測ガスにおけるガス成分の存在及びガス成分の濃度の一方又は両方を知ることができる。

例えば特許文献１又は特許文献２に開示されているような公知のガスセンサ装置は、放射源、吸収距離すなわち計測空間、及び放射検出器を有する。公知のランバートビア（Lambert-Beer）法に従うと、放射検出器が検出する放射強度は、吸収ガスの濃度の計測結果である。いわゆるＮＤＩＲ（非分散型赤外線）センサの場合、広帯域放射源が使用され、関係する波長は干渉フィルタ又は干渉格子を介して設定可能である。

特に二酸化炭素検出は今日、多くの用途で重要性を増している。例えば、室内空気の品質を監視することができ、自己清掃型オーブンの清掃サイクルを監視することができ、温室内での植物への二酸化炭素の供給を調整することができる。例えば麻酔等の医療分野においては、患者の呼吸気を監視することができ、最終的に二酸化炭素の漏れのおそれが例えば対応する充填空調システムのどこにあろうとも、警報システムに二酸化炭素センサを使用することができる。

自動車分野において、二酸化炭素検出は、加熱及び空調のエネルギー効率を増大させ、室内空気の二酸化炭素含有量を監視し、必要なときのみ、すなわち二酸化炭素濃度が上昇した場合、適当なファンを制御することにより新鮮な空気を供給させるのに使用することができる。

また、最新の自動車空調システムは冷媒として二酸化炭素を使用しているので、自動車分野では故障の場合に漏れる二酸化炭素に関連して、二酸化炭素ガスセンサの監視機能を果たすことができる。特に自動車分野では、この種のセンサは、耐久性の他、堅牢性、信頼性及び小型化に対して最も厳しい要求事項を満足しなければならない。

特許文献１に開示されている装置等の公知のガスセンサ装置の場合、放射源はあまり連続的に作動することはなく、特定周波数でパルス的に作動する。すなわち、通常、直流で作動する小型白熱灯の形態である放射源は、矩形パルスにより短い時間、オンに切り替えられる。

何度も反復してオン・オフが切り替えられるランプは、各時間に生ずる閉成電流により大きなストレスに曝されるので、耐用年数が短いことが明らかになった。パルス動作でオンに切り替えられるこのような白熱灯の耐用年数を延ばすために、とりわけ高い閉成電流のピークを減少するために、公知の方法では、半導体によりランプをオンに切り替え、制御回路にＲＣ要素を設け、ランプを円滑にオンに切り替えることを可能にする。
独国特許出願公開第１０２００４０２８０７７号明細書 独国特許出願公開第１０２００４００７９４６号明細書

このような公知の放射源は図１に概略的に示される。しかし、オンへの切り替え時間において、通常、公称電流の５〜10倍の過電流が常に生ずる。このことは、オンに切り替えられる際のランプ電流を曲線３０１として時間を横軸にして示す図３に示される。

このような高いピーク電流の原因は、冷却状態の白熱灯のフィラメントが、温度の高い作動状態よりもかなり低い電気抵抗を有するためであると理解することができる。白熱灯フィラメントが作動温度及び最終電気抵抗に到達するのは切り替えの２〜３ミリ秒後であるので、ランプを通る電流は作動電流値に接近する。

従って、本発明は、パルス動作の光センサ装置用の白熱灯を通る放射源のストレスを低減し、寸法及び製品コストを過度に増加することなく、耐用年数を延ばすことを目的とする。

上述の目的は、請求項１の特徴を有する放射源により達成され、請求項６の特徴を有する光センサ装置により達成される。本発明の利点のある展開は従属項の主題である。

本発明は、例えばガスセンサ装置等の光センサ装置において、被検出放射を放出する白熱ランプは電子的にオンに切り替えられ、高から低への半導体抵抗の急激な変動は、キャパシタに接続することにより回避される。半導体スイッチの制御端子と、半導体スイッチの（ランプに接続された）第１端子との間に設けられたキャパシタは、半導体スイッチのスイッチング動作を減速させるので、より遅く切り替えられる。このため、ランプを流れる閉成電流を減少させるので、長期の安定性に好影響を与えることができる。

本発明による解決策による利点は、ガスセンサの放射源として使用されるランプの耐用年数が、とりわけパルスランプ動作の用途の場合、かなり延びる。さらに、用途のピーク電流の消費を著しく減少することができるので、ある環境ではより小さい部品を使用することができる。

利点は、生ずるピーク電流が最早、干渉源として有効ではないことである。このことは、電子制御方法を円滑に作動するために、自動車分野では特に重要である。

本発明によれば、制御端子は、第１抵抗を介して制御信号に、第２抵抗を介して基準電圧に接続することができる。或いは、第２抵抗はキャパシタに置換することができる。

本発明に従った解決策は、半導体スイッチがＭＯＳＦＥＴであり、第１端子がドレーン端子であり、第２端子はソース端子であり、制御端子がＭＯＳＦＥＴのゲート端子である場合には、生ずるピーク電流を特に効率的に減少させる。例えば、Ｎチャンネルの強化ＦＥＴをこの場合に使用することができる。半導体スイッチとしてＭＯＳＦＥＴを使用する場合、ゲート及びドレーン間にあり、部品製造業者が通常、スイッチ動作を可能な限り遅い状態を保ついわゆるミラー（Miller）キャパシタを、外部回路により増幅し、ＭＯＳＦＥＴのスイッチング動作を直接的に低速化し、オンに切り替える際に生ずるピーク電流を可能な限り小さく保つ。

半導体スイッチのスイッチング動作は本発明に従った回路により低速化されるので、直流電圧源が使用される場合、装置を最も有効に使用することができる。この場合、基準電圧は接地電圧とすることができる。

また、エネルギーは、制御端子及び第１端子の間のキャパシタの再充電、及び抵抗回路により電力損失に変換されるので、本発明に従った回路は、0.5〜５Ｗの最大消費電力で小型白熱ランプを使用することができるという特に利点がある。より高い電力が原理的には可能であるが、生ずる電力損失によるダメージを回避するためのアクションを要する。

本発明に従った放射源は、光センサ装置に使用することができるという特に利点がある。ここで、制御信号はパルス化された信号であり、制御信号により定められる光パルスを放出するように白熱ランプを作動させる。というのは、このようなセンサ装置の場合には、生じ得る閉成ピーク電流によりストレスが特にダメージを与えるからである。

本発明に従った光センサ装置の利点のある特性は、特に、二酸化炭素を検出するため、例えば自動車分野では二酸化炭素の漏れを監視し、客室の室内空間の空気の品質をチェックするために、使用することができる。しかし、本発明に従ったセンサ装置は、他のガスを検出するため、液体の濁度を計測するために使用することもできる。

本発明の基本的思想はまた、計測放射源及び基準放射源が参照段階で互いに比較されるセンサ装置の使用という分野に移行することも可能である。この用途の場合、計測放射源及び基準放射源の双方の耐用年数が増加できるという利点がある。このような装置の一例は、独国特許第１９９２５１９６号明細書で公知になっている。基準放射源は通常の計測には使用されないが、計測放射源の経年劣化を決定するために大きな監視間隔で作動する。ここでは、短期間のみの耐用年数用の大きな時間間隔での基準放射源の作動が必要であるので、基準放射源の経年劣化は、計測放射源の経年劣化と比較して無視することができる。

以下、添付図面に図示される有利な実施形態に基づいて、本発明をより詳細に説明する。本発明に従った主題の同様な又は対応する詳細には、同一の参照番号が付される。

図２に示されるように、いわゆるＮＤＩＲ（非分散型赤外線）センサに使用するために本発明に従った放射源１０２について、小型白熱ランプ１０１が赤外線源として使用される。この白熱ランプ１０１は、図示の直流電圧の用途の場合には第１端子により供給電圧Ｖ_sに、第２端子により半導体スイッチＶ1、ここではＮチャンネル強化ＭＯＳＦＥＴを介して接地に接続される。半導体スイッチＶ1は、パルス化制御信号Ｖ_CONTROLによりゲート端子Ｇでオン・オフに切り替えられる。

「高」レベルがランプのスイッチオン状態に対応する単一パルスは、入力部に概略的に示される。このようにして、白熱ランプ１０１は半導体スイッチＶ1をオン・オフに切り替えることにより制御可能であるので、光パルスを放出する。

本発明に従った放射源１０２は、図４に示されるようにガスセンサユニット１００の赤外線源を形成する。ここで赤外線源ではない基本部品は、ガス計測空間１０４、波長フィルタ１０６及び赤外線検出器１０８である。しかし、本発明に従った原理は、濁度又は吸収を計測する全ての光計測方法で一般的なセンサ分野でも使用することができる。

計測ガス１１０は、入口１１２及び出口１１４を通ってガス計測空間１０４内にポンプで送られるすなわち拡散される。ガス濃度は、赤外線帯の特定波長の吸収を介して電光的に決定することができる。放出された赤外線放射１１６は、ガス計測空間１０４を通って検出器１０８に案内される。検出器１０８は、被検出ガス分子が吸収する波長帯のみを通す光波長フィルタ１０６を有する。他のガス分子は通常、この波長の光を吸収しないので、検出器１０８に到達する放射の量に影響を与えない。赤外線信号は、所望の信号から熱背景雑音を濾波することができるよう半導体スイッチＶ1を駆動することにより、放射源１０２によりパルス化される。コントローラ１２０は一方で放射源１０２を駆動し、他方で検出器１０８の出力信号を受信すると共にさらにそれら信号を処理する。ガス計測空間１０４内の温度を測るために、温度センサ１２４を設けることもできる。

図２を参照すると、この場合ＭＯＳＦＥＴである半導体スイッチＶ1の本発明に従った回路は、キャパシタＣ２を具備し、第１端子がＭＯＳＦＥＴのドレーン端子に接続され、第２端子がＭＯＳＦＥＴのゲート端子に接続される。第１抵抗Ｒ1は一方でＭＯＳＦＥＴの制御端子に接続され、他方で制御信号Ｖ_CONTROLに接続されてランプを制御する。第２抵抗Ｒ2は、ＭＯＳＦＥＴのゲート端子及び接地の間に設けられる。或いは、第２抵抗Ｒ2はキャパシタ（図示せず）により置換可能である。

本発明に従った回路の利点は、図３のグラフに見られる「突入電流」とも称されるピーク電流を低減することである。

図３は、半導体スイッチＶ1がオンに切り替えられる際、すなわち制御信号Ｖ_CONTROLに立ち上がりパルスが生じる際に、時間を横軸とする、白熱ランプ１０１を通るランプ電流Ｉ_Lを示す。曲線３０２は、半導体スイッチが図１の装置に従って接続される際の電流曲線３０１と比較した、図２に従った回路のランプ電流を示す。

キャパシタＣ２により半導体スイッチＶ1のミラーキャパシタンスを増加させることにより、半導体スイッチＶ1のスイッチング動作は、ピーク閉成電流が著しく低減するよう変化することが明瞭に理解できる。確かに、本発明に従った回路では、ランプ電流ＩLは、図１に従った公知の場合よりも遅くならないと最終値に届かないが、比較的低い切り替え周波数では問題ではない。ずっと重要なことは、ピーク電流の増加のため、オン・オフのスイッチサイクルが早い場合に特に生ずるランプストレスは、本発明に従った回路により著しく改良することができるという事実である。

単一の赤外線放射源１０２の代わりに図５に示されるように２個の放射源１０２，１０３が設けられる場合も、本発明に従った原理を使用することができることは明白である。

白熱ランプ１０１は例えば約６Ｖの非常に低い電力範囲で作動する小型白熱ランプであるので、部品Ｒ1、Ｒ2及びＣ2は工業規格形式０６０３に従った厚膜抵抗として、又は工業規格形式０６０３又は０８０５に従ったセラミック多層チップキャパシタとして実施できる。このようにして、回路全体は、極めて大規模に小型化することができる。半導体スイッチＶ1は例えばＳＯＴ２３として設けることができる。

従来技術に従ったＲＣ回路を有する放射源の回路図である。 本発明に従った、ピーク電流を低減する回路を有する放射源の回路図である。 図１及び図２の回路について、白熱ランプを通る閉成電流の時間変化を示すグラフである。 本発明に従った光センサ装置及び第１実施形態を示すブロック図である。 本発明に従った光センサ装置及び別の実施形態を示すブロック図である。

符号の説明

１０１ 白熱ランプ
１０２，１０３ 放射源
１０４ ガス計測空間
１０８ 検出器
１１０ 試験ガス（流体）
Ｃ2 キャパシタ
Ｒ1 第１抵抗
Ｒ2 第２抵抗
Ｖ1 半導体スイッチ
Ｖ_s 供給電圧
Ｖ_CONTROL 制御信号

Claims (14)

1. 光センサ装置用の放射源であって、
   広帯域光スペクトルを放出する白熱ランプと、
   該白熱ランプと供給電圧との接続を切り替える半導体スイッチであって、前記白熱ランプに接続された第１端子と、基準電圧に接続された第２端子とを有し、前記半導体スイッチがオン状態にあると、前記第１端子及び前記第２端子間に電流経路が形成され、前記半導体スイッチは制御信号を印加する制御端子を有する半導体スイッチとを具備し、
   前記白熱ランプを通るピーク電流を低減するために、前記制御端子及び前記第１端子の間にキャパシタが配置され、
   前記制御端子は、第１抵抗を介して前記制御信号に接続されると共に、第２抵抗又はキャパシタを介して前記基準電圧に接続されることを特徴とする放射源。
2. 前記半導体スイッチはＭＯＳＦＥＴであり、
   前記第１端子は前記ＭＯＳＦＥＴのドレーン端子であり、
   前記第２端子は前記ＭＯＳＦＥＴのソース端子であり、
   前記制御信号は前記ＭＯＳＦＥＴのゲート端子であることを特徴とする請求項１記載の放射源。
3. 前記供給電圧は直流電圧であることを特徴とする請求項１又は２記載の放射源。
4. 前記基準電圧は接地電圧であることを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１項記載の放射源。
5. 前記白熱ランプは、消費電力が0.5〜５Ｗの小型白熱ランプであることを特徴とする請求項１ないし４のうちいずれか１項記載の放射源。
6. 少なくとも１個の放射放出放射源と、被計測検体を含む流体で充填できる計測空間と、放射を検出し、前記検体の存在、濃度に依存して出力信号を生成する少なくとも１個の検出器とを具備し、
   前記少なくとも１個の放射源が、
   広帯域光スペクトルを放出する白熱ランプと、
   該白熱ランプと供給電圧との接続を切り替える半導体スイッチであって、前記白熱ランプに接続された第１端子と、基準電圧に接続された第２端子とを有し、前記半導体スイッチがオン状態にあると、前記第１端子及び前記第２端子間に電流経路が形成され、前記半導体スイッチは制御信号を印加する制御端子を有する半導体スイッチとを具備し、
   前記白熱ランプを通るピーク電流を低減するために、前記制御端子及び前記第１端子の間にキャパシタが配置され、
   前記制御端子は、第１抵抗を介して前記制御信号に接続されると共に、第２抵抗又はキャパシタを介して前記基準電圧に接続されることを特徴とする光センサ装置。
7. 前記半導体スイッチはＭＯＳＦＥＴであり、
   前記第１端子は前記ＭＯＳＦＥＴのドレーン端子であり、
   前記第２端子は前記ＭＯＳＦＥＴのソース端子であり、
   前記制御信号は前記ＭＯＳＦＥＴのゲート端子であることを特徴とする請求項６記載の光センサ装置。
8. 前記供給電圧は直流電圧であることを特徴とする請求項６又は７記載の光センサ装置。
9. 前記基準電圧は接地電圧であることを特徴とする請求項６ないし８のうちいずれか１項記載の光センサ装置。
10. 前記白熱ランプは、消費電力が0.5〜５Ｗの小型白熱ランプであることを特徴とする請求項６ないし９のうちいずれか１項記載の光センサ装置。
11. 前記制御信号は、前記白熱ランプが前記制御信号により定められる光パルスを放出するよう前記白熱ランプを作動させるパルス化信号であることを特徴とする請求項６ないし９のうちいずれか１項記載の光センサ装置。
12. 被検出放射は赤外線放射であることを特徴とする請求項６ないし１１のうちいずれか１項記載の光センサ装置。
13. 少なくとも１個の計測放射源及び少なくとも１個の基準放射源が、前記計測空間の少なくとも１本の対称軸に対して対称的に配置され、
    前記検出器は、双方の前記放射源のビーム経路が前記検出器まで同じ有効経路長を有するように前記対称軸上に配置されていることを特徴とする請求項６ないし１２のうちいずれか１項記載の光センサ装置。
14. ガス検体を検出するよう設定され、該ガス検体の濃度を決定することを特徴とする請求項６ないし１３のうちいずれか１項記載の光センサ装置。

Images