JP2019215316A - 電子装置、そのような電子装置を備えた光ガスセンサー及びそのような電子装置を用いて光電流と温度を組み合せて測定する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 光電流と温度を組み合せて測定する電子装置及び方法を提供することである。【解決手段】 本発明による電子装置１は、フォトダイオード２とトランスインピーダンスアンプ３を備え、光電流測定モードと温度測定モードに選択的に切り換えることが可能である。本発明において、光電流測定モードでは、フォトダイオード２のアノード端子２２がトランスインピーダンスアンプ３の演算増幅器３１の第一の入力部３１１と接続され、フォトダイオード２のカソード端子２１が演算増幅器３１の第二の入力部３１２と接続され、第一のバイアス電圧端子４１が第一の入力部３１１及びアノード端子２２と接続される。温度測定モードでは、アノード端子２２が電子装置１のアース端子３５と接続され、カソード端子２１が第二の入力部３１２と接続され、第一のバイアス電圧端子４１が第一の入力部３１１と接続されるとともに、アノード端子２２から切り離される。【選択図】 図４Ａ

Description

本発明は、電子装置及びそのような電子装置を備えた光ガスセンサーに関する。更に、本発明は、そのような電子装置を用いて光電流と温度を組み合せて測定する方法に関する。この場合、本発明による装置及び本発明による方法は、特に、中赤外線領域の光線を使用する光ガスセンサーと関連して使用される。

フォトダイオードを用いた中赤外線領域（ＭＩＲ）の光線測定は、例えば、二酸化炭素などのガスを光学的に検出する従来のテクノロジー（例えば、熱電対又は焦電検出器）を将来的に代替するものである。そのように、検出器の面がより小さい今日のフォトダイオードは、既に熱電対よりも三倍の感度を有する。フォトダイオードの欠点は、原理的に光感度が非常に大きな温度依存性を有することである。従って、広い温度範囲に渡ってＭＩＲフォトダイオードをガスセンサーにおいて使用できるようにするためには、（理想的には、直にフォトダイオード接合部において）温度を精確に測定することが必要である。

幾つかの商業的に入手できる検出器モジュールは、マイクロコントローラにより周囲温度を測定している。その方法の欠点は、拡張された温度範囲に渡る温度測定が不正確過ぎることである。フォトダイオードとマイクロコントローラの間の数１／１０°Ｃの温度差は、ガス濃度の計測時に大きな誤差を生じさせる可能性が有る。

特許文献１には、ＭＩＲフォトダイオードを有する光ガスセンサーが記載されており、フォトダイオード自体を用いた温度測定が行なわれている。その測定は、定電流時の順電圧測定に、即ち、フォトダイオードの電流・電圧特性の第一象限における測定に基づいている。

特許文献２は、光ガスセンサーにおいて、温度に依存するフォトダイオードの挙動を温度計測に利用することを提案している。その測定原理は、同じく定電流時の順電圧測定に基づいている。

特許文献３では、光ガスセンサーのフォトダイオードを同時に温度センサーとして使用することを提案している。そのために、電流を逆方向に流して、温度に依存する逆電圧を測定している。そして、同じくＡＣ結合を増幅された順方向の電圧として光電流を検知することが可能である。その場合、測定電圧は光電流に非線形的に依存する。

周知のガスセンサーの欠点は、一方において、追加のセンサーにより温度を計測する場合にフォトダイオードの温度測定が比較的不正確なことであり、他方において、フォトダイオードの温度と光電流を組み合わせて測定するための回路技術が比較的負担がかかることである。

国際特許公開第２００９／０１９４６７号明細書 ドイツ特許第１０２０１２００７０１６号明細書 欧州特許公開第３０５１２７４号明細書

上記に鑑みて、本発明の課題は、例えば、光ガスセンサーにおいて、回路技術的に比較的小さい負担で比較的広い温度範囲に渡ってフォトダイオードの精確で信頼できる温度測定を可能にする、光電流と温度を組み合せて測定する電子装置及び方法を提供することである。

本課題を解決するために、独立請求項に基づく光電流と温度を組み合せて測定する電子装置、光ガスセンサー及び方法を提案する。幾つかの実施例の特徴は、従属請求項に記載されている。従属請求項の特徴は、明示的に何らかの異なる特徴が記載されていない限り、更に別の実施構成を実現するために、互いに組み合わせることができる。この場合、以下において述べる電子装置の特徴は、光ガスセンサーでも相応に実現することができ、その逆も可能である。同様に、本方法の特徴は、電子装置及び／又は光ガスセンサーの特徴に反映させることができ、その逆も可能である。

第一の観点では、電子装置は、フォトダイオードとトランスインピーダンスアンプを備える。この電子装置は、光電流測定モードと温度測定モードに選択的に切り換えることが可能である。この場合、光電流測定モードでは、フォトダイオードのアノード端子が、トランスインピーダンスアンプの演算増幅器の第一の入力部と接続され、フォトダイオードのカソード端子が、その演算増幅器の第二の入力部と接続され、第一のバイアス電圧端子が、それらの第一の入力部及びアノード端子と接続される。温度測定モードでは、このアノード端子がアース端子と接続され、このカソード端子が第二の入力部と接続され、第一のバイアス電圧端子が第一の入力部と接続されるとともに、第一のアノードから切り離される。

本出願の範囲内では、一つの電子部品が別の電子部品と「接続」されるとの記載は、それら二つの電子部品の間に低インピーダンスの電子接続部が存在することを意味する。

更に、「地気（アース）」とは、基準電位を提供する構造部であると理解する。しかし、その電位は、地電位であるとすることができるが、必ずしも地電位である必要はない。

第二の観点は、ガスを収容する測定室と、この測定室内に収容されたガスに光線を照射する光線源と、この光線の少なくとも一部を検出するフォトダイオードとを備え、この測定室内に収容されたガスが、少なくとも部分的に光線源とフォトダイオードの間に存在する光ガスセンサーに関する。フォトダイオードを用いて光電流と温度を組み合わて測定するために、この光ガスセンサーは、本発明の第一の観点に基づく電子装置を有する。言い換えると、ガスを検出するために用いられる光ガスセンサーのフォトダイオードは、同時に本発明の第一の観点に基づく電子装置のフォトダイオードである。

第三の観点は、本発明の第一の観点に基づく電子装置を準備する工程と、この電子装置を光電流測定モードと温度測定モードの二つの測定モードの中の一方の測定モードで動作させる工程と、この電子装置を光電流測定モードと温度測定モードの中のそれぞれ他方の測定モードに切り換える工程とを有する、光電流と温度を組み合わて測定する方法を規定する。

以下において、前記の三つの観点の全てに関連して述べる。

フォトダイオードとトランスインピーダンスアンプを備えた電子装置は、この電子装置が回路技術的に比較的小さい負担で光電流測定モードと温度測定モードの間における簡単な切り換えをサポートするように構成できるとの考えを本発明の出発点とする。それは、フォトダイオードのアノード端子が、光電流測定モードにおいて演算増幅器の第一の入力部と接続され、温度測定モードにおいて、アース端子と接続されるように電子装置の接続を切り換えることにより実現することができる。この場合、フォトダイオードのカソード端子は、前記の二つのモードにおいて演算増幅器の第二の入力部と接続される。更に、第一のバイアス電圧端子は、光電流測定モードにおいて、第一の入力部及びアノード端子と接続されるのに対して、第一のバイアス電圧端子は、温度測定モードにおいて、第一の入力部と接続されるとともに、第一のアノードから切り離される。

トランスインピーダンスアンプは、この電子装置の前記の二つのモードにおいて、フォトダイオードの各ダイオード電流を出力電圧に変換するように構成される。より正確に言うと、光電流測定モード及び温度測定モードにおいて、第一のバイアス電圧端子と、演算増幅器の出力と接続されたトランスインピーダンスアンプの出力電圧タップとの間で、フォトダイオードの各ダイオード電流に比例した出力電圧を取り出すことができる。

光電流測定モードでは、演算増幅器は、疑似短絡形態でフォトダイオードを動作させることを可能にする。演算増幅器は、第二の入力部における電位を少なくとも第一のバイアス電圧端子に加わるバイアス電位の値に近い値に制御することができる。言い換えると、第二の入力部は、バイアス電位（に少なくとも近い電位）を有する所謂「仮想地気」を基準電位として提供する、演算増幅器の反転入力部である。従って、光電流測定モードでは、カソード端子とアノード端子が少なくともほぼ同じ電位、即ち、バイアス電位に保持されるので、フォトダイオードで生成された光電流は疑似短絡部に流れることができる。この光電流は、フォトダイオードの電流・電圧特性の負の座標軸に沿って測定することができる。

温度測定モードにおいて、カソード端子が少なくともほぼバイアス電位に有るのに対して、アノード端子はアース端子の基準電位に有る。そのため、バイアス電位が正の場合、負のバイアス電圧がフォトダイオードに加わり、その電圧は、フォトダイオードを通って流れる、大きく温度に依存する逆電流を駆動する。従って、フォトダイオードの電流・電圧特性の第三象限において温度を計測するために、この逆電流を測定することができる。

一つの実施構成において、この電子装置は、一定数の切換部品を有し、それらの切換部品を用いて、光電流測定モードと温度測定モードの間で電子装置を切り換えることが可能である。特に、この電子装置は、三つの切換部品を用いた切り換えを実行するように構成することができる。

一つの実施構成において、トランスインピーダンスアンプは、演算増幅器に対して並列に延びるとともに、第二の入力部を出力電圧タップと接続する電気的な負帰還パスを有する。この場合、負帰還パスでは、負帰還部抵抗Ｒ_Ｆ ^’と第一の抵抗Ｒ_１が直列に接続される。

更に、一つの改善構成において、電子装置は、第一の切換部品を介して、負帰還部抵抗Ｒ_Ｆ ^’と第一の抵抗Ｒ_１の間の領域において負帰還パスに繋げることが可能な第二のバイアス電圧端子を有する。この第一の切換部品は、光電流測定モードでは閉じられ、温度測定モードでは開かれる。この場合、一つの変化形態において、第二のバイアス電圧端子を第一のバイアス電圧端子と接続するか、或いはそれどころかその端子と同じであるとすることができる。

第二のバイアス電圧端子と負帰還パスの間に、有利には、第二の抵抗Ｒ_２が配置される。この場合、カソード端子は、第一の切換部品、負帰還部抵抗Ｒ_Ｆ ^’及び第二の抵抗Ｒ_２を介して、第二のバイアス電圧端子と切換可能な形で接続することが可能である。そのようにして、第一の抵抗Ｒ_１と第二の抵抗Ｒ_２は、光電流測定モードにおいて、演算増幅器の出力電圧を低減する分圧器を形成する。そのため、光電流測定モードでは、次の増幅率を有する電流増幅器が実現される。
Ｒ_Ｆ ^’・（１＋Ｒ_１／Ｒ_２）

それに対して、温度測定モードでは、開いた接続が第二の抵抗Ｒ_２の箇所に作用して、増幅率が以下の値に低下する。
Ｒ_Ｆ ^’＋Ｒ_１

一つの実施構成において、アノード端子は、第二の切換部品を介して、第一の入力部にも第一のバイアス電圧端子にも接続することが可能である。この第二の切換部品は、光電流測定モードでは閉じられ、温度測定モードでは開かれる。

更に、アノード端子は、有利には、第三の切換部品を介して、アース端子と接続することが可能である。この場合、第三の切換部品は、光電流測定モードでは開かれ、温度測定モードでは閉じられる。言い換えると、電子装置を光電流測定モードに切り換えるために、第一と第二の切換部品が閉じられて、第三の切換部品が開かれる。電子装置を温度測定モードに切り換えるために、第一と第二の切換部品が開かれて、第三の切換部品が閉じられる。

本発明による光ガスセンサーでは、光線源は、有利には、赤外線、特に、例えば、波長が約３〜５μｍの領域の中赤外線（ＭＩＲ）を照射するように構成することができる。ＭＩＲ光線は、例えば、二酸化炭素などのガスを光学的に検出するのに適している。

上述した通り、第一のバイアス電圧端子に追加して、第二のバイアス電圧端子を有する電子装置を動作させる場合、有利には、第一のバイアス電圧端子と第二のバイアス電圧端子に同じバイアス電位が供給される。例えば、第一のバイアス電圧端子と第二のバイアス電圧端子に同じ正のバイアス電位を供給することができる。

この電子装置が本発明による光ガスセンサーの一部である場合、この電子装置は、先ずは光線源がスイッチオフされている間に、温度測定モードで動作し、次に、光線源がスイッチオンされている間に、光電流測定モードで動作すると規定することができる。

以下における図面に基づく幾つかの実施例の記述において、本発明の更なる詳細及び利点が明らかになる。

従来技術で周知の光ガスセンサーの実施例の模式図 従来技術で周知の光電流を測定する電子装置の実施例の模式図 一つ又は複数の実施構成による温度測定及び光電流測定のための測定点におけるフォトダイオードの電流・電圧特性の実施例の模式的なグラフ図 一つ又は複数の実施構成による光電流測定モードにおける電子装置の実施例の模式図 温度測定モードにおける図４の電子装置の実施例の模式図 一つ又は複数の実施構成による電子装置の実際の実現形態の実施例の模式図 一つ又は複数の実施構成による光電流と温度を組み合わせて測定するための切換シーケンス図

図１は、従来技術で周知の光ガスセンサー６の基本構成の実施例を模式的に図解している。この場合、赤外線光線源６２、例えば、白熱電球から、熱放射線ＭＩＲが照射される。（ここでは、フォトダイオード２として図示された）検出器と光線源６２の間には、測定すべきガスＧ、例えば、二酸化炭素を有する測定室６１が有る。このガスＧは、所定の波長における熱放射線ＭＩＲの一部を吸収する。ガスの濃度に応じて、フォトダイオード２は、より大きい、或いはより小さい光電流を提供する。そのため、フォトダイオード２の信号は、ガスの濃度を計測するために用いることができる。

図２には、例えば、前に説明した種類の光ガスセンサー６において用いることができる光電流を測定するための電子装置１の実施例を模式的に図示している。光電流を測定するためには、通常、フォトダイオード２のフォトダイオード電流Ｉ_ＰＤを出力電圧Ｖ_ＰＤＯに変換するように構成された（「電流増幅器」とも呼ばれる）トランスインピーダンスアンプ３が使用される。このトランスインピーダンスアンプ３は、演算増幅器３１を有し、フォトダイオード２のアノード端子２２が、演算増幅器３１の第一の入力部３１１と接続され、フォトダイオード２のカソード端子２１が、演算増幅器３１の第二の入力部３１２と接続されている。

この第二の入力部３１２は、演算増幅器３１の反転入力部である。それは、演算増幅器３１が、第二の入力部３１２における電位を少なくとも第一の入力部３１１に加わる地電位ＧＮＤの値に近い値に制御する、そのため、第二の入力部３１２において、所謂仮想地気を発生させるように構成されていることを意味する。この仮想地気によって、フォトダイオード２は疑似短絡形態で動作する。

演算増幅器３１に対して並列に延びる負帰還パスは、第二の入力部３１２を、演算増幅器３１の出力３１３と接続されたトランスインピーダンスアンプ３１の出力電圧タップ３３と接続し、この負帰還パスには、負帰還部抵抗Ｒ_Ｆが配置されている。フォトダイオード２を疑似短絡形態で動作させた場合、この出力電圧タップ３３と地気ＧＮＤの間において、フォトダイオード２に入射する光線電力Φとそれにより引き起こされるフォトダイオード電流Ｉ_ＰＤとに線形的に依存する出力電圧Ｖ_ＰＤＯを取り出すことが可能である。この場合、負帰還部抵抗Ｒ_Ｆによって、次の増幅率が与えられる。
Ｖ_ＰＤＯ＝Ｉ_ＰＤ・Ｒ_Ｆ

図３は、フォトダイオード２のダイオード電圧Ｖ_Ｄ（ｘ軸）に対してダイオード電流Ｉ_Ｄ（ｙ軸）をプロットした電流・電圧特性に基づく光電流測定原理を図解している。原点を通って延びる曲線Ｃ_１は、光線入射の無い場合、即ち、暗い時のダイオード特性曲線に相当する。赤外線光線源６２によりフォトダイオード２を照射した場合、このダイオード特性曲線は、第二の曲線Ｃ_２に基づき模式的に図解した通り下方に平行に移動する。即ち、上述した（疑似）短絡動作は、（例えば、測定点が「ｘ」で表示されている）負のｙ軸上での光電流Ｉ_ＰＨの測定に対応する。典型的な光電流Ｉ_ＰＨは、光線源６２、測定室の幾何学的形状、使用する光学フィルターなどに応じて、１０ｎＡのオーダーである。この場合、例えば、約１Ｖの大きさの出力電圧Ｖ_ＰＤＯに対して、約１００ＭΩの負帰還部抵抗Ｒ_Ｆを使用することができる。この光電流Ｉ_ＰＨは大きな温度依存性を示す。

温度が（図３でシンボルＴ↑で表示されている通り）変化した場合、フォトダイオード２の特性曲線が回転する。例えば、温度上昇は、図３に破線による第三の曲線Ｃ３に基づき模式的に図解されている通り、ダイオード特性曲線を時計回りに回転させる。そこで、温度を測定するために、例えば、ダイオード電流Ｉ_Ｄを順方向に流して、第一象限（即ち、順方向領域）における電圧Ｖ_Ｄを測定することができる。それに代わって、負のバイアス電圧Ｖ_ＢＩＡＳ＜０をフォトダイオード２に印加して、第三象限（即ち、逆方向領域）における温度に依存する暗電流Ｉ_ＤＡＲＫを測定することができる。測定点の例が、図３に黒い点で表示されている。後者の方法は、何れにせよ電流増幅器３が既に存在するので、前に述べた光電流測定と良好に組み合わせることができる。

この暗電流Ｉ_ＤＡＲＫは、バイアス電圧Ｖ_ＢＩＡＳの絶対値が小さい場合、（電圧が空乏層の幅に依存することから）バイアス電圧の絶対値｜Ｖ_ＢＩＡＳ｜に対してほぼ線形的に増加するとともに、温度Ｔに対して指数関数的に増加する。室温時の暗電流Ｉ_ＤＡＲＫの典型的な値は、例えば、１２０ｋΩの周りに生じることができる。ＭＩＲフォトダイオード２の低い量子効率によって、温度に依存する暗電流Ｉ_ＤＡＲＫ（Ｔ）が、容易に数ｍＶのバイアス電圧でも、バイアス電圧が無い場合（Ｖ_ＢＩＡＳ＝０）の照射時における光電流Ｉ_ＰＨ（Φ）と同様の大きさになることができる。従って、光電流Ｉ_ＰＨの測定時に、バイアス電圧がμＶの範囲を上回らないことが有利であるとすることができる。低い周波数、例えば、Ｈｚ領域における測定には、ゼロドリフト演算増幅器の使用が適している。

図４Ａと４Ｂには、光電流測定と温度測定を一体化した本発明による電子装置１が模式的に図示されている。この電子装置は、図２に図示された電子装置と比べて少ない追加部品だけを有し、温度測定モードと光電流測定モードの間の簡単な切り換えを可能にする。

例えば、前に説明した通り、ＭＩＲフォトダイオード２とトランスインピーダンスアンプ３が使用され、トランスインピーダンスアンプ３は、例えば、ゼロドリフト演算増幅器の形の演算増幅器を有する。図４Ａに図示された光電流測定モードでは、フォトダイオード２のアノード端子２２は、演算増幅器３１の第一の入力部３１１と接続され、フォトダイオード２のカソード端子２１は、演算増幅器３１の第二の入力部３１２と接続されている。更に、電子装置１の第一のバイアス電圧端子４１は、第一の入力部３１１及びアノード端子２２と接続されている。トランスインピーダンスアンプ３は、フォトダイオード２を疑似短絡形態で動作させることを可能にするように構成されている。即ち、演算増幅器３１は、第二の入力部３１２における電位を少なくとも第一のバイアス電圧端子４１に加わるバイアス電位Ｖ_ＢＩＡＳの値に近い値に制御するように構成されている。言い換えると、第二の入力部３１２には、（少なくともほぼ）バイアス電圧Ｖ_ＢＩＡＳを有する仮想地気が基準電位として供給される。

それに対して、図４Ｂに図示された温度測定モードでは、アノード端子２２が電子装置１のアース端子３５と接続され、カソード端子２１が第二の入力部３１２と接続され、第一のバイアス電圧端子４１が、第一の入力部３１１と接続されるとともに、第一のアノード端子２２から切り離されている。

光電流測定モードでも、温度測定モードでも、第一のバイアス電圧端子４１と、演算増幅器３１の出力３１３に接続されたトランスインピーダンスアンプ３の出力電圧タップ３３との間において、フォトダイオード２のダイオード電流Ｉ_ＰＨ，Ｉ_ＤＡＲＫにそれぞれ比例する出力電圧Ｖ_ＰＤＯを取り出すことができる。

図４Ａと４Ｂによる電子装置１では、トランスインピーダンスアンプ３は、演算増幅器３１に対して並列に延びるとともに、第二の入力部３１２を出力電圧タップ３３と接続する負帰還パスを有する。この場合、負帰還パスでは、負帰還部抵抗Ｒ_Ｆ’と第一の抵抗Ｒ_１が直列に接続されている。更に、第一の切換部品Ｓ１を介して、負帰還部抵抗Ｒ_Ｆ’と第一の抵抗Ｒ_１の間の領域において負帰還パスに繋げることが可能な第二のバイアス電圧端子４２が配備されている。第二のバイアス電圧端子４２と負帰還パスの間には、第二の抵抗Ｒ_２が配置されている。

このカソード端子２１は、負帰還部抵抗Ｒ_Ｆ’、第二の抵抗Ｒ_２及び第一の切換部品Ｓ１を介して、第二のバイアス電圧端子４２と切換可能な形で接続することが可能である。このアノード端子２２は、第二の切換部品Ｓ２を介して、第一の入力部３１１とも、第一のバイアス電圧端子４１とも接続することが可能である。更に、このアノード端子２２は、第三の切換部品Ｓ３を介してアース端子３５と接続することが可能である。

これら三つの切換部品Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を操作することによって、電子装置１を光電流測定モードと温度測定モードの間で切り換えることができる。この場合、光電流測定モード又は温度測定モードでの電子装置１の動作は、例えば、以下の手法で実行することができる。

光電流測定モードでは（図４Ａを参照）、第一の切換部品Ｓ１と第二の切換部品Ｓ２が閉じられるのに対して、第三の切換部品Ｓ３は開かれる。外部から第一のバイアス電圧端子４１と第二のバイアス電圧端子４２に印加されるバイアス電位Ｖ_ＢＩＡＳは、有利には、演算増幅器３１が、最悪ケース（即ち、例えば、起こり得るオフセット又は静止電流を考慮した場合）でも、与えられた抵抗Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_Ｆ’において、その上限又は下限に移行しないように選定される。フォトダイオード２のアノード端子２２における電位はバイアス電位Ｖ_ＢＩＡＳと同じである。演算増幅器３１の制御挙動（仮想地気）によって、カソード端子２１にも、ほぼバイアス電位Ｖ_ＢＩＡＳが加わり、その結果、フォトダイオード２は疑似短絡形態で動作する。Ｒ_１は、Ｒ_２と共に、出力電圧Ｖ_ＰＤＯを低下させる分圧器を形成する。負帰還部抵抗Ｒ_Ｆ’と組み合わせると、次の増幅率を有する電流増幅器が得られる。
Ｒ_Ｆ’・（１＋Ｒ_１／Ｒ_２）

光電流測定モードにおいて、光線源６２を使用した場合（図１を参照）、出力電圧信号Ｖ_ＰＤＯから、測定室６１内のガス濃度を推定することができる。

温度測定モードでは（図４Ｂを参照）、第一の切換部品Ｓ１と第二の切換部品Ｓ２が開かれるとともに、第三の切換部品Ｓ３が閉じられる。フォトダイオード２のアノード端子２２は、アース端子３５と接続される。有利には、バイアス電位Ｖ_ＢＩＡＳは、演算増幅器３１が、選定された抵抗Ｒ_Ｆ’，Ｒ１において、暗電流Ｉ_ＤＡＲＫに基づき、その上限に移行しないように選定される。演算増幅器３１の第一の入力部３１１には、（正の）バイアス電位Ｖ_ＢＩＡＳが加わる。ここで、演算増幅器３１の仮想地気によって、大きさ−Ｖ_ＢＩＡＳの負のバイアス電圧がフォトダイオード２に効果的に加わる。光電流測定モードと比較して、出力電圧Ｖ_ＰＤＯの増幅率が、次の値に低下する。
Ｒ_Ｆ’＋Ｒ_１

この動作モードでは、光線源６２は、有利には、スイッチオフされたままである。この出力電圧信号Ｖ_ＰＤＯは、フォトダイオード２の温度に依存する。

図５は、前に述べた電子装置１の実用的な実現形態の例を図解している。切換部品Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３は、この例では、マイクロコントローラμＣのＧＰＩＯ（汎用入出力）出力ＧＰＩＯ１，ＧＰＩＯ２によりスイッチオン又はスイッチオフされるＭＯＳＦＥＴとして実現されている。このバイアス電位Ｖ_ＢＩＡＳは、マイクロコントローラμＣの一時記憶されたＤＡＣ（デジタル・アナログコンバータ）出力ＤＡＣにより生成される。二つの異なる一定電圧値の間で切り換えることが可能な基準を使用することも可能である。しかし、この回路は、光電流測定と温度測定のためのバイアス電位Ｖ_ＢＩＡＳが同じになるような規模にすることもできる。その場合、簡単な基準を使用することができる。出力電圧信号Ｖ_ＰＤＯを測定するために、二つのＡＤＣ（アナログ・デジタルコンバータ）入力部ＡＤＣ１，ＡＤＣ２が使用される。マイクロコントローラμＣは、二つの値の差を計算する。しかし、差分入力部を備えたＡＤＣを使用することもできる。その場合、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ_Ｆ’の好適な選定によって、二つ（光電流と温度）の測定時にＡＤＣが最適に、即ち、最大動特性範囲内において活用されるように、この回路を適合させることができる。（図示されていない）一つの変化形態では、第三の切換部品Ｓ３を直にマイクロコントローラμＣのオープンドレイン出力に置き換えることもできる。図５は、単一のフォトダイオード２のための回路を図示している。複式検出器（ガス用フォトダイオードと基準フォトダイオード）を備えた光ガスセンサー６のためには、この回路を二重に構築することができ、その場合、第二の切換部品Ｓ２と第三の切換部品Ｓ３を二つの回路のために共通に使用することができる。

図６は、切換部品Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の切換シーケンスの例に基づき光電流と温度を組み合わせて測定するための測定フローを図解している。この場合、時間軸ｔに対して、切換部品Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の各切換状態と、それに対応するバイアス電位Ｖ_ＢＩＡＳ、光線源６２の入出力状態及びその結果得られる出力電圧信号Ｖ_ＰＤＯの時間推移とが図示されている。

先ずは、光ガスセンサー６は待機モードに有る。第一の切換部品Ｓ１と第二の切換部品Ｓ２が開かれる一方、第三の切換部品Ｓ３は閉じられている（温度センサーとしての機能）。バイアスＶ_ＢＩＡＳは加えられていない。赤外線光線源６２はスイッチオフされている。

次に、第一の工程において、温度測定のために（正の）バイアス電位Ｖ_ＢＩＡＳが印加される。短い安定化時間後に、出力電圧信号Ｖ_ＰＤＯが温度に比例する信号を提供する。そのため、この第一段階Ｐ１は温度測定に対応する。

温度測定を実施した後、第三の切換部品Ｓ３が開かれて、切換部品Ｓ１，Ｓ２が閉じられる。バイアス電圧Ｖ_ＢＩＡＳは、必要に応じて、別の値に切り換えることができる。ここで、電子装置１は光電流センサーとして機能する。先ずは、赤外線光線源６２は依然としてスイッチオフされている。例えば、ガス静止信号を測定するために第二段階Ｐ２を使用することができる。それによって、例えば、起こり得る回路オフセットを後で補償することができる。

第三段階Ｐ３では、赤外線光線源６２がスイッチオンされる。赤外線光線源６２が温まるのに応じて、出力電圧信号Ｖ_ＰＤＯが上昇し始める。ガス濃度に応じて、出力電圧信号Ｖ_ＰＤＯが、より大きく、或いはより小さく上昇する。出力電圧曲線の下の面積Ａは、ガス濃度を計算するための出力変数として利用することができる。次に、二つの信号、即ち、検出器温度と光線パルスに対する応答とから、マイクロコントローラμＣを用いて、温度補償されたガス濃度を算出することができる。

図６による測定フローは、単に考え得る一つの例である。ガス濃度の計測は、別の方式に基づき、例えば、光線源６２の相前後した複数回の点滅によって、或いは出力電圧曲線の下の面積とは別のパラメータを用いて（例えば、ＦＦＴ分析、所定の時点での傾斜などに基づき）実施することもできる。

ここで述べた種類の光ガスセンサーにおいて、（例えば、複式検出器として）二つ以上のフォトダイオードを使用した場合、異なるフォトダイオード温度を測定することによって、それらのフォトダイオードの間の起こり得る温度勾配を確認して補償することもできる。異なるフォトダイオードの平均温度（及び／又はＮＴＣ感知器又はマイクロコントローラの温度）は、例えば、単一のＮＴＣ感知器の従来から利用されている温度よりも信頼できる、ガス温度に関する推定量として利用することができる。

１ 電子装置
２ フォトダイオード
２１ カソード端子
２２ アノード端子
３ トランスインピーダンスアンプ
３１ 演算増幅器
３１１ 第一の入力部
３１２ 第二の入力部
３１３ 出力
３３ 出力電圧タップ
３５ アース端子
４１ 第一のバイアス電圧端子
４２ 第二のバイアス電圧端子
６ 光ガスセンサー
６１ 測定室
６２ 光線源
Ａ 出力電圧曲線の下の面積
ＡＤＣ１，ＡＤＣ２ アナログ・デジタルコンバータの入力部
Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_３ ダイオード特性曲線
ＤＡＣ デジタル・アナログコンバータの出力
Ｇ ガス
ＧＮＤ 地気（アース）
ＧＰＩＯ１，ＧＰＩＯ２ 汎用入出力の出力
Ｉ_Ｄ ダイオード電流
Ｉ_ＤＡＲＫ 暗電流
Ｉ_ＰＤ フォトダイオード電流
Ｉ_ＰＨ 光電流
ＭＩＲ 中赤外線
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３ 段階
Ｒ_１，Ｒ_２ 抵抗
Ｒ_Ｆ，Ｒ_Ｆ’ 負帰還部抵抗
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３ 切換部品
ｔ 時間
Ｔ↑ 温度変化
Ｖ_ＢＩＡＳ バイアス電位（電圧）
Ｖ_Ｄ ダイオード電圧
Ｖ_ＰＤＯ 出力電圧
μＣ マイクロコントローラ
Φ 光線電力

Claims (15)

1. フォトダイオード（２）とトランスインピーダンスアンプ（３）を備えた電子装置（１）において、
   この電子装置（１）が、光電流測定モードと温度測定モードに選択的に切り換えることが可能であり、
   光電流測定モードでは、
   このフォトダイオード（２）のアノード端子（２２）が、トランスインピーダンスアンプ（３）の演算増幅器（３１）の第一の入力部（３１１）と接続され、
   このフォトダイオード（２）のカソード端子（２１）が、演算増幅器（３１）の第二の入力部（３１２）と接続され、
   この電子装置（１）の第一のバイアス電圧端子（４１）が、第一の入力部（３１１）及びアノード端子（２２）と接続され、
   温度測定モードでは、
   このアノード端子（２２）が、この電子装置（１）のアース端子（３５）と接続され、
   このカソード端子（２１）が、第二の入力部（３１２）と接続され、
   この第一のバイアス電圧端子（４１）が、第一の入力部（３１１）と接続されるとともに、アノード端子（２２）から切り離される、
   ことを特徴とする電子装置。
2. 請求項１に記載の電子装置（１）において、
   光電流測定モード及び温度測定モードでは、第一のバイアス電圧端子（４１）とトランスインピーダンスアンプ（３）の出力電圧タップ（３３）との間において、フォトダイオード（２）のダイオード電流（Ｉ_ＰＨ，Ｉ_ＤＡＲＫ）にそれぞれ比例する出力電圧（Ｖ_ＰＤＯ）を取り出すことが可能であることを特徴とする電子装置。
3. 請求項１又は２に記載の電子装置（１）において、
   前記の第二の入力部（３１２）が演算増幅器（３１）の反転入力部であることを特徴とする電子装置。
4. 請求項１から３までのいずれか一つに記載の電子装置（１）において、
   前記の演算増幅器（３１）が、第二の入力部（３１２）における電位を少なくとも第一のバイアス電圧端子（４１）に加わるバイアス電位（Ｖ_ＢＩＡＳ）の値に近い値に制御するように構成されていることを特徴とする電子装置。
5. 請求項１から４までのいずれか一つに記載の電子装置（１）において、
   前記のトランスインピーダンスアンプ（３）が、演算増幅器（３１）に対して並列に延びるとともに、第二の入力部（３１２）を出力電圧タップ（３３）と接続する負帰還パスを有し、この負帰還パスでは、負帰還部抵抗（Ｒ_Ｆ’）と第一の抵抗（Ｒ_１）が直列に接続されていることを特徴とする電子装置。
6. 請求項５に記載の電子装置（１）において、
   この電子装置（１）の第一のバイアス電圧端子（４１）又は第二のバイアス電圧端子（４２）は、第一の切換部品（Ｓ１）を介して、負帰還部抵抗（Ｒ_Ｆ’）と第一の抵抗（Ｒ_１）の間の領域において負帰還パスに繋げることが可能であることを特徴とする電子装置。
7. 請求項６に記載の電子装置（１）において、
   前記の第一のバイアス電圧端子（４１）又は第二のバイアス電圧端子（４２）と、負帰還パスとの間に、第二の抵抗（Ｒ_２）が配置されていることを特徴とする電子装置。
8. 請求項６又は７に記載の電子装置（１）において、
   前記のカソード端子（２１）は、第一の切換部品（Ｓ１）を介して、第一のバイアス電圧端子（４１）又は第二のバイアス電圧端子（４２）と切換可能な形で接続することが可能であることを特徴とする電子装置。
9. 請求項１から８までのいずれか一つに記載の電子装置（１）において、
   前記のアノード端子（２２）は、第二の切換部品（Ｓ２）を介して、第一の入力部（３１１）とも、第一のバイアス電圧端子（４１）とも接続することが可能であることを特徴とする電子装置。
10. 請求項１から９までのいずれか一つに記載の電子装置（１）において、
    前記のアノード端子（２２）は、第三の切換部品（Ｓ３）を介して電子装置（１）のアース端子（３５）と接続することが可能であることを特徴とする電子装置。
11. ガスを収容する測定室（６１）と、
    この測定室（６１）内に収容されたガスに光線を照射する光線源（６２）と、
    この光線の少なくとも一部を検出するフォトダイオード（２）であって、測定室（６１）内に収容されたガスが、少なくとも部分的に光線源（６２）とフォトダイオード（２）の間に存在するフォトダイオードと、
    を備えた光ガスセンサー（６）において、
    この光ガスセンサー（６）が、フォトダイオード（２）を用いて光電流と温度を組み合わせて測定するために、請求項１から１０までのいずれか一つに記載の電子装置（１）を有することを特徴とする光ガスセンサー。
12. 光電流と温度を組み合わせて測定する方法において、
    請求項１から１０までのいずれか一つに記載の電子装置（１）を準備する工程と、
    光電流測定モードと温度測定モードの二つの測定モードの中の一方の測定モードで電子装置（１）を動作させる工程と、
    光電流測定モードと温度測定モードの中のそれぞれ他方の測定モードに電子装置（１）を切り換える工程と、
    を有することを特徴とする方法。
13. 請求項１２に記載の方法において、
    請求項６から１０までのいずれか一つに記載の電子装置（１）を準備して、第一のバイアス電圧端子（４１）と第二のバイアス電圧端子（４２）に同じバイアス電位（Ｖ_ＢＩＡＳ）を供給することを特徴とする方法。
14. 請求項１２又は１３に記載の方法において、
    請求項９又は請求項６から８までのいずれか一つを引用する請求項１０に記載の電子装置（１）を準備して、
    この電子装置（１）を光電流測定モードに切り換えるために、第一と第二の切換部品（Ｓ１，Ｓ２）が閉じられるとともに、第三の切換部品（Ｓ３）が開かれることと、
    この電子装置（１）を温度測定モードに切り換えるために、第一と第二の切換部品（Ｓ１，Ｓ２）が開かれるとともに、第三の切換部品（Ｓ３）が閉じられることと、
    の中の一つ以上であることを特徴とする方法。
15. 請求項１２から１４までのいずれか一つに記載の方法において、
    前記の電子装置（１）が、請求項１１に記載の光ガスセンサー（６）の一部であり、
    先ずは、光線源（６２）がスイッチオフされている間に温度測定モードで動作し、
    次に、光線源（６２）がスイッチオンされている間に光電流測定モードで動作する、
    ことを特徴とする方法。

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