JP2023132938A - Light source device and concentration measurement device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、溶液などの測定対象の濃度の測定に使用される光源装置及び測定を行う濃度測定装置に関する。 The present invention relates to a light source device used to measure the concentration of a measurement target such as a solution, and a concentration measuring device that performs the measurement.
従来、光を用いて半導体のエッチング液や洗浄液といった水溶液の濃度を測定する技術が知られている。このような技術の一例として、半導体発光素子であるLED(Light Emitting Diode)の光を水溶液に照射し、この発光強度と、水溶液を介して受光した光の強度から水溶液の濃度を測定する技術が知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a technique for measuring the concentration of an aqueous solution such as a semiconductor etching solution or cleaning solution using light. One example of such technology is a technology that irradiates an aqueous solution with light from an LED (Light Emitting Diode), which is a semiconductor light emitting device, and measures the concentration of the aqueous solution from the intensity of the emitted light and the intensity of the light received through the aqueous solution. Are known.
例えば、LEDに一定電流を流したときの順電圧(順方向電圧)を予め取得し、LEDが出射する特定波長の光の発光強度との関係性を示す対応情報と、測定部により測定された順電圧と、分光部により分光された特定波長の光の強度とに基づいて測定対象の濃度を測定する技術が提案されている。より詳しくは、光源であるLEDの順電圧Vfから発光強度を推定し、その推定した発光強度と分光器により検出された特定波長の受光強度とから測定対象の濃度を算出する方法がある。 For example, the forward voltage (forward voltage) when a constant current is passed through the LED is obtained in advance, and the corresponding information indicating the relationship with the emission intensity of light of a specific wavelength emitted by the LED and the information measured by the measurement unit are obtained. A technique has been proposed for measuring the concentration of a measurement target based on a forward voltage and the intensity of light of a specific wavelength separated by a spectroscopic section. More specifically, there is a method in which the emission intensity is estimated from the forward voltage Vf of an LED, which is a light source, and the concentration of the measurement target is calculated from the estimated emission intensity and the received light intensity of a specific wavelength detected by a spectrometer.
また、LEDの定電流駆動回路としては、高速応答かつ高精度の電流制御が可能なリニア方式と、回路の発熱が小さい、すなわち消費電力が小さいスイッチング方式が知られている。 Further, as constant current drive circuits for LEDs, there are known a linear type that allows high-speed response and highly accurate current control, and a switching type that generates little heat in the circuit, that is, has low power consumption.
LEDの順電圧を用いて濃度測定を行う場合、液体の濃度を精度よく測定するためには、LEDの順電圧をできるだけ安定させることが望ましい。例えば、順電圧の変化量が大きかったり、再現性が悪かったりすると、発光強度の推定が困難になる。ただし、順電圧はLEDの駆動電流によって変化するため、LEDの順電圧を安定させるためには、駆動電流をできるだけ高精度かつ高安定にすることが望ましい。 When measuring concentration using the forward voltage of an LED, it is desirable to stabilize the forward voltage of the LED as much as possible in order to accurately measure the concentration of a liquid. For example, if the amount of change in the forward voltage is large or the reproducibility is poor, it becomes difficult to estimate the emission intensity. However, since the forward voltage changes depending on the drive current of the LED, in order to stabilize the forward voltage of the LED, it is desirable to make the drive current as highly accurate and highly stable as possible.
また、順電圧は、LED自身の発熱温度によって変化するため、LEDの順電圧を安定させるためには、必要最低限の点灯時間とすることが望ましい。必要最低限の点灯時間とは、分光器による受光強度の測定に必要な最短時間である。これにはLEDをダイナミック点灯(間欠点灯)とし、さらに消灯状態から点灯状態への駆動電流の立ち上がり応答をできるだけ速くすることが望ましい。 Further, since the forward voltage changes depending on the heat generation temperature of the LED itself, in order to stabilize the forward voltage of the LED, it is desirable to set the lighting time to the minimum necessary. The minimum necessary lighting time is the minimum time necessary for measuring the received light intensity with a spectrometer. For this purpose, it is desirable to turn on the LED dynamically (intermittent lighting) and to make the rising response of the drive current from the off state to the on state as fast as possible.
例えば、立ち上がりの応答が遅いとその分点灯時間を長くする必要があり発熱量が増えてしまい、順電圧に影響がでる。この対策として、全体的な発熱量を抑えるために、点灯時間を長くした分だけ消灯時間を長くして、点滅周期(=PWM(Pulse Width Modulation)周期)を長くすることが考えられる。しかし、点滅周期を長くした場合、受光側の検出周期も長くなるため濃度計測の応答速度が遅くなり、結果的に濃度測定装置の性能に影響してしまう。例えば、気泡検知が困難になることが考えられる。したがって、立ち上がりの応答が遅いままで順電圧の変動を抑えるよりも、立ち上がりの応答を早くして順電圧の変動を抑える方が、濃度を精度よく測定することができる。なお、LEDは寿命により光度が徐々に低下してしまうため、ダイナミック点灯方式として寿命を延ばすことは一般的にも行われている。 For example, if the startup response is slow, it is necessary to lengthen the lighting time accordingly, which increases the amount of heat generated and affects the forward voltage. As a countermeasure for this, in order to suppress the overall amount of heat generated, it is conceivable to lengthen the turn-off time by the length of the lighting time to lengthen the blinking cycle (=PWM (Pulse Width Modulation) cycle). However, when the blinking period is lengthened, the detection period on the light receiving side also becomes longer, which slows down the response speed of concentration measurement, which ultimately affects the performance of the concentration measuring device. For example, bubble detection may become difficult. Therefore, the concentration can be measured more accurately by increasing the rising response and suppressing the forward voltage variation, rather than suppressing the variation in the forward voltage while keeping the rising response slow. Incidentally, since the luminous intensity of LEDs gradually decreases over the lifespan, a dynamic lighting method is generally used to extend the lifespan.
さらに、順電圧は、周辺温度の影響でも変化するため、LEDの順電圧を安定させるためには、一般的にLEDの近く又は同一ケース内に配置されるLED駆動回路の部品発熱もできるだけ小さい方が望ましい。 Furthermore, the forward voltage also changes due to the influence of ambient temperature, so in order to stabilize the forward voltage of the LED, it is generally necessary to minimize the heat generation of the components of the LED drive circuit, which are placed near the LED or in the same case. is desirable.
駆動電流の高精度化かつ高安定化及び消灯状態から点灯状態への駆動電流の立ち上がり応答の高速化については、リニア式の定電流駆動回路を使用すれば解決可能である。しかしながら、リニア式の場合、電流制御用トランジスタが発熱してしまうので、LED駆動回路の部品発熱の最小化を解決することは困難である。 High precision and high stability of the drive current, as well as faster rise response of the drive current from the off state to the on state, can be achieved by using a linear constant current drive circuit. However, in the case of a linear type, the current control transistor generates heat, so it is difficult to minimize the heat generated by components of the LED drive circuit.
また、スイッチング式の定電流駆動回路を使用すれば、電流制御用トランジスタの発熱はリニア式よりも大幅に低減されるので、LED駆動回路の部品発熱の最小化については解決可能である。しかしながら、スイッチング式の定電流駆動回路では、駆動電流の高精度化かつ高安定化及び消灯状態から点灯状態への駆動電流の立ち上がり応答の高速化の解決は困難であった。すなわち、スイッチング式の場合、原理上リップル電流が発生するが、このリップル電流を除去するための平滑コンデンサの容量により、LED電流の立ち上がりが遅くなってしまう。また、LED電流の立ち上がりを早くするために平滑コンデンサの容量を小さくすると、リップル電流の完全な除去が困難となり、LED電流に大きなリップルが発生して発光強度の安定性が悪化してしまう。さらに、定電流制御回路の電流検出抵抗による電流検出信号のリップルも増大するため、高精度の定電流制御も困難になる。加えて、このリップルによるLED電流のピークが、LED素子の最大定格電流を超えてしまうと、LED素子が劣化し、寿命が大幅に短くなってしまうおそれもある。 Further, if a switching type constant current drive circuit is used, the heat generated by the current control transistor is significantly reduced compared to a linear type, so it is possible to minimize the heat generated by components of the LED drive circuit. However, in the switching type constant current drive circuit, it is difficult to achieve high precision and high stability of the drive current, and to increase the speed of the rise response of the drive current from the off state to the on state. That is, in the case of a switching type, a ripple current is generated in principle, but the rise of the LED current is delayed due to the capacitance of a smoothing capacitor for removing this ripple current. Furthermore, if the capacitance of the smoothing capacitor is made small in order to speed up the rise of the LED current, it becomes difficult to completely remove the ripple current, and a large ripple occurs in the LED current, deteriorating the stability of the light emission intensity. Furthermore, since the ripple of the current detection signal due to the current detection resistor of the constant current control circuit also increases, it becomes difficult to perform constant current control with high precision. In addition, if the peak of the LED current due to this ripple exceeds the maximum rated current of the LED element, the LED element may deteriorate and its life may be significantly shortened.
以上の通り、従来のLED駆動回路では、駆動電流の高精度化かつ高安定化、消灯状態から点灯状態への駆動電流の立ち上がり応答の高速化、及び、LED駆動回路の部品発熱の最小化という3つの問題を全て解決することは困難であった。すなわち、従来のLED駆動回路では、LEDの順電圧を安定させて濃度を精度よく測定することは困難であった。 As described above, conventional LED drive circuits have the following objectives: high precision and high stability of drive current, faster rise response of drive current from off state to on state, and minimization of component heat generation in the LED drive circuit. It was difficult to solve all three problems. That is, with the conventional LED drive circuit, it is difficult to stabilize the forward voltage of the LED and measure the concentration with high accuracy.
本願はこのような課題を解決するためのものであり、半導体発光素子の順電圧を安定させて水溶液といった各種溶液に溶解する溶質や混合気体における各気体等の濃度を精度良く測定することを目的とする。 This application is intended to solve such problems, and aims to stabilize the forward voltage of a semiconductor light emitting device and accurately measure the concentration of solutes dissolved in various solutions such as aqueous solutions and each gas in a mixed gas. shall be.
本願に係る光源装置は、半導体発光素子と、半導体発光素子へ向けて定電流を供給する定電流駆動回路と、定電流駆動回路から供給される定電流の一部をバイパス電流としてバイパス回路に送り、残りの電流を半導体発光素子電流として半導体発光素子に供給し、半導体発光素子電流が所定の目標電流値に対して小さい場合、バイパス電流を減らし、半導体発光素子電流が前記所定の目標電流値に対して大きい場合、バイパス電流を増やすように補正する電流補正回路とを備える。 The light source device according to the present application includes a semiconductor light emitting element, a constant current drive circuit that supplies a constant current to the semiconductor light emitting element, and a part of the constant current supplied from the constant current drive circuit that is sent to the bypass circuit as a bypass current. , the remaining current is supplied to the semiconductor light emitting device as a semiconductor light emitting device current, and if the semiconductor light emitting device current is smaller than the predetermined target current value, the bypass current is reduced and the semiconductor light emitting device current reaches the predetermined target current value. On the other hand, if the bypass current is larger, a current correction circuit is provided that corrects the bypass current to increase it.
上記光源装置において、定電流駆動回路は、スイッチング素子及びスイッチング素子をオンオフ制御するスイッチング制御回路を有し、スイッチング素子のオンオフ動作に応じて完結的に前記定電流を供給してもよい。 In the light source device, the constant current drive circuit may include a switching element and a switching control circuit that controls on/off of the switching element, and may completely supply the constant current according to the on/off operation of the switching element.
また、上記光源装置において、電流補正回路は、バイパス電流の補正動作を定電流駆動回路のスイッチング素子のオンオフ動作よりも高速に実行してもよい。 Furthermore, in the light source device, the current correction circuit may perform the bypass current correction operation faster than the on/off operation of the switching element of the constant current drive circuit.
また、上記光源装置において、定電流駆動回路は、外部から与えられるタイミング信号に基づいてスイッチング素子を制御してもよい。 Further, in the above light source device, the constant current drive circuit may control the switching element based on a timing signal given from the outside.
また、上記光源装置において、スイッチング制御回路は、定電流駆動回路から出力された定電流の検出値を基に、スイッチング素子のオンオフの間隔を制御してもよい。 Further, in the above light source device, the switching control circuit may control the on/off interval of the switching element based on the detected value of the constant current output from the constant current drive circuit.
また、上記光源装置において、電流補正回路は、半導体発光素子の出力側に配置された半導体発光素子電流検出用抵抗により検出される半導体発光素子の順電圧と基準電圧とを基に、バイパス電流の大きさを制御してもよい。 Further, in the above light source device, the current correction circuit adjusts the bypass current based on the forward voltage of the semiconductor light emitting element and the reference voltage detected by the semiconductor light emitting element current detection resistor arranged on the output side of the semiconductor light emitting element. The size may be controlled.
また、上記光源装置において、電流補正回路は、差動増幅回路を有し、順電圧を入力として差動増幅回路から出力される電圧の電圧値と基準電圧とを比較して、バイパス電流の大きさを制御してもよい。 Further, in the above light source device, the current correction circuit includes a differential amplifier circuit, and compares the voltage value of the voltage output from the differential amplifier circuit with a reference voltage using the forward voltage as input, and determines the magnitude of the bypass current. You can also control the
また、上記光源装置において、定電流駆動回路は、入力電圧の入力端子と半導体発光素子との間に定電流の電流値を検出するハイサイド電流検出回路を有し、ハイサイド電流検出回路により検出された電流値を基に定電流を制御し、電流補正回路は、順電圧の電圧値と基準電圧の電圧値との差を基に、バイパス電流の大きさを制御してもよい。 Further, in the above light source device, the constant current drive circuit has a high side current detection circuit that detects the current value of the constant current between the input terminal of the input voltage and the semiconductor light emitting element, and the high side current detection circuit detects the current value of the constant current. The constant current may be controlled based on the current value determined, and the current correction circuit may control the magnitude of the bypass current based on the difference between the voltage value of the forward voltage and the voltage value of the reference voltage.
また、上記光源装置において、電流補正回路は、バイパス電流を定電流の25%以下としてもよい。 Further, in the light source device, the current correction circuit may set the bypass current to 25% or less of the constant current.
上述した光源装置によれば、定電流駆動回路から出力される平滑コンデンサで平滑化された出力電流のうち、半導体発光素子電流の制御目標値を超えた分の電流をバイパス経路にバイパス電流として流す。これにより、平滑コンデンサの容量を、必要最小限の容量とすることができる。そして、駆動電流の高精度化かつ高安定化、消灯状態から点灯状態への駆動電流の立ち上がり応答の高速化、及び、半導体発光素子駆動回路の部品発熱の最小化という3つの問題を全て解決することができる。したがって、半導体発光素子の順電圧を安定させて水溶液といった各種溶液に溶解する溶質や混合気体における各気体等の濃度を精度良く測定することが可能となる。 According to the light source device described above, of the output current output from the constant current drive circuit and smoothed by the smoothing capacitor, the current exceeding the control target value of the semiconductor light emitting element current is passed through the bypass path as a bypass current. . Thereby, the capacitance of the smoothing capacitor can be reduced to the minimum necessary capacitance. It also solves all three problems: increasing the precision and stability of the drive current, increasing the speed of the rise response of the drive current from the off state to the on state, and minimizing the heat generation of components in the semiconductor light emitting device drive circuit. be able to. Therefore, it is possible to stabilize the forward voltage of the semiconductor light emitting device and to accurately measure the concentration of solutes dissolved in various solutions such as aqueous solutions and of each gas in a mixed gas.
次に、実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、各実施の形態において共通する構成要素には同一の参照符号を付し、繰り返しの説明を省略する。 Next, embodiments will be described with reference to the drawings. In addition, in the following description, the same reference numerals are given to the same component in each embodiment, and repeated description is omitted.
[測定手法の原理について]
半導体の洗浄液やエッチング液として、塩酸、硝酸、リン酸、水酸化アンモニウム、過酸化水素等の水溶液が用いられており、水溶液の吸光度に基づいて、水溶液の濃度を測定する技術が知られている。単純には、光を水溶液に照射し、その透過した光を2つ以上の光の波長で分光、光強度を測定することで、濃度を計算する。より具体的には、光源が出射した光から分光した強度と、透過した光から分光した光の強度とから、水溶液の吸光度を算出し、算出された吸光度に基づいて、濃度の計算を行う。ここでは、このような濃度測定に用いられる光源としてLEDを用いる。
[About the principle of measurement method]
Aqueous solutions such as hydrochloric acid, nitric acid, phosphoric acid, ammonium hydroxide, and hydrogen peroxide are used as cleaning and etching solutions for semiconductors, and a technique for measuring the concentration of an aqueous solution based on its absorbance is known. . Simply, the concentration is calculated by irradiating an aqueous solution with light, spectroscopy of the transmitted light at two or more wavelengths, and measuring the light intensity. More specifically, the absorbance of the aqueous solution is calculated from the intensity of the light emitted by the light source and the intensity of the light that is transmitted through the solution, and the concentration is calculated based on the calculated absorbance. Here, an LED is used as a light source used for such density measurement.
図1は、実施形態における測定手法を説明するための図である。図1を用いて、実施形態における測定手法について説明する。 FIG. 1 is a diagram for explaining a measurement method in an embodiment. A measurement method in the embodiment will be described using FIG. 1.
例えば、濃度測定装置1は、光源装置2、フローセル3、分光装置4及び測定装置5を有する。
For example, the concentration measuring device 1 includes a
光源装置2は、光を投光可能な光源装置であり、半導体発光素子であるLED21を光源として実現される。例えば、LED21は、測定装置5による制御に従って、所定の特定波長を含む光を出射する。このようにしてLED2により出射された光は、光路OPに沿って、フローセル3を介し、分光装置4へと伝達される。
The
ここで、LED21は、1つ若しくは同時に濃度を測定する溶質のそれぞれと対応する特定波長を含む波長帯の光を出射可能な光源である。すなわち、LED21は、測定対象と対応する特定波長の光を、測定対象の測定において必要十分な強度(例えば、照度)で出射可能な光源である。例えば、LED21は、1550ナノメートル程度の中心波長を有し、半値幅が100ナノメートル程度の光源である。この場合、LED21は、溶質がアンモニアおよび過酸化水素である場合、少なくとも、1500ナノメートルから1600ナノメートルの波長帯の光を十分な強度で出力可能な光源が最適であるが、この波長帯に限らず他の波長帯を用いてもよい。この場合、光源の中心波長が使用波長帯に合ったものを選択する。
Here, the
なお、LED21は、分光装置4が分光して取り込むことができる波長の光を特定波長とし、このような特定波長を含む波長幅の光を出射できればよい。換言すると、LED21は、あらかじめ設定された目標精度で、測定対象の吸光度(ひいては、濃度)の測定を実現可能な波長を特定波長とし、特定波長に合わせた波長の光を出射する。
Note that the
フローセル3は、光源装置2が出射する光に対して透明な素材(例えば、石英ガラス等)からなり、内部に水溶液等のサンプルを流すことができる。なお、フローセル3は、試験管やセル等により実現されてもよいし、薬液の流れる配管そのものであってもよい。また、フローセル3は、全体が透明な素材である必要はなく、光源装置2から出射された光が入射される入射部分と、入射された光をサンプルを介して出射する出射部分とが特定波長に対して透明であればよい。
The flow cell 3 is made of a material (eg, quartz glass, etc.) that is transparent to the light emitted by the
分光装置4は、フローセル3を介して受光した光から特定波長の光を分光し、分光した光の強度を測定する装置であり、例えば、ファブリペロー干渉計(Fabry Perot Interferometer)と、ファブリペロー干渉計により分光された光の強度を測定する受光素子とにより実現される。ただし、分光装置4は、グレーティング型の分光器など他の分光方式を用いた分光器を使用してもよい。 The spectrometer 4 is a device that separates light of a specific wavelength from the light received through the flow cell 3 and measures the intensity of the separated light. This is realized by a light-receiving element that measures the intensity of the light separated by the meter. However, the spectroscope 4 may use a spectrometer using other spectroscopy methods, such as a grating type spectrometer.
例えば、分光装置4は、ファブリペロー分光用チューナブルフィルタ41と受光素子42とを有する。ファブリペロー分光用チューナブルフィルタ41は、透過可能な光の波長を変更することができるファブリペロー干渉計であり、平行に配置された2つの半透鏡を有する。例えば、ファブリペロー分光用チューナブルフィルタ41は、光源装置2側に設置された半透鏡である上部ミラーUMと、受光素子42側に配置された半透鏡である下部ミラーDMとを有する。そして、ファブリペロー分光用チューナブルフィルタ41は、上部ミラーUMと下部ミラーDMとの間隔を制御することで、フローセル3を介して受光した光から、上部ミラーUMと下部ミラーDMとの間隔に応じた波長の光を透過する。例えば、ファブリペロー分光用チューナブルフィルタ41は、測定装置5からの制御に従い、サンプルを介して受光した光から溶質と対応する特定波長の光を透過する。
For example, the spectroscopic device 4 includes a Fabry-Perot spectroscopy tunable filter 41 and a light receiving element 42 . The Fabry-Perot spectroscopy tunable filter 41 is a Fabry-Perot interferometer that can change the wavelength of light that can be transmitted, and has two semi-transparent mirrors arranged in parallel. For example, the Fabry-Perot spectroscopy tunable filter 41 includes an upper mirror UM that is a semi-transparent mirror placed on the
受光素子42は、ファブリペロー分光用チューナブルフィルタ41により透過された光を受光すると、受光した光の強度を測定する素子であり、例えば、フォトダイオード等の光電素子等により実現される。例えば、受光素子42は、透過された光を受光すると、受光した光の強さを示す電気信号を生成し、生成した電気信号を測定装置5へと伝達する。 The light receiving element 42 is an element that measures the intensity of the received light upon receiving the light transmitted by the Fabry-Perot spectroscopy tunable filter 41, and is realized by, for example, a photoelectric element such as a photodiode. For example, upon receiving the transmitted light, the light receiving element 42 generates an electric signal indicating the intensity of the received light, and transmits the generated electric signal to the measuring device 5.
測定装置5は、分光装置4が受光した光の強度に基づいて、サンプルに含まれる溶質の濃度を測定する。測定装置5は、タイミング発生回路51、生成部52、および濃度測定部53を有する。タイミング発生回路51は、LED駆動回路100にPWM信号を入力することで、定電流を間欠的に発生させLED21を間欠駆動させる。
The measuring device 5 measures the concentration of solute contained in the sample based on the intensity of the light received by the spectroscopic device 4. The measuring device 5 includes a
生成部52は、LED21の対応情報を生成する。例えば、生成部52は、LED21にLED駆動回路100からLED電流が流された際における順電圧の値を順方向電圧測定回路22から取得する。また、生成部52は、LED21にLED駆動回路100からLED電流が流された際において、受光素子42が受光した特定波長の光の強度を測定する。なお、対応情報を生成する際においては、フローセル3にサンプルが流れていないものとする。
The
そして、生成部52は、電流が流された際におけるLED21の順電圧の値と、受光素子42が受光した特定波長の光の強度との間の関係性を示す対応情報を生成する。例えば、生成部52は、順電圧の値と特定波長の光の強度とを対応付けた対応情報を生成する。
Then, the
なお、測定に用いる特定波長が複数存在する場合、生成部52は、特定波長ごとに、対応情報の生成を行うこととなる。このような場合、例えば、LED駆動回路100は、分光装置4が各特定波長の光を分光し、分光した光の強度をそれぞれ測定する度に、LED21に加える電流の値を変更してもよい。また、例えば、LED駆動回路100は、第1電流値から第2電流値まで変化する電流をLED21に複数回流してもよい。このような場合、分光装置4は、電流が流される度に異なる特定波長の光を分光し、分光した光の強度の変化をそれぞれ測定する。
Note that if there are a plurality of specific wavelengths used for measurement, the
濃度測定部53は、生成部52により生成された対応情報と、受光素子42により測定された特定波長の光の強度と、順方向電圧測定回路22によって測定された順電圧とに基づいて、サンプルの吸光度を測定し、測定した吸光度から溶質の濃度を推定する。例えば、濃度測定部53は、特定波長ごとに、対応情報において順方向電圧測定回路22により測定された順電圧と対応付けられた光の強度を出射光の強度として特定する。続いて、濃度測定部53は、LED42が受光した各特定波長の光の強度と、特定した出射光の強度とから、サンプルの吸光度を算出する。
The concentration measurement unit 53 determines the sample size based on the correspondence information generated by the
そして、測定装置5は、特定波長における吸光度を算出し、算出した吸光度から溶質の濃度を測定する。このように、測定装置5は、電流を流した際におけるLED21の順電圧とLED21の出射光の強度との間の関係性を示す対応情報を予め生成する。また、測定装置5は、予め測定された対応情報と、LED21の順電圧と、測定対象を介して受光した特定波長の光の強度とから、測定対象の濃度を測定する。
Then, the measuring device 5 calculates the absorbance at a specific wavelength, and measures the concentration of the solute from the calculated absorbance. In this way, the measuring device 5 generates in advance correspondence information indicating the relationship between the forward voltage of the
[第1の実施形態]
[LED駆動回路]
ここで、濃度測定装置1は、LED21の順電圧Vfの値からLED21の発光強度を推定し、推定した発光強度と分光装置4により検出した受光強度から濃度を算出する。そこで、順電圧を安定させるために、LED駆動回路100は、LED21の駆動電流を高精度かつ高安定にしてLED21に供給する。図2は、第1の実施形態に係るLED駆動回路の構成図である。図2では、順方向電圧測定回路22に繋がる経路は省略した。以下に、図2を参照して、第1の実施形態に係るLED駆動回路100の詳細について説明する。LED駆動回路100は、図2に示すように、定電流駆動回路101及び電流補正回路102といった2つの回路ブロックを有する。
[First embodiment]
[LED drive circuit]
Here, the concentration measuring device 1 estimates the emission intensity of the
[定電流駆動回路]
定電流駆動回路101は、入力電圧Vinを印加することにより、LED21へ定電流Ioutを出力する回路である。定電流駆動回路101は、定電流制御用IC(Integrated Circuit)111、スイッチング素子Q1、インダクタL1、還流ダイオードD1、平滑コンデンサC1及び出力電流検出素子R1から構成されている。定電流制御用IC111は、一般的なスイッチング式LEDドライバICを用いることができる。
[Constant current drive circuit]
The constant
定電流制御用IC111は、出力電流検出素子R1で検出された出力電流フィードバック信号を自己が有する基準電圧と比較する。そして、定電流制御用IC111は、比較結果をスイッチング信号としてスイッチング素子Q1へ出力する。定電流制御用IC111は、スイッチング素子Q1へ出力するスイッチング信号により、スイッチング素子Q1のオン及びオフの時間比率を制御する。 The constant current control IC 111 compares the output current feedback signal detected by the output current detection element R1 with its own reference voltage. Then, the constant current control IC 111 outputs the comparison result as a switching signal to the switching element Q1. The constant current control IC 111 controls the on/off time ratio of the switching element Q1 using a switching signal output to the switching element Q1.
また、定電流制御用IC111は、タイミング発生回路51からのPWM信号が入力されることで、LED21をPWM信号に応じて定電流で間欠駆動させることもできる。
Moreover, the constant current control IC 111 can also intermittently drive the
スイッチング素子Q1は、スイッチング信号の入力を受ける。そして、スイッチング素子Q1は、スイッチング信号にしたがってオン又はオフを切り替え、オンの状態で入力電圧VinをインダクタL1へ供給する。 Switching element Q1 receives input of a switching signal. The switching element Q1 is turned on or off according to the switching signal, and supplies the input voltage Vin to the inductor L1 in the on state.
還流ダイオードD1は、スイッチング素子Q1がオフのときに出力電流を還流させるためのダイオードである。 Freewheeling diode D1 is a diode for circulating output current when switching element Q1 is off.
インダクタL1は、スイッチング素子Q1がオンのときにVinが印加されてエネルギーを蓄積する。そして、インダクタL1は、スイッチング素子Q1がオフのときにエネルギーを放出する。 Vin is applied to the inductor L1 when the switching element Q1 is on, and energy is accumulated in the inductor L1. Inductor L1 releases energy when switching element Q1 is off.
平滑コンデンサC1は、出力電流Ioutのリップル成分を平滑化するためのコンデンサである。 The smoothing capacitor C1 is a capacitor for smoothing the ripple component of the output current Iout.
出力電流検出素子R1は、出力電流検出用の抵抗である。出力電流検出素子R1による検出信号は、定電流制御用IC111の内部基準電圧と比較されて、スイッチング素子Q1のオンとオフとの時間比率が制御される。このため、出力電流検出素子R1は、出力電流Ioutの制御目標電流値に応じて適切な定数を有するように設定される。 The output current detection element R1 is a resistor for output current detection. The detection signal from the output current detection element R1 is compared with the internal reference voltage of the constant current control IC 111, and the time ratio between on and off of the switching element Q1 is controlled. Therefore, the output current detection element R1 is set to have an appropriate constant depending on the control target current value of the output current Iout.
ここで、平滑コンデンサC1は、容量を大きくした方が出力電流のリップル成分を減らすことができる。ただし、平滑コンデンサC1の容量を大きくすると、間欠駆動時の電流立ち上がり時間が長くなってしまう。逆に、平滑コンデンサC1の容量が小さすぎると、LED21の許容電流値を超えてLED21を劣化させてしまうおそれがあるとともに、LED21の発光強度ムラが受光側の計測に影響するおそれもある。このため、平滑コンデンサC1はLED21の許容電流値を超えない必要最低限の容量としておき、できるだけ立ち上がり時間が速くなるようにする。これにより、消灯状態から点灯状態への駆動電流の立ち上がり応答の高速化を実現することができる。なお、リップル電流による発光強度ムラの抑制は、後述する電流補正回路102により実現する。
Here, the ripple component of the output current can be reduced by increasing the capacitance of the smoothing capacitor C1. However, if the capacitance of the smoothing capacitor C1 is increased, the current rise time during intermittent driving becomes longer. Conversely, if the capacitance of the smoothing capacitor C1 is too small, there is a risk that the current value exceeds the allowable current value of the
ここで、定電流駆動回路101の出力電流Ioutの精度はあまり正確でなくてもよく、温度による出力電流ドリフトもあまり問題にはならない。これは、後述する電流補正回路102の動作を理由とする。そのため、定電流制御用IC111には、一般的な照明LED用として流通している安価なICを使用することができる。
Here, the accuracy of the output current Iout of the constant
[電流補正回路]
電流補正回路102は、定電流駆動回路101からLED21への出力電流Ioutの一部をバイパス電流Ibypだけバイパスさせて適正なLED電流Iledに補正するための回路である。電流補正回路102は、LED電流検出素子R10、差動増幅回路121、基準電圧Vref、オペアンプ(Operation Amplifier)123、バイパス電流制御用FET(Field Effect Transistor)Q10及び電流制限抵抗R15を有する。差動増幅回路121は、抵抗R11~R14及びオペアンプ122を有する。また、バイパス電流制御用FETQ10及び電流制限抵抗R15は、バイパス回路124を形成する。
[Current correction circuit]
The
LED電流検出素子R10は、LED電流Iledの検出用抵抗であり、目標LED電流値に応じて適切な定数を有するように設定される。 The LED current detection element R10 is a resistance for detecting the LED current Iled, and is set to have an appropriate constant depending on the target LED current value.
差動増幅回路121は、LED電流検出素子R10の両端電圧を増幅する差動増幅回路である。差動増幅回路121は、抵抗R11~R14を全て同じ定数とすれば、増幅率は1倍となる。このとき、LED電流Ioutの一部が、差動増幅回路121に流れ込むが、抵抗R11~R14を十分に大きな定数としておくことにより、差動増幅回路121に流れ込む電流を無視することができる。
The
オペアンプ123、バイパス電流制御用FETQ10及び電流制限抵抗R15は、LED電流検出信号であるオペアンプ122からの出力電圧と基準電圧Vrefとの電圧差に応じてバイパス電流Ibypを制御する回路である。電流制限抵抗R15は、バイパス電流制御用FETQ10がショートした場合の過電流防止用の抵抗である。電流制限抵抗R15は、過電流を考慮しない場合、設けなくてもよい。
The
オペアンプ123は、LED電流Iledが目標電流値に対して小さい場合、バイパス電流制御用FETQ10を流れる電流を絞ることで、バイパス電流Ibypを減らす方向に制御する。逆に、LED電流Iledが目標電流値よりも大きい場合、オペアンプ123は、バイパス電流制御用FETQ10を流れる電流を増やすことで、バイパス電流Ibypを増やす方向に制御する。
When the LED current Iled is smaller than the target current value, the
また、定電流駆動回路の出力電流Ioutと、バイパス電流Ibypと、LED電流Iledとの関係式は次の数式(1)で表すことができる。
Iled=Iout-Ibyp・・・(1)
Further, a relational expression among the output current Iout of the constant current drive circuit, the bypass current Ibyp, and the LED current Iled can be expressed by the following equation (1).
Iled=Iout-Ibyp...(1)
すなわち、LED駆動回路100は、定電流駆動回路Ioutの制御目標電流値を、LED電流Iledの目標電流値よりも少し高い値に設定しておき、この差分を電流補正回路102のバイパス電流Ibypにより消費させる。これにより、定電流駆動回路101の出力電流Ioutにリップル成分が含まれていてもこれを抑制し、より直流化することが可能となる。
That is, the
また、LED電流Iledの電流精度は、電流補正回路102における基準電圧Vrefおよび部品精度によって決まることになる。そのため、定電流駆動回路101の出力電流Ioutの電流精度はあまり正確でなくてもよく、出力電流Ioutの温度ドリフトもあまり問題にはならない。以上のことから、定電流制御用IC111には一般的な照明LED用として流通している安価なICを使用することができる。
Furthermore, the current accuracy of the LED current Iled is determined by the reference voltage Vref in the
なお、オペアンプ122及び123の周波数特性は、定電流駆動回路101のスイッチングICである定電流制御用IC111のスイッチング周波数に対して、十分に良いものであることが望ましい。具体的に例えば、定電流制御用IC111のスイッチング周波数が500kHzのとき、オペアンプ122及び123のユニティゲイン周波数が5MHz以上であることが望ましい。
Note that it is desirable that the frequency characteristics of the
これにより、定電流駆動回路101の出力電流Ioutのリップル成分を十分に抑制し、LED電流Iledをより直流化することが可能となる。また、定電流駆動回路101の電流制御速度よりも、電流補正回路102の電流制御速度の方が十分に速くなるため、互いの制御が干渉するような不具合は発生しなくなる。これにより、駆動電流の高精度化かつ高安定化を実現することができる。
Thereby, the ripple component of the output current Iout of the constant
また、前述したように、定電流駆動回路101の出力電流Ioutの制御目標電流値は、LED電流Iledの目標電流値よりも少し高い値に設定しておくが、この出力電流Ioutの制御目標電流値は、必要最小値としておくことが望ましい。これにより、電流補正回路102のバイパス電流Ibypも必要最小値となり、バイパス電流制御用FETQ10及び電流制限抵抗R15の発熱も最小に抑えることができる。これにより、LED駆動回路の部品発熱の最小化を実現することが可能となる。
Furthermore, as described above, the control target current value of the output current Iout of the constant
[動作波形の説明]
図3は、LED駆動回路の各部の動作波形を示す図である。また、図4は、LED電流立ち上げ時の期間にあたる部分を拡大した波形を示す図である。図4は、図3における期間T1の部分を拡大した波形を表す。ここでは、LED電流Iledの目標電流値を1000mAとして説明する。
[Explanation of operating waveforms]
FIG. 3 is a diagram showing operating waveforms of each part of the LED drive circuit. Further, FIG. 4 is a diagram showing an enlarged waveform of a portion corresponding to a period when the LED current is started up. FIG. 4 shows an enlarged waveform of the period T1 in FIG. Here, description will be made assuming that the target current value of the LED current Iled is 1000 mA.
グラフ201、202、201及び211は、横軸で時間経過を表し、縦軸で電圧値を表す。グラフ201及び211は、定電流制御用IC111によるスイッチング素子Q1のスイッチング波形を表す。Vswonは、スイッチング素子Q1がオンされる電圧値を表す。また、グラフ202及び212は、測定装置5のタイミング発生回路51から入力されるPWM信号の波形を表す。Vpwmonは、PWM信号がオンの場合の電圧値を表す。
In the
グラフ203~205及び213~215はいずれも、横軸で時間経過を表し、縦軸で電流値を表す。また、グラフ203及び213は、定電流駆動回路101の出力電流Ioutの波形を表し、リップル成分を含む。また、グラフ204及び214は、電流補正回路102によるバイパス電流波形である。グラフ204及び214縦軸のスケールは、出力電流Ioutの1/10である110mAとした。また、グラフ205及び215は、出力電流Ioutからバイパス電流Ibypを差し引いた補正後のLED電流Iledの波形を表す。グラフ205及び215の縦軸のスケールはIoutと同じである。
In both
グラフ206及び216は、横軸で時間経過を表し、縦軸で電圧の大きさを表す。また、グラフ206及び216は、LED21の順電圧波形である。
In the
グラフ202及び212に示すPWM信号が入力されると、スイッチング素子Q1は、グラフ201及び211に示すようにスイッチングが繰り返される。これにより、定電流駆動回路101から、グラフ203及び213に示すような出力電流Ioutが出力される。
When the PWM signals shown in
ここで、平滑コンデンサC1は必要最小限の容量としているので、グラフ203及び213に示した出力電流Ioutはリップル電流を含む。また、グラフ213における電流値221は、LED電流Iledの目標電流値である1000mAを表す。すなわち、定電流駆動回路101は、グラフ203及び213に示すように、LED電流Iledの目標電流値である1000mAよりもやや高い制御目標電流値で出力電流Ioutを制御する。例えば、定電流駆動回路101は、出力電流Ioutの制御目標電流をおよそ1050mAとして制御する。補正回路102は、グラフ204及び214に示すように、出力電流Ioutにおいて1000mAを超えた量の電流をバイパス電流Ibypとして流してバイパスさせる。
Here, since the smoothing capacitor C1 has the minimum necessary capacity, the output current Iout shown in the
これにより、グラフ215に示すように、平滑コンデンサC1によるLED電流の立ち上がりの大きな遅れは削減され、また、グラフ215における電流値222は、LED電流Iledの目標電流値である1000mAを表す。すなわち、グラフ205及び215に示すように、LED電流Iledは目標電流の1000mAとなり、リップル成分も除去される。また、グラフ206及び216に示すように、電流立ち上がり後は、LED21の順電圧Vfは安定しており発光ムラの発生を抑制することができる。さらに、バイパス電流IbypはLED電流Iledの約1/10以下のため、バイパス電流制御用FETQ10の発熱は、従来のリニア式のトランジスタよりも大幅に低減が可能である。
As a result, as shown in the
なお、実施例ではバイパス電流Ibypが約10%の例を示したが、25%程度でもリニア式より発熱低減効果は得られる。以上のように、第1の実施形態に係る光源装置2は、高速かつ安定した順電圧Vf及び発光強度を実現することができ、濃度測定装置1としても精度および再現性のよい測定が可能である。
In addition, in the embodiment, an example was shown in which the bypass current Ibyp was about 10%, but even if it is about 25%, a heat generation reduction effect can be obtained compared to the linear type. As described above, the
[順電圧を用いて測定精度を向上させる処理の原理について]
次に、順電圧を用いて測定精度を向上させる処理の原理について説明する。上述したように、測定装置5は、光源装置2が出射した光のうち特定波長の光の強度と、分光装置4が分光した特定波長の光の強度とを用いて、サンプルが有する吸光度を算出し、算出した吸光度からサンプルの濃度を推定する。しかしながら、LED21は、温度に応じて出射する光の光スペクトルが変化する。
[About the principle of processing to improve measurement accuracy using forward voltage]
Next, the principle of processing for improving measurement accuracy using forward voltage will be explained. As described above, the measuring device 5 calculates the absorbance of the sample using the intensity of the light of a specific wavelength out of the light emitted by the
例えば、LED21が出射する光の強度は、LED21の温度が高くなるにつれて低下する。また、LED21が出射する光において、強度が最も高い波長(ピークとなる波長)は、LED21の温度が高くなるにつれてより長波長側に遷移する。このように、LED21の出射する光の強度は、環境温度により発光素子の温度が変化してしまうので、濃度の推定精度が低下するおそれがあった。
For example, the intensity of the light emitted by the
このような温度の変化によりLED21から出射される光の強度の変化を補正するため、LED21に流す電流値を変化させた場合、周囲温度の上昇に伴ってより大きな電流を流さなければならず、発光素子の寿命を短くしてしまう。また、LED21自体やその周辺の温度(以下、「周辺温度」と総称する。)と発光素子から出射される光の強度との相関は、LED21毎に異なるため、LED21毎に相関を予め測定する必要がある。しかしながら、周辺温度を変化させるには、多くの時間がかかり手間がかかる。さらに、測定装置5の設置場所によっては、周辺温度を変化させることが難しい場合もある。
In order to compensate for changes in the intensity of light emitted from the
一方、LED21は、一定の電流を流したときの順電圧(Vf)が周囲温度によって変動する特性を有する。換言すると、LED21は、アノードからカソードへ電流(順電流)を流すと、順電圧だけ電圧が下がる特性を有しており、このような順電圧は、周囲温度によって変化する。また、上述したように、LED21が出射する光の強度と周囲温度との間には、相関が存在する。このため、LED21が出射する光の強度と発光素子の順電圧との間には、相関が存在することとなる。
On the other hand, the
そこで、測定装置5は、濃度測定に先駆けて、濃度測定装置1に設置された光源装置2のLED21に対し、電流値を変化させながら電流を流した際の順電圧を測定する。そして、測定装置5は、所定の電流値の電流が流された際に発光素子が出射した特定波長の光の強度と、所定の電流値の電流が流された際に測定工程により測定された順電圧との関係性を示す対応情報を生成する。
Therefore, prior to concentration measurement, the measuring device 5 measures the forward voltage when a current is applied to the
また、測定装置5は、光源装置2が有するLED21を点灯させ、測定対象を介して受光した光から特定波長の光を分光させるとともに、発光素子が有する順電圧を測定する。そして、測定装置5は、予め生成された対応情報と、測定した順電圧と、特定波長の光の強度とに基づいて、測定対象の濃度を測定する。例えば、測定装置5は、LED21が出射した光の強度として、測定した順電圧と対応する光の強度を対応情報から推定する。そして、測定装置5は、推定した光の強度と、分光した特定波長の光の強度とに基づいて、測定対象の濃度を測定する。例えば、測定装置5は、LED21が出射した特定波長の光の強度を推定し、推定した光の強度と、分光した特定波長の光の強度とに基づいて、測定対象の吸光度を算出する。そして、測定装置5は、算出した吸光度に基づいて、測定対象の濃度を測定する。
Furthermore, the measuring device 5 turns on the
以下、図1に戻り、順電圧と発光素子が出射する光の強度との関係性を用いてサンプルの濃度を推定する測定手法の原理について説明する。例えば、図1に示すように、光源装置2は、LED21、順方向電圧測定回路22及びLED駆動回路100を有する。
Hereinafter, referring back to FIG. 1, the principle of a measurement method for estimating the concentration of a sample using the relationship between the forward voltage and the intensity of light emitted by a light emitting element will be explained. For example, as shown in FIG. 1, the
LED21は、電流が供給されると発光する半導体素子である。例えば、LED21は、測定対象が吸光しやすい波長の光を特定波長として含む光を出射する。なお、以下の説明では、LED21から出射される光を、出射光と称する場合がある。
The
ここで、例えば、LED21を流れる電流が一定である場合、発光素子21の周辺温度と順電圧Vfとの間には、周辺温度が上がるにつれて、順電圧Vfの値が下がるという略線形の相関が存在する。この結果、LED21を流れる電流が一定である場合、LED21の出射光の強度と順電圧Vfとの間には、順電圧Vfの値が上がるにつれて、出射光の強度が上がるという略線形の相関が存在する。
Here, for example, when the current flowing through the
このように、順電圧Vfと出射光の強度との相関を用いて、LED21が出射した特定波長の光の強度を推定する場合、LED21の温度と関連する相関を予め取得せずとも、LED21の出射光の強度を推定することができると考えられる。換言すると、順電圧Vfと出射光の強度との相関を予め取得できるのであれば、LED21の周辺温度を変化させたりせずとも、濃度測定時においてLED21の出射光の強度を推定することが可能となる。
In this way, when estimating the intensity of light of a specific wavelength emitted by the
ここで、LED21に流す電流値を変化させた場合、LED21の順電圧Vfが変化することが知られている。そこで、濃度測定装置1においては、LED21に流す電流値を変化させることで、LED21の順電圧Vfと出射光の強度との間の相関を対応情報として予め取得しておく。そして、濃度測定装置1においては、対応情報を用いて、濃度測定時におけるLED21の順電圧Vfから出射光の強度を推定し、推定した出射光の強度と測定対象を介して受光した光の強度とから、測定対象の濃度を測定する。
Here, it is known that when the value of the current flowing through the
なお、対応情報は、LED21毎に測定が行われたパラメータであってもよく、各光源装置2が共通して用いるものであってもよいが、LED21の特性は、製品ごとにばらつきがあるため、個体ごとに決定されたものであることが望ましい。
Note that the correspondence information may be parameters measured for each
また、このようなLED21の温度特性は、周囲の温度のみならず、LED21自体の自己発熱によっても変化する。また、LED21は、ハロゲンランプよりも長寿命であるものの、点灯時間が長いもしくは大きな電流を流せば流す程劣化し、電力から光への変換効率が低下してしまう結果、同一値の電流を流した際に出射する光が暗くなってしまう。このような問題を回避するため、濃度測定装置1は、微弱な電流を用いて、LED21の順方向電圧の値を測定し、測定した順電圧の値からLED21の温度を測定する。すなわち、濃度測定装置1は、いわゆるダイオード温度計と同様の原理によりLED21(すなわち、ダイオード自体)の温度を測定する。なお、濃度測定装置1は、上述した処理以外にも、ゲイン校正等の処理を行ってもよい。
Moreover, such temperature characteristics of the
LED駆動回路100は、LED21に電圧を印加させて点灯させる。また、LED駆動回路100は、LED21における順電圧とLED21の出射光の強度との間の相関を測定するために用いる電流値の異なる複数の電流をそれぞれ生成する。また、LED駆動回路100は、濃度測定時においてLED21における順電圧の値を測定するための電流を生成する。
The
順方向電圧測定回路22は、LED21の順電圧を測定する回路である。例えば、順方向電圧測定回路22は、対応情報を生成する際において、LED駆動回路100が発生させた電流がLED21を流れる際におけるLED21の順電圧を測定する。すなわち、順方向電圧測定回路22は、電流値が変化させたられた電流が流れた際におけるLED21の順電圧の変化を所定の分解能で測定する。そして、順方向電圧測定回路22は、測定した各順電圧の値を測定装置5に出力する。
The forward voltage measurement circuit 22 is a circuit that measures the forward voltage of the
また、順方向電圧測定回路22は、濃度測定時において、LED駆動回路100が発生させた電流を用いて、発光素子21の順電圧を測定する。例えば、順方向電圧測定回路22は、電流が流れた際における発光素子21の電圧を順電圧として測定し、測定した順電圧の値を測定装置5に出力する。
Further, the forward voltage measurement circuit 22 measures the forward voltage of the
なお、順方向電圧測定回路22が出力する順電圧の値は、出射光の強度の予測に用いられる。このため、順方向電圧測定回路22が出力する順電圧の精度は、測定される濃度の精度に寄与することとなる。このため、順方向電圧測定回路22は、濃度を測定する際の精度を考慮した精度で順電圧を測定する。 Note that the value of the forward voltage output by the forward voltage measurement circuit 22 is used to predict the intensity of the emitted light. Therefore, the accuracy of the forward voltage output by the forward voltage measurement circuit 22 contributes to the accuracy of the measured concentration. Therefore, the forward voltage measurement circuit 22 measures the forward voltage with an accuracy that takes into consideration the accuracy when measuring the concentration.
例えば、濃度の推定精度を±0.1パーセント以下に収めるには、順電圧の測定精度は、±20マイクロボルト以下に抑える必要がある。このような測定精度を保持するには、例えば、2ボルトの順電圧を、有効分解能が100000以上となるように、測定する必要がある。そこで、順方向電圧測定回路22は、例えば、17ビット以上の有効分解能を有するAD(Analog-to-Digital)コンバータを用いて、測定した順電圧の電圧値を出力する。より具体的な例を挙げると、順方向電圧測定回路22は、変換時間が長いΔΣ型のADコンバータを用いることとなる。なお、上述した例は、あくまで一例であり、例えば、1ボルト以下の順電圧の測定を行ってもよい。このように、どれくらいの精度に応じてどれくらいの順電圧を測定するかにより有効分解能が変化することとなり、このような有効分解を実現する回路を用いて、順電圧の測定を行えばよい。 For example, in order to keep the concentration estimation accuracy within ±0.1 percent, the forward voltage measurement accuracy needs to be suppressed to ±20 microvolts or less. To maintain such measurement accuracy, for example, it is necessary to measure a forward voltage of 2 volts with an effective resolution of 100,000 or more. Therefore, the forward voltage measurement circuit 22 outputs the voltage value of the measured forward voltage using, for example, an AD (Analog-to-Digital) converter having an effective resolution of 17 bits or more. To give a more specific example, the forward voltage measurement circuit 22 uses a ΔΣ type AD converter that requires a long conversion time. Note that the above-mentioned example is just an example, and for example, a forward voltage of 1 volt or less may be measured. In this way, the effective resolution changes depending on how much forward voltage is measured depending on the accuracy, and forward voltage can be measured using a circuit that realizes such effective resolution.
一方、測定装置5は、タイミング発生回路51、生成部52、および濃度測定部53を有する。タイミング発生回路51は、LED駆動回路100にPWM信号を出力する。これにより、LED21から光が出射され、順方向電圧測定回路22が、電流が流れた際におけるLED21の順方向電圧Vfの値を測定する。また、出射光がフローセル3を介して分光装置4へと伝わり、分光装置4が特定波長の光を分光する。
On the other hand, the measuring device 5 includes a
生成部52は、LED21の対応情報を生成する。例えば、生成部52は、LED子21にLED駆動回路100から電流値がことなる電流それぞれが流された際における各順電圧の値を順方向電圧測定回路22から取得する。また、生成部52には、LED21に変電流発生回路22から電圧値が異なる電流それぞれが流された際において、受光素子42が受光した特定波長の光の強度を測定する。なお、対応情報を生成する際においては、フローセル3にサンプルが流れていない。
The
そして、生成部52は、電圧値が異なる電流それぞれが流された際におけるLED21の順電圧の値と、受光素子42が受光した特定波長の光の強度との間の関係性を示す対応情報を生成する。例えば、生成部52は、順電圧の値と特定波長の光の強度とを対応付けた対応情報を生成する。
Then, the
なお、測定に用いる特定波長が複数存在する場合、生成部52は、特定波長ごとに、対応情報の生成を行うこととなる。このような場合、例えば、LED駆動回路100は、分光装置4が各特定波長の光を分光し、分光した光の強度をそれぞれ測定する度に、発光素子に加える電流の値を変更してもよい。また、例えば、LED駆動回路100は、第1電流値から第2電流値まで変化する変電流をLED21に複数回流してもよい。このような場合、分光装置4は、変電流が流される度に異なる特定波長の光を分光し、分光した光の強度の変化をそれぞれ測定する。
Note that if there are a plurality of specific wavelengths used for measurement, the
濃度測定部53は、生成部52により生成された対応情報と、受光素子42により測定された特定波長の光の強度と、順方向電圧測定回路22によって測定された順電圧とに基づいて、サンプルの吸光度を測定し、測定した吸光度から溶質の濃度を推定する。例えば、濃度測定部53は、特定波長ごとに、対応情報において順方向電圧測定回路22により測定された順電圧と対応付けられた光の強度を出射光の強度として特定する。続いて、濃度測定部53は、受光素子42が受光した各特定波長の光の強度と、特定した出射光の強度とから、サンプルの吸光度を算出する。
The concentration measurement unit 53 determines the sample size based on the correspondence information generated by the
そして、測定装置5は、特定波長における吸光度を算出し、算出した吸光度から溶質の濃度を測定する。例えば、測定装置5は、各特定波長における吸光度をそれぞれ算出し、算出した吸光度からサンプルに含まれる溶質の濃度を算出する。 Then, the measuring device 5 calculates the absorbance at a specific wavelength, and measures the concentration of the solute from the calculated absorbance. For example, the measuring device 5 calculates the absorbance at each specific wavelength, and calculates the concentration of the solute contained in the sample from the calculated absorbance.
このように、測定装置5は、LED21の順電圧と発光素子21の出射光の強度との間の関係性を示す対応情報を予め生成する。また、測定装置5は、予め測定された対応情報と、LED21の順電圧と、測定対象を介して受光した特定波長の光の強度とから、測定対象の濃度を測定する。このため、測定装置5は、濃度測定装置1の周辺温度を変化させずとも、容易かつ精度よく測定対象の濃度を測定することができる。
In this way, the measuring device 5 generates in advance correspondence information indicating the relationship between the forward voltage of the
[第1の実施形態における効果]
以上に説明したように、本実施形態に係るLED駆動回路100は、定電流駆動回路100から出力される平滑コンデンサC1で平滑化した出力電流Ioutのうち、LED電流Iledの制御目標値を超えた分の電流をバイパス経路にバイパス電流Ibypとして流す。また、平滑コンデンサC1の容量は、必要最小限の容量とすることができる。
[Effects in the first embodiment]
As explained above, in the
これにより、LED電流Iledの立ち上がりの遅延を抑えることが可能となる。また、LED電流Iledを制御目標値とすることができる。また、LED電流Iledのリップル成分も除去することができる。電流立ち上がり後は、LED21に対して安定した順電圧を供給することができ、発光ムラを抑えることができる。さらに、バイパス電流IbypをLED電流に比べて低く抑えることができ、電流制御用のトランジスタであるバイパス電流制御用FETQ10の発熱を大幅に低減することが可能である。したがって、駆動電流の高精度化かつ高安定化、消灯状態から点灯状態への駆動電流の立ち上がり応答の高速化、及び、LED駆動回路の部品発熱の最小化の全てを実現することが可能である。
This makes it possible to suppress the delay in the rise of the LED current Iled. Furthermore, the LED current Iled can be set as the control target value. Furthermore, the ripple component of the LED current Iled can also be removed. After the current rises, a stable forward voltage can be supplied to the
[第2の実施形態]
図5は、第2の実施形態に係るLED駆動回路の構成図である。図5では、順方向電圧測定回路22に繋がる経路は省略した。以下の説明では、第1の実施形態と同様の各部の動作については説明を省略する。
[Second embodiment]
FIG. 5 is a configuration diagram of an LED drive circuit according to the second embodiment. In FIG. 5, a path connected to the forward voltage measurement circuit 22 is omitted. In the following description, descriptions of operations of the same parts as in the first embodiment will be omitted.
[第1の実施形態との違い]
本実施形態に係るLED駆動回路100は、定電流制御用IC111として、ハイサイド電流検出タイプのICを使用する。そして、出力電流検出抵抗R1は、高電圧側、すなわち、定電流駆動回路101の内部に配置される。
[Differences from the first embodiment]
The
定電流制御用IC111は、定電流駆動回路101内に配置された出力電流検出素子R1による検出信号と内部基準電圧とを比較して、スイッチング素子Q1のオンとオフとの時間比率を制御する。このため、出力電流検出素子R1は、出力電流Ioutの制御目標電流値に応じて適切な定数を有するように設定される。
The constant current control IC 111 compares the detection signal from the output current detection element R1 arranged in the constant
出力電流検出抵抗R1を高電圧側に移動したことにより、出力電流の検出のために電流経路を定電流制御用IC111に戻さなくても良くなる。そこで、電流補正回路102内のLED電流検出用抵抗R10の他端は、出力電流検出抵抗R1などを介さずに回路GND(Ground)に直接接続される。
By moving the output current detection resistor R1 to the high voltage side, there is no need to return the current path to the constant current control IC 111 for detecting the output current. Therefore, the other end of the LED current detection resistor R10 in the
これにより、バイパス電流Ibypを制御するオペアンプ123の非反転入力端子が、LED電流検出用抵抗R10に直接接続可能となる。そのため、本実施形態に係るLED駆動回路100の電流補正回路102には、差動増幅回路121を設けなくても良くなる。オペアンプ123は、LED21を経由して流れるLED電流Iledの入力を受け、LED電流Iledと基準電圧Vrefとを比較して、バイパス電流IbypとしてLED電流Iledと出力電圧Ioutとの差分が流れるように、比較結果を用いてバイパス電流制御用FETQ10を制御する。
Thereby, the non-inverting input terminal of the
[第2の実施形態における効果]
以上に説明したように、本実施形態に係るLED駆動回路100は、差動増幅回路121を用いなくてもよいため、これらの部品定数のばらつきや温度ドリフトの影響を除去することができ、より高精度の電流制御が可能となる。
[Effects of the second embodiment]
As explained above, since the
[その他の実施形態]
第1及び第2の実施形態において、半導体発光素子としてLEDを使用した例を示したが、これに限定されず、例えばLD(Laser Diode)であってもよい。また、半導体発光素子の使用数は1個の場合で説明したが、複数個であっても構わない。
[Other embodiments]
In the first and second embodiments, an example was shown in which an LED was used as the semiconductor light emitting element, but the present invention is not limited to this, and for example, an LD (Laser Diode) may be used. Moreover, although the case where one semiconductor light emitting element is used has been described, a plurality of semiconductor light emitting elements may be used.
また、定電流制御回路101の定電流制御用IC111として、降圧型の回路を使用した例を示したが、定電流制御用IC111は、昇圧型の回路や、昇降圧型の回路であってもよい。
Further, although an example is shown in which a step-down type circuit is used as the constant current control IC 111 of the constant
LED21は1つの場合の使用電圧は2V程度なので、定電流制御用IC111には降圧型の回路を用いることが好ましい。これに対して、LED21が複数ある場合は、定電流制御用IC111に昇圧型の回路を用いても良いし、バッテリが減ることを考慮して昇降圧型の回路を用いてもよい。
Since the operating voltage for one
また、以上の実施形態では還流ダイオードD1を使用したダイオード整流方式の回路例を示したが、この部分をFETなどのスイッチング素子に置き換えて同期整流方式としても良い。これにより、出力電流Ioutの出力効率がさらに向上し、より低発熱の定電流駆動回路にすることができる。 Further, in the above embodiment, an example of a diode rectification type circuit using the freewheeling diode D1 has been shown, but this portion may be replaced with a switching element such as an FET to adopt a synchronous rectification type. This further improves the output efficiency of the output current Iout, making it possible to provide a constant current drive circuit with lower heat generation.
[サンプルについて]
また、濃度測定装置1は、各種溶質が溶解した水溶液のみならず、例えば、各種溶質が溶解した有機溶剤等の溶液をサンプルとしてもよい。また、このような場合、濃度測定装置1は、溶媒の吸光度と溶質の吸光度との割合から算出される吸光度を採用してもよい。また、濃度測定装置1は、溶液のみならず、混合気体等、各種の気体をサンプルとし、サンプルに含まれる気体のうち任意の気体の濃度を測定してもよい。また、濃度測定装置1は、溶質ではなく、溶媒となる物質の濃度を測定してもよい。
[About the sample]
Further, the concentration measuring device 1 may use not only an aqueous solution in which various solutes are dissolved, but also a solution such as an organic solvent in which various solutes are dissolved, as a sample. Further, in such a case, the concentration measuring device 1 may employ the absorbance calculated from the ratio of the absorbance of the solvent and the absorbance of the solute. Further, the concentration measuring device 1 may use not only a solution but also various gases such as a mixed gas as a sample and measure the concentration of any gas contained in the sample. Further, the concentration measuring device 1 may measure the concentration of a substance that is a solvent instead of a solute.
[測定について]
なお、上述した例では、濃度測定装置1は、各種の溶液に溶解した溶質の濃度や気体の濃度を推定した。しかしながら、実施形態は、これに限定されるものではない。例えば、濃度測定装置1は、上述した構成により、所定の溶質や気体がサンプルに含まれているか否かを判定してもよい。例えば、濃度測定装置1は、ある波長における吸光度が所定の閾値を超える場合は、その波長と対応する溶質や気体がサンプルに含まれていると判定してもよい。すなわち、濃度測定装置1が実行する測定処理とは、溶質や気体等といった任意の検出対象を検出する処理を含む概念である。
[About measurement]
In the example described above, the concentration measuring device 1 estimated the concentration of solutes and gas concentrations dissolved in various solutions. However, embodiments are not limited thereto. For example, the concentration measuring device 1 may determine whether a predetermined solute or gas is contained in the sample using the above-described configuration. For example, if the absorbance at a certain wavelength exceeds a predetermined threshold, the concentration measuring device 1 may determine that the sample contains a solute or gas corresponding to that wavelength. That is, the measurement process executed by the concentration measuring device 1 is a concept that includes a process of detecting an arbitrary detection target such as a solute or a gas.
[装置構成について]
なお、濃度測定装置1の装置構成は、上述した説明に限定されるものではない。例えば、光源装置2と分光装置4と測定装置5とは、一体型の測定装置を構成してもよい。
[About device configuration]
Note that the device configuration of the concentration measuring device 1 is not limited to the above description. For example, the
以上、実施形態の一例を説明したが、これらは例示であり、本実施形態は上記した説明に限定されるものではない。発明の開示の欄に記載の態様を始めとして、実施形態の構成や詳細は、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した他の形態で実施することができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。 Although an example of the embodiment has been described above, these are merely examples, and the present embodiment is not limited to the above description. In addition to the aspects described in the disclosure section, the configuration and details of the embodiments can be implemented in other forms with various modifications and improvements based on the knowledge of those skilled in the art. Moreover, each embodiment can be implemented in any combination within the range not contradictory.
1 濃度測定装置
2 光源装置
3 フローセル
4 分光装置
5 測定装置
21 LED
22 順方向電圧測定回路
41 ファブリペロー分光用チューナブルフィルタ
42 受光素子
51 タイミング発生回路
52 生成部
53 濃度測定部
100 LED駆動回路
101 定電流駆動回路
102 電流補正回路
111 定電流制御用IC
121 差動増幅回路
122、123 オペアンプ
124 バイパス回路
Q1 スイッチング素子
Q10 バイパス電流制御用FET
R1 出力電流検出素子
R10 LED電流検出用抵抗
R11~R14 抵抗
R15 電流制限抵抗
C1 平滑コンデンサ
L1 インダクタ
1
22 Forward voltage measurement circuit 41 Tunable filter for Fabry-Perot spectroscopy 42
121
R1 Output current detection element R10 LED current detection resistor R11 to R14 Resistor R15 Current limiting resistor C1 Smoothing capacitor L1 Inductor
Claims (10)
前記半導体発光素子へ向けて定電流を供給する定電流駆動回路と、
前記定電流駆動回路から供給される定電流の一部をバイパス電流としてバイパス回路に送り、残りの電流を半導体発光素子電流として前記半導体発光素子に供給し、前記半導体発光素子電流が所定の目標電流値に対して小さい場合、前記バイパス電流を減らし、前記半導体発光素子電流が前記所定の目標電流値に対して大きい場合、前記バイパス電流を増やすように補正する電流補正回路と
を備えたことを特徴とする光源装置。 A semiconductor light emitting device,
a constant current drive circuit that supplies a constant current toward the semiconductor light emitting device;
A part of the constant current supplied from the constant current drive circuit is sent to the bypass circuit as a bypass current, the remaining current is supplied to the semiconductor light emitting device as a semiconductor light emitting device current, and the semiconductor light emitting device current is set to a predetermined target current. and a current correction circuit that corrects to reduce the bypass current when the semiconductor light emitting element current is smaller than the predetermined target current value, and to increase the bypass current when the semiconductor light emitting element current is larger than the predetermined target current value. Light source device.
前記電流補正回路は、前記順電圧の電圧値と前記基準電圧の電圧値との差を基に、前記バイパス電流の大きさを制御することを特徴とする請求項6に記載の光源装置。 The constant current drive circuit includes a high-side current detection circuit that detects the current value of the constant current between an input terminal of an input voltage and the semiconductor light emitting element, and the current value of the constant current detected by the high-side current detection circuit. controlling the constant current based on the current value,
7. The light source device according to claim 6, wherein the current correction circuit controls the magnitude of the bypass current based on a difference between a voltage value of the forward voltage and a voltage value of the reference voltage.
前記半導体発光素子へ向けて定電流を供給する定電流駆動回路と、
前記定電流駆動回路から供給される定電流の一部をバイパス電流としてバイパス回路に送り、残りの電流を半導体発光素子電流として前記半導体発光素子に供給し、前記半導体発光素子電流が所定の目標電流値に対して小さい場合、前記バイパス電流を減らし、前記半導体発光素子電流が前記所定の目標電流値に対して大きい場合、前記バイパス電流を増やすように補正する電流補正回路とを備えた光源部と、
前記測定対象を介して受光した光を分光する分光部と、
前記半導体発光素子が有する順方向電圧を測定する測定部と、
予め取得された前記半導体発光素子の順方向電圧と前記半導体発光素子が出射する前記特定波長の光の発光強度との関係性を示す対応情報と、前記測定部により測定された順方向電圧と、前記分光部により分光された前記特定波長の光の強度とに基づいて、前記測定対象の濃度を測定する濃度測定部と
を有することを特徴とする濃度測定装置。 a semiconductor light emitting element capable of emitting a specific wavelength corresponding to the concentration measurement target;
a constant current drive circuit that supplies a constant current toward the semiconductor light emitting device;
A part of the constant current supplied from the constant current drive circuit is sent to the bypass circuit as a bypass current, the remaining current is supplied to the semiconductor light emitting device as a semiconductor light emitting device current, and the semiconductor light emitting device current is set to a predetermined target current. a current correction circuit that corrects to reduce the bypass current when the semiconductor light emitting element current is smaller than the predetermined target current value, and to increase the bypass current when the semiconductor light emitting element current is larger than the predetermined target current value; ,
a spectroscopy section that spectrally spectra the light received through the measurement target;
a measurement unit that measures the forward voltage of the semiconductor light emitting device;
Correspondence information indicating a relationship between the forward voltage of the semiconductor light emitting element obtained in advance and the emission intensity of the light of the specific wavelength emitted by the semiconductor light emitting element, and the forward voltage measured by the measuring unit; and a concentration measuring section that measures the concentration of the object to be measured based on the intensity of the light of the specific wavelength that has been spectrally separated by the spectroscopic section.
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