JP4669740B2 - 焦電型赤外線ガス検知器 - Google Patents

Description

本発明は、焦電型赤外線ガス検知器に関し、詳しくは、焦電型赤外線センサから出力されるセンサ出力信号に対して所定の信号処理を行う信号処理回路を有する焦電型赤外線ガス検知器に関する。

例えば、焦電型赤外線ガス検知器のある種のものは、例えば筒状のチャンバーの一端側の開口に一定の周期で点滅する赤外線光源が配置されると共に、チャンバーの他端側の開口に焦電型赤外線センサが赤外線光源と対向配置されてなるガス検知部を具えており、例えば図６に示すような信号処理回路５５によって、焦電型赤外線センサ５０から出力されるセンサ出力信号に対して所定の信号処理が行われて出力される。

センサ出力信号に対する信号処理について具体的に説明すると、先ず、赤外線光源５３から放射される赤外線が周期的（断続的）に焦電素子５１に供給されることにより持続的な電流信号が得られ、この電流信号は、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）５２によるインピーダンス変換によって電圧信号として出力される。
この焦電型赤外線センサ５０から出力される電圧信号（センサ出力信号）は、電界効果型トランジスタ５２に起因する直流成分にこの直流成分に比して微弱な焦電素子５１からの交流成分が重畳されたものであり、この状態のまま出力するのであれば、ガス応答に係る信号成分（交流成分）を十分に高い信頼性をもって検出することができないことから、コンデンサＣと抵抗Ｒ３とが直列接続されてなるフィルタ回路５６によって、センサ出力信号における直流成分を除去し、その後、増幅器５７によって、設定されたゲインで増幅されて出力される。

而して、このような構成の信号処理回路におけるフィルタ回路５６においては、ガス応答信号の信号幅が十分に信頼性の高い濃度検知を行うため（Ｓ／Ｎ比を高くするため）に必要な大きさのものとなるよう、抵抗Ｒ３として比較的に抵抗値が高いものが用いられている。
しかしながら、このようなフィルタ回路５６においては、抵抗Ｒ３が抵抗値が高いものであるため、コンデンサＣの充・放電に長時間を要し、出力が安定化するまでに長時間を要する、すなわち起動時間が遅い、という問題がある。

このような問題に対して、焦電型赤外線センサの起動時における立ち上がり特性を改善するために、例えばＯＰアンプを使用した電流電圧変換回路を有する信号処理回路を具えたもの（例えば特許文献１参照。）など、種々の構成の焦電型赤外線検知装置が提案されている。
特開平１０−２６７７５９号公報

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、焦電型赤外線センサからのセンサ出力信号に対して所定の信号処理を行うための新規な構成の信号処理回路を有し、焦電型赤外線センサの起動時間を大幅に短縮することのできる焦電型赤外線ガス検知器を提供することを目的とする。

本発明の焦電型赤外線ガス検知器は、焦電型赤外線センサから出力されるセンサ出力信号に対して所定の信号処理を行う信号処理回路を備えた焦電型赤外線ガス検知器において、
前記信号処理回路は、前記センサ出力信号における直流成分を除去するフィルタ回路と、このフィルタ回路によって直流成分が除去されたセンサ出力信号の信号レベルを所定の基準電位となるよう昇圧するブースト回路とを有し、
前記フィルタ回路は、コンデンサＣと、このコンデンサＣの出力側に直列に接続された、抵抗値の高い高抵抗Ｒ３およびこの高抵抗Ｒ３に比して抵抗値が十分に低い低抵抗Ｒ４とにより構成されており、
当該ブースト回路は、フィルタ回路における高抵抗Ｒ３および低抵抗Ｒ４を介して直流バイアスをガス応答信号に印加する基準電圧電源と、フィルタ回路における高抵抗Ｒ３に対して並列に接続された、前記フィルタ回路を互いに時定数が異なる２つの状態間で相互に切り換えるスイッチ素子を有し、焦電型赤外線センサの起動時においては、スイッチ素子が動作状態とされてフィルタ回路がコンデンサＣと低抵抗Ｒ４とによる時定数の小さい状態に設定され、当該焦電型赤外線センサが起動されてから所定時間が経過した後に、スイッチ素子が非動作状態とされてフィルタ回路がコンデンサＣと高抵抗Ｒ３および低抵抗Ｒ４とによる時定数の大きい状態に切り換えられ、
スイッチ素子が動作状態とされた状態におけるフィルタ回路の時定数が、スイッチ素子が非動作状態とされた状態におけるフィルタ回路の時定数の２０％以下となる状態に設定されていることを特徴とする。

本発明の焦電型赤外線ガス検知器においては、ブースト回路におけるスイッチ素子が動作状態とされる時間が０．１〜１０秒間である構成とされていることが好ましい。

本発明の焦電型赤外線ガス検知器によれば、焦電型赤外線センサの起動直後におけるセンサ出力信号に対する信号処理を行うに際して、ブースト回路におけるスイッチ素子のＯＮ−ＯＦＦ制御を行うことにより、フィルタ回路の時定数が適正な状態に設定されるので、焦電型赤外線センサの起動直後においては、センサ出力信号は、その信号レベルが強制的に基準電位まで急速に上昇され、その後、十分な信号幅を有する状態とされるので、センサ出力が安定するまでに要する時間、すなわち焦電型赤外線センサの起動時間を大幅に短縮することができる。

図１は、本発明の焦電型赤外線ガス検知器の一例における構成の概略を示す説明図、図２は、図１に示す焦電型赤外線ガス検知器の信号処理回路の一例を示すブロック図である。
この焦電型赤外線ガス検知器は、導入される被検ガスに含まれる検知対象ガスの濃度に応じたガス検知信号を出力するガス検知部１０と、焦電型赤外線ガス検知器における各構成部に適宜の動作指令信号を発すると共にガス検知部１０から出力されるセンサ出力信号に対して所定の信号処理を行う信号処理回路３０を含む制御部２０とを備えている。

ガス検知部１０は、被検ガスが導入される例えば筒状のガスセル１１と、このガスセル１１の一端側（図１において左端側）に設けられた赤外線光源１２と、ガスセル１１の他端側（図１において右端側）に赤外線光源１２と対向するよう設けられた例えば焦電型赤外線センサ（以下、単に「赤外線センサ」という。）１５とを有してなる。
ガスセル１１には、複数のガス流入出口１１Ａが互いに赤外線光源１２の光軸方向（図１において左右方向）に離間して並ぶよう形成されている。

赤外線光源１２は、制御部２０における光源駆動回路２１によって、輝度が一定の周期で正弦波状に変化するように変調する状態で点滅駆動される。

赤外線センサ１５は、焦電素子１６から出力される電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換回路１７を有し、この電流電圧変換回路１７は、焦電素子１６がゲートに接続された電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）１８と、焦電素子１６に並列に接続された内部抵抗Ｒ１と、電界効果型トランジスタ１８のソースとグラウンドとの間に介設された受信抵抗Ｒ２とにより構成されている。ここに、受信抵抗Ｒ２は、赤外線センサ１５の外部に接続された構成（外付け）とされていてもよい。

制御部２０は、赤外線センサ１５からのセンサ出力信号に対して後述する信号処理を行う信号処理回路３０と、この信号処理回路３０を介して入力されるガス検知信号をデジタル信号（Ａ／Ｄ値）に変換するＡ／Ｄ変換手段２２と、このＡ／Ｄ変換手段２２によって得られたデジタル信号に対して特定の信号処理を施して、例えば表示用の指示出力値を算出するマイコン２３とを有する。２４は、マイコン２３からのアナログ信号を光源駆動回路２１に対する動作指令信号としてのデジタル信号に変換するＤ／Ａ変換手段である。

信号処理回路３０は、赤外線センサ１５から出力されるセンサ出力信号における直流成分を除去するフィルタ回路３１と、直流成分が除去されたセンサ出力信号（以下、「ガス応答信号」という。）の信号レベルを所定の基準電位例えば２．５Ｖまで昇圧するブースト回路３５と、ガス応答信号を設定されたゲイン（増幅率）で増幅して出力する増幅器４０とを有する。

フィルタ回路３１は、ハイパスフィルタ回路として機能するものであって、所定の静電容量を有するコンデンサＣと、このコンデンサＣの出力側に直列に接続された、比較的に抵抗値が高い抵抗（以下、「高抵抗」という。）Ｒ３およびこの高抵抗Ｒ３に比して抵抗値が十分に低い抵抗Ｒ４とを有する。

ブースト回路３５は、フィルタ回路３１における高抵抗Ｒ３および抵抗Ｒ４を介して直流バイアスをガス応答信号に印加する基準電圧電源３２と、フィルタ回路３１における高抵抗Ｒ３に対して並列に接続された、例えば電界効果型トランジスタ３６よりなるスイッチ素子と、この電界効果型トランジスタ３６のゲートＧに接続されたマイコン３７と、電界効果型トランジスタ３６のゲートＧとグラウンドとの間に介設されたプルダウン抵抗Ｒ５とを具えている。

電界効果型トランジスタ３６は、フィルタ回路３１をその時定数が互いに異なる状態間で切り換える機能を有する。
具体的には、電界効果型トランジスタ３６が非動作状態（ブースト回路ＯＦＦ状態）にあるときには、フィルタ回路３１は、コンデンサＣと高抵抗Ｒ３および抵抗Ｒ４とにより構成されてなる、時定数τ１が大きい状態とされ、一方、電界効果型トランジスタ３６が動作状態（ブースト回路ＯＮ状態）にあるときには、高抵抗Ｒ３が短絡されることにより、フィルタ回路３１がコンデンサＣと抵抗Ｒ４とによって構成されてなる、時定数τ２が小さい状態とされる。

電界効果型トランジスタ３６が動作状態とされた状態におけるフィルタ回路３１の時定数τ２は、電界効果型トランジスタ３６が非動作状態とされた状態におけるフィルタ回路３１の時定数τ１の２０％以下となる状態に設定されていることが好ましい。これにより、ガス応答信号の信号レベルを急速に所定の基準電位まで上昇させることができ、十分に高い応答性を得ること、換言すれば高速化を図ることができる。

上記構成の焦電型赤外線ガス検知器において、信号処理回路３０、特にフィルタ回路３１を設計するに際しては、基本的には、例えばコンデンサＣおよび高抵抗Ｒ３は、ブースト回路ＯＦＦ状態において十分な大きさの信号幅を有するガス応答信号が得られるよう選定されれば、特に制限されるものではなく、また、抵抗Ｒ４は、コンデンサＣの静電容量の大きさとの関係において、ブースト回路ＯＮ状態におけるフィルタ回路３１の時定数τ２が所定の大きさとなるよう選定されれば、特に制限されるものではない。
フィルタ回路３１の具体的な一構成例を示すと、コンデンサＣとして静電容量が２２μＦであるもの、高抵抗Ｒ３として抵抗値が２００ｋΩであるもの、抵抗Ｒ４として抵抗値が１ｋΩであるものを用いることができ、このような構成のフィルタ回路３１においては、電界効果型トランジスタ３６が非動作状態とされた状態における時定数τ１が４．４秒、電界効果型トランジスタ３６が動作状態とされた状態における時定数τ２が０．０２秒である。

上記構成の焦電型赤外線ガス検知器は、次のように動作する。赤外線光源１２を所定の周期、例えば０．５ｓｅｃで点滅駆動させると、この赤外線光源１２より放射される赤外線が周期的（断続的）に焦電素子１６に供給されることにより持続的な電流信号が得られる。
この焦電素子１６から出力される電流信号は、内部抵抗Ｒ１により電圧信号に変換されて、電界効果型トランジスタ１８のゲートに印加されることにより、電界効果型トランジスタ１８のソースからドレインに向けてドレイン電流が流れ、これにより、ソース電圧が受信抵抗Ｒ２に発生し、このソース電圧がセンサ出力信号として出力される。ここに、赤外線センサ１５から出力されるセンサ出力信号は、上述したように、ガスセル１１に導入されている被検ガス中の検知対象ガスの濃度に応じた波高値を有する、直流成分に交流成分が重畳されたものである。
そして、このセンサ出力信号は、フィルタ回路３１によって直流成分が除去されると共に、その信号レベルが基準電圧電源３２から所定の大きさの電圧が印加されることにより基準電位までブースト（昇圧）された後、増幅器４０によって、設定された増幅率（ゲイン）で増幅されて出力される。
その後、Ａ／Ｄ変換手段２２によってデジタル信号（Ａ／Ｄ値）に変換され、これにより得られたデジタル信号に対して特定の信号処理を施して、例えば表示用の指示出力値が算出される。

而して、上記焦電型赤外線ガス検知器においては、ブースト回路３５が電界効果型トランジスタ３６よりなるスイッチ素子を具えており、電界効果型トランジスタ３６がＯＮ−ＯＦＦ制御されて赤外線センサ１５の起動直後におけるフィルタ回路３１の時定数が適正な状態に制御される。
具体的に説明すると、赤外線センサ１５の起動直後においては、マイコン３７からのブースト信号（ゲート電圧）が電界効果型トランジスタ３６のゲートＧに印加されることにより、電界効果型トランジスタ３６のソースＳからドレインＤに向かって電流が流れる状態、すなわち電界効果型トランジスタ３６がＯＮ状態（導通状態）とされ、高抵抗Ｒ３が短絡される。

この状態においては、図３に示すように、抵抗Ｒ４の抵抗値が小さいことから、コンデンサＣの充・放電が速やかに行われてガス応答信号の信号レベルが基準電位まで急速に昇圧されることになる。しかしながら、このままの状態が維持されるのであれば、図４に示すように、赤外線センサの起動時間は大幅に短縮されるものの、十分に信頼性の高い濃度検出を行うために必要な信号幅を有するガス応答信号を得ることはできない。
そこで、上記構成の赤外線ガス検知器においては、赤外線センサ１５が起動されてから所定時間例えば３秒間経過した後に、ブースト回路３５における電界効果型トランジスタ３６に対するゲート電圧の印加が停止されて、フィルタ回路３１がその時定数が大きい状態となるよう切り換えられる。この状態においては、高抵抗Ｒ３および抵抗Ｒ４との合成抵抗とが十分に大きいことから、ガス応答信号は十分な信号幅を有するものとなる。
ブースト回路３５の動作時間（ブースト時間）は、例えば０．１〜１０秒間であることが好ましく、これにより、所要の出力の立ち上がり特性を確実に得ることができる。

以上のように、焦電型赤外線ガス検知器における信号処理回路３０においては、ガス応答信号を十分な信号幅を有するものとするためには、フィルタ回路３１を構成する抵抗として抵抗値が比較的に大きなものを用いることが望ましく、また、赤外線センサ１５の起動時間を考慮すると、センサ起動時間を短縮するためには、フィルタ回路３１を構成する抵抗として抵抗値が比較的小さいものを用いることが望ましい。

然るに、上記構成の焦電型赤外線ガス検知器によれば、赤外線センサ１５の起動時においては、電界効果型トランジスタ３６が動作状態とされてフィルタ回路３１がその時定数が小さい状態に設定されると共に、赤外線センサ１５が起動されてから所定時間が経過した後に、電界効果型トランジスタ３６が非動作状態とされてフィルタ回路３１がその時定数が大きい状態に切り換えられることにより、赤外線センサ１５を起動させるに際してフィルタ回路３１の時定数が適正な状態に設定されるので、赤外線センサ１５の起動直後においては、ガス応答信号の信号レベルを急速に基準電位まで上昇させることができ、信号レベルが基準電位まで上昇された後においては、十分な信号幅を有する状態とすることができ、従って、赤外線センサ１５の起動時間を大幅に短縮することができる。
具体的には、例えばブースト回路を有さない信号処理回路（時定数が４．４秒）であれば、図５に示すように、赤外線センサの起動時間に例えば４０秒以上必要であったが、本発明に係る信号処理回路によれば、例えばブースト時間を例えば３秒に設定した場合には、赤外線センサ１５の起動後５秒以内でセンサ出力を安定させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、ブースト回路を構成するスイッチ素子は、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）に限定されるものではなく、例えばバイポーラトランジスタ、アナログスイッチ、メカニカルリレーなどを用いることができる。

本発明の焦電型赤外線ガス検知器の一例における構成の概略を示す説明図である。 図１に示す焦電型赤外線ガス検知器における信号処理回路の一例を示すブロック図である。 図１に示す焦電型赤外線ガス検知器において得られるガス応答信号の出力波形を示すグラフである。 フィルタ回路の時定数が０．０２ｓｅｃとされた状態におけるガス応答信号の出力波形を示すグラフである。 フィルタ回路の時定数が４．４ｓｅｃとされた状態におけるガス応答信号の出力波形を示すグラフである。 従来の焦電型赤外線ガス検知器における信号処理回路の一例を示すブロック図である。

符号の説明

１０ ガス検知部
１１ ガスセル
１１Ａ ガス流入出口
１２ 赤外線光源
１５ 焦電型赤外線センサ
１６ 焦電素子
１７ 電流電圧変換回路
１８ 電界効果型トランジスタ
２０ 制御部
２１ 光源駆動回路
２２ Ａ／Ｄ変換手段
２３ マイコン
２４ Ｄ／Ａ変換手段
３０ 信号処理回路
３１ フィルタ回路
３２ 基準電圧電源
３５ ブースト回路
３６ 電界効果型トランジスタ
３７ マイコン
４０ 増幅器
Ｇ ゲート
Ｓ ソース
Ｄ ドレイン
Ｃ コンデンサ
Ｒ１ 内部抵抗
Ｒ２ 受信抵抗
Ｒ３、Ｒ４ 抵抗
Ｒ５ プルダウン抵抗
５０ 焦電型赤外線センサ
５１ 焦電素子
５２ 電界効果型トランジスタ
５３ 赤外線光源
５５ 信号処理回路
５６ フィルタ回路
５７ 増幅器

Claims (2)

1. 焦電型赤外線センサから出力されるセンサ出力信号に対して所定の信号処理を行う信号処理回路を備えた焦電型赤外線ガス検知器において、
   前記信号処理回路は、前記センサ出力信号における直流成分を除去するフィルタ回路と、このフィルタ回路によって直流成分が除去されたセンサ出力信号の信号レベルを所定の基準電位となるよう昇圧するブースト回路とを有し、
   前記フィルタ回路は、コンデンサＣと、このコンデンサＣの出力側に直列に接続された、抵抗値の高い高抵抗Ｒ３およびこの高抵抗Ｒ３に比して抵抗値が十分に低い低抵抗Ｒ４とにより構成されており、
   当該ブースト回路は、フィルタ回路における高抵抗Ｒ３および低抵抗Ｒ４を介して直流バイアスをガス応答信号に印加する基準電圧電源と、フィルタ回路における高抵抗Ｒ３に対して並列に接続された、前記フィルタ回路を互いに時定数が異なる２つの状態間で相互に切り換えるスイッチ素子を有し、焦電型赤外線センサの起動時においては、スイッチ素子が動作状態とされてフィルタ回路がコンデンサＣと低抵抗Ｒ４とによる時定数の小さい状態に設定され、当該焦電型赤外線センサが起動されてから所定時間が経過した後に、スイッチ素子が非動作状態とされてフィルタ回路がコンデンサＣと高抵抗Ｒ３および低抵抗Ｒ４とによる時定数の大きい状態に切り換えられ、
   スイッチ素子が動作状態とされた状態におけるフィルタ回路の時定数が、スイッチ素子が非動作状態とされた状態におけるフィルタ回路の時定数の２０％以下となる状態に設定されていることを特徴とする焦電型赤外線ガス検知器。
2. ブースト回路におけるスイッチ素子が動作状態とされる時間が０．１〜１０秒間であることを特徴とする請求項１に記載の焦電型赤外線ガス検知器。