JP5730697B2

JP5730697B2 - イオンセンシング装置およびイオン発生器

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Inventors: 飯塚　邦彦; 邦彦飯塚; 丸山　正彦; 正彦丸山
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Description

本発明は、イオン濃度を測定するためのイオンセンシング装置、およびこのイオンセンシング装置を備えたイオン発生器に関する。

図８は、従来技術に係るイオンセンシング回路の構成の一例を示す回路図である。

図８に示すイオンセンシング回路８０は、電極８１、ＥＳＤ（Electro-Static Discharge：静電放電）保護用ダイオード８２および８３、ならびに積分回路８４を備えている。積分回路８４は、オペアンプ８５、電圧源８６、コンデンサ８７、およびスイッチ８８を備えている。

電極８１は、空気中のイオンを捕集する。電極８１は、捕集したイオンの濃度に応じたイオン電流を出力する。

上記イオン電流は、積分回路８４に流れる。積分回路８４は、該イオン電流を、電圧へと変換すると共に積分して出力する。積分回路８４の出力電圧を測定することで、イオン濃度を測定することが可能である。

なお、ＥＳＤ保護用ダイオード８２および８３は、イオンセンシング回路８０におけるＥＳＤ対策のために設けられている。

ところで、上記イオン電流は、微小な電流である。一方、上記イオンセンシング回路を集積化したＩＣ（Integrated Circuit：集積回路）パッケージ内では、リーク電流が発生し得るが、該リーク電流は、該イオン電流にとって無視できない程度に大きな値となる。そして、該イオン電流に該リーク電流が合成されると、これらの電流を区別することが困難となる。結果、上記イオンセンシング回路では、該イオン電流によってイオン濃度を正確に測定することが困難となる虞がある。

一般的なＩＣパッケージの場合、プリント基板で発生するリーク電流の影響は、低減することができる。一方、この場合、該集積回路に設けられた回路で発生するリーク電流の影響への対策が主に必要となる。集積回路に設けられた回路とは例えば、ＥＳＤ保護用ダイオード、およびトランジスタのジャンクションダイオードである。

図９は、従来技術に係るイオンセンシング回路の構成の、別の例を示す回路図である。具体的に、図９は、上記の対策のために、イオン電流を発生しないレプリカ回路をさらに設けた、イオンセンシング回路の構成の一例を示す回路図である。

図９に示すイオンセンシング回路９０は、イオン電流積分回路９１、レプリカ回路９２、および引算器９３を備えている。

イオン電流積分回路９１は、捕集極板９１１、および積分回路９１２を備えている。積分回路９１２は、オペアンプ９１３、コンデンサ９１４、およびスイッチ９１５を備えている。イオン電流積分回路９１の概略構成および動作メカニズムは、イオンセンシング回路８０（図８参照）の概略構成および動作メカニズムと同じである。

捕集極板９１１は、空気中のイオンを捕集する。捕集極板９１１は、捕集したイオンの濃度に応じたイオン電流を出力する。

レプリカ回路９２は、端部９２１、および積分回路９２２を備えている。積分回路９２２は、オペアンプ９２３、コンデンサ９２４、およびスイッチ９２５を備えている。レプリカ回路９２の概略構成および動作メカニズムは、イオンセンシング回路８０（図８参照）およびイオン電流積分回路９１の概略構成および動作メカニズムと同じである。

但し、レプリカ回路９２は、端部９２１においてイオンが捕集されないため、端部９２１からイオン電流が出力されない。

引算器９３は、オペアンプ９３１、および抵抗９３２〜９３５を備えている。引算器９３は、イオン電流積分回路９１の積分回路９１２の出力電圧ＶＯＭと、レプリカ回路９２の積分回路９２２の出力電圧ＶＯＰとの差を増幅し、出力電圧ＶＯＵＴとして出力する。

図１０は、図９に示すイオンセンシング回路９０における、出力電圧ＶＯＭおよび出力電圧ＶＯＰの、経過時間（横軸）に対するレベル（縦軸）変化を示すグラフである。

図１０によれば、イオン電流およびリーク電流の合成電流から得られる出力電圧ＶＯＭと、リーク電流から得られる出力電圧ＶＯＰとの差をとることで、リーク電流から得られる電圧の成分をキャンセルすることができる。これにより、イオン電流に対するリーク電流の影響を低減し、イオン電流によるイオン濃度の測定の正確性を向上させることが可能となる。

レプリカ回路を設けたイオンセンシング回路としては、リーク電流については触れられていないが、例えば特許文献１に開示されているイオン濃度測定回路が挙げられる。

特開２０１０−７８３９２号公報（２０１０年４月８日公開）

図９に示すイオンセンシング回路９０、および特許文献１に開示されているイオン濃度測定回路では、イオン濃度の測定が不正確になる虞があるという問題が発生する。この問題が発生する要因としては、以下の２つが考えられる。

まず、１つ目の要因について説明する。

積分回路９１２による積分の結果、積分回路９１２に上記リーク電流が流れる時間が長くなるほどに、出力電圧ＶＯＭのレベルが大きくなる。

積分回路９１２に上記リーク電流が流れ続けると、やがて出力電圧ＶＯＭは、積分回路９１２が出力可能な最大の電圧レベルに達するまで大きくなる。その後の時間において、積分回路９１２に上記リーク電流が流れても、出力電圧ＶＯＭのレベルは大きくならない。この結果、出力電圧ＶＯＭは、上記イオン電流およびリーク電流の合成電流に正確に対応しないものとなる。

従って、出力電圧ＶＯＭと出力電圧ＶＯＰとの差が、正確なイオン濃度を示さず、イオン濃度の測定が不正確になる。

続いて、２つ目の要因について説明する。

出力電圧ＶＯＭが上記最大の電圧レベルを超える程度に、積分回路９１２に流れる上記リーク電流の値が大きくなっても、出力電圧ＶＯＭのレベルは、該最大の電圧レベルよりは大きくならない。この結果、出力電圧ＶＯＭは、上記イオン電流およびリーク電流の合成電流に正確に対応しないものとなる。

なお、１つ目の要因による問題は、イオン電流を電圧へと変換する回路として、積分回路を用いる構成において発生する。一方、２つ目の要因による問題は、特許文献１に開示されているイオン濃度測定回路のように、イオン電流を電圧へと変換する回路として、積分回路以外のオペアンプ回路を用いる構成であっても発生する。

本発明は、上記の問題に鑑みて為されたものであり、その目的は、イオン濃度の測定の正確性を向上させることを可能とするイオンセンシング装置、およびこのイオンセンシング装置を備えたイオン発生器を提供することにある。

本発明のイオンセンシング装置は、上記の問題を解決するために、イオンの濃度を示す電流であるイオン電流を、電圧に変換する第１センサと、電流を電圧に変換するものであり、上記イオン電流が流れない第２センサとが集積されて成る集積回路を備えており、上記第１センサの出力電圧と上記第２センサの出力電圧との電位差から、上記イオンの濃度を測定するように構成されたイオンセンシング装置であって、上記集積回路は、上記第１センサの出力電圧および上記第２センサの出力電圧のコモンモード電圧を、一定の電圧レベルとするように、上記第１センサおよび上記第２センサを制御するコモンモードフィードバック回路を備えており、上記一定の電圧レベルは、下記数式（１）を満足していることを特徴としている。

ＶＬ＜Ｖｃ＜ＶＨ・・・（１）
（但し、ＶＬ：第１センサが出力可能な最小の電圧レベル、ＶＨ：第１センサが出力可能な最大の電圧レベル、Ｖｃ：上記一定の電圧レベル）
上記の構成によれば、コモンモードフィードバック回路は、第１センサの出力電圧および第２センサの出力電圧のコモンモード電圧を、一定の電圧レベルとするように、第１センサおよび第２センサを制御する。

これにより、上記コモンモード電圧のレベルが大きくなることを抑制することが可能となる。また、これにより、該コモンモード電圧の、時間経過に応じたレベルの上昇を抑制することが可能となる。

また、上記制御後における上記コモンモード電圧のレベル（すなわち、一定の電圧レベル）は、上記数式（１）を満足するレベルであり、第１センサが出力可能な電圧レベルの範囲内である。

この結果、第１センサの出力電圧が、第１センサが出力可能な最大の電圧レベルに達する程度に大きくなる虞を低減することが可能となる。第２センサの出力電圧についても同様である。

よって、第１センサの出力電圧は、イオン電流およびリーク電流の合成電流に正確に対応するものとなる。また、第２センサの出力電圧は、リーク電流に正確に対応するものとなる。従って、第１センサの出力電圧と第２センサの出力電圧との電位差が、正確なイオン濃度を示し、イオン濃度の測定の正確性を向上させることが可能となる。

また、本発明のイオンセンシング装置の、上記第２センサは、上記イオン電流を発生する電極に接続されていないのが好ましい。

上記の構成によれば、より確実に、第２センサにイオン電流が流れない構成を実現することができる。また、上記の構成によれば、電極あるいは電極への配線を介したリーク電流の増加を回避することができる。

また、本発明のイオンセンシング装置の、上記集積回路は、上記第２センサに上記電流を入力するための第２センサ用パッドを備えており、上記第２センサ用パッドは、上記集積回路を搭載すべき集積回路用基板に設けられた端子に接続されないのが好ましい。

上記の構成によれば、第２センサ用パッドを、集積回路用基板に設けられた端子に接続しないことにより、これらの電気的接続を無くしている。これにより、集積回路を集積回路用基板に搭載して成るパッケージをプリント基板に実装する場合に、プリント基板上でのリーク電流の発生を最小化することが可能となり、イオン電流の正確な計測が可能となる。

また、本発明のイオンセンシング装置は、上記集積回路が搭載されている集積回路用基板を備えており、上記第１センサは、上記イオン電流を、電圧に変換すると共に積分する積分回路であり、上記集積回路は、上記第１センサに上記イオン電流を入力するための第１センサ用パッドを備えており、上記集積回路用基板は、上記第１センサ用パッドに接続されている第１センサ用入力端子と、該第１センサ用入力端子に隣接する隣接端子とを備えており、上記隣接端子の電位は、上記一定の電圧レベルと等しいのが好ましい。

上記の構成によれば、集積回路を集積回路用基板に搭載して成るパッケージをプリント基板に実装する場合に、第１センサのリセット直後において、プリント基板における第１センサ用入力端子の実装部分と、プリント基板における隣接端子の実装部分との電位差を、非常に小さくすることができる。このため、該プリント基板に形成された絶縁抵抗の抵抗値が低下しても、絶縁抵抗を介して発生するリーク電流の値を小さくすることが可能となる。

また、本発明のイオンセンシング装置は、上記イオン電流を発生する電極と、上記集積回路が搭載されている集積回路用基板と、上記集積回路用基板が実装されているプリント基板とを備えており、上記電極は、上記第１センサと接続されており、上記集積回路の外部に設けられており、上記プリント基板から浮かせた状態で設けられているのが好ましい。

また、本発明のイオンセンシング装置は、上記集積回路が搭載されている集積回路用基板と、上記集積回路用基板が実装されているプリント基板とを備えており、上記第１センサは、上記イオン電流を、電圧に変換すると共に積分する積分回路であり、上記プリント基板は、上記第１センサと接続されており、上記プリント基板と上記集積回路のパッケージであるＩＣパッケージの入力端子との接続部分を囲むように設けられたメタル配線を備えており、上記メタル配線の電位は、上記一定の電圧レベルと等しいのが好ましい。

上記の構成によれば、電極とプリント基板とを効果的に絶縁することが可能となる。従って、プリント基板上でのリーク電流の発生を最小化することが可能となり、イオン電流の正確な計測が可能となる。

また、本発明のイオン発生器は、本発明のイオンセンシング装置を備えていることを特徴としている。

上記の構成によれば、イオン発生器において、本発明のイオンセンシング装置と同じ効果を奏する。

以上のとおり、本発明のイオンセンシング装置は、イオンの濃度を示す電流であるイオン電流を、電圧に変換する第１センサと、電流を電圧に変換するものであり、上記イオン電流が流れない第２センサとが集積されて成る集積回路を備えており、上記第１センサの出力電圧と上記第２センサの出力電圧との電位差から、上記イオンの濃度を測定するように構成されたイオンセンシング装置であって、上記集積回路は、上記第１センサの出力電圧および上記第２センサの出力電圧のコモンモード電圧を、一定の電圧レベルとするように、上記第１センサおよび上記第２センサを制御するコモンモードフィードバック回路を備えており、上記一定の電圧レベルは、数式（１）を満足している。

また、本発明のイオン発生器は、本発明のイオンセンシング装置を備えている。

従って、イオン濃度の測定の正確性を向上させることが可能であるという効果を奏する。

本実施の形態に係るイオンセンシング装置の構成を示す回路図である。第１センサの出力電圧、および第２センサの出力電圧の、コモンモード電圧および差動信号の、経過時間に対するレベル変化を示すグラフである。差動積分器を集積化した集積回路のパッケージを、プリント基板に実装した様子を示す模式図である。図４（ａ）および（ｂ）は、差動積分器を集積した集積回路のチップを、パッケージ化する様子を示す模式図である。差動積分器を集積した集積回路のチップを、パッケージ化する様子を示す別の模式図である。差動積分器を集積化した集積回路のパッケージを、プリント基板に実装した様子を示す断面図である。差動積分器を集積化した集積回路のパッケージを、プリント基板に実装した様子を示す別の断面図である。従来技術に係るイオンセンシング回路の構成の一例を示す回路図である。従来技術に係るイオンセンシング回路の構成の、別の例を示す回路図である。図９に示すイオンセンシング回路における、イオン電流積分回路の積分回路の出力電圧、およびレプリカ回路の積分回路の出力電圧の、経過時間に対するレベル変化を示すグラフである。本発明の実施の形態に係るイオン発生器の概略構成を示す図である。

〔発明の背景〕
図２は、図１０に示された出力電圧ＶＯＭおよび出力電圧ＶＯＰの、コモンモード電圧（平均値、中間値）および差動信号の、経過時間（横軸）に対するレベル（縦軸）変化を示すグラフである。

図２に示す出力電圧ＶＯＭおよび出力電圧ＶＯＰの差動信号（差動出力）は、捕集極板９１１（図９参照）が捕集したイオンによるイオン電流の積分値を表すものである。該イオン電流は微小な値であるため、該差動信号のレベルも比較的小さい。

一方このとき、出力電圧ＶＯＭおよび出力電圧ＶＯＰのコモンモード電圧（コモンモード出力）は、上記差動信号より大きいレベルを示す。また、該コモンモード電圧は、時間経過に応じたレベルの上昇度合も、該差動信号より大きくなる。

出力電圧ＶＯＭおよび出力電圧ＶＯＰのコモンモード電圧が大きくなると、出力電圧ＶＯＭが（場合によっては、出力電圧ＶＯＰも）飽和して、上記差動信号が正確な値を示さなくなる虞がある。ここで「出力電圧が飽和する」とは、該出力電圧が、出力元の回路が出力可能な最大の電圧レベルに達した状態のことを意味している。

出力電圧ＶＯＭまたは出力電圧ＶＯＰが飽和するという問題を解決するために、図１に示すような、コモンモードを抑制するためのコモンモードフィードバック回路を備えた差動積分器を使うことができる。該コモンモードフィードバック回路によりコモンモード電圧が一定の電圧に制御されるため、リーク電流が大きくても該飽和を抑制することができる。

これにより、出力電圧ＶＯＭおよび出力電圧ＶＯＰの差動信号は、イオン電流に比例した電圧となり、出力電圧ＶＯＭと出力電圧ＶＯＰとの差が、正確なイオン濃度を示すことになる。

〔実施の形態１〕
図１は、本実施の形態に係るイオンセンシング装置の構成を示す回路図である。

図１に示すイオンセンシング回路（イオンセンシング装置）１０は、捕集極板１１、端部１２、差動積分器１３、および引算器１４を備えている。

差動積分器１３は、集積回路（詳細は後述する）上に形成されており、フル差動増幅器１３１、コモンモードフィードバック回路１３２、コンデンサ１３３および１３４、スイッチ１３５および１３６、ならびに抵抗１３７および１３８を備えている。

引算器１４は、オペアンプ１４１、および抵抗１４２〜１４５を備えている。

捕集極板１１は、フル差動増幅器１３１の正入力端子、コンデンサ１３３の一端、およびスイッチ１３５の一端に接続されている。

端部１２は、フル差動増幅器１３１の負入力端子、コンデンサ１３４の一端、およびスイッチ１３６の一端に接続されている。

フル差動増幅器１３１の正出力端子は、コンデンサ１３４の他端、スイッチ１３６の他端、抵抗１３８の一端、および抵抗１４４の一端に接続されている。

フル差動増幅器１３１の負出力端子は、コンデンサ１３３の他端、スイッチ１３５の他端、抵抗１３７の一端、および抵抗１４２の一端に接続されている。

抵抗１３７の他端は、抵抗１３８の他端に接続されている。

コモンモードフィードバック回路１３２の一方の入力端（すなわち、フル差動増幅器１３１のコモンモード端子）は、抵抗１３７と抵抗１３８との間に接続されている。

コモンモードフィードバック回路１３２の他方の入力端は、電圧源（図示しない）に接続されており、該電圧源から電圧Ｖｃが印加される。

抵抗１４２の他端は、抵抗１４３の一端、およびオペアンプ１４１の非反転入力端に接続されている。抵抗１４３には、他端の側から電圧ＶＲが印加されている。

抵抗１４４の他端は、抵抗１４５の一端、およびオペアンプ１４１の反転入力端に接続されている。抵抗１４５の他端は、オペアンプ１４１の出力端に接続されている。

なお、捕集極板１１と差動積分器１３との間に、上記集積回路上に設けられたＥＳＤ保護用ダイオードが接続される。また、端部１２と差動積分器１３との間にも、上記集積回路上に設けられたＥＳＤ保護用ダイオードが接続される。図１では、これらのＥＳＤ保護用ダイオードを図示していない。そのかわりに、捕集極板１１側のＥＳＤ保護用ダイオードで発生するリーク電流をＩ_{ＥＳＤ（−）}とし、端部１２側のＥＳＤ保護用ダイオードで発生するリーク電流をＩ_{ＥＳＤ（＋）}としている。また、スイッチ１３５で発生するリーク電流をＩ_{ＳＷ（−）}とし、スイッチ１３６で発生するリーク電流をＩ_{ＳＷ（＋）}としている。

捕集極板（電極）１１は、空気中のイオンを捕集する。捕集極板１１は、捕集したイオンの濃度に応じた（イオンの濃度を示す）イオン電流を出力する。すなわち、捕集極板１１は、電極８１（図８参照）および捕集極板９１１（図９参照）と同様の構成である。

端部１２は、電極が接続されていないため、上記イオンを捕集しない。従って、端部１２は、イオン電流を出力しない。すなわち、端部１２は、端部９２１（図９参照）と同様の構成である。

上記イオン電流とリーク電流Ｉ_{ＥＳＤ（−）}との合成電流、およびリーク電流Ｉ_{ＥＳＤ（＋）}はそれぞれ、差動積分器１３に入力される。

フル差動増幅器１３１（のうち上記合成電流を処理する各回路）、コンデンサ１３３、およびスイッチ１３５は、積分回路９１２（図９参照）と同様の構成を有する回路である。つまり、該回路は、一般的な積分回路を構成しており、上記合成電流およびリーク電流Ｉ_{ＳＷ（−）}を電圧へと変換すると共に積分し、出力電圧ＶＯＭ（第１センサの出力電圧）を出力する。該回路は、本発明に係る「第１センサ」である。

なお、スイッチ１３５は、コンデンサ１３３を放電させることで、コンデンサ１３３を用いて構成された上記積分回路をリセットさせるものである。すなわち、スイッチ１３５が導通する（閉じる）と、コンデンサ１３３の両端から電荷が放出される。放出された電荷は、互いに異なる極性のもの同士が相殺されることで消滅する。以上の動作により、スイッチ１３５は、コンデンサ１３３を放電させ、コンデンサ１３３の放電を以って、該積分回路のリセットを実現する。

フル差動増幅器１３１（のうちリーク電流Ｉ_{ＥＳＤ（＋）}を処理する各回路）、コンデンサ１３４、およびスイッチ１３６は、積分回路９２２（図９参照）と同様の構成を有する回路である。つまり、該回路は、一般的な積分回路を構成しており、リーク電流Ｉ_{ＥＳＤ（＋）}およびリーク電流Ｉ_{ＳＷ（＋）}を電圧へと変換すると共に積分し、出力電圧ＶＯＰ（第２センサの出力電圧）を出力する。なお、端部１２が上記イオン電流を出力しないので、該回路には、上記イオン電流が流れない。該回路は、本発明に係る「第２センサ」である。

なお、スイッチ１３６は、コンデンサ１３４を放電させることで、コンデンサ１３４を用いて構成された上記積分回路をリセットさせるものである。すなわち、スイッチ１３６は、スイッチ１３５がコンデンサ１３３を放電させるのと同様の要領で、コンデンサ１３４を放電させる。コンデンサ１３４の放電を以って、該積分回路のリセットを実現する。

引算器１４は、引算器９３（図９参照）と同様の構成を有する回路である。引算器１４は、上記出力電圧ＶＯＭと、上記出力電圧ＶＯＰとの差（電位差）を増幅し、出力電圧ＶＯＵＴとして出力する。

ここで、抵抗１４３に印加されている電圧ＶＲは、出力電圧ＶＯＵＴの基準となるレベルである。具体的に、出力電圧ＶＯＵＴは、出力電圧ＶＯＭ、出力電圧ＶＯＰ、および電圧ＶＲから、
ＶＯＵＴ＝（ＶＯＭ−ＶＯＰ）＋ＶＲ
により求められる。

イオンセンシング回路１０は、出力電圧ＶＯＵＴを測定することで、イオン濃度を測定することが可能なものである。

イオン電流およびリーク電流の合成電流から得られる出力電圧ＶＯＭと、リーク電流から得られる出力電圧ＶＯＰとの差をとることで、リーク電流から得られる電圧の成分をキャンセルすることができる。これにより、イオン電流に対するリーク電流の影響を低減し、イオン電流によるイオン濃度の測定の正確性を向上させることが可能となる。この点に関しては、図９に示すイオンセンシング回路９０と同じ効果を得ることができる。

すなわち、イオンセンシング回路１０は、イオン電流を発生しないレプリカ回路をさらに設けた、イオンセンシング回路であると言える。

抵抗１３７および１３８の直列回路は、コモンモード電圧を検出するための回路として一般的に用いられる、抵抗分圧器である。該直列回路は、出力電圧ＶＯＭおよび出力電圧ＶＯＰのコモンモード電圧を検出する。

具体的に、抵抗１３７の抵抗値がＲ１であり、抵抗１３８の抵抗値がＲ２である場合、抵抗１３７と抵抗１３８との間から出力される電圧ＶＣＭは、
ＶＣＭ＝（Ｒ１×ＶＯＰ＋Ｒ２×ＶＯＭ）／（Ｒ１＋Ｒ２）
で表される。特に、Ｒ１＝Ｒ２であれば、電圧ＶＣＭは、出力電圧ＶＯＭと出力電圧ＶＯＰとの平均レベル（平均値、中間値）で表される。

そして、出力電圧ＶＯＭおよび出力電圧ＶＯＰのコモンモード電圧は、電圧ＶＣＭに相当する。

出力電圧ＶＯＭおよび出力電圧ＶＯＰのコモンモード電圧としての電圧ＶＣＭは、コモンモードフィードバック回路１３２に入力される。

コモンモードフィードバック回路１３２は、出力電圧ＶＯＭおよび出力電圧ＶＯＰのコモンモード電圧のレベルが、一定の電圧レベルとなるように、上記第１センサおよび上記第２センサの構成要素であるフル差動増幅器１３１を制御するものである。

コモンモードフィードバック回路１３２は、例えばオペアンプで構成されている。コモンモードフィードバック回路１３２は、一方の入力端に電圧ＶＣＭが入力され、他方の入力端に電圧Ｖｃが入力される。

コモンモードフィードバック回路１３２は、電圧Ｖｃを基準電圧として、電圧ＶＣＭのレベルを電圧Ｖｃのレベルと比較する。そして、コモンモードフィードバック回路１３２は、該比較の結果に基づいて、フル差動増幅器１３１のフィードバック制御を行う。

具体例として、電圧ＶＣＭのレベルが電圧Ｖｃのレベルより大きい場合、コモンモードフィードバック回路１３２は、フル差動増幅器１３１のバイアス回路（図示しない）のバイアス電流を増加させる。これにより、該バイアス電流の増加に伴い発生する電圧降下により、フル差動増幅器１３１から出力される信号電圧のレベルを低下させる。すなわち、出力電圧ＶＯＭおよび出力電圧ＶＯＰのレベルを低下させる。出力電圧ＶＯＭおよび出力電圧ＶＯＰのレベルを低下させることは、電圧ＶＣＭのレベルを低下させることに等しいのは言うまでも無い。

また、電圧ＶＣＭのレベルが電圧Ｖｃのレベルより小さい場合、コモンモードフィードバック回路１３２は、上記バイアス電流を低減させる。これにより、コモンモードフィードバック回路１３２は、電圧ＶＣＭのレベルが電圧Ｖｃのレベルより大きい場合と反対の要領で、出力電圧ＶＯＭおよび出力電圧ＶＯＰのレベルを上昇させ、電圧ＶＣＭのレベルを上昇させる。

以上の動作により、コモンモードフィードバック回路１３２は、電圧ＶＣＭのレベルと電圧Ｖｃのレベルとの比較結果に基づいて、電圧ＶＣＭが一定の電圧Ｖｃとなるように、フル差動増幅器１３１のフィードバック制御を行う。これにより、電圧ＶＣＭ、すなわち出力電圧ＶＯＭおよび出力電圧ＶＯＰのコモンモード電圧のレベルは、一定の電圧とされる。

なお、ここで、電圧Ｖｃのレベルは、下記数式（１）を満足している。

ＶＬ＜Ｖｃ＜ＶＨ・・・（１）
上記数式（１）を満足する電圧Ｖｃは、−０．５＜λ＜０．５である数値λを用いて、下記数式（２）で表すことができる。

Ｖｃ＝（ＶＨ＋ＶＬ）／２＋λ（ＶＨ−ＶＬ）・・・（２）
但し、ＶＬは、第１センサが出力可能な最小の電圧レベルであり、ＶＨは、第１センサが出力可能な最大の電圧レベルである。すなわち、ＶＬは、出力電圧ＶＯＭとしてとり得る電圧レベルの最小値であり、ＶＨは、出力電圧ＶＯＭとしてとり得る電圧レベルの最大値であると言える。このことから、電圧Ｖｃが、第１センサが出力可能な電圧レベル（出力電圧ＶＯＭとしてとり得る電圧レベル）の範囲内であることは明らかである。

電圧Ｖｃのレベルが、上記数式（２）で表されているとき、差動積分器１３の差動出力電圧ＶＯＰ−ＶＯＭの出力可能な電圧範囲は、
｜ＶＯＰ−ＶＯＭ｜≦（１−２｜λ｜）（ＶＨ−ＶＬ）
に制限される。この範囲が大きいほうがイオン電流の検知可能範囲が広がるため、λは０に近いことが望ましい。λ＝０である、すなわち電圧Ｖｃのレベルが（ＶＨ＋ＶＬ）／２であることがより好ましい。

出力電圧ＶＯＭおよび出力電圧ＶＯＰのコモンモード電圧のレベルを、一定の電圧レベルとなるように制御することにより、該コモンモード電圧のレベルが大きくなることを抑制することが可能となる。また、これにより、該コモンモード電圧の、時間経過に応じたレベルの上昇を抑制することが可能となる。

この結果、出力電圧ＶＯＭまたは出力電圧ＶＯＰの飽和を抑制することが可能となる。すなわち、出力電圧ＶＯＭおよび出力電圧ＶＯＰは、出力元の回路（差動積分器１３の対応する積分回路）が出力可能な最大の電圧レベルに達するまで大きくならない。

この結果、出力電圧ＶＯＭは、上記イオン電流およびリーク電流の合成電流に正確に対応するものとなる。また、出力電圧ＶＯＰは、上記リーク電流に正確に対応するものとなる。

従って、引算器１４の出力電圧ＶＯＵＴが示す、出力電圧ＶＯＭと出力電圧ＶＯＰとの差が、正確なイオン濃度を示し、イオン濃度の測定の正確性を向上させることが可能となる。

なお、本実施の形態は、以下のように解釈することもできる。

すなわち、捕集極板１１に集まったイオンによるイオン電流が、集積回路（図示しない）上に形成された差動積分器１３により積分される。

上記集積回路のＥＳＤ保護用ダイオード（図示しない）のリーク電流Ｉ_{ＥＳＤ（−）}およびＩ_{ＥＳＤ（＋）}は、差動積分器１３の正負両側に等しく流れる。また、スイッチ１３５および１３６を形成する各トランジスタ（図示しない）のリーク電流Ｉ_{ＳＷ（−）}およびＩ_{ＳＷ（＋）}は、差動積分器１３の正負両側に等しく流れる。このため、これらのリーク電流は、差動積分器１３によりキャンセルされる。

差動積分器１３の出力には、出力電圧ＶＯＭおよび出力電圧ＶＯＰのコモンモード電圧（＝（ＶＯＰ＋ＶＯＭ）／２）を一定電圧Ｖｃに制御するための、コモンモードフィードバック回路１３２が設けられている。

このため、上記の各リーク電流の値が大きくても、出力電圧ＶＯＭおよび出力電圧ＶＯＰが飽和せず、捕集極板１１からのイオン電流の値を適切に反映した（比例する）電圧レベルである差動信号が得られる。該差動信号は、引算器１４により必要に応じてシングルエンドの信号に変換することもできる。

なお、差動積分器１３のかわりに、積分動作を行わない差動増幅回路を用いて、本発明に係る「第１センサ」および「第２センサ」を構成してもよい。

〔実施の形態２〕
（プリント基板上でのリーク電流の課題）
図３は、差動積分器１３を集積化した集積回路のパッケージを、プリント基板に実装した様子を示す模式図である。

ＩＣパッケージ３０は、差動積分器１３（図１参照）を集積化した集積回路のパッケージである。

また、ＩＣパッケージ３０は、入力端子３１ａ〜３１ｄを有している。入力端子３１ａ〜３１ｄは、プリント基板３２に実装されている。

プリント基板３２は、入力端子３１ａの実装部分に電源電圧面（電源ライン）３３が形成されている。また、プリント基板３２は、入力端子３１ｃの実装部分に捕集極板１１が形成されている。また、プリント基板３２は、入力端子３１ｄの実装部分に接地面（グランド）３４が形成されている。電源電圧面３３は電源電位であり、接地面３４は、接地されているのでグランド電位である。

また、入力端子３１ｂは、端部１２と差動積分器１３との間（接続点ＩＰ（図１参照）と称する）に対応する。また、入力端子３１ｃは、捕集極板１１と差動積分器１３との接続点ＩＭ（図１参照）に対応する。便宜上、図３では、差動積分器１３のうち、入力端子３１ｂおよび入力端子３１ｃとそれぞれ接続されている、フル差動増幅器１３１の負入力端子および正入力端子以外の部分について、図示を簡略化した。

プリント基板３２に形成された絶縁抵抗３５を介して、入力端子３１ｂが、電源電位である電源電圧面３３と電気的に結合される。また、プリント基板３２に形成された絶縁抵抗３６を介して、入力端子３１ｃが、グランド電位である接地面３４と電気的に結合される。これにより、プリント基板３２においてリーク電流が発生し、入力端子３１ｂおよび入力端子３１ｃから差動積分器１３に流れる。

絶縁抵抗３５および絶縁抵抗３６は、湿度の上昇、またはプリント基板３２の汚れにより、抵抗値が低下する。この抵抗値の低下により、上記リーク電流が増大し、この結果、イオンセンシング回路１０（図１参照）における、イオン電流の正確な計測に支障をきたす虞がある。

（プリント基板上でのリーク電流への対策）
図４（ａ）および（ｂ）は、イオンセンシング回路１０の具体的な構成例であり、差動積分器１３を集積した集積回路のチップを、パッケージ化する（イオンセンシング回路の）様子を示す模式図である。

図４（ａ）に示す集積回路４０Ａは、差動積分器１３（図１参照）を集積した集積回路のチップである。

また、集積回路４０Ａは、パッド４１ａ〜４１ｄを有している。このうち、パッド（第２センサ用パッド）４１ｂは、接続点ＩＰに対応し、パッド４１ｃは、接続点ＩＭに対応する（図１参照）。

そして、パッド４１ａは、入力端子４２ａと接続されている。また、パッド４１ｃは、入力端子４２ｃと接続されている。また、パッド４１ｄは、入力端子４２ｄと接続されている。これらの接続は、例えばボンディングワイヤ４３を用いたワイヤボンディングにより行う。

一方、パッド４１ｂは、入力端子４２ａ〜４２ｄのいずれとも接続されていない。

なお、入力端子４２ａ〜４２ｄは、集積回路４０Ａを搭載する集積回路用基板（図示の便宜上、その外形を、点線４４で示した）の入力端子である。

図示していないが、入力端子４２ａ〜４２ｄはいずれも、プリント基板３２に実装される。特に、入力端子４２ｃは、プリント基板３２に形成された捕集極板１１に接続される（図３参照）。

図４（ａ）に示す例では、入力端子４２ａ〜４２ｄと、集積回路４０Ａ上の端子とを電気的に結合するために、上記ワイヤボンディングを行っている。

ここで、差動積分器１３に接続される集積回路４０Ａ上の端子であって、捕集極板１１が接続されないパッド４１ｂは、上記ワイヤボンディングを行わないのが好ましい。

これにより、パッド４１ｂと入力端子４２ａ〜４２ｄとの電気的結合を無くしている。従って、集積回路４０Ａを搭載したＩＣパッケージが実装されるプリント基板３２上でのリーク電流の発生を最小化することが可能となり、イオン電流の正確な計測が可能となる。

また、図４（ｂ）に示す集積回路４０Ｂは、図４（ａ）に示す集積回路４０Ａの構成に加え、パッド４１ｅが追加されている。

そして、入力端子４２ｂに、パッド４１ｃが接続されている。これに伴い、パッド４１ｄは、入力端子４２ｃと接続されており、パッド４１ｅは、入力端子４２ｄと接続されている。捕集極板１１（図３参照）に接続されるのは、図４（ａ）に示す例では入力端子４２ｃであったが、図４（ｂ）に示す例では入力端子４２ｂである。

図４（ａ）に示す例では、入力端子４２ｂにパッドを接続していなかったが、図４（ｂ）に示す例のように、入力端子４２ｂにパッド４１ｂ以外のパッドを接続してもよい。

〔実施の形態３〕
図５は、イオンセンシング回路１０の具体的な構成例であり、差動積分器１３を集積した集積回路のチップを、パッケージ化する（イオンセンシング回路の）様子を示す別の模式図である。

図５に示す集積回路５０は、差動積分器１３（図１参照）を集積した集積回路のチップである。

また、集積回路５０は、パッド５１ａ〜５１ｄを有している。このうち、パッド（第１センサ用パッド）５１ｃは、接続点ＩＭに対応する（図１参照）。また、パッド５１ｂおよびパッド５１ｄの、集積回路５０内の回路に対する接続先については後述する。

パッド５１ａは、入力端子５２ａと接続されている。また、パッド５１ｂは、入力端子（隣接端子）５２ｂと接続されている。また、パッド５１ｃは、入力端子（第１センサ用入力端子）５２ｃと接続されている。また、パッド５１ｄは、入力端子（隣接端子）５２ｄと接続されている。これらの接続は、例えばボンディングワイヤ５３を用いたワイヤボンディングにより行う。

なお、入力端子５２ａ〜５２ｄは、集積回路５０を搭載する集積回路用基板（図示の便宜上、その外形を、点線５４で示した）の入力端子である。

図示していないが、入力端子５２ａ〜５２ｄはいずれも、プリント基板３２に実装される。特に、入力端子５２ｃは、プリント基板３２に形成された捕集極板１１に接続される（図３参照）。

ところで、図１に示す差動積分器１３において、コンデンサ１３３を放電させ、コンデンサ１３３を用いて構成された積分回路（すなわち、第１センサ）をリセットさせると、該積分回路の出力電圧ＶＯＭの電位は、コモンモードフィードバック回路１３２の基準電圧である電圧Ｖｃと略等しくなる。以下、電圧Ｖｃと略等しい電位を、電位Ｖｃと称する。

すると、差動積分器１３に接続されているパッド５１ｃ、パッド５１ｃに接続されている入力端子５２ｃ、およびプリント基板３２における入力端子５２ｃの実装部分の電位も、電位Ｖｃとなる。

この場合、入力端子５２ｃに隣接する、入力端子５２ｂおよび入力端子５２ｄの電位を、上記積分回路のリセット直後における、出力電圧ＶＯＭの電位、すなわち電位Ｖｃ（一定の電圧レベル）とするのが好ましい。

これにより、上記リセット直後において、プリント基板３２における入力端子５２ｃの実装部分と、プリント基板３２における入力端子５２ｂの実装部分との電位差を非常に小さくすることができる。同様に、上記リセット直後において、プリント基板３２における入力端子５２ｃの実装部分と、プリント基板３２における入力端子５２ｄの実装部分との電位差を非常に小さくすることができる。このため、プリント基板３２に形成された絶縁抵抗３６の抵抗値が低下しても、絶縁抵抗３６を介して発生するリーク電流の値を小さくすることが可能となる。

従って、集積回路５０を搭載したＩＣパッケージが実装されるプリント基板３２上でのリーク電流の発生を最小化することが可能となり、イオン電流の正確な計測が可能となる。

なお、入力端子５２ｂおよび入力端子５２ｄの電位を電位Ｖｃとする場合、パッド５１ｂおよびパッド５１ｄの電位も電位Ｖｃとなる。従って、パッド５１ｂおよびパッド５１ｄには、集積回路５０における、電圧Ｖｃを印加する必要がある任意の回路が接続されればよい。あるいは、集積回路５０の内部に電圧Ｖｃを生成する回路が含まれている場合、その回路から出力される電圧Ｖｃが、パッド５１ｂあるいは５１ｄに印加される構成であってもよい。

〔実施の形態４〕
図６は、イオンセンシング回路１０の具体的な構成例であり、差動積分器１３を集積化した集積回路のパッケージを、プリント基板に実装した様子を示す断面図である。

ＩＣパッケージ６０は、差動積分器１３（図１参照）を集積化した集積回路のパッケージである。すなわち、ＩＣパッケージ６０は、差動積分器１３を集積化した集積回路が、集積回路用基板（図４の点線４４、および図５の点線５４参照）に搭載されて成るものである。

また、ＩＣパッケージ６０は、入力端子６１を有している。入力端子６１は、接続点ＩＭに対応する（図１参照）。入力端子６１は、半田付けにより、プリント基板６２に接続されている。

プリント基板６２には、スルーホール６３、およびメタル配線６４が形成されている。

スルーホール６３は、入力端子６１と半田付けで接合された、プリント基板６２の上に形成されたランド６５と、プリント基板６２の裏面（すなわち、ＩＣパッケージ６０が搭載されていないほうの面）に設けられた捕集極板１１とを導通させるものである。

メタル配線６４は、プリント基板６２において電気的接続を構築するための金属配線である。メタル配線６４は、プリント基板６２の表面（すなわち、ＩＣパッケージ６０が搭載されているほうの面）において、ランド６５を囲むように形成されている。

ここで、メタル配線６４の電位は、コンデンサ１３３を用いて構成された積分回路（第１センサ）のリセット直後の、出力電圧ＶＯＭの電位である、電位Ｖｃとする。

ランド６５は、スルーホール６３により、捕集極板１１と電気的に接続されている。

また、ランド６５は、プリント基板６２の表面に形成されたメタル配線６４によって囲まれている。換言すれば、プリント基板６２の表面には、入力端子６１とプリント基板６２との接続部分を囲むメタル配線６４が形成されている。

これにより、上記積分回路のリセット直後において、ランド６５と、メタル配線６４との電位差を非常に小さくすることができる。このため、入力端子６１からメタル配線６４へ流れるリーク電流を小さくすることが可能となる。

従って、上記ＩＣパッケージが実装されるプリント基板上でのリーク電流の発生を最小化することが可能となり、イオン電流の正確な計測が可能となる。

〔実施の形態５〕
図７は、イオンセンシング回路１０の具体的な構成例であり、差動積分器１３を集積化した集積回路のパッケージを、プリント基板に実装した様子を示す別の断面図である。

図７に示す例は、図６に示す例と、以下の点で異なっている。

すなわち、ＩＣパッケージ６０の入力端子６１は、プリント基板６２に接続されていない。これに伴い、プリント基板６２には、スルーホール６３、ランド６５、およびランド６５を囲むメタル配線６４を設ける必要が無い。

そして、捕集極板１１は、入力端子６１に接続されているが、プリント基板６２から浮かせた状態で接続されている。すなわち、捕集極板１１は、プリント基板６２と接触しないように、入力端子６１と接続されている。

空気は、抵抗値が非常に大きい。このため、捕集極板１１および入力端子６１と、プリント基板６２との間に、空気を介在させることにより、これらをより確実に絶縁することが可能となる。

〔実施の形態６〕
イオンセンシング回路１０をイオン発生器に設け、イオンセンシング回路１０により、該イオン発生器において発生するイオンの濃度を測定してもよい。差動積分器１３を集積した集積回路のチップ（図４（ａ）および（ｂ）、ならびに図５参照）についても同様に、イオン発生器に設け、該イオン発生器において発生するイオンの濃度を測定してもよい。差動積分器１３を集積した集積回路のパッケージ（図６および図７参照）についても同様に、イオン発生器に設け、該イオン発生器において発生するイオンの濃度を測定してもよい。これらのイオン発生器についても、本発明の範疇に入り、イオンセンシング回路１０と同様の効果を得ることができる。

図１１は、本実施の形態に係るイオン発生器の概略構成を示す図である。

イオン発生器１１０は、イオン発生部１１１と、イオンセンシング回路１０（図１参照）とを備えている。詳細には図示していないが、イオンセンシング回路１０は好ましくは、差動積分器１３および引算器１４等が集積化されて成る集積回路として構成されている。

また、イオン発生部１１１は、イオンを発生する電極１１２と、電極１１２に高電圧を印加することにより、電極１１２からイオンを発生させる高電圧発生回路１１３とを備えている。

イオンセンシング回路１０は、捕集極板１１により、電極１１２から発生されたイオンを捕集する。イオンセンシング回路１０は、〔実施の形態１〕にて説明した構成および動作メカニズムにより、捕集極板１１が捕集したイオンの濃度を測定した結果を示す、出力電圧ＶＯＵＴを出力する。

イオンセンシング回路１０が出力した出力電圧ＶＯＵＴに基づいて、高電圧発生回路１１３が発生する高電圧の電圧値が調整される。例えば、出力電圧ＶＯＵＴが、高いイオン濃度を示している場合、高電圧の電圧値を小さくすることで、電極１１２からの、単位時間あたりのイオン発生量を減らす。反対に、出力電圧ＶＯＵＴが、低いイオン濃度を示している場合、高電圧の電圧値を大きくすることで、電極１１２からの、単位時間あたりのイオン発生量を増やす。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、イオン濃度を測定するためのイオンセンシング装置、およびこのイオンセンシング装置を備えたイオン発生器に利用することが可能である。

１０イオンセンシング回路（イオンセンシング装置）
１１捕集極板（電極）
１３差動積分器（第１センサおよび第２センサ）
３２、６２プリント基板
４０Ａ、４０Ｂ、５０集積回路
４１ｂパッド（第２センサ用パッド）
４４、５４集積回路用基板
５１ｃパッド（第１センサ用パッド）
５２ｂ、５２ｄ入力端子（隣接端子）
５２ｃ入力端子（第１センサ用入力端子）
６４メタル配線
１１０イオン発生器
１３２コモンモードフィードバック回路
ＶＯＭ第１センサの出力電圧
ＶＯＰ第２センサの出力電圧

Claims

イオンの濃度を示す電流であるイオン電流を、電圧に変換する第１センサと、
電流を電圧に変換するものであり、上記イオン電流が流れない第２センサとが集積されて成る集積回路を備えており、
上記第１センサの出力電圧と上記第２センサの出力電圧との電位差から、上記イオンの濃度を測定するように構成されたイオンセンシング装置であって、
上記集積回路は、上記第１センサの出力電圧および上記第２センサの出力電圧のコモンモード電圧を、一定の電圧レベルとするように、上記第１センサおよび上記第２センサを制御するコモンモードフィードバック回路を備えており、
上記一定の電圧レベルは、下記数式（１）
ＶＬ＜Ｖｃ＜ＶＨ・・・（１）
（但し、ＶＬ：第１センサが出力可能な最小の電圧レベル、ＶＨ：第１センサが出力可能な最大の電圧レベル、Ｖｃ：上記一定の電圧レベル）
を満足しており、
上記イオンセンシング装置は、上記集積回路が搭載されている集積回路用基板を備えており、
上記第１センサは、上記イオン電流を、電圧に変換すると共に積分する積分回路であり、
上記集積回路は、上記第１センサに上記イオン電流を入力するための第１センサ用パッドを備えており、
上記集積回路用基板は、上記第１センサ用パッドに接続されている第１センサ用入力端子と、該第１センサ用入力端子に隣接する隣接端子とを備えており、
上記隣接端子の電位は、上記一定の電圧レベルと等しいことを特徴とするイオンセンシング装置。
上記第２センサは、上記イオン電流を発生する電極に接続されていないことを特徴とする請求項１に記載のイオンセンシング装置。
上記集積回路は、上記第２センサに上記電流を入力するための第２センサ用パッドを備えており、
上記第２センサ用パッドは、上記集積回路を搭載すべき集積回路用基板に設けられた端子に接続されないことを特徴とする請求項１または２に記載のイオンセンシング装置。
上記イオンセンシング装置は、
上記イオン電流を発生する電極と、
上記集積回路が搭載されている集積回路用基板と、
上記集積回路用基板が実装されているプリント基板とを備えており、
上記電極は、
上記第１センサと接続されており、
上記集積回路の外部に設けられており、
上記プリント基板から浮かせた状態で設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のイオンセンシング装置。
上記イオンセンシング装置は、
上記集積回路が搭載されている集積回路用基板と、
上記集積回路用基板が実装されているプリント基板とを備えており、
上記第１センサは、上記イオン電流を、電圧に変換すると共に積分する積分回路であり、
上記プリント基板は、
上記第１センサと接続されており、
上記プリント基板と上記集積回路のパッケージであるＩＣパッケージの入力端子との接続部分を囲むように設けられたメタル配線を備えており、
上記メタル配線の電位は、上記一定の電圧レベルと等しいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のイオンセンシング装置。
イオンの濃度を示す電流であるイオン電流を、電圧に変換する第１センサと、
電流を電圧に変換するものであり、上記イオン電流が流れない第２センサとが集積されて成る集積回路を備えており、
上記第１センサの出力電圧と上記第２センサの出力電圧との電位差から、上記イオンの濃度を測定するように構成されたイオンセンシング装置であって、
上記集積回路は、上記第１センサの出力電圧および上記第２センサの出力電圧のコモンモード電圧を、一定の電圧レベルとするように、上記第１センサおよび上記第２センサを制御するコモンモードフィードバック回路を備えており、
上記一定の電圧レベルは、下記数式（１）
ＶＬ＜Ｖｃ＜ＶＨ・・・（１）
（但し、ＶＬ：第１センサが出力可能な最小の電圧レベル、ＶＨ：第１センサが出力可能な最大の電圧レベル、Ｖｃ：上記一定の電圧レベル）
を満足しており、
上記イオンセンシング装置は、
上記集積回路が搭載されている集積回路用基板と、
上記集積回路用基板が実装されているプリント基板とを備えており、
上記第１センサは、上記イオン電流を、電圧に変換すると共に積分する積分回路であり、
上記プリント基板は、
上記第１センサと接続されており、
上記プリント基板と上記集積回路のパッケージであるＩＣパッケージの入力端子との接続部分を囲むように設けられたメタル配線を備えており、
上記メタル配線の電位は、上記一定の電圧レベルと等しいことを特徴とするイオンセンシング装置。
請求項１〜６のいずれか１項に記載のイオンセンシング装置を備えていることを特徴とするイオン発生器。