JP6487214B2 - 受発光装置及び濃度測定装置 - Google Patents
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Description
さらに、発光素子と受光素子と組み合わせ、発光素子と受光素子間の空間状態を検知する受発光装置(特定空間内の物体検知装置、赤外光を用いたガスセンサ(特許文献1参照)等)にも用いられている。
そこで、本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、発光部からセンサ部に至る間の空間状態の検知をより高精度に行うことを可能とした受発光装置及び濃度測定装置を提供することを目的とする。
すなわち、本発明の一態様に係る受発光装置は、第1主面上に形成された第1発光部と第1センサ部とを有する第1基板と、第1主面上に形成された第2発光部と第2センサ部とを有する第2基板と、前記第1発光部及び前記第2発光部に電力を供給し、前記第1センサ部及び前記第2センサ部からの出力信号を検出する受発光制御部と、を備え、前記第1センサ部は、前記第1発光部から出力された光のうち、前記第1基板の第1主面と対向する第2主面で反射した光が入射する位置に配置され、前記第2センサ部は、前記第2発光部から出力された光のうち、前記第2基板の第1主面と対向する第2主面で反射した光が入射する位置に配置されており、前記受発光制御部は、前記第1センサ部と前記第2センサ部との温度差が周囲温度によらず一定になるように、前記第1発光部に供給する電力及び前記第2発光部に供給する電力のうち少なくとも一方を制御することを特徴とする。
<受発光装置>
本実施形態に係る受発光装置は、例えば、非分散型赤外線式の受発光装置である。この受発光装置は、第1主面上に形成された第1発光部と第1センサ部とを有する第1基板と、第1主面上に形成された第2発光部と第2センサ部とを有する第2基板と、第1発光部及び第2発光部に電力を供給し、第1センサ部及び第2センサ部からの出力信号を検出する受発光制御部と、を備える。第1センサ部は、第1発光部から出力された光のうち、第1基板の第1主面と対向する第2主面で反射した光が入射する位置に配置されている。第2センサ部は、第2発光部から出力された光のうち、第2基板の第1主面と対向する第2主面で反射した光が入射する位置に配置されている。そして、受発光制御部は、第1センサ部と第2センサ部との温度差が周囲温度によらず一定になるように、第1発光部に供給する電力及び第2発光部のうち少なくとも一方に供給する電力を制御する。
温度をΔT変化させたときの、a/b/ΔT比を計算する。これにより、上記の1℃あたりの出力の変化係数の比を確認することができる。
第1センサ部及び第2センサ部の1℃あたりの出力の変化係数比の最大値と最小値を上述の範囲にする方法としては、第1センサ部及び第2センサ部を同一の材料で同一の積層構造にする方法が挙げられる。同一の材料及び同一の積層構造とすることにより、第1センサ部及び第2センサ部の温度特性は理論上同一となる。
また、同一基板上に、同一材料、同一工程で同時に第1センサ部と第2センサ部とを形成することによって、両センサ部の分光感度特性が同一になると共に、両センサ部の温度特性が同一となり、本発明の効果はより発揮される。ここで分光感度特性とは、各波長における感度を意味する。
また、本実施形態に係る受発光装置では、第1センサ部、第2センサ部、第1発光部及び第2発光部は、同一組成の化合物半導体積層部を有してもよい(すなわち、第1センサ部、第2センサ部、第1発光部及び第2発光部はそれぞれ化合物半導体積層部を有し、これら化合物半導体積層部の各層(膜)の組成は、第1センサ部、第2センサ部、第1発光部及び第2発光部間で互いに同一でもよい。)。これにより、第1センサ部、第2センサ部、第1発光部及び第2発光部は同じ温度特性を示すようになる。
また、第1基板及び第2基板の少なくとも一方の第2主面上に、若しくは光路の途中に、光を選択するような光学フィルタ(例えば、バンドパスフィルタ)を設けることによって、第1センサ部及び第2センサ部の少なくとも一方に入射する光の波長帯を選択することが可能となる。光学フィルタは半値幅の狭い透過特性(数10nm〜数100nm)を実現できるため、特定の波長を選択することが容易にできる。
本実施形態に係る受発光装置では、第1センサ部から得られる信号として、第1発光部が発光した場合の信号IpREF_1及び、第2発光部が発光した場合の信号IpTRASM_2がある。第2センサ部から得られる信号として、第2発光部が発光した場合の信号IpREF_2 及び、第1発光部が発光した場合の信号IpTRASM_1がある。出力信号比(IpTRASM_1/IpREF_1)及び(IpTRASM_2/IpREF_2)に基づいて、発光部からセンサ部に至る間の空間状態の検知(例えば、空間に存在する被検出物質の濃度計算)を行う。
この受発光制御部は、第1発光部を周波f1で、第2発光部を周波数f2(f1≠f2)で、同時又は交互に駆動してもよい。
また、この受発光制御部は、第1センサ部の温度と第2センサ部の温度に基づいて、第1センサ部と第2センサ部との温度差が周囲温度によらず一定になるように、第1発光部に供給する電力及び第2発光部に供給する電力のうち少なくとも一方を制御してもよい。この受発光制御部は、第1センサ部の抵抗値に基づいて該第1センサ部の温度を算出してもよく、第2センサ部の抵抗値に基づいて該第2センサ部の温度を算出してもよい。
この受発光制御部は、第1発光部及び第2発光部に供給される電力の電流又は電圧について、パルスの幅、振幅、及びデューティ比からなる群より選択される少なくとも一つを制御してもよい。
本実施形態では、上記の受発光装置を用いて濃度測定装置を構成してもよい。例えば、本実施形態に係る濃度測定装置は、上記の受発光装置と、この受発光装置の第1センサ部及び第2センサ部からの信号が入力され、受発光装置の第1発光部から第2センサ部までの光路中、及び/又は、第2発光部から第1センサ部までの光路中の物質の濃度を算出する濃度算出部と、を備える。
次に、本実施形態のより具体的な態様(すなわち、具体例)として、第1〜第3実施形態について説明する。なお、以下に説明する各図において、同一の機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る受発光装置100の構成例を示す概念図である。図1に示すように、この受発光装置100は、第1発光部1と第1センサ部11とを第1主面上に有する第1基板21と、第2発光部2と第2センサ部12とを第1主面上に有する第2基板22と、受発光制御部30と、ガスセル40と、を備える。
この受発光装置100において、第1基板21と第2基板22は互いに同一の構造を有する。第1基板21は、第1発光部1から出力された光の一部が第1基板21中の光路を通過して第1センサ部11に届くように形成されている。同様に、第2基板22は、第2発光部2から出力された光の一部が第2基板22中の光路を通過して第2センサ部12に届くように形成されている。第1発光部及び第2発光部は、例えば、赤外線を発光する発光ダイオード(LED)を有する。また、第1センサ部及び第2センサ部は、例えば、赤外線を受光するフォトダイオード(PD)を有する。
受発光制御部30は、第1センサ部と第2センサ部との温度差が周囲温度によらず一定になるように、第1発光部に供給する電力及び第2発光部に供給する電力を制御する。
第1駆動部51は、第1発光部1に電力を供給して第1発光部1を発光させる機能を有する。第2駆動部52は、第2発光部2に電力を供給して第2発光部を発光させる機能を有する。低消費電力化の観点から、第1駆動部51及び第2駆動部52は、パルス状の信号(電圧又は電流)を、第1発光部1及び第2発光部2にそれぞれ与えてもよい。
例えば、第1信号処理部61が得る信号として、第1発光部1が発光した場合の信号IpREF_1と、第2発光部2が発光した場合の信号IpTRASM_2とがある。また、第2信号処理部62が得る信号として、第2発光部2が発光した場合の信号IpREF_2と、第1の光源が発光した場合の信号IpTRASM_1とがある。
第1信号処理部61は、信号IpREF_1を演算部80に送信し、信号TRASM_2を濃度算出部90に送信する。また、第2信号処理部62は、信号IpREF_2を演算部80に送信し、信号TRASM_1を濃度算出部90に送信する。
演算部80は、第1信号処理部61から得られる信号と、第2信号処理部62から得られる信号とに基づいて、演算処理を実行する機能を有する。例えば、演算部80は、信号IpREF_1と信号IpREF_2との電圧差を算出する。
例えば、濃度算出部90は、演算部80から信号IpREF_1及び信号IpREF_2を得るとともに、第1信号処理部61から信号IpTRASM_2を、第2信号処理部62から信号IpTRASM_1をそれぞれ得る。または、濃度算出部90は、第1信号処理部61から信号IpREF_1及び信号IpTRASM_2を得るとともに、第2信号処理部62から信号IpREF_2及び信号IpTRASM_1を得てもよい。そして、濃度算出部90は、出力信号比(IpTRASM_1/IpREF_1)及び(IpTRASM_2/IpREF_2)に基づいて、発光部からセンサ部に至る間の空間状態の検知(例えば、空間に存在する被検出物質の濃度計算)を行う。
図3は、本発明の第2実施形態に係る濃度測定装置300の構成例を示す概念図である。図3に示すように、この濃度測定装置300は、受発光装置100と、濃度算出部90とを備える。この濃度測定装置300において、受発光装置100の受発光制御部30は、第1駆動部51と、第2駆動部52と、第1信号処理/抵抗測定部161と、第2信号処理/抵抗測定部162と、制御回路170と、演算部180と、を有する。
第1信号処理/抵抗測定部161は、図2に示した第1信号処理部61と同一の機能を有し、さらに、第1センサ部11の抵抗値を測定する機能を有する。第2信号処理/抵抗測定部162は、図2に示した第2信号処理部62と同一の機能を有し、さらに、第2センサ部12の抵抗値を測定する機能を有する。
第1信号処理部161は、信号IpREF_1及びIpTRASM_2を濃度算出部90に送信する。また、第2信号処理/抵抗測定部162は、信号IpREF_2及び信号IpTRASM_1を濃度算出部90に送信する。
次に、本発明の第3実施形態として、第1発光部1及び第1センサ部11を有する第1基板と、第2発光部2及び第2センサ部12を有する第2基板の各構成例について説明する。
図4は、本発明の第3実施形態に係る第1基板21と、第2基板22の各構成例を示す断面図である。図4に示すように、第1発光部1は、例えば、第1基板21の第1主面211上に形成された第1導電型(例えば、N型)の半導体層201と、半導体層201上に形成された第2導電型(例えば、P型)の半導体層202及び電極203と、半導体層202上に形成された電極204とを有する。
また、第2発光部2は、例えば、第2基板22の第1主面221上に形成された第1導電型の半導体層201´と、半導体層201´上に形成された第2導電型の半導体層202´及び電極203´と、半導体層202´上に形成された電極204´とを有する。
なお、第1導電型の半導体層201、311、201´、311´と、第2導電型の半導体層202、312、202´、312´の間にそれぞれ真正半導体層(いわゆるi型半導体層)を挿入し、PIN接合を形成してもよい。
また、第1発光部1、第2発光部2、第1センサ部11、第2センサ部12が同じ温度特性を示すことから、第1発光部1及び第2発光部2に同じ大きさの電力を供給することにより、第1発光部1及び第2発光部2を同じ温度に発熱させることが容易となる。これにより、周囲温度によらず、第1センサ部11と第2センサ部12との温度差を一定にする(例えば、温度差をゼロにする)ことが容易となる。
本実施形態は、以下の効果を奏する。
(1)第1発光部1から出力された光の一部は、ガスの有無や濃度等に依存しない環境である第1基板21中の光路を通過して第1センサ部(第1発光部からみて、モニタリング用のセンサ部)11に入射する。このため、使用環境の変化や経年劣化で第1発光部1の発光特性が変化した場合でも、第1センサ部11から出力される信号に基づいて第1発光部1の発光特性の変化をモニタリングすることができ、第1発光部1の動作を制御したり、第2センサ部(第1発光部からみて、状態検知用のセンサ部)12の出力を補償したりすることができる。これにより、第2センサ部12による空間状態の検知を正確に行うことが可能になる。
これにより、発光部から状態検知用のセンサ部に至る間の空間状態(すなわち、第1発光部1から第2センサ部12に至る間の空間状態と、第2発光部2から第1センサ部11に至る間の空間状態)の検知を、周囲温度の影響によらず、より高精度に行うことを可能とした受発光装置及び濃度測定装置を実現することができる。
(1)上記の第1実施形態では、信号IpREF_1の電圧値と信号IpREF_2の電圧値とが周囲温度によらず等しくなるように、制御回路70は、第1駆動部51から第1発光部1に供給される電力のデューティ比と、第2駆動部52から第2発光部2に供給される電力のデューティ比とをそれぞれ制御する場合について説明した。
また、上記の第2実施形態では、第1センサ部11の温度T1と第2センサ部12の温度T2とが周囲温度によらず等しくなるように、制御回路170は、第1駆動部51から第1発光部1に供給される電力のデューティ比と、第2駆動部52から第2発光部2に供給される電力のデューティ比とをそれぞれ制御する場合について説明した。
なお、発光素子の発光特性の変化を低減する方法の一例として、以下の受発光装置(参考例)が想定される。
すなわち、参考例に係る受発光装置は、発光素子と、この発光素子から出力された光が入射するようにそれぞれ配置された第1センサ部および第2センサ部を備える。また、第1主面と該第1主面と対向する第2主面とを有し、該第1主面上に発光素子と第1センサ部とが設けられた第1基板と、第1主面と該第1主面と対向する第2主面とを有し、該第1主面上に第2センサ部が設けられた第2基板と、をさらに備える。第1センサ部の配置位置は、第1基板の第1主面であって、発光素子から出力された光のうちの該第1基板の第2主面で反射した光が入射する位置に設定されている。
この参考例に係る受発光装置では、第1発光部に電力を供給する際に発生する熱によって第1センサ部のみが加熱されることで、第1センサ部と第2センサ部に温度差が生じてしまう。この温度差が周囲温度によって変化することも相まって、受光素子の出力から正確に空間状態を検知することが困難となる場合が考えられる。
(1)第1実施例
図1に示した受発光装置100を用意した。また、受発光装置100の受発光制御部30として、図2に示した受発光制御部30を用意した。
第1実施例では、図2に示した受発光制御部30において、第1駆動部51により、第1発光部1を周波数230Hzで発光させ、第1センサ部11から信号IpREF_1を、第2センサ部12から信号IpTRASM_1をそれぞれ得た。また、同時に第2駆動部52により、第2発光部2を周波数260Hzで発光させ、第1センサ部11から信号IpTRASM_2を、第2センサ部12から信号IpREF_2をそれぞれ得た。
第2実施例では、第1実施例に対し、図3に示したように受発光制御部30の機能部を変更した。
第2実施例では、図3に示した受発光制御部30において、第1駆動部51により、第1発光部1を周波数230Hzで発光させ、第1センサ部11から信号IpREF_1を、第2センサ部12から信号IpTRASM_1をそれぞれ得た。また、同時に第2駆動部52により、第2発光部2を周波数260Hzで発光させ、第1センサ部11から信号IpTRASM_2を、第2センサ部12から信号IpREF_2をそれぞれ得た。加えて、第1センサ部11との抵抗値と第2センサ部12の抵抗値とをそれぞれ測定した。
第1参考例及び後述の第2参考例では、第1実施例及び第2実施例に対し、図5に示すように受発光制御部230を備える濃度測定装置400を用意した。この濃度測定装置400の受発光制御部230には、図2に示した受発光制御部30の演算部80及び制御回路70に相当する機能はない。つまり、第1参考例及び第2参考例では、実施例1、2のように「第1センサ部11と第2センサ部12との温度差が周囲温度によらず一定になるように、第1発光部1に供給する電力及び第2発光部2に供給する電力を制御する」機能はない。
第2参考例では、図5に示す受発光制御部230を用いて、第1駆動部51により、第1発光部1を周波数230Hzで発光させ、同時に第2駆動部52により、第2発光部2を周波数260Hzで発光させた。その結果、第1センサ部11と第2センサ部12の温度差は、周囲温度0〜50℃において、0.10±0.20℃であった。この温度差は、出力信号比(IpTRASM_1/IpREF_1)に基づくCO2濃度算出値において、28〜84ppmの誤差に相当する。
本発明は、以上に記載した実施形態やその変形例、実施例に限定されるものではない。当業者の知識に基づいて実施形態やその変形例、実施例に設計の変更等を加えてもよく、また、実施形態やその変形例、実施例を任意に組み合わせてもよく、そのような変更等を加えた態様も本発明の技術的範囲に含まれる。
2 第2発光部
11 第1センサ部
12 第2センサ部
21 第1基板
22 第2基板
30 受発光制御部
40 ガスセル
51 第1駆動部
52 第2駆動部
61 第1信号処理部
62 第2信号処理部
70、170 制御回路
80、180 演算部
90 濃度算出部
161 第1信号処理/抵抗測定部
162 第2信号処理/抵抗測定部
201、311、201´、311´ 第1導電型の半導体層
202、312、202´、312´ 第2導電型の半導体層
203、204、313、314、203´、204´、313´、314´ 電極
211 第1主面
212 第2主面
Claims (12)
- 第1主面上に形成された第1発光部と第1センサ部とを有する第1基板と、
第1主面上に形成された第2発光部と第2センサ部とを有する第2基板と、
前記第1発光部及び前記第2発光部に電力を供給し、前記第1センサ部及び前記第2センサ部からの出力信号を検出する受発光制御部と、を備え、
前記第1センサ部は、前記第1発光部から出力された光のうち、前記第1基板の第1主面と対向する第2主面で反射した光が入射する位置に配置され、
前記第2センサ部は、前記第2発光部から出力された光のうち、前記第2基板の第1主面と対向する第2主面で反射した光が入射する位置に配置されており、
前記第1発光部から出力されて空間中の反射体で反射された光が前記第2センサ部に入射し、かつ、前記第2発光部から出力されて前記反射体で反射された光が前記第1センサ部に入射するように、前記第1基板及び前記第2基板が配置されており、
前記受発光制御部は、
前記第1センサ部と前記第2センサ部との温度差が周囲温度によらず一定になるように、前記第1発光部に供給する電力及び前記第2発光部に供給する電力のうち少なくとも一方を制御する受発光装置。 - 第1主面上に形成された第1発光部と第1センサ部とを有する第1基板と、
第1主面上に形成された第2発光部と第2センサ部とを有する第2基板と、
前記第1発光部及び前記第2発光部に電力を供給し、前記第1センサ部及び前記第2センサ部からの出力信号を検出する受発光制御部と、を備え、
前記第1センサ部は、前記第1発光部から出力された光のうち、前記第1基板の第1主面と対向する第2主面で反射した光が入射する位置に配置され、
前記第2センサ部は、前記第2発光部から出力された光のうち、前記第2基板の第1主面と対向する第2主面で反射した光が入射する位置に配置されており、
前記第1発光部から出力された光のうち、前記第1基板の第2主面から出射した光が前記第2センサ部に入射し、かつ、前記第2発光部から出力された光のうち、前記第2基板の第2主面から出射した光が前記第1センサ部に入射するように、前記第1基板及び前記第2基板が配置されており、
前記受発光制御部は、
前記第1センサ部と前記第2センサ部との温度差が周囲温度によらず一定になるように、前記第1発光部に供給する電力及び前記第2発光部に供給する電力のうち少なくとも一方を制御する受発光装置。 - 前記受発光制御部は、
前記第1センサ部の温度と前記第2センサ部の温度とに基づいて、前記第1センサ部と前記第2センサ部との温度差が周囲温度によらず一定になるように、前記第1発光部に供給する電力及び前記第2発光部に供給する電力のうち少なくとも一方を制御する請求項1又は請求項2に記載の受発光装置。 - 前記受発光制御部は、
前記第1発光部から出力された光による前記第1センサ部の出力信号と、前記第2発光部から出力された光による前記第2センサ部の出力信号とに基づいて、前記第1センサ部と前記第2センサ部との温度差が周囲温度によらず一定になるように、前記第1発光部に供給する電力及び前記第2発光部に供給する電力のうち少なくとも一方を制御する請求項1又は請求項2に記載の受発光装置。 - 前記受発光制御部は、
前記第1センサ部の抵抗値に基づいて該第1センサ部の温度を算出し、
前記第2センサ部の抵抗値に基づいて該第2センサ部の温度を算出する請求項1から請求項4の何れか一項に記載の受発光装置。 - 前記受発光制御部は、
前記第1発光部及び前記第2発光部に供給される電力の電流又は電圧について、パルスの幅、振幅、及びデューティ比からなる群より選択される少なくとも一つを制御する請求項1から請求項5の何れか一項に記載の受発光装置。 - 前記受発光制御部は、
前記第1発光部を周波数f1で、前記第2発光部を周波数f2(f1≠f2)で、同時又は交互に駆動する請求項1から請求項6の何れか一項に記載の受発光装置。 - 前記第1センサ部及び前記第2センサ部は、同一の温度特性を有する請求項1から請求項7の何れか一項に記載の受発光装置。
- 前記第1センサ部、前記第2センサ部、前記第1発光部及び前記第2発光部は、同一組成の化合物半導体積層部を有する請求項1から請求項8の何れか一項に記載の受発光装置。
- 前記第1センサ部及び前記第2センサ部は同一構造である請求項1から請求項9の何れか一項に記載の受発光装置。
- 前記第1発光部及び前記第2発光部は同一構造である請求項1から請求項10の何れか一項に記載の受発光装置。
- 請求項1から請求項11の何れか一項に記載の受発光装置と、
前記受発光装置の前記第1センサ部及び前記第2センサ部からの信号が入力され、前記受発光装置の前記第1発光部から前記第2センサ部までの光路中、及び/又は、前記第2発光部から前記第1センサ部までの光路中の物質の濃度を算出する濃度算出部と、を備える濃度測定装置。
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