JP7843896B2 - ガスセンサモジュール - Google Patents

Description

本開示は、ガスセンサモジュールに関する。

従来、ＣＯ_２ガスセンサに用いられる白熱ランプにおいて、点灯状態でのフィラメント抵抗値が一定となるように、白熱ランプの電圧を制御するＣＯ_２ガスセンサ用光源の駆動方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、近年、赤外線を発光する発光部および検出対象ガス（例えば、ＣＯ_２ガス）を透過した赤外線を受光する受光部を含み、当該ガスにおける赤外線の吸収特性を利用して、当該ガスの濃度を検出する非分散赤外線吸収型（ＮＤＩＲ：Non-Dispersive Infrared）ガスセンサの開発が進められている。

特開２０００－２１５９９０号公報

非分散赤外線吸収型ガスセンサは、温湿度センサ、圧力センサなどの他の環境センサと比較して、駆動電流（ピーク電流）が極めて大きい。このため、図７に示すようなタングステンランプ（白熱ランプ）やＭＥＭＳヒーター等の発光部１０Ａと焦電センサやサーモパイル等の受光部２０Ａを備える従来のガスセンサモジュール１００Ａにおいて、電源６０Ａに過剰な負荷がかかるという問題があった。

かかる事情に鑑みてなされた本開示の目的は、電源にかかる負荷を低減することが可能なガスセンサモジュールを提供することにある。

一実施形態に係るガスセンサモジュールは、駆動電流に応じて赤外線を発光する赤外線発光ダイオードと、検出対象ガスを透過した赤外線を受光する量子型赤外線センサと、前記駆動電流を前記赤外線発光ダイオードに出力する駆動回路と、電源と接続され、前記駆動電流よりも電流量が小さい充電電流を出力する充電回路と、前記充電回路から前記充電電流が供給されることで充電され、前記駆動回路へ前記駆動電流を供給することで放電するキャパシタと、を備えることを特徴とする。

本開示によれば、電源にかかる負荷を低減することが可能なガスセンサモジュールを提供することができる。

本実施形態に係るガスセンサモジュールの構成の一例を示す図である。 本実施形態に係る赤外線発光ダイオードの応答性の一例を示す図である。 従来の発光部の応答性の一例を示す図である。 従来の発光部の応答性の一例を示す図である。 本実施形態に係る量子型赤外線センサの感度および従来の受光部の感度の一例を示す図である。 本実施形態に係る量子型赤外線センサの雑音等価電力および従来の受光部の雑音等価電力の一例を示す図である。 キャパシタの放電に起因する電源の電圧降下とキャパシタの容量との関係の一例を示す図である。 本実施形態に係るガスセンサモジュールを説明するための図である。 本実施形態に係るガスセンサモジュールを説明するための図である。 本実施形態に係るガスセンサモジュールを説明するための図である。 従来のガスセンサモジュールを説明するための図である。 従来のガスセンサモジュールの構成の一例を示す図である。

以下、実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１乃至図４を参照して、本実施形態に係るガスセンサモジュール１００の構成の一例について説明する。

図１に示すように、ガスセンサモジュール１００は、赤外線発光ダイオード１０と、量子型赤外線センサ２０と、駆動回路３０と、キャパシタ４０と、充電回路５０と、電源６０と、増幅回路／信号処理回路７０と、を備える。

赤外線発光ダイオード１０は、駆動回路３０から供給される駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}に応じて赤外線を発光する。赤外線発光ダイオード１０は、赤外線に対して吸収特性を有する検出対象ガス（例えば、ＣＯ_２ガス）のセンシング用の光源として用いられる。赤外線発光ダイオード１０は、波長２．０μｍ～波長１２．０μｍの領域の光を発光することが好ましい。

赤外線発光ダイオード１０は、応答性が良い光源として構成されることが好ましい。

ここで、図２Ａ乃至図２Ｃを参照して、本実施形態に係る赤外線発光ダイオード１０の応答性、および、従来の発光部の応答性について説明する。図２Ａは、赤外線発光ダイオードの応答性の一例を示す図である。図２Ｂは、タングステンランプの応答性の一例を示す図である。図２Ｃは、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ヒーターの応答性の一例を示す図である。ここで受光部には比較のため応答性のよい量子型赤外線センサを用い、それぞれの発光部の応答性に依存する検出信号が得られるようにしている。

図２Ａにおいて、グラフ２０１は、赤外線発光ダイオード１０の駆動電圧を示している。グラフ２０２は、赤外線発光ダイオード１０の駆動電流を示している。グラフ２０３は、受光部の検出信号を示している。

図２Ｂおよび図２Ｃにおいて、グラフ２０１は、従来の発光部の駆動電圧を示している。グラフ２０２は、従来の発光部の駆動電流を示している。グラフ２０３は、受光部の検出信号を示している。

図２Ａにおけるグラフ２０３から、赤外線発光ダイオードを用いる場合、検出信号の時定数は、約数μｓ（＜＜ｍｓ）であることがわかる。図２Ｂにおけるグラフ２０３から、タングステンランプを用いる場合、検出信号の時定数は、約５０ｍｓであることがわかる。図２Ｃにおけるグラフ２０３から、ＭＥＭＳヒーターを用いる場合、検出信号の時定数は、約３０ｍｓであることがわかる。

また、図２Ａにおけるグラフ２０１、グラフ２０２、およびグラフ２０３から、赤外線発光ダイオードへ駆動電流を供給してから検出信号がピーク値となるまでの時間は、非常に短く、駆動電流供給開始直後にピークを示すことがわかる。図２Ｂにおけるグラフ２０１、グラフ２０２、およびグラフ２０３から、タングステンランプへ駆動電流を供給してから検出信号がピーク値となるまでの時間は、約１００ｍｓ以上であることがわかる。図２Ｃにおけるグラフ２０１、グラフ２０２、およびグラフ２０３から、ＭＥＭＳヒーターへ駆動電流を供給してから検出信号がピーク値となるまでの時間は、約１００ｍｓ以上であることがわかる。

図２Ａ乃至図２Ｃから、赤外線発光ダイオードは、タングステンランプ又はＭＥＭＳヒーターと比較して、応答性が極めて良いことがわかる。したがって、赤外線発光ダイオードは、タングステンランプ又はＭＥＭＳヒーターと比較して、１回当たりの駆動時間を極めて短くできることが示唆される。例えば、駆動時間は１ｍｓ以下にすることが可能である。より短い範囲としては１０μｓ～１００μｓ程度まで短く出来る。また、駆動電流のオンデューティ比（駆動周期に対する駆動電流を流す時間の割合）も小さくすることが可能であり、例えば１０％以下にすることが可能である。これにより、電源にかかる負荷を低減しつつ、ガスセンサモジュールとしての低消費電力化が実現される。これは例えば可視光の発光ダイオードはその発光量自体が重要であるが、ガスセンサモジュールの場合は必要なSN比が得られる駆動時間を駆動すればよく、さらにガスの濃度のモニタ周期は一般的に秒単位で十分であるため、駆動周期が比較的長くとれるためである。

量子型赤外線センサ２０は、検出対象ガスを透過した赤外線を受光する。量子型赤外線センサ２０は、赤外線の受光量に応じて、赤外線に対して吸収特性を有する検出対象ガスの吸収量を検出し、検出対象ガスの濃度を示す検出信号を、増幅回路／信号処理回路７０へ出力する。検出対象ガスの濃度が濃い程、量子型赤外線センサ２０が受光する赤外線の受光量は小さくなる。検出対象ガスの濃度が薄い程、量子型赤外線センサ２０が受光する赤外線の受光量は大きくなる。なお、量子型赤外線センサ２０と赤外線発光ダイオード１０との距離は、２０ｍｍ程度であることが好ましいが、これに限定されるものではない。

検出対象ガスとしては、波長２．０μｍ～波長１２．０μｍの領域の光に対して吸収特性を有するガス種であることが好ましく、例えば、ＣＯ_２、ＣＯ、ＣＨ_４、Ｈ_２Ｏ、ＮＯ、Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ、Ｃ_３Ｈ_８、ＮＨ_３、ＣＨ_２Ｏなどが挙げられるが、これに限定されるものではない。

量子型赤外線センサ２０は、一部の波長の光を透過させる機能を有する光学フィルタをさらに備えていてもよい。光学フィルタとしては検出対象ガスの吸収波長帯域の光を透過させるバンドパスフィルタが挙げられる。一例として二酸化炭素を検出する場合は、４．３μｍ付近の光を選択的に透過させるバンドパスフィルタを用いれば良い。

量子型赤外線センサ２０は、赤外線発光ダイオード１０と同一基板上に搭載されることが好ましい。量子型赤外線センサ２０と赤外線発光ダイオード１０とが、同一基板上に搭載されることで、別々に基板を用意せずに済むため、製造コストを下げることができる。また、量子型赤外線センサ２０と赤外線発光ダイオード１０とが、同一基板上に搭載されることで、検出精度を高められる。

量子型赤外線センサ２０は、感度が高く、且つ、ノイズが小さい素子で構成されることが好ましい。量子型赤外線センサとして、例えば、光電管、フォトダイオード、フォトトランジスタなどが挙げられる。

ここで、図３Ａおよび図３Ｂを参照して、本実施形態に係る量子型赤外線センサ２０の感度および雑音等価電力、並びに、従来の受光部の感度および雑音等価電力について説明する。図３Ａは、周波数と感度との関係の一例を示す図である。横軸は周波数［Ｈｚ］であり、縦軸は感度［Ｖ_ｒｍｓ／Ｗ_ｒｍｓ］である。図３Ｂは、周波数と雑音等価電力との関係の一例を示す図である。横軸は周波数［Ｈｚ］であり、縦軸は雑音等価電力［Ｗ_ｒｍｓ／ｒｔＨｚ］である。

図３Ａのグラフ３０１Ａは、量子型赤外線センサの感度を示している。図３Ａのグラフ３０２Ａは、サーモパイルの感度を示している。図３Ａのグラフ３０３Ａは、焦電センサの感度を示している。

図３Ｂのグラフ３０１Ｂは、量子型赤外線センサの雑音等価電力を示している。図３Ｂのグラフ３０２Ｂは、サーモパイルの雑音等価電力を示している。図３Ｂのグラフ３０３Ｂは、焦電センサの雑音等価電力を示している。

図３Ａにおけるグラフ３０１Ａから、量子型赤外線センサの感度は、全体的に高く、周波数が変化しても略一定であることがわかる。図３Ａにおけるグラフ３０２Ａから、サーモパイルの感度は、全体的に低く、周波数が１０Ｈｚまでは略一定であるが、周波数が１０Ｈｚ以上になると急激に低下することがわかる。図３Ａにおけるグラフ３０３Ａから、焦電センサの感度は、周波数が高くなる程、低下することがわかる。

図３Ｂにおけるグラフ３０１Ｂから、量子型赤外線センサの雑音等価電力は、全体的に小さく、周波数が変化しても略一定であることがわかる。図３Ｂにおけるグラフ３０２Ｂから、サーモパイルの雑音等価電力は、全体的に大きく、周波数が１０Ｈｚまでは略一定であるが、周波数が１０Ｈｚ以上になると急激に上昇することがわかる。図３Ｂにおけるグラフ３０３Ｂから、焦電センサの雑音等価電力は、全体的に大きく、周波数が高くなる程、上昇することがわかる。

図３Ａおよび図３Ｂから、量子型赤外線センサは、サーモパイル又は焦電センサと比較して、感度が高く安定していることがわかる。また、量子型赤外線センサは、サーモパイル又は焦電センサと比較して、ノイズが小さく安定していることがわかる。

したがって、赤外線発光ダイオードと量子型赤外線センサとを組み合わせた場合、タングステンランプ又はＭＥＭＳヒーターとサーモパイル又は焦電センサとを組み合わせた場合と比較して、赤外線発光ダイオード１０の１回当たりの駆動時間を、極めて短くできることが示唆される。例えば、駆動時間は１ｍｓ以下にすることが可能である。

十分にキャパシタ４０を充電する観点から、充電電流と充電時間の積は、駆動電流と駆動時間の積以上であることが好ましい。

駆動回路３０は、赤外線発光ダイオード１０とキャパシタ４０との間に設けられる。駆動回路３０は、スイッチＳＷ２を介してキャパシタ４０と接続され、また、赤外線発光ダイオード１０と接続されている。駆動回路３０は、キャパシタ４０が放電することで、キャパシタ４０から赤外線発光ダイオード１０の駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}が供給される。そして、駆動回路３０は、赤外線発光ダイオード１０へ当該駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}を供給する。赤外線発光ダイオード１０の駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}は、１００ｍＡ程度であることが好ましい。赤外線発光ダイオード１０の駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}が大きい程、赤外線発光ダイオード１０の発光量は大きくなり、ＳＮ比を良好とすることができる。

キャパシタ４０は、充電回路５０と駆動回路３０との間に設けられる。キャパシタ４０は、スイッチＳＷ１を介して充電回路５０と接続され、また、スイッチＳＷ２を介して駆動回路３０と接続されている。スイッチＳＷ１がオンとなる場合、キャパシタ４０は、充電回路５０により充電されて、キャパシタ４０のキャパシタ電圧は上昇し、電源６０とキャパシタ４０との間には、キャパシタ４０の充電電流Ｉ_{ｃｈａｒｇｅ}が流れる。スイッチＳＷ１がオフとなる場合、電源６０とキャパシタ４０との間には、キャパシタ４０の充電電流Ｉ_{ｃｈａｒｇｅ}が流れない。スイッチＳＷ２がオンとなる場合、キャパシタ４０は、駆動回路３０へ赤外線発光ダイオード１０の駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}を供給することにより放電し、キャパシタ４０のキャパシタ電圧は低下し、キャパシタ４０と赤外線発光ダイオード１０との間には、赤外線発光ダイオード１０の駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}が流れる。スイッチＳＷ２がオフとなる場合、キャパシタ４０と赤外線発光ダイオード１０との間には、赤外線発光ダイオード１０の駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}が流れない。なお、スイッチＳＷ１およびスイッチＳＷ２は、同時にオンとはならず、スイッチＳＷ１がオンの場合はスイッチＳＷ２がオフとなり、スイッチＳＷ２がオンの場合はスイッチＳＷ１がオフとなる。

キャパシタ４０の充電電流Ｉ_{ｃｈａｒｇｅ}は、赤外線発光ダイオード１０の駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}よりも電流量が小さい電流である。消費電力の低減と測定精度向上の観点から、充電電流Ｉ_{ｃｈａｒｇｅ}は駆動電流が平均化された電流であることが好ましい。キャパシタ４０の充電電流Ｉ_{ｃｈａｒｇｅ}は、赤外線発光ダイオード１０の駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}の１／１００倍程度であることが好ましい。例えば、非分散赤外線吸収型ガスセンサの検出周期を１０ｓとする場合、赤外線発光ダイオード１０の駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}は、０．１ｍｓ間、１００ｍＡで１０００回、キャパシタ４０と赤外線発光ダイオード１０との間を瞬時的に流れる電流であり、キャパシタ４０の充電電流Ｉ_{ｃｈａｒｇｅ}は、９．９ｓ間、１．０１ｍＡで、電源６０とキャパシタ４０との間を定期的に流れる電流である。

充電回路５０からキャパシタ４０へ、赤外線発光ダイオード１０の駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}よりも電流量が小さいキャパシタ４０の充電電流Ｉ_{ｃｈａｒｇｅ}が供給されることでキャパシタ４０が充電され、キャパシタ４０から駆動回路３０へ、赤外線発光ダイオード１０の駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}が供給されることでキャパシタ４０が放電する。これにより、ガスセンサモジュール１００において、駆動回路３０が電源６０から直接的に赤外線発光ダイオード１０の駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}を取り出さずに済むため、電源６０にかかる負荷を格段に低減することが可能となる。すなわち、本実施形態に係るガスセンサモジュール１００のように、電源６０と駆動回路３０とが、充電回路５０、スイッチＳＷ１、キャパシタ４０、およびスイッチＳＷ２を介して接続される場合、従来のガスセンサモジュール１００Ａ（図７参照）のように、電源６０Ａと駆動回路３０Ａとが、直接接続される場合と比較して、電源６０にかかる負荷を格段に低減することが可能となる。さらに、赤外線発光ダイオード１０の発光量を、タングステンランプやＭＥＭＳヒーターの発光部１０Ａの発光量と比較して、同程度に維持することが可能となる。

キャパシタ４０は、容量が低い素子で構成されることが好ましく、例えば、サイズやコスト、リーク電流の観点から積層セラミックキャパシタであることが好ましい。キャパシタ４０は、容量が１ｍＦ以下であることが好ましい。

ここで、図４を参照して、キャパシタの放電に起因する電圧降下とキャパシタの容量との関係について説明する。横軸は、電圧降下ΔＶ［ｍＶ］であり、縦軸はキャパシタの容量Ｃ_ｂｕｌｋ［Ｆ］である。

図４のグラフ４０１は、ガスセンサモジュールに赤外線発光ダイオードを用いる場合、すなわち、赤外線発光ダイオードの１回当たりの駆動時間が１００μｓである場合におけるキャパシタの容量を示している。図４のグラフ４０２は、ガスセンサモジュールにタングステンランプ又はＭＥＭＳヒーターを用いる場合、すなわち、タングステンランプ又はＭＥＭＳヒーターの１回当たりの駆動時間が１００ｍｓである場合におけるキャパシタの容量を示している。なお、図４において、赤外線発光ダイオードの駆動電流、および、タングステンランプ又はＭＥＭＳヒーターの駆動電流は、１００ｍＡで共通としている。

図４におけるグラフ４０１から、電圧降下ΔＶが大きくなる程、キャパシタの容量Ｃ_ｂｕｌｋは、小さくなることがわかる。例えば、電圧降下ΔＶが１ｍＶの場合、キャパシタの容量Ｃ_ｂｕｌｋは、１０ｍＦであり、電圧降下ΔＶが１００ｍＶの場合、キャパシタの容量Ｃ_ｂｕｌｋは、１００μＦであることがわかる。

図４におけるグラフ４０２から、電圧降下ΔＶが大きくなる程、キャパシタの容量Ｃ_ｂｕｌｋは、小さくなることがわかる。例えば、電圧降下ΔＶが１ｍＶの場合、キャパシタの容量Ｃ_ｂｕｌｋは、１０Ｆであり、電圧降下ΔＶが１００ｍＶの場合、キャパシタの容量Ｃ_ｂｕｌｋは、１００ｍＦであることがわかる。

図４から、キャパシタの容量は、許容される電圧降下ΔＶが大きくなるほど、必要となるキャパシタの容量Ｃ_ｂｕｌｋは小さくなることがわかる。また赤外線発光ダイオードの１回当たりの駆動時間に比例する。したがって、ガスセンサモジュールに赤外線発光ダイオードを用いる場合におけるキャパシタの容量は、ガスセンサモジュールにタングステンランプ又はＭＥＭＳヒーターを用いる場合におけるキャパシタの容量と比較して、極めて小さくできることが示唆される。

ガスセンサモジュールに赤外線発光ダイオードを用いる場合におけるキャパシタとして、例えば、積層セラミックキャパシタが挙げられる。積層セラミックキャパシタは、容量のオーダーが多くはμＦであり、サイズが小さく、コストが低く、リーク電流が略流れない。一方、ガスセンサモジュールにタングステンランプ又はＭＥＭＳヒーターを用いる場合のキャパシタとして、例えば、電気二重層キャパシタが挙げられる。電気二重層キャパシタは、容量のオーダーが多くはｍＦであり、サイズが大きく、コストが高く、μＡオーダーのリーク電流が流れる。

すなわち、ガスセンサモジュール１００が、赤外線発光ダイオードと量子型赤外線センサとが組み合わされた非分散赤外線吸収型ガスセンサを備えることで、赤外線発光ダイオード１０の１回当たりの駆動時間を、極めて短くすることができるため、キャパシタ４０の容量を極めて小さくすることができる。これにより、キャパシタ４０のみならず、ガスセンサモジュール１００全体の小型化および低コスト化が可能になる。

充電回路５０は、電源６０とキャパシタ４０との間に設けられる。充電回路５０は、電源６０と接続され、また、スイッチＳＷ１を介してキャパシタ４０と接続されている。充電回路５０は、電源６０から、赤外線発光ダイオード１０の駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}よりも電流量が小さいキャパシタ４０の充電電流Ｉ_{ｃｈａｒｇｅ}が供給される。そして、充電回路５０は、キャパシタ４０を充電するために、キャパシタ４０へ当該充電電流Ｉ_{ｃｈａｒｇｅ}を供給する。キャパシタ４０の充電電流Ｉ_{ｃｈａｒｇｅ}は、１ｍＡ程度であることが好ましい。例えば、非分散赤外線吸収型ガスセンサの検出周期を１０ｓとする場合、充電回路５０は、９．９ｓ間、１．０１ｍＡの電流をキャパシタ４０へ定期的に供給する一方で、駆動回路３０は、０．１ｍｓ間、１００ｍＡの電流を１０００回、瞬時的に赤外線発光ダイオード１０へ供給する。

充電回路５０は、駆動回路３０と比較して、電流供給能力が、例えば、１／１００倍程度と十分に低い充電手段であれば特に限定されない。充電回路５０としては、例えば、抵抗、電流源、ＤＣＤＣコンバータ、チャージポンプなどが挙げられる。

充電回路５０およびキャパシタ４０が、赤外線発光ダイオード１０の駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}を平均化する機能を有することで、赤外線発光ダイオード１０の発光量を、発光部１０Ａの発光量と比較して、同程度に維持しつつ、電源６０にかかる負荷を格段に低減することが可能となる。

＜タイミングチャート＞
次に、図５Ａ乃至図５Ｃ、図６、および図７を参照して、本実施形態に係るガスセンサモジュール１００と従来のガスセンサモジュール１００Ａとの違いについて説明する。以下、非分散赤外線吸収型ガスセンサの検出周期を１０ｓとする場合を一例に挙げて説明する。

〔本実施形態に係るガスセンサモジュール１００〕
図５Ａを参照して、本実施形態に係るガスセンサモジュール１００における赤外線発光ダイオード１０の状態、赤外線発光ダイオード１０の駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}、キャパシタ４０のキャパシタ電圧Ｖ_ｃ、キャパシタ４０の充電電流Ｉ_{ｃｈａｒｇｅ}、駆動回路３０の状態、増幅回路／信号処理回路７０の状態について説明する。

赤外線発光ダイオード１０は、非発光状態の維持、非発光状態から発光状態への切り替え、発光状態の維持、発光状態から非発光状態への切り替え、を繰り返す。赤外線発光ダイオード１０の発光回数は、検出周期１０ｓにおいて、１０００回である。赤外線発光ダイオード１０の１回当たりの駆動時間は、１００μｓである。赤外線発光ダイオード１０の１回当たりの非駆動時間は、９９００μｓである。

赤外線発光ダイオード１０の駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}は、０ｍＡの維持、０ｍＡから１００ｍＡへの切り替え、１００ｍＡの維持、１００ｍＡから０ｍＡへの切り替え、を繰り返す。赤外線発光ダイオード１０の駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}が０ｍＡを維持する場合、赤外線発光ダイオード１０の状態は、非発光状態を維持する。赤外線発光ダイオード１０の駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}が０ｍＡから１００ｍＡへ切り替わる場合、赤外線発光ダイオード１０の状態は、非発光状態から発光状態へ切り替わる。赤外線発光ダイオード１０の駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}が１００ｍＡを維持する場合、赤外線発光ダイオード１０の状態は、発光状態を維持する。赤外線発光ダイオード１０の駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}が１００ｍＡから０ｍＡへ切り替わる場合、赤外線発光ダイオード１０の状態は、発光状態から非発光状態へ切り替わる。

駆動回路３０は、オフ状態の維持、オフ状態からオン状態への切り替え、オン状態の維持、オン状態からオフ状態への切り替え、を繰り返す。駆動回路３０のオンオフ回数は、検出周期１０ｓにおいて、１０００回である。駆動回路３０の１回当たりのオン時間は、１００μｓである。駆動回路３０の１回当たりのオフ時間は、９９００μｓである。Ｄｕｔｙｃｙｃｌｅは、〔駆動回路３０の１回当たりのオン時間×駆動回路３０のオンオフ回数〕／〔非分散赤外線吸収型ガスセンサの検出周期〕で表されるため、例えば、Ｄｕｔｙｃｙｃｌｅ＝（１００μｓ×１０００）／１０ｓ＝１％となる。駆動回路３０がオフ状態を維持する場合、赤外線発光ダイオード１０の状態は、非発光状態を維持する。駆動回路３０がオフ状態からオン状態へ切り替わる場合、赤外線発光ダイオード１０の状態は、非発光状態から発光状態へ切り替わる。駆動回路３０がオン状態を維持する場合、赤外線発光ダイオード１０の状態は、発光状態を維持する。駆動回路３０がオン状態からオフ状態へ切り替わる場合、赤外線発光ダイオード１０の状態は、発光状態から非発光状態へ切り替わる。

キャパシタ４０のキャパシタ電圧Ｖ_ｃは、上昇と低下とを繰り返す。スイッチＳＷ１がオンとなる場合（図５Ｂおよび図５Ｃ参照）、電源６０とキャパシタ４０との間には、キャパシタ４０の充電電流Ｉ_{ｃｈａｒｇｅ}が流れ、キャパシタ４０が充電されることで、キャパシタ４０のキャパシタ電圧Ｖ_ｃは、上昇する。この場合、赤外線発光ダイオード１０の状態は、非発光状態を維持する。スイッチＳＷ２がオンとなる場合（図５Ｂおよび図５Ｃ参照）、キャパシタ４０と駆動回路３０との間には、赤外線発光ダイオード１０の駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}が流れ、キャパシタ４０が放電することで、キャパシタ４０のキャパシタ電圧Ｖ_ｃは、低下する。この場合、赤外線発光ダイオード１０の状態は、発光状態を維持する。

キャパシタ４０の充電電流Ｉ_{ｃｈａｒｇｅ}は、電源６０の電流と等しい。キャパシタ４０の充電電流Ｉ_{ｃｈａｒｇｅ}は、赤外線発光ダイオード１０の駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}よりも電流量が小さい電流であり、必要な電流量は〔赤外線発光ダイオード１０の駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}×オン時間／オフ時間〕で表されるため、例えば、キャパシタ４０の充電電流Ｉ_{ｃｈａｒｇｅ}＝（１００ｍＡ×（１００μｓ×１０００）／（９９００μＡ×１０００））＝１．０１ｍＡとなる。すなわち、キャパシタ４０の充電電流Ｉ_{ｃｈａｒｇｅ}は、赤外線発光ダイオード１０の駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}の１／９９倍である。図５Ａから明らかなように、赤外線発光ダイオード１０の駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}は、検出周期１０ｓにおいて、０．１ｍｓ間、１００ｍＡで１０００回、キャパシタ４０と赤外線発光ダイオード１０との間を瞬時的に流れる電流であるが、キャパシタ４０の充電電流Ｉ_{ｃｈａｒｇｅ}は、検出周期１０ｓにおいて、９．９ｓ間、１．０１ｍＡで、電源６０とキャパシタ４０との間を定期的に流れる電流である。すなわち、充電回路５０およびキャパシタ４０が、赤外線発光ダイオード１０の駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}を平均化する機能を有することで、赤外線発光ダイオード１０の発光量を、発光部１０Ａの発光量と比較して、同程度に維持しつつ、電源６０にかかる負荷を格段に低減することが可能となる。充電電流Ｉ_{ｃｈａｒｇｅ}は、時間内にキャパシタ４０の充電を完了できればよく、したがって１．０１ｍＡより大きければよい。例えば２ｍＡでもよい。

増幅回路／信号処理回路７０は、オフ状態の維持、オフ状態からオン状態への切り替え、オン状態の維持、オン状態からオフ状態への切り替え、を繰り返す。増幅回路／信号処理回路７０のオンオフ回数は、検出周期１０ｓにおいて、１０００回である。増幅回路／信号処理回路７０の１回当たりのオン時間は、１００μｓである。増幅回路／信号処理回路７０の１回当たりのオフ時間は、９９００μｓである。増幅回路／信号処理回路７０において、１０００回目のオン状態からオフ状態への切り替え時に、量子型赤外線センサ２０から増幅回路／信号処理回路７０へ、検出信号が出力される。

次に、図５Ｂおよび図５Ｃを参照して、キャパシタ４０のキャパシタ電圧Ｖ_ｃおよびキャパシタ４０のキャパシタ電圧Ｖ_ｃの詳細について説明する。

スイッチＳＷ２がオンとなる場合、キャパシタ４０と駆動回路３０とが接続されて、キャパシタ４０と赤外線発光ダイオード１０との間には、赤外線発光ダイオード１０の駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}が流れる。この場合、キャパシタ４０のキャパシタ電圧Ｖ_ｃは低下し、キャパシタ４０が駆動回路３０へ赤外線発光ダイオード１０の駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}を供給することで、キャパシタ４０は放電する。

スイッチＳＷ２からスイッチＳＷ１への切り替わり時において、キャパシタ４０の放電に起因するキャパシタ電圧Ｖｃの電圧降下ΔＶは、電源６０の電圧Ｖ_ｄｄとキャパシタ４０のキャパシタ電圧Ｖ_ｃの最小値Ｖ_ｃｍｉｎとの差となるため、次式で表される。ガスセンサモジュール１００の低電力化を考慮すると、キャパシタ４０の放電に起因するキャパシタ電圧Ｖｃの電圧降下ΔＶは、数百ｍＶ程度であることが好ましい。

スイッチＳＷ１がオンとなる場合、充電回路５０とキャパシタ４０とが接続されて、電源６０とキャパシタ４０との間には、キャパシタ４０の充電電流Ｉ_{ｃｈａｒｇｅ}が流れる。この場合、キャパシタ４０のキャパシタ電圧Ｖ_ｃは上昇し、キャパシタ４０へキャパシタ４０の充電電流Ｉ_{ｃｈａｒｇｅ}が供給されることで、キャパシタ４０は充電される。

ここで、キャパシタ４０のキャパシタ電圧Ｖ_ｃは、次式を満たすことが必要とされる。

Ｖ_{ｅｍｉｔｔｅｒ}は、赤外線発光ダイオード１０の駆動電圧である。Ｖ_ｄｓは、駆動回路３０が正常に動作するために必要な電圧である。

また、キャパシタ電圧Ｖｃの電圧降下ΔＶは、次式を満たすことが必要とされる。

したがって、キャパシタ４０の容量Ｃ_ｂｕｌｋは、キャパシタ電圧Ｖｃの電圧降下ΔＶが、電源６０の電圧Ｖ_ｄｄから、赤外線発光ダイオード１０の駆動電圧Ｖ_{ｅｍｉｔｔｅｒ}と駆動回路３０が正常に動作するために必要な電圧Ｖ_ｄｓとの和を引いた値より小さくなるように、選択される。キャパシタ４０の容量Ｃ_ｂｕｌｋは、次式で表される。

ｔ_ＯＮは、赤外線発光ダイオード１０の１回当たりの駆動時間である。

式（４）から、キャパシタ４０の容量Ｃ_ｂｕｌｋは、赤外線発光ダイオード１０の１回当たりの駆動時間ｔ_ＯＮに略比例する関数となることがわかる。すなわち、赤外線発光ダイオード１０の１回当たりの駆動時間が短い程、キャパシタ４０の容量Ｃ_ｂｕｌｋを小さくできることがわかる。

つまり、ガスセンサモジュール１００が、赤外線発光ダイオードと量子型赤外線センサとが組み合わされた非分散赤外線吸収型ガスセンサを備えることで、赤外線発光ダイオード１０の１回当たりの駆動時間ｔ_ＯＮを極めて短くすることができるため、キャパシタ４０の容量Ｃ_ｂｕｌｋを極めて小さくできることがわかる。

〔従来のガスセンサモジュール１００Ａ〕
図６および図７を参照して、従来のガスセンサモジュール１００Ａにおける発光部１０Ａの状態、発光部１０Ａの駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}、駆動回路３０Ａの状態、増幅回路／信号処理回路７０Ａの状態について説明する。

発光部１０Ａは、非発光状態の維持、非発光状態から発光状態への切り替え、発光状態の維持、発光状態から非発光状態への切り替え、を繰り返す。発光部１０Ａの発光回数は、検出周期１０ｓにおいて、１回である。発光部１０Ａの１回当たりの駆動時間は、０．１ｓである。発光部１０Ａの１回当たりの非駆動時間は、９．９ｓである。

発光部１０Ａの駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}は、電源６０Ａの電流と等しい。発光部１０Ａの駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}は、０ｍＡの維持、０ｍＡから１００ｍＡへの切り替え、１００ｍＡの維持、１００ｍＡから０ｍＡへの切り替え、を繰り返す。発光部１０Ａの駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}が０ｍＡを維持する場合、発光部１０Ａの状態は、非発光状態を維持する。発光部１０Ａの駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}が０ｍＡから１００ｍＡへ切り替わる場合、発光部１０Ａの状態は、非発光状態から発光状態へ切り替わる。発光部１０Ａの駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}が１００ｍＡを維持する場合、発光部１０Ａの状態は、発光状態を維持する。発光部１０Ａの駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}が１００ｍＡから０ｍＡへ切り替わる場合、発光部１０Ａの状態は、発光状態から非発光状態へ切り替わる。

駆動回路３０Ａは、オフ状態の維持、オフ状態からオン状態への切り替え、オン状態の維持、オン状態からオフ状態への切り替え、を繰り返す。駆動回路３０Ａのオンオフ回数は、検出周期１０ｓにおいて、１回である。駆動回路３０Ａの１回当たりのオン時間は、０．１ｓである。駆動回路３０Ａの１回当たりのオフ時間は、９．９ｓである。Ｄｕｔｙｃｙｃｌｅは、〔駆動回路３０Ａの１回当たりのオン時間×駆動回路３０Ａのオンオフ回数〕／〔非分散赤外線吸収型ガスセンサの検出周期〕で表されるため、例えば、Ｄｕｔｙｃｙｃｌｅ＝（０．１ｓ×１）／１０ｓ＝１％となる。駆動回路３０Ａがオフ状態を維持する場合、発光部１０Ａの状態は、非発光状態を維持する。駆動回路３０Ａがオフ状態からオン状態へ切り替わる場合、発光部１０Ａの状態は、非発光状態から発光状態へ切り替わる。駆動回路３０Ａがオン状態を維持する場合、発光部１０Ａの状態は、発光状態を維持する。駆動回路３０Ａがオン状態からオフ状態へ切り替わる場合、発光部１０Ａの状態は、発光状態から非発光状態へ切り替わる。

増幅回路／信号処理回路７０Ａは、オフ状態の維持、オフ状態からオン状態への切り替え、オン状態の維持、オン状態からオフ状態への切り替え、を繰り返す。増幅回路／信号処理回路７０Ａのオンオフ回数は、検出周期１０ｓにおいて、１回である。増幅回路／信号処理回路７０Ａの１回当たりのオン時間は、０．１ｓである。増幅回路／信号処理回路７０Ａの１回当たりのオフ時間は、９．９ｓである。増幅回路／信号処理回路７０Ａにおいて、１回目のオン状態からオフ状態への切り替え時に、焦電センサやサーモパイル等の受光部２０Ａから増幅回路／信号処理回路７０Ａへ、検出信号が出力される。

〔比較〕
上述のように、赤外線発光ダイオード１０の１回当たりの駆動時間は、発光部１０Ａの１回当たりの駆動時間の１／１０００倍となることがわかる。すなわち、本実施形態に係るガスセンサモジュール１００は、従来のガスセンサモジュール１００Ａと比較して、赤外線発光ダイオードの１回当たりの駆動時間を極めて短くできることがわかる。

また、電源６０のピーク電流は、電源６０Ａのピーク電流の１／１００倍となることがわかる。すなわち、本実施形態に係るガスセンサモジュール１００は、従来のガスセンサモジュール１００Ａと比較して、電源にかかる負荷を格段に低減できることがわかる。

また、駆動回路３０の１回当たりのオン時間は、駆動回路３０Ａの１回当たりのオン時間の１／１０００倍となることがわかる。すなわち、本実施形態に係るガスセンサモジュール１００は、従来のガスセンサモジュール１００Ａと比較して、Ｄｕｔｙｃｙｃｌｅが等しくても、赤外線発光ダイオード１０の１回当たりの発光の際における駆動回路３０のオン時間を発光部１０Ａの１回当たりの発光の際における駆動回路３０Ａのオン時間より短くすることができるため、電源にかかる負荷を格段に低減できることがわかる。

本実施形態に係るガスセンサモジュール１００は、非分散赤外線吸収型ガスセンサに含まれる赤外線発光ダイオード１０を定期的に発光させることを利用して、赤外線発光ダイオード１０の駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}よりも電流量が小さい電流により、充電回路５０がキャパシタ４０を充電し、キャパシタ４０が駆動回路３０へ赤外線発光ダイオード１０の駆動電流Ｉ_{ｄｒｉｖｅ}を供給する。これにより、従来のガスセンサモジュール１００Ａと比較して、赤外線発光ダイオード１０の発光量を変えずに、電源６０にかかる負荷を格段に低減することができる。さらに、同一基板に搭載される他のデバイス（例えば、他の環境センサ）の動作に悪影響を及ぼさずに、自身の動作を安定化させることができる。

また、本実施形態に係るガスセンサモジュール１００は、赤外線発光ダイオードと量子型赤外線センサとが組み合わされた非分散赤外線吸収型ガスセンサを備えることで、タングステンランプ又はＭＥＭＳヒーターとサーモパイル又は焦電センサとが組み合わされた場合と比較して、赤外線発光ダイオード１０の１回当たりの駆動時間を極めて短くすることができる。これにより、キャパシタ４０の容量を極めて小さくすることができるため、ガスセンサモジュール１００全体の小型化および低コスト化が可能になる。

＜変形例＞
本発明は上記の実施形態および変形例に限定されるものではない。例えば、上述の各種の処理は、記載にしたがって時系列に実行されるのみならず、処理を実行する装置の処理能力あるいは必要に応じて並列的にあるいは個別に実行されてもよい。その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。

上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本開示の趣旨および範囲内で、多くの変更および置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。例えば、実施形態の構成図に記載の複数の構成ブロックを１つに組み合わせたり、あるいは１つの構成ブロックを分割したりすることが可能である。

１０ 赤外線発光ダイオード
２０ 量子型赤外線センサ
３０ 駆動回路
４０ キャパシタ
５０ 充電回路
６０ 電源
７０ 増幅回路／信号処理回路
１００ ガスセンサモジュール
１０Ａ 発光部
２０Ａ 受光部
３０Ａ 駆動回路
６０Ａ 電源
７０Ａ 増幅回路／信号処理回路
１００Ａ 従来のガスセンサモジュール

Claims (11)

1. 駆動電流に応じて赤外線を発光する赤外線発光ダイオードと、
   検出対象ガスを透過した赤外線を受光する量子型赤外線センサと、
   前記駆動電流を前記赤外線発光ダイオードに出力する駆動回路と、
   電源と接続され、前記駆動電流よりも電流量が小さい充電電流を出力する充電回路と、
   前記充電回路から前記充電電流が供給されることで充電され、前記駆動回路へ前記駆動電流を供給することで放電するキャパシタと、
   前記充電回路と前記キャパシタの間に接続される第１スイッチと、
   を備え、
   前記第１スイッチは、前記キャパシタを充電している間はオン状態となり、前記赤外線発光ダイオードを駆動している間はオフ状態となるガスセンサモジュール。
2. 前記駆動回路と前記キャパシタの間に接続される第２スイッチと、をさらに備え、
   前記第２スイッチは、前記赤外線発光ダイオードを駆動している間はオン状態となり、前記キャパシタを充電している間はオフ状態となる、
   請求項１に記載のガスセンサモジュール。
3. 前記第１スイッチがオン状態の場合は前記第２スイッチがオフ状態となり、
   前記第２スイッチがオン状態の場合は前記第１スイッチがオフ状態となる、
   請求項２に記載のガスセンサモジュール。
4. 前記量子型赤外線センサは、光学フィルタを有する、
   請求項１に記載のガスセンサモジュール。
5. 前記ガスセンサモジュールは、前記量子型赤外線センサの赤外線の受光量に応じて、赤外線に対して吸収特性を有する前記検出対象ガスによる赤外線の吸収量を検出し、前記検出対象ガスの濃度を算出する非分散赤外線吸収型ガスセンサモジュールである、
   請求項１に記載のガスセンサモジュール。
6. 前記充電電流と充電時間の積は、前記駆動電流と駆動時間の積以上である、
   請求項１に記載のガスセンサモジュール。
7. 前記駆動時間は１ｍｓ以下である、
   請求項６に記載のガスセンサモジュール。
8. 前記駆動電流のオンデューティ比が１０％以下である、
   請求項１に記載のガスセンサモジュール。
9. 前記キャパシタは、積層セラミックキャパシタである、
   請求項１に記載のガスセンサモジュール。
10. 前記キャパシタは、容量が１ｍＦ以下である、
    請求項１に記載のガスセンサモジュール。
11. 駆動電流に応じて赤外線を発光する赤外線発光ダイオードおよび検出対象ガスを透過した赤外線を受光する量子型赤外線センサを含む非分散赤外線吸収型ガスセンサの前記赤外線発光ダイオードに前記駆動電流を出力する駆動回路と、
    前記駆動電流よりも電流量の小さい充電電流を出力する充電回路と、
    前記充電回路から前記充電電流が供給されることで充電され、前記駆動回路へ前記駆動電流を供給することで放電するキャパシタと、
    前記充電回路と前記キャパシタの間に接続される第１スイッチと、
    を備え、
    前記第１スイッチは、前記キャパシタを充電している間はオン状態となり、前記赤外線発光ダイオードを駆動している間はオフ状態となるガスセンサモジュール用の回路。