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JP-2026077586-A - 電子回路及び温度依存性を考慮して光電流を測定するための方法並びに光学式ガスセンサ

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Abstract

【課題】本発明は、温度依存性を考慮して光電流を測定するための電子回路１に関する。さらに、本発明は、光学式ガスセンサ並びに温度依存性を考慮して光電流を測定するための方法に関する。 【解決手段】光検知器１０は、アノード端子１１とカソード端子１２とを有し、演算増幅器２０は、第１入力部２１と第２入力部２２と出力部２３とを有し、光検知器１０のアノード端子１１と演算増幅器２０の第１入力部２１とが互いに電気接続されていて、光検知器１０のカソード端子１２と演算増幅器２０の第２入力部２２とが互いに電気接続されていて、バイアス電圧端子５０は、第１経路４１を介して光検知器１０のアノード端子１１と演算増幅器２０の第１入力部２１とに電気接続されている。この場合、電子回路１は、光検知器１０のアノード端子１１とバイアス電圧端子５０との間の第１経路４１に配置されている分圧器３０をさらに含む。 【選択図】図１

Inventors

  • マルクス・フーマー
  • マルクス・ヒンターミュラー
  • アルビン・ハイダー
  • ミヒャエル・ヴァイルグーニ

Assignees

  • エー・ウント・エー・エレクトロニック・ゲゼルシヤフト・ミト・ベシユレンクテル・ハフツング

Dates

Publication Date
20260513
Application Date
20251010
Priority Date
20241025

Claims (15)

  1. 温度依存性を考慮して光電流を測定するための、光検知器（１０）と演算増幅器（１０）とバイアス電圧端子（５０）とを含む電子回路（１）であって、 光検知器（１０）は、アノード端子（１１）とカソード端子（１２）とを有し、 演算増幅器（２０）は、第１入力部（２１）と第２入力部（２２）と出力部（２３）とを有し、光検知器（１０）のアノード端子（１１）と演算増幅器（２０）の第１入力部（２１）とが互いに電気接続されていて、光検知器（１０）のカソード端子（１２）と演算増幅器（２０）の第２入力部（２２）とが互いに電気接続されていて、 バイアス電圧端子（５０）は、第１経路（４１）を介して光検知器（１０）のアノード端子（１１）と演算増幅器（２０）の第１入力部（２１）とに電気接続されている当該電子回路（１）において、 電子回路（１）は、光検知器（１０）のアノード端子（１１）とバイアス電圧端子（５０）との間の第１経路（４１）に配置されている分圧器（３０）をさらに含むことを特徴とする当該電子回路（１）。
  2. 分圧器（３０）は、電圧がバイアス電圧端子（５０）に印加されるときに、 ａ）２ｍＶ未満、特に１ｍＶ未満の値を有する、及び／又は、 ｂ）バイアス電圧端子（５０）に印加される電圧よりも少なくとも１００倍、特に少なくとも２００倍小さい、 光検知器（１０）のバイアス電圧を供給するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電子回路（１）。
  3. さらに、バイアス電圧端子（５０）は、光検知器（１０）のカソード端子（１２）と演算増幅器（２０）の第２入力部（２２）とに電気接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子回路（１）。
  4. 演算増幅器（２０）の第２入力部（２２）が、この演算増幅器（２０）の反転入力部として構成されていて及び／又は、演算増幅器（２０）は、トランスインピーダンス増幅器の一部として構成されていることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の電子回路（１）。
  5. さらに、電気回路（１）は、負帰還経路（４３）を含み、この負帰還経路（４３）は、演算増幅器（２０）の第２入力部（２２）とこの演算増幅器（２０）の出力部（２３）とを互いに電気接続し、 負帰還経路（４３）は、抵抗、特に直列接続された２つの抵抗（Ｒ３，Ｒ４）を有することを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の電子回路（１）。
  6. さらに、電子回路（１）は、分岐経路（４４）を含み、この分岐経路（４４）は、直列接続された２つの抵抗（Ｒ３，Ｒ４）間の領域（４５）内で負帰還経路（４３）とバイアス電圧端子（５０）とを互いに電気接続し、 特に、分岐経路（４４）は、分岐抵抗（Ｒ５）を有することを特徴とする請求項５に記載の電子回路（１）。
  7. さらに、電子回路（１）は、コンデンサ（Ｃ）を含み、このコンデンサ（Ｃ）は、ローパスフィルタを構成するために負帰還経路（４３）の抵抗、特に直列接続された２つの抵抗（Ｒ３，Ｒ４）に対して並列に配置されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の電子回路（１）。
  8. 分圧器（３０）は、入力部（３１）と第１出力部（３２）と第２出力部（３３）とを有し、 分圧器（３０）の入力部（３１）は、バイアス電圧端子（５０）に電気接続されていて、分圧器（３０）の第１出力部（３２）は、光検知器（１０）のアノード端子（１１）に電気接続されていて、 特に、分圧器（３０）の第１出力部（３２）に供給される電圧は、分圧器（３０）の入力部に印加される電圧よりも少なくとも１００倍、特に少なくとも２００倍小さいことを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の電子回路（１）。
  9. 分圧器（３０）は、第１抵抗（Ｒ１）と第２抵抗（Ｒ２）とを有し、 第１抵抗（Ｒ１）は、分圧器（３０）の入力部（３１）と分圧器（３０）の第１出力部（３２）との間に配置されていて、第１抵抗（Ｒ１）及び第２抵抗（Ｒ２）が、分圧器（３０）の入力部（３１）と分圧器（３０）の第２出力部（３３）との間に配置されていることを特徴とする請求項８に記載の電子回路（１）。
  10. さらに、電子回路（１）は、接地端子（６０）を含み、この接地端子（６０）は、光検知器（１０）のアノード端子（１１）とバイアス電圧端子（５０）とに電気接続されていて、特に分圧器（３０）の第２入力部（３３）が、接地端子（６０）に電気接続されていることを特徴とする請求項１～９のいずれか１項に記載の電子回路（１）。
  11. 演算増幅器（２０）の出力部（２３）とバイアス電圧端子（５０）との間で、光検知器（１０）に印加される電流に依存する出力電圧が、測定可能及び／又は取出可能であることを特徴とする請求項１～１０のいずれか１項に記載の電子回路（１）。
  12. 光検知器（１０）は、フォトダイオードであることを特徴とする請求項１～１１のいずれか１項に記載の電子回路（１）。
  13. ガスを収容するための測定セル（１１０）と、光線を測定セル（１１０）の方向に放射するための光源（１２０）とを含む光学式ガスセンサ（１００）において、 さらに、光学式ガスセンサ（１００）は、請求項１～１２のいずれか１項に記載の電子回路（１）を含み、 電子装置（１）の光検知器（１０）は、測定セル（１１０）を透過した光線の少なくとも一部を検知するように配置されていることを特徴とする当該光学式ガスセンサ（１００）。
  14. 温度依存性を考慮して光電流を測定するための方法（２００）において、 この方法（２００）は、請求項１～１２のいずれか１項に記載の電子回路（１）及び／又は請求項１３に記載の光学式ガスセンサ（１００）を用いて実行され、この方法（２００）は、 電圧をバイアス電圧端子（５０）に印加することによってバイアス電圧を光検知器（１０）に提供するステップ（Ｓ１）と、 光検知器（１０）が、光線によって照射されず、及び／又は、光線を放射するための光源（１２０）が作動していない場合に、バイアス電圧の提供の際に電子回路（１）及び／又は光学式ガスセンサ（１００）の第１出力電圧を測定するステップ（Ｓ２）と、 光検知器（１０）が、光線によって照射され、及び／又は、光線源（１２０）が作動している場合に、バイアス電圧の提供の際に電子回路（１）及び／又は光学式ガスセンサ（１００）の第２出力電圧を測定するステップ（Ｓ３）と、 を含むことを特徴とする当該方法（２００）。
  15. 当該方法（２００）は、光学式ガスセンサ（１００）を用いて実行され、 測定セル（１１０）内のガス含有量が、第２出力電圧と第１出力電圧との差から測定される請求項１４に記載の方法。

Description

本発明は、電子回路及び温度依存性を考慮して光電流を測定するための方法に関する。さらに、本発明は、電子回路を有する光学式ガスセンサに関する。 光検知器、例えばＩｎＳｂ又はＩｎＡｓＳｂから成るフォトダイオードを光学式ガスセンサに使用することが、従来の技術から公知である。このような光検知器は、ガスによって吸収されなかった光の光線を測定すること（及び当該測定から、例えばガスの二酸化炭素濃度を測定すること）に加えて、それぞれの光検知器の固有の温度が光線の測定にどの程度の影響を及ぼすかを判定することも可能にする。この判定は、それぞれの光線の測定の温度依存性を補償するために必要になる。 欧州特許出願公開第３５８１８９８号明細書には、光検知器及びトランスインピーダンス増幅器を含み、光電流測定モードと温度測定モードとに選択的に切り替え可能である電子回路が記載されている。この場合、光電流測定モードでは、フォトダイオードのアノード端子が、トランスインピーダンス増幅器の演算増幅器（オペアンプ）の第１入力部に接続されていて、フォトダイオードのカソード端子が、演算増幅器の第２入力部に接続されていて、第１バイアス電圧端子が、第１入力部とアノード端子とに接続されている。温度測定モードでは、アノード端子が、電子回路の接地端子に接続されていて、カソード端子が、第２入力部に接続されていて、第１バイアス端子が、第１入力部に接続されていて、アノード端子から分離されている。 光電流測定モードと温度測定モードとの間で切り替えできるようにするため、欧州特許出願公開第３５８１８９８号明細書による電子回路は、３つのスイッチを含む。光電流測定モードでは、３つのスイッチのうちの２つのスイッチが閉じられている。その結果、電圧が、フォトダイオードに印加されず、したがって疑似短絡で作動される。この場合、フォトダイオードの光電流が、光線の検知だけによって生成される。この光電流は、トランスインピーダンス増幅器によって増幅され、電圧に変換される。温度測定モードでは、先に閉じられた２つのスイッチが開かれていて、第３スイッチだけが閉じられている。その結果、バイアス電圧が、フォトダイオードに印加される。これにより、光線の検知なしに、温度に依存する（逆方向）電流が通電する。この電流は、低減された増幅率によって増幅される。この場合、バイアス電圧端子に印加される電圧は、一般に１５０～２００ｍＶの範囲にあるので、増幅率の低減が必要である。一般に、より低い値は、直接に設定され得ない。それ故に、増幅後の電流が、例えばアナログデジタル変換器によってデジタル式に検知され得る検知可能な範囲内にあるように、当該増幅率は適切に低減されなければならない。 しかしながら、複数のスイッチを実装して異なる測定モード間を能動的に切り替えることは、例えば故障及び／又は摩耗効果による誤作動要因の危険を伴う。このため、改良された解決手段、特に、起こり得る誤作動要因の数を減らしつつ、温度依存性を考慮して光電流を測定できる簡略化された電子回路がさらに要求される。 欧州特許出願公開第３５８１８９８号明細書 本発明の実施の形態による電子回路の概略図である。本発明の実施の形態による電子回路を有するガスセンサの概略図である。本発明の実施の形態による方法の処理手順を示す。方法の進行中の出力電圧の推移を例示する。様々なバイアス電圧に対して光検知器の温度に依存して電子回路のこの光検知器に通電する（逆方向）電流の推移を例示する。光検知器のバイアス電圧に依存するこの光検知器の「疑似」信号の推移を例示する。光検知器の温度に依存する出力電圧の推移を例示する。 図１は、本発明の実施の形態による、温度依存性を考慮して光電流を測定するための電子回路１を概略的に示す。 電子回路１は、アノード端子１１とカソード端子１２とを有する光検知器１０を含む。好ましくは、光検知器１０は、フォトダイオードとして構成され得て、例えばその少なくとも一部が、ＩｎＳｂ及び／又はＩｎＡｓＳｂから成る半導体光検知器でもよい。これにより、光検知器１０は、特に赤外線光を検知できるように構成され得る。 電子回路１は、第１入力部２１と第２入力部２２と出力部２３とを有する演算増幅器２０を含む。第２入力部２２は、例えば演算増幅器２０の反転入力部として構成され得る。 好ましくは、演算増幅器２０と光検知器１０とは互いに電気接続されている。このため、光検知器１０のアノード端子１１と演算増幅器２０の第１入力部２１とが、第１経路４１を介して互いに電気接続されていて、光検知器１０のカソード端子１２と演算増幅器２０の第２入力部２２とが、第２経路４２を介して互いに電気接続されていることが提唱されている。 さらに、電子回路１は、バイアス電圧端子５０を含み、このバイアス電圧端子５０は、入力電圧を印加するために第１経路４１を介して光検知器１０のアノード端子１１と演算増幅器２０の第１入力部２１とに電気接続されている。 分圧器３０は、バイアス電圧端子５０での電圧の印可時に光検知器１０のバイアス電圧を提供するように構成されている。すなわち、光検知器１０が照射されていない場合でも、（逆方向）電流が、光検知器１０に通電できる。 バイアス電圧は、２ｍＶ以下、特に１ｍＶ以下の値を有してもよく及び／又は、バイアス電圧端子５０に印加される電圧よりも少なくとも１００倍、特に２００倍小さくてもよい。したがって、電流が、例えば通常の電流源及び／又は電圧源によってバイアス電圧端子５０に供給され得る。この場合、この電流は、５００ｍＶ以下、例えば１５０ｍＶ～２００ｍＶの範囲の電圧を有し得る。 さらに、電子回路１は、分圧器３０を含み、この分圧器３０は、第１経路４１に光検知器１０のアノード端子１１とバイアス電圧端子５０との間で配置されている。分圧器３０は、バイアス電圧端子５０に印加される入力電圧を、第１経路４１に沿って光検知器１０の方向に希望したバイアス電圧に低減又は分割するために使用される。 図示された実施の形態では、分圧器３０は、入力部３１、第１出力部３２及び第２出力部３３を有する。分圧器３０の入力部３１は、バイアス電圧端子５０に電気接続されていて、分圧器３０の第１出力部３２は、光検知器１０のアノード端子１１に電気接続されている。分圧器３０の第１出力部３２に提供される電圧は、分圧器３０の入力部３１に印加される電圧よりも例えば少なくとも１００倍、特に少なくとも２００倍小さい。 分圧器３０は、第１抵抗Ｒ１及び第２抵抗Ｒ２を有する。第１抵抗Ｒ１が、分圧器３０の入力部３１と分圧器３０の第１出力部３２との間に配置されていて、第１抵抗Ｒ１及び第２抵抗Ｒ２が、分圧器３０の入力部３１と分圧器３０の第２出力部３３との間に配置されている。 さらに、電子回路１は、接地端子６０を含み、この接地端子６０は、光検知器１０のアノード端子１１とバイアス電圧端子５０とに電気接続されている。この場合、分圧器３０の第２出力部３３は、接地端子６０に電気接続されている。 演算増幅器２０は、特に電圧制御型演算増幅器であり、トランスインピーダンス増幅器の一部として構成されている。これに応じて、電子回路１又はトランスインピーダンス増幅器は、帰還部を負帰還経路４３として含み、この負帰還経路４３は、演算増幅器２０の第２入力部２２と演算増幅器２０の出力部２３とを互いに電気接続する。この負帰還経路４３は、抵抗として直列接続された２つの抵抗Ｒ３，Ｒ４を有する。 さらに、電子回路１又はトランスインピーダンス増幅器は、分岐経路４４を有する。この分岐経路４４は、直列接続された２つの抵抗Ｒ３，Ｒ４間の領域４５内で負帰還経路４３とバイアス電圧端子５０とを互いに電気接続する。分岐経路４４は、分岐抵抗Ｒ５を有する。 したがって、バイアス電圧端子５０は、光検知器１０のアノード端子１１と演算増幅器２０の第１入力部２１とだけに電気接続されているのではなくて、負帰還経路４３と分岐経路４４とを介して光検知器１０のカソード端子１２と演算増幅器２０の第２入力部２２とにも電気接続されている。 この場合、好ましくは、負帰還経路４３及び分岐経路４４は、スイッチなしに構成されている。すなわち、特にスイッチ要素が、負帰還経路４３と分岐経路４４とに設けられていない。その結果、固定式の電気接続が提供される。 抵抗Ｒ３，Ｒ４及びＲ５を含む負帰還経路４３及び分岐経路４４は、演算増幅器２０と一緒にトランスインピーダンス増幅器を構成する。このトランスインピーダンス増幅器は、少なくとも１００×１０６Ω、例えば２００×１０６Ω以上の増幅率Ｇを有し得る。この場合、この増幅率は、抵抗Ｒ３，Ｒ４及びＲ５の抵抗値に依存する 図示された実施の形態では、電子回路１は、コンデンサＣをさらに有し、このコンデンサＣは、ローパスフィルタを構成するために負帰還経路４３の直列接続された２つの抵抗Ｒ３，Ｒ４に対して並列に配置されている。 したがって、欧州特許出願公開第３５８１８９８号明細書に記載の従来の技術と比較して、図１に示された電子回路１の実施の形態は、特にスイッチ要素を有しない。欧州特許出願公開第３５８１８９８号明細書では、２つのスイッチ要素が、フォトダイオードのアノード端子を選択的に、光電流測定モードにおいては演算増幅器の第１入力部と第１バイアス電圧端子とに接続し、温度測定モードにおいては接地端子に接続するように使用される。一方で、本発明の電子回路１は、分圧器３０を含む。これに応じて、分圧器３０は、光検知器１０のアノード端子１１への電気接続を選択的に分離又は切り替えるように構成されているのではなくて、持続する十分に低いバイアス電圧が、バイアス電圧端子５０を介して光検知器１０に供給され得ることを保証する。 さらに、欧州特許出願公開第３５８１８９８号明細書では、１つのスイッチ要素が、負帰還経路を選択的に、光電流測定モードにおいては第２バイアス電圧端子に接続し、温度測定モードにおいては第２バイアス電圧端子から分離するように使用される。一方で、本発明の電子回路１の負帰還経路４３及び分岐経路４４は、スイッチなしに構成されている。 この場合、特に、分岐経路４４は、バイアス電圧端子５０に固定接続されている。その結果、演算増幅器２０又はトランスインピーダンス増幅器の増幅率が不変に保持される。一方で、欧州特許出願公開第３５８１８９８号明細書におけるトランスインピーダンス増幅器の増幅率は、温度測定モードにおいては負帰還経路と第２バイアス電圧端子とを電気的に分離することによって低減される。 図２は、１つの実施の形態による光学式ガスセンサ１００を概略的に示す。この場合、光学式ガスセンサ１００は、電子回路１を含む。 さらに、光学式ガスセンサ１００は、ガスを収容するための測定セル１１０を含む。測定セル１１０は、ガスを光学式ガスセンサ１００の周囲から流入させるために、例えば少なくとも１つの外部開口部を有し得る。 さらに、光学式ガスセンサ１００は、光線を測定セル１００の方向に放射するために光源１２０を含む。特に、光源１２０は、赤外線、特に中赤外領域にある光線を放射するための赤外線源でもよい。 電子装置１の光検知器１０は、測定セル１１０を透過した光線の少なくとも一部を検知するように配置されている。この場合、測定セル１１０は、例えばその少なくとも一部を光源１２０と光検知器１０又は電子回路１との間に配置され得る。 こうして、光学式ガスセンサ１００は、測定セル１１０内のガス（例えば、二酸化炭素）を光学的に検知するために好適に構成され得る。特に、測定セル１１０内のガス含有量、例えばガス濃度が、測定セル１１０及びガスを透過した光線の少なくとも一部を検知することに基づいて測定可能であり得る。この場合、光検知器１０に到達し、測定セル１１０内のガスによって吸収及び／又は反射されない光線の検知可能な強度は、ガスの種類及び