JP5357733B2 - 赤外線式ガス検知器 - Google Patents

Description

本発明は、赤外線式ガス検知器に関するものである。

従来より、赤外線を放射する赤外光源と、当該赤外光源から放射される赤外線のうちで検出対象ガスが吸収する波長の赤外線のみを通過させる赤外線光学フィルタを介して赤外線を受光して、当該受光した赤外線量に対応したレベルの検出信号を出力する受光素子とを備えたガスセンサ装置がある（例えば、特許文献１，２参照）。

赤外光源は、半導体基板の一面に保持層を形成し、保持層に発熱体（フィラメント）を積層することで構成されており、発熱体に所定間隔でパルス電圧を印加して間欠通電させることによって、発熱した発熱体から赤外線が間欠的に放射される。

また、受光素子には焦電素子が用いられており、焦電素子は、赤外光線から受光した赤外線を光エネルギとして吸収し、その結果生じる電荷量の変化（焦電効果）を検出するいわゆる微分型の検出素子であり、受光した赤外線量の変化に応じた電流を出力する。

特開平９−７９９８０号公報 特開２００５−２０７８９１号公報

近年、赤外光源の駆動電力の低減のために、発熱体に印加するパルス電圧のパルス幅を短くすることが提案されているが、検知出力におけるＳ／Ｎ比が低下するという課題が生じていた。

本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、赤外光源の駆動電力の低減、検知出力のＳ／Ｎ比の向上を両立させることを可能とした赤外線式ガス検知器を提供することにある。

請求項１の発明は、半導体基板、前記半導体基板の一面に形成された薄膜状の保持層、前記半導体基板および前記保持層の一面によって囲まれた空間からなる気体層、前記保持層の他面に形成され通電されることによる発熱によって赤外線を放射する発熱体を具備する赤外光源と、前記発熱体を間欠に通電させる駆動回路と、前記赤外光源から所定空間内に放射された赤外線のうち、検出対象ガスに応じた所望の波長の赤外線を選択的に透過させる赤外線光学フィルタと、前記赤外線光学フィルタを介して受光した赤外線量の時間変化に応じた電気量を発生する微分型の受光素子と、前記受光素子が発生した電気量を所定空間内における前記検出対象ガスの量に応じた検出信号に変換する信号処理回路とを備え、前記赤外光源への通電がオフされてから次に通電が開始されるまでの非通電時において前記赤外光源が放射する赤外線量は低周波で減少し、この非通電時において前記赤外光源が放射する赤外線量の時間変化の周波数成分に対する前記信号処理回路のゲインは、当該周波数成分より高い周波数領域に対する前記信号処理回路のゲインより大きいことを特徴とする。

この発明によれば、発熱体の短パルス駆動によって、赤外光源の駆動電力の低減が可能となる。さらに赤外光源に気体層を設けることで、発熱体の昇温時における断熱性が向上するので、短パルス駆動でも、通電後の非通電時に放射される赤外線量を充分に確保でき、低周波で減少する赤外線を利用した低周波応答が可能となる。さらに、信号処理回路は、受光素子が発生する低周波の電気量に対して変換インピーダンス（ゲイン）の高い領域で動作し、検知出力は高いＳ／Ｎ比を得ることができる。すなわち、赤外光源の駆動電力の低減、検知出力のＳ／Ｎ比の向上を両立させることができる。

請求項２の発明は、請求項１において、前記受光素子は、前記赤外線光学フィルタを介して受光した赤外線量の時間変化に応じた電流を発生し、前記信号処理回路は、受光素子が発生した電流を容量性素子に充電することによって電圧に変換する電流電圧変換手段と、電流電圧変換手段の出力電圧を増幅する増幅手段とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、電流電圧変換手段は、受光素子が出力する低周波の電流信号に対して変換インピーダンス（ゲイン）の高い領域で動作し、出力電圧は高いＳ／Ｎ比を得ることができる。

請求項３の発明は、請求項２において、前記容量性素子の充電電荷を放電させるリセット手段を備えることを特徴とする。

この発明によれば、電流電圧変換手段は連続動作が可能となる。

請求項４の発明は、請求項２において、前記電流電圧変換手段は、反転入力端子に前記受光素子が接続され非反転入力端子に基準電圧源が接続された演算増幅器と、演算増幅器の反転入力端子と出力端子との間に接続した容量性素子と、演算増幅器の反転入力端子と出力端子との間に接続した直流帰還回路と抵抗との直列回路とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、電流電圧変換手段は、帰還回路時定数に応じた時間を要して動作点に戻り、連続動作が可能となる。

請求項５の発明は、請求項４において、前記直流帰還回路と抵抗との直列回路は、前記通電後の非通電時に赤外光源が放射する赤外線量の時間変化の周波数成分が低いほど大きい抵抗値を有することを特徴とする。

この発明によれば、赤外光源から通電後の非通電時に放射されて低周波で減少する赤外線に対して、電流電圧変換手段の出力電圧はより高いＳ／Ｎ比を得ることができる。

請求項６の発明は、請求項５において、前記抵抗は、スイッチトキャパシタで構成されることを特徴とする。

この発明によれば、抵抗値のばらつき、温度変化を小さくし、さらには熱雑音を抑制できて、電流電圧変換手段の出力電圧はＳ／Ｎ比がさらに向上する。

請求項７の発明は、請求項４乃至６いずれかにおいて、前記演算増幅器の非反転入力端子に接続された基準電圧源は、受光素子の基準電圧源を兼用することを特徴とする。

この発明によれば、基準電圧源によるノイズを相殺でき、電流電圧変換手段の出力電圧はＳ／Ｎ比がさらに向上する。

請求項８の発明は、請求項４乃至７いずれかにおいて、前記抵抗に並列接続して、抵抗両端の電位差を制限するリミッタ回路を備えることを特徴とする。

この発明によれば、電源投入から回路動作が安定するまでの間（回路安定時間）や、回路動作中に大きな外来ノイズが印加された場合等に動作点が飽和してしまうことを防止し、ガス検知動作を行うことができない不感状態の発生を防止できる。

請求項９の発明は、請求項１乃至８いずれかにおいて、前記駆動回路は、前記発熱体を間欠に通電させるパルス幅を、前記赤外光源の熱時定数と略同一に設定することを特徴とする。

この発明によれば、低消費電力とＳ／Ｎ比の向上を両立させることができる。

請求項１０の発明は、請求項９において、前記駆動回路は、前記発熱体を間欠に通電させるパルス幅を、前記発熱体の温度を所定値まで上昇させる期間と、発熱体の温度を所定値に維持する期間とで構成することを特徴とする。

この発明によれば、低消費電力とＳ／Ｎ比の向上をさらに両立させることができる。

請求項１１の発明は、請求項１乃至１０いずれかにおいて、前記駆動回路は、前記発熱体の１回の通電時に、複数回のバースト信号で発熱体を駆動することを特徴とする。

この発明によれば、高Ｓ／Ｎ比を実現することができる。

以上説明したように、本発明では、赤外光源の駆動電力の低減、検知出力のＳ／Ｎ比の向上を両立させることができるという効果がある。

実施形態１の赤外線式ガス検知器の構成を示す図である。 （ａ）（ｂ）同上のパルス電圧の波形、赤外線量の波形を各々示す図である。 同上の信号処理回路の回路構成を示す図である。 同上の変換インピーダンスの周波数特性を示す図である。 （ａ）（ｂ）同上の受光素子の電流信号波形、増幅回路の電圧信号波形を各々示す図である。 同上の信号処理回路の別の回路構成を示す図である。 （ａ）（ｂ）同上の受光素子の電流信号波形、増幅回路の電圧信号波形を各々示す図である。 実施形態２の信号処理回路の回路構成を示す図である。 同上の変換インピーダンスの周波数特性を示す図である。 （ａ）（ｂ）同上の受光素子の電流信号波形、増幅回路の電圧信号波形を各々示す図である。 （ａ）（ｂ）同上のスイッチトキャパシタの構成を示す図である。 同上の信号処理回路の別の回路構成を示す図である。 実施形態３の信号処理回路の回路構成を示す図である。 同上のリミッタ回路の回路構成を示す図である。 （ａ）〜（ｄ）実施形態４の短パルス駆動を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（実施形態１）
本実施形態の赤外線式ガス検知器は、図１に示すように、図示しないガス封入ケース内等の所定空間Ｚへ赤外線を放射する赤外光源１と、所定空間Ｚを透過した赤外線を受光する赤外線受光ユニット２と、赤外光源１から所定空間Ｚへ放射された赤外線が赤外線受光ユニット２で受光されるように赤外線を反射する２つの反射鏡３と、赤外光源１の赤外線出力（放射量、放射時間など）を制御する駆動部４とを備えており、検知対象ガスの分子構造から決定する吸収波長の赤外線の吸光度を計測することにより、所定空間Ｚにおける検知対象ガスの濃度を計測するものである。

赤外光源１は、上面に凹部１ｈを設けた半導体基板１ａと、半導体基板１ａの凹部１ｈの開口に形成された薄膜状の保持層１ｂと、半導体基板１ａの凹部１ｈおよび保持層１ｂの下面によって囲まれた空間からなる気体層１ｃと、保持層１ｂの上面に積層され、通電による発熱によって赤外線を放射する発熱体１ｄと、上記各部を収納するパッケージ１ｅと、発熱体１ｄ上に形成される通電用の一対の電極（図示無し）からパッケージ１ｅ外に突出した一対の端子ピン１ｆ，１ｆと、パッケージ１ｅの発熱体１ｄに対向する箇所に設けられて、発熱体１ｄが放射する赤外線をパッケージ１ｅ外に透過させるシリコンレンズ１ｇとを備えている。

半導体基板１ａは、単結晶のシリコン基板が用いられており、その上面の所定の領域をフッ化水素水溶液中で陽極酸化することにより多孔度が７０％の多孔質シリコン層（ポーラスシリコン層）からなる略矩形状の保持層１ｂが形成されている。発熱体１ｄは、ＴａＮまたはＴｉＮで形成されるが、他の窒化金属や炭化金属で形成してもよい。

そして、赤外光源１は、一対の端子ピン１ｆを介して発熱体１ｄに電圧が印加されると、発熱体１ｄが昇温し、発熱体１ｄの温度が上昇するにつれて発熱体１ａから放射される赤外線の量も増加する。次に、発熱体１ａの印加電圧がオフされると、発熱体１ｄが降温し、発熱体１ｄの温度が低下するにつれて発熱体１ａから放射される赤外線の量も減少し、赤外線の放射を停止する。本実施形態では、駆動部４が一対の端子ピン１ｆにパルス電圧を一定の時間間隔で出力することで、発熱体１ｄにパルス電圧を周期的に印加して通電している。すなわち、発熱体１ｄは、赤外線の放射と停止とを周期的に繰り返している。

さらに、本実施形態では、半導体基板１ａの凹部および保持層１ｂの下面によって囲まれた気体層１ｃが形成されており、気体層１ｃは、発熱体１ａにパルス電圧が印加されて、発熱体１ｄが昇温している期間には断熱性を有する空間として機能し、発熱体１ａの印加電圧がオフされて、発熱体１ｄが降温している期間には放熱性を有する空間として機能する。つまり、気体層１ｃを設けることで、発熱体１ｄへの印加電圧のオン・オフ（通電・非通電）による赤外線放射の応答性を高めることが可能になり、パルス電圧の印加周期の高周波化を図ることができる。

上記構成を有する赤外光源１から放射された赤外線は、赤外光源１および赤外線受光ユニット２の各々に対向して配置された反射板３，３を反射する多重反射の後、赤外線受光ユニット２に入射する。なお、赤外光源１と赤外線受光ユニット２とを互いに対向して配置し、反射板を用いずに、赤外光源１と赤外線受光ユニット２との間で赤外線の授受を直接行ってもよい。

次に赤外線受光ユニット２は、２つの焦電素子２１，２２を基板２３上に実装した受光素子２ａと、受光素子２ａが発生した電気量を所定空間Ｚ内における検出対象ガスの量に応じた検出信号に変換する信号処理を行う信号処理回路２４を基板２５上に実装した回路ブロック２ｂと、上記各部を収納するパッケージ２ｃと、パッケージ２ｃの受光素子２ａに対向する箇所に設けられて、赤外線をパッケージ２ｃ内に透過させる赤外線光学フィルタ２ｄと、信号処理回路２４からパッケージ２ｃ外に突出した給電用ピン、信号出力用ピン、グランド用ピンの３本の端子ピン２ｅとを備えている。

まず、赤外線光学フィルタ２ｄは、狭帯域透過フィルタ２６，２７、広帯域遮断フィルタ２８、フィルタ形成用基板２９とで構成されている。フィルタ形成用基板２９は、赤外線透過材料からなり、狭帯域透過フィルタ２６，２７はフィルタ形成用基板２９の一面に形成されており、焦電素子２１，２２にそれぞれ対向して互いに異なる所望の選択波長の赤外線を選択的に透過させる。具体的に、狭帯域透過フィルタ２６は、検出対象ガスの赤外線吸収波長帯の赤外線（検出光）を透過させ、狭帯域透過フィルタ２７は、検出対象ガスの赤外線吸収波長帯以外の赤外線（参照光）を透過させる。受光素子２ａは、２つ１組の焦電素子２１，２２を逆直列に接続して、検出光と参照光との差分を電流出力するので、検出対象ガスと吸収帯（吸収波長領域）が部分的に重なる雑ガスや赤外光源１の出力パワーのばらつきに起因した誤差を補正でき、さらには組をなす２つの焦電素子２１，２２の出力電流の直流バイアス成分を相殺することができる（つまり、検出対象ガスの濃度が零の場合には、受光素子２ａの出力電流も零となる）。

広帯域遮断フィルタ２８は、フィルタ形成用基板２９の他面に形成されており、各狭帯域透過フィルタ２６，２７により設定される赤外線の反射帯域よりも長波長の赤外線を吸収する。つまり、広帯域遮断フィルタ２８は、各狭帯域透過フィルタ２６，２７の選択波長よりも長波長の所定波長を超える赤外線を吸収する。したがって、広帯域遮断フィルタ２８において赤外線を吸収することにより発生した熱がパッケージ２ｃを介して放熱することにより、狭帯域透過フィルタ２６，２７の温度上昇や温度分布を抑制でき、低コストで高感度化が可能となる。また、本実施形態の赤外線式ガス検知器では、パッケージ２ｃ内に信号処理回路２４等の回路部品を含む回路ブロック２ｂを収納してあるが、回路部品の温度上昇により回路部品から放射されてパッケージ２ｃの内壁面で反射される赤外線を広帯域遮断フィルタ２８により吸収することができ、Ｓ／Ｎ比の向上による高感度化を図ることができる。

以下、上記構成を備える赤外線式ガス検知器の動作について詳述する。

まず、駆動部４は、赤外光源１の一対の端子ピン１ｆにパルス電圧を一定の時間間隔で出力することで、発熱体１ｄを周期的に通電してパルス電圧を印加している。このパルス電圧のパルス幅は、消費電力の低減を目的として短時間に設定されており、本実施形態では、焦電素子２１，２２の応答性に比べて短い時間に設定される。すなわち、焦電素子２１，２２が受光した赤外線量の時間変化に応じて電流を出力する応答時間に比べて短いパルス幅に設定され、駆動部４は、発熱体１ｄを短パルス駆動する。

図２（ａ）は、発熱体１ｄに印加されるパルス電圧の波形、図２（ｂ）は、発熱体１ｄが放射する赤外線量の波形を示しており、発熱体１ｄは、パルス電圧の印加期間Ｗ１（パルス幅）では赤外線量が曲線的に増加し、パルス電圧がオフして、次のパルス電圧が印加されるまでの非印加期間Ｗ２では、赤外線量がなだらかに減少する。非印加期間Ｗ２に放射される赤外線量は、気体層１ｃを有する赤外光源１の構造的な熱時定数によって、赤外線量の時間変化の周波数成分が決定され、この周波数成分は低周波数となる。

本実施形態は、赤外光源１に気体層１ｃを設けることで、発熱体１ｄの昇温時における断熱性が向上するので、駆動部４による短パルス駆動でも、非印加期間Ｗ２に放射される赤外線量を充分に確保できる。したがって、非印加期間Ｗ２に低周波で減少する赤外線を利用した低周波応答が可能となる。

そして、赤外線光学フィルタ２ｄを介して赤外線を受光した受光素子２ａは、検出光と参照光との差分の電流信号を回路ブロック２ｂへ出力する。回路ブロック２ｂの信号処理回路２４は、図３に示すように、受光素子２ａが出力する電流信号を電流−電圧変換する電流電圧変換回路２４ａ（電流電圧変換手段）と、電流電圧変換回路２４ａの出力電圧を増幅する増幅回路２４ｂ（増幅手段）とで構成されており、以下、信号処理回路２４について詳述する。

電流電圧変換回路２４ａは、受光素子２ａが基準電圧源Ｅ１を介して一端を接地し、他端は演算増幅器ＯＰ１の反転入力端子に接続しており、演算増幅器ＯＰ１の出力端子と反転入力端子との間には、帰還容量を形成するコンデンサＣｆ（容量性素子）を接続している。演算増幅器ＯＰ１の非反転入力端子には動作点を所定レベルに設定するための基準電圧源Ｅ２が接続され、出力端子は増幅回路２４ｂに接続される。

このような電流電圧変換回路２４ａは、容量性素子のインピーダンスを用いて電流−電圧変換を行い、図３の回路において、受光素子２ａからみたインピーダンスＺ（変換インピーダンスＺ）は、周波数ｆとすると、
Ｚ＝１／（２・π・ｆ・Ｃｆ）
で表される。また、図４はこの変換インピーダンスＺの周波数特性を示しており（図４の縦軸はｌｏｇ表示）、コンデンサＣｆが帰還容量を形成していることから、周波数ｆが低くなるにつれて変換インピーダンスＺは線形に増加している。

したがって、赤外光源１から非印加期間Ｗ２に放射される赤外線量の時間変化の周波数成分は、低周波数であることから、電流電圧変換回路２４ａは、受光素子２ａが出力する低周波の電流信号（図５（ａ）参照）に対して変換インピーダンスＺ（ゲイン）の高い領域で動作し、出力電圧は高いＳ／Ｎ比を得ることができる。したがって、電流電圧変換回路２４ａの出力を増幅する増幅回路２４ｂの出力電圧も高いＳ／Ｎ比を得ることができる。

而して、本実施形態の赤外線式ガス検知器は、赤外光源１の駆動電力の低減、検知出力のＳ／Ｎ比の向上を両立させることが可能となる。

しかし、図３に示す電流電圧変換回路２４ａでは、コンデンサＣｆの放電経路がないために、電流電圧変換回路２４ａの出力電圧は時間経過とともに飽和する。したがって、図５（ａ）に示す受光素子２ａが出力する電流信号波形に対して増幅回路２４ｂが出力する電圧信号波形も、図５（ｂ）に示すように時間経過とともに飽和する。

そこで、図６に示すように、ＭＯＳスイッチ等で構成されるスイッチ素子ＳＷ１（リセット手段）をコンデンサＣｆに並列接続し、スイッチ素子ＳＷ１を一定時間毎（電流電圧変換回路２４ａの出力電圧が飽和しない時間毎）にオンすることで、コンデンサＣｆを定期的に放電させる。すなわち、図７（ａ）に示す受光素子２ａの電流信号波形に対して、増幅回路２４ｂの電圧信号波形は、図７（ｂ）に示すようにスイッチ素子ＳＷ１のオンタイミングｔ１でリセットされ、電流電圧変換回路２４ａの動作が動作点に戻る。したがって、電流電圧変換回路２４ａは連続動作が可能となる。または、電流電圧変換回路２４ａの動作電源をオン・オフすることで、コンデンサＣｆを定期的に放電させる構成であってもよい。

（実施形態２）
本実施形態の赤外線式ガス検知器は、図８に示す電流電圧変換回路２４ａを備えており、電流電圧変換回路２４ａは、演算増幅器ＯＰ１の出力端子と反転入力端子との間に、直流帰還回路Ｋｄｃと入力抵抗Ｒｉとの直列回路を接続して、直流帰還を行っている。なお、実施形態１と同様の構成には同一の符号を付して説明は省略する。

直流帰還回路Ｋｄｃは、非反転入力端子に演算増幅器ＯＰ１の出力を接続した演算増幅器ＯＰ２と、演算増幅器ＯＰ２の出力端子−反転入力端子間に接続したコンデンサＣ１と、演算増幅器ＯＰ２の反転入力端子−基準電圧源Ｅ３間に接続した抵抗Ｒ１とからなる積分回路で構成され、演算増幅器ＯＰ２の出力が直流帰還回路Ｋｄｃの出力となって入力抵抗Ｒｉの一端に接続し、入力抵抗Ｒｉの他端は演算増幅器ＯＰ１の反転入力端子に接続している。

このような電流電圧変換回路２４ａは、バンドパスフィルタとして動作し、図８の回路において、受光素子２ａからみたインピーダンスＺ（変換インピーダンスＺ）の周波数特性は図９に示されており（図９の縦軸はｌｏｇ表示）、周波数ｆが低くなるにつれて変換インピーダンスＺは線形に増加するが、直流帰還回路Ｋｄｃが働いているため、帰還回路（コンデンサＣｆによる交流帰還と、直流帰還回路Ｋｄｃおよび入力抵抗Ｒｉからなる直流帰還とで構成される）の時定数τｄｃ［τｄｃ＝√（Ｒ１・Ｃ１・Ｒｉ・Ｃｆ）＝１／ωｄｃ］によって決まる周波数から下は逆に変換インピーダンスＺは下降していく。つまり、変換インピーダンスＺは、帰還回路時定数τｄｃによって定まる角速度ωｄｃでピークを持つようなカーブとなる。

そして、直流帰還回路Ｋｄｃおよび入力抵抗Ｒｉによる直流帰還により、図１０（ａ）に示す受光素子２ａの電流信号波形に対して、増幅回路２４ｂの電圧信号波形は、図１０（ｂ）に示すように、帰還回路時定数τｄｃに応じた時間を要して動作点に戻り、電流電圧変換回路２４ａは連続動作が可能となる。

さらに、直流帰還回路Ｋｄｃおよび直流抵抗Ｒｉによるフィードバック抵抗が大きいほど（図９中の変換インピーダンス特性Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３において、フィードバック抵抗の値はＸ１＜Ｘ２＜Ｘ３となり、ピークとなる角速度はωｄｃ１＞ωｄｃ２＞ωｄｃ３となる）、変換インピーダンスＺのピークが高くなり、電流電圧変換回路２４ａの出力電圧は高いＳ／Ｎ比を得ることができる。しかし、フィードバック抵抗が大きいほど、帰還回路時定数τｄｃが増大して、電流電圧変換回路２４ａの動作が動作点に戻るために要する時間が長くなり、赤外光源１の間欠駆動回数に影響を及ぼす。

そこで、直流帰還回路Ｋｄｃおよび直流抵抗Ｒｉによるフィードバック抵抗は、気体層１ｃを有する赤外光源１の構造的な熱時定数に基づいて設定される。すなわち、赤外光源１の構造的な熱時定数が大きい場合、フィードバック抵抗も大きい値に設定される。したがって、赤外光源１から非印加期間Ｗ２に放射されて低周波で減少する赤外線に対して、電流電圧変換回路２４ａの出力電圧はより高いＳ／Ｎ比を得ることができる。一方、赤外光源１の構造的な熱時定数が小さい場合、フィードバック抵抗も小さい値に設定され、帰還回路時定数τｄｃが減少して、電流電圧変換回路２４ａの出力電圧を高いＳ／Ｎ比に維持しながら、赤外光源１の間欠駆動回数を増加させることが可能となる。

また、図８に示す電流電圧変換回路２４ａの抵抗Ｒ１，Ｒｉを、スイッチトキャパシタで構成してもよい。スイッチトキャパシタは、一端を接地したコンデンサＣｓと、抵抗素子Ｒ（Ｒ１，Ｒｉ）の両端が接続されていた各電路Ｈ１，Ｈ２にコンデンサＣｓの他端を交互に接続するスイッチ素子ＳＷ２とで構成される（図１１（ａ）（ｂ）参照）。そして、クロック信号等を用いて、スイッチ素子ＳＷ２の接続先を電路Ｈ１，Ｈ２に交互に高速で切り換えることで、電路Ｈ１−Ｈ２間は擬似的に高抵抗となる。

ここで、赤外光源１から非印加期間Ｗ２に放射されて低周波で減少する赤外線に対応するには、高抵抗な抵抗Ｒ１，Ｒｉが必要であるが、このような高抵抗を実現可能な抵抗素子としてはノンドープポリシリコン抵抗がある。しかし、ノンドープポリシリコン抵抗は、抵抗値のばらつき、温度変化が大きく、さらには熱雑音が大きいという問題点がある。そこで、抵抗素子を用いることなく、上記のようなスイッチトキャパシタを用いることによって、抵抗値のばらつき、温度変化を小さくし、さらには熱雑音を抑制できて、電流電圧変換回路２４ａの出力電圧はＳ／Ｎ比がさらに向上する。

また図１２に示すように、１つの基準電圧源Ｅ４が、図８の３つの基準電圧源Ｅ１〜Ｅ３を兼用することで、受光素子２ａ、演算増幅器ＯＰ１，ＯＰ２の基準電圧源によるノイズを相殺でき、電流電圧変換回路２４ａの出力電圧はＳ／Ｎ比がさらに向上する。

（実施形態３）
本実施形態の赤外線式ガス検知器は、図１３に示す電流電圧変換回路２４ａを備えており、電流電圧変換回路２４ａは、リミッタ回路Ｋｔを入力抵抗Ｒｉに並列接続して、入力抵抗Ｒｉの両端の電位差を制限している。なお、実施形態２と同様の構成には同一の符号を付して説明は省略する。

電流電圧変換回路２４ａの帰還回路時定数τｄｃは、遅い時定数であり、電源投入から回路動作が安定するまでの間（回路安定時間）や、回路動作中に大きな外来ノイズが印加された場合等に動作点が飽和してしまうと、元の正常な状態に復帰するのに長い時間を必要となり、ガス検知動作を行うことができない不感状態になるという問題があった。

そこで、本実施形態のリミッタ回路Ｋｔは、入力抵抗Ｒｉの両端の電位差が所定電圧を超えた場合、入力抵抗Ｒｉの両端間を導通させることで、上記問題点を解決している。

リミッタ回路Ｋｔの回路例として、図１４に示すように、ＰＭＯＳトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２が互いに逆並列接続して、入力抵抗Ｒｉに並列接続している。入力抵抗Ｒｉは一端を直流帰還回路Ｋｄｃの出力に接続し、他端を演算増幅器ＯＰ１の反転入力端子に接続しており、ＰＭＯＳトランジスタＴｒ１は、ソース端子を直流帰還回路Ｋｄｃの出力端子に接続し、ゲート端子、ドレイン端子を演算増幅器ＯＰ１の反転入力端子に接続し、ＰＭＯＳトランジスタＴｒ２は、ゲート端子、ドレイン端子を直流帰還回路Ｋｄｃの出力端子に接続し、ソース端子を演算増幅器ＯＰ１の反転入力端子に接続している。また、ＰＭＯＳトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２の各基板端子は電源電位Ｖｃｃに接続されている。

そして、電源投入時は演算増幅器ＯＰ１の出力端子の電位が正側に変動しており、電源投入直後、演算増幅器ＯＰ１の出力端子および直流帰還回路Ｋｄｃの出力端子の各電位が上昇しようとすると、直流帰還回路Ｋｄｃの出力端子に接続したＰＭＯＳトランジスタＴｒ１のソース電位も同様に上昇する。そして、演算増幅器ＯＰ１の出力端子および直流帰還回路Ｋｄｃの出力端子の電位が２Ｖ付近まで上昇すると、ＰＭＯＳトランジスタＴｒ１のゲート−ソース間電圧がしきい値（負電圧）を超えて、ＰＭＯＳトランジスタＴｒ１がオンする。入力抵抗Ｒｉの両端がＰＭＯＳトランジスタＴｒ１によって短絡されると、演算増幅器ＯＰ１の出力端子および直流帰還回路Ｋｄｃの出力端子の各電位はそれ以上上昇しなくなり、飽和することなく低下する。したがって、電源投入して１〜２秒後には入力信号に対して正常に応答している。この動作は電源投入時のみでなく、演算増幅器ＯＰ１の出力端子の電位が正側に変動するような外来ノイズが印加された場合も同様である。

さらに、演算増幅器ＯＰ１の反転入力端子に負の電荷を与える外来ノイズが印加された場合には、演算増幅器ＯＰ１の出力端子の電位が負側に変動する。そして、演算増幅器ＯＰ１の出力端子および直流帰還回路Ｋｄｃの出力端子の各電位が０Ｖまで下がろうとすると、直流帰還回路Ｋｄｃの出力端子に接続したＰＭＯＳトランジスタＴｒ２のゲート電位も同様に下がる。そして、演算増幅器ＯＰ１の出力端子および直流帰還回路Ｋｄｃの出力端子の電位が１Ｖ付近まで下がると、ＰＭＯＳトランジスタＴｒ２のゲート−ソース間電圧がしきい値（負電圧）を超えて、ＰＭＯＳトランジスタＴｒ２がオンする。入力抵抗Ｒｉの両端がＰＭＯＳトランジスタＴｒ２によって短絡されると、演算増幅器ＯＰ１の出力端子および直流帰還回路Ｋｄｃの出力端子の各電位はそれ以上下がらなくなり、飽和することなく上昇する。したがって、外来ノイズ印加後約１〜２秒後には入力信号に対して正常な応答を行う動作に復帰している。

なお、本実施形態ではＰ型のＭＯＳトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２を用いて、各基板端子を電源電位Ｖｃｃに接続しているが、Ｎ型のＭＯＳトランジスタを用いる場合には、各基板端子をグランドに接続すれば同様に用いることができる。

また、図１４に示すリミッタ回路Ｋｔの構成は一例であり、入力抵抗Ｒｉの両端の電位差が所定電圧を超えた場合、入力抵抗Ｒｉの両端間を導通させるものであれば、他の構成であってもよい。

（実施形態４）
本実施形態では、実施形態１乃至３において、駆動回路４が発熱体１ｄに印加するパルス電圧について説明する。

赤外光源１に気体層１ｃを設けることで、発熱体１ｄの昇温時における断熱性が向上するので、駆動部４が発熱体１ｄを短パルス駆動する場合でも、非印加期間Ｗ２に放射される赤外線量を充分に確保でき、非印加期間Ｗ２に低周波で減少する赤外線を利用した低周波応答が可能となる。しかし、駆動部４が発熱体１に印加するパルス電圧のパルス幅が短いほど、パルス電圧を高電圧とする必要があり、高昇圧回路が必要となって、高昇圧回路自体の消費電力、耐圧性能、部品点数の増加が問題となる。

そこで本実施形態では、発熱体１ｄに印加するパルス電圧のパルス幅が長いほど、パルス電圧を低くでき、発熱体１ｄに供給する電力が小さくなることに着目した。すなわち、駆動部４は、発熱体１ｄに印加するパルス電圧のパルス幅を、気体層１ｃを有する赤外光源１の構造的な熱時定数に略等しくなるまで長くすることで、パルス電圧の低電圧化、省電力化を図っている。なお、この場合も、焦電素子２１，２２が受光した赤外線量の時間変化に応じて電流を出力する応答時間に比べて短いパルス幅に設定される。

例えば、図１５（ａ）（ｂ）（ｃ）は、駆動部４が発熱体１ｄに印加するパルス電圧のパルス幅をＷａ，Ｗｂ，Ｗｃと次第に長くし、パルス電圧の振幅をＶａ，Ｖｂ，Ｖｃと次第に低くした場合における、発熱体１ｄの温度Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃを各々示す。

図１５（ａ）は、駆動部４が発熱体１ｄに印加するパルス電圧のパルス幅が最も短いＷａであり、パルス電圧の振幅が最も高いＶａであって、発熱体１ｄの温度Ｔａは、目標温度である７００Ｋに最も速く達し、パルス電圧がオフした後の降温速度も最も速い。図１５（ｂ）は、駆動部４が発熱体１ｄに印加するパルス電圧のパルス幅が二番目に短いＷｂであり、パルス電圧の振幅が二番目に高いＶｂであって、発熱体１ｄの温度Ｔｂは、目標温度である７００Ｋに二番目に速く達し、パルス電圧がオフした後の降温速度も二番目に速い。

一方、図１５（ｃ）は、駆動部４が発熱体１ｄに印加するパルス電圧のパルス幅が最も長いＷｃであり、このパルス幅Ｗｃは、気体層１ｃを有する赤外光源１の構造的な熱時定数に略等しくなる。さらに、パルス電圧の振幅が最も低いＶｃであって、発熱体１ｄの温度Ｔｃは、目標温度である７００Ｋに最も遅く達し、パルス電圧がオフした後の降温速度も最も遅い。このように、発熱体１ｄをゆっくり熱変化させ、非印加期間Ｗ２に発熱体１ｄから放射される赤外線量をゆっくり変化させて、電流電圧変換回路２４ａのコンデンサＣｆに充電される電荷を増やしている。したがって、非印加期間Ｗ２に低周波で減少する赤外線を利用した低周波応答を効果的に活用でき、電流電圧変換回路２４ａの出力電圧はＳ／Ｎ比がさらに向上する。

また、パルス幅Ｗｃを赤外光源１の構造的な熱時定数に略等しくした場合、パルス幅は長くなるが、パルス電圧を低くでき、発熱体１ｄに供給する電力としては低減するので、低消費電力とＳ／Ｎ比の向上を両立させることができる。

また、図１５（ｄ）に示すように、図１５（ｃ）において、発熱体１ｄの温度Ｔｃが７００Ｋに達した後、パルス電圧の振幅をＶｃからＶｄに低下させた状態をパルス幅Ｗｄ継続させることで、発熱体１ｄの温度を７００Ｋに維持してもよい。このパルス電圧Ｖｄは、気体層１ｃを有する赤外光源１の構造的な放熱エネルギーを補充するための電圧である。したがって、電流電圧変換回路２４ａのコンデンサＣｆに充電される電荷をより増やすことができ、電流電圧変換回路２４ａの出力電圧はＳ／Ｎ比がさらに向上する。

例えば、気体層１ｃの厚みを５００μｍとした場合、赤外光源１の構造的な熱時定数は２５ｍｓとなり、パルス電圧Ｖｃ＝３．２Ｖのパルス幅Ｗｃ＝２０ｍｓ、パルス電圧Ｖｄ＝２．６Ｖのパルス幅Ｗｄ＝１０ｍｓとする。この場合、パルス幅Ｗｃにおいて発熱体１ｄの温度を７００Ｋまで上昇させるのに必要な電力は０．０３１Ｗとなり、パルス幅Ｗｄにおいて発熱体１ｄの温度を７００Ｋに維持するのに必要な電力は０．０２０Ｗとなる。

そして、駆動部４が、発熱体１ｄを２０ｓに一回短パルス駆動した場合、
０．０３１Ｗ×２０ｍｓ／２０ｓ＋０．０２０Ｗ×１０ｍｓ／２０ｓ＝４１μＷ
が、短パルス駆動１回当たりの消費電力となる。

また、駆動部４が、発熱体１ｄを３０ｓに一回短パルス駆動した場合、
０．０３１Ｗ×２０ｍｓ／３０ｓ＋０．０２０Ｗ×１０ｍｓ／３０ｓ＝２７μＷ
が、短パルス駆動１回当たりの消費電力となる。

（実施形態５）
実施形態１乃至３において、駆動回路４は、発熱体１ｄに印加する１回のパルス電圧を、バースト波を複数回連続させて構成してもよい。この場合、バースト波の連続回数分、電力消費は増大するが、Ｓ／Ｎ比もバースト波の連続回数分向上するので、電流電圧変換回路２４ａの出力電圧は、より高Ｓ／Ｎ比を実現することができる。

１ 赤外光源
１ａ 半導体基板
１ｂ 保持層
１ｃ 気体層
１ｄ 発熱体
１ｈ 凹部
２ 赤外線受光ユニット
２ａ 受光素子
２ｄ 赤外線光学フィルタ
２１，２２ 焦電素子
２４ 信号処理回路
４ 駆動部

Claims (11)

1. 半導体基板、前記半導体基板の一面に形成された薄膜状の保持層、前記半導体基板および前記保持層の一面によって囲まれた空間からなる気体層、前記保持層の他面に形成され通電されることによる発熱によって赤外線を放射する発熱体を具備する赤外光源と、
   前記発熱体を間欠に通電させる駆動回路と、
   前記赤外光源から所定空間内に放射された赤外線のうち、検出対象ガスに応じた所望の波長の赤外線を選択的に透過させる赤外線光学フィルタと、
   前記赤外線光学フィルタを介して受光した赤外線量の時間変化に応じた電気量を発生する微分型の受光素子と、
   前記受光素子が発生した電気量を所定空間内における前記検出対象ガスの量に応じた検出信号に変換する信号処理回路と
   を備え、
   前記赤外光源への通電がオフされてから次に通電が開始されるまでの非通電時において前記赤外光源が放射する赤外線量は低周波で減少し、この非通電時において前記赤外光源が放射する赤外線量の時間変化の周波数成分に対する前記信号処理回路のゲインは、当該周波数成分より高い周波数領域に対する前記信号処理回路のゲインより大きい
   ことを特徴とする赤外線式ガス検知器。
2. 前記受光素子は、前記赤外線光学フィルタを介して受光した赤外線量の時間変化に応じた電流を発生し、
   前記信号処理回路は、受光素子が発生した電流を容量性素子に充電することによって電圧に変換する電流電圧変換手段と、電流電圧変換手段の出力電圧を増幅する増幅手段とを備える
   ことを特徴とする請求項１記載の赤外線式ガス検知器。
3. 前記容量性素子の充電電荷を放電させるリセット手段を備えることを特徴とする請求項２記載の赤外線式ガス検知器。
4. 前記電流電圧変換手段は、反転入力端子に前記受光素子が接続され非反転入力端子に基準電圧源が接続された演算増幅器と、演算増幅器の反転入力端子と出力端子との間に接続した容量性素子と、演算増幅器の反転入力端子と出力端子との間に接続した直流帰還回路と抵抗との直列回路とを備えることを特徴とする請求項２記載の赤外線式ガス検知器。
5. 前記直流帰還回路と抵抗との直列回路は、前記通電後の非通電時に赤外光源が放射する赤外線量の時間変化の周波数成分が低いほど大きい抵抗値を有することを特徴とする請求項４記載の赤外線式ガス検知器。
6. 前記抵抗は、スイッチトキャパシタで構成されることを特徴とする請求項５記載の赤外線式ガス検知器。
7. 前記演算増幅器の非反転入力端子に接続された基準電圧源は、受光素子の基準電圧源を兼用することを特徴とする請求項４乃至６いずれか記載の赤外線式ガス検知器。
8. 前記抵抗に並列接続して、抵抗両端の電位差を制限するリミッタ回路を備えることを特徴とする請求項４乃至７いずれか記載の赤外線式ガス検知器。
9. 前記駆動回路は、前記発熱体を間欠に通電させるパルス幅を、前記赤外光源の熱時定数と略同一に設定することを特徴とする請求項１乃至８いずれか記載の赤外線式ガス検知器。
10. 前記駆動回路は、前記発熱体を間欠に通電させるパルス幅を、前記発熱体の温度を所定値まで上昇させる期間と、発熱体の温度を所定値に維持する期間とで構成することを特徴とする請求項９記載の赤外線式ガス検知器。
11. 前記駆動回路は、前記発熱体の１回の通電時に、複数回のバースト信号で発熱体を駆動することを特徴とする請求項１乃至１０いずれか記載の赤外線式ガス検知器。

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