JPH04501193A - 精密温度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 精密温度センサ ［発明の背景］ この発明は温度センサに関する。さらに詳しくは、この発明は温度に感度を有す るソリッドステートの温度センサに関するものであり、温度の関数として電圧を 出力する装置を提供している。出力電圧は数マイクロボルトが１°の何分の−の 値を表すような感度まで調節が可能である。この発明の装置では０．００１°Ｆ までの感度が実現可能である。

精密温度計測は一般にクォーツ式温度計などの装置によって行われる。クォーツ 式デバイスの正確さと精密さは他のタイプの精密センサよりも大きい。Ｎ　Ｂ　 Ｓ　（Ｎａｔｉｏｎａｌ　ＢａｒｅａＩｌｏｆ　５ｔａｎｄｕｄｓ）によれば有 用な分解能は０．００１　”　Ｆであり、この分解能によれば精密な計測を比較 的安定にかつ再現性よく行うことができる。しかし、こうしたクォーツシステム は一般に極めて高価である。非常に一般的なモデルはＨＰ２８０４Ａであり、実 験室においても非常に標準的なものとなっている。精密センサと見なし得る別の デバイスとしてはナショナル・セミコンダクタ・コーポレーション（ＮＮｉｏｎ ａｌＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｃｏ＋ｐｕａｔｉｏｎ）が提供しているＬＭ ３４シリーズがある。このデバイスはトランジスタ・カン（ｔｒａｎｓｉＮｏｒ Ｃ１ｌ＋１に納められた集積回路パッケージあるいは類似のＴＯ９２プラスチッ クパッケージを利用している。こうしたデバイスは１０ｍＶ／”Ｆの微小出力を 有し、代表値で±０．４°Ｆの公称精度を有している。プラチナ抵抗温度計（Ｒ ＴＤ）は一般に±０．１°Ｆの精度を有している。

少なくとも実験室条件において最下位の数字が約０．０００７６°Ｆを表すよう な精密電圧測定装置を用いることによって、この発明のセンサの出力電圧を読み 取ることができる。この発明の温度計測装置は、この明細書に開示されている温 度センサと競合する例として上述したクォーツ式温度計と同程度かあるいはそれ を上回るものであると考えられる。

ところが、この発明の装置はまったく異なるタイプの温度センサである。この装 置は好ましくはシリコンプレーナ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｐｌａｎａｒ）　Ｐ　Ｉ　 Ｎフォトダイオードを使用する。好ましくはフォトダイオードは２リード線（ｔ ｗｏ　Ｉｅｉｄ）のトランジスタ・カンの上に取り付けられており、一般的な寸 法の一つはＴＯ−１８パツケージと同じ大きさにすることができる。

別のデバイスはシーメンス（Ｓｉｅｍｅｎｓ）のＢＰＸ　６５であり、それに相 当するデバイスはＢＰＸ　６６である。二つのデバイスは若干特性が異なってい るが、その違いは重要なものではない。ところが、さらに小さいデバイスも存在 する。特に有用なものの一つであるＰＩＮフォトダイオードは、通常、レーザと 組み合わせて販売されている。レーザとフォトダイオードは共通の基板の上に取 り付けられており、フォトダイオードはレーザの後方への発光をモニタするため にレーザと隣接するように配置されている。この発明の一つの大きな特徴は、こ の発明の装置の制御によってレーザの出力ビームを制御するために、フォトダイ オードを使用していることである。

この発明が温度センサを目的としていることを思い起こすと、このセンサの一つ の重要な利用法はレーザ光源の温度を測定してレーザの動作を適切に制御するこ とである。レーザからの正確な発光強度は、レーザのポンピング電流などの多く の変量によって変化する。他の変量としてレーザ装置の温度がある。レーザを用 いである測定を行う場合、レーザの温度がドリフトしたり変動したりするとそれ らの測定を正確に行うことはできない。従って、レーザの温度を知ってレーザの パラメータを参照温度に対して安定化できるようにすることが望ましい。レーザ にモニタ用のＰＩＮフォトダイオードを付けることが一般に行われている。通常 、ＰＩＮフォトダイオードは光学的なフィードバックループを形成するように接 続され、レーザ電源装置から供給されるレーザ駆動電流を変調するようになって いる。それはそれでよいのであるが、温度ドリフトは無視されており、特に温度 ドリフトはこの特定のレーザを含む測定システムに対して決定的に重要になるか もしれないことが無視されている。この発明ではＰＩＮフォトダイオードの別の 利用法を考えており、フォトダイオードでレーザ及び周囲の構造体の温度を測定 して温度が安定化されていること、あるいは安定化されていないことを示すよう にできる。

この発明のＰＩＮフォトダイオードは温度センサとしての別の利用がなされてい る。ＰＩＮフォトダイオードはタイミング回路と接続されていて、レーザ電流供 給源を含む後方照射フィードバック経路からスイッチングで切り換えられ、次に 別の回路で温度ドリフトを表す入力信号を発生する。この目的のために、フォト ダイオードは支持基板あるいはベースの上に取り付けられている。通常、フォト ダイオードはレーザといっしょに取り付けられており、両者の動作温度が同じに なるようになっている。すなわち、それら二つの間には温度の差はない。レーザ とＰＩＮフォトダイオードを共通の基板の上に取り付けることは、出力をある程 度安定化する助けになる。フォトダイオードはフォトダイオードの中を流れる順 方向電流を発生する回路に接続されている。順方向電流は非常に正確に調節する ことができ、調節された電流はヌル状態を設定するために使用される。次に、温 度が変動すると、ＰＩＮフォトダイオードは直流電圧レベルに変動を生じ、この 電圧レベルは比較器として及びシステムをヌル状態にするために接続されている 適当なオペアンプによって変換され、最終的に出力信号を発生する。出力信号は 極めて良好に校正可能であり、０．００１　’　Ｆ当り数マイクロボルトの出力 が得られる。これは比較的簡単なデバイスとしては異常に感度がよい。

以上では温度センサについて述べたが、前述したようにそれはさらに別の利用法 も有する。すなわち、ＰＩＮフォトダイオードを設置して周期的に光照射の検出 を行うことができ、また容易に繰り返し温度計測を行うようにすることができる 。

上述したもの以外の目的及び利点については、図面及び以下の明細から明かとな ろう。

Ｃ図面の簡単な説明コ 上述したこの発明の特徴、利点、目的を実現するとともにそれらをより詳細に理 解してもらうために、添付図面に示された実施例を参照して、上で簡単にその概 要を述べたこの発明をさらに詳しく説明する。

しかし、添付図面はこの発明の代表的な例を示しているだけであり、従って発明 の範囲を制限しているのではないことに留意すべきである。この発明は同じよう に有効な他の実施例も許容するものである。

第１図に示された図面は、温度センサとしてのみ使用されたＰＩＮフォトダイオ ードに対する動作回路のブロック図である。

第２図に示された図面は、レーザの温度を制御しレーザの出力パワーを光学的に 調節するために使用される温度センサシステムのブロック図である。

〔実施例の詳細な説明〕

図面のうちまず第１図を参照する。図面において参照番号１０はこの発明の温度 センサ回路を表している。第２図においては、温度センサ回路はレーザ及びＰＩ Ｎフォトダイオード（すべて以下で説明する）を有するレーザ制御システムと併 せて説明されている。しかし、一般にレーザシステムは制御されたレーザシステ ム、特にレーザの電源から流れる制御電流を制御するためのオプティカルフィー ドバック制御システムに同じＰＩＮフォトダイオードを使・用する制御レーザシ ステムとして説明される。まず、この発明の装置を設置する物理的な状況を考え なければならない。参照番号１１は支持基板を表している。ＰＩＮフォトダイオ ード１２は支持基板１１の上に支持されており、この支持状態は図面では点線に よって示されている。同様に、支持基板１１にはレーザ１３も支持されている。

レーザは一般にその両端から光を出すような構造になっている。ＰＩＮフォトダ イオード１２はレーザの後ろ側からの発光によって照射されるように配置されて いる。すなわち、レーザは一方の端面から主要なビームを発光し、反対側の端部 から出る後方ビームはダイオードを照射する。レーザとダイオードの二つは非常 に近接して取り付けられており、共通の支持基板１１上のこれらレーザとダイオ ードとの間の隙間は数百ミクロンである。

支持基板１１は二つの光学部品を互いに近接した位置に保持しており、通常、そ れらは外乱光が入らないように遮蔽されている。こうしてフィードバック回路を 形成することができる。このようにＰＩＮフォトダイオード１２はレーザ光がＰ ＩＮフォトダイオード１２の上に照射されＰＩＮフォトダイオード１２によく知 られたフォトダイオード効果が得られるように配置されている。さらに、ＰＩＮ フォトダイオード１２はオプティカルフィードバック回路１６へ接続されておリ 、レーザの電源１７を制御して光の強度を制御する。このフィードバックループ はレーザビームの強度を安定化する助けになる。

しかし、レーザ１３は温度の影響を受ける。レーザ１３は温度の関数としてのド リフトを受ける。これはＰＩＮフォトダイオード１２についても言える。ＰＩＮ フォトダイオード１２もドリフトを受ける。このようにＰＩＮフォトダイオード １２は支持基板１１の上に取り付けられ、支持基板の温度と同じになる。通常、 ＰＩＮフォトダイオード１２はある種の接着剤を用いて取り付けられ、接着剤は ＰＩＮフォトダイオード１２のハウジングとレーザを支持基板１１へ固定してい る。スイッチ１９を動作させるタイマ回路１８がＰＩＮフォトダイオード１２の 接続を制御している。レーザがオフの場合には、明かにオプティカルフィードバ ック回路１６と電源１７を含むオプティカルフィードバックループは動作しない 。このとき、タイマはスイッチ１９がＰＩＮフォトダイオード１２を温度センサ 回路１０へ接続するようにスイッチングを行う。従って、この場合には温度計測 が行える。そのあと、タイマ１８回路をスイッチングして温度センサ回路内のＰ ＩＮフォトダイオードを接続して計測を行うことができる。

温度センサ回路１０（第１図参照のこと）において、ＰＩＮフォトダイオードの 動作部分は真性領域であり、特に順方向にバイアスを加えて動作される。電源は 参照番号２１で表されており、ダイオードへ電流を供給している。電流は非常に 安定化されている。ＰＩＮフォトダイオードを流れる正味の電流は数百マイクロ アンペアの範囲であり、典型的な値は５０−１００マイクロアンペアである。電 流は精密な部品を用いて安定化される。ＰＩＮフォトダイオード１２の両端の電 圧は導体３０に出力される。

導体３０はフォロワ増幅器３２へ入力される。ＰＩＮダイオード１２内における 微少な電圧変化の結果として生じるＰＩＮダイオード１２両端の微小信号変動は 、フォロワ増幅器３２に対する信号を形成する。フォロワ増幅器３２の出力は次 に別の増幅器３３へ供給される。増幅器３３は一対の端子３４両端における出力 信号を形成する。端子３４は以下で説明するように温度に比例する電圧を発生す る。さらに、この電圧は温度があるレベルを越えると測定電圧が正になるように 電圧を特定の点にゼロ補正することができる。

温度センサ回路１０の動作を考慮すべきである。タイマ回路１８はＰＩＮフォト ダイオード１２を温度センサ回路１０ヘスイツチングする。支持基板１１の温度 が変わると、その変化はＰＩＮフォトダイオード１２に伝わる。ＰＩＮフォトダ イオード１２のアノードにおける電圧は導体３０において測られ、フォロワ増幅 器３２に入力され、出力が変化する。

図に示されているシステムは比較的感度がよい。このシステムはちょうど０．０ ０１　”　Ｆの変化に対して端子３４においてマイクロボルトの振れを示すよう な感度にされる。スケールの値は変更することができる。例えば、与えられた状 況で予想される最小の温度でこの電圧が得られるようにする。温度がそのレベル よりも大きくなると端子３４においては正の電圧が観測され、この電圧は温度の 増加量に正確に比例する。マイクロボルトのレベルまで測定可能な精密測定機器 を利用して、出力電圧を即座に測定し上述した精度で温度の増大変化に変換する ことが可能である。

この発明の温度センサ回路１０は数ナノセカンドの応答時間を有する。従って、 タイマ回路１８はなんらの困難もなく頻繁にスイッチングを行うことができる。

一般に、まず温度を計測し、次にＰＩＮフォトダイオード１２を温度センサ回路 １０からオプティカルフィードバック回路に接続してレーレーザの温度を正確か つ精密に測定したあとすぐにレーザを動作させることができる。これは、ＰＩＮ フォトダイオード１２とレーザ１３が共通のパッケージの中に収容されており接 着剤などを用いて支持基板１１の上に取り付けられている場合は特に都合がよい 。第１図の温度計測回路の一つの使用例が第２図に示されている。第２図におい て端子３４からの出力は選択した温度でレーザ１３を安定化させるためのヒータ に加えられる。一般に、この温度安定化においては、支持基板１１の温度を特定 のレベルまで加熱し、レーザ１３をその支持基板１１の温度に追随させることが 行われる。

以上ではこの発明の詳細な説明したが、発明の範囲は以下の請求の範囲によって 決まるものである。

国際調査報告 ｌＡＩＮＭ１１６Ｍ喝＾ｐ１ｐ１に嘗１＋ロー”’ＰＣｒ／ＵＳ９０１０３１％

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. １．ａ）照射可能な光束を発光するレーザと、ｂ）近くに配置された前記レーザ に曝されていて前記レーザからの照射光を受容するフォトダイオードと、ｃ）レ ーザの電源に制御信号を与えるために前記フォトダイオードへ接続されているオ プティカルフィードバック制御装置と、 ｄ）前記フォトダイオードによって測定された制御を受ける前記レーザを動作さ せるために前記オプティカルフィードバック制御装置へ選択的にスイッチングさ れる装置と、を有し、前記レーザの電源が前記レーザを動作させるために制御さ れたパワーを供給し、前記フォトダイオード及び前記レーザが同じ温度になるよ うに支持されているレーザ制御システム。
2. ２．前記レーザ及びフォトダイオードがその間でレーザ光結合を生じるように近 接して配置され、前記フォトダイオードが一対の端子を有し、これら端子が前記 フォトダイオードを前記オプティカルフィードバック制御装置へ接続させること のできるスイッチ装置と接続されている請求の範囲第１項記載のレーザ制御シス テム。
3. ３．前記スイッチ装置を周期的に動作させて前記フォトダイオードを前記オプテ ィカルフィードバック制御装置へ接続させるためにタイマ装置が設けられている 請求の範囲第２項記載のレーザ制御システム。
4. ４．前記フォトダイオードがフォトンに対して感度を有する請求の範囲第１項記 載のレーザ制御システム。
5. ５．前記フォトダイオードが前記レーザの光束に曝された光アドミッティング装 置を有するＰＩＮフォトダイオードである請求の範囲第１項記載のレーザ制御シ ステム。
6. ６．前記フォトダイオードが順バイアスの方向に接続されている請求の範囲第１ 項記載のレーザ制御システム。
7. ７．前記スイッチ装置がこのスイッチ装置を介して前記フォトダイオードへ回路 接続されている温度測定装置へ前記フォトダイオードを交互に接続し、前記温度 測定装置の出力が前記フォトダイオードの温度に比例した信号である請求の範囲 第１項記載のレーザ制御システム。
8. ８．前記温度測定装置がタイマ装置の制御のもとに前記スイッチ装置によって前 記フォトダイオードへ接続されている請求の範囲第７項記載のレーザ制御システ ム。
9. ９．前記タイマ装置が前記フォトダイオードをまず前記温度測定装置に接続し、 次に前記オプティカルフィードバック制御装置へ接続する請求の範囲第８項記載 のレーザ制御システム。
10. １０．ａ）一対の端子を有するＰＩＮダイオードと、ｂ）前記ＰＩＮダイオード へ接続されたバイアス電流発生装置と、 ｃ）電圧差測定装置と、 ｄ）前記ダイオードを位置付けするための位置付け装置と、を有し、前記バイア ス電流発生装置が前記ＰＩＮダイオードに安定化された特定のレベルの電流を順 方向に流し、この電流のレベルが前記ＰＩＮダイオードの両端に順方向の降下を 発生し、前記電圧差測定装置が前記ＰＩＮダイオード両端の電圧の変化を測定し てこの変化を表す出力信号を発生し、前記ＰＩＮダイオードを位置付けするため の位置付け装置が測定される温度に前記ＰＩＮダイオードを曝すように位置付け していて前記ＰＩＮダイオードがその温度になるような温度センサ。
11. １１．前記ＰＩＮダイオードが特定の幅を有する真性領域を有し、前記ＰＩＮダ イオードの端子両端の電圧が第１と第２の温度の間で温度に対してリニアな関数 である請求の範囲第１０項記載の温度センサ。
12. １２．前記ＰＩＮダイオードに対する前記バイアス電流発生装置が前記ＰＩＮダ イオードと直列に接続された定電流源を有し、前記ＰＩＮダイオードの中を順方 向に電流が流れ、前記ＰＩＮダイオード両端の電圧が温度によって低下する請求 の範囲第１１項記載の温度センサ。
13. １３．縦続直列に多段に接続された増幅器が設けられ、この増幅器の一つが正及 び負の端子を有する請求の範囲第１０項記載の温度センサ。
14. １４．前記増幅器の中に直列に接続された出力直流増幅器が設けられている請求 の範囲第１３項記載の温度センサ。
15. １５．前記位置付け装置が前記ＰＩＮダイオードを支持部材に取り付ける装置を 有し、かつ前記ＰＩＮダイオードに対するハウジングを有する請求の範囲第１０ 項記載の温度センサ。