JP2000186963A

JP2000186963A - 赤外線センサー

Info

Publication number: JP2000186963A
Application number: JP10365654A
Authority: JP
Inventors: Satoru Inakagata; 悟田舎片; Hidetoshi Matsushita; 英敏松下; Takahiro Heiuchi; 隆博塀内; Toshiyuki Suzuki; 俊之鈴木; Hiroshi Yamanaka; 山中　　浩; Takahiro Iizawa; 貴浩飯澤
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1998-12-22
Filing date: 1998-12-22
Publication date: 2000-07-04

Abstract

(57)【要約】【課題】小型である上に精度が高いものとする。【解決手段】放射熱によって暖められて冷接点３を基
準とする起電力を発生する温接点２を備えた赤外線セン
サーである。温接点２と冷接点３とを分離して配置する
とともにその間を回路で接続する。温接点２の熱的影響
を冷接点３が受けてしまうことがない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は非接触で温度を計測
するための赤外線センサーに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】赤外線センサーは非接触で温度を測定す
ることができるために、近年、種々の応用がなされてい
るが、サーモパイル型赤外線センサーは、図２４に示す
ように、シリコン基板１上に温接点２と冷接点３とを構
成するとともに、温接点２はメンブレン１０上に配置す
ることで熱的に分離している。主材料は温接点２がポリ
シリコン、冷接点３がアルミニウムであり、熱電対と同
じように温接点２へ輻射された熱によって冷接点３との
間に起電力が生じて温度が電圧に変換される。

【０００３】ここにおいて、サーモパイル型の赤外セン
サーは、冷接点３の温度を基準にして熱起電力を発生す
るために、冷接点の絶対温度を何らかのかたちで測定す
る必要があり、このために図２４に示したものにおいて
も、サーミスタ４を熱的に結合させることによって、冷
接点３の温度に近似した環境温度を推定することができ
るようにしている。

【０００４】また、サーモパイルの場合の一対のセンサ
出力はきわめて小さく、１μＶ／℃以下であるために、
温接点と冷接点は数十対の直列回路で構成している。つ
まり、メンブレン１０上の温接点２とシリコン基板１上
の冷接点３とは薄膜形成された細い熱的導電物質により
接続している。この導電物質は、温接点２と冷接点３と
の材料がポリシリコンとアルミニウムであるように、往
路と復路とでポリシリコンとアルミニウムが交互に配置
される。このような構成をとることで、出力数十μＶ／
℃、インピーダンス５０〜数１００ｋΩの起電力を備え
たものとすることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、温接点２の近
傍に冷接点３を配置している関係で、温接点２が暖めら
れて熱を放出する時、冷接点３がこの熱の影響を受けて
しまい、温度測定精度が低下してしまう。

【０００６】また、近年、鼓膜の温度を測定する耳式体
温計が脚光を浴びている。このものでは腋下温や舌下温
より計測時間が短く、より深部の体温の測定が可能であ
るが、鼓膜付近を正確に見ることができないために精度
面での問題が残っている。

【０００７】つまり、現在の耳式体温計は、赤外線セン
サー部がヒートシンクによって覆われ、そこから伸びた
金属パイプ等の延長体で構成されているが一般的である
が、このような構造であると、延長体の先端での視野角
が狭くなり、耳孔内に挿入した時に少しの角度の違いで
外耳道の温度の低い部分を見ることになり、不具合が生
じる。また、成年の場合は外耳道がストレートになって
いない場合もあり、正確性に欠ける。

【０００８】このような精度面での問題を解決するため
にヒートシンクや金属パイプ等の延長体を取り除くこと
によって、耳に直接入れることができるようにした小型
のものも提案されているが、これは次のような問題を抱
えている。すなわち、センサー側からみれば、冷接点３
とサーミスタ４とは近くに存在するとともに熱的にもあ
る程度は結合されているが、お互いの熱容量の違いか
ら、急激な温度変化には追随できず、冷接点３の温度と
サーミスタ４の温度とが乖離するため、正確な温度測定
ができないのである。

【０００９】もちろん、上記乖離はヒートシンクを設け
ることで対処することができるが、この場合には外形寸
法が大きくなって、耳の孔内に入れることができず、金
属パイプ等による導光も必要となってしまう。

【００１０】本発明はこのような点に鑑みなされたもの
であって、その目的とするところ小型である上に精度が
高い赤外線センサーを提供するにあり、また冷接点と温
度センサーとの温度乖離現象を生じることがない赤外線
センサーを提供するにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】しかして本発明は、放射
熱によって暖められて冷接点を基準とする起電力を発生
する温接点を備えた赤外線センサーにおいて、温接点と
冷接点とを分離して配置するとともにその間を回路で接
続していることに特徴を有している。温接点の熱的影響
を冷接点が受けてしまうことがないようにしたものであ
る。

【００１２】温接点と冷接点及び接続用回路は一体型パ
ッケージに封入しておくことが好ましく、また、温接点
と冷接点との間に構造物を介在させての構造物に接続用
回路を設けておくとよい。ここにおける構造物は熱絶縁
物とすることが望ましい。また、構造物は接続用回路が
形成された立体回路基板とするとよい。

【００１３】冷接点と絶対温度検知素子とを熱的に結合
させておくのが好ましいのはもちろんであり、さらには
冷接点と絶対温度センサーとの温度をコントロールする
温度制御手段を備えたものとしてもよい。

【００１４】また本発明は、放射熱によって暖められて
冷接点を基準とする起電力を発生する温接点を備えた赤
外線センサーにおいて、温接点が一方の端面に配設され
且つ冷接点と絶対温度検知素子とが他方の端面に配設さ
れているとともに温接点と冷接点との間を接続する回路
が形成されている回路ブロックを備えていることに特徴
を有している。回路ブロックが温接点と冷接点との熱的
相互影響を遮断する。

【００１５】上記回路ブロックにはその表面に接続用回
路が設けられたもののほか、その内部を接続用回路が貫
通しているものを用いてもよい。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下本発明を実施の形態の一例に
基づいて詳述すると、本発明に係る温度センサーは、温
接点２と冷接点３とを分離して配置するとともにその間
にプラスチック等の熱絶縁物を介在させているもので、
図１に示すものにおいては、ヒートシンク５上にメンブ
レン１０を介して温接点２を配置しており、冷接点３は
ヒートシンク５の下方側に配した熱絶縁物５５の更に下
方側に配置し、温接点２と冷接点３とは前記従来例と同
様に数十対の直列回路で接続している（図６参照）。な
お、往復で接続するために、温接点２と冷接点３の対が
５０対あれば、１００本の配線で接続することになる。
また、これら配線は、ボンディングパッドに対してワイ
ヤボンディングされ、さらにプラスチック上に刑された
接続パターンを通じてもう一方のボンディングパッドよ
り冷接点側のボンディング面に対してワイヤボンディン
グされる。この配線は、熱起電力を正確に発生させるた
めに往路と復路とが夫々温接点材料と冷接点材料の延長
体とする必要があるが、これが不可能な場合は熱電対と
同様に補償導線材料で接続する。図中６は管、６０はシ
リコンフィルターであり、一体型のパッケージに封入し
ている。

【００１７】温接点２に光エネルギーが外部から供給さ
えると、サーモパイルによりエネルギー量に応じた発熱
がなされる。また熱電対材料のポリシリコンとアルミニ
ウムとの接合部ではゼーベック効果により熱起電力が発
生し、冷接点３との温度差によってその電圧が決まり、
逆に起電力から温接点２と冷接点３との温度差が求めら
れる。従って、冷接点３の温度をサーミスタ４によって
求めれば、温接点２の温度を求めることができる。

【００１８】温接点２と冷接点３とは５ｍｍ以上離して
設けることが好ましく、これに伴って熱絶縁物５５の厚
みを５ｍｍ以上としておくのがよい。また、温接点２と
冷接点３とが同一平面上にあると従来例で示したような
問題が生じることから、縦方向に分離する必要がある
が、理想的には耳孔に温接点２が入るものの耳の輻射を
受けない部分に冷接点３があれば問題は解決でき、セン
サー先端が外耳道の入り口から５ｍｍ以上入れば温接点
２は十分鼓膜温度を捉えることができる環境にあるの
で、その外側に冷接点３を配置するとよい。

【００１９】また、一体型のパッケージに封入した場
合、温接点２と冷接点３との間が非常にインピーダンス
が高く、出力も小さくてノイズに弱いために、酸化や結
露などによって劣化することを防止することができ、ま
た外来ノイズにより出力変動が起きるのを防止すること
ができる。酸化や結露防止には一般的にはアルゴンガス
やキセノンガスの封入がより効果的であり、また外来ノ
イズには管６をアースするのがより効果的である。

【００２０】図２に他例を示す。ここでは熱絶縁物５５
上にセンサー出力増幅やＡ／Ｄ変換、温度変換ソフトを
搭載したＣＰＵ等の回路５６を設けている。赤外線セン
サーの出力は数十μＶ／℃と非常に小さい上に、体温計
では０．１℃の分解能が要求されるために、ノイズによ
る影響を極力小さくする必要があるが、少なくともセン
サー出力を増幅するオペアンプをセンサーのすぐ近くに
配置するとともにデジタル化してしまうＡ／Ｄ変換回路
をセンサーのすぐ近くに配置することで、増幅率が１０
０〜数１００倍に達する場合でもノイズ耐性が高くな
る。

【００２１】そして、サーミスタ４のような絶対温度検
出素子を配置する場合は、図３に示すように、冷接点３
の近傍に熱的に結合させた状態で配置する。複数ある冷
接点３の中央部にサーミスタ４を配置すれば、冷接点３
の温度分布によるばらつきが低下してさらに安定した結
果を得ることができる。

【００２２】ところで、温接点２と冷接点３とを分離
し、冷接点３と絶対温度検出素子（サーミスタ４）を熱
的に結合させても、寒い戸外から急に暖かい部屋に入っ
た時のように環境温度が急激に変化した場合には、冷接
点３とサーミスタ４との熱容量の違いから従来のものと
同様の問題が生じてしまう可能性がある。この点につい
ては、図４に示すように、ペルチェ素子のような電子冷
却素子３４を冷接点３とサーミスタ４に熱的に結合させ
ればよい。熱容量の差を実際上は無視することができる
ようにしてしまうことができるものである。さらに別の
環境温度へ検出素子を使って環境温度を計測することに
よってこれら一定温度を環境温度近辺にコントロールす
ることで、温接点２との温度差を常に一定区間内に保つ
ことができ、精度保証をより正確にできる。

【００２３】図５に別の例を示す。基本的構成は上記の
ものと同じであるが、温接点２をＭＩＤ回路ブロックで
ある回路ブロック７の上面側に、冷接点３とサーミスタ
４とを回路ブロック７の下面側に配置し、温接点２と冷
接点３との間を回路ブロック７の外面に沿った金配線５
４を主体に行っている。図中５１はポリシリコン配線、
５２アルミニウム配線、５３は金によるボンディングワ
イヤである。金配線５４の様子を図７に示す。高密度な
配線を容易に行うことができる。図８に示すように、回
路ブロック７の内周側にも配線５４を設けることで、さ
らに高密度配線を行うことができる。

【００２４】図９に示すように、複数の回路ブロック７
を連結できるようにしておけば、組立式で構成すること
ができるために、製造が容易となってコストダウンを図
ることができる。

【００２５】熱電対材料としてアルミニウム配線とポリ
シリコンとを用いているが、回路ブロック７の部分の配
線が金であり、回路ブロック７の温接点２側と冷接点３
側とで温度が異なるために、アルミニウムとポリシリコ
ンだけを使用した場合に対して、温度差により発生する
熱起電力にキャリブレーションが必要（図１０参照）と
なる。従って、キャリブレーションを行って補正値ｔｃ
＝ｔ１’−ｔ１を求めることで、正確な測定を行うこと
ができる。もちろん、回路ブロック７においてもポリシ
リコンとアルミニウムとで配線すれば、上記キャリブレ
ーションは不要である。

【００２６】回路ブロック７は、たとえば樹脂ブロック
にめっきを施し、レーザーによって回路として必要な部
分のみを残して他の部分は除去するという方法で製造す
ると、非常に高速に回路形成を行うことができる。

【００２７】温接点２の発熱の冷接点３への伝導を抑え
るために、図１１に示すように、回路ブロック７内部に
回路ブロック７を形成する樹脂よりも熱容量の大きい材
料（たとえばアルミニウムブロック７３）を充填しても
良い。また、気体を通した熱伝導を抑えるために、図１
２に示すような通常の封止形態に代えて、図１３に示す
ように、温接点２側と冷接点３側とを個別に封止すると
よい。この時、図１４に示すように、冷接点３側を樹脂
７４で封止すると、金属で封止して内部に不活性ガスを
充填する場合よりも安価となる。

【００２８】温接点２と冷接点３との接続は、リード線
７５によって行ってもよい。図１５は外周面にリード線
７５の配線溝を備えた回路ブロック７を示している。多
数のリード線７５を的確に引きまわすことができる。な
お、リード線７５の端末は前述のボンディングパッドに
導電性ペーストなどを用いて行う。

【００２９】リード線７５の保持に成形品を用いずに、
図１６に示すように、被覆リード線７５を直接樹脂７６
で固めてブロックとしたものを用いてもよい。さらに低
コスト化を図ることができる。

【００３０】図１７に示すように、成形品７７に金属線
７８を圧入したり、図１８に示すように金属線７８をイ
ンサート成形した回路ブロック７を用いることもでき、
この場合は回路形成工程が無くなるために、より製造コ
ストを削減することができる。図１９に示すように、非
導電性樹脂８０と導電性樹脂８１とを二色成形すること
でも製造コストを削減することができる。

【００３１】図２０は温接点２及び冷接点３を封止する
ための管６の内壁に配線回路を形成したものを示してい
る。管６と接続回路との部品一体化を図ることができる
ためにコストダウンをつながる。

【００３２】図２１は複数の温接点２を図示のような配
置で設けて、その配置に合わせた位置になるように接続
用の回路ブロック７に突起８４を設け、突起８４部分で
温接点２とフェイスダウン実装できるようにしたものを
示している。ワイヤボンディングが不用である上に小型
化を図ることができる。

【００３３】図２２に示すように、フレキシブルプリン
ト基板８５に配線回路を形成して湾曲させることによっ
ても回路ブロック７を低コストで形成することができ
る。

【００３４】図２３に他例を示す。これは温接点２の周
りにお椀型の突起２６を設けてその内部にめっきを施し
て反射鏡２７を形成し、外部から照射される赤外線が効
率よく温接点２に集光されるようにしたもので、より正
確な測定が可能となる。

【００３５】

【発明の効果】以上のように本発明においては、放射熱
によって暖められて冷接点を基準とする起電力を発生す
る温接点を備えた赤外線センサーにおいて、温接点と冷
接点とを分離して配置するとともにその間を回路で接続
しているために、温接点の熱的影響を冷接点が受けてし
まうことがないものであり、このために冷接点の温度変
化が抑えられて測定精度が向上するものであり、また平
面的に温接点と冷接点とを展開するものではないことか
ら、小型のものを得ることができる。

【００３６】温接点と冷接点及び接続用回路は一体型パ
ッケージに封入しておくことが取り扱いや精度の点で好
ましく、また、温接点と冷接点との間に構造物を介在さ
せての構造物に接続用回路を設けておくと、ブロック化
による製造性の向上を得ることができる。ここにおける
構造物は熱絶縁物とすることが精度向上の点で望まし
い。また、構造物は接続用回路が形成された立体回路基
板とすると、温接点と冷接点との接続の合理化を図るこ
とができて、製造が容易となる。

【００３７】冷接点と絶対温度検知素子とを熱的に結合
させておくことで、より精度の高い測定を行えるもので
あり、さらには冷接点と絶対温度センサーとの温度をコ
ントロールする温度制御手段を備えたものとすれば、熱
容量の差による影響を排除することができる。

【００３８】また本発明は、放射熱によって暖められて
冷接点を基準とする起電力を発生する温接点を備えた赤
外線センサーにおいて、温接点が一方の端面に配設され
且つ冷接点と絶対温度検知素子とが他方の端面に配設さ
れているとともに温接点と冷接点との間を接続する回路
が形成されている回路ブロックを備えて、回路ブロック
が温接点と冷接点との熱的相互影響を遮断するものであ
り、また冷接点の温度と絶対温度検知素子の温度との乖
離を防ぐことができ、小型で高精度のものを得ることが
できる。

【００３９】そして上記回路ブロックにはその表面に接
続用回路が設けられたもののほか、その内部を接続用回
路が貫通しているものを用いてもよい。いずれにしても
高密度な配線を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例を示すもので、(a)
は断面図、(b)は部分平面図である。

【図２】同上の他例の断面図である。

【図３】同上の他例の断面図である。

【図４】同上の別の例の断面図である。

【図５】異なる例を示しており、(a)は平面図、(b)は側
面図、(c)は底面図である。

【図６】(a)(b)は同上の配線の説明図である。

【図７】同上の回路ブロックを示すもので、(a)は斜視
図、(b)は水平断面図である。

【図８】回路ブロックの他例を示すもので、(a)は斜視
図、(b)は水平断面図である。

【図９】回路ブロックの更に他例を示すもので、(a)は
斜視図、(b)(c)は平面図である。

【図１０】キャリブレーションについての説明図であ
る。

【図１１】他例の断面図である。

【図１２】さらに他例の断面図である。

【図１３】別の例の断面図である。

【図１４】さらに別の例の断面図である。

【図１５】回路ブロックの別の例を示すもので、(a)は
斜視図、(b)は水平断面図である。

【図１６】回路ブロックの更に別の例を示すもので、
(a)は斜視図、(b)は水平断面図である。

【図１７】回路ブロックの異なる例の斜視図である。

【図１８】回路ブロックの更に異なる例を示すもので、
(a)は斜視図、(b)は水平断面図である。

【図１９】回路ブロックの別の例の水平断面図である。

【図２０】別の例の断面図である。

【図２１】温接点と回路ブロックとの接合を示すもの
で、(a)は温接点の配置の説明図、(b)は接合を示す斜視
図である。

【図２２】回路ブロックの他例を示すもので、(a)は正
面図、(b)は斜視図である。

【図２３】別の例の部分断面図である。

【図２４】従来例を示すもので、(a)は断面図、(b)は部
分正面図である。

【符号の説明】

２温接点３冷接点４サーミスタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者塀内隆博大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者鈴木俊之大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者山中浩大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者飯澤貴浩大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内Ｆターム(参考） 2G066 AC13 BA08 BA41 BB11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】放射熱によって暖められて冷接点を基準
とする起電力を発生する温接点を備えた赤外線センサー
において、温接点と冷接点とを分離して配置するととも
にその間を回路で接続していることを特徴とする赤外線
センサー。
【請求項２】分離された温接点と冷接点及び接続用回
路は一体型パッケージに封入していることを特徴とする
請求項１記載の赤外線センサー。
【請求項３】温接点と冷接点との間に構造物を介在さ
せるとともに、この構造物に接続用回路を設けているこ
とを特徴とする請求項１または２記載の赤外線センサ
ー。
【請求項４】構造物は熱絶縁物であることを特徴とす
る請求項３記載の赤外線センサー。
【請求項５】構造物は接続用回路が形成された立体回
路基板であることを特徴とする請求項３または４記載の
赤外線センサー。
【請求項６】冷接点と絶対温度検知素子とを熱的に結
合させていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか
の項に記載の赤外線センサー。
【請求項７】冷接点と絶対温度センサーとの温度をコ
ントロールする温度制御手段を備えていることを特徴と
する請求項５記載の赤外線センサー。
【請求項８】放射熱によって暖められて冷接点を基準
とする起電力を発生する温接点を備えた赤外線センサー
において、温接点が一方の端面に配設され且つ冷接点と
絶対温度検知素子とが他方の端面に配設されているとと
もに温接点と冷接点との間を接続する回路が形成されて
いる回路ブロックを備えていることを特徴とする赤外線
センサー。
【請求項９】回路ブロックはその表面に接続用回路が
設けられたものであることを特徴とする請求項８記載の
赤外線センサー。
【請求項１０】回路ブロックはその内部を接続用回路
が貫通しているものであることを特徴とする請求項８記
載の赤外線センサー。