JP2001304959A

JP2001304959A - 赤外線センサ

Info

Publication number: JP2001304959A
Application number: JP2000128202A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Yabe; 衛矢部; Koichi Furusawa; 光一古澤; Hidenobu Umeda; 秀信梅田
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2000-04-27
Filing date: 2000-04-27
Publication date: 2001-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】赤外線センサにおけるノイズの影響を低減す
ると共に組み立て性を向上させる。また、赤外線センサ
の計測精度を向上させる。【解決手段】赤外線検出素子２２をＯリングのような
弾性部材３４を介して基板２４に設け、同じく基板２４
に取り付けられたレンズホルダー２３に赤外線検出素子
２２を押しつける。レンズホルダー２３内に納めたフレ
ネルレンズ２５は、爪２９をレンズホルダー２３の内周
の溝３０に嵌合させることによってレンズホルダー２３
に位置決め固定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、赤外線センサに関
する。例えば、この赤外線センサは、鼓膜又は鼓膜近傍
の外耳道の温度を計測することにより非接触で正確に体
温を測定することができる体温計に適用することができ
るものである。

【０００２】

【背景技術】鼓膜は人体の内部温度を正確に反映してい
ることが近年明らかとなっていることから、赤外線セン
サを使用して鼓膜の温度を非接触で計測する体温計が近
年注目されている。このような耳式体温計によれば、人
体の内部温度を計測できるほか、体温の計測時間が短
い、計測精度が高いという利点もある。このような耳式
体温計としては、例えば特公平５−２８６１７号公報に
開示されたものがある。

【０００３】図１は上記公報に開示された耳式体温計１
の断面図、図２は該耳式体温計１のハウジング３内部に
納められている赤外線センサ２の構造を示す断面図であ
る。赤外線センサ２は、導波管４により、鼓膜５から放
射される赤外線を赤外線検出素子６へ導いて鼓膜５の表
面温度を計測するものである。図２に示すように、一様
な円筒形をした導波管４と赤外線検出素子６とは互いに
反対側から熱伝導ブロック７内に挿入されて一体化さ
れ、熱伝導ブロック７内で突き合わされている。赤外線
検出素子６は、導波管４と突き合わせた状態で固定する
ため、エポキシ樹脂８によって熱伝導ブロック７内に封
止されている。さらに、導波管４のうち熱伝導ブロック
７から露出している部分の外周は、空間９を隔てて低放
射率保護バリア層１０ａと低熱伝導層１０ｂからなるカ
バー１０で覆われている。

【０００４】この赤外線センサ２は、図１に示すよう
に、ハウジング３の先端部に納められてスタッド１１で
保持されており、赤外線センサ２の先端部はハウジング
３の先端から飛び出ている。ハウジング３の先端には、
赤外線センサ２の露出部分を覆うようにして、カップ状
をした使い捨てのスペキュラ１２が取り付けられてい
る。また、処理回路を構成されたプリント配線基板１３
は、ハウジング３の握り部分に納められており、ケーブ
ル１４によって赤外線検出素子６とつながれている。

【０００５】しかして、この耳式体温計１によれば、図
１のようにスペキュラ１２の部分を外耳道１５の入り口
に当てると、鼓膜５から放射された赤外線が導波管４の
内周面で導かれて赤外線検出素子６に達し、赤外線検出
素子６によって鼓膜５の表面温度が計測される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような耳
式体温計１にあっては、処理回路を構成されているプリ
ント配線基板１３と赤外線検出素子６とが離れているの
で、赤外線検出素子６とプリント配線基板１３とを結ぶ
ケーブル１４によって電磁波（ノイズ）を拾い易く、ノ
イズなどの影響を受けて体温を正確に測定することがで
きなかった。

【０００７】また、プリント配線基板１３と赤外線検出
素子６とが離れているので、ハウジング３内で両者を結
ぶケーブル１４の納まりを考慮する必要があり、さら
に、赤外線検出素子６のケーブル１４を取り出す部分に
エポキシ樹脂８を充填する必要があるので、耳式体温計
１の組み立て性が悪く、赤外線検出素子６の小型化も困
難であった。

【０００８】また、前記導波管４の内面は、ロス無く赤
外線を伝搬させるために鏡面加工されているが、実際に
は導波管４からの放射率をゼロにすることはできない。
そのため、導波管４に風が当たったりして導波管４と赤
外線検出素子６との間に温度差が生じると、赤外線検出
素子６は、導波管４の内面から放射される赤外線も検出
してしまい、誤差を生じるという問題があった。

【０００９】

【発明の開示】本発明は上記の技術的課題に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、赤外線セン
サにおけるノイズの影響を低減すると共に組み立て性を
向上させることにある。

【００１０】また、本発明の別な目的は、赤外線センサ
の測定精度を向上させることにある。

【００１１】そのため、本発明にかかる赤外線センサ
は、レンズホルダーに保持されたレンズで赤外線を赤外
線検出素子に集光させるようにした赤外線センサにおい
て、弾性部材を介して赤外線検出素子を基板に実装し、
弾性部材の反発力によって赤外線検出素子をレンズホル
ダーに押圧させている。ここで、弾性部材は、ゴム、軟
質樹脂等の弾性体によって形成された部材であって、赤
外線検出素子を均一に押圧することのできるものが好ま
しく、例えばＯリングなどが望ましい。

【００１２】本発明の赤外線センサによれば、赤外線検
出素子を基板に実装しているので、赤外線検出素子と基
板とを結ぶケーブルによってノイズを拾うことがなくな
り、赤外線の計測精度を向上させることができる。ま
た、赤外線検出素子を基板に実装しているので、赤外線
センサの組立性が良好になると共に赤外線センサの小型
化を図ることができる。

【００１３】また、弾性部材によって赤外線検出素子を
レンズホルダーに押圧しているので、赤外線検出素子と
レンズホルダーとの密着性と熱結合が良好となり、赤外
線検出素子と基板との温度差が小さくなって赤外線セン
サの計測精度を向上させることができる。

【００１４】さらに、弾性部材によって赤外線検出素子
をレンズフォルダに押しつけることにより、赤外線検出
素子とレンズホルダーに装着されるレンズとの距離のば
らつきを低減でき、入射赤外線を赤外線検出素子に正確
に焦点を結ばせることができる。

【００１５】また、本発明の一実施形態においては、前
記レンズホルダーの内部にレンズを納め、該レンズに設
けた係止部をレンズホルダーの内部に設けた被係止部に
係合させている。ここで、レンズの係止部とは、例えば
爪や突起などであって、被係止部とは、係止部と係合す
る溝や凹部等である。あるいは、被係止部が、爪や突起
などであって、係止部が被係止部と係合する溝や凹部等
であってもよい。

【００１６】この実施形態にあっては、レンズの係止部
をレンズホルダーの内壁に設けた被係止部に係合させて
いるので、レンズを精度良く位置決めすることができ、
レンズの焦点を正確に赤外線検出素子に合わせることが
できる。また、組立後にレンズがレンズホルダーから脱
落する可能性が少なくなる。さらに、レンズの係止部を
レンズホルダーの被係止部に係合させることによってレ
ンズを位置決めできるので、赤外線センサの組立性も良
好となる。

【００１７】また、本発明の別な実施形態においては、
前記レンズホルダーの赤外線入射部分の内壁に酸化アル
ミニウム被膜を形成している。ここで、レンズホルダー
の材質は特に限定されるものではない。また、酸化アル
ミニウム被膜は、黒色酸化アルミニウム被膜が望まし
い。

【００１８】この実施形態にあっては、レンズホルダー
の赤外線入射部分の内壁に酸化アルミニウム被膜を形成
しているので、レンズホルダーの軸心に対して斜めに入
射した光は、アルマイト処理された部分で吸収され、レ
ンズホルダーの内壁で反射して赤外線検出素子に達しに
くくなり、赤外線センサの視野特性が良好になる。

【００１９】なお、この発明の以上説明した構成要素
は、可能な限り組み合わせることができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の一実施形態による赤外線
センサ２１の断面を図３に示す。この赤外線センサ２１
は、赤外線検出素子２２とレンズホルダー２３を基板２
４に実装し、レンズホルダー２３内にフレネルレンズ２
５を取り付けて構成されている。以下、この赤外線セン
サ２１の構造を図３に従って説明する。

【００２１】レンズホルダー２３は、アルミニウム材に
よって筒状に形成されており、少なくともその内周面に
は黒色酸化アルミニウム被膜４３が形成されている。レ
ンズホルダー２３の前部には、フレネルレンズ２５を納
めるための比較的内径の大きな孔２６が開口され、レン
ズホルダー２３の後部には、赤外線検出素子２２を納め
るための比較的内径の小さな孔２７が開口されており、
前後の孔２６、２７はレンズホルダー２３内で互いに連
通している。また、前部の孔２６の内周には、フレネル
レンズを位置決めするための段部２８と、フレネルレン
ズ２５に設けられた爪２９を止めるための溝３０とが周
設されている。後部の孔２７の内周には、赤外線検出素
子２２を位置決めするための段部３１が設けられてい
る。

【００２２】赤外線検出素子２２は、レンズホルダー２
３内の後部の孔２７に挿入され、ケーシング３２に設け
られたフランジ３３を段部３１に当てることによってレ
ンズホルダー２３内に位置決めされ、さらにフランジ３
３と基板２４との間にゴムや軟質樹脂等の弾性材料から
なる弾性部材３４、例えばゴムのＯリングを挟んで基板
２４に実装されている。赤外線検出素子２２のリード２
２ａは、基板２４に設けられたスルーホール２４ａに圧
入され、半田付け等によって基板２４に固定されること
なく、スルーホール２４ａとの接触のみによって基板２
４の回路と導通し、それによって赤外線検出素子２２が
基板２４上の処理回路に接続されている。レンズホルダ
ー２３も、ネジ３５によって背面を基板２４に固定され
ている。弾性部材３４は、赤外線検出素子２２のフラン
ジ３３と基板２４との間に挟まれて圧縮されており、赤
外線検出素子２２は弾性部材３４の弾性反発力によって
レンズホルダー２３に押しつけられている。なお、図３
では、レンズホルダー２３は、ネジ３５によって１箇所
を基板２４に固定されているように見えるが、実際は３
箇所もしくは複数箇所をネジによって固定されている。

【００２３】基板２４の前面（赤外線検出素子２２及び
レンズホルダー２３が取り付けられている側の面）に
は、全体にグランド電位のプレーンパターン３６が形成
されており、レンズホルダー２３もプレーンパターン３
６に接触してグランド電位に保たれる。基板２４の背面
には、所定の配線パターンが形成されており、この上に
回路部品３７やコネクタ３８を表面実装することによっ
て処理回路が構成されている。回路部品３７全体は、シ
ールドカバー３９によって覆われており、このシールド
カバー３９もグランド電位に保つことにより、回路部品
３７（処理回路）はシールドカバー３９とプレーンパタ
ーン３６に囲まれて電磁シールドされ、ノイズの影響を
受けにくくなり、ノイズによる計測精度の低下を防止さ
れている。

【００２４】フレネルレンズ２５は、レンズホルダー２
３の前面開口部に入射する平行光を赤外線検出素子２２
に集光させるためのものである。フレネルレンズ２５
は、光学用樹脂のような屈折率の大きな樹脂によって成
形されており、その前面もしくは背面にレンズパターン
が形成されている。レンズパターンは、前面に設けられ
ていても背面に設けられていてもよいが、レンズパター
ンに汚れが付着するのを防止するためには、背面にレン
ズパターンを設けてレンズパターンが外部に露出しない
ようにしておくのが望ましい。フレネルレンズ２５の外
周部には、円筒部４０が延出され、円筒部４０の先端に
は複数箇所に爪２９が設けられている。しかして、フレ
ネルレンズ２５は、爪２９を内側へ撓ませるようにして
前面開口部からレンズホルダー２３内に挿入され、段部
２８に押し当てるようにして所定位置に位置決めされる
と共に爪２９を溝３０に嵌合させて抜け止めされてい
る。よって、フレネルレンズ２５を容易にレンズホルダ
ー２３に取り付けることができると共に振動や衝撃によ
ってもフレネルレンズ２５が位置ずれしたり、レンズホ
ルダー２３から脱落したりする恐れがない。

【００２５】しかして、この赤外線センサ２１にあって
は、測定対象物から輻射された赤外線がレンズホルダー
２３の前面開口から入射すると、レンズホルダー２３の
軸心に対して斜めに入射した赤外線は酸化アルミニウム
被膜４３によって吸収され、レンズホルダー２３の軸心
に平行に入射した平行光（赤外線）だけがフレネルレン
ズ２５によって集光されて赤外線検出素子の計測面に焦
点を結ばれる。そして、この赤外線を赤外線検出素子２
２で計測することによって測定対象物の温度が測定され
る。

【００２６】レンズホルダー２３の後部に挿入されてい
る赤外線検出素子２２は、金属ステム４１の上に実装さ
れた赤外線センサチップ４２をケーシング３２内に密閉
したものであって、赤外線センサチップ４２は、例えば
図４（ａ）（ｂ）に示すような構造を有している。すな
わち、この赤外線センサチップ４２は、シリコン基板５
０の上面に設けた凹所５１の上に薄膜状をした熱絶縁薄
膜５２を形成し、熱絶縁薄膜５２を介して凹所５１の上
方とシリコン基板５０の上方との間にサーモパイル（熱
電対列）５３を配線し、熱絶縁薄膜５２の上面に位置す
るサーモパイル５３の温接点領域を赤外線吸収体５４で
覆ったものである（このようなサーモパイル型赤外線セ
ンサチップについては、例えば、特開平２−２０５７２
９などに開示されている）。赤外線吸収体５４は、熱容
量の大きなシリコン基板５０と熱絶縁薄膜５２によって
熱的に絶縁されているので、赤外線センサチップ４２に
赤外線が入射して赤外線吸収体５４に吸収されると、赤
外線吸収体５４はシリコン基板５０に比べて温度が上昇
する。この温度をサーモパイル５３により直流電圧に変
換し、出力電極５５から出力する。

【００２７】この赤外線センサは、上記のように構成さ
れているので、以下に説明するような種々の特徴を有し
ている。図２に示したような導波管４を用いた従来例の
赤外線センサ２では、赤外線をロスなく伝搬させるため
に、導波管４の内面を鏡面加工して反射率を高くしてい
るが、実際には導波管４からの放射率をゼロにすること
はできない。そのため、導波管４と赤外線検出素子６と
の間に温度差があると、赤外線検出素子６は導波管４の
内面から放射される赤外線も検出してしまい、測定誤差
を生じる。

【００２８】これに対し、本発明にかかる赤外線センサ
２１では、斜めに入射した赤外線を酸化アルミニウム被
膜４３で吸収することによって平行な赤外線だけをフレ
ネルレンズ２５に入射させ、平行に入射した赤外光をフ
レネルレンズ２５により赤外線センサチップ４２に直接
焦点を結ばせているので、測定誤差を小さくすることが
でき、計測精度を向上させることができる。すなわち、
温度差によってレンズホルダー２３から赤外線が放射さ
れたとしても、レンズホルダー２３から放射された赤外
線は、フレネルレンズ２５によって赤外線センサチップ
４２から外れた位置に集光されるので、測定精度に影響
を与えない。

【００２９】また、レンズホルダー２３の赤外線入光部
の内壁には、黒色酸化アルミニウム被膜４３を形成して
いるので、レンズホルダー２３の内壁で反射した赤外光
が赤外線検出素子２２に入射しにくくなる。よって、測
定対象物以外の物体から放射された赤外線を赤外線検出
素子２２で測定することが少なくなり、赤外線センサ２
１の視野特性が良好になる。

【００３０】フレネルレンズ２５は、段部２８に位置決
めされた状態で、取付用の爪２９をレンズホルダー２３
の溝３０に嵌合されているので、フレネルレンズ２５が
レンズホルダー２３に確実に保持され、フレネルレンズ
２５の焦点を赤外線検出素子２２に正確に合わせること
ができる。また、振動や衝撃によってもフレネルレンズ
２５がレンズホルダー２３から脱落したり、位置ずれし
たりすることもない。さらに、フレネルレンズ２５をレ
ンズホルダー２３に挿入するだけでフレネルレンズ２５
をレンズホルダー２３に組み付けることができるので、
赤外線センサ２１の組立ても容易に行える。

【００３１】さらに、赤外線検出素子２２は、基板２４
との間に挟み込んだ弾性部材３４の弾性反発力によって
レンズホルダー２３に押しつけられ、レンズホルダー２
３に密着させられているので、レンズホルダー２３に位
置決め固定されているフレネルレンズ２５との位置関係
のばらつきが非常に小さくなり、フレネルレンズ２５の
焦点をより精度良く赤外線検出素子２２に一致させるこ
とができる。特に、弾性部材３４として環状のＯリング
を用いた場合には、赤外線検出素子２２に均一に弾性反
発力を及ぼすことができるので、赤外線検出素子２２は
全周にわたって均一にレンズホルダー２３に押しつけら
れ、赤外線検出素子２２が傾いたりすることもない。

【００３２】また、赤外線検出素子２２とレンズホルダ
ー２３との密着性を向上させることにより、赤外線検出
素子２２とレンズホルダー２３の熱結合性を向上させる
ことができるので、赤外線検出素子２２とレンズホルダ
ー２３の間の温度差を小さくすることができ、温度補正
をより正確に行なうことができ、赤外線センサ２１の測
定精度を向上させることができる。さらに、レンズホル
ダー２３の材質をアルミニウムにすることにより、熱伝
導を良好にできるので、温度補正をより正確に行うこと
ができる。

【００３３】これに対し、図４に示す比較例のように、
弾性部材を介することなく赤外線検出素子２２Ｒを基板
２４Ｒに取り付けた場合には、赤外線検出素子２２Ｒの
取り付け位置のばらつき（リード２２Ｒａの差込み深さ
のばらつき）によって赤外線検出素子２２Ｒがレンズホ
ルダーに密着せず、フレネルレンズの焦点が赤外線検出
素子２２から外れる恐れがある。あるいは、基板２４Ｒ
に取り付けたレンズホルダーが赤外線検出素子２２Ｒに
押されて基板２４Ｒから浮き上がる恐れがある。

【００３４】本発明の赤外線センサ２１では、赤外線検
出素子２２は処理回路を設けられた基板２４に直接実装
されているので、赤外線検出素子２２と基板２４との間
にケーブル等を引き回すことがなくなり、このケーブル
等によって電磁波（ノイズ）を拾うことがなくなり、Ｓ
／Ｎ比の向上により測定精度を向上させることができ
る。また、赤外線検出素子２２と基板２４が一体化され
ているので、赤外線センサ２１の組立性が良好になると
共に赤外線センサ２１を小型化することができる。

【００３５】これに対し、図１及び図２に示したような
従来例であると、赤外線検出素子６を固定するのにエポ
キシ樹脂８を充填する必要があり、樹脂の養生時間が必
要で組立性が悪くなる。また、赤外線検出素子６とプリ
ント配線基板１３とがケーブル１４で接続されているた
め、耐ノイズ性が悪くなる可能性がある。

【００３６】また、本発明の赤外線センサ２１では、基
板２４の前面側の全体にプレーンパターン３６を形成
し、レンズホルダー２３をプレーンパターン３６に圧接
させているので、熱風がレンズホルダー２３に当たるな
どの外乱により、レンズホルダー２３や赤外線検出素子
２２に過渡的な温度上昇が発生した時、このプレーンパ
ターン３６は熱容量の大きなヒートシンクの役目を果た
し、熱を吸収して外乱過渡熱に対する赤外線センサ２１
の安定性を高め、測定精度を良好にする。この他にも熱
容量の高いパターンなら同様の効果が見込める。さら
に、レンズホルダー２３の材質が熱伝導の良いアルミニ
ウムであれば、赤外線検出素子２２と基板２４との温度
差をより小さくでき、測定精度をより高めることができ
る。

【００３７】なお、図３では示していないが、この赤外
線センサを耳式体温計として使用する場合には、ケース
に納めて提供される。特に、レンズホルダーの外側は、
外耳道に挿入するのに適当なテーパのついた筒型カバー
で覆われる。

【００３８】

【発明の効果】本発明の赤外線センサによれば、赤外線
検出素子と基板とを結ぶケーブルによってノイズを拾う
ことがなくなり、赤外線の計測精度を向上させることが
できる。また、赤外線検出素子を基板に実装しているの
で、赤外線センサの組立性が良好になると共に赤外線セ
ンサの小型化を図ることができる。

【００３９】また、弾性部材によって赤外線検出素子を
レンズホルダーに押圧しているので、赤外線検出素子と
レンズホルダーとの密着性と熱結合が良好となり、赤外
線検出素子と基板との温度差が小さくなって赤外線セン
サの計測精度を向上させることができる。

【００４０】さらに、本発明によれば、弾性部材によっ
て赤外線検出素子をレンズフォルダに押しつけることに
より、赤外線検出素子とレンズホルダーに装着されるレ
ンズとの距離のばらつきを低減でき、入射赤外線を赤外
線検出素子に正確に焦点を結ばせることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の耳式体温計の構造を示す断面図である。

【図２】図１の耳式体温計内に納められている赤外線セ
ンサの構造を示す断面図である。

【図３】本発明の一実施形態による赤外線センサの構造
を示す断面図である。

【図４】（ａ）（ｂ）は図３の赤外線センサ内に納めら
れている赤外線センサチップの構造を示す平面図及び断
面図である。

【図５】本発明の赤外線センサの作用を説明するための
比較例を示す図である。

【符号の説明】

２１赤外線センサ２２赤外線検出素子２３レンズホルダー２４基板２５フレネルレンズ２９爪３０溝３４弾性部材（Ｏリング）３７回路部品４２赤外線センサチップ４３酸化アルミニウム被膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 35/32 Ｈ０１Ｌ 35/32 Ａ (72)発明者梅田秀信京都府京都市右京区花園土堂町10番地オムロン株式会社内Ｆターム(参考） 2G065 AA04 AB02 BA11 BB06 CA01 CA12 CA21 DA10 2G066 AC13 BA08 BA22 BB01 BB07 BB11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レンズホルダーに保持されたレンズで赤
外線を赤外線検出素子に集光させるようにした赤外線セ
ンサにおいて、弾性部材を介して赤外線検出素子を基板に実装し、弾性
部材の反発力によって赤外線検出素子をレンズホルダー
に押圧させたことを特徴とする赤外線センサ。
【請求項２】前記レンズホルダーの内部にレンズを納
め、該レンズに設けた係止部をレンズホルダーの内部に
設けた被係止部に係合させていることを特徴とする、請
求項１に記載の赤外線センサ。
【請求項３】前記レンズホルダーの赤外線入射部分の
内壁に酸化アルミニウム被膜を形成したことを特徴とす
る、請求項１に記載の赤外線センサ。