JP2001527644A - サーモパイル・センサ及びサーモパイル・センサを備えた輻射温度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、サーモパイル・センサ、特に、サーモパイル・センサを備えた輻射温度計または移動検出器に向けられる。サーモパイル・センサは、ハウジング内で支持されるサーモパイルを含む。その支持構造物を含む冷接点及び熱接点の熱容量及び支持構造物の熱伝導率は、相互に調整される。これにより、ハウジングの温度変化は、冷接点及び熱接点の温度内を等しい大きさの変化を生じ、サーモパイル内で温度勾配は生じない。

Description

【発明の詳細な説明】 サーモパイル・センサ及びサーモパイル・センサを備えた輻射温度計 技術分野 この発明は、サーモパイル・センサーに関し、特に、サーモパイル・センサー を備えた輻射温度計または移動検出器に関する。 背景技術 米国特許Ａ−４，７２２，６１２から、サーモパイル・デバイスを有している 赤外線温度計が知られている。サーモパイル・デバイスは、ディスク状の絶縁性 シート上にマウントされ、シートの中央には熱接点が配置され、円の形で冷接点 に囲まれている。シートはドーナツ型の熱伝導性の基板を横切って延び、サーモ パイルはシートの上側に位置し、基板はシートの下側に位置する。サーモパイル の熱接点が、ドーナツ型基板の中央開口部にある一方、サーモパイルの冷接点は シートの基板に支持される領域内にある。結果として、既知のサーモパイルにお いて、冷接点は熱接点によりも遙かに良好に基板と熱的に結合する。従って、冷 接点は、熱接点より数倍多い熱容量を有する。 既知の赤外線温度計が可変の周囲温度条件下で使用されるとき、赤外線温度計 のハウジングとサーモパイル・センサとの温度差が生じ、被測定熱放射に温度計 のハウジングの熱放射が重ね合わされ、これにより、測定結果が不正確となる。 加えて、温度差もサーモパイル・センサの内部に生じる。これは当然に、サーモ パイル・センサのハウジングは、熱伝導及び／又は対流のために温度変化を受け るからであり、次いで温度変化はサーモパイルの内側に広がってゆく。例えば、 サーモパイル・センサのハウジングが赤外線温度計のハウジングによって加熱さ れるとき、センサ・ハウジングは非常に速くサーモパイル・センサ内部の空気を 加熱する。しかし、次に対流によってサーモパイルの熱接点だけを加熱する。既 知のサーモパイル・センサーにおいて、冷接点はその高い熱容量によって強く熱 的に基板に結合し、実際には空気によって加熱されない。しかし当然に、基板と 冷接点は加熱されるが、これは、サーモパイル・センサーのハウジングからの熱 伝導によって比較的にゆっくり起こる。したがって、異なる速度で冷接点及び熱 接点は加熱され、すなわち、サーモパイル内でも温度勾配が生じ、温度測定プロ セスにおいて誤差を生じることになる。そのような誤りを補償するために、既知 の赤外線温度計は、構造物のような２つのサーモパイル・デバイスを含む。これ により、一方のサーモパイル・デバイスは被輻射物に露出され、他方は被輻射物 に露出されず、これらのデバイスは互いに対向して直列に接続される。 本発明の目的は、簡単な構成で、温度勾配に鈍感なサーモパイル・センサーを 提供することを目的とする。本発明の他の目的は、同じく簡単な構成で、周囲温 度変化に鈍感なサーモパイル・センサを有する輻射温度計を提供することを目的 とする。 発明の開示 本発明によれば、サーモパイルの冷接点及び／又は熱接点は周囲温度変化につ いて同じ速度で加熱又は冷却するように構成されたサーモパイル・センサによっ て、前記問題点が解決される。すなわち、支持構造物に配置されている冷接点及 び熱接点間の熱容量における相違は、ハウジングに関する冷接点及び熱接点の断 熱性の相違によって補償され、そして、熱接点の領域における熱伝導性に対する 熱容量の比率は、冷接点の領域における熱伝導性に対する熱容量の比率にほぼ相 当する。したがって、センサ・ハウジングからの熱伝導は、冷接点及び熱接点の 温度変化を均一にする。これにより、測定プロセスを誤らせる傾向にある、サー モパイル内で温度勾配が発生するのを防止する。ハウジング及びサーモパイル間 の熱伝導は、サーモパイルの支持物に沿った熱伝導によって及び対流及び輻射に よって起こる。熱接点及び冷接点の熱容量は、一方ではそれぞれの接点の質量及 び材料によって決定される成分と、他方では支持構造体に関する成分とからなる 。 本発明のサーモパイル・センサーは、高い熱容量の等温体に結合して複雑な熱 安定化を必要とせず、第１のサーモパイルに直列に接続される第２のサーモパイ ルの形態のたとえば、精巧な修正デバイスを必要としない利点を有する。結果と して、このサーモパイル・センサは、非常に小さくすることができ、例えば耳内 で人間の体温を測定する輻射温度計として、単一のプローブ・チップに構成する ことができる。 本発明のサーモパイル・センサーはまた、光導波管のないまたは短い光導波管 を備え、又は温度計ハウジングと一体に形成された輻射温度計として、特に好適 に使用できる。好適には、サーモパイル・センサのハウジングからの冷接点及び 熱接点の熱絶縁性は、本質的に等しく良好であり、両接点は支持構造体と共に本 質的に同一の熱容量を示す。ハウジングに関して冷接点及び熱接点を左右対称に 配置することによって、とりわけ単純な方法で所望の熱絶縁特性となる。 本発明のサーモパイル・センサーの好適な実施形態において、支持構造体は、 好適には低い熱容量で低い熱伝導性の膜、及びこの膜を支持するフレームを含む 。膜上には冷接点及び熱接点が配置され、その膜上での配置は、フレームと接触 してない領域内で行われる。したがって膜もまた、冷接点及び熱接点とハウジン グとの間で、熱絶縁の機能を提供する。 本発明のサーモパイル・センサにおいて、熱接点は冷接点よりも高い度合いで 被輻射物に露出され、またはその逆とされる。これは例えば、輻射パス内に冷接 点をシールドしているダイアフラムによって、または熱反射層を有する冷接点あ るいは熱吸収層を有する熱接点を提供することによって達成できる。他の局面に おいて、冷接点及び熱接点はサーモパイル・センサのハウジング内で対称に配置 され、これにより、センサについての輻射熱は、部分的に開口した輻射入口を通 って熱接点だけに到達する。しかし好適には、冷接点及び熱接点はサーモパイル ・センサのハウジング内で左右対称に配置されるが、輻射入口開口部は非対称で ある。 本発明の輻射温度計は、簡単に前述したサーモパイル・センサを利用する。サ ーモパイル・センサは、輻射温度計の輻射パス内に配置され、これにより熱接点 が冷接点より大きい度合いで被輻射物に露出され、またはその逆となる。この実 施形態の好適な局面では、輻射温度計は、輻射温度計の輻射パス内に、冷接点を シールドする手段を含む。これは例えば、ダイアフラムによって達成してもよい 。他の実施形態において、サーモパイル・センサーは、輻射温度計の輻射パス内 に非対称に配置される。 図面の簡単な説明 本発明は、サーモパイル・センサー及び赤外線温度計の実施形態に関して、以 下に図面を参照して説明する。更なる実施形態及び移動検出器は、詳細な説明内 に述べられる。 図において、図１は、本発明による第１のサーモパイル・センサの概略図であ る。 図２は、図１のセンサー要素の断面図である。 図３は、本発明による第２のサーモパイル・センサー要素の概略図である。 図４は、図３のセンサー要素の断面図である。 図５は、本発明による赤外線温度計の概略図である。 発明を実施するための最良の形態 図１及び２に概略的に示すサーモパイル・センサー要素１は、薄い膜３が固定 されたフレーム２を含む。サーモパイル１０、すなわちそれぞれ１つの冷接点１ １を及び１つの熱接点１２を有する一群の熱電対は、膜の上に実装されている。 冷接点は膜３の半分の位置に位置し、熱接点１２は他の半分に位置する。少なく とも冷接点及び熱接点の領域内で、２つの半分の領域はそれぞれ吸収層１５また は熱の良伝導層で覆われており、これにより、冷接点１１は一方の層の下に、熱 接点１２は他方の層の下に位置する。これらの層は、センサエレメント（要素） の感度を増大する。熱電対は、電気的に直列に接続され、かつ、等しい長さの２ つのリード１３を介して、フレーム２上のターミナルポイント１４に接続されて いる。周囲温度センサ４は、熱を良く伝えるように固定されている。 吸収層１５は、サーモパイルの輻射熱の吸収を改善する。本発明のサーモパイ ル・センサ要素の他の実施形態において、熱接点１２だけが吸収層で覆われてお り、さらに他の実施形態では、熱接点１２が吸収層で覆われ、かつ、冷接点が熱 反射層で覆われている。 図示されない本発明のサーモパイル・センサー要素の実施形態において、実際 に熱電対は膜の全表面に渡って分布しており、すなわち、熱接点及び冷接点は互 いに近接して並行して配置されている。これにより、比較的小さい膜上に実際に 非常に多数の熱電対を収容することができ、冷接点及び熱接点間の導体を非常に 短い長さで結合することができる。熱接点は、個々に熱吸収層で覆われているか 、または並置されたいくつかの熱接点が共通の熱吸収層で覆われている。一方、 冷接点は個々に熱反射層で覆われているか、または並置されたいくつかの冷接点 が共通の熱反射層で覆われている。 膜は、好適には、低熱伝導体、さらには低熱容量を有する材料で作られている 。冷接点及び熱接点を膜上に対称に配置するので、膜が低い熱伝導性であるにも かかわらず、フレームの加熱により冷接点及び熱接点の加熱は均一となる。これ により、本発明による冷接点及び熱接点の配置だけによって、多くともサーモパ イルの熱電対内で非常に小さな温度勾配が起こる。 膜３は、好適には１μｍより薄く、主に酸化シリコン及び窒化シリコンまたは 酸窒化シリコンで作製される。熱電対は、例えばポリシリコン／アルミニウム又 はｐ−ポリシリコン／ｎ−ポリシリコンでできている。フレーム２は、好適には シリコンでできている。したがって、電子機器の基板を提供してもよく、たとえ ば、サーモパイルからの信号出力を増幅する増幅器をフレーム上に設けることが できる。これらの増幅器はある程度の廃熱を生じるので、フレーム上サーモパイ ルに対称に配置する。これにより、サーモパイル内に熱勾配が生じるのを防止す る。 図３及び４は、本発明の他のサーモパイル・センサ要素１’を概略的に示し、 図１及び２に図示されるサーモパイル・センサ要素１とは、冷接点及び熱接点の 間で膜３の下にリブ部材２０を設けた点のみ異なる。好適な局面において、リブ 部材２０は、熱伝導的にフレーム２に接続しているか、又はフレーム２の一部を なす。このリブ部材は、冷接点及び熱接点間の熱伝導の量を減らし、これにより 、センサの動的な応答を改善する。加えて、リブ部材２０は、膜３をその中間で 支持することにより、膜３の機械的安定度を強化することに貢献する。 他の局面では、前述サーモパイル・センサ要素の冷接点及び／又は、感度を増 大するために接続導体よりも大きいサイズである。 図５に概略的に示される輻射温度計４０は、ハウジング４１の内部からサーモ パイル・センサが透けて見える窓４２を備えたハウジング４１を含む。特に有利 には、光導波管４３は直接サーモパイル・センサに到達し、従ってサーモパイル ・センサは光導波管４３のみが見える。これにより、サーモパイル・センサとは 異なる温度であるハウジング部分の輻射によって生じる測定誤差を、回避するこ とが可能となる。さらに、光導波管４３の放射率は、例えば、金メッキをするこ とによって減少させてもよい。 サーモパイル・センサは、輻射熱が透過し、その内部にサーモパイル・センサ 要素１，１’を受容する窓１９を有するハウジング１８を含む。検出される輻射 熱は、サーモパイル・センサ要素１，１’に向けられるので、輻射熱の大部分が サーモパイルの熱接点に衝突し、サーモパイルの熱接点及び冷接点間に温度差を 生じ、これは対応するセンサ出力信号を発生する。この目的のために、サーモパ イルの冷接点を覆うサーモパイル・センサの中又は上に、適切な手段（図５に図 示しない）が設けられる。あるいは、サーモパイル・センサ要素１，１’がハウ ジング１８内であって窓１９の後すなわち側部と置き換えて、非対称に配置され る。これにより、入ってくる輻射熱はサーモパイル・センサ要素１，１’に到達 できない。他の局面において、サーモパイル・センサは非対称に配置される、す なわち、光導波管４３の終端において側部と置き換えられる。 輻射温度計の輻射パスの完全な対称性は、前述したサーモパイル・センサ要素 の使用によって可能となる。ここで、熱接点は冷接点のそれとは異なる層で覆わ れている。特に有利には、熱接点は吸収層及び冷接点を備えている。 図に示されていない移動検出器において、サーモパイル・センサ要素は、ダイア フラムおよび／またはフォーカシング要素を備えている。そのため、窓を通り越 して動く熱い又は冷たい対象物は、センサ要素の冷接点及び熱接点によって交互 に検出され、対応するセンサ出力信号を発生する。基本的構造及び機能の型式は 、２つの連続して結合したサーモパイル・センサ要素を有する移動検出回路に対 応する。しかし、本発明によるセンサは、より単純で高価ではなく、さらに、二 分された２つのセンサの感度は同一である。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１１年４月２３日（１９９９．４．２３） 【補正内容】 請求の範囲 １．ハウジング、少なくとも１つの冷接点及び少なくとも１つの熱接点を有する サーモパイル、及びこれらの冷接点及び熱接点を支持する構造物を備えたサーモ パイル・センサであって、 ハウジングからの熱接点（１２）及び冷接点（１１）の熱絶縁特性は、本質的 に等しく良好であり、前記両接点はその支持構造物と共に本質的に同一の熱容量 を示すことを特徴とする請求項１に記載のサーモパイル・センサ。 ２．支持構造物は、冷接点及び熱接点が配置される少なくとも１つの膜（３）を 含み、前記膜は低熱容量及び低熱伝導率を有することを特徴とする請求項１に記 載のサーモパイル・センサ。 ３．支持構造物はさらに、膜（３）を支持するフレーム（２）を含み、フレーム （２）と接触していない領域内の膜（３）に冷接点及び熱接点が位置することを 特徴とする請求項２に記載のサーモパイル・センサ。 ４．ヒートシンク（２０）は、冷接点（１１）及び熱接点（１２）の間に設けら れ、かつ、熱伝導的にフレーム（２）に接続されるか、又はフレーム（２）の一 部を成すことを特徴とする請求項３に記載のサーモパイル・センサ。 ５．膜（３）は主に酸化シリコン及び窒化シリコンまたは酸窒化シリコンで作製 され、フレーム（２）は実質的にシリコンで作製され、電子回路、特に増幅器が フレーム（２）上に配置されることを特徴とする請求項３又は４に記載のサーモ パイル・センサ。 ６．熱吸収層または層を伝導する層は、良好に熱接点（１２）に適用されること を特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のサーモパイル・センサ。 ７．熱反射層は、冷接点（１１）に適用されることを特徴とする請求項１〜６の いずれか１項に記載のサーモパイル・センサ。 ８．冷接点及び熱接点は、ハウジング内で対称に配置されることを特徴とする請 求項１〜７のいずれか１項に記載のサーモパイル・センサ。 ９．冷接点及び熱接点又は輻射熱入口窓は、ハウジング内で非対称に配置される ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のサーモパイル・センサ。 １０．熱吸収層又は熱を伝導する層は、良好に冷接点（１１）に適用されること を特徴とする請求項９に記載のサーモパイル・センサ。 １１．周囲温度センサ（４）は、熱伝導的に支持構造物に接続していることを特 徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のサーモパイル・センサ。 １２．請求項１〜１１のいずれか１項に記載のサーモパイル・センサを備えた輻 射温度計。 １３．サーモパイル・センサは、熱接点が測定される輻射熱に冷接点よりも大き い程度露出され、またはその逆になるようにサーモパイル・センサが配置される ことを特徴とする請求項１２に記載の輻射温度計。 １４．輻射温度計の輻射パス内における冷接点を覆う手段が設けられることを特 徴とする請求項１３に記載の輻射温度計。 １５．サーモパイル・センサは、輻射温度計の輻射パス内に非対称に配置される ことを特徴とする請求項１３に記載の輻射温度計。 １６．請求項１〜１０のいずれか１項に記載のサーモパイル・センサを備えたこ とを特徴とする移動検出器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ハウジング、少なくとも１つの冷接点及び少なくとも１つの熱接点を有する サーモパイル、及びこれらの冷接点及び熱接点を支持する構造物を備えたサーモ パイル・センサであって、 前記サーモパイル及びその支持構造物は関係式Ｃｋ／Ｃｗ≒λｋ／λｗを満た し、ここで、Ｃｋは冷接点（１１）及びその支持構造物の熱容量であり、Ｃｗは 、熱接点（１２）及びその支持構造物の熱容量であり、λｋは、冷接点（１１） の領域における熱伝導率であり、及び、λｗは熱接点（１２）の領域における熱 伝導率であることを特徴とするサーモパイル・センサ。 ２．ハウジングからの熱接点（１２）及び冷接点（１１）の熱絶縁特性は、本質 的に等しく良好であり、前記両接点はその支持構造物と共に本質的に同一の熱容 量、すなわちλｋ≒λｗ、Ｃｋ≒Ｃｗを示すことを特徴とする請求項１に記載の サーモパイル・センサ。 ３．支持構造物は、冷接点及び熱接点が配置される少なくとも１つの膜（３）を 含み、前記膜は低熱容量及び低熱伝導率を有することを特徴とする請求項１又は ２に記載のサーモパイル・センサ。 ４．支持構造物はさらに、膜（３）を支持するフレーム（２）を含み、フレーム （２）と接触していない領域内の膜（３）に冷接点及び熱接点が位置することを 特徴とする請求項３に記載のサーモパイル・センサ。 ５．ヒートシンク（２０）は、冷接点（１１）及び熱接点（１２）の間に設けら れ、かつ、熱伝導的にフレーム（２）に接続されるか、又はフレーム（２）の一 部を成すことを特徴とする請求項４に記載のサーモパイル・センサ。 ６．膜（３）は主に酸化シリコン及び窒化シリコンまたは酸窒化シリコンで作製 され、フレーム（２）は実質的にシリコンで作製され、電子回路、特に増幅器が フレーム（２）上に配置されることを特徴とする請求項４又は５に記載のサーモ パイル・センサ。 ７．熱吸収層または層を伝導する層は、良好に熱接点（１２）に適用されること を特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のサーモパイル・センサ。 ８．熱反射層は、冷接点（１１）に適用されることを特徴とする請求項１〜７の いずれか１項に記載のサーモパイル・センサ。 ９．冷接点及び熱接点は、ハウジング内で対称に配置されることを特徴とする請 求項１〜８のいずれか１項に記載のサーモパイル・センサ。 １０．冷接点及び熱接点又は輻射熱入口窓は、ハウジング内で非対称に配置され ることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のサーモパイル・センサ 。 １１．熱吸収層又は熱を伝導する層は、良好に冷接点（１１）に適用されること を特徴とする請求項１０に記載のサーモパイル・センサ。 １２．周囲温度センサ（４）は、熱伝導的に支持構造物に接続していることを特 徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のサーモパイル・センサ。 １３．請求項１〜１２のいずれか１項に記載のサーモパイル・センサを備えた輻 射温度計。 １４．サーモパイル・センサは、熱接点が測定される輻射熱に冷接点よりも大き い程度露出され、またはその逆になるようにサーモパイル・センサが配置される ことを特徴とする請求項１３に記載の輻射温度計。 １５．輻射温度計の輻射パス内における冷接点を覆う手段が設けられることを特 徴とする請求項１４に記載の輻射温度計。 １６．サーモパイル・センサは、輻射温度計の輻射パス内に非対称に配置される ことを特徴とする請求項１４に記載の輻射温度計。 １７．請求項１〜１０のいずれか１項に記載のサーモパイル・センサを備えたこ とを特徴とする移動検出器。