JP2002195885A - 赤外線センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷接点の温度を一定に保持することにより環
境温度の変化による悪影響を積極的に回避し、従来にお
けるような金属ホルダーの使用を回避でき、かつ、寸法
的により一層小型化することにより、従来におけるよう
な金属導波管を用いることなしに測定プローブの先端に
取り付けることができ、測定誤差を実質的にゼロにでき
る赤外線センサーを提供する。 【解決手段】 サーモパイルは、その内部に開口を有す
る総体的に板状のヒートシンクと、ヒートシンクの上面
側の開口上に配置される赤外線吸収膜と、ヒートシンク
に接合された冷接点と赤外線吸収膜に接合された温接点
とを有する熱電対とを含み、サーミスタはヒートシンク
の下面側に積層されて一体化される。ヒートシンクはサ
ーモパイル出力がゼロになるようにサーミスタまたはサ
ーミスタの下面側に積層された加熱素子によって加熱さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非接触で測定する
体温計に使用される赤外線センサーに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】この種の赤外線センサーは、図８および
９に示すように、サーモパイルＡとサーミスタＢがキャ
ンＣ内に隣接して設けられている。サーモパイルＡは、
その内部に開口を有する板状のヒートシンクＤと、ヒー
トシンクＤの開口位置に配置される赤外線吸収膜Ｅと、
冷接点をヒートシンクＤに接合されかつ温接点を赤外線
吸収膜Ｅに接合された熱電対Ｆとから構成されている。
キャンＣの頂部には赤外線フィルタＧが設けられてお
り、被測定物から発せられる赤外線が赤外線フィルタＧ
を通って赤外線吸収膜Ｅに吸収されると、赤外線吸収膜
Ｅの温度が変化する。この赤外線吸収膜Ｅの温度変化を
熱電対Ｆのゼーベック効果により電気信号として取り出
すことによって、基準温度となるヒートシンクＤと被測
定物との間の温度の差を検出する。これと同時に、サー
ミスタＢの抵抗値を測定して赤外線センサー自体の温度
を検出し、熱電対Ｆによって計測された温度からサーミ
スタＢで計測された温度を足すことにより被測定物の温
度を求めている。

【０００３】このように構成されたサーモパイルＡは、
被測定物からの赤外線を吸収するだけでなく、キャンＣ
の頭部の壁面から放射されている赤外線もまた吸収して
しまう。通常、キャンＣの頭部の壁面は赤外線センサー
自体と同一の温度と理論上みなすこともできるが、実際
には外部からの要因で急激な温度変化が与えられると、
キャンＣの頭部と赤外線吸収膜Ｅとの間に温度差が生じ
てしまい、結果として出力が過渡的に不安定になり、意
図しない不要な電圧を出力してしまう。

【０００４】このため、従来の赤外線センサーを使用し
た体温計では、図１０に示すように、赤外線吸収膜Ｅに
温度変化が均一で緩やかに加わるように、赤外線センサ
ーを熱伝導度が良好な金属ホルダーＨ内に設置し、さら
に空気やプラスチック等の断熱部材Ｉ，Ｊで包み、そし
て、放射率が限りなく小さくなるように金メッキされた
金属導波管Ｋを赤外線センサーの前面に設け、被測定物
よりの熱輻射の影響が小さくなるように構成されてい
る。また、冷接点温度補償用のセンサーとして用いられ
るサーミスタＢは、熱電対Ｆの冷接点との間の熱結合が
悪いと温度差を生じて正確な計測ができなくなるため、
サーミスタＢを同一のキャンＣ内に取り付け、冷接点と
サーミスタとの熱結合度を高めるように構成する必要が
あった。

【０００５】また、従来の赤外線センサーでは、環境温
度の上昇中、赤外線センサーと被測定物との間に金属導
波管Ｋの長さ分の離間間隔があるため、赤外線センサー
と金属導波管Ｋの先端部との間に温度差を生じ、先端部
の温度が赤外線センサー温度よりも高くなって正方向の
誤差を生じていた。一方、環境温度下降中は、金属導波
管Ｋの先端部の温度が赤外線センサーの温度よりも低く
なって負方向の誤差を生じることは容易に理解されよ
う。このような誤差を少なくするため、赤外線センサー
を金属ホルダーＨで包み込むことによって温度変化の影
響を少なくすることが考えられるが、金属ホルダーＨを
用いることは製品の大型化を招弊することになり、寸法
に対する製品上の限界があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、冷接点の温
度を一定に保持することにより環境温度の変化による悪
影響を積極的に回避し、従来におけるような金属ホルダ
ーの使用を回避でき、かつ、寸法的により一層小型化す
ることにより、従来におけるような金属導波管を用いる
ことなしに測定プローブの先端に取り付けることがで
き、測定誤差を実質的にゼロにできる赤外線センサーを
提供しようとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による赤外線セン
サーは、被測定物に対する相対温度を測定するためのサ
ーモパイルと、該サーモパイルの温度を測定するための
サーミスタとを有している。サーモパイルは、その内部
に開口を有する総体的に板状のヒートシンクと、ヒート
シンクの上面側の開口上に配置される赤外線吸収膜と、
ヒートシンクに接合された冷接点と赤外線吸収膜に接合
された温接点とを有する熱電対とを含み、サーミスタは
総体的に板状の形状を有しそしてヒートシンクの下面側
に積層されることにより上記の課題を解決している。

【０００８】冷接点が接合されるヒートシンクは、負の
抵抗温度係数を有するサーミスタと積層されて一体化さ
れていることにより、サーミスタによる基準温度の測定
誤差を最小限に押さえると共に、サーミスタから発熱さ
れる熱によって一定温度に保持されるため、環境温度の
変化による影響を積極的にかつ確実に回避している。こ
のことは、本発明の赤外線センサーが従来におけるよう
な金属管やセンサーフレーム等の環境温度の変化に対処
する手段を必要とせず、それにより、測定プローブの先
端に取り付けて使用することが可能になり、被測定物の
温度を正確に測定することを意味している。

【０００９】本発明による赤外線センサーはまた、サー
モパイル出力が常にゼロになるようにヒートシンクの温
度を昇降するための加熱素子をサーモパイルに更に含む
こともでき、これにより、サーミスタの検出温度を測定
することにより被測定物の温度を測定できると共に、環
境温度の変化による影響を積極的にかつ確実に回避して
いる。また、本発明による赤外線センサーは、赤外線吸
収膜の下面側にサーミスタおよび／または加熱素子から
赤外線吸収膜を隔離するための赤外線反射膜を設けるこ
ともでき、これにより、サーミスタおよび／または加熱
素子からの影響を確実に遮断している。

【００１０】

【発明の実施の形態】

【実施例１】本発明の実施例による赤外線センサーは、
図１〜図３に示すように、被測定物に対する相対温度を
測定するためのサーモパイル１と、サーモパイル１の温
度を測定するためのサーミスタ２とを有しており、サー
モパイル１およびサーミスタ２はキャン３内に熱絶縁体
４に支持されて設けられている。サーモパイル１は、そ
の内部に開口５ａを有する総体的に板状のヒートシンク
５と、ヒートシンク５の上面側の開口５ａ上に配置され
る赤外線吸収膜６と、ヒートシンク５に接合された冷接
点７ａと赤外線吸収膜６に接合された温接点７ｂとを有
する複数の熱電対７とを含んでいる。サーモパイル１の
出力は各熱電対７の合計出力であり、本説明中、サーモ
パイルの冷接点または温接点とは、各熱電対の冷接点ま
たは温接点の総称として用いられる。サーミスタ２は総
体的に板状の形状を有しており、ヒートシンク５の下面
側に積層して熱的に一体化されている。

【００１１】サーミスタ２とヒートシンク５の間は、サ
ーミスタ２が測定すべきサーモパイルの冷接点（７ａ）
との間に温度差が生じないように、両者間に良好な熱伝
導関係を有するように一体化されている。サーミスタ２
とヒートシンク５が一体化されていることにより、加熱
のための通電時にサーミスタ２から発せられた熱がヒー
トシンク５に伝達されてヒートシンク５の温度を上昇さ
せる。サーミスタを流れる電流は、サーミスタ測温時、
サーミスタを加熱しない微弱な電流下で行われ、一方、
サーミスタによる加熱時には、サーモパイルの出力がゼ
ロになるように、大きな電流が流される。サーモパイル
の出力がゼロになるように加熱することは、サーモパイ
ルの出力ゼロのとき、サーモパイル自体の温度と被測定
物の温度との相対温度がゼロであるため、そのときのサ
ーモパイル自体の温度、すなわち、サーミスタの測定温
度を検出することによって被測定物の温度を測定できる
ことを意味している。

【００１２】赤外線吸収膜６の下面側には赤外線反射膜
８が展張されており、サーミスタ２から発生される赤外
線が赤外線吸収膜６に吸収されるのを阻止している。キ
ャン３の頂部には、従来の赤外線センサーと同様に、被
測定物からの赤外線のみを通過させるための赤外線フィ
ルタ９が設けられており、キャン３の底部にはサーモパ
イル１およびサーミスタ２を外部の温度測定回路（図示
なし）に電気的にそれぞれ接続するための出力端子１０
ａ，１０ｂが設けられている。

【００１３】上述の如く構成される本発明の赤外線セン
サーは、従来の赤外線センサーと同様に、赤外線吸収膜
６が赤外線フィルタ９を介して被測定物からの赤外線を
吸収し、赤外線を吸収することにより生じる赤外線吸収
膜６の温度変化を熱電対７により計測すると共に、サー
モパイルの冷接点の温度をサーミスタ２により計測する
ことにより被測定物の温度測定が行われる。このとき、
サーモパイルの冷接点の温度を測定するためのサーミス
タ２が、サーモパイルの冷接点の測定対象であるヒート
シンク５に直接接合されているため、サーミスタ２によ
るサーモパイルの冷接点（７ａ）の温度測定誤差を実質
的にゼロ（０）にできる。また、前述したように、サー
ミスタ２の発熱によってヒートシンク５の温度が実質的
に一定温度に保持されるため、環境温度の変化による影
響を排除することができると共に、赤外線センサーをよ
り小型化することができる。

【００１４】このため、本発明の赤外線センサーは、体
温計に装着するとき、従来の赤外線センサーで必要であ
った断熱部材や金属導波管や金属ホルダー等のような環
境温度の変化による影響を排除するための手段を用いる
必要がなく、図４に示すように、体温計ＣＴの先端に装
着して用いることができる。このことはまた、被測定物
に対して赤外線センサーの赤外線吸収膜６がより接近し
た位置に位置して測定できるため、より正確に被測定物
の温度を測定できることを意味している。

【００１５】

【実施例２】図５および６は、本発明の別の実施例によ
る赤外線センサーを示す図で、ヒートシンク５を一定温
度保持するための加熱素子１１と、加熱素子１１に通電
するための入力端子１０ｃとを備えていることを除き、
実施例１と同様に構成されている。

【００１６】本実施例における特色である加熱素子１１
は、ヒートシンク５を所定の温度に保持するように、入
力端子１０ｃを介して適当な制御回路（図示なし）に接
続され、適宜に通電されて発熱する。加熱素子１１はま
た、ヒートシンク５を所要の温度に昇降できるのであれ
ばどのような形状や取付位置でも適用できるが、加熱素
子１１から赤外線吸収膜６および熱電対７に赤外線また
は熱が直接加えられることのないよう注意すべきであ
る。

【００１７】図示の場合、加熱素子１１は板状形状を有
し、サーミスタ２の下面側に積層して一体化されるよう
に構成されている。これは、サーミスタ２とヒートシン
ク５との密着度を優先することにより、サーミスタ２が
検出する温度とサーモパイルの冷接点（７ａ）の温度と
のズレを最小限に抑えることを主眼としている。しかし
ながら、上述したヒートシンク５の所要温度への昇降、
加熱素子１１からの赤外線吸収膜６および熱電対７の遮
蔽、サーミスタ２とサーモパイルの冷接点の良好な熱伝
導を遂行できるのであればどのようにも構成でき、例え
ば、加熱素子１１をサークル状またはリング状に形成
し、そして、加熱素子１１がサーミスタ２のまわりを囲
繞すると共に、ヒートシンク５に直接接合するように形
成することもできる。

【００１８】本実施例における赤外線センサーの温度測
定について以下説明する。図７は、環境温度（＝冷接点
温度）２３℃において被測定物の温度を変化させたとき
のサーモパイル１の出力変化を縦軸に表した例である。
被測定物の温度とサーモパイルの冷接点（７ａ）の温度
が等しいとき、サーモパイル出力はゼロとなり（ゼロ点
Ｚ）、被測定物温度がサーモパイルの冷接点温度よりも
高くなるに従って非直線的に出力が大きくなる。加熱素
子１１により被測定物の温度とサーモパイルの冷接点の
温度を等しくすることによってサーモパイル出力がゼロ
となったとき、サーモパイルの冷接点７ａとサーミスタ
２が同一のヒートシンク５に一体化されているため、サ
ーミスタ２の検出温度を測定することによって被測定物
の温度を知ることができる。このため、サーモパイル出
力が常にゼロになるように加熱素子１１を用いてサーモ
パイルの冷接点温度を制御することにより被測定物の温
度を測定することができる。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、サーミスタ２がヒート
シンク５と一体化されているため、サーミスタ２によっ
てサーモパイル１の冷接点温度を正確に測定でき、ま
た、サーミスタ２によってヒートシンク５が加熱される
ことにより、環境温度変化の影響を排除することがで
き、また、サーモパイルの冷接点温度を被測定物の温度
と同一にして測定するため、環境温度変化の影響を受け
ず、高精度な温度測定を行うことができる。

【００２０】更に、環境温度変化の影響を排除できるた
め、従来の赤外線センサーに比べて超小型に形成するこ
とができ、これにより、赤外線センサーを測定プローブ
の先端に取り付けることができる。また、サーモパイル
の温度安定度を保つために熱伝導度の良好な金属ホルダ
ーに納めたり、導波管を用いる必要がなく、被測定物に
対してより近接した位置で温度の測定を行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例による赤外線センサーの部分
破砕斜視図である。

【図２】 図１に示す赤外線センサーの断面図である。

【図３】 赤外線センサーに用いられるサーモパイルを
説明するための分解斜視図である。

【図４】 本発明の赤外線センサーを用いた体温計の例
を示す概略部分図である。

【図５】 本発明の別の実施例による赤外線センサーを
示す図１と同様な部分破砕斜視図である。

【図６】 図５に示す赤外線センサーを示す図２と同様
な断面図である。

【図７】 赤外線センサーの温度と出力の関係を説明す
るための図である。

【図８】 従来の赤外線センサー示す図１と同様な部分
破砕斜視図である。

【図９】 図８に示す従来の赤外線センサーの図２と同
様な断面図である。

【図１０】 赤外線センサーを用いた体温計の例を示す
部分断面図である。

【符号の説明】

１ サーモパイル ２ サーミ
スタ ３ キャン ４ 熱絶縁
体 ５ ヒートシンク ５ａ 開口 ６ 赤外線吸収膜 ７ 熱電対 ７ａ 冷接点 ７ｂ 温接点 ８ 赤外線反射膜 ９ 赤外線
フィルタ １０ａ，１０ｂ 出力端子 １０ｃ 入力
端子 １１ 加熱素子 Ａ サーモパイル Ｂ サーミ
スタ Ｃ キャン Ｄ ヒート
シンク Ｅ 赤外線吸収膜 Ｆ 熱電対 Ｇ 赤外線フィルタ Ｈ 金属ホ
ルダー Ｉ，Ｊ 断熱部材 Ｋ 金属導
波管 ＣＴ 体温計

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物に対する相対温度を測定するた
   めのサーモパイルと、該サーモパイルの温度を測定する
   ためのサーミスタとを有する赤外線センサーであって、
   前記サーモパイルは、その内部に開口を有する総体的に
   板状のヒートシンクと、ヒートシンクの上面側の開口上
   に配置される赤外線吸収膜と、ヒートシンクに接合され
   た冷接点と赤外線吸収膜に接合された温接点とを有する
   熱電対とを含み、前記サーミスタは総体的に板状の形状
   を有しそしてヒートシンクの下面側に積層されることを
   特徴とする赤外線センサー。
2. 【請求項２】 前記サーモパイルは、サーモパイル出力
   が常にゼロになるようにヒートシンクの温度を昇降する
   ための加熱素子を更に含むことを特徴とする請求項１記
   載の赤外線センサー。
3. 【請求項３】 前記赤外線吸収膜の下面側にはサーミス
   タおよび／または加熱素子から赤外線吸収膜を隔離する
   ための赤外線反射膜が設けられ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。