JP2004085459A

JP2004085459A - 赤外線温度センサーおよびそれを用いた温度測定回路並びにその測定方法

Info

Publication number: JP2004085459A
Application number: JP2002249118A
Authority: JP
Inventors: Hideki Tanaka; 田中　秀樹
Original assignee: Bio Echo Net Inc
Current assignee: Bio Echo Net Inc
Priority date: 2002-08-28
Filing date: 2002-08-28
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】体温計の先端に赤外線温度センサー１０を設置でき、外部からの影響を受けることなく被測定物の温度を測定でき、サーモパイル１２に対する個々の校正作業、リニアライズ処理等を不要にでき、もって安価に製造できる赤外線温度センサー１０およびそれを用いた温度測定回路並びにその測定方法を提供する。
【解決手段】サーモパイル１２の出力をゼロに設定し、第１比較器の出力が「０」になるときの第１比較信号の値を保持した後、第１比較器の出力が「１」になったとき、ヒータを作動させてサーモパイル１２およびサーミスタ１３を加熱すると共に、制御器から第２比較器へ第２比較信号を送って第２比較器の出力を「０」に維持させ、第１比較器の出力が「０」になったとき、第２比較器に送られていた第２比較信号の値を信号処理器で温度に換算して表示器に表示させる。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定物、例えば、人の耳の鼓膜、から発せられる赤外線を検出してその温度を測定する非接触式体温計等に用いるための赤外線温度センサーおよびそれを用いた温度測定回路並びにその測定方法に関するものである。
【０００２】
本説明において、「０」はデジタル技術におけるレベルＬを意味し、「１」はレベルＨを意味する。また、本説明における「０」と「１」の関係は、便宜的なものであり、逆の関係に構成することも可能であることは当業者にとって容易に理解されよう。
【０００３】
【従来の技術】
非接触式体温計等に用いられる赤外線温度センサーとしては、サーモパイルとサーミスタを同一のヒートシンクに設置することにより、サーモパイルの冷接点とサーミスタとの温度差をなくそうとしたものがある（たとえば、特許文献１参照）。また、赤外線温度センサーを用いた温度測定方法および回路としては、サーミスタに通電して発熱させ、サーミスタと熱的に一体化されたサーモパイルの冷接点の温度が温接点の温度と等しくなったときのサーミスタの抵抗値から温度を計算するものがある（たとえば、特許文献２および３参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１９５８８５号公報
【特許文献２】
特開２００２−２１４０４５号公報
【特許文献３】
特開２００２−２１４０４６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の赤外線温度センサーおよびそれを用いた温度測定回路並びにその測定方法は、サーモパイルの冷接点と温接点とが熱的に絶縁されることを前提として設計され製作されている。冷接点と温接点とを熱的に絶縁するということは、両者間の対流による熱伝達をも防止しなければならず、必然的に、両者間に所要の離間間隔を必要とするため、赤外線温度センサー自体の大きさをある程度大きく形成しなければならなかった。このことは、耳式体温計と称されるような非接触式温度計を作成する場合、赤外線温度センサーを温度計の先端に設置することが困難になり、被測定物との間の間隔が大きくなって測定誤差を生ずる外部因子の混入を避け難くしていた。
【０００６】
一方、赤外線温度センサーの構成部品であるサーモパイルは、感度のばらつきが大きく、サーモパイルを用いた温度計はサーモパイルに対する感度調整（校正作業）が個々に必要となっていた。また、サーモパイルを温度計のセンサーとして用いる場合、サーモパイル出力は極めて微弱であるため、サーモパイル出力は信号処理が可能なレベルまで増幅する高感度の増幅器が必要であるだけでなく、非直線出力を直線化するためのリニアライズ処理を行う必要があった。このため、赤外線温度センサーを用いた温度計は、サーミスタの抵抗値変化を計測する接触式の温度計に比較して非常に高価なものとなっていた。
【０００７】
したがって、本発明は、体温計の先端に赤外線温度センサーを設置することができ、外部からの影響を受けることなく被測定物の温度を測定でき、サーモパイルに対する個々の校正作業、リニアライズ処理等を不要にでき、もって安価に製造することができる赤外線温度センサーおよびそれを用いた温度測定回路並びにその測定方法を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、サーモパイルの冷接点温度が被測定物の温度を表す温接点温度と等しくなったとき、サーモパイルの出力がゼロ（０）になる点に着目して発明されたものである。
【０００９】
本発明による赤外線温度センサーは、良好な熱伝導性材料により形成されたケースと、該ケースの一端に配置された赤外線フィルタと、該赤外線フィルタを介して被測定物からの赤外線を受容するようにケースの内部に配置されたサーモパイルと、該サーモパイルの赤外線フィルタに対向する側に配置された温度補償用のサーミスタと、前記ケースを介してサーモパイルおよびサーミスタを加熱するためのヒータとから構成される。
【００１０】
このような赤外線温度センサーを用いて被測定物の温度を測定するための本発明による温度測定回路は、サーモパイルの出力をゼロに設定するための校正回路と、サーモパイルの出力がゼロであるか有数の値であるかを判別するための第１比較器と、サーミスタ電圧に対応した値の比較信号が入力されているか否かを判別するための第２比較器と、温度測定前に、サーモパイルの出力ゼロ時における第１比較器からの出力が「０」になるように第１比較器を制御し、温度測定時に、第１比較器からの出力に応じてヒータの加熱を制御すると共に、第２比較器にサーミスタ電圧に対応した値の比較信号を入力させるための制御器と、測定開始後にサーモパイルの出力がゼロになったことを第１比較器が検知したときに制御器から第２比較器に送られていた比較信号の値から被測定物の温度を算出するための信号処理器と、信号処理器により算出された温度を表示するための表示器とから構成される。
【００１１】
こような赤外線温度センサーおよび温度測定回路を用いて被測定物の温度を測定するための本発明による方法は、まず、校正回路を作動させてサーモパイルの出力をゼロに設定し、制御器から第１比較器へ第１比較信号を送り、第１比較器の出力が「０」になるときの第１比較信号の値を保持した後、校正回路の作動を停止させる。この状態で赤外線温度センサーを被測定物に対峙または接触させるとサーモパイルの赤外線吸収膜が被測定物からの赤外線を吸収して発熱し、ゼーベック効果によりサーモパイルの冷接点と温接点間に電位差が生じる。この被測定物からの赤外線によって発生されたサーモパイルの電位差によって第１比較器の出力が「１」になったとき、ヒータを作動させてサーモパイルおよびサーミスタを加熱する。それと同時に、制御器から第２比較器へ第２比較信号を送り、サーミスタ電圧と第２比較信号の値を等しくなるように維持させる。ヒータからの熱によってサーモパイルの冷接点と温接点とが同一温度となってサーモパイルの出力がゼロになり、それにより第１比較器の出力が「０」になったとき、第２比較器に送られていた第２比較信号の値を信号処理器で温度に換算して表示器に表示させる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
≪赤外線温度センサー≫
本発明の実施例による赤外線温度センサー１０は、図１に示すように、中空のケース１１と、その内部を横断するように設けられた支持板１１ａの一方の面（図示の位置関係では、上面）に配置されたサーモパイル１２と、支持板１１ａの他方の面に配置された温度補償用のサーミスタ１３とを備えている。
【００１３】
ケース１の一方の端部（図示の位置関係では、上端部）には、被測定物（図示なし）からの赤外線をサーモパイル１２に透過するための赤外線フィルタ１４が設けられており、ケース１１の他方の端部にはサーモパイル１２およびサーミスタ１３を温度測定回路２０（図３および４参照）に接続するための端子が設けられている。ケース１１にはサーモパイル１２およびサーミスタ１３を加熱するためのヒータ１５が設けられている。ヒータ１５は、図示の場合、ケース１１の外を取り巻くように配置されているが、サーモパイル１２およびサーミスタ１３を加熱することができるのであればどのような形態であってもよく、例えば、ケース１１の内部に設けることもできる。ケース１１は、サーモパイル１２およびサーミスタ１３への熱伝導効率を向上するために、熱伝導性の良好な材料により形成されるのが好ましく、サーモパイル１２およびサーミスタ１３はケース１１との間に良好な熱伝導性を有するように適当なハーメチックシール等を適用するのが好ましい。
【００１４】
上述の如く構成される本発明の赤外線温度センサー１０は、一般的に、図２に示すように、プローブ１６の先端に断熱材１７を介して取り付けられる。
【００１５】
≪温度測定回路≫
図３は、上述した赤外線温度センサー１０を用いて被測定物の温度を測定するための温度測定回路２０を示すブロック図で、図４は、図３に示す温度測定回路２０の実際的な回路例を示す図である。温度測定回路２０は、サーモパイル１２の出力をゼロ（０）に設定するための校正回路２１と、サーモパイル１２の出力がゼロ（０）であるか有数の値であるかを検出するための第１比較器２２と、サーミスタ１３で発生される電圧に対応した値の比較信号が入力されているか否かを判別するための第２比較器２３と、温度測定前に、サーモパイルの出力ゼロ時における第１比較器２２からの出力が「０」になるように第１比較器２２を制御し、温度測定時に、第１比較器２２からの出力に応じてヒータ１５を加熱するための加熱回路２４を制御すると共に、第２比較器２３にサーミスタ電圧に対応した値の比較信号を入力させるための制御器２５と、測定開始後にサーモパイル１２の出力がゼロになったことを第１比較器２２が検知したときに制御器２５から第２比較器２３に送られていた比較信号の値から被測定物の温度を算出するための信号処理器２６と、信号処理器２６により算出された温度を表示するための表示器２７とから構成される。
【００１６】
校正回路２１はアナログスイッチ３１で、制御器２５および信号処理器２６を構成するマイクロコントローラ３２から送られてくる制御信号Ｓ１によってオンオフされる。アナログスイッチ３１がオンになったとき、サーモパイル１２の出力端子間はショートされ、出力ゼロの状態になる。
【００１７】
第１比較器２２を構成する第１コンパレータ３３の一方の入力端子はサーモパイル１２の一方の出力端子（図示の場合、他方の端子は分圧抵抗Ｒ１に接続されている。）に接続され、他方の入力端子はマイクロコントローラ３２の第１ＰＷＭ（パルス・ワイド・モジュレーション）パルス（Ｓ２）の出力端子に接続される。第１コンパレータ３３の出力端子はマイクロコントローラ３２に接続され、一対の入力端子の値が異なるときは「０」または「１」を出力し、同じであるとき「０」から「１」または「１」から「０」に変移する。
【００１８】
第２比較器２３を構成する第２コンパレータ３４の一方の入力端子はサーミスタ１３の一方の端子（図示の場合、他方の端子はアースされている。）に接続され、他方の入力端子はマイクロコントローラ３２の第２ＰＷＭパルス（Ｓ３）の出力端子に接続される。第２コンパレータ３４の出力端子はマイクロコントローラ３２に接続され、第１比較器２２と同様に、一対の入力端子の値が異なるときは「０」または「１」を出力し、同じであるとき「０」から「１」または「１」から「０」に変移する。
【００１９】
ヒータ１５を加熱するための加熱回路２４はＦＥＴ３５であり、マイクロコントローラ３２からの制御信号Ｓ４によってヒータ１５への電力供給をオンオフする。
【００２０】
制御器２５および信号処理器２６を構成するマイクロコントローラ３２は、上述のような各部の制御用の信号を発すると共に、第１および第２コンパレータ３３および３４から送られてきた信号に応じて後述する種々の処理を行う。
【００２１】
表示器２７は、一般的にＬＣＤが用いられ、信号処理器２６によって計算されて得られた数値（温度）を表示する。
【００２２】
≪温度測定方法≫
次に、上述の如く構成される温度測定回路２０における温度測定方法について説明する。なお、説明を簡略化するために、第１コンパレータ３３の出力は、サーモパイル１２からの出力電圧がマイクロコントローラ３２から送られてくる第１ＰＷＭパルスＳ２の電圧よりも大きいときに「１」を、小さいときに「０」を出力し、第２コンパレータ３４の出力は、サーミスタ１３の抵抗値に対応した電圧がマイクロコントローラ３２から送られてくる第２ＰＷＭパルスＳ３よりも大きいときに「１」を、小さいときに「０」を出力する仮定して説明する。
【００２３】
温度測定に入る前に、サーモパイルのゼロ点校正を行う。マイクロコントローラ３２からアナログスイッチ３１へ制御信号Ｓ１を送り、アナログスイッチ３１をオンにした後、第１ＰＷＭパルスＳ２を第１コンパレータ３３に送る。このとき、第１コンパレータ３３からの出力は「０」から「１」に変化するが、これについては無視し、第１コンパレータ３３からの出力が「１」から「０」に変化するとき、第１ＰＷＭパルスＳ２のパルス幅を固定し、その状態に保持させる一方、制御信号Ｓ１を送ってアナログスイッチ３１をオフにしてサーモパイル１２の出力を第１コンパレータ３３に入力させる。
【００２４】
温度測定のために赤外線温度センサー１０を被測定物に対峙または接触させると、被測定物からの赤外線が赤外線フィルタ１４を透過してサーモパイル１２の赤外線吸収膜（図示なし）に吸収される。赤外線吸収膜は赤外線を吸収するとそれ自体が昇温してサーモパイルの温接点温度を上昇させるため、ゼーベック効果によりサーモパイルの冷接点と温接点間に電位差が生じ、それにより、第１コンパレータ３３からの出力は「０」から「１」に変化する。第１コンパレータ３３の出力が「０」から「１」に変化したとき、マイクロコントローラ３２はＦＥＴ３５へ制御信号Ｓ４を送り、ヒータ１５への電力供給を開始させ、サーモパイル１２およびサーミスタ１３を加熱する。このとき、ヒータ１５からの熱は、実質的に、赤外線温度センサー１０全体、すなわち、サーモパイル１２の温接点をも含む全体を加熱することに注目されたい。
【００２５】
ヒータ１５による加熱が行われる一方、マイクロコントローラ３２は、第２ＰＷＭパルスＳ３を第２コンパレータ３４に送り、第２コンパレータ３４の出力を常に「０」を維持させる、すなわち、温度によって変化するサーミスタ１３の抵抗値に対応した電圧が第２コンパレータ３４の一対の入力端子に常に加えられているように制御する。
【００２６】
ヒータの加熱によってサーモパイル１２の冷接点の温度が温接点の温度（赤外線吸収膜の昇温に伴って昇温されている。）と等しくなったとき、サーモパイル１２の出力はゼロになり、それにより、第１コンパレータ３３の出力は「１」から「０」に変化する。そのとき、マイクロコントローラ３２は、第１コンパレータ３３の出力が「１」から「０」に変化するときの第２ＰＷＭパルスＳ３のパルス幅を読み取り、そのパルス幅に基づいて温度を計算して表示器２７に表示する。その一方で、マイクロコントローラ３２は、ＦＥＴ３５へ制御信号Ｓ４を送り、ヒータ１５への電力供給を遮断する。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、サーモパイルをその出力がゼロになる点を検出するための手段としてのみ用いているため、サーモパイル自体の具有する非直線性が測定精度に影響を与えることはなく、また、サーモパイルの校正をする必要がなく、校正作業を簡単に行うことができる。一方、サーミスタについても、従来の方式のように、測定環境温度範囲全域においてサーミスタの測定精度を保つ必要がなく、測定しようとする温度範囲のみについて校正作業を行えばよく、校正作業をまた簡単に行うことができる。また、温度測定回路に基準電圧を用いていないことにより環境温度変化による測定誤差要因を除くことができ、部品性能のバラツキ等による誤差の発生を回避することができる。
【００２８】
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、従来の方式のように、サーモパイルを温度安定度を保つための熱伝導度が良い金属ホルダー内（センサーフレーム）に納める必要がなく、超小型の温度センサーを形成することができる。更に、温度センサーを超小型にできることにより、温度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、それにより、従来の耳式体温計において必要であった導波管を用いる必要がなく、また、導波管を保護するためのカバー（プローブカバー）を不要にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による温度センサーの断面図である。
【図２】図１に示す温度センサーをプローブに適用した状態を示す部分断面図である。
【図３】図１に示す温度センサーを用いた温度測定回路を示すブロック図である。
【図４】図２に示す温度測定回路の回路例を示す図である。
【符号の説明】
１０　　赤外線温度センサー　　　　　１１　　ケース
１１ａ　支持板　　　　　　　　　　　１２　　サーモパイル
１３　　サーミスタ　　　　　　　　　１４　　赤外線フィルタ
１５　　ヒータ　　　　　　　　　　　１６　　プローブ
１７　　断熱材　　　　　　　　　　　２０　　温度測定回路
２１　　校正回路　　　　　　　　　　２２　　第１比較器
２３　　第２比較器　　　　　　　　　２４　　加熱回路
２５　　制御器　　　　　　　　　　　２６　　信号処理器
２７　　表示器　　　　　　　　　　　３１　　アナログスイッチ
３２　　マイクロコントローラ　　　　３３　　第１コンパレータ
３４　　第２コンパレータ　　　　　　３５　　ＦＥＴ
Ｒ１　　分圧抵抗　　　　　　　　　　Ｓ１、Ｓ４　　制御信号
Ｓ２　　第１ＰＷＭパルス　　　　　　Ｓ３　　第２ＰＷＭパルス

Claims

良好な熱伝導性材料により形成されたケースと、該ケースの一端に配置された赤外線フィルタと、該赤外線フィルタを介して被測定物からの赤外線を受容するようにケースの内部に配置されたサーモパイルと、該サーモパイルの赤外線フィルタに対向する側に配置された温度補償用のサーミスタと、前記ケースを介してサーモパイルおよびサーミスタを加熱するためのヒータとから構成される、赤外線温度センサー。
請求項１に記載の赤外線温度センサーを用いて被測定物の温度を測定するための温度測定回路であって、サーモパイルの出力をゼロ（０）に設定するための校正回路と、サーモパイルの出力がゼロであるか有数の値であるかを判別するための第１比較器と、サーミスタ電圧に対応した値の比較信号が入力されているか否かを判別するための第２比較器と、温度測定前に、サーモパイルの出力ゼロ時における第１比較器からの出力が「０」になるように第１比較器を制御し、温度測定時に、第１比較器からの出力に応じてヒータの加熱を制御すると共に、第２比較器にサーミスタ電圧に対応した値の比較信号を入力させるための制御器と、測定開始後にサーモパイルの出力がゼロになったことを第１比較器が検知したときに制御器から第２比較器に送られていた比較信号の値から被測定物の温度を算出するための信号処理器と、信号処理器により算出された温度を表示するための表示器とから構成される、温度測定回路。
請求項１に記載の赤外線温度センサー並びに請求項２に記載の温度測定回路を用いて被測定物の温度を測定するための方法であって、校正回路を作動させてサーモパイルの出力をゼロに設定し、制御器から第１比較器へ第１比較信号を送り、第１比較器の出力が「０」になるときの第１比較信号の値を保持した後、校正回路の作動を停止させ、被測定物からの赤外線によって発生されたサーモパイルの出力によって第１比較器の出力が「１」になったとき、ヒータを作動させてサーモパイルおよびサーミスタを加熱すると共に、制御器から第２比較器へ第２比較信号を送ってサーミスタ電圧と第２比較信号の値が等しくなるように維持させ、サーモパイルの出力がゼロになることにより第１比較器の出力が「０」になったとき、第２比較器に送られていた第２比較信号の値を信号処理器で温度に換算して表示器に表示させる、温度測定方法。