JP2004144715A - 赤外線検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】より簡単な構成で、広範囲な温度測定を実現し、動作点のバラツキの影響を低減し、かつコストダウンを図ることができる高精度な赤外線検出装置を提供すること。
【解決手段】一定の基準電圧を発生する基準電圧発生手段１０１と、基準電圧発生手段１０１からの基準電圧が印加され、周囲温度を補償する信号を出力する周囲温度補償手段１０２と、周囲温度補償手段１０２から出力された信号を増幅する第１の増幅手段１０３と、第１の増幅手段１０３から出力される信号が印加されると共に、赤外線放射エネルギーを電気信号に変換する赤外線検知手段１０４と、赤外線検知手段１０４から出力される信号を増幅する第２の増幅手段１０５とを備える。
【選択図】 図１
【解決手段】一定の基準電圧を発生する基準電圧発生手段１０１と、基準電圧発生手段１０１からの基準電圧が印加され、周囲温度を補償する信号を出力する周囲温度補償手段１０２と、周囲温度補償手段１０２から出力された信号を増幅する第１の増幅手段１０３と、第１の増幅手段１０３から出力される信号が印加されると共に、赤外線放射エネルギーを電気信号に変換する赤外線検知手段１０４と、赤外線検知手段１０４から出力される信号を増幅する第２の増幅手段１０５とを備える。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外線検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の赤外線検出装置の一例として、たとえば、特表平９−５０５４３４号公報（特許文献１）に開示されているものがある。
【０００３】
図７は、上述の赤外線検出装置のブロック図を示す。図７において、赤外線検出装置は、凹面鏡３を有し、該凹面鏡３の焦点にセンサー素子４が配置され、該センサー素子４の出力信号が基準信号と比較され、かつ評価回路１５内にて、温度信号に変換される。センサー素子４は、サーモパイル６を有し、該サーモパイル６の近くに温度基準素子５が配置され、校正可能の第１前置増幅器８，９がサーモパイル６の出力信号を増幅し、第２前置増幅器１０〜１３が温度基準素子５の出力信号を増幅し、かつ第３前置増幅器１４が差動増幅器として接続され、この差動増幅器１４が第１前置増幅器８，９および第２前置増幅器１０〜１３の出力信号の差を増幅する前置増幅器を形成している。
【０００４】
【特許文献１】
特表平９−５０５４３４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の構成の赤外線検出装置は、サーモパイル６が、その赤外線受光部の温度よりも低い温度の測定対象からの赤外線を受光した場合、サーモパイル６の出力の極性が反転する。第１前置増幅器９には、サーモパイル６から負の出力電圧が入力され、該第１前置増幅器９からは、負の出力電圧が出力される。しかし、赤外線受光部の温度より、ある温度以下の測定物体からの赤外線を受光した場合、第１前置増幅器９は、ある一定した負の電圧を出力する特性を有するものであり、よって、測定物体の温度に相当した出力電圧が出力されなくなる。したがって、上述の赤外線検出装置では、広範囲な温度測定ができなかった。
【０００６】
また、この赤外線検出装置は、３つの前置増幅器を使用しているので、３つの動作点のバラツキが第３前置増幅器１４から合成されて出力され、精度の良い温度測定が困難であった。また、３つの前置増幅器を使用するので、コストを抑えることが難しかった。
【０００７】
そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑み、より簡単な構成で、広範囲な温度測定を実現し、動作点のバラツキの影響を低減し、かつコストダウンを図ることができる高精度な赤外線検出装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、一定の基準電圧を発生する基準電圧発生手段と、前記基準電圧発生手段からの基準電圧が印加され、周囲温度を補償する信号を出力する周囲温度補償手段と、前記周囲温度補償手段から出力された信号を増幅する第１の増幅手段と、前記第１の増幅手段から出力される信号が印加されると共に、赤外線放射エネルギーを電気信号に変換する赤外線検知手段と、前記赤外線検知手段から出力される信号を増幅する第２の増幅手段と、を備えることを特徴とする赤外線検出装置に存する。
【０００９】
請求項１記載の発明によれば、赤外線検出装置は、一定の基準電圧を発生する基準電圧発生手段と、基準電圧発生手段からの基準電圧が印加され、周囲温度を補償する信号を出力する周囲温度補償手段と、周囲温度補償手段から出力された信号を増幅する第１の増幅手段と、第１の増幅手段から出力される信号が印加されると共に、赤外線放射エネルギーを電気信号に変換する赤外線検知手段と、赤外線検知手段から出力される信号を増幅する第２の増幅手段と、を備えるので、従来より簡単な構成で広範囲な温度測定を実現し、動作点のバラツキの影響を低減し、かつコストダウンを図ることができる。
【００１０】
上記課題を解決するためになされた請求項２記載の発明は、前記周囲温度補償手段は、周囲温度検知用サーミスタを含むことを特徴とする請求項１記載の赤外線検出装置に存する。
【００１１】
請求項２記載の発明によれば、周囲温度補償手段は、周囲温度検知用サーミスタを含むので、周囲温度の変動を抵抗値の変化としてとらえ、電圧変化に変換して温度補償のための信号として出力することができる。
【００１２】
上記課題を解決するためになされた請求項３記載の発明は、前記周囲温度補償手段は、周囲温度検知用サーミスタの温度特性を直線化する直線化手段をさらに含むことを特徴とする請求項２記載の赤外線検出装置に存する。
【００１３】
請求項３記載の発明によれば、周囲温度補償手段は、周囲温度検知用サーミスタの温度特性を直線化する直線化手段をさらに含むので、精度の良い温度補償が可能となる。
【００１４】
上記課題を解決するためになされた請求項４記載の発明は、前記赤外線検知手段はサーモパイルであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の赤外線検出装置に存する。
【００１５】
請求項４記載の発明によれば、赤外線検知手段はサーモパイルであるので、赤外線を感度良く検知することができる。
【００１６】
上記課題を解決するためになされた請求項５記載の発明は、前記第１および第２の増幅器は、それぞれ、オペアンプを含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の赤外線検出装置に存する。
【００１７】
請求項５記載の発明によれば、第１および第２の増幅器は、それぞれ、オペアンプを含むので、それぞれのゲインを適宜に設定することにより精度の良い赤外線検出が可能となる。
【００１８】
上記課題を解決するためになされた請求項６記載の発明は、測定物体から放射される赤外線を集光して前記赤外線検知手段に導く集光手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の赤外線検出装置に存する。
【００１９】
請求項６記載の発明によれば、赤外線検出装置は、測定物体から放射される赤外線を集光して赤外線検知手段に導く集光手段をさらに備えるので、効率の良い赤外線検出を行うことができる。
【００２０】
上記課題を解決するためになされた請求項７記載の発明は、前記集光手段は、その内側に形成された凹面鏡と、その下部に形成され、前記周囲温度検知用サーミスタと前記サーモパイルが内蔵された赤外線センサが配置される凹部と、前記凹面鏡と相対して形成され、測定物体から放射される赤外線を前記凹面鏡に入射させる開口部とを有するミラーであり、前記赤外線センサは、前記サーモパイルの赤外線受光部が前記凹面鏡の焦点に位置するように配置されることを特徴とする請求項６記載の赤外線検出装置に存する。
【００２１】
請求項７記載の発明によれば、集光手段は、その内側に形成された凹面鏡と、その下部に形成され、周囲温度検知用サーミスタとサーモパイルが内蔵された赤外線センサが配置される凹部と、凹面鏡と相対して形成され、測定物体から放射される赤外線を凹面鏡に入射させる開口部とを有するミラーであり、赤外線センサは、サーモパイルの赤外線受光部が凹面鏡の焦点に位置するように配置されるので、入射された赤外線が凹面鏡によりサーモパイルの赤外線受光部に効率よく導かれ、感度の良い赤外線検出が可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明による赤外線検出装置の実施の形態の基本構成を示す回路図である。図１において、赤外線検出装置は、基準電圧発生回路１０１、温度補償回路１０２、第１の増幅器１０３、サーモパイル１０４、第２の増幅器１０５および出力端子１０６から構成される。
【００２３】
基準電圧発生回路１０１は、＋Ｖｃｃに直列接続された抵抗Ｒ１および基準電圧源Ｅを有し、基準電圧発生手段として働く。
【００２４】
温度補償回路１０２は、基準電圧発生回路１０１の抵抗Ｒ１および基準電圧源Ｅの接続点と接地との間に直列接続された、周囲温度検知用サーミスタＴＨおよび抵抗Ｒ２を有し、周囲温度補償手段として働く。
【００２５】
第１の増幅器１０３は、オペアンプＡ１と、抵抗Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５を有する。抵抗Ｒ３は、温度補償回路１０２の周囲温度検知用サーミスタＴＨと抵抗Ｒ２の接続点と、オペアンプＡ１の非反転入力端子の間に接続されている。抵抗Ｒ４は、オペアンプＡ１の反転入力端子と接地間に接続されている。抵抗Ｒ５は、オペアンプＡ１の反転入力端子と出力端子間に接続されている。
【００２６】
第２の増幅器１０５は、オペアンプＡ２と、抵抗Ｒ６，Ｒ７を有する。抵抗Ｒ６は、オペアンプＡ１の出力端子と、オペアンプＡ２の反転入力端子間に接続されている。抵抗Ｒ７は、オペアンプＡ２の反転入力端子と出力端子間に接続されている。
【００２７】
サーモパイル１０４は、オペアンプＡ１の出力端子と、オペアンプＡ２の非反転入力端子間に接続され、赤外線検知手段として働く。
【００２８】
サーモパイル１０４および周囲温度検知用サーミスタＴＨは、図２に示すように、赤外線センサＳに内蔵されている。赤外線センサＳは、ステム１１０上にサーモパイル１０４および周囲温度検知用サーミスタＴＨが実装されてリード端子１１１に接続されており、赤外線透過フィルタ１１３が取り付けられたキャップ１１２がステム１１に被せられた構成となっている。
【００２９】
赤外線センサＳは、図３に示すように、赤外線センサモジュールＭに搭載される。赤外線センサモジュールＭは、基板１２０と、基板１２０上に固定され、集光手段として働くミラー１２１と、基板１２０に実装された赤外線センサＳとから構成される。
【００３０】
ミラー１２１は、樹脂製ハウジングの内外面にメッキを施して作られており、内側に形成された凹面鏡１２１ａと、下部に形成され、赤外線センサＳが配置される凹部１２１ｂと、凹面鏡１２１ａと相対して形成された開口部１２１ｃとを有する。赤外線センサＳは、サーモパイル１０４の赤外線受光部が凹面鏡１２１ａの焦点に位置するように、凹部１２１ｂ内に配置される。
【００３１】
上述の構成において、再び図１を参照すると、基準電圧Ｖｒｅｆは、基準電圧発生回路１０１の基準電圧源Ｅから得られ、温度補償回路１０２へ印加される。それにより基準電圧Ｖｒｅｆは、温度補償回路１０２の周囲温度検知用サーミスタＴＨと抵抗Ｒ２で分圧される。分圧された出力電圧Ｖｔｈｏは、抵抗Ｒ３を介して第１の増幅器１０３のオペアンプＡ１の非反転入力端子に印加され、オペアンプＡ１のゲインＧ１にて増幅される。
【００３２】
このとき、オペアンプＡ１の出力電圧Ｖｔｈは、
Ｖｔｈ＝Ｇ１＊Ｖｒｅｆ＊Ｒ２／（Ｒ２＋Ｒｔｈ）・・・（１）
と表わすことができる。ここで、Ｒｔｈは、周囲温度検知用サーミスタＴＨの抵抗値である。
【００３３】
この出力電圧Ｖｔｈは、サーモパイル１０４の端子に印加されると共に、第２の増幅器１０５におけるオペアンプＡ２の反転入力端子に抵抗Ｒ６を介して印加され、オペアンプＡ２の動作点をシフトさせる電圧として作用する。
【００３４】
なお、サーモパイル１０４の温度補償は、温度補償回路１０２から略直線化された出力電圧Ｖｔｈｏを第１の増幅器１０３を介してサーモパイル１０４の入力端子に印加することにより補償される。
【００３５】
温度補償回路１０２の出力電圧Ｖｔｈｏは、
Ｖｔｈｏ＝Ｖｒｅｆ＊Ｒ２／（Ｒ２＋Ｒｔｈ）・・・（２）
と表される。出力電圧特性は、周囲温度検知用サーミスタＴＨの温度特性が指数関数の関係にあるが、赤外線検出装置の使用温度の範囲内において、略直線になるような抵抗Ｒ２を求めることにより略直線にすることができる。
【００３６】
上記の抵抗Ｒ２は、式（２）と、使用温度の下限温度ｔ１と、上限温度ｔ３と、下限温度ｔ１および上限温度ｔ３間の中央の温度ｔ２とのそれぞれの温度における周囲温度検知用サーミスタＴＨの抵抗値Ｒｔｈ１，Ｒｔｈ３，Ｒｔｈ２と、出力電圧Ｖｔｈｏ１，Ｖｔｈｏ３，Ｖｔｈｏ２の関係（Ｖｔｈｏ２−Ｖｔｈｏ１＝Ｖｔｈｏ３−Ｖｔｈｏ２）とで求められ、出力電圧特性は、図４のようになる。
【００３７】
この出力電圧Ｖｔｈｏは、周囲温度検知用サーミスタＴＨの抵抗値Ｒｔｈが周囲温度の変動に伴って変化し、その抵抗変化が電圧変化に変換されて、オペアンプＡ１に入力されるので、周囲温度の変化に応じて変動し、それにより、サーモパイル１０４の出力の周囲温度の変動によるシフト分が相殺され、サーモパイル１０４の出力が温度補償される。
【００３８】
なお、サーモパイル１０４の出力電圧Ｖｔｐを温度補償する理由は、以下の通りである。すなわち、一例として図５に黒体炉温度（℃）対出力電圧Ｖｔｐ（Ｖ）の温度特性として示すように、温度補償なしの場合の出力電圧Ｖｔｐは、たとえば、周囲温度Ｔａ＝２０℃およびＴａ＝５０℃の場合に、それぞれ、異なるカーブＡおよびＢを描く。そして、図からも分かるように、周囲温度Ｔａが高いほど、カーブは、出力電圧が低い方にシフトする。
【００３９】
そして、温度補償がある（温度補償回路１０２）の場合、第１の増幅器１０３の出力電圧Ｖｔｈは、サーモパイル１０４の入力端子に印加されるとともに、第２の増幅器１０５におけるオペアンプＡ２の反転入力端子に抵抗Ｒ６を介して印加され、オペアンプＡ２の動作点をシフトさせる電圧として作用する。つまり、第２の増幅器１０５の出力Ｖｏｕｔは、サーモパイル１０４の出力電圧Ｖｔｐに第１の増幅器１０３から出力された出力電圧Ｖｔｈだけシフトさせた、図中の“温度補償後出力”で示すカーブＣ一本にまとめることができる。
【００４０】
このように、温度補償回路１０２があるということは、周囲温度の変化に応じてシフトしてしまうサーモパイル１０４の出力電圧Ｖｔｐを、周囲温度の変化に関係なく、１つのカーブに補正することができるということになる。
【００４１】
一方、図３の赤外線センサモジュールＭにおいて、矢印で示すように、測定物体（図示しない）から放射された赤外線は、ミラー１２１の開口部１２１ｃから凹面鏡１２１ａに入射し、凹面鏡１２１ａで集光され、赤外線センサＳの赤外線透過フィルタ１１３を通過して、サーモパイル１０４の赤外線受光部１０４ａに導かれる。
【００４２】
サーモパイル１０４は、赤外線受光部１４ａで受光した赤外線エネルギーを電気信号に変換し、そのエネルギー量に応じた電圧を出力する。サーモパイル１０４の出力電圧Ｖｔｐは、第２の増幅器１０５のオペアンプＡ２の非反転入力端子に印加され、動作基準電圧（すなわち、オペアンプＡ１の出力電圧）Ｖｔｈを基準にしてオペアンプＡ２のゲインＧ２にて増幅される。
【００４３】
その結果、オペアンプＡ２の出力側に接続された出力端子１０６に、出力電圧Ｖｏｕｔが得られる。この出力電圧Ｖｏｕｔは、
Ｖｏｕｔ＝Ｇ２＊Ｖｔｐ＋Ｖｔｈ・・・・・（３）
と表わすことができる。
【００４４】
次に、図６は、本発明による赤外線検出装置の具体的構成例を示す回路図である。図６においては、図１における基本電圧源Ｅは、ツェナーダイオードＺＤで実現されている。また、周囲温度検知用サーミスタＴＨには、その温度特性を直線化するための抵抗Ｒ８，Ｒ９が、それぞれ、並列接続および直列接続されている。さらに、図６の回路では、図１の回路を構成する構成部品に加えて、コンデンサＣ１〜Ｃ５および抵抗Ｒ１０が追加されている。また、周囲温度検知用サーミスタＴＨは、ＮＴＣ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）タイプのものが使用されている。
【００４５】
以上説明した本発明による赤外線検出装置では、以下のような特長がある。
（１）赤外線検出回路を構成する温度補償回路１０２は、基準電圧Ｖｒｅｆを周囲温度検知用サーミスタＴＨと抵抗Ｒ２へ印加させることにより、電源電圧の変動や温度ドリフトの影響を取り除く効果がある。よって、第２の増幅器１０５からは、測定物体から放射される赤外線に相当する精度の良い出力信号Ｖｏｕｔが出力される。
（２）サーモパイル１０４の出力電圧Ｖｔｐの周囲温度依存性を補償する回路として、温度補償回路１０２を設け、温度補償回路１０２の出力を増幅した電圧Ｖｔｈをサーモパイル１０４に印加している。すなわち、周囲温度が高くなると、出力電圧Ｖｔｐは低くなり、周囲温度が低くなると、出力電圧Ｖｔｐは高くなる。一方、出力電圧Ｖｔｈは、周囲温度が高くなると、高くなる。出力電圧Ｖｔｐに出力電圧Ｖｔｈを加えることで、出力電圧Ｖｔｐの周囲温度に依存する変動分を相殺することが可能となる。
（３）この回路での温度補償は、図７に示す従来装置のように差動増幅回路による演算にて行うのではなく、オペアンプＡ２の動作点（基準電圧）を周囲温度の変動に合わせ可変することで実現していることに特長がある。
（４）温度補償回路１０２から出力される出力電圧特性を略直線化することで、サーモパイル１０４から出力されるリニアな出力特性との合成が可能となる。
（５）サーモパイル１０４の出力電圧Ｖｔｐが反転した場合（対象物体温度が周囲温度より低い場合）は、ゼロボルトを基準にした増幅器回路の場合には正負の出力を持つ両電源を用意する必要があるが、本発明の回路の場合には、正の単電源での使用が可能となる。それは、電圧Ｖｔｈには、温度変動による電圧変動分と一定電圧のシフト分とが合算してあるため、サーモパイル１０４の出力が負に反転する場合にも、正の電圧として出力端子１０６から出力することが可能となり、高精度で広範囲の赤外線量（したがって、温度）を検出することができる。
（６）本発明の赤外線検出装置では、２つのオペアンプで構成されているので、３つの前置増幅器で構成された図７の従来装置に比べて、より簡単な構成であり、動作点のバラツキの合成が低減され、精度の良い温度測定が実現できる。また、本発明の赤外線検出装置は、従来より１つ少ない２つのオペアンプで済むので、コストダウンを図ることができる。
【００４６】
以上の通り、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限らず、種々の変形、応用が可能である。
【００４７】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、赤外線検出装置は、一定の基準電圧を発生する基準電圧発生手段と、基準電圧発生手段からの基準電圧が印加され、周囲温度を補償する信号を出力する周囲温度補償手段と、周囲温度補償手段から出力された信号を増幅する第１の増幅手段と、第１の増幅手段から出力される信号が印加されると共に、赤外線放射エネルギーを電気信号に変換する赤外線検知手段と、赤外線検知手段から出力される信号を増幅する第２の増幅手段と、を備えるので、従来より簡単な構成で広範囲な温度測定を実現し、動作点のバラツキの影響を低減し、かつコストダウンを図ることができる。
【００４８】
請求項２記載の発明によれば、周囲温度補償手段は、周囲温度検知用サーミスタを含むので、周囲温度の変動を抵抗値の変化としてとらえ、電圧変化に変換して温度補償のための信号として出力することができる。
【００４９】
請求項３記載の発明によれば、周囲温度補償手段は、周囲温度検知用サーミスタの温度特性を直線化する直線化手段をさらに含むので、精度の良い温度補償が可能となる。
【００５０】
請求項４記載の発明によれば、赤外線検知手段はサーモパイルであるので、赤外線を感度良く検知することができる。
【００５１】
請求項５記載の発明によれば、第１および第２の増幅器は、それぞれ、オペアンプを含むので、それぞれのゲインを適宜に設定することにより精度の良い赤外線検出が可能となる。
【００５２】
請求項６記載の発明によれば、赤外線検出装置は、測定物体から放射される赤外線を集光して赤外線検知手段に導く集光手段をさらに備えるので、効率の良い赤外線検出を行うことができる。
【００５３】
請求項７記載の発明によれば、集光手段は、その内側に形成された凹面鏡と、その下部に形成され、周囲温度検知用サーミスタとサーモパイルが内蔵された赤外線センサが配置される凹部と、凹面鏡と相対して形成され、測定物体から放射される赤外線を凹面鏡に入射させる開口部とを有するミラーであり、赤外線センサは、サーモパイルの赤外線受光部が凹面鏡の焦点に位置するように配置されるので、入射された赤外線が凹面鏡によりサーモパイルの赤外線受光部に効率よく導かれ、感度の良い赤外線検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による赤外線検出装置の実施の形態の基本構成を示す回路図である。
【図２】本発明による赤外線検出装置における赤外線センサの構成例を示す分解斜視図である。
【図３】本発明による赤外線検出装置における赤外線センサモジュールの構成例を示す略断面図である。
【図４】本発明による赤外線検出装置における温度補償回路の出力電圧特性を示す図である。
【図５】本発明による赤外線検出装置におけるサーモパイルの温度補償を説明するための温度特性図である。
【図６】本発明による赤外線検出装置の具体的構成例を示す回路図である。
【図７】従来の赤外線検出装置の構成例を示す回路図である。
【符号の説明】
１０１ 基準電圧発生回路（基準電圧発生手段）
１０２ 温度補償回路（周囲温度補償手段）
１０３ 第１の増幅器
１０４ サーモパイル（赤外線検知手段）
１０５ 第２の増幅器
１０６ 出力端子
１２１ ミラー（集光手段）
１２１ａ 凹面鏡
１２１ｂ 凹部
１２１ｃ 開口部
Ｅ 基準電圧源
ＴＨ 周囲温度補償用サーミスタ
Ａ１ オペアンプ
Ａ２ オペアンプ
Ｒ２ 抵抗（直線化手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外線検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の赤外線検出装置の一例として、たとえば、特表平９−５０５４３４号公報（特許文献１）に開示されているものがある。
【０００３】
図７は、上述の赤外線検出装置のブロック図を示す。図７において、赤外線検出装置は、凹面鏡３を有し、該凹面鏡３の焦点にセンサー素子４が配置され、該センサー素子４の出力信号が基準信号と比較され、かつ評価回路１５内にて、温度信号に変換される。センサー素子４は、サーモパイル６を有し、該サーモパイル６の近くに温度基準素子５が配置され、校正可能の第１前置増幅器８，９がサーモパイル６の出力信号を増幅し、第２前置増幅器１０〜１３が温度基準素子５の出力信号を増幅し、かつ第３前置増幅器１４が差動増幅器として接続され、この差動増幅器１４が第１前置増幅器８，９および第２前置増幅器１０〜１３の出力信号の差を増幅する前置増幅器を形成している。
【０００４】
【特許文献１】
特表平９−５０５４３４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の構成の赤外線検出装置は、サーモパイル６が、その赤外線受光部の温度よりも低い温度の測定対象からの赤外線を受光した場合、サーモパイル６の出力の極性が反転する。第１前置増幅器９には、サーモパイル６から負の出力電圧が入力され、該第１前置増幅器９からは、負の出力電圧が出力される。しかし、赤外線受光部の温度より、ある温度以下の測定物体からの赤外線を受光した場合、第１前置増幅器９は、ある一定した負の電圧を出力する特性を有するものであり、よって、測定物体の温度に相当した出力電圧が出力されなくなる。したがって、上述の赤外線検出装置では、広範囲な温度測定ができなかった。
【０００６】
また、この赤外線検出装置は、３つの前置増幅器を使用しているので、３つの動作点のバラツキが第３前置増幅器１４から合成されて出力され、精度の良い温度測定が困難であった。また、３つの前置増幅器を使用するので、コストを抑えることが難しかった。
【０００７】
そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑み、より簡単な構成で、広範囲な温度測定を実現し、動作点のバラツキの影響を低減し、かつコストダウンを図ることができる高精度な赤外線検出装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、一定の基準電圧を発生する基準電圧発生手段と、前記基準電圧発生手段からの基準電圧が印加され、周囲温度を補償する信号を出力する周囲温度補償手段と、前記周囲温度補償手段から出力された信号を増幅する第１の増幅手段と、前記第１の増幅手段から出力される信号が印加されると共に、赤外線放射エネルギーを電気信号に変換する赤外線検知手段と、前記赤外線検知手段から出力される信号を増幅する第２の増幅手段と、を備えることを特徴とする赤外線検出装置に存する。
【０００９】
請求項１記載の発明によれば、赤外線検出装置は、一定の基準電圧を発生する基準電圧発生手段と、基準電圧発生手段からの基準電圧が印加され、周囲温度を補償する信号を出力する周囲温度補償手段と、周囲温度補償手段から出力された信号を増幅する第１の増幅手段と、第１の増幅手段から出力される信号が印加されると共に、赤外線放射エネルギーを電気信号に変換する赤外線検知手段と、赤外線検知手段から出力される信号を増幅する第２の増幅手段と、を備えるので、従来より簡単な構成で広範囲な温度測定を実現し、動作点のバラツキの影響を低減し、かつコストダウンを図ることができる。
【００１０】
上記課題を解決するためになされた請求項２記載の発明は、前記周囲温度補償手段は、周囲温度検知用サーミスタを含むことを特徴とする請求項１記載の赤外線検出装置に存する。
【００１１】
請求項２記載の発明によれば、周囲温度補償手段は、周囲温度検知用サーミスタを含むので、周囲温度の変動を抵抗値の変化としてとらえ、電圧変化に変換して温度補償のための信号として出力することができる。
【００１２】
上記課題を解決するためになされた請求項３記載の発明は、前記周囲温度補償手段は、周囲温度検知用サーミスタの温度特性を直線化する直線化手段をさらに含むことを特徴とする請求項２記載の赤外線検出装置に存する。
【００１３】
請求項３記載の発明によれば、周囲温度補償手段は、周囲温度検知用サーミスタの温度特性を直線化する直線化手段をさらに含むので、精度の良い温度補償が可能となる。
【００１４】
上記課題を解決するためになされた請求項４記載の発明は、前記赤外線検知手段はサーモパイルであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の赤外線検出装置に存する。
【００１５】
請求項４記載の発明によれば、赤外線検知手段はサーモパイルであるので、赤外線を感度良く検知することができる。
【００１６】
上記課題を解決するためになされた請求項５記載の発明は、前記第１および第２の増幅器は、それぞれ、オペアンプを含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の赤外線検出装置に存する。
【００１７】
請求項５記載の発明によれば、第１および第２の増幅器は、それぞれ、オペアンプを含むので、それぞれのゲインを適宜に設定することにより精度の良い赤外線検出が可能となる。
【００１８】
上記課題を解決するためになされた請求項６記載の発明は、測定物体から放射される赤外線を集光して前記赤外線検知手段に導く集光手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の赤外線検出装置に存する。
【００１９】
請求項６記載の発明によれば、赤外線検出装置は、測定物体から放射される赤外線を集光して赤外線検知手段に導く集光手段をさらに備えるので、効率の良い赤外線検出を行うことができる。
【００２０】
上記課題を解決するためになされた請求項７記載の発明は、前記集光手段は、その内側に形成された凹面鏡と、その下部に形成され、前記周囲温度検知用サーミスタと前記サーモパイルが内蔵された赤外線センサが配置される凹部と、前記凹面鏡と相対して形成され、測定物体から放射される赤外線を前記凹面鏡に入射させる開口部とを有するミラーであり、前記赤外線センサは、前記サーモパイルの赤外線受光部が前記凹面鏡の焦点に位置するように配置されることを特徴とする請求項６記載の赤外線検出装置に存する。
【００２１】
請求項７記載の発明によれば、集光手段は、その内側に形成された凹面鏡と、その下部に形成され、周囲温度検知用サーミスタとサーモパイルが内蔵された赤外線センサが配置される凹部と、凹面鏡と相対して形成され、測定物体から放射される赤外線を凹面鏡に入射させる開口部とを有するミラーであり、赤外線センサは、サーモパイルの赤外線受光部が凹面鏡の焦点に位置するように配置されるので、入射された赤外線が凹面鏡によりサーモパイルの赤外線受光部に効率よく導かれ、感度の良い赤外線検出が可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明による赤外線検出装置の実施の形態の基本構成を示す回路図である。図１において、赤外線検出装置は、基準電圧発生回路１０１、温度補償回路１０２、第１の増幅器１０３、サーモパイル１０４、第２の増幅器１０５および出力端子１０６から構成される。
【００２３】
基準電圧発生回路１０１は、＋Ｖｃｃに直列接続された抵抗Ｒ１および基準電圧源Ｅを有し、基準電圧発生手段として働く。
【００２４】
温度補償回路１０２は、基準電圧発生回路１０１の抵抗Ｒ１および基準電圧源Ｅの接続点と接地との間に直列接続された、周囲温度検知用サーミスタＴＨおよび抵抗Ｒ２を有し、周囲温度補償手段として働く。
【００２５】
第１の増幅器１０３は、オペアンプＡ１と、抵抗Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５を有する。抵抗Ｒ３は、温度補償回路１０２の周囲温度検知用サーミスタＴＨと抵抗Ｒ２の接続点と、オペアンプＡ１の非反転入力端子の間に接続されている。抵抗Ｒ４は、オペアンプＡ１の反転入力端子と接地間に接続されている。抵抗Ｒ５は、オペアンプＡ１の反転入力端子と出力端子間に接続されている。
【００２６】
第２の増幅器１０５は、オペアンプＡ２と、抵抗Ｒ６，Ｒ７を有する。抵抗Ｒ６は、オペアンプＡ１の出力端子と、オペアンプＡ２の反転入力端子間に接続されている。抵抗Ｒ７は、オペアンプＡ２の反転入力端子と出力端子間に接続されている。
【００２７】
サーモパイル１０４は、オペアンプＡ１の出力端子と、オペアンプＡ２の非反転入力端子間に接続され、赤外線検知手段として働く。
【００２８】
サーモパイル１０４および周囲温度検知用サーミスタＴＨは、図２に示すように、赤外線センサＳに内蔵されている。赤外線センサＳは、ステム１１０上にサーモパイル１０４および周囲温度検知用サーミスタＴＨが実装されてリード端子１１１に接続されており、赤外線透過フィルタ１１３が取り付けられたキャップ１１２がステム１１に被せられた構成となっている。
【００２９】
赤外線センサＳは、図３に示すように、赤外線センサモジュールＭに搭載される。赤外線センサモジュールＭは、基板１２０と、基板１２０上に固定され、集光手段として働くミラー１２１と、基板１２０に実装された赤外線センサＳとから構成される。
【００３０】
ミラー１２１は、樹脂製ハウジングの内外面にメッキを施して作られており、内側に形成された凹面鏡１２１ａと、下部に形成され、赤外線センサＳが配置される凹部１２１ｂと、凹面鏡１２１ａと相対して形成された開口部１２１ｃとを有する。赤外線センサＳは、サーモパイル１０４の赤外線受光部が凹面鏡１２１ａの焦点に位置するように、凹部１２１ｂ内に配置される。
【００３１】
上述の構成において、再び図１を参照すると、基準電圧Ｖｒｅｆは、基準電圧発生回路１０１の基準電圧源Ｅから得られ、温度補償回路１０２へ印加される。それにより基準電圧Ｖｒｅｆは、温度補償回路１０２の周囲温度検知用サーミスタＴＨと抵抗Ｒ２で分圧される。分圧された出力電圧Ｖｔｈｏは、抵抗Ｒ３を介して第１の増幅器１０３のオペアンプＡ１の非反転入力端子に印加され、オペアンプＡ１のゲインＧ１にて増幅される。
【００３２】
このとき、オペアンプＡ１の出力電圧Ｖｔｈは、
Ｖｔｈ＝Ｇ１＊Ｖｒｅｆ＊Ｒ２／（Ｒ２＋Ｒｔｈ）・・・（１）
と表わすことができる。ここで、Ｒｔｈは、周囲温度検知用サーミスタＴＨの抵抗値である。
【００３３】
この出力電圧Ｖｔｈは、サーモパイル１０４の端子に印加されると共に、第２の増幅器１０５におけるオペアンプＡ２の反転入力端子に抵抗Ｒ６を介して印加され、オペアンプＡ２の動作点をシフトさせる電圧として作用する。
【００３４】
なお、サーモパイル１０４の温度補償は、温度補償回路１０２から略直線化された出力電圧Ｖｔｈｏを第１の増幅器１０３を介してサーモパイル１０４の入力端子に印加することにより補償される。
【００３５】
温度補償回路１０２の出力電圧Ｖｔｈｏは、
Ｖｔｈｏ＝Ｖｒｅｆ＊Ｒ２／（Ｒ２＋Ｒｔｈ）・・・（２）
と表される。出力電圧特性は、周囲温度検知用サーミスタＴＨの温度特性が指数関数の関係にあるが、赤外線検出装置の使用温度の範囲内において、略直線になるような抵抗Ｒ２を求めることにより略直線にすることができる。
【００３６】
上記の抵抗Ｒ２は、式（２）と、使用温度の下限温度ｔ１と、上限温度ｔ３と、下限温度ｔ１および上限温度ｔ３間の中央の温度ｔ２とのそれぞれの温度における周囲温度検知用サーミスタＴＨの抵抗値Ｒｔｈ１，Ｒｔｈ３，Ｒｔｈ２と、出力電圧Ｖｔｈｏ１，Ｖｔｈｏ３，Ｖｔｈｏ２の関係（Ｖｔｈｏ２−Ｖｔｈｏ１＝Ｖｔｈｏ３−Ｖｔｈｏ２）とで求められ、出力電圧特性は、図４のようになる。
【００３７】
この出力電圧Ｖｔｈｏは、周囲温度検知用サーミスタＴＨの抵抗値Ｒｔｈが周囲温度の変動に伴って変化し、その抵抗変化が電圧変化に変換されて、オペアンプＡ１に入力されるので、周囲温度の変化に応じて変動し、それにより、サーモパイル１０４の出力の周囲温度の変動によるシフト分が相殺され、サーモパイル１０４の出力が温度補償される。
【００３８】
なお、サーモパイル１０４の出力電圧Ｖｔｐを温度補償する理由は、以下の通りである。すなわち、一例として図５に黒体炉温度（℃）対出力電圧Ｖｔｐ（Ｖ）の温度特性として示すように、温度補償なしの場合の出力電圧Ｖｔｐは、たとえば、周囲温度Ｔａ＝２０℃およびＴａ＝５０℃の場合に、それぞれ、異なるカーブＡおよびＢを描く。そして、図からも分かるように、周囲温度Ｔａが高いほど、カーブは、出力電圧が低い方にシフトする。
【００３９】
そして、温度補償がある（温度補償回路１０２）の場合、第１の増幅器１０３の出力電圧Ｖｔｈは、サーモパイル１０４の入力端子に印加されるとともに、第２の増幅器１０５におけるオペアンプＡ２の反転入力端子に抵抗Ｒ６を介して印加され、オペアンプＡ２の動作点をシフトさせる電圧として作用する。つまり、第２の増幅器１０５の出力Ｖｏｕｔは、サーモパイル１０４の出力電圧Ｖｔｐに第１の増幅器１０３から出力された出力電圧Ｖｔｈだけシフトさせた、図中の“温度補償後出力”で示すカーブＣ一本にまとめることができる。
【００４０】
このように、温度補償回路１０２があるということは、周囲温度の変化に応じてシフトしてしまうサーモパイル１０４の出力電圧Ｖｔｐを、周囲温度の変化に関係なく、１つのカーブに補正することができるということになる。
【００４１】
一方、図３の赤外線センサモジュールＭにおいて、矢印で示すように、測定物体（図示しない）から放射された赤外線は、ミラー１２１の開口部１２１ｃから凹面鏡１２１ａに入射し、凹面鏡１２１ａで集光され、赤外線センサＳの赤外線透過フィルタ１１３を通過して、サーモパイル１０４の赤外線受光部１０４ａに導かれる。
【００４２】
サーモパイル１０４は、赤外線受光部１４ａで受光した赤外線エネルギーを電気信号に変換し、そのエネルギー量に応じた電圧を出力する。サーモパイル１０４の出力電圧Ｖｔｐは、第２の増幅器１０５のオペアンプＡ２の非反転入力端子に印加され、動作基準電圧（すなわち、オペアンプＡ１の出力電圧）Ｖｔｈを基準にしてオペアンプＡ２のゲインＧ２にて増幅される。
【００４３】
その結果、オペアンプＡ２の出力側に接続された出力端子１０６に、出力電圧Ｖｏｕｔが得られる。この出力電圧Ｖｏｕｔは、
Ｖｏｕｔ＝Ｇ２＊Ｖｔｐ＋Ｖｔｈ・・・・・（３）
と表わすことができる。
【００４４】
次に、図６は、本発明による赤外線検出装置の具体的構成例を示す回路図である。図６においては、図１における基本電圧源Ｅは、ツェナーダイオードＺＤで実現されている。また、周囲温度検知用サーミスタＴＨには、その温度特性を直線化するための抵抗Ｒ８，Ｒ９が、それぞれ、並列接続および直列接続されている。さらに、図６の回路では、図１の回路を構成する構成部品に加えて、コンデンサＣ１〜Ｃ５および抵抗Ｒ１０が追加されている。また、周囲温度検知用サーミスタＴＨは、ＮＴＣ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）タイプのものが使用されている。
【００４５】
以上説明した本発明による赤外線検出装置では、以下のような特長がある。
（１）赤外線検出回路を構成する温度補償回路１０２は、基準電圧Ｖｒｅｆを周囲温度検知用サーミスタＴＨと抵抗Ｒ２へ印加させることにより、電源電圧の変動や温度ドリフトの影響を取り除く効果がある。よって、第２の増幅器１０５からは、測定物体から放射される赤外線に相当する精度の良い出力信号Ｖｏｕｔが出力される。
（２）サーモパイル１０４の出力電圧Ｖｔｐの周囲温度依存性を補償する回路として、温度補償回路１０２を設け、温度補償回路１０２の出力を増幅した電圧Ｖｔｈをサーモパイル１０４に印加している。すなわち、周囲温度が高くなると、出力電圧Ｖｔｐは低くなり、周囲温度が低くなると、出力電圧Ｖｔｐは高くなる。一方、出力電圧Ｖｔｈは、周囲温度が高くなると、高くなる。出力電圧Ｖｔｐに出力電圧Ｖｔｈを加えることで、出力電圧Ｖｔｐの周囲温度に依存する変動分を相殺することが可能となる。
（３）この回路での温度補償は、図７に示す従来装置のように差動増幅回路による演算にて行うのではなく、オペアンプＡ２の動作点（基準電圧）を周囲温度の変動に合わせ可変することで実現していることに特長がある。
（４）温度補償回路１０２から出力される出力電圧特性を略直線化することで、サーモパイル１０４から出力されるリニアな出力特性との合成が可能となる。
（５）サーモパイル１０４の出力電圧Ｖｔｐが反転した場合（対象物体温度が周囲温度より低い場合）は、ゼロボルトを基準にした増幅器回路の場合には正負の出力を持つ両電源を用意する必要があるが、本発明の回路の場合には、正の単電源での使用が可能となる。それは、電圧Ｖｔｈには、温度変動による電圧変動分と一定電圧のシフト分とが合算してあるため、サーモパイル１０４の出力が負に反転する場合にも、正の電圧として出力端子１０６から出力することが可能となり、高精度で広範囲の赤外線量（したがって、温度）を検出することができる。
（６）本発明の赤外線検出装置では、２つのオペアンプで構成されているので、３つの前置増幅器で構成された図７の従来装置に比べて、より簡単な構成であり、動作点のバラツキの合成が低減され、精度の良い温度測定が実現できる。また、本発明の赤外線検出装置は、従来より１つ少ない２つのオペアンプで済むので、コストダウンを図ることができる。
【００４６】
以上の通り、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限らず、種々の変形、応用が可能である。
【００４７】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、赤外線検出装置は、一定の基準電圧を発生する基準電圧発生手段と、基準電圧発生手段からの基準電圧が印加され、周囲温度を補償する信号を出力する周囲温度補償手段と、周囲温度補償手段から出力された信号を増幅する第１の増幅手段と、第１の増幅手段から出力される信号が印加されると共に、赤外線放射エネルギーを電気信号に変換する赤外線検知手段と、赤外線検知手段から出力される信号を増幅する第２の増幅手段と、を備えるので、従来より簡単な構成で広範囲な温度測定を実現し、動作点のバラツキの影響を低減し、かつコストダウンを図ることができる。
【００４８】
請求項２記載の発明によれば、周囲温度補償手段は、周囲温度検知用サーミスタを含むので、周囲温度の変動を抵抗値の変化としてとらえ、電圧変化に変換して温度補償のための信号として出力することができる。
【００４９】
請求項３記載の発明によれば、周囲温度補償手段は、周囲温度検知用サーミスタの温度特性を直線化する直線化手段をさらに含むので、精度の良い温度補償が可能となる。
【００５０】
請求項４記載の発明によれば、赤外線検知手段はサーモパイルであるので、赤外線を感度良く検知することができる。
【００５１】
請求項５記載の発明によれば、第１および第２の増幅器は、それぞれ、オペアンプを含むので、それぞれのゲインを適宜に設定することにより精度の良い赤外線検出が可能となる。
【００５２】
請求項６記載の発明によれば、赤外線検出装置は、測定物体から放射される赤外線を集光して赤外線検知手段に導く集光手段をさらに備えるので、効率の良い赤外線検出を行うことができる。
【００５３】
請求項７記載の発明によれば、集光手段は、その内側に形成された凹面鏡と、その下部に形成され、周囲温度検知用サーミスタとサーモパイルが内蔵された赤外線センサが配置される凹部と、凹面鏡と相対して形成され、測定物体から放射される赤外線を凹面鏡に入射させる開口部とを有するミラーであり、赤外線センサは、サーモパイルの赤外線受光部が凹面鏡の焦点に位置するように配置されるので、入射された赤外線が凹面鏡によりサーモパイルの赤外線受光部に効率よく導かれ、感度の良い赤外線検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による赤外線検出装置の実施の形態の基本構成を示す回路図である。
【図２】本発明による赤外線検出装置における赤外線センサの構成例を示す分解斜視図である。
【図３】本発明による赤外線検出装置における赤外線センサモジュールの構成例を示す略断面図である。
【図４】本発明による赤外線検出装置における温度補償回路の出力電圧特性を示す図である。
【図５】本発明による赤外線検出装置におけるサーモパイルの温度補償を説明するための温度特性図である。
【図６】本発明による赤外線検出装置の具体的構成例を示す回路図である。
【図７】従来の赤外線検出装置の構成例を示す回路図である。
【符号の説明】
１０１ 基準電圧発生回路（基準電圧発生手段）
１０２ 温度補償回路（周囲温度補償手段）
１０３ 第１の増幅器
１０４ サーモパイル（赤外線検知手段）
１０５ 第２の増幅器
１０６ 出力端子
１２１ ミラー（集光手段）
１２１ａ 凹面鏡
１２１ｂ 凹部
１２１ｃ 開口部
Ｅ 基準電圧源
ＴＨ 周囲温度補償用サーミスタ
Ａ１ オペアンプ
Ａ２ オペアンプ
Ｒ２ 抵抗（直線化手段）
Claims (7)
- 一定の基準電圧を発生する基準電圧発生手段と、
前記基準電圧発生手段からの基準電圧が印加され、周囲温度を補償する信号を出力する周囲温度補償手段と、
前記周囲温度補償手段から出力された信号を増幅する第１の増幅手段と、
前記第１の増幅手段から出力される信号が印加されると共に、赤外線放射エネルギーを電気信号に変換する赤外線検知手段と、
前記赤外線検知手段から出力される信号を増幅する第２の増幅手段と、
を備えることを特徴とする赤外線検出装置。 - 前記周囲温度補償手段は、周囲温度検知用サーミスタを含むことを特徴とする請求項１記載の赤外線検出装置。
- 前記周囲温度補償手段は、周囲温度検知用サーミスタの温度特性を直線化する直線化手段をさらに含む
ことを特徴とする請求項２記載の赤外線検出装置。 - 前記赤外線検知手段はサーモパイルである
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の赤外線検出装置。 - 前記第１および第２の増幅器は、それぞれ、オペアンプを含む
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の赤外線検出装置。 - 測定物体から放射される赤外線を集光して前記赤外線検知手段に導く集光手段をさらに備える
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の赤外線検出装置。 - 前記集光手段は、その内側に形成された凹面鏡と、その下部に形成され、前記周囲温度検知用サーミスタと前記サーモパイルが内蔵された赤外線センサが配置される凹部と、前記凹面鏡と相対して形成され、測定物体から放射される赤外線を前記凹面鏡に入射させる開口部とを有するミラーであり、
前記赤外線センサは、前記サーモパイルの赤外線受光部が前記凹面鏡の焦点に位置するように配置される
ことを特徴とする請求項６記載の赤外線検出装置。
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