JP2005195435A - Noncontact type temperature detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、温度制御を目的として非接触で温度計測を行う非接触型温度検出器に関するものである。 The present invention relates to a non-contact temperature detector that performs temperature measurement in a non-contact manner for the purpose of temperature control.
従来より非接触で温度検出を行う赤外線センサとしては、サーモパイルが広く知られている。サーモパイルを用いた温度検出センサモジュールは、一般に図7に示す様にサーモパイル赤外線センサ17を前記サーモパイル赤外線センサ17からの信号出力を増幅、もしくは出力処理を行う回路部を構成する部品18a、18bを実装した外付け接続用配線基板19に搭載して、信号処理された出力をコネクタ端子20により取り出す構成となっている。
A thermopile is widely known as an infrared sensor that performs temperature detection without contact. A temperature detection sensor module using a thermopile generally includes components 18a and 18b constituting a circuit unit for amplifying a signal output from the
この様に構成された赤外線センサモジュールは非接触型温度検出器として、例えば調理器、エアコン等種々の温度計測用に搭載される場合、様々な設置環境条件下を想定した最適な回路構成にて使用される。サーモパイル赤外線センサ17は、受光素子部となるサーモパイル素子の温接点と冷接点間で生じる温度差、すなわち対象物体温度と赤外線センサ自己周囲温度の差によって信号出力が得られるので、温度計測機能として対象物体温度の検出精度を安定させる為には、赤外線センサ自身の自己温度が限りなく安定している事が望ましい。しかし実使用上温度検出器を取り巻く環境においては周囲温度の急激な温度変化は十分に想定される為、温度変化に左右されないセンサモジュールを提供する目的として、ヒートシンク21を用いる場合があり、通常このヒートシンク21は赤外線センサ自身の熱容量を増加させ故意的に温度追従性を遅らせるべく、例えば図7の様にサーモパイル赤外線センサ17のケース面に接触具備をさせて用いている。
The infrared sensor module configured in this way is an optimum circuit configuration that assumes various installation environment conditions when mounted as a non-contact type temperature detector, for example, for various temperature measurement such as a cooker and an air conditioner. used. The
また前記非接触型温度検出器では、赤外線を受光し信号出力を生ずるサーモパイル赤外線センサ17が表面に露出する形となり、装飾上の関係並びに設置周囲環境からの埃、水蒸気成分等の汚れを保護する為に赤外線センサの前面部に赤外線を透過するカバー材(例えばポリエチレン材等)が装備され用いられている。
解決しようとする問題点は、図7に示すサーモパイル赤外線センサ17にヒートシンク21を接触具備をさせて設置周囲環境の急激な温度変化の影響を受けない構造とした赤外線センサモジュールでは、ヒートシンク21を別途準備手配し装備しなければならないだけでなく、サーモパイル赤外線センサ17周辺部にヒートシンク具備用の最低限の容積スペースを設ける必要があり、センサモジュール全体の容積サイズの縮小化に限界が生ずる点である。
The problem to be solved is that in the infrared sensor module in which the
また前記赤外線センサモジュールでは信号出力処理回路部が外付け配線基板上に搭載される為実設置周囲環境下にさらされる状態にあり、防汚機構としてカバー材を装備する場合においても基板面を完全に保護する効果は少なく、従って外部からの影響を受けやすく、例えば耐湿耐塵性、外来雑音等に乏しくセンサモジュールとしての耐環境性能は劣るという問題があった。 In the infrared sensor module, since the signal output processing circuit is mounted on the external wiring board, it is exposed to the actual installation environment. Even when a cover material is provided as an antifouling mechanism, the board surface is completely Therefore, there is a problem that the sensor module is inferior in environmental resistance performance due to poor moisture and dust resistance and external noise.
本発明は、上記課題を解決する為に、対象物体からの赤外線を検出するサーモパイル素子と前記サーモパイル素子の周囲温度を検出するサーミスタをTO−18型の金属CANケース及びヘッダーによって同一ケーシングしたサーモパイル赤外線センサを、前記サーモパイル赤外線センサとの電気的接続を成すリード端子を備えたヘッダーと、最大断面積155.54平方ミリメートル以下の赤外線透過材を具備した金属CANケースによりハーメチックシールを行う事で、内部サーモパイル赤外線センサと外部空気との間に空気断熱層を形成し、設置周囲温度の急激な温度変化の影響を受けない構造(赤外線受光部であるサーモパイル素子が二重にハーメチックシールパッケージされる構造)とした非接触型温度検出器である事を特徴としている。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a thermopile infrared in which a thermopile element for detecting infrared rays from a target object and a thermistor for detecting the ambient temperature of the thermopile element are casing together by a TO-18 type metal CAN case and a header. The sensor is hermetically sealed with a header having lead terminals for electrical connection with the thermopile infrared sensor and a metal CAN case having an infrared transmitting material having a maximum cross-sectional area of 155.54 square millimeters or less. An air insulation layer is formed between the thermopile infrared sensor and the outside air, so that it is not affected by sudden changes in the ambient temperature of the installation (a structure in which the thermopile element, which is the infrared sensor, is double hermetically sealed) It is a non-contact temperature detector There.
また前記サーモパイル赤外線センサを収容する金属製CANケースを、設置周囲温度の急激な温度変化によるケース自身の温度変動を少なくする目的として、赤外線の吸収を低減させる為に赤外線反射用メッキ処理(例えばクロムメッキ等)を施してもよい。 In addition, the metal CAN case that houses the thermopile infrared sensor is subjected to an infrared reflection plating process (for example, chromium) in order to reduce infrared absorption for the purpose of reducing the temperature variation of the case itself due to a sudden temperature change of the installation ambient temperature. Plating) or the like.
また前記金属CANケース自身の厚みを、例えば最大壁部厚み2.5ミリメートル以下となる構造にして、ケース自身の熱容量を増やし前記金属CANケース自身がヒートシンクとしての機能を有してもよい。 Further, the thickness of the metal CAN case itself may be configured to be, for example, a maximum wall thickness of 2.5 millimeters or less to increase the heat capacity of the case itself, and the metal CAN case itself may have a function as a heat sink.
また従来は外付け基板上にセンサ信号出力の処理回路部を設けていたが、図1に示す構造を用いる事で前記サーモパイル赤外線センサを収容したケーシングのスペース内に、信号出力処理回路の構成部品であるオペアンプIC、抵抗、コンデンサ等を最大平面積100.78平方ミリメートル以下の配線基板上に搭載し、前記TO−18型サーモパイル赤外線センサと共に電気的接続を成して最大断面積155.54平方ミリメートル以下のケーシング内へパッケージを行い、単一で小型の赤外線センサモジュールとしての構成も可能である。尚ここで、信号出力処理回路部を金属CANケースにてハーメチックシールする事により、外部からの電磁波によるセンサ信号出力への影響等の外的要因を完全に除去する事も可能となる。 Conventionally, the processing circuit unit for sensor signal output has been provided on the external substrate. However, by using the structure shown in FIG. 1, the components of the signal output processing circuit are provided in the space of the casing housing the thermopile infrared sensor. Are mounted on a wiring board having a maximum plane area of 100.78 square millimeters or less, and are electrically connected to the TO-18 type thermopile infrared sensor to have a maximum sectional area of 155.54 square. It is possible to construct a single and small infrared sensor module by packaging in a casing of millimeter or less. Here, by externally sealing the signal output processing circuit section with a metal CAN case, it is possible to completely remove external factors such as the influence on the sensor signal output by external electromagnetic waves.
更に非接触型温度検出器の用途仕様によっては、二重ハーメチックシール構造を施さなくとも外側の赤外線透過材を具備した金属CANケースのみで構成をしサーモパイル素子と外部空気との距離を広く取る事により、設置周囲環境の温度変化に対してその影響度合いを緩和させる事も可能である。 Furthermore, depending on the application specifications of the non-contact type temperature sensor, it may be configured only with a metal CAN case having an outer infrared transmitting material without providing a double hermetic seal structure, and a wide distance between the thermopile element and the external air may be taken. Thus, it is possible to reduce the degree of influence on the temperature change of the surrounding environment.
本発明の非接触型温度検出器によれば、従来より製造されているTO−18型サーモパイル赤外線センサを最大断面積155.54平方ミリメートル以下の金属CANケース内にパッケージ構成する事により、設置周囲温度の急激な温度変化を遮断回避させる空気断熱層を設けサーモパイル素子の冷接点部を安定させる、すなわち赤外線センサの自己周囲温度を安定させる為のヒートシンクを別途に具備する事なく、且つ前記サーモパイル赤外線センサを収容したケーシングのスペース部にセンサ信号出力処理回路部を設ける事で赤外線センサモジュールの構成が可能となり、センサモジュールの容量サイズを小型化する事ができる。また前記サーモパイル赤外線センサは赤外線受光部であるサーモパイル素子と温度感受部であるサーミスタを同一ケーシングした構造であるので、前記サーモパイル素子並びにサーミスタが二重にパッケージされる為設置周囲環境の影響(急激な温度変化や汚染、耐湿耐塵性、外来雑音等)を受けにくくなる。従って赤外線センサ自身の自己温度が安定し、正確な対象物体の温度検出を行う事が可能で、且つ外部からの電磁波影響を受けない優れた非接触型温度検出器を提供できる。 According to the non-contact type temperature detector of the present invention, a conventionally manufactured TO-18 type thermopile infrared sensor is packaged in a metal CAN case having a maximum cross-sectional area of 155.54 square millimeters or less, so The thermopile infrared is provided without an additional heat sink for stabilizing the cold junction part of the thermopile element by providing an air heat insulation layer that interrupts and avoids sudden temperature changes, that is, to stabilize the self ambient temperature of the infrared sensor. By providing the sensor signal output processing circuit part in the space part of the casing housing the sensor, the infrared sensor module can be configured, and the capacity size of the sensor module can be reduced. The thermopile infrared sensor has a structure in which a thermopile element that is an infrared light receiving portion and a thermistor that is a temperature sensing portion are in the same casing. Therefore, since the thermopile element and the thermistor are double packaged, the influence of the surrounding environment (abrupt Temperature change, contamination, moisture and dust resistance, external noise, etc.). Accordingly, it is possible to provide an excellent non-contact type temperature detector that can stabilize the temperature of the infrared sensor itself, accurately detect the temperature of the target object, and is not affected by external electromagnetic waves.
またここで前記最大断面積155.54平方ミリメートル以下の金属CANケースにおいて、赤外線吸収を低減させる赤外線反射用メッキ処理を施す、もしくはケース自身の熱容量を増やす為にケース自身の壁部を最大厚み2.5ミリメートル以下となる構造を施したケースを用いれば、外部雰囲気との断熱効果が一層期待される事となる。 Further, here, in the metal CAN case having the maximum cross-sectional area of 155.54 square millimeters or less, an infrared reflection plating process for reducing infrared absorption is performed, or the case itself has a maximum thickness of 2 to increase the heat capacity of the case. If a case having a structure of .5 mm or less is used, a heat insulating effect from the external atmosphere can be further expected.
また本実施例にて挙げている、パッケージサイズが上面側断面積113.49〜117.82平方ミリメートル、下面側断面積150.81〜155.54平方ミリメートル、側面側断面積75.56〜81.67平方ミリメートルのフラット型パッケージタイプは、一般的に生産使用されているので、従来からの製造技術により低価格且つ小型の赤外線センサモジュールとしての提供が可能となり、センサモジュール固定用外付け接続基板の縮小化にも繋がり、温度検出装置自体の低コスト化及び小型軽量化への一助となる。 In addition, the package size mentioned in this example is an upper surface side sectional area of 113.49 to 117.82 square millimeters, a lower surface side sectional area of 150.81 to 155.54 square millimeters, and a side surface sectional area of 75.56 to 81. Since the flat type package type of .67 square millimeters is generally used and produced, it can be provided as a low-cost and small-sized infrared sensor module by conventional manufacturing technology, and an external connection board for fixing the sensor module. As a result, the temperature detector itself can be reduced in cost and reduced in size and weight.
設置周囲環境の急激な温度変化に影響されない非接触型温度検出器として図1に示す構造並びに図3に示す回路構成を従来の製造技術及び組立工程にて実現した。 The structure shown in FIG. 1 and the circuit configuration shown in FIG. 3 are realized by a conventional manufacturing technique and assembly process as a non-contact temperature detector that is not affected by a sudden temperature change in the surrounding environment of the installation.
まず図1を参照にして、本発明に係わる非接触型温度検出器について詳細に説明する。本実施例ではサーモパイル赤外線センサとセンサ信号出力処理回路部を同一にパッケージ収容した小型の非接触型温度検出器として挙げている。図1では、赤外線を入射透過させるフィルタ材を具備した最大断面積155.54平方ミリメートル以下の金属製CANケース8と、サーモパイル素子1とサーミスタ2を配置したTO−18型サーモパイル赤外線センサ10、オペアンプIC11、12、抵抗及びコンデンサ等の回路構成部品13a、13bを搭載した基板6、サーモパイル赤外線センサ10からの出力信号を取り出し且つ前記基板6を支える為の電気的接続及び機械的固定用のリード端子9を設けたヘッダー7とを、外来からの環境的変化や電磁障害を防止する為にハーメチックシールとした構成となっている。
First, a non-contact temperature detector according to the present invention will be described in detail with reference to FIG. In this embodiment, the thermopile infrared sensor and the sensor signal output processing circuit unit are cited as a small non-contact type temperature detector in which the same package is accommodated. In FIG. 1, a
ここで、基板6は内部配線が形成(図1では、配線が複雑な為図示せず)されている最大平面積100.78平方ミリメートル以下の薄体板である。またサーモパイル赤外線センサ10は赤外線を受光するサーモパイル素子1と赤外線センサ自己温度感受用の温度基準素子であるサーミスタ2とをワイヤリング接続して配置されており、赤外線透過窓を有する金属CANケース4と前記サーモパイル素子とサーミスタを電気的接続したリード端子5を備えたヘッダー3によりハ−メチックシールされた一般的なTO−18型パッケージタイプである。尚TO−18型サーモパイル赤外線センサ10の金属CANケース4及びフラット型を成す外側の金属CANケース8は、赤外線フィルタとしてシリコン材、もしくはポリエチレン材等を具備して使用される。
Here, the
図2は、本実施例に係わる非接触型温度検出器の外観形状図であり、上面A、下面B及び側面Cから見た場合のパッケージサイズが、それぞれ上面A側断面積113.49〜117.82平方ミリメートル、下面B側断面積150.81〜155.54平方ミリメートル、側面C側断面積75.56〜81.67平方ミリメートルのフラット型にパッケージした構造としている。 FIG. 2 is an external shape diagram of the non-contact temperature detector according to the present embodiment, and the package sizes when viewed from the upper surface A, the lower surface B, and the side surface C are respectively the upper surface A side sectional areas 113.49 to 117. .82 square millimeters, lower surface B side sectional area 150.81 to 155.54 square millimeters, and side C side sectional area 75.56 to 81.67 square millimeters.
図3は、本実施例に係わる非接触型温度検出器の内部配線回路図の例であり、サーモパイル信号出力とサーミスタ信号出力をそれぞれ独立に増幅出力として取り出す方式を示している。図4に本実施例による非接触型温度検出器を用いて、対象物体を非接触で温度計測を行う機器に搭載し、設置周囲温度を実験的に変化させた場合の非接触型温度検出器から得られる計測温度をプロットした結果を示す。また同時評価として、図7に示す従来のヒートシンク具備型の非接触型温度検出器を用いた場合の計測温度を図4の点線プロットとして同様に示す。ここで実験条件は、対象物体温度を50℃と固定し、設置周囲温度は25℃に安定させた時点より+2℃/分の温度勾配により上昇させて40℃に到達時点より保温状態としている。周囲温度が急激に変化する場合において、ヒートシンクを具備した従来型の計測温度は最小計測値49.6℃、最大計測値50.5℃を示し、これに対して本実施例による非接触型温度検出器は最小計測値49.8℃、最大計測値50.3℃と従来型と同等以上の高精度な計測温度が得られる事がわかる。これらの実験結果より、本実施例による非接触型温度検出器は、サーモパイル赤外線センサ並びに信号出力増幅回路部が単一ケースにパッケージされている為、急激な温度変化及び空気の対流等の実設置周囲環境の影響に対して優れた効果がある事が確認できた。 FIG. 3 is an example of an internal wiring circuit diagram of the non-contact type temperature detector according to the present embodiment, and shows a method of taking out the thermopile signal output and the thermistor signal output independently as amplified outputs. FIG. 4 shows a non-contact type temperature detector in which the target object is mounted on a device that measures the temperature in a non-contact manner using the non-contact type temperature detector according to this embodiment, and the installation ambient temperature is experimentally changed. The result of having plotted the measured temperature obtained from is shown. In addition, as a simultaneous evaluation, the measured temperature in the case of using the conventional heat sink-equipped non-contact temperature detector shown in FIG. 7 is similarly shown as a dotted line plot in FIG. Here, the experimental condition is that the target object temperature is fixed at 50 ° C., the ambient temperature of the installation is increased by a temperature gradient of + 2 ° C./min from the time when it is stabilized at 25 ° C., and the temperature is kept from the time when it reaches 40 ° C. When the ambient temperature changes rapidly, the measured temperature of the conventional type equipped with the heat sink shows a minimum measured value of 49.6 ° C. and a maximum measured value of 50.5 ° C. It can be seen that the detector has a minimum measured value of 49.8 ° C. and a maximum measured value of 50.3 ° C., and a highly accurate measured temperature equivalent to or higher than that of the conventional type can be obtained. From these experimental results, since the thermopile infrared sensor and the signal output amplifier circuit part are packaged in a single case, the non-contact temperature detector according to the present embodiment is actually installed such as a sudden temperature change and air convection. It was confirmed that there was an excellent effect on the influence of the surrounding environment.
温度計測用途としての本実施例の非接触型温度検出器の動作は、対象物体からの赤外線を受光し、赤外線センサ自己温度との温度差に応じて出力を生ずるサーモパイル素子1と前記サーモパイル素子1の冷接点付近に配置された赤外線センサ自己温度感受用のサーミスタ2の信号出力が、オペアンプIC11、12、抵抗R1〜R5及びコンデンサC1、C2から成る増幅回路部を通して出力が検出される。前記検知信号出力は、電気的接続を成すリード端子9より、最小平面積サイズの信号出力取り出し用コネクタ端子を搭載した簡単な外付け接続基板を設けるのみで直接に信号出力を取り出す事が可能となる。
The operation of the non-contact temperature detector of this embodiment as a temperature measurement application is to receive infrared rays from a target object and generate an output according to a temperature difference from the infrared sensor self-temperature and the
図5と図6は、本実施例に係わる非接触型温度検出器の内部配線回路図の他の例を示している。図5ではサーミスタ信号出力をツェナーダイオード14、又は三端子レギュレータ等により定めた動作基準電位からの分圧出力として取り出しを行う回路構成であり、図6ではサーモパイル信号出力の動作基準電位を第二オペアンプ12により増幅されたサーミスタ信号出力とし、第一オペアンプ11の片側入力端子へ接続された可変型抵抗16によりゲイン調整を行い、設置周囲温度変化に依存しないサーモパイル信号出力を得る回路構造である。ここで、図3及び図5に示すサーモパイル信号出力増幅用の第一オペアンプ11に係る入力抵抗15を、図6の様にゲイン調整可能な可変型抵抗16として用いても構わない。この様に非接触型温度検出器を搭載する、例えば調理器、エアコン等の機器、それぞれの用途に最適となる信号出力処理回路部として、オペアンプIC11、12、抵抗R1〜R5及び可変型抵抗16、コンデンサC1、C2を内部基板6に配線選択を施す事も容易に可能である。
5 and 6 show another example of the internal wiring circuit diagram of the non-contact temperature detector according to the present embodiment. 5 shows a circuit configuration in which the thermistor signal output is taken out as a divided output from the operation reference potential determined by the Zener
前記の様に構成されたいくつかの本実施例に係わる非接触型温度検出器では、センサからのアナログ信号出力処理回路部をサーモパイル赤外線センサと同一にパッケージ収容を行っているので、アナログセンサ信号出力をデジタル処理もしくは演算処理等を行う為の後段側処理回路を、搭載可能な最小平面積サイズの外付け接続基板を設ける事により、小型軽量化した温度計測装置として構築する事ができる。これらは、従来の製造技術及び組立工程から特異する事がなく構成可能である。 In the non-contact type temperature detectors according to some embodiments configured as described above, the analog signal output processing circuit unit from the sensor is housed in the same package as the thermopile infrared sensor. A post-processing circuit for performing digital processing or arithmetic processing on the output can be constructed as a temperature measuring device that is reduced in size and weight by providing an external connection board having a minimum plane area size that can be mounted. These can be configured without being different from conventional manufacturing techniques and assembly processes.
1 サーモパイル素子
2 サーミスタ
3 TO−18型ヘッダー
4 TO−18型金属CANケース
5、9 外部取出し用リード端子
6 内部配線基板
7 ヘッダー
8 金属CANケース
10 TO−18型パッケージサーモパイル赤外線センサ
11 第一オペアンプ
12 第二オペアンプ
13a,13b、18a、18b 回路構成用電子部品
14 ツェナーダイオード
15 第一オペアンプに係る入力抵抗
16 可変型抵抗
17 サーモパイル赤外線センサ
19 外付け接続用基板
20 コネクタ端子
21 ヒートシンク
R1〜R5 抵抗
C1、C2 コンデンサ
A 上面側の方向指示
B 下面側の方向指示
C 側面側の方向指示
DESCRIPTION OF
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