JP2008145133A

JP2008145133A - 放射温度計

Info

Publication number: JP2008145133A
Application number: JP2006329615A
Authority: JP
Inventors: Kazutaka Okamoto; 一隆岡本; Yoshiaki Nakada; 嘉昭中田
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2006-12-06
Filing date: 2006-12-06
Publication date: 2008-06-26

Abstract

【課題】環境温度等の変化によるドリフトや長期使用に伴う感度の劣化、光学系の汚れが生じたとしても、測温用赤外線検出器の出力値を高精度に校正して所定の温度分布の計測精度を著しく向上できる放射温度計を提供する。
【解決手段】測定対象物が放射する赤外線を受光し、その受光赤外線の温度に応じて抵抗値又は電圧値が変化するサーミスタボロメータ型赤外線検出素子３１からなる測温用赤外線検出器３の視野を断続的に遮断・開放するシャッター５の移動経路上に、自己発熱がなく、かつ、シャッター５が放射する赤外線を直接に受光し、その受光赤外線の温度から該シャッター５の表面温度を非接触で計測する補償用赤外線検出器６を設け、この補償用赤外線検出器６の計測出力値により測温用赤外線検出器３の出力値を校正するように構成している。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えばサーミスタボロメータ等のように、熱を持った測定対象物から放射される赤外線を受光して、そのエネルギー量に応じて抵抗値又は電圧値が変化する複数の赤外線素子からなる測温用赤外線検出器を用いて、測定対象物のイメージを撮像するとともに、その測定対象物の温度分布を計測するように構成されている放射温度計に関する。

この種の放射温度計においては、電源スイッチの投入直後などに測温用赤外線検出器が過渡的に自己発熱して温度上昇したり、あるいは、環境温度の変化によって前記測温用赤外線検出器が温度変動したりすることがある。このような測温用赤外線検出器自体の発熱に伴う温度上昇や環境温度の変化に伴う温度変動によって動作が不安定となり、出力値がドリフトして計測誤差を発生しやすい。また、長期使用に伴う感度劣化や光学系の汚れなども加わって、測定対象物の温度及び温度分布を正確に計測することができないという問題がある。

このような問題を解決する手段として、従来、測温用赤外線検出器の視野を断続的（周期的または非周期的）にシャッターにより遮断し、このシャッターの表面温度を観測するとともに、シャッターの近傍位置にサーミスタや白金などの周囲（環境）温度を測定する測温体を配置し、この測温体により測定された環境温度を前記シャッターの表面温度に代用して前記測温用赤外線検出器の出力値を校正する手段を採用した放射温度計（赤外線カメラ）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２８２２９９号公報

しかし、上記した従来提案の放射温度計では、シャッターと測温体との間に空気層が存在し、また、両者間に別の発熱体が存在する可能性もあって、シャッターの表面温度と該シャッター近傍の測温体の温度とに差があり、測温体の測定温度がシャッターの表面温度を必ずしも正確かつ厳密に反映したものでないために、測温用赤外線検出器の出力値を放射温度計として要求される精度にまで校正することができず、その結果、測定対象物に対する温度及び温度分布の計測精度を十分に上げることができないという問題があった。また、校正する温度が環境温度に近い常温付近に限定されるために、例えば測定対象物の温度が常温に対して高低差を有するものでは、校正精度、ひいては所定の計測精度が一層低下することは避けられないという問題もあった。

本発明は上述の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、環境温度等の変化によるドリフトや、長期使用に伴う感度の劣化、光学系の汚れが生じたとしても、測温用赤外線検出器の出力値を高精度に校正して所定の温度及び温度分布の計測精度を著しく向上することができる放射温度計を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る放射温度計は、測定対象物が放射する赤外線を受光し、その受光赤外線の温度に応じて抵抗値又は電圧値が変化する複数個の赤外線検出素子からなる測温用赤外線検出器と、この測温用赤外線検出器の視野を断続的に遮断・開放すべく位置移動するシャッターとを備え、このシャッターにより視野を遮断した状態で前記測温用赤外線検出器の出力値を校正するように構成されている放射温度計であって、前記シャッターの位置移動経路上に、自己発熱がなく、かつ、前記シャッターが放射する赤外線を直接に受光し、そのエネルギー量から該シャッターの表面温度を非接触で計測する補償用赤外線検出器を設け、この補償用赤外線検出器の計測出力値により前記測温用赤外線検出器の出力値を校正するように構成していることを特徴としている。

上記のような特徴構成を有する本発明によれば、自己発熱がない補償用赤外線検出器によりシャッターが放射する赤外線を直接に受光し、そのエネルギー量から該シャッターの表面温度を正確に計測することが可能であり、その正確に計測したシャッター表面温度を用いて、自己発熱や環境温度の変化によりドリフトが生じたり、長期使用に伴う感度劣化、光学系の汚れが生じていたりしている測温用赤外線検出器の出力値を校正することによって、当該測温用赤外線検出器に対して高精度な校正を行うことができ、これによって、放射温度計による測定対象物の温度及び温度分布の計測精度の著しい向上を達成することができるという効果を奏する。

本発明に係る放射温度計において、前記測温用赤外線検出器としては、量子型、熱型のいずれであってもよいが、熱型の場合、サーミスタボロメータから構成され、かつ、前記補償用赤外線検出器としては、環境温度の補償性能を有するサーモパイルから構成されているものが最も実用的である（請求項２）。

また、本発明に係る放射温度計において、前記シャッターとしては、赤外線透過がなく、表面の赤外線放射率が１または１に近くなるように黒化処理されているものを使用することが望ましい（請求項３）。この場合は、補償用赤外線検出器によるシャッターの表面温度を、環境温度などに一切左右されることなく、正確に計測することが可能で、校正精度、ひいては、温度及び温度分布の計測精度の一層の向上を図ることができる。

さらに、本発明に係る放射温度計において、前記シャッターの表面温度が、例えば前記補償用赤外線検出器の計測出力値に応じて制御可能に構成されている場合（請求項４）は、常温に限らず、例えば測定対象物の温度に近い温度域での校正も可能となり、多種多様な測定対象物に対する温度及び温度分布の計測精度をより一層高めることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る放射温度計１の全体概略平面図、図２は要部の拡大縦断面図である。この放射温度計１は、測定対象物（被写体）２が放射する赤外線を受光して、その受光赤外線（入射赤外線）の温度に応じて抵抗値が変化する複数個の赤外線検出素子からなる測温用赤外線検出器３と、この測温用赤外線検出器３の視野を断続的に遮断・開放すべく図示省略のモータを介して支点軸４の周りに往復揺動運動（位置移動）可能に枢支されたシャッター５と、このシャッター５の揺動運動経路上に配置されてこのシャッター５が放射する赤外線を直接に受光し、その受光赤外線の温度から該シャッター５の表面温度を非接触で計測する補償用赤外線検出器６とを備え、これら各部材を前記測温用赤外線検出器３に対応する箇所に赤外集光用レンズ７を固定保持したケース８内に収容して構成されている。

前記測温用赤外線検出器３は、図２に示しているように、測定対象物２から放射された赤外線ｈｖ１（図６，７参照）が透過する赤外線透過窓９を取り付けたキャップ１０とステム１１により形成されるパッケージ１２内で前記赤外集光用レンズ７及び赤外線透過窓９に対峙する位置に、例えばシリコン基板等の基板（後述する）上にサーミスタボロメータ型赤外線検出素子３１を配置して構成されている。

詳述すると、前記測温用赤外線検出器３は、図４に明示するように、例えばシリコン基板等の基板３２上に配置された赤外線受光部３１Ａを、２本の支脚３１ａ，３１ａを介して前記基板３２との間に数μｍ程度の熱絶縁用空間３１ｂが確保されるように前記基板３２に対して中空に浮かせたブリッジ構造に構成されている。このようなブリッジ構造の赤外線受光部３１Ａが前記基板３２上に、図３に示すように、複数個、例えば６４×６４個の二次元アレイ状に配置されており、前記赤外線透過窓９を通して入射される赤外線を受光し吸収することにより得られる微弱な熱を電圧の変化として出力し、その出力信号をボンディングワイヤ１３及び前記ステム１１に貫通して設けたピン状端子１４を介して演算部１５に入力して前記測定対象物２の温度を算出し、その算出温度を表示部２５に出力するように構成されている。

一方、前記補償用赤外線検出器６は、図２に示しているように、前記シャッター５から放射された赤外線ｈｖ２（図７参照）のみが透過する赤外線透過窓１６を取り付けたキャップ１７とステム１８により形成されるパッケージ１９内で前記赤外集光用レンズ７には対峙しない位置で前記赤外線透過窓１６に対峙する位置に、サーモパイルからなる赤外線検出素子６１の受光部６１Ａを基板（後述する）上に絶縁支持させて構成されている。

詳述すると、前記補償用赤外線検出器６は、図５に明示するように、基板２０上に絶縁膜２１を介して支持された赤外線検出素子１の受光部６１Ａ直下の基板２０の中央部分をエッチング等により除去して熱絶縁のために薄肉化されたダイヤアラム構造に構成されており、前記シャッター５から放射され前記赤外線透過窓１６を通して入射される赤外線ｈｖ２（図７参照）を受光部６１Ａで受光し吸収することにより得られる微弱な熱を電圧の変化として出力し、その出力信号をボンディングワイヤ２２及び前記ステム１８に貫通して設けたピン状端子２３を介して前記演算部１５に入力して前記シャッター５の表面温度を算出するように構成されている。なお、基板２０の厚み２０ａは、例えば３００μｍと十分に厚く、前記測温用赤外線検出器３における赤外線受光部３１Ａと基板３２との間の絶縁用空間３１ｂに比べて熱絶縁性が十分に高くなっている。

また、前記シャッター５は、赤外線の透過がなく、その表面の赤外線放射率が１または１に近くなるように、熱伝導率の高い金属類の表面を黒化処理して形成されており、前記支点軸４周りでの往復揺動運動によって、図１の点線で示すように、前記測温用赤外線検出器３の視野を開放し、かつ、補償用赤外線検出器６の視野を遮断する通常の計測動作状態と、図１の仮想線で示すように、前測温用赤外線検出器３の視野を遮断し、かつ、補償用赤外線検出器６の視野を開放する校正動作状態とに択一切替自在に構成されている。

上記のように構成された本実施の形態に係る放射温度計１において、通常は、図６に示すように、前記測温用赤外線検出器３の視野がシャッター５により開放されており、測定対象物２から放射された赤外線ｈｖ１が赤外集光用レンズ７、赤外線透過窓９を経て測温用赤外線検出器３におけるサーミスタボロメータ型赤外線検出素子３１の赤外線受光部３１Ａに受光されて前記測定対象物２のイメージが撮像されるとともに、その受光赤外線の吸収により得られる微弱な熱を抵抗の変化として検出し、その出力信号が演算部１５に入力されることで前記測定対象物２の温度を算出して測定対象物２の温度分布が計測され、その計測された温度分布が表示部２５に表示される。

この通常の温度分布計測動作時においては、前記シャッター５が補償用赤外線検出器６の視野を遮断する状態にあり、この視野が遮断された補償用赤外線検出器６は、シャッター５から放射され前記赤外線透過窓１６を通して入射される赤外線ｈｖ２を受光し吸収することにより得られる微弱な熱を電圧の変化として出力し、その出力信号が前記演算部１５に入力されることで前記シャッター５の表面温度が算出（計測）され、かつ、演算部１５に設けられたメモリ（図示省略）に記憶される。

このような通常の温度分布計測動作が数回繰り返される毎に断続的（定期的もしくは非定期的）に、前記シャッター５は支点軸４の周りで揺動されて、図１の点線及び図７に示すように、前記測温用赤外線検出器３の視野がシャッター５により遮断された校正動作状態に切替えられる。この校正動作状態に切替えられると、前記シャッター５から放射された赤外線ｈｖ２のみが前記赤外線透過窓９を経て測温用赤外線検出器３におけるサーミスタボロメータ型赤外線検出素子３１の赤外線受光部３１Ａに受光され、その受光赤外線の吸収により得られる微弱な熱を抵抗の変化として検出し、その出力信号が演算部１５に入力されて前記シャッター５の表面温度が算出される。

そして、演算部１５において、前記の校正動作時に算出されたシャッター５の表面温度と、前記通常の温度分布計測時に補償用赤外線検出器６により計測されメモリに記憶されているシャッター５の表面温度とが比較演算され、それら両表面温度が一致するようにゲイン調整することにより、測温用赤外線検出器３の出力値が校正される。

以上のように、自己発熱がない補償用赤外線検出器６を用いてシャッター５が放射する赤外線ｈｖ２を直接に受光して該シャッター５の表面温度を正確に計測し、その正確に計測したシャッター表面温度を用いて測温用赤外線検出器３の出力値を校正することによって、電源スイッチの投入直後などの過渡的な自己発熱や環境温度の変化に伴うドリフト、さらには、長期使用に伴う感度劣化、光学系（赤外集光用レンズ７、赤外線透過窓８等）の汚れを容易に発見する自己診断機能を発揮できるとともに、その自己診断結果を用いて測温用赤外線検出器３の出力値を高精度に校正することができる。これによって、放射温度計１による測定対象物２の温度及び温度分布の計測精度を著しく向上することができるとともに、その高い計測精度を長期間に亘って安定維持することができる。

特に、表面の赤外線放射率が１または１に近くなるように、かつ、熱伝導率の高い金属類の表面を黒化処理して形成されたシャッター５を用いることによって、補償用赤外線検出器６によるシャッター５の表面温度を、環境温度などに一切左右されることなく、正確に計測することが可能で、校正精度、ひいては、放射温度計１による温度及び温度分布の計測精度を一層向上することができる。

なお、上記実施の形態では、前記シャッター５の表面温度が一定のもので説明したが、前記補償用赤外線検出器６により計測された表面温度に基づいて該シャッター５の表面温度を、例えば内蔵ヒータなどにより制御可能に構成してもよい。この場合は、校正温度が周囲温度（常温成り行き）に限らず、例えば測定対象物２の温度に近い温度域での校正も可能となり、多種多様な測定対象物に対する温度及び温度分布の計測にも利用でき、かつ、常に高い計測精度を確保することができる。

また、上記実施の形態では、赤外集光用レンズ７を固定保持したケース８内に測温用赤外線検出器３とシャッター５並びに補償用赤外線検出器６を収容したもので説明したが、該ケース８内に演算部１５も収容し、表示部２５をケース８の外面に取付けて各構成部材を一体化したものであってもよい。

本発明の実施の形態に係る放射温度計の全体概略平面図である。同上放射温度計の要部の拡大縦断面図である。同上放射温度計における補償用赤外線検出器の構成を示す一部切欠き要部の斜視図である。同上測温用赤外線検出器の具体構成を示す要部の拡大斜視図である。同上放射温度計における測温用赤外線検出器の具体構成を示す要部の拡大斜視図である。同上放射温度計による通常の計測動作状態を説明する要部の拡大断面図である。同上放射温度計による校正動作状態を説明する要部の拡大断面図である。

符号の説明

１放射温度計
２測定対象物
３測温用赤外線検出器
３１サーミスタボロメータ型赤外線検出素子
３１Ａ赤外線受光部
５シャッター
６補償用赤外線検出器
６１サーモパイルからなる赤外線検出素子
６１Ａ受光部
１５演算部
ｈｖ１，ｈｖ２赤外線

Claims

測定対象物が放射する赤外線を受光し、その受光赤外線の温度に応じて抵抗値又は電圧値が変化する複数個の赤外線検出素子からなる測温用赤外線検出器と、この測温用赤外線検出器の視野を断続的に遮断・開放すべく位置移動するシャッターとを備え、このシャッターにより視野を遮断した状態で前記測温用赤外線検出器の出力値を校正するように構成されている放射温度計であって、
前記シャッターの位置移動経路上に、自己発熱がなく、かつ、前記シャッターが放射する赤外線を直接に受光し、そのエネルギー量から該シャッターの表面温度を非接触で計測する補償用赤外線検出器を設け、この補償用赤外線検出器の計測出力値により前記測温用赤外線検出器の出力値を校正するように構成していることを特徴とする放射温度計。
前記測温用赤外線検出器が、サーミスタボロメータから構成され、かつ、前記補償用赤外線検出器がサーモパイルから構成されている請求項１に記載の放射温度計。
前記シャッターは、赤外線透過がなく、表面の赤外線放射率が１または１に近くなるように黒化処理されている請求項１または２に記載の放射温度計。
前記シャッターの表面温度が、制御可能に構成されている請求項１ないし３のいずれかに記載の放射温度計。