JP2009002739A - Radiation thermometer - Google Patents
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Description
本発明は、例えば食品や飲料水など接触を避けたいものや、工場内の稼動部のように接触式での測定が困難な各種物体の表面温度を非接触で測定する場合に用いられるもので、測定対象物の表面から放出される赤外線量を測定することにより、その測定対象物の表面温度を計測する放射温度計に関する。 The present invention is used when, for example, measuring the surface temperature of various objects that are difficult to measure in a contact type, such as food or drinking water, or that are difficult to measure in a contact manner, such as an operating part in a factory. The present invention relates to a radiation thermometer that measures the surface temperature of an object to be measured by measuring the amount of infrared rays emitted from the surface of the object to be measured.
この種の放射温度計としては、動体の計測用途において応答速度の高速化が望まれている。例えば飲料水を連続製造しつつ温度管理する高速ラインでは1サンプルに対する測定可能時間が30〜40msecであり、このような条件下で、95%以上の応答特性を発揮させるためには10msec以下の応答速度が要求される。放射温度計の応答速度は、内部に搭載されている赤外線センサの応答速度に依存するものであり、かかる観点に立って、赤外線センサの応答速度を高速化するための種々の研究が行われ、飲料水の連続製造高速ラインにも十分に対応する応答速度を有する赤外線センサが開発され現在既に実用化レベルにまで達している。 As this type of radiation thermometer, it is desired to increase the response speed in moving object measurement applications. For example, in a high-speed line that continuously controls the temperature while continuously producing drinking water, the measurable time for one sample is 30 to 40 msec. Under such conditions, a response of 10 msec or less is required to exhibit a response characteristic of 95% or more. Speed is required. The response speed of the radiation thermometer depends on the response speed of the infrared sensor mounted inside. From this point of view, various researches have been conducted to increase the response speed of the infrared sensor. An infrared sensor having a response speed sufficiently corresponding to a continuous production high-speed line of drinking water has been developed and has already reached a practical level.
一方、高速応答性能を有する赤外線センサは、その構造上、受光領域が比較的大きくならざるを得ないのであり、このような大きな受光領域の赤外線センサを用いる放射温度計において指示値のふらつき及び視野特性に満足できる効率的な集光が行える光学系は開発されていない。したがって、高速応答性能を有する赤外線センサの光学系としては、従来よりごく一般的に知られている光学系、すなわち、図5に概略的に示すように、赤外線センサ21の前面側にその大きな受光領域21aに対応する大きさの赤外線レンズ22を配置したもの(例えば、特許文献1参照)や、図6に概略的に示すように、赤外線センサ21の受光領域21aの直前部に円錐形状の内周面を有する集光ミラー23のみを配置したものが用いられているのが実状である。
On the other hand, an infrared sensor having a high-speed response performance has a relatively large light receiving area due to its structure. In the radiation thermometer using the infrared sensor having such a large light receiving area, the fluctuation of the indicated value and the field of view. An optical system that can efficiently collect light with satisfactory characteristics has not been developed. Therefore, as an optical system of an infrared sensor having high-speed response performance, an optical system generally known from the past, that is, a large light reception on the front side of the
しかし、図5に示すように、大きな赤外線レンズ22のみを光学系として用いる放射温度計の場合は、大きいだけでなく分厚いレンズが必要で、高価であるのみならず厚さに対応して透過損失が増えるために、測定対象物からの赤外光の取り込み効率はせいぜい30%程度であり、高速応答性能に優れた赤外線センサを用いつつも、測定精度及び測定再現性の面では満足のゆく結果が得られない。また、図6に示すような円錐形状の集光ミラー23のみを光学系として用いる放射温度計の場合は、赤外線センサの受光領域に適合する絞った視野特性が得られず、測定精度及び測定再現性の面で満足のゆく結果が得られないという問題がある。
However, as shown in FIG. 5, in the case of a radiation thermometer using only a large
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、大きな受光領域の赤外線センサに最適な光学系を構築することにより、高速応答性能に優れているだけでなく、測定精度及び測定再現性の面でも満足のゆく結果が得られ、高速かつ高精度測定を実現できる放射温度計を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is not only to have excellent high-speed response performance by constructing an optimal optical system for an infrared sensor having a large light receiving area, but also to provide measurement accuracy and measurement. An object is to provide a radiation thermometer that can achieve satisfactory results in terms of reproducibility and can realize high-speed and high-accuracy measurement.
上記目的を達成するために、本発明に係る放射温度計は、測定対象物の表面から放出される赤外線量を測定してその測定対象物の表面温度を計測する放射温度計であって、赤外線センサと前記測定対象物からの赤外光を前記赤外線センサの受光領域に向けて屈折させる赤外線レンズとの間に、該赤外線レンズ側ほど漸次広い開口の内周面を有する錘体形状の集光ミラーをその内周面の狭い開口端が赤外線センサの受光領域に接触もしくは極近接する状態に配置していることを特徴としている。 In order to achieve the above object, a radiation thermometer according to the present invention is a radiation thermometer for measuring the surface temperature of an object to be measured by measuring the amount of infrared light emitted from the surface of the object to be measured. Condensation in the form of a weight having an inner peripheral surface with a gradually wider opening toward the infrared lens side between the sensor and an infrared lens that refracts infrared light from the measurement object toward the light receiving region of the infrared sensor. The mirror is characterized in that the narrow opening end of its inner peripheral surface is in contact with or in close proximity to the light receiving region of the infrared sensor.
上記のような特徴構成を有する本発明によれば、受光領域の大きな赤外線センサを使用することにより、放射温度計の応答速度を高速化して動体の計測用途にも十分に対応することができるとともに、赤外線センサの大きな受光領域に対する光学系として、赤外線レンズと錘体形状の集光ミラーとの組み合わせからなる光学系を用い、レンズの厚みや曲率及び集光ミラーの開き角や長さなどに関して、測定対象物からの赤外光を100%近く取り込める効率よい集光特性及び絞った視野特性が得られるようにするための光学シミュレーションによる選択と実験による検証を行い、その結果、大きな受光領域に最適な光学系の構築を完成することができたのである。したがつて、高速応答性能に優れているだけでなく、その高速応答赤外線センサに最適な光学系の構築(採用)により、測定精度及び測定再現性の面でも十分満足のゆく結果が得られ、高速かつ高精度測定が実現可能な放射温度計を得ることができるという効果を奏する。 According to the present invention having the above-described characteristic configuration, by using an infrared sensor having a large light receiving area, the response speed of the radiation thermometer can be increased, and the moving object can be sufficiently measured. As an optical system for the large light receiving area of the infrared sensor, an optical system consisting of a combination of an infrared lens and a weight-shaped condensing mirror is used, and the thickness and curvature of the lens, the opening angle and the length of the condensing mirror, etc. Selection by optical simulation and verification by experiment to obtain efficient condensing characteristics that can capture nearly 100% of infrared light from the measurement object and narrowed field of view characteristics. As a result, it is optimal for a large light receiving area. The construction of a simple optical system was completed. Therefore, not only is it excellent in high-speed response performance, but by constructing (adopting) an optical system that is optimal for the high-speed response infrared sensor, sufficiently satisfactory results can be obtained in terms of measurement accuracy and measurement reproducibility. There is an effect that a radiation thermometer capable of realizing high-speed and high-precision measurement can be obtained.
本発明に係る放射温度計における赤外線センサとしては、請求項2に記載のように、基板上に短冊状の細長い薄膜部を互いに平行に複数列配置し、これら複数列の細長い薄膜部の各長辺に沿ってそれぞれ複数の熱電対を直列に接続して設けたサーモパイルから構成されたものを使用することが好ましい。
As an infrared sensor in the radiation thermometer according to the present invention, as described in
上記構成のサーモパイル型赤外線センサは、薄膜部とヒートシンクである基板との熱コンダクタンスが短辺方向のサイズで規定されるので、応答速度を速くすることができる一方、薄膜部の長辺方向に沿った熱電対の設置段数を増やすことにより、応答速度が速くなればなるほど後述のトレードオフの関係から感熱部の到達温度が低くなり、それに伴う感度低下を補うことができ、二律背反の関係にある応答速度と実用レベル感度の性能を両立させることが可能である。このような高速応答でかつ感度の高いサーモパイル型赤外線センサとそれに最適な光学系との組み合せによって、例えば飲料水を連続製造しつつ温度管理する高速ラインなどの動体の計測用途に非常に有効に適用することができる。 In the thermopile infrared sensor having the above configuration, the thermal conductance between the thin film portion and the substrate that is the heat sink is defined by the size in the short side direction, so that the response speed can be increased while the long side direction of the thin film portion is aligned. By increasing the number of installed thermocouples, the faster the response speed, the lower the temperature reached by the heat sensitive part due to the trade-off relationship described later, which can compensate for the decrease in sensitivity, and the response is in a trade-off relationship. It is possible to achieve both speed and practical level sensitivity. By combining a thermopile infrared sensor with such a high-speed response and high sensitivity with an optimal optical system, it can be used effectively for measuring moving objects such as high-speed lines that control temperature while continuously producing drinking water. can do.
なお、前記応答速度と感度とのトレードオフの関係とは、感熱部の熱容量をC、基板との熱コンダクタンスをGとした時の熱時定数τが、
τ=C/G …(1)
で表わされ、応答速度を速くしようとすると、熱容量Cを小さく熱コンダクタンスGを大きくする必要がある一方、熱コンダクタンスGが大きくなると感度が低下する関係にあることをいうものである。
Note that the trade-off relationship between the response speed and the sensitivity is that the thermal time constant τ when C is the heat capacity of the heat sensitive portion and G is the thermal conductance with the substrate,
τ = C / G (1)
In order to increase the response speed, it is necessary to decrease the heat capacity C and increase the thermal conductance G. On the other hand, when the thermal conductance G increases, the sensitivity decreases.
また、上記サーモパイル型赤外線センサを用いる放射温度計において、請求項3に記載のように、前記赤外線センサの受光領域を円形またはほぼ円形に形成し、かつ、前記集光ミラーの内周面を円錐形状に形成することが望ましい。この場合は、測定対象物がどのような形状のものであっても、高感度かつ高速度に、しかも高精度に測定することができるとともに、汎用性を高めることができる。 Further, in the radiation thermometer using the thermopile type infrared sensor, as described in claim 3, a light receiving region of the infrared sensor is formed in a circular shape or a substantially circular shape, and an inner peripheral surface of the condenser mirror is a cone. It is desirable to form in a shape. In this case, regardless of the shape of the object to be measured, it is possible to measure with high sensitivity, high speed, and high accuracy, and to improve versatility.
また、本発明に係る放射温度計において、請求項4に記載のように、前記集光ミラーを、その内周面の広い開口端と赤外線レンズとの間に空間を形成するように配置する場合は、レンズによって屈折された赤外光が集光ミラーの広い開口端側の内周面で乱反射されて視野特性が悪化することを回避することが可能で、集光特性及び視野特性を一層優れたものとすることができる。
Further, in the radiation thermometer according to the present invention, as described in
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、本発明に係る放射温度計の要部である鏡筒部の縦断面図である。図1において、1は赤外線センサで、鏡筒2内の底部に取付座板3及びボルト4を介して着脱自在に組付け固定されている。前記鏡筒2の開口端側には測定対象物からの赤外光IRを前記赤外線センサ1の受光領域に向けて屈折させる赤外線レンズ5が環状押え6を介して固定されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a lens barrel portion which is a main part of a radiation thermometer according to the present invention. In FIG. 1,
前記赤外線センサ1と前記赤外線レンズ5との間の鏡筒2内には、赤外線レンズ5側ほど漸次広い開口の内周面7aを有する円錐形状の集光ミラー7が配置されている。この集光ミラー7は、その内周面7aの最も広い開口端に前記赤外線センサ1の受光領域(後述する)の約15倍の面積の仮想受光面8を形成するように構成されているとともに、その内周面7aの最も狭い開口端が前記赤外線センサ1を収容するキャン9に接触されるように固定して赤外線センサ1の受光領域との間の距離を可及的に短くしている。また、前記集光ミラー7は、その内周面7aの最も広い開口端、すなわち、仮想受光面8と赤外線レンズ5との間に空間が存在するように長さLの短いものに形成されている。
In the
前記鏡筒2底部の取付座板3の外面には、赤外線センサ1のヒートシンクとなるシリコン基板10から導出されたリードピン11を電気的に接続する導電性のプリント基板12が前記ボルト4により共締め固定されている。
On the outer surface of the mounting base plate 3 at the bottom of the
前記赤外線センサ1は、図2及び図3の原理構成図に示すように、シリコン基板10の上面にSiO2 等の絶縁膜13を形成した上、前記シリコン基板10の裏面をエッチングすることにより、ダイヤフラム構造で短冊状の3列の細長い薄膜部14a,14b,14cを互いに平行に並べ形成して感熱部とし、これら薄膜部14a,14b,14cにより略円形の受光領域1Aが形成されている。
The
そして、前記3列の薄膜部14a,14b,14cの各長辺に沿って、アルミニウムと多結晶シリコンとで構成される複数個、例えば合計で144個の熱電対15をそれらの各温接点15hが薄膜部14a,14b,14c上に位置し、かつ、各冷接点15cがシリコン基板10上に位置するように一定パターン幅に並設するとともに、これら各熱電対15を直列に接続した高速応答サーモパイルから構成されている。
Then, along each long side of the three rows of
放射温度計は、上記した高速応答サーモパイル型の赤外線センサ1及び赤外線レンズ5と集光ミラー7の組み合せからなる光学系を搭載した鏡筒部に、警報出力機能や、ゲート入力によるピークホールド・ボトムホールド、移動平均機能、外部とのインターフェイス回路などを内蔵したケース本体が接合されていいるが、それらは周知であるため、詳細な説明は省略する。
The radiation thermometer has an alarm output function and a peak hold / bottom by gate input in a lens barrel portion on which an optical system composed of a combination of the above-described high-speed response thermopile
上記のように構成された放射温度計においては、赤外線センサ1として、短冊状の細長い薄膜部14a,14b,14cを互いに平行に3列並べた構造を感熱部とし、その感熱部に複数個、例えば合計144個の熱電対15を直列接続したサーモパイル型赤外線センサが用いられていることにより、既述のトレードオフの関係式(1)からも明らかなように、2msec以上、10msec以下の速い応答速度と実用レベル感度を両立させることが可能となり、例えば飲料水を連続製造しつつ温度管理する高速ラインなどの動体の計測用途にも有効に適用することができる。
In the radiation thermometer configured as described above, as the
その上、上述のような高速応答高感度なサーモパイル型赤外線センサ1の比較的大きな受光領域1Aに対する光学系として、赤外線レンズ5と円錐形状の集光ミラー7とを組み合わせたもので、レンズ5の厚みや曲率及び集光ミラー7の開き角や長さなどに関して、測定対象物からの赤外光IRを100%近く取り込める効率よい集光特性及び絞った視野特性が得られるようにするための光学シミュレーションによる選択と実験による検証を行い、大きな受光領域1Aに対しても指示値のふらつき及び視野特性が満足できるように構築された最適な光学系を用いることによって、高速応答性能に優れているだけでなく、測定精度が±2℃(0〜200℃)以内、測定再現性が1℃以内という高精度測定を実現可能な放射温度計を得ることができる。
In addition, as an optical system for the relatively large
また、上記実施の形態のように、前記サーモパイル型赤外線センサ1の受光領域1Aを略円形または円形に形成し、かつ、前記集光ミラー7の内周面7aを円錐形状に形成することにより、測定対象物がどのような形状のものであっても、高感度かつ高速度に、しかも高精度に測定することができるとともに、汎用性を高めることができる。
Further, as in the above embodiment, the
さらに、前記集光ミラー7としては、図1の仮想線で示すように、その円錐形状の内周面7aの最も広い開口端が赤外線レンズ5に接触するような長さに形成してもよいが、特に、上記実施の形態で示したように、内周面7aの最も広い開口端と赤外線レンズ5との間に空間が存在する長さLの短いものに形成することによって、レンズ5によって屈折された赤外光IRが集光ミラー7の広い開口端側の内周面7aで乱反射されて視野特性が悪化することを回避することが可能で、集光特性及び視野特性を一層優れたものとすることができる。
Further, the condensing
なお、上記実施の形態では、シリコン基板10上にダイヤフラム構造で短冊状の3列の細長い薄膜部14a,14b,14cを互いに平行に並べて感熱部とし、これら薄膜部14a,14b,14cにより略円形の受光領域1Aを形成してなるサーモパイル型赤外線センサ1を使用したが、これに代えて、図4に示すように、ダイヤフラム構造で短冊状の同長の細長い薄膜部14a,14bを2列平行に並べて感熱部とし、これら2列の薄膜部14a,14bの各長辺に沿ってアルミニウムと多結晶シリコンとで構成される複数個の熱電対15を並設するとともに、これら各熱電対15を直列に接続してなる長方形の受光領域1Aを有する高速応答サーモパイル型赤外線センサ1を使用してもよい。
In the above embodiment, three rows of strip-like thin
1 赤外線センサ(サーモパイル型赤外線センサ)
1A 受光領域
5 赤外線レンズ
7 集光ミラー
7a 円錐形状の内周面
14a,14b,14c 短冊状の細長い薄膜部
15 熱電対
IR 赤外光
1 Infrared sensor (thermopile infrared sensor)
1A Light-receiving area 5
Claims (4)
赤外線センサと前記測定対象物からの赤外光を前記赤外線センサの受光領域に向けて屈折させる赤外線レンズとの間に、該赤外線レンズ側ほど漸次広い開口の内周面を有する錘体形状の集光ミラーをその内周面の狭い開口端が赤外線センサの受光領域に接触もしくは極近接する状態に配置していることを特徴とする放射温度計。 A radiation thermometer that measures the surface temperature of the measurement object by measuring the amount of infrared rays emitted from the surface of the measurement object,
Between the infrared sensor and the infrared lens that refracts infrared light from the object to be measured toward the light receiving region of the infrared sensor, a weight-shaped collection having an inner peripheral surface with an opening gradually wider toward the infrared lens side. A radiation thermometer characterized in that the optical mirror is arranged in such a manner that the narrow opening end of its inner peripheral surface is in contact with or in close proximity to the light receiving region of the infrared sensor.
The radiation thermometer according to any one of claims 1 to 3, wherein the condensing mirror is disposed so as to form a space between an open end having a large inner peripheral surface and an infrared lens.
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