JP2012078159A - 赤外線センサ信号の補正方法及び温度測定方法並びに温度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】赤外線センサ装置の出力の個体差ばらつきを簡易に補正し、赤外線エネルギー量から測定温度を簡易かつ高精度に定量することが可能な赤外線センサ信号の補正方法及び温度測定方法並びに温度測定装置を提供すること。
【解決手段】赤外線センサ装置から得られる赤外線センサ信号に赤外線センサ装置固有の補正係数Ａを乗算する第１補正工程を有し、補正係数Ａは、赤外線センサ装置を用いて所定のセンサ温度Ｔ_AMBXにおいて所定の温度Ｔ_OBJXの対象物を測定したときに得られる信号Ｓ_IRXを所定の値にするための係数である。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線センサ信号の補正方法及び温度測定方法並びに温度測定装置に関し、より詳細には、主としてフォトダイオードやサーモパイルなどの赤外線センサから得られる赤外線センサ信号の補正方法及び温度測定方法並びに温度測定装置に関する。

近年、省エネルギー化や環境センサの観点から、赤外線センサが注目されている。人体が発する赤外線を検知する人感センサは、照明やエアコンなどに搭載され、省エネルギー化に貢献している。また、赤外線センサは、測定対象物から入射する赤外線のエネルギー量を定量して温度を検出するという非接触式温度計としても期待されている。

赤外線センサ装置を用いて赤外線エネルギー量から測定温度を定量する場合、赤外線センサ装置から得られる信号を測定時の赤外線センサ装置の周囲の環境温度に応じて補正する種々の温度補正を含む温度算出方法が知られている。

例えば、特許文献１に記載のものは、非接触型放射温度検出装置に組み込まれる赤外線検出器の検出温度の算出式・手順に関するもので、サーモパイルを用いた赤外線温度検出器の温度算出方法が開示されている。この温度算出方法は、サーモパイルから得られる信号に対して、サーミスタによって測定された環境温度に基づく補正係数を用いて環境温度の影響を補正して測定対象物の温度を算出している。この補正係数は、環境温度の関数であり、サーモパイル信号を異なる環境温度と測定対象物温度の下で複数回測定して得られるサーモパイル信号の温度特性から求められる。

また、例えば、特許文献２には、ボロメータ各々の温度特性に起因する出力電圧のばらつきを補正するようにした赤外センサの温度補償方法が開示されている。さらに、例えば、特許文献３には、サーモパイルのばらつき補正を行うようにした赤外線センサの制御装置が開示されている。

特開２００２−２２８５２３号公報 特開２００８−１８５４６５号公報 特開２００３−２０７３９２号公報

しかしながら、上述した特許文献１のものでは、赤外線センサ装置の出力は個体毎にばらつくため、任意の赤外線センサ装置の温度特性から求めた補正係数を、他の赤外線センサに適用すると、正確な温度補正ができず、赤外線エネルギー量から測定温度を高精度で定量することが困難であるという問題があった。また、センサ毎に最適な補正係数を求めようとすると、環境温度と測定対象物温度を変えた測定をセンサ毎に何度も行わねばならず、膨大な時間を要するという問題があった。

また、上述した特許文献２のものでは、ボロメータ各々の温度特性に起因する出力電圧のばらつきを補正することができるものの、ボロメータ各々に対して温度特性の補正テーブルが必要で、該補正テーブルを作成するために、例えば、恒温槽を用いて、ボロメータ各々に対してセンサ温度を変化させてデータを取得しなければならないため、膨大な時間を要するという問題があった。

さらに、上述した特許文献３のものでは、サーモパイルのばらつき補正を行うことができるものの、出力電圧にオフセット電圧を加算するという方法では、該赤外線センサの制御装置を温度測定に用いた場合に、広範囲の対象物温度に対して、検出温度のばらつきを小さくするのは難しく、例えば、２６℃の対象物を検出した場合の測定誤差が０℃であっても、３０℃の対象物を検出した場合の測定誤差は２℃、３０℃よりも高温の対象物に対しては２℃を上回る誤差になってしまうという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、赤外線センサ装置の出力の個体差ばらつきを簡易に補正し、赤外線エネルギー量から測定温度を簡易かつ高精度に定量することが可能な赤外線センサ信号の補正方法及び温度測定方法並びに温度測定装置を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、赤外線センサ装置の個体差による出力信号のばらつきを補正するようにした赤外線センサ信号の補正方法において、前記赤外線センサ装置から得られる前記赤外線センサ信号に前記赤外線センサ装置固有の補正係数Ａを乗算する第１補正工程を有し、前記補正係数Ａは、前記赤外線センサ装置を用いて所定の環境温度において所定の測定対象物の温度を測定したときに得られる信号を所定の値にするための係数であることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１補正工程の後に、前記環境温度に基づくオフセット補正量Ｂを加算又は減算する工程及び前記環境温度に基づく補正係数Ｃを乗算する工程とを含む第２補正工程を更に有することを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記赤外線センサ装置固有の補正係数Ａが、前記環境温度をＴ_AMBX、前記測定対象物の温度をＴ_OBJXとした場合に、｜Ｔ_OBJX−Ｔ_AMBX｜≧１０℃の関係を有することを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の発明において、前記環境温度に基づくオフセット補正量Ｂを前記環境温度Ｔ_AMBの３次関数を用いて定めることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記環境温度に基づく補正係数Ｃが、第１の一定温度Ｔ_OBJ1の測定対象物を複数の異なる環境温度で測定したときの前記赤外線センサ信号Ｓ_IRC1と、第２の一定温度Ｔ_OBJ2の測定対象物を複数の異なる環境温度で測定したときの前記赤外線センサ信号Ｓ_IRC2とを求めた後に、
傾きβ＝（Ｓ_IRC2−Ｓ_IRC1）／（Ｔ_OBJ2−Ｔ_OBJ1）
によって求まる、前記赤外線センサ信号と前記測定対象物の温度との傾きβを各環境温度に対して算出して、該傾きβを所定の値にするための係数であることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の発明において、前記赤外線センサ装置が、赤外線センサ部と視野角制限体及び／又は窓材とを備えていることを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、赤外線センサ装置の個体差による出力信号のばらつきを補正するようにした温度測定方法において、前記赤外線センサ装置から赤外線センサ信号を得る工程と、請求項１乃至６のいずれかに記載の赤外線センサ信号の補正方法による補正工程と、前記補正工程を経た後の信号から測定温度を導出する温度換算工程とを有することを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、赤外線センサ装置の個体差による出力信号のばらつきを補正するようにした温度測定装置において、前記赤外線センサ装置固有の補正係数を記憶し、前記赤外線センサ装置から得られる信号に乗算する第１補正手段を備え、前記補正係数は、前記赤外線センサ装置を用いて所定の環境温度において所定の測定対象物の温度を測定したときに得られる信号を所定の値にするための係数であることを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の発明において、前記環境温度を測定する温度測定手段と、該温度測定手段による前記環境温度に基づくオフセット補正量を算出する温度特性オフセット補正手段及び前記環境温度に基づく補正係数を算出する温度特性ゲイン補正手段とからなる第２補正手段と、該第２補正手段の信号から測定温度を導出する温度換算手段とを更に備えていることを特徴とする。

また、請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の発明において、赤外線センサ信号をＳ_IR、前記赤外線センサ装置固有の補正係数をＡ、前記環境温度に基づくオフセット補正量をＢ、前記環境温度に基づく補正係数をＣとした場合に、前記第１補正手段の出力がＳ_IR×Ａで、前記温度特性オフセット補正手段の出力がＳ_IR×Ａ±Ｂで、前記温度特性ゲイン補正手段の出力が（Ｓ_IR×Ａ±Ｂ）×Ｃであることを特徴とする。

また、請求項１１に記載の発明は、請求項８，９又は１０に記載の発明において、前記赤外線センサ装置が、赤外線センサ部と視野角制限体及び／又は窓材とを有することを特徴とする。

本発明によれば、赤外線センサ装置から得られる赤外線センサ信号に赤外線センサ装置固有の補正係数を乗算する補正工程を有するので、赤外線センサ装置の出力の個体差ばらつきを簡易に補正し、赤外線エネルギー量から測定温度を簡易かつ高精度に定量することが可能な赤外線センサ信号の補正方法及び温度測定方法並びに温度測定装置を提供することが可能となる。

本発明の実施形態１に係る赤外線センサ信号の補正方法及び温度測定方法を説明するための工程図である。 本発明の実施形態２に係る赤外線センサ信号の補正方法及び温度測定方法を説明するための工程図である。 本発明の実施形態３に係る赤外線センサ信号の補正方法及び温度測定方法を説明するための工程図である。 本発明の実施形態４に係る赤外線センサ信号の補正方法及び温度測定方法を説明するための工程図である。 本発明の実施形態５に係る温度測定装置を説明するための構成図である。 実施例１における赤外線センサ信号を示す図である。 実施例１における第１補正信号を示す図である。 実施例２における第２補正信号を示す図である。 比較例１における第２補正信号を示す図である。 実施例３における赤外線センサ信号を示す図である。 実施例３における第１補正信号を示す図である。 実施例５における赤外線センサ信号を示す図である。 実施例５における第１補正信号を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の各実施形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態１に係る赤外線センサ信号の補正方法を説明するための工程図である。図中符号１は赤外線センサ装置、２は赤外線センサ部、３は温度センサ、４は視野角制限体、５はプリント基板、１０は測定対象物を示している。

図１に示すように、赤外線センサ装置１は、プリント基板５上に実装された赤外線センサ部２と温度センサ３と視野角制限体４とを備えている。本実施形態１において、赤外線センサ部２は、多層の半導体膜を有するフォトダイオードであり、測定対象物１０から放射される赤外線を吸収し、赤外線センサ信号Ｓ_IRを出力する。

赤外線センサ部２は、赤外線を吸収して電気信号に変換するセンサであれば特に制限されず、例えば、フォトダイオードやフォトコンダクタなど、光電変換によって信号を出力する「量子型センサ」や、サーモパイルや焦電型センサなど、赤外線吸収による温度変化を電気信号に変換する「熱型センサ」を用いることができる。

また、温度センサ３は、赤外線センサ部２の環境温度Ｔ_AMBを測定することが可能なものであれば特に制限されず、例えば、温度に応じて抵抗値が変化する白金抵抗体，サーミスタ，バンドギャップ回路を有する温度センサなどを用いることができる。また、視野角制限体４は、赤外線センサ装置１の視野角を制限し、視野角θを決める部材である。

つまり、本発明の赤外線センサ信号の補正方法は、赤外線センサ装置１の個体差による出力信号のばらつきを補正するようにした赤外線センサ信号の補正方法である。赤外線センサ装置１から得られる赤外線センサ信号に赤外線センサ装置１固有の補正係数を乗算する第１補正工程を有している。この補正係数は、赤外線センサ装置１を用いて所定の環境温度において所定の測定対象物の温度を測定したときに得られる信号を所定の値にするための係数である。

また、第１補正工程の後に、環境温度より求まるオフセット補正量を加算又は減算する工程と、環境温度より求まる補正係数を乗算する工程とを含む第２補正工程を有している。

以下、上述した各工程についてさらに詳細に説明する。

赤外線センサ装置１は、温度Ｔ_OBJの測定対象物１０から放射される赤外線が、赤外線センサ部２に到達すると、その赤外線エネルギー量に対応した赤外線センサ信号Ｓ_IRを電流値として出力するものである。

まず、第１補正工程において、この赤外線センサ信号Ｓ_IRに対して、赤外線センサ装置１に固有の補正係数Ａを乗算して第１補正信号Ｓ₁を得る。

この補正係数Ａは、上述したように、赤外線センサ装置１を用いて所定のセンサ温度Ｔ_AMBXにおいて所定の温度Ｔ_OBJXの対象物を測定したときに得られる信号Ｓ_IRXを所定の値にするための係数である。

この補正係数Ａは、例えば、製品出荷時の検査、或いは赤外線センサ装置１の使用前に決定することが可能である。センサ（環境）温度Ｔ_AMBX、温度Ｔ_OBJXは、それぞれ、赤外線センサ装置１を使用する際の環境温度Ｔ_AMB、対象物温度Ｔ_OBJに近いほど、赤外線センサ装置１を用いた赤外線量の定量における精度が高い。

例えば、赤外線センサ装置１を、人体を対象とした温度測定に用いる場合、対象物温度Ｔ_OBJ、すなわち人体の表面温度は、概ね２０℃以上４０℃以下であり、対象物温度Ｔ_OBJXは２０℃以上４０℃以下の温度に近い方が好ましい。但し、赤外線センサではＴ_AMB＝Ｔ_OBJの時にＳ_IR＝０となり、環境温度Ｔ_AMBと対象物温度Ｔ_OBJの値が近いほどＳ_IRの絶対値が小さくなってＳＮ比が低下してしまうため、センサ温度Ｔ_AMBXと対象物温度Ｔ_OBJXが近すぎると、信号Ｓ_IRXに対するノイズの影響が大きくなり、補正係数Ａを正確に求めることができなくなってしまう。したがって、人体を対象とした温度測定において、対象物温度Ｔ_OBJXは、１０℃以上５０℃以下で、｜Ｔ_OBJX−Ｔ_AMBX｜≧１０℃であることがより好ましい。

また、補正係数Ａは、例えば、製品出荷時の検査で決定する場合、センサ温度Ｔ_AMBXは、２５℃以上３０℃以下であることが、検査装置でのセンサ温度Ｔ_AMBXの温度調節に係る消費電力を低減するという観点から好ましく、室温より高い３０℃程度に加熱をすることが、調節温度の安定性の観点からより好ましい。

次に、第２補正工程は、第１補正信号Ｓ₁に対して、環境温度Ｔ_AMBより求まるオフセット補正量Ｂを加算又は減算する工程と、環境温度Ｔ_AMBより求まる補正係数Ｃを乗算する工程とを含む補正工程である。この第２補正工程を適用すると、環境温度Ｔ_AMBに対して略一定の第２補正信号Ｓ₂が得られる。

オフセット補正量Ｂとは、赤外線センサ装置1の赤外線センサ部２の種類と環境温度Ｔ_AMBの関数により定まる補正量であり、第１補正信号Ｓ₁に対して加算又は減算される。

特に制限されないが、オフセット補正量Ｂは、例えば、一定温度の測定対象物を複数の異なる環境温度で測定したときの赤外線センサ信号を得て、横軸に環境温度Ｔ_AMB、縦軸に赤外線センサ信号をプロッティングし、環境温度Ｔ_AMBの関数でフィッティングすることで得られる関数によって、各環境温度におけるオフセット補正量Ｂを定めることが可能である。一定温度の測定対象物としては、特に制限されないが、正確な温度制御が可能な黒体炉が好適に用いられる。

該フィッティングは、環境温度Ｔ_AMBの３次関数で行うことが好適であり、また、赤外線センサ部２が熱型センサの場合は、（Ｔ_AMB＋２７３）の４乗に比例する式、Ｂ＝α×（Ｔ_AMB＋２７３）⁴、（αは比例定数）を用いることも可能であるが、本実施形態１はこれに制限されるものではない。

また、補正係数Ｃは、単位を持たない係数であり、第１補正信号Ｓ₁に対してオフセット補正量Ｂが加算又は減算される前、又は、第１補正信号Ｓ₁に対してオフセット補正量Ｂが加算又は減算された後の信号に対して乗算される。この補正係数Ｃは、赤外線センサ装置１の様態に応じて定めればよく、例えば、第１補正信号Ｓ₁に対してオフセット補正量Ｂが加算又は減算された後の信号に対して乗算される場合、第１の一定温度Ｔ_OBJ1の測定対象物を複数の異なる環境温度で測定したときの赤外線センサ信号Ｓ_IRC1と、第２の一定温度Ｔ_OBJ2の測定対象物を複数の異なる環境温度で測定したときの赤外線センサ信号Ｓ_IRC2と、を求めた後に、下記式（１）によって求まる、赤外線センサ信号と測定対象物温度との傾きβを各環境温度に対して算出して、この傾きβを所定の値にするための係数を、補正係数Ｃとして採用することができるが、本実施形態１はこれに制限されない。

以上が、本発明の赤外線センサ信号の補正方法についての説明である。次に、本発明の温度測定方法について説明する。この温度測定方法は、上述した第１補正工程及び第２補正工程を経た後に温度換算工程を有するものである。この温度換算工程では、第２補正信号Ｓ₂に対して出力温度Ｔ_OUTが得られる。

このように、本発明者らは、上述した従来の課題を解決するために鋭意検討した結果、赤外線センサ装置から得られる赤外線センサ信号に赤外線センサ装置固有の補正係数Ａを乗算する第１補正工程を有し、この補正係数Ａは、赤外線センサ装置を用いて所定のセンサ温度Ｔ_AMBXにおいて所定の温度Ｔ_OBJXの対象物を測定したときに得られる信号Ｓ_IRXを所定の値にするための係数であるような赤外線センサ信号の補正方法及び温度測定方法を確立した。

図２は、本発明の実施形態２に係る赤外線センサ信号の補正方法を説明するための工程図である。図中符号６は窓材を示している。なお、図１と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。

図２に示すように、赤外線センサ装置は、視野角制限体４の開口部を覆う窓材６を備えた構造であっても良い。この窓材６は、少なくとも赤外線センサ部２が受光したときに赤外線センサ信号を出力する波長の赤外線を透過するものであれば特に制限されず、例えば、Ｓｉ板，Ｇｅ板，サファイア板，ポリエチレン板，カルコゲナイドガラス板などの板材，又はＳｉ，Ｇｅ，サファイアなどの基板上に薄膜を積層した光学フィルタなどが挙げられる。また、赤外線を集光する光学レンズも用いることが可能である。

なお、第１補正工程、第２補正工程及び温度換算工程については、図１に示した実施形態１と同様である。

図３は、本発明の実施形態３に係る赤外線センサ信号の補正方法を説明するための工程図である。図３に示すように、赤外線センサ装置は、プリント基板５上に赤外線センサ部２と温度センサ３とを備えた構成でも構わない。なお、図１と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。また、第１補正工程、第２補正工程及び温度換算工程については、図１に示した実施形態１と同様である。

図４は、本発明の実施形態４に係る赤外線センサ信号の補正方法を説明するための工程図である。図中符号１１は赤外線センサ部を示している。なお、図１と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。

図４に示す赤外線センサ装置は、赤外線センサ部１１が環境温度Ｔ_AMBを測定する温度センサとしても機能するもので、赤外線センサ部１１から赤外線センサ信号Ｓ_IRと環境温度Ｔ_AMBが得られる構成になっている。

つまり、本実施形態４の赤外線センサ装置は、赤外線センサ信号Ｓ_IRと環境温度Ｔ_AMBとが得られる構成であれば制限されず、視野角制限体及び／又は窓材を更に有する構成であってもよい。なお、第１補正工程、第２補正工程及び温度換算工程については、図１に示した実施形態１と同様である。

図５は、本発明の実施形態５に係る温度測定装置を説明するための構成図である。図中符号１２は温度測定装置、１３ａは第１補正部、１３ｂは第２補正部、１４は温度特性オフセット補正部、１５は温度特性ゲイン補正部、１６は温度換算部を示している。なお、図１と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。

図５に示すように、赤外線センサ装置１は、プリント基板５上に実装された赤外線センサ部２と、環境温度Ｔ_AMBを測定する温度センサ３と、視野角制限体４と、窓材６とからなっている。

また、温度測定装置１２は、赤外線センサ装置１と、第１補正部１３ａと、温度特性オフセット補正部１４及び温度特性ゲイン補正部１５からなる第２補正部１３ｂと、温度換算部１６とを備えている。

第１補正部１３ａは、赤外線センサ装置１に固有の補正係数Ａを記憶し、赤外線センサ装置から得られる信号Ｓ_IRに乗算するものである。また、温度特性オフセット補正部１４は、環境温度を測定する温度センサ３による環境温度Ｔ_AMBに基づいて求まるオフセット補正量Ｂを算出し、加算又は減算するものである。また、温度特性ゲイン補正部１５は、環境温度を測定する温度センサ３による環境温度Ｔ_AMBに基づいて求まる補正係数Ｃを算出し、乗算するものである。また、温度換算部１６は、補正後の信号を出力温度Ｔ_OUTに換算するものである。

つまり、本発明の温度測定装置１２は、赤外線センサ装置１の個体差による出力信号のばらつきを補正するようにしたもので、赤外線センサ装置１固有の補正係数を記憶し、赤外線センサ装置１から得られる信号に乗算する第１補正部１３ａを備え、この補正係数は、赤外線センサ装置１を用いて所定の環境温度において所定の測定対象物の温度を測定したときに得られる信号を所定の値にするための係数である。

また、環境温度を測定する温度センサ３を備え、この温度センサ３による環境温度に基づくオフセット補正量を算出する温度特性オフセット補正部１４と、環境温度に基づく補正係数を算出する温度特性ゲイン補正部１５とを備えている。

このように、本発明の温度測定装置１２の構成を用いることで、赤外線センサ部２が変わった場合、視野角制限体４が変わった場合、窓材５が変わった場合などにおいて、所定のセンサ温度Ｔ_AMBXにおいて所定の温度Ｔ_OBJXの対象物を測定したときに得られる信号Ｓ_IRXを所定の値にするための補正係数Ａを求め、この補正係数Ａを第１補正部１３ａに記憶させるだけで、精度の高い温度測定が可能となる。

つまり、赤外線センサ装置並びに赤外線センサ装置固有の補正係数Ａを記憶し、赤外線センサ装置から得られる信号に乗算する第１補正部１３ａを備え、補正係数Ａは、赤外線センサ装置１を用いて所定のセンサ温度Ｔ_AMBXにおいて所定の温度Ｔ_OBJXの対象物を測定したときに得られる信号Ｓ_IRXを所定の値にするための係数であるような温度測定装置によって従来の課題を解決することが可能であることを見出したものである。

以下、具体的な実施例と比較例を挙げて本発明について具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

図１に示した前記赤外線センサ装置１より赤外線センサ信号Ｓ_IRを得て、この赤外線センサ信号Ｓ_IRに第１補正工程として補正係数Ａを乗算して得られる第１補正信号Ｓ₁を得た。つまり、第１補正信号Ｓ₁＝Ｓ_IR×Ａである。

＜測定条件＞
赤外線センサ装置１として、赤外線センサ部２の製造ロットが異なる赤外線センサ装置を３つ（赤外線センサ装置Ｋ，Ｌ，Ｍ）用意し、それぞれの温度測定を実施した。赤外線センサ装置Ｋ，Ｌ，Ｍはいずれも視野角θが１２０°となるような視野角制限体を有するものとした。

赤外線センサ装置Ｋ，Ｌ，Ｍの赤外線センサ部としては、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）基板上に、ｎ型インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）層と、ｐ型ＩｎＳｂ層と、前記ｎ型ＩｎＳｂ層と前記ｐ型ＩｎＳｂ層との間に光吸収層であるｉ型ＩｎＳｂ層と、前記ｐ型ＩｎＳｂ層と前記ｉ型ＩｎＳｂ層との間に、生成したキャリアのリークを防ぐためのバリア層であるｐ型アルミニウムインジウムアンチモン（ＡｌＩｎＳｂ）層と、を積層したＰＩＮ構造を有する、製造ロットが異なるフォトダイオードをそれぞれ用いた。

＜赤外線センサ信号Ｓ_IR＞
図６は、実施例１の赤外線センサ信号を示す図で、赤外線センサ装置Ｋ，Ｌ，Ｍのそれぞれを用いて、４０℃に設定された黒体炉（放射率：０．９７）を対象物として（Ｔ_OBJ＝４０℃）、この黒体炉と赤外線センサ装置との距離を２．５ｃｍとして、黒体炉から放射される赤外線を、環境温度−３０〜６０℃において検知した際の赤外線センサ信号Ｓ_IRを示している。なお、黒体炉表面は１０ｃｍ角の正方形であり、黒体炉表面が赤外線センサ装置１の視野全体に広がった状態で測定を実施した。

図６に示すように、赤外線センサ装置Ｋ，Ｌ，Ｍのそれぞれから得られる赤外線センサ信号Ｓ_IRは、環境温度Ｔ_AMBの上昇と共に減少するという傾向は一致するものの、各赤外線センサ装置Ｋ，Ｌ，Ｍによって最大で１ｎＡ程度の出力差が生じることが理解される。これは各赤外線センサ装置Ｋ，Ｌ，Ｍの個体差に起因するものである。

＜第１補正工程＞
図７は、実施例１の第１補正信号を示す図で、各赤外線センサ装置Ｋ，Ｌ，Ｍにおいて、Ｔ_AMBX＝２５℃で、Ｔ_OBJX＝５０℃の黒体炉に対して得られるＳ_IRXを測定し、その値を５．６ｎＡにするための係数を補正係数Ａとして、図６に示した赤外線センサ信号Ｓ_IRに補正係数Ａを乗算して得られる第１補正信号Ｓ₁を示している。なお、赤外線センサ装置Ｋ，Ｌ，Ｍの補正係数Ａ_K，Ａ_L，Ａ_Mは、それぞれＡ_K＝１，Ａ_L＝１．２６，Ａ_M＝１．０５であった。

図７より、図６のＳ_IRに対して第１補正工程を適用すると、センサＫ，Ｌ，Ｎから得られる第１補正信号Ｓ₁が、略一致することが理解される。

上述した実施例１で得られた第１補正信号Ｓ₁に、第２補正工程としてオフセット補正量Ｂを加算又は減算し（Ｓ_IR×Ａ±Ｂ）、さらに補正係数Ｃを乗算して得られる第２補正信号Ｓ₂に基づいて温度換算工程をすることによって温度測定をした。つまり、第２補正信号Ｓ₂＝（Ｓ_IR×Ａ±Ｂ）×Ｃである。

＜第２補正工程＞
図８は、実施例２の第２補正信号を示す図で、第１補正信号Ｓ₁に第２補正工程を適用した場合の第２補正信号Ｓ₂を示している。ここで、第２補正工程として、オフセット補正量Ｂの減算と補正係数Ｃの乗算を行い、補正係数Ｂ，Ｃは、それぞれ赤外線センサ装置Ｋ，Ｌ，Ｍに対して同じものを用いた。

図８より、第２補正工程に先立ち、第１補正工程を適用することで、環境温度に対して一定、かつ、センサＫ，Ｌ，Ｎで略同じ第２補正信号Ｓ₂が得られたことが理解される。

なお、オフセット補正量Ｂとしては、赤外線センサ装置Ｋを用いて、３０℃に設定された黒体炉（放射率：０．９７）を対象物として（Ｔ_OBJ＝３０℃）、黒体炉から放射される赤外線を、−３０〜６０℃の環境温度Ｔ_AMBで測定したときに得られる赤外線センサ信号Ｓ_IRBを用いて、Ｓ_IRBのＴ_AMB依存性のプロットに対して３次関数でのフィッティングを行うことで、下記式（２）で表される関数を導出し、オフセット補正量Ｂとして用いた。

また、補正係数Ｃとしては、赤外線センサ装置Ｋを用いて、３０℃に設定された黒体炉（放射率：０．９７）を対象物として（Ｔ_OBJ＝３０℃）、黒体炉から放射される赤外線を、−３０〜６０℃の環境温度Ｔ_AMBで測定したときに得られる赤外線センサ信号Ｓ_IRC1と、５０℃に設定された黒体炉を対象物として（Ｔ_OBJ＝５０℃）、黒体炉から放射される赤外線を、−３０〜６０℃の環境温度Ｔ_AMBで測定したときに得られる赤外線センサ信号Ｓ_IRC2と、を用いて、Ｓ_IRC1とＳ_IRC2との差を黒体炉温度の差で割った、赤外線センサ信号と測定対象物温度との傾きβ＝（Ｓ_IRC2−Ｓ_IRC1）／（５０−３０）を、０．２３５１にするための係数γを用いて、該係数γの環境温度Ｔ_AMB依存性のプロットに対して二次関数でフィッティングを行うことで、下記式（３）で表される関数を導出し、補正係数Ｃとして用いた。

＜温度換算工程＞
表１は、図８に示した赤外線センサ装置Ｌより得られた第２補正信号Ｓ₂に基づいて温度換算工程を行うことにより得られた出力温度Ｔ_OUTを示している。

温度換算工程においてＴ_OUTを算出するのには、Ｓ₂≦３（ｎＡ）においては下記式（４）で、Ｓ₂＞３（ｎＡ）においては下記式（５）で表される関係式を用いた。

Ｔ_OUT＝（１．８９５９×１０^-2）×Ｓ₂ ³−（３．１１４６×１０^-1）×Ｓ₂ ²＋５．２９２２×Ｓ₂＋２９．９８９ ・・・（４）
Ｔ_OUT＝（１．５０７８×１０^-3）×Ｓ₂ ³−（１．１０７４×１０^-1）×Ｓ₂ ²＋４．４４５１×Ｓ₂＋３１．３５１ ・・・（５）

表１より、オフセット補正量Ｂと補正係数Ｃによる補正工程より前に、本発明の第１補正工程を適用することによって、赤外線センサ装置が受光した赤外線エネルギー量から定量される出力温度Ｔ_OUTと実際の測定対象物の温度との差が小さくなり、測定対象物温度２０〜８０℃において、最大２℃未満、測定対象物温度２０〜５０℃においては、最大１℃未満の差異に収めることが可能となっている。

［比較例１］
第１補正工程を適用せずに、赤外線センサ信号Ｓ_IRに対して、第２補正工程としてオフセット補正量Ｂを加算又は減算し、さらに補正係数Ｃを乗算して得られる第２補正信号Ｓ₂に基づいて温度換算工程をすることによって温度測定をした。なお、第２補正工程及び温度換算工程は、実施例２と同じ条件を採用した。

図９は、比較例１の第２補正信号を示す図で、赤外線センサ装置Ｋ，Ｌ，Ｍから得られる出力信号Ｓ_IRに対して、第２補正工程を適用した場合の第２補正信号Ｓ₂’を示している。

図９より、第１補正工程が無い場合、センサ毎に第２補正信号Ｓ₂’が大きく異なり、センサＬ、Ｍについては、Ｓ₂’が環境温度Ｔ_AMBに対して変化していることが理解される。

表２は、赤外線センサ装置Ｌより得られた第２補正信号Ｓ₂’に基づいて出力温度Ｔ_OUT’を求めた結果を示している。

表２より、第１補正工程を経ずにオフセット補正量Ｂと補正係数Ｃによる第２補正工程のみで補正した場合、赤外線センサ装置が受光した赤外線エネルギー量から定量される出力温度Ｔ_OUT’と実際の測定対象物の温度との差が表１に示した第１補正工程を適用した実施例２と比較して格段に大きくなってしまい、測定対象物温度２０〜８０℃において、最大８．５℃、測定対象物温度２０〜５０℃においては、最大７．６℃の差異が生じてしまっていることが理解される。

実施例１で用いた赤外線センサ装置Ｋを、視野角制限体を付け替えて視野角θが１２０°から５０°に変えて赤外線センサ装置Ｋ’とした以外は、実施例１と同様の条件で第１補正信号Ｓ₁を得た。

なお、上記視野角θが５０°の赤外線センサ装置の補正係数Ａ_K’（実施例１と同様に、Ｔ_AMBX＝２５℃で、Ｔ_OBJX＝５０℃の黒体炉に対して得られるＳ_IRXを測定し、その値を５．６ｎＡにするための係数）は、Ａ_K’＝３．５８であり、視野角θが１２０°の補正係数Ａ_Kは実施例１と同様にＡ_K＝１であった。

図１０は、実施例３の赤外線センサ信号を示す図で、赤外線センサ装置Ｋ（視野角θ＝１２０°）及びＫ’（視野角θ＝５０°）を用いて得られた赤外線センサ信号Ｓ_IRを示している。また、図１１は実施例３の第１補正信号を示す図で、図１０の赤外線センサ信号に対して、赤外線センサ装置Ｋの補正係数Ａ_K＝１、赤外線センサ装置Ｋ’の補正係数Ａ_K’＝３．５８としてそれぞれ乗算した結果を示している。

図１１より、本実施例３の第１補正工程を適用することにより、第１補正信号は視野角θが１２０°であっても５０°であっても略一致しており、第１補正信号は視野角θが変化しても略同一な値になる様に補正できることが理解される。

実施例３で得られた赤外線センサ装置Ｋ’の第１補正信号に対して、実施例２と同じ条件で第２補正工程及び温度換算工程を適用して出力温度Ｔ_OUTを得た。その結果を表３に示す。

表３より、視野角θが変化しても、本実施例４の第１補正工程を適用することにより、第２補正工程及び温度換算工程の条件を変えることなく、実施例２と同様に測定対象物温度２０〜８０℃において、最大２℃未満、測定対象物温度２０〜５０℃においては、最大１℃未満の差異に収めることが可能となっている。

［比較例２]
実施例３で得られた赤外線センサ装置Ｋ’の赤外線センサ信号に対して、実施例２と同じ条件で第２補正工程及び温度換算工程を適用して出力温度Ｔ_OUT’を得た。その結果を表４に示す。

表４より、視野角θが変化したときに、第１補正工程を適用せずに、視野角θが変化する前の第２補正工程及び温度換算工程と同じ条件で温度測定を実施すると、赤外線センサ装置が受光した赤外線エネルギー量から定量される出力温度Ｔ_OUT’と実際の測定対象物の温度との差が著しく大きくなってしまう。すなわち、本実施例４の第１補正工程を適用しない場合は、視野角θの変化に応じて第２補正工程及び温度換算工程に新たな条件を適用しなければならないことが理解される。

実施例１で用いた赤外線センサ装置Ｌにおいて、視野角制限体の開口部を覆うように厚さ０．５ｍｍのシリコン（Ｓｉ）の窓材を取り付けて赤外線センサ装置Ｌ’とした以外は、実施例１と同様の条件で第１補正信号Ｓ₁を得た。

なお、シリコンの窓材を取り付けた赤外線センサ装置Ｌ’の補正係数Ａ_L’（実施例１と同様に、Ｔ_AMBX＝２５℃で、Ｔ_OBJX＝５０℃の黒体炉に対して得られるＳ_IRXを測定し、その値を５．６ｎＡにするための係数）は、Ａ_K’＝１．７４であり、窓材のない赤外線センサ装置Ｌの補正係数Ａ_Lは実施例１と同様にＡ_K＝１．２６であった。

図１２は、実施例５の赤外線センサ信号を示す図で、赤外線センサ装置Ｌ（窓材なし）及びＬ’（窓材あり）を用いて得られた赤外線センサ信号Ｓ_IRを示している。また、図１３は、実施例５の第１補正信号を示す図で、図１２の赤外線センサ信号に対して、赤外線センサ装置Ｌの補正係数Ａ_L＝１．２６、赤外線センサ装置Ｌ’の補正係数Ａ_L’＝１．７４としてそれぞれ乗算した結果を示している。

図１３より、本実施例５の第１補正工程を適用することにより、第１補正信号は窓材の有無に関わらず略一致しており、第１補正信号は、窓材の有無に関わらず略同一な値になる様に補正できることが理解される。

そして図示はしないが、本実施例５の第１補正工程によって、窓材の有無に関わらず略同一な第１補正信号を得られるので、実施例４と同様にそれぞれに同じ第２補正工程及び温度換算工程を適用しても正確な出力温度を得ることが可能になる。

本発明は、主としてフォトダイオードやサーモパイルなどの赤外線センサから得られる赤外線センサ信号の補正方法及び温度測定方法並びに温度測定装置に関し、赤外線センサ装置の出力の個体差ばらつきを簡易に補正し、赤外線エネルギー量から測定温度を簡易かつ高精度に定量することが可能な、赤外線センサ信号の補正方法及び温度測定方法並びに温度測定装置を提供することができる。

１ 赤外線センサ装置
２ 赤外線センサ部
３ 温度センサ
４ 視野角制限体
５ プリント基板
６ 窓材
１０ 測定対象物
１１ 環境温度の測定機構を有する赤外線センサ部
１２ 温度測定装置
１３ａ 第１補正部
１３ｂ 第２補正部
１４ 温度特性オフセット補正部
１５ 温度特性ゲイン補正部
１６ 温度換算部

Claims (11)

1. 赤外線センサ装置の個体差による出力信号のばらつきを補正するようにした赤外線センサ信号の補正方法において、
   前記赤外線センサ装置から得られる前記赤外線センサ信号に前記赤外線センサ装置固有の補正係数Ａを乗算する第１補正工程を有し、
   前記補正係数Ａは、前記赤外線センサ装置を用いて所定の環境温度において所定の測定対象物の温度を測定したときに得られる信号を所定の値にするための係数であることを特徴とする赤外線センサ信号の補正方法。
2. 前記第１補正工程の後に、前記環境温度に基づくオフセット補正量Ｂを加算又は減算する工程及び前記環境温度に基づく補正係数Ｃを乗算する工程とを含む第２補正工程を更に有することを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ信号の補正方法。
3. 前記赤外線センサ装置固有の補正係数Ａが、前記環境温度をＴ_AMBX、前記測定対象物の温度をＴ_OBJXとした場合に、｜Ｔ_OBJX−Ｔ_AMBX｜≧１０℃の関係を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線センサ信号の補正方法。
4. 前記環境温度に基づくオフセット補正量Ｂを前記環境温度Ｔ_AMBの３次関数を用いて定めることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の赤外線センサ信号の補正方法。
5. 前記環境温度に基づく補正係数Ｃが、第１の一定温度Ｔ_OBJ1の測定対象物を複数の異なる環境温度で測定したときの前記赤外線センサ信号Ｓ_IRC1と、第２の一定温度Ｔ_OBJ2の測定対象物を複数の異なる環境温度で測定したときの前記赤外線センサ信号Ｓ_IRC2とを求めた後に、
   傾きβ＝（Ｓ_IRC2−Ｓ_IRC1）／（Ｔ_OBJ2−Ｔ_OBJ1）
   によって求まる、前記赤外線センサ信号と前記測定対象物の温度との傾きβを各環境温度に対して算出して、該傾きβを所定の値にするための係数であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の赤外線センサ信号の補正方法。
6. 前記赤外線センサ装置が、赤外線センサ部と視野角制限体及び／又は窓材とを備えていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の赤外線センサ信号の補正方法。
7. 赤外線センサ装置の個体差による出力信号のばらつきを補正するようにした温度測定方法において、
   前記赤外線センサ装置から赤外線センサ信号を得る工程と、
   請求項１乃至６のいずれかに記載の赤外線センサ信号の補正方法による補正工程と、
   前記補正工程を経た後の信号から測定温度を導出する温度換算工程と
   を有することを特徴とする温度測定方法。
8. 赤外線センサ装置の個体差による出力信号のばらつきを補正するようにした温度測定装置において、
   前記赤外線センサ装置固有の補正係数を記憶し、前記赤外線センサ装置から得られる信号に乗算する第１補正手段を備え、
   前記補正係数は、前記赤外線センサ装置を用いて所定の環境温度において所定の測定対象物の温度を測定したときに得られる信号を所定の値にするための係数であることを特徴とする温度測定装置。
9. 前記環境温度を測定する温度測定手段と、
   該温度測定手段による前記環境温度に基づくオフセット補正量を算出する温度特性オフセット補正手段及び前記環境温度に基づく補正係数を算出する温度特性ゲイン補正手段とからなる第２補正手段と、
   該第２補正手段の信号から測定温度を導出する温度換算手段と
   を更に備えていることを特徴とする請求項８に記載の温度測定装置。
10. 赤外線センサ信号をＳ_IR、前記赤外線センサ装置固有の補正係数をＡ、前記環境温度に基づくオフセット補正量をＢ、前記環境温度に基づく補正係数をＣとした場合に、前記第１補正手段の出力がＳ_IR×Ａで、前記温度特性オフセット補正手段の出力がＳ_IR×Ａ±Ｂで、前記温度特性ゲイン補正手段の出力が（Ｓ_IR×Ａ±Ｂ）×Ｃであることを特徴とする請求項９に記載の温度測定装置。
11. 前記赤外線センサ装置が、赤外線センサ部と視野角制限体及び／又は窓材とを有することを特徴とする請求項８，９又は１０に記載の温度測定装置。

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