JP2012078160A - 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】赤外線センサ信号の環境温度に対する変化を補正して、高精度に測定温度を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、環境温度Ｔ_AMBに基づいたオフセット補正量を加算又は減算する第１補正工程を有し、オフセット補正量がＴ_AMBの３次及び／又は２次の項を含む関数で表される。また、第１補正工程の後に、環境温度Ｔ_AMBに基づいた補正係数Ｂを乗算する第２補正工程を有する。
【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、温度を検出する、非接触式温度計としても期待されている。

赤外線センサは、その動作原理から熱型センサと量子型センサに分けられる。熱型センサは、赤外線エネルギーを吸収面で熱エネルギーに変換して、その温度上昇を電気信号として検出する。したがって、対象物温度をＴ_OBJ[Ｋ]、センサの置かれた環境温度をＴ_AMB[Ｋ]とすると、ステファン−ボルツマンの４乗則に基づいて、出力信号は（Ｔ_OBJ ⁴−Ｔ_AMB ⁴）に比例することが知られている。

また、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には、赤外線センサとして熱型センサの一つであるサーモパイルを用いた温度測定装置（特許文献１においては「非接触型温度検出器」と称される）の温度算出方法が開示されている。この温度算出方法では、まず、サーモパイルの冷接点部材に設けたサーミスタ出力電圧Ｖ_NTC[Ｖ]から環境温度Ｔ_AMB[Ｋ]を算出する。次いで、環境温度Ｔ_AMBに基づいて補正係数αを算出する。そして、環境温度Ｔ_AMBと補正係数αとサーモパイル出力電圧Ｖ_OUT[Ｖ]とから、下記式（１）に基づき、対象物温度Ｔ_OBJ[Ｋ]を算出する。

ここで、Ｖ_REFは、赤外線温度検出器回路の基準電圧である。また、補正係数αは下記式（２）のように表される。

また、特許文献２には、サーモパイルの出力が環境温度変化に対して一定になるように、出力ゲインの設定と、環境温度変化による出力オフセットに対して逆特性を出力する補正出力手段とを有する温度測定装置（特許文献２においては「非接触温度検知装置」と称される）が開示されている。この温度検知装置は、アナログ回路で構成されており、サーモパイル出力に対して式（１）のＴ_AMB ⁴を相殺させるアナログ信号を加えて、環境温度変化にかかわらず対象物の温度に対して一定の出力が得られるような工夫がなされている。

以上のように、赤外線センサとして赤外線エネルギーを熱エネルギーに変換して検出する熱型センサを利用した温度測定装置においては、環境温度変化による出力オフセットが環境温度Ｔ_AMBの４乗に比例することを利用した温度補正を行うことで、対象物温度が求められる。

特開２００２−２２８５２３号公報 特開２００３−０４２８４９号公報

しかしながら、フォトダイオードなどの量子型センサを温度検出に用いる場合、その感度が波長毎に異なり、出力信号が（Ｔ_OBJ ⁴−Ｔ_AMB ⁴）に比例しないため、熱型センサと同様のＴ_AMBの４乗に比例した出力オフセット補正を適用すると、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、上述した特許文献１，２に記載されている熱型センサの補正方法であっても、測定対象物の温度と環境温度との差が大きい場合は、測定対象物の温度と出力温度との差が無視できない程度に大きなものになるという問題もあった。

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、赤外線センサ装置からの赤外線センサ信号の環境温度に対する変化を補正して、この赤外線センサ信号から高精度に測定温度を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、赤外線センサ装置からの赤外線センサ信号の環境温度に対する変化を補正して測定温度を定量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赤外線センサ信号に、該赤外線センサ装置の環境温度に基づいたオフセット補正量を加算又は減算する第１補正工程を有し、前記オフセット補正量が、前記環境温度の３次及び／又は２次の項を含む関数で表され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補正工程の前又は後に、前記環境温度に基づいた補正係数を乗算する第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、赤外線センサ装置からの赤外線センサ信号の環境温度に対する変化を補正して測定温度を定量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又は２に記載の赤外線センサ信号の補正方法による温度補正工程と、該温度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４に記載の発明は、赤外線センサ装置からの赤外線センサ信号の環境温度に対する変化を補正して測定温度を定量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の温度と、該赤外線センサ装置の環境温度を測定する温度測定手段と、前記環境温度に基づくオフセット補正量を算出し、前記赤外線センサ装置から得られる赤外線センサ信号に加算又は減算するオフセット補正手段とを備え、前記オフセット補正量が、前記環境温度の３次及び／又は２次の項を含む関数で表され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４に記載の発明において、前記環境温度に基づく補正係数を算出し、該補正係数を前記赤外線センサ装置から得られる赤外線センサ信号に乗算するゲイン補正手段を更に備えていることを特徴とする。

本発明によれば、環境温度に基づいたオフセット補正量を加算又は減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環境温度による変化を補正し、赤外線センサ信号から高精度に測定温度を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における測定対象物温度Ｔ_OBJ ⁴を示す図である。 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２補正信号を示す図である。 比較例２におけるＴ_OBJ ⁴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及び温度測定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、赤外線センサ装置から出力される赤外線センサ信号Ｓ_IRから測定温度を高精度に定量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、環境温度Ｔ_AMBに基づいたオフセット補正量Ａを加算又は減算する第１補正工程を有している。このオフセット補正量Ａは、Ｔ_AMBの３次及び／又は２次の項を含む関数で表される。また、第１補正工程の後に、環境温度Ｔ_AMBに基づいた補正係数Ｂを乗算する第２補正工程を有している。

以下、上述した各工程について更に詳細に説明する。

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に対して環境温度Ｔ_AMBより求まるオフセット補正量Ａを加算又は減算する第１補正工程を適用すると、第１補正信号Ｓ₁が得られる。

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

オフセット補正量Ａは、環境温度Ｔ_AMBの３次及び／又は２次の項を含む関数である。例えば、下記式（３）に示すような、環境温度Ｔ_AMBのｎ次の関数で表され、３次の項の係数が０で無い（ａ₃≠０）及び／又は２次の項の係数が０で無い（ａ₂≠０）ことを特徴とする。

この補正方法をプログラミングしてマイコンなどで計算処理する場合、高次の関数を用いると計算処理には時間がかかってしまい、効率的に動作させることが難しいという観点から、なるべく低次の関数であることが好ましい。例えば、２４３Ｋ≦Ｔ_AMB≦３３３Ｋであれば、３次関数を用いることが、温度補正の精度を高める観点からより好ましい。

オフセット補正量Ａ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Ａ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。

次に、第１補正信号Ｓ₁に対して、環境温度Ｔ_AMBより求まる補正係数Ｂを乗算する第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。また、補正係数Ｂ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Ａが加算又は減算された後の信号に対して乗算される。

また、補正係数Ｂは、測定対象物温度と第２補正信号Ｓ₂の関係における環境温度に対する誤差が小さくなるようなものを赤外線センサ装置の様態に応じて適宜定めればよく、例えば、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（４）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Ｂとして採用することが出来るが、本実施形態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。なお、赤外線センサ装置における赤外線センサとしては、量子型センサ又は熱型センサを用いるのが好ましい。赤外線センサが量子型センサの場合には、記第１補正工程を有し、赤外線センサが熱型センサの場合には、記第１補正工程と第２補正工程を有することが高精度に測定温度を定量する観点から好ましい。

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Ｓ_IRに、環境温度Ｔ_AMBに基づいたオフセット補正量Ａを加算又は減算する第１補正工程を含み、オフセット補正量Ａが環境温度Ｔ_AMBの３次及び／又は２次の項を含む関数で表される、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及び温度測定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及び温度測定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。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３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、実施形態３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及び温度測定方法を説明するための工程図である。図４に示すように、第２補正工程を行った後で、第１補正工程を行うことも可能であり、第１補正工程と第２補正工程を行う順序は、特に制限されない。

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、１３はオフセット補正部、１４はゲイン補正部、１５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、オフセット補正部１３と、ゲイン補正部１４と、温度換算部１５とを備えている。

オフセット補正部１３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Ａを算出し、加算又は減算するものである。また、ゲイン補正部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に基づいて求まる補正係数Ｂ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、赤外線センサ装置から出力される赤外線センサ信号Ｓ_IRから測定温度を高精度に定量するようにした温度測定装置であり、環境温度Ｔ_AMBを測定する温度センサ３と、環境温度Ｔ_AMBに基づくオフセット補正量Ａを算出し、赤外線センサ装置から得られる信号に加算又は減算するオフセット補正部１３を備えている。このように、オフセット補正部１３を有する温度測定装置によれば、測定時の環境温度の影響が低減された第１補正信号を得ることが可能になる。

また、環境温度Ｔ_AMBに基づく補正係数Ｂを算出し、赤外線センサ装置から得られる信号に乗算するゲイン補正部１４を備えている。このように、ゲイン補正部１４を更に有する温度測定装置によれば、測定時の環境温度の影響がより低減された第２補正信号を得ることが可能になる。

以下、具体的な各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。

本実施例１は、上述した第１補正工程のみを適用した場合を示している。図１に示した赤外線センサ装置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補正工程としてオフセット補正量Ａを減算して得られる第１補正信号Ｓ₁を得た。この第１補正信号Ｓ₁に基づいて、温度換算工程をすることによって測定対象物の温度を定量した（すなわち、図１における第２補正工程は省略した）。ここで、赤外線センサ部２には量子型センサであるフォトダイオードを用いた。

＜測定条件＞
赤外線センサ装置１として、赤外線センサ部に、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、フォトダイオードを用いて、視野角θが１２０°となるような視野角制限体を有する、赤外線センサ装置を用意した。

＜赤外線センサ信号Ｓ_IR＞
図６は、実施例１における赤外線センサ信号を示す図である。赤外線センサ装置１を用いて、２７３〜３７３Ｋに設定された黒体炉（放射率：０．９７）を対象物として（Ｔ_OBJ＝２７３〜３７３Ｋ）、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２５３，２９３，３３３Ｋにおいて検知した際の赤外線センサ信号Ｓ_IRとして、光電流を示している。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、赤外線センサ信号Ｓ_IRは、環境温度Ｔ_AMBに対して一定ではなく、環境温度Ｔ_AMBが高いほど同じ測定対象物温度であっても赤外線センサ信号Ｓ_IRが小さくなっている。

＜第１補正工程＞
図７は、実施例１における第１補正信号を示す図で、赤外線センサ信号Ｓ_IRに、第１補正工程を適用した場合の第１補正信号Ｓ₁を示している。ここで、第１補正工程として、オフセット補正量Ａの減算を行った。なお、オフセット補正量Ａとしては、赤外線センサ装置１を用いて、３０３Ｋに設定された黒体炉（放射率：０．９７）を対象物として（Ｔ_OBJ＝３０３Ｋ）、黒体炉から放射される赤外線を、２４３〜３３３Ｋ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_IRAを用いて、赤外線センサ信号Ｓ_IRAの環境温度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（５）で表される関数を導出し、オフセット補正量Ａとして用いた。

＜温度換算工程＞
表１は、図７に示した赤外線センサ装置より得られた第１補正信号Ｓ₁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、Ｓ₁≦５（ｎＡ）においては下記式（６）で、Ｓ₁＞５（ｎＡ）においては下記式（７）で表される関係式を用いた。

表１に示すように、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２９３〜３５３Ｋにおいて、最大７Ｋ未満の差異に収めることが可能となっている。

本実施例２は、第１及び第２補正工程を適用した例を示している。上述した実施例１においては、第１補正信号Ｓ₁に第２補正工程を適用して第２補正信号Ｓ₂を得た後に、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出力温度Ｔ_OUTを得た以外は実施例１と同様の条件とした。

＜第２補正工程＞
図８は、実施例２における第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補正工程として補正係数Ｂの乗算を行った。図８に示すように、第１補正工程と第２補正工程を適用することで、環境温度に対して略一定の信号Ｓ₂が得られたことが理解される。

なお、補正係数Ｂとしては、赤外線センサ装置１を用いて、３０３Ｋに設定された黒体炉（放射率：０．９７）を対象物として（Ｔ_OBJ＝３０３Ｋ）、黒体炉から放射される赤外線を、２４３〜３３３Ｋ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_IRB1と、３２３Ｋに設定された黒体炉を対象物として（Ｔ_OBJ＝３２３Ｋ）、黒体炉から放射される赤外線を、２４３〜３３３Ｋ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_IRB2と、を用いて、赤外線センサ信号Ｓ_IRB1と赤外線センサ信号Ｓ_IRB2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_IRB2−Ｓ_IRB1）／（３２３−３０３）を、０．２３５１にするための係数γを用いて、この係数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（８）で表される関数を導出し、補正係数Ｂとして用いた。

＜温度換算工程＞
表２は、図８に示した赤外線センサ装置より得られた第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出力温度Ｔ_OUTを算出するのには、Ｓ₂≦５（ｎＡ）においては、下記式（９）で、Ｓ₂＞５（ｎＡ）においては下記式（１０）で表される関係式を用いた。

表２に示すように、本発明の第１補正工程及び第２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２９３〜３５３Ｋにおいて、最大１Ｋ未満の差異に収めることが可能となっている。

［比較例１］
比較例１は、従来の補正方法を適用した例を示している。上述した実施例１の赤外線センサ信号Ｓ_IRに対して、式（１）、Ｖ_OUT＝α・（Ｔ_OBJ ⁴−Ｔ_AMB ⁴）＋Ｖ_REF、に基づいて下記手順に沿って対象物温度を求めた。

＜温度補正工程＞
式（１）を変形すると下記式（１１）が得られる。

図９は、比較例１における測定対象物温度Ｔ_OBJ ⁴を示す図で、式（１１）に基づいて得た、測定対象物温度Ｔ_OBJ ⁴を示している。

図９に示すように、測定対象物温度Ｔ_OBJ ⁴は環境温度Ｔ_AMBに対して変化していることが理解される。ここで、Ｖ_REF＝０として、赤外線センサ信号Ｓ_IR（光電流）をＶ_OUTに代入した。また、補正係数αは、各環境温度２８３，２９３，３０３Ｋにおける、対象物温度２８３，２９３，３０３，３１３，３２３ＫでのＶ_OUT（赤外線センサ信号Ｓ_IR）から、それぞれαの値を求め、その平均値α_AVEを採用し、α_AVEの環境温度に対するプロットを２次関数でフィッティングすることにより得られる、下記式（１２）を用いて算出した。

＜温度換算工程＞
表３は、図９に示したＴ_OBJ ⁴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出力温度Ｔ_OUT’は、測定対象物温度Ｔ_OBJ ⁴の４乗根を取ることで求めた。

表３に示すように、背景技術の式（１）に基づく温度補正工程と温度換算工程を用いた場合、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に示した実施例１，２と比較して大きくなってしまい、測定対象物温度２９３〜３５３Ｋにおいて、最大２３．７Ｋの差異が生じてしまっていることが理解される。

本実施例３は、熱型センサに本発明の補正方法を適用した例を示している。図１において赤外線センサ部２に熱型センサのサーモパイルを用いた、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補正工程としてオフセット補正量Ａを減算して得られる第１補正信号Ｓ₁を得た。さらに、第１補正信号Ｓ₁に対して第２補正工程として補正係数Ｂを乗算して得て、この第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測定対象物の温度を定量した。

＜測定条件＞
赤外線センサ装置１として、赤外線センサ部に、５μｍよりも短波長の赤外線をカットするフィルタと、視野角制限体と同等の効果を有し、視野角θが１００°で感度が５０％になるように設けられたカンパッケージと、を備えたサーモパイルを用いて、赤外線センサ装置を用意した。

＜赤外線センサ信号Ｓ_IR＞
図１０は、実施例１における赤外線センサ信号を示す図である。赤外線センサ装置１を用いて、２７３〜３７３Ｋに設定された黒体炉（放射率：０．９７）を対象物として（Ｔ_OBJ＝２７３〜３７３Ｋ）、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２４３〜３３３Ｋにおいて検知した際の赤外線センサ信号Ｓ_IRとして、出力電圧を示している。なお、黒体炉表面は１０ｃｍ角の正方形であり、黒体炉表面が前記赤外線センサ装置１の視野全体に広がった状態で測定を実施した。

＜温度補正工程＞
図１１は、実施例１における第２補正信号を示す図で、赤外線センサ信号Ｓ_IRに、第１補正工程を適用した後に、さらに、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。図１１に示すように、第１補正工程と第２補正工程を適用することで、環境温度に対して略一定の信号Ｓ₂が得られたことが理解される。

ここで、第１補正工程として、オフセット補正量Ａの減算を行った。なお、オフセット補正量Ａとしては、赤外線センサ装置１を用いて、３０３Ｋに設定された黒体炉（放射率：０．９７）を対象物として（Ｔ_OBJ＝３０３Ｋ）、黒体炉から放射される赤外線を、２４３〜３３３Ｋ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_IRAを用いて、赤外線センサ信号Ｓ_IRAの環境温度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（１３）で表される関数を導出し、オフセット補正量Ａとして用いた。

また、補正係数Ｂとしては、赤外線センサ装置１を用いて、３０３Ｋに設定された黒体炉（放射率：０．９７）を対象物として（Ｔ_OBJ＝３０３Ｋ）、黒体炉から放射される赤外線を、２４３〜３３３Ｋ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_IRB1と、３２３Ｋに設定された黒体炉を対象物として（Ｔ_OBJ＝３２３Ｋ）、黒体炉から放射される赤外線を、２４３〜３３３Ｋ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_IRB2と、を用いて、赤外線センサ信号Ｓ_IRB1と赤外線センサ信号Ｓ_IRB2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_IRB2−Ｓ_IRB1）／（３２３−３０３）を、０．００００８６５６にするための係数γを用いて、この係数γの環境温度Ｔ_AMB依存性のプロットに対して三次関数でフィッティングを行うことで、下記式（１４）で表される関数を導出し、補正係数Ｂとして用いた。

＜温度換算工程＞
表４は、図１１に示した赤外線センサ装置より得られた第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出力温度Ｔ_OUTを算出するのには、下記式（１５）で表される関係式を用いた。

表４に示すように、本発明の第１補正工程および第２補正工程を適用することによって、サーモパイルを用いた赤外線センサ装置においても、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、測定対象物温度２９３〜３５３Ｋにおいて、最大１Ｋ未満の差異に収めることが可能となっている。

［比較例２］
比較例２は、熱型センサに従来の補正方法を適用した例を示している。上述した実施例２の赤外線センサ信号Ｓ_IRに対して、式（１）、Ｖ_OUT＝α・（Ｔ_OBJ ⁴−Ｔ_AMB ⁴）＋Ｖ_REF、に基づいて下記手順に沿って対象物温度を求めた。

＜温度補正工程＞
式（１）を変形すると下記式（１６）が得られる。

図１２は、比較例２におけるＴ_OBJ ⁴を示す図で、式（１６）に基づいて得た測定対象物温度Ｔ_OBJ ⁴を示している。

図１２に示すように、測定対象物温度Ｔ_OBJ ⁴は、環境温度Ｔ_AMBに対して変化していることが理解される。ここで、Ｖ_REF＝０として、センサ出力をＶ_OUTに代入した。また、補正係数αは、各環境温度２８３，２９３，３０３Ｋにおける、対象物温度２８３，２９３，３０３，３１３，３２３ＫでのＶ_OUTから、それぞれαの値を求め、その平均値α_AVEを採用し、α_AVEの環境温度に対するプロットを２次関数でフィッティングすることにより得られる、下記式（１７）を用いて算出した。

＜温度換算工程＞
表５は、図１２に示した測定対象物温度Ｔ_OBJ ⁴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’は、Ｔ_OBJ ⁴の４乗根を取ることで求めた。

表５に示すように、式（１）に基づく温度補正工程と温度換算工程を用いた場合、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に示した実施例１と比較して大きくなってしまい、測定対象物温度２９３〜３５３Ｋにおいて、最大３．１Ｋの差異が生じてしまっていることが理解される。

上述した実施例１，２と比較例１に示すように、赤外線センサとして量子型センサであるフォトダイオードを用いた場合、従来の補正方法では測定対象物温度２９３〜３５３Ｋにおいて測定誤差が最大で２３．７Ｋと極めて大きくなるのに対し、本発明の補正方法を適用した場合は、測定対象物温度２９３〜３５３Ｋにおいて測定誤差が極めて少なく、赤外線センサ信号から高精度に測定温度を定量することが可能であることが理解される。

また、第１補正工程のみを適用した実施例１よりも、第１補正工程の後に第２補正工程を適用した実施例２の方がより高精度に測定温度を定量することが可能であることが理解される。

また、実施例３と比較例２に示すように、赤外線センサとして熱型センサを用いた場合、従来の補正方法を適用した場合よりも、本発明の補正方法を適用した場合の方が、より高精度に測定温度を定領することが可能であることが理解される。従来より、熱型センサにおいては、ステファン−ボルツマンの４乗則に基づいて前記式（１）（２）に基づいた補正を行うことが最適であると考えられていたが、本発明の補正方法の方がより高精度に測定温度を得ることが可能であったことは驚くべきことであった。

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、赤外線センサ装置からの赤外線センサ信号の環境温度に対する変化を補正して、この赤外線センサ信号から高精度に測定温度を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
１３ オフセット補正部
１４ ゲイン補正部
１５ 温度換算部

Claims (5)

1. 赤外線センサ装置からの赤外線センサ信号の環境温度に対する変化を補正して測定温度を定量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赤外線センサ信号に、該赤外線センサ装置の環境温度に基づいたオフセット補正量を加算又は減算する第１補正工程を有し、
   前記オフセット補正量が、前記環境温度の３次及び／又は２次の項を含む関数で表され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補正工程の前又は後に、前記環境温度に基づいた補正係数を乗算する第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. 赤外線センサ装置からの赤外線センサ信号の環境温度に対する変化を補正して測定温度を定量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又は２に記載の赤外線センサ信号の補正方法による温度補正工程と、
   該温度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。
4. 赤外線センサ装置からの赤外線センサ信号の環境温度に対する変化を補正して測定温度を定量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の温度と、該赤外線センサ装置の環境温度を測定する温度測定手段と、
   前記環境温度に基づくオフセット補正量を算出し、前記赤外線センサ装置から得られる赤外線センサ信号に加算又は減算するオフセット補正手段とを備え、
   前記オフセット補正量が、前記環境温度の３次及び／又は２次の項を含む関数で表されることを特徴とする温度測定装置。
5. 前記環境温度に基づく補正係数を算出し、該補正係数を前記赤外線センサ装置から得られる赤外線センサ信号に乗算するゲイン補正手段を更に備えていることを特徴とする請求項４に記載の温度測定装置。

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