JP2016130699A - サーモパイルアレイセンサ、及びサーモパイルアレイセンサのオートキャリブレーション処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象空間に人が立ち入ることなく、温度出力値の補正や、各サーモパイルの劣化状況の遠隔診断を行うことができるサーモパイルアレイセンサを提供する。【解決手段】サーモパイルアレイセンサ１００は、測定対象物から放射される赤外線を受光するための受光部１１を有するサーモパイル１０と、サーモパイル１０の温度出力の補正装置２０と、を一体的に備える。補正装置２０は、受光部１１を塞ぐための遮光体２１と、遮光体２１を操作するための操作機構と、遮光体２１の温度を測定するための温度測定手段２６と、遮光体２１を所定の温度に制御するための温度制御手段２７と、を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、測定対象空間における測定対象物の温度分布を非接触で測定するサーモパイル（Thermopile）アレイセンサ、及び該サーモパイルアレイセンサの温度出力値を自動的に補正するサーモパイルアレイセンサのオートキャリブレーション処理方法に関する。

サーモパイルは、測定対象物が放出する赤外線を検出して熱起電力を発生する素子である。近年、サーモパイルは、焦電センサに代わる人検知センサとして注目されている。サーモパイルアレイセンサは、サーモパイルを直列もしくは並列に複数接続したセンサデバイスであり、特にサーモパイルを直列に複数接続することにより高い電位を得ることができる。例えば、測定対象空間の天井などにサーモパイルアレイセンサを設置することにより、測定対象物の温度分布を非接触で測定可能であり、人の存在・不存在や人数などを把握することができる。

サーモパイルアレイセンサに関連する技術として、例えば、特許文献１には、半導体基板に測定用サーモパイルを複数並設してなるサーモパイルアレイセンサが開示されている。特許文献１のサーモパイルアレイセンサは、半導体基板に、遮光された補償用サーモパイルを設けるとともに、測定用サーモパイルおよび補償用サーモパイルのそれぞれに信号取り出しのためのスイッチを設け、測定用サーモパイルと補償用サーモパイルの出力の差に基づいて演算処理を行うように構成される。

また、サーモパイルアレイセンサの測定視野角は一般に６０〜９０°程度であり、測定視野角がそれほど大きくない。そこで、特許文献２には、測定対象空間の天井に複数のサーモパイルアレイセンサを格子状に等間隔で設置することで、測定対象空間の全域に亘って温度測定を可能にしたサーモパイルアレイセンサが開示されている。

特開２００４−１７０３７５号公報 特開２０１４−２１２４号公報

ところで、従来、サーモパイルアレイセンサの出力補正を行う場合は、以下の手順で簡易補正を行っていた。まず、個々のサーモパイルに専用のキャップを取り付け、一定温度測定を行っている状況を作り出す。次に、表示内容のばらつき補正や、サーモパイル単体の劣化状況の確認を行う。そして、アプリケーションソフト上におけるオフセット補正機能を用いて、表示補正を行う。したがって、このような手順で表示補正を行うので、特許文献２のように、天井にサーモパイルアレイセンサを多数設置している場合には、各サーモパイルに専用キャップを一個ずつ取り付けなければならず、キャップ取り付け作業が煩雑であった。

また、従来の簡易補正では、センサ自体の補正を行うわけではなく、ソフト上において表示のずれを補正するだけであるので、サーモパイルの交換時期などを判断できず、サーモパイル単体の劣化状況を診断することもできなかった。

本発明は、上記の事情に鑑みて創案されたものであり、測定対象空間に人が立ち入ることなく、当該サーモパイルアレイセンサの温度出力値の補正や、劣化状況の遠隔診断を行うことができるサーモパイルアレイセンサ、及びサーモパイルアレイセンサのオートキャリブレーション処理方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るサーモパイルアレイセンサは、測定対象物から放射される赤外線を受光するための受光部を有するサーモパイルと、上記サーモパイルの温度出力の補正装置と、を一体的に備える。上記補正装置は、上記受光部を塞ぐための遮光体と、上記遮光体を操作するための操作機構と、上記遮光体を所定の温度に制御するための温度制御手段と、上記遮光体の温度を測定するための温度測定手段と、を有することを特徴とする。

上記補正装置は、上記遮光体が前記温度制御手段によって所定の温度に制御され、上記遮光体が上記受光部を塞いでいる場合に該サーモパイルアレイセンサの温度出力値と上記温度測定手段によって測定された上記遮光体の温度との差分に基づいて、上記温度出力値を補正する。

上記温度測定手段および上記温度制御手段は、上記遮光体の温度測定領域に設けられていることが好ましい。

該サーモパイルアレイセンサの温度出力値を補正するための出力補正部を更に有していてもよい。

また、本発明に係るサーモパイルアレイセンサのオートキャリブレーション処理方法は、サーモパイルアレイセンサの出力補正時期をカウントする手順と、上記出力補正時期が到来した場合に上記サーモパイルアレイセンサの受光部を遮光体で塞ぐ手順と、上記受光部を遮光している上記遮光体の温度を所定温度に制御する手順と、上記受光部を遮光している上記遮光体の温度を測定する手順と、上記サ−モパイルアレイセンサの温度出力値と上記遮光体の温度との差分を求める手順と、上記差分に基づいて上記温度出力値を補正する手順と、を有する。

上記補正する手順は、補正を行うための閾値を設定しておき、上記差分が上記閾値を超えたときに、上記温度出力値を補正することが好ましい。

上記補正を行う度に補正回数に１を加算して、該補正の累積補正回数を求める手順と、上記累積補正回数が前記サーモパイルアレイセンサの交換実施回数に到達したときに、上記サーモパイルアレイセンサの交換信号を送信する手順と、を更に有することが好ましい。

本発明によれば、測定対象空間に人が立ち入ることなく、サーモパイルアレイセンサの温度出力値の補正、及びサーモパイルアレイセンサの劣化状況の遠隔診断を行うことができるという優れた効果を発揮する。
る。

本発明の一実施の形態に係るサーモパイルアレイセンサの上面図である。 本発明の一実施の形態に係るサーモパイルアレイセンサの正面図である。 本発明の一実施の形態に係るサーモパイルアレイセンサの斜視図である。 本実施の形態の補正装置の構成のブロック図である。 本発明の実施の形態に係るサーモパイルアレイセンサのオートキャリブレーション処理方法の説明に供するフローチャートである。

以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

（構成の説明）
まず、図１を参照して、本発明の実施の形態に係るサーモパイルアレイセンサ１００の構成について説明する。図１は本発明の一実施の形態に係るサーモパイルアレイセンサの上面図である。図２は本発明の一実施の形態に係るサーモパイルアレイセンサの正面図である。図３は本発明の一実施の形態に係るサーモパイルアレイセンサの斜視図である。

図１から図３に示すように、本実施の形態に係るサーモパイルアレイセンサ１００は、サーモパイル１０と補正装置２０を備え、これらサーモパイル１０と補正装置２０が一体的に設けられている。

サーモパイル１０は、測定対象物の温度分布を非接触で２次元的に測定するセンサである。サーモパイル１０の測定側には、測定対象物から放射される赤外線を受光するための受光部１１を備える。本実施の形態の受光部１１は、非限定の開口形状として、円形状を呈している。サーモパイル１０の内部は、受光部１１で集光された赤外線が照射される領域に、複数のサーモパイルアレイ（不図示）を備える。例えば、不図示の半導体基板上にサーモパイルセンサが整列して配置されている。サーモパイルアレイとしては、例えば、ドイツのハイマンセンサ社のサーモパイルアレイ（ＨＴＰＡ３２ｘ３１）を採用することが可能である。受光部１１に対して測定対象物から放射された赤外線が入射すると、サーモパイルアレイは当該赤外線の入射エネルギー量に応じた熱起電力を発生する。即ち、サーモパイル１０は熱型赤外線センサとして機能する。

次に、図１から図４を参照して、本実施の形態の補正装置２０について説明する。図４は本実施の形態の補正装置の構成のブロック図である。図４に示すように、補正装置２０は、回転可能な遮光体２１（図１〜図３参照）を備え、操作機構２５、温度制御手段２６、及び温度測定手段２７を内蔵する。遮光体２１は、受光部１１を塞ぐための部材である。遮光体２１は、例えば、金属板やカーボン板等の赤外線を遮ることが可能な部材によって形成されるが、例示の材質に限定されない。

本実施の形態の遮光体２１は、非限定の例示として、図１〜図３に示すように、円板状の部材によって形成されている。円板状の遮光体２１は、軸２２周りにて回転可能に取り付けられている。遮光体２１は、サーモパイル１０の受光部１１を覆うように取り付けられる。図３に示すように、遮光体２１の一部には、サーモパイル１０の受光部１１を露出させるための開口部２３が開口されている。本実施の形態では、受光部１１の形状に合わせて、開口部２３の形状は円形に形成されている。

操作機構２５は、遮光板２１を操作するための機構である。操作機構２５は、遮光体２１を回転動作させる。本実施の形態の操作機構２５としては、例えば、電磁ソレノイド等のアクチュエータによって構成されるが、例示の機構に限定されない。

温度制御手段２６は、遮光体２１の温度を所定の温度に制御するための手段である。本実施の形態の温度制御手段２６は、発熱体もしくは冷却体によって構成される。発熱体としては、例えば、電気ヒータ、サーモスタット等の電気的発熱体が挙げられるが、例示の発熱体に限定されない。他方、冷却体としては、例えば、ペルチェ素子等の冷却素子が挙げられるが、例示の冷却体に限定されない。

温度測定手段２７は、遮光体２１の温度を測定するための手段である。本実施の形態の温度測定手段２７としては、例えば、ＣＭＯＳ温度センサ等の温度センサによって構成されるが、例示の温度センサに限定されない。温度制御手段２６および温度測定手段２７は、図２および図３に示すように、遮光体２１の温度測定領域３０に設けられている。

補正装置２０は、サーモパイルアレイセンサ１００の温度出力値を補正するための不図示の出力補正部を有していてもよい。出力補正部は、例えば、マイクロコンピュータによって構成される。あるいは、サーモパイルアレイセンサ１００を制御する不図示のコントローラを外部に通信可能に備え、当該コントローラで温度出力値の補正を行ってもよい。また、補正装置２０は、補正時期をカウントするためのタイムカウンタ等の補正時期算定手段（図示せず）を備えていてもよく、あるいはコントローラで補正時期をカウントしてもよい。

（動作の説明）
次に、図１から図４を参照して、本発明の実施の形態に係るサーモパイルアレイセンサ１００の作用とともに、本実施の形態係るサーモパイルアレイセンサのオートキャリブレーション処理方法について説明する。図４は本発明の実施の形態に係るサーモパイルアレイセンサのオートキャリブレーション処理方法の説明に供するフローチャートである。

本実施の形態に係るサーモパイルアレイセンサのオートキャリブレーション処理方法は、サーモパイルアレイセンサの出力補正時期をカウントする手順と、補正時期が到来すると、サーモパイルアレイセンサの受光部を遮光体で塞ぐ手順と、遮光体の温度を測定する手順と、サ−モパイルアレイセンサの温度出力値と遮光体の温度との差分を求める手順と、上記差分に基づいて上記温度出力値を補正する手順と、を有する。これらオートキャリブレーション処理方法は、サーモパイルアレイセンサ１００に設けられたマイクロコンピュータ、または、サーモパイルアレイセンサ１００と通信可能に設けられた外部のコントローラが当該処理方法を実施するためのソフトウェアプログラムを実行することにより、機能的に実現される。上記補正する手順は、補正を行うための温度についての閾値を設定しておき、上記差分が上記閾値を超えたときに、サ−モパイルアレイセンサの温度出力値を補正することが好ましい。

さらに、サ−モパイルアレイセンサの温度出力値の補正を行う度に補正回数に１を加算して、該補正の累積補正回数を求める手順と、当該累積補正回数がサーモパイルアレイセンサの交換実施回数に到達したときに、サーモパイルアレイセンサの交換信号を送信する手順と、を有する。

以下、本実施の形態に係るサーモパイルアレイセンサ１００のオートキャリブレーション処理方法を具体的に説明する。まず、サーモパイルアレイセンサ１００による温度分布の測定が開始されると（Ｓ２００）、補正時期であるか否かが判定される（Ｓ２０１）。補正時期のカウントは、補正装置２０に備えられた時期算定手段もしくはコントローラで行われる。補正時期は、サーモパイルアレイについて温度補正を要することになると考えられる経験的な時間間隔に設定される。

時期算定手段もしくはコントローラは、補正時期が到来するまで（Ｓ２０１／ＮＯ）、補正時期のカウントを続ける。他方、補正時期が到来すると（Ｓ２０１／ＹＥＳ）、操作機構２５によって遮光体２１が回転操作され、当該遮光体２１でサーモパイルアレイセンサ１００の受光部１１が塞がれる（Ｓ２０２）。サーモパイルアレイセンサ１００の受光部１１が塞がれることにより、受光部１１への赤外線の入射が遮断される。

次に、受光部１１が遮光体２１によって塞がれた後、温度制御手段２６によって遮光体２１が所定の温度に制御される（Ｓ２０３）。温度制御手段２６による温度制御は、例えば、電気ヒータ等の発熱体によって遮光体２１を加熱することにより、もしくは、例えば、ペルチェ素子等の冷却体によって遮光体２１を冷却することにより行う。なお、遮光体２１によって受光部１１を塞ぐ前、あるいは操作機構２５にって遮光体２１を回転動作させると同時に、温度制御手段２６による温度制御を始めてもよい。

温度測定手段２７は、常時、遮光体２１の温度を測定・監視している（Ｓ２０４、Ｓ２０５）。温度測定手段２７は、遮光体２１が所定の温度になるまで温度を監視し続ける（Ｓ２０５／ＮＯ）。他方、温度測定手段２７によって遮光体２１が所定の温度になっていることが確認されると（Ｓ２０５／ＹＥＳ）、サーモパイルアレイセンサ１００が遮光体２１の温度測定を開始する（Ｓ２０６）。

そして、サーモパイルアレイセンサ１００が測定した遮光体２１の温度出力値と、温度測定手段２６の測定した遮光体２１の真の温度とを比較して、温度出力値の差分Ｘを求める（Ｓ２０７）。補正装置２０の出力補正部もしくはコントローラは、この差分Ｘが所定の閾値（第１の閾値）内に収まっているか否かを判定する（Ｓ２０８）。第１の閾値は、例えば、温度の測定誤差等を考慮して、出力補正部もしくはコントローラに設定される。

当該差分Ｘが閾値（第１の閾値）内に収まっている場合は（Ｓ２０８／ＹＥＳ）、補正装置２０の出力補正部もしくはコントローラは、サーモパイルアレイセンサ１００の補正は不要であると判断し、遮光体２１を初期位置に戻す（Ｓ２０９）。その後、補正時期が到来する度にサーモパイルアレイセンサ１００の診断を繰り返す。

他方、当該差分Ｘが閾値（第１の閾値）内に収まっていない場合は（Ｓ２０８／ＮＯ）、サーモパイルアレイセンサ１００の補正が必要であると判断し、サーモパイルアレイセンサ１００の温度出力の補正を行う（Ｓ２１０）。

また、サーモパイルアレイセンサ１００の温度出力補正が行われた場合には（Ｓ２１０）、累積補正回数Ｎに１を加算する（Ｓ２１１）。この累積補正回数が、予め定められた交換実施回数に到達した場合（Ｓ２１２／ＹＥＳ）、には、サーモパイルアレイセンサ１００の交換時期であると判定する。累積補正回数Ｎは、温度出力補正の回数に鑑み、サーモパイルアレイに劣化による出力変動が生じていると判断してよい適当な回数が設定される。交換時期であると判定した場合には（Ｓ２１２／ＹＥＳ）、交換信号（アラート）を外部に出力し（Ｓ２１３）、サーモパイルアレイセンサ１００の交換が必要であることを、ユーザに報知する。

以上、説明したように、本実施の形態に係るサーモパイルアレイセンサ１００、及びサーモパイルアレイセンサ１００のオートキャリブレーション処理方法によれば、サーモパイルアレイセンサ１００が受光部１１を塞ぐ遮光体２１板を備えており、当該遮光体２１が所定の温度であるときのサーモパイルアレイセンサ１００からの温度出力値と、温度測定手段２６によって測定される遮光体２１の真の温度とを比較することで、サーモパイルアレイセンサ１００の温度出力値の補正を自動で行うことができる。

また、本実施の形態に係るサーモパイルアレイセンサ１００、及びサーモパイルアレイセンサ１００のオートキャリブレーション処理方法は、補正を行うための閾値を設定しておき、サーモパイルアレイセンサ１００の温度出力値と温度測定手段２６によって測定された遮光体２１の真の温度との差分Ｘが閾値を超えたときに、サーモパイルアレイセンサ１００の温度出力値を補正するので、測定誤差による補正を回避することができる。

さらに、本実施の形態に係るサーモパイルアレイセンサ１００のオートキャリブレーション処理方法は、サーモパイルアレイセンサ１００の温度出力値の補正を行う度に補正回数に１を加算して、該補正の累積補正回数を求め、累積補正回数がサーモパイルアレイセンサ１００の交換実施回数に到達したときに、サーモパイルアレイセンサ１００の交換信号を発信するので、サーモパイルアレイセンサ１００の劣化状況の遠隔で把握し診断することができる。

したがって、本実施形態に係るサーモパイルアレイセンサ１０のキャリブレーションシステム１００、及びオートキャリブレーション処理方法は、人の立ち入りが望ましくない場所の温度監視において、特に効果を発揮する。
[他の実施の形態]

上記のように本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。

例えば、上記の実施の形態では、累積補正回数Ｎに１を加算し、この累積補正回数が予め定められた交換実施回数に到達した場合にサーモパイルアレイセンサ１００の交換時期であると判定している。この判定方法に限定されず、例えば、上記差分Ｘが予め設定した第２の閾値を超える場合に、交換時期が到来したと判定してもよい。具体的に第２の閾値を第１の閾値より大きな値であってこの値に達するほど測定誤差がある場合には明らかなサーモパイルアレイの劣化と判断できる値に設定する。このように設定すれば、測定誤差が許容できる範囲（第１の閾値）である場合には出力補正で引き続き経過観察し、測定誤差が異常値（第２の閾値）である場合には即時に部品の交換をすることができ、異常な状態で測定されることを防止することができる。

また、累積補正回数の交換実施回数への到達したこと、上記差分Ｘが第２の閾値を超えることのいずれか、もしくは双方の条件を満たしたときに、サーモパイルアレイセンサ１００の交換時期であると判定してもよい。さらに、出力補正量の累積値を計算し、所定の累積値に到達したら、サーモパイルアレイセンサ１００の交換時期であると判定してもよい。さらにまた上記差分Ｘが第１の閾値を超えると判断した場合には、補正時期を変更していくように制御してもよい。例えば、第１の閾値を超えた場合には、次回の補正時期を短くするように変更すれば、サーモパイルアレイに劣化が生じてきた場合に、早めに出力補正を行うことができるようになり、大きな測定誤差を生じる時期を短くすることが可能である。このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。

さらに、サーモパイルアレイセンサ１００についても上記実施の形態に係る構成に限定されない。例えば、上記実施の形態では、円板状の遮光体２１が軸２２周りに回転可能に取り付けられていたが、遮光体２１の構成はこれに限定されない。例えば、遮光体２１を操作機構２５により往復運動可能に取り付け、遮光体２１が往復運動して、開口部２３が受光部１１を露出させる状態（測定時）と遮蔽する状態（キャリブレーション時）とをトグル動作可能に構成してもよい。また、遮光体２１を写真機のシャッター類似の機構として取り付け、測定時には開口部２３を露出させ、キャリブレーション時にはシャッターが下りた状態、すなわち開口部２３を遮光体２１が閉鎖するように動作させてもよい。これらのような機構を採用すれば、サーモパイルアレイセンサ１００をさらに小さく構成することが可能である。

１０ サーモパイル
１１ 受光部
２０ 補正装置
２１ 遮光体
２５ 操作機構
２６ 温度制御手段
２７ 温度測定手段
３０ 温度測定領域
１００ サーモパイルアレイセンサ

Claims (7)

1. 測定対象物から放射される赤外線を受光するための受光部を有するサーモパイルと、
   前記サーモパイルの温度出力の補正装置と、を一体的に備え、
   前記補正装置は、
   前記受光部を塞ぐための遮光体と、
   前記遮光体を操作するための操作機構と、
   前記遮光体の温度を測定するための温度測定手段と、
   前記遮光体を所定の温度に制御するための温度制御手段と、
   を有することを特徴とするサーモパイルアレイセンサ。
2. 前記補正装置は、
   前記遮光体が前記温度制御手段によって所定の温度に制御され、
   前記遮光体が前記受光部を塞いでいる場合に該サーモパイルアレイセンサの温度出力値と前記温度測定手段によって測定された前記遮光体の温度との差分に基づいて、前記温度出力値を補正することを特徴とする請求項１に記載のサーモパイルアレイセンサ。
3. 前記温度測定手段および前記温度制御手段は、前記遮光体の温度測定領域に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のサーモパイルアレイセンサ。
4. 該サーモパイルアレイセンサの温度出力値を補正するための出力補正部を更に有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のサーモパイルアレイセンサ。
5. サーモパイルアレイセンサの出力補正時期をカウントする手順と、
   前記出力補正時期が到来した場合に前記サーモパイルアレイセンサの受光部を遮光体で塞ぐ手順と、
   前記受光部を遮光している前記遮光体の温度を所定温度に制御する手順と、
   前記受光部を遮光している前記遮光体の温度を測定する手順と、
   前記サ−モパイルアレイセンサの温度出力値と前記遮光体の温度との差分を求める手順と、
   前記差分に基づいて前記温度出力値を補正する手順と、
   を有することを特徴とするサーモパイルアレイセンサのオートキャリブレーション処理方法。
6. 前記補正する手順は、補正を行うための閾値を設定しておき、前記差分が前記閾値を超えたときに、前記温度出力値を補正することを特徴とする請求項５に記載のサーモパイルアレイセンサのオートキャリブレーション処理方法。
7. 前記補正を行う度に補正回数に１を加算して該補正の累積補正回数を求める手順と、
   前記累積補正回数が前記サーモパイルアレイセンサの交換実施回数に到達したときに前記サーモパイルアレイセンサの交換信号を送信する手順と、
   を更に有することを特徴とする請求項５または請求項６に記載のサーモパイルアレイセンサのオートキャリブレーション処理方法。

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