JP3855458B2 - 放射温度検出素子 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外線を利用して非接触で温度を検出する放射温度計に用いる放射温度検出素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の放射温度計、特に、例えば0〜500℃のような中低温領域においては、主に熱型赤外線検出素子が用いられ、熱型赤外線検出素子としては、チョッパーを用いた焦電素子やサーモパイル素子が使用されている。
【０００３】
実際に赤外線を用いて、非接触で温度を計測するためには、赤外線の検出と赤外線検出素子の素子温度の計測が必要である。即ち、赤外線検出素子に入射される赤外線により、赤外線検出素子と対象物との温度差が算出でき、この値に赤外線検出素子の素子温度を加えることにより、対象物の絶対温度を計測できるのである。
【０００４】
従来においては、サーモパイルのような赤外線検出素子とサーミスタのような接触式温度検出素子を用いて、対象物の絶対温度を計測していた。より具体的には、キャンパッケージタイプの赤外線検出素子に外付けでサーミスタを接触させたり、キャンパッケージ内のステム側にサーミスタを接着させることによって、赤外線検出素子の温度をキャンパッケージの温度で代用していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記に示したように、キャンパッケージの外側や、キャンパッケージ内のステム側にサーミスタを接着させることで赤外線検出素子の温度の計測を行った場合、上記の赤外線検出素子と接触式温度検出素子とを有する放射温度検出素子を使用する雰囲気温度が変化すると、先ず、キャンパッケージ外周の温度が変化し、特にパッケージの熱容量の小さいキャップが変化し、その後、熱容量の大きなステムが外側及びキャップへの接着部から変化し、サーミスタ，赤外線検出素子の順で温度が変化する。
【０００６】
このため、非常に大きな熱容量のメタル製ブロックで放射温度検出素子を囲んだり、また、温度が安定するまでの待機時間を必要とした。
【０００７】
この待機時間は、測定精度が上がれば上がるほど大きくなり、赤外線より温度換算するまでの時間が１秒以内であっても、待機時間が数十分にもおよんで実使用上問題がある。
【０００８】
また、最も外部に露出しているパッケージのキャップ表面より環境温度が変化した場合、キャップに設けられたフィルタの温度が上昇する。このフィルタは、理想的には赤外線の吸収がゼロであるが、実際には20〜30％で吸収される。このため、フィルタ温度が上昇すると、フィルタが赤外線検出素子の視野角にほぼ全て入るため、この温度上昇は赤外線検出素子の出力誤差を瞬時に上昇させることになり、赤外線検出素子温度を検出する接触式温度検出素子の温度が赤外線検出素子温度を正確に計測できるまで待機時間を要するという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記の点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、待機時間をなくし、雰囲気温度の変化が起こる状況下でも安定に非接触で温度を計測できる放射温度検出素子を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、ステムと開口部を有するキャップと該開口部を塞ぐフィルタとを有するパッケージと、該パッケージ内に配置された赤外線検出素子と、前記フィルタ温度を計測するサーミスタとを有し、前記フィルタをシリコン基板で形成し、前記サーミスタを多結晶シリコンで前記シリコン基板内に埋設して形成するようにしたことを特徴とするものである。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の放射温度検出素子において、前記パッケージ内を真空にしたことを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について図面に基づき説明する。図１は、参考例としての放射温度検出素子の概略断面図である。この放射温度検出素子は、一方の面側から他方の面側に貫通して成るリード２が一体成型されたステム１に、略凹型形状の、例えば金属製のキャップ３がステム１の一方の面の外周縁で接続され、ステム１とキャップ３とで空間４を構成している。そして、キャップ３の凹部底面には開口部３ａが形成され、開口部３ａには赤外線透過フィルタ５が封止されてパッケージが構成されている。そして、赤外線検出素子６が、赤外線透過フィルタ５が視野角に入る空間４内のステム１上に配置されている。なお、リード２は、赤外線検出素子６の出力端子となる。
【００１４】
ここで、赤外線透過フィルタ６に赤外線透過フィルタ６のフィルタ温度を検出するための温度検出素子であるサーミスタ７が取り付けられ、サーミスタ７には配線８が接続されている。
【００１５】
赤外線透過フィルタ５のフィルタ温度をＴf、赤外線検出素子６の温度をＴsとし、赤外線透過フィルタ５の放射率をεfとすると、赤外線透過フィルタ５から放射される熱量は、εf（Ｔf 4−Ｔs 4）で表すことができ、これが誤差として検出される。特に、赤外線透過フィルタ５は、赤外線検出素子６の視野角内にあるため、εfが0.2〜0.3程度であっても誤差要因としては大きい。
【００１６】
従って、赤外線透過フィルタ５のフィルタ温度をサーミスタ７により計測することで、赤外線透過フィルタ５の温度が環境変化により急激に変化した場合、赤外線検出素子６の温度と赤外線透過フィルタ５のフィルタ温度との差から生じる赤外線検出素子６の出力から誤差要因であるε f（Ｔf 4−Ｔs 4）成分を取り除くことができ、正確な放射温度を算出することができる。
【００１７】
なお、参考例においては、温度検出素子であるサーミスタ７を赤外線透過フィルタ５に後付け等により設けたが、本発明の実施の形態に係る放射温度検出素子では、赤外線透過フィルタ５にシリコン等の半導体基板を用い、図２に示すように、シリコン材料で温度検出素子を形成する。例えば多結晶シリコン等でサーミスタ７を形成することができる。この場合、赤外線透過フィルタ５のフィルタ温度の計測を、赤外線透過フィルタ５を構成する基板内に形成した温度検出素子で行うことで後付け等が不要になる。また、図１ではバルクのサーミスタ７を用いたが、図２に示すサーミスタ７はシリコン等の基板内に形成することで図１に示すサーミスタ７に比べ小さくでき、このことで熱容量を小さくでき、温度検出速度が上がるため、より瞬時に環境温度の急激な変化により赤外線検出素子出力の誤差要因を取り除くことができる。
【００１８】
また、図１，２に示す放射温度検出素子においては、サーミスタ７を空間４外に配置したが、これに限定されるものではなく、空間４内に位置するように設けても良い。
【００１９】
また、図２に示す放射温度検出素子において、パッケージ内の空間４を真空にするようにすれば、赤外線検出素子６とパッケージ間を断熱化することができ、パッケージ周囲が温度変化しても、赤外線検出素子６の温度をより安定にすることができ、環境温度の急激な変化においても赤外線のやり取りのみで正確な放射温度を検出することができる。
【００２０】
【発明の効果】
請求項１記載の発明は、ステムと開口部を有するキャップと該開口部を塞ぐフィルタとを有するパッケージと、該パッケージ内に配置された赤外線検出素子と、前記フィルタ温度を計測するサーミスタとを有し、前記フィルタをシリコン基板で形成し、前記サーミスタを多結晶シリコンで前記シリコン基板内に埋設して形成するようにしたので、フィルタの温度が環境温度により急激に変化した場合に、赤外線検出素子温度とフィルタ温度との差から生じる赤外線検出素子出力の誤差要因を取り除くことができ、待機時間をなくし、雰囲気温度の変化が起こる状況下でも安定に非接触で温度を計測できる放射温度検出素子を提供することができた。
【００２１】
さらに、フィルタとしては一般的にシリコン等の半導体基板を用いるためシリコン材料でサーミスタを形成することができ、フィルタ温度の計測をフィルタを構成する基板内に形成したサーミスタで行うことで後付け等が不要となるとともに、温度検出速度が上がるため、より瞬時に環境温度の急激な変化による赤外線検出素子出力の誤差要因を取り除くことができる。
【００２２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の放射温度検出素子において、前記パッケージ内を真空にしたので、請求項１記載の発明の効果に加えて、赤外線検出素子とパッケージ間をより断熱化することができ、赤外線検出素子温度をより安定にすることができ、環境温度の急激な変化においても赤外線のやり取りのみで正確な放射温度を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考例の放射温度検出素子の概略断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る放射温度検出素子の概略断面図である。

Claims (2)

  1. ステムと開口部を有するキャップと該開口部を塞ぐフィルタとを有するパッケージと、該パッケージ内に配置された赤外線検出素子と、前記フィルタ温度を計測するサーミスタとを有し、前記フィルタをシリコン基板で形成し、前記サーミスタを多結晶シリコンで前記シリコン基板内に埋設して形成するようにしたことを特徴とする放射温度検出素子。
  2. 前記パッケージ内を真空にしたことを特徴とする請求項１記載の放射温度検出素子。
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