JP4490580B2 - 赤外線センサー - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非接触で測定する体温計に使用される赤外線センサーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の赤外線センサーは、図８および９に示すように、サーモパイルＡとサーミスタＢがキャンＣ内に隣接して設けられている。サーモパイルＡは、その内部に開口を有する板状のヒートシンクＤと、ヒートシンクＤの開口位置に配置される赤外線吸収膜Ｅと、冷接点をヒートシンクＤに接合されかつ温接点を赤外線吸収膜Ｅに接合された熱電対Ｆとから構成されている。キャンＣの頂部には赤外線フィルタＧが設けられており、被測定物から発せられる赤外線が赤外線フィルタＧを通って赤外線吸収膜Ｅに吸収されると、赤外線吸収膜Ｅの温度が変化する。この赤外線吸収膜Ｅの温度変化を熱電対Ｆのゼーベック効果により電気信号として取り出すことによって、基準温度となるヒートシンクＤと被測定物との間の温度の差を検出する。これと同時に、サーミスタＢの抵抗値を測定して赤外線センサー自体の温度を検出し、熱電対Ｆによって計測された温度からサーミスタＢで計測された温度を足すことにより被測定物の温度を求めている。
【０００３】
このように構成されたサーモパイルＡは、被測定物からの赤外線を吸収するだけでなく、キャンＣの頭部の壁面から放射されている赤外線もまた吸収してしまう。通常、キャンＣの頭部の壁面は赤外線センサー自体と同一の温度と理論上みなすこともできるが、実際には外部からの要因で急激な温度変化が与えられると、キャンＣの頭部と赤外線吸収膜Ｅとの間に温度差が生じてしまい、結果として出力が過渡的に不安定になり、意図しない不要な電圧を出力してしまう。
【０００４】
このため、従来の赤外線センサーを使用した体温計では、図１０に示すように、赤外線吸収膜Ｅに温度変化が均一で緩やかに加わるように、赤外線センサーを熱伝導度が良好な金属ホルダーＨ内に設置し、さらに空気やプラスチック等の断熱部材Ｉ，Ｊで包み、そして、放射率が限りなく小さくなるように金メッキされた金属導波管Ｋを赤外線センサーの前面に設け、被測定物よりの熱輻射の影響が小さくなるように構成されている。また、冷接点温度補償用のセンサーとして用いられるサーミスタＢは、熱電対Ｆの冷接点との間の熱結合が悪いと温度差を生じて正確な計測ができなくなるため、サーミスタＢを同一のキャンＣ内に取り付け、冷接点とサーミスタとの熱結合度を高めるように構成する必要があった。
【０００５】
また、従来の赤外線センサーでは、環境温度の上昇中、赤外線センサーと被測定物との間に金属導波管Ｋの長さ分の離間間隔があるため、赤外線センサーと金属導波管Ｋの先端部との間に温度差を生じ、先端部の温度が赤外線センサー温度よりも高くなって正方向の誤差を生じていた。一方、環境温度下降中は、金属導波管Ｋの先端部の温度が赤外線センサーの温度よりも低くなって負方向の誤差を生じることは容易に理解されよう。このような誤差を少なくするため、赤外線センサーを金属ホルダーＨで包み込むことによって温度変化の影響を少なくすることが考えられるが、金属ホルダーＨを用いることは製品の大型化を招弊することになり、寸法に対する製品上の限界があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、冷接点の温度を一定に保持することにより環境温度の変化による悪影響を積極的に回避し、従来におけるような金属ホルダーの使用を回避でき、かつ、寸法的により一層小型化することにより、従来におけるような金属導波管を用いることなしに測定プローブの先端に取り付けることができ、測定誤差を実質的にゼロにできる赤外線センサーを提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による赤外線センサーは、被測定物に対する相対温度を測定するためのサーモパイルと、サーモパイルの出力がゼロになるように加熱すると共にサーモパイルの温度を測定するためのサーミスタとを有している。サーモパイルは、その内部に厚さ方向に貫通した開口を有する総体的に板状のヒートシンクと、ヒートシンクの上面側の開口上に配置される赤外線吸収膜と、ヒートシンクに接合された冷接点と赤外線吸収膜に接合された温接点とを有する熱電対とを含み、サーミスタは総体的に板状の形状を有しそしてヒートシンクを介して冷接点を加熱するようにヒートシンクの下面側に積層され、赤外線吸収膜はヒートシンクの開口内周縁から内方に離間して位置するように設けられ、赤外線吸収膜とサーミスタとの間の空間にはサーミスタ（および／または、後述の加熱素子）が発する熱から赤外線吸収膜および熱電対を隔離するように赤外線反射膜が赤外線吸収膜、熱電対およびサーミスタから離間して設けられることにより上記の課題を解決している。
【０００８】
冷接点が接合されるヒートシンクは、負の抵抗温度係数を有するサーミスタと積層されて一体化されていることにより、サーミスタによる基準温度の測定誤差を最小限に押さえると共に、サーミスタから発熱される熱によって一定温度に保持されるため、環境温度の変化による影響を積極的にかつ確実に回避している。このことは、本発明の赤外線センサーが従来におけるような金属管やセンサーフレーム等の環境温度の変化に対処する手段を必要とせず、それにより、測定プローブの先端に取り付けて使用することが可能になり、被測定物の温度を正確に測定することを意味している。また、赤外線吸収膜の下面側に赤外線反射膜が設けられ、かつ、赤外線吸収膜がヒートシンクから離間して設けられていることにより、サーミスタ（および／または、後述の加熱素子）から発生される熱の影響を確実に遮断できる。
【０００９】
本発明による赤外線センサーはまた、サーモパイル出力が常にゼロになるようにヒートシンクの温度を昇降するための加熱素子をサーモパイルに更に含むこともでき、これにより、サーミスタの検出温度を測定することにより被測定物の温度を測定できると共に、環境温度の変化による影響を積極的にかつ確実に回避している。
【００１０】
【発明の実施の形態】
【実施例１】
本発明の実施例による赤外線センサーは、図１〜図３に示すように、被測定物に対する相対温度を測定するためのサーモパイル１と、サーモパイル１の温度を測定するためのサーミスタ２とを有しており、サーモパイル１およびサーミスタ２はキャン３内に熱絶縁体４に支持されて設けられている。サーモパイル１は、その内部に開口５ａを有する総体的に板状のヒートシンク５と、ヒートシンク５の上面側の開口５ａ上に配置される赤外線吸収膜６と、ヒートシンク５に接合された冷接点７ａと赤外線吸収膜６に接合された温接点７ｂとを有する複数の熱電対７とを含んでいる。サーモパイル１の出力は各熱電対７の合計出力であり、本説明中、サーモパイルの冷接点または温接点とは、各熱電対の冷接点または温接点の総称として用いられる。サーミスタ２は総体的に板状の形状を有しており、ヒートシンク５の下面側に積層して熱的に一体化されている。
【００１１】
サーミスタ２とヒートシンク５の間は、サーミスタ２が測定すべきサーモパイルの冷接点（７ａ）との間に温度差が生じないように、両者間に良好な熱伝導関係を有するように一体化されている。サーミスタ２とヒートシンク５が一体化されていることにより、加熱のための通電時にサーミスタ２から発せられた熱がヒートシンク５に伝達されてヒートシンク５の温度を上昇させる。サーミスタを流れる電流は、サーミスタ測温時、サーミスタを加熱しない微弱な電流下で行われ、一方、サーミスタによる加熱時には、サーモパイルの出力がゼロになるように、大きな電流が流される。サーモパイルの出力がゼロになるように加熱することは、サーモパイルの出力ゼロのとき、サーモパイル自体の温度と被測定物の温度との相対温度がゼロであるため、そのときのサーモパイル自体の温度、すなわち、サーミスタの測定温度を検出することによって被測定物の温度を測定できることを意味している。
【００１２】
赤外線吸収膜６の下面側には赤外線反射膜８が展張されており、サーミスタ２から発生される赤外線が赤外線吸収膜６に吸収されるのを阻止している。キャン３の頂部には、従来の赤外線センサーと同様に、被測定物からの赤外線のみを通過させるための赤外線フィルタ９が設けられており、キャン３の底部にはサーモパイル１およびサーミスタ２を外部の温度測定回路（図示なし）に電気的にそれぞれ接続するための出力端子１０ａ，１０ｂが設けられている。
【００１３】
上述の如く構成される本発明の赤外線センサーは、従来の赤外線センサーと同様に、赤外線吸収膜６が赤外線フィルタ９を介して被測定物からの赤外線を吸収し、赤外線を吸収することにより生じる赤外線吸収膜６の温度変化を熱電対７により計測すると共に、サーモパイルの冷接点の温度をサーミスタ２により計測することにより被測定物の温度測定が行われる。このとき、サーモパイルの冷接点の温度を測定するためのサーミスタ２が、サーモパイルの冷接点の測定対象であるヒートシンク５に直接接合されているため、サーミスタ２によるサーモパイルの冷接点（７ａ）の温度測定誤差を実質的にゼロ（０）にできる。また、前述したように、サーミスタ２の発熱によってヒートシンク５の温度が実質的に一定温度に保持されるため、環境温度の変化による影響を排除することができると共に、赤外線センサーをより小型化することができる。
【００１４】
このため、本発明の赤外線センサーは、体温計に装着するとき、従来の赤外線センサーで必要であった断熱部材や金属導波管や金属ホルダー等のような環境温度の変化による影響を排除するための手段を用いる必要がなく、図４に示すように、体温計ＣＴの先端に装着して用いることができる。このことはまた、被測定物に対して赤外線センサーの赤外線吸収膜６がより接近した位置に位置して測定できるため、より正確に被測定物の温度を測定できることを意味している。
【００１５】
【実施例２】
図５および６は、本発明の別の実施例による赤外線センサーを示す図で、ヒートシンク５を一定温度保持するための加熱素子１１と、加熱素子１１に通電するための入力端子１０ｃとを備えていることを除き、実施例１と同様に構成されている。
【００１６】
本実施例における特色である加熱素子１１は、ヒートシンク５を所定の温度に保持するように、入力端子１０ｃを介して適当な制御回路（図示なし）に接続され、適宜に通電されて発熱する。加熱素子１１はまた、ヒートシンク５を所要の温度に昇降できるのであればどのような形状や取付位置でも適用できるが、加熱素子１１から赤外線吸収膜６および熱電対７に赤外線または熱が直接加えられることのないよう注意すべきである。
【００１７】
図示の場合、加熱素子１１は板状形状を有し、サーミスタ２の下面側に積層して一体化されるように構成されている。これは、サーミスタ２とヒートシンク５との密着度を優先することにより、サーミスタ２が検出する温度とサーモパイルの冷接点（７ａ）の温度とのズレを最小限に抑えることを主眼としている。しかしながら、上述したヒートシンク５の所要温度への昇降、加熱素子１１からの赤外線吸収膜６および熱電対７の遮蔽、サーミスタ２とサーモパイルの冷接点の良好な熱伝導を遂行できるのであればどのようにも構成でき、例えば、加熱素子１１をサークル状またはリング状に形成し、そして、加熱素子１１がサーミスタ２のまわりを囲繞すると共に、ヒートシンク５に直接接合するように形成することもできる。
【００１８】
本実施例における赤外線センサーの温度測定について以下説明する。図７は、環境温度（＝冷接点温度）２３℃において被測定物の温度を変化させたときのサーモパイル１の出力変化を縦軸に表した例である。被測定物の温度とサーモパイルの冷接点（７ａ）の温度が等しいとき、サーモパイル出力はゼロとなり（ゼロ点Ｚ）、被測定物温度がサーモパイルの冷接点温度よりも高くなるに従って非直線的に出力が大きくなる。加熱素子１１により被測定物の温度とサーモパイルの冷接点の温度を等しくすることによってサーモパイル出力がゼロとなったとき、サーモパイルの冷接点７ａとサーミスタ２が同一のヒートシンク５に一体化されているため、サーミスタ２の検出温度を測定することによって被測定物の温度を知ることができる。このため、サーモパイル出力が常にゼロになるように加熱素子１１を用いてサーモパイルの冷接点温度を制御することにより被測定物の温度を測定することができる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、サーミスタ２がヒートシンク５と一体化されているため、サーミスタ２によってサーモパイル１の冷接点温度を正確に測定でき、また、サーミスタ２によってヒートシンク５が加熱されることにより、環境温度変化の影響を排除することができ、また、サーモパイルの冷接点温度を被測定物の温度と同一にして測定するため、環境温度変化の影響を受けず、高精度な温度測定を行うことができる。
【００２０】
更に、環境温度変化の影響を排除できるため、従来の赤外線センサーに比べて超小型に形成することができ、これにより、赤外線センサーを測定プローブの先端に取り付けることができる。また、サーモパイルの温度安定度を保つために熱伝導度の良好な金属ホルダーに納めたり、導波管を用いる必要がなく、被測定物に対してより近接した位置で温度の測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例による赤外線センサーの部分破砕斜視図である。
【図２】 図１に示す赤外線センサーの断面図である。
【図３】 赤外線センサーに用いられるサーモパイルを説明するための分解斜視図である。
【図４】 本発明の赤外線センサーを用いた体温計の例を示す概略部分図である。
【図５】 本発明の別の実施例による赤外線センサーを示す図１と同様な部分破砕斜視図である。
【図６】 図５に示す赤外線センサーを示す図２と同様な断面図である。
【図７】 赤外線センサーの温度と出力の関係を説明するための図である。
【図８】 従来の赤外線センサー示す図１と同様な部分破砕斜視図である。
【図９】 図８に示す従来の赤外線センサーの図２と同様な断面図である。
【図１０】 赤外線センサーを用いた体温計の例を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１ サーモパイル ２ サーミスタ
３ キャン ４ 熱絶縁体
５ ヒートシンク ５ａ 開口
６ 赤外線吸収膜 ７ 熱電対
７ａ 冷接点 ７ｂ 温接点
８ 赤外線反射膜 ９ 赤外線フィルタ
１０ａ，１０ｂ 出力端子 １０ｃ 入力端子
１１ 加熱素子
Ａ サーモパイル Ｂ サーミスタ
Ｃ キャン Ｄ ヒートシンク
Ｅ 赤外線吸収膜 Ｆ 熱電対
Ｇ 赤外線フィルタ Ｈ 金属ホルダー
Ｉ，Ｊ 断熱部材 Ｋ 金属導波管
ＣＴ 体温計

Claims (2)

1. 被測定物に対する相対温度を測定するためのサーモパイルと、該サーモパイルの出力がゼロになるように加熱すると共にサーモパイルの温度を測定するためのサーミスタとを有する赤外線センサーであって、前記サーモパイルは、その内部に厚さ方向に貫通した開口を有する板状のヒートシンクと、ヒートシンクの上面側の開口上に配置される赤外線吸収膜と、ヒートシンクに接合された冷接点と赤外線吸収膜に接合された温接点とを有する熱電対とを含み、前記サーミスタは板状の形状を有しそしてヒートシンクを介して冷接点を加熱するようにヒートシンクの下面側に積層され、前記赤外線吸収膜はヒートシンクの開口内周縁から内方に離間して位置するように設けられ、前記赤外線吸収膜とサーミスタとの間の空間にはサーミスタが発する熱から赤外線吸収膜および熱電対を隔離するように赤外線反射膜が赤外線吸収膜、熱電対およびサーミスタから離間して開口内に設けられることを特徴とする赤外線センサー。
2. 前記サーモパイルは、サーモパイル出力が常にゼロになるようにヒートシンクの温度を昇降するための加熱素子を更に含むことを特徴とする請求項１記載の赤外線センサー。

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