JP4932613B2

JP4932613B2 - 放射温度計

Info

Publication number: JP4932613B2
Application number: JP2007162610A
Authority: JP
Inventors: 泰生古川
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2007-06-20
Filing date: 2007-06-20
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2027-06-20
Also published as: JP2009002738A

Description

本発明は、例えば食品や飲料水など接触を避けたいものや、工場内の稼動部のように接触式での測定が困難な各種物体の表面温度を非接触で測定する場合に用いられるもので、詳しくは、測定対象物の表面から放出される赤外線を検出してその測定対象物の表面温度を測定するサーモパイル等の赤外線センサと、その前方部に配置されて測定対象物からの赤外光を前記赤外線センサの受光面に向けて集光させる光学系とを備えている放射温度計に関する。

この種の放射温度計においては、赤外線センサに導かれる信号量、すなわち、赤外線の集光量を多くすると、Ｓ／Ｎ比が向上し、ひいては、測定精度の向上が図れるのであり、その意味から赤外線センサの前方部に配置される光学系として、どのようなものを用いるかは非常に重要なファクターの一つである。

このように放射温度計の測定精度の向上にとって重要なファクターである光学系として、従来、センサホルダーの底部に赤外線センサを設け、この赤外線センサの前方部のセンサホルダー内に円錐形状の集光ミラーを配置し、さらに、この集光ミラーの前方部にドーム状に形成されたフレネルレンズなどの赤外線レンズを配置したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−３２２６４９号公報

上記特許文献１で提案されている従来の放射温度計では、光学系である円錐形状の集光ミラーとセンサホルダーの中心軸を一致させる径方向の位置合わせのために、両者を加工寸法公差の嵌め合い構造で位置決めする手段が採用されていた。しかし、この場合は、集光ミラーの径方向の位置合わせ精度を高めるためには、加工寸法公差を厳しく設定しなければならず、そのような厳しい加工寸法公差の設定が原因で加工コストがアップしやすいばかりでなく、集光ミラーのセンサホルダー内への嵌め合いによる取付け作業自体が困難かつ手数を要することになる。また、加工寸法公差が少ないといえども、円錐形状の集光ミラーの狭い開口側の端面を前記赤外線センサの受光面にクリアランス（隙間）ゼロの状態に密着させることができず、その結果、集光した赤外線がクリアランスから漏れてしまって、赤外線センサに導かれる信号量に損失を生じるという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、取付け作業が簡単かつ容易でありながらも、集光ミラーとセンサホルダーの径方向の位置合わせ精度を向上することができるとともに、集光ミラーを赤外線センサの受光面に密着させて中心軸方向に精度よく位置決めすることができ、Ｓ／Ｎ比及び測定精度の著しい向上を実現できる放射温度計を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る放射温度計は、センサホルダーの底部に、測定対象物の表面から放出される赤外線を検出してその測定対象物の表面温度を測定する赤外線センサを設け、この赤外線センサの前方部のセンサホルダー内に、前記測定対象物からの赤外光を前記赤外線センサの受光面に向けて集光させる円錐形状の集光ミラーを配置してなる放射温度計において、前記集光ミラーの外周部には、その円周方向に等間隔を隔てた個所から外方へ向けて突出され、該集光ミラーの中心に対する径方向及び中心軸方向にそれぞれ弾性変位可能なばね性を有する複数本のアームが設けられており、これらアームの径方向のばね性により前記集光ミラーとセンサホルダーとの中心軸を一致させるとともに、中心軸方向のばね性により前記集光ミラーの狭い開口側の端面を前記赤外線センサの受光面に密着させて中心軸方向の位置決めを行うように構成されていることを特徴としている。

上記のような特徴構成を有する本発明によれば、センサホルダー内の所定位置に集光ミラーを取付けるに際して、外方に突出している複数本のアームを径方向のばね性に抗して径方向内方へ弾性変位させた状態で集光ミラーをセンサホルダー内に差し入れるだけで、集光ミラー及びセンサホルダー両者の加工寸法公差の大小やばらつきにかかわらず、前記複数本のアームの径方向のばね性により集光ミラーをセンサホルダーの中心軸に一致させて径方向の位置合わせを精度よく行うことができ、集光効率を高めることができる。しかも、前記複数本のアームの中心軸方向のばね性により集光ミラーの狭い開口側の端面を赤外線センサの受光面にクリアランス（隙間）ゼロの状態に密着させるように中心軸方向の位置決めも精度よく行うことができ、ミラーで集光した赤外線を漏らすことなく赤外線センサに導いて信号量を多く確保することができる。
したがって、加工寸法公差を厳しく設定する必要がなく、その点から加工コストの低減が図れるとともに、取付け作業自体も簡単かつ容易なものとしながら、集光ミラーの径方向位置合わせ及び中心軸方向の位置決め精度を高めてＳ／Ｎ比を最大限に向上でき、放射温度計としての測定精度の著しい向上を実現することができるという効果を奏する。

本発明に係る放射温度計において、請求項２に記載のように、前記集光ミラーが、複数本のアームを含めて一体樹脂成形されたものであることが好ましい。この場合は、例えば金属製の場合に比べて、複数本のアームの径方向及び中心軸方向のばね性を柔軟でかつ再現性に優れたものに形成でき、上述した位置合わせ及び位置決め精度の一層の向上を図ることができる。

また、本発明に係る放射温度計における集光ミラーの外周部から外方へ突出されるアームの形態としては、径方向の外方へのみ向かう単純な放射形状に形成されたものであってもよいが、請求項３に記載のように、径方向の外方へ向けて突出され、かつ、その突出端で屈曲されて円周方向または略円周方向に延在されたほぼ渦巻き形状に形成されていることが望ましい。この場合は、集光ミラー全体の最大径を余り大きくすることなく、可及的にコンパクト化を図りつつ、各アームの実質長さを大きくしてより一層優れたばね性を発揮させることができる。

また、本発明に係る放射温度計における赤外線センサとして、請求項４に記載のように、基板上に短冊状の細長い薄膜部を互いに平行に複数列配置し、これら複数列の細長い薄膜部の各長辺に沿ってそれぞれ複数の熱電対を直列に接続して設けたサーモパイルから構成されているものを使用することが好ましい。

上記構成のサーモパイル型赤外線センサは、薄膜部とヒートシンクである基板との熱コンダクタンスが短辺方向のサイズで規定されるので、応答速度を速くすることができる一方、薄膜部の長辺方向に沿った熱電対の設置段数を増やすことにより、応答速度が速くなればなるほど後述のトレードオフの関係から感熱部の到達温度が低くなり、それに伴う感度低下を補うことができ、二律背反の関係にある応答速度と実用レベル感度の性能を両立させることが可能である。このような高速応答でかつ感度の高いサーモパイル型赤外線センサとそれに最適な光学系の集光ミラーとの組み合せによって、例えば飲料水を連続製造しつつ温度管理する高速ラインなどの動体の計測用途に非常に有効に適用することができる。

なお、前記応答速度と感度とのトレードオフの関係とは、感熱部の熱容量をＣ、基板との熱コンダクタンスをＧとした時の熱時定数τが、
τ＝Ｃ／Ｇ …（１）
で表わされ、応答速度を速くしようとすると、熱容量Ｃを小さく熱コンダクタンスＧを大きくする必要がある一方、熱コンダクタンスＧが大きくなると感度が低下する関係にあることをいうものである。

さらに、本発明に係る放射温度計において、請求項５に記載のように、前記センサホルダーの開口部側に、測定対象物からの赤外光を前記集光ミラーに向けて屈折案内する赤外線レンズを配置固定することによって、赤外光が集光ミラーの広い開口端側の内周面で乱反射されて視野特性が悪化することを回避することが可能で、集光特性及び視野特性を一層優れたものとすることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明に係る放射温度計の要部の縦断面図、図２はその要部の分解斜視図である。図１，図２において、１は赤外線センサで、鏡筒であるセンサホールド２の底壁部２ａ中心に形成された孔２ｂ内に取付座板３及びボルト４を介して着脱自在に組付け固定されている。前記センサホールド２の開口端側には測定対象物からの赤外光ＩＲを前記赤外線センサ１の受光面１Ａに向けて屈折させる赤外線レンズ５が環状押え６を介して固定されている。

前記赤外線センサ１と前記赤外線レンズ５との間のセンサホールド２内には、赤外線レンズ５側ほど漸次広い開口の円錐形状の内周面７ａを有する集光ミラー７が配置されている。この集光ミラー７は、円錐形状の内周面７ａの最も広い開口側の端面に前記赤外線センサ１の受光面１Ａの約１５倍の面積の仮想受光面８を形成するように構成されているとともにミラー位置調整手段（後述する）を介して前記円錐形状の内周面７ａの最も狭い開口側の端面７ｂが前記赤外線センサ１を収容するキャン９に接触し赤外線センサ１の受光面１Ａに密着するように構成されている。なお、前記集光ミラー７は、その円錐形状の内周面７ａの最も広い開口側の端面、すなわち、前記仮想受光面８と赤外線レンズ５との間に空間が存在するような長さのものに形成されている。

前記センサホールド２底壁部２ａの取付座板３の外面には、赤外線センサ１のヒートシンクとなるシリコン基板１０から導出されたリードピン１１を電気的に接続する導電性のプリント基板１２が前記ボルト４により共締め固定されている。

図３及び図４は前記集光ミラー７の上方からの拡大斜視図及び下方からの拡大斜視図、図５及び図６は前記集光ミラー７の平面図及び中心線上での縦断面図である。これら図３〜図６に明示するように、集光ミラー７の前記仮想受光面８を形成するフランジ状環状部７Ａの外周部には、その円周方向に等間隔、具体的には中心角で１２０°の間隔を隔てた３箇所から径方向の外方へ向けて突出し、かつ、その突出端で屈曲されて円周方向に延在された全体がほぼ渦巻き形状の３本のアーム１５が設けられている。これら３本のアーム１５を含めて集光ミラー７全体は一体樹脂成形されており、これによって、前記３本のアーム１５は集光ミラー７の中心に対する径方向（図５の矢印Ｒ方向）及び中心軸方向（図６の矢印Ａ方向）にそれぞれ弾性変位可能なばね性が付与されている。

一方、前記センサホールド２の内周壁面２ｃには、前記３本のアーム１５を径方向Ｒの内方側に弾性変位させる傾斜面２ｄとこの傾斜面２ｄを通過した直後に径方向Ｒの外方側に弾性復帰した前記３本のアーム１５の先端部１５ａが当接する平坦面２ｅを有する突起部２ｆが形成され、この突起部２ｆとセンサホールド２の底壁部２ａとの間には前記集光ミラー７を抜止め状態に収納保持する環状溝空間１６が形成されている。

前述のミラー位置調整手段は、前記集光ミラー７側の３本のアーム１５とセンサホールド２の内周壁面２ｃ側に形成された突起部２ｆとからなるものであり、前記集光ミラー７をセンサホールド２の開口端側からその内部の環状溝空間１６に向けて押し込むことによって、前記各アーム１５の径方向Ｒのばね性により集光ミラー７とセンサホールド２との中心軸Ｃを一致させるべく径Ｒの軸合わせが行なわれるとともに、各アーム１５の中心軸方向Ａのばね性により集光ミラー７の狭い開口側の端面７ｂ（図４及び図５の斜線挿入部分）が前記赤外線センサ１を収容するキャン９に接触し赤外線センサ１の受光面１Ａに密着させるべく中心軸方向Ａの位置決めが行なわれるように構成されている。

前記赤外線センサ１は、図７及び図８の原理構成図に示すように、シリコン基板１０の上面にＳｉＯ₂ 等の絶縁膜１７を形成した上、前記シリコン基板１０の裏面をエッチングすることにより、ダイヤフラム構造で短冊状の３列の細長い薄膜部１８ａ，１８ｂ，１８ｃを互いに平行に並べ形成して感熱部とし、これら薄膜部１８ａ，１８ｂ，１８ｃにより略円形の受光面１Ａが形成されている。

そして、前記３列の薄膜部１８ａ，１８ｂ，１８ｃの各長辺に沿って、アルミニウムと多結晶シリコンとで構成される複数個、例えば合計で１４４個の熱電対１９をそれらの各温接点１９ｈが薄膜部１８ａ，１８ｂ，１８ｃ上に位置し、かつ、各冷接点１９ｃがシリコン基板１０上に位置するように一定パターン幅に並設するとともに、これら各熱電対１９を直列に接続した高速応答サーモパイルから構成されている。

放射温度計は、上記した高速応答サーモパイル型の赤外線センサ１及び赤外線レンズ５と集光ミラー７の組み合せからなる光学系を搭載したセンサホールド（鏡筒）２に、警報出力機能やゲート入力によるピークホールド・ボトムホールド、移動平均機能、外部とのインターフェイス回路などを内蔵したケース本体が接合されているが、それらは周知であるため、詳細な説明は省略する。

上記のように構成された放射温度計においては、外方に突出している３本のアーム１５を径方向Ｒのばね性に抗して径方向内方へ弾性変位させた状態で集光ミラー７をセンサホルダー２の開口端側からその内部の環状溝空間１６に向けて押し込むだけで、集光ミラー７及びセンサホルダー２の加工寸法公差が大きく設定されていても、また、ばらつきがあったとしても、前記３本のアーム１５の径方向Ｒのばね性を活用して集光ミラー７をセンサホルダー２の中心軸Ｃに一致させて両者７，２の径方向位置合わせを精度よく行うことができる。また、前記３本のアーム１５の中心軸方向Ａのばね性により集光ミラー７の狭い開口側の端面７ｂを赤外線センサ１の受光面１Ａにクリアランス（隙間）ゼロの状態に密着させるように両者７，１の中心軸方向位置決めも精度よく行うことが可能で、ミラー７で集光した赤外線を漏らすことなく赤外線センサ１に導いて信号量を多く確保することができる。これによって、Ｓ／Ｎ比を最大限に向上でき、放射温度計としての測定精度の著しい向上を実現することができる

さらに、赤外線センサ１として、短冊状の細長い薄膜部１８ａ，１８ｂ，１８ｃを互いに平行に３列並べた構造を感熱部とし、その感熱部に複数個、例えば合計１４４個の熱電対１９を直列接続したサーモパイル型赤外線センサが用いられていることにより、既述のトレードオフの関係式（１）からも明らかなように、２ｍｓｅｃ以上、１０ｍｓｅｃ以下の速い応答速度と実用レベル感度を両立させることが可能となり、前述したＳ／Ｎ比の向上と相俟って、高速応答性能に優れているだけでなく、測定精度が±２℃（０〜２００℃）以内、測定再現性が１℃以内という高精度測定を実現可能で、例えば飲料水を連続製造しつつ温度管理する高速ラインなどの動体の計測用途に有効に適用できる放射温度計を得ることができる。

なお、上記実施の形態で示したように、集光ミラー７側に設けられる３本のアーム１５をほぼ渦巻き形状に形成することによって、集光ミラー７全体の最大径を余り大きくすることなく、可及的にコンパクト化を図りつつ、各アーム１５の実質長さを大きくしてより一層優れたばね性を発揮させることができるが、これ以外に、図示は省略するが、３本のアーム１５を径方向の外方へのみ向かう単純な放射形状に形成したものであってもよい。また、アーム１５の数は３本に限らず、径方向の軸合わせ精度を確保できるように円周方向に等間隔に設けられるものであれば、２本でも、４本以上であってもよい。

また、前記集光ミラー７としては、アーム１５のばね性を考えると、アーム１５を含めて全体を樹脂により一体成形したものが好ましいが、これに限定されるものでなく、例えば金属製であってもよい。

本発明に係る放射温度計の要部の縦断面図である。本発明に係る放射温度計の要部の分解斜視図である。本発明に係る放射温度計の光学系である集光ミラーの上方からの拡大斜視図である。本発明に係る放射温度計の光学系である集光ミラーの下方からの拡大斜視図である。本発明に係る放射温度計の光学系である集光ミラーの拡大平面図である。本発明に係る放射温度計の光学系である集光ミラーの中心線上での縦断面図である。本発明に係る放射温度計に用いる赤外線センサの原理構成を示す断面図である。本発明に係る放射温度計に用いる他の赤外線センサの原理構成を示す平面図である。

符号の説明

１赤外線センサ（サーモパイル型赤外線センサ）
１Ａ受光面
２センサホールド
５赤外線レンズ
７集光ミラー
７ａ円錐形状の内周面
７ｂ狭い開口側の端面
１０基板
１５アーム
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ短冊状の細長い薄膜部
１９熱電対
ＩＲ赤外光
Ｒ径方向
Ａ中心軸方向

Claims

センサホルダーの底部に、測定対象物の表面から放出される赤外線を検出してその測定対象物の表面温度を測定する赤外線センサを設け、この赤外線センサの前方部のセンサホルダー内に、前記測定対象物からの赤外光を前記赤外線センサの受光面に向けて集光させる円錐形状の集光ミラーを配置してなる放射温度計において、
前記集光ミラーの外周部には、その円周方向に等間隔を隔てた個所から外方へ向けて突出され、該集光ミラーの中心に対する径方向及び中心軸方向にそれぞれ弾性変位可能なばね性を有する複数本のアームが設けられており、これらアームの径方向のばね性により前記集光ミラーとセンサホルダーとの中心軸を一致させるとともに、中心軸方向のばね性により前記集光ミラーの狭い開口側の端面を前記赤外線センサの受光面に密着させて中心軸方向の位置決めを行うように構成されていることを特徴とする放射温度計。
前記集光ミラーが、複数本のアームを含めて一体樹脂成形されたものである請求項１に記載の放射温度計。
前記複数本のアームが、径方向の外方へ向けて突出され、かつ、その突出端で屈曲されて円周方向または略円周方向に延在されたほぼ渦巻き形状に形成されている請求項１または２に記載の放射温度計。
前記赤外線センサが、基板上に短冊状の細長い薄膜部を互いに平行に複数列配置し、これら複数列の細長い薄膜部の各長辺に沿ってそれぞれ複数の熱電対を直列に接続して設けたサーモパイルから構成されている請求項１ないし３の何れかに記載の放射温度計。
前記センサホルダーの開口部側には、測定対象物からの赤外光を前記集光ミラーに向けて屈折案内する赤外線レンズが配置固定されている請求項１ないし４の何れかに記載の放射温度計。