JP5548936B2

JP5548936B2 - 温度分布検出装置

Info

Publication number: JP5548936B2
Application number: JP2009098692A
Authority: JP
Inventors: 博久今井; 浩二吉野
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2009-04-15
Filing date: 2009-04-15
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2029-04-15
Also published as: JP2010249626A

Description

本発明は、食品を加熱する加熱空間や家庭内の居住空間など定められた範囲内の温度分布を検出する温度分布検出装置に関するものである。

加熱庫で食品を加熱調理するオーブンレンジや、居住空間を暖房するエアコンでは、その加熱範囲の温度分布を検出することで、適切な加熱制御を行うことを目的とし、温度分布を検出する各種温度分布検出装置の提案をされている。

図７により、直線軸に沿って二次元に配列された赤外線検出素子群を、その直線軸に直交する方向に回転駆動させる構成で温度分布を検出する例を説明する（特許文献１参照）。図７において、サーモパイル熱検出素子１ａ〜１ｉは、直線軸２に沿って二次元配列されてサーモパイル熱検出素子群を構成している。

この構成でステッピングモータを使い、二次元のサーモパイル熱検出素子群を直線軸２に直交する方向に駆動することで、検出エリアをＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ，Ｅと移動させることで、Ａ〜Ｅの広範囲で温度分布を検出することができる。そしてこの範囲を繰り返し往復駆動することにより、時系列に温度分布検出を繰り返すことができる。

特開２００６−１７７８４８号公報

しかしながら、このような構成の二次元のサーモパイル熱検出素子群を移動させて温度分布を検出するには、広い範囲を移動させなければならない。即ち、図７中のＡの直線軸からＥの直線軸まで移動させなければならない。そのために移動時間を要することで、温度分布検出に要する時間が長いという課題がある。

例えば、オーブンレンジなどで加熱庫内の食品を加熱する場合には、食品は急速に温度上昇しているものであり、その変化している食品温度を的確に検出して加熱制御するためにはより速く温度分布検出をする必要がある。

また、エアコンで人の居住空間の温度分布を正しく検出するには、人の移動速度以上の速さで温度分布を検出する必要がある。いずれにしてもより速く温度分布を検出する必要があり、そのためには、赤外線検出素子群の移動範囲をできるだけ小さな範囲にしなければならない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、赤外線検出素子群の移動範囲をできるだけ小さくし、高速で温度分布を検出する温度分布検出装置を提供することを目的とする。

本発明の温度分布検出装置は、赤外線を検出する複数の赤外線検出素子を直線状に配置した直線状赤外線検出素子群を複数有し、前記複数の直線状赤外線検出素子群を視野が所定の等間隔となるよう開けて配置した構成の二次元赤外線検出素子群と、前記二次元赤外
線検出素子群の各赤外線検出素子からの検出信号を選択し増幅し信号処理する信号処理回路と、前記直線状赤外線検出素子群の直線方向と直交する方向に前記二次元赤外線検出素子群を移動させる駆動手段と、前記駆動手段を制御する駆動制御手段を有し、前記駆動制御手段は前記複数の直線状赤外線検出素子群の視野の間隔の角度だけ前記駆動手段にて往復移動させ往復移動の端部にて隣接する前記直線状赤外線検出素子群の視野と一致するよう重なる範囲を有して移動するよう制御し、前記信号処理回路は、信号をデジタル化するＡＤ変換器と、前記ＡＤ変換器のＡＤ変換結果を基に温度情報に換算する温度換算部と、前記温度換算部で換算した温度情報をシリアル通信で出力する通信制御部を有し、前記往復移動の端部における隣接する前記直線状赤外線検出素子群の視野が一致する位置の出力に基づき隣接する前記赤外線検出素子の温度換算結果が一致するよう平均化処理して前記温度換算部の温度換算を補正する補正部を有する構成としたものである。
また、本発明のエアコンは、本発明の温度分布検出装置を備えたものである。

この構成により、直線状に配置した各赤外線検出素子が視野となる箇所の温度に応じた出力を発生し、信号処理回路が順次各赤外線検出素子を選択して増幅し信号処理する。そして直線状赤外線検出素子群は複数あり、各直線状赤外線検出素子群の視野の間隔は等しく配置されていて、駆動制御手段は駆動手段によりその直線状赤外線検出素子群に直行する方向に複数の直線状赤外線検出素子群を移動させ、その移動の間隔は各直線状の赤外線検出素子群の視野間隔の角度だけを往復移動させるので、移動範囲は隣接する直線状赤外線検出素子群との間隔だけであり、移動範囲を最小限にして高速で温度分布を検出することが可能となる。

そして、別の赤外線検出素子で同じ視野の温度を検出することにより、互いに平均化して温度換算結果が一致するよう補正できるので、素子間ばらつきを吸収することができ、温度分布検出の精度を向上させることができる。

本発明によれば、直線状赤外線検出素子群は複数あり、各直線状赤外線検出素子群は視野の間隔が等しくなるように配置されていて、駆動制御手段は駆動手段によりその直線状赤外線検出素子群に直行する方向に複数の直線状赤外線検出素子群を移動させ、その移動の間隔は各直線状の赤外線検出素子群の視野間隔の角度だけを往復移動させるので、移動範囲は隣接する直線状赤外線検出素子群との間隔だけであり、移動範囲を最小限にして高速で温度分布を検出することが可能となる。

本発明の実施の形態１にかかる温度分布検出装置の側面断面構成図本発明の実施の形態１にかかる温度分布検出装置の二次元赤外線検出素子群の構成図本発明の実施の形態１にかかる温度分布検出装置による二次元の温度分布結果の説明図本発明の実施の形態１にかかる温度分布検出装置の信号処理回路の構成図本発明の実施の形態２にかかる温度分布検出装置による二次元の温度分布結果の説明図本発明の実施の形態２にかかる温度分布検出装置の信号処理回路の構成図従来の温度分布検出装置による二次元の温度分布結果の説明図

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の温度分布検出装置の断面図を示すものである。二次元赤外線検出素子群１における各赤外線検出素子はサーモパイルで構成され、金属製のカン３の中に封じ込めている。またカン３にはレンズ４を取り付けていて、レンズ４の焦点と二次元赤外線検出素子１の位置関係で各赤外線検出素子の視野を規定している。

二次元赤外線検出素子群１の各赤外線検出素子の出力信号は金属線５を介して、プリント基板６に接続され、カン２と共に固定されている。プリント基板６には電源が供給され各種電子部品より成る信号処理回路７が搭載されている。プリント基板７にはコネクタ８が搭載されていて、コネクタ８にはリード線９が接続されていて、信号処理回路７で処理された信号を出力するものである。

以上は、樹脂より成るケース１０の中に収納されていて、ケース１０には赤外線が通過する通過孔１１とリード線９を通すためのリード線孔１２を設けている。また、駆動手段であるステッピングモータ１３は、二次元赤外線検出素子群１を内部に収納したケース８に取り付けられ、ケース８全体を駆動するものであり、図面の奥と手前の方向に往復駆動するものである。駆動制御手段１４は、ステッピングモータ１３の駆動を制御する。

図２は、二次元赤外線検出素子群１の構成を示すものである。二次元赤外線検出素子群１はサーモパイル１ａ、１ｄ、１ｇより成る直線状赤外線検出素子群１Ａと、サーモパイル１ｂ、１ｅ、１ｈより成る直線状赤外線検出素子群１Ｂと、サーモパイル１ｃ、１ｆ、１ｉより成る直線状赤外線検出素子群１Ｃとで構成されていて、直線状赤外線検出素子群１Ａと１Ｂの視野の間隔と直線状赤外線検出素子群１Ｂと１Ｃの視野の間隔は等しくなるように配置している。

その中央に配置された直線状赤外線検出素子群１Ｂの直線軸２を備えていて、この直線軸２に直交するように図面の左右の方向に、ステッピングモータ１３および駆動制御手段１４により視野を往復移動するものである。

図２において、ステッピングモータ１３および駆動制御手段１４により各直線状検出素子群１Ａ、１Ｂ、１Ｃを移動させて、その隙間を埋めるようにして温度分布を取得し、例えば図３のような二次元温度分布を検出する。即ち、直線軸２を２−１、２−２、２−３、２−４、２−５と移動させる。

そうすると、サーモパイル１ａ、１ｄ、１ｇより成る直線状検出素子群１Ａは図３中で、Ａの領域の温度分布を検出することになり、サーモパイル１ｂ、１ｅ、１ｈより成る直線状検出素子群１ＢはＢの領域の温度分布を、サーモパイル１ｃ、１ｆ、１ｉより成る直線状検出素子群１ＣはＣの領域の温度分布をそれぞれ検出することになって、全体としては、直線軸２の移動より十分広い領域の温度分布を検出することができる。

これにより、従来と比べて、ステッピングモータによる回転角度を十分小さくして、同じ広さの温度分布を検出することができるので、高速で温度分布を検出することが可能となる。

次に信号処理回路７の構成について図４を用いて説明する。切替え器１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃは一般にマルチプレクサと呼ばれ、切替え信号発生器１６からの信号に基づき、いずれかの赤外線検出器を選択して後段の信号処理回路への接続を切替える。

切替え器１５Ａは、直線状赤外線検出素子群１Ａに属するサーモパイル１ａ、１ｄ、１ｇの切替えを、切替え器１５Ｂは、直線状赤外線検出素子群１Ｂに属するサーモパイル１ｂ、１ｅ、１ｈの切替えを、切替え器１５Ｃは、直線状赤外線検出素子群１Ｂに属するサーモパイル１ｃ、１ｆ、１ｉの切替えをそれぞれ行う。

増幅回路１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃは、切替え器１５Ａ、１６Ａ、１７Ａで接続されたいずれかの各サーモパイルの信号を増幅する。ＡＤ変換器１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃは、増幅された各サーモパイルのアナログ信号をデジタル値に変換する。

切替え器１５Ａ〜１５Ｃ、増幅回路１７Ａ〜１７Ｃ、ＡＤ変換器１８Ａ〜１８Ｃは、いずれも直線状赤外線検出素子群１Ａ、１Ｂ、１Ｃと対応しているものであり、サーモパイル１ａ、１ｂ、１ｃが同時に選択され、増幅されＡＤ変換され、またサーモパイル１ｄ、１ｅ、１ｆが同時に、サーモパイル１ｄ、１ｈ、１ｉが同時に選択され、増幅され、ＡＤ変換されるものである。

温度換算部１９は、ＡＤ変換器１８Ａ〜１８Ｃでデジタル値に変換された各サーモパイルの信号を基に順次温度の値を算出する。サーモパイル１ａ〜１ｉはそれぞれ感度にばらつきがあるので、精度良く温度換算するために感度を予め測定し、その感度に対応した定数を感度記憶部２０に記憶している。

温度換算部１９では、この感度記憶部２０に記憶されている感度定数に従い温度換算することで、サーモパイル１ａ〜１ｉの視野となっている箇所の温度を精度良く算出する。

一般に、サーモパイルは、視野となる対象物の温度の４乗とサーモパイル自身の温度の４乗との差に比例する電圧を出力するものである。

従って、接触型の例えばサーミスタなどの温度センサ（図示せず）によりサーモパイル自身の温度Ｔ０を測定しその温度Ｔ０の４乗を算出して、そこにＡＤ変換器１８Ａ〜１８Ｃでデジタル値に変換された各赤外線検出素子の電圧値を定数Ｋ倍したものを加算して、その加算した値の４乗根を算出すれば視野となる対象物の温度となる。

この定数Ｋに相当するものが、サーモパイルの感度の逆数に比例するものであり、各サーモパイルには感度のばらつきがあるので、一通りの定数Ｋではなく、サーモパイル１ａ〜１ｉそれぞれに対応した定数Ｋａ〜Ｋｉを感度定数記憶部２０に記憶しているのである。

通信制御部２１は、送信器２２と受信器２３を備えていて、温度換算部１９で算出された、各サーモパイル１ａ〜１ｉの視野となっている箇所の温度を送信器２２より順次シリアル送信していく。

送信先は、例えばエアコンの冷暖房を制御する制御器や、オーブンレンジの加熱を制御する制御器など、この赤外線センサで検出した温度分布に基づき温度を制御するもので、この通信制御に対応した通信機能を備えているものであり、通信のタイミングを取るために受信器２３で送信先からの信号も受信している。

このようにして、リード線９をアナログ電圧によって送電するのでなく、デジタル値をシリアル通信するので、ノイズなどの影響を受けにくい精度の良い温度分布検出ができる。

（実施の形態２）
次に本発明の実施の形態２について説明する。実施の形態１で説明した図１、図２に示す基本的な構成は変わらないので説明を省略する。

図２において、ステッピングモータ１３および駆動制御手段１４により各直線状検出素子群１Ａ、１Ｂ、１Ｃを移動させて、その隙間を埋めるようにして温度分布を取得し、図５のような二次元温度分布を検出する。

このとき、実施の形態１より移動させるステップを一つ多くしていて、Ａの領域の右端とＢの領域の左端が重なるように、またＢの領域の右端とＣの領域の左端が重なるようにしている。即ち、ＡとＢの領域の端で重なる箇所においては、サーモパイル１ａとサーモパイル１ｂ、サーモパイル１ｄとサーモパイル１ｅ、サーモパイル１ｇとサーモパイル１ｈは、それぞれ同じ視野の温度を検出することになる。

また同様に、ＢとＣの領域の端で重なる箇所においては、サーモパイル１ｂとサーモパイル１ｃ、サーモパイル１ｅとサーモパイル１ｆ、サーモパイル１ｈとサーモパイル１ｉは、それぞれ同じ視野の温度を検出することになる。

同時に同じ視野の温度を検出していれば、同じ温度を検出することになるはずである。これが実際にはステッピングモータで視野を移動させているので同時ではないが、十分に短時間であれば、同じ温度を検出しているものとして扱うことができる。

図６に信号処理回路７の構成を示す。実施の形態１と異なる点は、温度換算部１９に補正部２４を備えている点である。補正部２４がサーモパイル１ａ〜１ｉの感度定数Ｋａ〜Ｋｃを補正する。

サーモパイル１ａ、１ｂ、１ｃの感度定数Ｋａ、Ｋｂ、Ｋｃについてであれば、ＡとＢが重なる領域での１ａによる検出温度と１ｂによる検出温度が等しくなるように、そして且つＢとＣが重なる領域での１ｂによる検出温度と１ｃによる検出温度が等しくなるように感度定数Ｋａ、Ｋｂ、Ｋｃを再計算して補正するのである。

補正の方法はいろいろあるがその一例を説明する。まずサーモパイル１ａとサーモパイル１ｃを比較して、サーモパイル自身の温度との温度差の大きい方を選んで補正する。それが仮にサーモパイル１ａであれば、ＡとＢの領域の重なる点でのサーモパイル１ａとサーモパイル１ｂの温度は等しくその平均値であるものとする。

そうすると、正しい温度は二つの平均値であるとして、平均値の温度の４乗とサーモパイル自身の温度の４乗との差、そしてＡＤ変換で得られたサーモパイル１ａ、１ｂの出力から再度感度定数Ｋａ、Ｋｂが計算される。そして感度記憶部２０に記憶されている感度定数Ｋａ、Ｋｂを書き換える。

次に、この書き換えられたＫｂを基に計算したサーモパイル１ｂによる視野の温度と、ＢとＣの領域の重なる点でのサーモパイル１ｃによる視野の温度は等しいものとして、感度補正されたＫｂにより計算したサーモパイル１ｂの温度の４乗とサーモパイル自身の温度の４乗との差、および、ＡＤ変換で得られたサーモパイル１ｃの出力から再度感度定数Ｋｃが計算される。そして感度記憶部２０に記憶されている感度定数Ｋｃを書き換える。

同様にして、領域の重なる箇所でのサーモパイル１ｄ、１ｅ、１ｆの温度より、Ｋｅ、Ｋｆ、Ｋｉを書き換え、また領域の重なる箇所でのサーモパイル１ｇ、１ｈ、１ｉの温度よりＫｇ、Ｋｈ、Ｋｉを書き換える。こうして書き換えた感度定数Ｋａ〜Ｋｉで、次の温
度分布検出を行う。

感度は予め測定して感度定数として温度記憶部２０に記憶させておくが、実際の環境では温度、湿度、対象物の放射率などにより若干ずれた値をとることがよくある。これが複数のサーモパイルで温度分布を検出する上では、サーモパイルにより違った感度のずれ方をするので、Ａの領域とＢの領域の境目やＢの領域とＣの領域の境目で不連続な分布となったりすることもあるが、こうした境目の温度は等しい温度を検出しているということで補正を入れることで、より精度の高い温度分布検出ができるようになる。

以上の説明において、赤外線検出素子としてサーモパイルを用いたが、これは他に置き換えても良く、例えば焦電センサとチョッパを使って視野が対象物となっているときとチョッパで遮られているときの出力の差を出力としてもよい。

また、３素子で直線状赤外線検出素子群を構成したり、それを３列用いることで二次元赤外線検出素子群としたりしたが、これもその構成に拘るものでなく、直線状赤外線検出素子群を構成する赤外線検出素子数を増やせば、より細かな温度分布を検出できるものであり、列数を増やせばより高速で温度分布検出できるものである。

以上のように、本発明にかかる温度分布検出装置は、赤外線検出素子群の移動範囲は隣接する直線状赤外線検出素子群との間隔だけであり、移動範囲を最小限にして高速で温度分布を検出することが可能であるので、オーブンレンジなどでの加熱空間の温度分布検出やエアコンなどでの人の居住空間の温度分布検出などの用途に適用可能である。

１二次元赤外線検出素子群
１ａ〜１ｉサーモパイル
１Ａ〜１Ｃ直線状赤外線検出素子群
７信号処理回路
１３駆動手段
１４駆動制御手段
１８Ａ〜１８ＣＡＤ変換器
１９温度換算部
２１通信制御部
２４補正部

Claims

赤外線を検出する複数の赤外線検出素子を直線状に配置した直線状赤外線検出素子群を複数有し、
前記複数の直線状赤外線検出素子群を視野が所定の等間隔となるよう開けて配置した構成の二次元赤外線検出素子群と、
前記二次元赤外線検出素子群の各赤外線検出素子からの検出信号を選択し増幅し信号処理する信号処理回路と、
前記直線状赤外線検出素子群の直線方向と直交する方向に前記二次元赤外線検出素子群を移動させる駆動手段と、
前記駆動手段を制御する駆動制御手段を有し、
前記駆動制御手段は前記複数の直線状赤外線検出素子群の視野の間隔の角度だけ前記駆動手段にて往復移動させ、往復移動の端部にて隣接する前記直線状赤外線検出素子群の視野と一致するよう重なる範囲を有して移動するよう制御し、
前記信号処理回路は、信号をデジタル化するＡＤ変換器と、前記ＡＤ変換器のＡＤ変換結果を基に温度情報に換算する温度換算部と、前記温度換算部で換算した温度情報をシリアル通信で出力する通信制御部を有し、前記往復移動の端部における隣接する前記直線状赤外線検出素子群の視野が一致する位置の出力に基づき隣接する前記赤外線検出素子の温度換算結果が一致するよう平均化処理して前記温度換算部の温度換算を補正する補正部を有する温度分布検出装置。
請求項１に記載の温度分布検出装置を備えたエアコン。