JP5741830B2 - 赤外線センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象物からの赤外線を検出して該測定対象物の温度を測定する赤外線センサ装置に関する。

従来、測定対象物から輻射により放射される赤外線を非接触で検出して測定対象物の温度を測定する温度センサとして、赤外線センサが使用されている。
例えば、特許文献１には、保持体に設置した樹脂フィルムと、該樹脂フィルムに設けられ保持体の導光部を介して赤外線を検出する赤外線検出用感熱素子と、樹脂フィルムに遮光状態に設けられ保持体の温度を検出する温度補償用感熱素子とを備えた赤外線温度センサが提案されている。この赤外線温度センサでは、導光部の内側面に赤外線吸収膜を形成すると共に、樹脂フィルムにカーボンブラック等の赤外線吸収材料を含有させて赤外線の吸収を高めている。

また、特許文献２には、赤外線検出用感熱素子と、温度補償用感熱素子と、これらを密着固定する樹脂フィルムと、赤外線の入射窓側に赤外線検出用感熱素子を配置すると共に赤外線を遮蔽する遮蔽部側に温度補償用感熱素子を配置した枠体を有するケースとを備えた赤外線検出器が提案されている。この赤外線検出器では、樹脂フィルムにカーボンブラック等の赤外線吸収材料を含有させて赤外線の吸収を高めていると共に、赤外線検出用感熱素子と温度補償用感熱素子との熱勾配を無くすために熱伝導の良い材料で枠体を形成している。また、赤外線検出用感熱素子及び温度補償用感熱素子には、リード線がサーミスタに接続された松葉型のサーミスタが採用されている。
これら特許文献１及び２の赤外線センサでは、樹脂フィルムにカーボンブラック等の赤外線吸収材料を含有させると共に一方の感熱素子側を温度補償用に遮光する構造が採用されているが、赤外線吸収材料を含有した樹脂フィルムの熱伝導が高く、赤外線検出用と温度補償用との感熱素子間で温度差分が生じ難いという不都合があった。また、これら感熱素子間で温度差分を大きくするためには、感熱素子間の距離を大きくする必要があり、全体形状が大きくなってしまい、小型化が困難になる問題がある。さらに、温度補償用の感熱素子を遮光する構造をケース自体に設ける必要があるため、高価になってしまう。
また、特許文献２では、熱伝導の良い枠体を採用しているため、赤外線吸収膜からの熱も放熱されてしまい感度が劣化する不都合がある。また、リード線が接続された松葉型のため、サーミスタとリード線との間で熱の空間伝導が生じてしまう。
さらに、一方の感熱素子について赤外線を筐体で遮光する構造を採用しているが、赤外線を遮っているだけで遮蔽部分が赤外線を吸収してしまい、遮蔽部分の温度が変化してしまうことからリファレンスとして不完全となってしまう不都合があった。

そのため、特許文献３に示すように、絶縁性フィルムと、該絶縁性フィルムの一方の面に互いに離間させて設けられた第１の感熱素子及び第２の感熱素子と、絶縁性フィルムの一方の面に形成され第１の感熱素子及び第２の感熱素子に別々に接続された複数対の導電性の配線膜と、第１の感熱素子に対向して絶縁性フィルムの他方の面に設けられた赤外線吸収膜と、第２の感熱素子に対向して絶縁性フィルムの他方の面に設けられた赤外線反射膜とを備えている赤外線センサが開発されている。

この赤外線センサでは、赤外線吸収膜による部分的な赤外線吸収と赤外線反射膜による部分的な赤外線反射とにより、薄く熱伝導性の低い絶縁性フィルム上で第１の感熱素子と第２の感熱素子との良好な温度差分を得ることができる。すなわち、フィルムに赤外線吸収材料等を含有させていない低熱伝導性の絶縁性フィルムでも、赤外線吸収膜によって絶縁性フィルムの第１の感熱素子の直上部分のみに赤外線吸収による熱を伝導させることができる。特に、薄い絶縁性フィルムを挟んで赤外線吸収膜の熱が伝導されるため、感度の劣化がなく、高い応答性を有している。また、赤外線吸収膜の面積を任意に設定可能であるため、測定対象物との距離に合わせた赤外線検出の視野角を面積で設定でき、高い受光効率を得ることができる。また、赤外線反射膜によって絶縁性フィルムの第２の感熱素子の直上部分における赤外線を反射してその吸収を阻止することができる。なお、絶縁性フィルム上に赤外線吸収膜と赤外線反射膜とを形成しているので、赤外線吸収膜と赤外線反射膜との間の熱を伝導する媒体が、空気以外にこれら膜が対向した間の絶縁性フィルムのみとなり、伝導する断面積が小さくなる。したがって、相互の感熱素子への熱が伝わり難くなり、干渉が少なくなって検出感度が向上する。このように、低熱伝導性の絶縁性フィルム上で互いに熱の影響が抑制された第１の感熱素子と第２の感熱素子とが、それぞれ赤外線吸収膜の直下と赤外線反射膜の直下との絶縁性フィルムの部分的な温度を測定する構造を有している。したがって、赤外線検出用とされる第１の感熱素子と温度補償用とされる第２の感熱素子との良好な温度差分を得られ、高感度化を図ることができる。

特開２００２−１５６２８４号公報（段落番号００２６、図２） 特開平７−２６０５７９号公報（特許請求の範囲、図２） 特開２０１１−１３２１３号公報（特許請求の範囲、図１）

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
従来の赤外線センサは、輻射熱を検出して測定対象物の温度を推定するが、測定対象物からの輻射熱（赤外線）を受ける部分と受けない部分との温度差（輻射熱の差分）を検出して測定対象物からの輻射熱量を推定している。この輻射熱を受ける部分と受けない部分とに生じる温度差は、測定対象物の温度と赤外線センサ自体の温度との４乗の温度差に比例する。例えば、測定対象物の温度をＴ_Ｔとし、赤外線センサの温度をＴ_Ｓとし、輻射熱を受ける部分の温度をＴ_Ａとし、輻射熱を受けない部分の温度をＴ_Ｒとした場合、以下の式で示す関係となる。
なお、上記式の係数Ｆは、測定対象物表面の赤外線放射率及び形状（曲面，面積）、赤外線センサの輻射熱を受ける部分及び受けない部分の赤外線吸収率、赤外線センサのセンサ視野角、赤外線センサ周辺の空気対流などにより変わる係数である。
したがって、同じ状態であれば、赤外線センサと測定対象物との温度差が小さいと赤外線センサ表面に生じる温度差（輻射熱を受ける部分と受けない部分との温度差）が小さくなり、検出精度が低下してしまう不都合がある。すなわち、測定対象物と赤外線センサとの温度差に対して赤外線センサの輻射熱を受ける部分と受けない部分との温度差は、図８に示すように、指数関数的に増加するが、温度差が小さいと測定対象物の温度を検出し難くなることがわかる。
一方、測定対象物の温度を測定するためには、上記のように赤外線センサの輻射熱を受ける部分と受けない部分との２つの部分で検出した温度により算出する必要があり、演算処理が必要になることから、温度検出回路が複雑になる不都合もあった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、測定対象物の温度をより高精度に測定可能な赤外線センサ装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明の赤外線センサ装置は、測定対象物から放射された赤外線を検出する第１の感熱素子と前記測定対象物から放射された赤外線が遮光されてこの赤外線を検出しない第２の感熱素子とを有する赤外線センサ本体と、前記第１の感熱素子および前記第２の感熱素子からの電気信号を入力可能であると共に前記赤外線センサ本体の温度を制御可能なセンサ温度制御部とを備え、前記センサ温度制御部が、少なくとも前記第１の感熱素子からの電気信号に基づいて前記測定対象物の温度を求めると共に、前記第２の感熱素子からの電気信号に基づいて前記赤外線センサ本体の温度を制御することを特徴とする。

この赤外線センサ装置では、センサ温度制御部が、少なくとも第１の感熱素子からの電気信号に基づいて測定対象物の温度を求めると共に、第２の感熱素子からの電気信号に基づいて赤外線センサ本体の温度を制御するので、センサ温度制御部が、第２の感熱素子から入力された電気信号により検出した赤外線センサ本体の温度と測定対象物の温度とを比較して赤外線センサ本体の温度を調整することができ、互いの温度差を制御して高精度な温度測定が可能になる。

第２の発明の赤外線センサ装置は、第１の発明において、前記センサ温度制御部が、前記第１の感熱素子および前記第２の感熱素子からの電気信号に基づいて求めた前記測定対象物の温度が前記第２の感熱素子からの電気信号に基づいて求めた前記赤外線センサ本体の温度以上の場合に、前記赤外線センサ本体を冷却して温度を低くし、前記測定対象物の温度が前記赤外線センサ本体の温度未満の場合に、前記赤外線センサ本体を加熱して温度を高くすることを特徴とする。
すなわち、この赤外線センサ装置では、センサ温度制御部が、測定対象物の温度が赤外線センサ本体の温度以上の場合に、赤外線センサ本体を冷却して温度を低くし、測定対象物の温度が赤外線センサ本体の温度未満の場合に、赤外線センサ本体を加熱して温度を高くするので、測定対象物の温度と赤外線センサ本体の温度との温度差が大きくなり、高精度に測定対象物の温度を検出することができる。

第３の発明の赤外線センサ装置は、第１の発明において、前記センサ温度制御部が、前記第１の感熱素子からの電気信号と前記第２の感熱素子からの電気信号とを比較して互いの出力値が異なる場合に、前記赤外線センサ本体を加熱または冷却して互いの前記電気信号の出力値を同一にし、互いの前記電気信号の出力値が同一になった状態で前記第１の感熱素子からの電気信号に基づいて前記測定対象物の温度を求めることを特徴とする。
すなわち、この赤外線センサ装置では、センサ温度制御部が、第１の感熱素子と第２の感熱素子との互いの電気信号の出力値が同一になった状態で第１の感熱素子または第２の感熱素子からの電気信号に基づいて測定対象物の温度を求めるので、測定対象物と赤外線センサ本体とが同一温度となり、第１の感熱素子の電気信号と第２の感熱素子の電気信号との差分を求める演算処理が不要になり、第１の感熱素子または第２の感熱素子３Ｂの電気信号のみから測定対象物の温度を高精度に得ることができる。

第４の発明の赤外線センサ装置は、第１から第３のいずれかの発明において、前記赤外線センサ本体が、絶縁性フィルムと、該絶縁性フィルムの一方の面に互いに離間させて設けられた第１の感熱素子及び第２の感熱素子と、前記絶縁性フィルムの一方の面に形成され前記第１の感熱素子に接続された導電性の第１の配線膜及び前記第２の感熱素子に接続された導電性の第２の配線膜と、前記第２の感熱素子に対向して前記絶縁性フィルムの他方の面に設けられた赤外線反射膜とを備えていることを特徴とする。
従来の特許文献１に記載の赤外線センサでは、上述したように輻射熱を受ける部分と受けない部分とで構造が大きく異なるため、両者で温度分布が生じ易い。また、センサとしてサーモパイルを採用した場合、検出素子が熱電対（輻射熱を受ける部分）であると共に温度補償素子がダイオード（輻射熱を受けない部分）であるため、輻射熱を受ける部分と受けない部分とで素子が異なり、やはり検出素子と補償素子との温度追従が異なり、制御による誤差が生じてしまう問題がある。
これらに対して本発明の赤外線センサ装置では、赤外線センサ本体が、絶縁性フィルムの一方の面に互いに離間させて設けられた第１の感熱素子及び第２の感熱素子と、第２の感熱素子に対向して絶縁性フィルムの他方の面に設けられた赤外線反射膜とを備えているので、互いに絶縁性フィルム上に並んだ検出用の第１の感熱素子と補償用の第２の感熱素子とに生じる温度分布が小さくなり、センサ温度制御部による赤外線センサ本体の温度制御時に検出素子（第１の感熱素子）と補償素子（第２の感熱素子）との温度追従が大幅に向上する。

第５の発明の赤外線センサ装置は、第４の発明において、前記第１の配線膜が、前記第１の感熱素子の周囲にまで配されて前記第２の配線膜よりも大きな面積で形成されていることを特徴とする。
すなわち、この赤外線センサ装置では、第１の配線膜が、第１の感熱素子の周囲にまで配されて第２の配線膜よりも大きな面積で形成されているので、大きな面積の第１の配線膜が、絶縁性フィルムを透過して筐体に照射される赤外線を遮断すると共に筐体から放射される輻射熱を遮断して絶縁性フィルムへの熱影響を抑制することができる。さらに、絶縁性フィルムの赤外線を吸収した部分からの熱収集を改善すると共に、絶縁性フィルムの赤外線反射膜が形成された部分と熱容量が近づくので、変動誤差を小さくすることができる。したがって、周囲の温度変動に敏感に反応することから、センサ温度制御部の制御による温度変化に対しても輻射熱を受ける部分と受けない部分との追従性が良く、検出精度がさらに改善される。なお、第１の配線膜の面積及び形状は、絶縁性フィルムの赤外線反射膜が形成された部分と熱容量がほぼ等しくなるように設定することが好ましい。

第６の発明の赤外線センサ装置は、第１から第５のいずれかの発明において、前記センサ温度制御部が、前記赤外線センサ本体に取り付けられたペルチェ素子と、該ペルチェ素子および前記赤外線センサ本体に電気的に接続されて前記ペルチェ素子を制御する制御回路部とを備えていることを特徴とする。
すなわち、この赤外線センサ装置では、センサ温度制御部が、赤外線センサ本体に取り付けられたペルチェ素子と、該ペルチェ素子および赤外線センサ本体に電気的に接続されてペルチェ素子を制御する制御回路部とを備えているので、制御回路部でペルチェ素子を制御することで赤外線センサ本体を直接加熱または冷却することができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る赤外線センサ装置によれば、センサ温度制御部が、少なくとも第１の感熱素子からの電気信号に基づいて測定対象物の温度を求めると共に、第２の感熱素子からの電気信号に基づいて赤外線センサ本体の温度を制御するので、センサ温度制御部が赤外線センサ本体と測定対象物との温度差を制御して高精度な温度測定が可能になる。

本発明に係る赤外線センサ装置の一実施形態を示す簡易的な構成図である。 本実施形態において、赤外線センサ本体を示す断面図である。 本実施形態において、感熱素子が接着される前の絶縁性フィルムを示す底面図（ａ）および配線膜と収納部と赤外線反射膜との位置関係を示す底面図（ｂ）である。 本実施形態において、感熱素子が接着される前の絶縁性フィルムを示す平面図である。 本実施形態において、赤外線センサ本体を示す斜視図である。 本実施形態において、筐体を除いた赤外線センサ本体を示す斜視図である。 本実施形態において、筐体を示す平面図である。 測定対象物と赤外線センサとの温度差に対する赤外線センサの輻射熱を受ける部分と受けない部分との温度差を示すグラフである。

以下、本発明に係る赤外線センサ装置の一実施形態を、図１から図７を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために縮尺を適宜変更している。

本実施形態の赤外線センサ装置１は、図１および図２に示すように、測定対象物Ｓから放射された赤外線を検出する第１の感熱素子３Ａと測定対象物Ｓから放射された赤外線が遮光されてこの赤外線を検出しない第２の感熱素子３Ｂとを有する赤外線センサ本体１０と、第１の感熱素子３Ａおよび第２の感熱素子３Ｂからの電気信号を入力可能であると共に赤外線センサ本体１０の温度を制御可能なセンサ温度制御部１１とを備えている。

上記赤外線センサ本体１０は、図２から図５に示すように、絶縁性フィルム２と、該絶縁性フィルム２の一方の面（下面）に互いに離間させて設けられた第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂと、絶縁性フィルム２の一方の面に形成され第１の感熱素子３Ａに接続された導電性金属膜である一対の第１の配線膜４Ａ及び第２の感熱素子３Ｂに接続された導電性金属膜である一対の第２の配線膜４Ｂと、第２の感熱素子３Ｂに対向して絶縁性フィルム２の他方の面に設けられた赤外線反射膜６と、絶縁性フィルム２の一方の面に固定されて該絶縁性フィルム２を支持すると共に第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂを内部の収納部７ａに収納する筐体７とを備えている。

上記第１の配線膜４Ａは、図３に示すように、第１の感熱素子３Ａの周囲にまで配されて第２の配線膜４Ｂよりも大きな面積で形成されている。これらの第１の配線膜４Ａは、一対の中央に第１の感熱素子３Ａを配し、一対で外形状が赤外線反射膜６と略同じ四角形状に設定されている。すなわち、第１の配線膜４Ａの面積及び形状は、絶縁性フィルム２の赤外線反射膜６が形成された部分と熱容量がほぼ等しくなるように設定している。

また、第１の配線膜４Ａと赤外線反射膜６とは、平面視において収納部７ａの上部を塞ぐ形状とされている。すなわち、図３の（ｂ）に示すように、絶縁性フィルム２の上方側から視た際（平面視）に、一対で外形状が赤外線反射膜６と略同じ四角形状に設定されている第１の配線膜４Ａと赤外線反射膜６とで、直方体形状の収納部７ａの上部の略全体を塞いでいる。

また、一対の第１の配線膜４Ａには、その一端部にそれぞれ絶縁性フィルム２上に形成された第１の接着電極５Ａが接続されていると共に、他端部にそれぞれ絶縁性フィルム２上に形成された第１の端子電極８Ａが接続されている。
また、一対の第２の配線膜４Ｂは、線状に形成されており、その一端部にそれぞれ絶縁性フィルム２上に形成された第２の接着電極５Ｂが接続されていると共に、他端部にそれぞれ絶縁性フィルム２上に形成された第２の端子電極８Ｂが接続されている。
なお、上記第１の接着電極５Ａ及び第２の接着電極５Ｂには、それぞれ第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂの端子電極３ａが半田等の導電性接着剤で接着される。

上記絶縁性フィルム２は、ポリイミド樹脂シートで形成され、赤外線反射膜６、第１の配線膜４Ａ及び第２の配線膜４Ｂが銅箔で形成されている。すなわち、これらは、絶縁性フィルム２とされるポリイミド基板の両面に、赤外線反射膜６、第１の配線膜４Ａ及び第２の配線膜４Ｂとされる銅箔のフロート電極がパターン形成された両面フレキシブル基板によって作製されたものである。

さらに、上記赤外線反射膜６は、図４に示すように、第２の感熱素子３Ｂの直上に四角形状で配されており、銅箔と、該銅箔上に積層された金メッキ膜とで構成されている。
この赤外線反射膜６は、絶縁性フィルム２よりも高い赤外線放射率を有する材料で形成され、上述したように、銅箔上に金メッキ膜が施されて形成されている。なお、金メッキ膜の他に、例えば鏡面のアルミニウム蒸着膜やアルミニウム箔等で形成しても構わない。この赤外線反射膜６は、第２の感熱素子３Ｂよりも大きなサイズでこれを覆うように形成されている。

上記第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂは、図６に示すように、両端部に端子電極３ａが形成されたチップサーミスタである。このサーミスタとしては、ＮＴＣ型、ＰＴＣ型、ＣＴＲ型等のサーミスタがあるが、本実施形態では、第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂとして、例えばＮＴＣ型サーミスタを採用している。このサーミスタは、Ｍｎ−Ｃｏ−Ｃｕ系材料、Ｍｎ−Ｃｏ−Ｆｅ系材料等のサーミスタ材料で形成されている。なお、これら第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂは、各端子電極３ａを対応する第１の接着電極５Ａ上又は第２の接着電極５Ｂ上に接合させて絶縁性フィルム２に実装されている。

特に、本実施形態では、第１の感熱素子３Ａおよび第２の感熱素子３Ｂとして、Ｍｎ，ＣｏおよびＦｅの金属酸化物を含有するセラミックス焼結体、すなわちＭｎ−Ｃｏ−Ｆｅ系材料で形成されたサーミスタ素子を採用している。さらに、このセラミックス焼結体は、立方晶スピネル相を主相とする結晶構造を有していることが好ましい。特に、セラミックス焼結体としては、立方晶スピネル相からなる単相の結晶構造が最も望ましい。

上記筐体７は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド樹脂）等の樹脂で形成されており、第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂを収納すると共に絶縁性フィルム２よりも熱伝導率の低い空気で覆う空間である収納部７ａが内部に設けられている。
この筐体７内の絶縁性フィルム２に対向する底面には、赤外線を反射する底面反射膜９が形成されている。この底面反射膜９は、上記赤外線反射膜６と同様の膜が採用可能である。

筐体７は、図５および図７に示すように、側面に設けられ第１の配線膜４Ａまたは第２の配線膜４Ｂの第２の端子電極８Ｂに上端が接続されていると共に底部まで延在された複数の側面電極部１０ａと、側面下部において側面電極部１０ａの下端に接続されて設けられ外部の回路基板上に接続させる複数の実装用外部端子１０ｂとを備えている。すなわち、本実施形態の赤外線センサ１は表面実装型とされている。なお、側面電極部１０ａと実装用外部端子１０ｂとは、例えば錫めっきされた銅合金で形成されている。

上記センサ温度制御部１１は、赤外線センサ本体１０に取り付けられたペルチェ素子１２と、該ペルチェ素子１２および赤外線センサ本体１０に電気的に接続されてペルチェ素子１２を制御する制御回路部Ｃとを備えている。
このセンサ温度制御部１１は、少なくとも第１の感熱素子３Ａからの電気信号に基づいて測定対象物Ｓの温度を求めると共に、第２の感熱素子３Ｂからの電気信号に基づいて赤外線センサ本体１０の温度を制御する機能を有している。この温度制御としては、以下の２つの制御方法が設定される。

第１の制御として、センサ温度制御部１１は、第１の感熱素子３Ａおよび第２の感熱素子３Ｂからの電気信号に基づいて求めた測定対象物Ｓの温度が第２の感熱素子３Ｂからの電気信号に基づいて求めた赤外線センサ本体１０の温度以上の場合に、赤外線センサ本体１０を冷却して温度を低くし、測定対象物Ｓの温度が赤外線センサ本体１０の温度未満の場合に、赤外線センサ本体１０を加熱して温度を高くするように設定されている。なお、測定対象物Ｓと測定対象物Ｓとの温度差は、３０℃程度に設定することが好ましい。
この第１の制御では、制御回路部Ｃが、第１の感熱素子３Ａと第２の感熱素子３Ｂとで検出された赤外線の差分（出力の差分）を演算処理し、第２の感熱素子３Ｂをリファレンスとして第１の感熱素子３Ａで検出された温度を算出する機能を有している。

また、第２の制御として、センサ温度制御部１１は、第１の感熱素子３Ａからの電気信号と第２の感熱素子３Ｂからの電気信号とを比較して互いの出力値が異なる場合に、赤外線センサ本体１０を加熱または冷却して互いの電気信号の出力値を同一にし、互いの電気信号の出力値が同一になった状態で第１の感熱素子３Ａまたは第２の感熱素子３Ｂからの電気信号に基づいて測定対象物Ｓの温度を求めるように設定されている。
すなわち、センサ温度制御部１１は、測定対象物Ｓの温度と赤外線センサ本体１０の温度とが異なる場合に、第１の感熱素子３Ａおよび第２の感熱素子３Ｂからの両電気信号の出力値を同一になるように赤外線センサ本体１０を加熱または冷却し、赤外線センサ本体１０の温度を測定対象物Ｓと同一温度にするように設定されている。

この第２の制御では、第１の制御のような第１の感熱素子３Ａと第２の感熱素子３Ｂとで検出された赤外線の差分（出力値の差分）を演算処理で算出することは行わず、制御回路部Ｃが、第１の感熱素子３Ａで検出された一方の赤外線（出力値）のみから測定対象物Ｓの温度を直接求める機能を有している。
なお、センサ温度制御部１１は、上記２つの制御のいずれか一方のみが設定されているが、いずれかの制御を選択可能としても構わない。

このように本実施形態の赤外線センサ装置１では、センサ温度制御部１１が、少なくとも第１の感熱素子３Ａからの電気信号に基づいて測定対象物Ｓの温度を求めると共に、第２の感熱素子３Ｂからの電気信号に基づいて赤外線センサ本体１０の温度を制御するので、センサ温度制御部１１が、第２の感熱素子３Ｂから入力された電気信号により検出した赤外線センサ本体１０の温度と測定対象物Ｓの温度とを比較して赤外線センサ本体１０の温度を調整することができ、互いの温度差を制御して高精度な温度測定が可能になる。

上記第１の制御に設定された場合、センサ温度制御部１１が、測定対象物Ｓの温度が赤外線センサ本体１０の温度以上の場合に、赤外線センサ本体１０を冷却して温度を低くし、測定対象物Ｓの温度が赤外線センサ本体１０の温度未満の場合に、赤外線センサ本体１０を加熱して温度を高くするので、測定対象物Ｓの温度と赤外線センサ本体１０の温度との温度差が大きくなり、高精度に測定対象物Ｓの温度を検出することができる。

また、上記第２の制御に設定された場合、センサ温度制御部１１が、第１の感熱素子３Ａと第２の感熱素子３Ｂとの互いの電気信号の出力値が同一になった状態で第１の感熱素子３Ａまたは第２の感熱素子３Ｂからの電気信号に基づいて測定対象物Ｓの温度を求めるので、測定対象物Ｓと赤外線センサ本体１０とが同一温度となり、第１の感熱素子３Ａの電気信号と第２の感熱素子３Ｂの電気信号との差分を求める演算処理が不要になり、第１の感熱素子３Ａまたは第２の感熱素子３Ｂの電気信号のみから測定対象物Ｓの温度を高精度に得ることができる。

なお、赤外線センサ本体１０の温度が測定対象物Ｓと同じ温度になると、赤外線センサ本体１０から放射される輻射エネルギーと測定対象物Ｓから放射される輻射エネルギーとが同じになり、放射と入射との両輻射エネルギーが互いに相殺され、測定対象物Ｓから入射される輻射熱があたかも無い状態と同様になることから、赤外線センサ本体１０の表面は測定対象物Ｓからの輻射熱で加熱も冷却もされず、輻射熱による影響がゼロになって輻射熱を受ける部分と受けない部分とが同一状態となる。したがって、第１の感熱素子３Ａの電気信号と第２の感熱素子３Ｂの電気信号とを同じ強度（電圧の場合は電位差ゼロ）にするように、センサ温度制御部１１により赤外線センサ本体１０の温度をコントロールすることで、赤外線センサ本体１０の温度を測定対象物と同一温度にすることができる。

また、本実施形態の赤外線センサ装置１では、赤外線センサ本体１０が、絶縁性フィルム２の一方の面に互いに離間させて設けられた第１の感熱素子３Ａ及び第２の感熱素子３Ｂと、第２の感熱素子３Ｂに対向して絶縁性フィルム２の他方の面に設けられた赤外線反射膜６とを備えているので、互いに絶縁性フィルム２上に並んだ検出用の第１の感熱素子３Ａと補償用の第２の感熱素子３Ｂとに生じる温度分布が小さくなり、センサ温度制御部１１による赤外線センサ本体１０の温度制御時に検出素子（第１の感熱素子３Ａ）と補償素子（第２の感熱素子３Ｂ）との温度追従が大幅に向上する。

さらに、第１の配線膜４Ａが、第１の感熱素子３Ａの周囲にまで配されて第２の配線膜４Ｂよりも大きな面積で形成されているので、大きな面積の第１の配線膜４Ａが、絶縁性フィルム２を透過して筐体７に照射される赤外線を遮断すると共に筐体７から放射される輻射熱を遮断して絶縁性フィルム２への熱影響を抑制することができる。また、絶縁性フィルム２の赤外線を吸収した部分からの熱収集を改善すると共に、絶縁性フィルム２の赤外線反射膜６が形成された部分と熱容量が近づくので、変動誤差を小さくすることができる。したがって、周囲の温度変動に敏感に反応することから、センサ温度制御部１１の制御による温度変化に対しても輻射熱を受ける部分と受けない部分との追従性が良く、検出精度がさらに改善される。

なお、第２の配線膜４Ｂと赤外線反射膜６とが、平面視において収納部７ａの上部を塞ぐ形状とされているので、第２の配線膜４Ｂと赤外線反射膜６とにより絶縁性フィルム２を透過して収納部７ａ内へ抜ける赤外線を収納部７ａの上部全体で遮断することができ、筐体７が加熱されることをさらに抑制することができる。
さらに、筐体７内の絶縁性フィルム２に対向する底面に、赤外線を反射する底面反射膜９が形成されているので、筐体７内の底面から放射される輻射熱を底面反射膜９で直接反射させて遮断することで対向する絶縁性フィルム２や感熱素子３Ａ，３Ｂへの影響をさらに抑制することができる。

また、センサ温度制御部１１が、赤外線センサ本体１０に取り付けられたペルチェ素子１２と、該ペルチェ素子１２および赤外線センサ本体１０に電気的に接続されてペルチェ素子１２を制御する制御回路部Ｃとを備えているので、制御回路部Ｃでペルチェ素子１２を制御することで赤外線センサ本体１０を直接加熱または冷却することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態では、第１の感熱素子が赤外線を直接吸収した絶縁性フィルムから伝導される熱を検出しているが、第１の感熱素子の直上であって絶縁性フィルム上に赤外線吸収膜を形成しても構わない。この場合、さらに第１の感熱素子における赤外線吸収効果が向上して、第１の感熱素子と第２の感熱素子とのより良好な温度差分を得ることができる。すなわち、この赤外線吸収膜によって測定対象物からの輻射による赤外線を吸収するようにし、赤外線を吸収し発熱した赤外線吸収膜から絶縁性フィルムを介した熱伝導によって、直下の第１の感熱素子の温度が変化するようにしてもよい。

この赤外線吸収膜は、絶縁性フィルムよりも高い赤外線吸収率を有する材料で形成され、例えば、カーボンブラック等の赤外線吸収材料を含むフィルムや赤外線吸収性ガラス膜（二酸化珪素を７１％含有するホウケイ酸ガラス膜など）で形成されているもの等が採用可能である。特に、赤外線吸収膜は、アンチモンドープ酸化錫（ＡＴＯ）膜であることが望ましい。このＡＴＯ膜は、カーボンブラック等に比べて赤外線の吸収率が良いと共に耐光性に優れている。また、ＡＴＯ膜は、紫外線で硬化させるので、接着強度が強く、カーボンブラック等に比べて剥がれ難い。
なお、この赤外線吸収膜は、第１の感熱素子よりも大きなサイズでこれを覆うように形成することが好ましい。また、赤外線吸収膜を設ける場合は、赤外線反射膜側の熱容量と略等しくなるように各配線膜を含めて面積や形状を設定する必要がある。

また、チップサーミスタの第１の感熱素子及び第２の感熱素子を採用しているが、薄膜サーミスタで形成された第１の感熱素子及び第２の感熱素子を採用しても構わない。
なお、感熱素子としては、上述したように薄膜サーミスタやチップサーミスタが用いられるが、サーミスタ以外に焦電素子等も採用可能である。

また、上記実施形態の筐体では、第１の感熱素子及び第２の感熱素子を収納する一つの収納部を内部に設けているが、筐体内部に仕切り壁を設け、第１の感熱素子及び第２の感熱素子をそれぞれ個別に収納する一対の収納部を設けても構わない。また、収納部内は、絶縁性フィルムよりも熱伝導率の低い空気による空間としているが、絶縁性フィルムよりも熱伝導率の低い発泡樹脂を充填しても構わない。

さらに、上記実施形態では、第１の配線膜の面積を大きくし、第２の配線膜は線状に形成しているが、第２の配線膜の面積をある程度大きく設定しても構わない。この場合、赤外線反射膜側の熱容量が変わるため、周辺温度の変化に対して考慮する必要があり、反射側と吸収側とで、できるだけ熱容量が同じになるように各配線膜や赤外線反射膜の形状および面積を設定する必要がある。

１…赤外線センサ装置、２…絶縁性フィルム、３Ａ…第１の感熱素子、３Ｂ…第２の感熱素子、４Ａ…第１の配線膜、４Ｂ…第２の配線膜、６…赤外線反射膜、７…筐体、７ａ…収納部、９…底面反射膜、１０…赤外線センサ本体、１１…センサ温度制御部、１２…ペルチェ素子、Ｃ…制御回路部

Claims (4)

1. 測定対象物から放射された赤外線を検出する第１の感熱素子と前記測定対象物から放射された赤外線が遮光されてこの赤外線を検出しない第２の感熱素子とを有する赤外線センサ本体と、
   前記第１の感熱素子および前記第２の感熱素子からの電気信号を入力可能であると共に前記赤外線センサ本体の温度を制御可能なセンサ温度制御部とを備え、
   前記センサ温度制御部が、少なくとも前記第１の感熱素子からの電気信号に基づいて前記測定対象物の温度を求めると共に、前記第２の感熱素子からの電気信号に基づいて前記赤外線センサ本体の温度を制御し、
   前記センサ温度制御部が、前記第１の感熱素子および前記第２の感熱素子からの電気信号に基づいて求めた前記測定対象物の温度が前記第２の感熱素子からの電気信号に基づいて求めた前記赤外線センサ本体の温度以上の場合に、前記赤外線センサ本体を冷却して温度を低くし、前記測定対象物の温度が前記赤外線センサ本体の温度未満の場合に、前記赤外線センサ本体を加熱して温度を高くすることを特徴とする赤外線センサ装置。
2. 請求項１に記載の赤外線センサ装置において、
   前記赤外線センサ本体が、絶縁性フィルムと、
   該絶縁性フィルムの一方の面に互いに離間させて設けられた第１の感熱素子及び第２の感熱素子と、
   前記絶縁性フィルムの一方の面に形成され前記第１の感熱素子に接続された導電性の第１の配線膜及び前記第２の感熱素子に接続された導電性の第２の配線膜と、
   前記第２の感熱素子に対向して前記絶縁性フィルムの他方の面に設けられた赤外線反射膜とを備えていることを特徴とする赤外線センサ装置。
3. 請求項２のいずれか一項に記載の赤外線センサ装置において、
   前記第１の配線膜が、前記第１の感熱素子の周囲にまで配されて前記第２の配線膜より大きな面積で形成されていることを特徴とする赤外線センサ装置。
4. 請求項１又は２に記載の赤外線センサ装置において、
   前記センサ温度制御部が、前記赤外線センサ本体に取り付けられたペルチェ素子と、
   該ペルチェ素子および前記赤外線センサ本体に電気的に接続されて前記ペルチェ素子を制御する制御回路部とを備えていることを特徴とする赤外線センサ装置。