JP6562254B2

JP6562254B2 - 温度検出装置及び温度検出方法

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Publication number: JP6562254B2
Application number: JP2015169893A
Authority: JP
Inventors: 菱沼　邦之; 邦之菱沼; 夏樹羽柴; 政範田中; 河西　宏之; 宏之河西
Original assignee: Seiko NPC Corp
Current assignee: Seiko NPC Corp
Priority date: 2015-08-29
Filing date: 2015-08-29
Publication date: 2019-08-21
Anticipated expiration: 2035-08-29
Also published as: JP2017044676A

Description

本発明は、パッケージ化された赤外線センサによって対象物温度を測定する装置であって、特に、高精度な検出温度を得ることが出来る温度検出装置及び温度検出方法に関するものである。

従来から赤外線センサを用いて測定対象物の温度を検出する温度検出装置（温度センサ）が知られている。このような温度センサは、例えば、赤外線センサと赤外線センサの温度を測定するサーミスタとを備え、温度換算補正を行うようにしている。
熱輻射により黒体から放出される電磁波のエネルギーと温度の関係は、Ｅ＝σＴ⁴・・・（２）で表される。（２）式によると、熱輻射により黒体から放出される電磁波のエネルギーは、絶対温度の４乗に比例する（シュテファン＝ボルツマンの法則）。Ｅは出力エネルギー、Ｔは絶対温度、σはシュテファン＝ボルツマン定数である。

前記温度換算補正は、一般的に（３）式に従って行う。
Ｖout＝Ｋ×（Ｔbb⁴−Ｔth⁴）−Ｒ・・・（３）
Ｖoutは、赤外線センサの出力電圧値、Ｔbbは、測定対象物の温度、Ｔthは、赤外線センサチップの温度、Ｋは、温度を電圧値に換算する係数、Ｒはオフセット量である。なお係数Ｋは、例えば、黒体温度をそれぞれ、３５℃、４０℃設定し、赤外線センサ自体のセンサ温度（サーミスタで測定した温度）を３０℃に設定して、黒体のそれぞれのエネルギー量を測定することにより求められた値である。
しかし、このような温度検出装置では、（３）式に係る測定対象物のエネルギー量に関する係数と、赤外線センサのエネルギー量に関する係数とが同一であるため、温度センサ自体の温度変化の要素に対して、温度補正の精度は良好でなかった。即ち、係数Ｋを求めるときに設定したセンサ温度３０℃、４０℃付近において、（３）式に示す温度補正式を用いて温度補正を行った場合には、測定対象物の温度誤差は小さい。しかし、このセンサ温度３０℃、４０℃とは異なった温度で温度補正を行った場合には、測定対象物の温度誤差が±１０℃程度になってしまうことがある。また、パッケージ内部の温度分布が不均一の場合、センサ温度が変動すると、温度検出精度が低下してしまう。

参考文献１に開示された温度検出装置は、このような問題に鑑みてなされたものであって、赤外線センサは、測定対象物から放射された赤外線を検知して、測定対象物の温度Ｔbbに対応する電圧Ｖoを示す信号を出力する。サーミスタは、赤外線センサのセンサ温度Ｔthを検出し、検出した温度Ｔthに対応する電圧Ｖthを示す信号を出力する。温度演算部は、増幅されて、デジタル信号に変換された信号に基づいて、測定対象物の温度Ｔbbを示す信号を出力する。
温度換算補正に用いられる係数として、温度Ｔbbを電圧値に換算するための係数（ａ）と、温度Ｔthを電圧値に換算するための係数（ｂ）とは、異なった値に設定され、温度演算部は、これらの係数を独立、分離させた演算式に従い、測定対象物の温度Ｔbbを取得する。即ち、この温度検出装置では、温度換算補正を行う校正式として、以下の（４）式を用いる。

Ｖout＝ａ×Ｔbb⁴＋ｂ×Ｔth⁴＋ｃ・・・（４）
Ｖoutは、赤外線センサの出力電圧値、Ｔbbは、測定対象物の温度、Ｔthは、赤外線センサチップの温度、ａは、対象物温度を電圧値に換算する係数、ｂは、赤外線センサの温度を電圧値に換算する係数、ｃは、オフセット量である。なお係数ａ、ｂは、例えば、黒体温度をそれぞれ、３５℃、４０℃に設定し、赤外線センサ自体のセンサ温度（サーミスタで測定した温度）を３０℃に設定して、黒体のそれぞれのエネルギー量を測定することにより求められた値である。
このような異なる値に設定された係数ａ、ｂを用いて温度換算補正を行って、測定対象物の温度Ｔbbを取得する。係数ａ、ｂをそれぞれ、測定対象物、赤外線センサに対応した値に設定することにより、精度良く測定対象物の温度Ｔbbを取得することができる。
図２は、特許文献１に開示された温度検出方法をしめしており、キャビティ型の黒体炉１と赤外線センサ（ＩＲセンサ）２を示している。平面黒体炉を用いることも可能である。

２００７−１９８７４５号公報

従来、赤外線センサの温度補正において、一般に、Ｅ＝σＴ⁴で表わせる赤外線エネルギーの関係から温度換算するための係数を求めるために、異なる二つの温度に設定した黒体炉によるセンサ出力計測を行っていた。しかしながら、自分自身（センサパッケージ)の温度が変化した時に、レンズ等を用いたエネルギーの視野が限定された光学系では、キャップ(パッケージ)からの影響に左右され易く、高精度な温度測定が出来なかった。高精度な測定を目指すためには、異なる二つの温度に設定した黒体炉によるセンサ出力計測を行うだけではなく、センサパッケージの温度も変更させての測定が必要であるという問題があった。
本発明は、このような事情によりなされたもので、測定対象物の温度を精度良く取得することが可能であり、センサパッケージ自身からの影響を織り込んだ温度校正を行うことが可能な温度検出装置及び温度検出方法を提供する。

本発明の温度検出装置の一態様は、赤外線検知素子が形成されたセンサチップが金属キャップ及び窓部を有するパッケージに収納され、且つ前記パッケージの前記窓部を介して前記センサチップが測定対象物を検知し出力電圧を生成する赤外線センサと、前記センサチップの温度を検出する前記パッケージ内に収納された温度センサ素子と、前記赤外線センサの出力電圧をＶout、前記測定対象物の温度をＴbb、前記測定対象物を検知したときの前記温度センサ素子の検出温度をＴth、前記測定対象物の温度を電圧に換算する係数をａ、前記温度センサ素子が前記測定対象物から受ける放射エネルギーの影響を前記検出温度Ｔthに基づいて電圧に換算する係数をｂ、前記温度センサ素子が前記パッケージから受ける放射エネルギーの影響を前記検出温度Ｔthに基づいて電圧に換算する係数をｄ、前記出力電圧のオフセット量をｃとしたとき、
数式；Ｖout＝ａ×Ｔbb^４＋ｂ×Ｔth^４＋ｄ×Ｔth＋ｃ・・・（１）
に基づいて前記測定対象物の温度Ｔbbを演算する温度演算部と、を有する温度検出装置であって、前記温度演算部は、対象物の温度測定時以前の温度換算補正時に、前記係数ａ、ｂ、ｄ及び前記オフセット量ｃを算出し、前記係数ａ、ｂ、ｄ及び前記オフセット量ｃは、空洞黒体内に前記赤外線センサを配置した上で、前記空洞黒体を少なくとも３つの異なる温度状態に設定したときのそれぞれの状態での前記赤外線センサの出力電圧及び前記温度センサ素子の検出温度を測定し、これらの測定結果を用いて前記数式における前記係数ａとｂの和、前記係数ｄ、前記オフセット量ｃを求め、前記空洞黒体外において、所定温度に制御された測定対象物を検知したときの前記赤外線センサの出力電圧及び前記温度センサ素子の検出温度を測定し、その測定結果と先に求めた前記係数ａとｂの和、前記係数ｄ及び前記オフセット量ｃを用いて前記係数ａ及び前記係数ｂの各々を求めることにより得られた値である。

前記空洞黒体内では前記測定対象物の温度と前記温度センサ素子の検出温度が同一であるとみなし、前記数式におけるＴbbとして前記温度センサ素子の検出温度の値を用いることにより、前記係数ａとｂの和、前記係数ｄ、前記オフセット量ｃを求めても良い。

本発明の温度検出方法の一態様は、空洞黒体内に前記赤外線センサを配置する第１のステップと、前記空洞黒体を少なくとも３つの異なる温度状態に設定したときのそれぞれの状態での前記赤外線センサの出力電圧及び前記温度センサ素子の検出温度を測定する第２のステップと、前記第２のステップにより得られた結果を用いて前記数式における前記係数ａとｂの和、前記係数ｄ、前記オフセット量ｃを求める第３のステップと、前記空洞黒体外において、所定温度に制御された測定対象物を検知したときの前記赤外線センサの出力電圧及び前記温度センサ素子の温度を測定する第４のステップと、前記第４のステップにより得られた結果と第３のステップにより得られた前記係数ａとｂの和、前記係数ｄ及び前記オフセット量ｃの各値を用いて前記数式における前記係数ａ及び前記係数ｂの各々を求める第５のステップとを有し、前記第１乃至第５のステップにより得られた前記係数ａ、ｂ、ｄの値及び前記オフセット量ｃを代入した前記数式を測定対象物温度の演算数式であって、前記温度検出方法は、対象物の温度測定時以前の温度換算補正時に、前記係数ａ、ｂ、ｄ及び前記オフセット量ｃを算出し、前記係数ａ、ｂ、ｄ及び前記オフセット量ｃは、対象物の温度測定時以前の温度換算補正時に、空洞黒体内に前記赤外線センサを配置した上で、前記空洞黒体を少なくとも３つの異なる温度状態に設定したときのそれぞれの状態での前記赤外線センサの出力電圧及び前記温度センサ素子の検出温度を測定し、これらの測定結果を用いて前記数式における前記係数ａとｂの和、前記係数ｄ、前記オフセット量ｃを求め、前記空洞黒体外において、所定温度に制御された測定対象物を検知したときの前記赤外線センサの出力電圧及び前記温度センサ素子の検出温度を測定し、その測定結果と先に求めた前記係数ａとｂの和、前記係数ｄ及び前記オフセット量ｃを用いて前記係数ａ及び前記係数ｂの各々を求めることにより得られた値である。

本来、空洞黒体（暗箱状態）では、赤外線センサのチップ単体（パッケージのない状態）での測定と、パッケージ化された状態での測定（赤外線センサの出力電圧）とは一致するのが望ましいが、そのような状態にはならない。本発明の温度検出装置及び温度検出方法では、両者のズレが、自分自身（パッケージ)からの影響であり、このズレを、赤外線センサ出力電圧の温度換算補正時に織り込むことにより対象物温度の高精度な取得が可能となる。

実施例１に係る温度検出装置及び温度検出方法を説明する斜視図。従来の温度検出装置及び方法を説明する工程断面図。

本発明は、測定対象物の温度を精度良く取得することが可能であり、金属キャップなどによるパッケージ化された赤外線センサにおいて、赤外線検知素子（センサチップ）を収納するパッケージ自身からの影響を織り込んだ温度換算補正を行う温度検出装置及び温度検出方法を提供するものである。
以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。

図１を参照して実施例１を説明する。図１は、空洞黒体３とその内部に配置された赤外線センサ２とを示している。空洞黒体３は、従来図の図２に示す黒体炉１と機能的には同じであって、この実施例では赤外線センサを内部への配置を可能とし、その状態で温度（赤外線）を検知することを特徴とする。そして、この実施例では、空洞黒体３を必要に応じて暗箱或いは暗箱状態とも表現する。
実施例１に係る温度検出装置は、測定対象物から放射された赤外線を検知して、測定対象物の温度Ｔbbに対応する電圧Ｖoutを示す信号を出力する赤外線検知素子と、前記赤外線検知素子の温度を測定し、その温度（温度センサ素子の検出温度Ｔth）に対応する電圧信号を出力する温度センサ素子（サーミスタ）をパッケージ化した赤外線センサ２と、前記赤外線センサ２の出力端子に接続された温度演算部（図示せず）とを備えている。前記温度演算部は、赤外線センサ２の出力電圧に基づいて、測定対象物の温度Ｔbbを示す信号を演算して出力する。

赤外線センサ２は、赤外線検知素子（センサチップ）と温度センサ素子が金属キャップ及び窓部を有するパッケージに収納されたものであり、且つ前記パッケージの前記窓部を介して前記赤外線検知素子が測定対象物の温度Ｔbbを検知し出力電圧Ｖoutを出力する。前記温度センサ素子は、前記赤外線検知素子が形成されたセンサチップ上に形成する形態でも可能である。
前記温度演算部は、赤外線センサ２の出力電圧をＶout、前記測定対象物の温度をＴbb、前記測定対象物を検知したときの前記温度センサ素子の検出温度をＴth、前記測定対象物の温度を電圧に換算する係数をａ、前記温度センサ素子が前記測定対象物から受ける放射エネルギーの影響を前記検出温度Ｔthに基づいて電圧に換算する係数をｂ、前記温度センサ素子が前記パッケージから受ける放射エネルギーの影響を前記検出温度Ｔthに基づいて電圧に換算する係数をｄ、前記出力電圧のオフセット量をｃとしたとき、
数式；Ｖout＝ａ×Ｔbb^４＋ｂ×Ｔth^４＋ｄ×Ｔth＋ｃ・・・（１）
に基づいて前記測定対象物の温度Ｔbbを演算する。温度演算部は、これらの係数を独立、分離させた演算式に従い、測定対象物の温度Ｔbbを取得する。なお、前述の「前記パッケージから受ける放射エネルギーの影響」とは、パッケージの形態により異なるが、主に、金属キャップ、レンズなどの窓材、インナー、パッケージ内の空気、ボンディングワイヤ（センサチップとパッケージ端子との接続）、パッケージ内での乱反射等からの影響を意図したものである。

次に、温度検出装置を用いた温度検出方法を説明する。
数式（１）の各係数の取得は、空洞黒体３内に前記赤外線センサ２を配置する第１のステップと、空洞黒体３を少なくとも３つの異なる温度状態に設定したときのそれぞれの状態での赤外線センサ２の出力電圧Ｖout及び前記温度センサ素子の検出温度Ｔthを測定する第２のステップと、前記第２のステップにより得られた結果を用いて数式（１）における係数ａとｂの和、係数ｄ、前記オフセット量ｃを求める第３のステップと、前記空洞黒体外において、所定温度に制御された測定対象物を検知したときの赤外線センサ２の出力電圧Ｖout及び前記温度センサ素子の温度Ｔthを測定する第４のステップと、前記第４のステップにより得られた結果と第３のステップにより得られた係数ａとｂの和、係数ｄ及びオフセット量ｃの各値を用いて数式（１）における係数ａ及び係数ｂの各々を求める第５のステップとを有する。ここで、第１乃至第５のステップにより得られた係数ａ、ｂ、ｄの値及びオフセット量ｃを代入した数式（１）を測定対象物温度の演算数式とするものである。

次に、前記ステップに基づいて係数ａ、ｂ、ｃ、ｄを求める詳細な工程を説明する。
空洞黒体３を暗箱状態で温度制御すると、「対象物温度Ｔbb」と「温度センサ素子の検出温度Ｔth」は全て同じ温度と見なすことができ、それらを「自身温度Ｔth」と表す。
まず、一般式として、赤外線センサの出力電圧Ｖoutは、
Ｖout＝ａ×対象物温度^４＋ｂ×温度センサ素子の検出温度^４＋ｄ×温度センサ素子の検出温度＋ｃ
・・・（５）となり、空洞黒体（暗箱状態）の中に赤外線センサ２を設置して測定した場合には、赤外線センサの出力電圧Ｖoutは、以下のように表わせる。
Ｖout＝ａ×自身温度^４＋ｂ×自身温度^４＋ｄ×自身温度＋ｃ・・・（６）
したがって、
Ｖout＝（ａ＋ｂ）×自身温度^４＋ｄ×自身温度＋ｃ・・・（７）となり、これらの式から係数ａ、ｂ、ｃ、ｄを求める。
尚、自身温度は、センサチップ自身の温度であり、「温度センサ素子の検出温度Ｔth」を適用して演算を行う。

まず、空洞黒体の温度を３回変えて、出力電圧を測定すると、数式（７）から３つの未知数（ａ＋ｂ）、ｄ、ｃが演算できる。
即ち、暗箱状態での測定を、例えば、５℃、２５℃、４５℃で行い、その測定値をそれぞれＡ1、Ａ2、Ａ3とする。これらの測定値に対応する温度センサ素子の検出温度Ｔth（自身温度）の測定値は、それぞれＴ1、Ｔ2、Ｔ3である。これら測定値を数式（７）にあてはめれば数式（８）、（９）、
（１０）が得られる。（第２のステップ）
Ａ1＝（ａ＋ｂ）Ｔ1⁴＋ｄＴ1＋ｃ・・・（８）
Ａ2＝（ａ＋ｂ）Ｔ2⁴＋ｄＴ2＋ｃ・・（９）
Ａ3＝（ａ＋ｂ）Ｔ3⁴＋ｄＴ3＋ｃ・・・（１０）
数式（８）−（１０）は、３つの変数（ａ＋ｂ）、ｄ、ｃを解く連立３元一次方程式であり、この方程式から上記未知数（ａ＋ｂ）、ｄ、ｃが得られる。（第３のステップ）

ここで、ｂ＝（ａ＋ｂ）−ａであるからこの関係を数式（５）に代入すると、
Ｖout＝ａ×(対象物温度)^４＋（（ａ＋ｂ）−ａ）×(温度センサ素子の検出温度)^４＋ｄ×(温度センサ素子の検出温度)＋ｃ・・・（１１）
となる。
次に、空洞黒体の外に赤外線センサ２を配置し、対象物温度を所定温度に制御して、赤外線センサ２の出力電圧及び前記温度センサ素子の温度を測定する。（第４のステップ）
数式（１１）に対象物温度、センサ温度等を挿入すると、Ｖout、対象物温度、（ａ＋ｂ）、センサ温度、ｃ、ｄは、既知数であるから、数式（１１）から未知数の係数ａが求められる。そして、ａ＋ｂが既知数であるから、ここから係数ｂを求めることができる。これにより、係数ａ、ｂ、ｃ、ｄが既知となった状態で以下の式を使用出来る。（第５のステップ）

以上の演算により、係数ａ、ｂ、ｃ、ｄが既知となる。そして対象物の温度測定時には、赤外線センサ２の出力電圧Ｖout及び前記温度センサ素子の検出温度Ｔthが測定されるので、以下の数式（１）を用いて対象物温度Ｔbbを求めることが可能になる。
Ｖout＝ａ×(対象物温度Ｔbb)^４＋ｂ×(温度センサ素子の検出温度Ｔth)^４＋ｄ×(温度センサ素子の検出温度Ｔth)＋ｃ・・（１）
以上、本来、空洞黒体（暗箱状態）では、赤外線センサのチップ単体（パッケージのない状態）での測定と、パッケージ化された状態での測定（赤外線センサの出力電圧）とは一致するのが望ましいが、そのような状態にはならない。実施例１では、両者のズレが、自分自身（パッケージ)からの影響であり、このズレを、赤外線センサ出力電圧の温度換算補正時に織り込むことにより対象物温度の高精度な取得が可能となる。

本発明は、センサチップが赤外線検知素子のみで構成される場合に限らず、赤外線検知素子の検知信号から出力信号を生成する回路素子（セレクタ、アンプ、ＡＤコンバータ等）が一体的に形成された形態も含まれる。その場合、測定対象物を検知したときの温度センサ素子の検出温度Ｔthは、前記回路素子の動作に起因するセンサチップの発熱（温度上昇分）も含まれた値になる。そして、本発明の数式（１）における係数ｂ、ｄは、発熱分も含まれた検出温度Ｔthに基づいて計算され、設定されるので、実質的に数式（１）はセンサチップの発熱も考慮した数式となり、本発明では対象物温度の高精度な取得が可能となる。

１・・・黒体炉
２・・・赤外線センサ（ＩＲセンサ）
３・・・空洞黒体（暗箱、暗箱状態）

Claims

赤外線検知素子が形成されたセンサチップが金属キャップ及び窓部を有するパッケージに収納され、且つ前記パッケージの前記窓部を介して前記センサチップが測定対象物を検知し出力電圧を生成する赤外線センサと、
前記センサチップの温度を検出する前記パッケージ内に収納された温度センサ素子と、
前記赤外線センサの出力電圧をＶout、前記測定対象物の温度をＴbb、前記測定対象物を検知したときの前記温度センサ素子の検出温度をＴth、前記測定対象物の温度を電圧に換算する係数をａ、前記温度センサ素子が前記測定対象物から受ける放射エネルギーの影響を前記検出温度Ｔthに基づいて電圧に換算する係数をｂ、前記温度センサ素子が前記パッケージから受ける放射エネルギーの影響を前記検出温度Ｔthに基づいて電圧に換算する係数をｄ、前記出力電圧のオフセット量をｃとしたとき、
数式；Ｖout＝ａ×Ｔbb^４＋ｂ×Ｔth^４＋ｄ×Ｔth＋ｃ・・・（１）に基づいて前記測定対象物の温度Ｔbbを演算する温度演算部と、
を有する温度検出装置であって、
前記温度演算部は、対象物の温度測定時以前の温度換算補正時に、前記係数ａ、ｂ、ｄ及び前記オフセット量ｃを算出し、
前記係数ａ、ｂ、ｄ及び前記オフセット量ｃは、空洞黒体内に前記赤外線センサを配置した上で、前記空洞黒体を少なくとも３つの異なる温度状態に設定したときのそれぞれの状態での前記赤外線センサの出力電圧及び前記温度センサ素子の検出温度を測定し、これらの測定結果を用いて前記数式における前記係数ａとｂの和、前記係数ｄ、前記オフセット量ｃを求め、前記空洞黒体外において、所定温度に制御された測定対象物を検知したときの前記赤外線センサの出力電圧及び前記温度センサ素子の検出温度を測定し、その測定結果と先に求めた前記係数ａとｂの和、前記係数ｄ及び前記オフセット量ｃを用いて前記係数ａ及び前記係数ｂの各々を求めることにより得られた値である、
温度検出装置。
前記空洞黒体内では前記測定対象物の温度と前記温度センサ素子の検出温度が同一であるとみなし、前記数式におけるＴbbとして前記温度センサ素子の検出温度の値を用いることにより、前記係数ａとｂの和、前記係数ｄ、前記オフセット量ｃを求める、
請求項１に記載の温度検出装置。
空洞黒体内に前記赤外線センサを配置する第１のステップと、
前記空洞黒体を少なくとも３つの異なる温度状態に設定したときのそれぞれの状態での前記赤外線センサの出力電圧及び前記温度センサ素子の検出温度を測定する第２のステップと、
前記第２のステップにより得られた結果を用いて前記数式における前記係数ａとｂの和、前記係数ｄ、前記オフセット量ｃを求める第３のステップと、所定温度に制御された測定対象物を検知したときの前記赤外線センサの出力電圧及び前記温度センサ素子の温度を測定する第４のステップと、前記第４のステップにより得られた結果と第３のステップにより得られた前記係数ａとｂの和、前記係数ｄ及び前記オフセット量ｃの各値を用いて前記数式における前記係数ａ及び前記係数ｂの各々を求める第５のステップとを有し、前記第１乃至第５のステップにより得られた前記係数ａ、ｂ、ｄの値及び前記オフセット量ｃを代入した前記数式を測定対象物温度の演算数式とする、
請求項１に記載の温度検出装置における温度演算数式を作成する温度検出方法であって、
前記温度検出方法は、対象物の温度測定時以前の温度換算補正時に、前記係数ａ、ｂ、ｄ及び前記オフセット量ｃを算出し、
前記係数ａ、ｂ、ｄ及び前記オフセット量ｃは、対象物の温度測定時以前の温度換算補正時に、空洞黒体内に前記赤外線センサを配置した上で、前記空洞黒体を少なくとも３つの異なる温度状態に設定したときのそれぞれの状態での前記赤外線センサの出力電圧及び前記温度センサ素子の検出温度を測定し、これらの測定結果を用いて前記数式における前記係数ａとｂの和、前記係数ｄ、前記オフセット量ｃを求め、前記空洞黒体外において、所定温度に制御された測定対象物を検知したときの前記赤外線センサの出力電圧及び前記温度センサ素子の検出温度を測定し、その測定結果と先に求めた前記係数ａとｂの和、前記係数ｄ及び前記オフセット量ｃを用いて前記係数ａ及び前記係数ｂの各々を求めることにより得られた値である、
温度検出装置における温度演算数式を作成する温度検出方法。