JPH0666639A - 赤外線温度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 環境温度が大きく急変するような場所で当該
環境温度の影響を受けずに効率良く、適正に温度計測し
得る赤外線温度計を提供する。 【構成】 赤外線検出素子１の温度を測定し当該温度を
補償する温度補償用検出素子２の出力から求めた赤外線
検出素子１の温度変化率を基に赤外線検出素子１の温度
が過渡変化時に生ずる赤外線検出素子１の出力誤差を補
正し、出力補正後の赤外線検出素子１の出力と温度補償
用検出素子２の出力により赤外線検出素子１の補償を行
い、測温対象物温度を求めることにより、環境温度が大
きく急変するような場所で当該環境温度の影響を受けず
に適正に温度計測する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、環境温度が大きく急変
する様な場所で、環境温度の影響を受けず精度良く、簡
易に温度計測を行なうことのできる赤外線温度計に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、測温対象の温度を非接触に検出す
るものとして、赤外線温度計が開発されている。当該赤
外線温度計は、物体がその絶対温度に応じて放出する輻
射エネルギーをレンズ等の光学系で集光して赤外線検出
素子に受け、電気信号に変換して測温対象の温度を検出
している。赤外線検出素子は大きく量子型と熱型に大別
される。量子型は、半導体の光量子効果を利用したもの
で感度、応答性の点で優れているが、素子温度を使用し
ている半導体のキュリー温度以下に冷却する必要があ
り、メンテナンス、価格、ランニング・コスト等の点で
工業的には実用的でない。これに比べ、熱型は測定対象
と検出素子との間の輻射伝熱により生ずる検出素子のわ
ずかな温度変化を物理量変化に変換して赤外線を検出し
ている。したがって、熱型では冷却等は原理的に必要無
く、メンテナンス等の点で優れている。

【０００３】熱型赤外線検出素子のうち、サーモパイル
は、図４、図５に示すように、測定対象が放射する赤外
線エネルギーを赤外線受感部に集光させ、熱吸収で生じ
た赤外線受感部とヒートシンクの働きをするＳｉ基盤と
の間の温度差を熱電対により熱起電力として検出する赤
外線検出素子である。赤外線受感部の金黒は、Ｓｉ基盤
を異方性エッチングして製造した薄い絶縁膜上に形成さ
れ、その周りを取り囲むように熱電材（ＩｎＳｂとＴ
ｅ）を蒸着することで、温接点にあたる金黒と冷接点に
あたるＳｉ基盤の間に熱電対を形成している。赤外線受
感部を膜構造とすることで、温接点の熱容量を小さくし
て応答速度を速め、かつ赤外線受感部（温接点）からＳ
ｉ基盤（冷接点）への熱伝導を抑えて感度を向上させて
いる。 しかし、測温対象と検出素子間の輻射伝熱を利
用しているため、温度計として測定対象温度の絶対値を
求める場合、検出素子の温度を補償する必要がある。

【０００４】これを原理的に式によって示すと以下のよ
うになる。測温対象と赤外線受感部間の輻射伝熱および
赤外線受感部（温接点の金黒）から冷接点のＳｉ基盤へ
の熱伝導ロスを考慮し、熱的平衡状態に達した時の検出
素子の温度バランスは、ステファン・ボルツマンの法則
から次式で表される。ここで、赤外線温度計を構成する
レンズ系及び赤外線検出素子がほぼ等しい温度と仮定
し、サーモパイル内の気体との伝導および対流による熱
ロスは無視し、金黒のふく射率は１としている。 Ｑ＝σ・ε_W・κ_R・Ｔ_W ⁴−σ・κ_R・Ｔ_f ⁴＝ｋ（Ｔ_f−Ｔ_S）
・・・（１）

【０００５】ここで、 Ｑ：入射赤外線エネルギ σ：ステファン・ボルツマン定数 ε_W：測定対象の輻射率 κ_R：実験的に求める輻射伝熱係数 Ｔ_W：測定対象の絶対温度［Ｋ］ Ｔ_f：赤外線検出素子の赤外線受感部の絶対温度［Ｋ］ ｋ：温接点と冷接点間の熱コンダクタンス サーモパイルの出力は温接点にあたる赤外線受感部と冷
接点にあたるＳi基盤との温度差から生ずる熱起電力で
次式で表される。 Ｅ_S＝α（Ｔ_f−Ｔ_S） ・・・・ （２） ここで、Ｅ_S：赤外線検出素子の出力 α：サーモパイルを構成する熱電材のゼーベック係数
Ｔ_f：赤外線検出素子の赤外線受感部の絶対温度［Ｋ］
Ｔ_S：赤外線検出素子内の冷接点にあたるＳi基盤の絶
対温度［Ｋ］＝ｔ_S＋273.15 ここで、ｔ_S：Ｓi基盤温
度［℃］式（１），（２）より、測温対象温度は、次式
で表される。

【０００６】

【数１】

【０００７】したがって、測温対象の温度の絶対値を求
めるためには、赤外線検出素子の温度Ｔｆを補償する必
要がある。このため、検出素子近くに、サーミスタや白
金抵抗体を設置したり、検出素子のパッケージ内のＳｉ
基盤近くに、基盤温度を測定し補償を行うための冷接点
温度補償用ダイオードを設けたりしている。環境温度が
変化する条件で赤外線温度計を使用する場合、環境温度
の変化に伴い赤外線温度計の温度も変化し、赤外線検出
素子内の冷接点にあたる基盤の温度も変化するため赤外
線検出素子出力は変化する。この環境温度変化に伴う冷
接点温度のドリフトの影響については、冷接点に直列に
つないだニッケル抵抗と定電流供給装置から成る温度補
償回路により、冷接点温度の変化に伴う出力変動を補う
赤外線温度計（特開昭55-37917）や冷接点部にペルチエ
効果を利用した熱電素子を接合し、冷接点近傍に設けた
温度補償用ダイオードの出力信号により熱電素子の冷却
面温度を任意の温度に制御する非接触式温度検出装置
（特開昭60-133329号）がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来の赤外線温度計
（特開昭55-37917号）は、環境温度の変化に伴う、赤外
線検出素子（サーモパイル）の冷接点温度の変化により
発生する出力変動を、冷接点に直列につないだニッケル
抵抗体と定電流供給装置から成る温度補償回路で補正し
ている。これは、ニッケル抵抗体の温度による抵抗変化
分を定電流供給装置により電圧変化に変え、出力補正を
行うもので、冷接点温度の変化の速度としては、０.２
℃／分程度のゆっくりとした温度変化しか補正出来な
い。また、この程度のゆっくりした温度変化ならば、環
境温度と測温対象温度の設定を変えて、環境温度と赤外
線温度計（赤外線検出素子）の温度変化が等しくなった
状態、いわゆる定常状態での検定から式（３）の実験定
数を求め、赤外線検出素子の温度を測定して式（３）を
使用することで十分赤外線検出素子温度は補償すること
ができる。

【０００９】しかし、急激に温度が変化する（検出素子
温度変化率：２℃／分）場合、通常の赤外線検出素子の
温度を測定する補正では解決できない誤差を生ずる。図
６は、温度補償用検出素子（Ｓｉ）基盤近くに設けた冷
接点温度補償用ダイオード）により赤外線検出素子温度
を測定し、冷接点温度補償を行う赤外線温度計と測温対
象の均熱板を恒温槽内に入れ、均熱板温度をほぼ３５℃
一定にして、恒温槽内の環境温度を６０℃から２５℃ま
で約２５分で変えた時の赤外線温度計出力を表してい
る。赤外線温度計の出力は、検出素子温度の急変により
大きく測温対象温度からズレ、赤外線検出素子温度が環
境温度と等しくなると再び測温対象温度に一致してお
り、赤外線検出素子温度の急変する場合には、単純な定
常状態で行った検定による冷接点温度の補償では誤差を
生じ、補償しきれないことがわかる。したがって、従来
の温度補償方法では、赤外線検出素子の温度が環境温度
と等しくなってから使用する（事実上、環境温度の変化
する条件では使用できない）か、外線検出素子温度が急
変しないよう、断熱材や真空断熱構造のような複雑な断
熱機構を使用して断熱する必要があり、赤外線温度計を
簡素化し小型化することが出来ない欠点があった。

【００１０】また、ペルチエ効果を利用した熱電素子と
冷接点近傍に設けた温度補償用ダイオードの出力信号に
より熱電素子の冷却面温度を任意の温度に制御する非接
触式温度検出装置（特開昭60-133329号）では、熱電素
子により冷接点温度を制御することで、冷接点と温接点
の温度差を取り温度検出能力を増大するとしているが、
この温度計の構成では、熱電素子の放熱側に当たる冷却
フィンが温度計ハウジング（パッケージも兼ねている）
の一部を構成し、パッケージに熱が伝わる構造になって
いる。

【００１１】赤外線は、絶対零度でない限り全ての物体
からその絶対温度に応じて放射されている。サーモパイ
ルの温接点と冷接点の温度差は、わずかなため冷接点と
サーモパイルのパッケージおよび光学系の温度が等しい
場合、パッケージや光学系からの赤外線は相殺されて、
ほとんど影響されない。しかし、パッケージ温度とサー
モパイルの冷接点温度に差があるとハウジング（パッケ
ージ）内面から放射される赤外線の影響を受けることに
なる。常温付近の比較的温度の低い対象物の温度を計測
する場合、この影響は無視できなくなる。したがって、
実際に温度計として使用するには、パッケージおよび光
学系（鏡筒）を含めサーモパイルと輻射伝熱を行う温度
計の構成部が同じ温度になるよう熱電素子で制御する必
要がある。環境温度の急変する負荷の大きな所で使用す
る場合、この方法では熱電素子を有効に作用させるた
め、放熱を十分行う必要性があり、自然対流による放熱
からファン等による強制対流や水冷による放熱に切り替
えることになり、装置自体が大がかりになり実用的でな
い。また、このような制御方法でも目標温度に到達する
までに、赤外線検出素子に急激な温度変化を起こした場
合には、やはり従来の温度補償では誤差を生じ、補償し
きれないという実用上解決すべき欠点があった。

【００１２】

【発明の目的】本発明は、前記従来技術の問題点を解消
するもので、環境温度が大きくかつ急激に変化する条件
下でも、常温近辺の測定対象の温度を精度良く測定で
き、かつ取扱が容易でメンテナンスを必要としない赤外
線温度計を提供することを目的とする。

【００１３】

【問題解決のための着眼点】環境温度が急変する時、赤
外線検出素子を使った温度計で計測精度が上がらない
（事実上計測出来ない）理由は、検出素子自身の温度
が急変するため、熱型赤外線検出素子内部の温度バラン
スが崩れることから出力値の変動をきたすため、定常時
に得た検定結果に基づく温度補償で対応できない事、
環境温度急変により光学系を構成する鏡筒と検出素子の
間に温度差が発生し、鏡筒自身から射出される赤外線を
検出素子が感知してしまう事が主要因である。につい
ては構造上、光学系を構成する鏡筒と赤外線検出素子温
度が等しくなる構造とすることで対応できる。本発明
は、に関する対策として、赤外線検出素子温度が急変
する過渡変動時に発生する出力変動量が赤外線検出素子
の温度変化率（単位時間当たりの温度変化量）に比例す
ることに着目し、赤外線検出素子の温度を測定する温度
補償用検出素子の出力から求めた赤外線検出素子の温度
変化率により、赤外線検出素子の出力に出力補正を行う
ことで温度が急変する過渡変動時に発生する出力変動の
影響を排除し、定常温度で行った検定から求めた温度計
の特性式と温度補償用検出素子出力により温度補償を可
能にした点が着眼点である。

【００１４】赤外線温度計は、物体がその絶対温度に応
じて放出する輻射エネルギーをレンズ等の光学系で集光
して赤外線検出素子に受け、電気信号に変換して測温対
象の温度を検出している。赤外線検出素子のうち、熱型
は測定対象と検出素子との間の輻射伝熱により生ずる検
出素子のわずかな温度変化を物理量変化に変換して赤外
線を検出している。このうち、サーモパイルは、測定対
象が放射する赤外線エネルギーを赤外線受感部に集光さ
せ、熱吸収で生じた受感部とヒートシンクの働きをする
Ｓｉ基盤との間の温度差を熱電対により熱起電力として
検出する赤外線検出検出素子である。赤外線受感部の金
黒は、Ｓｉ基盤を異方性エッチングして造った薄い絶縁
膜上に形成され、その周りを取り囲むように熱電材（Ｉ
nＳbとＴe）を蒸着することで、温接点にあたる金黒と
冷接点にあたるＳｉ基盤の間に熱電対を形成している。
赤外線受感部を膜構造とすることで、温接点の熱容量を
小さくして応答速度を速め、かつ赤外線受部（温接点）
からＳｉ基盤（冷接点）への熱伝導を抑えて感度を向上
させている。したがって、冷却等は原理的に必要無く、
メンテナンス等の点で優れている。しかし、測温対象と
検出素子間の輻射伝熱を利用しているため、温度計とし
て測定対象温度の絶対値を求める場合には検出素子の温
度を補償する必要がある。

【００１５】これを原理的に式によって示すと以下のよ
うになる。測温対象と赤外線受感部間の輻射伝熱および
受感部（ 温接点の金黒）から冷接点のＳｉ基盤への熱
伝導ロスを考慮し、熱的平衡状態に達した時の検出素子
の温度バランスは、ステファン・ボルツマンの法則から
次式で表される。ここで、赤外線温度計を構成するレン
ズ系および赤外線検出素子（ サーモパイル）がほぼ等
しい温度と仮定し、サーモパイル内の気体との伝導およ
び対流による熱ロスは無視し、金黒の輻射は１として求
ている。 Ｑ＝σ・ε_W・κ_R・Ｔ_W ⁴−σ・κ_R・Ｔ_f ⁴＝ｋ（Ｔ_f−Ｔ_S）
・・・（１） ここで、 Ｑ：入射赤外線エネルギ σ：ステファン・ボルツマン定数 ε_W：測定対象の輻射率 κ_R：実験的に求める輻射伝熱係数 Ｔ_W：測定対象の絶対温度［Ｋ］ Ｔ_f：サーモパイルの赤外線受感部の絶対温度［Ｋ］ ｋ：温接点と冷接点間の熱コンダクタンス サーモパイルの出力は温接点にあたる赤外線受感部と冷
接点にあたるＳｉ基盤との温度差から生ずる熱起電力の
ため次式で表される。 Ｅ_S＝α（Ｔ_f−Ｔ_S） ・・・・（２） ここで、Ｅ_S：赤外線検出素子の出力 α：サーモパイルを構成する熱電材のゼーベック係数 Ｔ_f：サーモパイルの赤外線受感部の絶対温度［Ｋ］ Ｔ_S：サーモパイル内の冷接点にあたるＳi基盤の絶対温
度［Ｋ］＝ｔ_S＋273.15 ここで、ｔ_S：Ｓi基盤温度
［℃］ 式（１），（２）より、測温対象温度は、次式で表され
る。

【００１６】

【数２】

【００１７】したがって、測温対象の温度の絶対値を求
めるためには、サーモパイルの温度Ｔｓを補償する必要
がある。このため、検出素子近くに、サーミスタや白金
抵抗体を設置したり、サーモパイルのパッケージ内のＳ
ｉ基盤近くに、基盤温度を測定し補償を行うための冷接
点温度補償用ダイオードを設けたりして、サーモパイル
の温度を補償している。環境温度しいてはサーモパイル
自身の温度が急変する場合、サーモパイル内の熱移動は
パッケージを伝わってＳｉ基盤から赤外線受感部へと進
み、温度変化は通常の逆、即ちＳｉ基盤温度が変化した
後、受感部温度が変わる。サーモパイルは、赤外線受感
部を膜構造とすることで、赤外線受感部（温接点）から
Ｓｉ基盤（冷接点）への熱伝導を抑えて感度を向上させ
ている。このため、赤外線受感部とＳｉ基盤の間の熱抵
抗が大きいため、基盤温度が急変した場合、定常状態で
達成される温度バランスに達するのに時間を要し、図７
に示すようなサーモパイル内部温度のレベル変化を起こ
す。一方、温度計の検定は定常状態で行っており、この
温度バランスのズレに相当する温度差が、サーモパイル
温度を急変させた時、生ずる出力誤差として現れるので
ある。

【００１８】サーモパイル温度が急変する時に発生する
出力変動誤差は、赤外線受熱部とＳｉ基盤との間の過渡
温度変化時の温度バランスのズレに相当する温度差であ
る。この温度バランスのズレは、サーモパイル温度の変
化速度に大きく依存する。図８は、環境試験データ（環
境温度変化：Ｔ_air＝６０℃→２５℃／１５分，２５℃
→６０℃／１５分）を基に、赤外線検出素子（サーモパ
イル）温度の変化率とサーモパイルの出力誤差△Ｅ_sと
の関係を調べた結果である。図８の横軸は温度補償用検
出素子（ダイオード）の信号Ｅ_dから求めたサーモパイ
ル温度の変化率 △Ｔ_s／△τ、縦軸はサーモパイル出力
の誤差△Ｅ_sである。サーモパイルの出力誤差△Ｅ_sは、
定常時の検定により求めた特性式 Ｔ_w＝ｆ（Ｅ_s，Ｅ_d）
の逆関数 Ｅ_s＝ｇ（Ｔ_w，Ｅ_d）と環境試験データ（測温
対象温度Ｔ_wとダイオード信号Ｅ_dの実測値）を基に算出
した準定常時にサーモパイルが出力すると推定される出
力Ｅ_s.calと環境試験で測定したサーモパイル出力Ｅ_sと
の差である。温度変化率で整理した出力誤差△Ｅ_sは、
ほぼ一本の直線上に集まり強い相関を示し、サーモパイ
ルの温度変化率に比例した出力誤差を生ずる。したがっ
て、あらかじめ定常時の検定により特性式（式（３）の
係数）を求め、次に、温度計の遭遇する最も急激な温度
変化を想定した環境試験からサーモパイル温度の変化率
と出力誤差△Ｅ_sとの関係を調べておけば、温度変化率
△Ｔ_s／△τからサーモパイル出力の誤差△Ｅ_sを推定
し、サーモパイルの出力を補正することで、サーモパイ
ル温度の過渡変化時の誤差を排除でき、定常時の検定に
より求めた特性式で、赤外線検出素子（サーモパイル）
の温度補償が可能になる。

【００１９】図９，図１０，図１１は、環境温度を６０
℃→２５℃に変える環境温度試験において、環境温度
（恒温槽内温度）の変化時間を１５，４０，６０minに
変えて、従来の定常時の検定により求めた特性式のみで
データ処理した場合とサーモパイルの温度変化率による
出力補正を行った後、検定により求めた特性式で処理し
た場合について測温誤差を比較した結果である。従来の
データ処理方法では、環境温度の変化時間が短いほどサ
ーモパイル温度の変化が激しくなり、測温誤差が大きく
なっている。サーモパイルの温度変化率による出力補正
を行った処理では、環境温度の変化速度に関わらず、測
温誤差を約±０.５℃以下に低減でき、赤外線検出素子
（サーモパイル）温度変化率による補正の有効なことを
実証している。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明の赤外線温度計
は、測温対象物の絶対温度に応じて放出する輻射エネル
ギーを光学系で集光し電気信号に変換して測温対象の温
度を検出する赤外線検出素子と、該赤外線検出素子の温
度を測定し当該温度を補償する温度補償用検出素子と、
当該温度補償用検出素子の出力から求めた赤外線検出素
子の温度変化率（単位時間あたりの温度変化量）を基に
赤外線検出素子温度が過渡変化のする時生ずる赤外線検
出素子の出力誤差を補正し、出力補正後の赤外線検出素
子出力と温度補償用検出素子の出力により検出素子温度
の補償を行って、測温対象物温度を求める演算処理回路
とからなる構成である。

【００２１】

【発明の作用・効果】上記構成からなる本発明の赤外線
温度計は、環境温度が急変し、赤外線温度計ならびに赤
外線検出素子（サーモパイル）の温度もこれにつれて急
変する場合、発生する赤外線検出素子の出力変動誤差
が、赤外線検出素子自身の温度が急変することで、赤外
線検出素子内部の温度バランスが崩れることが原因であ
ることがわかった。即ち、環境温度が急変し当該赤外線
検出素子自身の温度が急変する場合、赤外線検出素子内
の熱移動は検出素子パッケージを伝わってＳｉ基盤から
赤外線受感部へと進み、温度変化は通常の逆、即ちＳｉ
基盤温度が変化した後、受感部温度が変わる。サーモパ
イルは、赤外線受感部を膜構造とすることで、赤外線受
感部（温接点）からＳｉ基盤（冷接点）への熱伝導を抑
えて感度を向上させている。このため、赤外線受感部と
Ｓｉ基盤の間の熱抵抗が大きいため、基盤温度が急変し
た場合、定常状態で達成される温度バランスに達するの
に時間を要し、図７に示すような赤外線検出素子内部温
度のレベル変化を起こす。一方、温度計の検定は定常状
態で行っており、この温度バランスのズレに相当する温
度差が、赤外線検出素子温度を急変させた時生ずる出力
誤差として現れるのである。

【００２２】この赤外線検出素子内部の温度バランスの
崩れは、赤外線検出素子がどれほど急激に温度変化した
かに依存する。図８は、環境試験データ（環境温度変
化：Ｔ_air＝６０℃→２５℃／１５分，２５℃→６０℃
／１５分）を基に、赤外線検出素子温度の変化率と赤外
線検出素子の出力誤差△Ｅ_sとの関係を調べた結果であ
る。図８の横軸は温度補償用検出素子（ダイオード）の
信号Ｅ_dから求めた赤外線検出素子温度の変化率（単位
時間あたりの温度変化量）△Ｔ_s／△τ、縦軸は赤外線
検出素子出力の誤差△Ｅ_sである。赤外線検出素子の出
力誤差△Ｅ_sは、定常時の検定により求めた特性式Ｔ_w＝
ｆ（Ｅ_s，Ｅ_d）の逆関数E_s＝ｇ（Ｔ_w，Ｅ_d）と環境試験
データ（測温対象温度Ｔ_wとダイオード信号Ｅ_dの実測
値）を基に算出した準定常時に赤外線検出素子が出力す
ると推定される赤外線検出素子出力Ｅ_s.calと環境試験
で測定した赤外線検出素子出力Ｅ_sとの差である。温度
変化率で整理した赤外線検出素子の出力誤差△Ｅ_sは、
ほぼ一本の直線上に集まり強い相関を示し、赤外線検出
素子の温度変化率に比例した出力誤差を生ずる。

【００２３】そこで、あらかじめ環境温度と測温対象温
度の設定を変えて、環境温度と赤外線温度計（赤外線検
出素子）の温度が等しくなった定常状態で行った検定に
より温度補償のための特性式（式（３）の係数）を求
め、次に、温度計の遭遇する最も急激な温度変化を想定
した環境試験から赤外線検出素子温度の変化率と赤外線
検出素子の出力誤差△Ｅ_sとの関係を調べておき、温度
補償用検出素子の出力から求めた温度変化率△Ｔ_s／△
τから赤外線検出素子出力の誤差△Ｅ_sを推定し、赤外
線検出素子出力を補正することで、赤外線検出素子温度
の過渡変化時の誤差を排除でき、定常時の検定により求
めた特性式と温度補償用検出素子の出力により赤外線検
出素子の温度補償が可能になる。これにより、これまで
不可能だった環境温度の変化する条件で、室温近くの低
温物体の温度を精度良く計測できる赤外線温度計を提供
できる。また、赤外線検出素子の温度変化をそれほど緩
やかに抑える必要が無くなったため、従来のような大き
な断熱層や複雑な断熱機構が必要なくなり、赤外線温度
計の簡素化および小型化を行うことができ、安価な赤外
線温度計を提供できる。

【００２４】

【実施例】以下に、本発明における赤外線温度計の代表
的な実施例を図面に基づき説明する。本実施例は、図１
乃至図５、図１２に示すように、赤外線温度計を車両乗
員の顔皮膚温測定に供し、この車両乗員の顔皮膚温によ
り車室内温度を制御する車両用空調装置に適用したもの
である。赤外線温度計の検出部１００は、ルームミラー
１０１あるいはダッシュボード部１０２に取り付けら
れ、常に乗員の顔中央付近を測定視野として測温してい
る。図１は赤外線温度計の検出部１００の断面図で、図
２は測温対象温度を算出する演算処理回路２００のブロ
ック図である。検出部１００は、赤外線を検出して電気
的な信号を出力する赤外線検出素子（サーモパイル）１
と当該赤外線検出素子１の温度を測定するための温度補
償用検出素子２と温度計の測定視野を絞り、かつ赤外線
を集光するための赤外線透過レンズ３と赤外線検出素子
１の出力信号を増幅するプリアンプ４とこれらを保持す
るセンサホルダ５とレンズ３の前方に赤外線透過窓６を
有したケース７から構成され、演算処理回路２００はプ
リアンプ回路４で増幅された赤外線検出素子１の信号と
温度補償用検出素子２の信号をデジタル信号に変換する
Ａ／Ｄ変換器８と得られたデジタル信号から測温対象温
度を算出する中央演算装置９とメモリー１０および測温
結果を空調装置に送るインターフェース１１から構成さ
れている。

【００２５】赤外線検出素子１の温度を補償するための
温度補償用検出素子２は、赤外線検出素子１の温度を精
度良く測定するため、センサホルダ５内の赤外線検出素
子１近くに、サーミスタや白金抵抗体を設置したり、赤
外線検出素子１のパッケージ内に、温度補償用ダイオー
ドを設けたりしている。測温対象（乗員の顔）から射出
された赤外線は、レンズ３で集光され赤外線検出素子１
によって電気信号に変換される。この信号は、プリアン
プ回路４で増幅され、赤外線検出素子１の温度を測定す
る温度補償用検出素子２の出力信号と共に処理回路２０
０に送られる。 処理回路２００では、Ａ／Ｄ変換器８
により入力信号をデジタル信号に変換後、中央演算装置
９により演算処理する。演算処理は図３に示すフローチ
ャートに従い以下の順序で行われる。

【００２６】温度補償用検出素子２の出力信号を基に
赤外線検出素子１の温度Ｔ_Sを算出し、メモリー１０に
記憶してある過去（時刻△τ前）の赤外線検出素子１の
温度Ｔ_S（τ−△τ）_Soldと共に赤外線検出素子１の温
度変化率△Ｔ_S／△τ＝Ｔ_S（τ）−Ｔ_S （τ−△τ）
／△τを算出する。 あらかじめ、調べてあった赤外線検出素子１が温度変
化する時発生する出力変動誤差△Ｅ_Sと赤外線検出素子
１の温度変化率△Ｔ_S／△τの関係を基に、赤外線検出
素子１の温度変化率△Ｔ_S／△τから出力変動誤差△Ｅ_S
を推定する。 赤外線検出素子１の出力信号Ｅ_Sから推定した出力変
動誤差△Ｅ_Sを差し引き、過渡温度変化時に発生する誤
差を排除する。 赤外線検出素子１の温度を補償するため、環境温度一
定の定常時の検定により求めた特性式を用い、赤外線検
出素子１の温度Ｔ_Sと補正された赤外線検出素子１の出
力（Ｅ_S−△Ｅ_S）から測温対象の温度Ｔ_Wを算出する。 最後に、次の時刻△τ後のデータ処理に使用するた
め、今回使用した過去の赤外線検出素子１の温度Ｔ
_S（τ−△τ）の代わりに現時刻の赤外線検出素子１の
温度Ｔ_S（τ）をメモリー１０上で記憶しておく。 以上の演算処理により得られた測温対象温度（乗員顔皮
膚温）Ｔ_Wは、各種インターフェース１１（Ｄ／Ａ変換
器もしくはデジタルＩ／Ｏ）を介して車両用空調装置の
コントローラに送られ乗員顔皮膚温に応じて、車室内温
度を制御している。

【００２７】これにより、これまで不可能だった車両環
境のような環境温度の急激に変化する条件で、室温近く
の低温物体の温度（乗員の顔皮膚温）を精度良く計測す
ることができる。また、赤外線検出素子１の温度変化を
それほど緩やかに抑える必要が無いため、従来のような
大きな断熱層や複雑な断熱機構が必要なくなり、赤外線
温度計の簡素化および小型化を行うことができ、安価な
赤外線温度計を提供できる。測温対象温度を算出する演
算処理に使用した特性式は、環境温度と測温対象温度の
設定を変え、環境温度と赤外線温度計の温度が等しくな
った定常時に行った検定により求める。また、赤外線検
出素子１が温度変化する時生ずる出力変動誤差△Ｅ_Sと
赤外線検出素子１の温度変化率△Ｔ_S／△τの関係は、
温度計の遭遇する最も急激な温度変化を想定した環境試
験により、急激に温度変化している時の赤外線検出素子
１の出力信号Ｅ_Sと温度補償用検出素子２の出力信号Ｅ_d
および測温対象に付けた熱電対の出力信号を同時に測定
し、特性式の逆算により、温度補償用検出素子２の出力
信号と測温対象に付けた熱電対の出力信号即ち測温対象
の実測温度Ｔ_Wから赤外線検出素子１の温度が一定の定
常時に赤外線検出素子１が出力すると推定される出力信
号Ｅ_S.calを求め、出力変動誤差△Ｅ_S=Ｅ_S.cal-Ｅ_Sを算
出する。

【００２８】赤外線検出素子１は、図１、図４、図５の
赤外線受感部がレンズ３の光軸上の焦点位置に位置する
ようにセンサホルダ５によって保持されている。レンズ
３の焦点距離ｆは、温度計から測温対象（乗員の顔）ま
での距離Ｌと必要とする測定視野Ｄおよび赤外線受感部
寸法ｄ_Sを基に、Ｄ／Ｌ＝ｄ_S／ｆの距離係数の関係から
決定する。赤外線透過レンズ３およびケース７に付けた
赤外線透過窓６の材質 、測定対象の放射する赤外線の
波長帯から決定され、本発明では乗員顔皮膚温を計測す
るため８〜１１μmの赤外線を透過するＢ_aＦ₂，Ｃ
_aＦ₂，Ｓ_i，Ｇ_e材のいずれかを使用する。Ｓ_i，Ｇ_e材を
使用する場合、反射損失を低減するためレンズ表面に反
射防止コーティングを行う。 また、測定対象に当たっ
た太陽光の乱反射を温度計が感知しなようにするため、
レンズ３、赤外線検出素子１の透過窓あるいはケース先
端に設けた赤外線透過窓６のいずれかに６μm以上の長
波長赤外線のみを通す長波長透過フィルタ（ロングパス
フィルタ）を使用する。レンズ３で集光された赤外線を
赤外線検出素子１まで導く途中のセンサホルダ５の内面
５−１には、高輻射率の塗料が塗布されている。これに
より測定視野以外からレンズ３を通って入射した赤外線
を吸収し、赤外線検出素子１に到達することを防ぎ、射
出絞りの働きをしている。レンズ３と赤外線検出素子１
を保持するセンサホルダ５は、熱伝導率の高い材料（ア
ルミあるいは銅製）で作製してなり、赤外線検出素子１
のパッケージとセンサホルダの間には熱伝導性の高い充
填材（ドータイト）が詰められている。これにより、環
境温度の変化に伴い赤外線温度計の温度が変化する場
合、センサホルダ５と赤外線検出素子１およびレンズ３
の温度が等しく変化し、温度差が生じないため光学系
（レンズ３やセンサホルダ内面５−１）から射出される
赤外線の影響を受けず、誤差を低減できる。

【００２９】赤外線検出素子１の出力信号を増幅するプ
リアンプ回路４には、温度変化に伴うプリアンプ自身の
ドリフト変動の影響を小さくするため、チョッパアンプ
のような低ドリフトタイプのアンプを使用する。センサ
ホルダ５およびプリアンプ回路４は、熱伝導率の小さな
材料（本実施例では、加工性に優れ、熱伝導率の小さな
ポリアセタール系樹脂［熱伝導率λ＝０.２kcal/mh℃］
を使用）を使用したケース７内に一体収納してある。ま
たケース７の先端には透過窓６は、外気がレンズ３に当
たることを防ぎ、レンズ３しいてはセンサホルダ５が局
部的に冷却あるいは加熱され温度分布を生ずることを防
止している。これにより、環境温度が急変し大きな熱負
荷が加えられてもセンサホルダ５およびプリアンプ回路
４の温度差を小さくでき、赤外線検出素子１とセンサホ
ルダ５の温度差を減少させると共に、プリアンプ回路４
の温度ドリフトも小さく抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る赤外線温度計の検出部を
示す断面図。

【図２】本発明の実施例に係る赤外線温度計の演算処理
回路を示す断面図。

【図３】本発明の実施例に係る赤外線温度計の演算処理
のフローチャートを示す線図。

【図４】本発明の実施例に係る赤外線検出素子を示す平
面図。

【図５】本発明の実施例に係る赤外線検出素子を示す断
面図。

【図６】従来の温度補償例に係る温度計の出力を示す線
図。

【図７】温度変化する時の検出素子内部の温度レベル変
化を示す平面図。

【図８】本発明の実施例に係る赤外線温度計の温度変化
率と出と出力誤差の関係示す線図。

【図９】従来の温度補償と温度変化率補正との誤差の比
較を示す線図。

【図１０】従来の温度補償と温度変化率補正との誤差の
比較を示す線図。

【図１１】従来の温度補償と温度変化率補正との誤差の
比較を示す線図。

【図１２】本発明の実施例に係る赤外線温度計の適用例
を示す平面図。

【符号の説明】

１・・・赤外線温度計、２・・・温度補償用検出素子、
３・・・レンズ、４・・・プリアンプ回路、５・・・セ
ンサホルダ、６・・・赤外線透過窓、７・・・ケース

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測温対象物の絶対温度に応じて放出する
   輻射エネルギーを光学系で集光し電気信号に変換して測
   温対象の温度を検出する赤外線検出素子と、該赤外線検
   出素子の温度を測定し当該温度を補償する温度補償用検
   出素子と、当該温度補償用検出素子の出力から求めた赤
   外線検出素子の温度変化率（単位時間あたりの温度変化
   量）を基に赤外線検出素子温度が過渡変化時に生ずる赤
   外線検出素子の出力誤差を補正し、出力補正後の赤外線
   検出素子出力と温度補償用検出素子の出力により前記赤
   外線検出素子における温度の補償を行って測温対象物温
   度を求める演算処理回路とから成ることを特徴とする赤
   外線温度計。