JPWO2015182066A1 - 温度センサおよび、それを用いた装置、および温度測定方法 - Google Patents

Abstract

温度センサは、第１の赤外線測定手段と、第２の赤外線測定手段と、演算部とを備える。第１の赤外線測定手段は、物体から放射された赤外線を測定し、第１の電圧を出力する。第２の赤外線測定手段は、物体の周辺から放射された赤外線を測定し、第２の電圧を出力する。演算部は、第１の電圧により、物体の出力温度を算出し、第２の電圧により、物体の周辺温度を算出し、周辺温度により出力温度を補正することにより、物体の温度を算出する。

Description

本開示は、物体の温度を測定する温度センサおよび、それを用いた装置、および温度測定方法に関する。

食品などの物体の温度を測定する温度センサとして、赤外線センサが調理装置等に用いられている。

特許文献１の赤外線センサ信号の補正方法は、第１補正工程と、第２補正工程とを有している。第１補正工程は、環境温度に基づいたオフセット補正量Ａを加算又は減算する工程を有している。第２補正工程は、第１補正工程の後に行われ、環境温度に基づいた補正係数Ｂを乗算する工程を有している。

測定対象物から放射される赤外線が、赤外線センサ部に到達すると、赤外線エネルギー量に対応した赤外線センサ信号Ｓ_ＩＲが電圧値として出力される。

第１補正工程において、赤外線センサ信号Ｓ_ＩＲに対して環境温度より求まるオフセット補正量Ａを加算又は減算することにより、第１補正信号が得られる。ここで、オフセット補正量Ａとは、赤外線センサ装置の赤外線センサ部の種類と環境温度の関数により定まる補正量である。オフセット補正量Ａは、環境温度の３次及び／又は２次の項を含む関数で表される。

オフセット補正量Ａは、例えば、一定温度の測定対象物を、環境温度が異なる複数の条件下で測定する。そして、そのときの赤外線センサ信号から、横軸に環境温度、縦軸に赤外線センサ信号をプロッティングすることにより、環境温度の関数として得られる。すなわち、各環境温度におけるオフセット補正量Ａが定まる。

次に、第２補正工程として、第１補正信号に環境温度より求まる補正係数Ｂを乗算すると、環境温度に対して略一定の第２補正信号が得られる。ここで、補正係数Ｂは、単位を持たない係数であり、第１補正信号に対してオフセット補正量Ａが加算又は減算された後の信号に対して乗算される。

上記のように２段階の補正をすることにより、環境温度に基づいた補正を行うことが開示されている。

また、特許文献２の温度センサは、赤外線センサと、サーミスタと、演算部を備えている。赤外線センサは、サーモパイルにより構成され熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。サーミスタは、赤外線センサの温度を測定する。演算部は、ＩＣ素子で構成されており、赤外線センサとサーミスタの出力電圧に基づいて測定対象である物体の温度を演算する。この赤外線センサでは、サーミスタによって赤外線センサの温度を測定し、サーミスタの出力電圧に基づいて赤外線センサの出力電圧を補正している。

特開２０１２−７８１６０号公報 特開２０１２−１３５１７号公報

本開示の温度センサは、第１の赤外線測定手段と、第２の赤外線測定手段と、演算部とを備える。第１の赤外線測定手段は、物体から放射された赤外線を測定し、第１の電圧を出力する。第２の赤外線測定手段は、物体の周辺から放射された赤外線を測定し、第２の電圧を出力する。演算部は、第１の電圧により、物体の出力温度を算出し、第２の電圧により、物体の周辺温度を算出し、周辺温度により出力温度を補正することにより、物体の温度を算出する。

また、本開示の装置は、上記温度センサに加えて、演算部からの補正信号に応じて動作する動作部を備える。

また、本開示の温度測定方法は、物体から放射された赤外線を測定し、第１の電圧を出力し、
物体の周辺から放射された赤外線を測定し、第２の電圧を出力し、
第１の電圧により、物体の出力温度を算出し、
第２の電圧により、物体の周辺温度を算出し、
周辺温度により出力温度を補正することにより、物体の温度を算出する。

図１は、本実施の形態による温度センサの断面図である。 図２は、本実施の形態によるパッケージ蓋をはずした状態での温度センサの斜視図である。 図３は、本実施の形態による開口部からみたパッケージ蓋の斜視図である。 図４は、本実施の形態による温度センサを有する装置の断面図である。 図５は、本実施の形態による赤外線センサの要部上面図である。 図６は、本実施の形態による赤外線センサの要部上面図である。 図７は、図６の線７−７における断面図である。 図８は、本実施の形態による赤外線センサの等価回路図である。 図９は、本実施の形態による温度センサを有する装置のブロック図である。 図１０は、本実施の形態による温度センサの検知領域を示す図である。 図１１は、本実施の形態による温度センサの補正に用いられるガウシアンフィルタを示す図である。 図１２は、本実施の形態による温度センサの補正に用いられる二次微分フィルタを示す図である。 図１３は、本実施の形態による温度センサの実験結果を示す図である。

従来の温度センサでは、補正の方法が複雑である。また、高次の関数を用いるため、演算処理が複雑となり、処理時間がかかる。そのため、高性能な演算回路が必要となる。さらに、物体の周辺温度の影響を十分に反映するのが困難である。

（実施の形態）
以下に、本実施の形態の温度センサについて、図面を用いながら説明する。

図１は、本実施の形態による温度センサ１の断面図である。図２は、本実施の形態によるパッケージ蓋２５をはずした状態での温度センサ１の斜視図である。図３は、本実施の形態による開口部からみたパッケージ蓋２５の斜視図である。図４は、本実施の形態による温度センサ１を有する装置５の断面図である。図５は、本実施の形態による赤外線センサ２の要部上面図である。図６は、本実施の形態による赤外線センサ２の要部上面図である。図７は、図６の線７−７における断面図である。図８は、本実施の形態による赤外線センサ２の等価回路図である。図９は、本実施の形態による温度センサ１を有する装置５のブロック図である。なお、構成をわかりやすくするために、図５、図６において、層間絶縁膜４４と、パッシベーション膜４６は省略している。

本開示の温度センサ１は、第１の赤外線測定手段と、第２の赤外線測定手段と、演算部７とを備える。第１の赤外線測定手段は、物体６から放射された赤外線を測定し、第１の電圧（出力電圧）を出力する。第２の赤外線測定手段は、物体６の周辺から放射された赤外線を測定し、第２の電圧（出力電圧）を出力する。演算部７は、第１の電圧により、物体６の出力温度Ｔ_ｏｕｔを算出し、第２の電圧により、物体６の周辺温度Ｔ_ａｍｂを算出し、周辺温度Ｔ_ａｍｂにより出力温度Ｔ_ｏｕｔを補正することにより、物体６の温度Ｔ_ｏｂｊを算出する。

なお、本実施の形態では、第１の赤外線測定手段と、第２の赤外線測定手段を、赤外線センサ２により兼用している。しかし、第１の赤外線測定手段と、第２の赤外線測定手段を、別々の赤外線センサを用いて構成してもよい。

以下、温度センサ１について詳細に説明する。温度センサ１は、赤外線センサ２（赤外線測定手段）と、演算部７とを有している。演算部７は、ＩＣ素子３を有している。赤外線センサ２と演算部７は、パッケージ４に収納されている。温度センサ１は、装置５に取り付けられている（図４参照）。赤外線センサ２は、物体６の温度を測定し、出力信号を出力する。演算部７は、赤外線センサ２からの出力信号を補正し、装置５に設置されている動作部８に補正信号を送信する。動作部８は、演算部７からの補正信号に応じて、装置５を動作させる。なお、本実施の形態では、温度センサ１の検知領域７０（図１０参照）と、測定対象の物体６の温度センサ１に対向する面を正方形としている。そして、図４において、検知される測定対象の物体６の面積Ｓ１の一辺を辺Ｐ１とし、温度センサ１の検知領域７０に対応する面積Ｓ２の一辺を辺Ｐ２としている。

図１に示すように、パッケージ４は、パッケージ本体２４と、パッケージ蓋２５とを有している。パッケージ本体２４は、絶縁材料からなる基体３０と、電磁シールド層３２とを有している。基体３０に、赤外線センサ２と、演算部７とが横並びで実装されている。パッケージ蓋２５と、パッケージ本体２４とは、赤外線センサ２と演算部７を囲むように気密に接合されている。

パッケージ蓋２５は、メタルキャップ２６と、赤外線透過部材２８とで構成されている。メタルキャップ２６は、パッケージ本体２４の表面に設置されている。メタルキャップ２６の赤外線センサ２に対応する箇所には、開口部２７が形成されている。赤外線透過部材２８は、開口部２７を閉塞し、且つ、赤外線を透過する。赤外線センサ２の上方に赤外線透過部材２８が配置されている。赤外線透過部材２８はレンズで構成されている。赤外線透過部材２８は、赤外線センサ２へ赤外線を収束する。なお、本実施の形態において、赤外線透過部材２８としてレンズを用いているが、赤外線透過部材２８はレンズに限らず、例えば、平板状の物質でも良い。

赤外線センサ２は、画素部１３（非接触赤外線検知素子）と、配線部（図示せず）と、端子部（図示せず）とを有している。画素部１３は、熱型赤外線検出部１１と、画素切替え部４０とを有している。熱型赤外線検出部１１には、熱電変換部である感温部１０が埋設されている。感温部１０は、サーモパイルにより構成されており、測定対象である物体から放射された赤外線による熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。画素切替え部４０は、ＭＯＳトランジスタ１２で構成されており、感温部１０の出力電圧を取り出すために用いられる。

画素部１３は、半導体基板１４上に、ａ行ｂ列の１次元状あるいは２次元状に配置されている。

なお、図８に示すように、本実施の形態では、画素部１３が８行８列（ａ＝８、ｂ＝８）で構成されている例を説明している。しかし、画素部１３は、８行８列に限らず、ａ行ｂ列（ａ≧１、ｂ≧１）であればよい。すなわち、画素部１３は一つでもよい。

また、赤外線センサ２は、基体３０に固定せずに、移動可能であってもよい。特に、画素部１３が一つである場合（ａ＝１、ｂ＝１）など、画素部１３の数が少ない場合には、赤外線センサ２を固定せずに往復移動等の動作をさせるのが好ましい。こうすることにより、赤外線センサ２を固定した場合に比べて赤外線センサ２で検知できる面積を広くできる。このように、画素部１３の数が少ない場合でも、赤外線センサ２を動かすことによって、本実施の形態の効果が得られる。

熱型赤外線検出部１１は、支持部３４と、検出部３６とを有している。支持部３４は、第１の薄膜構造部１６と、赤外線吸収部１７と、層間絶縁膜４４と、パッシベーション膜４６とが積層されて構成されている。第１の薄膜構造部１６は、シリコン酸化膜で形成されている。赤外線吸収部１７は、シリコン窒化膜で形成されている。支持部３４は、半導体基板１４の上で、且つ、空洞部１５の周辺に形成されている。

検出部３６は、第１の薄膜構造部１６と、赤外線吸収部１７と、感温部１０（あるいは赤外線吸収層５０）と、層間絶縁膜４４、とパッシベーション膜４６とが積層されて構成されている。検出部３６は、半導体基板１４の上方に形成されている。検出部３６と半導体基板１４との間には空洞部１５が形成されている。すなわち、検出部３６の直下には、空洞部１５が形成されている。赤外線吸収部１７において、赤外線が吸収される。赤外線吸収層５０を形成することにより、第１の薄膜構造部１６の反りが抑制される。第１の薄膜構造部１６は、複数の線状のスリット１９により、複数の第２の薄膜構造部１８に分離されている。第２の薄膜構造部１８は、空洞部１５の上部に配置されている。隣接する第２の薄膜構造部１８同士は連結片３８により連結されている（図５参照）。

ＭＯＳトランジスタ１２は、半導体基板１４の表面に形成された第１導電形のウェル領域（図示せず）内で、第２導電形のソース領域（図示せず）と第２導電形のドレイン領域（図示せず）とが離間して形成されている。本実施の形態では、ウェル領域がチャネル形成用領域（図示せず）を構成している。図８の等価回路図では、感温部１０を抵抗の図記号で表してある。

赤外線センサ２は、各列の８個（ｂ個）の画素部１３の感温部１０の一端がＭＯＳトランジスタ１２のソース領域―ドレイン領域を介して接続された８本（ｂ本）の第１の配線２０を備えている。

また、赤外線センサ２は、各ＭＯＳトランジスタ１２のゲート電極とソース電極との間に過電圧が印加されるのを防止するために、第２の配線２１のそれぞれにカソードが接続された複数のツェナダイオード２９を備えている。

ツェナダイオード２９は、第１拡散領域にアノード電極（図示せず）が形成され、第２拡散領域に２つのカソード電極（図示せず）が形成されている。ツェナダイオード２９のアノード電極は、第５のパッドＶｚｄと電気的に接続されている。ツェナダイオード２９の一方のカソード電極が、１つの第２の配線２１を介して第２の配線２１に接続されたＭＯＳトランジスタ１２のゲート電極と電気的に接続されている。ツェナダイオード２９の他方のカソード電極が、第２の配線２１に接続された第２のパッドＶｓｅｌ１〜Ｖｓｅｌ８の１つと電気的に接続されている。

また、赤外線センサ２は、半導体基板１４が接続された基板バイアス用の第６のパッドＶｓｕを備えている。

また、赤外線センサ２は、８本（ａ本）の第２の配線２１と、８本（ｂ本）の第３の配線２２と、８本（ｂ本）の第４の配線２３とを備えている。８本の第２の配線２１は、各行毎に形成されている。８本の第３の配線２２には、各行のＭＯＳトランジスタ１２のウェル領域が接続されている。８本の第４の配線２３には、各列の８個の感温部１０の他端が接続されている。

赤外線センサ２は、８個（ｂ個）の第１のパッドＶ_ｏｕｔ１〜Ｖ_ｏｕｔ８と、８個（ａ個）の第２のパッドＶ_ｓｅｌ１〜Ｖ_ｓｅｌ８と、第３のパッドＶ_ｃｈと、第４のパッドＶ_{ｒｅｆｉｎ}とを備えている。８個の第１のパッドＶ_ｏｕｔ１〜Ｖ_ｏｕｔ８は出力用であり、第１の配線２０がそれぞれ接続されている。８個の第２のパッドＶ_ｓｅｌ１〜Ｖ_ｓｅｌ８は画素部１３選択用であり、第２の配線２１がそれぞれ接続されている。第３のパッドＶ_ｃｈには、第３の配線２２が接続されている。第４のパッドＶ_{ｒｅｆｉｎ}は基準バイアス用であり、第４の配線２３が通接続されている。上記の構成により、赤外線センサ２は、すべての感温部１０の出力電圧を時系列的に読み出せる。すなわち、ＭＯＳトランジスタ１２が、順次、オン状態になるようにそれぞれの画素部１３を選択するための第２のパッドＶ_ｓｅｌ１〜Ｖ_ｓｅｌ８の電位を制御することにより、それぞれの画素部１３の出力電圧が順次読み出される。

演算部７は、赤外線センサ２の出力電圧に基づいて測定対象の物体の温度を演算するＩＣ素子３を有している。

次に温度センサ１を用いた物体温度の算出方法を説明する。

図１０は、本実施の形態による温度センサ１の検知領域７０を示す図である。図１０では、物体６の面積Ｓ１に対応する面積ＳＳ１と、検知領域７０が示されている。検知領域７０内の番号は、赤外線センサ２の各画素部１３に対応している。

なお、本実施の形態における実験では、温度センサ１から２００ｍｍ離れた位置に物体６として１０，０００ｍｍ^２の大きさの黒体炉を設置している。そして、この黒体炉の温度を測定している。

赤外線センサ２から演算部７に出力された出力電圧をＶ_ｏｕｔとし、Ａ、Ｂ、Ｃを係数として以下の（３）式を用いて、出力温度Ｔ_ｏｕｔを算出する。なお、出力電圧から出力温度を導く演算の詳細については、特開２０１２−１３５１７に記載されている。

（３）式を用いて、赤外線センサ２の出力電圧Ｖ_ｏｕｔを、プランクの放射則に従って表され物体６の温度Ｔ_ｏｂｊに依存する赤外線センサ２の吸収エネルギー密度と、ステファン−ボルツマンの法則に従って表され赤外線センサ２の温度に依存する赤外線センサ２の放射エネルギー密度との差分に比例すると仮定して求められた演算式を用いて物体６の温度Ｔ_ｏｂｊを演算する。このことにより、物体６の温度Ｔ_ｏｂｊの検出精度を向上できる。

赤外線センサ２の吸収エネルギー密度と放射エネルギー密度との差分に比例すると仮定して得られる演算式を用いて物体６のＶ_ｏｕｔを演算する。Ｔ_ｏｂｊは、（３）式により、赤外線センサ２の出力電圧Ｖ_ｏｕｔを用いて表される。吸収エネルギー密度は、物体６の温度Ｔ_ｏｂｊに依存するプランクの放射則で表される。放射エネルギー密度は、ステファン−ボルツマンの法則に従って表され、赤外線センサ２の温度に依存する。

赤外線センサ２で検出した温度として出力温度Ｔ_ｏｕｔが算出される。しかし、実際の赤外線センサ２では、図４や図１０に示すように、赤外線センサ２の検知領域７０の面積Ｓ２よりも測定対象の物体６の面積Ｓ１が小さい場合、測定対象の物体６だけではなく物体６の周辺の温度も検出される。このため、赤外線センサ２の出力温度Ｔ_ｏｕｔには、物体６の物体温度Ｔ_ｏｂｊだけではなく、物体６の周辺温度Ｔ_ａｍｂも含まれている。そのため、赤外線センサ２の出力温度Ｔ_ｏｕｔだけで物体６の温度を算出すると、物体６の実際の温度とずれが生じる。そして、このずれの大きさは物体温度Ｔ_ｏｂｊと周辺温度Ｔ_ａｍｂの差が大きいほど大きくなる。本実施の形態では、周辺温度Ｔ_ａｍｂを用いて補正をすることにより、物体６の物体温度Ｔ_ｏｂｊを正確に測定できる。

本実施の形態では、赤外線センサ２は８行８列の画素部１３で構成されており、画素部１３の出力電圧から赤外線センサ２の出力温度Ｔ_ｏｕｔと、物体６の周辺温度Ｔ_ａｍｂを算出している。

図１０に示すように、８行８列の画素部１３の検知領域７０のうち、物体６の大きさが５行３列程度であるとして、出力温度Ｔ_ｏｕｔと周辺温度Ｔ_ａｍｂの算出の方法を以下に説明する。

図１０に示す赤外線センサ２の検知領域７０の四隅、すなわち、検知領域Ａ１、Ａ８、Ａ５７、Ａ６４（以下、周辺温度検知領域Ｆ_ａｍｂとする）で検出される温度を周辺温度Ｔ_ａｍｂとする。そして、検知領域Ａ１、Ａ８、Ａ５７、Ａ６４以外の検知領域（以下、物体温度検知領域Ｆ_ｏｂｊとする）で検出される温度を出力温度Ｔ_ｏｕｔを算出する。

まず、出力温度Ｔ_ｏｕｔの算出の方法について説明する。出力温度Ｔ_ｏｕｔを算出する検知領域の中で、検知領域Ａ４が含まれる列、すなわち、検知領域Ａ４、Ａ１２、Ａ２０、Ａ２８、Ａ３６、Ａ４４、Ａ５２、Ａ６０で構成される列（以下、判定列Ｌとする）の出力電圧を取得する。ここで、判定列Ｌの各画素の出力電圧を比較したときに、判定列Ｌの中央部の出力電圧が両端の出力電圧よりも大きい場合、すなわち、検知領域Ａ２８、Ａ３６の出力電圧が検知領域Ａ４、Ａ６０よりも大きい場合、物体６の温度が物体６の周辺の温度よりも高いと判定する。一方で、判定列Ｌの各画素の出力電圧を比較したときに、判定列Ｌの中央部の出力電圧が両端の出力電圧よりも小さい場合、すなわち、検知領域Ａ２８、Ａ３６の出力電圧が検知領域Ａ４、Ａ６０よりも小さい場合、物体６の温度が周辺の温度よりも低いと判定する。

ここで、判定列Ｌの結果において、中央部の出力電圧が両端の出力電圧よりも大きい場合、物体温度検知領域Ｆ_ｏｂｊのうち、出力電圧が最大である画素の出力電圧から導き出される温度を出力温度Ｔ_ｏｕｔとする。また、判定列Ｌの結果において、中央部の出力電圧が両端の出力電圧よりも小さい場合、物体温度検知領域Ｆ_ｏｂｊのうち、出力電圧が最小である画素の出力電圧から導き出される温度を出力温度Ｔ_ｏｕｔとする。このように出力温度Ｔ_ｏｕｔを算出することにより、物体６の温度が周辺の温度よりも高い場合でも、低い場合でも、出力温度Ｔ_ｏｕｔが決定される。

なお、物体６が物体温度検知領域Ｆ_ｏｂｊの中央ではなく、端の方に置かれており、判定列Ｌの結果では物体６の温度が周辺の温度よりも高いか低いか判定をすることができない場合も考えられる。そのような場合は、例えば、検知領域Ａ２５〜Ａ３２を判定行として判定を行ったり、別の列を第２の判定列Ｌとして、判定すればよい。すなわち、判定列Ｌは検知領域Ａ４、Ａ１２、Ａ２０、Ａ２８、Ａ３６、Ａ４４、Ａ５２、Ａ６０に限られたものではなく、別の行や列を用いてもよい。

また、測定対象の物体６が複数ある場合には、判定する列によって中央部の出力が両端の出力よりも大きい場合と、中央部の出力が両端の出力よりも小さい場合とが混在している場合がある。すなわち、判定列の中で、あるいは、判定列の選び方によって出力の最大値、最小値が複数存在することになる。そのような場合には、検知領域のすべてに対して、以下の手順で複数の物体を分離し、それぞれの物体に対して、物体６の温度を算出すればよい。

まず、検知領域のひとつひとつに対して、ガウシアンフィルタを実行する。これにより検知領域のデータが平滑化される。ガウシアンフィルタの例を図１１に示す。この例では、ある検知領域の値に、図１１のガウシアンフィルタの中の値をそれぞれ乗算し、それら全てを加算したものを、ある検知領域の値とする。

次に、図１２に示す二次微分フィルタを実行する。二次微分フィルタによって、複数の物体の間に存在する温度変曲点を抽出でき、温度変曲点に囲まれた部分を物体として検出できる。

次に、物体６として検出されたものに対して、別々に、温度を算出する。測定対象の物体６が複数ある場合には、以上のようにして、物体６の温度を算出すればよい。

次に、周辺温度Ｔ_ａｍｂの算出の方法について説明する。周辺温度Ｔ_ａｍｂは、周辺温度検知領域Ｆ_ａｍｂの出力電圧を基に算出される。具体的には、周辺温度検知領域Ｆ_ａｍｂの検知領域Ａ１、Ａ８、Ａ５７、Ａ６４の出力電圧のうち、最大値と最小値を除外して残った２つの検知領域の出力電圧の平均値から導き出される温度を周辺温度Ｔ_ａｍｂとして算出する。

このように周辺温度Ｔ_ａｍｂを算出することによって、例えば、周辺温度検知領域Ｆ_ａｍｂの一部の画素で物体６の温度を検知していても、周辺温度Ｔ_ａｍｂを正確に検知できる。

なお、画素部１３の外周をすべて周辺温度の検知領域として用いてもよい。ただし、その場合は、物体温度検知領域Ｆ_ｏｂｊが狭くなる。本実施の形態では、一つの赤外線センサ２を用いて、出力温度Ｔ_ｏｕｔと、周辺温度Ｔ_ａｍｂとを求めている。しかし、二つの赤外線センサを用いて出力温度Ｔ_ｏｕｔと、周辺温度Ｔ_ａｍｂとを別々に測定してもよい。すなわち、第１の赤外線センサ（第１の赤外線測定手段）で出力温度Ｔ_ｏｕｔを算出し、第２の赤外線センサ（第２の赤外線測定手段）で周辺温度Ｔ_ａｍｂを算出してもよい。この場合、第２の赤外線センサは、物体６の温度を検出しない方向（例えば天井や壁など）に向けて設置すればよい。また、周辺温度Ｔ_ａｍｂを測定するために、サーミスタなどを用いてもよい。

また、本実施の形態では周辺温度Ｔ_ａｍｂの算出方法として、周辺温度検知領域Ｆ_ａｍｂの出力電圧のうち最大値と最小値を除外し、残りの２つの検知領域の出力電圧を平均して周辺温度Ｔ_ａｍｂを算出している。しかし、これに限らず、例えば、周辺温度検知領域Ｆ_ａｍｂのすべての出力電圧の平均値から周辺温度Ｔ_ａｍｂを算出しても良い。

また、本実施の形態では、画素部１３が８行８列の２次元状に配置された例を示している。しかし、画素部１３は、１次元状に配置されていてもよい。すなわち、画素部１３は、ａ行ｂ列において、ａ＝１またはｂ＝１でもよい。画素部１３が、１次元状に配置されている場合、両端の画素部に対応する検知領域で検出される温度を周辺温度Ｔ_ａｍｂとすればよい。そして、両端の画素部以外の画素部に対応する検知領域で検出される温度を出力温度Ｔ_ｏｕｔとすればよい。

以上のようにして求めた出力温度Ｔ_ｏｕｔと物体温度Ｔ_ｏｂｊとの関係を図１３に示す。図１３では、本実験で用いた１０，０００ｍｍ^２の物体６の大きさを中として、物体の大きさを大、中、小と変更した結果を示している。出力温度Ｔ_ｏｕｔは、（３）式より算出される。また、本実験では物体６は、黒体炉であるので、出力温度Ｔ_ｏｕｔは既知である。図１３からあきらかなように、出力温度Ｔ_ｏｕｔは、（４）式のように物体温度Ｔ_ｏｂｊの１次式として表される。

ここで、図１３より、物体の大きさが変わると、傾きｄと切片ｅも変わることがわかる。傾きｄは、物体６の１辺の長さＡ、物体６の面積Ａ^２、定数ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３を用いて、（５）式のようにＡの２次式で表せる。

同様に、切片ｅは、定数ｅ_１、ｅ_２、ｅ_３を用いて、（６）式のように、大きさＡの２次式で表せる。

（５）式、（６）式のように傾きｄと切片ｅを表した場合、Ｔ_ｏｕｔを１次式とみなすことができているため、係数ｅ_１、ｅ_２、ｅ_３は（７）式、（８）式、（９）式で表されるように定数ｅ_１１、ｅ_１２、ｅ_２１、ｅ_２２、ｅ_３１、ｅ_３２を用いて周辺温度Ｔ_ａｍｂの一次式で表すことができる。

（５）式〜（９）式を（４）式に代入することにより、（２）式が得られる。すなわち、出力温度Ｔ_ｏｕｔを物体６の面積Ａ^２、物体６の１辺の長さＡ、周辺温度Ｔ_ａｍｂ、定数ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３、ｅ_１１、ｅ_１２、ｅ_２１、ｅ_２２、ｅ_３１、ｅ_３２を用いて補正することにより、物体温度Ｔ_ｏｂｊを（２）式のように表すことができる。

ここで、定数ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３、ｅ_１１、ｅ_１２、ｅ_２１、ｅ_２２、ｅ_３１、ｅ_３２を実験的に求めた結果の一例を表１に示す。

表１に示すように、定数ｄ_１、ｄ_２は定数ｄ_３に比べて１／１００以下であり、定数ｅ_１１、ｅ_１２、ｅ_２１、ｅ_２２は定数ｅ_３２に比べて１／１００以下である。そのため、物体温度Ｔ_ｏｂｊは、定数ｄ_１、ｄ_２、ｅ_１１、ｅ_１２、ｅ_２１、ｅ_２２を省略し、（１）式のように表される。すなわち、出力温度Ｔ_ｏｕｔを補正することにより、物体温度Ｔ_ｏｂｊは（１）式で表せる。

このように、実験的に求められる定数ｄ_３、ｅ_３１、ｅ_３２と周辺温度Ｔ_ａｍｂを用いて出力温度Ｔ_ｏｕｔを補正することにより、簡易な演算で精度良く物体温度Ｔ_ｏｂｊを算出できる。

以上のように、定数ｄ_１、ｄ_２、ｅ_１１、ｅ_１２、ｅ_２１、ｅ_２２を省略することにより、（１）式のように簡易な補正で精度良く物体温度Ｔ_ｏｂｊを算出できる。ただし、（２）式を用いて物体温度Ｔ_ｏｂｊを算出しても良い。（２）式を用いると、演算が複雑になるが、物体６の１辺の長さＡと面積Ａ^２を用いて物体温度Ｔ_ｏｂｊを算出できる。そのため、より精度良く物体温度Ｔ_ｏｂｊが測定できる。物体６の大きさを測定する方法として、例えば、温度センサ１による物体温度検知領域Ｆ_ｏｂｊの各画素部の出力電圧から、物体６の大きさを算出する方法が考えられる。また、温度センサ１とは別に物体６の大きさを測定する別のセンサを設けても良い。上記のように、物体６の大きさを測定するための物体サイズ取得手段を設けてもよい。

また、温度センサ１の使用条件から物体の大きさがある程度わかっている場合、物体サイズ取得手段として温度センサ１の使用条件における物体６の平均の大きさを予め演算部７に記録しておき、平均の大きさを用いて物体温度Ｔ_ｏｂｊを演算してもよい。このようにすることで、物体の大きさを測定する手段を設けなくても、（１）式を用いて物体温度Ｔ_ｏｂｊを演算したときよりも、精度良く物体温度Ｔ_ｏｂｊを測定できる。

なお、本実施の形態における（２）式による演算は、２５３Ｋ（−２０℃）以上、３７３Ｋ（１００℃）以下の範囲内であれば、演算値と実験値とがよく一致し、０．９９以上の相関係数が得られる。

なお、本実施の形態において、物体温度Ｔ_ｏｂｊの演算を行う演算部７が温度センサ１に設けられている。しかし、これに限らず、例えば、演算部７を温度センサ１に設けず、別の構成にしてもよい。例えば、温度センサ１の測定結果に基づいて動作する電子レンジ等の装置のマイコン等に演算部７を設けても良い。

上記構成により本開示は、低次の関数を用いて物体の温度を演算できる。そのため、効率的に、かつ、精度よく物体の温度を測定できる。

本開示の温度センサは測定対象の物体の周辺温度と、さらには物体の大きさとを用いて補正をすることにより、精度よく物体温度を測定できる。そのため、電子レンジ等の物体の温度を測定し、物体を加熱する調理装置等において特に有用である。

１ 温度センサ
２ 赤外線センサ
３ ＩＣ素子
４ パッケージ
５ 装置
６ 物体
７ 演算部
８ 動作部
１０ 感温部
１１ 熱型赤外線検出部
１２ ＭＯＳトランジスタ
１３ 画素部
１４ 半導体基板
１５ 空洞部
１６ 第１の薄膜構造部
１７ 赤外線吸収部
１８ 第２の薄膜構造部
１９ スリット
２０ 第１の配線
２１ 第２の配線
２２ 第３の配線
２３ 第４の配線
２４ パッケージ本体
２５ パッケージ蓋
２６ メタルキャップ
２７ 開口部
２８ 赤外線透過部材
２９ ツェナダイオード
３０ 基体
３２ 電磁シールド層
３４ 支持部
３６ 検出部
３８ 連結片
４０ 画素切替え部
４４ 層間絶縁膜
４６ パッシベーション膜
５０ 赤外線吸収層
７０，Ａ１〜Ａ６４ 検知領域

検出部３６は、第１の薄膜構造部１６と、赤外線吸収部１７と、感温部１０（あるいは赤外線吸収層５０）と、層間絶縁膜４４と、パッシベーション膜４６とが積層されて構成されている。検出部３６は、半導体基板１４の上方に形成されている。検出部３６と半導体基板１４との間には空洞部１５が形成されている。すなわち、検出部３６の直下には、空洞部１５が形成されている。赤外線吸収部１７において、赤外線が吸収される。赤外線吸収層５０を形成することにより、第１の薄膜構造部１６の反りが抑制される。第１の薄膜構造部１６は、複数の線状のスリット１９により、複数の第２の薄膜構造部１８に分離されている。第２の薄膜構造部１８は、空洞部１５の上部に配置されている。隣接する第２の薄膜構造部１８同士は連結片３８により連結されている（図５参照）。

赤外線センサ２は、８個（ｂ個）の第１のパッドＶ_ｏｕｔ１〜Ｖ_ｏｕｔ８と、８個（ａ個）の第２のパッドＶ_ｓｅｌ１〜Ｖ_ｓｅｌ８と、第３のパッドＶ_ｃｈと、第４のパッドＶ_{ｒｅｆｉｎ}とを備えている。８個の第１のパッドＶ_ｏｕｔ１〜Ｖ_ｏｕｔ８は出力用であり、第１の配線２０がそれぞれ接続されている。８個の第２のパッドＶ_ｓｅｌ１〜Ｖ_ｓｅｌ８は画素部１３選択用であり、第２の配線２１がそれぞれ接続されている。第３のパッドＶ_ｃｈには、第３の配線２２が接続されている。第４のパッドＶ_{ｒｅｆｉｎ}は基準バイアス用であり、第４の配線２３が通電接続されている。上記の構成により、赤外線センサ２は、すべての感温部１０の出力電圧を時系列的に読み出せる。すなわち、ＭＯＳトランジスタ１２が、順次、オン状態になるようにそれぞれの画素部１３を選択するための第２のパッドＶ_ｓｅｌ１〜Ｖ_ｓｅｌ８の電位を制御することにより、それぞれの画素部１３の出力電圧が順次読み出される。

（３）式および赤外線センサ２の出力電圧Ｖ_ｏｕｔ が、プランクの放射則に従って表され物体６の温度Ｔ_ｏｂｊに依存する赤外線センサ２の吸収エネルギー密度と、ステファン−ボルツマンの法則に従って表され赤外線センサ２の温度に依存する赤外線センサ２の放射エネルギー密度との差分に比例すると仮定して求められた演算式を用いて、物体６の温度Ｔ_ｏｂｊを演算する。このことにより、物体６の温度Ｔ_ｏｂｊの検出精度を向上できる。

図１０に示す赤外線センサ２の検知領域７０の四隅、すなわち、検知領域Ａ１、Ａ８、Ａ５７、Ａ６４（以下、周辺温度検知領域Ｆ_ａｍｂとする）で検出される温度を周辺温度Ｔ_ａｍｂとする。そして、検知領域Ａ１、Ａ８、Ａ５７、Ａ６４以外の検知領域（以下、物体温度検知領域Ｆ_ｏｂｊとする）で検出される温度、すなわち出力温度Ｔ_ｏｕｔを算出する。

Claims (17)

1. 物体から放射された赤外線を測定し、第１の電圧を出力する第１の赤外線測定手段と、
   前記物体の周辺から放射された赤外線を測定し、第２の電圧を出力する第２の赤外線測定手段と、
   前記第１の電圧により、前記物体の出力温度を算出し、前記第２の電圧により、前記物体の周辺温度を算出し、前記周辺温度により前記出力温度を補正することにより、前記物体の温度を算出する演算部と、
   を備える
   温度センサ。
2. 前記第１の赤外線測定手段と、前記第２の赤外線測定手段は、一つの赤外線センサにより構成されている
   請求項１に記載の温度センサ。
3. 前記赤外線センサは、２次元状に配置された複数の画素部を有しており、
   前記第２の電圧は、前記複数の画素部のうち、四隅の画素部の電圧から算出され、
   前記第１の電圧は、前記複数の画素部のうち、前記四隅の画素部を除いた他の画素部の電圧から算出される
   請求項２に記載の温度センサ。
4. 前記赤外線センサは、１次元状に配置された複数の画素部を有しており、
   前記第２の電圧は、前記複数の画素部のうち、両端の画素部の電圧から算出され、
   前記第１の電圧は、前記複数の画素部のうち、前記両端の画素部を除いた他の画素部の電圧から算出される
   請求項２に記載の温度センサ。
5. 前記演算部は、前記周辺温度に加えて、前記物体の大きさにより前記出力温度を補正する
   請求項１に記載の温度センサ。
6. 前記物体の大きさを測定するための物体サイズ取得手段をさらに備える
   請求項５に記載の温度センサ。
7. 前記演算部は、（１）式より前記物体の前記温度を算出する
   

   

   ここで、Ｔ_ｏｂｊは、前記物体の前記温度であり、
   Ｔ_ｏｕｔは、前記物体の前記出力温度であり、
   Ｔ_ａｍｂは、前記物体の周辺温度であり、
   ｅ_３１、ｅ_３２、ｄ_３は係数である
   請求項１に記載の温度センサ。
8. 前記演算部は、（２）式より前記物体の前記温度を算出する
   

   

   ここで、Ｔ_ｏｂｊは、前記物体の前記温度であり、
   Ｔ_ｏｕｔは、前記物体の前記出力温度であり、
   Ｔ_ａｍｂは、前記物体の周辺温度であり、
   Ａは、前記物体の１辺の長さであり、
   Ａ^２は、前記物体の面積であり、
   ｅ_１１、ｅ_１２、ｅ_２１、ｅ_２２、ｅ_３１、ｅ_３２、ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３は係数である
   請求項１に記載の温度センサ。
9. 物体から放射された赤外線を測定し、第１の電圧を出力する第１の赤外線測定手段と、
   前記物体の周辺から放射された赤外線を測定し、第２の電圧を出力する第２の赤外線測定手段と、
   前記第１の電圧により、前記物体の出力温度を算出し、前記第２の電圧により、前記物体の周辺温度を算出し、前記周辺温度により前記出力温度を補正することにより、前記物体の温度を算出し、補正信号として出力する演算部と、
   前記演算部からの前記補正信号に応じて動作する動作部と、
   を備える
   装置。
10. 物体から放射された赤外線を測定し、第１の電圧を出力し、
    前記物体の周辺から放射された赤外線を測定し、第２の電圧を出力し、
    前記第１の電圧により、前記物体の出力温度を算出し、
    前記第２の電圧により、前記物体の周辺温度を算出し、
    前記周辺温度により前記出力温度を補正することにより、前記物体の温度を算出する
    温度測定方法。
11. 前記第１の電圧と前記第２の電圧は、赤外線センサにより出力される
    請求項１０に記載の温度測定方法。
12. 前記赤外線センサは、２次元状に配置された複数の画素部を有しており、
    前記第２の電圧は、前記複数の画素部のうち、四隅の画素部の電圧から算出され、
    前記第１の電圧は、前記複数の画素部のうち、前記四隅の画素部を除いた他の画素部の電圧から算出される
    請求項１１に記載の温度測定方法。
13. 前記赤外線センサは、１次元状に配置された複数の画素部を有しており、
    前記第２の電圧は、前記複数の画素部のうち、両端の画素部の電圧から算出され、
    前記第１の電圧は、前記複数の画素部のうち、前記両端の画素部を除いた他の画素部の電圧から算出される
    請求項１１に記載の温度測定方法。
14. 前記周辺温度に加えて、前記物体の大きさにより前記出力温度を補正する
    請求項１０に記載の温度測定方法。
15. 前記物体の大きさを測定するためのステップをさらに備える
    請求項１４に記載の温度測定方法。
16. 前記物体の前記温度は（１）式より算出される
    

    

    ここで、Ｔ_ｏｂｊは、前記物体の前記温度であり、
    Ｔ_ｏｕｔは、前記物体の前記出力温度であり、
    Ｔ_ａｍｂは、前記物体の周辺温度であり、
    ｅ_３１、ｅ_３２、ｄ_３は係数である
    請求項１０に記載の温度測定方法。
17. 前記物体の前記温度は、（２）式より算出される
    

    

    ここで、Ｔ_ｏｂｊは、前記物体の前記温度であり、
    Ｔ_ｏｕｔは、前記物体の前記出力温度であり、
    Ｔ_ａｍｂは、前記物体の周辺温度であり、
    Ａは、前記物体の１辺の長さであり、
    Ａ^２は、前記物体の面積であり、
    ｅ_１１、ｅ_１２、ｅ_２１、ｅ_２２、ｅ_３１、ｅ_３２、ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３は係数である
    請求項１０に記載の温度測定方法。

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