(57)【要約】【課題】従来の製造技術工程から特異する事無く、複数個の赤外線検出素子を設けた複眼式サーモパイル赤外線センサで、クロストーク無く分離独立した温度検出領域を有する安価な非接触型温度検出器を提供する。【解決手段】複数個のサーモパイル素子もしくはチップ上に赤外線吸収膜が複数個配列されたサーモパイルアレイ素子を配置した複眼式サーモパイル赤外線センサを、各々一素子のみ検出する赤外線領域を成す為に、他隣接周辺赤外線受光素子への赤外線入光を遮蔽する機構を勘合させた所望する温度検出領域数分の赤外線透過材を具備した金属ＣＡＮケースで収容し、各サーモパイル素子毎に投影される赤外線検出領域を分離独立させて規定範囲の温度計測が行える構成となっている。  【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線受光素子として対象物体の赤外線放射を検出する複数個のサーモパイル素子もしくはチップ上に赤外線吸収膜が複数個配列されたサーモパイルアレイ素子が、ヘッダー上に配置され、他の隣接配置されたサーモパイル素子への赤外線入光を制限する筒状もしくはリング状赤外線遮蔽機構を勘合した所望する温度検出領域数分の赤外線透過窓を有し、且つ赤外線透過材を具備した金属ＣＡＮケースによって前記サーモパイル素子の冷接点近傍に周囲温度を検出する温度基準素子と共に同一ケーシングを行い、個々のサーモパイル素子毎に独立した赤外線検出領域を投影する非接触温度計測等に用いる複眼式サーモパイル赤外線センサとして構成した事を特徴とする非接触型温度検出器。
【請求項２】
前記筒状もしくはリング状赤外線遮蔽機構並びに金属ＣＡＮケースは、遮蔽機構側並びにＣＡＮケース側に嵌め込み構造として、軸方向位置決め固定用の凹凸状溝を設けて前記各サーモパイル素子へ到達する赤外線入射量容積及び受光面積を規定する事を特徴とする請求項１に記載された非接触型温度検出器。
【請求項３】
前記複眼式サーモパイル赤外線センサの所望する温度検出領域数分の赤外線透過窓を有する金属ＣＡＮケースに、赤外線透過材として平面薄形フィルタを設けてある事を特徴とする請求項１または請求項２に記載された非接触型温度検出器。
【請求項４】
前記複眼式サーモパイル赤外線センサが、温度検出器周辺温度の急激な温度変化に対して赤外線センサ自身の熱容量を増加させ故意的に温度追従性を遅らせるヒートシンクを接触具備して、温度検出性能を向上させる事を特徴とする請求項１から請求項３までの何れか１項に記載された非接触型温度検出器。
【請求項５】
前記温度基準素子がサーミスタで有る事を特徴とする請求項１から請求項４までの何れか１項に記載された非接触型温度検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度制御を目的として非接触で温度計測を行う複眼式非接触型温度検出器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より非接触で温度検出を行う赤外線センサとしては、サーモパイルを用いた温度検出センサモジュールが広く知られている。一般に図６に示す様に複眼式サーモパイル赤外線センサは、赤外線受光部２４となる複数個のサーモパイル素子もしくはチップ上に赤外線吸収膜が複数個配列されたサーモパイルアレイ素子２５と、各サーモパイル素子へ赤外線を入射させる赤外線透過材として例えば片面が平面であり他方面が球面である平凸単レンズ２６を備えた赤外線透過窓を有する金属ＣＡＮケース７と、前記サーモパイル素子２５を配置接続したヘッダー９とを同一ケーシングした構造が主に使用させている。複眼式サーモパイル型温度検出モジュールは、図５に示す様に前記複眼式サーモパイル赤外線センサ２３を前記サーモパイル素子２５の温接点と冷接点間で生じる温度差、すなわち対象物体温度と赤外線センサ自己周囲温度の差によって取り出される信号出力を増幅して出力処理を行う回路部を構成する部品１８ａ、１８ｂを実装した外付け接続用配線基板１９に搭載して、信号処理された出力をコネクタ端子２０により取り出す構成となっており、単眼式サーモパイル赤外線センサを搭載した非接触型温度検出器と同等機能を有するものである。
【０００３】
この様に構成された複眼式サーモパイル赤外線センサモジュールは、非接触型温度検出器として例えば調理器、エアコン等種々の機器に温度計測用に設置搭載され、赤外線入射量等を集光制約させる前記平凸単レンズ２６と赤外線受光用サーモパイル素子２５及び赤外線吸収膜サイズとの光学的最適条件により、用途に応じた所望範囲の温度検出領域を作り得る構造を成している。この集光条件は前記平凸単レンズ２６とサーモパイル素子２５との焦点距離を予め設置可能な高さに設定された金属ＣＡＮケース７を用いる事で達成しており、また平凸単レンズを介して投影される赤外線検出領域を規定する基準方向軸２１は、ＣＡＮケース赤外線入射窓軸とヘッダー外周軸とをＣＡＮケース側及びヘッダー側に設けたＴＡＢ２２を一致させる構造を採用して定めている。以上により、平凸単レンズで投影される所望する赤外線検出領域が形成される。
【０００４】
前記平凸単レンズ２６を光学系とした複眼式サーモパイル赤外線センサ２３を搭載した非接触型温度検出器では、平凸単レンズが単一曲率単一焦点である為各サーモパイル素子２５もしくはチップ上に赤外線吸収膜が複数個配列されたサーモパイルアレイ素子受光部２４の焦点距離を全て一致させる事は困難であり、投影される所望数分の赤外線検出領域の端部はデフォーカスとなってしまい、隣接配置されている他サーモパイル素子の温度検出領域とのクロストークが少なからず発生してしまう事になる。尚、平凸単レンズ使用時は集光点以外のＣＡＮケース赤外線透過窓から入射する赤外線並びにＣＡＮケース内側から発生する熱、換言すれば赤外線二次輻射熱を各サーモパイル素子が受光感知して、設計上の赤外線検出領域以外の熱分布を検出する場合も生じるので、例えば特願２００５−１５７７７５号で記されている様に温度検出領域の規定制約として隣接配置サーモパイル素子部への赤外線入光の遮蔽機構を要した構成を構築して、温度検出領域を規約させる手法がある。
【特許文献１】特願２００４−２４２５５９号
【特許文献２】特願２００５−１５７７７５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
解決しようとする問題点は、クロストークの無い完全に分離独立した複数の温度検出領域を所望する複眼式非接触型温度検出器を構成する場合、平凸単レンズと複数個の赤外線受光素子の組み合わせにて設定される光学系では、上記他隣接素子部への赤外線遮蔽機構を要するだけでなく、クロストーク抑制の為の光学設計の制約条件出し、ＣＡＮケースとサーモパイル素子間の焦点距離設置決め並びに平凸単レンズ設置接合時の傾き制御等の生産性面での課題が多く生ずる点である。
【０００６】
また前記平凸単レンズは、一般的に赤外線透過材として広く使用される平面薄形シリコン材と比べて加工設計性も複雑になり作製面の柔軟対応性に乏しく、加えてコスト面の増大にも繋がるという問題もある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決する為に、対象物体からの赤外線を検出する複数個のサーモパイル素子もしくはチップ上に赤外線吸収膜が複数個配列されたサーモパイルアレイ素子と前記サーモパイル素子の周囲温度を検出するサーミスタを、各サーモパイル素子毎に赤外線受光量を制限する筒状もしくはリング状赤外線遮蔽機構を組み込んだ赤外線透過材（例えば、平面薄形シリコン材）を所望する温度検出領域数分具備した金属ＣＡＮケースによりハーメチックシールを行う事で、複眼式サーモパイル赤外線センサの各サーモパイル素子部への赤外線受光範囲を規定し、クロストーク無く分離独立した温度検出領域を有する複眼式非接触型温度検出器である事を特徴としている。
【０００８】
また前記金属ＣＡＮケース及び内部勘合設置される筒状またはリング状赤外線遮蔽機構は、各々縦方向の一基準軸延長ライン上の箇所に凹凸状嵌め合い構造を設けて軸方向位置合わせを行い、前記各サーモパイル素子部への赤外線入射容積及び受光面積の規定化を図る構造である事を特徴としている。
【０００９】
また前記筒状もしくはリング状赤外線遮蔽機構を非透過性材料にて作製し前記金属ＣＡＮケース内部へ嵌め込み圧入を行う事で、ＣＡＮケース内側から生ずる赤外線反射並びに赤外線二次輻射を抑制し、前記サーモパイル素子の冷接点近傍に配置された自己温度検出基準素子であるサーミスタと共に同一パッケージする事により、外来からの周囲温度変化に対する赤外線検出、すなわち温度検出性能をより安定化させる事を特徴としている。
【００１０】
更に前記複眼式サーモパイル赤外線センサ周辺部にヒートシンクを接触具備させて、設置周囲環境の急激な温度変化の影響をより受けない構造とした温度検出センサモジュールとして構成してもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の非接触型温度検出器によれば、複数個のサーモパイル素子もしくはチップ上に赤外線吸収膜が複数個配列されたサーモパイルアレイ素子を、赤外線入射量を制約する筒状もしくはリング状赤外線遮蔽機構を勘合設置した必要な所望温度検出領域数分の安価な赤外線透過材を具備した金属ＣＡＮケースと共に収容する事により、サーモパイル素子への赤外線受光量を規約して且つ他隣接配置サーモパイル素子部への赤外線入光を遮蔽し、各サーモパイル素子毎にクロストークの無い分離独立した赤外線検出領域を投影する複眼式サーモパイル型赤外線センサモジュールの構成が可能となる。また前記複眼式サーモパイル赤外線センサにおいて、赤外線受光部であるサーモパイル素子と温度感受部であるサーミスタを同一ケーシングした構造にする事、並びに前記筒状もしくはリング状赤外線遮蔽機構に黒色非透過性材料を使用すれば、金属ＣＡＮケース内側の赤外線反射防止処理の一助ともなり、加えて前記金属ＣＡＮケース部から受ける外的影響（設置周囲環境温度変化や赤外線二次輻射熱、外来雑音等）を受けにくくもなる為サーモパイル赤外線センサ自身の赤外線検出性能を安定させ、所望する対象温度検出領域において正確な温度検出を行う事が可能な優れた複眼式非接触型温度検出器を提供できる。
【００１２】
またここで前記金属ＣＡＮケースと筒状もしくはリング状赤外線遮蔽機構に凹凸状嵌め込み構造を設けて、サーモパイル素子配列軸と赤外線透過窓軸のある一軸方向を一致させる様に設置圧入を施せば、金属ＣＡＮケース内部の各サーモパイル素子へ到達する赤外線入射量容積及び受光面積を均一に割り当てる事ができ、前記各サーモパイル素子毎の赤外線検出性能バラツキを抑制低減する事が可能となる。また設置周辺環境温度の影響度抑制目的の一助として、サーモパイル赤外線センサ周辺部にヒートシンクを接触具備させて使用する構造を採用する事により更なる温度検出性能の向上も期待される。
【００１３】
また更に本実施例にて挙げている金属ＣＡＮケースに具備される赤外線透過材は、一般的に広く生産使用される平面薄形シリコン材を用いているので、従来からの製造技術手法により複眼式サーモパイル赤外線センサの作製が容易且つ低価格で実現され、小型の温度検出モジュールとしての提供が可能となり、温度検出装置自体の低コスト化及び小型軽量化に繋がる事が期待される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
クロストークの無い分離独立した温度検出領域を投影する複眼式サーモパイル赤外線センサとして図１に斜視方向概要構造、図２に縦方向断面概要構造を示し、前記複眼式サーモパイル赤外線センサを搭載した図３に示す非接触型温度検出器の構成を、従来の製造技術及び組立工程にて実現した。
【実施例１】
【００１５】
まず図１を参照にして、本発明に係わる複眼式サーモパイル赤外線センサについて詳細に説明する。本実施例では二つの温度検出領域を投影する二眼式サーモパイル赤外線センサとして挙げている。図１では、赤外線を受光するサーモパイル素子１及び２の赤外線入射量を規定し赤外線検出領域を分別する為の筒状赤外線遮蔽機構４を勘合組み込みした赤外線透過窓５を有する赤外線を入射透過させるフィルタ材６を二つ具備したＴＯ−５型金属製ＣＡＮケース７と、前記サーモパイル素子１と２とセンサ自己温度感受用の温度基準素子であるサーミスタ３とをワイヤリング接続して配置されており、前記サーモパイル素子とサーミスタを電気的接続したリード端子８を備えたヘッダー９と共に外来からの環境的変化や電磁障害を防止する為にハーメチックシールとした一般的なＴＯ−５型構成となっている。
【００１６】
ここで、赤外線遮蔽機構４は肉厚０．４ミリメートルの黒色ポリカーボネイト等の非透過性材料で作製した円筒であり、縦軸方向のある同一延長線ライン軸上の二箇所を凸溝形状１０に加工している。
【００１７】
図２は、本実施例に係わる二眼式サーモパイル赤外線センサの縦方向断面概要図であり、前記筒状赤外線遮蔽機構４は赤外線透過材６より透過する赤外線迷光が、金属ＣＡＮケース７内側で反射する事を抑制させる為に、金属ＣＡＮケース７へ圧入する嵌め込み構造としている。更に前記サーモパイル素子１と２への赤外線入射容積及び受光面積が均一となるべく隣接配列された素子間上側中央部分に、前記赤外線透過窓５から入射する赤外線迷光１１及び周辺環境の微量な赤外線温度変化が金属ＣＡＮケース７を伝導して伝わり前記金属ＣＡＮケース７内側から発生する赤外線二次輻射熱１２がサーモパイル素子１並びに２へ入射する事を防止する遮蔽板１３を設けており、円筒と一体化した赤外線遮蔽機構として構成されている。この遮蔽板１３も外周円筒と同じく黒色ポリカーボネイト等の非透過性材料を用いて作製されている。ここでは分離独立した赤外線検出領域が得られる様に、赤外線透過窓５サイズ、赤外線受光素子１、２サイズ及び赤外線透過材６とサーモパイル素子１、２との距離、すなわち赤外線到達距離等を最適構想となる設計配置をしている。尚、赤外線透過材６には平面薄板シリコン材を使用している。
【００１８】
また本実施例では、前記遮蔽板１３と一体化した凸状嵌め込み構造の赤外線遮蔽機構４によって各サーモパイル素子１、２へ入射される赤外線量が、所定容積及び面積として同一規定されるので、投影される赤外線検出領域１４はサーモパイル素子１と２の各領域共にセンサ中心部から対称均一となる構成としている。更に金属ＣＡＮケース７も筒状赤外線遮蔽機構４と同一方向となる縦方向延長線ライン軸上の二箇所を凹溝形状１５に加工し、軸ズレ無く勘合一致させる構造を施している。
【００１９】
図３は、本実施例に係わる二眼式サーモパイル赤外線センサ１６を搭載した非接触型温度検出器の外形図の一例であり、サーモパイル赤外線センサ周辺部の急激な温度変化に対して赤外線センサ自身の熱容量を増加させ故意的に温度追従性を遅らせるヒートシンク１７を接触具備させた構成としている。温度計測用途としての本実施例の非接触型温度検出器の動作は、前記サーモパイル赤外線センサ１６を信号出力の増幅処理を行う回路部として構成する部品１８ａ、１８ｂを実装した外付け接続用配線基板１９に搭載して、信号処理された出力を外部取り出し用コネクタ端子２０を通して信号検出されるものである。
【００２０】
図４に本実施例による二眼式非接触型温度検出器を用いて、各サーモパイル素子１、２の一軸方向のある同一直線ライン上における視野特性（赤外線検出投影エリア）の確認検証を行った結果を示す。ここで、検証条件は４００平方ミリメートル（２０ミリメートル角）の小型熱源と回路増幅率を２０００倍に設定した信号出力増幅回路を準備し、前記小型熱源と二眼式非接触型温度検出器とを距離２００ミリメートルに設置した場合の赤外線透過窓に対して垂直方向すなわち図３に示すＸ方向側に前記小型熱源を５ミリメートルピッチ毎に移動させ測定を行った。この結果から、最適に設計配置されたサーモパイル素子１と２はクロストークが無い完全分離独立した均一対象な赤外線検出領域を得ている事を確認した。
【００２１】
尚、本実施例の二眼式サーモパイル赤外線センサでは、二つの均一対称な赤外線検出領域を投影する構造としているが、例えば二つ以上の温度検出領域を必要とする非接触型温度検出器への適用も容易にアレンジ可能である。この場合、所望必要とする温度検出領域数分のサーモパイル素子もしくはチップ上に必要数分の赤外線吸収膜が適切配列されたサーモパイルアレイ素子を、所望する投影領域が得られるべく設計配置した遮蔽板付き一体化赤外線遮蔽機構を勘合した、所望する温度検出領域数分の赤外線透過窓を有する金属ＣＡＮケース（ＴＯ−５型、もしくはそれ以外の例えばＴＯ−８型パッケージタイプ）と共に最適に組み合わせて構成すればよい。更にこの場合では必ずしもクロストーク無く分離独立した範囲として温度検出領域を望まなくとも、従来の平凸単レンズの場合の光学設計にて得られるエリアと同等なエリアに規定する事も可能でもあり、従って換言すれば平凸単レンズ使用にて投影される温度検出領域の光学系構造が、安価で且つ製造技術手法及び組立工程が特異する事無く実現可能である事を示すものである。
【００２２】
前記の様に構成された本実施例に係わる二眼式サーモパイル赤外線センサは比較的簡単な光学設計によって設計上通りに作製されるので、本実施例に係わる二眼式またはそれ以上の複眼式非接触型温度検出器を、例えば調理器、エアコン等の家電機器に搭載する場合、安価で小型軽量化した温度計測装置として構築する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施例の複眼式サーモパイル赤外線センサを示す分解外観図である。
【図２】本発明の一実施例の複眼式サーモパイル赤外線センサを示す断面図である。
【図３】本発明の一実施例の非接触型温度検出器の外観図である。
【図４】本発明の一実施例の非接触型温度検出器の一軸方向における視野特性の確認検証結果である。
【図５】従来の複眼式サーモパイル赤外線センサを用いた非接触型温度検出器を示す外観図である。
【図６】従来の複眼式サーモパイル赤外線センサを示す断面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１  サーモパイル素子Ａ
２  サーモパイル素子Ｂ
３  サーミスタ
４  筒状赤外線遮蔽機構
５  赤外線透過窓部
６  赤外線透過材
７  金属ＣＡＮケース
８  外部取出し用リード端子
９  ヘッダー
１０  筒状赤外線遮蔽機構側勘合用凸部
１１、１２  赤外線迷光線、赤外線二次輻射熱線
１３  遮蔽板
１４  赤外線検出領域
１５  金属ＣＡＮケース側勘合用凹部
１６  複眼式サーモパイル赤外線センサ
１７  ヒートシンク
１８ａ、１８ｂ  回路構成用電子部品
１９  外付け接続用基板
２０  コネクタ端子
２１  方向指示軸
２２  ＴＡＢ
２３  一般的複眼式サーモパイル赤外線センサ
２４  赤外線受光部
２５  サーモパイル（アレイ）素子
２６  平凸単レンズ
Ｘ  赤外線透過窓の一軸側方向指示
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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