(57)【要約】【課題】  従来は放射温度計を使った温度制御システムにおいては放射温度計と温度調節器で構成されており高価で小型化できず  かつ  放射率補正等の作業があり通常の一般的なセンサースイッチとして容易に使用する状況ではなかった。【解決手段】  放射温度計と温度調節器機能の一部を放射温度計筐体に一体化する事により相互間の信号レベルを内部信号として調整を必要とせず  回路を簡素化し小型化したこと、現場で設定器の設定値を変更して作動状況を確認できるようにした放射温度スイッチを提供するものである。これにより  シーケンサー（ＰＬＣ）の一般入力素子であるリミットスイッチ、近接スイッチ、光電センサーと同レベルのセンサーとして自動機械の制御や簡易温度調節器（オン・オフ制御）としても使用可能な放射温度スイッチである。【選択図】  図１
2006105882.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線を利用した放射温度計であって、その出力信号を利用するための設定器、比較器及びその作動状態を示す表示器と出力器を備え、かつそれらを放射温度計の筐体に一体化したことを特徴とする放射温度スイッチ
【請求項２】
請求項１でシリコン製、ゲルマニューム製レンズ、樹脂製フレネルレンズ、ミラー、機械的な視野絞りの中でいずれかを用いて集光する機構を持つ一体化された放射温度スイッチ
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は非接触で被測定対象物の温度を計測する放射温度計の出力信号を用いて温度調節動作を実現する放射温度計制御システムに関するものである
【背景技術】
【０００２】
放射温度計は非接触測定であるため被測定対象物と温度計との熱平衡状態を作り出すための被測定対象物の熱容量を考慮する必要がなく、また被測定対象物からの放射される赤外線エネルギー量を計測するため計測完了までの応答時間が短い特長がある。
非接触の計測であることから危険作業の防止の為に電気設備関係の活線状態にある接続部などの温度監視、衛生面から食品工業、その他の液晶分野、半導体分野、自動機器のセンサーとして応用分野は全ての産業分野で利用されている。
【０００３】
放射温度計制御システムを構築するにおいては一般的に放射温度計と温度調節器が構成要素として必要である。放射温度計の出力を温度調節器に結線接続して、その調節器には目標値をセットするための設定機構や表示機構が具備されており  制御信号としてオン・オフ出力やアナログの連続信号が出力されるのが一般的なシステムである。
【０００４】
図５は従来型の放射温度計制御システムの構成機能ブロック図である。図５に示すように、放射温度計と温度調節器はシステムとして設計されることはなく各機器は別個に設計されており放射温度計１００においては赤外線放射エネルギーの集光機構１０１、赤外線センサー１０２、入力線形化回路１０３、放射率等の設定部１０４、設定器に合った信号を作る電子回路１０５、出力回路１０６、温度調節器へのアナログ出力信号１０７となる。
【０００５】
温度調節器２００においては様々なセンサー種類に合致するように入力信号変換回路２０１を通りアナログ制御用の制御演算回路２０３、オン・オフ信号出力用の比較回路２０４に結線される。それぞれの回路出力は出力の極性変換回路２０５を経由してオン・オフ出力としてトランジスター出力回路２０８や接点出力回路２０９を通して制御信号となる。
【０００６】
またアナログ出力回路２０７も統一信号（４−２０ｍＡ、１−５Ｖ等）として出力される。この各種制御パラメーターや設定値、偏差値、警報値、極性変換回路や入力信号変換回路への設定のため設定器２０２や表示器２０６が具備されている。
【０００７】
その他にこの機器類を動作させるための電源装置３００も必要となり、全体としてこの構成で放射温度制御システムが機能することになる。
【０００８】
また放射温度計で被測定対象物の温度を計測をする場合は被測定対象物の放射率が既知の場合は工場出荷時に放射率を設定して出荷されるか、既知でない場合は放射率の設定変更が必要である。また被測定対象物が放射温度計の視野を覆う状況であることが必須の条件である。従って放射温度計の仕様表示には視野角の表示と放射率設定機能が必要であった（既知の場合は工場出荷時に設定するので必要はない）。視野角については被測定対象物の大きさや温度の均一具合等で決定されていた。
【０００９】
なお本願発明に関連する公知技術として次の特許文献１及び２を上げることが出来る。
【００１０】
【特許文献１】特開平８−１６２４６３
【特許文献２】特開平６−１６８８９４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
放射温度計を使った温度制御システムを構成する場合において放射温度計と温度調節器が必要であったために  両機器間の信号の整合が不可欠であった。温度調節器側では各種センサーに対応して入力信号レンジを選択する事は可能であるが放射温度計の出力レンジに合わない場合などは別のメーカーの温度調節器の選択が必要になったり、不必要にレンジ幅の広いレンジを使って温度制御をしなければならなかった。
【００１２】
また被測定対象物の実際の温度と放射温度計の出力を整合させることが必要であり  放射温度計側での調整、即ち被測定対象物の放射率の調整が必要であった。そうしないと被測定対象物の温度と放射温度計からの出力信号に誤差が生じ温度調節器の温度制御及び表示が異なり制御誤差の原因や誤った温度を認識してしまい品質上の問題を生じる可能性もあった（例として測定対象物の放射率を１と想定し、放射温度計で０〜５００℃を計測する場合の出力信号が０〜５Ｖと調整したとする。温度調節器の入力レンジも０〜５Ｖに選び測定範囲を０〜５００℃に設定した。しかし実際の被測定対象物の温度が２５０℃でも放射率が１以下の場合は  放射温度計の出力が２．５Ｖより低くなり温度調節器側での指示値も低い値になる。そのため放射温度計側で放射率を調整し２．５Ｖの出力を得るようにする必要があるということである）。
【００１３】
またシステム全体が大型化し高価になる欠点があったため、容易に放射温度計による温度制御システムを利用することが出来なかった。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、その目的は従来個別に構成されていた放射温度計と温度調節器の一部機能のみを採用した一体型の放射温度スイッチを調整作業をなくし安価で小型かつ軽量化を実現したことにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述の目的を達成するため本発明は放射温度計の出力信号を利用し温度調節器の機能の中で目標値設定機能とオン・オフ制御・出力機能及び動作状態の表示機能だけを取り込み一体化することにより両機器間の信号の整合の必要をなくしたこと。また放射温度計側の内部にこれらの機能を取り込んだことにより小型、軽量、安価なシステムを実現したことを最も主要な特徴とするものである。
【００１５】
また放射温度計で被測定対象物によって温度を正確に計測するためには放射温度計の視野を被測定対象物が覆うようになる必要がある。そのための方法として赤外線センサーの前に集光機構をつけて測定する。その集光方法は機械的な視野絞り、シリコン製、ゲルマニューム製レンズ、樹脂製のフレネルレンズ、ミラーによる反射の技術を利用して達成している。そのことにより放射温度計の視野を被測定対象物が覆うようになり  被測定対象物と放射温度計間の距離依存性のない正確な測定をする事で必要条件を満たしているものである。
【００１６】
以上説明したように  被測定対象物によって集光機構を前もって選択することを前提とした放射温度計と温度調節器の一部機能を一体化させた放射温度スイッチを実現した。
【発明の効果】
【００１７】
放射温度計を使った温度制御システムの利用分野において必ずしもその出力がアナログ信号である必要がなくオン・オフ動作信号を要求する簡易型の放射温度制御システムが可能になったこと。
【００１８】
また放射温度スイッチを使うことにより従来温度制御システムと同じ構成で実施していた警報システムも可能になったこと。
【００１９】
また自動機器の制御等の分野において近接スイッチ、光電スイッチ、リミットスイッチのようなスイッチとして利用可能になったことである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細を説明する。
図１〜図４は本発明の実施の形態に係り、図１は放射温度スイッチの機能ブロック図、図２は調整機構と表示器の実施例、図３は機械的な視野絞り機構を付けた放射温度スイッチの実施例断面図、図４はシリコン製レンズを使った視野絞り機構を付けた放射温度スイッチの実施例断面図である。図５は従来型の放射温度計制御システムの構成機能ブロック図である。
【００２１】
本明細書の中で「放射温度計」とは赤外線放射エネルギーの集光機構、赤外線センサー、入力線形化回路、アナログ出力信号回路の機能を最小限備えているものか  もしくは集光機構とセンサー信号処理モジュール（特表２００２−５３８４２５参照）の組み合わせを指しているが、特にその他の機能を追加しても限定されるものではない。
【００２２】
「赤外線センサー」としてはサーモパイル型のセンサーを  センサーに入光させる波長帯（測定波長）は６〜１４マイクロメーター程度の範囲をカバーするものを考慮している。
【００２３】
また「一体化」とは放射温度計と温度調節器の機能の一部を一体化させ放射温度計の筐体内に収納したことを意味し内部電子回路基板については特に限定されない。
【００２４】
図１に示す如く一体型放射温度スイッチを実現するための構成要素としては測定対象物からの赤外線放射エネルギーを集光する集光機構１０１、赤外線センサー１０２，赤外線センサー出力を増幅し直線化する線形化回路１０３、制御の目標値を与える設定器２０２、目標値と放射温度計出力信号を比較し、出力する比較回路２０４、出力のオン・オフの作動状態を表示する表示器２０６、極性変換回路２０５、トランジスター出力２０８から構成されている。
【００２５】
被測定対象物から放射された赤外線エネルギー量を集光機構１０１で集光しエネルギー量に比例したセンサー信号１０２は入力線形化回路１０３で線形化され、比較器回路２０４に入る、比較されるべき信号は設定器２０２からの信号で比較された結果はオン・オフ信号となる。その信号は極性変換回路２０５に入力され極性変換を行う。極性変換とは設定値よりも実際の出力が上昇した時点にオンする信号の場合とオフする信号の場合を制御モードによって変更可能なシステムとしている。即ち冷却システムに使用するような場合は設定値よりも実際出力が上昇した時点で冷却システムを起動すべくオン信号を、加熱システムに使用するような場合は設定値より実際値が上昇した場合は加熱システムを停止すべくオフ信号を出力することなどの機能を備えている。
【００２６】
具体的にはコンパレーター回路を用いてプラス、マイナス入力端子を切り替えることで実現している。
【００２７】
オン・オフ出力回路２０８にはトランジスター出力にし、その特性をＰＮＰ、ＮＰＮタイプのオープンコレクター出力をするように設計し自動機器等の制御デバイスの入力端子に容易に接続出来るインターフェイスとなっている。
【００２８】
上記センサー出力は被測定対象物の放射率の影響を受けた出力となっている。放射温度計と温度調節器の一部機能を一体化したことにより両機器間のシステム設計が可能となり放射温度計出力信号のみを利用するため従来の温度調節器の入力信号レベルに合わせるべく放射率の補正を必要としなくなったこと。また放射温度計と温度調節器間での信号の整合を考慮する必要もなくなったことである。
【００２９】
設定に必要な目標値は被測定対象物体が放射温度計の視野角を覆うようにし、被測定対象物の温度が制御したい目標値温度になっていれば  設定器２０２を徐々に変化させ表示器２０６で確認されたポイントがまさに設定したい目標値温度となっているため、調整作業は容易に実現出来るのである。
【００３０】
このことにより図１と図５を比較すると放射温度計側での放射率等設定器１０４、電子回路１０５、出力回路１０６、両機器間の配線１０７を省略出来た。
【００３１】
温度調節器側では各種設定器２０２を目標値の変更のための可変抵抗器に変更、表示器２０６は英・数字表示の表示器からＬＥＤの点灯及び消灯表示に、極性変換回路２０５、トランジスター出力回路２０８のみとし、それ以外の機能である入力信号変換回路２０１、制御ロジック電子回路（アナログ信号出力のためのＰＩＤパラメーター制御等）２０３、アナログ出力回路２０７、オン・オフ出力の接点出力回路２０９を削除する事が出来た。
このことにより電子回路、設定器等のスイッチ類、表示器等の削減出来たこと。コストやシステム装置の大きさを従来に比較して大幅に小型、軽量化したことである。
【００３２】
またトランジスターのオン・オフの作動と表示器ＬＥＤの点灯・消灯はオープンコレクター端子に内部で接続されトランジスターの動作と連動する回路設計をした。このことにより制御出力と動作表示の誤動作を起こさせないシステムとなった。
【００３３】
従来個別構成システムでは放射温度計や温度調節器間の電源、信号ライン、制御ラインの配線の引き回し等があり複雑な配線もあり省スペースには出来なかったことから小型の装置や設置等で採用が手控えられていたなどの問題点を解決することが出来た。
【００３４】
赤外線エネルギー量の集光機構１０１については被測定対象物の大きさがセンサーの視野角を覆うようにすることを計測の条件にしている。従って簡易に機構的（機械的）な視野絞りで実現するものや（図３）樹脂製のフレネルレンズを用い集光するタイプやシリコン製（図４）やゲルマニューム製のレンズやミラーを使って集光し視野角を覆うようにしより正確な被測定対象物の赤外線エネルギー量を計測し被測定対象物と放射温度計間の距離の依存性を無くすように選択されるようにしている。
【００３５】
これらの集光用のレンズ材料は赤外線透過率の高いものであり、特に赤外線センサーへ入光させる波長帯（測定波長）である  ６〜１４マイクロメーター程度では平均して約６０％程度の透過率を示している。センサーへの集光量が不足するような場合は反射防止の多重コーテングを施すとさらに透過率は向上し集光エネルギーは増大する。レンズは凸レンズをミラーでの集光は凹レンズと凸レンズの組み合わせたカセグレン方式で集光可能である。
【００３６】
具体的な各器具の配置としては図２で示す如く設定値は現場での調整作業時に容易に変更可能なように放射温度スイッチ筐体で集光機構の背面位置に取り付けられており、また近傍に動作表示器を配置した構造となっている。そうすることにより被測定対象物の温度が制御したい温度になっていれば設定値を徐々に変化させていき表示器の点灯状態で作動の状態を確認できることから調整は非常に容易となるように設計した。
【００３７】
この発明は上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することが出来る。
【００３８】
（１）比較器２０４と極性変換回路２０５との間に  設定値を中心にしたヒステリシス回路を設け、設定値周辺におけるオン・オフ信号の頻繁な動作を緩和し制御システムに安定した出力をする事も可能である。実際にはシュミットトリガー回路を応用し実現することが出来る。
【００３９】
また（２）比較回路２０４を２チャンネル持つことにより出力を２チャンネルにする事も可能である。使い方としては１チャンネルは温度制御・警報用としてオン・オフ出力、他の１チャンネルは緊急用として装置や機器の停止をさせるための出力信号の役割をさせるなどが可能である。
【００４０】
（３）センサー信号を入力線形化回路１０３で線形化し、その後比較器２０４に入って設定値２０２との比較をしたが  温度指示や記録を必要としないような場合には入力線形化回路１０３を除き直接センサー出力特性での比較も可能である。
【００４１】
（４）集光機構１０１はＯリング２４によるシールを施している為、実施例の回路部２１０を樹脂封止またはモールドする事により耐水性や防滴性を確保する事が可能である。
【実施例】
【００４２】
一体化された放射温度計スイッチは上記説明した機能を全て盛り込んでも実施例図３では外径２４ｍｍ全長６３ｍｍ、実施例図４の場合で外径２４ｍｍ全長７５ｍｍのサイズになり市販の近接スイッチとほぼ同等の大きさになり、先端をねじ切り部２５にしたので装置への取り付け等  容易に使用できるように考慮してある。
【００４３】
以上、本発明の実施の形態及び実施例で説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではない。たとえば筐体の寸法、設定器の取り付け位置、表示器の位置等や集光についても被測定対象物の測定環境や状況に応じて適宜選択されるものである。また回路についても放射温度計の出力をデジタル化してマイクロコンピューターを使ったソフトウエアー処理をして実現することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
放射温度計と温度調節器機能の一部を一体化することにより従来放射温度計の制御システム分野において放射率補正の調整作業を必要とせず赤外線放射エネルギーの集光システムを最適に選ぶことにより容易に非接触の温度制御システムを構築することが可能となったこと。同様に警報システムでも利用可能になったこと。
【００４５】
また小型・軽量・安価を実現したこともあり自動機器や自動制御用のシーケンサー（ＰＬＣ）の一般入力素子であるリミットスイッチ、近接スイッチ、光電センサーと同レベルのセンサーとして利用が可能となり、従来採用を見合わせていた産業分野の温度監視や制御・警報システム用のセンサーとして利用可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の放射温度スイッチ機能ブロック図
【図２】本発明の放射温度スイッチ背面表示、設定機構図
【図３】試作した一体型温度スイッチ（集光が機械的な視野絞りの場合）断面図例
【図４】試作した一体型温度スイッチ（集光がシリコンレンズの場合）断面図例
【図５】従来の制御システム構成・機能ブロック図
【符号の説明】
【００４７】
Ａ      放射温度計視野角
１００  放射温度計
１０１  赤外線放射エネルギー集光機構
１０２  赤外線センサー
１０３  入力線形化回路
１０４  設定部（放射率、出力種別）
１０５  電子回路
１０６  出力回路
１０７  アナログ出力信号配線
２００  温度調節器
２０１  入力信号変換回路
２０２  各種設定器（可変抵抗器）
２０３  制御ロジック演算回路
２０４  比較回路
２０５  極性変換回路
２０６  表示器
２０６−１  電源印加表示器（ＬＥＤ）
２０６−２  出力信号１表示器（ＬＥＤ）
２０６−３  出力信号２表示器（ＬＥＤ）
２０７  アナログ出力回路（電圧、電流型）
２０８  オン・オフ出力回路（トランジスター出力）
２０９  接点出力回路
２１０  放射温度計スイッチ回路部
３００  電源装置
３０１  ＡＣ／ＤＣ変換装置
３０２  商用電源
２３  レンズ
２４  Ｏリング
２５  ネジ切り部
２６  固定用ナット
４０  ケーブル貫通部
【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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