(57)【要約】【課題】従来の製造技術工程から特異する事無く、サーモパイル赤外線センサを金属ＣＡＮケース内に収容を行い設置周囲環境の影響を受けない低コストで小型の非接触型温度検出器を提供する。【解決手段】サーモパイル素子及びサーミスタを配置したＴＯ−１８型サーモパイル赤外線センサを最大断面積１５５．５４平方ミリメートル以下の金属ＣＡＮケースにパッケージ収容される二重構造とし、センサ周囲温度の急激な温度変化に対して安定且つ正確な温度計測が行える構成となっている。【選択図】図１
2005195435.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非接触温度計測等に用いる赤外線センサモジュールで、センサ素子として対象物体の赤外線放射を検出するサーモパイル素子と、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を搭載したヘッダーが、赤外線透過窓を有する金属ＣＡＮケースによって同一ケーシング内に配置されたサーモパイル赤外線センサを、前記サーモパイル赤外線センサと電気的接続を成すリード端子を備えたヘッダーと、赤外線透過材を具備した金属ＣＡＮケースによって単一収容を行い二重構造とする事により、内部サーモパイル赤外線センサと外部雰囲気間に空気断熱層を設けサーモパイル赤外線センサの周囲温度を安定させる構造を成す事を特徴とする非接触型温度検出器。
【請求項２】
前記サーモパイル赤外線センサを収容した金属ＣＡＮケースは、最大断面積１５５．５４平方ミリメートル以下のサイズであ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】
前記サーモパイル赤外線センサの金属ＣＡＮケース及び前記サーモパイル赤外線センサを収容する外側の金属ＣＡＮケースが共に具備される、もしくは外側の金属ＣＡＮケースのみを具備配置しハーメチックシールされてい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】
前記サーモパイル赤外線センサがＴＯ−１８型パッケージのケーシングに収容された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、サーモパイルが広く知られている。サーモパイルを用いた温度検出センサモジュールは、一般に図７に示す様にサーモパイル赤外線センサ１７を前記サーモパイル赤外線センサ１７からの信号出力を増幅、もしくは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いる。
【０００３】
この様に構成された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、エアコン等種々の温度計測用に搭載される場合、様々な設置環境条件下を想定した最適な回路構成にて使用される。サーモパイル赤外線センサ１７は、受光素子部となるサーモパイル素子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信号出力が得られるので、温度計測機能として対象物体温度の検出精度を安定させる為には、赤外線センサ自身の自己温度が限りなく安定している事が望ましい。しかし実使用上温度検出器を取り巻く環境においては周囲温度の急激な温度変化は十分に想定される為、温度変化に左右されないセンサモジュールを提供する目的として、ヒートシンク２１を用いる場合があり、通常このヒートシンク２１は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べく、例えば図７の様にサーモパイル赤外線センサ１７のケース面に接触具備をさせて用いている。
【０００４】
また前記非接触型温度検出器では、赤外線を受光し信号出力を生ずるサーモパイル赤外線センサ１７が表面に露出する形となり、装飾上の関係並びに設置周囲環境からの埃、水蒸気成分等の汚れを保護する為に赤外線センサの前面部に赤外線を透過するカバー材（例えばポリエチレン材等）が装備され用いられている。
【特許文献１】特願２００３−２８７０６４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、図７に示すサーモパイル赤外線センサ１７にヒートシンク２１を接触具備をさせて設置周囲環境の急激な温度変化の影響を受けない構造とした赤外線センサモジュールでは、ヒートシンク２１を別途準備手配し装備しなければならないだけでなく、サーモパイル赤外線センサ１７周辺部にヒートシンク具備用の最低限の容積スペースを設ける必要があり、センサモジュール全体の容積サイズの縮小化に限界が生ずる点である。
【０００６】
また前記赤外線センサモジュールでは信号出力処理回路部が外付け配線基板上に搭載される為実設置周囲環境下にさらされる状態にあり、防汚機構としてカバー材を装備する場合においても基板面を完全に保護する効果は少なく、従って外部からの影響を受けやすく、例えば耐湿耐塵性、外来雑音等に乏しくセンサモジュールとしての耐環境性能は劣るという問題があった。
【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サーモパイル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ＴＯ−１８型の金属ＣＡＮケース及びヘッダーによって同一ケーシングしたサーモパイル赤外線センサを、前記サーモパイル赤外線センサとの電気的接続を成すリード端子を備えたヘッダーと、最大断面積１５５．５４平方ミリメートル以下の赤外線透過材を具備した金属ＣＡＮケースによりハーメチックシールを行う事で、内部サーモパイル赤外線センサと外部空気との間に空気断熱層を形成し、設置周囲温度の急激な温度変化の影響を受けない構造（赤外線受光部であるサーモパイル素子が二重にハーメチックシールパッケージされる構造）とした非接触型温度検出器である事を特徴としている。
【０００８】
また前記サーモパイル赤外線センサを収容する金属製ＣＡＮケースを、設置周囲温度の急激な温度変化によるケース自身の温度変動を少なくする目的として、赤外線の吸収を低減させる為に赤外線反射用メッキ処理（例えばクロムメッキ等）を施してもよい。
【０００９】
また前記金属ＣＡＮケース自身の厚みを、例えば最大壁部厚み２．５ミリメートル以下となる構造にして、ケース自身の熱容量を増やし前記金属ＣＡＮケース自身がヒートシンクとしての機能を有してもよい。
【００１０】
また従来は外付け基板上にセンサ信号出力の処理回路部を設けていたが、図１に示す構造を用いる事で前記サーモパイル赤外線センサを収容したケーシングのスペース内に、信号出力処理回路の構成部品であるオペアンプＩＣ、抵抗、コンデンサ等を最大平面積１００．７８平方ミリメートル以下の配線基板上に搭載し、前記ＴＯ−１８型サーモパイル赤外線センサと共に電気的接続を成して最大断面積１５５．５４平方ミリメートル以下のケーシング内へパッケージを行い、単一で小型の赤外線センサモジュールとしての構成も可能である。尚ここで、信号出力処理回路部を金属ＣＡＮケースにてハーメチックシールする事により、外部からの電磁波によるセンサ信号出力への影響等の外的要因を完全に除去する事も可能となる。
【００１１】
更に非接触型温度検出器の用途仕様によっては、二重ハーメチックシール構造を施さなくとも外側の赤外線透過材を具備した金属ＣＡＮケースのみで構成をしサーモパイル素子と外部空気との距離を広く取る事により、設置周囲環境の温度変化に対してその影響度合いを緩和させる事も可能である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の非接触型温度検出器によれば、従来より製造されているＴＯ−１８型サーモパイル赤外線センサを最大断面積１５５．５４平方ミリメートル以下の金属ＣＡＮケース内にパッケージ構成する事により、設置周囲温度の急激な温度変化を遮断回避させる空気断熱層を設けサーモパイル素子の冷接点部を安定させる、すなわち赤外線センサの自己周囲温度を安定させる為のヒートシンクを別途に具備する事なく、且つ前記サーモパイル赤外線センサを収容したケーシングのスペース部にセンサ信号出力処理回路部を設ける事で赤外線センサモジュールの構成が可能となり、センサモジュールの容量サイズを小型化する事ができる。また前記サーモパイル赤外線センサは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であるので、前記サーモパイル素子並びにサーミスタが二重にパッケージされる為設置周囲環境の影響（急激な温度変化や汚染、耐湿耐塵性、外来雑音等）を受けにくくなる。従って赤外線センサ自身の自己温度が安定し、正確な対象物体の温度検出を行う事が可能で、且つ外部からの電磁波影響を受けない優れた非接触型温度検出器を提供できる。
【００１３】
またここで前記最大断面積１５５．５４平方ミリメートル以下の金属ＣＡＮケースにおいて、赤外線吸収を低減させる赤外線反射用メッキ処理を施す、もしくはケース自身の熱容量を増やす為にケース自身の壁部を最大厚み２．５ミリメートル以下となる構造を施したケースを用いれば、外部雰囲気との断熱効果が一層期待される事となる。
【００１４】
また本実施例にて挙げている、パッケージサイズが上面側断面積１１３．４９〜１１７．８２平方ミリメートル、下面側断面積１５０．８１〜１５５．５４平方ミリメートル、側面側断面積７５．５６〜８１．６７平方ミリメートルのフラット型パッケージタイプは、一般的に生産使用されているので、従来からの製造技術により低価格且つ小型の赤外線センサモジュールとしての提供が可能となり、センサモジュール固定用外付け接続基板の縮小化にも繋がり、温度検出装置自体の低コスト化及び小型軽量化への一助となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
設置周囲環境の急激な温度変化に影響されない非接触型温度検出器として図１に示す構造並びに図３に示す回路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】
【００１６】
まず図１を参照にして、本発明に係わる非接触型温度検出器について詳細に説明する。本実施例ではサーモパイル赤外線センサとセンサ信号出力処理回路部を同一にパッケージ収容した小型の非接触型温度検出器として挙げている。図１では、赤外線を入射透過させるフィルタ材を具備した最大断面積１５５．５４平方ミリメートル以下の金属製ＣＡＮケース８と、サーモパイル素子１とサーミスタ２を配置したＴＯ−１８型サーモパイル赤外線センサ１０、オペアンプＩＣ１１、１２、抵抗及びコンデンサ等の回路構成部品１３ａ、１３ｂを搭載した基板６、サーモパイル赤外線センサ１０からの出力信号を取り出し且つ前記基板６を支える為の電気的接続及び機械的固定用のリード端子９を設けたヘッダー７とを、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構成となっている。
【００１７】
ここで、基板６は内部配線が形成（図１では、配線が複雑な為図示せず）されている最大平面積１００．７８平方ミリメートル以下の薄体板である。またサーモパイル赤外線センサ１０は赤外線を受光するサーモパイル素子１と赤外線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２とをワイヤリング接続して配置されており、赤外線透過窓を有する金属ＣＡＮケース４と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５を備えたヘッダー３によりハ−メチックシールされた一般的なＴＯ−１８型パッケージタイプである。尚ＴＯ−１８型サーモパイル赤外線センサ１０の金属ＣＡＮケース４及びフラット型を成す外側の金属ＣＡＮケース８は、赤外線フィルタとしてシリコン材、もしくはポリエチレン材等を具備して使用される。
【００１８】
図２は、本実施例に係わる非接触型温度検出器の外観形状図であり、上面Ａ、下面Ｂ及び側面Ｃから見た場合のパッケージサイズが、それぞれ上面Ａ側断面積１１３．４９〜１１７．８２平方ミリメートル、下面Ｂ側断面積１５０．８１〜１５５．５４平方ミリメートル、側面Ｃ側断面積７５．５６〜８１．６７平方ミリメートルのフラット型にパッケージした構造としている。
【００１９】
図３は、本実施例に係わる非接触型温度検出器の内部配線回路図の例であり、サーモパイル信号出力とサーミスタ信号出力をそれぞれ独立に増幅出力として取り出す方式を示している。図４に本実施例による非接触型温度検出器を用いて、対象物体を非接触で温度計測を行う機器に搭載し、設置周囲温度を実験的に変化させた場合の非接触型温度検出器から得られる計測温度をプロットした結果を示す。また同時評価として、図７に示す従来のヒートシンク具備型の非接触型温度検出器を用いた場合の計測温度を図４の点線プロットとして同様に示す。ここで実験条件は、対象物体温度を５０℃と固定し、設置周囲温度は２５℃に安定させた時点より＋２℃／分の温度勾配により上昇させて４０℃に到達時点より保温状態としている。周囲温度が急激に変化する場合において、ヒートシンクを具備した従来型の計測温度は最小計測値４９．６℃、最大計測値５０．５℃を示し、これに対して本実施例による非接触型温度検出器は最小計測値４９．８℃、最大計測値５０．３℃と従来型と同等以上の高精度な計測温度が得られる事がわかる。これらの実験結果より、本実施例による非接触型温度検出器は、サーモパイル赤外線センサ並びに信号出力増幅回路部が単一ケースにパッケージされている為、急激な温度変化及び空気の対流等の実設置周囲環境の影響に対して優れた効果がある事が確認できた。
【００２０】
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、対象物体からの赤外線を受光し、赤外線センサ自己温度との温度差に応じて出力を生ずるサーモパイル素子１と前記サーモパイル素子１の冷接点付近に配置された赤外線センサ自己温度感受用のサーミスタ２の信号出力が、オペアンプＩＣ１１、１２、抵抗Ｒ１〜Ｒ５及びコンデンサＣ１、Ｃ２から成る増幅回路部を通して出力が検出される。前記検知信号出力は、電気的接続を成すリード端子９より、最小平面積サイズの信号出力取り出し用コネクタ端子を搭載した簡単な外付け接続基板を設けるのみで直接に信号出力を取り出す事が可能となる。
【００２１】
図５と図６は、本実施例に係わる非接触型温度検出器の内部配線回路図の他の例を示している。図５ではサーミスタ信号出力をツェナーダイオード１４、又は三端子レギュレータ等により定めた動作基準電位からの分圧出力として取り出しを行う回路構成であり、図６ではサーモパイル信号出力の動作基準電位を第二オペアンプ１２により増幅されたサーミスタ信号出力とし、第一オペアンプ１１の片側入力端子へ接続された可変型抵抗１６によりゲイン調整を行い、設置周囲温度変化に依存しないサーモパイル信号出力を得る回路構造である。ここで、図３及び図５に示すサーモパイル信号出力増幅用の第一オペアンプ１１に係る入力抵抗１５を、図６の様にゲイン調整可能な可変型抵抗１６として用いても構わない。この様に非接触型温度検出器を搭載する、例えば調理器、エアコン等の機器、それぞれの用途に最適となる信号出力処理回路部として、オペアンプＩＣ１１、１２、抵抗Ｒ１〜Ｒ５及び可変型抵抗１６、コンデンサＣ１、Ｃ２を内部基板６に配線選択を施す事も容易に可能である。
【００２２】
前記の様に構成されたいくつかの本実施例に係わる非接触型温度検出器では、センサからのアナログ信号出力処理回路部をサーモパイル赤外線センサと同一にパッケージ収容を行っているので、アナログセンサ信号出力をデジタル処理もしくは演算処理等を行う為の後段側処理回路を、搭載可能な最小平面積サイズの外付け接続基板を設ける事により、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。これらは、従来の製造技術及び組立工程から特異する事がなく構成可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施例の非接触型温度検出器を示す分解外観図である。
【図２】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３】本発明の一実施例の非接触型温度検出器の回路図である。
【図４】本発明の一実施例の非接触型温度検出器の温度計測の検証実験結果である。
【図５】本発明の他の実施例の非接触型温度検出器の回路図である。
【図６】本発明の他の実施例の非接触型温度検出器の回路図である。
【図７】従来の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。
【符号の説明】
【００２４】
１  サーモパイル素子
２  サーミスタ
３  ＴＯ−１８型ヘッダー
４  ＴＯ−１８型金属ＣＡＮケース
５、９  外部取出し用リード端子
６  内部配線基板
７  ヘッダー
８  金属ＣＡＮケース
１０  ＴＯ−１８型パッケージサーモパイル赤外線センサ
１１  第一オペアンプ
１２  第二オペアンプ
１３ａ，１３ｂ、１８ａ、１８ｂ  回路構成用電子部品
１４  ツェナーダイオード
１５  第一オペアンプに係る入力抵抗
１６  可変型抵抗
１７  サーモパイル赤外線センサ
１９  外付け接続用基板
２０  コネクタ端子
２１  ヒートシンク
Ｒ１〜Ｒ５  抵抗
Ｃ１、Ｃ２  コンデンサ
Ａ  上面側の方向指示
Ｂ  下面側の方向指示
Ｃ  側面側の方向指示
【図１】
2005195435.tif 000003
【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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【図７】
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