(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サーモパイル取付用として設けられた熱伝達部材に接合された冷接点と、被測定物からの赤外線を吸収するために設けられた赤外線吸収膜に接合された温接点とをそれぞれ有する複数の熱電対からの合成出力を用いて、前記被測定物との相対温度を測定するためのサーモパイルと、
前記熱伝達部材に接合して設けられ、且つ、前記冷接点の温度が前記被測定物の温度と等価となる前記温接点の温度に至って前記サーモパイルの出力がゼロになったときに前記冷接点の温度を測定するためのサーミスタと、
前記熱伝達部材に熱絶縁材を介して相互に熱的な影響を受けないように取り付けられたヒートシンクと、
前記冷接点を加熱するか又は冷却するための第１可逆接点が前記熱伝達部材に接合され、且つ、前記第１可逆接点とは反対側の第２可逆接点は前記ヒートシンクに接合されており、前記冷接点の温度が前記温接点の温度よりも低いときに一方向の電流を流して該冷接点を加熱する一方、前記冷接点の温度が前記温接点の温度よりも高いときに一方向とは逆方向の電流を流して該冷接点を冷却するための加熱及び冷却兼用素子と、
を備えていることを特徴とする非接触型温度センサー。
【請求項２】
サーモパイル取付用として設けられた熱伝達部材に接合された冷接点と、被測定物からの赤外線を吸収するために設けられた赤外線吸収膜に接合された温接点とをそれぞれ有する複数の熱電対からの合成出力を用いて、前記被測定物との相対温度を測定するためのサーモパイルと、
前記熱伝達部材に接合して設けられ、且つ、前記冷接点の温度が前記被測定物の温度と等価となる前記温接点の温度に至って前記サーモパイルの出力がゼロになったときに前記冷接点の温度を測定するためのサーミスタと、
前記熱伝達部材に熱絶縁材を介して相互に熱的な影響を受けないように取り付けられたヒートシンクと、
前記冷接点を加熱するか又は冷却するための第１可逆接点が前記熱伝達部材に接合され、且つ、前記第１可逆接点とは反対側の第２可逆接点は前記ヒートシンクに接合されており、前記冷接点の温度が前記温接点の温度よりも低いときに一方向の電流を流して該冷接点を加熱する一方、前記冷接点の温度が前記温接点の温度よりも高いときに一方向とは逆方向の電流を流して該冷接点を冷却するための加熱及び冷却兼用素子と、
前記サーモパイル及び前記サーミスタ並びに前記加熱及び冷却兼用素子を制御して前記被測定物の温度を測定するための温度測定制御手段と、を備え、
前記温度測定制御手段は、
前記冷接点の温度が前記温接点の温度よりも低い第１の状態と、前記冷接点の温度が前記温接点の温度よりも高い第２の状態とを２値で判別するコンパレータと、
前記コンパレータで前記第１の状態であると判別されたときに前記加熱及び冷却兼用素子により前記冷接点を加熱する一方、前記コンパレータで前記第２の状態であると判別されたときに前記加熱及び冷却兼用素子により前記冷接点を冷却することで、前記サーモパイルの出力がゼロになるように制御すると共に、前記サーモパイルの出力がゼロになったときに前記サーミスタの検出温度を測定表示するコントローラと、
を具備していることを特徴とする赤外線体温計。
【請求項３】
前記コントローラを介して前記加熱及び冷却兼用素子に加熱信号または冷却信号を一定時間送ったのちに、前記サーミスタの検出温度を測温することを特徴とする請求項２に記載の赤外線体温計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は非接触で温度を測定するための温度センサー、並びに、それを用いた赤外線体温計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７および図８に示すように、従来の非接触型温度センサーＡは、被測定物との相対温度を測定するためのサーモパイルＢと、サーモパイルの温度を測定するためのサーミスタＣとをキャンＤ内に内包した構造を有している。サーモパイルＢは、被測定物Ｅ（図１参照）からの赤外線をキャンＤの頂部に設けられた赤外線フィルタＦを通して吸収することによって温度変化を生じる赤外線吸収膜Ｇと、それぞれ冷接点をヒートシンクＨに接合され、温接点を赤外線吸収膜Ｇに接合された複数の熱電対Ｉとから構成されており、サーモパイルＢの出力は複数の熱電対Ｉからの出力を合成したものとして現われる。
【０００３】
このような非接触型温度センサーＡは、被測定物の赤外線を吸収することにより生じる赤外線吸収膜Ｇの温度変化を熱電対Ｉのゼーベック効果により電気信号として取り出すことによって、基準温度となるヒートシンクＨと被測定物Ｅ（図１参照）との間の温度の差を検出する。これと同時に、サーミスタＢの抵抗値を測定して非接触型温度センサーＡ自体の温度を検出し、制御回路において、サーモパイルＢによって計測された温度とサーミスタＣで計測された温度を足す処理を行うことにより被測定物の温度を求めている。
【０００４】
このように構成された非接触型温度センサーＡの赤外線吸収膜Ｇは、被測定物からの赤外線を吸収するだけでなく、キャンＤの頭部の壁面から放射されている赤外線もまた吸収してしまう。通常、キャンＤの頭部の壁面は非接触型温度センサー自体の温度と同一の温度と理論上みなすこともできるが、実際には外部からの要因で急激な温度変化が与えられると、キャンＤの頭部と赤外線吸収膜Ｇとの間に温度差が生じてしまい、結果として出力が過渡的に不安定になり、意図しない不要な電圧を出力してしまう。
【０００５】
このため、従来の赤外線体温計では、図９に示すように、赤外線吸収膜Ｇに温度変化が均一で緩やかに加わるように、非接触型温度センサーＡを熱伝導度が良好な金属ホルダーＪ内に設置し、さらに空気やプラスチック等の断熱部材Ｋ，Ｌで包み、そして、放射率が限りなく小さくなるように金メッキされた金属導波管Ｍを非接触型温度センサーＡの前面に設け、被測定物Ｅ（図１参照）よりの熱輻射の影響が小さくなるように構成する必要があった。また、冷接点温度補償用のセンサーとして用いられるサーミスタＣは、熱電対Ｉの冷接点との間の熱結合が悪いと温度差を生じて正確な計測ができなくなるため、サーミスタＣを同一のキャンＤ内に取り付け、冷接点とサーミスタとの熱結合度を高めるように構成していた。
【０００６】
このような従来の赤外線体温計では、環境温度の上昇中、非接触型温度センサーＡと被測定物Ｅとの間に金属導波管Ｍの長さ分の離間間隔があるため、非接触型温度センサーＡと金属導波管Ｍの先端部との間に温度差を生じ、非接触型温度センサーＡの温度が金属導波管Ｍの先端部の温度よりも低くなって正方向の誤差を生じていた。また、環境温度の下降中は、金属導波管Ｍの先端部の温度が非接触型温度センサーＡの温度よりも低くなって負方向の誤差を生じる。このような誤差を少なくするため、非接触型温度センサーＡを金属ホルダーＪで包み込むことによって温度変化の影響を少なくすることが考えられるが、金属ホルダーＪを用いることは製品の大型化を招弊することになり、寸法に対する製品上の限界があった。
【０００７】
一方、サーモパイルＢとサーミスタＣからの各出力は、図１０に示すような制御回路Ｎにおいて処理されているが、サーモパイルＢからの出力は、特に体温測定の場合には極めて微弱であるため、信号処理が可能なレベルまで、使用するサーモパイルＢの性能のバラツキに応じて予め校正されている増幅度で増幅（Ｎ１）されたのち、非直線出力を直線化するためにリニアライズ処理（Ｎ２）し、被測定物の放射率が異なることによる測定示度のズレを補正するための放射率補正（Ｎ３）が行われる。サーミスタＣからの出力もまた非直線であるため、リニアライズ処理（Ｎ４）が行われる。それぞれの処理が行われたサーモパイルＢおよびサーミスタＣからの各出力は、サーモパイルＢの出力とサーミスタＣの出力を加算（Ｎ５）したのち、温度換算（Ｎ６）され、その温度を表示器に表示（Ｎ７）することにより温度測定が行われている。
【０００８】
このため、従来の赤外線体温計では、サーモパイルＢおよびサーミスタＣについて個々に校正を行わねばならなかった。特に、サーミスタＣはその製造メーカによって抵抗−温度特性のバラツキを小さな誤差範囲内に抑えたものが供給されているのに対し、サーモパイルＢの出力電圧特性のバラツキは非常に大きく、体温計として使用するためには、黒体炉等の特殊な装置を用いて煩雑な温度校正作業を行わねばならないものであった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、環境温度変化の影響を実質的にゼロ（０）にすることができる非接触型温度センサーを提供すると共に、その非接触型温度センサーをプローブの先端に装着することによって、被測定物により接近した位置で温度測定を行うことができる赤外線体温計を提供することにある。
【００１０】
本発明の別の目的は、実質的にサーモパイルの校正作業を不要にし、サーミスタについて校正作業を行うだけで使用することができる非接触型温度センサーおよびそれを用いた赤外線体温計を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、サーモパイルの温度と被測定物の温度とが同じであるとき、サーモパイルの出力電圧は常にゼロになるという特性に着目して発明されたものであり、本発明による非接触型温度センサーは、被測定物との相対温度を測定するためのサーモパイルと、サーモパイルの冷接点の温度を測定するためのサーミスタと、サーモパイルの冷接点を選択的に加熱または冷却するための加熱及び冷却兼用素子（以下、加熱／冷却素子と記す）とを備えることによって上記課題を解決している。
【００１２】
サーモパイルの出力がゼロになるように加熱／冷却素子によってサーモパイルの冷接点を加熱または冷却する。サーモパイルの出力がゼロということは、サーモパイルの冷接点の温度が温接点の温度と等しいことであり、そのとき、サーモパイルの冷接点の温度を測定するサーミスタが検出した温度を被測定物の温度として扱うことができる。
【００１３】
本発明による非接触型温度センサーはまた、サーモパイルの冷接点とサーミスタと加熱／冷却素子とを同一の熱伝達部材を介して熱的に一体化することもでき、これにより、サーミスタが測定すべきサーモパイルの冷接点の温度を正確に測定することができる。また、本発明による非接触型温度センサーは、加熱／冷却素子に熱電冷却半導体を応用したペルチェ素子を使用し、加熱／冷却素子の一方の可逆熱／冷接点を熱伝達部材に接合し、他方の可逆熱／冷接点をヒートシンクに接合することもできる。電流が流されたとき、熱伝達部材に接合された加熱／冷却素子の可逆熱／冷接点では発熱または熱吸収作用が生じ、熱伝達部材を介してサーモパイルの冷接点を加熱または冷却する一方、ヒートシンクに接合された加熱／冷却素子の可逆熱／冷接点では、前記と逆に、熱吸収または発熱作用が生じる。この加熱／冷却素子の加熱／冷却は電流の向きによって決定される。
【００１４】
本発明による赤外線体温計は、上述した非接触型温度センサーと、非接触型温度センサーの加熱／冷却素子の加熱／冷却作用を制御すると共にサーモパイルおよびサーミスタの出力を処理して測温表示するための制御測定回路とを備えており、そして、制御測定回路は加熱／冷却素子に通電することによってサーモパイルの冷接点を加熱または冷却し、サーモパイルの出力がゼロになったとき、サーミスタの検出温度を測定表示することにより前述した課題を解決している。
【００１５】
サーモパイルの冷接点を加熱または冷却して測温することは、環境温度の変化による影響を積極的にかつ確実に回避しており、これにより、従来におけるような金属管やセンサーフレーム等の環境温度の変化に対処する手段を必要とせず、それにより、測定プローブの先端に取り付けて使用することが可能になり、被測定物の温度を正確に測定することができる。また、サーモパイルは、その出力電圧特性に関係なく、出力がゼロであるか否かを判別するためだけに用いられているため、サーモパイルについて黒体炉等の特殊な装置を用いた煩雑な温度校正作業を行う必要がなく、製造メーカによって保証された性能を有するサーミスタについて温度補正を行えばよい。
【００１６】
本発明による赤外線体温計はまた、少なくとも加熱／冷却素子でサーモパイルの冷接点を加熱または冷却することによりサーモパイルの冷接点の温度が温接点の温度と等しくなったときと、加熱／冷却素子でサーモパイルの冷接点を冷却または加熱することによりサーモパイルの冷接点の温度が再び温接点の温度と等しくなったとき、制御測定回路がサーミスタの検出温度をそれぞれ測定し、それらの平均値を表示するように構成することもでき、これにより、測定誤差を最小に抑えることができる。また、本発明による赤外線体温計は、熱電冷却半導体を応用したペルチェ素子を加熱／冷却素子として使用し、加熱／冷却素子に最初に通電する電流の向きを制御測定回路がサーモパイルの出力に応じて決定するようにも構成できる。通常、サーモパイルの冷接点の温度が環境温度（温接点の温度）よりも低いとき、サーモパイルの出力はマイナス（−）を示し、高いときにはプラス（＋）を示す。このため、測温開始時、サーモパイルの出力がマイナスのとき、制御測定回路は、加熱／冷却素子がサーモパイルの冷接点を加熱するように加熱／冷却素子に電流を流し、サーモパイルの出力がプラスのとき、加熱／冷却素子がサーモパイルの冷接点を冷却するように加熱／冷却素子に逆方向の電流を流し、常にサーモパイルの出力がゼロになるように制御される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例による赤外線温度計は、図１に示すように、非接触型温度センサー１が体温計の本体を構成するプローブ２の先端部に設けられており、また、プローブ２の内部には後述する制御測定回路３（図４参照）が設けられている。本発明の非接触型温度センサー１は、図２および図３に示すように、被測定物Ｅ（図１参照）との間の相対温度を測定するためのサーモパイル１０と、サーモパイル１０の冷接点の温度を測定するための温度センサーとして機能するサーミスタ１１と、サーモパイル１０の冷接点を選択的に加熱または冷却するための加熱及び冷却兼用素子１２（以下、加熱／冷却素子１２と記す）とがキャン１３の内部に配置されており、キャン１３の頂部には赤外線フィルター１３ａが設けられている。
【００１８】
サーモパイル１０は、赤外線フィルター１３ａを通過した被測定物Ｅ（図１参照）からの赤外線を受光することにより発熱する赤外線吸収膜１４と、複数の熱電対１５とから構成される。各熱電対１５はその温接点１５ａを赤外線吸収膜１４にそれぞれ接合し、冷接点１５ｂを熱伝達部材１６にそれぞれ接合して設けられており、複数の熱電対１５からの合成出力がサーモパイル１０の出力として処理される。
【００１９】
サーミスタ１１は熱伝達部材１６に接合して設けられており、サーモパイル１０の冷接点を構成する各熱電対１５の冷接点１５ｂの温度を熱伝達部材１６を介して計測している。加熱／冷却素子１２は熱電冷却半導体を応用したペルチェ素子を複数個用いている。各加熱／冷却素子１２には、サーモパイル１０の冷接点を加熱するか又は冷却するための第１，第２可逆接点となる２つの可逆熱／冷接点１２ａ，１２ｂが一方と他方に分かれて設けられており、２つの可逆熱／冷接点１２ａ，１２ｂは、加熱／冷却素子１２に通電したとき、一方の可逆熱／冷接点で発熱作用を生じると、他方の可逆熱／冷接点で熱吸収作用を生じる。この可逆熱／冷接点での発熱または熱吸収作用は、加熱／冷却素子１２に流される電流の向きによって決定される。加熱／冷却素子１２の可逆熱／冷接点１２ａおよび１２ｂは、サーモパイル１０の冷接点およびサーミスタ１１が接続される熱伝達部材１６と、放熱または蓄熱用或いは熱吸収用部材としてのヒートシンク１７とにそれぞれ接合されている。赤外線吸収膜１４と熱伝達部材１６とヒートシンク１７との各間は、相互に熱的な影響を受けないように熱絶縁材１８によって絶縁されている。
【００２０】
サーモパイル１０の温接点（１５ａ）および冷接点（１５ｂ）は端子１９ａ，１９ａを介して、サーミスタ１１は端子１９ｂ，１９ｂを介して、そして、加熱／冷却素子１２の可逆熱／冷接点１２ａおよび１２ｂは端子１９ｃ，１９ｃを介してそれぞれ制御測定回路３に接続される。
【００２１】
制御測定回路３は、図４に示すように、サーモパイル１０の出力を判別するためのコンパレータ２０と、コンパレータ２０からの出力に応じて加熱／冷却素子１２へ制御信号を送ると共に、サーモパイル１０の出力がゼロになったときにサーミスタ１１の検出温度を測定するためのマイクロコントローラ２１と、サーミスタ１１の抵抗値を温度値に換算するためのＡ／Ｄコンバータ２２と、サーミスタ１１の検出温度を表示するための表示器２３とから構成されている。
【００２２】
次に、制御測定回路３の動作について図５を参照して説明する。サーモパイル１０の出力は、サーモパイル１０の冷接点温度が温接点温度、すなわち、被測定物の温度よりも低いときにはプラスの値を示し、冷接点温度が温接点温度よりも高いときはマイナスの値を示し、そして、冷接点温度が温接点温度と等しいときに出力がゼロになる。コンパレータ２０は、サーモパイル１０の出力がプラスのときに「０」を出力し、マイナスのときに「１」を出力し、ゼロのとき、「０」から「１」または「１」から「０」に遷移する。マイクロコントローラ２１は、コンパレータ２０の出力が「０」のとき、加熱／冷却素子１２に加熱信号を送ってサーモパイル１０の冷接点温度を上昇させ、コンパレータ２０の出力が「１」のとき、加熱／冷却素子１２に冷却信号を送ってサーモパイル１０の冷接点温度を下降させる。
【００２３】
コンパレータ２０の出力が「０」から「１」または「１」から「０」に遷移したとき、マイクロコントローラ２１は、Ａ／Ｄコンバータ２２によって抵抗値から温度値に換算されたサーミスタ１１の検出温度を読み取って表示器２３に表示させる。ここにおいて、サーミスタ１１の検出温度の読取は、コンパレータ２０の出力が「０」から「１」または「１」から「０」に遷移するときの１回のみであってもよいが、好ましくは、コンパレータ２０の出力の「０」→「１」または「１」→「０」の遷移に対応して加熱／冷却素子１２に加熱または冷却信号を送り、短時間のうちにコンパレータ２０の出力の遷移を複数回行わせることによってサーミスタ１１の検出温度のサンプリングを複数回行い、それらの平均値を算出して表示することにより、測定誤差をより小さくすることができる。
【００２４】
測定開始時にサーモパイル１０の冷接点温度と温接点とが同一または近似した値で変化するとき（例えば、真夏日等のように体温計が体温に等しいときに使用するような場合）、図６に示すように、コンパレータ２０の出力が不安定となって「１」→「０」→「１」→「０」を繰り返すことがあるが、コンパレータ２０の出力のいずれかの遷移時にサーミスタ１１の検出温度のサンプリングを行うことで温度を測定できる。しかしながら、必要ならば、測温開始時に最初にコンパレータ２０から出力された値、「０」または「１」に基づいて、加熱／冷却素子１２に加熱または冷却信号を一定時間送ったのち、前述した測温作業を開始するように構成することもできる。また、コンパレータ２０の出力と加熱／冷却素子１２に送られる加熱または冷却信号との関係を前述とは逆の関係で行うようにも構成できることは当業者にとって容易に理解されよう。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、サーモパイルとサーミスタを一体化していることにより、サーモパイルの冷接点とサーミスタとの間の熱結合度を高めることができると共に、非接触型温度センサーを小型化することができる。また、加熱／冷却素子によりサーモパイルの冷接点を被測定物温度まで加熱または冷却して被測定物の温度を測定するため、非接触型温度センサーが外部の温度に影響されることはなく、それにより、非接触型温度センサーをプローブ最先端に取り付けた赤外線体温計に形成でき、被測定物により接近した位置で温度測定を行うことができる。加えて、サーモパイルの冷接点が被測定物温度になったときにサーミスタの検出温度を測定して表示できるため、相対的に大きなバラツキのあるサーモパイルを冷接点温度と被測定物温度とが同一であるか否かの判断手段としてのみ使用し、相対的にバラツキのないサーミスタに依存して被測定物の温度測定が行われることになり、温度校正作業を最小限に抑えることができる。また、サーミスタの検出温度のサンプリングを複数回行ってその平均値を表示することができるため、温度測定誤差を最小限にとどめることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による赤外線温度計の概要を説明するための図である。
【図２】本発明の実施例による非接触型温度センサーを示す部分斜視図である。
【図３】図２に示す非接触型温度センサーの断面図である。
【図４】図２に示す非接触型温度センサーと共に用いられる制御測定回路のブロック図である。
【図５】図４に示す制御測定回路における測定時の温度と出力の関係を説明するための図である。
【図６】図４に示す制御測定回路におけるサーモパイルの冷接点温度と被測定物温度が同じような場合におけるコンパレータ出力を示す図である。
【図７】従来の赤外線体温計に用いられる非接触型温度センサーを示す部分斜視図である。
【図８】図９に示す非接触型温度センサーの断面図である。
【図９】従来の赤外線体温計の概要を説明するための図である。
【図１０】従来の赤外線体温計で用いられている制御回路のブロック図である。
【符号の説明】
１    非接触型温度センサー        ２    プローブ
３    制御測定回路              １０    サーモパイル
１１    サーミスタ                １２    加熱／冷却素子
１２ａ,１２ｂ   可逆熱／冷接点
１３    キャン                    １３ａ  赤外線フィルター
１４    赤外線吸収膜              １５    熱電対
１５ａ  温接点                    １５ｂ  冷接点
１６    熱伝達部材                １７    ヒートシンク
１８    熱絶縁材                  １９ａ,１９ｂ,１９ｃ  端子
２０    コンパレータ              ２１    マイクロコントローラ
２２    Ａ／Ｄコンバータ          ２３    表示器
Ａ    非接触型温度センサー        Ｂ    サーモパイル
Ｃ    サーミスタ                  Ｄ    キャン
Ｅ    被測定物                    Ｆ    赤外線フィルタ
Ｇ    赤外線吸収膜                Ｈ    ヒートシンク
Ｉ    熱電対                      Ｊ    金属ホルダー
Ｋ,Ｌ   断熱部材                  Ｍ    金属導波管
Ｎ    制御回路
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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