(57)【要約】    【課題】  大きな受光領域の赤外線センサに最適な光学系を構築使用することにより、高速応答性能だけでなく、測定精度及び測定再現性の面で十分に満足のゆく結果が得られ、高速かつ高精度測定を実現できる放射温度計を提供する。    【解決手段】  高速応答のサーモパイル型赤外線センサ１と測定対象物からの赤外光を赤外線センサ１の受光領域に向けて屈折させる赤外線レンズ５との間に、該赤外線レンズ５側ほど漸次広い開口の内周面７ａを有する円錐形状の集光ミラー７をその内周面の狭い開口端が赤外線センサ１の受光領域に接触もしくは極近接する状態に配置している  【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物の表面から放出される赤外線量を測定してその測定対象物の表面温度を計測する放射温度計であって、
赤外線センサと前記測定対象物からの赤外光を前記赤外線センサの受光領域に向けて屈折させる赤外線レンズとの間に、該赤外線レンズ側ほど漸次広い開口の内周面を有する錘体形状の集光ミラーをその内周面の狭い開口端が赤外線センサの受光領域に接触もしくは極近接する状態に配置していることを特徴とする放射温度計。
【請求項２】
前記赤外線センサが、基板上に短冊状の細長い薄膜部を互いに平行に複数列配置し、これら複数列の細長い薄膜部の各長辺に沿ってそれぞれ複数の熱電対を直列に接続して設けたサーモパイルから構成されている請求項１に記載の放射温度計。
【請求項３】
前記サーモパイルから構成される赤外線センサの受光領域が、円形またはほぼ円形に形成され、かつ、前記集光ミラーの内周面が円錐形状に形成されている請求項２に記載の放射温度計。
【請求項４】
前記集光ミラーは、その内周面の広い開口端と赤外線レンズとの間に空間を形成するように配置されている請求項１ないし３のいずれかに記載の放射温度計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば食品や飲料水など接触を避けたいものや、工場内の稼動部のように接触式での測定が困難な各種物体の表面温度を非接触で測定する場合に用いられるもので、測定対象物の表面から放出される赤外線量を測定することにより、その測定対象物の表面温度を計測する放射温度計に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の放射温度計としては、動体の計測用途において応答速度の高速化が望まれている。例えば飲料水を連続製造しつつ温度管理する高速ラインでは１サンプルに対する測定可能時間が３０〜４０ｍｓｅｃであり、このような条件下で、９５％以上の応答特性を発揮させるためには１０ｍｓｅｃ以下の応答速度が要求される。放射温度計の応答速度は、内部に搭載されている赤外線センサの応答速度に依存するものであり、かかる観点に立って、赤外線センサの応答速度を高速化するための種々の研究が行われ、飲料水の連続製造高速ラインにも十分に対応する応答速度を有する赤外線センサが開発され現在既に実用化レベルにまで達している。
【０００３】
一方、高速応答性能を有する赤外線センサは、その構造上、受光領域が比較的大きくならざるを得ないのであり、このような大きな受光領域の赤外線センサを用いる放射温度計において指示値のふらつき及び視野特性に満足できる効率的な集光が行える光学系は開発されていない。したがって、高速応答性能を有する赤外線センサの光学系としては、従来よりごく一般的に知られている光学系、すなわち、図５に概略的に示すように、赤外線センサ２１の前面側にその大きな受光領域２１ａに対応する大きさの赤外線レンズ２２を配置したもの（例えば、特許文献１参照）や、図６に概略的に示すように、赤外線センサ２１の受光領域２１ａの直前部に円錐形状の内周面を有する集光ミラー２３のみを配置したものが用いられているのが実状である。
【０００４】
【特許文献１】特開平４−１０４０８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、図５に示すように、大きな赤外線レンズ２２のみを光学系として用いる放射温度計の場合は、大きいだけでなく分厚いレンズが必要で、高価であるのみならず厚さに対応して透過損失が増えるために、測定対象物からの赤外光の取り込み効率はせいぜい３０％程度であり、高速応答性能に優れた赤外線センサを用いつつも、測定精度及び測定再現性の面では満足のゆく結果が得られない。また、図６に示すような円錐形状の集光ミラー２３のみを光学系として用いる放射温度計の場合は、赤外線センサの受光領域に適合する絞った視野特性が得られず、測定精度及び測定再現性の面で満足のゆく結果が得られないという問題がある。
【０００６】
本発明は上述の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、大きな受光領域の赤外線センサに最適な光学系を構築することにより、高速応答性能に優れているだけでなく、測定精度及び測定再現性の面でも満足のゆく結果が得られ、高速かつ高精度測定を実現できる放射温度計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係る放射温度計は、測定対象物の表面から放出される赤外線量を測定してその測定対象物の表面温度を計測する放射温度計であって、赤外線センサと前記測定対象物からの赤外光を前記赤外線センサの受光領域に向けて屈折させる赤外線レンズとの間に、該赤外線レンズ側ほど漸次広い開口の内周面を有する錘体形状の集光ミラーをその内周面の狭い開口端が赤外線センサの受光領域に接触もしくは極近接する状態に配置していることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
上記のような特徴構成を有する本発明によれば、受光領域の大きな赤外線センサを使用することにより、放射温度計の応答速度を高速化して動体の計測用途にも十分に対応することができるとともに、赤外線センサの大きな受光領域に対する光学系として、赤外線レンズと錘体形状の集光ミラーとの組み合わせからなる光学系を用い、レンズの厚みや曲率及び集光ミラーの開き角や長さなどに関して、測定対象物からの赤外光を１００％近く取り込める効率よい集光特性及び絞った視野特性が得られるようにするための光学シミュレーションによる選択と実験による検証を行い、その結果、大きな受光領域に最適な光学系の構築を完成することができたのである。したがつて、高速応答性能に優れているだけでなく、その高速応答赤外線センサに最適な光学系の構築（採用）により、測定精度及び測定再現性の面でも十分満足のゆく結果が得られ、高速かつ高精度測定が実現可能な放射温度計を得ることができるという効果を奏する。
【０００９】
本発明に係る放射温度計における赤外線センサとしては、請求項２に記載のように、基板上に短冊状の細長い薄膜部を互いに平行に複数列配置し、これら複数列の細長い薄膜部の各長辺に沿ってそれぞれ複数の熱電対を直列に接続して設けたサーモパイルから構成されたものを使用することが好ましい。
【００１０】
上記構成のサーモパイル型赤外線センサは、薄膜部とヒートシンクである基板との熱コンダクタンスが短辺方向のサイズで規定されるので、応答速度を速くすることができる一方、薄膜部の長辺方向に沿った熱電対の設置段数を増やすことにより、応答速度が速くなればなるほど後述のトレードオフの関係から感熱部の到達温度が低くなり、それに伴う感度低下を補うことができ、二律背反の関係にある応答速度と実用レベル感度の性能を両立させることが可能である。このような高速応答でかつ感度の高いサーモパイル型赤外線センサとそれに最適な光学系との組み合せによって、例えば飲料水を連続製造しつつ温度管理する高速ラインなどの動体の計測用途に非常に有効に適用することができる。
【００１１】
なお、前記応答速度と感度とのトレードオフの関係とは、感熱部の熱容量をＣ、基板との熱コンダクタンスをＧとした時の熱時定数τが、
τ＝Ｃ／Ｇ  …（１）
で表わされ、応答速度を速くしようとすると、熱容量Ｃを小さく熱コンダクタンスＧを大きくする必要がある一方、熱コンダクタンスＧが大きくなると感度が低下する関係にあることをいうものである。
【００１２】
また、上記サーモパイル型赤外線センサを用いる放射温度計において、請求項３に記載のように、前記赤外線センサの受光領域を円形またはほぼ円形に形成し、かつ、前記集光ミラーの内周面を円錐形状に形成することが望ましい。この場合は、測定対象物がどのような形状のものであっても、高感度かつ高速度に、しかも高精度に測定することができるとともに、汎用性を高めることができる。
【００１３】
また、本発明に係る放射温度計において、請求項４に記載のように、前記集光ミラーを、その内周面の広い開口端と赤外線レンズとの間に空間を形成するように配置する場合は、レンズによって屈折された赤外光が集光ミラーの広い開口端側の内周面で乱反射されて視野特性が悪化することを回避することが可能で、集光特性及び視野特性を一層優れたものとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る放射温度計の要部である鏡筒部の縦断面図である。図１において、１は赤外線センサで、鏡筒２内の底部に取付座板３及びボルト４を介して着脱自在に組付け固定されている。前記鏡筒２の開口端側には測定対象物からの赤外光ＩＲを前記赤外線センサ１の受光領域に向けて屈折させる赤外線レンズ５が環状押え６を介して固定されている。
【００１５】
前記赤外線センサ１と前記赤外線レンズ５との間の鏡筒２内には、赤外線レンズ５側ほど漸次広い開口の内周面７ａを有する円錐形状の集光ミラー７が配置されている。この集光ミラー７は、その内周面７ａの最も広い開口端に前記赤外線センサ１の受光領域（後述する）の約１５倍の面積の仮想受光面８を形成するように構成されているとともに、その内周面７ａの最も狭い開口端が前記赤外線センサ１を収容するキャン９に接触されるように固定して赤外線センサ１の受光領域との間の距離を可及的に短くしている。また、前記集光ミラー７は、その内周面７ａの最も広い開口端、すなわち、仮想受光面８と赤外線レンズ５との間に空間が存在するように長さＬの短いものに形成されている。
【００１６】
前記鏡筒２底部の取付座板３の外面には、赤外線センサ１のヒートシンクとなるシリコン基板１０から導出されたリードピン１１を電気的に接続する導電性のプリント基板１２が前記ボルト４により共締め固定されている。
【００１７】
前記赤外線センサ１は、図２及び図３の原理構成図に示すように、シリコン基板１０の上面にＳｉＯ2 等の絶縁膜１３を形成した上、前記シリコン基板１０の裏面をエッチングすることにより、ダイヤフラム構造で短冊状の３列の細長い薄膜部１４ａ，１４ｂ，１４ｃを互いに平行に並べ形成して感熱部とし、これら薄膜部１４ａ，１４ｂ，１４ｃにより略円形の受光領域１Ａが形成されている。
【００１８】
そして、前記３列の薄膜部１４ａ，１４ｂ，１４ｃの各長辺に沿って、アルミニウムと多結晶シリコンとで構成される複数個、例えば合計で１４４個の熱電対１５をそれらの各温接点１５ｈが薄膜部１４ａ，１４ｂ，１４ｃ上に位置し、かつ、各冷接点１５ｃがシリコン基板１０上に位置するように一定パターン幅に並設するとともに、これら各熱電対１５を直列に接続した高速応答サーモパイルから構成されている。
【００１９】
放射温度計は、上記した高速応答サーモパイル型の赤外線センサ１及び赤外線レンズ５と集光ミラー７の組み合せからなる光学系を搭載した鏡筒部に、警報出力機能や、ゲート入力によるピークホールド・ボトムホールド、移動平均機能、外部とのインターフェイス回路などを内蔵したケース本体が接合されていいるが、それらは周知であるため、詳細な説明は省略する。
【００２０】
上記のように構成された放射温度計においては、赤外線センサ１として、短冊状の細長い薄膜部１４ａ，１４ｂ，１４ｃを互いに平行に３列並べた構造を感熱部とし、その感熱部に複数個、例えば合計１４４個の熱電対１５を直列接続したサーモパイル型赤外線センサが用いられていることにより、既述のトレードオフの関係式（１）からも明らかなように、２ｍｓｅｃ以上、１０ｍｓｅｃ以下の速い応答速度と実用レベル感度を両立させることが可能となり、例えば飲料水を連続製造しつつ温度管理する高速ラインなどの動体の計測用途にも有効に適用することができる。
【００２１】
その上、上述のような高速応答高感度なサーモパイル型赤外線センサ１の比較的大きな受光領域１Ａに対する光学系として、赤外線レンズ５と円錐形状の集光ミラー７とを組み合わせたもので、レンズ５の厚みや曲率及び集光ミラー７の開き角や長さなどに関して、測定対象物からの赤外光ＩＲを１００％近く取り込める効率よい集光特性及び絞った視野特性が得られるようにするための光学シミュレーションによる選択と実験による検証を行い、大きな受光領域１Ａに対しても指示値のふらつき及び視野特性が満足できるように構築された最適な光学系を用いることによって、高速応答性能に優れているだけでなく、測定精度が±２℃（０〜２００℃）以内、測定再現性が１℃以内という高精度測定を実現可能な放射温度計を得ることができる。
【００２２】
また、上記実施の形態のように、前記サーモパイル型赤外線センサ１の受光領域１Ａを略円形または円形に形成し、かつ、前記集光ミラー７の内周面７ａを円錐形状に形成することにより、測定対象物がどのような形状のものであっても、高感度かつ高速度に、しかも高精度に測定することができるとともに、汎用性を高めることができる。
【００２３】
さらに、前記集光ミラー７としては、図１の仮想線で示すように、その円錐形状の内周面７ａの最も広い開口端が赤外線レンズ５に接触するような長さに形成してもよいが、特に、上記実施の形態で示したように、内周面７ａの最も広い開口端と赤外線レンズ５との間に空間が存在する長さＬの短いものに形成することによって、レンズ５によって屈折された赤外光ＩＲが集光ミラー７の広い開口端側の内周面７ａで乱反射されて視野特性が悪化することを回避することが可能で、集光特性及び視野特性を一層優れたものとすることができる。
【００２４】
なお、上記実施の形態では、シリコン基板１０上にダイヤフラム構造で短冊状の３列の細長い薄膜部１４ａ，１４ｂ，１４ｃを互いに平行に並べて感熱部とし、これら薄膜部１４ａ，１４ｂ，１４ｃにより略円形の受光領域１Ａを形成してなるサーモパイル型赤外線センサ１を使用したが、これに代えて、図４に示すように、ダイヤフラム構造で短冊状の同長の細長い薄膜部１４ａ，１４ｂを２列平行に並べて感熱部とし、これら２列の薄膜部１４ａ，１４ｂの各長辺に沿ってアルミニウムと多結晶シリコンとで構成される複数個の熱電対１５を並設するとともに、これら各熱電対１５を直列に接続してなる長方形の受光領域１Ａを有する高速応答サーモパイル型赤外線センサ１を使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る放射温度計の要部である鏡筒部の縦断面図である。
【図２】本発明に係る放射温度計に用いる赤外線センサの原理構成を示す平面図である。
【図３】本発明に係る放射温度計に用いる赤外線センサの原理構成を示す断面図である。
【図４】本発明に係る放射温度計に用いる他の赤外線センサの原理構成を示す平面図である。
【図５】従来の放射温度計に用いられていた赤外線センサの光学系の一例を示す概略図である。
【図６】従来の放射温度計に用いられていた赤外線センサの光学系の他の例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  赤外線センサ（サーモパイル型赤外線センサ）
１Ａ  受光領域
５  赤外線レンズ
７  集光ミラー
７ａ  円錐形状の内周面
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ  短冊状の細長い薄膜部
１５  熱電対
ＩＲ  赤外光
【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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