JP2003156395A - 赤外線温度センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 より一層小型化できると共に、センサーフレ
ームや導波管を付加することなしに使用でき、それによ
り、測定プローブの先端に取り付けることを可能にし、
もって、環境温度に影響されない、高精度な体温測定を
可能にする赤外線温度センサーを提供する。 【解決手段】 基台となる絶縁体ベースと、該絶縁体ベ
ースとの間に内部空間を形成するように積層されかつそ
の中央部位に開口を有する絶縁体封止蓋と、前記絶縁体
ベースと絶縁体封止蓋の間の内部空間にそれぞれ配置さ
れる赤外線センサーおよび温度補償部材とから構成され
る。絶縁体ベースおよび絶縁体封止蓋は良好な熱伝導性
を有する材料によりそれぞれ形成される。赤外線センサ
ーのサーモパイルの冷接点および温度補償部材は絶縁体
ベースとの間に良好な熱伝導性を有してそれぞれ設けら
れ、前記絶縁体ベースと絶縁体封止蓋の接合面間には発
熱部材が設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は非接触で測定する体温
計、特に、プローブ先端部を耳穴に挿入して鼓膜の温度
を測定する方式の体温計、或いは、体温計先端部を人体
に接触させて人体の表面温度を測定する体温計に使用す
るための赤外線温度センサーに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】 図３および４は従来の赤外線温度セン
サー（Ａ）の構造を説明する図であり、図５は従来の赤
外線温度センサー（Ａ）の取付方法を説明するための図
である。周知の如く、この種の温度測定に用いられる赤
外線センサーＢは、ゼーベック効果、すなわち、複数の
熱電対から構成されたサーモパイルＣの冷接点と温接点
の間に温度差が生じることにより冷接点と温接点の間に
温度差に応じた電位差が生じる現象を利用している。こ
のような赤外線センサーを温度測定用センサーとして用
いるためには、熱電対と同様に、サーモパイルＣの冷接
点温度補償を行なうための手段Ｄ（一般的に、サーミス
タが使用される。）が必要となる。この温度補償手段Ｄ
は、赤外線センサーＢと共に赤外線温度センサーＡに内
蔵された形式や赤外線温度センサーＡとは別に設けられ
る外付けの形式で適用される（図３および４の場合、内
蔵タイプである。）。

【０００３】赤外線センサーＢの赤外線吸収体Ｅは、赤
外線透過フィルタＦを通過した測定対象物（図示なし）
からの赤外線を吸収して温度が上昇するが、赤外線温度
センサーＡのパッケージ頭部の壁面Ｇから放射されてい
る赤外線をも吸収して温度が上昇する。通常の使用法で
はパッケージ頭部の壁面Ｇは、赤外線センサーＢ自身と
同一の温度と理論上みなすこともできる。しかしなが
ら、実際には、外部からの要因によって急激な温度変化
が与えられると、パッケージの頭部とセンサー内部の赤
外線吸収体Ｅとの間に温度差が生じてしまい、結果とし
て赤外線温度センサー出力が過渡的に不安定となり、意
図しない不要な電圧を出力してしまうため、測定誤差を
生じる要因となっていた。また、環境温度上昇中のと
き、先端部は赤外線温度センサーよりも早く温度が高く
なるため正方向の誤差を生じ、一方、環境温度下降中の
ときは、先端部が赤外線温度センサーよりも早く温度が
低くなるため負方向の誤差を生じていた。

【０００４】このため、図５に示すように、赤外線温度
センサーＡに温度変化が均一で緩やかに加わるように、
赤外線温度センサーＡ自身を良好な熱伝導度を有する金
属ホルダまたはセンサーフレームＨ内に設置し、さらに
測定対象物との間に断熱材としての空気やプラスチック
が介在するようにプローブＩによって囲むように形成さ
れている。また、放射率が限りなく小さくなるように金
メッキされた金属管または導波管Ｊを赤外線温度センサ
ーＡの前面に設け、測定対象物（人体）からの熱輻射の
影響を小さくしていた。しかしながら、赤外線温度セン
サーＡの回りにセンサーフレームや断熱材を設けると共
に前面に導波管Ｊを設けることは測定プローブ（体温
計）としての製品寸法の大型化を招き、また、温度変化
の影響を実質的にゼロにするには寸法上の限界があるた
め、ある程度の測定誤差が含まれることになるのを容認
せざるを得なかった。

【０００５】また、前述したように、冷接点温度補償手
段Ｄとして一般的にサーミスタが用いられるが、サーモ
パイルＣの冷接点部ＫとサーミスタＤの熱結合が悪い
と、両者間に温度差を生じてしまい、冷接点温度補償に
過不足を生じて正確な計測ができなくなる。このため、
最近の赤外線温度センサーでは、サーミスタＤを赤外線
センサーＢと同一パッケージ内に取り付けることによっ
て、赤外線センサーの冷接点部ＫとサーミスタＤとの間
の熱結合度を高めていた。しかしながら、赤外線センサ
ーの冷接点部ＫとサーミスタＤとが同一パッケージ内に
配置されているだけであるため、両者間の熱結合度は依
然として低く、両者間の温度差による測定誤差をなくす
には至らないものであった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、赤外線温度
センサーの寸法をより一層小型化できると共に、センサ
ーフレームや導波管を付加することなしに使用でき、そ
れにより、測定プローブの先端に取り付けることを可能
にし、もって、環境温度に影響されない、高精度な体温
測定を可能にする赤外線温度センサーを提供しようとす
るものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による赤外線温度
センサーは、基台となる絶縁体ベースと、該絶縁体ベー
スとの間に内部空間を形成するように積層され、かつ、
その中央部位に開口を有する絶縁体封止蓋と、前記絶縁
体ベースと絶縁体封止蓋の間の内部空間にそれぞれ配置
される赤外線センサーおよび温度補償部材とから構成さ
れる。赤外線センサーのサーモパイルの冷接点および温
度補償部材はそれぞれ絶縁体ベースとの間に良好な熱伝
導性を有して設けられる。絶縁体ベースおよび絶縁体封
止蓋は、良好な熱伝導性を有する材料によりそれぞれ形
成され、絶縁体ベースと絶縁体封止蓋の接合面間に発熱
部材が設けられる。

【０００８】温度を測定するには、発熱部材を発熱させ
ることにより絶縁体ベースおよび絶縁体封止蓋を加熱す
ることにより、赤外線センサーのサーモパイルの冷接点
および温度補償部材を所要の温度まで加熱する。赤外線
センサーが測定対象物からの赤外線に感応すると、赤外
線センサーの温度と測定対象物の温度との差に応じた相
対温度出力が発生する。この相対温度出力を検出すると
同時に、そのときのサーモパイルの冷接点温度に応じた
温度補償出力を温度補償部材から検出する。これら２つ
の出力を電気的に処理して温度補正を行なうことにより
測定対象物の温度が測定される。測定が終了すると、絶
縁体ベースおよび絶縁体封止蓋の加熱を停止して絶縁体
ベースおよび絶縁体封止蓋の温度を常温に戻し、次の測
定に備える。

【０００９】本赤外線温度センサーは、前述したよう
に、本赤外線温度センサー全体を均一に加熱して測定す
るため、環境温度変化の影響を受けにくく、測定プロー
ブの先端に直接設けることができる。また、赤外線セン
サーおよび温度補償部材は、絶縁体ベースと絶縁体封止
蓋から構成されるパッケージ内に封止された形態で設け
られ、加熱手段によってそのパッケージを直接加熱する
ことによって冷接点の温度を変えることができるため、
冷接点の温度を変えるのに必要な発熱部材の発熱量は最
小限に抑えることができ、冷接点の温度を変えるのに必
要な加熱時間もまた最小限に抑えることができる。これ
により、温度測定に要する時間を短縮することができ、
測定誤差の要因となり得る外部要因が悪影響を及ぼす可
能性を極力少なくし、もって、より正確な温度測定を行
うことができる。

【００１０】本発明のより好適な適用形態としては、絶
縁体ベースおよび絶縁体封止蓋に用いられる良好な熱伝
導性を有する材料としてセラミックを使用し、そして、
絶縁体ベースおよび絶縁体封止蓋は加熱手段からの熱を
全体に良好に伝導するのに必要な厚さをそれぞれ有する
一方、より小さな熱容量となるようにそれぞれより小さ
な体積で成形することもできる。これにより、絶縁体ベ
ースおよび絶縁体封止蓋の加熱および常温への復帰をよ
り短時間に行なうことができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の実施例による赤外線温度
センサーは、図１および２に示すように、基台となる絶
縁体ベース１と、絶縁体ベース１との間に内部空間２を
形成する絶縁体封止蓋３と、内部空間２内の絶縁体ベー
ス１上に設けられる赤外線センサー４および温度補償部
材５と、絶縁体ベース１と絶縁体封止蓋３との間の接合
面間に設けられる発熱部材６とから構成される。

【００１２】絶縁体ベース１および絶縁体封止蓋３は、
電気的な絶縁性を有し、かつ、良好な熱伝導性を有する
材料により形成されている。発熱部材６からの熱を全体
に良好に伝導するのに必要な厚さをそれぞれ有する一
方、より小さな熱容量となるようにそれぞれより小さな
体積で成形される。これらの全てを満足し得る材料とし
て、セラミックが好適である。絶縁体封止蓋３には、外
部から赤外線のみを赤外線センサー４に到達させるため
の赤外線透過フィルタ７を備えた開口８が設けられてい
る。

【００１３】赤外線センサー４は、慣用の構造を有して
おり、サーモパイルを構成する複数の熱電対９と、赤外
線透過フィルタ７を透過した赤外線によって発熱する赤
外線吸収膜１０とを備えた単一のウエハとして形成され
る。赤外線吸収膜１０からの熱は熱電対９の温接点９ａ
に伝達される。熱電対９の温接点９ａは絶縁体ベース１
および絶縁体封止蓋３から熱的に離間して配置される一
方、熱電対９の冷接点９ｂは絶縁体ベース１と熱的に接
続される。温度補償部材５は、一般的に、サーミスタが
使用されており、熱電対９の冷接点９ｂの温度と常に同
じ温度になるように絶縁体ベース１と熱的に接続され
る。

【００１４】熱電対９で生じた電位差は一対の端子１１
ａ、１１ａから取り出され、温度補償部材５の補償出力
は一対の端子１１ｂ、１１ｂから取り出される。一方、
発熱部材６は一対の端子１１ｃ、１１ｃに通電すること
により発熱し、絶縁体ベース１および絶縁体封止蓋３を
加熱する。図示の場合、温度補償部材５の一方の端子１
１ｂは赤外線センサー４の下方にまで延びるように示さ
れているが、これは、単一のウエハとして供給されてい
る赤外線センサー４に設けられたヒートシンク１２によ
ってサーモパイルの測定電位が不安定になるのを避ける
ために設けられた共通アースとしての機能を有してい
る。しかしながら、ヒートシンク１２のない構造の赤外
線センサーを入手することができるならば、温度補償部
材５の共通アース端子１１ｂは温度補償部材５のための
みの端子形状として設け、絶縁体ベース１の形状をヒー
トシンク１２を含む形状に形成し、熱電対９の冷接点９
ｂが絶縁体ベース１に直接接合するように形成でき、そ
れにより、より効率よく熱的関係を維持できることは容
易に理解されよう。

【００１５】上述の如く構成される本発明の赤外線温度
センサーは、次のようにして測定対象物の温度を測定す
る。まず、発熱部材の端子１１ｃ、１１ｃに通電するこ
とにより発熱部材６を発熱させて絶縁体ベース１および
絶縁体封止蓋３を加熱し、サーモパイルの冷接点９ｂお
よび温度補償部材５を所要の温度に加熱する。この加熱
によって上昇する温度は、環境温度、発熱部材６の発熱
量、赤外線温度センサーの熱容量等の種々の条件によっ
て決定されるが、結果的に、これらの条件によって決定
される一定の温度に保持される。赤外線温度センサーが
一定の温度に保持された状態で絶縁体封止蓋３の開口８
を測定対象物に近づけると、測定対象物（耳穴に入れた
場合、外耳道）からの赤外線が赤外線透過フィルタ７を
通って赤外線吸収膜１０に吸収され、それにより赤外線
吸収膜１０が発熱する。この発熱により変化したサーモ
パイルの温接点９ａの温度と一定の温度に保持された冷
接点９ｂの温度との差に応じて発生される電位差を端子
１１ａ、１１ａを介して検出する。それと同時に、冷接
点９ｂと同じ温度にある温度補償部材５の値（サーミス
タの場合、抵抗値）を端子１１ｂ、１１ｂを介して検出
する。サーモパイルに発生した電位差の値を温度に換算
することによって赤外線温度センサーと測定対象物の間
の相対温度を算出する一方、温度補償部材５の値を温度
に換算することによって冷接点９ｂの温度を算定し、両
者の算定値を合わせることにより測定対象物の温度を算
定する。

【００１６】測定誤差の因子の一つとなる温度補償部材
の性能のバラツキについて考察すると、一例として、５
℃〜３６℃の環境温度で使用する体温計で非加熱状態で
測定する場合、従来のものでは、温度補償部材の温度補
償範囲は３６℃−５℃＝３１℃である。温度補償部材５
にサーミスタを用いる場合、サーミスタはＢ定数（温度
−抵抗曲線の傾き）のバラツキがあり、広い温度範囲で
高精度を保つのは困難である。しかしながら、本発明の
場合、赤外線温度センサー（微視的には冷接点９ｂ）を
３２℃まで加熱するようにしたと仮定すると、サーミス
タの温度補償範囲は３６℃−３２℃＝４℃で済み、温度
補償部材５のバラツキによる誤差をほとんど無視するこ
とができる。換言すると、絶縁体ベース１および絶縁体
封止蓋３を加熱して測定対象物の温度と赤外線温度セン
サーの温度を近づけることによって温度補償部材５の温
度補償範囲を狭くでき、それにより、冷接点に対する温
度補償精度を向上することができる。このため、絶縁体
ベース１および絶縁体封止蓋３は、全体を均一に加熱す
るように良好な熱伝導性を有すると共に、外部からの要
因によって急激な温度変化の影響を受けないような厚さ
を有する必要がある。その一方で、絶縁体ベース１およ
び絶縁体封止蓋３は、測定のための加熱並びに次の測定
のための常温への復帰をより短時間に行なうことができ
るように、より小さな熱容量となるようより小さな体積
に形成することが望ましい。

【００１７】また、絶縁体ベース１および絶縁体封止蓋
３を加熱して測定対象物の温度と赤外線温度センサーの
温度を近づけることにより、赤外線温度センサーが受け
る相対温度を小さくできる。このことは、測定時の相対
温度を小さくすることによって温度換算時におけるリニ
アライズの範囲を狭くすることができるため、非直線化
による誤差を抑えることができる。一例として、５℃の
環境温度で３７℃の体温を測定すると、体温と赤外線温
度センサーの相対温度は３２℃となる。赤外線温度セン
サーの出力は相対温度に対して非直線であるため、セン
サー出力をリニアライズ（直線化）して測定温度として
いる。この例でセンサーを３２℃まで加熱するようにし
たと仮定すると体温とセンサーの相対温度は５℃とな
り、リニアライズの範囲を狭くすることができる。

【００１８】本発明の赤外線温度センサー自体を直接加
熱制御する方式は、従来の加熱手段を持たない赤外線温
度センサーが抱えていたプローブ挿入時の外耳道におけ
る温度バランスの乱れ（プローブに外耳道の熱を奪われ
てしまう現象）に対して有効であり、結果的に測定誤差
を少なくすると言える。従って、具体的な方法として
は、体温計の電源投入時にあらかじめ体温に近い温度、
例えば３２℃付近までセンサーを加熱しておき、その温
度を保つことで検温時の測定誤差を少なくするという手
法を取ることが可能である。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、絶縁パッケージを加熱
して被測定温度とセンサーの温度を近づけることができ
るため、高精度な体温測定が可能なる。また、従来の赤
外線温度センサーは、金属の薄いパッケージであったた
めに急激な温度変化が原因である温度分布変化が生じて
測定誤差の一因となってていたが、本発明では、絶縁体
ベースと絶縁体封止蓋からなる絶縁パッケージを用いる
ことにより、パッケージ全体に対して均一に熱を伝える
ことができるため、急激な環境温度変化の影響を受ける
ことはない。このため、従来におけるように、赤外線温
度センサーを金属ホルダー（センサーフレーム）内に納
める必要がなく、測定プローブの先端に取り付けること
ができ、従来におけるような導波管や導波管を保護する
ための導波管カバーを用いる必要がない。

【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センサーを
示す部分破砕斜視図である。

【図２】 本発明の実施例による赤外線温度センサーを
示す断面図である。

【図３】 従来の赤外線温度センサーの構造を示す部分
破砕斜視図である。

【図４】 従来の赤外線温度センサーの構造を示す断面
図である。

【図５】 従来の赤外線温度センサーの取付方法を説明
するための部分断面図である。

【符号の説明】

１ 絶縁体ベース ２ 内部空間 ３ 絶縁体封止蓋 ４ 赤外線セ
ンサー ５ 温度補償部材 ６ 発熱部材 ７ 赤外線透過フィルタ ８ 開口 ９ 熱電対 ９ａ 温接点 ９ｂ 冷接点 １０ 赤外線
吸収膜 １１ａ、１１ｂ、１１ｃ 発熱部材の端子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基台となる絶縁体ベースと、該絶縁体ベ
   ースとの間に内部空間を形成するように積層されかつそ
   の中央部位に開口を有する絶縁体封止蓋と、前記絶縁体
   ベースと絶縁体封止蓋の間の内部空間にそれぞれ配置さ
   れる赤外線センサーおよび温度補償部材とから構成さ
   れ、前記絶縁体ベースおよび絶縁体封止蓋は良好な熱伝
   導性を有する材料によりそれぞれ形成され、前記赤外線
   センサーのサーモパイルの冷接点および温度補償部材は
   絶縁体ベースとの間に良好な熱伝導性を有してそれぞれ
   設けられ、前記絶縁体ベースと絶縁体封止蓋の接合面間
   には発熱部材が設けられる、赤外線温度センサー。
2. 【請求項２】 前記良好な熱伝導性を有する材料はセラ
   ミックであり、前記絶縁体ベースおよび絶縁体封止蓋は
   発熱部材からの熱を全体に良好に伝導するのに必要な厚
   さをそれぞれ有する一方、より小さな熱容量となるよう
   にそれぞれより小さな体積で成形される、請求項１に記
   載の赤外線温度センサー。