JP3208320B2 - 非接触温度センサ - Google Patents
非接触温度センサInfo
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Description
関し、特に食品加熱,人体検知等を行う装置に使用され
る非接触温度センサに関するものである。
であり、非接触温度センサは筐体1内にセンサ基板2が
設置されてなる構造からなる。
来の非接触温度センサについて説明する。図11は従来
の非接触温度センサの回路構成図であり、図12は従来
の非接触温度センサの要部断面図である。
表面の温度検出用サーミスタ3が筐体1開口部の方向に
向き、センサ基板2裏面の検出側温度補償用サーミスタ
4が筐体1内部に向いているように設置されたもので、
被検知物から出た赤外線を温度検出用サーミスタ3で受
光することにより該温度検出用サーミスタ3と前記検出
側温度補償用サーミスタ4との間に僅かな温度差が生じ
る。この温度差が被検出物からの赤外線8の量に比例し
て大きくなる。図11中、5,6は基準電圧発生用の抵
抗であり、該抵抗5,6と前記サーミスタ3,4とによ
ってブリッジ回路を構成している。
温度補償用サーミスタ4によって分圧された出力と、赤
外線8がない場合に出力電圧差がなくなるように設定さ
れた基準電圧出力とを、図11に示す差動増幅回路7に
入力し増幅させ、出力をワンチップマイクロコンピュー
タ等の演算処理装置に入力する。
開平7−181083号公報に記載の輻射熱センサがあ
げられる。
ーミスタを4個使用した例が、特開平6−160185
号公報に記載の赤外線検出素子に開示されている。
従来の非接触温度センサでは、被検出物の温度検出を定
常的な環境条件でしか行わないことを想定しているの
で、マイクロ波加熱やヒータ加熱を行う場合のように、
環境条件が極端に変化する場合には、筐体1内のセンサ
基板2の表面側と裏面側においても環境条件の変化が生
じる。センサ基板2の表面側と裏面側に温度差が発生す
ると、検出温度に環境温度差による基準電圧の値の変化
分の温度ドリフトが発生するため、正確に被検出物の温
度測定を行うことが困難になるという問題が発生する。
ける筐体1内のセンサ基板2により仕切られた筐体1内
(センサ基板2の裏面側)の環境温度をTa、外側(セ
ンサ基板2の表面側)の環境温度Ta+ΔT1とする
と、サーミスタ定数の値を理想的な場合として、B定数
の大きさをB、25℃における抵抗値をRとして、また
赤外線8の受光による温度差をΔT2とした場合、各サ
ーミスタ3,4の抵抗値を計算すると、温度検出用サー
ミスタ3は、
サーミスタのB定数を4000,抵抗値を50kΩとし
ΔT2が1℃当たり0.0006℃とした場合の、環境
温度変化量ΔT1に対するセンサ感度(μV/℃)とセ
ンサ感度ドリフト(μV/℃)の変化を図13に示す。
図13からも分かるように環境温度に対する出力変化が
大きくなるため、測定温度に対する環境変化による温度
ドリフトの影響が大きくなる。
補償用サーミスタ及びドリフト補償側温度補償用サーミ
スタを設けることにより、センサ基板の表面側と裏面側
との環境条件の変化による環境温度の変化を打ち消すこ
とが可能な非接触温度センサの提供を目的とするもので
ある。
度センサにおいて、請求項1記載の発明は、基板表面に
配置され被検出物からの赤外線を受光する温度検出用サ
ーミスタと、基板裏面に配置された検出側温度補償用サ
ーミスタと、2つの基準電圧発生手段とからなるブリッ
ジ回路で構成された非接触温度センサにおいて、前記基
準電圧発生手段が、基板表面に配置され遮光された温度
ドリフト補償用サーミスタと、基板裏面に配置されたド
リフト補償側温度補償用サーミスタとからなることを特
徴とするものである。
面にスペーサを介して配置され前記温度ドリフト補償用
サーミスタを覆う赤外線反射テープを設けたことを特徴
とするものである。
表面の上方に前記温度検出用サーミスタにのみ焦点を結
ぶ集光手段を設けたことを特徴とするものである。
ーミスタのB定数の大きさが、温度検出用サーミスタ>
検出側温度補償用サーミスタ、温度ドリフト補償用サー
ミスタ>ドリフト補償側温度補償用サーミスタとなるよ
う設定したことを特徴とするものである。
検出用サーミスタの表面に赤外線吸収塗料を塗布すると
ともに、前記温度ドリフト補償用サーミスタの表面に前
記赤外線吸収塗料の熱容量と略同一の熱容量を有する赤
外線反射塗料を塗布したことを特徴とするものである。
表面の両サーミスタの間隔と、基板裏面の両サーミスタ
の間隔とをそれぞれ略1mmに設定したことを特徴とす
るものである。
表面の両サーミスタ間及び前記基板裏面の両サーミスタ
間にそれぞれスリットを設けたことを特徴とするもので
ある。
ットを複数設けたことを特徴とするものである。
ーミスタ非搭載部分に、空気が前記基板の表裏間を流通
する流通通路を設けたことを特徴とするものである。
は、基準電圧発生手段が、基板表面に配置され遮光され
た温度ドリフト補償用サーミスタと、基板裏面に配置さ
れたドリフト補償側温度補償用サーミスタとからなる構
成なので、基板表面側と裏面側との環境条件の変化に応
じた基準電圧を発生させることが可能となり、該環境条
件の変化による温度変化の影響を受けることなく、精度
のよい測定ができる。
面にスペーサを介して配置され前記温度ドリフト補償用
サーミスタを覆う赤外線反射テープを設けた構成なの
で、前記温度ドリフト補償用サーミスタ自身に赤外線反
射のための特殊処理を施す必要がなく、容易に赤外線反
射処理を行うことができる。
表面の上方に前記温度検出用サーミスタにのみ焦点を結
ぶ集光手段を設けた構成なので、赤外線が温度ドリフト
補償用サーミスタに照射されることを防止でき、温度ド
リフト補償用サーミスタ自身に赤外線反射の特殊処理、
赤外線反射処理等を行うことなく、且つ温度ドリフト補
償用サーミスタの直接の外乱要因の影響を少なくするこ
とができる。また、温度検出用サーミスタの赤外線の受
光量を向上させることができ、高精度なセンサ制御を行
うことができる。
ーミスタのB定数の大きさが、温度検出用サーミスタ>
検出側温度補償用サーミスタ、温度ドリフト補償用サー
ミスタ>ドリフト補償側温度補償用サーミスタとなるよ
う設定した構成なので、前記サーミスタにおいて必ずB
定数のばらつきが発生するが、B定数のばらつきによる
抵抗変化による影響を小さくすることができる。
検出用サーミスタの表面に赤外線吸収塗料を塗布すると
ともに、前記温度ドリフト補償用サーミスタの表面に前
記赤外線吸収塗料の熱容量と略同一の熱容量を有する赤
外線反射塗料を塗布してなる構成なので、温度検出用サ
ーミスタの赤外線の受光量を向上させることができ、高
精度なセンサ制御を行うことができるとともに、温度検
出用サーミスタの熱容量と温度ドリフト補正用サーミス
タとの熱容量を等しくすることで、熱伝導の差によるセ
ンサ感度への影響を小さくすることができる。
表面の両サーミスタの間隔と、基板裏面の両サーミスタ
の間隔とをそれぞれ略1mmに設定したので、基板を介
することにより生じる基板表面のサーミスタの並置方向
への熱伝導による熱流を防ぎ、熱流によるセンサ感度へ
の影響を小さくすることができる。
表面の両サーミスタ間及び前記基板裏面の両サーミスタ
間にそれぞれスリットを設けたので、該スリットにより
基板を介することにより生じる基板表面のサーミスタの
並置方向に対する熱的な結合を無くすことができ、セン
サ感度への影響をなくすことができる。
ットを複数設けたので、基板の表面側と裏面側との空気
の対流を小さくし、スリットを設けたことによるセンサ
感度への影響をなくすことができる。
のサーミスタ非搭載部分に空気の流通通路を設けたの
で、基板の表面側と裏面側との環境温度差による不必要
な熱流を削除し、センサ感度への影響をなくすことがで
きる。
センサの回路構成図である。
しようとする課題で説明したように、センサ基板2表面
側と裏面側とで環境条件の変化が生じた場合に被検知物
の検検出温度に温度ドリフトが発生するため、本発明は
図11に示す従来のブリッジ回路における基準電圧発生
用の直列抵抗5,6を、図1に示す温度ドリフト補正用
サーミスタ11とドリフト補正側温度補償用サーミスタ
12に変更してなる構成である。なお、図1において、
従来例と同一の構成については同一の符号を称す。
構造を具体的に説明する。
接触温度センサの構造を示す断面図であり、各サーミス
タの設置位置は図に示すように、表面に赤外線吸収塗料
が塗布された赤外線検知サーミスタ3と表面に赤外線反
射マスク14が形成された温度ドリフト補正用サーミス
タ11とを被検出物からの赤外線13を受けることがで
きるセンサ基板2表面に間隔をあけて設置する。そし
て、前記サーミスタ3,11のセンサ基板2を挟んでセ
ンサ基板2裏面の同じ位置に検出側温度補償用サーミス
タ4,ドリフト補償側温度補償用サーミスタ12をそれ
ぞれ設置する。
内のセンサ基板2により仕切られた(図10参照)筐体
1内の環境温度をTa、外側の環境温度Ta+ΔT1と
すると、サーミスタ定数が全て同じであるとすると、B
定数の大きさをB、25℃における抵抗値をRとして、
また赤外線13の受光による温度差をΔT2とした場
合、各温度補償用サーミスタ4,12の抵抗値を計算す
ると、検出側温度補償用サーミスタ4は、赤外線による
温度差ΔT2を生じないから、
は、
すれば
4,11,12の抵抗値及びB定数が同じものを使用し
ているため、 TH2 =TH4 また、Δt2=0とした場合には、 TH1 =TH3 となり、
の定数の理想状態において、ブリッジ回路の出力として
の変動要因としては、被検出物から到達する赤外線によ
って発生する熱量にのみ起因することとなる。そのた
め、センサ基板2の表面側と裏面側との環境条件の変化
による温度ドリフトは発生しない。
温度検出サーミスタ3は被検出物から放射された赤外線
13を吸収するため、被検出物からの赤外線量に比例し
て検出側温度補償用サーミスタ4との間に温度差を生じ
る。また、温度ドリフト補償用サーミスタ11は被検出
物からの赤外線を吸収せず、且つ温度検出用サーミスタ
3と筺体内の同一環境温度の中に存在することとなる。
また、センサ基板2裏面の各温度補償用サーミスタ4,
12は筐体内の同一環境温度の中に存在するので、各サ
ーミスタ3,4,11,12を同等のもので構成すれ
ば、センサ基板2表面とセンサ基板2裏面とでいかなる
環境条件の変化が発生した場合に於いても上記(1)式
より出力値は0となる。また、被検出物からの赤外線1
3による熱量が瞬時に空気中に放出されるという理想条
件では、被検出物からの赤外線13によって得られる熱
量による差のみが出力として得られるため、センサ基板
2表面とセンサ基板2裏面とのいかなる環境条件の変化
においても温度ドリフトのない温度測定を行うことがで
きる。
接触温度センサの構造を示す断面図であり、図4は同じ
く平面図である。
た赤外線13を遮断する手段を容易に実現する手段とし
て、図に示すように、温度ドリフト補償用サーミスタ1
1及び温度検出用サーミスタ3から離れているセンサ基
板2表面上に、前記サーミスタ3,11に接触しないよ
うにスペーサ15を設ける。そのスペーサ15の高さ
を、該スペーサ15に張られる赤外線反射テープ16と
センサ基板2との空間に熱がこもらないような高さ、例
えば1.6mm程度の高さにすることにより、温度ドリ
フト補償用サーミスタ11自体に赤外線の非吸収処理
(赤外線反射マスク)をした場合の精度より格段に優れ
た赤外線非吸収処理を行うことができると共に、安価に
て高性能の非接触温度センサの実現が可能となる。
接触温度センサの構造を示す断面図であり、図6は図5
に示す集光手段による赤外線の集光原理を示す図であ
る。
体1の開口部に集光手段であるフレネル・レンズ17を
設置してなる構造である。このフレネル・レンズ17に
より、図6に示すように被検出物から放射された赤外線
13は集光され温度検出用サーミスタ3の領域にのみ照
射されるようにする。このレンズの効果により、温度ド
リフト補正用サーミスタ11には、被検出物から放射さ
れた赤外線13は全く到達しなくなる。従って、温度ド
リフト補償用サーミスタ11自体への赤外線非吸収処理
や赤外線反射テープの貼る位置決めなどの細かな熱処理
を行わず、容易に高性能の非接触温度センサの実現が可
能となる。また、温度検出用サーミスタ3の赤外線13
の受光量を向上させることができ、高精度な制御を行う
ことができる。
接触温度センサの構造について説明する。
て、センサ素子として用いる実際のサーミスタには、必
ずB定数や抵抗のばらつきが存在する。いま、B定数の
ばらつきが直列接続の電源側とグランド側サーミスタに
対して、電源側がB定数が大きいもの(以下、「B定数
の傾きが正のもの」とする)と、小さいもの(以下、
「B定数の傾きが負のもの」とする)とについての出力
変化をみると、B定数の傾きが正のものとB定数の傾き
が負のものとを組み合わせると、環境温度が変化するに
従ってB定数が等しいものを基準に対して誤差が逆符号
となるため、全体としての誤差は大きくなる。また、B
定数の傾きが負のもの同士を組み合わせると、B定数の
傾きが正のもの同士を組み合わせると、比較して誤差の
大きさは同じように小さくなる。
み合わせると、出力電力が対象物との温度差が大きくな
るにつれて小さくなる。従って、B定数の傾きが正のも
の同士となるようにB定数の大きさを、温度検出用サー
ミスタ3>検出側温度補償用サーミスタ4、温度ドリフ
ト補償用サーミスタ11>ドリフト補償側温度補償用サ
ーミスタ12となるように組み合わせて、基本的なセン
サの性能のばらつきを小さくすることが可能となる。
接触温度センサの構造について説明する。
て、センサ素子において環境温度が急速に変化した場合
に、温度差によって環境温度が変化した方のサーミスタ
の熱量が変化する。各サーミスタ自体はその抵抗値及び
B定数が等しく、サーミスタ間に挟まれているセンサ基
板2の材質は同じ物であるため、表面側のサーミスタと
裏面側のサーミスタとの間の熱伝導の大きさD(J/s
ec)は等しくなる。いま、環境温度が変化した方のサ
ーミスタの熱容量をM(J/℃)とすると、一瞬のうち
に片方のサーミスタの周辺温度が1℃変化して元の環境
温度に戻ったとすると、環境温度が変わった方のサーミ
スタと他方のサーミスタが熱平衡になる時間t1は以下
のようになる。
時間が一定にならないため、環境温度の変化にたいして
熱平衡状態になるまでに被測定物の検出温度に温度ドリ
フトが発生する。
いて、温度検出用サーミスタ3には、赤外線が吸収しや
すいように赤外線吸収塗料などが塗られているため、通
常のサーミスタに比べて熱容量が大きくなっているため
に、熱平衡状態までの温度ドリフトの発生が起こる。そ
のため、温度ドリフト補償用サーミスタ11に熱容量を
持った塗料を、温度検出用サーミスタ3と熱容量が同じ
になるように塗ることで、熱平衡状態までの温度ドリフ
トを防ぐことで、容易に高性能の非接触温度センサの実
現が可能となる。
接触温度センサの構造について説明する。
て、温度検出用サーミス3は、受光した赤外線13によ
り温められ、この温められた熱は、熱伝導率の悪いセン
サ基板2を挟んで検出側温度補償用サーミスタ4の接触
しているので、一瞬では熱平衡状態にはならなので、温
度検出用サーミスタ3と検出側温度補償用サーミスタ4
の間には受光した赤外線の量に比例した温度差が発生す
るため、被検出物の温度を検出できる。しかし、温度検
出用サーミスタ3に発生した熱が温度ドリフト補償用サ
ーミスタ11に流れると、温度補償用サーミスタ4,1
2との温度差が小さくなるなるので感度が悪くなる。ま
た、温度ドリフト補償用サーミスタ11に熱が流れるこ
とで温度ドリフト補償側の精度も悪くなる。したがっ
て、影響を小さくするために各サーミスタ3,4及び1
1,12のそれぞれの間の距離を離し、センサ基板2に
よる熱放散で熱流の影響を小さくすることができる。し
かし、離しすぎると環境温度が異なる場合も発生するた
め、離す距離を1mm程度とすることで熱流の流れの影
響を無くし高性能の非接触温度センサの実現が可能とな
る。
接触温度センサの構造について説明する。
て、前述した第六実施の形態のように、基板に対して平
行に並置された各サーミスタ間の距離を離すことで熱流
の方向を制御しようとしても、実際には、各サーミスタ
間の熱伝導は0にはならない。このため、図7に示すよ
うに、空気層にて熱流が遮断することができる最少幅の
スリット18を、各サーミスタ間の基板部分に設けるこ
とで、各サーミスタ相互の熱流をなくすことができる。
このため、スリット18の設置で熱流による影響を無く
し高性能の非接触温度センサの実現が可能となる。
接触温度センサの構造について説明する。
て、前述した第七実施の形態のように各サーミスタ間の
基板部分にスリット18を設けることにより、センサ基
板2の表面側と裏面側の環境が異なる場合に、スリット
18を通しての熱の移動がスリット周辺部にて起こる。
前記スリット18の周囲にはサーミスタ3,4,11,
12が存在するためため、スリットの周辺部にて起こっ
ている熱の移動による影響をサーミスタ3,4,11,
12が受けてしまう。そのため図8に示すように、スリ
ット18間を通して空気の移動が少なくなるように、細
いスリット18aを数本設ける。これによりスリットに
よる空気の影響を無くし、高性能の非接触温度センサの
実現が可能となる。
接触温度センサの構造について説明する。
て、各サーミスタ間の周辺のセンサ基板2を、図9に示
すように各サーミスタを保持するのに必要な強度の基板
部分を残して削除する。これにより、センサ基板2の表
面側と裏面側の空気の流れが流通通路19を通り自由に
なり、基板表面側と裏面側との環境条件が同じ条件とな
る。したがって、環境条件の変化による熱流による影響
を無くし、高性能の非接触温度センサの実現が可能とな
る。
おいて第四乃至第九実施の形態の一つを組み合わせる構
成としたが、複数を組み合わせてより高性能な非接触温
度センサを得ることも可能である。
度センサによれば、請求項1記載の発明は、基準電圧発
生手段が、基板表面に配置され遮光された温度ドリフト
補償用サーミスタと、基板裏面に配置されたドリフト補
償側温度補償用サーミスタとからなる構成なので、基板
表面側と裏面側との環境条件の変化による温度変化の影
響を受けることなく、精度のよい測定が可能となる。
面にスペーサを介して配置され前記温度ドリフト補償用
サーミスタを覆う赤外線反射テープを設けた構成なの
で、前記温度ドリフト補償用サーミスタ自身に赤外線反
射のための特殊処理を施す必要がなく、容易に赤外線反
射処理を行うことができ、コスト低減が図れる。
表面の上方に前記温度検出用サーミスタにのみ焦点を結
ぶ集光手段を設けた構成なので、赤外線が温度ドリフト
補償用サーミスタに照射されることを防止でき、温度ド
リフト補償用サーミスタ自身に赤外線反射の特殊処理、
赤外線反射処理等を行うことなく、且つサーミスタの直
接の外乱要因の影響を少なくすることができ、精度のよ
い測定が可能となる。また、温度検出用サーミスタの赤
外線の受光量を向上させることができ、高精度なセンサ
制御を行うことができる。
ーミスタのB定数の大きさが、温度検出用サーミスタ>
検出側温度補償用サーミスタ、温度ドリフト補償用サー
ミスタ>ドリフト補償側温度補償用サーミスタとなるよ
う設定した構成なので、B定数のばらつきによる抵抗変
化による影響を小さくすることができ、精度のよい測定
が可能となる。
検出用サーミスタの表面に赤外線吸収塗料を塗布すると
ともに、前記温度ドリフト補償用サーミスタの表面に前
記赤外線吸収塗料の熱容量と略同一の熱容量を有する赤
外線反射塗料を塗布してなる構成なので、温度検出用サ
ーミスタの赤外線の受光量を向上させることができ、高
精度なセンサ制御を行うことができるとともに、温度検
出用サーミスタの熱容量と温度ドリフト補正用サーミス
タの熱容量とを等しくすることで、熱伝導の差によるセ
ンサ感度への影響を小さくすることができ、精度のよい
測定が可能となる。
表面の両サーミスタの間隔と、基板裏面の両サーミスタ
の間隔とをそれぞれ略1mmに設定したので、基板を介
することにより生じる基板表面のサーミスタの並置方向
への熱伝導による熱流を防ぎ、熱流によるセンサ感度へ
の影響を小さくすることができ、精度のよい測定が可能
となる。
表面の両サーミスタ間及び前記基板裏面の両サーミスタ
間にそれぞれスリットを設けたので、該スリットにより
基板を介することにより生じる基板表面のサーミスタの
並置方向に対する熱的な結合を無くすことができ、セン
サ感度への影響をなくすことができ、精度のよい測定が
できる。
ットを複数設けたので、基板の表面側と裏面側との空気
の対流を小さくし、スリットを設けたことによるセンサ
感度への影響をなくすことができ、精度のよい測定が可
能となる。
ーミスタ非搭載部分に、空気が前記基板の表裏間を流通
する流通通路を設けたので、基板の表面側と裏面側との
環境温度差による不必要な熱流を削除し、センサ感度へ
の影響をなくすことができ、精度のよい測定が可能とな
る。
る。
ンサの構造を示す断面図である。
ンサの構造を示す断面図である。
ンサの構造を示す断面図である。
る。
ンサの構造を示す断面図である。
ンサの構造を示す断面図である。
ンサの構造を示す断面図である。
る。
である。
リフトの変化との相関図である。
Claims (9)
- 【請求項1】 基板表面に配置され被検出物からの赤外
線を受光する温度検出用サーミスタと、基板裏面に配置
された検出側温度補償用サーミスタと、2つの基準電圧
発生手段とからなるブリッジ回路で構成された非接触温
度センサにおいて、 前記基準電圧発生手段が、基板表面に配置され遮光され
た温度ドリフト補償用サーミスタと、基板裏面に配置さ
れたドリフト補償側温度補償用サーミスタとからなるこ
とを特徴とする非接触温度センサ。 - 【請求項2】 前記基板表面にスペーサを介して配置さ
れ前記温度ドリフト補償用サーミスタを覆う赤外線反射
テープを設けたことを特徴とする請求項1に記載の非接
触温度センサ。 - 【請求項3】 前記基板表面の上方に前記温度検出用サ
ーミスタにのみ焦点を結ぶ集光手段を設けたことを特徴
とする請求項1に記載の非接触温度センサ。 - 【請求項4】 前記各サーミスタのB定数の大きさが、
温度検出用サーミスタ>検出側温度補償用サーミスタ、
温度ドリフト補償用サーミスタ>ドリフト補償側温度補
償用サーミスタとなるよう設定したことを特徴とする請
求項1記載の非接触温度センサ。 - 【請求項5】 前記温度検出用サーミスタの表面に赤外
線吸収塗料を塗布するとともに、前記温度ドリフト補償
用サーミスタの表面に前記赤外線吸収塗料の熱容量と略
同一の熱容量を有する赤外線反射塗料を塗布したことを
特徴とする請求項1記載の非接触温度センサ。 - 【請求項6】 前記基板表面の両サーミスタの間隔と、
基板裏面の両サーミスタの間隔とをそれぞれ略1mmに
設定したことを特徴とする請求項1記載の非接触温度セ
ンサ。 - 【請求項7】 前記基板表面の両サーミスタ間及び前記
基板裏面の両サーミスタ間にそれぞれスリットを設けた
ことを特徴とする請求項6に記載の非接触温度センサ。 - 【請求項8】 前記スリットを複数設けたことを特徴と
する請求項7に記載の非接触温度センサ。 - 【請求項9】 前記基板のサーミスタ非搭載部分に、空
気が前記基板の表裏間を流通する流通通路を設けたこと
を特徴とする請求項1記載の非接触温度センサ。
Priority Applications (1)
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JP07381496A JP3208320B2 (ja) | 1996-03-28 | 1996-03-28 | 非接触温度センサ |
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JPH09264792A JPH09264792A (ja) | 1997-10-07 |
JP3208320B2 true JP3208320B2 (ja) | 2001-09-10 |
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