JP4621363B2 - 赤外線体温計 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は非接触で温度を測定する体温計に関し、主として、プローブ先端部を耳穴に挿入して鼓膜の温度を測る赤外線体温計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の赤外線体温計は、図９および図１０に示すように、被測定物との相対温度を測定するためのサーモパイルＡと、サーモパイルの温度を測定するためのサーミスタＢとをキャンＣ内に内包した赤外線センサーＤを備えている。サーモパイルＡは、被測定物からの赤外線をキャンＣ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Ａ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】
このような赤外線センサーＤ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赤外線センサーＤ自体の温度を検出し、制御回路において、サーモパイルＡによって計測された温度とサーミスタＢ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サーモパイルＡは、被測定物からの赤外線を吸収するだけでなく、キャンＣ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Ｃの頭部の壁面は赤外線センサー自体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Ｃ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１１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、赤外線センサーＤ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を赤外線センサーＤの前面に設け、被測定物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Ｂ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Ｂを同一のキャンＣ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、赤外線センサーＤと被測定物との間に金属導波管Ｍの長さ分の離間間隔があるため、赤外線センサーＤと金属導波管Ｍの先端部との間に温度差を生じ、先端部の温度が赤外線センサー温度よりも高くなって正方向の誤差を生じていた。一方、環境温度下降中は、金属導波管Ｍの先端部の温度が赤外線センサーＤ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、赤外線センサーＤ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ＡとサーミスタＢからの各出力は、図１２に示すような制御回路Ｎにおいて処理される。サーモパイルＡ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Ａ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されたのち（Ｎ１）、非直線出力を直線化するためにリニアライズ処理し（Ｎ２）、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Ｂ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ＡおよびサーミスタＢからの各出力は、サーモパイルＡの出力とサーミスタＢの出力とを加算したのち（Ｎ５）、温度換算され（Ｎ６）、その温度を表示器に表示する（Ｎ７）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ＡおよびサーミスタＢ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Ｂ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Ａ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、赤外線センサーに対する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、それにより、赤外線センサーをプローブの先端に装着して、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、実質的にサーミスタＢについて校正作業を行うだけでよく、サーモパイルＡの校正作業を不要にすることができる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】
本発明による赤外線体温計は、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、被測定物との間の相対温度を測定するためのサーモパイルと、サーモパイルの温度を測定するためのサーミスタとを有しており、そして、サーモパイルの出力をゼロ（０）にするようにサーモパイルの冷接点の温度を制御するための温度制御手段を備えることにより上記課題を解決している。
【００１２】
温度制御手段によってサーモパイルの出力がゼロになったとき、サーモパイルの冷接点の温度は被測定物の温度と同一である。このため、サーミスタが検出するサーモパイルの温度を検出することにより被測定物の温度を測定することができる。このことは、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おり、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ことを意味している。
【００１３】
本発明による赤外線温度計はまた、温度制御手段がサーモパイル出力を参照して冷接点の温度制御を行い、サーモパイル出力がゼロになったことを検出したとき、サーミスタの検出温度を計測するようにも構成できる。また、本発明による赤外線温度計は、温度制御手段を、サーモパイルの冷接点と熱的に一体化されたサーミスタと、サーミスタの発熱量を制御するための制御回路とから構成することも、サーモパイルの冷接点と熱的に一体化された加熱素子と、加熱素子の発熱量を制御するための制御回路とから構成することもできる。更にまた、本発明による赤外線温度計は、赤外線センサーをプローブの最先端部に取り付けることもできる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
【実施例１】
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、赤外線センサー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いる。赤外線センサー１は、図２および図３に示すように、サーモパイル１０およびサーミスタ１１が頂部に赤外線フィルター１２を備えたキャン１３の内部に熱絶縁材料からなる支持体１４によって支持されている。
【００１５】
サーモパイル１０は、その内部に開口を有する板状のヒートシンク１５と、ヒートシンク１５の上面の開口位置に設けられた赤外線吸収膜１６と、ヒートシンク１５に熱的に一体化された冷接点と赤外線吸収膜１６に熱的に一体化された温接点とをそれぞれ有する複数の熱電対１７とから構成されている。サーミスタ１１は板状または薄膜状に形成され、ヒートシンク１５に熱的に一体化されるようにヒートシンク１５の下面側に積層されている。赤外線吸収膜１６の下面側にはヒートシンク１５からの熱が赤外線吸収膜１６に影響を及ぼさないように赤外線反射膜１８が配置されている。
【００１６】
サーモパイル１０の出力、すなわち、各熱電対１７の出力の合成出力は端子１９ａ，１９ａから取り出され、図４に示す制御回路２０に入力される。サーミスタ１１は端子１９ｂ，１９ｂに接続されており、端子１９ｂ，１９ｂは制御回路２０に接続されている。制御回路２０は、サーモパイル１０の出力を判別するためのコンパレータ２１と、コンパレータ２１からの出力に応じてサーミスタ１１への通電を制御させるためのマイクロコントローラ２２と、サーミスタ１１の抵抗値を温度に換算するためのＡ／Ｄコンバータ２３と、サーミスタ１１の検出温度を表示するための表示器２４とから構成される。
【００１７】
図５に示すように、被測定物温度がサーモパイル１０の冷接点温度より高いとき、サーモパイル１０の出力は正の値を示し、コンパレータ２１の出力は「０」の状態を取る。このとき、マイクロコントローラ２２は冷接点加熱信号をＦＥＴ２５（図４のみ図示）に送ってＯＮにし、サーミスタ１１に通電して発熱させる。サーミスタ１１から発生された熱がヒートシンク１５を介してサーモパイル１０の冷接点に伝達され、冷接点温度は上昇しはじめ、ついには被測定物の温度まで到達する。冷接点温度が被測定物温度になるとサーモパイル１０の出力はゼロとなり、このとき、コンパレータ２１の出力は「１」となり、マイクロコントローラ２２はＦＥＴ２５がＯＦＦとなるように冷接点加熱信号を直ちに停止する。冷接点加熱信号の停止によっても冷接点の温度上昇は続くため、サーモパイル１０の出力はゼロ点を通過してマイナスとなるが、ヒートシンク１５が冷却することにより冷接点温度は下降に転じ、再び被測定物温度まで戻ることによりサーモパイル１０の出力もゼロに戻り、コンパレータ２１の出力もまた「０」に戻る。コンパレータ２１の出力が「０」に戻ったとき、Ａ／Ｄコンバータ２３によってサーミスタ１１の抵抗値が検出され、その情報をマイクロコントローラ２２によって温度に換算して表示器２４に表示する。
【００１８】
ここにおいて、サーミスタ１１は、冷接点温度が被測定物温度に到達するまでは冷接点の加熱手段として使用され、このため、冷接点温度が再び被測定物温度まで戻ったときにサーミスタ１１の検出温度が測定されることに注目されたい。
また、前述したように、サーモパイル１０の出力がゼロのとき、サーモパイル１０の温度と被測定物温度とが同一であり、そして、サーミスタ１１がサーモパイル１０の冷接点温度を測定していることにより、サーミスタ１１の検出温度は被測定物温度と同一であることは容易に理解されよう。
【００１９】
【実施例２】
図６および図７は、本発明の別の実施例による赤外線体温計に用いられる赤外線センサーを示す図で、サーミスタ１１の下面に加熱素子２６が積層されて配置されている点を除き、前述の実施例と同様に構成されている。加熱素子２６は端子１９ｃ，１９ｃを介して後述する制御回路２０Ａに接続されている。
【００２０】
本実施例における特色である加熱素子２６は、前記実施例においてサーミスタ１１が行っていたサーモパイル１０の冷接点の加熱作用を別個に単独で行うことにより、冷接点温度の上昇をより短時間で行わせると共に、計測用としてのサーミスタ１１に対する負荷を軽減している。このため、加熱素子２６は、通電することにより発熱できるものであればどのような部材も適用できるが、微小な電力で効率よく発熱する一方、非通電状態に切り換えられたときには良好な放熱特性を有する部材を適用するのが好ましい。加熱素子２６の配設位置は、図示のように、サーミスタ１１およびヒートシンク１５と積層状態に配置してもよいが、ヒートシンク１５に直接接面するように配置してもよい。この場合、加熱素子２６の熱が赤外線吸収膜１６等に直接影響を及ぼすことがないように、換言すると、サーモパイル１０の冷接点温度とサーミスタ１１の計測温度に差を生じないように留意すべきである。
【００２１】
本実施例における制御回路２０Ａは、図８に示すように、前記の実施例ではマイクロコントローラ２２がＦＥＴ２５をＯＮにすることによってサーミスタ１１を発熱させていたのに対し、マイクロコントローラ２２から加熱素子２６に直接冷接点加熱信号を送ることによって発熱させる点を除き、前記実施例の制御回路２０と同様に構成されている。
【００２２】
本実施例における被測定物の温度測定も、前記実施例と同様に、マイクロコントローラ２２から加熱素子２６に冷接点加熱信号を送ってサーモパイル１０の冷接点温度を被測定物温度まで加熱し、サーモパイル１０の出力がゼロになったときに加熱を停止し、一旦マイナスになったサーモパイル１０の出力が再びゼロになったときにサーミスタ１１の抵抗値を計測することによって被測定物の温度が測定される。本実施例の場合、冷接点の加熱と冷接点温度の測定とを加熱素子２６とサーミスタ１１とによってそれぞれ行うように構成されているため、冷接点温度を被測定物温度まで加熱してサーモパイル１０の出力がゼロになったときに測定するようにすることもできる。しかし、加熱素子２６からの熱が赤外線センサーの構成要素に対して直接または間接的に熱的な影響を与え、それによって測定誤差が生じるのを回避するためには、加熱を停止してサーモパイル１０の出力が再びゼロになったときに測定するのが好ましい。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、サーミスタをヒートシンクを介してサーモパイルに積層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、赤外線センサーを小型化することができる。また、サーモパイルの冷接点を被測定物温度まで加熱して被測定物の温度を測定するため、赤外線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、赤外線センサーをプローブ最先端に取り付けることができるため、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、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ため、温度校正作業を最小限に抑えることができる。
【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赤外線温度計に用いられる赤外線センサーを示す部分斜視図である。
【図３】 図２に示す赤外線センサーの断面図である。
【図４】 図２に示す赤外線センサーと共に用いられる制御回路のブロック図である。
【図５】 図４に示す制御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】 本発明の別の実施例による赤外線温度計に用いられる赤外線センサーを示す図２と同様な部分斜視図である。
【図７】 図６に示す赤外線センサーの図３と同様な断面図である。
【図８】 図６に示す赤外線センサーと共に用いられる制御回路のブロック図である。
【図９】 従来の赤外線体温計に用いられる赤外線センサーを示す部分斜視図である。
【図１０】 図９に示す赤外線センサーの断面図である。
【図１１】 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１２】 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 赤外線センサー ２ プローブ
１０ サーモパイル １１ サーミスタ
１２ 赤外線フィルター １３ キャン
１４ 支持体 １５ ヒートシンク
１６ 赤外線吸収膜 １７ 熱電対
１８ 赤外線反射膜
１９ａ,１９ｂ,１９ｃ 端子
２０,２０Ａ 制御回路 ２１ コンパレータ
２２ マイクロコントローラ ２３ Ａ／Ｄコンバータ
２４ 表示器 ２５ ＦＥＴ
２６ 加熱素子

Claims (2)

1. サーモパイル取付用として設けられたヒートシンクに熱的に一体化された冷接点と、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熱的に一体化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、前記被測定物との間の相対温度を測定するためのサーモパイルと、
   前記ヒートシンクに熱的に一体化されるように取り付けられており、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機能と、前記冷接点に発熱量を印加する機能とを持たせたサーミスタと、
   前記サーモパイルの出力がゼロになるように前記サーミスタからの前記発熱量を前記ヒートシンクを介して前記冷接点に伝達制御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状態のときに前記サーミスタからの前記発熱量を前記ヒートシンクを介して前記冷接点に伝達し、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による加熱を停止して、その後に前記サーモパイルの出力が再びゼロになったことを検出したときに、前記サーミスタの検出温度を測定表示することを特徴とする赤外線体温計。
2. サーモパイル取付用として設けられたヒートシンクに熱的に一体化された冷接点と、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熱的に一体化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、前記被測定物との間の相対温度を測定するためのサーモパイルと、
   前記ヒートシンクに熱的に一体化されるように取り付けられており、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、
   前記サーミスタに積層されており、前記冷接点に発熱量を印加するための加熱素子と、
   前記サーモパイルの出力がゼロになるように前記加熱素子からの前記発熱量を前記サーミスタ及び前記ヒートシンクを介して前記冷接点に伝達制御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状態のときに前記加熱素子からの前記発熱量を前記サーミスタ及び前記ヒートシンクを介して前記冷接点に伝達し、前記サーモパイルの出力がゼロになったときに前記加熱素子による加熱を停止して、その後に前記サーモパイルの出力が再びゼロになったことを検出したときに、前記サーミスタの検出温度を測定表示することを特徴とする赤外線体温計。

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