JPH05509413A - 調節赤外線源 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
Ei1節赤外線源
発明の背景
発明の分野
本発明は、調節赤外線源に関し、さらに詳細には、はぼ一定のエネルギー密度に
おいて赤外線源の出力を維持するための温度検出器及びフィードバック機構を有
する赤外線源に関する。
先行技術の説明
赤外線エネルギーは、一般に、所望のパラメータを測定するための検出装置にお
いて使用される。例えば、目標によって発せられた赤外線エネルギーIt、その
目標の絶対温度を決定するために測定される。こうして、患者によって発せられ
た赤外線エネルギーは、米国特許出願第071570.205において本発明者
達によって記載された如く、赤外線鼓車温度計の如く装置によって測定され、患
者の体温を決定するために使用される。さらに、赤外線波長における諸成分の示
差吸収効果は、例えば、米国出願第071522.177号と第071522.
208号において本発明者達によって記載された形式の赤外線力ブノグラフ検出
システムを使用して、呼気の如く物質の成分を決定することを可能にする。ここ
で記載された如く、患者の呼息の特定成分によって容易に吸収される波長におけ
る赤外線光は、患者の呼息を通過され、そして吸収度が、その特定成坩が呼息に
おいて存在するか、またどの程度存在するかを判定するため弓測定される。
前述の特許出願において記載された形式の赤外線力プノグラフ検出システムは、
赤外線源が安定、効率的であり、しかも小形、軽量かつ安全である時、最も効率
的に動作する。赤外線源(黒体放射源として公知)は、しばらくの間技術におい
て一般に利用可能であったが、適切な赤外線源は、臨床使用中の如く環境温度の
大きな変動がある時、高度の源安定性を必要とする検出装置のために利用できな
かつた。典型的な先行技術の黒体放射線源は、例えば、米国特許第3.138,
697号においてM、C,Banca他と米国特許第3.205.343号にお
いてA。
G、DeBell他によって記載される。これらの特許において記載された如く
、2000℃又は2500℃もの温度において動作する赤外線源が設計された。
しかし、源安定性は、システムに対して決定的でなかった。
他のより安定な赤外線源は、赤外線スペクトル分析において使用される分光計等
の用途に設計された。そのような赤外線源は、例えば、Vincentへの米国
特許第4.499.382号と、Nordal他への第4.620.104号、
Hargen他への第4.644.141号とCurbe1o他への第4.93
5.633号において記載される。
しかし、これらの赤外線源はまた、頻繁に再較正を必要とするという点において
、前述の特許出願において記載された形式の赤外線検出装置における使用のため
に十分に安定でない。
先行技術の赤外線源のエネルギー出力は、非常に種々の方法において比較的に一
定に保持された。例えば、CurbelO他は、源が、高周波数AC方形波によ
って付勢される小表面積の放射要素を有するように構成され、ACC方形波局周
波数、好ましくは加熱器のフィラメント熱時間定数の逆数よりもずっと太きいる
ならば、赤外線源の出力は、比較的一定に保持されることを教示する。しかし、
先行技術の赤外線源は、赤外線ガス分析計において使用される黒体放射体の場合
に、第1図に示された如く、温度ドリフトと赤外線源の発光スペクトルにおける
続くドリフトを生じさせる環境温度変動を受けやすい。不幸にも、そのような温
度ドリフトは、前述の特許出願において記載された形式の赤外線力ブノグラフ検
出システムにおいて受け入れられない。従って、再較正なしに長期間その出力を
一定に維持する赤外線源が、非常に望まれる。
環境温度変動に対して赤外線源を安定化するだめの他の技法が、技術において公
知である。例えば、赤外線源は、はぼ一定環境温度に維持された環境に置かれる
。一方、米国特許第4.103.174号においてMcC1atchie他によ
って記載された如く、赤外線源は、環境条件を一定に維持するための温度制御器
を使用することなく、選択源の環境温度感度と組み合わせて放射ローディング機
構を使用することにより、温度変動に対して安定化される。McC1atchi
e他の放射ローディング機構により、赤外線源の温度は、できる限り高い放射率
を有する赤外線放射体と、源への反射を防止するために高放射率を有する源を考
慮した構造とを設けることにより、比較的一定に維持される。McC1atch
ie他の放射ローディング機構は、赤外線源に不感応な背景温度を設ける傾向が
あるために、McC1atchie他の装置は、温度制御器の特別な加熱器なし
に、源の温度を比較的一定に維持する。しかし、技術における当業者に明らかな
如く、McC1atchie他は、環境条件にそれ一体比較的不感応な源を設計
するよりも、源の取付けを制御することにより、赤外線源の温度を比較的一定に
維持する。
可変環境条件に対して比較的一定の出力を赤外線源に設けるための他の技術が教
示された。例えば、Brownは、米国特許第3.394.259号において、
赤外線源の巻線内にサーミスターを配することにより、赤外線源への電流と、こ
のため、発光放射線の温度と量を制御するために赤外線基準源と結合して、調節
器を使用することを教示する。特に、サーミスターは、加熱器ワイヤ内に位置し
、そして測定温度は、調節器にフィードバックされ、検出温度における変動によ
り加熱器への電流を調節し、これにより、発光された赤外線エネルギーを比較的
一定温度レベルに維持する。Brownは、ワイヤ巻線体が、できる限り1に近
い放射率を有する時、最良結果が達成されることを教示する。しかし、比較的安
定であるが、Brownの赤外線源は、比較的大きく、壊れやす(、こうして、
前述の特許出願において記載された形式の赤外線力ブノグラフにおいて赤外線源
として使用されるために不適切である。さらに、Brownの装置による温度検
出は、サーミスターが、空中につるされたコイルの特定点における局所温度しか
検出しないために、あまり正確でなく、こうして全長で非常に可変な温度を有す
る。
従って、本発明者達は、小形、軽量かつ安全なセンサーパッケージ内にはまる如
く、高度に安定で、非常に効率的、非常に小形な赤外線源を設けることを企図し
た。好ましくは、赤外線源温度は、サーボ制御下に維持され、効率的、製造が容
易、小形かつ堅ろうである。本発明は、これらの必要性を満たすように設計され
た。
発明の要約
本発明は、赤外線加熱要素に極めて近接して配設された温度検出要素によって検
出さ輔た温度に応答して、赤外線加熱要素への入力パワーを調整することにより
、はぼ一定に維持される出力工不ルギー密度を有する赤外線源に関する。本発明
の赤外線源の設計により、赤外線源を小形で、しかも高度に安定かつ効率的にす
ることができ、その結果、前述の特許出願において記載された形式の赤外線検出
システムにおいて使用される。好ましくは、発明の赤外線源の設計は、加熱要素
と一体化されたプラチナ抵抗温度検出器(RTD)を組み込み、加熱器温度の電
子サーボ制御の手段を提供する。加熱要素とRTDは、好ましくは、加熱器温度
の正確、連続追跡及び制御を提供するように熱的に緊密に結合される。
発明の設計は、加熱要素への1ワット未満の入力パワーにより、4ミクロン波長
において約15μワツト/ミクロン波長の赤外線エネルギー出力を提供する。
本発明の好ましい実施態様は、パワーが印加された時赤外線エネルギーを発する
加熱要素と、加熱要素の平均温度を連続的に検出するために加熱要素に熱的に結
合された抵抗温度検出器と、加熱要素によって発せられた赤外線エネルギーを所
望のレベルにおいて維持するように加熱要素に印加されたパワーを調節するため
に抵抗温度検出器の温度検出出力に応答する調節器とを具備する赤外線源に関す
る。好ましくは、加熱要素は、加熱器ワイヤを具備し、加熱器ワイヤとRTDを
熱的に緊密に結合させる多様な方法のいずれかにおいて、RTDに関して配設さ
れる。
例えば、現在の好ましい実施態様において、赤外線源は、さらに、加熱器ワイヤ
がその先端の近くに巻装されたセラミック棒を具備する。そのような実施態様に
おいて、セラミック棒は、赤外線源の支持構造から加熱器ワ6ヤを熱的に絶縁す
るために、加熱器ワイヤのための支持体と熱絶縁体とjして作用する。好ましく
は、セラミック棒は、少なくとも一つの内部ボアを有し、抵抗温度検出器が、加
熱器ワイヤと極めて近接するように加熱器ワイヤの下に同心に配設される。好ま
しい実施態様において、加熱器ワイヤと抵抗温度検出器は、セラミック棒の基部
から先端までセラミック棒のそれぞれの内部ボアに通される。別の実施態様にお
いて、加熱器ワイヤは、代わりに、セラミック棒の外部のリード線に連結される
。いずれの実施態様においても、生ずる源構造は、好ましくは、ガラス被覆され
、加熱器ワイヤを酸化から保護するための層とともに、赤外線エネルギーの発光
のための所望の放射率を表面に設ける。ガラス被覆はまた、先行技術の裸線加熱
器で通常必要とされる燃切り(硬化)サイクルを除去する。
代替実施態様において、抵抗温度検出器は、セラミック棒の回りに加熱器ワイヤ
を巻装したプラチナコイルを具備する。前述の実施態様における如く、加熱器ワ
イヤ、プラチナコイルとセラミック棒は、ガラス被覆によって覆われ、加熱器ワ
イヤを酸化から保護するための層とともに、赤外線エネルギーの発光のための所
望の放射率を表面に設けている。
本発明の各実施態様はまた、セラミック棒の基部の回りに配設した熱絶締性プラ
スチックハウジングと、プラスチックハウジングと接触した楕円反射器とを含む
。好ましくは、そのような楕円反射器は、加熱要素に関して配設され、赤外線源
が点源であるかのように、加熱要素から発せられた赤外線エネルギーを検出点の
方に集束させる。
図面の簡単な説明
発明の上記と他の目的及び利点は、添付の図面に関連した、発明の現在好ましい
例示中な実施態様の次の詳細な説明から明らかにされ、より容易に認識されるで
あろう。
第1図は、温度ドリフトと赤外線源の発光スペクトルにおける続くワットの示差
吸収効果を示す。
第2図は、発明による赤外線源の一般実施態様の断面を示す。
第3図は、発明による赤外線源の好ましい実施態様を詳細に示す。
第4(a)図と第4(b)図は、発明による赤外線源の代替実施態様を示す。
第5図は、発明による赤外線源の別の代替実施態様を示す。
好ましい実施態様の詳細な説明
発明の好ましい実施態様を第2〜5図を参照して以下に記載する。技術における
当業者には、図面に関して与えられた説明が、例示の目的のみであり、発明の範
囲を決して限定するものではないことを認めるであろう。発明の範囲に関するす
べての質問は、添付のフレイムを参照することにより解決される。
第2図は、発明による赤外線源の一般実施態様を示す。図示された如く、発明の
赤外線源は、赤外線加熱要素200を具備し、第3〜5図に関して後述される如
く、セラミック棒(第3図と第4図)内に配設した又は加熱ワイヤ(第5図)と
ともにセラミック棒の回りに巻付けた抵抗温度検出器(RTD)を含む。さらに
、そのように構成された赤外線加熱要素200は、表面に優れた放射率を設ける
一方、加熱器ワイヤの酸化を防止するためにガラス層で被覆される。
第2図に示された如く、赤外線加熱要素200 (及びRTD)からのリード線
2α…は、好ましくは、RTDによって検出された温度により、赤外線加熱8に
印加されたパワーを制御する制御回路204に入力される。例えば、制御回路2
04は、米国特許第3.394.259号においてBrownによって記載され
た形式のブリッジ回路を含み、これにより、RTD出力によって生じたブリッジ
回路における非平衡により、赤外線加熱要素200に印加された電流を変化させ
る。そのような技法は、技術における当業者の熟練レベル内に十分にあると考え
られ、従って、制御回路204は、ここではより詳細には記載されない。
好ましくは、発明の赤外線加熱要素200は、図示された高温ハウジング206
によって位置に保持される。ハウジング206は、好ましくは、EnvexTM
ポリイミドの如く、高温に耐えることができるプラスチック絶縁体である。ハウ
ジング206は、赤外線源から外側センサーハウジングへの熱伝達を最小にし、
技術における当業者に公知な如く、赤外線加熱要素200の出力を源孔210と
赤外線伝達窓212を通して目標の方に集束させる、湾曲反射器インサート20
8に関して赤外線加熱要素200を位置に保持するために使用される。反射器イ
ンサート208は、一般に公知で、赤外線加熱要素200の出力エネルギーを集
束させる際に有益であり、例えば、米国特許第3.949.231号においてB
lunck他によって記載される。反射器インサート208に関する赤外線加熱
要素200のための単一取付は点は、取付けを容易にし、また、熱伝達経路を最
小にするように選ばれた。好ましくは、赤外線加熱要素200の先端は、出力赤
外線エネルギーを目標の方に集束させるために、反射器インサート208内に最
適に位置する。言い換えれば、最適設計により、好ましくは、赤外線加熱要素2
00は反射器インサート208内の点源を近似することができる。
第3図中発明の赤外線源の赤外線加熱要素200の好ましい実施態様を詳細比示
す。図示された如く、赤外線加熱要素200は、好ましくは、セラミック本体3
00の先端の近くのポア304内にRTDコイル302を配設した中空セラミッ
ク本体300を具備する。RTDコイル302は、例えば、所望の抵抗値を有す
る。0007″径プラチナコイルを具備する。それから、加熱器コイル306が
、好ましくは、RTDコイル302の回りのセラミック本体300の外径に二本
巻きされる。
加熱器コイル306は、好ましくは、極細の 002’径KanthaIT1′
ワイヤを具備する。RTDコイル302と加熱器コイルのワイヤは、好ましくは
、図示された如くボア304に通され、抵抗は、好ましくはパラジウム合金であ
る半田付性ワイヤ202に308において溶接される。各ワイヤ202は、好ま
しくは、赤外線加熱要素200の全体を被包する溶融ガラス310のセラミック
本体300の内側の4つの通り穴304内でひずみ解放される。好ましくは、被
覆厚は、堅ろうさと酸化保護のために、2〜5ミルの次元である。この実現は、
発明の赤外線源が点源を近似し、加熱器306とRTD要素302の密接な熱結
合のために非常に高速な応答時間を有することができ、かつその小サイズのため
に、望ましいものである。
第4(a)図と第4(b)図は、発明の赤外線加熱要素200の別の実施態様を
示す。第3図の実施態様における如く、加熱器306の加熱器ワイヤは、好まし
くは、セラミック棒300の先端近くの小領域にい集中され、その結果、セラミ
ック棒300の残余は、絶縁体取付は基部400への熱絶縁体として作用する。
第4(a)図の切断線A−Aに沿って取った第4 (b)[に示された如く、加
熱器ワイヤ306の下に同心に位!するセラミツ5功棒300の内側に、RTD
要素302があり、Sensing Devices、Inc、から入手可能な
部品番号SDI PTloo−8Aである。第3図の実施態様における如く、加
熱器306の加熱器ワイヤとRTD要素302は、相互に極めて近接している。
また、図示された如く、加熱器306、セラミック棒300とRTD要素302
は、好ましくは、堅ろうさと酸化防止のために溶融ガラス310で被覆される。
しかし、東3図と異なり、第4図の実施態様は、溶融ガラス被覆310が塗布さ
れる前に、加熱器306の加熱器ワイヤの終端部が溶接される半田付性リード線
402を含む。第3図の実施態様における如く、この配!は、加熱器306とR
TD要素302の緊密な熱結合を設け、非常に小さな点源を形成可能にする。
好ましい実施態様における最大効率のために、発明の赤外線源の赤外線加熱要素
200は、所与の入力パワーに対して非常に高動作温度を設けるために、小さく
設計される。加熱器コイル306とRTDコイル302はまた、好ましくは、ハ
ウジング206の基部又は絶縁体取付は基部400への熱伝達を最小にするため
に、中空セラミック本体300の先端近くに同心に巻装される。そのような配置
はまた、加熱器306の応答時間を高める。セラミック本体300の基部は、好
ましくは、前述の如く、セラミック本体にひずみ解放された4つの半田付性ワイ
ヤ端子308を有する。基部はまた、第2図に示された如(、熱絶縁プラスチッ
ク(E n v e x”)ハウジング206によって支持される。一体化加熱
器/RTD要素の外側全体はまた、好ましくは、非常に良好な放射率を表面に設
ける一方、加熱器ワイヤの酸化を防止するために、前述の如くガラス層310に
よってガラス被覆される。結果の赤外線源は、多くの機械的衝撃と取部)に耐え
るように非常に単純かつ堅ろうである。
これは、繰り返して1下されやすいセンサーで使用されるために極めて重要であ
る。
第5図は、発明の別の代替実施態様を示し、この場合中空セラミック本体300
内のRTD要素302は、加熱器306の加熱器ワイヤとともに、セラミック本
体300の回りに二本巻きされたRTD要素500によって置き換えられる。第
3図と第4図の実施態様における如く、加熱器306、セラミック本体300と
RTD要素500はまた、好ましくは、堅ろうさと酸化防止のために溶融ガラス
310で被覆される。そのような実施態様において、RTD要素500は、その
全長に沿って加熱器ワイヤの平均温度を容易に測定することができる。しかし、
この実施態様は、第3図と第4図の実施態様よりも、製造するのがより困難であ
るとことが判明した。このため、第3図と第4図の実施態様が現在好ましい。
本発明の設計は、例えば、Brownによって教示された形式の浮動形成コイル
と比較して、より堅ろうかつ機械的に安定であるだけでなく、本発明は、使用材
料−セラミック、金属とガラス〜により、ぞっと高い動作温度を達成する。Br
ownの源と異なり、加熱器306における熱点又は冷点は、コイル巻装法とガ
ラス被覆により設計によって除去される。さらに、加熱器306上のガラス被覆
310はまた、良好な放射率を均質放射面に設ける。さらに、好ましい実施態様
のガラス及びセラミック構成は、アルゴン等の裏込めガスが必要とされる応用に
対して、単純なガラス対金属密封シールの可能性を設ける。
もちろん、他の4度検出要素も、RTD要素302又は500の代わりに使用し
ても良シ゛)。しかし、本発明により選択されたプラチナワイヤRTD要素30
2.500は、サーミスタ又は熱電対よりも本質的に安定であり、毎年0.1℃
以内の一般安定性を設けるために、好ましいものである。さらに、本発明の設計
におけるRTD302.500の実現は、サーミスタ又は熱電対が代わりに使用
されるならば生ずる局所温度読み値に比較して、全赤外線源先端の平均温度の測
定を設ける。好ましくは、RTD要素302.500は、0℃において500オ
ーム+/−1%の大きさの抵抗を有し、かつ1年に少なくとも+/−0,3℃の
ドリフトの安定性を有する。また、加熱器306は、好ましくは、0〜550℃
の動作温度範囲を有する装置に対して50オーム+/−1%の大きさの抵抗を有
する。
RTD要素302.500と加熱器306は熱的に緊密に結合されるために、本
発明のシステムは、加熱器温度の低ドリフト電子サーボ制御で使用された時、高
度に安定かつ反復性黒体曲線を設ける。そのような配置により、発明の赤外線源
はまた、その動作温度に即座に達し、かつ環境温度の変動でさえも優れた温度制
御を維持する。さらに、発明の設計は、加熱要素への1ワツトよりも小さな入力
パワーにより、4ミクロン波長において約0.5μワット/ミクロン波長の赤外
線エネルギー出力を設ける。さらに、発明の設計はまた、高酸化防止層を達成す
るために、先行技術の裸線ニクロム合金形加熱器によって一般に必要とされる長
い燃切り(硬化)サイクルを除去する。また、ガラス保護層のために、発明の赤
外線源は、その寿命を通じて一定の放射率表面を維持する。
技術における当業者は、発明への多数の修正が発明の範囲内で可能であることを
容易に認めるであろう。例えば、発明の赤外線源の発光スペクトルと支持回路は
、殉稠の源が前述の特許出願において記載された形式の検出器で使用された時、
初期計器較正中規定され、検出器に実装した較正メモリに記憶される。従って、
発明の範囲は、上記の好ましい実施態様ではなく、添付の請求の範囲によっての
み限定されることを意図される。
要 約 書
赤外線検出器及び同等物で使用される微細で、高度に安定かつ効率的な赤外線エ
ネルギー源を設ける赤外線源(200)。発明の赤外線源は、加熱器温度の電子
サーボ制御の手段を設けるために、加熱器要素(306)と一体化されたプラチ
ナ抵抗温度検出器(RTD)(302)をmみ込む。加熱要素(306)とRT
D (302)は、加熱器温度の正確、連続的な追跡及び制御を設けるために、
熱的に緊密に結合される。赤外線源設計は、加熱器への1ワツトよりも小さな入
力パワーにより、優れた赤外線エネルギー出力を提供する。
Claims (11)
- 1.パワーが印加された時、赤外線エネルギーを発する加熱要素と、該加熱要素 の平均温度を連続的に検出するように、該加熱要素から電気的に絶縁されるが、 熱的に結合された抵抗温度検出器と、該加熱要素によって発せられた赤外線エネ ルギーを所望のレベルにおいて維持するように、該加熱要素に印加されたパワー を調節するために該抵抗温度検出器の温度検出出力に応答する調節器とを具備す る赤外線エネルギー源。
- 2.該加熱要素が、加熱ワイヤを具備する請求の範囲1に記載の赤外線エネルギ ー源。
- 3.該加熱ワイヤをその先端の近くに巻装したセラミック棒をさらに具備し、該 セラミック棒が該加熱ワイヤのための支持体として作用する請求の範囲2に記載 の赤外線エネルギー源。
- 4.該セラミック棒が、少なくとも一つの内部ボアを有し、該抵抗温度検出器は 、該加熱ワイヤと極めて近接にあるように、該加熱ワイヤの下に同心に配設され る請求の範囲3に記載の赤外線エネルギー源。
- 5.該加熱ワイヤと抵抗温度検出器が、該セラミック棒の基部から該セラミック 棒の該先端に該セラミック棒のそれぞれの内部ボアに通される請求の範囲4に記 載の赤外線エネルギー源。
- 6.該加熱ワイヤ、セラミック棒と抵抗温度検出器の回りに保護ガラス被覆をさ らに具備する請求の範囲5に記載の赤外線エネルギー源。
- 7.該抵抗温度検出器が、該セラミック棒の基部から該セラミック棒の該先端に 該セラミック棒の該少なくとも一つの内部ボアに通され、そして該加熱ワイヤが 、該セラミック棒の外部のリード線に連結される請求の範囲4に記載の赤外線エ ネルギー源。
- 8.該加熱ワイヤ、セラミック棒と抵抗温度検出器の回りに保護ガラス被覆をさ らに具備する請求の範囲7に記載の赤外線エネルギー源。
- 9.該抵抗温度検出器が、該セラミック棒の回りに該加熱ワイヤを巻装したプラ チナコイルを具備する請求の範囲3に記載の赤外線エネルギー源。
- 10.該加熱ワイヤ、プラチナコイルとセラミック棒の回りに保護ガラス被覆を さらに具備する請求の範囲9に記載の赤外線エネルギー源。
- 11.該セラミック棒の基部の回りに配設した熱絶縁プラスチックハウジングと 、該プラスチックハウジングに接触し、該加熱要素から検出点の方に発せられた 赤外線エネルギーを集束させるように該加熱要素に関して配設された楕円反射器 とをさらに具備する請求の範囲3に記載の赤外線エネルギー源。
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