特許第5702101号(P5702101)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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特許5702101赤外線センサ信号の補正方法及び温度測定方法並びに温度測定装置
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5702101
(24)【登録日】2015年2月27日
(45)【発行日】2015年4月15日
(54)【発明の名称】赤外線センサ信号の補正方法及び温度測定方法並びに温度測定装置
(51)【国際特許分類】
   G01J 1/42 20060101AFI20150326BHJP
   G01J 5/10 20060101ALI20150326BHJP
   G01K 15/00 20060101ALI20150326BHJP
【FI】
   G01J1/42 B
   G01J5/10 B
   G01K15/00
【請求項の数】9
【全頁数】21
(21)【出願番号】特願2010-222255(P2010-222255)
(22)【出願日】2010年9月30日
(65)【公開番号】特開2012-78159(P2012-78159A)
(43)【公開日】2012年4月19日
【審査請求日】2012年2月23日
(73)【特許権者】
【識別番号】303046277
【氏名又は名称】旭化成エレクトロニクス株式会社
(74)【復代理人】
【識別番号】100115624
【弁理士】
【氏名又は名称】濱中 淳宏
(74)【復代理人】
【識別番号】100161908
【弁理士】
【氏名又は名称】藤木 依子
(74)【代理人】
【識別番号】110001243
【氏名又は名称】特許業務法人 谷・阿部特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】山岡 慶祐
(72)【発明者】
【氏名】長野 修一
【審査官】 蔵田 真彦
(56)【参考文献】
【文献】 特開2007−174112(JP,A)
【文献】 特開平10−260487(JP,A)
【文献】 特開平02−107074(JP,A)
【文献】 特開2000−292253(JP,A)
【文献】 特開2000−180264(JP,A)
【文献】 特開平10−023335(JP,A)
【文献】 特開平10−153490(JP,A)
【文献】 特開2006−053098(JP,A)
【文献】 特開2002−251609(JP,A)
【文献】 特開平05−180698(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G01J 1/02、1/42− 1/46
G01J 5/00− 5/48
G01D 3/00− 3/028
G01K 7/00− 7/42
G01K15/00
G01R19/00−19/32
H01L27/14−27/148
H04N 5/30− 5/335
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
赤外線センサ装置の個体差による出力信号のばらつきを補正するようにした赤外線センサ信号の補正方法において、
前記赤外線センサ装置から得られる前記赤外線センサ信号に前記赤外線センサ装置固有の補正係数Aを乗算する第1補正工程を有し、
前記補正係数Aは、前記赤外線センサ装置を用いて所定の環境温度において所定の測定対象物の温度を測定したときに得られる信号を所定の値にするための係数であり、
前記第1補正工程の後に、前記赤外線センサ信号取得時の前記赤外線センサ装置の環境温度から導出されるオフセット補正量Bを加算又は減算する工程及び前記赤外線センサ信号取得時の前記赤外線センサ装置の環境温度から導出される補正係数Cを乗算する工程を含む第2補正工程を更に有することを特徴とする赤外線センサ信号の補正方法。
【請求項2】
前記赤外線センサ装置固有の補正係数Aが、前記赤外線センサ信号取得時の環境温度をTAMBX、前記所定の測定対象物の温度をTOBJXとした場合に、|TOBJX−TAMBX|≧10℃の関係を有することを特徴とする請求項1に記載の赤外線センサ信号の補正方法。
【請求項3】
前記赤外線センサ信号取得時の環境温度に基づくオフセット補正量Bを前記赤外線センサ信号取得時の環境温度TAMBの3次関数を用いて定めることを特徴とする請求項1または2に記載の赤外線センサ信号の補正方法。
【請求項4】
前記赤外線センサ信号取得時の環境温度に基づく補正係数Cが、第1の一定温度TOBJ1の測定対象物を複数の異なる環境温度で測定したときの前記赤外線センサ信号SIRC1と、第2の一定温度TOBJ2の測定対象物を複数の異なる環境温度で測定したときの前記赤外線センサ信号SIRC2とを求めた後に、
傾きβ=(SIRC2−SIRC1)/(TOBJ2−TOBJ1
によって求まる、前記赤外線センサ信号と前記所定の測定対象物の温度との傾きβを各環境温度に対して算出して、該傾きβを所定の値にするための係数であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の赤外線センサ信号の補正方法。
【請求項5】
前記赤外線センサ装置が、赤外線センサ部と視野角制限体及び/又は窓材とを備えていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の赤外線センサ信号の補正方法。
【請求項6】
赤外線センサ装置の個体差による出力信号のばらつきを補正するようにした温度測定方法において、
前記赤外線センサ装置から赤外線センサ信号を得る工程と、
請求項1乃至5のいずれかに記載の赤外線センサ信号の補正方法による補正工程と、
前記補正工程を経た後の信号から測定温度を導出する温度換算工程と
を有することを特徴とする温度測定方法。
【請求項7】
赤外線センサ装置の個体差による出力信号のばらつきを補正するようにした温度測定装置において、
前記赤外線センサ装置固有の補正係数を記憶し、前記赤外線センサ装置から得られる信号に乗算する第1補正手段を備え、
前記補正係数は、前記赤外線センサ装置を用いて所定の環境温度において所定の測定対象物の温度を測定したときに得られる信号を所定の値にするための係数であり、
前記環境温度を測定する温度測定手段と、
該温度測定手段による前記赤外線センサ信号取得時の前記赤外線センサ装置の環境温度から導出されるオフセット補正量を算出する温度特性オフセット補正手段及び前記赤外線センサ信号取得時の前記赤外線センサ装置の環境温度から導出される補正係数を算出する温度特性ゲイン補正手段とからなる第2補正手段と、
該第2補正手段からの信号から測定温度を導出する温度換算手段と
を更に備えていることを特徴とする温度測定装置。
【請求項8】
赤外線センサ信号をSIR、前記赤外線センサ装置固有の補正係数をA、前記環境温度に基づくオフセット補正量をB、前記環境温度に基づく補正係数をCとした場合に、前記第1補正手段の出力がSIR×Aで、前記温度特性オフセット補正手段の出力がSIR×A±Bで、前記温度特性ゲイン補正手段の出力が(SIR×A±B)×Cであることを特徴とする請求項7に記載の温度測定装置。
【請求項9】
前記赤外線センサ装置が、赤外線センサ部と視野角制限体及び/又は窓材とを有することを特徴とする請求項7または8に記載の温度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、赤外線センサ信号の補正方法及び温度測定方法並びに温度測定装置に関し、より詳細には、主としてフォトダイオードやサーモパイルなどの赤外線センサから得られる赤外線センサ信号の補正方法及び温度測定方法並びに温度測定装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、省エネルギー化や環境センサの観点から、赤外線センサが注目されている。人体が発する赤外線を検知する人感センサは、照明やエアコンなどに搭載され、省エネルギー化に貢献している。また、赤外線センサは、測定対象物から入射する赤外線のエネルギー量を定量して温度を検出するという非接触式温度計としても期待されている。
【0003】
赤外線センサ装置を用いて赤外線エネルギー量から測定温度を定量する場合、赤外線センサ装置から得られる信号を測定時の赤外線センサ装置の周囲の環境温度に応じて補正する種々の温度補正を含む温度算出方法が知られている。
【0004】
例えば、特許文献1に記載のものは、非接触型放射温度検出装置に組み込まれる赤外線検出器の検出温度の算出式・手順に関するもので、サーモパイルを用いた赤外線温度検出器の温度算出方法が開示されている。この温度算出方法は、サーモパイルから得られる信号に対して、サーミスタによって測定された環境温度に基づく補正係数を用いて環境温度の影響を補正して測定対象物の温度を算出している。この補正係数は、環境温度の関数であり、サーモパイル信号を異なる環境温度と測定対象物温度の下で複数回測定して得られるサーモパイル信号の温度特性から求められる。
【0005】
また、例えば、特許文献2には、ボロメータ各々の温度特性に起因する出力電圧のばらつきを補正するようにした赤外センサの温度補償方法が開示されている。さらに、例えば、特許文献3には、サーモパイルのばらつき補正を行うようにした赤外線センサの制御装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2002−228523号公報
【特許文献2】特開2008−185465号公報
【特許文献3】特開2003−207392号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、上述した特許文献1のものでは、赤外線センサ装置の出力は個体毎にばらつくため、任意の赤外線センサ装置の温度特性から求めた補正係数を、他の赤外線センサに適用すると、正確な温度補正ができず、赤外線エネルギー量から測定温度を高精度で定量することが困難であるという問題があった。また、センサ毎に最適な補正係数を求めようとすると、環境温度と測定対象物温度を変えた測定をセンサ毎に何度も行わねばならず、膨大な時間を要するという問題があった。
【0008】
また、上述した特許文献2のものでは、ボロメータ各々の温度特性に起因する出力電圧のばらつきを補正することができるものの、ボロメータ各々に対して温度特性の補正テーブルが必要で、該補正テーブルを作成するために、例えば、恒温槽を用いて、ボロメータ各々に対してセンサ温度を変化させてデータを取得しなければならないため、膨大な時間を要するという問題があった。
【0009】
さらに、上述した特許文献3のものでは、サーモパイルのばらつき補正を行うことができるものの、出力電圧にオフセット電圧を加算するという方法では、該赤外線センサの制御装置を温度測定に用いた場合に、広範囲の対象物温度に対して、検出温度のばらつきを小さくするのは難しく、例えば、26℃の対象物を検出した場合の測定誤差が0℃であっても、30℃の対象物を検出した場合の測定誤差は2℃、30℃よりも高温の対象物に対しては2℃を上回る誤差になってしまうという問題があった。
【0010】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、赤外線センサ装置の出力の個体差ばらつきを簡易に補正し、赤外線エネルギー量から測定温度を簡易かつ高精度に定量することが可能な赤外線センサ信号の補正方法及び温度測定方法並びに温度測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、本発明の一態様は、赤外線センサ装置の個体差による出力信号のばらつきを補正するようにした赤外線センサ信号の補正方法において、前記赤外線センサ装置から得られる前記赤外線センサ信号に前記赤外線センサ装置固有の補正係数Aを乗算する第1補正工程を有し、前記補正係数Aは、前記赤外線センサ装置を用いて所定の環境温度において所定の測定対象物の温度を測定したときに得られる信号を所定の値にするための係数であり、前記第1補正工程の後に、前記赤外線センサ信号取得時の前記赤外線センサ装置の環境温度に基づくオフセット補正量Bを加算又は減算する工程及び前記赤外線センサ信号取得時の前記赤外線センサ装置の環境温度に基づく補正係数Cを乗算する工程を含む第2補正工程を更に有することを特徴とする赤外線センサ信号の補正方法である
【0013】
また、本発明の他の態様は、上記赤外線センサ信号の補正方法においてさらに、前記赤外線センサ装置固有の補正係数Aが、前記赤外線センサ信号取得時の環境温度をTAMBX、前記所定の測定対象物の温度をTOBJXとした場合に、|TOBJX−TAMBX|≧10℃の関係を有することを特徴とする。
【0014】
また、本発明の他の態様は、上記赤外線センサ信号の補正方法においてさらに、前記赤外線センサ信号取得時の環境温度に基づくオフセット補正量Bを前記赤外線センサ信号取得時の環境温度TAMBの3次関数を用いて定めることを特徴とする。
【0015】
また、本発明の他の態様は、上記赤外線センサ信号の補正方法においてさらに、前記赤外線センサ信号取得時の環境温度に基づく補正係数Cが、第1の一定温度TOBJ1の測定対象物を複数の異なる環境温度で測定したときの前記赤外線センサ信号SIRC1と、第2の一定温度TOBJ2の測定対象物を複数の異なる環境温度で測定したときの前記赤外線センサ信号SIRC2とを求めた後に、
傾きβ=(SIRC2−SIRC1)/(TOBJ2−TOBJ1
によって求まる、前記赤外線センサ信号と前記所定の測定対象物の温度との傾きβを各環境温度に対して算出して、該傾きβを所定の値にするための係数であることを特徴とする。
【0016】
また、本発明の他の態様は、上記赤外線センサ信号の補正方法においてさらに、前記赤外線センサ装置が、赤外線センサ部と視野角制限体及び/又は窓材とを備えていることを特徴とする。
【0017】
また、本発明の他の態様は、赤外線センサ装置の個体差による出力信号のばらつきを補正するようにした温度測定方法において、前記赤外線センサ装置から赤外線センサ信号を得る工程と、上記の赤外線センサ信号の補正方法による補正工程と、前記補正工程を経た後の信号から測定温度を導出する温度換算工程とを有することを特徴とする温度測定方法である。
【0018】
また、本発明の他の態様は、赤外線センサ装置の個体差による出力信号のばらつきを補正するようにした温度測定装置において、前記赤外線センサ装置固有の補正係数を記憶し、前記赤外線センサ装置から得られる信号に乗算する第1補正手段を備え、前記補正係数は、前記赤外線センサ装置を用いて所定の環境温度において所定の測定対象物の温度を測定したときに得られる信号を所定の値にするための係数であり、前記環境温度を測定する温度測定手段と、該温度測定手段による前記赤外線センサ信号取得時の前記赤外線センサ装置の環境温度に基づくオフセット補正量を算出する温度特性オフセット補正手段及び前記赤外線センサ信号取得時の前記赤外線センサ装置の環境温度に基づく補正係数を算出する温度特性ゲイン補正手段とからなる第2補正手段と、該第2補正手段からの信号から測定温度を導出する温度換算手段とを更に備えていることを特徴とする温度測定装置である
【0020】
また、本発明の他の態様は、上記温度測定装置においてさらに、赤外線センサ信号をSIR、前記赤外線センサ装置固有の補正係数をA、前記環境温度に基づくオフセット補正量をB、前記環境温度に基づく補正係数をCとした場合に、前記第1補正手段の出力がSIR×Aで、前記温度特性オフセット補正手段の出力がSIR×A±Bで、前記温度特性ゲイン補正手段の出力が(SIR×A±B)×Cであることを特徴とする。
【0021】
また、本発明の他の態様は、上記温度測定装置においてさらに、前記赤外線センサ装置が、赤外線センサ部と視野角制限体及び/又は窓材とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【0022】
本発明によれば、赤外線センサ装置から得られる赤外線センサ信号に赤外線センサ装置固有の補正係数を乗算する補正工程を有するので、赤外線センサ装置の出力の個体差ばらつきを簡易に補正し、赤外線エネルギー量から測定温度を簡易かつ高精度に定量することが可能な赤外線センサ信号の補正方法及び温度測定方法並びに温度測定装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0023】
図1】本発明の実施形態1に係る赤外線センサ信号の補正方法及び温度測定方法を説明するための工程図である。
図2】本発明の実施形態2に係る赤外線センサ信号の補正方法及び温度測定方法を説明するための工程図である。
図3】本発明の実施形態3に係る赤外線センサ信号の補正方法及び温度測定方法を説明するための工程図である。
図4】本発明の実施形態4に係る赤外線センサ信号の補正方法及び温度測定方法を説明するための工程図である。
図5】本発明の実施形態5に係る温度測定装置を説明するための構成図である。
図6】実施例1における赤外線センサ信号を示す図である。
図7】実施例1における第1補正信号を示す図である。
図8】実施例2における第2補正信号を示す図である。
図9】比較例1における第2補正信号を示す図である。
図10】実施例3における赤外線センサ信号を示す図である。
図11】実施例3における第1補正信号を示す図である。
図12】実施例5における赤外線センサ信号を示す図である。
図13】実施例5における第1補正信号を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0024】
以下、図面を参照して本発明の各実施形態について説明する。
【0025】
図1は、本発明の実施形態1に係る赤外線センサ信号の補正方法を説明するための工程図である。図中符号1は赤外線センサ装置、2は赤外線センサ部、3は温度センサ、4は視野角制限体、5はプリント基板、10は測定対象物を示している。
【0026】
図1に示すように、赤外線センサ装置1は、プリント基板5上に実装された赤外線センサ部2と温度センサ3と視野角制限体4とを備えている。本実施形態1において、赤外線センサ部2は、多層の半導体膜を有するフォトダイオードであり、測定対象物10から放射される赤外線を吸収し、赤外線センサ信号SIRを出力する。
【0027】
赤外線センサ部2は、赤外線を吸収して電気信号に変換するセンサであれば特に制限されず、例えば、フォトダイオードやフォトコンダクタなど、光電変換によって信号を出力する「量子型センサ」や、サーモパイルや焦電型センサなど、赤外線吸収による温度変化を電気信号に変換する「熱型センサ」を用いることができる。
【0028】
また、温度センサ3は、赤外線センサ部2の環境温度TAMBを測定することが可能なものであれば特に制限されず、例えば、温度に応じて抵抗値が変化する白金抵抗体,サーミスタ,バンドギャップ回路を有する温度センサなどを用いることができる。また、視野角制限体4は、赤外線センサ装置1の視野角を制限し、視野角θを決める部材である。
【0029】
つまり、本発明の赤外線センサ信号の補正方法は、赤外線センサ装置1の個体差による出力信号のばらつきを補正するようにした赤外線センサ信号の補正方法である。赤外線センサ装置1から得られる赤外線センサ信号に赤外線センサ装置1固有の補正係数を乗算する第1補正工程を有している。この補正係数は、赤外線センサ装置1を用いて所定の環境温度において所定の測定対象物の温度を測定したときに得られる信号を所定の値にするための係数である。
【0030】
また、第1補正工程の後に、環境温度より求まるオフセット補正量を加算又は減算する工程と、環境温度より求まる補正係数を乗算する工程とを含む第2補正工程を有している。
【0031】
以下、上述した各工程についてさらに詳細に説明する。
【0032】
赤外線センサ装置1は、温度TOBJの測定対象物10から放射される赤外線が、赤外線センサ部2に到達すると、その赤外線エネルギー量に対応した赤外線センサ信号SIRを電流値として出力するものである。
【0033】
まず、第1補正工程において、この赤外線センサ信号SIRに対して、赤外線センサ装置1に固有の補正係数Aを乗算して第1補正信号S1を得る。
【0034】
この補正係数Aは、上述したように、赤外線センサ装置1を用いて所定のセンサ温度TAMBXにおいて所定の温度TOBJXの対象物を測定したときに得られる信号SIRXを所定の値にするための係数である。
【0035】
この補正係数Aは、例えば、製品出荷時の検査、或いは赤外線センサ装置1の使用前に決定することが可能である。センサ(環境)温度TAMBX、温度TOBJXは、それぞれ、赤外線センサ装置1を使用する際の環境温度TAMB、対象物温度TOBJに近いほど、赤外線センサ装置1を用いた赤外線量の定量における精度が高い。
【0036】
例えば、赤外線センサ装置1を、人体を対象とした温度測定に用いる場合、対象物温度TOBJ、すなわち人体の表面温度は、概ね20℃以上40℃以下であり、対象物温度TOBJXは20℃以上40℃以下の温度に近い方が好ましい。但し、赤外線センサではTAMB=TOBJの時にSIR=0となり、環境温度TAMBと対象物温度TOBJの値が近いほどSIRの絶対値が小さくなってSN比が低下してしまうため、センサ温度TAMBXと対象物温度TOBJXが近すぎると、信号SIRXに対するノイズの影響が大きくなり、補正係数Aを正確に求めることができなくなってしまう。したがって、人体を対象とした温度測定において、対象物温度TOBJXは、10℃以上50℃以下で、|TOBJX−TAMBX|≧10℃であることがより好ましい。
【0037】
また、補正係数Aは、例えば、製品出荷時の検査で決定する場合、センサ温度TAMBXは、25℃以上30℃以下であることが、検査装置でのセンサ温度TAMBXの温度調節に係る消費電力を低減するという観点から好ましく、室温より高い30℃程度に加熱をすることが、調節温度の安定性の観点からより好ましい。
【0038】
次に、第2補正工程は、第1補正信号S1に対して、環境温度TAMBより求まるオフセット補正量Bを加算又は減算する工程と、環境温度TAMBより求まる補正係数Cを乗算する工程とを含む補正工程である。この第2補正工程を適用すると、環境温度TAMBに対して略一定の第2補正信号S2が得られる。
【0039】
オフセット補正量Bとは、赤外線センサ装置1の赤外線センサ部2の種類と環境温度TAMBの関数により定まる補正量であり、第1補正信号S1に対して加算又は減算される。
【0040】
特に制限されないが、オフセット補正量Bは、例えば、一定温度の測定対象物を複数の異なる環境温度で測定したときの赤外線センサ信号を得て、横軸に環境温度TAMB、縦軸に赤外線センサ信号をプロッティングし、環境温度TAMBの関数でフィッティングすることで得られる関数によって、各環境温度におけるオフセット補正量Bを定めることが可能である。一定温度の測定対象物としては、特に制限されないが、正確な温度制御が可能な黒体炉が好適に用いられる。
【0041】
該フィッティングは、環境温度TAMBの3次関数で行うことが好適であり、また、赤外線センサ部2が熱型センサの場合は、(TAMB+273)の4乗に比例する式、B=α×(TAMB+273)4、(αは比例定数)を用いることも可能であるが、本実施形態1はこれに制限されるものではない。
【0042】
また、補正係数Cは、単位を持たない係数であり、第1補正信号S1に対してオフセット補正量Bが加算又は減算される前、又は、第1補正信号S1に対してオフセット補正量Bが加算又は減算された後の信号に対して乗算される。この補正係数Cは、赤外線センサ装置1の様態に応じて定めればよく、例えば、第1補正信号S1に対してオフセット補正量Bが加算又は減算された後の信号に対して乗算される場合、第1の一定温度TOBJ1の測定対象物を複数の異なる環境温度で測定したときの赤外線センサ信号SIRC1と、第2の一定温度TOBJ2の測定対象物を複数の異なる環境温度で測定したときの赤外線センサ信号SIRC2と、を求めた後に、下記式(1)によって求まる、赤外線センサ信号と測定対象物温度との傾きβを各環境温度に対して算出して、この傾きβを所定の値にするための係数を、補正係数Cとして採用することができるが、本実施形態1はこれに制限されない。
【0043】
【数1】
【0044】
以上が、本発明の赤外線センサ信号の補正方法についての説明である。次に、本発明の温度測定方法について説明する。この温度測定方法は、上述した第1補正工程及び第2補正工程を経た後に温度換算工程を有するものである。この温度換算工程では、第2補正信号S2に対して出力温度TOUTが得られる。
【0045】
このように、本発明者らは、上述した従来の課題を解決するために鋭意検討した結果、赤外線センサ装置から得られる赤外線センサ信号に赤外線センサ装置固有の補正係数Aを乗算する第1補正工程を有し、この補正係数Aは、赤外線センサ装置を用いて所定のセンサ温度TAMBXにおいて所定の温度TOBJXの対象物を測定したときに得られる信号SIRXを所定の値にするための係数であるような赤外線センサ信号の補正方法及び温度測定方法を確立した。
【0046】
図2は、本発明の実施形態2に係る赤外線センサ信号の補正方法を説明するための工程図である。図中符号6は窓材を示している。なお、図1と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
【0047】
図2に示すように、赤外線センサ装置は、視野角制限体4の開口部を覆う窓材6を備えた構造であっても良い。この窓材6は、少なくとも赤外線センサ部2が受光したときに赤外線センサ信号を出力する波長の赤外線を透過するものであれば特に制限されず、例えば、Si板,Ge板,サファイア板,ポリエチレン板,カルコゲナイドガラス板などの板材,又はSi,Ge,サファイアなどの基板上に薄膜を積層した光学フィルタなどが挙げられる。また、赤外線を集光する光学レンズも用いることが可能である。
【0048】
なお、第1補正工程、第2補正工程及び温度換算工程については、図1に示した実施形態1と同様である。
【0049】
図3は、本発明の実施形態3に係る赤外線センサ信号の補正方法を説明するための工程図である。図3に示すように、赤外線センサ装置は、プリント基板5上に赤外線センサ部2と温度センサ3とを備えた構成でも構わない。なお、図1と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。また、第1補正工程、第2補正工程及び温度換算工程については、図1に示した実施形態1と同様である。
【0050】
図4は、本発明の実施形態4に係る赤外線センサ信号の補正方法を説明するための工程図である。図中符号11は赤外線センサ部を示している。なお、図1と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
【0051】
図4に示す赤外線センサ装置は、赤外線センサ部11が環境温度TAMBを測定する温度センサとしても機能するもので、赤外線センサ部11から赤外線センサ信号SIRと環境温度TAMBが得られる構成になっている。
【0052】
つまり、本実施形態4の赤外線センサ装置は、赤外線センサ信号SIRと環境温度TAMBとが得られる構成であれば制限されず、視野角制限体及び/又は窓材を更に有する構成であってもよい。なお、第1補正工程、第2補正工程及び温度換算工程については、図1に示した実施形態1と同様である。
【0053】
図5は、本発明の実施形態5に係る温度測定装置を説明するための構成図である。図中符号12は温度測定装置、13aは第1補正部、13bは第2補正部、14は温度特性オフセット補正部、15は温度特性ゲイン補正部、16は温度換算部を示している。なお、図1と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
【0054】
図5に示すように、赤外線センサ装置1は、プリント基板5上に実装された赤外線センサ部2と、環境温度TAMBを測定する温度センサ3と、視野角制限体4と、窓材6とからなっている。
【0055】
また、温度測定装置12は、赤外線センサ装置1と、第1補正部13aと、温度特性オフセット補正部14及び温度特性ゲイン補正部15からなる第2補正部13bと、温度換算部16とを備えている。
【0056】
第1補正部13aは、赤外線センサ装置1に固有の補正係数Aを記憶し、赤外線センサ装置から得られる信号SIRに乗算するものである。また、温度特性オフセット補正部14は、環境温度を測定する温度センサ3による環境温度TAMBに基づいて求まるオフセット補正量Bを算出し、加算又は減算するものである。また、温度特性ゲイン補正部15は、環境温度を測定する温度センサ3による環境温度TAMBに基づいて求まる補正係数Cを算出し、乗算するものである。また、温度換算部16は、補正後の信号を出力温度TOUTに換算するものである。
【0057】
つまり、本発明の温度測定装置12は、赤外線センサ装置1の個体差による出力信号のばらつきを補正するようにしたもので、赤外線センサ装置1固有の補正係数を記憶し、赤外線センサ装置1から得られる信号に乗算する第1補正部13aを備え、この補正係数は、赤外線センサ装置1を用いて所定の環境温度において所定の測定対象物の温度を測定したときに得られる信号を所定の値にするための係数である。
【0058】
また、環境温度を測定する温度センサ3を備え、この温度センサ3による環境温度に基づくオフセット補正量を算出する温度特性オフセット補正部14と、環境温度に基づく補正係数を算出する温度特性ゲイン補正部15とを備えている。
【0059】
このように、本発明の温度測定装置12の構成を用いることで、赤外線センサ部2が変わった場合、視野角制限体4が変わった場合、窓材5が変わった場合などにおいて、所定のセンサ温度TAMBXにおいて所定の温度TOBJXの対象物を測定したときに得られる信号SIRXを所定の値にするための補正係数Aを求め、この補正係数Aを第1補正部13aに記憶させるだけで、精度の高い温度測定が可能となる。
【0060】
つまり、赤外線センサ装置並びに赤外線センサ装置固有の補正係数Aを記憶し、赤外線センサ装置から得られる信号に乗算する第1補正部13aを備え、補正係数Aは、赤外線センサ装置1を用いて所定のセンサ温度TAMBXにおいて所定の温度TOBJXの対象物を測定したときに得られる信号SIRXを所定の値にするための係数であるような温度測定装置によって従来の課題を解決することが可能であることを見出したものである。
【0061】
以下、具体的な実施例と比較例を挙げて本発明について具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【実施例1】
【0062】
図1に示した前記赤外線センサ装置1より赤外線センサ信号SIRを得て、この赤外線センサ信号SIRに第1補正工程として補正係数Aを乗算して得られる第1補正信号S1を得た。つまり、第1補正信号S1=SIR×Aである。
【0063】
<測定条件>
赤外線センサ装置1として、赤外線センサ部2の製造ロットが異なる赤外線センサ装置を3つ(赤外線センサ装置K,L,M)用意し、それぞれの温度測定を実施した。赤外線センサ装置K,L,Mはいずれも視野角θが120°となるような視野角制限体を有するものとした。
【0064】
赤外線センサ装置K,L,Mの赤外線センサ部としては、砒化ガリウム(GaAs)基板上に、n型インジウムアンチモン(InSb)層と、p型InSb層と、前記n型InSb層と前記p型InSb層との間に光吸収層であるi型InSb層と、前記p型InSb層と前記i型InSb層との間に、生成したキャリアのリークを防ぐためのバリア層であるp型アルミニウムインジウムアンチモン(AlInSb)層と、を積層したPIN構造を有する、製造ロットが異なるフォトダイオードをそれぞれ用いた。
【0065】
<赤外線センサ信号SIR
図6は、実施例1の赤外線センサ信号を示す図で、赤外線センサ装置K,L,Mのそれぞれを用いて、40℃に設定された黒体炉(放射率:0.97)を対象物として(TOBJ=40℃)、この黒体炉と赤外線センサ装置との距離を2.5cmとして、黒体炉から放射される赤外線を、環境温度−30〜60℃において検知した際の赤外線センサ信号SIRを示している。なお、黒体炉表面は10cm角の正方形であり、黒体炉表面が赤外線センサ装置1の視野全体に広がった状態で測定を実施した。
【0066】
図6に示すように、赤外線センサ装置K,L,Mのそれぞれから得られる赤外線センサ信号SIRは、環境温度TAMBの上昇と共に減少するという傾向は一致するものの、各赤外線センサ装置K,L,Mによって最大で1nA程度の出力差が生じることが理解される。これは各赤外線センサ装置K,L,Mの個体差に起因するものである。
【0067】
<第1補正工程>
図7は、実施例1の第1補正信号を示す図で、各赤外線センサ装置K,L,Mにおいて、TAMBX=25℃で、TOBJX=50℃の黒体炉に対して得られるSIRXを測定し、その値を5.6nAにするための係数を補正係数Aとして、図6に示した赤外線センサ信号SIRに補正係数Aを乗算して得られる第1補正信号S1を示している。なお、赤外線センサ装置K,L,Mの補正係数AK,AL,AMは、それぞれAK=1,AL=1.26,AM=1.05であった。
【0068】
図7より、図6のSIRに対して第1補正工程を適用すると、センサK,L,Nから得られる第1補正信号S1が、略一致することが理解される。
【実施例2】
【0069】
上述した実施例1で得られた第1補正信号S1に、第2補正工程としてオフセット補正量Bを加算又は減算し(SIR×A±B)、さらに補正係数Cを乗算して得られる第2補正信号S2に基づいて温度換算工程をすることによって温度測定をした。つまり、第2補正信号S2=(SIR×A±B)×Cである。
【0070】
<第2補正工程>
図8は、実施例2の第2補正信号を示す図で、第1補正信号S1に第2補正工程を適用した場合の第2補正信号S2を示している。ここで、第2補正工程として、オフセット補正量Bの減算と補正係数Cの乗算を行い、補正係数B,Cは、それぞれ赤外線センサ装置K,L,Mに対して同じものを用いた。
【0071】
図8より、第2補正工程に先立ち、第1補正工程を適用することで、環境温度に対して一定、かつ、センサK,L,Nで略同じ第2補正信号S2が得られたことが理解される。
【0072】
なお、オフセット補正量Bとしては、赤外線センサ装置Kを用いて、30℃に設定された黒体炉(放射率:0.97)を対象物として(TOBJ=30℃)、黒体炉から放射される赤外線を、−30〜60℃の環境温度TAMBで測定したときに得られる赤外線センサ信号SIRBを用いて、SIRBのTAMB依存性のプロットに対して3次関数でのフィッティングを行うことで、下記式(2)で表される関数を導出し、オフセット補正量Bとして用いた。
【0073】
【数2】
【0074】
また、補正係数Cとしては、赤外線センサ装置Kを用いて、30℃に設定された黒体炉(放射率:0.97)を対象物として(TOBJ=30℃)、黒体炉から放射される赤外線を、−30〜60℃の環境温度TAMBで測定したときに得られる赤外線センサ信号SIRC1と、50℃に設定された黒体炉を対象物として(TOBJ=50℃)、黒体炉から放射される赤外線を、−30〜60℃の環境温度TAMBで測定したときに得られる赤外線センサ信号SIRC2と、を用いて、SIRC1とSIRC2との差を黒体炉温度の差で割った、赤外線センサ信号と測定対象物温度との傾きβ=(SIRC2−SIRC1)/(50−30)を、0.2351にするための係数γを用いて、該係数γの環境温度TAMB依存性のプロットに対して二次関数でフィッティングを行うことで、下記式(3)で表される関数を導出し、補正係数Cとして用いた。
【0075】
【数3】
【0076】
<温度換算工程>
表1は、図8に示した赤外線センサ装置Lより得られた第2補正信号S2に基づいて温度換算工程を行うことにより得られた出力温度TOUTを示している。
【0077】
温度換算工程においてTOUTを算出するのには、S2≦3(nA)においては下記式(4)で、S2>3(nA)においては下記式(5)で表される関係式を用いた。
【0078】
OUT=(1.8959×10-2)×S23−(3.1146×10-1)×S22+5.2922×S2+29.989 ・・・(4)
OUT=(1.5078×10-3)×S23−(1.1074×10-1)×S22+4.4451×S2+31.351 ・・・(5)
【0079】
【表1】
【0080】
表1より、オフセット補正量Bと補正係数Cによる補正工程より前に、本発明の第1補正工程を適用することによって、赤外線センサ装置が受光した赤外線エネルギー量から定量される出力温度TOUTと実際の測定対象物の温度との差が小さくなり、測定対象物温度20〜80℃において、最大2℃未満、測定対象物温度20〜50℃においては、最大1℃未満の差異に収めることが可能となっている。
【0081】
[比較例1]
第1補正工程を適用せずに、赤外線センサ信号SIRに対して、第2補正工程としてオフセット補正量Bを加算又は減算し、さらに補正係数Cを乗算して得られる第2補正信号S2に基づいて温度換算工程をすることによって温度測定をした。なお、第2補正工程及び温度換算工程は、実施例2と同じ条件を採用した。
【0082】
図9は、比較例1の第2補正信号を示す図で、赤外線センサ装置K,L,Mから得られる出力信号SIRに対して、第2補正工程を適用した場合の第2補正信号S2’を示している。
【0083】
図9より、第1補正工程が無い場合、センサ毎に第2補正信号S2’が大きく異なり、センサL、Mについては、S2’が環境温度TAMBに対して変化していることが理解される。
【0084】
表2は、赤外線センサ装置Lより得られた第2補正信号S2’に基づいて出力温度TOUT’を求めた結果を示している。
【0085】
【表2】
【0086】
表2より、第1補正工程を経ずにオフセット補正量Bと補正係数Cによる第2補正工程のみで補正した場合、赤外線センサ装置が受光した赤外線エネルギー量から定量される出力温度TOUT’と実際の測定対象物の温度との差が表1に示した第1補正工程を適用した実施例2と比較して格段に大きくなってしまい、測定対象物温度20〜80℃において、最大8.5℃、測定対象物温度20〜50℃においては、最大7.6℃の差異が生じてしまっていることが理解される。
【実施例3】
【0087】
実施例1で用いた赤外線センサ装置Kを、視野角制限体を付け替えて視野角θが120°から50°に変えて赤外線センサ装置K’とした以外は、実施例1と同様の条件で第1補正信号S1を得た。
【0088】
なお、上記視野角θが50°の赤外線センサ装置の補正係数AK’(実施例1と同様に、TAMBX=25℃で、TOBJX=50℃の黒体炉に対して得られるSIRXを測定し、その値を5.6nAにするための係数)は、AK’=3.58であり、視野角θが120°の補正係数AKは実施例1と同様にAK=1であった。
【0089】
図10は、実施例3の赤外線センサ信号を示す図で、赤外線センサ装置K(視野角θ=120°)及びK’(視野角θ=50°)を用いて得られた赤外線センサ信号SIRを示している。また、図11は実施例3の第1補正信号を示す図で、図10の赤外線センサ信号に対して、赤外線センサ装置Kの補正係数AK=1、赤外線センサ装置K’の補正係数AK’=3.58としてそれぞれ乗算した結果を示している。
【0090】
図11より、本実施例3の第1補正工程を適用することにより、第1補正信号は視野角θが120°であっても50°であっても略一致しており、第1補正信号は視野角θが変化しても略同一な値になる様に補正できることが理解される。
【実施例4】
【0091】
実施例3で得られた赤外線センサ装置K’の第1補正信号に対して、実施例2と同じ条件で第2補正工程及び温度換算工程を適用して出力温度TOUTを得た。その結果を表3に示す。
【0092】
【表3】
【0093】
表3より、視野角θが変化しても、本実施例4の第1補正工程を適用することにより、第2補正工程及び温度換算工程の条件を変えることなく、実施例2と同様に測定対象物温度20〜80℃において、最大2℃未満、測定対象物温度20〜50℃においては、最大1℃未満の差異に収めることが可能となっている。
【0094】
[比較例2]
実施例3で得られた赤外線センサ装置K’の赤外線センサ信号に対して、実施例2と同じ条件で第2補正工程及び温度換算工程を適用して出力温度TOUT’を得た。その結果を表4に示す。
【0095】
【表4】
【0096】
表4より、視野角θが変化したときに、第1補正工程を適用せずに、視野角θが変化する前の第2補正工程及び温度換算工程と同じ条件で温度測定を実施すると、赤外線センサ装置が受光した赤外線エネルギー量から定量される出力温度TOUT’と実際の測定対象物の温度との差が著しく大きくなってしまう。すなわち、本実施例4の第1補正工程を適用しない場合は、視野角θの変化に応じて第2補正工程及び温度換算工程に新たな条件を適用しなければならないことが理解される。
【実施例5】
【0097】
実施例1で用いた赤外線センサ装置Lにおいて、視野角制限体の開口部を覆うように厚さ0.5mmのシリコン(Si)の窓材を取り付けて赤外線センサ装置L’とした以外は、実施例1と同様の条件で第1補正信号S1を得た。
【0098】
なお、シリコンの窓材を取り付けた赤外線センサ装置L’の補正係数AL’(実施例1と同様に、TAMBX=25℃で、TOBJX=50℃の黒体炉に対して得られるSIRXを測定し、その値を5.6nAにするための係数)は、AK’=1.74であり、窓材のない赤外線センサ装置Lの補正係数ALは実施例1と同様にAK=1.26であった。
【0099】
図12は、実施例5の赤外線センサ信号を示す図で、赤外線センサ装置L(窓材なし)及びL’(窓材あり)を用いて得られた赤外線センサ信号SIRを示している。また、図13は、実施例5の第1補正信号を示す図で、図12の赤外線センサ信号に対して、赤外線センサ装置Lの補正係数AL=1.26、赤外線センサ装置L’の補正係数AL’=1.74としてそれぞれ乗算した結果を示している。
【0100】
図13より、本実施例5の第1補正工程を適用することにより、第1補正信号は窓材の有無に関わらず略一致しており、第1補正信号は、窓材の有無に関わらず略同一な値になる様に補正できることが理解される。
【0101】
そして図示はしないが、本実施例5の第1補正工程によって、窓材の有無に関わらず略同一な第1補正信号を得られるので、実施例4と同様にそれぞれに同じ第2補正工程及び温度換算工程を適用しても正確な出力温度を得ることが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【0102】
本発明は、主としてフォトダイオードやサーモパイルなどの赤外線センサから得られる赤外線センサ信号の補正方法及び温度測定方法並びに温度測定装置に関し、赤外線センサ装置の出力の個体差ばらつきを簡易に補正し、赤外線エネルギー量から測定温度を簡易かつ高精度に定量することが可能な、赤外線センサ信号の補正方法及び温度測定方法並びに温度測定装置を提供することができる。
【符号の説明】
【0103】
1 赤外線センサ装置
2 赤外線センサ部
3 温度センサ
4 視野角制限体
5 プリント基板
6 窓材
10 測定対象物
11 環境温度の測定機構を有する赤外線センサ部
12 温度測定装置
13a 第1補正部
13b 第2補正部
14 温度特性オフセット補正部
15 温度特性ゲイン補正部
16 温度換算部
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12
図13