JPH03273689A - 高感度サーモパイル - Google Patents

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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、各種非接触温度検出及び人体検出等に用いら
れる熱電対を多数並列に接続したサーモパイルに関する
。

［従来の技術］ 従来のサーモパイルの構成を示す平面図を第５図、断面
図を第６図に夫々示す。

第５図及び第６図において、絶縁基板１−の上に第１の
熱電材料２ａ−及び第２の熱電材料２ｂ”の組合わせの
薄膜の熱電対が直列に配列された薄膜熱電対パターン２
′が蒸着あるいはスパッタ等の手段により形成されてい
る。

第１及び第２の熱電材料２ｇ−及び２ｂ−の組合わせと
しては、通常Ｂ１−３ｂ、Ｂ１−Ｂ１Ｓｂ、Ｂ１−Ｔｅ
等の熱電能αの大なる組合わせが選択されている。

夫々、薄膜熱電対パターン２′の内側は、温接点２１゛
が配列され外側は冷接点２２″が配列され、夫々第１及
び第２の熱電対パターンの端部を互い違いに接続してい
る。また、基板の冷接点２２″の部分の裏面は、ヒート
シンク６−のリング状部分に固定される。薄膜熱電対パ
ターン２′の温接点２１′の外周を含む領域に絶縁層３
′がコーテングされ、その上に全黒等の赤外線吸収層４
−が形成されている。

ここで、サーモパイルが赤外線を検出する原理を第５図
及び第６図を参照して説明する。

被検出物体から発生した赤外線は、赤外線吸収層４−に
吸収され、赤外線吸収層４′の温度が上昇し、絶縁層３
−を介して、薄膜熱電対パターン２−の温接点２１′の
温度を上昇させる。その温度をＴｈとする。冷接点２２
′の温度は、はぼヒートシンク６′の温度Ｔｅ（はぼ室
温と等しい）に保たれているので、温接点２１′と冷接
点２２゛との間には、温度差ΔＴ−Ｔｈ−Ｔｅ（単位℃
）が生じる。このΔＴに基づく出力電圧Ｖ。′は、次式
（１）で表される。

■ｏ　−α×ΔＴ−ＸＮ　　・・・（１）（但し、ΔＴ
−−Ｔｈ−Ｔｅ） ここで、ａは薄膜熱電対パターン一対当りの熱電能（μ
Ｖ／’Ｃ）であり、Ｎは薄膜熱電対パターンの対の数で
ある。

従って、上記（１）式の出力電圧Ｖ。−が図中の出力端
子８１．８１−間に生じる。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の第５図及び第６図のサーモパイルには、以下の問
題点（イ）、（ロ）がある。

（イ）被検出物体の温度が室温と近い場合、熱電対パタ
ーン温接点とヒートシンクとの温度差ΔＴが非常に少と
なるので、出力電圧Ｖ。−が小となるので、増幅時のノ
イズレベル以下となり、正確な温度検出ができない。

（ロ）室温の変動により、ヒートシンクの温度もそれに
追従して変化するた出力電圧ｖＯ−が室温の変動を受け
る。

そこで、本発明の技術的課題は、従来の欠点を改善し、
被測定物の温度が常温を含む高範囲に渡って十分な出力
電圧を実現し、且つ室温の変動の影響を無くした高感度
のサーモパイルを提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明によれば、絶縁基板上に赤外線吸収部と、該吸収
部から外れた位置に異種金属の接続端の一端を配置し、
他端を該赤外線吸収部に配置した熱電対とを形成したサ
ーモパイルにおいて、前記接続端の一端近傍に冷却手段
を配置したことを特徴とする高感度サーモパイルが得ら
れる。

本発明によれば、前記高感度サーモパイルにおいて、前
記熱電対は前記絶縁基板上に蒸着またはスパッタにより
形成された薄膜熱電対パターンであることを特徴とする
高感度サーモパイルが得られる。

本発明によれば、前記したいずれかの高感度サーモパイ
ルにおいて、前記冷却手段はベルチェ素子の吸熱接合部
を備えていることを特徴とする高感度サーモパイルが得
られる。

本発明によれば、前記高感度サーモパイルにおいて、前
記ベルチェ素子は、前記絶縁基板近傍に配されたヒート
シンクに発熱接合部を有することを特徴とする高感度サ
ーモパイルが得られる。

本発明によれば、前記高感度サーモパイルにおいて、前
記絶縁基板表面に熱電対パターン、該表面に対向する裏
面に薄膜ペルチェ素子パターンを設けたことを特徴とす
る高感度サーモパイルが得られる。

本発明によれば、前記したいずれかの高感度サーモパイ
ルにおいて、前記絶縁基板上の前記異種金属の接続端の
他端近傍に薄膜温度検出素子パターンを設けたことを特
徴とする高感度サーモパイルが得られる。

［実施例コ 本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図に本発明によるサーモパイルの一実施例の平面図
を、第２図に第１図の断面図を夫々示す。

第１図及び第２図において、絶縁基板１には従来と同様
に、ポリイミド、ポリエステル等の有機フィルム（厚み
５〜１０μｍ）が用いられている。

絶縁基板１の上には、第１の熱電材料２ａ及び第２の熱
電材料２ｂの組合わせによる熱電対の直列接続よりなる
薄膜熱電対パターン２が蒸着あるいは、スパッタ等の手
段により形成されている。

熱電対パターン２の内側の接続端は、温接点２１を構成
し、外側の接続端は冷接点２２を構成する。

温接点２１の円周部を含む領域に絶縁層３がコーテング
され、その上に金魚等の赤外線吸収層４が形成されてい
る。

薄膜熱電対パターン２の外側領域で、絶縁基板１の裏側
部分には、薄膜ペルチェ素子パターン５が設けられてい
る。その構成は、ｎ型熱電半導体５ａと、Ｐ型熱電半導
体５ｂとを組合わせて、内方の一端と外方の他端とを互
い違いに連結する吸熱接合部５１と発熱接合部５２を夫
々形成することにより、直列に多数列直列接続した構成
である。

図中のベルチェ素子群の一端部に接続された端子１３．
１４を用いて矢印の方向に、通電電流Ｉを流すことによ
り、前記のように吸熱接合部５１に吸熱の機能が、発熱
接合部５２に発熱機能が夫々実現される。

吸熱接合部５１は、熱電対パターン２の各冷接点２２を
絶縁基板１の裏側から丁度囲む領域の大きさに設定され
、一方発熱接合部５２はヒートシンク６に熱的に接合さ
れており、従って、吸熱接合部５１から発熱接合部５２
へ熱が連続的に移動する。また、薄膜熱電対パターン２
の冷接点２２の端子近傍には、端子１５．１６を有する
薄膜温度検出素子７が形成されている。

即ち、この薄膜温度検出素子７は絶縁基板１の薄膜熱電
対パターン２と同一面側に形成されている。

第３図は本発明の実施例に係る高感度サーモパイルに接
続されるベルチェ素子への電流供給制御を示す図である
。

第３図において、熱電対の冷接点２２の温度は、温度検
出素子により検出され、外部に設けられた電流供給制御
回路６０で、ベルチェ素子に供給される電流を制御して
、熱電対の冷接点部の温度を一定値に制御する。

次に、第１図〜第３図を参照して、本発明の実施例に係
る高感度サーモパイルの検出原理について説明する。

被検出物体から発生した赤外線は、赤外線吸収層４に吸
収され、この赤外線吸収層４の温度が上昇し、絶縁層３
を介して薄膜熱電対パターン２の温接点２１の温度を上
昇させる。このときの温度をＴＨとする。

一方、薄膜熱電対パターン２の冷接点の温度は、絶縁基
板１を介して薄膜ペルチェ素子パターン５の吸熱接合部
５１により、冷却されており、又、冷接点２２の近傍に
設けられた薄膜温度検出素子７の出力により、供給電流
制御回路６０を用いてペルチェ素子パターン５に流す電
流を制御することにより一定温度に制御されている。そ
の温度は、室温より十分低い温度Ｔ、に保持されている
。

従って、出力端子８．８−からの出力電圧Ｖ。

は、 ｖＯ”αＸΔＴｘＮ　（但し、ΔＴ−ＴＨ−ＴＬ）・・
・（２） ここで、αは薄膜熱電対パターン２の一対当りの熱電能
（μＶ／”Ｃ）、Ｎは薄膜熱電対パターン２の対の数で
ある。

本発明の実施例における高感度サーモパイルは、従来例
に比較して以下のような改善点（い）。

（ろ）が実現される。

（い）冷接点２２の温度を薄膜ペルチェ素子バターン５
の吸熱接合部５１により、冷却しているので同一被測定
物温度に対して、温接点２１と冷接点２２の温度差ΔＴ
は、従来よりも大となるように構成している。従って、
本発明の実施例のサーモパイルと従来と比べた出力電圧
特性は、（ΔＴ〉ΔＴ′、従ってｖ、＞ｖ、−（１）。

（２）式参照）である。

第４図は本発明の実施例に係るサーモパイルの出力電圧
特性を示す図である。第４図に示す如く、本発明の実施
例によるサーモパイルは、従来の特性カーブを上側へ平
行移動した曲線を描く。

従って、従来よりも出力電圧が高く、高感度となり、又
、従来において問題となっていた被測定物温度が常温近
傍での検出における出力電圧がアンプノイズ以下となる
問題が解決されている。

尚、図中の斜線部分は、アンプのノイズレベルを示して
いる。

（ろ）ペルチェ素子による吸熱接合部５１での温度制御
により、冷接点２２の温度ＴＬを一定温度に保持してい
るので、従来において、問題となっていた出力電圧が室
温の影響を受ける事がなく、精度の高い非接触温度検出
可能となる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、従来よりも出力
電圧を高くしアンプノイズの影響を受けない高感度サー
モパイルを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による高感度サーモパイルの一実施例を
示す平面図、第２図は第１図の断面図、第３図は本発明
の実施例に係る高感度サーモパイルに接続されるペルチ
ェ素子への電流供給制御を示す図、第４図は本発明の実
施例に係るサーモパイルと従来例に係るサーモパイルの
出力電圧特性を比較説明図、第５図は従来のサーモパイ
ルの一例を示す図、ｍ６図は第５図の断面図である。 図中、１．１′は絶縁基板、２，２′は薄膜熱電対パタ
ーン、２ａ、２ａ−はＭｌの熱電材料、２ｂ、２ｂ＝は
第２の熱電材料、２１．２１−は温接点、２２．２’；
ｌ”は冷接点、３．３′は絶縁層、４．４′は赤外線吸
収層、５は薄膜ペルチェ素子パターン、５ａはｎ型半導
体、５ｂはＰ型熱で半導体、５１は吸熱接合部、５２は
発熱接合部、６．６゛はヒートシンク、６０は供給電力
＃Ｉｍ回路、７は薄膜温度検出素子、８．８−．８１゜
８１−は薄膜熱電対パターン出力端子。 第１図 第２図 第３図 ６゜ 第４図 □被測定物温度 （”Ｃ） 第５図 第６ｆｆｌ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、絶縁基板上に赤外線吸収部と、該吸収部から外れた
   位置に異種金属の接続端の一端を配置し他端を該赤外線
   吸収部に配置した熱電対とを形成したサーモパイルにお
   いて、前記接続端の一端近傍に冷却手段を配置したこと
   を特徴とする高感度サーモパイル。 ２、第１の請求項記載の高感度サーモパイルにおいて、
   前記熱電対は前記絶縁基板上に蒸着またはスパッタによ
   り形成された薄膜熱電対パターンであることを特徴とす
   る高感度サーモパイル。 ３、第１又は第２の請求項記載の高感度サーモパイルに
   おいて、前記冷却手段はペルチェ素子の吸熱接合部を備
   えていることを特徴とする高感度サーモパイル。 ４、第３の請求項記載の高感度サーモパイルにおいて、
   前記ペルチェ素子は、前記絶縁基板近傍に配されたヒー
   トシンクに発熱接合部を有することを特徴とする高感度
   サーモパイル。 ５、第４の請求項記載の高感度サーモパイルにおいて、
   前記絶縁基板表面に熱電対パターン、該表面に対向する
   裏面に薄膜ペルチェ素子パターンを設けたことを特徴と
   する高感度サーモパイル。 ６、第１〜第５の請求項のいずれか記載の高感度サーモ
   パイルにおいて、前記絶縁基板上の前記異種金属の接続
   端の他端近傍に薄膜温度検出素子パターンを設けたこと
   を特徴とする高感度サーモパイル。