ゼーベック電流積分による温度差検出装置
【課題】従来の電流検出型熱電対のＳ／Ｎを増大させると共に、更に高感度化させた電流検出型熱電対による温度差検出装置を提供し、熱型赤外線センサ、気圧センサ、ガスセンサやフローセンサなどに応用できる超小型の高感度な温度差検出装置を提供する。
【解決手段】熱電対の短絡電流を利用して温度差を検出する温度差検出装置において、この短絡電流を計測する短絡電流計測手段、この短絡電流を積分する積分手段、所定の時間だけ積分させる時間設定手段、上記積分後、初期状態の復帰させる初期状態復帰手段、前記積分手段の出力を取り出す電圧出力手段を備え、この電圧出力手段からの出力電圧を用いて、前記温度差を求めるようにした。短絡電流計測手段としてＯＰアンプ、積分手段としてコンデンサ、初期状態復帰手段としてクロックパルスと同期したスイッチ、電圧出力手段としてピークホールド回路を利用する。
【解決手段】熱電対の短絡電流を利用して温度差を検出する温度差検出装置において、この短絡電流を計測する短絡電流計測手段、この短絡電流を積分する積分手段、所定の時間だけ積分させる時間設定手段、上記積分後、初期状態の復帰させる初期状態復帰手段、前記積分手段の出力を取り出す電圧出力手段を備え、この電圧出力手段からの出力電圧を用いて、前記温度差を求めるようにした。短絡電流計測手段としてＯＰアンプ、積分手段としてコンデンサ、初期状態復帰手段としてクロックパルスと同期したスイッチ、電圧出力手段としてピークホールド回路を利用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電対を用いて温度差を検出するに当たり、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）を大きくさせて増幅させるようにした高感度な温度差検出装置に関するもので、熱電対を用いて温度差を検出するのに、熱起電力の開放電圧の大きさから求めるのではなく、熱電対を含む閉回路を構成して、そこを流れる電流であるゼーベック電流から被検出温度差を求める、所謂、電流検出型熱電対において、その短絡電流をコンデンサなどの積分手段に通じることにより電荷を所定に時間だけ貯めて、そのときの大きくなった出力電圧を基にして被測定温度差を検出できるようにした温度差検出装置提供するものである。本発明により、Ｓ／Ｎの良い高感度な温度差検出装置となり、高感度の熱型赤外線センサやフローセンサなどに応用できるものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、温度差を検出するのに、ある基準温度に対して被検出温度差を有する箇所に熱電対の温接点と冷接点となる二つの接合部間に温度差を形成して、その開放熱起電力から温度差を求めていた。
【０００３】
また、本発明者は、先に「温度差の検出方法、温度センサおよびこれを用いた赤外線センサ」（特願2004-026247）（特許文献１）を発明して、熱電対の温接点と冷接点となる二つの接合部間の温度差による熱起電力を開放電圧で測定するのではなく、短絡電流を計測して温度差を計測する方法を提案し、これを電流検出型熱電対と名づけ、実験的にその優位性を示してきた。本発明者は、更に、「電流検出型熱電対の校正方法と校正用熱電対を備えた電流検出型熱電対」（特願2005-332341（特許文献２）、特願2006-300301（特許文献３））を発明して、その校正方法などを提案してきた。
【０００４】
この電流検出型熱電対の基本原理は、次のようなことに基づくものである。半導体のゼーベック係数αsは、抵抗率ρに関し、次の数式１で表現されることが分かっている。
【０００５】
【数１】
ここで、ｋはボルツマン定数、ｑは電荷素量であり、Siでは、ρ0＝５ｘ10−６Ωｍ、ｍ＝２．６である。従来は、上式から抵抗率ρが大きい方がゼーベック係数αsも大きくなるので、抵抗率ρの大きい半導体を使用して、熱電対やサーモパイルを作成する傾向にあった。しかし、余り大きな抵抗率の半導体を使用すると、内部抵抗の極めて大きなサーモパイルになり、その妥協点を探していた。しかし、上式数1は、次のことも意味していることに本発明者が気づいた。すなわち、抵抗率ρが３〜４桁下がっても、ゼーベック係数αsは、３〜９分の１程度しか下がらないことを意味する。抵抗率の逆数である導電率は、熱電対（サーモカップル）を短絡するとそこを流れる電流に比例するので、抵抗率の極めて小さい熱電対を作成し、何らかの方法でその短絡電流が計測できれば、従来のサーモカップルやサーモパイルなどの開放電圧を計測するより極めて高い感度とＳ／Ｎが得られると予想される。
【０００６】
これまでの短絡電流検出型熱電対では、短絡電流を計測するのにＯＰアンプ（演算増幅器）の仮想短絡を利用し、その短絡電流を電圧に変換するために、帰還抵抗ＲｆをＯＰアンプに取り付けて、その電圧降下をＯＰアンプの出力電圧Ｖ０として利用し、この出力電圧Ｖ０と被検出温度差ΔＴを予め用意した校正曲線により求めていた。しかし、更に微小な温度差を検出するには、さらに高感度化する必要があり、そのためには、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）を大きくする必要があった。
【０００７】
この従来の短絡電流検出型熱電対では、帰還抵抗ＲｆをＯＰアンプに取り付けて、その電圧降下をＯＰアンプの出力電圧Ｖ０として利用していたので、応答速度は速いものの、入力信号に含まれる雑音や誘導雑音がそのままＯＰアンプの出力電圧Ｖ０に反映していた。また、帰還抵抗Ｒｆに適当な時定数になるようなコンデンサＣを並列接続して、出力電圧Ｖ０に含まれる高周波成分をコンデンサでバイパスさせて、ＲｆとＣで決まる時定数内で平均化させてＳ／Ｎを向上させるようにしていた。それでも本質的に時々刻々変化する熱電対の短絡電流を反映したＯＰアンプの出力電圧Ｖ０になるだけなので、感度を増大することが困難であった。そのためには、Ｓ／Ｎが大きい初段増幅が必要であった。
【０００８】
また、従来、アナログ入力電圧Viをデジタル変換するのに（ＡＤ変換）、ＯＰアンプとコンデンサＣとを用いて、所定の入力抵抗Rを通してアナログ入力電圧Viを電流に変化して、その後、ＯＰアンプに備えたコンデンサＣに充電して、電圧変換し、次に、既知の基準電源Vrefを用いて、これを打ち消してゼロになるように、逆にコンデンサＣに蓄えられた電荷を完全に打ち消すための時間を計測してデジタル化するもので、短い時間間隔のクロックパルスを用いて、このクロックパルスのカウント数Nで求めて、デジタル化するというやり方があった。しかし、これは、信号増幅が目的で無く、AD変換の手段であり、更に、打ち消すための時間とその付属回路が必要であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特願2004-026247
【特許文献２】特願2005-332341
【特許文献３】特願2006-300301
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、従来の電流検出型熱電対を、更にＳ／Ｎを増大させると共に、大きな初段増幅させて高感度化できる電流検出型熱電対による温度差検出装置を提供し、熱型赤外線センサ、気圧センサ、ガスセンサやフローセンサなどに応用できる超小型の高感度な温度差検出装置を提供すること目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係わる温度差検出装置は、熱電対のゼーベック電流を利用して温度差を検出する温度差検出装置において、該ゼーベック電流を計測するゼーベック電流計測手段、該ゼーベック電流を積分する積分手段、所定の時間だけ積分させる時間設定手段、上記積分後、初期状態の復帰させる初期状態復帰手段、前記積分手段の出力を所定の期間保持する電圧出力手段を備え、該電圧出力手段からの出力電圧を用いて、前記温度差を求めるようにしたことを特徴とするものである。
【００１２】
本発明に係わる温度差検出装置の短絡電流検出用熱電対における温度差の検出は、従来の開放熱起電力を計測する方式の場合とは異なり、熱電対を電流検出型として用いるようとしているために短絡電流計測手段を用いるが、演算増幅器（ＯＰアンプ）のように、電流検出手段の測定器の内部抵抗が等価的に打ち消されてゼロになるような測定器にする方が良く、熱電対に流れる短絡電流を容易に計測できるようにしている。また、熱電対の内部抵抗は、熱電対を構成する二つの導体の材料、寸法や形状などにより異なり、同一の熱起電力に対して大きな電流が流れるように可能な限り内部抵抗が小さくなる導体材料の組み合わせとする必要があり、その中でも熱起電力が大きい熱電対、すなわち、絶対熱電能Ｅｏに相当するゼーベック係数の大きな材料を用いた方が良い。
【００１３】
また、この短絡電流を積分する積分手段として、コンデンサを用いて充電させて、その蓄えられた電荷に基づく両端の電位差を利用すること、コンデンサを用いずに、短絡電流信号を抵抗に通じて、その両端の電圧に変換しておき、例えば、０．１ミリ秒程度毎に、それらの電圧をソフトウエア上で足し算するようにしても良い。また、それらの出力電圧をＩＣメモリに蓄えて利用できるようにしても良い。
【００１４】
また、所定の時間だけ積分させる時間設定手段として、ＩＣタイマーを利用して所定に時間を決めても良いし、外部で発生させたクロックパルスを利用して、その一つのパルス毎にＩＣスイッチなどのスイッチ駆動するようにして、時々刻々変化する熱電対からの入力信号を出力するようにしても良い。
【００１５】
また、上記積分後、初期状態の復帰させる初期状態復帰手段として、積分手段としてのコンデンサに並列の上記スイッチを接続して、スイッチが閉状態になったときに、コンデンサに貯まった電荷を放電させて、空の状態にすることでコンデンサを初期状態に復帰させるようにしても良い。また、ソフトウエア上で足し算したものやメモリ上の値をクリアして、初期状態に復帰させても良い。
【００１６】
本発明の請求項２に係わる温度差検出装置は、ゼーベック電流計測手段として、演算増幅器とその仮想短絡を用いたこと、積分手段としてコンデンサを用いたこと、かつ初期状態復帰手段としてコンデンサに並列接続したスイッチを用いた場合である。
【００１７】
積分手段としてコンデンサを用いることは、極めて単純な構成になるので実用上の利点がある。コンデンサは、従来の帰還抵抗Ｒｆの代わりにＯＰアンプに接続することにより短絡電流を積分することができる。例えば、コンデンサ容量をＣとし、被検出温度差ΔＴによる熱電対の短絡電流をＩｓとすれば、所定の時間ｔだけ積分させたときのＯＰアンプの出力電圧Ｖ０は、数１式のように、表現される。また、従来の温度差検出装置では、Ｒｆを用いていたので、そのときの出力電圧Ｖ００は、数２式で表すことができる。従って、これらの比、Ｖ０／Ｖ００は、数３式で表現される。
【００１８】
【数１】
【００１９】
【数２】
【００２０】
【数３】
【００２１】
従って、一定の短絡電流ＩｓがコンデンサＣに流入して、ＯＰアンプの出力Ｖ０が得られたときと、従来のようにコンデンサＣではなくて、ＯＰアンプの帰還抵抗Ｒｆを用いた場合の出力電圧Ｖ００との比は、数３式のように表現されるから、例えば、積分時間ｔを１０ミリ秒（ｍｓｅｃ）とし、コンデンサＣを１０００ピコファラッド（ｐＦ）、帰還抵抗Ｒｆを１００キロオーム（ｋΩ）とすると、Ｖ０／Ｖ００は、１００となり、従来よりも１００倍の感度が得られることに成る。このようにして、応答は短絡電流の積分期間があるために、その積分期間より速い応答は望めないが、感度の増大が見込める。熱型赤外線センサに応用するときには、積分時間を赤外線受光部の熱時定数程度に積分時間を選んでおけば実質的に、問題がない。
【００２２】
また、コンデンサＣでの短絡電流の積分を用いているので、その積分時間内の雑音は、信号である短絡電流に重畳されるが、一般に雑音は正と負とが入り混じり平均化するとゼロになる性質があるから積分時間内の雑音は正負互いに打ちけられる傾向にあり、Ｓ／Ｎが大きい状態になる。このようにして、Ｓ／Ｎの大きい初段増幅器として好適である。
【００２３】
本発明の請求項３に係わる温度差検出装置は、クロックパルスを時間設定手段として用いたこと、かつこのクロックパルスの一回毎に初期状態復帰手段を駆動するようにした場合である。
【００２４】
クロックパルス発生器で、例えば、５Ｖの電圧振幅、１０ミリ秒（ｍｓｅｃ）、デューティ比１：１の矩形波パルス信号で、アナログスイッチを駆動するようにして、ＯＰアンプに取り付けた積分手段としてのコンデンサＣを電荷の充電と放電させるようにする。アナログスイッチを開（オフ）状態にして、このときコンデンサＣに貯まった電荷は、コンデンサＣの両端に電圧を発生する（この電圧が、ＯＰアンプの出力電圧Ｖ０を形成することになる）し、アナログスイッチを閉（オン）状態にして、放電させると出力電圧Ｖ０はゼロになり、初期状態に復帰することになる。このように、クロックパルスを印加して、アナログスイッチを開（オフ）状態にしたときに、短絡電流の積分が開始し、アナログスイッチを閉（オン）状態にしたときに、放電が開始するので、このアナログスイッチが開状態の期間（この場合には、１０ミリ秒）が積分する時間となる。なお、クロックパルスの幅を調整することで、積分時間を延ばしたり、縮めたりすることができるし、アナログスイッチの閉（オン）時の内部抵抗が小さい場合には、放電時間を短くしても良いので、ほぼ連続的なＯＰアンプの出力電圧を得ることができる。
【００２５】
本発明の請求項４に係わる温度差検出装置は、電圧出力手段としてピークホールド回路とした場合である。
【００２６】
上述のように、アナログスイッチを閉（オン）状態にして、コンデンサの放電が開始するので、その直前のコンデンサの両端の電圧が、最大になる。このアナログスイッチが開状態（オフ）期間の最後のコンデンサの両端の電圧である最大電圧を計測するようにすることが、高感度化するのに最適であり、この最大電圧はその直後のアナログスイッチを閉（オン）状態での放電開始により、急激にＯＰアンプの出力電圧Ｖ０が小さくなり始めるので、波形として、ピークを形成する。従って、公知のピークホールド回路を用いることにより、この最大電圧を計測することができる。この出力電圧Ｖ０と被検出温度差ΔＴとの予め用意してある校正曲線を利用するなどして、被検出温度差ΔＴを求めることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の温度差検出装置では、短絡電流計測手段としての演算増幅器（ＯＰアンプ）と積分手段としてのコンデンサを用いて、簡単に熱電対（または、複数の熱電対の組であるサーモパイル）の微小な短絡電流を所定の時間だけ積分するので、積分後のＯＰアンプの出力電圧を大きくすることができる。従って、被検出温度差を高感度に検出できるという利点がある。
【００２８】
本発明の温度差検出装置では、積分手段としてのコンデンサを用いることができるので、短絡電流に含まれる雑音、または誘導雑音の正負の変化を打ち消し合うので、Ｓ/Ｎを大きくすることができるという利点がある。
【００２９】
本発明の温度差検出装置では、クロックパルスを時間設定手段として利用し、初期状態復帰手段としてのアナログスイッチを簡単にオン、オフ状態にすることができるので、小型で単純な回路構成となるという利点がある。なお、クロックパルスの発生器も公知のＩＣタイマーなどの単純な回路で構成できるので、これも搭載した温度差検出装置の小型化が容易である。
【００３０】
本発明の温度差検出装置では、電圧出力手段として公知のピークホールド回路が利用できるので、簡単に温度差検出装置が構成できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の温度差検出装置を、熱型赤外線センサの温度検出部に適用した場合の一実施例を示す回路構成概略図である。（実施例１）
【図２】熱電対を短絡電流検出型熱電対として利用した場合の動作を説明する従来の回路構成概略図である。（実施例１）
【図３】本発明の温度差検出装置を説明するための他の一実施例を示す回路構成のうちの熱電対部分の概略図である。（実施例２）
【図４】本発明の温度差検出装置を説明するための他の一実施例を示す回路構成概略図である。（実施例３）
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の温度差検出装置の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００３３】
図１は、本発明の温度差検出装置を、熱型赤外線センサの温度差検出部に適用した場合の一実施例を示す回路構成概略図である。
【００３４】
本発明の温度差検出装置に用いる短絡電流検出型熱電対の熱電対１０を利用して、これを熱型赤外線センサとして実施する場合は、図1を参照して、例えば、次のようにする。ＳＯＩ基板の薄いｎ型の高濃度ＳＯＩ層（例えば、厚み５μｍ）をＭＥＭＳ技術でその下部に空洞を形成して細長いカンチレバとして残し、熱電対を構成する導体１０Ｂとして利用する。また、この薄いｎ型の高濃度ＳＯＩ層の導体１０Ｂ上を熱酸化してシリコン酸化膜の薄い絶縁膜を形成する。そして、これを介して、カンチレバの先端付近で導体１０Ｂと接合する導体１０Ａ（例えば、ニッケルＮｉ）薄膜をスパッタリング堆積などで形成して、カンチレバ型の熱電対１０を形成する。そして、このカンチレバ型の熱電対１０の全部または先端部付近の領域に赤外線吸収膜を形成して、ここを赤外線受光部１００とする。なお、一般に高濃度のｎ型半導体の絶対熱電能は、金属に比べて大きく、温接点６０の方が冷接点７０に対して正の電位となる。Ｎｉ薄膜金属は、ｎ型半導体でと逆の電圧である温接点６０が冷接点７０に対して負の電位になる。従って、図1に示すような熱電対１０の配置では、赤外線を受光した赤外線受光部１００は、温度上昇して、温接点６０として作用する。この時、短絡電流計測手段１としての演算増幅器（ＯＰアンプ）２０の反転入力端子（−）Ｂから熱電対１０を通して非反転入力端子（＋）Ａの方向に短絡電流Ｉｓが流れることになる。
【００３５】
ここでは、熱型の赤外線センサとして実施しているので、薄膜のカンチレバの先端付近にある熱電対１０の導体１０Ａと導体１０Ｂとの接合部を温接点６０として利用する。この場合、ここでは図示しないが、カンチレバ状の熱電対１０を支持しているＳＯＩ基板が、冷接点７０となる。この冷接点７０の温度を周囲温度である室温と一致させるようにすると良い。このような場合には、本発明の温度差検出装置に用いる回路構成部も室温にするので、短絡電流計測手段１である演算増幅器（ＯＰアンプ）２０も冷接点７０と同一の温度であり、被検出温度差ΔＴは、温接点６０と冷接点７０との温度差となり、その結果、ＯＰアンプ２０の仮想短絡効果により、被検出温度差ΔＴによる熱電対１０の熱起電力と熱電対１０の内部抵抗により定まる短絡電流Ｉｓが、積分手段２のコンデンサ２５に流れ、この短絡電流Ｉｓが積分されることになる。
【００３６】
ここでは、図示していないが、熱電対１０の温接点６０付近に赤外線受光部１００用の赤外線吸収膜を有するカンチレバや橋架構造、更にはダイアフラムをアレー状にして、それぞれを画素とするイメージセンサとして利用しても良い。
【００３７】
本発明の温度差検出装置について、これを熱型赤外線センサとして実施する場合の動作について、図1を参照して詳細に説明すると次のようである。先ず、室温（例えば、20℃）で赤外線を受光した上述の熱電対10は、被検出温度差ΔＴだけ温度上昇して、その時の熱電対１０の熱起電力をその内部抵抗で除算した値の短絡電流Ｉｓが、初期状態復帰手段４であるスイッチ４０が開状態（オフ状態）のときには、ＯＰアンプ２０に接続している積分手段２のコンデンサ２５に流れる。コンデンサ２５が空の電荷であると、その両端の電位差はゼロであるので、ＯＰアンプ２０の出力電圧Ｖ０もゼロである。しかし、短絡電流Ｉｓがコンデンサ２５に流れ始めて時間が経過するに従い、徐々にコンデンサ２５に短絡電流Ｉｓの時間積分した分の電荷が貯まり、ＯＰアンプ２０の出力電圧Ｖ０もそれと共に上昇する。例えば、コンデンサ２５に短絡電流Ｉｓを流し始めてから所定の積分時間ｔを、例えば、１０ミリ秒（ｍsec）経過した時点で、コンデンサ２５に並列に接続している初期状態復帰手段４のスイッチ４０を閉状態（オン状態）にさせると、このコンデンサ２５の容量Ｃとスイッチ４０の内部抵抗（オン抵抗）との積で表現される時定数で、このスイッチ４０を通してコンデンサ２５に貯えられた電荷が放電するので、コンデンサ２５の電荷が再びゼロに復帰する。この復帰することを、ここでは、初期状態復帰と呼ぶことにする。このスイッチ４０を周期的に開状態（オフ状態）と閉状態（オン状態）とを繰り返させることにより、コンデンサ２５が充放電されて、ＯＰアンプ２０の出力電圧Ｖ０も周期的に同期してゼロから最大値まで変動することになる。出力電圧Ｖ０の最大値（ピーク値）は、スイッチ４０が閉状態（オン状態）になる直前である。この出力電圧Ｖ０のピーク値は、ＯＰアンプ２０の出力端子に接続した、例えば、公知のピークホールド回路の出力端での出力電圧Ｖ０ｐとして計測することができる。このようにして得られた出力電圧Ｖ０ｐと予め用意してある被検出温度差ΔＴとの校正曲線を用いて、被検出温度差ΔＴを計測することができる。
【００３８】
スイッチ４０の周期的な開状態（オフ状態）と閉状態（オン状態）との繰り返しは、例えば、スイッチ４０をアナログスイッチとして、その入力端子に５Ｖ振幅の時間設定手段３としてのクロックパルスを印加することで達成できる。アナログスイッチの内部抵抗が小さいので、放電の時定数が数マイクロ秒程度の極めて小さくにすることも可能であるから、必ずしもクロックパルスのデューティ比を１：１にする必要がなく、例えば、開状態（オフ状態）を１０ミリ秒とし、閉状態（オン状態）を１ミリ秒のような１０：１のようにして、ほぼ連続的なピークホールド回路の出力電圧Ｖ０ｐが得られるようにすることができる。ここでは、外部に取り付けたクロックパルス発生器によりクロックパルスを導入するようにした例である。もちろん、クロックパルス発生器を組み込んだ装置にしても良い。
【００３９】
上述では、クロックパルスを導入して、周期的にスイッチ４０をオフ状態とオン状態にした場合であるが、必要に応じて、それらの時間調整をしたり、単発もしくは複数回のオフ状態とオン状態の動作をさせても良い。
【００４０】
図２には、従来の短絡電流検出型熱電対の動作を説明する回路構成概略図を示しており、熱型赤外線センサの赤外線検出装置に適用した例である。この従来の実施例では、ＯＰアンプ２０に帰還抵抗Ｒｆを取り付けている。この場合、応答速度は赤外線受光部１００の熱容量と熱コンダクタンスにより定まる熱時定数でほぼ決まり、ＯＰアンプ２０の出力電圧Ｖ０は、帰還抵抗Ｒｆとそこを流れる短絡電流Ｉｓの積になる。従って、熱時定数より十分長い時間を経過しても、短絡電流Ｉｓが一定であると出力電圧Ｖ０も、一定値となる。短絡電流Ｉｓが小さいときには、出力電圧Ｖ０も小さい値で一定値となってしまう。これに対して、本発明の温度差検出装置では、前述のように、短絡電流Ｉｓの時間積分をさせるので、時間経過と共に出力電圧Ｖ０は上昇する。従って、大きな出力電圧Ｖ０を得ることができる。例えば、所定の積分時間ｔを１０ミリ秒（ｍｓｅｃ）とし、コンデンサＣを１０００ピコファラッド（ｐＦ）、帰還抵抗Ｒｆを１００キロオーム（ｋΩ）とすると、一定の短絡電流Ｉｓが流れたとすると、そのときの出力電圧比、Ｖ０／Ｖ００は、１００となり、従来の短絡電流検出型熱電対の動作である図２に示す方式よりも１００倍の感度が得られることに成る。ここで、Ｖ００は、従来の短絡電流検出型熱電対のＯＰアンプ２０の出力電圧である。また、本発明の温度差検出装置では、従来の帰還抵抗Ｒｆの代わりにコンデンサＣを挿入しているので、正負に変動する雑音成分を打ち消し、Ｓ／Ｎが大きい赤外線センサになる。
【００４１】
本発明の温度差検出装置では、同一の受光面積に形成した場合、１対の内部抵抗の小さい熱電対１０を利用した短絡電流検出型熱電対の方が、沢山の熱電対を直列接続したサーモパイルを同様にして短絡電流を検出するようにした場合に比べ、短絡電流Ｉｓが大きくなり、大きな電荷が積分手段２のコンデンサ２５に蓄えられるので、大きな出力電圧Ｖ０が得られえる。もちろん、このとき電圧出力手段５のピークホールド回路５０の出力電圧Ｖ０ｐも同様に大きくなる。
【実施例２】
【００４２】
図３は、本発明の温度差検出装置を説明するための他の一実施例を示す回路構成のうちの熱電対部分の概略図である。同一の熱電材料からなる2個の熱電対１０と熱電対１１０とを直列接続して、Ｐ点とＱ点との温度差ΔＴを計測する場合の例を示している。これらの2個の熱電対１０と熱電対１１０の同一の熱電材料の導体１０Ｂの端子B’と導体１１０Ｂの端子A’とを、前述の実施例１の図１に示すＯＰアンプ20の対応する反転入力端子Ｂと非反転入力端子Ａにそれぞれ接続することで、実施例１で述べたようにしてＰ点とＱ点との温度差ΔＴを高感度に計測できる。なお、2個の熱電対１０と熱電対１１０において、熱電対１０の熱電材料の導体１０Ｂと導体１０Ａとは、それぞれ、対応する熱電対１１０の熱電材料の導体１１０Ｂと導体１１０Ａと同一材料になっている。
【００４３】
実施例２の図３では、Ｐ点とＱ点との温度差ΔＴを計測するのに、２個の熱電対１０と熱電対１１０とを直列接続して、単一のＯＰアンプ２０の入力端子に接続した例であるが、２個の熱電対１０と熱電対１１０とをそれぞれ独立のＯＰアンプ２０の入力端子に接続する実施例１の図１に示すようにしておき、それらの差動出力を求めるようにしても良い。
【実施例３】
【００４４】
図４には、上記実施例１における図１の短絡電流計測手段１の演算増幅器（OPアンプ）20を非反転増幅器として利用し、熱電対またはサーモパイル１１の内部抵抗より小さな入力抵抗７（その内部抵抗Ｒ）を反転入力端子Ｂ側に接続して、熱電対またはサーモパイルの等価的な短絡電流Ｉｓを発生させて積分するようにした場合で、上記図１の演算増幅器（ＯＰアンプ）２０の入力端子付近を中心に示してあり、他の回路部分は省略したものである。このように、こでは、仮想短絡となる入力端子の反転入力端子Bには、熱電対またはサーモパイル１１の内部抵抗よりも小さい入力抵抗７を接続し、等価的短絡電流Iｓを大きくさせた等価的なゼーベック短絡電流検出回路とした場合であり、電流が流れず、ほぼ電位のみ与える非反転入力端子Aとアースとの間には温度差センサとしての熱電対またはサーモパイル１１を接続した場合である。熱電対またはサーモパイル１１の内部抵抗よりも小さい入力抵抗７を接続することにより、大きな短絡電流Ｉｓが得られるので、増幅度を向上させることができるとともに、増幅度を固定させることができるという利点もある。この場合も動作は、上述の実勢例１における図１を用いた場合とほぼ同等なので、ここでは説明を省略する。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明の温度差検出装置は、上述のように、内部抵抗を極めて小さくさせた熱電対を短絡させるので、小さな熱起電力でも大きな短絡電流Ｉｓが流れるようになり、更に、この大きな短絡電流Ｉｓを所定の時間だけ積分させるので、単純な回路構成で、極めて高感度の温度差センサになると共に、積分することにより正負に変動する雑音成分の打ち消しあい、大きなＳ／Ｎの信号増幅となる。従って、微小温度差を高精度で、しかも高感度に計測する必要がある赤外線放射温度計、特に耳式体温計の温度差センサとして有望であり、また、微流量の液体や気体のフローセンサ、水素などの可燃性ガスセンサにおける微小発熱量の計測による水素などのガス検出、熱伝導型ガスセンサ、ピラニ真空計、熱型湿度センサや気圧センサなどの圧力センサなどの温度差計測に最適である。
【符号の説明】
【００４６】
１ 短絡電流計測手段
２ 積分手段
３ 時間設定手段
４ 初期状態復帰手段
５ 電圧出力手段
７ 入力抵抗
１０ 熱電対
１０Ａ，１０Ｂ 導体
１１ 熱電対又はサーモパイル
２０ 演算増幅器（ＯＰアンプ）
２５ コンデンサ
３０ クロックパルス
４０ スイッチ
５０ ピークホールド回路
６０ 温接点
７０ 冷接点
１１０ 熱電対
１１０Ａ，１１０Ｂ 導体
１００ 赤外線受光部
２００ 熱型赤外線センサの温度差検出部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電対を用いて温度差を検出するに当たり、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）を大きくさせて増幅させるようにした高感度な温度差検出装置に関するもので、熱電対を用いて温度差を検出するのに、熱起電力の開放電圧の大きさから求めるのではなく、熱電対を含む閉回路を構成して、そこを流れる電流であるゼーベック電流から被検出温度差を求める、所謂、電流検出型熱電対において、その短絡電流をコンデンサなどの積分手段に通じることにより電荷を所定に時間だけ貯めて、そのときの大きくなった出力電圧を基にして被測定温度差を検出できるようにした温度差検出装置提供するものである。本発明により、Ｓ／Ｎの良い高感度な温度差検出装置となり、高感度の熱型赤外線センサやフローセンサなどに応用できるものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、温度差を検出するのに、ある基準温度に対して被検出温度差を有する箇所に熱電対の温接点と冷接点となる二つの接合部間に温度差を形成して、その開放熱起電力から温度差を求めていた。
【０００３】
また、本発明者は、先に「温度差の検出方法、温度センサおよびこれを用いた赤外線センサ」（特願2004-026247）（特許文献１）を発明して、熱電対の温接点と冷接点となる二つの接合部間の温度差による熱起電力を開放電圧で測定するのではなく、短絡電流を計測して温度差を計測する方法を提案し、これを電流検出型熱電対と名づけ、実験的にその優位性を示してきた。本発明者は、更に、「電流検出型熱電対の校正方法と校正用熱電対を備えた電流検出型熱電対」（特願2005-332341（特許文献２）、特願2006-300301（特許文献３））を発明して、その校正方法などを提案してきた。
【０００４】
この電流検出型熱電対の基本原理は、次のようなことに基づくものである。半導体のゼーベック係数αsは、抵抗率ρに関し、次の数式１で表現されることが分かっている。
【０００５】
【数１】
ここで、ｋはボルツマン定数、ｑは電荷素量であり、Siでは、ρ0＝５ｘ10−６Ωｍ、ｍ＝２．６である。従来は、上式から抵抗率ρが大きい方がゼーベック係数αsも大きくなるので、抵抗率ρの大きい半導体を使用して、熱電対やサーモパイルを作成する傾向にあった。しかし、余り大きな抵抗率の半導体を使用すると、内部抵抗の極めて大きなサーモパイルになり、その妥協点を探していた。しかし、上式数1は、次のことも意味していることに本発明者が気づいた。すなわち、抵抗率ρが３〜４桁下がっても、ゼーベック係数αsは、３〜９分の１程度しか下がらないことを意味する。抵抗率の逆数である導電率は、熱電対（サーモカップル）を短絡するとそこを流れる電流に比例するので、抵抗率の極めて小さい熱電対を作成し、何らかの方法でその短絡電流が計測できれば、従来のサーモカップルやサーモパイルなどの開放電圧を計測するより極めて高い感度とＳ／Ｎが得られると予想される。
【０００６】
これまでの短絡電流検出型熱電対では、短絡電流を計測するのにＯＰアンプ（演算増幅器）の仮想短絡を利用し、その短絡電流を電圧に変換するために、帰還抵抗ＲｆをＯＰアンプに取り付けて、その電圧降下をＯＰアンプの出力電圧Ｖ０として利用し、この出力電圧Ｖ０と被検出温度差ΔＴを予め用意した校正曲線により求めていた。しかし、更に微小な温度差を検出するには、さらに高感度化する必要があり、そのためには、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）を大きくする必要があった。
【０００７】
この従来の短絡電流検出型熱電対では、帰還抵抗ＲｆをＯＰアンプに取り付けて、その電圧降下をＯＰアンプの出力電圧Ｖ０として利用していたので、応答速度は速いものの、入力信号に含まれる雑音や誘導雑音がそのままＯＰアンプの出力電圧Ｖ０に反映していた。また、帰還抵抗Ｒｆに適当な時定数になるようなコンデンサＣを並列接続して、出力電圧Ｖ０に含まれる高周波成分をコンデンサでバイパスさせて、ＲｆとＣで決まる時定数内で平均化させてＳ／Ｎを向上させるようにしていた。それでも本質的に時々刻々変化する熱電対の短絡電流を反映したＯＰアンプの出力電圧Ｖ０になるだけなので、感度を増大することが困難であった。そのためには、Ｓ／Ｎが大きい初段増幅が必要であった。
【０００８】
また、従来、アナログ入力電圧Viをデジタル変換するのに（ＡＤ変換）、ＯＰアンプとコンデンサＣとを用いて、所定の入力抵抗Rを通してアナログ入力電圧Viを電流に変化して、その後、ＯＰアンプに備えたコンデンサＣに充電して、電圧変換し、次に、既知の基準電源Vrefを用いて、これを打ち消してゼロになるように、逆にコンデンサＣに蓄えられた電荷を完全に打ち消すための時間を計測してデジタル化するもので、短い時間間隔のクロックパルスを用いて、このクロックパルスのカウント数Nで求めて、デジタル化するというやり方があった。しかし、これは、信号増幅が目的で無く、AD変換の手段であり、更に、打ち消すための時間とその付属回路が必要であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特願2004-026247
【特許文献２】特願2005-332341
【特許文献３】特願2006-300301
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、従来の電流検出型熱電対を、更にＳ／Ｎを増大させると共に、大きな初段増幅させて高感度化できる電流検出型熱電対による温度差検出装置を提供し、熱型赤外線センサ、気圧センサ、ガスセンサやフローセンサなどに応用できる超小型の高感度な温度差検出装置を提供すること目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係わる温度差検出装置は、熱電対のゼーベック電流を利用して温度差を検出する温度差検出装置において、該ゼーベック電流を計測するゼーベック電流計測手段、該ゼーベック電流を積分する積分手段、所定の時間だけ積分させる時間設定手段、上記積分後、初期状態の復帰させる初期状態復帰手段、前記積分手段の出力を所定の期間保持する電圧出力手段を備え、該電圧出力手段からの出力電圧を用いて、前記温度差を求めるようにしたことを特徴とするものである。
【００１２】
本発明に係わる温度差検出装置の短絡電流検出用熱電対における温度差の検出は、従来の開放熱起電力を計測する方式の場合とは異なり、熱電対を電流検出型として用いるようとしているために短絡電流計測手段を用いるが、演算増幅器（ＯＰアンプ）のように、電流検出手段の測定器の内部抵抗が等価的に打ち消されてゼロになるような測定器にする方が良く、熱電対に流れる短絡電流を容易に計測できるようにしている。また、熱電対の内部抵抗は、熱電対を構成する二つの導体の材料、寸法や形状などにより異なり、同一の熱起電力に対して大きな電流が流れるように可能な限り内部抵抗が小さくなる導体材料の組み合わせとする必要があり、その中でも熱起電力が大きい熱電対、すなわち、絶対熱電能Ｅｏに相当するゼーベック係数の大きな材料を用いた方が良い。
【００１３】
また、この短絡電流を積分する積分手段として、コンデンサを用いて充電させて、その蓄えられた電荷に基づく両端の電位差を利用すること、コンデンサを用いずに、短絡電流信号を抵抗に通じて、その両端の電圧に変換しておき、例えば、０．１ミリ秒程度毎に、それらの電圧をソフトウエア上で足し算するようにしても良い。また、それらの出力電圧をＩＣメモリに蓄えて利用できるようにしても良い。
【００１４】
また、所定の時間だけ積分させる時間設定手段として、ＩＣタイマーを利用して所定に時間を決めても良いし、外部で発生させたクロックパルスを利用して、その一つのパルス毎にＩＣスイッチなどのスイッチ駆動するようにして、時々刻々変化する熱電対からの入力信号を出力するようにしても良い。
【００１５】
また、上記積分後、初期状態の復帰させる初期状態復帰手段として、積分手段としてのコンデンサに並列の上記スイッチを接続して、スイッチが閉状態になったときに、コンデンサに貯まった電荷を放電させて、空の状態にすることでコンデンサを初期状態に復帰させるようにしても良い。また、ソフトウエア上で足し算したものやメモリ上の値をクリアして、初期状態に復帰させても良い。
【００１６】
本発明の請求項２に係わる温度差検出装置は、ゼーベック電流計測手段として、演算増幅器とその仮想短絡を用いたこと、積分手段としてコンデンサを用いたこと、かつ初期状態復帰手段としてコンデンサに並列接続したスイッチを用いた場合である。
【００１７】
積分手段としてコンデンサを用いることは、極めて単純な構成になるので実用上の利点がある。コンデンサは、従来の帰還抵抗Ｒｆの代わりにＯＰアンプに接続することにより短絡電流を積分することができる。例えば、コンデンサ容量をＣとし、被検出温度差ΔＴによる熱電対の短絡電流をＩｓとすれば、所定の時間ｔだけ積分させたときのＯＰアンプの出力電圧Ｖ０は、数１式のように、表現される。また、従来の温度差検出装置では、Ｒｆを用いていたので、そのときの出力電圧Ｖ００は、数２式で表すことができる。従って、これらの比、Ｖ０／Ｖ００は、数３式で表現される。
【００１８】
【数１】
【００１９】
【数２】
【００２０】
【数３】
【００２１】
従って、一定の短絡電流ＩｓがコンデンサＣに流入して、ＯＰアンプの出力Ｖ０が得られたときと、従来のようにコンデンサＣではなくて、ＯＰアンプの帰還抵抗Ｒｆを用いた場合の出力電圧Ｖ００との比は、数３式のように表現されるから、例えば、積分時間ｔを１０ミリ秒（ｍｓｅｃ）とし、コンデンサＣを１０００ピコファラッド（ｐＦ）、帰還抵抗Ｒｆを１００キロオーム（ｋΩ）とすると、Ｖ０／Ｖ００は、１００となり、従来よりも１００倍の感度が得られることに成る。このようにして、応答は短絡電流の積分期間があるために、その積分期間より速い応答は望めないが、感度の増大が見込める。熱型赤外線センサに応用するときには、積分時間を赤外線受光部の熱時定数程度に積分時間を選んでおけば実質的に、問題がない。
【００２２】
また、コンデンサＣでの短絡電流の積分を用いているので、その積分時間内の雑音は、信号である短絡電流に重畳されるが、一般に雑音は正と負とが入り混じり平均化するとゼロになる性質があるから積分時間内の雑音は正負互いに打ちけられる傾向にあり、Ｓ／Ｎが大きい状態になる。このようにして、Ｓ／Ｎの大きい初段増幅器として好適である。
【００２３】
本発明の請求項３に係わる温度差検出装置は、クロックパルスを時間設定手段として用いたこと、かつこのクロックパルスの一回毎に初期状態復帰手段を駆動するようにした場合である。
【００２４】
クロックパルス発生器で、例えば、５Ｖの電圧振幅、１０ミリ秒（ｍｓｅｃ）、デューティ比１：１の矩形波パルス信号で、アナログスイッチを駆動するようにして、ＯＰアンプに取り付けた積分手段としてのコンデンサＣを電荷の充電と放電させるようにする。アナログスイッチを開（オフ）状態にして、このときコンデンサＣに貯まった電荷は、コンデンサＣの両端に電圧を発生する（この電圧が、ＯＰアンプの出力電圧Ｖ０を形成することになる）し、アナログスイッチを閉（オン）状態にして、放電させると出力電圧Ｖ０はゼロになり、初期状態に復帰することになる。このように、クロックパルスを印加して、アナログスイッチを開（オフ）状態にしたときに、短絡電流の積分が開始し、アナログスイッチを閉（オン）状態にしたときに、放電が開始するので、このアナログスイッチが開状態の期間（この場合には、１０ミリ秒）が積分する時間となる。なお、クロックパルスの幅を調整することで、積分時間を延ばしたり、縮めたりすることができるし、アナログスイッチの閉（オン）時の内部抵抗が小さい場合には、放電時間を短くしても良いので、ほぼ連続的なＯＰアンプの出力電圧を得ることができる。
【００２５】
本発明の請求項４に係わる温度差検出装置は、電圧出力手段としてピークホールド回路とした場合である。
【００２６】
上述のように、アナログスイッチを閉（オン）状態にして、コンデンサの放電が開始するので、その直前のコンデンサの両端の電圧が、最大になる。このアナログスイッチが開状態（オフ）期間の最後のコンデンサの両端の電圧である最大電圧を計測するようにすることが、高感度化するのに最適であり、この最大電圧はその直後のアナログスイッチを閉（オン）状態での放電開始により、急激にＯＰアンプの出力電圧Ｖ０が小さくなり始めるので、波形として、ピークを形成する。従って、公知のピークホールド回路を用いることにより、この最大電圧を計測することができる。この出力電圧Ｖ０と被検出温度差ΔＴとの予め用意してある校正曲線を利用するなどして、被検出温度差ΔＴを求めることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の温度差検出装置では、短絡電流計測手段としての演算増幅器（ＯＰアンプ）と積分手段としてのコンデンサを用いて、簡単に熱電対（または、複数の熱電対の組であるサーモパイル）の微小な短絡電流を所定の時間だけ積分するので、積分後のＯＰアンプの出力電圧を大きくすることができる。従って、被検出温度差を高感度に検出できるという利点がある。
【００２８】
本発明の温度差検出装置では、積分手段としてのコンデンサを用いることができるので、短絡電流に含まれる雑音、または誘導雑音の正負の変化を打ち消し合うので、Ｓ/Ｎを大きくすることができるという利点がある。
【００２９】
本発明の温度差検出装置では、クロックパルスを時間設定手段として利用し、初期状態復帰手段としてのアナログスイッチを簡単にオン、オフ状態にすることができるので、小型で単純な回路構成となるという利点がある。なお、クロックパルスの発生器も公知のＩＣタイマーなどの単純な回路で構成できるので、これも搭載した温度差検出装置の小型化が容易である。
【００３０】
本発明の温度差検出装置では、電圧出力手段として公知のピークホールド回路が利用できるので、簡単に温度差検出装置が構成できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の温度差検出装置を、熱型赤外線センサの温度検出部に適用した場合の一実施例を示す回路構成概略図である。（実施例１）
【図２】熱電対を短絡電流検出型熱電対として利用した場合の動作を説明する従来の回路構成概略図である。（実施例１）
【図３】本発明の温度差検出装置を説明するための他の一実施例を示す回路構成のうちの熱電対部分の概略図である。（実施例２）
【図４】本発明の温度差検出装置を説明するための他の一実施例を示す回路構成概略図である。（実施例３）
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の温度差検出装置の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００３３】
図１は、本発明の温度差検出装置を、熱型赤外線センサの温度差検出部に適用した場合の一実施例を示す回路構成概略図である。
【００３４】
本発明の温度差検出装置に用いる短絡電流検出型熱電対の熱電対１０を利用して、これを熱型赤外線センサとして実施する場合は、図1を参照して、例えば、次のようにする。ＳＯＩ基板の薄いｎ型の高濃度ＳＯＩ層（例えば、厚み５μｍ）をＭＥＭＳ技術でその下部に空洞を形成して細長いカンチレバとして残し、熱電対を構成する導体１０Ｂとして利用する。また、この薄いｎ型の高濃度ＳＯＩ層の導体１０Ｂ上を熱酸化してシリコン酸化膜の薄い絶縁膜を形成する。そして、これを介して、カンチレバの先端付近で導体１０Ｂと接合する導体１０Ａ（例えば、ニッケルＮｉ）薄膜をスパッタリング堆積などで形成して、カンチレバ型の熱電対１０を形成する。そして、このカンチレバ型の熱電対１０の全部または先端部付近の領域に赤外線吸収膜を形成して、ここを赤外線受光部１００とする。なお、一般に高濃度のｎ型半導体の絶対熱電能は、金属に比べて大きく、温接点６０の方が冷接点７０に対して正の電位となる。Ｎｉ薄膜金属は、ｎ型半導体でと逆の電圧である温接点６０が冷接点７０に対して負の電位になる。従って、図1に示すような熱電対１０の配置では、赤外線を受光した赤外線受光部１００は、温度上昇して、温接点６０として作用する。この時、短絡電流計測手段１としての演算増幅器（ＯＰアンプ）２０の反転入力端子（−）Ｂから熱電対１０を通して非反転入力端子（＋）Ａの方向に短絡電流Ｉｓが流れることになる。
【００３５】
ここでは、熱型の赤外線センサとして実施しているので、薄膜のカンチレバの先端付近にある熱電対１０の導体１０Ａと導体１０Ｂとの接合部を温接点６０として利用する。この場合、ここでは図示しないが、カンチレバ状の熱電対１０を支持しているＳＯＩ基板が、冷接点７０となる。この冷接点７０の温度を周囲温度である室温と一致させるようにすると良い。このような場合には、本発明の温度差検出装置に用いる回路構成部も室温にするので、短絡電流計測手段１である演算増幅器（ＯＰアンプ）２０も冷接点７０と同一の温度であり、被検出温度差ΔＴは、温接点６０と冷接点７０との温度差となり、その結果、ＯＰアンプ２０の仮想短絡効果により、被検出温度差ΔＴによる熱電対１０の熱起電力と熱電対１０の内部抵抗により定まる短絡電流Ｉｓが、積分手段２のコンデンサ２５に流れ、この短絡電流Ｉｓが積分されることになる。
【００３６】
ここでは、図示していないが、熱電対１０の温接点６０付近に赤外線受光部１００用の赤外線吸収膜を有するカンチレバや橋架構造、更にはダイアフラムをアレー状にして、それぞれを画素とするイメージセンサとして利用しても良い。
【００３７】
本発明の温度差検出装置について、これを熱型赤外線センサとして実施する場合の動作について、図1を参照して詳細に説明すると次のようである。先ず、室温（例えば、20℃）で赤外線を受光した上述の熱電対10は、被検出温度差ΔＴだけ温度上昇して、その時の熱電対１０の熱起電力をその内部抵抗で除算した値の短絡電流Ｉｓが、初期状態復帰手段４であるスイッチ４０が開状態（オフ状態）のときには、ＯＰアンプ２０に接続している積分手段２のコンデンサ２５に流れる。コンデンサ２５が空の電荷であると、その両端の電位差はゼロであるので、ＯＰアンプ２０の出力電圧Ｖ０もゼロである。しかし、短絡電流Ｉｓがコンデンサ２５に流れ始めて時間が経過するに従い、徐々にコンデンサ２５に短絡電流Ｉｓの時間積分した分の電荷が貯まり、ＯＰアンプ２０の出力電圧Ｖ０もそれと共に上昇する。例えば、コンデンサ２５に短絡電流Ｉｓを流し始めてから所定の積分時間ｔを、例えば、１０ミリ秒（ｍsec）経過した時点で、コンデンサ２５に並列に接続している初期状態復帰手段４のスイッチ４０を閉状態（オン状態）にさせると、このコンデンサ２５の容量Ｃとスイッチ４０の内部抵抗（オン抵抗）との積で表現される時定数で、このスイッチ４０を通してコンデンサ２５に貯えられた電荷が放電するので、コンデンサ２５の電荷が再びゼロに復帰する。この復帰することを、ここでは、初期状態復帰と呼ぶことにする。このスイッチ４０を周期的に開状態（オフ状態）と閉状態（オン状態）とを繰り返させることにより、コンデンサ２５が充放電されて、ＯＰアンプ２０の出力電圧Ｖ０も周期的に同期してゼロから最大値まで変動することになる。出力電圧Ｖ０の最大値（ピーク値）は、スイッチ４０が閉状態（オン状態）になる直前である。この出力電圧Ｖ０のピーク値は、ＯＰアンプ２０の出力端子に接続した、例えば、公知のピークホールド回路の出力端での出力電圧Ｖ０ｐとして計測することができる。このようにして得られた出力電圧Ｖ０ｐと予め用意してある被検出温度差ΔＴとの校正曲線を用いて、被検出温度差ΔＴを計測することができる。
【００３８】
スイッチ４０の周期的な開状態（オフ状態）と閉状態（オン状態）との繰り返しは、例えば、スイッチ４０をアナログスイッチとして、その入力端子に５Ｖ振幅の時間設定手段３としてのクロックパルスを印加することで達成できる。アナログスイッチの内部抵抗が小さいので、放電の時定数が数マイクロ秒程度の極めて小さくにすることも可能であるから、必ずしもクロックパルスのデューティ比を１：１にする必要がなく、例えば、開状態（オフ状態）を１０ミリ秒とし、閉状態（オン状態）を１ミリ秒のような１０：１のようにして、ほぼ連続的なピークホールド回路の出力電圧Ｖ０ｐが得られるようにすることができる。ここでは、外部に取り付けたクロックパルス発生器によりクロックパルスを導入するようにした例である。もちろん、クロックパルス発生器を組み込んだ装置にしても良い。
【００３９】
上述では、クロックパルスを導入して、周期的にスイッチ４０をオフ状態とオン状態にした場合であるが、必要に応じて、それらの時間調整をしたり、単発もしくは複数回のオフ状態とオン状態の動作をさせても良い。
【００４０】
図２には、従来の短絡電流検出型熱電対の動作を説明する回路構成概略図を示しており、熱型赤外線センサの赤外線検出装置に適用した例である。この従来の実施例では、ＯＰアンプ２０に帰還抵抗Ｒｆを取り付けている。この場合、応答速度は赤外線受光部１００の熱容量と熱コンダクタンスにより定まる熱時定数でほぼ決まり、ＯＰアンプ２０の出力電圧Ｖ０は、帰還抵抗Ｒｆとそこを流れる短絡電流Ｉｓの積になる。従って、熱時定数より十分長い時間を経過しても、短絡電流Ｉｓが一定であると出力電圧Ｖ０も、一定値となる。短絡電流Ｉｓが小さいときには、出力電圧Ｖ０も小さい値で一定値となってしまう。これに対して、本発明の温度差検出装置では、前述のように、短絡電流Ｉｓの時間積分をさせるので、時間経過と共に出力電圧Ｖ０は上昇する。従って、大きな出力電圧Ｖ０を得ることができる。例えば、所定の積分時間ｔを１０ミリ秒（ｍｓｅｃ）とし、コンデンサＣを１０００ピコファラッド（ｐＦ）、帰還抵抗Ｒｆを１００キロオーム（ｋΩ）とすると、一定の短絡電流Ｉｓが流れたとすると、そのときの出力電圧比、Ｖ０／Ｖ００は、１００となり、従来の短絡電流検出型熱電対の動作である図２に示す方式よりも１００倍の感度が得られることに成る。ここで、Ｖ００は、従来の短絡電流検出型熱電対のＯＰアンプ２０の出力電圧である。また、本発明の温度差検出装置では、従来の帰還抵抗Ｒｆの代わりにコンデンサＣを挿入しているので、正負に変動する雑音成分を打ち消し、Ｓ／Ｎが大きい赤外線センサになる。
【００４１】
本発明の温度差検出装置では、同一の受光面積に形成した場合、１対の内部抵抗の小さい熱電対１０を利用した短絡電流検出型熱電対の方が、沢山の熱電対を直列接続したサーモパイルを同様にして短絡電流を検出するようにした場合に比べ、短絡電流Ｉｓが大きくなり、大きな電荷が積分手段２のコンデンサ２５に蓄えられるので、大きな出力電圧Ｖ０が得られえる。もちろん、このとき電圧出力手段５のピークホールド回路５０の出力電圧Ｖ０ｐも同様に大きくなる。
【実施例２】
【００４２】
図３は、本発明の温度差検出装置を説明するための他の一実施例を示す回路構成のうちの熱電対部分の概略図である。同一の熱電材料からなる2個の熱電対１０と熱電対１１０とを直列接続して、Ｐ点とＱ点との温度差ΔＴを計測する場合の例を示している。これらの2個の熱電対１０と熱電対１１０の同一の熱電材料の導体１０Ｂの端子B’と導体１１０Ｂの端子A’とを、前述の実施例１の図１に示すＯＰアンプ20の対応する反転入力端子Ｂと非反転入力端子Ａにそれぞれ接続することで、実施例１で述べたようにしてＰ点とＱ点との温度差ΔＴを高感度に計測できる。なお、2個の熱電対１０と熱電対１１０において、熱電対１０の熱電材料の導体１０Ｂと導体１０Ａとは、それぞれ、対応する熱電対１１０の熱電材料の導体１１０Ｂと導体１１０Ａと同一材料になっている。
【００４３】
実施例２の図３では、Ｐ点とＱ点との温度差ΔＴを計測するのに、２個の熱電対１０と熱電対１１０とを直列接続して、単一のＯＰアンプ２０の入力端子に接続した例であるが、２個の熱電対１０と熱電対１１０とをそれぞれ独立のＯＰアンプ２０の入力端子に接続する実施例１の図１に示すようにしておき、それらの差動出力を求めるようにしても良い。
【実施例３】
【００４４】
図４には、上記実施例１における図１の短絡電流計測手段１の演算増幅器（OPアンプ）20を非反転増幅器として利用し、熱電対またはサーモパイル１１の内部抵抗より小さな入力抵抗７（その内部抵抗Ｒ）を反転入力端子Ｂ側に接続して、熱電対またはサーモパイルの等価的な短絡電流Ｉｓを発生させて積分するようにした場合で、上記図１の演算増幅器（ＯＰアンプ）２０の入力端子付近を中心に示してあり、他の回路部分は省略したものである。このように、こでは、仮想短絡となる入力端子の反転入力端子Bには、熱電対またはサーモパイル１１の内部抵抗よりも小さい入力抵抗７を接続し、等価的短絡電流Iｓを大きくさせた等価的なゼーベック短絡電流検出回路とした場合であり、電流が流れず、ほぼ電位のみ与える非反転入力端子Aとアースとの間には温度差センサとしての熱電対またはサーモパイル１１を接続した場合である。熱電対またはサーモパイル１１の内部抵抗よりも小さい入力抵抗７を接続することにより、大きな短絡電流Ｉｓが得られるので、増幅度を向上させることができるとともに、増幅度を固定させることができるという利点もある。この場合も動作は、上述の実勢例１における図１を用いた場合とほぼ同等なので、ここでは説明を省略する。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明の温度差検出装置は、上述のように、内部抵抗を極めて小さくさせた熱電対を短絡させるので、小さな熱起電力でも大きな短絡電流Ｉｓが流れるようになり、更に、この大きな短絡電流Ｉｓを所定の時間だけ積分させるので、単純な回路構成で、極めて高感度の温度差センサになると共に、積分することにより正負に変動する雑音成分の打ち消しあい、大きなＳ／Ｎの信号増幅となる。従って、微小温度差を高精度で、しかも高感度に計測する必要がある赤外線放射温度計、特に耳式体温計の温度差センサとして有望であり、また、微流量の液体や気体のフローセンサ、水素などの可燃性ガスセンサにおける微小発熱量の計測による水素などのガス検出、熱伝導型ガスセンサ、ピラニ真空計、熱型湿度センサや気圧センサなどの圧力センサなどの温度差計測に最適である。
【符号の説明】
【００４６】
１ 短絡電流計測手段
２ 積分手段
３ 時間設定手段
４ 初期状態復帰手段
５ 電圧出力手段
７ 入力抵抗
１０ 熱電対
１０Ａ，１０Ｂ 導体
１１ 熱電対又はサーモパイル
２０ 演算増幅器（ＯＰアンプ）
２５ コンデンサ
３０ クロックパルス
４０ スイッチ
５０ ピークホールド回路
６０ 温接点
７０ 冷接点
１１０ 熱電対
１１０Ａ，１１０Ｂ 導体
１００ 赤外線受光部
２００ 熱型赤外線センサの温度差検出部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電対のゼーベック電流を利用して温度差を検出する温度差検出装置において、該ゼーベック電流を計測するゼーベック電流計測手段、該ゼーベック電流を積分する積分手段、所定の時間だけ積分させる時間設定手段、上記積分後、初期状態の復帰させる初期状態復帰手段、前記積分手段の出力を所定の期間保持する電圧出力手段を備え、該電圧出力手段からの出力電圧を用いて、前記温度差を求めるようにしたことを特徴とする温度差検出装置。
【請求項２】
ゼーベック電流計測手段として、演算増幅器とその仮想短絡を用いたこと、積分手段としてコンデンサを用いたこと、かつ初期状態復帰手段としてコンデンサに並列接続したスイッチを用いた請求項１に記載の温度差検出装置。
【請求項３】
クロックパルスを時間設定手段として用いたこと、かつ該クロックパルスの一回毎に初期状態復帰手段を駆動するようにした請求項１から２のいずれかに記載の温度差検出装置。
【請求項４】
電圧出力手段としてピークホールド回路とした請求項１から３のいずれかに記載の温度差検出装置。
【請求項１】
熱電対のゼーベック電流を利用して温度差を検出する温度差検出装置において、該ゼーベック電流を計測するゼーベック電流計測手段、該ゼーベック電流を積分する積分手段、所定の時間だけ積分させる時間設定手段、上記積分後、初期状態の復帰させる初期状態復帰手段、前記積分手段の出力を所定の期間保持する電圧出力手段を備え、該電圧出力手段からの出力電圧を用いて、前記温度差を求めるようにしたことを特徴とする温度差検出装置。
【請求項２】
ゼーベック電流計測手段として、演算増幅器とその仮想短絡を用いたこと、積分手段としてコンデンサを用いたこと、かつ初期状態復帰手段としてコンデンサに並列接続したスイッチを用いた請求項１に記載の温度差検出装置。
【請求項３】
クロックパルスを時間設定手段として用いたこと、かつ該クロックパルスの一回毎に初期状態復帰手段を駆動するようにした請求項１から２のいずれかに記載の温度差検出装置。
【請求項４】
電圧出力手段としてピークホールド回路とした請求項１から３のいずれかに記載の温度差検出装置。
【図２】
【図３】
【図４】
【図１】
【図３】
【図４】
【図１】
【公開番号】特開２０１１−３８９５１（Ｐ２０１１−３８９５１Ａ）
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１８８０８８（Ｐ２００９−１８８０８８）
【出願日】平成２１年８月１４日（２００９．８．１４）
【出願人】（７０９００２００４）学校法人東北学院 (10)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月１４日（２００９．８．１４）
【出願人】（７０９００２００４）学校法人東北学院 (10)
【Ｆターム（参考）】
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