JP5506142B2 - 赤外線センサー - Google Patents

Description

本発明は、赤外線を用いて物質の温度を非接触で測定する赤外線センサー及び同センサーを備える加熱装置に関する。

本センサーの応用例として、特に調理に用いられる家庭用、もしくは業務用の誘導加熱調理器、ガスコンロ等の加熱調理器に取り付けて、鍋等の被加熱物の温度検出を非接触で行う赤外線センサーがある。

従来、火災等の不測の事故を防止することを目的として、コンロ等の加熱装置に温度センサを取付け、鍋等の被加熱物の温度を監視することが行われている。

特許文献１には、コンロのバーナの下方に赤外線検出素子を取付け、被加熱物の放射する赤外線を非接触で前記赤外線検出素子で検出することにより、被加熱物の温度を測定することが記載されている。上記コンロにおいては、コンロの使用時に、調理中の油零れや湯零れ、ゴミの落下等により、赤外線検出素子の受光部が汚染されて検出感度の減少や変化が生じることを防止するため、赤外線検出素子の上方に窓材が取付けられている。また、バーナーの斜め下方に赤外線検出素子を取付けて、油零れ等の影響を窓材ができる限り受けないようにすることも記載されている。しかし、一旦汚れた窓材の清浄方法に関する記載はない。従って、窓材が汚れた場合は、検出温度が不正確になる。

赤外線検出素子の汚れを除去する方法としては、赤外線センサの開口部に、光触媒を有する赤外線集光用レンズを取付ける方法が開示されている（特許文献２）。この方法においては、発光器から光触媒に光を当て、レンズに付着した汚れを光分解反応により分解除去させる。しかし、光触媒、及び光触媒に照射する光の種類等の具体的記載はない。

特許文献３には、焦電型赤外線検出装置の結像レンズの表面に結露した水滴による赤外線の反射や屈折を防止するため、結像レンズ基材の表面に赤外線が透過可能な光触媒性酸化チタン粒子を含有する表面層を形成することを開示している。この表面層に紫外線を照射することにより、レンズ表面の親水性を増加させ、これにより水滴を均一な吸着水層にさせるものである。しかし、光触媒により、レンズの汚れを分解することは記載されていない。従って、この文献は、本発明と直接的な技術的関係はない。

特許文献４は、付着汚れを自動的に分解除去できる赤外線透過窓材、それを用いる赤外線センサユニット、及び前記赤外線ユニットを組み込んだ加熱装置を開示する。この赤外線センサーユニットは、赤外線透過窓材と紫外線発光ダイオードをハウジング中に備えており、紫外線発光ダイオードより紫外線を窓材に照射することによって窓材の汚れを自動的に分解することが出来ることが記載されている。

しかし、上記赤外線センサーユニットでは、汚れを分解するまでに一定時間を要する欠点がある。すなわち煮零れ等、調理中に生じる汚れを分解するまで正確な温度を測定する事が困難である。特に、固形物の食材が窓材を覆った場合には温度測定が出来ず、致命的な状況となる。この対策方法として特許文献５には赤外線検出手段に対し、汚れ抑制手段が設けられ、汚れが付着し温度測定が不能になる事を防止する方法が提案されているが、汚れ抑制手段の耐久性に問題がある。

更に、基本的には、安全性の観点から窓材の汚れを音声等で調理者に知らしめ、自動で炎を切る手段が必要である。
特開２００２−３４０３３９号公報 （特許請求の範囲） 特許第３２０２５６２号公報 （特許請求の範囲） 特開平９−２２９７６７号公報 （特許請求の範囲） 特開２００６−２６６８２７号公報 （特許請求の範囲） 特開２００６−２１４６５３号公報 （特許請求の範囲）

本発明は上記事情に鑑みなされたもので、その目的とするところは窓材の汚れによる赤外線センサーの出力異常を未然に検出して安定した被加熱物の温度測定ができる赤外線センサー及び、赤外線センサーに汚れが発生した場合には調理者等に汚れた事を知らしめ、自動で炎を消す機能を有する加熱装置を提供することにある。

本発明は以下に記載するものである。

〔１〕 赤外線透過窓材を取り付けた赤外線光路を有するハウジングと、受光面を前記赤外線透過窓材に向けてハウジング内に設けられた所定数の互いに受光赤外線波長領域の異なる赤外線受光素子と、赤外線照射面を前記赤外線透過窓材に向けてハウジング内に設けられた赤外線光源とを有する赤外線センサー。

〔２〕 赤外線光源の周囲に断熱スリーブを設けてなる〔１〕に記載の赤外線センサー。

〔３〕 赤外線光源が、赤外線透過窓材の赤外線受光素子の上方部分を照射してなる〔１〕に記載の赤外線センサー。

〔４〕 赤外線光路を有するハウジングと、前記赤外線光路に所定の角度傾斜して取り付けられた赤外線透過窓材と、受光面を前記赤外線透過窓材に向けてハウジング内に設けられた所定数の互いに受光赤外線波長領域の異なる赤外線受光素子と、赤外線照射面を前記赤外線透過窓材に向けると共に、赤外線透過窓材に関して前記赤外線受光素子と反対側のハウジングに取り付けられた赤外線光源とを有する赤外線センサー。

〔５〕 被加熱物を加熱する加熱手段と、前記加熱手段の加熱量の制御手段と、前記被加熱物から放射される赤外線の強さを検出する〔１〕乃至〔４〕のいずれかに記載の赤外線センサーと、赤外線光源のオン・オフ制御を行い、オン時・オフ時それぞれのときの赤外線受光素子の出力より前記赤外線透過窓材の汚れの有無を検出する演算制御手段と表示手段とを備え、前記赤外線センサーにより検出される赤外線の強度に基づいて加熱量を制御すると共に表示手段を制御することを特徴とする加熱装置。

本発明の赤外線センサーは、赤外線透過窓材に赤外線を照射して赤外線透過窓材の汚れを常時観測しているので、窓材に汚れが付着したことを確実に、かつ直ちに検出できる。その結果、この赤外線センサーの素子出力は長期間にわたり信頼性が高くなる。

更に、窓材の汚れによる赤外線センサーの出力異常を検出できるので、この赤外線センサーを組み込んだ加熱装置は、汚れが発生した場合には調理者に汚れた事を直ちに知らしめ、自動で炎を消す機能を備えることができるので安全性が向上する。

以下、本発明につき、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の赤外線センサーの一例を示す側面断面図である。図１中、１００は赤外線センサーで、２は内部が中空の筒状のハウジングである。前記ハウジング２の底部は底壁４で閉塞されている。前記ハウジング２の上部は赤外線透過窓材６により閉塞されている。前記底壁４と前記赤外線透過窓材６とにより、前記ハウジング２の中空部８は外部と隔離された赤外線光路を構成している。

前記底壁４には、センサ搭載用基板９が立設されている。

前記センサ搭載用基板９には、所定数（本図では２個）の赤外線検出素子１０がその赤外線受光面を前記赤外線透過窓材６に向けて搭載され、前記赤外線検出素子１０の光軸は、赤外線光路の光軸Ｘと平行になっている。前記赤外線受光素子１０には１．５〜１．８、２〜２．４、３．１〜４．２、８〜１７μの範囲の赤外線を選択的に透過させる光学フィルタ（不図示）のいずれかが装着されている。赤外線受光素子の数は２以上が好ましい。

１２は赤外線光源で、前記センサ搭載用基板９上に取り付けられ、前記赤外線光源１２の照射する赤外線の光軸１４は中空部８で構成する赤外線光路の光軸Ｘに対して所定角θ傾斜している。θは７０°以下が好ましく、５０°以下がより好ましく、３０〜５°が特に好ましい。その結果、前記赤外線光源１２の光軸１４は、赤外線透過窓材６の赤外線受光素子１０の上方部分１６を照射している。

赤外線光源１２は熱線ヒータまたはＰｔ、Ｒｕ等をパターン印刷した面状ヒータもしくは、ニクロム等のコイル線材で構成されており、赤外線波長依存性のないものが好ましい。また赤外線光源１２への通電パターンはパルス通電で、具体的には１〜１０Ｈｚで十分である。

１８は前記赤外線光源１２の周囲を覆って形成された筒状の断熱スリーブで、その上方は開口している。この前記断熱スリーブ１８は、前記赤外線光源１２の発熱が前記赤外線受光素子１０に伝わって、前記赤外線受光素子１０を加熱することを防いでいる。なお、２０は前記赤外線受光素子１０のリード線で、このリード線２０を介して前記赤外線受光素子１０に入射した赤外線量に対応する検出信号が外部に取り出される。

２２は前記赤外線光源１２に電力を供給するリード線で、このリード線２２を介して前記赤外線光源１２に電力が供給され、赤外線が放射される。

赤外線透過窓材６は、赤外線が透過できる材料で形成された平板である。その材質は、シリコン、ゲルマニウム、サファイヤ、石英、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、塩化ナトリウム、塩化カリウム、臭化カリウム、フッ化カルシウム、酸化マグネシウム等が例示され、透過する赤外線の波長等に応じて適宜選択される。赤外線透過窓材６の寸法も特に制限が無く、用途に応じて適宜選択される。

次に、上記赤外線センサー１００の動作を説明する。

温度が測定されるべき被加熱物（不図示）から、温度に応じて放射される赤外線は、赤外線センサー１００の赤外線透過窓材６を通って中空部８内に入り、次いで、各赤外線受光素子１０により被加熱物の温度に対応する赤外線量が検出される。

赤外線透過窓材６の表面２４は、時間の経過と共に、汚れ２６により汚染される。

一方、断熱スリーブ１８で周囲を囲まれた赤外線光源１２からは、赤外線が表面２４に向けて照射されている。この照射される赤外線は、窓材表面２４に付着した汚れ２６によって反射される。この反射された赤外線は赤外線受光素子１０により、検出され、赤外線量に対応する検出信号をリード線２０を介して外部に送出する。この検出信号を観測することにより窓の汚れ状態がわかる。窓材表面２４に汚れ２６がない場合は、赤外線光源の光は外部へ放出される。従って、光源がＯＮの時の出力は、汚れがない場合は殆ど変化がないが、汚れがある場合は、通常よりも大きな出力を現すことになる。

また、赤外線光源１２の温度は５０〜１０００℃が好ましい。

赤外線光源１２はパルス通電制御である。但し、電力としては、直流、交流、三角波、パルス波等任意の電力を供給できる。赤外線光源１２の過熱を防止するためにはパルス波が好ましい。また、後述する被加熱物の温度測定と汚れに基づく赤外線量の測定とを区別して測定する為には、パルス波を用いることは好適である。

図２は本発明赤外線センサーの他の例を示す側面断面図である。この例においては、赤外線光源１２は、その光軸を中空部８の光軸と一致させて設けている。更に、断熱スリーブ１８の上部側は傾斜して切欠いてあるが、その他の構成は図１と同様であるので同一箇所に同一符号を付けて、その説明を省略する。

この例においては、断熱スリーブ１８の上部側は赤外線受光素子１０に近接する断熱スリーブ１８の壁aが赤外線受光素子１０から遠い断熱スリーブ１８の壁ｂよりも低く形成されている。このため、赤外線光源１２から照射される赤外線は赤外線受光素子１０の上部部分１６に到達しやすくなっている。その他の符号は図１と同様である。

図３は本発明の赤外線センサーの更に他の例を示す側面断面図である。この例にあっては、赤外線透過窓材６は赤外線光路の光軸Ｘに対して９０℃以下の挟角αでハウジング２内に取り付けてある。αとしては８０°〜１０°が好ましく、６０°〜３０°がより好ましい。更に、赤外線光源１２は赤外線透過窓材６に対して赤外線受光素子１０と反対側のハウジング２の壁２aに取り付けてられている。その他の符号は図１と同様である。図３の場合、赤外線透過窓材６に汚れがない時は赤外線光源から放射される赤外線は赤外線透過窓材６を通過して中空部８に入り、内壁で乱反射した赤外線が赤外線受光素子に入っていくため、出力が増大する。汚れがある時は赤外線は汚れにより反射されて中空部８に入らず、従って赤外線受光素子にも入らず、その結果赤外線受光素子の出力はそのままである。

この場合、この例は、組み立て性、艤装性を考慮し、赤外線光源をハウジングに対し水平に配置し、赤外線透過窓材もしくはレンズを傾けて配置した例である。この場合赤外線受光素子は、赤外線光源からの赤外線エネルギーをハウジング内壁の反射光からもらうため、内壁の面粗度は可能な限り良いことが望ましい。尚、組み立て性、艤装性に制限が無い場合にはこの限りではなく、例えば赤外線光源を上部に赤外線受光素子と対向するように配置し、アーム等で移動可能な機構を設け、汚れ検知の時に目的の位置に移動するようにしても構わない。
（加熱装置）
図４は、本発明過熱装置の一例であるコンロ１２０を示すものである。

図４中、４２は天板で、加熱口４４が形成されている。前記加熱口４４の周りには、五徳４６が配設されている。４８は、加熱口４４の下方に設けられたバーナで、環状ケーシング部５０と、前記環状ケーシング部５０に連結された混合管５２と、混合管５２に連結されたガスノズル５４とからなる。ガス配管５６から供給されるガスは、ノズル５４を通って混合管５２内で空気が混合された後、環状ケーシング部５０に形成された炎口５８から炎５９となって放出される。これらは、加熱手段の一例を構成している。

炎５９により、被加熱物６０は加熱され、被加熱物６０の温度に対応した赤外線が被加熱物６０から放射される。前記放射された赤外線は、環状ケーシング部５０の下方に配設された汁受皿６２の中央に穿設された赤外線透過孔６４を通って赤外線センサー１００に到達する。

このセンサー１００は、図１〜３に記載された構造を有するものである。以下、図１に示す赤外線センサーを例にして説明する。赤外線は図１に示す赤外線センサー１００の赤外線透過窓材６を通って赤外線光路を構成する中空部８内に入り、次いで赤外線検出素子１０により被加熱物の温度に対応する赤外線量が検出される。赤外線センサー１００は検出波長が異なる複数の赤外線検出素子１０を備えて、波長の異なる赤外線を同時に検出することにより、測定誤差を減少させている。この点に付、詳述すると、この方法（多色法）は、最低２個の異なる波長域の赤外線検出素子を用い、それらの出力比を算出することにより放射率をキャンセルし、放射率が異なっていても正確な温度を検出する方法である。

赤外線検出素子１０の出力は、演算制御手段６５に送られ、信号処理が行われる。例えば、赤外線検出素子１０の出力が被加熱物６０の過熱状態や、被加熱物６０が存在しないことを示す場合は、加熱量の制御手段である調整弁６６に信号が送られ、調整弁６６が閉じられ、コンロ１２０に供給される混合ガスの供給が停止される。即ち、これらは前記加熱手段の加熱量の制御手段の一例を構成している。

図１において赤外線透過窓材６が汚れ２６で汚染されていない場合は、赤外線光源１２の放射する赤外線は、赤外線透過窓材６を透過して赤外線センサー１００外部に放出され、赤外線受光素子１０には赤外線光源１２の照射する赤外線はほぼ検出されない。

赤外線透過窓材６の表面２４は、調理時に被加熱物６０内の内容物があふれ出て汚染されることがある。

この場合は、赤外線光源１２から照射される赤外線が汚れ２６により反射される。この赤外線は赤外線透過窓材６を通って赤外線受光素子１０に入射する。赤外線受光素子１０は、入射する赤外線量に応じた検出信号を演算制御手段６５に送り、演算制御手段６５が汚れが有ると判断すると、例えば調整弁６６に信号が送られ、調整弁６６が閉じられる。更に、警報等の表示手段６８が作動して、赤外線透過窓材６が汚れていることを利用者に知らせる。利用者が窓材を清掃することにより、赤外線センサー１００は最初の状態に復帰する。更に演算制御手段６５は、赤外線光源のオン・オフ制御を行い、オン時とオフ時の赤外線受光素子の出力を検出し、これらの出力を比較する機能を有し、これにより、汚れの有無を検出するものである。

赤外線光源より放射される赤外線は、パルス信号であり、被加熱物から常時発せられている赤外線に重畳されて受光素子で検出されるが、汚れ検知にはパルス信号のＯＮ、ＯＦＦ時の差分を読み取ることで汚れ度合いを検知する。

なお、上記説明においては、コンロを例として説明したが、これに限られず各種の加熱装置に同様にして赤外線センサユニットを組込める。更に、上記例においては図１に示される赤外線センサーを用いたが、これに限られず、図２、３に記載した赤外線センサーを用いても良い。

また、赤外線透過窓材に特開２００５−２７４５５９で示した光触媒機能を持たせても構わない。

次に、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

実施例１
図１に示す赤外線センサーを製造した。直径４ｃｍ、厚さ２ｍｍのシリコン製赤外線透過窓材をアルミ製の直径５ｃｍ、高さ８ｃｍのハウジングに取付けた。赤外線透過窓材の下方６ｃｍの位置に受光面が配置するように赤外線受光素子２個をセンサ搭載用基板に取付けた。赤外線受光素子はサーモパイルを用い３．７〜４．０μｍと９．２〜９．７μｍの赤外線透過領域を有するフィルターを装着した。

受光素子と同様に赤外線光源（ＣＡＬ−ＳＥＮＳＯＲ社製商品名 赤外パルス光源）を取付けた。その際、赤外線光源の光軸を赤外線光路に対して２０°傾けた。これにより、赤外線光源の光軸は赤外線受光素子の真上の赤外線透過窓材と交差した。更に、赤外線光源の周囲にステンレス製の円筒状の断熱スリーブを取付けた。

なお、赤外線光源、赤外線受光素子の各リード線は、底壁を貫通して、赤外線センサーの外部に取出した。

上記センサーを用いて、汚れ物質として水道水が窓材に付着した際の表示温度の変化を調べた。赤外線光源にパルス高０．９Ｖ、パルス幅０．５ｍ秒、パルス間隔０．５ｍ秒の連続パルスを供給した。このパルスに同期させて、受光素子から信号を取出した。

その結果を図５に示す。尚、被測定物（熱源）の温度は１８０℃一定とした。仮に測定精度の規格を表示温度±１５℃とした場合、汚れ物質が窓材の４０％占有しただけで被加熱物から発せられる赤外線が遮断され、表示温度は公差範囲を逸脱した。

次に、上記赤外線センサーを組込んで、図４に示す加熱装置を製造した。この加熱装置は、被加熱物の温度を正確に表示すると共に、センサーの赤外線透過窓材が汚れると、警報機が鳴り、汚れを警告した。

実施例２
赤外線光源の取付け位置が相違する以外は実施例１と同様にして図３に示す赤外線センサを製造した。

上記実施例１と同様に汚れ物質（水）の量を変化させた場合の赤外線受光素子の出力変化割合を測定した。変化割合とは、汚れが無い状態で赤外線光源を通電した際の赤外線受光素子の出力を１とし、汚れが付着した際の出力減少量を汚れが無い状態との比で表現したものである。その結果を図６に示す。汚れ物質の量が増すにつれ、赤外線光源がオン時に得られる赤外線受光素子の出力が減少することが分かった。精度規格±１５℃を満足するためには、例えば閾値を０．５に設定することで汚れ度合いを確実に検知できた。

本発明の赤外線センサーの一例を示す側面断面図である。 本発明の赤外線センサーの他の一例を示す側面断面図である。 本発明の赤外線センサーの更に他の一例を示す側面断面図である。 本発明の加熱装置の構成の一例を示す概略図である。 本発明の赤外線センサーの赤外線透過窓材に付着した汚れの占有率と表示温度との関係を示すグラフである 本発明の赤外線センサーの赤外線透過窓材に付着した汚れの占有率と赤外線受光素子出力変化割合との関係を示すグラフである。

符号の説明

１００ 赤外線センサー
２ ハウジング
４ 底壁
６ 赤外線透過窓材
８ 中空部
９ センサ搭載用基板
１０ 赤外線受光素子
１２ 赤外線光源
１４ 光軸
１６ 上方部分
１８ 断熱スリーブ
２０ 赤外線受光素子のリード線
２２ 赤外線光源のリード線
２４ 窓材表面
２６ 汚れ
a 、b 壁
２ａ ハウジング壁
Ｘ 光軸
α、θ 角度
４２ 天板
４４ 加熱口
４６ 五徳
４８ バーナ
５０ 環状ケーシング部
５２ 混合管
５４ ガスノズル
５６ ガス配管
５８ 炎口
５９ 炎
６０ 被加熱物
６２ 汁受皿
６４ 赤外線透過孔
６５ 制御部
６６ 調整弁
６８ 表示手段

Claims (3)

1. 赤外線透過窓材を取り付けた赤外線光路を有するハウジングと、
   赤外線照射面を前記赤外線透過窓材に向けて前記ハウジング内に設けられ、その光軸が前記赤外線光路の光軸に対して５〜７０°傾斜し、前記赤外線透過窓材の前記赤外線受光素子の上方部分を間欠的に照射する赤外線光源と、
   受光面を前記赤外線透過窓材に向けて前記ハウジング内に設けられ、被加熱物から温度に応じて放射される赤外線と前記赤外線光源から間欠的に照射されて前記赤外線透過窓材の表面に付着した汚れが反射する赤外線とを重畳的に検知する所定数の互いに受光赤外線波長領域の異なる赤外線受光素子と、
   を有する非接触式赤外線温度センサー。
2. 赤外線光源の周囲に断熱スリーブを設けてなる請求項１に記載の非接触式赤外線温度センサー。
3. 被加熱物を加熱する加熱手段と、前記加熱手段の加熱量の制御手段と、前記被加熱物から放射される赤外線の強さを検出する請求項１又は２に記載の非接触式赤外線温度センサーと、赤外線光源のオン・オフ制御を行い、被加熱物から温度に応じて放射される赤外線と前記赤外線透過窓材表面に付着した汚れによって反射される赤外線とを重畳的に検知するオン時と、被加熱物から温度に応じて放射される赤外線を検知するオフ時との赤外線受光素子の出力より前記赤外線透過窓材の汚れの有無を検出する演算制御手段と表示手段とを備え、前記非接触式赤外線温度センサーにより検出される赤外線の強度に基づいて加熱量を制御すると共に表示手段を制御することを特徴とする加熱装置。

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