JP2009128145A

JP2009128145A - 温度センサプローブ

Info

Publication number: JP2009128145A
Application number: JP2007302587A
Authority: JP
Inventors: Seiichiro Kinugasa; 静一郎衣笠; Atsuyuki Kato; 淳之加藤
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2007-11-22
Filing date: 2007-11-22
Publication date: 2009-06-11
Anticipated expiration: 2027-11-22
Also published as: CN101441117B; JP5001119B2; KR20090053686A; CN101441117A; US8157441B2; TWI390190B; KR100986780B1; US20090135881A1; TW200925568A

Abstract

【課題】
安定して測定することができる温度センサプローブ及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】
本発明にかかる温度センサプローブは、温度により蛍光特性が変化する蛍光体を用いて温度を測定するための温度センサプローブである。そして、粉状の蛍光体２５と、蛍光体２５に照射される励起光と蛍光体２５で発生した蛍光とを伝播する導波路部材と、を備えている。さらに、粉状の蛍光体２５の粒径が６０〜１００μｍの範囲に含まれている。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度センサプローブに関し、特に詳しくは、粉状の蛍光体を有する温度センサプローブに関するものである。

温度センサとして、蛍光体を用いた蛍光式温度センサが広く利用されている（特許文献１）。蛍光式温度センサでは、温度により蛍光特性が変化する蛍光体を用いて温度を測定する。具体的には、光源からの励起光を蛍光体に照射して、蛍光体で発生した蛍光を検出する。そして、蛍光寿命などの蛍光特性の変化によって、温度を測定している。

蛍光体を含む蛍光材料は、光ファイバの先端に配設される。そして、光源から出射した励起光は光ファイバを介して蛍光体に入射する。また、蛍光体で発生した蛍光は光ファイバを介して光センサで検出される。このような温度センサに用いられる温度センサプローブでは、粉状の蛍光体が用いられることがある。さらに、蛍光体の粉末の粒径を４０μｍ以下にしたものが開示されている（特許文献２）。

特開２００２−７１４７３号公報特開平２−２９０５１８号公報

しかしながら、特許文献２のプローブでは、粒径が小さいため、十分な蛍光強度が得られないという問題点がある。例えば、粒子１つ１つは、透明でも、細かい粒子が折り合い重なると、層を形成する。蛍光体の粒径が小さいと、励起光は、図７に示すように、各粒子によって、不特定の方向に乱反射して、透過しなくなる。図７において、実線矢印が入射光の伝播経路を示し、破線矢印が蛍光の伝播経路を示している。光ファイバから出射した励起光は、蛍光体の奥まで届かずに、表面近傍で反射してしまう。このため、表面のみの蛍光体が蛍光を発するので、十分な蛍光強度が得られなくなってしまう。十分な蛍光強度が得られないと、検出回路での雑音に対して蛍光強度が小さく、算出される測定結果が測定毎にばらついてしまう。また、粒径が整っていないと、粉の内部応力によって蛍光寿命がばらついてしまい、粉毎に測定が異なってしまう。このように、従来の温度プローブセンサでは、十分な蛍光強度を得ることができず、安定した測定を行うことが困難になってしまうという問題点がある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、安定して測定することができる温度センサプローブ及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様にかかる温度センサプローブは、温度により蛍光特性が変化する蛍光体を用いて温度を測定するための温度センサプローブであって、粉状の蛍光体と、前記蛍光体に照射される励起光と前記蛍光材料で発生した蛍光とを伝播する導波路部材と、を備え、前記粉状の蛍光体の粒径が６０〜１００μｍの範囲に含まれているものである。これにより、蛍光強度を向上することができるため、安定した測定が可能になる。
上記の温度センサプローブにおいて、前記蛍光体は、ルビーであることが好ましい。
上記の温度センサプローブにおいて、前記蛍光体に照射される励起光が黄色ＬＥＤによる光であることが好ましい。これにより、測定の雑音を低減することができる。

本発明によれば、安定して測定することができる温度センサプローブを提供することができる。

以下に、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、温度センサの構成を模式的に示す側面図である。

温度センサ１００は、本体部１と、センサプローブ２を有している。温度センサ１００は、温度により蛍光特性が変化する蛍光体を用いて温度を測定する蛍光式温度センサである。従って、センサプローブ２には、蛍光体２５を有する蛍光材料２１が設けられている。そして、センサプローブ２がコネクタ（図示せず）などを介して本体部１に取り付けられている。本体部１には、蛍光材料２１に照射される励起光Ｌ_ｅを出射する光源、蛍光材料２１に含まれる蛍光体で発生した蛍光Ｌ_ｆを検出する光検出器、励起光Ｌ_ｅと蛍光Ｌ_ｆを分離するためのハーフミラーなどが設けられている。なお、本体部１については、上述の構成に限定されるものではない。本体部１は、パルス光を照射したときの蛍光寿命の変化により、温度を測定している。
光源には、波長が略６００ｎｍである黄色ＬＥＤ（発光ダイオード）を用いることが好ましい。ここでは、例えば、入手容易な、中心波長５９０ｎｍのＬＥＤを用いている。黄色ＬＥＤを用いることで、蛍光材料２１に対して励起光を安定して照射できるようになる。また、黄色ＬＥＤは、光源の寿命が長いため、長時間動作させることが可能になる。さらに、黄色の光を励起光として用いることで、測定の雑音を低減することができる。すなわち、例えば、光検出器として、シリコン製フォトダイオードを用いた場合、波長の短い励起光（例えば、波長４０５ｎｍ）が入射すると、シリコンチップ中に準位を形成してしまう。従って、暗電流が増加して、長時間使用により雑音が増えてしまう。一方、励起光の黄色の光を用いることで、このような暗電流の増加を低減することができる。よって、雑音を低減することができ、精度の高い測定を行うことができる。さらに、蛍光体２５としてルビーを用いた場合、黄色の光に対する吸収が大きい。よって、蛍光強度を高くすることができる。

次に、本実施の形態にかかるセンサプローブ２について詳細に説明する。センサプローブ２は、蛍光材料２１と、導波路ロッド２３とを有している。導波路ロッド２３の先端には、蛍光材料２１が設けられている。

導波路ロッド２３は、細長いロッド形状を有している。導波路ロッド２３は、例えば、光を伝播する石英ロッドや光ファイバなどの導波路部材である。さらには、複数の光ファイバを束ねたバンドルファイバを用いてもよい。従って、導波路ロッド２３は、石英やガラスなどの屈折率の高い透明材質により構成されている。本体部１からの励起光Ｌ_ｅ、及び蛍光材料２１で発生した蛍光Ｌ_ｆは、導波路ロッド２３内で全反射を繰り返し伝播していく。すなわち、導波路ロッド２３は、励起光Ｌ_ｅを蛍光材料２１に照射するための投光路となる。

蛍光材料２１は、粉状の蛍光体２５を有している。すなわち、蛍光材料２１は、蛍光体の粉の集合体から構成されている。なお、導波路ロッド２３、及び蛍光材料２１を保護する保護管を設けてもよい。蛍光体２５としては、例えば、ルビーやアレクサンドライトなどの粉末を用いることができる。ここでは、パウダールビーを蛍光体２５として用いている。また、バインダなどを用いて蛍光体２５を含む蛍光材料２１を導波路ロッド２３の先端に固着してもよい。

蛍光体２５の粉末の粒径を６０〜１００μｍにしている。すなわち、蛍光材料２１に含まれる蛍光体２５の粒径は、６０〜１００μｍの範囲に含まれている。これにより、蛍光強度を高くすることができ、安定した測定が可能になる。すなわち、従来技術に比べて粒径を大きくすると、図２に示すように、蛍光体２５の粒２６と粒２６との間に隙間が形成される。図２は、蛍光材料中の蛍光体２５の粉を拡大して示す図である。図２において、実線矢印が入射光の伝播経路を示し、破線矢印が蛍光の伝播経路を示している。なお、図２では、それぞれの粒２６が球形として示されているが、実際の粉は、微小な凹凸を有する異形状になっている。蛍光体の粒２６と、コーティングされる物質の界面でのフレネル反射により、励起光が拡散反射される。よって、励起光が蛍光材料中に深く進入することができる。励起光の蛍光材料中の伝播距離が延び、蛍光強度を高くすることができる。

このように、蛍光強度が高くなることで、安定した測定が可能になる。すなわち、本体部１に設けられている検出回路において、雑音に対する蛍光強度を高くすることができる。従って、信号対雑音比を改善することができ、算出される蛍光寿命がノイズの影響を受けにくくなる。さらに、粒径を一定範囲にそろえることで、粉の内部応力がそろう。粉の内部応力がそろうため、蛍光寿命のばらつきを低減することができる。これにより、安定した測定が可能になる。また、センサプローブ間の互換性を高くすることができ、センサプローブ毎に校正する必要がなくなる。よって、温度センサの調整コストを下げることができる。さらに、粒径６０〜１００μｍの広い範囲の粉を用いることができるため、粉の利用効率が高くなる。

蛍光体２５の製造方法について説明する。まず、ベルヌーイ法などの結晶成長方法を用いて、インゴットを製造する。これにより、単結晶、又は多結晶のルビー結晶インゴットが形成される。そして、ルビー結晶を粉々にした後、攪拌して、濃度分布を均一にする。これにより、結晶方位の依存性がなくなる。次に、ルビー粉末の粒径を一定範囲に揃える。ここでは、ルビー粉末をサイズ別にふるい分ける。粒径は、重量法、メッシュ法、レーザー粒度分布計側法で分けられる。ここでは、簡易に分粒するためメッシュ法を用いる。例えば、メッシュの開口サイズによって、異なる粒径毎にふるい分けることができる。

ここでは、正方形のメッシュを用いて、粉をサイズ別にふるいわける。例えば、約１００μｍ×１００μｍのサイズのメッシュと、約６０μｍ×６０μｍのサイズのメッシュとを用意する。そして、粉砕した粉を２つのメッシュに通すことによって、粒径サイズの範囲を規定することができる。例えば、１００μｍのメッシュを通した後、６０μｍのメッシュを通すと、６０〜１００μｍの粒径の粉末を分粒することができる。このように、サイズ別のメッシュを用いることによって、簡便に分粒することができるため、生産性を向上することができる。２つ以上のメッシュを通すことで、粉の大きさを揃えることができ、粒径が一定の範囲に含まれるようになる。これにより、蛍光の特性を安定化させることができる。さらに、約８０μｍ×８０μｍのサイズのメッシュと、約４０μｍ×４０μｍのメッシュとを用いて同様にふるい分けることで、下記の測定試験を行うことができる。

次に、蛍光体２５の粒径範囲を変えたときの測定結果の一例について図３〜図６を用いて説明する。ここでは、Ｃｒ濃度が０．２ｍａｓｓ％（ｗｔ％）の時のパウダールビーを用いて蛍光寿命を測定した。すなわち、アルミナに対して０．２ｍａｓｓ％のクロムを含有させた。粒径がある一定の範囲にあるパウダールビーの集合体を４０サンプルずつ用意した。そして、測定対象を室温にして全サンプルの測定を行い、蛍光寿命のばらつきを調べた。具体的には、４０サンプルの測定結果の標準偏差を蛍光寿命のばらつきとした。

図３、及び図４では、粒径範囲を変えたときの蛍光寿命のばらつきが示されている。図３、及び図４では、それぞれ４種類の粒径範囲のサンプルに対する蛍光寿命のばらつきが示されている。図３では、粒径がある上限値以下の範囲にあるパウダールビーが集合しているサンプルの測定結果であり、図４は、粒径がある下限値以上かつ上限値以下の範囲にあるパウダールビーが集合しているサンプルの測定結果である。すなわち、図３に示す結果では、粒径の上限値のみが設定され、図４に示す結果では粒径の上限値及び下限値が設定されている。

図３の測定結果で用いられた粒径の範囲を範囲Ａ〜範囲Ｄとし、図４の測定結果で用いられた粒径の範囲を範囲Ｅ〜範囲Ｈとする。範囲Ａの測定は、粒径が１００μｍ以下での測定であり、範囲Ｂの測定は、粒径が８０μｍ以下での測定であり、範囲Ｃの測定は、粒径が６０μｍ以下での測定であり、範囲Ｄの測定は、粒径が４０μｍ以下での測定である。範囲Ｅの測定は１００〜８０μｍの範囲に含まれる粒径での測定であり、範囲Ｆの測定は８０〜６０μｍの範囲に含まれる粒径での測定であり、範囲Ｇの測定は１００〜６０μｍの範囲に含まれる粒径での測定であり、範囲Ｈの測定は６０〜４０μｍの範囲に含まれる粒径での測定である。

図３と図４と比較することによって、粒径がそろっていた方が、蛍光寿命のばらつきが抑制されるのが分かる。すなわち、上限値だけでなく下限値を設定した方が、蛍光寿命のばらつきが小さくなる。例えば、１００μｍ以下の全てを含む範囲Ａよりも、１００〜６０μｍである範囲Ｇの測定の方が、標準偏差が小さくなっていることが分かる。さらに、範囲Ｇの測定では、範囲Ｈの測定よりも蛍光寿命のばらつきが小さくなっている。従って、粒径を６０〜４０μｍの範囲にすると、粒径を揃えたとしても、粒と粒との隙間が小さくなってしまう。このため、励起光の伝播距離が短くなり、蛍光寿命のばらつきが高くなってしまう。さらに、範囲Ｇでは、粒径の範囲が範囲Ｅ、Ｆに比べて広くなっているが、蛍光寿命のばらつきは、若干小さくなっている。このように、粒径を６０μｍ以上、１００μｍ以下に揃えることで、蛍光寿命のばらつきを抑制することができる。

次に、範囲Ａ〜範囲Ｈで測定したときの、蛍光強度について図５、及び図６を用いて説明する。図５は範囲Ａ〜Ｄでの測定結果を示すグラフであり、図６は範囲Ｅ〜Ｈでの測定結果を示すグラフである。縦軸は、各範囲で４０サンプル測定したときの、初期蛍光強度のＡ／Ｄ変換値の平均値を示している。従って、縦軸がそれぞれの範囲での蛍光強度を示している。すなわち、縦軸が、４０サンプルでの蛍光強度の平均値を示すことになる。また、図５と図６とで、縦軸のスケールを一致させている。

粒径が大きいと、蛍光強度が高くなることが分かる。すなわち、隣接する粉と粉との隙間が広くなるため、励起光が奥まで進入する。よって、励起光の伝播距離が長くなり、蛍光強度を高くすることができる。また、範囲Ｇの測定では、範囲Ｃの測定よりも蛍光強度が高くなることが分かる。このように、粒径の大きさを揃えることで、蛍光強度が高くなる。さらに、範囲Ｇでは、範囲Ｆに比べて範囲が広くなっているが、蛍光強度は、ほぼ同じである。よって、蛍光体粉末の利用効率を向上することができ、生産性を向上することができる。

上記のように、蛍光材料２１に含まれる蛍光体の粒径を１００〜６０μｍの範囲とする。これにより、蛍光体２５の粒２６の間に、隙間ができ、励起光の伝播距離が長くなる。よって、励起光が蛍光材料２１の奥深くまで進入する。これにより、蛍光強度を高くすることができ、安定した測定が可能になる。このように、粒径が６０〜１００μｍの蛍光粒子集合体を用いることで、安定した測定が可能になる。アルミナに対するＣｒの添加量は、０．２ｍａｓｓ％（ｗｔ％）以外であってもよい。ルビーの蛍光体粉末に限らず、アレクサンドライトの蛍光体粉末であってもよい。

また、励起光の波長を黄色（中心波長５９０ｎｍ）から変えてもよい。例えば、波長が小さければ屈折が大きくなり、光がよく曲がるが、上記の粒径の範囲がほぼ変化しない。これにより、励起光の波長が異なる場合でも、測定を安定させることができる。

本発明の実施の形態１にかかる温度センサの構成を示す側面断面図である。本実施の形態にかかるセンサプローブにおいて、蛍光材料中の励起光、及び蛍光の伝播経路を模式的に示す図である。粒径の範囲を変えたときの、蛍光強度のばらつきを示すグラフである。粒径の範囲を変えたときの、蛍光強度のばらつきを示すグラフである。粒径の範囲を変えたときの、蛍光強度を示すグラフである。粒径の範囲を変えたときの、蛍光強度を示すグラフである。従来のセンサプローブにおいて、蛍光材料中の励起光、及び蛍光の伝播経路を模式的に示す図である

符号の説明

１本体部、２センサプローブ、
２１蛍光材料、２５蛍光体、２６粒、１００温度センサ、

Claims

温度により蛍光特性が変化する蛍光体を用いて温度を測定するための温度センサプローブであって、
粉状の蛍光体と、
前記蛍光体に照射される励起光と前記蛍光体で発生した蛍光とを伝播する導波路部材と、を備え、
前記粉状の蛍光体の粒径が６０〜１００μｍの範囲に含まれている温度センサプローブ。
前記蛍光体がルビーであることを特徴とする請求項１に記載の温度センサプローブ。
前記蛍光体に照射される励起光が黄色ＬＥＤによる光であることを特徴とする請求項１、又は２に記載の温度センサプローブ。