JP2009145257A - 温度センサ、及び温度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
高い応答速度で正確な測定を行うことができる温度センサ及び温度測定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は、蛍光材料２１で発生した蛍光の寿命に応じて温度を測定する温度センサであって、励起光を出射する光源１２と、励起光によって蛍光を発生する蛍光材料２１と、蛍光を検出して、蛍光強度に応じた蛍光信号を出力する受光素子１３と、受光素子１３からの蛍光信号に基づいて温度を算出する信号処理回路１４と、を備え、信号処理回路１４が期間Ａ、Ｂにおける蛍光強度の傾きα_Ａ、α_Ｂを算出し、温度によって変化する変数を傾きα_Ａとα_Ｂの比から算出し、予め記憶された関係に基づいて変数を温度に換算している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、温度センサ、及び温度測定方法に関し、特に詳しくは、蛍光の寿命に応じて温度を測定する温度センサ、温度測定方法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。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。蛍光強度は、例えば、Ｉ_０ｅ^−ａｔにしたがって減衰する。なお、ｔは時間、ｅは自然対数の底（２．７１８・・・・）である。また、Ｉ_０、及びａは任意の正数である。

このような蛍光式温度センサにおいて、蛍光緩和時間を求めて、温度を測定するものが開示されている（特許文献１）。この温度センサでは、ＬＥＤが消灯した後、基準光量Ｓ１，Ｓ２の１／ｅ倍となるまでの時間を蛍光緩和時間としている。そして、予め計測された蛍光緩和時間と温度Ｔとの関係から、温度を算出している。

さらに、蛍光強度の減衰曲線から傾きを求めて、温度を測定するものが開示されている（特許文献２）。この温度センサでは、予め蛍光が減衰しきった時刻を観測し、その信号をオフセットＣとする。そして、蛍光強度からＣを引いている。その後、対数変換を行って線形関数を導出し、その傾きを求めている。傾きの導出は、最小自乗法などのフィッティングで行っている。

特開２００２−７１４７３号公報 米国特許第５１０７４４５号明細書

光センサで検出した蛍光強度の信号には、蛍光体で発生した蛍光成分に比べて、ノイズやオフセット（ゼロレベル）が加わっている。すなわち、光センサで実際に検出された蛍光強度の信号には、時間的に変動するノイズや、測定用の電気回路などによって決まるオフセット（ゼロレベル）が不可避的に加算されてしまう。特許文献１の温度センサでは、ノイズやオフセットが加わったまま、温度を算出している。従って、正確な測定を行うことができない。

また、特許文献２の温度センサでは、減衰しきった時刻の信号をオフセットＣとしている。従って、蛍光が減衰しきってしまう時刻まで待たなければならない。そのため、応答性速度を速くすることが困難であるという問題点がある。また、温度によって、蛍光の減衰曲線は変化する。例えば、蛍光体の温度が低くなると蛍光が減衰しきるまでの時間が長くなる。従って、低温時に、蛍光が減衰しきる時刻まで、待たなければならない。従って、一度光源を点灯、消灯すると、次の測定までに時間がかかってしまう。このように、特許文献２の方法では、応答速度を高くすることが困難である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、高い応答速度で正確な測定を行うことができる温度センサ及び温度測定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は、蛍光体で発生した蛍光の寿命に応じて温度を測定する温度センサであって、励起光を出射する光源と、前記励起光によって蛍光を発生する蛍光体と、前記蛍光を検出して、蛍光強度に応じた蛍光信号を出力する光検出器と、前記光検出器からの蛍光信号に基づいて温度を算出する処理部と、を備え、前記処理部が第１及び第２の期間における前記蛍光信号の減衰の傾きを算出し、温度によって変化する変数を前記第１及び第２の期間における傾きの比から算出し、予め記憶された温度と前記傾きの比との関係を参照して、算出された前記変数を温度に換算しているものである。これにより、ゼロレベル（オフセットレベル）の影響を低減することができるため、正確に測定することができる。また、減衰しきるまで待つ必要がなくなるため、応答性を向上することができる。

本発明の第２の態様にかかる温度センサは、上記の温度センサであって、前記第１及び第２の期間における傾きが、前記第１及び前記第２の期間に含まれるデータの線形近似によって算出されていることを特徴とするものである。これにより、ノイズの影響を低減することができるため、より正確に測定することができる。

本発明の第３の態様にかかる温度センサは、上記の温度センサであって、前記第１の期間、及び前記第２の期間が、前記蛍光が減衰して一定になる前の時間帯に設定されているものである。これにより、応答速度を向上することができる。

本発明の第４の態様にかかる温度センサは、上記の温度センサであって、前記第１及び第２の期間の少なくとも一方の設定を可変にしたことを特徴とするものである。これにより、測定に好適な期間を設定することができる。よって、測定精度をより向上することができる。

本発明の第５の態様にかかる温度センサは、上記の温度センサであって、測定する温度のレンジに応じて、前記第１及び第２の期間の設定を変化させることを特徴とするものである。

本発明の第６の態様にかかる温度測定方法は、励起光によって発生した蛍光の蛍光寿命に応じて温度を測定する温度測定方法であって、蛍光体に励起光を照射するステップと、前記励起光によって前記蛍光体で発生した蛍光を検出するステップと、第１及び第２の期間における前記蛍光信号の減衰の傾きを算出するステップと、温度によって変化する変数を前記第１及び第２の期間における傾きの比から算出するステップと、予め記憶された温度と前記傾きの比との関係を参照して、算出した前記変数を温度に換算するステップと、を備えたものである。これにより、ゼロレベル（オフセットレベル）の影響を低減することができるため、正確に測定することができる。また、減衰しきるまで待つ必要がなくなるため、応答性を向上することができる。

本発明の第７の態様にかかる温度測定方法は、上記の温度測定方法であって、前記第１及び第２の期間における傾きが、前記第１及び前記第２の期間に含まれるデータの線形近似によって算出されていることを特徴とするものである。これにより、ノイズの影響を低減することができるため、より正確に測定することができる。

本発明の第８の態様にかかる温度測定方法は、上記の温度測定方法であって、前記第１の期間、及び前記第２の期間が、前記蛍光が減衰して一定になる前の時間帯に設定されているものである。

本発明の第９の態様にかかる温度測定方法は、上記の温度測定方法であって、前記第１及び第２の期間の少なくとも一方の設定を可変にしたことを特徴とするものである。

本発明の第１０の態様にかかる温度測定方法は、上記の温度測定方法であって、測定する温度のレンジに応じて、前記第１及び第２の期間の設定を変化させることを特徴とするものである。

本発明によれば、高い応答速度で正確な測定を行うことができる温度センサ及び温度測定方法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図である。

温度センサは、駆動回路１１と光源１２と受光素子１３と信号処理回路１４と、蛍光材料２１と、導波路ロッド２３とを有している。本実施の形態にかかる温度センサは、温度により蛍光特性が変化する蛍光材料２１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、蛍光材料２１が設けられている部分が感熱部となる。そして感熱部を測定試料に当接させると、蛍光材料２１の温度が変化する。すなわち、測定試料から蛍光材料２１への熱伝導、又はその反対の熱伝導によって、蛍光材料２１の温度が測定試料と等しくなる。蛍光材料２１はその温度によって、蛍光寿命が変化する。従って、蛍光寿命に応じて温度を測定することができる。すなわち、蛍光の減衰曲線に基づいて、温度を測定することができる。

蛍光材料２１、及び導波路ロッド２３は、温度センサプローブを構成する。駆動回路１１と、光源１２と、受光素子１３と信号処理回路１４とが本体部を構成する。そして、温度センサプローブを本体部に取り付けた状態で測定を行う。

光源１２は、蛍光材料２１を励起するための励起光を照射する。そして、この励起光が導波路ロッド２３を通って、蛍光材料２１に入射する。蛍光材料２１は、励起光によって、励起され、蛍光を発生する。この蛍光が導波路ロッド２３を通って、受光素子１３で検出される。

駆動回路１１は、光源１２を駆動するための駆動信号を出力する。光源１２は、例えばＬＥＤなどであり、所定のパルス幅、パルス波形の光を出射する。すなわち、光源１２は、駆動回路１１からの駆動信号に応じたパルス光を出射する。ここでは、受光素子１３で検出された信号がＡｅ^−ａｔにしたがって、減衰するようなパルス波形にする。ｔは時間、ｅは自然対数の底（２．７１８・・・・）である。また、Ａ、及びａは任意の正数である。なお、光源１２から出射するパルス光の波形は、特に限定されるものではない。

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。光源１２からの励起光、及び蛍光材料２１で発生した蛍光は、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、励起光を蛍光材料２１に照射するための投光路となる。なお、図１中、導波路ロッド２３が分岐して図示されているが、１本のロッドやファイバであってもよい。そして、本体部中に設けられたハーフミラーなどによって、励起光と蛍光が分離される。

温度センサプローブには、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。蛍光材料２１としては、例えば、ルビーやアレクサンドライトなどを用いることができる。ここでは、ルビーを蛍光体として用いている。また、接着剤などを用いて蛍光体を含む蛍光材料２１を導波路ロッド２３の先端に固着してもよい。

受光素子１３は、例えば、フォトダイオードなどの光検出器である。従って、受光素子１３は、受光量に応じた強度の信号を、信号処理回路１４に出力する。ここで、受光素子１３から出力される信号を、蛍光信号とする。蛍光信号は、蛍光材料２１で発生した蛍光の強度に応じた値になる。また、蛍光信号には、蛍光材料２１で発生した蛍光成分のみならず、ノイズやゼロレベル（オフセットレベル）が加わっている。

信号処理回路１４は、蛍光信号測定モジュール３１とデータ記憶装置３２とを有している。信号処理回路１４は、蛍光信号から温度を測定するための演算処理を行う。信号処理回路１４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、通信用のインターフェースなどを有し、測定のための各種信号処理を行う。例えば、信号処理回路１４としてマイコンなどを用いることができる。信号処理回路１４は、例えばＲＯＭに格納された演算処理プログラムに従って各種の演算を実行する。もちろん、デジタル回路であってよく、アナログ回路であってもよい。さらには、これらを組み合わせてもよい。信号処理回路１４は、物理的に単一な装置に限られるものではない。

例えば、蛍光信号測定モジュール３１が、蛍光信号から温度を算出するための演算処理を行う。そして、蛍光信号測定モジュール３１での演算結果が、適宜、データ記憶装置３２に記憶される。データ記憶装置３２は例えば、メモリなどの記憶デバイスである。すなわち、蛍光信号強度モジュール３１は、データ記憶装置３２に記憶されているデータを読み出して、所定の演算処理を行う。そして、演算処理結果をデータ記憶装置３２に記憶させる。

データ記憶装置３２は、蛍光強度記憶モジュール３３と、傾き記憶モジュール３４と、傾き比率記憶モジュール３５と、関係記憶モジュール３６と、温度記憶モジュール３７とを有している。なお、これらのモジュールは物理的に同一のメモリであってもよい。

蛍光強度記憶モジュール３３は、蛍光信号に基づいて蛍光強度を記憶する。すなわち、蛍光強度記憶モジュール３３は、蛍光信号の強度を順番に蓄積していく。蛍光強度記憶モジュール３３は蛍光信号のデータを時系列にしたがって蓄積していく。従って、蛍光強度記憶モジュール３３には、蛍光を検出した時間に応じた数の蛍光信号のデータが蓄積される。この蛍光強度は、図２に示すようになっている。なお、図２は、受光素子１３で検出された蛍光信号の時間変化を示す図である。図２の横軸は時間を示し、縦軸は蛍光信号の強度を示している。

図２に示すように、光源１２の消灯時刻から蛍光強度は、時間とともに減衰していく。すなわち、時間が経過すると蛍光強度が弱くなっていく。蛍光強度が減衰する速度は、蛍光材料２１の温度に依存している。蛍光信号には、オフセット電圧であるベースライン電圧（以下、ゼロレベルＣ）が重畳されている。すなわち、蛍光が減衰しきった後でも、蛍光強度は０にならず、ゼロレベルＣで一定になる。さらに、蛍光信号には、白色雑音のように振舞うノイズが存在する。このノイズをｎ（ｔ）とする。このノイズは時間によって変動するため、時間ｔの関数になっている。ノイズｎ（ｔ）はランダムに発生する。このように、蛍光信号は、実際に蛍光材料２１で発生した蛍光成分にノイズｎ（ｔ）とゼロレベルＣが重畳された強度となる。そして、光源１２を消灯後、蛍光信号は、指数関数的に減衰していく。従って、光源１２を消灯後、十分な時間が経過すると、ノイズｎ（ｔ）を除いた蛍光強度は、ゼロレベルＣで略一定になる。

そして、蛍光信号測定モジュール３１は、蛍光強度記憶モジュール３３に記憶されている蛍光強度のデータに基づいて、期間Ａ、及び期間Ｂの傾きを求める。なお、期間Ａ、Ｂは、光源消灯時刻後の微小な区間である。期間Ａ、Ｂは蛍光強度が減衰しきってゼロレベルＣで一定になるまでの時間よりも早い時間に設定されている。これにより、蛍光信号の減衰の傾きが算出される。そして、傾き記憶モジュール３４は、期間Ａにおける傾きと、期間Ｂにおける傾きを記憶する。ここで、期間Ａ、及び期間Ｂの範囲は予め定められている。例えば、期間Ａの開始時間ｔ_Ａと時間幅Δｔ_Ａは予めメモリ等にセットされている。もちろん、期間Ｂの開始時間ｔ_Ｂと時間幅Δｔ_Ｂも同様に予めメモリ等にセットされている。

例えば、期間Ａにおける減衰曲線の傾きをα_Ａとし、期間Ｂにおける減衰曲線の傾きをα_Ｂとすると、傾きα_Ａ、α_Ｂは式１で算出することができる。

なお、ｆ（ｔ）は、蛍光の減衰曲線を示す関数、Ｉ_０は初期蛍光強度である。初期蛍光強度Ｉ_０は、ｔ＝０、すなわち、光源消灯時刻での蛍光強度になる。さらに、蛍光の減衰曲線が指数関数で近似できるため、蛍光強度Ｉ（ｔ）は以下に示す式（２）となる。
Ｉ（ｔ）＝Ｉ_０ｅｘｐ（−ｔ／τ）＋ｎ（ｔ）＋Ｃ ・・・式（２）
τは、蛍光寿命であり、周囲の温度Ｔの関数となるため、τ＝τ（Ｔ）となる。

ここでは、期間Ａの開始時間と終了時間における蛍光強度の差ΔＩ_Ａを求め、その差ΔＩ_Ａを期間Ａの時間幅Δｔ_Ａで割ることにより、傾きα_Ａを求めている。同様に期間Ｂにおける傾きα_Ｂを算出する。ここでは、期間Ａ，Ｂにおける蛍光強度の減少量を期間Ａ，Ｂの時間幅で割っている。このように、２点間の蛍光強度差を時間で割ることによって、ゼロレベルＣが補正される。蛍光強度の減衰中において、ゼロレベルＣは時間によらず一定である。このため、期間の開始時間及び終了時間のゼロレベルＣは等しい。従って、２点間の蛍光強度の差を求めることでゼロレベルＣの項が相殺される。このように、算出された傾きα_Ａ、α_Ｂでは、ゼロレベルＣの影響が排除されている。このため、正確に温度を測定することができる。

次に、蛍光信号測定モジュールは、傾き比率ｇを算出する。そして、算出された傾き比率ｇを傾き比率記憶モジュール３５に記憶する。ここでは、傾き比率ｇ＝α_Ａ／α_Ｂとしている。なお、分子と分母を反対にして、傾き比率ｇ＝α_Ｂ／α_Ａとしてもよい。すなわち、傾き比率ｇは、２つの期間Ａ，Ｂの傾きα_Ａ、α_Ｂの比に応じた値であればよい。

蛍光信号測定モジュール３１は、上記の傾き比率ｇに基づいて温度を測定する。すなわち、傾き比率ｇが測定温度によって変化する変数となる。そして、変数である傾きの比ｇが温度に換算される。具体的には、減衰曲線は、周囲の温度Ｔによって変化する。例えば、図３に示すように、減衰曲線は、温度に応じて変化する。なお、図３では、横軸が光源１２を消灯後の時間を示し、縦軸が受光素子１３からのセンサ出力、即ち、蛍光信号の強度を示している。図３では、測定試料が２７℃、１２１℃、１９３℃、３３７℃のときの減衰曲線が示されている。図３に示すように、温度が低いほど、蛍光寿命が長くなる。温度が高いほど、蛍光強度が速く減衰する。

このように、式（２）、及び図３に示すように減衰曲線関数が温度に応じて変化する。このため、傾きα_Ａ、α_Ｂの値も、温度によって変化する。傾き比率ｇの値を温度Ｔに変換することができる。すなわち、傾き比率ｇが決まると温度が決まる。このように、傾き比率ｇと測定温度は１対１の関係にあるため、傾き比率ｇを温度Ｔに換算することができる。蛍光信号測定モジュール３１は、予め設定されている傾き比率ｇと温度Ｔとの関係を参照して、傾き比率ｇを温度Ｔに変換する。このようにして、蛍光信号測定モジュール３１は、傾き比率ｇから温度Ｔを算出している。傾き比率ｇと温度Ｔとの関係は、関係記憶モジュール３６に記憶されている。

例えば、傾き比率ｇと温度Ｔの関係は、図４に示すようになる。図４は、傾き比率ｇと温度Ｔとの関係を示すグラフであり、横軸が傾き比率ｇ、縦軸が基準温度を示している。例えば、校正用の基準温度を何点か測定して、関係式を算出する。すなわち、温度が既知の測定試料に対して測定を行い、傾き比率ｇを求める。そして、異なる温度で測定を複数回行い、関係式（校正関数）を導出する。ここでは、傾き比率ｇと温度の関数を多項式で近似することによって、傾き比率ｇと温度Ｔの関係式を求めている。なお、近似式は、任意の次数の多項式を用いることができる。もちろん、多項式以外の式で近似してもよい。このような近似式に傾き比率ｇを代入することで、温度Ｔが算出される。もちろん、近似式ではなく、傾き比率ｇと温度Ｔの関係を示す換算テーブルを参照して、傾き比率ｇを温度Ｔに換算してもよい。蛍光信号測定モジュール３１は、測定した温度を温度記憶モジュール３７に記憶させる。温度記憶モジュール３７は、測定した温度を順次蓄積していく。

このような処理で温度を求めることで、より正確に測定することができる。すなわち、傾きを求めることで、ゼロレベルＣの影響を排除することができる。さらに、傾きの比を求めることで、初期蛍光強度Ｉ_０の変動の影響を排除することができる。よって、正確な温度測定が可能になる。

さらに、上記の測定では、期間Ａ，Ｂを蛍光強度が減衰しきる前の時間帯に設定することができる。このため、応答速度を向上することができる。すなわち、蛍光強度が減衰しきるまで待たなくてよくなるため、測定時間を短縮することができる。よって、温度センサの応答性を向上することができる。なお、期間Ａ，Ｂの時間幅は同じであってもよく、異なっていてもよい。さらに、期間Ａ、Ｂは一部が重なっていてもよい。

なお、上記の説明では、期間Ａ、期間Ｂの傾きを２点間の蛍光強度の差に基づいて求めたが、この方法に限られるものではない。例えば、期間Ａ、期間Ｂの傾きを線形近似によって求めることができる。すなわち、期間Ａに３以上のデータが含まれる場合、回帰分析によって傾きを求める。具体的には、最小自乗法を用いて、線形近似を行う。これにより、期間Ａに含まれるデータ群に最も近似する１次関数が算出され、期間Ａの傾きα_Ａを求めることができる。さらに、期間Ｂについても同様に線形近似によって、傾きα_Ｂを算出する。このように、線形近似を用いることで、ノイズｎ（ｔ）を補正することができる。すなわち、期間の時間幅が長くなると、期間に含まれるデータ数が十分多くなる。すると、各データのノイズ成分が打ち消しあって、ノイズの項が０に近づいていく。これにより、ノイズによる影響を排除することができ、より精度の高い測定を行なうことができる。

また、上記の説明では、期間Ａ，Ｂの２つの期間における傾きを算出したが、３つ以上の期間における傾きを算出してもよい。そして、測定温度のレンジに応じて、傾き比率ｇの算出に使用する期間を変更してもよい。例えば、図３に示すように、予め３つの期間Ａ、期間Ｂ、期間Ｃを設定しておく。そして、期間Ａ〜Ｃの傾きをそれぞれ算出する。なお期間Ａ〜期間Ｃの時間幅は、同じであってもよく、異なっていてもよい。さらには、期間Ａ〜期間Ｃの一部が重複していてもよい。

期間Ｃでは、３３７℃の減衰曲線は減衰しきっている。そのため、３３７℃近傍で温度が変化しても期間Ｃにおける傾きをほとんど変化しない。従って、高温時は期間Ａ、Ｂにおける傾きを求める。そして、期間Ａ，Ｂの傾き比率ｇから温度を算出する。また、低温時は期間Ａ、Ｃにおける傾きを求める。そして、期間Ａ、Ｃの傾き比率ｇから温度を算出する。このように、温度のレンジに応じて、使用する期間を変更することで、より精度の高い測定が可能になる。期間Ａ，Ｂを用いた場合、傾き比率ｇと基準温度の関係は図５に示すようになる。また、期間Ａ，Ｃを用いた場合、傾き比率ｇと基準温度の関係は図６に示すようになる。そして、温度レンジに応じて、使用する期間を変化する。例えば、傾き比率ｇから温度の関係が線形に近くなるように、使用する期間を選択する。このようにすることで、広い測定レンジに対して正確な測定が可能になる。すなわち、精度よく測定することができる測定範囲を広くすることができる。また、高温時では、光源１２を消灯後の早い時間帯に期間が設定されるため、応答性をより向上することができる。

なお、測定レンジの判別については、例えば、最も早い期間である期間Ａの傾きを用いることができる。すなわち、期間Ａの傾きに応じて、高温レンジか低温レンジかを判別する。そして、実際に使用する期間を使い分ける。期間Ａにおける傾きがしきい値以上の場合は、高温レンジとして、期間Ａ、Ｂによって測定を行なう。また、期間Ａにおける傾きがしきい値よりも小さい場合、期間Ａ，Ｃによって測定を行なう。もちろん、測定レンジの判別は特に限定されるものではない。また、測定レンジを３以上に分けて測定を行ってもよい。例えば、期間Ｂ，Ｃを用いて傾き比率を求めてもよい。さらに、４以上の期間を使い分けてもよい。このように、各期間の開始時間、及び時間幅の設定を可変にすることで、より精度の高い温度測定を行うことができる。また、期間を使い分ける場合は、それぞれの傾き比率ｇに対する関係式、又は換算テーブルを記憶させておく。

次に、図７を用いて、本実施の形態に係る温度センサを用いた温度測定方法について説明する。まず、温度センサプローブの感熱部を測定試料に接触させた状態で、光源１２を点灯する（ステップＳ１０１）。そして、一定の時間経過度、光源１２を消灯する（ステップＳ１０２）。すなわち、所定のパルス幅だけ、光源１２を点灯させる。そして、そして、励起光によって発生した蛍光を受光素子１３で検出して、蛍光強度のデータをメモリに取り込む（ステップＳ１０３）。これにより、蛍光強度記憶モジュール３３に、蛍光強度のデータが記憶される。

そして、期間Ａの傾きα_Ａを算出して（ステップＳ１０４）、メモリに取り込む（ステップＳ１０５）。また、期間Ｂの傾きα_Ｂを算出して（ステップＳ１０６）、メモリに取り込む（ステップＳ１０７）。これにより、傾き記憶モジュールに各期間の傾きが記憶される。なお、期間を３以上設定した場合は、それぞれの期間で傾きを算出する。期間の開始時間、及び時間幅は予め設定されている。もちろん、２点間の差に基づいて、傾きを算出してもよく、線形近似により傾きを算出してもよい。なお、これらの処理は、並列して行ってもよい。

２つ期間の傾きに基づいて、温度の変数である傾き比率ｇを計算する（ステップＳ１０８）。そして、傾き比率ｇの計算結果をメモリに取り込む（ステップＳ１０９）。これにより、傾き比率記憶モジュール３５に傾き比率ｇが記憶される。また、予め記憶されている換算テーブルを読み出し（ステップＳ１１０）、温度を照合する（ステップＳ１１１）。これにより、傾き比率ｇが温度Ｔに変換される。もちろん、換算テーブルではなく、校正用の関係式（近似式）を用いてもよい。

照合した温度をメモリに取り込む（ステップＳ１１２）ととも、表示画面上に表示させる（ステップＳ１１３）。これにより、温度測定が終了する。このようにして温度を測定することで、測定精度を高くすることができる。また、短時間で測定することができるため、応答性を速くすることができる。本実施の形態にかかる温度センサによれば、高い応答速度で正確な温度測定を行うことができる。

次に、図８を用いて、温度の校正方法について説明する。校正は、例えば、温度センサの信号処理回路１４が外部処理装置に接続された状態で行われる。外部処理装置としては、例えば、関係式を求めるためのプログラムが格納されたパソコンを用いることができる。まず、基準温度を測定するための試料を用意して、試料に温度センサプローブの感熱部を接触させる。そして、光源を点灯し（ステップＳ２０１）、所定の期間経過後、光源を消灯する（ステップＳ２０２）。蛍光を消灯した後の蛍光データを内部メモリに取り込む（ステップＳ２０３）。すなわち、蛍光強度記憶モジュール３３に蛍光強度のデータを記憶させる。そして、蛍光データを外部メモリに転送する（ステップＳ２０４）。すなわち、信号処理回路１４を外部処理装置であるパソコンに接続して、蛍光データを外部処理装置の外部メモリに転送する。このパソコンには、関係式を求めるためのプログラムが格納されている。

さらに、ステップＳ２０２〜ステップＳ２０４と並行して、周囲温度を測定する（ステップＳ２０５）。ここでの温度測定は、別の温度センサによって行われる。例えば、既に校正が終了している蛍光式の温度センサを用いて温度を測定する。もちろん、蛍光式温度センサ以外の温度センサを用いて測定してもよい。そして、この周囲温度が校正を行なうための基準温度となる。周囲温度を別の温度センサの内部メモリに取り込む（ステップＳ２０６）。そして、その周囲温度を外部メモリに転送する（ステップＳ２０７）。この外部メモリは、上記の蛍光データが転送された外部処理装置に設けられているメモリである。

そして、蛍光データの減衰曲線に対して、期間を設定する（ステップＳ２０８）。ここでは、２以上の期間に対して、開始時間、時間幅、終了時間などが設定される。期間の設定は、操作者が行ってもよく、予め定められていてもよい。これらの期間は蛍光強度が減衰しきるまでの時間帯で設定される。そして、２つの期間に対する傾き比率を算出する（ステップＳ２０９）。そして、異なる温度で複数回測定を行い、基準温度との関係式を導出する（ステップＳ２１０）。ここでは、最小自乗法などを用いて、傾き比率と温度との関係式を多項式で近似する。従って、多項式の各項の係数が算出される。これにより、図４〜図６のようなグラフを得ることができる。

そして、測定器メモリの関係式を保存する（ステップＳ２１１）。これにより、関係記憶モジュール３６に関係式が記憶される。もちろん、関係式を求めたときの期間の設定も記憶させる。このようにして、温度センサの校正が終了する。さらに、３以上の期間を設定しておいてもよい。この場合、使い分ける期間に応じて、それぞれ傾き比率と温度の関係式を算出しておく。すなわち、期間のペア毎に関係式を予め求めて、校正を行う。もちろん、関係式に限らず、換算テーブルを関係記憶モジュール３６に記憶させてもよい。

なお、上記の説明では蛍光強度が指数関数にしたがって減衰するとして説明したが、本発明は、これに限られるものではなく、様々な蛍光減衰曲線に適用可能である。

本発明の実施の形態１にかかる温度センサの構成を模式的に示す図である。 蛍光の減衰曲線を示すグラフである。 温度による減衰曲線の変化を示すグラフである。 傾き比率と温度の関係を示すグラフである。 傾き比率と温度の関係の一例を示すグラフである。 傾き比率と温度の関係の一例を示すグラフである。 本実施の形態にかかる温度センサを用いた温度測定方法を示すフローチャートである。 本実施の形態にかかる温度センサにおいて、校正方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１１ 駆動回路、１２ 光源、１３ 受光素子、１４ 信号処理回路
２１ 蛍光材料、２３ 導波路ロッド
３１ 蛍光信号測定モジュール、３２ データ記憶装置、３３ 蛍光強度記憶モジュール、
３４ 傾き記憶モジュール、３５ 傾き比率記憶モジュール、３６ 関係記憶モジュール、
３７ 温度記憶モジュール

Claims (10)

1. 蛍光体で発生した蛍光の寿命に応じて温度を測定する温度センサであって、
   励起光を出射する光源と、
   前記励起光によって蛍光を発生する蛍光体と、
   前記蛍光を検出して、蛍光強度に応じた蛍光信号を出力する光検出器と、
   前記光検出器からの蛍光信号に基づいて温度を算出する処理部と、を備え、
   前記処理部が
   第１及び第２の期間における前記蛍光信号の減衰の傾きを算出し、
   測定温度によって変化する変数を前記第１及び第２の期間における傾きの比から算出し、
   予め記憶された温度と前記傾きの比との関係を参照して、算出された前記変数を温度に換算している温度センサ。
2. 前記第１及び第２の期間における傾きが、前記第１及び前記第２の期間に含まれるデータの線形近似によって算出されていることを特徴とする請求項１に記載の温度センサ。
3. 前記第１の期間、及び前記第２の期間が、前記蛍光が減衰して一定になる前の時間帯に設定されている請求項１、又は２に記載の温度センサ。
4. 前記第１及び第２の期間の少なくとも一方の設定を可変にしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の温度センサ。
5. 測定する温度のレンジに応じて、前記第１及び第２の期間の設定を変化させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の温度センサ。
6. 励起光によって発生した蛍光の蛍光寿命に応じて温度を測定する温度測定方法であって、
   蛍光体に励起光を照射するステップと、
   前記励起光によって前記蛍光体で発生した蛍光を検出するステップと、
   第１及び第２の期間における前記蛍光信号の減衰の傾きを算出するステップと、
   測定温度によって変化する変数を前記第１及び第２の期間における傾きの比から算出するステップと、
   予め記憶された温度と前記傾きの比との関係を参照して、算出した前記変数を温度に換算するステップと、を備えた温度測定方法。
7. 前記第１及び第２の期間における傾きが、前記第１及び前記第２の期間に含まれるデータの線形近似によって算出されていることを特徴とする請求項６に記載の温度測定方法。
8. 前記第１の期間、及び前記第２の期間が、前記蛍光が減衰して一定になる前の時間帯に設定されている請求項６、又は７に記載の温度測定方法。
9. 前記第１及び第２の期間の少なくとも一方の設定を可変にしたことを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の温度測定方法。
10. 測定する温度のレンジに応じて、前記第１及び第２の期間の設定を変化させることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の温度測定方法。
    
    

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