JP2010210404A

JP2010210404A - 蛍光温度センサ

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Publication number: JP2010210404A
Application number: JP2009056679A
Authority: JP
Inventors: Seiichiro Kinugasa; 静一郎衣笠
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2010-09-24
Anticipated expiration: 2029-03-10
Also published as: WO2010103999A1; JP5676852B2

Abstract

【課題】励起光源の発光強度を高めることなく、蛍光を効率よく検出することができる蛍光温度センサを提供する。
【解決手段】照射された光の強度に応じた蛍光を発する蛍光体４と、励起光を蛍光体４に投光する投光部９と、蛍光体が発する蛍光を受光する受光部１０と、投光部９が発する励起光を導光する励起光送信用光ファイバ５ａと、蛍光体４が発する蛍光を導光する蛍光送信用光ファイバ５ｂとを備えた蛍光温度センサ１において、励起光送信用光ファイバ５ａと蛍光送信用光ファイバ５ｂは異なる特性を有する。
【選択図】図１

Description

この発明は、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温度センサ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温度センサが広く利用されている（例えば、特許文献１参照）。この蛍光温度センサは、温度により蛍光特性が変化する蛍光体を用いることにより温度を測定する。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、検出された蛍光の蛍光寿命などの蛍光特性の変化によって、温度を測定する。この蛍光温度センサでは、励起光を導光する光ファイバと、蛍光を導光する光ファイバとは同一種類の光ファイバを用いて構成されている。

また、蛍光温度センサに用いられる光ファイバを狭い領域に敷設する場合、柔らかい光ファイバを用いて曲げやすくすることが望ましい。その解決方法として、細い光ファイバの利用が挙げられる。しかしながら、蛍光温度センサでは、励起光の光エネルギ以上の蛍光は発生しないため、蛍光体からの蛍光を受光部に伝送するためには、太い光ファイバを使用することが望ましい。しかしながら、特許文献１に開示される蛍光温度センサでは、１本の光ファイバにより構成されているため、曲げやすさと高い蛍光強度を実現することは難しく、伝送光量の増大と、曲げやすさを目的に、バンドル光ファイバを用いる方法がある（例えば特許文献２参照）。

特表平１１−５０８３５２号公報特開２００２−１３１１７３号公報

しかしながら、蛍光温度センサの蛍光体の発する蛍光の波長は励起光の波長よりも長く、特許文献１に開示される蛍光温度センサでは、励起光を導光する光ファイバ及び蛍光を導光する光ファイバを同一種類の光ファイバを用いて構成するため、励起光または蛍光のどちらか一方の伝送効率が悪くなり、光量確保のために、光源での励起光の光量を上げる必要があり、光源に負担がかかるという課題があった。

また、特許文献２に開示される蛍光温度センサでは、バンドル光ファイバを用いて、異種の光ファイバとの接続を行うため、光ファイバのコア面積のミスマッチや光軸ずれが生じ、バンドル光ファイバの接続口で光が漏洩するため、励起光または蛍光の伝達効率が低下する。そのため、光源での励起光の光量を上げる必要があり、光源に負担がかかるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、投光部での励起光の発光強度を高めることなく、蛍光を効率よく検出することができる蛍光温度センサを提供することを目的としている。

この発明に係る蛍光温度センサは、照射された光の強度に応じた蛍光を発する蛍光体と、励起光を蛍光体に投光する投光部と、蛍光体が発する蛍光を受光する受光部と、投光部が発する励起光を導光する励起光送信用光ファイバと、蛍光体が発する蛍光を導光する蛍光送信用光ファイバとを備えた蛍光温度センサにおいて、励起光送信用光ファイバと蛍光送信用光ファイバは異なる特性を有するものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、光ファイバ全体の伝送効率を高めることより、投光部での励起光の発光強度を高めることなく、蛍光を効率よく検出することができる。

この発明の実施の形態１に係る蛍光温度センサの構造を示す図である。この発明の実施の形態１における励起光送信用光ファイバ及び蛍光送信用光ファイバの光の減衰量を示す図である。この発明の実施の形態２に係る蛍光温度センサの構造を示す図である。この発明の実施の形態３に係る蛍光温度センサの構造を示す図である。この発明の実施の形態３における励起光送信用光ファイバ、蛍光送信用光ファイバ及びバンドル光ファイバの各バンドル直径条件に対する蛍光強度の比を示す図である。

以下、この発明の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。
実施の形態１．
図１に示すように、蛍光温度センサ１は、被測定面に接触させ、温度に応じた蛍光を発光するためのセンサプローブ２と、センサプローブ２に励起光を投光し、センサプローブ２からの蛍光を受光し、その受光量から被測定面の温度測定を行うためのセンサモジュール３とにより構成される。

センサプローブ２は、図１に示すように、センサモジュール３より投光される励起光により蛍光を発光する蛍光体４と、センサモジュール３により投光される励起光を蛍光体４に導光し、蛍光体４が発する蛍光をセンサモジュール３に導光するための光ファイバ５と、センサプローブ２の先端に設けられ、蛍光体４を覆うカバー６と、光ファイバ５に傷が付かないように保護する保護管７とにより構成される。

ここで、センサプローブ２とセンサモジュール３に設けられる蛍光体４とを接続する光ファイバ５は、励起光送信用光ファイバ５ａと蛍光送信用光ファイバ５ｂとにより構成される。

励起光送信用光ファイバ５ａはセンサモジュール３に設けられる投光部９から投光される励起光を蛍光体４に導光するためのものである。この励起光送信用光ファイバ５ａはプラスチック光ファイバにより構成される。

蛍光送信用光ファイバ５ｂは蛍光体４が発する蛍光をセンサモジュール３に設けられる受光部１０に導光するためのものである。この蛍光送信用光ファイバ５ｂは多成分ガラス光ファイバにより構成される。

センサモジュール３は、図１に示すように、駆動部８により、センサプローブ２に設けられる蛍光体４に励起光を投光するための投光部９と、センサプローブ２に設けられる蛍光体４が発する蛍光を受光するための受光部１０と、受光部１０が受光した受光量に基づいて、被測定面の温度を算出するための処理部１１とにより構成される。

次に、上記のように構成される蛍光温度センサ１の動作について説明する。
まず、蛍光温度センサ１のセンサプローブ２先端に設けられる蛍光体４が収納されるカバー６表面を被測定面に接触させる。次いで、投光部９から励起光が蛍光体４に投光される。この投光部９から投光された励起光により蛍光体４は蛍光を発光する。受光部１０はこの蛍光体４が発光する蛍光を受光している。このときの受光部１０が受光する受光量は、処理部１１により逐一計測されている。次いで、投光部９は、蛍光体４への励起光の投光を停止する。これにより、蛍光体４は消光する。この蛍光体４の消光速度は温度が高くなるほど速くなる。この蛍光体４の消光速度を処理部１１が計測することにより、被測定面の温度を計測する。

次に、励起光送信用光ファイバ５ａと蛍光送信用光ファイバ５ｂに用いられる光ファイバの材質設定方法について説明する。
図２はこの発明の実施の形態１における励起光送信用光ファイバ５ａ及び蛍光送信用光ファイバ５ｂの光の減衰量を示す図である。
この図２では、蛍光体４としてルビーを使用し、励起光送信用光ファイバ５ａ及び蛍光送信用光ファイバ５ｂとしてプラスチック光ファイバ（ＰＭＭＡ）及び多成分ガラス光ファイバを用いた場合での励起光及び蛍光の減衰量を示している。

図２に示すように、投光部９が投光する励起光の波長（５６０ｎｍ〜５９０ｎｍ）に対して、蛍光体４の発光する蛍光の波長（６９０ｎｍ〜７００ｎｍ）は長くなる。そのため、励起光を導光する励起光送信用光ファイバ５ａ及び蛍光を導光する蛍光送信用光ファイバ５ｂを同一の光ファイバで構成すると、励起光または蛍光のどちらか一方の伝送効率が悪くなる。そこで、励起光の波長及び蛍光の波長に基づいて、最適な伝送効率を有する材質の光ファイバを用いて励起光送信用光ファイバ５ａ及び蛍光送信用光導波路５ｂを構成することにより、励起光及び蛍光ともに良好な伝送を行うことができる。

図２に示すように、プラスチック光ファイバにより励起光を導光したときの減衰量は０．０８ｄＢ／ｍであり、多成分ガラス光ファイバにより励起光を導光したときの減衰量は０．１８ｄＢ／ｍである。したがって、励起光を導光する励起光送信用光ファイバ５ａに対してはプラスチック光ファイバを用いることで伝送効率を良好にすることができる。

一方、プラスチック光ファイバにより蛍光を導光したときの減衰量は０．３５ｄＢ／ｍであり、多成分ガラス光ファイバにより蛍光を導光したときの減衰量は０．２ｄＢ／ｍである。したがって、蛍光を導光する蛍光送信用光ファイバ５ｂに対しては多成分ガラス光ファイバを用いることで伝送効率を良好にすることができる。

以上のように、この発明の実施の形態１によれば、励起光と蛍光を導光する光ファイバを励起光の波長及び蛍光の波長に応じてそれぞれ設定することにより、励起光及び蛍光に対する伝送効率を高めることができるので、投光部９から投光する励起光の光量を過度に上げる必要はなく、投光部９の光源の負担を抑えることができる。

なお、この発明の実施の形態１では、蛍光体４としてルビーを使用し、励起光送信用光ファイバ５ａ及び蛍光送信用光ファイバ５ｂを構成する光ファイバとしてプラスチック光ファイバ及び多成分ガラス光ファイバを用いて説明したが、これに限るものではなく、励起光送信用光ファイバ５ａ及び蛍光送信用光ファイバ５ｂを構成する光ファイバは、励起光の波長及び蛍光の波長に応じて適宜変更されるものである。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２に係る蛍光温度センサ１の構造を示す図である。
上記実施の形態１に係る蛍光温度センサ１では、励起光送信用光ファイバ５ａと蛍光送信用光ファイバ５ｂを構成する光ファイバとして、それぞれ導光する光の波長に適した材質の光ファイバを用いて構成したが、この発明の実施の形態２に係る蛍光温度センサ１は、励起光送信用光ファイバ５ａと蛍光送信用光ファイバ５ｂに用いられる光ファイバの材質は同一のものを使用し、図３に示すように、励起光送信用光ファイバ５ａのコア面積に対して蛍光送信用光ファイバ５ｂのコア面積が大きくなるように構成したものである。
以下、図１に示した、この発明の実施の形態１に係る蛍光温度センサ１と同一または同様の構成については、同一の符号を付しその説明を省略する。

励起光送信用光ファイバ５ａは、例えば、プラスチック光ファイバにより形成され、そのバンドル直径は１ｍｍに構成される。

蛍光送信用光ファイバ５ｂは、励起光送信用光ファイバ５ａと同一材質のプラスチック光ファイバにより形成され、図３に示すように、そのバンドル直径は励起光送信用光ファイバ５ａのバンドル直径よりも太い１．５ｍｍに構成される。

蛍光温度センサ１では、投光部９から投光される励起光の光エネルギ以上の蛍光は発生しないため、受光部１０で受光する蛍光の蛍光強度を高めるため、励起光送信用光ファイバ５ａのバンドル直径に対して、蛍光送信用光ファイバ５ｂのバンドル直径を大きくすることで、伝送効率を高めることできる。

以上のように、この発明の実施の形態２によれば、励起光よりも弱い蛍光光量を効率的に伝送するために、蛍光送信用光ファイバ５ｂのコア面積を、励起光送信用光ファイバ５ａのコア面積よりも大きくなるように構成することで、蛍光の伝送効率を高めることができるので、投光部９から投光する励起光の光量を過度に上げる必要はなく、投光部９の光源の負担を抑えることができる。

実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３における蛍光温度センサ１の構造を示す図である。
上記実施の形態１，２に係る蛍光温度センサ１では、センサプローブ２とセンサモジュール３とを励起光送信用光ファイバ５ａ及び蛍光送信用光ファイバ５ｂにより接続して構成したが、この発明の実施の形態３に係る蛍光温度センサ１では、例えば、狭い領域に光ファイバ５を敷設するような場合に、バンドル光ファイバ５ｃを用いてコア面積の異なる励起光送信用光ファイバ５ａ及び蛍光送信用光ファイバ５ｂと接続するように構成したものである。
以下、図１，３に示した、この発明の実施の形態１に係る蛍光温度センサ１と同一または同様の構成については、同一の符号を付しその説明を省略する。

励起光送信用光ファイバ５ａは、例えば、プラスチック光ファイバにより構成され、図４に示すように、励起光送信用光ファイバ５ａの蛍光体４側先端はバンドル光ファイバ５ｃの励起光送信用光ファイバ５ａ側と光軸を合わせてＦＣコネクタ等により接続されている。また、この励起光送信用光ファイバ５ａのコア形状は円形である。

蛍光送信用光ファイバ５ｂは、例えば、プラスチック光ファイバにより構成され、図４に示すように、蛍光送信用光ファイバ５ｂの蛍光体４側先端はバンドル光ファイバ５ｃの蛍光送信用光ファイバ５ｂ側と光軸を合わせてＦＣコネクタ等により接続されている。また、この励起光送信用光ファイバ５ａのコア形状は円形である。

バンドル光ファイバ５ｃは、励起光送信用光ファイバ５ａにより導光される励起光を蛍光体４に導光し、蛍光体４が発する蛍光を蛍光送信用光ファイバ５ｂに導光するためのものである。また、バンドル光ファイバ５ｃの励起光送信用光ファイバ５ａ側のコア形状及び蛍光送信用光ファイバ５ｂ側のコア形状は円形である。

ここで、励起光送信用光ファイバ５ａのコア面積Ｓ_ＩＦ、蛍光送信用光ファイバ５ｂのコア面積Ｓ_ＯＦ、バンドル光ファイバ５ｃの励起光送信用光ファイバ５ａ側のコア面積Ｓ_ＳＦＩ及び蛍光送信用光ファイバ５ｂ側のコア面積Ｓ_ＳＦＯは、Ｓ_ＩＦ＜Ｓ_ＳＦＩ≦Ｓ_ＳＦＯ＜Ｓ_ＯＦを満たすように構成され接続される。

図５はこの発明の実施の形態３における励起光送信用光ファイバ５ａ、蛍光送信用光ファイバ５ｂ及びバンドル光ファイバ５ｃの各バンドル直径条件（ａ）〜（ｄ）に対する蛍光強度の比を、（ａ）の各バンドル直径条件のときの蛍光強度を基準にして示した図である。ここで、励起光送信用光ファイバ５ａ、蛍光送信用光ファイバ５ｂ及びバンドル光ファイバ５ｃのコア形状は円形であり、バンドル光ファイバ５ｃの励起光送信用光ファイバ５ａ側のバンドル直径及び蛍光送信用光ファイバ５ｂ側のバンドル直径は共に１．２ｍｍである。また、励起光を投光する投光部９としてＬＥＤを用い、受光部１０としてフォトダイオードを用いている。

図５（ａ）に示すように、励起光送信用光ファイバ５ａのバンドル直径が１ｍｍかつ蛍光送信用光ファイバ５ｂのバンドル直径が１ｍｍの場合では、蛍光送信用光ファイバ５ｂ側のバンドル光ファイバ５ｃのバンドル直径に対して、蛍光送信用光ファイバ５ｂのバンドル直径が小さいため、蛍光送信用光ファイバ５ｂとバンドル光ファイバ５ｃとの接続口で蛍光が漏洩してしまい、蛍光強度が低下する。

また、図５（ｃ）に示すように、励起光送信用光ファイバ５ａのバンドル直径が１．５ｍｍかつ蛍光送信用光ファイバ５ｂのバンドル直径が１ｍｍの場合では、励起光送信用光ファイバ５ａ側のバンドル光ファイバ５ｃのバンドル直径に対して、励起光送信用光ファイバ５ａのバンドル直径が大きいため、励起光送信用光ファイバ５ａとバンドル光ファイバ５ｃとの接続口で励起光が漏洩してしまい、励起光強度が低下する。さらに、蛍光送信用光ファイバ５ｂ側のバンドル光ファイバ５ｃのバンドル直径に対して、蛍光送信用光ファイバ５ｂのバンドル直径が小さいため、蛍光送信用光ファイバ５ｂとバンドル光ファイバ５ｃとの接続口で蛍光が漏洩してしまい、蛍光強度が低下する。

また、図５（ｄ）に示すように、励起光送信用光ファイバ５ａのバンドル直径が１．５ｍｍかつ蛍光送信用光ファイバ５ｂのバンドル直径が１．５ｍｍの場合では、励起光送信用光ファイバ５ａ側のバンドル光ファイバ５ｃのバンドル直径に対して、励起光送信用光ファイバ５ａのバンドル直径が大きいため、励起光送信用光ファイバ５ａとバンドル光ファイバ５ｃとの接続口で励起光が漏洩してしまい、励起光強度が低下する。

一方、図５（ｂ）に示すように、励起光送信用光ファイバ５ａのバンドル直径を１ｍｍとして、蛍光送信用光ファイバ５ｂのバンドル直径を１．５ｍｍとした場合、すなわち、励起光送信用光ファイバ５ａのバンドル直径、バンドル光ファイバ５ｃのバンドル直径、蛍光送信用光ファイバ５ｂのバンドル直径の順にバンドル直径を大きくした場合には、各接続間での励起光及び蛍光の損失がなく最も効率よく蛍光を受光部１０に導光することができる。

以上のように、この発明の実施の形態３によれば、励起光送信用光ファイバ５ａ及び蛍光送信用光ファイバ５ｂと、バンドル光ファイバ５ｃとの接続において、励起光送信用光ファイバ５ａのコア面積、バンドル光ファイバ５ｃの励起光送信用光ファイバ５ａ側のコア面積、バンドル光ファイバ５ｃの蛍光送信用光ファイバ５ｂ側のコア面積、蛍光送信用光ファイバ５ｂのコア面積の順にコア面積を大きくし、励起光及び蛍光の送信側の光ファイバのコアを受信側の光ファイバのコアで覆うように接続することで、励起光送信用光ファイバ５ａ及び蛍光送信用光ファイバ５ｂとバンドル光ファイバ５ｃとの接続間での励起光及び蛍光の漏れを防ぐことができ、励起光及び蛍光の伝送効率を高めることができるため、投光部９から投光する励起光の光量を過度に上げる必要はなく、投光部９の光源の負担を抑えることができる。

なお、この発明の実施の形態３に係る蛍光温度センサ１では、励起光送信用光ファイバ５ａ、蛍光送信用光ファイバ５ｂ及びバンドル光ファイバ５ｃのコア形状は円形状として説明したが、これに限るものではなく、矩形のコアを有する光ファイバを用いて構成してもよい。

また、この発明の実施の形態３に係る蛍光温度センサ１では、励起光送信用光ファイバ５ａ及び蛍光送信用光ファイバ５ｂとを同一の材質の光ファイバを用いて説明したが、これに限るものではなく、励起光送信用光ファイバ５ａと蛍光送信用光同波路５ｂとを別の材質の光ファイバにより構成してもよい。

また、上述の実施の形態では励起光送信用光ファイバ５ａ及び蛍光送信用光ファイバ５ｂをバンドルの光ファイバにより構成して説明したが、これに限るものではなく、励起光送信用光ファイバ５ａ及び蛍光送信用光ファイバ５ｂを単芯の光ファイバにより構成しても構わず、また、例えば励起光送信用光ファイバ５ａを単芯の光ファイバにより構成し、蛍光送信用光ファイバ５ｂをバンドルの光ファイバにより構成するなど、組み合わせて構成しても構わない。

１蛍光温度センサ
２センサプローブ
３センサモジュール
４蛍光体
５光ファイバ
５ａ励起光送信用光ファイバ
５ｂ蛍光送信用光ファイバ
５ｃバンドル光ファイバ
６カバー
７保護管
８駆動部
９投光部
１０受光部
１１処理部

Claims

照射された光の強度に応じた蛍光を発する蛍光体と、
励起光を前記蛍光体に投光する投光部と、
前記蛍光体が発する蛍光を受光する受光部と、
前記投光部が発する励起光を導光する励起光送信用光ファイバと、
前記蛍光体が発する蛍光を導光する蛍光送信用光ファイバと
を備えた蛍光温度センサにおいて、
前記励起光送信用光ファイバと前記蛍光送信用光ファイバは異なる特性を有することを特徴とする蛍光温度センサ。
前記励起光送信用光ファイバは前記投光部が発する励起光の波長に基づいて当該光ファイバの材質を決定し、
前記蛍光送信用光ファイバは前記蛍光体が発する蛍光の波長に基づいて当該光ファイバの材質を決定することを特徴とする請求項１記載の蛍光温度センサ。
前記蛍光送信用光ファイバのコア面積は、前記励起光送信用光ファイバのコア面積よりも大きく構成されることを特徴とする請求項１記載の蛍光温度センサ。
前記励起光送信用光ファイバ及び前記蛍光送信用光ファイバと接続し、前記励起光送信用光ファイバからの励起光を前記蛍光体に導光し、前記蛍光体の発する蛍光を前記蛍光送信用光ファイバに導光するためのバンドル光ファイバとを備え、
前記励起光送信用光ファイバのコア面積、前記バンドル光ファイバの前記蛍光送信用光ファイバ側のコア面積、前記バンドル光ファイバの前記蛍光送信用光ファイバ側のコア面積、前記蛍光送信用光ファイバのコア面積の順にコア面積を大きくなるように構成したことを特徴とする請求項１記載の蛍光温度センサ。