JP4944006B2 - 温度センサ、及び温度測定方法 - Google Patents

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、蛍光強度を積分して、温度を測定するものが開示されている（特許文献２）。この方法では、３つの区間（Ｔ１〜Ｔ２、Ｔ２〜Ｔ３、Ｔ３〜Ｔ４）において蛍光強度を積分している（Ｆｉｇ．８参照）。そして、中央の積分区間（Ｔ２〜Ｔ３）の積分時間をｎ_２Δｔ、両側の積分区間の積分時間（Ｔ１〜Ｔ２、Ｔ３〜Ｔ４）をｎ_１Δｔ、ｎ_３Δｔとすると、ｎ_２Δｔ＝ｎ_１Δｔ＋ｎ_３Δｔとなる。そして、２つの区間（Ｔ１〜Ｔ２、Ｔ３〜Ｔ４）における積分値の和から、中央の区間（Ｔ２〜Ｔ３）における積分値を引いた値をθとしている。このθによって、温度を測定している。

特開２００２−７１４７３号公報 米国特許第４８１６６８７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。また、光源を消灯した直後の初期蛍光強度が変動することもある。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では、ロックイン検知を用いており、高速な応答が原理的に困難である。すなわち、特許文献２の方法では、積分区間の設定を自由に行うことができず、検出時間が長くなってしまう。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
前記蛍光信号が減衰中の予め設定された３以上の期間における前記蛍光信号の積分値をそれぞれ算出し、前記３以上の期間のうち同じ時間幅を有する２期間における前記積分値に基づいて、差分値を算出し、測定温度によって変化する変数を２つの前記差分値の比から算出し、予め記憶された温度と前記差分値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。

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、３つの前記期間が同じ時間幅を有し、前記３つの期間のうち、第１及び第２の期間における前記積分値に基づいて、前記第１の差分値を算出し、３つの期間のうち、第１及び第３の期間における前記積分値に基づいて、前記第２の差分値を算出し、前記第１及び第２の差分値の比から前記変数を算出しているものである。

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、第１の時間幅を有する第１及び第２の期間における前記積分値から、第１の差分値を算出し、２の時間幅を有する第３及び第４の期間における前記積分値から、第２の差分値を算出し、前記第１及び第２の差分値の比から前記変数を算出しているものである。

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３以上の期間の少なくとも一つ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、前記蛍光信号が減衰中の予め設定された３以上の期間における前記蛍光信号の積分値をそれぞれ算出するステップと、前記３以上の期間のうち同じ時間幅を有する２期間における前記積分値に基づいて、差分値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２つの前記差分値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差分値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するステップと、を備えたものである。

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、３つの前記期間が同じ時間幅を有し、前記３つの期間のうち、第１及び第２の期間における前記積分値に基づいて、前記第１の差分値を算出し、３つの期間のうち、第１及び第３の期間における前記積分値に基づいて、前記第２の差分値を算出し、前記第１及び第２の差分値の比から前記変数を算出しているものである。

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、第１の時間幅を有する第１及び第２の期間における前記積分値から、第１の差分値を算出し、２の時間幅を有する第３及び第４の期間における前記積分値から、第２の差分値を算出し、前記第１及び第２の差分値の比から前記変数を算出しているものである。

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３以上の期間の少なくとも一つ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、蛍光信号測定モジュール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、積分光量記憶モジュール３４と、差分量記憶モジュール３５と、比率記憶モジュール３６と、関係記憶モジュール３７と、温度記憶モジュール３８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、蛍光強度を積分する。ここでは、予め設定されている３つの期間Ａ、Ｂ、Ｃに対してそれぞれ積分光量（積分値）を算出する。例えば、期間Ａにおける積分光量は、時間ｔ_Ａ〜ｔ_Ａ＋Δｔまでの蛍光強度の総和になる。さらに、期間Ａ〜期間Ｃは同じ時間幅Δｔになるように設定されている。したがって、期間Ｂの積分光量は、積分光量は、時間ｔ_Ｂ〜ｔ_Ｂ＋Δｔまでの蛍光強度の総和になる。このように、期間Ａ〜Ｃの蛍光強度を積分して、各期間の積分値を求める。

なお、期間Ａ〜Ｃでの積分光量をＩ_Ａ〜Ｉ_Ｃとすると、積分光量Ｉ_Ａ〜Ｉ_Ｃは以下の式（１）で示される。

なお、ｆ（ｔ）は、蛍光強度曲線を示す関数、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。

次に、蛍光信号測定モジュール３１は、積分光量の差を求め、その差分値を差分量記憶モジュール３５に記憶する。ここでは、Ｉ_Ａ−Ｉ_Ｂと、Ｉ_Ｂ−Ｉ_Ｃの２つの差分値を差分量として算出する。この２つの差分量が差分量記憶モジュール３５として記憶される。ここで、積分光量Ｉ_Ａ〜Ｉ_Ｃには式（１）に示されるように、ゼロレベルＣとノイズｎ（ｔ）の項が存在する。そこで、２つの積分値の差分を求めることによって、ゼロレベルＣ、及びノイズｎ（ｔ）を補正することができる。すなわち、各期間の時間幅Δｔが同じであるため、ゼロレベルＣ×Δｔがキャンセルされる。また、時間幅Δｔをある程度長くすると、期間Ａ〜Ｃでノイズｎ（ｔ）が０に収束していく。さらに、時間幅Δｔが等しいため、期間Ａ〜Ｃでノイズｎ（ｔ）が略同じ値になる。よって、ノイズｎ（ｔ）の差が０に収束していき、ノイズ成分がキャンセルされる。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。

次に、２つの差分量（差分値）の比率ｇを求める。比率ｇは下記の式（３）によって求めることができる。
ｇ（τ）＝（Ｉ_Ａ−Ｉ_Ｂ）／（Ｉ_Ｂ−Ｉ_Ｃ） ・・・式（３）

このように、（Ｉ_Ａ−Ｉ_Ｂ）と、（Ｉ_Ｂ−Ｉ_Ｃ）の比に応じて、比率ｇを算出することができる。なお、分子と分母を反対にして、比率ｇ＝（Ｉ_Ｂ−Ｉ_Ｃ）／（Ｉ_Ａ−Ｉ_Ｂ）としてもよい。すなわち、比率ｇは、２つの差分量の比に応じた値であればよい。差分量の比を取ることによって、初期蛍光強度の変動による影響が低減される。

蛍光信号測定モジュール３１は、上記の比率ｇに基づいて温度を測定する。すなわち、比率ｇが測定温度によって変化する変数となる。そして、変数である比率ｇが温度に換算される。減衰曲線は、周囲の温度Ｔによって変化する。

このように、式（２）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、差分量（Ｉ_Ｂ−Ｉ_Ｃ）、及び（Ｉ_Ａ−Ｉ_Ｂ）の値も、温度Ｔによって変化する。比率ｇの値を温度Ｔに変換することができる。すなわち、比率ｇが決まると温度が決まる。このように、比率ｇと測定温度は１対１の関係にあるため、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比率ｇと温度Ｔとの関係を参照して、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、比率ｇから温度Ｔを算出している。比率ｇと温度Ｔとの関係は、関係記憶モジュール３７に記憶されている。

例えば、比率ｇと温度Ｔの関係は、図３に示すようになる。図３は比率ｇと温度Ｔとの関係を示すグラフであり、横軸は比率ｇ、縦軸は周囲の温度Ｔを示している。なお、図３は、積分時間を１ｍｓｅｃとしたときの結果を示すグラフである。すなわち、消灯時間を０とすると、Ｉ_Ａは０〜１ｍｓｅｃの積分値、Ｉ_Ｂは１〜２ｍｓｅｃの積分値、Ｉ_Ｃは２〜３ｍｓｅｃの積分値となっている。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、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、比率ｇと温度の関数を多項式で近似することによって、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、比率ｇと温度Ｔの関係を示す換算テーブルを参照して、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３８に記憶させる。温度記憶モジュール３８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、差分量を求めることで、ゼロレベルＣの影響を排除することができる。また、ノイズ成分の影響を排除することができる。さらに、差分量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。このように、時間積分の差分値の比を取ることによって、瞬時の変動の影響を抑制することができ、高精度化が可能になる。

さらに、上記の測定では、期間Ａ〜Ｃを自由に設定することができる。よって、期間Ａ〜Ｃ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。また、最小自乗法や、フィードバック制御を用いずに測定することが可能になり、演算処理を短時間で行うことができる。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。さらに、期間Ａ〜Ｃは一部が重なっていてもよく、離れていてもよい。

さらに、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。例えば、図３に示すグラフでは、低温レンジでは、温度が変わっても比率ｇがほとんど変化していない。低温レンジでは、蛍光の減衰曲線にかかる蛍光寿命τが比較的長い特性をもつ、即ちなだらかな減衰曲線であるからである。よって、低温レンジでは、期間の設定を変更してもよい。すなわち、期間Ａ〜Ｃの開始時間、及び時間幅を変更する。もちろん、開始時間、又は時間幅を変更すればよい。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の積分光量を用いることができる。すなわち、積分光量Ｉ_Ａ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。積分光量Ｉ_Ａが所定の範囲ならば、時間幅を維持する。積分光量Ｉ_Ａが所定の範囲以下の場合は、高温レンジとして、積分時間を短くする。また、積分光量Ｉ_Ａが所定の範囲よりも大きい場合、時間幅を長くする。このようにすることで、低温時でも高温時でも精度の高い測定が可能になる。

このように、測定レンジに応じて期間の設定を変更することができる。これにより、精度の高い測定が可能になる。期間の設定を変更する場合、期間Ａ〜Ｃと異なる期間Ｄ、Ｅ、Ｆなどを予め設定しておいてもよい。予め４以上の期間を設定しておき、測定レンジに応じて期間を使い分けるようにしてもよい。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。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。

さらに、比率ｇは式（３）に限定されるものではない。すなわち、同じ時間幅を有する２つの期間の差分量に基づいたものであればよい。例えば、比率ｇを式（４）から求めてもよい。
ｇ（τ）＝［（Ｉ_Ａ−Ｉ_Ｂ）―（Ｉ_Ｂ−Ｉ_Ｃ）］／［（Ｉ_Ａ−Ｉ_Ｂ）＋（Ｉ_Ｂ−Ｉ_Ｃ）］ 式（４）

このように、ノイズｎ（ｔ）、ゼロレベルＣの影響が低減できるような比率ｇであればよい。したがって、同じ時間幅を有する２期間における積分値に基づいて、差分値を算出する。そして、測定温度によって変化する変数を２つの差分値の比から算出すればよい。すなわち、２つの差分値に基づいて変数を算出すればよい。このようにすることで、初期蛍光強度Ｉ_０の変動、ノイズｎ（ｔ）、ゼロレベルＣの影響を低減することができる。

上記の説明では、３つの期間Ａ〜Ｃを用いて比率ｇを算出したが、４つの期間を用いて、比率ｇを算出することも可能である。例えば、図４に示すように、期間Ａ〜期間Ｄを設定する。ここで、期間Ａ，Ｂの時間幅Δｔ_１は等しくなっている。また、期間Ｃ，Ｄの時間幅Δｔ_２は等しくなっている。すなわち、時間幅が等しい２つの期間を２セット設定しておく。ここで、期間Ｃ、Ｄは期間Ａ、Ｂと、一部重複している。

そして、期間Ａ〜Ｄの積分光量を同様にして算出する。すなわち、蛍光強度を期間Ａ〜Ｄのそれぞれで積分する。そして、それぞれの積分光量Ｉ_Ａ〜Ｉ_Ｄに基づいて、２つの差分量を算出する。ここでは、同じ時間幅を有する２つ期間に対して、差分量を算出する。したがって、差分量（Ｉ_Ａ−Ｉ_Ｂ）、及び差分量（Ｉ_Ｃ−Ｉ_Ｄ）を求めることができる。

そして、差分量（Ｉ_Ａ−Ｉ_Ｂ）、及び差分量（Ｉ_Ｃ−Ｉ_Ｄ）に基づいて比率ｇを算出する。ここで比率ｇは以下の式（５）によって求めることができる。
ｇ（τ）＝（Ｉ_Ａ−Ｉ_Ｂ）／（Ｉ_Ｃ−Ｉ_Ｄ） ・・・式（５）

このように同じ時間幅を有する２つ期間に対する差分量から比率ｇを算出する。そして、この比率ｇは上記の通り、温度Ｔに対する変数となっている。したがって、比率ｇと温度Ｔの関係を参照することによって、比率ｇを温度Ｔに変換することができる。この場合、予め比率ｇ＝（Ｉ_Ａ−Ｉ_Ｂ）／（Ｉ_Ｃ−Ｉ_Ｄ）と温度の関係を設定しておく。例えば、４つの期間Ａ〜Ｄを用いた場合の比率ｇと温度Ｔの関係は、図５に示すようになる。図５は比率ｇと温度Ｔとの関係を示すグラフであり、横軸は比率ｇ、縦軸は周囲の温度Ｔを示している。ここで、消灯時間を０とすると、Ｉ_Ａは０〜２ｍｓｅｃの積分値、Ｉ_Ｂは２〜４ｍｓｅｃの積分値、Ｉ_Ｃは０〜３ｍｓｅｃの積分値、Ｉ_Ｄは３〜６ｍｓｅｃの積分値となっている。

このように４期間を設定することで、精度よく測定することができる。すなわち、幅広い測定レンジにおいて、周囲の温度Ｔの変化に対する比率ｇの変化量が大きくなる。よって、低温から高温までの幅広い測定レンジにおいて、高精度の測定が可能になる。また、期間Ａ、Ｂと期間Ｃ，Ｄの一部がオーバラップしているため、３つの期間を設定した場合と同程度の時間で測定することが可能になる。

次に、図６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、一定の時間経過後、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の積分光量Ｉ_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の積分光量Ｉ_Ｂを算出して（ステップＳ１０６）、メモリに取り込む（ステップＳ１０７）。期間Ｃの積分光量Ｉ_Ｃを算出して（ステップＳ１０８）、メモリに取り込む（ステップＳ１０９）。また、４以上の期間が設定されている場合は、期間Ｄ、Ｅ，Ｆの積分光量Ｉ_Ｄ、Ｉ_Ｅ。Ｉ_Ｆを算出して（ステップＳ１１０）、メモリに取り込む（ステップＳ１１１）。なお、期間の開始時間、及び時間幅は予め設定されている。これらの処理は、並列して行ってもよい。

そして、差分量、及び比率ｇを求めるための計算を行う（ステップＳ１１２）。ここでは、同じ積分時間の２つの積分値に対する差分量を求める。さらに、２つの差分量に対する比に応じて比率ｇを算出する。そして、差分量、及び比率ｇの計算結果をメモリに取り込む（ステップＳ１１３）。これにより、差分量記憶モジュール３５に差分量が記憶される。比率記憶モジュール３６に比率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Ｓ１１４）、温度を照合する（ステップＳ１１５）。これにより、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Ｓ１１６）ととも、表示画面上に表示させる（ステップＳ１１７）。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７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）、所定の時間経過後、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、３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、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、比率ｇ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３、図５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３７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、４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、それぞれ比率と温度の関係式を算出しておく。すなわち、使い分ける期間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３７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。 比率と温度の関係を示すグラフである。 ４つの期間を設定した場合における蛍光の減衰曲線を示すグラフである。 ４つの期間を設定した場合における比率と温度の関係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 積分光量記憶モジュール、３５ 差分量記憶モジュール、
３６ 関係記憶モジュール、３７ 関係記憶モジュール、３８ 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
   前記蛍光信号が減衰中の予め設定された３以上の期間における前記蛍光信号の積分値をそれぞれ算出し、
   前記３以上の期間のうち同じ時間幅を有する２期間における前記積分値に基づいて、差分値を算出し、
   測定温度によって変化する変数を２つの前記差分値の比から算出し、
   予め記憶された温度と前記差分値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. ３つの前記期間が同じ時間幅を有し、
   前記３つの期間のうち、第１及び第２の期間における前記積分値に基づいて、第１の差分値を算出し、
   前記３つの期間のうち、第１及び第３の期間における前記積分値に基づいて、第２の差分値を算出し、
   前記第１及び第２の差分値の比から前記変数を算出している請求項１に記載の温度センサ。
3. 第１の時間幅を有する第１及び第２の期間における前記積分値から、第１の差分値を算出し、
   第２の時間幅を有する第３及び第４の期間における前記積分値から、第２の差分値を算出し、
   前記第１及び第２の差分値の比から前記変数を算出している請求項１に記載の温度センサ。
4. 前記３以上の期間の少なくとも一つ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、
   前記蛍光信号が減衰中の予め設定された３以上の期間における前記蛍光信号の積分値をそれぞれ算出するステップと、
   前記３以上の期間のうち同じ時間幅を有する２期間における前記積分値に基づいて、差分値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２つの前記差分値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差分値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するステップと、を備えた温度測定方法。
7. ３つの前記期間が同じ時間幅を有し、
   前記３つの期間のうち、第１及び第２の期間における前記積分値に基づいて、前記第１の差分値を算出し、
   ３つの期間のうち、第１及び第３の期間における前記積分値に基づいて、前記第２の差分値を算出し、
   前記第１及び第２の差分値の比から前記変数を算出している請求項６に記載の温度測定方法。
8. 第１の時間幅を有する第１及び第２の期間における前記積分値から、第１の差分値を算出し、
   第２の時間幅を有する第３及び第４の期間における前記積分値から、第２の差分値を算出し、
   前記第１及び第２の差分値の比から前記変数を算出している請求項６に記載の温度測定方法。
9. 前記３以上の期間の少なくとも一つ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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