JP5197443B2 - 蛍光温度センサ - Google Patents

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。

特開２００２−７１４７３号公報

上記のように構成される蛍光温度センサでは、被測定面に蛍光体を接触させることにより温度を測定するため、蛍光体は、蛍光体と接続する光導波路から伝わる外部熱を避けることが重要となる。しかしながら、特許文献１に開示された蛍光温度センサでは、蛍光体と光導波路とが面接触しているため、光導波路から蛍光体に外部熱が伝達してしまう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、外部からの熱的影響を抑えることができ、熱的に安定した温度測定を行う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、少なくとも一部が開口したカバーに収容される蛍光体と、蛍光体に励起光を投光する投光部と、蛍光体の発する蛍光を受光する受光部と、投光部及び受光部と蛍光体間の導光を行う光導波路と、受光部の受光量に基づき、温度を算出する処理部とを備えた蛍光温度センサにおいて、蛍光体はカバーの開口部側に窪み部が形成され、光導波路は蛍光体に形成される窪み部に対向する位置に突き当てられることにより、蛍光体と光導波部が３点以上の点接触あるいは略線接触で接続されるものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、蛍光体と光導波路との接触面積を小さくすることで、外部熱の伝達を抑えることができ、熱的に安定した温度測定を実現できる。また、蛍光体と光導波路とを３点以上で点接触あるいは線接触させることにより機械的にも安定させることができる。

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における蛍光体と光導波路の接続関係を示す断面図である。 この発明の実施の形態１における蛍光体の窪み部の形状を示す断面図である。 この発明の実施の形態１における蛍光体の窪み部の形状を示す上面図である。 この発明の実施の形態１におけるセンサプローブの製造方法を示す図である。 この発明の実施の形態１におけるセンサプローブの製造方法を示す他の図である。 この発明の実施の形態２におけるセンサプローブ２の構造を示す断面図である。

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はこの発明の実施の形態１に係る蛍光温度センサ１の構造を示す図である。
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、センサモジュール３と蛍光体４間に接続される光導波路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とにより構成される。ここで、光導波路５は、励起光または蛍光を導光する光ファイバ５ａと、光ファイバ５ａに傷が付かないように保護するための保護管５ｂとにより構成される。

センサモジュール３は、図１に示すように、駆動部７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８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９と、受光部９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１０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８から励起光が蛍光体４に投光される。この投光部８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９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９が受光する受光量は、処理部１０により逐一計測されている。次いで、投光部８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１０が計測することにより、被測定面の温度を計測する。

次に、上記のように構成される蛍光温度センサ１の蛍光体４と光導波路５の接続関係について詳細について説明する。
図２はこの発明の実施の形態１における蛍光体４と光導波路５の接続関係を示す断面図である。
図３はこの発明の実施の形態１における蛍光体４の窪み部４ａの形状を示す断面図である。
図４はこの発明の実施の形態１における蛍光体４の窪み部４ａの形状を示す上面図である。

図２（ａ）に示すように、蛍光体４には、窪み部４ａが形成される。蛍光体４の軸に沿った断面での窪み部４ａの窪み形状は、図３（ａ）〜（ｃ）に示すような、三角形状、台形状、半楕円形状等に形成される。また、そのときの蛍光体４の軸に垂直な面での窪み部４ａの縁部形状は、図４（ａ）〜（ｅ）に示すような、矩形状、三角形状、五角形状、六角形上、円形状等に形成される。この蛍光体４に形成される窪み部４ａの形状は、蛍光体４と接続する光導波路５先端の形状に応じて、蛍光体４及び光導波路５が３点以上の点接触あるいは線接触により接続するような形状に適宜選択される。

光導波路５は、図２（ａ）に示すように、投光部８が投光した励起光を蛍光体４に導光し、蛍光体４が発光した蛍光を受光部９に導光する光ファイバ５ａと、光ファイバ５ａを内部に収納し、光ファイバ５ａに傷が付かないように保護するための保護管５ｂとにより構成される。また、光ファイバ５ａの蛍光体４に対向する先端面は、保護管５ｂの蛍光体４に対向する先端面に対して内側に配置され、光ファイバ５ａは接着剤等により保護管５ｂに固定される。

上記のように構成される窪み部４ａを有する蛍光体４及び光導波路５は、図２（ａ）に示すように、蛍光体４に形成される窪み部４ａに対向する位置に光導波路５を突き当てることにより、面接触することなく、３点以上の点接触あるいは線接触で接続するように構成される。ここで、蛍光体４と光導波路５は、蛍光体４に形成される窪み部４ａの軸心と光導波路５の軸心とが同一軸上に位置するように配置される。

また、図２（ｂ）は、蛍光体４に形成される窪み部４ａの曲率半径が蛍光体４に対向する光導波路５先端の曲率半径よりも小さくなるように構成したものである。このように構成することでも、蛍光体４と光導波路５とが面接触することはなく、３点以上の点接触あるいは線接触で接続することができる。

次に、上記のように窪み部４ａが形成される蛍光体４を用いて構成されるセンサプローブ２を製造する方法について説明する。
図５はこの発明の実施の形態１におけるセンサプローブ２の製造方法を示す図である。

センサプローブ２の製造工程では、まず、図５（ａ）に示すように、粉末状の蛍光体４と、この粉末状の蛍光体４の焼結助剤であるバインダ１１とを混合したものをキャップ６内に積層する（混合・積層工程）。

次いで、図５（ｂ）に示すように、キャップ６内に積層された粉末状の蛍光体４とバインダ１１の混合物を冶具を用いて押し固める（プレス工程）。このプレス工程で用いられる冶具は蛍光体４に窪み部４ａを形成するための各種形状を有しており、このプレス工程により、蛍光体４に所望の形状の窪み部４ａを形成する。

次いで、図５（ｃ）に示すように、プレス工程により窪み部４ａが形成された蛍光体４を乾燥・焼結する（乾燥・焼結工程）。この乾燥・焼結工程により、蛍光体４に混合されている溶剤が揮発し、蛍光体４が固まる。

次いで、図５（ｄ）に示すように、光導波路５を、蛍光体４に形成される窪み４ａに対向する位置に突き当て、配置する（ファイバアライメント工程）。このように光導波路５を、光導波路５の先端形状と形状が一致しない、蛍光体４に形成される窪み部４ａに配置することにより、蛍光体４と光導波路５を、面接触ではなく３点以上の点接触あるいは線接触させることができる。ここで、蛍光体４と光導波路５は、蛍光体４に形成される窪み部４ａの軸心と光導波路５の軸心とが同一軸上に位置するように配置する。

次いで、図５（ｅ）に示すように、光導波路５に設けられる保護管５ｂとキャップ６を接着剤、溶接等により固定することにより、蛍光体４と光導波路５を接続する（接続工程）。また、保護管５ｂが金属製である場合には、溶接・ロー付けによる固定も可能である。なお、このとき、光導波路５に設けられる光ファイバ５ａは蛍光体４と接触することはなく、光導波路５に設けられる保護管５ｂと蛍光体４とが３点以上の点接触あるいは線接触することにより、蛍光体と光導波路５を接続する。

また、図５に示したセンサプローブ２の製造工程では、光導波路５を光ファイバ５ａ及び保護管５ｂにより構成したものを使用したが、図６に示すように、光導波路５に保護管５ｂを設けず、光ファイバ５ａのみで構成してもよい。この場合、図６（ｅ）に示すように、接続工程で、光ファイバ５ａとキャップ６を接着剤、溶接等により固定することにより、蛍光体４と光導波路５を接続する。

以上のように、この発明の実施の形態１によれば、センサプローブ２に設けられる蛍光体４に窪み部４ａを形成して、蛍光体４と光導波路５が３点以上の点接触あるいは線接触により接続されるように構成したので、蛍光体４と光導波路５との接触面積を小さくすることで、外部からの熱的影響を避けることができ、熱的に安定した温度測定を実現できる。また、蛍光体４と光導波路５とが３点以上の点接触あるいは線接触で接続されることにより機械的にも安定させて温度測定を行うことができる。

実施の形態２．
図７はこの発明の実施の形態２におけるセンサプローブ２の構造を示す断面図である。
上記実施の形態１に係る蛍光温度センサプローブ１では、蛍光体４に窪み部４ａを設けることにより、蛍光体４と光導波路５とを３点以上で点接触あるいは線接触させるように構成したが、この発明の実施の形態２に係る蛍光温度センサプローブ１は、図７に示すように、蛍光体４には窪み部４ａを設けずに、光導波路５に窪み部５ｃを設けたものである。以下、図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てその説明を省略する。

図７に示すように、光導波路５は、光ファイバ５ａと保護管５ｂとにより構成され、さらに窪み部５ｃが形成される。光導波路５の軸に沿った断面での窪み部５ｃの窪み形状は、三角形状、台形状、半楕円形状等に形成される。また、そのときの光導波路５の軸に垂直な面での窪み部５ｃの縁部形状は、矩形状、三角形状、五角形状、六角形上、円形状等に形成される。この光導波路５に形成される窪み部５ｃの形状は、光導波路５と接続する蛍光体４の形状に応じて、蛍光体４及び光導波路５が３点以上の点接触あるいは線接触により接続されるような形状に適宜選択される。

上記のように構成される窪み部５ｃを有する光導波路５及び蛍光体４は、図７に示すように、光導波路５に形成される窪み部５ｃに対向する位置に蛍光体４を突き当てることにより、面接触することなく、３点以上の点接触あるいは線接触で接続するように構成される。ここで、蛍光体４と光導波路５は、蛍光体４の軸心と光導波路５に形成される窪み部５ｃの軸心とが同一軸上に位置するように配置する。

以上のように、この発明の実施の形態２によれば、センサプローブ２に設けられる光導波路５に窪み部５ｃを形成して、蛍光体４と光導波路５が３点以上の点接触あるいは線接触により接続されるように構成したので、蛍光体４と光導波路５との接触面積を小さくすることで、外部からの熱的影響を避けることができ、熱的に安定した温度測定を実現できる。また、蛍光体４と光導波路５とが３点以上の点接触あるいは線接触で接続されることにより機械的にも安定させて温度測定を行うことができる。

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
４ａ 窪み部
５ 光導波路
５ａ 光ファイバ
５ｂ 保護管
５ｃ 窪み部
６ カバー
７ 駆動部
８ 投光部
９ 受光部
１０ 処理部
１１ バインダ

Claims (10)

1. 少なくとも一部が開口したカバーに収容される蛍光体と、
   前記蛍光体に励起光を投光する投光部と、
   前記蛍光体の発する蛍光を受光する受光部と、
   前記投光部及び前記受光部と前記蛍光体間の導光を行う光導波路と、
   前記受光部の受光量に基づき、温度を算出する処理部とを備えた蛍光温度センサにおいて、
   前記蛍光体は前記カバーの開口部側に窪み部が形成され、
   前記光導波路は前記蛍光体に形成される前記窪み部に対向する位置に突き当てられることにより、前記蛍光体と前記光導波部が３点以上の点接触あるいは略線接触で接続されることを特徴とする蛍光温度センサ。
2. 前記光導波部は、光ファイバと、前記光ファイバの外周に位置し、前記光ファイバを保護する保護管とからなることを特徴とする請求項１記載の蛍光温度センサ。
3. 前記蛍光体は、前記光ファイバとは接触せず、前記保護管と接触することを特徴とする請求項２記載の蛍光温度センサ。
4. 前記蛍光体に形成される前記窪み部は、前記蛍光体の軸に沿った断面での窪み形状が多角形状に形成されることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか１項記載の蛍光温度センサ。
5. 前記蛍光体に形成される前記窪み部は、前記蛍光体の軸に沿った断面での窪み形状が曲面状に形成されることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか１項記載の蛍光温度センサ。
6. 前記蛍光体及び前記光導波路は、前記蛍光体に形成される前記窪み部の軸心と前記光導波部の軸心とが同一軸上に位置するように、配置されることを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか１項記載の蛍光温度センサ。
7. 少なくとも一部が開口したカバーに収容される蛍光体と、
   前記蛍光体に励起光を投光する投光部と、
   前記蛍光体の発する蛍光を受光する受光部と、
   前記投光部及び前記受光部と前記蛍光体間の導光を行う光導波路と、
   前記受光部の受光量に基づき、温度を算出する処理部とを備えた蛍光温度センサにおいて、
   前記光導波路は前記蛍光体と接続される先端表面に窪み部が設けられ、
   前記蛍光体は前記光導波路に形成される前記窪み部に対向する位置に突き当てられることにより、前記蛍光体と前記光導波部が略線接触あるいは３点以上の点接触で接続されることを特徴とする蛍光温度センサ。
8. 前記光導波路に形成される前記窪み部は、前記光導波路の軸に沿った断面での窪み形状が多角形状に形成されることを特徴とする請求項７記載の蛍光温度センサ。
9. 前記光導波路に形成される前記窪み部は、前記光導波路の軸に沿った断面での窪み形状が曲面状に形成されることを特徴とする請求項７記載の蛍光温度センサ。
10. 前記蛍光体及び前記光導波路は、前記蛍光体の軸心と前記光導波部に形成される前記窪み部の軸心とが同一軸上に位置するように、配置されることを特徴とする請求項７から請求項９のうちいずれか１項記載の蛍光温度センサ。

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