JP5225773B2

JP5225773B2 - 温度センサ、及び温度測定方法

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Publication number: JP5225773B2
Application number: JP2008179142A
Authority: JP
Inventors: 静一郎衣笠; 淳之加藤; 俊司市田; 雄成柳川
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Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2008-07-09
Filing date: 2008-07-09
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2028-07-09
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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３以上の期間における前記積分値に基づいて、第１の差分値及び第２の差分値を算出し、前記第１の差分値及び前記第２の差分値の差分比率から、蛍光寿命を算出し、予め記憶された温度と前記蛍光寿命との関係を参照して、前記蛍光寿命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、前記第１の態様において、前記処理部が、式（１）及び（２）を満たすように、４つの前記期間を設定し、

（ｔ_Aは第１の前記期間の積分開始時刻、ｔ_Bは第２の前記期間の積分開始時刻、ｔ_Cは第３の前記期間の積分開始時刻、ｔ_Dは第４の前記期間の積分開始時刻、Ｎは任意の定数）

前記差分比率を、式（３）により算出し、

（αは前記差分比率、Ｓ_Aは第１の前記期間の積分値、Ｓ_Bは第２の前記期間の積分値、Ｓ_Cは第３の前記期間の積分値、Ｓ_Dは第４の前記期間の積分値）

前記蛍光寿命を、式（４）により算出するものである。

（τは前記蛍光寿命）

本発明の第３の態様にかかる温度センサは、前記第１の態様において、前記処理部が、式（５）及び（６）を満たすように、３つの前記期間を設定し、

（ｔ_Aは第１の前記期間の積分開始時刻、ｔ_Bは第２の前記期間の積分開始時刻、ｔ_Cは第３の前記期間の積分開始時刻、Ｎは任意の定数）

前記差分比率を、式（７）により算出し、

（αは前記差分比率、Ｓ_Aは第１の前記期間の積分値、Ｓ_Bは第２の前記期間の積分値、Ｓ_Cは第３の前記期間の積分値）

前記蛍光寿命を、式（８）により算出するものである。

（τは前記蛍光寿命）

本発明の第４の態様にかかる温度センサは、前記第１及至３のいずれか１つの態様において、測定する温度のレンジ、前記蛍光信号に含まれるノイズ、前記蛍光強度の分解能、蛍光減衰波形のいずれか１以上に応じて、前記期間の設定を変化させるものである。

本発明の第５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３以上の期間における前記積分値に基づいて、第１の差分値及び第２の差分値を算出するステップと、前記第１の差分値及び前記第２の差分値の差分比率から、蛍光寿命を算出するステップと、予め記憶された温度と前記蛍光寿命との関係を参照して、前記蛍光寿命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６の態様にかかる温度測定方法は、前記第５の態様において、式（９）及び（１０）を満たすように、４つの前記期間を設定するステップと、

前記差分比率を、式（１１）により算出するステップと、

前記蛍光寿命を、式（１２）により算出するステップとを備えたものである。

（τは前記蛍光寿命）

本発明の第７の態様にかかる温度測定方法は、前記第５の態様において、式（１３）及び（１４）を満たすように、３つの前記期間を設定するステップと、

前記差分比率を、式（１５）により算出するステップと、

前記蛍光寿命を、式（１６）により算出するステップとを備えたものである。

（τは前記蛍光寿命）

本発明の第８の態様にかかる温度測定方法は、前記第５及至７のいずれか１つの態様において、測定する温度のレンジ、前記蛍光信号に含まれるノイズ、前記蛍光強度の分解能、蛍光減衰波形のいずれか１以上に応じて、前記期間の設定を変化させるステップを備えたものである。

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。

発明の実施の形態１．
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、光源駆動回路１１、光源１２、受光素子１３、受光信号処理回路１４、蛍光体１５、光ファイバ１６、導波路ロッド１７、及び保護管１８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体１５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、蛍光体１５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、蛍光体１５の温度が変化する。すなわち、測定試料から蛍光体１５への熱伝導、又はその反対の熱伝導によって、蛍光体１５の温度が測定試料と等しくなる。蛍光体１５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。

蛍光体１５と、導波路ロッド１７と、保護管１８とが、センサプローブ２０を構成する。光源駆動回路１１と、光源１２と、受光素子１３と、受光信号処理回路１４とが、本体部２１を構成する。そして、センサプローブ２０を本体部２１に取り付けた状態で測定を行う。

光源１２は、蛍光体１５を励起するための励起光を照射する。そして、この励起光が光ファイバ１６及び導波路ロッド１７を通って、蛍光体１５に入射する。蛍光体１５は、励起光によって、励起され、蛍光を発生する。この蛍光が光ファイバ１６及び導波路ロッド１７を通って、受光素子１３で検出される。

光源駆動回路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、光源駆動回路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１７は、細長いロッド形状を有している。導波路ロッド１７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１７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、及び蛍光体１５で発生した蛍光は、導波路ロッド１７及び光ファイバ１６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１７及び光ファイバ１６は、励起光を蛍光体１５に照射するための投光路となる。なお、図１中、光ファイバ１６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２１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。

蛍光体１５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所定の蛍光材料を含む蛍光体１５を導波路ロッド１７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、受光信号処理回路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、蛍光体１５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、蛍光体１５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。

受光信号処理回路１４は、図２に示すように、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。受光信号処理回路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。受光信号処理回路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、受光信号処理回路１４としてマイコンなどを用いることができる。受光信号処理回路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。受光信号処理回路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、差分比率記憶モジュール３５と、蛍光寿命記憶モジュール３６、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３に示すようになっている。なお、図３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３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。

蛍光強度は、図３中の蛍光減衰曲線ｅ^-t/τに示すように、光源１２の消灯時刻から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、蛍光体１５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、実際に蛍光体１５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。算出された積分光量は、積分光量記憶モジュール３４に記憶される。ここでは、図３に示すように、予め設定されている４つの期間Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ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Ｄ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、時間ｔ_B〜ｔ_B＋Δｔまでの蛍光強度の総和になる。また、期間Ｃの積分光量は、時間ｔ_C〜ｔ_c＋Δｔまでの蛍光強度の総和になる。このように、期間Ａ〜Ｄ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〜Ｄでの積分光量をＳ_A〜Ｓ_Dとすると、積分光量Ｓ_A〜Ｓ_Dは以下の式（１７）〜（２０）で示される。

ｅ^-t/τは、蛍光減衰曲線を示す関数である。Ｉ₀は、初期蛍光強度であり、ｔ＝０、たとえば、光源消灯時刻での蛍光強度になる。また、光源消灯直後の蛍光強度にノイズが含まれる場合は光源消灯直後から数ｍｓｅｃ後の蛍光強度としてもよい。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。ｎ（ｔ）は、前記ノイズを表す関数である。Ｃは、前記オフセットを表す定数である。

そして、蛍光信号測定モジュール３１は、前記期間Ａ〜Ｄを、以下の式（２１）及び（２２）に基づいて設定する。すなわち、式（２１）及び（２２）を満たすような積分開始時刻ｔ_A、ｔ_B、ｔ_C、ｔ_Dが設定される。

なお、式（２２）中のＮは、任意に設定可能な定数であり、整数であることに限定されるものではない。

蛍光信号測定モジュール３１は、上記のようにして設定した期間Ａ〜Ｄの積分光量Ｓ_A〜Ｓ_Dの差分比率を求める。この差分比率をαとおくと、差分比率αは、以下の式（２３）により算出される。算出された差分比率αは、差分比率記憶モジュール３５に記憶される。

積分光量Ｓ_A〜Ｓ_Dは、前記積分光量記憶モジュール３４に記憶されたデータを読み出すことにより得られる。ここでは、Ｓ_A−Ｓ_B及びＳ_C−Ｓ_Dの２つの差分値についての比率を算出している。

ここで、積分光量Ｓ_Ａ〜Ｓ_Dには、式（１７）〜（２０）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。しかし、Ｓ_A−Ｓ_B及びＳ_C−Ｓ_Dのように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〜Ｄ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〜Ｄ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、精度の高い測定を行うことができる。また、差分の比率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。

次いで、蛍光信号測定モジュール３１は、前記差分比率αに基づいて、蛍光寿命τを算出する。蛍光寿命τは、以下の式（２４）により算出される。算出された蛍光寿命τは、蛍光寿命記憶モジュール３６に記憶される。

以下に、式（２４）がどのようにして導かれるかを説明する。前記差分比率αは、式（２３）及び式（１７）〜（２０）により、以下の式（２５）に書き換えることができる。

式（２５）に、式（２１）及び（２２）の関係を当てはめると、以下の式（２６）が導かれる。

式（２６）の両項に自然対数をとると、以下の式（２７）が導かれ、この式（２７）から前記式（２４）が導かれる。

このように、蛍光寿命τは、式（２１）及び（２２）を満たすように期間Ａ〜Ｄ（積分開始時刻ｔ_A〜ｔ_D）を設定することによって、積分開始時刻ｔ_A、定数Ｎ、及び差分比率αから算出することができる。

そして、蛍光信号測定モジュール３１は、前記蛍光寿命τに基づいて温度を決定する。すなわち、蛍光寿命τが測定温度によって変化する変数となる。そして、変数である蛍光寿命τ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、蛍光減衰曲線関数ｅ^-t/τは、温度に応じて変化する。このため、蛍光寿命τも温度Ｔによって変化する。すなわち、蛍光寿命τが決まると温度Ｔが決まる。蛍光信号測定モジュール３１は、予め用意されている蛍光寿命τと温度Ｔとの関係を参照して、蛍光寿命τを温度Ｔに変換する。蛍光寿命τ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、蛍光寿命τと温度Ｔとの関係は、図４に示すようになる。図４において、横軸は蛍光寿命τ、縦軸は周囲の温度Ｔを示している。なお、図４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、Ｓ_Aは０〜１ｍｓｅｃの積分値、Ｓ_Bは１〜２ｍｓｅｃの積分値、Ｓ_Cは２〜３ｍｓｅｃの積分値、Ｓ_Dは３〜４ｍｓｅｃ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、蛍光寿命τ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、蛍光寿命τと温度Ｔとの関数を多項式で近似することによって、蛍光寿命τと温度Ｔと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蛍光寿命τ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、蛍光寿命τと温度Ｔとの関係を示す換算テーブルを参照して、蛍光寿命τ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、積分光量の差分を求めることで、オフセット及びノイズの影響を排除することができる。さらに、差分比率を求めることで、初期蛍光強度Ｉ₀の変動の影響を排除することができる。これにより、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。また、積分期間Ａ〜Ｄを上記式（２１）及び（２２）を満たすように設定することにより、蛍光寿命τを式（２４）を用いて簡便に算出することができる。これにより、処理速度を向上させることができる。また、メモリの使用容量を減らすことができる。

さらに、上記の測定では、期間Ａ〜Ｄを自由に設定することができる。よって、期間Ａ〜Ｄ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、処理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〜Ｄは一部が重なっていてもよく、離れていてもよい。

さらに、測定温度のレンジに応じて、積分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、低温レンジでは、蛍光の減衰曲線は比較的なだらかになるため、積分光量の差分が小さくなるが、積分開示時刻や積分時間範囲を調整することで、十分な差分を測定することが可能となる。また、高温レンジでは、光源１２を消灯後の早い時間帯に積分期間を設定することができるため、応答性を向上させることができる。

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Ｓ_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Ｓ_Aが所定の範囲ならば、時間幅を維持する。積分光量Ｓ_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Ｓ_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〜Ｄと異なる期間Ｅ、Ｆ、Ｇなどを予め設定しておいてもよい。予め５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、それぞれの蛍光寿命τに対する関係式、又は換算テーブルを記憶させておく。また、上述したように測定レンジに応じて期間の設定を行うほか、蛍光信号に含まれるノイズの大きさ、蛍光強度の分解能、蛍光減衰波形に応じて期間の設定を行っても良い。例えばノイズが小さい場合は期間を小さく設定しても良いし、ディジタルデータ化された蛍光強度の時間変化が、たとえばＡ／Ｄ変換の分解能に対して小さいときには、それに応じて期間を設定できる。また、図３に示したような蛍光減衰波形が指数関数的な挙動を示す範囲に限定して期間を設定するようにしても良い。これらの要素のうち、いずれか１以上を考慮して期間の設定を行うようにすることが好ましい。

さらに、差分比率αは、式（２３）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。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Ｉ₀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。

次に、図５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、センサプローブ２０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Ｓ_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Ｓ_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Ｓ_Cを算出して（ステップＳ１０８）、メモリに取り込む（ステップＳ１０９）。期間Ｄの積分光量Ｓ_Dを算出して（ステップＳ１１０）、メモリに取り込む（ステップＳ１１１）。これらの期間Ａ〜Ｄ（積分開始時刻ｔ_A〜ｔ_D）は、前記式（２１）及び（２２）に基づいて、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、差分比率α、及び蛍光寿命τ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算出する。また、これらの２つの差分量から差分比率αを算出する。さらに、この差分比率αを用いて蛍光寿命τを算出する。差分比率α及び蛍光寿命τの計算結果をメモリに取り込む（ステップＳ１１３）。差分比率αは差分比率記憶モジュール３６に記憶される。蛍光寿命τは蛍光寿命記憶モジュール３７に記憶される。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、蛍光寿命τが温度Ｔに変換される。

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。さらに、演算処理に使用するメモリ容量を削減することができる。

図６に示すのは、上記図５のステップＳ１１４において換算テーブルを用いるのに対し、校正用の計算式（近似式）を用いる場合のフローチャートである。この場合には、前記ステップＳ１１４及びステップＳ１１５の替わりに、予め記憶された校正用の計算式を読み出し（ステップＳ２１４）、温度を算出する（ステップＳ２１５）。校正用の計算式は、関係記憶モジュール３７に記憶されている。図６に示すフローチャートの前記ステップＳ２１４及びステップＳ２１５以外の部分については、図５に示すフローチャートと同様である。

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、温度センサの受光信号処理回路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、試料にセンサプローブ２０の感熱部を接触させる。そして、光源を点灯し（ステップＳ３０１）、所定の時間経過後、光源を消灯する（ステップＳ３０２）。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Ｓ３０３）。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Ｓ３０４）。すなわち、受光信号処理回路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Ｓ３０２〜ステップＳ３０４と並行して、周囲温度を測定する（ステップＳ３０５）。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Ｓ３０６）。そして、その周囲温度を外部メモリに転送する（ステップＳ３０７）。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Ｓ３０８）。ここでは、４つの期間に対して、開始時刻、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、蛍光寿命τを算出する（ステップＳ３０９）。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Ｓ３１０）。ここでは、最小自乗法などを用いて、蛍光寿命τと温度Ｔ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Ｓ３１１）。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、５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、それぞれ蛍光寿命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。

発明の実施の形態２．
図８において、積分期間を３つとした場合の例が示されている。この場合には、蛍光信号測定モジュール３１は、期間Ａ〜Ｃ、すなわち積分開始時刻ｔ_A〜ｔ_Cを、以下の式（２８）及び（２９）を満たすように設定する。

これにより、各期間Ａ〜Ｃの蛍光積分Ｓ_A〜Ｓ_Cの積分比率αは、以下の式（３０）のように表される。

そして、式（３０）の両項に自然対数をとると、以下の式（３１）が導かれる。

このように、積分期間を３つとした場合には、式（２８）及び（２９）を満たすように期間Ａ〜Ｃ（積分開始時刻ｔ_A〜ｔ_C）を設定することによって、式（３１）のように、積分開始時刻ｔ_A、定数Ｎ、及び差分比率αから蛍光寿命τを算出することができる。なお、定数Ｎは、上記実施の形態１と同様に、整数に限定されるものではない。

このようにして算出された蛍光寿命τを用いて、上記実施の形態１と同様に、温度Ｔを求めることができる。これにより、上記実施の形態１と同様の効果に加え、積分演算処理の減少による処理速度の向上、またメモリ使用量の削減を図ることができる。

本発明にかかる温度センサの構成を模式的に示す図である。受信信号処理回路の構成を示すブロック図である。実施の形態１における蛍光の減衰曲線及び積分期間を示すグラフである。蛍光寿命と温度の関係を示すグラフである。本発明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。本発明にかかる温度センサを用いた別の温度測定方法を示すフローチャートである。本発明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。実施の形態２における蛍光の減衰曲線及び積分期間を示すグラフである。

符号の説明

１１光源駆動回路、１２光源、１３受光素子、１４受光信号処理回路、１５蛍光体、１６光ファイバ、１７導波路ロッド、２０センサプローブ、２１本体部、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差分比率記憶モジュール、３６蛍光寿命記憶モジュール、３７関係記憶モジュール、３８温度記憶モジュール

Claims

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４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４以上の期間のうち同じ時間幅を有する４以上の期間における前記積分値に基づいて、第１の差分値及び第２の差分値を算出し、
前記第１の差分値及び前記第２の差分値の差分比率から、蛍光寿命を算出し、
予め記憶された温度と前記蛍光寿命との関係を参照して、前記蛍光寿命を温度に換算している温度センサ。
前記処理部が
式（１）及び（２）を満たすように、４つの前記期間を設定し、

（ｔ_Aは第１の前記期間の積分開始時刻、ｔ_Bは第２の前記期間の積分開始時刻、ｔ_Cは第３の前記期間の積分開始時刻、ｔ_Dは第４の前記期間の積分開始時刻、Ｎは任意の定数）
前記差分比率を、式（３）により算出し、

（αは前記差分比率、Ｓ_Aは第１の前記期間の積分値、Ｓ_Bは第２の前記期間の積分値、Ｓ_Cは第３の前記期間の積分値、Ｓ_Dは第４の前記期間の積分値）
前記蛍光寿命を、式（４）により算出する、

（τは前記蛍光寿命）
請求項１記載の温度センサ。
測定する温度のレンジ、前記蛍光信号に含まれるノイズ、前記蛍光強度の分解能、蛍光減衰波形のいずれか１以上に応じて、前記期間の設定を変化させる請求項１又は２に記載の温度センサ。
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４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４以上の期間のうち同じ時間幅を有する４以上の期間における前記積分値に基づいて、第１の差分値及び第２の差分値を算出するステップと、
前記第１の差分値及び前記第２の差分値の差分比率から、蛍光寿命を算出するステップと、
予め記憶された温度と前記蛍光寿命との関係を参照して、前記蛍光寿命を温度に換算するステップと、を備えた温度測定方法。
式（９）及び（１０）を満たすように、４つの前記期間を設定するステップと、

（ｔ_Aは第１の前記期間の積分開始時刻、ｔ_Bは第２の前記期間の積分開始時刻、ｔ_Cは第３の前記期間の積分開始時刻、ｔ_Dは第４の前記期間の積分開始時刻、Ｎは任意の定数）
前記差分比率を、式（１１）により算出するステップと、

（αは前記差分比率、Ｓ_Aは第１の前記期間の積分値、Ｓ_Bは第２の前記期間の積分値、Ｓ_Cは第３の前記期間の積分値、Ｓ_Dは第４の前記期間の積分値）
前記蛍光寿命を、式（１２）により算出するステップと、

（τは前記蛍光寿命）
を備えた請求項４記載の温度測定方法。
測定する温度のレンジ、前記蛍光信号に含まれるノイズ、前記蛍光強度の分解能、蛍光減衰波形のいずれか１以上に応じて、前記期間の設定を変化させるステップを備えた請求項４又は５に記載の温度測定方法。