JP6233707B2 - 光学式温度センサ及び光学式温度センサの製造方法 - Google Patents
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Description
温度に応じて光透過特性が変化する温度感知素子と、
前記温度感知素子を保持する、中空の保持体と、
前記保持体の内部に設けられ、先端面が前記温度感知素子と所定の距離離隔された位置にて前記温度感知素子に対向して配置される光ファイバと、を有し、
前記温度感知素子は、前記光ファイバの先端面から出射した光を入射し、入射した光を透過させ、透過した光が測定対象物により反射した反射光を透過させる、
を有することを特徴とする光学式温度センサが提供される。
上記光学式温度センサの製造方法であって、
前記温度感知素子を前記保持体に保持する工程と、
前記光ファイバの先端面を前記温度感知素子と離隔した状態で前記保持体を回転し、前記温度感知素子と前記光ファイバとの対向位置を適正化する工程と、
前記適正化した、前記温度感知素子と所定の距離離隔された対向位置に前記光ファイバを配置する工程と、
を有する光学式温度センサの製造方法が提供される。
初めに、本発明の一実施形態に係る光学式温度センサ1について、図1を参照しながら説明する。図1は、一実施形態に係る光学式温度センサの全体構成図である。光学式温度センサ1は、光ファイバを用いた温度センサであり、温度により光学的吸収波長が変化する半導体化合物のチップ(感熱体)を用いる。すなわち、光学式温度センサ1は、温度により透過する光の吸収波長が変化する感熱体を利用して温度を検知する半導体吸収波長式の温度センサである。
次に、本実施形態に係る光学式温度センサ1の製造方法について、図2を参照しながら説明する。図2は、一実施形態に係る光学式温度センサの製造方法を示す。なお、光学式温度センサ1の製造を開始する前に、保持筒体12の先端部の側面に、図2(e)に示した切欠部12aを形成しておく。
図2(e)は、図2(d)のC−C面から光学式温度センサ1の先端部の側面を見た図である。感熱体10が結露した場合には正確な温度計測が困難になる。そこで、中空部Sにおける結露を防止する必要がある。このために、本実施形態の光学式温度センサ1では、保持筒体12の先端部の側面に切欠部12aが形成されている。切欠部12aは、中空部Sと連通する。これにより、感熱体10が配置された空間は密閉されず、外気が流入できる構造となる。また、切欠部12aから中空部Sにドライエアーを流入させ、感熱体10が取り付けられた位置にドライエアーを循環させる。これにより、中空部Sに水分が混入し、光学式温度センサ1の先端に結露が生じることを回避できる。これにより、測定対象の温度を安定して測定することができる。
図3は、一実施形態に係る温度測定装置のブロック図である。本実施形態に係る温度測定装置30は、投受光モジュール100、測定光用LEDドライバー40、参照光用LEDドライバー41、測定用PD(フォトダイオード)アンプ42、LEDモニター用PDアンプ43、16ビットA/Dコンバータ44、制御部50、LED温度用アンプ52及びヒータドライバ53を有する。
本実施形態に係る投受光モジュール100について、一実施形態に係る投受光モジュールを示した図4を参照しながら説明する。投受光モジュール100は、測定用及び参照用の光を出力する投光部(投光モジュール)2と、光学式温度センサ1の感熱体10で吸収した波長の反射光(測定光の反射光及び参照用の反射光)を受光する受光部(受光モジュール)3とを有する。
温度測定装置30に含まれる投受光モジュール100以外の構成について、図3を参照しながら、説明を続ける。LEDモニター用PDアンプ43は、LED用SiPD34から出力された電流値を電圧に変換して増幅する。
次に、温度測定装置30を使用した一実施形態に係る温度測定方法について、図6を参照しながら説明する。図6は、一実施形態に係る温度測定方法を示したフローチャートを示す。なお、図6の温度測定方法を開始する前に、図3の下図に示した時間T1では、測定用LED31又は参照用LED32のいずれからも光を出力していない状態における測定用SiPD36の出力値(初期値)を計測する。次に、時間T2では、測定用LED31(LED1)から光を出力したときに戻ってくる反射光(戻り光)を測定用SiPD36により計測する。次に、時間T3では、参照用LED32(LED2)から光を出力したときに戻ってくる反射光を測定用SiPD36により計測する。時間T1、T2,T3は繰り返し実行されるが、以下では、時間T1、T2,T3を一回実施したときの温度制御について説明する。
光学式温度センサ1を用いた半導体吸収波長による温度測定では、投光部モジュール100の内部の温度によって測定値に誤差が出る。これは、測定用LED31及び参照用LED32の近傍の温度である環境温度の変動により測定値が変動するために発生する測定値の誤差である割合が高い。つまり、LEDの中心波長は温度によりシフトするため、LEDの環境温度を一定に保つことで環境温度の影響を受けずに安定した温度測定が可能となる。また、LEDの個体によってもLEDの中心波長は若干異なる。よって、LEDの個体差を吸収するためにLEDの環境温度を制御すれば、より安定した温度測定が可能となり、温度センサとしての個体差が低減できる。このため、本実施形態では、測定用LED31及び参照用LED32をそれぞれ別々に温調する機構を設けた。以下に、測定用LED31及び参照用LED32をそれぞれ別々に温調する機構を含む温調部について、図3及び図6を参照しながら説明する。
LEDの光量は経時変化し、徐々に減っていく。そのため、実際にLEDから出力される光量を監視し、LEDから出力される光量を一定に制御することで、温度をより精度良く測定することができる。そこで、LEDの光量を監視するために、本実施形態に係る温度測定装置30では、図3及び図4に示したLED用SiPD34が設けられる。
図7〜図9に、本実施形態に係る温度測定結果の一例を示す。図7〜図9では、横軸が時間(秒)、縦軸が測温対象物の表面の温度(℃)を示す。図7では、測温対象物の表面の温度を変えずに横軸に示す時間が経過したときの本実施形態及び比較例1,2の各温度センサが検出した検出値を示す。
2:投光部
3:受光部
6:温調機構
10:感熱体
11:伝熱用アルミ板
12:保持筒体
12a:切欠部
12b:突出部
13:光ファイバ、
14:固定部材
14a:肩落ち部
15:スプリング
30:温度測定装置
31:測定用LED
32:参照用LED
33:ビームスプリッタ
34:LED用SiPD
35:光コネクタ
36:測定用SiPD
37:光コネクタ
38:温度センサ
40:測定光用LEDドライバー
41:参照光用LEDドライバー
42:測定用PDアンプ
43:LEDモニター用PDアンプ
44:16ビットA/Dコンバータ
50:制御部
52:LED温度用アンプ
53:ヒータドライバ
60,63:筒状部材
61,65:ペルチェ素子
62、64:アルミ板
100:投受光モジュール
Claims (6)
- 温度に応じて光透過特性が変化する温度感知素子と、
前記温度感知素子を保持する、中空の保持体と、
前記保持体の内部に設けられ、先端面が前記温度感知素子と所定の距離離隔された位置にて前記温度感知素子に対向して配置される光ファイバと、を有し、
前記温度感知素子は、前記光ファイバの先端面から出射した光を入射し、入射した光を透過させ、透過した光が測定対象物により反射した反射光を透過させる、
ことを特徴とする光学式温度センサ。 - 前記保持体は、
前記温度感知素子の近傍の位置に切欠部を有し、
前記切欠部からドライエアーを流入させる、
ことを特徴とする請求項1に記載の光学式温度センサ。 - 前記光ファイバを前記保持体に固定する固定部材を更に有し、
前記固定部材は、
前記光ファイバの先端面の近傍に前記保持体と離隔する肩落ち部が形成される、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の光学式温度センサ。 - 前記保持体は、突出部を有し、
前記保持体の内部の前記突出部には、スプリングが配置される、
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の光学式温度センサ。 - 前記光学式温度センサは、
温度により透過する光の吸収波長が変化する前記温度感知素子を利用して温度を検知する半導体吸収波長式の温度センサである、
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の光学式温度センサ。 - 前記請求項1〜5のいずれか一項に記載の光学式温度センサの製造方法であって、
温度感知素子を保持体に保持する工程と、
光ファイバの先端面を前記温度感知素子と離隔した状態で前記保持体を回転し、前記温度感知素子と前記光ファイバの先端面との対向位置を適正化する工程と、
前記適正化した、前記温度感知素子と所定の距離離隔された対向位置に前記光ファイバを配置する工程と、
を有する光学式温度センサの製造方法。
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