JPH033171B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、螢光体を応用した光温度測定装置
に関する。

光応用温度測定は、電気信号を用いないので、
電磁界によるノイズの影響を全く受けないという
特徴をもち、光フアイバ技術を使つた種々の装置
が開発されている。なかでも、螢光体からの発光
を利用した光温度測定は、螢光体の励起−発光過
程で光の波長が変換されるために、計測系の入力
光と出力光すなわち励起光と螢光体からの螢光お
よび残光とを分離できるという利点がある。この
ため、単線の光フアイバを用いて入、出力光を伝
達することができ、光の伝達系がコンパクトにな
る。

螢光体応用温度測定技術には大別して、螢光の
発光強度の温度変化を利用するものと、励起後の
残光時間の温度変化を利用するものとがある。螢
光の発光強度の温度変化を利用した温度測定にお
いては、強度の大きな励起光と強度の小さな螢光
とが同時に存在するために、これらの分光その他
の方法で波長分離しなければならず、そのための
光学系が必要であるとともに、Ｓ／Ｎ比の高い計
測が困難であるという欠点がある。これに対し
て、残光の温度変化を利用する温度測定において
は、励起停止後の光である残光を検知するから原
理的には励起光が残光測定に影響を与えることが
なく光学的な計測が容易となるという利点をもつ
ている。しかしながら、残光時間の測定は、励起
停止時点または輝度が励起停止時点のピーク輝度
から、輝度が10％になつた時点までの時間を測定
するものであり、これらの測定点が残光曲線のど
の点になるかは測定が終了した時点で判明するも
のであるから、いわば残光曲線を形づくるすべて
の信号成分が測定対象となるので、ノイズ等によ
る計測過程の突発的なまたは部分的な信号変化に
よつて測定精度が影響されやすいという欠点があ
る。また残光時間の測定は、残光の減衰過程の残
光強度の測定であるから、低い残光強度の測定が
困難で、残光強度が零になつた時点の判定に誤差
が生じやすく残光時間を正確に測定できないとい
う問題がある。すなわち、残光曲線は指数関数ま
たは双曲線関数的に減少し、残光輝度がきわめて
小さい部分ではこの曲線の変化はきわめてゆるや
かである。したがつて、残光輝度がピーク10％に
なつた時点の測定においては、誤差が大きくなる
ことは避けられない。

この発明は、残光の温度変化を利用する測定で
あることにより励起光による悪影響を排除するこ
とができ、しかも従来のような残光時間測定では
なく新しい計測量を用いて正確に温度を計測する
ことのできる、螢光体応用光温度測定装置を提供
することを目的とする。

この発明による温度測定装置は、温度を測定す
べき雰囲気または物体に配置され、残光特性が温
度依存性をもつ螢光体、螢光体を励起する励起手
段、励起された螢光体から発光される光のうちの
残光を検知する受光手段、受光された残光信号を
所定時間帯にわつて積分して残光積分光量を求め
る積分手段および、求められた残光積分光量を、
螢光体に応じてあらかじめ設定された残光光量の
積分値の温度特性と比較することにより温度を演
算する演算手段からなることを特徴とする。積分
手段としては、残光信号をアナログ的に直接積分
する積分回路、および残光信号を適当な時間間隔
でサンプリングして得られたデータをメモリに記
憶しておき、記憶されたサンプリング・データを
加算するものたとえば中央処理装置（以下CPU
という）好ましくはマイクロプロセツサの両方を
使用することができる。積分時間帯としては、残
光が出力されている任意の時間帯を採用すること
ができ、後に詳述するように、この時間帯をあら
かじめ固定的に定めておいてもよいし、残光信号
の値によつて定めるようにすることもできる。

この発明の温度測定装置においては、残光信号
の所定時間帯における積分値を用いて温度を測定
している。したがつて、従来の残光時間を測定す
る装置のように、ノイズ等による突発的なまたは
部分的な信号の変化による影響が少なく、しかも
低輝度の信号レベルにおけるレベル弁別も行なつ
ていないから、温度測定の精度を高めることがで
きる。また残光を測定しているから、励起光と分
離する必要がなく、励起光による悪影響を受ける
ことなく高いＳ／Ｎ比の測定が可能であるととも
に、分光装置なども不要である。

一般に残光時間の温度変化よりも、残光過程に
おける特定の時点での輝度の温度変化の方が変化
率が大きく、かつ単調に変化するので、温度測定
用センサとしての螢光体の選択範囲も広く、この
点においてもこの発明による装置は従来の残光時
間を測定するものに比べてすぐれた効果をもつ。
このことは、次のようにして定量的に説明でき
る。

残光信号が指数関数的に減少すると仮定する
と、残光特性は次の一般式で表わされる。

Ｉ（ｔ）＝Ａ・IO（Ｔ）e^-t/〓^(T) …(1) ここでＴは温度、ｔは励起停止時点から計時さ
れた時間、Ｉ（ｔ）は、時間（ｔ）における残光
輝度、IO（Ｔ）は、励起停止時点（ｔ＝０）にお
ける残光輝度、τ（Ｔ）は螢光体における励起状
態の平均寿命、Ａは比例定数である。これらのパ
ラメータのうちで、温度Ｔによつて変化するもの
はIO（Ｔ）とτ（Ｔ）であり、τ（Ｔ）の温度によ
る変化が残光時間の温度による変化として現われ
る。

残光時間tdを、励起停止時点から残光輝度が10
％まで減衰するのに要する時間であるとすると、
この時間tdは次式で与えられる。

td＝−τ（Ｔ）・ln１／Ａ・0.1IO（Ｔ）／IO（Ｔ）…(
2) 第(2)式より、IO（Ｔ）の温度変化がたとえ大き
な値を示したとしても、τ（Ｔ）の温度変化が小
さければ残光時間tdの温度変化も小さいことがわ
かる。

これに対して、この発明において用いられる残
光輝度の積分値Iint（Ｔ）は、次式で与えられる。

Iint（Ｔ）＝∫^tb _taＩ（ｔ）dt ＝Ａ・IO（Ｔ）∫^tb _tae^-t/〓^(T)dt …(3) ここでta、tbはそれぞれ積分時間帯の始点、終
点の時間である。第(3)式より、τ（Ｔ）の温度変
化が小さくても、積分値Iint（Ｔ）はIO（Ｔ）の温
度変化に応じて大きく変化することが理解される
であろう。このために、この発明ではきわめて正
確な温度測定が可能となる。またピーク輝度IO
（Ｔ）の温度変化すなわち温度消光性は螢光体に
とつて最も一般的な性質であるから、この発明に
適用できる螢光体材料の選択の範囲が広がり、所
望の温度変化を示す螢光体の調整が容易となる。

この発明では、残光特性が温度依存性をもちか
つ測定可能な残光時間の螢光体であれば、その種
類を限定されず種々のものを用いることができ
る。好ましくは、残光時間10^-6sec〜10^-3sec程度
の螢光体がよい。たとえば、紫外光励起では、
Y₂O₂S：Euなどの希土類金属オキシサルフアイ
ド、ZnS：Ln（Lnは希土類元素の総称）、SrS：
Lnなどの硫化物螢光体をはじめ、CRT用螢光体
の多くのものが使用できる。また赤外光励起で
は、LnF₃：（Yb、Er）、LnOF：（Yb、Er）、
LiNdP4O12：Ybなどが使用される。

以下、図面を参照してこの発明をさらに詳細に
説明する。

第１図は、パルス状ないし方形波状の励起光お
よびこの励起光によつて励起された螢光体から発
光される光の波形を示し、螢光体からの発光が温
度によつて異なることを表わしている。励起され
ている間に発光される光が螢光で、励起が停止し
た時点（t1で示す）以降に発光され、時間ととも
に減衰する光が残光である。螢光および残光の波
形のうち破線で示されるものが温度T1における
波形、実線で示されるものが温度T2における波
形である。ここでT1＜T2の関係にある。一般
に、残光輝度は温度が低いほど高くなる傾向があ
る。

第２図は、残光光量の積分値の温度特性を示し
ている。使用される螢光体について、種々の温度
Ｔに対してその積分値があらかじめ測定され、既
知関係として第２図に示すような特性があらかじ
め設定されている。測定された残光積分光量がこ
の温度特性と比較されることにより温度が求めら
れる。第２図の特性をあらかじめ作成するときの
積分時間帯は、この特性が使用される温度測定装
置の積分時間帯と一致している。

第３図を温度測定装置の構成を、第５図はその
動作をそれぞれ示している。光フアイバ１の先端
に所定の螢光体２が取付けられ、温度プローブが
構成されている。この温度プローブは、その先端
が温度測定すべき雰囲気中にまたは物体に接触し
た状態で配置される。CPU１０によつて制御さ
れるタイミング発生回路４からは２種類のタイミ
ング・パルス信号Ｐ１，Ｐ２が出力される。パル
スＰ１は、発光器３を駆動させるためのものであ
つて、一定周期Taで出力される（第１図参照）。
この周期Taは、測定範囲内のすべての温度にお
いて、螢光体２から発光された残光が完全に消失
するのに充分な時間に設定されている。パルスＰ
１が入力すると発光器３から励起光が出力され、
光フアイバ１を通つて螢光体２に照射される。こ
の励起によつて螢光体２から発光された螢光およ
び残光は光フアイバ１を伝搬し、ビーム・スプリ
ツタ９を介して取出され、受光器５の検知信号は
前置増巾器６で増巾されたのち、サンプル・ホー
ルド回路７に入力する。

タイミング発生回路４から出力されるタイミン
グ・パルス（サンプリング・パルス）Ｐ２は、第
５図に示すように、パルスＰ１の立下りの時点t1
（ta）から適当な時間経過後の時点tbまでｎ個出
力される。各パルスＰ２の出力される時点をt0、
t1、t2、…tnとする。またパルスＰ２の周期をΔt
とする。この周期Δtはアナログ・デイジタル
（AD）変換器１２のAD変換動作時間より若干長
く設定されている。時点taからtbまでが積分時間
帯である。この積分時間帯は任意に設定すること
ができるが、この実施例では積分時間帯の始点ta
は、励起停止の時点t1に設定されている。積分時
間帯の終点tbは、残光が最も低輝度となる測定温
度範囲の上限温度における残光レベルによつて制
約される。たとえばこの上限温度における残光レ
ベルが、ピーク輝度（励起停止時点の輝度）の30
％程度になる時点を終点tbとすればよい。AD変
換器１２の動作時間が速い場合には積分時間帯を
比較的短時間に設定、たとえば始点taを励起停止
時点t1にし、終点tbを残光レベルがピーク輝度の
90％になつた時点に設定することができ、この場
合にも充分な測定精度が得られる。そして、積分
時間帯を短くすることによつて、温度測定を高速
化することができる。残光時間が比較的長い螢光
体を用いた場合にも、残光時間における積分時間
帯の占める割合を小さくとることができる。

もつとも、この発明は残光時間を測定するもの
ではなく残光積分光量を測定するものであるか
ら、サンプル点数ｎを比較的少なくしても正確な
測定が可能であるという特徴をもつている。した
がつて、サンプリング周期Δtを比較的長くとつ
てもよく、高速のAD変換器を用いる必要もな
い。

タイミング・パルスＰ２は、サンプル・ホール
ド回路７およびAD変換器１２に送られる。受光
器５によつて検知された光のうち残光の信号のみ
がサンプル・ホールド回路７でそのレベルがパル
スＰ２ごとにホールドされる。この回路７の出力
は増巾回路８で増巾されたのちAD変換器１２に
送られ、時間Δtの間にデジタル信号に変換され
て、RAM１１にストアされる。

RAM１１には、第４図に示すように、AD変
換されたサンプリング・データを記憶するエリ
ヤ、パルスＰ１の繰返し回数ｍを記憶するエリ
ヤ、および第２図に示す残光光量の積分値の温度
特性を記憶するエリヤが設けられている。この実
施例においては、螢光体２の励起がｍ回繰返えさ
れ、サンプリング・データの積算平均にもとづい
て残光積分光量が求められる。サンプリング・デ
ータ・エリヤには、各サンプリング時点t0〜tnご
とに、第１回目の励起から第ｍ回目の励起におけ
るサンプリング・データ、それらのｍ回の積算値
および平均値、ならびに最終的な積分値を記憶す
る場所が設けられている。

第３図に示す温度測定装置はCPU１０によつ
て制御される。このCPU１０の制御および温度
演算処理手順が第６図に示されている。まず
CPU１０からパルスＰ１の出力指令がタイミン
グ発生回路４に出力され、かつCPU１０内のタ
イマによつて周期Taの計時が開始される（ステ
ツプ21）。これにより、回路４からパルスＰ１が
出力され、かつパルスＰ１の立下りの時点からパ
ルスＰ２が出力される。CPU１０では、時間Ta
が経過するまで待つ（ステツプ（22））。

この間に上述したように、螢光体２が励起さ
れ、その後螢光体２から発光された残光がパルス
Ｐ２ごとにサンプリングされ、かつAD変換され
たのち、このデータが各サンプリング時点ごとに
RAM１１内のその繰返し回数に応じた記憶場所
にストアされる。Taを計時しているタイマがタ
イム・アツプすると、RAM１１内の繰返し回数
ｍが−１され（ステツプ（23））、この結果が０に
なつたかどうかが検査される（ステツプ（24））。
ｍ＝０でなければ、再びステツプ（21）に戻り、
同様に螢光体２の励起と残光信号のサンプリング
が繰返えされる。

ｍ回の残光の測定が終了すると、RAM１１内
のｍ回分のサンプリング・データが、各サンプリ
ング時点ごとに積算され（ステツプ（25））、その
ｍ回の平均が算出される（ステツプ（26））。そし
て、各サンプリング時点ごとの平均値がすべて加
算されて最終的な積分値が得られる（ステツプ
（27））。最後に算出された積分値が、残光光量の
積分値の温度関数と比較され、温度Ｔが算出され
る（ステツプ（28））。ステツプ（26）では各サン
プリング時点ごとの平均値が算出されているが、
この処理を省略し、各サンプリング時点の積算値
を加算することによりその積分値を算出し、この
積分値から温度を求めても結果は同じである。

上記の例では積分時間帯の終点tbはあらかじめ
固定的に定つているが、残光信号のレベルに応じ
て定めてもよい。すなわち、第８図に示すよう
に、終点tbを決定するための輝度レベルISをあら
かじめ定めておき、RAM１１内に記憶してお
く。そして、残光信号がこのレベルIS以下になつ
た時点を終点tbとする。この場合には、サンプリ
ング・パルスＰ２は、次のタイミング・パルスＰ
１が出力されるまで続けて出力され、残光信号が
零になるまでそのサンプリングが行なわれる。

第７図は上述のやり方で終点tbを決定した場合
のCPU１０の処理手順を示している。ステツプ
（21）〜（26）は第６図に示す処理と全く同じで
ある。サンプリング時点ごとの平均値が算出され
ると、この平均値が読出され（ステツプ（30））、
レベルISと順次比較される（ステツプ（31））。こ
の処理は、レベルISよりも小さい平均値が見付か
るまで続けられる。レベルISよりも小さい平均値
が見付かり、その平均値がサンプリング時点tk
（ｋ＞ｎ）のものであつたとすると、t1〜tkまで
の平均値が加算されて積分値が算出され（ステツ
プ（32））、この算出された積分値が、残光光量の
積分値の温度関数と比較されて温度Ｔが得られる
（ステツプ（33））。

上記の実施例においては、螢光体の励起の周期
Taは、残光が完全に消光するのに充分な時間に
設定されているが、この周期Taを短くして、第
９図に示すように、残光過程中に次のパルスＰ１
を出力させて螢光体を励起し、ダイナミツクな残
光応答を利用して温度を測定することも可能であ
る。この場合には、第１番目の残光は後続の残光
とは異なるので温度測定のためには利用されな
い。このやり方によると、温度測定をより高速化
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は励起光と、螢光体から発光した螢光お
よび残光とを示す波形図、第２図は残光積分光量
の温度特性を示すグラフ、第３図はこの発明の実
施例を示すブロツク図、第４図はRAMの内容を
示す図、第５図は、第３図に示す回路の動作を示
すタイム・チヤート、第６図および第７図は
CPUの動作を示すフロー・チヤート、第８図は、
積分時間帯の終点を残光レベルによつて決定する
例を示す波形図、第９図は、他の励起のやり方を
示すタイム・チヤートである。 １……光フアイバ、２……螢光体、３……発光
器、４……タイミング発生回路、５……受光器、
７……サンプル・ホールド回路、１０……CPU、
１１……RAM、１２……AD変換器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 残光特性が温度依存性をもつ螢光体、 螢光体を励起する励起手段、 励起された螢光体から発光される光のうちの残
   光を検知する受光手段、 受光された残光信号を所定時間帯にわたつて積
   分して残光積分光量を求める積分手段および、 求められた残光積分光量を、螢光体に応じてあ
   らかじめ設定された残光光量の積分値の温度特性
   と比較することにより温度を演算する演算手段、 からなる温度測定装置。 ２ 積分手段が積分回路である、特許請求の範囲
   第１項記載の温度測定装置。 ３ 積分手段が、所定時間間隔でサンプリングさ
   れた残光サンプリング・データをメモリに記憶し
   ておき、記憶されたサンプリング・データを加算
   するものである、特許請求の範囲第１項記載の温
   度測定装置。 ４ 積分時間帯の始点が、螢光体の励起停止時点
   である、特許請求の範囲第１項記載の温度測定装
   置。 ５ 積分時間帯の終点が、測定上限温度における
   螢光体の残光ピーク輝度にもとづいて決定され
   る、特許請求の範囲第１項記載の温度測定装置。 ６ 積分時間帯の終点が、残光信号があらかじめ
   定められた下限値以下になつた時点である、特許
   請求の範囲第１項記載の温度測定装置。 ７ 積分時間帯が、あらかじめ固定的に設定され
   ている、特許請求の範囲第１項記載の温度測定装
   置。 ８ 螢光体の励起が複数回繰返され、複数回の残
   光積分光量の平均値を用いて温度が演算される、
   特許請求の範囲第１項記載の温度測定装置。