JPH0410574B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 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
が関発されている。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
程で光の波長が交換されるために、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、光の伝送系がコンパクトな
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、励起停止
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、これらを分光
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、一般的な残光時間の
測定は、励起停止時点または輝度が励起停止時点
のピーク輝度の90％になつた時点から、輝度がピ
ーク輝度の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的
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、残光輝度がピークの10
％になつた時点の決定においては、誤差が大きく
なることは避けられない。

発明の概要 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
残光を検知し電気信号に変換する受光手段、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り、積
分手段が、受光された残光電気信号をその大きさ
に応じた周波数のパルス信号に変換するＶ／Ｆ変
換回路と、Ｖ／Ｆ変換回路の出力パルスを上記所
定時間帯にわたつて計数する計数手段とから構成
されていることを特徴とする。計数手段としては
カウンタまたはマイクロプロセツサを使用するこ
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
ことのない高に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、かつ温度に対して単調に変化するの
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。

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）・1n１／Ａ・0.1・IO（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。

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。

発明者らは既に特願昭57−64177において、受
光された残光信号を所定時間帯にわたつて積分す
ることにより残光積分光量を求める温度測定装置
を提案した。この温度測定装置における積分手段
の一例として、残光信号を所定時間間隔でサンプ
リングしてＡ／Ｄを変換し、この残光サンプリン
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・データを加算するというマイクロ
プロセツサを利用したものが開示されている。こ
の積分手段による測定では残光信号が所定時間間
隔でサンプリングされているから、最終的な加算
値が必ずしも正確な積分値を表わしていないとい
う問題がある。とくに残光波形が急峻に変化する
場合にはこの欠点が顕著にあらわれる。この弊害
を解消するには、サンプリング時間を短くし、サ
ンプリング点数を多くすることが考えられるが、
そうすると高速Ａ／Ｄ変換装置が必要となるとと
もに、データ量が膨大となるので処理装置を高級
なものとしなければならないという新たな問題が
生じる。また上記の積分手段ではＡ／Ｄ変換にお
ける量子化誤差も波形計測精度に大きく影響す
る。

この発明においては、積分手段はＶ／Ｆ変換回
路と計数手段との組合せにより構成されている。
Ｖ／Ｆ変換回路によつて残光電気信号の大きさ
（電圧）が連続的にパルス信号の周波数に変換さ
れており、このパルス信号が計数されることによ
り上記の残光光量積分値が求められている。残光
輝度はパルス信号の周波数によつて連続的かつ正
確に反映されているとともにデータ量も多いの
で、そして急峻な残光輝度変化にも応答しうるの
で高精度の測定が可能となる。

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、残光時間が10^-6sec〜10^-3sec程
度の螢光体がよい。たとえば、紫外光励起では、
Y₂O₂si：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。

実施例の説明 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（パルス計数値）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することによ
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図は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またはCPU１０から直
接に２趣類のタイミング・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。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Ｐ１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によつ
て電気信号に変換される。受光器５の検知信号は
前置増巾器６で増巾されたのち、電圧／周波数
（Ｖ／Ｆ）変換回路７に入力する。

タイミング・パルスＰ２は積分時間帯を決定す
るもので、パルスＰ１の立下りの時点ｔ１以降の
時点taから適当な時間経過後の時点tbまで出力さ
れる。この時間帯ta〜tbは、取込まれるデータの
再現性を考慮して適宜定められる。つまり、計測
温度範囲内で残光光量変化が大きい時間帯であつ
てＶ／Ｆ変換回路７の出力の計数値を充分に大き
くとれるような時間とする。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ている。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。Ｖ／Ｆ変換回路７から充分なパル
ス数が得られる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、このような場合
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、積分時間帯を比較的短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。

Ｖ／Ｆ変換回路７は、入力する残光電圧信号を
積分時間帯ta〜tbの間で連続的に電圧値に応じた
周波数に変換し、その周波数のパルス信号Ｓを出
力する。パルス信号Ｓは第５図に示されているよ
うに密から疎に連続的に変化する。この信号Ｓは
カウンタによつて計数される。カウンタとしては
CPU１０外に設けたものを用いても、CPU１０
内のメモリまたはレジスタを利用して実現しても
いずれでもよい。

RAM１２には、第４図に示されているよう
に、各測定ごとの積分光量（カウンタ計数値）を
記憶するエリア、パルスＰ１の繰返し回数ｍを記
憶するエリア、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アが設けられてい
る。この実施例においては、螢光体２の励記がｍ
回繰返えされ、ｍ回の積分光量の加算値（または
平均値）にもとづいて温度が決定される。

タイミング・パルスＰ１，Ｐ２が出力されるご
とに螢光体２の残光光量積分値がカウンタの計数
値として得られ、これがRAM１２に記憶され
る。そしてｍ回の計測が終了すると、各回の計数
値が加算され、この加算値が温度特性と比較され
ることにより温度Ｔが求められる。温度特性にお
ける積分値（計数値）もｍ回の加算値としてあら
かじめ記憶されているのはいうまでもない。この
温度特性（関数）は第４図ではグラフで表わされ
ているが、もちろんテーブルの形でRAM１２内
に記憶されている。

測定結果の一例を挙げると、ある温度で残光時
間が2.5mSの螢光体YF₃：Yb、Erを用い、積分
時間ta〜tbを5mS、タイミング・パルスＰ１の繰
返し数を100／sec、最大1Mパルス／secのＶ／Ｆ
変換回路を用いたとき、1.5×10⁵の加算計数値
（100回分）が得られた。この計数値の温度変化は
７／１（０℃／200℃）であり、実用的に充分な分解
能が得られた。

上記の例では積分時間の終点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、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。

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、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・チヤートである。 １…光フアイバ、２…螢光体、３…発光器、５
…受光器、７…Ｖ／Ｆ変換回路、１０…CPU、
１２…RAM。

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
   光を検知し電気信号に変換する受光手段、 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
   らなり、 上記積分手段が、受光された残光電気信号をそ
   の大きさに応じた周波数のパルス信号に変換する
   Ｖ／Ｆ変換回路と、Ｖ／Ｆ変換回路の出力パルス
   を上記所定時間帯にわたつて計数する計数手段と
   から構成されている、 温度測定装置。 ２ 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。 ３ 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。 ４ 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。 ５ 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。 ６ 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または加算値を用いて温度が
   演算される、特許請求の範囲第１項記載の温度測
   定装置。