JPH0412410B2

JPH0412410B2 -

Info

Publication number: JPH0412410B2
Application number: JP58170022A
Authority: JP
Inventors: Masao Hirano; Motoaki Takaoka; Mikihiko Shimura
Original assignee: Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1983-09-14
Filing date: 1983-09-14
Publication date: 1992-03-04
Also published as: US4679157A; JPS6061634A

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
徴を持ち、光フアイバ技術を使つた種々の装置が
開発されている。中でも、螢光体からの発光を利
用した光温度測定は、螢光体の励起一発光過程で
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、光の伝送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、励起中
の螢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。螢光体の発光現象において、励起中の発光を
螢光、励起停止後の発光を残光と呼んで区別して
いる。従来の温度測定技術はすべて、螢光または
残光のいずれか一方のみを利用するものであり、
時系列的温度計測において測定に関与しない無駄
な時間をもつている。この共通の欠点に加えて、
従来の螢光または残光を利用した温度測定にはそ
れぞれ次のような問題点がある。

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
線のどの点にあ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、螢光および残光の両方を測定対象
とすることにより螢光体の発光時間帯を有効に活
用し、かつ従来の残光時間測定におけるような欠
点を解消し、精度の高い温度計測を可能にする螢
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、螢光特性およ
び残光特性が温度依存性を持つ螢光体、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
れる光を検知する受光手段、受光された螢光信号
および残光信号を所定時間帯にわたつて積分して
積分光量を求める積分手段、ならびに求められた
積分光量を、螢光体に応じて予め設定された光量
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、最も簡単には螢光信号およ
び残光信号をアナログ的に直接積分する積分回路
を用いることができる。デイジタル的に処理する
場合には、螢光信号および残光信号を適当な時間
間隔でサンプリングし、AD変換したのちサンプ
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・データを加算すればよい。こ
れはたとえば中央処理装置（以下CPUと云う）、
好ましくはマイクロプロセツサによつて制御され
る。さらに積分手段として、受光された螢光信号
および残光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たものを用いる
ことも可能である。上記計数手段としてはカウン
タまたはマイクロプロセツサが使用されよう。

積分時間帯としては、螢光および残光が出力さ
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予め固定的に定め
ておいてもよいし、螢光および残光信号を所定の
レベルで弁別してこの時間帯を定めるようにして
もよい。

螢光を励起光から区別するために、励起光を感
知しない分光感度特性を持つ受光素子を採用する
か、または受光器の前面に励起光を遮光するフイ
ルタを設けることによつて螢光のみを効率よく取
出すことができる。

螢光体として赤外−可視変換螢光体を用いると
励起光源に赤外発光ダイオードを使用することが
でき、容易にパルス励起が可能となる。

一般に螢光体の螢光発光輝度は温度が低いほど
高くなる。残光輝度も全く同じ温度特性をもつて
いる。この発明では螢光と残光の両方を測定対象
としており、それらの積分光量を求めているか
ら、いずれか一方のみの場合よりも測定値の温度
変化率が大きく、それが高精度の測定につながつ
ている。また所定時間帯にわたる積分光量を測定
しているから、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。

積分光量を測定していることの効果は、次のよ
うにして定量的に説明することができる。説明を
簡単にするために残光のみを取扱う。

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・I₀（Ｔ）・exp（−ｔ／τ（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、I₀（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I₀（Ｔ）とτ（Ｔ）である。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。I₀（Ｔ）の温度による変化が螢光（ピーク）
輝度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）・ln0.1／Ａ ……(2) 第(2)式より、I₀（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、残光輝度の積分値Iint（Ｔ）は、
次式で与えれらる。

Iint（Ｔ）＝∫^t2 _t1Ｉ（ｔ）dt ＝Ａ・I₀（Ｔ）∫^t2 _t1exp（−ｔ／τ（Ｔ））dt……(
3) ここでt1，t2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I₀（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。

ピーク輝度I₀（Ｔ）の温度変化は螢光体にとつ
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、螢光特性および残光特性が温度
依存性を持つ螢光体であれば、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）（ジンクサルフアイ
ド）、SrS：Ln（ストロンチウムサルフアイド）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、
Ln：F₃：（Yb、Er）、LnOF：（Yb、Er）などの
希土類フツ化物や希土類オキシフツ化物を母体と
してYb（イツテルビウム）やEr（エルビウム）を
含んだ赤外−可視変換螢光体や、リン酸ネオジウ
ムリチウムを母体とするLiNdP₃O₁₂：Ybなどの
赤外励起赤外発光螢光体などが使用される。

上記の赤外−可視変換螢光体はSiドープGaAs
発光ダイオードによつて、LiNdP₃O₁₂：Ybは
AlGaAs発光ダイオードによつてそれぞれ励起可
能である。

実施例の説明以下、図面を参照してこの発明をされに詳細に
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
た時点以降に発光され、時間とともに減衰する光
が残光である。これらの螢光および残光波形のう
ち実線で示されるものが温度T1における波形、
破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、発光
輝度は温度が低いほど高くなる傾向がある。螢光
および残光が発生している間の任意の時間帯ta〜
tbが積分時間帯である。ハツチングで示されてい
る部分の面積が積分光量（温度T1における）と
なる。

第２図は、螢光および残光の積分光量の温度特
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に対してその積分光量があらかじめ
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、温度プロープが
構成されている。この温度プロープは、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３種類のタイミ
ング・パルス信号P1，P2，P3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
て受光される。受光器５の検知信号は前置増巾器
６で増巾されたのち、サンプル・ホールド回路７
に入力する。受光器５は、螢光および残光のみを
検知し、励起光を検知しないように分光感度特性
をもつものが使用されるか、または受光器５の前
面に励起光を遮断し螢光および残光のみの通過を
許すフイルタが設けられる。

発光器３からの励起光は光源モニタ１５の受光
素子（図示略）によつても受光される。励起光の
モニタリングのタイミングはパルスP2によつて
定まる。パルスP2はパルスP1と同時に立上り、
パルスP1の立下りよりも前に立下る。パルスP2
の出力時点における励起光強度が検出され、この
検出信号にもとづいて励起光強度が常に一定にな
るよう発光器３が制御される（制御回路は図示
略）。

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）P3は、第
５図に示すように、積分時間帯ta〜tbの間でｎ個
出力される。各パルスP3の出力された時点をt0，
t1，t2，……tnとする。またパルスP3の周期を
Δtとする。この周期Δtはアナログ・デジタル
（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。積分時間帯ta〜tb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は励起光モニタ用パルスP2の立下り
の時点に設定されている。積分時間帯の終点tb
は、螢光体発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
度になる時点が終点tbとされる。第５図に示され
ているように、積分時間帯の始点taを螢光発光時
間帯に、終点tbを残光発光時間帯にそれぞれ設定
するのが実際上は好ましい。しかしながら、積分
時間帯を複数に分割し、一方の１または複数を螢
光発光時間帯に、他方の１または複数を残光発光
時間帯にそれぞれ設定するようにしてもよい。

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
励起停止時点より少し前にし、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割合にも、残光中
における積分時間帯の占める割合を小さくするこ
とができる。積分時間帯は長くすればそれだけよ
り再現性が得られるが、CPU１０によるデータ
処理等の時間配分によつて決めることが望まし
い。

タイミング・パルスP3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所定積分時間帯
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P3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
およびパルスP1の繰返し回数ｍ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回繰返され、各時点のサンプリ
ング・データの積分平均にもとづいて積分光量が
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回の積分値および平均
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。またROM１３には、第２図に示
す螢光および残光積分光量の温度特性がたとえば
テーブルの形で記憶されている。

螢光および残光の積分光量を求めるためには、
上述のようなサンプリングとAD変換の手法以外
に、受光器５の出力電圧信号を積分時間帯ta〜tb
の間VF変換し、出力電圧に応じた周波数のパル
ス（第５図にＶ−Ｆ変換信号として示されてい
る）を得、これを計数するようにしてもよい。こ
の計数値が積分光量を表わすのはいうまでもな
い。

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，P2
が出力され、かつパルスP2の立下りの時点から
パルスP3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から発光された螢光および残
光がパルスP3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の励起と発光信号のサンプ
リングが繰返される。

ｍ回の発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
ング時点ごとに積分され（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２
７）。最後に算出された積分値が、螢光および残
光積分光量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
分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始点taおよび終点tb
はあらかじめ固定的に定つているが、受光信号の
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、始点taおよび終点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、受光信号
がこのレベルIS以上になつた時点を始点taとし、
レベルIS以下になつた時点をtbとする。この場合
には、サンプリング・パルスP3は常時出力され
続け、受光信号の全波形についてのサンプリング
が行なわれる。

第７図は上述のやり方で始点および終点を決定
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３
０）、レベルISと順次比較される（ステツプ３
１）。平均値＞レベルISである平均値が加算され
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、積分光量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、ダイナミツクな発
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番目の発光は後続の発光
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図は螢光および残
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およびROM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、１３……ROM、１２……AD変
換器。

Claims

【特許請求の範囲】１螢光特性および残光特性が温度依存性を持つ
螢光体、螢光体が励起する励起手段、励起された螢光体から発光される光を検知する
受光手段、受光された螢光信号および残光信号を所定時間
帯にわたつて積分して積分光量を求める積分手
段、ならびに求められた積分光量を、螢光体に応じて予め設
定された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、所定時間間隔でサンプリングさ
れた螢光および残光のサンプリング・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。３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。４積分手段が、受光された螢光信号および残光
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、特許請求の範囲第
１項記載の温度測定装置。５積分時間帯の始点および終点がそれぞれ予め
固定的に定められている、特許請求の範囲第１項
記載の温度測定装置。６螢光および残光の発光中において、複数の所
定時間帯にわたつて積分光量を求める、特許請求
の範囲第１項記載の温度測定装置。７積分時間帯の終点が、測定上限温度における
螢光体の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。８積分時間帯の始点および終点が、それぞれ螢
光信号および残光信号の予め定められた輝度レベ
ル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。９螢光体の励起が複数回繰返され、複数回の螢
光および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。