JPH0455731A - 温度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光信号を利用して温度測定を行う温度センサ
に関する。

（従来の技術） 近年、光伝送手段として光ファイバを用いた温度センサ
として、例えば、第７図に示すものがある。この温度セ
ンサは、光伝送路４２ａ及び４２ｂ間に、温度により光
透過強度（光吸収強度）が変化するＧａＡｓなどの半導
体４３を介装させ、光源４４からの光を半導体４３に入
射し、その透過光を受光器４５で検出し、受光器４５が
検出した透過光強度から温度を求める方式のものである
。前記の半導体に代え、バイメタル、フェライト、水銀
などの温度により変形、磁性の喪失、体積変化するもの
を用い、入射光の遮蔽、透過の０Ｎ−ＯＦＦ状態を受光
器で検出し、温度を求める方式の温度センサもある。

その他、螢光物質を用い、螢光物質から生じた励起光の
強度変化から螢光物質の温度変化を求める方式の温度セ
ンサ； 光フアイバ自体をセンサ部として用い、温度の変化を光
ファイバの温度伸縮による光路差の変化によって生ずる
位相差から求める方式の温度センサ又は反ストークス光
強度を検出する温度センサ；所望の液体をガラス管に充
填して光ファイバを構成し、温度変化に対する該液体の
屈折率の変化によって生ずる後方散乱光の強度変化から
求める方式の温度センサなどがある。

（発明が解決しようとする課題） 半導体及び螢光物質をセンサ部として用いる方式の温度
センサ及び反ストークス光強度を検出する方式の温度セ
ンサは、センサ部の構造及び検出系が複雑化して高価に
なるばかりでなく、光ファイバとセンサ部間の結合状態
が経時変化を起こし、性能が低下する問題がある。

半導体に代えてバイメタルなどをセンサ部として用いた
方式の温度センサは、それらの構造や検出系の構造は簡
単で安価であるが、当該センサ部が大型化する欠点があ
る。

光フアイバ自体をセンサ部として用いる方式の温度セン
サは、温度を点情報としてではなく、線情報として検出
し得るメリットがある。しかし、上記光の位相差による
方式では、温度以外の外的条件の影響を受は易く、安定
した測定が難しい。

また、屈折率変化による方式のものは、使用液体の取り
扱いやその長期安定性などの点で実用上未解決の問題が
多い。

本発明は上記問題点を解決し、小型化が可能で、かつ取
り扱いが容易であり、温度以外の外的環境の影響を受は
難く、長期間に亘って安定した温度測定ができる温度セ
ンサを提供することを目的とする。

（課題を解決しようとする手段） 上記目的を達成するため本発明は、光伝送路を介して接
続された発光素子及び受光素子と、該光伝送路に介装さ
れた温度変化により光学的性質が変化する感温性物質を
有するセンサ部とを備えた温度センサにおいて、該セン
サ部が、基板とその表面に固定化された無機系サーモク
ロミズム材及びシリコーン樹脂を含む感熱層とからなる
ものであることを特徴とする温度センサを提供する。

（作用） 本発明の温度センサにおいてはセンサ部を、基板とその
表面に形成された無機系サーモクロミズム材及びシリコ
ーン樹脂を含む感熱層とから容易に形成できる。

また、無機系サーモクロミズム材がシリコーン樹脂中に
分散担持されているため、温度以外の外的条件の影響を
受は難い。更に、シリコーン樹脂の耐熱性及び耐湿性が
優れているため、無機系サーモクロミズム材が熱や湿気
により劣化することが防止される。

（実施例） 以下、図面に基づいて本発明の温度センサの実施例につ
いて説明する。

第１図において温度センサｌは、光伝送路が入射光用光
ファイバ２ａと出射光用光ファイバ２ｂとから形成され
ており、光ファイバ２ａの一端は発光素子３に接続され
、一方、光ファイバ２ｂの一端は受光素子４に接続され
ている。光ファイバ２ａと光ファイバ２ｂの他端には、
それぞれロッドレンズ６ａとロッドレンズ６ｂを介して
センサ部５が設けられている。

光伝送路を形成する光ファイバ２ａと光ファイバ２ｂと
しては、通常用いられている石英系光ファイバ、多成分
系光ファイバ、プラスチッククラツド光ファイバ、全プ
ラスチック光ファイバなどを挙げることができる。

ロッドレンズ６ａとロッドレンズ６ｂは、製造上の便宜
等から必要に応じて用いられるものであり、例えば、旭
硝子社製のセルフォックレンズを用いることができる。

センサ部５は、基板５ａとその表面に固定化された感熱
層５ｂとから形成されている。このセンサ部５は、光フ
ァイバ２ａから入射された光がセンサ部５を経由して光
ファイバ２ｂに出射（再入射）するように設置されてい
ればよく、光ファイバ２ａ及び光ファイバ２ｂの端面と
センサ部５とが直結されている必要はない。

基板５ａは、感熱層５ｂを固定化でき、かつ光を透過又
は反射できるものであれば特に制隈されない。この基板
５ａとしては、図示した４５°プリズムのほかにも各種
小型レンズ、ロッドレンズ、ガラス板、反射鏡を用いる
ことができ、更に、光伝送路として用いた光ファイバの
端面自体を基板５ａとすることもできる。

感熱層５ｂは、無機系サーモクロミズム材とシリコーン
樹脂を含む混合物から形成されている。

感熱層５ｂは、例えば、シリコーン樹脂に無機系サーモ
クロミズム材及び必要に応じて他の成分を分散混合し塗
料化したものを、予めシリコーン樹脂系接着剤などの接
着剤を塗布した基材５ａの表面に、スクリーン印刷など
の方法により塗布し、加熱、紫外線照射又は電子線照射
によって硬化させることにより形成できる。

この感熱層５ｂの厚さは、５０〜５００μｍが好ましい
。この厚さが５０μｍ未満の場合は測定感度が低下する
ため好ましくなく、５００μｍを超える場合は感熱層５
ｂの形成が困難になり、測定感度も低下するため好まし
くない。

無機系サーモクロミズム材としては、一定の温度領域に
おいて光透過強度（即ち、光透過率又は透明度）が減少
又は増加するものを用いることができる。かかる無機系
サーモクロミズム材としては、例えば、６０〜１２０℃
の温度領域で光透過強度が急激に変化するもの、例えば
、次式＝ＭｔＨｇｌｄ式中ＭはＡｇ、Ｈｇ、Ｃｕ、Ｌｉ
、Ｎａ及びＫなどを表す）で示されるような、結晶転移
により屈折率がシリコーン樹脂に等しくなるものを用い
ることができる。また、前記式中のＨｇがＳｒ、Ｃｄ、
Ｂａ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｍｇ５Ｂｅなどであるものを用いる
こともできる。更に、無機系サーモクロミズム材として
はＢａＴｉＯｓ、Ｎ　Ｈ４Ｂ　ｒなども用いることがで
きる。

この無機系サーモクロミズム材は、その粒子径が小さい
ものほどシリコーン樹脂中に均一に分散でき、センサ部
５の感度を上昇できるために好ましい。

感熱層５ｂの形成材料として配合できる他の成分として
は、光透過特性を低下させない範囲内で、架橋剤、酸化
防止剤などの一般に高分子材料に添加される各種添加剤
などを挙げることができる。

発光素子３及び受光素子４は、それぞれ公知の光源及び
受光器を用いることができる。

なお、センサ部５は、金具などの適当な固定手段又は保
護手段７により固定し又は保護することができる。

本発明の温度センサは、第２図に示すような透過型温度
センサ１１にすることもできる。第２図において、入射
光用光ファイバ１２ａの一端に取付けられた発光素子１
３と、出射光用光ファイバ１２ｂの一端に取付けられた
受光素子１４は、光ファイバ１２ａ及び１２ｂの他端に
取付けられた二つのロッドレンズ１６ａ及び１６ｂを介
して接続されている。そして、ロッドレンズ１６ａ又は
１６ｂの何れか−の端面（基板１５ａに相当）上に感熱
層１５ｂが形成され、センサ部１５とされている。この
透過型温度センサ１１の場合には、固定手段又は光軸合
わせ手段として、■カット治具１７又は光軸合わせ用円
筒Ｉ７を用いることができる。

本発明の温度センサは、第３図に示すような反射型温度
センサ２１にすることもできる。第３図において、入射
光用光ファイバ２２ａの一端に発光素子２３が取付けら
れており、他端にはロッドレンズ２６が取付けられてい
る。そして、ロッドレンズ２６の端面上にはセンサ部２
５が設けられている。このセンサ部２５においては、基
板２５ａである反射鏡の鏡面上又はロッドレンズ２６の
端面２６ａ上に、感熱層２５ｂが形成されている。

光ファイバ２２ａの任意の部位には、光合波・光分波器
２８を介して出射光用光ファイバ２２ｂが取付けられ、
その他端は受光素子２４に接続されている。なお、図示
するように光ファイバ２２ａは、部分的に入射光用光フ
ァイバ２２ａと出射光用光ファイバ２２ｂを兼用してい
る。

本発明の温度センサは、第４図に示すような透過型温度
センサ３１にすることもできる。この透過型温度センサ
３１のセンサ部３５の構成は、第２図に示す温度センサ
１１のセンサ部１５と同様である。ただし、この透過型
温度センサ３１においては、発光素子３３からセンサ部
３５に至るまでの光ファイバ３２ａと、センサ部３５か
ら受光素子３４に至るまでの光ファイバ３２ａの任意の
部位に、光合波・光分波器３８ａ及び光合波・光分波器
３８ｂを介して光ファイバ３２ｃが取付けられている。

次に、本発明の温度センサの動作を、各実施態様ごとに
説明する。

第１図に示す温度センサｌを、一定範囲で温度が上昇又
は下降しているような温度環境に保持した場合には、セ
ンサ部５の感熱層５ｂを形成する無機系サーモクロミズ
ム材は、前記温度範囲内の特定温度の前後において光透
過強度を急激にかつ可逆的に変化させる。例えば、感熱
層５ｂの形成材料として９５℃で急激に光透過強度を増
加又は減少させる無機系サーモクロミズム材を用いた場
合には、低い温度から徐々に温度が上昇していくと、無
機系サーモクロミズム材は光透過強度を少しずつ増加さ
せ、８５℃付近で急激に増加させる。

そして、９５℃以上の温度ではほぼ一定の光透過強度を
維持する（第５図及び第６図参照）。また、高い温度か
ら徐々に温度を下降させていくと、無機系サーモクロミ
ズム材は光透過強度を少しずつ減少させ、９５℃付近で
急激に減少させる（第５図及び第６図参照）。

感熱層５ｂの無機系サーモクロミズム材が上記のような
光透過強度の変化を生じている場合に、発光素子３から
連続的に出射された光が光ファイバ２ａ内部を伝送され
、センサ部５の感熱層５ｂに入射すると、入射した光の
一部は吸収され、他は透過される。そして、感熱層５ｂ
を透過した光は、次に基板５ａである４５°プリズムに
より図中の矢印で示すように反射され、再度感熱層５ｂ
に入射し、透過した後、光フアイバ２ｂ内部を伝送され
て受光素子４に到達する。このようにして受光素子４に
おいて検出した透過光強度から温度が求められる。

本発明の温度センサ１は、入射光強度のしきい値を定め
ることにより、入射光の透過及び遮蔽のＯＮ、ＯＦＦ状
態をディジタル的な信号として取り出すことによって温
度測定をすることができる。

また、ダイナミックレンジとしては狭いが、アナログ信
号として取り出すことによって温度測定をすることもで
きる。

第２図、第３図及び第４図に示す温度センサにおいても
同様な動作により、温度測定がなされる。

第２図の温度センサＩＩにおいては、発光素子１３から
出射された光は光フアイバ１２ａ内を伝送され、センサ
部１５に到達する。この光は感熱層１５ｂを透過した後
、光フアイバ１２ｂ内を伝送されて受光素子１４に到達
する。

第３図に示す温度センサ２１においては、発光素子２３
から出射された光は、光フアイバ２２ａ内を伝送されセ
ンサ部２５に到達する。この光は感熱層２５ｂを透過し
、基板２５ａである鏡面により反射され、再度感熱層２
５ｂを透過した後、光フアイバ２２ｂ内を伝送され、受
光素子２４に到達する。なお、この温度センサ２１にお
いては、発光素子２３から出射された光の一部を光分波
器２８において分波し、そのまま受光素子２４に伝送す
ることができる。この動作により、センサ部２５を透過
した光と未透過の光の強度を比較することができる。こ
の比較により温度の測定精度をより向上させることがで
きる。

第４図に示す温度センサ３１においては、発光素子３３
から出射された光は光フアイバ３２ａ内を伝送されセン
サ部３５に到達し透過した後、光フアイバ３２ｂ内を伝
送され、受光素子３４に到達する。なお、光分波・合波
器３８ａと光分波・合波器３８ｂとを用い、第３図に示
す温度センサ２１と同様にして、センサ部３５を透過し
た光と、未透過の光の強度を比較することができる。

本発明の温度センサ１１を用いて温度測定した場合の結
果を第５図及び第６図に示す。第５図及び第６図は、無
機系サーモクロミズム材として９５℃で光透過強度が急
激に増加又は減少するサーモクロミックインク　ＲＴＩ
−１００−９５（レイケム社製）を用いた温度センサ１
１を、２０〜１２０℃の範囲内で温度が上昇及び下降す
る雰囲気に保持した場合における温度測定結果を表した
図である。なお、第５図は感熱層５ｂの厚さが５０μｍ
のもの、第６図は感熱層５ｂの厚さが２００μｍのもの
である。

（発明の効果） 本発明の温度センサは、センサ部が、基板とその上にシ
リコーン樹脂に分散担持された無機系サーモクロミズム
材からなる感熱層を固定化したも４゜ のとから形成されている。

本発明の温度センサにおいては、センサ部を小型化する
ことができ、その取り扱いも容易である。

このため温度センサ全体を小型化することができ、温度
センサ自体の取り扱いも容易になる。また、感温性物質
である無機系サーモクロミズム材がシリコーン樹脂に分
散担持されているため、外的環境からの物理的及び化学
的影響を受は難い。更に、シリコーン樹脂は耐熱性及び
耐湿性が優れているために、無機系サーモクロミズム材
が熱や湿気により劣化することが防止される。

本発明の温度センサによれば長期間、安定した温度測定
ができる。本発明の温度センサは、電力配電用機器及び
化学プラントなどの温度検出用として好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図及び第４図は本発明の温度セン
サの概略平面図、第５図及び第６図は本発明の温度セン
サの温度測定結果を示す図であり、第７図は従来の温度
センサの概略平面図である。 ｌ・・・温度センサ、２ａ・・・入射光用光ファイバ、
２ｂ・・・出射光用光ファイバ、３・・・発光素子、４
・・・受光素子、５・・・センサ部、５ａ・・・基板、
５ｂ・・・感熱層、６ａ・・・ロッドレンズ、６ｂ・・
・ロッドレンズ、７・・・固定又は保護手段、１１・・
・温度センサ、１２ａ・・・入射光用光ファイバ、１２
ｂ・・・出射光用光ファイバ、１３・・・発光素子、１
４・・・受光素子、１５・・・センサ部、１５ａ・・・
基板、１５ｂ・・・感熱層、１６ａ・・・ロッドレンズ
、１６ｂ・・・ロッドレンズ、１７・・・固定又は光軸
合わせ手段、２１・・・温度センサ、２２ａ・・・入射
光用光ファイバ、２２ｂ・・・出射光用光ファイバ、２
３・・・発光素子、２４・・・受光素子、２５・・・セ
ンサ部、２５ａ・・・基板、２５ｂ・・・感熱層、２６
・・・ロッドレンズ、２６ａ・・・ロッドレンズ端面、
２８・・・光分波・合波器、３１・・・温度センサ、３
２ａ・・入射光用光ファイバ、３２ｂ・・・出射光用光
ファイバ、３３・・・発光素子、３４・・・受光素子、
３５・・・センサ部、３５ａ・・・基板、３５ｂ・・・
感熱層、３６ａ・・・ロッドレンズ、３６ｂ・・・ロッ
ドレンズ、３７・・・固定又は光軸合わせ手段、３８ａ
・・・光分波・合波器、３８ｂ・・・光分波・合波器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光伝送路を介して接続された発光素子及び受光素子と、
   該光伝送路に介装された温度変化により光学的性質が変
   化する感温性物質を有するセンサ部とを備えた温度セン
   サにおいて、該センサ部が、基板とその表面に固定化さ
   れた無機系サーモクロミズム材及びシリコーン樹脂を含
   む感熱層とからなるものであることを特徴とする温度セ
   ンサ。