JPH07508832A - 光学温度プローブ - 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】 光学温度プローブ

【技術分野］ 本発明は温度を測定するための温度プローブに関し、特に温度を測定する光学的 方法を採用したプローブに係る。 【発明の概要】

本発明に係るプローブの１つの特徴によれば、温度プローブが、ウェーブガイド と光学的に連絡しているセンサ材と、ウェーブガイドの熱膨張係数に実質的に適 合した熱膨張係数を有するシースとを有する。ウェーブガイドは第一と第二のシ ース端に近接して固定された第一と第二の端部を有する。温度プローブは、セン サ材の温度応答特性を検出し、該特性を外部に表示手段と共に用いることができ る。ウェーブガイドはシリカを含み、またシースはインパール（Ｉｎｖａｒ）の ような低膨張合金を含むことが好ましい。 本発明の他の特徴によれば、温度プローブが金属管を含み、その中に配置された センサ材が、ウェーブガイドの外面の金属コーティングに付着することによりウ ェーブガイドに保持されている。付着は鑞付は接合によることが好ましい。 更に本発明の他の特徴によれば、温度プローブが非円筒形すなわち曲がったシー スを有する。ウェーブガイドの第一と第二の端部は、第一と第二のシース端部に 近接して固定され、ウェーブガイド中央部はシースの中に緩く保持される。

【図面の簡単な説明】

図１は、本発明の温度プローブの断面図である。 図２は、図１の温度プローブの正面図である。 図３は、図２の温度プローブの中央部の断面図である。 図４は、本発明の温度プローブサブアッセンブリの断面図である。 図５は、本発明の温度プローブサブアッセンブリの他の実施例の断面図である。 図１において温度プローブ１０はプローブ端部１０ａ、１０ｂを有し、プローブ 端部１０Ｈに近い全体を符号１２で表す領域の温度を測定する。センサ材１４は 領域１２と熱的に接続されており、温度の関数として変わる検出可能な特性を有 し、この特性はセンサ材の温度が領域１２の温度に緊密に関係している。センサ 材１４は、材料の温度に応答して減衰する発光寿命あるいは発光時間の割合を有 する発光材料を有する。１９９０年１０月１８日出願のアメリカ特許出願第５９ ９．８１４号には、そのような発光性材料の例示がある。発光性材料は一本のフ ァイバーで２指向性の作用を有するものにほぼ相当し、また普通は少量の材料だ けで足り、センサ材の質量と体積とは小さく、従って小さなほっそりしたプロー ブの構造が可能であり、また温度応答時間も高まるから、発光性材料が好ましい 。 センサ材１４は端部１６ａ、１６ｂを有する光学ファイバー即ちウェーブガイド １６を介して制御手段１００と連絡している。コネクタピン２０は、好ましくは シース１８の一端に近い方のウェーブガイドの端部１６ｂに固定している。シー ス１８は、ウェーブガイドの実質全長に亙りウェーブガイド１６を保護している 。シース１８は堅い金属管が好ましく、その結果、使用者はウェーブガイド１６ に過度に力を加えたり壊したりすることなく、プローブ１０を容易に操作し扱え る。しかしまたシース１８は、適当な厚さ、直径、長さ及び構成であることが好 ましく、それは、シースが柔軟に曲げることができ、作業者または機械が、シー スを非円筒形（図２の破線を参照）に容易に曲げ、その形を成形維持することが できるようにする。ノース１８が円筒形か非円筒形かであろうとなかろうと、シ ースの長さ方向に垂直な平面内で、円形あるいは非円形など、どのような所望の 断面形状とすることができる。シースを曲げることができること及びシースを非 円筒形に維持できることは、プローブを標準の円筒形のソース材料を用いて作る ことができるという理由、そしてまた取付は条件によって、コネクタピン２０及 びシースの端部１０ａを同一線上に取り付けることができないという使用態様に おいて使用することができるので有利である。 本発明によれば、シース１８を構成する材料は、測定温度範囲の少なくとも一部 の範囲においてウェーブガイド１６の膨張係数に実質的に匹敵する膨張係数を有 する。ウェーブガイド１６として用いるのは、シリカウェーブガイド（すなわち 、通常は融解石英または石英ガラスと呼ばれるシリカを主成分としてなる光ガイ ドコア領域を有するもの）が望ましい。なぜなら、高温に対して耐性があり、溶 融したり柔らかくなったりしないからである。シリカウェーブガイドはまた、光 の減衰が小さく、安価であるという点でも好ましい。あるいはまた、ウェーブガ イド１６は、ガラス、サファイアまたはそれに類する他の透明材料を含むものと してもよい。シリカウェーブガイドを有するプローブは、繰り返し熱サイクルに 耐え、また、このように膨張率の小さい金属合金でできたシースを有するプロー ブは、例えば３０４ステンレススチールのような、より一般的な金属でできたシ ースを有するプローブに比べ、測定された発光信号レベルを長期にわたり安定し て保つことに優れていることが認められている。このような膨張率の小さい金属 合金のひとつにＩｎｖａｒがある。これは、ペンシルバニア、リーディングのＣ ａｒｐｅｎｔｅｒ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｒｐ、から入手でき、約６３％ の鉄と約３６％のニッケルと約１％の他の要素とからなっている。表１は、種々 の材料についての熱膨張係数の概略値（室温近傍のもの）と、ノリ力の熱膨張係 数に対する種々の材料の熱膨張係数の値とを示す。 表１ 例えばマイクロ波オーブンの共鳴空洞内の温度測定のように、金属のような電導 材料を用いることが非常に好ましくない温度測定が多くある。その理由は、これ らの電導材料がその環境内においてマイクロ波の場と相互作用をおこすからであ る。それ故、電導材料は光学温度プローブの材料から除外される。温度プローブ １０は、ウェーブガイド端部１６ａと光学的に接続されたセンサ材１４を保持し ている金属チューブ２２を備えていること望ましい。ろう付は材料２４がチュー ブ２２をシース１８に結合している。かかる構成により、センサ材料１４は領域 １２に対して熱的接続を向上させることができる。なぜなら、センサ材１４をシ ース端部１８ａに近接することができ、熱伝導率が高くなるとともにセンサ材１ ４と領域１２との間の材料（ろう付は材料２４またはシース１８に沿った金属チ ューブ２２）の厚さを薄くすることができるからである。表２は、本発明による 温度プローブの望ましい寸法特性を示す。別の実施例においては、チューブ２２ の少なくとも一部がシース端部１８ａおよびろう付は材料２４を越えて延び、領 域１２に対するセンサ材料１４の熱接続をさらに向上させている。ろう付けは望 ましいものではあるけれども、金属チューブ２２をシース１８に結合させるのに はんだ付けもまた有効である。 表２ チューブ２２ヘンース１８を取り付け、ウェーブガイド１６へチューブ２２を接 続することにより、ウェーブガイド端部１６ａは確実にシース端部１８ａに近づ いた位置となる。他方のウェーブガイド端部１６ｂはシース端部１８ｂの近傍に 配置され、望ましくはコネクタピン２０に取り付けられることによりシース端部 １８ｂの近傍に固定される。コネクタピン２０はエポキシ２６または他の適当な 手段によりノース１８に取り付けられている。シース１８は望ましくは十分な長 さを有するものとし、シース端部１８ａが領域１２の測定温度範囲にさらされた ときにコネクタピン２０が適度の温度しか受けないようにする。 制御手段１００は、センサ材料１４からの光１５を検知するための手段を含むと ともに、ひとつあるいはそれ以上のウェーブガイドリンクおよび問い合わせまた は励起光１９をウェーブガイド１６に沿ってセンサ材料１４へと射出するための 手段を含むことができる。コネクタピン２０は制御手段１００の対応する部分に 合致し、制御手段１００とセンサ材料１４との間を接続する。制御手段１００は 、センサ材料１４の熱応答性を示す出力１０１を発し、それによって領域１２の 温度を示す。 プローブ１０が振動すると、ウェーブガイド１６の中間部分がシース１８内で急 激な相対運動を起こす。これはやがてウェーブガイドの疲労破壊につながるおそ れがある。プローブ１０は望ましくは緩衝層すなわちバッファ層２８を備え、ウ ェーブガイド１６のかかる急激な運動を減じる。い（つかの理由によりバッファ 層２８は、粉状のまたは繊維を編んでスリーブ状となった、セラミック類または ンリカ系の絶縁体を含んででいることが望ましい。理由の第１は、かかる絶縁体 は比較的柔らか（て圧縮性があるのでウェーブガイド１６のクッションとして機 能することができるからである。理由の第２は、かかる絶縁体はシース１８の非 円筒形状に倣うことができ、シース１８内に絶縁体を設けた後にプローブ１０を 曲げることもできるからである。理由の第３は、かかる絶縁体は比較的低い熱伝 導率と高いを孔率を有しているので、ウェーブガイド１６とシース１８との間の 熱接続を減じることができるからである。これにより、ウェーブガイド１６は、 シース１８を他の部分にろう付けしたり溶接したりするときなどに極度の熱を受 けずにすむ。また、プローブの長さ方向に沿った熱伝導が減じられることにより 測定誤差も少なくなる。 図３において、温度プローブ１１の中間部は、非円筒形のシース１９と、バッフ ァ層２９と、通路１７に沿って延在するウェーブガイドの中間部とを備える。 ウェーブガイドの両端は、図示していないが、ソースの両端近傍に固着されてい る。シース１９は、その熱膨張率がウェーブガイドの熱膨張率と異なる場合（例 えば、シースがアルミニウム製で、ウェーブガイドがシリカ類の場合）や、或い は、シースの熱膨張率がウェーブガイドの熱膨張率と略々同じ率であっても、温 度を測定する箇所の少なくとも一部において率が異なると、ウェーブガイドをシ ースに取り付けた時にウェーブガイド側に応力が発生する。但し、その様な状況 になると、バッファ層がシース内のウェーブガイドの中間部を比較的緩くシース 内に保持して、それらの部分が限られた範囲内で横方向に動けるようにし、ウェ ーブガイドから斯かる応力を取り除（ようにしている。ソースが、例えば、３０ ４ステンレススチール製で、ウェーブガイドがシリカ類の場合、シースの温度の ウェーブガイドは引っ張られる傾向があり、通路を塞ぐことになる。一方、温度 が下がると、シースはウェーブガイドよりも収縮してウェーブガイドを圧縮する 。 但し、ウェーブガイドの中間部は緩（保持されているので、通路１７ａ側へ移動 して、ウェーブガイドから応力を取り除く。好適実施例において、バッファ層２ ９は、上述したブレード付きのシリカ製スリーブ材等の比較的軟質で圧縮自在な 断熱材である。斯かる断熱材は、ウェーブガイドの中間部とシース１９の間の空 間を略々充填することができる一方、ウェーブガイドを比較的緩（保持すること ができる。これは、断熱材が弾性変形することによってウェーブガイドの小さな 動きを吸収することができるからである。 先に触れた米国特許出願第５９９，８１４号は、ガラス接着剤によって光ファイ バに接着された状態でシリカ製のチューブに保持されたセンサ材を教示している 。斯かる構成は本発明でも採用することができる。但し、比較的脆いシリカ製の チューブとガラス接着剤は、温度が繰り返し変化し且つ振動を受けると破損する 虞れがある。図１に戻って説明すると、本発明は、ウェーブガイド１６と、金属 製のチューブ２２とを備える改良型の温度プローブサブアセンブリを含んで成る 。金属製の塗膜３０はウェーブガイド１６の少なくとも一部を被覆する。この金 属製の塗膜３０は、単一の材料からなる層でも、或いは多種類の材料（例えば、 金の層の上にニッケルの層を被せる）からなる複合層としてもよい。本発明では 、金属製のチューブ２２はウェーブガイドの一端１６ａに金属製の塗膜３０を介 在させて直接取り付けである。この取り付けは、ろう付は材料を用いたろう付け である。金属製のチューブ２２を金属製の塗膜３０に溶接してもよいが、この方 法は好ましいとは言えない。それは、ウェーブガイドがかなりの高温に晒された り、通常光ファイバに使用する塗膜よりも肉厚の塗膜を使用しなければならない からである。肉厚の塗膜を使用すると、ウェーブガイドの可撓性が損なわれ、製 造費が高（つ（ことになる。尚、はんだ付けも本発明の範囲内において用いるこ とができる。金属製のチューブ２２は、その熱膨張率がウェーブガイド１６のそ れに略々等しい。従って、シリカ製のウェーブガイドを採用したプローブの場合 、金属製のチューブはインバ等の膨張率の低い合金、プラチナ等の貴金属、或い は、プラチナ−ロジウム等のプラチナ合金で形成するのが好ましい。このプラチ ナやプラチナ−ロジウムは又、シースの材料としても利用することができるが、 その場合、プラチナは高価でしかも、使用量が比較的多くなるのでかなり高（つ （ことになる。 脆性のスリ力製のチューブ及びガラス接着剤に代えて、延性のより高い材料を使 ったチューブ及びろう付けを採用すると、温度プローブの信頼性が向上し、且つ 又、熱変化や振動に起因する破損の危険性を低減することができる。 図４は、本願発明による温度プローブの他の実施例を示している。この図におい て、ウェーブガイド４０は、センサ材４２に隣接している。センサ材４２は、ウ ェーブガイド４０とチューブ４４との間に挟まれている。チューブ４４は、金属 管であることが好ましい。ろう付は材４６によって、チューブを、ウェーブガイ ド４０の一部を覆っている金属コーティング４８に接合することが好ましい。 ウェーブガイドは、（主にシリカで構成されていることが好ましい）光ガイドコ ア部を備えている。また、ウェーブガイドは、主にシリカで構成することができ るクラッド部を備えることが好ましい。図１と関連して説明したように、チュー ブ４４は、ウェーブガイド４０の熱膨張係数に実質的に適合した熱膨張係数を備 えていることが好ましい。図４において、めっき５０が温度プローブを覆ってお り、それによって、例えば熱応力や機械的な応力により破損しないように当該装 置を増強している。金属コーティング４８とチューブ４４と接合材料４６に伝導 性があるならば、電着によってめっき５０を容易に施すことができる。めっき５ ０はニッケルであることが好ましい。ニッケルによるめっきによって、温度プロ ーブを強化できるだけでなく、耐腐食を備えることができる。ニッケルを用いる 場合、ウェーブガイド４０を曲げることができるように、めっきは、５０μｍよ りも十分薄いことが好ましい。 図５は、図４の実施例に等しい温度プローブの他の実施例をさらに示している。 ウェーブガイド６０は、チューブ６４に配置されたセンサ材６２に隣接している 。 プラグ６６は、チューブ６４の一端に挿入されている。これによって、チューブ の一端はほぼ密閉されており、センサ材６２がチューブの一端から抜は出るのを 防止している。チューブ６４とプラグ６６は、金属であることが好ましい。また 、チューブ６４とプラグ６６は、上述したように、ウェーブガイド６０の熱膨張 係数に実質的に適合した熱膨張係数を備えていることが好ましい。ろう付は材６ ８によって、プラグ６６をチューブ６４に接合することが好ましい。また、ウェ ーブガイド６０に金属コーティング７２を施すことにより、ろう付は材７０によ って、チューブ６４をウェーブガイド６０に接合することが好ましい。プラグ６ ６に反射面６６ａを設けると効果的である。反射面６６ａを設けることにより、 ウェーブガイド６０によって集められた光のレベルを高めることができ、あるい はセンサ材６２の使用量を減らすことが可能となり、これによって、プラグの大 きさや質量を減らすことができる。反射面６６ａは、信号レベルを高めることが できるように湾曲させることが好ましい。しかし、反射面６６ａを平坦にするこ とも可能である。図５に示されたプローブは、図４に示されたように、ニッケル などの材料でめっきすることが好ましい。これによって、プローブを強化し、腐 食からプローブを保護することが可能となる。そのめっきは、図１のチューブ２ ２の外面やろう付は材３２やコーティング３０に、あるいはその図のチューブ２ ２の外面やろう付は材２４やシース１８に、効果的に施すことができる。 本願発明は、好適な実施例を参照して説明されているが、当業者は、本願発明の 精神や範囲から離れることなしに、本願発明をその形や細部において変更できる ことを認めるであろう。多数のウェーブガイドがそれぞれの多数のセンサ材に連 通して余剰のセンシング要素を与えるようにした実施例と、多数のウェーブガイ ドが単一のセンサ材に連通するようにした実施例は、本願発明の範囲内にある。 ここに用いられている「光（ｌｉｇｈｔ）Ｊと「光学（ｏｐｔｉｃ　（ａｌ）） Ｊは、可視光だけではなく、約１００ナノメートルから約１００，０００ナノメ ートルの波長を有する電磁線を参照している。 国際調査報告　。、７，１、。？７％？。。

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. １．熱応答特性を感知し、その関数としての出力を出す手段と共に用いることが できる温度プローブであって、 所定の熱膨張係数を有し、第１及び第２端部を備えるシースと；シースの第１の 端部に近接して取り付けられた第１の端部と、シースの第２の端部に近接して取 り付けられた第２の端部を備え、シースの上記熱膨張係数に実質的に適合した所 定の熱膨張係数を有するウエーブガイドと；熱応答特性を有し、ウエーブガイド の第２の端部と光学的に接続されたセンサ材と； を備え、シースの熱膨張係数がウエーブガイドの熱膨張係数と実質的に適合する ようにした温度プローブ。
2. ２．上記ウエーブガイドが、シリカを含む光ガイドコアを有しており、該ウエー ブガイドの熱膨張係数がシリカの熱膨張係数に実質的に等しくされ、上記シース がプラチナ、プラチナロジウム合金及び鉄ニッケル合金からなるグループから選 択された材料を含む請求項１に記載の温度プローブ。
3. ３．ウエーブガイドの第２の端部に保持され上記センサ材を収納する金風管を有 し、該金属管がシースに取り付けられている請求項１に記載の温度プローブ。
4. ４．シースが柔軟に曲げられて非円筒状とすることができるようにした請求項１ に記載の温度プローブ。
5. ５．ウエーブガイド及びシースとの間に有孔性バッファ層を有する請求項４に記 載の温度プローブ。
6. ６．熱応答特性を感知し、その関数としての出力を出す手段と共に用いることが できる温度プローブであって、 熱応答特性を有するセンサ材と； 一端で上記センサ材に光学的に接続されているウエーブガイドと；少なくともウ エーブガイドの外側表面の一部を覆う金属コーティングと：ウエーブガイドの上 記一端に近接して保持され、上記センサ材を収納する金属管と； を有し、該金属管が上記金属コーティングに取り付けられている温度プローブ。
7. ７．ウエーブガイドが所定の熱膨張係数を有し、上記金属管がウエーブガイドの 上記熱膨張係数と実質的に適合する熱膨張係数を有する請求項６に記載の温度プ ローブ。
8. ８．上記ウエーブガイドがシリカを含む光ガイドコアを有し、ウエーブガイドの 熱膨張係数がシリカの熱膨張係数に実質的に等しくされ、上記シースがプラチナ 、プラチナロジウム合金及び鉄ニッケル合金からなるグループから選択された材 料を含む請求項７に記載の温度プローブ。
9. ９．上記センサ材が発光性材料とされ、上記センサ材が粉体状とされて上記金属 管とウエーブガイドとの間にきつく収納されている請求項６に記載の温度プロー ブ。
10. １０．上記金属コーティング、金属管及びウエーブガイドを収納し、所定の熱膨 張係数を有するシース； を有し、該シースの熱膨張係数が上記ウエーブガイドの熱膨張係数に実質的に適 合し、且つ、柔軟に曲げられて非円筒状とすることができるようになされている 請求項７に記載の温度プローブ。
11. １１．上記金属コーティング及び金属管の上に金属メッキが施されている請求項 ６に記載の温度プローブ。
12. １２．熱応答特性を感知し、その関数としての出力を出す手段と共に用いること ができる温度プローブであって、 第１及び第２の端部を有するシースと；シースの第１の端部に近接して取り付け られた第１の端部と、シースの第２の端部に近接して取り付けられた第２の端部 と、それら端部の中間の部分とを備えるウェーブガイドと； 熱応答特性を有し、ウエーブガイドの第２の端部と光学的に接続されたセンサ材 と； を備え、シースが非円筒状とされ、ウエーブガイドの上記中間部分が該シース内 に緩く保持されている温度プローブ。
13. １３．ウエーブガイドとシースとの間にバッファ層を有する請求項１２に記載の 温度プローブ。
14. １４．バッファ層が、編まれたシリカ製スリーブを有している請求項１３に記載 の温度プローブ。