JP5225752B2

JP5225752B2 - 蛍光温度センサ

Info

Publication number: JP5225752B2
Application number: JP2008138299A
Authority: JP
Inventors: 静一郎衣笠; 淳之加藤
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2008-05-27
Filing date: 2008-05-27
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2028-05-27
Also published as: US20090296778A1; JP2009287968A

Description

本発明は、光励起された蛍光材料の蛍光から温度信号を生成する蛍光温度センサに関する。

例えば、この種の蛍光温度センサとしては、特許文献１に示すように、光源と受光素子とが空間的に分離してなるものが知られている。かかる蛍光温度センサでは、一端が蛍光材料に対向する光ファイバの他端で、ハーフミラーやダイクロックミラーを介して光源からの光を照射すると共に、蛍光材料が発する蛍光をハーフミラーやダイクロックミラーを介して受光素子に照射する。
米国特許第５４７０１５５号公報

しかしながら、従来の蛍光温度センサでは、単一の光ファイバまたは複数の光ファイバを１つに束ねた光ファイババンドルの他端で、光の入力および出力のいずれも行わなければならず、光ファイバに対する光源および受光素子のアライメントが複雑であるため、製造過程が複雑となり生産性が低下すると共に製品のコストが嵩むという不都合がある。

一方で、蛍光材料への投光のための光ファイバと、蛍光材料からの光を受光素子へ導くための光ファイバとを分離することも考えられるが、逆に、これらの光ファイバと蛍光材料との間のアライメントが複雑となる。また、蛍光材料の中で光源からの光を受ける部分が偏ってしまい、蛍光材料全体として蛍光強度が低下することにより測定精度が低下し得るとの不都合が生じ得る。

以上の事情に鑑みて、本発明は、簡易な構成により蛍光材料の蛍光強度を高めて、測定精度を向上させた蛍光温度センサを提供することを目的とする。

第１発明の蛍光温度センサは、光励起された蛍光材料の蛍光から温度信号を生成する蛍光温度センサであって、
前記蛍光材料に投光する投光素子と、
一端面が前記投光素子に対向するように配置されると共に他端面が前記蛍光材料に対向するように配置されて、該投光素子が発する光を該蛍光材料に伝達する複数の投光用光ファイバと、
前記蛍光材料が発する蛍光を受光する受光素子と、
一端面が前記受光素子に対向するように配置されると共に他端面が前記蛍光材料に対向するように配置されて、該蛍光材料が発する蛍光を該受光素子に伝達する複数の受光用光ファイバと、
該受光素子の出力から前記温度信号を生成する信号処理回路と
を備え、
前記複数の投光用光ファイバ及び前記複数の受光用光ファイバは、一端側がそれぞれ分離独立して前記投光素子及び前記受光素子へ向かうと共に、他端側が互いに混在するように束ねられて前記蛍光材料へ向かい、
前記複数の投光用光ファイバが前記投光素子の指向特性の範囲内に該複数の投光用光ファイバの全部のコアが位置するように配置されると共に、前記複数の受光用光ファイバが該複数の受光用光ファイバの全部の開口角の範囲内に前記受光素子が位置するように配置されることにより、前記投光素子を一定時間発光させて前記蛍光材料を光励起された後の該蛍光材料の蛍光強度の立ち下りの変化を大きくして該蛍光材料の蛍光を前記受光素子により受光することを特徴とする。

第１発明の蛍光温度センサによれば、投光用光ファイバの一端側は、受光用光ファイバとは独立に投光素子に向かい、受光用光ファイバの一端側は、投光用光ファイバとは独立に受光素子に向かうので、投光用光ファイバおよび受光用光ファイバと投光素子および受光素子とを直接対向させて簡易に接続することができる。

一方、投光用光ファイバ及び受光用光ファイバの他端側は、互いに混在するように束ねられて前記蛍光材料に対向配置される。そのため、これら一束の光ファイバと蛍光材料とのアライメントを行えばよく、接続や調整が複雑となることもない。また、一束の光ファイバは、投光用光ファイバと受光用光ファイバとが混在しているため、蛍光材料に均一に投光を行うことができ、その蛍光強度を高め、ひいては測定精度を向上させることができる。

さらに、第１発明の蛍光温度センサによれば、光伝達媒体が光ファイバ（光ファイバ素線）であって、これらを複数束ねた光ファイババンドルにより光を伝達させる場合に、投光素子の指向特性の範囲内に投光用光ファイババンドルを構成する全部の光ファイバのコアを位置させることにより、この光ファイバのコア内に投光素子が発する光を確実に照射させることができる。一方、受光用光ファイババンドルを構成する全部の光ファイバの開口角の範囲内に受光素子を位置させることにより、蛍光材料が発する蛍光を確実に受光素子に照射させることができる。かかる簡易な構成により、確実に光を伝達することおよび蛍光材料の蛍光強度を一定レベルにすることができ、安定した温度測定を実現することができる。

本発明の一実施形態としての蛍光温度センサについて、図１〜図５を参照して説明する。

図１を参照して、本実施形態の蛍光温度センサの全体的な構成について説明する。蛍光温度センサは、温度によって異なる蛍光特性を示す蛍光材料１と、蛍光材料１に投光する投光素子としてのＬＥＤ２と、ＬＥＤ２を駆動する駆動回路３と、蛍光材料１が発する蛍光を受光する受光素子としてのフォトダイオード４とを備える。また、信号処理回路５には電源６が接続されており、電源６により蛍光温度センサの作動に必要な電力が供給される。また、蛍光温度センサは、光伝達媒体として、ＬＥＤ２からの光を蛍光材料１に伝達する投光用光ファイバ８と、蛍光材料１の蛍光をフォトダイオード４に伝達する受光用光ファイバ９とを備える。

蛍光材料１は、投光用および受光用光ファイバ８，９の一端部を覆うように設けられた保護管１ａの中に、光ファイバ８，９のコア部に対向するように配置される。

ＬＥＤ２は、ＬＥＤモジュール２ａ内に配置された、例えば青色系の波長を発光色とする発光ダイオードである。ＬＥＤモジュール２ａは、投光用光ファイバ８が接続されるコネクタ部２ｂを有し、コネクタ部２ｂを介して接続された投光用光ファイバ８がＬＥＤ２の発光部２０（図２参照）と対向している。

駆動回路３は、制御回路のＬＥＤ２の発光に必要な駆動電流の大きさおよび発光時間を規定したパルス電流を生成してＬＥＤ２に印加する。例えば、駆動回路３は、蛍光材料１に対応して、一回の計測におけるＬＥＤ２の発光時間を１ｍｓ〜５００ｍｓの間のいずれかの時間とする所定の大きさのパルス電流をＬＥＤ２に印加する。

フォトダイオード４は、フォトダイオードモジュール４ａ内に配置されて、照射された光の光量（輝度）を測定する。フォトダイオードモジュール４ａは、受光用光ファイバ９に接続されるコネクタ部４ｂを有し、コネクタ部４ｂを介して接続された受光用光ファイバ９がフォトダイオード４の受光部４０（図３参照）と対向している。

信号処理回路５は、フォトダイオード４によって測定された蛍光材料１の蛍光の減衰特性、特に蛍光緩和時間を計測する。具体的には、信号処理回路５は、これがあらかじめ備える蛍光緩和時間と蛍光材料１との関係式（データテーブルやマップ等を含む）から、蛍光材料１が存在する温度測定環境の温度を算出して出力する。

次に、図２〜図４を参照して、投光用光ファイバ８および受光用光ファイバ９の具体的な構成について説明する。

図２（ａ）は、光ファイバ８の軸線に沿った断面図であり、図２（ｂ）は、光ファイバ８の部分断面図である。投光用光ファイバ８は、光ファイバ素線８０を複数束ねた光ファイババンドルによって構成される。投光用光ファイバ８は、一端側が受光用光ファイバ９とは独立に束ねられてＬＥＤ２に向かい、投光用光ファイバ８を構成する光ファイバ素線８０の全部または少なくとも一部がＬＥＤ２の指向特性（図中仮想線）の範囲内に位置するように配置される。

図３（ａ）は、光ファイバ９の軸線に沿った断面図であり、図３（ｂ）は、光ファイバ９の部分断面図である。受光用光ファイバ９は、光ファイバ素線９０を複数束ねた光ファイババンドルによって構成される。受光用光ファイバ９は、一端側が投光用光ファイバ８とは独立に束ねられてフォトダイオード４へ向かい、受光用光ファイバ９を構成する光ファイバ素線９０の全部または少なくとも一部の開口角度θの範囲内にフォトダイオード４の受光部４０が位置するように配置される。

このように投光用光ファイバ８の一端側と受光用光ファイバ９の一端側とを分離独立させることにより、、光ファイバとＬＥＤ２およびフォトダイオード４とを直接対向させて簡易且つ確実に光の授受を行わせることができる。

光ファイバ８，９の他端側では、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、投光用および受光用光ファイバ８，９が互いに混在するように、すなわち、光ファイバ８，９の他端側断面において、投光用光ファイバ８と受光用光ファイバ９とがほぼ偏りなく乱雑に入り混じるよう束ねられて蛍光材料１へ向かう。

これにより、光ファイバ８，９は一端側は独立分離にＬＥＤ２およびフォトダイオード４と対向すると共に、他端側がランダムミックスファイバ状に構成される。

このような投光用および受光用光ファイバ８，９を混在させた一束の光ファイバによれば、蛍光材料１に均一に投光することができる。

そのため、図５に時間と光量（輝度）との関係を示すように、投光用および受光用光ファイバ８，９を混在させた場合には、これらの光ファイバ８，９を分離させて蛍光材料１への投光を行った場合に比べて、約２倍の蛍光光量を得ることができる。これにより、温度測定の安定性を高めることができると共に、測定精度の向上を図ることができる。

本実施形態の蛍光温度センサの全体構成図。投光用光ファイバの具体的構成を示す説明図。受光用光ファイバの具体的構成を示す説明図。投光用および受光用光ファイバが混在した様子を示す説明図。投光用および受光用光ファイバを混在させて投光を行った場合の蛍光強度を示す図。

符号の説明

１…蛍光材料、２…ＬＥＤ、３…駆動回路、４…フォトダイオード、５…信号処理回路、８…投光用光ファイバ、９…受光用光ファイバ、８０，９０…光ファイバ素線。

Claims

光励起された蛍光材料の蛍光から温度信号を生成する蛍光温度センサであって、
前記蛍光材料に投光する投光素子と、
一端面が前記投光素子に対向するように配置されると共に他端面が前記蛍光材料に対向するように配置されて、該投光素子が発する光を該蛍光材料に伝達する複数の投光用光ファイバと、
前記蛍光材料が発する蛍光を受光する受光素子と、
一端面が前記受光素子に対向するように配置されると共に他端面が前記蛍光材料に対向するように配置されて、該蛍光材料が発する蛍光を該受光素子に伝達する複数の受光用光ファイバと、
該受光素子の出力から前記温度信号を生成する信号処理回路と
を備え、
前記複数の投光用光ファイバ及び前記複数の受光用光ファイバは、一端側がそれぞれ分離独立して前記投光素子及び前記受光素子へ向かうと共に、他端側が互いに混在するように束ねられて前記蛍光材料へ向かい、
前記複数の投光用光ファイバが前記投光素子の指向特性の範囲内に該複数の投光用光ファイバの全部のコアが位置するように配置されると共に、前記複数の受光用光ファイバが該複数の受光用光ファイバの全部の開口角の範囲内に前記受光素子が位置するように配置されることにより、前記投光素子を一定時間発光させて前記蛍光材料を光励起された後の該蛍光材料の蛍光強度の立ち下りの変化を大きくして該蛍光材料の蛍光を前記受光素子により受光することを特徴とする蛍光温度センサ。