JP2009244150A

JP2009244150A - 蛍光温度センサ

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Publication number: JP2009244150A
Application number: JP2008092081A
Authority: JP
Inventors: Seiichiro Kinugasa; 静一郎衣笠; Atsuyuki Kato; 淳之加藤
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2009-10-22
Anticipated expiration: 2028-03-31
Also published as: US8308357B2; US20090245326A1; CN101551281B; JP5299812B2; CN101551281A

Abstract

【課題】簡易な調整により確実に光を伝達させることができる蛍光温度センサを提供する。
【解決手段】光励起された蛍光材料１の蛍光から温度信号を生成する蛍光温度センサは、蛍光材料１に投光する投光素子２と、蛍光材料１が発する蛍光を受光する受光素子４と、投光素子２および受光素子４の両方が内蔵された筐体８と、筐体８と蛍光材料１との間で投光素子２と蛍光材料１の両方の光を伝達する光ファイバ７とを備える。筐体８と光ファイバ７とは、投光素子２の光が光ファイバ７内に採光されると共に蛍光材料１からの光が光ファイバ７内から受光素子４に照射される位置で接続される。
【選択図】図１

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、投光素子としての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、一方が蛍光材料に対向する光ファイバに、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、光ファイバに光源の光を照射させるための調整（光ファイバに対する光源のアライメント）と、蛍光材料から光を受光素子に照射するための調整（光ファイバに対する受光素子のアライメント）との２回のアライメントを行わなければならない。また、ハーフミラーやダイクロックミラーを用いるため、これらの角度の調整も必要となる。そのため、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。

そこで本発明は、上記の事情に鑑みて、簡易な調整により確実に光を伝達させることができる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、前記蛍光材料が発する蛍光を受光する受光素子と、該受光素子と前記投光素子の両方が内蔵された筐体と、該筐体と前記蛍光材料との間で前記投光素子と前記蛍光材料の両方の光を伝達する光伝達媒体とを備え、前記筐体と前記光伝達媒体とは、前記投光素子が発する光が該光伝達媒体内に採光されると共に前記蛍光材料が発する蛍光が該光伝達媒体内から前記受光素子に照射される位置で接続され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、光伝達媒体内に投光素子が発する光が照射されると共に、蛍光材料が発する蛍光が光伝達媒体内から受光素子に照射される位置で、光伝達媒体と筐体とが接続される。そのため、投光素子と光伝達媒体とのアライメントおよび受光素子と光伝達媒体とのアライメントが不要となり、筐体内における受光素子と投光素子との適切な配置という簡易な調整により確実に光を伝達させることができる。

第２発明の蛍光温度センサは、第１発明の蛍光温度センサにおいて、前記光伝達媒体が光ファイバであって、前記投光素子の指向特性の範囲内に該光ファイバのコアを位置させると共に、該光ファイバの開口角の範囲内に前記受光素子を位置させて、該光ファイバが前記筐体に接続されることを特徴とする。

第２発明の蛍光温度センサによれば、光伝達媒体が単一の光ファイバである場合に、投光素子の指向特性の範囲内に該光ファイバのコアを位置させることにより、コア内に投光素子が発する光を照射させることができる。一方、該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受光素子に照射させることができる。以上のような筐体内における投光素子と受光素子との適切な配置という簡易な調整により、単一のファイバを用いた場合にも、確実に光を伝達させることができる。

第３発明の蛍光温度センサは、第１発明の蛍光温度センサにおいて、前記光伝達媒体が光ファイバ素線を複数束ねた光ファイババンドルであって、前記投光素子の指向特性の範囲内に、該光ファイババンドルの少なくとも一部の光ファイバ素線のコアを位置させると共に、該光ファイババンドルの少なくとも一部の光ファイバ素線の開口角の範囲内に前記受光素子を位置させて、該光ファイババンドルが前記筐体に接続されることを特徴とする。

第３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バンドルである場合に、投光素子の指向特性の範囲内に該光ファイババンドルを構成する一部の光ファイバ素線のコアを位置させることにより、この光ファイバ素線のコア内に投光素子が発する光を照射させることができる。一方、該光ファイババンドルを構成する一部の光ファイバ素線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受光素子に照射させることができる。以上のような筐体内における投光素子と受光素子との適切な配置という簡易な調整により、光ファイババンドルを用いた場合にも、確実に光を伝達させることができる。

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２と、投光素子２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４と、受光素子４からの出力信号から対応する温度信号を生成して出力する信号処理回路５とを備える。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、蛍光材料１と投光素子２および受光素子４の間を結ぶ光伝達手段としての光ファイバ７と、投光素子２および受光素子４が内蔵される筐体８とを備える。

投光素子２は、特定の波長のＬＥＤ２１（図２参照）を備える。駆動回路３は、一回の計測におけるＬＥＤ２１の発光時間を、例えば、２ｍｓ〜５００ｍｓの間のいずれかの時間とするように、パルス電流をＬＥＤ２１に印加する。

受光素子４は、照射された光の光量（輝度）を測定するフォトダイオード４１（図２参照）を備える。信号処理回路５は、フォトダイオード４１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。そして、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を参照して、蛍光温度センサの具体的な構成について説明する。

蛍光材料１は、光ファイバ７の一端部を覆うように設けられた保護管１１の中に、光ファイバ７のコア部７ａ（図３参照）に対向するように配置される。

筐体８は、一端側に光ファイバ７が接続される接続手段としてのコネクタ受け部８１と、他端側にＬＥＤ２１およびフォトダイオード４１が内蔵された円筒形状のモジュール部９が嵌着する中空の内部空間８２とを備える。

コネクタ受け部８１は、光ファイバ７の他端側に取り付けられたコネクタ７１に対応する受け部であって、コネクタ受け部８１とコネクタ７１は、ＪＩＳ規格等によって定まる既存の規格のものであるため、これらの詳細な説明は省略する。

コネクタ受け部８１は、筐体８の外部の突出した筒状の締結部８４と、締結部８４の内周に形成された雌ネジ溝８５と、内部空間８２に連通すると共にコネクタ７１の先端が挿通される挿通部８６とを備える。一方、コネクタ７１は、光ファイバ７が勘入されて一体を成すフェルール７２と、フェルール７２に外挿されてこれを軸方向にスライド自在に保持するガイド部材７３と、フェルール７２をその先端部に向かって付勢するコイルバネ７４と、ガイド部材７３の外周に形成された雄ネジ溝７５を備える。

モジュール部９は、基板９１上にＬＥＤ２１およびフォトダイオード４１が、光ファイバ７のコア部７ａ（図３及び図４参照）と後述する関係を有するように、所定の間隙を隔てて配置されている。基板９１の外方には底部９２が隣接しており、基板９１および底部９２を貫通するように複数の端子電極９３が設けられている。そして、各端子電極９３は、ＬＥＤ２１またはフォトダイオード４１に直接またはリード線９４を介して接続されている。

また、モジュール部９は、底部９２からＬＥＤ２１およびフォトダイオード４１を含む基板９１上を覆うようにケーシング９５が設けられており、ケーシング９５の天井部分に石英ガラスが嵌め込まれた窓部９６が形成されている。

次に、ＬＥＤ２１およびフォトダイオード４１と光ファイバ７との位置関係について説明する。

コネクタ７１のフェルール７２が、コネクタ受け部８１の挿通部８６に挿通されると、フェルール７２の先端が、内部空間８２に嵌着されたモジュール部９の窓部９６に接触する。そして、締結部８４により雄ネジ溝７５と雌ネジ溝８５とが締め上げられて、コネクタ７１とコネクタ受け部８１とが固定される。このとき、コイルバネ７４の付勢力によりフェルール７２の先端がモジュール部９の窓部９６に押し付けられた状態に保持される。

このようにして、筐体８と光ファイバ７とが接続された状態では、図３に模式的に示すように、光ファイバ７のコア部７ａに対向してＬＥＤ２１の発光部２１ａおよびフォトダイオード４１の受光部４１ａが配置される。具体的には、ＬＥＤ２１の指向特性の範囲２１ｂ内に光ファイバ７のコア部７ａが位置すると共に、光ファイバ７のコア部７ａによって規定される開口角θの範囲内にフォトダイオード４１の受光部４１ａが位置するように配置される。

これにより、図４に図３のＩＶ−ＩＶ線方向から見た部分断面図で示すように、筐体８と光ファイバ８とは、ＬＥＤ２１の発光部２１ａから発せられた光が光ファイバ７のコア部７ａ内に採光されると共に、蛍光材料１からの光がコア部７ａ内からフォトダイオード４１の受光部４１ａに照射される。

ここで、受光部４１ａにおいて蛍光材料１からの光強度を検出するにあたり、ＬＥＤ２１の発光部２１ａから発せられた光と蛍光材料１からの光との混合光を受光し、正しい蛍光強度を検出できない恐れがあるため、実用上はＬＥＤ２１を消灯した直後から、蛍光材料１からの光を検出するように構成することが好ましい。

このように、本実施形態の蛍光温度センサによれば、投光素子２としてのＬＥＤ２１と光伝達媒体である光ファイバ７とのアライメント、および受光素子４としてのフォトダイオード４１と光ファイバ７とのアライメントが不要となり、筐体８内に所定の間隔を隔ててＬＥＤ２１とフォトダイオード４１とを配置しておくことで、簡易な調整により投光素子２から蛍光材料１への投光および蛍光材料１から受光素子４への受光を確実に行うことができる。

尚、以上説明した実施形態では、光伝達媒体を単一の光ファイバ７によって構成したが、これに限定されるものではなく、図５に示すように、光ファイバ素線７０を複数束ねた光ファイババンドルであってもよい。この場合、ＬＥＤ２１の指向特性の範囲内に光ファイババンドルの少なくとも一部の光ファイバ素線７０のコア７０ａを位置させることにより、この光ファイバ素線７０のコア部７０ａ内にＬＥＤ２１の光を確実に照射させることができる。また、光ファイババンドルの少なくとも一部の光ファイバ素線７０の開口角の範囲内にフォトダイオード４１の受光部４１ａを位置させることにより、蛍光材料１からの光を受光部４１ａに確実に照射させることができる。

また、本実施形態では、所定の間隔を隔ててＬＥＤ２１とフォトダイオード４１とが配置されたモジュール部９を筐体８の内部空間８２に嵌着したが、これに限らず、筐体８に直接、ＬＥＤ２１とフォトダイオード４１と配置するようにしてもよい。

本実施形態の蛍光温度センサの全体構成図。本実施形態の蛍光温度センサの具体的構成を示す説明図。図２におけるＬＥＤおよびフォトダイオードと光ファイバと位置関係を示す図。図３においてＩＶ−ＩＶ線方向から見た部分断面図。図４の変更例における部分断面図。

符号の説明

１…蛍光材料、２…投光素子、３…駆動回路、４…受光素子、５…信号処理回路、７…光ファイバ、７ａ…コア部、８…筐体、９…モジュール部、２１…ＬＥＤ、２１ａ…発光部、４１…フォトダイオード、４１ａ…受光部、７０…光ファイバ素線、７０ａ…コア部、８１…コネクタ受け部（接続手段）、８２…内部空間。

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、前記蛍光材料が発する蛍光を受光する受光素子と、該受光素子と前記投光素子の両方が内蔵された筐体と、該筐体と前記蛍光材料との間で前記投光素子が発する光と前記蛍光材料が発する蛍光との両方を伝達する光伝達媒体とを備え、
前記筐体と前記光伝達媒体とは、前記投光素子が発する光が該光伝達媒体内に採光されると共に前記蛍光材料が発する蛍光が該光伝達媒体内から前記受光素子に照射される位置で接続されることを特徴とする蛍光温度センサ。
請求項１記載の蛍光温度センサにおいて、
前記光伝達媒体が光ファイバであって、前記投光素子の指向特性の範囲内に該光ファイバのコアを位置させると共に、該光ファイバの開口角の範囲内に前記受光素子を位置させて、該光ファイバが前記筐体に接続されることを特徴とする蛍光温度センサ。
請求項１記載の蛍光温度センサにおいて、
前記光伝達媒体が光ファイバ素線を複数束ねた光ファイババンドルであって、前記投光素子の指向特性の範囲内に、該光ファイババンドルの少なくとも一部の光ファイバ素線のコアを位置させると共に、該光ファイババンドルの少なくとも一部の光ファイバ素線の開口角の範囲内に前記受光素子を位置させて、該光ファイババンドルが前記筐体に接続されることを特徴とする蛍光温度センサ。