(57)【要約】【課題】接触式の蛍光温度センサにおいて、センサプローブ先端の形状を変形させずに、高速応答で温度を測定することができる蛍光温度センサを提供する。【解決手段】温度に基づいた蛍光を発する蛍光体４と、蛍光体４を保護するカバー６とを有するセンサプローブ２と、センサプローブ２に対して投受光を行う投受光部９，１０と、投受光部９，１０が受光する受光量に基づき被測定面の温度を算出する処理部１１とを備えた蛍光温度センサ１において、カバー６の被測定面と接触する面には凹凸が形成される。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度に基づいた蛍光を発する蛍光体と、前記蛍光体を保護するカバーとを有するセンサプローブと、
前記センサプローブに対して投受光を行う投受光部と、
前記投受光部が受光する受光量に基づき被測定面の温度を算出する処理部とを備えた蛍光温度センサにおいて、
前記カバーの前記被測定面と接触する面には凹凸が形成されることを特徴とする蛍光温度センサ。
【請求項２】
前記カバーの前記被測定面と接触する面の表面粗さは、予め測定された前記被測定面の表面形状データから導出される表面粗さと一致することを特徴とする請求項１記載の蛍光温度センサ。
【請求項３】
前記被測定面の表面粗さは、前記被測定面の表面形状データから所定の測定長さでの粗さ曲線を導出し、当該粗さ曲線と基準線とで挟まれる面積の合計を前記所定の測定長さで割ることにより導出される中心線平均粗さＲａであることを特徴とする請求項２記載の蛍光温度センサ。
【請求項４】
前記被測定面の表面粗さは、前記被測定面の表面形状データから所定の測定長さでの粗さ曲線を導出し、当該粗さ曲線の、基準線に対する、山の最大高さ及び谷の最大深さとの和により導出される最大高さＲｍａｘであることを特徴とする請求項２記載の蛍光温度センサ。
【請求項５】
前記被測定面の表面粗さは、前記被測定面の表面形状データから所定の測定長さでの粗さ曲線を導出し、当該粗さ曲線において、山の高い順に５番目までの山と基準線との差の平均値と、谷の深い順に５番目までの谷と基準線との差の平均値との差により導出される十点平均高さＲｚであることを特徴とする請求項２記載の蛍光温度センサ。
【請求項６】
前記被測定面の表面粗さは、前記被測定面の表面形状データをフーリエ変換することにより導出される空間周波数であることを特徴とする請求項２記載の蛍光温度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、温度により蛍光特性が変化する蛍光体を用いて温度を測定する蛍光温度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
温度センサとして、蛍光体を用いた蛍光温度センサが広く利用されている。この蛍光温度センサは、温度により蛍光特性が変化する蛍光体を用いることにより温度を測定する。具体的には、光源からの励起光を蛍光体に照射して、蛍光体で発生した蛍光を検出する。そして、検出された蛍光の蛍光寿命などの蛍光特性の変化によって、温度を測定する。
【０００３】
接触式の蛍光温度センサのセンサプローブでは、被測定面との熱伝達をよくするために、機械的に被測定面にセンサプローブ先端を押し付ける構造を有している。これにより、被測定面における温度変化に応じた熱伝達が迅速に行われ、センサとしての応答性を改善できる効果がある。
【０００４】
また、さらに応答性を改善するために、蛍光温度センサのセンサプローブ先端の被測定面への押し付けに応じてセンサプローブ先端面が機械的に変形するように、ダイアフラムを備えた方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このセンサプローブ先端に備えられるダイアフラムを被測定面に押し付け、変形させることにより、蛍光温度センサのセンサプローブ先端面と被測定面との接触面積が増し、熱伝達がスムーズに行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特開第４７５２１４１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された蛍光温度センサのセンサプローブでは、被測定面の温度測定の際、センサプローブの被測定面への押し付けによって、先端に備えられたダイアフラムが変形するため、その押し付け量に応じて、センサプローブ先端面と被測定面との接触面積が広がり、ダイアフラムの形状が一定になるまでの時間がかかるため、被測定面とセンサプローブ先端との温度が熱平衡状態になるまでに時間がかかり、センサとしての応答性が悪くなるという課題があった。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、接触式の蛍光温度センサにおいて、センサプローブ先端の形状を変形させずに、高速応答で温度測定を行うことができる蛍光温度センサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る蛍光温度センサは、温度に基づいた蛍光を発する蛍光体と、蛍光体を保護するカバーとを有するセンサプローブと、センサプローブに対して投受光を行う投受光部と、投受光部が受光する受光量に基づき被測定面の温度を算出する処理部とを備えた蛍光温度センサにおいて、カバーの被測定面と接触する面には凹凸が形成されるものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、上記のように構成したので、蛍光温度センサのセンサプローブ先端と被測定面との接触面積を増やし、熱伝達を良好にすることで、応答性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１に係る蛍光温度センサの構造を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１におけるセンサプローブの表面形状決定処理を示すフローチャートである。
【図３】この発明の実施の形態１に係る蛍光温度センサが測定する被測定面の表面粗さを導出する例を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る蛍光温度センサが測定する被測定面の表面粗さを導出する他の例を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る蛍光温度センサが測定する被測定面の表面粗さを導出するさらに他の例を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態１におけるセンサプローブと被測定面との接触面積の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る蛍光温度センサ１の構造を示す図である。
図１に示すように、蛍光温度センサ１は、被測定面に接触させ、温度に応じた蛍光を発光するためのセンサプローブ２と、センサプローブ２に励起光を投光し、センサプローブ２からの蛍光を受光し、その受光量から被測定面の温度測定を行うためのセンサモジュール３とにより構成される。
【００１２】
センサプローブ２は、図１に示すように、センサモジュール３より投光される励起光により蛍光を発光する蛍光体４と、センサモジュール３により投光される励起光を蛍光体４に導光し、蛍光体４が発する蛍光をセンサモジュール３に導光するため、センサモジュール３と蛍光体４間に接続される光ファイバ５と、センサプローブ２の先端に設けられ、蛍光体４を覆い、表面に凹凸が形成されるカバー６と、光ファイバ５に傷が付かないように保護するための保護管７とにより構成される。
【００１３】
センサモジュール３は、図１に示すように、駆動部８により、センサプローブ２に設けられる蛍光体４に励起光を投光するための投光部９と、センサプローブ２に設けられる蛍光体４が発する蛍光を受光するための受光部１０と、受光部１０が受光した受光量に基づいて、被測定面の温度を算出するための処理部１１とにより構成される。
【００１４】
次に、上記のように構成される蛍光温度センサ１の動作について説明する。
まず、蛍光温度センサ１のセンサプローブ２先端に設けられる蛍光体４が収納されるカバー６表面を被測定面に接触させる。次いで、投光部９から励起光が蛍光体４に投光される。この投光部９から投光された励起光により蛍光体４は蛍光を発光する。受光部１０はこの蛍光体４が発光する蛍光を受光している。このときの受光部１０が受光する受光量は、処理部１１により逐一計測されている。次いで、投光部９は、蛍光体４への励起光の投光を停止する。これにより、蛍光体４は消光する。この蛍光体４の消光速度は温度が高くなるほど速くなる。この蛍光体４の消光速度を処理部１１が計測することにより、被測定面の温度を計測する。
【００１５】
次に、蛍光温度センサ１のセンサプローブ２先端に設けられるカバー６の表面形状の決定方法について説明する。
図２はこの発明の実施の形態１におけるセンサプローブ２の表面形状決定処理を示すフローチャートである。
【００１６】
センサプローブ２先端に設けられるカバー６の表面形状決定処理では、図２に示すように、まず、被測定面の表面形状を測定する（ステップＳＴ１）。すなわち、蛍光温度センサ１により温度測定を行う被測定面の表面形状を測定する。この被測定面の表面形状測定では、触針式粗さ計、レーザによる表面散乱等の方法により測定を行う。
【００１７】
次いで、被測定面の表面粗さを導出する（ステップＳＴ２）。すなわち、ステップＳＴ１において測定された表面形状の測定データから、被測定面の表面粗さを導出する。このステップＳＴ２における、被測定面の表面粗さの導出の詳細については後述する。
【００１８】
次いで、センサプローブ２の表面形状を決定する（ステップＳＴ３）。すなわち、ステップＳＴ２において導出された被測定面の表面粗さと一致するように、センサプローブ２先端に設けられるカバー６の表面形状を決定する。
【００１９】
次いで、センサプローブ２の表面加工方法を決定する（ステップＳＴ４）。すなわち、ステップＳＴ３において決定されたセンサプローブ２先端に設けられるカバー６の表面形状から、この表面形状に加工するための道具、加工条件等を決定する。このカバー６の表面形状の加工方法として、回転研磨による加工方法、ブレード等の冶具を用いた切削による加工方法等が挙げられる。
以上の工程によりセンサプローブ２先端に設けられるカバー６の表面形状を決定することができる。
【００２０】
次に、図２のステップＳＴ２における被測定面の表面粗さの導出について説明する。
図３〜図５はこの発明の実施の形態１に係る蛍光温度センサ１が測定する被測定面の表面粗さを導出する例を示す図である。
【００２１】
図３は被測定面の表面粗さを中心線平均粗さＲａにより導出する方法について示したものであり、図２のステップＳＴ１において得られる被測定面の表面形状データから、ある測定長さＬでの粗さ曲線ｆ（ｘ）を導出し、図３に示すように、この粗さ曲線ｆ（ｘ）を基準線で折り返し、この粗さ曲線ｆ（ｘ）と基準線とで挟まれる面積の合計を測定長さＬで割った値である中心線平均粗さＲａを被測定面の表面粗さとして導出する。
【００２２】
図４は被測定面の表面粗さを最大高さＲｍａｘにより導出する方法について示したものであり、図２のステップＳＴ１において得られる被測定面の表面形状データから、ある測定長さＬでの粗さ曲線ｆ（ｘ）を導出し、図４に示すように、この粗さ曲線ｆ（ｘ）の、基準線に対する、山の最大高さ及び谷の最大深さとの和である最大高さＲｍａｘを被測定面の表面粗さとして導出する。
【００２３】
図５は被測定面の表面粗さを十点平均高さＲｚにより導出する方法について示したものであり、図２のステップＳＴ１において得られる被測定面の表面形状データから、ある測定長さＬでの粗さ曲線ｆ（ｘ）を導出し、図５に示すように、基準線に対して、山の高い順に５番目までの山と基準線との差の平均値（Ｒ１＋Ｒ３＋Ｒ５＋Ｒ７＋Ｒ９）／５と、谷の深い順に５番目までの谷と基準線との差の平均値（Ｒ２＋Ｒ４＋Ｒ６＋Ｒ８＋Ｒ１０）／５との差分値である十点平均高さＲｚを被測定面の表面粗さとして導出する。
【００２４】
また、被測定面の表面粗さを空間周波数ｋにより導出する方法では、図２のステップＳＴ１において得られる被測定面の表面形状データをフーリエ変換することにより得られる表面形状の空間周波数ｋを被測定面の表面粗さとして導出する。
【００２５】
次に、蛍光温度センサ１のセンサプローブ２先端の表面粗さと被測定面の表面粗さによる接触面積の関係について説明する。
図６はこの発明の実施の形態１におけるセンサプローブ２と被測定面との接触面積の関係を示す図である。この図６では、表面粗さとして空間周波数を用いた際のカバー６の表面粗さと被測定面の表面粗さによる接触面積の関係を示す。
【００２６】
図６に示すように、蛍光温度センサ１のセンサプローブ２先端に設けられるカバー６の粗面形状をＡｓｉｎ（Ωｚ）とし、被測定面の粗面形状をＢｓｉｎ（ｋｚ）とする。ここで、Ａはカバー６の粗面形状の深さであり、Ｂは被測定面の粗面形状の深さであり、Ωはカバー６の粗面形状の空間周波数であり、ｋは被測定面の粗面形状の空間周波数である。また、以下説明の簡略化のため、カバー６の粗面形状の深さＡと被測定面の粗面形状の深さＢとは一致しているものとする（Ａ＝Ｂ）。
【００２７】
図６（ａ）に示すように、センサプローブ２先端に設けられるカバー６の表面粗さをなくし、Ω≒０とした場合、センサプローブ２に設けられるカバー６は被測定面の凹凸に入り込むことはできず、被測定面とは点接触をしている状態となり、センサプローブ２に設けられるカバー６の表面と被測定面との接触面積が少ないため、熱伝達が悪く、センサとしての応答性は悪くなる。
【００２８】
次に、図６（ｂ）に示すように、センサプローブ２先端に設けられるカバー６の表面粗さを、被測定面の表面粗さに近づけていくと、センサプローブ２に設けられるカバー６と被測定面の接触面積が増大し、熱伝達が良好となり、センサとしての応答性がよくなる。
【００２９】
さらにセンサプローブ２先端に設けられるカバー６の表面粗さを、被測定面の表面粗さに近づけて、一致させると、図６（ｃ）に示すように、センサプローブ２に設けられるカバー６と被測定面との凹凸が噛み合うことで、接触面積が増大し、熱伝達が良好となり、センサとしての応答性がよくなる。
【００３０】
一方、センサプローブ２先端に設けられるカバー６の表面粗さを、被測定面の表面粗さに対して大きくすると、図６（ｄ）に示すように、センサプローブ２に設けられるカバー６と被測定面との凹凸の噛み合わせが悪くなり、接触面積が小さくなるので、熱伝達が悪化し、センサとしての応答性が悪くなる。
【００３１】
このように、蛍光温度センサ１のセンサプローブ２先端に設けられるカバー６に凹凸を形成し、カバー６の表面粗さと被測定面の表面粗さとを一致させることにより、センサプローブ２先端に設けられるカバー６の表面と被測定面との接触面積が増大し、熱伝達が良くなることで、良好な温度測定を行うことができる。
【００３２】
以上のように、この実施の形態１によれば、蛍光温度センサ１のセンサプローブ２先端に設けられるカバー６に凹凸を形成して、カバー６の表面粗さを、温度測定を行う被測定面の表面粗さと一致するように構成したので、センサプローブ２の先端に設けられるカバー６と被測定面との接触面積が増え、熱伝達がよくなるので、センサとしての応答性を改善することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１  蛍光温度センサ
２  センサプローブ
３  センサモジュール
４  蛍光体
５  光ファイバ
６  カバー
７  保護管
８  駆動部
９  投光部
１０  受光部
１１  処理部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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