(57)【要約】【課題】安価に且つばらつきなく製作できる温度センサを提供する。【解決手段】本発明の温度センサは、センシング部材１０と、センシング部材を固定保持する保持部材３０と、センシング部材に光を照射するとともにセンシング部材からの反射光を導光する光ファイバと、光ファイバを収容する筒状のスリーブ９０とを備え、保持部材は板状の部材であって、センシング部材を固定保持する面とは反対側の非保持面３０ｂの周縁部分および側面の少なくとも一方に切り欠き部が形成されており、保持部材は、非保持面が外側に露出するようにスリーブの先端に固定されており、スリーブの先端は切り欠き部に契合している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
センシング部材と、前記センシング部材を固定保持する保持部材と、前記センシング部材に光を照射するとともに前記センシング部材からの反射光を導光する光ファイバと、前記光ファイバを収容する筒状のスリーブとを備え、
前記保持部材は板状の部材であって、前記センシング部材を固定保持する面とは反対側の非保持面の周縁部分および側面の少なくとも一方に切り欠き部が形成されており、
前記保持部材は、前記非保持面が外側に露出するように前記スリーブの先端に固定されており、
前記スリーブの先端は前記切り欠き部に契合している、温度センサ。
【請求項２】
前記保持部材は金属からなり、
前記スリーブはスーパーエンジニアリングプラスチックからなる、請求項１に記載されている温度センサ。
【請求項３】
前記保持部材はアルミニウムからなり、
前記スリーブはポリフェニレンサルファイドからなる、請求項２に記載されている温度センサ。
【請求項４】
前記スリーブの先端には、該スリーブの内部空間と外部とを連通させる切れ目が形成されている、請求項１から３のいずれか一つに記載されている温度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度センサに関し、特に光ファイバを利用した光学式温度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
温度センサには様々な種類があり、用途や使用場所によって適宜使用される温度センサが選択される。例えば特許文献１に開示されているように、測定場所に電流を流したくない用途では光学式温度センサが使用される場合がある。
【０００３】
特許文献１に開示されている温度センサは生体の温度を測定する温度センサであって、生体に電気ショックを与えないことを目的として光学式としている。そして医療用として生体内で用いるため、常温近辺の温度測定に適した２種のポリマーを組み合わせてトランスデューサとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２１３７３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示されている温度センサでは、ポリマーの特性上１００℃以上の温度を測定することはできない。１００℃以上の温度を測定する必要がある用途としては例えば、プラズマを用いた物質の加工装置及び加工対象の温度測定がある。プラズマを用いた物質の加工では、電流が流れる温度センサを使用するとプラズマの状態が乱れてしまうため、光学式温度センサを用いて温度を測定することが求められている。
【０００６】
そこで高温を測定する光学式温度センサとしては、特許文献１従来の技術の欄に記載されている、半導体をトランスデューサとするもの、液晶の色変化を利用するもの、蛍光体の強度変化を利用するものが考えられる。しかしながら、いずれの方式を採用にするにせよ安価に、個々の温度センサは特性のばらつきなく製造する必要があり、従来の光学式温度センサからさらなる生産性の向上を求められている。
【０００７】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、安価に且つばらつきなく製作できる温度センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の温度センサは、センシング部材と、前記センシング部材を固定保持する保持部材と、前記センシング部材に光を照射するとともに前記センシング部材からの反射光を導光する光ファイバと、前記光ファイバを収容する筒状のスリーブとを備え、前記保持部材は板状の部材であって、前記センシング部材を固定保持する面とは反対側の非保持面の周縁部分および側面の少なくとも一方に切り欠き部が形成されており、前記保持部材は、前記非保持面が外側に露出するように前記スリーブの先端に固定されており、前記スリーブの先端は前記切り欠き部に契合している構成を有している。ここで温度センサにおけるセンシング部材とは、温度が変化することにより特定の物理的性質が変化する物質を備えた部材であって、その物理的性質を計測して温度に換算することにより温度測定を行う。
【０００９】
ある好適な実施形態において、前記保持部材は金属からなり、前記スリーブはスーパーエンジニアリングプラスチックからなっている。スーパーエンジニアリングプラスチックとは、耐熱性が１５０℃以上、強度が４９ＭＰａ以上、曲げ弾性率が２．４ＧＰａ以上であるプラスチックである。スーパーエンジニアリングプラスチックの具体的な物質名としては、ポリサルフォン（ＰＳＦ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、フッ素樹脂などを挙げることができる。前記保持部材はアルミニウムからなり、前記スリーブはポリフェニレンサルファイドからなることが好ましい。
【００１０】
ある好適な実施形態において、前記スリーブの先端には、該スリーブの内部空間と外部とを連通させる切れ目が形成されている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の温度センサは、センシング部材を固定保持する保持部材の周縁部および側面の少なくとも一方に切り欠き部を有しており、スリーブの先端をこの切り欠き部に契合させているので、スリーブに保持部材を容易に且つ強固に固定することができて、低コストで製作することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（ａ）は実施形態１に係る温度センサ要部の模式的な平面図であり、（ｂ）は模式的なＡ−Ａ線断面図である。
【図２】実施形態１に係る温度センサの先端部分の模式的な断面図である。
【図３】実施形態１に係る温度センサの模式的な断面図である。
【図４】実施形態２に係る温度センサの要部の模式的な断面図である。
【図５】実施形態２に係る温度センサの先端部分の模式的な断面図である。
【図６】実施形態３に係る温度センサの要部の模式的な断面図である。
【図７】実施形態３に係る温度センサの先端部分の模式的な断面図である。
【図８】実施形態４に係る温度センサの要部の模式的な断面図である。
【図９】実施形態４に係る温度センサの先端部分の模式的な断面図である。
【図１０】比較形態に係る温度センサ要部の模式的な断面図である。
【図１１】比較形態に係る温度センサの先端部分の模式的な断面図である。
【図１２】実施形態５に係る温度センサの先端部分の模式的な平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施形態を説明する前に、本発明に至った経緯について以下に説明する。
【００１４】
半導体をトランスデューサとする温度センサ、液晶の色変化を利用する温度センサ、固体のフォトルミネッセンス（蛍光やリン光）のスペクトル分布や寿命が温度によって変化する原理を利用する温度センサなどでは、温度変化を別の物理的性質の変化に変換するセンシング部材の温度特性が劣化したり変化したりしないように、またセンシング部材が破壊されないようにセンシング部材自体は保護されている。例えば密閉された空間内にセンシング部材と光ファイバとを置いて、物理的性質の変化を測定するのである。このとき、センシング部材は保持部材に固定し、光ファイバはスリーブに挿入し、このスリーブの先端に保持部材を固定する構造が一般的である。なお、センシング部材は光ファイバに面するように、スリーブ内部空間に位置するように配置する。
【００１５】
例えば、図１０に示すように、円板形状の保持部材３９の一方の面（搭載面３９ａ）にセンシング部材１０を接着剤２０で固定し、この保持部材３９を図１１に示すようにスリーブ９０先端に接着剤２２で固定する構成が考えられる。温度センサは小型のものが求められるため、保持部材３９の径は３ｍｍ程度となっている。この場合、保持部材３９の温度測定面３９ｂ（搭載面３９ａとは反対側の面）が測定対象に接触して、あるいは測定対象空間に置かれて、熱が伝わって測定対象と同じ温度になり、それから接着剤２０に熱が伝わり、さらにセンシング部材１０にも熱が伝わって、順次同じ温度となっていって温度の測定が行われる。
【００１６】
図１１に示す構造は、スリーブ９０と保持部材３９とを接着剤２２によって接着して固定しているのであるが、接着に使用される面が保持部材３９の側面の一部と搭載面３９ａの周縁のごく一部であって接着面積が小さいため、常に強固に接着することが困難である。さらには接着に使用される面が小さいので、３ｍｍ径のスリーブ９０先端において、はみ出しが生じないように適量の接着剤２２をスリーブ９０内周に均等に塗布し、さらに保持部材３９を傾きなくスリーブ９０先端にはめ合わせる必要があるが、この作業は非常に困難である。従って、個々の温度センサによってスリーブ９０と保持部材３９との固定強度、接着剤２２のはみ出し具合、保持部材３９の傾き度合いが異なってきて、これらに起因して温度変化に対する応答特性などのセンサ特性も個々の温度センサによってばらつきが生じてしまう。
【００１７】
また、直径３ｍｍ弱の小さな部材である保持部材３９をスリーブ９０先端に傾かないようにはめ込み接着させるのは、非常に手間のかかる作業であり、製造コストも大きくなってしまう。
【００１８】
本願発明者らは上記の課題を解決するために、種々の検討を行った結果、本願発明に到達した。以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。
【００１９】
（実施形態１）
実施形態１に係る温度センサは、図１に示すようにセンシング部材１０が保持部材３０の保持面３０ａに接着剤２０により固定されている部材を備えており、図２、３に示すようにこの部材が筒状のスリーブ９０の先端にはめ込まれて固定されている。保持部材３０の、センシング部材１０を保持する保持面３０ａとは反対側の面である非保持面３０ｂがスリーブ９０から外部へ露出している。スリーブ９０内にはカバー８７に包まれた複数の光ファイバ８０が挿入されている。
【００２０】
本実施形態のセンシング部材１０は温度変化によって光学的吸収端および光の透過スペクトルが変化する半導体（例えば、ＧａＡｓ、ＧａＰ、Ｓｉなど）や、温度により蛍光波長がシフトする半導体（例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓの閉じ込め層で囲んだヘテロ構造ＧａＡｓ結晶など）や蛍光寿命が変化する蛍光体を用いることができる。このセンシング部材１０は板状の部材であって、一方の面（第１の面１２）が光ファイバ８０に面している。
【００２１】
本実施形態の温度センサは、一つの光ファイバ８０からセンシング部材１０に光が照射され、光はセンシング部材１０の第１の面１２とは反対側の第２の面で反射して別の光ファイバ８０に入るように形成されている。
【００２２】
本実施形態の保持部材３０は円形板状の部材であって、非保持面３０ｂの周縁部分が側面３０ｃに向けて角が落とされるように斜めに切りかかれて、切り欠き部３０ｄが形成されている。切り欠き部３０ｄは、非保持面３０ｂの周縁と側面３０ｃの両方を切り欠いて形成されていて、非保持面３０ｂ側に向けて先細となるテーパ形状ということもできる。
【００２３】
本実施形態では図２に示すように、センシング部材１０が固定保持された保持部材３０を、スーパーエンジニアリングプラスチックからなるスリーブ９０の先端の段差部９０ａに載せ、その後、段差先端部９０ｂに熱を加えて曲げて切り欠き部３０ｄに密着させることにより、スリーブ９０の先端を切り欠き部３０ｄに契合させて固定する。熱によってスリーブ９０先端を変形させて保持部材３０を固定する方法であるので、短時間で確実に固定を行うことができ、個々の温度センサごとの固定強度や固定位置、非保持面３０ｂの傾きなどのばらつきを小さくすることが可能となる。従って、加工コストを低減でき、かつ個々の温度センサ間において強度や温度特性のばらつきを小さくすることができる。
【００２４】
本実施形態では、保持部材３０およびスリーブ９０ともに機械的強度・耐熱性が高く、保持部材３０は熱伝導率が高く、スリーブ９０は熱伝導率が低い方が良く、且つ両者の線膨張係数の差が小さい方が好ましい。例えば、保持部材３０には銅やアルミニウムを用いることがコストの点からも好ましい。スリーブ９０には、ＰＥＳやＰＰＳ、ＰＥＥＫ等を用いることが融点やコストの点からも好ましい。特に、保持部材３０の材料として純アルミニウム、スリーブ９０の材料としてＰＰＳを採用すると、両者の線膨張係数がほぼ等しい（純アルミニウムが２５×１０−６／℃、ＰＰＳが２６×１０−６／℃）ため、温度変化により契合しなくなってしまうということが生じないのでより好ましい。
【００２５】
（実施形態２）
実施形態２に係る温度センサの要部を図４，５に示す。本実施形態は、実施形態１とは保持部材３１の切り欠き部３１ｄの形状が異なっているだけで、それ以外の素材や構成、形状等は実施形態１と同じである。
【００２６】
本実施形態の切り欠き部３１ｄは、保持部材３１の非保持面３１ｂの周縁部分を、非保持面３１ｂに垂直に切り込んで、さらに非保持面３１ｂの側面３１ｃの方へ斜めに切り込んで形成されている。本実施形態では実施形態１の効果に加えて、実施形態１よりも非保持面３１ｂの面積を大きくできるので、温度測定対象との接触面積が大きくなり、温度応答性がより大きくなるという効果を奏する。
【００２７】
（実施形態３）
実施形態３に係る温度センサの要部を図６，７に示す。本実施形態は、実施形態１とは保持部材３２の切り欠き部３２ｄの形状が異なっているだけで、それ以外の素材や構成、形状等は実施形態１と同じである。
【００２８】
本実施形態の切り欠き部３２ｄは、保持部材３２の非保持面３２ｂの周縁部分を、非保持面３２ｂに垂直に切り込んで、さらに非保持面３２ｂの側面３２ｃの方へ非保持面３２ｂと平行に切り込んで階段状に形成されている。本実施形態では実施形態１の効果に加えて、実施形態１よりも非保持面３２ｂの面積を大きくできるので、温度測定対象との接触面積が大きくなり、温度応答性がより大きくなるという効果を奏する。
【００２９】
（実施形態４）
実施形態４に係る温度センサの要部を図８，９に示す。本実施形態は、実施形態１とは保持部材３３の切り欠き部３３ｄの形状が異なっているだけで、それ以外の素材や構成、形状等は実施形態１と同じである。
【００３０】
本実施形態の切り欠き部３３ｄは、保持部材３３の側面３３ｃの、保持面３３ａと非保持面３３ｂとの中間において、側面３３ｃに一周分設けられた窪み（溝）である。本実施形態では実施形態１の効果に加えて、実施形態１よりも非保持面３３ｂの面積を大きくできるので、温度測定対象との接触面積が大きくなり、温度応答性がより大きくなるという効果を奏する。
【００３１】
（実施形態５）
実施形態５に係る温度センタの先端部分を図１２に示す。本実施形態は、実施形態１とはスリーブ９０の先端に切れ目９２が形成されていることが異なっているだけで、それ以外の素材や構成、形状等は実施形態１と同じである。
【００３２】
本実施形態ではスリーブ９０の先端部分であって、保持部材３０の切り欠き部３０ｄに契合している契合部９１の一部が切り欠かれている切れ目９２が２箇所形成されている。この切れ目９２は、スリーブ９０を保持部材３０の切り欠き部３０ｄに契合させる前から形成されている。そのためピンセット等で保持部材３０をつまんでスリーブ９０の先端に載せるときに、この切れ目９２にピンセット等が位置するようにすると、載せる作業を早く且つ正確に行うことができる。また、この切れ目９２によってスリーブ９０の内部空間と外部とが連通しているとスリーブ９０内での結露を抑制することができる。本実施形態においては、その他の実施形態１の効果も奏する。また図には示していないが、温度測定面３０ｂから伝えられた熱を確実にセンシング部材１０に伝えられるようにするには、保持部材３０とスリーブ９０との接触面積は小さい方が良く、強度が保たれる範囲内で切れ目９２の幅を大きくしたり、切れ目９２を３箇所、４箇所と増やすことも想定される。
【００３３】
（その他の実施形態）
上述の実施形態は本願発明の例示であって、本願発明はこれらの例に限定されず、これらの例に周知技術や慣用技術、公知技術を組み合わせたり、一部置き換えたりしてもよい。また当業者であれば容易に思いつく改変発明も本願発明に含まれる。
【００３４】
センシング部材の形状は四角形以外の多角形や、円形等でも構わない。保持部材の形状も円形以外、例えば多角形、楕円形などでも構わない。保持部材の形状に合わせてスリーブも横断面が多角形や楕円形であっても構わない。
【００３５】
上記の実施形態では光ファイバは、センシング部材に照射する光を導光するファイバと、センシング部材から戻ってきた光を導光するファイバと複数本存しているが、複数のコアを有する１本のマルチコアファイバであっても構わない。また、１本のファイバで導光と受光を兼ねる構成であっても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
以上説明したように、本発明に係る温度センサは、安価にばらつきなく製作できて電流を使用しない光学式温度センサとして有用である。
【符号の説明】
【００３７】
１０      センシング部材
３０     保持部材
３０ｂ    非保持面
３０ｃ    側面
３０ｄ    切り欠き部
３１     保持部材
３１ｂ    非保持面
３１ｃ    側面
３１ｄ    切り欠き部
３２     保持部材
３２ｂ    非保持面
３２ｃ    側面
３２ｄ    切り欠き部
３３     保持部材
３３ｂ    非保持面
３３ｃ    側面
３３ｄ    切り欠き部
８０     光ファイバ
９０      スリーブ
９２      切れ目
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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