(57)【要約】【課題】温度変化に対して応答性の高い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８０とを備え、保持部材は、一方の面に窪み３１を有した板状の部材であり、センシング部材は、保持部材の窪みに接着剤２０によって固定保持されている。【選択図】図１
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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を備え、
前記保持部材は、一方の面に窪みを有した板状の部材であり、
前記センシング部材は、前記保持部材の前記窪みに接着剤によって固定保持されている、温度センサ。
【請求項２】
前記センシング部材は板状の部材であって、第１の面が前記窪みの底面に面しており、第２の面が前記光ファイバに面しており、
前記接着剤は、前記センシング部材のうち側面の少なくとも一部および前記第１の面に接着している、請求項１に記載されている温度センサ。
【請求項３】
前記接着剤は、前記センシング部材の側面にフィレットを形成している、請求項２に記載されている温度センサ。
【請求項４】
前記接着剤の前記フィレット高さは、前記センシング部材の厚みの１／２以上である、請求項３に記載されている温度センサ。
【請求項５】
前記接着剤の前記フィレット高さは、前記センシング部材の厚みの３／４以上である、請求項４に記載されている温度センサ。
【請求項６】
前記接着剤は熱伝導率が１Ｗ／ｍ・ｋ以上である、請求項１から５のいずれか一つに記載されている温度センサ。
【請求項７】
前記窪みの底面径をＤ、前記センシング部材の径をｄとしたときに、Ｄ／ｄが１よりも大きく２以下である、請求項１から６のいずれか一つに記載されている温度センサ。
【請求項８】
前記光ファイバは、筒状のスリーブに収容されており、
前記保持部材は、前記スリーブの先端に固定されている、請求項１から７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温度を正確に応答性よく測定する必要があり、従来の光学式温度センサからさらなる性能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、温度変化に対して応答性の高い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を備え、前記保持部材は、一方の面に窪みを有した板状の部材であり、前記センシング部材は、前記保持部材の前記窪みに接着剤によって固定保持されている構成を備えている。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、その物理的性質を測定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、前記センシング部材は板状の部材であって、第１の面が前記窪みの底面に面しており、第２の面が前記光ファイバに面しており、前記接着剤は、前記センシング部材のうち側面の少なくとも一部および前記第１の面に接着している。
【００１０】
ある好適な実施形態において、前記接着剤は、前記センシング部材の側面にフィレットを形成している。
【００１１】
ある好適な実施形態において、前記接着剤の前記フィレット高さは、前記センシング部材の厚みの１／２以上である。フィレット高さとは、センシング部材の底面から側面に付着した接着剤上端までの距離を、センシング部材の側面の全周にて平均したものを意味している。前記接着剤の前記フィレット高さは、前記センシング部材の厚みの３／４以上であることがより好ましい。
【００１２】
ある好適な実施形態において、前記接着剤は熱伝導率が１Ｗ／ｍ・ｋ以上である。
【００１３】
ある好適な実施形態において、前記窪みの底面径をＤ、前記センシング部材の径をｄとしたときに、Ｄ／ｄが１よりも大きく２以下である。
【００１４】
ある好適な実施形態において、前記光ファイバは、筒状のスリーブに収容されており、前記保持部材は、前記スリーブの先端に固定されている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の温度センサは、センシング部材が窪みを有した板状の保持部材の該窪みに、接着剤によって固定保持されているので、少ない量の接着剤で確実にセンシング部材が固定され、保持部材からセンシング部材に素早くむらなく熱が伝わって温度応答性の高い温度センサとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】（ａ）は実施形態１に係る温度センサ要部の平面図、（ｂ）は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に係る温度センサ要部の模式的な断面図である。
【図４】実施形態１に係る温度センサ要部の接着剤を除いた平面図である。
【図５】実施形態１に係る温度センサの制作途中における模式的な断面図である。
【図６】（ａ）は実施形態２に係る温度センサ要部の平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ’線断面図である。
【図７】比較例に係る温度センサ要部の模式的な断面図である。
【図８】比較例に係る温度センサの制作途中における模式的な断面図である。
【図９】比較例に係る温度センサの模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
温度センサは、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を備えているが、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を置き、物理的性質の変化を測定するのであるが、測定すべき対象の温度はセンシング部材を保護する保護部材を介してセンシング部材に伝わってくる構成となっている。このように保護部材を介するために対象物の温度が変化する際にはその変化をいかに早くセンシング部材に伝えるかが応答性を向上させるために重要になる。
【００１９】
温度応答性を高めるためには、保護部材や保護部材とセンシング部材とを密着させる接着剤等を熱伝導率の高い部材とすることが考えられる。熱伝導率が高い物質としては例えば、銀（４２０Ｗ／ｍ・ｋ）、ダイヤモンド（１０００〜２０００Ｗ／ｍ・ｋ）を挙げることができるが、これらは高価である。市場のコストダウンの要請に応えるために本願発明者らは熱伝導率がある程度大きいが比較的安価なアルミニウム（２３０Ｗ／ｍ・ｋ）や銅（３９８Ｗ／ｍ・ｋ）等を使用して、保護部材形状や接着方法などを工夫することを検討し、本願発明に至った。
【００２０】
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。
【００２１】
（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。保持部材３０はセンシング部材１０を保護する保護部材でもある。
【００２２】
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２の面１２）が光ファイバ８０に面している。
【００２３】
本実施形態の温度センサは、図２に矢印で示すように、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２の面１２とは反対側の第１の面１１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。
【００２４】
本実施形態の保持部材３０は板状の部材であって、一方の面に窪み３１が形成されている。この窪み３１は、深くなるほど径が小さくなっているテーパ状の窪み３１である。この窪み３１の底にセンシング部材１０が接着剤２０によって固定されている。センシング部材１０の第１の面１１が窪み３１の底面に向き合い、この第１の面１１及びセンシング部材１０の側面に接着剤２０が付着して固定されている。センシング部材１０の側面に付着している接着剤２０はフィレット２１を形成している。
【００２５】
接着剤２０は、保持部材３０とセンシング部材１０とを、大きな温度変化があっても強固に固定したままで、かつ熱伝導率が大きい素材からなることが好ましい。具体的には熱伝導率を大きくするために金属粉末やアルミナ等のフィラーを添加したエポキシ系あるいはシリコーン系等の接着剤が用いられ、フィラーを添加した接着剤全体で熱伝導率が１Ｗ／ｍ・ｋ以上である。
【００２６】
本実施形態の温度センサにおいては、保持部材３０の温度測定面３０ａ（窪み３１が形成されている面とは反対側の面）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く。本実施形態ではセンシング部材１０の側面も接着剤２０のフィレット２１に接触しているため、センシング部材１０の側面にも接着剤２０から熱が伝わり、フィレット２１がない場合に比べて短時間で測定対象と同じ温度になり、応答性が大きくなる。
【００２７】
本実施形態においては、保持部材３０に窪み３１を設けてそこにセンシング部材１０を設置しているため、図７に比較例として示す窪みのない保持部材３８を用いた場合に比べて温度変化に対する応答性が大きくなる。その理由は以下の通りである。
【００２８】
まず同じ量の接着剤２０を用いた場合、本実施形態ではセンシング部材１０の側面全体に十分な高さのフィレット２１が形成されるのに対し、比較例ではフィレット２１’高さが小さくなったり、場所によってはフィレット２１’がほとんど形成されない。従って、比較例ではセンシング部材１０の側面からの熱伝導が不十分となり応答性が小さくなると同時に、センシング部材１０の保持部材３８への固定保持が不十分になる場合も発生する。また、図７のように接着剤２０が保持部材３８の上面いっぱいに広がった場合、図８に示すようにスリーブ９０の先端に保持部材３８を組み込むときに、接着剤２０を挟み込むことになる。これは、比較例では保持部材３８に窪みがないため、接着剤２０が流れて広がってしまうからである。
【００２９】
次に本実施形態の保持部材３０では、窪み３１底面から温度測定面３０ａまでの厚みを小さくしても窪み３１の周縁が十分な厚みを有しており保持部材３０自体の機械的強度が確保される。このように保持部材３０底部の厚みが小さいため、比較例に比べて本実施形態では保持部材３０から接着剤２０への熱伝導が早く行われ、応答性が大きくなる。さらに、接着剤２０が保持部材３８の上面で必要以上に広がり、スリーブ９０の先端に保持部材３８を組み込むときに接着剤２０を挟み込むことがなくなる。
【００３０】
また、製造面では、比較例の保持部材３８に接着剤２０を載せてその上にセンシング部材１０を載せると、接着剤２０が保持部材３８の上面のどの方向へ広がっていくのか予想ができず、毎回フィレット形状やフィレット高さが異なって、製造バッチによって温度センサの応答性にばらつきが生じてしまう。一方本実施形態では、窪み３１に接着剤２０が入れられて接着剤２０が周囲に流れ出さないので、毎回安定したフィレット形状及びフィレット高さを再現することができ、製造バッチによる応答性のばらつきはほとんどなくなる。
【００３１】
さらには、光ファイバ８０の先端面とセンシング部材１０との距離を調整する工程においても本実施形態のほうがメリットがある。比較例においては、図８に示すように先ず光ファイバ８０の先端をセンシング部材１０の第２の面１２に突き当てて、それから光ファイバ８０を適正量だけ上げていき、図９に示すように距離Ｇを確保して光ファイバ８０をスリーブ９０に対して固定する。このうち、光ファイバ８０の先端をセンシング部材１０の第２の面１２に突き当てる際に、光ファイバ８０端面やセンシング部材１０表面に傷がつくおそれがあるが、本実施形態では、図５に示すように、カバー８７が保持部材３０に突き当たるだけで、光ファイバ８０先端面とセンシング部材１０とは接触しない。従って、本実施形態では、この工程において光ファイバ８０端面やセンシング部材１０表面に傷がつくおそれがない。
【００３２】
接着剤２０のフィレット高さについては、図３に示すように、センシング部材１０の第１の面１１からフィレット２１の最も高い位置までの距離を、センシング部材１０の側面全周で平均したものをフィレット高さｔとする。本実施形態では、センシング部材１０厚みＴに対してｔ／Ｔが１／２以上である。このような数値範囲であると温度変化に対する応答性が大きくなるので好ましい。ｔ／Ｔが３／４以上であると応答性もより大きくなりセンシング部材１０の固定もより強固になり好ましい。
【００３３】
また、図４に示すように、本実施形態では保持部材３０の窪み３１の底面３５の径をＤ、センシング部材１０の径（最大径）をｄとしたときに、Ｄ／ｄが１よりも大きく２以下である。このような数値範囲であると温度変化に対する応答性を大きくできるとともに、センシング部材１０の表面が十分に広いため、反射光を十分に光ファイバ８０へ導入することができる。
【００３４】
（実施形態２）
実施形態２に係る温度センサの要部を図６に示す。本実施形態は、実施形態１とは保持部材３２の窪み３３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。
【００３５】
本実施形態では、保持部材３２の窪み３３は深さ方向に径が一定である穴として形成されている。このため、センシング部材１０の径に合わせた（Ｄ／ｄが１に近い）窪み３３が容易に形成でき、実施形態１に比べて接着剤２０の量が少なくても必要なフィレット高さを確保できる。その他、実施形態２においても実施形態１の効果と同じ効果を奏する。
【００３６】
（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。
【００３７】
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。保持部材の形状及び窪みの形状も円形以外、例えば多角形、楕円形などでも構わない。
【００３８】
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】
【００３９】
以上説明したように、本発明に係る温度センサは、温度変化に対する高い応答性を備えており、非電気式の温度センサとして有用である。
【符号の説明】
【００４０】
１０      センシング部材
１１     第１の面
１２     第２の面
２０      接着剤
２１     フィレット
３０     保持部材
３１     窪み
３２     保持部材
３３     窪み
３５     窪みの底面
８０     光ファイバ
【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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