(57)【要約】【課題】局所位置の温度を高速で計測可能な放射温度計を提供する。【解決手段】対象物に配置されるプローブ１０と、光検出部２０と、プローブ１０と光検出部２０との間に配置される光伝送路３０と、光検出部２０で検出された光強度に基づいて対象物の温度を算出する制御部４０とを備える放射温度計１であって、プローブ１０は、外部から内部に入射する所定波長以下の光の所定割合以上を遮蔽する構造となっており、かつ、加温されることにより放射光を放射する放射光発生物質部品１２と、放射光発生物質部品１２からの放射光を光検出部２０に導く光伝送路３０の一端部が配置される保持部１１とを備えた構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物に配置されるためのプローブと、
光検出部と、
前記プローブと前記光検出部との間に配置された光伝送路と、
前記光検出部で検出された光強度に基づいて、前記対象物の温度を算出する制御部とを備える放射温度計であって、
前記プローブは、外部から内部に入射する所定波長以下の光の所定割合以上を遮蔽する構造となっており、かつ、
加温されることにより放射光を放射する放射光発生物質部品と、
前記放射光発生物質部品からの放射光を前記光検出部に導く前記光伝送路の一端部が配置される保持部とを備えることを特徴とする放射温度計。
【請求項２】
前記所定波長は、１５μｍであり、
前記所定割合は、９５％であることを特徴とする請求項１に記載の放射温度計。
【請求項３】
前記プローブは、前記対象物に取り付けられるための筒状の筐体を備え、
前記筐体及び前記放射光発生物質部品は、外部から内部に入射する所定波長以下の光の所定割合以上を遮蔽する材料で形成されており、
前記筐体の先端部に、前記放射光発生物質部品が配置されるとともに、前記筐体の後端部に、前記保持部が配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の放射温度計。
【請求項４】
前記放射光発生物質部品は、アルミナセラミックス製の板状体であるか、或いは、
前記放射光発生物質部品は、所定波長以下の光を透過する透明部品上に塗布された黒体塗料膜であることを特徴とする請求項３に記載の放射温度計。
【請求項５】
前記プローブは、前記対象物に取り付けられるための筒状の筐体を備え、
前記筐体は、外部から内部に入射する所定波長以下の光の所定割合以上を遮蔽する材料で形成されており、
前記筐体の先端部に、前記放射光発生物質部品が配置されるとともに、前記筐体の後端部に、前記保持部が配置されており、
前記放射光発生物質部品の前方に、外部から内部に入射する所定波長以下の光の所定割合以上を遮蔽する遮蔽部品が配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の放射温度計。
【請求項６】
前記放射光発生物質部品は、前記対象物に取り付けられるための前面を有する筒状体であり、
前記放射光発生物質部品は、外部から内部に入射する所定波長以下の光の所定割合以上を遮蔽する材料で形成されており、
前記筒状体の後端部に、前記保持部が配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の放射温度計。
【請求項７】
前記放射光発生物質部品の厚さは、１０μｍ以下であることを特徴とする請求項３〜請求項６のいずれか１項に記載の放射温度計。
【請求項８】
前記光伝送路は、光ファイバ又は空間であることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の放射温度計。
【請求項９】
前記光検出部は、分光器と光検出器とを備えることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の放射温度計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば温度を計測する放射温度計に関し、特に半導体製造装置における真空領域中や煙道中や燃焼プロセス中や内燃機関（エンジン）における取付位置や局所位置の温度を計測する放射温度計に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エンジン（内燃機関）の燃焼室のように、高温で作動する対象物の温度を計測することが求められてきている。
【０００３】
ここで、図４は、エンジンの一例を示す概略構成図である。なお、地面に水平な一方向をＸ方向、地面に水平でＸ方向と垂直な方向をＹ方向とし、Ｘ方向とＹ方向とに垂直な方向をＺ方向とする。
エンジン５０は、例えばアルミニウム製のシリンダ（筒）５１と、シリンダ５１内でＺ方向と−Ｚ方向とに摺動可能なピストン５２と、コンロッド５３を介してピストン５２と連結されるクランクシャフト（図示略）と、ＥＣＵ６０とを備える。
【０００４】
吸気ポートと排気ポートとは、シリンダ５１のヘッドに形成され、燃焼室に対しては、吸気ポートと排気ポートとが連通する。吸気ポートは、吸気通路５４に接続され、吸気ポートと燃焼室との間には吸気ポートの燃焼室に対する開閉を行う吸気バルブ５６が設けられている。また、排気ポートは、排気通路５５に接続され、排気ポートと燃焼室との間には、排気ポートの燃焼室に対する開閉を行う排気バルブ５７が設けられている。
また、図示は省略するが、燃焼室には、燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタや、燃焼室内の混合気に点火するための点火プラグ等が設けられる。
【０００５】
ＥＣＵ６０は、クランクシャフト近傍に設けられ、クランク位置やクランク角速度の検出を行う回転センサ等の各種センサからの情報が計測情報として入力され、エンジン５０の燃料噴射量や点火時期等の制御を行う。
【０００６】
このようなエンジン５０によれば、ピストン５２の下降とともに、吸気通路５４からの吸気ガスが吸気バルブ５６を介して燃焼室に吸入される吸気工程が行われる。吸気工程の後、吸気バルブ５６が閉じ、下死点に達したピストン５２の上昇により、吸入空気に燃料が噴射された混合気が燃焼室において圧縮される圧縮工程が行われる。ピストン５２が上死点近くまで上昇すると、所定のタイミングでの混合気に対する点火によって燃焼工程が行われる。そして、燃焼の圧力によって下降したピストン５２が、再度上昇する際に排気バルブ５７が開かれ、燃焼室内の燃焼ガスが排気バルブ５７を介して排気ガスとして排気通路５５に排出される排気工程が行われる。これら吸気工程と圧縮工程と燃焼工程と排気工程との４つの一連の工程が１回のサイクルとなる。
【０００７】
このようなエンジン５０の温度を計測するために、例えば熱電対が用いられている。しかし、燃焼サイクル中の燃焼室内の温度や圧力は高速かつダイナミックに変化するため、φ数十μｍの小形化した熱電対でも応答速度が数ｍｓｅｃ〜数十ｍｓｅｃとなり、６０００ｒ／ｍのエンジン５０では温度を詳細に計測することができなかった。つまり、６０００ｒ／ｍのエンジン５０において１．８°Ｃ．Ａ．ごとの温度を計測するためには、０．０５ｍｓｅｃの応答速度が必要となる。
【０００８】
一方、高温で作動する対象物の温度を高速（０．０５ｍｓｅｃ）で計測することができる光学的温度センサとして、対象物の放射光を検出して対象物の温度を計測する放射温度計や２色光センサが開示されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
図５は、従来の放射温度計に係るプローブの一例を示す一部断面概略構成図である。放射温度計（波長分布型の２色温度計）１０１は、プローブ１１０と、光検出部１２０と、プローブ１１０と光検出部１２０との間に配置された光ファイバ（光伝送路）３０と、マイコンやＰＣで構成される制御部１４０とを備える。
【０００９】
プローブ１１０は、光を透過しないＳＵＳ製の円筒形状の筐体１１を備える。そして、円筒形状の筐体１１の一端部に、略円板形状のサファイア窓（透明部品）１１２がガスケットやＯリングやロウ付け等の封止構造を介して接合されるとともに、円筒形状の筐体１１の他端部（保持部）に、光ファイバ３０の一端部が取り付けられている。
【００１０】
このようなプローブ１１０は、例えば、測定者等によってシリンダ５１の側壁等に貫通孔（ネジ穴）が形成され、その貫通孔にＸ方向に挿入されて取り付けられる。これにより、−Ｘ方向へ放射された放射光がサファイア窓１１２から筐体１１内に導かれ、筐体１１の内部に導かれた放射光が光ファイバ３０内に入射する。
【００１１】
光ファイバ３０は、例えば直径０．２ｍｍ、長さ１ｍ〜１０ｍの管状であり、光を軸方向に伝達することができ、一端部から入射した光が、内部を通過して他端部から出射するようになっている。
【００１２】
光検出部１２０は、例えば光強度Ｉを電気信号に変換するフォトダイオード（光検出器）２１と、分光器１２２とを備える。分光器１２２は、直方体の筐体１２２ａを備え、筐体１２２ａの内部には回折光学素子１２２ｂが配置され、筐体１２２ａの側壁には、光ファイバ３０の他端部が取り付けられている。このような光検出部１２０では、制御部１４０によって回折光学素子１２２ｂが制御されることで、光ファイバ３０内を通過した波長領域（λ１〜Λ１〜Λ２〜λ２）の放射光の内の波長Λ１、Λ２の光がフォトダイオード２１にそれぞれ導かれ、フォトダイオード２１は波長Λ１、Λ２の光の強度Ｉ１、Ｉ２をそれぞれ受光する。
【００１３】
制御部１４０は、マイコンやＰＣで構成されており、制御部１４０が処理する機能をブロック化して説明すると、フォトダイオード２１から電気信号（光強度Ｉ）を取得する取得部４０ａと、第一波長Λ１の光強度Ｉ１と第二波長Λ２の光強度Ｉ２とを用いた二色法によって温度を所定時間間隔（例えば０．０５ｍｓｅｃ）で算出する算出部１４０ｂとを有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２０１０−１３９３４９号公報
【特許文献２】特開平８−２２６８５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上述したようなプローブ１１０では、サファイア窓１１２の視野に入る放射光が光ファイバ３０内に入射する。具体的には、ディーゼルエンジンの場合は、発生するスス粒子からの放射光が光ファイバ３０内に入射し、ガソリンエンジンの場合は、ダミー粒子からの放射光が光ファイバ３０内に入射する。そのため、上述したような放射温度計１０１では、プローブ１１０の−Ｘ方向の領域に存在する気体（全粒子）の平均温度が算出されることから、エンジン５０における局所位置の温度を計測することができないという問題点があった。
そこで、本発明は、局所位置の温度を高速で計測可能な放射温度計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本件発明者は、上記課題を解決するために、局所位置の温度を高速で計測することができる放射温度計について鋭意検討を行った。そこで、スス粒子やダミー粒子等からの放射光（燃焼発光）を検出するのではなく、燃焼室内部からの燃焼発光を透過しない構造のプローブとし、さらに、放射率が高い放射光発生物質部品をプローブに取り付けることや、放射光発生物質でプローブを形成することを見出し、そのプローブを所望位置に取り付けることにした。
【００１７】
すなわち、本発明の放射温度計は、対象物に配置されるためのプローブと、光検出部と、前記プローブと前記光検出部との間に配置された光伝送路と、前記光検出部で検出された光強度に基づいて、前記対象物の温度を算出する制御部とを備える放射温度計であって、前記プローブは、外部から内部に入射する所定波長以下の光の所定割合以上を遮蔽する構造となっており、かつ、加温されることにより放射光を放射する放射光発生物質部品と、前記放射光発生物質部品からの放射光を前記光検出部に導く前記光伝送路の一端部が配置される保持部とを備えるようにしている。
【００１８】
ここで、「所定波長」とは、検出された光強度から対象物の温度を精度よく算出するために、放射光発生物質の種類（放射光発生物質から放射される光強度分布）によって決められる任意の波長である。
また、「所定割合」とは、燃焼室等の内部からの燃焼発光がノイズとならないようにして、検出された光強度から対象物の温度を精度よく算出するために、放射光発生物質の種類（放射光発生物質から放射される光強度の大きさ）によって決められる任意の割合である。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、本発明の放射温度計によれば、プローブに備えられた放射光発生物質部品からの放射光の強度から温度を算出するので、プローブを所望位置に配置すれば、その取付位置や局所位置の温度を高速で計測することができる。
【００２０】
（他の課題を解決するための手段及び効果）
また、上記の発明では、前記所定波長は、１５μｍであり、前記所定割合は、９５％であるようにしてもよい。
また、上記の発明では、前記プローブは、前記対象物に取り付けられるための筒状の筐体を備え、前記筐体及び前記放射光発生物質部品は、外部から内部に入射する所定波長以下の光の所定割合以上を遮蔽する材料で形成されており、前記筐体の先端部に、前記放射光発生物質部品が配置されるとともに、前記筐体の後端部に、前記保持部が配置されているようにしてもよい。
【００２１】
また、上記の発明では、前記放射光発生物質部品は、アルミナセラミックス製の板状体であるか、或いは、前記放射光発生物質部品は、所定波長以下の光を透過する透明部品上に塗布された黒体塗料膜であるようにしてもよい。
また、上記の発明では、前記プローブは、前記対象物に取り付けられるための筒状の筐体を備え、前記筐体は、外部から内部に入射する所定波長以下の光の所定割合以上を遮蔽する材料で形成されており、前記筐体の先端部に、前記放射光発生物質部品が配置されるとともに、前記筐体の後端部に、前記保持部が配置されており、前記放射光発生物質部品の前方に、外部から内部に入射する所定波長以下の光の所定割合以上を遮蔽する遮蔽部品が配置されているようにしてもよい。
【００２２】
また、上記の発明では、前記放射光発生物質部品は、前記対象物に取り付けられるための前面を有する筒状体であり、前記放射光発生物質部品は、外部から内部に入射する所定波長以下の光の所定割合以上を遮蔽する材料で形成されており、前記筒状体の後端部に、前記保持部が配置されているようにしてもよい。
【００２３】
上記した本発明の放射温度計によれば、不純物（塵埃、粒子等）が発生するような対象物であっても、放射光発生物質部品と光伝送路との間において放射光を遮断する不純物の流入を完璧に防止することができる。
【００２４】
また、上記の発明では、前記放射光発生物質部品の厚さは、１０μｍ以下であるようにしてもよい。
そして、上記の発明において、前記光伝送路は、光ファイバ又は空間であるようにしてもよい。
【００２５】
さらに、本発明において、前記光検出部は、分光器と光検出器とを備えるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第一実施形態に係る放射温度計のプローブを示す一部断面概略構成図。
【図２】本発明の第二実施形態に係るプローブを示す図１同様の概略構成図。
【図３】本発明の第三実施形態に係るプローブを示す図１同様の概略構成図。
【図４】エンジンの一例を示す概略構成図。
【図５】従来の放射温度計に係るプローブの一例を示す一部断面概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。
【００２８】
＜第一実施形態＞
図１は、本発明の第一実施形態に係る放射温度計のプローブの一例を示す一部断面概略構成図である。なお、上述した従来の放射温度計１０１と同様のものについては同じ符号を付している。
放射温度計（エネルギー強度型の単色温度計）１は、プローブ１０と、光検出部２０と、プローブ１０と光検出部２０との間に配置された光ファイバ（光伝送路）３０と、マイコンやＰＣで構成される制御部４０とを備える。
【００２９】
プローブ１０は、円筒形状の筐体１１を備える。そして、筐体１１は、外部から内部に入射する所定波長以下の光の所定割合以上を遮蔽する材料で形成されている。
上記筐体の材料としては、１５μｍ以下の光を遮蔽するものが好ましく、全波長の光を遮蔽するものがより好ましい。また、所定波長以下の光の９５％以上を遮蔽することが好ましく、所定波長以下の光の１００％を遮蔽することがより好ましい。このような材料としては、例えばＳＵＳ等が挙げられる。
【００３０】
放射光発生物質部品１２は、筐体１１の内径より直径が大きく、かつ、筐体１１の外径より直径が小さい円板状体であって、円筒形状の筐体１１の一端部を塞ぐようにガスケットやＯリングやロウ付け（流入を防ぐ構造）等の封止構造を介して接合されている。
上記円板状体の厚さは、特に限定されないが、１０μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以下であることがより好ましい。
また、上記放射光発生物質部品の材料としては、加温によって所定波長Λを含む波長領域（λ１〜Λ〜λ２）の放射光を放射するものであることが好ましい。また、１５μｍ以下の光を遮蔽するものが好ましく、全波長の光を遮蔽するものがより好ましい。さらに、所定波長以下の光の９５％以上を遮蔽することが好ましく、所定波長以下の光の１００％を遮蔽することがより好ましい。このような材料としては、例えばアルミナセラミックス等が挙げられる。
【００３１】
このようなプローブ１０は、例えば、測定者等によってシリンダ５１の側壁の所望位置に形成された貫通孔に取り付けられる。これにより、シリンダ５１内の粒子等から放射された所定波長以下の放射光は筐体１１内に入射せず、また、放射光発生物質部品１２は加温されることで、波長領域（λ１〜Λ〜λ２）の放射光を放射する。その結果、放射光発生物質部品１２から放射された波長領域（λ１〜Λ〜λ２）の放射光が光ファイバ３０内に入射する。
光検出部２０は、例えば光強度Ｉを電気信号に変換するフォトダイオード（光検出器）２１と、フォトダイオード２１の前方に配置され波長Λの光を透過させるフィルタ（分光器）２２とを備える。このような光検出部２０では、光ファイバ３０内を通過した波長領域（λ１〜Λ〜λ２）の放射光の内の波長Λの光がフィルタ２２を介してフォトダイオード２１に導かれ、フォトダイオード２１は波長Λの光の強度Ｉを受光する。
制御部４０は、マイコンやＰＣで構成されており、制御部４０が処理する機能をブロック化して説明すると、フォトダイオード２１から電気信号（光強度Ｉ）を取得する取得部４０ａと、波長Λの光強度Ｉを用いた単色法で温度を所定時間間隔（例えば０．０２５ｍｓｅｃ）で算出する算出部４０ｂとを有する。
【００３２】
以上のように、第一実施形態の放射温度計１によれば、プローブ１０に備えられた放射光発生物質部品１２からの放射光の強度Ｉから温度を算出するので、放射光発生物質部品１２が配置されたシリンダ５１の側壁における局所位置の温度を所定時間間隔（例えば０．０２５ｍｓｅｃ）で計測することができる。また、ススやダミー粒子ではなく、放射光発生物質は特定であって放射物質量も一定である（既知である）ことから、単色法で正確に測定することができる。
【００３３】
＜第二実施形態＞
図２は、本発明の第二実施形態に係る放射温度計のプローブの一例を示す一部断面概略構成図である。なお、上述した放射温度計１、１０１と同様のものについては同じ符号を付している。
放射温度計（エネルギー強度型の単色温度計）２０１は、プローブ２１０と、光検出部２０と、プローブ２１０と光検出部２０との間に配置された光伝送路２３０と、マイコンやＰＣで構成される制御部４０とを備える。
【００３４】
プローブ２１０は、円筒形状の筐体１１を備える。
サファイア窓（透明部品）１１２は、筐体１１の内径より直径が大きく、かつ、筐体１１の外径より直径が小さい円板状体であって、円筒形状の筐体１１の一端部を塞ぐようにガスケットやＯリングやロウ付け等の封止構造を介して接合されている。
【００３５】
そして、サファイア窓１１２の前面には、放射光発生物質を塗布することにより放射光発生物質膜（放射光発生物質部品）２１２が形成されている。
上記放射光発生物質膜の厚さは、特に限定されないが、１０μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以下であることがより好ましい。
【００３６】
また、上記放射光発生物質膜の材料としては、加温によって所定波長Λを含む波長領域（λ１〜Λ〜λ２）の放射光を放射するものであることが好ましい。また、１５μｍ以下の光を遮蔽するものが好ましく、全波長の光を遮蔽するものがより好ましい。さらに、所定波長以下の光の９５％以上を遮蔽することが好ましく、所定波長以下の光の１００％を遮蔽することがより好ましい。このような材料としては、例えば黒体塗料等が挙げられる。
【００３７】
光伝送路２３０は、複数のレンズで構成されており、光を軸方向に伝達することができ、一端部から入射した光が、他端部から出射するようになっている。
【００３８】
以上のように、第二実施形態の放射温度計２０１によれば、プローブ２１０に備えられた放射光発生物質膜２１２からの放射光の強度Ｉから温度を算出するので、放射光発生物質膜２１２が配置されたシリンダ５１の側壁における局所位置の温度を所定時間間隔（例えば０．０２５ｍｓｅｃ）で計測することができる。また、ススやダミー粒子ではなく、放射光発生物質は特定であって放射物質量も一定であることから、単色法で正確に測定することができる。
【００３９】
＜第三実施形態＞
図３は、本発明の第三実施形態に係る放射温度計のプローブの一例を示す一部断面概略構成図である。なお、上述した放射温度計１、１０１、２０１と同様のものについては同じ符号を付している。
放射温度計（エネルギー強度型の単色温度計）３０１は、プローブ３１０と、光検出部２０と、プローブ３１０と光検出部２０との間に配置された光ファイバ（光伝送路）３０と、マイコンやＰＣで構成される制御部４０とを備える。
【００４０】
プローブ３１０は、前面を有する円筒形状の筐体（放射光発生物質部品）３１１を備える。
上記筐体の材料としては、加温によって所定波長Λを含む波長領域（λ１〜Λ〜λ２）の放射光を放射するものであることが好ましい。また、１５μｍ以下の光を遮蔽するものが好ましく、全波長の光を遮蔽するものがより好ましい。さらに、所定波長以下の光の９５％以上を遮蔽することが好ましく、所定波長以下の光の１００％を遮蔽することがより好ましい。このような材料としては、例えばアルミナセラミックス等が挙げられる。
【００４１】
光ファイバ３０の一端部は、筐体３１１の他端部に、円筒形状の保持部３１２を介して取り付けられている。
【００４２】
以上のように、第三実施形態の放射温度計３０１によれば、プローブ３１０に備えられた筐体３１１からの放射光の強度Ｉから温度を算出するので、筐体３１１が配置されたシリンダ５１の側壁における局所位置の温度を所定時間間隔（例えば０．０２５ｍｓｅｃ）で計測することができる。また、ススやダミー粒子ではなく、放射光発生物質は特定であって放射物質量も一定であることから、単色法で正確に測定することができる。
＜他の実施形態＞
（１）上述した放射温度計１において、筐体１１の他端部に光ファイバ３０の一端部が取り付けられる構成としたが、プローブ（筐体）と光ファイバとが一体構造となっているような構成としてもよい。また、光ファイバ３０は、必要に応じて延長ファイバとアダプタとを用いて接続されるようにしてもよい。
（２）上述した放射温度計１において、光検出部２０は、フォトダイオード２１を備える構成としたが、ＰＭＴや焦電素子や赤外線センサからなる構成としてもよい。また、所定波長Λの光を透過させるフィルタ２２を備える構成としたが、同時に複数波長を取得するような構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、温度を計測する放射温度計等に利用することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１  放射温度計
１０  プローブ
１１  筐体（保持部）
１２  放射光発生物質部品
２０  光検出部
３０  光ファイバ（光伝送路）
４０  制御部
５０  エンジン（内燃機関）
【図１】
2017003324.tif 000003
【図２】
2017003324.tif 000004
【図３】
2017003324.tif 000005
【図４】
2017003324.tif 000006
【図５】
2017003324.tif 000007