JPH0275921A - 温度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、液晶の形態の温度感知要素と少なくとも一つ
の光学導波管とを含む温度センサに関する。

〔従来の技術および解決しようとする課題〕液晶は、長
い間、温度測定のために技術的に使用されている。液晶
には、それらの対掌性の分子配向、すなわち螺線のピッ
チが温度と共に変わるという性質がある。一般に、温度
が増加するにつれてピッチがいっそう小さ（なる。特定
の低温限界で赤色光線が全体的に反射されるようにピッ
チを調整すれば、液晶は赤い色彩を示す。温度を増加さ
せると、反射された光線がその色を黄色と緑を通って青
に変える（Ｂａｃｃｉその他、応用光学益、１０７９〜
１０８２頁（１９８６）　；Ｓｓ＋ｉｔｈ　ソ０）他、
応用物理学、書面Ｕ、４５３〜４５４頁（１９７４））
　。

初期の頃液晶を温度測定に応用したときの欠点は、色、
従って温度が視覚的に評価され、測定精度が不十分であ
ることである。

それ故、目的は、高い測定精度を有する液晶に基づいた
温度センサを見出すことであった。

〔課題を解決するための手段〕

この目的は、液晶と少なくとも一つの光学導波管とを有
する温度センサにより達成できることが見出された。

それ故、本発明は、螺旋状分子配向を有する対掌性のネ
マチック液晶層を含む保護キャップを有し、この保護キ
ャップ内で少なくとも一つの光学導波管が終わっている
温度センサに関する。

本発明による温度センサは、温度感知要素を含む保護キ
ャップを有し、この保護キャップ内に少なくとも一つの
光学導波管が終わっている。

通例、キャップは、一端面で開放していてかつ他端面で
密閉されている円筒状管の形状を有する。キャップの大
きさは、温度感知要素の寸法および一つまたは複数の光
学導波管の直径に依る。壁厚さは円い側面で０．１〜５
、好ましくは０．１〜１ａ＋−であり、かつ密閉された
端面で０．１〜５、好ましくは０．１　＝１ｍ−である
。キャップは、熱を良く伝導する材料で構成するのが好
ましく、例えば金属、アルミニュームが好ましい。

しかしながら、プラスチックまたはセラミックも、壁厚
さが充分小さい場合に、キャップ材料として適する。適
当な材料は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、
ポリ塩化ビニル、ポリアクリレート、ポリメタクリレー
ト、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラフルオロ
エチレン、ポリ弗化ビニリデンまたはポリマー基を有す
る接着剤である。

適当なセラミックは、例えば窒化アルミニュームまたは
炭化珪素である。

温度感知要素は、螺締分子配向を有する対掌性ネマチッ
ク液晶である。上記の対掌性ネマチック型の液晶は、特
に応用に適している。なぜなら、それらの液晶は、温度
測定に使用されるコレステリンク液晶（すなわち、コレ
ステロール化合物を基礎としたもの）より化学的にかつ
光化学的に実質的にいっそう安定しているからである。

液晶は、マイクロカプセルに包んでもよいし、または包
まなくてもよい。

液晶は、ラッカーまたは水溶性のポリマー母材、例えば
ポリビニルアルコールに埋められたマイクロカプセルに
含まれるのが望ましい、また、カプセルに包まれない液
晶を使用することもできるが、それは外部の因子（例え
ば、Ｕν光線）によりいっそう容易に破壊され、かつ取
り扱うのがそんなに容易ではない。液晶は、キャップの
密閉された端部壁の内側と一つまたは複数の光学導波管
の端面との間のキャップの内部に層として含まれ、かつ
厚さがｏ、ｏｏｓ〜０．３、好ましくは０．０１〜０．
０５ｍ５＋である。

好ましくは溶剤のないまたは低い溶剤の配合物がラッカ
ー層に適している。なぜなら、溶剤は液晶の螺旋構造を
変えるかまたは破壊するからである０行路不活性を改善
するために、白色の顔料をラッカーに添加することがで
きる。

少なくとも一つの光学導波管が、温度感知要素に対向す
る開放した端面の保護キャップ内で終わっている。光学
導波管は、個々の光学導波管でもよいが、群にして束ね
ることができる複数の光学導波管であることもできる。

この束ねる作業は、ポリマー収縮スリーブを上に被せる
ことにより行うことが望ましい。

光学導波管は、６部と外側被覆とからなり、外側被覆材
料は心部材料よりわずかに低い屈折率を有する。６部と
外側被覆は、ガラス、好ましくは石英ガラス、またはプ
ラスチックで構成することができる。好ましい組み合わ
せは、ガラス心部、プラスチック外側被覆であり、また
プラスチック６部、プラスチック外側被覆である。６部
と外側被覆はプラスチックで構成されるのが特に好まし
い。

６部のために適当なプラスチックは、例えばポリメチル
メタクリレート、ポリスチレン、ボリカーボネート、ポ
リフルオロアクリレートまたはポリフルオロメタクリレ
ートである。

外側被覆のために適当なプラスチックは、例えばポリフ
ルオロアクリレートまたはポリフルオロメタクリレート
である。これらは、弗化ビニリデンとテトラフルオロエ
チレンのコポリマーでもよい。

光学導波管の直径は、０．０５〜３、好ましくは０．５
〜１．Ｏ霞醜である。

通例、光学導波管の研磨した端面ば液晶の表面と接触す
る。しかしながら、成る場合には、光学導波管と液晶の
間に間隙が残ることが可能でありかつ必要であり、その
大きさは光学導波管の直径の二倍から七倍に等しい。

゛本発明による温度センサは、種々の方法で作ることが
できる。

成る方法では、水性のポリマ゛−溶液内でカプセルに包
まれた液晶カプセルを、光学導波管の研磨された端面に
当てる。分離後、内側で黒くされた保護キャップを光学
導波管の上へ押し込み、そして光学導波管を、適当な密
封化合物、例えばエポキシ接着剤で保護キャップの中に
接着する。また、液晶を保護キャップの閉鎖された端部
壁の内側に沈積することもできる。

液晶をマイクロカプセルに包まれた形態でラッカーに埋
め込むのが好ましい。ラッカーの配合についてはすでに
述べた。このラッカーは、光学導波管の端面にまたは保
護キャップの閉鎖された端部壁の内側に塗布される。

測定照明から発するＵＶ光線に対する保護として、Ｕｖ
吸収フィルタを設けるのが得策である。

この吸収フィルタは、光源と光学導波管の間に配置され
るのが有利である。

温度測定の目的のために、本発明による温度センサは、
光学導波管により、光源（光線エミッタ）、光線検出器
および評価兼指示装置を含む測定器具に接続される。継
手が温度センサと測定器具の間に配置されるのが有利で
ある。測定器具の内側または外側で、光学導波管が分岐
して、温度センサを光源と光線検出器に接続している。

この分岐部を温度センサに位置させることもでき、その
結果光学導波管は多ガイドとして測定器具へ走ることに
なる。

光源から発する白色光線が液晶層（ＬＣ層）により反射
されて、分岐部を経て光線検出器へ案内される。検出器
の前に取りつけられたフィルタにより、成る波長の強さ
のみを測定することが確保され、また例えば、一つの波
長を基準として用いることができる。

温度に関係しない基準を作る他の可能性の例は、 ａ）前方繊維端面で背面反射される強さの使用（フレネ
ル反射）、 ｂ）液晶の上の透明な保護ラッカー層でのフレネル反射
、 Ｃ）前にＬＣ層が位置している黒くない背面での反射で
ある。

良好な行路不活性と長時間安定度に対する要求のない簡
単な温度測定のために、白色光源の代わりに適当な放射
波長を有する発光ダイオードを選ぶこともできる。

〔発明の効果〕

本発明による温度センサを用いて温度測定すると、次の
ような利点が結果として生ずる。

−原理が簡単、従って非常に安価であること−測定精度
が高いこと（１，１’Ｃ）　、温度ヒステリシスがない
こと、 一使用される液晶の量が非常に少なく、かつセンサ構造
が適当である結果として感度が高くかつ反応時間が短い
こと、 −センサ先端が非常に小さくて、コンパクトであり、従
って点測定が可能であること、一液晶温度指示器の以前
の応用の場合のように測定場所が目に見える必要がなく
、測定場所と指示を空間的に分離できること、 一電子評価により、可視スペクトル域外でさえ反射光線
成分を評価することもでき、その結果測定可能な温度範
囲が上方へいっそう短い波長に、および下方へいっそう
長い波長に広げられる。

−蛍光性の化合物を基礎とした温度センサと対照をなし
て、本発明によるセンサの場合には測定光線が反射の物
理的法則に従って、測定繊維の評価ユニットへ高い効率
で戻ること、−センサが電磁場と静電および磁場に無感
応であること、 一カプセルに包まれない液晶の視覚観察に起こるような
斜めの視角の結果としての測定の改悪は起こりえない。

なぜなら、液晶の照明と測定光線の戻りが光学導波管を
経て限定された仕方で行われるからである。色のスペク
トル純度を開口数により制御できる。

−また、色を光学導波管を経て視角的に評価できる。

液晶混合物の適当な選択により、測定問題に適している
、広い範囲の測定可能な温度範囲を選ぶことができる。

本発明による温度センサの応用例は、次の通りである。

すなわち、 一医学の分野での温度測定、例えば腫瘍のマイクロ波処
理、表皮温度測定、断層撮影性試験、−爆発性の環境で
の温度測定、 −例えば産業工程または家庭におけるマイクロ波加熱で
の温度測定などである。

〔実施例〕

図面は、本発明による温度センサを具体化するための可
能性を示す。これらにおいて、１は保護キャップを表し
、２は温度感知要素を示し、３は光学導波管を示し、４
は密封部を示し、５は収縮嵌めスリーブを示す。

第１図は、単一の光学導波管のみを含む温度センサを示
す。保護キャップ（１）の閉鎖された端面の内側に、液
晶（２）がある。光学導波管（３）は、その端面が液晶
（２）と接触するのに充分なだけ遠くキャップ（Ｉ）の
中に押し込まれている。密封部（４）は、液晶（２）を
大気の因子に対して保護する。

第２図による温度センサは二つの光学導波管（３）を有
し、これらの光学導波管は、光学導波管の直径の約三倍
に等しい距離で液晶（２）の前で終わっており、かつ収
縮嵌めスリーブ（５）により一緒に保持されている。

第３図は、光学導波管（３）の東金体の使用を示す。他
の点では、この図の温度センサの構造は、第１図のセン
サ構造と同じである。

第４図による温度センサは第２図によるセンサと同じ構
造を有するが、二つの光学導波管（３）が光学導波管の
複数の束により置き換えられている点で相違する。

例１ マイクロカプセルに包みこまれた液晶を、ポリマーＯＷ
Ｇ　（１ｍｍ直径）の端面に直接塗布されたラッカーに
埋めこんだ、液晶により設定された測定可能な温度範囲
は、２５℃から４５℃までである。ラッカーが硬化した
後、鋭敏なセンサ先端を、黒くしたＰＴＦＥで構成され
た保護キャップにより保護した。キャップの基部は、測
定対象物と良好な熱接触をもつために厚さが０．１−　
　にすぎなかった、センサを測定器具に接続した。ラン
プから出て来る白色光線はＯＷＧを経て液晶層へ給送さ
れた。特別な波長の選択的に反射された光線は、繊維の
先端の温度の測定だった。その光線は、Ｙ接続箇所を経
て、フィルタにより先行された検出器へ導かれ、その検
出器は６３０ｎｍと８００　ｎｍの光度を測定した。６
３０　ｎｓｉの光度は温度に強く依存していたが、８０
０　ｎｍの光度は温度と無関係であり、かつＯＷＧ伝導
（行路不活性）における光源変動または変化のための基
準信号として役立った。温度にのみ依存する商Ｉ　（６
３０ｎｍ）／Ｉ（８００ｎｍ）は、直接温度スケールで
較正することができた測定品質であった。

例２ 光源と測定計器の検出器に接続された二つの石英ガラス
の多様式光学導波管（各１２５μｍの直径）を一端でプ
ラスチック収縮スリーブにより保持した。収縮後、スリ
ーブが光学導波管を堅く包囲した。内側に、カプセルに
包まれていない薄い液晶層が沈積された、黒色のラッカ
ーを塗ったアルミニュームキャップを光学導波管の結合
された端部の上へ押し込んだ、液晶層は、検出器に導か
れるＯＷＧに反射強さが良好に発進するように確保する
ために二つの繊維端面から３００μ−の距離にあった。

液晶層をＵＶ光線に対して保護するために、ランプが発
するＵＶ光線を上流に位置したＵｖ吸収フィルタにより
除去しなければならなかった。液晶は、−１０℃から士
１０°Ｃの範囲で感度がよかった。このセンサで達成さ
れた測定精度は１０．１°Ｃであった。アルミニューム
キャップの高い熱伝導率と低い質量の結果として、セン
サは１秒から２秒までの短い反応時間をもった。

例３ 例２に類似した構造を選択したが、５００μ−の直径の
二つのポリマー光学導波管とマイクロカプセルに包まれ
たＬＣ層を用いた。行路不活性を改善するために、低い
付加的な光線反射を生じた白色顔料を、液晶を含んだラ
ッカー混合物に添加した。これは温度と無関係であった
し、かつ温度センサの長時間安定度を改善するための基
準値としてそれを使用することができた。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本発明による温度センサを具体化する
ための四つの可能性を示す部分縦断面図である。 ■・・・保護キャップ、２・・・温度感知要素、３・・
・光学導波管、４・・・密封部、５・・・収縮液めスリ
ーブ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）螺旋状分子配向を有する対掌性のネマチック液晶
   を含む保護キャップを有し、この保護キャップ内で、少
   なくとも一つのの光学導波管が終わっていることを特徴
   とする温度センサ。
2. （２）保護キャップは、一端面で開放していてかつ他端
   面で密閉されている円筒状管の形状を有する、請求項１
   に記載の温度センサ。
3. （３）保護キャップが、金属、ポリマーまたはセラミッ
   クで構成されている、請求項１に記載の温度センサ。
4. （４）液晶が保護キャップの密閉された端面の内側に位
   置している、請求項１に記載の温度センサ。
5. （５）液晶がマイクロカプセルのラッカー層に含まれる
   、請求項１に記載の温度センサ。（６）光学導波管が、
   液晶に対向する保護キャップの開放した端面で終わって
   いる、請求項１に記載の温度センサ。