JPS6363845B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は一般に温度測定装置に関し、特に温度
感知発光物質を使用した光学技術によつて測定す
る温度測定装置に関する。

従来の技術 現在温度測定には多くの方法が使用されてい
る。最も一般的な工業技術では、電気信号を発生
し、温度表示目盛に変換したり、または制御機能
のために使用される熱電対、サーミスター、また
は温度抵抗計を使用している。

しかし、電気的でない技術で温度データを得る
ことが時には有益であつたり、或いはそのように
してデータを得ることが必要不可欠とされる場合
がある。これは次のような場合に生じる。即ち、
(1)温度測定を広大な区域にわたつて行う場合であ
り、このような場合には熱電対を密に分布するこ
とは実際上不可能となる、(2)熱電対とそのリード
線を測定物に取り付けることによつて、測定すべ
き温度が影響を受ける場合、(3)強い電界や磁界が
存在するために、金属線を用いることが望ましく
ない場合、(4)電気的絶縁が望ましかつたり、又は
電気的雑音発生から影響を受けないことが望まれ
る場合、(5)測定すべき部分が遠く離れていたり、
移動することによつてリード線を恒常的に用いる
ことが不可能な場合、(6)腐蝕性の化学環境のため
に、線材および熱電対の接続部が悪い影響を受け
ることによつて、電気的特性に変化が生じる場合
である。以上述べたそれぞれの場合に、光学技術
によつて温度を測定する方法がしばしば望まれて
きた。

温度測定の最も直接的な光学技術は赤外線輻射
測定である。しかし、赤外線伝達媒体がなくて、
直線視界測定が不可能な場合には、赤外線技術は
不利である。そのような場合に、温度を感知する
場所から赤外線検出器までの赤外線伝導路を設け
ることができるような、波長の長い赤外線放射に
対して十分透明な物質は比較的少ない。その上、
赤外線放射測定値を真の温度表示値に変換するに
は、放射物質の放射率を正確に知らなければなら
ない点で、赤外線技術は完全なものではない。

光学的高温計も使用できるが、可視放射線を放
射する非常に熱い熱源に対してしか使用できな
い。この光学的高温計は完全な測定値が要求され
る場合の赤外線放射計と同じような問題をかかえ
ている。

広い区域を測定するために、温度記録燐光体、
又は温度記録液晶を薄膜又はコーテイングの形で
測定面に塗布して使用することがしばしば行われ
ている。公知の代表的な温度記録燐光体は紫外線
励起下において広い蛍光発光を示し、この蛍光発
光は放射強度に関しては、温度に強く依存する。
この放射の蛍光強度は、狭い温度範囲を超える温
度においては、急激に消滅する。励起源の不安定
さによつて引き起されるような励起の変化が温度
の変化として混同されるので、温度記録燐光体を
完全に温度較正することは困難である。液晶は先
に述べたものと同様な狭い温度範囲で反射する色
を変える。両物質とも、高感度を得るためには、
それら温度センサとして動作する範囲が本発明の
物質に比較して必然的にかなり制限されるので、
ともに問題をもつている。大抵の液晶材料は比較
的不安定で、ある期間にわたつて、化学的および
物理的性質が変化する。この現象は常に問題にな
るわけではないが、用途が制限される。

発明が解決しようとする課題 従つて、本発明の主な目的は、電気的技術によ
るのではなく、金属線、金属接続、およびコネク
タを用いなくてよく、しかも電気雑音源がなく、
点測定を行い得るとともに広い範囲（区域）にわ
たつての測定をも行い得る光学技術を使用した光
学的な遠隔温度測定装置を提供することにある。

本発明の今一つの目的は、励起の変化によつて
生じるような、時間の経過に伴う全蛍光発光強度
の変化、光伝送の変化、または受信検出器の感度
の変化が、温度の変化であると混合されることの
ないよう温度較正がされた発光物質温度測定装置
を提供することにある。

更に本発明の今一つの目的は、測定点が腐蝕ガ
スまたは液体の中に存在していたり、電気的また
は熱的に絶縁しなければならなかつたり、真空の
中にあつたり、又は永続的に使用するリード線を
簡単に接続できない可動部分である場合に、その
測定点、または測定環境に直接電気線材を接続す
ることなく測定することが可能な温度測定装置を
提供することにある。

本発明の最後の目的は、従来の温度記録燐光体
または温度記録液晶で可能であつた測定温度範囲
よりも一層広い範囲にわたつて、完全に温度較正
がされた温度測定装置を提供することにある。

課題を解決するための手段 これらの目的、およびその他の付加的な目的は
本発明の装置によつて達成される。すなわち本発
明の装置は温度センサとして、発光物質を含む温
度検出プローブを備えており、発光物質は光フア
イバ伝送媒体の一端に光学的に結合されている。
この検出プローブは温度を測定すべき環境と熱伝
導できるように置かれる。光フアイバ伝送媒体の
他端にはこの伝送媒体に沿つて励起放射線を送
り、発光物質に温度依存強度特性を有する電磁放
射線を発生せしめる励起放射線発生装置が設けら
れている。光フアイバ伝送媒体の前記他端には発
光物質が放射する電磁放射線の温度依存特性を定
量的に検出する装置が設けられており、同装置は
発光物質と前記環境の温度を測定する。

発光物質は光フアイバ媒体の端部に恒久的に固
定するか、又は光フアイバ媒体に着脱可能に設け
た担持体に永久的に固定する。光フアイバ伝送媒
体は単線の光フアイバでもよいし、複数の光フア
イバを束にしたものでもよい。複数の光フアイバ
を使用するときは、１本又は２本以上のフアイバ
から成る第１のグループを励起放射線を発光物質
に送るのに用い、１本、又は２本以上のフアイバ
から成る第２のグループを発光物質が放射した温
度依存放射線を検出装置に送るために用いること
ができる。

本発明の実施に際しては検出装置が検出した発
光放射信号中の非温度変動の測定温度への影響を
最少にするよう動作させるのがよい。これを達成
する一つの方法は温度の既存関数として変わる二
つの異なる波長範囲における相対発光強度をもつ
発光物質を使用することである。検出装置が、こ
の相対強度を測定し発光物質の温度を定量的に測
定する。

実施例 以上、本発明を極く一般的に説明したが、上記
以外の目的、利点、および特徴は、添付図面を参
照しながら、本発明の種々の実施例についての以
下の説明によつて明らかになるであろう。

第１図には本発明の種々な態様のすべての基本
的特徴が図示されている。固形物体２０がある環
境１内で少なくともその一部に発光物質（以下、
代表例として燐光物質として説明するが、燐光物
質に限定されるものではないことはいうまでもな
い。）のコーテイングが施された状態で置かれて
いる。ここに例示する燐光物質４０は、励起され
ると燐光物質の既知の温度関数として、二つ以上
の分離可能な異なつた波長帯において変化する相
対強度を有する電磁放射線を放射する特徴があ
る。従つて燐光物質４０の温度は、物体２０の温
度と同じか、または物体２０の温度に相関するも
のとして検出され、環境１の温度も同様に検出さ
れる。

一般に可視スペクトル内またはそれに近い電磁
放射線４１の形態をした燐光物質４０の蛍光放射
は、励起源６０からの励起放射線６１によつて励
起される。この励起源６０は放射性の物質であつ
たり、陰極線の励起源であつたり、紫外線電磁エ
ネルギ源であつたり、あるいは本発明の好ましい
実施態様に使用される特定の種類の燐光物質に効
果的に蛍光発光を生じさせるものであればどのよ
うな遠隔励起源であつてもよい。ここに例示する
燐光物質にあつては、燐光物質から放射された電
磁放射線４１に含まれる二つの異なる波長帯の放
射の相対強度が、必要な温度情報を有している。

放射された電磁放射線４１は光学フイルタおよ
び放射線検出器ブロツク１００に送られる。この
ブロツク１００及び励起源６０は温度測定器の一
部である。励起放射線６１と電磁放射線４１はこ
の測定器と燐光物質４０の間を光フアイバ伝送媒
体８０によつて伝達される。伝送媒体８０は１本
の光フアイバでもよいし、複数のフアイバの束で
あつてもよい。もし伝送媒体８０が１本以上の光
フアイバを含むとき、励起放射線６１及び電磁放
射線４１を伝達するために別個のフアイバを使用
してもよい。燐光物質４０が固定される固形物体
２０は場合によつては光フアイバ伝送媒体８０の
一端となつてもよい。この場合この伝送媒体８０
は光伝達をするため１本のフアイバでもよいし、
又は多数束ねたフアイバでもよいし、或いは伝送
媒体８０に着脱可能にして媒体と光学的につなが
る担持体であつてもよい。ここに例示する本発明
の温度測定装置では、ブロツク１００は温度情報
を有する電磁放射線４１に含まれる二つの波長帯
の、放射強度を示す線の各々を分離するフイルタ
を有している。分離された後、これらの放射線の
各々の強度は検出され、線１０１，１０２内の二
つの分割された電気信号になる。そして一方の信
号は二つの波長帯の一方の放射線の強度に比例
し、他方の信号は二つの波長帯の他方の放射線の
強度に比例することになる。

これらの電気信号はついで装置の一部としての
電子信号処理回路１２０に加えられる。好ましい
形態では、信号処理回路１２０は普通に入手でき
る回路を使用して、線１０１と１０２の信号の相
対比を選択する。それから、この電子比率信号は
ブロツク１２０内の信号プロセツサに加えられ
る。信号プロセツサは使用した燐光物質４０の温
度の関数としての、２本の線の強度比を計算の根
拠にするアナログまたはデジタル装置である。こ
の関数は使用した燐光物質４０のデータを較正す
ることによつて得られる。従つて線１２１の中の
信号プロセツサの出力は燐光物質４０の温度を表
わすことになる。

線１２１の中の信号は燐光物質４０の温度を表
示する読出装置１４０に伝達される。装置１４０
はある限定された範囲の温度をデジタルまたはア
ナログ的に表示するような、多くの既知の読出装
置であればどのようなものでもよい。装置１４０
は、各色が対象物上の狭い温度範囲を表すように
した色符号化テレビジヨン映像機のように精巧な
装置であつてもよい。装置１４０は更にデイスク
やテープに記憶されたテレビジヨン映像であつて
もよい。

本発明に一例として使用され、ここに説明する
燐光物質の基本的特性は、燐光物質が適正に励起
された時、燐光物質が光学的に互いに分離可能な
少なくとも二つの異なる波長帯にて放射強度を有
する放射線を放射することであり、更に、燐光物
質の温度の関数として、これらの少なくとも二つ
の波長帯の各々における放射線の強度の変化が知
られており、かつこれらの強度の変化が互いに異
なつていることである。この型の燐光物質として
は、これらの少なくとも二つの波長帯の各々にお
いて、放射線が実質的にゼロから最大の線強度に
まで、すべて100オングストローム以下の波長幅
で立上るピークによつて特徴ずけられることが好
ましい。これらのピークの線は分離することが容
易であり、それらの線独自の限定された波長帯を
有している。しかし、極く普通の非希土類燐光物
質のような広帯域のエミツタの混合物でも、強度
比が得られるように二つの材料の放射の異なる波
長帯が互いに十分分離できる場合、又は熱冷却に
対する温度依存性が二つの燐光物質の間で十分に
相違する限り使用することができる。

実際的な温度測定装置では、選ばれた燐光物質
は可視または可視に近い範囲のスペクトルの放射
線をも放射しなければならない。なぜなら、この
放射線は利用可能な検出器で最も簡単に検出でき
る放射線であり、この範囲の放射線はガラスまた
は石英、窓ガラス、フアイバ、レンズ等で容易に
伝達できるからである。燐光物質は、その有用で
実用的な励起に応答して、効果的に放射線を放出
するものであることが望ましい。燐光物質または
燐光物質の混合物は二つの波長帯の放射線の放射
強度の相対的変化が測定される温度範囲内で最大
であるように選ぶことが望ましい。更に、燐光物
質は永続性があり、安定で、かつ本質的にバツチ
毎に同じ結果を再現し得るようなものでなければ
ならない。以下に実施例として具体的に説明する
ように、燐光を光フアイバで伝達する場合、鋭い
放射強度を示す線を互いに近接する波長帯から選
択するのが望ましい。これによつて燐光物質から
遠く離れた場所で光フアイバの波長に基づく伝達
量の減衰がさほど測定結果に影響を与えないよう
にし、光フアイバの長さを変えることにより必要
となる強度の補償を除去するか、或いは減少させ
る。

これまでに概説した特性を提供できる燐光物質
の組成物は化合物AxByCzによつて一般的に表さ
れる。ここで、Ａは１個以上の陰イオンであり、
Ｂは１個以上の陽イオンであり、ＡとＢによつて
非金属の宿化合物を形成し、Ｃは物質と適合する
１個以上の活性元素を示す。ｘとｙは小さな整数
であり、ｚは代表的には100分の２、３以下の範
囲である。

上記の基本的特性を満足させるものとして試行
錯誤により選択して得られた燐光物質の組成物は
現在非常に多く知られている。活性元素Ｃが選ば
れる元素の望ましいグループは、満たされないｆ
電子殻を有する希土類元素のどれでもよく、その
すべては10オングストローム以下の波長幅で立ち
上る分離可能な鋭い放射線放射を有している。比
較的強い可視放射または可視に近い放射を有する
これらの希土類元素のいくつかは、これを検出す
るのに便利なので好まれており、それらは代表的
には３価のプラセオジム（Pr）、サマリウム
（Sm）、ユーロピウム（Eu）、テルビウム（Tb）、
ジスプロシウム（Dy）、ホルミウム（Ho）、エル
ビウム（Er）、およびツリウム（Tm）である。
本発明に使用しうる可能性のある鋭い線放射の特
性を有する他の非希土類活性体は、ウラニウム
（Ｕ）とクラム（Cr³⁺）を含む。活性体イオンは、
選ばれた特定の活性体元素および宿化合物によつ
ても異なるが、共存する他の陰イオンに対して10
原子パーセント以下の濃度、更に普通には１原子
パーセント以下の濃度で、親和性のある宿物質と
混合される。

第１図の燐光物質層４０として使用可能な種類
の組成物は組成（RE）₂O₂S：Ｘを有する希土類
燐光物質であり、ここでREはランタン（LA）、
カドリニウム（Gb）、およびイツトリウム（Ｙ）
から構成されるグループから選択した１元素であ
り、ＸはRE元素の代わりとして、0.01から10.0原
子パーセントの範囲の濃度の前節に述べた希土類
元素のグループから選ばれた一つのドープ元素で
ある。通常使用する濃度範囲は1.0原子パーセン
ト以下であり、ある場合には0.1原子パーセント
以下である。この濃度は所望の用途のための特定
の放射強度特性が得られるように選ばれる。

そのような燐光物質の化合物を約120〓未満の
温度環境において応用する場合はニトロセルロー
ス結合剤の中に、およびより高い温度において応
用する場合はケイ酸塩結合剤の中に分散させる。

多くの用途により効果をもたらす第１図の燐光
物質の層４０に対する物質の具体例はユーロピウ
ム・ドープ処理ランタン・オキシ硫化物
（Ia₂O₂S：Eu）であり、ここでユーロピウムはラ
ンタンの代わりとして、１原子パーセントから
0.1原子パーセントの範囲内にある。第２図の曲
線４２と４３は二つの異なる温度における燐光物
質の、波長の関数としての放射強度を示してい
る。燐光物質は細かい水晶質の粉末であり、この
燐光物質を電子で励起した。放射された放射線は
走査モノクロメーターにより、続いて光電子増倍
管の検出器によつて分析された。第２図に示され
ている光発光放射スペクトルは0.1原子パーセン
トのユーロピウムを含むランタン・オキシ硫化物
である。

第２図の曲線４２は室温である。295〓におけ
る前記物質の放射スペクトルを示している。第２
図の曲線４３は液体窒素による極端に低い温度で
ある77〓における前記物質の放射スペクトルを示
している。放射のスペクトル特性はこれらの二つ
の温度で非常に異なり、かつこれらは燐光物質が
室温以上に上昇するにつれて、変化し続ける。

第２図の曲線上に表示しているように、温度測
定に特に役立つ狭い波長幅の蛍光発光線はほぼ
4680オングストローム、5379オングストローム、
5861オングストローム（実際には重線）、および
6157オングストロームの所にある。これらの線の
相対強度は燐光物質の温度の関数として変化し、
そしてこれらの相対強度が本発明の実施形態にお
いて温度情報を与える。

本発明において、少なくとも二つの適切な狭い
波長幅のスペクトル線の相対強度が、二つの線の
検出強度の比によつて、決められる。二つの線は
それらの強度を個別に測定し得るように、波長が
重複せず、十分分離していなければならない。第
３図を参照すると、同図では第２図で特定した44
本のスペクトル線の強度が燐光物質の温度の関数
として描かれている（曲線５１，５２，５３及び
５４）。そして、第３図の曲線４４はそれぞれ
5379オングストロームおよび4680オングストロー
ムの２本のスペクトル線５２，５１の強度の比で
ある相対強度を温度の関数として示している。２
本のスペクトル線の強度比をとることにより、曲
線４４で示される特性によつて予め較正した正確
な温度測定をすることを可能にする。同様に、曲
線４５は6157オングストロームと5861オングスト
ロームの２本の線５４，５３の強度の比である相
対強度を温度の関数として示している。第３図か
ら分かるように、曲線４４で表される比率は−75
℃から＋50℃の温度範囲で大きく変化している。
他方、曲線４５で示される第２の比率は約50℃か
ら300℃の温度範囲で大きく変化している。従つ
て使用される燐光物質の特定の蛍光発光放射スペ
クトル線は測定すべき予定の温度範囲によつて決
められる。

第３図を参照すると、燐光物質の温度の関数と
して、ユーロピウム・ドープ処理グドリニウム・
オキシ硫化物（Gd₂O₂S：Eu）に対する２本のス
ペクトル線の強度は放射線５５（4680オングスト
ローム）、５６（5379オングストローム）として
示されている。この燐光物質では、ガドリウムの
代わりに、0.1原子パーセントのユーロピウムを
用いている。

ユーロピウム・ドープ処理イツトリウム・オキ
シ硫化物（Y₂O₂S：Eu）の4680オングストロー
ム放射線の強度は第３図の曲線５７で示されてい
る。ここで、0.1原子パーセントのユーロピウム
がイツトリウムの代わりに用いられる。5379オン
グストロームのY₂O₂S：Eu線の強度は曲線５８
で示されている。Y₂O₂S：Euの基準を求める、
すなわち比率を求めるに当たつて有用な線は曲線
５９で表される6157オングストロームの線であ
る。曲線５５，５６，５７，５８は曲線５１，５
２をあらわすランタン物質で測られたものとは異
なつた温度範囲で役立つ温度依存放射強度特性を
示している。これらの追加オキシ硫化物質は、
6157オングストローム線のような線を参照する
時、曲線の急速に変化する部分に最も役に立つ。
これらの物質のもつている有用な温度範囲の差
は、特定の応用に対して最適の物質を選択する時
に重要になる。例えば、ガドリニウム・オキシ硫
化物の4680オングストロームの線５５は、人体温
度の範囲内で良好な信号強度をもつて急速に温度
変化が生じるので、医学の温度測定に特に有益で
ある。

第３図から分かるように、図示したガドリニウ
ム、ランタンおよびイツトリウム・オキシ硫化物
質の各々は同じドープ剤、即ち0.1原子パーセン
トのユーロピウムをもつている。しかし、広範囲
において相異なるドープ処理レベルのユーロピウ
ム物質による実験によれば、温度依存性がドープ
処理レベルによつて重要な影響を受けないことが
示されている。これから分かるように、物質の温
度特性は、燐光物質の宿物質に大きく依存してい
るとともに活性剤イオンの種類にも依存している
ので、宿物質を適正に選択して使用すると、最高
の温度特性が得られる。

第３Ａ図を参照すると、上記で検討した希土類
オキシ硫化物燐光物質から得た典型的な光強度出
力特性が示されている。これは燐光物質励起放射
線の波長を関数とした、特定波長線の放射強度で
ある。燐光物質が紫外線放射で励起される時に最
大の強度が得られることが分かる。従つて紫外線
放射は多くの場合燐光物質を励起するのに好まし
い。しかし、励起放射線を伝達するために使用す
るいくつかの光学装置では、可視範囲の損失に比
較した場合、紫外線放射にはかなりの損失があ
る。そのような装置は非常に長い光フアイバ、例
えば100メートル以上の光フアイバからなる。損
失が非常に大きい時は、第３Ａ図で示した青や緑
の励起帯のような可視放射線で燐光物質を励起す
ることが望ましい。励起効率が紫外線放射の場合
よりも可視範囲の場合の方が低かつたとしても、
長い光フアイバを用いた改良された可視伝達方法
によれば、上述の励起効率上の差を補うことがで
きる。

隣接する放射線から干渉されることなく、これ
らのスペクトル線を正確に検出し、測定するため
に、第１図の電磁放射線４１は、選択した波長帯
を分離するために設定されたモノクロメーターま
たは干渉フイルタのような、ブロツク１００の一
部である光学フイルタをまず通過しなければなな
らい。第２図に示す燐光物質の特性から、4680オ
ングストローム、5861オングストローム、および
6157オングストローム線を分離するには、約50オ
ングストロームの幅の帯域フイルタで十分である
ことが分かる。分離操作に加えて、部屋の光や日
光のように強いバツクグランドの放射線につい
て、ブロツク１００で測定した線の強度を補正す
ることも望ましい。その目的のために、ある条件
下では、蛍光発光線に近接するスペクトル領域に
同調はするが、蛍光発光は発生しない所でモノク
ロメーターまたはフイルタを通して観察される放
射線の強度を補助的に測定することが望ましい。
第２図に示す特性をもつた燐光物質を使用した例
では6000から6100オングストロームの領域にあ
る。場合によつては、励起源を停止して、２個の
フイルタ（モノクロメーター、フイルタ）を通し
て見ることによつて、バツクグランドを決めても
よい。そのようにして測定したすべてのバツクグ
ランドの放射線は、温度測定のための正確な強度
比を得るために測定した5861および6157オングス
トロームの線強度から減算される。

所望の温度特性を得るために、燐光化合物の物
理的混合物を代用として用いてもよい。例えば、
混合物の中の一つの化合物からの１本の放射線の
強度は、必要な温度範囲にわたつて適切な測定特
性が得られるように、他の化合物の線強度と比較
することができる。場合によつては、二つの燐光
組成物の各々からの２本の放射線を使用し、一方
の化合物からの線は一方の温度範囲について比較
し、他方の化合物からの線は隣接する温度範囲に
ついて比較する。例えば、テルビウム・ドープ処
理ランタン、ガドリニウムまたはイツトリウム・
オキシ硫化物を一方の化合物とし、これにと共に
ユーロピウム・ドープ処理ランタン、ガドリニウ
ムまたはイツトリウム・オキシ硫化物を他方の化
合物として使用してもよい。

上記の燐光物質は比較的不活性で安定であると
いう利点がある。燐光物質の放射線は可視、又は
可視に近い領域にあるので、この放射線は長い空
中の通路、水および他の液体、長い光フアイバ、
又はガラスや石英による光学装置を経て伝達する
ことが可能である。そのような燐光物質は、互い
に容易に光学的に分離し得る非常に鋭い線の出力
スペクトルを放射する点で、従来の燐光物質とは
異なつている。更にこの燐光物質の特定の波長に
おける線強度の温度依存性は、実際に必要な温度
範囲において非常に強い。その他の燐光物質で
も、上述の特性をもつていれば本発明の種々の実
施態様の技術や構成の一部として使用することが
できる。

作動中の大型機械や装置内の一箇所、又はそれ
以上の地点で温度を測定したい場合が多々ある。
大きな機械は特に高価である。機械が局部的にオ
ーバーヒートしたことによつて破壊されると、操
業に支障をきたし、かつ高価な費用がかかること
になる。もし損害が発生する前に、そのような局
部的なオーバーヒートを検出できるなら、その原
因を発見できるので、装置を操業休止させること
なく、高い費用もかけずに済むことになる。例え
ば、水や油冷却剤の温度を監視して、装置の全体
の温度、すなわち平均温度を測定したとしても、
多くの場合必要な情報は得られない。なぜなら、
オーバーヒートは装置の平均温度を検出可能な程
度に上昇することなく、装置のほんの一部分で温
度が過度に上昇してその上昇レベルが装置を損壊
する程度に達するからである。

点温度測定による情報が久しく求められていた
装置は大型電力変圧器であり、そのいくつかは数
メガワツトの電力を取り扱うことができるような
ものである。そのような大型の装置が破壊すると
その損害は非常に高価であるばかりでなく、電力
会社の配電系の大部分を著しく混乱させる。他の
高電圧電気装置の場合のように、変圧器は、装置
内の電気導体が電界、又は磁界を混乱させたり、
又は電気導体が短絡したりした場合には、これら
の電気導体に耐えることができないので、このよ
うな問題はこれまで満足が得られるようには解決
できなかつた。従つて、電力変圧器やその他の大
型電気装置の内部で使用できる非金属の局部点温
度センサが必要とされている。

第４図を参照すると、そのような変圧器が一般
的に図示されている。厚い鋼鉄の外殻７が鉄心６
を有し、鉄心の周りには巻線４，５がある。鉄心
と巻線の全体は絶縁と冷却のために油槽３の中に
入れられている。その変圧器の内部の所望の点の
温度を監視するために、単一のセンサ２２が本発
明の別の態様に従つて設けられている。センサ２
２は長い光フアイバ束８６の一端に接続されてい
る。センサ２２は金属部分を全然伴うことなく立
てられており、フアイバ束８６によつて適当なフ
イルタ・検出装置１００′、電気信号処理回路１
２０′、および温度を直接読み出す温度読出装置
１４０′に光学的に接続されている。

第５図を参照すると、センサ２２が断面で示さ
れており、センサは光フアイバ束８６の一端と光
学的に連通する燐光物質４７を有する。光フアイ
バのこの端部、および燐光物質は、適当なガラス
やセラミツク材料によつて、すべて密封され、変
圧器又は他の機械の内部に挿入し得るプローブを
形成する。プローブは測定されるべき温度下に置
かれ、プローブの一部である燐光物質は、温度の
関数として、スペクトル出力線の強度の相対変化
に対して前述したように応答する。

燐光物質４７の出力は光フアイバ束８６のセン
サ２２とは反対側の端部でレンズ８７に到達し、
レンズ８７を通過した放射線はビーム分割器、す
なわち２色性鏡８８を通して、他のレンズ８９に
向けられる。放射線は更にレンズ８９からビーム
分割器、すなわち２色性鏡９０、２個のフイルタ
１１３，１１５、および２個の放射線検出器１１
４，１１６を有する装置に向けられる。

第５図の実施例は燐光物質４７を励起し所望の
線を放射するように紫外線光源６６を使用してお
り、その出力はレンズ６７に向けられて広帯域の
紫外線フイルタ６８を通過してビーム分割器、す
なわち２色性鏡８８上に達する。紫外線フイルタ
６８は紫外線以外のすべての光をさえぎるように
なつている。エレメント８８は、もしそれが２色
性のものだとしたら、可視光線は通すが、紫外線
はこれを反射する。第５図に示す光学的構成はこ
のような特徴を効果的に利用している。紫外線放
射線はエレメント８８によつて反射され、レンズ
８７を通して光フアイバ束８６に向けられた上、
光フアイバ束を通つて燐光物質４７に伝達される
と、燐光物質が蛍光放射を行うように励起され、
もつて前述したように温度情報が符号化されて提
供される。

第５Ａ図を参照すると、第５図の装置の変更例
が示されており、そこでは第５図プローブ２２と
類似のプローブ２７が光フアイバ８６′を通つて
励起源６０′に接続されて励起されるようになつ
ている。プローブ２７内の燐光物質からの放射線
は別の光フアイバ８６″によつて適当なフイル
タ・検出装置１００″に伝達される。光フアイバ
８６′，８６″は各々単一の光フアイバか、又はフ
アイバの束である。別々の光フアイバ８６′，８
６″を使用すると、燐光物質励起放射線と燐光物
質によつて放出された放射線の間を光学的に分離
するという重要な利点が得られる。従つて励起放
射線のみならず光フアイバ自身からの低レベルの
蛍光発光も検出装置１００″を避けて通ることに
なる。その結果、光学バツクグランド雑音がより
一層少なくなり、一層正確になつた。励起源６
０′と検出装置１００″は分岐（二又）機構を使用
しても両者を一層容易に物理的に分離できる。

第６図は第５図のプローブ組立体の変形を示す
もので、それによれば単一の光フアイバ束９２が
電力変圧器内の、または他の装置内の種々の位置
に置かれたプローブ２４，２５，２６のような複
数個の別々のプローブと光学的に連通している。
光フアイバ束９２の一端は、２、３本のフアイバ
がプローブ２４，２５，２６に個別に接続されて
いる。フアイバ束９２の他端では、同じ光フアイ
バの他端が個々のフイルタ・検出器に接続されて
いる。即ち、プローブ２４はフイルタ・検出器ブ
ロツク１１７とだけに、光プローブ２５はフイル
タ・検出器ブロツク１１８とだけに各々光学的に
接続されているようなものである。場合によつて
は一定の制御方法により単一の検出器によつて、
光フアイバ束の出力端において各プローブからの
出力を走査検出することもできる。

以上の説明から明らかなように、高い有用性を
持つこのような温度プローブを用いる装置はいろ
いろ考えられる。本発明が遠隔かつ接近できない
位置にある地点の温度を測定するのに非常に有利
なので、原子力発電の原子炉に使用するものも、
本発明の一つの良い使用例である。

本発明の技術は光通信にも応用することができ
る。本発明による装置は物理的接触なしに使用で
き、電気的雑音から免れている。光通信の具体的
な使用例は、第７図に示すように回転装置２００
上で用いる場合である。この装置はモータ、ター
ビン、又たは発電機のようなものである。燐光物
質を有するプローブ２２は光フアイバ入力束２０
１と出力束２０３と同様に回転装置２００内に埋
設されている。光フアイバ束はホイール、又は回
転装置２００の外周縁で終端している。このよう
にすることによつて紫外線源２０５のような励起
放射線源、およびそれに隣接した燐光物質放射線
受信光学装置２０７を回転しない固定位置に置く
ことが可能になる。回転部分２００が回転する
間、ある位置で瞬時紫外線源と燐光物質放射線受
信光学装置２０７が、光フアイバ入力束２０１と
出力束２０３とそれぞれ整列する。その瞬間に、
埋設された燐光物質を有するプローブ２２が位置
している部分の温度が測定される。光学装置２０
７は先に説明したその他の実施例中の一つの適当
なフイルタ・検出装置２０９に接続されている。

第８図に示すように、同じ技術が移動ベルト２
１１に対しても使用されている。この光学温度測
定技術は、移動部分と固定測定装置の間に物理的
接続線、又はその他の装置を必要としないので、
かなりの利点を有する。第７図および第８図に示
した光学技術の具体例の代わりとして、回転装置
２００とベルト２１１を燐光物質の塗料で塗つて
もよい。

本明細書の以下の記載によれば、本発明のその
他の応用が明らかになるであろう。プローブ、お
よび光学フアイバの実施例は、例えば人間、およ
び動物の点温度測定にも応用できる。

第９図に、更に別の応用例を示す。光フアイバ
束３０１の端部には使い捨て用の温度感知スリー
ブ３０３がかぶせられている。スリーブ３０３は
円筒基部３０５を有し、円筒基部３０５は光フア
イバ３０１の端部で担持されている。円筒基部３
０５の一端には、例えば金属で作られたような薄
い熱伝導キヤツプ３０７がかぶせられている。キ
ヤツプ３０７の内面には燐光物質によるコーテイ
ング３０９が施されている。光フアイバ３０１の
他端（図示されてない）には、励起源・検出装置
がある。スリーブ３０３を具えた光フアイバ３０
１の端部は、温度を測定すべき人間や動物の腔
部、あるいは液槽中に浸積される。

スリーブ３０３は毎回使用後に捨ててもよい。
そのようにすると連続的に温度を測定することに
よつて発生する汚染を防止し得る利点が得られ
る。この種の測定のために本発明を使用する重要
な利点は、本発明の測定器の熱容量が非常に低い
ので、燐光物質３０９が非常に早く、安定的に周
囲温度に到達する点にある。キヤツプ３０７は別
として、残余のプラスチツク物質は周囲から燐光
物質３０９には殆んど熱を伝達しない。燐光物
質、光フアイバ構造に関する上記以外の他の利点
もここに示されている。

更に他の使用例としては、本発明のプローブお
よび光フアイバの実施例を人間と動物の体内のあ
る点の温度を測定するために使用することが挙げ
られる。第１０図には人間や動物の体３１１の概
略的に示した癌腫瘍３１３を治療する装置が示さ
れている。腫瘍を治療するために現在開発されて
いる技術は、発熱療法と呼ばれているが、エネル
ギ源３１７からのエネルギ３１５によつて腫瘍３
１３を照射して熱を発生させるようにして行う。
しかし、この技術によつて腫瘍３１３を治療でき
るかどうかは、よく制御された特定の高い温度に
腫瘍を維持することができるかどうかにかかつて
いる。

従つて腫瘍３１３の温度を監視、制御する方法
は、微小で突出部分のない温度プローブ３１９を
外科的に取り付けることにある。光フアイバ３２
１は温度プローブ３１９と励起・検出装置３２３
の間を連絡する。もち論、この場合、温度プロー
ブ３１９の大きさと光フアイバ３２１の横断面の
寸法は出来るだけ小さくなければならない。従つ
て光フアイバは１本、又は２本のフアイバに制限
し、温度プローブ３１９も、燐光物質と薄い被覆
材を直線光フアイバの端部にコーテイングを施す
ようにして形成する。このようにして、腫瘍３１
３の温度を監視し得、励起源３１７からの放射線
強度は治療に最適な温度を維持するように調整さ
れる。仮に腫瘍を無線周波やマイクロ波の放射に
よつて加熱したとしても、光学プローブはこれら
の放射によつて直線熱を発生することはない。こ
のような現象は従来の金属製の電気的センサ装置
には見られないであろう。

発明の効果 本発明の技術は化学、および食品処理装置の点
温度測定にも応用できる。ここに記述した光フア
イバによる温度プローブ装置を以上のような分野
で用いると、装置が化学的に不活性であり、応答
時間が非常に速く、電気的に絶縁され、永久に測
定でき、低価格で殺菌できる、そして大型の運動
機械にも使用できるという利点が得られる。先に
述べた理由によつて熱電対や他の金属による温度
測定装置を容易に使用できない場合にも、これら
のセンサはマイクロ波によつて調理されている食
品の温度を測定するために使用することができ
る。

本発明の光フアイバ技術は検出・励起装置から
遠く離れた所で点温度測定を行うことを可能にし
た。工業プラント内の種々の地点の温度をこのよ
うな技術によつて監視したい場合には、単に100
メートルを超える長さの光フアイバを、時にはそ
の何倍もの長さの光フアイバを使用すれば足り
る。そのように長い光フアイバに対しては、希土
類燐光物質を温度表示装置として動作させて、励
起放射線を可視スペクトル内で使用することが好
ましい。長い光フアイバ内を送られる特定の励起
放射線、およびそれに対して用いる燐光物質の化
合物については第３Ａ図に関して先に説明したと
おりである。

本発明の種々の態様をその好ましい実施例とし
て説明したが、本発明はその特許請求の範囲内に
おいて完全に保護される権利を与えられるべきで
あることは理解し得よう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的概念を一般的に図示し
たブロツク・ダイヤグラムである。第２図は紫外
線放射線で励起された時のユーロピウム・ドープ
処理ランタン・オキシ硫化物燐光物質の異なる二
つの温度における蛍光発光放射スペクトルを図示
した曲線である。第３図は適当な放射線で励起さ
れた時のある希土類オキシ硫化物燐光物質からの
特定の強い放射線の強度を図示した曲線である。
第３Ａ図は単一の放射線出力線における希土類オ
キシ硫化物に対する例示的な励起スペクトル曲線
である。第４図は大きな電力変圧器の点温度を遠
隔地点から測定するために本発明の一つの態様を
使用した大電力変圧器を略示的に示す図面であ
る。第５図は第４図の温度測定装置の一つの形と
して、燐光物質の温度センサとその光学装置を示
す図面である。第５Ａ図は第５図の温度測定装置
の変形を示す図面である。第６図は第５図の温度
測定装置の更に他の変形を示す図面である。第７
図は本発明の他の態様にして、回転装置の内部の
温度を測定する装置を示す図面である。第８図は
本発明の他の態様にして、移動ベルトの温度を測
定する装置を示す図面である。第９図は取り外し
可能なスリーブを具えた本発明による温度センサ
を示す図面である。第１０図は熱治療下の生体の
内部の温度を監視するために本発明を使用した例
を示す図面である。 ２０……固形物体、２２，２４，２５，２６…
…プローブ、４０……燐光物質、４１……電磁放
射線、８６，９２，２０１，２０３，３０１……
光フアイバ束、１１３，１１５……フイルタ、１
１４，１１６……検出装置、３２１……光フアイ
バ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 励起放射線を受けることによつて励起して測
   定可能な温度依存強度特性を有する電磁放射線を
   放射しうる発光物質を温度測定すべき物体と熱伝
   達できるように配置し、前記特性を測定して前記
   発光物質の温度を表示させることによつて前記物
   体の温度を遠隔測定する装置において、 前記発光物質を温度センサとして光フアイバ伝
   送媒体の一端に直接結合し又は近接して位置させ
   光学的に結合した検出プローブと、 前記光フアイバ伝送媒体の他端に、前記励起放
   射線を発生させて該放射線を光フアイバ伝送媒体
   に沿つて前記発光物質に伝送することにより前記
   電磁放射線を発生させるように配設した励起放射
   線発生装置と、 前記光フアイバ伝送媒体の他端に、該光フアイ
   バ伝送媒体を通つて伝送された前記電磁放射線の
   量を検出するように配設した電磁放射線量検出装
   置とを含有することを特徴とする、物体の温度を
   遠隔測定する装置。 ２ 前記温度センサが前記光学フアイバ伝送媒体
   の前記一端に永久固定された、特許請求の範囲第
   １項記載の装置。 ３ 前記温度センサが前記光フアイバ伝送媒体の
   前記一端に着脱可能に取付けられた担持体に固定
   された、特許請求の範囲第１項記載の装置。 ４ 前記光フアイバ伝送媒体が１本の光フアイバ
   を含む特許請求の範囲第１項、第２項または第３
   項記載の装置。 ５ 前記光フアイバ伝送媒体が前記他端において
   前記励起放射線発生装置に接続された１本または
   それ以上の光フアイバを含む第１群と、前記他端
   において前記電磁放射線量検出装置に接続された
   １本またはそれ以上の光フアイバを含む第２群と
   から成る特許請求の範囲第１項、第２項、または
   第３項記載の装置。 ６ 前記発光物質の温度変化以外の因子に基づい
   て前記電磁放射線の受取信号に生ずる変動を最小
   にする特許請求の範囲第１項ないし第５項のいず
   れか一つの項に記載の装置。 ７ 前記発光物質の前記温度依存強度特性は、励
   起によつて２個の異なる波長領域内に発生する温
   度変化放射線の相対強度が前記発光物質の温度関
   数として変化することを含み、前記相対強度を前
   記電磁放射線検出装置で測定する特許請求の範囲
   第１項ないし第５項のいずれか一つの項に記載の
   装置。