JP2009294021A - 蛍光温度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】簡易かつ確実に蛍光材料の緩和時間を算出することができ、測定精度を維持しつつ応答性を高めることができる蛍光温度センサを提供する。
【解決手段】蛍光温度センサは、光励起された蛍光材料１が発する蛍光を受光するフォトダイオード４と、フォトダイオード４の出力信号を第１のサンプリング周期でサンプリングした第１のデジタルデータに対して、該第１のデジタルデータを第１のサンプリング周期以上の第２のサンプリング周期でリサンプリングした第２のデジタルデータから蛍光材料１の緩和時間τを算出する緩和時間算出手段５３と、算出された緩和時間τに対応した温度信号を生成する温度信号生成手段５４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光励起された蛍光材料の蛍光から温度信号を生成する蛍光温度センサに関する。

この種の蛍光温度センサとしては、特許文献１に示すように、光励起された蛍光材料の蛍光の減衰特性を光検出器で検出し、この減衰特性と蛍光材料の温度との関係から温度を算出するものが知られている。

具体的にかかる蛍光温度センサでは、蛍光材料の蛍光強度Ｉと経過時間ｔとが、基準発光強度Ｉ₀、緩和時間τで表される以下の関係式 Ｉ=Ｉ₀ ｅ^−t/τ を満たすことから、該関係式に基づいて緩和時間τを求め、蛍光材料における緩和時間τと温度との関係から温度を算出する。

ここで、緩和時間τは、上記関係式の対数をとることによって得られる関係式 lnＩ [i]= ln(Ｉ₀) −ｔ[i]／τ の右辺第２項の直線近似を最小二乗法により行うことで、その傾きとして算出される。ここで、iは、光検出器から出力をサンプリングすることによって得られたデジタルデータ列の番号を示す。
米国特許第５１０７４４５号公報

しかしながら、従来の蛍光温度センサでは、緩和時間τを算出するために、デジタルデータに対して対数変換および最小二乗法の処理を施さなければならない。そのため、デジタルデータのデータ数が多い場合には、緩和時間τの算出に時間が掛かり、センサとしての応答性が悪いという問題がある。

これに対して、データ数を一定に制限することも考えられるが、蛍光材料は、高温では緩和時間τが短く、低温では緩和時間τが長くなるため、データ数を一定に制限すると、高温側では減衰終了後の０成分が混入し、低温側では、緩和時間τを算出するのに必要な減衰域を認識できるデータとはならない。そのため、正確な緩和時間τを求めることができず、温度センサの測定精度が低下してしまうという不都合を生じる。

上記の事情に鑑みて、本発明は、簡易かつ確実に蛍光材料の緩和時間を算出することができ、測定精度を維持しつつ応答性を高めることができる蛍光温度センサを提供することを目的とする。

第１発明の蛍光温度センサは、光励起された蛍光材料の蛍光から温度信号を生成する蛍光温度センサであって、前記蛍光材料に投光する発光素子と、前記蛍光材料が発する蛍光を受光する受光素子と、該受光素子の出力信号を第１のサンプリング周期でサンプリングして得られる第１のデジタルデータを、前記第１のサンプリング周期以上の第２のサンプリング周期でリサンプリングして得られる第２のデジタルデータから前記蛍光材料の緩和時間を算出する緩和時間算出手段と、前記緩和時間算出手段によって算出された緩和時間に対応した温度信号を生成する温度信号生成手段とを備えることを特徴とする。

第１発明の蛍光温度センサによれば、第１のデジタルデータからデータ数を間引くように、第１のサンプリング周期以上の第２のサンプリング周期でリサンプリングを行う。そして、リサンプリングされた第２のデジタルデータに対して、対数変換および最小二乗法の処理を施すことで、もとの第１のデジタルデータのデータ数が多い場合にも、緩和時間を簡易かつ確実に算出することができ、センサとしての応答性を向上させることができる。

さらに、第２のデジタルデータは、一定のデータ数を有する第１のデジタルデータをリサンプリングするため、初めからデータ数を制限する場合とは異なり、不要なデータが混入することがない。そのため、正確な緩和時間を算出することができる。

このように、第１発明の蛍光温度センサによれば、簡易かつ確実に蛍光材料の緩和時間を算出することができ、測定精度を維持しつつその応答性を高めることができる。

第２発明の蛍光温度センサは、第１発明の蛍光温度センサにおいて、前記緩和時間算出手段は、前記第１のデジタルデータとして、前記蛍光の強度がその初期値から所定の割合に減衰するまでの前記出力信号をサンプリングしたデジタルデータを用いることを特徴とする。

緩和時間を算出するためには、少なくとも、所定の蛍光強度から、これに比して蛍光強度が所定の割合に減衰するまでの減衰特性が必要であるところ、第２発明の蛍光温度センサによれば、該所定の蛍光強度を蛍光強度の初期値とすることで、緩和時間を算出するのに必要とされる減衰特性の区間を最小とすることができる。これにより、第１のサンプリングデータのデータ数を必要最小限に限定することができ、ひいては、第２のサンプリングデータのテータ数を減らして、緩和時間を簡易かつ確実に算出することができ、センサとしての応答性を向上させることができる。

第３発明の蛍光温度センサは、第１または第２発明の蛍光温度センサにおいて、前記緩和時間算出手段は、前記第２のデジタルデータが予め指定した所定のデータ数より少ない場合に、該第２のデジタルデータとして前記第１のデジタルデータを用いることを特徴とする。

第３発明の蛍光温度センサによれば、リサンプリングを実行することにより、第２のデジタルデータのデータ数が、予め指定した所定のデータ数、例えば緩和時間を算出するのに要求されるデータ数を下回る場合に、第２のデジタルデータを第１のデジタルデータとする。これにより、リサンプリングを実行することにより緩和時間の算出精度が低下することを回避することができ、センサとしての測定精度を維持することができる。なお、所定のデータ数として前述した緩和時間を算出するのに要求されるデータ数より大きい値を設定し、より確実に算出精度の維持を図るようにしても構わない。

第４発明の蛍光温度センサは、第１〜第３のいずれかの蛍光温度センサにおいて、前記緩和時間算出手段は、前記第１のデジタルデータに対して、該第１のデジタルデータに含まれ得るノイズを低減した上で、前記リサンプリングを行うことを特徴とする。

受光素子の出力信号には、電気ノイズ等が含まれることがあるため、これをサンプリングした第１のデジタルデータにもノイズ成分が含まれ得る。第４発明の蛍光温度センサによれば、第１のデジタルデータに対して、例えば、移動平均を取ること等によりノイズ成分を低減した上でリサンプリングを行う。そのため、緩和時間を算出する際にノイズの影響を低減することができ、緩和時間を精度よく算出することでき、センサとしての測定精度を向上させることができる。

本発明の一実施形態として、本発明の蛍光温度センサが搭載された蛍光温度センサについて、図１〜図４を参照して説明する。

図１を参照して、本実施形態の蛍光温度センサの全体的な構成について説明する。蛍光温度センサは、温度によって異なる蛍光特性を示す蛍光材料１と、蛍光材料１に投光するＬＥＤ２と、ＬＥＤ２を駆動する駆動回路３と、蛍光材料１が発する蛍光を受光するフォトダイオード４と、フォトダイオード４からの出力信号から対応する温度検出値を算出する信号処理部５とを備える。

また、蛍光温度センサは、蛍光材料１への投光および蛍光材料１の蛍光の受光を行う光ファイバ７と備える。光ファイバ７は他端側が分岐して、ＬＥＤ２からの光を蛍光材料１に伝達する投光用光ファイバ７ａと、蛍光材料１の蛍光をフォトダイオード４に伝達する受光用光ファイバ７ｂとなっている。

蛍光材料１は、光ファイバ７の一端部を覆うように設けられた温度計測部１ａの中に、光ファイバ７のコア部に対向するように配置される。

ＬＥＤ２は、ＬＥＤモジュール２ａ内に配置された、例えば青色系の波長を発光色とする発光ダイオードである。ＬＥＤモジュール２ａは、投光用光ファイバ７ａが接続されるコネクタ部２ｂを有し、コネクタ部２ｂを介して接続された投光用光ファイバ７ａがＬＥＤ２の発光部と対向している。

駆動回路３は、ＬＥＤ２の発光に必要な駆動電流の大きさおよび発光時間を規定したパルス電流を一定の処理周期でＬＥＤ２に印加する制御回路を備える。これにより、駆動回路３は、例えば、蛍光材料１に対応して、一回の計測におけるＬＥＤ２の発光時間を１ｍｓ〜５００ｍｓの間のいずれかの時間とする所定の大きさのパルス電流をＬＥＤ２に印加する。

フォトダイオード４は、フォトダイオードモジュール４ａ内に配置されて、照射された光の光量（輝度）を測定する。フォトダイオードモジュール４ａは、受光用光ファイバ７ｂに接続されるコネクタ部４ｂを有し、コネクタ部４ｂを介して接続された受光用光ファイバ７ｂがフォトダイオード４の受光部と対向している。

信号処理部５は、Ａ／Ｄ変換手段５１と、データ前処理手段５２と、緩和時間算出手段５３と、温度信号生成手段５４とを備える。

Ａ／Ｄ変換手段５１は、アナログデジタル変換回路を備え、フォトダイオード４の出力信号を予め設定された第１のサンプリング周期（例えば、０．００１ｍｓｅｃ）でアナログデジタル変換する。

データ前処理手段５２は、主に、Ａ／Ｄ変換手段５１で変換後に得られた第１のデジタルデータを、第１のサンプリング周期以上の第２のサンプリング周期（例えば、０．００５ｍｓｅｃ）でリサンプリングしたデータに加工する。ここで、データ前処理手段５２は、第２のサンプリング周期を、第１のサンプリング周期の整数倍として、第１のデジタルデータから、第１のサンプリング周期の整数倍のデータだけを抽出する。すなわち、データ前処理手段５２は、第１のデジタルデータから第２のサンプリング周期に当たらないデータを間引き処理することに相当する。

緩和時間算出手段５３は、データ前処理手段５２による処理によって得られた第２のデジタルデータから緩和時間τを算出する。具体的に緩和時間算出手段５３が、緩和時間τを算出するアルゴリズムは、以下の通りである。

まず、蛍光材料１の蛍光強度Ｉと経過時間ｔとの関係を、蛍光強度の初期値Ｉ₀および緩和時間τで規定した下式（１）の対数をとると、式（２）が得られる。

Ｉ[i] = Ｉ₀ ｅ^−t[i]/τ ・・・（１）
⇔ lnＩ[i]= ln(Ｉ₀) −ｔ[i]／τ ・・・（２）

上式（２）において、iは、離散時刻系における時間を表す整数値であって、第２のデジタルデータに含まれる第２のサンプリング周期毎の時系列データの番号に対応している。

緩和時間算出手段５３は、第２のデジタルデータを用いて、式（２）により表される直線の傾きを最小二乗法によって同定することにより、緩和時間τを算出する。

温度信号生成手段５４は、緩和時間τと温度との関係を規定したマップやデータテーブル（以下、マップ等という）を備えて、緩和時間算出手段５３によって算出された緩和時間τから対応する温度信号を生成して出力する。

次に、図２に示すフローチャートを参照して、信号処理部５により緩和時間τを算出し、温度信号を生成・出力する処理について説明する。

まず、信号処理部５は、Ａ／Ｄ変換手段５１により第１のサンプリング処理を実行する（ＳＴＥＰ１０）。ここで、Ａ／Ｄ変換手段５１は、フォトダイオード４の出力信号を第１のサンプリング周期でアナログデジタル変換する。

そして、信号処理部５は、蛍光材料１の蛍光強度Ｉが所定の割合に減衰するまで第１のサンプリング処理を実行する。ここで、所定の割合として例えば自然対数eを用いるものとし、第１のサンプリング処理としては蛍光強度の初期値Ｉ₀を自然対数ｅで除算した（ＳＴＥＰ２０）。

蛍光強度Ｉが、かかる強度まで減衰している場合には（ＳＴＥＰ２０でＹＥＳ）、データ前処理手段５２により、第２のサンプリング周期設定処理を実行し（ＳＴＥＰ３０）、かかる強度まで減衰していない場合には（ＳＴＥＰ２０でＮＯ）、第１のサンプリング処理を継続する。このように、第１のデジタルデータのデータ数を、緩和時間τを算出するのに最小限必要なデータ数に限定することで、その後の処理量を低減してセンサとしての応答性を向上させることができる。

ここで、第２のサンプリング周期設定処理では、第１のデジタルデータのデータを間引くことにより、第２のデジタルデータが所望のデータ数となるように、第２のサンプリング周期を設定する。

具体的に、データ前処理手段５２は、第１のデジタルデータのデータ数Ｓと、第２のデジタルデータの所望のデータ数Ａから、下式（３）にしたがって間引き率Ｘを算出する。

Ｘ = Ｓ ／ Ａ ・・・（３）

上式（３）において、間引き率Ｘは、第１のデジタルデータのデータ何個に対して１個の第２のデジタルデータを抽出するかを表す値である。そのため、第２のサンプリング周期は、第１のサンプリング周期と間引き率Ｘとの乗算値として設定される。すなわち、第２のサンプリング周期は、第１のサンプリング周期のＸ倍として設定される。なお、上式（３）によって算出される間引き率Ｘの値が少数となる場合には、少数点以下を切り捨てる。

続いて、データ前処理手段５２は、設定された第２のサンプリング周期で第２のサンプリング処理（リサンプリング処理）を実行する（ＳＴＥＰ４０）。これにより、第１のデジタルデータは、所望のデータ数の第２のデジタルデータに変換される。

次に、緩和時間算出手段５３は、第２のデジタルデータから、上式（２）により表される直線の傾きを最小二乗法によって同定することにより、緩和時間τを算出する（ＳＴＥＰ５０）。

ここで、第２のデジタルデータは、前述のように第１のデジタルデータを間引いた所望のデータ数となっている。そのため、対数変換や最小二乗法の処理を施す場合にも、その処理量を低減することができ、緩和時間τを簡易に算出することができる。また、第２のデジタルデータのデータ数を一定にすることで、緩和時間τの算出時間を一定にすることもできる。

さらに、第２のデジタルデータは、第１のデジタルデータをリサンプリングしているため、初めからデータ数を制限してサンプリングした場合とは異なり、不要なデータが混入することがなく、緩和時間τを精度よく算出することができる。

次いで、温度信号生成手段５４は、ＳＴＥＰ５０で算出された緩和時間τに対応する温度信号を、マップ等を参照して生成し出力する（ＳＴＥＰ６０）。

以上が、信号処理部５により緩和時間τ算出し、温度信号を生成・出力する処理である。

次に、図３に示すフローチャートを参照して、図２に示すフローチャートの処理の変更例について説明する。なお、図３のフローチャートの処理は、図２のフローチャートの処理の一部を変更したものであるので、図２と同一処理については同一の参照符号を付して説明を省略する。

本実施例では、データ前処理手段５２が、ＳＴＥＰ３０で設定した第２のサンプリング周期が所定の閾値以下となっているか否かを判定する（ＳＴＥＰ３１）。ここで、所定の閾値は、緩和時間算出手段５３が、かかる第２のサンプリング周期でリサンプリングを実行した場合に、フォトダイオード４の出力信号を復元することができる限界値に設定される。

なお、第２のサンプリング周期が閾値以下か否かを判定する代わりに、前記間引き率Ｘが最小データ間隔以上となっているいか否かを判定するようにしてもよい。

そして、第２のサンプリング周期が閾値以下の場合には（ＳＴＥＰ３１でＹＥＳ）、設定された第２のサンプリング周期で第２のサンプリング処理（リサンプリング処理）を実行し（ＳＴＥＰ４０）、これによって得られた第２のデジタルデータに基づいて緩和時間τを算出する（ＳＴＥＰ５０）。

一方、第２のサンプリング周期が閾値を超える場合には（ＳＴＥＰ３１でＮＯ）、第２のサンプリング処理を行うことなく、第１のデジタルデータに基づいて緩和時間τを算出する（ＳＴＥＰ５０）。

これにより、リサンプリングによる緩和時間τの算出精度の低下を回避して、緩和時間τの算出精度を一定に維持することができる。

なお、本実施形態では、第２のサンプリング周期が閾値以下か否かを判定しているが、これに代えて、第１のデジタルデータのデータ数をカウントして、該データ数が所定の数以下の場合には、リサンプリングを行うことなく緩和時間τを算出するようにしてもよい。これにより、測定環境が高温で蛍光の減衰が早まり、第１のデジタルデータのデータ数が少ない場合に、リサンプリングにより更にデータが間引かれることを回避して、緩和時間τの算出精度を維持することできる。

次に、図４に示すフローチャートを参照して、図２に示すフローチャートの処理の別の変更例について説明する。なお、図４のフローチャートの処理は、図２のフローチャートの処理の一部を変更したものであるので、図２と同一処理については同一の参照符号を付して説明を省略する。

本実施例では、データ前処理手段５２が、ＳＴＥＰ１０，２０で得られた第１のデジタルデータに対して、時系列順に所定の個数毎の移動平均を行う移動平均値算出処理を事項する（ＳＴＥＰ２１）。具体的に移動平均算出処理では、第１のサンプリング処理により得られた第１のデジタルデータを、時系列順に逐次リングバッファに格納し、この格納されたデータについて逐次移動平均を行う。そして、これによって得られた移動平均値を新たな第１のデジタルデータとして順次記憶保持する。

そして、ＳＴＥＰ３０以下の処理では、このようにして得られた新たな第１のデジタルデータに対して処理を行う。これにより、第１のデジタルデータに含まれ得るノイズを低減した上で、緩和時間τを精度よく算出することでき、センサとしての測定精度を向上させることができる。

以上のように、本実施形態の蛍光温度センサによれば、簡易かつ確実に蛍光材料１の緩和時間τを算出することができ、センサの測定精度を維持しつつ応答性を高めることができる。

なお、本実施形態において、第２のサンプリング（リサンプリング）処理では、第２サンプリング周期に合った第１のデジタルデータを抽出したが、これに限らず、リサンプリング処理では、抽出されないデータを含めた代表点（平均値）として第２のデジタルデータを抽出してもよい。すなわち、第１のデジタルデータを第２のサンプリング周期毎に区切り、各区間に含まれる第１のデジタルデータの平均値をその区間の代表点として抽出し、抽出した平均値のデータを第２のデジタルデータとしてもよい。

これにより、第２のデジタルデータとして抽出された点にノイズが含まれる場合にも、その影響を低減することができ、緩和時間τを精度よく算出することができ、センサとしての測定精度を向上させることができる。

本実施形態の蛍光温度センサの全体構成図。 信号処理部における処理を示すフローチャート。 図２に示すフローチャートの変更例を示す説明図。 図２に示すフローチャートの他の変更例を示す説明図。

符号の説明

１…蛍光材料、２…ＬＥＤ、３…駆動回路、４…フォトダイオード、５…信号処理部、７…光ファイバ、５１…Ａ／Ｄ変換手段、５２…データ前処理手段、５３…緩和時間算出手段、５４…温度信号生成手段。

Claims (4)

1. 光励起された蛍光材料の蛍光から温度信号を生成する蛍光温度センサであって、
   前記蛍光材料に投光する発光素子と、
   前記蛍光材料が発する蛍光を受光する受光素子と、
   該受光素子の出力信号を第１のサンプリング周期でサンプリングして得られる第１のデジタルデータを、前記第１のサンプリング周期以上の第２のサンプリング周期でリサンプリングして得られる第２のデジタルデータから前記蛍光材料の緩和時間を算出する緩和時間算出手段と、
   前記緩和時間算出手段によって算出された緩和時間に対応した温度信号を生成する温度信号生成手段と
   を備えることを特徴とする蛍光温度センサ。
2. 請求項１記載の蛍光温度センサにおいて、
   前記緩和時間算出手段は、前記第１のデジタルデータとして、前記蛍光の強度がその初期値から所定の割合に減衰するまでの前記出力信号をサンプリングしたデジタルデータを用いることを特徴とする蛍光温度センサ。
3. 請求項１または２記載の蛍光温度センサにおいて、
   前記緩和時間算出手段は、前記第２のデジタルデータが予め設定した所定のデータ数より少ない場合に、該第２のデジタルデータとして前記第１のデジタルデータを用いることを特徴とする蛍光温度センサ。
4. 請求項１乃至３のうちいずれか１項記載の蛍光温度センサにおいて、
   前記緩和時間算出手段は、前記第１のデジタルデータに対して、該第１のデジタルデータに含まれ得るノイズを低減した上で、前記リサンプリングを行うことを特徴とする蛍光温度センサ。

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