WO1989002586A1 - Temperature measuring apparatus - Google Patents

Description

明 細 書 温 度 測 定 装 置 技術分野

本発明 は， 光学式の温度測定装置 に係 り ， 特 に， 光弾性 効果を利用 し て温度を測定で き る よ う に し た 温度測定装置 に関す る 。

背景技術

従来か ら ， 種 々 の温度測定装置が知 ら れて い る 。 最 も 良 く 知 ら れて い る 温度測定装置 は， セ ン サ と し て熱電対を用 い た も の で あ る 。 熱電対を用 い た温度測定装置 は， 温度を 遠隔測定す る 場合な ど に広 く 使用 さ れて い る 。 熱電対 は安 価で扱 い易 く ， し か も 精度の高い温度測定が可能で あ る 。 し か し ， 熱電対 は， 異種金属 間 に生 じ. る 熱起電力 を利用 し て い る た め電磁波の影響を受け易 い。 こ の た め， た と え ば 高電界中 や高磁界中で は使用で き な い。

高電界中 や高磁界中で も 使用 で き る 温度測定装置 と し て は.， た と え ば半導体の光学的基礎吸収端波長の温度 に よ る 変化を利用 し た も の が知 ら れて い る 。 こ の 温度測定装置 は セ ン サ と の 間の信号の授受 に光信号を用 い て い る 。 こ の た め， 高電界中 や高磁界中で も 使用 で き る 。 し か し ， こ の 温 度測定装置 は， 温度 に よ る 光学的基礎吸収端の波長 の変化 の小 さ い こ と が原因 し て， 感度が極め て低い。 こ の た め， こ の温度測定装置 は， 僅か な温度変化を測定で き な い欠点 力 あ っ た 。

上述の如 く ， 従来の光学式の温度測定装置 に あ っ て は， 温度変化に対す る 感度が低 く ， 高い 精度で温度測定を行な えな い 問題があ っ た。

そ こ で本発明 は， た と え高電界中 や高磁界中で あ っ て も 温度を精度よ く 測定す る こ とがで き ， し か も構成の簡単な 光学式の温度測定装置を提供す る こ と を 目 的 と し て い る 。

発明 の 開示

本発明 に係 る 温度測定装置は， 光弾性効果素子お よ び上 記光弾性効果素子に密接状態に配置 さ れて光弾性効果素子 と の 間の熱膨張の差で光弾性効果素子に周 囲温度に応 じ た 応力 を異方性を持たせて発生 さ せ る 力 印加手段か ら な る 温 度 - 応力変換器 と ， こ の温度 一応力変換器の前記光弾性効 果素子 に 直線偏波光を入射 さ せ る 手段 と ， 前記光弾性効果 素子を透過 し た光の う ち 上記光弾性効果素子の あ る 応力方 向， た と え ば最大応力方向の偏波成分 と 上記方向 と は直交 す る 方向 の偏波成分 と の 間の位相差を検出す る手段 と ， こ の手段に よ っ て検出 さ れた位相差を温度 に換算 し て表示す る 手段 と で構成 さ れて い る 。

上記構成であ る と ， 光弾性'効果素子に加え ら れ る 力 は， 周 囲温度の変化に伴 っ て変化す る 。 こ れに よ つ て光弾性効 果素子 に生 じ る 応力 も 変化す る 。 こ の応力 は異方性を持 つ て い る 。 光弾性効果素子 は， 内部 に異方性め応力が発生す る と ， こ の応力 に対応 し た複屈折 （屈折率の異方性） を起 こ す。 こ の光弾性効果素子の複屈折の大 き さ は， 光弾性効 果素子 に 直線偏波光を入射 さ せ， こ の と き に光弾性効果素 子を透過 し た光の う ち の あ る 応力方向， た と え ば最大応力 方向 の偏波成分 と 上記方向 と は 直交す る 方向 の偏波成分 と の 間 の位相差を検出す る こ と に よ っ て知 る こ と がで き る 。 し た が っ て ， 上記位相差を検出す る こ と に よ っ て周 囲温度 を知 る こ と がで き る 。 こ の場合， 位相差の検 出系 は， 公知 の検 出系で実現で き る 。 ま た ， 温度変化の割合 に対 し て光 弾性効果素子に加わ る 力変化の割合が大 き く な る よ う に光 弾性効果素子お よ び力 印加機構の構成材料を選択す る こ と に よ っ て， 容易 に検出感度を上げ る こ と がで き る 。 し たが ' つ て， 半導体の光学的基礎吸収端の温度変化 に よ る 吸収， 発-光の 強度を利用 し た も の に比べて， た と え ば - 2ひ 〜 7 0 °C の温度'範囲 を高精度 に測定で き る 。

図面の簡単な 説明

第 1 図 は本発明 の一実施例 に係 る 温度測定装置 の構成図 : 第 2 図 は 同装置 に組込 ま れ た温度 — 応力変換器の斜視図， 第 3 図か ら 第 5 図 は そ れぞれ温度 - 応力変換器の変形例 を 示す斜視図， 第 6 図 は第 5 図 に'示す温度 - 応力変換器を組 込ん だ と き の周 囲温度 と 増幅器の 出 力 と の 関係を示す図， 第 7 図か ら 第 1 1 図 は さ ら に異な る 変形例 に係 る 温度 一 応 力変換器を そ れぞれ光の入射方向か ら み た端面図で あ る 。

発明 を実施す る た め の最良の形態

本発明 を添附図面を参照 し な が ら よ り 詳細 に説明す る 。 第 1 図 に は本発明 の一実施例 に係 る 温度測定装置 の 概略 構成が示 さ れて い る 。 同図に お いて， 番号 1 0 は被温度測定部に配置 さ れ る セ ン サ部を示 し て い る 。 こ の セ ン サ部 1 0 は， 温度 一 応力変 換器 1 2 を 内蔵 し て い る 。

温度 一 応力変換器 1 2 は， 第 2 図 に示す よ う に， た と え ば縦の長さ ^ が 10腿 ， 横の長 さ wが 7 腿 ， 厚 さ t が 4 丽 の シ リ カ ガラ ス板で形成 さ れた光弾性効果素子 1 4 と ， こ の 光弾性効果素子 1 4 内で， そ の横幅方向 の中心 1 6 か ら対 称的 な位置 に縦幅方向 に 向 け て平行に埋め込 ま れた埋め込 み部材 1 8 , 2 0 と ， 光弾性効果素子 1 4 の外周面に密接 状態に装着 さ れた角 筒体 2 1 と で構成 さ れて—い る 。 埋め込 み部材 1 8 , 2 0 は， 光弾性効果素子 1 4 に形成 さ れた， た と え ば直径 1.5 雌 の貫通孔内 に充填 さ れた エ ポ キ シ樹脂 ― に よ っ て構成 さ れて い る 。 埋め込み部材 1 8 , 2 0 を構成 ' し て い る エポ キ シ樹脂の熱膨張率は， 光弾性効果素子 1 4 を構成 し て る シ リ カ ガラ ス の それに比べて約 i 50 倍 と大 き い。 温度 - 応力変換器 1 2 が置かれて い る 場所の周 囲温度 が上昇す る と ， 光弾性効果素子 1 4 と埋め込み部材 1 8 , 2 0 と は共に熱膨張す る 。 し か し ， 光弾性効果素子 1 4 と 埋め込み部材 1 8， 2 0 と は熱膨張率が大 き く 異な っ て い る た め ， 角 筒 体 2 1 内 に 配 置 さ れて い る 光弾性効果素子 1 4 の埋め込み部材 1 8 と 2 0 と の 間 に位置す る 部分の熱 膨張量は， 埋め込み部材 1 8， 2 0 fこ よ っ て規制 さ れ る 。 こ の た め ， 光弾性効果素子 1 4 の埋め込み部材 1 8 と 2 0 と の 間 に位置す る 部分の応力 は， 第 2 図 に示す直交座標上 で y 軸方向 の応力 に比べて X 軸方向 の応力が大 き く な る 。 つ ま り ， 埋 め込み部材 1 8 , 2 0 は， 光弾性効果素子 1 4 と の 間 の熱膨張の差で光弾性効果素子 1 4 に周 囲温度 に応 じ た応力 を異方性を持たせて発生 さ せ る 力 印加機構 2 2 を 構成 し て い る 。

光弾性効果素子 1 4 の縦幅方向 の一方の端面 2 4 に対向 す る 位置 に は， 偏光子 2 6 が配置 さ れて い る 。 こ の偏光子 2 6 は， 第 2 図 に示す直交座標上で， そ の偏光面力 X $由 に 対 し て 45度傾 く よ う に配置 さ れて い る 。 偏光子 2 6 の外側 に は光軸 を第 2 図 に示す直交座標上の z 軸 に一致 さ せ て レ ン ズ 2 8 が配置 さ れて い る 。 こ の レ ン ズ 2 8 の外側 に は光 フ ァ イ バ 3 0 の 一端側が対向配置 さ れて い る 。 こ の 光 フ ァ ィ バ 3 ◦ の他端側 は， 被温度測定部 と は離れ た位置 に導か れて， レ ン ズ 3 2 を介 し て LED 等で構成 さ れ た光源 3 4 に 光学的 に接続 さ れて い る 。

一方， 光弾性効果素子 1 4 の縦幅方向 の他方の端面 3 6 に対向す る 位置 に は， 1/4 波長板 3 8 , 検光子 4 0 , レ ン ズ 4 2 が同一の光軸上 に配置 さ れて い る 。 1/4 波長扳 3 8 は， そ の主軸 の 1 つ が第 2 図 に示す直交座標上の X 軸 と 平 行す る よ う に配置 さ れて い る 。 ま た， 検光子 4 0 は， そ の 偏光面が偏光子 2 6 の それに対 し て垂直 と な る よ う に 配置 さ れて い る 。 レ ン ズ 4 2 の外側 に は光フ ァ イ バ 4 4 の一端 側が対向配置 さ れて い る 。 こ の光 フ ァ イ バ 4 4 の他端側 は 被温度測定部か ら 離れた 位置 に導かれて フ ォ ト ダイ ォ — ド 等で構成 さ れ た フ ォ ト デ ィ テ ク 夕 4 6 に.光学的 に接続 さ れ て い る 。 そ し て ， フ ォ ト デ ィ テ ク タ 4 6 の 出 力 は 増 幅器 4 8 で増幅 さ れた後， 信号処理装置 5 0 に導入 さ れ る 。 信 号処理装置 5 0 は後述す る処理を行な っ てセ ン サ部 1 0 が 位 置 し て い る 部分 の 周 囲 温度を算出 し ， こ れを表示装置

5 2 に表示する 。 なお， 第 1 図で は セ ン サ部 1 0 が概略的 に示 さ れて い る 。 セ ン サ部 1 0 は， 実際に は図示 し な い基 板上に接着剤を使 っ て各要素を前述 し た関係 に配置固定 し こ の状態で温度 一応力変換器 1 2 の外周面だけを露出 さ せ #の部分を カ バ ー で覆 っ た も の と な っ てい る 。

次に， 上記の よ う に構成 さ れた温度測定装置の動作を説 明す る 。

前述の如 く ， 温度 - 応力変換器 1 2 を構成 し て い る 光弹 性効果素子 1 4 と ， こ れに埋め込ま れた埋め込み部材 1 8 2 0 と は， 熱膨張率力《大 き く 異な っ て い る 。 こ の ため， 周 囲温度が上昇す る と ， 光弾性効果素子 1 4 の埋め込み部材 1 8 と 2 0 と の 間 に位置す る 部分の応力 は， y 軸方向の応 力 に比べて X 軸方向 の応力が大 き く な る 。 こ の応力 は周 囲 温度に対応 し た も の と な る 。 こ の よ う な応力 の異方性力 シ リ カ ガラ ス で構成さ れた光弾性効果素子 1 4 に発生す る と こ の光弾性効果素子 1 4 は複屈折， す な わ ち屈折率に異方 性を生 じ る 。 .

光源 3 4 か ら 一定強度の光を送出 さ せ る と ， こ の光は レ ンズ 3 2 を介 し て光フ ァ イ ノく 3 0 に入射 し ， こ の光 フ ア イ バ 3 0 に よ っ て被温度測定部 に位置 し て い る セ ン サ部 1 0 ま で送 ら れ る 。 そ し て， 光 フ ァ イ バ 3 0 力、 ら 出 た光は， レ ン ズ 2 8 に よ っ て平行 ビ ー ム に変換 さ れて偏光子 2 6 に入 射す る 。 偏光子 2 6 は x 軸， つ ま り 光弾性効果素子 1 4 の 最大応力方向 に対 し て 45度の偏波成分を持つ 直線偏波光を 射出す る 。 こ の光 は光弾性効果素子 1 4 内 を z 軸 に沿 っ て 透過 し て反対側 に 出射す る 。 こ の と き ， 光弾性効果素子 1 4 の温度 に応 じ た複屈折 に よ っ て， 光弾性効果素子 1 4 を 透過 し た光の X 軸方向偏波成分 E X と y 軸方向 偏波成分 E y と の 間 に位相差 ø が生 じ る 。 こ こ で ， X 軸方向 の 偏波光 に対す る 屈折率を n x と し ， y 軸方向 の 偏波光 に対す る 屈 折率を n y と し ， 光の波長を ； と し ， 光弾性効果素子 1 4 の光透過方向 の長 さ を ^ と す る と ， 位相差 ø は，

φ ^ 2 π £ ( n x - n y ) / λ …（1) で与え ら れ る 。 n x , n y は周 囲温度 に よ っ て変 化す る 。 し た力《 つ て， 位相差 ø も周 囲温度 に よ っ て変化す る 。 ' 光弾性効果素子 1 4 を透過 し た光 は偏光面が偏光子 2 6 の そ れ に対 し て 直交す る よ う に配置 さ れ た検光子 4 0 を通 り ， 続 い て レ ン ズ 4 2 ， 光 フ ァ イ ノく 4 4 を介 し て フ ォ ト デ ィ テ ク 夕 4 6 に導かれ る 。 こ の導かれ た光の 強度 I は，

I °= I 0 ( 1 - cos 2 Φ ) / 2 … ） と な る 。 な お， （2)式に お い て， I 0 は偏光子 2 6 の 出射光 強度で あ る 。 し た が っ て， I を測定すれば， 周 囲温度 に よ つ て変化 し た位相差 ø を知 る こ と がで き ， 周 囲温度 と 位相 Φ と の関係 を予 め求め て お け ば， 周 囲温度を 測定で き る こ と に な る 。 こ の実施例で は， 位相差 ø が小 さ い領域で， I 力 ' ø に比例す る よ う に ， 1 / 4 波長板 3 8 を介在 さ せて，

I °= I 0 ( 1 + sin 2 0 ) / 2 - (3) と な る よ う に し てい る 。

フ ォ ト デ ィ テ ク タ 4 6 の 出力 は， 増幅器 4 8 に よ っ て增 幅 さ れだ後， 信号処理装置 5 0 に導入 さ れ る 。 信号処理装 置 5 0 は， 予め求め ら れてい る 入力 一温度校正テ ー ブルか ら周 囲温度を算出 し ， こ の温度値を表示装置 5 2 に表示す る 。 し た力く つ て， 周 囲温度 T を 直ち に知 る こ と がで き る 。

そ し て， こ の場合 に は， 温度を測定す る た め に セ ン サ部 1 0 に入出力 さ せ る 信号—は光信号だ けで よ い ので， セ ン サ 部 1 0 の置かれ る 雰囲気が高電界中 や高磁界中で あ っ て も こ れ ら の影響を受け る こ と な く 温度の測定を行な う こ と が で き る 。 ま た， 光弹性効果素子 1 4 と の 間の熱膨張の差で 光弾性効果素子 1 4 に周 囲温度に応 じ た応力 を異方性を持 たせて発生 さ せ る 力 印加機構 2 2 の構成材料を選択す る だ けで検出感度を容易 に 向上 さ せ る こ と がで き る 。

第 3 図 に は温度 一 応力変換器の変形例が示 さ れてい る 。 こ の温度 一 応力変換器 6 0 は， 角柱状に形成 さ れた シ リ 力 ガ ラ ス 製の光弾性効果素子 6 2 を同 じ く 角柱状に形成 さ れ た エ ポ キ シ樹脂製の 2 本の部材 6 4 , 6 6 で挟み， こ れ ら を光弾性効果素子 6 2 の _構成材料よ り 熱膨張率の小 さ い材 料で角筒状に形成 さ れた枠体 6 8 内 に隙間 を設け る こ と な く 収容 し た も の と な っ てい る 。

こ の よ う に構成 さ れた温度— 応力変換器 6 0 で は， 光弾 性効果素子 6 2 と部材 6 4 ， 6 6 と の熱膨張率の差に よ つ て光弾性効果素子 6 2 に周囲温度に応 じ た応力 を異方性を 持たせ て発生 さ せ る こ と がで き る 。 す な わ ち ， シ リ カ ガラ ス の熱膨張率に比べてエ ポ キ シ樹脂 の そ れ は は る か に大 き い。 こ の例で は周 囲温度の変化に対応 さ せ て光弾性効果素 子 6 2 内 に y 軸方向 よ り X 軸方向 の方が大 き い応力 を発生 さ せ る こ と がで き る 。 し た力 つ て， こ の例で は枠体 6 8 と 部材 6 4 , 6 6 と で力 印加機構 7 0 が構成 さ れて い る こ と に な る 。 こ の温度 一 応力変換器 6 0 を第 1 図 に示 し た温度 一 応力変換器 1 2 の代わ り に使用 す る こ と がで き る 。

第 4 図 に は温度 一 応力変換器の別の変形例が示 さ れて い る 。 こ の温度 — 応力変換器 8 0 は， 光透過性を有す る パ イ レ ッ ク ス ガ ラ ス ま た は ポ リ カ ー ボネ ー 卜 で角柱状 に形成 さ れた光弾性効果素子 8 2 の両端面を除 く 外周面に ィ ン バ ー 合金で形成 さ れた外側部材 8 4 を密接 に装着 し ， さ ら に光 弾性効果素子 8 2 の z 軸 を 中心 と し た対称的 な 位置 に貫通 孔 8 6 ， 8 8 を平行に設け た も の と な っ て い る 。

ノ、。 ィ レ ッ ク ス ガ ラ ス や ポ リ カ ー ボネ ー 卜 の熱膨張率 は ィ ン ノく一合金の そ れ よ り 大 き い。 そ し て， こ の例で は X 拳由上 に貫通孔 8 6 , 8 8 が形成 さ れて い る 。 し た力 つ て， こ の 温度 一 応力変換器 8 0 で は周 囲温度の変化 に対応 さ せて光 弾性効果素子 8 2 内 に χ $ώ方向 よ り y 軸方向 の方が大 き い 応力 を発生 さ せ る こ と がで き る 。 す な わ ち ， こ の例で は外 側部材 8 4 と 貫通孔 8 6 ， 8 8 と で力 印加機構 9 0 が構成 さ れて い る 。

第 5 図 に は温度 一 応力変換器の さ ら に別の変形例が示 さ れて い る 。 こ の温度 — 応力変換器 1 0 0 は， 第 4 図 に示 し た温度 一 応力変換器 8 ◦ の変形で あ る 。 す な わ ち ， こ の例 では光弾性効果素子 8 2 に形成 さ れた貫通孔内 に光弾性効 果素子 8 2 の構成材料 よ り 熱膨張率が大 き い材料で形成 さ れた 内側部材 1 0 2 ， 1 0 4 を埋め込ん だ も の と な っ て い し たが っ て， こ の温度 一応力変換器 1 0 0 で は周 囲温度 の変化に対応 さ せて光弾性効果素子 8 2 内 に y 軸方向 よ り X 軸方向 の方がは る か に大 き い応力 を発生 さ せ る こ と がで き ， 温度検出感度の 向上に寄与で き る 。 こ の例 'で は外側部 材 8 4 と 内側部材 1 0 2 ， 1 0 4 と で力 印加機構 1 0 6 が 構成 さ れてい る の であ る 。 第 6 図 は， 第 1 図 に示 し た温度 - 応力変換器 1 2 に代え て温度 - 応力変換器 1 0 0 を組込 んだ と き の周 囲温度と増幅器 4 8 の 出力 と の関係を示 し て い る 。 こ の 図力、 ら判力、 る よ う に， 増幅器 4 8 の 出力 は温度 の変化に対 し て ほ ぼ直線的 に変化 し て い る 。

第 7 図 に は さ ら に別 の 変形例 に 係 る 温度 一 応力変換器 1 1 0 の光入射側端面が示 さ れてい る 。 こ の温度 一 応力変 換器 1 1 0 は， パイ レ ッ ク ス ガラ ス ま た は ポ リ カ ー ボネ 一 ト で角柱状に形成さ れた光弾性効果素子 1 1 2 の両端面を 除 く 外周面 に ィ ン バ —合金で形成 さ れた外側部材 1 1 4 を 密接に装着 し て い る 。 そ し て， 光弾性効果素子 1 1 2 の X 軸方向 の両側面 と 外側部材 1 1 4 と の 間 に光弾性効果素子 1 1 2 の構成材料よ り 熱膨張率が大 き い材料で形成 さ れた 内側部'材 1 1 6 , 1 1 8 を介在 さ せて い る 。

こ の よ う な構成であ る と ， 周 囲温度の変化に よ っ て光弾 性効果部材 1 1 2 に発生す る 応力 の う ち ， y 軸方向の応力 に比べて x 軸方向 の応力 を は る か に大 き く で き る 。 し たが つ て， 温度の検出感度を向上 さ せ る こ と がで き る 。 こ の例 で は外側部材 1 1 4 と 内側部材 1 1 6 , 1 1 8 と で力 印加 機構 1 2 0 が構成 さ れて い る こ と に な る 。

第 8 図 に は さ ら に 別 の 変形 例 に 係 る 温度 一 応力 変換器 1 3 0 の光入射側端面が示 さ れて い る 。 こ の温度 一 応力変 換器 1 3 0 は， ノ、。 ィ レ ッ ク ス ガ ラ ス ま た は ポ リ 力 一 ボネ 一 ト で角 柱状 に形成 さ れた光弾性効果素子 1 3 2 の両端面お よ び y 軸方の両側面を除 く 外周面 に ィ ンバ ー 合金で形成 さ れた外側部材 1 3 4 を密接に装着 し た も の と な っ て い る 。

こ の よ う な構成で あ る と ， 周 囲温度の変化 に よ っ て光弾 性効果素子 1 3 2 に発生す る 応力 の う ち ， y 軸方向 の応力 に比べて X 軸方向の応力 を は る か に大 き く で き る 。 し たが つ て， 温度の検出感度を 向上 さ せ る こ と がで き る 。 こ の例 で は外側部材 1 3 4 と ， こ の外側部材 1 3 4 と 光弾性効果 素子 1 3 2 の y 軸 方 向 の 両側面と の 間 に 形成.さ れ た 空涧 1 3 6 , 1 3 8 と で力 印加機構 1 4 0 が構成 さ れて い る こ と に な る 。

第 9 図 に は さ ら に 別 の 変形例 に 係 る 温度 一 応力 変換器 1 5 0 の光入射側端面が示 さ れて い る 。 こ の温度 一 応力変 換器 1 5 0 は， パ イ レ ッ ク ス ガラ ス ま た は ポ リ カ ー ボネ ー 卜 で角 柱状 に形成 さ れた光弾性効果素子 1 5 2 の両端面お よ び y 軸方の 両側面を 除 く 外周面に ィ ン バ ー 合金で形成 さ れた外側部材 1 5 4 を密接 に装着 し ， さ ら に光弾性効果素 子 1 5 2 の y 軸を中心 と し た対称的 な 位置 に z 軸方向 に 円 形の貫通孔 1 5 6 , 1 5 8 を平行に設け た も の と な っ て い

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こ の よ う な構成で あ る と， 周 囲温度の変化に よ っ て光弾 性効果素子 1 5 2 に発生す る 応力 の う ち ， y軸方向 の応力 に比ベて X 軸方向 の応力 を格段に大 き く で き る 。 し た力く つ て， 温度の検出感度を一層 向上 さ せ る こ と がで き る 。 こ の 例では外側部材 1 5 4 と ， こ の外側部材 1 5 4 と光弾性効 果素子 1 5 2 の y 軸方向 の両側面 と の 間 に z 軸方向 に形成 さ れた空洞 1 6 0 , 1 6 2 と ， 貫通孔 1 5 6 ， 1 5 8 と で 力 印加機構 1 6 4 が構成 さ れてい る こ と に な る 。 な お， こ の例 に おい て， 貫通孔 1 5 6 , 1 5 8 内 に光弾性効果素子 1 5 2 の構成材料よ り 熱膨張率の大 き い材料で形成 さ れた 部材を充填す る よ う に し て も よ い 。

第 1 0 図 に は さ ら に別の変形例 に係 る 温度 一 応力変換器 1 7 0 の光入射側端面が示 さ れて い る 。 こ の温度一 応力変 換器 1 7 0 は， ノ、。 ィ レ ッ ク ス ガ ラ ス ま た は ポ リ カ ー ポネ 一 卜 で角柱状に形成 さ れた光弾性効果素子 1 7 2 の両端面お よ び X 軸 方の 一方 の 側面 を 除 く 外周 面 に ィ ン バ ー 合金で 形成 さ れ た 外 側部材 1 7 4 を 密接 に 装着 し ， こ れを筒体 1 7 6 内 に隙間 な く 装着 し て い る。 そ し て， 光弾性効果素 子 1 7 2 の X 軸方向 の側面で外側部材 1 7 4 に接触 し て い な い側面 と筒体 1 7 6 と の 間 に捕助部材 1 7 8 を装着 し ， こ の捕助部材 1 7 8 に対 し て筒体 1 7 6 外か ら X 軸方向 の バ イ ア ス 力 を与え る ネ ジ 1 8 0 を設けて い る 。 ま た， 光弾 性効果素子 1 7 2 の y 馳を 中心 と し た対称的 な 位置 に z 軸 方向 に 円形の貫通孔を平行に設け， こ れ ら 貫通孔内 に光弾 性効果素子 1 7 2 を構成 し て い る 材料 よ り 熱膨張率が大 き い材料で構成 さ れた 内側部材 1 8 2 , 1 8 4 を充填 し た も の と な つ て い る。

こ の よ う な 構 成 で あ る と ， 筒 体 1 7 6 と ， 外 側 部 材 1 7 4 と ， 内側部材 1 8 2 , 1 8 4 と で力 印加機構 1 8 6 が構成 さ れて い る こ と に な る 。 し た力 つ て， 周 囲温度の変 化に よ っ て光弾性効果素子 1 7 2 に発生す る 応力 の う ち ， y 軸方向 の応力 に比べて X 軸方向 の応力 を大 き く で き る 。 ま た， ネ ジ 1 8 0 を調整 し て光弾性効果素子 1 7 2 に X 軸 方 向 の 初 期 バ イ ア ス 応力 を 発生 さ せ て お く と ， 外側部材 1 7 4 よ り 内側部材 1 8 2 ， 1 8 4 の熱膨張率が小 さ い場 合 に， 外側部材 1 7 4 の方が縮小 し て も ， 初期バ イ ア ス応 力 に よ り 歪み の異方性を維持 さ せ る こ と がで き る 。

第 1 1 図 に は さ ら に別の変形例 に係 る 温度 一 応力変換器 1 9 0 の光入射側端面が示 さ れて い る 。 こ の 温度 一 応力変 換器 1 9 0 は ， ガ ラ ス で 円柱体 1 9 2 を形成 し ， こ の 円柱 体 1 9 2 の X 軸 を 中心 と し た対称的 な 位置 に 角柱状の空洞 1 9 4 , 1 9 6 を z $由 方 向 に 平行 に 設 け ， さ ら に 円 柱体 1 9 2 の空涧 1 9 4 と 1 9 6 と の 間 に位置す る 部分 1 9 8 に G e や B な ど を ド ー プ し て他の 部分 と は異な る 熱膨張率 に し ， 上記部分 1 9 8 を光弾性効果素子 と し た も の と な つ て い る 。 し た 力く つ て， こ の 例で は部分 1 9 8 以外 の部分が 力 印加機構 2 0 0 を構成 し て い る 。 こ の よ う に構成 さ れた 温度 一 応力変換器 1 9 0 を使用 す る こ と も で き る 。 なお， 温度 一 応力変換器は さ ら に次の よ う に変形 さ せ た も の も 使用で き る 。 すな わ ち ， 第 8 図に示す温度 一応力変 換器 1 3 0 に お い て ， 外側部材 1 3 4 と 光弾性効果素子 1 3 2 の X 軸方向 の両側面 と の 間 に光弾性効果素子 1 3 2 の構成材料よ り 熱膨張率の大 き い材料で形成 さ れた 内側部 材を介在 さ せ る よ う に し て も よ い。 ま た， 上述 し た各温度 一応力変換器の力 印加機構は， 光弾性効果素子に圧縮力を 印加す る よ う に し て い る 。 し力、 し， た と えば第 4 図 に示す 例に おい て， 外側部材 8 4 を熱膨張率の大 き い黄銅で構成 し ， 光弾性効果素子 8 2 をパ イ レ ッ ク ス な どで構成 し ， こ の光弾性効果素子 8 2 と 外側部材 8 4 と を接着 してお く と 光弾性効果-素子 8 2 に 引張 り 力 を印加す る こ と がで き る。 こ の よ う に， 力印加機構は光弾性効果素子に引張 り 力 を印 加す る よ う に構成 さ れてい て も よ い。

産業上の利用可能性

以上の よ う に， ·本発明 に係 る 温度測定装置 は， 特に， 高 電界や高磁界に さ ら さ れて い る 部分の温度を高精度に測定 し な ければな ら な い場合に有用であ る 。

Claims

請 求 の 範 囲

(1) 光弾性効果素子お よ び上記光弾性効果素子 に密接状 態に配置 さ れて光弾性効果素子 と の 間 の熱膨張の差で光弾 性効果素子に周 囲温度 に応 じ た応力 を異方性を持た せ て発 生 さ せ る 力 印加手段か ら な る 温度 一 応力変換器 と ， こ の温 度 - 応力変換器の前記光弾性効果素子 に 直線偏波光を 入射 さ せ る 手段 と ， 前記光弾性効果素子を透過 し た光の う ち 上 記光弾性効果素子の あ る 応力方向 の偏波成分 と 上記方向 と は 直交す る 方向 の 偏波成分 と の 間 の 位相差を検出す る 手段 と ， こ の手段 に よ っ て検出 さ れた位相差を温度 に換算 し て 表示す る 手段 と を具備 し て な る こ と を特徴 と す る 温度測定

(2) 力 印加手段は， 前記光弾性効果素子 に周 囲温度 に応 じ た応力 を異方性を持 っ て 印加す る 機構を備え て い る 請求 項 1 に記載の 温度測定装置。

(3) 力 印加手段 は， 前記光弾性効果素子 に異方性を持 つ たバ イ ア ス 力 を加 え る 機構を備 え て い る 請求項 1 , 2 の何 れか に記載の温度測定装置。

(4) 力 印加手段は， 前記光弾性効果素子を構成す る 材料 よ り 熱膨張率の大 き い材料で形成 さ れ た部材を光弾性効果 素子内 の前記直線偏波光の透過中心軸 を 中心 と す る 対称的 な 2 箇所 に 平行に埋 め込ん で構成 さ れて い る 請求項 1 に記 載の 温度測定装置。

(5) 力 印加手段 は， 前記光弾性効果素子を収容す る 枠体 と ， 前記光弾性効果素子の構成材料よ り 熱膨張率の大 き い 材料で形成 さ れて前記枠体内 に上記光弾性効果素子 と 一体 に収容 さ れた部材 と で構成 さ れてい る 請求項 1 に記載の温 度測定装置。

(B) 力印加手段は， 前記光弾性効果素子の構成材料よ り 熱膨張率の小 さ い材料で形成 さ れて上記光弾性効果素子の 外周 に装着 さ れた外側部材 と ， 上記光弾性効果素子内で， 前記直線偏波光の透過中心軸を中心 と す る 対称的 な 2 箇所 に平行に形成 さ れた貫通孔 と で構成 さ れてい る 請求項 1 に 記載の温度測定装置。

(7) 力 印加手段は， 前記光弾性効果素子の構成材料 よ り 熱膨張率の小 さ い材料で形成 さ れて上記光弾性効果素子の 外周 に装着 さ れた外側部材 と ， 上記光弾性効果素子の構成 材料よ り 熱膨張率の大 き い材料で形成 さ れて上記光弾性効 果素子内 ま た は上記光弾性効果素子 と前記外側部材 と の 間 で前記直線偏波光の透過中心軸を中心 と す る 対称的 な 2 箇 所 に平行に埋め込ま れた 内側部材 と で構成 さ れて い る 請求 項 1 に記載の温度測定装置。

(8) 力 印加手段は， 前記光弾性効果素子の構成材料よ り 熱膨張率の小 さ い材料で形成 さ れて上記光弾性効果素子の 対向す る 2 側面の み に密接す る 関係 に配置 さ れた外側部材 で構成 さ れて い る 請求項 1 に記載の温度測定装置。

(9) 光弾性効果素子 と前記外側部材 と はべ — ス と な る 材 料が同 じで， かつ上記光弾性効果素子を構成す る 部分 も し く は外側部材を構成す る 部分の何れか に別の元素を ド ー プ し て熱膨張率を異な ら せ た も の で あ る 請求項 8 に記載の温 度測定装置。

( 1 0 ) 力 印加手段は， 前記光弾性効果素子の構成材料 よ り 熱膨張率の小 さ い材料で形成 さ れて上記光弾性効果素子 の外周面を覆 う よ う に配置 さ れた外側部材 と ， 前記光弾性 効果素子の構成材料よ り 熱膨張率の大 き い材料で形成 さ れ て前記外側部材 と 上記光弾性効果素子の対向す る 2 側面 と の 間 に そ れぞれ揷設 さ れた 内側部材 と で構成 さ れて い る 請 求項 1 に記載の温度測定装置。