(57)【要約】【課題】撮像装置の配置の自由度を向上させて温度測定対象の範囲を広げることができる、誘起蛍光法を用いた温度測定装置を提供する。【解決手段】温度測定対象物７に塗布又は接着した蛍光材料８に所定波長の入力光を照射し、当該入力光により誘起された蛍光の輝度に基づいて前記温度測定対象物７の温度を測定する、誘起蛍光法を用いた温度測定装置１。前記蛍光を反射し得る表面を有するトレーサ粒子９が混入された流体６が充填されているとともに、前記温度測定対象物７が収容される測定槽２と、所定波長の入力光を前記温度測定対象物７に塗布又は接着した蛍光材料８向けて照射する光源３と、前記入力光の照射により前記蛍光材料８から放出される蛍光が前記トレーサ粒子９によって散乱した散乱蛍光を撮像する撮像装置４と、前記撮像装置４により撮像された散乱蛍光の輝度に基づいて前記温度測定対象物の温度を求める処理装置５とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度測定対象物に塗布又は接着した蛍光材料に所定波長の入力光を照射し、当該入力光により誘起された蛍光の輝度に基づいて前記温度測定対象物の温度を測定する、誘起蛍光法を用いた温度測定装置であって、
前記蛍光を反射し得る表面を有するトレーサ粒子が混入された流体が充填されているとともに、前記温度測定対象物が収容される測定槽と、
所定波長の入力光を前記温度測定対象物に塗布又は接着した蛍光材料に向けて照射する光源と、
前記入力光の照射により前記蛍光材料から放出される蛍光が前記トレーサ粒子によって散乱した散乱蛍光を撮像する撮像装置と、
前記撮像装置により撮像された散乱蛍光の輝度に基づいて前記温度測定対象物の温度を求める処理装置と
を備える、誘起蛍光法を用いた温度測定装置。
【請求項２】
温度測定対象物に塗布又は接着した蛍光材料に所定波長の入力光を照射し、当該入力光により誘起された蛍光の輝度に基づいて前記温度測定対象物の温度を測定する、誘起蛍光法を用いた温度測定装置であって、
前記蛍光を反射し得る表面を有するトレーサ粒子が混入された流体が充填されており、少なくとも底部が光透過性の材料で作製されており、且つ、前記蛍光材料が前記底部側を向くように前記温度測定対象物が前記底部の下方に配置される測定槽と、
所定波長の入力光を前記温度測定対象物に塗布又は接着した蛍光材料に向けて照射する光源と、
前記入力光の照射により前記蛍光材料から放出され前記底部を通過した蛍光が前記トレーサ粒子によって散乱した散乱蛍光を撮像する撮像装置と、
前記撮像装置により撮像された散乱蛍光の輝度に基づいて前記温度測定対象物の温度を求める処理装置と
を備える、誘起蛍光法を用いた温度測定装置。
【請求項３】
前記撮像装置は、当該撮像装置の光軸が前記光源の照射方向と交差するように配置されている、請求項１又は請求項２に記載の誘起蛍光法を用いた温度測定装置。
【請求項４】
前記撮像装置と測定槽との間に、前記トレーサ粒子によって散乱した前記入力光を遮断する光学フィルタが配置されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の誘起蛍光法を用いた温度測定装置。
【請求項５】
温度測定対象物に塗布又は接着した蛍光材料に所定波長の入力光を照射し、当該入力光により誘起された蛍光の輝度に基づいて前記温度測定対象物の温度を測定する、誘起蛍光法を用いた温度測定方法であって、
所定波長の入力光を前記温度測定対象物に塗布又は接着した蛍光材料に向けて照射する工程と、
前記入力光の照射により前記蛍光材料から放出される蛍光が、蛍光を反射し得る表面を有するトレーサ粒子によって散乱した散乱蛍光を撮像する工程と、
撮像された散乱蛍光の輝度に基づいて前記温度測定対象物の温度を求める工程と
を含み、
前記トレーサ粒子は、前記放出された蛍光の光路に設けられる流体に混入されている、誘起蛍光法を用いた温度測定方法。
【請求項６】
前記流体は測定槽内に充填されており、前記温度測定対象物は当該測定槽内の流体中に配置されている、請求項５に記載の、誘起蛍光法を用いた温度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘起蛍光法を用いた温度測定装置及び誘起蛍光法を用いた温度測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、軸受の部品等の使用状態における温度分布（発熱状態）をリアルタイムで計測したいという要望がある。熱電対のような接触式の温度測定装置では、使用状態においてリアルタイムに温度を計測することができないことから、非接触式の温度計測方法又は装置が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１記載の方法では、円すいころ軸受の円すいころの大径端面の温度をレーザ誘起蛍光法を用いて非接触で測定している。図４に示されるように、計測対象である円すいころ２０の大径端面２０ａに蛍光材料２１を塗布し、この蛍光材料２１に向けてレーザ光源２２から所定波長のレーザ光を照射する。レーザ光により誘起されて放出される蛍光を光学フィルタ２３を介してカメラ２４で撮像し、得られた画像の輝度に基づいて大径端面２０ａの温度を算出（測定）している。温度の算出には、予め用意されている、例えば図５に示されるような検量線が用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−２１７９６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の誘起蛍光法を用いた温度測定装置又は方法では、蛍光材料から放出される蛍光をカメラで直接に撮像しているので、当該カメラの視野内に蛍光材料が塗布された領域を入れる必要がある。換言すれば、カメラの死角に入る部分については温度を測定することができず、例えば、形状が複雑な部品の温度測定が困難である等、その測定対象が制約されていた。
【０００６】
そこで、本発明は、撮像装置の配置の自由度を向上させて温度測定対象の範囲を広げることができる、誘起蛍光法を用いた温度測定装置及び誘起蛍光法を用いた温度測定方法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】
【０００７】
本発明の第１に観点に係る誘起蛍光法を用いた温度測定装置（以下、単に「測定装置」ともいう）は、
（１）温度測定対象物に塗布又は接着した蛍光材料に所定波長の入力光を照射し、当該入力光により誘起された蛍光の輝度に基づいて前記温度測定対象物の温度を測定する、誘起蛍光法を用いた温度測定装置であって、
前記蛍光を反射し得る表面を有するトレーサ粒子が混入された流体が充填されているとともに、前記温度測定対象物が収容される測定槽と、
所定波長の入力光を前記温度測定対象物に塗布又は接着した蛍光材料に向けて照射する光源と、
前記入力光の照射により前記蛍光材料から放出される蛍光が前記トレーサ粒子によって散乱した散乱蛍光を撮像する撮像装置と、
前記撮像装置により撮像された散乱蛍光の輝度に基づいて前記温度測定対象物の温度を求める処理装置と
を備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明の第１の観点に係る測定装置では、蛍光材料から放出される蛍光そのものを撮像するのではなく、当該放出された蛍光がトレーサ粒子の表面で散乱されることに着目して、かかる散乱蛍光を撮像装置で撮像している。このため、温度測定対象物に塗布又は付着された蛍光材料を必ずしも撮像装置の視野内に入れる必要がないので、当該蛍光材料に対する撮像装置の配置の自由度を向上させることができる。形状が複雑な部品の場合、温度を測定したい場所ないし範囲を撮像装置の視野内に入れるのが難しいことがあるが、撮像装置の配置の自由度が向上することで、測定対象となり得る場所ないし範囲を広げることができる。
【０００９】
本発明の第２の観点に係る測定装置は、
（２）温度測定対象物に塗布又は接着した蛍光材料に所定波長の入力光を照射し、当該入力光により誘起された蛍光の輝度に基づいて前記温度測定対象物の温度を測定する、誘起蛍光法を用いた温度測定装置であって、
前記蛍光を反射し得る表面を有するトレーサ粒子が混入された流体が充填されており、少なくとも底部が光透過性の材料で作製されており、且つ、前記蛍光材料が前記底部側を向くように前記温度測定対象物が前記底部の下方に配置される測定槽と、
所定波長の入力光を前記温度測定対象物に塗布又は接着した蛍光材料に向けて照射する光源と、
前記入力光の照射により前記蛍光材料から放出され前記底部を通過した蛍光が前記トレーサ粒子によって散乱した散乱蛍光を撮像する撮像装置と、
前記撮像装置により撮像された散乱蛍光の輝度に基づいて前記温度測定対象物の温度を求める処理装置と
を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明の第２の観点に係る測定装置でも、蛍光材料から放出される蛍光そのものを撮像するのではなく、当該放出された蛍光がトレーサ粒子の表面で散乱されることに着目して、かかる散乱蛍光を撮像装置で撮像している。このため、前述した第１の観点に係る測定装置と同様に、蛍光材料に対する撮像装置の配置の自由度を向上させることができ、測定対象となり得る場所ないし範囲を広げることができる。
【００１１】
（３）前記（１）又は（２）の測定装置において、前記撮像装置を、当該撮像装置の光軸が前記光源の照射方向と交差するように配置することができる。この場合、撮像装置の光軸を光源の照射方向と交差するように配置することで、蛍光材料から放出されトレーサ粒子によって散乱した散乱蛍光を好適に撮像することができる。
【００１２】
（４）前記（１）〜（３）の測定装置において、前記撮像装置と測定槽との間に、前記トレーサ粒子によって散乱した前記入力光を遮断する光学フィルタが配置されていることが望ましい。この場合、光源から照射された入力光の一部はトレーサ粒子によって散乱されるが、測定に不要である、この散乱された入力光が撮像装置に入るのを光学フィルタによって遮断することができるので、測定精度を向上させることができる。
【００１３】
本発明の誘起蛍光法を用いた温度測定方法（以下、単に「測定方法」ともいう）は、
（５）温度測定対象物に塗布又は接着した蛍光材料に所定波長の入力光を照射し、当該入力光により誘起された蛍光の輝度に基づいて前記温度測定対象物の温度を測定する、誘起蛍光法を用いた温度測定方法であって、
所定波長の入力光を前記温度測定対象物に塗布又は接着した蛍光材料に向けて照射する工程と、
前記入力光の照射により前記蛍光材料から放出される蛍光が、蛍光を反射し得る表面を有するトレーサ粒子によって散乱した散乱蛍光を撮像する工程と、
撮像された散乱蛍光の輝度に基づいて前記温度測定対象物の温度を求める工程と
を含み、
前記トレーサ粒子は、前記放出された蛍光の光路に設けられる流体に混入されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明の測定方法では、蛍光材料から放出される蛍光そのものを撮像するのではなく、当該放出された蛍光がトレーサ粒子の表面で散乱されることに着目して、かかる散乱蛍光を撮像装置で撮像している。このため、温度測定対象物に塗布又は付着された蛍光材料を必ずしも撮像装置の視野内に入れる必要がないので、当該蛍光材料に対する撮像装置の配置の自由度を向上させることができる。形状が複雑な部品の場合、温度を測定したい場所ないし範囲を撮像装置の視野内に入れるのが難しいことがあるが、撮像装置の配置の自由度が向上することで、測定対象となり得る場所ないし範囲を広げることができる。
【００１５】
（６）前記（５）の測定方法において、前記流体は測定槽内に充填されており、前記温度測定対象物は当該測定槽内の流体中に配置されていることが望ましい。この場合、測定槽内に充填した流体中に温度測定装置が配置されていているので、測定のための構成をコンパクト化することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、撮像装置の配置の自由度を向上させて温度測定対象の範囲を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の測定装置の一実施形態の構成を説明する図である。
【図２】検量線の一例を示す図である。
【図３】本発明の測定装置の他の実施形態の構成を説明する図である。
【図４】従来の測定装置の構成を説明する図である。
【図５】検量線の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態に係る測定装置１の構成を説明する図である。測定装置１は誘起蛍光法を用いた装置であり、測定槽２と、光源であるレーザ光源３と、撮像装置であるＣＣＤカメラ４と、処理装置であるパーソナルコンピュータ５とを備えている。測定装置１は、温度を測定する対象物に塗布又は接着された蛍光材料にレーザ光源３から所定波長の入力光を照射し、当該入力光により誘起された蛍光の輝度に基づいて前記対象物の温度を測定する。
【００１９】
測定槽２は光透過性の合成樹脂又はガラスで作製されている。かかる合成樹脂としては、例えば、アクリル樹脂を例示することができる。測定槽２内には光透過性の水や機械油等の流体６が充填されている。測定槽２内には温度を測定する対象物である温度測定対処物７が収容されている。温度測定対象物７は、測定槽２の底面２ａに配設されている。温度測定対象物７としては、例えば、軸受の部品、歯車、モータ等を例示することができるが、これらに限定されるものではない。本実施形態に係る測定装置１では、複雑な形状を有する部品等、撮像装置の死角に入ることから従来の誘起蛍光法を用いた温度測定装置では測定することが困難であったものであっても温度測定対象物とすることができる場合もある。
【００２０】
温度測定対象物７の表面７ａには蛍光材料８が塗布又は接着されている。蛍光材料８は、所定波長の入力光が照射されると、当該入力光とは異なる波長の蛍光を発する。蛍光材料８としては、例えば、ローダミンＢ（登録商標）を用いることができる。蛍光の輝度は、蛍光材料８が塗布又は接着されている温度測定対象物７の温度に応じて変化する。
【００２１】
流体６には複数のトレーサ粒子９が混入されている。トレーサ粒子９は蛍光材料８が発した蛍光を反射し得る表面を有している。トレーサ粒子９の表面に到達した蛍光は、当該表面で反射されて散乱蛍光となる。トレーサ粒子９は、ナイロン等の合成樹脂粒子や、表面に銀等の金属をコーティングした合成樹脂粒子からなっている。金属をコーティングすることで表面の反射率を大きくすることができ、得られる散乱蛍光の輝度を大きくして測定精度を向上させることができる。トレーサ粒子９の粒径は、特に限定されないが、通常、数μｍ〜数十μｍである。流体６に対するトレーサ粒子９の量は、多すぎると流れの特性に影響を与え、また、少なすぎると撮像に必要な輝度を得ることができない。したがって、流体１リットルに対して、概ね０．００１〜０．０１ｃｍ３のトレーサ粒子９を混入させる。トレーサ粒子９は、前記のように非常に小さく、また、流体６として水を用いる場合、当該水の比重と同程度（ナイロン６６の比重は１．１３〜１．１５）であるので、流体６中に拡散されて浮遊した状態にある。なお、図１では、分かり易くするためにトレーサ粒子９のサイズを誇張して描いている。また、トレーサ粒子９の密度（単位容積の流体中に存在するトレーサ粒子９の数）も実際よりも小さくなるように描いている。
【００２２】
レーザ光源３は、測定槽２の上方に配置されており、所定波長の入力光であるレーザ光を温度測定対象物７の表面に塗布又は接着された蛍光材料８に向けて照射する。所定波長としては、例えば、５３２（ｎｍ）であり、かかる波長のレーザ光を蛍光材料８に照射すると、約６７０〜６８０（ｎｍ）の蛍光が発せられる。蛍光材料８から発せられた蛍光の一部は、測定槽２内に充填された流体６中に混入されたトレーサ粒子９の表面で反射されて散乱蛍光となり、その散乱蛍光が測定槽２の側方に配置されたＣＣＤカメラ４により撮像される。ＣＣＤカメラ４は、その光軸がレーザ光源３の照射方向と交差するように配置されている。本実施形態では、ＣＣＤカメラ４の光軸とレーザ光源３の照射方向とが直交するように当該ＣＣＤカメラ４及びレーザ光源３が配置されている。なお、ＣＣＤカメラ４の配置は、これに限定されるものではなく、トレーサ粒子９からの散乱蛍光を撮像することができる位置であれば適宜の位置に、例えば、図１において２点鎖線で示される位置に配置することもできる。２点鎖線で示される位置であれば、散乱蛍光は測定槽２を通過しないので、必ずしも当該測定槽２を光透過性の材料で作製しなくてもよい。
【００２３】
測定槽２とＣＣＤカメラ４との間には光学フィルタ１０が配置されている。光学フィルタ１０は蛍光は通過させるが、レーザ光は遮断する機能を有している。したがって、レーザ光源３から照射され流体６中のトレーサ粒子９の表面で反射した散乱レーザ光がＣＣＤカメラ４により撮像されるのを抑制することができる。これにより、実質的に散乱蛍光だけをＣＣＤカメラ４で撮像することが可能となり、測定精度を向上させることができる。
【００２４】
パーソナルコンピュータ５は、ＣＣＤカメラ４から取得した画像データに撮像されている散乱蛍光の輝度に基づいて、温度測定対象物７の温度を算出する。パーソナルコンピュータ５は、記憶部５ａを備えており、この記憶部５ａには予め求めておいた検量線の情報が記憶されている。検量線は、図２に示されるように、散乱蛍光輝度（ｐｉｘｅｌ−１）と温度（℃）との関係を示しており、予め実験等により求めることができる。
【００２５】
図３は、本発明の他の実施形態に係る測定装置１１の構成を説明する図である。この測定装置１１が図１に示される測定装置１と異なる点は、温度測定対象物７の位置である。測定装置１では、測定槽２内に温度測定対象物７が配設されているが、測定装置１１では、測定槽２の外部、具体的には、測定槽２の底部２ｂの下方に配置されている。温度測定対象物７の位置を除いて、測定装置１と測定装置１１とは構成が共通している。したがって、測定装置１１において測定装置１と共通する要素又は部材には同一の参照符号を付し、簡単のため、それらについての説明は省略する。
【００２６】
測定装置１１では、測定槽２の底部２ｂの下方に配置された温度測定対象物７に塗布又は接着された蛍光材料８から発せられる蛍光は当該底部２ｂを通過して測定槽２内に充填されている流体６中のトレーサ粒子９の表面で反射する。したがって、測定槽２の少なくとも底部２ｂは光透過性の材料で作製されている。光透過性の材料としては、例えば、アクリル樹脂を用いることができる。図３に示される測定装置１１では、蛍光材料８と底部２ｂの裏面２ｂ１との間に若干の隙間が形成されるように、温度対象物７が配置されているが、蛍光材料８が裏面２ｂ１と接触するように温度対象物７を配置することもできる。
【００２７】
トレーサ粒子９の表面で反射した蛍光（散乱蛍光）は、光学フィルタ１０を通過してＣＣＤカメラ４により撮像される。パーソナルコンピュータ５は、ＣＣＤカメラ４から取得した画像データに撮像されている散乱蛍光の輝度に基づいて、温度測定対象物７の温度を算出する。
【００２８】
前述した実施形態に係る測定装置１，１１では、蛍光材料８から放出される蛍光そのものを撮像するのではなく、当該放出された蛍光がトレーサ粒子９の表面で散乱されることに着目して、かかる散乱蛍光をＣＣＤカメラ４で撮像している。このため、温度測定対象物７に塗布又は付着された蛍光材料８を必ずしもＣＣＤカメラ４の視野内に入れる必要がないので、当該蛍光材料８に対するＣＣＤカメラ４の配置の自由度を向上させることができる。形状が複雑な部品の場合、温度を測定したい場所ないし範囲をＣＣＤカメラ４の視野内に入れるのが難しいことがあるが、ＣＣＤカメラ４の配置の自由度が向上することで、測定対象となり得る場所ないし範囲を広げることができる。
【００２９】
また、ＣＣＤカメラ４を、当該ＣＣＤカメラ４の光軸がレーザ光源３の照射方向と交差するように配置している。ＣＣＤカメラ４の光軸をレーザ光源３の照射方向と交差するように配置することで、蛍光材料８から放出されトレーサ粒子９によって散乱した散乱蛍光を好適に撮像することができる。
【００３０】
また、ＣＣＤカメラ４と測定槽２との間に、トレーサ粒子９によって散乱したレーザ光源３の入力光を遮断する光学フィルタ１０が配置されている。レーザ光源３から照射された入力光の一部はトレーサ粒子９によって散乱されるが、測定に不要である、この散乱された入力光がＣＣＤカメラ４に入るのをかかる光学フィルタによって遮断することができる。その結果、測定装置１，１１の測定精度を向上させることができる。
【００３１】
本実施形態に係る誘起蛍光法を用いた温度測定方法は、前記のように、温度測定対象物７に塗布又は接着した蛍光材料８に所定波長の入力光を照射し、当該入力光により誘起された蛍光の輝度に基づいて前記温度測定対象物７の温度を測定しており、所定波長の入力光を前記温度測定対象物７に塗布又は接着した蛍光材料８に向けて照射する工程と、前記入力光の照射により前記蛍光材料８から放出される蛍光が、蛍光を反射し得る表面を有するトレーサ粒子９によって散乱した散乱蛍光を撮像する工程と、撮像された散乱蛍光の輝度に基づいて前記温度測定対象物７の温度を求める工程とを含んでいる。前記トレーサ粒子９は、前記放出された蛍光の光路に設けられる流体６に混入されている。流体６は、測定槽２に充填されている。
【００３２】
〔その他の変形例〕
以上のとおり開示した実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。
例えば、前述した実施形態では、トレーサ粒子９の表面で反射される蛍光（散乱蛍光）の輝度に基づいて温度測定対象物７の表面温度を測定しているが、この表面温度に加えて流体の速度を測定することもできる。具体的に、撮像装置として高速度カメラを用いた高速撮影を行い、２つの画像間での特定のトレーサ粒子の移動量と、高速度カメラのシャッター速度とに基づいて、当該特定のトレーサ粒子の移動速度を求めることができる。流体中に浮遊するトレーサ粒子の移動速度は当該流体の速度とみなすことができるので、例えば、流体を温度測定対処物を冷却する冷却水とした場合、温度測定対処物の表面近傍を流れる冷却水の流速を求めることができる。冷却効率に影響を与える熱伝達係数は、冷却水が層流であるのか乱流であるのかによって異なる。温度測定対処物の複数の異なる部位について、当該部位の表面近傍を流れる冷却水の速度を求めることができ、各部位の表面近傍の冷却水の流速や流れの状態（層流又は乱流）を測定することができる。これにより、温度測定対処物の熱伝達係数を局所的に把握することも可能となり、当該温度測定対処物の発熱状態とともに冷却現象（温度測定対処物のどの部位ないし領域で効果的に冷却が行われているか）を測定することができる。なお、トレーサ粒子の粒径は数μｍ〜数十μｍと非常に小さいので、流体中を移動するトレーサ粒子を特定するためには、撮像装置として画素数の大きいカメラが必要である。
【符号の説明】
【００３３】
１：測定装置            ２：測定槽            ２ｂ：底部
３：レーザ光源          ４：ＣＣＤカメラ        ５：パーソナルコンピュータ
６：流体                ７：温度測定対処物    ７ａ：表面
８：蛍光材料            ９：トレーサ粒子      １０：光学フィルタ
１１：測定装置
【図１】
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【図２】
2020148710.tif 000004
【図３】
2020148710.tif 000005
【図４】
2020148710.tif 000006
【図５】
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