(57)【要約】【課題】ラマン光を利用した新規な非破壊かつ非接触の温度測定方法及び温度測定装置、応力測定方法及び応力測定装置、温度と応力とを一度に測定する温度応力測定方法及び温度応力測定装置、高温時の応力測定方法及び高温時応力測定装置を提供すること。【解決手段】ラマン活性な物質特にセラミックスを含む測定対象物の所定位置に焦点が合うように励起光を照射し、(1)前記励起光の照射によって得られるラマン光のスペクトルにおけるピーク幅に基づいて、(2)ピーク位置のシフト量に基づいて、(3)ラマン光及び／又は蛍光のスペクトルにおけるピーク強度に基づいて、(4)ラマン光及び／又は蛍光のスペクトルにおけるピーク幅及び／又はピーク強度と、前記ピーク位置のシフト量とに基づいて、(5)ラマン光及び／又は蛍光のスペクトルにおけるピーク位置のシフト量に基づいて、前記ラマン活性な物質特にセラミックスを含む測定対象物の温度、応力、高温時応力を測定する測定方法及び測定装置。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラマン活性な物質を含む測定対象物の所定位置に焦点が合うように励起光を照射し、前記励起光の照射によって得られるラマン光のスペクトルにおけるピーク幅に基づいて、前記測定対象物の温度を測定することを特徴とする温度測定方法。
【請求項２】
ラマン活性な物質を含む測定対象物の所定位置に焦点が合うように励起光を照射し、前記励起光の照射によって得られるラマン光のスペクトルにおけるピーク位置のシフト量に基づいて、前記測定対象物の温度を測定することを特徴とする温度測定方法。
【請求項３】
ラマン活性な物質及び／又は蛍光を発する物質を含む測定対象物の所定位置に焦点が合うように励起光を照射し、前記励起光の照射によって得られるラマン光及び／又は蛍光のスペクトルにおけるピーク強度に基づいて、前記測定対象物の温度を測定することを特徴とする温度測定方法。
【請求項４】
前記ラマン活性な物質及び／又は蛍光を発する物質が、セラミックスである請求項１〜３のいずれか１項に記載の温度測定方法。
【請求項５】
ラマン活性な物質及び／又は蛍光を発する物質を含む測定対象物の所定位置に焦点が合うように励起光を照射し、前記励起光の照射によって得られるラマン光及び／又は蛍光のスペクトルにおけるピーク幅及び／又はピーク強度と、前記ピーク位置のシフト量とに基づいて、前記測定対象物の温度と応力とを測定することを特徴とする温度応力測定方法。
【請求項６】
前記ラマン活性な物質及び／又は蛍光を発する物質が、セラミックスである請求項５に記載の温度応力測定方法。
【請求項７】
セラミックスを含む測定対象物の所定位置に焦点が合うように励起光を照射し、前記励起光の照射によって得られるラマン光及び／又は蛍光のスペクトルにおけるピーク位置のシフト量に基づいて、前記セラミックスを含む測定対象物の高温時応力を測定することを特徴とするセラミックスを含む測定対象物の高温時応力測定方法。
【請求項８】
ラマン活性な物質を含む測定対象物の所定位置に焦点を合わせて励起光を照射する励起光照射手段、前記焦点からのラマン光を検出するラマン光検出手段、及び前記ラマン光検出手段により検出されたラマン光のピーク幅及び／又はピーク強度とピーク位置のシフト量とから前記測定対象物の温度を決定する演算手段を備えて成ることを特徴とする温度測定装置。
【請求項９】
ラマン活性な物質及び／又は蛍光を発する物質を含む測定対象物の所定位置に焦点を合わせて励起光を照射する励起光照射手段、前記焦点からのラマン光及び／又は蛍光を検出する光検出手段、及び前記光検出手段により検出されたラマン光及び／又は蛍光のスペクトルにおけるピーク強度から前記測定対象物の温度を決定する演算手段を備えて成ることを特徴とする温度測定装置。
【請求項１０】
前記ラマン活性な物質及び／又は蛍光を発する物質が、セラミックスである請求項８又は９に記載の温度測定装置。
【請求項１１】
ラマン活性な物質及び／又は蛍光を発する物質を含む測定対象物の所定位置に焦点を合わせて励起光を照射する励起光照射手段、前記焦点からのラマン光及び／又は蛍光を検出する光検出手段、及びラマン光及び／又は蛍光のスペクトルにおけるピーク幅及び／又はピーク強度と前記ピーク位置のシフト量とに基づいて、前記測定対象物の温度と応力とを決定する演算手段とを備えてなることを特徴とする温度応力測定装置。
【請求項１２】
前記ラマン活性な物質及び／又は蛍光を発する物質が、セラミックスである請求項１１に記載の温度応力測定装置。
【請求項１３】
セラミックスを含む測定対象物の所定位置に焦点を合わせて励起光を照射する励起光照射手段、前記焦点からのラマン光及び／又は蛍光を検出する光検出手段、及び前記励起光の照射によって得られるラマン光及び／又は蛍光のスペクトルにおけるピーク位置のシフト量に基づいて、前記セラミックスを含む測定対象物の高温時応力を決定する演算手段とを有することを特徴とする高温時応力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、温度測定方法、温度応力測定方法、高温時応力測定方法、温度測定装置、温度応力測定装置、及び高温時応力測定装置に関し、さらに詳しくは、セラミックスを含む測定対象物の温度更には温度分布を非破壊的且つ非接触的に測定することのできる温度測定方法及び温度測定装置、前記測定対象物の温度及び応力、更にはその温度分布及び応力分布を測定することのできる温度応力測定方法及び温度応力測定装置、並びに前記測定対象物の高温時における応力、更には応力分布を測定することのできる高温時応力測定装置及び高温時応力測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミックスは、耐磨耗性材料、耐衝撃性材料等として有用である。その有用性によりセラミックスは、工具材料、電磁材料又は光学材料等に広く使用されている。中でも、切削工具、研磨工具又は研削工具などの工具を作製するための材料として、セラミックスはきわめて有用である。
【０００３】
このようなセラミックスによって作製された、例えば、切削工具は、強大な衝撃力がかかるため、優れた耐磨耗性と耐欠損性とを有することが要求される。したがって、前記耐磨耗性及び耐欠損性に重大な影響を及ぼす切削工具の材料であるセラミックスの温度例えば表面温度及び内部温度、及び／又はセラミックスの応力を知ることは、優れた耐磨耗性と耐欠損性とを有する切削工具を作製する上にきわめて重要な手段となる。
【０００４】
また、前記セラミックスによって作製された切削工具の温度分布及び応力分布を知ることも、その切削工具の耐磨耗性及び耐欠損性を評価し、それらの適否を判断する上に重要な手段となる。
【０００５】
これまでに、Ｃｒ３+を含むアルミナ単結晶（サファイア）に、レーザー光を照射することによって得られるＣｒ３+蛍光スペクトルにおけるピークの温度依存性に関し、ピーク幅及びピーク位置は、温度に対して線形の相関があるということが知られている(非特許文献１参照)。
【０００６】
【非特許文献１】Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．，７８［５］１３４７−５３（1995）
【０００７】
また、ラマン光の二つの成分であるストークス光とアンチストークス光との強度比が、温度の関数であることを利用したラマン分光法を用いた光ファイバーの温度測定方法も知られている(特許文献１参照)。
【０００８】
【特許文献２】特開平１−２１２３２６号公報
【０００９】
さらに、光ファイバーを用いたリング共振器を温度センサとして利用し、温度によって共振周波数が変化することを利用した温度測定法(特許文献２参照)、光ファイバプルーブ内にパルス光を入射したときの後方散乱光を受光して温度分布を測定する光ファイバ温度分布センサ(特許文献３参照)、線材の外周に光ファイバーが螺旋状に巻回され、この光ファイバーから発生したラマン散乱光を検出して測温する方法(特許文献４参照)、光ファイバーに入射した光によって発生したラマン散乱光を検出して温度分布をする測定具(特許文献５参照)及び線材の外周に光ファイバーが螺旋状に巻回され、この光ファイバーから発生したラマン散乱光を検出して、水平、垂直の同時測温をする方法(特許文献６参照)が知られている。
【００１０】
【特許文献３】特開平０６−１２９９１６号公報
【特許文献４】特開平０６−２４９７１８号公報
【特許文献５】特開平０７−２８０６６４号公報
【特許文献６】特許第３１９９５９１号公報
【特許文献７】特許第２７８６８１１号公報
【００１１】
前記非特許文献１は、Ｃｒ３＋の蛍光スペクトルにおけるピーク幅及びピーク位置が、温度に対して線形の相関があるということを明らかにされているが、その温度範囲は、０〜５０℃ときわめて狭小な範囲に限定されたものであった。このような非特許文献１において温度範囲０〜５０℃におけるＣｒ３＋の蛍光スペクトルと温度との相関があるからと言って高温度においてもそのような相関があるとは限らない。なぜなら、高温度における物質の分子レベル及び原子レベルでの特性が低温度における物質の特定とは全く異なるからである。この非特許文献１においては、０〜５０℃と言う低温度領域において前記ピーク幅及びピーク位置と温度とに相関があるという知見が開示されているにとどまり、この知見に基づいて、セラミックスを含む測定対象物の高温度における温度及び温度分布を測定することについては、なんら記載はない。
【００１２】
また、前記特許文献１に記載の発明は、「センサ用光ファイバに２台のラマン散乱光利用光ファイバ線状温度分布測定装置を縦続接続し、該線状温度分布測定装置のうちセンサ用光ファイバの一端に接続した主装置に対し該主装置よりも遠くに位置する副装置は、自己が測定した温度分布測定データをセンサ用光ファイバを用いて該主装置に伝送する送信機能部を有し、主装置は副装置からの温度分布測定データを受け取るデータ受信機能部と、受け取った温度分布測定データと自装置が測定した温度分布測定データとに基づき、長距離のセンサ用光ファイバの温度分布を求める温度分布演算処理部とを有することを特徴とする光ファイバ線状温度分布測定システム。」である。
【００１３】
しかしながら、前記特許文献１に記載の光ファイバ線状温度分布測定システムは、二つのラマン光（ストークス光及びアンチストークス光）のスペクトルに基づき、それらを比較して、温度分布を測定しなければならなかった。しかも、測定の対象は、温度分布のみであった。
【００１４】
さらに、前記特許文献２〜６には、ラマン散乱光を検出して、温度又は温度分布を測定する方法及び装置が開示されているが、セラミックスを含む測定対象物に励起光を照射し、前記励起光の照射によって得られるラマン光のスペクトルにおけるピーク幅、ピーク強度及びピーク位置に基づいて、セラミックスを含む測定対象物の温度分布及び／又は応力分布を測定する方法並びに装置については、一切、記載がない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
この発明は、前記非特許文献１に記載の知見及び前記特許文献１〜６に記載の発明とは異なり、ラマン光を利用した新規な非破壊かつ非接触の温度測定方法及び温度測定装置、応力測定方法及び応力測定装置、温度と応力とを一度に測定する温度応力測定方法及び温度応力測定装置、高温時の応力測定方法及び高温時応力測定装置を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
この発明の前記課題を解決するための手段として、
請求項１は、ラマン活性な物質を含む測定対象物の所定位置に焦点が合うように励起光を照射し、前記励起光の照射によって得られるラマン光のスペクトルにおけるピーク幅に基づいて、前記測定対象物の温度を測定することを特徴とする温度測定方法であり、
請求項２は、ラマン活性な物質を含む測定対象物の所定位置に焦点が合うように励起光を照射し、前記励起光の照射によって得られるラマン光のスペクトルにおけるピーク位置のシフト量に基づいて、前記測定対象物の温度を測定することを特徴とする温度測定方法であり、
請求項３は、ラマン活性な物質および／または蛍光を発する物質を含む測定対象物の所定位置に焦点が合うように励起光を照射し、前記励起光の照射によって得られるラマン光及び／又は蛍光のスペクトルにおけるピーク強度に基づいて、前記測定対象物の温度を測定することを特徴とする温度測定方法であり、
請求項４は、前記ラマン活性な物質および／または蛍光を発する物質が、セラミックスである請求項１〜３のいずれか１項に記載の温度測定方法であり、
請求項５は、ラマン活性な物質および／または蛍光を発する物質を含む測定対象物の所定位置に焦点が合うように励起光を照射し、前記励起光の照射によって得られるラマン光及び／又は蛍光のスペクトルにおけるピーク幅及び／又はピーク強度と、前記ピーク位置のシフト量とに基づいて、前記測定対象物の温度と応力とを測定することを特徴とする温度応力測定方法であり、
請求項６は、前記ラマン活性な物質および／または蛍光を発する物質が、セラミックスである請求項５に記載の温度応力測定方法であり、
請求項７は、セラミックスを含む測定対象物の所定位置に焦点が合うように励起光を照射し、前記励起光の照射によって得られるラマン光及び／又は蛍光のスペクトルにおけるピーク位置のシフト量に基づいて、前記セラミックスを含む測定対象物の高温時応力を測定することを特徴とするセラミックスを含む測定対象物の高温時応力測定方法であり、
請求項８は、ラマン活性な物質を含む測定対象物の所定位置に焦点を合わせて励起光を照射する励起光照射手段、前記焦点からのラマン光を検出するラマン光検出手段、及び前記ラマン光検出手段により検出されたラマン光のピーク幅及び／又はピーク強度とピーク位置のシフト量とから前記測定対象物の温度を決定する演算手段を備えて成ることを特徴とする温度測定装置であり、
請求項９は、ラマン活性な物質および／または蛍光を発する物質を含む測定対象物の所定位置に焦点を合わせて励起光を照射する励起光照射手段、前記焦点からのラマン光及び／又は蛍光を検出する光検出手段、及び前記光検出手段により検出されたラマン光及び／又は蛍光のスペクトルにおけるピーク強度から前記測定対象物の温度を決定する演算手段を備えて成ることを特徴とする温度測定装置であり、
請求項１０は、前記ラマン活性な物質および／または蛍光を発する物質が、セラミックスである請求項８又は９に記載の温度測定装置であり、
請求項１１は、ラマン活性な物質および／または蛍光を発する物質を含む測定対象物の所定位置に焦点を合わせて励起光を照射する励起光照射手段、前記焦点からのラマン光及び／又は蛍光を検出する光検出手段、及びラマン光及び／又は蛍光のスペクトルにおけるピーク幅及び／又はピーク強度と前記ピーク位置のシフト量とに基づいて、前記測定対象物の温度と応力とを決定する演算手段とを備えてなることを特徴とする温度応力測定装置であり、
請求項１２は、前記ラマン活性な物質および／または蛍光を発する物質が、セラミックスである請求項１１に記載の温度応力測定装置であり、
請求項１３は、セラミックスを含む測定対象物の所定位置に焦点を合わせて励起光を照射する励起光照射手段、前記焦点からのラマン光及び／又は蛍光を検出する光検出手段、及び前記励起光の照射によって得られるラマン光及び／又は蛍光のスペクトルにおけるピーク位置のシフト量に基づいて、前記セラミックスを含む測定対象物の高温時応力を決定する演算手段とを有することを特徴とする高温時応力測定装置である。
【発明の効果】
【００１７】
この発明によると、ラマン活性な物質、特にセラミックスを含む測定対象物の所定位置に焦点を合わせて励起光を照射し、前記励起光の照射によって得られるラマン光の一つのスペクトルにおけるピーク幅に基づいて、前記測定対象物の前記焦点位置における温度を測定することのできる温度測定方法が提供される。
【００１８】
この発明によると、前記測定対象物の所定位置に焦点を合わせて励起光を照射することによって得られるラマン光の一つのスペクトルにおけるピーク位置のシフト量に基づいて、前記測定対象物の前記焦点位置における温度を測定することのできる温度測定方法が提供される。
【００１９】
前記測定対象物の特定面内例えば表面内又は測定対象物における所定深さ面内において励起光の焦点位置を走査すると、各焦点位置における測定対象物の温度が測定されるので、この発明の方法によると、ラマン光のピーク幅、又は、ピーク位置のシフト量から、測定対象物の温度分布を測定することができる。
【００２０】
この発明によると、前記測定対象物の所定位置に焦点を合わせて励起光の照射によって得られるラマン光及び／又は蛍光の一つのスペクトルにおけるピーク強度に基づいて、前記測定対象物の温度を測定することのできる温度測定方法が提供される。
【００２１】
前記測定対象物の特定面内において励起光及び／又は蛍光の焦点位置を走査すると、各焦点位置における測定対象物の温度が測定されるので、この発明の方法によると、ラマン光及び／蛍光のピーク強度から、測定対象物の温度分布を測定することができる。
【００２２】
この発明によると、前記測定対象物の所定位置に焦点を合わせて励起光の照射によって得られるラマン光及び／又は蛍光のスペクトルにおけるピーク幅及び／又はピーク強度とピーク位置のシフト量とに基づいて、前記測定対象物の温度と応力とを測定することのできる温度応力測定方法が提供される。
【００２３】
前記測定対象物の特定面内において励起光及び／又は蛍光の焦点位置を走査すると、各焦点位置における測定対象物の温度及び応力が測定されるので、この発明の方法によると、ラマン光及び／蛍光のピーク幅及び／又はピーク強度とピーク位置のシフト量とから、測定対象物の温度分布と応力分布とを測定することができる。
【００２４】
また、この発明によると、セラミックスを含有する測定対象物の所定位置に焦点を合わせて励起光の照射によって得られるラマン光及び／又は蛍光のスペクトルにおけるピーク位置のシフト量に基づいて、前記測定対象物の高温時応力を測定することのできる高温時応力測定方法が提供される。
【００２５】
前記測定対象物の特定面内において励起光及び／又は蛍光の焦点位置を走査すると、各焦点位置における測定対象物の高温応力が測定されるので、この発明の方法によると、ラマン光及び／蛍光のピーク位置のシフト量とから、測定対象物の高温時応力分布を測定することができる。
【００２６】
この発明によると、励起光の照射によって得られるラマン光の一つのスペクトルにおけるピーク幅に基づいて、前記測定対象物の前記焦点位置における温度を測定することのできる温度測定装置、前記励起光の照射によって得られるラマン光のスペクトルにおけるピーク位置のシフト量に基づいて、前記セラミックスを含む測定対象物の温度を測定することのできる温度測定装置、ラマン光及び／又は蛍光のスペクトルにおけるピーク強度から前記測定対象物の温度を測定することのできる温度測定装置、ラマン光及び／又は蛍光のスペクトルにおけるピーク幅及び／又はピーク強度と前記ピーク位置のシフト量とに基づいて、前記測定対象物の温度と応力とを測定することのできる温度応力測定装置、及び励起光の照射によって得られるラマン光及び／又は蛍光のスペクトルにおけるピーク位置のシフト量に基づいて、前記セラミックスを含む測定対象物の高温時応力を測定することのできる高温時応力測定装置を提供することができる。
【００２７】
この発明は、ラマン光のスペクトルにおけるピーク幅は、原子と原子との結合における分子振動又は原子の振動が温度により変化する現象に着目し、ある温度における分子振動又は原子の振動の大きさによりラマンスペクトルにおけるピークの幅が広狭となり、また、ある温度でのラマンスペクトルにおけるピークの位置が別の温度でのラマンスペクトルにおけるピークの位置からずれてしまい、そのピーク位置のズレすなわちシフト量が温度に依存すると言う現象に基づく。また、ピーク強度も又温度に依存するという現象に基づいてこの発明が成り立つ。
【００２８】
また、この発明は、ラマンスペクトルのみならず蛍光もまた温度により分子雲における基底状態と励起状態とが変化することにも、基礎をおく。
【００２９】
この発明のセラミックスを含む測定対象物の温度及び／又は応力の測定方法並びに測定装置は、測定対象物例えば工具、電磁機器又は光学機器等の、セラミックスを含む材料から作製される各種製品の性能評価に好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
（１）温度測定方法
この発明の温度測定方法は、ラマン活性な物質特にセラミックスを含む測定対象物の所定位置に焦点が合うように励起光を照射し、前記励起光の照射によって得られるラマン光のスペクトルにおけるピーク幅に基づいて、前記セラミックスを含む測定対象物の温度を測定する方法である。
【００３１】
この発明の温度測定方法の対象であるラマン活性な物質を含む測定対象物（以下、「測定対象物」と略称することがある。）は、励起光を照射するとラマン散乱光を出す物質特にセラミックスのみから形成されていてもよく、ラマン活性な物質特にセラミックスを母材として、この母材中にラマン活性な物質特にセラミックス以外の材料が分散されて形成されていてもよく、また、ラマン活性な物質特にセラミックス以外の材料を母材として、この母材中にラマン活性な物質特にセラミックスが分散されていてもよい。なお、前記測定対象物は、所定の用途を有する製品であっても、また、製品としての形態をなさない半完成品又は材料としての形態であってもよく、いずれにしても温度を測定する必要のある限りどのようなものであってもよい。
【００３２】
前記セラミックスとしては、炭化珪素系、窒化珪素系、ジルコニア系、チタニア系、アルミナ系、窒化硼素系、窒化アルミニウム系など、公知の、又は汎用のセラミックスを挙げることができる。また、母材である前記セラミックス中に分散されるセラミックス以外の材料としては、ラマン活性を有する材料である限り制限はなく、シリコン、カーボンナノチューブ、アモルファスカーボン、ダイアモンドライクカーボン、プラスチックス等を挙げることができる。測定対象物中に含まれるセラミックスとしては一種のセラミックスであっても複数種のセラミックスであってもよい。
【００３３】
前記測定対象物における、ラマン活性な物質特にセラミックスを分散する母材としては、高分子化合物、金属等を挙げることができる。
【００３４】
この発明の温度測定方法においては、まず、前記測定対象物の所定位置に焦点が合うように励起光を照射する。前記焦点位置は、前記測定対象物の表面又は内部である。この発明の温度測定方法においては、照射位置を可変することができ、換言すると焦点位置を可変することができる。焦点位置を変えることにより、測定対象物における各焦点位置の温度を夫々測定することができるので、その温度測定はとりもなおさず温度分布測定となる。
【００３５】
前記励起光としては、可視光線及び紫外線等を挙げることができるが、測定対象物に照射してラマン光を効率的に発生させるための励起光としては、レーザー光が好ましい。
【００３６】
前記測定対象物に前記励起光を照射すると、大部分は同じ波長の光として散乱されるが、入射波長とは異なる波長の光も散乱する。照射光と同じ波長の光の散乱をレイリー散乱と称され、照射光の波長とは異なる波長の光の散乱をラマン散乱と称される。このラマン散乱によって得られるラマン光は、前記測定対象物中のセラミックスによるラマン光であり、そのセラミックにおける原子の振動に反映する。
【００３７】
次いで、前記測定対象物に励起光を照射することによって得られるラマン光のスペクトルを取得する。この発明では、前記ラマン光のスペクトルにおけるピーク幅に基づいて、前記測定対象物の温度を測定する。
【００３８】
従来の温度測定方法においては、二つのラマン光（ストークス光及びアンチストークス光）のスペクトルに基づき、それらを比較して、温度を測定しなければならなかった。本発明者らは、前記ラマン光のスペクトルにおけるピーク幅が、温度の上昇と共にブロードになって行くことを見出し、この知見に基づき、ラマン光の一つのスペクトルを利用して、この発明の温度測定方法を完成するに到った。
【００３９】
図１に、前記測定対象物としてＺｒＯ２を用いたときの、一例としての、前記ピーク幅と温度との関係を示す。
【００４０】
（２）温度測定方法
この発明の第２の温度測定方法は、ラマン活性な物質特にセラミックスを含む測定対象物における所定位置に焦点が合うように励起光を照射し、前記励起光の照射によって得られるラマン光のスペクトルにおけるピーク位置のシフト量に基づいて、前記ラマン活性な物質特にセラミックスを含む測定対象物の温度を測定する方法である。この温度測定方法は、ラマン活性な物質特にセラミックを構成する原子の振動状態が温度に依存すると言う知見に基づく。
【００４１】
この発明の温度測定方法における測定対象物、励起光、その照射及びラマン光のスペクトルについては、前記（１）の温度測定方法におけるのと同様である。
【００４２】
本発明者らは、前記ラマン光のスペクトルにおけるピーク位置のシフト量も、温度に対して線形の相関があることを見出し、この知見に基づき、この発明の温度測定方法を確立するに到った。
【００４３】
図２に、前記測定対象物としてＳｉ３Ｎ４を用いたときの前記ピーク位置と温度との関係を示す。ただし、前記Ｓｉ３Ｎ４は、応力の存在しない材料である。図２に示されるように、Ｓｉ３Ｎ４においては、温度の上昇と共にピーク位置が低波数側にずれて行き、温度とピーク位置とが直線関係にあることが理解される。
【００４４】
（３）温度測定方法
この発明の第３の温度測定方法は、ラマン活性な物質特にセラミックスを含む測定対象物の所定位置に焦点が合うように励起光を照射し、前記励起光の照射によって得られるラマン光及び／又は蛍光のスペクトルにおけるピーク強度に基づいて、前記測定対象物の温度分布を測定する方法である。
【００４５】
この発明の温度測定方法における測定対象物、励起光の照射及びラマン光のスペクトルは、前記（１）の温度測定方法と同様である。前記蛍光は、励起光が照射されることにより励起された原子中の電子が基底状態に戻るときに発せられる。一方、ラマン光は原子と原子との結合力における振動に基づく散乱光である。一般的にラマン散乱光と蛍光とは、励起光の波長を変えることによって区別することができる。ラマン散乱光は励起光の波長に依らず同じ位置に現れるが、蛍光の位置は励起光の波長によって変化する。したがって、ラマン散乱光と蛍光とは容易に識別可能である。
【００４６】
前記ピーク強度と温度との関係については、特に図示していないが、本発明者らは、前記ラマン光のスペクトルにおけるピーク強度、及び前記蛍光のスペクトルにおけるピーク強度は、検査対象物の温度上昇に伴って低下する傾向にあり、この知見に基づき、この発明の温度測定方法を確立するに到った。
【００４７】
（４）温度応力測定方法
この発明の温度応力測定方法は、ラマン活性な物質特にセラミックスを含む測定対象物に励起光を照射し、前記励起光の照射によって得られるラマン光及び／又は蛍光のスペクトルにおけるピーク幅及び／又はピーク強度とピーク位置のシフト量とに基づいて、前記測定対象物の温度と応力とを測定する方法である。
【００４８】
この発明の温度応力測定方法におけるラマン活性な物質特にセラミックスを含む測定対象物、励起光の照射、ラマン光又は蛍光のスペクトル及びそのピークの種類は、前記（１）〜（３）の温度測定方法におけるのと同様である。
【００４９】
前記ラマン光及び／又は蛍光のスペクトルにおけるピーク幅及びピーク強度は、前記のとおり、測定対象物の温度に依存し、測定対象物の応力には依存しないで常に一定である。ところが、ピーク位置は、測定対象物の温度と応力との双方に依存する。
【００５０】
本発明者らは、前記依存の関係を利用することによって、測定対象物の温度と応力とを一挙に測定する方法を確立するに到った。すなわち、この発明の方法においては、ピーク幅とピーク強度とは応力に依存しないので、これらのいずれかを使って温度を測定する。例えば図１に示されるようにピーク幅から温度を求める。ピーク位置は応力と温度との両方に依存するので、ピーク幅又はピーク強度から求めた温度におけるピーク位置のシフト量を求める。ピーク位置の全シフト量から温度によるピーク位置のシフト量を差し引くことによって応力によるピーク位置のシフト量を知ることができる。この発明の方法によると、このようにして応力と温度を測定することができる。
【００５１】
図３に、前記測定対象物としてＺｒＯ２を用いたときの前記ピーク幅が応力には依存しないことを示す。図４に、前記測定対象物としてＺｒＯ２を用いたときのピーク位置のシフト量が、測定対象物の温度に依存する関係を示す。また、図５に、前記測定対象物としてＺｒＯ２を用いたときの前記シフト量が、測定対象物の応力に依存する関係を示す。
【００５２】
図５に示すような例えばピーク位置のシフト量と応力との関係を見出すに当たっては、まず、基準試料を選定し、その基準試料に一定の応力を加えつつ、励起光を照射することにより得られるラマン光又は蛍光（以下、両者を総称して「ラマン光」ということがある。）のピーク位置のシフト量と応力との関係を求める。
【００５３】
基準試料は、この発明により応力を測定しようとする測定試料と同種の材料で形成される。例えば、測定試料がＺｒＯ２であるときには、基準試料もまたＺｒＯ２である。そして、この基準試料に印加される応力の測定は、例えば、ＪＩＳ Ｒ １６０１に規定される４点曲げ試験方法等により行うことができる。この４点曲げ試験方法においては、４点曲げ治具とも称されるキャリブレーション治具が使用される。例えば、図６に示されるように、寸法が、例えば、３×４×３０ｍｍである基準試料に荷重Ｐを加えると、４点曲げの場合には、基準試料表面の中心線上は１軸応力場になる。図６において、点Ｐでは最大圧縮応力がかかり、点Ｑでは最大引っ張り応力がかかり、点Ｏは応力ゼロであり、最大応力値は以下の式（１）で表される。
【００５４】
σ＝〔３Ｐ（Ｌ１−Ｌ２）〕／２・Ｗ・ｈ２      ・・・（１）
ここで、式（１）において、σは応力、Ｐは荷重、Ｌ１は下部スパン、Ｌ２は上部スパン、ｈは高さ、Ｗは厚みを示す。
【００５５】
上記４点曲げ試験方法により基準試料に荷重をかけながら、基準試料におけるＰＱ線における種々の部位に励起光を照射すると、各部位におけるラマン光のピーク位置、そのピーク位置におけるピークの幅、及びそのピーク位置におけるピークの強度を測定することができる。応力０のときのラマン光のピーク位置から、応力のかかっている部位に励起光を照射したときに得られるラマン光のピーク位置を差し引いた値がピーク位置のシフト量である。
【００５６】
前記ラマン光のピーク位置を縦軸にとり、応力の値を横軸にとると、基準試料についてのピーク位置と応力とは一定の傾斜を有する検量線として表示される。この直線の傾斜がピエゾ係数又は応力感度係数と称される。このピエゾ係数が大きいほど、その試料は応力感度が高いと評価される。
【００５７】
前記キャリブレーション法により求めた応力は１軸応力場であり、実際の試料における応力は３軸応力場である。したがって、前記検量線に基づいて試料中の応力を求める場合には、補正が必要である。３軸応力場では、試料中に存在する応力とラマン光のピーク位置のシフト量とは一般に以下の式（２）を満たす。
【００５８】
Δν＝Πuni（σｘ＋σｙ＋σｚ）      ・・・（２）
ここでΔνはピーク位置のシフト量であり、Πuniは前記したキャリブレーションにより求めたピエゾ係数であり、σは応力であり、σにおける添え字ｘ、ｙ、ｚは応力の方向を示す。３軸応力場において試料における応力状態が例えばσｘ＝σ、σｙ＝σ、σｚ＝０であるならば、前記式（２）は以下の式（３）になる。
【００５９】
σ＝Δν／（２Πuni）      ・・・（３）
また、応力が各方向において同じであるならば、つまりσｘ＝σ、σｙ＝σ、σｚ＝σであるならば、応力とピーク位置のシフト量との関係式は以下の式（４）になる。
【００６０】
σ＝Δν／（３Πuni）      ・・・（４）
このように応力の状態に応じて前記式（２）を適宜に変形してラマン光のピーク位置のシフト量から試料中の応力を測定することができる。
【００６１】
（５）高温時応力測定方法
また、この発明の高温時応力測定方法は、セラミックスを含む測定対象物に励起光を照射し、前記励起光の照射によって得られるラマン光及び／又は蛍光のスペクトルにおけるピーク位置のシフト量に基づいて、前記測定対象物の高温における応力を測定する方法である。
【００６２】
この発明の高温時応力測定方法におけるセラミックスを含む測定対象物、励起光の照射、ラマン光又は蛍光のスペクトル、ピーク幅及びシフト量は、前記（１）〜（４）の温度測定方法及び応力測定方法におけるのと同様である。
【００６３】
高温時応力測定法は、温度が分かっている場合には好適に適用できる。ピーク位置は温度と応力の両方に依存するから、温度が既知であると温度によるシフト量を求めることができる。ピーク位置の全シフト量から温度によるシフト量を差し引くとその温度における応力を求めることができる。
【００６４】
図７及び８に、前記測定対象物としてＡｌ２Ｏ３／ＺｒＯ２複合材料を用いたときの前記複合材料中のＡｌ２Ｏ３粒子及びＺｒＯ２粒子に作用する残留応力と温度の関係を示す。Ａｌ２Ｏ３に作用する残留応力は、Ｃｒ３+蛍光ピークを用いて２００℃まで測定した。また、ＺｒＯ２に作用する残留応力は、ＺｒＯ２ラマンピーク（４６０ｃｍ−１）を用いて９００℃まで測定した。この高温応力測定装置においては、励起光の波長を変化させることによって、さらに高い温度を有する測定対象物の応力を測定することができる。
【００６５】
（６）測定装置
さらに、この発明の測定装置は、ラマン活性な物質特にセラミックスを含む測定対象物に励起光を照射する励起光照射手段、前記励起光照射手段によって照射された励起光をビームに変換する光学系手段、前記光学系を通過してきたラマン光を分光するラマン分光手段、前記前記ラマン分光手段によって分光されたラマン光を検出するラマン光検出手段並びに前記ラマン光検出手段によって測定された前記セラミックスを含む測定対象物の温度及び／又は応力を解析し表示する解析表示手段を有して成る装置である。
【００６６】
この発明の測定装置を、図面に基づいて説明する。図９は、この発明のラマン活性な物質特にセラミックスを含む測定対象物の温度及び／又は応力測定装置（以下、単に「温度応力測定装置」ということがある。）の一例を示す模式図である。なお、この発明の測定装置において、測定対象物における高温時の応力を測定をする場合には、その測定対象物はセラミックスを含有する測定対象物である。
【００６７】
温度応力測定装置１は、励起光照射手段２を備えている。この励起光照射手段２は、測定対象物４の表面及び／又は内部の所定位置に励起光を照射する手段である。この励起光照射手段２としては、通常、レーザー、例えば、Ａｒイオンレーザーを発振するレーザー発振装置が採用される。
【００６８】
温度応力測定装置１は、光学系手段３を有している。この光学系手段３は、例えば、前記レーザー発振装置から発振されたレーザーをコヒーレントなレーザービームに変換し、励起光が照射される測定対象物４の所定位置から前記レーザービームを出射する手段である。
【００６９】
温度応力測定装置１は、前記励起光照射手段を前記測定対象物４の表面及び／又は内部に走査する励起光照射走査手段（図示していない。）を備えていることが好ましい。この励起光照射走査手段は、前記励起光照射手段２により照射される励起光の照射位置を、前記測定対象物４の表面又は内部に変化させることのできる手段である。
【００７０】
温度応力測定装置１は、ラマン分光手段５を有している。このラマン分光手段５としては、図１０に示すラマン分光器６を用いることができる。
【００７１】
温度応力測定装置１は、また、ラマン光検出手段７を有する。このラマン光検出手段７は、前記励起光照射手段２から測定対象物４に向けて照射された励起光が、測定対象物４の表面又は内部の所定位置において得られるラマン光を検出する手段である。ラマン光検出手段７は、通常、前記光学系手段３を通過してきたラマン光を分光するラマン分光手段５により分光された各波長のラマン光を検出する手段である。このラマン光検出手段７としては、例えば、半導体検出器（ＣＣＤ）を挙げることができる。
【００７２】
温度応力測定装置１は、さらに、解析表示手段８を有する。この解析表示手段８によって、ラマン光検出手段７により検出されたラマン光スペクトルからピーク位置が解析され表示される。通常、この解析表示手段８は、コンピュータと表示装置とを備え、ラマン光スペクトルにおけるラマン光のピーク位置、ピーク強度、及びピーク幅は、市販のソフトウエア、例えばGrams386（Galactic  Co.製）を使用して、ローレンシアンとガウシアンとの関数の混合によりフィッティングを行って決定される。
【００７３】
このような構成から成る材料の温度応力測定装置を用いて、測定対象物の温度又は応力を測定するには、まず、励起光照射手段２によって、測定対象物４に励起光を照射する。
【００７４】
前記励起光照射手段２によって、測定対象物４の表面に励起光を照射する。測定対象物４の内部に励起光を照射するときは、前記励起光照射走査手段によって、所定位置に励起光（レーザー光）の焦点が結ばれるようにすることができる。前記レーザー光は、光学系手段３によってコヒーレントなレーザービームとされ、レーザー光が照射される測定対象物４の所定位置からレーザービームを出射する。
【００７５】
前記出射されたレーザー光は集光され、例えば、図１０に示すラマン分光器６により分光される。前記レーザー光は、集光レンズ９で可能な限り集光され、入口スリット１０に導かれる。入口スリット１０から導入されたラマン光は、モノクロメーター１１によって反射を繰り返した後、分光されて、出口スリット１２から取り出され、ラマン光検出手段７、例えば、ＣＣＤによって検出される。
【００７６】
次いで、前記ラマン光検出手段７によって検出されたラマン光は、解析表示手段８によって解析し表示される。前記ラマン分光器６によって分光され、出口スリット１０から取り出されたラマン光は微弱であるから、必要により増幅器(図示していない。)で増幅し、ラマン光のスペクトルを取得する。このラマン光のスペクトルを解析することによって、測定対象物の温度及び／又は応力を測定することができる。その内容については、前記この発明の測定対象物の温度測定方法、応力測定方法、温度応力測定方法及び高温時応力測定方法において説明したとおりである。
【００７７】
前記解析表示手段８は、前記ラマン光のスペクトルに基づき、測定対象物４の温度及び／又は応力を解析することのできる機能及び解析された前記分布状態を画像として表示(例えば、ＣＲＴディスプレイ)することのできる機能を有している。
【実施例】
【００７８】
以下、実施例を挙げてこの発明をさらに具体的に説明するが、これら実施例によって、この発明はなんら限定されることはない。
【００７９】
（実施例１）
下記態様及び条件の下、図９に示す温度応力測定装置を用い、測定対象物の温度分布を測定した。
【００８０】
測定対象物４：ＺｒＯ２の焼結体
励起光照射手段２：レーザー発振装置（波長４８８ｎｍのＡｒイオンレーザー光、レーザーパワー２００ｍＷ）。
【００８１】
光学系手段３：レーザービーム出射手段を有する光学系装置。
【００８２】
ラマン分光手段５：京都工芸繊維大学の工芸学部物質工学科セラミック物理学研究室ジュセッペ・ペッツォッティ教授が所有するラマン分光器６。
【００８３】
ラマン光検出手段７：ＣＣＤを備えたシングルモノクロメータ（T-64000,Jobin-Yvon/HoribaGroup  ISA）。
【００８４】
サンプリング時間：３０〜６０秒。
【００８５】
解析表示手段８：市販のソフトウェア(Gram386、Galactic  Co.)。
【００８６】
ラマンスペクトルのピーク幅：ローレンシアンとガウシアンとの混合によりフィッティングを行って決定。
【００８７】
このようにして測定され、解析し表示された測定対象物４の前記ピーク幅と温度との関係を図１に示す。
【００８８】
（実施例２）
測定対象物４としてＳｉ３Ｎ４を用い、ラマンスペクトルのピーク位置に基づいて、前記測定対象物４の温度を測定した以外は、実施例１と同様にして実施した。このときの測定対象物４の前記ピーク位置と温度との関係を図２に示す。
【００８９】
（実施例３）
ラマンスペクトルのピーク強度に基づいて、前記測定対象物４の温度を測定した以外は、実施例１と同様にして実施した。
【００９０】
（実施例４）
ラマンスペクトルのピーク幅もしくはピーク強度から温度を測定し、ピーク位置のシフト量から応力を測定した以外は、実施例１と同様にして実施した。
【００９１】
なお、前記応力分布を測定するに当っては、図６に示すキャリブレーション治具によって、既知の一軸応力を負荷した後、ラマンスペクトルを測定して、そのピーク位置のシフト量と応力との関係を明らかにした。
【００９２】
前記測定対象物４の前記ピーク幅が応力には依存しない状態を図３に示す。また、前記測定対象物４の前記ピーク位置のシフト量が、測定対象物４の温度に依存する関係を図４に示す。さらに、前記測定対象物４の前記ピーク位置のシフト量が、測定対象物４の応力に依存する関係を図５に示す。
【００９３】
また、前記測定対象物４（ＺｒＯ２を基材としたＰｔヒータ）に電圧を印加し、印加した電圧に対する測定対象物４の温度及び応力の変化を調査した。このときの印加電圧と温度との関係を図１１に、印加電圧と応力との関係を図１２に示す。
【００９４】
さらに、８Ｖ電圧を印加した後、３０秒を経過するまでの測定対象物４の温度及び応力の変化を調査した。このときの時間と温度との関係を図１３に、時間と応力との関係を図１４に示す。
【００９５】
（実施例５）
測定対象物４としてＡｌ２Ｏ３／ＺｒＯ２複合材料を用い、ラマンスペクトルのピーク位置のシフト量に基づいて、前記測定対象物４の高温における温度を測定した以外は、実施例１と同様にして実施した。このとき、測定対象物４ステージには、超小型の加熱装置を取り付けた。
【００９６】
前記測定対象物材料４中のＡｌ２Ｏ３粒子及びＺｒＯ２粒子に作用する残留応力と温度の関係を図７及び８に示す。Ａｌ２Ｏ３に作用する残留応力は、Ｃｒ３+蛍光ピークを用いて２００℃まで測定した。また、ＺｒＯ２に作用する残留応力は、ＺｒＯ２ラマンピーク（４６０ｃｍ−１）を用いて９００℃まで測定した。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】図１は、ＺｒＯ２のラマン光のスペクトルにおけるピーク幅と温度との関係を示す図である。
【図２】図２は、Ｓｉ３Ｎ４のラマン光のスペクトルにおけるピーク位置と温度との関係を示す図である。
【図３】図３は、ＺｒＯ２焼結体のラマン光のスペクトルにおけるピーク幅が応力には依存しない状態を示す図である。
【図４】図４は、ＺｒＯ２焼結体のラマン光のスペクトルにおけるピーク位置と温度との関係を示す図である。
【図５】図５は、ＺｒＯ２焼結体のラマン光のスペクトルにおけるピーク位置と応力との関係を示す図である。
【図６】図６は、キャリブレーション法により測定試料に荷重をかける状態を示す模式図である。
【図７】図７は、Ａｌ２Ｏ３／ＺｒＯ２複合体中のＡｌ２Ｏ３粒子に作用する残留応力の温度に対する変化を示す図である。
【図８】図８は、Ａｌ２Ｏ３／ＺｒＯ２複合体中のＺｒＯ２粒子に作用する残留応力の温度に対する変化を示す図である。
【図９】図９は、ラマン活性な物質を含む測定対象物の温度を測定し、温度及び応力を測定し、又は高温時応力を測定する測定装置の一例を示す模式図である。
【図１０】図１０は、ラマン分光器の一例を示す図である。
【図１１】図１１は、ＺｒＯ２を基材とした白金ヒータにおける印加電圧と温度との関係を示す図である。
【図１２】図１２は、ＺｒＯ２を基材とした白金ヒータにおける印加電圧と応力との関係を示す図である。
【図１３】図１３は、ＺｒＯ２を基材とした白金ヒータにおける電圧印加時間と温度との関係を示す図である。
【図１４】図１４は、ＺｒＯ２を基材とした白金ヒータにおける電圧印加時間と応力との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００９８】
１    測定対象物の温度分布及び／又は応力分布測定装置
２    励起光照射手段
３    光学系手段
４    測定対象物
５    ラマン分光手段
６    ラマン分光器
７    ラマン光検出手段
８    解析表示手段
９    集光レンズ
１０    入口スリット
１１    モノクロメータ
１２    出口スリット
【図１】
2006105599.tif 000002
【図２】
2006105599.tif 000003
【図３】
2006105599.tif 000004
【図４】
2006105599.tif 000005
【図５】
2006105599.tif 000006
【図６】
2006105599.tif 000007
【図７】
2006105599.tif 000008
【図８】
2006105599.tif 000009
【図９】
2006105599.tif 000010
【図１０】
2006105599.tif 000011
【図１１】
2006105599.tif 000012
【図１２】
2006105599.tif 000013
【図１３】
2006105599.tif 000014
【図１４】
2006105599.tif 000015