(57)【要約】      （修正有）【課題】熱源から発せられる放射光の影響を最小限に抑える高温部観察装置を提供する。【解決手段】熱源５に隣接する観察領域１１の画像を取得可能なカメラ９と、シャッタ装置１２とを有する高温部観察装置１であって、前記シャッタ装置は前記熱源を覆隠すシャッタ部１４と、該シャッタ部を前記熱源を覆隠す方向に付勢する弾発部材１８と、前記シャッタ部に設けられた鉤部１５と係合し前記シャッタ部を前記熱源が露出する位置で拘束する係合部材１６と、該係合部材と前記鉤部の係合を解除するアクチュエータ１７とを具備し、前記シャッタ装置を作動させ、前記弾発部材の付勢力により前記シャッタ部を瞬時に摺動させ、該シャッタ部により前記熱源が覆隠された直後に前記カメラが前記観察領域の画像を取得する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源に隣接する観察領域の画像を取得可能なカメラと、シャッタ装置とを有する高温部観察装置であって、前記シャッタ装置は前記熱源を覆隠すシャッタ部と、該シャッタ部を前記熱源を覆隠す方向に付勢する弾発部材と、前記シャッタ部に設けられた鉤部と係合し前記シャッタ部を前記熱源が露出する位置で拘束する係合部材と、該係合部材と前記鉤部の係合を解除するアクチュエータとを具備し、前記シャッタ装置を作動させ、前記弾発部材の付勢力により前記シャッタ部を瞬時に摺動させ、該シャッタ部により前記熱源が覆隠された直後に前記カメラが前記観察領域の画像を取得することを特徴とする高温部観察装置。
【請求項２】
前記カメラは高速度撮影が可能なデジタルカメラであり、前記観察領域の画像を連続して取得可能とした請求項１の高温部観察装置。
【請求項３】
前記シャッタ部が熱源からの放射光を遮蔽する遮蔽板を有し、該遮蔽板に黒色処理が施された請求項１又は請求項２の高温部観察装置。
【請求項４】
前記シャッタ部が熱源からの放射光を遮蔽する遮蔽板を有し、該遮蔽板は水冷銅板である請求項１又は請求項２の高温部観察装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触での温度測定に用いられる高温部観察装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
溶接時に形成される金属溶融池及びその周辺部等、或は熱処理中の金属、ボイラ、溶鉱炉内部等、高温部の温度を測定する場合、一般的な温度検出器である接触式の温度プローブを設置できない場合がある。或は設置できても温度プローブは設置点の温度を検出する為、広範囲な面での分布を把握したいという要求には応えきれないという問題がある。
【０００３】
斯かる問題を解決する手段として非接触式の光学的測温法があり、光学的測温法ではサーモグラフィや近赤外カメラ、可視光カメラ等を用いて画像を取得し、取得した画像により測定対象物の温度分布を得ている。この場合、測定対象物の温度は測定対象物からの熱放射（放射光）により検出される。放射光と温度の関係は、プランクの式として知られる関係式に従い、更に物質固有の放射率を考慮することで、放射光強度から温度を決定することができる。
【０００４】
放射光強度は僅かな温度の違いでも大きく変化する為、精度の高い測定が可能である。然し乍ら、測定対象物に熱源が近接する状況では、熱源からの強い放射光がノイズとなり、測定対象物の温度を正確に測定できないという問題があった。
【０００５】
例えば、熱源がＴＩＧトーチであり、測定対象物が被溶接物の溶融部である場合、溶融部（溶融池及び溶融池の周辺）に対してＴＩＧ電極は近接した位置にあり、而も高温で強い放射光を放っている。この為、ＴＩＧ電極からの放射光が溶融部で反射され、反射された放射光がノイズとなって正確な温度を測定できないこととなる。
【０００６】
この様な問題を回避する方法としては、熱源からの放射光が反射されない方向から観察することが考えられるが、使用されるカメラは大型であり、取付け上の制限があり、適切な位置に取付けられるとは限らなかった。
【０００７】
尚、画面の不必要部分の輝度レベルに影響を受けることなく必要部分の輝度レベルを安定させた画像を取得するものとして特許文献１があり、特許文献１には、カメラで撮った画面から画面上の水平方向の線である地平線の位置を求め、地平線より下側を地面領域、地平線より上側を空領域とし、地面領域の輝度が予め定められていた目標輝度に一致する様にアイリスの絞り調節量或はシャッターのスピードを制御することで、不必要な高輝度部分である空領域の影響を受けることなく、地面領域の輝度レベルを安定に保つことができる車両用カメラの露光制御装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平８−２４０８３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は斯かる実情に鑑み、熱源から発せられる放射光の影響を最小限に抑える高温部観察装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、熱源に隣接する観察領域の画像を取得可能なカメラと、シャッタ装置とを有する高温部観察装置であって、前記シャッタ装置は前記熱源を覆隠すシャッタ部と、該シャッタ部を前記熱源を覆隠す方向に付勢する弾発部材と、前記シャッタ部に設けられた鉤部と係合し前記シャッタ部を前記熱源が露出する位置で拘束する係合部材と、該係合部材と前記鉤部の係合を解除するアクチュエータとを具備し、前記シャッタ装置を作動させ、前記弾発部材の付勢力により前記シャッタ部を瞬時に摺動させ、該シャッタ部により前記熱源が覆隠された直後に前記カメラが前記観察領域の画像を取得する高温部観察装置に係るものである。
【００１１】
又本発明は、前記カメラは高速度撮影が可能なデジタルカメラであり、前記観察領域の画像を連続して取得可能とした高温部観察装置に係り、又前記シャッタ部が熱源からの放射光を遮蔽する遮蔽板を有し、該遮蔽板に黒色処理が施された高温部観察装置に係るものであり、又前記シャッタ部が熱源からの放射光を遮蔽する遮蔽板を有し、該遮蔽板は水冷銅板である高温部観察装置に係るものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、熱源に隣接する観察領域の画像を取得可能なカメラと、シャッタ装置とを有する高温部観察装置であって、前記シャッタ装置は前記熱源を覆隠すシャッタ部と、該シャッタ部を前記熱源を覆隠す方向に付勢する弾発部材と、前記シャッタ部に設けられた鉤部と係合し前記シャッタ部を前記熱源が露出する位置で拘束する係合部材と、該係合部材と前記鉤部の係合を解除するアクチュエータとを具備し、前記シャッタ装置を作動させ、前記弾発部材の付勢力により前記シャッタ部を瞬時に摺動させ、該シャッタ部により前記熱源が覆隠された直後に前記カメラが前記観察領域の画像を取得するので、遮蔽板により前記熱源からの放射光の影響が除去されると共に、該熱源を覆隠す時間が瞬間的なものとなり、放射光の乱反射や温度状況の変化を最小限に抑えることができ、前記観察領域の温度分布を正確に測定することができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例に係る高温部観察装置の概略構成図である。
【図２】本発明の実施例に係るシャッタ装置であり、（Ａ）は該シャッタ装置の平面図を示し、（Ｂ）は該シャッタ装置の正面図を示している。
【図３】本発明の実施例に係るシャッタ装置の要部であり、（Ａ）はシャッタ部の側断面図を示し、（Ｂ）はトリガとその周辺部を示す側面図である。
【図４】（Ａ）は本発明の実施例に係るシャッタ装置を作動させた場合の観察領域の温度分布を示す画像であり、（Ｂ）は本発明の実施例に係るシャッタ装置を作動させなかった場合の観察領域の温度分布を示す画像である。
【図５】本発明の実施例に係るシャッタ部の変形例を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。
【００１５】
先ず、図１に於いて、本発明の実施例に係る高温部観察装置１について説明する。
【００１６】
本実施例は、下向きのＴＩＧ溶接に於ける高温部観察に適用した場合であり、測定対象物は溶融部となっている。図１中、２はＴＩＧトーチを示し、３は該ＴＩＧトーチ２に溶接される被溶接物を示し、４は該被溶接物３が載置される台座を示している。
【００１７】
前記ＴＩＧトーチ２先端に突出するＴＩＧ電極５が熱源となっており、該ＴＩＧ電極５の長さは、例えば２０ｍｍ以下となっている。該ＴＩＧ電極５よりアーク６を発生させ、フィラーメタルである溶接ワイヤ７を供給することで、前記被溶接物３及び前記溶接ワイヤ７が溶融し、溶融池８が形成される。
【００１８】
前記ＴＩＧトーチ２の側方にはカメラ９が設けられている。該カメラ９は例えば高速度撮影が可能なデジタルカメラであり、該カメラ９により前記溶融池８とその周辺部である観察領域１１の連続撮影が可能となっている。又、前記カメラ９は撮像素子としてＣＣＤ或はＣＭＯＳセンサを有し、撮像素子を構成する各画素から個別に信号が発せられる様になっている。
【００１９】
前記ＴＩＧトーチ２と前記カメラ９との間には、シャッタ装置１２が設けられている。該シャッタ装置１２は前記台座４に立設された支柱１３に設けられ、又前記シャッタ装置１２は前記支柱１３に対して上下方向に移動可能であり、任意の位置に固定可能となっている。前記シャッタ装置１２は、シャッタ部１４と、鉤部１５と、係合部材である鉤片１６と、係合解除用のアクチュエータであるソレノイド１７とを有している。
【００２０】
前記シャッタ部１４と前記鉤部１５との間には、弾発部材或は付勢部材、例えば引張りバネ１８が掛渡されており、該引張りバネ１８により前記シャッタ部１４が下方、即ち前記ＴＩＧ電極５を覆隠す方向に付勢される様になっている。
【００２１】
前記鉤部１５は前記鉤片１６と係合可能となっている。前記シャッタ部１４が上方に位置した状態、即ち前記ＴＩＧ電極５が露出する位置にある状態で、前記鉤片１６が前記鉤部１５と係合することで、前記引張りバネ１８は撓んだ状態で拘束される。
【００２２】
又、前記鉤片１６は前記ソレノイド１７と連結され、該ソレノイド１７に電流を印加し、作動させることで、前記鉤片１６と前記鉤部１５との係合が解除される。前記鉤片１６と前記鉤部１５との係合が解除されると、前記シャッタ部１４が前記引張りバネ１８の付勢力により下方へと瞬間的に移動する様になっている。
【００２３】
前記シャッタ部１４が下方に移動した状態では、前記シャッタ部１４は前記カメラ９と前記観察領域１１との間に挿入され、前記ＴＩＧ電極５からの放射光が前記観察領域１１で反射され、前記カメラ９に入射することを防止している。
【００２４】
前記アーク６を消弧し、溶接を終了した際には、前記ＴＩＧ電極５は高温で発光しており、前記観察領域１１は熱源と隣接した状態となっている。
【００２５】
ここで、前記ソレノイド１７を作動させ、前記鉤部１５と前記鉤片１６との係合を解除させて前記シャッタ部１４を瞬間的に下方へと移動させることで、該シャッタ部１４により前記ＴＩＧ電極５が覆い隠され、該ＴＩＧ電極５から前記観察領域１１に向って放射された放射光を瞬時に遮ることができる。
【００２６】
前記ＴＩＧ電極５が前記シャッタ部１４により遮蔽された直後に、前記カメラ９により前記観察領域１１の画像を取得することで、前記ＴＩＧ電極５からの放射光の影響が除去された前記観察領域１１の画像を取得することができる。
【００２７】
次に、図２、図３に於いて、前記シャッタ装置１２の詳細について説明する。尚、図２、図３に於いて、紙面に対して左側を前方向、紙面に対して右側を後ろ方向とする。
【００２８】
前記シャッタ装置１２は固定台座１９を有し、該固定台座１９が前記支柱１３に上下方向に移動可能に取付けられている。前記固定台座１９の前端部２１は直角に屈曲され、該前端部２１には２本のガイドシャフト２２，２２が固定されている。該ガイドシャフト２２は、前記前端部２１より前方に平行に延出し、前記ガイドシャフト２２の前端にはストッパブロック２３が固着されている。該ストッパブロック２３の側面にはバネ掛け２４が立設されている。
【００２９】
前記シャッタ部１４は前記ガイドシャフト２２に移動可能に設けられている。
【００３０】
前記シャッタ部１４は、ガイド孔２０を介して前記ガイドシャフト２２に摺動自在に嵌合するシャッタスライダ２５と、該シャッタスライダ２５に固着され、黒色処理された遮蔽板２６とを有している。例えば、黒色処理としては該遮蔽板２６がアルミ材であれば、黒色アルマイト処理、該遮蔽板２６が鉄材であれば、タフトライド（登録商標）処理等を施す。
【００３１】
前記シャッタスライダ２５の側面にはバネ掛け２７が立設され、該バネ掛け２７と前記バネ掛け２４との間には弾発部材としての引張りバネ１８が掛渡されている。該引張りバネ１８により、前記シャッタスライダ２５は前方に付勢されている。
【００３２】
前記シャッタスライダ２５の後面には、２つの軸支持片２８，２８が平行に突設され、該軸支持片２８，２８に掛渡って係合ピン２９が設けられている。尚、前記軸支持片２８，２８と前記係合ピン２９とにより前記鉤部１５が構成される。
【００３３】
前記固定台座１９の上面で、前記前端部２１に対峙した位置には鉤サポート３１が立設され、該鉤サポート３１にピン３２を介して前記鉤片１６が回転自在に設けられている。
【００３４】
前記固定台座１９の上面で、後部には前記ソレノイド１７が設けられている。該ソレノイド１７は、前後方向に進退するプランジャ３３を有している。前記ソレノイド１７は導線３４を介して駆動電源（図示せず）に接続されており、該導線３４を介して前記ソレノイド１７に印加することで該ソレノイド１７が作動し、前記プランジャ３３が後退する。
【００３５】
該プランジャ３３の前端部と板状の連結部材３５の一端部とは連結ピン３６を介して回転自在に連結され、前記連結部材３５の他端部は、連結ピン３７を介して前記鉤片１６の後端部に回転自在に取付けられている。該鉤片１６は前記係合ピン２９に係合可能となっており、前記プランジャ３３が後退し前記連結部材３５が後側へと引かれることで、前記鉤片１６が図２（Ａ）中、反時計方向に回転し、前記係合ピン２９との係合が解除される様になっている。
【００３６】
又、前記連結ピン３７には弾発部材、例えば引張りバネ３８の一端が取付けられ、該引張りバネ３８の他端は前記固定台座１９に取付けられている。前記引張りバネ３８は、前記プランジャ３３の後退方向とは逆側、即ち前記鉤片１６を前記係合ピン２９と係合する方向へと付勢しており、前記鉤片１６が前記係合ピン２９と係合した際に、係合状態が維持される。
【００３７】
次に、本発明の実施例に係る前記高温部観察装置１の作用について説明する。
【００３８】
先ず、前記ＴＩＧトーチ２により前記被溶接物３の溶接を行う。前記ＴＩＧトーチ２の先端に突出する前記ＴＩＧ電極５より前記アーク６を発生させ、フィラーメタルである前記溶接ワイヤ７を供給する。前記アーク６により、前記被溶接物３及び前記溶接ワイヤ７が溶融し、前記溶融池８が形成される。この時、前記ＴＩＧ電極５は高温で発光しており、前記観察領域１１は熱源と隣接した状態となっている。
【００３９】
前記観察領域１１の画像を取得する際には、前記アーク６を消弧すると同時又は直前、例えば０秒〜０．１秒前に前記ソレノイド１７を作動させ、前記鉤片１６と前記係合ピン２９との係合を解除する。
【００４０】
前記鉤片１６と前記係合ピン２９との係合が解除されると、前記引張りバネ１８の付勢力により所定の速度、例えば最終的に２００ｍｍ／ｓｅｃ以上となる速度で、前記シャッタスライダ２５が前記ガイドシャフト２２に沿って摺動し、前記遮蔽板２６が前記ＴＩＧ電極５を瞬時に覆隠す。
【００４１】
又、前記アーク６を消弧した直後、例えば０．０３秒〜０．０６秒後に、前記カメラ９のシャッタを所定のシャッタ速度、例えば０．０１秒で作動させ、前記カメラ９により前記観察領域１１の画像を取得する。
【００４２】
この時、前記遮蔽板２６により前記ＴＩＧ電極５を瞬時に覆うことで、前記アーク６の消弧後０．１秒以内に前記ＴＩＧ電極５からの放射光の影響を除去可能であり、上記のタイミングで前記カメラ９を作動させることで、前記ＴＩＧ電極５からの放射光の影響が除去され、且つ該ＴＩＧ電極５を遮蔽することによる影響を最小限に抑えた画像を取得することができる。
【００４３】
尚、前記アーク６を消弧するタイミング、前記ソレノイド１７を作動させるタイミング、前記カメラ９のシャッタを作動させるタイミング等は、前記引張りバネ１８の付勢力等の種々の条件に基づき、前記ＴＩＧ電極５を前記遮蔽板２６で覆隠した直後の前記観察領域１１の画像が取得できる様、適宜設定されるものである。
【００４４】
図４（Ａ）は前記シャッタ装置１２を作動させ、前記遮蔽板２６により前記ＴＩＧ電極５を覆隠した状態で取得された画像を示し、図４（Ｂ）は前記シャッタ装置１２を作動させず、前記ＴＩＧ電極５を覆隠さなかった状態で取得された画像を示している。図４（Ａ）（Ｂ）中、半月状に見える明るい部分が前記溶融池８であり、黒い部分は前記被溶接物３を示している。又、前記溶融池８部分に於いて、明度の違いは温度差を表している。
【００４５】
図４（Ａ）に示される様に、前記遮蔽板２６で前記ＴＩＧ電極５を覆った場合には、前記遮蔽板２６により高温で発光する前記ＴＩＧ電極５からの放射光の影響が除去され、鮮明な温度分布が表示された画像を取得することができる。一方、図４（Ｂ）に示される様に、前記遮蔽板２６により前記ＴＩＧ電極５を覆わなかった場合には、前記ＴＩＧ電極５からの放射光が前記カメラ９に入射し、或は前記観察領域１１で反射され、反射光が前記カメラ９に入射することで、ノイズ３９が生じた不鮮明な温度分布が表示された画像が取得される。
【００４６】
上述の様に、本実施例では、前記アーク６を消弧する直前に前記シャッタ装置１２を作動させることで、溶接直後の高温で発光している前記ＴＩＧ電極５を前記遮蔽板２６で瞬時に覆隠し、該遮蔽板２６が前記ＴＩＧ電極５を遮蔽した直後に前記溶融池８とその周辺部を含む前記観察領域１１の画像を前記カメラ９により取得する様になっている。
【００４７】
従って、前記遮蔽板２６により前記ＴＩＧ電極５からの放射光、該放射光の反射の影響が除去されると共に、該ＴＩＧ電極５を覆隠す時間が極僅かとなるので、該ＴＩＧ電極５を遮蔽した前記遮蔽板２６が加熱され、該遮蔽板２６からの副次的な放射光の乱反射や温度状況の変化が最小限に抑えられた画像を取得することができ、溶接直後の前記観察領域１１の温度分布を正確に測定することができる。
【００４８】
又、前記カメラ９として高速度カメラを用い、連続的に前記観察領域１１の画像を取得し、温度分布の測定を行うことで、該観察領域１１の温度変化の状態を測定することができる。該観察領域１１の温度変化の状態が測定されることで、例えば溶接後の高温割れの発生状態と、温度分布の相関を求めることができる。
【００４９】
又、前記遮蔽板２６に対して黒色アルマイト処理を施しているので、該遮蔽板２６による放射光の２次反射を抑制することができ、前記観察領域１１の温度分布をより正確に測定することができる。
【００５０】
尚、本実施例では、黒色アルマイト処理を施した前記遮蔽板２６を用いているが、図５に示される変形例の様に、該遮蔽板２６として水冷銅板４１を用いてもよい。該水冷銅板４１は、銅板４２の表面に水冷パイプ４３を這わせた構造となっており、該水冷パイプ４３内を水が流通することで、前記銅板４２を冷却する様になっている。
【００５１】
前記水冷銅板４１を用いることで、前記ＴＩＧ電極５の遮蔽効果を高めることができ、前記アーク６を消弧することなく前記観察領域１１の正確な温度分布を測定することができる。この場合には、該観察領域１１の画像を取得する直前に前記シャッタ装置１２を作動させ、前記遮蔽板２６により前記ＴＩＧ電極５を覆隠した直後に前記観察領域１１の画像が取得される様にすることで、前記ＴＩＧ電極５が前記遮蔽板２６により覆隠される時間が瞬間的なものとなり、遮蔽の影響を最小限にすることができる。
【００５２】
又、本実施例の前記高温部観察装置１は、溶接を行う際の前記観察領域１１の温度分布測定だけではなく、例えば高温の炉内の温度分布測定にも適用可能である。炉内の温度分布を測定する場合に於いても、前記遮蔽板２６を水冷構造とすることで、遮蔽の効果を高めることができ、正確な温度分布を測定することができる。尚、本実施例に於いては、下向きのＴＩＧ溶接を行う場合の温度分布測定について説明しているが、上向き溶接、横向き溶接を行う場合でも本実施例の前記高温部観察装置１が適用可能である。更に、フィラーメタルである前記溶接ワイヤ７を用いず、前記アーク６のみを用いて前記被溶接物３を溶接する場合でも本実施例の前記高温部観察装置１が適用可能である。
【００５３】
又、前記遮蔽板２６は黒色に限らず、放射光の２次反射を抑制可能であれば他の色であってもよいのは言う迄もない。
【符号の説明】
【００５４】
１    高温部観察装置                  ２    ＴＩＧトーチ
３    被溶接物                        ５    ＴＩＧ電極
６    アーク                          ８    溶融池
９    カメラ                          １１  観察領域
１２  シャッタ装置                    １４  シャッタ部
１５  鉤部                            １６  鉤片（係合部材）
１７  ソレノイド（アクチュエータ）    １８  引張りバネ（弾発部材）
２６  遮蔽板                          ４１  水冷銅板
【図１】
2015179010.tif 000003
【図２】
2015179010.tif 000004
【図３】
2015179010.tif 000005
【図５】
2015179010.tif 000006
【図４】
2015179010.tif 000007