(57)【要約】【課題】光ファイバーで受光した赤外線を利用し物体の温度を測定する輻射温度測定装置を提供する。【解決手段】感度波長域（一般に、可視光域〜赤外域）が異なる複数種類の素子を積層（積層する素子の数に制限はない）して構成した積層型多色光電素子４ｃを使用し、積層した２種類の素子からの出力で温度を測定する温度測定装置である。この装置によれば、低温から高温まで幅広い温度領域をカバーできる。すなわち、低温域は長波長側に感度を有する２つの素子、高温域は短波長側に感度を有する２つの素子が反応する。また、素子を積層構造に一体化することで、受光した光を分離する必要がなく、簡単な光学系で測定できる。光学系がなくてもよい。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
感度波長範囲が異なる少なくとも３種類の光電素子を積層構造に一体化して構成したことを特徴とする積層型多色光電素子。
【請求項２】
前記３種類の光電素子は、ＩｎＡｓ素子、ＩｎＳｂ素子、ＭＣＴ素子であることを特徴とする請求項１に記載の積層型多色光電素子。
【請求項３】
物体から輻射される赤外線を光ファイバーで受光し、その赤外線を感度波長範囲が異なる少なくとも３種類の光電素子を積層して構成した積層型多色光電素子に照射し、前記積層された特定の２つの光電素子の出力比から物体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】
物体から輻射される赤外線を受光する光ファイバーと、光ファイバで受光・伝送された赤外線を受光する積層型多色光電素子とを備え、前記積層型多色光電素子は感度波長範囲が異なる少なくとも３種類の光電素子を積層構造に一体化して構成し、前記積層された特定の２つの光電素子の出力比から物体の温度を測定することを特徴とする温度測定装置。
【請求項５】
物体から輻射される赤外線を受光する光ファイバーと、光ファイバで受光・伝送された赤外線を受光する積層型多色光電素子と、前記素子からの出力を増幅するアンプと、アンプからの出力に基づいて温度を計測する計測器とを備え、前記積層型多色光電素子は感度波長範囲が異なる少なくとも３種類の光電素子を積層構造に一体化して構成し、さらに、計測器では前記積層された特定の２つの光電素子の出力比から物体の温度を計測することを特徴とする温度測定装置。
【請求項６】
前記光ファイバーは単一の光ファイバーで構成したことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の温度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光ファイバーで受光した赤外線を利用し物体の温度を測定する輻射温度測定装置に好適な積層型多色光電素子とその素子を使用した温度測定方法およびその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発熱体から輻射される輻射エネルギはその温度に依存した波長分布をもつため、特定の波長（域）に反応する２種類の光電素子の出力比から物体の温度を測定する「２色温度計」は従来より知られている（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開平８−２２６８５４号公報
【０００４】
しかし、物体の温度変化によって輻射エネルギ分布、すなわち出力比が大幅に変化するため、上記のような２色温度計は使用素子の種類に応じて測定範囲が限定され、広範囲の温度測定には複数の温度計を併用する必要があるなど、実用上大きな問題があった。
また、使用する２種類の素子は個別に用いるため、発熱体からのエネルギーを光学系で正確に２分して両素子に入射させることが不可欠であり、高価で大がかりな光学器機が必要になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記の問題を解決するために、
（１）感度波長域が異なる３（又は多）種類の素子を同時に使用し、その内の２種類の素子からの出力比で温度を測定する。例えば、低温域は長波長側に感度を有する２つの素子、高温側は短波長側に感度を有する２つの素子を利用する。
（２）感度波長が異なる複数種類の光電素子を積層して一体化した積層型多色光電素子とする。
（３）光学系に、光ファイバーを利用する。
等の工夫をすることにより、微小領域や、離れたところ、入り組んだところの測温も可能な温度測定方法および装置装置を提供することを目的とする。
たとえば、感度波長が異なる３種類の素子を積層構造にし、一つの測定器で高温から低温まで測定できる温度測定装置を構成することで、装置の小型化や使い易さの向上を図ることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このため、本発明が採用した技術解決手段は、
感度波長範囲が異なる少なくとも３種類の光電素子を積層構造に一体化して構成したことを特徴とする積層型多色光電素子である。
また、前記３種類の光電素子は、ＩｎＡｓ素子、ＩｎＳｂ素子、ＭＣＴ素子であることを特徴とする積層型多色光電素子である。
また、物体から輻射される赤外線を光ファイバーで受光し、その赤外線を感度波長範囲が異なる少なくとも３種類の光電素子を積層して構成した積層型多色光電素子に照射し、前記積層された特定の２つの光電素子の出力比から物体の温度を測定することを特徴とする温度測定方法である。
また、物体から輻射される赤外線を受光する光ファイバーと、光ファイバで受光・伝送された赤外線を受光する積層型多色光電素子とを備え、前記積層型多色光電素子は感度波長範囲が異なる少なくとも３種類の光電素子を積層構造に一体化して構成し、前記積層された特定の２つの光電素子の出力比から物体の温度を測定することを特徴とする温度測定装置である。
また、物体から輻射される赤外線を受光する光ファイバーと、光ファイバで受光・伝送された赤外線を受光する積層型多色光電素子と、前記素子からの出力を増幅するアンプと、アンプからの出力に基づいて温度を計測する計測器とを備え、前記積層型多色光電素子は感度波長範囲が異なる少なくとも３種類の光電素子を積層構造に一体化して構成し、さらに、計測器では前記積層された特定の２つの光電素子の出力比から物体の温度を計測することを特徴とする温度測定装置である。
また、前記光ファイバーは単一の光ファイバーで構成したことを特徴とする温度測定装置である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、
（１）使用する素子に応じて、常温から数千°Ｃにわたる広範囲の温度測定が可能になる。
（２）感度波長が異なる複数の素子を積層構造に一体化するため、光を分離する必要がなく、複雑な光学系を必要としない。
（３）積層する素子の数に制限はない。
（４）光学系に光ファイバを用いた場合、微小部分の温度測定、入り組んだ部分の温度測定、遠隔的な温度測定が可能になる。
（５）応答速度の速い素子（例えば、Ｇｅ、ＩｎＧａＡｓ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ等の素子）を使用すれば、瞬問的な温度変化も測定できる。
（６）エンドミル加工における切れ刃温度のように高速で回転している工具の局部的な温度測定が可能になる。その結果、工具磨耗や工具損傷など加工状態のモニタリングに使用できる。
等の特有の作用効果を奏することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明は、感度波長域（一般に、可視光域〜赤外域）が異なる複数種類の素子を積層（積層する素子の数に制限はない）して構成した温度測定に好適な積層型多色光電素子である。また本発明は、その積層型多色光電素子を使用し、積層した２種類の素子からの出力で温度を測定する温度測定方法およびその装置である。
この装置によれば、低温から高温まで幅広い温度領域をカバーできる。すなわち、低温域は長波長側に感度を有する２つの素子、高温域は短波長側に感度を有する２つの素子が反応する。
また、素子を積層構造に一体化することで、受光した光を分離する必要がなく、簡単な光学系で測定できる。光学系がなくてもよい。
光学系に光ファイバを使用すれば、コア径に応じた微小領域の温度が測定できるとともに、入り組んだ場所や離れた部分の測温（遠隔測定）も可能になる。
【実施例】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明に係る実施例を説明すると、図１は１例としての３色温度測定装置の構成図である。
図において、１は測定物体、２は測定領域、３は光ファイバ、４は温度計、５は計測器であり、温度計４は、チョッパ４ａ、レンズ４ｂ、積層型多色光電素子（本例では３色素子）４ｃ、アンプ４ｄとを備えている。
前記光ファイバ３は、測定領域から発光する光を受光し、前記温度計４に送る機能を有しており、１本の光ファイバとして構成されている。このファイバ３の直径および設定距離ｔは測定する温度目標により自由に設定することができる。
【００１０】
積層型多色光電素子（３色素子）４ｃを構成する光電素子４１〜４３は、本例ではＩｎＡｓ素子４１、ＩｎＳｂ素子４２、ＭＣＴ素子（ＨｇＣｄＴｅ光導電素子）４３であり、各素子の分光感度は図２から明らかなように前記ＩｎＡｓ素子４１はおおよそ０．５〜３μｍ、ＩｎＳｂ素子４２はおおよそ３〜５．５μｍ、ＭＣＴ素子（ＨｇＣｄＴｅ光導電素子）４３は５．５〜１４μｍを有している。そしてこの３色素子４ｃでは、高温域ではＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ２色温度計として、ＩｎＡｓが反応しない低温域ではＩｎＳｂ／ＭＣＴ２色温度計として使用する。このように前記３色素子４ｃでは全体として可視光の０．５μｍから赤外域の１４μｍまでの広範囲の光を感知することができる。なお、各素子４１〜４３は図示の順序で積層することが望ましい。また、前記素子の代わりに、他の素子（例えば、Ｇｅ、ＩｎＧａＡｓ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ等の素子）を使用することも可能である。さらに本例では３色素子４ｃとして構成しているが、３個以上の素子を積層した多数素子として構成することも可能である。
【００１１】
３色素子４ｃを構成する積層した各素子４１〜４３からの出力はアンプ４ｄで増幅し、計測器５に入力され、測定温度として出力される。出力された温度情報は適宜手段により表示することができる。
なお前記説明では温度計４は、３色素子４ｃの他にチョッパ４ａ、レンズ４ｂ、アンプ４ｄを含んだ構成としているが、このような組み合わせに限定することなく、たとえば温度計として各素子を積層した部分のみを温度計と定義することも可能である。
【００１２】
上記温度測定装置では、測定領域２からの光を光ファイバー３で受光し、チョッパ４ａ、レンズ４ｂを介して３色素子４ｃに入力する。３色素子４ｃでは、分光感度に応じて各光電素子４１〜４３が受光し、各素子からの出力に基づいてＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ２色温度計として、ＩｎＡｓが反応しない低温域ではＩｎＳｂ／ＭＣＴ２色温度計として温度を計測する。
【００１３】
図３に３色素子４ｃを使用した３色温度計の温度校正曲線を示す。
この例は、光学系にカルコゲナイドガラスファイバ（コア径ｄc ＝３００μｍ）を用いた場合の例である。コア径が３００μｍと小さいため，測定温度が１００°Ｃ以上になっている。通常、本温度計では１００°Ｃ〜３００°Ｃの範囲はＩｎＳｂ／ＭＣＴ２色温度計、３００°Ｃ以上の範囲はＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ２色温度計を使用する。当然ながら、２００°Ｃ〜３５０°Ｃの範囲はどちらの温度計でも測定可能である。
【００１４】
実験例
図４にボールエンドミルＢの刃先温度測定装置を示す。
上述した本温度計を用いて、高速ボールエンドミル加工における工具逃げ面温度測定を行った。図に示すように、ボールエンドミルＢの外周刃からボール刃にそってファイバ３を配置し（ファイバ設置角φ＝０°、３０°、６０°、７５°とする）、工作物と接触する部分の温度分布を測定している。また、切削点での温度を測定する場合には、工作物７にあけた小孔６にファイバ３を挿入して測定する。両方法ともファイバ端面上をエンドミルが通過する際にチップ逃げ面からふく射される赤外線を受光して温度を測定する。
【００１５】
図５に、ボールエンドミルの刃先温度測定例（温度計の出力波形）を示す。ボールエンドミルは２枚刃であるため、各切れ刃からの出力が交互にでていることになり、切れ刃の切削パルスに対応した温度変化を明確にとらえていることがわかる。下方の図はＩｎＡｓとＩｎＳｂ両素子の出力比から換算された温度を示す。２枚刃の各切れ刃間で大きな温度差はみられないが、実験によってはエンドミルのわずかな軸心のずれなどによって両刃で温度が異なる場合も検出できる。
【００１６】
以上、本発明に係る積層型多色光電素子とその素子を使用した温度測定方法およびその装置について説明したが、積層型多色光電素子を構成する各素子は、上記したものに限定することなく、同様の機能を達成できる素子であれば、種々の素子を使用することができ、また各素子の配列順序も適宜変更することが可能である。
【００１７】
また本発明はその精神また主要な特徴から逸脱することなく、他の色々な形で実施することができる。そのため前述の実施例は単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。更に特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
本発明は、切削温度や研削温度（砥粒切れ刃温度）のように高速で回転している工具の局部的な温度測定が可能となるため、工具磨耗や工具損傷など加工状態のモニタリングに利用できる。また測定範囲から輻射される赤外線を受光できるものであれば種々の温度測定にも利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】光ファイバ光学系に用いた温度計の構造図である。
【図２】３色素子の分光感度特性図である。
【図３】３色温度計の温度校正曲線図である。
【図４】ボールエンドミルの刃先温度測定装置の構成図である。
【図５】ボールエンドミルの刃先温度測定例である。
【符号の説明】
【００２０】
１        測定物体
２        測定領域
３        光ファイバ
４        温度計
４ａ      チョッパ
４ｂ      レンズ
４ｃ      積層型多色光電素子
４１      ＩｎＡｓ素子
４２      ＩｎＳｂ素子
４３      ＭＣＴ素子（ＨｇＣｄＴｅ光導電素子）
５        計測器
６        小孔
７        工作物
【図１】
2005195524.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2005195524.tif 000006
【図５】
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