(57)【要約】【課題】非接触で内部温度を測定する。【解決手段】材料が既知である測定対象物１の表面にレーザ光を照射してその内部を伝播する超音波を励起させると共に、測定対象物１の内部を伝播して表面に達した超音波を二光波混合型レーザ干渉計３によって検出し、検出した超音波の伝播速度ｖ’をその伝播距離と伝播時間から求め、測定対象物１の材料における伝播速度と温度との関係５に基づいて測定対象物１の内部温度Ｔを求める。【選択図】図１
2009031180.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料が既知である測定対象物の表面にレーザ光を照射してその内部を伝播する超音波を励起させると共に、前記測定対象物の内部を伝播して表面に達した前記超音波を二光波混合型レーザ干渉計によって検出し、検出した超音波の伝播速度ｖ’をその伝播距離と伝播時間から求め、前記測定対象物の材料における伝播速度と温度との関係に基づいて前記測定対象物の内部温度Ｔを求めることを特徴とする内部温度の測定方法。
【請求項２】
材料が未知である測定対象物について、その内部を伝播する超音波の伝播速度と温度との関係を予め求めておき、前記測定対象物の表面にレーザ光を照射してその内部を伝播する超音波を励起させると共に、前記測定対象物の内部を伝播して表面に達した前記超音波を二光波混合型レーザ干渉計によって検出し、検出した超音波の伝播速度ｖ’をその伝播距離と伝播時間から求め、前記関係に基づいて前記測定対象物の内部温度Ｔを求めることを特徴とする内部温度の測定方法。
【請求項３】
前記レーザ光の照射によって励起される超音波は縦波と横波であり、これら縦波と横波のうち、少なくともいずれか一方の波の伝播速度を求めて当該波における前記関係に基づいて前記測定対象物の内部温度Ｔを求めることを特徴とする請求項１又は２記載の内部温度の測定方法。
【請求項４】
前記測定対象物の内部を既知の温度Ｔ０にした状態で前記レーザ光の照射と前記二光波混合型レーザ干渉計による前記超音波の検出を行なって前記超音波の伝播速度ｖ’(Ｔ０)を求め、前記伝播速度ｖ’と前記伝播速度ｖ’(Ｔ０)との比率ａ’を求め、前記関係と前記比率ａ’とにより前記内部温度Ｔを校正することを特徴とする請求項１又は２記載の内部温度の測定方法。
【請求項５】
材料が既知である測定対象物の内部温度を非接触で測定する内部温度の測定装置において、前記測定対象物の表面にレーザ光を照射してその内部を伝播する超音波を励起させる励起用レーザ光源と、前記測定対象物の内部を伝播して表面に達した前記超音波を検出する二光波混合型レーザ干渉計と、前記二光波混合型レーザ干渉計によって検出された超音波の伝播速度ｖ’をその伝播距離と伝播時間から算出する速度算出手段と、前記測定対象物の材料における伝播速度と温度との関係を記憶した記憶装置と、前記速度算出手段が求めた伝播速度ｖ’と前記記憶装置に記憶されている前記関係とに基づいて前記測定対象物の内部温度Ｔを求める内部温度算出手段を備えることを特徴とする内部温度の測定装置。
【請求項６】
材料が未知である測定対象物の内部温度を非接触で測定する内部温度の測定装置において、前記測定対象物の表面にレーザ光を照射してその内部を伝播する超音波を励起させる励起用レーザ光源と、前記測定対象物の内部を伝播して表面に達した前記超音波を検出する二光波混合型レーザ干渉計と、前記二光波混合型レーザ干渉計によって検出された超音波の伝播速度ｖ’をその伝播距離と伝播時間から算出する速度算出手段と、前記測定対象物について予め求めておいた伝播速度と温度との関係を記憶した記憶装置と、前記速度算出手段が求めた伝播速度ｖ’と前記記憶装置に記憶されている前記関係とに基づいて前記測定対象物の内部温度Ｔを求める内部温度算出手段を備えることを特徴とする内部温度の測定装置。
【請求項７】
前記レーザ光の照射によって励起される超音波は縦波と横波であり、前記速度算出手段は、前記縦波と前記横波のうち、少なくともいずれか一方の波の伝播速度を求めるものであり、当該波における前記関係に基づいて前記内部温度算出手段は前記測定対象物の内部温度Ｔを求めることを特徴とする請求項５又は６記載の内部温度の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、材料が既知である測定対象物の内部温度を非接触で測定する内部温度の測定方法および測定装置に関する。さらに詳しくは、本発明は、固体金属の内部温度を測定するのに適した内部温度の測定方法および測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属部品等の温度測定には、一般的に熱電対が用いられている。また、近年、赤外線の輻射を利用して温度を計測する赤外線温度計測装置も普及している。なお、熱電対を用いて温度を計測する技術として、例えば特開２００４−３７１３９号公報に開示された温度計測装置がある。また、赤外線温度計測装置としては、例えば特開平９−２１７０３号公報に開示されたものがある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３７１３９号
【特許文献２】特開平９−２１７０３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、温度測定に熱電対を使用する場合には、熱電対から配線を延ばす必要がある。このため、回転体等の動的状態にある測定対象物に熱電対を取り付けて温度測定することは困難である。また、測定対象物の内部温度を測定する場合には熱電対を予め測定対象物の内部に埋め込む必要があり、埋め込み加工が困難な測定対象物については内部温度の測定を行うことができない。
【０００５】
また、温度測定に赤外線温度計測装置を使用する場合には、遠隔からの温度測定や動的状態にある測定対象物の温度測定が可能であるが、表面からの赤外線輻射を利用しているため測定対象物の内部温度を測定することはできない。
【０００６】
本発明は、非接触で内部温度の測定が可能な内部温度の測定方法および測定装置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】
かかる目的を達成するために、本発明は、レーザ光の照射によって励起された超音波の伝播速度は主に測定対象物内部の平均温度に依存することから、超音波の伝播速度の温度依存性を予め求めておき、未知の温度環境において伝播速度を測定して測定対象物の内部温度を逆算するものである。
【０００８】
即ち、請求項１記載の内部温度の測定方法は、材料が既知である測定対象物の表面にレーザ光を照射してその内部を伝播する超音波を励起させると共に、測定対象物の内部を伝播して表面に達した超音波を二光波混合型レーザ干渉計によって検出し、検出した超音波の伝播速度ｖ’をその伝播距離と伝播時間から求め、測定対象物の材料における伝播速度と温度との関係に基づいて測定対象物の内部温度Ｔを求めるものである。
【０００９】
測定対象物の表面にレーザ光を照射すると、超音波が励起され、その超音波は測定対象物の内部を伝播して表面に達する。表面に達した超音波を二光波混合型レーザ干渉計によって検出し、伝播した距離（伝播距離）と伝播に要した時間（伝播時間）に基づいて伝播速度ｖ’を求める。ここで、伝播距離は、測定対象物の大きさ・形状、レーザ光の照射位置、二光波混合型レーザ干渉計による超音波の検出位置等に基づいて求められる。また、伝播時間は、レーザ光の照射と二光波混合型レーザ干渉計による超音波の検出との時間差から求められる。
【００１０】
超音波の伝播速度は測定対象物の内部温度に依存して変化する。測定対象物の材料は既知であり、超音波の伝播速度と温度の関係も分かるので、その関係と求めた伝播速度ｖ’とによって超音波の伝播経路の平均温度、即ち測定対象物の内部の平均温度Ｔを求めることができる。測定対象物の内部温度は、伝播経路の温度の平均値として求められる。
【００１１】
測定対象物へのレーザ光の照射位置（超音波の励起位置）と二光波混合型レーザ干渉計による超音波の検出位置とは、レーザ光の照射又は超音波の検出が可能であり、照射位置で励起された超音波が測定対象物の内部を伝播して検出位置に到達するのであればいずれの位置に設けても良い。照射位置と検出位置を測定対象物の同一面に設けても良く、あるいは異なる面に設けても良い。また、照射位置と検出位置を別々の位置にしても良く、同じ位置にしても良い。さらに、二光波混合型レーザ干渉計によって検出する超音波は測定対象物の内部を伝播したものであれば良く、途中で反射して検出位置に到達した波でも、途中で反射せずに検出位置にそのまま到達した波でも良い。また、測定対象物の表面に照射するレーザ光の出力は測定対象物を損傷させず且つ超音波を励起させることができる大きさであり、測定に要するコストや測定対象物等に応じて適宜決定される。
【００１２】
測定対象物の表面に到達した超音波の検出に二光波混合型レーザ干渉計を使用することで、測定対象物の表面が粗面であっても超音波の検出が可能である。
【００１３】
また、請求項２記載の内部温度の測定方法は、材料が未知である測定対象物について、その内部を伝播する超音波の伝播速度と温度との関係を予め求めておき、測定対象物の表面にレーザ光を照射してその内部を伝播する超音波を励起させると共に、測定対象物の内部を伝播して表面に達した超音波を二光波混合型レーザ干渉計によって検出し、検出した超音波の伝播速度ｖ’をその伝播距離と伝播時間から求め、関係に基づいて測定対象物の内部温度Ｔを求めるものである。即ち、測定対象物の内部を伝播する超音波の伝播速度と温度との関係を予め求めておくことで、たとえ測定対象物の材料が未知であっても、材料が既知の場合と同様に内部温度Ｔを測定することができる。
【００１４】
また、請求項３記載の内部温度の測定方法は、レーザ光の照射によって励起される超音波は縦波と横波であり、これら縦波と横波のうち、少なくともいずれか一方の波の伝播速度を求めて当該波における前記関係に基づいて測定対象物の内部温度Ｔを求めるものである。
【００１５】
測定対象物の表面にレーザ光を照射すると、超音波として縦波と横波が励起される。縦波と横波の伝播速度は異なり、縦波の方が速く、横波の方が遅い。二光波混合型レーザ干渉計によって縦波と横波の両方を検出することで、検出した波が縦波であるか横波であるかを識別することができる。そして、縦波と横波の両方に基づいて測定対象物の内部温度Ｔを求めても良いが、いずれか一方の波のみに基づいても内部温度Ｔを求めることができる。
【００１６】
また、請求項４記載の内部温度の測定方法は、測定対象物の内部を既知の温度Ｔ０にした状態でレーザ光の照射と二光波混合型レーザ干渉計による超音波の検出を行なって超音波の伝播速度ｖ’(Ｔ０)を求め、伝播速度ｖ’と伝播速度ｖ’(Ｔ０)との比率ａ’を求め、前記関係と比率ａ’とにより内部温度Ｔを校正するものである。
【００１７】
例えば超音波の伝播距離に許容範囲を超えた誤差が生じると、求めた伝播速度ｖ’も誤差を含むものとなり、内部温度Ｔの測定値も誤差を含むことになる。実際にその測定対象物を使用し、その内部温度を既知の温度Ｔ０にした状態の超音波の伝播速度ｖ’(Ｔ０)を求め、この伝播速度ｖ’(Ｔ０)と伝播速度ｖ’との比率ａ’（＝ｖ’／ｖ’(Ｔ０)）を求め、この比率ａ’を前記関係に当てはめることで内部温度の測定値Ｔを校正することができる。即ち、比率ａ’を前記関係と比較し、その関係においてａ’＝ｖ(Ｔ)／ｖ(Ｔ０)となるＴの値を求め、測定対象物の内部温度Ｔとする。ここで、ｖ(Ｔ０)はその関係における温度Ｔ０の伝播速度、ｖ(Ｔ)はその関係における温度Ｔの伝播速度である。
【００１８】
また、請求項５記載の発明は、材料が既知である測定対象物の内部温度を非接触で測定する内部温度の測定装置において、測定対象物の表面にレーザ光を照射してその内部を伝播する超音波を励起させる励起用レーザ光源と、測定対象物の内部を伝播して表面に達した超音波を検出する二光波混合型レーザ干渉計と、二光波混合型レーザ干渉計によって検出された超音波の伝播速度ｖ’をその伝播距離と伝播時間から算出する速度算出手段と、測定対象物の材料における伝播速度と温度との関係を記憶した記憶装置と、速度算出手段が求めた伝播速度ｖ’と記憶装置に記憶されている前記関係とに基づいて測定対象物の内部温度Ｔを求める内部温度算出手段を備えるものである。
【００１９】
励起用レーザ光源が測定対象物の表面にレーザ光を照射すると、超音波が励起され、その超音波は測定対象物の内部を伝播して表面に達する。表面に達した超音波を二光波混合型レーザ干渉計によって検出し、速度算出手段が伝播した距離（伝播距離）と伝播に要した時間（伝播時間）に基づいて伝播速度ｖ’を求める。ここで、伝播距離は、測定対象物の大きさ・形状、レーザ光の照射位置、二光波混合型レーザ干渉計による超音波の検出位置等に基づいて求められる。また、伝播時間は、レーザ光の照射と二光波混合型レーザ干渉計による超音波の検出との時間差から求められる。
【００２０】
超音波の伝播速度は測定対象物の内部温度Ｔに依存して変化する。内部温度算出手段は、記憶装置に記憶されている測定対象物の材料における伝播速度と温度との関係と、速度算出手段が求めた伝播速度ｖ’とによって超音波の伝播経路の平均温度、即ち測定対象物の内部の平均温度を算出する。測定対象物の内部温度Ｔは、伝播経路の温度の平均値として求められる。
【００２１】
測定対象物へのレーザ光の照射位置と二光波混合型レーザ干渉計による超音波の検出位置とは、レーザ光の照射又は超音波の検出が可能であり、照射位置で励起された超音波が測定対象物の内部を伝播して検出位置に到達するのであればいずれの位置に設けても良い。照射位置と検出位置を測定対象物の同一面に設けても良く、あるいは異なる面に設けても良い。また、照射位置と検出位置を別々の位置にしても良く、同じ位置にしても良い。さらに、二光波混合型レーザ干渉計によって検出する超音波は測定対象物の内部を伝播したものであれば良く、途中で反射して検出位置に到達した波でも、途中で反射せずに検出位置にそのまま到達した波でも良い。また、測定対象物の表面に照射するレーザ光の出力は測定対象物を損傷させず且つ超音波を励起させることができる大きさであり、測定に要するコストや測定対象物等に応じて適宜決定される。
【００２２】
測定対象物の表面に到達した超音波の検出に二光波混合型レーザ干渉計を使用することで、測定対象物の表面が粗面であっても超音波の検出が可能である。
【００２３】
また、請求項６記載の発明は、材料が未知である測定対象物の内部温度を非接触で測定する内部温度の測定装置において、測定対象物の表面にレーザ光を照射してその内部を伝播する超音波を励起させる励起用レーザ光源と、測定対象物の内部を伝播して表面に達した超音波を検出する二光波混合型レーザ干渉計と、二光波混合型レーザ干渉計によって検出された超音波の伝播速度ｖ’をその伝播距離と伝播時間から算出する速度算出手段と、測定対象物について予め求めておいた伝播速度と温度との関係を記憶した記憶装置と、速度算出手段が求めた伝播速度ｖ’と記憶装置に記憶されている前記関係とに基づいて測定対象物の内部温度Ｔを求める内部温度算出手段を備えるものである。即ち、測定対象物の内部を伝播する超音波の伝播速度と温度との関係を予め求めて記憶装置に記憶しておくことで、たとえ測定対象物の材料が未知であっても、材料が既知の場合と同様に内部温度Ｔを測定することができる。
【００２４】
さらに、請求項７記載の内部温度の測定装置は、レーザ光の照射によって励起される超音波は縦波と横波であり、速度算出手段は、縦波と横波のうち、少なくともいずれか一方の波の伝播速度を求めるものであり、当該波における前記関係に基づいて内部温度算出手段は測定対象物の内部温度Ｔを求めるものである。
【００２５】
励起用レーザ光源が測定対象物の表面にレーザ光を照射すると、超音波として縦波と横波が励起される。縦波と横波の伝播速度は異なり、縦波の方が速く、横波の方が遅い。二光波混合型レーザ干渉計によって縦波と横波の両方を検出することで、検出した波が縦波であるか横波であるかを識別することができる。内部温度算出手段は縦波と横波の両方に基づいて測定対象物の内部温度Ｔを求めても良いが、いずれか一方の波のみに基づいても内部温度Ｔを求めることができる。
【発明の効果】
【００２６】
請求項１記載の内部温度の測定方法では、材料が既知である測定対象物の表面にレーザ光を照射してその内部を伝播する超音波を励起させると共に、測定対象物の内部を伝播して表面に達した超音波を二光波混合型レーザ干渉計によって検出し、検出した超音波の伝播速度ｖ’をその伝播距離と伝播時間から求め、測定対象物の材料における伝播速度と温度との関係に基づいて測定対象物の内部温度Ｔを求めるので、内部温度Ｔを非接触で迅速に測定することができる。このため、例えば高温環境、放射性環境など測定対象物からの離隔距離を必要とする場合などにおける測定対象物の内部温度測定が可能になる。また、測定対象物が動いていても内部温度Ｔを測定することができる。
【００２７】
また、請求項２記載の内部温度の測定方法では、材料が未知である測定対象物について、その内部を伝播する超音波の伝播速度と温度との関係を予め求めておき、測定対象物の表面にレーザ光を照射してその内部を伝播する超音波を励起させると共に、測定対象物の内部を伝播して表面に達した超音波を二光波混合型レーザ干渉計によって検出し、検出した超音波の伝播速度ｖ’をその伝播距離と伝播時間から求め、関係に基づいて前記測定対象物の内部温度Ｔを求めるようにするので、たとえ測定対象物の材料が未知であっても、材料が既知の場合と同様に内部温度Ｔを測定することができる。
【００２８】
また、請求項３記載の内部温度の測定方法では、レーザ光の照射によって励起される超音波は縦波と横波であり、これら縦波と横波のうち、少なくともいずれか一方の波の伝播速度を求めて当該波における前記関係に基づいて測定対象物の内部温度Ｔを求めるようにしている。即ち、縦波と横波の両方に基づいて内部温度Ｔを求めても良いし、縦波と横波のうちいずれか一方のみに基づいて内部温度Ｔを求めても良い。
【００２９】
また、請求項４記載の内部温度の測定方法では、測定対象物の内部を既知の温度Ｔ０にした状態でレーザ光の照射と二光波混合型レーザ干渉計による超音波の検出を行なって超音波の伝播速度ｖ’(Ｔ０)を求め、伝播速度ｖ’と伝播速度ｖ’(Ｔ０)との比率ａ’を求め、前記関係と比率ａ’とにより内部温度Ｔを校正するので、超音波の伝播距離の誤差に影響されていない内部温度Ｔを求めることができる。このため、内部温度Ｔをより一層高精度に求めることができる。
【００３０】
また、請求項５記載の内部温度の測定装置では、測定対象物の表面にレーザ光を照射してその内部を伝播する超音波を励起させる励起用レーザ光源と、測定対象物の内部を伝播して表面に達した超音波を検出する二光波混合型レーザ干渉計と、二光波混合型レーザ干渉計によって検出された超音波の伝播速度ｖ’をその伝播距離と伝播時間から算出する速度算出手段と、測定対象物の材料における伝播速度と温度との関係を記憶した記憶装置と、速度算出手段が求めた伝播速度ｖ’と記憶装置に記憶されている前記関係とに基づいて測定対象物の内部温度Ｔを求める内部温度算出手段を備えているので、測定対象物の内部温度Ｔを非接触で迅速に測定することができる。このため、例えば高温環境、放射性環境など測定対象物からの離隔距離を必要とする場合などにおける測定対象物の内部温度測定が可能になる。また、測定対象物が動いていても内部温度Ｔを測定することができる。
【００３１】
また、請求項６記載の内部温度の測定装置では、測定対象物の表面にレーザ光を照射してその内部を伝播する超音波を励起させる励起用レーザ光源と、測定対象物の内部を伝播して表面に達した超音波を検出する二光波混合型レーザ干渉計と、二光波混合型レーザ干渉計によって検出された超音波の伝播速度ｖ’をその伝播距離と伝播時間から算出する速度算出手段と、測定対象物について予め求めておいた伝播速度と温度との関係を記憶した記憶装置と、速度算出手段が求めた伝播速度ｖ’と記憶装置に記憶されている前記関係とに基づいて測定対象物の内部温度Ｔを求める内部温度算出手段を備えているので、たとえ測定対象物の材料が未知であっても、材料が既知の場合と同様に内部温度Ｔを測定することができる。
【００３２】
さらに、請求項７記載の内部温度の測定装置では、レーザ光の照射によって励起される超音波は縦波と横波であり、速度算出手段は、縦波と横波のうち、少なくともいずれか一方の波の伝播速度を求めるものであり、当該波における前記関係に基づいて内部温度算出手段は測定対象物の内部温度Ｔを求めるようにしている。即ち、縦波と横波の両方に基づいて内部温度Ｔを求めても良いし、縦波と横波のうちいずれか一方のみに基づいて内部温度Ｔを求めても良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００３４】
図１に、本発明の内部温度の測定装置の実施形態の一例を示す。内部温度の測定装置は、材料が既知である測定対象物１の内部温度を非接触で測定するものであって、測定対象物１の表面にレーザ光を照射してその内部を伝播する超音波を励起させる励起用レーザ光源２と、測定対象物１の内部を伝播して表面に達した超音波を検出する二光波混合型レーザ干渉計３と、二光波混合型レーザ干渉計３によって検出された超音波の伝播速度ｖ’をその伝播距離と伝播時間から算出する速度算出手段４と、測定対象物１の材料における伝播速度と温度との関係を示すデータを格納したファイル５（以下、このファイルに格納されている上記関係について関係５という）を記憶した記憶装置６と、速度算出手段４が求めた伝播速度ｖ’と記憶装置６に記憶されている関係５とに基づいて測定対象物１の内部温度Ｔを求める内部温度算出手段７を備えている。また、本発明の内部温度の測定方法は、材料が既知である測定対象物１の表面にレーザ光を照射してその内部を伝播する超音波を励起させると共に、測定対象物１の内部を伝播して表面に達した超音波を二光波混合型レーザ干渉計３によって検出し、検出した超音波の伝播速度ｖ’をその伝播距離と伝播時間から求め、測定対象物１の材料における伝播速度と温度との関係５に基づいて測定対象物１の内部温度Ｔを求めるものである。二光波混合型レーザ干渉計３には、測定用レーザ光の光源１０が接続されている。
【００３５】
測定対象物１へのレーザ光の照射によって励起される超音波は縦波と横波であり、縦波と横波の伝播速度ｖ’を求めてこれらの関係５に基づいて測定対象物１の内部温度Ｔを求めても良く、縦波と横波のうちいずれか一方の波の伝播速度ｖ’を求めて当該波における関係５に基づいて測定対象物１の内部温度Ｔを求めても良い。
【００３６】
本発明では、固体金属の部材を測定対象物１としている。これにより、例えば火力発電の発電用タービンなど高温になる測定対象物１の内部温度測定に適している。
【００３７】
励起用レーザ光源２からはパルスレーザ光を照射する。パルスレーザ光とすることで、超音波を励起した時間を正確に把握することが可能になると共に、短時間にエネルギーを集中することで検出できる程度の超音波の励起が容易になる。
【００３８】
測定対象物１へのレーザ光の照射位置（超音波の励起位置）８と二光波混合型レーザ干渉計３による超音波の検出位置９は、レーザ光の照射又は超音波の検出が可能であり、測定対象物１の内部が伝播経路となるのであればいずれの位置に設けても良い。照射位置８と検出位置９を測定対象物１の同一面に設けても良く、あるいは異なる面に設けても良い。また、照射位置８と検出位置９を測定対象物１の同一面に設けた場合には、これらを別々の位置にしても良く、同じ位置にしても良い。さらに、二光波混合型レーザ干渉計３によって検出する超音波は測定対象物１の内部を伝播したものであれば良く、途中で反射して検出位置９に到達した波でも、途中で反射せずに検出位置９にそのまま到達した波でも良い。本実施形態では、例えば測定対象物１の一側面１ａに照射位置８と検出位置９とを距離ｄだけ離して設けている。即ち、照射位置８と検出位置９とは測定対象物１の同一面に設けられている。また、照射位置８と検出位置９とは別々の位置である。さらに、レーザ光の照射により励起された超音波は測定対象物１の内部を伝播し、反対面１ｂで反射して検出位置９へと伝播する。
【００３９】
励起用レーザ光源２から測定対象物１の一側面１ａに対してレーザ光を垂直に照射しても良いが、斜めに照射しても良い。また、二光波混合型レーザ干渉計３から照射するレーザ光も測定対象物１の一側面１ａに対して垂直に照射しても良いが、斜めに照射しても良い。
【００４０】
本実施形態では、少なくとも１つのＣＰＵやＭＰＵなどの演算処理装置と、データの入出力を行うインターフェースと、プログラムやデータを記憶するメモリとを備えるコンピュータ１１と所定の制御ないし演算プログラムによって、速度算出手段４及び内部温度算出手段７を実現している。即ち、演算処理装置は、メモリに記憶されたＯＳ等の制御プログラム、測定対象物１の内部温度Ｔを求める手順等を規定したプログラム及び所要データ等により、速度算出手段４及び内部温度算出手段７を実現している。また、コンピュータ１１には、例えばディスプレイやプリンター等の出力装置と、記憶装置６が接続されている。記憶装置６には、測定対象物１の材料における伝播速度と温度との関係５や伝播距離Ｄに関するデータが記憶されている。記憶装置６は、例えばハードディスク装置である。
【００４１】
次に、本発明による測定の原理を図２に基づいて説明する。
【００４２】
励起用レーザ光源２からレーザ光を測定対象物１の表面に照射し(Ａ)、測定対象物１の内部を伝播する超音波（バルク波）を励起する(Ｂ)。レーザ光の照射によって超音波として縦波と横波が励起される。そして、測定対象物１の内部を伝播した縦波と横波を、レーザ光の照射位置（励起位置）８から距離ｄをおいた検出位置（測定位置）９において二光波混合型レーザ干渉計（フォトリトラクティブ型レーザ干渉計）３を用いて測定し(Ｃ)、照射位置８から検出位置９までの伝播時間と伝播距離から伝播速度ｖ’を算出する(Ｄ)。予め求めておいた速度―温度特性の校正曲線（関係５）から、求めた伝播速度ｖ’に対応する温度を求める(Ｅ)。
【００４３】
実際の測定では、レーザ光の照射によって縦波と横波の他に表面波も生じる。また、縦波又は横波が反対面１ｂで反射する際に横波又は縦波に変換されて検出位置９に到達するモード変換波も生じる。したがって、二光波混合型レーザ干渉計３による波の検出の際、各波の識別が必要である。測定対象物１の内部を伝播する波は伝播経路は同じであるが、伝播速度の違いから縦波、モード変換波、横波の順で検出位置９に到達するのでこれらの識別が可能である。また、表面波と測定対象物１の内部を伝播する波とは伝播経路が異なることから識別可能である。即ち、表面波の伝達経路が測定対象物１の内部を伝播する波の伝達経路よりも十分短くなり、検出位置９に到達した表面波が収束した後に縦波が到達するように照射位置８と検出位置９との間の距離ｄを決定する。一般的には距離ｄを短くすることで、表面波の伝播時間が縦波の伝播時間に比べて著しく小さくなるので、表面波と縦波との識別が付きやすくなる。
【００４４】
本発明によって測定される内部温度Ｔは超音波の伝播経路における平均値である。測定対象物１の内部に温度勾配がある場合、縦波又は横波を用いて得られる内部温度Ｔは内部の平均温度となる。
【００４５】
次に、測定対象物１の内部温度Ｔの測定について説明する。
【００４６】
先ず最初に、測定対象物１の材料における伝播速度と温度との関係５、即ち図２（ｂ）に示す速度―温度特性の校正曲線（以下、校正曲線５という）を作成する。なお、この校正曲線５が既に明らかになっている場合にはここでの校正曲線５の作成を省略することができる。
【００４７】
測定対象物１と同じ材料の試料を使用して校正曲線５を作成する。試料として測定対象物１を使用しても良いし、測定対象物１とは別に試料を準備しても良い。温度を例えば室温から高温まで変化させることが可能な環境（電気炉内など）に試料を設置し、励起用レーザ光源２からパルスレーザ光を照射して試料の表面に線状または点状に集光し、試料の内部を伝播する縦波と横波を励起する。パルスレーザ光の照射位置８から距離ｄ（例えば５〜１５ｍｍ程度）をおいた検出位置９において二光波混合型レーザ干渉計３を用いて縦波と横波を検出し、伝播時間と伝播距離の関係５から縦波の伝播速度ｖＬ(Ｔ)、横波の伝播速度ｖＴ(Ｔ)を算出する。伝播時間はパルスレーザ光を照射した時間と二光波混合型レーザ干渉計３によって縦波・横波を検出した時間との差から求められる。また、試料が例えば板状部材の場合、照射位置８から検出位置９までの距離がｄ、試料の厚みがｔのとき、横波と縦波の伝播距離は、Ｄ＝２［（ｄ／２）２＋ｔ２］１／２となる。同時に、試料の温度を熱電対などの手段によって測定する。試料の温度を変えて測定を繰り返し行なうことで、例えば図２（ｂ）に示す校正曲線５を作成する。校正曲線５は縦波と横波のそれぞれについて作成され、記憶装置６に記憶される。
【００４８】
次に、測定対象物１の内部温度Ｔの測定を行なう。内部温度が未知である測定対象物１の表面に励起用レーザ光源２から例えばパルスレーザ光を照射して線状または点状に集光し、測定対象物１の内部を伝播する縦波と横波を励起する。パルスレーザ光の照射位置８から距離ｄ（例えば５〜１５ｍｍ程度）をおいた検出位置９において二光波混合型レーザ干渉計３を用いて縦波と横波を検出し、伝播時間と伝播距離Ｄから縦波の伝播速度ｖ’Ｌ、横波の伝播速度ｖ’Ｔを算出する。この算出は速度算出手段４によって行なわれる。なお、伝播時間は励起用レーザ光源２がパルスレーザ光を照射した時間と二光波混合型レーザ干渉計３によって縦波・横波を検出した時間との差から求められる。速度算出手段４は、例えば励起用レーザ光源２がパルスレーザ光の照射と同時に出力する電気信号を受けて、あるいはパルスレーザ光を捉えた光検出器の出力信号を受けてパルスレーザ光が照射された時間を検出すると共に、二光波混合型レーザ干渉計３から出力された各波の検出信号に基づいて縦波が検出された時間と横波が検出された時間を検出する。また、伝播距離Ｄは照射位置８と検出位置９との距離ｄと厚さｔとにより予め算出されており、記憶装置６に記憶されている。速度算出手段４は記憶装置６に記憶されている伝播距離Ｄを参照する。速度算出手段４が求めた縦波の伝播速度ｖ’Ｌと横波の伝播速度ｖ’Ｔは内部温度算出手段７に供給される。
【００４９】
内部温度算出手段７は、速度算出手段４が求めた伝播速度ｖ’Ｌ，ｖ’Ｔと記憶装置６に記憶されている校正曲線５とに基づいて測定対象物１の内部温度Ｔを求める。即ち、縦波の伝播速度ｖ’Ｌと縦波の校正曲線５、横波の伝播速度ｖ’Ｔと横波の校正曲線５をそれぞれ比較し、ｖ’Ｌ＝ｖＬ(Ｔ)、ｖ’Ｔ＝ｖＴ(Ｔ)となるＴの値を求め、測定対象物１の内部温度とする。ここで、ｖＬ(Ｔ)は縦波の校正曲線５の温度Ｔにおける伝播速度、ｖＴ(Ｔ)は横波の校正曲線５の温度Ｔにおける伝播速度である。このようにして、測定対象物１の内部温度Ｔが測定される。
【００５０】
なお、添字Ｌは縦波であることを意味し、添字Ｔは横波であることを意味する。例えば伝播速度ｖ’Ｌは縦波の伝播速度ｖ’を、伝播速度ｖ’Ｔは横波の伝播速度ｖ’をそれぞれ意味する（以下、同様）。また、符号’が有るものは測定に基づく値を、無いものは校正曲線５に基づく値を意味する（以下、同様）。
【００５１】
励起用レーザ光源２のレーザ光と二光波混合型レーザ干渉計３から測定のために照射されるレーザ光を集光するレンズの焦点距離は通常数十cmであるため、本発明は測定対象物１の表面から数十cmの離隔距離をもって測定を行なうことができる。よって、たとえ測定対象物１が高温下にある場合でも、遮熱壁を隔てた室温環境からの測定が可能である。なお、この場合には、遮熱壁にレーザ光の入出力のための窓を設けることが好ましい。また、測定対象物１が高速で移動している場合でも、接触の危険性がない安全な離隔距離を置いた場所からの遠隔測定が可能である。このため、例えば高温で運転される火力発電の発電用タービン等の電力設備の温度測定に適している。
【００５２】
なお、熱膨張によって測定対象物１のサイズが変化し、縦波と横波の伝播距離が若干変化するが、この変化量は僅かであり無視することができる。
【００５３】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【００５４】
例えば、上述のようにして測定した内部温度Ｔを既知温度における測定結果で校正しても良い。即ち、測定対象物１の内部を既知の温度Ｔ０にした状態でレーザ光の照射と二光波混合型レーザ干渉計３による超音波の検出を行なって超音波の伝播速度ｖ’(Ｔ０)を求め、伝播速度ｖ’と伝播速度ｖ’(Ｔ０)との比率ａ’を求め、関係５と比率ａ’とにより内部温度Ｔを校正しても良い。
【００５５】
つまり、既知温度Ｔ０の雰囲気中に長時間放置するなどして測定対象物１の内部を既知温度Ｔ０にする。この状態で上述した内部温度Ｔの測定と同様にして縦波の伝播速度ｖ’Ｌ(Ｔ０)と横波の伝播速度ｖ’Ｔ(Ｔ０)を求める。即ち、測定対象物１の内部温度が既知である点を除いて内部温度Ｔを測定した場合と同じ条件で伝播速度ｖ’Ｌ(Ｔ０)，ｖ’Ｔ(Ｔ０)を求める。そして、内部温度Ｔの測定時に求めた伝播速度ｖ’Ｌ，ｖ’Ｔとの比率ａ’Ｌ＝ｖ’Ｌ／ｖ’Ｌ（Ｔ０）、ａ’Ｔ＝ｖ’Ｔ／ｖ’Ｔ（Ｔ０）を求める。そして、校正曲線５に基づいてａ’Ｌ＝ｖＬ（Ｔ）／ｖＬ（Ｔ０）、ａ’Ｔ＝ｖＴ（Ｔ）／ｖＴ（Ｔ０）となるＴの値を求め、このＴを測定対象物１の内部温度とすることで校正を行なっても良い。ここで、ｖＬ（Ｔ）は縦波の校正曲線５における温度Ｔの伝播速度、ｖＬ（Ｔ０）は縦波の校正曲線５における温度Ｔ０の伝播速度、ｖＴ（Ｔ）は横波の校正曲線５における温度Ｔの伝播速度、ｖＴ（Ｔ０）横波の校正曲線５における温度Ｔ０の伝播速度である。
【００５６】
このように比率ａ’Ｌ，ａ’Ｔを使用して校正を行なうことで、仮に内部温度Ｔの測定時の縦波と横波の伝播距離に誤差があったとしても、その誤差の影響を排除した内部温度Ｔを求めることができる。
【００５７】
また、上述の説明では、測定対象物１の同じ面に照射位置８と検出位置９とを距離ｄだけ離して設けていたが、照射位置８と検出位置９とを同じ位置（ｄ＝０）に設けても良い。この場合の例を図３に示す。この場合には、検出位置９では超音波の励起と同時に表面波が検出されることになり、縦波が検出されるまでの時間を十分確保することができるので、表面波と縦波との識別が容易になる。
【００５８】
また、上述の説明では、測定対象物１の同じ面に照射位置８と検出位置９とを設けていたが、必ずしも照射位置８と検出位置９とを同じ面に設ける必要はなく、これらを異なる面に設けても良い。例えば図４に示すように、照射位置８を設けた面に対して裏面に検出位置９を設けても良い。この場合には、検出位置９において表面波が検出されることがないので縦波の識別が容易になる。
【００５９】
また、上述の説明では、縦波と横波の両方を使用して内部温度Ｔを測定していたが、縦波と横波のうちいずれか一方に基づいて内部温度Ｔを測定しても良い。さらに、モード変換波に基づいて内部温度Ｔを測定しても良い。この場合、縦波と横波の両方、又は縦波と横波のいずれか一方とモード変換波とに基づいて内部温度Ｔを測定しても良いし、モード変換波のみによって内部温度Ｔを測定しても良い。
【００６０】
なお、モード変換波の校正曲線５は実際の測定によって求めることも可能であるし、縦波の校正曲線５と横波の校正曲線５に基づいて算出することも可能である。即ち、モード変換波の伝播時間（到達時間）は縦波の伝播時間と横波の伝播時間との平均値であり、伝播距離Ｄは縦波・横波の伝播距離と同一であることから、縦波の校正曲線５と横波の校正曲線５が分かれば、モード変換波の校正曲線５を算出することができる。したがって、縦波と横波の場合と同様にモード変換波に基づいて内部温度Ｔを測定することができる。
【００６１】
また、上述の説明では、材料が既知である測定対象物１の内部温度Ｔを測定していたが、本発明は材料が未知である測定対象物１の内部温度Ｔを測定することもできる。即ち、たとえ測定対象物１の材料が未知であっても、その測定対象物１について予め校正曲線５を求めておき、記憶装置６に記憶しておくことで、測定対象物１の材料が既知の場合と同様に、内部温度Ｔを測定することができる。
【実施例１】
【００６２】
本発明によって測定対象物１の内部温度Ｔを測定できることを確認するための実験を行なった。実験に使用した装置の概略構成を図５に示す。励起用レーザ光源２としてＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザ（Big Sky Laser製CFR200、波長532nm、最大パルスエネルギー120mJ、パルス幅約10ns、繰り返し20Hz）を用いた。励起用レーザ光源２からのレーザ光を試料に伝送し照射する光学系、二光波混合型レーザ干渉計３から測定用のレーザ光を試料に伝送し照射する光学系、試料からの反射光を二光波混合型レーザ干渉計３に入射する光学系として光ファイバを用いた。ただし、レーザ光の空中伝播を用いても良い。表面波を測定する場合には、レーザ光を焦点距離400mmの円柱レンズでビームを線状に集光した。この場合の試料（測定対象物１）表面上におけるスポットの大きさは長さ約1cm、幅約0.5mmであった。横波と縦波を測定する場合には、焦点距離300mmの球面レンズでビームを点状に集光した。試料への照射エネルギーは約30mJ/パルス、スポット径は約1mmであった。
【００６３】
試料表面を伝播した表面波、あるいは試料内部を伝播し、裏面で反射した横波と縦波は照射位置８から約5cm離れた検出位置９において二光波混合型レーザ干渉計３（TECNAR製TWM）を用いて検出した。本干渉計は測定用レーザ光源１０を用いて試料へ照射するレーザ光と、試料からの反射光を結晶内で混合し、この際に発生する回折光と反射光の干渉信号を得る。マイケルソン型等のレーザ干渉計は反射光と照射光をそのまま干渉させるため、試料表面の粗さによって反射光の位相分布に大きな変化が生じると干渉信号が得られない短所があるが、二光波混合型レーザ干渉計３は反射光の位相分布に大きな変化が生じても干渉信号が得られる利点がある。また、本装置では感度向上のために二光波混合型レーザ干渉計３の光源に、パルス動作が可能なロングパルスレーザ（TECNAR製PDL、波長1064nm、ピーク出力500W、繰り返し20Hz）を用いている。二光波混合型レーザ干渉計３の出力信号はノイズを除去するためのバンドパスフィルタ（NF Electronic Instruments製FV-628S、透過帯域0.5〜10MHzに設定）を介し、デジタルオシロスコープ（テクトロニクス製TDS5054、帯域500MHz、サンプリング速度5GS/s）によって測定した。
【００６４】
試料は電気炉内に設置し、試料温度はＫ熱電対によってモニタした。ここで用いた電気炉は赤外線ゴールドイメージ炉（アルバック理工製RHL-P86C）である。炉の長さは30cm（加熱長20cm）、炉口径は10cmであり、試料は加熱部中心付近に設置した。炉内温度は温度コントローラ（アルバック理工製TPC-1000）によって制御した。レーザ照射の繰り返し周波数が20Hz、オシロスコープで100ショット分を積算すること（つまり、波形を得るための積算時間5秒）を考慮し、炉内温度の変化は4℃/min以下とした。
【００６５】
次に、測定精度の検討を行なった。
【００６６】
レーザ超音波を用いた温度測定精度は超音波の伝播速度の測定精度に大きく依存する。よって、伝播速度の測定精度を把握するために、同一条件にて波形を複数回測定した。試料には９Ｃｒ鋼を用い、照射位置８から検出位置９までの距離は10mmとした。測定波形の一例を図６に示す。表面波は３．８μｓ付近、縦波は５．５μｓ付近に現れている。
【００６７】
図６に示した波形について、破線で示した極小値に相当する時間から表面波と縦波の到達時間（５つの波形の平均値および標準偏差）はｔＳ＝３．７２３±０．００７μｓ、ｔＬ＝５．５２６±０．００７μｓであった。波形のサンプリング間隔は０．００４μｓであるため、ばらつきは±２点の範囲内に収まる。上記の結果から、ショット毎のばらつきに起因する到達時間（伝播時間）の相対誤差はδt/t＜０．２％と見積もられた。
【００６８】
対象とする超音波の照射位置８から検出位置９までの伝播距離をＤとした場合、伝播速度はｖ＝Ｄ／ｔで与えられる。照射位置８と検出位置９を固定すればＤは変化しないため、ショット毎のばらつきに起因する伝播速度の相対誤差もδv/v＜０．２％となる。
【００６９】
次に、測定可能な温度変化の下限値を見積もる。任意の基準温度T0における伝播速度がv0であると仮定し、未知の温度Tにおける伝播速度がvであるとする。温度変化および伝播速度変化が十分小さい場合（Ｔ−Ｔ０<<Ｔ０）、１次項までを考慮したテイラー展開から数式１が得られる。ここでｄｖ／ｄＴは図２（ｂ）に示した校正曲線５の傾きに相当する。よって、温度変化をΔＴ＝Ｔ−Ｔ０、伝播速度変化をΔｖ＝ｖ−ｖ０、温度Ｔ０における校正曲線５の勾配をα(Ｔ０)とすると、数式２が成り立つ。
【００７０】
【数１】
2009031180.tif 000003
【数２】
2009031180.tif 000004
【００７１】
数式２は伝播速度の測定値に全くばらつきが存在しなかった場合、伝播速度がΔｖ変化したことは温度がΔｖ／αだけ変化したことを意味している。しかし、実際は前述の通りショット毎のばらつきや試料表面の変化などに起因する測定誤差δｖが存在するため、伝播速度変化がδｖ以下であった場合はこれが温度変化に起因するものなのか、ばらつきによる誤差なのかの見分けがつかない。よって、本発明で求められる温度変化の下限値はδｖに相当する温度変化量（数式３）となる。δＴの実際の数値は校正曲線５を求めてから算出することとする。
【００７２】
【数３】
2009031180.tif 000005
【００７３】
次に、高温測定実験結果について説明する。
鋼材料中の超音波の伝播速度の温度依存性を調べるために、試料（ＳＵＳ３１６および９Ｃｒ鋼）を電気炉内に設置し、測定実験を行った。ここでは電気炉内に励起用レーザ光（励起用レーザ光源２からの照射）と測定用レーザ光（二光波混合型レーザ干渉計３からの照射）を照射するための光学系の配置の制約から、照射位置８から検出位置９までの距離は10mmとした。ＳＵＳ３１６試料の厚みは14mm、９Ｃｒ鋼試料の厚みは20mmであった。電気炉内の温度は熱電対によって制御し、室温から700℃まで４℃/minで昇温した。二光波混合型レーザ干渉計３で得られた超音波波形は100ショット分を平均し、60秒間隔で測定した（よって、４℃おきに波形を取得した）。
【００７４】
本装置で測定可能な超音波の伝播モードは、(１)照射位置８で発生し、試料表面上を検出位置９まで伝播する表面波（SW: surface wave）、(２)照射位置８で発生し、試料内部を伝播し、裏面で反射して検出位置９に到達する縦波（LW: longitudinal wave）、(３)照射位置８で縦波（又は横波）として発生し、裏面で反射する際に横波（又は縦波）に変換されて検出位置９に到達するモード変換波（CW: Conversion Wave）、および(４)照射位置８で発生し、裏面で反射して検出位置９に到達する横波である（TW: Transverse Wave）。これらを図７に模式的に示す。図７（ａ）は表面波、（ｂ）は縦波、（ｃ）はモード変換波、（ｄ）は横波である。
【００７５】
（ＳＵＳ３１６）
ＳＵＳ３１６試料について、室温〜700℃において得られた波形のうち、50℃間隔における波形を図８に示す。また、同温度領域において得られた全ての波形の振幅を遅延時間および温度の関数として図９に示す。図９では信号の０レベルを灰色とし、(＋)の部分を明色、(−)の部分を暗色で表示してある。よって、波の到達によって信号が±に振れた時間においては明暗色が交互に現れている。図９では昇温とともに表面波波形に揺らぎが生じていることが分かる。温度100〜150℃にかけて顕著となっている揺らぎはレーザ照射による表面の変化に起因し、温度600℃以上における揺らぎは昇温による表面酸化に起因すると考えられる。このように、表面波波形は測定状況によって大きく変化することから、伝播速度の正確な算出が困難で、温度測定には不向きである。
【００７６】
図８および図９から、モード変換波の到達時間（伝播時間）ｔＣは縦波の到達時間ｔＬと横波の到達時間ｔＴの平均値であることがわかる。これはモード変換波は裏面に到達するまで縦波（横波）、裏面で反射して表面に到達するまで横波（縦波）として伝播するため、所要時間はｔＣ＝ｔＬ／２＋ｔＴ／２となるためである。一例として、温度100℃における到達時間はｔＬ＝５．７μｓ、ｔＣ＝８．０μｓ、ｔＴ＝１０．３μｓであり、ｔＣ＝（ｔＬ＋ｔＴ）／２であることが確認できる。
【００７７】
縦波と横波の到達時間から得られたＳＵＳ３１６中の縦波と横波の伝播速度を個々の温度において算出した結果を図１０および図１１に示す（算出方法については後述する）。ＳＵＳ３１６に関しては、室温〜700℃の温度範囲において伝播速度は概ね線形に変化した。最小二乗法を用いた線形近似から得られた縦波の伝播速度ｖＬと横波の伝播速度ｖＴはそれぞれ数式４、数式５であった。
【００７８】
［数４］
ｖＬ［m/s］＝５９４０−０．７４Ｔ［℃］
［数５］
ｖＴ［m/s］＝２９２０−０．３８Ｔ［℃］
【００７９】
図１０および図１１から、各温度における伝播速度の実測値の線形近似からのばらつきはδｖＬ〜10m/s、δｖＴ〜3m/sであった。線形近似の場合、傾きαは一定であるため、温度変化の測定下限値は縦波の場合はδＴ＝１４℃、横波の場合はδＴ＝８℃と見積もられる。横波の方が誤差が少ない要因として、伝播時間がより長いことから時間的なばらつきの影響が相対的に小さいことが考えられる。温度測定精度としては、例えば温度500℃において横波を用いた場合は２％以下の精度が期待できる。
【００８０】
（９Ｃｒ鋼）
ＳＵＳ３１６の場合と同様に、９Ｃｒ鋼試料について、室温〜700℃において得られた波形のうち、50℃間隔における波形を図１２に示す。温度500℃以上においては表面の酸化のため反射率が変化し、受光信号が減少した。また、９Ｃｒ鋼においては、ＳＵＳ３１６に比べモード変換波の振幅が小さいことが分かる。
【００８１】
得られた波形の振幅を遅延時間および温度の関数として図１３に示す。図９と同様に波の到達によって信号が±に振れた時間においては明暗色が交互に現れている。また、温度500℃以上においては受光信号強度が減少したため、図１３では各波の到達時間を示す明暗の曲線に連続性を持たせるために温度500℃以上の波形については色づけを10倍の感度として表示した。
【００８２】
ＳＵＳ３１６の場合と同様に、昇温とともに表面波波形には揺らぎが生じていることから、表面波波形は温度測定に不向きであることが分かる。図１３から得られた９Ｃｒ鋼中の縦波と横波の伝播速度を個々の温度において算出した結果を図１４および図１５に示す（算出方法については後述する）。信号強度不足のため、検出位置９に到達した時間が確定できず、速度値が大きくばらついた点は除外した。９Ｃｒ鋼に関しては、室温〜400℃の温度範囲において伝播速度は概ね線形に変化したが、400℃以上においては直線近似から離脱し、昇温とともに伝播速度の変化がより大きくなる曲線となった。
【００８３】
図１４、図１５に示した縦波と横波の伝播速度の温度依存性を二次の多項式である数式６で近似し、最小二乗法によって係数ａ、ｂ、ｃを求めた。得られた縦波の伝播速度ｖＬおよび横波の伝播速度ｖＴはそれぞれ数式７、数式８であった。ここでＴ［℃］は温度である。縦波および横波の伝播速度が温度の二次の多項式となる物理的理由はないので、これはあくまでも近似式である。
【００８４】
［数６］
ｖ（Ｔ）＝ａＴ２＋ｂＴ＋ｃ
［数７］
ｖＬ[m/s]＝（−１．０×１０−３）Ｔ２−０．１８Ｔ＋５９００
［数８］
ｖＴ[m/s]＝（−７．８×１０−４）Ｔ２−０．２２Ｔ＋３３４０
【００８５】
図１４から、各温度における縦波の伝播速度の実測値の近似曲線からのばらつきはδｖＬ〜10m/sであった。近似曲線の傾きαは温度とともに変化するので温度変化の測定下限値δＴは温度によって異なる。一例として、500℃においてはα＝−１．１８となり、温度変化の測定下限値はδＴ＝８℃と見積もられるため、２%以下の精度が期待できる。
【００８６】
以上の結果から、ＳＵＳ３１６および９Ｃｒ鋼について、縦波と横波の伝播速度の温度依存性を求めることができた。これらを校正曲線５として用いることにより、測定した伝播速度から温度を逆算することが可能となる。即ち、一つの速度値は一つの固有温度値に相当することから、伝播速度を求めることにより温度値を逆算できることがわかった。なお、表面波については、昇温に伴う表面状態の変化により、温度依存性を求めることができなかった。つまり、表面波については、試料の表面変化によるばらつきが大きいことから伝播速度の正確な算出が困難であり、温度測定に不適である。一方、縦波、横波、モード変換波については、試料の表面変化によるばらつきが小さいことから伝播速度の正確な算出が可能であり、温度測定に適用可能であることがわかった。
【００８７】
ＳＵＳ３１６の場合、縦波と横波の伝播速度は温度に対して線形に変化したが、９Ｃｒ鋼の場合は400℃以上において直線近似から離脱する曲線を示した。ただし、いずれの材料においても一つの速度値は一つの固有温度値に相当する。他の材料についても同様である。したがって、本発明によって測定対象物１の内部温度Ｔを測定できることがわかった。
【００８８】
なお、到達時間（伝播時間）の算出方法は以下の通りである。
【００８９】
試料温度を徐々に変化させて超音波波形を連続的に測定すると、到達時間が微小に変化した波形の系列が得られる。図８、図１２では50℃毎の波形を示したが、実際は約４℃刻みで波形が得られる。試料温度に対する伝播速度依存性を得るには各温度値における到達時間を波形から見出す必要があるが、本発明では波形相関に基づく以下の手法を用いた。
【００９０】
まず、既知温度（通常、昇温開始前の室温）において得られた波形のうち、縦波、横波に相当する部分を切り出して参照波形ｒＬ(ｔ)、ｒＴ(ｔ)として記録する。
【００９１】
次に、未知温度において得られた波形のうち、縦波、横波に相当する部分を切り出して測定波形ｍＬ(ｔ)、ｍＴ(ｔ)とする。この一例を図１６に示す。
【００９２】
各波の到達時間の変化が伝播速度の変化にのみ起因していると仮定すると、測定波形は参照波形に対してΔｔだけ遅延した形となる。しかし、実際はショットノイズδ(ｔ)も重畳されているため、測定波形と参照波形の関係は数式９、数式１０となる。ここで、多数の波形についてΔｔをいかに決定するかが課題となる。
【００９３】
［数９］
ｍＬ(ｔ)＝ｒＬ（ｔ−ΔｔＬ）＋δＬ(ｔ)
［数１０］
ｍＴ(ｔ)＝ｒＴ（ｔ−ΔｔＴ）＋δＴ(ｔ)
【００９４】
以下、縦波についての処理について述べる（横波についても同様の処理である）。まず、参照波形をt'だけずらした場合の測定波形との差異を表す関数ｅＬ(t')を数式１１のように定義する。
【００９５】
【数１１】
2009031180.tif 000006
ここで、t'の値を走査すると、t'＝Δｔとなる時にｅＬ(t')は最少値をとる（数式１２）。
【００９６】
【数１２】
2009031180.tif 000007
よって、各温度値に対応する全ての測定波形を参照波形と比べることにより、各温度値における時間遅延ΔｔＬが求まる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の内部温度の測定装置の実施形態の一例を示す概略構成図である。
【図２】レーザ超音波を用いた温度測定の概念を示し、（ａ）はレーザ光の照射によって励起した超音波を検出する様子を示す図、（ｂ）校正曲線を示す図である。
【図３】レーザ光の照射と超音波の検出の他の実施形態を示す概念図である。
【図４】レーザ光の照射と超音波の検出の更に他の実施形態を示す概念図である。
【図５】実験装置の配置を示す概略構成図である。
【図６】表面波と縦波の測定波形の一例を示す図である。
【図７】測定可能な超音波のモードの概念を説明するための図であり、（ａ）は表面波を示す図、（ｂ）は縦波を示す図、（ｃ）はモード変換波を示す図、（ｄ）は横波を示す図である。
【図８】試料：ＳＵＳ３１６ついて異なる温度において得られた波形を示す図である。なお、ＳＷ：表面波、ＬＷ：縦波、ＣＷ：モード変換波、ＴＷ：横波であり、５０℃間隔で表示している。
【図９】試料：ＳＵＳ３１６ついて室温〜７００℃において得られた超音波の振幅を示す図である。なお、ＳＷ：表面波、ＬＷ：縦波、ＣＷ：モード変換波、ＴＷ：横波であり、約４℃間隔にて表示している。
【図１０】ＳＵＳ３１６中の縦波の伝播速度の温度依存性を示す図である。
【図１１】ＳＵＳ３１６中の横波の伝播速度の温度依存性を示す図である。
【図１２】試料：９Ｃｒ鋼について異なる温度において得られた波形を示す図である。なお、ＳＷ：表面波、ＬＷ：縦波、ＣＷ：モード変換波、ＴＷ：横波であり、５０℃間隔で表示している。
【図１３】試料：９Ｃｒ鋼について室温〜７００℃において得られた超音波の振幅を示す図である。なお、ＳＷ：表面波、ＬＷ：縦波、ＣＷ：モード変換波、ＴＷ：横波であり、約４℃間隔にて表示している。
【図１４】９Ｃｒ鋼中の縦波の伝播速度の温度依存性を示す図である。なお、信号強度不足のため速度値が大きくばらついた点は除外している。
【図１５】９Ｃｒ鋼中の横波の伝播速度の温度依存性を示す図である。
【図１６】参照波形と測定波形の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００９８】
１  測定対象物
２  励起用レーザ光源
３  二光波混合型レーザ干渉計
４  速度算出手段
５  測定対象物１の材料における伝播速度と温度との関係
６  記憶装置
７  内部温度算出手段
【図１】
2009031180.tif 000008
【図２】
2009031180.tif 000009
【図３】
2009031180.tif 000010
【図４】
2009031180.tif 000011
【図５】
2009031180.tif 000012
【図６】
2009031180.tif 000013
【図７】
2009031180.tif 000014
【図８】
2009031180.tif 000015
【図１０】
2009031180.tif 000016
【図１１】
2009031180.tif 000017
【図１２】
2009031180.tif 000018
【図１４】
2009031180.tif 000019
【図１５】
2009031180.tif 000020
【図１６】
2009031180.tif 000021
【図９】
2009031180.tif 000022
【図１３】
2009031180.tif 000023