JP2011203193A - 温度推定装置及び温度推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】対象物の温度分布を推定する。
【解決手段】所定の輻射率範囲内の輻射率をもつ領域Ａの温度情報を測定対象物１０の熱画像から取り込むステップと、取り込まれた温度情報に基づいて、その輻射率範囲外の輻射率をもつ領域の温度情報を推定するステップと、取り込まれた温度情報と推定された温度情報とに基づいて、測定対象物１０の温度分布を作成するステップと、を備える温度推定方法が提供される。また、この方法により測定対象物１０の温度分布を推定する温度推定装置が提供される。
【選択図】図２

Description

本発明は、物体の温度を推定するための温度推定装置及び温度推定方法に関する。

特許文献１には、サーモグラフィ及び気象データ計測機器の測定結果を用いて、温度計を埋設できない地盤表層領域の地中温度を求める地中温度測定方法が記載されている。

特開平１０−４８０５４号公報

一般にサーモグラフィは表面の比較的広い範囲で相対的に温度を比較することができる簡便で有用な方法である。しかし、表面の輻射率が不明である場合には絶対温度の精度は保証されない。特に表面が光沢をもつ場合には反射の影響により測定誤差が大きくなることが知られている。

そこで、本発明は、対象物の温度分布を精度よく推定することを可能とすることを目的とする。

本発明のある態様によれば、対象物を表す解析モデルに温度分布を与えるための温度推定装置が提供される。この装置は、前記対象物の熱画像を撮像するサーモグラフィユニットを含む温度情報取得部と、前記解析モデルにおいて輻射率の既知領域に設定される測定点の位置と、前記熱画像を含む温度情報から得られる当該測定点の温度とを対応づける温度情報処理部と、前記解析モデルにおいて輻射率の未知領域に設定される評価点の温度を、当該評価点と前記測定点との位置関係及び前記測定点の温度に基づいて推定する温度推定部と、を備える。温度推定部は、前記測定点の温度を該測定点の位置における温度拘束境界条件として伝熱解析を実行することにより、前記解析モデルにおいて輻射率の未知領域に設定される評価点の温度を推定してもよい。

本発明の別の態様は、解析装置である。この装置は、本発明の一実施形態に係る温度推定装置により作成された温度分布を用いて解析モデルに設定される評価範囲の熱変形を解析する。

本発明のさらに別の態様は、対象物を表す解析モデルに温度分布を与えるための温度推定方法である。この方法は、前記対象物の熱画像を含む温度情報を取得するステップと、前記解析モデルにおいて輻射率の既知領域に設定される測定点の位置と、前記温度情報から得られる当該測定点の温度とを対応づけるステップと、前記解析モデルにおいて輻射率の未知領域に設定される評価点の温度を推定するステップと、を備える。推定ステップは、当該評価点と前記測定点との位置関係及び前記測定点の温度に基づいて評価点の温度を推定してもよい。推定ステップは、前記測定点の温度を該測定点の位置における温度拘束境界条件として伝熱解析を実行することにより評価点の温度を推定してもよい。

本発明のさらに別の態様は、温度推定方法である。この方法は、所定の輻射率範囲内の輻射率をもつ領域の温度情報を対象物の熱画像から取り込むステップと、取り込まれた温度情報に基づいて、前記輻射率範囲外の輻射率をもつ領域の温度情報を推定するステップと、取り込まれた温度情報と推定された温度情報とに基づいて、前記対象物の温度分布を作成するステップと、を備える。

本発明のさらに別の態様は、温度推定装置である。この装置は、物体表面の輻射率が既知である部位から放射される赤外線放射エネルギーを検出することにより当該部位の温度を測定する温度測定部と、前記物体において輻射率が未知である部位の温度を、輻射率が既知である部位との位置関係と測定温度とに基づいて推定することにより、前記物体の温度分布を作成する温度推定部と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システム、コンピュータプログラム、データ構造、記録媒体等の間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、対象物の温度分布を精度よく推定することができる。

本発明の一実施形態に係る温度推定装置に好適な射出成型機の正面図である。 本発明の一実施形態に係る温度推定装置の構成を模式的に示す図である。 本発明の他の一実施形態に係る温度推定装置の構成を模式的に示す図である。 本発明の他の一実施形態に係る温度推定装置の構成を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る処理装置の構成を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る温度推定装置が処理する主な機能ブロックを図示したものである。 本発明の一実施形態に係る温度推定処理を説明するためのフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る解析モデルの一例を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る温度推定処理を説明するためのフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る温度推定処理を説明するためのフローチャートである。

本発明の一実施形態によれば、サーモグラフィを用いて光沢のある面の温度分布を推定する方法が提供される。光沢面には黒体マークが形成され、そのマークにおける実測温度から光沢面の他の領域の温度分布が推定される。黒体マーク領域の温度情報は対象物の解析モデル上のマーク位置に対応づけられ、黒体マーク以外の領域の温度情報は排除される。黒体マーク領域の温度情報に基づく推定により、排除された領域の温度情報が新たに生成される。このようにして、限られた箇所の温度測定結果から比較的精度のよい温度分布を作成することができる。得られた温度分布を解析モデルに与えて、精度のよい解析結果を得ることも可能となる。

本発明は光沢面の温度推定には限られず、以下に詳しく説明するように、輻射率の未知領域と既知領域とを有する対象物の温度推定にも適用可能である。ある領域の輻射率が所定の輻射率範囲にあるか否かを識別可能である対象物についても適用することができる。温度センサはサーモグラフィには限られず、他の非接触式の温度センサを用いてもよい。接触式の温度センサを用いることも可能である。また、得られた温度分布の用途は解析モデルへの付与には限られない。本発明は、対象物の表面または内部の温度分布を求める場合に広く適用することができる。

よって、一実施形態に係る温度推定装置は、輻射率の既知領域と未知領域とを含む表面を有する物体の熱画像を取得してもよい。温度推定装置は、既知領域上に設定される測定点の位置と、熱画像から得られる当該測定点の温度とを対応づけてもよい。温度推定装置は、測定点の位置及び温度に基づいて、輻射率の未知領域上に設定される評価点の温度を推定してもよい。温度推定装置は、測定点の温度と評価点の温度とを組み合わせて物体の温度分布を作成してもよい。こうして、熱画像上の見かけの温度分布を実際の温度分布へと修正することができる。評価点が対象物内部に設定されている場合には、内部の温度分布を推定することもできる。

この態様によると、絶対温度の精度が保証されない輻射率の未知領域の温度情報を、既知領域の温度情報に基づく推定値に置き換えることができる。こうして得られた温度分布は、当初得られた熱画像そのものよりも正確であると期待される。より正確な温度分布を解析モデルに与えることにより、精度の高い解析結果を得ることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る温度推定装置に好適な射出成型機の正面図である。射出成形機３４０は、射出装置３５０及び型締装置３７０を含んで構成される。

射出装置３５０は、加熱シリンダ３５１を備え、加熱シリンダ３５１に、樹脂を供給するホッパ３５２が配設される。また、加熱シリンダ３５１内に、スクリュー３５３が進退自在かつ回転自在に配設される。スクリュー３５３の後端は、支持部材３５４によって回転自在に支持される。支持部材３５４に、サーボモータ等の計量モータ３５５が駆動部として取り付けられている。計量モータ３５５の回転が、計量モータ３５５の出力軸３６１に取り付けられたタイミングベルト３５６を介して、被駆動部のスクリュー３５３に伝達される。計量モータ３５５の出力軸３６１の後端に、検出器３６２が直結している。検出器３６２は、計量モータ３５５の回転数または回転量を検出する。検出器３６２により検出された回転数または回転量に基づいて、スクリュー３５３の回転速度が求められる。

射出装置３５０はさらに、スクリュー３５３と平行なねじ軸３５７を回転自在に備える。ねじ軸３５７の後端は、サーボモータ等の射出モータ３５９の出力軸３６３に取り付けられたタイミングベルト３５８を介して、射出モータ３５９に連結されている。従って、射出モータ３５９によってねじ軸３５７を回転させることができる。ねじ軸３５７の前端は支持部材３５４に固定されたナット３６０と螺合させられる。駆動部である射出モータ３５９を駆動し、タイミングベルト３５８を介して駆動伝達部であるねじ軸３５７を回転させると、支持部材３５４が前後進する。

支持部材３５４に、荷重の検出器であるロードセル３６５が取り付けられている。支持部材３５４の前後進運動が、ロードセル３６５を介してスクリュー３５３に伝えられることにより、スクリュー３５３が前後進する。ロードセル３６５により検出された力に対応するデータが、制御装置３１０に送出される。射出モータ３５９の出力軸３６３の後端に、検出器３６４が直結している。検出器３６４は、射出モータ３５９の回転数または回転量を検出する。検出器３６４により検出された回転数及び回転量に基づいて、スクリュー３５３の前後進方向の移動速度または前後進方向の位置が求められる。

型締装置３７０は、可動側の金型３７１が取り付けられた可動プラテン３７２と、固定側の金型３７３が取り付けられた固定プラテン３７４とを含む。可動プラテン３７２と固定プラテン３７４とは、タイバー３７５によって連結される。可動プラテン３７２はタイバー３７５に沿って摺動可能である。また、型締装置３７０は、トグル機構３７７を含む。トグル機構３７７は、一端が可動プラテン３７２と連結し、他端がトグルサポート３７６と連結する。トグルサポート３７６の中央において、ボールねじ軸３７９が回転自在に支持されている。トグル機構３７７に設けられたクロスヘッド３８０に固定されたナット３８１が、ボールねじ軸３７９に螺合させられている。また、ボールねじ軸３７９の後端にプーリ３８２が配設され、サーボモータ等の型締モータ３７８の出力軸３８３とプーリ３８２との間に、タイミングベルト３８４が架け渡されている。

型締装置３７０において、駆動部である型締モータ３７８を駆動すると、型締モータ３７８の回転が、タイミングベルト３８４を介して、駆動伝達部であるボールねじ軸３７９に伝達される。そして、ボールねじ軸３７９及びナット３８１によって、運動方向が回転運動から直線運動に変換され、トグル機構３７７が作動させられる。トグル機構３７７の作動により、可動プラテン３７２がタイバー３７５に沿って摺動し、型閉じ、型締め及び型開きが行われる。

型締モータ３７８の出力軸３８３の後端に、検出器３８５が直結している。検出器３８５は、型締モータ３７８の回転数または回転量を検出する。検出器３８５により検出された回転数または回転量に基づいて、ボールねじ軸３７９の回転に伴って進退するクロスヘッド３８０の位置、または、トグル機構３７７によってクロスヘッド３８０に連結された被駆動部である可動プラテン３７２の位置が求められる。制御装置３１０が、計量モータ３５５、射出モータ３５９、型締モータ３７８を制御する。

図１において破線で示すように、可動側の金型３７１と固定側の金型３７３との間の金型内部に、キャビティｃａｖが形成される。キャビティｃａｖと加熱シリンダ３５１の内部とが連通している。

射出成形機３４０には、可動側の金型３７１及び固定側の金型３７３を所定の温度に維持するために金型温調システム（図示せず）が付随して設けられている。また、金型温調システムとは別系統の温調システムが射出成形機３４０に付随して設けられていてもよい。この別系統の温調システムは射出成形機３４０の構成要素（例えばタイバー３７５、プラテン３７２、３７４）の温度を制御するよう構成されている。温調システムにおいては例えば、温度制御対象（例えば金型）内の各所に温調部位が設定され、該各温調部位に温調用の媒体を流すための媒体流路が形成されている。また、各媒体流路と温調制御器とが接続されている。温調システムは、温度制御対象の内部または表面を直接加熱または冷却するためのヒータまたは冷却源を備えてもよい。これらヒータまたは冷却源も温調制御器に接続され、対象を所定の温度に維持するために制御されてもよい。

可動側の金型３７１及び固定側の金型３７３は通常、温調システムにより周囲の室温よりも高温に維持されている。また、周囲に配置されている各モータからの排熱や、キャビティｃａｖに供給される溶融樹脂などからの熱流入が存在する。このため、金型３７１、３７３や、タイバー３７５及びプラテン３７２、３７４等の射出成形機３４０の各要素には温度分布が生じる。温度分布に起因する熱変形が射出成形品の形状精度に与える影響はなるべく小さいことが好ましい。よって、熱変形解析を考慮して金型及び射出成形機３４０が設計されることが好ましい。

一実施例においては、金型及び射出成形機３４０の露出された金属表面に温度測定用マーク３００が形成される。温度測定用マーク３００は、例えば公知の黒体テープを金属光沢面に貼り付けることにより形成される。なお図においては黒色の四角でマーク３００を表しているが、これは説明の便宜のためにすぎない。マーク３００の外観（例えば形状、色）は適宜定めることができる。マーク３００は、温度測定対象となる部品ごとに複数箇所に設けることが好ましく、図１に示される例においては金型３７１、３７３、タイバー３７５、及びプラテン３７２、３７４のそれぞれに複数の温度測定用マーク３００が形成されている。後述するように、温度測定用マーク３００を有する対象物の熱画像がサーモグラフィユニット（図２参照）により撮像される。

図２は、本発明の一実施形態に係る温度推定装置１００の構成を模式的に示す図である。温度推定装置１００は測定対象物１０の温度分布を推定するための装置であり、例えば、測定対象物１０を表す解析モデルに温度分布を与えるための装置である。測定対象物１０の表面には、輻射率が既知である測定マークＡが予め形成されている。温度推定装置１００は、複数のサーモグラフィユニット２０、３０と、処理装置４０とを含んで構成される。図２において説明の便宜上、紙面の左右方向をＸ軸方向、上下方向をＹ軸方向、奥行き方向をＺ軸方向とするＸＹＺ直交座標系を定義する。測定マークＡは斜線を付して示している。

図示される一実施例においては、測定対象物１０は直方体状の形状を有する物体である。また、測定対象物１０は、例えば光沢面等の輻射率の小さい表面を有する。測定対象物１０は例えば成形装置において使用される固定側または可動側の金型であってもよいし、射出成形機の固定側または可動側のプラテン及びその他の構成部品であってもよい。これらの場合、通常、測定対象物１０は、金属材料が露出されている平面を表面に有する。図２において、測定対象物１０の第１面３１はＸＹ面に平行（すなわちＺ軸に垂直）であり、第２面３２はＹＺ面に平行（Ｘ軸に垂直）であり、第３面３３はＸＺ面に平行（Ｙ軸に垂直）である。

測定対象物１０の表面に複数の測定マークＡが予め設けられている。測定対象物１０の使用時または動作時に観察可能である面に測定マークＡが設けられていることが好ましい。測定対象物１０の第１面３１及び第２面３２にそれぞれ複数の測定マークＡが設けられており、第３面３３には測定マークＡは設けられていない。第１面３１及び第２面３２においては４隅に測定マークＡが設けられている。一実施例においては、測定対象物１０の第１面３１及び第２面３２はそれぞれ金型またはプラテンの側面及び上面であり、第３面３３は金型のキャビティ面またはプラテンの金型取付面である。

測定マークＡは輻射率が既知の領域であり、例えば黒体領域である。一実施例においては測定マークＡは擬似黒体領域であってもよい。擬似黒体領域は、輻射率εが１に十分に近い値を有し（例えば波長１０μｍの赤外線に対しε≧０．８）、その輻射率が既知である対象物表面上の領域である。擬似黒体領域は、公知の黒体テープを測定対象物１０の表面の一部に貼り付けることにより、または公知の黒体塗料を表面の一部に塗布することにより形成されてもよい。

測定対象物１０において測定マークＡ以外の領域は一般に、輻射率が未知である。本発明に好適な一実施例において測定マークＡ以外の領域は測定マークＡに比べて輻射率が有意に小さい領域であり、測定マークＡ以外の領域は例えば金属光沢面である。この場合、測定マークＡ以外の領域の輻射率は測定マークＡよりも相当に小さく、例えば波長１０μｍの赤外線に対しε≦０．２である。

温度推定装置１００は、サーモグラフィユニット２０、３０を含む温度情報取得部を備える。図示される一実施例においては、温度情報取得部は、第１サーモグラフィユニット２０及び第２サーモグラフィユニット３０を含む。サーモグラフィユニット２０、３０は測定対象物１０の熱画像を撮像するための装置であり、例えば公知のサーモグラフィ装置または赤外線カメラである。サーモグラフィユニット２０、３０は、熱画像データを処理装置４０に出力するよう接続されている。

サーモグラフィユニット２０、３０は、被写体の発する赤外線放射エネルギーを検出し、検出したエネルギー量を見かけの温度に変換して、被写体の相対温度分布を示す熱画像を生成する。すなわち、サーモグラフィユニット２０、３０は、対象の発する赤外線放射エネルギーを内蔵された赤外光学系を通じて赤外線センサの受像面で検出し、受像面上の各受光点での検出エネルギー量を表す信号を生成する。仮定された輻射率のもとで（例えば撮像対象が黒体であると仮定して）検出エネルギー量を温度に変換して各画素値に割り当てることにより、熱画像が得られる。

一実施例においては、複数のサーモグラフィユニットが測定対象物１０の複数の面をそれぞれ撮像するよう複数のサーモグラフィユニットが配置されていてもよい。例えば３つのサーモグラフィユニットを設け、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向のそれぞれから測定対象物を撮像するようにしてもよい。このようにすれば、測定対象物表面の熱画像を３次元で得ることができる。また、測定対象物表面の２次元の熱画像を取得すれば十分である用途においては、１つのサーモグラフィユニットにより測定対象物１０のその表面を撮像するようにしてもよい。

図示される一実施例においては、第１サーモグラフィユニット２０は測定対象物１０の第１面３１を撮像し、第２サーモグラフィユニット３０は測定対象物１０の第２面３２を撮像する。第１サーモグラフィユニット２０の光軸は第１面３１に垂直であり（すなわちＺ軸方向）、第２サーモグラフィユニット３０の光軸は第２面３２に垂直であるように（すなわちＸ軸方向）、各サーモグラフィユニット２０、３０は配置されている。なお、測定マークＡを有する測定対象物１０の複数の面が共通のサーモグラフィユニットで撮像されてもよい。

図３は、本発明の他の一実施形態に係る温度推定装置１００の構成を模式的に示す図である。図２に示す実施例と共通する構成については、冗長を避けるため同じ符号を付し説明を適宜省略する。測定対象物１０に形成された測定マークＡは、輻射率が既知である領域Ｂ上に位置特定用マークＣが形成された構成を有する。つまり、輻射率既知領域Ｂを背景としてスポット状の位置特定用マークＣが設けられている。輻射率既知領域Ｂは図２に示す測定マークＡと同様でよく、例えば擬似黒体領域である。例えば、輻射率既知領域Ｂを白色の黒体テープまたは黒体塗料により形成し、位置特定用マークＣを黒色に形成して、位置特定用マークＣの視認性を高めるようにしてもよい。推定精度を高めるために、測定マークＡは多数設けられている。また、測定マークＡは、測定対象物１０の表面の全体に分布している。図示されるように、測定マークＡは例えば千鳥状に配列されていてもよい。

温度推定装置１００は、観測装置５０、６０を備える。観測装置５０、６０は、サーモグラフィユニット２０、３０と、位置特定用マークＣを検出するための撮像装置４１、４２とを含んで構成される。撮像装置４１、４２は例えば公知のＣＣＤカメラである。撮像装置４１、４２は、サーモグラフィユニット２０、３０と同様に撮像した画像データを処理装置４０に出力するよう接続されている。

図３に示される実施例においては、第１観測装置５０は測定対象物１０の第１面３１を撮像し、第２観測装置６０は測定対象物１０の第２面３２を撮像する。測定対象物１０の他の面または部位を撮像するための更なる観測装置が設けられていてもよい。第１観測装置５０の第１サーモグラフィユニット２０及び第１撮像装置４１の光軸は第１面３１に垂直であり、第２サーモグラフィユニット３０及び第２撮像装置４２の光軸は第２面３２に垂直であるように、各観測装置５０、６０は配置されている。各観測装置５０、６０におけるサーモグラフィユニット２０、３０に定義されたローカルの座標系と撮像装置４１、４２に定義されたローカルの座標系との関係は予め計測または調整され処理装置４０に記憶され既知とされている。つまり、各観測装置５０、６０におけるサーモグラフィユニット２０、３０と撮像装置４１、４２との位置関係は予め較正されている。

本実施例では、測定マークＡに１からｎまで通番を付したとき、第１面３１の測定マークＡ_１〜Ａ_ｉが第１観測装置５０で観測され、第２面３２の測定マークＡ_ｉ＋１〜Ａ_ｎが第２観測装置６０で観測される。第１面３１に垂直な光軸をもつ第１撮像装置４１で第１面３１の測定マークＡ_１〜Ａ_ｉを観測することにより、第１面３１の測定マークＡ_１〜Ａ_ｉの面内方向（ＸＹ面）の変位を求めることができる。同様にして、第２撮像装置４２の画像に基づいて第２面３２の測定マークＡ_ｉ＋１〜Ａ_ｎの面内方向（ＹＺ面）の変位を求めることができる。

他の実施例では、すべての測定マークＡ_１〜Ａ_ｎまたは一部の測定マークＡ_ｊ〜Ａ_ｊ＋ｍが複数の観測装置５０、６０で観測されるようにしてもよい。公知のステレオ計測法を用いて複数の観測装置５０、６０で共通の測定マークＡを観測することにより、測定マークＡの位置を３次元で測定するようにしてもよい。あるいは、１つの観測装置５０、６０ですべての測定マークＡ_１〜Ａ_ｎまたは一部の測定マークＡ_ｊ〜Ａ_ｊ＋ｍを観測するようにしてもよい。

位置特定用マークＣを有する測定マークＡを用いることにより、測定対象物１０のマーク位置における熱変形を直接測定することができる。また、測定対象物１０に外力が作用したときのマーク位置における変位量を測定することができる。処理装置４０は、後述する温度推定処理と同様の手法により（例えば補間関数を算出することにより）、測定された各マーク位置での変位量に基づいて測定対象物１０の変位分布を推定する処理を実行してもよい。例えば図１に示す射出成形機３４０において型締めを行うと、可動側の金型３７１及び固定側の金型３７３に応力が印加される。また、温調等に起因する熱変形も生じる。このときの金型のわずかな変形を観測することは、射出成形品の形状精度を高める観点から好ましい。

図４は、本発明の他の一実施形態に係る温度推定装置１００の構成を模式的に示す図である。図２及び図３に示す実施例と共通する構成については、冗長を避けるため同じ符号を付し説明を適宜省略する。なお、図４に示す測定マークＡは図２と同様の構成としているが、図３に示す位置測定用マーク付きの測定マークとしてもよい。

温度推定装置１００の温度情報取得部は、サーモグラフィユニット２０、３０に加えて、更なる他の温度センサ４５、４７を含む。温度センサ４５、４７は、サーモグラフィユニット２０、３０により撮像されない測定対象物１０上の領域の温度測定を分担している。つまり、温度センサ４５、４７は、サーモグラフィユニット２０、３０の撮像可能領域外に設けられている。サーモグラフィユニット２０、３０の撮像領域には温度センサは設置されず、測定対象物１０の表面（または測定マークＡ）が露出されている。なお、一実施例においては、サーモグラフィユニット２０、３０の撮像領域にも温度センサを設けてもよい。

例えば第１温度センサ４５は、サーモグラフィユニット２０、３０から見て測定対象物１０の手前にある障害物７０の背後に設けられている。障害物７０もまた温度測定対象であってもよく、この場合、サーモグラフィユニット２０、３０により撮像可能な障害物７０の表面に測定マークＡが設けられていてもよい。測定対象物１０が例えば金型である場合、障害物７０は例えば射出成形機のタイバーである。第２温度センサ４７は、サーモグラフィユニット２０、３０から見ることのできない第３面３３に設けられている。これらの他の温度センサは、サーモグラフィユニット２０、３０と同様に、温度測定結果を処理装置４０に出力するよう接続されている。

温度センサ４５、４７は接触式の温度センサであってもよく、例えば公知の熱電対であってもよい。温度センサ４５、４７は、測定対象物１０の表面に取り付けられていてもよいし、測定対象物１０の内部に設けられていてもよい。一実施例においては、温度センサ４５、４７は、測定対象物１０の温調システムに含まれる温度センサであってもよい。また、サーモグラフィユニット２０、３０が温度センサとして測定対象物１０の温調システムに組み込まれていてもよい。

また、温度センサ４５、４７は非接触式の温度センサであってもよい。例えば、赤外線放射エネルギーを検出することにより温度を測定する放射温度計であってもよい。この場合、非接触温度センサに対向する測定対象物１０の表面には測定マークＡが設けられていることが好ましい。なお、一実施例においては、温度推定装置１００は、サーモグラフィユニット２０、３０を用いずに、他の非接触温度センサで測定対象物１０上の測定点（例えば測定マーク）を順次測定することにより温度情報を取得してもよい。

図５は、本発明の一実施形態に係る処理装置４０の構成を模式的に示す図である。なお、図５のハードウェア構成は例示であり、これに限定されないのは当然である。図５に示すように、処理装置４０は、制御部３、記憶装置５、メディア入出力部６、入力部７、表示部９、プリンタポート１１、接続ポート１４等がバス１３を介して互いに接続されている。制御部３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を含んで構成され、例えば記憶手段としての記憶装置５に格納されたプログラムに従って、バス１３を介して接続された各装置を駆動制御する。処理装置４０は例えば公知のパソコンであってもよい。

記憶装置５には、温度推定装置１００の各構成部分を駆動制御するための制御プログラムや、本発明の一実施例を実施するための温度推定プログラム、伝熱解析プログラム、及び熱変形解析プログラム等が格納されている。メディア入出力部６は、フレキシブルディスク、ＣＤ、ＤＶＤ等のメディアとの間で情報の入出力を行う装置である。入力部７は、制御部３で実行される処理に関係するユーザの入力を受けるためのキーボード、マウス等の入力装置であり、表示部９はディスプレイ等の表示機器である。プリンタポート１１には出力装置としてのプリンタ１２等が接続される。接続ポート１４にはサーモグラフィユニット２０、３０等の観測装置が接続される。接続ポート１４には、撮像装置４１、４２、あるいは他の温度センサ４５、４７等も同様に接続されてもよい。

図６は、本発明の一実施形態に係る温度推定装置１００が処理する主な機能ブロックを図示したものである。上述のように、温度推定装置１００は、制御部３と温度情報取得部１１０とを含んで構成される。制御部３は、温度情報取得部１１０から入力される温度情報に基づいて、測定対象物１０を表す解析モデルの温度分布推定処理、熱変形解析処理、伝熱解析処理、及び、得られた結果の表示処理を含む各種処理を実行する。

温度情報取得部１１０は、第１サーモグラフィユニット２０及び第２サーモグラフィユニット３０を含んで構成される。温度情報取得部１１０は、第３のサーモグラフィユニットを更に含んでもよい。また、図４を参照して述べたように、接触式または非接触式の温度センサ４５、４７をさらに含んでもよい。温度情報取得部１１０は、取得された温度データを制御部３または記憶装置５に出力するよう構成されている。制御部３は、温度情報取得部１１０からの温度データの入力を受けて、または記憶装置５から温度データを読み出して、温度データを処理する。

制御部３は、温度情報処理部１２０、温度推定部１２２、モデル生成部１２４、熱変形解析部１２６、伝熱解析部１２８、及び解析結果処理部１３０を含んで構成される。制御部３は、記憶装置５に格納されたプログラムを読み込み、当該プログラムに定められた演算を実行することにより、温度情報処理部１２０、温度推定部１２２、モデル生成部１２４、熱変形解析部１２６、伝熱解析部１２８、及び解析結果処理部１３０としての機能を果たすよう構成されている。

温度情報処理部１２０は、測定対象物１０上に設定されている測定点の位置と、取得された温度情報から得られる当該測定点の温度とを対応づける処理を実行する。温度推定部１２２は、温度を推定すべき位置と測定点との位置関係と測定点温度とに基づいて温度を推定する処理を実行する。モデル生成部１２４は、測定対象物１０を表す解析モデルを生成する。熱変形解析部１２６は、与えられた温度分布のもとで解析モデルの熱変形を解析する処理を行う。熱変形解析とは一般に、ある温度分布をもつ解析対象に生じる熱ひずみまたは熱応力を考慮に入れて行われる応力解析である。伝熱解析部１２８は、解析モデルに対して伝熱解析を実行する。解析結果処理部１３０は例えば、得られた温度分布や熱変形解析結果、伝熱解析結果を表示または出力するための処理を実行する。

なお、温度情報処理部１２０、温度推定部１２２、モデル生成部１２４、熱変形解析部１２６、伝熱解析部１２８、及び解析結果処理部１３０のうち少なくとも１つは、制御部３から物理的に独立している別の制御装置に設けられていてもよい。例えば、熱変形解析部１２６及び伝熱解析部１２８はそれぞれ、温度推定装置１００から独立した熱変形解析装置及び伝熱解析装置として構成されていてもよい。この場合、熱変形解析装置及び伝熱解析装置はそれぞれ、温度推定装置１００から出力された温度分布を用いて熱変形解析及び伝熱解析を実行する。

以上の各機能ブロックは、各種演算処理を実行するＣＰＵ、データの格納やプログラム実行のためのワークエリアとして利用されるＲＡＭなどのハードウェア、およびソフトウェアの連携によって実現される。したがって、これらの機能ブロックはハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせによって様々な形で実現することができる。

図７は、本発明の一実施形態に係る温度推定処理を説明するためのフローチャートである。この処理は、図１乃至図４を参照して説明した実施例に係る温度推定装置１００及びこれらに付随して説明した各変形例に適用可能である。図示されるように、まず温度推定の前処理として、測定対象物１０に輻射率が既知のマークが形成される（Ｓ１０）。もちろん、既にマークが形成されている対象物の温度推定を行う場合にはこのマーク形成工程は省略することができる。この工程により、輻射率が未知である物体表面に輻射率が既知の部位が形成される。一実施例においては、測定対象物１０の表面に擬似黒体領域を設けることによりマークが形成される。また、測定対象物１０のある領域の輻射率を測定し、その領域を温度測定用マークとして設定してもよい。

次に、更なる前処理として、測定対象物１０の解析モデルが処理装置４０上で作成される（Ｓ１２）。測定対象物１０の形状及び寸法、温度が実際に測定される測定位置である測定点、及び温度を推定すべき位置である評価点が少なくとも処理装置４０に入力される。測定点は輻射率の既知領域に設定され、評価点は輻射率の未知領域に設定される。作成に必要な情報が処理装置４０に入力されることにより、処理装置４０は解析モデルを作成する。そのようにして、所定の座標系が定められている空間において、測定対象物１０が占める領域、測定点の位置座標、評価点の位置座標が定義される。すなわち、解析モデルにおける測定点と評価点との位置関係が定義される。なお、既に解析モデルが作成済みである場合にはこの処理も省略可能である。

ここで、所定の座標系は測定対象物１０の形状により適宜定めることが可能であり、例えばＸＹＺ直交座標系、円筒座標系、極座標系等の３次元座標系であってもよい。面内の温度分布を求める場合には２次元座標系であってもよい。なお、解析モデルは熱変形解析または伝熱解析のためのモデルであることが好ましいがこれに限られず、例えば温度分布推定専用の解析モデルであってもよい。

図８は、本発明の一実施形態に係る解析モデルの一例を模式的に示す図である。ＸＹＺ直交座標系において測定対象物１０は多数の有限要素に分割されている。図８は、測定対象物１０が立方体の多数の要素に分割された例を示している。各要素の頂点に節点Ｄが画定される。各要素を、多角形の表面を持つ任意の立体形状としてもよい。この場合、多角形の表面の頂点が節点Ｄとなる。測定対象物１０の表面に複数の測定点Ａ及び評価点Ｅが定義されている。各節点Ｄを評価点Ｅとしてもよい。処理装置４０は、測定点Ａ、節点Ｄ、評価点Ｅの位置座標を記憶する。なお、解析モデルは有限要素法を前提とするモデルには限られず、例えば境界要素法などの他の数値解法に適するモデルであってもよい。

次に、図７に示されるように、温度情報取得処理が行われる（Ｓ１４）。一実施例においては、測定対象物１０の熱画像がサーモグラフィユニット２０、３０により撮像される。物体から放射されている赤外線放射エネルギーを検出することにより温度データが作成される。他の温度センサが設けられている場合には、それらの温度センサにより温度が測定される。熱画像及び温度測定結果を含む温度データは処理装置４０に入力され、記憶装置５に保存される。

処理装置４０は、温度推定処理を実行する（Ｓ１６）。一実施例においては、温度推定処理は、所定の輻射率範囲内の輻射率をもつ領域の温度情報を対象物の熱画像から取り込むステップと、取り込まれた温度情報に基づいて、その輻射率範囲外の輻射率をもつ領域の温度情報を推定するステップと、取り込まれた温度情報と推定された温度情報とに基づいて、対象物の温度分布を作成するステップと、を備えてもよい。ここで、所定の輻射率範囲は好ましくは０．８以上、さらに好ましくは０．９以上であってもよい。

他の一実施例においては、温度推定処理は、所定の輻射率範囲外の輻射率をもつ領域の温度情報を対象物の熱画像から排除するステップと、排除ステップにおいて残された輻射率範囲内の輻射率をもつ領域の温度情報に基づいて、その輻射率範囲外の輻射率をもつ領域の温度情報を推定するステップと、排除ステップにおいて残された温度情報と推定ステップにおいて推定された温度情報とに基づいて、対象物の温度分布を作成するステップと、を備えてもよい。

処理装置４０は、作成した温度分布を出力する（Ｓ１８）。一実施例においては、処理装置４０は温度分布を表示部９に表示する。処理装置４０は、熱変形解析装置または伝熱解析装置に温度分布を出力してもよい。あるいは、処理装置４０は、作成した温度分布を用いて熱変形解析または伝熱解析を実行してもよい。

図９は、本発明の一実施形態に係る温度推定処理を説明するためのフローチャートである。この処理は、輻射率の既知領域上に設定されている測定点の位置と、記憶されている温度データから得られる当該測定点の温度とを対応づけるステップと、輻射率の未知領域上に設定されている評価点の温度を、評価点と測定点との位置関係と測定点温度とに基づいて推定するステップと、を含む。測定点位置に温度データを対応づけるステップは、測定点の位置情報を入力するステップ（Ｓ２０）と、温度データを取り込むステップ（Ｓ２２）と、を含む。評価点の温度を推定するステップは、評価点の温度を算出するための補間関数を導出するステップ（Ｓ２４）と、その補間関数により評価点温度を算出するステップ（Ｓ２６）と、を含む。

図９に示されるように、制御部３の温度情報処理部１２０は、測定点の位置を表す座標の入力を受ける（Ｓ２０）。測定点位置座標は、解析モデル上に設定され記憶装置５に保存されている位置データを温度情報処理部１２０が読み込むことにより入力されてもよいし、ユーザが入力部７を通じて直接入力するようにしてもよい。

温度情報処理部１２０は、記憶装置５に保存されている温度データを取り込む（Ｓ２２）。一実施例においては、熱画像上の位置と解析モデル上での位置との関係が予め記憶装置５に記憶されている。また、接触式または非接触式の温度センサによる測定位置も予め記憶装置５に記憶されている。よって、温度情報処理部１２０は例えば、保存されている温度データを読み出した上で各測定点に対応する温度データを選択し、測定点とその温度とを対応づけて記憶装置５に再度保存するようにしてもよい。あるいは、温度情報処理部１２０は、各測定点に対応する温度データを選択的に抽出し、測定点とその温度とを対応づけてもよい。他の実施例においては、温度測定用のマークの位置が例えば観測装置５０、６０により実際に測定されてもよい。この場合、温度情報処理部１２０はマーク位置の測定結果に基づいて測定点の位置と測定温度とを対応づけてもよい。

次に、温度推定部１２２は、評価点の温度を推定するための補間関数を求める（Ｓ２４）。温度推定部１２２は、測定点近傍の評価点または各測定点間の領域にある評価点の温度を補間により推定するための補間関数ｆを求める。一実施例においては、温度推定部１２２は、輻射率未知領域での熱画像等の測定温度データに依存せずに、測定点の温度データに基づいて輻射率未知領域の温度分布を推定する。他の実施例においては、温度推定部１２２は、輻射率未知領域の温度データを反映させる補間関数を用いて対象物の温度分布を推定してもよい。

一実施例においては、温度分布を求めるべき評価範囲が予め設定されてもよい。この評価範囲は、すべての測定点及び評価点を含むよう対象物の全体に設定されてもよいし、複数の測定点及び評価点を含むよう対象物の一部分に設定されてもよい。温度分布推定の後工程でその温度分布を用いる解析を行う場合には、解析領域を評価範囲として設定することが好ましい。評価範囲は例えば、ユーザが入力部７を通じて直接入力することにより温度推定部１２２に入力される。

温度推定部１２２は、導出された補間関数により、対象物全体または評価範囲内の評価点の温度を求める（Ｓ２６）。次に、解析結果処理部１３０は、測定点温度と評価点温度とから対象物の推定温度分布を作成し、表示部９に表示する（Ｓ２８）。作成された温度分布は、測定点においてはその測定点の実測温度を有し、評価点においてはその評価点の推定温度を有する温度分布である。解析結果処理部１３０は例えば、解析モデル上で温度値に応じて異なる色を割り当てることにより、温度分布を表示する。

補間関数ｆの一例を述べる。一実施例においては、温度推定部１２２は、位置を変数とする補間関数ｆを定義し、その補間関数ｆの係数ａ_ｋを測定点温度に基づいて定める。補間関数の係数は例えば最小二乗法で求められる。一例として、二次元平面で表される対象物表面の温度分布を推定するための補間関数を、測定点位置座標の二次関数とする場合、補間関数ｆ（ｘ，ｙ）は次式で表される。

このとき、Ｎ個の測定点がある場合には、補間関数の係数ａ_ｋは最小二乗法を用いて次のように求められる。

ここで、行列Ａ、Ｂは、Ｎ個の測定点の位置がそれぞれ、（ｘ_１，ｙ_１）、（ｘ_２，ｙ_２）、（ｘ_３，ｙ_３）、・・・、（ｘ_Ｎ，ｙ_Ｎ）で与えられ、各測定点の温度がＴ_１、Ｔ_２、Ｔ_３、・・・、Ｔ_Ｎである場合には、以下のとおりである。

なお、例えば、各測定点の温度Ｔ_１、Ｔ_２、Ｔ_３、・・・、Ｔ_Ｎのうち、Ｔ_１乃至Ｔ_ｎのｎ個の測定温度が熱画像から得られた温度であり、残りのＴ_ｎ＋１乃至Ｔ_ＮのＮ−ｎ個の測定温度が対象物に直接設けられた温度センサ（例えば熱電対）の測定値である。この場合、（ｘ_１，ｙ_１）乃至（ｘ_ｎ，ｙ_ｎ）が測定マークＡ_１乃至Ａ_ｎの位置を表し、（ｘ_ｎ＋１，ｙ_ｎ＋１）乃至（ｘ_Ｎ，ｙ_Ｎ）が温度センサの測定位置を表す。このように、温度推定装置１００は、異なる温度測定手段による測定点の位置及び測定温度を共通の形式で管理している。

こうして、温度推定部１２２は、導出された補間関数により評価点（ｘ_ｋ、ｙ_ｋ）の温度Ｔ_ｋを次式により求めることができる。

上記の実施例では補間関数が二次関数である例を示したが、これに限られない。計算量の低減を重視する場合には一次関数としてもよいし、推定精度を重視する場合には高次の関数としてもよい。また、温度分布を求める対象は二次元平面に限られず、一次元または三次元の対象物についても可能であることは当業者に明らかであろう。

また、一実施例においては、温度推定部１２２は、区分線形補間により評価点の温度を推定してもよい。この場合、補間関数を導出する処理は、解析モデルを複数の補間エリアに分割する処理と、補間エリアごとに補間関数を求める処理とを含んでもよい。

例えば、上述のように二次元平面での温度分布を求める場合には、各補間エリアに３つの測定点が含まれるように解析モデルを分割する。なるべく少ない測定点で区分線形補間を行うには、複数の補間エリアが測定点を共有することが好ましい。そのためには、各補間エリアの境界上に測定点がくるようにエリア分割をすることが好ましく、各補間エリアの頂点を測定点とすることがより好ましい。一実施例では、各補間エリアが３つの測定点を頂点とする三角形の形状を有してもよい。各補間エリアの頂点を測定点とするには、複数の測定点を測定対象表面に例えば千鳥状に配置することが好ましい。

この場合、各補間エリアの補間関数は例えば次式のように定義することができる。

補間エリアに含まれる３つの測定点の座標がそれぞれ（ｘ_１，ｙ_１）、（ｘ_２，ｙ_２）、（ｘ_３，ｙ_３）であり、各測定点の温度がＴ_１、Ｔ_２、Ｔ_３である場合には、補間関数ｆの係数ａ、ｂ、ｃは次の連立方程式を解くことにより求められる。

その結果、その補間エリア内の評価点（ｘ_ｋ、ｙ_ｋ）の温度Ｔ_ｋは次式により求められる。

この場合においても、温度分布を求める対象は二次元平面に限られず、一次元または三次元の対象物についても同様に可能であることは当業者に明らかであろう。

図１０は、本発明の一実施形態に係る温度推定処理を説明するためのフローチャートである。本実施例は、補間関数の代わりに伝熱解析により温度分布を求める点で図９に示す実施例とは異なる。なお以下では、図９に示す実施例と同様の箇所については同じ符号を付し説明は適宜省略する。

伝熱解析とは一般に、熱伝導方程式を数値的に解くことにより解析領域の温度分布を求める方法である。伝熱解析においては通常、解析領域の表面全域に境界条件を設定する必要がある。境界条件としては、熱流束を規定する場合と、温度を規定する場合とがある。熱流束を規定する場合には、単位時間当たり一定の発熱（加熱）または吸熱（冷却）があるとする発熱境界条件、熱の流出入がないとする断熱境界条件、及び、ある程度の熱の流出入を許容する熱伝達境界条件がある。発熱境界条件は、解析領域における熱源（ヒータ等）をモデル化するために用いられる。熱伝達境界条件の場合、解析領域と外部領域との熱伝達率と外部領域の温度とが設定される。

このように、境界条件として熱流束を規定する場合、解析者が設定しなければならないパラメタは温度を規定する場合に比べて多くなる傾向がある。設定すべきパラメタが多数となるほど、パラメタの設定精度に解析精度が影響されるようになる。しかし、十分な解析精度となるようにすべてのパラメタを設定することは必ずしも容易ではない。

図１０に示されるように、まず、輻射率の既知領域上に設定されている測定点の位置と、記憶されている温度データから得られる当該測定点の温度とを対応づける処理が実行される。この処理は、測定点の位置情報を入力するステップ（Ｓ２０）と、温度データを取り込むステップ（Ｓ２２）と、を含む。次に、伝熱解析部１２８は、伝熱解析の境界条件を設定し（Ｓ３０）、定常伝熱解析を実行する（Ｓ３２）。例えば有限要素法を用いて伝熱解析を行う場合には上述のように要素の接点を評価点として設定することにより、評価点の温度を推定することができる。伝熱解析により得られた温度分布が表示部９に表示される（Ｓ２８）。

一実施例においては、伝熱解析部１２８は、測定点の実測温度をその測定点の位置における温度拘束境界条件として伝熱解析を実行する。ここで、温度拘束境界条件とは、温度を規定する境界条件をいう。伝熱解析部１２８は、測定温度が得られていない解析領域表面に対しては熱伝達境界条件または断熱境界条件として伝熱解析を実行してもよい。

伝熱解析部１２８は、測定対象物１０に存在する熱源または冷却源を解析モデルに反映させることなく（すなわち、発熱境界条件として設定することなく）、上述の温度拘束境界条件のもとで伝熱解析を実行してもよい。このようにすれば、解析者が熱源についてのパラメタを設定しなくてもよいので、解析の準備作業が容易となる。パラメタ設定による解析精度への影響も軽減される。また、熱源を考慮しなくても、比較的多数の測定点が得られる場合には、精度のよい解析結果が得られると期待できる。

一方、伝熱解析部１２８は、上述の温度拘束境界条件に加えて、測定対象物１０に存在する熱源または冷却源を発熱境界条件として設定したうえで、伝熱解析を実行してもよい。このようにすれば、測定点が比較的少数である場合にも解析対象の実態に即した解析結果が得られると期待できる。

あるいは、一実施例においては、解析対象の表面温度分布を上述の補間関数を用いて作成してもよい。この場合、伝熱解析部１２８は、境界条件が設定されるべき表面全域について、補間関数に基づく推定温度分布を温度拘束境界条件として伝熱解析を実行するようにしてもよい。このようにすれば、測定対象物１０の表面については補間により温度分布が得られ、測定対象物１０の内部については伝熱解析により温度分布が得られる。また、伝熱解析の境界条件として熱流束を規定する必要がないので、パラメタ設定に起因する解析精度への影響も軽減される。

本発明の一実施形態によれば、対象物の表面の少なくとも一部の輻射率を既知とすることにより、サーモグラフィを用いてその既知領域の温度を精度よく測定することができる。測定温度に基づいて輻射率の未知領域の温度を推定し、対象物の温度分布を得ることができる。よって、限られた測定点から温度分布を精度よく推定することができる。また、サーモグラフィにより得られた温度情報を解析モデル上の測定点に対応づけることにより、熱変形解析に必要な温度分布や伝熱解析のための温度拘束を生成することができる。

１０ 測定対象物、 ２０ 第１サーモグラフィユニット、 ３０ 第２サーモグラフィユニット、 ４０ 処理装置、 ４５ 温度センサ、 ５０ 第１観測装置、 ６０ 第２観測装置、 ７０ 障害物、 １００ 温度推定装置、 １１０ 温度情報取得部、 １２０ 温度情報処理部、 １２２ 温度推定部、 １２４ モデル生成部、 １２６ 熱変形解析部、 １２８ 伝熱解析部、 １３０ 解析結果処理部、 Ａ 測定マーク。

Claims (8)

1. 対象物を表す解析モデルに温度分布を与えるための温度推定装置であって、
   前記対象物の熱画像を撮像するサーモグラフィユニットを含む温度情報取得部と、
   前記解析モデルにおいて輻射率の既知領域に設定される測定点の位置と、前記熱画像を含む温度情報から得られる当該測定点の温度とを対応づける温度情報処理部と、
   前記解析モデルにおいて輻射率の未知領域に設定される評価点の温度を、当該評価点と前記測定点との位置関係及び前記測定点の温度に基づいて推定する温度推定部と、を備えることを特徴とする温度推定装置。
2. 前記未知領域は光沢面であり、前記既知領域は該光沢面に形成された既知の輻射率を有するマークであることを特徴とする請求項１に記載の温度推定装置。
3. 前記温度情報取得部は、前記サーモグラフィユニットにより撮像されない前記対象物の部位の温度を測定する温度センサを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の温度推定装置。
4. 前記温度推定部は、前記解析モデルに設定される複数の測定点と複数の評価点とが含まれる評価範囲のすべての評価点について温度を推定し、該評価範囲の温度分布を作成することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の温度推定装置。
5. 請求項４に記載の温度推定装置により作成された温度分布を用いて前記評価範囲の熱変形を解析することを特徴とする解析装置。
6. 対象物を表す解析モデルに温度分布を与えるための温度推定装置であって、
   前記対象物の熱画像を撮像するサーモグラフィユニットを含む温度情報取得部と、
   前記解析モデルにおいて輻射率の既知領域に設定される測定点の位置と、前記熱画像を含む温度情報から得られる当該測定点の温度とを対応づける温度情報処理部と、
   前記測定点の温度を該測定点の位置における温度拘束境界条件として伝熱解析を実行することにより、前記解析モデルにおいて輻射率の未知領域に設定される評価点の温度を推定する温度推定部と、を備えることを特徴とする温度推定装置。
7. 所定の輻射率範囲内の輻射率をもつ領域の温度情報を対象物の熱画像から取り込むステップと、
   取り込まれた温度情報に基づいて、前記輻射率範囲外の輻射率をもつ領域の温度情報を推定するステップと、
   取り込まれた温度情報と推定された温度情報とに基づいて、前記対象物の温度分布を作成するステップと、を備えることを特徴とする温度推定方法。
8. 物体表面の輻射率が既知である部位から放射される赤外線放射エネルギーを検出することにより当該部位の温度を測定する温度測定部と、
   前記物体において輻射率が未知である部位の温度を、輻射率が既知である部位との位置関係と測定温度とに基づいて推定することにより、前記物体の温度分布を作成する温度推定部と、を備えることを特徴とする温度推定装置。

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