JP2014160038A - Thermal diffusivity measuring apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は材料の熱拡散率を測定する熱拡散率測定に関する。 The present invention relates to thermal diffusivity measurement for measuring the thermal diffusivity of a material.
近年、電子機器の小型化や精密化が進む中で、回路等から発生する熱を処理する上で、該回路等を構成する部品の熱拡散率の測定が重要となっている。熱拡散率の測定には、レーザフラッシュ法、レーザスポット周期加熱法、光音響法、熱物性顕微鏡法など様々な測定方法があるが、試料の厚さや大きさなどにより、適切な測定方法が選択される。 In recent years, with the progress of miniaturization and precision of electronic devices, it is important to measure the thermal diffusivity of components constituting the circuit and the like when processing the heat generated from the circuit and the like. There are various measurement methods for measuring thermal diffusivity, such as laser flash method, laser spot periodic heating method, photoacoustic method, and thermophysical microscopy, but the appropriate measurement method is selected depending on the thickness and size of the sample. Is done.
レーザスポット周期加熱法は、伝搬する温度波の位相が伝搬距離および熱拡散率の関数で変化する性質を利用して試料の熱拡散率を測定する方法である。この方法は試料を局所的に周期加熱し、試料面の温度伝搬距離に対する位相の変化を検出する。この基本原理は点熱源および等方的な無限平面の薄膜のように厚さを無視できる試料に対して適用される。しかし、実際に試料の測定にこの原理を利用しようとすると、例えば実際の試料は有限の厚みを持つなどの理由で、測定誤差が生じる。 The laser spot periodic heating method is a method for measuring the thermal diffusivity of a sample by utilizing the property that the phase of a propagating temperature wave changes as a function of the propagation distance and the thermal diffusivity. In this method, a sample is locally heated periodically, and a change in phase with respect to a temperature propagation distance on the sample surface is detected. This basic principle applies to specimens with negligible thickness such as point heat sources and isotropic infinite plane thin films. However, if this principle is actually used to measure a sample, a measurement error occurs because the actual sample has a finite thickness, for example.
試料の厚みによる測定誤差を考慮して熱拡散率を測定するレーザスポット周期加熱法の一例が特許文献1に記載されている。
An example of a laser spot periodic heating method that measures thermal diffusivity in consideration of measurement errors due to the thickness of a sample is described in
前記のようにレーザスポット周期加熱法による熱拡散率の測定では、試料の厚さが測定誤差の原因となる。特許文献1では、レーザ径の形状を変更することで、試料の形状や測定の方向に合わせた最適な測定を行うことができる。しかしさらに測定精度を向上することが望ましい。
As described above, in the measurement of the thermal diffusivity by the laser spot periodic heating method, the thickness of the sample causes a measurement error. In
発明者らの研究によれば、測定誤差につながるさらなる要因が明らかとなった。1つの要因は熱源として使用する加熱点、例えばレーザの照射点が、面積としての影響を無視できるような小さい点ではなく、面積としての影響を無視できない面を有することである。また他の要因は、温度の測定を行う検出部、例えば赤外線検出器を用いる検出部が、面積が無視できる点の温度を測定するのではなく、空間感度分布を有する面の温度を測定することである。特許文献1ではこれらの要因に付いて開示や示唆を行っていない。これら測定誤差につながる要因に対応することでより測定精度を向上することができる。
The inventors' research has revealed additional factors that lead to measurement errors. One factor is that a heating point used as a heat source, for example, a laser irradiation point, is not a small point where the influence as an area can be ignored but has a surface where the influence as an area cannot be ignored. Another factor is that the detection unit that measures temperature, for example, a detection unit that uses an infrared detector, does not measure the temperature at a point where the area can be ignored, but measures the temperature of the surface having the spatial sensitivity distribution. It is.
本発明の目的は、より精度の高い熱拡散率を測定できる熱拡散率測定装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a thermal diffusivity measuring apparatus capable of measuring a thermal diffusivity with higher accuracy.
前記課題を解決する第1の発明の熱拡散率測定装置は、試料を保持する保持機構と、試料の加熱点を加熱周波数fで周期的に加熱する加熱手段と、前記加熱点から距離Lだけ離れた測定点の周期的な温度変化を測定するセンサと、前記加熱周波数fと測定した周期的な温度変化とから位相遅れθを求めて出力する位相差検出回路と、補正係数Cの第1データベースを有する制御装置とを備え、前記制御装置は前記位相遅れθと前記距離Lとに基づいて見かけの熱拡散率αrを求め、さらに見かけの熱拡散率αrから前記第1データベースとして記憶されているデータに基づき補正係数Cを求め、さらに前記見かけの熱拡散率αrと求められた前記補正係数Cとから真の熱拡散率αtを演算して求める、ことを特徴とする。 A thermal diffusivity measuring apparatus according to a first aspect of the present invention that solves the above-described problem includes a holding mechanism that holds a sample, heating means that periodically heats the heating point of the sample at a heating frequency f, and a distance L from the heating point. A sensor for measuring a periodic temperature change at a distant measurement point, a phase difference detection circuit for obtaining and outputting a phase delay θ from the heating frequency f and the measured periodic temperature change, and a first correction coefficient C A controller having a database, the controller determines an apparent thermal diffusivity αr based on the phase delay θ and the distance L, and further stores the apparent thermal diffusivity αr as the first database. The correction coefficient C is obtained based on the obtained data, and the true thermal diffusivity αt is calculated from the apparent thermal diffusivity αr and the obtained correction coefficient C.
本発明によれば、より精度の高い熱拡散率測定装置を提供することができる。 According to the present invention, a more accurate thermal diffusivity measuring apparatus can be provided.
本発明を熱拡散率の測定装置に適用した一実施形態(以下実施例と記す)を図面に基づいて説明する。なお以下の実施例における図で、同一符号を付した構成はほぼ同じ内容の構成であり、ほぼ同じ作用を為しさらにほぼ同じ効果を奏する。同一符号を付した事項については説明の繰り返しを省略する。 An embodiment (hereinafter referred to as an example) in which the present invention is applied to a thermal diffusivity measuring apparatus will be described with reference to the drawings. In the drawings in the following embodiments, the configurations denoted by the same reference numerals are substantially the same in configuration, perform substantially the same operations, and exhibit substantially the same effects. Description of the same reference numerals will not be repeated.
図1から図3は本発明の一実施例である熱拡散率の測定装置(以下熱拡散率測定装置と記す)の一例を示す。図1は熱拡散率測定装置の全体構成を示すブロック図であり、図2は熱拡散率測定装置の測定部の構成を示す説明図、図3はその外観形状を示す図である。 1 to 3 show an example of a thermal diffusivity measuring apparatus (hereinafter referred to as a thermal diffusivity measuring apparatus) according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of the thermal diffusivity measuring device, FIG. 2 is an explanatory diagram showing the configuration of the measuring unit of the thermal diffusivity measuring device, and FIG. 3 is a diagram showing the external shape thereof.
図1乃至図3において、熱拡散率測定装置100は測定装置本体10と測定部12を備えている。測定装置本体10と測定部12の構成の一例を以下に説明するが、測定装置本体10と測定部12に分けることは必ずしも必須ではなく、また測定装置本体10と測定部12とに分けた構成であっても、熱拡散率測定装置100が有する各構成を測定装置本体10とするか測定部12とするかは色々選択可能である。本実施例では、熱拡散率測定装置100の利用者が試料2を固定するためにカバーを開けたとき、測定部が外気に出来るだけ触れないように構成している。このことにより装置は信頼性が高くなり、安定した測定の維持が容易となり、また安全性が確保し易くなるなど、色々な効果を奏する。
1 to 3, the thermal
測定部12は試料2に対して所定の周波数で周期的に変化する加熱用レーザビーム27を発生する加熱手段22と加熱用レーザビーム27を絞込むレンズ24を備えている。レンズ24で絞り込まれた加熱用レーザビーム27が試料2の加熱点26に照射され、該加熱点26が所定の周期で繰り返し加熱される。
The
加熱手段22やレンズ24をX方向やY方向、Z方向に移動出来るようにするために、加熱手段22やレンズ24は加熱用ステージ20に支持されている。加熱用ステージ20をX方向およびY方向に移動させることにより、加熱点26をX方向およびY方向に移動させることができる。また加熱用ステージ20をZ方向に移動することにより、試料2の表面の加熱点26とレンズ24との間の距離を適切に設定することができる。例えば加熱点26とレンズ24との間の距離を変えることにより、試料2の加熱点26における加熱用レーザビーム27の照射面積、すなわちスポットの大きさを後記するように調整することができる。なお本実施例では以下で説明の図2に記載の如く、加熱用レーザビーム27の試料2に対する照射方向をZ軸とし、加熱用レーザビーム27が照射される試料2の表面をX軸とY軸からなる2次元の面としている。
The heating means 22 and the
加熱点26が加熱用レーザビーム27により周期的に加熱されることによって、試料2に設定された温度の測定点46に熱、すなわち温度波が伝達され、測定点の温度が周期的に変化する。測定点の温度を測定するために、測定部12は測定点46が発する赤外線47を集光するレンズ44と集光した赤外線47を電気信号に変えるセンサ42を備えている。なおセンサ42は以下で説明する測定回路35により動作し、センサ42で受光した赤外線47の強度に基づく電気信号が測定回路35で増幅されて出力される。加熱点26の温度が加熱用レーザビーム27の周期的な変化に基づいて変化するので、測定点46の温度が周期的に変化し、測定回路35は測定点46の温度変化を表す周期的に変化する電気信号を出力する。
The
X軸方向やY軸方向、Z軸方向に移動することができる測定用ステージ40にセンサ42やレンズ44が支持されているので、測定用ステージ40をX軸方向やY軸方向に移動することにより、測定点を試料2の表面における望ましい位置に設定することができる。また測定用ステージ40をZ方向に移動することにより、試料2の測定点とレンズ44との間の距離を調整することができ、測定点から発せられる赤外線47の集光状態を調整することができる。
Since the
なお、熱拡散率測定装置100を簡易型のシンプルな構造とする場合の1例として、加熱手段22やレンズ24を加熱用ステージ20に設けるのではなく、移動しない構造で固定することも可能である。この構造では、加熱手段22やレンズ24を3次元の各軸方向に移動できないが、試料2の表面とレンズ24との間の距離が所定の距離に維持される構造とすることが可能であり、また加熱点26も予め望ましい位置となるように設定しておくことが可能であり、このような構造とすることで装置をシンプルな構造とすることができる。さらに測定装置が一般的に広く利用される状態では、高度な技術を有する専門家だけでなく仮に熟練していない人が利用しても、ある程度の精度が保障されることが望ましく、このような場合には前記のような簡易型の構造の方が望ましい場合がある。
As an example of the case where the thermal
色々な試料を測定する場合に試料の厚さが一定でないことが考えられる。この場合に試料2の厚さが変わることにより、試料2とレンズ24との間の距離あるいは試料2とレンズ44との間の距離の一方が常に一定となる構造とした場合に、試料2の厚さの変化を他方で調整することが必要となる。このため第2例として、加熱手段22とレンズ24あるいはセンサ42とレンズ44のどちらか一方がZ方向に調整できる構造とすることが考えられる。上述したように第1の例や第2の例とすることで、測定装置の構造の簡素化が可能となる効果を奏する。さらに測定方法も簡素化できる効果を奏する。
When measuring various samples, it is considered that the thickness of the sample is not constant. In this case, when the thickness of the
図1の如く加熱用ステージ20と測定用ステージ40の2つの移動用ステージを使用する例や上述したように第1や第2の例であっても、X軸方向やY軸方向、Z軸方向の3軸方向に移動できる構造とするのではなく、X軸方向のみ移動可能とすることにより、すなわち3軸方向に移動できる構造とするのではなく2軸方向のみや1軸方向のみとすることにより、測定装置の構造の簡素化が可能となる効果や測定方法の簡素化が可能となる効果が得られる。
As shown in FIG. 1, even in the case of using the two moving stages of the
次に測定装置本体10に設けられる各構成に付いて説明する。上述したように熱拡散率測定装置100の各構成部品を測定装置本体10に配置するか測定部12に配置するかは熱拡散率の測定の基本に関わる問題では無いので、色々な条件を考慮して変更することが可能である。本実施例では試料2を出し入れする時に熱拡散率測定装置100が開放された状態で、利用者が手で触れることができる測定用部品をできるだけ少なくした方が、信頼性の維持や耐久性の向上の点で望ましいとの考えに基づいて構造や部品の配置を決めている。
Next, each configuration provided in the measurement apparatus
測定装置本体10には、以下で説明する熱拡散率の測定のための演算処理や測定動作の制御を行う制御装置70が設けられていて、該制御装置70により加熱用ステージ20や測定用ステージ40を制御することができる。また測定装置本体10には、制御装置70からの制御信号により測定部12の加熱用ステージ20や測定用ステージ40を動作させるための駆動回路36および37が設けられていて、上記制御装置70の入出力端74からの制御信号に基づき、加熱用ステージ20や測定用ステージ40の位置を制御することができる。
The measurement apparatus
さらに上記制御装置70の入出力端74からの加熱周波数fを設定する指令に基づき、周期信号発生回路32は設定された加熱周波数fの周期信号32Sを発生し、この周期信号32Sが駆動回路33介して加熱手段22に加えられる。加熱手段22は図示しないレーザ発生素子を備えており、前記レーザ発生素子は加熱周波数fに基づいて変化するレーザ光を発生し、レンズ24を介して加熱点26に前記レーザ光が照射される。さらに測定装置本体10には、センサ42を動作させて試料2の測定点46の温度を表す電気信号を出力する測定回路35と、この測定回路35から出力された電気信号と周期信号発生回路32の出力信号との位相差を検出する位相差検出回路34が設けられている。
Further, based on a command for setting the heating frequency f from the input /
位相差検出回路34は、例えばロックインアンプで構成することができ、位相差を送出することができる。ロックインアンプで構成された位相差検出回路34に周期信号発生回路32が発生する周期信号32Sと測定回路35が発生する周期信号35Sとを入力することにより、周期信号32Sに対する周期信号35Sの位相遅れθを検出することができる。
The phase
制御装置70は、熱拡散率測定装置100の利用者である測定者が操作するためのキーボードやマウスなどの入力装置79や必要な情報や処理結果等の情報を表示したり印刷したりする出力装置78を有する入出力装置77や、デジタル信号やアナログ信号を入出力するための入出力端子74や、演算処理を行う演算処理装置(central processing unit)72や、以下で説明するデータベース81〜84やデータ85や履歴86を保持するメモリ80を有している。なお制御装置70は演算処理装置72が動作するために必要なプログラムや一時記憶装置などを有しているが、これらの図示を省略する。
The control device 70 is an output device for displaying or printing information such as an
制御装置70が位相差検出回路34からの位相遅れθに基づいて以下に説明する演算処理を行うことにより、試料2の見かけの熱拡散率αrを求めることができる。さらにデータベース81〜84を用いて処理することにより、より正確な試料2の真の熱拡散率αtを求めることができる。
The control device 70 can calculate the apparent thermal diffusivity αr of the
図2は測定部12の内部構成が理解し易いように模式的に記載した説明図であり、図3は測定部12の構成が理解し易いように記載した外観図である。図2と図3を用いて熱拡散率測定装置100の測定部12の概要を説明する。
2 is an explanatory diagram schematically illustrating the internal configuration of the
測定部12の外側には構成器機を保護するためのカバー62とカバー63が設けられており、これらの内側に測定空間50が形成されている。試料2は測定空間50のXY平面上に置かれている。なお図2では測定部12の内部構造が見えるように、特別にカバー62およびカバー63を板状の形状とし、さらにカバー63を透明な状態として破線で記載している。このため図2では測定空間50は開放された空間となっている。しかし図3に示す如く安全性や測定の信頼性等の観点から測定空間50はカバーで覆われた空間となることが望ましい。
A
試料2は測定時には保持機構66や保持機構68により保持固定される。どのような固定方法でも利用可能であるが、本実施例では試料2を両面から保持機構66と保持機構68で挟む構造となっている。図3に示すように保持機構66と保持機構68の少なくとも一方、例えば保持機構68を、弾力性を有する構造とすることにより、試料2を保持機構66の上に載置し、さらに弾力性を有する保持機構68で反対面を押さえることで試料2を固定することができる。このように本実施例では試料2を所定の位置に簡単に固定することが可能となる。また保持機構66や保持機構68を熱抵抗の大きい材料で、例えば金属以外の材料で作ることにより、保持機構66や保持機構68の熱伝達の測定精度に及ぼす影響を低減できる。
The
試料2の一方の面に対して加熱用レーザビーム27を照射するための加熱手段22やレンズ24が設けられており、加熱点26に加熱用レーザビーム27が照射される。加熱用レーザビーム27の強さは図1に示す周期信号発生回路32が出力する周期信号32Sに基づいて変化する。このため加熱点26の温度が周期的に変化する。この実施例では、加熱手段22とレンズ24がX軸とY軸とZ軸に方向に移動可能な加熱用ステージ20に固定されている。試料2の一方の面がX軸とY軸とに沿うように試料2が配置されているので、加熱用ステージ20をX軸とY軸とに沿って移動させることにより、加熱点26を試料2の一方の面上で移動させることができる。また加熱用レーザビーム27がZ軸方向に照射される構造となっているので、加熱用ステージ20をZ軸方向に移動させることにより、加熱点26とレンズ24との間の距離を調整することが可能となり、加熱点26の大きさを調整することができる。なお、図3では加熱手段22やレンズ24の図示を省略している。
A heating means 22 and a
試料2の他方の面の側に、レンズ44やセンサ42が設けられており、測定点46の温度に基づく電気信号を図1の測定回路35から出力する。測定点46は加熱点26に対して試料2の表面上で距離Lだけ離れた位置に設定されており、加熱点26の周期的に変化する温度が測定点46に温度波として伝達され、測定点46の温度が周期的に変化する。
A
以下で説明するが加熱点26における温度の周期的な変化に対して、測定点46における温度の周期的な変化は位相が遅れており、この位相遅れθが距離Lと共に試料2の熱拡散率αに依存する。従って予め位相遅れθや距離Lに基づく熱拡散率αとの関係を求めておき、この関係をメモリ80に記憶しておけば、測定された位相遅れθから制御装置70の検索処理により熱拡散率αを求めることができる。さらに仮に距離Lを予め定めた値に設定しておけば、距離Lを検索パラメータから外すことができ、測定された位相遅れθからより簡単に熱拡散率αを求めることができる。しかし、以下で説明するように、発明者らの研究で明らかになった測定誤差の要因が存在し、これら測定誤差の要因に対応することが必要である。
As will be described below, the phase of the periodic change of the temperature at the
前記位相遅れθは、加熱点26の周期的な温度変化(以下加熱周期波形と記す)と測定点46の周期的な温度変化(検出周期波形と記す)を求め、加熱周期波形と検出周期波形とを比較することで、求めることができる。加熱点26は図1の周期信号発生回路32が出力する周期信号32Sに基づいて変化していると見ることができる。従って加熱周期波形は周期信号32Sの周期波形と見ることができる。
The phase delay θ obtains a periodic temperature change at the heating point 26 (hereinafter referred to as a heating period waveform) and a periodic temperature change at the measurement point 46 (hereinafter referred to as a detection period waveform). Can be obtained by comparing. It can be seen that the
測定点46の温度変化を検出するために、測定点46が発生する赤外線47をレンズ44により集光し、集光された赤外線47がセンサ42と測定回路35により周期信号35Sに変換される。上述したように加熱点26の温度変化を表す周期信号32Sと測定点46の温度変化を表す周期信号35Sとから位相差検出回路34により、位相遅れθが検知される。
In order to detect a temperature change at the
上述したようにセンサ42やレンズ44は測定用ステージ40に設けられているのでセンサ42やレンズ44をX軸とY軸に沿って移動することにより、測定点46の位置を所定の間隔で移動することができ、測定点46の位置を移動させながら、各位置における位相遅れθを順に連続して測定することが可能である。
Since the
レンズ24やレンズ44として例えばCaF2、Si、Ge、ZnSeなどの良好な透過性を有する材料を用いた有限補正系のレンズを用いることができる。また金コートされた2つの放物面ミラーで、レンズ24やレンズ44を構成することができる。
As the
本実施例では、試料2の一方の面に加熱手段22やレンズ24に基づく加熱点26を設け、試料2の他方の面に測定点46を設定し測定点46の温度をレンズ44やセンサ42で測定する構造としている。加熱点26や測定点46を異なる面ではなく同じ面に設けても良いが、本実施例の如く、加熱点26と測定点46を試料2の表面と裏面に分けて設けることにより、熱拡散率測定装置100を小型にすることができる。また加熱手段22やレンズ24とレンズ44やセンサ42とを同一の面に設けると、加熱点26と測定点46とが接近している場合に、加熱手段22やレンズ24とレンズ44やセンサ42とが互いにぶつかり合うことが懸念されるが、本実施例ではそれぞれ異なる面に配置されているので加熱点26と測定点46を自由に設定することができる。
In this embodiment, the
図3は測定部12の形状の一例を示している。カバー62は測定装置本体10に固定されており、カバー63は例えば蝶番のような回転支持体14により測定装置本体10に固定されている。カバー63を図の上方向に開くことができ、試料2を出し入れすることができる。カバー62には試料2を保持するための保持機構66が設けられており、またカバー63に弾性体で作られた試料2を固定するための保持機構68が設けられている。
FIG. 3 shows an example of the shape of the
カバー63を開き、保持機構66の上に試料2を置き、カバー63を閉じることにより弾性体で作られている保持機構68により試料2が抑えられ、保持機構66と保持機構68との間に挟まれることにより試料2が固定される。図では加熱手段22やレンズ24およびセンサ42やレンズ44の図示を省略しているが、加熱用ステージ20や測定用ステージ40を動作させることにより、加熱点26や測定点46の位置を調整できる。また試料面とレンズ24やレンズ44との間の距離を調整することができる。
By opening the
保持機構66と保持機構68の少なくとも一方が、変形可能に作られているので、厚さの異なる試料2であっても、試料2の厚さの変化に対応することができる。なおこの例では、加熱用ステージ20に設けられたレンズと試料2の面との間の距離が常に一定となるので、加熱用ステージ20を使用しないで、保持機構66側に配置したレンズや加熱手段22をカバー62に固定しても良い。図示していない加熱点26を固定にしても図示していない測定点46の位置を測定用ステージ40により調整することにより、加熱点26のZ軸と測定点46のZ軸との間の距離Lを調整することができる。
〔周期加熱法の基本原理〕
次に前記の熱拡散率測定装置100に使用される周期加熱法の基本原理を説明する。周期加熱法は、等方的無限平面中に設けられた点を熱源としてその温度を所定の周波数(以下加熱周波数と記す)で周期的に変化させることにより熱拡散率α率などの温度伝搬率を測定する手法である。周期的に変化する熱源の温度をP0eiwtとした場合に熱源から距離Lの位置の周期的な温度変動は次式によって表される。
Since at least one of the
[Basic principle of periodic heating method]
Next, the basic principle of the periodic heating method used in the thermal
ここで、Lは加熱点26におけるZ軸と測定点46におけるZ軸との間の距離、Tacは測定点46の温度、ωは角周波数、tは時間、αは熱拡散率、cは単位体積あたりの比熱容量である。kは温度周期の波数であり次式で定義される。
Here, L is the distance between the Z axis at the
ここで、fは測定者が設定する加熱周波数、μは熱拡散長である。これより加熱点26のZ軸から距離Lだけ離れた測定点46における温度Tacの加熱源における温度に対する位相遅れθは次式で表される。
Here, f is the heating frequency set by the measurer, and μ is the thermal diffusion length. Accordingly, the phase lag θ of the temperature Tac at the
(数3)式から位相遅れθは、距離Lや加熱周波数fの平方根に比例することがわかる。従って位相遅れθの距離依存性又は加熱周波数依存性を利用して熱拡散率αを求めることができる。すなわち距離Lあるいは加熱周波数fを変化させて位相遅れθを測定することにより、原理的には熱拡散率αを求めることができる。 From the equation (3), it can be seen that the phase delay θ is proportional to the distance L and the square root of the heating frequency f. Therefore, the thermal diffusivity α can be obtained using the distance dependency or the heating frequency dependency of the phase delay θ. That is, in principle, the thermal diffusivity α can be obtained by measuring the phase delay θ by changing the distance L or the heating frequency f.
図4は、(数3)式をグラフ化した図である。例えば(数3)式の関係が成り立つと仮定して、実際の測定において距離Lを変化させて、位相遅れθと距離Lとの関係をプロットしたグラフである。得られたグラフの勾配から原理的には熱拡散率αを得ることができる。しかし、実際の測定結果に基づくグラフは、図4に示すような直線のグラフではなく、直線からずれたグラフとなる。その理由として例えば、周期加熱法の基本原理は試料の厚さを無視できる場合において成り立つ原理であることや、実際の測定では加熱ビームの強度分布や検出器の感度分布の影響が無視できないからである。そこで、以下で説明するシミュレーションを用いて、試料の厚さの影響や、加熱ビームの強度分布の影響、検出器の感度分布の影響を考慮した熱拡散率αを求めることとした。
〔シミュレーションの概要〕
本実施の形態では円筒座標系を用いて、測定対象試料が厚さ50−1000mmの範囲の値を持つと想定し、また半径10mmの回転対称の円板の測定を想定して、円筒座標系を用いた有限要素法のシミュレーションを行った。ソフトウェアはCOMSOL Multiphysicsを使用した。上述影響の確認のために試料2の厚さや試料2の形状、距離Lをこのように想定したが、このシミュレーションに基づく本発明は、試料2の適用範囲を前記に限定するものではない。本発明では、前記想定の範囲以外の試料2に対しても測定精度が向上する効果が得られ、またそれ以外の実施例の説明のおいて述べる効果を奏することができる。
FIG. 4 is a graph showing the equation (3). For example, it is a graph in which the relationship between the phase delay θ and the distance L is plotted by changing the distance L in the actual measurement on the assumption that the relationship of Equation (3) holds. In principle, the thermal diffusivity α can be obtained from the gradient of the obtained graph. However, the graph based on the actual measurement result is not a straight graph as shown in FIG. 4 but a graph deviated from the straight line. This is because, for example, the basic principle of the periodic heating method is a principle that holds when the thickness of the sample can be ignored. is there. Therefore, by using the simulation described below, the thermal diffusivity α is determined in consideration of the influence of the thickness of the sample, the influence of the intensity distribution of the heating beam, and the influence of the sensitivity distribution of the detector.
[Simulation Overview]
In the present embodiment, it is assumed that the sample to be measured has a value in the range of 50-1000 mm in thickness using a cylindrical coordinate system, and that the measurement of a rotationally symmetric disk with a radius of 10 mm is assumed. The simulation of the finite element method using was performed. The software used was COMSOL Multiphysics. Although the thickness of the
周期加熱法の基本原理では試料厚さを考慮していないが、ここでは厚さを考慮した計算を行うため、図5に記載のように加熱部10の加熱点26から測定点46までの直線距離Rを定義した。Rは、試料の厚さdと前記説明の距離Lに対応する半径rを用いて次式で表される。
Although the sample thickness is not considered in the basic principle of the periodic heating method, in order to perform calculation in consideration of the thickness here, a straight line from the
厚さを考慮する計算では、基本原理で説明した距離Lを直線距離Rとして計算する。試料の表面を加熱するレーザ強度は,ガウシアン分布に従う以下の式によって表される。 In the calculation considering the thickness, the distance L described in the basic principle is calculated as the linear distance R. The intensity of the laser that heats the surface of the sample is expressed by the following equation according to the Gaussian distribution.
Eはレーザの全吸収エネルギー、aはガウシアンレーザビームの半径である。なおレーザ照射部位以外の表面は断熱と仮定している。
〔シミュレーション条件〕
次にシミュレーション条件を説明する。一例として試料2は、材料が銅の試料を用いる。空間メッシュは三角要素法を用い、熱拡散長の20分の1程度とする。レーザの加熱周波数は試料2の材料を考慮し10Hzとする。またガウシアンレーザビームの半径aは151μm、レーザの全吸収エネルギー Eは、80×10−3W/m2とする。センサ42の感度分布の半径は600μmとし、熱拡散長は8.51×10−4mから2.73×10−3mの範囲において測定し、試料2の熱拡散率αを求める。
〔試料と振動数の関係〕
前記のように、銅材で作られた試料2を考慮して、このシミュレーションでは加熱周波数fを10Hzに選んでいる。加熱周波数fをこの加熱周波数以外の他の加熱周波数の値に設定することも可能であるが、試料2の材料に基づき望ましい加熱周波数fが変わる。材料に対する望ましい加熱周波数fの関係を図6に記載する。図6の欄Aには試料2の材料の内代表的なものを示し、欄Aに記載の材料に対応した望ましい加熱周波数fの範囲を欄Cに示す。例えば試料2の材料が銅である場合の望ましい加熱周波数fの範囲は5Hzから50Hzであり、材料がステンレスである場合の望ましい加熱周波数fの範囲は0.2Hzから2Hzである。欄Cに示す加熱周波数fを使用して測定した熱拡散率αの平均値を欄Bに示しており、試料2の材料が銅である場合の熱拡散率αは1.16×10−4m2/sである。他の材料に関しても同様である。
E is the total absorption energy of the laser, and a is the radius of the Gaussian laser beam. The surface other than the laser irradiation site is assumed to be heat insulation.
〔Simulation conditions〕
Next, simulation conditions will be described. As an example, the
[Relationship between sample and frequency]
As described above, in consideration of the
図6に示すデータは、図1に記載の本実施例において、加熱周波数fの決定に利用される。このため図6に示すデータは、データベース82としてメモリ80に記憶されている。以下で記載するが、熱拡散率測定装置100の利用者が材料を入力することにより、予め記憶されているデータベース82が出力装置78に表示され、前記利用者が加熱周波数fの決定に利用することができる。あるいは好ましい加熱周波数fがデータベース82に基づいて自動的に決定される。決定された加熱周波数fは制御装置70から周期信号発生回路32に指令として送信され、周期信号発生回路32は決定された加熱周波数fに基づく周期信号32Sを発生する。
〔温度検出の感度分布〕
実際の測定では測定点46が面積を無視できるような小さい点ではなく、面積を持つ。すなわち実際の測定点46は面積を持ち、その面積に対してセンサ42が赤外線47を測定する場合に感度分布を持って測定することとなる。
The data shown in FIG. 6 is used to determine the heating frequency f in this embodiment shown in FIG. For this reason, the data shown in FIG. 6 is stored in the
[Sensitivity distribution of temperature detection]
In actual measurement, the
次に測定点46の温度検出の感度分布について説明する。実験的な温度測定の検出感度の空間分布を得るために、図7に示すように、材料が銅の試料2の測定面の半分を黒化処理した黒化処理面3とし、測定面の残り半分を黒化処理しない非黒化処理面4として、試料2の裏面をヒータ23で均一に加熱し、センサ42である赤外線検出器で測定位置xを変化させながら試料2の表面の温度を測定した。
Next, the temperature detection sensitivity distribution at the
試料2の表面の内、黒化膜処理した黒化処理面3からは赤外線が放射されるが、黒化膜処理を行っていない非黒化処理面4からは赤外線が放射されない。図7に示すように、平板形状のヒータ23により試料2を均一に加熱し、黒化処理面3の方を距離xの正側また非黒化処理面4の方を距離xの負側として、距離xを変えながら黒化処理面3から非黒化処理面4の方へ測定点46を移動する。すると黒化膜処理している黒化処理面3では信号強度が大きく、黒化膜処理していない非黒化処理面4では赤外線の量が減少し検出される信号強度が小さくなる。この測定結果を図8のグラフAで示す。このグラフAは温度分布関数U(x)であり、測定点46が黒化膜処理している黒化処理面3と黒化膜処理されていない非黒化処理面4との境界を距離xのゼロ点とすると、距離xの正側の温度が高く、距離xの負側の温度が低い状態を表している。そして、温度分布関数U(x)であるグラフAのxに対する微分値を求めると、微分値はグラフBで表され、このグラフBが検出感度分布S(x)を表す。
Of the surface of the
図8は、温度分布を表すグラフAと感度分布を表すグラフBとを表示した図である。温度分布を表すグラフAは、上述したように距離xと測定温度との関係を表しており、図の左側の縦軸が測定温度を示し、横軸が距離xを示す。またグラフBは感度分布を表し、横軸の距離xをグラフAと共通の軸とし、図の右側の縦軸がグラフBの縦軸である感度を表している。グラフAの各黒点は、距離xを変化させ状態での各距離xにおける測定温度をプロットした点であり、グラフAの破線は各測定温度をスムーズ化して求めた温度分布関数U(x)を表す。 FIG. 8 is a diagram displaying a graph A representing a temperature distribution and a graph B representing a sensitivity distribution. As described above, the graph A representing the temperature distribution represents the relationship between the distance x and the measured temperature. The vertical axis on the left side of the drawing indicates the measured temperature, and the horizontal axis indicates the distance x. Graph B represents a sensitivity distribution, with the horizontal axis distance x being the same axis as graph A, and the vertical axis on the right side of the figure represents the vertical axis of graph B. Each black point in the graph A is a point where the measured temperature at each distance x in a state where the distance x is changed is plotted, and the broken line in the graph A is a temperature distribution function U (x) obtained by smoothing each measured temperature. Represent.
温度が高い位置で収束する、距離xが0.6mm付近の領域31は、試料2の黒化膜処理されている部分を測定領域とした測定結果の温度分布を表している。また温度が低い位置で収束する、距離xが−0.6mm付近の領域32は、黒化膜処理されていない部分を測定領域とした測定結果とした温度分布を表している。
A
またグラフBが、温度分布関数U(x)を表すグラフAを微分して得られたグラフで、感度分布S(x)を表す。グラフAが表す温度分布関数U(x)が、黒化膜処理をしている黒化処理面3と黒化膜処理を施していない非黒化処理面4との境界、すなわち距離xが0.0mmの位置で最も変化が大きいため、測定感度S(x)は黒化処理面3と非黒化処理面4との境界上である一点鎖線Aの位置で最大となる。
Graph B is a graph obtained by differentiating graph A representing temperature distribution function U (x), and represents sensitivity distribution S (x). The temperature distribution function U (x) represented by the graph A has a boundary between the blackened
実際には検出器の中心に対する軸対称の感度分布を求める必要がある。つまり、検出器の中心から半径方向の距離をrsとした場合の位置rsの感度分布S(rs)を求める。図8の感度分布S(x)の関数の形から、感度分布S(rs)がrsの4次多項式で近似できると仮定して、座標変換を行ない、図8のグラフB示す感度分布S(rs)を求める。 Actually, it is necessary to obtain an axisymmetric sensitivity distribution with respect to the center of the detector. That is, the sensitivity distribution S (r s ) at the position r s when the radial distance from the center of the detector is r s is obtained. From the shape of the function of the sensitivity distribution S in FIG. 8 (x), the sensitivity distribution S (r s) is assumed to be approximated by fourth-order polynomial in r s, performs coordinate transformation, the sensitivity distribution shown curve B in FIG. 8 seek S (r s).
またシミュレーションによれば上述したように測定結果の精度を向上するためには試料2の厚さの影響も考慮しなければならない。試料2の厚さの影響や検出感度分布などの影響をできるだけ少なくして測定精度を向上することが望ましい。以下精度向上についての考え方について説明する。
According to the simulation, as described above, the influence of the thickness of the
図9は距離Lを変化させながら位相遅れθを測定したグラフである。(数3)式を用いて熱拡散率αを位相遅れθと距離Lから求めると、もし上述した影響がなければ距離Lを変えて測定された各位相遅れθの測定結果に対して、一定の熱拡散率αとなるはずである。しかし、実際の測定結果では図10で示すような結果となる。変化させながら測定した各距離Lにおける位相遅れθから演算した熱拡散率α(以下見かけの熱拡散率αrと記す)に対する、試料2の真の熱拡散率α(以下真の熱拡散率αtと記す)の割合を図10に示すようになる。この測定結果では見かけの熱拡散率αrが真の熱拡散率αtより大きな値を示すので、(真の熱拡散率αt/見かけの熱拡散率αr)の比は1より小さい値となっている。見かけの熱拡散率αrが真の熱拡散率αtより大きい値となるか小さい値となるかは色々な条件で異なり一概には述べられないが、見かけの熱拡散率αrが真の熱拡散率αtとは異なる値を示すことが分かる。また距離Lに対して(真の熱拡散率αt/見かけの熱拡散率αr)の比は一定ではなく変化しており、距離Lが大きくなるに従って前記見かけの熱拡散率αrが真の熱拡散率αtに近づく傾向が見られる。 FIG. 9 is a graph in which the phase delay θ is measured while the distance L is changed. If the thermal diffusivity α is obtained from the phase delay θ and the distance L using the equation (3), if there is no influence as described above, the measurement result of each phase delay θ measured by changing the distance L is constant. The thermal diffusivity α should be However, the actual measurement result is as shown in FIG. The true thermal diffusivity α of the sample 2 (hereinafter referred to as the true thermal diffusivity αt) with respect to the thermal diffusivity α (hereinafter referred to as the apparent thermal diffusivity αr) calculated from the phase delay θ at each distance L measured while changing. The ratio is as shown in FIG. In this measurement result, since the apparent thermal diffusivity αr is larger than the true thermal diffusivity αt, the ratio of (true thermal diffusivity αt / apparent thermal diffusivity αr) is smaller than 1. . Whether or not the apparent thermal diffusivity αr is larger or smaller than the true thermal diffusivity αt differs depending on various conditions and cannot be described unconditionally, but the apparent thermal diffusivity αr is not the true thermal diffusivity. It can be seen that the value is different from αt. Further, the ratio of (true thermal diffusivity αt / apparent thermal diffusivity αr) to the distance L is not constant, and the apparent thermal diffusivity αr becomes true thermal diffusion as the distance L increases. There is a tendency to approach the rate αt.
加熱点26から十分に離れた位置に測定点46を設定すれば、測定点46の測定結果に基づく見かけの熱拡散率αrが真の熱拡散率αtに近い値を示すこととなるが、実際にはいろいろ困難な課題が生じる。例えば加熱点26と測定点46との間の距離Lを十分に長くすると、測定点46で加熱周波数に基づいて発生した温度波が距離Lと共に減衰し、測定点46では減衰が大きく温度波の測定が困難となる。
If the
これらのことから真の熱拡散率αtに近い精度の高い熱拡散率を得るために次のような処理1、あるいは処理1と処理2とを実行する。処理1では、測定された見かけの熱拡散率αrから真の熱拡散率αtを求めるための補正係数Cを予め求めて、この補正係数Cを図1のメモリ80にデータベース83として記憶しておく。この補正係数Cは、例えば(真の熱拡散率αt/見かけの熱拡散率αr)の比として表され、例えば見かけの熱拡散率αrに補正係数Cを乗じることにより、真の熱拡散率αtのを求めることができる。
From these facts, the following
処理2は、距離Lの適正な設定についてである。距離Lが短いと距離Lに依存して見かけの熱拡散率αrが大きく変化する。しかし加熱点26に対して測定点46が少し離れると距離Lにして変化する見かけの熱拡散率αrの変化が小さくなる。見かけの熱拡散率αrの距離Lに依存する変化が所定値より小さくなる見かけの熱拡散率αrを使用し、この見かけの熱拡散率αrを用いて前記補正係数Cから真の熱拡散率αtを演算することにより、前記温度波の減衰が比較的小さい、言い換えると高い精度で前記温度波を測定できる位置の距離L使用することができる。
距離Lを大きくすると上述したように前記温度波の減衰が大きく、前記温度波の測定精度が低下する、あるいは前記温度波の測定が困難となる。従って真の熱拡散率αtを所定の精度で得ることができる距離Lであっても必要以上に距離Lが長くなることがない位置に測定点46が存在する状態の測定結果を使用して見かけの熱拡散率αrを求め、この見かけの熱拡散率αrを前記補正係数で補正して真の熱拡散率αtを算出する。
When the distance L is increased, the temperature wave is greatly attenuated as described above, and the measurement accuracy of the temperature wave is lowered, or the measurement of the temperature wave is difficult. Therefore, even if the distance L is such that the true thermal diffusivity αt can be obtained with a predetermined accuracy, it is apparent that the
適切な距離Lでの測定結果が使用されるようにフィッティング領域を設定する。このフィッティング領域は例えば1mmとする。図9や図10では例えば以下に説明のようにしてフィッティング領域を求めることにより、結果として1.53mmから2.53mmの領域がフィッティング領域として設定され、この場合にフィッティング領域の幅を上述したように1mmとしている。このフィッティング領域の幅は、発明者が行った多くの実験結果に基づいて経験的に定めたものであり、この幅の設定には測定対象となる試料の大きさや図9に示す特性曲線の状態が反映されている。前記フィッティング領域の幅は、0.5mm〜2mmが適切である。
〔真の熱拡散率αtの測定〕
図11から図14を使用して、熱拡散率測定装置100に取り付けられた試料2の真の熱拡散率αtを測定する手順を説明する。図11は、上述した図9に対応する図であり、図12は、図9との関係において見かけの熱拡散率αrを求めるための図である。図13は見かけの熱拡散率αrに対する補正係数Cを求める図である。図12や図13は、予め実測やシミュレーションから求められたデータベースの内容を説明する図であり、図12や図13に示すデータベースはそれぞれ図1のメモリ80にデータベース84や83として検索可能に保持されている。図14は、測定された図9に示す温度波の位相遅れθのデータから真の熱拡散率αtを演算するための熱拡散率測定装置100の動作を示すフローチャートである。
The fitting area is set so that the measurement result at an appropriate distance L is used. This fitting area is, for example, 1 mm. 9 and 10, for example, by obtaining the fitting area as described below, as a result, an area of 1.53 mm to 2.53 mm is set as the fitting area. In this case, the width of the fitting area is as described above. 1 mm. The width of this fitting region is determined empirically based on the results of many experiments conducted by the inventor, and this width is set according to the size of the sample to be measured and the state of the characteristic curve shown in FIG. Is reflected. The width of the fitting region is suitably 0.5 mm to 2 mm.
[Measurement of true thermal diffusivity αt]
A procedure for measuring the true thermal diffusivity αt of the
なお本明細書では、制御装置70が行う演算処理の定義には、単なる代数的な計算だけでなく、予め検索可能なデータを記憶しておき前記データの検索に基づいて結果を導く処理や、色々な補間演算、さらには色々な統計処理も含まれるものとする。 In the present specification, the definition of the arithmetic processing performed by the control device 70 is not limited to simple algebraic calculation, but stores data that can be searched in advance and derives a result based on the search of the data, It is assumed that various interpolation calculations and various statistical processes are included.
図14に示すフローチャートのステップS120が実行され、真の熱拡散率αtを求める動作が開始される。この実施例では、試料2の材料は銅を主成分としており、試料2の厚さの実測値が318μmである。フローチャートのステップS120が実行されると、ステップS122で、図1〜3に示す装置で、加熱点26に対する測定点46の位置を変えながら、すなわち距離Lを変えながら位相遅れθの測定を行い、その結果を図1のメモリ80にデータ85として記憶する。この測定結果を図11に示す。既に図9で説明したグラフと同様、ステップS122で測定されたデータをグラフとして示すと、図11に示すグラフとなり横軸が距離Lで縦軸が位相遅れθである。なお試料2の材料は銅を主成分としており、図1のメモリ80に記憶されたデータベース82に基づき、加熱周波数fを10Hzとしている。なおこの測定動作は、演算処理装置72を有する制御装置70により自動的に行われ、測定結果が自動的にメモリ80に保持される。
Step S120 of the flowchart shown in FIG. 14 is executed, and an operation for obtaining the true thermal diffusivity αt is started. In this embodiment, the material of
まずステップS124で、制御装置70により自動的に任意のフィッティング領域(I)の設定が行われる。このフィッティング領域(I)は図11に示すようにフィッティング領域(I)は(L=0.0mm〜1.0mm)を任意のフィッティング領域としている。このようにできるだけ距離Lが小さい値で先ずフィッティング領域(I)を設定することが望ましい。その理由は次のとおりである。 First, in step S124, an arbitrary fitting region (I) is automatically set by the control device 70. As shown in FIG. 11, the fitting area (I) has an arbitrary fitting area (L = 0.0 mm to 1.0 mm). In this way, it is desirable to first set the fitting region (I) with the distance L as small as possible. The reason is as follows.
加熱点26から伝搬される温度波は距離が長くなるに従い減衰し、減衰に伴い温度波の測定精度が低下する。距離Lが小さい位置の測定データをできるだけ使用することが、位相遅れθの測定精度を向上することになる。本実施例では、任意のフィッティング領域(I)を先ず距離Lの小さい値の方で設定するので、フィッティング領域の収束条件を、距離Lの値ができるだけ小さい領域で見つけ出すことができ、この結果高い測定精度のデータ使用して見かけの熱拡散率αrを求めることができる。このことは真の熱拡散率αtの測定精度の向上につながる。
The temperature wave propagated from the
次にステップS126で制御装置70は見かけの熱拡散率αrを演算により求める。制御装置70は、フィッティング領域(I)内の実測値である黒丸をつなぐ線M1を求め、線M1の傾きから見かけの熱拡散率αrを求める。図4を使用して説明した基本原理では、距離Lの範囲によらず一定の傾き〔−(α/f)1/2〕が得られたが、実際には上述したように試料の厚さや感度分布などの影響により、距離Lに対する位相遅れθの傾きが一定の直線とはならず、結果として図11に示す測定結果では距離Lの範囲によって熱拡散率の傾きが異なる値となる。そのため数3で示した式により、制御装置70により求められたフィッティング領域(I)の熱拡散率αは真の熱拡散率αtではなく、見かけの熱拡散率αrである。本実施例では、制御装置70が演算して求めた領域Iの見かけの熱拡散率αrは1.03×10−4m2/sである。
Next, in step S126, the controller 70 calculates an apparent thermal diffusivity αr by calculation. The control device 70 obtains a line M1 that connects the black circles that are actually measured values in the fitting region (I), and obtains an apparent thermal diffusivity αr from the slope of the line M1. According to the basic principle described with reference to FIG. 4, a constant slope [− (α / f) 1/2] is obtained regardless of the range of the distance L. Due to the influence of the sensitivity distribution and the like, the slope of the phase delay θ with respect to the distance L does not become a constant straight line. As a result, the slope of the thermal diffusivity varies depending on the range of the distance L in the measurement result shown in FIG. Therefore, the thermal diffusivity α of the fitting region (I) obtained by the control device 70 according to the equation shown in
次にステップS128で、制御装置70が演算により求めた見かけの熱拡散率αrから、制御装置70は逆に距離Lおよびフィッティング領域を演算する。ステップS128で演算した見かけの熱拡散率αrから距離Lを簡単に求められるように、図12に示すデータベースが図1のメモリ80にデータベース84として保持されている。図12に示すデータベースは、横軸を(見かけの熱拡散率αr/加熱周波数f)とし、縦軸を試料2の厚さdとしている。従ってステップS128で、制御装置70は演算により求めた見かけの熱拡散率αrから横軸である(見かけの熱拡散率αr/加熱周波数f)を演算し、(見かけの熱拡散率αr/加熱周波数f)と試料2の厚さdをパラメータとしてデータベース84を検索することにより、見かけの熱拡散率αrに対応した距離Lを求める。
Next, in step S128, from the apparent thermal diffusivity αr calculated by the control device 70, the control device 70 calculates the distance L and the fitting region. The database shown in FIG. 12 is held as the
制御装置70により検索された距離Lは図12の矢印Iで示す値で、距離Lは1.53mmである。この距離Lを基に、図11で新たなフィッティング領域II(1.53〜2.53mm)が制御装置70によって設定される。なおこのときのフィッティング領域の幅は最初の設定のとおりで1mmである。 The distance L searched by the control device 70 is a value indicated by an arrow I in FIG. 12, and the distance L is 1.53 mm. Based on this distance L, a new fitting region II (1.53 to 2.53 mm) in FIG. Note that the width of the fitting area at this time is 1 mm as initially set.
ステップS132で制御装置70は新たなフィッティング領域II(1.53〜2.53mm)がその前のフィッティング領域Iに対して収束した状態かどうかを判断する。この例では、フィッティング領域Iとフィッティング領域IIとは大きく離れているので、制御装置70は収束していない、すなわち(NO)であると判断する。通常1回で収束することは少ない。 In step S132, the control device 70 determines whether or not the new fitting area II (1.53 to 2.53 mm) has converged with respect to the previous fitting area I. In this example, since the fitting area I and the fitting area II are largely separated from each other, the control device 70 determines that it has not converged, that is, (NO). Usually, there is little convergence at one time.
再びステップS126により、制御装置70は新たに設定されたフィッティング領域であるフィッティング領域II(1.53〜2.53mm)に基づいて、図11における位相遅れθの測定値をつなぐ線M2を求め、その傾きから新たな見かけの熱拡散率αrを演算する。上述したようにステップS128で、新たな見かけの熱拡散率αrに基づき新たなフィッティング領域IIIを図12に示すデータベースから算出する。制御装置70により新たに演算されたフィッティング領域IIIは、この実施例では1.60〜2.60mmである。フィッティング領域IIIは1.60〜2.60mmであり、フィッティング領域IIは1.53〜2.53mmであり、その差は予め設定した所定値以下となり、フィッティング領域が収束した状態と判断することができる。ここでフィッティング領域が収束したか否かを判断する前記所定値は予め決められてメモリ80のデータ81として記憶していてもよいし、利用者が測定開始時に入力しても良い。例えばこの所定値は0.1mmであり、この実施例のフィッティング領域の幅1mmより小さい値である。また図12で矢印IIや矢印IIIはフィッティング領域IIやフィッティング領域IIIの検索状態を示しており、矢印IIは1.53mmを指し、矢印IIIは1.60mmを指している。なお、フィッティング領域Iは0.0mm〜1.0mmであり、図12に記載の領域から外れているため、フィッティング領域Iについては図12に記載されていない。
Again, in step S126, the control device 70 obtains a line M2 connecting the measured values of the phase delay θ in FIG. 11 based on the fitting region II (1.53 to 2.53 mm) which is a newly set fitting region. A new apparent thermal diffusivity αr is calculated from the inclination. As described above, in step S128, a new fitting region III is calculated from the database shown in FIG. 12 based on the new apparent thermal diffusivity αr. The fitting area III newly calculated by the control device 70 is 1.60 to 2.60 mm in this embodiment. The fitting area III is 1.60 to 2.60 mm, the fitting area II is 1.53 to 2.53 mm, and the difference is less than or equal to a predetermined value set in advance, so that it can be determined that the fitting area has converged. it can. Here, the predetermined value for determining whether or not the fitting region has converged may be determined in advance and stored as data 81 in the
制御装置70はステップS132で、フィッティング領域が収束したと判断し、制御装置70は次にステップS134を実行する。前記新たに演算された見かけの熱拡散率αr(1.13×10−4m2/s)が信頼できる最終の見かけの熱拡散率αrであると決定される。ステップS134で制御装置70は、最終の見かけの熱拡散率αrを基に図13に示すデータベースから補正係数Cを演算により求める。図13に示すデータベースは図1のメモリ80にデータベース83として保持されている。データベース83を検索するパラメータとしてこの実施例では、(見かけの熱拡散率αr/加熱周波数f)をパラメータとしさらに試料2の厚さdをパラメータとしている。上述したように最終の見かけの熱拡散率αrによりパラメータである(見かけの熱拡散率αr/加熱周波数f)が決定されるので、最終の見かけの熱拡散率αrに基づく補正係数Cが検索処理による決定される。
In step S132, the control device 70 determines that the fitting region has converged, and the control device 70 next executes step S134. The newly calculated apparent thermal diffusivity αr (1.13 × 10 −4
制御装置70はステップS136で、最終の見かけの熱拡散率αrと補正係数Cとに基づいてこれらの掛け算により真の熱拡散率αtを求め、演算結果である真の熱拡散率αtを出力する。この実施例では、見かけの熱拡散率αrが1.13×10−4m2/sであり、検索された補正係数Cが1.068であるので、真の熱拡散率αtは、1.21×10−4m2/sとなる。
In step S136, the control device 70 obtains the true thermal diffusivity αt by multiplication based on the final apparent thermal diffusivity αr and the correction coefficient C, and outputs the true thermal diffusivity αt as the computation result. . In this example, the apparent thermal diffusivity αr is 1.13 × 10 −4
図14に記載のフローチャートでは、試料2が取り付けられ、さらに諸条件が熱拡散率測定装置100に入力された後の位相遅れθの測定とそれに基づく真の熱拡散率αtを求める制御装置70の動作に付いて説明したが、この熱拡散率測定装置100は色々な材質の試料2の熱拡散率αを測定できる。このようにより広い用途に対応するための熱拡散率測定装置100の動作に付いて、次に説明する。
In the flowchart shown in FIG. 14, the measurement of the phase delay θ after the
図15は、色々な材質の試料2の熱拡散率αを測定できる熱拡散率測定装置100の動作を説明するためのフローチャートである。例えば熱拡散率測定装置100の電源が投入されると、ステップS200で示すフローチャートの実行が開始される。
FIG. 15 is a flowchart for explaining the operation of the thermal
図2や図3に記載した一実施例としての熱拡散率測定装置100のカバー63を開け、試料2を取り付け、カバー63を再び閉じて準備完了の入力を行うと、ステップS202で熱拡散率測定装置100の制御装置70は準備完了の信号を受信したこととなり、制御装置70は測定に必要な入力を行うための表示を入出力装置77の出力装置78に表示する。
When the
次にステップS204で、測定動作に必要なデータ例えば位相遅れθを測定して図9や図11に示す測定を行うための距離Lの変化範囲すなわち位相遅れθを測定するための距離Lの領域や、位相遅れθをそれぞれ測定するための距離Lに関する単位間隔や、試料2の厚さdや、試料2の主材料、などの入力を促す表示が為される。そしてステップS204で、測定者が前記必要なデータの入力を行い、制御装置70がステップS206で入力の完了を受信すると、制御装置70は次のステップS204で入力された距離Lの変化範囲に従って加熱用ステージ20あるいは測定用ステージ40のあるいはその両方の制御を行う。例えば制御装置70は、加熱点26と測定点46とのZ軸方向の法線間の距離Lが入力された距離Lの測定領域の最小値に対する値となるように、加熱用ステージ20あるいは測定用ステージ40を制御する。
Next, in step S204, data necessary for the measurement operation, for example, the phase lag θ is measured, and the range of change of the distance L for performing the measurement shown in FIG. 9 or FIG. In addition, a display prompting input of a unit interval related to the distance L for measuring the phase delay θ, the thickness d of the
さらにステップS204で入力された試料2の材料に基づいて、メモリ80にデータベース82として記憶されたデータをステップS210で表示する。このデータの一例は図6に記載のとおりであり、欄Aに記載の試料2の主材料に対する欄Cに示す加熱周波数fや欄Bに示す参考的な熱拡散率が、参考データとして表示される。ステップS210での表示は加熱周波数fの設定に非常に役立つことはもちろんであるが、例えば欄Bに示す参考的な熱拡散率が表示されることにより、これから測定される試料2の大よその熱拡散率αを推測することができ、誤測定の防止などにつながる効果がある。
Further, based on the material of the
加熱周波数fを自動設定するかどうかを、ステップS222で入力し、制御装置70が加熱周波数fの自動設定の有無を受信すると、ステップS224で制御装置70は受信内容に基づく判断を行い、自動設定の場合にはステップS226でメモリ80に記憶されているデータベース82に基づいて、加熱周波数fが自動的に設定される。また熱周波数fを自動設定しない場合には、制御装置70は、ステップS228で測定者による加熱周波数fの入力を受信する。
Whether or not the heating frequency f is automatically set is input in step S222, and when the control device 70 receives the presence or absence of the automatic setting of the heating frequency f, in step S224, the control device 70 makes a determination based on the received content and automatically sets the setting. In this case, the heating frequency f is automatically set based on the
ステップS230では、図14で説明した動作により、制御装置70が図11に示す位相遅れθをステップS204で入力された範囲に対して自動的に前記距離Lを、ステップS204で入力された単位間隔づつ変化させながら測定する。この場合図14では説明を省略したが、1つの距離Lにおける位相遅れθが制御装置70により測定されると、制御装置70は次に、ステップS204で入力された測定を行うための単位間隔づつ距離Lが変化するように、加熱用ステージ20あるいは測定用ステージ40を制御して距離Lを順次変更する。そしてステップS204で入力された距離Lの領域におけるすべての単位間隔における位相遅れθを測定する。
In step S230, by the operation described in FIG. 14, the control device 70 automatically sets the distance L to the range in which the phase delay θ shown in FIG. 11 is input in step S204, and the unit interval input in step S204. Measure while changing. In this case, although the description is omitted in FIG. 14, when the phase delay θ at one distance L is measured by the control device 70, the control device 70 next increases the unit interval for performing the measurement input in step S <b> 204. The distance L is sequentially changed by controlling the
このようにして図11に示す黒点のように、ステップS230で距離Lの単位間隔に対応した位相遅れθを全て測定する。この動作は図14のステップS122で説明の動作である。さらに図11に示す測定データに基づいて最終的な見かけの熱拡散率αrが制御装置70により求められる。 In this way, all the phase lags θ corresponding to the unit intervals of the distance L are measured in step S230 like black dots shown in FIG. This operation is the operation described in step S122 of FIG. Further, the final apparent thermal diffusivity αr is obtained by the control device 70 based on the measurement data shown in FIG.
ステップS230では、図14で説明のようにして真の熱拡散率αtを測定する。そしてステップS232で、求められた真の熱拡散率αtが図1の出力装置78により表示あるいは印字される。ステップS234測定動作を終了する。 In step S230, the true thermal diffusivity αt is measured as described in FIG. In step S232, the obtained true thermal diffusivity αt is displayed or printed by the output device 78 of FIG. Step S234 The measurement operation ends.
以上説明したように本実施例では、補正係数Cをデータベースとして記憶し、見かけの熱拡散率αrを補正係数Cで補正することができるので、熱拡散率αの測定精度を向上することができる。 As described above, in this embodiment, the correction coefficient C is stored as a database, and the apparent thermal diffusivity αr can be corrected with the correction coefficient C, so that the measurement accuracy of the thermal diffusivity α can be improved. .
さらに見かけの熱拡散率αrを求め、求めた見かけの熱拡散率αrを用いて距離Lを求め、距離Lに対する見かけの熱拡散率αrが収束状態となる最終の見かけの熱拡散率αrを求め、該最終の見かけの熱拡散率αrを使用して補正係数Cを求めると共に真の熱拡散率αtを演算するようにしているので、熱拡散率αの測定精度を向上することができる。 Further, the apparent thermal diffusivity αr is obtained, the distance L is obtained by using the obtained apparent thermal diffusivity αr, and the final apparent thermal diffusivity αr at which the apparent thermal diffusivity αr with respect to the distance L is converged is obtained. Since the final apparent thermal diffusivity αr is used to obtain the correction coefficient C and the true thermal diffusivity αt is calculated, the measurement accuracy of the thermal diffusivity α can be improved.
見かけの熱拡散率αrを用いて距離Lを求める演算をデータベースの検索により行うことができるので、本実施例では処理が簡単となる効果がある。 Since the calculation for obtaining the distance L using the apparent thermal diffusivity αr can be performed by searching the database, this embodiment has an effect of simplifying the processing.
図12に示すデータベースを使用して求める距離Lは、見かけの熱拡散率αrと加熱周波数fと試料2の厚さdの3つのパラメータの関係により定まる。これら3つのパラメータをそのまま使用して距離Lを求めようとすると、パラメータの数が多いためその処理はたいへん複雑なものとなる。図13に示すデータベースを使用して補正係数Cを求める場合も同様である。補正係数Cは、見かけの熱拡散率αrと加熱周波数fと試料2の厚さdの3つのパラメータの関係で定まる。これら3つのパラメータをそのまま使用して補正係数Cを求めようとすると、パラメータの数が多いためその処理はたいへん複雑なものとなる。
The distance L obtained using the database shown in FIG. 12 is determined by the relationship among the three parameters of the apparent thermal diffusivity αr, the heating frequency f, and the thickness d of the
発明者は、実験およびその実験結果の解析を繰り返すことにより、見かけの熱拡散率αrと加熱周波数fの2つのパラメータの比を求め、該2つのパラメータの代わりにこの比をパラメータとして使用できることを見つけ出した。この結果、距離Lを2つのパラメータの関係で表すことができる。図12に示すように、求める距離Lを(見かけの熱拡散率αrと加熱周波数fとの比)からなるパラメータと試料2の厚さdとの2つのパラメータで検索可能なデータベースとして記憶し、利用することが可能となった。
The inventor obtains a ratio of two parameters of the apparent thermal diffusivity αr and the heating frequency f by repeating the experiment and analysis of the experiment result, and uses this ratio as a parameter instead of the two parameters. I found it. As a result, the distance L can be expressed by the relationship between the two parameters. As shown in FIG. 12, the distance L to be obtained is stored as a database that can be searched with two parameters, a parameter consisting of (a ratio between the apparent thermal diffusivity αr and the heating frequency f) and the thickness d of the
図13に示す補正係数Cに付いても同様であり、補正係数Cを(見かけの熱拡散率αrと加熱周波数fとの比)からなるパラメータと試料2の厚さdとの2つのパラメータで検索可能なデータベースとして記憶し、利用することが可能となった。
The same applies to the correction coefficient C shown in FIG. 13, and the correction coefficient C is determined by two parameters, a parameter composed of (ratio of the apparent thermal diffusivity αr and the heating frequency f) and the thickness d of the
見かけの熱拡散率αrを補正する補正係数Cを検索可能なデータベースとして保持することが可能となったことにより、試料2の熱拡散率αの測定精度を大幅に向上することができた。また図12に示す距離Lを検索可能なデータベースとして保持できることで、試料2の熱拡散率αの測定精度をさらに向上させることができた。
Since the correction coefficient C for correcting the apparent thermal diffusivity αr can be held as a searchable database, the measurement accuracy of the thermal diffusivity α of the
図16は熱拡散率測定装置100の他の実施例を説明するフローチャートである。図16に記載のステップの内、図15に記載のステップと同一の参照符号を付したステップは、同様の動作をなし同様の効果を奏する。これらについての詳細な説明を省略する。
FIG. 16 is a flowchart for explaining another embodiment of the thermal
図16に示すフローチャートのステップS300が実行されると、このフローチャートの動作が開始される。図1に示す制御装置70は先ず図15に示すステップS202〜S206を実行し、次にステップS208〜S232を実行する。このステップS208〜S232の実行で、図15に示すステップS230が実行され、制御装置70は真の熱拡散率αtを演算により求め、ステップS232で出力装置78に表示するなどの方法で真の熱拡散率αtを出力する。これらのステップの動作は図15に基づき説明済みであり、説明を省略する。 When step S300 of the flowchart shown in FIG. 16 is executed, the operation of this flowchart is started. The control device 70 shown in FIG. 1 first executes steps S202 to S206 shown in FIG. 15, and then executes steps S208 to S232. By executing these steps S208 to S232, step S230 shown in FIG. 15 is executed, and the control device 70 obtains the true thermal diffusivity αt by calculation and displays it on the output device 78 in step S232. The diffusion rate αt is output. The operation of these steps has already been described with reference to FIG.
次に図16のステップS312で加熱周波数fに基づき、測定される真の熱拡散率αtの予測範囲Rを求める。このステップS312がステップS208〜S232の後に実行されるが、これは単に一例であり、ステップS208〜S232の後に限るものではない。図15におけるステップS226やステップS228で加熱周波数fが定まると、ステップS312の実行が可能である。 Next, in step S312 of FIG. 16, a predicted range R of the measured true thermal diffusivity αt is obtained based on the heating frequency f. This step S312 is executed after steps S208 to S232, but this is merely an example, and is not limited to after steps S208 to S232. When the heating frequency f is determined in step S226 or step S228 in FIG. 15, step S312 can be executed.
ステップS312における真の熱拡散率αtの予測範囲Rについて説明する。図6に示す欄Bと欄Cは加熱周波数fと熱拡散率との対応関係を示している。例えば加熱周波数fが10Hz(ヘルツ)に設定された場合に、図6の欄Cと欄Bとの関係をみると予想される真の熱拡散率αtは、欄Bの値1.16×10−4あるいは3.58×10−5に近い値である。これらの熱拡散率から大きくかけ離れた測定結果が出た場合は、加熱周波数fの設定を誤った可能性が高い。試料2の主材料の判断を誤った場合や加熱周波数fの入力を誤った場合に、このような測定結果となる可能性がある。ステップS312で制御装置70は、加熱周波数fに基づき、予想される測定結果である予想される真の熱拡散率αtの予測範囲Rを図6のデータに基づいて定める。真の熱拡散率αtの予測範囲Rを加熱周波数fに基づいて求めるが、さらに加えて入力された図6の欄Aに示す材料を考慮して定めてもよい。
The prediction range R of the true thermal diffusivity αt in step S312 will be described. Columns B and C shown in FIG. 6 show the correspondence between the heating frequency f and the thermal diffusivity. For example, when the heating frequency f is set to 10 Hz (Hertz), the true thermal diffusivity αt expected from the relationship between the column C and the column B in FIG. It is a value close to −4 or 3.58 × 10 −5 . If a measurement result greatly different from these thermal diffusivities is obtained, there is a high possibility that the setting of the heating frequency f is incorrect. Such a measurement result may be obtained when the determination of the main material of the
ステップS314で制御装置70は、前記ステップS208〜S232で行われた測定結果がステップS312で定めた予測範囲R内かどうかを判断する。範囲内であれば(YES)、測定結果としてステップS232で出力した値が正しいと判断し、制御装置70の実行がステップS332あるいはステップS334へ移る。一方ステップS314で制御装置70が、測定結果が予測範囲Rから外れていると判断した場合に、ステップS316を実行し、予測範囲Rに対して測定結果の真の熱拡散率αtがどちらの方に外れたかを判断する。もし測定結果が予測範囲Rに対して低い方に外れた場合に、制御装置70はステップS318を実行し、測定結果が異常値を示していることの表示、さらに測定結果が低い方に外れたことおよび加熱周波数fを下げるべきである旨の表示を図1の出力装置78を介して行う。逆に測定結果が予測範囲Rに対して高い方に外れた場合に、制御装置70はステップS322を実行し、測定結果が異常値を示していることの表示、さらに測定結果が高い方に外れたことおよび加熱周波数fを上げるべきである旨の表示を出力装置78を介して行う。このことにより、測定された結果が正しい値ではないことを検知して知らせることができると共に、正しい測定結果を得るためには加熱周波数fをどのように変更したらよいかの示唆を行うことができる。このことにより熱拡散率測定装置100の信頼性を向上することができる。さらに加熱周波数fをどのように修正すべきかの示唆を得ることができ、利便性が向上する。
In step S314, the control device 70 determines whether the measurement results performed in steps S208 to S232 are within the prediction range R determined in step S312. If it is within the range (YES), it is determined that the value output in step S232 as the measurement result is correct, and the execution of the control device 70 proceeds to step S332 or step S334. On the other hand, when the control device 70 determines in step S314 that the measurement result is out of the prediction range R, step S316 is executed, and the true thermal diffusivity αt of the measurement result with respect to the prediction range R is which one. Judge whether it was off. If the measurement result falls outside the predicted range R, the control device 70 executes step S318, displays that the measurement result shows an abnormal value, and further falls outside the measurement result. And an indication that the heating frequency f should be lowered is made via the output device 78 of FIG. Conversely, when the measurement result deviates to the higher side with respect to the prediction range R, the control device 70 executes step S322, displays that the measurement result indicates an abnormal value, and further deviates to the higher measurement result. And that the heating frequency f should be increased is displayed via the output device 78. Thus, it is possible to detect and notify that the measured result is not a correct value, and to suggest how to change the heating frequency f in order to obtain a correct measurement result. . As a result, the reliability of the thermal
次に熱拡散率測定装置100の利用者が、前記表示を参考とするなどにより、ステップS324で新たな加熱周波数fを図1の入力装置79を介して入力すると、ステップS208〜S232に制御装置70の実行が移り、制御装置70は新たな加熱周波数fに従って再び試料2の熱拡散率の測定動作を実行する。
Next, when the user of the thermal
仮に試料2の材料が正しく把握できなくても、制御装置70がステップS208〜S232に加えて上述のステップS314〜S324を実行することにより、適した加熱周波数fを設定でき、正確な真の熱拡散率αtを得ることができる。
Even if the material of the
ステップS314で測定された真の熱拡散率αtが予測した範囲内に含まれる場合には、制御装置70は測定結果が正しいと判断し、ステップS332に制御装置70の実行が移る。ステップS332では、熱拡散率測定装置100の利用者が、図14に示すステップS126やステップS128、ステップS134における演算や検索の履歴に関する出力を要求する。上述したように制御装置70は、前記ステップS208〜S232の実行の中で、図14に示すステップS126やステップS128、ステップS134を実行し、これらの実行によりフィッティング領域を決定し、該フィッティング領域を収束させる処理を行う。
When the true thermal diffusivity αt measured in step S314 is included in the predicted range, the control device 70 determines that the measurement result is correct, and the execution of the control device 70 proceeds to step S332. In step S332, the user of the thermal
利用者が制御装置70により行われたフィッティング領域の収束の経緯を検証することにより測定された真の熱拡散率αtの信頼性や問題点を検証することができる。例えば、図11に示す測定された位相遅れθのデータや、該データにおける線M1〜M3の設定の経緯や、図12や図13に示す検索の経緯を確認することにより、信頼性を確認でき、もし問題点があれば対応することが可能となる。ステップS332で位相遅れθの測定結果や検索の経緯の出力を要求する。なお要求の必要なければステップS332をスキップすることができる。 The user can verify the reliability and problems of the measured true thermal diffusivity αt by verifying the process of convergence of the fitting region performed by the control device 70. For example, the reliability can be confirmed by confirming the measured phase delay θ data shown in FIG. 11, the setting process of the lines M1 to M3 in the data, and the searching process shown in FIGS. If there is a problem, it can be dealt with. In step S332, the output of the measurement result of the phase delay θ and the history of the search is requested. If no request is required, step S332 can be skipped.
次のステップS334で前記出力要求の有無を判断し、要求があればステップS336を実行する。要求が無ければステップS338に制御装置70の実行が移る。ステップS336では出力要求に応じ、前記要求内容を出力装置78から出力する。図11に示す位相遅れθの測定結果や、図12や図13に示すデータベースのグラフや検索履歴を出力することで、熱拡散率測定装置100の利用者は単に測定結果としての真の熱拡散率αtの結果を得るだけでなく、測定の過程を知ることができる。本実施例では、図11や図12、図13の全てを出力する例を説明したが、これらの内必要なものだけをステップS332で選択的に要求することができ、制御装置70は要求されたものだけをステップS336で出力する。
In the next step S334, the presence / absence of the output request is determined. If there is a request, step S336 is executed. If there is no request, the execution of the control device 70 proceeds to step S338. In step S336, the request content is output from the output device 78 in response to the output request. By outputting the measurement result of the phase lag θ shown in FIG. 11 and the graphs and search histories of the databases shown in FIG. 12 and FIG. 13, the user of the thermal
ステップS338〜S342は、測定された真の熱拡散率αtを使用してさらに新たな物理量を演算する処理ステップである。例えば試料2の真の熱拡散率αtが測定できると新たな物理量として試料2の熱伝導率を得ることができる。ステップS338では、測定された真の熱拡散率αtを利用した新たな物理量を求める演算処理の要求する。ステップS338の入力方法として、新たな演算式を入力してもよい。さらに予め幾つかの演算式をメモリ80に保持し、利用者が保持している演算内容を表示して表示された中から選択するようにしても良い。このようにして測定結果を使用した新たな物理量の演算をステップS338で行う。なおステップS338は必要が無ければスキップすることができる。
Steps S338 to S342 are processing steps for calculating a new physical quantity using the measured true thermal diffusivity αt. For example, if the true thermal diffusivity αt of the
ステップS340で新たな物理量の演算要求の有無を制御装置70が判断し、要求がある場合にステップS342で、要求された演算を行い、その結果を出力装置78から出力する。測定された真の熱拡散率αtを使用した熱伝導率の演算を例にあげると、測定された真の熱拡散率αtに試料2の比熱や密度を乗ずることにより、試料2の熱伝導率を演算することができる。
In step S340, the control device 70 determines whether or not there is a request for calculating a new physical quantity. If there is a request, the requested calculation is performed in step S342, and the result is output from the output device 78. As an example of the calculation of the thermal conductivity using the measured true thermal diffusivity αt, the thermal conductivity of the
次にステップS344に制御装置70の実行が移り、図16に記載のフローチャートの実行を終了する。図16のフローチャートは、ステップS300で開始され、ステップS344で終了するが、これは代表的な動作例である。利用者の操作に基づき図16の途中ステップから制御装置70が動作を開始することができる。例えばステップS314の実行が終わり、測定された真の熱拡散率αtが出力された直後に、熱拡散率測定装置100の利用者が、加熱周波数fの変更を図1の入力装置79から行い、測定開始ステップの指示を入力装置79から行うと、制御装置70は新たに入力された加熱周波数fに従って試料2を加熱し、ステップS208〜S232の内の指示されたステップから実行を開始し、真の熱拡散率αtの測定を行い測定結果を出力する。このように図示していないが、入力装置79からの操作により、測定の途中であっても入力条件を変更して開始ステップを指示すると、制御装置70は入力された指示に従い、図14や図15、図16に示すステップの実行を、指示されたステップから開始する。このことにより、利用者は試料2に適した測定を、試行を繰り返しながら効率的に行うことができる。
Next, the execution of the control device 70 moves to step S344, and the execution of the flowchart shown in FIG. The flowchart of FIG. 16 starts in step S300 and ends in step S344, which is a typical operation example. Based on the user's operation, the control device 70 can start the operation from an intermediate step in FIG. For example, immediately after the execution of step S314 is finished and the measured true thermal diffusivity αt is output, the user of the thermal
2…試料、10…測定装置本体、12…測定部、ステージ20…加熱用、22…加熱手段、24…レンズ、26…加熱点、27…加熱用レーザビーム、40…測定用ステージ、42…センサ、44…レンズ、46…測定点、47…赤外線、70…制御装置、80…メモリ。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記制御装置は、前記求めた位相遅れθと前記距離Lとに基づいて見かけの熱拡散率αrを演算して求め、さらに前記見かけの熱拡散率αrに基づき前記第1データベースから前記見かけの熱拡散率αrに対応する補正係数Cを求め、さらに前記見かけの熱拡散率αrと前記求めた補正係数Cから真の熱拡散率αtを演算して求める、ことを特徴とする熱拡散率測定装置。 A holding mechanism for holding the sample; heating means for periodically heating the heating point of the sample at a heating frequency f; and a sensor for measuring a periodically changing temperature at a measurement point that is a distance L away from the heating point; A phase difference detection circuit that obtains and outputs a phase lag θ from the measured periodically changing temperature, and a control device having a first database for obtaining a correction coefficient C,
The control device calculates and obtains an apparent thermal diffusivity αr based on the obtained phase delay θ and the distance L, and further calculates the apparent heat from the first database based on the apparent thermal diffusivity αr. A thermal diffusivity measuring device characterized in that a correction coefficient C corresponding to the diffusivity αr is obtained, and further, a true thermal diffusivity αt is calculated from the apparent thermal diffusivity αr and the obtained correction coefficient C. .
前記新たな距離Lがその一つ前の前記距離Lに対して収束した状態になったと前記制御装置が判断すると、前記制御装置は、前記収束した状態の前記見かけの熱拡散率αrに基づき前記第1データベースを使用して補正係数Cを求め、前記収束した状態の前記見かけの熱拡散率αrと前記求めた補正係数Cから演算により真の熱拡散率αtを求める、ことを特徴とする熱拡散率測定装置。 2. The thermal diffusivity measuring apparatus according to claim 1, wherein the control device obtains a new distance L from the apparent thermal diffusivity αr obtained based on the phase delay θ and the distance L, and further It is determined whether or not the distance L has converged with respect to the distance L used to obtain the apparent thermal diffusivity αr. If the distance L has not converged, the new distance L Based on the above, the apparent thermal diffusivity αr is obtained again, and a new distance L is obtained again from the finally obtained apparent thermal diffusivity αr, and the new distance L is set to the previously obtained distance L. In contrast, it is determined whether or not it has converged, and this operation is repeated until it has converged.
When the control device determines that the new distance L has converged with respect to the previous distance L, the control device determines whether the new distance L is based on the apparent thermal diffusivity αr in the converged state. A correction coefficient C is obtained using a first database, and a true thermal diffusivity αt is obtained by calculation from the apparent thermal diffusivity αr in the converged state and the obtained correction coefficient C. Diffusion rate measuring device.
さらに前記試料の他方の面に測定点を設けると共に前記他方の面の側に赤外線を測定する前記センサを設け、
前記制御装置は、前記加熱点を通るレーザの照射方向に沿う法線と測定する赤外線の方向に沿う前記測定点を通る法線との間の長さを前記加熱点と測定点との間の前記距離Lとし、この前記加熱点と測定点との間の前記距離Lを変化させながら前記位相遅れθを前記変化させた距離Lのそれぞれに対応して測定し、
前記制御装置は、前記距離Lを変化させながら測定した前記位相遅れθのデータから前記見かけの熱拡散率αrを求める、ことを特徴とする熱拡散率測定装置。 3. The thermal diffusivity measuring apparatus according to claim 1, wherein a heating point is provided on one surface of the sample, and a laser generator and a laser beam operating as the heating means are provided on the one surface side. With a lens to converge,
Furthermore, the measurement point is provided on the other surface of the sample and the sensor for measuring infrared rays is provided on the other surface side,
The control device determines a length between a normal line along a laser irradiation direction passing through the heating point and a normal line passing through the measurement point along a direction of infrared rays to be measured between the heating point and the measurement point. The distance L is measured while the distance L between the heating point and the measurement point is changed, and the phase delay θ is measured corresponding to each of the changed distances L,
The said control apparatus calculates | requires the said apparent thermal diffusivity (alpha) r from the data of the said phase delay (theta) measured while changing the said distance L, The thermal diffusivity measuring apparatus characterized by the above-mentioned.
前記制御装置は、前記試料の厚さdと前記見かけの熱拡散率αrと前記加熱周波数fとをパラメータとする前記距離Lのデータを第2データベースとして記憶し、
前記制御装置は、前記第2データベースを使用して前記見かけの熱拡散率αrから前記新たな距離Lを求める、ことを特徴とする熱拡散率測定装置。 In the thermal diffusivity measuring apparatus according to claim 2,
The control device stores, as a second database, data of the distance L using the sample thickness d, the apparent thermal diffusivity αr, and the heating frequency f as parameters,
The said control apparatus calculates | requires the said new distance L from the said apparent thermal diffusivity (alpha) r using the said 2nd database, The thermal diffusivity measuring apparatus characterized by the above-mentioned.
前記制御装置は、前記収束状態となったときの前記見かけの熱拡散率αrに基づき前記補正係数Cを求める処理を、前記収束状態となったときの前記見かけの熱拡散率αrと前記試料の厚さdと前記加熱周波数fとから前記第1データベースを使用して前記見かけの熱拡散率αrに対応する補正係数Cを求めることにより行う、ことを特徴とする熱拡散率測定装置。 5. The thermal diffusivity measuring apparatus according to claim 2, wherein the first database uses the thickness d of the sample, the apparent thermal diffusivity αr, and the heating frequency f as parameters. It consists of data of the correction coefficient C,
The control device obtains the correction coefficient C on the basis of the apparent thermal diffusivity αr when the convergence state is reached, the apparent thermal diffusivity αr when the convergence state is reached, and the sample A thermal diffusivity measuring apparatus characterized in that the correction coefficient C corresponding to the apparent thermal diffusivity αr is obtained from the thickness d and the heating frequency f using the first database.
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