JP2017156138A

JP2017156138A - 空間移動群の温度および速度の測定装置および測定方法

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Publication number: JP2017156138A
Application number: JP2016037670A
Authority: JP
Inventors: 保幸川口; Yasuyuki Kawaguchi; 正文山▲崎▼; Masafumi Yamazaki; 村岡　克紀; Katsunori Muraoka; 克紀村岡; 山形　幸彦; Yukihiko Yamagata; 幸彦山形
Original assignee: Plazwire Corp; Kyushu University NUC
Current assignee: Plazwire Corp; Kyushu University NUC
Priority date: 2016-02-29
Filing date: 2016-02-29
Publication date: 2017-09-07
Anticipated expiration: 2036-02-29
Also published as: JP6309557B2

Abstract

【課題】溶射飛翔粒子などの空間移動群の雰囲気内状態内の温度および速度を瞬時に測定可能な光学測定装置の提供。【解決手段】レンズ２を透過した光を複数の光に分割するダイクロイックフィルタ（ＤＣＦ）３と、ＤＣＦ３により分割された複数の光からそれぞれ相互に異なる特定波長域の光を検出する複数のアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）４ａ，４ｂであり、ＡＰＤ４ａが、分割光の光軸Ｏから特定のオフセット量Ｘ１だけオフセットした位置に配置された複数のＡＰＤ４ａ，４ｂと、分割光の光軸Ｏからずれた位置に配置されたＡＰＤ４ａのオフセット量Ｘ１と複数のＡＰＤ４ａ，４ｂにより取得された波形どうしの時間遅れとから空間移動群の移動速度を算出する速度演算手段５と、複数のＡＰＤ４ａ，４ｂによりそれぞれ取得された波形から空間移動群の温度を算出する温度演算手段６とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、溶射飛翔粒子などの空間移動群の温度および速度を瞬時に測定可能な測定装置および測定方法に関する。

溶射技術分野において、溶射皮膜の品質を管理するため、溶射飛翔粒子の温度および速度の測定が行われている。従来、溶射飛翔粒子の速度を測定する装置として、Ｏｓｅｉｒ社のＳｐｒａｙＷａｔｃｈ（非特許文献１参照。）や、ＴＥＣＮＡＲ社のＡｃｃｕｒａＳｐｒａｙ−Ｇ３Ｃ（非特許文献２参照。）等の光学測定器が用いられている。これらの光学測定器は、空間移動群からの放射光を移動方向に任意に固定された光検出センサーにより温度と速度を検出するものである。

また、溶射飛翔粒子の温度を測定する装置として、例えば特許文献１に記載の放射温度測定装置が開発されている。この放射温度測定装置は、２波長のみ透過する光学フィルタを通して、２波長のみ市販の３ＣＣＤカメラにより取り込み、３ＣＣＤカメラで生成した２波長のスペクトル強度の画像を解析することによりプラズマ中に注入された粉末材料粒子の温度、速度、粒径を同時に測定するものである。

特開２００３−３１５１５９号公報

"ＳｐｒａｙＷａｔｃｈ"，［online］，ＯｓｅｉｒＬｔｄ．，［平成２７年１１月２７日検索］，インターネット＜ＵＲＬ：http://www.oseir.com/＞ "ＡｃｃｕｒａＳｐｒａｙ−Ｇ３Ｃ"，［online］，ＴＥＣＮＡＲ，［平成２７年１１月２７日検索］，インターネット＜ＵＲＬ：http://tecnar.com/index.php/accuraspray-g3c＞

上記非特許文献１，２等の装置では、センサー位置が固定されているため、移動しながら温度が変化するような溶射飛翔粒子などの空間移動群の温度測定では、正確な値を算出できないという問題がある。また、速度測定についても、数ｍ／ｓ〜数百ｍ／ｓの広い範囲に対応することは難しく、測定範囲が限定されてしまうという問題がある。

一方、特許文献１に記載の装置は市販の３ＣＣＤカメラを用いる測定法であるが、仮に温度は正確に検出できるとしても、速度については３ＣＣＤカメラで取得した画像から個々の粒子毎に移動距離を読み取る画像処理手法であるため、抽出する光の軌跡、いわゆる線の長さに大きくばらつきがある場合、複数の軌跡を解析する必要が生じるなど算出時間が長く必要となる。また、放射光の速度と言うには正確性にも欠けるという問題がある。

そこで、本発明においては、溶射飛翔粒子などの空間移動群の雰囲気内状態内の温度および速度を瞬時に測定可能な光学測定装置を提供することを目的とする。

本発明の空間移動群の温度および速度の測定装置は、空間移動群からの放射光を集光するレンズと、レンズを透過した光を複数の光に分割する光路分割手段と、光路分割手段により分割された複数の光（以下、「分割光」と称す。）からそれぞれ相互に異なる特定波長域の光を検出する複数の光検出手段であり、少なくとも１つの光検出手段が、分割光の光軸から特定のオフセット量だけオフセットした位置に配置された複数の光検出手段と、分割光の光軸からずれた位置に配置された光検出手段のオフセット量と複数の光検出手段により取得された波形どうしの時間遅れとから空間移動群の移動速度を算出する速度演算手段と、複数の光検出手段によりそれぞれ取得された波形から空間移動群の温度を算出する温度演算手段とを含むものである。

また、本発明の空間移動群の温度および速度の測定方法は、空間移動群からの放射光をレンズにより集光すること、レンズを透過した光を光路分割手段により複数の光に分割すること、光路分割手段により分割された複数の光（分割光）から複数の光検出手段によりそれぞれ相互に異なる特定波長域の光を検出するに際し、少なくとも１つの光検出手段が分割光の光軸から特定のオフセット量だけオフセットした位置に配置された複数の光検出手段により検出すること、分割光の光軸からずれた位置に配置された光検出手段のオフセット量と複数の光検出手段により取得された波形どうしの時間遅れとから空間移動群の移動速度を算出すること、複数の光検出手段によりそれぞれ取得された波形から空間移動群の温度を算出することを含むことを特徴とする。

本発明の測定装置および測定方法では、空間移動群からの放射光を集光して複数の光に分割し、この分割光からそれぞれ相互に異なる特定波長域の光を複数の光検出手段により検出する際、少なくとも１つの光検出手段が、分割光の光軸から特定のオフセット量だけオフセットした位置に配置された複数の光検出手段により検出することで、このオフセット量と複数の光検出手段により取得された波形どうしの時間遅れとから空間移動群の移動速度を算出するとともに、複数の光検出手段によりそれぞれの波形から空間移動群の温度を算出することが可能となり、温度および速度を瞬時に測定することが可能となる。

ここで、光路分割手段と複数の光検出手段との間には、光路分割手段により分割された分割光から特定波長域の光を取り出す分光手段をそれぞれ有する構成とすることができる。これにより、複数の光検出手段によりそれぞれ特定波長域の光を検出するのに必要な波長域を予め切り出して、それぞれの光検出手段により特定波長域の光を検出することが可能となる。

また、複数の光検出手段のうち少なくとも１つの光検出手段は、オフセット量を任意に調整可能な移動機構を有するものであることが望ましい。本発明の測定装置では、温度のみ測定する場合には複数の光検出手段により取得する波形は空間移動群の同一点から取得することが望ましいが、他方、速度を測定するためには複数の光検出手段により取得する波形は、それぞれの波形の相関が取れる範囲内で空間移動群のなるべく離れた点から取得することが望ましい。この相反する要求を満たすため、本発明の測定装置では、オフセット量を任意に調整可能な移動機構を有する構成とすることで、最適なオフセット量に調整して温度および速度を高精度に測定することが可能となる。

（１）空間移動群からの放射光をレンズにより集光し、レンズを透過した光を光路分割手段により複数の光に分割し、光路分割手段により分割された複数の光から複数の光検出手段によりそれぞれ相互に異なる特定波長域の光を検出するに際し、少なくとも１つの光検出手段が分割光の光軸から特定のオフセット量だけオフセットした位置に配置された複数の光検出手段により検出し、分割光の光軸からずれた位置に配置された光検出手段のオフセット量と複数の光検出手段により取得された波形どうしの時間遅れとから空間移動群の移動速度を算出し、複数の光検出手段によりそれぞれ取得された波形から空間移動群の温度を算出する構成により、溶射飛翔粒子などの空間移動群の雰囲気内状態内の温度および速度を瞬時に測定することが可能となる。

（２）複数の光検出手段のうち少なくとも１つの光検出手段が、オフセット量を任意に調整可能な移動機構を有することにより、測定対象である空間移動群に応じて最適なオフセット量に調整して温度および速度を高精度に測定することが可能となる。

本発明の実施の形態における空間移動群の温度および速度の測定装置の概略構成図である。図１の２つのＡＰＤによりそれぞれ取得される波形を示す説明図である。実際に溶射飛翔粒子群を測定したＡＰＤの波形を示す図である。２つのＡＰＤの強度比と温度の関係を示す図である。

図１は本発明の実施の形態における空間移動群の温度および速度の測定装置の概略構成図、図２は図１の２つのＡＰＤによりそれぞれ取得される波形を示す説明図である。

図１に示すように、本発明の実施の形態における空間移動群Ｄの温度および速度の測定装置１は、溶射飛翔粒子などの空間移動群Ｄからの放射光を集光するレンズ２と、レンズ２を透過した光を透過光と反射光との２つの光に分割する光路分割手段としてのダイクロイックフィルタ（以下、「ＤＣＦ」と称す。）３と、ＤＣＦ３により分割された２つの光（分割光）からそれぞれ相互に異なる特定波長域の光を検出する２つの光検出手段としてのアバランシェフォトダイオード（以下、「ＡＰＤ」と称す。）４ａ，４ｂと、ＡＰＤ４ａ，４ｂによりそれぞれ取得された波形から空間移動群の速度および温度をそれぞれ算出する速度演算手段５および温度演算手段６とを有する。

ＤＣＦ３は、薄膜による光の干渉を利用して特定波長域の光を反射し、残りの波長域を透過する光フィルタである。すなわち、ＤＣＦ３では、透過光と反射光とでそれぞれ相互に異なる特定波長域の光に分割することが可能であり、ハーフミラーのように必要とする波長域の光を大きく減じることがない。なお、本実施形態においては、ＤＣＦ３とＡＰＤ４ａ，４ｂとの間に、ＤＣＦ３により分割された分割光から特定波長域の光を取り出す分光手段としての干渉フィルタ（以下、「ＩＦ」と称す。）７ａ，７ｂを配置して、さらに必要な波長域の光のみを切り出すようにしている。

なお、ＡＰＤ４ａ，４ｂのうち一方のＡＰＤ４ａは、分割光の光軸Ｏから特定のオフセット量Ｘ₁だけオフセットした位置に配置されている。ＡＰＤ４ａは、このオフセット量Ｘ₁を任意に調整可能な移動機構８を有している。ＡＰＤ４ａの位置をオフセット量Ｘ₁だけオフセットした位置に配置することで、レンズ２によりＡＰＤ４ａ，４ｂにそれぞれ集光しようとする測定点Ｄ₁，Ｄ₂の間隔Ｘ₂を任意に設定することが可能である。このレンズ２が集光しようとする測定点Ｄ₁，Ｄ₂の間隔Ｘ₂はレンズ２の倍率による。例えば、測定しようとする空間移動群Ｄがレンズ２の左方Ａ＝２００ｍｍにあり、レンズ２の通過後、ＡＰＤ４ａまでの距離がＢ＝５０ｍｍにあるとすれば、倍率はＢ／Ａ＝１／４であり、測定点Ｄ₁，Ｄ₂の間隔Ｘ₂を１６ｍｍとする場合、オフセット量Ｘ₁は４ｍｍとなる。

速度演算手段５は、ＡＰＤ４ａのオフセット量Ｘ１と図２に示すようにＡＰＤ４ａ，４ｂにより取得された波形どうしの時間遅れΔτとから空間移動群Ｄの移動速度Ｖを算出する。具体的には、空間移動群の移動速度Ｖは測定点Ｄ₁，Ｄ₂の間隔Ｘ₂と時間遅れΔτの比で算出され、
空間移動群Ｄの移動速度Ｖ〔ｍ／ｓ〕＝Ｘ₂／Δτ ・・・式（１）
である。

図３は実際にオフセット量Ｘ₁を４ｍｍとし、測定点Ｄ₁，Ｄ₂の間隔Ｘ₂を１６ｍｍとして９５％アルミニウム−５％マグネシウムのプラズマ溶射飛翔粒子群を測定したＡＰＤ４ａ，４ｂの波形を示している。図３の例では、空間移動群Ｄの移動速度Ｖ〔ｍ／ｓ〕は、Ｖ＝Ｘ₂／Δτ＝１６〔ｍｍ〕／２００〔μｓ〕＝８０〔ｍ／ｓ〕となる。

温度演算手段６は、ＡＰＤ４ａ，４ｂによりそれぞれ取得された波形から空間移動群Ｄの温度（平均的粒子温度）Ｔを算出する。具体的には、平均的粒子温度ＴはＡＰＤ４ａとＡＰＤ４ｂの積分比で算出され、
平均的粒子温度Ｔ〔Ｋ〕＝Ｓ₁／Ｓ₂ ・・・式（２）
である。

図４は図３のＡＰＤ４ａ，４ｂの波形の強度比を横軸に、ＡＰＤ４ａ，４ｂで測定された温度を縦軸に示したものである。ＡＰＤ４ａ，４ｂは、一般的に２色温度計で用いられる下記プランクの式を基に標準光源を用いて校正された値を示す。
上記速度演算手段５および温度演算手段６は、コンピュータにより実現される。

以上のように、本実施形態における測定装置１によれば、レンズ２により空間移動群Ｄからの放射光を集光してＤＣＦ３により複数の光に分割し、この分割光からそれぞれ相互に異なる特定波長域の光をＡＰＤ４ａ，４ｂにより検出する際、一方のＡＰＤ４ａが、分割光の光軸Ｏから特定のオフセット量Ｘ１だけオフセットした位置に配置されているため、このオフセット量Ｘ１とＡＰＤ４ａ，４ｂにより取得された波形どうしの時間遅れとから空間移動群Ｄの移動速度を算出するとともに、ＡＰＤ４ａ，４ｂによりそれぞれの波形から空間移動群の温度を算出することが可能となり、温度および速度を瞬時に測定することが可能となる。

また、このＡＰＤ４ａは、オフセット量Ｘ１を任意に調整可能な移動機構８を有することにより、測定対象である空間移動群Ｄに応じて最適なオフセット量に調整して温度および速度を高精度に測定することが可能となっている。

なお、本実施形態においては、ＤＣＦ３によりレンズを透過した光を２つの光に分割しているが、３つ以上の複数の光に分割する構成とすることも可能である。この場合、光検出手段も３つ以上とし、少なくとも１つの光検出手段を分割光の光軸から特定のオフセット量だけオフセットした位置に配置する。これにより、３つ以上の複数の光の波形から温度および速度を測定することが可能となる。

また、光路分割手段としてのＤＣＦ３に代えて、ダイクロイックミラー、ダイクロックプリズム、ハーフミラーやハーフプリズム等の一般的な光路分割素子を用いることも可能である。要するに、レンズ２を透過した光を複数の光に分割するものであれば良い。また、光ファイバーを用いて光路を分割するものでも良い。

また、光検出手段としてのＡＰＤ４ａ，４ｂに代えて、フォトダイオード、フォトレジスタ、光依存性抵抗、ＣＣＤイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサ、光電管や光電子倍増管等の一般的な光検出器を用いることも可能である。要するに、光の強度を、線形性を有したまま数値化できるものであれば良い。また、利用する波長域は赤外線域でも良いため、焦電検出器、ゴーレイセル、ボロメータ、サーミスタや熱電対などの検出器を用いることも可能である。

なお、光路分割手段としてＤＣＦ３やダイクロイックミラーを用いる場合、光路は特定波長域に分割されているため、光検出手段は同一特性のものを使用することも可能である。また、ＤＣＦ３やダイクロイックミラーのように光路分割手段によりそれぞれ必要な波長域の光に分割できる場合には、光路分割手段が分光手段を兼ねるため、ＩＦ７ａ，７ｂを省略することも可能である。あるいは、分光手段を兼ねた光検出手段、すなわち、特定波長域の光を検出可能な光検出器を用いることも可能である。例えば、分光感度の異なる複数のフォトダイオードを使用したり、フォトダイオードと焦電検出器とを組み合わせたりすることも可能である。

本発明の空間移動群の温度および速度の測定装置および測定方法は、溶射飛翔粒子の他、爆発現象や内燃機関のピストン内の燃焼ガス解析などのような移動しながら発光する物体などの空間移動群の測定に有用である。

１測定装置
２レンズ
３ダイクロイックフィルタ（ＤＣＦ）
４ａ，４ｂアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）
５速度演算手段
６温度演算手段
７ａ，７ｂ干渉フィルタ（ＩＦ）
８移動機構

Claims

空間移動群からの放射光を集光するレンズと、
前記レンズを透過した光を複数の光に分割する光路分割手段と、
前記光路分割手段により分割された複数の光（以下、「分割光」と称す。）からそれぞれ相互に異なる特定波長域の光を検出する複数の光検出手段であり、少なくとも１つの光検出手段が、前記分割光の光軸から特定のオフセット量だけオフセットした位置に配置された複数の光検出手段と、
前記分割光の光軸からずれた位置に配置された光検出手段の前記オフセット量と前記複数の光検出手段により取得された波形どうしの時間遅れとから前記空間移動群の移動速度を算出する速度演算手段と、
前記複数の光検出手段によりそれぞれ取得された波形から前記空間移動群の温度を算出する温度演算手段と
を含む空間移動群の温度および速度の測定装置。
前記光路分割手段と前記複数の光検出手段との間に、前記光路分割手段により分割された分割光から特定波長域の光を取り出す分光手段をそれぞれ有する請求項１記載の空間移動群の温度および速度の測定装置。
前記複数の光検出手段のうち少なくとも１つの光検出手段は、オフセット量を任意に調整可能な移動機構を有するものである請求項１または２に記載の空間移動群の温度および速度の測定装置。
空間移動群からの放射光をレンズにより集光すること、
前記レンズを透過した光を光路分割手段により複数の光に分割すること、
前記光路分割手段により分割された複数の光（以下、「分割光」と称す。）から複数の光検出手段によりそれぞれ相互に異なる特定波長域の光を検出するに際し、少なくとも１つの光検出手段が前記分割光の光軸から特定のオフセット量だけオフセットした位置に配置された複数の光検出手段により検出すること、
前記分割光の光軸からずれた位置に配置された光検出手段の前記オフセット量と前記複数の光検出手段により取得された波形どうしの時間遅れとから前記空間移動群の移動速度を算出すること、
前記複数の光検出手段によりそれぞれ取得された波形から前記空間移動群の温度を算出すること
を含む空間移動群の温度および速度の測定方法。