JP2019060740A - 温度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波を用いて物体内の温度分布を測定する温度測定方法を提供する。【解決手段】温度測定方法は、物体１０の一側面に超音波の発振用探触子２及び受信用探触子３を一方向に距離Ｄをあけて配置し、超音波を物体１０の一側面から入射させるとともに他側面で反射した超音波を検出して、物体１０中を斜めに伝播した超音波の音速を算出するステップと、物体１０中の複数の斜角伝播路程ごとに超音波の音速を算出するステップと、複数の斜角伝播路程ごとの超音波の音速に基づいて、物体１０の一方向に沿った断面における超音波の音速分布を算出するステップと、物体１０の前記断面における超音波の音速分布、物体１０の前記断面の所定位置における基準温度及び物体１０の温度と超音波の音速との関係式に基づいて、物体１０の前記断面における温度分布を算出するステップと、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、超音波を用いて物体内部の温度分布を測定する温度測定方法に関する。

近年、ＩｏＴの普及が拡大しており、生産現場において機器の診断や製品の不良を検知するためにビッグデータの活用が期待されている。なかでも、塑性加工の分野では、高強度材料を加工する際の素材温度の上昇や、熱間加工時の金型の温度管理など、加工中の温度計測を望むケースが多い。例えば、加工中の素材の発熱に伴う温度上昇により、成形品の寸法精度が悪くなる、潤滑性が変化して成形不良となる、などの事例が報告されている。また、近年需要の高いハイテンなどのホットプレス成形においても、成形後の製品強度に及ぼす成形温度の影響が著しいため、成形中の温度計測が大変重要となっている。

成形中の金型温度を測定する際、金型に孔をあけて熱電対を挿入して金型内部の温度を測定することが一般的に行われている。しかし、実際に温度を計測したい部分は加工部の直下であり、その位置までの孔を加工することは困難であるうえ、挿入孔をあけることによる強度低下も懸念される。さらに、当該測定方法では、多点測定を行う場合、多数の孔を金型にあける必要があるために、実用上ほぼ不可能である。

一方で、超音波と熱伝導方程式の逆問題解析とを用いて試料内部の温度分布を測定する方法が提案されている（例えば特許文献１，２を参照）。特許文献１，２に記載の温度測定方法は、超音波の音速は温度依存性があるため、音速を求めることで対象材料の温度を得る方法である。

特開２０１１−１４９８３９号公報 特再表２０１２−１３７４８８号公報

しかしながら、特許文献１，２では、熱伝導方程式の逆問題解析により温度分布を算出しているため、境界条件がない（加熱源がどこか分からない）と温度分布を求めることができない。

本発明は、上記課題に着目してなされたものであり、超音波を用いて物体内部の温度分布を測定することができる温度測定方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の温度測定方法は、物体の一側面に超音波の発振用探触子及び受信用探触子を一方向に距離をあけて配置し、前記発振用探触子により超音波を前記物体の一側面から入射させるとともに前記物体の他側面で反射した超音波を前記受信用探触子により検出して、前記物体中を斜めに伝播した超音波の音速を算出するステップと、前記発振用探触子及び前記受信用探触子の少なくとも一方について前記物体の一側面における位置を変えて、前記物体中の複数の斜角伝播路程ごとに超音波の音速を算出するステップと、複数の斜角伝播路程ごとの超音波の音速に基づいて、前記物体の一方向に沿った断面における超音波の音速分布を算出するステップと、前記物体の前記断面における超音波の音速分布、前記物体の前記断面の所定位置における基準温度、及び、予め求められた前記物体の温度と超音波の音速との関係式に基づいて、前記物体の前記断面における温度分布を算出するステップと、を有する。

本発明の好ましい実施形態の温度測定方法においては、前記受信用探触子で検出された超音波の波形から、斜角伝播路程ごとに超音波の伝播時間を算出し、斜角伝播路程の路程長さと伝播時間とに基づいて、超音波の音速を算出する。

また、本発明の好ましい実施形態の温度測定方法においては、前記受信用探触子で検出された超音波の波形に対してヒルベルト変換を行う。

また、本発明の好ましい実施形態の温度測定方法においては、前記受信用探触子からの検出信号をプリアンプで増幅する。

また、本発明の好ましい実施形態の温度測定方法においては、複数の斜角伝播路程ごとに、超音波を前記物体の一側面から垂直に入射させた場合の前記物体中を伝播する超音波の基準音速に基づき校正係数を算出して、算出した超音波の音速に当該校正係数を乗ずる。

また、本発明の好ましい実施形態の温度測定方法においては、前記物体の温度と超音波の音速との関係式は、前記物体の温度ごとに超音波を前記物体の一側面から垂直に入射させて前記物体の他側面で反射させた場合の超音波の伝播時間と路程長さとにより音速を算出することで、導出される。なお、この実施態様の温度測定方法においては、前記路程長さを、前記物体の温度に応じて前記物体の熱膨張係数を用いて補正することがさらに好ましい。

本発明の温度測定方法によれば、超音波を用いて物体内部の温度分布を精度よく測定することができる。

本発明の一実施形態の温度測定方法を実施するための温度測定装置の概略構成を示す。 超音波を斜め方向に発振・受信させた斜角伝播路程を示す。 図２の平面図を示す。 （Ａ）は超音波を斜め方向に発振・受信させた場合のパルスエコーを示し、（Ｂ）は（Ａ）の一部拡大図を示す。 超音波を垂直方向に発振・受信させた垂直伝播路程を示す。 超音波を垂直方向に発振・受信させた場合のパルスエコーを示す。 発振用探触子及び受信用探触子の走査方法の一例を示す。 発振用探触子及び受信用探触子の走査方法の一例を示す。 物体内の斜角伝播路程の音速について音速分布を算出する方法を示す。 物体内の垂直伝播路程の音速について音速分布を算出する方法を示す。 超音波による温度分布を測定する試験片の（Ａ）平面図、（Ｂ）正面図、（Ｃ）右側面図を示す。 熱電対により測定した試験片内の温度を示す。 超音波により測定した試験片内の温度分布を示す（試験片の熱膨張性の考慮なし）。 超音波により測定した試験片内の温度分布を示す（試験片の熱膨張性の考慮あり）。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。本発明の温度測定方法は、超音波を用いて物体内部の温度分布を測定するものである。超音波の音速は、温度依存性を有し、温度が上がるほど音速が下がることが知られており、音速を求めることで測定対象の物体の温度を得ることができる。超音波による温度測定は、応答性がよく、また測定対象の物体に孔などをあける必要がないため、強度低下のデメリットがない。本発明は、超音波による温度測定に、傾斜型ＣＴの断層画像を生成する方法（ラミノグラフィ）を応用することで、物体内部の温度測定を可能としたことに特徴を有する。

測定対象の物体は、特に限定されるものではないが、工学・工業の分野において物体内部の温度分布をモニタリングしたいとの要望が数多くあり、例えば、塑性加工・射出成形におけるワーク（素材）の温度や金型の温度、切削加工・溶接・熱処理などのワーク（素材）の温度などを好適に測定することができる。

図１に、本発明の温度測定方法を実施するための温度測定装置１の概略構成を示す。温度測定装置１は、超音波を発振する発振用探触子２と、超音波を検出する受信用探触子３と、発振用探触子２に電気信号（駆動信号）を送信するパルサ４と、受信用探触子３から電気信号（検出信号）を受信するレシーバ５と、受信用探触子３及びレシーバ５の間に配置されるプリアンプ６と、検出した超音波の波形を測定するオシロスコープ７と、コンピュータなどの制御手段８と、ディスプレイなどの表示手段９と、を備えている。

発振用探触子２は、パルサ４からの電気信号（駆動信号）に基づいて超音波を発振する。発振用探触子２は、物体１０の一側面（本実施形態では上面）に配置される。発振用探触子２から発振される超音波は、所定範囲（例えば０．１ＭＨｚ以上２５ＭＨｚ以下）の周波数を有し、図２に示すように、物体１０の一側面から入射される。物体１０に入射した超音波は、物体１０内を伝播し、一側面とは反対側の他側面（本実施形態では底面）で反射する。

受信用探触子３は、物体１０の一側面に発振用探触子２と距離Ｄをあけて配置され、物体１０の一側面から入射した超音波のうち、斜め方向に入射して他側面で反射した超音波を検出する。受信用探触子３は、検出した超音波を電気信号（検出信号）に変換してレシーバ５に送信する。なお、本実施形態では、受信用探触子３及びレシーバ５の間に配置されたプリアンプ６により増幅された電気信号（検出信号）がレシーバ５に送られる。

発振用探触子２及び受信用探触子３は、図３に示すように、物体１０の一側面において、図示しない移動手段により、一方向（ｘ方向）に移動可能である。本実施形態では、発振用探触子２及び受信用探触子３は、探触子間の距離Ｄを一定に維持できる冶具１１に取り付けられている。冶具１１を一方向に移動することにより、探触子間の距離Ｄを変化させることなく発振用探触子２及び受信用探触子３を一方向に移動させることができる。なお、冶具１１は、探触子間の距離Ｄを変更することができ、探触子間の距離Ｄを、例えば１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍ、４０ｍｍ、５０ｍｍ、・・・と１０ｍｍ間隔で変えて、発振用探触子２及び受信用探触子３を冶具１１に取り付けることができる。

受信用探触子３で検出される超音波の入射角θは、探触子間の距離Ｄに応じて設定される。入射角θは、例えば０度よりも大きく６０度以下とすることができ、より広い角度に設定することが好ましい。

パルサ４は、発振用探触子２により超音波を発振させる電気信号（駆動信号）を生成する機能を有する。レシーバ５は、受信用探触子３からの電気信号（検出信号）を増幅する機能と、電気信号（検出信号）をアナログ−デジタル変換する機能とを有する。

オシロスコープ７は、レシーバ５からの電気信号（検出信号）に基づいて、検出した超音波の波形を測定する。オシロスコープ７により得られた波形信号は、コンピュータ８に出力される。

コンピュータ８は、プロセッサ（ＣＰＵ）より構成される処理部と、ＲＡＭ、ＲＯＭ及びハードディスク等により構成される記憶部と、を備える。ＲＯＭやハードディスクには、物体１０内の温度分布を解析するための各種コンピュータプログラムや、予め求められた物体１０の温度と超音波の音速との関係式（物体１０の温度に対する超音波の音速データ）などが格納されている。処理部は、詳細は後述するが、オシロスコープ７からの波形信号を解析して、物体１０中を伝播した超音波の音速を算出し、これに基づき物体１０内の超音波の音速分布を算出する。そして、前記既知の超音波の音速データなどに基づいて、物体１０内の温度分布を算出する。そして、物体１０内の温度分布をディスプレイ９に表示する。

なお、温度測定装置１は、超音波の発振及び検出が可能な送受信用探触子（図示せず）をさらに備えていてもよい。この探触子は、物体１０の一側面より垂直方向に超音波を入射させ、物体１０の他側面で反射した超音波を受信することで、物体１０を垂直方向に伝播する超音波の音速算出に用いられる。

次に、本発明の温度測定方法の一実施形態について説明する。本発明の温度測定方法は、物体１０の一側面に超音波の発振用探触子２及び受信用探触子３を一方向に距離Ｄをあけて配置し、発振用探触子２により超音波を物体１０の一側面から入射させるとともに物体１０の他側面で反射した超音波を受信用探触子３により検出して、物体中１０を斜めに伝播した超音波の音速を算出するステップＳ１と、発振用探触子２及び受信用探触子３の少なくとも一方について物体１０の一側面における位置を変えて、物体１０中の複数の伝播路程ごとに超音波の音速を算出するステップＳ２と、複数の伝播路程ごとの超音波の音速に基づいて、物体１０の一方向に沿った断面における超音波の音速分布を算出するステップＳ３と、物体１０の前記断面における超音波の音速分布、物体１０の前記断面の所定位置における基準温度、及び、予め求められた物体１０の温度と超音波の音速との関係式に基づいて、物体１０の前記断面における温度分布を算出するステップＳ４と、を有する。

ステップＳ１では、図２に示すように、発振用探触子２により物体１０の一側面から入射した超音波のうち、斜め方向に伝播して物体１０の他側面で反射した超音波を受信用探触子３により検出する。これにより、図４（Ａ）のようなパルスエコーを得る。図４（Ａ）のパルスエコーにおいて、最初に現れる波形は発振された超音波を受信したことによるものであり、二つ目の波形が物体１０の他側面で反射した超音波（底面エコー）を受信したことによるものである。そのため、物体中１０を伝播した超音波の音速を算出する方法としては、１つ目の超音波発振時の波形と２つ目の超音波の底面エコーの波形との時間間隔を発振から受信までの伝播時間とし、物体１０の厚みＨから斜角伝播路程の路程長さ（≒２Ｈ／ｃｏｓθ）を算出して、路程長さ÷伝播時間より音速を算出することができる。

ここで、１つ目の超音波の底面エコーを拡大した波形を図４（Ｂ）に示す。１つ目の発振による波形と２つ目の底面エコーによる波形との時間間隔（伝播時間）を求めるためには、基準となる計測点を決める必要がある。この計測点としては、（i）波形の立ち上がり、（ii）波形のピーク、（iii）波形の横軸との交点が考えられる。ただし、（i）立ち上がりでは、なだらかに振幅が上昇するため測定が難しく、（iii）横軸との交点では、振幅の異なる波が合成された場合に交点がずれるなどといった問題点から、基準となる計測点は（ii）ピークとすることが好ましい。

（ii）波形のピークを基準点として上記時間間隔（伝播時間）を求める際には、受信用探触子３で検出された超音波の波形に対してヒルベルト変換を行うことが好ましい。ヒルベルト変換は、例えば鋼球の打撃試験によるコンクリート内部の欠陥検出の自動化に用いられているものである。ヒルベルト変換を行うことで、波形のピークの位置を抽出し易くなり、上記時間間隔（伝播時間）の測定誤差を低減することができる。上記時間間隔（伝播時間）の測定誤差の低減により、物体１０内を伝播する超音波の音速の測定誤差、さらには物体１０内の温度分布の測定誤差を低減することができる。

以下の表１は、ヒルベルト変換の有無による音速の測定精度の違いを調べた結果である。室温を２３℃の一定の状態で、長さ６０ｍｍ、幅６０ｍｍ、厚み３０ｍｍのSKD11製の試験片に対して、図５に示すように、試験片の上面より垂直方向に超音波を入射し、試験片の底面で反射した超音波を受信することで、垂直伝播路程での超音波の発振から受信までの時間間隔を算出し、この時間間隔と路程長さ（試験片の厚みの２倍）とから音速を測定した。音速の測定はそれぞれ６回行い、６回の測定の平均値と、６回の測定の標準偏差を求めた。ヒルベルト変換を行わない場合には、音速の平均値は６１３７．７ｍ／ｓ、標準偏差は２．１ｍ／ｓであったのに対して、ヒルベルト変換を行うと、音速の平均値は６１３５．４ｍ／ｓ、標準偏差は０．８ｍ／ｓとなり、ヒルベルト変換を行うことで、音速測定についての測定誤差を大幅に小さくできることができ、測定精度を向上できることが確認された。

なお、垂直伝播路程で超音波を検出すると、図６のようなパルスエコーを得る。図６のパルスエコーにおいて、最初に現れる波形は発振された超音波を受信したことによるものであり、二つ目の波形が試験片の底面で最初に反射した超音波（第１底面エコー）を受信したことによるものであり、三つ目以降の波形は、第１底面エコーの超音波が試験片の上面でさらに反射し、再び底面で反射した超音波を受信したことによるものである。一般に、探触子と試験片との間には油などの液体を塗布して、微小な空気層を排除して測定を行うが、この油膜厚さが測定における発振から受信までの時間に影響を及ぼす。そのため、垂直伝播路程の超音波の音速を算出する場合には、２つ目の第１底面エコーの波形と三つ目の第２底面エコーの波形との時間間隔Ｔを発振から受信までの伝播時間として、音速を算出することが好ましい。

ステップＳ１における波形のピークの位置を抽出し易くする波形処理としては、ヒルベルト変換に限定されるものではなく、例えばフーリエ変換などを行うこともできる。

また、超音波を斜め方向に発振・受信する場合には、図４（Ａ）に示すように、底面エコーの波形の高さが低いために、波形のピークなどを検出して１つ目の発振時の波形との時間間隔を測定することが困難となるおそれがある。そのため、受信用探触子からの電気信号（検出信号）をプリアンプ６にて予め増幅してレシーバ５に入力することで、波形を増大させて、波形のピークなどを検出し易くすることが好ましい。

以下の表２は、プリアンプ６の有無による音速の測定精度の違いを調べた結果である。室温を２３℃の一定の状態で、長さ６０ｍｍ、幅６０ｍｍ、厚み３０ｍｍのSKD11製の試験片に対して、図２に示すように、試験片の上面より斜め方向に超音波を入射し、試験片の底面で反射した超音波を受信することで、超音波の発振から受信までの時間間隔と、路程長さとから音速を測定した。音速の測定は、発振用探触子２及び受信用探触子３の探触子間の距離Ｄを１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍ、４０ｍｍ、５０ｍｍとした５つの斜角伝播路程について各２回ずつ行い、その平均値と標準偏差を求めた。プリアンプを用いない場合には、音速の平均値は６１２５．２ｍ／ｓ、標準偏差は３．２ｍ／ｓであったのに対して、プリアンプを用いると、音速の平均値は６１３２．７ｍ／ｓ、標準偏差は１．３ｍ／ｓとなり、プリアンプを用いることで、斜角伝播路程の音速測定について測定誤差を大幅に小さくできることができ、測定精度を大幅に向上できることが確認された。

さらに、本出願人の検討によると、超音波を斜め方向に発振・受信する場合に、物体１０内部の温度が一定であれば、超音波の入射角θに関わらず音速は一定値になるはずであるが、超音波の入射角θによって音速が大きく異なることが分かった。これは、垂直方向に超音波を発射させる探触子を用いて、超音波を物体１０に対して斜め方向に入射させると、探触子固有の測定誤差が、超音波の入射角θに応じて音速の測定結果に生じるためである。よって、超音波を斜め方向に発振・受信する場合には、この探触子固有の測定誤差を是正することが好ましい。具体的には、温度が一定の試験片に対して、探触子により垂直方向に超音波を入射して、垂直伝播路程での正確な音速を算出し、これを基準音速Ｖ_Ｓとする。そして、上記温度が一定の試験片に対して、探触子により斜め方向に超音波を入射して、超音波の入射角θごとに斜角伝播路程での音速Ｖ_Ｎをそれぞれ算出した後、上記基準音速Ｖ_Ｓを用いて、超音波の入射角θごとに音速Ｖ_Ｓの校正係数α_Ｎ（＝Ｖ_Ｓ／Ｖ_Ｎ）を求める。この校正係数α_Ｎを、実際の物体１０において算出された超音波の音速Ｖに対して、入射角θに応じて乗じることで、超音波を斜め方向に発振・受信した場合でも、音速の測定精度を向上することができる。

次に、ステップＳ２では、発振用探触子２及び受信用探触子３の少なくとも一方について、物体１０の一側面の一方向における位置を変えて、物体１０中の複数の斜角伝播路程について超音波の音速を算出する。例えば、図７に示すように、発振用探触子２を固定し、受信用探触子３を物体１０の一側面の一方向に所定のピッチで移動させて、探触子間の距離Ｄ（入射角θ）を変えながら超音波を物体１０内に伝播させることで、複数の斜角伝播工程Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５，・・・について超音波の音速を測定する。なお、受信用探触子３を固定し、発振用探触子２を物体１０の一側面の一方向に所定のピッチで移動させてもよい。あるいは、図８に示すように、発振用探触子２及び受信用探触子３の探触子間の距離Ｄを固定しながら、発振用探触子２及び受信用探触子３を物体１０の一側面の一方向に所定のピッチで移動させて、超音波を物体１０内に伝播させることで、複数の斜角伝播工程Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５，・・・について超音波の音速を測定する。

物体１０内の超音波の音速分布をより正確に算出するためには、物体１０内のより多くの斜角伝播工程について超音波の音速を測定することが好ましい。例えば、図７においては、受信用探触子３を物体１０の一側面の一方向に移動させ終わった後、発振用探触子２を物体１０の一側面の一方向にずらして固定し、再度、受信用探触子３を物体１０の一側面の一方向に所定のピッチで移動させて、探触子間の距離Ｄ（入射角θ）を変えながら超音波を物体１０内に伝播させることで、多数の斜角伝播工程について超音波の音速を測定する。また、図８においては、発振用探触子２及び受信用探触子３を物体１０の一側面の一方向に移動させ終わった後、探触子間の距離Ｄを大きくし、再度、発振用探触子２及び受信用探触子３を物体１０の一側面の一方向に所定のピッチで移動させて超音波を物体１０内に伝播させることで、多数の斜角伝播工程について超音波の音速を測定する。

次に、ステップＳ３では、複数の斜角伝播路程ごとの超音波の音速に基づいて、物体１０の一方向に沿った断面（測定対象断面）における超音波の音速分布を算出する。超音波の音速分布の算出には、傾斜型ＣＴの断層画像を生成する方法（ラミノグラフィ）を応用する。ラミノグラフィに用いられているＸ線の吸収率、具体的にはＸ線の通過経路における吸収率の積算値を、超音波の斜角伝播路程における音速の平均値と読み替えることによって、物体１０内部の測定対象断面の音速分布を再構成することができる。

音速分布の再構成については、ラミノグラフィの最も基本的な方法として、以下の方法を用いることができる。まず、図９に示すように、物体１０内の音速分布を測定する測定対象断面を長さ方向（ｘ方向）ｍ個×厚み方向（ｙ方向）ｎ個の複数のセルに分割する。そして、斜角伝播路程ごとの音速に対して、斜角伝播路程ごとのセルを通過する面積按分値（重み）を乗じて各セルに加算する。具体的には、図９に示された斜角伝播路程Ａ１の超音波の音速Ｖ１について説明すると、斜角伝播路程Ａ１について、その全長にわたって、音速の適用範囲を物体１０の長さ方向（ｘ方向）にセル幅ｄだけとり、斜角伝播路程Ａ１が通過するセルごとに、当該セルを含む適用範囲についてその中に含まれる全てのセルの面積比率を算出する。例えば、斜角伝播路程Ａ１が通過するセルＣ１については、このセルＣ１を含む適用範囲は、セルＣ１の他に、隣接するセルＣ２を含み、この適用範囲におけるセルＣ１とセルＣ２との面積比率はｕ：（１−ｕ）である。この場合には、セルＣ１の面積按分値（重み）がｕとなり、セルＣ２の面積按分値（重み）が（１−ｕ）となり、セルＣ１に音速としてＶ１×ｕが加算され、セルＣ２に音速としてＶ１×（１−ｕ）が加算される。同様にして、斜角伝播路程Ａ１が通過する全てのセルについて、音速Ｖ１に面積按分値（重み）を乗じて加算する。また、物体１０内のその他の斜角伝播路程についても、音速に各セルに応じた面積按分値（重み）を乗じて各セルに加算する。

そして、全ての斜角伝播路程について各セルに音速を加算した後、各セルに積算された音速の積算値を面積按分値（重み）の積算値で除することで、各セルの音速を求める。具体的には、図９に示されたセルＣ２を例にして説明すると、セルＣ２には、セルＣ２を通過する斜角伝播路程Ａ１に応じた音速Ｖ１×（１−ｕ）が加算される。また、セルＣ２には、セルＣ２を通過する斜角伝播路程Ａ２の音速Ｖ２に面積按分値（重み）ｖを乗じた音速が加算されるため、音速の積算値は、Ｖ１×（１−ｕ）＋Ｖ２×ｖとなる。一方で、セルＣ２の面積按分値（重み）の積算値は、（１−ｕ）＋ｖとなるため、セルＣ２の音速Ｖは、以下の式で表される。

Ｖ＝｛Ｖ１×（１−ｕ）＋Ｖ２×ｖ｝／｛（１−ｕ）＋ｖ｝

これにより、物体１０内の測定対象断面の音速分布を得ることができる。なお、図９では、二つの斜角伝播路程Ａ１，Ａ２について説明しているが、これ以上の多数の斜角伝播路程を用いた場合も同様にして各セルの音速を算出できる。

なお、音速分布の算出方法は上記方法に限定されるものではなく、その他のラミノグラフィのアルゴリズム（例えばフィルタ補正逆投影法や逐次近似再構成法など）を応用することによっても、音速分布を再構成することができる。

最後に、ステップＳ４では、物体１０内の測定対象断面の所定位置における基準温度を測定する。そして、この基準温度と、事前に取得した物体１０の温度と超音波の音速との関係式（物体１０の温度に対する超音波の音速データ）と、ステップＳ３で算出した物体１０内の測定対象断面の音速分布とに基づいて、各セルの音速を温度に換算することで、物体１０内の測定対象断面の温度分布を算出する。なお、基準温度とする物体１０の位置は、物体１０の内部であってもよいし、物体１０の表面であってもよい。

物体１０の温度と超音波の音速との関係式（物体１０の温度に対する超音波の音速データ）については、種々の温度に保持した物体１０について、図５と同様に、物体１０の一側面（上面）より垂直方向に超音波を入射し、他側面（底面）で反射した超音波を受信することで、垂直伝播路程での超音波の発振から受信までの時間間隔（伝播時間）を算出する。そして、この時間間隔（伝播時間）と路程長さ（物体１０の厚みＨの２倍）とから音速を測定することで、物体１０の各温度に応じた超音波の音速を導出することができる。

なお、物体１０の温度と超音波の音速との関係式を導出する際には、物体１０の熱膨張を考慮することが好ましい。つまりは、物体１０の厚みＨは必ずしも一定ではなく、物体１０の熱膨張を考慮すると温度に応じて変わる。物体１０の厚みＨは、超音波の音速を測定する際の路程長さに大きな影響を及ぼす。そのため、例えば室温時の物体１０の厚みと、物体１０の熱膨張係数と、音速を測定する際の物体１０の温度とから、音速を測定する際の物体１０の温度に応じた物体１０の厚みを算出し、この物体１０の熱膨張を考慮した厚みを用いて物体１０の各温度における超音波の音速を測定することで、より正確に物体１０の温度と超音波の音速との関係式を導出することができる。

以上の通り、本発明の温度測定方法によれば、ラミノグラフィの原理を応用して物体１０中を伝播する超音波の音速分布を得て、音速の温度依存性（超音波の物体１０内の音速が温度に依存するデータ）を利用して物体１０内部の温度分布を測定するから、熱電対などを測定対象の物体１０に挿入することなく、また、従来技術のように、熱伝導方程式の逆問題解析により温度分布を算出していないため、境界条件がなくても、物体１０内部の温度分布を精度よく測定することができる。

また、測定対象の物体１０の熱膨張を考慮することで、温度測定の高精度化を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、上述した実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないため、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲によって画定され、また特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものであり、よって、本発明は、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

例えば、上述した実施形態では、物体１０内の温度分布の測定の際に、物体１０内を斜めに伝播させた斜角伝播路程の超音波の音速だけを計測して物体１０内の音速分布を算出し、温度分布に変換している。しかしながら、斜角伝播路程の超音波の音速に加えて、物体１０内を垂直方向に超音波を伝播させて垂直伝播路程の超音波の音速も計測することで、物体１０内の音速分布を算出し、この垂直伝播路程も含めた音速分布を変換することで温度分布を算出するようにしてもよい。

物体１０内の垂直伝播路程の超音波の音速も用いて音速分布を測定する場合、まず、ステップＳ１及びＳ２では、物体１０の一側面において送受信用探触子を長さ方向に、斜角伝播路程の場合と同様に所定の間隔（例えば１０ｍｍ間隔）で移動させながら複数箇所で超音波を垂直方向に発振・受信して、複数箇所の垂直伝播路程について音速を測定する。次に、ステップＳ３において超音波の音速分布を算出するが、例えば図９に示す方法では、垂直伝播路程ごとの音速についても、垂直伝播路程ごとにセルを通過する面積按分値（重み）を乗じて各セルに加算する。図１０を用いて説明すると、垂直伝播路程Ａ１〜Ａ８については、その全長にわたり、垂直伝播路程Ａ１〜Ａ８が通過する各セルだけがその音速範囲に含まれる。よって、各セルの面積按分値（重み）は１となり、各セルには、各セルを通過する垂直伝播路程Ａ１〜Ａ８の音速Ｖ１〜Ｖ８がそのまま往復分、加算される。そして、全ての斜角伝播路程及び垂直伝播路程について各セルに音速を加算した後、各セルに積算された音速の積算値を面積按分値（重み）の積算値で除することで、各セルの音速を求める。最後にステップＳ４では、物体１０内の測定対象断面の所定位置における基準温度と、事前に取得した物体１０の温度と超音波の音速との関係式（物体１０の温度に対する超音波の音速データ）と、ステップＳ３で算出した物体１０内の測定対象断面の音速分布とに基づいて、各セルの音速を温度に換算することで、物体１０内の測定対象断面の温度分布を算出する。

物体１０内の温度分布の算出に、斜角伝播路程に加えて垂直伝播路程の超音波の音速を算出することで、より正確な物体１０内の音速分布を算出することができるため、温度分布の測定もより高精度とすることができる。

また、上記実施形態では、発振用探触子２及び受信用探触子３を１つずつ用意し、物体１０内の複数の斜角伝播路程について超音波の音速を算出する際に、物体１０の一側面において、例えば受信用探触子３を発振用探触子２に対して所定の間隔で順次移動させることで、受信用探触子３の位置を変えている（図７）。しかしながら、これに限らず、物体１０の一側面に発振用探触子２を１つ設置するとともに複数の受信用探触子３を間隔をあけて設置し、発振用探触子２から物体１０内に入射された超音波を複数の受信用探触子３により同時に受信することで、受信用探触子３を移動させなくても、物体１０内の複数の斜角伝播路程について超音波の音速を算出することも可能である。また、物体１０内の複数の垂直伝播路程における超音波の音速を算出する場合についても、物体１０の一側面において、送受信用探触子を所定の間隔で順次移動させなくても（図９）、複数の送受信用探触子を間隔をあけて設置することで、物体１０内の複数の垂直伝播路程について超音波の音速を算出することも可能である。

以下に実施例を掲げて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されない。

超音波を用いて内部温度を測定する測定対象物体（試験片）としては、プレス金型で多用されるSKD11を用いた。SKD11製の試験片の寸法は、長さ８０ｍｍ×幅１００ｍｍ×厚み３０ｍｍであった。超音波の発振や受信には、図１に示す装置を用い、探触子にはオリンパス製の「V1091（5MHz，φ3mm）」を、パルサ・レシーバにはオリンパス製の「5072PR」を、オシロスコープには横河電機製の「DLM2022」を、プリアンプにはオリンパス製の「超音波プリアンプ（型番5676）」を、それぞれを用いた。

試験片には、図１１に示すように、一方の端面の幅方向及び厚み方向の中央部にφ10のヒータを挿入して、試験片をヒータにより加熱するとともに、ヒータを挿入した端面と反対側において底面を、ペルチェ素子を用いた冷却板により冷却し、その他の底面を断熱材により断熱した。この状態で試験片を十分な時間保持することで、試験片内部に温度分布を生じさせた。

試験片の一方の側面にφ1のK型シース熱電対を８本挿入し、試験片内部の所定断面における温度分布を計測した。試験片の厚み方向中央部において長さ方向に並べられた６本の熱電対の間隔は１０ｍｍとした。図１２は、熱電対による試験片内の温度測定結果である。図中、基準温度位置は、超音波による温度分布の算出時に用いた基準温度位置である。

超音波による温度測定位置は、ヒータ位置を対称面として、熱電対により温度計測を行う位置とは反対側にした。試験片内の超音波の音速測定は、発振用探触子及び受信用探触子の探触子間の距離をまず１０ｍｍに固定して、発振用探触子及び受信用探触子を試験片の上面の前記温度測定位置を長さ方向に移動させて、複数の斜角伝播路程について音速を測定した。次に、探触子間の距離を、それぞれ２０ｍｍ、３０ｍｍ、４０ｍｍ、５０ｍｍに固定して、それぞれ複数の斜角伝播路程について音速を測定した。

試験片内の超音波の音速分布の算出については，ラミノグラフィの最も基本的な方法として、図９に示すように、試験片の音速分布を測定する断面を８×６のセル（各セルの長さｄ：１０ｍｍ、厚みｈ：５ｍｍ）に分割する。予め求めた斜角伝播路程ごとのセルを通過する面積案分値（重み）を斜角伝播路程ごとの音速に乗じて各セルに加算し、全ての斜角伝播路程の加算後に重みの積算値で除することで、各セルの音速を求めた。そして、事前に取得した試験片の温度と超音波の音速との関係式から、各セルの音速を温度に換算することで、温度分布を求めた。その測定結果を図１３に示す。なお、図１３の測定結果は、試験片の熱膨張を考慮しなかった場合の結果である。

図１３によれば、熱電対による測定温度と、超音波により測定した温度分布とが、略一致している。よって、試験片内の温度分布を精度よく測定可能であることが確認された。

また、図１４は、試験片の熱膨張を考慮した試験片の温度と超音波の音速との関係式を用いて、超音波により試験片内の温度分布を測定した測定結果を示す。熱膨張を考慮した場合には、超音波により測定した温度分布が熱電対による測定温度とさらに良い一致を示しており、試験片左右の高温部及び低温部でも誤差が０．５℃程度である。よって、熱膨張を考慮することで、温度測定の高精度化を図れることが確認された。

２ 発振用探触子
３ 受信用探触子
６ プリアンプ
１０ 物体

Claims (7)

1. 物体の一側面に超音波の発振用探触子及び受信用探触子を一方向に距離をあけて配置し、前記発振用探触子により超音波を前記物体の一側面から入射させるとともに前記物体の他側面で反射した超音波を前記受信用探触子により検出して、前記物体中を斜めに伝播した超音波の音速を算出するステップと、
   前記発振用探触子及び前記受信用探触子の少なくとも一方について前記物体の一側面における位置を変えて、前記物体中の複数の斜角伝播路程ごとに超音波の音速を算出するステップと、
   複数の斜角伝播路程ごとの超音波の音速に基づいて、前記物体の一方向に沿った断面における超音波の音速分布を算出するステップと、
   前記物体の前記断面における超音波の音速分布、前記物体の前記断面の所定位置における基準温度、及び、予め求められた前記物体の温度と超音波の音速との関係式に基づいて、前記物体の前記断面における温度分布を算出するステップと、を有する、温度測定方法。
2. 前記受信用探触子で検出された超音波の波形から、斜角伝播路程ごとに超音波の伝播時間を算出し、斜角伝播路程の路程長さと伝播時間とに基づいて、超音波の音速を算出する、請求項１に記載の温度測定方法。
3. 前記受信用探触子で検出された超音波の波形に対してヒルベルト変換を行う、請求項２に記載の温度測定方法。
4. 前記受信用探触子からの検出信号をプリアンプで増幅する、請求項１〜３のいずれかに記載の温度測定方法。
5. 複数の斜角伝播路程ごとに、超音波を前記物体の一側面から垂直に入射させた場合の前記物体中を伝播する超音波の基準音速に基づき校正係数を算出して、算出した超音波の音速に当該校正係数を乗ずる、請求項１〜４のいずれかに記載の温度測定方法。
6. 前記物体の温度と超音波の音速との関係式は、前記物体の温度ごとに超音波を前記物体の一側面から垂直に入射させて前記物体の他側面で反射させた場合の超音波の伝播時間と路程長さとにより音速を算出することで、導出される、請求項１〜５のいずれかに記載の温度測定方法。
7. 前記路程長さを、前記物体の温度に応じて前記物体の熱膨張係数を用いて補正する、請求項６に記載の温度測定方法。