JP3099057B2

JP3099057B2 - 半球面鏡式レーザフラッシュ方式による熱拡散率測定方法

Info

Publication number: JP3099057B2
Application number: JP08299334A
Authority: JP
Inventors: 哲也馬場; 宗憙洪; 寛英新里
Original assignee: Kyoto Electronics Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Kyoto Electronics Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1996-10-23
Filing date: 1996-10-23
Publication date: 2000-10-16
Anticipated expiration: 2016-10-23
Also published as: JPH10123075A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属等の放射率の
低い材料を対象とし、試料表面の黒化処理無しに熱拡散
率を測定できるようにした半球面鏡式レーザフラッシュ
方式による熱拡散率測定方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のレーザフラッシュ方式による熱拡
散率の測定では、試料が放射率の低い材料の場合、試料
に対して表面コートで黒化処理を施して測定している
が、熱拡散率の大きい材料に対しては、この黒化処理の
影響が大きく、主要な測定誤差要因となっている（例え
ば、荒木信幸、牧野敦、三原純共著、「レーザフラッシ
ュ法による層状試料の熱拡散率測定における問題点」、
The Ninth Japan Symposium on Thermophysical Proper
ties,(1988年) Japan.）。

【０００３】試料の表面を黒化するには、放射率の高い
黒色塗料をスプレーで塗布するか、あるいは物理蒸着法
または化学蒸着法によりコートする方法が用いられてき
たが、いずれにしても黒化処理に手間がかかる。また、
金属材料は熱拡散率が大きいので、塗布した黒色塗料に
より試料の厚みが増加し、測定誤差の要因となる。特
に、銅、銀、金及びその合金等、熱拡散率の優れた材料
は黒化処理の影響が特に大きく、黒化処理の影響による
補正量は数１０％に達することもある。ところが、塗布
された黒色塗布材料自体の熱拡散率が分からないため正
確な補正は困難であり、金属材料の熱拡散率を精度よく
測定することはきわめて難しいのが現状である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する技術的な課題は、レーザフラッシュ方式による熱拡
散率測定方法を改良し、金属材料等の放射率の低い材料
に対して表面を黒化処理しないで熱拡散率が測定でき、
熱拡散率の大きい材料でも精度よく測定を行えるように
した熱拡散率測定方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の熱拡散率測定方法は、平板状の試料の表面に
レーザビームを照射して熱エネルギーを与え、この熱エ
ネルギーによる試料裏面の熱放射から熱拡散率を求める
レーザフラッシュ方式による熱拡散率測定方法におい
て、平板状の測定試料の両側または片側に対向設置した
半球面鏡により、試料表面に照射されたレーザビームの
反射光を再び試料表面に戻してレーザビームの吸収率を
高め、且つ／または試料裏面からの熱放射を多重反射さ
せて試料裏面の見掛けの放射率を高め、試料への黒色塗
料のコート無しに熱拡散率を測定し、さらに、試料表面
に対してレーザビームを照射する角度θ及び／または試
料裏面の放射測温の角度θを、試料の直径ａ、半球面鏡
のレーザ照射口または放射測定口の直径ｄ、半球面鏡の
曲率半径Ｒに基づき、 θ＞ sin ^−１｛（ａ＋ｄ）／４Ｒ｝とすることを特徴とするものである。

【０００６】上記本発明の熱拡散率測定方法において
は、試料の両面を粗面にすることにより、半球面鏡の設
置効果を高めると共に、表面粗さを補正して熱拡散率を
導出することが望ましい。また、本発明の熱拡散率測定
方法は、平板状の試料の表面にレーザビームを照射して
熱エネルギーを与え、この熱エネルギーによる試料裏面
の熱放射から熱拡散率を求めるレーザフラッシュ方式に
よる熱拡散率測定方法において、平板状の測定試料の両
側または片側に対向設置した半球面鏡により、試料表面
に照射されたレーザビームの反射光を再び試料表面に戻
してレーザビームの吸収率を高め、且つ／または試料裏
面からの熱放射を多重反射させて試料裏面の見掛けの放
射率を高め、試料への黒色塗料のコート無しに熱拡散率
を測定し、さらに、試料の両面を粗面にすることによ
り、半球面鏡の設置効果を高めると共に、表面粗さを補
正して熱拡散率を導出することを特徴とするものであ
る。

【０００７】上記本発明の熱拡散率測定方法では、試料
表面に照射されるレーザビームのうち反射により失われ
るレーザビームを半球面鏡によって再び試料表面に戻
し、試料表面と半球面鏡との間での繰り返し反射により
無限の多重吸収を起こさせ、実効吸収率を増加させる。
そのため、試料は吸収した熱エネルギーに応じた温度ま
で昇温する。一方、試料裏面からは、その温度と放射率
に応じた熱放射があるが、半球全放射のうち放射温度計
に観測されないものが再び半球面鏡により試料裏面に戻
され、半球面鏡と試料裏面との間で無限の多重反射を起
こしながら、試料裏面の見掛けの放射率を増加させる。

【０００８】さらに、レーザビームの照射角度及び／ま
たは放射温度計の測温の角度θを、前述した数式の範囲
に設定することにより、測定精度を高めるための最適の
測定条件を得ることができ、また、試料の両面を粗面に
することにより、半球面鏡による実効吸収率及び見掛け
の放射率の増加率がはるかに大きくなり、より低い放射
率の材料でも熱拡散率を高精度に測定することが可能に
なる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。図１は、本発明に係る熱拡
散率測定方法を実施する測定装置の構成の一例を示すも
ので、大出力パルスレーザ加熱源１から射出されたレー
ザビーム２は、ビームスプリッタ３によりその一部が反
射され、それがパワーメーター４に入り、パルスレーザ
のエネルギーの変動が観測される。上記レーザビーム２
の大部分は、ビームスプリッタ３を通過して、レーザビ
ームの進行方向を調整する反射鏡５により反射した後、
測定用真空槽６の窓６ａを透して、槽中心部に斜めに設
置されている試料７に照射される。

【００１０】測定用真空槽６は、上記窓６ａの対向位置
に観測窓６ｂを備え、中央部分の試料７の両側、すなわ
ち、試料の表面７ａ側と裏面７ｂ側に、半球面鏡８と半
球面鏡９とを配置している。これらの半球面鏡８，９に
は、その頂点からやや傾いた位置に、小さな開口からな
るレーザ照射口８ａ及び放射測定口９ａを設け、レーザ
照射口８ａは、測定用真空槽６におけるレーザビームの
入射方向である窓６ａに向けて開口させ、照射測定口９
ａは、観測窓６ｂに向けて開口させている。そして、半
球面鏡８の球心と試料表面７ａの中心とをほぼ一致さ
せ、半球面鏡９の球心と試料７の裏面７ｂの中心とをほ
ぼ一致させるようにしている。なお、測定用真空槽６の
真空系、試料７及び半球面鏡８，９の固定機構等につい
ては、図示を省略している。

【００１１】測定用真空槽６に入射して試料７に照射さ
れたレーザビームは、そのうちの試料表面７ａの吸収率
分だけが試料に一次吸収され、残りの反射率分は試料７
から反射されてしまうが、この反射されたレーザビーム
も、レーザ照射側の半球面鏡８での反射により試料表面
に戻され、この繰り返しにより無限の多重吸収が行わ
れ、吸収エネルギー量が増加して実効吸収率が大幅に高
くなる。

【００１２】試料７の温度は、レーザビームのエネルギ
ーを吸収して上昇し、試料裏面７ｂからは、上昇する温
度と試料裏面７ｂの放射率に対応する放射エネルギーが
放射される。この試料裏面７ｂの中心部の放射エネルギ
ーの時間的変化を放射温度計１１で観測し、観測された
放射エネルギーより試料裏面の温度変化を測定するが、
試料裏面７ｂの中心部の放射のうち、放射温度計の対物
レンズ１０に直接的に入る放射エネルギーはその一部に
過ぎない。放射率の低い材料の場合は、この放射温度計
の対物レンズ１０に直接的に入る放射エネルギーがあま
りにも少ないので、放射温度計の信号が小さく、試料裏
面の温度変化を測定するのがきわめて難しいが、前述し
たように、試料裏面７ｂの放射温度計１１側にも半球面
鏡９を設置し、放射温度計の対物レンズ１０から外れた
熱放射を半球面鏡９で取り戻すことにより、対物レンズ
１０に入る放射エネルギーを増加させ、試料裏面７ｂの
見掛けの放射率の増加効果により温度変化の信号が増幅
されるようにしている。

【００１３】上述の測定においては、試料表面７ａで一
次反射したレーザビームが半球面鏡８により効果的に戻
るように、あるいは、放射温度計の対物レンズ１０から
外れる方向の熱放射が半球面鏡９により効果的に戻るよ
うに、試料７に対するレーザビームの照射角度や放射温
度計の測温の角度を適切な範囲に設定することが、測定
精度を高めるために有利であるが、その詳細については
後述する。

【００１４】放射温度計１１においては、レーザビーム
２が試料７に照射される瞬間からの試料裏面７ｂの時間
的温度変化が観測され、観測された試料裏面７ｂの温度
変化の信号は、出力信号の記憶装置であるトランジェン
トメモリ１２に転送され、試料裏面の温度上昇速度がそ
の材質の熱拡散率の関数であるので、演算装置（パーソ
ナルコンピュータ）１３により試料７の熱拡散率が算出
され、ディスプレーに表示される。

【００１５】次に、図２〜図８を参照して、本発明の測
定方法における熱拡散率の算出の原理について説明す
る。図２のＡは、半球面鏡８を試料表面７ａの前方に設
置することにより、試料表面７ａに照射されるレーザビ
ーム２の実効吸収率が増加することを説明するためのも
のである。試料表面７ａに照射されるレーザビーム２
は、そのうち、試料表面７ａの吸収率の分だけが一次吸
収され、残りは試料表面７ａで反射する。この反射する
レーザビームを試料表面７ａに戻して吸収率を高めるの
が半球面鏡８の役割で、この半球面鏡８により試料表面
７ａに戻されたレーザビームは試料表面７ａで第二次吸
収が行われ、さらに、このような半球面鏡８による多重
吸収により、試料表面７ａの実効吸収率が大幅に増加す
る。

【００１６】また、図２のＢは、半球面鏡９を試料裏面
７ｂ側に設置することにより試料裏面の見掛けの放射率
が増加することを説明するためのものである。試料表面
７ａで吸収されたレーザビームにより、試料７はその吸
収エネルギーに相当する温度まで昇温し、試料裏面７ｂ
の中心部から放射される熱放射は、放射温度計１１の対
物レンズ１０の立体角の中に向かう放射だけが、放射温
度計１１により観測される。ここで、試料中心部からの
熱放射のうち、放射温度計の対物レンズ１０の立体角よ
り外れている大部分の熱放射は、半球面鏡９により試料
裏面７ｂに戻され、戻された熱放射の一部は試料裏面７
ｂで反射した後、あるいは、半球面鏡９と試料裏面７ｂ
との間で反射を繰り返した後、放射温度計１１の対物レ
ンズ１０に入るようになる。このような半球面鏡９によ
る無限の多重反射により、試料裏面の見掛けの放射率が
大幅に増加する。

【００１７】いま、試料表面７ａの本来の吸収率をα、
半球面鏡８の反射率をρ_m 、半球面鏡８の形態係数をＦ
_a 、半球面鏡８のレーザ照射口８ａの形態係数をｆ_a 、
試料表面の鏡面反射率をρ_s 、試料表面の拡散反射率を
ρ_d とすれば、半球面鏡８を試料表面７ａの前方に設置
したときの試料表面７ａの実効吸収率α_e には、試料表
面自体の吸収率に、最初に試料表面で拡散反射されるレ
ーザビームによる吸収率の増加分と、最初に試料表面
で鏡面反射されるレーザビームによる吸収率の増加分
が加わり、（１）式のように求められる。

【００１８】．試料表面の最初の拡散反射成分による
吸収率の増加分は、次式のようになる。

【数１】

【００１９】．試料表面の最初の鏡面反射成分による
吸収率の増加分は、次式のようになる。

【数２】

【００２０】ここで、鏡面反射と拡散反射の反復過程
で、鏡面反射の後のレーザ照射口よりの損失、ｆ_a ／Ｆ
_a の二乗以上は非常に小さいので、これを無視すれば、
半球面鏡による実効吸収率α_e は、次の（１）式のよう
になる。

【数３】

【００２１】また、試料裏面７ｂ自体の放射率をε、半
球面鏡９の反射率を半球面鏡８と同じρ_m 、半球面鏡９
の形態係数をＦ_e 、半球面鏡９の放射測定口９ａの形態
係数をｆ_e とすれば、半球面鏡９を試料裏面７ｂ側に設
置したとき、放射温度計１１により観測される試料裏面
の見掛けの放射率ε_e には、試料裏面７ｂ自体の放射率
による放射に、半球面鏡９に反射された放射が試料裏面
で拡散反射されて放射温度計１１に入る放射と、鏡面
反射されて放射温度計１１に入る放射とが加わるの
で、半球面鏡９を設置したとき、放射温度計１１により
観測される試料裏面の見掛けの放射率ε_e は、（２）式
のように求められる。

【００２２】．試料裏面での拡散反射成分による放射
率の増加分は次式のようになる。

【数４】

【００２３】．試料裏面での鏡面反射成分による放射
率の増加分は次式のようになる。

【数５】

【００２４】ここで、鏡面反射と拡散反射の反復過程
で、ｆ_e ／Ｆ_e の二乗以上は非常に小さいので、これを
無視すれば、半球面鏡による見掛けの放射率ε_e は次の
（２）式のようになる。

【数６】

【００２５】いま、（１）式で示される試料表面７ａの
実効吸収率α_e は、半球面鏡８の曲率中心部での実効吸
収率である。実際の測定条件では、試料７の大きさがあ
り、半球面鏡８の曲率中心から外れたレーザビームは試
料表面と半球面鏡の間の多重反射に伴い順次広がって行
くので、レーザビームの広がりを考慮しなければならな
い。そこで、レーザビーム２の入射角度θでの試料表面
７ａ自体の吸収率をα、入射角度θのレーザビームの試
料表面７ａでの一次鏡面反射のときの反射後に戻る面積
に対する反射前面積の比である有効反射係数をｋ_s 、拡
散形反射のときの反射後戻る面積に対する反射前面積の
比の有効反射係数をｋ_d とすれば、レーザビームの広が
り及び入射角度を考慮したときの半球面鏡８による実効
吸収率α_e は、次の（３）式で示される。

【００２６】

【数７】この（３）式により求めた半球面鏡による実効吸収率を
図３に、実効吸収率の増加率を図４に表した。

【００２７】ここで、半球面鏡８の反射率ρ_m は、Ａｌ
＋ＳｉＯコートで、ρ_m ＝ 0.97 、曲率半径はＲ＝ 70
ｍｍ、半球面鏡８の底面を 10 ｍｍ切り出したときの形
態係数は、Ｆ_a ＝ 0.9683 、レーザ照射口８ａについて
は、傾斜角度θ＝ 10 °、直径ｄ_a ＝ 15 ｍｍ、形態係
数ｆ_a ＝ 0.0113 、試料７の直径ａ＝ 10 ｍｍとし、こ
れらにより、鏡面反射に係る有効反射係数ｋ_s ＝ 0.977
3 、拡散反射に係る有効反射係数ｋ_d ＝ 0.9447 を求め
た。

【００２８】この結果によると、半球面鏡８による実効
吸収率α_e の増加率α_e/αは、試料表面７ａ自体の吸収
率αが低いほど、また拡散反射性ρ_d/ρが大きいほど大
きくなり、吸収率の低い金属材料などの熱拡散率の測定
に効果があることがわかる。図３及び図４に示している
α＝ρ_d ／ρである場合の曲線は、一般材料の場合、赤
外領域では吸収率が低いほど鏡面反射性が大きく、高い
ほど拡散反射性が大きくなるので、レーザの波長付近で
の試料表面の拡散性が吸収率に等しい場合を検討したこ
とで、α＝ρ_d/ρ＝0.2 の場合、実効吸収率はα_e ＝
0.49 となり、半球面鏡８により２．４４倍になること
がわかる。

【００２９】また、半球面鏡９を試料裏面７ｂ側に設置
したときも、試料裏面７ｂからの熱放射が半球面鏡９で
反射した後、試料裏面７ｂに戻る際に、熱放射の広がり
が生じる。このとき、放射温度計１１における観測角度
をレーザビーム２の入射角度と同じくすれば、試料裏面
７ｂでの一次鏡面反射のときの有効反射係数はｋ_s ，拡
散形反射のときの有効反射係数はｋ_d とおけるので、観
測角度θでの試料裏面７ｂ自体の放射率をεとすれば、
熱放射の広がりと観測角度θを考慮したときの半球面鏡
９による見掛けの放射率ε_e は、次の（４）式で求めら
れる。

【００３０】

【数８】この（４）式で求めた半球面鏡による見掛けの放射率を
図５に、見掛けの放射率の増加率を図６に表した。

【００３１】ここで、半球面鏡９の底面を 10 ｍｍ切り
出したときの半球面鏡９の形態係数Ｆ_e ＝ 0.9746 、放
射測定口９ａについては、傾斜角度θ＝10°、直径ｄ_e
＝10ｍｍ、形態係数ｆ_e ＝ 0.0050 、放射温度計１１の
観測標的の大きさはφ１ｍｍとし、これらにより、ｋ_s
＝ 0.9987 ，ｋ_d ＝ 0.9936 を求めた。この結果による
と、半球面鏡９による見掛けの放射率ε_e の増加率ε_e/
εも、観測角度θでの試料裏面７ｂの放射率εが低いほ
ど、また、拡散反射性ρ_d/ρが大きいほど大きくなり、
放射率の低い金属材料などの測定に効果があることがわ
かる。図５及び図６に示しているε＝ρ_d ／ρである場
合の曲線は、一般材料の場合、赤外領域では放射率が低
いほど鏡面反射性が大きく、高いほど拡散反射性が大き
くなるので、放射温度計１１の測定波長付近での試料裏
面７ｂの拡散反射性が放射率に等しい場合を検討したこ
とで、ε＝ρ_d ／ρ＝0.2 の場合、見掛けの放射率はε
_e ＝ 0.53 となり、半球面鏡９により２．６６倍に増加
する。

【００３２】上記（３）式で示される実効吸収率α_e 及
び（４）式で示される見掛けの放射率ε_e は、試料表面
７ａ自体の吸収率α及び試料裏面７ｂの放射率ε，試料
７の表裏面状態、半球面鏡８，９の反射率ρ_m と形態係
数Ｆ_a ，Ｆ_e 等により変わるが、それらのうちで、レー
ザ照射口８ａ及び放射測定口９ａの条件は、実効吸収率
α_e 及び見掛けの放射率ε_e に及ぼす影響も大きく、他
の設計条件により決まるので、最適設計を行う必要があ
る。そこで、本発明では、試料表面７ａに照射されるレ
ーザビーム２のエネルギーが一定のとき、試料表面７ａ
での吸収エネルギーと試料裏面７ｂでの見掛けの放射を
最大化するための半球面鏡８，９のレーザ照射口８ａ及
び放射測定口９ａの最適角度を、以下のような方法で求
めた。

【００３３】．試料表面７ａで一次鏡面反射したレー
ザビーム２が、レーザ照射口８ａより逃げ出さないよ
う、レーザ照射口８ａの最小傾斜角度を次の（５）式の
範囲に制限する。 θ＞ sin^-1｛（ａ＋ｄ）／４Ｒ｝・・・（５）ここで、ａは試料７の直径、ｄ_a はレーザ照射口８ａの
直径、Ｒは半球面鏡８の曲率半径である。

【００３４】．レーザビーム２がある入射角度θで試
料表面７ａに照射されると、照射スポットは楕円形とな
り、また、レーザフラッシュ法では、一次元熱伝導を実
現するために、レーザビーム２の直径を試料７の直径ａ
より大きくするので、円形の試料表面７ａから外れるレ
ーザビームは、損失エネルギーとなる。そこで、レーザ
ビーム２の照射効率を高めるため、半球面鏡８の設計に
次の（６）式で示すレーザビーム２の有効照射率Ｓを関
数として加えた。ここで、ｋは試料７の直径ａに対する
レーザビーム２のビーム直径の比である。

【数９】

【００３５】．半球面鏡８を試料表面７ａの前方に設
置することにより、増加される実効吸収率α_e は、レー
ザ照射口８ａの大きさとその傾斜角度θに大きく影響を
受ける。したがって、レーザ照射口８ａの条件を関数と
した実効吸収率α_e の増加率α_e/αを示している次の
（７）式を半球面鏡８の設計に加えた。

【数１０】ここで、Ｆは半球面鏡８のレーザ照射口８ａのない状態
での形態係数、ｄ_a はレーザ照射口８ａの直径である。

【００３６】．半球面鏡９を試料裏面７ｂ側に設置し
たときも、放射測定口９ａの大きさとその傾斜角度θに
より見掛けの放射率ε_e が変わるので、放射測定口９ａ
の条件を関数とした見掛けの放射率ε_e の増加率ε_e/ε
に関する下記の（８）式を考慮した。

【数１１】ここで、Ｆは半球面鏡９の放射測定口９ａのない状態で
の形態係数、ｄ_e は放射測定口９ａの直径である。

【００３７】以上のように、半球面鏡８のレーザ照射口
８ａ及び半球面鏡９の放射測定口９ａの傾斜角度θを、
半球面鏡８，９の曲率半径Ｒ，試料７の直径ａ及びレー
ザ照射口８ａの直径ｄ_a より求めた（５）式の限界角度
以上とし、（６）式で示されるレーザビーム２の有効照
射率Ｓ，レーザビーム２の広がりを考慮したときの半球
面鏡８による試料表面７ａの実効吸収率α_e の増加率α
_e/α、及び熱放射の広がりを考慮したときの半球面鏡９
による試料裏面７ｂの見掛けの放射率ε_e の増加率ε_e/
εなどを用いた下記（９）式により、測定条件係数Ｅが
大きくなる位置で、レーザ照射口８ａ及び放射測定口９
ａの最適傾斜角度θを求めた。この測定条件係数Ｅは、
半球面鏡のない時の試料裏面の放射信号に対する半球面
鏡を設置したときの信号の改善効果に相当する。Ｅ＝Ｓ（α_e ／α）（ε_e ／ε）・・・（９）

【００３８】図７は、測定条件係数Ｅの（９）式による
計算例を、試料７の直径ａに対するレーザビーム２の比
率ｋをパラメーターとして示すものである。この図７で
は、両半球面鏡８，９の曲率半径Ｒ＝ 70 ｍｍ、反射率
ρ_m ＝ 0.97 、半球面鏡８の底面を10ｍｍ切り出したと
きの形態係数Ｆ_a ＝ 0.9683 、半球面鏡９の底面を10ｍ
ｍ切り出したときの形態係数Ｆ_e ＝ 0.9746 、レーザ照
射口８ａの直径ｄ_a ＝15 ｍｍ、放射測定口９ａの直径
ｄ_e ＝ 10 ｍｍ、試料７の直径ａ＝ 10 ｍｍ、及び放射
温度計１１の観測標的の大きさがφ１ｍｍの場合につい
て、（９）式で求めた半球面鏡のレーザ照射口及び放射
測定口の傾斜角度による測定条件係数の変化を表してい
る。図７からわかるように、（５）式で表わす限界傾斜
角度以下では急激に半球面鏡の設置効果が低下するの
で、半球面鏡８，９の曲率半径Ｒ、試料７の直径ａ、レ
ーザビーム２の直径、放射温度計１１の観測標的の大き
さ等に対する希望の測定状況での測定条件係数Ｅが最大
になる傾斜角度を設計角度とすることが望ましい。

【００３９】以上のように、半球面鏡により試料表面の
実効吸収率及び試料裏面の見掛けの放射率が大きく増加
することがわかる。なお、（３）式を表わしている図３
と図４、及び（４）式を表わしている図５及び図６によ
ると、実効吸収率α_e 及び見掛けの放射率ε_e は、それ
ぞれ試料表面７ａと試料裏面７ｂの拡散反射性ρ_d/ρが
大きくなるほどさらに増加するので、試料表面７ａと試
料裏面７ｂを粗面にすることにより、実効吸収率α_e 及
び見掛けの放射率ε_e を高めることができる。いま、試
料表面７ａ及び試料裏面７ｂを粒度＃800 〜1000の研磨
材で研磨し、表面粗さ１〜５μｍ，内角８０〜９０°の
Ｖ溝窪を有する粗面にした場合には、表面粗さにより試
料表面７ａの実効吸収率α_e 及び試料裏面７ｂの見掛け
の放射率ε_e が増加すると共に、拡散反射性ρ_d/ρも増
加する。このとき、粗面にすることで、実効吸収率α
_e ，見掛けの放射率ε_e 及び拡散反射性ρ_d/ρがほぼ同
じ傾向で増加するので、次のように０．８乗で増加する
場合を検討すると、α_e∧=ε_e∧＝α_e ^0.8＝ε_e ^0.8，
（ρ_d∧／ρ∧)＝（ρ_d ／ρ)^o.8となる。ここで、符号
＾は、「表面粗さによる」を意味している。

【００４０】上記の表面粗さにより、半球面鏡８，９に
よる実効吸収率α_e 及び見掛けの放射率ε_e の増加効果
を図８に示した。以上の結果によると、試料の表面を粗
くすることにより、試料表面７ａ自体の吸収率αと試料
裏面７ｂ自体の放射率ε及び拡散性が同時に大きくな
り、半球面鏡の設置効果がさらに大きくなる。α＝ε＝
０．２の場合は、表面粗さ１〜５μｍ、内角８０〜９０
°のＶ溝窪を有する粗面とすることにより、実効吸収率
（α_e∧）は３．１３倍、見掛けの放射率（ε_e∧）は
３．３５倍まで増加する。

【００４１】上述した試料表面を粗くする場合は、熱伝
導に係る試料の実効厚みが多少変化するので、試料表面
７ａと裏面７ｂの表面粗さを補正した次の（１０）式に
よる試料の厚みＬを用いて熱拡散率を求める必要があ
る。Ｌ＝Ｌ_t −（ｈ_a ＋ｈ_e ）／√２・・・（１０）ここで、Ｌは試料表面と裏面の表面粗さを補正した試料
の厚み、Ｌ_t は試料の両面７ａ，７ｂの間の最大厚み、
ｈ_a は試料表面７ａの最大粗さの深さ、ｈ_e は試料裏面
７ｂの最大粗さの深さである。（１０）式は、表面を粗
くするとき、吸収率及び放射率がＶ溝窪の先端から谷ま
で比例して高まることとし、吸収と放射エネルギーの平
均位置の間より得られたものである。

【００４２】

【実施例】次に、図１の測定装置を用いて、測定試料７
としての円盤状の鉄材を用い、その熱拡散率を常温で測
定して、半球面鏡による実効吸収率及び見掛けの放射率
の増加効果を確認した実施例を、図９を参照して説明す
る。試料の大きさは、直径ａ＝ 10 ｍｍ、厚みＬ＝ 1.0
24ｍｍの円盤状であり、試料表面及び試料裏面とも同じ
状態に鏡面研磨、あるいは研磨材粒度＃600 のサンドペ
ーパーで粗面にした。試料表面側の半球面鏡８は、曲率
半径Ｒ＝ 70 ｍｍ、形態係数Ｆ_a ＝ 0.91 、反射率ρ_m
≒0.9 である。レーザ照射口は、直径ｄ_a ＝40 ｍｍ、
傾斜角度θ＝25°である。試料裏面側の半球面鏡９は、
曲率半径Ｒ＝70 ｍｍ、形態係数Ｆ_e ＝ 0.96 、反射率
ρ_m ≒0.9 である。放射測定口は、直径ｄ_e ＝20ｍｍ，
傾斜角度θ＝20°である。両半球面鏡８，９の底面は、
迷光を考慮して高さ10ｍｍを切り出した。レーザは、波
長 1.06 μｍのＹＡＧレーザで、約２Ｊの照射エネルギ
ーを照射し、一方、放射温度計１１の測定波長は１〜５
μｍで、観測標的の直径は３ｍｍであった。

【００４３】図９は、鏡面に研磨した試料を半球面鏡を
設置しないで測定したとき(a) と、鏡面に研磨した試料
の両面に半球面鏡を設置したとき(b) 、及び試料の表面
を＃６００の砂布で粗面にして半球面鏡を設置したとき
(c) の、放射温度計１１により観測した放射信号の大き
さを比較できるようにして示している。

【００４４】両面７ａ，７ｂが鏡面研磨されている試料
を、半球面鏡８，９を配置しないで測定したときは、最
高温度までの信号が 33 dgt.に過ぎないので、電気的な
ノイズを考慮すると、このままでは熱拡散率の測定がで
きないことがわかる。これに対して、同様の試料で半球
面鏡８，９を両側に配置して測定したときは、最高温度
までの信号が、98 dgt. となり、３倍以上増加したの
で、十分な精度で測定できることがわかった。また、両
面を粗面にした試料で半球面鏡８，９を配置して測定し
たときは、さらに７倍まで信号が増加して、吸収率及び
放射率の低い材料でも精度よく測定できることが明らか
になった。なお、この鉄の試料について、半球面鏡を設
置して熱拡散率を測定した結果、1.91×10^-5ｍ² ／ｓを
得た。

【００４５】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明のレーザ
フラッシュ方式による熱拡散率測定方法によれば、これ
まで試料表面の黒化処理無しに熱拡散率の測定が困難で
あった吸収率及び放射率の低い材料でも、半球面鏡を設
置して試料表面を照射するレーザビームからの熱吸収
量、試料裏面から放射温度計に伝達される放射熱量をそ
れぞれ増大することにより、熱拡散率を精度よく測定す
ることができる。また、試料表面、試料裏面を粗面にす
ることにより、半球面鏡の設置の効果がさらに大きくな
り、黒化処理しても測定が困難であった熱拡散率の大き
い材料にも対処できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る熱拡散率測定方法を実施する装置
の一例を示す構造図である。

【図２】Ａ及びＢは、上記装置における試料表面側での
実効吸収率及び試料裏面側での見掛けの放射率が増加す
る原理を説明するための説明図である。

【図３】半球面鏡をレーザの照射側に設置したときの試
料表面の実効吸収率を示すグラフである。

【図４】同試料表面の実効吸収率の増加率を示すグラフ
である。

【図５】半球面鏡を試料裏面側に設置したときの試料裏
面の見掛けの放射率を示すグラフである。

【図６】同試料裏面の見掛けの放射率の増加率を示すグ
ラフである。

【図７】半球面鏡のレーザ照射口及び放射測定口の傾斜
角度による半球面鏡の設置効果の変化を示すグラフであ
る。

【図８】試料表面と裏面を粗面にすることによる実効吸
収率と見掛けの放射率の増加率を示すグラフである。

【図９】本発明の効果を確認するための実施例における
放射信号の改善効果を示すグラフである。

【符号の説明】

１パルスレーザ加熱源２レーザビーム３ビームスプリッタ４パワーメーター５反射鏡６測定用真空槽６ａ，６ｂ窓７試料７ａ試料表面７ｂ試料裏面８試料表面側の半球面鏡８ａレーザ照射口９試料裏面側の半球面鏡９ａ放射測定口１０対物レンズ１１放射温度計１２トランジェントメモリ１３演算装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者新里寛英福岡県北九州市戸畑区中原新町１−２京都電子工業株式会社九州研究所内審査官野村伸雄 (56)参考文献特開昭64−16954（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−159740（ＪＰ，Ａ) 特開平１−182744（ＪＰ，Ａ) 特開平８−75687（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 25/00 - 25/72 G01K 17/06

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】平板状の試料の表面にレーザビームを照射
して熱エネルギーを与え、この熱エネルギーによる試料
裏面の熱放射から熱拡散率を求めるレーザフラッシュ方
式による熱拡散率測定方法において、平板状の測定試料の両側または片側に対向設置した半球
面鏡により、試料表面に照射されたレーザビームの反射
光を再び試料表面に戻してレーザビームの吸収率を高
め、且つ／または試料裏面からの熱放射を多重反射させ
て試料裏面の見掛けの放射率を高め、試料への黒色塗料
のコート無しに熱拡散率を測定し、さらに、試料表面に
対してレーザビームを照射する角度θ及び／または試料
裏面の放射測温の角度θを、試料の直径ａ、半球面鏡の
レーザ照射口または放射測定口の直径ｄ、半球面鏡の曲
率半径Ｒに基づき、 θ＞ sin ^−１｛（ａ＋ｄ）／４Ｒ｝とする、ことを特徴とする半球面鏡式レーザフラッシュ
方式による熱拡散率測定方法。
【請求項２】請求項１に記載の方法において、試料の両面を粗面にすることにより、半球面鏡の設置効
果を高めると共に、表面粗さを補正して熱拡散率を導出
する、ことを特徴とする半球面鏡式レーザフラッシュ方式によ
る熱拡散率測定方法。
【請求項３】平板状の試料の表面にレーザビームを照射
して熱エネルギーを与え、この熱エネルギーによる試料
裏面の熱放射から熱拡散率を求めるレーザフラッシュ方
式による熱拡散率測定方法において、平板状の測定試料の両側または片側に対向設置した半球
面鏡により、試料表面に照射されたレーザビームの反射
光を再び試料表面に戻してレーザビームの吸収率を高
め、且つ／または試料裏面からの熱放射を多重反射させ
て試料裏面の見掛けの放射率を高め、試料への黒色塗料
のコート無しに熱拡散率を測定し、さらに、試料の両面
を粗面にすることにより、半球面鏡の設置効果を高める
と共に、表面粗さを補正して熱拡散率を導出する、こと
を特徴とする半球面鏡式レーザフラッシュ方式による熱
拡散率測定方法。