JP5993735B2 - Thermal constant measurement method - Google Patents

Thermal constant measurement method Download PDF

Info

Publication number
JP5993735B2
JP5993735B2 JP2012272443A JP2012272443A JP5993735B2 JP 5993735 B2 JP5993735 B2 JP 5993735B2 JP 2012272443 A JP2012272443 A JP 2012272443A JP 2012272443 A JP2012272443 A JP 2012272443A JP 5993735 B2 JP5993735 B2 JP 5993735B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
sample
thermal
resonance
mode
measuring
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2012272443A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2014119274A (en
Inventor
博次 荻
博次 荻
秀士 石田
秀士 石田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Osaka University NUC
Original Assignee
Osaka University NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osaka University NUC filed Critical Osaka University NUC
Priority to JP2012272443A priority Critical patent/JP5993735B2/en
Publication of JP2014119274A publication Critical patent/JP2014119274A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5993735B2 publication Critical patent/JP5993735B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Description

本発明は、熱共振現象を利用して試料の熱定数を測定する方法に関する。   The present invention relates to a method for measuring a thermal constant of a sample using a thermal resonance phenomenon.

熱交換器、電子デバイス、及びヒートシンク等の工業機器の設計においては、材料の熱拡散率や熱伝導率といった物性値は欠かせないものであり、熱伝導現象を利用してこれらを測定する方法が広く知られている。例えば、特許文献1には、試料の表面の交流温度と裏面の交流温度との位相差から熱拡散率及び熱伝導率を算出する方法が提案されている。詳述すると、特許文献1における方法では、まず、同一材質の金属膜抵抗が表面及び裏面に設けられた試料を準備し、表面側の金属膜抵抗に交流電力を供給して試料を加熱する。そして、裏面側の金属膜抵抗の抵抗変化による交流温度信号と表面側の金属膜抵抗に加えた交流電力との位相差の特性線における勾配を求め、この勾配に基づいて試料の熱拡散率を算出する。さらに、熱拡散率と上述の交流温度信号及び交流電力とに基づいて熱伝導率を算出する。   In the design of industrial equipment such as heat exchangers, electronic devices, and heat sinks, physical properties such as thermal diffusivity and thermal conductivity of materials are indispensable, and a method of measuring these using the thermal conduction phenomenon Is widely known. For example, Patent Document 1 proposes a method for calculating the thermal diffusivity and the thermal conductivity from the phase difference between the AC temperature on the surface of the sample and the AC temperature on the back surface. More specifically, in the method in Patent Document 1, first, a sample in which metal film resistors of the same material are provided on the front surface and the back surface is prepared, and AC power is supplied to the metal film resistor on the front surface side to heat the sample. Then, the gradient in the characteristic line of the phase difference between the AC temperature signal due to the resistance change of the metal film resistance on the back side and the AC power applied to the metal film resistance on the front side is obtained, and the thermal diffusivity of the sample is calculated based on this gradient. calculate. Further, the thermal conductivity is calculated based on the thermal diffusivity, the AC temperature signal and the AC power described above.

特開平7−103921号公報JP-A-7-103921

しかしながら、上述したような方法では、特に、微小な試料や複雑な形状の試料、又は熱伝導率が大きい試料の場合、表面の交流温度と裏面の交流温度との位相差を測定することが難しく、熱拡散率及び熱伝導率等の熱定数を正確に測定することができないという問題があった。   However, in the method as described above, it is difficult to measure the phase difference between the AC temperature on the front surface and the AC temperature on the back surface, particularly in the case of a small sample, a sample having a complicated shape, or a sample having a high thermal conductivity. There has been a problem that heat constants such as thermal diffusivity and thermal conductivity cannot be measured accurately.

そこで、本発明は、試料の熱定数を正確に測定することができる方法を提供することを課題とする。   Then, this invention makes it a subject to provide the method which can measure the thermal constant of a sample correctly.

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、熱共振現象を利用して試料の熱定数を測定する方法であって、試料において発生させる熱共振のモードを決定するステップと、試料において、決定されたモードの熱共振の腹部に位置する第1の部分を瞬間的に加熱することによって、決定されたモードの熱共振を発生させるステップと、熱共振が発生している試料において、決定されたモードの熱共振の腹部に位置する第2の部分の温度を所定時間測定するステップと、第2の部分の温度の時間変化に基づいて減衰係数を算出するステップと、減衰係数に基づいて試料の熱拡散率を算出するステップと、を備える。   The present invention is for solving the above-described problem, and is a method for measuring the thermal constant of a sample using a thermal resonance phenomenon, the method of determining a mode of thermal resonance generated in the sample, A step of generating a thermal resonance of the determined mode by instantaneously heating a first portion located in the abdomen of the thermal resonance of the determined mode; Measuring the temperature of the second portion located in the abdomen of the thermal resonance of the selected mode for a predetermined time, calculating the attenuation coefficient based on the time change of the temperature of the second portion, and based on the attenuation coefficient Calculating the thermal diffusivity of the sample.

上記方法において利用される「熱共振現象」とは、試料に対して外部から熱が与えられた場合に試料内で空間的に試料形状に依存した特定の温度分布が発生することをいい、この温度分布は時間とともに平衡状態に達する。上記方法によれば、測定対象の試料において、所定のモードの熱共振を発生させ、この熱共振の腹部に位置する第2の部分の温度の時間変化のみを調べることによって、試料の熱拡散率を算出することができる。すなわち、上記方法においては、熱伝導現象を利用した従来の方法のように、試料において加熱された部分の温度とそれ以外の部分の温度との位相差等を求める必要はないため、試料の寸法、形状、及び熱伝導率の大きさ等にかかわらず、熱定数を正確に測定することができる。   The “thermal resonance phenomenon” used in the above method means that a specific temperature distribution depending on the shape of the sample spatially occurs in the sample when heat is applied to the sample from the outside. The temperature distribution reaches equilibrium with time. According to the above method, the thermal diffusivity of the sample is obtained by generating thermal resonance of a predetermined mode in the sample to be measured and examining only the temporal change in the temperature of the second part located at the abdomen of this thermal resonance. Can be calculated. That is, in the above method, it is not necessary to obtain the phase difference between the temperature of the heated portion of the sample and the temperature of the other portion, unlike the conventional method using the heat conduction phenomenon. Regardless of the size, shape, and thermal conductivity, the thermal constant can be accurately measured.

上記方法において、第1の部分は、決定されたモードの熱共振の腹部に位置する点状の部分であってもよい。   In the above method, the first portion may be a dot-like portion located at the antinode of the thermal resonance of the determined mode.

あるいは、上記方法において、第1の部分は、決定されたモードの熱共振の腹部に沿って帯状に延びる部分であってもよい。   Alternatively, in the above method, the first portion may be a portion extending in a band shape along the abdomen of the thermal resonance of the determined mode.

また、上記方法において、第2の部分は、前記決定されたモードの熱共振の腹部に位置する点状の部分とすることができる。   In the above method, the second portion may be a dot-like portion located at the abdomen of the determined mode of thermal resonance.

あるいは、上記方法において、第2の部分は、決定されたモードの熱共振の腹部に沿って帯状に延びる部分とすることもできる。   Or in the said method, a 2nd part can also be made into the part extended in strip | belt shape along the abdominal part of the thermal resonance of the determined mode.

また、上記方法において、第1の部分は、パルスレーザが照射されることによって瞬間的に加熱されることが好ましい。   In the above method, it is preferable that the first portion is instantaneously heated by irradiation with a pulse laser.

また、上記方法において、試料の上面に黒体を設けることもできる。   In the above method, a black body can be provided on the upper surface of the sample.

この場合、黒体は、試料において、決定された熱共振のモードの腹部と一致する位置にのみ設けられていてもよい。   In this case, the black body may be provided only at a position in the sample that coincides with the determined abdomen of the thermal resonance mode.

また、上記方法は、熱拡散率に基づいて試料の熱伝導率を算出するステップをさらに備えることができる。   The method may further include a step of calculating the thermal conductivity of the sample based on the thermal diffusivity.

本発明によれば、試料の熱定数を正確に測定することができる。   According to the present invention, the thermal constant of a sample can be accurately measured.

本発明の各実施形態に係る測定装置の概略図である。It is a schematic diagram of a measuring device concerning each embodiment of the present invention. 本発明の各実施形態に係る測定装置の部分概略図である。It is a partial schematic diagram of a measuring device concerning each embodiment of the present invention. 本発明の各実施形態に係る試料を上方から見た場合における熱共振の概念図(ある試料寸法比率における図)である。It is a conceptual diagram (figure in a certain sample size ratio) in the case of seeing the sample concerning each embodiment of the present invention from the upper part. 本発明の各実施形態に係る試料の励起位置及び検出点を示す概略斜視図、及び無次元時間を用いた、試料の温度変化率の時間変化の計算例を示すグラフである。It is a schematic perspective view which shows the excitation position and detection point of the sample which concern on each embodiment of this invention, and a graph which shows the example of calculation of the time change of the temperature change rate of a sample using dimensionless time. 本発明の第1実施形態に係る測定方法において、試料の励起部及び検出部を示す概略斜視図、並びに試料の反射率の変化を示すグラフである。In the measuring method which concerns on 1st Embodiment of this invention, it is a schematic perspective view which shows the excitation part and detection part of a sample, and the graph which shows the change of the reflectance of a sample. 本発明の第2実施形態に係る試料の励起部及び検出部を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the excitation part and detection part of the sample which concern on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係る試料の励起部及び検出部を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the excitation part and detection part of the sample which concern on 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態に係る試料の励起部及び検出部を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the excitation part and detection part of the sample which concern on 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態に係る試料の励起部及び検出部を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the excitation part and detection part of the sample which concern on 5th Embodiment of this invention. 上記各実施形態の変形例に係る測定方法において、試料の励起部及び検出部を示す概略斜視図、並びに試料の反射率の変化を示すグラフである。In the measuring method which concerns on the modification of each said embodiment, it is a schematic perspective view which shows the excitation part and detection part of a sample, and the graph which shows the change of the reflectance of a sample. 上記各実施形態の変形例に係る試料の概略平面図である。It is a schematic plan view of the sample which concerns on the modification of each said embodiment. 本発明に各実施形態に係る測定方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the measuring method which concerns on each embodiment to this invention. 本発明の第1実施例に係るシミュレーション結果を示すグラフである。It is a graph which shows the simulation result which concerns on 1st Example of this invention. 本発明の第2実施例に係るシミュレーション結果を示すグラフである。It is a graph which shows the simulation result which concerns on 2nd Example of this invention. 本発明の第3実施例に係るシミュレーション結果を示すグラフである。It is a graph which shows the simulation result which concerns on 3rd Example of this invention.

{第1実施形態}
以下、本発明の第1実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、図3においては、紙面に垂直な方向をZ軸方向、試料の長辺に沿う方向をX軸方向、これらに垂直な方向をY軸方向とし、以下同様の座標系を使用する。
{First embodiment}
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In FIG. 3, the direction perpendicular to the paper surface is the Z-axis direction, the direction along the long side of the sample is the X-axis direction, the direction perpendicular to these is the Y-axis direction, and the same coordinate system is used hereinafter.

まず、第1実施形態に係る熱定数の測定方法を実施するために使用する測定装置について説明する。図1に示すように、測定装置10は、試料Sに向かって励起光を出射する励起光源1と、試料Sに向かって検出光を出射する検出光源2と、試料Sにおける検出光の反射率を測定する測定器3と、を備えている。また、測定装置10は、励起光を反射させる反射鏡4a,4bと、励起光を集光する対物レンズ5aと、を備えている。さらに、測定装置10は、検出光を反射させる反射鏡4cと、検出光を分離するビームスプリッタ6と、検出光を集光する対物レンズ5bと、反射光を反射させる反射鏡4d,4eと、を備えている。   First, the measuring apparatus used in order to implement the thermal constant measuring method according to the first embodiment will be described. As shown in FIG. 1, the measurement apparatus 10 includes an excitation light source 1 that emits excitation light toward the sample S, a detection light source 2 that emits detection light toward the sample S, and the reflectance of the detection light at the sample S. And a measuring instrument 3 for measuring. The measuring apparatus 10 includes reflecting mirrors 4a and 4b that reflect the excitation light and an objective lens 5a that collects the excitation light. Furthermore, the measuring apparatus 10 includes a reflecting mirror 4c that reflects the detection light, a beam splitter 6 that separates the detection light, an objective lens 5b that collects the detection light, and reflecting mirrors 4d and 4e that reflect the reflected light, It has.

励起光源1は、Nd:YAGレーザ発振器であり、図1に示すように、パルスレーザである励起光L1を出射する。励起光L1は、反射鏡4a,4b及び対物レンズ5aを介して試料Sに照射され、これにより、試料Sにおいて後述する熱共振が発生する。励起光L1のパルス幅は短い方が好ましく、例えば、2ナノ秒以下とすることができる。また、励起光L1の繰り返し周波数は、試料Sにおける熱共振が平衡状態に達しない間に試料Sに励起光L1が再び照射されることがないように調整されていることが好ましい。   The excitation light source 1 is an Nd: YAG laser oscillator, and emits excitation light L1 that is a pulse laser as shown in FIG. The excitation light L1 is applied to the sample S via the reflecting mirrors 4a and 4b and the objective lens 5a, and thereby thermal resonance described later occurs in the sample S. The pulse width of the excitation light L1 is preferably shorter, and can be, for example, 2 nanoseconds or less. The repetition frequency of the excitation light L1 is preferably adjusted so that the excitation light L1 is not irradiated again on the sample S while the thermal resonance in the sample S does not reach an equilibrium state.

検出光源2は、チタンサファイアレーザ発振器であり、図1に示すように、パルスレーザである検出光L2を出射する。検出光L2は、反射鏡4cを介してビームスプリッタ6に入射し、ビームスプリッタ6によって分割される。そして、一部の検出光L21が測定器3に入射するとともに、一部の検出光L22が対物レンズ5bを介して試料Sに照射される。試料Sは検出光L22を反射し、この反射光L3は、対物レンズ5b、ビームスプリッタ6、及び反射鏡4d,4eを介して測定器3に入射する。なお、検出光L21の反射率は、検出光L22の反射率と同じである。   The detection light source 2 is a titanium sapphire laser oscillator, and emits detection light L2 that is a pulse laser as shown in FIG. The detection light L2 enters the beam splitter 6 via the reflecting mirror 4c and is divided by the beam splitter 6. Then, a part of the detection light L21 enters the measuring device 3, and a part of the detection light L22 is irradiated onto the sample S through the objective lens 5b. The sample S reflects the detection light L22, and this reflected light L3 enters the measuring device 3 through the objective lens 5b, the beam splitter 6, and the reflecting mirrors 4d and 4e. The reflectance of the detection light L21 is the same as the reflectance of the detection light L22.

測定器3は、入射した反射光L3の強度と検出光L21の強度との差分に基づき、試料Sにおける検出光L22の反射率を測定する。試料Sにおける光の反射率は温度と相関があるため、検出光L22の反射率の時間変化から、試料Sにおいて検出光L22が照射された部分の温度の時間変化を導き出すことができる。   The measuring device 3 measures the reflectance of the detection light L22 on the sample S based on the difference between the intensity of the incident reflected light L3 and the intensity of the detection light L21. Since the reflectance of the light in the sample S has a correlation with the temperature, the temporal change in the temperature of the portion of the sample S irradiated with the detection light L22 can be derived from the temporal change in the reflectance of the detection light L22.

試料Sは、熱伝導率が等方性を示す材料を用いて直方体状に形成されている。試料Sは、図2に示すように、熱定数の測定に際し、温度調整器7によって支持されていてもよい。この温度調整器7と試料Sとの間で熱をやりとりすることで、試料Sの温度制御が行われる。なお、温度調整器7は、後述する熱共振による熱流が温度調整器7を介して試料Sの外部に漏れないよう、熱共振の節部に相当する位置に接触していることが好ましい。図2において、温度調整器7は、後述する熱共振のMODE5(図3(e))の節部N5a及びN5bに相当する位置において試料Sに接触している。   The sample S is formed in a rectangular parallelepiped shape using a material whose thermal conductivity is isotropic. As shown in FIG. 2, the sample S may be supported by a temperature regulator 7 when measuring the thermal constant. By exchanging heat between the temperature regulator 7 and the sample S, the temperature control of the sample S is performed. The temperature regulator 7 is preferably in contact with a position corresponding to a node portion of the thermal resonance so that a heat flow caused by thermal resonance described later does not leak to the outside of the sample S through the temperature regulator 7. In FIG. 2, the temperature regulator 7 is in contact with the sample S at positions corresponding to nodes N5a and N5b of a thermal resonance MODE 5 (FIG. 3E) described later.

なお、試料Sは、特に限定されるものではないが、従来は熱定数の測定が困難であった合成ダイヤモンドのように、寸法が小さく、熱伝導率が高いものであってもよい。例えば、試料Sの寸法は、少なくとも、X軸方向(幅方向)の長さが1mm以上、Y軸方向(奥行方向)の長さが1mm以上、Z軸方向(高さ方向)の長さが0.2mm以上であればよい。また、ここでいう高い熱伝導率とは、1000W/(m・K)以上の熱伝導率を意味する。ただし、効果が顕著な寸法や熱伝導率は個別に指定されるのではなく測定しようとするモードの減衰係数と試料寸法との相対的な関係により決まるため、どのような熱伝導率及び試料の寸法であっても原則として測定可能である。具体的には、無次元時間τと無次元減衰係数λ’を導入すれば、試料の材料特性に依らず試料の寸法だけに依存した減衰挙動が決定され、温度計測法の感度限界から測定可能な試料寸法と熱伝導率の関係が決まる。ここで、τと有次元時間tとの間には式(1)の関係が、λ’と有次元減衰係数λとの間には式(2)のような関係がある。Lは代表長さであり、例えば、X軸方向に沿う辺の長さである。試料の材質には依存しない。 The sample S is not particularly limited, but may have a small size and a high thermal conductivity, such as synthetic diamond, which has conventionally been difficult to measure the thermal constant. For example, the sample S has at least a length in the X-axis direction (width direction) of 1 mm or more, a length in the Y-axis direction (depth direction) of 1 mm or more, and a length in the Z-axis direction (height direction). It may be 0.2 mm or more. Moreover, the high thermal conductivity here means a thermal conductivity of 1000 W / (m 2 · K) or more. However, since the dimensions and thermal conductivity that have a significant effect are not individually specified, they are determined by the relative relationship between the attenuation coefficient of the mode to be measured and the sample size. Even dimensions can be measured in principle. Specifically, if dimensionless time τ and dimensionless attenuation coefficient λ ′ are introduced, the attenuation behavior depends only on the sample dimensions, regardless of the material properties of the sample, and can be measured from the sensitivity limit of the temperature measurement method. The relationship between the sample size and the thermal conductivity is determined. Here, there is a relationship of Equation (1) between τ and the dimensional time t, and a relationship of Equation (2) between λ ′ and the dimensional attenuation coefficient λ. L is a representative length, for example, the length of the side along the X-axis direction. It does not depend on the material of the sample.

Figure 0005993735
Figure 0005993735

Figure 0005993735
Figure 0005993735

例えば、図4に、無次元時間を用いた温度変化率の時間変化の有限差分法を用いた数値シミュレーションによる計算例を示す(縦軸が0のときが平衡温度である。)。図4に示す例では、アルミニウム試料のX軸方向に沿う辺(奥側)の中央を励起位置とし、励起位置と同位置を検出点1、上面中央を検出点2、下面奥側の頂点を検出点3としている。計測方法が割合として10−4程度の温度変化を感知できるとすると、無次元化温度域で、τ=0.6程度の範囲で起こる減衰過程は測定可能である。式(1)の関係に基づくと、例えば、もし、試料の熱伝導率κが小さく、その結果、熱平衡に達するまでの時間が長い(λ値が小さい)としても、試料寸法Lを小さくすれば、熱共振の減衰が観測可能な条件を見いだすことができる。このような数値シミュレーションを用いることで、適当な試料寸法を決定することが可能である。 For example, FIG. 4 shows a calculation example by a numerical simulation using a finite difference method of the time change of the temperature change rate using dimensionless time (when the vertical axis is 0, it is the equilibrium temperature). In the example shown in FIG. 4, the center of the side (back side) along the X-axis direction of the aluminum sample is the excitation position, the detection point 1 is the same position as the excitation position, the detection point 2 is the center of the upper surface, and the apex is on the lower side of the lower surface. Detection point 3 is set. Assuming that the measurement method can sense a temperature change of about 10 −4 as a ratio, it is possible to measure the decay process occurring in the range of about τ = 0.6 in the non-dimensional temperature range. Based on the relationship of equation (1), for example, if the thermal conductivity κ of the sample is small and, as a result, the time to reach thermal equilibrium is long (λ value is small), the sample dimension L can be reduced. It is possible to find conditions under which the thermal resonance attenuation can be observed. By using such a numerical simulation, it is possible to determine an appropriate sample size.

以下、上述したように構成された測定器10を用いて、試料Sにおける熱定数を測定する方法について説明する。   Hereinafter, a method for measuring the thermal constant of the sample S using the measuring instrument 10 configured as described above will be described.

まず、測定対象の試料Sにおいて発生させる熱共振のモードを決定する。図3は、3辺の寸法比率がある値の試料Sを上方から見た場合における熱共振の概念図である。MODEパターンが現れる順番は試料寸法比率に依存する。図3の節部と腹部のハッチングは、簡略化して表示しているが、実際には、節部から腹部へと連続的に温度変化の振幅が分布しており、明確に、腹部と節部を定義することはできない。温度変化の振幅の大きい箇所において熱共振を励起した際に、温度の時間変化が精度よく測定できさえすれば、そのような励起位置並びに測定位置は技術的に腹部とみなすものとする。図3に示すように、試料Sにおいて発生し得る熱共振のモードは複数存在するが、熱共振が平衡状態に達するまでの時間の長さ(熱共振のモードの選択性)の観点から、減衰係数が小さいと予想されるモードを選択することが好ましい。このため、第1実施形態においては、後述する励起部E5aを励起した場合に試料Sに発生し得る熱共振(MODE5(図3(e))、MODE10(図3(j))、及びMODE11(図3(k)))のうち、減衰係数が最も小さいと予想されるMODE5の熱共振を選択した。なお、図3におけるl,m,nは、それぞれX軸,Y軸,Z軸方向における温度分布の波の周期数であり、例えば、MODE5の場合は、l=2,m=0,n=0であるから、X軸方向にのみ温度分布の波が発生し、その波の周期数が2であることを意味する。   First, the mode of thermal resonance generated in the sample S to be measured is determined. FIG. 3 is a conceptual diagram of thermal resonance when the sample S having a certain size ratio of the three sides is viewed from above. The order in which the MODE patterns appear depends on the sample size ratio. The hatching of the node and abdomen in FIG. 3 is shown in a simplified manner, but in reality, the amplitude of the temperature change is continuously distributed from the node to the abdomen. Cannot be defined. When the thermal resonance is excited at a location where the amplitude of the temperature change is large, the excitation position and the measurement position are technically regarded as the abdomen as long as the temperature change over time can be measured accurately. As shown in FIG. 3, there are a plurality of modes of thermal resonance that can occur in the sample S, but from the viewpoint of the length of time until thermal resonance reaches an equilibrium state (selectivity of modes of thermal resonance), attenuation is performed. It is preferable to select a mode in which the coefficient is expected to be small. For this reason, in the first embodiment, thermal resonance (MODE 5 (FIG. 3 (e)), MODE 10 (FIG. 3 (j)), and MODE 11 (MODE 11) that can occur in the sample S when an excitation unit E 5 a described later is excited. In FIG. 3 (k))), the thermal resonance of MODE5, which is expected to have the smallest attenuation coefficient, was selected. In FIG. 3, l, m, and n are the number of periods of the temperature distribution wave in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions, respectively. For example, in the case of MODE5, l = 2, m = 0, n = Since it is 0, it means that a wave of temperature distribution is generated only in the X-axis direction and the number of cycles of the wave is 2.

次に、図1及び図5に示すように、測定装置10に試料Sをセットし、MODE5(図3(e))の熱共振の腹部A5aに位置する点状の部分(検出部)D5aにおける検出光L22の反射率を測定する準備を行う。具体的には、測定装置10において、検出光源2からパルスレーザである検出光L2を出射し、測定器3に検出光L21を入射させるともに、試料Sの検出部D5aに検出光L22を照射し、この状態を維持しておく。このとき、測定器3では、試料S内で熱共振が生じていない場合の検出部D5aにおける検出光L22の反射率が測定されている。なお、検出部D5aは、本発明における「第2の部分」に相当する。   Next, as shown in FIGS. 1 and 5, the sample S is set in the measurement apparatus 10, and the dot-like portion (detection unit) D <b> 5 a located in the thermal resonance abdomen A <b> 5 a of MODE <b> 5 (FIG. 3E) Preparation for measuring the reflectance of the detection light L22 is performed. Specifically, in the measurement apparatus 10, the detection light L 2 that is a pulse laser is emitted from the detection light source 2, the detection light L 21 is incident on the measuring device 3, and the detection light L 22 is irradiated on the detection unit D 5 a of the sample S. Keep this state. At this time, the measuring instrument 3 measures the reflectance of the detection light L22 in the detection unit D5a when thermal resonance does not occur in the sample S. The detection unit D5a corresponds to the “second part” in the present invention.

続いて、図5に示すように、試料SにおけるMODE5(図3(e))の熱共振の腹部A5bに位置する点状の部分(励起部)E5aに対し、パルスレーザである励起光L1を励起光源1によって照射する。これにより、試料Sの励起部E5aが瞬間的に加熱され、試料SではMODE5の熱共振が発生する。このとき、励起部E5aは、MODE1〜3、6〜9、及び12の熱共振の節部であるため、試料Sにおいては、MODE1〜3、6〜9、及び12の熱共振は発生しない。一方、試料Sにおいて、MODE10(図3(j))及びMODE11(図3(k))の熱共振は発生し得るが、MODE10及びMODE11の熱共振は、減衰係数が大きく、MODE5の熱共振よりも早く平衡状態に達する。式(6)に示すように、l、m、nの値が大きくなると、モードの減衰係数も大きくなる。このため、試料Sにおいて発生するMODE10及びMODE11の熱共振は、MODE5の熱共振に対応する反射率の測定にほとんど影響を与えない。なお、励起部E5aは、本発明における「第1の部分」に相当する。   Subsequently, as shown in FIG. 5, the excitation light L1, which is a pulse laser, is applied to the dot-like part (excitation part) E5a located in the abdominal part A5b of the thermal resonance of MODE 5 (FIG. 3E) in the sample S. Irradiated by the excitation light source 1. Thereby, the excitation part E5a of the sample S is instantaneously heated, and thermal resonance of the MODE 5 occurs in the sample S. At this time, since the excitation unit E5a is a node of thermal resonance of MODEs 1-3, 6-9, and 12, no thermal resonance of MODEs 1-3, 6-9, and 12 occurs in the sample S. On the other hand, in the sample S, thermal resonance of MODE 10 (FIG. 3 (j)) and MODE 11 (FIG. 3 (k)) can occur, but the thermal resonance of MODE 10 and MODE 11 has a large damping coefficient and is higher than that of MODE 5. Equilibrium is reached as soon as possible. As shown in the equation (6), when the values of l, m, and n are increased, the mode attenuation coefficient is also increased. For this reason, the thermal resonance of MODE 10 and MODE 11 generated in the sample S has little influence on the measurement of the reflectance corresponding to the thermal resonance of MODE 5. The excitation part E5a corresponds to the “first part” in the present invention.

試料SにおいてMODE5の熱共振が発生すると、図5に示すように、検出部D5aに照射されている検出光L22の反射率が変化する。測定器3は、反射光L3の強度と試料Sに照射される前の検出光L21の強度との差分に基づいて、試料Sに照射された検出光L22の反射率の変化を測定する。検出部D5aにおける検出光L22の反射率の変化は、試料S内でMODE5の熱共振が発生すると瞬間的に大きくなり、その後、時間をかけて平衡状態に達する。   When thermal resonance of MODE 5 occurs in the sample S, as shown in FIG. 5, the reflectance of the detection light L22 applied to the detection unit D5a changes. The measuring device 3 measures the change in the reflectance of the detection light L22 applied to the sample S based on the difference between the intensity of the reflected light L3 and the intensity of the detection light L21 before being applied to the sample S. The change in the reflectance of the detection light L22 in the detection unit D5a increases instantaneously when thermal resonance of MODE 5 occurs in the sample S, and then reaches an equilibrium state over time.

検出部D5aにおける検出光L22の反射率の変化が平衡状態に達した後、試料Sにおける熱共振の発生から平衡状態に達するまでの間の反射率の変化の時間変化に基づき、この間の検出部D5aにおける温度の時間変化を導出する。そして、この温度の変化率をMODE5の熱共振に対応する減衰係数とする。   After the change in the reflectance of the detection light L22 in the detection unit D5a reaches the equilibrium state, the detection unit during this period is based on the time change of the reflectance change from the occurrence of thermal resonance to the equilibrium state in the sample S. The time change of the temperature at D5a is derived. The change rate of the temperature is set as an attenuation coefficient corresponding to the thermal resonance of MODE5.

ここで、試料の熱定数を算出するための一般式について説明する。式(3)のような熱伝導方程式を考えた場合、直方体状の試料の場合の一般解は式(4)で表される。すなわち、直方体状の試料の場合、外部から熱が与えられると、試料内の温度分布は式(4)にしたがって平衡状態に達する。なお、式(3)において、ρは密度、Cは比熱、κは熱伝導率、Tは温度、tは時間である。   Here, a general formula for calculating the thermal constant of the sample will be described. When a heat conduction equation such as Equation (3) is considered, a general solution in the case of a rectangular parallelepiped sample is represented by Equation (4). That is, in the case of a rectangular parallelepiped sample, when heat is applied from the outside, the temperature distribution in the sample reaches an equilibrium state according to Equation (4). In equation (3), ρ is density, C is specific heat, κ is thermal conductivity, T is temperature, and t is time.

Figure 0005993735
Figure 0005993735

Figure 0005993735
Figure 0005993735

式(4)において、l,m,nは、それぞれX軸,Y軸,Z軸方向の波の周期数、Almnは面積、k,k,kは、それぞれX軸,Y軸,Z軸方向の波数、λlmnは減衰係数である。k,k,kは式(5)〜(7)、λlmnは式(8)で表される。式(8)において、L,L,Lは、それぞれ試料のX軸,Y軸,Z軸方向の長さ、κは熱伝導率、κ/ρCは熱拡散率である。 In the formula (4), l, m, n are, X-axis, respectively, Y-axis, Z-axis direction of the periodicity of the wave, A lmn is the area, k l, k m, k n is, X-axis, respectively, Y-axis , Wave number in the Z-axis direction, λ lmn is an attenuation coefficient. k l, k m, k n is Equation (5) ~ (7), λ lmn is expressed by Equation (8). In Expression (8), L x , L y , and L x are the lengths of the sample in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions, κ is the thermal conductivity, and κ / ρC is the thermal diffusivity.

Figure 0005993735
Figure 0005993735

Figure 0005993735
Figure 0005993735

Figure 0005993735
Figure 0005993735

Figure 0005993735
Figure 0005993735

第1実施形態における試料Sの熱定数の測定方法に戻って説明を続ける。第1実施形態においては、試料Sにおいて発生させる熱共振のモードとしてMODE5を選択した。このMODE5の熱共振の波数は、図3(e)に示すように、l=2,m=0,n=0であるから、これを上記式(8)に代入すると、以下の式(9)が導き出される。なお、第1実施形態においては、m=0,n=0であるMODE5を選択しているため、式(8)における第2項及び第3項はゼロになるが、他のモードを選択した場合、式(8)における第2項及び第3項の少なくとも一方がゼロより大きくなる。   Returning to the method for measuring the thermal constant of the sample S in the first embodiment, the description will be continued. In the first embodiment, MODE 5 is selected as the mode of thermal resonance generated in the sample S. As shown in FIG. 3E, the wave number of thermal resonance of MODE 5 is l = 2, m = 0, and n = 0. Therefore, when this is substituted into the above equation (8), the following equation (9 ) Is derived. In the first embodiment, since MODE5 with m = 0 and n = 0 is selected, the second and third terms in the equation (8) are zero, but other modes are selected. In this case, at least one of the second term and the third term in the equation (8) becomes larger than zero.

Figure 0005993735
Figure 0005993735

上述した通り、MODE5の熱共振に対応する減衰係数は既に測定されているため、この減衰係数及び試料SのX軸方向の長さを式(9)のλ200及びLに代入することによって、熱拡散率κ/ρCが算出される。 As described above, since the attenuation coefficient corresponding to heat the resonance of MODE5 is already measured, by substituting the length in the X-axis direction of the attenuation coefficient and the sample S in lambda 200 and L x of formula (9) The thermal diffusivity κ / ρC is calculated.

さらに、試料Sの密度ρ及び比熱Cが既知であれば、熱拡散率κ/ρCから熱伝導率κを算出することができる。   Furthermore, if the density ρ and specific heat C of the sample S are known, the thermal conductivity κ can be calculated from the thermal diffusivity κ / ρC.

以上のように、第1実施形態においては、試料SにおいてMODE5の熱共振を発生させ、検出部D5aの温度の時間変化のみを調べることによって、試料Sの熱拡散率及び熱伝導率を算出することができる。このため、熱伝導現象を利用した従来の方法のように、試料において加熱された部分の温度とそれ以外の部分の温度との位相差等を求める必要はなく、試料の寸法、形状、及び熱伝導率の大きさ等にかかわらず、熱拡散率及び熱伝導率を正確に測定することができる。   As described above, in the first embodiment, thermal diffusivity and thermal conductivity of the sample S are calculated by generating thermal resonance of the MODE 5 in the sample S and examining only the time change of the temperature of the detection unit D5a. be able to. For this reason, there is no need to obtain the phase difference between the temperature of the heated portion of the sample and the temperature of the other portions, unlike the conventional method using the heat conduction phenomenon, and the size, shape, and heat of the sample. Regardless of the magnitude of conductivity, the thermal diffusivity and thermal conductivity can be accurately measured.

{第2実施形態}
以下、本発明の第2実施形態について説明する。
{Second Embodiment}
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described.

第2実施形態は、試料Sにおける励起部が複数存在すること以外は第1実施形態と同様である。なお、以下の各実施形態においては、第1実施形態と同様の構成については同一符号を付して説明を省略する。   The second embodiment is the same as the first embodiment except that there are a plurality of excitation portions in the sample S. In the following embodiments, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

図6に示すように、第2実施形態では、第1実施形態と同様に、MODE5(図3(e))の熱共振の腹部A5bに位置する励起部E5aに励起光源1(図1)からの励起光L1を照射する。これと同時に、MODE5の熱共振の腹部A5aに位置する励起部E5bにも励起光源1からの励起光L1を照射する。これにより、試料SにおいてMODE5の熱共振が発生する。なお、励起光L1を励起部E5a及びE5bに同時に照射する方法は特に限定されず、1つの励起光源1からの励起光L1を途中で分岐させて励起部E5a及びE5bに照射するようにしてもよいし、2つの励起光源1からの励起光L1をそれぞれ励起部E5a及びE5bに照射するようにしてもよい。ただし、励起光を複数使用する場合、それらは同期している(試料表面において位相がそろっている)ことが望ましい。   As shown in FIG. 6, in the second embodiment, as in the first embodiment, the excitation light source 1 (FIG. 1) is applied to the excitation unit E5a located in the thermal resonance antinode A5b of MODE 5 (FIG. 3 (e)). The excitation light L1 is irradiated. At the same time, the excitation light L1 from the excitation light source 1 is also applied to the excitation part E5b located in the thermal resonance antinode A5a of the MODE5. Thereby, thermal resonance of MODE 5 occurs in the sample S. The method for irradiating the excitation light L1 simultaneously to the excitation parts E5a and E5b is not particularly limited, and the excitation light L1 from one excitation light source 1 may be branched halfway to irradiate the excitation parts E5a and E5b. Alternatively, the excitation light L1 from the two excitation light sources 1 may be applied to the excitation units E5a and E5b, respectively. However, when a plurality of excitation lights are used, it is desirable that they are synchronized (phases are aligned on the sample surface).

このように、第2実施形態では、試料Sにおいて、MODE5の熱共振の腹部A5bに位置する励起部E5aだけでなく、別の腹部A5aに位置する励起部E5bにも励起光L1を照射する。このため、試料Sにおいて、MODE5の熱共振を確実に発生させることができる。   Thus, in the second embodiment, in the sample S, the excitation light L1 is irradiated not only on the excitation part E5a located in the abdominal part A5b of the thermal resonance of MODE5 but also on the excitation part E5b located in another abdominal part A5a. For this reason, in the sample S, the thermal resonance of MODE 5 can be reliably generated.

なお、第2実施形態においては励起部が2箇所の例について説明したが、励起部は3箇所以上であってもよい。ただし、各励起部は、選択したモードの熱共振の腹部に位置している必要がある。   In addition, in 2nd Embodiment, although the excitation part demonstrated the example of two places, the excitation part may be three or more places. However, each excitation part needs to be located in the abdominal part of the thermal resonance of the selected mode.

{第3実施形態}
以下、本発明の第3実施形態について説明する。
{Third embodiment}
Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described.

第3実施形態は、試料Sにおける励起部の形状以外は第1実施形態と同様である。図7に示すように、第3実施形態では、試料Sにおいて、MODE5(図3(e))の熱共振の腹部A5bに沿った帯状の部分を励起部E5cとする。この励起部E5c全体に励起光源1(図1)から帯状の励起光L1を照射し、試料SにおいてMODE5の熱共振を発生させる。   The third embodiment is the same as the first embodiment except for the shape of the excitation part in the sample S. As shown in FIG. 7, in the third embodiment, in the sample S, a band-like portion along the abdominal portion A5b of thermal resonance in MODE 5 (FIG. 3 (e)) is defined as an excitation portion E5c. The entire excitation section E5c is irradiated with the strip-shaped excitation light L1 from the excitation light source 1 (FIG. 1), and thermal resonance of MODE 5 is generated in the sample S.

なお、第3実施形態では励起部が1箇所の例について説明したが、試料Sにおいて、他の腹部A5a及び/又はA5cにも帯状の励起部を設け、励起光L1を複数の励起部に同時に照射することもできる。また、試料Sにおいては、帯状の各励起部に沿ってスリットを形成してもよい。   In the third embodiment, an example in which the excitation part is one has been described. However, in the sample S, the other abdominal part A5a and / or A5c is also provided with a belt-like excitation part, and the excitation light L1 is simultaneously supplied to a plurality of excitation parts. Irradiation is also possible. Further, in the sample S, a slit may be formed along each band-like excitation part.

{第4実施形態}
以下、本発明の第4実施形態について説明する。
{Fourth embodiment}
The fourth embodiment of the present invention will be described below.

第4実施形態は、試料Sにおける検出部が複数存在すること以外は第1実施形態と同様である。図8に示すように、第4実施形態では、第1実施形態と同様に、MODE5(図3(e))の熱共振の腹部A5aに位置する検出部D5aに検出光源2(図1)からの検出光L22を照射する。これと同時に、試料Sにおいて、MODE5の熱共振の腹部A5bに位置する検出部D5bにも検出光源2からの検出光L22を照射する。なお、検出光L22を検出部D5a及びD5bに同時に照射する方法は特に限定されず、検出光L22を途中で分岐させて検出部D5a及びD5bに照射するようにしてもよいし、2つの検出光源2からの検出光L22をそれぞれ検出部D5a及びD5bに照射するようにしてもよい。   The fourth embodiment is the same as the first embodiment except that there are a plurality of detection units in the sample S. As shown in FIG. 8, in the fourth embodiment, as in the first embodiment, the detection light source 2 (FIG. 1) is applied to the detection unit D5a located in the thermal resonance antinode A5a of MODE 5 (FIG. 3 (e)). The detection light L22 is irradiated. At the same time, in the sample S, the detection light L22 from the detection light source 2 is also radiated to the detection part D5b located in the abdominal part A5b of the thermal resonance of MODE5. In addition, the method of irradiating the detection light L22 to the detection units D5a and D5b at the same time is not particularly limited, and the detection light L22 may be branched on the way to irradiate the detection units D5a and D5b, or two detection light sources The detection light L22 from 2 may be applied to the detection units D5a and D5b, respectively.

試料Sにおいて、励起光L1の照射によってMODE5の熱共振が発生することにより、測定器3は、検出部D5aにおける検出光L22の反射率の変化と、検出部D5bにおける検出光L22の反射率の変化とを取得する。その後、検出部D5aにおける反射率の変化に基づいて減衰係数が算出され、また、検出部D5bにおける反射率の変化に基づいて減衰係数が算出される。   In the sample S, thermal resonance of the MODE 5 is generated by irradiation of the excitation light L1, so that the measuring device 3 changes the reflectance of the detection light L22 in the detection unit D5a and the reflectance of the detection light L22 in the detection unit D5b. Get change and. Thereafter, an attenuation coefficient is calculated based on a change in reflectance in the detection unit D5a, and an attenuation coefficient is calculated based on a change in reflectance in the detection unit D5b.

このように、第4実施形態では、2つの検出部D5a及びD5bにおける反射率の変化それぞれに基づいて、2つの減衰係数が算出される。試料Sにおいては選択したMODE5以外のモードの熱共振も発生し得るが、2つの減衰係数を比較することで算出された減衰係数がMODE5に対応していることを確認することができる。これにより、算出された減衰係数の信頼性が向上し、結果として、減衰係数から算出される熱拡散率及び熱伝導率の信頼性も向上する。   As described above, in the fourth embodiment, two attenuation coefficients are calculated based on the reflectance changes in the two detection units D5a and D5b. In the sample S, thermal resonance of modes other than the selected MODE 5 may also occur, but it can be confirmed that the calculated attenuation coefficient corresponds to the MODE 5 by comparing the two attenuation coefficients. Thereby, the reliability of the calculated attenuation coefficient is improved, and as a result, the reliability of the thermal diffusivity and thermal conductivity calculated from the attenuation coefficient is also improved.

なお、第4実施形態においては検出部が2箇所の例について説明したが、検出部は3箇所以上であってもよい。ただし、各検出部は、選択したモードの熱共振の腹部に位置している必要がある。   In addition, in 4th Embodiment, although the detection part demonstrated the example of two places, the detection part may be three or more places. However, each detection part needs to be located in the abdominal part of the thermal resonance of the selected mode.

{第5実施形態}
以下、本発明の第5実施形態について説明する。
{Fifth embodiment}
The fifth embodiment of the present invention will be described below.

第5実施形態は、試料Sにおける検出部の形状以外は第1実施形態と同様である。図9に示すように、第5実施形態では、試料Sにおいて、MODE5(図3(e))の熱共振の腹部A5aに沿った帯状の部分を検出部D5cとする。この検出部D5c全体に検出光源2(図1)から帯状の検出光L22を照射し、試料SにMODE5の熱共振が発生した際の検出部D5cにおける検出光L22の反射率の変化を測定器3によって取得する。   The fifth embodiment is the same as the first embodiment except for the shape of the detection unit in the sample S. As shown in FIG. 9, in the fifth embodiment, in the sample S, a band-shaped portion along the abdominal portion A5a of the thermal resonance of MODE 5 (FIG. 3E) is set as a detection unit D5c. The entire detection unit D5c is irradiated with the band-shaped detection light L22 from the detection light source 2 (FIG. 1), and a change in the reflectance of the detection light L22 in the detection unit D5c when the sample 5 undergoes thermal resonance of MODE5 is measured. Get by 3.

なお、第5実施形態では検出部が1箇所の例について説明したが、試料Sにおいて、その他の腹部A5b及び/又はA5cにも帯状の検出部を設け、検出光L22を複数の検出部に同時に照射することもできる。   In the fifth embodiment, an example in which one detection unit is provided has been described. However, in the sample S, other abdominal portions A5b and / or A5c are also provided with band-like detection units, and the detection light L22 is simultaneously supplied to a plurality of detection units. Irradiation is also possible.

第2〜第5実施形態では、励起部及び検出部の形状及び数が異なる場合について個別に説明したが、第2〜第5実施形態の励起部及び検出部を適宜組み合わせることができる。例えば、試料Sは、複数の点状の励起部と1つの帯状の検出部とが設けられていてもよいし、1つの帯状の励起部と複数の点状の検出部とが設けられていてもよい。また、励起部及び検出部は、それぞれ複数存在していてもよく、その形状は、点状であってもよいし帯状であってもよい。さらに、試料Sにおいては、点状の励起部と帯状の励起部とが混在していてもよいし、点状の検出部と帯状の検出部とが混在していてもよい。   In 2nd-5th embodiment, although the case where the shape and number of an excitation part and a detection part differ was demonstrated separately, the excitation part and detection part of 2nd-5th embodiment can be combined suitably. For example, the sample S may be provided with a plurality of point-like excitation parts and one band-like detection part, or may be provided with one band-like excitation part and a plurality of point-like detection parts. Also good. In addition, a plurality of excitation units and detection units may exist, and the shape may be a dot shape or a belt shape. Further, in the sample S, a point-like excitation part and a band-like excitation part may be mixed, or a point-like detection part and a band-like detection part may be mixed.

以上、本発明の第1〜第5実施形態について説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、そ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。   The first to fifth embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

例えば、上記各実施形態では、試料Sにおいて発生させる熱共振のモードとしてMODE5(図3(e))を選択していたが、熱共振の腹部に相当する部分の温度の時間変化を正確に測定することができれば他のモードを選択してもよい。例えば、図10に示すように、試料Sにおいて発生させる熱共振のモードとしてMODE1(図3(a))を選択する場合、MODE1の熱共振の腹部A1aに位置する励起部E1aに励起光L1を照射してMODE1の熱共振を励起し、腹部A1aに位置する検出部D1aで検出光L22の反射率を測定すればよい。なお、試料Sにおいて複数のモードの熱共振が発生する場合、減衰係数が大きいモードの熱共振は比較的早く平衡状態に達してしまい、温度の時間変化の測定が困難であるため、減衰係数が極力小さいモードを選択することが好ましい。なお、図5及び図10に示すグラフから、MODE1の熱共振に対応する反射率はMODE5の熱共振の場合よりも平衡状態に達するのが遅く、MODE1の熱共振における減衰係数はMODE5の熱共振における減衰係数よりも小さいことがわかる。   For example, in each of the above embodiments, MODE 5 (FIG. 3E) is selected as the mode of thermal resonance generated in the sample S, but the time change of the temperature of the portion corresponding to the abdomen of thermal resonance is accurately measured. Other modes may be selected if possible. For example, as shown in FIG. 10, when MODE 1 (FIG. 3A) is selected as the mode of thermal resonance to be generated in the sample S, the excitation light L1 is applied to the excitation unit E1a located at the abdominal part A1a of thermal resonance of MODE 1. Irradiation excites thermal resonance of MODE1, and the reflectance of the detection light L22 may be measured by the detection unit D1a located in the abdomen A1a. When thermal resonance of a plurality of modes occurs in the sample S, the thermal resonance of the mode with a large attenuation coefficient reaches an equilibrium state relatively quickly, and it is difficult to measure the time change of temperature. It is preferable to select a mode that is as small as possible. From the graphs shown in FIGS. 5 and 10, the reflectance corresponding to the thermal resonance of MODE 1 is slower to reach the equilibrium state than the thermal resonance of MODE 5, and the attenuation coefficient in the thermal resonance of MODE 1 is the thermal resonance of MODE 5. It can be seen that it is smaller than the attenuation coefficient at.

また、上記各実施形態においては、試料SにおいてMODE5(図3(e))の熱共振のみを選択的に励起及び検出していたが、複数のモードの熱共振を選択的に励起及び検出することもできる。例えば、図5に示すように、試料Sの励起部E5aに励起光L1を照射すると、試料SにおいてはMODE5、MODE10(図3(j))、及びMODE11(図3(k))の熱共振が発生する。MODE5、MODE10、及びMODE11それぞれについて、試料Sにおける熱共振の腹部に相当する部分の検出光L22の反射率の時間変化を測定すると、MODE5、MODE10、及びMODE11の減衰係数を得ることができる。   In each of the above embodiments, only the thermal resonance of MODE 5 (FIG. 3E) is selectively excited and detected in the sample S. However, the thermal resonance of a plurality of modes is selectively excited and detected. You can also. For example, as shown in FIG. 5, when the excitation light E1 is irradiated to the excitation part E5a of the sample S, the thermal resonance of MODE5, MODE10 (FIG. 3 (j)), and MODE11 (FIG. 3 (k)) is applied to the sample S. Will occur. For each of MODE5, MODE10, and MODE11, when the change over time of the reflectance of the detection light L22 in the portion corresponding to the abdomen of thermal resonance in the sample S is measured, the attenuation coefficients of MODE5, MODE10, and MODE11 can be obtained.

また、上記各実施形態においては、検出光源2によってパルスレーザである検出光L22を検出部に照射し、その反射率を測定することで試料Sの温度を導出していたがこれに限定されるものではなく、例えば、熱電対等のセンサを用いて試料Sの検出部の温度を測定してもよい。   In each of the above embodiments, the detection light source 22 is irradiated with the detection light L22, which is a pulse laser, and the reflectance is measured to derive the temperature of the sample S. However, the present invention is not limited to this. For example, you may measure the temperature of the detection part of the sample S using sensors, such as a thermocouple.

また、上記各実施形態においては、励起光源1によってパルスレーザである励起光L1を励起部に照射していたが、試料において所定のモードの熱共振を励起することができればこれに限定されない。   In each of the above embodiments, the excitation light source 1 irradiates the excitation part with the excitation light L1 that is a pulse laser. However, the present invention is not limited to this as long as thermal resonance in a predetermined mode can be excited in the sample.

また、試料Sの上面に、図11に示すように、外部から与えられた熱を吸収及び放射するための黒体8を設けることもできる。この黒体8は、図11に示すように、試料Sにおいて発生させる熱共振のモードの腹部上にのみ設けられていてもよいが、試料Sの上面全体に設けられていてもよい。また、試料Sにおける熱共振の腹部に相当する部分を、黒体8を介して瞬間的に加熱することができればよいため、黒体8に対しては、第1実施形態で説明したような点状の励起光が照射されてもよいし、第3実施形態で説明したような帯状の励起光が照射されてもよい。   Further, as shown in FIG. 11, a black body 8 for absorbing and radiating heat given from the outside can be provided on the upper surface of the sample S. As shown in FIG. 11, the black body 8 may be provided only on the abdomen of the thermal resonance mode generated in the sample S, but may be provided on the entire upper surface of the sample S. Moreover, since it is only necessary to instantaneously heat the portion corresponding to the abdominal part of the thermal resonance in the sample S via the black body 8, the points described in the first embodiment are applied to the black body 8. Excitation light may be irradiated, or strip excitation light as described in the third embodiment may be applied.

また、上記各実施形態においては、試料Sは熱伝導率が等方性を示す材料で形成されていたが、試料の材料は特に限定されるものではない。熱伝導率が異方性を示す材料で形成された試料であっても、複数のモードの熱共振を利用すれば熱定数を測定することができる。例えば、2つの独立な熱伝導率を有する試料においては、2つのモードの熱共振を発生させてそれぞれのモードに対応する減衰係数を取得すれば、これらの2つの熱伝導率を決定することができる。   In each of the above embodiments, the sample S is formed of a material whose thermal conductivity is isotropic, but the material of the sample is not particularly limited. Even for a sample formed of a material whose thermal conductivity is anisotropic, the thermal constant can be measured by utilizing thermal resonance of a plurality of modes. For example, in a sample having two independent thermal conductivities, if two modes of thermal resonance are generated to obtain attenuation coefficients corresponding to the respective modes, these two thermal conductivities can be determined. it can.

また、上記各実施形態においては、直方体状の試料Sの熱定数を測定していたが、複雑な形状の試料の熱定数を測定することもできる。この場合、上記式(4)は適用できないが、例えば、有限要素法やスペクトル法等の公知の方法で上記式(3)の熱伝導方程式に基づく固有値問題を解くことにより、試料の温度分布、すなわち、試料において発生し得る熱共振のモードを求めればよい。試料において発生する熱共振のモードが決定すれば、上記各実施形態と同様にして、測定された温度の時間変化に基づく減衰係数から試料の熱拡散率及び熱伝導率を求めることができる。具体的には、固有値方程式を解いて得られるある形状のある測定対象モードの無次元固有値を−λとおくと上記の式(9)左辺に相当する測定可能な有次元減衰係数λとの間には、下記の式(10)の関係がある。なお、式(10)のLは代表長さである。この式から熱伝導率等が算出できる。 Moreover, in each said embodiment, although the thermal constant of the rectangular parallelepiped sample S was measured, the thermal constant of the sample of a complicated shape can also be measured. In this case, although the above equation (4) is not applicable, for example, by solving the eigenvalue problem based on the heat conduction equation of the above equation (3) by a known method such as a finite element method or a spectrum method, the temperature distribution of the sample, That is, a mode of thermal resonance that can occur in the sample may be obtained. If the mode of thermal resonance generated in the sample is determined, the thermal diffusivity and the thermal conductivity of the sample can be obtained from the attenuation coefficient based on the time variation of the measured temperature, as in the above embodiments. Specifically, if a dimensionless eigenvalue of a measurement target mode having a certain shape obtained by solving the eigenvalue equation is set to −λ, a measurable dimensional attenuation coefficient λ m corresponding to the left side of the above equation (9) is obtained. There is a relationship of the following formula (10) between them. In addition, L of Formula (10) is a representative length. From this equation, the thermal conductivity and the like can be calculated.

Figure 0005993735
Figure 0005993735

ここで、上記各実施形態に係る熱定数の測定方法の共通概念について、図12のフローチャートを参照しつつ説明する。   Here, the common concept of the thermal constant measurement method according to each of the above embodiments will be described with reference to the flowchart of FIG.

図12に示すように、まず、試料において発生させる熱共振のモードを決定する(ステップS1)。このとき、上述したように、試料において発生する熱共振のモードの選択性の観点から、減衰係数が極力小さいと予想される熱共振のモードを選択することが好ましい。   As shown in FIG. 12, first, the mode of thermal resonance generated in the sample is determined (step S1). At this time, as described above, it is preferable to select a thermal resonance mode in which the attenuation coefficient is expected to be as small as possible from the viewpoint of the selectivity of the mode of thermal resonance generated in the sample.

次に、試料において、ステップS1で決定した熱共振のモードの腹部に相当する部分(励起部)を瞬間的に加熱することによって、そのモードの熱共振を発生させる(ステップS2)。そして、熱共振が発生してから平衡状態に達するまで、試料において、熱共振のモードの腹部に相当する部分(検出部)の温度を測定する(ステップS3)。   Next, in the sample, a portion corresponding to the abdomen of the thermal resonance mode determined in step S1 (excitation portion) is instantaneously heated to generate thermal resonance in that mode (step S2). Then, from the occurrence of thermal resonance until the equilibrium state is reached, the temperature of the portion corresponding to the abdomen of the thermal resonance mode (detection unit) is measured in the sample (step S3).

その後、ステップS3において測定した温度の時間変化に基づいて減衰係数を算出し(ステップS4)、この減衰係数に基づいて試料の熱拡散率を算出する(ステップS5)。なお、試料の密度及び比熱が既知である場合は、熱拡散率から熱伝導率を求めてもよい。   Thereafter, an attenuation coefficient is calculated based on the time variation of the temperature measured in step S3 (step S4), and the thermal diffusivity of the sample is calculated based on the attenuation coefficient (step S5). In addition, when the density and specific heat of the sample are known, the thermal conductivity may be obtained from the thermal diffusivity.

以下、実施例によって本発明をさらに詳しく説明する。ただし、本発明は下記実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

(実施例1)
X軸方向(幅方向)の長さLが1.978mm、Y軸方向(奥行方向)の長さLが1.492mm、Z軸方向(高さ方向)の長さLが1.011mmのアルミニウム直方体(試料S)について、MODE5(図3(e))の熱共振現象を再現するシミュレーションを構築し、減衰係数の理論値を求めた。
Example 1
The length L x in the X-axis direction (width direction) is 1.978 mm, the length L y in the Y-axis direction (depth direction) is 1.492 mm, and the length L z in the Z-axis direction (height direction) is 1. For a 011 mm aluminum rectangular parallelepiped (sample S), a simulation that reproduces the thermal resonance phenomenon of MODE5 (FIG. 3E) was constructed, and the theoretical value of the damping coefficient was obtained.

図13に示すように、実施例1においては、試料Sの上面中央点P11を励起点とし、上面中央点P11、上面右側の辺の中心点P12、及び上面手前側の辺の中心点P13を検出点として、シミュレーションを行った。なお、検出点P11〜P13のいずれも、MODE5の熱共振の腹部に位置している。実施例1のシミュレーションによって導き出された理論上の減衰係数λは、980.4s−1であった。一方、上記各実施形態において説明した測定方法によって算出された減衰係数λ200は、985.74s−1であった。 As shown in FIG. 13, in Example 1, the upper surface center point P11 of the sample S is used as an excitation point, and the upper surface center point P11, the center point P12 on the right side of the upper surface, and the center point P13 on the near side of the upper surface. Simulation was performed as a detection point. Note that all of the detection points P11 to P13 are located in the abdomen of thermal resonance of MODE5. The theoretical damping coefficient λ 1 derived by the simulation of Example 1 was 980.4 s −1 . On the other hand, the attenuation coefficient λ 200 calculated by the measurement method described in the above embodiments was 985.74 s −1 .

(実施例2)
実施例1と同様の試料について、MODE1(図3(a))の熱共振現象を再現するシミュレーションを構築し、減衰係数の理論値を求めた。
(Example 2)
A simulation that reproduces the thermal resonance phenomenon of MODE 1 (FIG. 3A) was constructed for the same sample as in Example 1, and the theoretical value of the damping coefficient was obtained.

図14に示すように、実施例2においては、試料Sの上面左側の辺の中心点P21を励起点とし、上面左側の辺の中心点P21、上面中央点P22、及び下面奥側の頂点P23を検出点として、シミュレーションを行った。なお、検出点P21及びP23はMODE1の熱共振の腹部に位置しているが、検出点P22はMODE1の熱共振の節部に位置している。実施例2のシミュレーションによって導き出された理論上の減衰係数λは、246.6s−1であった。一方、上記各実施形態において説明した測定方法によって算出された減衰係数λ100は、246.6s−1であった。 As shown in FIG. 14, in Example 2, the center point P21 on the left side of the upper surface of the sample S is used as the excitation point, the center point P21 on the left side of the upper surface, the upper surface center point P22, and the vertex P23 on the lower surface side. A simulation was carried out using as a detection point. The detection points P21 and P23 are located at the antinodes of the thermal resonance of MODE1, while the detection points P22 are located at the nodes of the thermal resonance of MODE1. The theoretical damping coefficient λ 2 derived by the simulation of Example 2 was 246.6 s −1 . On the other hand, the attenuation coefficient λ 100 calculated by the measurement method described in each of the above embodiments was 246.6 s −1 .

(実施例3)
実施例1と同様の試料について、モード2(図3(b))の熱共振現象を再現するシミュレーションを構築し、減衰係数の理論値を求めた。
(Example 3)
For the same sample as in Example 1, a simulation that reproduces the thermal resonance phenomenon in mode 2 (FIG. 3B) was constructed, and the theoretical value of the damping coefficient was obtained.

図15に示すように、実施例3においては、試料Sの上面奥側の辺の中心点P31を励起点とし、上面奥側の辺の中心点P31、上面中央点P32、及び下面奥側の頂点P33を検出点として、シミュレーションを行った。なお、検出点P31及びP33はモード2の熱共振の腹部に位置しているが、検出点P32はモード2の熱共振の節部に位置している。実施例3のシミュレーションによって導き出された理論上の減衰係数λは、432.3s−1であった。一方、上記各実施形態において説明した測定方法によって算出された減衰係数λ010は、433.13s−1であった。 As shown in FIG. 15, in Example 3, the center point P31 of the side on the back side of the upper surface of the sample S is used as an excitation point, the center point P31 of the side on the back side of the top surface, the top surface center point P32, and the back side of the bottom surface. A simulation was performed using the vertex P33 as a detection point. Although the detection points P31 and P33 are located at the antinodes of the mode 2 thermal resonance, the detection points P32 are located at the nodes of the mode 2 thermal resonance. The theoretical damping coefficient λ 3 derived by the simulation of Example 3 was 432.3 s −1 . On the other hand, the attenuation coefficient λ 010 calculated by the measurement method described in the above embodiments was 433.13 s −1 .

(評価)
以上のように、試料Sにおける熱共振現象のシミュレーションにより、上記各実施形態において説明した測定方法によって算出される減衰係数をほぼ正確に再現することができた。このシミュレーションを用いることにより、例えば、図2に示すように試料Sを支持する場合、この支持によって影響を受けにくいモードの選定を行うことができる。
(Evaluation)
As described above, by the simulation of the thermal resonance phenomenon in the sample S, the attenuation coefficient calculated by the measurement method described in the above embodiments can be reproduced almost accurately. By using this simulation, for example, when the sample S is supported as shown in FIG. 2, it is possible to select a mode that is not easily affected by the support.

S 試料
A1a,A5a〜A5c 腹部
E1a,E5a〜E5c 励起部(第1の部分)
D1a,D5a〜D5a 検出部(第2の部分)
8 黒体
S Sample A1a, A5a-A5c Abdominal part E1a, E5a-E5c Excitation part (1st part)
D1a, D5a to D5a detector (second part)
8 Black body

Claims (9)

熱共振現象を利用して試料の熱定数を測定する方法であって、
前記試料において発生させる熱共振のモードを決定するステップと、
前記試料において、前記決定されたモードの熱共振の腹部に位置する第1の部分を瞬間的に加熱することによって、前記決定されたモードの熱共振を発生させるステップと、
前記熱共振が発生している試料において、前記決定されたモードの熱共振の腹部に位置する第2の部分の温度を所定時間測定するステップと、
前記第2の部分の温度の時間変化に基づいて減衰係数を算出するステップと、
前記減衰係数に基づいて前記試料の熱拡散率を算出するステップと、
を備える、熱定数の測定方法。
A method for measuring the thermal constant of a sample using a thermal resonance phenomenon,
Determining a mode of thermal resonance generated in the sample;
Generating a thermal resonance of the determined mode by instantaneously heating a first portion located in the abdomen of the thermal resonance of the determined mode in the sample;
Measuring a temperature of a second portion located in an abdomen of the determined mode thermal resonance for a predetermined time in the sample in which the thermal resonance occurs;
Calculating an attenuation coefficient based on a temporal change in temperature of the second portion;
Calculating a thermal diffusivity of the sample based on the attenuation coefficient;
A method for measuring a thermal constant.
前記第1の部分は、前記決定されたモードの熱共振の腹部に位置する点状の部分である、請求項1に記載の熱定数の測定方法。   The method of measuring a thermal constant according to claim 1, wherein the first portion is a point-like portion located at an antinode of thermal resonance of the determined mode. 前記第1の部分は、前記決定されたモードの熱共振の腹部に沿って帯状に延びる部分である、請求項1に記載の熱定数の測定方法。   The method of measuring a thermal constant according to claim 1, wherein the first portion is a portion extending in a band shape along an abdomen of thermal resonance of the determined mode. 前記第2の部分は、前記決定されたモードの熱共振の腹部に位置する点状の部分である、請求項1から3のいずれか1項に記載の熱定数の測定方法。   The method of measuring a thermal constant according to any one of claims 1 to 3, wherein the second part is a point-like part located at an abdomen of the thermal resonance of the determined mode. 前記第2の部分は、前記決定されたモードの熱共振の腹部に沿って帯状に延びる部分である、請求項1から3のいずれか1項に記載の熱定数の測定方法。   The method of measuring a thermal constant according to any one of claims 1 to 3, wherein the second portion is a portion extending in a band shape along an abdomen of the thermal resonance of the determined mode. 前記第1の部分は、パルスレーザが照射されることによって瞬間的に加熱される、請求項1から5のいずれか1項に記載の熱定数の測定方法。   The method of measuring a thermal constant according to claim 1, wherein the first portion is instantaneously heated by irradiation with a pulse laser. 前記試料は、上面に黒体が設けられている、請求項1から6のいずれか1項に記載の熱定数の測定方法。   The method of measuring a thermal constant according to claim 1, wherein the sample has a black body on an upper surface. 前記黒体は、前記試料において、前記決定された熱共振のモードの腹部と一致する位置にのみ設けられている、請求項7に記載の熱定数の測定方法。   The method of measuring a thermal constant according to claim 7, wherein the black body is provided only at a position in the sample that coincides with an abdomen of the determined thermal resonance mode. 前記熱拡散率に基づいて前記試料の熱伝導率を算出するステップをさらに備える、請求項1から8のいずれか1項に記載の熱定数の測定方法。   The method for measuring a thermal constant according to claim 1, further comprising a step of calculating a thermal conductivity of the sample based on the thermal diffusivity.
JP2012272443A 2012-12-13 2012-12-13 Thermal constant measurement method Active JP5993735B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012272443A JP5993735B2 (en) 2012-12-13 2012-12-13 Thermal constant measurement method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012272443A JP5993735B2 (en) 2012-12-13 2012-12-13 Thermal constant measurement method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2014119274A JP2014119274A (en) 2014-06-30
JP5993735B2 true JP5993735B2 (en) 2016-09-14

Family

ID=51174244

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012272443A Active JP5993735B2 (en) 2012-12-13 2012-12-13 Thermal constant measurement method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5993735B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104132961B (en) * 2014-07-07 2016-08-17 蓝星(北京)技术中心有限公司 Exchanger heat switching performance real-time estimating method, device and heat-exchange system

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000146880A (en) * 1998-11-13 2000-05-26 Shinku Riko Kk Method for measuring thermal conductivity of thin film on substrate by optical heating angstrom method, and sample used for measurement therein
JP4104785B2 (en) * 1999-06-04 2008-06-18 アルバック理工株式会社 Method and apparatus for measuring thermal diffusivity of thin film by laser heating angstrom method
JP4817328B2 (en) * 2007-06-18 2011-11-16 独立行政法人産業技術総合研究所 Thermophysical property measurement method

Also Published As

Publication number Publication date
JP2014119274A (en) 2014-06-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6301951B2 (en) Sample inspection method and system using thermography
JP6632624B2 (en) Get true diffusion constant
KR20170049590A (en) Thermographic examination means and method for non-destructive examination of a near-surface structure at a test object
EP2840385A1 (en) Lock-in thermography method and system for determining material layer parameters of a sample
EP2733482B1 (en) Heat generation point detection method and device
WO2012154384A1 (en) Interferometric material sensing apparatus including adjustable coupling and associated methods
WO2012154386A1 (en) Interferometric material sensing apparatus including adjustable reference arm and associated methods
JP4980147B2 (en) Thermophysical property measuring device, thermophysical property measuring method
CN106768464A (en) A kind of laser-ultrasound detection method and system in uniform material component inside temperature field
Delauré et al. A simultaneous PIV and heat transfer study of bubble interaction with free convection flow
JP5993735B2 (en) Thermal constant measurement method
WO2012154382A1 (en) Interferometric sensing apparatus including adjustable reference arm and associated methods
Thiel et al. Localization of subsurface defects in uncoated aluminum with structured heating using high-power VCSEL laser arrays
JP6127019B2 (en) Method for measuring thermal diffusivity of translucent materials
WO2012154385A1 (en) Interferometric biological sensing apparatus including adjustable reference arm and associated methods
JP7351503B2 (en) Thermal resistance information acquisition device, thermal resistance information acquisition method, program, and contact information acquisition device
WO2012154383A1 (en) Interferometric biometric sensing apparatus including adjustable coupling and associated methods
JP6730792B2 (en) Thermophysical property measuring device and thermophysical property measuring method
JP2017072475A (en) Optical nondestructive inspection apparatus and optical nondestructive inspection method
JP3732491B2 (en) Ultrasonic flaw detection method and apparatus using longitudinal wave and transverse wave diffracted wave
JP2012103176A (en) Inspection apparatus
JP2011185706A (en) Method and device for monitoring surface defect using laser ultrasonic waves
JP2002303597A (en) Device and method for measuring thermal property
JP6457546B2 (en) Analysis apparatus and analysis method
JP5889061B2 (en) Apparatus and method for measuring solid surface temperature by light heating

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20151006

TRDD Decision of grant or rejection written
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20160810

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20160816

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20160822

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5993735

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250