JP7138868B2 - 測温センサピン及びそれを備える測温センサ - Google Patents

Description

本発明は、例えばダイカスト金型、鋳造金型、プラスチック金型等の空洞内に充填される被測温体に対して、高温時から凝固するまでの凝固過程における温度変化をレスポンスよく連続的に測定ができるようにする測温センサピン及びそれを備える測温センサに関する。

例えば、アルミニウム、亜鉛又はマグネシウム等の非鉄金属とその合金で高寸法精度の製品を短時間に大量生産するダイカスト法をはじめとする鋳造においては、溶湯金属の凝固過程における温度変化をレスポンスよく連続的に把握することが鋳造製品の品質にとって重要である。

溶湯金属の凝固過程における温度測定手段として一般的に熱電対がある。熱電対の場合、測温接点を直接溶湯金属に浸漬させることで生じる金属導体の固有の熱起電力から温度変換する。

また、応答速度の速い温度計として、光ファイバーを用いた放射温度計がある。光ファイバー放射温度計の光ファイバー先端を溶湯金属に浸漬させ、光ファイバー先端から取り込んだ放射光を温度に変換し温度表示する。放射光を取り込むため応答速度は熱電対に比較し速い。

また、特許文献１には、ボルト端が圧力容器壁の内壁面と、同一面をなすように圧力容器壁内の孔に嵌着可能な中空ボルトと、一つの面が前記ボルト端に隣接するように前記中空ボルトの前記ボルト端に固定された赤外線通過ウインドと、前記中空ボルトの他端内に固定された光ファイバー束と、前記ウインド及び前記光ファイバー束と共働し赤外輻射線を前記ウインドから前記光ファイバー束へ通過するよう前記中空ボルト内に配されたガラスロッドとから成る赤外線温度プローブが開示されている。

特許文献２には、円筒状の中空軸部と、前記中空軸部に内接して固着される管状スペーサと、前記管状スペーサの内壁面に第１の耐熱性接着材層で固着される円柱状の導光体を有し、前記管状スペーサの内壁面とそれに対面する前記導光体の表面には前記導光体の先端から所定長の非接着部を設けた導光体付ピンが開示されている。

特許文献３には、連続鋳造機の鋳型側壁に螺旋状に複数個の透孔を設け、各透孔にそれぞれ耐熱性、集光性に富む温度検知素子をそれ等の端面が前記鋳型内周面より後退した位置にあるように挿入し、これ等の温度検知素子の出力をそれぞれ光ファイバーによって熱線温度計に導いた鋳型内温度の監視測定装置が開示されている。

特開昭５８－１３７７２１号公報 特許第４８７４４４４号公報 特許第３１２１６７２号公報

前記熱電対を使用した場合は、熱電対は測温接点が昇温するまでに時間を要するため、数十ｍｓで充填されるダイカスト法の金型内の溶湯金属の凝固過程の温度を遅延なく測定できないという問題があった。また、ダイカスト法では、金型内部で溶湯金属が凝固していくため、熱電対の測温接点を金型内の溶湯金属に浸漬させると溶湯金属が凝固した時に測温接点が埋め込まれ、鋳造製品取出し等のときに測温接点が破損し、連続使用ができないという問題があった。

前記光ファイバーを使用した場合は、一般的に単色の波長の放射光を用いて非接触で測温するために被測温対象物の放射率を正確に把握して調整しなければ正確な温度を把握できないという問題があった。また、光ファイバーの測温接点を溶湯金属に浸漬すると正確な測温ができるが、浸漬した光ファイバーの測温接点が凝固により破損するという問題があった。破損するので連続使用ができないという問題があった。

特許文献１の発明は、ウインドを切頭円錐形状にしてテーパー面を最初の圧力が加えられるウインド外面よりも大きな支持面とし、中空ボルトのテーパー面によってウインドのテーパー面をその略全長にわたって支持させる構造であり、係止リングの一端側をウインド外面に当接させながら係止リングの雌螺子を中空ボルトの雄螺子に螺入させていって中空ボルトのテーパー面にウインドのテーパー面を押し付ける構造で、かつ、螺入した係止リングの他端面を中空ボルトの段付きに当接させてその当接した位置が軸芯になるように両部品に亘ってタップを立てて固定ボルトを螺入する構造である。このため、中空ボルトのテーパー面にウインドのテーパー面を押し付けるより前のタイミングで係止リングの他端面が中空ボルトの段付きに当接すると、中空ボルトのテーパー面とウインドのテーパー面との間に隙間が生ずるので、これを防ぐためにウインドのテーパー面寸法精度、中空ボルトのテーパー面及び段付きの位置寸法精度、並びに係止リングの他端面及び環状フランジのウインド当接面の位置寸法精度の誤差を極めて極小にした加工をしなければならず、そのような加工自体の難しさ及び加工コストの増大化という問題があった。

特許文献１の発明は、赤外線温度計を使用しているが２波長により温度測定するとの記載が見当たらないので、被測温対象物の放射率を正確に把握して調整しなければ正確な温度を把握できないという問題があった。また、特許文献１の図５に示すように環状フランジの孔が光ファイバー束の外径より小さい。一般的に光ファイバーの集光角度は測定距離が長くなるほど測定径が大きくなるように製作されていることから、測定径の範囲に、ウインドに接する中空ボルトの側面及び環状フランジも入るという視野欠けの状態となり、集光部である光ファイバー束はウインドに接する中空ボルトの側面からの赤外線、環状フランジからの赤外線及び被測温対象物からの赤外線をとらえて温度測定することとなり、被測温対象物の正確な温度測定ができないという問題があった。

また、切頭円錐形状のウインドを交換する場合に、前記ウインドを押さえつけている係止リングを回して外さなければならないが、圧力容器の壁部に嵌設した状態ではできないので、圧力容器から赤外線温度測定器を外して、その後に係止リングを回して外し、そしてウインドを交換し再び係止リングを螺入させてから赤外線温度測定器を圧力容器の壁部に嵌設しなければならないという煩わしさがあるという問題があった。

特許文献２の発明は、樹脂の成形時の温度測定に関する発明であるが、特許文献２の段落［００３２］に「成形時に樹脂と接するエジェクタピンの先端面は中空軸部と管状スペーサと光ファイバーの端面で構成され」との記載があり、特許文献２の発明をダイカスト法に使用すると金型内部で溶湯金属が凝固していくため、光ファイバーの先端面が、溶湯金属が凝固した時に埋め込まれ、鋳造製品取出し等のときに光ファイバーの先端面が破損するという問題があった。破損するので連続使用ができないという問題があった。

特許文献３の発明は、貫通孔に嵌入された、透明石英からなる棒状の温度検知器は、溶湯に接する側の面が垂直面であり、その垂直面が周縁も含めて全面が溶湯に接する構造になっているので、溶湯が凝固する過程で収縮するときの影響により前記垂直面の周縁から前記透明石英からなる温度検知器にひび割れなどの破損が生ずるという問題があった。破損するので連続使用ができないという問題があった。

本発明はこうした問題に鑑み創案されたもので、測温接点の破損を生じさせず連続使用ができ、視野欠けを生じさせず、被測温体の温度変化をレスポンスよく連続的に測定ができ、放射線を透過させる光透過体を容易に交換できる測温センサピン及びそれを備える測温センサを提供することを課題とする。

本発明において、内方向又は外方向とは、空洞を形成する壁部の厚み方向の中央部からみた内外方向を意味し、例えば内方向とは金型のキャビティや湯道等の空洞を形成する壁部の厚み方向の中央部からみて内壁面側方向を意味し、外方向とは前記壁部の厚み方向の中央部からみて外壁面側方向を意味する。

請求項１に記載の測温センサピンは、溶解された被測温体を流動又は充填可能な空洞の壁部に穿設された貫通孔に嵌設する測温センサピンであって、前記測温センサピンは、筒状の一方の先端縁から径方向内側に延在する環状フランジを有する環状フランジ付き円筒体と、前記環状フランジの前記壁部の外方向側のフランジ面に面接触状態で押し当てられて前記環状フランジの穴部と凹部を形成し、かつ前記環状フランジ付き円筒体の筒状の部位の内径未満の外形幅を有し光を透過可能な柱形状の光透過体と、前記光透過体の前記外方向側の面を前記環状フランジ方向に向けて押し付ける押え体と、を備え、前記押え体の軸心部に長尺状の光ファイバーが挿入され、前記光ファイバーの先端部を前記光透過体の前記外方向側の面に当接させ、前記環状フランジの内径を、前記押え体の軸心部に挿入された長尺状の光ファイバーの予め設定された集光角度を基にした光路内に、前記光透過体及び前記被測温体のみが存する大きさにすることを特徴とする。

請求項２に記載の測温センサピンは、請求項１において、前記光透過体の前記壁部の内方向側及び外方向側の両端面が平行な平面を有することを特徴とする。

請求項３に記載の測温センサピンは、請求項２において、前記押え体の前記内方向側の外周面に螺刻した雄螺子と前記環状フランジ付き円筒体の内周面に螺刻した雌螺子とを螺合させて、前記押え体を螺入させることにより、前記光透過体を前記環状フランジの前記外方向側のフランジ面に押し当てることを特徴とする。

請求項４に記載の測温センサピンは、請求項２又は３において、前記測温センサピンは、先端側を前記内方向に向け他端側を前記外方向に向けて、キャビティを形成する金型の壁部に、湯道を形成する管の壁部に、又は、押出手段を有する湯溜りを形成するスリーブの壁部に穿設された貫通孔部に嵌設可能で、先端部を前記内方向に向けた前記環状フランジ付き円筒体と、柱形状の前記光透過体と、軸心部に長尺状の光ファイバーを挿入可能なかつ前記光ファイバーの外径と略同じ大きさの内径の貫通孔を有し、前記環状フランジ付き円筒体の内径と略同じ外径を有する略円柱状の押え体と、を備え、前記環状フランジの前記内方向側の先端面が前記壁部の内壁面に面一となるように嵌設可能で、前記光ファイバーの先端部を前記光透過体の前記外方向側の面に当接可能であることを特徴とする。

請求項５に記載の測温センサピンは、前記環状フランジの内径を式（１）で求めることを特徴とする請求項２～４のいずれかに記載の測温センサピン。
ｄ≧２（Ｌ＋Ｔ）ｔａｎ（θ／２）＋Ｄ・・・・（１）
環状フランジの内径：ｄ
環状フランジの厚み：Ｌ
光透過体の厚み：Ｔ
導光体の集光角度：θ
導光体の外径：Ｄ

請求項６に記載の測温センサピンは、請求項２～５のいずれかにおいて、前記環状フランジ付き円筒体の前記内方向側の先端面に、前記環状フランジ付き円筒体の螺入出用工具の突起嵌入用の孔を少なくとも２か所以上設けることを特徴とする。

請求項７に記載の測温センサは、請求項１～６のいずれかに記載の前記測温センサピンを備えていることを特徴とする。

請求項１～４に記載の測温センサピンは、例えば溶湯等の高温で溶解された後に冷却により凝固する被測温体とは非接触であるので前記測温センサピンの先端部の測温接点の破損を生じさせず、環状フランジ付き円筒体と光透過体とをしっかりと面接触状態で密着させているので、溶湯等の高温の溶解した被測温体が光透過体の周縁に接する状況にはならないことから前記光透過体に被測温体の凝固過程における収縮によるひび割れを生じさせない。これにより、前記測温センサピンで温度変化をレスポンスよく連続的に測定させることができ、連続使用させることができる。

前記光透過体の、溶湯等の溶解した被測温体と接する面は、測温センサピンの先端面より前記環状フランジの厚み分だけ前記外方向側に窪ませているので、わずかに窪ませた凹部に流入してきた溶湯等の溶解した被測温体の流動は沈静化しているので、測温の確実性を高めることができる。

また、前記光透過体を接着剤で固定することなく、螺入による押し付けのみによる固定であるので、前記光透過体を交換するときに容易に煩わしさがなく交換することができる。

請求項２に記載の測温センサは、前記光透過体の前記壁部の内方向側及び外方向側の両端面を平行な平面にしているので、溶湯等の高温の溶解した被測温体が冷却により収縮するときに前記光透過体の表面に収縮力なる圧力を加えることはないので、前記光透過体の表面に収縮によるひび割れを生じさせない。これにより、前記測温センサピンを、温度変化をレスポンスよく連続的に測定させることができ、連続使用させることができる。

請求項１又は５に記載の測温センサピンは、光ファイバーで定められた集光角度に基づく光路内に被測温体以外の赤外線は集光されないし、かつ前記光路内には遮蔽物もないので視野欠けがなく、被測温体の正確な温度測定がリアルタイムでできるという効果を奏する。

請求項６に記載の測温センサピンは、測温センサピンを例えば金型の壁面に穿設した貫通孔に嵌設した状態で、前記環状フランジ付き円筒体を例えば金型のキャビティ側に外すことができるので、極めて容易に光透過体を交換することができる。

請求項７に記載の測温センサは、請求項１～６のいずれかに記載された発明と同じ効果を奏する。

本発明の測温センサをダイカスト金型に組み込んだ状態における測温センサの軸心における平面視断面説明図である。 本発明の測温センサの軸心における平面視断面説明図である。 導光体を挿入していない状態でキャップネジ式の測温センサピンの軸心における側面視断面説明図である。 導光体を挿入している状態でキャップネジ式の測温センサピンの説明図で、（ａ）は軸心における側面視断面説明図で、（ｂ）は軸心における平面視断面説明図である。 図４（ｂ）のＢ部の拡大図である。 測温センサピンのＡ矢視の説明図で、（ａ）は環状フランジ付き円筒体の環状フランジの内方向側の面にネジ回し工具用孔を設けた形態の説明図で、（ｂ）は環状フランジ付き円筒体の環状フランジの内方向側の面にネジ回し工具用孔を設けない形態の説明図である。 導光体を挿入していない状態で内部ネジ式の測温センサピンの軸心における側面視断面説明図である。 導光体を挿入している状態で内部ネジ式の測温センサピンの説明図で、（ａ）は軸心における平面視断面説明図で、（ｂ）は軸心における側面視断面説明図である。 図８（ｂ）のＣ部の拡大図である。 測温センサピンの先端部の軸心における断面説明図である。 図１０の測温センサピンの先端部の軸心における断面で、斜線を消去して前記先端部の寸法構成を説明する説明図である。 図１０の測温センサピンの先端部の寸法関係の説明図である。 熱電対によるダイキャスト金型内部温度測定結果を示す図で、（ａ）は１回目の温度測定結果の説明図で、（ｂ）は２回目の温度測定結果の説明図で、（ｃ）は３回目の温度測定結果の説明図である。 浸漬型光ファイバー温度計によるダイキャスト金型内部温度測定結果を示す図で、（ａ）は１回目の温度測定結果の説明図で、（ｂ）は２回目の温度測定結果の説明図で、（ｃ）は３回目の温度測定結果の説明図である。 本発明の測温センサによるダイキャスト金型内部温度測定結果を示す図で、（ａ）は１回目の温度測定結果の説明図で、（ｂ）は２回目の温度測定結果の説明図で、（ｃ）は３回目の温度測定結果の説明図である。 本発明の測温センサによるダイキャスト金型内部温度測定結果を示す図で、（ａ）は９８回目の温度測定結果の説明図で、（ｂ）は９９回目の温度測定結果の説明図で、（ｃ）は１００回目の温度測定結果の説明図である。 光透過体の形状及び固定方法の説明図で、（ａ）は光透過体の比較例で、端面が平面状の光透過体を接着剤で固定した説明図で、（ｂ）は光透過体の比較例で、集光角度を小さくするための光透過体を凸形状にし環状フランジ及び押付手段で固定した説明図で、（ｃ）は本発明に使用する光透過体で、端面が平面状の光透過体を環状フランジ及び押付手段で固定した説明図である。 本発明の測温センサを、金型のキャビティの壁部に、及び、押出手段を有する湯溜りを形成する筒状部の壁部に穿設した貫通孔に嵌入した形態の説明図である。

本発明の測温センサピン１及びそれを備える測温センサ２は、図１又は図１８に示すように、被測温体７０の温度を非接触で高温から低温まで測定可能な赤外線放射温度計であり、例えばダイカスト金型、鋳造金型、プラスチック金型等のキャビティや湯溜り等の空洞３３内に流動又は充填される被測温体７０に対して、高温時から凝固するまでの凝固過程における温度変化をレスポンスよく連続的に測定ができる。

本発明の実施例１を図２、図７～図９に示し、実施例２を図３～図６に示し、実施例１と実施例２に共通する構成部分を図１、図６（ｂ）、図１０～図１２、図１８に示している。

本発明の測温センサ２は、図２に示すように、赤外線なる光を集光する測温センサピン１、集光した赤外線なる光を電気信号に変換し、変換された電気信号を温度の単位で表示する計測本体部３を備えている。そして、例えば固定金型３１と可動金型３２を備えるダイカスト金型３０に設置する場合は、図１又は図１８に示すように、固定金型３１の壁部に測温センサピン１を嵌設し、湯溜り３３ｂに貯留された被測温体７０である溶湯金属が、例えばピストン７１で高圧で押し出されて湯道３３ｃを流動してキャビティ３３ａの空洞３３内に流入し充満し凝固する過程の温度を出力する。

また、前記測温センサピン１は可動金型３２に嵌設することもできるが、ダイカスト金型３０の場合、可動金型３２の開閉、射出シリンダーの移動などにより、衝撃や振動が発生するので、これらの衝撃や振動が測温センサピン１に伝わることで生じる測定への影響を抑制するために、測温センサピン１は固定金型３１に設置するのが好ましい。

また、前記測温センサピン１は、例えばダイカスト金型３０に設置する場合は、図１８に示すように固定金型３１の壁部、湯道３３ｃを形成する管の壁部、及び／又は、押出手段を有する湯溜り３３ｂを形成する筒状部（スリーブ７２）の壁部に穿設した貫通孔に嵌設する形態もある。

本発明の測温センサピン１は、図１～図３、図１０、図１１に示すように、溶解された被測温体７０を流動又は充填可能な空洞３３の壁部に穿設された貫通孔に嵌設する測温センサピン１であって、前記測温センサピン１は、筒状の一方の先端縁から径方向内側に延在する環状フランジ４ａを有する環状フランジ付き円筒体４と、前記環状フランジ４ａの前記壁部の外方向側のフランジ面に面接触状態で押し当てられて前記環状フランジ４ａの穴部と凹部１０を形成し、かつ前記環状フランジ付き円筒体４の筒状の部位の内径未満の外形幅を有し光を透過可能な柱形状の光透過体５と、前記光透過体５の前記外方向側の面を前記環状フランジ４ａ方向に向けて押し付ける押え体６と、光ファイバーである導光体７を備える。

前記被測温体７０としては、ダイカスト用金型の場合は例えばアルミ合金や亜鉛合金が該当し、プラスチック用金型の場合は例えばポリエチレン等の熱可塑性樹脂やフェノール等の熱硬化性樹脂が該当し、鋳造用金型の場合は例えばアルミ合金が該当する。

前記空洞３３としては、図１又は図１８に示すように、キャビティ３３ａ、湯溜り３３ｂ、湯道３３ｃ等が該当し、被測温体７０の溶湯が流動又は充填される部位をいう。

前記壁部としては、空洞３３がキャビティ３３ａの場合は金型の固定型３１又は可動型３２、空洞３３が湯道３３ｃの場合は管を形成する周壁（固定金型３１又は可動金型３２の場合もある。）、または、空洞３３が湯溜り３３ｂの場合は金型の押出手段を有する湯溜り３３ｂを形成する筒状部であるスリーブ７２の周壁が該当する。

よって、測温センサピン１は、図１や図１８に示すように、例えば金型の固定型３１に穿設された貫通孔に、湯道３３ｃの管を形成する周壁（固定型３１）に穿設された貫通孔に、または、スリーブ７２の周壁に穿設された貫通孔に嵌設される。

前記環状フランジ付き円筒体４は、図５、図６、図９又は図１０に示すように、円筒状の一方の先端縁から径方向内側に延在する環状フランジ４ａを有する略円筒状の形態をしている。前記測温センサピン１をキャビティ３３ａ、湯溜り３３ｂ又は湯道３３ｃの空洞３３の壁部に設置するときは、前記環状フランジ４ａの空洞３３側である内方向側の先端面４ｂが、図１又は図１８に示すように例えば固定金型３１の内壁面３５と同一面、すなわち空洞３３であるキャビティ３３ａ、湯溜り３３ｂ又は湯道３３ｃを形成する内壁面と同一面になるように嵌設する。

前記環状フランジ付き円筒体４の前記環状フランジ４ａのフランジ部の形態は、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように空洞３３側からのＡ矢視で円状の中央部に貫通孔を設け、前記貫通孔を通して光透過体５が見える形態である。前記貫通孔と光透過体５で凹部１０が形成される。また、図６（ａ）に示すように、前記環状フランジ付き円筒体４の前記内方向側の先端面に、前記環状フランジ付き円筒体４の螺入出用工具の突起嵌入用の孔１１を少なくとも２か所以上設け、この場合は専用工具の突起を前記孔１１に嵌入させて前記環状フランジ付き円筒体４を回転させることにより容易に螺入出ができる。よって、前記壁部に前記測温センサピン１を嵌設した状態で前記環状フランジ付き円筒体４を螺入出でき前記光透過体５を容易に取り換えることができる。

また、前記環状フランジ付き円筒体４の内周面には雌螺子４ｄが螺刻されている。前記雌螺子４ｄは押え体６の雄螺子６ａと螺合される。

前記光透過体５は、図５、図９又は図１０に示すように、前記環状フランジ４ａの前記壁部の外方向側のフランジ面に面接触状態で押し当てられて前記環状フランジ４ａの穴部と凹部１０を形成し、かつ前記環状フランジ付き円筒体４Ａ、４Ｂの筒状の部位の内径未満の外形幅を有し光を透過可能な柱形状である。前記柱形状の形態としては、前記内方向と前記外方向とを結ぶ方向の断面形状が四角形の円柱体又は角柱体、あるいは前記内方向と前記外方向とを結ぶ方向の断面形状が台形状の切頭円錐体又は四角錐体などがある。

また、前記光透過体５の前記壁部の内方向側の端面及び外方向側の端面の両端面が平行な平面を有している。

前記光透過体５の材質は、数十回程度の金型使用での温度測定では石英ガラスでもよいが、1日当たり数百回の金型使用の場合は耐熱性が石英ガラスより優れたサファイヤガラスや窒化性珪素透明セラミックス等が好ましい。

前記凹部１０は、前記空洞３３を形成する壁部の内壁面３５と同一面とする前記環状フランジ４ａの内方向側の先端面４ｂより、わずかに窪ませている部分であり、前記環状フランジ４ａの穴の周壁と前記光透過体５の表面とで形成されている。この凹部１０に被測温体７０の溶湯金属をわずかに貯めて逃がさないことにより、高速で乱流しながら通過する溶湯の温度測定精度を安定化させることができる。

前記押え体６は、前記光透過体５の前記外方向側の面を前記環状フランジ４ａ方向に向けて押し付ける。そして、軸心部に長尺状の導光体７を挿入可能なかつ前記導光体７の外径と略同じ大きさの内径の貫通孔１２を有し、前記環状フランジ付き円筒体４の内径と略同じ外径を有する略円柱状の形状をしており、前記内方向側の外周面に雄螺子６ａが螺刻されている。前記雄螺子６ａは前記環状フランジ付き円筒体４の内周面に螺刻された雌螺子４ｄと螺合される。そして、挿入させた前記導光体７の先端部を前記光透過体５の前記外方向側の面に当接可能としている。

そして、前記押え体６の外周面に螺刻した雄螺子６ａと前記環状フランジ付き円筒体４の内周面に螺刻した雌螺子４ｄとを螺合させて、前記押え体６を螺入させることにより、前記光透過体５を前記環状フランジ４ａの前記外方向側のフランジ面に押し当てる。これにより、前記光透過体５を前記環状フランジ４ａと前記押え体６とで挟んで固定化させることができ、前記測温センサピン１の主要な構成要素である前記環状フランジ付き円筒体４、前記光透過体５及び前記押え体６を一体化することができる。

ここで、光透過体５の形状及び固定化方法について比較する。比較例１として図１７（ａ）に示すように円柱状の光透過体５Ａを接着剤５０で円筒体５１の凹部に嵌入させた場合、比較例２として図１７（ｂ）に示すように凸レンズの光透過体５Ｂを環状フランジ付き円筒体５２に押え体６１で押し付けた場合、本発明として図１７（ｃ）に示すように円柱状の光透過体５Ｃを環状フランジ付き円筒体５３に押え体６２で押し付けた場合について使用して比較し表１にまとめた。

表１から、１００ショット以上の連続使用ができるのは本発明のみであった。よって、１００ショット以上の連続使用を可能とするには、光透明体５は、前記内方向の端面及び前記外方向の端面がともに平面であり両端面が平行であることが必要で、かつ、円柱状の光透過体５Ｃを環状フランジ付き円筒体５３に面接触状態で押し当てることが必要である。

また、前記環状フランジ４ａに前記光透過体５を前記押え体６の螺入によって螺子の締付力で固定化することができたので、耐熱の接着剤を使用する必要がなくなり、前記光透過体５と前記環状フランジ付き円筒体４との間への溶湯金属の差し込みを防止できた。そして、図５又は図９に示すように、前記光透過体５の周縁部５ａを前記環状フランジ４ａで覆うことができるので、被測温体７０の溶湯金属による層間剥離を防止できた。

また、前記導光体７を図３や図７に示すように前記貫通孔１２に挿入し、図４や図８に示すように前記導光体７の先端部を前記光透過体５の前記外方向側の面に当接させる。前記導光体７が光ファイバーの場合には予め集光角度が決められているので、前記環状フランジ４ａの内径を、前記押え体５の軸心部に挿入された長尺状の導光体７の予め設定された集光角度を基にした光路内に、前記光透過体５及び前記被測温体７０のみが存する大きさにする。

また、前記測温センサピン１は、先端側を前記内方向に向け他端側を前記外方向に向けて、キャビティ３３ａを形成する金型の壁部に、湯道３３ｃを形成する管の壁部に、又は、押出手段を有する湯溜り３３ｂを形成するスリーブ７２の壁部に穿設された貫通孔部に嵌設可能で、先端部４ｂを前記内方向に向けた前記環状フランジ付き円筒体４と、柱形状の前記光透過体５と、軸心部に長尺状の導光体７を挿入可能なかつ前記導光体７の外径と略同じ大きさの内径の貫通孔を有し、前記環状フランジ付き円筒体４の内径と略同じ外径を有する略円柱状の押え体６と、を備え、前記環状フランジ４ａの前記内方向側の先端面４ｂが前記壁部の内壁面に面一となるように嵌設可能で、前記導光体７の先端部を前記光透過体５の前記外方向側の面に当接可能である。

前記測温センサピン１は、非接触で種々の被測温体７０の温度を測定可能であるが、特に高温の溶湯の空洞３３内を流動時の、又は冷却が始まって凝固過程に入って空洞３３内に充填状態の被測温体７０の温度変化をレスポンスよく連続的に測定可能にすることができる。

前記測温センサピン１は、図１に示すように、先端側を例えばダイカスト金型３０の固定金型３１の空洞３３側となる内方向に向け、他端側を前記外方向に向けて、前記壁部に穿設した貫通穴部に嵌設する。前記嵌設形態は、例えば前記貫通穴部に螺刻した雌螺子に、前記測温センサピン１の外周面に螺刻した雄螺子を螺入して嵌設する形態（図示なし）、又は、図１又は図１８に示すように前記貫通穴部に形成した段付部と前記測温センサピン１の外周面に形成した段付部１３ａ、１３ｂ、１３ｃと同士を当接させるまで嵌入する形態があるが、前記壁部に前記測温センサピン１が嵌設可能な形態であればいずれでもよい。

測温センサ２は前記測温センサピン１と前記計測本体部３を備えている。そして、図１又は図２に示すように、前記測温センサピン１と、集光した赤外線なる光を電気信号に変換し、変換された電気信号を温度の単位で表示する計測本体部３とは、前記導光体７である光ファイバーによりつながっている。

次に、測温センサピン１の実施例１を説明する。実施例１は図７～図９に示す。実施例１の測温センサピン１は、環状フランジ付き円筒体４Ｂ、光透過体５、押え体６Ｂ、導光体７、押え板４１、固定ネジ（図示なし）を備える。前記押え板４１には固定ネジ螺入用雌ネジ４２ｂが螺刻してある。

まず、光透過体５を環状フランジ付き円筒体４Ｂ内に挿入し、さらに押え体６Ｂを螺入させて締結することにより、光透過体５を環状フランジ付き円筒体４Ｂの環状フランジ４ａに対して押し付け固定する。その後、導光体７である光ファイバーを押え体６Ｂの軸心に設けた貫通孔１２に挿入し光透過体５に当接させる。この状態で、光ファイバーを環状フランジ付き円筒体４Ｂに固定するため、押え板４１の２枚で光ファイバーを挟む形で環状フランジ付き円筒体４Ｂ内に挿入し、押え板４１を固定ネジ計４本で環状フランジ付き円筒体４Ｂに固定する。

図８（ａ）、（ｂ）に示す測温センサピン１を、図１に示すように先端面４ｂが金型などの内壁面３５に一致するように設置する。そして、金型内等の空洞３３内に注入された被測温体７０の溶湯金属からの赤外線を光透過体５から導光体７の光ファイバーに導き、計測本体部３で温度に変換する。

次に、測温センサピン１の実施例２を説明する。実施例２は図３～図５に示す。実施例２の測温センサピン１は、環状フランジ付き円筒体４Ａ、光透過体５、押え体６Ａ、導光体７、固定ネジ（図示なし）を備える。前記押え体６Ａには固定ネジ螺入用雌ネジ４２ａが螺刻してある。

環状フランジ付き円筒体４Ａは外方向側の内周面に雌螺子４ｄを螺刻しており、キャップ型の形態をしている。環状フランジ付き円筒体４Ａの環状フランジ４ａの内方向側の面には専用工具の突起を嵌入可能な穴１１が２つ以上設けてある。この穴１１に専用工具の突起を嵌入し回転させるとキャップ型の環状フランジ付き円筒体４Ａは容易に押え体６Ａから分離させることができるので、容易に光透過体５を交換することができる。金型を製造ラインから一旦降して移動させることなく製造ラインに設置した状態で交換できるので、大幅な交換時間短縮ができ、段取り時間というロス時間の削減を実現できる。

押え体６Ａは、内方向側の端面を光透過体５に当接させ、外方向側の端面を壁部の外面と略同じ位置までの長さを有し、軸心部に導光体７の外径と略同じ長さの内径の貫通孔１２を形成し、内方向側の環状フランジ付き円筒体４Ａと螺合する範囲には雄螺子６ａが螺刻されている。そして、押え体６Ａの外方向側の外周面には段付部１３ａを形成し内方向側の外周寸法より大きい外周寸法の段付き状の拡張部分を形成している。この段付き部分で壁部にも段付き穴（図示なし）を形成させて、段付部の面同士を当接させて、前記壁部の内壁面３５と前記環状フランジ付き円筒体４Ａの先端面４ｂを同一面となるように設計する。また、前記段付き状の拡張部分には、２つの固定ネジ螺入用雌ネジ４２ａが螺刻してあり、この固定ネジ螺入用雌ネジ４２ａに固定ネジを螺入して導光体７を固定させる。なお、押え体６Ａの長さは、内方向側の端面を光透過体５に当接させた状態で、外方向側の端面を壁部の外面と略同じ位置までの長さに限定しなくてもよい。

組立方法は、まず、光透過体５を環状フランジ付き円筒体４Ａ内に挿入し、さらに押え体６Ａを螺入させて締結することにより、光透過体５を環状フランジ付き円筒体４Ａの環状フランジ４ａに対して押し付け固定する。その後、導光体７である光ファイバーを押え体６Ａの軸心に設けた貫通孔１２に挿入し光透過体５に当接させる。この状態で、導光体７の光ファイバーを押え体６Ａに固定するため、固定ネジ螺入用雌ネジ４２ａに固定ネジを螺入して導光体７を固定させる。

次に、測温センサ２は、前記測温センサピン１を備えて、前記導光体７を光ファイバーとしかつ計測本体部３によって予め定めた２つの赤外線の波長から被測温体の温度を測定することができる２色対比温度計であることが好ましい。前記２色対比温度計を使用して補正が不要であることを確認した。これにより、単色温度計の場合は被測温体の放射率による修正を実施しなければならない煩わしさを解消し、正確な温度を得ることができる。

次に、正確な溶湯温度を測定するためには、成形を繰り返すことにより温度上昇した測温センサピン１の先端の環状フランジ付き円筒体４の温度を検知させないことが必要である。環状フランジ付き円筒体４の温度を検知させないための方法について説明する。

まず、測温センサピン１の環状フランジ付き円筒体４、光透過体５、押し体６の寸法構成を説明する説明図として、図１０に示す図を用いるが断面を示す斜線のためわかりにくいので、図１０における斜線を消去した図１１で説明する。図１１において、環状フランジの内径：ｄ、環状フランジの厚み：Ｌ、光透過体の厚み：Ｔ、導光体の集光角度：θ、導光体の外径：Ｄとすると、下記式（１）が成り立つ。下記式（１）で視野欠けしない環状フランジ４ａの孔径の寸法を得ることができる。
ｄ≧２（Ｌ＋Ｔ）ｔａｎ（θ／２）＋Ｄ・・・・（１）

次に、光ファイバー直径０．４ｍｍ、集光角度４５°の場合、環状フランジの内径：ｄ、環状フランジの厚み：Ｌ、光透過体の厚み：Ｔを変えて、測温精度を確認した。その結果を表２に示す。

表２から、実験番号イは視野欠けなく、環状フランジ４ａと光透過体５のガラス窓の破損は見られず、温度精度は良好であり、実験番号ロは環状フランジ内径ｄが小さいため環状フランジ４ａの温度も測定したので正確な温度測定は無理であり、実験番号ハは視野欠けはないが環状フランジ４ａの強度不足により溶湯金属が環状フランジ付き円筒体４と光透過体５の間に差し込むというトラブルが発生し、実験番号ニは視野欠けはないが光透過体５のガラスが薄いため耐久性が低いという問題があり、実験番号ホは視野欠けがなく温度精度及び耐久性とも良好であり、実験番号ヘは凹部１０の鋳抜けが悪く、湯だまりとなって測定温度が不正確になるという問題があり、実験番号トは視野欠けがなく、温度精度及び耐久性ともに良好であり、実験番号チは環状フランジ内径ｄが大きく被測温体７０の鋳物の冷却速度が遅く測定されるという問題があった。

表２の結果から、式（１）で得られる視野欠けしない要件以外にも、環状フランジ４ａや光透過体５の耐久強度、被測温体７０の溶湯金属との接触面積の大きさも測温精度に影響することから、前記実験番号ホを参考にして最大値を設定し、前記実験番号トを参考にして最小値を設定し、図１２に示すように、測温センサピン１の構成要素の寸法の範囲を設定した。

例えば、導光体７の光ファイバー直径０．４ｍｍ、集光角度４５°の場合、環状フランジ４ａの厚さは領域Ｎ１の１．０ｍｍ以下では強度不足で領域Ｎ２の５ｍｍ以上では鋳抜けが悪い。光透過体５のガラスの厚みは領域Ｎ３の３ｍｍ以下ではガラスの強度不足で領域Ｎ４の１０ｍｍ以上では式（１）で環状フランジ内径ｄが１０ｍｍ以上になる範囲となり光透過体５のガラスとの接触面積が大きくなり鋳物の冷却が遅くなる。また、式（１）で光透過体５のガラス厚みＴと環状フランジ４ａの厚みＬを参入して孔径ｄが１０ｍｍ以上になる範囲を外す。

その結果から、図１２に示すように、式（１）の制約と、ダイキャスト金型３０の空洞３３への充填性等を考え、実用上の測温センサピン１の各寸法を、導光体７の光ファイバー直径０．４ｍｍ、集光角度４５°の場合、望ましい領域Ｍは、環状フランジ４ａの内径ｄは４ｍｍ超～１０ｍｍ未満、環状フランジ４ａの厚みＬは１ｍｍ超～５ｍｍ未満、光透過体５の厚みＴは３ｍｍ超～１０ｍｍ未満と設定した。なお、光ファイバー直径及び集光角度により望ましい領域Ｍは変わるので、種々の組み合わせでそれぞれ設定する。

次に、保持炉にて６８０℃に溶解したアルミニウム合金の溶湯をセラミック製のラドル７５で掬い、スリーブ７２に出湯後、約８０ＭＰａで押し出し、０．３ｍｍ／ｓから３．０ｍｍ／ｓの速度でダイカスト金型３０内で成形し、そのときの凝固過程の温度を測定した。温度測定計として、熱電対の場合を図１３に示し、浸漬型の光ファイバーの場合を図１４に示し、本発明の測温センサピン１を装着した測温センサ２の場合を図１５と図１６に示す。

まず、熱電対を用いたダイカスト金型３０のキャビティ３３ａ内の温度測定結果である。熱電対の測温接点をダイカスト金型３０内に設置した場合、図１３（ａ）に示す１回目の測定では凝固曲線Ｐ１に示すように測温接点における溶湯金属の接触を感知している。約１秒後に溶湯が流入されて急こう配の傾斜で温度が４００℃まで上昇し山なりの緩いカーブを描いて約１．８秒後から温度が徐々に低下し５秒後には約２８０℃を示しているのがわかる。しかし、熱電対の応答速度が遅いため、例えば図１６に示すように同じ溶湯の場合に最高温度を約６２０℃まで検知したのにかかわらず、最高温度を４００℃までしか検知できていない。さらに、１回目の成形で熱電対の測温接点が破損したため、２回目を示す図１３（ｂ）の凝固曲線Ｐ２及び３回目を示す図１３（ｃ）の凝固曲線Ｐ３に示すように、２回目以降は温度を検知できていない。

次に、温度測定範囲が３００℃～８００℃の浸漬型の光ファイバーを用いたダイカスト金型３０内の温度測定結果である。浸漬型の光ファイバーの測温接点をダイカスト金型３０内に設置した場合、光ファイバーの測温接点が直接に溶湯に接して、図１４（ａ）に示す１回目の測定では凝固曲線Ｐ４に示すように約１秒後に略垂直に一気に５３０℃付近まで温度が上昇していることが確認でき、かつレスポンスよく測定ができている。この略垂直の立ち上がりは赤外線放射温度計の光ファイバーが熱電対よりレスポンスが優れていることを示している。最高温度に達してからすぐに温度が徐々に低下して５秒後には約３００℃まで低下したのがわかる。しかし、１回目の成形で測温接点を破損したため、図１４（ｂ）に示す２回目以降は凝固曲線Ｐ５に示すように正しい測定ができておらず、図１４（ｃ）に示す３回目の成形では凝固曲線Ｐ６に示すように全く溶湯金属を検知していない。

次に、温度測定範囲が３００℃～１０００℃の本発明の測温センサピン１を装着した測温センサ２を用いたダイカスト金型３０内の温度測定結果である。この温度測定は、図７～図９に示す測温センサ２で実施した。本発明の測温センサピン１を装着した測温センサ２による温度測定では、図１５（ａ）に示す１回目の凝固曲線Ｐ７をみると約１秒後に垂直的に一気に温度が急上昇し約６３０℃を測定し、すぐに緩やかな傾斜で温度が１．３秒後まで低下し、その後急な曲線を描いて温度が低下し、約３秒後に３００℃まで低下したのがわかる。この垂直的に一気に温度が急上昇していることは赤外線放射温度計の光ファイバーが熱電対よりレスポンスが優れていることを示している。

そして、図１５（ｂ）に示す２回目の凝固曲線Ｐ８、図１５（ｃ）に示す３回目の凝固曲線Ｐ９、図１６（ａ）に示す９８回目の凝固曲線Ｐ１０、図１６（ｂ）に示す９９回目の凝固曲線Ｐ１１及び図１６（ｃ）に示す１００回目の凝固曲線Ｐ１２は、図１５（ａ）に示す１回目の凝固曲線Ｐ７といずれもほぼ同じ凝固曲線を示しており、各成形で安定して温度が測定できていることがわかる。なお、図示していないが、１００回目以降も安定して温度測定が実施されたことも確認した。

１ 測温センサピン
２ 測温センサ
３ 計測本体部
４ 環状フランジ付き円筒体
４Ａ 環状フランジ付き円筒体
４Ｂ 環状フランジ付き円筒体
４ａ 環状フランジ
４ｂ 先端面
４ｄ 雌螺子
５ 光透過体
５ａ 周縁部
６ 押え体
６Ａ 押え体
６Ｂ 押え体
６ａ 雄螺子
７ 導光体
１０ 凹部
１１ 孔
１２ 貫通孔
１３ 段付部
３０ ダイカスト金型
３１ 固定金型
３２ 可動金型
３３ 空洞
３３ａ キャビティ
３３ｂ 湯溜り
３３ｃ 湯道
３５ 内壁面
４１ 押え板
４２ 固定ネジ螺入用雌ネジ
５０ 接着剤
５１ 円筒体
５２ 環状フランジ付き円筒体
５３ 環状フランジ付き円筒体
６１ 押え体
６２ 押え体
７０ 被測温体
７１ ピストン
７２ スリーブ
７５ ラドル
Ｐ 凝固曲線

Claims (7)

1. 溶解された被測温体を流動又は充填可能な空洞の壁部に穿設された貫通孔に嵌設する測温センサピンであって、
   前記測温センサピンは、筒状の一方の先端縁から径方向内側に延在する環状フランジを有する環状フランジ付き円筒体と、
   前記環状フランジの前記壁部の外方向側のフランジ面に面接触状態で押し当てられて前記環状フランジの穴部と凹部を形成し、かつ前記環状フランジ付き円筒体の筒状の部位の内径未満の外形幅を有し光を透過可能な柱形状の光透過体と、
   前記光透過体の前記外方向側の面を前記環状フランジ方向に向けて押し付ける押え体と、を備え、
   前記押え体の軸心部に長尺状の光ファイバーが挿入され、前記光ファイバーの先端部を前記光透過体の前記外方向側の面に当接させ、
   前記環状フランジの内径を、前記押え体の軸心部に挿入された長尺状の光ファイバーの予め設定された集光角度を基にした光路内に、前記光透過体及び前記被測温体のみが存する大きさにする ことを特徴とする測温センサピン。
2. 前記光透過体の前記壁部の内方向側及び外方向側の両端面が平行な平面を有することを特徴とする請求項１に記載の測温センサピン。
3. 前記押え体の前記内方向側の外周面に螺刻した雄螺子と前記環状フランジ付き円筒体の内周面に螺刻した雌螺子とを螺合させて、前記押え体を螺入させることにより、前記光透過体を前記環状フランジの前記外方向側のフランジ面に押し当てることを特徴とする請求項２に記載の測温センサピン。
4. 前記測温センサピンは、先端側を前記内方向に向け他端側を前記外方向に向けて、キャビティを形成する金型の壁部に、湯道を形成する管の壁部に、又は、押出手段を有する湯溜りを形成するスリーブの壁部に穿設された貫通孔部に嵌設可能で、
   先端部を前記内方向に向けた前記環状フランジ付き円筒体と、柱形状の前記光透過体と、
   軸心部に長尺状の光ファイバーを挿入可能なかつ前記光ファイバーの外径と略同じ大きさの内径の貫通孔を有し、前記環状フランジ付き円筒体の内径と略同じ外径を有する略円柱状の押え体と、を備え、
   前記環状フランジの前記内方向側の先端面が前記壁部の内壁面に面一となるように嵌設可能で、前記光ファイバーの先端部を前記光透過体の前記外方向側の面に当接可能であることを特徴とする請求項２又は３に記載の測温センサピン。
5. 前記環状フランジの内径を式（１）で求めることを特徴とする請求項２～４のいずれかに記載の測温センサピン。
   ｄ≧２（Ｌ＋Ｔ）ｔａｎ（θ／２）＋Ｄ・・・・（１）
   環状フランジの内径：ｄ
   環状フランジの厚み：Ｌ
   光透過体の厚み：Ｔ
   導光体の集光角度：θ
   導光体の外径：Ｄ
6. 前記環状フランジ付き円筒体の前記内方向側の先端面に、前記環状フランジ付き円筒体の螺入出用工具の突起嵌入用の孔を少なくとも２か所以上設けることを特徴とする請求項２～５のいずれかに記載の測温センサピン。
7. 請求項１～６のいずれかに記載の前記測温センサピンを備えていることを特徴とする測温センサ。

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