JPH02264832A - 輻射加熱―放射測温方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、輻射によって加熱された対象物を放射温度計
を用いて測温する方法に関する。

（従来の技術） 放射測温法は非接触で対象物の測温が可能であるため、
近年工業的に広範に採用されるに至っている。即ち、熱
電対等のセンサーを測温対象体に設置する必要がなく、
測温対象体を広範に移動させなければならない場合にお
いても、センサーのリード線を引き回さなければならな
いといった煩わしさがない。

一方、輻射による加熱法は、加熱源による汚染の可能性
がない、加熱領域をレンズや反射鏡を用いて任意に制限
できる、急速加熱ができる等の利点を有し、広く用いら
れている。しかしこの加熱方法を採用した場合には加熱
対象物質からよりも加熱源からの輻射強度の方が圧倒的
に強いため、放射測温が不可能である。輻射加熱された
物体の測温においては、熱電対等の接触型のセンサーを
用いね１ボならなかった。

以上のような問題点は以下のような場合に深刻である。

超高真空排気装置内で試料加熱を行う場合、試料交換時
における真空度の低下を最小限に抑えるために、加熱処
理を行う主排気室に加えて試料導入を行゛うための予備
排気室を設けるのが一般的である。この場合主排気室と
予備排気室をゲートバルブを介して連結される。さて、
主排気室内で加熱された試料の測温を行おうとするなら
ば、熱電対等の接触型のセンサーを用いる方法は不都合
である。なぜならば、熱電対により正確な温度を計測す
る場合、試料に熱電対を溶接する必要があるが、試料を
熱電対に固定したまま予備排気室から主排気室へ搬送し
た後、ゲートバルブを閉じることができないからである
。従って超高真空排気装置内で加熱された試料の測温を
行う場合には、非接触で測温が可能である放射測温が有
効である。

ところが、従来輻射加熱された物質に対して放射測温法
が適用できなかったため、特に予備排気室を備えた超高
真空排気装置内の試料の加熱法として、輻射加熱法が用
いられることはなかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明では、輻射加熱法の特徴を損ねることなく、輻射
加熱によって加熱された物質の測温を非接触で行なうも
のである。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題は、加熱光源からの輻射光から、一定の光学素
子を用いて放射測温に用いる波長域の輻射光を遮断して
加熱対象物体に照射し、加熱対象物体から発生する輻射
光のなかから、前記光学素子によって遮断された波長域
の輻射光のみを取り出して放射測温用センサーに導入す
ることにより解決できる。

これは、加熱対象物体から発生する輻射の波長分布が加
熱源からのそれに比較して長波長側にピークを持ち、一
般に加熱光源から発生する輻射光のうち、加熱に有効な
輻射成分はこのピークよりも短波長側にあることを利用
するものである。以下図面を参照しつつ説明する。

加熱源から発生した輻射（第１ａ図曲線Ａ）から、第１
ａ図曲線Ｂに示されたような遮断特性を有する光学素子
を用いて、放射測温に有効な波長域（加熱対象物体から
発生する輻射の主たる波長域）成分を除くならば、加熱
対象物体には第１ａ図曲線Ａ′のような波長分布を有す
る輻射が照射される。一般に加熱光源から発生する輻射
の分布は、加熱対象物体から発生する輻射のそれに比べ
て短波長側すなわち高エネルギ側に偏っているため、前
記光学素子の挿入により加熱効率が著しく減少すること
はない。このような方法で加熱された物体から発生する
輻射分布は、第ｔｂ図の曲線Ｃのようになる。すなわち
、前記光学素子によりカットされなかった波長域では、
加熱対象物質から発生した輻射に加えて加熱源から発生
した輻射の反射光及び散乱光が共存するが、カットされ
た波長域では加熱対象物質から発生した輻射のみとなる
。ついで、第１ｂ図曲線りに示されるような遮断特性を
有する光学素子を用いて、加熱対象物質のみから発生し
た輻射光領域の一部もしくはほぼ全部の輻射光を選択的
に取り出して、この輻射光分布を測定するならば、曲線
Ｃ′のような分布となり、加熱対象物質からのみの輻射
を得ることができる。したがって、この第２の光学素子
を経て取り出された輻射を放射測温用センサーに導き、
輻射強度を測定するならば、加熱光源からの輻射の擾乱
を受けることなく、輻射加熱された物体の放射測温が行
える。

このような測温方法に用いる光学素子を選択する際に、
そのカットオフ特性とカット波長に注意を払う必要があ
る。カットオフ特性の良好な光学素子を用いれば、第１
の光学素子の長波長限界波長と第２の光学素子の短波長
限界波長を近づけることができ、加熱の効率と測温精度
を同時に向上させることができる。また、各々の光学素
子のカット波長は、測温すべき温度を考慮して選択する
ことは言うまでもない。例えば、測定すべき温度が低い
場合は第１の光学素子の長波長限界、第２の光学素子の
短波長限界共、長波長側にある材料、素子を選ぶことが
望ましい。

光学素子の選択および組合せ方としては以下のようなも
のが有効である。

第１の光学素子として短波長バスフィルター（加熱に利
用する短波長域の輻射光を通過し、輻射測温に利用する
長波長側の輻射光を遮断する）を、第２の光学素子とし
て長波長バスフィルター（輻射測温に利用する長波長側
の輻射光を通過し、短波長側の輻射光を遮断する）を利
用する方法がある。この場合、前者の長波長限界の波長
を、後者の短波長限界の波長以下になるよう、フィルタ
ーを選択すればよい（第２図ａ）。

これらのフィルターは、各種材料の近赤、赤外部に置け
る吸収特性を利用することにより設計できる。短波長バ
スフィルターとしては、１０μｍ前後に長波長透過限界
を持つ、石英（長波長透過限界約４．５μｍ）、酸化マ
グネシウム（同８．５μｍ）などの酸化物、弗化リチウ
ム（同９μｍ）、弗化カルシウム（同１２μｍ）などの
弗化物、セレン化亜鉛（同２０μｍ）等が使用でき、加
熱対象物質についての測定すべき温度を考慮して材料の
選択ができる。また、これらの材料は比較的強度が高い
ため、窓材としての機能を兼ねることができる。長波長
バスフィルターとしては１ｎｓｂ（短波長透過限界７μ
ｍ）など半導体の固有吸収端を利用したフィルターが有
効である。半導体の場合、厚みが数μｍでもフィルター
として機能させることができ、他の光学素子等に蒸着し
て使用できるとい°う利点がある。以上のような、選択
吸収を利用するフィルターにおいては、材料の厚みを選
択することによっても多少カットオフ波長を変更するこ
とができる。

短波長バスフィルターや長波長バスフィルターは、交互
多層膜による干渉効果を利用しても製作できる。干渉フ
ィルターは、膜物質、膜厚、層数、膜構成などを適当に
選択することにより、透過波長域、反射波長域、カット
オフ特性等について希望の特性を設計できるという利点
がある。

赤外用回折格子とスリットを組み会わせることによって
も、短波長バスフィルターや長波長フィルターとじでや
、以下で述べるブロワキングフィルターやバンドパスフ
ィルターとしての機能をもたせることができる。

また、第１の光学素子としてブロッキングフィルター（
測温に利用する波長域の輻射光のみを遮断し、その両側
の波長域の輻射光を通過する）用いたり、第２の光学素
子としてバンドパスフィルター（測温に利用する波長域
の輻射光のみを通過し、その両側の波長域の輻射光を遮
断する）を採用しても原理的な考え方は変わらない。例
えば、第１の光学素子として短波長バスフィルターを用
い、第２の光学素子として、前記短波長バスフィルター
の長波長限界以上に通過波長域の短波長限界を有するバ
ンドパスフィルターを用いてもよい（第２図ｂ）。ただ
し、第１の光学素子としてブロッキングフィルターを用
い、第２の光学素子として長波長バスフィルターを用い
る場合（第２図Ｃ）に、は注意が必要である。すなわち
、前者の遮断領域の短波長限界を後者の短波長限界以下
にすることはもちろんのこと、ＣＭＴ素子のように長波
長側に十分な感度を有するセンサーを用いた場合には、
前者によって遮断されなかった加熱光源からの長波長成
分が測定結果に擾乱を与えることに対する対策をとる必
要がある。すなわち、この加熱光源の長波長成分を除（
ための第３の光学素子を、加熱光源から放射測温用フィ
ルターの間のいずれかの位置に設置する必要がある。

第１の光学素子としてブロッキングフィルターを、第２
の光学素子としてバンドパスフィルターを用いる場合に
は、第２図（ｄ）のように、前者における遮断波長域の
短波長限界と長波長限界の間に、後者における通過波長
域の短波長限界と長波長限界が含まれるようにすればよ
い。

ある種の光学素子においては反射光と透過光が相補的な
振舞い（透過光が０％である波長域では反射光が１００
％、あるいはその逆となる）をするものがある。このよ
うな素子を用いるならば、第１、第２いずれの光学素子
についても同種のものを用いて、ブロッキングフィルタ
ーとバンドパスフィルターの組合せを作ることができる
。例えば、輻射測温に利用できる波長域の輻射を反射す
るような素子を選ぶならば、第１の光学素子には透過型
のフィルターとして、第２の光学素子には反射型のフィ
ルターとして使用することができる。

また、輻射測温に用いる波長域の輻射光を透過する素子
を選ぶならば、第１の光学素子には反射型のフィルター
として、第２の光学素子には透過型のフィルターとして
使用することができる。このような性格を持つ光学素子
としては、交互多層膜による干渉効果を利用して赤外光
のみを反射して他の光を透過する、熱線反射フィルター
がある。

また、サファイアは１０〜５０μｍの波長域では反射率
が高くかつ透過率が小さいが、その他の波長域ではほと
んど透明である。

もちろん、バンドパスフィルターやブロッキングフィル
ターは、複数の光学素子で構成することにより、所望の
特性が得られるようにしてもよい。

すなわち、測温に用いる輻射光の波長域の下限付近に短
波長限界を有する長波長パスフィルターと、同波長域の
上限付近に長波長限界を有する短波長バスフィルターか
ら、バンドパスフィルターを構成することが可能である
。また、測温に用いる輻射光の波長域の下限付近に長波
長限界を有する短波長バスフィルターと、同波長域の上
限付近に短波長限界を有する短波長限界を有する長波長
パスフィルターから、ブロッキングフィルターを構成す
ることができる。

〔作用〕

以上のような構成で放射測温を行うならば、加熱光源か
らの輻射の影響を受けることなく加熱対象物体からの輻
射を放射測温用センサーに導入することができる。また
、使用する光学素子の特性（カット波長、カットオフ特
性、透過率、反射率等）を適切に設計するならば、この
ような光学素子の挿入によって加熱効率や測温精度の低
下を招くこともない。

〔実施例１〕 第３図は真空槽内に加熱対象物体があり、加熱源及び測
温素子が真空槽外にある場合についての実施例である。

赤外光源ランプ１からの輻射は、回転放物面鏡２および
、Ｏリングをシール材として真空槽３内に導入された石
英製ロッド（長さ１００ｍｍ）４を通じて加熱対象物体
５に照射される。

この石英ロッドは、５μｍに長波長透過限界を持つ短波
長バスフィルターとしての役割に加えて、加熱源からの
輻射光をロッド内で全反射させることにより、効率よく
加熱対象物体に照射する役割を持つ。放射測温は厚さ５
１１１１の臭化カリウム製の窓板を用いたビューイング
ボート６を通して行われる。長波長パスフィルターとし
てはＺｎＳの反射防止膜を蒸着した１ｎｓｂ（カットオ
フ波長７μｍ）を用いた。このビューイングボートとＩ
ｎ５ｂの吸収特性により、７〜４０μｍの赤外光を透過
するバンドパスフィルターとしての役割を果たす。赤外
線検出素子８としてはＣＭＴ素子を用い、レンズ９によ
り集光効率を向上させである。

第４図は放射測温の結果を示すものである。すなわち、
加熱対象物体に溶接した熱電対から測定される温度を、
赤外線検出素子の出力の対数値と比較したものである。

赤外光源ランプとしてＩＯＡおよび２０Ａの二種類を用
いでについて測定を行った。ふたつのランプは同じ加熱
温度を達成するに際し、異なった輻射の波長分布を示す
はずであるが、本放射測温法における二種類の出力値は
一致しており、本性が加熱源からの輻射の影響を受けな
い放射測温法になっていることを示している。

〔実施例２〕 第５図において熱線反射フィルターの相補的な透過およ
び反射特性を利用した例を示す。赤外光源ランプ１０を
回転放物面鏡１１の焦点に置き、平行性を向上させた輻
射光を熱線反射フィルター１２を通して加熱対象物体１
３に照射する。この熱線反射フィルターはＢａＦ、基板
上にｓｂ、ｓ。

と５ＮａＦ・３　Ａ　Ｉ　Ｆ　ｓを交互に蒸着した多層
膜であり、５〜９μｍの波長域で反射率が１に近く、他
の、波長域では透過率が１に近い。加熱対象物体からの
輻射光のうち、熱線反射フィルター１４によって反射さ
れた成分のみをレンズ１５で集光し、ＣＭＴ素子１６に
よって輻射強度を測定する。

〔発明の効果〕

本発明は、以上のような構成をとるため、以下に記載す
るような効果を有する。

輻射光源からの輻射光の影響を受けずに、加熱対象物体
から発生する輻射を検出できるため、輻射加熱された物
体の温度を放射測温法により非接触で測定できる。輻射
加熱法と放射測温法、すなわち非接触加熱及び非接触測
温を両立させることができる。とくに超高真空排気装置
内でゲートバルブを介して連結された複数の排気室間で
試料搬送を行う必要がある場合、有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における作用を説明するための、輻射光
強度の波長分布についての模式図、第２図は光学素子の
選択法を説明するための模式図、第３図は実施例１を説
明するための構成図、第４図は実施例１による測定結果
を示す図、第５図は実施例２を説明するための構成図で
ある。 Ａ・・・輻射加熱源の輻射光強度分布、　Ｂ・・・第１
の光学素子の遮断特性、　Ａ′・・・加熱対象物体に照
射される輻射の強度分布、　Ｃ・・・加熱対象物体から
の輻射光強度分布、　Ｄ・・・第２の光学素子の遮断特
性、　Ｃ′・・・放射測温用センサーに導入される輻射
光強度分布、　　■・・・赤外線ランプ、２・・・回転
楕円体反射鏡、　３・・・真空槽外壁、４・・・石英ロ
ッド、　５・・・加熱対象物体、　６・・・ビューイン
グポート、　　７・・・１ｎＳｂフイルター８・・・Ｃ
ＭＴ赤外線検出素子、　９・・・レンズ、ｌＯ・・・赤
外線ランプ、　１１・・・回転放物面鏡、１２・・・熱
線反射フィルター　　１４・・・熱線反射ミラー１３・
・・加熱対象物体、　１５・・・レンズ、　１６・・・
ＣＭＴ赤外線検出素子。 （＆） 波長 出　願　人　新日本製鐵株式会社 代理人弁理士　　青　　柳　　　　　　稔第１図 へマま気−姦腓 対舷アンプ出力 へ亨吏ぺ一察躇 へマ吏覧−察俯 ヘマまへ−反罎 フィルター ４Ｍ線反射ξラ−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、輻射加熱によって加熱された物質の測温を放射温度
   計により行なうに際し、加熱光源と加熱対象物体の間に
   、放射測温に有効な波長域の輻射光を遮断する第１の光
   学素子を設置し、加熱対象物体と放射測温センサーとの
   間に第１の光学素子においては遮断される波長域の輻射
   を選択的に取り出すことのできる第２の光学素子を設置
   することにより、測定対象物体が加熱されて放出される
   輻射を、加熱に用いた光源からの輻射から分離して計測
   、測温する方法。 ２、第１の光学素子として、赤外ないし近赤外部に長波
   長限界を有する短波長パスフィルターを、第２の光学素
   子として、前記短波長パスフィルターの長波長限界を越
   えない波長に短波長限界を有する長波長パスフィルター
   を用いる請求項１記載の方法。 ３、第２の光学素子として、短波長パスフィルターよっ
   て遮断される波長域の輻射を取り出すことができるバン
   ドパスフィルターを用いる、請求項２記載の方法。 ４、第１の光学素子として、放射測温に有効な波長域の
   輻射光のみを遮断すブロッキングフィルターを用い、第
   ２の光学素子として、第１の光学素子において遮断され
   る波長域の輻射光を取り出すことができるバンドパスフ
   ィルターを用いる請求項１記載の方法。 ５、第２の光学素子として、第１の光学素子における遮
   断波長域の短波長限界以上の波長域に短波長限界を有す
   る長波長パスフィルターを用い、さらに、第１の光学素
   子における遮断波長域の長波長限界以上の波長域の輻射
   光を遮断するためのフィルターを用いる、請求項４記載
   の方法。 ６、加熱光源と加熱対象物体の間に設置された、放射測
   温に有効な波長域の輻射光を遮断する第１の光学素子と
   、加熱対象物体と放射測温用センサーとの間に設置され
   た、第１の光学素子においては遮断される波長域の輻射
   を選択的に取り出すことができる第２の光学素子と、放
   射測温用センサーからなる。放射測温装置。