温度測定装置
【課題】従来に比べて小型で取り扱い易さに優れた温度測定装置を提供する。
【解決手段】温度測定装置１は、被測定対象物表面から放射される赤外線を受光して伝送する光ファイバと、互いに異なる分光感度特性を有し、赤外線を受光してそのエネルギー及び分光感度特性に応じた電気信号を生成する第１及び第２の光電変換素子１３，１４と、生成電気信号を基に被測定対象物の温度を算出する温度算出部と、吸熱電極２１ａと放熱電極２１ｂとを有するペルチェ素子２１と、各光電変換素子１３，１４及びペルチェ素子２１を収納，保持する収納容器３０とを備える。第１光電変換素子１３は、第２光電変換素子１４の上側に配設され、光ファイバにより伝送され収納容器３０の透過板３２を透過した赤外線を受光する。第２光電変換素子１４は、ペルチェ素子２１の吸熱電極２１ａ表面に配設され、第１光電変換素子１３を透過した赤外線を受光する。
【解決手段】温度測定装置１は、被測定対象物表面から放射される赤外線を受光して伝送する光ファイバと、互いに異なる分光感度特性を有し、赤外線を受光してそのエネルギー及び分光感度特性に応じた電気信号を生成する第１及び第２の光電変換素子１３，１４と、生成電気信号を基に被測定対象物の温度を算出する温度算出部と、吸熱電極２１ａと放熱電極２１ｂとを有するペルチェ素子２１と、各光電変換素子１３，１４及びペルチェ素子２１を収納，保持する収納容器３０とを備える。第１光電変換素子１３は、第２光電変換素子１４の上側に配設され、光ファイバにより伝送され収納容器３０の透過板３２を透過した赤外線を受光する。第２光電変換素子１４は、ペルチェ素子２１の吸熱電極２１ａ表面に配設され、第１光電変換素子１３を透過した赤外線を受光する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定対象物表面から放射される赤外線を基に、当該被測定対象物の温度を測定する温度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、機械加工の分野では、ワークの加工時に発生する熱が工具に与える影響（例えば、工具温度が工具摩耗特性に与える影響）などを分析するために、適宜温度測定装置を用いて加工中の工具刃部温度を測定することがある。
【０００３】
このような温度測定装置には、測定対象の工具がエンドミルなどの回転工具であると、これが高速で回転することから、高応答特性を備えていることが要求され、また、測定対象が工具の刃部という微小な領域であることから、当該微小領域の温度を高精度に測定可能であることが要求されており、本願発明者らは、従来、非特許文献１に記載されているような温度測定装置を提案している。
【０００４】
この温度測定装置１００は、前記非特許文献１において図示されてはいないが、図８に示すような構成となっており、２重構造に形成され、外側の側壁１０１ａの底部側外周部に赤外線が透過可能となった透明な透過板１０２を備える収容容器１０１と、互いに異なる分光感度特性を有し、赤外線を受光してそのエネルギー及び当該分光感度特性に応じた電圧信号を生成する第１及び第２の光電変換素子１０４，１０５を備え、当該各光電変換素子１０４，１０５は、第１光電変換素子１０４が収容容器１０１の透過板１０２と対峙し、第２光電変換素子１０５が収容容器１０１の内側の側壁１０１ｂの底部側外周面に配置されて積層状に設けられる赤外線検出器１０３と、一端面が工具の刃部、他端面が収容容器１０１の透過板１０２とそれぞれ一定間隔を隔てて配置され、当該刃部表面から放射される赤外線を透過板１０２側に伝送する光ファイバ（図示せず）と、各光電変換素子１０４，１０５によってそれぞれ生成された電圧信号を基に、工具の刃部温度を算出する温度算出部（図示せず）などからなる。
【０００５】
前記収容容器１０１の内部には、赤外線検出器１０３の各光電変換素子１０４，１０５を冷却するための液体窒素Ｌが充填され、外側の側壁１０１ａと内側の側壁１０１ｂとの間は、透過板１０２に露や霜が付くのを防止すべく、真空にされている。
【０００６】
前記第１光電変換素子１０４は、ＩｎＡｓ（インジウムヒ素）素子からなり、光ファイバ（図示せず）によって伝送され収容容器１０１の透過板１０２を透過した赤外線を受光するとともに、当該赤外線を透過可能に構成される。また、前記第２光電変換素子１０５は、ＩｎＳｂ（インジウムアンチモン）素子からなり、第１光電変換素子１０４を透過した赤外線を受光するように構成される。
【０００７】
この温度測定装置１００によれば、工具刃部から放射される赤外線は、光ファイバ（図示せず）の一端面に受光されて、当該光ファイバにより伝送され、この後、収容容器１０１の透過板１０２を透過して、赤外線検出器１０３の第１光電変換素子１０４及び第２光電変換素子１０５により順次受光される。
【０００８】
そして、各光電変換素子１０４，１０５では、受光した赤外線のエネルギー（波長）及び分光感度特性に応じた生成レベルの電圧信号がそれぞれ生成され、温度算出部（図示せず）により、各光電変換素子１０４，１０５で生成された電圧信号を基に工具の刃部温度が算出される。
【０００９】
即ち、工具刃部から放射される赤外線は、その波長（エネルギー）が当該刃部の温度によって異なることから、各光電変換素子１０４，１０５では、受光した赤外線のエネルギーに応じた生成レベルの電圧信号が生成され、このようにして生成された各電圧信号から、温度算出部（図示せず）によって温度が算出されるのである。
【００１０】
ところが、光ファイバ（図示せず）は、その受光対象領域となる、被測定対象物（工具刃部）の所定領域から放射される赤外線を受光するようになっているため、この領域の大きさが変化すると、当該光ファイバによって受光される赤外線の受光量（各光電変換素子１０４，１０５に受光される赤外線の全エネルギー量）が変化して、当該各光電変換素子１０４，１０５で生成される電圧信号の生成レベルが変化する。
【００１１】
また、実際の測定において、光ファイバ（図示せず）の受光対象領域を常に一定の大きさにすることは難しい。
【００１２】
したがって、このように、電圧信号の生成レベルは、被測定対象物表面から放射される赤外線の波長、即ち、被測定対象物の温度のみならず、光ファイバ（図示せず）の受光対象領域から放射される赤外線の全エネルギー量、即ち、光ファイバの受光対象領域の大きさによっても異なるため、このままでは、光電変換素子１０４，１０５で生成された電圧信号から、工具の刃部温度を精度良く算出することはできない。
【００１３】
このため、温度算出部（図示せず）では、各光電変換素子１０４，１０５で生成された電圧信号を基にその比が算出されて、当該比から刃部温度が算出されるようになっている。電圧信号の比を採ることで、光ファイバ（図示せず）の受光対象領域の大きさ（光ファイバの受光対象領域から放射される赤外線の全エネルギー量）に依存せず、被測定対象物の温度（被測定対象物表面から放射される赤外線の波長）のみに依存したものとすることができ、これにより、温度が高精度に算出される。
【００１４】
尚、この温度測定装置１００では、各光電変換素子１０４，１０５が積層状に配置されているが、これは、各光電変換素子１０４，１０５をコンパクトに配置するためであり、また、例えば、光電変換素子１０４，１０５を水平方向に並べて配置すると、赤外線を２つの光路に分岐させなければならず、装置構成が複雑になるからである。
【００１５】
【非特許文献１】細川晃，小田健作，山田啓司，上田隆司，「断続切削における工具逃げ面温度」，精密工学会誌，社団法人精密工学会，平成１２年１１月５日，第６６巻，第１１号，ｐ．１７８６−ｐ．１７９１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところで、上記のように、従来の温度測定装置１００では、収容容器１０１の内部に液体窒素Ｌを充填して、この液体窒素Ｌにより赤外線検出器１０３の各光電変換素子１０４，１０５を冷却するようにしているが、これは、各光電変換素子１０４，１０５の温度が高いと、各光電変換素子１０４，１０５によって生成される電圧信号に多くのノイズが含まれ、高精度に温度を測定することができなくなるからである。
【００１７】
しかしながら、液体窒素Ｌにより冷却したのでは、液体窒素Ｌを充填する空間が必要なために装置１００構成が大きくなるという問題や、液体窒素Ｌを適宜補充しなければならないという問題があり、当該温度測定装置１００の使い勝手は悪かった。尚、液体窒素Ｌを使用しているのは、光電変換素子１０４，１０５の冷却温度が低温であるほど、生成電気信号に含まれるノイズが少なくなると一般的に言われていることや、液体窒素Ｌが入手容易だからである。
【００１８】
本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであって、従来に比べて使い勝手の良い温度測定装置の提供をその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するための本発明は、
被測定対象物の温度を測定する装置であって、
積層状に配設される第１及び第２の２つの光電変換素子を備え、該各光電変換素子は、互いに異なる分光感度特性を有し、赤外線を受光してそのエネルギー及び該分光感度特性に応じた電気信号を生成する赤外線検出手段と、
一端面が前記被測定対象物と、他端面が前記第１光電変換素子とそれぞれ一定間隔を隔てて配置され、該被測定対象物表面から放射される赤外線を前記第１光電変換素子に伝送する光ファイバと、
前記各光電変換素子によってそれぞれ生成された電気信号を基に、前記被測定対象物の温度を算出する温度算出手段と、
前記各光電変換素子を冷却する冷却手段とからなり、
前記第１光電変換素子は、前記光ファイバによって伝送された赤外線を受光するとともに、該赤外線を透過可能に構成され、前記第２光電変換素子は、前記第１光電変換素子を透過した赤外線を受光するように構成された温度測定装置において、
前記冷却手段は、吸熱電極と放熱電極とを備え、該吸熱電極表面に前記第２光電変換素子が配置されたペルチェ素子と、該ペルチェ素子に電力を供給してその吸熱電極の温度を低下させる電力供給手段とから構成されてなることを特徴とする温度測定装置に係る。
【００２０】
この発明によれば、冷却手段の電力供給手段からペルチェ素子に電力が供給されると、放熱電極側の温度が上昇し、吸熱電極側の温度が低下する。そして、温度が低下した吸熱電極によって、赤外線検出手段の各光電変換素子が、例えば、約−６０℃に冷却される。
【００２１】
被測定対象物の表面からは、当該被測定対象物の温度に応じた波長（エネルギー）の赤外線が放射されており、この赤外線が光ファイバの一端面に受光されると、受光された赤外線は、当該光ファイバによって伝送された後、赤外線検出手段の第１光電変換素子及び第２光電変換素子により順次受光される。
【００２２】
そして、各光電変換素子では、受光した赤外線のエネルギー（波長）及び分光感度特性に応じた生成レベルの電気信号がそれぞれ生成され、生成された各電気信号を基に、温度算出手段によって被測定対象物の温度が算出される。具体的には、例えば、各生成電気信号を基にその比が算出された後、算出された比を基に温度が算出される。
【００２３】
上述のように、温度測定装置において、各光電変換素子を冷却しているのは、当該各光電変換素子の温度が高いと、これらによって生成される電気信号に多くのノイズが含まれ、高精度に温度を測定することができなくなるからであり、また、液体窒素を使用しているのは、光電変換素子の冷却温度が低温であるほど、生成電気信号に含まれるノイズが少なくなると一般的に言われていることや、液体窒素が入手容易だからである。
【００２４】
本願発明者らが鋭意研究を重ねた結果、各光電変換素子の冷却温度は、液体窒素による約−２００℃のように極めて低温ではなく、ペルチェ素子の吸熱電極による約−６０℃でも、各光電変換素子によって生成される電気信号にノイズがさほど含まれず、液体窒素による冷却時と同等の精度で温度を測定可能であることが判明した。本発明は、かかる知見に基づいてなされたものである。
【００２５】
斯くして、本発明に係る温度測定装置によれば、各光電変換素子を、ペルチェ素子の吸熱電極表面に積層状に配置して当該ペルチェ素子により冷却しているので、当該各光電変換素子及びペルチェ素子をコンパクトに配置して、当該温度測定装置のコンパクト化を図ることができる。これにより、当該温度測定装置の使い勝手を良くすることができる。
【００２６】
尚、前記冷却手段は、前記２つの光電変換素子の一方若しくは両方の温度を検出する素子温度検出手段を更に備え、該素子温度検出手段によって検出される温度を基に、前記電力供給手段から前記ペルチェ素子に供給される電力を調整するように構成されていても良い。このようにすれば、各光電変換素子の温度を所望の温度に調整，制御するのに効率的である。
【００２７】
また、前記素子温度検出手段は、前記ペルチェ素子の吸熱電極と第２光電変換素子との間、又は、前記吸熱電極表面の第２光電変換素子側方に配設されて該吸熱電極の温度を検出するサーミスタから構成されていても良い。各光電変換素子が小さく薄い素子であることから、当該各光電変換素子とペルチェ素子の吸熱電極とは略同一温度になり、吸熱電極の温度を検出することで、各光電変換素子の温度を検出することができる。
【００２８】
また、前記温度測定装置は、前記ペルチェ素子，各光電変換素子及びサーミスタを収納，保持する収納容器を更に備え、該収納容器は、前記光ファイバの他端面と対峙する位置に、該光ファイバによって伝送された赤外線を内部に進入させるための開口部が形成されていても良い。このようにすれば、ペルチェ素子，各光電変換素子，サーミスタ及び収納容器を一体的に取り扱うことができ、便利である。
【００２９】
また、前記温度測定装置は、前記収納容器の外部に配置された放熱部材、及び該放熱部材とペルチェ素子の放熱電極とを接続する伝導部材を更に備えていても良い。このようにすれば、ペルチェ素子の放熱電極の熱を、伝導部材を介し放熱部材側に伝導させて当該放熱部材から放熱させることができるので、収納容器の内部に熱がこもって、ペルチェ素子の吸熱電極による各光電変換素子の冷却効率が低下するのを防止することができる。
【００３０】
また、前記２つの光電変換素子の内の一方は、ＩｎＡｓ（インジウムヒ素）素子から構成され、他方は、ＩｎＳｂ（インジウムアンチモン）素子から構成されていても良く、このようにすれば、被測定対象物が、例えば、切削工具であるときに、その温度を好適に測定することができる。これは、これらの素子が高応答特性を備え、また、加工中の工具（温度上昇した工具）から放射される赤外線の波長に対応した分光感度特性を備えているからである。
【００３１】
また、前記光ファイバは、その外周面が保護材によって被覆されていても良く、このようにすれば、光ファイバの取り扱いを容易にすることができる。
【発明の効果】
【００３２】
以上のように、本発明に係る温度測定装置によれば、ペルチェ素子によって各光電変換素子を冷却するようにしたので、当該温度測定装置をコンパクトにしてその使い勝手を良くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の具体的な実施形態について、添付図面に基づき説明する。尚、図１は、本発明の一実施形態に係る温度測定装置などの概略構成を示した斜視図であり、図２は、本実施形態に係る温度測定装置の概略構成を示した平面図である。また、図３は、本実施形態に係る赤外線検出器，温度算出部及び表示装置の概略構成を示したブロック図であり、図４は、本実施形態に係る冷却装置の概略構成を示したブロック図である。また、図５は、本実施形態に係るＩｎＡｓ素子，ＩｎＳｂ素子，ペルチェ素子，サーミスタ及び収納容器などの概略構成を示した断面図であり、図６は、光ファイバ及び工具の位置関係を示した斜視図である。
【００３４】
図１乃至図５に示すように、本例の温度測定装置１は、工作機械５０に付設されて工具Ｔの温度を測定するように構成されており、工具Ｔ表面から放射される赤外線を受光して伝送する光ファイバ１１と、積層状に配設され、光ファイバ１１によって伝送された赤外線を受光して電圧信号を生成するＩｎＡｓ（インジウムヒ素）素子１３及びＩｎＳｂ（インジウムアンチモン）素子１４を具備した赤外線検出器１２と、ＩｎＡｓ素子１３及びＩｎＳｂ素子１４によって生成された電圧信号を基に、工具Ｔの温度を算出する温度算出部１５と、温度算出部１５によって算出された温度を表示する表示装置１６と、吸熱電極２１ａと放熱電極２１ｂとを有するペルチェ素子２１を具備し、吸熱電極２１ａによってＩｎＡｓ素子１３及びＩｎＳｂ素子１４を冷却する冷却装置２０と、ＩｎＡｓ素子１３，ＩｎＳｂ素子１４及びペルチェ素子２１を収納，保持する収納容器３０と、光ファイバ１１が接続し、収納容器３０などが収納される筐体４０とを備えて構成される。
【００３５】
尚、ここで、前記工作機械５０について簡単に説明すると、この工作機械５０は、ベッド５１，コラム５２，主軸頭５３，主軸５４，サドル５５及びテーブル５６などからなり、主軸５４に工具Ｔが装着され、テーブル５６にワークＷが載置される。また、工具Ｔは、図６に示すように、先端部にチップＴａが設けられたエンドミルと呼ばれる回転工具である。
【００３６】
前記光ファイバ１１の一端面は、図６に示すように、チップＴａの切れ刃がワークＷと接触しなくなった（切削が終わった）状態から工具Ｔが軸中心に９０°水平回転したときに、チップＴａの逃げ面Ｔｂと一定間隔を隔てて対峙するように設けられ、当該逃げ面Ｔｂから放射される赤外線を受光するようになっており、本例では、チップＴａによる切削後、工具Ｔが９０°回転したときのチップ逃げ面Ｔｂの温度を測定する。
【００３７】
また、光ファイバ１１は、例えば、カルコゲナイドガラスやフッ化物ガラスから構成され、外周面は、例えば、ステンレス製のフレキシブルチューブ１１ａによって被覆，保護されており、他端側には、筐体４０の下部に取り付けるためのコネクタ１１ｂが設けられている。
【００３８】
前記収納容器３０は、上部が開口した容器本体３１と、容器本体３１の上部開口部を閉塞し、赤外線が透過可能となった透明な透過板３２と、下面が容器本体３１の底面に固設された第１支持板３３と、第１支持板３３の上面に立設された複数の第１支柱３４と、下面が第１支柱３４によって支持された第２支持板３５と、第２支持板３５の上面に立設され、ペルチェ素子２１の放熱電極２１ｂを支持する複数の第２支柱３６と、容器本体３１の下面に固設された放熱フィン３７と、容器本体３１の底面に形成された貫通穴３１ａ内に設けられ、第１支持板３３の下面と放熱フィン３７の上面とを接続する接続部材３８とから構成されており、透過板３２が下方を向くように筐体４０内に配置，支持されている。
【００３９】
前記第２支柱３６，第２支持板３５，第１支柱３４，第１支持板３３及び接続部材３８は、ペルチェ素子２１の放熱電極２１ｂの熱を放熱フィン３７に伝導させるためのものであり、放熱フィン３７は、これに伝導した熱を収納容器３０の外部に放熱させるためのものである。
【００４０】
前記ＩｎＳｂ素子１４は、冷却装置２０の後述するサーミスタ２３を介してペルチェ素子２１の吸熱電極２１ａ表面に配設され、ＩｎＡｓ素子１３は、ＩｎＳｂ素子１４表面に配設されている。
【００４１】
また、ＩｎＡｓ素子１３及びＩｎＳｂ素子１４は、図７に示すように、互いに異なる分光感度特性を有する光電変換素子であり、ＩｎＡｓ素子１３は、収納容器３０の透過板３２を透過した赤外線を受光して、そのエネルギー及び分光感度特性に応じた生成レベルの電圧信号を生成するとともに、当該赤外線を透過し、ＩｎＳｂ素子１４は、ＩｎＡｓ素子１３を透過した赤外線を受光して、そのエネルギー及び分光感度特性に応じた生成レベルの電圧信号を生成する。
【００４２】
前記冷却装置２０は、前記ペルチェ素子２１の他、ペルチェ素子２１に電力を供給してその吸熱電極２１ａの温度を低下させる電力供給部２２と、ペルチェ素子２１の吸熱電極２１ａとＩｎＳｂ素子１４との間に配設され、当該吸熱電極２１ａの温度を検出するサーミスタ２３と、サーミスタ２３によって検出される温度を基に、電力供給部２２からペルチェ素子２１に供給される電力を調整する供給電力制御部２４とを備える。
【００４３】
前記供給電力制御部２４は、サーミスタ２３によって検出される温度を基に、電力供給部２２からペルチェ素子２１に供給される電力を調整することで、例えば、吸熱電極２１ａの温度を、約−６０℃に調整，制御する。尚、ＩｎＡｓ素子１３，ＩｎＳｂ素子１４及びサーミスタ２３が小さく薄いものであることから、当該ＩｎＡｓ素子１３，ＩｎＳｂ素子１４及びサーミスタ２３とペルチェ素子２１の吸熱電極２１ａとは略同一温度になり、吸熱電極２１ａの温度を検出することで、ＩｎＡｓ素子１３及びＩｎＳｂ素子１４の温度を検出することができる。
【００４４】
前記温度算出部１５は、ＩｎＡｓ素子１３及びＩｎＳｂ素子１４によって生成された電圧信号を基にその比を算出し、算出した比からチップＴａの逃げ面Ｔｂの温度を算出する。具体的には、経験的に得られる電圧信号比と温度との関係に基づき、この算出した電圧信号比から温度を推定，算出する。
【００４５】
前記筐体４０は、主軸頭５３の前面に固設されたＬ字状の支持部材４１によって支持され、当該主軸頭５３の側面側に配置されており、光ファイバ１１のコネクタ１１ｂが接続して取り付けられる接続部４０ａを下面に備えている。また、この接続部４０ａには貫通穴４０ｂが形成されており、当該接続部４０ａに接続した光ファイバ１１の先端（他端）が筐体４０内部に突出して、収納容器３０の透過板３２と一定間隔を隔てて対峙するようになっている。
【００４６】
また、筐体４０には、温度算出部１５や、冷却装置２０の電力供給部２２及び供給電力制御部２４などが収められたケース４２が配設されている。
【００４７】
以上のように構成された本例の温度測定装置１によれば、以下のようにして工具Ｔのチップ逃げ面Ｔｂの温度を測定することができる。即ち、まず、支持部材４１により筐体４０を主軸頭５３に取り付け、当該筐体４０の接続部４０ａに光ファイバ１１のコネクタ１１ｂを接続し、光ファイバ１１の一端面を、チップＴａによる切削後、工具Ｔが９０°回転したときのチップＴａの逃げ面Ｔｂと一定間隔を隔てて対峙させる。
【００４８】
また、電力供給部２２からペルチェ素子２１に電力が供給されるとともに、サーミスタ２３により検出される温度を基に、供給電力制御部２４によって電力供給部２２からの供給電力が調整される。これにより、放熱電極２１ｂ側の温度が上昇し、吸熱電極２１ａ側の温度が低下して、当該吸熱電極２１ａにより、ＩｎＡｓ素子１３及びＩｎＳｂ素子１４の温度が約−６０℃に冷却される。
【００４９】
そして、工作機械５０において、工具Ｔが軸中心に回転してワークＷの加工が開始されると、当該工具ＴのチップＴａの逃げ面Ｔｂが光ファイバ１１の一端面の前方位置を通過する際に、チップＴａの逃げ面Ｔｂから放射される、その温度に応じた波長（エネルギー）の赤外線が光ファイバ１１の一端面に受光される。
【００５０】
受光された赤外線は、当該光ファイバ１１によって伝送され、収納容器３０の透過板３２を透過した後、赤外線検出器１２のＩｎＡｓ素子１３及びＩｎＳｂ素子１４によって順次受光される。
【００５１】
ＩｎＡｓ素子１３及びＩｎＳｂ素子１４では、受光した赤外線のエネルギー（波長）及び分光感度特性に応じた生成レベルの電圧信号がそれぞれ生成され、生成された各電圧信号を基に、温度算出部１５によってチップＴａの逃げ面Ｔｂの温度が算出され、算出された温度が表示装置１６に表示される。
【００５２】
ところで、光電変換素子（本例では、ＩｎＡｓ素子１３及びＩｎＳｂ素子１４）を冷却しているのは、当該各光電変換素子の温度が高いと、これらによって生成される電圧信号に多くのノイズが含まれ、高精度に温度を測定することができなくなるからであり、また、従来の温度測定装置１００において液体窒素Ｌを使用していたのは、光電変換素子の冷却温度が低温であるほど、生成電圧信号に含まれるノイズが少なくなると一般的に言われていることや、液体窒素Ｌが入手容易だからである。
【００５３】
本願発明者らが鋭意研究を重ねた結果、光電変換素子の冷却温度は、液体窒素Ｌによる約−２００℃のように極めて低温ではなく、ペルチェ素子２１の吸熱電極２１ａによる約−６０℃でも、各光電変換素子によって生成される電圧信号にノイズがさほど含まれず、液体窒素Ｌによる冷却時と同等の精度で温度を測定可能であることが判明した。本発明は、かかる知見に基づいてなされたものである。
【００５４】
斯くして、本例の温度測定装置１によれば、ＩｎＡｓ素子１３及びＩｎＳｂ素子１４を、ペルチェ素子２１の吸熱電極２１ａ表面に積層状に配置して当該ペルチェ素子２１により冷却しているので、当該ＩｎＡｓ素子１３，ＩｎＳｂ素子１４及びペルチェ素子２１をコンパクトに配置して、当該温度測定装置１のコンパクト化を図ることができる。これにより、当該温度測定装置１の使い勝手を良くすることができる。
【００５５】
また、供給電力制御部２４により、サーミスタ２３によって検出される温度を基に、電力供給部２２からペルチェ素子２１に供給される電力を調整して、吸熱電極２１ａ（ＩｎＡｓ素子１３及びＩｎＳｂ素子１４）の温度を約−６０℃に調整，制御しているので、これらＩｎＡｓ素子１３及びＩｎＳｂ素子１４の温度を効率的に調整，制御することができる。
【００５６】
また、ＩｎＡｓ素子１３，ＩｎＳｂ素子１４及びサーミスタ２３を、ペルチェ素子２１の吸熱電極２１ａ表面上に積層状に配置し、これらを収納容器３０内に収納，保持して一体的に設けているので、ＩｎＡｓ素子１３，ＩｎＳｂ素子１４，サーミスタ２３及び収納容器３０をコンパクトな構成とすることができる。
【００５７】
また、ペルチェ素子２１の放熱電極２１ｂの熱を、第２支柱３６，第２支持板３５，第１支柱３４，第１支持板３３及び接続部材３８を介して放熱フィン３７に伝導させ、当該放熱フィン３７から放熱させるようにしているので、収納容器３０の内部に熱がこもって、ペルチェ素子２１の吸熱電極２１ａによるＩｎＡｓ素子１３及びＩｎＳｂ素子１４の冷却効率が低下するのを防止することができる。
【００５８】
また、ＩｎＡｓ素子１３及びＩｎＳｂ素子１４が、高応答特性を有し、また、加工中のチップＴａの逃げ面Ｔｂ（温度上昇したチップＴａの逃げ面Ｔｂ）から放射される赤外線の波長に対応した分光感度特性を有していることから、当該チップ逃げ面Ｔｂの温度を高精度に測定することができる。
【００５９】
また、光ファイバ１１をステンレス製のフレキシブルチューブ１１ａによって被覆，保護しているので、当該光ファイバ１１の取り扱いを容易にすることができ、また、光ファイバ１１を、コネクタ１１ｂにより筐体４０の接続部４０ｂに取り付けるようにしているので、光ファイバ１１の他端側とＩｎＡｓ素子１３及びＩｎＳｂ素子１４との位置合わせを不要にすることができ、光ファイバ１１の取付を容易に行うことができる。
【００６０】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の採り得る具体的な態様は、何らこれに限定されるものではない。
【００６１】
上例では、チップＴａによる切削後、工具Ｔが９０°回転したときのチップ逃げ面Ｔｂの温度を測定するようにしたが、これに限られるものではなく、例えば、工具Ｔが１８０°回転したときや、２７０°回転したときの温度を測定しても良い。但し、工具Ｔの回転角度が大きくなれば、エアカット時間が長くなって工具Ｔの温度が低下する点に注意する必要がある。
【００６２】
また、回転工具Ｔに代えて旋削工具の温度を測定したり、工具以外の温度を測定するようにしても良く、温度測定対象物は、工具に限定されるものではない。また、光電変換素子についても、上例のＩｎＡｓ素子１３やＩｎＳｂ素子１４に限定されるものではない。また、サーミスタ２３は、ペルチェ素子２１の吸熱電極２１ａとＩｎＳｂ素子１４との間に配設するのではなく、当該吸熱電極２１ａ表面のＩｎＳｂ素子１４側方に配置しても良い。尚、この場合、ＩｎＳｂ素子１４は、吸熱電極２１ａ表面に直接配設される。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の一実施形態に係る温度測定装置などの概略構成を示した斜視図である。
【図２】本実施形態に係る温度測定装置の概略構成を示した平面図である。
【図３】本実施形態に係る赤外線検出器，温度算出部及び表示装置の概略構成を示したブロック図である。
【図４】本実施形態に係る冷却装置の概略構成を示したブロック図である。
【図５】本実施形態に係るＩｎＡｓ素子，ＩｎＳｂ素子，ペルチェ素子，サーミスタ及び収納容器などの概略構成を示した断面図である。
【図６】光ファイバ及び工具の位置関係を示した斜視図である。
【図７】ＩｎＡｓ素子及びＩｎＳｂ素子の分光感度特性を示したグラフである。
【図８】従来例に係る温度測定装置の概略構成を示した斜視図である。
【符号の説明】
【００６４】
１ 温度測定装置
１１ 光ファイバ
１１ａ フレキシブルチューブ
１２ 赤外線検出器
１３ ＩｎＡｓ素子
１４ ＩｎＳｂ素子
１５ 温度算出部
１６ 表示装置
２０ 冷却装置
２１ ペルチェ素子
２１ａ 吸熱電極
２１ｂ 放熱電極
２２ 電力供給部
２３ サーミスタ
２４ 供給電力制御部
３０ 収納容器
３１ 容器本体
３２ 透過板
３３ 第１支持板
３４ 第１支柱
３５ 第２支持板
３６ 第２支柱
３７ 放熱フィン
４０ 筐体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定対象物表面から放射される赤外線を基に、当該被測定対象物の温度を測定する温度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、機械加工の分野では、ワークの加工時に発生する熱が工具に与える影響（例えば、工具温度が工具摩耗特性に与える影響）などを分析するために、適宜温度測定装置を用いて加工中の工具刃部温度を測定することがある。
【０００３】
このような温度測定装置には、測定対象の工具がエンドミルなどの回転工具であると、これが高速で回転することから、高応答特性を備えていることが要求され、また、測定対象が工具の刃部という微小な領域であることから、当該微小領域の温度を高精度に測定可能であることが要求されており、本願発明者らは、従来、非特許文献１に記載されているような温度測定装置を提案している。
【０００４】
この温度測定装置１００は、前記非特許文献１において図示されてはいないが、図８に示すような構成となっており、２重構造に形成され、外側の側壁１０１ａの底部側外周部に赤外線が透過可能となった透明な透過板１０２を備える収容容器１０１と、互いに異なる分光感度特性を有し、赤外線を受光してそのエネルギー及び当該分光感度特性に応じた電圧信号を生成する第１及び第２の光電変換素子１０４，１０５を備え、当該各光電変換素子１０４，１０５は、第１光電変換素子１０４が収容容器１０１の透過板１０２と対峙し、第２光電変換素子１０５が収容容器１０１の内側の側壁１０１ｂの底部側外周面に配置されて積層状に設けられる赤外線検出器１０３と、一端面が工具の刃部、他端面が収容容器１０１の透過板１０２とそれぞれ一定間隔を隔てて配置され、当該刃部表面から放射される赤外線を透過板１０２側に伝送する光ファイバ（図示せず）と、各光電変換素子１０４，１０５によってそれぞれ生成された電圧信号を基に、工具の刃部温度を算出する温度算出部（図示せず）などからなる。
【０００５】
前記収容容器１０１の内部には、赤外線検出器１０３の各光電変換素子１０４，１０５を冷却するための液体窒素Ｌが充填され、外側の側壁１０１ａと内側の側壁１０１ｂとの間は、透過板１０２に露や霜が付くのを防止すべく、真空にされている。
【０００６】
前記第１光電変換素子１０４は、ＩｎＡｓ（インジウムヒ素）素子からなり、光ファイバ（図示せず）によって伝送され収容容器１０１の透過板１０２を透過した赤外線を受光するとともに、当該赤外線を透過可能に構成される。また、前記第２光電変換素子１０５は、ＩｎＳｂ（インジウムアンチモン）素子からなり、第１光電変換素子１０４を透過した赤外線を受光するように構成される。
【０００７】
この温度測定装置１００によれば、工具刃部から放射される赤外線は、光ファイバ（図示せず）の一端面に受光されて、当該光ファイバにより伝送され、この後、収容容器１０１の透過板１０２を透過して、赤外線検出器１０３の第１光電変換素子１０４及び第２光電変換素子１０５により順次受光される。
【０００８】
そして、各光電変換素子１０４，１０５では、受光した赤外線のエネルギー（波長）及び分光感度特性に応じた生成レベルの電圧信号がそれぞれ生成され、温度算出部（図示せず）により、各光電変換素子１０４，１０５で生成された電圧信号を基に工具の刃部温度が算出される。
【０００９】
即ち、工具刃部から放射される赤外線は、その波長（エネルギー）が当該刃部の温度によって異なることから、各光電変換素子１０４，１０５では、受光した赤外線のエネルギーに応じた生成レベルの電圧信号が生成され、このようにして生成された各電圧信号から、温度算出部（図示せず）によって温度が算出されるのである。
【００１０】
ところが、光ファイバ（図示せず）は、その受光対象領域となる、被測定対象物（工具刃部）の所定領域から放射される赤外線を受光するようになっているため、この領域の大きさが変化すると、当該光ファイバによって受光される赤外線の受光量（各光電変換素子１０４，１０５に受光される赤外線の全エネルギー量）が変化して、当該各光電変換素子１０４，１０５で生成される電圧信号の生成レベルが変化する。
【００１１】
また、実際の測定において、光ファイバ（図示せず）の受光対象領域を常に一定の大きさにすることは難しい。
【００１２】
したがって、このように、電圧信号の生成レベルは、被測定対象物表面から放射される赤外線の波長、即ち、被測定対象物の温度のみならず、光ファイバ（図示せず）の受光対象領域から放射される赤外線の全エネルギー量、即ち、光ファイバの受光対象領域の大きさによっても異なるため、このままでは、光電変換素子１０４，１０５で生成された電圧信号から、工具の刃部温度を精度良く算出することはできない。
【００１３】
このため、温度算出部（図示せず）では、各光電変換素子１０４，１０５で生成された電圧信号を基にその比が算出されて、当該比から刃部温度が算出されるようになっている。電圧信号の比を採ることで、光ファイバ（図示せず）の受光対象領域の大きさ（光ファイバの受光対象領域から放射される赤外線の全エネルギー量）に依存せず、被測定対象物の温度（被測定対象物表面から放射される赤外線の波長）のみに依存したものとすることができ、これにより、温度が高精度に算出される。
【００１４】
尚、この温度測定装置１００では、各光電変換素子１０４，１０５が積層状に配置されているが、これは、各光電変換素子１０４，１０５をコンパクトに配置するためであり、また、例えば、光電変換素子１０４，１０５を水平方向に並べて配置すると、赤外線を２つの光路に分岐させなければならず、装置構成が複雑になるからである。
【００１５】
【非特許文献１】細川晃，小田健作，山田啓司，上田隆司，「断続切削における工具逃げ面温度」，精密工学会誌，社団法人精密工学会，平成１２年１１月５日，第６６巻，第１１号，ｐ．１７８６−ｐ．１７９１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところで、上記のように、従来の温度測定装置１００では、収容容器１０１の内部に液体窒素Ｌを充填して、この液体窒素Ｌにより赤外線検出器１０３の各光電変換素子１０４，１０５を冷却するようにしているが、これは、各光電変換素子１０４，１０５の温度が高いと、各光電変換素子１０４，１０５によって生成される電圧信号に多くのノイズが含まれ、高精度に温度を測定することができなくなるからである。
【００１７】
しかしながら、液体窒素Ｌにより冷却したのでは、液体窒素Ｌを充填する空間が必要なために装置１００構成が大きくなるという問題や、液体窒素Ｌを適宜補充しなければならないという問題があり、当該温度測定装置１００の使い勝手は悪かった。尚、液体窒素Ｌを使用しているのは、光電変換素子１０４，１０５の冷却温度が低温であるほど、生成電気信号に含まれるノイズが少なくなると一般的に言われていることや、液体窒素Ｌが入手容易だからである。
【００１８】
本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであって、従来に比べて使い勝手の良い温度測定装置の提供をその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するための本発明は、
被測定対象物の温度を測定する装置であって、
積層状に配設される第１及び第２の２つの光電変換素子を備え、該各光電変換素子は、互いに異なる分光感度特性を有し、赤外線を受光してそのエネルギー及び該分光感度特性に応じた電気信号を生成する赤外線検出手段と、
一端面が前記被測定対象物と、他端面が前記第１光電変換素子とそれぞれ一定間隔を隔てて配置され、該被測定対象物表面から放射される赤外線を前記第１光電変換素子に伝送する光ファイバと、
前記各光電変換素子によってそれぞれ生成された電気信号を基に、前記被測定対象物の温度を算出する温度算出手段と、
前記各光電変換素子を冷却する冷却手段とからなり、
前記第１光電変換素子は、前記光ファイバによって伝送された赤外線を受光するとともに、該赤外線を透過可能に構成され、前記第２光電変換素子は、前記第１光電変換素子を透過した赤外線を受光するように構成された温度測定装置において、
前記冷却手段は、吸熱電極と放熱電極とを備え、該吸熱電極表面に前記第２光電変換素子が配置されたペルチェ素子と、該ペルチェ素子に電力を供給してその吸熱電極の温度を低下させる電力供給手段とから構成されてなることを特徴とする温度測定装置に係る。
【００２０】
この発明によれば、冷却手段の電力供給手段からペルチェ素子に電力が供給されると、放熱電極側の温度が上昇し、吸熱電極側の温度が低下する。そして、温度が低下した吸熱電極によって、赤外線検出手段の各光電変換素子が、例えば、約−６０℃に冷却される。
【００２１】
被測定対象物の表面からは、当該被測定対象物の温度に応じた波長（エネルギー）の赤外線が放射されており、この赤外線が光ファイバの一端面に受光されると、受光された赤外線は、当該光ファイバによって伝送された後、赤外線検出手段の第１光電変換素子及び第２光電変換素子により順次受光される。
【００２２】
そして、各光電変換素子では、受光した赤外線のエネルギー（波長）及び分光感度特性に応じた生成レベルの電気信号がそれぞれ生成され、生成された各電気信号を基に、温度算出手段によって被測定対象物の温度が算出される。具体的には、例えば、各生成電気信号を基にその比が算出された後、算出された比を基に温度が算出される。
【００２３】
上述のように、温度測定装置において、各光電変換素子を冷却しているのは、当該各光電変換素子の温度が高いと、これらによって生成される電気信号に多くのノイズが含まれ、高精度に温度を測定することができなくなるからであり、また、液体窒素を使用しているのは、光電変換素子の冷却温度が低温であるほど、生成電気信号に含まれるノイズが少なくなると一般的に言われていることや、液体窒素が入手容易だからである。
【００２４】
本願発明者らが鋭意研究を重ねた結果、各光電変換素子の冷却温度は、液体窒素による約−２００℃のように極めて低温ではなく、ペルチェ素子の吸熱電極による約−６０℃でも、各光電変換素子によって生成される電気信号にノイズがさほど含まれず、液体窒素による冷却時と同等の精度で温度を測定可能であることが判明した。本発明は、かかる知見に基づいてなされたものである。
【００２５】
斯くして、本発明に係る温度測定装置によれば、各光電変換素子を、ペルチェ素子の吸熱電極表面に積層状に配置して当該ペルチェ素子により冷却しているので、当該各光電変換素子及びペルチェ素子をコンパクトに配置して、当該温度測定装置のコンパクト化を図ることができる。これにより、当該温度測定装置の使い勝手を良くすることができる。
【００２６】
尚、前記冷却手段は、前記２つの光電変換素子の一方若しくは両方の温度を検出する素子温度検出手段を更に備え、該素子温度検出手段によって検出される温度を基に、前記電力供給手段から前記ペルチェ素子に供給される電力を調整するように構成されていても良い。このようにすれば、各光電変換素子の温度を所望の温度に調整，制御するのに効率的である。
【００２７】
また、前記素子温度検出手段は、前記ペルチェ素子の吸熱電極と第２光電変換素子との間、又は、前記吸熱電極表面の第２光電変換素子側方に配設されて該吸熱電極の温度を検出するサーミスタから構成されていても良い。各光電変換素子が小さく薄い素子であることから、当該各光電変換素子とペルチェ素子の吸熱電極とは略同一温度になり、吸熱電極の温度を検出することで、各光電変換素子の温度を検出することができる。
【００２８】
また、前記温度測定装置は、前記ペルチェ素子，各光電変換素子及びサーミスタを収納，保持する収納容器を更に備え、該収納容器は、前記光ファイバの他端面と対峙する位置に、該光ファイバによって伝送された赤外線を内部に進入させるための開口部が形成されていても良い。このようにすれば、ペルチェ素子，各光電変換素子，サーミスタ及び収納容器を一体的に取り扱うことができ、便利である。
【００２９】
また、前記温度測定装置は、前記収納容器の外部に配置された放熱部材、及び該放熱部材とペルチェ素子の放熱電極とを接続する伝導部材を更に備えていても良い。このようにすれば、ペルチェ素子の放熱電極の熱を、伝導部材を介し放熱部材側に伝導させて当該放熱部材から放熱させることができるので、収納容器の内部に熱がこもって、ペルチェ素子の吸熱電極による各光電変換素子の冷却効率が低下するのを防止することができる。
【００３０】
また、前記２つの光電変換素子の内の一方は、ＩｎＡｓ（インジウムヒ素）素子から構成され、他方は、ＩｎＳｂ（インジウムアンチモン）素子から構成されていても良く、このようにすれば、被測定対象物が、例えば、切削工具であるときに、その温度を好適に測定することができる。これは、これらの素子が高応答特性を備え、また、加工中の工具（温度上昇した工具）から放射される赤外線の波長に対応した分光感度特性を備えているからである。
【００３１】
また、前記光ファイバは、その外周面が保護材によって被覆されていても良く、このようにすれば、光ファイバの取り扱いを容易にすることができる。
【発明の効果】
【００３２】
以上のように、本発明に係る温度測定装置によれば、ペルチェ素子によって各光電変換素子を冷却するようにしたので、当該温度測定装置をコンパクトにしてその使い勝手を良くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の具体的な実施形態について、添付図面に基づき説明する。尚、図１は、本発明の一実施形態に係る温度測定装置などの概略構成を示した斜視図であり、図２は、本実施形態に係る温度測定装置の概略構成を示した平面図である。また、図３は、本実施形態に係る赤外線検出器，温度算出部及び表示装置の概略構成を示したブロック図であり、図４は、本実施形態に係る冷却装置の概略構成を示したブロック図である。また、図５は、本実施形態に係るＩｎＡｓ素子，ＩｎＳｂ素子，ペルチェ素子，サーミスタ及び収納容器などの概略構成を示した断面図であり、図６は、光ファイバ及び工具の位置関係を示した斜視図である。
【００３４】
図１乃至図５に示すように、本例の温度測定装置１は、工作機械５０に付設されて工具Ｔの温度を測定するように構成されており、工具Ｔ表面から放射される赤外線を受光して伝送する光ファイバ１１と、積層状に配設され、光ファイバ１１によって伝送された赤外線を受光して電圧信号を生成するＩｎＡｓ（インジウムヒ素）素子１３及びＩｎＳｂ（インジウムアンチモン）素子１４を具備した赤外線検出器１２と、ＩｎＡｓ素子１３及びＩｎＳｂ素子１４によって生成された電圧信号を基に、工具Ｔの温度を算出する温度算出部１５と、温度算出部１５によって算出された温度を表示する表示装置１６と、吸熱電極２１ａと放熱電極２１ｂとを有するペルチェ素子２１を具備し、吸熱電極２１ａによってＩｎＡｓ素子１３及びＩｎＳｂ素子１４を冷却する冷却装置２０と、ＩｎＡｓ素子１３，ＩｎＳｂ素子１４及びペルチェ素子２１を収納，保持する収納容器３０と、光ファイバ１１が接続し、収納容器３０などが収納される筐体４０とを備えて構成される。
【００３５】
尚、ここで、前記工作機械５０について簡単に説明すると、この工作機械５０は、ベッド５１，コラム５２，主軸頭５３，主軸５４，サドル５５及びテーブル５６などからなり、主軸５４に工具Ｔが装着され、テーブル５６にワークＷが載置される。また、工具Ｔは、図６に示すように、先端部にチップＴａが設けられたエンドミルと呼ばれる回転工具である。
【００３６】
前記光ファイバ１１の一端面は、図６に示すように、チップＴａの切れ刃がワークＷと接触しなくなった（切削が終わった）状態から工具Ｔが軸中心に９０°水平回転したときに、チップＴａの逃げ面Ｔｂと一定間隔を隔てて対峙するように設けられ、当該逃げ面Ｔｂから放射される赤外線を受光するようになっており、本例では、チップＴａによる切削後、工具Ｔが９０°回転したときのチップ逃げ面Ｔｂの温度を測定する。
【００３７】
また、光ファイバ１１は、例えば、カルコゲナイドガラスやフッ化物ガラスから構成され、外周面は、例えば、ステンレス製のフレキシブルチューブ１１ａによって被覆，保護されており、他端側には、筐体４０の下部に取り付けるためのコネクタ１１ｂが設けられている。
【００３８】
前記収納容器３０は、上部が開口した容器本体３１と、容器本体３１の上部開口部を閉塞し、赤外線が透過可能となった透明な透過板３２と、下面が容器本体３１の底面に固設された第１支持板３３と、第１支持板３３の上面に立設された複数の第１支柱３４と、下面が第１支柱３４によって支持された第２支持板３５と、第２支持板３５の上面に立設され、ペルチェ素子２１の放熱電極２１ｂを支持する複数の第２支柱３６と、容器本体３１の下面に固設された放熱フィン３７と、容器本体３１の底面に形成された貫通穴３１ａ内に設けられ、第１支持板３３の下面と放熱フィン３７の上面とを接続する接続部材３８とから構成されており、透過板３２が下方を向くように筐体４０内に配置，支持されている。
【００３９】
前記第２支柱３６，第２支持板３５，第１支柱３４，第１支持板３３及び接続部材３８は、ペルチェ素子２１の放熱電極２１ｂの熱を放熱フィン３７に伝導させるためのものであり、放熱フィン３７は、これに伝導した熱を収納容器３０の外部に放熱させるためのものである。
【００４０】
前記ＩｎＳｂ素子１４は、冷却装置２０の後述するサーミスタ２３を介してペルチェ素子２１の吸熱電極２１ａ表面に配設され、ＩｎＡｓ素子１３は、ＩｎＳｂ素子１４表面に配設されている。
【００４１】
また、ＩｎＡｓ素子１３及びＩｎＳｂ素子１４は、図７に示すように、互いに異なる分光感度特性を有する光電変換素子であり、ＩｎＡｓ素子１３は、収納容器３０の透過板３２を透過した赤外線を受光して、そのエネルギー及び分光感度特性に応じた生成レベルの電圧信号を生成するとともに、当該赤外線を透過し、ＩｎＳｂ素子１４は、ＩｎＡｓ素子１３を透過した赤外線を受光して、そのエネルギー及び分光感度特性に応じた生成レベルの電圧信号を生成する。
【００４２】
前記冷却装置２０は、前記ペルチェ素子２１の他、ペルチェ素子２１に電力を供給してその吸熱電極２１ａの温度を低下させる電力供給部２２と、ペルチェ素子２１の吸熱電極２１ａとＩｎＳｂ素子１４との間に配設され、当該吸熱電極２１ａの温度を検出するサーミスタ２３と、サーミスタ２３によって検出される温度を基に、電力供給部２２からペルチェ素子２１に供給される電力を調整する供給電力制御部２４とを備える。
【００４３】
前記供給電力制御部２４は、サーミスタ２３によって検出される温度を基に、電力供給部２２からペルチェ素子２１に供給される電力を調整することで、例えば、吸熱電極２１ａの温度を、約−６０℃に調整，制御する。尚、ＩｎＡｓ素子１３，ＩｎＳｂ素子１４及びサーミスタ２３が小さく薄いものであることから、当該ＩｎＡｓ素子１３，ＩｎＳｂ素子１４及びサーミスタ２３とペルチェ素子２１の吸熱電極２１ａとは略同一温度になり、吸熱電極２１ａの温度を検出することで、ＩｎＡｓ素子１３及びＩｎＳｂ素子１４の温度を検出することができる。
【００４４】
前記温度算出部１５は、ＩｎＡｓ素子１３及びＩｎＳｂ素子１４によって生成された電圧信号を基にその比を算出し、算出した比からチップＴａの逃げ面Ｔｂの温度を算出する。具体的には、経験的に得られる電圧信号比と温度との関係に基づき、この算出した電圧信号比から温度を推定，算出する。
【００４５】
前記筐体４０は、主軸頭５３の前面に固設されたＬ字状の支持部材４１によって支持され、当該主軸頭５３の側面側に配置されており、光ファイバ１１のコネクタ１１ｂが接続して取り付けられる接続部４０ａを下面に備えている。また、この接続部４０ａには貫通穴４０ｂが形成されており、当該接続部４０ａに接続した光ファイバ１１の先端（他端）が筐体４０内部に突出して、収納容器３０の透過板３２と一定間隔を隔てて対峙するようになっている。
【００４６】
また、筐体４０には、温度算出部１５や、冷却装置２０の電力供給部２２及び供給電力制御部２４などが収められたケース４２が配設されている。
【００４７】
以上のように構成された本例の温度測定装置１によれば、以下のようにして工具Ｔのチップ逃げ面Ｔｂの温度を測定することができる。即ち、まず、支持部材４１により筐体４０を主軸頭５３に取り付け、当該筐体４０の接続部４０ａに光ファイバ１１のコネクタ１１ｂを接続し、光ファイバ１１の一端面を、チップＴａによる切削後、工具Ｔが９０°回転したときのチップＴａの逃げ面Ｔｂと一定間隔を隔てて対峙させる。
【００４８】
また、電力供給部２２からペルチェ素子２１に電力が供給されるとともに、サーミスタ２３により検出される温度を基に、供給電力制御部２４によって電力供給部２２からの供給電力が調整される。これにより、放熱電極２１ｂ側の温度が上昇し、吸熱電極２１ａ側の温度が低下して、当該吸熱電極２１ａにより、ＩｎＡｓ素子１３及びＩｎＳｂ素子１４の温度が約−６０℃に冷却される。
【００４９】
そして、工作機械５０において、工具Ｔが軸中心に回転してワークＷの加工が開始されると、当該工具ＴのチップＴａの逃げ面Ｔｂが光ファイバ１１の一端面の前方位置を通過する際に、チップＴａの逃げ面Ｔｂから放射される、その温度に応じた波長（エネルギー）の赤外線が光ファイバ１１の一端面に受光される。
【００５０】
受光された赤外線は、当該光ファイバ１１によって伝送され、収納容器３０の透過板３２を透過した後、赤外線検出器１２のＩｎＡｓ素子１３及びＩｎＳｂ素子１４によって順次受光される。
【００５１】
ＩｎＡｓ素子１３及びＩｎＳｂ素子１４では、受光した赤外線のエネルギー（波長）及び分光感度特性に応じた生成レベルの電圧信号がそれぞれ生成され、生成された各電圧信号を基に、温度算出部１５によってチップＴａの逃げ面Ｔｂの温度が算出され、算出された温度が表示装置１６に表示される。
【００５２】
ところで、光電変換素子（本例では、ＩｎＡｓ素子１３及びＩｎＳｂ素子１４）を冷却しているのは、当該各光電変換素子の温度が高いと、これらによって生成される電圧信号に多くのノイズが含まれ、高精度に温度を測定することができなくなるからであり、また、従来の温度測定装置１００において液体窒素Ｌを使用していたのは、光電変換素子の冷却温度が低温であるほど、生成電圧信号に含まれるノイズが少なくなると一般的に言われていることや、液体窒素Ｌが入手容易だからである。
【００５３】
本願発明者らが鋭意研究を重ねた結果、光電変換素子の冷却温度は、液体窒素Ｌによる約−２００℃のように極めて低温ではなく、ペルチェ素子２１の吸熱電極２１ａによる約−６０℃でも、各光電変換素子によって生成される電圧信号にノイズがさほど含まれず、液体窒素Ｌによる冷却時と同等の精度で温度を測定可能であることが判明した。本発明は、かかる知見に基づいてなされたものである。
【００５４】
斯くして、本例の温度測定装置１によれば、ＩｎＡｓ素子１３及びＩｎＳｂ素子１４を、ペルチェ素子２１の吸熱電極２１ａ表面に積層状に配置して当該ペルチェ素子２１により冷却しているので、当該ＩｎＡｓ素子１３，ＩｎＳｂ素子１４及びペルチェ素子２１をコンパクトに配置して、当該温度測定装置１のコンパクト化を図ることができる。これにより、当該温度測定装置１の使い勝手を良くすることができる。
【００５５】
また、供給電力制御部２４により、サーミスタ２３によって検出される温度を基に、電力供給部２２からペルチェ素子２１に供給される電力を調整して、吸熱電極２１ａ（ＩｎＡｓ素子１３及びＩｎＳｂ素子１４）の温度を約−６０℃に調整，制御しているので、これらＩｎＡｓ素子１３及びＩｎＳｂ素子１４の温度を効率的に調整，制御することができる。
【００５６】
また、ＩｎＡｓ素子１３，ＩｎＳｂ素子１４及びサーミスタ２３を、ペルチェ素子２１の吸熱電極２１ａ表面上に積層状に配置し、これらを収納容器３０内に収納，保持して一体的に設けているので、ＩｎＡｓ素子１３，ＩｎＳｂ素子１４，サーミスタ２３及び収納容器３０をコンパクトな構成とすることができる。
【００５７】
また、ペルチェ素子２１の放熱電極２１ｂの熱を、第２支柱３６，第２支持板３５，第１支柱３４，第１支持板３３及び接続部材３８を介して放熱フィン３７に伝導させ、当該放熱フィン３７から放熱させるようにしているので、収納容器３０の内部に熱がこもって、ペルチェ素子２１の吸熱電極２１ａによるＩｎＡｓ素子１３及びＩｎＳｂ素子１４の冷却効率が低下するのを防止することができる。
【００５８】
また、ＩｎＡｓ素子１３及びＩｎＳｂ素子１４が、高応答特性を有し、また、加工中のチップＴａの逃げ面Ｔｂ（温度上昇したチップＴａの逃げ面Ｔｂ）から放射される赤外線の波長に対応した分光感度特性を有していることから、当該チップ逃げ面Ｔｂの温度を高精度に測定することができる。
【００５９】
また、光ファイバ１１をステンレス製のフレキシブルチューブ１１ａによって被覆，保護しているので、当該光ファイバ１１の取り扱いを容易にすることができ、また、光ファイバ１１を、コネクタ１１ｂにより筐体４０の接続部４０ｂに取り付けるようにしているので、光ファイバ１１の他端側とＩｎＡｓ素子１３及びＩｎＳｂ素子１４との位置合わせを不要にすることができ、光ファイバ１１の取付を容易に行うことができる。
【００６０】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の採り得る具体的な態様は、何らこれに限定されるものではない。
【００６１】
上例では、チップＴａによる切削後、工具Ｔが９０°回転したときのチップ逃げ面Ｔｂの温度を測定するようにしたが、これに限られるものではなく、例えば、工具Ｔが１８０°回転したときや、２７０°回転したときの温度を測定しても良い。但し、工具Ｔの回転角度が大きくなれば、エアカット時間が長くなって工具Ｔの温度が低下する点に注意する必要がある。
【００６２】
また、回転工具Ｔに代えて旋削工具の温度を測定したり、工具以外の温度を測定するようにしても良く、温度測定対象物は、工具に限定されるものではない。また、光電変換素子についても、上例のＩｎＡｓ素子１３やＩｎＳｂ素子１４に限定されるものではない。また、サーミスタ２３は、ペルチェ素子２１の吸熱電極２１ａとＩｎＳｂ素子１４との間に配設するのではなく、当該吸熱電極２１ａ表面のＩｎＳｂ素子１４側方に配置しても良い。尚、この場合、ＩｎＳｂ素子１４は、吸熱電極２１ａ表面に直接配設される。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の一実施形態に係る温度測定装置などの概略構成を示した斜視図である。
【図２】本実施形態に係る温度測定装置の概略構成を示した平面図である。
【図３】本実施形態に係る赤外線検出器，温度算出部及び表示装置の概略構成を示したブロック図である。
【図４】本実施形態に係る冷却装置の概略構成を示したブロック図である。
【図５】本実施形態に係るＩｎＡｓ素子，ＩｎＳｂ素子，ペルチェ素子，サーミスタ及び収納容器などの概略構成を示した断面図である。
【図６】光ファイバ及び工具の位置関係を示した斜視図である。
【図７】ＩｎＡｓ素子及びＩｎＳｂ素子の分光感度特性を示したグラフである。
【図８】従来例に係る温度測定装置の概略構成を示した斜視図である。
【符号の説明】
【００６４】
１ 温度測定装置
１１ 光ファイバ
１１ａ フレキシブルチューブ
１２ 赤外線検出器
１３ ＩｎＡｓ素子
１４ ＩｎＳｂ素子
１５ 温度算出部
１６ 表示装置
２０ 冷却装置
２１ ペルチェ素子
２１ａ 吸熱電極
２１ｂ 放熱電極
２２ 電力供給部
２３ サーミスタ
２４ 供給電力制御部
３０ 収納容器
３１ 容器本体
３２ 透過板
３３ 第１支持板
３４ 第１支柱
３５ 第２支持板
３６ 第２支柱
３７ 放熱フィン
４０ 筐体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定対象物の温度を測定する装置であって、
積層状に配設される第１及び第２の２つの光電変換素子を備え、該各光電変換素子は、互いに異なる分光感度特性を有し、赤外線を受光してそのエネルギー及び該分光感度特性に応じた電気信号を生成する赤外線検出手段と、
一端面が前記被測定対象物と、他端面が前記第１光電変換素子とそれぞれ一定間隔を隔てて配置され、該被測定対象物表面から放射される赤外線を前記第１光電変換素子に伝送する光ファイバと、
前記各光電変換素子によってそれぞれ生成された電気信号を基に、前記被測定対象物の温度を算出する温度算出手段と、
前記各光電変換素子を冷却する冷却手段とからなり、
前記第１光電変換素子は、前記光ファイバによって伝送された赤外線を受光するとともに、該赤外線を透過可能に構成され、前記第２光電変換素子は、前記第１光電変換素子を透過した赤外線を受光するように構成された温度測定装置において、
前記冷却手段は、吸熱電極と放熱電極とを備え、該吸熱電極表面に前記第２光電変換素子が配置されたペルチェ素子と、該ペルチェ素子に電力を供給してその吸熱電極の温度を低下させる電力供給手段とから構成されてなることを特徴とする温度測定装置。
【請求項２】
前記冷却手段は、前記２つの光電変換素子の一方若しくは両方の温度を検出する素子温度検出手段を更に備え、該素子温度検出手段によって検出される温度を基に、前記電力供給手段から前記ペルチェ素子に供給される電力を調整するように構成されてなることを特徴とする請求項１記載の温度測定装置。
【請求項３】
前記素子温度検出手段は、前記ペルチェ素子の吸熱電極と第２光電変換素子との間、又は、前記吸熱電極表面の第２光電変換素子側方に配設されて該吸熱電極の温度を検出するサーミスタから構成されてなることを特徴とする請求項２記載の温度測定装置。
【請求項４】
前記ペルチェ素子，各光電変換素子及びサーミスタを収納，保持する収納容器を更に備え、該収納容器は、前記光ファイバの他端面と対峙する位置に、該光ファイバによって伝送された赤外線を内部に進入させるための開口部が形成されてなることを特徴とする請求項３記載の温度測定装置。
【請求項５】
前記収納容器の外部に配置された放熱部材、及び該放熱部材とペルチェ素子の放熱電極とを接続する伝導部材を更に備えてなることを特徴とする請求項４記載の温度測定装置。
【請求項６】
前記２つの光電変換素子の内の一方は、ＩｎＡｓ（インジウムヒ素）素子から構成され、他方は、ＩｎＳｂ（インジウムアンチモン）素子から構成されてなることを特徴とする請求項１乃至５記載のいずれかの温度測定装置。
【請求項７】
前記光ファイバは、その外周面が保護材によって被覆されてなることを特徴とする請求項１乃至６記載のいずれかの温度測定装置。
【請求項１】
被測定対象物の温度を測定する装置であって、
積層状に配設される第１及び第２の２つの光電変換素子を備え、該各光電変換素子は、互いに異なる分光感度特性を有し、赤外線を受光してそのエネルギー及び該分光感度特性に応じた電気信号を生成する赤外線検出手段と、
一端面が前記被測定対象物と、他端面が前記第１光電変換素子とそれぞれ一定間隔を隔てて配置され、該被測定対象物表面から放射される赤外線を前記第１光電変換素子に伝送する光ファイバと、
前記各光電変換素子によってそれぞれ生成された電気信号を基に、前記被測定対象物の温度を算出する温度算出手段と、
前記各光電変換素子を冷却する冷却手段とからなり、
前記第１光電変換素子は、前記光ファイバによって伝送された赤外線を受光するとともに、該赤外線を透過可能に構成され、前記第２光電変換素子は、前記第１光電変換素子を透過した赤外線を受光するように構成された温度測定装置において、
前記冷却手段は、吸熱電極と放熱電極とを備え、該吸熱電極表面に前記第２光電変換素子が配置されたペルチェ素子と、該ペルチェ素子に電力を供給してその吸熱電極の温度を低下させる電力供給手段とから構成されてなることを特徴とする温度測定装置。
【請求項２】
前記冷却手段は、前記２つの光電変換素子の一方若しくは両方の温度を検出する素子温度検出手段を更に備え、該素子温度検出手段によって検出される温度を基に、前記電力供給手段から前記ペルチェ素子に供給される電力を調整するように構成されてなることを特徴とする請求項１記載の温度測定装置。
【請求項３】
前記素子温度検出手段は、前記ペルチェ素子の吸熱電極と第２光電変換素子との間、又は、前記吸熱電極表面の第２光電変換素子側方に配設されて該吸熱電極の温度を検出するサーミスタから構成されてなることを特徴とする請求項２記載の温度測定装置。
【請求項４】
前記ペルチェ素子，各光電変換素子及びサーミスタを収納，保持する収納容器を更に備え、該収納容器は、前記光ファイバの他端面と対峙する位置に、該光ファイバによって伝送された赤外線を内部に進入させるための開口部が形成されてなることを特徴とする請求項３記載の温度測定装置。
【請求項５】
前記収納容器の外部に配置された放熱部材、及び該放熱部材とペルチェ素子の放熱電極とを接続する伝導部材を更に備えてなることを特徴とする請求項４記載の温度測定装置。
【請求項６】
前記２つの光電変換素子の内の一方は、ＩｎＡｓ（インジウムヒ素）素子から構成され、他方は、ＩｎＳｂ（インジウムアンチモン）素子から構成されてなることを特徴とする請求項１乃至５記載のいずれかの温度測定装置。
【請求項７】
前記光ファイバは、その外周面が保護材によって被覆されてなることを特徴とする請求項１乃至６記載のいずれかの温度測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−３００７６５（Ｐ２００６−３００７６５Ａ）
【公開日】平成１８年１１月２日（２００６．１１．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１２３６７０（Ｐ２００５−１２３６７０）
【出願日】平成１７年４月２１日（２００５．４．２１）
【出願人】（０００１４６８４７）株式会社森精機製作所 (204)
【出願人】（５０４１６０７８１）国立大学法人金沢大学 (282)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１１月２日（２００６．１１．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年４月２１日（２００５．４．２１）
【出願人】（０００１４６８４７）株式会社森精機製作所 (204)
【出願人】（５０４１６０７８１）国立大学法人金沢大学 (282)
【Ｆターム（参考）】
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