JPH11183258A

JPH11183258A - 赤外線放射温度計測装置

Info

Publication number: JPH11183258A
Application number: JP34982397A
Authority: JP
Inventors: Eiichi Yokoyama; 榮一横山
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1997-12-18
Filing date: 1997-12-18
Publication date: 1999-07-09

Abstract

(57)【要約】【課題】赤外線放射温度計測装置において、赤外線放
射計測を効率的にできる方式を提供し、光学設計の自由
度を大きくして、小型、安価なシステムの実現を可能と
する。【解決手段】可視域画像を得るＣＣＤカメラ１５を備
え、ＣＣＤカメラ１５は、回転ヘッド装置３のヘッドギ
ャップを同定できる分解能を持つ。このような可視域画
像を得るため、ゲルマニュームレンズで構成された赤外
線用光学系１の光軸上にハーフミラー２を配置し、赤外
線はこのハーフミラー２を透過させて赤外線用センサー
１０上に結像させる。ハーフミラー２は、可視光のみを
反射させる機能を持っており、可視光と赤外線とを分離
するときの赤外線のロスが回避される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ビデオテープレコ
ーダのように記録媒体に対して摺接される回転体を有す
る情報記録装置等において生ずる摩擦熱を媒介とした現
象を解明する赤外線放射温度計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ビデオテープレコーダの回転ヘッ
ドの如き回転体において記録媒体である記録テープと該
回転ヘッドのヘッドチップとが摺接しながら該記録テー
プが走行する場合、もしくは、いわゆるスチル（静止
画）モードにおいて記録テープが停止したまま回転ヘッ
ドが回転してこの回転ヘッドのヘッドチップと該記録テ
ープとが摺接する場合に、これら記録テープとヘッドチ
ップとの間の摩擦により生ずる熱を計測しようとする
と、測定対象が、例えば直径が数μｍから数十μｍ程度
の微少な領域である場合には、正確に計る方法はなかっ
た。

【０００３】このような場合について、サーミスターを
回転ヘッド上にマウントして接触式で温度を計測する技
術の提案がある。しかしながら、この技術においては、
計測のために加工が必要となり、この加工が施された結
果、加工が施されない実際の使用状態に一致する結果が
得られない虞れがある。

【０００４】また、接触式の温度計測においては、セン
サーと計測したい対象との接触状態や接触条件を管理す
るのが極めて困難である。すなわち、記録媒体も回転体
の表面も、それぞれ異なった表面性状を持っており、熱
計測の観点でいえば、所謂サーマルアスペリティ（Ther
mal Asperity）が異なるからである。

【０００５】このように、接触式の温度計測において
は、信頼性のある計測データが得られないとともに、セ
ンサーのサイズを、計測したい対象、例えばビデオヘッ
ドの摩擦熱を計測する場合においてはヘッド部の微少エ
リアに合わせた超小型のものとすることが要求される。
そして、このような超小型のセンサは、製造が不可能で
ある。

【０００６】さらに、界面のトライボロジー（Trybolog
y）を究明するような場合においては、極めてわずかな
温度上昇も捉える計測確度が要求される。しかし、現状
において実用化されている赤外線温度計測装置では、充
分な計測確度が得られない。例えば、機械的ミラーで２
次元的にスキャンニングして計測を行う赤外線温度計測
装置が提案されているが、計測範囲を回転体の高速回転
に追従させることができず、計測範囲が限定され、主に
静止している物体を対象とするものである。また、この
ような赤外線温度計測装置は、微少領域計測には不向き
であり、回転体の任意の場所の温度計測などは不可能で
ある。

【０００７】また、近年、電子的２次元走査を原理とし
た赤外線計測装置が提案されている。このような赤外線
計測装置は、赤外線イメージャーを有して構成されてい
る。赤外線イメージャーとしては、白金シリカを使用す
るもの、インジュームアンチモン（InAb）を使用するも
の、あるいは、酸化バナジュームを使用するものなどが
提案されている。これら赤外線イメージャーは、ＣＣＤ
（固体撮像素子）に類似した２次元アレイを構成してい
るものである。しかし、充分に画素数の多いものは提案
されていない。また、いずれの赤外線イメージャーも、
感度を有する波長帯域は、３．０μｍ乃至５．０μｍ帯
であり、常温領域で最高感度を有する８．０μｍ乃至１
２．０μｍ帯については、Ｓ／Ｎ（シグナルノイズ比）
についての問題の解決が困難であり、実現していない。

【０００８】対象物について計測すべき測定温度ディペ
ンドでの所望のピーク感度と、放射温度（Ｋ）との間に
は、ウィーンの変位則、すなわち、 λpeak・Ｋ＝２８９７．８という一定の関数式が存在する。特に、常温、例えば、
３００Ｋ付近において摩擦による温度上昇範囲が数十Ｋ
の場合に、この計測を赤外線で行う場合には、計測の信
頼性が保証されない。常温より数十度の範囲での温度計
測を行う場合、検出感度帯域が８．０μｍ乃至１２．０
μｍ帯のＭＣＴ（水銀−カドミューム−テレリューム）
が最適である。

【０００９】赤外線放射を利用する温度計測では、計測
結果は、その赤外線放射エネルギーが物体の持つ絶対温
度の４乗、及び、その物体の赤外線放射率に比例する。
赤外線放射率は、酸化の状態や、光沢など、材料及び表
面性状に依存する。磁気テープが摩擦する際の温度計測
の如く、放射率が低く、摩擦熱がそれほど高くない場合
では、正確に温度計測する事が困難であった。例えば、
潤滑剤があるかどうかなどというシステムデザイン上で
のわずかな違いによる赤外線損失も、直接に、計測デー
タの信頼度、測定確度を失わせる事になる。

【００１０】さらに、温度の測定場所を同定する方法に
ついても、改善が必要である。例えば、ファインダに、
赤外線画像そのものを表示するように構成された装置が
提案されている。しかし、このような装置においては、
ファインダ画像における分解能が足りない。なお、光学
的分解能は、波長をλ、対物レンズの開口数をＮＡとし
たとき、０．６６λ／ＮＡで決定される。

【００１１】従来、赤外線のための光学系の光軸の中心
部に、可視域画像を得るための微少な反射ミラーを取り
付け、可視域と赤外線とを物理的な位置関係で分離する
ようにした装置が提案されている。このような光学系
は、カセグレン（Cassegrain）光学系と呼ばれ、多用さ
れているものである。また、図２１に示すように、屈折
光学系でも、赤外線用光学系１０１の光軸中心に可視域
用の小さい傾斜ミラー１０２を配置するものが一般的な
技術であった。この装置においては、被写体面１０３よ
り発した光は、赤外線用光学系１０１により、チョッパ
ブレード１０４の外周部分上に集光される。このチョッ
パプレート１０４は、モータ１０５により回転操作され
る。このチョッパプレート１０４の外周部分には、開口
部及び折り曲げミラー１０８が設けられている。赤外線
用光学系１０１により集光された光は、チョッパプレー
ト１０４の開口部を通過すると、集光レンズ１０９によ
り、センサ面１１０上に集光される。また、センサ面１
１０には、参照熱源１０７より発した赤外光が、集光レ
ンズ１０６、折り曲げミラー１０８及び集光レンズ１０
９を介して、集光される。すなわち、センサ面１１０に
は、チョッパブレード１０４の回転により、被写体面１
０３よりの光と、参照熱源１０７よりの光とが、交互に
集光される。一方、被写体面１０３より赤外線用光学系
１０１に向かう光の一部は、傾斜ミラー１０２により反
射されて、コリメータレンズ１１１を経て、ハーフミラ
ー１１２を透過し、集光レンズ１１３及びミラー１１４
を経て、ＣＣＤ（固体撮像素子）センサ面１１５に到達
する。また、照明用ファイバ１１６より発せられた照明
光が、ハーフミラー１１２により反射され、コリメータ
レンズ１１１及び傾斜ミラー１０２を経て、被写体面１
０３上に照射される。すなわち、ＣＣＤセンサ面１１５
を有するＣＣＤの出力信号においては、照明用ファイバ
１１６よりの照明光により照明された被写体面１０３を
観察することができる。

【００１２】これらいずれの構成においても、赤外線の
エネルギーは、可視光のために必要な小型傾斜ミラー１
０２の面積に比例して損失する。このような赤外線エネ
ルギーの損失は、特に本案のような、常温近傍のわずか
な温度変化を計測する場合においては、致命的な計測エ
ラーの原因となる。例えば、図１７に示すように、４０
°Ｃにおいては、放射エネルギーは、３００°Ｃにおけ
る放射エネルギーの１／１０に低下する。

【００１３】このような赤外線の損失は、レンズの口径
を大きくすることで回避することができる。しかし、赤
外線領域では、レンズは、透過特性の問題から、ゲルマ
ニュームレンズでなければならない。したがって、レン
ズ口径を大きくすることは、加工及び精度の確保が通常
の光学レンズに比較してかなり困難であり、また、装置
の価格を極めて高価なものとしてしまう。これは、レン
ズの口径を大きくするに伴って増加する収差の増大、及
び、加工品を検査する手段が、一般の光学機器において
使用される常套手段ではできないからである。例えば、
反射防止膜をゲルマニュームレンズ上に形成する場合で
も、反射防止膜の厚みｄは、ｄ＝λ／（４√（ｎ１・ｎ
２））より、波長に比例するので、複雑、高価な加工と
なる。したがって、このような解決手段は、大型化や高
価であることを許容できるシステムにおいてのみ可能で
あり、最近のビデオテープレコーダやパーソナルコンピ
ュータのように、小型化が求められている電子機器に
は、不向きである。

【００１４】そして、回転体を含めた多目的な熱計測の
場合、材料や形状の違い、表面性状の違いでの温度の相
対比較は、測定確度を得る観点でも重要であるが、バッ
クグラウンドからの赤外線放射光を削除する計測が必要
である。しかし、そのような機能を持ち、しかも回転体
に使用できる計測装置はなかった。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】磁気記録において、サ
ーマルスタビリティー（Thermal decay in Magenetic p
roperty）の議論は、高密度記録を達成するために避け
ては通れない。一方、ビデオヘッド表面のメカノケミカ
ル反応、ブラウンステイン／ホワイトステイン等の発生
メカニズムとヘッド／テープ界面での摩擦熱との関係
は、急を要する解決すべきテーマである。そして、上述
したように、赤外線放射を原理とする常温付近での温度
計測の最大の欠点として、バックグラウンドからの赤外
線放射光の影響がある。また、赤外線放射率を正確に同
定できない欠点がある。

【００１６】すなわち、本発明は、上述の実情に鑑みて
提案されるものであり、摩擦熱を非接触（In-Situ and
non destructive）で計測する赤外線放射温度計測手段
に関する光学設計手段に関係し、複数ポイント計測とそ
の差分データからそれらのアンビィギューイティを相殺
できる計測方法に関与する。

【００１７】本発明は、磁気記録再生装置におけるヘッ
ドと記録再生媒体界面で発生する摩擦熱を非接触、非破
壊で、かつ、常温に近い試料からの低い赤外線放射エネ
ルギでも計測できるようにしようとするものである。ま
た、本発明は、常温付近の温度測定で問題になるバック
グラウンドからの赤外線放射光を削除して計測できるこ
ととし、ミクロンサイズ、例えば、ビデオヘッドを構成
する複合材料個々に、微少熱計測領域を実現しようとす
るものである。

【００１８】さらに、本発明は、計測精度を確保するた
めに、既知の温度で制御された参照熱源を赤外線用光学
系の光軸に導いて放射温度計測の絶対較生する手段、記
録再生媒体の赤外線放射率を効果的に活用した計測手段
等を設け、ヘッド及び磁気テープ界面でのトライボロジ
ーを解明するために有用な赤外線放射温度計測装置を提
供しようとするものである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、微小な領域である測定場所を精度よく同定するた
め、本発明に係る赤外線放射温度計測装置は、ＣＣＤ
（固体撮像素子）カメラの如き可視域の画像を得る手段
を備えている。この手段は、例えば、回転ヘッド装置に
おけるヘッドギャップを同定できる分解能を持つ。この
ように可視域の画像を得るため、ゲルマニュームレンズ
で構成された赤外線用光学系の光軸上にハーフミラーを
配置し、赤外線はこのハーフミラーを透過させて赤外線
用のセンサー上に結像させる。ハーフミラーは、可視光
のみを反射させる機能を持っており、可視光と赤外線と
を分離するときの赤外線のロスが回避される。

【００２０】そして、ビデオテープレコーダの回転ヘッ
ド装置の如き回転体である測定対象物上の複数の測定位
置が、赤外線用光学系の光軸上をよぎる時間は、時間変
動を伴う。そこで、回転体の１回転毎に位相同期発振す
る回路を用いて回転体の正確な位置を同定し、かつ、回
転体が外乱の影響を受けてもそれに追従できる即応型と
している。なお、いわゆるＰＬＬ方式では、１回前の回
転情報をも含むデメリットがあるので、これを改善した
ものである。さらに、この赤外線放射温度計測装置にお
いては、回転体と同期回転するチョッパブレードの閉口
部を位相同期させることとしている。

【００２１】また、この赤外線放射温度計測装置は、複
数箇所の測定場所を個々に特定するためのサンプリング
ゲート生成回路からなる計測位置の特定手段を有してい
る。さらに、測定点のバックグラウンドからの赤外線放
射光の影響を削除できるように、差分検出を、例えば、
ヘッド摩擦部分やテープとドラム表面接触部分等の複数
のポイントで行える計測手段が設けられている。

【００２２】この赤外線放射温度計測装置は、チョッパ
ブレードの１回転毎に１回、チョッパブレードの閉口部
を通過する赤外線信号のレベルを較正できる外部参照熱
源及びリレーレンズ光学系を内蔵している。なお、この
較正において、センサへの入射の立体角は、実際の計測
時と同じ約１５ステラジアンにする。そして、チョッパ
ブレードの表面の一部には、異なる熱抵抗、熱分布を発
生する手段が設けられており、これによる温度較正手段
がある。

【００２３】ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）や
ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）等の高分子材料を
磁気記録再生媒体のベースとする場合において、摩擦熱
を赤外線放射計測する場合では、図９に示すように、赤
外線の吸収スペクトルを効果的、選択的に利用し、放射
率を最大限活用することができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る赤外線放射温
度計測装置の実施の形態について、図面を参照しながら
詳細に説明する。

【００２５】この赤外線放射温度計測装置においては、
図１に示すように、被写体面３より発した光は、赤外線
用光学系１により、チョッパブレード４の外周部分上に
集光される。このチョッパプレート４は、モータ５によ
り回転操作される。このチョッパプレート４の外周部分
には、開口部６４及び折り曲げミラー８が設けられてい
る。赤外線用光学系１により集光された光は、チョッパ
プレート４の開口部６４を通過すると、集光レンズ９に
より、ＭＣＴセンサ１０の受光面上に集光される。ま
た、ＭＣＴセンサ１０の受光面には、参照熱源７より発
した赤外光が、集光レンズ６、折り曲げミラー８及び集
光レンズ９を介して、集光される。すなわち、ＭＣＴセ
ンサ１０の受光面には、チョッパブレード４の回転によ
り、被写体面３よりの光と、参照熱源７よりの光とが、
交互に集光される。一方、被写体面３より赤外線用光学
系１に向かう光のうちの可視光成分は、図３に示すよう
に、モニタ用ハーフミラー２により反射されて、図１に
示すように、コリメータレンズ１１を経て、照明用ハー
フミラー１２を透過し、集光レンズ１３、ミラー１４及
び拡大レンズ１７を経て、ＣＣＤ（固体撮像素子）セン
サ面１５に到達する。また、照明用ファイバ１６より発
せられた照明光が、照明用ハーフミラー１２により反射
され、コリメータレンズ１１及びモニタ用ハーフミラー
２を経て、被写体面３上に照射される。すなわち、ＣＣ
Ｄセンサ面１５を有するＣＣＤの出力信号においては、
照明用ファイバ１６よりの照明光により照明された被写
体面３を観察することができる。

【００２６】ＣＣＤセンサ面１５は、ＣＣＤイメージャ
ーのセンサー面である。拡大レンズ１７は、リアコンバ
ージョンレンズである。ミラー１４は、光軸を９０度偏
向させるためのミラーであり、図示しない微調整機構を
有している。集光レンズ１３（ｆ＝１２０ｍｍ）、コリ
メータレンズ１１（ｆ＝６０ｍｍ）及びモニタ用ハーフ
ミラー２は、可視光学系を構成している。これは、被写
体面３、例えば、ビデオテープレコーダの回転ヘッド装
置のヘッドギャップ位置を正確に確認する機能を持ち、
７５ミクロンの視野内の画像を倍率β＝−４．０、さら
に、モニター倍率（ＣＣＤ Imager size × Monitor si
ze）がかかった所定の大きさでテレビモニター画面の中
央に表示されるよう、ミラー１４の微調整機構により調
整される。

【００２７】照明用ファイバ１６は、可視画像のための
照明用光ファイバーバンドルである。照明用ファイバ１
６は、照明用ハーフミラー１２、可視光と赤外線とを分
けるモニタ用ハーフミラー２を経由し、被写体３である
回転ヘッドのヘッドギャップ部分を均一に証明する。な
お、照明用ファイバー１６を介して照明する光源は、そ
の光量が任意に調整される機能を有し、対象測定物の反
射率を勘案し最適化される。

【００２８】従来の赤外線放射温度計測装置において使
用されていた傾斜ミラー１０２は、ガラスロッド（ソー
ダーガラス：屈折率ｎ＝１．５）で構成され、反射面に
はアルミ蒸着膜が使われている。この傾斜ミラー１０２
は、ゲルマニューム屈折光学系のウィンドー上に、例え
ば接着剤で取り付けられるか、あるいはカセグレン光学
系の場合では、空間に支持する機構などがいるので、装
置構成を複雑にしていた。

【００２９】この赤外線放射温度計測装置における赤外
線用光学系１は、ゲルマニューム屈折光学系であって、
３枚構成のレンズからなり、チョッパブレード４の開口
部６４に一旦収束させ、集光リレー光学系である集光レ
ンズ（倍率β＝−１．０）９を介して、赤外線センサー
であるＭＣＴセンサ１０の受光面に結像させるものであ
る。集光光学系は、倍率β＝−２．０、ＮＡは被写体側
で０．２５、センサー側で０．１２５である。

【００３０】この実施の形態では、光学倍率は２倍、す
なわち、０．１ｍｍ角のセンサーサイズに１００μｍＸ
５０μｍの楕円（サジスタル）のビームプロファイルを
意識的に形成させており、ゲルマニュームで作成された
モニタ用ハーフミラー２の厚みの選択でそれを得てい
る。

【００３１】計測対象が、いわゆる「８ｍｍＶＴＲ」の
回転ヘッドである場合、ドラムの曲率半径が６ｍｍ乃至
８ｍｍ、テープとヘッドとが接触しているエリアはヘッ
ドギャップから長手方向±２００μｍである。メリジオ
ナル方向については、ヘッドトラック幅が２５μｍであ
りガラス溶着部を含めて５０μｍである。このようなヘ
ッド表面での摩擦熱を選択的に集光する観点で、ビーム
プロファイルを変えてある。

【００３２】さらに、液体窒素のデュワー付きのＭＣＴ
センサ（赤外線センサ）１０のＦＯＶ（Field of Vie
w）は、１５度の角度に保ち、センサー内にはコールド
アパーチャーを設け、被写体以外からの不要な赤外線の
入射を制限して、測定精度確保を容易にしている。コー
ルドアパーチャーは、金属性アパーチャーであり、液体
窒素温度に冷却されるので、周囲からの余分な熱は通過
できない構造になっている。これは、ヘッドとテープと
の実質的接触部以外からのいかなる熱も削除するためで
ある。

【００３３】温度計測の絶対較正のために参照熱源７か
ら放射される赤外線は、参照熱源リレー光学系である集
光レンズ６（倍率β＝−１．０）を経由して、チョッパ
ブレード４上であって開口部６４を阻害しない位置に取
り付けられた直角三角形の折り曲げミラー８で反射さ
れ、ＭＣＴセンサー１０に導く。直角三角形の折り曲げ
ミラー８は、表面がアルミ蒸着されたものである。この
折り曲げミラー８が参照赤外線を反射するのは、参照熱
源７とリレーレンズ系である集光レンズ６とが４５度の
角度で相対する場合であり、チョッパブレード４が１回
転する間に１回である。よって、チョッパブレード４の
１回転に１度、外部参照熱源７を使って既知の温度でレ
ベルを較正する事ができる。このような較正をするため
の時間関係とその時の波形は、図５に示すように、チョ
ッパブレード４の回転に同期した周期的な信号となる。

【００３４】参照熱源７は、カーボン（放射率＝１．
０）をペルチェ素子で加熱し、このカーボン上に磁気テ
ープの磁性面を貼り、テープ背面から赤外線を放射させ
るものである。カーボンの温度は、接触式の温度計で測
定する。そして、較正は、任意の温度で行えるように、
設定温度は任意に可変される。また、カーボンの温度
は、サーボループを付加し、一定に制御されている。

【００３５】このように、同じ放射率を持つ磁気テープ
経由で較正すれば、テープ背面からの放射率εの放射エ
ネルギー、Ｅ＝δεＴ（４乗）に対する影響は相殺で
き、装置ファクター、ミラーの光学定数の補正のみで較
正が可能になる。

【００３６】チョッパブレード４は、図２に示すよう
に、表面が放射率の高い黒アルマイト処理された薄い円
盤でできている。このチョッパブレード４の周囲側部分
には、均等に小径の開口部６４が設けられている。この
実施の形態では、開口部６４の直径は、１．４ｍｍであ
り、シャッター部（遮蔽部）との比は５０：５０であ
る。この開口部６４での収束ビーム径の直径は、０．１
ｍｍである。回転体が保有するジッターの影響をこの開
口部６４において受けることはない。開口部６４を通過
した赤外線は、ＭＣＴセンサー１０の受光面のサイズ
（この実施の形態では０．１ｍｍ角）に結像する。赤外
線用光学系の光軸を遮る位置とチョッパブレードの開口
部６４の位置との制御は、図７に示すように、モーター
５をサーボ回路で制御することにより、チョッパブレー
ド４の回転の周波数を制御することにより行う。

【００３７】例えば、３０Ｈｚで回転するビデオテープ
レコーダの回転ヘッドとテープとの摩擦によりヘッド界
面で発生する摩擦熱を計測する場合では、チョッパブレ
ード４は、回転周波数が３０Ｈｚとなされ、回転ヘッド
の回転と位相同期回転するように、サーボ制御がなされ
る。これによって、ビデオヘッドの回転位置と時間を、
チョッパブレード４の開口部６４の中心と合わせること
ができる。開口部６４の数は、図１８に示すように、Ｍ
ＣＴセンサーの１／ｆノイズを避けるよう、つまり交流
信号に変換されるその周波数が４００Ｈｚ以上となるよ
うにしており、この実施の形態では、４８個（１４４０
Ｈｚ）にしてある。

【００３８】チョッパブレード４には、図示しないフォ
トセンサーに図示しない発光素子（ＬＥＤ）の光を１回
転に１度与えるための穴６５が設けられている。これ
は、回転体の位置を決定して位相サーボを行うための光
学的手法である。もっとも、チョッパブレード４の位置
のサーボ制御は、磁気的手段、例えば、チョッパそのも
のでなくモーター側に設ける事もでき、通常のビデオテ
ープレコーダにおけるドラムサーボのように、ＰＧ（位
置出し）、ＦＧ（回転制御）によって可能である。

【００３９】チョッパ出力波形とレベル検出のためのＡ
／Ｄサンプリングゲートパルス（Sampling Gate Puls
e）とのタイミング関係並びに出力波形は、図４に示す
ように、シャッター開口部区間４０（図２に示す開口部
６４に相当する）と赤外線を遮断する部分であるシャッ
ター部区間４１との繰返しの周期的信号となる。図７に
示すように、ヘッド５３からの信号は、ヘッドが赤外線
用光学系の光軸中心をよぎる時間に、チョッパブレード
４の開口部６４と位相を合わせると、図４に示すよう
に、波形４２のようにレベル及び波形が変化する。この
ようなレベルの変動は、ヘッドからの摩擦熱に依存す
る。回転体の回転ムラ、テープ走行系からの外乱によっ
て波形は多少左右に変化する。後述のようにＡ／Ｄサン
プリングゲートパルス４３は、常に、波形４２の中心に
制御されている。

【００４０】チョッパ出力波形の較正時には、図５に示
すように、波形が変化する。参照熱源７の温度を変化さ
せれば、その変化に追従した出力が、図５中領域７０に
おいて、波形７１，７２，７３のように変化して表れ
る。波形ｃは、チョッパブレード４の表面から放射され
るエネルギーによる検出センサ出力電位、波形ｄから波
形ｅの変化は、参照熱源７の温度の変化で変わり、波形
ａから波形ｂへ落ち込む変化はヘッド摩擦熱の変化を表
す。これの変動分はサンプリングゲートパルス４３，７
４，７５で所定の位置が選ばれて較正される。複数のポ
イントに計測点を拡張するのは、差分データを得る上で
必要であり、それぞれのサンプリングゲートパルス４
３，７４，７５の計測位置は、任意に移動される。これ
らサンプリングゲートパルス４３，７４，７５によりサ
ンプリングゲートされ、バックグラウンドの放射光を相
殺するために、差分データとして計測される。

【００４１】チョッパ出力波形を較正する場合には、も
う一つの手段がある。すなわち、図６に示すように、部
分的なレベルの変化は、チョッパブレード４に設けられ
たフォトセンサー及びＬＥＤのための穴６５によって発
生する空冷効果によるわずかな温度変化が、出力レベル
変化となる事例であり、これを較正手段として活用する
ものである。チョッパブレード４の両面側には、図８に
示すように、フォトセンサー６２及びＬＥＤ６３が設け
られている。すなわち、センサー出力のうち、チョッパ
ブレードの穴６５に対応する位置では、図６に示すよう
に、レベル及びオフセット変化が発生し、レベルｂ１か
らレベルｂ２、レベルａ１からレベルａ２のように変化
する。

【００４２】このように、チョッパブレード４の局部的
熱抵抗に従った熱分布の違いは、較正に利用できるもの
である。すなわち、ＬＥＤ６３を加熱媒体に変更し、回
転中その一部の局所部分にだけ熱分布違いを発生させ、
検出器６２で局所的な差を検知することとすれば、較正
できる手段として活用できる。

【００４３】信号検出のための回路は、図７に示すよう
に、回転ヘッド装置のドラムに設けられたＰＧ（位置出
し用パルスジェネレータ）５０と、このＰＧ５０に接続
された位相同期発振器５１と、サーボ回路５２とを有し
て構成される。回転しているヘッドが赤外線用光学系の
光軸中心をよぎる時間は、回転体の回転ムラ、テープ走
行系からの外乱によって変化する。ドラムシリンダーに
搭載したビデオヘッドが持つ回転中のジッターをＰＧ５
０で検出し、位相同期発振器５１のクレイアス回路を位
相同期発振させ、任意タイミングをカウンターで生成す
る。

【００４４】回転ヘッドのドラム５３からの赤外線放射
エネルギーは、リレーレンズ光学系を経てＭＣＴセンサ
ー１０の受光面に結像する。ＭＣＴセンサー１０の出力
は、プリアンプ５５で２０００倍に増幅され、１２ビッ
トＡ／Ｄコンバータ５６に送られる。この１２ビットＡ
／Ｄコンバータ５６では、この１２ビットＡ／Ｄコンバ
ータ５６をイネーブルにするタイミング信号発生器５７
の制御に従い、チョッパ出力が選択的にＡ／Ｄされ検出
される。

【００４５】そして、回転ヘッドのドラムのジッターに
リンクした信号検出用サンプリングパルスによって、回
転中のドラムが、ちょうど赤外線用光学系の光軸の中心
位置に来た時のセンサー出力を検出可能とする。なお、
いわゆるＰＬＬ回路では、回転体の外乱によるインデイ
シャル応答が計測タイミングに不適合であり、使用でき
ない。

【００４６】一方、チョッパブレード４の回転も、サー
ボ回路５２で制御され、回転体であるドラム５３に位相
同期される。チョッパブレード４の回転により、その開
口部６４を通しての出力が光軸中心位置にあるドラム５
３からの信号である事を可能にするには、サーボ回路５
２にサーボロック位相を可変にする位相器を設ければ実
現できる。

【００４７】さらに、チョッパブレード４も回転ムラ、
すなわち、残留サーボエラーを発生する。これに対応す
るには、チョッパブレード４の開口部６４の径（この実
施の形態では１．４ｍｍ）を、ジッター（０．００６
％）を勘案した径として、チョッパ出力信号の中心をサ
ンプリングする事で、ジッターフリー検出とする。

【００４８】ここで、図１６に示すように、真実接触点
の摩擦熱による温度上昇について説明する。一辺が２Ｌ
という正方形の突起が滑る場合の接触部の温度Ｔと両方
の固体の温度と、ほぼ室温Ｔａとの差、すなわち、摩擦
熱による温度上昇（Ｔ−Ｔａ）は、以下の〔数１〕、
〔数２〕で求められる。

【００４９】

【数１】

【００５０】

【数２】

【００５１】速度が大きい場合の温度上昇は、速度が小
さい時のように、速度ｖの１乗に比例しない。すなわ
ち、ゆっくりと速度の１／２乗に比例して増加する。接
触部が半径２ａの円形としたときは、Ｌ＝０．８８５ａ
で、面積が同じとして求められる。

【００５２】また、ある程度以上に加重が大きいときで
は、表面突起がすべて押しつぶされて平滑面と同様の接
触をするので、真実接触面積が加重Ｗの２／３乗に比例
する。そこで、摩擦係数は、Ｗの１／３乗に比例する。
しかしビデオテープレコーダのテープの走行時の加重
は、通常、タンジェンシャルフォースで６ｍＮ乃至７ｍ
Ｎで、ノーマルフォースでは１ｍＮ乃至２ｍＮであり、
塗布型の磁性媒体の表面性状には、図１９及び図２０に
示すように、ほとんど変化が表れない。

【００５３】そして、みかけの接触面と真実接触してい
る面の温度とは違う。固体の接触面での真実点は、幾つ
かの点で形成され、それぞれが剪断によって破壊され、
また、別の点で形成され、みかけの接触面で移動する。
剪断破壊が起こるごとに、瞬間的に高温になり、これを
フラッシュ温度（Flash Temperature）と呼ぶ。本発明
において測定するのは、みかけの接触面での平均温度計
測である。

【００５４】

【数３】

【００５５】ρ／ｄλは、物体表面の単位面積から、単
位時間あたりに放射されるエネルギーに対応し、放射が
均一、等方的とみなせれば半球面放射強度になる。した
がって、ρ／πが単位立体角（ステラジアン）あたりの
放射強度である。

【００５６】すなわち、赤外線放射にあっては、図１７
に示すように、Ｅ＝εδＴ４で示されるように、常温付
近での物体からの赤外線放射エネルギーが弱い。放射エ
ネルギーが絶対温度の４乗に比例するからである。

【００５７】３００Ｋの場合で、放射エネルギーを試算
してみる。赤外線放射率ε＝０．６とし、ステファンボ
ルツマン、δ＝５．６７ｘ１０−１２Ｗ／ｃｍ２・Ｋ４
とすると、０．６ｘ５．６７．１０−１２ｘ３００４＝
２７．５４Ｗ／ｃｍ２であり、１°Ｃ温度が異なると、
ｄＷ／ｄＴ＝４εδＴ３＝０．０１６Ｗ／ｃｍ２・Ｋと
なる。

【００５８】比較的低温、常温近傍でピーク感度を有す
る赤外線センサとしては、赤外線領域（８．０μｍ乃至
１２．０μｍ帯）に感度を有する必要がある。従来の量
子型赤外線センサーは、３．０μｍ乃至５．０μｍ帯に
感度を有しているので、常温近傍の赤外線センサとして
は、充分でない。

【００５９】例えば、ＭＣＴ（ＨｇＣｄＴｅ）センサー
の場合では、Ｈｇ１−ｘＣｄｘＴｅ（７７Ｋ）でのｘの
値は０．２乃至０．３であり、これによるエネルギーギ
ャップの変化の波長依存性は、０．０８ｅＶ乃至０．２
２ｅＶである。検出するための波長λ、そのピーク（ラ
ムダピーク）と温度（Ｋ）との積は一定で、測定温度３
００Ｋ付近では９．６５μｍがピークになる。センサー
のカットオフ特性を決定する波長とエネルギーギャップ
との関係式は、λ（μｍ）≦１．２４／Ｅｇ（ｅＶ）で
与えられ、所望のピーク感度と放射温度（Ｋ）との間に
はウィーンの変位則（λpｅak・Ｋ＝２８９７．８）に
従った一定の関係式があるからである。

【００６０】このように、波長が長い（常温近傍の温
度）赤外線画像を得るためのセンサー（イメージャー）
は、エネルギーギャップが小さいセンサーであり、Ｓ／
Ｎ（シグナルノイズレシオ）の確保は困難である。その
上、極めて小さい測定エリア、例えばビデオテープレコ
ーダのテープとヘッドとの接触時の、５０μｍ径の部分
からの放射を、レンズに入射する立体角１４．４７度
（Ｓｉｎθ＝ＮＡ，ＮＡ＝０．２５）でコンパクトに実
現する視点から、ＭＣＴセンサーの波長シフトを行う。
これは、Ｈｇ１−ｘＣｄｘＴｅのｘを変える事で実現で
きる。

【００６１】この場合のｘの最適解は、計測温度範囲に
最高ピーク感度をもたせることと、磁気テープ自身が保
有する赤外線領域の吸収スペクトラム、放射率を効果的
に活用できる波長帯で計測すべきである。図９から、そ
れは７．５μｍ乃至９．０μｍとなる。なお、磁気テー
プでの３．０μｍ乃至５．０μｍでの放射率はほぼ２０
％以下でありＳ／Ｎ確保上問題があるのは明白であろ
う。

【００６２】ビデオテープレコーダに使用される磁気テ
ープは、高分子材料からなるベースフィルムがあり、そ
の上に磁性媒体が塗布もしくは蒸着されて構成されてい
る。標準的ないわゆる「８ｍｍＶＴＲ」の塗布型テープ
では、８μｍ厚みのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレー
ト）、長時間使用のための薄いテープでは、ＰＥＮ（ポ
リエチレンナフタレート）、データストリーマー等の耐
久性を要求されるものでは更に薄い、４μｍ厚みのポリ
アラミド等が使用されている。これらベースフィルム上
に、１μｍ乃至２μｍの磁性層が形成されている。

【００６３】ＦＴＩＲ（フーリエー変換赤外線分光装
置）による赤外線分光スペクトルを、図９に示す。吸収
と透過の特性は、ＰＥＴを構成するエステル基の振動、
伸縮運動、回転運動などによって異なる。図９では、厚
み９．２ミクロンのＰＥＴの例を示しているが、１１２
０カイザーと１２８０カイザーのウエーブナンバーに吸
収特性を持ち、この波長における赤外線放射率は特に高
い。この吸収特性の裏返しがほぼ放射率を示している。
さらに詳細は、図１０、図１１及び図１２に示してい
る。

【００６４】テープの磁性面で発生した摩擦熱がベース
フィルムの吸収特性で熱を一旦溜めてテープ背面から２
次放射する。キルヒホッフの法則は「放射能と吸収能は
温度と波長の関数でその比は同温度の完全黒体の放射能
に一致する」ことを意味し、よって、物体の吸収率をＡ
（λ、Ｔ）、放射率ε（λ、Ｔ）とするとＡ＝εとな
る。

【００６５】したがって、赤外線センサーの波長感度特
性は、これらテープの放射特性を勘案して決定すべきも
のである。光学的バンドパスフィルターをデュワー付き
赤外線センサーのウィンドウ上に形成するのは容易であ
り、周囲の計測に不要な波長、迷光を削除し、または、
テープ特性の違いに存在した選択性を持たせる等により
測定確度を上げることができる。

【００６６】テープ表面温度Ｔ（ｓｕｒｆ）は、このＰ
ＥＴフィルムの放射率とは別に、影響を受けるものであ
る。外部に加熱物体があるとかバックグラウンドからの
放射を受ける場合があり、摩擦熱に依存する放射熱と分
離した計測が必要となる。回転時も静止時も、テープの
放射率εに変化はなく、摩擦の影響がない静止状態で一
旦計測し、回転時の摩擦部分からの熱と差分を取る。こ
のようにして表面温度は相殺できる事になる。したがっ
て、摩擦熱を分離できる事になる。しかも、本発明にお
いては、回転体の静止状態でのテープ表面温度は簡単に
計測できる。これらデータは、遂一回転時との差分デー
タを取るために、一旦パソコン上にストアされ、それら
は任意場所のデータと参照されて、最終計測データとす
ることができる。このように、本発明においては、テー
プの放射率を含んだ情報として複数のデータを参照でき
るメリットがあり、信頼性が高い。

【００６７】本発明のケースの摩擦熱は、ドラムシリン
ダーの回転により発生し、一旦ＰＥＴフィルムの内部に
吸収され、２次的に再放射するエネルギーを計測するも
のであり、表面温度との差異は明白であろう。もしＰＥ
Ｔフィルムが測定領域（８μｍ乃至１２μｍ）で透過特
性のみであるなら、摩擦と限定した現象の熱ではない。
ＰＥＴフィルムの厚み方向で透過、反射（多重反射）を
繰り返し外部に放射するエネルギーは少なく、厳密なる
熱計測はできないことになる。

【００６８】高分子材料であるＰＥＴ内での放射光の総
量と放射率の関係は、次式で表される。

【００６９】ε＝（１−ｒ）・（１−ｔ）・（１−（ｒ
ｔ）ｎ／（１−ｒｔ））ここで、ｒ＜１．０、ｔ＜１．０の条件では、１−（ｒ
ｔ）ｎ→１．０となり、 ε＝（（１−ｒ）・（１−ｔ））／（１−ｒｔ）ゲルマニュームレンズ（屈折率ｎ＝４．０）の反射防止
膜は、本発明では、８．０μｍ乃至１２．０μｍの波長
をカバーするように選定される必要がある。この反射防
止膜は、２種類の屈折率を持つ材料の薄膜が交互に多層
コーティングされて構成される。反射率は、図１３に示
すように、９８．０％が確保されている。

【００７０】可視光と赤外線とを分離させるモニタ用ハ
ーフミラー４の光学特性は、透過率が、図１４に示すよ
うに、赤外線を透過させるものであり、４５°入射での
反射率が、図１５に示すように、可視光のみを反射させ
るものとなっている。このモニタ用ハーフミラー４は、
ダイクロイックミラーの作成と同様に、異なる屈折率の
材料を多層膜として交互に蒸着して成膜して形成する。

【００７１】次に、可視光用光学系と赤外線用光学系と
の光軸のアライメントについて説明する。赤外線用のゲ
ルマニュームレンズの光軸中心に較正用アパチャー（５
０μｍφ）を置き、ミラー１４に付属する微細な調整機
構で、可視光画像の光軸を上下左右に可変し、モニター
画像上の中心に較正用アパーチャー（５０μｍφ）を写
し出す。この点を測定場所として、この条件で赤外線放
射エネルギーを最大になるようアライメントする。計測
したい測定位置の同定は、以後測定場所を可視画面中央
に設定すればよい。

【００７２】ミラー１４に付属する微細な調整機構は、
所定の測定点を可視ＣＣＤカメラで確認し、その場所で
の赤外線放射が最大になるように、赤外線屈折光学系を
位置合わせするものである。赤外線放射が最大になる
時、測定場所が可視の画像の中心になるように調整す
る。

【００７３】この結果、測定したい場所を画面中央に選
定すれば、その中心の５０μｍφ（較正用アパーチャー
の径）のみの赤外線が、レンズで集光されることとな
る。

【００７４】

【発明の効果】上述のように、本発明に係る赤外線放射
温度計測装置においては、測定エリアを観察する可視光
画像の解像度が確保されるので、赤外線観察画像による
計測位置を、可視光により確認できる。また、この赤外
線放射温度計測装置においては、可視光光学系の付加に
よる赤外線放射エネルギーの損失が防止されている。そ
して、回転体とこの回転体に接触して移動もしくは静止
する媒体との摩擦による赤外線放射からの信号検出の精
度を確保することができる。

【００７５】すなわち、本発明によれば、赤外線の放射
エネルギーが極めて弱い場合、例えば常温近傍の温度上
昇であって、かつ、バックグラウンドからの赤外線放射
光の影響を受ける条件での温度測定が行える。したがっ
て、回転体とその媒体の界面で生ずる数μｍオーダーの
微少領域の熱計測が、かかる条件下であっても正確にで
きる。

【００７６】すなわち、本発明においては、可視域の反
射ミラーを赤外線屈折光学系の一部に設置する場合のよ
うに、これによる光量の低下を補うために光学系の各要
素設計のサイズ拡大が必要になることがないので、特殊
なゲルマニュームレンズ口径を大きくして収差補正光学
系の追加や大口径レンズ加工という困難性が回避できる
だけではなく、小型機器の温度計測を非接触、非破壊で
実現できるようになった。本発明は、赤外線放射計測を
効率的にできる方式を提供するものであり、光学設計の
自由度をその分大きくでき、小型、安価なシステムの実
現を可能とするものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る赤外線放射計測装置の構成を示す
側面図である。

【図２】チョッパブレードの構成を示す正面図である。

【図３】上記赤外線放射計測装置におけるモニタ用ハー
フミラーの構成を示す側面図である。

【図４】チョッパ出力波形、絶対較正の第１の構成を説
明するグラフである。

【図５】チョッパ出力波形、絶対較正の第２の構成を説
明するグラフである。

【図６】チョッパ出力波形、絶対較正の第３の構成を説
明するグラフである。

【図７】チョッパ出力信号検出回路の構成を示すブロッ
ク図である。

【図８】チョッパブレードによる較正法を説明する側面
図である。

【図９】ＰＥＴフィルムのＦＴＩＲスペクトルデータを
示すグラフである。

【図１０】ＰＥＴフィルムの放射率データを示すグラフ
である。

【図１１】ＰＥＴフィルムの反射率データを示すグラフ
である。

【図１２】ＰＥＴフィルムの吸収スペクトルを示すグラ
フである。

【図１３】ゲルマニウム（Ｇｅ）レンズのＡＲコートの
分光透過率を示すグラフである。

【図１４】モニタ用ハーフミラーの分光透過率を示すグ
ラフである。

【図１５】モニタ用ハーフミラーの分光反射率を示すグ
ラフである。

【図１６】真実接触点の摩擦熱による温度上昇を説明す
るための断面図である。

【図１７】放射スペクトルと温度との関係を説明するデ
ータを示すグラフである。

【図１８】ＭＣＴセンサの１／ｆノイズのデータを示す
グラフである。

【図１９】ビデオテープのヘッドの接触による変形状態
を示す斜視図である。

【図２０】ビデオテープのヘッドの接触による変形状態
を示すグラフである。

【図２１】従来の赤外線放射計測装置の構成を示す側面
図である。

【符号の説明】

１赤外線用光学系、２モニタ用ハーフミラー、３
被写体面、４チョッパブレード、５モータ、６集
光レンズ、７参照熱源、８折り曲げミラー、９集
光レンズ、１０ＭＣＴセンサ、１５ＣＣＤセンサ面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】可視光を利用して画像を得る第１のイメ
ージャと赤外線を利用して画像を得る第２のイメージャ
との複数の光学的手段を有する画像装置であって、上記第１及び第２のイメージャの光学系は、入射側にお
いて光軸が互いに一致しており、ハーフミラーを介して
入射光束を分岐させて、各別のセンサに光束を入射させ
ることを特徴とする赤外線放射温度計測装置。
【請求項２】回転体とこの回転体に接触して移動もし
くは静止する媒体との摩擦による赤外線放射を検出する
にあたって、上記回転体に位相及び周波数が同期されて回転操作され
第２のイメージャの光学系の光路を周期的に遮るチョッ
パブレードと、信号検出のためのサンプリングゲートパルスを上記チョ
ッパ回転体の回転周波数に同期させるとともに、クロッ
ク位相を任意に設定できる制御手段とを設け、上記制御手段は、サンプリングゲートを任意の複数箇所
で行い、差分データをとる手段により、バックグラウン
ド放射光を削除することを特徴とする請求項１記載の赤
外線放射温度計測装置。
【請求項３】チョッパブレードの表面に配置され、少
なくともチョッパブレードの１回転に１回の赤外線放射
エネルギーを第２のイメージャの赤外線センサに入力さ
せる赤外線用反射鏡と、回転体から放射される摩擦による赤外線放射エネルギー
の信号検出を絶対較正する手段とを備え、第２のイメージャにおける赤外線センサ出力の信号検出
レベルを絶対較正することを特徴とする請求項２記載の
赤外線放射温度計測装置。
【請求項４】チョッパブレードの回転中にこのチョッ
パブレードに直交する方向より該チョッパブレードの表
面に対して時間的、離散的な熱放射分布を与える熱源
と、上記熱源により熱放射分布を与えられた箇所と他の箇所
との熱分布の違いに基づいて、チョッパブレードの開口
部を介して入射する赤外線エネルギーに依存した検出信
号を較正することを特徴とする請求項３記載の赤外線放
射温度計測装置。
【請求項５】回転体とこの回転体に接触して移動もし
くは静止する媒体との摩擦による摩擦熱を検出するにあ
たって、磁気記録再生媒体及び高分子材料の赤外領域の複数の吸
収スペクトラムの中で放射率の高い領域である７．５μ
ｍ乃至９μｍ帯で放射される赤外線にピーク感度が略々
一致されたセンサと、上記センサの前面側に配置され、上記７．５μｍ乃至９
μｍ帯から外れた不要なスペクトラムを削除する光学フ
ィルタとを備えたことを特徴とする請求項１記載の赤外
線放射温度計測装置。