JP3421464B2 - 線膨張係数の測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、試料片をその上下から
挟み込んで保持する試料片保持部に、被測定材料の試料
片を立ち姿勢にした状態で保持させた後、その試料片を
加熱して、その試料片の高さ方向の膨張長さを測定し、
前記膨張長さを線膨張係数に換算する線膨張係数の測定
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の線膨張係数の測定方法と
しては、円柱状または角柱状の試料片の両端面を偏平に
加工したのち、一対の偏平面を有する試料片保持部に上
下に挟み込んで保持させた後に、その試料片を加熱し
て、その試料片の高さ方向の膨張長さを測定し、前記膨
張長さを線膨張係数に換算することが行われていた。具
体的には、前記線膨張係数の測定方法に用いる測定装置
としては、電気炉内に保持自在な支持管に連設してな
り、且つ、前記試料片の上端部を接当させる上端保持部
と、膨張長さ検出装置に連設してなり、且つ、前記試料
片の下端部を接当させて、その試料片に所定の押しつけ
圧を与えるように載置する下端保持部とを設けて試料片
保持部を構成してなるものが知られていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述した従
来の線膨張係数の測定方法によれば、試料片の膨張長さ
の測定値の安定性が前記試料片の形状に大きく影響され
るため、精度の高い測定を行うには極めて精度良く前記
試料片を作成しなければならず、高度な試料片加工技術
を要するとともに、多くの手間がかかるという問題点が
あった。

【０００４】つまり、たとえば試料片１の下端面が偏平
な一つの面から構成されるものではなく、二つの面にな
ってしまっている場合（図６（イ）参照）を考えると、
測定開始時に前記試料片１を下端面の第一面ａと上端面
ｃとのあいだで保持させていたとしても、その測定中
に、わずかな外部からの振動、あるいは、外部からの振
動はなくとも熱膨張によって試料片１にかかる応力等
（以下単に、振動等と称する）によって、試料片１の接
当部の状態が変わってしまい、それに伴い前記試料片１
ががたついて下端面の第二面ｂと上端面ｃとのあいだで
保持されるようになってしまったとすると、前記試料片
１の保持高さが変わるので、前記膨張長さの測定値が信
頼性の無いものとなってしまう可能性があった。尚、こ
のことは、前記下端面及び上端面の少なくとも一方が偏
平で無い場合に共通して言えることである。また、たと
え、両端面が偏平であったとしても、両端面が平行でな
い場合には、特に、平面視で上端面における試料片１の
上部接当部が、前記試料片１の底部接当部上にない場合
には（図６（ロ）参照）、やはり、下端面ａが前記試料
片保持部の下部側に全面で接当し、上端面ｃが前記試料
片保持部の上部側に点または線接触した状態で保持され
る場合と、上端面ｃが前記試料片保持部の上部側に全面
で接当し、下端面ａが前記試料片保持部の下部側に点ま
たは線接触して保持される場合とで、接当部の状態が変
わってしまい、先と同様に前記膨張長さの測定値が信頼
性の無いものとなってしまう可能性があった。

【０００５】さらに、たとえ試料片を両端面がともに偏
平でかつ平行に形成できたとしても、前記測定装置の繰
り返し使用などにより、種々の試料片から溶出したガラ
ス成分等が前記試料片保持部に付着したり、前記試料片
保持部を浸食したりしていた場合には、上述のような問
題点が発生すると考えられる。

【０００６】従って、本発明の目的は、上記欠点に鑑
み、試料片の膨張長さを信頼性高く測定し、線膨張係数
を誤差の少ないものとして得ることの出来る線膨張係数
の測定方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】試料片をその上下から挟
み込んで保持する試料片保持部に、被測定材料の試料片
を立ち姿勢にした状態で保持させた後、その試料片を加
熱して、その試料片の高さ方向の膨張長さを測定し、前
記膨張長さを線膨張係数に換算する線膨張係数の測定方
法において、上記目的を達成するための本発明の特徴手
段は、前記試料片を前記試料片保持部に保持させるに、
前記試料片の底部のうち底面視で三角形を形成する３箇
所の底部接当部を、前記試料片保持部の下端支持部に接
当させた状態で前記試料片を載置し、平面視で前記下端
支持部に対する前記３箇所の底部接当部の間に、前記試
料片の上端部における上部接当部を位置させて、前記試
料片保持部の上端支持部に接当させて保持することにあ
り、前記試料片の底部に前記試料片保持部の下端支持部
に接当自在な第一、第二、第三支持足を前記試料片に予
め形成しておいてもよく、前記試料片に接当する第一、
第二、第三支持台を、予め前記試料片保持部の下端支持
部に形成しておいてもよく、前記試料片を上端部ほど小
径に形成して前記上端支持部に接当する上部接当部を設
けておいてもよく、その作用効果は以下の通りである。

【０００８】

【作用】つまり、試料片をその上下から挟み込んで保持
する試料片保持部に、被測定材料の試料片を立ち姿勢に
した状態で保持させた後、その試料片を加熱して、その
試料片の高さ方向の膨張長さを測定し、前記膨張長さを
線膨張係数に換算する線膨張係数の測定方法において
は、ＪＩＳ Ｒ ３１０２に示されるマイクロメーター
を用いる方法に比べて、小さな試料を用いたとしても比
較的正確な線膨張係数を測定出来るという利点を維持す
る事が出来、試料片を加熱するのに、加熱ムラが生じて
測定誤差が発生するような不都合が防止できる。そのと
き、前記試料片を前記試料片保持部に保持させるに、前
記試料片の底部のうち底面視で三角形を形成する３箇所
の底部接当部を、前記試料片保持部の下端支持部に接当
させた状態で前記試料片を載置し、平面視で前記下端支
持部に対する前記３箇所の底部接当部の間に、前記試料
片の上端部における上部接当部を位置させて、前記試料
片保持部の上端支持部に接当させて保持すると、前記３
箇所の底部接当部が成す平面と前記上部接当部との距離
を、前記試料片の長さとすることが出来るとともに、前
記試料片保持部に保持された前記試料片は、がたつきに
くい構成となるので、前記試料片の膨張長さの測定値が
ばらつきの少ない状態で測定できる。

【０００９】また、上述の測定方法を行うに、前記試料
片の底部に前記試料片保持部の下端支持部に接当自在な
第一、第二、第三支持足を前記試料片に予め形成してあ
れば、従来の測定方法に用いられる測定装置を用いて、
前記試料片の膨張長さの測定値のばらつきを抑制するこ
とが出来るようになるとともに、前記試料片に第一、第
二、第三支持足を形成する加工は特に精度良く行わなく
ても、前記試料片が僅かの振動等によってがたつかない
ように出来、前記試料片を安定した状態で試料片保持部
に保持させるのも容易である。かつ、前記試料保持部の
上端保持部と下端保持部との平行度が保てていなくて
も、再現性の高い測定が可能となる。

【００１０】また、前記試料片に接当する第一、第二、
第三支持台を、予め前記試料片保持部の下端支持部に形
成してあれば、試料片に精度の高い加工を行うこと無
く、前記試料片を前記試料片保持部に保持させることが
出来るとともに、繰り返し測定を行ってガラス成分等が
溶出したとしても、前記試料片の底部のうち底面視で三
角形を形成する３箇所の底部接当部を、前記試料片保持
部に接当させた状態で前記試料片を載置出来る状態は維
持しやすい。

【００１１】また、前記試料片を上端部ほど小径に形成
して前記上端支持部に接当する上部接当部を設けておけ
ば、前記試料片の重心位置が下がるので、より振動等に
対して安定し、前記試料片の膨張長さの測定値がばらつ
きの少ない状態で測定するのに役立つ。

【００１２】

【発明の効果】従って、試料片の膨張長さをばらつき少
なく測定できるので、その膨張長さの変化を信頼性の高
い値として線膨張係数に変換することが出来る。その結
果、例えば、従来の測定方法では、例えば、線膨張係数
が１００×１０ ^-7℃の試料を測定したときに、±３％程
度の測定誤差を許容していた測定装置を用いたとしても
測定誤差を±０．３％程度まで減少させることが出来る
ようになるなど、電子機器等の高品質な特性を要求され
る分野においても信頼性の高い線膨張係数を有する材料
として提供しやすいものとなった。

【００１３】

【実施例】図１に本発明の線膨張係数の測定方法に用い
られる測定装置を示すとともに、本発明の実施例を図面
に基づいて説明する。図２（イ）に示すように、前記測
定装置の試料片保持部Ａに被測定材料の試料片１をその
上下から挟み込み、立ち姿勢にした状態で、かつ、前記
試料片１の底部１ｂのうち底面視で三角形を形成する３
箇所を、前記試料片保持部Ａに接当させた状態で載置
し、平面視で前記試料片保持部Ａに対する３箇所の底部
接当部ｂ１，ｂ２，ｂ３の間に位置する上端部１ａを前
記試料片保持部Ａに接当させて保持させた後、その試料
片１を加熱して、その試料片１の高さ方向の膨張長さを
測定し、前記膨張長さを線膨張係数に換算する。

【００１４】図１に示すように、前記測定装置Ｂは、試
料片１を保持させた状態で加熱自在に形成してなる電気
炉Ｂ１を備えてなり、前記電気炉Ｂ１には、炉内の温度
を測定する温度測定装置Ｂ２を連設するとともに、前記
温度測定装置Ｂ２の測定温度に基づいて前記電気炉Ｂ１
の加熱度を制御する温度制御装置Ｂ３を連設して昇温装
置Ｂａを構成してある。また、前記電気炉Ｂ１内部に
は、石英ガラス製で有底筒状の上部ホルダーＡ１の内底
面に前記試料片１の上端部を支持する偏平面からなる上
端支持部Ａａを形成するとともに、前記試料片１を載置
する石英ガラス製の下部支持棒Ａ２に、前記試料片１の
下端部を支持する偏平面からなる下端支持部Ａｂを形成
して前記試料片保持部Ａを設けるとともに、前記下部支
持棒Ａ２には、前記試料片１を上下で挟み込むための荷
重をかけるバランス装置Ｂ４および試料片１の膨張・収
縮に伴って上下移動する鉄材からなるコアＢ５を連設し
てなり、前記コアＢ５を挟んで両側に一対のコイルＢ６
を設けて差動トランスを構成し、前記試料片１の膨張長
さを電流として検出し、その電流を膨張長さとして出力
する変換器Ｂ７を設けて測長装置Ｂｂを構成してある。
さらに、前記温度測定装置Ｂ２、前記温度制御装置Ｂ
３、前記変換器Ｂ７からのデータを経時的に記録する記
録装置Ｂｃを設けて全体として測定装置Ｂを構成する。
尚図中２は、測定値校正用の標準試料片であり、差動ト
ランスの一方のコイルＢ６に連設され、試料片１の膨張
長さを正確に算出できる構成にしてあるものである。

【００１５】図２〜３に示すように、前記試料片１は、
長さ約２ｃｍの三角柱のガラス片の側辺を上側ほど先細
りになるように面取りしたのち、底面を削りだし、第
一、第二、第三支持足Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３を形成して前記
下端支持部Ａｂに接当する底部接当部ｂ１，ｂ２，ｂ３
を設け、さらに、前記ガラス片の上端部１ａを面取りし
て、前記上端支持部Ａａに接当する上部接当部ａ１を設
けて構成してある。

【００１６】このような試料片１を、前記試料片保持部
Ａに保持させると、前記第一、第二、第三支持足Ｃ１，
Ｃ２，Ｃ３は、前記下端支持部Ａｂに安定した姿勢で載
置されるとともに、前記上端部１ａを前記上端支持部Ａ
ａに固定されるので、試料片１の製作誤差の影響を殆ど
受けること無く安定した状態で保持され、再現性高く前
記試料片１の膨張長さを求めることが出来るようになっ
た。尚、前記試料片１の重量、長さ、試料片１を構成す
るガラスの比重等のデータを予め計測しておき、線膨張
係数を式１によって算出することが出来る。

【００１７】

【数１】

【００１８】具体的には、試料片１の長さ、重量、比重
を予め測定し、式２より平均断面積を算出しておき、そ
の試料片１を前記試料片保持部Ａに直立した状態にセッ
トするとともに、前記バランス装置Ｂ４で、前記試料片
１に単位断面積当り所定の荷重（平均断面積の大きさに
応じて荷重を調整する）が掛かるようにバランスをと
る。

【００１９】

【数２】

【００２０】この状態で昇温装置Ｂａを作動させて、室
温から屈伏点付近まで毎分５度以下の一定速度で昇温す
る。この時測定された試料片１の膨張長さをもとに、線
膨張係数を求めると、従来ガラスの試料片１では±３×
１０^-7℃^-1程度の測定のばらつきが生じていたところが
（±０．３）×１０^-7℃^-1程度のばらつきで線膨張係数
を求めることが出来ることが分かった（通常ガラスの線
膨張係数は５０〜１５０×１０^-7℃^-1程度）。

【００２１】以下に別実施例を説明する。先の実施例で
は、試料片１の底部接当部ｂ１，ｂ２，ｂ３を、前記試
料片１に第一、第二、第三支持足Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３を設
けて構成したが、図４に示すように、前記試料片１を両
端面ともに偏平な円柱または角柱状に形成しておくとと
もに、前記試料片保持部Ａの下端支持部Ａｂに前記試料
片１に接当する第一、第二、第三支持台Ｄ１，Ｄ２，Ｄ
３を予め形成しておき、前記試料片１における底部１ｂ
のうち底面視で三角形を形成する３箇所で接当させ、平
面視で前記３箇所の底部接当部ｂ１，ｂ２，ｂ３の中央
に位置し、試料片保持部Ａの上端支持部Ａａに設けた凸
状の上部接当部ａ１で上端部１ａを支持する構成であっ
てもよい。また、図５（イ）に示すように、試料片１に
第１、第２、第３支持足Ｃ１，２２，Ｃ３を設けるとと
もに、試料片保持部Ａの上端支持部Ａａに凸状の上部接
当部ａ１に形成しておき、試料片１を支持する構造であ
っても良く、さらに、図５（ロ）に示すように試料片
を、下端面を大径且つ偏平に形成し、さらに、上端面を
細径且つ凸状に形成しておき、試料片１を支持する構造
であっても良い。

【００２２】また、先の実施例では、試料片１をガラス
片としたが、他の材質からなる試料片１に適用してもよ
く、樹脂等の材質からなる試料片１の線膨張係数の測定
にも利用可能であるが、荷重によって屈伏しにくいガラ
ス、鉱物、金属、セラミクス等の測定に適用することが
好ましい。

【００２３】尚、特許請求の範囲の項に、図面との対照
を便利にするために符号を記すが、該記入により本発明
は添付図面の構成に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】測定装置の全体図

【図２】実施例における試料片の説明図 （イ）は試料
片保持部への保持状態を示す正面図 （ロ）は縦断側面
図

【図３】実施例における試料片の説明図 （イ）は平面
図 （ロ）は底面図

【図４】別実施例における線膨張係数の判定方法を示す
説明図 （イ）は試料片保持部への保持状態を示す正面
図 （ロ）は試料片保持部への保持状態を示す平面図

【図５】別実施例における線膨張係数の判定方法を示す
説明図

【図６】従来の線膨張係数の判定方法を示す説明図

【符号の説明】

１ 試料片 Ａ 試料片保持部Ａａ 上端支持部 Ａｂ 下端支持部 １ａ 上端部 １ｂ 底部ａ１ 上部接当部 ｂ１，ｂ２，ｂ３ 底部接当部 Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３ 第一、第二、第三支持足 Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３ 第一、第二、第三支持台

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料片（１）をその上下から挟み込んで
   保持する試料片保持部（Ａ）に、被測定材料の試料片を
   立ち姿勢にした状態で保持させた後、その試料片（１）
   を加熱して、その試料片（１）の高さ方向の膨張長さを
   測定し、前記膨張長さを線膨張係数に換算する線膨張係
   数の測定方法であって、 前記試料片（１）を前記試料片保持部（Ａ）に保持させ
   るに、前記試料片（１）の底部（１ｂ）のうち底面視で
   三角形を形成する３箇所の底部接当部（ｂ１）,（ｂ
   ２）,（ｂ３）を、前記試料片保持部（Ａ）の下端支持
   部（Ａｂ）に接当させた状態で前記試料片（１）を載置
   し、平面視で前記下端支持部（Ａｂ）に対する前記３箇
   所の底部接当部（ｂ１）,（ｂ２）,（ｂ３）の間に、前
   記試料片（１）の上端部（１ａ）における上部接当部
   （ａ１）を位置させて、前記試料片保持部（Ａ）の上端
   支持部（Ａａ）に接当させて保持する線膨張係数の測定
   方法。
2. 【請求項２】 前記試料片（１）の底部（１ｂ）に前記
   試料片保持部（Ａ）の下端支持部（Ａｂ）に接当自在な
   第一、第二、第三支持足（Ｃ１）,（Ｃ２）,（Ｃ３）を
   前記試料片（１）に予め形成しておく請求項１に記載の
   線膨張係数の測定方法。
3. 【請求項３】 前記試料片（１）に接当する第一、第
   二、第三支持台（Ｄ１）,（Ｄ２）,（Ｄ３）を、予め前
   記試料片保持部（Ａ）の下端支持部（Ａｂ）に形成して
   おく請求項１に記載の線膨張係数の測定方法。
4. 【請求項４】 前記試料片（１）を上端部（１ａ）ほど
   小径に形成して前記上端支持部（Ａａ）に接当する上部
   接当部（ａ１）を設けておく請求項１〜３のいずれかに
   記載の線膨張係数の測定方法。