JP3814397B2

JP3814397B2 - 膨張測定装置

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Publication number: JP3814397B2
Application number: JP35385697A
Authority: JP
Inventors: 洋山内; 暢夫川崎; 昌彦大門; 明増村
Original assignee: Ohara Inc
Current assignee: Ohara Inc
Priority date: 1997-12-22
Filing date: 1997-12-22
Publication date: 2006-08-30
Anticipated expiration: 2017-12-22
Also published as: JPH11183413A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、干渉計を利用して例えば線膨張係数などの熱膨張に関する量を測定する膨張測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、温度変化に対する試料の伸びを測定（膨張測定）する場合、差動トランス（トランスフォーマー：変圧器）を利用する方法や、干渉計を利用する方法がある。これらの一例となる従来技術としては、公開特許公報昭６２−１２４４０５号、昭６３−２５２２０３号、平０１−２４４３５０号、平０４−７６３３９号、平６−２０１６２０の各技術が挙げられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の各測定装置においては、試料を各測定装置に適切な形状に加工する必要があり、試料をそのままの形状で測定にかけるということが出来なかった。
【０００４】
例えば、干渉計を利用した上記特開昭６２−１２４４０５号の熱膨張計では、試料のセット方法が、レーザー光を反射するミラーの上に試料を載置し、その試料の上に反射板を設置するというものであるため、試料の形状および大きさに大きな制約が課せられる。
【０００５】
また、特開平０１−２４４３５０号の板材料の熱膨張・収縮計測装置では、予め試料を所定長さに切り出して、該試料を四方を囲まれた設置箇所に収める必要があり、試料の形状や大きさのバリエーションは得られるものではない。
【０００６】
また、特開平６−２０１６２０号の試料の熱物性評価方法及びその装置では、試料に直接レーザー光を当ててその反射を利用するため、試料の表面を精度良く加工する必要がある。
【０００７】
上述の試料をそのままの形状で測定にかけられない測定装置の場合、実試料の測定において次の２つの問題が生じる。
【０００８】
１つは、実試料の近くをサンプルとして切り出し、加工成形しなければならないことであり、製品の製作時にその製品の近くからサンプルとして取得できる場合は良いが、大きな製品（例えば半径８００φ×厚さ２００ｔｍｍの熱間成形品のような場合）でサンプルを切り出す事ができない場合は測定不可能となる。また、使用機械部品など唯一のものであり破壊が許されない場合でも測定は不可能となる。
【０００９】
もう１つは、試料の膨張係数が非常に小さい場合に測定精度が上がらないという問題である。膨張係数が小さいと所定の温度変化に対して、短い試料の長さはその変化が極めて小さくしか現れず、変化の大きさを検出することが困難となる。
【００１０】
ところで、膨張係数の測定を目的として開発されたものではないが、参照すべき従来技術として特開平４−１７２２０４号に開示のレーザー光波干渉測定装置がある。この技術は、試料を保持する支持板の位置のずれを、レーザー光を用いて補正するものであるが、この技術を応用して上記支持板を試料として見なすことで、極めて限定された条件、例えば線膨張係数の大きい材質で測定精度のあまり必要としないような膨張測定において、試料を非破壊で測定できる可能性があるが、一般的な膨張測定には不向きである。
【００１１】
不向である理由としては、参照光と試料からの反射光を干渉させる位置が試料の外にあり、試料の膨張に関係のない光路が長く、干渉波が長い空気層や２つの反射鏡の材質の屈折率の温度係数や線膨張係数の影響を受け易く、結果として、測定精度が得られないことが挙げられる。更に、反射光を干渉させる位置が試料外に設けられているため、２つのビームスプリッタを備えた複雑な光学系が必要となり、光学的な調整が複雑で振動等外乱の影響を受け易く、結果的に、一般的な測定においても精度が得られない。
【００１２】
この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、従来難しかった大型試料をそのままの状態で非破壊にて膨張測定可能とし、即ち、最終製品或いは現在使用中の部品をそのままの状態で膨張測定可能とし、更に、この膨張測定を高い精度で実施することの可能な膨張測定装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、
請求項１記載の発明は、試料を保持する試料保持機構と、
前記試料に温度変化を与える温度制御手段と、
前記試料の温度を検出する温度検出手段と、
レーザー光を反射する反射面を有し前記試料上に裁置可能に形成された２つの干渉板と、
これら２つの干渉板にレーザー光を反射させると共にこれら２つの反射光を互いに重ねて干渉光を出力する干渉装置と、
該干渉装置の出力および前記温度検出手段の検出出力に基づき前記試料の熱膨張に関するデータ処理を行う演算手段と
を備えた膨張測定装置とした。
【００１４】
この請求項１記載の発明によれば、熱変化による試料の膨張／縮小に伴い上記２つの干渉板の間隔の長さが変化し、この間隔の長さを上記干渉装置の干渉光出力から求めて熱膨張に関するデータ処理を行うのであるが、上記２個の干渉板が試料上に載置可能に形成されたものであり、この２個の干渉板を試料上に載置することで測定を行うので、測定試料の大きさや形に制約が生じ難い。従って、大型試料をそのままの状態（非破壊にて）で膨張測定可能であり、同様に、最終製品或いは現在使用中の部品をそのままの状態で膨張測定することが可能となる。
また、内部がほぼ真空であると共にレーザー光を透過可能である前記２つの干渉板の間に配置される管体を備えても良く、そうすることで、干渉光を得るための光路の大部分を真空とすることが可能となり、空気層の温度変化の影響が極力回避され、更に高い測定精度を得ることが出来る。
【００１５】
また、大型試料の膨張測定が可能であることから、干渉板の間隔を大きくすることができ、線膨張係数が非常に小さい試料においても膨張測定が容易となる。また、干渉板の載置箇所を試料の局所部分に限定することで、この局所部分の膨張測定を行うことが可能となる。従って、例えば、大きな試料において局部的に膨張のバラツキを測定したい場合でも、干渉板を被測定部を挟むように載置することで、各局部の膨張量が測定可能となり上記膨張のバラツキを得ることが可能となる。
【００１６】
なお、上記試料を保持する試料保持機構は、例えば、試料の膨張／縮小を自在とさせる可動機構を備えたり、試料の厚さが変化した場合でも上記干渉板の高さを所定位置まで昇降可能とする昇降装置を備えたり、試料によっては、試料に不自然な負荷が掛かり試料が反ったりしないように保護する機構を備えるなど、適宜改良可能である。
【００１７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の膨張測定装置において、
前記干渉装置が、前記２つの干渉板の間にレーザー光を往復させて干渉板の片側から干渉光を生じさせるフィゾー型干渉計である構成とした。
【００１８】
この請求項２記載の発明によれば、干渉光を得るための光路が最小となり、且つ、この光路が試料の膨張に関係する光路からの構成されるので、空気層の温度変化の影響を最小にして、測定精度を向上させることが出来る。
また、干渉光が上記２つの干渉板のみから得られるので、その分、干渉装置の光学系の構成を単純化することが可能となり、結果として、干渉装置の光学的な調整の容易化、振動等の外部要因による影響の軽減等を計ることが出来る。
【００２０】
また、請求項３記載の発明のように、請求項１又は２に記載の膨張測定装置において、前記干渉板が、該干渉板の反射面の角度を調整可能な角度調整機構を備えることが好ましく、そうすることで、上面部に勾配がある試料であっても、上記干渉板を、その反射面を所定の角度に維持した状態でセットすることが可能となり、即ち、様々な形状の試料に対応して膨張測定を行うことが出来る。なお、角度調整機構に限らず、反射面の高さ方向の位置を調整可能とする調整機構を備えても良い。
【００２１】
また、言うまでもないが、レーザー光の投射方向或いは前記干渉装置の光学系の配置を調整する調整機構を備えることが好ましく、そうすることで、干渉板の載置位置が精度良く決定されなかったり、試料の形状により干渉版の載置位置が所定位置からずれた場合でも、干渉装置側の調整で対応することが可能となり、測定時の作業効率の向上を計ることが出来る。
【００２２】
また、請求項４記載の発明のように、請求項１〜３の何れかに記載の膨張測定装置において、レーザー光源として周波数安定化レーザーを用いることで、長時間かけた測定においても安定した測定精度を得ることが出来る。
【００２３】
また、請求項５記載の発明のように、請求項１〜４の何れかに記載の膨張測定装置において、前記干渉板が、少なくとも前記試料の熱膨張を測定する測定温度領域において、前記試料とほぼ同一の熱膨張係数を有する部材から形成することにより、熱変化による膨張／収縮により干渉板が試料からずれるといった不具合を回避することが出来る。ここで、例えば、干渉板が、反射面を形成する光学系部分と、試料上に載置するためのベース部分とからなる場合には、少なくともベース部分の熱膨張係数を試料とほぼ同一にすることで上記同様の効果が得られる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について、図１〜図５の図面を参照しながら説明する。
図１は、この実施の形態である非破壊膨張測定装置１００の全体構成を示す概略構成図、図２は、非破壊膨張測定装置１００を側方から眺めた側面図である。
【００２５】
図１において、１はレーザー光源、２ａ，２ｂはレーザー光を拡大・平行にするレンズ系、３はビームスプリッタ、４ａ，４ｂはフィゾー型干渉計を構成する２枚の干渉板、５は干渉板間の空気層を最小にするための内部が真空になっている中空パイプ、６は測定対象となる試料、７は恒温槽、８，８は遮光絞り、９は収束レンズ、１０は検出器、１１は検出器のための負高圧電源、１２は増幅器、１３は熱電対温度計、１４は熱電対のための冷接点、１５は温度コントローラー、１６は恒温槽に配管されている循環パイプに恒温水を循環するための恒温度循環装置、１７はコンピューターである。
【００２６】
図２において、１はレーザー光源、２ａ，２ｂはレンズ系、２１は光学台、２２は測定試料の厚さに応じてビームの高さを変えるためのリフター（昇降装置）、４ａ，４ｂは干渉板、５は中空パイプ、６は試料、２４は試料保持台（試料保持機構）、７は恒温槽、１６ａ…は恒温水循環装置１６で温度変化を与えられた恒温水を循環させるための循環パイプ、２５は光学系および測定系全体を支えるための除振台である。
【００２７】
この実施の形態の非破壊膨張測定装置１００は、図１と図２に示したように、レーザー光源１、レンズ系２ａ，２ｂ、ビームスプリッタ３、干渉板４ａ，４ｂ、中空パイプ５、遮光絞り８，８および収束レンズ９等からなる干渉装置と、検出器１０、負高圧電源１１および増幅器１２等からなる光強度検出装置と、恒温槽７、恒温水循環装置１６、熱電対温度計１３および温度コントローラー１５等からなる温度制御手段と、試料を保持する試料保持台２４、光学台３、リフター２２、除振台２５、並びに、データ処理を行うコンピューター１７等から構成されている。
【００２８】
レーザー光源１は、光干渉を生起可能な可干渉距離の関係から干渉板４ａ，４ｂの間隔が２００ｍｍ程度以下と短く、また、試料の線膨張係数が大きく、比較的に精密さを必要としない測定（以後、一般的膨張測定と記す。）においては、通常のガスレーザー光源を使用しても差し支えないが、試料の線膨張係数が小さい場合は、測定時間中、１０^-8程度に安定化した単一周波数安定化レーザー光源が必要となる。
【００２９】
レーザー光源１、レンズ系２ａ，２ｂ、ビームスプリッタ３には、それぞれ配置および角度の調整を行う調整機構が設けられている。
【００３０】
中空パイプ５は、その内部が常に真空引きされると共に、両端にレーザー光を通過させる窓板５ａ，５ｂを備えてなり、試料６に接触しない状態で、干渉板４ａ，４ｂの間に配置される。この中空パイプ５は、干渉板４ａ，４ｂの間の空気層の温度変化が測定に影響して、精密測定を阻害しないようにするためのものである。
【００３１】
図３には、干渉板４ａ，４ｂの構成図を示す。同図（ａ）はその縦断面図、（ｂ）は斜視図である。
２つの干渉板４ａ，４ｂは、それぞれほぼ同一の構成をしており、ここでは一方の干渉板４ａについて説明する。干渉板４ａは、レーザー光を反射および透過させるための光学部４３と、該干渉板４ａを試料６上に載置するためのベース部４１とを同一の材料で一体形成したものである。
光学部４３は、レーザー光を反射するために平面上に成形された反射面４３ａを備え、レーザー光の一部を表面反射させ、残りを透過させる干渉板になっている。
【００３２】
ベース部４１は、光学部４３が安定するように幅広に形成されると共に、底面部で三点支持するための２本の支持棒４５，４５と角度調整ネジ４６とを備えて構成される。支持棒４５は、その先端部をベース部４５の底面から突出させた状態に設けられると共に、試料６と反射面４３ａの当初の位置関係が保たれることを目的に、その先端が尖り状に形成されて干渉板４ａが試料６上で滑りにくいようになっている。
角度調整ネジ４６は、その先端部をベース部４５の底面から突出可能な状態に設けられ、該ネジを出し入れすることで、光学部４３の傾きを調整するものである。角度調整ネジ４６の先端部は球状に形成されている。４７は、角度調整ネジ４６のブッシュである。
【００３３】
上記の干渉板４ａの内、少なくともベース部４１、好ましくは支持棒４５，４５、角度調整ネジ４６、ブッシュ４７の各部材は、所定の線膨張係数を有する材料から形成されている。そして、膨張測定が必要とする精密さの程度に応じて、この線膨張係数が、少なくとも試料の測定温度範囲内で試料の線膨張係数とほぼ同一のものを使用すると望ましい。上記部材を用いることで、温度変化による試料６の膨張／縮小に伴い、干渉板４ａの接触部分も同様に膨張／縮小するため、位置ずれなどを起しにくい。
【００３４】
なお、干渉板４ａ，４ｂを、上記同一の線膨張係数を有する部分において、その線膨張係数を異ならせて複数用意しておき、試料に応じて使い分けるようにすることで好適となる。
【００３５】
次に、上記構成の被破壊膨張測定装置１００を使用した試料６の膨張測定について説明する。
膨張測定を始める前に、先ず、試料６を試料保持台２４にセットし、次に、２個の干渉板４ａ，４ｂを試料６上の所定箇所に平行な状態に載置する。例えば、試料６の部分的な線膨張係数を測定する場合には、当該測定したい部分が間に挟まれるように干渉板４ａ，４ｂを載置する。この実施の形態では、試料６の全体的な線膨張係数を測定するので、図１や図２に示すように試料６の中央を挟んで両側方の安定した箇所に載置する。
【００３６】
同時に、干渉板４ａ，４ｂの反射面を互いに平行な状態にし、且つ調整ネジ４６を調整して鉛直な状態にする。また、中空パイプ５を、その窓板５ａ，５ｂが干渉板４ａ，４ｂに対向するように干渉板４ａ，４ｂの間に配置する。
この状態にセットした後、恒温槽７を閉じて恒温水循環装置１６を作動させ、恒温槽７内の温度が一定になるように制御する。
【００３７】
次いで、レーザー光源１からレーザー光線を出力すると共に、レーザー光源１の調整機構を調整してレーザー光が干渉板４ａの反射面（干渉面）４３ａに垂直に入射するように調整する。
レーザー光は、その一部が干渉板４ａの反射面４３ａで反射されると共に、残りの一部が干渉板４ａを通過してもう一方の干渉板４ｂに垂直に入射される。そして、干渉板４ｂの反射面で反射されて再び干渉板４ａに戻り、一方の干渉板４ａで反射されたレーザー光と互いに重なり合って干渉光を生じさせる。
干渉光は、ビームスプリッタ３で折り返され、収束レンズ９により検出器１０に導かれる。
【００３８】
この状態で、温度コントローラー１５により恒温水循環装置１６を作動制御して恒温槽７内の温度を変化させていく。試料６の温度は、熱電対温度計１３により検知されコンピュータ１７に出力される。
温度を変化させていくと、この温度変化に応じて試料６が伸縮し、試料６上に載置されている干渉板４ａ，４ｂの間隔が変化する。即ち、上記干渉光を生じさせているレーザー光の光路長が変化する。そして、この光路長の変化が上記干渉光の強度変化として現われ、検出器１０および増幅器１２を経てコンピュータ１７に出力される。
【００３９】
図４には、上記の膨張測定でコンピュータ１７により表示出力される干渉光強度対温度のグラフを示す。
コンピュータ１７では、上記熱電対温度計１３からの出力と、干渉光の強度を表す増幅器１２からの出力とから、試料６の熱膨張に関するデータ処理が行われ、例えば、図４に示すような、干渉光強度−温度のグラフが表示出力される。
【００４０】
更に、コンピュータ１７上で、上記データ、並びに、中空パイプ５および窓板５ａ，５ｂの熱膨張係数のデータ（或いは空気の熱膨張係数のデータも含む。）に基づいて次のような原理で計算が行われ、試料６の線膨張係数αｓが求められる。
図５は、線膨張係数αｓの計算方法を説明するために、干渉板４ａ，４ｂと中空パイプ５の配置構成を示す説明図である。同図中、４ａ，４ｂは干渉板、５は中空パイプ、５ａ，５ｂは窓板である。
【００４１】
ここで、窓板５ａ，５ｂの厚さをそれぞれｌ_q1，ｌ_q2、中空パイプ５の長さをｌ_p、空気層の厚さをｌ_air1，ｌ_air2、両干渉板４ａ，４ｂ間の間隔をｌ_totalとする。また、窓板５ａ，５ｂの厚さの合計をｌ_q、空気層の厚さの合計をｌ_airとして次式で表す。
【数１】

【００４２】
窓板２ａ，２ｂは同じ材料とし、その線膨張係数をα_q、屈折率をｎ_q、屈折率の温度係数をｄｎ_q／ｄＴとする。更に、温度Ｔ₀での両干渉板の間の全光路長をＳ₀とすると次の式２が成り立つ。
【数２】

また、温度Ｔ₀から１度温度変化した時の全光路長をＳ₁とすると次の式３が成り立つ。
【数３】

温度Ｔ₀の状態と１℃変化したときの状態との光路長の変化量ΔＳ（＝Ｓ₁−Ｓ₀）は、計算に影響を与えない微小項を無視すると、式３と式２との差から次式のようになる。
【数４】

ここで、ΔＳを本発明の干渉縞の変化量として読み取れば、式３において、α_S以外はすべて既知の値となるので、求める試料の線膨張係数が求められることになる。図４のグラフからΔＳは次式のように求められる。
【数５】

ところで、この実施の形態の膨張測定において、試料が８００φ×２００ｔｍｍ（φ：半径、ｔ：厚さ）のように極めて大きい場合、試料に対する温度変化を極めてゆっくり行わないと、試料６、窓板５ａ，５ｂ、中空パイプ６が同一温度で変化せず、熱電対温度計１３による温度指示値が全ての温度を正確に表さず、式２が成立しなくなる。
このような場合は、恒温水循環装置１６による温度変化を極めてゆっくりなものとし、１〜２日間かけて実際の測定を行う。また、温度測定を、試料６だけでなく、窓板５ａ，５ｂ、空気層に対しても行い、式３にそれぞれの温度測定値を使用することで極めて精度の高い測定を行うことが出来る。
【００４３】
以上のように、この実施の形態の非破壊膨張測定装置１００によれば、干渉板４ａ，４ｂを試料上に載置する構成であるため、膨張測定のための試料片を切り出す必要がなく、大きい試料や唯一の機械部品であっても非破壊で膨張の測定を行うことが出来る。また、線膨張係数が極めて小さい試料、例えば、市販されているゼロ膨張ガラス（線膨張係数α＝１×１０^-7ｍｍ／℃）において、精密な測定をするには干渉板の間隔を大きくしなければならないが、このような場合でも、本発明によれば、大きな試料を使うので測定が容易になる。
【００４４】
更に、大きな試料の局部的な膨張のバラツキを測定したい場合であっても、干渉板を被測定部を挟むように設置すれば、その間の線膨張係数が求められる。また、材料を供給するメーカにおいては、実製品で納入先に膨張という品質を保証して納入できるので、納入先に信頼性を与えることが出来る。
【００４５】
なお、本発明は、この実施の形態の膨張測定装置１００に限られるものではなく、例えば、試料を保持する構成、光学系の構成、試料等の温度制御を行う構成、並びに、コンピュータで行うデータ処理の内容など、具体的に示した細部構成等は発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、干渉板を試料上に載置することで測定を行うので、測定試料の大きさや形に制約が生じ難く、従って、大型試料をそのままの状態（非破壊にて）で膨張測定行うことが可能となる。即ち、最終製品或いは現在使用中の部品をそのままの状態で膨張測定することが可能となる。また、大型試料の膨張測定が可能であることから、線膨張係数が非常に小さい試料においても膨張測定が容易となる。
【００４７】
また、干渉光に必要な光路が、試料上に載置された２個の干渉板間のみであることから、空気層の温度変化の影響を最小にして、測定精度を向上させることが出来ると共に、干渉光が上記２つの干渉板のみから得られるので、その分、干渉装置の光学系の構成を単純化することが可能となり、結果として、干渉装置の光学的な調整の容易化、振動等の外部要因による影響の軽減等を計ることが出来る。
【００４８】
その他、干渉板の載置箇所を試料の局所部分に限定することで、この局所部分の膨張測定を行うことが可能となり、例えば、大きな試料において局部的に膨張のバラツキを測定したい場合でも、干渉板を被測定部を挟むように載置することで、各局部の膨張量が測定可能となり上記膨張のバラツキを得ることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態である非破壊膨張測定装置の全体構成を示す概略構成図である。
【図２】同、非破壊膨張測定装置を側方から眺めた側面図である。
【図３】同、非破壊膨張測定装置において使用される干渉板の構成を示すもので、（ａ）はその縦断面図、（ｂ）はその斜視図である。
【図４】同、非破壊膨張測定装置のデータ処理の一例を示すもので光強度対温度のグラフである。
【図５】試料上の干渉板とパイプの配置構成を説明する説明図である。
【符号の説明】
１レーザー光源
２ａ，２ｂレンズ系
３ビームスプリッタ
４ａ，４ｂ干渉板
５中空パイプ（管体）
６試料
７恒温槽
１０検出器
１２増幅器
１３熱電対温度計
１５温度コントローラ
１６恒温水循環装置
１７コンピュータ（演算手段）
２４試料保持台

Claims

試料を保持する試料保持機構と、前記試料に温度変化を与える温度制御手段と、前記試料の温度を検出する温度検出手段と、レーザー光を反射する反射面を有し前記試料上に裁置可能に形成された２つの干渉板と、これら２つの干渉板にレーザー光を投射して反射させると共にこれら２つの反射光を互いに重ねて干渉光を出力する干渉装置と、該干渉装置の出力および前記温度検出手段の検出出力に基づき前記試料の熱膨張に関するデータ処理を行う演算手段と、内部がほぼ真空であると共にレーザー光を透過可能であり前記２つの干渉板の間に配置される管体と、を備えたことを特徴とする膨張測定装置。
前記干渉装置は、前記２つの干渉板の間にレーザー光を往復させて干渉板の片側から干渉光を生じさせるフィゾー型干渉計であることを特徴とする請求項１記載の膨張測定装置。
前記干渉板は、該干渉板の反射面の角度を調整可能な角度調整機構を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の膨張測定装置。
レーザー光源として周波数安定化レーザーを用いたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の膨張測定装置。
前記干渉板は、少なくとも前記試料の熱膨張を測定する測定温度領域において、前記試料とほぼ同一の熱膨張係数を有する部材から形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の膨張測定装置。