JP3844332B2 - 熱間変位測定装置及び測定方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は加熱炉の一側にレーザ送光部、対向側にレーザ受光部を配設した熱間変位測定装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、熱間変位測定装置として、試料加熱炉の一方の側に２組の照明装置を、他方の側に固体走査受光素子を内蔵レンズ系と組み合わせたカメラとカメラコントロール部より構成した変位測定装置をそれぞれ配置して加熱時の試料の変位を自動的に測定する装置がいろいろ提案されている（特開昭６０−３９５４０号公報、特開昭６１−７４５２号公報、特開昭６１−１７２０４１号公報等）。
【０００３】
しかし、これらの装置は試料のセットが煩雑であると共に、試料のセット状態を目視により確認することができないため適性なセットがしにくい。さらに、変位測定装置の分解能が低いため、小型試料では測定精度が低く、また、測定範囲が片側で３ｍｍ程度と狭いため、異常膨張する試料とか収縮の大きい試料は測定できない。
【０００４】
このような小寸法の試料をサブミクロンオーダーの分解能で高精度に変位測定する手段として、本出願人は「セラミックス等の熱間における変位測定装置」（特開平３−７７０５３号公報）を提案しており、これについて図７により概略説明する。
加熱炉１内の試料８を支持する炉芯管７内の両端部に計測窓４を設けて炉芯管７内を気密構造とし、炉芯管７の両端に排気口９（真空ポンプ１９で排気）、及びガス導入口１０を設けて、各種の雰囲気で試料８の変位を測定可能とし、水冷構造の計測窓固定金物１７で固定された計測窓４及びその内側に炉内輻射熱防止スリットを有する断熱材６、炉内輻射光防止スリット金物５を配設し、炉内の熱により計測窓４のガラスが歪み、誤差になるのを防止する。レーザ送光部２の送光口２′とレーザ受光部３の受光口３′それぞれの端面に炉内輻射光低減スリット３０′が設けられた炉内輻射光防止スリット板３０及び炉内輻射光低減光学フィルタ２９を配設し、高温測定時に炉内光がレーザ送光部２、レーザ受光部３に入射して試料８の変位計測誤差になるのを防止している。試料の変位は、レーザ送光部２より一定速度で水平に試料の長さ以上の幅で走査したレーザビームが遮られた時間、すなわちレーザ受光部３からの出力が０の時間を電気的に測定し、表示器１２にデジタル表示するとともに、その出力信号と試料温度測定用デジタル温度計１３の出力（熱電対２０の検出信号をデジタル信号に変換）をインターフェース１４を介してパーソナルコンピュータ１５に入力して演算し、デジタルプロッタ１６に温度と熱膨張率の関係曲線を描かせる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上記変位測定装置により高分解能を達成でき、異常膨張する試料や収縮の大きい試料の測定も可能になったが、以下のような問題がある。
▲１▼加熱炉への試料のセットは従来と同様、操作が煩雑であるとともに、試料のセット状態を目で確認することができないため、適正なセットがしがたい。
試料８を加熱炉１内へセットするには、レーザ送光部２またはレーザ受光部３、計測窓４、炉心管７中の断熱材６の順に取り外し、炉心管７内へ試料台に載せた試料８を挿入治具等により挿入してセットしたのち、断熱材６、計測窓４、レーザ送光部２またはレーザ受光部３を装着する。また測定精度の観点から、試料の高さ方向の中心を計測するには、試料を上下方向に調整しなければならず、数種類の厚さが異なる試料台を使用していた。
▲２▼昇温に伴い発煙する試料に対しては、煙によりレーザ光の吸収、拡散が生じ、正確な変位測定ができない。すなわち、試料から発生した煙は、ガス導入口１０から雰囲気調整ガスを導入しながら排気口９より排気を行っても、炉心管７内の排気口９側に拡散されてしまう。
【０００６】
本発明は上記課題を解決するためのもので、加熱炉の適正な位置への試料のセットが容易であると共に、発煙する試料でも測定精度に影響を与えない高精度で操作性の良い熱間変位測定装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、加熱炉の一側にレーザ変位測定器のレーザ送光部を、対向側にレーザ受光部をそれぞれ配設した熱間変位測定装置において、前記加熱炉の上部に設けられた蓋及びその開閉機構と、該加熱炉内に配設された試料載置台の昇降機構と、前記加熱炉内にガスを導入するガス導入部と、前記加熱炉内で前記試料載置台を内部に収納し、レーザ光を通過させるためのスリット、蓋、ガス導入孔、及び下部に排気機構を有するマッフルとが設けられたことを特徴とする。
また、本発明は、加熱炉の一側にレーザ変位測定器のレーザ送光部を、対向側にレーザ受光部をそれぞれ配設し、前記加熱炉の上部に蓋及びその開閉機構と、加熱炉内に配設された試料載置台を昇降させる昇降機構と、前記加熱炉内にガスを導入するガス導入部と、前記加熱炉内で前記試料載置台を内部に収納し、レーザ光を通過させるためのスリット、蓋、ガス導入孔、及び下部に排気機構を有するマッフルとを設けた測定装置による耐火物材料試料の熱間変位測定方法であって、耐火物材料試料の形状が、長さ方向が２０〜１５０ｍｍ、高さ方向が５〜４０ｍｍ、幅方向が５〜３０ｍｍで、変位測定部が扇形または弓形のＲ部先端で、曲率半径Ｒが２．５ｍｍ〜２０ｍｍであることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の熱間変位測定装置の全体構成を説明する図である。
加熱炉４０には熱間変位を測定する試料５６が試料載置台５５に置かれ、加熱炉４０の両側には変位計コントローラ１００で制御されるレーザ送光部８５、レーザ受光部８６が配置され、加熱炉両側に設けられた計測窓（石英ガラス）５７を通して走査レーザ光が送受光される。なお、計測窓の内側には、輻射熱及び輻射光防止スリット金物、さらにスリット金物の内側に輻射熱及び輻射光防止スリットを有する断熱材をそれぞれ配設、内蔵するようにし、また、レーザ送光部とレーザ受光部それぞれの端面に炉内輻射光防止スリットと光学フィルタを配設するようにし、計測窓ガラスが加熱炉からの輻射熱によって歪曲し、計測誤差を招くのを防ぐため、冷却機構を計測窓ガラスにもうけるようにするとともに、計測窓ガラスは耐熱性が高く、熱膨張係数の小さい石英ガラスで、ガラスの両面が平行な計測窓ガラスであるようにしており、かかる構成は、図７の場合と同様であるので詳細な説明は省略する。
【０００９】
計測窓５７付近にはガス導入部５８が設けられ、雰囲気調整ガス源８１より各種雰囲気ガスが加熱炉４０内に導入されるとともに、加熱炉内は真空ポンプ８０で排気して減圧でき、またリーク弁７９を開くことにより大気圧にできるように構成されている。加熱炉４０内は、ヒータコントローラ８３で駆動制御されるヒータ７８で加熱されるとともに、制御用熱電対８８で検出された炉内温度信号が温度計８７でデジタル信号に変換されてＣＰＵ１０１に取り込まれ、検出結果に基づいてＣＰＵ１０１はヒータコントローラ８３を制御している。また、測温用熱電対８９で試料温度が検出されて温度計９０でデジタル信号に変換されてＣＰＵ１０１に取り込まれる。試料の熱間変位は、インプット装置１０２よりＣＰＵ１０１に対して試料名、試験温度、昇温温度を入力し、レーザ送光部８５より一定速度で水平に試料の長さ以上の幅で走査したレーザ光が遮られた時間、すなわちレーザ受光部８６からの出力が「０」の時間を変位コントローラ１００からの信号によりＣＰＵ１０２で演算して求め、同時に温度計９０から取り込んだ温度データとにより、温度と熱膨張率の関係を求めてプリンタ１０３に出力する。
【００１０】
本発明の変位測定装置は、詳細は後述するように、加熱炉４０の炉蓋４２を開閉する炉蓋開閉機構４３、試料５６を載せる試料載置台５５を昇降させる試料載置台昇降機構６０、試料の変位測定中に試料からの発煙拡散を抑制する発煙拡散抑制手段７０を有していて、加熱炉の適正な位置に試料を容易にセットできると共に、発煙する試料でも測定精度に影響を与えずに測定可能であり、使い勝手が良く高精度の熱間での変位測定が可能な構成としたことを特徴としている。
【００１１】
次に、図２、図３により炉蓋開閉機構、炉蓋のシール機構について詳細に説明する。
図２（Ａ）は炉蓋が閉じられた状態を示しており、加熱炉４０の炉体４１上部には、炉蓋４２の一端に設けられた炉蓋支持部４４が、支柱４５の下部に設けられた昇降駆動部４６により昇降自在とされる支柱４５に水平方向に回動自在に支持されている。炉体４１の上部には、全周にわたりフランジ４７（図３（Ａ））が設けられるとともに、炉蓋４２の下部の周囲にはこのフランジ４７に一部が係合する鍔４８が複数設けられる（図２（Ｃ））。このフランジ４７と鍔４８は、断面がコの字型でその外周部の一端に設けられたクラッチ駆動部４９により、回転駆動されるクラッチ５０で覆われている。クラッチ５０の上部には炉蓋４２に設けられた鍔４８が緩挿される切欠部５１が形成されており、クラッチ５０の回転により切欠部５１との整合が調整される。さらに、炉蓋４２の下端部全周に設けられたＯリング溝５２にはめ込まれたＯリング５３は、炉蓋４２が閉じた状態で炉体４１に当接して外部との気密が保たれる（図３（Ａ））。
【００１２】
次に、炉蓋４２の開閉手順について説明する。
炉蓋４２の閉状態は、図２（Ａ）、図３（Ａ）のように炉体４１と炉蓋４２は、その間に配設されたＯリング５３の弾性力によりフランジ４７と鍔４８が上下方向にクラッチ５０の内面に押し付けられて炉体４１と炉蓋４２に密着することで外部とシールされている。
図１に示す真空ポンプ８０で加熱炉４０内を減圧することにより、炉体４１と炉蓋４２の間に設けられたＯリング５３は圧縮されるため、フランジ４７と鍔４８は近接してクラッチ５０内面との間に隙間が生じる（図３（Ｂ））。
次に、クラッチ５０をクラッチ駆動部４９により回転させて、鍔４８を切欠部５１に合わせ（図３（Ｃ））、リーク弁７９（図１）を開いて加熱炉４０内を大気圧にした後、炉蓋４２を昇降駆動部４６により一定の高さに上昇させる（図２（Ｂ）、図３（Ｄ））。
【００１３】
図２（Ｃ）に示すように、炉蓋４２を炉蓋支持部４４、支柱４５を介して矢印の方向に回動させることにより、加熱炉４０の上部を開放状態にできる。この状態で炉体４１の上部から試料載置台５５に試料５６をセットした後、炉蓋４２をもとの位置まで回動させる。炉蓋４２は、昇降駆動部４６を作動して下降させてクラッチ５０の近くで一旦停止させ、鍔４８が切欠部５１に合っていることを確認した後、昇降駆動部４６を作動してＯリング５３がフランジ４７の上端に当接するまで下降させる。
【００１４】
真空ポンプ８０で加熱炉４０内を減圧することにより、炉体４１と炉蓋４２の間に配設されたＯリング５３は圧縮されるため、フランジ４７と鍔４８は近接してクラッチ５０内面との間に隙間が生じる（図３（Ｃ））。次に、クラッチ駆動部４９によりクラッチ５０を回転させて、切欠部５１を鍔４８でない部分と合わせた後（図３（Ｂ））、真空ポンプ８０を止める。加熱炉１内はリーク弁７９を開いて大気圧とすることにより、Ｏリング５３はフランジ４７と鍔４８を上下方向にクラッチ５０の内面に押し付けて外部とシールされる（図３（Ａ））。
【００１５】
次に、試料載置台の昇降機構について図４により説明する。なお、図４（Ａ）は試料載置台調整前、図４（Ｂ）は試料載置台調整後の状態を示している。
試料載置台５５の下部を保持して、加熱炉４０の炉底６１を貫通して、昇降軸６２が設けられる。昇降軸６２が炉底６１を貫通する部分はＯリング６３等でシールされる。昇降軸６２には昇降軸に固定されたメネジ６５とこれに係合したオネジ６６を回転駆動させることにより、昇降軸６２を昇降自在に動作させるための駆動用モータ６７が設けられる。
【００１６】
操作手順は試料載置台５５に試料５６の端面をレーザ光と直角になるように載せ、レーザ送光部８５からレーザ光を照射した状態で、駆動用モータ６７をスイッチ（図示せず）により正逆回転させることにより、昇降軸６２に保持された試料載置台５５を矢印のように上下させ（図４（Ａ））、レーザ光を試料５６の上下方向の中心に合わせる（図４（Ｂ））。もちろんこれ以外の昇降手段を用いてもよい。
【００１７】
次に、発煙拡散抑制手段について図５を参照して説明する。
発煙拡散抑制手段は、計測窓５７付近に設けられたガス導入部５８（図１）と、図５に示すようなマッフル７１から構成される。
マッフル７１は試料載置台５５が内部に収納されるとともに、上部が開閉できる蓋７２とレーザ光７３を通過させるためのスリット７４と、蓋７２及び蓋に設けた雰囲気ガスの導入孔７５と、下部に設けた雰囲気ガス排出孔７６からなる。蓋へは必ずしも雰囲気ガスの導入孔７５を設けなくてもよい。
ガス導入部５８（図１）から噴出された雰囲気調整ガスは、マッフル７１に設けられたスリット７４と、蓋７２に設けられたガス導入孔７５からマッフル７１内に噴出されて、下部に設けた雰囲気ガス排気管７６から真空ポンプ８０により吸気されて排出される（必ずしも真空ポンプで吸気しなくてもよい）。そのため、試料載置台５５上にセットされた試料５６から発生する煙は、雰囲気調整ガスとともに、加熱炉４０内はもとよりマッフル７１内でも拡散することなく、加熱炉の外に排出されるため、レーザ光７３に影響を与えずに高精度の変位測定が可能となる。
【００１８】
次に、測定試料形状について図６により説明する。なお、図６（Ａ）は平面図、図６（Ｂ）は正面図である。
熱間変位を測定する耐火物試料の形状としては、膨張測定部が７０〜８５°のエッジで形成されているのが一般的であり、このようなエッジ形状の試料は作成中にエッジが欠け易く、欠けを生じないように意識するため操作性も低下し、特に組織が粗く均質でない場合に問題となる。そこで、本発明では、膨張測定部をＲ形状としたものである。図示するように、長さ方向ｉ、高さｈ、幅をｄとしたとき、
ｉ：２０〜１５０ｍｍ
ｈ：５〜４０ｍｍ
ｄ：５〜３０ｍｍ
で、曲率半径Ｒは２．５ｍｍ〜２０ｍｍがよく、さらに好ましくは５ｍｍ〜１５ｍｍである。Ｒが２．５ｍｍより小さいとＲの欠けが生じ易く、２０ｍｍより大きいと高精度の変位測定が難しい。また、端面の面精度が悪いと、端面が膨張で変位したとき、測定面の凹凸が原因で正確な熱膨張率を求めることができないので、Ｒ形状部の面精度は、試料の長さ寸法が大きい場合は１６０μｍ程度以下でよいが、試料の長さ寸法が小さい場合には５０μｍ以下の面精度とするのが好ましい。
【００１９】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、試料加熱炉の上部に設けられた蓋及びその開閉機構と、試料載置台にセットされた試料の上下方向を設定するための試料載置台の昇降機構を設けたことにより、試料のセットが試料の載置台上の適正な位置に正確、かつ容易に行うことができる。
請求項２の発明によれば、試料加熱炉の試料挿入部及び計測窓ガラス部等を、大気と遮断できる構造にして、加熱炉内を気密構造とし、各種雰囲気としうる雰囲気ガス給・排気機構が設けられているため、特に炭素含有耐火物の如く有機物を含有する試料の場合に無酸化雰囲気の状態で測定ができるため、実炉に近い状態での品質の評価が可能となる。
請求項３の発明によれば、試料加熱炉において、発煙拡散を抑制する手段を設けることにより、発煙する試料でもレーザ光にその影響を与えないため高精度の測定が可能である。
請求項４の発明によれば、加熱炉の端面に設けた計測窓の内側に輻射熱及び輻射光防止スリット金物及び該スリット金物の内側に輻射熱及び輻射光防止スリットを有する断熱材を夫々配設することにより、レーザ送光・受光部に輻射熱及び輻射光の入射されるのが抑制されるため、高精度の変位測定が可能となる。
請求項５の発明によれば、レーザ送光部・受光部それぞれの端面に炉内輻射光防止スリットと光学フィルタを配設したことにより、レーザ送光部・受光部に輻射光が入射されるのを抑制されるため、高精度の寸法測定が可能となる。
請求項６の発明によれば、計測窓ガラスは冷却機構を計測窓ガラスに設けることにより、加熱炉からの輻射熱による窓ガラスの変形を抑制できるため、計測窓ガラスの平面性が保たれ、レーザ光の屈折等による変位測定精度に影響を及ぼすことはない。
請求項７の発明によれば、計測窓ガラスの材質が耐熱性が高く、熱膨張係数の小さい石英ガラスで、かつ、ガラスの両面が平行であるので、高温においても変形が最小限に抑制されるとともに、ガラスの平面性が良好であるため高精度の変位測定が可能となる。
請求項８の発明によれば、耐火物試料の測定端面にＲ形状を持たせるようにしたので、端部の欠けを生じにくくし、かつ操作性を向上させることができる。
請求項９の発明によれば、Ｒ端部の面精度を規定したことにより、高精度の測定を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の熱間変位測定装置の全体構成を説明する図である。
【図２】 炉蓋開閉機構を説明する図である
【図３】 炉蓋のシール機構を説明する図である。
【図４】 試料載置台昇降機構を説明する図である。
【図５】 発煙拡散抑制手段を説明する図である。
【図６】 試料材料形状を説明する図である。
【図７】 既提案の熱間変位測定装置を説明する図である。
【符号の説明】
４０…加熱炉、４１…炉体、４２…炉蓋、４３…炉蓋開閉機構、５５…試料載置台、５６…試料、５７…計測窓、５８…ガス導入部、６０…試料載置台昇降機構、７０…発煙拡散抑制手段、７１…マッフル、７８…ヒータ、７９…リーク弁、８０…真空ポンプ、８１…雰囲気調整ガス源、８５…レーザ送光部、８６…レーザ受光部、８７…温度計、８８…制御用熱電対、８９…測温用熱電対、９０…温度計、１００…コントローラ、１０１…ＣＰＵ。
【発明の属する技術分野】
本発明は加熱炉の一側にレーザ送光部、対向側にレーザ受光部を配設した熱間変位測定装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、熱間変位測定装置として、試料加熱炉の一方の側に２組の照明装置を、他方の側に固体走査受光素子を内蔵レンズ系と組み合わせたカメラとカメラコントロール部より構成した変位測定装置をそれぞれ配置して加熱時の試料の変位を自動的に測定する装置がいろいろ提案されている（特開昭６０−３９５４０号公報、特開昭６１−７４５２号公報、特開昭６１−１７２０４１号公報等）。
【０００３】
しかし、これらの装置は試料のセットが煩雑であると共に、試料のセット状態を目視により確認することができないため適性なセットがしにくい。さらに、変位測定装置の分解能が低いため、小型試料では測定精度が低く、また、測定範囲が片側で３ｍｍ程度と狭いため、異常膨張する試料とか収縮の大きい試料は測定できない。
【０００４】
このような小寸法の試料をサブミクロンオーダーの分解能で高精度に変位測定する手段として、本出願人は「セラミックス等の熱間における変位測定装置」（特開平３−７７０５３号公報）を提案しており、これについて図７により概略説明する。
加熱炉１内の試料８を支持する炉芯管７内の両端部に計測窓４を設けて炉芯管７内を気密構造とし、炉芯管７の両端に排気口９（真空ポンプ１９で排気）、及びガス導入口１０を設けて、各種の雰囲気で試料８の変位を測定可能とし、水冷構造の計測窓固定金物１７で固定された計測窓４及びその内側に炉内輻射熱防止スリットを有する断熱材６、炉内輻射光防止スリット金物５を配設し、炉内の熱により計測窓４のガラスが歪み、誤差になるのを防止する。レーザ送光部２の送光口２′とレーザ受光部３の受光口３′それぞれの端面に炉内輻射光低減スリット３０′が設けられた炉内輻射光防止スリット板３０及び炉内輻射光低減光学フィルタ２９を配設し、高温測定時に炉内光がレーザ送光部２、レーザ受光部３に入射して試料８の変位計測誤差になるのを防止している。試料の変位は、レーザ送光部２より一定速度で水平に試料の長さ以上の幅で走査したレーザビームが遮られた時間、すなわちレーザ受光部３からの出力が０の時間を電気的に測定し、表示器１２にデジタル表示するとともに、その出力信号と試料温度測定用デジタル温度計１３の出力（熱電対２０の検出信号をデジタル信号に変換）をインターフェース１４を介してパーソナルコンピュータ１５に入力して演算し、デジタルプロッタ１６に温度と熱膨張率の関係曲線を描かせる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上記変位測定装置により高分解能を達成でき、異常膨張する試料や収縮の大きい試料の測定も可能になったが、以下のような問題がある。
▲１▼加熱炉への試料のセットは従来と同様、操作が煩雑であるとともに、試料のセット状態を目で確認することができないため、適正なセットがしがたい。
試料８を加熱炉１内へセットするには、レーザ送光部２またはレーザ受光部３、計測窓４、炉心管７中の断熱材６の順に取り外し、炉心管７内へ試料台に載せた試料８を挿入治具等により挿入してセットしたのち、断熱材６、計測窓４、レーザ送光部２またはレーザ受光部３を装着する。また測定精度の観点から、試料の高さ方向の中心を計測するには、試料を上下方向に調整しなければならず、数種類の厚さが異なる試料台を使用していた。
▲２▼昇温に伴い発煙する試料に対しては、煙によりレーザ光の吸収、拡散が生じ、正確な変位測定ができない。すなわち、試料から発生した煙は、ガス導入口１０から雰囲気調整ガスを導入しながら排気口９より排気を行っても、炉心管７内の排気口９側に拡散されてしまう。
【０００６】
本発明は上記課題を解決するためのもので、加熱炉の適正な位置への試料のセットが容易であると共に、発煙する試料でも測定精度に影響を与えない高精度で操作性の良い熱間変位測定装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、加熱炉の一側にレーザ変位測定器のレーザ送光部を、対向側にレーザ受光部をそれぞれ配設した熱間変位測定装置において、前記加熱炉の上部に設けられた蓋及びその開閉機構と、該加熱炉内に配設された試料載置台の昇降機構と、前記加熱炉内にガスを導入するガス導入部と、前記加熱炉内で前記試料載置台を内部に収納し、レーザ光を通過させるためのスリット、蓋、ガス導入孔、及び下部に排気機構を有するマッフルとが設けられたことを特徴とする。
また、本発明は、加熱炉の一側にレーザ変位測定器のレーザ送光部を、対向側にレーザ受光部をそれぞれ配設し、前記加熱炉の上部に蓋及びその開閉機構と、加熱炉内に配設された試料載置台を昇降させる昇降機構と、前記加熱炉内にガスを導入するガス導入部と、前記加熱炉内で前記試料載置台を内部に収納し、レーザ光を通過させるためのスリット、蓋、ガス導入孔、及び下部に排気機構を有するマッフルとを設けた測定装置による耐火物材料試料の熱間変位測定方法であって、耐火物材料試料の形状が、長さ方向が２０〜１５０ｍｍ、高さ方向が５〜４０ｍｍ、幅方向が５〜３０ｍｍで、変位測定部が扇形または弓形のＲ部先端で、曲率半径Ｒが２．５ｍｍ〜２０ｍｍであることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の熱間変位測定装置の全体構成を説明する図である。
加熱炉４０には熱間変位を測定する試料５６が試料載置台５５に置かれ、加熱炉４０の両側には変位計コントローラ１００で制御されるレーザ送光部８５、レーザ受光部８６が配置され、加熱炉両側に設けられた計測窓（石英ガラス）５７を通して走査レーザ光が送受光される。なお、計測窓の内側には、輻射熱及び輻射光防止スリット金物、さらにスリット金物の内側に輻射熱及び輻射光防止スリットを有する断熱材をそれぞれ配設、内蔵するようにし、また、レーザ送光部とレーザ受光部それぞれの端面に炉内輻射光防止スリットと光学フィルタを配設するようにし、計測窓ガラスが加熱炉からの輻射熱によって歪曲し、計測誤差を招くのを防ぐため、冷却機構を計測窓ガラスにもうけるようにするとともに、計測窓ガラスは耐熱性が高く、熱膨張係数の小さい石英ガラスで、ガラスの両面が平行な計測窓ガラスであるようにしており、かかる構成は、図７の場合と同様であるので詳細な説明は省略する。
【０００９】
計測窓５７付近にはガス導入部５８が設けられ、雰囲気調整ガス源８１より各種雰囲気ガスが加熱炉４０内に導入されるとともに、加熱炉内は真空ポンプ８０で排気して減圧でき、またリーク弁７９を開くことにより大気圧にできるように構成されている。加熱炉４０内は、ヒータコントローラ８３で駆動制御されるヒータ７８で加熱されるとともに、制御用熱電対８８で検出された炉内温度信号が温度計８７でデジタル信号に変換されてＣＰＵ１０１に取り込まれ、検出結果に基づいてＣＰＵ１０１はヒータコントローラ８３を制御している。また、測温用熱電対８９で試料温度が検出されて温度計９０でデジタル信号に変換されてＣＰＵ１０１に取り込まれる。試料の熱間変位は、インプット装置１０２よりＣＰＵ１０１に対して試料名、試験温度、昇温温度を入力し、レーザ送光部８５より一定速度で水平に試料の長さ以上の幅で走査したレーザ光が遮られた時間、すなわちレーザ受光部８６からの出力が「０」の時間を変位コントローラ１００からの信号によりＣＰＵ１０２で演算して求め、同時に温度計９０から取り込んだ温度データとにより、温度と熱膨張率の関係を求めてプリンタ１０３に出力する。
【００１０】
本発明の変位測定装置は、詳細は後述するように、加熱炉４０の炉蓋４２を開閉する炉蓋開閉機構４３、試料５６を載せる試料載置台５５を昇降させる試料載置台昇降機構６０、試料の変位測定中に試料からの発煙拡散を抑制する発煙拡散抑制手段７０を有していて、加熱炉の適正な位置に試料を容易にセットできると共に、発煙する試料でも測定精度に影響を与えずに測定可能であり、使い勝手が良く高精度の熱間での変位測定が可能な構成としたことを特徴としている。
【００１１】
次に、図２、図３により炉蓋開閉機構、炉蓋のシール機構について詳細に説明する。
図２（Ａ）は炉蓋が閉じられた状態を示しており、加熱炉４０の炉体４１上部には、炉蓋４２の一端に設けられた炉蓋支持部４４が、支柱４５の下部に設けられた昇降駆動部４６により昇降自在とされる支柱４５に水平方向に回動自在に支持されている。炉体４１の上部には、全周にわたりフランジ４７（図３（Ａ））が設けられるとともに、炉蓋４２の下部の周囲にはこのフランジ４７に一部が係合する鍔４８が複数設けられる（図２（Ｃ））。このフランジ４７と鍔４８は、断面がコの字型でその外周部の一端に設けられたクラッチ駆動部４９により、回転駆動されるクラッチ５０で覆われている。クラッチ５０の上部には炉蓋４２に設けられた鍔４８が緩挿される切欠部５１が形成されており、クラッチ５０の回転により切欠部５１との整合が調整される。さらに、炉蓋４２の下端部全周に設けられたＯリング溝５２にはめ込まれたＯリング５３は、炉蓋４２が閉じた状態で炉体４１に当接して外部との気密が保たれる（図３（Ａ））。
【００１２】
次に、炉蓋４２の開閉手順について説明する。
炉蓋４２の閉状態は、図２（Ａ）、図３（Ａ）のように炉体４１と炉蓋４２は、その間に配設されたＯリング５３の弾性力によりフランジ４７と鍔４８が上下方向にクラッチ５０の内面に押し付けられて炉体４１と炉蓋４２に密着することで外部とシールされている。
図１に示す真空ポンプ８０で加熱炉４０内を減圧することにより、炉体４１と炉蓋４２の間に設けられたＯリング５３は圧縮されるため、フランジ４７と鍔４８は近接してクラッチ５０内面との間に隙間が生じる（図３（Ｂ））。
次に、クラッチ５０をクラッチ駆動部４９により回転させて、鍔４８を切欠部５１に合わせ（図３（Ｃ））、リーク弁７９（図１）を開いて加熱炉４０内を大気圧にした後、炉蓋４２を昇降駆動部４６により一定の高さに上昇させる（図２（Ｂ）、図３（Ｄ））。
【００１３】
図２（Ｃ）に示すように、炉蓋４２を炉蓋支持部４４、支柱４５を介して矢印の方向に回動させることにより、加熱炉４０の上部を開放状態にできる。この状態で炉体４１の上部から試料載置台５５に試料５６をセットした後、炉蓋４２をもとの位置まで回動させる。炉蓋４２は、昇降駆動部４６を作動して下降させてクラッチ５０の近くで一旦停止させ、鍔４８が切欠部５１に合っていることを確認した後、昇降駆動部４６を作動してＯリング５３がフランジ４７の上端に当接するまで下降させる。
【００１４】
真空ポンプ８０で加熱炉４０内を減圧することにより、炉体４１と炉蓋４２の間に配設されたＯリング５３は圧縮されるため、フランジ４７と鍔４８は近接してクラッチ５０内面との間に隙間が生じる（図３（Ｃ））。次に、クラッチ駆動部４９によりクラッチ５０を回転させて、切欠部５１を鍔４８でない部分と合わせた後（図３（Ｂ））、真空ポンプ８０を止める。加熱炉１内はリーク弁７９を開いて大気圧とすることにより、Ｏリング５３はフランジ４７と鍔４８を上下方向にクラッチ５０の内面に押し付けて外部とシールされる（図３（Ａ））。
【００１５】
次に、試料載置台の昇降機構について図４により説明する。なお、図４（Ａ）は試料載置台調整前、図４（Ｂ）は試料載置台調整後の状態を示している。
試料載置台５５の下部を保持して、加熱炉４０の炉底６１を貫通して、昇降軸６２が設けられる。昇降軸６２が炉底６１を貫通する部分はＯリング６３等でシールされる。昇降軸６２には昇降軸に固定されたメネジ６５とこれに係合したオネジ６６を回転駆動させることにより、昇降軸６２を昇降自在に動作させるための駆動用モータ６７が設けられる。
【００１６】
操作手順は試料載置台５５に試料５６の端面をレーザ光と直角になるように載せ、レーザ送光部８５からレーザ光を照射した状態で、駆動用モータ６７をスイッチ（図示せず）により正逆回転させることにより、昇降軸６２に保持された試料載置台５５を矢印のように上下させ（図４（Ａ））、レーザ光を試料５６の上下方向の中心に合わせる（図４（Ｂ））。もちろんこれ以外の昇降手段を用いてもよい。
【００１７】
次に、発煙拡散抑制手段について図５を参照して説明する。
発煙拡散抑制手段は、計測窓５７付近に設けられたガス導入部５８（図１）と、図５に示すようなマッフル７１から構成される。
マッフル７１は試料載置台５５が内部に収納されるとともに、上部が開閉できる蓋７２とレーザ光７３を通過させるためのスリット７４と、蓋７２及び蓋に設けた雰囲気ガスの導入孔７５と、下部に設けた雰囲気ガス排出孔７６からなる。蓋へは必ずしも雰囲気ガスの導入孔７５を設けなくてもよい。
ガス導入部５８（図１）から噴出された雰囲気調整ガスは、マッフル７１に設けられたスリット７４と、蓋７２に設けられたガス導入孔７５からマッフル７１内に噴出されて、下部に設けた雰囲気ガス排気管７６から真空ポンプ８０により吸気されて排出される（必ずしも真空ポンプで吸気しなくてもよい）。そのため、試料載置台５５上にセットされた試料５６から発生する煙は、雰囲気調整ガスとともに、加熱炉４０内はもとよりマッフル７１内でも拡散することなく、加熱炉の外に排出されるため、レーザ光７３に影響を与えずに高精度の変位測定が可能となる。
【００１８】
次に、測定試料形状について図６により説明する。なお、図６（Ａ）は平面図、図６（Ｂ）は正面図である。
熱間変位を測定する耐火物試料の形状としては、膨張測定部が７０〜８５°のエッジで形成されているのが一般的であり、このようなエッジ形状の試料は作成中にエッジが欠け易く、欠けを生じないように意識するため操作性も低下し、特に組織が粗く均質でない場合に問題となる。そこで、本発明では、膨張測定部をＲ形状としたものである。図示するように、長さ方向ｉ、高さｈ、幅をｄとしたとき、
ｉ：２０〜１５０ｍｍ
ｈ：５〜４０ｍｍ
ｄ：５〜３０ｍｍ
で、曲率半径Ｒは２．５ｍｍ〜２０ｍｍがよく、さらに好ましくは５ｍｍ〜１５ｍｍである。Ｒが２．５ｍｍより小さいとＲの欠けが生じ易く、２０ｍｍより大きいと高精度の変位測定が難しい。また、端面の面精度が悪いと、端面が膨張で変位したとき、測定面の凹凸が原因で正確な熱膨張率を求めることができないので、Ｒ形状部の面精度は、試料の長さ寸法が大きい場合は１６０μｍ程度以下でよいが、試料の長さ寸法が小さい場合には５０μｍ以下の面精度とするのが好ましい。
【００１９】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、試料加熱炉の上部に設けられた蓋及びその開閉機構と、試料載置台にセットされた試料の上下方向を設定するための試料載置台の昇降機構を設けたことにより、試料のセットが試料の載置台上の適正な位置に正確、かつ容易に行うことができる。
請求項２の発明によれば、試料加熱炉の試料挿入部及び計測窓ガラス部等を、大気と遮断できる構造にして、加熱炉内を気密構造とし、各種雰囲気としうる雰囲気ガス給・排気機構が設けられているため、特に炭素含有耐火物の如く有機物を含有する試料の場合に無酸化雰囲気の状態で測定ができるため、実炉に近い状態での品質の評価が可能となる。
請求項３の発明によれば、試料加熱炉において、発煙拡散を抑制する手段を設けることにより、発煙する試料でもレーザ光にその影響を与えないため高精度の測定が可能である。
請求項４の発明によれば、加熱炉の端面に設けた計測窓の内側に輻射熱及び輻射光防止スリット金物及び該スリット金物の内側に輻射熱及び輻射光防止スリットを有する断熱材を夫々配設することにより、レーザ送光・受光部に輻射熱及び輻射光の入射されるのが抑制されるため、高精度の変位測定が可能となる。
請求項５の発明によれば、レーザ送光部・受光部それぞれの端面に炉内輻射光防止スリットと光学フィルタを配設したことにより、レーザ送光部・受光部に輻射光が入射されるのを抑制されるため、高精度の寸法測定が可能となる。
請求項６の発明によれば、計測窓ガラスは冷却機構を計測窓ガラスに設けることにより、加熱炉からの輻射熱による窓ガラスの変形を抑制できるため、計測窓ガラスの平面性が保たれ、レーザ光の屈折等による変位測定精度に影響を及ぼすことはない。
請求項７の発明によれば、計測窓ガラスの材質が耐熱性が高く、熱膨張係数の小さい石英ガラスで、かつ、ガラスの両面が平行であるので、高温においても変形が最小限に抑制されるとともに、ガラスの平面性が良好であるため高精度の変位測定が可能となる。
請求項８の発明によれば、耐火物試料の測定端面にＲ形状を持たせるようにしたので、端部の欠けを生じにくくし、かつ操作性を向上させることができる。
請求項９の発明によれば、Ｒ端部の面精度を規定したことにより、高精度の測定を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の熱間変位測定装置の全体構成を説明する図である。
【図２】 炉蓋開閉機構を説明する図である
【図３】 炉蓋のシール機構を説明する図である。
【図４】 試料載置台昇降機構を説明する図である。
【図５】 発煙拡散抑制手段を説明する図である。
【図６】 試料材料形状を説明する図である。
【図７】 既提案の熱間変位測定装置を説明する図である。
【符号の説明】
４０…加熱炉、４１…炉体、４２…炉蓋、４３…炉蓋開閉機構、５５…試料載置台、５６…試料、５７…計測窓、５８…ガス導入部、６０…試料載置台昇降機構、７０…発煙拡散抑制手段、７１…マッフル、７８…ヒータ、７９…リーク弁、８０…真空ポンプ、８１…雰囲気調整ガス源、８５…レーザ送光部、８６…レーザ受光部、８７…温度計、８８…制御用熱電対、８９…測温用熱電対、９０…温度計、１００…コントローラ、１０１…ＣＰＵ。
Claims (8)
- 加熱炉の一側にレーザ変位測定器のレーザ送光部を、対向側にレーザ受光部をそれぞれ配設した熱間変位測定装置において、
前記加熱炉の上部に設けられた蓋及びその開閉機構と、
該加熱炉内に配設された試料載置台の昇降機構と、
前記加熱炉内にガスを導入するガス導入部と、
前記加熱炉内で前記試料載置台を内部に収納し、レーザ光を通過させるためのスリット、蓋、ガス導入孔、及び下部に排気機構を有するマッフルと、
が設けられたことを特徴とする熱間変位測定装置。 - 前記加熱炉内は大気と遮断された構造とし、各種雰囲気としうる雰囲気ガス給・排気機構を設けたことを特徴とする請求項１記載の熱間変位測定装置。
- 前記加熱炉の端面に設けた計測窓の内側に輻射熱及び輻射光防止スリット金物及び該スリット金物の内側に輻射熱及び輻射光防止スリットを有する断熱材をそれぞれ配設、内蔵することを特徴とする請求項１または２記載の熱間変位測定装置。
- 前記レーザ送光部とレーザ受光部それぞれの端面に炉内輻射光防止スリットと光学フィルタを配設することを特徴とする請求項１乃至３何れか記載の熱間変位測定装置。
- 前記計測窓ガラスが加熱炉からの輻射熱によって歪曲し、計測誤差を招くのを防ぐため、冷却機構を計測窓ガラスにもうけたことを特徴とする請求項１乃至４何れか記載の熱間変位測定装置。
- 前記計測窓ガラスは耐熱性が高く、熱膨張係数の小さい石英ガラスで、ガラスの両面が平行な計測窓ガラスであることを特徴とする請求項１乃至５何れか記載の熱間変位測定装置。
- 加熱炉の一側にレーザ変位測定器のレーザ送光部を、対向側にレーザ受光部をそれぞれ配設し、前記加熱炉の上部に蓋及びその開閉機構と、
加熱炉内に配設された試料載置台を昇降させる昇降機構と、
前記加熱炉内にガスを導入するガス導入部と、
前記加熱炉内で前記試料載置台を内部に収納し、レーザ光を通過させるためのスリット、蓋、ガス導入孔、及び下部に排気機構を有するマッフルと、
を設けた測定装置による耐火物材料試料の熱間変位測定方法であって、耐火物材料試料の形状が、長さ方向が２０〜１５０ｍｍ、高さ方向が５〜４０ｍｍ、幅方向が５〜３０ｍｍで、変位測定部が扇形または弓形のＲ部先端で、曲率半径Ｒが２．５ｍｍ〜２０ｍｍであることを特徴とする熱間変位測定方法。 - 耐火物材料試料としてＲ部先端の面精度を１６０μｍ以下に仕上げたものを用いることを特徴とする請求項７記載の熱間変位測定方法。
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