JP3945607B2

JP3945607B2 - 線膨張係数測定装置

Info

Publication number: JP3945607B2
Application number: JP32570399A
Authority: JP
Inventors: 千尋池田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-11-16
Filing date: 1999-11-16
Publication date: 2007-07-18
Anticipated expiration: 2019-11-16
Also published as: JP2001141679A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は寸法の長い部材の線膨張係数測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図８は従来の線膨張係数測定装置を示したものである。１の測定部材全体を恒温槽２の中に入れて、適当な台座３の上に乗せ、恒温槽２の温度を上昇させることで加熱し、資料の温度を被測定部材１に取り付けられた熱電対４により検出し、被測定部材１の一端に取り付けられた干渉計５と反射鏡６とを用いて、恒温槽２の窓ガラス７を通過した入射ビーム８と反射ビーム９とを干渉させ、検出器（図示せず）で変位を検出するようになっている。温度と変位の測定結果により、例えば、温度Ｔ０[Ｋ]に於いて、長さＬ０[ｍ]であったものが、温度変化ΔＴ[Ｋ] により長さがΔＬ[ｍ]だけ変化したとすれば、温度Ｔ０に於ける熱膨張係数α（Ｔ０）は次式で与えられる。
α（Ｔ０）＝ΔＬ／（Ｌ０・ΔＴ）[Ｋ^-1]
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の線膨張係数測定装置を用いた方法では、被測定部材全体を恒温槽２に入れて加熱することにより温度変化を与えるため、被測定部材１の寸法が長く恒温槽２に入らない場合には測定することができなかった。従って、大きな部材の線膨張係数のは同質の材料でできた小さな試験片の測定結果より予想するしかなく、例えば大きな望遠鏡の支持構造体を構成する長いパイプなどは、製造された実物で線膨張係数を測定し、寸法安定性の確認を行いたいという要求があっても実現できなかった。
【０００４】
また、従来の測定装置によれば、恒温槽２の窓ガラス７にレーザービームを通すしかなく、レーザービームの波長が空気中とガラス内部とで異なり、またそれが温度によって変化するため、波数の変化を数えて変位を検出しているこの方式にとって誤差の要因となっていた。また、恒温槽２のサイズが大きくなると恒温槽内部の温度分布も生じやすく、これが部材内部の温度むらを生じさせ誤差の要因となっていた。
【０００５】
レーザーを使用せずに、歪みゲージを測定部材に貼り付けて歪みを測定する方法も試みたが、歪みを電気抵抗の変化として検出している歪みゲージにとって、電気抵抗の温度による変化が歪みによる変化と比較して無視できないくらい大きいため、誤差が大きく、事実上測定不可能であった。
【０００６】
従って、この発明の課題は上述のような従来の線膨張係数測定装置の問題点を解消することであり、恒温槽を使用する必要がなく、大型部材の線膨張係数の測定を実現でき、誤差が小さい線膨張係数測定装置を得ることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、この発明によれば、基台と、この基台上に設けられ、測定すべき被測定部材を支持する支持装置と、被測定部材の少なくとも一端面に設けられ、レーザービームを反射し得る反射鏡と、反射鏡に向けてレーザービームを発振するレーザービーム発振装置と、反射鏡から離間してレーザービームの光路内に設けられて、レーザービームの一部を反射させ、残りの部分を透過させて反射鏡で反射させ、両反射ビームを同一光路内に戻して互いに干渉させる干渉計と、干渉計に於ける反射ビームの干渉を測定して反射鏡の位置の変位から、被測定部材の温度変化による伸びを求める計測演算装置とを備えた線膨張係数測定装置が得られる。
【０００８】
また、基台上に設けられて、被測定部材の一端の軸方向移動を阻止する軸方向固定装置を備え、反射鏡が一端と反対側の他端に設けられていてもよい。
【０００９】
被測定部材の両端に直接取り付けられたゼロ膨張ガラスプレートを備え、反射鏡あるいは軸方向固定装置がゼロ膨張ガラスプレートに取り付けられたものでもよい。
【００１０】
反射鏡が被測定部材の両端に設けられ、反射鏡の各々に対向して干渉計が設けられ、支持装置は被測定部材をその軸方向中央部で支持するものでもよい。
【００１１】
シートヒータは被測定部材の周表面全体を覆い、シートヒータの外表面は更にシート状の断熱材によって覆われていてもよい。
【００１２】
シートヒータはシート状シリコンゴムと、このシリコンゴム内に均一に配置された発熱体とを備えたものとすることができる。
【００１３】
シートヒータの内側には被測定部材の温度を測定する熱電対を取り付けることができる。
【００１４】
シートヒータは被測定部材の軸方向に分割された複数枚のシートからなるものとすることができる。
【００１５】
複数枚のシートヒータはそれぞれ別個の温度調整装置を備えたものにできる。
【００１６】
軸方向に分割されたシートが、被測定部材の軸方向に見て比較的長い中央部と、中央部の両端の両端部とを備えたものとできる。
【００１７】
シートヒータの内側に設けられた熱電対がシートヒータ内に埋設されて一体とされたものにできる。
【００１８】
支持部材は被測定部材の中央部を支持するためのＶ字型支持表面を持つＶブロックであってもよい。
【００１９】
支持装置は被測定部材の長手方向を水平にして支持するものとすることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１には本発明の線膨張係数測定装置の一実施形態を示してある。この図に於いて、線膨張係数測定装置は基台２０上に、線膨張係数を測定すべき長い被測定部材１を支持するためのＶ字型支持表面を持つ支持装置であるＶブロック１２と、被測定部材１を一端で軸方向移動を阻止する軸方向固定装置であるアングルプレート１５と、被測定部材１の他端から離れて設けられた干渉計５とを固定して備えている。
【００２１】
被測定部材１は周表面全体を図２に示す如きシート状のシートヒータ１０によって完全に覆われており、シートヒータ１０に通電することで被測定部材１を加熱し、温度上昇させることができる。シートヒータ１０はシリコンゴム１５中に例えばニクロム線のような通電すると発熱する発熱体１６を均一に配置したものであり、変形しやすく、被測定部材１によくフィットするようになっている。リード線１７を通じて電力を供給するようになっている。
【００２２】
シートヒータ１０の外表面は更にシート状の断熱材１１によって覆われており、この断熱材１１の外表面がＶブロック１２により支持されている。被測定部材１には熱電対４が取り付けられて、温度がモニタできるようになっている。断熱材１１はシートヒータ１０の外側に巻かれ、空気とシートヒータ１０との間を熱的に遮断することにより、シートヒータ１０で発生した熱を効率よく被測定部材１に伝え、さらに被測定部材１の温度を均一に保つ槽の役目も果たしている。この実施例では、断熱材としてグラスウールを用いている。
【００２３】
被測定部材１の両端面はシートヒータ１０あるいは断熱材１１から露出しており、線膨張係数が１×１０^-7［Ｋ^-1］程度の材質でできたゼロ膨張ガラスプレート１３−１および１３−２が接着等により取り付けられており、断熱材の役目をしているほか、反射鏡６を取り付けるベースにもなっている。ゼロ膨張ガラスプレート１３−２は熱容量が大きなアングルプレート１５に機械的に固定されており動かないようになっている。ゼロ膨張ガラスプレート１３−１には反射鏡６が固着されている。
【００２４】
反射鏡６から所定距離離間して干渉計５が設けられており、干渉計５から更に所定距離離間して貴台２０上にレーザービーム発振装置２１が設けられている。レーザービーム発振装置２１は、反射鏡６に向けてレーザービームを発振するレーザービーム発生源であり、入射レーザービーム８を干渉計５のハーフミラーに入射させるようにしてある。ハーフミラーは入射レーザービーム８の一部を反射させて入射してきた光路に戻し、他の一部は通過させて反射鏡６に当てて反射鏡６で全反射させて再び入射レーザービーム８が入射してきた光路に戻す。このように、ハーフミラーで反射したビームと反射鏡６で反射したビームとは、互いに重ね合わせられ、２つの反射ビームは通ってきた光路の長さが異なるために互いに干渉し、この干渉を測定することにより反射鏡６の元の位置からの変位を計測できるのである。
【００２５】
反射鏡６の前には干渉計５が置かれ、入射ビーム８と反射ビーム９を干渉させることでレーザ変位計（図示せず）で変位が検出できるようになっている。従って、被測定部材１の長さについて、温度Ｔ０[Ｋ]に於ける長さＬ０[ｍ]を測定しておき、シートヒータ１０により加熱して温度変化ΔＴ[ｍ]だけ温度が変化したときの被測定部材１の長さ変化ΔＬを測定すれば、温度Ｔ０に於ける熱膨張係数α（Ｔ０）を次式から得ることができる。
α（Ｔ０）＝ΔＬ／（Ｌ０・ΔＴ）[Ｋ^-1]
【００２６】
このような計測と演算を行うために計測演算装置２２が設けられており、干渉計５に於ける反射ビーム間の干渉を測定して反射鏡６の位置の変位を得、この変位から被測定部材１の温度変化による伸びを求め、上述の式により熱膨張係数を計算して求める。
【００２７】
実施の形態２．
図３はこの発明の別の実施の形態を示す図であり、図１に示す実施形態と同じまたは同様の部品には同じ参照符号を付けてこれらの説明を省略する。被測定部材１はＶブロック１２によりその中央部を支持されていて、シートヒータ１０により加熱されたときに両端面が変位するようにされている。被測定部材１の両端には線膨張係数が１×１０^-7［Ｋ^-1］程度の材質でできたゼロ膨張ガラスプレート１３−１および１３−２が接着等により取り付けられており、断熱材の役目をしているほか、反射鏡６−１、６−２を取り付けるベースにもなっている。反射鏡６−１と６−２の前にはそれぞれ干渉計５−１と５−２が置かれ、それぞれ入射ビーム８−１と反射ビーム９−１、入射ビーム８−２と反射ビーム９−２を干渉させることでレーザ変位計（図示せず）で変位が検出できるようになっている。図示はしてないが、図１の実施形態と同様のレーザービーム発振装置２１と計測演算装置２２が装置の両端に設けられている。
【００２８】
このようにすることで、図１に示す実施の形態で説明したアングルプレート１５が必要なくなり、アングルプレート１５にわずかに伝えられていた熱を無くすことができるようになり、従って、被測定部材１の温度の均一性が向上するので測定の精度が更によくなる。また、アングルプレート１５を基台２０強固に固着する必要がなくなり、線膨張係数測定装置を軽量化することができる。また、被測定部材１の長さの変化による端面位置の変位が両端面で等しくなくとも、あるいはいずれか一方の端面にだけしか現れなかった場合にも、両端面の変位を測定することにより、被測定部材１の長さの変化は正確に計測できる。
【００２９】
なお、図４に示す如く、断熱材１１が巻かれた被測定部材１を縦に即ち長手方向を鉛直方向に配置した場合には、シートヒータ１０で発生した熱により周囲の空気が暖められて空気流１８となり、この断熱材１１の壁面に沿って上昇する。従って、被測定部材１の上方にいくに従って周囲の温度が高くなり、被測定部材１の温度を均一に保つ上で極めて都合が悪い。図１および図３に示す如く被測定部材１を水平置きにした場合には、このような効果は無視できるほど小さくなり、被測定部材１の温度は一様になる。
【００３０】
実施の形態３．
図５はこの発明の線膨張係数測定装置に使用できるシートヒータの実施形態を示したもので、シートヒータ１０−１と１０−２を直列につなぎ合わせて通電することで一枚のシートヒータでは包みきれないようなより大きな部材を均一に加熱できるようにして測定する方法である。この例では２枚のシートヒータを直列接続したが、３枚以上であってもかまわない。
【００３１】
実施の形態４．
図６はこの発明の線膨張係数測定装置に使用できるシートヒータの別の実施形態を示したもので、この実施形態ではシートヒータは３つの部分１０−１、１０−２、１０−３より構成され、３枚のシートヒータはそれぞれ別個の温度調整装置を備えており、独立して電力が投入できるようになっている。このようにすることで、一枚のシートヒータのみでは包みきれないような、大きな被測定部材を加熱できるようにすると共に、被測定部材に取り付けた熱電対により検出された温度をもとに、各シートヒータに投ずる電力を制御することで、被測定部材の温度の均一性をよりいっそう向上させて測定できるようにしたものである。この例では３枚のシートヒータを用いたが、４枚以上であってもかまわない。
【００３２】
実施の形態５．
図７はこの発明の線膨張係数測定装置に使用できるシートヒータの更に別の実施の形態を示したもので、図２で示したシートヒータ１０に熱電対４をあらかじめシリコンゴム１５で成形する際に発熱体（図が煩雑になるのでこの図では図示せず）といっしょに組み込んだもので、熱電対４の引き回しに苦慮することがなくなり、測定のセッティングが容易になる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように本発明の線膨張係数測定装置によれば、基台と、この基台上に設けられ、測定すべき被測定部材を支持する支持装置と、被測定部材の少なくとも一端面に設けられ、レーザービームを反射し得る反射鏡と、反射鏡に向けてレーザービームを発振するレーザービーム発振装置と、反射鏡から離間してレーザービームの光路内に設けられて、レーザービームの一部を反射させ、残りの部分を透過させて反射鏡で反射させ、両反射ビームを同一光路内に戻して互いに干渉させる干渉計と、干渉計に於ける反射ビームの干渉を測定して反射鏡の位置の変位から、被測定部材の温度変化による伸びを求める計測演算装置とを備えた線膨張係数測定装置が得られる。従って、恒温槽を使用する必要なしに大型部材の線膨張係数の測定を実現でき、しかも誤差が小さい線膨張係数測定装置を得ることができる。
【００３４】
また、基台上に設けられて、被測定部材の一端の軸方向移動を阻止する軸方向固定装置を備え、反射鏡が上述の一端と反対側の他端に設けられているので、被測定部材の一端の反射鏡だけが変位し、変位量が大きいので測定が容易である。
【００３５】
被測定部材の両端に直接取り付けられたゼロ膨張ガラスプレートを備え、反射鏡あるいは軸方向固定装置がゼロ膨張ガラスプレートに取り付けられたものであるので、被測定部材の端面が断熱されて熱が逃げてしまうことがなく、装置を小型簡単軽量にできる。
【００３６】
反射鏡が被測定部材の両端に設けられ、反射鏡の各々に対向して干渉計が設けられ、支持装置は被測定部材をその軸方向中央部で支持するものであるので、被測定部材を基台に固定する必要がなく、装置を小型簡単軽量にできる。
【００３７】
シートヒータは被測定部材の周表面全体を覆い、シートヒータの外表面は更にシート状の断熱材によって覆われているので、被測定部材が一様に加熱され、正確な測定が実現できる。
【００３８】
シートヒータはシート状シリコンゴムと、このシリコンゴム内に均一に配置された発熱体とを備えたものであるので、シートヒータを被測定部材に密着させて加熱することができ、またシートヒータの取り扱いが容易である。
【００３９】
シートヒータの内側には被測定部材の温度を測定する熱電対を取り付けることができるので、被測定部材の温度を知って制御することができる。
【００４０】
シートヒータは被測定部材の軸方向に分割された複数枚のシートからなるものとすることができるので、大型の被測定部材を一様に加熱して正確な測定ができる。
【００４１】
複数枚のシートヒータはそれぞれ別個の温度調整装置を備えたものにできるので、温度分布をより一様にして測定をより正確にすることができる。
【００４２】
軸方向に分割されたシートが、被測定部材の軸方向に見て比較的長い中央部と、中央部の両端の両端部とを備えたものとできるので、被測定部材の温度分布に合わせた加熱ができる。
【００４３】
シートヒータの内側に設けられた熱電対がシートヒータ内に埋設されて一体とされたものにできるので、シートヒータの取り扱いが容易である。
【００４４】
支持部材は被測定部材の中央部を支持するためのＶ字型支持表面を持つＶブロックであってもよいので、製造が容易である。
【００４５】
支持装置は被測定部材の長手方向を水平にして支持するものとすることができるので、被測定部材の加熱を一様に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の線膨張係数測定装置を示す概略図。
【図２】本発明の線膨張係数測定装置に用いるシートヒータの概略平面図。
【図３】本発明の線膨張係数測定装置の別の実施形態を示す概略図。
【図４】本発明の線膨張係数測定装置に於ける被測定部材の水平配置の効果を示す概略図。
【図５】本発明の線膨張係数測定装置に用いるシートヒータの変形例を示す概略平面図。
【図６】本発明の線膨張係数測定装置に用いるシートヒータの別の変形例を示す概略平面図。
【図７】本発明の線膨張係数測定装置に用いるシートヒータの更に別の変形例を示す概略平面図。
【図８】従来の線膨張係数測定装置を示す概略図である。
【符号の説明】
１被測定部材、２支持装置、４熱電対、５干渉計、６反射鏡、８レーザービーム、１０シートヒータ、１１断熱材、１２支持装置（Ｖブロック）、１３ゼロ膨張ガラスプレート、１５軸方向固定装置（アングルプレート）、２０基台、２１レーザービーム発振装置、２２計測演算装置、２３温度調整装置。

Claims

基台と、
この基台上に設けられ、測定すべき被測定部材を支持する支持装置と、
上記被測定部材を覆うシートヒータと、
上記被測定部材の少なくとも一端面に設けられ、レーザービームを反射し得る反射鏡と、
上記反射鏡に向けてレーザービームを発振するレーザービーム発振装置と、
上記反射鏡から離間して上記レーザービームの光路内に設けられて、上記レーザービームの一部を反射させ、残りの部分を透過させて上記反射鏡で反射させ、上記両反射ビームを同一光路内に戻して互いに干渉させる干渉計と、
上記干渉計に於ける反射ビームの干渉を測定して上記反射鏡の位置の変位から、被測定部材の温度変化による伸びを求める計測演算装置とを備え、
上記シートヒータはシート状シリコンゴムと、このシリコンゴム内に均一に配置された発熱体とを備え、被測定部材の周表面全体を覆い、シートヒータの外表面は更にシート状の断熱材によって覆われている線膨張係数測定装置。
上記基台上に設けられて、被測定部材の一端の軸方向移動を阻止する軸方向固定装置を備え、上記反射鏡が上記一端と反対側の他端に設けられた請求項１記載の線膨張係数測定装置。
被測定部材の両端に直接取り付けられたゼロ膨張ガラスプレートを備え、上記反射鏡あるいは軸方向固定装置が上記ゼロ膨張ガラスプレートに取り付けられた請求項１あるいは２記載の線膨張係数測定装置。
上記反射鏡が被測定部材の両端に設けられ、上記反射鏡の各々に対向して上記干渉計が設けられ、上記支持装置は被測定部材をその軸方向中央部で支持する請求項１あるいは２記載の線膨張係数測定装置。
上記シートヒータの内側には被測定部材の温度を測定する熱電対が取り付けられてなる請求項１乃至４のいずれか一項記載の線膨張係数測定装置。
上記シートヒータは被測定部材の軸方向に分割された複数枚のシートからなる請求項１乃至５のいずれか一項記載の線膨張係数測定装置。
上記複数枚のシートヒータはそれぞれ別個の温度調整装置を備えた請求項６記載の線膨張係数測定方法。
上記軸方向に分割されたシートが、被測定部材の軸方向に見て比較的長い中央部と、中央部の両端の両端部とを備えた請求項６あるいは７記載の線膨張係数測定装置。
上記シートヒータの内側に設けられた熱電対が上記シートヒータ内に埋設されて一体とされた請求項５記載の線膨張係数測定装置。
上記支持装置は上記被測定部材の中央部を支持するためのＶ字型支持表面を持つＶブロックである請求項１乃至９のいずれか一項記載の線膨張係数測定装置。
上記支持装置は被測定部材の長手方向を水平にして支持する請求項１乃至１０のいずれか一項記載の線膨張係数測定装置。