JP6323870B2 - 直径分布測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ回折を利用した細線の直径分布測定装置に関し、例えば、炭素繊維，セラミック繊維などの強化繊維の直径を測定するのに好適な直径分布測定装置および測定方法に関する。

従来、炭素繊維の単繊維の直径を測定する方法が、ＪＩＳ Ｒ７６０７炭素繊維−単繊維の直径及び断面積の試験方法−に規定されており、その中に、Ｄ法としてレーザ回折によって直径を測定する方法が規定されている(非特許文献１参照)。
Ｄ法の原理は単繊維にレーザビームのような単色光束を入射したとき、スクリーン上に結ばれる回折像間の距離は単繊維の直径の関数であることを利用したものであり、測定方法を要約すれば、引張試験の規格試験片である単繊維を穴(長さ２５[ｍｍ]±０.５[ｍｍ])のあいた台紙(紙、柔軟な金属又は樹脂からなる薄いシート)の穴の中心線上に置き軽く引き伸ばし固定し試験片と台紙が接する部分を試験片に沿って接着剤を線状に塗布して台紙に接着したものを用いる。試験片を取り付けた台紙を支持具に固定し、試験片がレーザの光束内に位置するように調節し、スクリーン上の中心に最も近い一対の回折像暗部間の距離を、長さ計を用いて測定する。回転ゴニオメータ等を用いて試験片を１５°回転し、直径を測定し、この操作を１５°ごとに１６５°まで繰り返し、直径の平均値を求める。
単繊維の直径ｄ[μｍ]は式ｄ＝λＤ／ｌから求める。ここで、λ：レーザ光の波長[μｍ]、Ｄ：試験片とスクリーン間の距離[ｍｍ]、ｌ：中心に最も近い１対の回折像暗部間の距離[ｍｍ]である。なお、単繊維の直径は試験片間にばらつきがあり、また同一試験片の長さ方向にもばらつきがあるので、直径は長さに沿って異なった箇所で３回測定することが望ましいことも規定されている。

ＪＩＳ Ｒ ７６０７炭素繊維−単繊維の直径及び断面積の試験方法「８．Ｄ法：直径をレーザ回折によって測定する方法」

上記ＪＩＳ(非特許文献１参照)のＤ法では、試験片を穴のあいた台紙の穴の中心線上に取り付けているため、台紙が邪魔になって１５°〜１６５°までの角度範囲しか測定することができず、試験片の横断面形状が真円でない場合には試験片直径の正確な測定が困難であった。なお、台紙に正対した位置から±１５°ずつ回転させるとすると、この場合には、９０°及び−９０°で台紙が邪魔になり測定不能となるため１５０°の範囲でしか測定できなくなる。
また、Ｄ法では試験片の長さ方向に３箇所で測定を行うことが望ましいと規定されているものの、試験片の支持具は１５°毎に回転可能ではあるが試験片の長さ方向へ沿っての移動が考慮されておらず試験片の長さ方向に沿ってもっと多数箇所で精密に測定することが困難であった。また、Ｄ法では、スクリーン上に結んだ回折像の中心に最も近い一対の回折像暗部間の距離を測定者が長さ計で直接測定するため、測定者による計測誤差が避けられなかった(図５参照)。
そこで、本発明の解決しようとする課題は、引張試験用の規格試験片だけでなく，ねじり振動試験に用いられる試験片(図２参照)にて、３６０°の全ての角度範囲で正確な直径測定ができ、長さ方向に沿っても多数箇所で直径測定が容易に実現でき、さらに、回折像の中心に最も近い一対の回折像暗部間の距離を計測誤差なく正確に測定できる測定装置および方法を提供することにある。細線の直径分布を測定するとことにより，細線がらせん状にねじれている場合の、その周期などを見積もることができる。

上記課題を解決するために、本発明は、試験片である細線の一端に固定する上端固定部材と、前記細線の他端(下端)に固定するおもりと、レーザ光源と、配列光学センサーと、前記上端固定部材を支持固定する支持具を設けた回転ステージを備えた回転ステージ装置と、前記配列光学センサーの出力を処理する制御装置とからなる直径分布測定装置であって、前記回転ステージ装置は、前記回転ステージを鉛直な回転軸の回りに３６０°の角度範囲内に亘って回転位置決めする回転位置決め手段と、前記回転ステージを上下方向に亘って位置決めする上下方向位置決め手段を有し、前記レーザ光源からのレーザ光束中に前記細線を配置し、レーザ回折像を前記配列光学センサー上に結ばせ、配列光学センサーの出力分布を前記制御装置で解析して中心に最も近い一対の回折像暗部間の距離ｌを求め、式ｄ＝λＤ／ｌ、ただし、λ：レーザ光の波長、Ｄ：細線と配列光学センサー間の距離、から細線の直径ｄを演算により求めることを特徴とする。
また、本発明は、試験片である細線の一端に固定する上端固定部材と、前記細線の他端に固定する下端固定部材と、レーザ光源と、配列光学センサーと、前記上端固定部材を支持固定する支持具を設けた回転ステージ及び前記下端固定部材を支持固定する支持具を設けた下回転ステージを備えた回転ステージ装置と、前記配列光学センサーの出力を処理する制御装置とからなる直径分布測定装置であって、前記回転ステージ装置は、前記回転ステージと下回転ステージを同期して鉛直な回転軸の回りに３６０°の角度範囲内に亘って回転位置決めする回転位置決め手段と、前記回転ステージと下回転ステージを同期して上下方向に亘って位置決めする上下方向位置決め手段とを有し、前記レーザ光源からのレーザ光束中に前記細線を配置し、レーザ回折像を前記配列光学センサー上に結ばせ、前記配列光学センサーの出力分布を前記制御装置で解析して中心に最も近い一対の回折像暗部間の距離ｌを求め、式ｄ＝λＤ／ｌ、ただし、λ：レーザ光の波長、Ｄ：細線と配列光学センサー間の距離、から細線の直径ｄを算出して求めることを特徴とする。
また、本発明は、上記直径分布測定装置において、前記レーザ光源と、回転ステージ装置と、配列光学センサーは、レール上に整列して配置したことを特徴とする。
また、本発明は細線の一端に上端固定部材を、下端におもりを固定し、前記上端固定部材を回転ステージの支持具に固定することにより、前記細線を鉛直方向に吊り下げ支持し、前記回転ステージを鉛直な回転軸の回りに３６０°の角度範囲内に亘って回転位置決めするとともに当該回転ステージを長さ方向に亘って上下方向位置決めして、各回転位置毎及び各上下方向位置毎に、レーザ光源からのレーザ光束中に前記細線を配置してレーザ回折像を前記配列光学センサー上に結ばせ、前記配列光学センサーの出力分布から中心に最も近い一対の回折像暗部間の距離ｌを求め、式ｄ＝λＤ／ｌ、ただし、λ：レーザ光の波長、Ｄ：細線と配列光学センサー間の距離、から細線の直径ｄを算出して直径の角度分布及び長さ方向の分布を求めることを特徴とする直径分布測定方法。

本発明では、従来の引張試験用の穴あき台紙に変えて、ねじり振動試験の試験片である細線の一端を上端固定部材(紙片等)に固定するとともに他端におもりを固定し、上端固定部材を回転ステージに設けた支持具に固定し、回転ステージは３６０°の角度範囲に亘って回転位置決め可能としたので、３６０°の角度範囲で正確な直径測定ができ、直径の角度分布が全角度範囲で正確に求めることができ、さらに、下端のおもりによって細線は一直線状に鉛直に吊り下げ支持される。
また、本発明では、回転ステージを上下方向にも移動位置決めできるので、試験片である細線の長さ方向に沿って多数箇所での直径測定が行え、直径の長さ方向の分布も正確に求めることができる。また、らせん状にねじれている形状を推定することもできる。
また、本発明では、配列光学センサー上に回折像を結ばせ配列光学センサーが検出した明度の出力分布のピークの形状から回折像の中心に最も近い一対の回折像暗部間の距離を計算できるために測定者による計測誤差を減少できる。
また、本発明では、レール上にレーザ光源、回転ステージ装置、配列光学センサーを配置したので、レーザ光源、回転ステージに吊り下げ支持された細線、配列光学センサーを一直線状に整列させる位置調整が容易である。
また、本発明では、パソコンと連動させれば、測定の自動化も可能である。

本発明の細線の直径分布測定装置の一実施例を示した全体説明図である。 図２は、本発明の試験片の一例を示した図である。 図３は、本発明の直径分布測定装置を用いて測定した際の、配列光学センサー(０．０２５ｍｍピッチ)の出力分布を表示装置上に表示した図である。 図４は、本発明の直径分布測定装置で炭素繊維(単繊維)を長さ方向に沿って２ｍｍ毎に７５箇所の直径を計測した結果を示した図である。 図５は回折像をスクリーンに映した図であり、図中の矢印部分が中心に最も近い１対の回折像暗部間の距離を示している。

本発明は、レーザ回折を用いて、試験片である細線について、３６０°の全ての角度範囲に亘って細線の直径分布測定ができ且つ細線の長さ方向に亘って直径分布測定をもできるようにしたものであって、試験片である細線の一端を上端固定部材に固定し、細線の他端におもりを固定し、上端固定部材は回転ステージに設けた支持具に支持固定され、回転ステージは３６０°の角度範囲内の任意の位置に回転位置決め可能であって、かつ、回転ステージは上下方向にも任意の位置に位置決め可能なものである。上端固定部材としては、例えば紙片(紙、柔軟な金属又は樹脂からなる薄いシート片)を利用してもよく、また、紙片以外のものであっても前記支持具に正確に固定できるものであれば採用可能である。このような構成であるから、回転ステージに吊り下げ支持された上端固定部材とおもりの間の細線については、回転ステージを３６０°の範囲で回転位置決めしたとき全角度範囲においてレーザ光を遮るものが存在せず全角度範囲に亘る直径分布が測定でき、また、回転ステージを上下方向に移動位置決めしたときもレーザ光を遮るものが存在せず細線の長さ方向に亘っての直径分布も測定できる。
レーザ光源からの光束の中に細線を位置させ、レーザ回折像を配列光学センサー上に結ばせ、制御装置により、配列光学センサーの出力分布から中心に最も近い一対の回折像暗部間の距離ｌを求め上記ＪＩＳと同様に式ｄ＝λＤ／ｌ(λはレーザの波長、Ｄは細線と配列光学センサー間の距離)から細線の直径ｄを算出して求めるようにし、一対の回折像暗部間の距離ｌの測定者による計測誤差を減少させたものである。レーザ光源、細線を支持するための支持具を有する回転ステージを備えた回転ステージ装置、配列光学センサーは、これらを一直線上に整列させるためにレール上に取り付け、レーザ光束の中に細線を配置させるための位置調整、レーザ回折像を配列光学センサー上に結ばせるための細線と配列光学センサー間の距離調整などが容易にできるようにしたものである。
なお、細線の他端におもりを取り付ける代わりに、他端に下端固定部材を取り付け、下端固定部材を下回転ステージの支持具に固定するようにし、下回転ステージは上回転ステージと同期して回転位置決め可能であり、かつ、下回転ステージは回転ステージと同期して上下方向に移動位置決め可能な構成を採用することもできる。

図１は、本発明の細線の直径分布測定装置の一実施例の全体図を示したものである。図２は、図１で用いたねじり振動試験用の試験片を示した図である。
本実施例では、試験片の細線である試料繊維(炭素繊維の単繊維)の一端に上端固定部材として紙片(紙、柔軟な金属又は樹脂からなる薄いシート片)を固定し、他端におもりを固定した試験片を用い、上端固定部材である紙片を回転ステージに設けた支持具に固定すると、他端に固定したおもりにより試料繊維は垂直に一直線上に支持される。回転ステージは３６０°の角度範囲内の任意の位置に回転位置決め可能とし、さらに回転ステージは上下方向にも任意の位置に位置決め可能な構成とする。なお、図１に示した例では、説明を簡略化するために回転ステージの回転位置決め及び上下方向の位置決めはいずれも手動によるもので図示しているが、回転ステージの回転位置決め手段、上下方向位置決め手段を設けて自動で回転位置決め及び上下方向位置決めを行うようにしてもよい。
さらに、レーザ光を投射するレーザ発信管と配列光学センサーを具備しており、図１に図示した例では、レーザ発信管、回転ステージ装置、配列光学センサーをレール上に配置しているので、これらを一直線に整列させレーザ回折像を配列光学センサー上に結ばせるための調整が容易にできる。
レーザ発信管から投射されるレーザ光束内に試料繊維を位置せしめ、配列光学センサー上に回折像を結ばせると、試料繊維の直径ｄ[μｍ]は、式ｄ＝λＤ／ｌを満たす、ただし、λ：レーザ光の波長[μｍ]、Ｄ：試料繊維と配列光学センサー間の距離[ｍｍ]、ｌ：中心に最も近い一対の回折像暗部間の距離[ｍｍ]である。そこで、制御装置で、配列光学センサーの出力から出力分布を解析して中心に最も近い一対の回折像暗部間の距離ｌを求め、前記関係式から試料繊維の直径ｄを演算により求める。制御装置には、メモリー手段や表示手段を設けておき、測定結果の記憶や、配列光学センサーの出力分布の表示(図１参照)などを行う。
配列光学センサーはラインセンサーを水平に設置したものであってもよく、例えばＣＣＤラインセンサーなどを用いればよい。

上記実施例では、試験片の細線である試料繊維(単繊維)の上端に紙片(紙、柔軟な金属又は樹脂からなる薄いシート片)を固定し、下端におもり固定した試験片を用いたが、下端を紙片(紙、柔軟な金属又は樹脂からなる薄いシート片)に固定し、上端を固定した紙片を上回転ステージに設けた支持具に、下端を固定した紙片を下回転ステージに設けた支持具にそれぞれ固定して試料繊維を一直線上に支持し、上・下回転ステージを同期して回転位置決めし、かつ上・下回転ステージを同期して上下方向に位置決めするようにしてもよい。
また、以上の説明では試験片の細線として、繊維試料(単繊維)で説明したが、レーザ光が透過しない不透明な細線であれば回折を用いて直径が測定できることは言うまでもない。

図３は、本発明の直径分布測定装置による測定例を示したものであり、０.０２５ｍｍピッチの配列光学センサー、Ｈｅ−Ｎｅレーザ(λ＝０.６３２[μｍ])を用いて、試験片の炭素繊維(単繊維)による回折像を配列光学センサー上に結ばせ、配列光学センサーの出力分布を表示手段に表示させた図である。図において、横軸が配列光学センサーの水平方向位置に対応した目盛りで、縦軸が配列光学センサーの出力の大きさに対応する目盛りであり、中心に最も近い一対の回折像暗部の位置は横軸目盛りの５２９と１６１７とに位置していることが示されている。具体的には，図５に示すように回折像暗部の位置を決定するために、配列光学センサーが検出した明度の出力分布のピークの形状から暗部の位置を決定する。
本発明の回転ステージは３６０°全ての角度範囲で回転位置決め可能であるから、回転ステージを所望の角度毎に位置決めしつつ３６０°の角度範囲に亘って繰り返せば、直径の角度方向の分布を精密に求めることができる。

図４は、本発明の直径分布測定装置による測定結果を示したものであり、試験片の炭素繊維(単繊維)を長さ方向に沿って２[ｍｍ]毎に７５箇所直径を測定した測定結果である。図において、縦軸が直径[μｍ]、横軸が炭素繊維の長さ方向に沿った位置[ｍｍ]を表している。

本発明によれば細線の直径測定が３６０°の全ての角度範囲に亘って精密に測定でき且つ長手方向の全ての長手方向位置に亘って精密に測定することができ、直径の角度分布及び長さ方向の分布を精密に求めることができる。細線直径がらせん状に変形している形状を推定することができ、人工細線の場合、特性の改善や、それらによって強化された複合材料の設計、接着界面の変形および破壊現象の計算シミュレーションなどに利用可能である。

Claims (4)

1. レーザ光源と、配列光学センサーと、前記細線の一端に固定される上端固定部材を支持固定する支持具を設けた回転ステージ及び前記細線の他端に固定される下端固定部材を支持固定する支持具を設けた下回転ステージを備えた回転ステージ装置と、前記配列光学センサーの出力を処理する制御装置と、を含む直径分布測定装置であって、
   前記回転ステージ装置は、前記回転ステージ及び下回転ステージを同期して鉛直な回転軸の回りに３６０°の角度範囲内に亘って回転位置決めする回転位置決め手段と、前記回転ステージ及び下回転ステージを同期して上下方向に亘って位置決めする上下方向位置決め手段と、を有し、鉛直方向に吊り下げ支持された前記細線を前記レーザ光源からのレーザ光束中に配置させ、レーザ回折像を前記配列光学センサー上に結ばせるようにし、
   前記制御装置は、前記配列光学センサーの出力分布の中心に最も近い一対の回折像暗部間の距離ｌを求め、式ｄ＝λＤ／ｌ、ただし、λ：レーザ光の波長、Ｄ：細線と配列光学センサー間の距離、から前記細線の直径ｄを演算し、前記細線の直径の角度分布及び長さ方向の分布を与え得ることを特徴とする直径分布測定装置。
2. 前記配列光学センサーはラインセンサーを水平に設置したものであることを特徴とする請求項１記載の直径分布測定装置。
3. 前記レーザ光源と、前記回転ステージ装置と、前記配列光学センサーは、レール上に整列して配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の直径分布測定装置。
4. 請求項１乃至３のうちの１つに記載の直径分布測定装置を用いて細線の直径の角度分布及び長さ方向の分布を測定する方法であって、
   前記細線の一端を上端固定部材に他端を下端固定部材に固定し、前記上端固定部材及び前記下端固定部材をそれぞれ回転ステージ及び下回転ステージの支持具に固定することにより、前記細線を鉛直方向に吊り下げ支持し、
   前記回転ステージ及び前記下回転ステージを同期して鉛直な回転軸の回りに３６０°の角度範囲内に亘って回転位置決めするとともに、前記回転ステージ及び前記下回転ステージを同期して長さ方向に亘って上下方向位置決めして、各回転位置毎及び各上下方向位置毎に、レーザ光源からのレーザ光束中に前記細線を配置してレーザ回折像を前記配列光学センサー上に結ばせ、
   前記配列光学センサーの出力分布から中心に最も近い一対の回折像暗部間の距離ｌを求め、式ｄ＝λＤ／ｌ、ただし、λ：レーザ光の波長、Ｄ：細線と配列光学センサー間の距離、から前記細線の直径ｄを算出して、前記細線の直径の角度分布及び長さ方向の分布を求めることを特徴とする直径分布測定方法。

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