JP6550891B2 - 排湿変形量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、排湿変形量測定装置に関するものである。

人工衛星等に搭載される宇宙用の機器あるいは構造物において、軽量で剛性があり熱変形量の少ない材料として、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）等の複合材料が広く使用されている。かかる複合材料は、上記利点の一方で、空気中の水分吸着（吸湿）により、長さおよび質量が変化する傾向がある。

宇宙用構造物の場合、地上での通常湿度環境から宇宙空間での湿度０％環境に移動することにより、構造物が排湿変形を生じて搭載機器の精度を低下させる恐れがある。
そのため、あらかじめ排湿変形による精度変化を予測できることが好ましい。また、複数の試験片について排湿変形量を測定し、相対的に排湿変形量の少ないものを選択することが好ましい。

従来、排湿変形量を直接測定する技術がなく、その代わりに、高温で乾燥させた試験片を恒温恒湿槽内で吸湿させていく過程での吸湿変形量を測定する技術が採用されている。
例えば特許文献１には、複合材料等の吸湿変形量を測定することが可能な変形量測定装置が開示されている（請求項１、要約書、図１等）。
この変形量測定装置は、恒温恒湿槽（１４）内にレーザ干渉計（９）と、レーザ干渉計（９）に対向して設置された試験片格納装置（１２）とを備え、試験片格納装置（１２）は、平面ハーフミラー（４）と、平面ハーフミラー（４）に対して鏡面が向かい合うようにスプリング（５）で接続された平面ミラー（３）とを備えている。
この変形量測定装置では、試験片（１）の吸湿変形による変位を平面ミラー（３）と平面ハーフミラー（４）との位置関係に反映させ、平面ミラー（３）の反射光と平面ハーフミラー（４）の反射光との干渉により生じる干渉縞の変化量をレーザ干渉計（９）で測定することにより、試験片（１）の変形量を測定することができる。

特開2005-017134号公報

高温で乾燥させた試験片の吸湿変形量を測定する特許文献１等に記載の従来技術は、測定前に試験片を完全乾燥させる必要があり、完全乾燥直後の吸湿前に素早く測定を開始する必要があるため、測定のセッティングが非常に困難である。

従来技術において、吸湿変形量を測定する理由の１つとして、レーザ干渉計に用いられるレーザ光を出射するレーザヘッドが湿度０％環境では使用できない点が挙げられる。

また、測定空間を真空にすることで湿度０％環境を生成することができるが、真空下での測定には次のような課題がある。
一般的なレーザ干渉計等の測定機器は、真空下では使用できない。
また、試験片と同材質のクーポン片の質量を測定することにより排湿の進行程度を確認することができるが、真空下では質量測定が困難である。
更に、測定空間を真空にするために用いられるコンプレッサまたはターボ分子ポンプ等の振動が測定データに悪影響を与える恐れもある。

また、測定効率を高めるためには、１つの測定装置を用いて、複数の試験片について同時に測定を実施できることが好ましい。
特許文献１には、複数の試験片を同時に測定する技術として、レーザ干渉計又は試験片を精密位置決め機構付きのガイドレール（１３）に載せて移動させる技術が開示されている（実施の形態２．、図４等）。しかしながら、この技術では、精密位置決め機構によるガイドレール上のレーザ干渉計又は試験片の移動及び位置の制御が難しく、装置構成が複雑で高コストであり、高精度測定も難しい。また、あるタイミングにおいてレーザ干渉計により測定できる試験片の数は１つであり、各試験片についてレーザ干渉計による連続測定を実施することができない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、複数の試験片の排湿変形量を同時に測定することが可能な排湿変形量測定装置を提供することを目的とするものである。

本発明の排湿変形量測定装置は、
複数の試験片の排湿変形量を測定する排湿変形量測定装置であって、
内部に、あらかじめ吸湿された複数の試験片とリファレンス片とがセットされる試験片セット部と、各々が個々の前記試験片及び前記リファレンス片の一端面に対向配置された複数のレーザ干渉計とを有するドライボックスと、
前記ドライボックスの外部に配置されたレーザ光出射装置とを備え、
前記ドライボックスの壁部に、前記レーザ光出射装置から出射されたレーザ光を前記ドライボックスの内部に導く光通過部が形成され、
前記ドライボックスの内部に、前記光通過部を通して前記ドライボックスの内部に入射した前記レーザ光を分岐させ、個々の前記レーザ干渉計に入射させる光分岐光学系と、各々が個々の前記試験片及び前記リファレンス片の一端面に取り付けられる複数の第１ミラーと、各々が個々の前記試験片及び前記リファレンス片の他端面に取り付けられる複数の第２ミラーとが備えられ、
前記レーザ干渉計は、前記第１ミラーで反射された第１の反射光と前記第２ミラーで反射された第２の反射光との干渉縞を検出するものである。

本発明によれば、複数の試験片の排湿変形量を同時に測定することが可能な排湿変形量測定装置を提供することができる。

本発明に係る一実施形態の排湿変形量測定装置の要部上面図である。 図１の排湿変形量測定装置の動作を示すフローチャートである。 測定データ例を示すグラフである。

図面を参照して、本発明に係る一実施形態の排湿変形量測定装置の構成について説明する。
図１は、本実施形態の排湿変形量測定装置の要部上面図である。
この図では、ドライボックスの内部を透視図で示してある。

本実施形態の排湿変形量測定装置１は、ドライボックス１０を有する。
ドライボックス１０は、上面に開口部を有するボックス本体と、ボックス本体の上面の開口部を閉じる蓋材とからなる開閉可能ボックスである（図示略）。
ドライボックス１０は、閉状態において、内部の湿度が０％に一定制御可能である。
ドライボックス１０の内部の湿度を０％にする方法は特に制限されず、乾燥剤等を用いて除湿する方法が挙げられる。

ドライボックス１０は、その内部に、複数の試験片２１とリファレンス片２２とがセットされる試験片セット部２０を有する。
試験片２１及びリファレンス片２２は、一端面（図示左端面）Ｅ１から他端面（図示右端面）Ｅ２に延びる棒状片である。
試験片２１の材料は特に制限されず、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）等の複合材料が挙げられる。
試験片２１は、あらかじめ一定の湿度下で保存された吸湿片である。
一度に測定できる試験片２１の本数は特に制限されず、図示例では６本である。
リファレンス片２２は試験片２１と同じ長さを有する棒状片であり、排湿変形及び温度変形を生じない材料からなり、ゼロ膨張ガラス及び石英等の材料からなる。
リファレンス片２２は１個でよい。

ドライボックス１０は、その内部に、各々が個々の試験片２１及びリファレンス片２２の一端面Ｅ１に対向配置された複数のレーザ干渉計６０を有する。

本実施形態の排湿変形量測定装置１は、ドライボックス１０の外部に配置されたレーザ光出射装置４０を備える。
レーザ光出射装置４０としては、Ｈｅ−Ｎｅレーザ（波長：６３３ｎｍ）等の公知のレーザを使用できる。
図中、符号４１は、レーザ光出射装置４０のレーザヘッドである。
本実施形態において、レーザヘッド４１を含むレーザ光出射装置４０は、レーザヘッド４１自身がドライボックス１０の排湿影響を受けないよう、またレーザヘッド４１自身の発熱がドライボックス１０内の測定に影響を与えないように、ドライボックス１０の外部に配置される。

本実施形態において、ドライボックス１０の壁部１０Ｗに、レーザ光出射装置４０から出射されたレーザ光Ｌをドライボックス１０の内部に導く光通過部１０Ａが形成されている。一態様において、光通過部１０Ａは、レーザ光Ｌが通る貫通孔である。

ドライボックス１０の内部には、光通過部１０Ａを通してドライボックス１０の内部に入射したレーザ光Ｌを分岐させ、個々のレーザ干渉計６０に入射させる光分岐光学系５０が設けられている。
本実施形態において、光分岐光学系５０は、複数のビームスプリッタ５１を含む光学系である。
各ビームスプリッタ５１は、入射光のうち一部の光を９０°反射し、残りの光を透過するハーフミラーを含む。

本実施形態において、個々の試験片２１及びリファレンス片２２の一端面Ｅ１にはそれぞれ、第１ミラー３１が取り付けられる。個々の試験片２１及びリファレンス片２２の他端面Ｅ２にはそれぞれ、第２ミラー３２が取り付けられる。
試験片２１に取り付けられる第１ミラー３１は、試験片２１の長さが変化しても、常にその一端面Ｅ１に隙間なく接する。
試験片２１に取り付けられる第２ミラー３２は、試験片２１の長さが変化しても、常にその一端面Ｅ２に隙間なく接する。
試験片セット部２０に対する複数の試験片２１及びリファレンス片２２の格納方法、並びに、試験片２１及びリファレンス片２２への第１ミラー３１及び第２ミラー３２の取付方法は特に制限されず、公知方法を適用することができる。

ドライボックス１０の内部には、レーザ干渉計６０による測定値を補正するために、好ましくは、温度、湿度、および気圧等の環境条件のうち少なくとも１つの環境条件を測定する環境センサ７１がセットされる。
環境センサ７１としては、温度、湿度、および気圧をすべて測定するものが好ましい。
試験片２と同じ長さのリファレンス片２２は標準試料であり、上記補正が正しく行われていることを確認するために用いられる。

各レーザ干渉計６０は、対応する試験片２１又はリファレンス片２２の一端面Ｅ１に取り付けられた第１ミラー３１で反射される第１反射光Ｒ１と、対応する試験片２又はリファレンス片２２の他端面Ｅ２に取り付けられた第２ミラー３２で反射される第２反射光Ｒ２との干渉縞を検出する。
各試験片２１に対向配置された各レーザ干渉計６０は、上記干渉縞から第１反射光Ｒ１と第２反射光Ｒ２との光路差を求め、対応する試験片２１の長さ及びその変位量（排湿変形量）を求めることができる。
本実施形態において、各レーザ干渉計６０による各試験片２１の排湿変形量の測定は、経時的に好ましくは連続的に実施される。

レーザ干渉計６０による測定値の補正を確認するために、必要に応じて、リファレンス片２２についても、試験片２１と同様に、レーザ干渉計６０による測定を実施することができる。なお、レーザ干渉計６０によるリファレンス片２２の測定は、複数の試験片２１の測定を開始する前に、あらかじめ実施される。

レーザ干渉計とは異なる静電容量センサ等の測定装置を用い、試験片２１の一端面Ｅ２をこの測定装置の固定面に当接させて、他端面Ｅ１の変化のみを基に変形量を測定する場合、温度変化等の影響により測定装置の構成要素に寸法変化が生じて測定誤差が生じる恐れがある。
これに対して、第１ミラー３１で反射される第１反射光Ｒ１と第２ミラー３２で反射される第２反射光Ｒ２とを用いて変形量を測定する本実施形態の構成では、測定装置の構成要素に寸法変化が生じても、測定データには何ら影響がない。

本実施形態の排湿変形量測定装置１は、試験片２１と同材質からなり、試験片２１と同じ湿度下で保存された吸湿片であるクーポン片７３について、水分抜けによる質量低下を、経時的に好ましくは連続的に測定できる構成であることが好ましい。
例えば、ドライボックス１０の内部に電子天秤等の質量計７２がセットされ、この質量計７２の上に試験片２１と同材質のクーポン片７３を載せ、クーポン片７３からの水分抜けによるクーポン片７３の質量低下を経時的に好ましくは連続的に測定する構成が好ましい。かかる構成により、排湿の進行程度をモニタリングすることができ、好ましい。

本実施形態の排湿変形量測定装置１において、外部からの振動を遮断して、レーザ干渉計６０への外乱影響を減少し、高精度の測定データを得るために、ドライボックス１０は除振定盤８０の上に設置されることが好ましい。

本実施形態の排湿変形量測定装置１において、レーザ干渉計６０により測定された測定データ及び質量計７２により測定された測定データは、ドライボックス１０の外部に配置された記録装置９０に自動的に記録保存され、オペレータによって必要に応じてデータ処理される。
記録装置９０としては、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置等が挙げられる。
上記測定データは、記録装置９０内のハードディスクまたは記録媒体等に自動的に記録保存される。

図面を参照して、本実施形態の排湿変形量測定装置１の動作について説明する。
図２は、本実施形態の排湿変化量測定装置１の動作を示すフローチャートである。

あらかじめ、必要に応じて、環境センサ７１及びリファレンス片２２を用いて、レーザ干渉計６０による測定値の補正を行っておく。
はじめに、ドライボックス１０の蓋材を開けて、ドライボックス１０の内部の試験片セット部２０に、一定の湿度下で保存された吸湿片である複数の試験片２１をセットする（ステップＳ１）。
別途、好ましくは、ドライボックス１０の内部に設置された質量計７２の上に、複数の試験片２１と同材質からなり、複数の試験片２１と同じ湿度下で保存された吸湿片であるクーポン片７３をセットする（ステップＳ２）。
なお、ステップＳ１とステップＳ２とは、順不同である。

次に、測定及びデータ記録を開始する（ステップＳ３）。
具体的には、レーザ光出射装置４０からレーザ光Ｌを出射させ、レーザ干渉計６０による、個々の試験片２１の長さ及びその変位量（排湿変形量）の経時測定好ましくは連続測定を開始する。
同時に、質量計７２によるクーポン片７３の質量及びその変位量の経時測定好ましくは連続測定を開始する。
レーザ干渉計６０及び質量計７２による測定データは、記録装置９０内のハードディスクまたは記録媒体等に自動的に記録保存される。

次に、ドライボックス１０の蓋材を閉めて、排湿を開始する（ステップＳ４）。
レーザ干渉計６０による測定データ及び質量計７２による測定データは、一定時間間隔で記録保存される（ステップＳ５）。
記録保存の時間間隔は例えば、１〜３０分が好ましい。

オペレータは適時、質量計７２による測定データを確認し、クーポン片７３の質量が充分に安定したかどうかを確認する（ステップＳ６）。
クーポン片７３の質量が充分に安定していないと判断される場合は、レーザ干渉計６０及び質量計７２による測定と、これら測定のデータ記録保存を続ける。
クーポン片７３の質量が充分に安定したと判断された場合は、測定データの記録保存を停止し、測定を終了する（ステップＳ７）。
測定データ例を図３に示しておく。

本実施形態の排湿変形量測定装置１では、複数の試験片２１が、内部の湿度が０％に一定制御可能なドライボックス１０の内部にセットされる。
本実施形態の排湿変形量測定装置１では、レーザ干渉計６０はドライボックス１０の内部に配置される一方、レーザ干渉計６０による測定に用いるレーザ光Ｌを出射するレーザヘッド４１を含むレーザ光出射装置４０は、ドライボックス１０の外部に配置される。

一般的にレーザ干渉計６０は真空下では使用できないが、湿度０％環境の生成にドライボックス１０を用いることで、レーザ干渉計６０を問題なく使用することができる。
一般的にレーザヘッド４１は湿度０％環境では使用できないが、レーザヘッド４１をドライボックス１０の外部に配置することで、レーザヘッド４１を問題なく使用することができる。
上記のように、本実施形態では、一般的な光学機器を使用して、排湿変形量の測定を実施することができる。

特許文献１等に記載の従来技術では、測定前に試験片を完全乾燥させる必要があり、完全乾燥直後の吸湿前に素早く測定を開始する必要があるため、測定のセッティングが非常に困難である。
これに対して、本実施形態では、測定前に試験片２１を完全乾燥させる必要がなく、かつ、排湿を開始するまでは、ドライボックス１０の内部は通常の室内環境でよいため、測定のセッティング時間に制限がない。

レーザ光出射装置４０から出射されたレーザ光Ｌはドライボックス１０の壁部１０Ｗに設けられた光通過部１０Ａを通して、ドライボックス１０内に入射する。
そして、光通過部１０Ａを通してドライボックス１０の内部に入射したレーザ光Ｌは、光分岐光学系５０により複数の試験片２１及びリファレンス片２２の数に合わせて分岐され、個々のレーザ干渉計６０に入射する。
本実施形態では、精密位置決め機構付きのガイドレールを用いる特許文献１の実施の形態２．に記載の構成と異なり、複雑で高コストな装置構成を要することなく、複数の試験片２１を同時に測定することが可能である。
本実施形態では、精密位置決め機構付きのガイドレールを用いる特許文献１の実施の形態２．に記載の構成と異なり、すべての試験片２１について、レーザ干渉計６０による連続測定を実施することが可能である。

本実施形態では、ドライボックス１０の内部に質量計７２を設置し、クーポン片７３の質量測定を同時に行うことにより、排湿の進行程度を適時確認することができる。これにより、排湿に要する時間を確認でき、測定終了のタイミングを適切に判断することができる。
なお、真空下では、試験片２１と同材質のクーポン片７３の質量を測定することが困難であるが、本実施形態ではドライボックス１０を用いることで、クーポン片７３の質量測定を簡易に実施することができる。

通常、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）等の複合材料の完全排湿には数か月かかるが、クーポン片７３の質量変化の推移から完全排湿時間を予測し、完全排湿する前に排湿変形量を推定することによって、測定時間を短縮することも可能である。

本実施形態では、ドライボックス１０を除振定盤８０の上に設置することにより、外部からの振動を遮断し、高精度の測定データを得ることができる。

本実施形態の排湿変形量測定装置１を用いることにより、例えば、地上での通常湿度環境から宇宙空間での湿度０％環境に移動する際の炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）等の複合材料の排湿変形量を測定することができる。
本実施形態によれば、例えば、同じ環境下で吸湿された複数の試験片２１について同時測定を実施し、排湿変形量の違いを比較することができる。
本実施形態によれば、例えば、必要本数以上の複数の試験片２１について測定を実施し、相対的に排湿変形量の少ない必要本数の試験片２１を選択することが可能である。
本実施形態によれば、例えば、必要本数以上の複数の試験片２１について測定を実施し、排湿変形量の近い必要本数の試験片２１を選択することが可能である。

以上説明したように、本実施形態によれば、複数の試験片２１の排湿変形量を同時に測定することが可能な排湿変形量測定装置１を提供することができる。

（設計変更）
本発明は上記実施形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において適宜設計変更が可能である。

１ 排湿変形量測定装置
１０ ドライボックス
１０Ａ 光通過部
１０Ｗ 壁部
２０ 試験片セット部
２１ 試験片
２２ リファレンス片
３１ 第１ミラー
３２ 第２ミラー
４０ レーザ光出射装置
４１ レーザヘッド
５０ 光分岐光学系
５１ ビームスプリッタ
６０ レーザ干渉計
７１ 環境センサ
７２ 質量計
７３ クーポン片
８０ 除振定盤
９０ 記録装置
Ｅ１ 一端面
Ｅ２ 他端面
Ｌ レーザ光
Ｒ１ 第１反射光
Ｒ２ 第２反射光

Claims (4)

1. 複数の試験片の排湿変形量を測定する排湿変形量測定装置であって、
   内部に、あらかじめ吸湿された複数の試験片とリファレンス片とがセットされる試験片セット部と、各々が個々の前記試験片及び前記リファレンス片の一端面に対向配置された複数のレーザ干渉計とを有する開閉可能なドライボックスと、
   前記ドライボックスの外部に配置されたレーザ光出射装置とを備え、
   前記ドライボックスの壁部に、前記レーザ光出射装置から出射されたレーザ光を前記ドライボックスの内部に導く光通過部が形成され、
   前記ドライボックスの内部に、前記光通過部を通して前記ドライボックスの内部に入射した前記レーザ光を分岐させ、個々の前記レーザ干渉計に入射させる光分岐光学系と、各々が個々の前記試験片及び前記リファレンス片の一端面に取り付けられる複数の第１ミラーと、各々が個々の前記試験片及び前記リファレンス片の他端面に取り付けられる複数の第２ミラーとが備えられ、
   前記ドライボックスは、閉状態において、内部の湿度が０％に一定制御可能なものであり、
   前記レーザ干渉計は、前記第１ミラーで反射された第１の反射光と前記第２ミラーで反射された第２の反射光との干渉縞を検出するものであり、
   開状態の前記ドライボックスの内部にあらかじめ吸湿された前記複数の試験片と前記リファレンス片とをセットし、前記レーザ干渉計による測定を開始した後、前記ドライボックスを閉じて前記ドライボックスの内部の排湿を開始し、前記複数の試験片の排湿変形量を測定するものである、排湿変形量測定装置。
2. 前記ドライボックスの内部にさらに、前記試験片と同じ条件であらかじめ吸湿され、前記試験片と同材質のクーポン片の質量を測定する質量計が備えられた、
   請求項１に記載の排湿変形量測定装置。
3. 前記ドライボックスが除振定盤上に載置された、
   請求項１又は２に記載の排湿変形量測定装置。
4. さらに、前記レーザ干渉計により測定されたデータを記録する記録装置を備えた、
   請求項１〜３のいずれかに記載の排湿変形量測定装置。

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