JPH04132944A - 熱膨張係数測定方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は対象物の膨張係数を測定する装置に係るもので
ある。

従来技術 対象物の熱膨張係数（α＝ΔＬ／ΔＴ−Ｌ、ここでΔＬ
は対象物の伸び、ΔＴは温度変化分、Ｌは対象物のもと
の長さ）を測定する従来の装置では、長尺の対象物の一
端に鏡を取りつけ、対象物を加熱し、鏡に光を投射して
、投射光と反射光とから干渉縞をつくって対象物の伸び
をその縞の数を計数して決定していた。この場合対象物
の僅かな伸びを生じさせるにもかなり長い対象物を使用
しなければならないという問題があった。

例えば、金属の棒の１μｍという僅かな伸びを温度を１
度あげて生じさせるにも１ｍという長い対象物を使用し
なければならない。対象物が大きくなるとこれを収容し
て測定する測定装置も大きくなり、又膨張係数の小さい
対象物については計測できる程の伸びを生じさせる試料
は大きくなり過ぎ、結局熱膨張係数を計測できないとい
う不都合も生じる。

発明が解決しようとする課題 本発明の目的は、熱膨張係数が非常に小さい試料であっ
ても長大な試料を使用せず、正確に熱膨張係数を測定出
来る熱膨張係数測定装置を提供することである。

この目的は本発明に従って、熱膨張係数を測定しようと
する対象に単色レーザービームを投射し、前記の対象に
対して対称な位置に配置した一対のイメージ・センサー
に対象物からの反射レーザービームを入射させ、加熱の
前後で移動するイメージ・センサーのスペックル模様の
移動差の差に基づいて対象物の伸びを決定する、という
ことにより達成される。対象物は包囲空間内に挿入され
、この包囲空間は真空とされ、空気のゆらぎによるレー
ザービームの動揺を排除している。この包囲体はレーザ
ーからのレーザービームを対象に照射させるレーザービ
ーム取り込み窓と、対象から反射するレーザービームを
イメージ・センサーに投射させるレーザービーム取り出
し窓とを有している。これらの窓辺外の部分は不透明と
なっていて周囲光が包囲体内空間に入らないようにして
周囲光がイメージ・センサーに入ってノイズが生じるこ
とがないようにしている。また、真空空間内で試料を加
熱するようにしているので、たとえ高温になったとして
も、試料が空気と反応して酸化し、その結果試料表面の
光学的状態が変化して、計測が不正確となるような事態
は回避されている。また、高温で試料を加熱した時試料
から発生する輻射光はイメージ・センサーに入射すると
ノイズとなるが、この輻射光は包囲体の窓にフィルタを
配することによって単色のレーザービームのみ選択して
イメージ・センサーに入射させるようにする。

実施例 第１図において、ｌはレーザー光を発生するレーザー、
２，３はスペックルの変化を観測するための一対のイメ
ージ・センサー、５は対象即ちサンプル４を加熱するた
めのヒーター、６，７はスペックルの移動を求めるため
の相関計、８は温度を測定するための熱電対、９はヒー
ター５を調整する温度コントローラー、１０は熱膨張係
数を決定するコンピュータである。

イメージ・センサー２．３は、Ｘ−Ｚ面内において、方
向土θ。、距離り。に、サンプル４に対して対照に配置
されている。今、サンプル４をヒーター５によって加熱
すると、サンプル４は熱によって膨張し、その形を変化
させる。この変化につれて、イメージ・センサー２．３
によって観測されるスペックル模様の位置は移動する。

このスペックル模様の位置の移動は伸び以外のファクタ
によっても生じるので、伸びによる変化のみを取り出す
必要がある。このため２つのイメージ・センサー２．３
を使用しているのである。

各イメージ・センサー２．３における、サンプル４の加
熱前後のスペックル模様の位置の移動差のＸ成分を、そ
れぞれＡｘ　（θ。）、Ａｘ（−θ。）とおくと、 これらの差、ΔＡｘは、 ΔＡｘ＝Ａｘ　（θｏ）　　Ａｘ（−θ、　）　−ｆｆ
ｌｌ）〜−２ΔＬ／Ｌ　　−Ｌ、ｔａｎθ、−−七２）
従って、伸び率ΔＬ／Ｌは、 ΔＬ／Ｌ＝−ΔＡｘ／２Ｌ、ｔａｎθ、　＋３）となり
、熱膨張係数αは、 α＝−ΔＡｘ／２Ｌ、ｔａｎθ。・ΔＴ−七４）として
求められる。

第２図には、本発明の計測部の具体的な構成を示す。図
に示すように、加熱による空気の揺らぎとサンプル４の
表面酸化をなくすため、サンプル４は包囲体１７の中に
配置されている。ロータリーポンプ１５は包囲体１７の
内部を真空にするために用いられる。この包囲体１７は
透明なものでもよいが、外部からの周囲光の影響を排除
するため、レーザー光の入射路と反射路以外は不透明と
されている。このレーザーの入射路及び反射路としてガ
ラス窓１１が設けられている。

サンプル４が高温になるとサンプル４から輻射光が発生
することがある。この輻射光がイメージ・センサー２．
３に入射すると、測定誤差を生じさせる。そこで包囲体
の窓にフィルタを設け、このような光を排除し、レーザ
ーｌからの単色ビームの反射光のみを透過させる。

石英ロッド１６を介して赤外ランプ１３によってサンプ
ル４を加熱する。加熱によるスペックル模様の位置の移
動距離の測定は、２つの相関計６．７（第１図参照）に
よって行われる。相関計６．７はそれぞれ、加熱前後に
おけるサンプルのスペックル模様の位置の移動距離のＸ
成分、Ａｘ（θ。）　、Ａｘ　（−θ。）を求める。こ
のＸ成分は加熱前後のイメージ・センサー２．３からの
出力を相関させるさせることにより求められるその後、
このＡｘ（θｏ）、Ａｘ（−〇。）を用いて熱膨張係数
αを算出する。

熱膨張係数の計算はコンピュータ１０が行う。

先ず初めに、上で求めたＡｘ　（θ。）、Ａｘ　（−θ
。）の差を求める（式（１））。この差を表すΔＡｘは
、サンプル４のＸ方向における伸びΔＬを示している。

この伸びを生じさせた温度変化ΔＴは、熱電対８から温
度コントローラーを介してコンピュータ１０へ入力され
る。こうして得られたサンプル４の伸びΔＡｘ、温度変
化ΔＴ、及び既知の値であるり。ｔａｎθ。とから、式
（４）に従って、熱膨張係数がコンピュータ１０によっ
て求められる。

発明の効果 本発明の装置により、微小なサンプルを用いてサンプル
の熱膨張係数を測定することが出来る。

高温でのサンプルの酸化によるサンプル表面の反射状態
の変化による誤差は、本発明の真空の包囲体１７にサン
プル４を配することによって排除され、高温でも正確に
熱膨張係数を測定出来る。

６． ８　彎 ９　・ ０　・ １　・ ３　・ ａ ５　・ ６　＠ ７　・ ・相関器 ・熱電対 ・温度コントローラー ・コンピュータ ・ガラス窓 ・石英ロッド ・赤外ランプ ・ファン ・真空ポンプ ・冷却水 ・包囲体

【図面の簡単な説明】

第１図は、熱膨張係数の測定原理を示す。 第２図は、本発明に従った熱膨張係数装置の計測部の具
体的な構成を示している。 ■・・・・レーザー ２．３・・イメージ壷センサー ４・・・命サンプル ５・・・・ヒーター

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 熱膨張係数を測定しようとする対象に単色レーザービー
   ムを投射するレーザー、 前記の対象に対して等距離、等角度の対称位置に配置し
   た一対のイメージ・センサー、 前記の対象を加熱する加熱手段、 前記の対象を包囲し、前記のレーザーからのレーザービ
   ームを前記の対象に照射させるレーザービーム取り込み
   部分と、前記の対象から反射するレーザービームを前記
   のイメージ・センサーに投射させるレーザービーム取り
   出し部分とを有する包囲体、 この包囲体内の空間を真空とするため包囲体に接続され
   た真空ポンプ、 前記の対象の温度を測定する温度計、 前記のイメージ・センサーに接続され各イメージ・セン
   サーの加熱前後のスペックル模様の位置の移動差を求め
   る相関決定手段、及び、 単位加熱温度当たりのスペックル模様の位置の移動差の
   差と前記の対象位置のファクタとから熱膨張係数を決定
   する演算手段、 を備えたことを特徴とする熱膨張係数測定装置。