JPH0637320Y2 - セラミックス等の熱間における変位測定装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は主にセラミック等の小型
試料を高温の各種雰囲気下で熱間線膨張率（以下熱膨張
率という）等を非接触で精度良く自動測定するセラミッ
ク等の熱間における変位測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ファインセラミックス、耐火物、陶磁
器、ガラスまたはこれらと金属との複合材料等のセラミ
ック、あるいは各種金属の熱膨張率、特に耐火物の熱膨
張率は、熱間で使用される窯炉の内張り耐火物の膨張代
決定等の指針となる極めて重要な特性である。

【０００３】従来、熱膨張率測定はＪＩＳ Ｒ２６１７
及びＲ２２０７で規定されている如く接触式又は非接触
の方式で測定されており、図６図示の如く、接触式は加
熱炉１内に設置した試料受台４に載せた試料２に変位検
出棒あるいは管３を接触させ、これにより試料の膨張収
縮を検知し、この変位をダイヤルゲージにより読み取る
か差動変圧器式変位測定器６等により読み取るか、又は
記録計７に記録し、測定後曲線より変位を読み取り膨張
率を計算するのが一般的であった。

【０００４】しかし、この方法は、試料に検出棒を接触
させて測定圧を加えるため、高温で軟化状態を示す試料
の場合測定圧による圧縮力により、試料自体が変形し、
真の膨張率を測定することが困難である。また、この場
合、試料受台と変位検出棒の膨張量の相違による補正を
受ける場合が多く、これが誤差の原因になっていた。

【０００５】従って測定試料に非接触で測定する方法が
採用されているのが現状である。非接触で測定する方法
としては、図７のように加熱炉１中に設置した試料２の
両端の変位を目盛付望遠鏡１０により、人為的に読み取
るものがある。この方法は炉内が高温の時には試料と雰
囲気との明暗差がつきにくいため、読み取りが困難で経
験に頼る部分が多く測定誤差の原因になっている。また
得られたデータは試料の元の長さに対する変化率を計算
し、温度と膨張率の関係を図に書く必要があった。

【０００６】さらに別の方法としては、目盛入り望遠レ
ンズ付カメラで各温度での試料の変位を写真撮影し、写
真より試料の変位を読み取る方法があるが、データ処理
に時間を要し能率の点で問題がある。

【０００７】一方自動化された方法として、本考案者ら
の一部がさきに提案した特開昭６０−３９５４０号に
は、変位測定カメラ、望遠レンズ、フィルター、照明装
置、コンピューター等を組合せて良好な結果を得てい
る。（図３）また、特開昭５３−３６２６２号公報には
熱膨張測定方法及びその装置が開示されており、この方
式はプリズム、及び読み取り望遠鏡により目視によって
変位を読み取り、後で膨張率を計算し、温度と熱膨張率
の関係を書く作業をする必要があり、非能率的な方法で
ある。この方法は耐火物の熱膨張率試験方法のＪＩＳに
直接式（非接触式）として、規定されており、古くから
行われている手段である。

【０００８】更に、特開昭５８−１５４６４９号には金
属の変形下における各種変態測定方法及び装置が開示さ
れており、光源よりの光軸の移動を光学的変位計を用い
て検出するに当り、該光学的変位計にイメージデイセク
タチューブを用いることを特徴的構成とするものである
が、公知の如くイメージデイセクタチューブを使用した
変位計は本来高速運動解析用であり、短時間での測定用
である。セラミックスの熱膨張測定のように５〜１０時
間の長い時間をかけて、温度を変化させ、微小変化を高
精度で測定する場合、イメージデイセクタチューブのよ
うに光量の変化により変位を測定するものは、電圧変動
の影響、光の波長による感度特性の変化、経時変化によ
る感度変化があり、また炉からの光の影響を受けやす
く、固体走査受光素子より精度が劣るものである。

【０００９】

【考案が解決しようとする課題】前述した本出願人らが
さきに提案した特開昭６０−３９５４０号に開示した熱
膨張率測定装置は、測定精度を上げるため変位測定カメ
ラを平行に２台並べて試料の両端の変位をそれぞれ測定
するが、この変位測定カメラ１台の幅が５０〜８０ｍｍ
あり、２台を最も接近させてもカメラ中心間の距離が５
０〜８０ｍｍになり、この寸法以下の試料は測定できな
いと云う問題があった。

【００１０】また測定雰囲気も図３の炉構造からも分る
ように、試料支持用炉芯管２４に照明用窓２５と計測用
窓２６があり、この窓に１５００℃以上の高温で照明並
びに変位測定に必要な透明度を保つ材質がなく、したが
って照明、計測用窓が開口になるため、炉芯管内を炉体
の雰囲気と異なる雰囲気にすることは不可能であり、そ
の加熱炉に使用する発熱体の雰囲気に左右され任意の雰
囲気での測定は出来ないと云う問題があった。

【００１１】前述の如き従来方式の諸欠点を改善するた
め本考案者等は種々研究の結果、小型試料を各種の雰囲
気で高精度でかつ自動測定が可能なセラミック等の熱間
における変位測定装置の開発に成功したものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本考案の要旨とするとこ
ろは、試料加熱炉側壁に相対する開口部に貫通する筒状
の炉芯管を装設し、該炉芯管の両端部に変位測定用窓を
設けると共に外部からのガス導入、排気用の穿孔を穿設
し、該変位測定用窓の両側に各々望遠レンズと赤外線除
去用フィルターを具備する固体走査受光素子を用いた変
位測定カメラ及び該変位測定カメラの対向側に照明装置
を配設したことを特徴とするセラミックス等の熱間にお
ける変位測定装置にある。

【００１３】本考案のセラミックス等の熱間における変
位測定装置を熱膨張率測定装置に適用した具体例を図１
に基いて詳述する。

【００１４】小寸法の試料を加熱炉の雰囲気の影響を受
けないで変位を計測する方法として、加熱炉１内の試料
２を支持する炉芯管２４の両端部に石英ガラス窓２７を
設けて炉芯管２４内を気密にできる構造とし、炉芯管２
４の両端に排気口２８及びガス導入口２９を設けて加熱
炉１の雰囲気とは異なる雰囲気で試料２の変位を検出で
きるようにしたものである。前記炉芯管２４の両端部は
加熱炉１外に露出しているので、加熱炉１内の温度に比
較して低く、石英ガラス窓２７の透明度の耐用性があ
り、また石英ガラス窓２７のシール構造は容易である。 また、石英ガラス窓２７の両側に赤外線フィルター１３
及び望遠レンズ１４を具備する変位測定カメラ１５を各
一台と、該変位測定カメラ１５の対向側に照明装置９を
照明装置９と試料２の端面及び変位測定カメラ１５を直
線状に配設することにより、変位測定カメラ１５と照明
装置９との中心間の距離までの小寸法の試料２の変位を
計測できるものである 。

【００１５】試料２の変位は図１に示すように試料２の
両端を試料２の軸に対して直角方向の対向側より照明装
置９で照明し、試料２により、光がさえぎられた暗部と
光が直接届く明部を固体走査受光素子面にレンズにより
拡大投影し明部Ｌと暗部Ｄの比率より変位を計算するも
のである。

【００１６】この場合２台の変位測定カメラ１５の各々
のカメラコントロールユニット１６の出力を加算して変
位に応じたデジタル出力信号で出力する。この出力とデ
ジタル温度計１９のデジタル信号出力を一般的手法によ
り作成したプログラムにより、パーソナルコンピュータ
ーインターフェース１７を介してパーソナルコンピュー
ター１８に入力し、記憶演算を行なわせデジタルプロッ
ター２０により温度と熱膨張率の関係を曲線に書かせる
ものである。

【００１７】本考案による熱膨張率測定装置では、試料
２の微小変位を読み取る望遠レンズ１４は、熱の影響を
防ぐため加熱炉から離して設置する必要があり、そのた
め作動距離（レンズ先端から被測定物までの距離）２０
０〜７００ｍｍ（実用上好ましくは３００〜５００ｍ
ｍ）、Ｆ番号５〜８のものが良い。作動距離がこれによ
り短いと高温の加熱炉に望遠レンズ１４を接近して測定
することになり、温度の影響による測定誤差が生じる。
またＦ番号がこれより大きいと測定に必要な光量が得ら
れにくく反対に小さいとレンズ径が大きくなり望遠レン
ズ１４と照明装置９を並べた場合、中心間距離が大きく
試料２の長さの長いものでなければ測定できない。

【００１８】この目的に使用する望遠レンズ１４として
は作動距離、明るさのほかに測定分解能１μｍを満たす
ためにレンズ倍率を×１０倍程度にする必要がある。

【００１９】本考案の熱膨張率測定装置ではこれに対す
る対策として複合レンズ系によりレンズ倍率×１０倍、
作動距離２００〜７００ｍｍの望遠レンズ１４を製作
し、この問題を解決した。

【００２０】一方、加熱炉１内の試料２は８００℃以上
の温度になると試料２自体から赤外線を放出する。この
赤外線を変位測定カメラ１５の検出部である固体走査受
光素子が感じ図４オシロスコープ波形に示すように受光
素子面に明部Ｌと暗部Ｄの差がつかなくなる。この赤外
線の影響をなくするため赤外線除去用フィルター１３
（以下単にフィルター１３と言う）を併用する必要があ
る。フィルター１３を使用し赤外線を除去すると試料２
の測定端面が鮮明となり、図５に示す如く明部Ｌと暗部
Ｄの差が明確なオシロスコープの波形が得られる。フィ
ルター１３は照明の光量を減少させないで試料２より出
る赤外域の０．８μ〜１０００μ波長の光を除去するも
ので光透過率が９０％以上のものが好ましい。

【００２１】この場合、１枚のフィルターで０．８μ〜
１ｍｍの全域の波長を除去するものでなくてもよく、２
枚又は２枚以上のフィルターの組合せでもよい。

【００２２】一方、変位測定カメラ１５の検出部に光電
子増倍管を使用した場合は、赤外線にはほとんど感度を
示さないが試料２の計測端面の輪郭が不明瞭となり、測
定精度が低下するため、フィルターを使用することが好
ましい。照明装置９は固体走査受光素子面に低温から高
温まで充分なコントラストをつけるための光量が必要で
ある。光源としては白熱電球、キセノンランプ、ハロゲ
ンランプ、レーザー光などが用いられるが設備が簡単で
かつ取扱いが容易という点で、白熱電球を電圧調整器と
組合せるか、ハロゲンランプと反射鏡を組合せて使用す
るのがよい。いずれの場合も光は、集光レンズを使って
集光し、直進性を持たせた平行光がよく、光束の径は試
料面で１０ｍｍφ以上で輝度は１０万ｎｔ以上がよい。

【００２３】

【実施例】本考案熱膨張率測定装置による測定例を以下
に説明する。

【００２４】アルミナ含有量９９．５％の再結晶アルミ
ナ試料で幅５ｍｍ×高さ５ｍｍ×長さ４５ｍｍのもの
を、図１に示す本考案の装置の加熱炉１の炉芯管２４の
中にセットし、炉芯管２４内の雰囲気を真空雰囲気とし
て作動距離４６０ｍｍ、Ｆ番号８の望遠レンズ１４と赤
外線域の０．８μｍ〜１０００μｍの波長の光を除去す
るフィルター１３と固体走査受光素子を使用した変位測
定カメラ１５を使い昇温速度を毎分４℃として常温から
１５００℃までの間を５℃毎にデーターを取り込み温度
と熱膨張率の関係を書かせた結果を図２に示す。

【００２５】

【考案の効果】以上のように、炉芯管を試料加熱炉側壁
開口部に開口して装設すると共に、該炉芯管の両端部に
変位測定用窓を設け、さらに該変位測定窓の両側に変位
測定カメラ及び該変位測定カメラに対向して、照明装置
を設けたことにより、小寸法の試料を任意の炉内雰囲気
で最小読み取り精度１μｍで、常温から１５００℃程度
の高温まで高精度に変位を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の変位測定装置を熱膨張率測定装置に適
用した具体例の配置関係を示す略図。

【図２】図１図示の熱膨張率測定装置による温度と熱膨
張率の関係を示すグラフ。

【図３】８０ｍｍ以上の長さの試料での測定装置。

【図４】固体走査受光素子が赤外線に感応したときのオ
シロスコープ波形を示す。

【図５】フィルター使用により明部と暗部との差が明確
となったオシロスコープ波形を示す。

【図６】公知の熱膨張率測定装置の概略図。

【図７】公知の熱膨張率測定装置の概略図。

【符号の説明】

１ 加熱炉 ２ 試料 ３ 変位検出棒域は管 ４ 試料受台 ５ 差動変圧器 ６ 変位測定器 ７ 記録計 ８ 温度計 ９ 照明装置 １０ 目盛付望遠鏡 １１ 発熱体 １２ 熱電対 １３ フィルター １４ 望遠レンズ １５ 変位測定カメラ １６ カメラコントロールユニット １７ パーソナルコンピューターインターフェース １８ パーソナルコンピューター １９ デジタル温度計 ２０ デジタルプロッター ２２ プリンター ２３ オシロスコープ ２４ 炉芯管 ２５ 照明用窓 ２６ 計測用窓 ２７ 石英ガラス窓 ２８ 排気口 ２９ ガス導入口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭53−36262（ＪＰ，Ａ) 実開 昭50−74382（ＪＰ，Ｕ) 品川技報、第27号、昭和58年12月25日発 行、京田洋（外３名）、「全自動熱間線膨 張率測定システムの開発」、Ｐ．79−Ｐ. 86

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料加熱炉側壁に相対する開口部に貫通
   する筒状の炉芯管を装設し、該炉芯管の両端部に変位測
   定用窓を設けると共に外部からのガス導入、排気用の穿
   孔を穿設し、該変位測定用窓の両側に各々望遠レンズと
   赤外線除去用フィルターを具備する固体走査受光素子を
   用いた変位測定カメラ及び該変位測定カメラの対向側に
   照明装置を配設したことを特徴とするセラミックス等の
   熱間における変位測定装置。