JPH0663988B2 - セラミツクス等の熱間における変位測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は主にセラミックス等の高温下での変位〔たとえ
ば熱間線膨張率（以下熱膨張率という）あるいはクリー
プ変形量等〕をレーザ変位測定器を使い、非接触で精度
良く自動測定するセラミックス等の熱間における変位測
定装置に関するものである。

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スあるい
は各種金属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。従来技術として、発明の名称「熱膨張率測定装
置」（特開昭60-39540号公報）、発明の名称「セラミッ
クス等の熱間における変位測定装置」（特開昭61-7452
号公報）発明の名称「セラミックス等の熱間における変
位測定装置」（特開昭61-172041 号公報）等がある。

これらの一例として特開昭60-39540号公報の熱膨張率測
定装置」を第５図に示す。この熱膨張率測定装置は、固
体走査受光素子を内蔵しレンズ系21と組合せたカメラ22
とカメラコントロール部23よりなる変位測定装置と照明
装置24を各２組組合せて試料の変位を自動的に測定する
ものである。加熱炉１内の試料８の変位は、試料８の軸
に対して直角方向より照明装置24で照明し、試料８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
受光素子面に望遠レンズ21により拡大投影し、明部と暗
部の比率より変位を計測するものである。この場合各カ
メラコントロールユニット23（２台）の出力を加算して
変位に応じたディジタル出力信号で出力する。

この出力とディジタル温度計13のディジタル出力信号を
インターフェイス14を介してコンピュータ15に入力し記
憶演算を行わせディジタルブロッタ16により温度と熱膨
張率の関係をグラフに書かせるものである。

発明が解決しよとする課題 しかし、この方法では、カメラ22の１台の測定範囲は測
定分解能を１μｍとした場合、3mm程度である。また測
定精度を上げるためカメラ22を２台使用して測定するた
め２台並べた場合、カメラ中心間で80mmあり試料寸法は
80mm以上のものしか測定できない。

最近、ファインセラミックス等の開発にともない、小型
試料での測定が要望されている。これに対応するためカ
メラ22の先端に第６図のようにプリズム25を取り付ける
か、特開昭61-172041 号公報の「セラミックス等の熱間
における変位測定装置」に記載しているようにカメラ22
を対向させて80mm以下の試料の測定を行っている。しか
し、固体走査受光素子カメラ22の分解能は１μｍが限度
であり、小型試料の場合、膨張量が小さいため、最近で
は、サブミクロオーダーの分解能が要求されている。

また、固体走査受光素子を使ったカメラ22の１台の測定
範囲は3mm程度であるため、異常膨張する試料や収縮の
大きさ試料が測定出来ないという問題がある。

課題を解決するための手段 本発明の要旨とするところは、従来技術での固体走査受
光素子を使用したカメラの代りに、第１図に示すように
試料加熱炉１の一側にレーザ変位測定器のレーザ送光部
２を配設し、その対向側にレーザ受光部３を配設して、
レーザビームによる試料の寸法を測定するレーザ走査方
式のレーザ変位測定器において、計測窓４の内側に輻射
熱及び輻射光防止スリツト金物５及びその炉芯管の内方
側に輻射熱及び輻射光防止スリットを有する断熱材６を
配設し、炉内の光及び熱の影響による計測誤差をなくし
て（必要に応じて試料各熱炉炉芯管７内を各種雰囲気で
置換することが出来る。又セラミックス等の小型試料の
変位測定が可能である）0.5μｍ以下の分解能で測定可
能な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。

本発明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第１図に基いて詳
述する。

小寸法の試料をサブミクロンオーダーの分解能で精度良
く変位を計測する方法として、加熱炉１内の試料８を支
持する炉芯管７の両端部に計測窓（石英ガラス）４を設
けて炉芯管７内を気密にできる構造とし、炉芯管７の両
端に排気口９及びガス導入口10を設けて、各種の雰囲気
で試料８の変位を測定できるようにしたものである。ま
た計測窓４及びその内側に輻射熱防止スリットを有する
断熱材６、輻射光防止スリット金物５を配設し、炉内の
熱により計測窓４のガラスが歪み誤差になるのを防ぐと
共に、高温測定時の炉内光がレーザ送光部２、レーザ受
光部３に入射して試料８の変位計測誤差になるのを防止
している。

試料８の変位は第１図に示すように、炉芯管７の両端開
口部に取付けた両面が平行で面が平滑な計測窓（石英ガ
ラス）４の一側にレーザ変位測定器のレーザ送光部２を
配設し、対向側の計測窓（石英ガラス）４にレーザ受光
部３を配設し、レーザ送光部２より一定速度で水平に試
料８の長さ以上の幅で走査したレーザビームを発射する
と、試料８によってレーザビームがさえぎられた時はレ
ーザ受光部３には第２図Ａのように電圧信号は発生せ
ず、レーザビームが試料８から外れた場合はＢのように
電圧信号が発生する。変位計測は試料８によってレーザ
ビームがさえぎられている時間、すなわち、レーザ受光
部３の電圧信号Ｏの時間を電気的に高精度で測定し、レ
ーザの走査速度と時間の関係より時間を試料８の長さに
変換して表示器12でデイジタル表示すると共にデイジタ
ル出力信号を出力する。この出力信号と試料温度測定用
ディジタル温度計13のディジタル出力信号をインターフ
ェイス14を介してパーソナルコンピュータ15に入力し、
記憶演算を行なわせ、ディジタルプロッタ16に温度と熱
膨張率の関係を曲線に書かせるものである。

本発明装置において炉芯管７の両端の開孔部に取付けた
計測窓（石英ガラス）４が炉内の熱により歪んだ場合に
ガラスにレンズ効果を生じ試料８の長さが実際の寸法よ
り異って計測され、大きな誤差を生じ、高精度の計測が
できない。また、1000℃以上の高温時には炉芯管７の内
部からの放射光が強くなり、不要な光がレーザ受光部３
及びレーザ送光部２に入り、試料の寸法を正確に測定で
きなくなる。これを防止するために熱膨張係数の小さい
石英ガラスで、レンズ効果のないガラスの両面が平行な
計測窓ガラスを使用し、計測窓４の内側にレーザビーム
の幅の1.2〜７倍の輻射熱並びに輻射光防止スリット11
を有する断熱材６を配設し、計測窓４に炉内の熱による
歪を起こさない構造とすると共に、レーザ送光部２及び
レーザ受光部３へ炉内からの輻射熱及び輻射光が入らな
くしたものである。

断熱材６の輻射熱並びに輻射光防止スリット11の幅がレ
ーザビームの幅1.2倍以下では加熱炉１及び炉芯管７等
が熱により膨張した場合レーザビームの中心とスリット
の中心がずれレーザビームが断熱材６でさえ切られ変位
測定が出来なくなる場合がある。またスリットの幅がレ
ーザビームの幅の７倍より広いと輻射熱が計測窓ガラス
４に伝わり熱により計測窓ガラス４が歪曲し、測定誤差
が出ると共に炉内からの不要な光がレーザ送光部２及び
レーザ受光部３に多量に入り変位測定の大きさ誤差の原
因になる。

輻射光防止スリツト金物５の輻射光防止スリツト11Aの
形状は輻射光、輻射熱防止スリツトを有する断熱材６の
輻射光、輻射熱防止スリツト11と同形状に構成する。

また、輻射光防止スリツト金物５のスリツトは断熱材６
の輻射熱並びに輻射光防止スリツト11、及びレーザビー
ムと一致するよう配設する。計測窓４の固定金物17は、
第３図のように水冷パイプ18を取付けて水冷構造とし、
計測窓４用輻射光防止スリット金物５を熱伝導率の高い
金属材料とし、計測窓（石英ガラス）４の炉内側に配設
し、固定金物17に接触させ冷却効果を高め計測窓（石英
ガラス）４の温度上昇を完全に防止するものである。

これにより計測窓４は温度上昇せず、したがって歪曲し
ないためレンズ効果も生じず、レーザ送光部２及びレー
ザ受光部３への炉内の不要な光の入射を最小限にとど
め、高精度で試料の変位を測定できるようにしたもので
ある。

実施例 第１図に示す本発明装置の計測窓４に厚さ3mmの石英ガ
ラスでガラスの両面が平行な計測窓ガラスを配設し、炉
芯管７内にアルミナ質試料で幅10mm、高さ10mm、長さ40
mmのものをセットして不活性ガスを毎分150ml流し測定
範囲0.5〜55mm、送光部２、受光部３間の距離700mmのレ
ーザ変位測定器を使用して炉芯管７両端の計測窓４の炉
芯管７の内部にそれぞれ幅2mm、長さ50mmのスリットを
有する輻射光並びに輻射熱防止断熱材６及び輻射光防止
スリット金物５を取付け、昇温速度を毎分４℃で、常温
から1600℃までの間５℃毎にデータを取り込み、記憶演
算し、ディジタルプロッタ16に温度と熱膨張率の関係を
書かせた結果を第４図に示す。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の一例を略図的に示し、第２図はレ
ーザ受光部の電圧信号を示し、第３図ａは輻射光、輻射
熱防止用断熱材及び計測窓固定金物の一例を示す縦断面
図、第３図ｂはＡ−Ａ線横断面図であり、第４図は本発
明装置による測定結果の一例を示し、第５図は固体走査
受光素子を用いた公知の熱膨張測定装置の一例を略図的
に示し、第６図はプリズムを使用した公知熱膨張測定装
置の一例を略図的に示す。 図中１……加熱炉、２……レーザ寸法測定器レーザ送光
部、３……レーザ寸法測定器レーザ受光部、４……計測
窓、５……輻射光防止スリット金物、６……輻射光、輻
射熱防止スリットを有する断熱材、７……炉芯管、８…
…試料、９……排気口、10……ガス導入口、11……輻射
光、輻射熱防止スリット、12……表示器、13……ディジ
タル温度計、14……インターフェイス、15……コンピュ
ータ、16……ディジタルプロッタ、17……計測窓固定金
物、18……水冷パイプ、19……真空ポンプ、20……熱電
対、21……望遠レンズ、22……固定走査受光素子カメ
ラ、23……コントロールユニット、24……照明装置、25
……プリズム、26……オシロスコープ、27……発熱体、
28……フィルター

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定試料加熱炉を貫通して炉芯管を配設
   し、該炉芯管の１側外方にレーザ送光部を、他側外方に
   レーザ受光部を夫々配設して、レーザビームによる試料
   の寸法を測定するレーザ走査方式のレーザ変位測定器に
   おいて、前記炉芯管両端面に設けた計測窓の内側に輻射
   熱及び輻射光防止スリツト金物及び該スリツト金物の炉
   芯管の内方側に輻射熱及び輻射光防止スリツトを有する
   断熱材を夫々配設、内蔵することを特徴とするセラミツ
   クス等の熱間における変位測定装置。
2. 【請求項２】前記試料加熱炉炉芯管を気密構造とし、各
   種雰囲気としうる雰囲気ガス給・排気管を設けた請求項
   １記載のセラミツクス等の熱間における変位測定装置。
3. 【請求項３】前記輻射熱防止断熱材及び計測窓ガラス部
   に設けた輻射熱及び輻射光防止スリツトの幅がレーザビ
   ーム幅の1.2〜７倍の幅を有する請求項１記載のセラミ
   ツクス等の熱間変位測定装置。
4. 【請求項４】前記計測窓ガラスが炉からの輻射熱によつ
   て歪曲し、計測誤差をまねくのを防ぐため、冷却構造を
   計測窓ガラスに設けた請求項１記載のセラミツクス等の
   熱間変位測定装置。
5. 【請求項５】前記計測窓ガラスが耐熱性が高く、熱膨張
   係数の小さい石英ガラスで、ガラスの両面が平行な計測
   窓ガラスを有する請求項１記載のセラミツクス等の熱間
   変位測定装置。