JPH087169B2 - 熱膨張係数測定方法と装置 - Google Patents
熱膨張係数測定方法と装置Info
- Publication number
- JPH087169B2 JPH087169B2 JP25490690A JP25490690A JPH087169B2 JP H087169 B2 JPH087169 B2 JP H087169B2 JP 25490690 A JP25490690 A JP 25490690A JP 25490690 A JP25490690 A JP 25490690A JP H087169 B2 JPH087169 B2 JP H087169B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- thermal expansion
- laser beam
- expansion coefficient
- laser
- movement
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は対象物の熱膨張係数を測定する方法と装置に
係るものである。
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。
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、又熱膨張係数の小さ
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。
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、又熱膨張係数の小さ
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方法と装置を提供することであ
る。
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方法と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
の移動量の差に基づいて対象物の伸びを決定することに
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。これらの窓以外の部分は不透明となって
いて周囲光が周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
となるので、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。
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
の移動量の差に基づいて対象物の伸びを決定することに
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。これらの窓以外の部分は不透明となって
いて周囲光が周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
となるので、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、１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一
次元イメージ・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。
ー、2,3はスペックルの変化を観測するための一対の一
次元イメージ・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。
レーザー１によって発生されたレーザー光は、サンプ
ル４に対して垂直に投射され、ここで散乱される。散乱
光は、ｘ−ｚ面内において、方向±θ0、距離L0に、サ
ンプル４に対して対称的に配置された各一次元イメージ
・センサー２、３に投射される。
ル４に対して垂直に投射され、ここで散乱される。散乱
光は、ｘ−ｚ面内において、方向±θ0、距離L0に、サ
ンプル４に対して対称的に配置された各一次元イメージ
・センサー２、３に投射される。
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、一次元イメージ・センサー２、３によ
って観測される第３図の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つの一次元イメージ・セン
サー２、３を使用しているのである。
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、一次元イメージ・センサー２、３によ
って観測される第３図の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つの一次元イメージ・セン
サー２、３を使用しているのである。
サンプル４の加熱前のスペックル模様を検出した一方
の一次元イメージ・センサ２の出力を第４図にS1で示
し、加熱後のスペックル模様の検出出力を第４図にS2で
示す。一次元イメージ・センサ２に接続された一方の相
関計７において検出出力S1とS2の積の積分から相関関数
B12を求め、そのピーク位置Ax（θ0）を求める。このピ
ーク位置はイメージ・センサの一次元方向（Ｘ方向）に
おけるスペックル模様の移動量に等しい。他方の一次元
イメージ・センサ３の出力も同様に処理して相関関数B
12のピーク位置Ax（−θ0）を求める。
の一次元イメージ・センサ２の出力を第４図にS1で示
し、加熱後のスペックル模様の検出出力を第４図にS2で
示す。一次元イメージ・センサ２に接続された一方の相
関計７において検出出力S1とS2の積の積分から相関関数
B12を求め、そのピーク位置Ax（θ0）を求める。このピ
ーク位置はイメージ・センサの一次元方向（Ｘ方向）に
おけるスペックル模様の移動量に等しい。他方の一次元
イメージ・センサ３の出力も同様に処理して相関関数B
12のピーク位置Ax（−θ0）を求める。
このスペックル移動量はビームのあたった領域の平行
移動axと、面の傾きΩyと伸び率ΔL/Lの線形関数であ
り、次式で与えられる。
移動axと、面の傾きΩyと伸び率ΔL/Lの線形関数であ
り、次式で与えられる。
Ax（θ0）＝ axcosθ0−L0｛ΔL/Ltanθ0−Ωy（1/cosθ0＋１）｝
（１） Ax（‐θ0）＝ axcosθ0−L0｛‐ΔL/Ltanθ0−Ωy（1/cosθ0＋
１）｝ （２） これらの差、ΔAxは、 ΔAx≒−２（ΔL/L）・L0tanθ0 −（３） 従って、伸び率ΔL/Lは、 ΔL/L＝−ΔAx/2L0tanθ0 −（４） となり、熱膨張係数αは、 α＝−ΔAx/2L0tanθ0・ΔＴ −（５） として求められる。
（１） Ax（‐θ0）＝ axcosθ0−L0｛‐ΔL/Ltanθ0−Ωy（1/cosθ0＋
１）｝ （２） これらの差、ΔAxは、 ΔAx≒−２（ΔL/L）・L0tanθ0 −（３） 従って、伸び率ΔL/Lは、 ΔL/L＝−ΔAx/2L0tanθ0 −（４） となり、熱膨張係数αは、 α＝−ΔAx/2L0tanθ0・ΔＴ −（５） 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。
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。この幅射光がイメージ・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１からの単色ビームの反射光のみを透過させる。
生することがある。この幅射光がイメージ・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１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。既に説明したように加熱によるスペック
ル模様の位置の移動量の測定は、２つの相関計６、７に
よって行われる。相関計６、７は入力信号の積の積分を
計算する回路が構成されている。サンプル４の伸びΔA
x、伸びを生じさせた温度変化ΔＴ、及び既知の値であ
るL0tanθ0とから、式（５）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。
４を加熱する。既に説明したように加熱によるスペック
ル模様の位置の移動量の測定は、２つの相関計６、７に
よって行われる。相関計６、７は入力信号の積の積分を
計算する回路が構成されている。サンプル４の伸びΔA
x、伸びを生じさせた温度変化ΔＴ、及び既知の値であ
るL0tanθ0とから、式（５）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。
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。
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。 第３図はスペックル模様を示す。 第４図（ａ）、（ｂ）はイメージ・センサの出力波形、
第４図（ｃ）はイメージ・センサの出力波形の積を示す
波形である。 １……レーザー ２、３……イメージ・センサー ４……サンプル ５……ヒーター ６、７……相関器 ８……熱電対 ９……温度コントローラー 10……コンピュータ 11……ガラス窓 12……石英ロッド 13……赤外ランプ 14……ファン 15……真空ポンプ 16……冷却水 17……包囲体
体的な構成を示している。 第３図はスペックル模様を示す。 第４図（ａ）、（ｂ）はイメージ・センサの出力波形、
第４図（ｃ）はイメージ・センサの出力波形の積を示す
波形である。 １……レーザー ２、３……イメージ・センサー ４……サンプル ５……ヒーター ６、７……相関器 ８……熱電対 ９……温度コントローラー 10……コンピュータ 11……ガラス窓 12……石英ロッド 13……赤外ランプ 14……ファン 15……真空ポンプ 16……冷却水 17……包囲体
Claims (2)
- 【請求項１】熱膨張係数αを測定しようとする対象に単
色レーザービームを垂直に投射して、前記の対象に対し
て等距離L0、等角度θ0、−θ0の対象位置に配置した一
対のイメージ・センサーに投影されたスペックル模様の
加熱前後の位置の移動量のＸ成分Ax（θ0）とAx（−
θ0）とを求め、これらの移動量の差ΔAxと温度差ΔＴ
とから熱膨張係数αを−ΔAx/2L0tanθ0・ΔＴにより決
定することを特徴とする熱膨張係数測定法。 - 【請求項２】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、等角度の対象位置に配置し
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る各イメージ・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と
各イメージ・センサーの前記の対象位置に対する距離と
角度との関数として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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25490690A JPH087169B2 (ja) | 1990-09-25 | 1990-09-25 | 熱膨張係数測定方法と装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25490690A JPH087169B2 (ja) | 1990-09-25 | 1990-09-25 | 熱膨張係数測定方法と装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04132944A JPH04132944A (ja) | 1992-05-07 |
| JPH087169B2 true JPH087169B2 (ja) | 1996-01-29 |
Family
ID=17271493
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25490690A Expired - Lifetime JPH087169B2 (ja) | 1990-09-25 | 1990-09-25 | 熱膨張係数測定方法と装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH087169B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007317943A (ja) * | 2006-05-26 | 2007-12-06 | Sumitomo Bakelite Co Ltd | 基板および半導体装置 |
| JP5673908B2 (ja) * | 2007-12-28 | 2015-02-18 | 独立行政法人物質・材料研究機構 | 熱膨張係数測定方法とその装置 |
| DE102015206437B3 (de) * | 2015-04-10 | 2016-04-07 | Linseis Messgeräte GmbH | Vorrichtung zur Bestimmung der thermischen Ausdehnung und/oder Gefügeumwandlungen von Proben |
| CN109406564A (zh) * | 2018-10-23 | 2019-03-01 | 胜科纳米（苏州）有限公司 | 热膨胀系数的测量装置和方法 |
| CN111638179A (zh) * | 2020-06-15 | 2020-09-08 | 南京理工大学 | 基于图像传感的测量固体材料热膨胀系数的装置和方法 |
| CN113325029A (zh) * | 2021-05-08 | 2021-08-31 | 上海卫星工程研究所 | 一种材料面二维热膨胀系数高精度测量装置及方法 |
-
1990
- 1990-09-25 JP JP25490690A patent/JPH087169B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04132944A (ja) | 1992-05-07 |
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