(57)【要約】【課題】簡易な装置で迅速かつ高精度に試験物の熱膨張特性を測定することを可能にする。【解決手段】被測定物２００に取り付けられるひずみゲージ１２と、被測定物２００の温度を調整する冷熱試験槽１０と、被測定物２００の温度とひずみゲージ１２の測定値との関係を計測データとして、計測データに含まれる温度分布によるヒステリシス誤差を補正して補正後計測データを求め、標準被測定物の補正後計測データεａ（Ｔ）、試験物の補正後計測データεｍｅｓ（Ｔ）、を用いて、試験物の真の熱膨張ひずみεｒ（Ｔ）をεｒ（Ｔ）＝εｍｅｓ（Ｔ）−εａ（Ｔ）＋εｓ（Ｔ）から算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物に取り付けられるひずみゲージと、
前記被測定物の温度を調整する冷熱手段と、
前記被測定物の温度と前記ひずみゲージの測定値との関係を計測データとして取得する計測データ取得手段と、
前記計測データに含まれる温度分布によるヒステリシス誤差を補正して補正後計測データを求めるデータ補正手段と、
熱膨張特性が既知の標準被測定物を前記被測定物として得られた前記標準被測定物の補正後計測データεａ（Ｔ）と、熱膨張特性が未知の試験物を前記被測定物として得られた前記試験物の補正後計測データεｍｅｓ（Ｔ）と、を用いて前記試験物の真の熱膨張ひずみεｒ（Ｔ）を、
εｒ（Ｔ）＝εｍｅｓ（Ｔ）−εａ（Ｔ）＋εｓ（Ｔ）
から算出（ただし、前記標準被測定物の真の熱膨張ひずみεｓ（Ｔ），温度Ｔ）することを特徴とする熱膨張測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の熱膨張測定装置であって、
前記データ補正手段は、さらに前記ひずみゲージの初期ドリフトを補正して前記補正後計測データを求めることを特徴とする熱膨張測定装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の熱膨張測定装置であって、
前記冷熱手段は、前記被測定物の冷熱速度を一定に制御できる冷熱槽を含むことを特徴とする熱膨張測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の熱膨張測定装置であって、
前記冷熱槽は、
槽外にて温度調節されたガスを槽内に導入するガス導入手段と、
槽内から槽外へ前記ガスを排出するガス排出手段と、
を備えることを特徴とする熱膨張測定装置。
【請求項５】
請求項４に記載の熱膨張測定装置であって、
前記ガス導入手段は、前記ガスをシャワー状に噴出させる複数の細孔が設けられたパイプを含み、
前記ガス排出手段は、前記ガスの導入方向と排出方向との角度が９０°以上１８０°以下となるように分散配置された排気口を含み、
前記被測定物を包み込むように流れるように前記ガスを導入することを特徴とする熱膨張測定装置。
【請求項６】
請求項５に記載の熱膨張測定装置であって、
前記ガス排出手段は、前記排気口が前記ガス導入手段を囲むように配置されていることを特徴とする熱膨張測定装置。
【請求項７】
請求項３〜６のいずれか１項に記載の熱膨張測定装置であって、
前記冷熱手段は、
前記冷熱槽内の雰囲気温度を測定する温度センサと、
前記温度センサで測定された温度が目標の温度波形となるように調節する温度コントローラと、を備え、
昇温速度と降温速度とが等しく、上下限温度において等温保持時間を設けた前記温度波形となるように制御を行うことを特徴とする熱膨張測定装置。
【請求項８】
被測定物に取り付けられるひずみゲージと、
前記被測定物の温度を昇温速度と降温速度とが等しくなるように調整することが可能な冷熱試験槽と、
前記被測定物の温度と前記ひずみゲージの測定値との関係を計測データとして取得する計測データ取得手段と、
熱膨張特性が既知の標準被測定物を前記被測定物として得られた前記標準被測定物の計測データと、熱膨張特性が未知の試験物を前記被測定物として得られた前記試験物の計測データと、を用いて前記試験物の真の熱膨張ひずみを算出することを特徴とする熱膨張測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱膨張測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被測定物の熱膨張特性を測定するために押棒式の熱膨張計が使用されている。現在市販されている線膨張測定装置の大部分はこの測定法を採用している。押棒式の熱膨張測定装置では、被測定物の端面に押し棒（ｐｕｓｈ  ｒｏｄ）を接触させ、押し棒の変位を検出することにより被測定物の熱膨張特性を測定する。
【０００３】
また、２枚のひずみゲージを用いた熱膨張測定方法と測定装置が示されている（特許文献１）。当該方法では、被測定物に貼付した検出用ひずみゲージと基準用のひずみゲージを共に昇温オーブン内に設置し、両方のひずみゲージの抵抗値の差を検出することによって被測定物の熱膨張特性を測定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２４９０９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
押棒式の熱膨張測定装置では、被測定物の端面に平行に押棒を接触させると共に可動させる必要がある。そのため、被測定物の試験片の形状を高精度に加工する必要がある。また、試験片の設置状態や押棒の保持機構の調整等に注意が必要であり、それらの影響により測定精度が低下するおそれがある。また、被測定物の均熱性を確保して加熱または冷却するために、高精度測定を行うためには２℃／ｍｉｎ〜５℃／ｍｉｎといった遅い冷熱速度で試験が行われる。そのため、測定に長時間を要してしまう。
【０００６】
また、特許文献１に記載の従来技術では、押棒式に比べ計測が容易であるが、熱膨張特性を高い精度で測定することが困難である。例えば、ひずみゲージ自体の熱膨張特性を考慮してしないため、基準とするひずみゲージに対する相対的な熱膨張量が求められるに過ぎない。また、昇温オーブン内の温度分布や昇温速度の変化により、検出用ひずみゲージと基準用ひずみゲージの温度や熱出力に誤差が生じるため、熱膨張の測定精度が低下するおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の１つの態様は、被測定物に取り付けられるひずみゲージと、前記被測定物の温度を調整する冷熱手段と、前記被測定物の温度と前記ひずみゲージの測定値との関係を計測データとして取得する計測データ取得手段と、前記計測データに含まれる温度分布によるヒステリシス誤差を補正して補正後計測データを求めるデータ補正手段と、熱膨張特性が既知の標準被測定物を前記被測定物として得られた前記標準被測定物の補正後計測データεａ（Ｔ）と、熱膨張特性が未知の試験物を前記被測定物として得られた前記試験物の補正後計測データεｍｅｓ（Ｔ）と、を用いて前記試験物の真の熱膨張ひずみεｒ（Ｔ）を、εｒ（Ｔ）＝εｍｅｓ（Ｔ）−εａ（Ｔ）＋εｓ（Ｔ）から算出（ただし、前記標準被測定物の真の熱膨張ひずみεｓ（Ｔ），温度Ｔ）することを特徴とする熱膨張測定装置である。
【０００８】
ここで、前記データ補正手段は、さらに前記ひずみゲージの初期ドリフトを補正して前記補正後計測データを求めることが好適である。
【０００９】
また、前記冷熱手段は、前記被測定物の冷熱速度を一定に制御できる冷熱槽を含むことが好適である。
【００１０】
また、前記冷熱槽は、槽外にて温度調節されたガスを槽内に導入するガス導入手段と、槽内から槽外へ前記ガスを排出するガス排出手段と、を備えることが好適である。
【００１１】
また、前記ガス導入手段は、前記ガスをシャワー状に噴出させる複数の細孔が設けられたパイプを含み、前記ガス排出手段は、前記ガスの導入方向と排出方向との角度が９０°以上１８０°以下となるように分散配置された排気口を含み、前記被測定物を包み込むように流れるように前記ガスを導入することが好適である。
【００１２】
また、前記ガス排出手段は、前記排気口が前記ガス導入手段を囲むように配置されていることが好適である。
【００１３】
また、前記冷熱手段は、前記冷熱槽内の雰囲気温度を測定する温度センサと、前記温度センサで測定された温度が目標の温度波形となるように調節する温度コントローラと、を備え、昇温速度と降温速度とが等しく、上下限温度において等温保持時間を設けた前記温度波形となるように制御を行うことが好適である。
【００１４】
本発明の別の態様は、被測定物に取り付けられるひずみゲージと、前記被測定物の温度を昇温速度と降温速度とが等しくなるように調整することが可能な冷熱試験槽と、前記被測定物の温度と前記ひずみゲージの測定値との関係を計測データとして取得する計測データ取得手段と、熱膨張特性が既知の標準被測定物を前記被測定物として得られた前記標準被測定物の計測データと、熱膨張特性が未知の試験物を前記被測定物として得られた前記試験物の計測データと、を用いて前記試験物の真の熱膨張ひずみを算出することを特徴とする熱膨張測定装置である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、簡易な装置で迅速かつ高精度に試験物の熱膨張特性を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態における熱膨張測定装置の構成を示す図である。
【図２】冷熱の温度時間変化の波形の例を示す図である。
【図３】従来の熱膨張測定装置を用いて測定した熱膨張曲線の例を示す図である。
【図４】本実施の形態における熱膨張測定装置を用いて測定した熱膨張曲線の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施の形態における熱膨張測定装置１００は、図１の構成図に示すように、冷熱試験槽１０、ひずみゲージ１２、ひずみ測定器１４、温度センサ１６、温度測定器１８、温度コントローラ２０及び計測データ処理部２２を含んで構成される。
【００１８】
冷熱試験槽１０は、被測定物２００の温度を調整するための試験槽１０ａを備える。冷熱試験槽１０は、試験槽１０ａ内の温度を制御できる冷熱手段を備えるものであればよい。冷熱手段は、冷熱速度を一定に制御できることが好適である。
【００１９】
例えば、最適な冷熱試験槽１０としては、温度調節されたガスを試験槽１０ａに導入するガス導入手段と、導入したガスを排出するガス排気手段とを備える構成とすることが好適である。
【００２０】
ガス導入手段は、例えば、試験槽１０ａの外部から試験槽１０ａ内に温度調節されたガスを導入するパイプを含むものとすればよい。例えば、試験槽１０ａの壁体の一ヶ所を貫通し直線的に試験槽１０ａの内壁近傍に沿って配置されたパイプ１０ｂとし、パイプ１０ｂの周面にガスをシャワー状に噴出させる複数の細孔を並べて設けた構成とすればよい。複数の細孔は、パイプ１０ｂに一列かつ一方向に向けて並べて設けることが好適である。パイプ１０ｂから導入されたガスは、被測定物２００に遮られることなく、かつ、試験槽１０ａの内壁と被測定物２００との間を被測定物２００が包み込まれて流れるようにガスを導入させることが好適である。
【００２１】
ガス排気手段は、ガス導入手段によって試験槽１０ａ内に導入されたガスを試験槽１０ａの外に排気する手段を含む。ガス排気手段は、ガスの導入方向とガスの排出方向との角度が９０°〜１８０°となるように配置された排気口１０ｃを備えることが好適である。排気口１０ｃは、単数であってもよいし、複数であってもよいが、試験槽１０ａ内にガスを均一に流すためには複数設けることが好ましい。排気口１０ｃは、例えば、ガスの導入方向に沿って位置する試験槽１０ａの各内壁に、又はガスの導入方向と反対方向の試験槽１０ａの内壁にガス導入手段を囲むように配置することが望ましい。このような構成とすることにより、被測定物２００を均一かつ迅速に冷熱することができる。
【００２２】
ひずみゲージ１２及び温度センサ１６は、冷熱試験槽１０内に設置される。ひずみゲージ１２は、被測定物２００に取り付けられ、被測定物２００の変形を検出する。ひずみ測定器１４は、ゲージ１２によって検出された被測定物２００の変形量の入力を受けて、変形量を示すデータを計測データ処理部２２へ出力する。
【００２３】
温度センサ１６は、被測定物２００（又は試験槽１０ａ）の温度を検出する。温度測定器１８は、温度センサ１６によって検出された温度の入力を受けて、温度を示すデータを計測データ処理部２２へ出力する。
【００２４】
また、温度コントローラ２０は、温度センサ１６で検出された温度の入力を受けて、冷熱試験槽１０の温度を目標の温度時間変化の波形に一致するように制御する。上記のように冷熱試験槽１０がガス導入手段を備える場合、温度コントローラ２０はガス導入手段において導入されるガスの温度を調節するヒータの温度を制御する構成とすればよい。このように、被測定物２００の温度は、目標の温度波形になるように温度コントローラ２０によって制御される。冷熱試験槽１０の温度を目標温度とすることにより、安定した温度制御が可能になる。
【００２５】
計測データ処理部２２は、ひずみ測定器１４から入力された被測定物２００の変形量であるひずみ測定値εｍｅｓ及び温度測定器１８から入力された被測定物２００の温度Ｔに基づいて被測定物２００の熱膨張特性を求める。被測定物２００のひずみ測定値εｍｅｓはその測定時における被測定物２００の温度Ｔと関連付けられて記憶部に記録される。これが、計測データ収録手段として機能する。計測データ収録手段には、必要に応じて試験槽１０ａ内の温度も収録できるようにしてもよい。
【００２６】
計測データ処理部２２は、被測定物２００の温度Ｔとひずみ測定値εｍｅｓの関係を求めるＴ−εｍｅｓ解析手段として機能する。当該Ｔ−εｍｅｓ解析手段では、ひずみゲージ１２の出力値の初期ドリフトと温度の分布によるヒステリシス誤差の少なくとも一方を補正するデータ補正処理が行われる。
【００２７】
冷熱初期はひずみゲージ１２自体の変化や接着剤等のひずみゲージ１２を取り付けた材料の変化に伴ってひずみゲージ１２の出力においてドリフトが生じる場合が多い。冷熱サイクルを繰り返すと当該ドリフトは縮小する傾向を示すので、ドリフトが十分小さくなったサイクル数以降の計測データを用いて解析することが望ましい。通常、初期ドリフトは１サイクル目に生じ、２サイクル目以降は収束する。そこで、３サイクルの冷熱を繰り返し、２サイクル目と３サイクル目の計測データを比較してドリフトの収束を確認した上で、計測データが収束したとみなされるサイクルにおける計測データを用いて解析を行う。計測データの収束は、例えば、異なるサイクルにおいて被測定物２００の温度Ｔが同一のときのひずみ測定値εｍｅｓの差分が所定の基準差分値よりも小さいか否かによって判断することができる。
【００２８】
また、冷熱試験槽１０は均熱性に優れるが、厳密には冷熱初期に目標温度波形の傾きが急変する際に試験槽１０ａ内及び被測定物２００内に温度の分布が生じる。この温度分布の影響で昇温時と降温時の温度Ｔとひずみ測定値εｍｅｓとにずれが生じ、ヒステリシス特性を示すことがある。計測データ処理部２２は、当該ヒステリシス誤差を補正するために、次式に基づいたデータ補正処理を行う。
（数１）
昇温時のＴ−εｍｅｓ関係：εmes1(T)=f1(T) , Tmin1≦T≦Tmax1
降温時のＴ−εｍｅｓ関係：εmes2(T)=f2(T) , Tmin2≦T≦Tmax2
ここで、Tmin1〜Tmax1：昇温時の定常温度分布区間、Tmin2〜Tmax2：降温時の定常温度分布区間
温度分布補正後のＴ−εｍｅｓ関係：εmes(T)=f(T)=(f1(T)+f2(T))/2
【００２９】
上記の定常温度分布区間は温度分布が一定となる温度区間であり、試験槽１０ａ内の温度と被測定物２００の温度の差が一定となる温度区間から求めることができる。また、目標温度波形の昇温速度と降温速度を同じにしておけば、昇温時と高温時の温度分布によるひずみ誤差は同じになるため、両曲線の平均を取ることで温度分布の影響をより適切に補正することができる。
【００３０】
さらに、計測データ処理部２２は、熱膨張特性が既知の標準被測定物を被測定物２００として得られた標準被測定物の補正後計測データεａ（Ｔ）と、熱膨張特性が未知の試験物を被測定物２００として得られた試験物の補正後計測データεｍｅｓ（Ｔ）を用いて試験物の真の熱膨張特性εｒ（Ｔ）を求める。
【００３１】
具体的には、次式を用いて、ひずみゲージ１２の温度によるみかけひずみを補正して、真の熱膨張特性を求めることができる。
（数２）
εr(T)=εmes(T)-εa(T)+εs(T)
ここで、
T：被測定物２００の温度
εr(T)：試験物の真の熱膨張ひずみ（未知）
εmes(T)：試験物について測定した熱膨張ひずみの補正データ
εa(T)：標準被測定物について測定した熱膨張ひずみの補正データ
εs(T)：標準被測定物の真の熱膨張ひずみデータ（既知）
【００３２】
なお、温度コントローラ２０で用いられる目標温度の波形は、図２に示すように、冷熱速度が等しく、測定温度範囲の上下限温度において温度を一定に維持する均熱保持時間を設けることが好適である。例えば、台形波を複数回繰り返す波形とすることが好ましい。これにより、ひずみゲージ１２における初期ドリフトと温度分布によるヒステリシス誤差を補正してより高精度に熱膨張特性を求めることができる。
【００３３】
図３は、従来の熱膨張測定装置で測定した熱膨張曲線の例を示す。測定には押棒式である熱膨張測定装置（リガク社製：Ｔｈｅｒｍｏ  ｐｌｕｓ  ＥＶＯ  ＴＭＡ８３１０）を用いた。試験物は、材質がＩｎｃｏｌｏｙ９０４、形状がφ５ｍｍ×長さ１９ｍｍである円柱部材とした。昇温速度及び降温速度は、等しく５℃／ｍｉｎとした。
【００３４】
図３に示すように、昇温時のひずみゲージ１２の測定曲線と降温時のゲージ１２の測定曲線にずれが生じている。これは、従来の熱膨張測定装置の押棒が試験物の表面に対して平行に移動しなかったためのずれと推察される。
【００３５】
図４は、本実施の形態における熱膨張測定装置１００を用いて同じ試験物を測定した熱膨張曲線の例を示す。ひずみゲージ１２は、東京測器製：ＦＬＫ−１−１１を用いた。シアノアクリレート系の瞬間接着剤を用いて３枚のひずみゲージ１２を試験物の表面に貼り付けて冷熱試験槽１０内に導入して測定を行った。昇温速度及び降温速度は、等しく３４℃／ｍｉｎとした。初期ドリフトがなくなった３サイクル目の計測データに基づいて試験物の熱膨張特性を解析した。
【００３６】
図４に示すように、３枚のひずみゲージ１２の測定データはほぼ一致しており、再現性が確認された。また、昇温時と冷却時の温度差が補正され、一本の線図として示された。
【００３７】
以上の結果から、本実施の形態における熱膨張測定装置１００は、冷熱速度を従来の１０倍以上速くしたとしても極めて高精度に再現性よく熱膨張特性が測定及び解析できることが確認された。
【００３８】
すなわち、本実施の形態における熱膨張測定装置１００を用いることによって、簡易な装置構成において迅速かつ高精度に被測定物２００の熱膨張特性を測定できる。すなわち、従来の押棒式の熱膨張測定装置では、押棒を被測定物２００の端面と平行に可動させる機構とその移動量を高精度に測定する機器が必要であったが、それらが不要になり装置構成を簡素化することができる。また、高度な測定技術が不要であり、容易に高精度な測定及び解析を再現性高く行うことができる。
【００３９】
また、従来の押棒式の熱膨張測定装置で必要であった高精度な被測定物２００の加工が不要となる。すなわち、押棒を平行に可動させるために、被測定物２００の高精度加工と計測技術が必要であったが、本実施の形態における熱膨張測定装置１００ではひずみゲージ１２を被測定物２００の表面に貼付するだけでよいので被測定物２００の準備が迅速かつ容易に行える。
【００４０】
さらに、複数の被測定物２００の同時測定が可能となる。すなわち、冷熱試験槽１０には複数の被測定物２００を設置し、ひずみ測定器１４として多点式ひずみ計を適用することによって複数の被測定物２００について同時に測定することができる。したがって、測定及び解析の効率を高めることができる。また、ひずみゲージ１２を用いて得られる計測データは分解能が高く、ドリフト及び温度分布等による計測誤差は補正されるため高精度の解析を行うことができる。
【００４１】
なお、熱膨張測定装置１００において使用されたひずみゲージ１２は被測定物２００から剥離しても特性は変わらないので再利用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１０  冷熱試験槽、１０ａ  試験槽、１０ｂ  パイプ、１０ｃ  排気口、１２  ひずみゲージ、１４  ひずみ測定器、１６  温度センサ、１８  温度測定器、２０  温度コントローラ、２２  計測データ処理部、１００  熱膨張測定装置、２００  被測定物。
【図１】
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【図２】
2020012719.tif 000004
【図３】
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【図４】
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