(57)【要約】【課題】線膨張係数の測定を、高精度かつ短時間で行える線膨張係数測定方法および測定装置を提供する。【解決手段】恒温槽３０の内部に、ステップゲージ１０および基準ブロックゲージ２０を平行に支持しておき、測定対象物温度変更素子５０および恒温槽３０により、ステップゲージ１０の温度を第１温度と第２温度とし、それぞれの温度におけるステップゲージ１０の第１表面１１から第２表面１２までの長さを、基準ブロックゲージ２０の第１基準表面２１から第２基準表面２２までの長さを基準として比較測定し、第１温度での測定対象物の長さと第２温度での測定対象物の長さとから測定対象物の線膨張係数を算出する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物の第１表面から第２表面までの線膨張係数を測定する線膨張係数測定方法であって、
前記測定対象物を収容可能、かつ内部温度を調整可能な恒温槽と、
前記第１表面から前記第２表面までの長さを測定可能な距離測定装置と、
前記恒温槽の内部に設置されて、前記測定対象物を加熱または冷却可能な測定対象物温度変更素子と、
前記測定対象物に装着されて、前記測定対象物の温度を測定可能な測定対象物温度計と、
を準備し、
前記恒温槽の内部に前記測定対象物を設置し、
前記恒温槽および前記測定対象物温度変更素子の設定温度を第１温度に設定して、前記測定対象物を前記恒温槽および前記測定対象物温度変更素子により加熱または冷却し、
前記測定対象物温度計の測定温度が前記第１温度で安定したことを確認後、前記第１表面から前記第２表面までの長さを測定し、
前記恒温槽および前記測定対象物温度変更素子の設定温度を第２温度に変更して、前記測定対象物を前記恒温槽および前記測定対象物温度変更素子により加熱または冷却し、
前記測定対象物温度計の測定温度が前記第２温度で安定したことを確認後、前記第１表面から前記第２表面までの長さを測定し、
前記第１温度での前記第１表面から前記第２表面までの長さと前記第２温度での前記第１表面から前記第２表面までの長さとから前記測定対象物の線膨張係数を算出することを特徴とする線膨張係数測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載された線膨張係数測定方法において、
前記測定対象物温度変更素子は、前記測定対象物の少なくとも一対の面の、前記測定対象物の中心軸線に対して対称となる位置に取り付けられていることを特徴とする線膨張係数測定方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載された線膨張係数測定方法において、
前記測定対象物温度変更素子は、前記測定対象物温度計の測定温度と前記測定対象物温度変更素子に設定された設定温度との差に応じて出力が調整されることを特徴とする線膨張係数測定方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載された線膨張係数測定方法において、
前記測定対象物温度変更素子は、前記測定対象物温度計の測定温度と設定温度との差が所望の閾値未満になった時点で運転を停止することを特徴とする線膨張係数測定方法。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載された線膨張係数測定方法において、
前記測定対象物温度変更素子は前記測定対象物よりも熱容量が小さいことを特徴とする線膨張係数測定方法。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載された線膨張係数測定方法において、
前記第１表面および前記第２表面に対応する第１基準表面および第２基準表面を有し、かつ前記第１基準表面から前記第２基準表面までの長さが既知である基準ゲージを準備し、
前記恒温槽の内部に前記測定対象物とともに前記基準ゲージを設置し、
前記第１表面から前記第２表面までの長さを、前記第１基準表面から前記第２基準表面までの長さを基準として比較測定することを特徴とする線膨張係数測定方法。
【請求項７】
請求項６に記載された線膨張係数測定方法において、
前記基準ゲージは、前記第１温度と前記第２温度との間の温度変化では精度上膨張を無視しうる極低膨張係数ないしゼロ膨張係数の材質から製造されたもの、または、膨張係数が既知である材質から製造されたもの、のいずれかであることを特徴とする線膨張係数測定方法。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載された線膨張係数測定方法において、
前記恒温槽の内部に設置されて、前記基準ゲージを加熱または冷却可能な基準ゲージ温度変更素子と、
前記基準ゲージに装着されて、前記基準ゲージの温度を測定可能な基準ゲージ温度計と、を準備し、
前記恒温槽、前記測定対象物温度変更素子および前記基準ゲージ温度変更素子の設定温度を前記第１温度に設定して、前記測定対象物および前記基準ゲージを前記恒温槽、前記測定対象物温度変更素子および前記基準ゲージ温度変更素子により加熱または冷却し、
前記測定対象物温度計および前記基準ゲージ温度計の測定温度が前記第１温度で安定したことを確認後、前記第１表面から前記第２表面までの長さを比較測定し、
前記恒温槽、前記測定対象物温度変更素子および前記基準ゲージ温度変更素子の設定温度を前記第２温度に変更して、前記測定対象物および前記基準ゲージを前記恒温槽、前記測定対象物温度変更素子および前記基準ゲージ温度変更素子により加熱または冷却し、
前記測定対象物温度計および前記基準ゲージ温度計の測定温度が前記第２温度で安定したことを確認後、前記第１表面から前記第２表面までの長さを比較測定し、
前記第１温度での前記第１表面から前記第２表面までの長さと前記第２温度での前記第１表面から前記第２表面までの長さとから前記測定対象物の線膨張係数を算出することを特徴とする線膨張係数測定方法。
【請求項９】
測定対象物の第１表面から第２表面までの線膨張係数を測定する線膨張係数測定装置であって、
前記測定対象物を収容可能、かつ内部温度を調整可能な恒温槽と、
前記第１表面から前記第２表面までの長さを測定可能な距離測定装置と、
前記恒温槽の内部に設置されて、前記測定対象物の温度を変更可能な測定対象物温度変更素子と、
前記測定対象物に装着されて、前記測定対象物の温度を測定可能な測定対象物温度計と、
を有することを特徴とする線膨張係数測定装置。
【請求項１０】
請求項９に記載された線膨張係数測定装置において、
前記距離測定装置は三次元測定機であり、
前記恒温槽には、測定用表面に前記三次元測定機の測定プローブを恒温槽内部へ導入可能な測定用開口を有することを特徴とする線膨張係数測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、線膨張係数測定方法および測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
三次元測定機などの測定装置においては、検査のために寸法基準器が用いられる。
寸法基準器としては、端面寸法が高精度に校正された各種ブロックゲージが用いられるとともに、複数の長さに対応したステップゲージが用いられている。
ステップゲージは、凸部と凹部とが交互に配置される櫛歯状とされ、凸部の端面間に複数の基準寸法が得られる。このようなステップゲージは、凸部となる測定ブロックと凹部となる間隔ブロックとを交互に配列してホルダに固定することで製造されるほか、単一の部材から櫛歯状に削り出すことで製造される。
【０００３】
ステップゲージの端面間の距離の校正値は、特定の温度における長さとして提供され、多くの場合は工業標準温度の２０℃における長さである。
三次元測定機の検査において、測定された長さは校正時の温度に換算して用いる必要がある。これを一般に、長さの温度補正と呼んでいる。この時、ステップゲージの線膨張係数を正確に知る必要がある。
【０００４】
ステップゲージを含め多くの寸法基準器は、校正証明書あるいは検査成績書に、温度補正に用いる線膨張係数が記載されている。このような線膨張係数は、それぞれ公差を伴って表示される。
三次元測定機の検査にステップゲージを用いる場合には、検査の不確かさを検討する上で、この公差を不確かさの要因として扱う。従って、検査における不確かさを低減する目的で、ステップゲージの線膨張係数を高精度に評価することが要求される。
【０００５】
寸法基準器を含めて、物体の線膨張係数は、物体の温度を変化させ、その温度変化による物体の長さの変化量を測定することにより、求められる。
具体的に、線膨張係数αは、基準温度Ｔｏにおける物体の長さをＬｏ、現在の温度Ｔにおける物体の長さをＬ、温度変化量ΔＴ＝Ｔ−Ｔｏ、長さの変化量（熱膨張量）ΔＬ＝Ｌ−Ｌｏとして、α＝（ΔＬ／Ｌ）・（１／ΔＴ）によって与えられる。
【０００６】
ステップゲージなど、寸法基準器では、物体の長さＬの大きさは長さの変化量ΔＬに対して１０の５乗より大きい。このため、一般に、長さＬの数値の正確性は、線膨張係数αの数値に対して影響が小さい。
従って、線膨張係数αを高精度に求めるためには、温度変化量ΔＴおよび長さの変化量ΔＬを高精度に測定することが必要である。
【０００７】
このような物体の線膨張係数αの測定を行うために、光波干渉計を用いた測定方法が提案されている（特許文献１参照）。
特許文献１では、同じ測定軸線で対向する２組の光波干渉計を用い、ブロックゲージなどの被測定物の両端面間の長さを高精度に測定できるようにする。そして、被測定物に均熱プレートを当接させ、被測定物を直接的に加熱することにより温度を変化し、異なる温度で長さを測定することで、変温による熱膨張量を取得して、線膨張係数を計算する。
【０００８】
しかし、このような線膨張係数の測定では、均熱プレートにより被測定物を加熱しているため、均熱プレートに当接した面だけが局所的に加熱され、被測定物の温度が均一とならず温度分布が生じる。そうすると、被測定物内での熱膨張量が一様とならず、線膨張係数の測定に誤差が生じるという問題がある。
【０００９】
このような問題に対し、ステップゲージの温度制御に恒温槽を用いる方法（特許文献２参照）が提案されている。
【００１０】
特許文献２の方法では、被測定物であるステップゲージを恒温槽内に配置し、外部の三次元測定機のプローブを恒温槽の開口部から導入し、このプローブによってステップゲージの長さを測定する。そして、恒温槽内の温度設定を変更し異なる温度で長さを測定することで、変温による熱膨張量を取得して、線膨張係数を計算する。
このような測定では、恒温槽内部の気体温度を一定の値に調整し、この恒温槽内部の気体によってステップゲージの温度を間接的に変更させるため、ステップゲージ内の温度を均一にできて、高精度な線膨張係数の測定が可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第３８９７６５５号公報
【特許文献２】特開２００４−２２６３６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、特許文献２の方法のように気体を介して間接的にステップゲージの温度を変更する方法では、ステップゲージの温度変化が緩やかであるため、ステップゲージが設定した温度で安定するまでに長い時間を要し、測定の効率化が難しいという問題がある。
【００１３】
本発明の目的は、線膨張係数の測定を、高精度かつ短時間で行える線膨張係数測定方法および測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の線膨張係数測定方法は、測定対象物の第１表面から第２表面までの線膨張係数を測定する線膨張係数測定方法であって、前記測定対象物を収容可能、かつ内部温度を調整可能な恒温槽と、前記第１表面から前記第２表面までの長さを測定可能な距離測定装置と、前記恒温槽の内部に設置されて、前記測定対象物を加熱または冷却可能な測定対象物温度変更素子と、前記測定対象物に装着されて、前記測定対象物の温度を測定可能な測定対象物温度計と、を準備し、前記恒温槽の内部に前記測定対象物を設置し、前記恒温槽および前記測定対象物温度変更素子の設定温度を第１温度に設定して、前記測定対象物を前記恒温槽および前記測定対象物温度変更素子により加熱または冷却し、前記測定対象物温度計の測定温度が前記第１温度で安定したことを確認後、前記第１表面から前記第２表面までの長さを測定し、前記恒温槽および前記測定対象物温度変更素子の設定温度を第２温度に変更して、前記測定対象物を前記恒温槽および前記測定対象物温度変更素子により加熱または冷却し、前記測定対象物温度計の測定温度が前記第２温度で安定したことを確認後、前記第１表面から前記第２表面までの長さを測定し、前記第１温度での前記第１表面から前記第２表面までの長さと前記第２温度での前記第１表面から前記第２表面までの長さとから前記測定対象物の線膨張係数を算出することを特徴とする。
【００１５】
このような本発明では、測定対象物の温度を測定対象物温度変更素子により直接的に変更するとともに、恒温槽によって間接的に変更するため、測定対象物の温度が設定温度で均一に安定化するまでの時間を短縮でき、測定対象物の線膨張係数を短時間で高精度に測定することができる。
【００１６】
本発明の線膨張係数測定方法において、前記測定対象物温度変更素子は、前記測定対象物の少なくとも一対の面の、前記測定対象物の中心軸線に対して対称となる位置に取り付けられていることが望ましい。
このような本発明では、測定対象物の中心軸線に対して対称となる位置から測定対象物の温度を変更することができる。これにより、測定対象物の温度を均一に変更することができるため、測定対象物全体が設定された温度で均一に安定化するまでの時間を短縮でき、測定対象物の線膨張係数を短時間で測定することができる。
【００１７】
本発明の線膨張係数測定方法において、前記測定対象物温度変更素子は、前記測定対象物温度計の測定温度と前記測定対象物温度変更素子に設定された設定温度との差に応じて出力が調整されることが望ましい。
このような本発明では、測定対象物の測定温度と設定温度との差が大きい場合は測定対象物温度変更素子の出力を高くされ、差が小さくなるにつれて出力を低下される。これにより、測定対象物の温度を速やかに変更できるとともに、過剰に変更することを防止できるため、測定対象物の温度が設定温度で安定化するまでの時間を短縮でき、測定対象物の線膨張係数を短時間で測定することができる。
【００１８】
本発明の線膨張係数測定方法において、前記測定対象物温度変更素子は、前記測定対象物温度計の測定温度と設定温度との差が所望の閾値未満になった時点で運転を停止することが望ましい。
このような本発明では、測定対象物の温度を過剰に変更することを防止できるため、測定対象物の温度が設定温度で安定化するまでの時間を短縮でき、測定対象物の線膨張係数を短時間で測定することができる。
【００１９】
本発明の線膨張係数測定方法において、前記測定対象物温度変更素子は前記測定対象物よりも熱容量が小さいことが望ましい。
このような本発明では、測定対象物温度変更素子の運転停止後において、測定対象物温度変更素子が測定対象物の温度に与える影響を小さくできるため、測定対象物の温度が設定温度で安定化するまでの時間を短縮でき、測定対象物の線膨張係数を短時間で測定することができる。
【００２０】
本発明の線膨張係数測定方法において、前記第１表面および前記第２表面に対応する第１基準表面および第２基準表面を有し、かつ前記第１基準表面から前記第２基準表面までの長さが既知である基準ゲージを準備し、前記恒温槽の内部に前記測定対象物とともに前記基準ゲージを設置し、前記第１表面から前記第２表面までの長さを、前記第１基準表面から前記第２基準表面までの長さを基準として比較測定することが望ましい。
このような本発明では、測定対象物の長さの測定において、長さの基準として基準ゲージを用い、この基準ゲージに対する長さの比較測定を行うため、測定結果が距離測定装置のスケール精度に依存せず、専ら基準ゲージの精度に依存することになり、測定対象物の長さ測定を高精度に行うことができる。
【００２１】
本発明の線膨張係数測定方法において、前記基準ゲージは、前記第１温度と前記第２温度との間の温度変化では精度上膨張を無視しうる極低膨張係数ないしゼロ膨張係数の材質から製造されたもの、または、膨張係数が既知である材質から製造されたもの、のいずれかであることが望ましい。
このような本発明では、基準ゲージが、極低膨張係数ないしゼロ膨張係数の材質から製造されている場合、第１温度と第２温度との間での基準ゲージの長さの温度補正を省略することができる。一方、基準ゲージが、膨張係数が既知である材質から製造されている場合、第１温度および第２温度において、温度補正により各温度における高精度な基準ゲージの長さを計算することができる。いずれの場合も、各温度における基準ゲージ長さを正確にできるので、第１温度での比較測定と第２温度での比較測定とを高精度に行うことができる。
【００２２】
本発明の線膨張係数測定方法において、前記恒温槽の内部に設置されて、前記基準ゲージを加熱または冷却可能な基準ゲージ温度変更素子と、前記基準ゲージに装着されて、前記基準ゲージの温度を測定可能な基準ゲージ温度計と、を準備し、前記恒温槽、前記測定対象物温度変更素子および前記基準ゲージ温度変更素子の設定温度を第１温度に設定して、前記測定対象物および前記基準ゲージを前記恒温槽、前記測定対象物温度変更素子および前記基準ゲージ温度変更素子により加熱または冷却し、前記測定対象物温度計および前記基準ゲージ温度計の測定温度が前記第１温度で安定したことを確認後、前記第１表面から前記第２表面までの長さを比較測定し、前記恒温槽、前記測定対象物温度変更素子および前記基準ゲージ温度変更素子の設定温度を第２温度に変更して、前記測定対象物および前記基準ゲージを前記恒温槽、前記測定対象物温度変更素子および前記基準ゲージ温度変更素子により加熱または冷却し、前記測定対象物温度計および前記基準ゲージ温度計の測定温度が前記第２温度で安定したことを確認後、前記第１表面から前記第２表面までの長さを比較測定し、前記第１温度での前記第１表面から前記第２表面までの長さと前記第２温度での前記第１表面から前記第２表面までの長さとから前記測定対象物の線膨張係数を算出することが望ましい。
【００２３】
このような本発明では、基準ゲージの温度を基準ゲージ温度変更素子により直接的に変更するとともに、恒温槽によって間接的に変更して、基準ゲージの温度が設定温度で均一に安定化するまでの時間を、測定対象物が設定温度で均一に安定化するまでの時間と同程度にできるため、基準ゲージの熱膨張を踏まえて測定対象物の長さを比較測定することができ、測定対象物の線膨張係数をより高精度に測定することができる。
なお、基準ゲージ温度変更素子は、測定対象物温度変更素子と同様の位置に取り付けられており、また、測定対象物温度変更素子と同様の機能・特徴を有する。
【００２４】
本発明の線膨張係数測定装置は、測定対象物の第１表面から第２表面までの線膨張係数を測定する線膨張係数測定装置であって、前記測定対象物を収容可能、かつ内部温度を調整可能な恒温槽と、前記第１表面から前記第２表面までの長さを測定可能な距離測定装置と、前記恒温槽の内部に設置されて、前記測定対象物の温度を変更可能な測定対象物温度変更素子と、前記測定対象物に装着されて、前記測定対象物の温度を測定可能な測定対象物温度計と、を有することを特徴とする。
このような本発明では、前述した本発明の線膨張係数測定方法で説明した通りの手順により、同様な作用効果を得ることができる。
【００２５】
本発明の線膨張係数測定装置において、前記距離測定装置は三次元測定機であり、前記恒温槽には、測定用表面に前記三次元測定機の測定プローブを恒温槽内部へ導入可能な測定用開口を有することが望ましい。
このような本発明では、三次元測定装機を用いて測定対象物の長さ測定を行うので、高価な光波干渉計を用いることなく、測定対象物の線膨張係数を高精度に測定することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、測定対象物の線膨張係数を短時間で高精度に測定することができる線膨張係数測定方法および測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施形態の測定装置を示す斜視図。
【図２】前記第１実施形態の測定対象物であるステップゲージを示す斜視図。
【図３】前記第１実施形態の測定対象物であるステップゲージを示す平面図。
【図４】前記第１実施形態の基準ゲージである基準ブロックゲージを示す斜視図。
【図５】前記第１実施形態の恒温槽、ステップゲージおよび基準ブロックゲージの配置を示す斜視図。
【図６】前記第１実施形態の測定手順を示すフローチャート。
【図７】前記第１実施形態の設置状態を示す側面図。
【図８】前記第１実施形態の測定動作を示す斜視図。
【図９】本発明の第２実施形態の基準ゲージである基準ブロックゲージを示す斜視図。
【図１０】前記第２実施形態の基準ゲージである基準ブロックゲージを示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔第１実施形態〕
図１から図５までの各図には、本発明の第１実施形態が示されている。
図１において、本実施形態の線膨張係数測定装置１は、寸法基準器であるステップゲージ１０を測定対象物とし、その線膨張係数αを高精度に測定するものである。
このために、線膨張係数測定装置１は、ステップゲージ１０を収容して所定温度に維持する恒温槽３０と、同じく恒温槽３０に収容される基準ゲージとしての基準ブロックゲージ２０と、基準ブロックゲージ２０を基準としてステップゲージ１０の長さを比較測定する距離測定装置としての三次元測定機４０と、を備えている。
【００２９】
図１に示すように、三次元測定機４０は、定盤４１を有し、その上面にはコラム４２およびクロスバー４３によりヘッド４４が支持されている。ヘッド４４には下方へ延びるラム４５が設置され、その先端にはプローブ４６が支持されている。
三次元測定機４０は、コラム４２が定盤４１に対してＹ軸方向に移動自在とされ、ヘッド４４がクロスバー４３に対してＸ軸方向に移動自在とされ、ラム４５がヘッド４４に対してＺ軸方向に移動自在とされている。これらの３軸移動により、プローブ４６を定盤４１に対して三次元移動させることができる。
【００３０】
恒温槽３０は、箱状の筐体内部の温度を所望の温度に維持可能な装置であり、定盤４１の上面に載置され、その長手方向がＹ軸方向に沿うように固定されている。
恒温槽３０は、上面側を開閉することで、内部にステップゲージ１０および基準ブロックゲージ２０を収容可能である。
恒温槽３０の上面には、開閉式の蓋体を有する測定用開口３１が複数形成されている。
【００３１】
恒温槽３０の内部において、ステップゲージ１０は、その延伸方向ＬｔがＹ軸方向に沿うように支持されている。また、基準ブロックゲージ２０は、ステップゲージ１０の上面側（ステップゲージ１０の測定用開口３１に対向する側）に配置され、その延伸方向ＬｒがＹ軸方向に沿って、ステップゲージ１０と互いに平行に支持されている。
【００３２】
図２に示すように、測定対象物であるステップゲージ１０は、延伸方向Ｌｔに延びる角柱状の本体を有し、その上面、底面および各側面は延伸方向Ｌｔに交差する２方向である高さ方向Ｈｔおよび幅方向Ｗｔのいずれかに平行とされている。
ステップゲージ１０の上面には、ブロックゲージ状の凸部１３が複数、延伸方向Ｌｔに配列されている。各凸部１３の延伸方向Ｌｔの長さはＤｐ、各凸部１３の間の凹部の延伸方向Ｌｔの間隔はＤｃとされている。
本実施形態では、ステップゲージ１０の一方の端部にある凸部１３の表面を第１表面１１とし、他方の端部にある凸部１３の表面を第２表面１２とし、これらの第１表面１１と第２表面１２との距離をステップゲージ１０の長さＤｘとして測定する。
【００３３】
図３に示すように、ステップゲージ１０の延伸方向Ｌｔの一方の側面には、第１表面１１近傍と第２表面１２近傍とに測定対象物温度変更素子５０が取り付けられている。さらに、他方の側面にも、第１表面１１近傍と第２表面１２近傍とに測定対象物温度変更素子５０が取り付けられている。つまり、測定対象物温度変更素子５０は、ステップゲージ１０の一対の側面の、ステップゲージ１０の延伸方向Ｌｔの中心軸線に対して対称な位置に取り付けられている。
【００３４】
また、一対の側面の中間付近には、ステップゲージ１０の温度を測定する測定対象物温度計６０が取り付けられている。
測定対象物温度変更素子５０は、ステップゲージ１０の温度を変更可能なものであり、本実施形態では熱容量の小さいシートヒータを採用し、シートヒータの加熱によりステップゲージ１０の温度を上昇させる。
測定対象物温度計６０は、ステップゲージ１０の表面温度を測定するものであり、それぞれの測定対象物温度計６０における測定結果の平均値を測定温度ｔｓ１として検出する。
【００３５】
本実施形態では、測定対象物温度変更素子５０および測定対象物温度計６０には、温度調整機構７０が接続されている。
温度調整機構７０は出力調整機能を有しており、測定対象物温度変更素子５０の出力を調節することができる。
また、温度調整機構７０は過剰加熱防止機能を有しており、事前に閾値温度Δｔを設定し、ステップゲージ１０の測定温度ｔｓ１と、測定対象物温度変更素子５０に設定された設定温度との差が閾値温度Δｔ未満になった時点で測定対象物温度変更素子５０の運転を停止できる。これにより、ステップゲージ１０が過剰に加熱されることを防止できる。
【００３６】
図４に示すように、基準ゲージである基準ブロックゲージ２０は、延伸方向Ｌｒに延びるブロックゲージであり、その上面、底面および各側面は延伸方向Ｌｒに交差する２方向である高さ方向Ｈｒおよび幅方向Ｗｒのいずれかに平行とされている。
基準ブロックゲージ２０は、延伸方向Ｌｒの両端にあたる一対の端面が第１基準表面２１および第２基準表面２２とされている。
【００３７】
基準ブロックゲージ２０は、第１基準表面２１と第２基準表面２２との距離つまり長さがＤｒｘである。基準ブロックゲージ２０は、測定対象物であるステップゲージ１０における測定対象の長さＤｘ（公称寸法、呼び寸法）に基づいて、長さＤｒｘが長さＤｘよりも所定寸法（例えば凸部１３の長さＤｐ分）短い寸法となるものが選択されている。
基準ブロックゲージ２０は、長さＤｒｘが既知であるだけでなく、後述する第１温度ｔ１と第２温度ｔ２との間の温度変化では精度上膨張を無視しうる極低膨張係数ないしゼロ膨張係数の材質から製造されたものであり、第１温度ｔ１での比較測定および第２温度ｔ２での比較測定の際には、各温度ｔ１，ｔ２における長さＤｒｘを高精度に計算することができる。
【００３８】
図５において、これらのステップゲージ１０および基準ブロックゲージ２０は、恒温槽３０内に平行に設置される。
これらのステップゲージ１０および基準ブロックゲージ２０を支持するために、恒温槽３０内には剛性の高い底板３２が設置され、その上面には測定対象物支持台８０および基準ゲージ支持台９０が設置されている。
【００３９】
測定対象物支持台８０は、第１表面１１側の測定対象物第１支持台８１と、第２表面１２側の測定対象物第２支持台８２とで構成されている。
基準ゲージ支持台９０は、第１基準表面２１側の基準ゲージ第１支持台９１と、第２基準表面２２側の基準ゲージ第２支持台９２とで構成されている。
【００４０】
〔線膨張係数の測定動作〕
図６に、線膨張係数測定装置１を用いてステップゲージ１０の線膨張係数αを測定する手順が示されている。
測定開始にあたっては、先ず、線膨張係数測定装置１として三次元測定機４０に恒温槽３０を固定し、恒温槽３０の内部にステップゲージ１０および基準ブロックゲージ２０を設置する（処理Ｓ１）。
【００４１】
恒温槽３０の内部にステップゲージ１０および基準ブロックゲージ２０を設置する際には、先ず、測定対象物第１支持台８１および測定対象物第２支持台８２を設置し、これらによりステップゲージ１０を支持する。次に、ステップゲージ１０を跨ぐように、基準ゲージ第１支持台９１および基準ゲージ第２支持台９２を設置し、これらにより基準ブロックゲージ２０を支持する。
【００４２】
図７に示すように、ステップゲージ１０および基準ブロックゲージ２０を設置する際には、各々の延伸方向Ｌｔ，Ｌｒの位置を調整し、各々の第２表面１２と第２基準表面２２とが同一平面となるようにしておく。
ここで、基準ブロックゲージ２０の長さＤｒｘは、ステップゲージ１０の長さＤｘよりも凸部１３の長さＤｘ分短く設定されているので、第２基準表面２２と第２表面１２とを揃えた際には、第１基準表面２１は凸部１３の長さＤｘ分だけ第１表面１１に届かず、第１表面１１に最寄りの凸部１３は上面側を基準ブロックゲージ２０で覆われない状態とされる。
【００４３】
図６に戻って、ステップゲージ１０および基準ブロックゲージ２０の設置（処理Ｓ１）ができたら、三次元測定機４０に測定長さ（ステップゲージ１０の長さＤｘ）を入力する（処理Ｓ２）。
次に、線膨張係数αの測定に用いる所定の異なる温度で、それぞれステップゲージ１０の長さの比較測定動作を実行する（処理Ｓ３〜Ｓ１２）。
先ず、測定用開口３１を全て閉じた状態で、恒温槽３０の設定温度を第１温度ｔ１に変更する（処理Ｓ３）。そうすると、恒温槽内の空気の温度は徐々に加熱され、この空気によってステップゲージ１０は間接的に加熱される。
次に、ステップゲージ１０の温度を第１温度ｔ１まで速やかに上昇させるために、測定対象物温度変更素子５０による加熱を行う。
【００４４】
測定対象物温度変更素子５０による加熱では、先ず、測定対象物温度変更素子５０の設定温度を第１温度ｔ１に、閾値温度をΔｔに設定する（処理Ｓ４）。
次に、ステップゲージ１０の測定温度ｔｓ１と、第１温度ｔ１との差が閾値温度Δｔ以上、すなわちｔ１−ｔｓ１≧Δｔとなっているかを判定する（処理Ｓ５）。
判定の結果、閾値温度Δｔ以上と判定された場合、測定対象物温度変更素子５０の運転を開始して、ステップゲージ１０を直接的に加熱する（処理Ｓ６）。また、閾値温度Δｔ未満と判定された場合は、後述する処理Ｓ１３に移行する。
【００４５】
ここで、測定対象物温度変更素子５０の出力は、温度調整機構７０の出力調整機能により、ステップゲージ１０の測定温度ｔｓ１と第１温度ｔ１との差に応じて調整される。つまり、測定温度ｔｓ１と第１温度ｔ１との差が大きい場合は出力が高くされ、差が小さくなるにつれて出力が低下される。そして、ステップゲージ１０の測定温度ｔｓ１と第１温度ｔ１との差が閾値温度Δｔ未満、すなわちｔ１−ｔｓ１＜Δｔとなっているかを判定し（処理Ｓ７）、閾値温度Δｔ未満と判定された場合、温度調整機構７０の過剰加熱防止機能により、測定対象物温度変更素子５０の運転を停止する（処理Ｓ８）。つまり、測定温度ｔｓ１と第１温度ｔ１との差が閾値温度Δｔ未満となるまで出力を調整しながら測定対象物温度変更素子５０の運転を継続する。これにより、ステップゲージ１０の温度を速やかに第１温度ｔ１まで上昇させることができる。
【００４６】
測定対象物温度変更素子５０の運転停止後も、恒温槽内の空気による加熱は継続される。これにより、ステップゲージ１０は、測定温度ｔｓ１が第１温度ｔ１になるまで間接的に加熱される（処理Ｓ９）。
次に、測定温度ｔｓ１が第１温度ｔ１となったら、ステップゲージ１０の内部温度を安定させるため、事前に設定された待機時間Ｔｍだけ待機する（処理Ｓ１０）。経験的に、このＴｍには３０分程度の時間が設定される。
【００４７】
処理Ｓ１０により、ステップゲージ１０の内部温度が安定化したら、ステップゲージ１０および基準ブロックゲージ２０の座標系決定を行う（処理Ｓ１１）。
具体的には、図１および図５に示すように、第１表面１１側の測定用開口３１を開き、三次元測定機４０のプローブ４６を導入する。そして、図８に示すように、ステップゲージ１０の第１表面１１を３点以上接触して位置および傾きを検出する。さらに、第１表面１１が設定された凸部１３の上面および一方の側面のいずれかにおいて、２点以上接触して軸の向き、および残りの面上の１点以上接触して位置および傾きを検出する。これにより、第１表面１１の中心位置の三次元座標と、ステップゲージ１０の延伸方向Ｌｔの向きが取得される。なお、三次元座標および向きが決定されれば、座標系決定の方法はどのような方法を用いても良い。
【００４８】
同様に、プローブ４６により基準ブロックゲージ２０の第１基準表面２１と、隣接する上面および側面の接触検出を行い、第１基準表面２１の中心位置の三次元座標と、基準ブロックゲージ２０の延伸方向Ｌｒの向きを取得する。
さらに、第２表面１２側の測定用開口３１を通してプローブ４６を導入し、ステップゲージ１０の第２表面１２および基準ブロックゲージ２０の第２基準表面２２の測定を行い、第２表面１２および第２基準表面２２の中心位置の三次元座標を取得しておく。
【００４９】
図６に戻って、ステップゲージ１０および基準ブロックゲージ２０の座標系決定ができたら、ステップゲージ１０および基準ブロックゲージ２０の寸法の比較測定を行う（処理Ｓ１２）。
具体的には、処理Ｓ１１による座標系のもとで、第１表面１１の中心位置と第１基準表面２１の中心位置との距離、第２表面１２の中心位置と第２基準表面２２の中心位置との距離に基づいて、第１基準表面２１と第２基準表面２２との距離（基準ブロックゲージ２０の長さＤｒｘ）から計算を行うことで、第１表面１１と第２表面１２との距離（長さＤｘの正確な値）を比較測定することができる。
【００５０】
以上により、第１温度ｔ１での第１表面１１と第２表面１２との距離の比較測定ができたら、第２温度ｔ２での比較測定動作の有無を判定し（処理Ｓ１３）、第２温度ｔ２で前述した比較測定動作（処理Ｓ３〜Ｓ１２）を繰り返す。
これらにより、第１温度ｔ１での長さＤｘ１と、第２温度ｔ２での長さＤｘ２とが得られるので、ステップゲージ１０の長さをＤとして、ステップゲージ１０の第１表面１１と第２表面１２との間の区間の線膨張係数α＝［（Ｄｘ１−Ｄｘ２）／Ｄ］／（ｔ１−ｔ２）として計算することができる（処理Ｓ１４）。なお、長さＤは、一般には工業標準温度２０℃における公称長さを用いるが、測定した長さＤｘ１、長さＤｘ２のいずれか、または平均値としてもよく、いずれの場合も熱変形ΔＤ＝（Ｄｘ１−Ｄｘ２）に対して十分大きいので線膨張係数αの計算には影響するものではない。
【００５１】
〔第１実施形態の効果〕
このような本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
本実施形態では、ステップゲージ１０を測定対象物温度変更素子５０により直接的に加熱するとともに、恒温槽３０によって間接的に加熱するため、ステップゲージ１０の温度が設定された温度で均一に安定化するまでの時間を短縮でき、ステップゲージ１０の線膨張係数αを短時間で高精度に測定することができる。
【００５２】
本実施形態では、測定対象物温度変更素子５０が、ステップゲージ１０の一対の側面の、ステップゲージ１０の延伸方向Ｌｒの中心軸線に対して対称な位置に取り付けられているため、ステップゲージ１０全体を均一に加熱することができる。このため、ステップゲージ１０の温度が設定された温度で均一に安定化するまでの時間を短縮でき、ステップゲージ１０の線膨張係数αを短時間で高精度に測定することができる。
【００５３】
本実施形態では、温度調整機構７０の出力調整機能により、ステップゲージ１０の測定温度ｔｓ１と設定温度との差に応じて測定対象物温度変更素子５０の出力が調整されるため、ステップゲージ１０の温度が設定された温度に変更するまでの時間を短縮でき、ステップゲージ１０の線膨張係数αを短時間で高精度に測定することができる。
また、本実施形態では、温度調整機構７０の過剰加熱防止機能により、測定対象物温度変更素子５０は、ステップゲージ１０の測定温度ｔｓ１と設定温度との差が閾値温度Δｔ未満になった時点で運転を停止する。これにより、ステップゲージ１０が過剰に加熱されることを防止でき、設定された温度に安定化するまでの時間を短縮できる。
さらに、本実施形態では、測定対象物温度変更素子５０として熱容量の小さいシートヒータを採用することにより、運転停止後においてステップゲージ１０の温度に与える影響を小さくでき、ステップゲージ１０の温度が設定された温度に安定化するまでの時間を短縮できる。
【００５４】
本実施形態では、三次元測定機４０を用いてステップゲージ１０の長さを測定する際に、長さの基準として基準ブロックゲージ２０を用い、この基準ブロックゲージ２０に対する長さの比較測定を行う。このため、長さ測定の結果は、三次元測定機４０のスケールの精度に依存せず、専ら基準ブロックゲージ２０の精度に依存することになり、ステップゲージ１０の長さ測定を高精度に行うことができる。
【００５５】
〔第２実施形態〕
図９および図１０には、本発明の第２実施形態の基準ブロックゲージ２０Ａが示されている。
本実施形態において、基準ブロックゲージ２０Ａに係る構成以外の構成は、線膨張係数測定装置１をはじめとして、前述した第１実施形態と共通である。従って、以下には相違する部分についてのみ説明する。
【００５６】
図９および図１０に示すように、基準ブロックゲージ２０Ａには、ステップゲージ１０と同様の位置に、基準ゲージ温度変更素子５１および基準ゲージ温度計６１が取り付けられている。つまり、基準ブロックゲージ２０Ａの一対の側面の、第１基準表面２１Ａ近傍と第２基準表面２２Ａ近傍とに基準ゲージ温度変更素子５１が取り付けられ、中間付近に基準ゲージ温度計６１が取り付けられている。
【００５７】
基準ゲージ温度変更素子５１は、測定対象物温度変更素子５０と同様に、熱容量の小さいシートヒータであり、シートヒータの加熱により基準ブロックゲージ２０Ａの温度を上昇させる。
基準ゲージ温度計６１は、基準ブロックゲージ２０Ａの表面温度を測定するものであり、それぞれの基準ゲージ温度計６１における測定結果の平均値を測定温度ｔｓ２として検出する。
本実施形態では、基準ゲージ温度変更素子５１および基準ゲージ温度計６１には、温度調整機構７０が接続されており、温度調整機構７０は基準ゲージ温度変更素子５１の出力調整機能および過剰加熱防止機能を有している。
【００５８】
このような本実施形態において、前述した第１実施形態と同様の手順により、ステップゲージ１０と同程度の時間で、基準ブロックゲージ２０Ａの温度を設定温度に上昇させることができる。これにより、第１温度ｔ１と第２温度ｔ２における基準ブロックゲージ２０Ａの熱膨張を踏まえて、ステップゲージ１０の線膨張係数αを測定できるため、より高精度な測定を確保できる。
【００５９】
〔変形例〕
本発明は、前述した各実施形態の構成に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形などは本発明に含まれるものである。
例えば、前述した各実施形態では、測定対象物温度変更素子５０および基準ゲージ温度変更素子５１としてシートヒータを採用していたが、これに限らず、テープ状ヒータやマントルヒータを採用することができる。また、上記のような加熱手段に限らず、水冷循環式冷却器のような冷却手段を採用することもできる。さらに、ペルチェ素子のような加熱冷却手段を採用しても良い。
【００６０】
前述した各実施形態では、測定対象物温度変更素子５０を、ステップゲージ１０の一対の側面の、ステップゲージ１０の延伸方向Ｌｔの中心軸線に対して対称な位置に取り付けていたが、これに限らず、例えば、ステップゲージ１０の中心点に対して反対側となる位置に取り付けてもよく、ステップゲージ１０を均一に加熱できる位置に取り付けられていれば良い。
【００６１】
前述した各実施形態では、温度調整機構７０の出力調整機能により、測定対象物温度変更素子５０の出力を、ステップゲージ１０の測定温度ｔｓ１と第１温度ｔ１との差に応じて調整していたが、これに限らず、例えば、測定対象物温度変更素子５０に設定された設定温度に応じて調整しても良い。さらに、測定対象物温度変更素子５０の出力を調整せず、一定にすることもできる。この場合、温度調整機構７０の出力調整機能は不要となる。
【００６２】
前述した各実施形態では、ステップゲージ１０の測定温度ｔｓ１と第１温度ｔ１との差が事前に設定された閾値温度Δｔ未満と判定された場合、温度調整機構７０の過剰加熱防止機能により、測定対象物温度変更素子５０の運転を停止していたが、これに限らず、例えば、ステップゲージ１０の測定温度ｔｓ１が第１温度ｔ１となった場合に、測定対象物温度変更素子５０の運転を停止するようにしても良い。この場合、温度調整機構７０の過剰加熱防止機能は不要となる。
【００６３】
前述した各実施形態では、測定対象物温度変更素子５０および測定対象物温度計６０は、出力調整機能および過剰加熱防止機能を有する温度調整機構７０に接続していたが、これに限らず、例えば、三次元測定機４０の制御部にこれらの機能を持たせ、この制御部と接続することにより、測定対象物温度変更素子５０の出力調整や、過剰加熱の防止を可能としても良い。この場合、温度調整機構７０を別途設ける必要はない。
【００６４】
前述した各実施形態では、ステップゲージ１０の表面の測定温度ｔｓ１が設定温度で安定するのを確認した後、ステップゲージ１０の内部温度を安定させるために、事前に設定された時間Ｔｍだけ待機していたが、これに限らず、例えば、測定対象物温度計６０としてステップゲージ１０の内部温度を測定可能な温度計を採用することにより、内部時間を安定化させるための待機時間Ｔｍを省略できる。つまり、測定対象物温度計６０によりステップゲージ１０の内部温度を測定し、内部の測定温度ｔｓ１が設定温度で安定化するのを確認した後、待機時間Ｔｍを経ることなく座標系決定を行うことができる。
【００６５】
前述した各実施形態では、第１温度ｔ１および第２温度ｔ２の２種類の温度でステップゲージ１０の長さを測定して線膨張係数αを計算していたが、これに限らず、例えば、３種類以上の温度でステップゲージ１０の長さを測定して線膨張係数αを計算しても良い。この場合、それぞれの温度におけるステップゲージ１０の長さの測定結果を用いて回帰直線を求め、その傾きから線膨張係数αを算出しても良い。
また、線膨張係数αは温度特性を有するため、３種類以上の温度におけるステップゲージ１０の長さの測定結果に対して多項式を与えたものから線膨張係数α、もしくは線膨張係数αを算出する関数式を導き出しても良い。
【００６６】
前述した各実施形態では、ステップゲージ１０を測定対象物としていたが、測定対象物としてはブロックゲージあるいは他の寸法基準器であってもよい。
また、基準ゲージとしては、基準ブロックゲージ２０に限らず、専用の基準ゲージあるいは測定対象物と同様なステップゲージ１０であって高精度に校正されたマスターゲージを用いてもよい。
この際、基準ゲージとしては、第１温度ｔ１と第２温度ｔ２との間の温度変化では精度上膨張を無視しうる極低膨張係数ないしゼロ膨張係数の材質から製造されたもの、または、膨張係数が既知である材質から製造されたもの、のいずれかであることが望ましい。
【００６７】
前述した各実施形態では、基準ゲージである基準ブロックゲージ２０の第２基準表面２２と測定対象物であるステップゲージ１０の第２表面１２とを同一平面に揃えたが、第１基準表面２１と第１表面１１とを揃えてもよく、あるいは基準ゲージおよび測定対象物の両端を揃えない配置としてもよい。
ただし、いずれかの端部を揃えることにより、同一平面とした側とは反対側の端部で、基準ゲージと測定対象物との長さの差が最大となり、三次元測定機のプローブによる表面検出を行う際の余裕を最大にすることができる。
【００６８】
前述した各実施形態では、ステップゲージ１０の長さを基準ブロックゲージ２０の寸法に基づいて比較測定していたが、これに限らず、三次元測定機４０のスケール測定機能により測定しても良い。ただし、この場合、測定結果に三次元測定機４０のスケール精度に起因する誤差を生じるため、好ましくは基準ゲージ等に基づく比較測定を行うのが良い。
【００６９】
前述した実施形態では、三次元測定機４０によりステップゲージ１０の長さを測定していたが、これに限らず、例えば光波干渉計や歪みゲージを用いても良い。この場合、三次元測定機４０のプローブ４６を恒温槽３０内に導入するための測定用開口３１は不要となる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、寸法基準器の線膨張係数測定方法および測定装置に利用できる。
【符号の説明】
【００７１】
１…線膨張係数測定装置、１０…測定対象物であるステップゲージ、１１…第１表面、１２…第２表面、１３…凸部、２０，２０Ａ…基準ゲージである基準ブロックゲージ、２１，２１Ａ…第１基準表面、２２，２２Ａ…第２基準表面、３０…恒温槽、３１…測定用開口、３２…底板、４０…三次元測定機、４１…定盤、４２…コラム、４３…クロスバー、４４…ヘッド、４５…ラム、４６…プローブ、５０…測定対象物温度変更素子、５１…基準ゲージ温度変更素子、６０…測定対象物温度計、６１…基準ゲージ温度計、７０…温度調整機構、８０…測定対象物支持台、８１…測定対象物第１支持台、８２…測定対象物第２支持台、９０…基準ゲージ支持台、９１…基準ゲージ第１支持台、９２…基準ゲージ第２支持台、Ｄｘ…測定対象物の長さ、Ｄｒｘ…基準ゲージの長さ、Ｈｒ…基準ゲージの高さ方向、Ｈｔ…測定対象物の高さ方向、Ｌｒ…基準ゲージの延伸方向、Ｌｔ…測定対象物の延伸方向、Ｔ…温度、Ｔｍ…待機時間、ｔ１…第１温度、ｔ２…第２温度、ｔｓ１…測定対象物温度計の測定温度、ｔｓ２…基準ゲージ温度計の測定温度、Ｗｒ…基準ゲージの幅方向、Ｗｔ…測定対象物の幅方向、α…線膨張係数、ΔＬ…長さの変化量、ΔＴ…温度変化量、Δｔ…閾値温度。
【図１】
2018105654.tif 000003
【図２】
2018105654.tif 000004
【図３】
2018105654.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2018105654.tif 000009
【図８】
2018105654.tif 000010
【図９】
2018105654.tif 000011
【図１０】
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