(57)【要約】【課題】本発明の目的は、試料の線膨張測定係数を簡易的かつ高精度に算出することが可能な線膨張係数測定装置を提供することにある。【解決手段】試料３０との接触を検知するプローブ１４を備え該プローブ１４と試料の接触位置から該試料の寸法を測定する測長手段１２と、試料３０を設置する恒温槽１６と、前記恒温槽１６に接続され設定された温度の気体を該恒温槽１６内に送風して前記試料の温度を制御する温度制御手段１８と、を備え、異なる温度での試料のそれぞれの寸法を基に試料の線膨張係数を算出する線膨張係数測定装置１０であって、前記恒温槽１６は断熱壁で構成され前記プローブ１４を挿入するための開閉可能なプローブ挿入口４４を設けたことを特徴とする線膨張係数測定装置。【選択図】      図１
2004226369.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料との接触を検知するプローブを備え該プローブと試料の接触位置から該試料の寸法を測定する測長手段と、
試料を設置する恒温槽と、
前記恒温槽に接続され、設定された温度の気体を該恒温槽内に送風して前記試料の温度を制御する温度制御手段と、を備え、異なる温度での試料のそれぞれの寸法を基に試料の線膨張係数を算出する線膨張係数測定装置であって、前記恒温槽は断熱壁で構成され前記プローブを挿入するための開閉可能なプローブ挿入口を設けたことを特徴とする線膨張係数測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の線膨張係数測定装置において、
試料の温度を検知する試料用温度検知部を備え、試料の目標温度と前記試料用温度検知部で検知される試料の温度の差に基づき前記温度制御手段から送風される気体温度を変化させることを特徴とする線膨張係数測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の線膨張係数測定装置において、
前記試料の温度と目標温度の差が大きい状態では、
前記試料の温度が目標温度よりも低い場合に前記気体温度を前記目標温度よりも高くし、
また前記試料の温度が目標温度よりも高い場合に前記気体温度を前記目標温度よりも低くし、
前記試料の温度が目標温度に近づいた時点で、前記気体温度を前記目標温度にすることを特徴とする線膨張係数測定装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の線膨張係数測定において、前記恒温槽内に該恒温槽内の気体を攪拌する気体攪拌部を設けたことを特徴とする線膨張係数測定装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の線膨張係数測定装置において、
前記恒温槽にヒータを設け、該ヒータにより前記試料の目標温度への到達時間を短縮することを特徴とする線膨張係数測定装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の線膨張係数測定装置において、
前記恒温槽外部にプローブ用温度制御手段を設け、該プローブ用温度制御手段により一測定毎に該プローブの温度を外気温に戻す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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱膨張係数測定装置、特にその温度制御機構の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在三次元測定機の納入検査の中で基準器の校正の不確かさの評価基準がＩＳＯ国際規格（ＩＳＯ１０３６０）で規格化され、その表示がメーカに義務付けられた。三次元測定機等の被測定物の寸法を計測する装置では、検査器具である長さ標準器（チェッキングゲージ）を使用し装置の校正を行う。しかし、検査器具であるチェッキングゲージ自身も温度変化による寸法の変化が伴う。そのため、チェッキングゲージ自身の線膨張係数を高精度に測定する必要が出てきた。
【０００３】
従来においては、チェッキングゲージの線膨張係数を算出するには、レーザー測長器を用い、その測定室全体を変温させてチェッキングゲージの伸び量を測定して算出する方法が一般的であった。つまり、校正装置を設置した測定室全体を変温試験して、実際のチェッキングゲージの伸び量を測定するというものである。
したがって、まずチェッキングゲージの校正を行うレーザー測長器、および測定室全体を変温する変温試験室が必要となる。さらに加えて温度を±０．１〜０．５℃の精度で安定させなければならない。このような変温試験を行うには変温設備が必要であり、また変温試験室全体を変温するため校正装置自身の変温時の不確かさが問題となる。このため、高精度に線膨張係数を算出するにはかなり高度な技術が必要であり、また再度２０℃に戻した場合、温度ドリフト等の影響を考えると極力変温試験は実施したくない。さらに、変温試験室には膨大のコストと工数がかかり、またこれらの装置は各国の公的研究機関レベルにしか設備されていない。
【０００４】
したがって、上記のような従来の手法では現在使用しているチェッキングゲージすべての線膨張係数を算出するには莫大なコストと工数がかかり、不可能に近いものである。そのため簡易的に算出可能な装置の開発が急務であった。例えば特許文献１には、三次元測定装置に試料を一定温度に保つ液体恒温槽を設け、恒温液体槽内の液体に試料を浸漬することで試料の温度調整を行う装置が記載されている。
【特許文献１】
独国特許発明第４４３６７８２号明細書
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１の方法では試料を恒温に保つために液体を使用し、測定する試料に応じて用いる液体を考慮する必要があるため、装置構成が簡易であるとは言いがたい。
本発明は上記の課題に鑑みなされたものであり、試料の線膨張測定係数を簡易的かつ高精度に算出することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明にかかる線膨張係数測定装置は、試料との接触を検知するプローブを備え該プローブと試料の接触位置から該試料の寸法を測定する測長手段と、試料を設置する恒温槽と、前記恒温槽に接続され、設定された温度の気体を該恒温槽内に送風して前記試料の温度を制御する温度制御手段と、を備え、異なる温度での試料のそれぞれの寸法を基に試料の線膨張係数を算出する線膨張係数測定装置であって、前記恒温槽は断熱壁で構成され前記プローブを挿入するための開閉可能なプローブ挿入口を設けたことを特徴とする。
【０００７】
また、上記の線膨張係数測定装置において、試料の温度を検知する試料用温度検知部を備え、試料の目標温度と前記試料用温度検知部で検知される試料の温度の差に基づき前記温度制御手段から送風される気体温度を変化させることが好適である。
さらに、前記試料の温度と目標温度の差が大きい状態では、前記試料の温度が目標温度よりも低い場合に前記気体温度を前記目標温度よりも高くし、また前記試料の温度が目標温度よりも高い場合に前記気体温度を前記目標温度よりも低くし、そして前記試料の温度が目標温度に近づいた時点で、前記気体温度を前記目標温度にすることがより好適である。
【０００８】
また、上記の線膨張係数測定装置において、前記恒温槽内に該恒温槽内の気体を攪拌する気体攪拌部を設けてもよい。
さらに前記恒温槽にヒータを設け、該ヒータにより前記試料の目標温度への到達時間を短縮することも好適である。
また、前記恒温槽外部にプローブ用温度制御手段を設け、該プローブ用温度制御手段により一測定毎に該プローブの温度を外気温に戻すことも好適である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の線膨張係数測定装置の説明を行う。図１は本発明の線膨張係数測定装置の概略構成図、図２は装置の斜視図である。図１と図２とで対応する部分については同一符号が記されている。
図１に示された線膨張係数測定装置１０は、試料３０とプローブ１４との接触位置を検知し試料３０の寸法を測定する測長手段（三次元測定手段（ＣＭＭ１２））と、試料の容器となる恒温槽１６と、設定された温度の気体を恒温槽１６内に送風するための温度制御手段１８と、を備えている。また、この実施形態では、測長手段として三次元測定手段１２を使用した。
【００１０】
恒温槽１６はＣＭＭ１２の定盤２０上に設置され、温度制御手段１８と接続されている。この温度制御手段１８によって、任意の温度の気体が恒温槽１６へと送風され、恒温槽１６内部の温度を制御する。恒温槽１６は内部に収納された試料３０の温度を一定に保つように、外面が断熱壁４２で構成され外部から熱的に遮断されている。また、恒温槽１６には、開閉可能なプローブ挿入口４４が設けられ、試料の寸法測定時にのみ開いた状態になる。
【００１１】
線膨張係数の測定は以下のように行う。まず、恒温槽１６のプローブ挿入口４４を閉じた状態で試料３０の温度を目標温度に安定させる。その後、プローブ１４を恒温槽１６のプローブ挿入口４４より挿入して試料３０の両端面の座標値を測定し試料の寸法を算出する。試料３０の寸法などは、ＣＭＭ１２に接続されたホストコンピュータ２８に記憶される。この作業を試料の温度を変更し、複数回行う。
【００１２】
こうしてホストコンピュータ２８に記憶された異なる複数の試料温度とそれらの温度での試料の寸法から試料の線膨張係数が算出される。具体的には、例えば測定を行う目標温度としては例えば５℃、２０℃、３０℃の三つの温度をとればよい。また試料としてチェッキングゲージを用いた場合、上記の３つの温度でのチェッキングゲージの両端（０ｍｍ、１０００ｍｍの位置）の位置座標を検出し寸法を計測する。この測定結果からチェッキングゲージの線膨張係数が算出される。線膨張係数の測定では、試料の伸び率の差のみを算出することから、三次元測定手段の測定誤差はキャンセルされ、簡易的に高精度で線膨張係数の不確かさが算出可能となる。
【００１３】
本発明では、恒温槽１６のプローブ挿入口４４を開閉可能な構成にすることで、試料を目標温度に変化させる温度慣らしの時、外気からの影響を少なくすることができる。また、測定時以外ではプローブは恒温槽の外部にあり、そのためプローブ自体の温度変化を最小限に抑えられるため測定精度が高くなる。
本発明の概略構成は以上のものである。以下に各構成要素の詳細な説明を行う。
【００１４】
図２に示された恒温槽１６に接続された断熱ダクト３４は、送風される気体と外気との間の熱移動を少なくするため断熱構造となっている。この断熱ダクト３４は恒温槽１６の気体入口と気体出口の２箇所に接続され（図１参照）、それぞれ気体の流入路及び排出路となっている。所定の温度に設定された空気が温度制御手段１８によって断熱ダクト３４を通して恒温槽１６に送風される。さらに恒温槽１６に送風された気体は、気体出口側に接続された断熱ダクト３４を通り再び温度制御手段１８へと戻っていく。このように、温度制御された気体が恒温槽１６を通り循環して行くことにより、恒温槽１６内部の温度が効率良く一定に保たれる。
【００１５】
また、図１に示すように恒温槽１６内部には温度制御センサ３６が取りつけられ、温度コントローラ３８、ホストコンピュータ２８へ恒温槽１６内部の気体温度の情報が送られる。また試料３０自体にも複数の箇所に温度センサ４０（試料用温度検知部）が取りつけられ、試料３０の温度情報も温度コントローラ３８、ホストコンピュータ２８へと送られる。温度コントローラ３８はこれらの情報をもとに温度制御手段１８から送風される気体温度を制御する。このように温度制御手段１８により、恒温槽１６内部の空気温度は５℃〜３０℃の範囲で制御が可能となる。
【００１６】
次に試料の温度慣らしについて説明する。温度制御手段から送風される気体温度を目標温度のまま一定にしておく場合、試料自体が目標温度に落ち着くまでにはかなりの時間がかかる。そこで、初め試料の温度が目標温度よりも低い時には温度制御手段から送風される気体温度を目標値よりも高くし、試料の温度が目標値に近づいた時点で温度を目標温度にした気体を送風するといった送風温度の制御を行う。つまり、図１に示したように、試料３０に取りつけられた温度センサ４０（試料用温度検知部）により試料３０の温度情報をホストコンピュータ２８へ送る。ホストコンピュータ２８では、試料３０の目標温度と現在の試料３０の温度との差を算出し、それに応じて送風する気体温度の情報を温度コントローラ３８に送信する。その情報に従い温度コントローラ３８は、温度制御手段１８によって送風される気体温度の制御を行う。
【００１７】
例えば、試料温度を目標温度に上昇させる場合を考えると、目標温度とその時の試料温度との差が大きい場合、送風する気体温度を目標温度よりも高く設定する。また逆に試料温度を下げる場合、送風する気体温度を目標温度よりも低く設定する。さらに、試料温度と目標温度との差が所定の値以下になった時点で、気体温度は目標温度に設定される。この気体温度の制御は、試料温度と目標温度との差に応じてさらに段階的に行ってもよい。
【００１８】
図４は気体温度を一定のまま温度慣らしをした場合と、上で述べた方法で行った場合とを比較したグラフである。横軸が時間、縦軸が温度を示している。上記の方法によれば確かに試料温度（ワーク温度）を目標温度にするための時間が短縮できる。
このように、試料に取りつけられた温度センサからの温度情報をもとに、温度制御手段から送風される気体温度の制御を行うことで迅速に試料の温度をコントロールすることが可能となる。
【００１９】
恒温槽に設けられる開閉可能なプローブ挿入口の開閉機構は次のようなものがある。図３には上下方向開閉式のもの（図３（ａ））、横方向スライド式のもの（図３（ｂ））のそれぞれの側面図と、断面Ｉ−Ｉ（図３（ａ））及び断面ＩＩ−ＩＩ（図３（ｂ））における断面図が示されている。また、図１に対応する部分には同じ符号を付けた。
図３に示すように、恒温層１６には、プローブを挿入するためのプローブ挿入口４４に開閉可能なカバー部４６が設けられ、プローブの挿入時以外挿入口４４は閉じた状態になっている。ここではプローブ挿入口の二つの実施形態例を示したが、もちろん開閉機構はこれに限定されるものではない。
【００２０】
なお本実施形態で用いられる三次元測定手段は、通常の三次元測定装置と同じ構成をとっている。つまり、図２に示すように試料台となる定盤２０上にプローブ１４の移動を行うための移動部が設けられ、プローブ１４と試料が接触した時の接触位置の座標を検出することにより寸法や形状の測定を行う。移動部は、縦方向ガイド２４−１に沿って移動する縦方向移動部２２−１と、横方向ガイド２４−２に沿って移動する横方向移動部２２−２と、高さ方向ガイド２４−３に沿って高さ方向の移動を行う高さ方向移動部２２−３とで構成され、プローブ１４を三次元の各方向に移動することができるようになっている。三次元測定手段１２は制御手段２６（ＣＭＭＣ）の制御のもとで、プローブの移動、及びプローブの位置座標の検出を行う。この位置座標の記憶、寸法の算出などは三次元測定装置に接続されたホストコンピュータ２８で行われる。また、移動部には図１のようにスケール用温度センサ３２が取りつけられホストコンピュータ２８へ温度情報が送られる。このホストコンピュータ２８には各温度毎の位置座標補正情報が記憶されており、スケール用温度センサ３２からの温度情報を基に、温度による三次元測定手段１２の熱膨張を考慮し座標値の補正を行う。
【００２１】
また、本発明に用いられる測長手段としては、上記のような三次元測定装置に限らず、接触プローブを用いて被測定物の寸法を測定する機構のその他の測長装置を用いても構わない。
次に恒温槽についてさらに好適な実施形態例について述べる。
【００２２】
図５、６は恒温槽の好適な実施形態例であり、図１と対応する構成には同一符号をつけ説明を省略する。図５の恒温槽１６は気体攪拌部（ファン５２）が取りつけられ恒温槽１６内の気体を攪拌して空気だまりを無くし、恒温槽内の温度の均一化をはかるようになっている。図６の恒温槽１６は、その底部にヒータ５４を埋めこみ、試料３０に伝熱性の高いペースト（シリコンペーストなど）を塗布、または伝熱性の高いアルミ等により試料と接触させることにより試料の目標温度への到達時間を短縮させることができる。また、ヒータ制御部５６はヒータ５４に接続されており、ヒータ５４の制御を行う。ヒータ制御部５６による温度制御は公知のヒータ制御アルゴリズム（ヒータのオン時間とオフ時間の比率をかえて温度制御を行うアルゴリズム等）を用いて行うことができる。
【００２３】
また図７に示すように、プローブ用温度制御手段４８を恒温槽１６の外部に設置し、プローブ１４を恒温槽１６から取り出す毎にプローブ用温度制御手段４８を用いてプローブの温度変化をもとに戻すという構成も好適である。ここでのプローブ用温度制御手段４８はファン５０を設けた構成をとっており、プローブ１４を恒温槽１６から出した状態でファン５０による風をあてて温度を外気温まで戻す。この結果プローブ自体の測定毎の温度変化が抑えられ、位置座標の測定精度が向上する。プローブ用温度制御手段の構成として、ファンを用いたもの以外の構成をとることも可能である。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように本発明の線膨張係数測定装置は、恒温槽に開閉可能なプローブ挿入口を設けることで、試料の温度を安定させ正確な熱膨張係数を測定することが可能となる。また、試料温度を変化させる時に試料の温度情報に応じて温度制御手段から送風される気体温度を制御するという構成の結果、迅速に試料を目標温度に設定することができる。
さらに、恒温槽内の気体を攪拌する構成を採用すれば、恒温槽内部の温度むらを無くし、安定した温度環境を提供できる。また、温度制御手段から送風される気体を用いた試料の温度制御に加え、ヒータの熱による温度制御を組み合わせることでより迅速で安定した試料の温度制御が可能となる。さらに、測長手段のプローブを一回の測定毎に外気温に戻すための、プローブ用温度制御手段を備えることでより正確な測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の線膨張係数測定装置の概略構成図である。
【図２】本発明の線膨張係数測定装置の斜視図である。
【図３】恒温槽の開閉可能なプローブ挿入口の実施形態例である。
【図４】試料の温度慣らし時間を説明するためのグラフである。
【図５】恒温槽の一実施形態例である。
【図６】恒温槽の一実施形態例である。
【図７】プローブ用温度制御手段の一実施形態例である。
【符号の説明】
１０…線膨張係数測定装置
１２…三次元測定手段（測長手段）
１４…プローブ
１６…恒温槽
１８…温度制御手段
４４…プローブ挿入口
【図１】
2004226369.tif 000003
【図２】
2004226369.tif 000004
【図３】
2004226369.tif 000005
【図４】
2004226369.tif 000006
【図５】
2004226369.tif 000007
【図６】
2004226369.tif 000008
【図７】
2004226369.tif 000009