(57)【要約】　　　（修正有）【課題】線膨張係数が極めて小さく良好な線膨張係数をもつ精密機器用の成形部品を提供すると共に、線膨張係数が極めて小さく、しかも切り口が平滑でない被測定物の線膨張係数を精度良く、しかも安価な方法で測定することができる線膨張係数測定方法を提供する。【解決手段】ヒーターボックス５内の被測定物支持具６に支持された被測定物Ｐの測定方向両端に移動子７の一端部をそれぞれ取り付けると共に、ヒーターボックスの外部に配された検出器８に移動子の他端部を接触させ、測定物の温度変化による伸縮に応じて移動変位する一対の移動子の移動変位量を、対応する検出器により独立して計測する。被測定物の温度変化と各移動子の移動変位との測定データに基づき中央制御部１１の演算部で被測定物の線膨張係数を計算する。検出器をヒーターボックスの外部に配することにより検出器の熱膨張による測定障害を起こすことはない。【選択図】図１
2004053252.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
精密機器の構成部品であって、
線膨張係数が、温度１０℃〜６０℃の範囲にあって絶対値が０〜０．５×１０−６（１／℃）の材質を備え、その３点曲げ試験における弾性率が、１４０ＧＰａ〜２００ＧＰａであることを特徴とする精密機器用の成形部品。
【請求項２】
前記材質が炭素繊維強化樹脂材料からなることを特徴とする請求項１記載の成形部品。
【請求項３】
前記成形部品がレーザ発振機用の繊維強化樹脂パイプである請求項２に記載の成形部品。
【請求項４】
前記材質が結晶化ガラス材料からなることを特徴とする請求項１記載の成形部品。
【請求項５】
被測定物の線膨張係数を測定する方法であって、
ヒーターボックス内に前記被測定物を配すること、
前記被測定物の測定方向の少なくとも一端に固定され、前記ヒーターボックスの内外にわたり移動する移動子を配すること、
前記ヒーターボックスの外部に前記移動子の移動量を検出する検出器を配すること、
前記ヒーターボックスの内部を加熱すること、
前記検出器により前記移動子の移動量を検出すること、及び
前記移動子の移動量に基づき前記被測定物の温度変化による線膨張係数を算出すること、
を含んでなることを特徴とする線膨張係数測定方法。
【請求項６】
長尺の被測定物の線膨張係数を測定する装置であって、
前記被測定物を加熱するヒーターボックスと、
前記ヒーターボックス内に配され、前記被測定物の長手方向端部を支持する被測定物支持具と、
前記被測定物の端部に固定され、前記被測定物の温度変化による伸縮に応じて前記ヒーターボックスの内外にわたり移動変位する少なくとも一個の移動子と、
前記ヒーターボックスの外部に配され、前記移動子の移動変位量を検出する検出器と、
前記被測定物の温度変化と前記移動子の移動変位とに基づき、被測定物の線膨張係数を演算する演算部を有する中央制御部と、
を備えてなることを特徴とする線膨張係数測定装置。
【請求項７】
前記ヒーターボックス内及び／又は被測定物の長手方向の温度分布を検出する複数の温度検出部と、各温度検出部の検出結果に基づきヒーターボックス内の被測定物の温度分布を均一に制御する温度制御装置を有してなることを特徴とする請求項６記載の測定装置。
【請求項８】
前記温度検出部が前記中央制御部を介して前記温度制御装置に接続されてなる請求項６記載の測定装置。
【請求項９】
前記被測定物支持具は前記被測定物の測定方向両側部に配され、少なくともその一方の被測定物支持具が同被測定物の長手方向の移動を許容して被測定物を支持する被測定物支持部を有してなることを特徴とする請求項６記載の測定装置。
【請求項１０】
前記移動子は、シール部を介して前記ヒーターボックスの内外を移動自在に配されてなることを特徴とする請求項６記載の測定装置。
【請求項１１】
前記移動子が被測定物の両端部に固定され、前記検出器は各移動子に対向して前記ヒーターボックスの外側両端部に配されてなり、前記検出器同士が連結部材を介して所定の間隔をもって連結固定されてなることを特徴とする請求項６記載の測定装置。
【請求項１２】
前記連結部材は、その長さが調節可能に構成されてなることを特徴とする請求項１１記載の測定装置。
【請求項１３】
前記被測定物支持具の垂直方向の線膨張係数が、温度２０℃〜６０℃の範囲にあって０．１×１０−６（１／℃）以下の材料からなることを特徴とする請求項６又は９記載の測定装置。
【請求項１４】
前記移動子の線膨張係数が、温度２０℃〜６０℃の範囲にあって０．１×１０−６（１／℃）以下の材料からなることを特徴とする請求項６又は１０記載の測定装置。
【請求項１５】
前記検出器を支持する検出器支持台の線膨張係数が１×１０−６（１／℃）以下の材料からなることを特徴とする請求項６に記載の測定装置。
【請求項１６】
前記検出器を連結する連結部材は棒材又は板材から構成され、その線膨張係数が０．１×１０−６（１／℃）以下の材料からなることを特徴とする請求項６に記載の測定装置。
【請求項１７】
前記検出器がレーザーホロゲージ式検出器であることを特徴とする請求項６に記載の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複合材料成形品と、その線膨張係数を測定する方法及び装置に係わり、特に、炭素繊維構造体である複合材料成形品、複合材料の線膨張係数を高精に測定することができる線膨張係数測定装置及び線膨張係数測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、材料の持つ固有の線膨張係数を測定する装置を使用した線膨張係数測定方法の一例として、押し棒式測定法と呼ばれるものがある。この押し棒式測定法は、炉内のベースプレート上に測定対象とする試料を垂直に立てた状態で載置して、その試料の上部を検出端となる適当な重量の石英棒により加圧するものである。また、同一のベースプレート上に参照用の石英棒を固定して、試料と参照用石英棒とを同時に加熱し、外部から伸び計にて試料と参照用石英棒との伸縮差を測定している。この伸び計には、機械式ダイヤルゲージ、インダクタンスの変化を利用する差動変圧器、又は光学格子を利用したフォトメータ等が使用されている。更に、測定温度が高い場合は、測定用の付属品を試料に直接接触させることが困難となるため、炉壁に覗き用窓を設置し、外部より２台の測微顕微鏡にて試料の伸縮を測定している。
【０００３】
また、被測定物の線膨張係数を測定する装置の他の一例として、例えば特開平１１−１８３４１３号公報には、大型構造物の線膨張係数を測定する装置が開示されている。同公報に開示された線膨張係数測定装置は、炉内の温度を上昇させることにより加熱し、炉内にセットされた測定対象とする大型の被測定物の温度を検出している。被測定物上に一対の第１及び第２干渉板を対向して取り付け、第１干渉板に向けてレーザ光を照射する。第１干渉板で反射するレーザ光と、第１干渉板を透過して第２干渉板で反射するレーザ光とを、互いに干渉させ、その干渉光の強度変化に基づき変位を検出するようになっている。
【０００４】
つまり、炉内の温度変化に応じて被測定物が伸縮し、それに伴って第１干渉板と第２干渉板との間隔が変化する。この間隔の変化を干渉光の強度変化量として求め、この強度変化量を表す出力と被測定物の温度変化を表す出力との測定結果により大型構造物の線膨張係数が得られるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の上記押し棒式測定法では、測定すべき被測定物を装置の寸法に合わせて小さく切断する必要があり、被測定物を破壊せずにそのままの形状や大きさをもって測定することはできなかった。また、試料をベースプレートの上に垂直に立てるため、試料の姿勢が不安定になり、様々な形状や大きさの試料に対応して測定することができないという問題点があった。更に、炭素繊維複合材料等の試料にあっては、試料の切り口が平滑にならず、そのために精度の高い安定した測定ができないという問題点があった。また、垂直に立てた試料の上部に当接される石英棒の重量が試料の自在な伸縮を阻害するという問題点があった。
【０００６】
また、従来の測微顕微鏡を用いた方法は、大型試料の線膨張係数を測定する場合に比較的に優れた方法であるが、測微顕微鏡の精度が一義的に決まるだけであり、高い精度をもって測定することは不可能であった。また、コンパレータの支持棒がインバーによって製作されているため、外気温により支持棒が伸縮するという問題点を有していた。その結果、極めて精度の高い測定を行うことは不可能であった。
【０００７】
一方、上記特開平１１−１８３４１３号公報に開示された線膨張係数測定装置は、大きな被測定物を破壊することなく、その形状や大きさで線膨張係数を測定することができるため、実際の製品の品質を保証するという点では優れているが、装置が高価であるという問題があった。また、炉内に設置する干渉板の材質の線膨張係数を被測定物の線膨張係数とほぼ同一にすることによって測定精度を向上させることができるが、材料の種類により線膨張係数が異なるため、各種の材質からなる被測定物を測定する場合は、測定すべき被測定物ごとに、その被測定物と同一材質の干渉板を別途に準備しなければならず、生産性を損い、しかも製造費を高騰させる原因にもつながる。そして更に、被測定物の表面が平らな場合は、干渉板を被測定物の表面に載せることが可能であるが、被測定物の表面が小さく干渉板を載置できない場合は、測定が不可能であるという問題点を有していた。
【０００８】
ところで、測定対象とする被測定物の両端を直接計測すべく接触式検出器を用いると、計測器、或いは計測器の先端をヒーターボックス内に設置しなければならない。このため、ヒーターボックス内の加熱時に、計測器自体に熱膨張を生じてしまい、測定誤差が大きくなり、正確な測定ができないという問題を有している。
【０００９】
また、検出器をヒーターボックス外に置いた場合は、一般にレーザー光によって計測する方法が使用される。被測定物の端面はレーザー光を反射するに必要な平滑性を有することが求められるが、一般に繊維強化複合材料等からなる被測定物を測定する場合は、レーザー光反射に必要な表面平滑性を得ることができず、安定した確実な計測はできない。これを解消すべく、一般に被測定物の端部に反射鏡を取り付ける方法を採用している。しかしながら、レーザー光は空気中を通過するとき、空気温度のばらつき及び空気の対流によって外乱を受けるため、安定した正確な計測を行うことはできない。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、第１の目的は、線膨張係数が極めて小さく良好な線膨張係数をもつ精密機器用の成形部品を提供し、第２の目的は、線膨張係数が極めて小さく、しかも切り口が平滑でない被測定物の線膨張係数を精度良く、しかも安価な方法で測定することができる線膨張係数測定方法を提供し、更に第３の目的は、測定対象とする被測定物を破壊することなく、製造された実物の形状や大きさをもって線膨張係数を測定することを可能にした線膨張係数測定装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段及び作用効果】
本件請求項１に係る発明は、精密機器の構成部品であって、線膨張係数が、温度１０℃〜６０℃の範囲にあって絶対値が０〜０．５×１０−６（１／℃）の材質を備え、その３点曲げ試験における弾性率が、１４０ＧＰａ〜２００ＧＰａであることを特徴とする精密機器用の成形部品にある。
【００１２】
高精度、高品質が要求される計測機、加工機、レーザ発信機等の各種の精密機器に使用される材質の線膨張係数は、極めて小さい値であることが好ましい。本発明に係る精密機器用の成形部品の構成材料は、線膨張係数が、温度１０℃〜６０℃の範囲にあって絶対値が０〜０．５×１０−６（１／℃）以下であり、３点曲げ試験における弾性率も１４０ＧＰａ〜２００ＧＰａで安定化している。
【００１３】
計測機、加工機、レーザ発信機等の各種の精密機器用の成形部品として、請求項２に係る発明のごとく前記材質が炭素繊維強化樹脂材料からなることが特に好ましい。炭素繊維は、温度変化による伸縮の少ない材料である。炭素繊維の種類、繊維配向性、体積含有率等を変更調節することにより、その適用分野に応じて所定の温度で線膨張係数を零にすることが可能となり、計測機、加工機、レーザ発信機等の各種の精密機器は室内などの温度変化によって影響を受けることはない。
【００１４】
この代表的な成形部品として、請求項３に係る発明のごとく前記成形部品がレーザ発振機用の繊維強化樹脂パイプに効果的に使用することができる。レーザ発信機に使用するにあたって、その雰囲気温度に応じて成形品の線膨張係数を零にすることが可能となる。このため、所定の温度範囲において、レーザ発信機に使用される成形部品の長さの変化を極めて低く抑えることができるようになり、レーザ発信機の精度を低下させることがない。従って、製品としての高品質を確保することが可能となる。また、計測機、加工機、レーザ発信機等の各種の精密機器に使用するにあたって、その適用分野における雰囲気温度、剛性及び強度などに応じて、請求項４に係る発明のごとく前記材質が結晶化ガラス材料を有効に使用することもできる。
【００１５】
請求項５に係る発明は、被測定物の線膨張係数を測定する方法であって、ヒーターボックス内に前記被測定物を配すること、前記被測定物の測定方向の少なくとも一端に固定され、前記ヒーターボックスの内外にわたり移動する移動子を配すること、前記ヒーターボックスの外部に前記移動子の移動量を検出する検出器を配すること、前記ヒーターボックスの内部を加熱すること、前記検出器により前記移動子の移動量を検出すること、及び前記移動子の移動量に基づき前記被測定物の温度変化による線膨張係数を算出することを含んでなることを特徴とする線膨張係数測定方法にある。
【００１６】
本発明の線膨張係数測定方法は、被測定物の測定方向の少なくとも一端にヒーターボックスの内外にわたり移動する移動子の一端部を固定し、その移動子の移動量を検出する検出器を前記ヒーターボックスの外部に配することにより被測定物の線膨張係数を測定している。
【００１７】
被測定物の線膨張係数を測定するにあたっては、先ず、開放したヒーターボックス内の所定の位置に測定すべき被測定物を配して、同被測定物の測定方向の少なくとも一端に移動子を固定する。被測定物を水平方向に移動自在にセットしたのち、前記ヒーターボックスを閉鎖する。次に、被測定物の測定方向のセット位置を前記検出器により予め検出しておく。
【００１８】
次に、前記ヒーターボックスの内部を、その被測定物の使用分野における使用時の雰囲気温度を想定して、所要の温度範囲まで昇温させる。同ヒーターボックス内の温度の変化による被測定物の長さ変化を、前記検出器により、移動変位する移動子の移動変位量で検出する。この検出器からは、検出された移動変位量に応じた信号が中央制御部へと出力される。同中央制御部では、前記移動子の移動量に基づき被測定物の温度変化ごとの線膨張係数を算出する。算出された線膨張係数は、予め定められたプログラムに従って信号処理される。
【００１９】
従来のごとく、検出器をヒーターボックス内に配される被測定物の測定方向の端部に直接配して、同検出器にて被測定物の端部の変位量を検出して線膨張係数を計測する場合は、前記検出器はヒーターボックス内の温度変化に基づく熱膨張により測定障害を起こすため、測定誤差の原因につながる。本発明にあっては、検出器をヒーターボックスの外部に配しているため、特に高精度、高品質が要求される計測機、加工機、レーザ発信機等の各種の精密機器の構成部材を測定するにあたって、同検出器の熱膨張による測定障害を起こすことなく高い精度で安定した測定を行うことができる。
【００２０】
本発明にあっては、被測定物の測定方向の少なくとも一端にヒーターボックスの内外にわたって移動可能な移動子の一端部に固定し、検出器をヒーターボックスの外部に配して、前記移動子の移動変位量を前記検出器にて計測するため、被測定物はヒーターボックス内で自由に挙動でき、同時にヒーターボックスの外部に配された検出器は同ボックス内の温度の影響を受けることがないため、被測定物の正確な熱膨張による長さの変化を研修することができる。
【００２１】
本発明にあっては、被測定物の測定方向の両端をそれぞれ移動子の一端部に固定し、各移動子の移動変位量を、対応する検出器により独立して計測することもできる。被測定物の測定方向の両端で検出して熱膨張による変位を計測する場合には、各移動子は水平方向の動きを拘束されることなく移動するため、それぞれの専用検出器による計測データの和又は差をもって被測定物の温度変化による線膨張係数を算出できる。その結果、さらにいっそう高い精度で安定した測定を行うことができるようになる。
【００２２】
請求項６に係る発明は、長尺の被測定物の線膨張係数を測定する装置であって、前記被測定物を加熱するヒーターボックスと、前記ヒーターボックス内に配され、前記被測定物の長手方向端部を支持する被測定物支持具と、前記被測定物の端部に固定され、前記被測定物の温度変化による伸縮に応じて前記ヒーターボックスの内外にわたり移動変位する少なくとも一個の移動子と、前記ヒーターボックスの外部に配され、前記移動子の移動変位量を検出する検出器と、前記被測定物の温度変化と前記移動子の移動変位とに基づき、被測定物の線膨張係数を演算する演算部を有する中央制御部とを備えてなることを特徴とする線膨張係数測定装置にある。
【００２３】
本発明の測定装置は、ヒーターボックス内の被測定物支持具に支持された被測定物の測定方向の少なくとも一端に移動子の一端部を取り付ける。その移動子の他端部を前記ヒーターボックスの内外にわたり移動自在に取り付け、前記ヒーターボックスの外部に配された検出器を前記移動子の他端部に対向させる。かかる構成により、被測定物の温度変化による熱膨張又は熱収縮に応じて移動変位する移動子の移動変位量を検出器により計測している。被測定物の温度変化と移動子の移動変位とを測定し、これらの測定データに基づき中央制御部の演算部にて被測定物の線膨張率を算出する。
【００２４】
本発明にあっては、前記検出器をヒーターボックスの外部に配しているため、ヒーターボックス内で被測定物の測定方向の端部を直接計測する従来の測定装置と較べると、前記検出器の熱膨張により測定障害を起こすことなく高い精度で安定した測定を行うことができる。しかも、被測定物の端面に平滑性が得られない場合でも、その端面部分に移動子が固定され同移動子を介して検出器により被測定物の変位が検出されるため、被測定物の端面形状による影響が排除され、被測定物の熱膨張による変位を検出誤差なく正確に検出することができる。
【００２５】
ところで、従来の一般的な線膨張係数の測定装置のごとく、被測定物の測定方向の一端を支持部材に固定し、他端に検出器を配して被測定物の一端の変位量を検出して線膨張係数を計測する場合には、被測定物の一端の固定には何らかの固着手段を採用し強固に固着する必要がある。しかし、被測定物の一端を不動となるように確実に固定することができるという保証はなく、測定誤差の原因につながりかねない。この点は、本発明にあっても被測定物の一端を固定する場合には同様のことが言える。
【００２６】
本発明にあって、被測定物の両端にそれぞれヒーターボックスの内外にわたり移動可能な移動子を固定する場合には、同移動子の水平方向の動きが拘束されることなく移動でき、しかも移動子の移動量をヒーターボックス外に配された検出器をもって検出するため、被測定物自体の熱膨張による変位量を移動子の移動変位量に変換するとともに、ヒーターボックス内の温度に影響されない検出器による計測データから線膨張係数を正確に得ることができる。
【００２７】
請求項７に係る発明は、前記ヒーターボックス内及び／又は被測定物の長手方向の温度分布を検出する温度検出部と、同温度検出部の検出結果に基づきヒーターボックス内の被測定物の温度分布を均一に制御する温度制御装置を有していることを特徴としている。
この発明は、前記温度検出部によりヒーターボックス内の温度分布と被測定物の長手方向の温度分布とを独立して測定し、或いはその何れかを測定している。更に、この測定された温度分布を上記中央制御部により独立して監視している。
【００２８】
前記中央制御部には、前記ヒーターボックス内の温度を所定の割合で上昇可能とするため、同ヒーターボックス内の温度データをデータ解析するコンピュータプログラムを有している。かかる構成により、測定対象とする被測定物が十分に温まるに必要な昇温速度で加熱することができると共に、被測定物を均一に加熱することができるようになり、任意の温度における線膨張係数が確実に測定可能となる。
【００２９】
また請求項８に係る発明では、前記温度検出部が前記中央制御部を介して前記温度制御装置に接続されていることを特徴としている。
上述のごとく、前記温度検出部により検出された各温度分布に対応する信号は、前記中央制御部を介して前記温度制御装置へと出力される。この温度制御装置では、前記温度検出部により検出された温度に基づき、発熱体に供給する電力を制御して被測定物の長手方向の温度分布を均一化する。このように、温度制御装置により、測定時の温度を被測定物の全体にわたって均一性が確保されるため、極めて高精度の線膨張係数を測定することができる。
【００３０】
請求項９に係る発明は、前記被測定物支持具は前記被測定物の測定方向両側部に配され、少なくともその一方の被測定物支持具が同被測定物の長手方向の移動を許容して被測定物を支持する被測定物支持部を有してなることを特徴としている。
前記被測定物支持具は、前記ヒーターボックスとは独立して、同ヒーターボックスの下部から同ボックス内に貫通して配されており、前記被測定物支持具の被測定物支持部に被測定物を載置して水平方向に移動自在に支持している。このため、被測定物の温度変化に伴う伸縮が被測定物支持部上で自由に行われ、外力による拘束を受けない。また、前記被測定物支持具は前記ヒーターボックスとは独立して配されるため、同ヒーターボックスの熱膨張の影響も受けることはない。
【００３１】
請求項１０に係る発明は、前記移動子がシール部を介して前記ヒーターボックスの内外を移動自在に配されていることを特徴としている。また後述するように、前記移動子の線膨張係数を０．１×１０−６（１／℃）以下に設定することが好ましい。
前記ヒーターボックスの少なくとも一端には開口が形成されており、同開口にシール部が介装されている。被測定物の測定方向の少なくとも一端に取り付けられた移動子は、自体の線膨張係数を小さく設定すれば、前記シール部を介しても前記ヒーターボックスの内外にわたり円滑に移動する。
【００３２】
前記シール部は前記ヒーターボックス内の雰囲気温度を外部から完全に遮断することができるため、前記ヒーターボックス内の温度を全長にわたって一定温度に維持することがしやすくなる。しかも、前記シール部に摩擦係数の小さい材質を選べば、前記移動子の水平方向の動きを摩擦力により拘束しないため、例えば被測定物が加熱されても、被測定物の温度上昇に伴う熱膨張に対応して移動子を非拘束状態で円滑に移動変位させることができるようになり、安定した測定を行うことができる。
【００３３】
請求項１１に係る発明は、前記移動子が被測定物の両端部に固定され、前記検出器は各移動子に対向して前記ヒーターボックスの外側両端部に配されてなり、前記検出器同士が連結部材を介して所定の間隔をもって連結固定されてなることを特徴としている。
各検出器は、それぞれ上記検出器支持部材によって強固に固定されており、しかも各検出器支持部材は被測定物の測定方向のヒーターボックス外部両端を挟んで連結部材により強固に連結固定されている。かかる構成により、前記検出器の水平方向の変位を抑制できるため、各検出器によって計測された測定データは、実データとして取り扱うことができる。各検出器により得られた測定データは、温度データとともに上記中央制御部にて解析され、何ら補正の必要がなく正確な被測定物の線膨張係数を計算することが可能となる。
【００３４】
請求項１２に係る発明は、前記連結部材が、その長さを調節可能に構成されてなるいるを特徴としている。
被測定物の長さに応じて、各検出器を被測定物の測定方向両側に自由にセットすることができる。このため、任意の長さの長尺状の製品を切断すること必要がなく、実際の製品の形状及び大きさをもって線膨張係数を測定することができる。しかも、上記移動子の動きを拘束することなく被測定物を一対の検出器の間に容易に配することができるようになる。
【００３５】
請求項１３に係る発明は、前記被測定物支持具の垂直方向の線膨張係数が、温度２０℃〜６０℃の範囲にあって０．１×１０−６（１／℃）以下の材料からなることを特徴としている。
上述のごとく被測定物を拘束することなく水平方向に自由に移動させ得るようにするため、前記被測定物支持具の垂直方向の伸縮を極力小さくすることが好ましい。これは、被測定物支持具が上下方向に伸縮し、被測定物が上下方向に変位すると、上記移動子と検出器との相対位置がずれて、測定精度の誤差が顕著に現れるがためである。このため、前記被測定物支持具の垂直方向の線膨張係数を０．１×１０−６（１／℃）以下の極めて小さい値とすることが必要となる。
【００３６】
線膨張係数が０．１×１０−６（１／℃）以下の材質として、炭素繊維複合材料を使用することが特に好ましい。炭素繊維は、種類により負の線膨張係数を有するため、正の線膨張係数を有する樹脂と組み合わせることにより、或いは様々な繊維方向で組み合わせた炭素繊維複合材料を用いることにより、所望の温度範囲で線膨張係数を零に設計することができるようになる。
【００３７】
また、炭素繊維複合材料に代えて、炭素繊維複合材料よりも線膨張係数が若干大きい低熱膨張係数をもつ特殊ガラス（Ｌｉ２　Ｏ−Ａｌ２　Ｏ３　−ＳｉＯ２　系の結晶化ガラス）を用いることも可能である。これらの材質を用いて被測定物支持具を製作することによって線膨張係数が零の被測定物支持具を得ることができる。
【００３８】
請求項１４に係る発明は、前記移動子の線膨張係数が、温度２０℃〜６０℃の範囲にあって０．１×１０−６（１／℃）以下の材料からなることを特徴としている。
温度変化による移動子の伸縮を監視することによって、高精度の計測を行うこともできるが、前記移動子に線膨張係数の極めて小さい材質を使用することによって、前記移動子の伸縮を無視することも可能となる。より精度の高い計測を行うため、線膨張係数が０．１×１０−６（１／℃）以下の材料を使用することが好ましく、その材料として、炭素繊維複合材料を使用することが特に好ましい。また、炭素繊維複合材料に代えて、低熱膨張係数をもつ上記特殊ガラスを使用することもできる。
【００３９】
請求項１５に係る発明は、前記検出器を支持する検出器支持部材の線膨張係数が１×１０−６（１／℃）以下の材料からなることを特徴としている。
線膨張係数が１×１０−６（１／℃）以下の材質をもつ検出器支持部材により前記検出器を支持することによって、外部の温度変化による検出器の微小な移動を抑えることができる。線膨張係数が１×１０−６（１／℃）以下の材料として、特に炭素繊維複合材料を使用することが望ましい。
【００４０】
また、炭素繊維複合材料に代えて、低熱膨張係数をもつ上記特殊ガラスを使用することもできる。更に、前記検出器支持部材は、線膨張係数測定方向の厚さを比較的薄く製作することができる。このため、外気温を適度に制御すれば、線膨張係数が比較的大きい鉄−ニッケル合金を主成分とする合金材（インバー）を使用することもできる。
【００４１】
請求項１６に係る発明は、前記検出器を連結する連結部材は棒材又は板材から構成され、その線膨張係数が０．１×１０−６（１／℃）以下の材料からなることを特徴としている。
長尺状をなす被測定物の線膨張係数測定装置の場合は、前記連結部材が被測定物よりも長くなり、外気温の影響によって前記連結部材が伸縮し、測定誤差の原因となる。前記連結部材は棒材又は板材により構成することができるが、線膨張係数が０．１×１０−６（１／℃）以下の材料を使用することが好ましい。この材料として、炭素繊維複合材料を使用することが特に望ましい。また、炭素繊維複合材料に代えて、低熱膨張係数をもつ上記特殊ガラスを使用することもできる。前記連結部材の線膨張係数を０．１×１０−６（１／℃）以下にすることにより、さらにいっそう安定した高精度の計測を行うことができる。
【００４２】
請求項１７に係る発明は、前記検出器がレーザーホロゲージ式検出器であることを特徴としている。
被測定物の長手方向両端に取り付けられた移動子の移動変位を独立して検出する検出器は、精度が高いこと、計測値が外部の空気流れ等に影響されにくいこと、安定していること、測定範囲が広いこと、被測定物の設置が容易であり、且つ広い範囲の熱膨張・熱収縮が測れること等が必要である。更には、安価であることも必要である。前記検出器は限定されるものではないが、本発明の測定装置にあってはレーザーホロゲージ式検出器であることが特に好ましい。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて具体的に説明する。
図１は、本発明の代表的な実施形態である線膨張係数測定装置の一例を概略的に示す全体構成図であり、図２は同測定装置に適用されるヒーターボックスを概略的に示す要部断面図である。なお、本実施形態では、線膨張係数を測定すべき被測定物として、材質が炭素繊維強化樹脂材料からなるレーザ発信機用の繊維強化樹脂パイプを例に挙げて説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば高精度及び高品質が要求される測定機、加工機その他の精密機器などの成形部品の構成部材を含んでいる。
【００４４】
図１において、本実施形態である線膨張係数測定装置１は、振動防止装置２を介して設置された横に長い直方形をなす架台３上に、一対のヒーターボックス載置台４，４を介して設置された横に長い直方形をなす箱型のヒーターボックス５と、長尺状の被測定物Ｐの長手方向端部を支持する一対の被測定物支持具６，６とを備えている。更に、図示例によれば、前記線膨張係数測定装置１は、被測定物Ｐの長手方向端部に固定された一対の移動子７，７と、被測定物Ｐの線膨張係数を検出する一対の検出器８，８と、操作パネルを有する加熱装置９を備えた温度制御装置１０と、被測定物Ｐの線膨張係数を演算する演算部を有する中央制御部１１とを備えている。
【００４５】
本実施形態では、前記ヒーターボックス５は、図２に示すようにマントルヒータータイプを使用している。同ヒーターボックス５の長手方向（線膨張係数測定方向）の内寸は２，０７８ｍｍに設定されている。同ヒーターボックス５の筐体５ａの内面には、グラスウールのごとき断熱材５ｂが貼着又は固着されており、同断熱材５ｂの内部にはニクロム線のごとき発熱体５ｃが均一に埋め込まれている。同発熱体５ｃは、前記加熱装置９により図示せぬリード線を介して通電するようになっている。なお、前記発熱体５ｃは、前記ヒーターボックス５の長手方向にわたって分割された複数個の発熱体であってもよく、各発熱体に独立して電力を供給してもよい。
【００４６】
前記線膨張係数測定装置１は、測定対象とする被測定物Ｐを最終製品のままの形態で測定することができる。本実施形態にあっては、標準長さが２，０５５ｍｍであり、外径が３６ｍｍの炭素繊維複合材料からなるレーザ発信機用の成形部品である長尺の炭素繊維強化樹脂パイプを測定対象としている。
【００４７】
この被測定物Ｐには、その長手方向に熱電対１４が取り付けられている。図示例によれば、被測定物Ｐの長手方向にわたって等分割に１２個の熱電対１４，…，１４が温度検出部として取り付けられている。各熱電対１４は、前記中央制御部１１のデータロガ１２に個別に電気的に接続されており、それぞれ独立して被測定物Ｐの温度を測定するようになっている。前記データロガ１２は、被測定物Ｐの長手方向の温度分布を独立して常時監視しており、それらの温度分布に対応するデータ信号は前記中央制御部１１を介して前記温度制御装置１０へと出力される。
【００４８】
本実施形態にあっては、被測定物Ｐの線膨張係数を計算するに必要な温度測定は、各熱電対１４の温度の平均値をもって実測定温度としている。前記温度制御装置１０は、前記熱電対１４により検出された温度に基づき前記加熱装置９から発熱体５ｃへ供給する電力を制御する。かかる構成により、被測定物Ｐの温度の均一性を向上させて、極めて高精度の線膨張係数測定を行うことができる。つまり、被測定物Ｐが十分に温まるに必要な昇温速度で加熱することができると共に、被測定物Ｐを均一に加熱することができるようになり、任意の温度における線膨張係数が確実に測定可能となる。
【００４９】
更に、本実施形態にあっては、温度の測定精度をさらにいっそう高めるべく、前記ヒーターボックス５の筐体５ａの内面にはヒーターボックス５の長手方向にわたって等分割に７個の測温抵抗体１５，…，１５が取り付けられている。各測温抵抗体１５は、前記温度制御装置１０に個別に電気的に接続されており、それぞれ独立してヒーターボックス５内の温度を測定するようにしている。前記温度制御装置１０は、前記熱電対１４及び前記測温抵抗体１５により測定された温度に基づき加熱装置９から図示せぬリード線を介して前記発熱体５ｃへ供給する電力を制御している。かかる構成により、被測定物Ｐの温度の均一性をさらにいっそう向上させて、極めて高精度の線膨張係数測定を行うことができるようにしている。
【００５０】
被測定物Ｐの長手方向両側に配された一対の検出器８，８の検出端は、それぞれ被測定物Ｐの長手方向端部に固定された移動子７に接触されると共に、その検出器８の出力端は、加算器１６を介して前記中央制御部１１のデータロガ１２に独立して電気的に接続されている。同データロガ１２はデータ解析用のパソコン１７に電気的に接続されている。
【００５１】
各検出器８は、上記発熱体５ｃを加熱して温度が変化したときの被測定物Ｐの長さ変化に応じて、対応する移動子７の移動変位量を検出している。検出された移動変位量は前記データロガ１２に読込まれる。同データロガ１２は、各移動子７の移動量の合計に基づき被測定物Ｐの温度変化による線膨張係数を算出する。算出された線膨張係数は所要の信号に変換され、予め決められたプログラムに従って信号処理され、前記パソコン１７へと出力される。本実施形態では、２個の検出器８，８により、各移動子７の移動変位量を独立して検出し、各移動子７の移動変位量の和又は差をもって被測定物Ｐの温度変化による線膨張係数を算出することができるため、高い精度で安定した測定を行うことができる。
【００５２】
図３は被測定物Ｐを支持する被測定物支持具６に被測定物Ｐを載置した状態を概略的に示している。この被測定物支持具６は上下に長い平板材からなり、前記ヒーターボックス５の熱変形による影響を受けないように前記ヒーターボックス５とは独立して設置すべくヒーターボックス載置台４に固着されている。前記被測定物支持具６の上端部は、被測定物Ｐを自由な状態で載置すべくＶ溝形状の支持表面をもつ被測定物支持部６ａを有している。同被測定物支持部６ａは、前記ヒーターボックス５の長手方向両側の下面部からボックス室５ｄへ貫通して、同ボックス室５ｄ内の被測定物Ｐの測定方向両端部に臨ませている。かかる構成により、前記被測定物支持具６は、被測定物Ｐの温度変化に伴う伸縮を妨げることなく被測定物Ｐの長手方向の移動を許容すると共に、被測定物Ｐのセットを容易に行うことができるようにしている。
【００５３】
前記被測定物支持具６は、既述したごとく前記ヒーターボックス５とは独立して配されるため、同ヒーターボックス５の熱膨張の影響を受けることはない。しかし、前記被測定物支持具６は、被測定物Ｐが上下方向に移動したとき、上記移動子７と検出器８との取付姿勢が互いに直角になるようにして支持されていないと、測定精度の誤差が顕著に現れるため、所定の温度範囲において前記被測定物支持具６の上下方向の線膨張係数を極力小さい値に設定している。このため、前記被測定物支持具６の材質として、例えば炭素繊維複合材料を使用することが特に望ましい。
【００５４】
炭素繊維は、種類により負の線膨張係数を有するため、正の線膨張係数を有する樹脂と組み合わせることにより、或いは様々な繊維方向で組み合わせた炭素繊維複合材料を用いることにより、所望の温度範囲で線膨張係数を零に設定することができるようになる。また、炭素繊維複合材料に代えて、炭素繊維複合材料よりも線膨張係数が若干大きい低熱膨張係数をもつ特殊ガラス（株式会社オハラ製、商品名：クリアセラムＺ）を使用することができる。前記特殊ガラスとして、Ｌｉ２　Ｏ−Ａｌ２　Ｏ３　−ＳｉＯ２　系の結晶化ガラスが好ましい。
【００５５】
本発明の最も特徴とするところは、被測定物Ｐの長手方向端部に、被測定物Ｐの温度変化による伸縮に応じて前記ヒーターボックス５の内外にわたり移動する移動子７が固定されており、同移動子７の移動変位量を検出する検出器８が前記ヒーターボックス５の外側端部に隣接して配されることにある。本実施形態によれば、前記ヒーターボックス５の内外にわたり移動する一対の移動子７，７が被測定物Ｐの長手方向の両端部に固定されている。各移動子７の移動変位量を独立して検出する一対の検出器８，８は、前記ヒーターボックス５の外側両端部に隣接して配されており、それぞれ上記架台３の長手方向両端部上に配された一対の検出器支持部材１８，１８に支持されている。
【００５６】
図４は本実施形態に好適に使用される移動子７を概略的に示している。同移動子７は、前記ヒーターボックス５の長手方向の両側端面部に形成された開口にシール部１９を介して移動自在に配されている。この移動子７は、円柱状をなす移動子本体７ａの一端部に被測定物Ｐを嵌着固定するコ字状断面形状をなす被測定物固定部７ｂを有している。同被測定物固定部７ｂの円周部に形成された取付孔には、被測定物Ｐを締付固定するセット用ビス７ｃが螺合されている。前記移動子本体７ａの他端部には、前記検出器８の検出端に接触する断面がコ字状をなす検出器接触部７ｄが嵌着固定されており、前記移動子本体７ａにセット用のネジ７ｅにて締付固定されている。同検出器接触部７ｄは前記被測定物固定部７ｂよりも小径の寸法に設定されている。
【００５７】
本実施形態では、所定の温度範囲において前記移動子７の線膨張係数を極めて零に近づけるべく前記移動子本体７ａの素材として、負の線膨張係数を有する炭素繊維と正の線膨張係数を有する樹脂とを互いに組み合わせた炭素繊維複合材料が使用されている。そのセット用ビス７ｃの素材として、上記低熱膨張係数をもつ特殊ガラスが使用されている。前記検出器接触部７ｄの素材として、鉄、ニッケルを主成分とする低膨張性の合金材（大同スペシャルメタル社製のスーパーインバー）が使用されている。そのセット用ネジ７ｅも、前記合金材からなる。前記移動子本体７ａの材質として、前記低熱膨張係数をもつ特殊ガラスを使用することもできる。なお、前記移動子７の材質、形状、長さ、及び構造などは図示例に限定されるものでないことは勿論である。
【００５８】
図５は本実施形態に好適に使用されるシール部１９の一例を示している。前記ヒーターボックス５の長手方向両側端面部に形成された開口に介装されるシール部１９は、上下に分離可能な一対の遮蔽板２０，２０と、円筒状をなす小径の内側スリーブ２１及び大径の外側スリーブ２２とを有している。各遮蔽板２０の分割面には、小径の円弧面及び大径の円弧面が同心円上に形成されており、各遮蔽板２０の分割面を組み合わせた状態で階段状をなす段付き嵌着孔２０ａが形成されるようになっている。前記外側スリーブ２２は、空気漏れを抑えるべく前記遮蔽板２０の大径の嵌着孔２０ａに嵌挿挟持される。前記内側スリーブ２１は、前記外側スリーブ２２に内嵌係止した状態で外側スリーブ２２から露呈しており、その露呈端部が前記遮蔽板２０の小径の嵌着孔２０ａに嵌挿係止される。
【００５９】
前記遮蔽板２０の４つの隅角部近傍には、それぞれ上下に長い長孔が形成されており、図２に示すように遮蔽板取付ビス２０ｂによってヒーターボックス５の長手方向端面部に締付固定される。各スリーブ２１，２２の外周面は、上記断熱材５ｂの内部に配される。前記内側スリーブ２１には、前記ヒーターボックス５の外方に露呈した状態で前記移動子７が移動自在に内嵌される。なお、前記内側スリーブ２１の材質として、テフロンが使用できる。前記外側スリーブ２２、前記遮蔽板２０及び前記遮蔽板取付ビス２０ｂの材質として鉄を使用することができる。
【００６０】
かかる構成により、前記シール部１９は、前記ヒーターボックス５内の空気漏れを防ぐには十分なシール機能を発揮することができると共に、同ヒーターボックス５のボックス室５ｄ内の温度を全長にわたって一定の温度に維持することができる。前記遮蔽板取付ビス２０ｂを緩めて前記遮蔽板２０の長孔に沿って同遮蔽板２０を上下に移動させると、同遮蔽板２０の配置位置を調整することができるようになり、前記移動子７を水平方向に自由に移動可能に支持することができる。
【００６１】
本実施形態に好適に使用される検出器８は、前記ヒーターボックス５の外側両端部に隣接して前記被測定物Ｐの長手方向端部に配された検出器支持部材１８に取り付けられている。かかる構成により、従来のごとく被測定物Ｐの長手方向片側に配された固着手段を排除して、被測定物Ｐの一端部を厳格に固定する必要がなくなり、信頼性の高い測定を行うことができる。また、前記検出器８は、被測定物Ｐの測定方向両端を挟んで各移動子７の両側に配されている。このため、温度上昇に対する被測定物Ｐの伸びだけでなく、被測定物Ｐの収縮をも計測することができる。更に、長尺状の製品を切断することなく、実際の製品の形状及び大きさをもって線膨張係数を測定することができる。
【００６２】
図６は検出器支持部材１８と連結部材である支持棒２３との取付構造を示している。前記ヒーターボックス５の外側両端部に配される検出器同士は細長い中空円筒状をなす支持棒２３を介して任意の間隔に調節可能に連結固定されている。前記検出器支持部材１８の下部には、円形をなす一対の支持棒挿入孔が前記ヒーターボックス５の幅方向に並列に穿設されている。前記検出器支持部材１８の支持棒挿入孔には、互いに平行に延びる２本の支持棒２３，２３が挿入されており、各支持棒２３は前記検出器支持部材１８に支持棒取付ビス２３ａにて締付固定されている。
【００６３】
前記検出器支持部材１８の材質として、炭素繊維複合材料が使用できるが、炭素繊維複合材料に代えて、上記低熱膨張係数をもつ特殊ガラスを使用することもできる。更に、前記検出器支持部材１８は、線膨張係数測定方向の厚さを比較的薄く製作することができる。このため、外気温を適度に制御することにより、上記特殊ガラスよりも線膨張係数が大きい鉄−ニッケル合金を主成分とする上記合金材を使用することもできる。
【００６４】
一方、前記支持棒２３は長尺状の被測定物Ｐよりも長い寸法に設定される。このため、前記検出器支持部材１８と較べて前記ヒーターボックス５のボックス室５ｄの経時的な温度変化の影響を受けやすい。本実施形態にあっては、各検出器支持部材１８の間の間隔を２，４００ｍｍに設定すると共に、前記支持棒２３の材質として温度変化による伸縮の少ない材料、例えば炭素繊維複合材料を使用している。また、炭素繊維複合材料に代えて、上記特殊ガラスを使用することもできる。
【００６５】
図示例によれば、前記支持棒２３は、中空円筒部材により構成されているが、連結部材である支持棒２３に代えて、円形断面を有する長尺の中実体、断面が多角形などの他の断面形状を有する連結部材、或いは図７に示すように肉厚状の支持板２４を使用することができることは勿論である。本実施形態にあっては、この支持板２４の厚みは３０ｍｍであり、その幅が１２０ｍｍである。各検出器支持部材１８の間の間隔は２，４００ｍｍに設定する。前記支持板２４の材質として、同じく上記低熱膨張係数をもつ特殊ガラス、又は炭素繊維複合材料を使用することができる。
【００６６】
本実施形態にあっては、前記検出器８にはレーザーホロゲージ式変位計測器が使用されている。このレーザーホロゲージ式変位計測器の精度は、全測定範囲にわたって１×１０−５ｍｍ以下であり、長さが２，０５５ｍｍの被測定物であるパイプの線膨張係数の計測にあたっては、温度差が１０℃の線膨張係数を測定する場合でも、その誤差は最大に見積もっても、０．００１×１０−６（１／℃）以下と極めて小さく十分に高精度の測定を行うことができる。
【００６７】
また、前記検出器８は、反射式レーザー計測器とは異なり、計測範囲が１台で１０ｍｍ（２台で２０ｍｍ）と極めて広いため、被測定物Ｐの線膨張係数は非常に小さいものから非常に大きいものまで測定可能である。また、被測定物Ｐの設置も、前記被測定物支持具６の上に置くだけの簡単な操作で、被測定物Ｐの線膨張係数を測定できるいう利点を有している。また、前記検出器８は、レーザー光路が堅牢な容器内のみであるため、従来のごとく外部の空気の流れ、空気温度の変化、外部の外乱を受けることなく安定した高精度の計測が可能となる。
【００６８】
以下に、本発明の上記線膨張係数測定装置１を使用して、被測定物Ｐの線膨張係数を測定する方法について説明する。
被測定物Ｐの線膨張係数を測定するにあたっては、先ず、開放されたヒーターボックス５のボックス室５ｄ内に配された被測定物支持具６の被測定物支持部６ａに被測定物Ｐを載置する。次に、被測定物Ｐの測定方向両端を前記移動子７の被測定物固定部７ｂに固定する。前記シール部１９の遮蔽板取付ビス２０ｂを緩めて遮蔽板２０をその長孔に沿って上下動させ、同遮蔽板２０の配置位置を調整し、前記移動子７を安定した状態に支持する。次いで、前記ヒーターボックス５の外側両端部に配された検出器支持部材１８同士を、支持棒取付ビス２３ａを緩めることにより支持棒２３に沿って移動させて任意の間隔に調節し、各検出器８の検出端を前記移動子７の検出器接触部７ｄに接触させる。
【００６９】
上記操作の終了後にヒーターボックス５を閉鎖する。そののち、加熱装置９によりヒーターボックス５の内部を加熱し、ヒーターボックス５のボックス室５ｄ内の温度が一定になるように制御する。この温度における被測定物Ｐの測定方向のセット位置を各検出器８により予め検出しておく。次に、ヒーターボックス５の内部の温度を、その被測定物の使用分野における使用時の雰囲気温度を想定して、所要の温度範囲まで昇温させる。本実施形態では、レーザ発信機が使用される場所の雰囲気温度として１０〜６０℃の温度範囲に設定している。そして、ヒーターボックス５内の温度が変化したときの被測定物Ｐの長さ変化を、移動変位する各移動子７の移動変位量で、それぞれ各検出器８により独立して検出する。
【００７０】
検出された移動変位量に応じた信号は、それぞれ各検出器８から加算器１６を介して上記中央制御部１１のデータロガ１２へと出力され、同データロガ１２で各移動子７の移動量の合計に基づき被測定物Ｐの温度変化による線膨張係数を算出する。算出された線膨張係数は予め定められたプログラムに従って信号処理され、上記パソコン１７へと出力される。こうして、２個の検出器８，８による計測データの和又は差をもって被測定物Ｐの温度変化による線膨張係数を算出することができるため、高い精度で安定した測定を行うことができる。
【００７１】
上記実施形態では、ヒーターボックス５内の被測定物支持具６に支持された被測定物Ｐの測定方向の両端にそれぞれ移動子７の一端部を取り付けると共に、各移動子７の他端部を前記ヒーターボックス５の内外にわたり移動自在に取り付け、同ヒーターボックス５の外部両端にそれぞれ配された検出器８を各移動子７の他端部に対向させることにより被測定物Ｐの測定方向の両端部の線膨張係数を測定しているが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明にあっては、例えば被測定物Ｐの測定方向の一端に前記移動子７の一端部を取り付けると共に、前記検出器８を前記移動子７の他端部に対向させることにより、被測定物Ｐの測定方向の一端部の線膨張係数を測定することができることは勿論である。
【００７２】
従来の一般的な線膨張係数の測定装置のごとく、被測定物の測定方向の一端を支持部材に固定し、被測定物の測定方向の他端に検出器を配することにより、同検出器にて被測定物の一端の変位量を直接検出して線膨張係数を計測する場合は、被測定物の一端を不動となるように確実に固定することができるという保証はなく、測定誤差の原因につながる。
【００７３】
本発明にあっては、被測定物Ｐの両端にそれぞれヒーターボックス５の内外にわたり移動可能な移動子７を固定する場合には、同移動子７の水平方向の動きが拘束されることなく移動でき、しかも移動子７の移動量をヒーターボックス５の外部に配された検出器８をもって検出するため、被測定物自体の熱膨張による変位量を移動子７の移動変位量に変換すると共に、ヒーターボックス５内の温度に影響されない検出器８による計測データから線膨張係数を正確に得ることができる。
【００７４】
以下に、本発明の更に具体的な実施例について説明する。本発明の線膨張係数測定装置１は、温度制御されたヒーターボックス５のボックス室５ｄにて被測定物Ｐの線膨張係数を測定する場合であっても、その室温は、経時的に若干の温度変化がある。このため、被測定物Ｐの線膨張係数測定がボックス室５ｄ内の温度変化によって影響を受けることがないように、前記被測定物支持具６、前記移動子７、前記検出器支持部材１８及び支持棒２３の線膨張係数は極めて小さい値であることが好ましい。
【００７５】
（被測定物支持具）
前記被測定物支持具６の材料として使用される炭素繊維複合材料の線膨張係数は、使用する炭素繊維の種類、炭素繊維とマトリックス樹脂との比率、各繊維の配向角度の組合わせにより決定される。後述する炭素繊維強化樹脂パイプと同様にパイプを製作し、これを被測定物支持具６とした。被測定物支持具６の線膨張係数は、温度が２０〜６０℃の範囲にあって絶対値が０．０３５×１０−６（１／℃）以下の範囲に入っており（図１１）、温度変化による上下方向の伸縮は、６×１０−５ｍｍ以下であり、前記線膨張係数測定装置１の測定性能を十分に満足するものであった。
【００７６】
（移動子）
図８は、移動子７に使用された炭素繊維複合材料の２０〜６０℃における線膨張係数の変化の一例を示すグラフである。図中に示す折れ線グラフは、ヒーターボックス５のボックス室５ｄの温度に対する移動子７の線膨張係数の変化を示している。
【００７７】
前記移動子７の線膨張係数は、同図から明らかなように、２０℃において−０．０３５×１０−６（１／℃）、６０℃において＋０．０３５×１０−６（　１／℃）　である。若干の温度依存性を有するが、被測定物Ｐを２０〜６０℃の範囲にわたって線膨張係数を測定する場合は、その誤差は最大でも０．００３４×１０−６（１／℃）以下であり、十分に測定精度が高く実用的にはなんらの問題もない。温度４０〜５０℃の範囲において、移動子７の線膨張係数は零であり、移動子７による誤差は全く考慮しなくてもよいことが分かる。本実施例では、若干の温度依存性のある移動子７を用いたが、既述したごとく炭素繊維の種類、繊維配向性、体積含有率を調節することにより、任意の温度で線膨張係数を零にすることが可能となり、広い温度範囲にわたって、移動子７の線膨張係数を零にすることが可能である。
【００７８】
この移動子７を、炭素繊維複合材料の代わりに、上記低熱膨張係数をもつ特殊ガラスを用いて製作した。図９は移動子７に使用された前記低熱膨張係数をもつ特殊ガラスの０〜８０℃における線膨張係数の変化を示している。この特殊ガラスは、低温域において若干プラスの線膨張係数を有するが、高温域に移行するに伴い線膨張係数は漸次減少し、８０℃において零となり、２０〜６０℃における平均の線膨張係数は、７．２６６×１０−８（１／℃）となる。被測定物Ｐを２０〜６０℃の範囲にわたって線膨張係数を測定するにあたっては、移動子７の熱膨張によって被測定物Ｐが受ける線膨張係数は、最大でも、７×１０−９（１／℃）以下の非常に小さい値であり、その移動子７の熱膨張による影響は無視できる。
【００７９】
（検出器支持部材）
前記検出器支持部材１８における鉄、ニッケルを主成分とする上記合金材の線膨張係数は、２０℃において０．６×１０−６（１／℃）のものを使用した。そして、線膨張係数測定方向の厚さは、薄い方が伸縮の影響を受けないため、線膨張係数測定方向の厚さを２０ｍｍとした。また、この検出器支持部材１８を使用して、被測定物Ｐの線膨張係数を測定するにあたっては、ヒーターボックス５のボックス室５ｄの温度は２０℃にて実施した。実際のボックス室５ｄの温度は測定時間内で約０．２℃の温度変化があったが、これによって影響を受ける被測定物Ｐの線膨張係数は、最大でも、０．００００６×１０−６（１／℃）以下であり、測定精度には全く問題はなかった。
【００８０】
一方、前記検出器支持部材１８の連結部材である支持棒２３に使用した炭素繊維複合材料は、炭素繊維の種類、配向角度、体積含有率等によって線膨張係数の値を設計可能であるから、ヒーターボックス５のボックス室５ｄ内の温度２０℃にて線膨張係数が零になる炭素繊維複合材料からなる成形品とした。この炭素繊維複合材料成形品の積層には、三菱レイヨン製炭素繊維プリプレグＨＲＸ３５０Ｃ２１０Ｓを支持棒２３の長手方向に使用すると共に、三菱レイヨン製炭素繊維プリプレグＴＲ３５０Ｇ１２５Ｓを支持棒２３の長手方向と直交する方向に使用し、その比率を２．９３６対１とした。
【００８１】
図１０は支持棒２３の１５〜５０℃における線膨張係数の変化の一例を示している。図中に示す折れ線グラフは、ヒーターボックス５のボックス室５ｄの温度に対する支持棒２３の線膨張係数の変化を示している。同図から明らかなように、ボックス室５ｄの温度２０℃において、支持棒２３の線膨張係数は零となっている。従って、上述のごとき炭素繊維複合材料と積層形態を支持棒２３に採用することにより、２０℃における長手方向の線膨張係数は零となり、前記ボックス室５ｄ内の経時的な温度変化である０．２℃の範囲では、被測定物Ｐの線膨張係数に及ぼす影響は十分に無視できるものであった。なお、本実施例では、２０℃における線膨張係数が零になる積層形態を選定したが、炭素繊維複合材料の線膨張係数は任意に設計することができるため、例えば室温が３０℃のときは３０℃において線膨張係数が零になる積層構造を採用することができる。
【００８２】
また、前記支持棒２３を、炭素繊維複合材料の代わりに、上記特殊ガラスを用いて製作した。ヒーターボックス５のボックス室５ｄの温度を２０℃に設定して、被測定物Ｐの線膨張係数を測定した場合は、上述のごとく測定中の室温の変化は０．２℃である。このため、ヒーターボックス５のボックス室５ｄの温度変化による支持棒２３の伸縮は、図９に示すように前記特殊ガラスの２０℃における線膨張係数は１．１×１０−７であるから、約５．３×１０−５ｍｍとなる。この値は、炭素繊維複合材料製の支持棒よりも大きな値であるが、被測定物Ｐの線膨張係数に与える影響は６．４×１０−１０　（１／℃）であり、実質的に測定誤差として十分に無視できる。
【００８３】
以上のごとく構成された本発明の線膨張係数測定装置１を使用して、レーザ発信機の成形部品として使用される被測定物である炭素繊維強化樹脂パイプの線膨張係数を製品形状のままで測定した。
【００８４】
この炭素繊維強化樹脂パイプの製作には、三菱レイヨン製プリプレグ、パイロフィルＨＲＸ３５０Ｃ２１０Ｓを使用し、それと直角方向に同じくＴＲ３５０Ｇ１２５Ｓを軸方向断面積比率でＨＲＸ３５０Ｃ２１０Ｓ／ＴＲ３５０Ｇ１２５Ｓ＝３．４１６となるように、長さ２，０５５ｍｍ、直径２６ｍｍの鋼製マンドレルを用いて配向積層し、加熱硬化後、所望の寸法に切り出し、長尺複合材成形品である炭素繊維強化樹脂パイプを得た。
【００８５】
図１１は長尺複合材成形品である炭素繊維強化樹脂パイプの温度変化に対する線膨張係数の変化の一例を示している。前記線膨張係数測定装置１を使って、温度が１０〜６０℃の範囲において、前記パイプの線膨張係数を測定したところ、このパイプの線膨張係数は絶対値で０．５×１０−６（１／℃）の範囲にあり、パイプの長さ変化を極めて低く抑えることができた。また、パイプの３点曲げ試験を行ったところ、その弾性率は１５５ＧＰａであった。
【００８６】
更に、複数本の前記パイプを試作し、上記測定及び試験と同様な条件下で、各パイプの線膨張係数を測定したところ、温度１０〜６０℃の範囲内にあって絶対値が０〜０．５×１０−６（１／℃）以下に安定化していた。そして更に、前記パイプの３点曲げ試験を行ったところ、その弾性率は１４０ＧＰａ〜２００ＧＰａであった。
【００８７】
このように、前記炭素繊維強化樹脂パイプは、線膨張係数が、温度１０〜６０℃の範囲内にあって絶対値が０〜０．５×１０−６（１／℃）以下であり、３点曲げ試験における弾性率が１４０ＧＰａ〜２００ＧＰａで安定化しているため、レーザ発信機に使用される成形部品の長さの変化を所定の温度範囲において極めて低く抑えることができる。従って、高精度及び高品質のレーザ発信機の成形部品が安定して得られる。
【００８８】
また、レーザ発信機の成形部品の構成部材として使用される炭素繊維強化樹脂パイプを本発明の線膨張係数測定装置１の支持棒２３等の成形品に使用することができる。この場合は、線膨張係数が、温度１０〜６０℃の範囲内にあって絶対値が０〜０．５×１０−６（１／℃）以下であり、３点曲げ試験における弾性率が１４０ＧＰａ〜２００ＧＰａで安定化しているため、線膨張係数測定装置１の測定精度を高めることができ、線膨張係数測定装置１の品質を良好に確保することができる。
【００８９】
なお、材質が炭素繊維強化樹脂材料からなるレーザ発信機用の繊維強化樹脂パイプを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば高精度及び高品質が要求される測定機、加工機その他の精密機器などの成形部品の構成部材にも使用できることは勿論である。また、計測機、加工機、レーザ発信機等の各種の精密機器に使用するにあたって、その適用分野における雰囲気温度、剛性及び強度などに応じて、材質がＬｉ２　Ｏ−Ａｌ２　Ｏ３　−ＳｉＯ２　系の結晶化ガラスである上記ガラス材料を有効に使用することもできることは勿論である。
【００９０】
以下に、本発明の更に具体的な実施例について比較例と共に説明する。
図１２は本発明の線膨張係数測定装置１を使って計測された成形部品の線膨張係数の変化の一例を示している。図１３は従来の線膨張係数測定装置を使って計測された成形部品の線膨張係数の変化の一例を示している。本発明の線膨張係数測定装置１及び従来の線膨張係数測定装置を使用して、計器類に使用される炭素繊維強化樹脂材からなる成形部品を製造された実物の形状や大きさをもって、その成形部品の線膨張係数を３回ずつ測定した。その結果を図１２及び図１３に示すグラフ上に◆、●、■でプロットしている。なお、本実施例では、計器類が使用される場所の雰囲気温度としてボックス室５ｄの温度を２０〜６０℃の範囲に設定した。
【００９１】
これらの図から明らかなように、本発明の線膨張係数測定装置１は、４０℃における成形部品の長手方向の線膨張係数は零となり、成形部品の線膨張係数が、温度２０〜６０℃の範囲内にあって絶対値が０〜０．５×１０−６（１／℃）以下と、熱膨張による測定障害を起こすことなく高い精度で安定した測定を行うことができると共に、周辺温度の影響を受けることなく成形部品の正確な熱膨張による長さの変化を計測できるということが分かる。一方、従来の線膨張係数測定装置では、同じ条件下で成形部品の線膨張係数を測定するごとに、その線膨張係数が異なり、実用に耐え得るに十分な精度の高い安定した測定を行うことができないということが分かる。
【００９２】
以上の点から、本発明の線膨張係数測定装置１は、従来の線膨張係数測定装置による線膨張係数測定と比較して測定誤差が小さく、データの信頼性を実現させ得るかが理解できる。
【００９３】
以上の説明からも明らかなように、本実施形態に係る線膨張係数測定方法及び測定装置１は、長尺状の製品を切断することなく、製品形状のままで測定できるため、顧客に納入する製品の品質を直接に保証することができるようになる。また、線膨張係数が極めて小さい製品の場合は、一般的に測定誤差が大きく、データの信頼性が得られないが、本発明の線膨張係数測定方法及び測定装置１は、長尺状製品を切断してサンプル化することなく、製品自体を直接計測することができるため、非常にデータのバラツキが少なくなり、データの高い信頼性が得られる。
【００９４】
所要の温度範囲にわたって被測定物Ｐの線膨張係数を測定する場合は、炭素繊維の種類、繊維配向性、体積含有率等を変更調節することにより、計測機、加工機、レーザ発信機等の各種の精密機器に使用する分野にあたって、その雰囲気温度に応じて成形部品の線膨張係数を零にすることができる。更に、広い温度範囲にわたって線膨張係数測定装置１の構成部品の線膨張係数を小さくして被測定物Ｐの線膨張係数測定がヒーターボックス５のボックス室５ｄ内の温度変化によって影響を受けることを防止することができ、精度の高い線膨張係数の測定を実施することができる。なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、それらの実施形態から当業者が容易に変更可能な技術的な範囲をも当然に包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の代表的な実施形態である線膨張係数測定装置の一例を概略的に示す全体構成図である。
【図２】同線膨張係数測定装置に適用されるヒーターボックスを概略的に示す要部断面図である。
【図３】同線膨張係数測定装置に適用される被測定物支持具と被測定物の配置状態を概略的に示す要部斜視図である。
【図４】同線膨張係数測定装置に適用される移動子を概略的に示す断面図である。
【図５】同線膨張係数測定装置に適用されるシール部を説明する説明図である。
【図６】同線膨張係数測定装置に適用される検出器支持部材を説明する説明図である。
【図７】同検出器支持部材の変形例を説明する説明図である。
【図８】同線膨張係数測定装置を使って測定したときの同装置に適用される移動子の温度変化による線膨張係数の変化の一例を示すグラフである。
【図９】同線膨張係数測定装置を使って測定された低熱膨張性特殊ガラスの温度変化に対する線膨張係数の変化の一例を示すグラフである。
【図１０】同線膨張係数測定装置を使って測定したときの同装置に適用される連結部材の温度変化による線膨張係数の変化の一例を示すグラフである。
【図１１】同線膨張係数測定装置を使って測定したときの長尺複合材成形品の温度変化に対する線膨張係数の変化の一例を示すグラフである。
【図１２】同線膨張係数測定装置を使って測定したときの他の複合材成形品の温度変化に対する線膨張係数の変化の一例を示すグラフである。
【図１３】従来の線膨張係数測定装置を使って測定したときの複合材成形品の温度変化に対する線膨張係数の変化の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
１　　　　　線膨張係数測定装置
２　　　　　振動防止装置
３　　　　　架台
４　　　　　ヒーターボックス載置台
５　　　　　ヒーターボックス
５ａ　　　　筐体
５ｂ　　　　断熱材
５ｃ　　　　発熱体
５ｄ　　　　ボックス室
６　　　　　被測定物支持具
６ａ　　　　被測定物支持部
７　　　　　移動子
７ａ　　　　移動子本体
７ｂ　　　　被測定物固定部
７ｃ　　　　セット用ビス
７ｄ　　　　検出器接触部
７ｅ　　　　セット用ネジ
８　　　　　検出器
９　　　　　加熱装置
１０　　　　温度制御装置
１１　　　　中央制御部
１２　　　　データロガ
１４　　　　熱電対
１５　　　　測温抵抗体
１６　　　　加算器
１７　　　　パソコン
１８　　　　検出器支持部材
１９　　　　シール部
２０　　　　遮蔽板
２０ａ　　　嵌着孔
２０ｂ　　　遮蔽板取付ビス
２１　　　　内側スリーブ
２２　　　　外側スリーブ
２３　　　　支持棒
２３ａ　　　支持棒取付ビス
２４　　　　支持板
Ｐ　　　　　被測定物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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