(57)【要約】【課題】材料の変形量を、より高い精度で、安定して測定できる変形量測定装置を得る。【解決手段】恒温恒湿槽１４内にレーザー干渉計９と、レーザー干渉計９に対向して設置された試験片格納装置１２を備え、試験片格納装置１２は、平面ハーフミラー４と、平面ハーフミラー４に対して鏡面が向かい合うようにスプリング５で接続された平面ミラー３を備え、試験片１の吸湿変形による変位を平面ミラー３と平面ハーフミラー４の位置関係に反映させ、平面ミラー３の反射光と平面ハーフミラー４の反射光の干渉により生じる干渉縞の変化量をレーザー干渉計９で測定することにより、試験片１の変形量を測定する。【選択図】        図１
2005017134.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
恒温恒湿槽と、
上記恒温恒湿槽内に設置されたレーザー干渉計と、
上記恒温恒湿槽内に、上記レーザー干渉計に対向して配置された平面半透鏡と、
上記平面半透鏡を挟んで上記レーザー干渉計と反対側に配置され、上記平面半透鏡に鏡面が向かい合うように、弾性体によって可動に設置された平面鏡と、
上記平面鏡を挟んで上記平面半透鏡と反対側の、上記レーザー干渉計と上記平面半透鏡を結ぶ線の延長上に配置され、測定試料及び基準試料を両試料が上記平面鏡の上記鏡面と反対側の面に接するように設置するための支持体とを備えた変形量測定装置。
【請求項２】
恒温恒湿槽内にガイドレールを備え、上記ガイドレールに沿ってレーザー干渉計又は平面半透鏡と平面鏡と支持体が移動可能に配置されることを特徴とする請求項１記載の変形量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、材料の変形量を測定する変形量測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
衛星搭載用宇宙望遠鏡などの宇宙用機器や、宇宙用構造物の構造材料として一般的に使用されている材料にＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ  Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃ：炭素繊維強化プラスチック）がある。ＣＦＲＰを形成する樹脂は、空気中の水分を吸収して重量増加や変形を生じることが知られている。宇宙用構造物は湿度５０〜６０（％）の地上環境から湿度０％の宇宙環境へ打ち上げられるため、宇宙環境での脱湿による変形量は非常に大きい。特に、ＣＦＲＰ製の精密測定機器などでは、脱湿変形により宇宙環境での測定精度が大幅に低下する可能性があり、測定値の信頼性も低下する。従って、宇宙環境で高い測定精度を維持するためには、精密測定機器の構造部材としては吸湿及び脱湿変形の少ないＣＦＲＰを適用する必要がある。それと同時に、宇宙用構造部材の吸湿及び脱湿変形量を精密に測定する技術も必要となる。なお、宇宙環境では上記のように脱湿変形が生じるが、脱湿変形量と吸湿変形量は等しいと考えられるので、脱湿変形の測定装置・方法の代わりに吸湿変形の測定装置・方法を考えればよい。
【０００３】
従来の吸湿変形を測定する方法の１つとして、作動トランスを利用する方法を挙げることができる。この例として、特許文献１に開示された従来の吸湿膨張係数の測定装置がある。
特許文献１に開示された測定装置では、一定温度／湿度環境に保たれたチャンバー内に設置された作動トランスに、あらかじめ脱湿された試験片をセットする。試験片の吸湿による長さ変化量を作動トランスで読み取ることにより、吸湿膨張係数を測定する。試験片としては、例えば、人工衛星に搭載される光学部品の材料として用いられる黒鉛／エポキシ樹脂複合材料等が適用される。
【０００４】
また、別の方法として、複合材料等の吸湿変形量をレーザー変位計を用いて測定する方法が知られている。この方法では、試料の両側から試料に向けて発射されたレーザービームが、試料端部に取り付けられたゼロ膨張の反射鏡で反射され、元の位置まで戻るまでの時間を、試料の両側に配置されたレーザー変位計で測定する。レーザービームが戻るまでの時間の変位量から試料の吸湿変形量が求められる。
【０００５】
【特許文献１】
米国特許第５２４９４５６号明細書
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１で示されるような従来の作動トランスを利用した測定方法では、測定結果が作動トランスのノイズの影響を受け、３〜１０ｐｐｍ（ｐｐｍは百万分率）程度の精度でしか吸湿変形量が測定できないという問題がある。このノイズの原因として考えられるのは、試験片が作動トランスに吊り下げられた形で固定されるため、測定の際、試験片が収縮することによって生じるわずかな振動である。しかし、近年高まってきている精密機器へのより高い精度要求を満たすためには、より高い精度で吸湿変形量を測定する必要がある。
【０００７】
また、上記のレーザー変位計を用いて測定する方法では、長期間（１日以上）連続して測定を行なうと、試験片に変形がなくても試験片が変形していくかのような挙動、すなわち測定値が時間とともに変化していく現象がみられることが知られている。この測定値のシフトの原因の１つとして考えられるのは、レーザーの出力安定性である。一般に、レーザーは、定格出力を中心として、約５分間で±１％、約１０時間で±３％程度の振幅の変化が生じることが知られており、測定時間が長時間になるほど振幅は大きくなる。このため、１週間以上の長時間の測定が必要な吸湿変形測定においては、安定した信頼しうるデータが得られないという問題がある。
【０００８】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、材料の変形量を、より高い精度で、かつ経時変化なしに安定して測定できる変形量測定装置を得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る変形量測定装置は、恒温恒湿槽と、恒温恒湿槽内に設置されたレーザー干渉計と、恒温恒湿槽内に、レーザー干渉計に対向して配置された平面半透鏡と、平面半透鏡を挟んでレーザー干渉計と反対側に配置され、平面半透鏡に鏡面が向かい合うように、弾性体によって可動に設置された平面鏡と、平面鏡を挟んで平面半透鏡と反対側の、レーザー干渉計と平面半透鏡を結ぶ線の延長上に配置され、測定試料及び基準試料を両試料が平面鏡の鏡面と反対側の面に接するように設置するための支持体とを備えたものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の様々な形態を説明する。
実施の形態１．
図１（ａ）は、この発明の実施の形態１による変形量測定装置１００に含まれる試験片格納装置１２の構造を示す鳥瞰図であり、図１（ｂ）は、変形量測定装置１００の全体を図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面で見た断面図である。
変形量測定装置１００は、恒温恒湿槽１４を備え、恒温恒湿槽１４内部にレーザー干渉計９及び試験片格納装置１２が備えられている。試験片格納装置１２は、外枠８で囲まれた直方体の装置であり、直方体の軸線方向の延長上にレーザー干渉計９が設置されている。
【００１１】
試験片格納装置１２には、試験片１（測定試料）、リファレンス２（基準試料）、平面ミラー３、平面ハーフミラー４が備えられている。試験片１は、変形量の測定対象であり、例えば、ＣＦＲＰ等の材料で断面が一定な棒状に形成されている。リファレンス２は、例えばゼロ膨張ガラスや石英のような、試験片１と比べて吸湿変形をほとんど生じない材料で形成されている。リファレンス２も試験片１と同様に断面が一定な棒状に形成されている。
平面ハーフミラー４は、外枠８のレーザー干渉計９と向き合う面にはめ込まれる形で設置されており、レーザー干渉計９からの入射光６を透過及び反射する。平面ミラー３は、平面ハーフミラー４が設置されている外枠８の内側にスプリング５を介して接続されている。試験片１及びリファレンス２は、一端が平面ミラー３の背面に接するように設置される。平面ミラー３と平面ハーフミラー４を接続するスプリング５は、試験片１及びリファレンス２が圧入されることにより圧縮され、これにより、万が一試験片１が縮んだ場合でも、試験片１と平面ミラー３が離れるのを防ぐことができる。
【００１２】
次に、実施の形態１による変形量測定装置１００の測定原理について説明する。
実施の形態１は、レーザー干渉計９から発振され平面ミラー３で反射されるレーザー光と、平面ハーフミラー４で反射されたレーザー光の干渉によって生じる干渉縞の変化量から、試験片１の吸湿による変形量を測定する。
【００１３】
図２は、変形量測定装置１００の測定原理を説明するための図である。図２（ａ）は、図１（ａ）の試験片格納装置１２を上面から見た図であり、図２（ｂ）及び（ｃ）は、図２（ａ）に示すＢ部の拡大図である。図２（ｂ）は、試験片１が吸湿により膨張する前の状態を示し、図２（ｃ）は試験片１の吸湿による膨張後の状態を示している。試験片１及びリファレンス２の平面ミラー３に接する面と反対側の一端には、試験片１の初期位置の微調整に使用するマイクロメータ（図示せず）が備えられており、試験片１の吸湿変形前の状態でも、リファレンス２と試験片１の長さに差を設けている。平面ミラー３は試験片１とリファレンス２の長さに応じて、固定された平面ハーフミラー４に対する傾斜角を変化させる。
【００１４】
レーザー干渉計９から発振された入射光６は、試験片等格納装置１２に取り付けられた平面ハーフミラー４で透過光と反射光１１に分割される。透過光は平面ミラー３で反射される（反射光１０）。反射光１０及び平面ハーフミラー４での反射光１１は、レーザー干渉計９に入り、干渉計内部で図３に示すような干渉縞を形成する。ここで、図３（ａ）は、試験片１が吸湿により変形する前の状態での干渉縞の測定例を表し、図３（ｂ）は、試験片１の吸湿変形後の干渉縞の測定例を表している。
【００１５】
図２に示すように、試験片１は平面ミラー３の背面に接しているため、吸湿により試験片１の長さが変化すると、平面ミラー３が押されてスプリング５が収縮することにより、平面ミラー３と平面ハーフミラー４間の角度が変化する。その結果、平面ミラー３での反射光１０と平面ハーフミラー４での反射光１１の行路差が試験片変形前と比べて変化する。このため、角度変化に応じてレーザー干渉計９で観測される干渉縞に変化が生じる。吸湿変形による試験片１の長さの変位量を、予め得られている干渉縞の変化量と試験片変形量の関係を用いて算出することができる。
【００１６】
次に、具体例を用いて実施の形態１による変形量測定装置１００の効果について説明する。
例えば、精密な寸法安定性が必要とされる衛星搭載用宇宙望遠鏡に使用されるＣＦＲＰ製トラスパイプ（長さ５００ｍｍ、外径３０ｍｍ、厚さ２．０ｍｍ程度）の吸湿変形を測定する場合を例として説明する。実際には、湿度５０〜６０（％）の地上環境から湿度０％の宇宙環境へ打ち上げられるため脱湿過程での変形量の測定になるが、ここでは、部材を乾燥させて水分を完全に取り除き、湿度０％にした後、一定の湿度・温度の環境下で部材を保持し、吸湿過程での変形量を測定する。
【００１７】
測定の具体的手順について説明する。まずＣＦＲＰの試験片１の水分含有率を０％にするため、試験片１を真空オーブンの中に入れ、１００℃の真空環境下に約４８時間曝してベーキングし、その後２３℃の真空環境下に約２４時間曝す。測定試験を行なう恒温恒湿槽内の温度／湿度環境は２３℃／５５％であるため、１００℃の真空環境から直ぐに恒温恒湿槽内に移すと、測定中に吸湿変形だけでなく熱変形も生じる。これを避けるため、試験用恒温恒湿槽内に移す前に、槽内の温度環境と等しい温度環境下（２３℃）に試験片を曝し、恒温恒湿槽内に移した後に熱変形が生じないようにする必要がある。脱湿に要する時間は主に試験片１の板厚と関係し、試験片１の板厚が厚い程、時間がかかることが一般的に知られている。このため、試験片１が厚い場合は、より長時間真空オーブンに入れておく必要がある。
【００１８】
次に、一定温度／湿度環境［温度２３℃、湿度５５％ＲＨ（クリーンルーム環境）；温度変動幅：±０．３℃、湿度変動幅：±２．５％ＲＨ］に保たれた恒温恒湿槽１４に設置された、図１（ａ）に示すような試験片格納装置１２に試験片１をセットし、干渉縞が生じるようにレーザー干渉計９の調整を行なう。なお、ここではレーザー干渉計９にＦＵＪＩＮＯＮ社製のＦ６０１を用いた。このレーザー干渉計９では、レーザー光源としてＨｅ−Ｎｅレーザー（波長：６３０ｎｍ）を使用しており、干渉縞１つあたりの間隔は半波長分の約３００ｎｍ（＝０．３μｍ）となる。また、ここでの試験片１の長さは５００ｍｍなので、測定精度は、０．３×１０−６／５００×１０−３＝０．６ｐｐｍ程度となる。
【００１９】
ここで、恒温恒湿槽１４の温度変動幅は±０．３℃であり、０．６×１０−６／０．３＝２ｐｐｍ／Ｋ以上の線膨張率を持つ材料で試験片等格納装置１２の外枠８を作製すると、恒温恒湿槽１４内の温度を一定に保っていても、恒温恒湿槽１４の微小な温度変動により試験片等格納装置１２の外枠８が変形し、この変形量がノイズとなって測定結果に影響を与える可能性がある。そのため、試験片等格納装置１２の外枠８は吸湿変形を生じず、かつ線膨張率の小さい材料を使用して作成する必要がある。例えば、ゼロ膨張ガラス（線膨張率：０．１ｐｐｍ／Ｋ以下、吸湿膨張率：０）や石英（線膨張率０．２ｐｐｍ／Ｋ：、吸湿膨張率：０）等を使用することができる。なお、ここでは、試験片格納装置１２の外枠８の材料として、石英で作製した装置を使用して試験した。
【００２０】
実際の測定では、干渉縞はレーザー干渉計９に付属のモニターに映し出されるので、この画像を一定時間ごと（３０分毎、２時間毎等）にビデオキャプチャーを用いてコンピュータに取り込み、取り込んだ画像から縞の本数の時間的な変化量を調べ、その変化量を基に試験片の吸湿変形量を逆算する。
【００２１】
図３（ａ）、（ｂ）に示す干渉縞の測定例を用いて説明する。図に示すように、左上方から右下方に向かって傾斜した濃淡の干渉縞模様が見られ、試験片変形の前後で干渉縞の本数や間隔に変化が生じている。
なお、今回測定した試験片１の長さでは、完全に吸湿過程が終了するまで３ヶ月程度必要と考えられるため、その間、一定時間ごとの測定を継続する必要がある。
【００２２】
以上のように、実施の形態１の変形量測定装置１００を使用することにより、１ｐｐｍ程度の高い測定精度が得られる。従来の作動トランスを使用する装置で得られる３〜１０ｐｐｍ程度の精度に比べると、高い精度で試験片の吸湿変形量を測定することが可能となる。
【００２３】
また、従来のレーザー変位計による測定のように、測定対象物からの反射光を基に変形量を測定せず、２本の反射光の行路差を利用して変形量を測定しているので、レーザー出力の安定性の影響を受けず、時間経過による測定値のシフトの問題が発生しないことが確認されている。
【００２４】
以上のように、この実施の形態１によれば、試験片１の吸湿変形による変位を平面ミラー３と平面ハーフミラー４の位置関係に反映させ、平面ミラー３の反射光と平面ハーフミラー４の反射光の干渉により生じる干渉縞の変化量をレーザー干渉計９で測定することにより、試験片１の変位量を測定するようにしたので、レーザー光源の安定性等に依存せず、精密で安定した測定結果が得られるという効果がある。
【００２５】
なお、実施の形態１では、吸湿及び脱湿による材料の変形量を測定しているが、吸湿（脱湿）以外の原因による変形量の測定装置にも利用することが可能である。
【００２６】
また、実施の形態１では、平面ミラー３はスプリング５を介して平面ハーフミラー４に接続されているが、例えば、平面ミラー３と試験片格納装置１２の直方体の軸線方向と平行な両側の外枠８をスプリング５で接続することにより、平面ミラー３を実施の形態１と同様の配置にしてもよい。この場合にも、スプリング５の伸縮により、試験片１の変形を平面ミラー３と平面ハーフミラー４の位置関係に反映することができる。
【００２７】
実施の形態２．
実施の形態２では、複数の試験片の吸湿変形量を一度に連続して測定することを可能にする。
図４は、この発明の実施の形態２による変形量測定装置２００の構造を示す斜視図である。図１（ａ）、（ｂ）と同一の符号は同一の構成要素を表している。図４に示すように、変形量測定装置２００には、恒温恒湿槽１４内にレーザー干渉計９を載せて移動可能な精密位置決め機構付きのガイドレール１３が備えられている。このガイドレール１３上にレーザー干渉計９を載せて移動させることにより、恒温恒湿槽１４内に設置された複数の試験片格納装置１２に設置された試験片１の吸湿変形量を連続して測定することが可能となる。また、試験片格納装置１２の内部は、実施の形態１と同様の構成になっている。
【００２８】
実際に、図４に示すような測定装置を用いて、ＣＦＲＰ製トラスパイプ（長さ５００ｍｍ、外径３０ｍｍ、厚さ２．０ｍｍ程度）の試験片５個の吸湿変形量を一度に連続して測定した結果、短期間で所期のデータが得られ、吸湿変形量測定の効率化を図ることができた。
【００２９】
以上のように、この実施の形態２によれば、複数の試験片を一度にまとめて測定できる効率の良い測定装置を得ることができる。上述のようなトラストパイプでは、肉厚が非常に厚いため、測定終了までに３ヶ月以上の期間が必要となる。このようなパイプを多数測定する場合、一つの試験片格納装置だけを用いて行うと、全測定を終了するまでに数年間の期間が必要である。
【００３０】
なお、実施の形態２では、試験片格納装置１２を恒温恒湿槽１４内に固定し、レーザー干渉計９を移動させる構成としたが、レーザー干渉計９を固定して試験片格納装置１２を移動させる構成とすることも可能である。ただし、試験片格納装置１２を動かすと、内部の試験片が動き、測定が失敗する可能性がある。また、限られたスペースの恒温恒湿槽１４内で複数の試験片格納装置１２を動かすよりはレーザー干渉計９を移動させる方が容易であることから、実施の形態２の構成の方が実用的である。
【００３１】
また、実施の形態１と同様に実施の形態２についても、吸湿及び脱湿による材料の変形量の測定に限らず、吸湿（脱湿）以外の原因による変形量の測定装置に利用することが可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、恒温恒湿槽と、恒温恒湿槽内に設置されたレーザー干渉計と、恒温恒湿槽内に、レーザー干渉計に対向して配置された平面半透鏡と、平面半透鏡を挟んでレーザー干渉計と反対側に配置され、平面半透鏡に鏡面が向かい合うように、弾性体によって可動に設置された平面鏡と、平面鏡を挟んで平面半透鏡と反対側の、レーザー干渉計と平面半透鏡を結ぶ線の延長上に配置され、測定試料及び基準試料を両試料が平面鏡の鏡面と反対側の面に接するように設置するための支持体とを備えたので、測定試料の変形に伴って弾性体が伸縮し、平面半透鏡と平面鏡のなす角度が変化することにより、平面半透鏡の反射光と平面鏡の反射光の行路差が変化する。これにより、レーザー干渉計で観測される両反射光による干渉縞が変化する。その変化量に基づいて測定試料の変形量を測定することにより、試料の変形量をより高い精度で、かつ経時変化なしに安定して測定できる変形量測定装置が得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、この発明の実施の形態１による変形量測定装置に含まれる試験片格納装置の構造を示す鳥瞰図であり、（ｂ）は、変形量測定装置の全体を（ａ）におけるＡ−Ａ断面で見た断面図である。
【図２】（ａ）は、試験片格納装置を上面から見た図であり、図２（ｂ）は、（ａ）に示すＢ部の拡大図で、試験片が吸湿により変形する前の状態を示したもの、（ｃ）は、（ａ）に示すＢ部の拡大図で、試験片の吸湿による変形後の状態を示したものである。
【図３】（ａ）は、試験片が吸湿により変形する前の状態での干渉縞の測定例を示す図、（ｂ）は、試験片の吸湿変形後の干渉縞の測定例を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態２による、変形量測定装置の構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  試験片、２  リファレンス、３  平面ミラー、４  平面ハーフミラー、５スプリング、８  外枠、９  レーザー干渉計、１２  試験片格納装置、１３  ガイドレール、１４  恒温恒湿槽、１００，２００  変形量測定装置。
【図１】
2005017134.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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