(57)【要約】      （修正有）【課題】高測定精度かつ短時間測定可能な繊維径測定装置を提供する。【解決手段】細径繊維３にレーザ光を照射すると、レーザ光が繊維を通過後に干渉を起こし、レーザ光入射方向と垂直方向に周期的な明暗を生じる。暗部点間隔を測定することにより、細径の繊維の直径を光学顕微鏡より１桁以上高精度で、かつ走査型電子顕微鏡より１桁以上迅速に測定することができる。楕円断面の繊維では、試料を繊維軸の周囲に回転させるだけで、長径、短径を区別してそれぞれ精度良く測定できる。半透明スクリーン１４を透して観察できる構造であり、正面から観察できる。また、光路を変更することにより測定者がレーザ光を直接照射されることはない。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維に照射されたレーザ光の干渉による明暗を半透明スクリ−ンを透して観察できる構造を持つことを特徴とする装置であること。
【請求項２】
光路を変更する構造を有し、レーザ出射方向と異なる方向から干渉パターンを観察可能とする構造を持つこと。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、細径の繊維を精度良く、かつ迅速に測定する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  繊維系複合材料においては、４μｍから２５μｍ程度の範囲の直径のガラス繊維、炭素繊維、有機繊維、セラミックス繊維、金属繊維を用いることが多い。【０００３】  それらの繊維は、一般に束にしてヤーンの状態で用いたり、さらにはヤーンを編んだ状態で用いたりすることもある。いずれにしても、多数の繊維の弾性率、強度、繊維と母材との濡れ性などの特性は、単繊維の特性が基本になる。【０００４】  単繊維の特性の精度は繊維直径の測定値の制度に依存する。例えば、繊維の強度は、繊維の引張破断に要する力を断面積で除すことにより求める。破断に要する力は３桁以上の有効数字で求めることができる。また、円形断面の繊維の断面積（Ａ）の場合は、直径（ｄ）からＡ＝πｄ２／４で求める。また、楕円形断面の繊維では、断面積（ＡＯ）は、長径（ｄ１）と短径（ｄ２）からＡＯ＝πｄ１・ｄ２／４と求める。いずれにしても、特性の測定値は精度の低い直径の測定値で規制される。【０００５】  ４μｍから２５μｍ程度の繊維の直径は、主として光学顕微鏡、あるいは走査型顕微鏡で測定する。
光学顕微鏡による測定の精度は光の波長で制限され、通常±１μｍ程度が限度である。
円柱状の繊維の場合、その直径の測定法は、断面を観察する方法と、側面を観察する方法に分けられる。
断面から観察する場合には、繊維を樹脂などに埋め込み研磨し、それを顕微鏡観察する。この場合は、観察に用いた繊維は、強度試験に用いることはできない。【０００６】  円柱状の繊維を側面から観察する場合には、引張試験などに用いる支持具に繊維を装着した状態で観察することができる。したがって、断面積を測定した繊維を用いて強度試験を行うことができるという長所がある。しかし、顕微鏡観察する場合、繊維側面部は焦点深度の影響で明瞭には境界が観察されない。それゆえ、測定精度は極めて悪く、±１μｍ以上の誤差は見込まなくてはならない。このような断面積の測定誤差は、繊維が細径になるほど大きくなることは明らかである。
また、楕円柱状の繊維を側面から測定する場合は、長径側と短径側の二方向からの測定が必要であるが、側面からは一方向からの測定しかできない。【０００７】  一方、走査型電子顕微鏡を用いて断面から直径を測定する方法がある。この場合は、２桁以上の精度で測定できる。しかし、断面の観察を行う場合は、上記光学顕微鏡を用いる場合と同様、断面積を測定する繊維と、引張破断力を求める繊維とが同一でないという問題がある。また、側面を観察する場合は、走査型顕微鏡内で繊維軸に対して繊維を回転させて測定するのは困難である。したがって楕円断面繊維では長径と短径を区別して測定できない。【０００８】  また、走査型顕微鏡を用いる場合には、試料を装置内に設置し、真空にする必要がある。１回の測定につき、測定可能な真空度に達するまで数十分の時間を要する。繊維特性のばらつきは、ワイブル係数の値で１０以下であり、したがって信頼性の高い特性値を得るには多数の（例えば１００本程度以上の）繊維の測定を必要とする。１本の繊維径の測定に数十分をかけ、１００本の測定を行うのは実際上困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  以上の問題を解決するためには、レーザ干渉の原理を用いた本出願で提案する装置を用いるのが最適である。
【００１０】  レーザ光により繊維を測定する場合の原理を模式的に図１に示す。すなわち、垂直に設置した繊維に対し、レーザ光を後方より照射した場合、レーザ光が繊維を通過した後に干渉により前方のスクリーンの水平方向に周期的に明暗が現れる。
【００１１】  レーザ波長（λ）と、繊維径（ｄｆ）、繊維とスクリーン間の距離（ｓ）、スクリーン上での第一暗部点間隔（δｔ）との関係は、次式による。
ｄｆ＝２λ・ｓ／δｔ  ・・・・  １）
ここに、ｄｆ：繊維直径（μｍ），λ：レーザ波長（ｎｍ），
ｓ：繊維とスクリーン間距離（ｍ），δｔ：暗部点間隔（ｍｍ）
すなわち、垂直に設置した繊維にレーザ光を照射すると、繊維に対して直角方向、すなわち水平方向に周期的に明暗を生じる。この明暗は、たとえば繊維直径が８μｍ、繊維とスクリーンの間隔が１ｍ、波長６３５ｎｍのレーザ光を用いた場合、図２に示すような周期となる。（図２にはスクリーン中心より右半分のみを図示。）
この式に従い、波長（λ）の明らかなレーザ光線を用い、繊維とスクリーン間距離（ｍ）を特定し、暗部点間距離（ｍｍ）を測定することにより、繊維直径（μｍ）を求めることができる。また、繊維をレーザ光線内で繊維軸の周囲に回転させることにより、長径および短径を容易に検出することができ、それぞれを有効数字２桁以上で求めることができる。
１回の測定に要する時間は１分程度であり、従来の測定方法より遥かに短時間で実行できる。
【００１２】  目視で測定する場合には、光源としてどのような波長の可視光、例えば赤色、緑色、紫色などの可視光を用いても良いことは言うまでもない。また、暗部点間隔を測定するためにセンサを用いる場合は、センサに適合する波長の電磁波を用いることができる。
【実施例】
【００１３】  図３に示すのは、本発明になる繊維径測定装置の実施例である。この例では、光源として波長（λ）が６３５ｎｍのレーザダイオードを用い、全光路長（ｓ）が０．５ｍの時、繊維径が７μｍの場合、暗部点間隔（δｆ）は９０．７ｍｍとなるが、この値は１ｍｍ程度の誤差範囲で読むことができる。この場合、誤差は１％程度となり、光学顕微鏡の測定精度より１桁以上高い精度で測定できる。【００１４】  本例では、半透明スクリーンを透してレーザの明暗を観察できる構造となっているため、干渉による明暗をスクリーンの垂直方向から観察でき、読み取り誤差を減少させることができる。【００１５】  また、一般にレーザ光を用いる装置では、レーザが直接目に照射される危険性があるが、本装置では光路を変更することによりレーザ光が直接測定者に照射されることはない。
【先行技術文献】
【００１６】１．Ｆｉｂｒｅ  ｄｉａｍｅｔｅｒ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｂｙ  ｌａｓｅｒ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９７４，Ｌｅｔｔｅｒ，ｐｐ１３７６−１３７８
２．ＪＩＳ  Ｒ  ７６０７  炭素繊維‐単繊維の直径及び断面積の試験方法
３．炭素繊維径測定装置の試作、炭素、１９８６、ｐｐ２０７‐２１０
【特許文献】
【００１７】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】  複合材料素材などに用いられる繊維の特性を知ることは、材料設計において必要不可欠である。繊維の特性は、繊維断面積から求める。したがって、特に４−２５μｍ程度の細径の繊維の場合、高い精度で直径を測定する必要がある。従来の光学顕微鏡による測定では、直径の測定精度は有効数字１桁程度である。また、楕円断面の繊維では、長径と短径を区別して測定することが困難である。電子顕微鏡による場合、測定精度は高いが１つの試料の測定には数十分の時間を要する。
以上のような背景にあって、細径繊維の直径を精度良く、かつ迅速に測定することが求められている。
【発明が解決するための手段】
【００１９】  細径繊維にレーザ光を照射すると、繊維によって分けられたレーザ光が繊維の後ろで干渉を起こし、レーザ光入射方向と垂直方向に周期的な明暗を生じる。
【発明の効果】
【００２０】  この暗部点の間隔を測定することにより、細径の繊維の直径を高精度で、かつ迅速に測定することができる。
【００２１】  楕円断面の繊維では、試料を繊維軸の周囲に回転させるだけで、長径、短径を区別してそれぞれ精度良く測定できる。
【００２２】  本装置は、レーザ光源の後部からスクリーン上の明暗を観察する構造であり、スクリーンを観察しながら測定に最適な繊維位置を調整することができる。また、レーザ光出射方向の後方から測定操作を行うので、観察者に障害を与える危険性が小さくなるという特徴を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】  測定装置の原理。垂直に保持した繊維に後方よりレーザ光を照射し、繊維を通過後レーザ光が干渉している様子を示す。
【図２】  スクリーン中心からの距離（横軸）と光の強度（縦軸）。レーザ光の波長が６３５μｍ、繊維径８μｍ、繊維とスクリーンの間隔が０．５ｍの場合を示す。
【図３】  本発明になる装置の構造例。（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は正面図である。
【符号の説明】
【００２４】  １：レーザ光源，２：レーザ光，３：繊維，４：繊維とスクリーンの距離，５Ａ：第一暗部点間隔，５Ｂ：第一暗部点間隔の１／２，６：各点線は暗部点位置，７：筐体，８：繊維試料支持枠，９：レーザ光源支持台，１０：レーザ光入射窓，１１：光路変更ミラー（１），１２：光路変更ミラー（２），１３：光路変更ミラー調整つまみ，１４：半透明スクリーン，１５：繊維水平位置設定台，１６：繊維水平面内回転台，１７：繊維垂直設定台，１８：繊維試料台，１９：光路（測定に必要な距離は、３で示す繊維から１４に示す半透明スクリーンまで）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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