やさしいニューガラス講座

高感度膨張計について
アルバック理工株式会社

笈 川直 美High Sensitivity Dilatometer
ULVAC-RIKO, INC. Analysis ServiceNaomi Oikawa

物質，材料の熱膨張係数（線膨張係数）は物

膨張計 LIX―２ と，さらにもう一段感度を高め性研究上，また材料開発上極めて重要な物性値

た四重光路マ イ ケ ル ソ ン 光 干 渉 式 熱 膨 張 計

で，機械設計上も基本的，必須な値である。測nano LIX について概説する。これらの熱膨張定には多くの場合，押し棒式の熱膨張計が用い計は石英などの低膨張材や，さらに膨張係数の―６られている。これは扱いが容易で１〜１００×１０小さい低膨張ガラスの開発や製造上の品質管理

K―１ の程度の熱膨張係数を通常，径５〜２０mm，に非常に有効であると思われる。［１］長さ１５〜１００mm ほどの円柱状試料によって毎分 ２〜５℃ の定速加熱をしながら行なう。熱膨張量の検出は試料に軽く押し付けられた押し二重光路マイケルソン光干渉計式熱膨張計
LIX―２

棒が加熱による試料の熱膨張により動く量を差

試料は円柱状で両端を緩やかな曲面にしたも動トランスという変位検出器によって行ない，のを二枚の石英板で挟んで保持する。この二枚試料近傍の温度センサ（多くの場合，熱電対）の石英板には図１のように光が反射できる鏡がによる温度計測と同時に測定する。差動トラン形成されている。試料は径６mm で，長さ１２スの検出精度は普通０．
１µm よりやや小さい程度である。通常のほとんどの物質，材料はこの押し棒式熱膨張計で測定ができるが，膨張係数の非常に小さい材料や，試料長を大きくできない場合には適さない。
本稿では押し棒式とは異なり，弊社アルバック理工にて開発，製造している，光の干渉を用い る 高 感 度 熱 膨 張 計 で 検 出 再 現 性 が２０nmで，膨張係数が０．
１〜１×１０―６K―１ 程度の試料の測定が出来る二重光路マイケルソン光干渉式熱横浜市緑区白山 １―９―１９３１―９９２１TEL ０４５―９３３―９９７３FAX ０４５―９
http : //www.ulvac-riko.co.jp

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図１ LIX―２ブロック図

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２２００７mm 程度である。

い点，また光の干渉を利用するのに試料に特別さてヘリウムネオンレーザの直線偏光を光源な光学的加工の必要が無いことである。前者はとし，これをウエッジビームスプリッタを通過ヘリウムネオンレーザの単波長性，波長安定性させ，射出光のうち最も強度の強い二つの光束に基づく測定法であること，後者は試料両端ををキューブビームスプリッタ，直角プリズム，曲面にして保持の石英板と点接触させている工四分の一波長板各１から成る光学部品に入射さ夫に拠っている。

せる。四分の一波長板を通過することで直線偏NIST SRM７３９の石英試料を測定した結果を光が円偏光になり，また円偏光が直線偏光にな

図２および表１に示す。試料寸法１２㎜，昇温る性質を用いると二光束は同図のような反射光速度２Kmin―１ で測定した。雰囲気は１Pa 程度路をたどることができる。この結果二光束にはの真空である。石英は通常の材料の中では非常試料長の四倍の光路長差を生じ，もし試料に ∆Lに膨張係数の小さいものだが，LIX―２ は低膨の熱膨張が生じるとき，光路長差の変化は４∆L張係数を高精度で測定することが出来るので石となり，熱膨張量を四倍に拡大して検出するこ英の原料，熱処理等の違いによる膨張係数の違とができる。したがって通常の押し棒式の膨張いを識別することも可能である。［１］計に比較して非常に高感度な膨張検出が可能となる。上記光学部品から射出した二光束はウエッジビームスプリッタを逆方向に通過し，鋭角で交叉し，干渉縞を形成する。光路長差が変化

四重光路マイケルソン光干渉計式熱膨張計
nano LIX
これは LIX―２ に似た測定原理だが，二光束すると干渉縞が移動するので移動量をセンサでの光路長差を８∆Lに増やしたこと，試料長検出して簡単な演算により ∆L を求めることがを２０〜２５mm として原理的に LIX―２ の四倍出来る。加熱は試料を保持用の石英板とともにの高感度化を図った装置である。

抵抗炉で囲んで室温から７００℃ まで加熱するこ

図３，４のごとく，直線偏光のヘリウムネオとが出来る。抵抗炉のかわりにクライオスタッンレーザをプレートビームスプリッタで反射さトを載せると，−１５０℃ から２００℃ の範囲で測せ，反射光の強いほうの二光束をキューブビー定できる。

ムスプリッタ４個，直角プリズム１個，四分のこの膨張計の特徴は絶対法であること，すな

一波長板１枚から成る光学部品に入射させる。

わち熱膨張係数が既知の基準試料を必要としな円柱状試料を基準板上に置き，試料端面と基準表１ NIST SRM７３９文献値と測定値の比較

図２ NIST SRM７３９文献値と LIX―２ による測定結果

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図３ nano LIX 四重反射光学図

板の鏡により二光束は各々試料と基準板により図４ 光学系ブロック図待できる。

LIX―２ では二次元的反射

試料は，恒温箱底板から懸垂した真空容器内光路であったが，nano LIX では三次元的光路にセットする。この容器は円筒形で上面にレー展開により反射の回数を増やしている。

ザ光の入出窓があり，底部に冷媒が循環する冷四回反射される。

四回反射するので干渉させる二光束の光路長却ブロックがある。試料は円盤状の主ヒータと差は８∆L となる。光学系は室温変動の影響を円筒状のガードヒータ（側部ヒータ）で囲まれ受けにくくするため，気密性の恒温箱内に収納る内部のガラス基準板上に置く。ガードヒータし，さらに箱内部をヘリウムガスで置換した。

は試料の長さ方向の温度分布を均一に保つ働き

ヘリウムは熱伝導率が大きく，光学部品類の温をする。

度を一定に保つことができ，また，屈折率も非常に小さいため光路変動を小さくすることが期

代 表 的 低 膨 張 ガ ラ ス ULE と Zerodure のnano LIX による測定結果を次に示す。
測定条件
試料寸法：径８mm×長２０．
００㎜
両端面平行度：５秒

平面性１０／λ雰囲気：真空１Pa 台
昇温過程にて測定 ０．
１℃ min―１
測温：K タイプシース熱電対
近傍温度
石英より一桁小 さ い 膨 張 係 数 の 測 定 を２０mm 長の試料で行うのはは極めて難しいが，Zerodur はほぼメーカの公称値内のに収まり，ULE は約８割増となった。装置の設置環境の図５ 試料容器

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改善により再現性の向上を期待できる。

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表２ 回帰式から算出した ULE の係数

参考文献１）笈川直美，前園明一：第２２回日本熱物性シンポジ
ウム論文集，（２００１）２５２）S．J．Bennett : Opt．
Commun．４（１９７２）４２８．
３）S．J．
Bennett : J．
Phys．
，E，
１０（１９７７）５２５．

表３ 回帰式から算出した Zerodure の係数

４）R．
Kato，T．
Azumi and A．
Maesono ; High Temp．
―High Press．，
２３（１９９１）６１５．
５）ASTM Designation E２
８９―９９（１９９９）６）吉原邦夫：物理光学，共立出版（１９６６）１．

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