JPS6044807A - レ−ザを用いた長さ計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 この発明は、レーザを用いた長さ計測装置に関し、特に
、クリープ試験等に適する長さ計測装置に関する。

〔従来技術とその問題点〕

一般に、材料試験における試験片の変位等を測定する測
定装置にあっては、機械的方法、光学的方法又は電気的
方法等を用いて行う。これらの方法には、長さの測定に
関する種々の計測方法が用いられ、例えば、機械的計測
方法では、ダイヤルゲージ、クリップゲージ、電気的方
法では、作動変圧器、光学的方法では、マルテンスの伸
び計、カセトメータ、撮像管方式、レーザスキ＋ンニン
グ方式等が代表的なものとして挙げられる。

しかしながら、物体の局部の変位量に対して荷重を掛け
た状態で連続的に材料の変位を測定しようとすると、こ
のような測定方法では、測定条件に制約を受けることが
多い。しかも、最近では、材料に対する要求が苛酷にな
って来ていて、高温中を始めとして高圧中、真空中、腐
食液中等、種々の雰囲気中や、放射能を帯びた材料の試
験等、特殊な条件での試験が増加し、その測定は困難を
極めている。

特に、変位測定の場合にあっては、多くの場合、試験片
に直接接触することが不可能なため、在来のアームショ
ルダーやクリップゲージを試験片に取付けることができ
ず、一般的には、光学的方法が用いられる。しかし、カ
セトメータでは電気信号が得られず、撮像管方式、レー
ザスキャンニング方式等では、電気的信号として取り出
す場合の処理が複雑となるという欠点がある。しかも、
このようなものは、システム全体が高価となり、現時点
では、完全には、実用化されていないものと言える。

〔発明の目的〕

この発明は、このような従来技術の問題点又は欠点にか
んがみてなされたものであって、このような従来技術の
問題点乃至欠点を除去するとともに、試験片に接触する
ことなく、高精度に長さを測定することが可能なレーザ
を用いた長さ計測装置を提供することを目的とする。

〔発明の要点〕

このような目的を達成するためのこの発明の特徴は、被
測定物の両端を支持し、この両端に直接又は対応して第
１及び第２の遮蔽板をそれぞれ設け、これら第１及び第
２の遮蔽板の位置においてそれぞれレーザビームが遮蔽
されるようにレーザ発生装置及び受光装置を配置して、
遮蔽板間の長さを測定するものであって、レーザ発生装
置及び受光装置を第１の遮蔽板から第２の遮蔽板に向か
って移動させ、受光装置がレーザビームの受光を開始し
てから受光しなくなるまでのレーザ装置の移動距離を計
測することにより行うというものである。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の実施例について図面を用いて詳細に説
明する。

第１図は、この発明を、高温ヘリウム中におけるクリー
プ試験機に適用した場合のクリープ試験機の概要図、第
２図は、その電気炉を中心羨した要部の説明図である。

第１図において、クリープ試験機１０は、試験機本体１
と、レーザ発生装置２．受光装置３、レーザ発生装置移
動台４．受光装置移動台５、基台６、試験片荷重機構７
と、基台６に下部が固定され試験機本体１．試験片荷重
機構７等をその両側で支持する２つの支柱８．８（裏面
側の支柱は、図面に現れていない）とを備えていて、こ
れら機器を制御する制御部９ａ及び計測データの演算。

表示等の処理をする計測演算処理部９ｂを備えた制御装
置９を有している。

第２図に見るごとく、試験機本体１は、電気炉１１とこ
の電気炉１１の中央部に貫通して配置された石英炉心管
１２とを備えていて、石英炉心管１２は、ヘリウムガス
が充堪され、密閉容器を構成している。

この石英炉心管１２のほぼ中央には、第１．第２及び第
３の試験片１３ａ、１３ｂ、１３ｃがそれぞれＭｏチャ
ック（モリブデンチャック）１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、
１４ｄを介してシリーズに吊られていて、ＭＯチャック
１４ａ、１４ｄの両端に設けられた上下のロッド２０ａ
、２０ｂに結合されている。ここに、第１図に見るごと
く、ロッド２０ａは、石英炉心管１２の上部のシール部
に支持されて、支柱８の上部に設けられている試験片荷
重機構７に結合されている。また、ロッド２０ｂは、石
英炉心管１２の下部のシール部を経て、支持フレーム８
ａに固定されている。

ここで、試験片１３ａ、１３ｂ、１３ｃを保持するＭＯ
チャック１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄには、それぞ
れ試験片１３ａ、１３ｂ、１３ｃの両端部でレーザビー
ムを遮蔽するために遮光フラグ１５ａ、１５ｂ、１５ｃ
、１５ｄがそれぞれ固定されている。

これら試験片１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、その外側周囲
を囲む電気炉１１の断熱材１１ａから加熱部が露出した
加熱装置により所定の温度（高温）に加熱される。なお
、電気炉１１の内部にある加熱装置は、図示されていな
い。

ところで、遮光フラグ１５ａ、１５ｂ、１５ｃ。

１５ｄは、試験片１３ａ、１３ｂ、１３ｃの径より幅の
広いものであって、試験片１３ａ、１３ｂ。

１３Ｃの径の外側にその端部が位置付けられている。そ
こで、この試験片１３ａ、１３ｂ、１３ｃの径の外側に
位置する（図においては、手前に位置する。これは後で
もよい）レーザビーム２ａを遮蔽する働きをする。この
ようにして遮光フラグ１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ
を設けることにより、試験片１３ａ、１３ｂ、１３ｃに
遮られない位置にレーザビーム２ａを配置することがで
き、試験片１３ａ、１３ｂ、１３ｃの所定の両端までの
長さを計ることができるものである。

さて、試験機本体１の両側には、それぞれレーザ発生装
置２と受光装置３とが対峙して配置され、試験機本体１
には、電気炉１１の断熱材１１ａを横方向に貫通する長
方形の貫通孔１６が設けられている。そして、電気炉１
１の外側及び石英炉心管１２の外側の、この貫通孔１６
に対応する位置には、それぞれ透明石英板１７ａ、１７
ｂ、１７ｃ、１７ｄが嵌め込まれ、これらは、それぞれ
レーザ発生装置２のレーザビーム２ａが通過するための
窓１８ａ、１８ｂ　（第１図参照）を形成している。さ
らに、電気炉１１の透明石英板１７ａ、１７ｄの両側の
内側には、測定しないときに炉からの光を遮断するため
に、それぞれシャッター１９ａ、１９ｂが配置されてい
る。

さて、レーザ発生装置２からのレーザビーム２ａは、こ
の窓１８ａ、１８ｂを経て、受光装置３に至り、その偏
光フィルタ３ａ、凸レンズ３ｂを介してフォトセンサ３
Ｃにてこれを受けて、レーザビーム２ａの有無を検出す
る。

ここで、レーザ発生装置２と受光装置３とは、それぞれ
、試験機本体１のこの窓１８ａ、’１８ｂに沿って、上
下に同期して移動するものであるが、その移動は、レー
ザ発生装置移動台４及び受光装置移動台５によりそれぞ
れなされる。

すなわち、レーザ発生装置移動台４は、先端側にレーザ
発生装置２を固定したアーム２０を備えていて、アーム
２０は、レーザ発生装置移動台４のスクリュー２１の両
端で支持されている。そして、スクリュー駆動部２２に
よりこのスクリュー２１が上下動されることにより、レ
ーザ発生装置２を上下動するものである。また、受光装
置移動台５も同様な機構であって、先端側に受光装置３
を固定したアーム２３を備えていて、アーム２３は、ス
クリュー２４の両端で支持されている。そして、スクリ
ュー駆動部２５によりスクリュー２４が上下動されるこ
とにより、受光装置３を上下動するものである。

なお、スクリュー駆動部２２．２５は、それぞれシンク
ロナスモータ部２６とこの軸に係合するギヤヘッド部２
７、そして直線運動機構２８とから構成されている。こ
れらスクリュー駆動部２２゜２５は、支柱８にその中央
で固定されたフレーム部材２９に、支柱８に対してほぼ
対称位置にそれぞれ螺合固定されている。ここで、レー
ザ発生側のスクリュー駆動部２２は、制御部９ａにより
周ノ 期的に回転駆動され、受光側のスクリュー駆動部２５は
、レーザ発生側のスクリュー駆動部２２に同期し、制御
部９ａの制御下で対応して動作する。

ところで、レーザ発生装置移動台４には、スクリュー２
１の移動幅に対応して、デジタル計測器として移動距離
−パルス信号変換計測器３０が取付けられていて、レー
ザ発生装置２の移動量をパルス信号として取出せる構成
をなす。すなわち、３−０．、　ａは、この移動距離−
パルス信号変換計測器３０のスケール、３０ｂは、その
ヘッドであり、３０ｃは、その光学センサであり、３０
ｄは、スケール下端に設けられた、遮蔽板である。なお
、この移動距離−パルス信号変換計測器３０は、具体的
には、例えば、磁気媒体を複数スケール」二に配列して
、磁気ヘッドで読みだす言１測器を挙げることができる
。

ここで、３４ａ、３４ｂは、それぞれレーザ発生装置移
動台４．受光装置移動台５等を覆う安全カバーである。

一方、第１図に見る３５は、試験片荷重機構７のレバー
であり、３６は、このレバー３５の支点３５ａを介して
、ロンド２０ａ結合側と反対側の一端に吊られた負荷を
かけるための荷重部材である。

さて、スケール３０ａの移動量に応じて発生するパルス
信号は、計測演算処理部９ｂに入力される。一方、計測
演算処理部９ｂには、このパルス信号を受けるカウンタ
部３１とメモリ３２と表示回路部３３とを備えていて、
制御部９ａの制御信号及び受光装置３からの信号とに応
じて動作する。

すなわち、レーザビーム２ａが受光装置３により検出さ
れてから試験片１３ａ、１３ｂ、１３ｃの両端にある遮
光フラグ１５ａ、１５ｂ、１５ｃ。

１５ｄによりそれぞれ遮断されるまでのそれぞれの期間
の前記パルス信号の数をカウンタ部３１によりカウント
し、これを演算処理して所定の長さに変換して表示回路
部３３を介して長さ、変位等を表示するものである。

次に、このような構成よりなるクリープ試験機の全体的
な動作について説明する。

まず、この実施例では、仮に、レーザ発生装置２及び受
光ｉ置３が窓１８ａ、１８ｂの下側から上側に移動し、
この移動を周期的に繰り返すものとする。また、レーザ
発生装置２の初期位置として、試験片１３ｃの下側のＭ
ｏチャック１４ｄの遮光フラグ１５ｄにそのレーザビー
ム２ａが一致するように位置付けられているものとする
。

制御部９ａが外部信号により起動されると、制御部９ａ
は、計測演算処理部９ｂを起動し、スクリュー駆動部２
２．２５を駆動する。その結果、レーザ発生装置２が窓
１８ａの下側から上昇して、これと同期して、受光装置
３が窓１８ｂの下側から上昇する。なお、このとき、計
測演算処理部９ｂのカウンタ部３２は、制御部９ａから
の起動信号に応じて零リセットされる。

レーザビーム２ａは、最初に、Ｍｏチャック１４ｄの遮
光フラグ１５ｄに遮られて受光装置３には届かない。し
たがって、この時点では、受光装置３がレーザビーム２
ａを検出したときに発生するカウント指令信号は計測演
算処理部９ｂに送出されない。次に、レーザ発生装置２
が上昇して、遮光フラグ１５ｄの上端を越えると、受光
袋ｗ！、３がレーザビーム２ａを検出する。その結果、
計測演算処理部９ｂにカウント指令信号が送出される。

そこで、計測演算処理部９ｂのカウンタ部３１は、移動
距離−パルス信号変換計測器３０からの移動量に応じて
発生するパルス信号のカウントを開始する。レーザ発生
装置２がさらに上昇して、試験片１３Ｃの上側の遮光フ
ラグ１５Ｃの下端に到達した時点では、レーザビーム２
ａは、遮光フラグ１５Ｃに再び遮られて受光装置３に届
かなくなり、計測演算処理部９ｂへのカウント指令信号
の送出が停止する。そこで、カウンタ部３１が移動距離
−パルス信号変換計測器３０から受けるパルス信号のカ
ウントを停止する。その結果、遮光フラグ１５ｄの上端
から遮光フラグ１５ｃの下端までの長さく距離）に対応
する移動量がパルスカウント値として得られ、この値を
メモリ３２の試験片１３Ｃに対応する所定の記憶領域に
記憶するとともに、カンウタ部３２のカウント値を零リ
セットする。

さらに、レーザ発生装置２が上昇して、ＭＯチャック１
４　ｃ”？ｌ遮光フラグ１５ｃの上端を越えた時点で、
受光装置３がレーザビーム２ａを受光して、計測演算処
理部９ｂにカウント指令信号を送出する。その結果、カ
ウンタ部３１は、今度は、試験片１３ｂに対応する長さ
に対してパルス信号のカウントを開始する。

このようにして、レーザ発生装置２が上端に向かって移
動するに応じて、試験片１３ｃ、１３ｂ。

１３ａの記憶領域に、それぞれ、遮光フラグ１５ｄと１
５ｃ、遮光フラグ１５ｃと１５ｂ、遮光フラグ１５ｂと
１５ａの各長さに対応するパルスカウント値がメモリ３
２の所定の対応記憶領域に記憶される。

そして、レーザ発生装置２が上昇して、最上部にあるＭ
ｏチャック１４ａの遮光フラグ１５ａの下端に遮られて
、カウント指令信号の送出が停止すると、この信号に応
じて、制御部９ａは、レーザ発生装置２を下降させる制
御に移り、その最初の下端位置（初期位置）に戻し、再
びレーザ発生装置２を上昇させて、同様な処理を規則的
に繰り返す制御を行う。このときの下端位置から上端位
置までの移動距離を、例えば、２５０ｍｍ程度とすれば
、この走査周期は、例えば、−回１０秒程度でなされる
。また、この走査は、試験片荷重機構７の荷重部材３６
の量をかえて、種々の負荷状態にて行うものである。

こうして各走査周期に応じかつ負荷状態に応じて、各試
験片１３　ｃ、１３　ｂ、１３　ａに対応する測定値が
メモリ３２の所定の領域にパルスカウント値として記憶
され、各走査終了ごとに、メモリ３２から読出されて、
その長さと前回の長さに対する変位量等（最初の場合に
は、初期値のみ）が′計測演算処理部８にて算出され、
その表示回路部３３に送出されて、各試験片の長さ、変
位量等が表示される。また、計測演算処理部９ｂにおい
ては、必要に応じてグラフ表示等のデータが処理がなさ
れる。

以上のようにして、時々刻々の各試験片に対応する遮光
フラグ間の長さを知ることができ、その変位が得られる
。

以上のごとき構成であるが、この実施例では、レーザ発
生装Ｗ２として、直線偏光型のＨｅ−Ｎｅレーザを用い
、受光装置３の偏光フィルタ３ａの偏光面と一致させる
ことにより、炉内赤外光を５０％カットして、Ｓ／Ｎ比
の向上を図っている。

また、凸レンズ３ｂの作用により、受光側に若干の誤差
が起こっても、確実にフォトセッサ３Ｃにレーザビーム
２ａが達するようにしている。

しかも、この実施例では、移動距離−パルス信号変換計
測器という電気的な計測手段を用いているので、電気信
号として試験片の長さの情報を得ることができ、そのデ
ータの記録、表示等の処理が容易である。しかも、光学
系が不必要であり、構造が簡単で故障が起こり難い。

また、実施例においては、試験片をシリーズに吊るよう
にしているので、複数の試験片を同時に測定できると言
う利点がある。

以上説明してきたが、この実施例においては、クリープ
試験機を例に上げて、その時間に対する変位を見ている
が、この発明は、このようが変位を見る場合に限定され
るものではなく、各種の部材の長さを計測するものなら
ばどのようなものにでも適用できる。なお、長さを測定
する場合には、被測定物の両端に直接又はこの両端に対
応する個所に遮光フラグを設ければよい。

また、実施例にあっては、３本の試験片をシリーズに接
続して、同時に測定し、その測定能率を上げているが、
これは、１本のみでもよく、さらに、多くのものをシリ
ーズに接続してもよいことはもちろんである。さらに、
これらに対してレーザ発生装置を下から上に移動させて
いるが、これは、上から下でも、中央部から上下に振ら
せるようにしてもよい。

ところで、実施例における試験片は、この発明における
被測定物の具体例の１つであり、この試験片の両端のＭ
Ｏチャックは、この発明における被測定物の両端を支持
する具体例の１つである。

そして、両端のＭＯチャックに設けられた遮光フラグは
、それぞれ、この発明における、被測定物の両端に対応
して設けた第１及び第２の遮、蔽板（どちらを第１とし
てもよい）の具体例の１つである。

また、実施例における移動距離−パルス信号変換計測器
は、この発明におけるレーザ装置の移動距離を計測する
ものの具体例の１つである。

〔発明の効果〕

以上の説明から理解できるように、この発明は、被測定
物の両端を支持し、この両端に直接又は対応して第１及
び第２の遮蔽板をそれぞれ設け、これら第１及び第２の
遮蔽板の位置においてそれぞれレーザビームが遮蔽され
るようにレーザ発生装置及び受光装置を配置して、遮蔽
板間の長さを測定するものであって、レーザ発生装置及
び受光装置を第１の遮蔽板から第２の遮蔽板に向がって
移動させ、受光装置がレーザビームの受光を開始してか
ら受光しなくなるまでのレーザ装置の移動距離を計測す
るようにしているので、被測定物に直接接触することな
く長さの計測が可能となる。

その結果、はとんどあらゆる環境下において、長さ、変
位量等の計測が可能となる。しかも、し−ザ装置の移動
距離を測定するので、電気的な計測機器で測定でき、電
気信号にて記録２表示等の処理ができる。

また、レーザ発生装置を用いて遮蔽板の位置を読取るの
で、そのレーザビームを細くすることにより、より分解
能が高い、高精度の測定ができる。

しかも、レーザ発生装置と受光装置との長さを任意の位
置に設定できるので、危険な環境においても安全に計測
でき、安価な装置を提供できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明を、高温ヘリウム中におけるクリー
プ試験機に適用した場合のクリープ試験機の概要図、第
２図は、その電気炉を中心とした要部の説明図である。 １−　試験機本体　２−　レーザ発生装置３−　受光装
置　４−　レーザ発生装置移動台５−　受光装置移動台
　６−　基台 ７−・−試験片荷重機構　８−−−−一支柱９−　制御
装置　９ａ　−制御部 ９ｂ−計測演算処理部 １０−　クリープ試験ｔａ１ｍ−電気炉１２　−　石英
炉心管 １３ａ、１３ｂ、１３ｃ　−試験片 １４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ　−−Ｍｏチャック　
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ　−−−−遮光フラグ １７ａ、１７ｂ、１７　ｃ、１７ｄ　−透明石英板　１
８ａ、１８ｂ−−−一窓 １９ａ、１９ｂ　−シャッター ２０．２３　−・・・アーム　２１．２４　−　スクリ
ュー　２２．２５　−　スクリュー駆動部２９−　フレ
ーム部材　３〇　−移動距離−パルス信号変換計測器 特許出願人　株式会社　東衡テスタツク代理人　弁理士
　森　行止 弁理士　内藤　嘉昭 弁理士　清水　正 弁理士　提出　信是

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定物の両端を支持し、この両端に直接又は対
   応して第１及び第２の遮蔽板をそれぞれ設け、これら第
   １及び第２の遮蔽板の位置においてそれぞれレーザビー
   ムが遮蔽されるようにレーザ発生装置及び受光装置を配
   置して、前記レーザ発生装置及び受光装置を前記第１？
   Ｄ遮蔽板から第２の遮蔽板に向かって移動させ、前記受
   光装置が前記レーザビームの受光を開始してから受光し
   なくなるまでの前記レーザ装置の移動距離を計測するこ
   とを特徴とするレーザを用いた長さ計測装置。
2. （２）被測定物の両端に負荷をかけて、レーザ装置の移
   動距離の計測を複数回行い、被測定物の変位量をめるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のレーザを用
   いた長さ計測装置。
3. （３）レーザ装置の移動距離をパルス信号にて取り出す
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載
   のレーザを用いた長さ計測装置。