JPS6244603B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はほうろう製品、陶磁器製品等表面にガ
ラス質釉薬の施された製品の表面応力を非破壊的
に測定し得る表面応力測定装置の改良に関する。

上記の製品は表面を強化するために基体の表面
に釉薬を被着させている。しかしながらこの基体
と釉薬との間にはわずかではあるが熱膨脹差があ
り、これを全く無視することは出来ないのでなる
べく近似されることが行なわれているが同一にす
ることは現在の技術では不可能で若干の差が生ず
ることは避けられない。特に上記釉薬の焼付時の
高温状態と常温での使用状態とでは熱膨脹に基体
と釉薬との間で差が生じ、この結果として釉薬層
には表面に平行な方向に応力が生ずる。この応力
の絶対値は熱膨脹差の大小に比例し、応力が圧縮
力かあるいは張力かは釉薬と基体との熱膨脹の差
の大きさによつて決定する。

釉薬の表面応力が張力であると、釉薬は自発的
にきれつを生ずるか、あるいは経時的にきれつを
生ずるか、あるいは外力や衝撃によつてきれつを
生じやすく、実使用上に不都合であるかあるいは
商品価値を失つてしまう。

表面応力が大きな圧縮力であると、釉薬層は自
発的なはがれを起しやすい。

表面応力が適当な大きさの圧縮力であると、ほ
うろうまたは陶磁器製品は、機械的にも化学的に
も強く、製造時の歩留り向上と使用時の耐久性向
上という望ましい効果がある。

従つて、製造に当つては、釉薬が適当な大きさ
の圧縮力になるように、基体と釉薬とを組合わせ
に特に注意はらつて行なわれている。

しかしながら上記においても多少の差を生じる
のでこの製造工程の管理が必要であり、この管理
を非破壊的に行なえるように発明者は先に表面応
力計を提案した。（特開昭56―82423号）この提案
は一応満足した結果は得られたが、本発明者は測
定感度を更に向上させるべく検討を重ねたもので
ある。すなわち上記表面応力計はその感度（精
度）として１Kg／mm²程度を有しており、これはほ
うろう、工業用あるいは工業用の一部に用いられ
る陶磁器等の表面応力が５〜20Kg／mm²程度範囲の
大きな応力がある場合には有効に適用出来るが例
えば測定精度が0.1Kg／mm²を要求される高級食器
類においては、測定困難となる場合がある。

本発明は上記の測定精度を十分に保持できるよ
うにしたもので被測定物の表面を平行に走行する
レーザビームを励起し、このビームを取り出しこ
の射出ビームに生ずる光弾性的ビーム路の差の測
定をセナルモン補正器の原理を用いて精度を向上
させた表面応力測定装置を提供する。

第１図は本発明表面応力測定装置の原理的説明
図であつて基体１の表面に釉薬層２が形成されて
いる。この釉薬層の表面３はかなりの粗面となつ
ている。この釉薬層の表面には、この層より屈折
率の高い光学ガラス製の入射プリズム４及び遮光
板５を挾んで入射プリズム４と同特性を有する射
出プリズム６が夫々付設されている。また上記各
プリズム４及び６の下面と上記釉薬層２の表面３
とのわずかなすき間には上記プリズムと屈折率を
近似させた液体７が注入してある。この液体７
は、光学的接触を助けるために用いられる。

上記において予め集光されたレーザビーム８は
偏光板（第１図には図示せず。第２図３２ｂで示
す。）によつてすでに直線偏光になつておりほぼ
釉薬層表面３で焦点を結びかつ入射点９における
垂線１０に対し全反射臨界角_０をなすように投
射される。そして偏光面は入射面に対し45゜の角
度をなすようになつている。また釉薬層２内に入
射されたビームの一部はこの表面３の弦に沿つて
伝播されてビーム１２，１３等となつて進行し、
再び表面３の各射出点１４，１５から射出ビーム
１６，１７となつて放射される。

例えば上記釉薬層２内部に応力があり、その応
力は表面３からの深さにはよらないと近似できる
条件で考えた場合、上記入射ビーム８の直線偏光
は釉薬層２内に入射後その表面に平行及び垂直方
向にそれぞれ振動する２つの直線偏光成分にわか
れて進み、応力による光弾性効果により２つの成
分間にビームの光路差が生ずることになる。この
光路差をＲとすれば光弾性の公式により釉薬層の
光弾性定数をＣとすればＦを応力として釉薬層内
のビーム１２に生ずる光路差（Ｒ）＝CF×（入射
点９と射出点１４との距離）。

釉薬層内のビーム１３に生ずる光路差（Ｒ） ＝CF×（入射点９と射出点１５との距離） である。これ等の光路差（Ｒ）は、それぞれ射出
光１６，１７に保存されて光弾性的手段で測定さ
れる。

この測定によつて上記ビーム１２及び１３の間
での光路差（Ｒ）の差は、CF×〔（入射点９と射
出点１５の距離）―（入射点９と射出点１４の距
離）〕である。入射点９と射出点１４及び１５と
の間の距離が釉薬層の表面３の曲率半径に比較し
て十分に小さければ上記式の中括弧内は射出点１
４と射出点１５の間の距離は等しいと近似でき
る。

従つて 上記ビーム１２及び１３の間での光路差Ｒの差
≒CF×（射出点１４，１５の距離）が成立し、Ｆ
が算出できることになる。

本発明は上記原理に基づき、光路差の測定をセ
ナルモン補整器を利用して完成させたもので、以
下その実施例を第２図を参照して詳細に説明す
る。

基板２０は全体を支持する支持台であつて固定
された足２１と、水平調整が行なえる可動足２２
とが付設されている。

上記基板２０の一部に固定されたプリズム支持
枠２３は中央に遮光板２４を背にして入射プリズ
ム２５及び射出プリズム２６が保持されている。
なお上記各プリズム２５，２６は直角三角形を呈
し、斜面をビームが通過するようになり、かつ直
角短辺が被測定物に当接する測定面となるよう構
成される。投射機構２７は支持体２８とレーザ光
源２９と調整可能な第１反射プリズム３０とから
成り、レーザ光源２９は支持体に平行に固定され
第１反射プリズム３０は、支持子３１を介して上
記支持体２８に固定されている。また上記レーザ
光源２９の一部にはレーザビームを射出する射出
部３２が設けてあり、この射出部３２内にはレー
ザビームを光学的に集光する凸レンズ３２Ａ及び
偏光板３２Ｂが付設されている。更に第１反射プ
リズム３０は直角三角形の直角面を上記射出部３
２に対向せしめその斜面によつて上記レーザビー
ムを反射変換するようになつている。なお３３は
レーザ光源の傾斜調整金具で調整ねじ３４によつ
て上記支持体２８の傾斜が自由に変えられるよう
になつている。３５は上記支持体２８の一部に固
定された固定子で上記基板２０の一部に回動自在
に枢着され支点３６を中心に支持体２８は傾斜角
度が調整出来る。

３７は第２反射プリズム３８を固定したプリズ
ム固定体で基板２０の一部に回動自在に枢着され
その一部には、棒体から成る可動伝達素子３９が
固定されこの素子は長い棒でその自由端は基板２
０に沿つて配設されると共に変心されて回動する
変心カム４０の外表面に接触して上下に変化する
ようになつている。なお変心カム４０は基板２０
の一部に回動自在に固定されている。なお上記可
動伝達素子３９は変心カム４０を回転することに
よつて矢印方向に移動（上下動）し、第２反射プ
リズム３８を微調整することが出来るようになつ
ている。４１は顕微鏡であつてその先端は上記基
板２０の一部に回動自在に枢着されると共にこの
開口部は上記射出プリズム２１の斜面に正対する
ようになつている。この顕微鏡４１内には対物レ
ンズ４２・偏光板４９と四分の一波長板４３及び
接眼レンズ４４が組込まれている。この場合四分
の一波長板４３と検光板４７〔下記で説明〕と
は、偏光板３２Ｂと共に光弾性学でのセナルモン
補整器を形成するように光学的軸を一致して配置
し組み込まれている。なお必要があれば上記対物
レンズ４により実像の生ずる位置に尺度４５を介
在してもよい。また接眼レンズ４４に対向して角
度目盛板４６が付設されると共に検光板４７が回
転自在に固定され、更に顕微鏡４１の傾斜角度を
調整する調整機構４８を付設して表面応力測定装
置５０に構成して成る。

次に測定操作について第２図乃至第４図を参照
して説明する。

第３図は接眼レンズ４４により被検面Ａ（第２
図に示す釉薬層）の実像を観察した状況を示すも
のであり、図面における下方の暗部３１１は遮光
板２４の陰像である。またこの陰像の遮縁３１２
から射出光によつて形成される光条３１３は細い
帯状を呈する。なお光の進行方向は矢印３１４で
示され、また尺度４５が付設されている場合には
目盛３１５が写し出される。釉薬層表面Ａ上の実
長はこの目盛３１５を用いて測定することが出来
るし、校正することによつて随時決定するのに便
利である。

すなわち、第２図に示すようにレーザ光源２９
から放射されたレーザビーム８は集光レンズ３２
Ａによつて集光されると共に偏光板３２Ｂによつ
て偏光され反射プリズム３０に射突して反射され
る。この反射ビームは第２反射プリズム３８に進
行しここで更に反射されて入射プリズム２５に入
射する。そしてこの入射プリズム２５を通過した
レーザビームは光学的接触をよくするための液体
を通り被測定物Ｂの釉薬層表面Ａに当達し、この
釉薬層内を第１図に示すと同様に進行してその一
部は射出プリズム２６内を通過し顕微鏡４１の対
物レンズ４２―四分の一波長板４３―接眼レンズ
４４を経て検出板４７より上記の第３図に示す通
り検出することが出来る。釉薬層Ａに応力がない
場合には検出板４７を回転すると光条３１３は、
その全体の明るさが一様に変化して明るく光つた
り、暗くなつたりする。

一方釉薬層Ａに応力が生じた場合には、検光板
４７を回転すると、第４図に示すように光条３１
３の一部に極小にくびれた部分３１６が観測出来
る。また検光板の回転角は、角度目盛板４６に刻
まれた目盛を用いて読み取ることによつて算出さ
れる。

すなわちくびれた部分３１６は上記検光板４７
の回転θ゜により移動する。この理由を以下に説
明する。本来セナルモン法の実施形態は次のよう
なものである。第５図に示すように光源側偏光板
（偏光子）―被験試料―四分の一波長板―観察者
側偏光板（検光子）をこの順で配列する。検光子
の回転角度が零度で被験試料を除いた場合の視野
は一様に暗い。

応力を有する被験試料を挿入して観察した場
合、被験試料には応力分布に応じた明暗の模様が
見える。この例を第６図に示す。被験試料中光路
差が零の部分は黒く、光路差が零から大きくなる
につれて明るく見える。

ここで検光子をθ゜回転すると回転角に応じて
模様が変化する。θ゜回転した時には θ゜×光波長／１８０゜×（四分の一波長板の光路差×
４） だけ光路差のある部分が黒く見える。したがつて
検光子を回転して測定しようとする部分を暗転さ
せ、そのために要した検光子の回転角から測定し
ようとする部分の光路差を知ることができる。

この方法を本発明における光條３１３に適用す
ると第７図に示したような状況が生ずる。

セナルモン法を適用しない場合、光條３１３は
近似的には一様な明るさであり、第７図ａのよう
に一様な太さの光の條模様である。

θ＝０゜としてセナルン法を適用した場合、も
しも光條３１３上に光路差が0nmの部分があれば
その部分は暗くなり、第７図ｂのように見かけ上
光條がくびれた部分３１６があるように見える。

ここで波長を633nmとして検光子を回転して行
くと、１あたり3.5nmの割合でθ゜の回転に対応
して3.5×θnmの光路差を持つ部分が暗くなり第
７図ｃのように見かけ上くびれる。したがつて検
光子の回転に応じて光條３１３上のくびれた部分
３１６が光路差0nmの部分から3.5×θnmの部分
へ移動するように見える。

もしも光條３１３上に光路差0nmの部分がなけ
れば、θ＝０゜としてセナルモン法を適用しても
第７図b′のように光條３１３上にくびれは見えな
い。しかし検光子の回転角を増し3.5×θnmが光
條３１３のたとえば下端の光路差に等しくなる
と、第７図ｄのように光條３１３の下端が暗くな
りその部分がくびれたように見える。さらに検光
子を回転してゆくと上記第７図ｂおよび第７図ｃ
についての説明と同様の過程により、見かけ上く
びれた部分３１６は第７図ｅ、第７図ｆに示した
ようにしだいに上方へ移動してゆく。

以上のような理由によつて、光條３１３上でく
びれた部分３１６が検光子の回転に伴い移動する
ように見えるのである。このくびれた部分３１６
の移動を測定することにより応力の測定を下記の
ように計算することが出来る。

なお上記説明では、四分の一波長板の前後に偏
光板３２Ｂ４９を用いたが、使用ビーム、例え
ば、レーザビームの中に偏光成分があるものにつ
いては１個の偏光板でセナルモンの補整器を構成
することも可能である。

上記検光板４７の回転θ゜に応じ、くびれた部
分３１６がcmだけ移動したとすると、セナルモ
ン法での公知の式により、移動距離の両端におけ
る光路差の差は 光波長×θ゜／１８０゜ であるから、これがCF×（移動距離）に等しいこ
とがわかり、Ｆを算出することができる。たとえ
ばHe―Neレーザーの光（波長633nm）を使い、
検光板４７が３゜回転したとき、暗部が0.5cm移
動したとし、釉薬の光弾性常数を2.5（nm／
cm）／（Kg／cm²）とすれば、光路差の差は 633nm×３゜／１８０゜＝10.6nm 従つて10.6nm＝2.5（nm／cm）（Kg／cm²） ×Ｆ×0.5cm からＦ＝8.5Kg／cm²＝0.085Kg／mm²となり、非常に
低い応力をも検出しうることがわかる。

本発明表面応力測定装置５０は上記のように構
成することによつて次のような作用効果を奏する
ものである。

レーザ光源を用い、この光源から放射されるレ
ーザビームを被測定物の表面付近をこの表面に平
行に走るビームを励起し、このビームを射出させ
ると共にこの射出ビームに生ずる光弾性的光路差
を、上記ビームの通路に設けた偏光板３２Ｂと四
分の一波長板とで成るセナルモンの補整器を構成
することにより、検光板にその像を極めて感度よ
く写し出すことが出来る。

このように高感度で写し出された映像は検光板
を回転することによつて被測定物の表面の応力を
容易に測定出来、これを角度目盛板で読みとり、
セナルモン法で計算することによつてその応力が
算出される。

以上のように被測定物の表面を本発明装置の入
射プリズム２５及び射出プリズム２６の底面に当
接するのみで測定物を破壊することなくその個々
の応力を測定することが出来るから、例えば高感
度で表示される映像を映像センサーと併用すれば
その測定物例えば高級ガラスの製造工程に取り付
けて工程の品質管理に利用することが可能とな
り、高品質のガラス生産が出来る。

また光源から放出されるレーザビームは、反射
プリズム３０，３８によつて調整することが出
来、これも調整も変心カム等の回転により自由に
しかも微調整が可能である。すなわち長い棒体と
した可動伝達素子３９と変心カム４０との相乗に
よりこの先端に付設された反射プリズム３９を極
めて微細に調整することが出来る。

上記では、入射および射出プリズムと遮光板は
一体になつた実施例を用いたが、これらがたがい
に離れて構成されていても、効果は同じである。
レーザー光の入射の光学系にも、また光の入射角
度や顕微鏡の傾角の調整と 固定の機構にも、上記説明と異なるものを使用
できる。また、顕微鏡の対物レンズ、対眼レン
ズ、四分の一波長板、検光板の配列順序も、セナ
ルモンの補整器の働きを崩さずに数種の変形を与
えうるものである。また、ほうろうや陶磁器製品
が曲面を持つことが多いので、上記の利点はさら
に強まる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明表面応力測定装置の原理を説明
するための説明図、第２図は本発明表面応力測定
装置を用いて表面応力を測定している状態を示す
側面図、第３図及び第４図は第３図の測定状態を
検光板にて検出し、これを拡大して示す夫々の顕
微鏡拡大図、第５図はセナルモンの補整器の基本
構成を示す説明図、第６図はセナルモン法により
応力を有する被験試料を観察した際の被験試料の
状態を示す図、第７図は第３図の測定状態におい
て検光板の回転による検出像の変化を示す顕微鏡
拡大図である。 ２０…基板、２３…プリズム支持枠、２４…遮
光板、２５…入射プリズム、２６…射出プリズ
ム、２９…レーザ光源、３０…第１反射プリズ
ム、３２Ｂ，４９…偏光板、３４…調整ねじ、３
８…第２反射プリズム、３９…可動伝達素子、４
０…微調整変心カム、４２…対物レンズ、４３…
四分の一波長板、４４…接眼レンズ、４６…角度
目盛板、４７…検光板。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ レーザ光源及びこの光源からのレーザビーム
   を集光する光学系及び偏光板を有するビーム投射
   機構とこの投射機構から放射されるレーザビーム
   の通路に付設されてその射出方向を変換する１個
   または複数個の反射プリズムと、この反射プリズ
   ムによつて変換された上記レーザビームを受けて
   このビームを被測定物に対し一定角度に入射調整
   する入射プリズムと、この入射プリズムに近接し
   て付設し上記被測定物からの反射ビームを検出す
   る射出プリズムと、この射出プリズムに対向しこ
   の反射ビームを入射する内部に四分の一波長板を
   収納した顕微鏡とさらに前記四分の一波長板より
   も光源側から遠い部分にもう一つの偏光板とを具
   備し上記複数個の偏光板と四分の一波長板とを用
   いてセナルモンの補整器を構成し、前記反射ビー
   ムに生ずる光路差を測定することを特徴とする表
   面応力測定装置。