(57)【要約】  提供される改善された高強度のマイクロ熱電対（１０）は、第１および第２のマイクロワイヤ（１２、１４）を含み、それぞれは、好ましくは長尺な金属コア（１８、２２）の形態であり、外側のガラスコーティング（２０、２４）を備え、マイクロワイヤ（１２、１４）の内の少なくとも１つは、アモルファスのマイクロワイヤ（１２）であり、好ましい形態では、他のマイクロワイヤは、結晶質のマイクロワイヤ（１４）である。熱電対接合部（１６）は、むき出しの端部（１８ａ、２２ａ）を設けるために、マイクロワイヤ（１２、１４）の末端部の被覆を剥ぎ取ることによって形成される。むき出しの結晶質のマイクロワイヤ端部（２２ａ）は、一連の隣接したコンボリューション（３０）を形成するために、むき出しのアモルファスのマイクロワイヤ端部（１８ａ）の周りに巻き付けられる。マイクロ熱電対（１０）には、飛行機部品のような炭素繊維複合材料の製作および修理での具体的な有用性が見出されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
長尺な第１のマイクロワイヤ電極および長尺な第２のマイクロワイヤ電極を有するマイクロ熱電対であって、前記第１および第２の電極の間にそのマイクロ熱電対の長さの一部にわたる電気絶縁バリアを備え、前記電極の内の一方は、アモルファスの金属材料で形成され、導電性の熱電対接合部は、前記電極の内の一方が他方の電極の周りに巻き付けられた長さを含むマイクロ熱電対。
【請求項２】
前記マイクロワイヤ電極のそれぞれは、約２ｃｍ〜３ｍの長さを有しかつ側面が互いに隣接した位置にある請求項１に記載のマイクロ熱電対。
【請求項３】
前記マイクロワイヤ電極のそれぞれは、金属材料のコアを有し、前記コアの周りにそのマイクロワイヤ電極の前記長さの一部に沿った絶縁材料のシースを備える請求項１に記載のマイクロ熱電対。
【請求項４】
前記コアは、約１５〜５０ミクロンの直径を有し、前記シースは、約１〜１０ミクロンの厚さを有する請求項３に記載のマイクロ熱電対。
【請求項５】
前記コアの直径は、約２５〜４０からミクロンであり、前記シースの厚さは、約２〜８からミクロンである請求項４に記載のマイクロ熱電対。
【請求項６】
前記マイクロワイヤ電極は、前記一部の長さに沿って相互接続される請求項３に記載のマイクロ熱電対。
【請求項７】
前記マイクロワイヤ電極は、そのマイクロワイヤ電極の前記シースに塗布された接着剤によって相互接続される請求項６に記載のマイクロ熱電対。
【請求項８】
前記第２の電極は、前記熱電対接合部を形成するために、前記第１の電極の周りに巻き付けられる請求項１に記載のマイクロ熱電対。
【請求項９】
前記第２の電極は、前記第１の電極の周りに前記第２の電極の一連の隣り合いかつ隣接したコンボリューションを形成するように巻き付けられる請求項８に記載のマイクロ熱電対。
【請求項１０】
前記第１の電極は、前記アモルファスの金属材料で形成された一方の電極であり、請求項８に記載のマイクロ熱電対。
【請求項１１】
前記第２の電極は、実質的に結晶質の金属材料で形成される請求項１０に記載のマイクロ熱電対。
【請求項１２】
前記熱電対接合部に塗布された高伝導金属の薄層がある請求項１に記載のマイクロ熱電対。
【請求項１３】
前記薄層は、銅、銀、または金で形成され、約１〜１０ミクロンの厚さを有する請求項１２に記載のマイクロ熱電対。
【請求項１４】
前記熱電対接合部に塗布された絶縁材料の薄層がある請求項１に記載のマイクロ熱電対。
【請求項１５】
前記絶縁材料は、エポキシ樹脂またはポリイミド樹脂のワニスを含む請求項１４に記載のマイクロ熱電対。
【請求項１６】
前記熱電対接合部は、前記第１および第２の電極の並置された端部に形成される請求項１に記載のマイクロ熱電対。
【請求項１７】
長尺な第１および第２のマイクロワイヤ電極を使用し、前記第１および第２の電極の間に自身の長さの一部に沿った電気絶縁バリアを有するマイクロワイヤ熱電対を生産する方法であって、
前記電極の内の一方を他方の電極の周りに巻き付けることによって導電性の熱電対接合部を形成するステップを含み、
前記電極の内の一方は、アモルファスの金属材料で形成される方法。
【請求項１８】
前記マイクロワイヤ電極のそれぞれは、約２ｃｍ〜３ｍの長さを有しかつ側面が互いに隣接した位置にある請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記マイクロワイヤ電極のそれぞれは、金属材料のコアを有し、前記コアの周りにそのマイクロワイヤ電極の前記長さの一部に沿った絶縁材料のシースを備える請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記コアは、約１５〜５０ミクロンの直径を有し、前記シースは、約１〜１０ミクロンの厚さを有する請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記コアの直径は、約２５〜４０からミクロンであり、前記シースの厚さは、約２〜８からミクロンである請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記マイクロワイヤ電極は、前記一部の長さに沿って相互接続される請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記マイクロワイヤ電極は、そのマイクロワイヤ電極の前記シースに塗布された接着剤によって相互接続される請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記熱電対接合部を形成するために、前記第１の電極の周りに前記第２の電極を巻き付けるステップを含む請求項１７に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１の電極の周りに前記第２の電極の一連の隣り合いかつ隣接したコンボリューションを形成するように前記第２の電極を巻き付けるステップを含む請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１の電極は、前記アモルファスの金属材料で形成された一方の電極であり、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記第２の電極は、実質的に結晶質の金属材料で形成される請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記熱電対接合部に高伝導金属の薄層を塗布するステップを含む請求項１７に記載の方法。
【請求項２９】
前記薄層は、銅、銀、または金で形成され、約１〜１０ミクロンの厚さを有する請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記熱電対接合部に絶縁材料の薄層を塗布するステップを含む請求項１７に記載の方法。
【請求項３１】
前記絶縁材料は、エポキシ樹脂またはポリイミド樹脂のワニスを含む請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記第１および第２の電極の並置された端部に前記熱電対接合部を形成するステップを含む請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願に対する相互参照
本願は、２０１１年４月４日に出願され、出願番号が第６１／５１６，４３２号であり、参照によってその全内容が本書に組み込まれた仮出願の利益を請求する。
【０００２】
発明の背景
発明の分野
本発明は、概して、ロバストな設計に改善されかつ１組の長尺な金属コアマイクロワイヤを使用して製作されたマイクロ熱電対に関する。より具体的には、本発明は、マイクロワイヤの内の少なくとも１つは、高強度でありかつガラスコーティングされたアモルファスの金属コアマイクロワイヤであり、熱電対接合部は、アモルファスのマイクロワイヤの周りに他のマイクロワイヤの螺旋状の巻線を有するようなマイクロ熱電対およびその製作方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
先行技術の説明
本来、熱電対は、熱電対接合体によって検知された温度に比例した電圧を出力するバイメタル接合体である。熱電対は、多くの用途で全く共通である。しかしながら、熱電対が一般にマイクロ熱電対と呼ばれるほど非常に小型でなければならない実施例がいくつかある。これらの比較的小さな熱電対は、医療機器（例えば、剥離用カテーテル）、または複合繊維の航空機部品などの製作または修理中の温度モニタリングのような様々な場面で使用される。後者の実施例では、マイクロ熱電対の熱電対接合体は、硬化プロセス中の温度をモニタするために、複合材料の中に埋め込まれる。マイクロ熱電対は、製作または修理された部品に弱点を持ち込まないように、強化するファイバにふさわしいサイズでなければならない。さらに、マイクロ熱電対は、ハンドリング、レイアップ、ならびに複合部品の製作または修理中に生じた応力および上昇した圧力に耐えるのに十分な機械的強度を有し、さらに、繰り返される温度サイクルにわたって安定した熱電力（熱電気力またはゼーベック係数とも呼ばれる）を有しなければならない。従来のマイクロ熱電対は、熱電対が複合材料の硬化中に繰り返される変形にさらされた場合に、その熱電力ＥＭＦが変化するかもしれない点で欠陥がある。
【０００４】
米国特許第７，３６１，８３０号には、少なくとも第１および第２のマイクロワイヤ電極の隣接した末端部から絶縁体を取り除いた後、無鉛はんだを使用してむき出しの端部をはんだ付けしてまたは端部を共に溶接して、末端部に導電性熱電対接合部を形成することによって生産された１つのタイプのマイクロ熱電対が開示されている。それについて、形成された熱電対接合部は、熱収縮しやすいポリマーシースを使用して覆われる。このタイプのマイクロ熱電対の難点は、それがポリマーシースの熱特性のせいで制限された温度範囲内でのみ動作可能であるということである。
【０００５】
別のタイプのマイクロ熱電対は、カントサ（Kantser）らによる、ダブルガラスドラッグスピニング法による熱電気の同軸ケーブルおよびマイクロ熱電対の製作というタイトルの、オプトエレクトロニクスおよび先端材料学会誌、第８巻第２号、２００６年４月、６０１〜６０３頁の論文に記載されている。このマイクロ熱電対の設計では、ビスマステルライド半導体およびセミメタルコアを使用して、長いガラスコーティングされた同軸マイクロワイヤを製作するために、炉の加熱を用いたダブルソフトニングガラスドラッグスピニング法が使用されている。結果として得られたマイクロワイヤは、非常に高い感度を有するが、同軸の設計は、ビスマステルライド材料の脆性を欠点とする。
【０００６】
背景として興味深い他の引用文献には、米国特許第５，２４０，０６６号、第７，０４１，９１１号、およびアントネンコ（Antonenko）らによる、ガラスコーティングされたマイクロワイヤの高周波特性、応用物理学会誌、第８３巻第１１号、１９９８年６月が含まれている。
【発明の概要】
【０００７】
発明の要旨
本発明は、上に概説された問題を解消し、マイクロ熱電対を必要とするあらゆる状況、特に炭素繊維複合材料の製作または修理に使用するのに著しく適するように大幅に改善されたロバストな設計および高強度のマイクロ熱電対を提供する。概して言えば、本発明に従うマイクロ熱電対は、第１および第２の長尺なマイクロワイヤ電極を有し、その電極の間にマイクロ熱電対の長さの一部にわたる電気絶縁バリアを備え、その時の電極の内の少なくとも１つは、アモルファスの金属材料で形成された状態である。導電性熱電対接合部は、第１および第２の電極の間に設けられ、電極の内の一方が他方の電極の周りに巻き付けられた長さを含み、好ましくは、その接合部は、第１および第２の電極の並置された端部に形成される。
【０００８】
特に好ましい形態では、マイクロワイヤ電極のそれぞれは、金属マイクロワイヤコアが、約１５〜５０ミクロン、より好ましくは約２５〜４０ミクロンの直径を有し、ガラスコーティングが、約１〜１０ミクロン、より好ましくは約２〜８ミクロンの厚さを有するように、従来のテーラー−ウリトフスキー（Taylor-Ulitovsky）法を使用して作製されかつガラスコーティングされたマイクロワイヤである。本来、マイクロワイヤは、あらゆる所望の長さを有することが可能であるが、長さが約２ｃｍ〜３ｍであり、側面が互いに隣接した位置にあるのが好ましい。マイクロ熱電対の横方向の寸法を最小化するために、第１および第２の電極は、その電極の長さの少なくとも一部に沿って、好ましくはガラスコーティングの長さ全体にわたって相互接続される。
【０００９】
上述のように、マイクロ熱電対の電極の内の少なくとも１つは、アモルファスのマイクロワイヤである。本書に使用される際に、「アモルファス」は、金属コアが実質的に非結晶質の画一的な構造を有し、そのコアの中に原子または分子の認識可能な構成もパターンもなく、そのコアの中に約１０重量％以下の結晶質相を有することを意味する。これらのタイプのアモルファスのマイクロワイヤは、本マイクロ熱電対に非常に望ましい強度、剛性、および熱電力特性を有する。
【００１０】
マイクロ熱電対の一部を形成する他のマイクロワイヤは、実質的に均一な結晶質の構造によって全て特徴付けられた実質的に結晶質のマイクロワイヤであり、そのマイクロワイヤの中に約１０重量％以下の非結晶質相を備えるのが好ましい。実質的に結晶質のマイクロワイヤは、アモルファスのマイクロワイヤよりもはるかに容易に変形することが可能なので、結晶質のマイクロワイヤのむき出しの端部は、マイクロ熱電対接合部を形成するために、アモルファスのマイクロワイヤのむき出しの端部の周りに巻き付けられるのが好ましい。
【００１１】
形成されたマイクロ熱電対接合部は、高伝導金属（例えば、銀、金、または銅）の薄層（約１〜１０ミクロン）で覆われても良く、また、所望の最終用途に適していれば、高伝導金属コーティングの有無にかかわらず、マイクロ熱電対接合部に塗布された絶縁材料（例えば、エポキシ樹脂またはポリイミド樹脂のワニス）の薄層を有しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明に従うマイクロ熱電対の大幅に拡大された断面図である。
【図２】図２は、好ましい熱電対接合部を示す図１のマイクロ熱電対の垂直断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
好ましい実施形態の詳細な説明
次に、図面について説明すると、好ましいマイクロ熱電対１０は、図１および図２に示され、概して、第１および第２の隣接しかつ相互接続されたマイクロワイヤ１２および１４、ならびにマイクロ熱電対１０の内の一方の端部に隣接した「高温」接合部または熱電対接合部１６を含む。
【００１４】
図示された実施形態では、マイクロワイヤ１２は、長尺なアモルファスの金属コア１８およびコア１８の周りの電気絶縁ガラスシース２０で形成される。同様に、マイクロワイヤ１４は、電気絶縁ガラスシース２４に取り囲まれた長尺な実質的に結晶質の金属コア２２を有する。図示されるように、マイクロワイヤ１２および１４は、エポキシ樹脂またはポリイミド樹脂のワニスのような適切な接着剤２８によって、マイクロ熱電対１０の「低温」端部２６の間のそのワイヤの長さに沿って相互接続される。そのような接着剤は、マイクロワイヤ１２および１４のガラスコーティングされた長さ全体にわたって、またはそのような長さに沿って選定された間隔を開けた位置に塗布されても良い。
【００１５】
マイクロワイヤ１２および１４は、公知のテーラー−ウリトフスキー（Taylor-Ulitovsky）法を使用して連続的に引き抜かれたガラスの微小な毛細管の中に溶融した金属コアを鋳込むことによって製作される特徴を有する。この方法は、例えば、参照によってその全内容が本書に組み込まれた米国特許第５，２４０，０６６号に開示され、アモルファスおよび微晶質のマイクロワイヤの両方の形成に適用可能である。さらに、様々なガラスコーティングされたマイクロワイヤは、例えば、スペインのサンセバスチャン（San Sebastian）にあるタマグイベリカ社（Tamag Iberica S.L.）、およびモルドバのキシナウ（Chisinau）にあるミクロファテクノロジインダストリエール社（Microfir Tehnologii Industriale S.R.L.）から市販されている。そのようなマイクロワイヤは、５〜１１０ミクロンの金属コア直径、および１〜１０ミクロンのガラスコーティング厚さで購入されることが可能である。アモルファスまたは微晶質の金属コアの構造は、適切な合金組成物およびプロセスパラメータを使用して製作されることが可能である。
【００１６】
熱電対接合部１６は、むき出しのマイクロワイヤ端部１８ａおよび２２ａを形成するために、対応したマイクロワイヤコア１８および２２からシース２０および２４を剥ぎ取ることによって形成される。次に、むき出しのコア２２ａは、コア２２ａ、１８ａの間の電気的接合部を良質にするために、むき出しのコア１８ａの周りに巻き付けられる。この目的を果たすために、むき出しのコア２２ａは、むき出しのコア１８ａに沿って一連の径方向にきつくかつぴったり隣接したコンボリューション３０（好ましくは約４〜１０コンボリューション）を設けるように巻き付けられるのが好ましい。巻き付けられた熱電対接合部１６は、さらに、無鉛はんだを使用してはんだ付けされても良い。形成されたマイクロ熱電対接合部１６は、高伝導金属（例えば、銀、金、または銅）の薄層（約１〜１０ミクロン）で覆われても良く、また所望の最終用途に適していれば、高伝導金属コーティングの有無にかかわらず、前述の接合部に塗布された電気的絶縁材料（例えば、エポキシ樹脂またはポリイミド樹脂のワニス）の薄層を有しても良い。
【００１７】
コア端部１８ａおよび２２ａを設けるためにシース２０および２４を剥ぎ取るのは、機械的にまたは沸化水素酸溶液の中でガラスをエッチングすることによって実行されることが可能である。コア端部１８ａの周りにコア端部２２ａを巻き付けるのは、単純な回転ツールを使用して実行されることが可能であり、そのツールは、細いスチールチューブで構成され、そのチューブの中に形成されかつマイクロワイヤ端部２２ａを把持するサイズである狭い長手方向のスロットを備える。
【００１８】
特に、マイクロワイヤ１２は、アモルファスのガラスコーティングされたマイクロワイヤであることが好ましい。このことは、そのようなマイクロワイヤが望ましい機械的特性、特に剛性および３ＧＰａ以下の高い引張強さを有するからである（軟鋼の引張強さよりも１０倍以上高く、炭素繊維強化ポリマー組成物の引張強さに匹敵する）。そのような特性は、アモルファス金属のマイクロワイヤコア１８の実質的に無傷かつ非結晶質の構造による。典型的なアモルファス金属の合金は、１５％のシリコンおよび１０％のホウ素（両方共原子濃度で）を追加したＣｏベースの合金を含む。しかしながら、他の多くの適切な合金組成物も同様に、従来技術の中に見出されるかもしれない。結晶質のマイクロワイヤコア２２は、ニッケル、ニッケルクロム、または銅ニッケル（コンスタンタンタイプ）合金で鋳造されても良い。
【実施例】
【００１９】
本発明に従う一組のマイクロ熱電対は、アモルファスの正のマイクロワイヤ電極および負のマイクロワイヤ電極を使用して製作された。正の電極は、従来通り、鉄、クロム、ホウ素、およびシリコンを含有するアモルファスの８４ＫＸＣＰコバルトベースの合金で製作され、直径が約３５ミクロンの合金コアを有し、そのコアの周りに約３〜５ミクロンの厚さを有するガラスシースを備えた。負の電極は、コンスタンタン合金（４５％のニッケルおよび５５％の銅）で作製され、直径が約２０〜２５ミクロンの金属コア、およびそのコアの周りに約５ミクロンの厚さを有するガラスシースを備えた。これらのマイクロワイヤの両方は、モルドバのキシナウ（Chisinau）にあるミクロファテクノロジインダストリエール社（Microfir Tehnologii Industriale S.R.L.）によって生産された。
【００２０】
次に、正および負のマイクロワイヤ電極は、非常に少量のエポキシ接着剤を塗布することによって数メータの長さに沿って共に接着された。次に、接着されたマイクロワイヤペアは、約３０ｃｍの長さに切断された。熱電対接合部を創出するために、両方のマイクロワイヤのガラスシースは、そのシースの内の一方の端部で約４〜５ｍｍの長さが剥ぎ取られた。ガラスは、２０倍顕微鏡のもとで小型のローラツールを使用することによって機械的に取り除かれた。次に、上述のチューブ状の回転ツールは、正のマイクロワイヤ電極の周りに露出した負のマイクロワイヤ電極を巻き付けて、７〜１０回の径方向にきつい螺旋形状を与えるのに使用された。次に、巻き付けられたワイヤの熱電対接合部は、厚さが約３〜５ミクロンの外側の銅層を設けるために、銅で電気めっきされた。
【００２１】
熱電対接合部から遠く離れた熱電対の反対側の端部でも同様に、マイクロワイヤは、露出されて分離され、正確なデジタル電圧計にマイクロ熱電対を接続するのに使用される従来の小さなプリント回路基板の２つのパッドにそれぞれはんだ付けされた。
【００２２】
これらのマイクロ熱電対サンプルの内の７つは、熱電対接合部が異なる温度にさらされた時に生じた熱ＥＭＦの整合性および安定性をテストされた。そのようなテストでは、回路基板のパッドを含む熱電対の低温接合部および接続されたマイクロワイヤは、周囲温度で維持され、標準のＴタイプ熱電対（銅＋コンスタンタン）によってモニタされた。０．１マイクロボルトの精度を備えたデジタル電圧計は、マイクロ熱電対からの出力電圧を測定するのに使用された。
【００２３】
テストでは、各マイクロ熱電対の巻き付けられたワイヤの熱電対接合部は、まず解凍中の氷浴（０℃）の中に、次にサーモスタットが保持する溶融した純粋な錫（２３１．９３℃）の中に浸された。熱電対の安定性は、巻き付けられたワイヤの熱電対接合部を複数回加熱および冷却すること、即ち溶融した錫および解凍中の氷の中に交互に入れることによってテストされた。熱電対の整合性は、０℃および２３１．９３℃の間で７つの製作されたサンプルに生じた合計のＥＭＦ値を比較することによって定義された。
【００２４】
中間（０℃〜２３１．９３℃）のＥＭＦ値は、６５５０マイクロボルトであり、その時の異なるサンプルの誤差は、繰り返された加熱および冷却サイクルにさらされた場合を含んで±１５マイクロボルトまたは０．２５％の状態であることが分かった。それに対して、オメガ社のようなメーカによって生産された最良の市販の熱電対が有する精度レベルは、０．５％である。
【図１】
2014512007.tif 000003
【図２】
2014512007.tif 000004
【国際調査報告】
2014512007.tif 000005
2014512007.tif 000006