(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブラッググレーティング（２）を備えたガラスファイバ（１）と被覆（３）とを含む光学歪み測定装置であって、
・  前記被覆（３）が、ポリエーテル・エーテル・ケトンと、粒径０．０８μｍ〜１２μｍの粒状無機充填剤であって少なくとも１０重量パーセント、最大で４０重量パーセントの添加量の無機充填剤との混合物を有し、
・  前記被覆（３）の外径が０．２ｍｍ〜１．２ｍｍであり、
・  前記被覆（３）の外径Ｄと前記ガラスファイバ（１）の直径ｄとの間の比Ｄ／ｄが２〜６であり、
・  前記ガラスファイバ（１）に対する前記被覆（３）の圧力が、前記ガラスファイバ（１）および前記被覆（３）の間の相対運動が実質的に生じ得ない程度のものである、
光学歪み測定装置。
【請求項２】
前記ガラスファイバ（１）に対する前記被覆（３）の圧力が、少なくとも１２０Ｎ／ｍｍ２である、請求項１に記載の光学歪み測定装置。
【請求項３】
前記ガラスファイバ（１）が、ＯＲＭＯＣＥＲ（登録商標）被膜（６）を備えたガラスコア（５）を含む、請求項１に記載の光学歪み測定装置。
【請求項４】
前記無機充填剤がケイ酸塩である、請求項１に記載の光学歪み測定装置。
【請求項５】
前記無機充填剤が層状ケイ酸塩である、請求項１に記載の光学歪み測定装置。
【請求項６】
前記無機充填剤が、タルク、石灰、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、窒化ホウ素、二酸化ケイ素、またはベントナイトである、請求項１に記載の光学歪み測定装置。
【請求項７】
前記無機充填剤の添加量が、２５重量パーセントから４０重量パーセントの範囲にある、請求項１に記載の光学歪み測定装置。
【請求項８】
前記無機充填剤の添加量が、２７重量パーセントから３３重量パーセントの範囲にある、請求項１に記載の光学歪み測定装置。
【請求項９】
前記粒子径が０．１μｍから１０μｍの範囲にある、請求項１に記載の光学歪み測定装置。
【請求項１０】
光学歪み測定装置の製造方法であって、次のステップ、すなわち、
・  ブラッググレーティング（２）を備えたガラスファイバ（１）を用意するステップ（Ｓ１、Ｓ２）と、
・  前記ガラスファイバ（１）の上に被覆（３）を押し出し加工するステップ（Ｓ３）と、
を含み、さらに、
・  前記被覆（３）が、ポリエーテル・エーテル・ケトンと、粒径０．０８μｍ〜１２μｍの粒状無機充填剤であって少なくとも１０重量パーセント、最大で４０重量パーセントの添加量の無機充填剤との混合物を有し、
・  前記被覆（３）の外径が０．２ｍｍ〜１．２ｍｍであり、
・  前記被覆（３）の外径Ｄと前記ガラスファイバ（１）の直径ｄとの間の比Ｄ／ｄが２〜６であり、
・  前記ガラスファイバ（１）に対する前記被覆（３）の圧力が、この方法完了後に前記ガラスファイバ（１）および前記被覆（３）の間の相対運動が実質的に生じ得ない程度のものである、
方法。
【請求項１１】
前記押し出し加工のパラメータが、前記方法完了後に前記ガラスファイバ（１）に対する前記被覆（３）の圧力が少なくとも１２０Ｎ／ｍｍ２になるように選択される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ガラスファイバ（１）を用意するステップが、ブラッググレーティング（２）を備えたガラスコア（５）を用意するステップ（Ｓ１）と、そのガラスコア（５）をＯＲＭＯＣＥＲ（登録商標）被膜（６）で被膜処理するステップ（Ｓ２）とを有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記無機充填剤がケイ酸塩である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記無機充填剤が層状ケイ酸塩である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記無機充填剤が、タルク、石灰、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、窒化ホウ素、二酸化ケイ素、またはベントナイトである、請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、ファイバブラッググレーティングを備えたガラスファイバを歪みセンサーとして用いる光学歪み測定装置に関する。材料の歪みを測定するために材料の光学的特性の変化を利用することは、現行技術から、特に理論に関して十分に知られている。このような装置は、例えば、独国特許第100 04 384 C2号に記載されている。
【０００２】
この種の歪み測定装置は、いずれも、少なくとも１つのファイバブラッググレーティングを有するガラスファイバを備えた少なくとも１つのセンサーと、同様にガラスファイバを有する少なくとも１つの信号導線とから構成される。
【０００３】
ガラスファイバ歪みセンサーは、歪みをできるだけ正確に検出するように設計される。このセンサーには、原理的に２つのグループがある。第１グループにおいては、測定用に用いられるガラスファイバが頑丈な筐体の中に配置される。この筐体は、独国特許第100 31 412 C2号、独国特許第39 02 997 C1号、米国特許第4,761,073号または独国実用新案第297 11 958 U1号に記載されているように、測定位置に例えばネジ込み（螺着）によって固定される。この実施形態の利点は、筐体に収納されたセンサーの取り扱いが容易であり、測定対象への固定も簡単に可能であるという点にある。筐体内に配置されたガラスファイバ歪み測定装置は、固定の前またはその後にガラスファイバ信号導線に接続されるが、その場合、例えば差し込み式接続具のような種々の接続構造が現行技術から知られる。この種のセンサーおよびその接続部を含む付属の信号導線は、容積が大きく、従って、十分な空間がある測定位置にのみ使用可能である。
【０００４】
別の適用上の問題として、ファイバブラッググレーティングを所定の測定位置に設置しなければならないという点がある。従って、ファイバブラッググレーティングの位置方位を正確に知ることが必要になる。上記の筐体収納センサーの場合には、筐体の外部の角（かど）部とファイバブラッググレーティングの位置方位との間には幾何学的な関係がある。この点において、測定位置上へのセンサーの配置と正確な方位付けには何ら問題はない。
【０００５】
しかし、空間的にアクセスが困難な位置における歪みを測定しなければならないような様々な測定上の課題がある。この場合は、容積の大きい筐体を備えたセンサーは使用できない。このような場合に対しては、例えば、独国特許出願公開第10 2007 008 464 A1号または米国特許第6,720,553 B2号に記載されているような、可撓性の箔の中に包埋されたセンサーが用いられる。このセンサーの容積は僅かなものであり、従って、堅固な、容積の大きい筐体を有するセンサー用の場所を見出し得ないような位置にも設置できる。しかし、狭小な空間的制約の下では、このセンサーも設置が困難である。それは、その設置に必要な取り扱い操作が、空間的に狭小な条件の下では最適に実施できないからである。制約された空間的条件下では、箔上に貼着された標識および位置指標が状況によって読み取り難いので、測定位置におけるファイバブラッググレーティングの方位付けが特に困難である。
【０００６】
測定位置における空間的制約に加えて、しばしば腐食性の強い環境影響によるさらに別の厳しい条件が加わる。そのため、それらからセンサーおよび信号導線保護しなければならない。特に、センサーおよび信号導線の間の接続位置は入念に保護しなければならず、これには高い費用が必要になる。
【０００７】
従って、本発明の課題は、空間的な制約がある場合においても、僅かな費用で歪み測定を実施し得る測定技術を提供することにある。特に、歪みセンサーの簡単な固定が可能であり、ファイバブラッググレーティングを測定位置に正確に配置できなければならない。さらに、信号導線および歪みセンサーは、力学的に頑丈であり、かつ、水および腐食性物質による影響を受けないようにすべきである。本発明のさらなる課題は、このような測定技術の製造方法を提供することにある。
【０００８】
この課題は、請求項１に記載の光学歪み測定装置と、請求項１０に記載の方法とによって達成される。
【０００９】
請求項１によれば、光学歪み測定装置が、ブラッググレーティングと被覆とを含むガラスファイバを有する。この場合、この被覆は、ポリエーテル・エーテル・ケトンと、粒径０．０８μｍ〜１２μｍの粒状無機充填剤であって少なくとも１０重量パーセント、最大で４０重量パーセントの添加量の無機充填剤との混合物を有する。被覆の外径は０．２ｍｍ〜１．２ｍｍである。被覆の外径Ｄとガラスファイバの直径ｄとの間の比Ｄ／ｄは２〜６である。ガラスファイバに対する被覆の圧力は、ガラスファイバおよび被覆の間の相対運動が実質的に生じ得ない程度のものである。被覆の圧力によって充填剤の粒子がガラスファイバの中に圧着し、その結果としてこの効果が実現される。
【００１０】
本発明による光学歪み測定装置によって、種々の要件を満たすことが可能になる。本発明による光学歪み測定装置の利点は、センサーおよび信号導線のユニットが、制約された空間的条件の下においても、ファイバブラッググレーティングを測定位置にきわめて正確に配置し得るような非常に頑丈な光学歪み測定装置もたらすという点にある。特許請求する幾何学的形状と特許請求する被包もしくは被覆の組成物との組み合わせによって、ファイバブラッググレーティングを、例えばねじ込み式留め具のような硬い（機械的）物体を用いて正確に固定できるようになる。このため、その対象物を、被覆の上に所定の圧力で引き付けることになる。これによって、被覆の材料は僅かに変形し、従ってファイバブラッググレーティングも僅かに変形する。ファイバブラッググレーティングの変形によって生じるファイバブラッググレーティングの光学的特性の変化は、評価電子装置によって検出される。これによって、本発明による光学歪み測定装置の縦軸方向におけるファイバブラッググレーティングの非常に精密な位置決めが可能になり、その結果、歪み測定装置が、狭小な装着条件の下でもなお精確な測定結果を提供する。
【００１１】
しかし、本発明による光学歪み測定装置は、ファイバブラッググレーティングの簡単かつ精密な位置決めの可能性の他にも、期待される最適な信号伝達特性をも有する。特に、導線部分を空間的に狭小な測定位置に通して接着し、あるいは他の方法で固定できるようにするため、導線部分を手で予備成形することを可能にするのに十分な可塑性および頑丈さを強調しなければならない。本発明による光学歪み測定装置が十分な弾性を有する場合には、予備成形しなくても済む可能性がある。但しその場合は、固定すべきファイバ部分が、弾性による戻り力のためによく接着できず、その結果余分な固定補助具が必要になることもある。しかし、このような固定補助具の使用は、測定位置の狭小な空間的制約の下では不可能である場合が多い。しかし、本発明による光学歪み測定装置の剛性が高すぎると、それを変形させることは不可能になるか、あるいは、それは折れてしまい、ガラスファイバが破損するであろう。
【００１２】
さらに、被覆用として選択された組成物は、種々の化学物質に対して高い耐性を有するので、本発明による光学歪み測定装置は、厳しい工業的環境においてもコスト高な保護措置を施さずに使用することができる。
【００１３】
本発明による光学歪み測定装置のさらなる別の利点は、ガラスファイバの破損を、裸眼でも、周囲の明るさ次第で少なくとも２ｍにわたって認知できるという点にある。そのため、ファイバの端部にレーザ光源が接続される。光は、ファイバの破損箇所から射出し、透明な被覆の特殊な組成物によってよく散乱され、従ってよく視認され得る。この点は、多数の測定導線を用いる大規模な適用用途の場合、破損箇所を速やかに検出できる利点がある。
【００１４】
請求項２によれば、ガラスファイバに対する被覆の圧力が少なくとも１２０Ｎ／ｍｍ２である。この圧力において、ガラスファイバおよび被覆の間の相対的動きは実質的に生じ得ず、従って正確な歪み測定が可能になる。
【００１５】
請求項３によれば、ガラスファイバが、ＯＲＭＯＣＥＲ（登録商標）被膜を備えたガラスコアを有する。ＯＲＭＯＣＥＲ（登録商標）の被膜もしくはコーティングは、光学歪み測定装置の製造時におけるガラスファイバの上への被覆の押し出し加工の工程に対して十分な化学的安定性を有する。これは、ＯＲＭＯＣＥＲ（登録商標）コーティングを用いない通常のアクリル酸およびポリイミドのコーティングの場合には実現し得ない利点である。
【００１６】
請求項４によれば、無機充填剤がケイ酸塩であり、請求項５によれば、無機充填剤が層状ケイ酸塩であり、請求項６によれば、無機充填剤が、タルク、石灰、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、窒化ホウ素、二酸化ケイ素、またはベントナイトである。これらの充填剤は、本発明による光学歪み測定装置の前記の特性を可能にする。
【００１７】
請求項７によれば、無機充填剤の添加量は少なくとも２５重量パーセント、最大で４０重量パーセントである。これによって、可塑性特性のさらなる改善が実現できる。
【００１８】
請求項８によれば、無機充填剤の添加量は少なくとも２７重量パーセント、最大で３３重量パーセントである。これによって、可塑性特性のなおさらなる改善が実現できる。
【００１９】
請求項９によれば、粒子径は少なくとも０．１μｍ、最大で１０μｍである。この粒子径によって、被覆およびガラスファイバの間の良好な接合が可能になる。
【００２０】
請求項１０によれば、光学歪み測定装置の製造方法が、以下のステップ、すなわち、ブラッググレーティングを備えたガラスファイバを用意するステップと、そのガラスファイバの上に被覆を押し出し加工するステップとを有する。この場合、被覆は、ポリエーテル・エーテル・ケトンと、粒径０．０８μｍ〜１２μｍの粒状無機充填剤であって少なくとも１０重量パーセント、最大で４０重量パーセントの添加量の無機充填剤との混合物を有する。被覆の外径は０．２ｍｍ〜１．２ｍｍである。被覆の外径Ｄとガラスファイバの直径ｄとの間の比Ｄ／ｄは２〜６である。ガラスファイバに対する被覆の圧力は、この方法完了後にガラスファイバおよび被覆の間の相対運動が実質的に生じ得ない程度のものである。被覆の圧力によって充填剤の粒子がガラスファイバの中に圧着し、その結果としてこの効果が実現される。
【００２１】
本発明による方法によって製造された光学歪み測定装置は、上記に詳述した有利な特性を有する。
【００２２】
請求項１１によれば、前記押し出し加工のパラメータを、この方法完了後に、ガラスファイバに対する被覆の圧力が少なくとも１２０Ｎ／ｍｍ２になるように選択する。この圧力において、ガラスファイバおよび被覆の間の相対的動きは実質的に生じ得ず、従って正確な歪み測定が可能になる。
【００２３】
請求項１２によれば、前記ガラスファイバを用意するステップが、ガラスコアを提供するステップと、そのガラスコアをＯＲＭＯＣＥＲ（登録商標）被膜で被膜処理するステップとを有する。ＯＲＭＯＣＥＲ（登録商標）の被膜もしくはコーティングは、光学歪み測定装置の製造時におけるガラスファイバの上への被覆の押し出し加工の工程に対して十分な化学的安定性を有する。これは、ＯＲＭＯＣＥＲ（登録商標）コーティングを用いない通常のアクリル酸およびポリイミドのコーティングの場合には実現し得ない利点である。
【００２４】
請求項１３によれば、無機充填剤がケイ酸塩であり、請求項１４によれば、無機充填剤がフィロケイ酸塩であり、請求項１５によれば、無機充填剤が、タルク、石灰、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、窒化ホウ素、二酸化ケイ素、またはベントナイトである。これらの充填剤は、本発明による光学歪み測定装置の前記の特性を可能にする。
【００２５】
次に、本発明を、模式図に示した一実施形態に基づいてさらに詳しく説明する。
【００２６】
図１は、一実施形態による光学歪み測定装置の縦方向断面の拡大図を示す。符号１がガラスファイバを、符号２がブラッググレーティングを、符号３が包囲材もしくは被覆を示している。矢印４は、ガラスファイバ１に対する被覆３の圧力を表す記号である。
【００２７】
図２は、前記一実施形態による光学歪み測定装置の横断面の拡大図を示す。ガラスファイバ１は、包囲材もしくは被覆３の中に同軸に配置される。
【００２８】
被覆３は、ポリエーテル・エーテル・ケトンと、粒径０．０８μｍ〜１２μｍの粒状無機充填剤であって、例えば少なくとも１０重量パーセント、最大で４０重量パーセントの添加量の無機充填剤との混合物を有する。以下においては、ポリエーテル・エーテル・ケトンをＰＥＥＫと表記し、ＰＥＥＫおよび無機充填剤の混合物をＰＥＥＫＦと表記する。
【００２９】
無機充填剤としては、例えば、タルク（水酸化ケイ酸マグネシウム、Ｍｇ３Ｓｉ４Ｏ１０（ＯＨ）２）、チョーク、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、硫酸バリウム（ＢａＳＯ４）、窒化ホウ素（ＢＮ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、ベントナイト（主要成分は（６０〜８０％）のモンモリロナイト（層状ケイ酸アルミニウム、Ａｌ２［（ＯＨ）２／Ｓｉ４Ｏ１０］ｎＨ２Ｏ））、石英（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、中空ガラス球、沈降シリカ、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、あるいは酸化チタン（ＴｉＯ２）が対象として考えられる。
【００３０】
ガラスファイバ１は、ブラッググレーティング２を備えたガラスコア５と、コーティングもしくは被膜６とを有することができる。被膜６の材料としては、例えば、ＯＲＭＯＣＥＲ（登録商標）、すなわち、無機−有機ハイブリッドポリマーが対象として考えられる。
【００３１】
被覆３の外径Ｄは、例えば、０．２ｍｍ〜１．２ｍｍとすることができる。被覆３の外径Ｄとガラスファイバ１の直径ｄとの間の比Ｄ／ｄは、例えば２〜６とすることができる。前記の一実施形態においては、ガラスファイバ１の直径ｄは０．１８５ｍｍであり、被覆３の外径Ｄは０．６ｍｍである。被覆３は、０．１μｍ〜１０μｍの粒子径のタルクであって３０重量パーセントの添加量のタルクを充填剤として含むＰＥＥＫＦから構成される。被覆３は、押し出し加工法によってガラスファイバ１の上に被覆され、ガラスファイバ１を、０より大きい所定の圧力で囲繞する。向心的な圧力の径路が矢印４で示されている。
【００３２】
ガラスファイバ１に対する被覆３の圧力は、ガラスファイバ１および被覆３の間の相対運動が実質的に生じ得ず、従って正確な歪み測定が可能になる程度のものにすることができる。この場合、ガラスファイバ１に対する被覆３の圧力を、例えば、１２０Ｎ／ｍｍ２および２１６Ｎ／ｍｍ２の間にすることができる。
【００３３】
無機充填剤をその中に添加混合させた被覆３は、光学歪み測定装置の製造に際して、押し出し加工法においてガラスファイバ１の上に被覆される。押し出し加工工程は、ＰＥＥＫＦの融点が３７０℃を超えているので高温で行われる。徐冷して、ＰＥＥＫＦの硬化が始まる温度限界以下になると、１℃冷却されるごとに、ガラスファイバ１および被覆３の材料の膨張の差異による圧力が生じる。例えば、ガラスの膨張係数は０．５ｐｐｍ／Ｋ、ＰＥＥＫＦの膨張係数は２５ｐｐｍ／Ｋであるならば、差分は２４．５ｐｐｍ／Ｋになる。ＰＥＥＫＦの硬化が始まる温度限界は例えば約１７０℃である。その場合、例えば、約１７０℃から約２０℃まで冷却すると、例えば次の計算が成り立つことになる。すなわち、１５０Ｋ×２４．５ｐｐｍ／Ｋとなる。
【００３４】
従って、ガラスファイバ１および被覆３の材料の膨張の差によって、被覆３およびガラスファイバ１の間で収縮嵌めをもたらす収縮過程が生じる。これによって、被覆３が、ガラスファイバ１に強固に圧着される。これは、押し出し加工の固定パラメータと、被覆材料のＰＥＥＫＦの特定の組成物とによって実現される。
【００３５】
図３は、前記一実施形態による光学歪み測定装置の製造方法の基本的なステップを図解した流れ図を示す。ステップＳ１において、ブラッググレーティング２を備えたガラスコア５を用意する。ステップＳ２において、ガラスコア５に被膜６を被膜処理する。ステップＳ１およびＳ２が、一緒に、ガラスファイバ１を用意するステップを構成する。ステップＳ３において、ガラスファイバ１の上に被覆３を押し出し加工する。
【００３６】
ブラッググレーティング２を備えたガラスコア５を用意するステップＳ１は、ガラスコア５を用意するステップと、ガラスコア５にブラッググレーティング２を設けるステップとを含むことができる。
【００３７】
前記一実施形態による光学歪み測定装置の製造方法においては、押し出し加工のパラメータを次のように選択することが可能である。すなわち、ガラスファイバ１に対する被覆３の圧力が、この方法完了後にガラスファイバ１および被覆３の間の相対運動が実質的に生じ得ず、従って正確な歪み測定が可能になる程度のものになるように、押し出し加工のパラメータを選択するのである。この場合、ガラスファイバ１に対する被覆３の圧力は、例えば、１２０Ｎ／ｍｍ２および２１６Ｎ／ｍｍ２の間にある。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】一実施形態による光学歪み測定装置の縦方向断面の拡大図である。
【図２】前記一実施形態による光学歪み測定装置の横断面の拡大図である。
【図３】前記一実施形態による光学歪み測定装置の製造方法の基本的なステップを図解したフローチャートである。
【要約】本発明は、ブラッググレーティング（２）を備えたガラスファイバ（１）を用いる光学歪み測定装置に関する。このガラスファイバ（１）は、粒径０．０８μｍ〜１２μｍの粒子状無機充填剤であって、少なくとも１０重量パーセントおよび最大４０重量パーセントの添加量の無機充填剤が添加されたポリエーテル・エーテル・ケトンからなる被覆（３）で被覆される。被覆（３）の外径は０．２ｍｍ〜１．２ｍｍである。被覆（３）の外径Ｄとガラスファイバ（１）の直径ｄとの間の比Ｄ／ｄは２〜６である。ガラスファイバ（１）に対する被覆（３）の圧力は、ガラスファイバ（１）および被覆（３）の間の相対運動が実質的に生じ得ない程度のものである。
【選択図】図１【図１】
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【図２】
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【図３】
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