(57)【要約】本発明は、ガラスファイバを歪みセンサとして使用する、光学歪み測定装置（１）に関する。この歪み測定装置は、被覆を有するガラスファイバを有する。この被覆は、ポリエーテル・エーテル・ケトンと、最小１０重量パーセント〜最大４０重量パーセント添加混合される粒径０．０８μｍ〜１２μｍの粒状無機充填材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との比率Ｄ／ｄは、２〜６である。ガラスファイバへの被覆の圧力は、ガラスファイバと被覆との間の相対運動が実質的に生じ得ない程度である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被覆（３）を有するガラスファイバ（２）を有する光学歪み測定装置（１）であって、ここで、
・  前記被覆（３）は、ポリエーテル・エーテル・ケトンと、最小１０重量パーセント〜最大４０重量パーセント添加混合される粒径０．０８μｍ〜１２μｍの粒状無機充填材との混合物を有し、
・  前記被覆（３）の外径は、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（２）の直径ｄとの比率Ｄ／ｄは、２〜６であり、かつ
・  前記ガラスファイバ（２）への前記被覆（３）の圧力は、前記ガラスファイバ（２）と前記被覆（３）との間の相対運動が実質的に生じ得ない程度である、光学歪み測定装置（１）。
【請求項２】
前記ガラスファイバ（２）への前記被覆（３）の圧力は、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（１）。
【請求項３】
前記ガラスファイバ（２）は、ＯＲＭＯＣＥＲ（登録商標）被膜（５）を有するガラスコア（４）を有する、請求項１に記載の光学歪み測定装置（１）。
【請求項４】
前記無機充填材は、ケイ酸塩である、請求項１に記載の光学歪み測定装置（１）。
【請求項５】
前記無機充填材は、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（１）。
【請求項６】
前記無機充填材は、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（１）。
【請求項７】
前記無機充填材の添加混合は、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（１）。
【請求項８】
前記無機充填材の添加混合は、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（１）。
【請求項９】
前記粒径は、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（１）。
【請求項１０】
光学歪み測定装置（１）を製造する方法であって、
・  ガラスファイバ（２）を提供するステップ（Ｓ１、Ｓ２）と、
・  前記ガラスファイバ（２）に被覆（３）を押出すステップ（Ｓ３）とを包含し、ここで、
・  前記被覆（３）が、ポリエーテル・エーテル・ケトンと、最小１０重量パーセント〜最大４０重量パーセント添加混合される粒径０．０８μｍ〜１２μｍ粒状無機充填材との混合物を有し、
・  前記被覆（３）の外径は、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（２）の直径ｄとの比率Ｄ／ｄは、２〜６であり、
・  前記方法の終了後、前記ガラスファイバ（２）への前記被覆（３）の圧力は、前記ガラスファイバ（２）と前記被覆（３）との間の相対運動が実質的に生じ得ない程度である、方法。
【請求項１１】
前記押出しのパラメータは、前記方法の終了後、前記ガラスファイバ（２）への前記被覆（３）の圧力が少なくとも１２０Ｎ／ｍｍ２であるように選定される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ガラスファイバ（２）を提供するステップは、ガラスコア（４）を提供するステップ（Ｓ１）と、前記ガラスコア（４）をＯＲＭＯＣＥＲ（登録商標）被膜（５）で被覆するステップ（Ｓ２）とを包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記無機充填材は、ケイ酸塩である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記無機充填材は、層状ケイ酸塩である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記無機充填材は、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、ガラスファイバを歪みセンサとして使用す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、従来技術から、特に、その理論に関して十分に知られている。そのような構成は、例えば独国特許発明第100 04 384 C2号に示されている。
【０００２】
いかなる歪み測定装置も、ガラスファイバを有する少なくとも１つのセンサと、同様にガラスファイバを有する信号線とからなる。
【０００３】
ガラスファイバ歪みセンサは、測定されるべき歪みを、可能な限り誤差のないように検出するように形成されている。基本的に、これらのセンサには２つのグループがある。第１グループでは、測定のために使用されるガラスファイバが頑強なハウジング内に配置されている。このハウジングは、独国特許発明第100 31 412 C2号、独国特許発明第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、測定箇所に、例えば螺着などで固定される。これらの実施形態の利点は、内設されたこれらのセンサの取り扱いがし易く、これらの被測定物への固定も容易にできることである。固定する前または後に、ハウジング内に配置された歪み測定ファイバがガラスファイバ・信号線と接続されるが、ここで、従来技術から、例えば差込コネクタなどの種々異なる接続構造がよく知られている。この種類のセンサと、これらに付属の信号線およびそれらの端子とはかさばるので、十分なスペースがある測定箇所でしか使用することができない。
【０００４】
しかしながら、空間的に作業し難い箇所で歪みを測定しなければならない場合は多数ある。この場合にはかさばるハウジングを有するセンサを使用することはできない。このような用途には、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号に示されるように、フレキシブルフィルムに敷設されるセンサが使用される。これらのセンサの体積は比較的小さいので、硬質でかさばるハウジングを有するセンサを配置できない箇所にも設置できる。しかし、そのために必要な作業を、狭小な空間条件下では最適に行うことができないので、これらのセンサを狭小な空間条件下で設置することは難しい。そこで、測定箇所でガラスファイバを立体的に敷設すること、すなわち、種々異なる方向に曲げることが必要になることもある。このことは、フィルムを立体的に曲げることができない以上、平らなプラスチックフィルムに敷設されたガラスファイバを用いても、十分に達成されることはない。それゆえ、実際には、歪みセンサは、非常に優れた測定技術の特性を有しているが、これを十分に応用することができないために、その特性を完全に活かすことができないという事態がたびたび起こる。
【０００５】
例えばブリッジのように部材が移動できないものである場合、センサの設置は現場で行わなければならず、それによって、設置の労力が増加し、設置の質も損なわれかねない。
【０００６】
測定箇所の空間的制限に加え、自然環境からの攻撃的な影響によるさらに困難な状況にたびたびさらされるので、センサおよび信号線は、これらの状況に対して保護されなければならない。特に、センサと信号線との結合箇所は、特に万全に保護されなければならないが、このことがさらなる労力を必要とする。
【０００７】
上記の問題は、空間的に狭小な箇所での設置を妨げるだけでなく、設置箇所ごとのコストも上昇させる。
【０００８】
したがって、本発明の課題は、空間的に制限された状態でもわずかな労力で歪みの測定を実行することができる測定技術を提供することである。特に、歪みセンサは、簡単に設置できるようにするべきであり、信号線および歪みセンサは、機械的に頑強であり、かつ水、および攻撃的物質に対して十分に強くあるべきである。本発明のさらなる課題は、このような測定技術を製造するための方法を提供することである。
【０００９】
上記課題は、請求項１に記載の光学歪み測定装置、および請求項１０に記載の方法により解決される。
【００１０】
請求項１によると、光学歪み測定装置は、被覆を有するガラスファイバを有し、ここで、被覆は、ポリエーテル・エーテル・ケトンと、最小１０重量パーセント〜最大４０重量パーセント添加混合される粒径０．０８μｍ〜１２μｍの粒状無機充填材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との比率Ｄ／ｄは、２〜６である。ガラスファイバへの被覆の圧力は、ガラスファイバと被覆との間の相対運動が実質的に生じ得ない程度である。被覆の圧力は、ガラスファイバ内への充填材の粒子の圧着をもたらし、それによって、この効果が達成される。
【００１１】
本発明に係る光学歪み測定装置の利点は、センサと信号線の結合体が極めて頑強な歪み測定装置をもたらすことである。本発明に係る光学歪み測定装置を用いれば、種々異なる要求を満たすことができる。信号線の任意の箇所が接着剤を使って測定箇所に固定されることにより、この部分をセンサとして使用することが可能である。被覆または被覆の請求される組成と組み合わせた、請求される幾何学的形状が、測定箇所の表面の歪みの優れた伝達を、被覆を介してガラスファイバへもたらす。同様に、本発明に係る光学歪み測定装置を２つの位置で貼着することが容易にできる。こうして、２つの固定位置間の区間が拡大しているか否かを検出することができる。
【００１２】
しかし、本発明に係る歪み測定装置は、非常に良好なセンサ特性と並んで、最適な信号線に期待される特性をも有する。特に、強調しておきたいのは、十分な可塑性および頑強性であり、これらが、手作業で導線部分を予め成形して、それを空間的に狭小な測定箇所に挿通し、接着または他の方式で固定できることを可能にする。本発明に係る光学歪み測定装置が永久的に変形可能でないならば、変形が行われることはないだろう。信号線の固定されるべき部分が、そのばね弾性復元力ゆえに接着がうまくできないだろうから、付加的な固着補助物が必要になろう。しかし、このような固着補助物の使用は、測定箇所の空間条件が狭い場合には可能でないことが多い。しかし、本発明に係る光学歪み測定装置が堅すぎるならば、この装置は、変形することができないかもしれず、またはこれが座屈して、ガラスファイバが破損するかもしれない。
【００１３】
被覆のために選定される組成は、多くの化学物質に対して強い耐性を有しているので、本発明に係る光学歪み測定装置は、過酷な工業的環境においても使用することができる。
【００１４】
本発明に係る光学歪み測定装置のさらなる利点は、レーザ光源が接続された場合、ガラスファイバの破損が視覚的にも認識可能なことであるが、それは、破損箇所から出る光を肉眼でも認識できるほど、被覆が透明で、かつ光を散乱させるからである。金属包装または不透明なプラスチック包装を有するファイバでは、ファイバの破損を視覚的に特定することはできない。
【００１５】
請求項２によると、ガラスファイバへの被覆の圧力は、少なくとも１２０Ｎ／ｍｍ２である。この程度の圧力では、ガラスファイバと被覆との間の相対運動が実質的に生じ得ず、正確な歪みの測定が可能である。
【００１６】
請求項３によると、ガラスファイバは、ＯＲＭＯＣＥＲ（登録商標）被膜を有するガラスコアを有する。ＯＲＭＯＣＥＲ（登録商標）の被膜またはコーティングは、光学歪み測定装置を製造する際にガラスファイバに被覆を押出しする作業を行うのに十分な化学的安定性を有する。通常、典型的に使用されるアクリル酸およびポリイミドのコーティングではそうはならない。
【００１７】
請求項４によると、無機充填材は、ケイ酸塩であり、請求項５によると、無機充填材は、層状ケイ酸塩であり、請求項６によると、無機充填材は、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。上述の充填材は、上記に説明した本発明に係る光学歪み測定装置の特性を可能にする。
【００１８】
請求項７によると、無機充填材の添加混合は、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。このことにより、塑性特性のさらなる改善を達成することができる。
【００１９】
請求項８によると、無機充填材の添加混合は、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。このことにより、さらに塑性特性のさらなる改善を達成することができる。
【００２０】
請求項９によると、粒径は、少なくとも０．１μｍ、最大で１０μｍである。この粒径は、被覆とガラスファイバとの良好な接続を可能にする。
【００２１】
請求項１０によると、光学歪み測定装置を製造する方法は、ガラスファイバを提供するステップと、ガラスファイバに被覆を押出すステップとを包含する。ここで、被覆は、ポリエーテル・エーテル・ケトンと、最小１０重量パーセント〜最大４０重量パーセント添加混合される粒径０．０８μｍ〜１２μｍの粒状無機充填材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との比率Ｄ／ｄは２〜６である。製造後のガラスファイバへの被覆の圧力は、ガラスファイバと被覆との間の相対運動が実質的に生じ得ない程度である。被覆の圧力は、ガラスファイバ内への充填材の粒子の食い込みをもたらし、それによって、この効果が達成される。
【００２２】
本発明に係る方法で製造された光学歪み測定装置は、すでに詳述したように、有利な特性を有する。
【００２３】
請求項１１によると、押出成形のパラメータは、製造後のガラスファイバへの被覆の圧力が少なくとも１２０Ｎ／ｍｍ２であるように選定される。この程度の圧力では、ガラスファイバと被覆との間の相対運動が実質的に生じ得ず、正確な歪みの測定が可能である。
【００２４】
請求項１２によると、ガラスファイバを提供するステップは、ガラスコアを提供するステップと、ガラスコアがＯＲＭＯＣＥＲ（登録商標）被膜で被覆されるステップとを包含する。ＯＲＭＯＣＥＲ（登録商標）製の被膜またはコーティングは、光学歪み測定装置を製造する際にガラスファイバに被覆を押出しする作業を行うのに十分な化学的安定性を有する。通常、典型的に使用されるアクリル酸およびポリイミド製のコーティングではそうはならない。
【００２５】
請求項１３によると、無機充填材はケイ酸塩であり、請求項１４によると、無機充填材は層状ケイ酸塩であり、請求項１５によると、無機充填材は、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。上述の充填材は、上記に説明した本発明に係る光学歪み測定装置の特性を可能にすることができる。
【００２６】
以下、本発明を模式図と関連付けた実施形態をもとにして詳細に説明する。
【００２７】
図１は、実施形態の光学歪み測定装置１の縦断面の拡大図を示す。参照符号２はガラスファイバを、参照符号３は被膜または被覆を示す。
【００２８】
図２は、実施形態の光学歪み測定装置１の横断面の拡大図を示す。ガラスファイバ２は、被膜または被覆３内に同軸上に配置されている。
【００２９】
被覆３は、ポリエーテル・エーテル・ケトンと、最小１０重量パーセント〜最大４０重量パーセント添加混合される粒径０．０８μｍ〜１２μｍの粒状無機充填材との混合物を有してもよい。以下において、ポリエーテル・エーテル・ケトンをＰＥＥＫとし、ＰＥＥＫと無機充填材との混合物をＰＥＥＫＦとする。
【００３０】
無機充填材は、例えば、タルク（ケイ酸マグネシウム水和物、Ｍｇ３Ｓｉ４Ｏ１０（ＯＨ）２）、石灰、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（主成分（６０〜８０％）モンモリロナイト（層状アルミニウムケイ酸塩、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）、または酸化チタン（ＴｉＯ２）であってよい。
【００３１】
ガラスファイバ２は、ガラスコア４とコーティングまたは被膜５を有してもよい。被膜５の材料は、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であってもよい。
【００３２】
材料３の外径Ｄは、例えば０．２ｍｍ〜１．２ｍｍであってもよい。被覆３の外径Ｄとガラスファイバ２の直径ｄとの比率Ｄ／ｄは、例えば２〜６であってもよい。この実施形態では、ガラスファイバ２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の粒径で、３０重量パーセントのタルク滑石を添加混合したＰＥＥＫＦからなる。
【００３３】
ガラスファイバ２への被覆３の圧力は、ガラスファイバ２と被覆３との間の相対運動が実質的に生じ得ず、正確な歪みの測定が可能な程度であり得る。この場合、ガラスファイバ２への被覆３の圧力は、例えば１２０Ｎ／ｍｍ２〜２１６Ｎ／ｍｍ２であってもよい。
【００３４】
無機充填材が添加混合された被覆３は、光学歪み測定装置１の製造時に、押出し法でガラスファイバ２に被着される。ＰＥＥＫＦの融点が３７０℃を超えるので、押出し加工は高温で行われる。ゆっくりと冷却すると、ＰＥＥＫＦが凝固し始める温度限界から、１℃ごとの冷却で、ガラスファイバ２の材料と被覆３の材料の膨張の差によって圧力が発生する。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が凝固し始める温度限界は、例えば略１７０℃である。そこで、例えば、約１７０℃から約２０℃に冷却する場合、例示的計算は次のとおりである：１５０Ｋ×２４．５ｐｐｍ／Ｋ。
【００３５】
したがって、ガラスファイバ２の材料と被覆３の材料の膨張の差が、被覆３とガラスファイバ２との収縮結合をもたらす収縮プロセスを引き起こす。その際、被覆３は、ガラスファイバ２に強固に圧着される。このことは、押出成形の固定パラメータと被覆材料ＰＥＥＫＦの特定の組成とによって達成される。
【００３６】
図３は、材料表面上での実施形態の光学歪み測定装置１の応用例を示す。参照符号６は固定位置を示しており、これらの固定位置において、光学歪み測定装置１が調査されるべき材料表面７に接着剤により固定されている。複数の固定位置６の間には光学歪み測定装置が直線的に敷設されている。固定位置６が、材料の歪みが生じることにより、矢印で示すように互いに離れた場合、光学歪み測定装置１が歪み、歪みが測定され得る。同様に、光学歪み測定装置１を、材料表面７上のより長い接着部分８にわたって接着することも可能である。この応用方法は、当業者にとって、基本的によく知られており、したがって詳細に説明される必要はない。
【００３７】
図４は、実施形態の光学歪み測定装置１を製造する方法の基本的ステップを具体的に説明するフローチャートを示す。ステップＳ１において、ガラスコア４が提供される。ステップＳ２において、ガラスコア４が被膜５で被覆される。ステップＳ１およびＳ２は、共にガラスファイバ２を提供するステップをなす。ステップＳ３において、ガラスファイバ２上に被覆３が押し出される。
【００３８】
実施形態の光学歪み測定装置１を製造する方法において、押出成形のパラメータは、製造後のガラスファイバ２への被覆３の圧力が、ガラスファイバ２と被覆３との間の相対運動が実質的に生じず、正確な歪みの測定が可能であるように選定されてよい。この場合、ガラスファイバ２への被覆３の圧力は、例えば、１２０Ｎ／ｍｍ２〜２１６Ｎ／ｍｍ２であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】実施形態の光学歪み測定装置の縦断面の拡大図である。
【図２】実施形態の光学歪み測定装置の横断面の拡大図である。
【図３】材料表面上での実施形態の光学歪み測定装置の応用例の図である。
【図４】実施形態の光学歪み測定装置を製造する方法の基本的ステップを示すフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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2012524887.tif 000009
2012524887.tif 000010
2012524887.tif 000011
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