JP5918278B2 - 応力に関連した温度測定誤差を除去するように構成されたマイクロワイヤ温度センサおよびそのセンサの製造方法 - Google Patents

Description

相互関連出願
本願は、２０１１年３月９日に出願され、出願番号が第６１／４６４，６８２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。

発明の背景
発明の技術分野
本発明は、広く、熱処理の経過中の材料の温度（例えば、硬化前または硬化後の温度範囲）を正確に検出するために、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）、他の硬化性ポリマー、エラストマー、ゴムコンパウンド、セラミック材料、セメント、またはコンクリートのような熱処理可能または硬化可能な材料の内部に部分的または完全に埋め込まれるように特別に設計された、改善されたマイクロワイヤ温度センサに関する。より具体的には、本発明は、マイクロワイヤの再磁化応答に感知可能なほどの磁気的偏りを与えない材料で形成されかつ実質的に剛性のある端部が閉じた保護チューブの内部に収容されて内包された少なくとも１つの温度検出用プライマリマイクロワイヤを有するようなセンサに関し、好ましい形態では、温度検出用プライマリマイクロワイヤ、および／またはキャリブレーションマイクロワイヤ、および／またはリファレンスマイクロワイヤを含む複数のマイクロワイヤが保護チューブの内部に配置される。保護チューブの使用は、より正確な温度検出を行なうために、材料の加熱または硬化中に材料の中に創出された応力からマイクロワイヤを隔離する。さらに、歪みは、材料の硬化後の最終寸法が（例えば、収縮によって）開始時の寸法と異なることによって引き起こされ、所定のあらゆる温度でマイクロワイヤの再磁化応答を変化させるので、不正確な温度測定を引き起こす場合があり、これらの保護チューブは、マイクロワイヤがそのような歪みを生じないようにする。最後に、これらの保護チューブは、材料の硬化後の加熱または冷却中の伸縮による応力からマイクロワイヤを隔離するので、硬化後のいつでも材料または部品の正確な温度測定ができるようになる。

先行技術の説明
「磁気素子の温度センサ」と名称を付けられた米国特許公開第２００７／０２６３６９９号、「マイクロワイヤコントロールのオートクレーブおよび方法」と名称を付けられた第２００８／０１７５７５３号、および「磁気素子の温度センサ」と名称を付けられた第２０１０／０３２２２８３号には、マイクロワイヤ温度センサおよびそのようなセンサと共に使用される温度検出装置全体の一般的構成および動作が記載されている。大まかに言えば、これらのマイクロワイヤセンサは、少なくとも１つの温度検出用マイクロワイヤを含み、そのマイクロワイヤは、アモルファスまたはナノ結晶の合金コアを長尺なワイヤまたはリボンの形態で、そのコアを取り囲むガラスシースまたはコーティングと共に有する（’７５３公報の図１を参照すること）。マイクロワイヤが加えられた交番磁界の影響下での特徴的な再磁化応答を示し、さらにマイクロワイヤの再磁化応答が設定点温度よりも下または上で著しく異なるような設定点温度（通常、キュリー温度またはキュリー温度よりも下の領域の中の温度のあらゆる数値）を有するように、そのような温度検出用マイクロワイヤの合金コアは、注意深く設計される。再磁化応答は、定義された継続時間の磁界摂動の少なくとも１つの短い検出可能なパルスによって定義される。マイクロワイヤのキュリー温度に到達すると同時に、検出された応答の電圧は、ゼロまたは略ゼロになる。

これらの従来のマイクロワイヤセンサは、応答信号を発信させる交番磁界を生成する磁界発生コイル、および応答信号が要求されたマイクロワイヤの再磁化応答を検出する検出コイルを含む検出装置と共に使用される。次に、これらの応答は、センサによって検出された温度に対応した出力を生成するための信号処理器を使用して復号される。従って、自身にマイクロワイヤセンサが埋め込まれた熱硬化性材料によって検出された温度は、モニタされることが可能である。さらに、この温度情報を使用して、加熱プロセスをコントロールすることが可能である。

公知のマイクロワイヤ温度センサおよび関連した検出装置の有用性が立証された一方、先行技術のセンサが、航空宇宙産業用部品の製作の中で使用される複合材料のような未硬化で積層されたＣＦＲＰ複合材料の内部に永続的に埋め込まれた後、複合材料を硬化させるためにオーブンまたはオートクレーブの中で熱処理する場合に、いくつかの問題が発生した。目標は、より効果的かつより効率的な硬化サイクルを産み出すために、コントローラが温度情報を使用してオーブン／オートクレーブの温度および／または様々な温度での経過硬化時間を調節することができるように、硬化プロセス中の複合材料物の内部の温度をリモートかつワイヤレスに検出することであった。

しかしながら、実際には、埋め込まれた先行技術のセンサは、埋め込まれたタイプＥの熱電対を使用して比較テストされた結果、完全に信頼性の高い温度検出を行なうことができないことが分かった。いくつかの実施例では、先行技術のセンサから検出された温度プロフィールは、熱電対を使用して導出された温度プロフィールと著しく異なるものであった。

従って、熱硬化プロセスまたは発熱プロセス中およびその後のサービス中も同様に、ＣＦＲＰ複合材料または正確な温度データを与える他の材料のような熱硬化性材料の内部に少なくとも一部が埋め込まれることが可能なマイクロワイヤセンサを改善する技術的ニーズがある。

発明の要旨
本発明は、上記の問題を解消し、ＣＦＲＰ複合材料、他の硬化性ポリマー、エラストマー、ゴムコンパウンド、セラミック材料、セメント、またはコンクリートのような材料の熱硬化または硬化の経過中の非常に正確な温度情報を与える改善された埋め込み可能な温度センサを提供する。さらに、これらのセンサは、硬化プロセスによって先行技術のセンサの中に永続的に引き起こされた応力に起因した誤差を防ぐので、硬化後のいつでも非常に正確な温度情報を与えられるという効果がある。

ＣＦＲＰ複合材料の中に埋め込まれた先行技術のマイクロワイヤセンサの動作に関する詳細な調査は、硬化プロセス中にマイクロワイヤセンサを取り囲むＣＦＲＰ複合材料の粘性（および関連した伸縮挙動）の変化のせいで、埋め込まれたセンサの上に応力が加えられることを明らかにした。これらの応力の結果として、センサによって報知されたランダムな温度誤差が生じた。埋め込まれたセンサの上に及ぼされた応力が、プライマリおよびリファレンスマイクロワイヤから導出された正規化された値の間の機能的関係を変化させ、その結果として、推定された温度の中のランダムな誤差が生じたことが考えられる。プロセスとプロセスとの間または異なる樹脂を使用する場合でのＣＦＲＰ樹脂の粘性（および関連した伸縮挙動）の変化を予測することは事実上不可能なので、先行技術のセンサは、これらの状況下で正確な温度プロフィールを提供することができなかった。

さらに、ＣＦＲＰ複合材料部品ならびに自動車タイヤ、シャワー室、セメント／コンクリート構造物、および他の多くのもののような他の硬化された部品の内部の温度を調査する必要があることが分かった。硬化中の収縮だけでなく様々な実効的温度での実効的使用中の伸縮により、個々の硬化された部品がシールドされていない温度検出用マイクロワイヤに与えるであろう様々な応力および歪みの内容を明らかにすることは不可能なので、そのような未知の応力および歪みからの隔離は、無数の材料、製品、および製品アプリケーションの中で一般的に使用可能なセンサにとって重要である。

図１は、オートクレーブの硬化テストの代表的なテスト結果であり、そこでは、（温度検出用プライマリマイクロワイヤおよびリファレンスマイクロワイヤを有する）先行技術の２ワイヤのマイクロワイヤセンサが、ＣＦＲＰパネルの層の内部に埋め込まれた後、所定の方法でオートクレーブの内部の周囲温度の上昇に伴って硬化された。また、テストでは、タイプＥの熱電対は、ＣＦＲＰ材料の内部の先行技術のマイクロワイヤセンサに直接隣接した位置である、先行技術のマイクロワイヤセンサが埋め込まれたのと同じ層の内部に埋め込まれた。次に、埋め込まれたマイクロワイヤセンサを使用して推定された温度プロフィールが、熱電対から導出されたデータと比較された。

図１を参照すると、「ＴＣ００４」と表示された曲線は、正確であると仮定されて熱電対から導出されたプロフィールを表示したものである。「チャンネル４」と表示された曲線は、先行技術のマイクロワイヤセンサから推定された温度プロフィールを表示したものである。留意すべきは、マイクロワイヤセンサを使用したランダム周期の誤差であり、特に報知された熱電対温度が３５０°Ｆ（１７７℃）よりも下（１４０分よりも短い実行時間）である、硬化サイクルの初期部分の間の誤差である。ＴＣ００４曲線の約３９０°Ｆ（１９９℃）での略水平な部分は、プライマリマイクロワイヤセンサのキュリー温度に到達したという事実によるものである。

これらの問題を解消するために、本発明は、端部が閉じた外側のチューブおよびチューブの内部のセンサアセンブリを有する改善された材料温度センサを提供する。センサアセンブリは、加えられた交番磁界の影響下での再磁化応答を有し、かつ選定された温度範囲にわたって材料の温度を検出するように動作可能な、長尺な、磁気的に影響されやすい少なくとも１つの温度検出用プライマリマイクロワイヤを含む。プライマリマイクロワイヤの再磁化応答は、定義された継続時間の磁界摂動の少なくとも１つの短い検出可能なパルスによって定義され、かつプライマリマイクロワイヤの設定点温度よりも上と下とで異なり、プライマリマイクロワイヤの設定点温度は、プライマリマイクロワイヤのキュリー温度以下である。好ましい一実施形態では、センサは、硬化温度範囲にわたってその材料の硬化中の前述の材料の温度を正確に検出するために、熱硬化性材料の内部に少なくとも部分的に置かれるように設計される。

チューブの存在がプライマリマイクロワイヤおよび存在する全てのセカンダリマイクロワイヤの再磁化応答を著しくは変化させないように、保護チューブは、プライマリマイクロワイヤに感知可能なほどの磁気的偏りを与えない材料で形成される。チューブは、その材料の硬化中にその材料によってチューブの上に及ぼされる力を実質的に防ぎ、チューブの内部のセンサアセンブリを変形させないようにすることが可能である。

さらに、好ましいセンサアセンブリは、加えられた交番磁界の影響下でのプライマリマイクロワイヤの再磁化応答と異なる再磁化応答を有し、かつ選定された温度範囲の少なくとも一部にわたって材料の温度を検出するように動作可能な、長尺な、磁気的に影響されやすい温度検出用セカンダリマイクロワイヤを含む。セカンダリマイクロワイヤの再磁化応答は、定義された継続時間の磁界摂動の少なくとも１つの短い検出可能なパルスによって定義され、かつセカンダリマイクロワイヤの設定点温度よりも上と下とで異なり、セカンダリマイクロワイヤの設定点温度は、前述のプライマリマイクロワイヤの設定点温度以下である。

好ましい形態では、さらに、マイクロワイヤアセンブリは、加えられた交番磁界の影響下での再磁化応答を有する、長尺な、磁気的に影響されやすいリファレンスマイクロワイヤを含み、その再磁化応答は、定義された継続時間の磁界摂動の少なくとも１つの短い検出可能なパルスによって定義される。リファレンスマイクロワイヤの再磁化応答は、選定された温度範囲の全体にわたって実質的に一定である。

複数ワイヤのマイクロワイヤアセンブリは、束を形成するためにそれぞれのマイクロワイヤを共に接着させることによって製作されるという特徴を有する。このことは、マイクロワイヤの相対的な向きが維持されることを保証している。シリコーン系接着剤のような便利なあらゆる接着剤を使用して、束アセンブリを創出することが可能である。また、潤滑、具体的にはドライ潤滑剤の層で接着された束アセンブリを覆うのが好ましい。このことは、完成した束アセンブリが、保護チューブの内部を自由に動くことができることを保証している。

温度検出用プライマリマイクロワイヤおよびリファレンスマイクロワイヤを有する別の好ましい温度センサでは、センサのプライマリマイクロワイヤは、センサをセンサおよび検出装置の間の距離の変化に影響されないようにするために、正規化されることが可能である（即ち、前述の変化が、個々のマイクロワイヤから検出された電圧パルスの積分面積を変化させることが可能である）。そのようなセンサでは、選定された温度範囲内の所定のあらゆる温度で検出されたプライマリマイクロワイヤの電圧パルスの経時的積分は、第１の大きさを有し、検出されたリファレンスマイクロワイヤの電圧パルスの対応した経時的積分は、第２の大きさである。これらの大きさを使用して、熱処理または硬化中に材料の温度を決定するために適切な復号と共に使用される係数値が得られても良い。

図面の簡単な説明
図１は、オートクレーブテストの代表的なグラフであり、そこでは、この状況での先行技術のセンサの温度誤差を示すために、先行技術の２つのマイクロワイヤ温度センサが、タイプＥの熱電対に隣接した複合材料ＣＦＲＰパネルの内部に埋め込まれる。 図２は、本発明に従う好ましい３ワイヤのマイクロワイヤ温度センサを示す拡大垂直断面図である。 図３は、本発明に従う２ワイヤのマイクロワイヤ温度センサを示す拡大垂直断面図である。 図４は、オートクレーブテストの代表的なグラフであり、そこでは、ＣＦＲＰパネルの硬化中に生じたまさに誘発的応力下でのマイクロワイヤセンサの温度検出精度を示すために、本発明に従う２ワイヤのマイクロワイヤ温度センサが、タイプＥの熱電対に隣接した複合材料ＣＦＲＰパネルの内部に埋め込まれた。 図５は、本発明に従って熱硬化性材料の内部に埋め込まれたセンサを示す部分図である。 図６は、本発明の改善されたセンサを利用した温度検出システム全体の模式的ブロック図である。

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、本発明の改善された耐応力性のセンサ１０は、マイクロワイヤアセンブリ１４を収容する、端部が閉じた外側の保護チューブ１２で広く構成される。アセンブリ１４は、少なくとも１つの温度検出用プライマリマイクロワイヤ１６、および特徴的には、少なくとも１つ、より好ましくは、２つの異なる追加のマイクロワイヤを有し、その追加のマイクロワイヤのそれぞれは、個別の機能を果たす。具体的には、追加のマイクロワイヤは、リファレンスマイクロワイヤ１８および／またはキャリブレーションマイクロワイヤ２０を有する。従って、各アセンブリ１４は、温度検出用プライマリマイクロワイヤ１６、および好ましくはリファレンスマイクロワイヤ１８またはキャリブレーションマイクロワイヤ２０のいずれか、あるいは両方を常に含む。

マイクロワイヤ１６、１８、および２０は、アモルファスまたはナノ結晶の金属で全て形成され、好ましくはガラスコーティングされる。より詳しく下記されたそれぞれのマイクロワイヤの異なる機能は、マイクロワイヤの製作の中で使用される合金の適切な選択によって得られる。マイクロワイヤ１６、１８、および２０は、参照によってそれらの全内容が本書に組み込まれた前述の米国特許公開第２００７／０２６３６９９号、第２００８／０１７５７５３号、および第２０１０／０３２２２８３号の中に記載された一般的タイプおよび形状のマイクロワイヤである。

本発明に従うセンサ１０は、一般的には、ワイヤレス温度検出システム２２（図６）全体の内部に使用される。図５は、熱処理可能または硬化可能な材料２４の内部に完全に埋め込まれたセンサ１０を示す。図６に示された装置の磁界発生器コイル３０および磁界受信コイル３２は、材料２４および埋め込まれたセンサ１０に近接した位置に置かれる。従って、システム２２は、センサ１０を検出装置２６と共に含む。装置２６は、材料２４の内部のセンサ１０の応答信号を発信させるための交番磁界を創出するように動作可能な交番磁界送信器ユニットを、磁界発生器コイル３０に結合された周波数発生器２８の形態で有する。さらに、装置２６は、磁界受信コイル３２を含み、そのコイルは、通信ポート３６および３８を備えかつ通信４０経由で周波数発生器２８に動作可能に結合されても良い信号処理ユニット３４に動作可能に結合される。さらに、周波数発生器２８は、発生器２８のリモートコントロールを可能にする取捨選択可能な入力４２を備えても良い。また、取捨選択可能な温度用ディスプレイ４４は、処理ユニット３４に結合されても良い。

信号処理ユニット３４は、センサ１０の応答信号を発信させた時に受信された磁界摂動情報を復号させる能力を有する復号アルゴリズムを使用しながら動作する。次に、復号された情報は、ディスプレイ４４の上に表示され、かつ／または検出装置２６と通信してあらゆる外部装置をコントロールするためのフィードバックループの一部として使用されても良い。復号アルゴリズムは、１つ以上のルックアップテーブルの形態、またはルックアップテーブル情報のない温度計算アルゴリズムであっても良い。

保護チューブ１２
保護チューブ１２は、内部のマイクロワイヤアセンブリ１４を保護するのに十分な構造的完全性を有しかつ略ゼロまたはゼロの磁化を有するあらゆる材料で形成される。重要なのは、チューブ１２が温度検出中にマイクロワイヤの再磁化応答を変化させないように、アセンブリ１４を形成するマイクロワイヤに磁気的偏りを与えないことである。チューブ１２に適した材料は、常磁性金属、略ゼロまたはゼロの磁化を有する合金、ガラス、セラミックス、および高温合成樹脂ポリマーを含む。チューブ１２の製作に使用される最も好ましい材料は、メムリコーポレーションから合金ＢＢチューブとしてチューブ形態で市販されている超弾性形状記憶合金のニチノール金属（ＮｉＴｉ）である。この材料が好ましいのは、ねじれにくく、さらにその形状の変化の影響を受けにくいからである。図示されたチューブ１２は、内径０．００７インチ（０．１８ｍｍ）かつ外径０．０１０インチ（０．２５ｍｍ）のニチノールチュービングＢＢ（製品番号ＤＭ５４０８）で形成された。保護チューブは、好ましくは約２０〜４５ｍｍ、より好ましくは約２５〜３５ｍｍ、最も好ましくは約３２ｍｍの長さを有する。マイクロワイヤアセンブリ１４が切断されたチューブの内部に配置された後、そのチューブの端部が、圧着、はんだ付け、ろう付け、接着、またはレーザシーリングによって閉じられるが、保護チューブの内部への異物の侵入を防ぐのに十分なシールが設けられさえすれば、チューブを閉じる方法は重要ではない。

好ましい形態では、チューブ１２の内径および長さは、そのチューブの中のマイクロワイヤアセンブリ１４の自由な動き、即ち限られた範囲内でのスライドおよび横方向の動きを可能にするのに十分であるべきである。このことは、チューブ１２に加えられたあらゆる外力が内側のマイクロワイヤアセンブリ１４に伝えられないことを保証している。

温度検出用プライマリマイクロワイヤ１６
マイクロワイヤ１６の機能は、温度センサによって測定されるように望まれた温度範囲の少なくとも一部にわたって、好ましくは実質的に全温度範囲の全体にわたって、加えられた交番磁界の影響下での、磁気的に影響されやすく温度に敏感な再磁化応答を設けることである。この応答は、定義された継続時間の磁界摂動の少なくとも１つの短い検出可能なパルスによって定義され、マイクロワイヤ１６の設定点温度（一般的には、キュリー温度）よりも上と下とで異なる。通常、これらの応答は、検出用アンテナおよびそのアンテナに結合された検出装置によって鋭い電圧パルスとして検出可能である。検出された電圧パルスは、外部の交番磁界によって応答信号が要求された際のマイクロワイヤの再磁化（１つの双安定の磁気分極から別の磁気分極への磁気極性の急激な変化）によってもたらされる。ピーク電圧振幅、パルス形状、および持続時間のような検出された電圧パルスの検出可能なパラメータは、マイクロワイヤ１６の温度と共に変化する（これらの同じ検出現象は、本書に開示された他のマイクロワイヤにも当てはまる）。通常、マイクロワイヤ１６は、室温よりも下からマイクロワイヤ１６のキュリー温度（通常、４００℃よりも低い）までの温度にわたって機能するであろう。マイクロワイヤ１６を使用して材料の熱処理（例えば、熱硬化）中の温度を検出する場合には、その温度の範囲は、対応した温度範囲または特に関心のある範囲の一部になるであろう。

所定のプライマリマイクロワイヤ１６の選定された温度範囲の全体にわたって、プライマリマイクロワイヤの再磁化応答は、検出された応答パルス電圧対時間としてプロットされた時のその形状を変化させる。さらに、計算された積分面積が所定のあらゆる温度での大きさの値を与えるので、マイクロワイヤ１６によって検出された温度が上昇するにつれて、再磁化パルスの積分面積は、徐々にかつ予測可能で再現可能でキャリブレーション可能な形で減少する。マイクロワイヤ１６によって検出された温度がそのマイクロワイヤのキュリー温度に到達したかまたは超過した場合には、検出可能な電圧パルスはもはや全く存在しないので、大きさの値は、ゼロまたは略ゼロになる。一般に、マイクロワイヤ１６は、そのマイクロワイヤのキュリー温度よりも下の短い温度範囲（例えば、４０〜６０℃）の全体にわたって、より高い測定感度（１°の温度変化当たりの大きさの値のより大きな変化）を有し、この短い温度範囲よりも下には、より低い測定感度を有する。

好ましいマイクロワイヤ１６は、その全長に沿ったガラスシースまたはコーティング４８を有する長尺なアモルファスまたはナノ結晶の合金ワイヤまたはリボン４６の形態を有する。マイクロワイヤ１６は、保護チューブ１２よりも短い、好ましくは約２０〜３０ｍｍ、より好ましくは約２８ｍｍの長さを有し、マイクロワイヤ１６の直径は、好ましくは約１００マイクロメートルまでであろう。マイクロワイヤ１６のため（ならびにさらに他のマイクロワイヤ１８および２０のため）に選択された合金は、ＦｅまたはＣｏベースでありかつＣｒを含有するのが好ましく、その時のＣｒの原子濃度での調節は、所望の必要な磁気特性を設けるのに役立つ状態である。例えば、鉄ベースの（Ｆｅ８０−ｘ Ｃｒ−ｘ）（ＰＣ）２０の合金では、クロムの量はその合金の磁気特性にかなり大きい影響を与える。Ｃｒの増加は、マイクロワイヤのキュリー温度、平均的超微細場、および飽和磁化を低下させる。ＦｅベースおよびＣｏベースの合金の中の他の化学的変化も、マイクロワイヤの磁気特性を変化させるのに利用されても良い。例えば、Ｃｏは、いくつかのＦＣＺＢＮ合金の中のＦｅの代わりに用いられることが可能であり、結果として得られたキュリー温度は、Ｃｏ含有量の増加につれて、正弦曲線のような挙動を示す。Ｐ含有率が高いＣｏ−Ｐアモルファス合金は、電気分解によって得られることが可能である。これらの合金のキュリー温度は、キュリー温度対Ｐ濃度が２８〜２９％まで線形挙動を示し、より高いＰ濃度では、一定のキュリー温度が得られる。予測可能な方法でマイクロワイヤの再磁化特性を変化させるのに役立つこれらの種類の合金変更は、当業者にとって公知である。

本発明の図示された実施形態では、単一の温度に敏感なプライマリマイクロワイヤ１６だけを使用するのに対して、必要に応じて、複数のそのようなマイクロワイヤが使用されても良い。そのような実施例では、温度検出用マイクロワイヤ１６の内の少なくともいくつかは、温度検出用マイクロワイヤの内の他のものと比較して、異なる設定点またはキュリー温度を有する。マイクロワイヤ１６のために異なる設定点温度を選定することによって、センサ感度を高めることが可能である。

リファレンスマイクロワイヤ１８
リファレンスマイクロワイヤ１８は、形状、直径、および長さがプライマリマイクロワイヤ１６に類似し、ガラスコーティングされたアモルファスまたはナノ結晶の合金として同様に製作されるので、ワイヤまたはリボン５０およびガラスコーティング５２を有する。リファレンスマイクロワイヤ１８およびプライマリマイクロワイヤ１６の間の相違点は、プライマリマイクロワイヤ１６と比較して異なる合金を使用したことに起因するそれらの磁気特性の中に存在する。

リファレンスマイクロワイヤ１８の再磁化応答は、プライマリマイクロワイヤ１６のために選定された所望の温度範囲の内のいくらかまたは全ての全体にわたって実質的に一定のままであり、即ち、センサ１０およびコイル３２の間の距離が一定のままであると仮定すると、この範囲の全体にわたって検出された電圧対時間応答は、実質的に同じである。従って、リファレンスマイクロワイヤ１８は、温度検出用マイクロワイヤとして設計されたものではない。それにもかかわらず、ちょうどプライマリマイクロワイヤ１６の場合のように、リファレンスマイクロワイヤ１８は、加えられた交番磁界の影響下での特徴的な再磁化応答を、定義された継続時間の磁界摂動の少なくとも１つの短い検出可能なパルスの形態で有する。しかしながら、プライマリマイクロワイヤ１６と異なり、リファレンスマイクロワイヤ１８の再磁化応答は、プライマリマイクロワイヤの実効的温度範囲の少なくとも一部にわたって、好ましくは全温度範囲にわたって、実質的に一定である。

センサ１０とコイル３２の間の距離が変化した場合には、プライマリおよびリファレンスマイクロワイヤの対応した再磁化応答は、それらの再磁化電圧パルスの各積分面積と共に変化するであろう。このことは、信号処理ユニット３４がプライマリマイクロワイヤの積分面積（または導出された値）だけを使用してセンサ温度を計算する場合に、誤った温度検出を招くことがある。しかしながら、マイクロワイヤ１６および１８の応答は、一定の形で比例的に変化し、即ち、マイクロワイヤ１６および１８の再磁化応答は、同時に変化するであろう。従って、（リファレンスマイクロワイヤ１８の積分面積を除数として使用することによって）プライマリマイクロワイヤ１６を正規化し、プライマリマイクロワイヤおよびコイル３２の間の距離の変化に実質的に影響されないようにしても良い。この結果として、そのような変化にもかかわらず、センサ１０が正確な温度を報知できるようになる。正規化は、プライマリおよびリファレンスマイクロワイヤ１６および１８のそれぞれのための積分された大きさの値の商を使用して係数値を計算し、この係数値を、センサ１０によって検出された実際の温度を決定するための一部に使用することによって行なわれるのが好ましい。係数値は、各応答信号の発信間隔でのプライマリマイクロワイヤの応答の積分面積を、そのような各間隔でのリファレンスマイクロワイヤの応答の積分面積で除算することによって決定されるのが好ましい。しかしながら、好ましい方法の分子および分母を逆にするようなことによって、他の係数値を考案することが可能であろう。そのような正規化方式を使用することは、範囲内の各温度の係数値が、センサ１０とコイル３２の間の間隔差にもかかわらず実質的に一定のままであることを保証している。

キャリブレーションマイクロワイヤ２０
キャリブレーションマイクロワイヤ２０は、形状、直径、および長さがプライマリマイクロワイヤ１６に同様に類似し、長尺なアモルファスまたはナノ結晶の合金ワイヤまたはリボン５４および周囲のガラスコーティング５６を有する。マイクロワイヤ２０は、プライマリマイクロワイヤ１６の設定点温度以下のキュリー温度を有し、設定されたキュリー温度は、プライマリマイクロワイヤ１６のキュリー温度よりも著しく低いのが好ましい。キャリブレーションマイクロワイヤ２０は、加えられた交番磁界の影響下での特徴的な再磁化応答を、その設定点温度よりも上と下とで定義された継続時間の磁界摂動の少なくとも１つの短い検出可能なパルスの形態で同様に有する。

従って、キャリブレーションマイクロワイヤ２０は、それ自体が温度検出用マイクロワイヤであるが、好ましい形態では、キャリブレーションマイクロワイヤのキュリー温度は、プライマリマイクロワイヤ１６の設定点またはキュリー温度よりも実質的に下であることが認識されるであろう。従って、キャリブレーションマイクロワイヤ２０は、プライマリマイクロワイヤ１６のためのキャリブレーション素子として作用することが可能である。キャリブレーションマイクロワイヤ２０のキュリー温度に到達した場合には、キャリブレーションマイクロワイヤは、影響のあるあらゆる再磁化応答の生成を止める。キャリブレーションマイクロワイヤ２０のキュリー温度が公知であるという事実を踏まえると、キャリブレーションマイクロワイヤ２０の再磁化応答が止まった場合には、センサ１０によって検出された温度がその公知の温度であることは確かである。従って、プライマリマイクロワイヤ１６から導出された温度出力情報は、必要に応じて信号処理ユニット３４および適切なアルゴリズムを使用して調節されることが可能である。さらに、キャリブレーションマイクロワイヤ２０の温度感度がそのキュリー温度よりも下の短い温度範囲で最も敏感であるという事実に照らし合わせると、キャリブレーションマイクロワイヤ２０の急激に変化する積分面積を使用して、この短い温度範囲でセンサ１０の温度感度を高めることが可能である。

マイクロワイヤアセンブリ１４
図３は、プライマリマイクロワイヤ１６およびリファレンスマイクロワイヤ１８を有する２ワイヤのマイクロワイヤアセンブリ１４を示すのに対して、図２は、マイクロワイヤ１６、リファレンスマイクロワイヤ１８、およびキャリブレーションマイクロワイヤ２０を有する好ましい３ワイヤのマイクロワイヤアセンブリ１４ａを示す。いずれの場合でも、アセンブリ１４または１４ａは、保護チューブ１２の内部に収容され、それによって２ワイヤのマイクロワイヤセンサ１０（図３）または３ワイヤのマイクロワイヤセンサ１０ａ（図２）を生じる。

アセンブリ１４または１４ａのいずれかの場合では、そのアセンブリのマイクロワイヤは、柔軟な高温接着剤５８を使用して永続的に共に接合され、それによってマイクロワイヤの“束”を創出するのが好ましい。接着剤５８は、モーメンティブＲＴＶ１１６流動性シリコーン系接着剤のようなシリコーン系接着剤であるのが好ましいが、他の接着剤が使用されることも可能であろう。好ましい方法では、接着剤５８は、接着剤の最小限の膜がマイクロワイヤのそれぞれの周りに配置されるように、少なめに塗布される。接着剤５８が硬化する前に、接着剤５８の外側表面にドライ潤滑剤６０を塗布するのが好ましい。ドライ潤滑剤６０は、そのドライ潤滑剤の塗布がアセンブリの断面サイズを感知可能なほど増大させないように、非常に小さい粒径を有するのが好ましい。ドライ潤滑剤６０は、例えば、黒鉛粉末（好ましくは３２５メッシュ、またはより微細なもの）、六方晶窒化ホウ素粉末などの市販されている多数の公知のドライ潤滑剤粉末のどれでも良いが、そのドライ潤滑剤粉末は、モメンティブパフォーマンスマテリアルズ社またはダウコーニング社から入手可能なモリコート(R)二硫化モリブデン粉末のような、直径が５ミクロンよりも小さい粒子を有するのが好ましい。製作工程では、湿った表面の全長がドライ潤滑剤で覆われるまで、湿ったシリコーン系接着剤で覆われたアセンブリに、過多の選択されたドライ潤滑剤粉末がまぶされる。アセンブリ１４がドライ潤滑剤で完全に覆われた後に、オーブンの中で接着剤メーカの指定された硬化温度（例えば、４５０°Ｆ（２３２℃）で１時間）で硬化される。この時点で、アセンブリ１４または１４ａが保護チューブ１２の中への挿入準備ができた後、前述のようにチューブの端部が閉じられる。

マイクロワイヤアセンブリ１４または１４ａの直径全体は、チューブ１２の内部のアセンブリ１４または１４ａの自由な動きを可能にするように最小化されるのが好ましい。３ワイヤのマイクロワイヤアセンブリ１４ａの場合には、有効径は、８５マイクロメートルを超過しない。そのため、チューブ１２の内部にはかなりの自由空間があり、それによってアセンブリ１４ａがチューブ１２の内部を自由に動けるようになる。

本発明のセンサを使用した温度検出
図４は、本発明の改善されたセンサ１０を使用し、図１に示されたグラフ表示のテストに類似した方法で行なわれたテストのグラフ表示である。具体的には、二硫化モリブデン粉末のドライ潤滑剤で覆われかつニチノールチューブ１２に内包されたマイクロワイヤアセンブリ１４を有する２ワイヤのマイクロワイヤ温度センサ１０は、タイプＥの熱電対に対して比較テストされた。センサ１０および熱電対が、ＣＦＲＰ複合材料パネルの同じ層の内部に埋め込まれ、次に、パネルが、従来通り熱硬化された。硬化中に、センサ１０および熱電対から導出された温度データが収集された。「ＴＣ００１」と表示された曲線は、熱電対から導出されたデータであったのに対して、「チャンネル１」の曲線は、センサ１０から推定された温度データであった。図４の接近したテスト結果は、マイクロワイヤセンサが、熱電対と比較して基本的に同一の温度データを与えたことを裏付けている。

Claims (10)

1. 端部が閉じた外側のチューブと、
   前記チューブに内包され、かつ加えられた交番磁界の影響下での再磁化応答を有し、かつ選定された温度範囲にわたって材料の温度を検出するように動作可能な、長尺な、磁気的に影響を受ける温度検出用プライマリマイクロワイヤと、を含み、
   前記プライマリマイクロワイヤの再磁化応答は、定義された継続時間の磁界摂動の少なくとも１つの短い検出可能なパルスによって定義され、かつプライマリマイクロワイヤの設定点温度よりも上と下とで異なり、前記プライマリマイクロワイヤの設定点温度は、前記プライマリマイクロワイヤのキュリー温度以下であり、
   前記チューブは、前記材料の加熱中に前記材料によって前記チューブの上にかけられる力を防ぎ、前記チューブの内部にある前記プライマリマイクロワイヤを変形させないようにすることが可能である材料温度センサ。
2. 前記チューブの内部に複数のマイクロワイヤがある請求項１に記載のセンサ。
3. 前記複数のマイクロワイヤは、マイクロワイヤの束を形成するために共に接着される請求項２に記載の温度センサ。
4. 前記チューブの内部にキャリブレーションマイクロワイヤおよび／またはリファレンスマイクロワイヤがある請求項２または３に記載のセンサ。
5. 前記チューブは、常磁性金属、略ゼロまたはゼロの磁化を有する合金、ガラス、セラミックス、および合成樹脂ポリマーから成る群から選択された材料で形成される請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンサ。
6. 前記チューブは、前記プライマリマイクロワイヤよりも大きい内容積を有するサイズであり、それによって前記プライマリマイクロワイヤは、前記チューブの内部の限られた範囲内を自由に動くことができる請求項１〜５のいずれか１項に記載の温度センサ。
7. 端部が閉じた外側のチューブと、
   前記チューブの内部にあるセンサアセンブリと、を有し、前記センサアセンブリは、
   加えられた交番磁界の影響下での再磁化応答を有し、かつ選定された温度範囲にわたって材料の温度を検出するように動作可能な、長尺な、磁気的に影響を受ける温度検出用プライマリマイクロワイヤと、
   前記加えられた交番磁界の影響下での前記プライマリマイクロワイヤの前記再磁化応答と異なる再磁化応答を有する、長尺な、磁気的に影響を受けるリファレンスマイクロワイヤと、を含み、
   前記プライマリマイクロワイヤの再磁化応答は、定義された継続時間の磁界摂動の少なくとも１つの短い検出可能なパルスによって定義され、かつプライマリマイクロワイヤの設定点温度よりも上と下とで異なり、前記プライマリマイクロワイヤのパルスは、電圧パルスとして検出可能であり、前記プライマリマイクロワイヤの設定点温度は、前記プライマリマイクロワイヤのキュリー温度以下であり、
   前記温度範囲内の任意の所定の材料の温度で検出された前記プライマリマイクロワイヤの電圧パルスの経時的積分は、第１の大きさを有し、
   前記リファレンスマイクロワイヤの再磁化応答は、定義された継続時間の磁界摂動の少なくとも１つの短い検出可能なパルスによって定義され、前記リファレンスマイクロワイヤのパルスは、電圧パルスとして検出可能であり、前記リファレンスマイクロワイヤの再磁化応答は、前記温度範囲の全体にわたって実質的に一定であり、
   前記所定の材料の温度で検出された前記リファレンスマイクロワイヤの電圧パルスの経時的積分は、第２の大きさを有し、
   前記第１と前記第２の大きさの商は、前記材料の温度を決定するための一部に使用される係数値を生じ、
   前記チューブは、前記材料の硬化中に前記材料によって前記チューブの上にかけられる力を防ぎ、前記チューブの内部にある前記センサアセンブリを変形させないようにすることが可能である材料温度センサ。
8. 前記プライマリおよび前記リファレンスマイクロワイヤは、マイクロワイヤの束を形成するために共に接着され、前記束は、前記材料の硬化中に前記チューブの内部での前記プライマリおよび前記リファレンスマイクロワイヤの相対的位置を維持するように動作可能である請求項７に記載の温度センサ。
9. 前記チューブは、前記センサアセンブリよりも大きい内容積を有するサイズであり、それによって前記センサアセンブリは、前記チューブの内部の限られた範囲内を自由に動くことができる請求項７または８に記載の温度センサ。
10. 前記チューブは、常磁性金属、略ゼロまたはゼロの磁化を有する合金、ガラス、セラミックス、および合成樹脂ポリマーから成る群から選択された材料で形成される請求項７〜９のいずれか１項に記載の温度センサ。

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