KR102625041B1

KR102625041B1 - 센서 장치

Info

Publication number: KR102625041B1
Application number: KR1020217004998A
Authority: KR
Inventors: 다츠이치로 곤
Original assignee: 데이진 가부시키가이샤
Priority date: 2018-07-20
Filing date: 2018-10-10
Publication date: 2024-01-16
Also published as: WO2020017068A1; TWI793198B; US11421974B2; CN112513559A; JPWO2020017068A1; TW202007987A; EP3825646A4; US20210293520A1; KR20210034052A; EP3825646A1

Abstract

2％ 신장 후의 잔류 변형이 0.4％ 이하인 코어재 소재를 사용한 코어재와, 코어재의 외주부에 코일상으로 권회된 전기 저항값이 1kΩ/m 이하인 도전체와, 도전체에 대한 외래 전자파를 실드하는 전자파 차단층을 갖는 센서 부재와, 센서 부재로부터의 전기 신호를 검출하고, 해당 전기 신호의 변화에 기초하여 센서 부재의 변위를 측정하는 측정 수단을 갖는 센서 장치.

Description

센서 장치

본 발명은 피측정체의 신장, 변위를 고정밀도로 또한 간이하게 측정(모니터링)하기 위한 센서 장치에 관한 것이다.

종래부터, 피측정체의 피로 열화에 의한 파괴나, 일시적인 큰 응력 부하에 의한 파괴를 미연에 방지하기 위해서 신장이나 변위를 측정하기 위한 센서 장치가 사용되고 있었는데, 내구성을 유지하면서, 추가로 고정밀도로 또한 간이하게 측정할 수 있는 센서 장치가 요구되고 있었다.

예를 들어 변위를 측정하는 수단으로서, 코어재에 탄성 지지체를 사용하고, 해당 탄성 지지체에 금속제의 도전체를 감은 코일상 구조체의 임피던스 변화를 검출하여, 탄성 지지체 축방향에 있어서의 신장 변위를 측정하는 센서 장치(특허문헌 1)가 알려져 있다.

일본 특허 공개 제2011-89923호 공보

특허문헌 1과 같은 센서 장치의 탄성 지지체를 축방향(길이 방향)으로 신축시키면, 신축 후의 축방향의 치수가 신축 전보다 커지는(소성 변형되는) 경우가 있다. 소성 변형은 금속제의 도전체의 소성 변형과, 탄성 지지체의 소성 변형이 있는데, 축방향 치수(길이)를 직접 지배하는 탄성 지지체의 소성 변형의 영향이 보다 크다. 그 때문에 신장 변위에 대한 소성 변형성이 큰 탄성 지지체를 사용한 경우, 신장 측정에 관계되는 반복 치수 특성(가역성)이 낮아지기 때문에, 계속적인 반복 부하가 걸리는 환경 하에 있어서의 정밀도가 낮아진다고 하는 과제가 있다.

또한, 금속제의 도전체의 소성 변형이 큰 경우, 신장 측정에 관계되는 반복 치수 특성(가역성)에 악영향을 미치므로, 이 억제가 과제이다.

본 발명은 전술한 과제를 근거로 하여, 비파괴이며 또한 연속 측정에 적합하면서, 높은 반복 정밀도, 및 옥외 등의 엄격한 주위 환경 하에서의 사용에 있어서도, 높은 안정성, 신뢰성을 갖는 센서 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 센서 장치는, 2％ 신장 후의 잔류 변형이 0.4％ 이하인 코어재 소재를 사용한 코어재와, 코어재의 외주부에 코일상으로 권회된 전기 저항값이 1kΩ/m 이하인 도전체와, 도전체에 대한 외래 전자파를 실드하는 전자파 차단층을 갖는 센서 부재와, 센서 부재로부터의 전기 신호를 검출하고, 해당 전기 신호의 변화에 기초하여 센서 부재의 변위를 측정하는 측정 수단을 갖는다. 또한, 25℃에서 측정한 코어재 소재의 인장 탄성률이 1 내지 250GPa인 것도 바람직하고, 도전체와 전자파 차단층 사이에 절연 기능을 갖는 절연층을 갖는 것도 바람직하다.

또한, 바람직하게는 측정 수단은, 임피던스 변화를 검출하는 검출부와, 해당 임피던스 변화에 기초하여, 피측정체의 변위량 및/또는 변위율을 연산하는 연산부를 갖고, 더욱 바람직하게는 연산부는, 검출부에서 검출된 값 중, 인덕턴스 변화에 기초하여 변위량 및/또는 변위율을 연산하는 것이다. 또한, 측정 수단은, 센서 부재 및/또는 피측정체의 이상을 판정하는 판정 수단을 갖고 있어도 된다.

본 발명에 따르면, 고정밀도로 또한 간이하게 측정할 수 있는 센서 장치, 및 그 센서 장치를 사용한 신장 변위의 측정 방법이 제공된다.

도 1은 본 발명의 센서 부재의 개념도(일부 단면도)이다.
도 2는 본 발명의 센서 장치를 사용한 측정 방법의 원리를 도시하는 개념도이다.
도 3은 코어재 소재의 잔류 변형 및 크리프 시험용의 시험편을 도시하는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 센서 부재의 잔류 변형의 측정 방법을 나타내는 개념적인 그래프이다.
도 5는 본 발명의 센서 부재의 시험 평가 방법을 도시하는 개념도이다.
도 6은 센서 부재의 신장 측정 시의 E값과 e값의 관계와 측정 오차를 나타내는 개념적인 그래프이다.
도 7은 본 발명의 센서 부재를 복수개 사용한 측정 방법의 일례를 도시하는 개념도이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명은 2％ 신장 후의 잔류 변형이 0.4％ 이하인 코어재 소재를 사용한 코어재와, 코어재의 외주부에 코일상으로 권회된 전기 저항값이 1kΩ/m 이하인 도전체와, 도전체에 대한 외래 전자파를 실드하는 전자파 차단층을 갖는 센서 부재와, 센서 부재로부터의 전기 신호를 검출하고, 해당 전기 신호의 변화에 기초하여 센서 부재의 변위를 측정하는 측정 수단을 갖는 센서 장치이다. 또한, 코어재에 도전체를 권회한 것을 센서체라고 칭한다.

본 발명의 센서 부재에 사용되는 코어재는 섬유(멀티필라멘트, 모노필라멘트), 필름 또는 테이프 등의 코어재 소재를 사용할 수 있다. 또한, 필름, 테이프의 경우에는 미리 꼬임 가공을 실시하여, 원형에 가까운 단면 형상으로 한 후에 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 코어재 소재는 유기 섬유, 무기 섬유, 천연 섬유, 표면이 절연층으로 피복된 금속 또는 금속 섬유 등의 적어도 하나로부터 선택되는 것이 바람직하다.

또한, 코어재의 신장 후의 잔류 변형은 소성 변형성이 낮은 것이 바람직하고, 통상의 사용 환경, 특히 후술하는 조건에서 측정한 코어재 소재의 25℃에서의 2％ 신장 후의 잔류 변형이 0.4％ 이하인 것이 보다 바람직하다. 나아가, 25℃에서 3％ 신장 후의 잔류 변형이 0.4％ 이하인 것이 바람직하고, 25℃에서 4％ 신장 후의 잔류 변형이 0.4％ 이하인 것이 특히 바람직하다. 이러한 범위로 함으로써, 높은 반복 측정 정밀도를 얻을 수 있다.

또한, 고온 시의 코어재 소재의 신장 후의 잔류 변형에 대해서, 후술하는 조건에서 측정한 60℃에서 2％ 신장 후의 잔류 변형이 0.4％ 이하인 것이 바람직하고, 60℃에서 3％ 신장 후의 잔류 변형이 0.4％ 이하인 것이 보다 바람직하고, 나아가 60℃에서 4％ 신장 후의 잔류 변형이 0.4％ 이하인 것이 특히 바람직하다. 이러한 범위로 함으로써, 옥외 등의 엄격한 주위 환경 하에서의 사용에도 견딜 수 있고, 옥외 환경의 직사 광선에 의한 온도 상승이나, 바람이나 진동 등에 의한 외력, 마찰 등에 의한 센서 부재의 온도 상승에 대응할 수 있다. 또한, 당해 온도 조건에 있어서의 신장 후의 변형 회복률을 충족하지 않는 경우, 센서 부재의 반복 측정 정밀도나 장기 사용에 있어서의 안정성이 저하되기 때문에 바람직하지 않다.

이러한 조건을 충족하는 코어재 소재로서는, 예를 들어 이하와 같은 것을 들 수 있다. 또한, 코어재 소재에 사용되는 섬유는 모노필라멘트여도 되고, 멀티필라멘트여도 된다.

무기 섬유: 유리 섬유나 실리카 섬유, 산화알루미늄 등이 예시되고, 그 중에서도 특히 산화규소를 주성분으로 복수의 기타종의 무기 성분을 혼합하여 이루어지는 유리 섬유(예를 들어 E 유리 등)가 바람직하다.

유기 섬유(고분자 섬유): 2％ 신장 후의 잔류 변형이 0.4％ 이하인 섬유 소재(코어재 소재)로서는, 예를 들어 파라형 방향족 폴리아미드 섬유(예를 들어, 폴리파라페닐렌테레프탈아미드 섬유, 데이진 가부시키가이샤제, 「트와론」)나, 공중합 타입의 파라계 아라미드 섬유(예를 들어, 코폴리파라페닐렌-3,4'-옥시디페닐렌·테레프탈아미드 섬유, 데이진 가부시키가이샤제, 「테크노라」), PBO 섬유(예를 들어 도요보제 「자일론」), PEEK 섬유(예를 들어 ZYEX사제), PEK 섬유, PEKK 섬유, PPS 섬유(예를 들어 도레이제 「토르콘」), PTT 섬유(예를 들어 아사히 가세이제 「솔로텍스」), PET 섬유(예를 들어 데이진 프런티어제 「테트론」), PEN 섬유, 액정 폴리에스테르 섬유(예를 들어 쿠라레제 「벡트란」, KB 세이렌제 「젝시온」) 등이 예시된다.

전술한 각종 소재는 본 발명의 잔류 변형 요건을 충족시키도록 각종 가공을 실시한 것을 사용해도 되고, 예를 들어 후처리로서, 장력 하 혹은 무장력 하에서의 열처리를 실시하여, 섬유의 잔류 응력 완화, 결정화도, 배향도의 향상 등을 행하여 섬유 구조의 안정화를 도모하는 것도 필요에 따라서 행해도 된다.

또한, 후술하는 바와 같이, 도전체가 코어재를 강하게 체결하는 상태에서 행해지는 것이 바람직하다. 코어재에 대한 권회는 도전체에 높은 장력을 건 상태에서 행하는 것이 바람직한데, 이때, 코어재는 도전체의 장력에 지지 않고 직선성을 유지할 필요가 있으므로, 도전체의 장력에 따라 코어재에도 적절한 장력을 가할 필요가 있다. 이렇게 함으로써, 센서체를 제조하는 공정에서의 커버링 머신 등에 의한 코어재에 대한 도전체의 권회에 의해 도전체와 코어재의 마찰력을 높일 수 있고, 도전체의 코일 형상의 직경을 안정화시킬 수 있다. 또한, 여기서 코어재의 인장 탄성률이 충분히 높지 않으면, 장력에 의해 코어재가 크게 신장된 상태에서 도전체의 권회가 이루어지고, 권회 후의 장력 개방 시에 코어재가 길이 방향으로 크게 수축하여, 센서체의 형상 붕괴, 코일의 권회 피치나 직경의 불균일화 등의 품질의 저하를 초래하므로 바람직하지 않다.

또한, 센서 부재의 사용 시에 있어서도 반복 인장 변형에 의한 도전체의 소성 변형이 일어나는 경우가 있고, 도전체의 치수 변화는 본 센서 장치의 측정 정밀도에 악영향을 미친다. 이 영향을 최소화하기 위해서는, 코어재 소재의 인장 탄성률×코어재의 단면적을, 코일 형상의 도전체의 축방향의 인장 탄성률×코일 형상의 도전체의 단면적의 적어도 5배 이상으로 함으로써, 코어재의 낮은 소성 변형성이 센서체 전체의 소성 변형성을 낮게 컨트롤하는 것에 유효하다.

이 때문에, 코어재 소재의 인장 탄성률은 25℃에서 측정한 인장 탄성률이 1 내지 250GPa인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10 내지 150GPa, 더욱 바람직하게는 30 내지 120GPa, 가장 바람직하게는 50 내지 100GPa이다.

또한, 코어재 소재의 인장 강도는 센서 부재의 제조 시에 코어재가 파단되는 불량을 방지하고, 또한 센서 부재의 사용 시에 있어서의 각종 응력에 대한 내성을 높이기 위해서, 25℃에서 측정한 인장 강도가 0.1GPa 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.3 내지 10GPa, 더욱 바람직하게는 1 내지 10GPa, 특히 바람직하게는 2 내지 10GPa이다.

또한, 내열성의 관점에서, 고온 시의 코어재 소재의 인장 강도는 60℃에서 측정한 인장 강도가 0.1GPa 이상인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.3 내지 10GPa, 특히 바람직하게는 1 내지 10GPa, 특히 바람직하게는 2 내지 10GPa이다.

코어재 소재가 전술한 온도 조건에 있어서의 인장 강도를 충족하지 않는 경우, 센서 부재가 외력에 의한 파괴, 취화를 받을 우려가 커지기 때문에 바람직하지 않다.

또한, 코어재 소재의 인장 크리프는 측정 정밀도의 장기적 재현성에 관계되기 때문에 가능한 한 작은 것이 바람직하고, 25℃의 파단 강도의 30％ 상당의 시험 하중을 사용하여, 25℃에서 측정한 크리프 레이트가 0.00001 내지 0.003％/분인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.00001 내지 0.001％/분, 더욱 바람직하게는 0.00001 내지 0.0005％/분, 특히 바람직하게는 0.00001 내지 0.0003％/분이다.

또한, 내열성의 관점에서, 고온 시의 코어재 소재의 인장 크리프도 낮은 것이 바람직하고, 60℃에서의 코어재의 파단 강도의 30％ 상당의 시험 하중을 사용하여, 60℃에서 측정한 크리프 레이트가 0.00001 내지 0.003％/분인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.00001 내지 0.001％/분, 더욱 바람직하게는 0.00001 내지 0.0005％/분, 특히 바람직하게는 0.00001 내지 0.0003％/분이다.

코어재 소재가 전술한 온도 조건에 있어서의 인장 크리프를 충족하지 않는 경우, 반복 측정 정밀도나 장기 사용에 있어서의 안정성이 저하되기 때문에 바람직하지 않다.

또한, 코어재 소재의 인장 파단 신도는 25℃에서 측정한 인장 파단 신도가 2 내지 100％인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 3 내지 50％, 더욱 바람직하게는 4 내지 30％이다.

또한, 내열성의 관점에서, 고온 시의 코어재 소재의 인장 파단 신도는 60℃에서 측정한 인장 파단 신도가 2 내지 100％인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 3 내지 50％, 더욱 바람직하게는 4 내지 30％이다.

코어재 소재가 전술한 온도 조건에 있어서의 신도가 2％ 미만이면, 센서 부재 내지 센서 장치가 측정할 수 있는 신장률 범위가 좁혀져버리므로 바람직하지 않다. 한편, 신도가 100％를 초과하면 코어재가 너무 신장되기 쉬워서 제조 공정에서 핸들링성이 저하되므로 바람직하지 않다.

또한, 코어재 소재는 센서 부재의 실용상의 열적 안정성을 높이기 위해서 열수축이 작은 것이 바람직하고, 무장력 하, 60℃, 습도 30％ 이하의 건조 환경 하에서, 2시간 방치했을 때의 코어재 소재의 길이 방향의 치수 수축이 1％ 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.7％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.5％ 이하, 가장 바람직하게는 0.3％ 이하이다. 코어재 소재가 당해 치수 수축률을 충족하지 않는 경우, 치수가 안정되기 어렵기 때문에, 측정 정밀도에 영향을 미칠 가능성이 있기 때문에 바람직하지 않다.

또한, 코어재 소재는, 미리 열적 치수 수축을 저감하기 위하여 열처리를 실시해도 된다. 구체적으로는, 무장력 하, 고온 환경에 방치하여, 코어재 소재의 잔류 변형을 완화하여 열수축을 억제하는 처리나, 고온에서 고장력을 인가하는 처리에 의해, 코어재 소재의 분자 배향성을 높이거나 결정화를 진척시키거나 함으로써, 분자 구조의 열적 완화를 억제하는 처리(히트 세트 처리) 등을 사용할 수 있다.

코어재는 꼬임이나 편조 등의 2차 구조를 저감시킨 상태로 하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 도전체를 권회한 후의 코어재의 섬유의 꼬임 조건은, 꼬임 계수가 1.0 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.8 이하, 더욱 바람직하게는 0.6 이하, 가장 바람직하게는 0.4 이하이다. 여기에서 꼬임 계수는, 꼬임 계수=1m 길이당의 섬유의 꼬임 횟수(회/m)×(코어재의 섬도(tex))^1/2/1055로 표현된다. 이렇게 2차 구조의 영향을 저감시킴으로써 측정의 고정밀도화를 도모할 수 있다.

또한, 상기한 2차 구조는 예를 들어 코어재가 섬유로 구성되는 경우, 섬유에 적당한 꼬임을 부여하거나, 섬유 몇개를 브레이딩(편조)하거나 함으로써, 섬유의 2차 구조(구조 신장)에 의해 신도를 높이는 것을 가리킨다. 꼬임이나 편조를 섬유에 실시한 경우에는 그들 2차 구조에서 유래한 소성 변형이 새롭게 발생하는 경우가 있어, 측정 대상이나 측정 정밀도에 따라 꼬임이나 편조 조건은 사용 목적에 따라서 적절하게 설정할 필요가 있다.

또한, 코어재 소재는 꼬임의 요소가 없는 모노필라멘트를 사용해도 된다. 또한, 도전체를 코어재에 권회하는 과정에서 마찰력 등에 의해 코어재에 꼬임이 발생하는 경우가 있기 때문에, 미리 권회에서 발생하는 꼬임을 고려하여, 권회 전의 코어재의 꼬임 상태를 컨트롤해도 된다.

또한, 코어재의 직경은 0.02 내지 300㎜인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.04 내지 30㎜, 더욱 바람직하게는 0.06 내지 3㎜, 특히 바람직하게는 0.08 내지 0.6㎜이다. 또한, 여기에서의 직경은 근사 직경이며, 단면의 면적으로부터 그 면적에 해당하는 진원의 직경으로 환산한 값이다. 코어재의 직경이 너무 작으면, 코어재의 둘레에 도전체를 권회함에 있어서 도전체의 균일한 권회가 어려워져서, 권회 시에 도전체가 중첩되는 등의 불량이 발생하기 쉽다. 한편, 코어재의 직경이 너무 크면 굴곡성이나 굴곡 내구성이 저하되기 쉽고, 또한 도전체와 코어재의 체결력이 불충분해지기 쉬우므로, 양자의 마찰력이 불충분해져서 서로 미끄러지기 쉬워져, 도전체의 권회 피치의 불균일을 발생하기 쉬워지므로 바람직하지 않다.

후술하는 바와 같이, 본 발명의 센서 장치는 전기 신호로서 인덕턴스의 변화 등을 측정하고, 그 측정값으로부터 코어재의 신장 변위를 구하는 것이 바람직하다. 솔레노이드 코일에 있어서의 인덕턴스와 투자율은 비례 관계에 있기 때문에, 신장 변위의 측정에 인덕턴스의 변화를 사용하는 경우, 도전체의 코어에 상당하는 코어재의 투과율이 높은 것이 바람직하다. 즉, 코어재에 있어서의, 물질의 투자율을 진공의 투자율과의 비로 나타낸 비투자율(무단위)이 적은 것이 바람직하다. 구체적으로는 1 내지 10000이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1 내지 1000, 더욱 바람직하게는 1 내지 100, 특히 바람직하게는 1 내지 10이다. 비투자율이 당해 범위이면, 센서 신호의 크기와 노이즈의 크기의 비(S/N비)가 향상되기 때문에 측정 정밀도가 향상될 수 있다. 그러나 비투자율이 전술한 범위 밖, 즉 비투자율이 너무 높아지면, 인덕턴스의 절댓값이 커지고, 교류 임피던스가 증대하여, 센서 신호의 전기적 처리에 큰 부하가 걸려서 연속 측정이 곤란해질 우려가 있다.

이렇게 코어재의 비투자율을 높이기 위해서는, 고투자율의 재료의 미립자를, 코어재를 구성하는 고분자 수지, 고분자 섬유 중에 분산 복합하는 방법, 혹은 코팅하는 방법이 예시된다. 이러한 고투자율의 재료로서는, 퍼멀로이, 철, 페라이트, 규소강, 페라이트, 탄소강, 니켈, 알루미늄 등이 예시된다. 그 중에서도 특히 페라이트 미립자는 핸들링성도 좋기 때문에 바람직하다.

또한, 코어재는 그의 외주부에 도전체가 권회되기 때문에, 표면에 절연성을 갖는 것이 바람직하고, 예를 들어 코어재에 도전성을 갖는 섬유를 사용하는 경우에는, 코어재와 도전체의 양자의 계면(또는 접촉면)에 절연층을 형성하는 것이 바람직하다. 또한 필요에 따라, 도전체와의 마찰력이나 밀착력을 높이기 위한 코팅을 실시해도 된다.

또한, 코어재와 도전체의 마찰력을 높이는 것이, 센서체의 제조 안정성이나 사용 시의 핸들링에 있어서 바람직하기 때문에, 도전체에 대하여 미끄러지기 어려운 코어재를 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 도전체에 대한 정지 마찰 계수가 소정 이상인 코어재가 바람직하다. 그러나, 센서체에 있어서의 정지 마찰 계수의 측정은 기술적 어려움이 있기 때문에, 대용 시험으로서, 센서체의 인장 시험에 있어서, 코어재와 도전체의 상호 미끄럼이 발생하는 센서체의 신장률을 구함으로써 마찰력(미끄러지기 쉬움성)을 평가해도 된다.

본 발명의 센서 부재에 사용되는 도전체는 도전성이 있는 각종 금속이 바람직하고, 예를 들어 구리, 구리 합금, 알루미늄 등이 예시된다. 또한, 본 발명의 센서 장치의 전기 신호로서 인덕턴스 변화를 사용한 경우에는, 도전체의 표면 산화나 흠집 발생 등에 의한 전기 저항값의 경시 변화를 받기 어렵기 때문에, 통상 환경 하에서는 충분히 안정된 신뢰성이 높은 측정이 가능한데, 도전체는 그의 표면에 도금이 실시되어 있어도 된다. 도금은 은 도금, 니켈 등이 예시되고, 도금에 의해 표면 산화 방지의 효과나 내마모성을 더욱 향상시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 권회된 도전체의 표면 보호나 단락 방지 등의 관점에서, 도전체의 표면이 전기 절연성의 수지로 피복된, 소위 에나멜선 등을 사용해도 된다.

또한, 도전체는 금속선을 묶고, 꼬임 가공한 것을 사용해도 된다. 이와 같이 센서 부재의 내부 구조로서 꼬임선을 사용함으로써, 굴곡 등에 대한 내구성을 보다 높이는 것이 가능하게 된다. 단, 묶인 금속선이 서로 도통하지 않도록, 에나멜선 등의 절연층의 코팅이 실시된 도전체를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 도전체의 직류 저항값은 0.001 내지 1000(Ω/m)인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.01 내지 100(Ω/m), 더욱 바람직하게는 0.1 내지 10(Ω/m)이다. 전술한 범위일 경우, 센서의 고정밀도화, 소비 전력의 저감, 동작의 안정성 향상이 가능하게 된다. 또한, 도전체의 저항값은 센서 부재의 사용 길이에 따라 적시 선택되면 되고, 센서 부재의 사용 길이가 길어질수록 저항값이 보다 작은 도전체를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 센서 부재의 사용 길이가 100m 이상인 경우, 저항값이 바람직하게는 10Ω/m 이하, 보다 바람직하게는 5Ω/m 이하, 더욱 바람직하게는 2Ω/m 이하인 도전체를 사용하면 된다.

또한, 도전체의 형상이 원형 또는 대략 원형일 경우에는, 그 직경이 0.01 내지 3㎜인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.015 내지 1㎜, 더욱 바람직하게는 0.02 내지 0.2㎜이다. 또한, 단면이 비원형일 경우에는, 그의 해당 단면적과 동등한 가상의 원의 직경을 구하고, 그 가상 원의 직경이 상기 범위 내인 것이 바람직하다. 또한, 도전체는 박상의 형상이어도 되고, 박상일 경우에는 그 두께가 0.01 내지 0.5㎜인 것이 바람직하다. 폭은 특별히 한정은 없지만, 가공의 용이함으로부터 0.05 내지 3㎜가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.07 내지 1㎜, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 0.7㎜, 가장 바람직하게는 0.2 내지 0.5㎜이다. 직경이나 두께가 너무 크면 굴곡 내구성이 저하되는 경향이 있고, 너무 작으면 강도가 저하되어 도전체의 파괴가 일어나기 쉬워지므로 바람직하지 않다.

또한, 도전체는 코어재의 외주부에 코일상으로 권회되는 때에, 인접하는 도전체끼리가 겹쳐지지 않도록 배치되는 것이 바람직하다. 이것은 본 발명의 센서 부재를 사용한 측정에서는, 원리로서, 권회 피치(혹은 일정 길이당의 권취수)의 변위에 따른 인덕턴스값의 상대 변화를 사용하기 때문에, 도전체의 겹침은 권회 피치나 권취수의 변위를 저해하여 측정의 오차 요인이 되기 쉽기 때문이다.

또한, 센서 부재의 사용 길이가 매우 긴 경우(예를 들어 1000m 이상 등)에는, 도전체의 저항값을 낮출 목적으로 도전체를 복수개 겹쳐 사용해도 되고, 도전체를 전기적으로 병렬로 배치해도 된다. 구체적으로는, 예를 들어 코어재에 복수개의 코어재를 평행하게 권회하는 방법이나, 코어재에 도전체를 권회한 센서 코어를 복수개 서로 꼬아서 소위 집합선의 상태로 하는 방법에 의해 병렬화시키면 된다. 이와 같이 하여 도전체를 병렬화함으로써, 전술한 바와 같이 측정 오차는 발생하지만, 도전체의 직류 저항값의 증가에 의한 전력 손실을 억제할 수 있기 때문에 장거리에 있어서의 측정을 행할 수 있다.

본 발명의 도전체에 소경 또는 박육 금속을 사용한 경우, 코일 형상으로 했을 때에 복원력을 갖지만, 과도한 인장이나 굽힘 등의 변형에 대해서는 소성 변형되는 경우가 있다. 그 때문에 본 발명의 센서체에서는 저소성 변형성의 코어재를 체결하도록 하여 도전체를 권회하고, 양자 간에 충분한 마찰력을 발생시킴으로써, 코어재와 함께 신장·신축하는 것이 바람직하다. 따라서, 도전체는 소정 이상의 체결력으로 코어재에 강하게 권회되는 것이 바람직하다.

또한, 도전체는 센서 부재에 걸리는 응력(장력)을 코어재를 통하여 간접적으로 받고 있기 때문에, 상대적으로 도전체 그 자체에 걸리는 응력은 낮아진다. 그 때문에, 도전체는 파단이나 반복 피로에 의한 파괴 등이 일어나기 어려워지기 때문에 장기 사용이 가능하게 된다.

또한, 도전체가 에나멜 가공 등의 절연층의 표면 피복이 이루어져 있지 않은 소위 나선인 경우에는, 인접하여 권회되는 도전체의 간극(코일 간극)은 0.01 내지 3㎜인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.03 내지 0.6㎜, 더욱 바람직하게는 0.04 내지 0.4㎜, 가장 바람직하게는 0.05 내지 0.15㎜이다.

이러한 간극에 의해, 코일상으로 권회된 도전체의 인접하는 도전체 간(코일 간격)에 절연성을 확보할 수 있어, 전기 특성(인덕턴스 등)이 안정된다. 한편, 인접하는 도전체 간의 간격이 너무 크면, 코일 형상의 도전체로부터의 자속의 누설량이 증가하여 인덕턴스의 절댓값이 저하되는 등의 영향이 발생하고, 신호/노이즈비(S/N비)가 불충분해지는 경우가 있어, 높은 측정 정밀도를 얻는데 있어서 바람직하지 않다.

또한, 미리 수지 등의 절연층이 코팅된 도전체(에나멜선 등)를 사용하는 경우에는, 인접하는 도전체 간의 간극을 제로로 한 경우에도 절연층에 의해 인접하는 도전체 간의 절연을 확보할 수 있다.

또한, 미리 수지 등의 절연층이 코팅된 도전체를 사용한 경우, 도전체를 2층, 3층으로 겹쳐 감기를 행하여, 코일 형상이 복수 겹쳐 쌓아진 형태로 형성하는 것도 가능하다. 이때, 각 층의 권회 방향, 권취수, 적층 시의 상대 위치 등의 조건에 따라 인덕턴스값을 조정할 수도 있다. 또한 나아가, 일부의 층을 전기적으로 단락시키고, 상호 인덕턴스의 작용을 이용하여 다른 층의 인덕턴스를 감소시키는 것도 가능하다.

짧은 거리로 측정을 행할 때에는 인덕턴스를 높게 설정한 편이 바람직한 경우가 많아, 신호 강도나 S/N비를 높일 수 있다. 한편, 긴 거리로 측정을 행할 때에는, 인덕턴스를 낮게 설계한 쪽이 신호 강도의 감쇠(전송 손실)가 억제되기 때문에 바람직한 경우가 많다. 이들 설계는 주로 측정 대상물의 사이즈나 검출기(계측기)의 전기적 성능 등을 근거로 하여 행하는 것이 바람직하다.

코어재 1m 길이당의 도전체의 권회수(코일 권취수)는 250 내지 100000T/m인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 500 내지 30000T/m, 더욱 바람직하게는 1000 내지 18000T/m, 특히 바람직하게는 2000 내지 12000T/m이다.

권회수(T/m)는 인덕턴스의 값과 비례 관계에 있기 때문에, 권회수를 크게 함으로써 인덕턴스의 절댓값을 높이고, 센서 부재의 감도를 높일 수 있다. 한편, 권회수를 너무 크게 하면 인덕턴스의 값이 너무 커져서, 교류 임피던스가 증대하여 검출기(전기 신호의 처리 회로)의 부하가 커져 바람직하지 않다.

또한, 권회수(T/m)는 전기 특성의 측정 주파수에 있어서의 센서 부재의 특성 임피던스의 값이, 검출기(전기 신호의 처리 회로)의 입출력 임피던스나 신호 전송용 중계 케이블 등의 특성 임피던스의 값과 일치, 혹은 가까운 값을 갖도록 설계하는 것도 바람직하다. 특히, 검출기로서 시판하고 있는 계측기(임피던스 애널라이저, LCR 미터, 네트워크 애널라이저, 고기능 오실로스코프 등)를 사용하는 경우, 이들 계측기의 입출력 임피던스는 일반적으로 50Ω, 75Ω, 100Ω 등으로 설계가 이루어져 있으므로, 이들과 센서 부재의 특성 임피던스가 정합하도록 하는 것이 바람직하고, 이것을 근거로 하여 권회수(T/m), 코일 형상의 간극, 코어재의 투자율, 도전체와 전자파 차단층 간의 부유 용량 등의 전기적 파라미터나 측정 주파수의 설계를 행하는 것이 바람직하다.

본 발명의 센서 부재는, 도전체에 대한 외래 전자파를 실드하는 전자파 차단층이 배치되는 것이 바람직하다.

전자파 차단층은 센서체의 외측(경방향 외측)에 배치되며, 고도전율 및/또는 고투자율을 갖는 층이고, 외래(외부 환경)로부터 도전체에 입사되는 전자파의 전자계를 흡수 및/또는 반사하는 기능을 갖는다. 구체적으로는 예를 들어 은, 구리, 니켈, 금, 납, 알루미늄 등의 고도전율 재료에 의한 금속선이나 금속박, 페라이트(산화철계 알로이), 퍼멀로이(철/니켈계 합금) 등의 고투자율 재료에 의한 자성선, 자성박을, 센서 장치의 길이 방향을 축으로 하여 권회 혹은 편조(브레이딩) 하여, 센서 부재의 길이 방향으로 연속 형성한 층이다. 이들 금속선, 금속박, 자성선, 자성박은, 필요에 따라 섬유 등의 코어재에 일단 권회하는 공정을 삽입하여, 선이나 박의 인장 강도나 굽힘 강도를 높인 뒤에 권회, 편조되는 것이 보다 바람직하다. 또한, 금속선, 금속박, 자성선, 자성박은 센서 부재의 주위에 가능한 한 간극 없이 형성되는 것이 바람직한데, 층의 전자파 차단 성능을 현저하게 저하시키지 않는 범위에서 간극을 갖고 있어도 된다.

또한, 전자파 차단층이 소위 접지의 역할을 하여, 케이블 내부에 발생하는 부유 용량이 개방되어도 된다.

또한, 고도전율 재료를 사용한 전자파 차단층은 센서 장치의 길이 방향에 대하여 0.0001 내지 10Ω/m의 고도전율의 층인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.0001 내지 1Ω/m, 더욱 바람직하게는 0.0001 내지 0.1Ω/m이다.

또한, 고투자율 재료를 사용한 전자파 차단층은 층의 비투자율이 100 내지 100000의 고투자율층인 것이 바람직하다.

또한, 전자파 차단층의 두께는 0.01 내지 2㎜인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.015 내지 1㎜, 더욱 바람직하게는 0.02 내지 0.5㎜, 특히 바람직하게는 0.025 내지 0.25㎜이다. 전자파 차단층의 두께가 너무 얇으면 차폐 성능이 저하될 우려가 있고, 반대로 너무 두꺼우면 센서 부재의 전체 직경이 커지기 때문에, 굴곡성이나 굴곡 내구성의 저하를 초래하는 경향이 있어 바람직하지 않다.

또한, 센서 부재는 2개 내지 복수개의 센서체를 서로 합쳐서 꼬거나, 혹은 편조하여, 각 센서체가 외래 노이즈를 서로 상쇄하는 구조(이러한 구조를 채용하는 케이블은 일반적으로 트위스트 페어 케이블이라고 칭해진다)로 하여, 서로 전자파 차단층으로서 기능시킬 수도 있다.

또한, 피측정체가 전자파 차단층의 기능을 충분히 충족하는 경우, 예를 들어 센서체를 피측정체에 매몰, 복피(覆被)하는 등의 수단으로 피측정체 그 자체를 전자파 차단층으로 간주해도 된다.

또한, 전자파 차단층은 센서체의 외측(경방향 외측)에, 절연층을 통하여 배치되는 것이 바람직하다.

절연층은 층의 비저항이 1×10^10 내지 1×10^22(Ω·m)의 범위에 있는 층이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1×10^12 내지 1×10^19(Ω·m), 더욱 바람직하게는 1×10^14 내지 1×10^18(Ω·m)이다.

절연층은 예를 들어 에나멜선과 같이 도전체 그 자체를 절연체로 피복 코팅한 것이어도 되고, 도전체와 전자파 차단층의 간극에 절연체를 충전 혹은 코팅한 것이어도 된다. 구체적으로는, 에나멜층은 합성 고무, 열가소성 엘라스토머, 폴리이미드, 에폭시, 실리콘 가교 고무(2차 가교 처리에 의해 내열성이나 탄성 변형성을 높인 것이 바람직하다), 폴리우레탄, 4불화에틸렌, 3불화에틸렌, 에폭시 수지, 페놀 수지, 폴리아미드 수지(방향족 폴리아미드 수지를 포함한다), 폴리에테르아미드 수지, 폴리술폰 수지, 경질 실리콘 수지, 우레탄 수지 등의 고무나 수지의 적어도 하나로부터 선택되는 소재인 것이 바람직하다. 이들 고무나 수지로 도전체를 코팅함으로써, 절연층을 형성하는 것이 가능하다.

또한, 절연층의 두께는 그 재질에도 의존하지만, 0.01 내지 3㎜인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.05 내지 2㎜, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 1㎜, 특히 바람직하게는 0.2 내지 0.5㎜이다. 너무 얇으면 절연 기능이 불안정하고, 반대로 너무 두꺼우면 센서 부재의 굴곡성이나 굴곡 내구성이 저하되는 경향이 있어 바람직하지 않다.

또한, 절연층의 코팅 방법은 수지를 용제에 녹인 층에 도전체를 침지하는 딥 코팅법이나, 용융 수지를 충전한 구멍 중에 도전체를 통과시키는 용융 코팅법 등이 예시된다.

또한, 절연층은 전술한 방법 이외에 전기 절연성의 섬유, 필름을 권회한 것이어도 된다. 즉 도전체의 외주에 커버링 머신 등을 사용하여, 전기 절연성의 섬유, 필름을 권회하여 절연층을 형성하는 것이 가능하다. 구체예로서, 예를 들어 내열성이 높으며 또한 절연성이 있는 아라미드 섬유(테크노라나 트와론), 유리 섬유 등인 것이 바람직하다.

또한, 전자파 차단층의 외측에 추가로 보호층을 마련해도 된다. 보호층의 두께는 0.01 내지 3㎜인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.05 내지 2㎜, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 1㎜, 특히 바람직하게는 0.2 내지 0.5㎜이다. 또한, 보호층은 전자파 차단층의 흠집 발생, 풀림 등의 외부 자극을 방지하기 위한 섬유나 수지 등인 것이 바람직하다. 또한, 보호층은 절연층과 마찬가지의 소재, 가공 방법을 사용해도 된다. 보호층이 전기 절연성을 갖는 경우, 전자파 차단층에 예를 들어 정전기와 같이 외부로부터 직접 흐르는 전류를 방지하는 효과나, 마찰 내성의 향상이나, 내수성의 향상, 또는 접착력을 높여 주변과의 고정에 기여할 수도 있다. 또한, 보호층이 외부 자극의 방지나 마찰 내성의 향상 등을 목적으로 하는 경우, 보호층은 전자파 차단층의 일부에만 마련되어 있어도 된다.

또한, 본 발명의 센서 부재의 길이는 측정 용도, 대상에 따라 적절히 정해도 되고, 측정 대상으로 하는 피측정체의 전체 길이에 걸쳐 배치해도 되고, 일부분에만 배치해도 된다. 또한, 피측정체의 복수 개소에 배치해도 된다. 또한, 피측정체의 임의의 일부분에만 배치해도 된다.

피측정체의 복수의 센서 부재를 배치하는 경우, 복수의 센서 중 몇개의 센서 부재가 고장, 파단 등에 의해 실활된 경우여도, 적어도 1개의 센서 부재가 남아있으면 측정을 계속할 수 있기 때문에 페일 세이프성이 향상된다.

또한, 각 센서 부재의 길이를 대략 동일로 해도 되고, 각 센서 부재의 적어도 일부 또는 전부의 길이를 다르게 해도 된다. 동일한 길이로 배치함으로써, 복수의 측정 데이터를 취득할 수 있기 때문에 측정 정밀도가 향상된다. 다른 길이로 배치함으로써, 후술하는 측정 수단을 사용하여, 임의의 2개 이상의 센서 부재의 측정 데이터로부터, 피측정체의 임의의 구간에 있어서의 변위량 및/또는 변위율을 측정할 수 있다.

또한, 복수의 센서 부재의 물성을 다르게 해도 된다. 구체적으로는, 예를 들어 복수의 센서 부재 중 특정한 센서 부재의 코어재 소재의 파단 강도나 파단 신도가 다른 센서 부재보다 상대적으로 낮은 센서 부재를 배치함으로써, 피측정체에 가해지는 부하를 단계적으로 검출할 수 있도록 해도 된다.

또한, 센서 부재는 직선상으로 배치해도 되고, 2차원, 3차원으로 굽힘을 가진 상태로 배치되어 있어도 된다. 또한, 예를 들어 U자로 배치, 환언하면 피측정체의 일단부측에 센서 부재의 양단부를 배치하고, 피측정체의 타단부측에서 센서 부재의 중앙부가 접어지도록 배치되어 있어도 되고, 도 7에 도시하는 바와 같이, 2개의 센서 부재의 일단부측으로부터 도전체(측정용의 단자)를 취출하고, 타단부측의 도전체(측정용의 단자)끼리를 접속해도 된다. U자로 배치함으로써 센서 부재의 양단부에 있는 도전체를 피측정체의 1군데로 집약할 수 있기 때문에, 배선을 간략화할 수 있다.

또한, 센서 부재의 적어도 2개, 혹은 복수개 각각을 실질적으로 평행해지도록 배치해도 된다. 여기에서 「실질적으로 평행」이란, 각 센서 부재가 기하학적으로도 평행 배열되어 있는 경우나, 서로 꼬아져 있는 경우(예를 들어 2중 나선 구조)도 포함한다. 즉, 각 센서 부재의 길이 방향에 대하여 각 센서 부재의 거리가 실질적으로 동일해지는 배열 조건을 「실질적으로 평행」으로 한다.

즉, 길이가 다른 2개 이상의 복수의 센서 부재 각각을 실질적으로 평행하게 배치함으로써 측정 정밀도의 향상과, 임의의 구간에 있어서의 변위량 및/또는 변위율을 측정할 수 있고, 또한 전술한 구성에 더하여, 각 센서 부재를 예를 들어 U자 등으로 배치하고, 그의 양단부를 피측정체의 일단부측 또는 특정한 일부에 배치함으로써, 배선의 간략화를 행하는 것이 가능한 센서 부재를 제공할 수 있다. 또한, 도 7에 도시하는 바와 같이, 길이가 다른 길이의 센서 부재를 복수 세트 배치해도 된다.

또한, 센서 부재의 변위율(신장률)은 피측정체의 신장률과 일치 혹은 대략 일치시키는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 센서 부재의 코어재의 주요한 소재와, 피측정체의 주요한 소재가 동일하면 된다. 센서 부재와 피측정체의 신장률을 대략 일치시킴으로써, 센서 정밀도를 향상시킬 수 있고, 또한 센서 부재에 대한 과잉 부하를 억제할 수 있다.

또한, 센서 부재는 피측정체의 내부 또는 표층의 전체 또는 일부분에 고정된다. 내부에 대한 고정은 조립이나 매립 등의 수단을 사용할 수 있다. 또한, 표층에 대한 고정은 접착이나 금속 피팅 등에 의한 체결 등의 수단을 사용할 수 있다. 예를 들어 피측정체가 섬유일 경우, 센서 부재를 섬유와 함께 꼬임 가공을 행하고, 꼬임 가공의 비틀림 힘에 의해 발생하는 압착력과 마찰력에 의해 고정하는 수단이나, 용융된 수지 내에 가라앉힌 후에 수지를 고화시켜도 된다.

또한, 나아가 고정력을 높이기 위해서, 센서 부재와 피측정체의 계면에 접착 기능을 하는 접착 수지층을 마련해도 된다. 접착 수지층에 큰 제약은 없지만, 센서 부재에 포함되는 코어재나 수지 등의 내열 온도를 고려하여 선정하는 것이 바람직하고, 각종 열경화성 수지나, 열가소성 수지, 방향족 폴리아미드 수지 등을 사용할 수 있다. 이러한 수지를 사용함으로써, 가열 시에 수지가 경화, 연화 혹은 용융, 상호 용해되거나 함으로써, 그들 계면에 있어서 접착 혹은 융착시키는 것이 용이하게 된다. 구체적으로는, 피측정체가 케이블 등의 섬유일 경우, 조립 전에 센서 부재 또는 피측정체의 섬유의 최표층에 미리 접착 수지를 코팅하는 방법이나, 조립 후에 외측으로부터 접착 수지를 주입, 함침시키는 방법 등을 들 수 있다.

또한, 열경화성 수지는 폴리우레탄, 불포화 폴리에스테르, 비닐에스테르, 아크릴계, 페놀계, 에폭시계, 실리콘계의 수지 등이 예시되고, 열가소성 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 나일론, 폴리카르보네이트, 폴리에테르술폰 및 그들의 변성 수지 등이 예시된다.

또한, 센서 부재는 1개여도 되고 복수개 배치해도 되며, 복수개인 경우, 랜덤하게 배치해도 되고, 평행, 병렬로 배치해도 된다. 또한, 병렬 배치로 배치하는 경우, 측정점의 복수 채널 선택이 가능해지고, 필요에 따라 채널을 자유 선택할 수 있게 된다. 또한, 센서의 병렬 회로화에 의해 측정값인 인덕턴스값 등의 평균화가 가능하게 되어, 데이터의 안정성이 향상되고, 전기 신호의 가고/오고의 왕복 회로의 일체화 등의 운용이 가능하게 된다. 이렇게 본 발명의 신장 센서를 복수, 상호 병행으로 배치하여 이루어지는 구조에 의해, 측정의 신뢰성을 높이는 것이 가능하게 된다.

다음으로 본 발명의 센서 부재를 사용한 센서 장치 및 변위량 및/또는 변위율의 측정 방법을 설명한다.

본 발명의 센서 장치는, 센서 부재 내의 코일상의 도전체로부터의 전기 신호를 검출하고, 해당 전기 신호의 변화에 기초하여 피측정체의 변위를 측정하는 측정 수단을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 측정 수단은 센서 부재에 일체적으로 조립되어 있어도 되고, 별체여도 상관없다. 또한, 측정 수단은 센서 부재의 도전재와 전기적으로 접속되고, 전기 신호 변화를 검출하는 검출부와, 해당 전기 신호의 변화에 기초하여, 피측정체의 변위량 및/또는 변위율을 연산하는 연산부를 갖는 것이 바람직하다. 특히 전기 신호 변화는 인덕턴스 변화인 것이 바람직하다. 이것은 도전체의 인덕턴스 변화와 센서 부재의 변위량이 안정된 선형성을 갖기 때문에, 측정 정밀도를 높이는 것이 가능하게 되기 때문이다. 또한, 가장 단순한 시스템으로서는 피측정체의 변위의 유무를 측정할 수 있으면 되는데, 변위량 및/또는 변위율을 측정하는 것이 바람직하다. 또한, 변위량, 변위율은 신장률, 신장률, 신장도, 신장 변위라고도 칭해진다.

이제, 코일상의 도전체의 신장과 인덕턴스의 감소의 관계에 대해서, 이하에서 설명한다. 또한 여기에서는, 도 2에 도시한 바와 같이 코일 초기 길이를 D(m), 전류를 I(A), 코일 단면적을 S(㎡), 총 권취수를 N, 그리고 단위 길이당의 권취수를 n=N/D로 하였다.

코일의 자기 인덕턴스 L(H)은 투자율을 μ(N/A²)로 했을 때,

L=μN²S/D

라고 표현된다.

(코일 내부의 자장 H(N/Wb)는 전류 I로서,

H=nI

코일 내부의 자속 밀도 B(Wb/㎡)는

B=μH=μnI

코일 단면적 S(㎡)를 관철하는 자속 Φ₀(Wb)는

Φ₀=B·S=μnIS

길이 D, 총 권취수 N의 코일에 있어서는, 자속 Φ₀이 총권취수 N의 코일과 교차하기 때문에,

Φ=N·Φ₀=N·μnIS=N·μ(N/D)IS=μN²SI/D

여기서, 신장 전의 코일의 자기 인덕턴스를 L(H), 신장 전의 초기 코일 길이를 D, 초기 단면적을 S로 하면,

L=Φ/I=μN²S/D

로 표현된다.

한편, 신장률 e로 신장한 코일의 자기 인덕턴스를 L'(H), 단면적을 S'로 하면, 코일 길이는 eD로 표현되고

L'=μN²S'/eD

가 된다.

상기 양식으로부터,

L/L'=e(S/S')

의 관계가 도출되어, 코일의 신장률 e는,

e=(L/L')·(S'/S)

로 표현됨을 알 수 있다.

따라서, L/L'의 값과 S'/S의 값이 구해지면, 코일의 신장률 e가 구해지게 된다. 또한, S'/S의 값은 코일 신장에 수반하는 변수인데, 피치 균일한 코일에 있어서는 코일의 초기 형상(코일의 직경, 도전체의 두께, 폭, 단위 길이당의 권취수의 설계값)으로부터 기하학 계산으로 구한 값으로 대용할 수 있으므로 실제로 계측을 행할 필요는 없다.

이것이 본 발명의 센서 장치에 있어서의, 센서 부재의 인덕턴스 변화를 사용한 센서 부재의 신장률 측정의 원리이며, 검출부에서 검출된 인덕턴스 변화와, 코일상의 도전체의 길이 방향의 신장률의 상관을 연산부에 의해 연산함으로써, 센서 부재의 신장량이나 신장률(변위량, 변위율)을 구할 수 있다.

센서 부재의 인덕턴스의 측정은 임피던스의 위상각 θ가 대략 3 내지 90°인 범위가 바람직하고, 보다 바람직하게는 10 내지 90°, 가장 바람직하게는 20 내지 90°의 범위이다. 당해 범위이면 고정밀도로 고감도의 측정을 행할 수 있다.

또한, 예를 들어 피측정체의 소재나, 사용 방법에 따라서는, 피측정체의 각 구간(임의의 구간)에서 신장률이 다른 경우가 있다. 그 경우에는, 길이가 다른 복수의 센서 부재를 사용함으로써 간이하게 고정밀도로 신장량이나 신장률(변위량, 변위율)을 측정할 수 있다.

구체적으로는, 예를 들어 도 7에 모식적으로 도시된 바와 같이, 피측정체(피측정체는 신장률이 다른 구간 a, b, c를 갖는다)에 대하여, 길이가 다른 센서 부재 S1, S2, S3을 배치한다. 피측정체의 구간 a, b, c에 있어서의 각 초기 길이를 La, Lb, Lc로 하고, 신장 후의 길이를 La', Lb', Lc', Lc'', 신장률을 ea', eb', ec', ec''로 한다. 또한 센서 부재 S1, S2, S3의 초기 길이를 각각 LS1, LS2, LS3, 인덕턴스의 실제 계측으로 구해지는 신장률을 e1', e2', e3', e3''로 한다. 또한, 피측정체의 각 구간의 신장률과, 각 구간에 배치된 센서 부재의 신장률이 동등해지도록, 센서 부재는 피측정체에 고정되어 있는 것으로 한다. 또한, 초깃값의 La, Lb, Lc, LS1, LS2, LS3은 측정 완료된 기지의 값이며, e1', e2', e3', e3''는 전술한 바와 같이 계측에 의해 얻어지는 값이다.

구간 a 내의 센서 부재의 신장률 ea'는 실제 계측으로부터 구한 e1'의 값과 동등하게, ea'=e1'이 된다.

실제 계측으로부터 구한 e1'과 e2'의 값을 사용하여, 구간 a 내의 센서 부재의 신장률 eb'를 구한다. 구간 b 내의 센서 부재 S2의 신장 후 길이는 (LS2×e2')-La'=(LS2×e2')-(La×e1')가 되고, 이것을 구간 b 내의 센서 부재 S2의 초기 길이(LS2-La)로 나누면, 구간 b 내의 센서 부재의 신장률 eb'가 구해져서, eb'=((LS2×e2')-(La×e1'))/(LS2-La)이 된다.

실제 계측으로부터 구한 e1'과 e3'의 값과, 전술한 바와 같이 구한 eb'의 값을 사용하여, 구간 c 내의 센서 부재의 신장률 ec'를 구한다. 구간 c 내의 센서 부재 S3의 신장 후 길이는 (LS3×e3')-La'-Lb'=(LS3×e3')-(La×e1')-(Lb×eb')가 되고, 이것을 구간 c 내의 센서 부재 S3의 초기 길이(LS3-La-Lb)로 나누면, 구간 b 내의 센서 부재의 신장률 ec'가 구해져서, ec'=((LS3×e3')-(La×e1')-(Lb×eb'))/(LS3-La-Lb)이 된다.

또한, 구간 a, b가 신장 없이, 구간 c만 신장한 케이스에 있어서의, 구간 c 내의 센서 부재의 신장률 ec''는 e1'과 eb'를 각각 1로 한 식으로서 표현되고, ec''=((LS3×e3'')-La-Lb)/(LS3-La-Lb)이 된다.

즉, 도 7과 같이 피측정체에 길이가 다른 적어도 2개 이상의 센서 부재를, 각 센서의 일단부측을 피측정체의 일단부측에 정렬시키고, 또한 각 센서 부재를 실질적으로 평행하게 배치한다. 센서 부재의 일단부측 및 타단부측으로부터 도전체(측정용의 단자)를 취출하고, 인덕턴스 변화에 기초하여 피측정체의 변위량 및/또는 변위율을 측정한다. 또한, 도 7의 중단(전부 신장)과 같이, 각각의 단부로부터 도전체(측정용의 단자)를 취출해도 되고, 도 7의 하단(일부 신장)에 모식적으로 도시된 바와 같이, 길이가 다른 센서 부재를 각각 2개 배치하고, 각 센서 부재의 일단부측으로부터 도전체(측정용의 단자)를 취출하고, 타단부측의 도전체(측정용의 단자)를 각각 접속함으로써, 2개의 센서 부재를 피측정체에 대하여 왕복 배치(U자로 배치)함으로써 센서 부재의 배선을 1군데에 통합하여 측정해도 된다.

또한, 도 7의 중단(전부 신장)의 센서 부재와 같이, 센서 부재의 외측에서 배선이 취급될 때는 외측의 배선에 노이즈를 방지하기 위한 실드가 실시되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 2개의 센서 부재를 피측정체에 대하여 왕복 배치(U자로 배치)한 경우, 상술한 계산식에 사용되는 센서 부재의 길이 등은 적시 보정해도 된다.

이어서 센서 부재의 임의의 2개 이상의 센서 부재의 변위량의 차분을 사용하여, 당해 임의의 2개의 오버랩하지 않는 비공통 구간에 있어서의 변위량을 구함으로써, 피측정체의 임의의 구간(도 7에 있어서의 구간 a, b, c)에 있어서의 변위량 및/또는 변위율을 측정할 수 있다.

전술한 바와 같이 측정함으로써, 예를 들어 도 7의 하단의 피측정체를 전부 신장하는 경우나, 피측정체의 일부만(도 7에 있어서의 구간 c)이 신장되는 경우라도 각 구역의 변위율(신장률)을 측정할 수 있다. 또한, 일부만이 신장되는 경우, 변위가 계측되지 않는 센서 부재는 연산부에 의한 연산의 대상 외로 설정해도 된다.

그런데 전술한 센서 부재의 변위 측정 방법은, 센서 부재의 도전체의 길이가 상대적으로 짧은 경우(도전체의 길이가 측정에 사용하는 교류 전류의 파장의 대략 1/4을 초과하는 경우)이며, 집중 상수 회로로서의 취급이 바람직한 조건 하에서 특히 유효하다. 또한, 이 조건에서는 인덕턴스의 변화 뿐만 아니라, 캐패시턴스, 저항값, 교류 임피던스값, 공진점 주파수, Q값 등의 변화로부터 센서 장치의 변형에 관련한 정보를 얻는 것도 가능하다.

한편, 본 센서 부재의 도전체의 길이가 상대적으로 긴 경우(도전체의 길이가 측정에 사용하는 교류 전류의 파장의 대략 1/4 이하인 경우)이며, 분포 상수 회로로서의 취급이 바람직한 조건 하에서는, 전송로 해석의 방법을 사용하여 센서의 변형 상황을 감지할 수도 있다. 예를 들어 특성 임피던스, 전송에 의한 위상 지연, 전송 감쇠율의 변화를 측정하여, 센서의 전기 파라미터의 변화를 파악할 수 있다. 또한 나아가서는 TDR법(Time Domain Reflectance; 시간 영역 반사법)을 사용하여, 국소적으로 임피던스의 불균일 변화가 발생한 이상 개소의 특정이나, 단선의 발생 등을 검지할 수도 있다.

본 발명의 센서 장치의 검출부는, 검도전체의 전기 파라미터의 변화를 측정하기 위한 전기 처리 회로를 갖는 장치이며, 시판하고 있는 전자 계측 장치를 사용해도 되고, 디스크리트로 전자 회로를 설계하여 계측해도 된다.

시판하고 있는 전자 계측 장치는, 예를 들어 임피던스 애널라이저, LCR 미터, 네트워크 애널라이저(장치 메이커로서, Keysight, 히오키 덴키 등), TDR 케이블 진단 측정 장치(장치 메이커로서, Bi Communications 등), 혹은 기준이 되는 교류 신호에 대한 위상 지연이나 감쇠율의 측정이 가능한 오실로스코프 등(Keysight제 등)을 바람직하게 들 수 있고, 필요에 따라 조합하여 사용된다.

집중 상수 회로로서 취급하는 경우에는, 검출부는 센서 부재의 도전체의 양단부와 전기적으로 접속되고, 전자파 차단층은 검출부의 접지 전위의 단자나 실드 라인의 단자와 접속되는 것이 바람직하다. 이때, 검출부는 센서 장치와 별개로 마련되어 있어도 되고, 일체화되어 있어도 된다. 검출부와 센서 장치의 배선 접속 방법에 대해서는, 공지된 2 단자법, 4 단자법, 5 단자법 등의 측정법을 사용하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 통상적인 방법에 기초하는 4 단자법 혹은 5 단자법이 바람직하다.

또한, 분포 상수 회로로서 취급하는 경우에는, 예를 들어 센서 부재의 일단부에서, 도전체와 전자파 차단층을 검출부의 단자(2 단자)와 접속하고, 센서 부재의 타단부에서는, 도전체와 전자파 차단층을 전기적으로 개방(오픈)한 상태에서 측정을 행하는 것이 바람직하다.

이들 측정법에 의해 얻어진 인덕턴스 이외의 전기 파라미터 변화의 정보로부터, 전술한 원리 등에 기초하여, 센서 부재의 변형 상태를 용이하게 연산 산출하는 것이 가능하게 되었다. 또한, 얻어진 전기 파라미터 변화 데이터나 연산 산출된 센서 장치의 변형 데이터는, 필요에 따라 유선, 무선 등을 통하여 원격 송신해도 되고, 각종 용도에 있어서의 모니터 관리나 제어 목적으로 이용할 수 있다.

또한, 본 발명의 센서 장치의 측정 수단은 센서 부재의 이상을 판정하는 판정 수단을 갖고 있어도 되고, 예를 들어 센서 부재의 도전체의 직류 저항값의 이상 증가, 단락 등이 검지된 경우, 혹은 전송로 해석에 있어서 매우 큰 반사 신호가 얻어지는 경우 등에, 큰 외력의 인가나, 반복 피로 등에 의한 센서 장치의 파괴 혹은 일부 파괴의 발생을 이상으로 판정해도 된다.

본 발명은 소성 변형성이 낮은 코어재 소재를 사용한 코어재와, 코어재의 외주부에 코일상으로 권회된 도전체와, 도전체를 전자파로부터 보호하는 전자파 차단층을 갖는 센서 부재와, 센서 부재로부터 검출된 전기 신호의 변화에 기초하여, 도전체의 권회 피치 변위(일정 길이당의 권취수의 변위)를 연산함으로써 피측정체의 변위량 및/또는 변위율을 측정할 수 있는, 반복 측정 정밀도나 경시적인 신뢰성이 우수한 센서 장치이다.

특히 본 발명의 센서 장치는 로프, 슬링, 어망, 건축용의 케이블 브레이스, 엘리베이터 케이블 등의 끈상, 섬유상 부재나, 전력 케이블, 통신 케이블, 연료(액체 연료, 기체 연료) 이송용의 플렉시블 파이프, 수지 성형 부품, 고무 성형 부품, 무기 성형 부품, 수지 섬유 복합재의 신장 압축(굽힘 변형에 수반하는 신장 압축도 포함한다)의 측정에 응용할 수 있다. 또한 구조물이나 접합부의 간극 치수의 변화를 측정하는 것도 가능하다. 용도로서는, 항공기, 선박(해중 주행하는 것도 포함한다), 차량 등의 각종 수송 기기, 건축 건조물(빔재, 벽면), 도로, 교량 등을 들 수 있다. 또한 본 센서 부재는 고정밀도로 또한 용도에 맞춘 형상 설계가 가능하며, 각종 피측정체에 대한 조립, 복합성이 우수하고, 반복의 사용에도 강한 고내성이 우수하고, 옥외(해중, 해변, 비바람, 고온, 태양광 등)의 가혹한 환경이어도 사용 가능하다.

또한, 이들 피측정체의 변위량 및/또는 변위율, 예를 들어 신장 변위량/율의 측정을 비파괴이며 또한 실시간으로, 높은 신뢰성으로 측정할 수 있고, 피측정체의 변위량 및/또는 변위율 혹은 이상(파단, 파괴, 고장 등)의 데이터를, 상시, 고정밀도로 채취하는 센서 장치를 사용한 변위량 및/또는 변위율의 측정 방법이다.

실시예

이하, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 또한, 실시예에 있어서의 측정은 다음 방법으로 구한 것이다.

(1) 코어재 소재의 잔류 변형 시험용 및 크리프 시험용의 시험편의 제작

도 3과 같이, 시험 소재(본 실시예에서는 모두 섬유를 사용하므로 이하에서는 섬유라고 기재하지만, 필름 등의 다른 형태여도 마찬가지로 시험하면 된다)를 무꼬임 상태에서 정렬시키고, 시아노아크릴레이트계 순간 접착제(고니시 가부시키가이샤제 아론알파 프로용 No1 저점도 하이 스피드형)를 적량 침투시키고, 한 변이 30㎜인 사각형으로 잘라낸 2매의 1㎜ 두께 켄트지(시판품) 사이에 끼워 넣은 상태에서 고화하여, 섬유를 켄트지에 고정하였다. 계속해서, 전번의 고정 위치와 150㎜의 간격을 이격한 위치에서 섬유를 마찬가지로 켄트지에 고정하여, 고정 간 거리가 150㎜인 잔류 변형 시험용 및 크리프 시험용의 시험편을 제작하였다.

또한, 섬유의 접착이 불충분한 경우, 인장 시험 시(하중 인가 시)에 섬유의 미끄럼(하중/변형 곡선이 급한 변곡으로서도 관찰된다)이 발생하는 경우가 있는데, 섬유의 미끄럼 발생으로 추정된 경우에는 시험 결과를 삭제하고, 다른 시험편을 사용하여 시험을 다시 하는 것으로 한다.

(2) 코어재 소재의 인장 시험 및 잔류 변형의 측정

이하에서 60℃ 측정을 행하는 각 시험편은, 미리 무장력 하에서, 60℃, 습도 20％ 이하의 건조 환경에서 2시간 방치하고, 코어재 소재의 열적인 치수 수축의 영향을 배제하는 전처리를 실시한 시험편을 사용하였다. 또한, 이 전처리 시에, 이들 시험편을 사용하여 코어선 소재의 길이 방향의 열수축률도 측정한다.

25℃ 측정은, 25℃로 조정된 시험실 중에서, 전술한 시험편을 사용하여, 인스트론사제의 인장 시험기를 사용하여 척의 초기 간격을 150㎜, 하중 인가 시의 변위 속도 3㎜/분, 제하 시의 변위 속도 3㎜/분의 조건에서 인장 시험을 행하였다. 또한, 하중 인가 시의 초기 하중은 25℃의 시험편 파단 강도의 0.1％ 상당으로 하고, 이때의 변형의 값을 초기 변형(변형이 제로)으로 하였다. 또한, 시험편의 인장 강도와 신도의 측정은 시험편의 파단까지 변위를 부여하여 측정하였다.

시험편의 인장 탄성률은, 시험편의 인장 강도의 75％ 상당의 하중을 최대 하중으로 하여, A 하중 1회째: 초기 하중점부터 최대 신장률까지 하중 인가, B 하중 제하 1회째: 초기 하중점까지 하중 제하, C 초기 하중점에서 30초간 유지, D 하중 2회째: 최대 신장률까지 하중 인가, E 하중 제하(개방), 2회째의 하중 인가 시의 하중/변위 곡선에 있어서의 최대 하중의 10％ 상당 하중점의 접선의 기울기로부터 구하였다.

시험편의 잔류 변형은 도 4에 도시하는 요령으로, A 하중 1회째: 초기 하중점부터 최대 신장률까지 하중 인가, B 하중 제하 1회째: 초기 하중점까지 하중 제하, C 초기 하중점에서 30초간 유지, D 하중 2회째: 최대 신장률까지 하중 인가, E 하중 제하(개방)의 사이클로 인장 시험을 행하고, 2회째의 하중 인가 시의 하중/변위 곡선에 있어서의 최대 하중의 1％ 상당 하중 시의 신장률(초기 하중점으로부터의 변위를, 초기 하중점의 척 간격의 길이로 나눈 값)로부터 구하였다.

여기서 최대 신장률은, 초기 하중점의 척 간격에 대하여 2％의 신장, 3％ 신장, 4％ 신장의 3 조건으로 설정하였다.

또한, 60℃ 측정은 인장 시험기의 항온조 어태치먼트를 사용하여, 항온조를 60℃로 승온하고, 조 내 온도가 충분히 안정된 후에, 60℃의 시험편 파단 강도의 0.1％ 상당의 초기 하중값을 인가하고, 그 후 25℃ 측정과 동일한 요령으로 측정을 실시하였다.

각종 시험은 5개의 시험편에 대하여 행하고, 그 측정값의 평균값을 당해 시험편의 잔류 변형으로 한다. 단 5개의 시험편의 측정값의 최댓값과 최솟값이, 평균값에 대하여 ±20％ 이내로 수렴되지 않는 경우(변동이 매우 큰 경우)에는 시험편의 조정에서 유래되는 오차라고 생각하고, 별도 준비한 다른 5개의 시험편을 사용하여 측정을 다시 한다.

(3) 코어재 소재의 인장 크리프 시험 및 크리프 레이트의 산출

25℃ 측정은, 25℃로 조정된 시험실 중에서 전술한 시험편을 사용하여, 인스트론사제의 인장 시험기를 사용하여 척의 초기 간격을 150㎜로 하여 시험을 실시하였다. 초기 하중은 25℃의 시험편 파단 강도의 0.1％ 상당으로 하고, 초기 하중 인가 시의 변형의 값을 초기 변형으로 하였다. 크리프 시험을 위한 시험 하중은 25℃의 시험편 파단 하중의 30％ 상당으로 하고, 초기 하중으로부터 크리프 시험 하중에 도달한 후, 240분 연속으로 하중 인가하여, 시험편의 변형의 증가(크리프 현상)를 측정하였다. 또한, 시험 중에 섬유의 파단이 보인 경우에는 그 시점에서 시험을 종료한다. 또한, 크리프 시험 하중에 도달할 때까지의 시험편 신장은 10㎜/분의 인장 속도로 행하였다.

또한, 60℃ 측정은 인장 시험기의 항온조 어태치먼트를 사용하여 항온조를 60℃로 승온하고, 조 내 온도가 충분히 안정된 후에, 60℃의 시험편 파단 강도의 0.1％ 상당의 초기 하중을 인가하고, 이때의 변형의 값을 초기 변형으로 하였다. 크리프 시험을 위한 시험 하중은 60℃의 시험편 파단 하중의 30％ 상당으로 하고, 초기 하중으로부터 크리프 시험 하중에 도달한 후, 240분 연속으로 하중 인가하여, 시험편의 변형의 증가(크리프 현상)를 측정하였다. 또한, 시험 중에 섬유의 파단이 보인 경우에는 그 시점에서 시험을 종료한다. 또한, 크리프 시험 하중에 도달할 때까지의 시험편 신장은 10㎜/분의 인장 속도로 행하였다.

크리프 레이트(％/분)의 산출은, 시험 하중 도달 후 10분 후의 변형(％)과 240분 후의 변형(％)의 차분(％)을 230(분간)으로 나누어 구하였다.

크리프 시험은 5개의 시험편으로 행하고, 얻어진 시험값의 평균값을 측정값으로 한다. 단 5개의 측정값의 최댓값과 최솟값이 평균값에 대하여 ±20％ 이내로 수렴되지 않는 경우에는, 다른 5개의 시험편을 사용하여 측정을 다시 한다.

(4) 센서체의 코어재와 도전체의 마찰력(미끄러지기 쉬움성)의 평가

도전체를 코어재에 권회한 센서체를 300㎜ 길이로 절단하고, 그의 단부 40㎜ 길이만 남기고, 권회되어 있는 도전체를 제거한 시험편을 제작하였다. 즉, 이 시험편은, 도전체가 권회되어 있지 않은 260㎜ 길이의 일단부와, 도전체가 권회되어 있는 40㎜ 길이의 타단부로 나뉘어져 있다.

이어서, (1)과 동일한 요령으로, 일단부의 일부를 2매의 켄트지 사이에 순간 접착제를 사용하여 고정한 후, 인장 시험기(인스트론제)의 한쪽의 척에 고정한다. 또한, 타단부의 도전체가 감겨 있는 부분의 전체 길이를 다른 쪽의 척에 고정한다. 또한, 타단부는 척 체결 시의 간극을 메워, 안정적으로 척킹할 수 있도록 완충재(고무 시트 등)를 개재시켜서 고정한다.

척 간의 간격을 200㎜, 변위 속도 2㎜/분의 조건에서 시험편의 인장 시험을 행하였다. 본 인장 시험의 하중 인가 시의 하중/변위 곡선에 있어서, 코어재와 도전체 간의 미끄럼의 발생에서 기인하여 변위가 동시에 증대하는 변곡점(미끄럼 발생점)이 관찰된다. 시험편이 변곡점을 나타내는 하중값(복수의 변곡점이 있는 경우에는 첫회의 변곡점의 하중값)이, 시험편 가공 전의 센서체의 2％ 신장에 필요한 하중값에 대하여 1％ 미만인 경우를 ×, 1％ 이상 2％ 미만인 경우를 △, 2％ 이상 3％ 미만인 경우를 ○, 3％ 이상인 경우를 ◎로 평가한다. 시험은 10개의 시험편에 대하여 행하고, 그 시험값의 평균값으로써 측정값으로 한다. 단 10개의 측정값의 최댓값과 최솟값이 평균값에 대하여 ±33％ 이내로 수렴되지 않는 경우에는, 별도로 준비한 10개의 시험편을 사용하여 측정을 다시 한다.

(5) 센서 장치의 반복 인장 시험 및 측정 오차의 평가

25℃의 측정은, 25℃로 조정된 시험실 내에서 시험을 실시하였다. 인스트론사제의 인장 시험기를 사용하여, 센서 부재를 미끄러짐 없이 인장 시험할 수 있도록 척의 체결력을 조정한다. 또한, 센서 부재의 표면에 전자파 차단층이 노출되어 있는 시험편의 경우에는, 시험편과 척 사이에 0.13㎜ 두께의 PET 필름을 끼워 넣어, 전자파 차단층과 척 간의 전기적 절연을 취하는 것이 바람직하다. 한편, 센서 부재의 표면에 절연층의 피복이 시도되어 전자파 차단층이 노출되어 있지 않은 시험편의 경우에는, PET 필름을 끼워 넣는 것은 반드시 필요한 것은 아니고, 척에 의한 시험편의 체결을 확실하게 할 목적에서, 표면에 요철의 텍스처 가공이 시도된 척을 사용하여, 체결의 응력을 국소 집중시키는 것도 필요에 따라 바람직하게 행하여진다.

도 5과 같이, 전체 길이 1200㎜의 센서 부재를 준비하고, 그 중앙부의 일부분을 150㎜ 간격으로 척에 느슨함 없이 고정하였다. 한편, 1200㎜ 길이의 센서 부재의 양단부는, 전용의 테스트 픽스처를 접속한 시판하고 있는 LCR 미터(Keysight제)에 접속하였다. 센서 부재의 접속에 관하여, 센서체는 테스트 픽스처 박스의 디바이스 측정용의 단자에 접속하고, 전자파 차단층은 테스트 픽스처의 실드 라인에 접속하였다. 또한, 본 접속에 의해 전자파 차단층은 테스트 픽스처의 실드 라인(가드 라인의 이름으로 불리는 경우도 있다)을 통하여, 전기적으로 폐회로를 형성하고 있는 상태로 되어 있다. 또한 테스트 픽스처의 실드 라인은 접지 전위에 접속되어 있기 때문에, 전자파 차단층도 접지 전위에 접속되어 있다(개념도이기 때문에 상세한 접속은 생략했다). 즉 인장 하중이 부하되는 시험 부분의 센서 부재 길이는 150㎜, 하중 부하되지 않는 비시험 부분의 센서 부재 길이는 1050㎜이다. 그리고 LCR 미터에 의해, 주파수 1MHz로 센서 부재의 인덕턴스 측정을 행하였다.

중앙부 150㎜ 길이의 센서 부재의 인장 시험을 3㎜/분의 변위 속도로, 하중 인가, 제하를 5회 반복하는 형태로 행하였다. 최대 신장률은 2％ 신장(+3㎜), 3％ 신장(+4.5㎜), 4％ 신장(+6㎜)의 3 조건을 설정하였다.

또한, 60℃ 측정은 인장 시험기의 항온조 어태치먼트를 사용하여, 항온조 내의 온도 안정 후에 25℃ 측정과 동일한 요령으로 실시하였다.

a) 인장 시험기의 지시값에 기초하는 신장률: 신장 시험 시의 각 측정점의 시험기 지시값(150㎜+α)을 신장 시험 전의 초기 길이(150㎜)로 나누어 구하였다. 값은 소수점 4자리수째를 반올림하여, 소수점 3자리수의 수치로 하였다. 이것을 E값으로 한다. 여기서, E값은 센서 부재가 측정 대상으로 하는 피측정체의 신장률을 의미하고 있다. 본 실시예에서는 척간 거리의 신장률이 피측정 대상으로 되지만, 실제의 용도에 있어서는 측정 대상물의 신장률이 된다.

b) 인덕턴스값으로부터 산출한 센서 부재의 신장률: 신장 시험 전의 센서 부재의 전체 길이의 인덕턴스값×1050(㎜)/1200(㎜)의 계산에 의해, 비시험 부분의 인덕턴스값을 구해 두고, 이 값을 신장 시험 시의 각 측정점의 인덕턴스값으로부터 차감하여 시험 부분의 인덕턴스값으로 한다. 그리고 시험 부분의 인덕턴스값에 대해서, 신장 시험 전의 초기 인덕턴스값(L)을 신장 시험 후의 인덕턴스값(L')으로 나눈 값을 각 측정점에서 산출하고, 소수점 4자리수째를 반올림하여 소수점 3자리수의 수치로 하였다. 이것을 A값으로 한다.

그런데, 전술한 코일의 자기 인덕턴스의 관계식에 따라서, 오차가 없는 이상적인 센서 장치에 있어서 A값의 이상값이 얻어지고, E값=A값×코일 단면적비(측정점의 단면적 S'/신장 전의 초기 단면적 S)의 관계가 성립되지만, 실측의 오차를 평가하기 위해서, A값×코일 단면적비(신장 시험 후의 측정점의 단면적 S'/신장 시험 전의 초기 단면적 S)=e값으로 하고, e값(실측값)과 E값(이상값)의 차분(절댓값)이 제로에 가까울수록 측정 오차가 작고, 차분의 값이 클수록 측정 오차가 크도록 하였다. 여기서 코일 단면적비는, 신장 시험 전의 코일의 직경과 단위 길이당의 권취수, 도전체의 두께와 폭, 각 측정점의 코일 신장률로부터 탁상 계산한 값을 사용한다. 또한, 도 6에 오차가 없는 이상적인 센서 장치에 있어서의 E값과 e값의 관계, 오차를 가진 센서 장치에 있어서의 E값과 e값의 관계의 일례에 대하여 모식적으로 도시하였다.

측정 오차의 평가는, 신장 시험의 5회째 반복 시(하중 인가 시 및 제하 시)의 E값이 0.002 내지 1.04의 범위인 측정 데이터를 대상으로, E값과 e값의 차분(절댓값)의 최댓값을 구하고, 최댓값이 작을수록 센서 부재의 측정 오차가 적다(성능이 좋다)고 평가하였다. 또한, 본 시험은 5개의 시험편에 대하여 행하고, 그 측정값의 평균값을 구한다. 단 측정값의 최댓값과 최솟값의 차가 평균값의 ±20％ 이상인 경우에는, 시험편 불량의 우려가 있다고 판정하고, 다른 5개의 시험편에 의해 시험을 다시 한다.

(6) 센서 장치의 크리프 내구성의 평가

(5)의 반복 인장 시험의 배치에서, 센서 부재를 60℃ 환경 하에서, 1.5％ 신장 시의 하중값으로 240분 하중을 일정 유지하고(크리프 시험), 제하 후, 센서 부재에 (5)의 반복 인장 시험을 실시하고, 측정 오차를 평가하였다.

[실시예 1]

(센서 부재의 제작)

코어재는, 섬도 440dtex의 공중합 방향족 폴리아미드 섬유 사조(코폴리파라페닐렌-3,4'-옥시디페닐렌·테레프탈아미드 섬유 사조, 데이진 가부시키가이샤제, 「테크노라」, 장섬유 필라멘트 구성 섬유 개수 267개, 섬유 다발의 근사 직경 약 0.21㎜, 비투자율 1.0)를 사용하였다.

도전재는, 두께가 약 0.025㎜, 폭이 약 0.3㎜인 은 도금 압연 구리박을 사용하였다. 본 도전재의 전기 저항값은 약 2.4Ω/m였다.

섬유 사조를 코어재로 하고, 커버링 머신을 사용하여, 당해 은 도금 압연 구리박선을 약 2700T/m의 권취수 조건에서 권회한 센서체를 얻었다. 또한, 섬유 사조에는 꼬임 가공은 실시하지 않고, 방사 시의 권취 보빈을 그대로 커버링 머신에 세트하였다. 얻어진 센서체의 평균 직경은 약 0.3㎜, 구리박선은 나선상으로 거의 균일한 피치로 코어재의 외주를 권회하고 있고, 구리박선 간의 간극은 평균 약 0.07㎜였다.

또한, 권회 후의 섬유의 꼬임 상태를 확인하기 위해, 센서체의 제작 후, 센서체에 인장 장력을 가한 상태에서, 권회되어 있는 도전체를 떼어 코어선 섬유의 꼬임 피치(회/m)를 측정한 바, 꼬임은 약 130T/m(꼬임 계수 0.82)였다.

이어서, 얻어진 센서체를 중심축으로 하여, 그 주위에, 용융 압출 장치의 다이스로부터 올레핀계의 열가소성 엘라스토머를 용융 상태에서 센서체의 주위에 압출하고 코팅하여, 센서체의 외주에 두께 0.25㎜의 절연층을 피복 형성하였다. 또한, 절연층의 외주에 이하의 요령으로 전자파 차단층을 형성하였다.

먼저, 섬도 110dtex의 공중합 방향족 폴리아미드 섬유 사조(코폴리파라페닐렌-3,4'-옥시디페닐렌·테레프탈아미드 섬유 사조, 데이진 가부시키가이샤제, 「테크노라」, 장섬유 필라멘트 구성 섬유 개수 48개, 섬유 다발의 근사 직경 약 0.1㎜)의 주위에, 커버링 머신을 사용하여, 두께가 약 0.025㎜, 폭이 약 0.3㎜인 니켈 도금 압연 구리박을 약 3000회/m의 권취수 조건에서 권회하여, 섬유를 코어재로 하는 도전선을 제작하였다. 또한, 니켈 도금은 구리박의 녹 대책으로서 효과적이어서, 전자파 차단층의 도전성(저항값)을 장기적으로 안정화할 목적에서 실시하고 있다.

이 도전선을 32개 사용하고, 브레이딩 머신을 사용하여, 전술한 절연층의 외주에 도전선이 편조(브레이딩)되어 이루어지는 전자파 차단층을 형성하였다. 이 전자파 차단층의 길이 방향의 저항값은 1.3Ω/m였다. 이와 같이 하여, 코어재, 도전층, 절연층, 전자파 차단층이 이 순으로 적층된 평균 직경 약 1.8㎜의 센서 부재를 제작하였다.

코어재 소재의 평가 결과를 표 1에, 본 센서체의 평가 및 센서 부재의 성능 평가 결과를 표 2에 나타냈다.

표 1, 2에 나타내는 바와 같이, 실시예 1은 코어재와 도전체 사이에서 발생하는 마찰력의 상대 평가가 기타의 예와 비교하여 특히 우수하고, 당해 구성은 센서체의 제조의 안정성이나 사용 시의 핸들링이 우수하다. 또한, 25℃, 60℃에서의 센서 부재의 측정 정밀도(최대 오차(E값과 e값의 차분 최댓값)) 및 내구성(크리프 시험 후의 최대 오차)도 우수하고, 비파괴이며 또한 연속 측정에 적합하면서, 높은 반복 정밀도, 및 엄격한 주위 환경 하에서의 사용에 있어서도 높은 신뢰성을 갖는다.

[실시예 1-1]

실시예 1에서 제작한 센서 부재를 중심축으로 하고, 또한 그 주위에, 용융 압출 장치의 다이스로부터 올레핀계의 열가소성 엘라스토머를 용융 상태에서 센서 부재의 주위에 압출하고 코팅하여, 두께 0.25㎜의 절연성의 보호층을 피복 형성한 센서 부재를 제작하였다.

본 센서 부재는 30℃의 해수에 2주간 침지한 후에도 외관에 변화가 없고, 도전체, 전자파 차단층의 전기 저항값에도 거의 변화를 볼 수 없었다. 또한 60℃ 85％RH의 고온 고습 환경 하에서 1000시간 방치하는 시험 후에서는, 최표층의 보호층의 색상의 변화는 볼 수 있었지만, 도전체, 전자파 차단층의 전기 저항값에는 거의 변화를 볼 수 없어, 실용상의 문제는 발생하지 않았다. 또한, 촉진 자외선 폭로 시험(수퍼 크세논 시험, 자외선 방사 조도 180W/㎡, 500시간)을 행한 후에도, 최표층의 보호층의 색상의 변화는 볼 수 있었지만, 도전체, 전자파 차단층의 전기 저항값에는 거의 변화를 볼 수 없어, 실용상의 문제는 발생하지 않았다.

[실시예 1-2]

실시예 1에 있어서, 올레핀계의 열가소성 엘라스토머에 의한 절연층, 보호층 대신에, 실리콘 고무 가황물에 의한 절연층으로 각각 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 센서 부재를 제작하였다. 또한, 실리콘 고무에 의한 절연층, 보호층의 형상 안정성이나 내후성을 높일 목적에서, 2차 가황을 위한 센서 부재 제작 후에 가열 처리를 실시하였다.

본 센서 부재는 30℃의 해수에 2주간 침지한 후에도 외관에 변화가 없고, 도전체, 전자파 차단층의 전기 저항값에도 거의 변화를 볼 수 없었다. 또한 60℃ 85％RH의 고온 고습 환경 하에서 1000시간 방치하는 시험 후에도 최표층의 보호층의 색상의 변화는 거의 볼 수 없고, 도전체, 전자파 차단층의 전기 저항값에도 거의 변화를 볼 수 없었다. 또한 촉진 자외선 폭로 시험(수퍼 크세논 시험, 자외선 방사 조도 180W/㎡, 500시간)을 행한 후에서도, 최표층의 보호층의 색상의 변화는 거의 볼 수 없고, 도전체, 전자파 차단층의 전기 저항값에는 거의 변화를 볼 수 없어, 실용상의 문제는 발생하지 않았다.

[실시예 2]

실시예 1에 있어서, 도전체 권회 시의 코어재 섬유와 도전체 간의 마찰력에 의한 코어재 섬유에 대한 꼬임 부여에 의해, 도전체 권회 후의 코어재 섬유에 꼬임이 발생하는 것을 감안하여, 도전체 권회 전의 코어재 섬유에 사전에 도전체의 권회 방향과 역방향의 꼬임을 부여하여 센서체를 제작하였다. 실시예 1과 마찬가지로 꼬임을 측정한 바, 꼬임은 약 50T/m(꼬임 계수 0.31)였다.

표 1, 2에 나타내는 바와 같이, 실시예 2는 코어재와 도전체 사이에서 발생하는 마찰력의 상대 평가가 기타의 예와 비교하여 특히 우수하고, 당해 구성은 센서체의 제조의 안정성이나 사용 시의 핸들링이 우수하다. 또한, 25℃, 60℃에서의 센서 부재의 측정 정밀도(최대 오차(E값과 e값의 차분 최댓값)) 및 내구성(크리프 시험 후의 최대 오차)에도 특히 우수하고, 비파괴이며 또한 연속 측정에 적합하면서, 높은 반복 정밀도, 및 엄격한 주위 환경 하에서의 사용에 있어서도 극히 높은 신뢰성을 갖는다.

[실시예 3]

실시예 1에 있어서, 도전체에 직경 0.08㎜의 에나멜 절연층 구비의 구리선(환선)을 사용하여, 10000T/m의 권취수로 코어재 섬유에 권회하여 센서체로 한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 센서 부재를 제작하였다. 구리박선 간의 간극은 평균 약 0.02㎜였다.

표 1, 2에 나타내는 바와 같이, 실시예 3은 코어재와 도전체 사이에서 발생하는 마찰력의 상대 평가가 기타의 예와 비교하여 특히 우수하고, 당해 구성은 센서체의 제조의 안정성이나 사용 시의 핸들링이 우수하다. 또한, 25℃, 60℃에서의 센서 부재의 측정 정밀도(최대 오차(E값과 e값의 차분 최댓값)) 및 내구성(크리프 시험 후의 최대 오차)도 우수하고, 비파괴이며 또한 연속 측정에 적합하면서, 높은 반복 정밀도, 및 엄격한 주위 환경 하에서의 사용에 있어서도 높은 신뢰성을 갖는다.

[실시예 4]

실시예 1에 있어서, 코어재의 섬유 사조로서 PTT 섬유의 모노필라멘트(아사히 가세이제 SOLOTEX, 섬도 390dtex, 섬유 다발의 근사 직경 약 0.19㎜, 비투자율 1.0)를 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 센서 부재를 제작하였다.

표 1, 2에 나타내는 바와 같이, 실시예 4는 코어재와 도전체 사이에서 발생하는 마찰력의 상대 평가가 기타의 예와 비교하여 우수하고, 당해 구성은 센서체의 제조의 안정성이나 사용 시의 핸들링이 우수하다. 또한, 25℃, 60℃에서의 센서 부재의 측정 정밀도(최대 오차(E값과 e값의 차분 최댓값)) 및 내구성(크리프 시험 후의 최대 오차)도 우수하고, 비파괴이며 또한 연속 측정에 적합하면서, 높은 반복 정밀도, 및 엄격한 주위 환경 하에서의 사용에 있어서도 높은 신뢰성을 갖는다.

[실시예 5]

실시예 1에 있어서, 코어재의 섬유 사조로서 PET 섬유의 모노필라멘트(데이진 프런티어제 테트론, 섬도 230dtex, 섬유 다발의 근사 직경 약 0.15㎜, 비투자율 1.0)를 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 센서 부재를 제작하였다.

표 1, 2에 나타내는 바와 같이, 실시예 5는 코어재와 도전체 사이에서 발생하는 마찰력의 상대 평가가 기타의 실시예와 비교하면 약간 떨어지지만, 센서체의 제조의 안정성이나 사용 시의 핸들링에 지장은 없었다. 또한, 25℃, 60℃에서의 센서 부재의 측정 정밀도(최대 오차(E값과 e값의 차분 최댓값)) 및 내구성(크리프 시험 후의 최대 오차)은 기타의 실시예와 비교하면 약간 떨어지지만, 용도(측정 대상)에 따라서는 충분한 성능을 발휘할 수 있고, 비파괴이며 또한 연속 측정에 적합하면서, 반복 정밀도와 신뢰성을 갖는다.

[실시예 6]

실시예 1에 있어서, 코어재의 섬유 사조로서 액정 폴리에스테르 섬유의 멀티필라멘트(KB 세이렌사제, 젝시온, 섬도 440dtex, 섬유 다발의 근사 직경 약 0.21㎜, 비투자율 1.0)를 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 센서 부재를 제작하였다.

표 1, 2에 나타내는 바와 같이, 실시예 6은 코어재와 도전체 사이에서 발생하는 마찰력의 상대 평가가 기타의 실시예와 비교하면 약간 떨어지지만, 센서체의 제조의 안정성이나 사용 시의 핸들링에 지장은 없었다. 또한, 25℃, 60℃에서의 센서 부재의 측정 정밀도(최대 오차(E값과 e값의 차분 최댓값)) 및 내구성(크리프 시험 후의 최대 오차)은 기타의 실시예와 비교하면 약간 떨어지지만, 예를 들어 변위량 및/또는 변위율이 적은 용도(측정 대상)에 따라서는 충분한 성능을 발휘할 수 있고, 비파괴이며 또한 연속 측정에 적합하면서, 반복 정밀도와 신뢰성을 갖는다.

[실시예 7]

실시예 1에 있어서, 도전체로서 두께가 약 0.029㎜, 폭이 약 0.7㎜인 은 도금 압연 구리박을 사용하여, 약 1200T/m의 권취수 조건에서 권회한 센서체를 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 센서 부재를 제작하였다. 구리박 간의 간극은 평균 약 0.13㎜였다.

본 센서 부재의 성능 특성은, 시험편 5개 측정 시의 E값과 e값의 차분 측정값의 최댓값과 최솟값의 변동이 실시예 1에서는 ±9％ 전후였던 데 반해, ±12％ 전후로 증가했는데, 오차 평가 결과에 대해서는 표 1, 2에 나타내는 실시예 1의 센서 부재의 성능 특성과 동등하였다.

[실시예 8]

실시예 3에 있어서, 도전체로서 직경 0.05㎜의 에나멜 절연층 구비의 구리선(환선)을 사용하여, 15000T/m의 권취수로 코어재 섬유에 권회하여 센서체를 제작한 것 이외에는, 실시예 3과 마찬가지로 하여 센서 부재를 제작하였다. 구리박 간의 간극은 평균 약 0.02㎜였다.

본 센서 부재의 성능 특성은, 시험편 5개 측정 시의 E값과 e값의 차분 측정값의 최댓값과 최솟값의 변동이 실시예 3에서는 ±7％ 전후였던 데 반해, ±10％ 전후로 증가했는데, 오차 평가 결과에 대해서는 표 1, 2에 나타내는 실시예 3의 센서 부재의 성능 특성과 동등하였다.

[비교예 1]

실시예 1에 있어서, 코어재의 섬유 사조로서 우레탄 탄성 섬유의 멀티필라멘트(아사히 가세이 센이제 로이카 섬도 940dtex)를 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 센서 부재의 제작을 시도하였다. 그러나, 커버링 머신을 사용하여 도전체를 코어재 섬유에 권회하는 공정에 있어서, 코어재 섬유가 커버링 머신에 의한 가공 시에 인가되는 장력에 의해 크게 신장되어 버려, 보빈 권취, 장력을 제거한 때에, 코어재 섬유만이 크게 수축하여 센서 부재의 형태가 크게 변화해 버려, 그 후의 공정을 진행시키는 것이 불가능하였다.

코어재 소재의 평가 결과를 표 3에, 본 센서체의 평가 및 센서 부재의 성능 평가 결과를 표 4에 나타냈다.

[비교예 2]

실시예 1에 있어서, 코어재의 섬유 사조로서 초고분자 폴리에틸렌 섬유의 멀티필라멘트(도요보제 이자나스 SK60, 섬도 1760dtex, 섬유 다발의 근사 직경 0.59㎜)를 사용한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 센서 부재를 제작하였다.

[비교예 3]

실시예 1에 있어서, 도전체로서 두께가 약 0.029㎜, 폭이 약 0.7㎜인 은 도금 압연 구리박을 사용하여, 200T/m의 권취수로 코어재 섬유에 권회하여 센서체를 제작한 것 이외에는, 실시예 3과 마찬가지로 하여 센서 부재를 제작하였다. 구리박선 간의 간극은 평균 약 3.3㎜였다.

본 센서 부재의 성능 특성은, 시험편 5개에 의한 E값과 e값의 차분 측정값의 최댓값과 최솟값의 변동이 실시예 1에서는 ±9％ 전후였던 데 반해, ±25 내지 35％의 범위가 되는 결과가 반복되었기 때문에 오차 평가를 할 수 없었다.

본 결과로부터, 본 비교예의 센서 부재의 반복 측정 정밀도는 실시예에 대하여 명확히 떨어져 있다고 판정하였다.

[비교예 4]

실시예 1에 있어서, 두께가 약 0.025㎜, 폭이 약 0.3㎜인 은 도금 압연 구리박을 2개 사용하고, 각각을 차례로 2700회/m의 조건에서 역방향으로 권회하여 2층의 코일이 적층된 상태의 센서체를 제작한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 센서 부재를 제작하였다. 또한, 센서 부재의 양단부에서 양쪽 도전체는 서로 납땜하고, 전기적 접속을 취한 상태에서 계측기에 접속하였다.

본 센서 부재의 성능 특성은, 시험편 5개에 의한 E값과 e값의 차분 측정값의 최댓값과 최솟값의 변동이 실시예 1에서는 ±9％ 전후였던 데 반해, ±50％ 이상을 초과하는 결과가 반복되었기 때문에 오차 평가를 할 수 없었다.

본 결과로부터, 본 비교예의 센서 부재의 반복 측정 정밀도는 실시예에 대하여 명확하게 떨어져 있다고 판정하였다. 본 비교예의 센서 부재는 시험 중, 코일의 전기적 특성(인덕턴스나 저항)이 크게 변동하는데, 이 이유는 2개의 도전체가 길이 방향으로 닿는 곳에서 서로 접촉하여 도통이 발생하기 때문이라고 추정된다.

1: 코어재
2: 외주부
3: 도전재
4: 절연층
5: 전자파 차단층
6: 켄트지
7: 시험 소재(코어재 소재)
8: 접착제
9: 계측기(LCR 미터)
10: 테스트 픽스처
11: 센서 부재
12: 인장 시험 장치의 척

Claims

2％ 신장 후의 잔류 변형이 0.4％ 이하인 코어재 소재를 사용한 코어재와,
상기 코어재의 외주부에 코일상으로 권회된 전기 저항값이 1kΩ/m 이하인 도전체와, 상기 도전체에 대한 외래 전자파를 실드하는 전자파 차단층을 갖는 센서 부재와,
상기 센서 부재로부터의 전기 신호를 검출하고, 해당 전기 신호의 변화에 기초하여 센서 부재의 변위를 측정하는 측정 수단을 갖고,
25℃에서 측정한 코어재 소재의 인장 파단 신도가 3.5 내지 7.5％이고,
코어재 소재의 25℃의 크리프 레이트가 0.00001 내지 0.003％/분인 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제1항에 있어서, 25℃에서 측정한 코어재 소재의 인장 탄성률이 1 내지 250GPa인 센서 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 도전체와 상기 전자파 차단층 사이에 절연 기능을 갖는 절연층을 갖는 센서 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 측정 수단은, 임피던스 변화를 검출하는 검출부와,
해당 임피던스 변화에 기초하여, 피측정체의 변위량 및 변위율 중의 하나 이상을 연산하는 연산부를 갖는 센서 장치.
제4항에 있어서, 상기 연산부는, 상기 검출부에서 검출된 값 중, 인덕턴스 변화에 기초하여 변위량 및 변위율 중의 하나 이상을 연산하는 센서 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 측정 수단은, 상기 센서 부재 및 피측정체 중의 하나 이상의 이상을 판정하는 판정 수단을 갖는 센서 장치.
제1항 또는 제2항에 기재된 센서 장치를 사용한 변위량 및 변위율 중의 하나 이상의 측정 방법.
제7항에 있어서, 피측정체에 길이가 다른 적어도 2개 이상의 센서 부재를 배치하고,
임의의 2개 이상의 센서 부재의 변위량 및 변위율 중의 하나 이상의 차분을 사용하여, 당해 임의의 2개의 오버랩하지 않는 비공통 구간에 있어서의 변위량 및 변위율 중의 하나 이상을 구함으로써, 피측정체의 임의의 구간에 있어서의 변위량 및 변위율 중의 하나 이상을 측정하는 측정 방법.