(57)【要約】【解決手段】  金属材料内の場所に隣接して現地に取り付けられたときにこの金属材料上の腐食性媒体の作用を検出するための腐食センサが開示される。腐食センサは、基板上に形成されたパターニングされた導電性薄膜を具備する。この薄膜は第１、第２端子、第１、第２端子間で延びる第１導電配線、端子および第１導電配線から離されているとともに第１導電配線の一方の側に隣接して配置された導電性領域を定義する。好ましい実施形態では、塗料は基板および薄膜を実質的に覆う。欠陥が、塗料内の第１導電配線の位置に形成される。この欠陥は、第１導電性領域の少なくとも一部の上方に亘る。１つの開示される実施形態では、複数の導電配線、およびパターニングされた導電性薄膜によって定義された導電性領域がある。【選択図】      図２
2009523252.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成されたパターニングされた導電性の薄膜と、
を具備し、
前記薄膜は、 
第１、第２端子と、
前記第１、第２端子間で延びる第１導電配線と、
前記端子および前記第１導電配線から離されているとともに前記第１導電配線の一方の側に隣接して配置された導電性領域と、
を定義する、金属材料内の場所に隣接して現地に取り付けられたときにこの金属材料に対する腐食性媒体の作用を検出するための腐食センサ。
【請求項２】
前記導電性領域は、前記第１導電配線の腐食速度が増加されるように、前記第１導電配線の一方の側の近くに隣接して配置される、請求項１の腐食センサ。
【請求項３】
前記第１導電配線と前記導電性領域との間に、実質的に一様な幅を有する第１、第２隙間が定義される、請求項１または請求項２の腐食センサ。
【請求項４】
前記隙間の幅は１５μｍ未満である、請求項３の腐食センサ。
【請求項５】
前記導電配線は腐食性媒体に晒されることで腐食する腐食性材料から形成される、請求項１乃至４のいずれか１項の腐食センサ。
【請求項６】
前記薄膜は前記第１、第２端子間で延びる複数の導電配線と、前記端子および前記複数の導電配線から離された複数の導電性領域とを定義し、
前記複数の導電性領域は、導電性領域が前記複数の導電配線の一方の側に配置されるように配置される、
請求項１乃至５のいずれか１項の腐食センサ。
【請求項７】
前記基板および前記薄膜の実質的に全体を覆って塗料層を形成する塗料をさらに具備し、
前記塗料は腐食抑制剤を具備し、
前記塗料層は前記第１導電配線の位置に第１欠陥を設けられ、
前記欠陥は前記導電性領域の少なくとも前記第１導電配線に隣接する部分の上方に亘る、
先行する請求項のいずれか１項の腐食センサ。
【請求項８】
前記塗料層は、前記第１欠陥を含んだ複数の欠陥を設けられ、
前記欠陥の各々は、前記複数の導電配線の１つにおいて設けられ、且つ前記導電性領域の各々の少なくとも前記複数の導電配線の前記１つに隣接する部分の上方に亘る、
請求項６に従属する場合の請求項７の腐食センサ。
【請求項９】
前記欠陥の各々は異なる大きさである、請求項８の腐食センサ。
【請求項１０】
前記欠陥の各々は０．２ｍｍ乃至８ｍｍの範囲内の幅を有する、請求項８または請求項９の腐食センサ。
【請求項１１】
前記第１欠陥は実質的に長方形である、請求項７乃至１０のいずれか１項の腐食センサ。
【請求項１２】
前記第１欠陥は実質的に円である、請求項７乃至１０のいずれか１項の腐食センサ。
【請求項１３】
前記塗料は前記金属材料を覆う塗料の特性を模倣するように選択される、請求項７乃至１２のいずれか１項の腐食センサ。
【請求項１４】
先行する請求項のいずれかの腐食センサを複数具備する腐食検知システム。
【請求項１５】
請求項１４の腐食検出システムを具備する金属構造。
【請求項１６】
実質的に添付図面の図２、図３を参照して本明細書に説明される腐食センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、金属材料内の場所に隣接して現地に取り付けられたときに腐食性媒体がこの金属材料に作用する作用を検出するための腐食センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
腐食は、多くの異なる産業での保守および修理諸経費の高騰に繋がる問題である。腐食によって引き起こされる問題を迅速に検出することは、有効な緩和方策が導入されるのに必要であり、したがって、金属材料の腐食を発見する様々な異なる方法が開発されている。
【０００３】
既知の２つのタイプの腐食センサは、本願出願人の公開された欧州特許出願、公開番号EP1554563およびEP1546679に記載されている。これらの既知のセンサは、基板上に形成されたパターニングされた導電性薄膜を具備している。この薄膜(センサが取り付けられているバルク材の特性を模倣する材料で作られている)は、共通の端子相互間で延びている曲線配線を定義している。これらのセンサは、その抵抗がある期間に亘って測定される、抵抗性のセンサとして用いられることが可能である。配線に対する腐食性媒体の作用の結果は、共通の端子相互間で測定されるセンサの全面的な抵抗の増加である。そして、この測定された抵抗の増加は、センサが取り付けられているバルク構造に作用する腐食の影響と関連付けられることが可能である。
【０００４】
上記の既知のセンサの曲線配線の形状および配置は、腐食性媒体がある場合に当該膜の振る舞いがバルク材料の振る舞いを模倣するという要求によって一部決定される。このことは、抵抗の測定された増加をセンサが取り付けられているバルク構造に作用する腐食の影響に関連付けられるために不可欠である。鋭角における腐食速度の上昇を回避するために曲線配線上での屈曲についてある最小半径を維持することが必要であることが、上記の参考文献として載せられた適用例において示されている。幾何学的な影響ゆえにやはり腐食速度が上昇することを回避するために、配線相互間にある最小の距離を維持することがさらに必要である。
【０００５】
代替的な腐食検出方策は、D.G. Dixon、M.C.Hebbron、S.J. Harris、およびA.Rezaiによって論文「Corrosion Sensors in Platform Management」の中で提案されているとともに、２００５年６月１日の、1st World Congress on Corrosion in the Militaryにおいて提示されている。著者らは上記の公開された特許出願を参照し、同様の抵抗性センサを提案している。しかしながら、Dixonらによって開示されたセンサは、例えば、ひびの影響を模倣するために意図的に欠陥を設けられた腐食抑制下地塗料で覆われている。センサは、監視される構造上に置かれる。初めは、この欠陥は塗料から浸出する抑制体種によって腐食媒体から保護されるであろうが、抑制剤の蓄えが一旦使い尽くされると、センサ配線は腐食し、このことに対応するセンサ抵抗の増加が測定されることが可能である。そして、補正処置が取られることが可能である。そのようなセンサは「抑制剤消尽型センサ」と名付けられることが可能である。
【０００６】
上記の抑制剤消尽型の１つの具体的な既知の腐食センサ１００が、添付図面の図１に示されている。センサ１００は、基板１１０、パターニングされた導電性薄膜１２０、および基板１１０およびパターニングされた導電性薄膜１２０を実質的に覆う塗料を具備している。導電性薄膜によって覆われた領域は濃い影によって示されており、他方塗料によって覆われた領域は、より薄い影よって示されている。膜１２０は、３つの配線１２２、１２３、１２４が共通端子１２６、１２７間で延びる梯子状の構成に配置されている。３つの欠陥１３２、１３３、１３４が、各々が配線１２２、１２３、１２４の１つに設けられるように、塗料１３０に導入されている。この欠陥は塗料の保護材が除去された領域である。しかしながら、このように形成されたセンサの場合、これらの領域が、周囲の塗料から欠陥領域へと浸出する抑制剤イオンの影響によって腐食の影響から一時的に保護されている状態のままである。配線１２２、１２３、１２４は、各欠陥１３２、１３３、１３４の下で露出した領域の全体が金属配線材料からなるように、各欠陥１３２、１３３、１３４よりも広くされている。各欠陥は異なる大きさである。
【０００７】
導電性薄膜１２０はスパッタリングによって基板１１０上に形成される。次いで、このスパッタリングされた膜は粒径を上げるためにアニールされる。その結果、膜１２０は、センサが監視することを意図されるバルク金属材料によりよく似ることになる。次いで、塗料が、欠陥１３２、１３３、１３４を定義するためのマスクを用いて、導電性薄膜上に塗布される。
【０００８】
使用の際、センサ１００の点１５０相互間の抵抗が時間に亘って監視される。センサの抵抗は、最も大きな欠陥１３４の周囲の塗料から浸出する抑制剤の防護効果が下地塗料内の抑制剤イオンの蓄えの消尽ゆえに終了するまでほぼ一定のままである。この時点において、抵抗は、導電配線１２４の材料の全てを消尽する腐食の結果、増加し始めるであろう。そして、このことは、構造中の同様の欠陥があり得る他の部分の金属に腐食がいつ影響し始めるかを示す。大きさの異なる多くの欠陥を梯子の１つの横棒上に各々導入することによって、腐食の持続的な影響の指標が得られる。最大の欠陥１２４の下の配線は最初に腐食し、中程度の大きさの欠陥１２３の下の配線が続き、最小の欠陥１２２の下の配線が続くであろう。
【０００９】
残念なことに、センサ１００のような抑制剤消尽センサの抵抗は現在まで約１Ωに制限されていた。測定機にセンサを取り付けるために用いられるケーブルおよびコネクタの抵抗が同様の桁数であるとすれば、この小さな抵抗値によって、センサによって得られる信号対雑音比が制限される。さらに、抵抗が小さいので、１００ｍＡオーダーの大きな電流が、測定可能な電圧信号を得るために必要である。センサの抵抗Ｒは、配線材料の抵抗率ρ、配線長Ｌ、配線の断面積Ａによって、有名な関係Ｒ＝ρＬ／Ａによって割り出される。配線の抵抗率は配線材料を選択することによって決定される。明らかに、監視される構造を作り出す材料に応じて配線材料は選択されなければならないので、センサの抵抗を増加させるためには変更することができない。配線長は小型のセンサに対する要求によって制限されている。断面積Ａは配線の厚さおよび幅によって決定される。厚さは、配線の腐食がバルク材料の腐食を表すものであることを保証するために１５０ｎｍを超えるように選択され、他方、配線の幅は、欠陥１３２、１３３、１３４の下の露出した領域が配線材料から成っていなければならない要求によって制限される。可能な最小の欠陥幅は０．２ｍｍオーダーである。よって、センサ１００の抵抗が上記の問題を克服するためにどのように増加されることが可能であるかを思い描くことは難しい。
【００１０】
よって、本発明の目的は、既知の腐食センサに関する上記の問題のうちの幾つかを少なくとも一部克服するか緩和することである。上記の既知の腐食センサより高い抵抗を有する抵抗性腐食センサを提供することがさらなる目的である。本発明のさらなる目的は、上記の既知の腐食センサよりも簡単に製造されることが可能な抵抗性腐食センサを提供することである。
【発明の開示】
【００１１】
本発明の第１の側面によれば、基板と、前記基板上に形成されたパターニングされた導電性の薄膜と、を具備し、前記薄膜は、第１、第２端子と、前記第１、第２端子間で延びる第１導電配線と、前記端子および前記第１導電配線から離されているとともに前記第１導電配線の一方の側に隣接して配置された導電性領域と、を定義する、金属材料内の場所に隣接して現地に取り付けられたときにこの金属材料に対する腐食性媒体の作用を検出するための腐食センサが提供される。こうして、導電配線自体の幅は既知の腐食センサにおいて可能なものよりはるかに狭くされることが可能である。しかしながら、センサの湿潤性は、導電性領域の存在ゆえにバルク表面の湿潤性と少なくともほぼ等しいままである。基板の大部分は、基板材料自体が露出されるのではなく、導電性の膜によって覆われている。これによって、腐食作用が表れない危険性を減じながら、抵抗がより高いセンサが製造されることが可能となっている。表面の湿潤性は、特定の液体の小滴がその表面で広がる範囲を表している。
【００１２】
導電性領域は第１導電配線の一方の側の近くに隣接して配置され得る。この結果、第１導電配線の腐食速度が上がる。この間隔の幅が調整されて、薄膜を堆積後にアニールすることに対する必要性を除去することができる。アニールは、以前は、配線の腐食がバルク材料について予測されるのと同じ速度で発生することを保証するために必要であった。しかしながら、この狭い間隔を用いて同じ結果を達成することができることが見出された。また、間隔をさらに狭めて、害となる可能性を有する腐食のあらゆるものに対してセンサが急速に反応することを確実にすることができる。第１配線と第２配線との間に定義された、ほぼ一様の幅を有する第１、第２間隔があってよい。任意且つ選択的に、間隔の幅は１５μｍ未満である。実証的な証拠によって、この幅の間隔が腐食の度合いを増加させることが示唆されている。
【００１３】
薄膜は、第１、第２端子間で延びる複数の導電配線と、これら端子および複数の導電配線から離された複数の導電性領域を定義し得る。この複数の導電性領域は、複数の導電配線の各々の一方の側に配置されるように配置されている。複数の導電配線を設けることによって、腐食センサがバルク材料に対する腐食の効果の平均をよりよく表示することが可能になる。１つの配線だけが存在する場合、腐食媒体の存在下でのバルク材料の振る舞いを表さない局所効果が、センサの応答に関して支配的であり得るからである。または、配線が異なる幅から形成されていると、腐食の影響が長期間の間監視されることが可能である。異なる厚さの配線が、長期間に亘って腐食の影響を監視するために用いられてもよい。
【００１４】
腐食センサは、基板および薄膜の実質的に全体を覆って塗料層を構成する塗料をさらに具備することが好ましい。塗料は腐食抑制剤を具備し、塗料層は第１導電配線の位置において第１欠陥を設けられている。この欠陥は、第１導電配線に隣接する導電性領域の少なくとも一部を覆っている。そして、腐食センサが、上記のセンサ１００のような抑制剤消尽型センサとして用いられることが可能である。本発明の腐食センサは、上記の抵抗が低いという問題を克服するのが特に難しいと分かったのがこの種のセンサにおいてであるゆえ、抑制剤消尽型センサとして用いるのに特に適している。導電性領域が存在することによってセンサの腐食部分の湿潤性がセンサが取り付けられるバルク金属材料の湿潤性とほぼ等しい状態を維持することが可能になる。その結果、センサによって、バルク構造に対する腐食の影響の正確な表示が得られる。
【００１５】
複数の導電配線がパターニングされた導電性薄膜によって定義される場合、塗料層には、第１欠陥を含む複数の欠陥が設けられ得る。各欠陥は、複数の導電配線の１つの位置に設けられるとともにこの複数の導電配線の１つに隣接する導電性領域の各々の少なくとも一部の上に亘っている。欠陥の各々は異なる大きさであり得る。そのようなセンサは、期間に亘る腐食の影響を表示するものを提供することができる。欠陥は、０．２ｍｍと８ｍｍとの間の範囲の幅を持ち得る。第１欠陥は実質的に長方形であり得る。または、第１欠陥は実質的に円であり得る。塗料は、隣接してセンサが取り付けられる金属材料を覆う塗料の特性を模倣するように選択され得る。そのような塗料は、金属材料を覆う塗料と単に同じであってもよいし、あるいは例えば塗料中の抑制剤イオン濃度を変えることによって金属材料を覆う塗料の特性を模倣するために修正されてもよい。
【００１６】
本発明の第２の側面によれば、基板と、前記基板上に形成されたパターニングされた導電性の薄膜と、を具備し、前記薄膜は、第１、第２端子と、前記第１、第２端子間で延びる第１導電配線と、前記端子および前記第１導電配線から離されているとともに前記第１導電配線に隣接して配置された導電性領域と、を定義する、金属材料内の場所に隣接して現地に取り付けられたときにこの金属材料上に対する腐食性媒体の作用を検出するための腐食センサが提供される。
【００１７】
本発明は、上に定義されるような複数の腐食センサを具備する腐食検出システムまで及ぶ。本発明は、さらにそのような腐食検出システムを具備する金属構造まで及ぶ。
【００１８】
本発明の上記のおよびさらなる特徴は、添付の請求項で具体性を伴って示されるとともに添付の図面を参照しながら以下に説明されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明に従った、腐食センサおよび腐食検出システムの様々な異なる実施形態が、次に説明される。以下に説明されている実施形態に従った腐食センサおよび腐食検出システムは、主としてアルミニウムおよびアルミニウム合金の構造に適用されており、そのような構造に腐食抑制下地塗料を塗布された場合に特に適用可能である。しかしながら、腐食センサが他の金属構造上で機能するように小さな修正を施されてよいことが当業者によって明確に理解されるであろう。
【００２０】
本センサは、腐食性媒体に晒されると抵抗が増加する導電配線を含んでいる。センサは、バルク部品内の位置に隣接して現地に配置されると、このバルク部品上の腐食性媒体に晒されることによる影響がセンサ上の同じ腐食性媒体に晒されることによる測定可能な影響から推測できるように、配置される。センサは、例えばMylarTM箔等を用いて部品に接着することによって部品接合部のプレート相互間に取り付けることによって、様々な位置に様々な方法で取り付けられ得る。
【００２１】
本発明の第１実施形態に従った腐食センサ２００が、図２に示されている。腐食センサ２００は、基板２１０、パターニングされた導電性薄膜２２０、２３０を具備している。膜２２０は、共通の端子２２６、２２７（これらは梯子の「脚」を形成する）の間で３つの配線２２２、２２３、２２４（これらは梯子の「横棒」を形成する）が延びるように、梯子状の構成に配置されている。センサの使用の際、測定器具からセンサまでの電気的接続が共通端子２２６、２２７を介して接続点２５０において形成される。梯子状構成２２０に加えて、別個の導電性領域２３０がさらに設けられている。これらの導電性領域は、導電配線２２２、２２３の間、導電配線２２３、２２４の間、（図２に示されているように）導電配線２２２の上、（図２に示されているように）導電配線２２４の下に位置している。別個の導電性領域２３０は、梯子状構成２２０と電気的に接触することなく導電配線２２２、２２３、２２４の近くに隣接して位置している。よって、導電配線と各導電性領域との間に小さな隙間を形成しながら、各導電配線の一方の側に導電性領域が存在する。導電性領域２３０と共通端子２２６、２２７との間にも小さな隙間がある。導電配線の一方の側の隙間は、共通端子２２６、２２７の近くの導電配線の部分を除いて、導電配線の全長さに沿って一定の幅である。
【００２２】
（領域２３０のうちの１つのような）導電性領域を（配線２２２、２２３、２２４のうちの１つのような）薄膜配線の十分近くに置くことによって、配線の腐食の速度が増進されることが経験的に見出された。このことは、薄膜配線の腐食の速度が、薄膜配線の材料のバルク・サンプルの腐食の速度に比べて加速されることを意味する。増進の程度は導電性領域が配線にどの程度近いかに依存する。間隔が小さくなるに連れて増進効果が増幅される。距離が２μｍである場合、増進効果がはっきり目に見えることが見出された。１０μｍほど大きな距離については、増進効果は依然見て分かるのであるが著しく減少し、距離が１２乃至１５μｍまで増えると、測定可能な効果が期待されるかもしれない。このように、別個の導電性領域２３０を配線２２２、２２３、２２４の近くに隣接して配置することによって、配線の腐食の速度は、配線と導電性領域の間の実際の距離に依存しながら制御可能な方法で増進されることが可能である。
【００２３】
図２に示されている実施形態では、導電性領域２３０、梯子状構成２２０、および基板２１０は、下地塗料によって、それらの表面の大部分が覆われている。塗料は浸出性の腐食抑制剤を具備するタイプのものである。そのような塗料は、クロム酸塩イオンのような腐食防止剤を具備している。このような腐食防止剤は、塗料中のあらゆる欠陥においてまたはその周りで塗料から浸出して塗料の中に小さな欠陥がある場合でさえも継続して腐食に対して保護を行なう、図２では、導電性薄膜は濃い影を付された領域によって示されており、他方、塗料で覆われている領域はより薄い影を付された領域によって示されている。塗料は、腐食センサ２００が監視する対象のバルク構造を覆うものと同じタイプであり、またはバルク構造を覆うものを模倣するタイプであってもよい。本実施形態では、２５μｍの厚さのPRC DeSotoによって市販されているＰＲ２０５の塗膜が用いられる。ＰＲ２０５は、高固相率の、クロム酸塩を含有するエポキシ樹脂に基づいた塗料である。次に、やはりPRC DeSotoから入手可能なＨＰ０３６８２のような適切な仕上げ塗膜が付される。
【００２４】
長方形の欠陥２４２、２４３、２４４が塗料に組み入れられ、図２において破線の輪郭で示されている。各欠陥２４２、２４３、２４４は、配線２２２、２２３、２２４のうちの１つの一部の上に位置し、その配線の一方の側において導電性領域の一部の上で広がっている。欠陥２４２、２４３、２４４の形成によって、抑制剤イオンは腐食性媒体から欠陥の下に位置する導電配線２２２、２２３、２２４を保護し続けるように塗料から浸出するであろう。しかしながら、保護が続くのは一時的であって、欠陥２４４を囲む塗料から浸出する抑制剤イオンの十分な供給がある間のみ継続する。本実施形態のように抑制剤がクロム酸塩イオンを含んでいると、欠陥におけるクロム酸塩イオン濃度が約１０−３ｍｏｌ／ｌ未満まで低下するまで保護効果が持続することが経験的に割り出された。抑制剤濃度がこのレベル未満まで一旦落ち込むと、配線は腐食し、またその抵抗は（多少）増加し始めるであろう。配線の抵抗は、配線２２４が腐食しきってもはや共通端子２２６、２２７間の導電経路を形成することができなくなるまで、増加し続けるであろう。よって、腐食しきるまでにかかる時間量は、とりわけ、欠陥の大きさ（これは、配線における抑制剤イオン濃度に影響する）、このように製造されたセンサの塗料中の抑制剤の濃度、およびセンサ２００が置かれた環境の腐食性に依存するであろう。
【００２５】
図２に示されているように、各欠陥２４２、２４３、２４４は大きさが異なり、したがって、欠陥の各々によって提供される継続的な保護の期間は異なる。特に、欠陥２４４は欠陥２４３より大きく、欠陥２４３は欠陥２４２より大きい。各配線２２２、２２３、２２４は同じ幅であり、そのため腐食性媒体が存在下では、最大の欠陥の下にある配線２２４が最初に腐食し、次に大きな欠陥の下にある配線２２３が続き、最小の欠陥の下にある配線２２２が続くであろう。このように、欠陥２４２、２４３、２４４を適切な大きさにすることによって、最大のものは、センサの組立ての後に急速に腐食し、ひいてはセンサ２００が機能しているという確認用の合図を提供するための純粋な「チェック」として配置されることが可能であり、中間のおよび最小の大きさの欠陥は、いつセンサが取り付けられる構造を十分に検査するとともに必要な修復を実行する必要があるかについての目安を提供できるように配置されることが可能である。例えば、欠陥の幅は４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．０５ｍｍと選択することが可能である。（航空機製造において広く使用されている）アルミニウム合金２０２４−Ｔ３から形成された導電性薄膜内の配線を覆うＰＲ２０５塗料中において、上記の幅の３つの欠陥を有するセンサ２００を用いた試験が行なわれた。センサは中性塩スプレーに晒された。４ｍｍの欠陥の下の配線は、１日で半分が腐食し、０．５ｍｍの欠陥の下方の配線は６日で腐食しきった。最も細い配線の下の配線は、５０日で腐食しきった。
【００２６】
既知のセンサ１００に比べたセンサ２００の特有の利点は、接続２５０間で測定されたその全面的な抵抗が、先行技術によって最大の可能な値がたったの１Ωオーダーであるのに比べて、６００Ω乃至１ｋΩのオーダーとなることが可能であることである。実現可能な抵抗がこのように増加することは、センサ２００の配線２２２、２２３、２２４がセンサ１００の対応する配線１２２、１２３、１２４よりはるかに狭くなることが可能であるという事実に起因する。この狭くすることは、導電性領域２３０の存在ゆえに可能になっている。導電性領域が導電配線２２２、２２３、２２４に近いことによって導電配線の腐食が加速する一方、導電性領域が存在することによって、既知のセンサ１００とは対照的に、塗料の欠陥２４２、２４３、２４４が導電配線より著しく広くなることが可能になっている。配線２２２、２２３、２２４はすべて一様の幅であることが可能であり、必要であれば１μｍもの狭さとされることが可能である。塗料からの抑制剤の供給が一旦使い尽くされると、そのような狭い配線は急速に腐食するであろう。より大きな幅、例えば５乃至１０μｍの範囲内の配線は、より強固であるかも知れず、また、必要であれば当業者によって理解されるように、より広い配線が用いられることも可能である。しかしながら、できるだけ高い抵抗を維持するために、特定のセンサについては、配線はできるだけ狭く維持されることが望ましい。
【００２７】
このように、センサ２００の抵抗は、上記のセンサ１００のような従来のタイプのセンサで得られ得る最大の抵抗より２乃至３桁大きい。この大きなセンサ抵抗は、センサ２００の抵抗を監視するのに必要なあらゆる機器にセンサ２００を接続するために用いられるあらゆるケーブルまたはコネクタより著しく大きいであろう。よって、センサ２００についての信号対雑音比は、センサ１００についてのそれより著しく大きい。さらに、市販の既製の機器および部品は、１Ωオーダーの抵抗の測定よりも１００Ω乃至１０００Ωオーダーの抵抗の測定により適している。例えば、一般に利用可能な２０ｍＡの電流源は、センサ１００の場合には、２０ｍＶの振幅の信号を供給するであろう。そのような信号は測定可能ではある一方、センサが航空機部品の腐食を監視するために用いられる場合に起こるように、使用中のセンサが厳しい環境条件に晒され得る場合、強固な測定技術が必要である。対照的に、２０ｍＡの電流源がセンサ２００と共に用いられれば、信号の振幅は２Ｖ乃至２０Ｖという結果になる。この信号は、強固で、市販の既製の機器を使用して容易に測定可能である。
【００２８】
センサ２００のさらなる利点は、各欠陥の下の領域の全体的な湿潤性がバルク材のそれに非常に似た状態を維持するということである。露出した領域の（導電性領域から導電配線を分離している）小さな部分だけが、バルクと異なる材料であるからである。表面の腐食の速度がその表面の湿潤性と関係のあることがよく知られている。さらに、周囲の塗料から浸出する抑制剤イオンの防護効果は、欠陥の下の表面の湿潤性に強く依存する。よって、センサ２００上の腐食性媒体の腐食効果がバルク上の腐食性媒体の腐食効果を表すものとなるように、塗料欠陥の下の露出した表面の湿潤性が、バルク表面のそれにできるだけ近いものに維持されることが重要である。
【００２９】
図３は本発明の第２実施形態に従ったセンサ３００を示している。センサ３００は上記のセンサ２００に似ており、センサ２００に関して上記した要素に類似の要素は、１００多い同様の参照符号が付された。センサ３００は、センサ３００を覆う塗料内の欠陥３４２、３４３、３４４が長方形ではなく円であることを除いて、実質的にセンサ２００と同じである。センサ２００が乗り物に取り付けられる場合、導電配線の腐食が異方性的に生じることが見出された。この異方性の腐食は欠陥２４２、２４３、２４４の長方形の形に起因すると考えられる。腐食の速度は、欠陥を横切るフローの方向に対する欠陥の向きに依存する。以前は、多くの異なる向きで注意深く選択された位置にセンサを取り付けることによってこの異方性を埋め合わせることが必要であった。しかしながら、この異方性による影響は、塗料を覆うセンサ３００において提供される欠陥３４２、３４３、３４４のような円の欠陥を用いることによって回避されることが可能である。センサ３００の腐食性媒体に晒されている部分が、どの方向から見ても本質的に同じであるので、移動の具体的なあらゆる方向に対するセンサの向きは、配線の腐食の速度に影響しない。
【００３０】
以前は、円の欠陥は、露出した領域が配線材料のみから構成されることを確実にする必要があったために、抑制剤消尽センサに導入されなかった。もし円の領域がそのような条件の中で用いられるとするならば、その直径はそれぞれの導電配線の幅に制限されるであろう。これは、配線が受け入れられないほど広いとともに相応して抵抗が小さいか、あるいは欠陥の可能な大きさが小さくなり過ぎる結果になるであろう。この結果、腐食の効果は適当な時間スケール上で観測されることができないであろう。
【００３１】
センサ２００、３００は、同じ方法で腐食の影響を測定するために用いられる。現地に、例として航空機の内部フレーム上の２つの部品間の接合部、または水上飛行機の外表面上に取り付けられて、断続的な電流信号が共通の端子相互間で流され、また電圧信号が測定される。センサの抵抗は、測定された電圧信号から容易に計算されることが可能である。典型的には、この測定された抵抗は、ある期間の間ほぼ一定であり、その後、最大の欠陥の周囲の蓄えが一旦使い尽されると、この欠陥の下の配線が腐食し始めるに連れて増加し始める。そして、センサの抵抗は、この配線が腐食しきるまで増加し続ける。配線が腐食しきった時点で、抵抗は再び一定になる。当業者に明らかであろうように、この結果の時間についての抵抗のプロファイルは、導電配線のうちの１つが腐食しきる時に各段が生じる階段上の様子を有するであろう。予想される抵抗プロファイルの一例が、図４に示されている。図４は、コンピュータでモデル化する技術を用いて得られるデータを示している。時間（ｉ）についての抵抗（Ｒ）の予想される変化が、任意の単位で示されている。抵抗データ中に雑音が付加されはするが、同様のプロファイルが実際に得られる。示された例において、配線の腐食は、時刻９０、３５０、９００で開始し、また、配線は時刻１００、４２０、１０００で腐食しきっている。よって、時刻９０、３５０、９００は、塗料中の抑制剤濃度が所与の大きさの欠陥を保護するのにはもはや十分でない時刻に関連し得る。
【００３２】
センサ２００、３００は従来のセンサと同様の方法で製造される。腐食性配線の元となる薄膜層は、スパッタリングによって基板上に形成されるのが好ましい。薄膜配線の腐食特性がバルク合金を模倣する程度を向上させるために、薄膜層がスパッタリングされた後にアニールされて、金属粒の成長を促進して実質的に金属粒の２次元配列である薄膜を生成することが可能である。アニール後に粒径を大きくすることによって、その成長の初期段階で、特に局所的な腐食を検出するセンサの能力が増大する。局所的な腐食は、粒界、特定の金属間相等のような特定の位置で開始するので、監視対象のバルク金属合金の金属間相および粒界の組成と同様の金属合金の薄膜を形成することによって、そのような局所的な腐食の検出が増強される。後のフォトリソグラフィーによるパターニングによって、この膜は上記の配線形状へと作り上げられる。
【００３３】
センサ２００、３００の代替的な製造方法は、このようにスパッタリングされた薄膜をアニールするステップを省略する。導電配線と導電性領域との間の隙間の幅を調整することによって配線の腐食に対する感度がある程度制御されることが可能であるので、経験による観察を通じて、アニールされていない導電配線の腐食への感度を上げてアニールされた配線の導電配線の腐食への感度と同じになるように調整することが可能である。このように、この代替的な方法は、より少ない数の製造ステップを含んでおり、よって、本発明の上記の実施形態に従ったセンサは、腐食センサ１００のような従来の腐食センサより簡単に製造されることが可能である。
【００３４】
腐食性配線の厚さは、配線となる材料、およびマイクロセンサ向けの適用例のタイプに従って選択される。例えば、海洋環境中の部品を監視向けには、腐食の速度は比較的高く、よって、比較的厚い膜が、例えばアルミニウム合金の場合に用いられ、厚さが５０μｍ乃至５００μｍの領域の腐食性配線が用いられる。しかしながら、マイクロセンサが置かれる予定の環境がそれほど腐食性でない他の適用例については、腐食に対してより高い感度であることが要求され、よって、より薄い膜が腐食性配線を形成するために用いられる。非海洋の航空機部品を監視する場合には、腐食性配線の厚さが０．５μｍ乃至１０μｍの間にあること、例として約１．５μｍであることが好ましい。
【００３５】
本実施形態では適切な塗膜と組み合わせられるＰＲ２０５である塗料はスプレーにより塗布されることが可能であり、他方、塗料の塗布中に（マスキング・テープのような）単純な物理的なマスクを用いて塗料の欠陥が形成されることが可能である。次いで、このマスクは、塗料の塗布後に除去されることが可能である。または、化学的なドライ・エッチング技術が可能である。適切な薬剤エッチャントおよびマスクが、用いられる塗料のタイプに依存して選択されることが可能である。ＰＲ２０５用に用いられることが可能なエッチャントは、エチレン・グリコールである。これらの技術を用いると、５０μｍ乃至８ｍｍの間の幅を有する欠陥が作成されることが可能である。
【００３６】
具体的に描かれた適用例では、模倣されるバルク金属素材は金属合金であり、また、そのような場合、上記の各実施形態中の腐食性配線用に用いられる材料は、それぞれ模倣されるバルク合金と同様の配合の合金構成成分を有する合金であることが好ましい。配線材料の合金構成成分の各々の比率は、概してバルク合金の全構成要素の厳密に３％以内であることが好ましく、より好ましくは１％以内であることが見出された。バルク合金の１％未満の比率の成分は、同様の比率で存在していてもよいし、省略されてもよい
マイクロセンサが航空機用の状態管理システム内で用いられる予定の好ましい実施形態では、腐食性配線は、アルミニウム銅合金、アルミニウム・シリコン合金、アルミニウム・シリコン銅合金などのようなアルミニウム合金で作られている。特に、腐食性配線用に用いられる材料は、構成の点で飛行機部品において用いられるアルミニウム合金のうちの１つと非常によく類似する合金であることが好ましい。
【００３７】
第１の例では、配線合金は、合金質量の２％乃至８％の領域内、好ましくは約５％で形成する銅成分比率を有するアルミニウム銅合金、例として２０００シリーズのアルミニウム合金である。
【００３８】
第２の例では、配線合金は、合金質量の５％乃至２０％の領域内、好ましくは約１２％で形成するシリコン成分比率を有するアルミニウム・シリコン合金、例として４０００シリーズのアルミニウム合金である。
【００３９】
第３の例では、配線合金は、合金質量の２％乃至８％の領域内、好ましくは約５％で形成するマグネシウム成分比率を有するアルミニウム・マグネシウム合金、例として５０００シリーズのアルミニウム合金である。
【００４０】
第４の例では、配線合金は、各々が合金質量の０．３％乃至１．２％の領域内で形成するマグネシウムおよびシリコン比率を有するアルミニウム・マグネシウム・シリコン合金、例として６０００シリーズのアルミニウム合金である。
【００４１】
第５の例では、配線合金は、合金質量の２％乃至８％の領域内、好ましくは約５％で形成する亜鉛成分比率を有するアルミニウム亜鉛合金、例として７０００シリーズのアルミニウム合金である。
【００４２】
第６の例では、配線合金は、合金質量の１％乃至４％の領域内、好ましくは約２％で形成するリチウム成分比率を有するアルミニウム・リチウム合金、例として８０００シリーズのアルミニウム合金である。
【００４３】
上の各例で述べたもの以外の合金構成成分、および具体的に述べた比率未満の比率の合金が、配線の元となる合金内に、特に模倣されるバルク合金内に存在していてもよいことに留意されたい。これらの他の合金構成成分は、マグネシウム、銅、マンガン、シリコン、鉄、亜鉛、リチウム、チタン、クロミウム、バナジウム、ジルコニウムなどの１つ以上を含み得る。
【００４４】
基板は、その上に配線材料の薄膜が堆積されることが可能なあらゆる適切な絶縁材料から形成されることが可能である。例えばMylarTM、またはポリイミドが用いられることが可能である。または、例えばポリイミドの絶縁層で覆われた導電性基板が用いられることが可能である。
【００４５】
様々な具体的な実施形態を参照して本発明を説明したが、これらの実施形態がすべて例示的な一部分であることに留意されたい。変形および変更が、添付の請求項において定義されている本発明の範囲から逸脱することなく可能である。そのような変形および変更は当業者にとって容易に明確になるであろう。例えば、上では導電性端子相互間の直線の導電配線を用いることが説明されている一方、異なる構成の配線を用いることが可能であることが当業者によって理解されるであろう。曲線の配線が、これを補完する形状の導電性領域と随意的に組み合わせて、用いられることが可能である。
【００４６】
さらに、上記の例では共通の端子間で延びる３つの導電配線を用いることが説明されている一方、あらゆる数の導電配線が用いられることが可能であることが理解されるであろう。腐食がいつ効果を持ち始めたかの表示はただ１つの導電配線を有するセンサから得ることができ、他方、多くの導電配線を有するセンサが用いられてより長い期間に亘る構造に対する腐食の効果の進行をよりよく表示することが可能である。明らかに、導電配線の数が増えるに連れて、上記のように製造されたセンサの抵抗は減少するであろう。しかしながら、この効果は１０個の配線までは顕著ではないであろうことが予想される。当業者が理解するように、上記のように製造されたセンサの抵抗は、センサ上におよそ２０００個の配線があるときに、初めて従来技術の１Ωまで落ちるであろう。
【００４７】
当業者は、本発明の実施形態に従ったセンサの抵抗がホイートストンブリッジ配置を用いて測定されることが可能であることを理解するであろう。そのような方法によって、均衡が一旦達成されたならば、センサの抵抗は、ブリッジ電流がセロであることを検出することによって正確に測定されることが可能である。便利なことに、ブリッジ抵抗のうちの少なくとも幾つかはセンサ基板上に製造されることが可能である。
【００４８】
上記のようなセンサ２００、３００を、基板が導電性薄膜でほぼ完全に覆われるように修正することも可能である。そのように修正することによって、塗料がセンサにより一様に接着することが保証される。当業者が理解するように、塗料は、導電性薄膜に接着するのと同程度に基板の材料に接着するものではない。よって、（センサ２００の例において、導電配線２２２、２２３、２２４、および端子２２６、２２７を定義する間隔を残して）基板が実質的に完全に導電膜によって覆われるようにすることによって、センサがバルク構造の振る舞いをより密接に模倣することが保証されることが可能である。
【００４９】
当業者は、また、上では市販の塗料を用いることが説明されている一方、センサが既存の古い乗り物に適合されることになっている場合、監視される構造上の塗料の古さの影響を模倣するために塗料を適切な抑制剤イオン濃度と混合することが必要であろうということを理解するであろう。腐食抑制剤を含む塗料が、Akzo Nobel、Anac、および Indestructible Paintsを含む多くのメーカーから利用可能であることにも留意されたい。これらのメーカーは、本発明の上記の実施形態において用いられているＰＲ２０５の下地塗料の等価物を供給することができる。さらに、クロム酸塩イオン以外の腐食抑制剤を含む塗料を用いることも想定されている。そのような塗料は、クロム酸塩を含んでいる塗料の潜在的な危険ゆえに、今後、より広く用いられることが予想される。導電膜の表面を陽極酸化するか、腐食抑制塗料の塗布前に化成処理を適用することが望ましいかもしれないことがさらに理解されるであろう。そのような処理によって、塗料が金属表面に接着する能力が増強される。化成処理はAlodineを用いて達成されることが可能である。陽極酸化は、アルミニウム層の表面上の酸化膜がより厚くなる結果をもたらすものであり、下地塗料の塗布に先立ってクロム酸塩を含んでいる酸化力の高い液体にセンサを配置することによって達成される。
【００５０】
さらに、上の記載では、アルミニウムとアルミニウム合金構造上で腐食センサを用いることが説明された。そのような構造は航空機であり得、また、本発明の実施形態が航空機の分野で特定用途を見つけるであろうことが想定されている。しかしながら、基板を覆うのに用いられる塗料、およびパターニングされる導電薄膜を形成するのに用いられる導電材料が腐食性媒体の存在下でバルク構造の振る舞いを適切に模倣するように選択されるならば、本発明の腐食センサがあらゆる数の構造内で使用するように容易に修正されることが可能であることに留意されたい。または、バルク構造の振る舞いを模倣しないが基準値として特定の環境の腐食性の表示を提供するために用いられることが可能な導体材料および塗料が用いられることが可能である。
【００５１】
最後に、任意の１つの実施形態との関連で上に説明されているあらゆる特徴が、単独または説明されている他の特徴との組み合わせで用いられ得、また、実施形態の他のあらゆるものの１つ以上の特徴との組合せまたは他のあらゆる実施形態とのあらゆる組み合わせにおいて用いられ得ることが明確に理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】従来の腐食センサの概略図である。
【図２】本発明の第１実施形態に従った腐食センサの概略図である。
【図３】本発明の第２実施形態に従った腐食センサの概略図である。
【図４】本発明の実施形態に従った腐食センサについての時間に亘る予測される抵抗の変化を示すグラフである。
【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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