(57)【要約】      （修正有）【課題】統合型センサネットワークを含む複合構造物におけるストレスを測定するためのシステム及び方法を提供する。【解決手段】複合構造物は複数の層に形成され、これらの層の各々は平行繊維から形成されている。複数の層のうちの少なくとも１つの層は、平行繊維の間に分布した複数の繊維センサセルを含み、繊維センサセルの各々１００は、内部繊維コア１１０、及び内部繊維コア１１０を覆って形成された非導電層１２０を有する。コントローラは、繊維センサセルの各々１００に電気的に連結されており、かつ、繊維センサセルの各々１００の内部繊維コア１１０の抵抗レベルの変化に基づいて、複合構造物におけるストレスのレベルを判定するよう設定される。繊維センサセルは、単一方向でありうるか、又は、第１グループが第２グループに対して非ゼロ角度に配置されている、編みパターンでありうる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
統合型センサネットワークを含む複合構造物であって、
複数の層に形成され、前記複数の層の各々が平行繊維から形成されている、複合構造物（２０５、３０５）を含み、
前記複数の層のうちの少なくとも１つの層が、前記平行繊維の間に分布した、複数の繊維センサセル（２１０、３１０、３１５）を含み、前記繊維センサセルの各々（１００）が、内部繊維コア（１１０）、及び、前記内部繊維コアを覆って形成された非導電層（１２０）を備える、複合構造物。
【請求項２】
前記複数の繊維センサセル（２１０）の各々（１００）は、前記複数の繊維センサセルの他の各々に平行な単一方向に配向される、請求項１に記載の複合構造物（２０５、３０５）。
【請求項３】
前記複数の繊維センサセルの各々（５０１ａ〜５０１ｎ）が、前記繊維センサセルの第１端部にある第１接続端子であって、対応する前記内部繊維コアの第１端部に接続された第１接続端子（５０２ａ〜５０２ｎ）を有し、かつ、前記繊維センサセルの第２端部にある第２接続端子であって、対応する前記内部繊維コアの第２端部に接続された第２接続端子（５０３ａ〜５０３ｎ）を有し、前記第１接続端子の各々を前記第１接続端子の他の各々に電気的に接続すること、及び、前記第２接続端子の各々を前記第２接続端子の他の各々に電気的に接続することによって、前記複数の繊維センサセルの全てが並列に電気的に連結される、請求項２に記載の複合構造物（２０５、３０５）。
【請求項４】
前記複数の繊維センサセルの第１グル―プ（３１０）における各繊維センサセル（１００）が、前記第１グル―プの前記複数の繊維センサセルの他の各々に平行な第１方向に配向され、かつ、前記複数の繊維センサセルの第２グル―プ（３１５）における各繊維センサセルが、前記第２グル―プの前記複数の繊維センサセルの他の各々に平行な第２方向に配向され、前記第１方向は前記第２方向に対して非ゼロ角度である、請求項１から３のいずれか一項に記載の複合構造物（２０５、３０５）。
【請求項５】
前記複数の繊維センサセル（３１０、３１５）が、前記複合構造物におけるストレス位置の特定及び数値化を可能にする様態で配置される、請求項４に記載の複合構造物（２０５、３０５）。
【請求項６】
前記内部繊維コア（１１０）が炭素又はホウ素を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の複合構造物（２０５、３０５）。
【請求項７】
前記非導電層（１２０）がガラスを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の複合構造物（２０５、３０５）。
【請求項８】
前記複合構造物（２０５、３０５）が、航空機翼の外板、又は、ロボット式アームの把持器の一部分である、請求項１から７のいずれか一項に記載の複合構造物（２０５、３０５）。
【請求項９】
統合型センサネットワークを含む複合構造物（２０５、３０５）におけるストレスを測定するためのシステムであって、
複数の層に形成され、前記複数の層の各々が平行繊維から形成されている、複合構造物（２０５、３０５）であって、
前記複数の層のうちの少なくとも１つの層が、前記平行繊維の間に分布した、複数の繊維センサセル（２１０、３１０、３１５）を含み、前記繊維センサセルの各々（１００）が、内部繊維コア（１１０）、及び、前記内部繊維コアを覆って形成された非導電層（１２０）を備える、複合構造物（２０５、３０５）と、
前記繊維センサセルの各々（１００）に電気的に連結されており、かつ、前記繊維センサセルの各々（１００）の前記内部繊維コア（１１０）内の抵抗レベルの変化に基づいて、前記複合構造物（２０５、３０５）におけるストレスのレベルを判定するよう設定された、コントローラ（４０５）とを備える、システム。
【請求項１０】
前記複数の繊維センサセルの各々（１００）が、前記複数の繊維センサセルの他の各々に平行な単一方向に配向される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記複数の繊維センサセルの各々（５０１ａ〜５０１ｎ）が、前記繊維センサセルの第１端部にある第１接続端子であって、対応する前記内部繊維コアの第１端部に接続された第１接続端子（５０２ａ〜５０２ｎ）を有し、かつ、前記繊維センサセルの第２端部にある第２接続端子であって、対応する前記内部繊維コアの第２端部に接続された第２接続端子（５０３ａ〜５０３ｎ）を有し、前記第１接続端子の各々を前記第１接続端子の他の各々に電気的に接続すること、及び、前記第２接続端子の各々を前記第２接続端子の他の各々に電気的に接続することによって、前記複数の繊維センサセルの全てが並列に電気的に連結される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記複数の繊維センサセルの第１グル―プ（３１０）における各繊維センサセル（１００）は、前記第１グル―プの前記複数の繊維センサセルの他の各々に平行な第１方向に配向され、かつ、前記複数の繊維センサセルの第２グル―プ（３１５）における各繊維センサセル（１００）は、前記第２グル―プの前記複数の繊維センサセルの他の各々に平行な第２方向に配向され、前記第１方向は前記第２方向に対して非ゼロ角度である、請求項９から１１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１３】
前記複数の繊維センサセル（３１０、３１５）が、前記複合構造物におけるストレス位置の特定及び数値化を可能にする様態で配置される、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
統合型センサネットワークを含む複合構造物（２０５、３０５）におけるストレスを測定する方法であって、前記複合構造物が複数の層に形成され、前記複数の層の各々は平行繊維から形成され、前記複数の層のうちの少なくとも１つの層が、前記平行繊維の間に分布した、複数の繊維センサセル（２１０又は３１０と３１５）を含み、前記繊維センサセルの各々（１００）が、内部繊維コア（１１０）、及び、前記内部繊維コアを覆って形成された非導電層を備え、更に、
前記繊維センサセルの各々（１００）の前記内部繊維コア（１１０）の抵抗レベルをモニタするステップと、
前記繊維センサセルの各々（１００）の前記内部繊維コア（１１０）内の前記抵抗レベルの変化に基づいて、前記複合構造物（２０５、３０５）におけるストレスのレベルを判定するステップとを含む、方法。
【請求項１５】
前記ストレスのレベルは、前記繊維センサセル（１００）の前記内部繊維コア（１１０）の各々の前記抵抗レベルの並列結合に基づいて判定される、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
この開示は、超冗長触覚センサネットワーク、及びかかるセンサネットワークを形成する方法に関し、より詳細には、航空機などのビークルの基礎構造物に組み込まれうる構造繊維に基づく超冗長触覚センサネットワークに関する。
【０００２】
多くの構造物は、その機能をうまく発揮するために、センサの分散型ネットワークを包含する。例えば、構造健全性モニタリング（ＳＨＭ）システムは、構造物内に分布したセンサを使用しうる。ＳＨＭシステムは、構造物において、その構造物の使用中のストレス及び／又は恒久的な損傷に関連しうる変化があればその変化を検出し、解明する能力を提供しうる。ＳＨＭシステムは、構造物に統合されている非侵襲型検出センサを利用して、かかる変化について構成要素を継続的にモニタしうる。
【０００３】
複合構造物は、多くの場合何らかの所与の決まり（ｏｒｄｅｒ）を伴って２つ以上の構成要素で構成される、広範な応用で利用される構造物である。例えば、航空機や宇宙船などといった航空ビークルは、複合材料から得られる重量比強度の増大による利点を生かすために、複合構造物を利用しうる。複合構造物を含みうる他の応用は、自動車、海洋ビークル、自転車などといった他の種類のビークルと共に、建物や橋などといった広範な他の構造物を含む。また、複合構造物は、使用される材料、構造物自体、又は構造物を作製するために使用されるプロセスを適切に変えることによって変更される温度特性、電気的特性、音響特性、又は機械的特性を含む追加機能を有するように、作製され、使用されうる。
【０００４】
複合構造物は、樹脂、又はその他の、ポリマー、ガラス、又はセメントなどのほぼ連続的な媒質の中に分散する複数の要素に所定の決まりを与えるよう設計された、様々な様態で製造されうる。典型的には、複合構造物は、樹脂基材に埋め込まれた、ガラス繊維、又はその他の、炭素繊維、金属化炭素繊維、金属若しくはポリマーのシート、炭素若しくはポリマーのベール、含浸済みの複合シート、繊維織物シート、ランダム繊維若しくは編成繊維のマット、金属若しくはポリマーのメッシュを含む要素といった、複数の構造繊維を含む。樹脂基材は、多くの、熱可塑性ポリマー若しくは熱硬化性ポリマーの組み合わせ、接着剤若しくは他の接合材料、又はセメントのうちの、いずれであってもよい。複合構造物が、所望の形状を有するようになる様態で、例えば、複数の複合プライをひとつずつ上に重ねることによって、若しくは、複数の複合トウ（ｔｏｗ）を互いに横に並べることによって、レイアップされるか、又は、編まれて所定の二次元構造物又は三次元構造物になると、その複合構造物は、一又は複数の処理ステップにおいて、硬化され、溶解され、又は接合されうる。
【０００５】
ＳＨＭシステムを複合構造物内に実装することで、その複合構造物の使用中のストレス及び／又は恒久的な損傷についての即時フィードバックが提供されうる。しかし、かかるシステムは、複合構造物の重量を追加し、かつ構造完全性を低下させうる。例えば、ＳＨＭシステムは、対象の領域内に恒久的に装着された、様々なセンサ（歪みゲージ、熱電対、及び光ファイバなど）を利用しうる。これらのセンサの数及び場所は、必要とされる基礎構造により限定されうる。上記の懸念は、航空機が極端な温度、衝撃、振動、及び重力負荷に曝されるような厳しい環境でＳＨＭシステムが動作する場合には、更に増幅されうる。
【０００６】
したがって、上述の問題を克服する構造健全性モニタリングシステム、及びかかるシステムを形成する方法が、必要とされている。
【発明の概要】
【０００７】
第１態様において、複合構造物は統合型センサネットワークを含む。複合構造物は複数の層に形成され、これらの層の各々は平行繊維から形成されている。複数の層のうちの少なくとも１つの層は、平行繊維の間に分布した、複数の繊維センサセルを含む。繊維センサセルの各々は、内部繊維コア、及び、内部繊維コアを覆って形成された非導電層を有する。
【０００８】
更なる一例では、複数の繊維センサセルの各々は、複数の繊維センサセルの他の各々に平行な単一方向に配向される。更に、複数の繊維センサセルの各々は、繊維センサセルの第１端部にある第１接続端子であって、対応する内部繊維コアの第１端部に接続された第１接続端子を有してよく、かつ、繊維センサセルの第２端部にある第２接続端子であって、対応する内部繊維コアの第２端部に接続された第２接続端子を有しうる。第１接続端子の各々を第１接続端子の他の各々に電気的に接続すること、及び、第２接続端子の各々を第２接続端子の他の各々に電気的に接続することによって、複数の繊維センサセルの全てが並列に電気的に連結されうる。
【０００９】
更なる別の例では、複数の繊維センサセルの第１グル―プにおける各繊維センサセルは、第１グル―プの複数の繊維センサセルの他の各々に平行な第１方向に配向されてよく、複数の繊維センサセルの第２グル―プにおける各繊維センサセルは、第２グル―プの複数の繊維センサセルの他の各々に平行な第２方向に配向されうる。更に、第１方向は第２方向に対して非ゼロ角度でありうる。また更に、複数の繊維センサセルは、複合構造物におけるストレス位置の特定及び数値化を可能にする様態で、配置されうる。
【００１０】
一例では、内部繊維コアは炭素又はホウ素であってよく、非導電層はガラスでありうる。複合構造物は、航空機翼の外板、又は、ロボット式アームの把持器の一部分でありうる。
【００１１】
第２態様において、統合型センサネットワークを含む複合構造物におけるストレスを測定するシステムが説明される。複合構造物は複数の層に形成され、これらの層の各々は平行繊維から形成されている。複数の層のうちの少なくとも１つの層は、平行繊維の間に分布した、複数の繊維センサセルを含む。繊維センサセルの各々は、内部繊維コア、及び、内部繊維コアを覆って形成された非導電層を有する。コントローラは、繊維センサセルの各々に電気的に連結されており、かつ、繊維センサセルの各々の内部繊維コア内の抵抗レベルの変化に基づいて、複合構造物におけるストレスのレベルを判定するよう設定される。
【００１２】
第３態様において、統合型センサネットワークを含む複合構造物におけるストレスを測定する方法が説明される。複合構造物は複数の層に形成され、これらの層の各々は平行繊維から形成されている。複数の層のうちの少なくとも１つの層は、平行繊維の間に分布した、複数の繊維センサセルを含む。繊維センサセルの各々は、内部繊維コア、及び、内部繊維コアを覆って形成された非導電層を有する。繊維センサセルの各々の内部繊維コアの抵抗レベルが、モニタされる。複合構造物におけるストレスのレベルが、繊維センサセルの各々の内部繊維コア内の抵抗レベルの変化に基づいて判定される。ストレスレベルは、繊維センサセルの内部繊維コアの各々の抵抗レベルの並列結合に基づいて判定されうる。
【００１３】
上述の特徴、機能、及び利点は、様々な例において個別に実現可能であるか、又は、更に別の例において組み合わされうる。下記の説明及び図面を参照することで、これらの特徴、機能、及び利点の更なる詳細を理解しうる。
【００１４】
下記の詳細説明は、例として示されており、本開示をこの説明のみに限定することを意図したものではなく、添付図面を併用することで最もよく理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１Ａは、本開示の一例による繊維センサセルの側方斜視図であり、図１Ｂは、この繊維センサセルの断面図である。
【図２】本開示の一例による、複合構造物内に埋め込まれた繊維センサセルの直線的アレイの図である。
【図３】本開示の別の例による、複合構造物内に埋め込まれた繊維センサセルのメッシュ型アレイの図である。
【図４】本開示の例による、繊維センサセルに連結された測定システムの図である。
【図５】図５Ａ、５Ｂ、及び５Ｃは、本開示の例による、繊維センサセルのグループの異なる接続方式の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本開示では、図面全体を通じて類似の参照番号が類似の要素を表しており、これらの図面は本開示の様々な実施例を示している。
【００１７】
カーボングラファイト繊維、カーボンナノチューブ繊維、ホウ素ナノチューブ繊維、及び窒化ホウ素ナノチューブ繊維、並びにそれらから形成された構造物は、高い剛性、強い引張強度、軽い重量、高い耐化学性、高い温度耐久性、及び、低い熱膨張性を有する。このことにより、カーボングラファイト繊維、カーボンナノチューブ繊維、ホウ素ナノチューブ繊維、及び窒化ホウ素ナノチューブ繊維から形成された複合構造物は、宇宙航空応用、民生応用、工学応用、軍事応用、及びモータースポーツ応用における用途に普及している。
【００１８】
本開示は、感知要素として作用する内部繊維コアと内部繊維コアを覆って形成されている外部非導電層とを含む同軸構造を有する複数の炭素繊維又はホウ素繊維のセンサセルから形成された、統合型の超冗長触覚センサシステムについて説明している。複合繊維構造物を、少なくとも部分的に、（例えば平行パターン、又は編み状（ｗｏｖｅｎ）パターンの）複数のかかる繊維センサセルから形成することによって、結果として得られた構造物は、（各繊維センサセルのコアが炭素繊維又はホウ素繊維であるから）複合構造物の上述の利点を全て有し、更に、統合型センサシステムを含むことになる。これは、複数の層に形成された構造物であって、その内部層に歪みゲージなどの従来型のセンサが挿入されている構造物とは、かなり異なる。従来型のセンサ（歪みゲージなど）が積層型構造物の内部層の中に組み込まれたならば起こりうる、構造物の重量追加及び構造完全性の低減の代わりに、本開示の超冗長触覚センサシステムは、結果として得られた構造物の構造完全性に資するものであるからである。更に、従来型の歪みゲージは、本開示の炭素繊維センサセルとは違って、サイズが制限される。結果として得られた構造物が航空機の複合部品（翼外板又はスパーなど）である場合、部品の構造完全性が確実に維持されることが、特に重要である。
【００１９】
ここで図１Ａ及び図１Ｂを参照するに、繊維センサセル１００は、繊維コア１１０と、外部非導電層１２０とを含む。内部繊維コア１１０は、カーボングラファイト繊維、カーボンナノチューブ繊維、ホウ素ナノチューブ繊維、又は窒化ホウ素ナノチューブ繊維で構成されうる。内部繊維コア１１０は歪みゲージとして作用する。炭素又はホウ素の導体材料に対するピエゾ抵抗効果に基づいて、繊維コア１１０がゆがむと内部繊維コア１１０の抵抗が変化するからである。ピエゾ抵抗とは、通常、機械的なストレスが導電性材料に誘起された際の、導電性材料の電気抵抗の変化のことである。外部非導電層１２０は、隣接する構造物から内部繊維コア１１０を絶縁し、ひいては隔離する。外部非導電層１２０は、例えばガラスであってよく、当該技術分野において既知である光ファイバ／ガラスコーティングプロセス（例えばＴａｙｌｏｒ  Ｕｌｉｔｏｖｓｋｉプロセス）を使用して付けられうる。繊維センサセル１００は、他の種類のストレスセンサよりも著しく長い、長さを有しうる。詳細には、各繊維センサセル１００は、複合構造物内に含まれる任意の一般的な繊維と同じくらいの長さのものでありうる。
【００２０】
繊維センサセル１００のグループ（分離したものか、トウの一部であるかのいずれか）が、翼外板やロボット式アームの把持器などの複合構造物に統合されている場合、繊維センサセル１００の各々の端から端までの抵抗の変化をモニタすることによって、複合構造物におけるストレスの即時フィードバックを得ることができる。このフィードバックにより、翼外板やロボット式アームの把持器が一定のストレスレベルを超過しない（又は、一定のストレスレベルを維持する）ことを確実にするために、閉ループ制御を実装することが可能になりうる。複合構造物内の繊維／トウの密度により、複数の繊維／トウが冗長性のために並行して使用されうるか、又は、ストレスの測定及び／又は位置特定のポイントの分解能を向上させるために分離した繊維がモニタされうる。繊維センサセル１００のグル―プを含む複合物によって提供される、圧力／ゆがみフィードバックをコントローラに提供する能力には、数多くの応用例がある。例えば、現在、形状変化する翼構造を含む航空機について調査がなされている。かかる航空機の翼外板内に繊維センサセル１００を含むことによって、翼外板における圧力分布がフィードバックをもたらすことが可能になり、このフィードバックは、効率を改善するか、或いは失速を回避するために、ひねり又は上反角などのパラメータを変更することを可能にする。別の例では、繊維センサセル１００のグループを含む複合物からロボット式アームの把持器を形成することによって、正確な触覚フィードバックが提供され、対象物の把持において提供される力が、その対象物にいかなる損傷も引き起こすことなく対照物の把持を維持するのに適切なものになることが、確実になりうる。
【００２１】
ハイリスク部分（例えば、より大きなストレスレベルを受ける区域）を有する複合構造物では、かかる部分に対するストレスの大きさをより正確に得るために、より高密度な繊維センサセル１００が提供されうる。複合構造物における繊維センサセル１００の場所は融通が利き、繊維センサセル１００は、かかる構造物内に統合されることから、構造物内のどの場所にも位置付けられうる。更に、複合構造物内の各繊維が繊維センサセル１００から形成されうることから、（かつ、非常に多数のかかる繊維が複合構造物の中にあることを踏まえると、）単一の繊維センサセル１００の不具合によって引き起こされるノイズをならすか、又は、かかる不具合によって引き起こされる問題をなくす、繊維センサセル１００の超冗長性が提供されうる。本書で開示されている繊維センサセル１００の複合構造物内への組み込みは、既存の複合構造物プロセスに統合されうる。例えば、繊維センサセル１００は、プリプレグテープに付けられて、通常の構造繊維の代わりにセンサ織物／ファブリックにレイアップされうるか、又は、既存の構造物に付けられうる。更に、繊維センサセル１００は、アクティブ／閉ループフィードバックを提供するため、提供するため、試験中に複合構造物モデルの検証を行うため、又は、（航空機構造物に組み込まれている場合には）パイロットが利用可能なインジケータにストレス測定信号を提供するために、可撓性／モーフィング構造物において使用されうる。複合構造物内に組み込まれている繊維センサセル１００のグループにより、ストレス／歪みとバックアウト位置、及びゆがみを高い確実性で測定する能力が提供され、かつ、冗長性又は分解能のレベルがカスタマイズ可能になる。
【００２２】
ここで図２を参照するに、上側表面上に複合構造物２０５（時に複合外板２０５と称される）を有する、航空機翼２００が示されている。複合構造物又は複合外板２０５は、互いに平行に配置された複数の繊維センサセル２１０を含む内側層（切り取り図２２０に詳細を示す）を含む。この内側層に含まれる繊維センサセル２１０の数は随意であり、一例では、繊維センサセルによって測定されたストレスに関して所定の分解能を提供するよう、選択されうる。繊維センサセル２１０の配向も随意であり、最大のストレスを受ける区域が適切にモニタされることが確実になるよう、選択されうる。
【００２３】
ここで図３を参照するに、上側表面上に複合構造物２０５（時に複合外板３０５と称される）を有する、航空機翼３００が示されている。複合外板３０５は、編みパターンに配置された第１の複数の繊維センサセル３１０と第２の複数の繊維センサセル３１５とを含む、内側層（切り取り図３２０に詳細を示す）を含み、第１の複数の繊維センサセル３１０は、第２の複数の繊維センサセル３１５に対して非ゼロ角度に位置付けられている。図３の例と同じく、この内側層に含まれる繊維センサセル３１０、３１５の数は随意であり、一例では、繊維センサセルによって測定されたストレスに関して所定の分解能を提供するよう、選択されうる。また、繊維センサセル３１０、３１５の配向も、（各繊維センサセル３１０が他の繊維センサセル３１０の各々に平行であり、他の繊維センサセル３１５の各々に対して非ゼロ角度である限りにおいて）随意であり、かつ、最大のストレスを受ける区域が適切にモニタされることが確実になるよう、選択されうる。図３に示す繊維センサセル３１０、３１５の編みパターンにより、複合外板３０５におけるストレスの詳細な場所を特定し、かつ、かかるストレスの量を数値化する能力が、提供される。編みパターンは、ロボット式アームの把持器などの他の応用において、把持器の、より高い（又は低い）圧力レベルを有する詳細な位置を特定するためにも、使用されうる。
【００２４】
図４を参照するに、一又は複数の繊維センサセル１００に基づく制御システム４００の図が示されている。詳細には、繊維センサセル１００は、繊維コア１１０の両端部に連結されたリード線４１０を介して、コントローラ４０５に連結される。外部非導電層１２０は、他の導電性構造物から内部繊維コア１１０を絶縁する。図４には１つの繊維センサセル１００だけが図示されているが、制御システム４００は、複数のかかる繊維センサセル１００を含みうる。一例では、コントローラ４０５は、繊維センサセル１００の抵抗を継続的にモニタし、かつ、かかる抵抗に変化があればその変化に基づいて、繊維センサセル１００にかかるストレスの大きさを判定するよう、設定される。別の例では、コントローラ４０５は、特定のプロセスを制御するのに使用されるアクティブフィードバック信号として、繊維センサセル１００の抵抗を使用する。例えば、繊維センサセルがロボット式アームの複合把持器の一部である場合、コントローラ４０５は、把持器によって保持される部品に、かかる部品を破損することなくこの部品を保持するのに適切な力が印加されることを確実にするために、繊維センサセル１００の抵抗を使用しうる。
【００２５】
図４には１つの繊維センサセル１００だけが図示されているが、実際の応用においては、複合構造物は複数の繊維センサセル１００を含む。図５Ａに示しているように、複数の繊維センサセル５０１ａ、５０１ｂ〜５０１ｎ（ここでｎは繊維センサセルの総数を表す）は互いに平行に位置付けられ、各繊維センサセル５０１ａ、５０１ｂ、５０１ｎは、第１接続端子５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｎ、及び第２接続端子５０３ａ、５０３ｂ、５０３ｎを有している。コントローラは、一例では、各繊維センサセル５０１ａ、５０１ｂ、５０１ｎについて、関連する端子に連結されたリード線の別々の対を有しうる。一代替例では、第１リード線及び第２リード線に連結されたコントローラが、各繊維センサセル５０１ａ、５０１ｂ、５０１ｎの並列抵抗結合をモニタするように、第１接続端子５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｎの全てが第１リード線に連結され、第２接続端子５０３ａ、５０３ｂ、５０３ｎの全てが第２リード線に連結される。この後者の構成では、測定信号は多くの繊維間で平均化されるため、ノイズ量が大幅に低減する。更に、システムは、個々のセンサの不具合に対する耐性が高くなる。この平均化効果がセンサの空間分解能、精度、及び局所的損傷の感度を低下させることはトレードオフであるため、この構成は、具体的な応用のためにカスタマイズされる必要がある。
【００２６】
図５Ｂに示す一代替例では、各繊維センサセルの遠位端部に連結されるリード線の長さを短くするために、繊維センサセルは対に配置され、各対が、互いに連結される遠位端部に接続端子を有しうる。詳細には、繊維センサセル５１１ａ、５１２ａ、５１１ｂ、５１２ｂ〜５１１ｎ、５１２ｎ（ここでｎは繊維センサセルの総数を表す）の対は、第１（近位）接続端子５１５ａ、５１６ａ、５１５ｂ、５１６ｂ、５１５ｎ、５１６ｎと、第２（遠位）接続端子５１３ａ、５１４ａ、５１３ｂ、５１４ｂ、５１３ｎ、５１４ｎとを有する。繊維センサセル５１１ａ、５１２ａ、５１１ｂ、５１２ｂ〜５１１ｎ、５１２ｎの関連する各対の第２（遠位）接続端子５１３ａ、５１４ａ、５１３ｂ、５１４ｂ、５１３ｎ、５１４ｎは、ジャンパ５１７ａ、５１７ｂ、５１７ｎと共に、電気的に連結される。この様態では、コントローラと接続端子５１５ａ、５１６ａ、５１５ｂ、５１６ｂ、５１５ｎ、５１６ｎとの間のリード線の長さは、大幅に短縮されうる。図５Ａの例と同じく、接続端子５１５ａ、５１６ａ、５１５ｂ、５１６ｂ、５１５ｎ、５１６ｎの各セットに別々のリード線の対が提供されうるか、又は、第１リード線が接続端子５１５ａ、５１５ｂ、５１５ｎに連結され、第２リード線が接続端子５１６ａ、５１６ｂ、５１６ｎに連結されるように、リード線の対の単一セットが提供されうる。
【００２７】
図５Ｃに示しているまた更なる代替例では、繊維センサセル５２１ａ、５２１ｂ、５２１ｃ〜５２１ｎ（ここでｎは繊維センサセルの総数を表す）の各々は、直列方式でリード線の単一の対に連結される。詳細には、ジャンパ５２４ａが遠位端子５２３ａ、５２３ｂを電気的に連結し、ジャンパ５２４ｂが近位端子５２２ｂ、５２２ｃを電気的に連結し、ジャンパ５２４ｃが遠位端子５２３ｃと隣の遠位端子（図示せず）とを電気的に連結し、かつ、ジャンパ５２４ｍが遠位端子（図示せず）と遠位端子５２３ｎとを電気的に連結する。この例では、リード線の単一の対のうちの第１リード線が端子５２２ａに連結され、リード線の単一の対のうちの第２リード線が端子５２２ｎに連結される。
【００２８】
図５Ａから図５Ｃの例は、直線的で平行な様態に配置された繊維センサセルを示している。上記の図３に示しているように、繊維センサセルは、繊維センサセルの第１セットが直線的で平行な様態に配置され、繊維センサセルの第２セットも直線的で平行な様態に、繊維センサセルの第１セットに対して非ゼロ角度で配置されている、メッシュパターンにも配置されうる。図５Ａから図５Ｃに示す接続方法の各々は、メッシュパターンに配置された繊維センサセルの各セットに、別々に適用されることも可能である。
【００２９】
本書で開示されている繊維センサセル１００は、従来の複合構造物向けストレス感知手法を凌駕する、大きな利点を提供する。第１に、繊維センサセル１００の各々は、複合構造物自体の中での実施例であることから、繊維センサセル１００によって生成される信号は、外部の場所のストレスセンサ（例えば、複合構造物の表面に位置付けられた歪みゲージ）よりも正確になる。加えて、繊維センサセル１００は、部品の長さ（例えば、複合物から形成された翼外板の長さ）に沿った歪みの測定を可能にする。このことは、従来型のストレスセンサでは不可能である（例えば、歪みゲージは小さな区域における局所的なストレスを測定するためにだけ使用されうる）。
【００３０】
さらに、本開示は以下の条項による例を含む。
【００３１】
条項１．統合型センサネットワークを含む複合構造物であって、
複数の層に形成され、これらの層の各々が平行繊維から形成されている、複合構造物（２０５、３０５）を含み、
複数の層のうちの少なくとも１つの層が、平行繊維の間に分布した、複数の繊維センサセル（２１０、３１０、３１５）を含み、繊維センサセルの各々（１００）が、内部繊維コア（１１０）、及び、内部繊維コアを覆って形成された非導電層（１２０）を備える、複合構造物。
【００３２】
条項２．複数の繊維センサセル（２１０）の各々（１００）は、複数の繊維センサセルの他の各々に平行な単一方向に配向される、条項１に記載の複合構造物（２０５、３０５）。
【００３３】
条項３．複数の繊維センサセルの各々（５０１ａ〜５０１ｎ）は、繊維センサセルの第１端部にある第１接続端子であって、対応する内部繊維コアの第１端部に接続された第１接続端子（５０２ａ〜５０２ｎ）を有し、かつ、繊維センサセルの第２端部にある第２接続端子であって、対応する内部繊維コアの第２端部に接続された第２接続端子（５０３ａ〜５０３ｎ）を有し、第１接続端子の各々を第１接続端子の他の各々に電気的に接続すること、及び、第２接続端子の各々を第２接続端子の他の各々に電気的に接続することによって、複数の繊維センサセルの全てが並列に電気的に連結される、条項２に記載の複合構造物（２０５、３０５）。
【００３４】
条項４．複数の繊維センサセルの第１グル―プ（３１０）における各繊維センサセル（１００）は、第１グル―プの複数の繊維センサセルの他の各々に平行な第１方向に配向され、かつ、複数の繊維センサセルの第２グル―プ（３１５）における各繊維センサセルは、第２グル―プの複数の繊維センサセルの他の各々に平行な第２方向に配向され、第１方向は第２方向に対して非ゼロ角度である、条項１に記載の複合構造物（２０５、３０５）。
【００３５】
条項５．複数の繊維センサセル（３１０、３１５）は、複合構造物におけるストレス位置の特定及び数値化を可能にする様態で配置される、条項４に記載の複合構造物（２０５、３０５）。
【００３６】
条項６．内部繊維コア（１１０）が炭素又はホウ素を含む、条項１に記載の複合構造物（２０５、３０５）。
【００３７】
条項７．非導電層（１２０）がガラスを含む、条項１に記載の複合構造物（２０５、３０５）。
【００３８】
条項８．複合構造物（２０５、３０５）が航空機翼の外板である、条項１に記載の複合構造物（２０５、３０５）。
【００３９】
条項９．複合構造物がロボット式アームの把持器の一部分である、条項１に記載の複合構造物（２０５、３０５）。
【００４０】
条項１０．統合型センサネットワークを含む複合構造物（２０５、３０５）におけるストレスを測定するためのシステムであって、
複数の層に形成され、これらの層の各々が平行繊維から形成されている、複合構造物（２０５、３０５）であって、
複数の層のうちの少なくとも１つの層が、平行繊維の間に分布した、複数の繊維センサセル（２１０、３１０、３１５）を含み、繊維センサセルの各々（１００）が、内部繊維コア（１１０）、及び、内部繊維コアを覆って形成された非導電層（１２０）を備える、複合構造物（２０５、３０５）と、
繊維センサセルの各々（１００）に電気的に連結されており、かつ、繊維センサセルの各々（１００）の内部繊維コア（１１０）の抵抗レベルの変化に基づいて、複合構造物（２０５、３０５）におけるストレスのレベルを判定するよう設定された、コントローラ（４０５）とを備える、システム。
【００４１】
条項１１．複数の繊維センサセルの各々（１００）が、複数の繊維センサセルの他の各々に平行な単一方向に配向される、条項１０に記載のシステム。
【００４２】
条項１２．複数の繊維センサセルの各々（５０１ａ〜５０１ｎ）は、繊維センサセルの第１端部にある第１接続端子であって、対応する内部繊維コアの第１端部に接続された第１接続端子（５０２ａ〜５０２ｎ）を有し、かつ、繊維センサセルの第２端部にある第２接続端子であって、対応する内部繊維コアの第２端部に接続された第２接続端子（５０３ａ〜５０３ｎ）を有し、第１接続端子の各々を第１接続端子の他の各々に電気的に接続すること、及び、第２接続端子の各々を第２接続端子の他の各々に電気的に接続することによって、複数の繊維センサセルの全てが並列に電気的に連結される、条項１１に記載のシステム。
【００４３】
条項１３．複数の繊維センサセルの第１グル―プ（３１０）における各繊維センサセル（１００）は、第１グル―プの複数の繊維センサセルの他の各々に平行な第１方向に配向され、かつ、複数の繊維センサセルの第２グル―プ（３１５）における各繊維センサセル（１００）は、第２グル―プの複数の繊維センサセルの他の各々に平行な第２方向に配向され、第１方向は第２方向に対して非ゼロ角度である、条項１０に記載のシステム。
【００４４】
条項１４．複数の繊維センサセル（３１０、３１５）は、複合構造物におけるストレス位置の特定及び数値化を可能にする様態で配置される、条項１３に記載のシステム。
【００４５】
条項１５．内部繊維コア（１１０）が炭素又はホウ素を含む、条項１０に記載のシステム。
【００４６】
条項１６．非導電層（１２０）がガラスを含む、条項１０に記載のシステム。
【００４７】
条項１７．複合構造物（２０５、３０５）が航空機翼の外板である、条項１０に記載のシステム。
【００４８】
条項１８．複合構造物がロボット式アームの把持器の一部分である、条項１０に記載のシステム。
【００４９】
条項１９．統合型センサネットワークを含む複合構造物（２０５、３０５）におけるストレスを測定する方法であって、複合構造物が複数の層に形成され、これらの層の各々は平行繊維から形成され、複数の層のうちの少なくとも１つの層が、平行繊維の間に分布した、複数の繊維センサセル（２１０又は３１０と３１５）を含み、繊維センサセルの各々（１００）が、内部繊維コア（１１０）、及び、内部繊維コアを覆って形成された非導電層（１２０）を備え、更に、
繊維センサセルの各々（１００）の内部繊維コア（１１０）の抵抗レベルをモニタするステップと、
繊維センサセルの各々（１００）の内部繊維コア（１１０）内の抵抗レベルの変化に基づいて、複合構造物（２０５、３０５）におけるストレスのレベルを判定するステップとを含む、方法。
【００５０】
条項２０．ストレスレベルは、繊維センサセル（１００）の内部繊維コア（１１０）の各々の抵抗レベルの並列結合に基づいて判定される、条項１９に記載の方法。
【００５１】
本開示は、好ましい例及びその様々な態様を参照して、詳細に図示され、説明されてきたが、本開示の本質及び範囲を逸脱することなく、様々な変更及び修正がなされうることが、当業者には認識されよう。付随する特許請求の範囲を、本書に記載の例、上述の代替例、及びそれらの全ての等価物を含むものと解釈することが、意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【外国語明細書】
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