(57)【要約】  【課題】  【解決手段】  本発明は、構造ヘルスをモニタするセンサ（２００）を提供するものであり、誘電基板（２０２）と、ラム波を始動及び／または検出する圧電デバイス（２０８）と、圧電デバイス（２０８）の上に蒸着したモールディング層（２２８）と、モールディング層（２２８）の上に蒸着したカバー層（２０６）と、圧電デバイス（２０６）を囲み、基板（２０２）に取り付けたフープ層と、を具える。センサ（２００）は、更に、誘電基板（２０２）に取り付けた光ファイバコイルセンサ（２１０）を具え、このコイルセンサ（２１０）は、巻回した光ファイバケーブル（２２４）と、巻回した光ファイバケーブル（２２４）に塗布した被覆層（２２０）を具える。本発明は、ホスト構造（６１０）に取り付けた複数のパッチセンサ（６０２）と、パッチセンサ（６０２）に接続したブリッジボックス（６０４）を具える診断パッチネットワーク（６００）も提供する。【選択図】  図２Ｂ
2007521490.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造ヘルス状態をモニタするデバイスにおいて：
誘電体基板と；
前記基板に取り付けた少なくとも一のバッファ層と；
前記少なくとも一のバッファ層に取り付けた圧電デバイスであって、信号を発生し受信するように構成した圧電デバイスと；
前記圧電デバイス上に蒸着したモールディング層と；
前記モールディング層の上に蒸着したカバー層と；
前記圧電デバイスに接続した一対の電気ワイヤと；
を具えることを特徴とするデバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のデバイスにおいて、前記少なくとも一のバッファ層がポリマあるいは金属でできていることを特徴とするデバイス。
【請求項３】
請求項１に記載のデバイスにおいて、前記モールディング層がエポキシ、ポリイミド、あるいはシリコン−ポリイミドでできており、前記カバー層が金属でできていることを特徴とするデバイス。
【請求項４】
請求項１に記載のデバイスが更に、前記カバー層の上に蒸着した保護層を具え、当該保護層がエポキシまたはポリイミドでできていることを特徴とするデバイス。
【請求項５】
請求項１に記載のデバイスが更に、前記基板に取り付けられ、誘電絶縁材料を具えるフープ層を具え、当該フープ層が前記少なくとも一のバッファ層を囲んでいることを特徴とするデバイス。
【請求項６】
請求項１に記載のデバイスが更に、
前記基板に取り付けられた光ファイバコイルを具え、当該光ファイバコイルが：
巻回した光ファイバケーブルと；
当該巻回した光ファイバケーブルに塗布した被覆層と；を具え、
前記光ファイバケーブルのローリングプロセスの間にあらかじめ設定された引張り力が与えられ、前記被覆層が前記巻回した光ファイバケーブルの引張り応力を支持していることを特徴とするデバイス。
【請求項７】
請求項６に記載のデバイスにおいて、前記被覆層が金属またはポリマでできていることを特徴とするデバイス。
【請求項８】
請求項６に記載のデバイスにおいて、前記被覆層が酸化亜鉛、酸化シリコンまたは酸化タンタルでできていることを特徴とするデバイス。
【請求項９】
請求項１に記載のデバイスにおいて、前記信号がラム波であることを特徴とするデバイス。
【請求項１０】
構造ヘルス状態をモニタする光ファイバコイルセンサにおいて：
巻回した光ファイバケーブルと；
前記巻回した光ファイバケーブルに塗布した被覆層と；を具え、
前記光ファイバケーブルのローリングプロセスにおいてあらかじめ設定された引張り力が与えられ、前記巻回した光ファイバケーブルの引張り応力を前記被覆層が支持していることを特徴とする光ファイバコイルセンサ。
【請求項１１】
請求項１０に記載のセンサにおいて、前記被覆層が金属あるいはポリマでできていることを特徴とするセンサ。
【請求項１２】
請求項１０に記載のセンサにおいて、前記被覆層が、酸化亜鉛、酸化シリコン、または酸化タンタルでできていることを特徴とするセンサ。
【請求項１３】
請求項１０に記載のセンサが更に、前記巻回した光ファイバケーブルによって規定される面の法線方向に沿ったスルーホールを具えることを特徴とするセンサ。
【請求項１４】
構造ヘルス状態をモニタするデバイスにおいて：
誘電体基板と；
前記基板に取り付けた少なくとも一のセンサと；
前記少なくとも一のセンサを取り囲んで、前記基板に取り付けられているフープ層と；
前記少なくとも一のセンサの上に蒸着されたモールディング層と；
前記モールディング層の上に蒸着されたカバー層と：
を具えることを特徴とするデバイス。
【請求項１５】
請求項１４に記載のデバイスにおいて、前記少なくとも一のセンサが：
前記基板に取り付けた少なくとも一のバッファ層と；
前記少なくとも一のバッファ層に取り付けた圧電デバイスであって、信号を発生し受信するように構成された圧電デバイスと；
前記圧電デバイスに接続された一対の電気ワイヤと；
を具えることを特徴とするデバイス。
【請求項１６】
請求項１４に記載のデバイスにおいて、前記少なくとも一のセンサが：
前記基板に取り付けた光ファイバコイルセンサを具え、当該光ファイバコイルセンサが：
巻回した光ファイバケーブルと；
前記巻回した光ファイバケーブルに取り付けた被覆層と；を具え、
前記光ファイバケーブルのローリングプロセスの間にあらかじめ設定された引張り力が与えられ、前記被覆層が前記巻回した光ファイバケーブルの引張り強度を支持していることを特徴とするデバイス。
【請求項１７】
請求項１４に記載のデバイスにおいて、前記少なくとも一のセンサが：
前記基板に取り付けられた少なくとも一のバッファ層と；
前記少なくとも一のバッファ層に取り付けた圧電デバイスであって、信号を生成し受信するように構成された圧電デバイスと；
前記圧電デバイスに取り付けた一対の電気ワイヤと；
前記基板に取り付けた光ファイバコイルであって、
巻回した光ファイバケーブルと；
前記巻回した光ファイバケーブルに塗布した被覆層と；を具える光ファイバコイルと；を具え、
前記光ファイバケーブルのローリングプロセスの間にあらかじめ設定された引張り力が与えられ、前記被覆層が前記巻回した光ファイバケーブルの引張り強度を支持していることを特徴とするデバイス。
【請求項１８】
構造ヘルス状態をモニタするデバイスにおいて：
ボトム基板と；
トップ基板と；
前記トップ及びボトム基板の間に挟まれた少なくとも一のセンサと；
前記少なくとも一のセンサを取り囲んでおり、前記トップ基板とボトム基板に取り付けられたフープ層と；
を具えることを特徴とするデバイス。
【請求項１９】
請求項１８に記載のデバイスにおいて、前記少なくとも一のセンサが：
前記基板に取り付けられたボトムバッファ層であって、少なくとも一のサブ層を具えるボトムバッファ層と；
前記ボトムバッファ層に取り付けられた圧電デバイスであって、信号を発生し受信するように構成された圧電デバイスと；
前記圧電デバイスに取り付けられたトップバッファ層であって、少なくとも一のサブ層を具えるトップバッファ層と；
前記圧電デバイスに接続された一対の電気ワイヤと；
を具えることを特徴とするデバイス。
【請求項２０】
請求項１８に記載のデバイスにおいて、前記少なくとも一のセンサが：
前記ボトム及びトップ基板にとりつけた光ファイバコイルセンサであって、
巻回した光ファイバケーブルと；
前記巻回した光ファイバケーブルに塗布された被覆層と；を具える光ファイバコイルセンサを具え、
前記光ファイバケーブルのローリングプロセスの間にあらかじめ設定された引張り力が与えられ、前記被覆層が前記巻回した光ファイバケーブルの引張り強度を支持していることを特徴とするデバイス。
【請求項２１】
請求項１８に記載のデバイスにおいて、前記少なくとも一のセンサが：
前記基板に取り付けられたボトムバッファ層であって、少なくとも一のサブ層を具えるボトムバッファ層と；
前記ボトムバッファ層に取り付けられた圧電デバイスであって、信号を発生し受信するように構成された圧電デバイスと；
前記圧電デバイスに取り付けられたトップバッファ層であって、少なくとも一のサブ層を具えるトップバッファ層と；
前記圧電デバイスに接続された一対の電気ワイヤと；
前記ボトム及びトップ基板にとりつけた光ファイバコイルセンサであって：
巻回した光ファイバケーブルと；
前記巻回した光ファイバケーブルに塗布された被覆層と；とを具える光ファイバコイルセンサと；
を具え、
前記光ファイバケーブルのローリングプロセスの間にあらかじめ設定された引張り力が与えられ、前記被覆層が前記巻回した光ファイバケーブルの引張り強度を支持していることを特徴とするデバイス。
【請求項２２】
診断パッチワッシャにおいて：
周方向に設けた溝と、半径方向に設けたノッチとを有するリング形状の支持エレメントと；
前記溝内に含まれた少なくとも一のセンサと；
前記溝を覆うリング形状のふたと；
を具えることを特徴とする診断パッチワッシャ。
【請求項２３】
請求項２２に記載の診断パッチワッシャにおいて、前記少なくとも一のセンサが：
前記支持エレメントに取り付けた圧電デバイスと；
前記圧電デバイスに接続した一対の電気ワイヤと；を具え、
前記一対の電気ワイヤが前記ノッチを通って設けられていることを特徴とする診断パッチワッシャ。
【請求項２４】
請求項２２に記載の診断パッチワッシャにおいて、前記少なくとも一のセンサが：
前記支持エレメントに取り付けた光ファイバコイルセンサであって：
巻回した光ファイバケーブルと；
前記巻回した光ファイバケーブルに塗布した被覆層と；
を具える光ファイバコイルセンサを具え、
前記光ファイバケーブルのローリングプロセスの間にあらかじめ設定された引張り力が与えられ、前記被覆層が前記巻回した光ファイバケーブルの引張り強度を支持しており、前記光ファイバケーブルの２つの端部が前記ノッチを通ることを特徴とする診断パッチワッシャ。
【請求項２５】
請求項２２に記載の診断パッチワッシャにおいて、前記少なくとも一のセンサが：
前記支持エレメントに取り付けた圧電デバイスと；
前記圧電デバイスに接続した一対の電気ワイヤと；
前記支持エレメントに取り付けた光ファイバコイルセンサであって、
巻回した光ファイバケーブルと；
前記巻回した光ファイバケーブルに塗布した被覆層と；
を具える光ファイバコイルセンサと；を具え、
前記光ファイバケーブルのローリングプロセスの間にあらかじめ設定された引張り力が与えられ、前記被覆層が前記巻回した光ファイバケーブルの引張り強度を支持しており、前記一対の電気ワイヤと光ファイバケーブルの２つの端部が前記ノッチを通ることを特徴とする診断パッチワッシャ。
【請求項２６】
ホスト構造のヘルス状態をモニタする診断ネットワークパッチシステムにおいて：
前記ホスト構造に所定のパターンで取り付けられた複数のパッチであって、前記複数のパッチの少なくとも一つが前記複数のパッチの少なくとも一の他のパッチによって発生した振動波を受信できる複数のパッチと；
前記複数のパッチに接続したブリッジボックスであって、前記複数のパッチから受信した信号を無線手段を介して地上コントロールシステムへ送信するＲＦ遠隔測定システムを具えるブリッジボックスと；
を具えることを特徴とするシステム。
【請求項２７】
請求項２６に記載のシステムにおいて、前記所定のパターンが五角形状を有することを特徴とするシステム。
【請求項２８】
請求項２６に記載のシステムにおいて、前記所定のパターンが複数のストリップ形状を有することを特徴とするシステム。
【請求項２９】
請求項２６に記載のシステムが更に：
前記ブリッジボックスに接続され、前記複数のパッチの座標演算を行うように構成されたコンピュータを具えることを特徴とするシステム。
【請求項３０】
請求項２６に記載のシステムにおいて、前記ブリッジボックスが、前記地上コントロールシステムから無線手段を介して電力を受信する複数のマイクロストリップアンテナを具えることを特徴とするシステム。
【請求項３１】
前記ブリッジボックスがハニカム基板をもつ請求項３０に記載のシステムにおいて：
ハニカムコアと；
前記マイクロストリップアンテナを含む外側フェースプレートを有する複数の誘電ラミネートと；
を具えることを特徴とするシステム。
【請求項３２】
請求項２６に記載のシステムにおいて、前記複数のパッチの各々が：
振動波を受信する二つのセンサと；
前記二つのセンサ間に挟まれ、振動波を発生あるいは受信するように構成されたアクチュエータ／センサと；
を具えることを特徴とするシステム。
【請求項３３】
請求項３２に記載のシステムにおいて、前記二つのセンサと前記アクチュエータ／センサが、請求項１０に規定する光ファイバコイルセンサを具え、当該光ファイバコイルセンサの各々が前記光ファイバコイルセンサの他のセンサに直列あるいは並列に接続されていることを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造の診断に関するものであり、特に構造のヘルス状態をモニタするための診断ネットワークパッチ（Diagnostic network patch：ＤＮＰ）システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
関連出願
本出願は、2003年9月22日に出願された「構造ヘルスモニタリングセンサおよびシステム」と題する米国暫定出願第60／505,120号の利益を主張する。この出願は、全体における引用によってここに含まれている。
【０００３】
発明の背景
使用されている全ての構造は、適宜の検査とメンテナンスが必要であるため、その寿命を延ばす、あるいは破滅的な欠陥が生じることを防ぐために、その完全性とヘルス状態をモニタするべきである。ここ数年の間、明らかに構造のヘルスモニタリングは重要な話題となってきている。構造の欠陥あるいはダメージを同定するために様々な手法が用いられており、これらの手法は従来からの視覚的検査と、超音波および渦電流スキャニング、アコースティックエミッション、およびＸ線検査などを含む非破壊技術を含む。これらの従来の方法は、検査のために少なくとも一時的に構造を使用状態からはずす必要がある。隔離された位置での検査に使用されるとしても、時間がかかり高価である。
【０００４】
センサ技術の進歩によって、インサイチュウで構造の完全性をモニタリングする新しい診断技術が非常に発展してきた。典型的には、これらの新技術は、ホスト構造内にビルトインされた適宜のセンサとアクチュエータでできたセンサシステムを用いている。しかしながら、これらのアプローチには欠点があり、信頼性のあるセンサネットワークシステム及び／又は構造の状態を人間のオペレータの仲介を最小にした、診断し、分類し、予測することができる正確なモニタリング手法を実装する効果的なオンラインでの方法を提供するものではない。例えば、Wu et al. に発行された米国特許第5,814,729号は、ラミネートコンポジット構造の振動波の減衰特性の変化を検出して、構造内の剥離した領域を特定する方法を開示している。圧電デバイスをアクチュエータとして使用して振動波を生成し、様々な格子状に配置したファイバ光ケーブルを波動信号をキャッチするセンサとして使用している。このシステムの欠点は、多数のアクチュエータアレイを適用できないことであり、その結果、アクチュエータとセンサをそれぞれ個別に配置しなければならない点である。ダメージ検出は、アクチュエータとセンサ間で見通し線経路にそって伝わる振動波の変化に基づいており、この方法は、この経路を外れて位置するダメージ及び／又は構造の境界周囲に位置するダメージを検出できないことがある。
【０００５】
ダメージ検出の別のアプローチは、Blazic et al.に付与された米国特許第5,184,516号に見ることができる。この特許は、構造ヘルスモニタリングおよびアセスメントを行う自己封入相似回経路（self-contained conformal circuit）を開示している。この相似回経路は、一連の積み重ねた層と、歪センサのトレースでできており、各センサが相応の位置における歪の変化を測定して相似構造の欠陥を同定するようにしている。相似回経路は受動システム、すなわち、信号を生成するアクチュエータをまったく持たないシステムである。同様の受動センサネットワークシステムは、Mannur, J. et al. に付与された米国特許第6,399,939号に見ることができる。Mannurの‘９３９特許では、コンポジット構造内に埋め込まれたプラナファイバを有する圧電セラミックファイバセンサシステムが開示されている。これらの受動的な手法の欠点は、内部の剥離した領域と、センサ間のダメージをモニタすることができないことである。更に、これらの方法は、自己封入回経路と圧電セラミックファイバが取り付けられている局地的な領域においてのみホスト構造の状態を検知することができる。
【０００６】
構造内のダメージを検出する一方法が米国特許第6,370,964号（Chang et al.）に教示されている。Chang et al.は、スタンフォードマルチアクチュエータ−レシーバトランスダクション（Stanford Multi-Actuator-Receiver Transduction： ＳＭＡＲＴ）層と呼ばれるセンサネットワーク層を開示している。ＳＭＡＲＴ層（登録商標）は、等距離に配置され、圧電セラミックセンサ／アクチュエータ（又は、単に、圧電セラミックス）をはさんでフレキシブルな誘電フィルムで処理した圧電セラミックセンサ／アクチュエータを具えている。このアクチュエータは、音波を発生し、センサが音波を受信して／電気信号に変換する。圧電セラミックスを電子ボックスに接続するために、金属製のクラッドワイヤを従来のフレキシブル回経路技術を用いてエッチングして、基板間にラミネートされている。その結果、クラッドワイヤ領域をカバーするべく相当量のフレキシブル基板領域が必要とされる。更に、ＳＭＡＲＴ層（登録商標）は、ラミネートしたコンポジット層でできたホスト構造で回復する必要がある。回復過程における高温サイクルによって生じる内部ストレスのため、ＳＭＡＲＴ層（登録商標）における圧電セラミックスに微小クラックが生じることがある。また、ＳＭＡＲＴ層（登録商標）の基板は、ホスト構造から容易に分離される。更に、ＳＭＡＲＴ層（登録商標）は、曲がった部分を有するホスト構造に挿入あるいは取り付けることが非常に困難であり、この曲面にかかる圧縮負荷でクラッドワイヤが容易に折り曲げられる。破断した圧電セラミックスや、折り曲がったワイヤは、電磁干渉ノイズを生じることがあり、電気信号の誤ったリーディングが生じることがある。熱応力、フィールドショック、および振動などの苛酷な環境においては、ＳＭＡＲＴ層（登録商標）は、構造ヘルスのモニタリング用の頑丈で信頼性のあるツールではない。更に、ダメージを受けた及び／又は欠陥のあるアクチュエータ／センサの交換する場合、ホスト構造を解体する必要があるのでコストがかかる。
【０００７】
構造のダメージを検出する別の方法が、米国特許第6,396,262号（Light et al.）に教示されている。Light et al.は、構造のダメージの検査に用いる磁気歪センサを開示しており、ここでは、センサが強磁性体ストリップと、そのストリップに近接配置したコイルを具えている。このシステムの主な欠点は、システムがセンサアレイを収納するように設計されておらず、その結果、センサ間にある内部のダメージを検出できないことである。
【０００８】
従って、現存の及び／又は新しい構造内に容易に一体化することができる効率が良く、正確で信頼性のあるシステムを提供し、人間のオペレータの介入を最小にして構造の状態を診断し、分類し、予測する効率の良いオンライン方法論を提供する必要がある。
【０００９】
発明の概要
本発明は、コンポジット及び／又は金属のホスト構造に取り付ける診断ネットワークパッチ（ＤＮＰ：diagnostic network patch）システムを提供する。ＤＮＰシステムは、アクチュエータ／センサを具えホスト構造の傷／ダメージを検出しモニタすることができる。人体の神経システムのように、ＤＮＰシステムは、アクチュエータ／センサ間を音波インパルス（同様に、ラム波）を伝送することによって、ホスト構造内に波線通信ネットワークを提供する。
【００１０】
本発明の一の態様によれば、構造ヘルス状態をモニタするデバイスは、誘電基板と、当該基板に取り付けた少なくとも一のバッファと、当該少なくとも一のバッファに取り付けた圧電デバイスと、当該圧電デバイス上に蒸着したモールディング層と、当該圧電デバイスに連結した一対の電気ワイヤを具え、圧電デバイスが信号を生成し及び／又は受信するように構成されている。
【００１１】
本発明の別の態様によれば、構造ヘルス状態をモニタする光ファイバコイルセンサは、巻回した光ファイバケーブルと、当該巻回した光ファイバケーブルに塗布した被覆層とを具え、前記光ファイバーケーブルを巻回するプロセスの間にあらかじめ設定された引張り力をかけて、前記被覆層が巻回した光ファイバケーブルの引張り応力を受けている。
【００１２】
本発明の更に別の態様によれば、構造のヘルス状態モニタデバイスは、誘電基板と、当該誘電基板に取り付けた少なくとも一のセンサと、この少なくとも一のセンサを取り囲んでおり、前記基板に取り付けられたフープ層と、前記少なくとも一のセンサの上に蒸着したモールディング層と；前記モールディング層の上に蒸着したカバー層を具える。
【００１３】
本発明の更に別の態様によれば、構造ヘルス状態モニタデバイスは、ボトム基板と、トップ基板と、このボトム基板とトップ基板の間にはさまれた少なくとも一のセンサと、この少なくとも一のセンサを取り囲んでおり、前記トップ基板とボトム基板に取り付けられたフープ層とを具える。
【００１４】
本発明の更なる態様によれば、診断パッチワッシャは、周方向に沿った溝と、半径方向に沿ったノッチを有するリング状支持エレメントと、前記支持エレメントに取り付けられており、前記溝内に保持された圧電デバイスと、前記圧電デバイスに連結された一対の電気ワイヤと、前記支持エレメントに取り付けられており、前記溝内に保持された光ファイバコイルセンサと、を具える。光ファイバコイルセンサは、巻回した光ファイバーケーブルと、この巻回した光ファイバケーブルに塗布した被覆層を具え、光ファイバーケーブルを巻回するプロセスの間にあらかじめ設定された引張り力が与えられ、被覆層が巻回した光ファイバケーブルの引張りストレスを支持している。診断パッチワッシャは、更に、前記溝を覆うリング形状のふたを具えており、一対の電気ワイヤと、前記光ファイバケーブルの両端が前記ノッチを通過している。
【００１５】
本発明の更なる態様によれば、ホスト構造のヘルス状態をモニタする診断ネットワークパッチシステムは、あらかじめ決められたパターンで前記ホスト構造に取り付けた複数のパッチを具え、前記複数のパッチの少なくとも一つが前記複数のほかのパッチの少なくとも一つによって発生した振動波を受信することができる。このシステムは更に、前記複数のパッチに連結されたブリッジボックスを具え、このブリッジボックスが前記複数のパッチから受信した信号を無線手段を介して地上コントロールシステムに送信するＲＦ遠隔測定システムを具える。
【００１６】
本発明の上述した、またその他の利点と特徴は、以下に述べる本発明の詳細を読むと明らかになる。
【００１７】
好適な実施例の詳細な説明
以下の説明は、明確にする目的で多くの細部を含んでいるが、当業者であれば、以下の説明の多くの変形および変更が本発明の範囲内にあることは自明である。従って、以下の本発明の実施例は、請求項に記載の発明の普遍性を失うことなく、また請求項に記載の発明を限定することなく述べられている。
【００１８】
図１Ａは、本教示の一実施例にかかるパッチセンサ１００の上部断面図である。図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ方向に沿ったパッチセンサ１００の断面図である。図１Ａ−Ｂに示すように、パッチセンサ１００は：ホスト構造に取り付けるように構成した基板１０２；フープ層１０４；信号（特に、ラム波）発生及び／または受信を行う圧電デバイス１０８；機械的インピーダンスのマッチングを提供し、基板１０２と圧電デバイス１０８間の熱応力のミスマッチを低減するバッファ層１１０；圧電デバイス１０８に接続した２本の電気ワイヤ１１８ａ−ｂ；基板１０２に圧電デバイス１０８を取り付けるモールディング層；及び、モールディング層１２０を保護し密封するカバー層１０６；を具える。圧電デバイス１０８は：圧電層１１６；電気ワイヤ１１８ｂに接続されているボトム導電フレーク１１２；及び電気ワイヤ１１８ａに接続されているトップ導電フレーク１１４を具える。圧電デバイス１０８は、あらかじめ設計された電気信号を電気ワイヤ１１８ａ―ｂを通して流すときに、アクチュエータ（または、信号発生器）として動作することができる。電気信号を与えると、圧電層１１６が変形してラム波を生じる。また、電気信号が与えられると圧電素子１１６が変形して、ラム波を発生する。圧電デバイス１０８が振動信号を受信を検知して、この圧電層１１６に与えられた振動信号を電気信号に変換し、ワイヤ１１８ａ−ｂを介して電気信号を送信するレシーバとして動作する。ワイヤ１１８ａ−ｂは、薄いリボン型の金属ワイヤでできている。
【００１９】
基板１０２は、典型的には、ブチルアルテノリック、アクリリックポリイミド、ニトリアーレフェノリックまたはアラミドなどの典型的なキャスト熱硬化性エポキシである、構造用接着剤を用いてホスト構造に取り付けることができる。基板１０２は、接着される圧電デバイス１０８を保護する熱ヒートおよび電磁干渉用の絶縁層であっても良い。いくつかのアプリケーションでは、誘電基板１０２は、２５０℃以上の温度で張り合わせる必要がある。信号伝達の遅れと、相互キャパシタンスと、圧電デバイス１０８とホスト構造間のクロストークを最小にするための低い誘電定数と、高い周波数で電力ロスを低減するための高インピーダンスを有していてもよい。
【００２０】
基板１０２は、様々な材料で作ることができる。デラウエア州、ウイルミントン所在のデュポン社によって製造されているカプトン（Kapton）（登録商標）ポリイミドは、通常のアプリケーション用に好適に使用することができるが、テフロンパーフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）、ポリｐ−キシリレン（ＰＰＸ）、およびポリベンジミダゾール（ＰＢＩ）の３つの材料は特定のアプリケーションに使用することができる。例えば、ＰＦＡフィルムは、良好な絶縁特性を有しており、誘電ロスが低く、低電圧で高温のアプリケーションに好適である。ＰＰＸとＰＢＩは、高温で安定した絶縁耐力を提供する。
【００２１】
圧電層１１６は、圧電セラミックス、クリスタル、あるいはポリマで作ることができる。ペンシルバニア州ステートコリーグ所在のＴＲＳセラミックス社によるＰＺＮ−ＰＴクリスタルなどの圧電クリスタルは、歪エネルギィ密度が高く、歪ヒステリシスが低いので、圧電デバイス１０８の設計に好適に使用することができる。サイズの小さいパッチセンサ用には、日本国、東京所在の富士セラミック社、又はペンシルバニア州マッケイビル所在のＡＰＣインターナショナル社製造のＰＺＴセラミックスなどの圧電セラミックスを圧電層１１６に使用することができる。トップおよびボトムの導電フレーク１１２と１１４は、クロムあるいは金などの金属材料で作って、従来のスパッタリングプロセスで圧電層１１６に塗布することができる。図１Ｂには、一対の導電フレークのみを有する圧電デバイス１０８が示されている。しかしながら、当業者には、圧電デバイス１０８が圧電層１１６の信号波を生成／検出する性能をを最適化するために様々な厚さを有する導電フレークの多層スタックを有することができることは自明である。各フレークの厚さは、パッチセンサ１００をとりつける特定のホスト構造に与えられる熱及び機械的負荷の制約によって決めることができる。
【００２２】
温度サイクルを維持するために、圧電デバイス１０８の各層は、他の層と同様の熱膨張係数を有する必要がある。更に、基板１０２を具える通常のポリイミドの係数は、約４−６×１０−５Ｋ−１であり、一方、圧電層１１６を具える通常の圧電セラミック／クリスタルの係数は、約３×１０−６Ｋ−１である。このような熱膨張ミスマッチは、圧電デバイス１０８の欠陥の主な原因である。圧電デバイス１０８の欠陥は、ホスト構造のパッチセンサ１００を交換する必要が生じることがある。上述したとおり、バッファ層１１０は、圧電層１１６と基板１０２間の熱係数のミスマッチの負の効果を低減するのに使用される。
【００２３】
バッファ層１１０は、導電ポリマあるいは金属、好ましくは熱膨張係数が２×１０−５Ｋ−１のアルミニウム（Ａｌ）で作ることができる。アルミナ、シリコン、あるいはグラファイトでできた一又はそれ以上のバッファ層で置き換える、またはバッファ層１１０に加えることができる。一の実施例では、アルミニウムでできたバッファ層１１０の厚さが圧電層１１６の厚さとほぼ同じであっても良い。この厚さは、各々が約０．０５ｍｍの二つの導電フレーク１１２と１１４を含めて約０．２５ｍｍである。一般的に、バッファ層１１０の厚さは、その隣接する層の材料特性と厚さによって決まる。バッファ層１１０は、熱負荷と圧電デバイス１０８の２面的な機能のコンシステンシィに対して耐久性を強化するものであっても良い。代替の実施例では、圧電デバイス１０８は、トップ導電フレーク１１４の上に設けたもう一つのバッファ層を有していても良い。
【００２４】
バッファ層１１０のもう一つの機能は、基板１０２で受信する信号を増幅することである。パッチセンサ１００で発生するラム波信号は、ホスト構造に沿って伝播するので、ホスト構造に設けたもう一つのパッチセンサ１００によって受信される信号の強度は、二つのパッチセンサ間の距離が大きくなるほど小さくなる。ラム波信号がパッチセンサ１００が配置されている位置に届くと、基板１０２は、その信号を受信する。次いで、バッファ層１１０の材料と厚さに応じて、受信した信号の強度を特定の周波数で増幅することができる。次いで、圧電デバイス１０８が、増幅した信号を電気信号に変換する。
【００２５】
水分、移動イオンおよび敵対的環境状態は、パッチセンサ１００の性能の悪化と、寿命の低下を招くので、モールディング層１２０とカバー層１０６の二つの保護被覆層を使用することができる。モールディング層１２０は、通常の計量分配法によって、エポキシ、ポリイミド、またはシリコーン−ポリイミドで作っても良い。また、モールディング層１２０は、熱膨張が小さいポリイミドで作ることができ、圧電デバイス１０８と基板１０２の上に蒸着するようにしても良い。モールディング層１２０のパッシベーションは均一な溶接密閉にならないので、カバー層１０６をモールディング層１２０の上に蒸着して、溶接密封を提供することができる。カバー層１２０は、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）あるいは銀（Ａｇ）などの金属でできていても良く、電気分解やｅ−ビーム蒸発、スパッタリングなどの従来の方法で蒸着することができる。一の実施例では、エポキシまたはポリイミドでできた追加フィルムをカバー層１０６の上に被覆して、引っかき傷やクラックに対する保護層を提供している。
【００２６】
フープ層１０４は、窒化シリコンやガラスなどの誘電絶縁材料で作ることができ、基板１０２の上に乗せた圧電デバイス１０８を取り囲んで圧電デバイス１０８の導電部材を電気的短絡から保護している。
【００２７】
図１Ｃは、圧電デバイス１３０の平面図であり、これはこの分野で公知の従来型のデバイスで、圧電デバイス１０８の代わりに用いることができる。図１Ｄは、図１ＤのＢ−Ｂ方向に沿った圧電デバイス１３０の断面図である。図１Ｃ−Ｄに示すように、圧電デバイス１３０は、ボトム導電フレーク１３４と、圧電層１３６と；ワイヤ１３８ｂに接続されたトップ導電フレーク１３２と；ワイヤ１３８ａに接続された接続フレーク１４２と；ボトムフレーク１３４に接続フレーク１４２を接続する導電セグメント１４４とを具える。トップ導電フレーク１３２は、溝１４０によって接続フレーク１４２から電気的に分離することができる。
【００２８】
図１Ｅは、本教示の別の実施例にかかるパッチセンサ１５０の上部断面図である。図１Ｆは、図１Ｅに示すパッチセンサ１５０の側部断面図である。図１Ｅ−Ｆに示すように、パッチセンサ１５０は、ボトム基板１５１と；トップ基板１５２と；フープ層１５４と；圧電デバイス１５６と；トップ及びボトムのバッファ層１６０ａ−ｂと；圧電デバイス１０８に接続された２本の電気ワイヤ１５８ａ−ｂと；を具える。圧電デバイス１５６は：圧電層１６４と；電気ワイヤ１５８ｂに接続されたボトム導電フレーク１６６と電気ワイヤ１５８ａに接続されたトップ導電フレーク１６２と；を具える。パッチセンサ１５０の部品の機能と材料は、パッチセンサ１００の対応する部分の機能と材料と同様である。各バッファ層１６０ａ―ｂは、一以上のサブ層を具えていても良く、各サブ層は、ポリマあるいは金属でできていても良い。トップ基板１５２は、基板１０２の材料と同じ材料で作ることができる。
【００２９】
パッチセンサ１５０をホスト構造に取り付けて、構造ヘルス状態をモニタすることができる。また、パッチセンサ１５０は、ラミネート内に組み込むようにしても良い。図１Ｇは、内部にパッチセンサ１５０を有するコンポジットラミネート１７０の断面図である。図１Ｇに示すように、ホスト構造は：複数のプライ１７２と；複数のプライ１７２で硬化させた少なくとも一のパッチセンサ１５０とを具える。一の実施例では、プライ１７２は、硬化処理を行う前に、エポキシ樹脂などの接着剤をしみこませるようにしても良い。硬化処理の間に、プライ１７２からの接着材料でキャビティ１７４がうまる。このような接着材料の蓄積を未然に防ぐために、フープ層１５４がキャビティ１７４を満たす形状を有している。
【００３０】
図１Ｈは、図１Ｅのパッチセンサ１５０の代替の実施例１８０の側部断面図である。図に示すように、パッチセンサ１８０は：ボトム基板１８２と；トップ基板１８４と；フープ層１９８と；圧電デバイス１９０と；トップ及びボトムのバッファ層１９２と１９４と；圧電デバイス１９６と；を具える。単純にするために、圧電デバイス１９０に接続した一対のワイヤは図１Ｈでは示されていない。圧電デバイス１９０は：圧電層１９６と；ボトム導電フレーク１９４と；トップ導電フレーク１９２と；を具える。パッチセンサ１８０の構成部品の機能と材料は、パッチセンサ１５０の対応する部分の機能と材料と同様である。
【００３１】
フープ層１９８は、フープ層１９８の外郭がキャビティ１７４のジオメトリに合致するようにディメンションの異なる一又はそれ以上のサブ層１９７を具えていても良い。キャビティ１７４をサブ層１９７で満たすことによって、ラミネート１７０の硬化プロセス中に接着材料が蓄積されない。
【００３２】
図２Ａは、本教示の一の実施例にかかるハイブリッドパッチセンサ２００の上部断面図である。図２Ｂは、図２ＡのＣ−Ｃ方向に沿ったハイブリッドパッチセンサ２００の断面図である。図２Ａ−Ｂに示すように、ハイブリッドパッチセンサ２００は：ホスト構造に取り付けるように構成した基板２０２と；フープ層２０４と；圧電デバイス２０８と；二つの端部２１４ａ−ｂを有する光ファイバコイル２１０と；バッファ層２１６と；圧電デバイス２０８に接続した２本の電気ワイヤ２１２ａ−ｂと；モールディング層２２８と；カバー層２０６と；を具える。圧電デバイス２０８は：圧電層２２２と；電気ワイヤ２１２ｂに接続したボトム導電フレーク２２０と；電気ワイヤ２１２ａに接続したトップ導電フレーク２１８と；を具える。代替の実施例では、圧電デバイス２０８は図１Ｃのデバイス１３０と同じものであっても良い。光ファイバコイル２１０は：巻回した光ファイバーケーブル２２４と；被覆層２２６と；を具えていても良い。ハイブリッドパッチセンサ２００の部品は、パッチセンサ１００の対応する部分と同様である。
【００３３】
光ファイバコイル２１０はサニャック（Sagnac）干渉計であっても良く、ラム波信号を受信するよう動作する。ラム波によって生じるホスト構造表面の弾性歪は、曲がるあるいはテンションがかかることによって生じる光ファイバケーブル２２４にあらかじめ存在する歪に重畳される。この結果、光ファイバケーブル２２４を伝達する光の周波数／位相の変化量は、光ファイバケーブル２２４の全長に依存している。電磁干渉と振動ノイズへの良好な不感域を考慮すると、一の実施例では光ファイバコイル２１０は主センサとして使用することができ、圧電デバイス２０８は補助センサとして使用することができる。
【００３４】
光ファイバコイル２１０は、巻回した光ファイバケーブル２２４を伝達する光の周波数でのドップラ効果の原理を活用している。光ファイバコイル２１０の各ループにおいて、光ファイバループの内側部は圧縮された状態にあり、一方外側部はテンションがかかった状態にある。これらの圧縮とテンションは、光ファイバケーブル２２４上に歪を発生させる。ラム波によって生じるホスト構造の振動による変位あるいは歪は、光ファイバケーブル２２４の歪に重畳される。複屈折の式によれば、光ファイバケーブル２２４の外装面上の反射角は、圧縮及び／又はテンションによって生じる歪の関数である。従って、各光ファイバループの内側および外側は、まっすぐな光ファイバの反射角とは異なる反射角となり、この結果、光ファイバコイル２１０を光が伝達する時のラム波の比較的フレックスな変位に応じて、光の周波数が中央の入力周波数からシフトすることがある。
【００３５】
一の実施例では、光ファイバコイル２１０は、１０ないし３０ターンの光ファイバケーブル２２４と、少なくとも１０ｍｍの最小ループ径２３６、ｄｉを有している。光ファイバコイル２１０の最も内側のループと圧電デバイス２０８の外側周囲間にギャップ２３４、ｄｇがある。ギャップ２３４は、最小ループ径２３６と圧電デバイス２０８の直径２３２、ｄｐに依存しており、直径２３２より光ファイバケーブル２２４の直径ｄｆ２３０の約２倍または３倍だけ大きいことが好ましい。
【００３６】
被覆層２２６は、ホスト構造によって案内されるラム波の屈曲による変位または歪に対する光ファイバコイル２１０の感度を上げるために、金属またはポリマ材料、好ましくはエポキシでできている。更に、光ファイバケーブル２２４の巻回プロセスの間、更に引張り応力を与えるために、制御された引張力を光ファイバケーブル２２４にかけることができる。被覆層２２６は、巻回した光ファイバケーブル２２４の内部応力を保持し、各光ループについてのラム波の屈曲による変位に対して均一な面内変位が生じる。
【００３７】
被覆層２２６は、ポリイミド、アルミニウム、銅、金、あるいは銀などのその他の材料でできていても良い。被覆層２２６の厚さは、直径２３０の約３０％から２倍の範囲である。ポリマ材料でできている被覆層２２６は二つの方法で塗布することができる。一の実施例では、巻回した光ファイバケーブル２２４が基板２０２の上にあり、ポリマ被覆材料を、ビオドットスプレィコータ（Biodot spay-coater）などのディスペンサによってスプレィされる。別の実施例では、巻回した光ファイバケーブル２２４を、被覆材料の溶融バス内に付けるようにしている。
【００３８】
金属でできた被覆層２２６は、電解と同様に、マグネトロン反応やプラズマスパッタリングなどの従来の金属被覆技術によって塗布することができる。特に、酸化亜鉛は、被覆層２２６に圧電特性を与えるべく被覆層２２６の被覆材料として用いることができる。酸化亜鉛を、巻回した光ファイバケーブル２２４のトップおよびボトム表面に塗布すると、光ファイバコイル２１０は、電気信号に反応して半径方向に同軸的に収縮または拡張する。更に、酸化シリコンあるいは酸化タンタルの被覆材料も、巻回した光ファイバケーブル２２４の屈折率の調整に用いることができる。酸化シリコンあるいは酸化タンタルは、間接／直接イオンビーム蒸着技術あるいは電子ビーム蒸着技術を用いて塗布することができる。本教示から離れることなく、被覆層２２６を光ファイバケーブル２２４に塗布するのにその他の方法を使用することができる。
【００３９】
圧電デバイス２０８と光ファイバコイル２１０は、通常のポリマに代えて物理的なセッティング接着剤を用いて基板２０２に取り付けるようにしてもよい。物理的セッティング接着剤は、限定するものではないが、ブチルアクリレート−エチルアクリレートコポリマ、スチレン−ブタジエン−イソプレンターポリマ、およびポリウレタンアルキド樹脂を含む。これらの材料の接着特性は、ポリマ性構造におけるクロスリンキングが欠如しているため、被覆プロセスの間およびその後、一定である。更に、これらの接着剤は、従来のポリマに比較して、様々な検体に対する感度を妥協することなく、基板２０２の広い範囲をぬらすのに最適である。
【００４０】
図２Ｃは、本教示の別の実施例によるハイブリッドパッチセンサ２４０の上部断面図である。図２Ｄは、図２Ｃに示すハイブリッドパッチセンサ２４０の側部断面図である。図２Ｃ−Ｄに示すように、ハイブリッドパッチセンサ２４０は：ボトム基板２５４と；トップ基板２５２と；フープ層２４４と；圧電デバイス２４８と；二つの端部２５０ａ−ｂを有する光ファイバコイル２４６と；トップおよびボトムバッファ層２６０ａ−ｂと；圧電デバイス２４８に接続した２本の電気ワイヤ２５２ａ−ｂと；を具える。圧電デバイス２４８は：圧電層２６４と；電気ワイヤ２５２ｂに接続したボトム導電フレーク２６２と；電気ワイヤ２５２ａに接続したトップ導電フレーク２６６と；を具える。光ファイバコイル２４６は、巻回した光ファイバケーブル２５８と；被覆層２５６と；を具えていても良い。ハイブリッドパッチセンサ２４０の構成部品は、パッチセンサ２００の対応する部分と同様である。
【００４１】
パッチセンサ１５０の場合と同様に、ハイブリッドパッチセンサ２４０は、ホスト構造に取り付けられる及び／又はコンポジットラミネート内に組み込まれるかしている。一の実施例では、フープ層２４４はフープ層１９８と同様であり、パッチセンサ２４０とコンポジットラミネートでできたキャビティを満たしている。
【００４２】
図３Ａは、本教示の一の実施例にかかる光ファイバパッチセンサ３００の上部断面図である。図３Ｂは、図３ＡのＤ−Ｄ方向に沿った光ファイバパッチセンサ３００の側部断面図である。図３Ａ−Ｂに示すように、光ファイバパッチセンサ３００は：基板３０２と；フープ層３０４と；二つの端部３１０ａ−ｂを有する光ファイバコイル３０８と；モールディング層３１６と；カバー層３０６と；を具える。光ファイバコイル３０８は：巻回した光ファイバケーブル３１２と；カバー層３１４と；を具えていても良い。光ファイバパッチセンサ３００の各エレメントの材料と機能は、図２Ａのハイブリッドパッチセンサ２００の対応する材料と機能と同様である。最も内側のループの直径３１３は、光ファイバケーブル３１２の材料特性によって決まる。
【００４３】
図３Ｃは、図３Ａの光ファイバパッチセンサに含まれる光ファイバコイル３０８の上部断面図であり、光ファイバケーブル３１２を巻回する方法を示す。図３Ｃに示すように、光ファイバコイル３０８の最も外側のループは、一端３１０ａから始まっており、最も内側のループは、他端３１０ｂで終わっている。図３Ｄは、図３Ｃに示す光ファイバコイル３０８の代替の実施例３１８の上部断面図である。図３Ｄに示すように、光ファイバケーブル３２２は、最も外側のループが両端３２０ａ−ｂで始まるように、折りたたんで巻回するようにしても良い。巻回した光ファイバケーブル３２２は、被覆層３１９でカバーすることができる。
【００４４】
図３Ｃ−Ｄに示す光ファイバコイル３０８と３１８は、ホスト構造に直接的に取り付けて、光ファイバコイルセンサとして使用しても良い。この理由で、以下に、「光ファイバコイル」と「光ファイバコイルセンサ」の用語は、交換可能に用いることとする。図３Ｅ−Ｆは、光ファイバコイル３０８の代替の実施例を示す図である。図３Ｅに示すように、光ファイバコイル３３０は：二つの端部３３８ａ−ｂを有し、ケーブル３１２と同じように巻回されている光ファイバケーブル３３４と；被覆層３３２とを具える。コイル３３０は、後述するファスナを収容するホール３３６を具えていてもよい。同様に、図３Ｆの光ファイバコイル３４０は：二つの端部３４８ａ−ｂを有し、ケーブル３２２と同じように巻回されている光ファイバケーブル３４４と；被覆層３４２とを具える。コイル３４０は、ファスナを収容するホール３４６を具えていてもよい。図３Ｇは、図３Ｅの方向Ｄ−Ｄに沿った光ファイバコイル３３０の側部断面図である。図３Ａ−Ｇに記載のセンサは、図１Ｇに記載したのと同様にラミネートの中に組み込まれていても良い。
【００４５】
図４Ａは、本教示の一実施例にかかる診断パッチワッシャ４００の上部断面図である。図４Ｂは、図４ＡのＥ−Ｅ方向に沿った診断パッチワッシャ４００の側部断面図である。図４Ａ−Ｂに示すように、診断パッチワッシャ４００は：二つの端部４１０ａ−ｂを有する光ファイバコイル４０４と；圧電デバイス４０６と；光ファイバコイル４０４と圧電デバイス４０６を含む支持エレメント４０２であって、コイル４０４とデバイス４０６が接着材料で支持エレメント４０２に取り付けられている支持エレメントと；圧電デバイス４０６に接続されている一対の電気ワイヤ４０８ａ−ｂと；光ファイバコイル４０４と圧電デバイス４０６を覆うように構成したカバリングディスク４１４と；を具える。
【００４６】
光ファイバコイル４０４と圧電デバイス４０６の材料と機能は、ハイブリッドパッチセンサ２００の光ファイバコイル２１０と圧電デバイス２０８と同様である。一の実施例では、圧電デバイス４０６は、デバイス４０６がホール４０３を有している点を除いてデバイス１３０と同様である。光ファイバコイル４０４と圧電デバイス４０６は、従来のエポキシを用いて支持エレメント４０２に取り付けるようにしても良い。支持エレメント４０２は、光ファイバコイル４０４の端部４１０ａ−ｂと一対の電気ワイヤ４０８ａ−ｂが通過するノッチ４１２を有していても良い。
【００４７】
図４Ａ−Ｂでは、診断パッチワッシャ４００は、アクチュエータ／センサとして機能することができ、光ファイバコイル４０４と圧電デバイス４０６を有している。代替の実施例では、診断パッチワッシャ４００は、センサとして動作することができ、光ファイバコイル４０４のみを有している。別の代替の実施例では、診断パッチワッシャ４００は、アクチュエータ／センサとして機能することができ、圧電デバイス４０６のみを有している。
【００４８】
図４Ａ−Ｂに示すように、診断パッチワッシャ４００は、ボルトまたはリベットなどのその他の締結デバイスを収納する中空スペース４０３を有していても良い。図４Ｃは、本教示の一の実施例にかかる診断パッチワッシャ４００を用いたボルトで連結した例示的な構造４２０を示す図である。ボルトで連結した構造４２０では、従来のボルト４２４、ナット４２６及びワッシャ４２８を用いて、プレートなどの一対の構造４２２ａ−ｂを保持している。構造上のストレスがボルト連結領域４２９に集中し、構造上ダメージを与えやすいことは良く知られている。診断パッチワッシャ４００を、ボルト連結構造４２０に組み込んで、このようなダメージの検出に使用することができる。
【００４９】
図４Ｄは、本教示の別の実施例にかかる診断パッチワッシャ４００を用いた例示的なボルト連結構造４３０の断面を示す図である。ボルト連結構造４３０では、従来のボルト４３２、ナット４３４および一対のワッシャ４３６と４３８を用いて、ハニカム／ラミネート構造４４０を保持している。ハニカム及びラミネート構造４４０は、コンポジットラミネート層４２２と、ハニカム部分４４８を具えている。ボルト連結領域近傍の構造ダメージを検出するために、図４Ｄに示すように、ハニカム部分４４８に一対の診断パッチワッシャ４００ａ−ｂを挿入している。パッチワッシャ４００ａ−ｂのトップおよびボトムをコンポジットラミネート層４４２に対して支持するためにスリーブ４４６が必要である。また、コンポジットラミネート層４２２と診断パッチワッシャ４００ｂの間に熱保護円形ディスク４４４を挿入して、ワッシャ４００ｂを破壊的な熱伝導から保護するようにしても良い。
【００５０】
図４Ｂに示すように、カバリングディスク４１４の外側周囲４１５は、ロッキング機構を形成するべく傾斜角度を有していても良く、この角度で光ファイバコイル４０４と圧電デバイス４０６を、ボルト４２４とナット４２６に与えられるトルクによる過剰な接触負荷から守ることができる。
【００５１】
図５Ａは、本教示の一の実施例にかかるセンサ／アクチュエータデバイスを含む問合せシステム５００を示す図である。図５Ａに示すように、システム５００は：ラム波信号を生成し及び／又は受信するセンサ／アクチュエータデバイス５０２と；二本の導電ワイヤ５１６と；デバイス５０２で受信した信号を処理するコンディショナ５０８と；アナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ５０４と；システム５００のエレメント全体を管理するコンピュータ５１４と；増幅器５０６と；デジタル信号をアナログラム波信号に変換する波形発生器５１０と；デバイス５０２とコンピュータ５１４間の接続を切り替えるように構成されたリレースイッチアレイモジュール５１２と；を具える。通常、一またそれ以上のデバイス５０２がリレースイッチ５１２に接続されている。
【００５２】
デバイス５０２は、図１Ａ−２Ｄ及び図４Ａ−Ｄに述べたセンサの一つであり、ラム波５１７を発生し、その他のデバイスで発生したラム波を受信する圧電デバイスを含む。ラム波５１７を発生するには、波形生成器５１０がコンピュータ５１４（特に、コンピュータ５１４内に含まれるアナログ出力カード）からのリレースイッチアレイモジュール５１２を通る励起波形のデジタル信号を受信する。一の実施例では、波形生成器５１０は、アナログ出力カードである。
【００５３】
リレースイッチアレイモジュール５１２は、従来のプラグイン中継ボードであっても良い。アクチュエータとセンサ間の「クロストーク」リンカとして、リレースイッチアレイモジュール５１２に含まれているリレースイッチは、コンピュータ５１４のマイクロプロセッサによって調整され、特定のシーケンス順で各リレースイッチを選択する。一の実施例では、波形発生器５１０によって生成されたアナログ信号は、ブランチング電気ワイヤ５１５を通ってその他のアクチュエータに送られる。
【００５４】
デバイス５０２は、ラム波を受信するセンサとして機能する。受信した信号は、信号電圧を調整し、電気ノイズをフィルタにかけて、適宜の周波数帯域内の意味のある信号を選択するコンディショナ５０８に送られる。次いで、フィルタにかけた信号をアナログ−デジタルコンバータ５０４に送る。このコンバータはデジタル入力カードであってもよい。アナログ−デジタルコンバータ５０４からのデジタル信号は、更なる分析のために、リレースイッチアレイモジュール５１２を介してコンピュータ５１４に送られる。
【００５５】
図５Ｂは、本教示の別の実施例にかかるセンサを含む問合せシステム５２０を示す図である。システム５２０は：光ファイバコイルを有するセンサ５２２と；接続用の光ファイバケーブル５２５と；搬送入力波を提供するレーザ源５２８と；一対のモジュレータ５２６と５３４と；音響光学変調器（ＡＯＭ）５３０と；一対のカップラ５２４，５３２と；光ファイバケーブル５２５を通って伝送される光信号を検出するフォト検出器５３６と；Ａ／Ｄコンバータ５３８と；リレースイッチ５４０と；コンピュータ５４２とを具える。センサ５２２は、図２Ａ−４Ｄに記載されている光ファイバコイルを有するセンサのひとつであっても良い。一の実施例では、カップラ５２４が、光ファイバケーブル５２５を、別のセンサ５２３に接続されている別の光ファイバ５２７に連結している。
【００５６】
センサ５２２、より特定するとセンサ５２２に含まれている光ファイバコイルは、レーザドップラベロシティメータ（laser Doppler velocitimeter：ＬＶＤ）として動作することができる。好ましくはダイオードレーザであるレーザ源５２８は、モジュレータ５２６に入力搬送光信号を出射する。モジュレータ５２６は、ヘテロダインモジュレータであり、搬送入力信号を二つの信号に分ける。一方はセンサ５２２用であり、他方はＡＯＭ５３０用である。センサ５２２は、ラム波信号に対応するドップラ周波数によって入力搬送信号をシフトして、モジュレータ５３４に送信する。モジュレータ５３４は、ヘテロダインシンクロナイザである。モジュレータ５３４は、送信された光を復調して、光の搬送周波数を除去する。フォト検出器５３６、好ましくはフォトダイオードは、この復調した光信号を電気信号に変換する。次いで、Ａ／Ｄコンバータ５３８は、この電気信号をデジタル化して、リレースイッチアレイモジュール５４０を介してコンピュータ５４２に送信する。一の実施例では、カップラ５３２が別のセンサ５４４に接続された光ファイバケーブル５４６に接続している。
【００５７】
図６Ａは、本教示の一の実施例にかかるホスト構造６１０に適用した診断ネットワークパッチシステム（ＤＮＰ）６００を示す図である。図６Ａに示すように、システム６００は：パッチ６０２と；送信リンク６１２と；送信リンク６１２に接続された少なくとも一のブリッジボックス６０４と；データ捕捉システム６０６と；ＤＮＰシステム６００を管理するコンピュータ６０８と；を具える。パッチ６０２は、デバイス５０２又はセンサ５２２であっても良く、送信リンク６１２のタイプは、パッチ６０２のタイプによって決まり、電気ワイヤか、光ファイバケーブルか、あるいはその双方を具える。典型的には、ホスト構造６１０は、コンポジット材料あるいは金属材料でできている。
【００５８】
送信リンク６１２は、ブリッジボックス６０４で終端となっている。ブリッジボックス６０４は、パッチ６０２に接続して、外部波形発生器５１０からの信号を認識し、受信した信号を外部Ａ／Ｄコンバータ５０４に送る。ブリッジボックス６０４は、電気／光ケーブルを介して接続されており、活性化信号を調整し、受信した信号をフィルタにかけ、光ファイバ信号を電気信号に変換するための電子コンディショナ５０８を具える。リレースイッチアレイモジュール５１２を用いて、ブリッジボックス６０４に接続されているデータ取得システム６０６は、パッチ６０２とパッチ６０２から受信した複合受信信号を、あらかじめ決められたシーケンス順序でチャネルに中継することができる。
【００５９】
ラム波の発生と検出が、ホスト構造上のアクチュエータとセンサの位置によって影響されることは良く知られている。従って、パッチ６０２は、ネットワーク構成において適正に対にして、ダメージの同定にラム波を最大限利用するようにするべきである。
【００６０】
図６Ｂは、本教示の一実施例にかかるストリップネットワーク構造を有する診断ネットワークパッチシステム６２０を示す図である。図６Ｂに示すように、システム６２０は、ホスト構造６２１に適用されており：パッチ６２２と；コンピュータ６２６に接続されたブリッジボックス６２４と；送信リンク６３２と；を具える。パッチ６２２は、デバイス５０２またはセンサ５２２であってもよく、送信リンク６３２のタイプは、パッチ６２２のタイプによって決まる。送信リンク６３２は、電気ワイヤ、光ファイバケーブル、またはその双方であっても良い。
【００６１】
コンピュータ６２６は、パッチ６２２がアクチュエータ及び／又はセンサとして機能するように調整することができる。矢印６３０は、パッチ６２２で発生したラム波の伝達を表す。一般的に、ホスト構造６２１内の欠陥６２８は、波の散乱、回折、ラム波の伝送ロスによって、伝送パターンに影響を与える。欠陥６２８はダメージ、クラック、およびコンポジット構造の剥離、その他を含む。欠陥６２８は、パッチ６２２で捕らえたラム波の伝送パターンの変化を検出することによってモニタすることができる。
【００６２】
ＤＮＰシステムのネットワーク構成は、ラム波ベースの構造ヘルスモニタリングシステムにおいて重要である。ＤＮＰシステム６２０のネットワーク構成において、波線通信経路は、均一に無作為化されているべきである。通信経路の均一性とパッチ６２２間の距離は、ホスト構造６２１内の欠陥６２８の最も小さい検出サイズを決定することができる。適宜のパッチ構成を有する最適ネットワーク構造は、パッチ６２２の数を増やすことなくダメージの同定精度を強化することができる。
【００６３】
パッチ間に波の「クロストーク」経路を作るためのもう一つの構成は、図６Ｃに示すような五角形のネットワークである。図６Ｃは、本教示の別の実施例にかかる五角形ネットワーク構造を有する診断ネットワークパッチシステム６４０を示す図である。システム６４０は、ホスト構造６５２に適用されており；パッチ６４２と；コンピュータ６４６に接続されたブリッジボックス６４４と；送信リンク６５４とを具える。パッチ６４２は、デバイス５０２あるいはセンサ５２２であっても良い。システム６３０にある様に、パッチ６４２は矢印６４８に示すようにラム波を送受信することによって欠陥６５０を検出することができる。
【００６４】
図６Ｄは、本教示の別の実施例にかかるリベット／ボルト連結コンポジットラミネート６６６および６６８に組み込まれた診断ネットワークパッチシステム６６０を示す図である。図６Ｄに示すように、システム６６０は：パッチ６６２と；診断パッチワッシャ６６４であって、各ワッシャが一対のボルトとナットで止められているワッシャとを具える。単純にするために、ブリッジボックスと送信リンクは図６Ｄに示されていない。パッチ６６２は、デバイス５０２あるいはセンサ５２２であっても良い。システム６６０では、パッチ６６２と診断パッチワッシャ６６４は、矢印６７０によって示すようにラム波を送受信することによって欠陥６７２を検出することができる。通常は、欠陥６７２はファスナ用のホール近傍に展開している。診断パッチワッシャ６６４は、図６Ｄに示すように、ストリップネットワーク構成に配置した隣のその他の診断パッチ６６２と通信する。一の実施例では、光ファイバコイルセンサ３３０と３４０を診断パッチワッシャ６６４の位置で使用しても良い。
【００６５】
図６Ｅは、本教示の一の実施例にかかる、接着パッチ６８６で修復することができるコンポジットラミネート６８２に適用した診断ネットワークパッチシステム６８０を示す図である。図６Ｅに示すように、システム６８０は、デバイス５０２またはセンサ５２２であるパッチ６８４を具えている。単純にするために、図６Ｅには、ブリッジボックスと送信リンクは示されていない。システム６８０では、パッチ６８４は、矢印６８７で示すようにラム波を送受信することによって、修復パッチ６８６とコンポジットラミネート６８２の間にある欠陥６８８を検出する。
【００６６】
図６Ｆは、本教示の一の実施例にかかる遠隔診断ネットワークパッチシステムを制御する無線データ通信システム６９０を示す図である。図６Ｆに示すように、システム６９０は：ブリッジボックス６９８と；地上コントロール６９２によって操作することができる地上通信システム６９４を具える。ブリッジボックス６９８は、飛行機６９６などの、拡大した構造ヘルスモニタリングを必要とするホスト構造に実装されている診断ネットワークパッチシステムに接続されている。
【００６７】
ブリッジボックス６９８は、二つの方法で動作する。一の実施例では、ブリッジボックス６９８は信号送信機として動作する。この実施例では、ブリッジボックス６９８は、マイクロミニチュアトランスデューサと、無線信号６９３を介して地上通信システム６９４に構造ヘルスモニタリング情報を送ることができるＲＦ遠隔測定システムのマイクロプロセッサを具える。別の実施例では、ブリッジボックス６９８は、電磁波の受信機として動作する。この実施例では、ブリッジボックス６９８は、無線信号６９３を介して地上通信システム６９４から電力を受けとるためのアッセンブリを具えており、受け取った電力は、構造６９６に適用されているＤＮＰシステムを稼動させるのに使用する。このアッセンブリは、刺激電極を有するマイクロ加工シリコン基板と、相補型メタルオキサイド半導体（ＣＭＯＳ）と、バイポーラ電力レギュレーション回経路、ハイブリッドチップコンデンサ、および受信アンテナコイルを具えている。
【００６８】
ブリッジボックス６９８の構造は、ホスト構造６９６の外側層と同様である。一の実施例では、ブリッジボックス６９８は、多層ハニカムサンドイッチ構造を有しており、ここでは、複数のマイクロストリップアンテナが多層ハニカムサンドイッチ構造の外側フェース面に埋め込まれており等角ロードベアリングアンテナとして動作する。多層ハニカムサンドイッチ構造は、ハニカムコアと、ｅ−ガラス／エポキシ、ケブラ／エポキシ、グラファイト／エポキシ、アルミニウムまたはスチールなどの、有機及び／又は無機材料でできた多層誘電ラミネートを具えている。集積マイクロ加工技術が迅速に発達しているので、マイクロストリップアンテナのサイズと製造コストはさらに低くなり、その性能を妥協することなくブリッジボックス６９８の動作／製造コストの節減を図ることができる。
【００６９】
本発明の範囲は、標準的なワイヤレスアプリケーションプロトコル（ＷＡＰ）や、無線構造ヘルスモニタリングシステム用のワイヤレスマークアップ言語の使用に限定されない。モバイルインターネットツールキットを用いて、アプリケーションシステムは、構造状態モニタリングあるいはインフラストラクチュア管理を、ＷＡＰ−イネーブル携帯電話、ＨＴＭＬブラウザ付のポケットＰＣ、あるいはその他のＨＴＭＬ可能なデバイスによって正しくアクセスすることができる安全なサイトを構築することができる。
【００７０】
マイクロホンアレイは、移動するソースの方向を見つけるのに使用することができ、クラスタセンサアレイは、信号の到着時間の違いを測定することでダメージを受けた位置を見つけるのに使用することができる。図７Ａは、本教示の一実施例にかかるストリップネットワーク構造のクラスタセンサを有する診断ネットワークシステム７００を示す図である。図７Ａに示すように、システム７００は、ホスト構造７０２に適用することができ、クラスタ化したセンサ７０４と送信リンク７０６を具える。各クラスタセンサ７０４は、二つのレシーバ７０８と７１２、及び、一のアクチュエータ／レシーバデバイス７１０を具える。各レシーバ７０８及び７１２は、図１Ａ−４Ｄで述べたセンサのうちのひとつであっても良く、アクチュエータ／レシーバデバイス７１０は、図１Ａ−２Ｄと、図４Ａ−Ｄで述べたセンサのうちのひとつであってもよく、ラム波を発生する圧電デバイスを有している。クラスタセンサ７０４のアクチュエータ／レシーバ７１０はラム波を送信し、隣のクラスタセンサ７０４は、３つのエレメント全て、すなわち、アクチュエータ／レシーバデバイス７１０と、レシーバ７０８及び７１２を用いてラム波を受信する。３つのエレメント全てをレシーバとして使用することによって、各クラスタセンサ７０４は、より正確にラム波信号を受信することができる。更に、３つのエレメント間の到着時間の差を測定することによって、欠陥７１４の方向を高精度に位置決めすることができる。
【００７１】
図７Ｂは、本教示の別の実施例にかかる五角形ネットワーク構造におけるクラスタセンサを有する診断ネットワークパッチシステム７２０を示す図である。図７Ｂに示すように、システム７２０は欠陥７３４を検出するためにホスト構造７２２に適用されており、クラスタセンサ７２４と送信リンク７２６を具える。各クラスタセンサ７２４は、クラスタセンサ７０４と同様である。
【００７２】
図８Ａは、本教示の一の実施例にかかる直列接続した光ファイバコイルを有するクラスタセンサ８００を示す図である。クラスタセンサ８００は、図７Ａのクラスタセンサ７０４と同様であり、二つのセンサ８０４、８０８と、アクチュエータ／センサ８０６を具える。この構成では、入力信号は、一端８１０ａからセンサに入力し、他端８１０ｂからの出力信号は、入力信号と３つのセンサ８０４、８０６、８０８の寄与分の合計である。一の実施例では、波長ベースのデマルチプレクス技術を用いて、各センサからの信号を他の信号から分離することができる。
【００７３】
図８Ｂは、本教示の一の実施例にかかる並列接続した光ファイバコイルを有するクラスタセンサ８２０を示す図である。クラスタセンサ８２０は、図７Ａのクラスタセンサ７０４と同様であり、二つのセンサ８２４、８２８と、アクチュエータ／センサ８２６を具える。この構成では、入力信号は、３つの端部８３０ａ、８３２ａ、８３４ａから３つのセンサにそれぞれ入力し、他端８３０ｂ、８３２ｂ、８３４ｂからの出力信号は、それぞれ、入力信号と３つのセンサ８２４、８２６、８２８の寄与分の合計である。
【００７４】
図８Ａ−Ｂでは、センサ８０４、８０８、８２４及び８２８は、光ファイバコイルセンサ３０８として記載されている。しかしながら、当業者には、各センサ８０４、８０８、８２４及び８２８が図１Ａ−４Ｄに記載されているセンサの一つであってもよく、ミドルセンサ８０６、８２６は各々、図１Ａ−２Ｄ、図４Ａ−Ｄに記載されているセンサの一つであり、ラム波を発生する圧電デバイスを具えていることは自明である。また、クラスタセンサ８００および８２０は、図１Ｇに示されているのと同様に、コンポジットラミネート内に組み込まれていても良い。
【００７５】
図９は、本教示の一の実施例にかかるアクチュエータとセンサ信号のプロット９００を示す図である。ラム波を発生するために、アクチュエータ信号９０４は、パッチセンサ１００などのアクチュエータに送られる。アクチュエータ信号９０４は、波形の中央で振幅が最も大きいいくつかのウエーブピークを有するトーンバースト信号であり、周波数帯域幅が狭いスペクトラムエネルギィを有する。アクチュエータ信号９０４は、様々な波形にハニング関数を用いて設計することができ、中心周波数は０．０１ＭＨｚから１．０ＭＨｚ以内である。アクチュエータがアクチュエータ信号９０４を受信するとき、特定の励起周波数を有するラム波を発生する。
【００７６】
信号９１２ａ−ｎは、センサが受信したセンサ信号を表している。図からわかるように、各信号９１２は、信号抽出窓（あるいは、同等のエンベロープ）９２０、９２２、９２４によってそれぞれ分離されたウエーブパケット９２６、９２８、９３０を有している。これらのウェーブパケット９２６、９２８、９３０は、センサの位置における分散モードによって異なる周波数を有する。信号を分離する窓９１６を適用して、各センサ信号からラム波信号を認識する。ウエーブパケット９２６、９２８、９３０は、基本対称モードＳ０と、反射モードＳ０_ｒｅｆと、基本非対称モードＡ０に、それぞれ対応する。反射モードＳ０_ｒｅｆは、ホスト構造の境界からのラム波の反射を表す。基本シヤーモードＳ０’と、その他のより高次のモードが観察できる。しかしながら、単純にするために、これらは図９には示していない。
【００７７】
センサ信号９１２の部分９１４は、トーンバーストアクチュエータ信号９０４による電気ノイズである。センサ信号９１２の残りの部分から部分９１４を分離するために、活性化期間中に遅れを生じたシグモイド関数である、マスキング窓９１８を、スレッシュホールド機能としてセンサ信号９１２に適用することができる。各センサ信号の時間履歴に沿ったエンベロープ窓９２０、９２２、及び９２４は、センサ信号９１２からウエーブパケット９２６、９２８、９３０を抽出するのに使用できる。エンベロープ窓９２０、９２２，９２４はセンサ信号９１２のピークと谷を検索する山登り（hill-climbing）アルゴリズムを適用して、時間軸における検索データポイントを補間することによって決定することができる。波信号における各データポイントの大きさと位置は、前後方向における波の大きさの比較が、波信号の全てのデータポイントに続くまで、もっとも近い隣のデータポイントの大きさが、現在のデータポイントの大きさより小さい場合は保存される。波信号のエンベロープが得られたら、各エンベロープが、ラム波モードの時間スパンに対応する時間スパンでサブエンベロープ窓９２０、９２２および９２４に分けられる。サブエンベロープ窓９２０、９２２及び９２４を適用して、各測定したセンサ信号９１２の全時間履歴全体に沿って移動させることによって、ウエーブパケット９２６、９２８および９３０の抽出することができる。
【００７８】
本発明は、特定の実施例を参照して述べてきたが、前述したものは本発明の好ましい実施例に関するものであり、特許請求の範囲に記載された本発明の精神と範囲から外れない限り、変形を行うことができると介するべきである。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１Ａ】図１Ａは、本教示の一実施例にかかるパッチセンサの上部断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａに示すパッチセンサの側部断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、図１Ａに示すパッチセンサに用いられる典型的な圧電デバイスの平面図である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、図１Ｃに示す典型的な圧電デバイスの側部断面図である。
【図１Ｅ】図１Ｅは、本教示の別の実施例にかかるパッチセンサの上部断面図である。
【図１Ｆ】図１Ｆは、図１Ｅに示すパッチセンサの側部断面図である。
【図１Ｇ】図１Ｇは、図１Ｅに示すパッチセンサを具えるコンポジットラミネートの断面図である。
【図１Ｈ】図１Ｈは、図１Ｅに示すパッチセンサの代替の実施例の側部断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本教示の一の実施例にかかるハイブリッドパッチセンサの上部断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａに示すハイブリッドパッチセンサの側部断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本教示の別の実施例にかかるハイブリッドパッチセンサの上部断面図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、図２Ｃに示すハイブリッドパッチセンサの側部断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本教示の一実施例にかかる光ファイバパッチセンサの上部断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａの光ファイバパッチセンサの側部断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、図３Ａの光ファイバパッチセンサに含まれている光ファイバコイルの上部断面図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、図３Ｃの光ファイバパッチセンサの代替の実施例の上部断面図である。
【図３Ｅ】図３Ｅは、図３Ｃの光ファイバコイルの代替の実施例の上部断面図である。
【図３Ｆ】図３Ｆは、図３Ｃの光ファイバコイルの代替の実施例の上部断面図である。
【図３Ｇ】図３Ｇは、図３Ｅの光ファイバコイルの代替の実施例の側部断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本教示の一実施例にかかる診断パッチワッシャの上部断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａに示す診断パッチワッシャの側部断面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本教示の一の実施例にかかる図４Ａの診断パッチワッシャを用いる例示的なボルトジョイント構造を示す図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、本教示の別の実施例にかかる図４Ａの診断パッチワッシャを用いる例示的なボルトジョイント構造を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本教示の一の実施例にかかるセンサ／アクチュエータを含む問合せシステムを示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本教示の一の実施例にかかるセンサを含む問合せシステムを示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本教示の一の実施例にかかるホスト構造に適用した診断ネットワークパッチシステムを示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本教示の一の実施例にかかるストリップネットワーク構造を有する診断ネットワークパッチシステムを示す図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、本教示の一の実施例にかかる５角形ネットワーク構造を有する診断ネットワークパッチシステムを示す図である。
【図６Ｄ】図６Ｄは、本教示の一の実施例にかかるリベット／ボルトで連結したコンポジットラミネートに組み込まれた診断ネットワークパッチシステムを示す図である。
【図６Ｅ】図６Ｅは、本教示の別の実施例にかかるボンディングパッチで修復したコンポジットラミネートに組み込まれた診断ネットワークパッチシステムを示す図である。
【図６Ｆ】図６Ｆは、本教示の一の実施例にかかる遠隔診断ネットワークパッチシステムを制御する無線通信システムの実施例を示す図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本教示の一実施例にかかるストリップネットワーク構造におけるクラスタセンサを有する診断ネットワークパッチシステムを示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本教示の別の実施例にかかる五角形のネットワーク構造におけるクラスタセンサを有する診断ネットワークパッチシステムを示す図である。
【図８Ａ】図８Ａは、本教示の一実施例にかかる直列に接続した光ファイバコイルを有するクラスタセンサを示す図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本教示の別の実施例にかかる並列に接続した光ファイバコイルを有するクラスタセンサを示す図である。
【図９】図９は、本教示の一実施例にかかるアクチュエータ信号とセンサ信号のプロットである。
【図１Ａ】
2007521490.tif 000003
【図１Ｂ】
2007521490.tif 000004
【図１Ｃ】
2007521490.tif 000005
【図１Ｄ】
2007521490.tif 000006
【図１Ｅ】
2007521490.tif 000007
【図１Ｆ】
2007521490.tif 000008
【図１Ｇ】
2007521490.tif 000009
【図１Ｈ】
2007521490.tif 000010
【図２Ａ】
2007521490.tif 000011
【図２Ｂ】
2007521490.tif 000012
【図２Ｃ】
2007521490.tif 000013
【図２Ｄ】
2007521490.tif 000014
【図３Ａ】
2007521490.tif 000015
【図３Ｂ】
2007521490.tif 000016
【図３Ｃ】
2007521490.tif 000017
【図３Ｄ】
2007521490.tif 000018
【図３Ｅ】
2007521490.tif 000019
【図３Ｆ】
2007521490.tif 000020
【図３Ｇ】
2007521490.tif 000021
【図４Ａ】
2007521490.tif 000022
【図４Ｂ】
2007521490.tif 000023
【図４Ｃ】
2007521490.tif 000024
【図４Ｄ】
2007521490.tif 000025
【図５Ａ】
2007521490.tif 000026
【図５Ｂ】
2007521490.tif 000027
【図６Ａ】
2007521490.tif 000028
【図６Ｂ】
2007521490.tif 000029
【図６Ｃ】
2007521490.tif 000030
【図６Ｄ】
2007521490.tif 000031
【図６Ｅ】
2007521490.tif 000032
【図６Ｆ】
2007521490.tif 000033
【図７Ａ】
2007521490.tif 000034
【図７Ｂ】
2007521490.tif 000035
【図８Ａ】
2007521490.tif 000036
【図８Ｂ】
2007521490.tif 000037
【図９】
2007521490.tif 000038
【手続補正書】
【提出日】平成18年6月5日(2006.6.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造ヘルス状態をモニタするデバイスにおいて：
誘電体基板と；
前記基板に取り付けた少なくとも一のバッファ層と；
前記少なくとも一のバッファ層に取り付けた圧電デバイスであって、信号を発生し受信するように構成した圧電デバイスと；
前記圧電デバイス上に蒸着したモールディング層と；
前記モールディング層の上に蒸着したカバー層と；
前記圧電デバイスに接続した一対の電気ワイヤと；
を具えることを特徴とするデバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のデバイスにおいて、前記少なくとも一のバッファ層がポリマあるいは金属でできていることを特徴とするデバイス。
【請求項３】
請求項１に記載のデバイスにおいて、前記モールディング層がエポキシ、ポリイミド、あるいはシリコン−ポリイミドでできており、前記カバー層が金属でできていることを特徴とするデバイス。
【請求項４】
請求項１に記載のデバイスが更に、前記カバー層の上に蒸着した保護層を具え、当該保護層がエポキシまたはポリイミドでできていることを特徴とするデバイス。
【請求項５】
請求項１に記載のデバイスが更に、前記基板に取り付けられ、誘電絶縁材料を具えるフープ層を具え、当該フープ層が前記少なくとも一のバッファ層を囲んでいることを特徴とするデバイス。
【請求項６】
請求項１に記載のデバイスが更に、
前記基板に取り付けられ、前記圧電デバイスの周囲に配置した光ファイバコイルを具え、当該光ファイバコイルが：
巻回した光ファイバケーブルと；
当該巻回した光ファイバケーブルに塗布した被覆層と；を具え、
前記光ファイバケーブルのローリングプロセスの間にあらかじめ設定された引張り力が与えられ、前記被覆層が前記巻回した光ファイバケーブルの引張り応力を支持していることを特徴とするデバイス。
【請求項７】
請求項６に記載のデバイスにおいて、前記被覆層が金属またはポリマでできていることを特徴とするデバイス。
【請求項８】
請求項６に記載のデバイスにおいて、前記被覆層が酸化亜鉛、酸化シリコンまたは酸化タンタルでできていることを特徴とするデバイス。
【請求項９】
請求項１に記載のデバイスにおいて、前記信号がラム波であることを特徴とするデバイス。
【請求項１０】
構造ヘルス状態をモニタするデバイスにおいて：
ボトム基板と；
トップ基板と；
前記トップ及びボトム基板の間に挟まれた少なくとも一のセンサと；を具えるデバイスであって、
前記センサが
少なくとも１つの副層を具えるボトムバッファ層と、
前記ボトムバッファ層に取り付けた圧電デバイスであって、信号を発生及び受信するように構成された圧電デバイスと、
前記圧電デバイスに取り付けられたトップバッファ層であって、少なくとも１つの副層を具えるトップバッファ層と、
前記圧電デバイスに連結されている一対の電線と；
前記１つのセンサを取り囲み、前記トップ基板及びボトム基板に取り付けられているフープ層と、
を具えることを特徴とするデバイス。
【請求項１１】
請求項１０に記載のデバイスにおいて、前記センサが更に
光ファイバコイルセンサであって、
巻回した光ファイバケーブルと；
前記巻回した光ファイバケーブルに塗布した被覆層と；
を具える光ファイバコイルセンサを具え、
前記光ファイバケーブルのローリングプロセスにおいてあらかじめ設定された引張り力が与えられ、前記巻回した光ファイバケーブルの引張り応力を前記被覆層が支持していることを特徴とするデバイス。
【請求項１２】
構造ヘルス状態をモニタするデバイスにおいて：
周方向に設けた溝と、半径方向に設けたノッチとを有するリング形状の支持エレメン トと；
前記支持エレメントに取り付けた圧電デバイスと；
前記圧電デバイスを連結した一対の電線であって、当該一組の電線がノッチを通る電線と；
前記溝を覆うリング形状のふたと；
を具えることを特徴とするデバイス。
【請求項１３】
請求項１２に記載のデバイスが、
前記支持エレメントを取り付けられており、前記圧電デバイスの周囲に配置された光ファイバコイルセンサであって：
巻回した光ファイバケーブルと；
前記巻回した光ファイバケーブルに塗布した被覆層と；
を具える光ファイバコイルセンサを更に具え、
前記光ファイバケーブルのローリングプロセスの間にあらかじめ設定された引張り力が与えられ、前記被覆層が前記巻回した光ファイバケーブルの引張り強度を支持しており、前記光ファイバケーブルの２つの端部が前記ノッチを通ることを特徴とするデバイス。
【請求項１４】
請求項１３に記載のデバイスにおいて、前記被覆層が金属又はポリマーでできていることを特徴とするデバイス。
【請求項１５】
請求項１３に記載のデバイスにおいて、前記被覆層が酸化亜鉛、酸化シリコン又は酸化タンタルでできていることを特徴とするデバイス。
【請求項１６】
構造ヘルスモニタリングにおける診断信号を検出するための光ファイバコイルセンサにおいて、
巻回した光ファイバケーブルと；
前記巻回した光ファイバケーブルに塗布した被覆層と；
を具え、
前記光ファイバケーブルのローリングプロセスの間にあらかじめ設定された引張り力が与えられ、前記被覆層が前記巻回した光ファイバケーブルの引張り強度を支持していることを特徴とする光ファイバコイルセンサ。
【請求項１７】
請求項１６のセンサにおいて、前記被覆層が金属又はポリマーから成ることを特徴とするデバイス。
【請求項１８】
請求項１６のセンサにおいて、前記被覆層が酸化亜鉛、酸化シリコン又は酸化タンタルでできていることを特徴とするセンサ。
【請求項１９】
請求項１６のセンサにおいて、前記巻回した光ファイバケーブルで規定する平面の法線方向に沿ったスルーホールを更に具えることを特徴とするセンサ。
【請求項２０】
構造ヘルス状態をモニタする尋問システムにおいて、
構造を連結され、前記システム内を伝播する波信号を発生するように動作する少なくとも一つの波発生装置と；
前記構造を取り付けた複数の光ファイバセンサであって、前記光ファイバセンサ及び前記波発生装置の各々が、それらの間に波信号を送信する通信路を形成している光ファイバセンサと；
入力センサ信号を発生し、光ファイバセンサの少なくとも一つに前記入力センサ信号を送るように動作する少なくとも一つの電子モジュールであって、前記光ファイバセンサの各々が、前記波信号を、前記入力センサ信号に印加して出力センサ信号を発生するように動作し、前記電子モジュールが前記出力センサ信号に応答して情報信号を発生するように動作する電子モジュールと；
信号処理ユニットと；
複数の中継スイッチを有する中継スイッチ配列モジュールであって、前記中継スイッチの一つが、前記情報信号を前記信号処理ユニットへ中継するように動作し、前記信号処理ユニットが、前記情報信号に応答して、デジタルセンサ信号を発生し、当該デジタルセンサ信号を計算手段に送るように動作する中継スイッチ配列モジュールと；
を具えることを特徴とする尋問システム。
【請求項２１】
請求項２０に記載の尋問システムが、
前記入力センサ信号の一部分をタップして当該部分を別の光ファイバセンサに送るように動作する第１のカプラ：
を更に具えることを特徴とする尋問システム。
【請求項２２】
請求項２０に記載の尋問システムが、
前記光ファイバセンサセンサ及び電子モジュールに光学的に相互接続した第２のカプラであって、当該第２のカプラが別の光ファイバセンサから前記出力センサ信号へ出力センサ信号を加えるように動作する第２のカプラ：
を更に具えることを特徴とする尋問システム。
【請求項２３】
請求項２０に記載の尋問システムにおいて、前記電子モジュールが、
光信号を発生するための光源と；
当該光信号に応答して前記光信号を変調して前記入力センサ信号を発生するように動作する第１モジュレータと；
前記入力センサ信号に応答して変調信号を発生するように動作する音響光学モジュレータ（ＡＯＭ）と；
前記変調信号と前記出力センサ信号に応答して、前記波信号に相当する情報光信号を抽出するように動作する第２モジュレータと；
当該情報光信号に応答して前記情報信号を発生するように動作する光検知器と；
を具えることを特徴とする尋問システム。
【請求項２４】
請求項２３に記載の尋問システムにおいて、前記第１のモジュレータがヘテロダインモジュレータであり、前記第２のモジュレータがヘテロダインシンクロナイザであることを特徴とする尋問システム。
【請求項２５】
請求項２０に記載の尋問システムにおいて、前記光ファイバセンサが、少なくとも２本の実質的に平行な線に沿って配置されてストリップ構成のネットワークを形成していることを特徴とする尋問システム。
【請求項２６】
請求項２５に記載の尋問システムにおいて、前記ネットワークが前記２本の線の間に一様にランダム化された通信路を提供するように構成されていることを特徴とする尋問システム。
【請求項２７】
請求項２０に記載の尋問システムにおいて、前記光ファイバセンサがほぼ五角形のネットワークを形成するように配置されていることを特徴とする尋問システム。
【請求項２８】
請求項２７に記載の尋問システムにおいて、前記五角形のネットワークが当該五角形のネットワーク内に一様にランダム化された通信路を提供するように構成されていることを特徴とする尋問システム。
【請求項２９】
請求項２７に記載の尋問システムにおいて、前記五角形のネットワーク構成が前記構造に取り付けられた接着パッチを囲んでおり、当該接着パッチに集中した通信路を提供することを特徴とする尋問システム。
【請求項３０】
請求項２０に記載の尋問システムにおいて、前記信号処理ユニットがアナログ−デジタルコンバータを具えることを特徴とする尋問システム。
【請求項３１】
請求項２０に記載の尋問システムが、前記光ファイバセンサ及び電子モジュールを光学的に相互接続するためのブリッジボックスを更に具えることを特徴とする尋問システム。
【請求項３２】
請求項２０に記載の尋問システムにおいて、前記光ファイバセンサが、
巻回した光ファイバケーブルと；
前記巻回した光ファイバケーブルに塗布した被覆層と；
を具える光ファイバコイルセンサを具え、
前記巻回した光ファイバケーブルのローリングプロセスの間にあらかじめ設定された引張り力が与えられ、前記光ファイバセンサの動作中に、前記被覆層が前記巻回した光ファイバケーブルのあらかじめ設定された引張り強度を支持していることを特徴とするデバイス。
【請求項３３】
請求項２０に記載の尋問システムにおいて、前記波信号が、ラム波及び振動波の少なくとも一つを具えることを特徴とする尋問システム。
【請求項３４】
構造ヘルス状態をモニタする尋問システムにおいて、
計算手段からアクチュエータ入力信号を受信し、アクチュエータ信号を発生するように動作する波形発生ユニットと；
構造に取り付けられた複数の診断パッチであって、当該診断パッチの各々がアクチュエータ及びセンサとして動作するデュアルモードデバイスを具える診断パッチと；
複数の中継スイッチを有し、前記アクチュエータ信号を、前記診断パッチ中の第１診断パッチに中継するように動作する中継スイッチ配列モジュールと；
前記アクチュエータ信号に応答して波信号を発生するように動作する前記第１診断パッチであって、
前記第１診断パッチと波信号用に通信路を形成し、前記波信号に応答してセンサ信号を発生するように動作する前記診断パッチ中の第２診断パッチと；
信号処理ユニットと；
を具え、
前記中継スイッチの一つが、前記センサ信号を前記信号処理ユニットへ中継するように動作し、前記信号処理ユニットが前記センサ信号に応答し、デジタルセンサ信号を発生して当該デジタルセンサ信号を前記計算手段に送るように動作することを特徴とする尋問システム。
【請求項３５】
請求項３４に記載の尋問システムにおいて、前記波形発生ユニットが、
前記アクチュエータ入力信号に応答して前記アクチュエータ信号を発生するように動作する波形発生器と；
前記アクチュエータ信号を増幅するように動作する増幅器と；
を具えることを特徴とする尋問システム。
【請求項３６】
請求項３４に記載の尋問システムにおいて、前記処理ユニットが、
前記センサ信号を調整するように動作する信号状態モジュールと；
前記センサ信号を前記デジタルセンサ信号に変換するように動作するアナログ−デジタルコンバータ（ＡＤＣ）と；
を具えることを特徴とする尋問システム。
【請求項３７】
請求項３６に記載の尋問システムにおいて、前記信号状態モジュールが、前記センサ信号のノイズをろ波する帯域通過フィルタと前記センサ信号の電圧レベルを調節する信号電圧アジャスタを具えることを特徴とする尋問システム。
【請求項３８】
請求項３４に記載の尋問システムにおいて、前記診断パッチが、少なくとも２本の実質的に平行な線に沿って配置されて、ストリップ構成のネットワークを形成することを特徴とする尋問システム。
【請求項３９】
請求項３４に記載の尋問システムにおいて、当該ネットワークが前記２本の平行線との間に一様にランダム化された通信路を提供するように構成されていることを特徴とする尋問システム。
【請求項４０】
請求項３８に記載の尋問システムにおいて、前記構造が複数の締結デバイスによって取り付けられた２つのラミネートを具え、当該締結デバイスが前記２本の平行線の間に配置され、少なくとも一つの診断パッチワッシャを具え、前記ネットワークが診断パッチワッシャ近傍に集中した通信路を提供するように構成されていることを特徴とする尋問システム。
【請求項４１】
請求項３４に記載の尋問システムにおいて、前記診断パッチが実質的に五角形を形成するように配置されていることを特徴とする尋問システム。
【請求項４２】
請求項４１に記載の尋問システムにおいて、前記五角形のネットワークが当該五角形のネットワーク内に一様にランダム化された通信路を提供するように構成されていることを特徴とする尋問システム。
【請求項４３】
請求項４１に記載された尋問システムにおいて、前記五角形のネットワーク構成が前記構造に取り付けられた接着パッチを囲み、当該接着パッチに集中した通信路を提供することを特徴とする尋問システム。
【請求項４４】
請求項３４に記載の尋問システムが、前記診断パッチを前記波形発生ユニットと前記信号処理ユニットの双方に光学的に相互接続するブリッジボックスを更に具えることを特徴とする尋問システム。
【請求項４５】
請求項３４に記載の尋問システムにおいて、前記デュアルモードデバイスが圧電デバイスを具えることを特徴とする尋問システム。
【請求項４６】
請求項４５に記載の尋問システムにおいて、診断パッチの各々が、２つの追加の圧電デバイスを具え、これらの圧電デバイスが、当該圧電デバイスで波信号の到着時間の差を測定するものであることを特徴とする尋問システム。
【請求項４７】
請求項４６に記載の尋問システムにおいて、前記診断パッチが、少なくとも２本の実質的に平行な線に沿って配置されており、ストリップ構成のネットワークを形成することを特徴とする尋問システム。
【請求項４８】
請求項４７に記載の尋問システムにおいて、前記ネットワークが、前記２本の平行線の間に一様にランダム化された通信路を提供するように構成されていることを特徴とする尋問システム。
【請求項４９】
請求項４７に記載の尋問システムにおいて、前記構造が、複数の締結デバイスによって取り付けられた２つのラミネートを具え、当該締結デバイスが前記２本の平行線の間に配置され、少なくとも一つの診断パッチワッシャを具え、前記ネットワークが前記診断パッチワッシャ近傍に集中した通信路を提供するように構成されていることを特徴とする尋問システム。
【請求項５０】
請求項４６に記載の尋問システムにおいて、前記圧電センサが、実質的に五角形のネットワークを形成するように配置されていることを特徴とする尋問システム。
【請求項５１】
請求項５０に記載の尋問システムにおいて、前記五角形のネットワークが、当該五角形のネットワーク内に一様にランダム化された通信路を提供するように配置されることを特徴とする尋問システム。
【請求項５２】
請求項５０に記載の尋問システムにおいて、前記五角形のネットワーク構成が前記構造に取り付けられた接着パッチを囲み、当該接着パッチに集中した通信路を提供することを特徴とする尋問システム。
【請求項５３】
請求項４０に記載の尋問システムにおいて、前記デュアルモードデバイスが前記圧電デバイスの周りに巻回された光ファイバコイルを更に具え、当該光ファイバコイルがセンサとして動作することを特徴とする尋問システム。
【請求項５４】
請求項５３に記載の尋問システムにおいて、前記診断パッチの各々が、２つの追加の圧電デバイスであって、波信号の到着時間の差を測定する２つの追加の圧電デバイスを具えることを特徴とする尋問システム。
【請求項５５】
請求項５４に記載の尋問システムにおいて、前記診断パッチが少なくとも２本の実質的に平行な線に沿って配置され、ストリップ構成のネットワークを形成することを特徴とする尋問システム。
【請求項５６】
請求項５５に記載の尋問システムにおいて、前記ネットワークが、前記２本の平行線の間に一様にランダム化された通信路を提供するように構成されていることを特徴とする尋問システム。
【請求項５７】
請求項５５に記載の尋問システムにおいて、前記システムが、複数の締結デバイスによって取り付けられた２つのラミネートを具え、当該締結デバイスが前記２本の平行線の間に配置されて少なくとも一つの診断パッチワッシャを具え、前記ネットワークが診断パッチワッシャ近傍に集中した通信路を提供するように構成されることを特徴とする尋問システム。
【請求項５８】
請求項５４に記載の尋問システムにおいて、前記光ファイバセンサが五角形のネットワークを形成するように配置されていることを特徴とする尋問システム。
【請求項５９】
請求項５８に記載の尋問システムにおいて、前記五角形のネットワークが当該五角形のネットワーク内に一様にランダム化された通信路を提供するように構成されていることを特徴とする尋問システム。
【請求項６０】
請求項５８に記載の尋問システムにおいて、前記五角形のネットワーク構成が前記構造に取り付けられた接着パッチを囲み、当該接着パッチに集中した通信路を提供することを特徴とする尋問システム。
【請求項６１】
請求項５４に記載の尋問システムにおいて、前記光ファイバコイルと光ファイバセンサとが直列に接続されていることを特徴とする尋問システム。
【請求項６２】
請求項５４に記載の尋問システムにおいて、前記光ファイバコイルと光ファイバセンサとが並列に接続されていることを特徴とする尋問システム。
【請求項６３】
請求項３４に記載の尋問システムにおいて、前記アクチュエータ信号がトーンバースト信号であり、前記波信号がラム波及び振動信号のうちの少なくとも一つを具えることを特徴とする尋問システム。
【請求項６４】
１又はそれ以上のセンサを取り付けたホスト構造のヘルス状態をモニタする診断システムにおいて、
前記センサに取り付けられ、当該センサから前記センサ信号を受信し、トランスデューサ信号を発生するように動作し、前記センサ信号が前記ホスト構造のヘルス状態の情報を伝える少なくとも一つの小型トランスデューサと；
前記小型トランスデューサ信号から前記トランスデューサ信号を受信して前記トランスデューサ信号を搬送する高周波（ＲＦ）信号を発生するように動作するマイクロプロセッサと； 
前記マイクロプロセッサから前記ＲＦ信号を受けてＲＦ信号を送信する少なくとも一つの共角耐力アンテナを具える外側板を有する多層ハニカムサンドイッチ構造と；
を具えるブリッジボックス；
を具え、
前記ブリッジボックスによって送信されるＲＦ信号が、遠隔デバイスによって受信されて解析され、前記ホスト構造の前記ヘルス状態をモニタすることを特徴とする診断システム。
【請求項６５】
請求項６４に記載の診断システムにおいて、前記外側板が、複数の誘電ラミネートを具え、当該誘電ラミネートの一つが前記共角耐力アンテナを具えることを特徴とする尋問システム。
【請求項６６】
請求項６５に記載の診断システムにおいて、前記誘電ラミネートの各々が、有機材料及び無機材料のうち少なくとも一つでできていることを特徴とする診断システム。
【請求項６７】
請求項６４に記載の診断システムにおいて、前記ブリッジボックスがホスト構造の一部を形成することを特徴とする診断システム。
【請求項６８】
請求項６４に記載の診断システムが、
前記センサと前記ブリッジボックスを操作する計算器を更に具え：
当該計算器は当該ブリッジボックスに連結されていることを特徴とする診断システム。
【請求項６９】
請求項６８に記載の診断システムが、前記計算器と前記ブリッジボックスとの間に置かれたデータ収集システムを更に具え、当該データ収集システムが複数のスイッチを有する中継スイッチ配列モデュールを具え、所定のシークエンスオーダでこれらのスイッチを制御するように動作し、前記スイッチの各々が前記センサの一つに連結されていることを特徴とする診断システム。
【請求項７０】
請求項６４に記載の診断システムにおいて、前記センサの少なくとも一つが光センサ信号を発生する光ファイバセンサであり、前記ブリッジボックスが前記光信号を調整し、ろ波し、デジタルセンサ信号に変換するように動作することを特徴とする診断システム。
【請求項７１】
請求項６４に記載の診断システムにおいて、前記共角耐力アンテナがコイル形状を有することを特徴とする診断システム。
【請求項７２】
請求項６４に記載の診断システムにおいて、前記共角耐力アンテナがマイクロストリップアンテナであることを特徴とする診断システム。
【請求項７３】
請求項６４に記載の診断システムにおいて、前記ＲＦ信号がワイヤレスアプリケーションプロトコル（ＷＡＰ）に従ってフォーマットされていることを特徴とする診断システム。
【請求項７４】
請求項６４に記載の診断システムにおいて、前記ＲＦ信号がワイヤレスマークアップランゲージで構成されていることを特徴とする診断システム。
【請求項７５】
請求項６４に記載の診断システムにおいて、前記ＲＦ信号がモバイルインターネットツールキットにアクセス可能であることを特徴とする診断システム。