(57)【要約】      （修正有）【課題】避雷に対応する炭素繊維強化プラスチックを用いて建造された航空機を提供する。【解決手段】装置は、第１の炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）パネル、第１のＣＦＲＰパネル２２０−１と垂直方向に重なり合う第２のＣＦＲＰパネル２２０−２、及び第１のＣＦＲＰパネルと第２のＣＦＲＰパネルとが重なり合うエリアに垂直方向に延びて第１のＣＦＲＰパネルと第２のＣＦＲＰパネルとを接合するファスナ３１０を含む。装置は、第１のＣＦＲＰパネル及び第２のＣＦＲＰパネルの各々に複数の導電ピン４５０を更に含み、これらピンは垂直方向にファスナの近位に延びて、第１のＣＦＲＰパネルと第２のＣＦＲＰパネルとが重なり合うエリアにおいて第１のＣＦＲＰパネルと第２のＣＦＲＰパネルとを電気的に接続する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）パネル（２２０−１）；
前記第１のＣＦＲＰパネル（２２０−１）と垂直方向に重なり合う第２のＣＦＲＰパネル（２２０−２）；
前記第１のＣＦＲＰパネル（２２０−１）と前記第２のＣＦＲＰパネル（２２０−２）とが重なり合うエリア内に前記垂直方向に延びて前記第１のＣＦＲＰパネル（２２０−１）と前記第２のＣＦＲＰパネル（２２０−２）とを接合するファスナ（３１０）；並びに
前記垂直方向に前記ファスナ（３１０）の近位に延びて、前記第１のＣＦＲＰパネル（２２０−１）と前記第２のＣＦＲＰパネル（２２０−２）とが重なり合う前記エリアにおいて前記第１のＣＦＲＰパネル（２２０−１）と前記第２のＣＦＲＰパネル（２２０−２）とを電気的に接続する、前記第１のＣＦＲＰパネル（２２０−１）及び前記第２のＣＦＲＰパネル（２２０−２）の各々の内部の複数の導電ピン（４５０）
を備える装置。
【請求項２】
前記ピン（４５０）が：
前記第１のＣＦＲＰパネル（２２０−１）の下面（５１１）から突出するヘッド（６４０）を各々が有する、前記第１のＣＦＲＰパネル（２２０−１）内部の第１組のピン（５３１）；及び
前記第２のＣＦＲＰパネル（２２０−２）の上面（５１２）から突出するヘッド（６４０）を各々が有する、前記第２のＣＦＲＰパネル（２２０−２）内部の第２組のピン（５３２）
を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１のＣＦＲＰパネル（２２０−１）と前記第２のＣＦＲＰパネル（２２０−２）とが前記垂直方向に重なり合って前記ファスナ（３１０）によって接合されるとき、前記第１組のピン（５３１）及び前記第２組のピン（５３２）が、前記第１のＣＦＲＰパネル（２２０−１）と前記第２のＣＦＲＰパネル（２２０−２）とを電気的に接続するための対応する間隔を有する、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記ピン（４５０）が、前記ファスナ（３１０）と平行であり、且つ前記第１のＣＦＲＰパネル（２２０−１）及び前記第２のＣＦＲＰパネル（２２０−２）の炭素繊維の層に直交している、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記第１のＣＦＲＰパネル（２２０−１）と前記第２のＣＦＲＰパネル（２２０−２）とが、前記第１のＣＦＲＰパネル（２２０−１）及び前記第２のＣＦＲＰパネル（２２０−２）の各々の終端が前記垂直方向に重なり合うように、ずれている、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
接合される第１の炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）パネル（２２０−１）と第２のＣＦＲＰパネル（２２０−２）とを識別すること；
前記第１のＣＦＲＰパネル（２２０−１）と前記第２のＣＦＲＰパネル（２２０−２）とが垂直方向に重なり合うエリアを決定すること；
前記第１のＣＦＲＰパネル（２２０−１）と前記第２のＣＦＲＰパネル（２２０−２）とを接合するために、ファスナ（３１０）が前記エリア内へ前記垂直方向に挿入される位置を決定すること；及び
複数の導電ピン（４５０）を、前記ファスナ（３１０）位置の近位で前記垂直方向に前記エリア内に挿入すること
を含む方法。
【請求項７】
前記第１のＣＦＲＰパネル（２２０−１）及び前記第２のＣＦＲＰパネル（２２０−２）の各々のウェットレイアップ中に前記ピン（４５０）を挿入すること；並びに
前記第１のＣＦＲＰパネル（２２０−１）及び前記第２のＣＦＲＰパネル（２２０−２）を前記ピン（４５０）と一緒に硬化させること
を更に含む請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記ピン（４５０）を、前記第１のＣＦＲＰパネル（２２０−１）及び前記第２のＣＦＲＰパネル（２２０−２）中に、前記第１のＣＦＲＰパネル（２２０−１）及び前記第２のＣＦＲＰパネル（２２０−２）の厚みを通して穿刺することにより挿入すること
を更に含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記第１のＣＦＲＰパネル（２２０−１）と前記第２のＣＦＲＰパネル（２２０−２）とが、前記第１のＣＦＲＰパネル（２２０−１）及び前記第２のＣＦＲＰパネル（２２０−２）の各々の終端が前記垂直方向に重なり合うように、ずれている、請求項６から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記ピン（４５０）が、前記ファスナ（３１０）と平行であり、且つ前記第１のＣＦＲＰパネル（２２０−１）及び前記第２のＣＦＲＰパネル（２２０−２）内の炭素繊維の層に直交している、請求項６から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記ピン（４５０）が：前記第１のＣＦＲＰパネル（２２０−１）の下面（５１１）から突出するヘッド（６４０）を各々が有する、前記第１のＣＦＲＰパネル（２２０−１）内部の第１組のピン（５３１）、及び前記第２のＣＦＲＰパネル（２２０−２）の上面（５１２）から突出するヘッド（６４０）を各々が有する、前記第２のＣＦＲＰパネル（２２０−２）内部の第２組のピン（５３２）を含み；
前記第１のＣＦＲＰパネル（２２０−１）と前記第２のＣＦＲＰパネル（２２０−２）とが前記垂直方向に重なり合って前記ファスナ（３１０）によって接合されるとき、前記第１組のピン（５３１）及び前記第２組のピン（５３２）が、前記第１のＣＦＲＰパネル（２２０−１）と前記第２のＣＦＲＰパネル（２２０−２）とを電気的に接続するための対応する間隔を有する、
請求項６から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
航空機のための複合材構造であって：
互いに対して水平方向に隣接する複数の炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）パネル（２２０−１、２２０−２）を含み、各ＣＦＲＰパネル（２２０−１、２２０−２）が：
メッシュホイル（９１０、９１２）を有する上面（５１０、５１２）；
前記ＣＦＲＰパネル（２２０−１、２２０−２）の下面（５１１、５１３）の近位に位置する前記航空機の金属フレーム（９５０）に前記ＣＦＲＰパネル（２２０−１、２２０−２）を固定するように構成された、前記ＣＦＲＰパネル（２２０−１、２２０−２）を通して垂直方向に挿入されるファスナ（３１０）；及び
前記メッシュホイル（９１０、９１２）と前記航空機の前記金属フレーム（９５０）とを電気的に接続するための、前記垂直方向に延びる複数の導電ピン（８３０）
を含む、複合材構造。
【請求項１３】
前記ピン（８３０）が：
前記ファスナ（３１０）を締め付ける前には、前記ＣＦＲＰパネル（２２０−１、２２０−２）の前記下面（５１１、５１３）を越えて延びるが前記航空機の前記金属フレーム（９５０）に接することがなく；
前記ファスナ（３１０）を締め付けた後で前記航空機の前記金属フレーム（９５０）に接する、
請求項１２に記載の複合材構造。
【請求項１４】
前記ピン（８３０）が、前記ファスナ（３１０）と平行であり、前記ＣＦＲＰパネル（２２０−１、２２０−２）の複合材層に直交している、請求項１２又は１３に記載の複合材構造。
【請求項１５】
隣接するＣＦＲＰパネル（２２０−１、２２０−２）同士を電気的に接続するために、前記垂直方向に直交する方向に、水平方向に延びる別の複数の導電ピン
を更に含む、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の複合材構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、航空機の分野に関し、特に炭素繊維強化プラスチックを用いて建造された航空機の避雷に関する。
【背景技術】
【０００２】
近代の航空機は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）から作製された構成要素を用いて建造されることが多くなっている。航空機及び宇宙船の建造に従来使用されるアルミニウム合金と比較して、ＣＦＲＰは、強くて軽い構造を提供する。しかしながら、ＣＦＲＰパネルの導電性は低いので、望ましくないことに、落雷に由来する高レベルの電流が二つのパネルが金属ファスナにより接合される位置に集中する。
【発明の概要】
【０００３】
導電ピンは、ＣＦＲＰパネルを通して挿入され、ファスナの近くの貫通導電性を上昇させる。落雷の際には、このピンが、ＣＦＲＰパネルの複合材層に電流をより均一に分配し、貫通電流を拡散させてファスナから遠ざける。したがって、ピンは、特に燃料源が存在し得る翼等の航空機のエリアにおいて、出火危険の可能性を低下させることができる。従来の電光軽減技術（例えば、ポリスルフィドキャップシールでファスナを覆うこと、エッジ密封剤を適用すること、及び／又は導電性スプライスで既存のパネルを接合すること）と異なり、ピンは、軽量化のためにＣＦＲＰパネル内部に作製され、工場のフローに有利となるように、更なる硬化時間をかけずに自動化可能な方式で挿入され得る。
【０００４】
一実施例は、第１の炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）パネル、第１のＣＦＲＰパネルと垂直方向に重なり合う第２のＣＦＲＰパネル、及び第１のＣＦＲＰパネルと第２のＣＦＲＰパネルが重なり合うエリアに垂直方向に延びて第１のＣＦＲＰパネルと第２のＣＦＲＰパネルと接合するファスナを含む装置を備える。この装置は、第１のＣＦＲＰパネル及び第２のＣＦＲＰパネルの各々に複数の導電ピンを更に含み、これらピンは垂直方向にファスナの近位に延びて、第１のＣＦＲＰパネルと第２のＣＦＲＰパネルとが重なり合うエリアにおいて第１のＣＦＲＰパネルと第２のＣＦＲＰパネルとを電気的に接続する。
【０００５】
別の実施例は、接合される第１の炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）パネルと第２のＣＦＲＰパネルとを識別すること、第１のＣＦＲＰパネルと第２のＣＦＲＰパネルとが垂直方向に重なり合うエリアを決定すること、及び垂直方向にエリア内へ挿入されるファスナが第１のＣＦＲＰパネル及び第２のＣＦＲＰパネルと接合するための位置を決定することを含む方法を含む。この方法は、複数の導電ピンを、ファスナ位置の近位で垂直方向に前記エリア内に挿入することを更に含む。
【０００６】
別の実施例は、航空機のための複合材構造を含む。複合材構造は、互いに対して水平方向に隣接する複数の炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）パネルを含み、各ＣＦＲＰパネルは：メッシュホイルを有する上面、ＣＦＲＰパネルの下面の近位に位置する航空機の金属フレームにＣＦＲＰパネルを固定するように構成された、ＣＦＲＰパネルを通して垂直方向に挿入されるファスナ、及び垂直方向に延びてメッシュホイルと航空機の金属フレームとを電気的に接続する複数の導電ピンを含む。
【０００７】
前述の特徴、機能、及び利点は、様々な実施例において個別に実現可能であるか、又は他の実施例において組み合わせることができ、それらの詳細は以下の説明及び図面を参照して理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本開示の幾つかの実施例について、例示のみを目的とし、添付図面を参照して、これより説明する。すべての図面において、同じ参照番号は、同じ要素又は同じタイプの要素を表わす。
【０００９】
【図１】一実施例における航空機を示している。
【図２】一実施例における、複数のパネルの複合材構造を含む航空機の翼を示している。
【図３】一実施例における、ファスナによって接合されたＣＦＲＰパネルの部分分解図である。
【図４】一実施例における、ファスナによって接合され、導電ピンで強化されたＣＦＲＰパネルの部分分解図である。
【図５】一実施例における、ファスナによって接合され、導電ピンで強化されたＣＦＲＰパネルの側面図である。
【図６】別の実施例における、導電ピンで強化されたＣＦＲＰパネルの側面図である。
【図７】また別の実施例における、導電ピンで強化されたＣＦＲＰパネルの側面図である。
【図８】一実施例における、導電ピンで接続された隣接するＣＦＲＰパネルの側面図である。
【図９】別の実施例における、導電ピンで接続された隣接し合うＣＦＲＰパネルの側面図である。
【図１０】一実施例における、複合材製造環境のブロック図である。
【図１１】一実施例における、ＣＦＲＰパネルを製作するための方法を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図面及び以下の説明は、具体的な実施例を示している。当業者であれば、本書に明示的に記載又は図示されていなくとも、本明細書に記載される原理を具現化し、特許請求の範囲に含まれる様々な構成を考案可能であろう。更に、本書に記載されるいずれの実施例も、本開示の原理の理解を助けることを意図しており、限定を含まないものであると解釈されるべきである。結果として、本開示は、具体的な実施例又は後述される実施例ではなく、特許請求の範囲及びその均等物によって限定される。
【００１１】
図１は、一実施例における航空機１００を示す。航空機１００は、ノーズ１１０、翼１２０、胴体１３０、及び尾部１４０を含む。航空機１００の翼１２０の複合材料に絞って航空機１００について更に説明する。しかしながら、本明細書に記載されるものと同様の構成及び技術は、航空機１００だけでなく、別の航空機及び他の種類のビークルのいずれかの適切な複合材部品に適用することができる。
【００１２】
図２は、一実施例における、複数の炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）パネル２２０の複合材構造２１０を含む航空機１００の翼１２０を示す。特に、複合材構造２１０は、上側翼外板の一部を含む。図２の図は、図１の矢印Ａ間を見たものである。図２に示すように、各ＣＦＲＰパネル２２０は、複合材構造２１０のエリアの小さな一部分である。図２の矢印Ｂ間の図は、翼１２０の長さに沿って見えるものを示している。
【００１３】
図３は、一実施例における、ファスナ３１０によって接合されたＣＦＲＰパネル２２０の部分分解図３００である。この図において、ＣＦＲＰパネル２２０は、ＣＦＲＰパネル２２０の接合された構成を示すために分離して示されており、この分解図においては明らかに分離しているが、接触し得るものである。特に、第１のＣＦＲＰパネル２２０−１と第２のＣＦＲＰパネル２２０−２の両端は垂直方向に（即ち、ｚ方向に）重なり合い、境界３２１−３２２によって画定されるそれぞれの重複エリア３１１−３１２（即ち、ｘｙ平面内の）を形成する。ＣＦＲＰパネル２２０の各々は、炭素繊維で強化されたプライの一又は複数の層３３０を含む。線維は、異なる寸法に沿ってＣＦＲＰパネル２２０の強度を増大させるために、層３３０内で異なる配向を有することができる。
【００１４】
ファスナ３１０は、ＣＦＲＰパネル２２０を通して垂直方向に（即ち、ｚ方向に）挿入されて、ＣＦＲＰパネル２２０同士を接合する。垂直方向という用語は、ＣＦＲＰパネル２２０の厚さ方向に概ね平行で且つＣＦＲＰパネル２２０の平坦な面に直交するＣＦＲＰパネル２２０の相対的位置を表すが、図３に示されるもの以外のＣＦＲＰパネル２２０の別の幾何配置も可能である。一般に、ファスナ３１０は、導電性金属材料（例えば、アルミニウム、チタニウム、ステンレス鋼等）を含み、ボルト及びナット、リベット、ブラインドファスナ、又はＣＦＲＰパネル２２０を機械的に接合するために適した別のファスナ装置を含み得る。したがって、ファスナ３１０は、ＣＦＲＰパネル２２０内にｚ方向（本明細書では垂直方向と呼ぶこともある）の貫通導電性を提供する。対照的に、ＣＦＲＰパネル２２０の層３３０は、ｘｙ平面内において層３３０に平行な方向に電流を向かわせる異方導電性を有する。結果として、ＣＦＲＰパネル２２０のうちの一つに落雷があると、望ましくないことに、高レベルの電流がファスナ３１０に集中し、固定接続の一体性を低下させる、又はファスナ３１０に火花を生じて着火の危険を産む可能性がある。
【００１５】
図４は、一実施例における、ファスナ３１０によって接合され、導電ピン４５０で強化されたＣＦＲＰパネル２２０の部分分解図４００である。ピン４５０は、任意の適切な材料（例えば、カーボン、アルミニウム、チタニウム等）を含み、概ね垂直方向（即ち、ｚ方向）に延びる長手軸を有してＣＦＲＰパネル２２０同士を電気的に接続する。ピン４５０は、サイズ、数、及び機能の点でファスナ３１０とは全体に異なる。例えば、ファスナ３１０と比較したとき、複数のピン４５０はｘｙ平面内で単一のファスナ３１０を囲み、個々にｘｙ平面の面積の一部を占める（例えば、ＣＦＲＰパネル２２０の構造的一体性を低下させないように）。他の実施例では、ピン４５０は複数のファスナ３１０を取り囲む。更なる実施例では、ピン４５０は、機械的締結手段を必要とせずに電流の経路を提供する。一般に、ピン４５０は、ＣＦＲＰパネル２２０の重複エリア３１１−３１２全体に分配され／散在して、貫通電流伝導をファスナ３１０から逃がすように拡散させてファスナ３１０における電流濃度を低下させ、それにより、ＣＦＲＰ−ファスナ境界面又は同境界面近くにおいて電流誘発性の損傷が起こる可能性を低下させるという技術的利点を提供する。
【００１６】
図５は、一実施例における、ファスナ３１０によって接合され、導電ピン５３１−５３２で強化されたＣＦＲＰパネル２２０の側面図５００である。この実施例によって示されるように、第１のＣＦＲＰパネル２２０−１は、上側の面、即ち上面５１０、下側の面又は下面５１１、及び第１組のピン５３１を含む。同様に、第２のＣＦＲＰパネル２２０−２は、上側の面、即ち上面５１２、下側の面、即ち下面５１３、及び第２組のピン５３２を含む。このように、ＣＦＲＰパネル２２０の各々は、それ専用のピン５３１−５３２のサブセットを含む。例えば、第１組のピン５３１は、硬化前に第１のＣＦＲＰパネル２２０−１のウェットレイアップ中に挿入され、第２組のピン５３２は、硬化前に第２のＣＦＲＰパネル２２０−２のウェットレイアップ中に挿入され、ピン５３１−５３２は、それぞれのＣＦＲＰパネル２２０と一緒に硬化される。
【００１７】
一般に、ＣＦＲＰパネル２２０がファスナ３１０で適切に締結されるとき、第１のＣＦＲＰパネル２２０−１の下面５１１の一部は第２のＣＦＲＰパネル２２０−２の上面５１２の一部と接する。つまり、図３〜９は、ピン５３１−５３２の配置を更に明瞭に示すためにＣＦＲＰパネル２２０間に空隙を示しているが、ファスナ３１０が取り付けられるとＣＦＲＰパネル２２０は互いに対して押し付けられる。垂直方向に積み重ねられると、ＣＦＲＰパネル２２０の水平方向にずれた構成は、図５の点線により示すように、ＣＦＲＰパネル２２０の対向し合う終端５２１−５２２によって画定される重複エリア５２０を生成する。重複エリア５２０は、図３〜４において上述した重複エリア３１１−３１２と同様であり、通常、ｚ方向に垂直に重なり合うＣＦＲＰパネル２２０によって画定されるｘｙ平面内のエリアである。したがって、重複エリア５２０は、ＣＦＲＰパネル２２０のサイズ、形状及び設置様式によって異なる。
【００１８】
この実施例に更に示されるように、第１のＣＦＲＰパネル２２０−１内の第１組のピン５３１は、重複エリア５２０において互いの間に第１の間隔５６１（例えば、ｘｙ平面内に）を有し、第２のＣＦＲＰパネル２２０−２内の第２組のピン５３２は、重複エリア５２０において互いの間に第２の間隔５６２（例えば、ｘｙ平面内に）を有する。第１の間隔５６１と第２の間隔５６２とは、ＣＦＲＰパネル２２０が適切に接合されたときに第１組のピン５３１の総数のうちの少なくともサブセット又は一部が第２組のピン５３２の総数のうちの少なくともサブセット又は一部と接するように、対応する構成又はパターン（本明細書において「対応する間隔」とも呼ぶ）を有する。つまり、第１の間隔５６１と第２の間隔５６２とは、ＣＦＲＰパネル２２０間に十分な電気的接触が確実に得られ、更に重複エリア５２０には、落雷に由来する損傷を効果的に低減する、ｚ方向に沿ってファスナ３１０から離れる方向へ十分な電流経路が確実に得られるように、対応させることができる。
【００１９】
一実施例では、ピン５３１−５３２は、所望の効果的密度を得るために、半無作為的なパターンに従ってＣＦＲＰパネル２２０に設置される。例えば、個々のピン５３１−５３２がｘｙ平面に沿って無作為に配置される一方で、重複エリア５２０内における単位面積当たりのピン５３１−５３２の密度は均一又は一定のままとすることができる。したがって、ピン５３１−５３２で強化されたＣＦＲＰパネル２２０は、ＣＦＲＰパネル２２０のうちの別の一つと接合／締結されたとき、所定の最小量の電気的接触が確実に得られるように、製造することができる。
【００２０】
ピン５３１−５３２は、ＣＦＲＰパネル２２０のｚ方向に様々な長さ及び構成を有することもできる。図５に示されるように、ピン５３１−５３２は、層３３０（説明を容易にするため図５に示さない）をＣＦＲＰパネル２２０の上面５１０／５１２から下面５１１／５１３まで電気的に接続するために、ＣＦＲＰパネル２２０の厚み全体を横断することができる。代替的に又は追加的に、ピン５３１−５３２は、ＣＦＲＰパネル２２０の層３３０の一部を電気的に接続するために、ＣＦＲＰパネル２２０の厚みの一部を横断してもよい。したがって、ピン５３１−５３２で強化されたＣＦＲＰパネル２２０は、層３３０間のプライ間エネルギー伝達（例えば、層３３０の繊維配向の差及び異方導電性に起因する）を低減し、したがってＣＦＲＰパネル２２０又は同パネル近くにおいて落雷の結果としてのエッジグロー又は粒子放出の可能性を低減するという技術的利点を提供する。
【００２１】
更に、ピン５３１−５３２は、ＣＦＲＰパネル２２０の上面５１０／５１２及び／又は下面５１１／５１３に露出するか、又は同面から突出することができる。上面５１０／５１２及び／又は下面５１１／５１３におけるピン５３１−５３２の露出のパターンは、ピン５３１−５３２の第１の間隔５６１及び第２の間隔５６２に関して上述したものと同様に、重複エリア５２０内に所望のレベルの電気的接触を確実に得るために、ＣＦＲＰパネル２２０間で対応させることができる。更に、幾つかの実施例では、ピン５３１−５３２は、ファスナ３１０と平行である、及び／又はＣＦＲＰパネル２２０の上面５１０／５１２及び／又は下面５１１／５１３に直交する（例えば、ｚ方向と平行）。しかしながら、ピン５３１−５３２には多数の構成が可能であることが分かるであろう。これらの例について更に後述する。
【００２２】
図６は、別の実施例における、導電ピン５３１−５３２で強化されたＣＦＲＰパネル２２０の側面図６００である。この実施例に示すように、ピン５３１−５３２の各々は、シャンク６３０及びヘッド６４０を含むことができる。シャンク６３０は、通常、ＣＦＲＰパネル２２０のうちの一つの厚みを横断する細長い部材である。ヘッド６４０は、シャンク６３０の末端に取り付けられて、ＣＦＲＰパネル２２０のうちの一つの上側の面、即ち上面５１０／５１２及び／又は下側の面、即ち下面５１１／５１３に露出するか又は同面から突出する。したがって、ＣＦＲＰパネル２２０のピン５３１−５３２は、ＣＦＲＰパネル２２０が適切に締結されるとき、ヘッド６４０が互いに対して接するように、ＣＦＲＰパネル２２０のうちの一つの上面５１０／５１２及び／又は下面５１１／５１３に露出したヘッド６４０のパターン、間隔、及び／又はサイズに従って対応させることができる。代替的に又は追加的に、ピン５３１−５３２は、ピン５３１−５３２の少なくとも一部が直接接触せずに、但し二つのＣＦＲＰパネル２２０が電気的に接続されるために、他方のＣＦＲＰパネルのピン５３１−５３２の十分近くに位置するように構成され得る。
【００２３】
図７は、また別の実施例における、導電ピン７３０で強化されたＣＦＲＰパネル２２０の側面図７００である。この実施例に示されるように、ピン７３０は、第１のＣＦＲＰパネル２２０−１及び第２のＣＦＲＰパネル２２０−２中に、第１のＣＦＲＰパネル２２０−１及び第２のＣＦＲＰパネル２２０−２の厚みを通して穿刺することにより、挿入され得る。つまり、ピン７３０は、ＣＦＲＰパネル２２０が硬化され及び／又はファスナ３１０によって接合された後で、ＣＦＲＰパネル２２０中に設置され得る。図７に示すように、ピン７３０は、種々の終点間を電気的に接続するために、ｚ方向に沿って縦に挿入することができる。このような構成は、種々の層３３０間に電流を有利に分配（説明を容易にするため図７に示さない）し、落雷からの電流を拡散させ、それに起因する損傷の可能性を低下させる。ピン７３０の特徴、可能な構成、及び利点は、ピン４５０及び５３１−５３２に関して上述したものと同様であり、したがってそのような記載は簡潔性のために省略する。
【００２４】
図８は、一実施例における、導電ピン８３０で接続された隣接するＣＦＲＰパネル２２０−３の側面図８００である。この実施例に示されるように、第１のＣＦＲＰパネル２２０−１と隣接するＣＦＲＰパネル２２０−３とは、水平方向に接触／整列させることができる。第１のＣＦＲＰパネル２２０−１と隣接するＣＦＲＰパネル２２０−３とは、ファスナ３１０を介して共通のＣＦＲＰパネル（例えば、第２のＣＦＲＰパネル２２０−２）に接合することもできる。ピン８３０は、第１のＣＦＲＰパネル２２０−１と隣接するＣＦＲＰパネル２２０−３とを電気的に接続するために、ＣＦＲＰパネル２２０中に穿刺され得る。ピン８３０は、通常、ｘｙ平面に沿って長さ方向に配向されるが、電流をＣＦＲＰパネル２２０の種々の層３３０（説明を容易にするため図８に示さない）に拡散するためにｚ方向に沿って異なる位置に終点を有することができる。
【００２５】
図９は、別の実施例における、導電ピン８３０で接続された隣接し合うＣＦＲＰパネル２２０の側面図９００である。この実施例に示されるように、第１のＣＦＲＰパネル２２０−１と第２のＣＦＲＰパネル２２０−２とは、水平方向に接触／整列させることができる。更に、第１のＣＦＲＰパネル２２０−１及び第２のＣＦＲＰパネル２２０−２は、それぞれがそれぞれの上側の面、即ち上面５１０／５１２に沿って金属ホイル９１０／９１２又はメッシュを含む。金属ホイル９１０／９１２は、例えば、銅又はアルミニウムの航空機１００の外板を含み得る。第１のＣＦＲＰパネル２２０−１及び第２のＣＦＲＰパネル２２０−２は、それぞれ第１組のピン９３１及び第２組のピン９３２を更に含む。ピン９３１−９３２の一端はｚ方向に金属ホイル９１０中へと延び、他端はＣＦＲＰパネル２２の下面５１１／５１３に突出し得る。
【００２６】
ファスナ３１０はＣＦＲＰパネル２２０を金属フレーム９５０に接合する。金属フレーム９５０は、例えば、フレーム、リブ、ストリンガ等の航空機１００の構造本体（例えば、アルミニウム、チタニウム等）を含むことができる。ファスナ３１０を締め付けると、金属フレーム９５０はピン９３１−９３２の突出端に押し付けられて、第１のＣＦＲＰパネル２２０−１と第２のＣＦＲＰパネル２２０−２と金属フレーム９５０とを電気的に接続する。幾つかの実施例では、本明細書に記載されるピンは、特定のエリア（例えば、上述の重複エリアに類似のエリア）について、ｚ方向に異なる経路に沿って電流を十分に拡散させるために、ファスナ３１０の近傍に配置される。代替的に又は追加的に、本明細書に記載されるピンのうちの一又は複数は、ファスナ−ＣＦＲＰ境界面以外のエリア内に電流を分散させるように、このような特定のエリアの外側に配置されてもよい。
【００２７】
図１０は、一例における複合材製造環境１０００のブロック図である。図１０によれば、環境１０００は複合材設計システム１０１０を含み、このシステムはＣＦＲＰパネル２２０を設計することができる。複合材設計システム１０１０は、ＣＦＲＰ−ファスナ境界面又は同境界面の近くにおいて所望の強度及び導電性にＣＦＲＰパネル２２０を構成し、自動ファイバ敷設（ＡＦＰ）機１０４０に、前記設計に従ってＣＦＲＰパネル２２０を製造するように指示することができる。
【００２８】
複合材設計システム１０１０は、コントローラ１０１２、インターフェース（Ｉ／Ｆ）１０１４、及びメモリ１０１６を含む。コントローラ１０１２は、Ｉ／Ｆ１０１４を利用して、ＣＦＲＰパネル２２０の作製方法を制限するルール、ＣＦＲＰパネル２２０の幾何学的形状を記述する情報、及び／又は他の情報にアクセスする。Ｉ／Ｆ１０１４は、ネットワーク１０２０を介してサーバ１０３０からこの情報を取得することができる。コントローラ１０１２はまた、メモリ１０１６内部にコントローラ１０１２によって記憶され得るＣＦＲＰパネル２２０の設計を生成する。コントローラ１０１２は例えば、カスタム回路として、プログラムされた命令を実行するプロセッサとして、又はこれらの何らかの組み合わせとして実装され得る。Ｉ／Ｆ１０１４は、データを送信する（例えば、ネットワーク１０２０経由で）ための回路及び／又は構成要素の任意の適切な組み合わせを含む。メモリ１０１６は、ハードディスク、フラッシュメモリ等といった任意の適切なデータ記憶装置を含む。複合材設計システム１０１０の動作の更なる詳細について、図１１を参照して後述する。
【００２９】
図１１は、一実施例における、ＣＦＲＰパネル２２０を製作するための方法１１００を示すフロー図である。方法１１００のステップは、図１の複合材設計システム１０１０を参照して説明されるが、当業者であれば、方法１１００が他のシステムで実施され得ることを理解するであろう。本書に記載のフロー図のステップは、網羅的なものではなく、図示されていない他のステップを含み得る。本書に記載のステップは、代替的な順序でも実施され得る。
【００３０】
ステップ１１０２では、コントローラ１０１２は、接合される第１のＣＦＲＰパネルと第２のＣＦＲＰパネルとを識別する。このために、コントローラ１０１２は、Ｉ／Ｆ１０１４を介してＣＦＲＰパネル２２０のうちの一又は複数の幾何学的形状を示す入力を受け取ることができる。この情報は、どのＣＦＲＰパネルが隣接／近接するかを示すことができ、各ＣＦＲＰパネルの異なる繊維配向のそれぞれ（例えば、最終的な深さ／厚さ及び組成）について、敷設されるプライの予想数を更に含むことができる。
【００３１】
ステップ１１０４では、コントローラ１０１２は、第１のＣＦＲＰパネルと第２のＣＦＲＰパネルとが垂直方向に重なり合うエリアを決定する。ステップ１１０６では、コントローラ１０１２は、第１のＣＦＲＰパネルと第２のＣＦＲＰパネルとを接合するために前記エリア中に挿入されるファスナの位置を決定する。ステップ１１０８では、コントローラ１０１２は、ＡＦＰ機１０４０に対し、複数の導電ピンを前記エリア内のファスナ位置の近位に垂直方向に挿入するように指示する。前記エリアは先述したパネルの重複エリアとすることができる。
【００３２】
ピンは、既に硬化されたＣＦＲＰパネル中に挿入／穿刺することができるか、又はＣＦＲＰパネルのウェットレイアップに挿入／穿刺し、次いでＣＦＲＰパネルと一緒に硬化させることができる。例えば、ＣＦＲＰパネルは、連続的にレイアップ及び硬化されてウェットレイアップと呼ばれるＣＦＲＰパネルを形成するポリマーマトリックス材（例えば、エポキシ又は熱可塑性プラスチックといった熱硬化性樹脂）により結合された層３３０を含む。ＡＦＰ機１０４０は、先述のように、ウェットレイアップ内のファスナ位置周辺に、重複エリア全体に種々のパターンで、ピンを配置することができる。ＣＦＲＰパネルに挿入されるピンの特定の数及び／又は位置は、重複エリアにおけるＣＦＲＰパネルの強度と、ファスナによって提供されるものとは異なるｚ方向への電流経路を提供する重複エリア内の伝導性の所望の広がりとを均衡させる設計事項に従って画定される。幾つかの実施例では、複数のＣＦＲＰパネル又は部品は共硬化され、このことは、それらがレイアップされてからまとめて硬化されることを意味する。
【００３３】
図１１の方法１１００は、有利には、自動方式で、且つ追加の硬化時間を要することなく、上述のパネルの導電性特性を改善する。電光軽減のための以前の技術は二次的作業（例えば、ポリスルフィドのキャップシールでファスナを覆う、エッジ密封剤を適用する、及び／又は既存のパネルを導電性スプライスと結合する）を含み、これは航空機製造の費用及びフロー時間を増大させ、また航空機の寄生重量を不要に増加させる。対照的に、本明細書に記載される、ピンを挿入する構成及び技術は、工場でのフロー時間及び航空機の重量に対する影響を最小化する方式で、ＣＦＲＰ構造内の電流密度の分配をより均一にする。
【００３４】
図面に示される又は本明細書に記載される種々の要素はいずれも、ハードウエア、ソフトウエア、ファームウエア、又はこれらの何らかの組み合わせとして実装され得る。例えば、一つの要素は専用ハードウエアとして実装され得る。専用ハードウエア要素は、「プロセッサ」、「コントローラ」、又は何らかの類似の用語で呼ばれ得る。機能は、プロセッサによって提供される場合、単一の専用プロセッサによって、単一の共有プロセッサによって、又はそのうちの幾つかが共有となりうる複数の個別のプロセッサによって、提供され得る。更に、「プロセッサ」又は「コントローラ」という用語の明示的な使用は、ソフトウエアを実行可能なハードウエアのみを表わすと解釈すべきではなく、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）ハードウエア、ネットワークプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）若しくは他の回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、ソフトウエアを記憶するための読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、不揮発性ストレージ、論理、又は他の何らかの物理的ハードウエアのコンポーネント若しくはモジュールを黙示的に含み得るが、それらに限定されない。
【００３５】
また、一つの要素は、その要素の機能を実施するためにプロセッサ又はコンピュータによって実行可能な命令として実装され得る。命令の幾つかの例は、ソフトウエア、プログラムコード、及びファームウエアである。命令は、プロセッサによって実行されるとき動作可能であり、その要素の機能を実施するようにプロセッサに指示する。命令は、プロセッサによって読み取り可能な記憶デバイスに記憶され得る。記憶デバイスの幾つかの例は、デジタル若しくはソリッドステートメモリ、磁気ディスク及び磁気テープなどの磁気記憶媒体、ハードドライブ又は光学的に読み取り可能なデジタルデータ記憶媒体である。
【００３６】
更に、本開示は、下記の条項による実施例を含む。
条項１．    第１の炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）パネル；
第１のＣＦＲＰパネルと垂直方向に重なり合う第２のＣＦＲＰパネル；
第１のＣＦＲＰパネルと第２のＣＦＲＰパネルとが重なり合うエリア内に垂直方向に延び、第１のＣＦＲＰパネルと第２のＣＦＲＰパネルとを接合するファスナ；及び
ファスナの近位に垂直方向に延びて、第１のＣＦＲＰパネルと第２のＣＦＲＰパネルとが重なり合うエリアにおいて第１のＣＦＲＰパネルと第２のＣＦＲＰパネルとを電気的に接続する、第１のＣＦＲＰパネル及び第２のＣＦＲＰパネルの各々の内部の複数の導電ピン
を備える装置。
条項２．    ピンが：
第１のＣＦＲＰパネルの下面から突出するヘッドを各々が有する、第１のＣＦＲＰパネル内の第１組のピン；及び
第２のＣＦＲＰパネルの上面から突出するヘッドを各々が有する、第２のＣＦＲＰパネル内の第２組のピン
を含む、条項１の装置。
条項３．    第１のＣＦＲＰパネルと第２のＣＦＲＰパネルとが垂直方向に重なり合ってファスナによって接合されるとき、第１組のピン及び第２組のピンが、第１のＣＦＲＰパネルと第２のＣＦＲＰパネルとを電気的に接続するための対応する間隔を有する、条項２の装置。
条項４．    第１組のピン及び第２組のピンのそれぞれの間隔が半無作為である、条項３の装置。
条項５．    ピンが、ファスナと平行であり、且つ第１のＣＦＲＰパネル及び第２のＣＦＲＰパネルの炭素繊維の層に直交している、条項１の装置。
条項６．    第１のＣＦＲＰパネルと第２のＣＦＲＰパネルとは、第１のＣＦＲＰパネル及び第２のＣＦＲＰパネルの各々の終端が垂直方向に重なり合うように、ずれている、条項１の装置。
条項７．    ピンが、第１のＣＦＲＰパネル及び第２のＣＦＲＰパネル中に、第１のＣＦＲＰパネル及び第２のＣＦＲＰパネルの厚みを通して穿刺することにより挿入される、条項１の装置。
条項８．    ピンが、第１のＣＦＲＰパネルと第２のＣＦＲＰパネルとのウェットレイアップ中に、第１のＣＦＲＰパネル及び第２のＣＦＲＰパネルの硬化に先立ち挿入される、条項１の装置。
条項９．    接合される第１の炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）パネルと第２のＣＦＲＰパネルとを識別すること；
第１のＣＦＲＰパネルと第２のＣＦＲＰパネルとが垂直方向に重なり合うエリアを決定すること；
第１のＣＦＲＰパネルと第２のＣＦＲＰパネルとを接合するために、ファスナが前記エリア内に垂直方向に挿入される位置を決定すること；及び
複数の導電ピンを、ファスナ位置の近位で垂直方向に前記エリア内に挿入すること
を含む方法。
条項１０．    第１のＣＦＲＰパネル及び第２のＣＦＲＰパネルの各々のウェットレイアップ中にピンを挿入すること；並びに
第１のＣＦＲＰパネル及び第２のＣＦＲＰパネルをピンと一緒に硬化させること
を更に含む、条項９の方法。
条項１１．    ピンを、第１のＣＦＲＰパネル及び第２のＣＦＲＰパネル中に、第１のＣＦＲＰパネル及び第２のＣＦＲＰパネルの厚みを通して穿刺することにより挿入することを更に含む、条項９の方法。
条項１２．    第１のＣＦＲＰパネルと第２のＣＦＲＰパネルとが、第１のＣＦＲＰパネル及び第２のＣＦＲＰパネルの各々の終端が垂直方向に重なり合うように、ずれている、条項９の方法。
条項１３．    ピンが、ファスナと平行であり、且つ第１のＣＦＲＰパネル及び第２のＣＦＲＰパネルの炭素繊維の層に直交している、条項９の方法。
条項１４．    ピンが：第１のＣＦＲＰパネルの下面から突出するヘッドを各々が有する第１のＣＦＲＰパネル内の第１組のピン、及び第２のＣＦＲＰパネルの上面から突出するヘッドを各々が有する第２のＣＦＲＰパネル内の第２組のピンを含み；
第１のＣＦＲＰパネルと第２のＣＦＲＰパネルとが垂直方向に重なり合ってファスナによって接合されるとき、第１組のピン及び第２組のピンが、第１のＣＦＲＰパネルと第２のＣＦＲＰパネルとを電気的に接続するために対応する間隔を有する、条項９の方法。
条項１５．    航空機のための複合材構造であって：
互いに対して水平方向に隣接する複数の炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）パネルを含み、各ＣＦＲＰパネルは：
メッシュホイルを有する上面；
ＣＦＲＰパネルの下面の近位に位置する航空機の金属フレームにＣＦＲＰパネルを固定するように構成された、ＣＦＲＰパネルを通して垂直方向に挿入されるファスナ；及び
メッシュホイルと航空機の金属フレームとを電気的に接続するための、垂直方向に延びる複数の導電ピン
を含む複合材構造。
条項１６．    ピンが、ファスナを締め付ける前にはＣＦＲＰパネルの下面を越えて延びるが航空機の金属フレームに接することがなく、
ファスナを締め付けた後で航空機の金属フレームに接する、
条項１５の複合材構造。
条項１７．    ピンが、ＣＦＲＰパネルを穿刺することにより設置される、条項１５の複合材構造。
条項１８．    複合材構造が航空機の翼を含む、条項１５の複合材構造。
条項１９．    ピンが、ファスナと平行であり、且つＣＦＲＰパネルの複合材層に直交している、条項１５の複合材構造。
条項２０．    隣接し合うＣＦＲＰパネルを電気的に接続するために、垂直方向に直交する方向に水平方向に延びる別の複数の導電ピンを更に備える、条項１５の複合材構造。
【００３７】
具体的な実施例を本明細書に記載したが、本開示の範囲はそれら具体的な実施例に限定されない。本開示の範囲は、特許請求の範囲及びそのすべての均等物によって規定される。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【外国語明細書】
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