(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料（５４）同士を接合する方法であって、
対象物（１２）の表面（１６）における硬化領域内で２つの材料（５４）間に熱硬化性接着剤を配置して接合界面（２２）を規定することと、
前記接合界面（２２）を音波で加熱することと、
前記接合界面（２２）における前記熱硬化性接着剤がその硬化温度に所定の保持時間以上保持されることにより、前記熱硬化性接着剤が硬化して前記２つの材料（５４）が接合されたことを確認することと、
前記所定の保持時間が経過した後、前記２つの材料（５４）の間の接合が強度低下又は損傷しない所定の低下率で前記接合界面（２２）における温度を低下させることと、を含む、方法。
【請求項２】
前記接合界面（２２）を加熱することは、超音波を印加することと、当該超音波を１つ又は複数の圧電ヒーターから出射することと、を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
温度センサー（３２）を用いて前記接合界面（２２）の温度を測定することと、当該測定温度に基づいて、前記１つ又は複数の圧電ヒーターからの超音波の出射を調節することと、をさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記接合界面（２２）は、前記表面（１６）における窪み又は前記硬化領域の壁部を貫通する穴を含む表面部分（１６）に隣接する、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
複合材料（１４）の複数の層（６２）を互いに接合することによって、前記表面部分（１６）用のパッチ（６０）を形成することをさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記接合界面（２２）を加熱することは、前記１つ又は複数の圧電ヒーターを三次元空間で移動させることを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記接合界面（２２）を加熱することは、前記１つ又は複数の圧電ヒーターから出射される音波の相対的な位相を調節することを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項８】
前記接合界面（２２）を規定することは、対象物（１２）の表面（１６）であって、修理すべき変異部（４６）を含む表面（１６）に接合領域（４２）を規定することと、前記変異部（４６）に隣接させてパッチ材料（６０）を設けることと、を含み、
前記接合界面を加熱することは、少なくとも１つの超音波圧電ヒーターを前記接合領域（４２）の近傍に配備することと、前記パッチ（６０）が前記対象物（１２）に適切に接合されるまで、前記少なくとも１つの圧電ヒーターから前記接合領域（４２）に超音波を出射することと、を含む、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
第１圧電ヒーターからの超音波と第２圧電ヒーターからの超音波との位相差を制御することをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
少なくとも１つの圧電ヒーターを空間的な三次元で移動させることをさらに含み、当該移動は、前記出射と同時に実行される、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
加熱変数を、有限要素アルゴリズムを用いて前記接合領域（４２）の温度応答をモデル化することによって決定することをさらに含む、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
材料（５４）同士を接合するための装置（１０）であって、
規定された硬化領域内で２つの複合材料（１４）同士を熱硬化性接着剤を介して接合させるために超音波を出射するように構成された少なくとも１つの圧電ヒーターと、
前記超音波を前記硬化領域に向けるように構成された支持構造体（１２３）と、
前記硬化領域内の複合材料（１４）の温度を監視するための温度センサー（３２）と、
前記センサーからの温度情報に基づいて、前記ヒーターの特性を調整するように構成された制御部（３０）と、を備え、
前記制御部（３０）は、前記温度センサー（３２）からの測定温度を用いることにより、前記硬化領域における前記熱硬化性接着剤がその硬化温度に所定の保持時間以上保持されて、前記熱硬化性接着剤が硬化して前記２つの材料（５４）が接合されたことを確認するとともに、前記所定の保持時間が経過した後、前記２つの材料（５４）の間の接合が強度低下又は損傷しない所定の低下率で前記硬化領域における温度を低下させるように、制御を行う、装置（１０）。
【請求項１３】
前記支持構造体（１２３）は、１対の可撓性の軌条と、前記可撓性の軌条に沿って移動するように構成されたレールと、を有する並進アセンブリ（２４）を含み、前記少なくとも１つの圧電ヒーターは、前記レールに取り付けられている、請求項１２に記載の装置（１０）。
【請求項１４】
前記支持構造体（１２３）は、前記少なくとも１つの圧電ヒーターを三次元で移動させることができる並進アセンブリ（２４）を有する、請求項１２に記載の装置（１０）。
【請求項１５】
前記温度センサー（３２）は、前記硬化領域内の１つ又は複数の位置の温度を測定するように構成された赤外線カメラを含む、請求項１２〜１４のいずれかに記載の装置（１０）。
【請求項１６】
前記制御部（３０）は、前記圧電ヒーターからの超音波の出射を調整するように構成されている、請求項１２〜１５のいずれかに記載の装置（１０）。
【請求項１７】
前記制御部（３０）は、前記圧電ヒーターの前記硬化領域に対する相対位置を調整するように構成されている、請求項１２〜１６のいずれかに記載の装置（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、複合材料に関し、より具体的には、複合材料の接合部を加熱するための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複合材料は、通常、物理的又は化学的特性が著しく異なる２つ又はそれ以上の構成材料によって形成されている。一般的には、構成材料は、樹脂（例えば、熱硬化性エポキシ樹脂）などの母材（すなわち結合材料）と、複数の繊維（例えば、炭素繊維の織物層）などの補強材と、を含んでいる。これらの構成材料が組み合わされると、一般的には、形成された複合材料の完成構造内において、その構成材料は個別の状態を概ね維持するにも拘わらず、複合材料は、個々の構成材料とは異なる特性を有することになる。炭素繊維強化ポリマーは、このような複合材料の一例である。
【０００３】
複合材料は、多くの理由で好まれる。例えば、複合材料は、従来の材料よりも強度が高かったり、軽量であったりする。このため、複合材料は、乗り物（例えば、航空機、自動車、ボート、自転車、及び／又はそれらの部品）、及び、乗り物ではない構造物（例えば、建物、橋、スイミングプールパネル、シャワー室、浴槽、貯蔵タンク、及び／又はそれらの部品）など、様々な物の製造に、一般的に用いられている。
【０００４】
これらの複合材料は、時折損傷することがある。この場合、損傷した複合材料全体を交換するよりも、修理する方が好ましい場合がある。現在のところ、複合材料の修理は、ヒートブランケット（heat blankets）を用いて行われており、このようなヒートブランケットは、既存の複合材料の損傷箇所に対して、母材を局所的に（すなわち、その場で）硬化させるものである。しかし、ヒートブランケットを使用することに関しては、例えば、加熱が均一でない、加熱位置がずれる、加熱速度が遅い、硬化時間が長い、熱暴走（thermal runaways）が発生する、十分な温度制御ができない、などの様々な問題がある。
【発明の概要】
【０００５】
材料同士を接合する方法は、対象物の表面における硬化領域内で２つの材料間に接合界面を規定することと、前記接合界面を音波で加熱することと、を含む。
【０００６】
材料同士を接合する別の方法は、対象物の表面に接合領域を規定することにより、接合界面を規定することを含む。当該表面は、修理すべき変異部を含む。前記変異部に隣接させてパッチ材料を設ける。前記接合界面を加熱することは、少なくとも１つの超音波圧電ヒーターを配備することを含む。前記少なくとも１つの圧電ヒーターは、前記パッチが対象物に適切に接合されるまで、前記接合領域に超音波を出射する。
【０００７】
材料同士を接合するための装置は、規定された硬化領域内で複合材料同士を接合させるために超音波を出射するように構成された少なくとも１つの圧電ヒーターを含む。前記装置は、前記超音波を前記硬化領域に向けるように構成された支持構造体と、前記硬化領域内の複合材料の温度を監視するための温度センサーと、を含む。前記装置は、前記センサーからの温度情報に基づいて、前記ヒーターの特性を調整するように構成された制御部を含む。
【０００８】
本開示は、種々の装置と、その使用方法を提供する。いくつかの実施形態において、装置は、加熱装置と並進アセンブリとを有する。いくつかの実施形態において、前記加熱装置は、超音波加熱装置であり、例えば、１つ又は複数の圧電ヒーターなどである。いくつかの実施形態において、前記並進アセンブリは、前記加熱装置を、表面に対して実質的に平行な少なくとも１つの方向と、前記表面に対して実質的に垂直な方向と、に沿って移動させることができる可撓性軌道システムを含む。特徴、機能、及び、利点は、本願の開示の様々な実施形態によって個別に達成することができ、あるいは、さらに他の実施形態と組み合わせてもよく、そのさらなる詳細は、以下の記載及び図面を参照することによって明らかになるものである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】例示的な装置及び例示的な対象物のブロック図である。
【図２】損傷した外表面及び損傷した内表面を有する航空機の図である。
【図３Ａ】図２の損傷外表面の断面図である。
【図３Ｂ】パッチで修理するための準備が施された損傷外表面の断面図である。
【図３Ｃ】パッチと損傷外表面との間の接合界面を加熱するめに損傷外表面に隣接配置されたヒーターを含む装置の概略図である。
【図３Ｄ】図３Ｃに類似しているが、硬化された状態の接合界面を示す概略図である。
【図４Ａ】別の損傷表面の断面図である。
【図４Ｂ】一対の対向するパッチで修理するための準備が施された、図４Ａの損傷表面の断面図である。
【図４Ｃ】再構成された状態の図３Ｃの装置、及び、図３Ｃの装置に類似の第２装置の概略図であり、これらの装置が、図４Ｂに示した、準備済み損傷表面にそれぞれ隣接配置され、パッチと準備済み損傷表面との間の接合界面を加熱する状態を示している。
【図５】図３Ｃの装置の２つを位相配列のヒーターとして機能するように再構成された状態の概略図である。
【図６Ａ】図３Ｃの装置の半概略斜視図であり、温度センサーと、ヒーターを三次元で移動させるための並進アセンブリと、を示している。
【図６Ｂ】図３Ｃの装置を図６Ａの６Ｂで切断した半概略断面図であり、並進アセンブリ、超音波ヒーター、及び、温度センサーを示している。
【図７】修理パラメータを決定する方法を示すフローチャートである。
【図８】例示的な接合硬化サイクルのチャートである。
【図９】超音波加熱段階、保持段階、及び、冷却段階を含む、材料を接合する方法を示すフローチャートである。
【図１０】超音波加熱段階のためのフィードバックループの一実施形態によって行われる操作を示す図である。
【図１１】保持段階のためのフィードバックループの一実施形態によって行われる操作を示す図である。
【図１２】冷却段階のためのフィードバックループの一実施形態によって行われる操作を示す図である。
【図１３】別の材料接合方法を示すフローチャートである。
【図１４】さらに別の材料接合方法を示すフローチャートである。
【図１５】例示的なデータ処理システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
＜概要＞
材料を接合するための装置及び方法の様々な実施形態が、以下に説明され、関連する図に示されている。特に指定のない限り、装置や方法、及び／又は、それらの様々な部品や工程は、本明細書に記載され、図示され、及び／又は、組み込まれた構造、部品、機能、変形例の少なくとも１つを含みうるが、必須ではない。また、装置及び方法に関連させて本明細書に記載され、図示され、及び／又は、組み込まれた構造、部品、機能、変形例は、他の同様の装置又は方法に含まれうるが、必須ではない。様々な実施形態の以下の説明は、単に例示的な性質のものであり、本開示やその適用例又は用途をなんら限定することを意図するものではない。また、実施形態によってもたらされる利点を以下に説明しているが、これらは、例示的な性質のものであり、すべての実施形態が同じ利点や同じ程度の利点をもたらすとは限らない。
【具体的な実施例】
【００１１】
＜実施例１＞
この実施例は、対象物に材料を接合するための例示的な装置を説明するものであり、図１を参照を参照する。
【００１２】
図１は、概括的に符号１０で示す装置、及び、概括的に符号１２で示す対象物の模式図である。対象物１２は、複合材料１４によって形成された部品を含む。複合材料１４は、表面部分１６を含む。装置１０は、複合材料１４に接続された状態にて、新設部分１８を表面部分１６に接合するものである。いくつかの実施形態において、表面部分１６は、複合材料１４における欠陥であり、この場合は、新設部分１８は修理パッチであり、新設部分１８を複合材料１４に接合する前に、表面部分１６に対して準備処理又は改変処理が施される。
【００１３】
装置１０は、超音波ヒーター２０を含む。例えば、超音波ヒーター２０は、１つ又は複数の圧電ヒーターを備えうる。超音波ヒーター２０は、超音波を出射して、新設部分１８と表面部分１６との間の接合界面２２を加熱するように構成されている。接合界面２２は、熱硬化性（thermo-curable又はthermo-setting）母材の層などの複合材料の接合部を含む。超音波ヒーター２０は、接合部を適切に加熱することによって当該接合部を硬化し、これによって、新設部分１８を既存の複合材料１４に接合することができる。
【００１４】
装置１０は、並進アセンブリ２４を含む。並進アセンブリ２４は、超音波ヒーター２０を、新設部分１８、表面部分１６、あるいは、複合材料１４に対する超音波ヒーターの物理的な接触を保ちつつ移動させることができる。並進アセンブリ２４は、超音波ヒーターを、複合材料１４の表面に対して実質的に平行な１つ又は複数の方向２６に沿って移動させることができ、超音波ヒーターの移動中も、超音波ヒーター２０が当該表面に物理的に接触した状態を保つことができる。並進アセンブリ２４は、超音波ヒーター２０を、複合材料１４の表面に対して実質的に垂直な方向２８に沿って移動させることができる。並進アセンブリ２４は、超音波ヒーターが新設部分１８、表面部分１６、複合材料１４と接触しない位置から、超音波ヒーターが新設部分１８、表面部分１６、複合材料１４のいずれかと接触する位置へ超音波ヒーターを移動させることができる。並進アセンブリ２４は、超音波ヒーターが新設部分１８、表面部分１６、あるいは複合材料１４のいずれかと接触状態にある間、新設部分１８、表面部分１６、又は、複合材料１４に対する超音波ヒーターの接触力を増加させたり、減少させたりできる。並進アセンブリは、装置１０を対象物１２に機能的に結合させうる。並進アセンブリ２４は、装置１０を対象物１２に着脱可能に結合させうる。並進アセンブリ２４は、超音波ヒーターを対象物に対して相対的に移動させたり、超音波ヒーターを対象物に対して相対的に静止状態に保持したりしうる。並進アセンブリ２４は、超音波ヒーターの移動状態と静止状態とを交互に行ったり、状態切り替えをおこなったりできる。
【００１５】
装置１０は、制御部３０、温度センサー３２、及び、モデリングモジュール（modeling module）３４を含む。制御部３０は、超音波ヒーター２０、並進アセンブリ２４、温度センサー３２、及び、モデリングモジュール３４と通信可能である。超音波ヒーターは、制御部３０からの通信に応じて、複数の加熱パラメータのいずれでも変更可能である。そのような加熱パラメータには、超音波ヒーターから出射される音波の周波数、超音波ヒーターから出射される音波の振幅、超音波ヒーターから出射される音波の位相、超音波ヒーターから出射される音波の方向、及び、超音波ヒーターが複数の加熱素子を有する場合には、１つ又は複数の加熱素子から出射される音波における位相差、が含まれうるが、これに限定されない。並進アセンブリ２４は、制御部３０からの通信に応じて、超音波ヒーター２０を１つ又は複数の方向に移動させたり、材料に対する超音波ヒーターの接触力を変更したりする。
【００１６】
温度センサー３２は、新設部分１８、表面部分１６、あるいは、複合材料１４の近傍の１つ又は複数の位置の温度を測定するように構成されている。例えば、温度センサー３２は、露出表面の温度を測定するように構成された熱電対又は赤外線検出器を含んでいてもよい。制御部３０は、センサー３２による測定温度に応じて１つ又は複数の加熱パラメータを変更してもよい。
【００１７】
モデリングモジュール３４は、新設部分１８と、表面部分１６と、接合界面２２と、表面部分に近接する複合材料１４との１つ以上について、これらのいずれかが超音波ヒーター２０が生成する熱に晒された場合の温度応答を数学的にモデル化するように構成されている。モデリングモジュール３４が受け取る入力には、例えば、新設部分、表面部分、又は、複合材料を構成する材料、関連する材料のいずれかの物理的特性あるいは熱的特性、温度センサー３２による測定温度、現在の硬化サイクル段階（例えば、図８を参照）、可視光カメラからの情報、装置１０のユーザーからの情報、関連する材料の境界条件、超音波ヒーター２０の現在の加熱パラメータ、超音波ヒーター２０に適用可能な加熱パラメータの範囲、超音波ヒーター２０の現在の位置ほかのうちの１つ以上がある。モデリングモジュール３４は、このモデル化を、新設部分１８又は複合材料１４の加熱に先立って行ってもよい。あるいは、モデリングモジュール３４は、このモデル化を、新設部分又は複合材料への加熱と実質的に同時に行ってもよい。制御部３０は、モデリングモジュール３４による算出結果に応じて、超音波ヒーター２０の１つ又は複数の加熱パラメータを変更しうる。制御部３０は、モデリングモジュール３４による算出結果に応じて、並進アセンブリ２４に超音波ヒーターの位置及び／又は接触力を変更させてもよい。
【００１８】
＜実施例２＞
この実施例は、対象物に材料を接合するための例示的な他の装置を説明するものであり、図２〜図６を参照する。
【００１９】
図２は、例示的な対象物４０を示している。対象物４０は、胴体外板、翼外板、フレーム、複数の床梁、及び／又は、複数の水平安定板など、１つ又は複数の部材を含む。これら１つ又は複数の部材は、１つ又は複数の複合材料によって形成されていてもよく、この複合材料は、例えば、積層材、ハニカム材料、及び／又は、本明細書に援用される米国特許第８，４９０，３４８号及び第８，６４２，１６８号に記載されている様々な例示的な複合材料のうちの１つ又は複数であってもよい。図２では、対象物４０として飛行機を示しているが、対象物は、自動車や建物などの任意の適当な構造体であってもよい。
【００２０】
場合によっては、対象物の一部に接合（又は硬化）領域を規定することが望ましい。例えば、対象物４０の部材の１つの既存の表面部分に新設の表面部分を加えるために、接合領域を規定することが望ましい場合がある。新設の表面部分の例としては、補強の目的で追加する層、及び／又は、別の部分をさらに取り付けるために新設するフランジがある。この実施例においては、欠陥（すなわち変異部又は損傷部）４６などの既存の表面部分を修理するため、対象物４０の外表面４４に接合領域４２を規定することが望ましい。これに加えて、又はこれに代えて、欠陥５２を修理するために、対象物４０の内表面５０に接合領域４８を規定することが望ましい場合がある。欠陥４６及び／又は欠陥５２は、例えば、衝撃（例えば、技術者が表面に工具を落としたことや、他の物体との衝突による）、減圧応力、又は、火災による損傷の結果、生じうる。対象物４０を安全に作動させるために、欠陥４６又は５２のいずれかの修理が必要な場合がある。また、これらの欠陥のいずれかが外観上の欠陥であって必ずしも修理を必要としないが、やはり修理が望ましい場合もある。
【００２１】
図３Ａは、符号５４で示す複合材料の表面４４における欠陥４６の断面図である。材料５４は、熱硬化性接着剤又は既に硬化されたエポキシ樹脂などの既存の母材５６と、複数の炭素繊維織物層などの既存の強化材５８とを含む積層体であってもよい。図３Ａでは、欠陥４６は、表面４４に形成された、強化材５８の複数の層を貫通する窪み（又は割れ目）として示されている。他の例において、欠陥は、複合材料５４の、より少ない部分又はより多くの部分を貫通するものであってもよい。例えば、欠陥は、表面４４にできた傷の場合もあり、複合材料を完全に貫通する穴（例えば図４Ａに示したようなもの）の場合もある。
【００２２】
修理のための欠陥４６の準備処理は、複合材料５４の一部を（例えば、欠陥４６に近接する材料５４を研磨及び／又は研削することによって）除去することを伴ってもよい。例えば、欠陥４６の準備処理は、図３Ｂに示すように、損傷部分をテーパー状にすることを含んでもよい。好ましくは、欠陥４６の縁部を約３０：１のテーパー比で（例えば、縁部の配向が表面４４の配向とは約１．５度だけ異なるように）テーパー状にしてもよい。次に、欠陥４６を、認可された溶剤で洗浄してもよい。
【００２３】
パッチ（又はパッチ材料）６０は、複合材料の複数の修理層６２を互いに接合することによって形成することができる。層６２は、母材層と強化材層とを交互に含んでいてもよいし、任意の他の適当な材料の組み合わせであってもよい。
【００２４】
パッチ６０は、欠陥４６に隣接配置される。例えば、接着フィルム６４の層は、第１及び第２位置決め用織物層６６、６８の間に配置される。フィルム６４は、熱硬化性接着剤などの母材であってもよい。層６６、６８は、例えば、プレプリグなどの補強材のシートであってもよく、これは、織物繊維の間に接着フィルム６４の浸透が可能な隙間あるいは空隙を有するものでもよい。例示的な一実施形態では、層６６、６８は、少なくとも０．２％、２．０％、５．０％、７．０％、又は、１０．０％の多孔度を有し、接着フィルム６４の浸透が可能な、例えばＫｅｖｌａｒ（登録商標）などのプレプリグを含むものであってもよい。フィルム６４及び層６６、６８を欠陥４６に配置し、これによって層６８が欠陥４６に接触するようにする。次に、パッチ６０を、欠陥４６に配置する（例えば、これによってパッチ６０が層６６に接触するようにする）ことによって、図３Ｃに示すように、パッチ６０と複合材料５４との間に接合界面７０を規定する。フィルム６４は、層６６に浸透することによってパッチ６０に接触し、層６８に浸透することによって複合材料５４に接触することになる。
【００２５】
図３Ｃに概括的に符号１１０で示す装置は、接合界面７０を加熱するために用いられる。装置１１０は、超音波を接合界面７０及び接合界面７０に近接する他の材料に向けることによって、接合界面７０を加熱する。
【００２６】
装置１１０は、回路１１２、超音波ヒーター１２０、及び、支持構造体１２３を含む。支持構造体１２３は並進アセンブリ１２４を含み、並進アセンブリは、表面４４に対して実質的に平行な１つ又は複数の方向１２６と、表面４４に対して実質的に垂直な方向１２８と、に沿って超音波ヒーターを移動させることができる。回路１１２は、制御部１３０、温度センサー１３２、モデリングモジュール１３４、及び、電源１３６を含む。超音波ヒーター１２０は、超音波を接合領域４２に向けて導いて接合界面７０を加熱する。制御部１３０は、超音波ヒーター１２０の加熱パラメータ群を制御するために用いられる。並進アセンブリ１２４は、制御部１３０との通信に応じて、超音波ヒーター１２０を最大で三次元の空間的な次元で移動させる。装置１１０は、パッチ６０が対象物の複合材料５４に、図３Ｄに示すように適切に接合されるまで、接合領域４２に対して超音波を出射することができる。
【００２７】
支持構造体１２３は、超音波ヒーター１２０をパッチ６０あるいは複合材料５４の表面近傍に保持するための任意の適当な手段を含み、これにより、超音波ヒーター１２０が出射する音波を接合界面に向けることができる。並進アセンブリ１２４は、超音波ヒーター１２０をパッチ６０あるいは複合材料５４の表面近傍で移動させるための任意の適当な手段を含む。図３Ｃに示す実施形態では、並進アセンブリ１２４は、第１軌条１４０を支持する第１組のタワー１３８を含む。第１軌条と第１組のタワーとは、図３Ｃに示す方向１２６及び１２８に対して実質的に垂直な方向に、つまり、図３Ｃの紙面に対して実質的に垂直な方向に延びている。並進アセンブリ１２４は、第２軌条１４４を支持する第２組のタワー１４２を含む。第２軌条１４４及び第２組のタワー１４２は、図３Ｃに示す方向１２６及び１２８に対して実質的に垂直な方向に延びている。第１軌条１４０及び第２軌条１４４は可撓性であってもよく、これにより、完全に平坦ではなく、ある程度の曲面を含む表面４４に対しても適合可能である。並進アセンブリ１２４は、第１軌条１４０及び第２軌条１４４に支持されるクロスバー１４６を含む。クロスバー１４６は、方向１２６及び１２８に対して実質的に垂直な方向に沿って、つまり、軌条１４０及び１４４の長さに沿って移動可能である。並進アセンブリ１２４は、クロスバー１４６の方向１２６に沿って移動可能な並進サブアセンブリ１４８を含む。並進サブアセンブリ１４８は、超音波ヒーター１２０に取り付けられており、よって、並進サブアセンブリが方向１２６に沿って移動すると、超音波ヒーター１２０も方向１２６に沿って移動する。超音波ヒーター１２０が、クロスバー１４６に沿って方向１２６に往復移動可能であり、クロスバー１４６が、方向１２６に対して実質的に垂直で、且つ、表面４４に平行な方向に往復移動可能であれば、超音波ヒーター１２０は、複合材料５４の表面に対して実質的に平行な二次元で移動可能である。パッチ６０と、パッチ６０に近接する複合材料５４の表面４４とにより修理領域１５０が規定されるのであれば、並進アセンブリ１２４によって、超音波ヒーター１２０を修理領域１５０のどの位置にでも移動させることができる。並進サブアセンブリ１４８は、表面４４に対して実質的に垂直な方向１２８に沿って超音波ヒーター１２０を移動させることができるアクチュエータ（図示せず）を含む。アクチュエータ１５２により、ヒーターがクロスバー１４６に沿って移動、あるいは、クロスバー１４６が第１軌条１４０及び第２軌条１４４に沿って移動する際も、平坦でない表面４４に対して超音波ヒーター１２０が接触を保つことが可能になる。超音波ヒーターが修理領域に接触するとヒーターから修理領域に印加される接触力が、アクチュエータ１５２により調節される。アクチュエータ１５２は、超音波ヒーター１２０を、超音波ヒーターが修理領域１５０に接触する位置から、超音波ヒーターが修理領域に接触しない位置へ移動させる。クロスバー１４６及び並進サブアセンブリ１４８の移動及びアクチュエータ１５２の起動は、制御部１３０からの通信に応答して行われてもよい。なお、対象物の近傍にヒーターを支持したり、対象物の表面近くでヒーターを三次元で移動させたりすることが可能な支持構造体及び並進アセンブリは、多数存在する。
【００２８】
超音波ヒーター１２０は、１つ又は複数の圧電加熱素子を備えうる。１つ又は複数の圧電加熱素子は、変動する電位差を機械的振動に変換する圧電単結晶を含んでもよい。あるいは、１つ又は複数の圧電加熱素子は、積層型圧電結晶を含んでもいてもよい。個々の結晶は、小さいもので２．５ｍｍ、大きいもので５０ｍｍであってもよい。大型の圧電単結晶や積層型の結晶を駆動するには、より大きな電位差が必要となる。加熱パラメータは、想定される修理によって決定されうる。つまり、圧電加熱素子が出射する音波について要求される出力及び周波数は、例えば、修理箇所の大きさ、修理箇所の深さ、修理箇所に関連する材料、及び、関連する材料の境界条件など、修理に関連する要因に鑑みて決定されうる。使用する個々の圧電加熱素子を、特定の修理あるいは特定の種類の修理に適合させてもよい。例えば、複合材料には固有周波数があり、固有周波数の音波で駆動すると、材料は比較的大きな振幅で振動する。材料を固有周波数で駆動すると、他の周波数の音波で駆動する場合よりも、材料の温度を効率的に上昇させることができる。各種材料の固有周波数は、材料そのもの、材料がおかれている物理的環境、材料に印加される音波の特性に依存する。
【００２９】
回路１１２は、少なくとも１つの温度センサー１３２、制御部（あるいは電力制御部）１３０、モデリングモジュール１３４、及び、電源１３６を含む。センサー１３２は、接合領域４２内の１つ又は複数の位置の温度を測定するように構成されている。例えば、センサー１３２は、パッチ６０の露出表面温度、接合界面７０の露出表面温度、及び／又は、閉鎖されたチャンバー内の表面４４の露出表面温度を測定するように構成された熱電対又は赤外線検出器、を含みうる。センサー１３２の測定値を利用することによって、接合界面７０に印加される音波の量を調節（及び／又は監視）することができ、実施形態によっては、熱暴走を回避することができる。制御部１３０は、超音波ヒーター１２０を選択的に作動させるように構成されている。例えば、制御部１３０は、センサー１３２からの測定温度に基づいて、電源１３６から超音波ヒーターに供給される電力を調節し、これによって、接合界面７０の加熱速度を調節するように構成されている。ヒーター１２０に供給される電力を調節することは、ヒーターのデューティサイクルを調節する（例えばヒーター１２０をオンオフする周波数を調節することによって加熱速度を調節する）こと、音波の出射周波数を調節する（例えば、音波の周波数を調節することによって加熱速度を調節する）こと、及び／又は、音波の振幅を調節する（例えば、音波の振幅を調節することによって加熱速度を調節する）こと、を含んでいてもよい。制御部は、センサー１３２からの測定温度に基づいて、並進アセンブリ１２４に超音波ヒーター１２０を異なる位置へ移動させてもよい。
【００３０】
回路１１２は、データ処理システム（例えば、図１５に示したようなもの）を含み、当該システムは、１つ又は複数のフィードバックループ（例えば、図１０〜図１２に示したようなもの）を実行することによって、接合界面７０を加熱する加熱速度を調節、及び／又は、監視する。いくつかの実施形態では、制御部１３０は、１つ又は複数のフィードバックループを実行するようにプログラムされる。
【００３１】
圧電加熱素子は、圧電効果により電気信号を機械的振動に変換する。この効果は、逆方向にも機能する。つまり、多くの圧電加熱素子は、機械的振動を電気信号に変換することもできる。したがって、単一の圧電加熱素子により、対象物に音波を送出するエミッターとしての機能と、材料を透過した音波を検出する検出器としての機能と、の両方が可能である。この基本原理は、医療分野において超音波映像装置に利用されている。そのような装置には、音波の送出専用の圧電素子と、反射された音波の受信専用の別の圧電素子を有するものと、上述のように、パルス反射法により音波の送出及び受信の両方に圧電素子を共用するものとがある。超音波ヒーター１２０はそのように用いられて、対象物あるいは修理領域に音波パルスを送出し、受信する。受信パルスは、回路１１２のデータ処理システムによって分析される。
【００３２】
いくつかの実施形態では、装置１１０はコンピューター制御可能である。例えば、回路１１２のデータ処理システムは、ユーザーが加熱プログラムを定義することが可能なように構成してもよい。加熱プログラムは、接合界面７０を正確に加熱することができるように、特定の時間及び／又は接合領域４２内の特定のサブ領域用の、特定の温度に対応するコンピューター可読命令を含んでいてもよい。加熱プログラムは、接合領域４２の近傍における、対象物の熱調査（thermal survey）に基づいて定義されてもよい。いくつかの実施形態においては、ユーザーが加熱プログラムを手動で定義するのではなく、予め規定された（すなわち予め決められた、又は予めプログラムされた）複数の加熱プログラムの中からユーザーが加熱プログラムを選択することができるように、データ処理システムが構成される。いくつかの実施形態においては、デジタルコンピューター支援製図（ＣＡＤ：computer aided drafting）モデルなどの幾何学的データセットをユーザーが入力することができるように、データ処理システムが構成される。幾何学的データセットは、接合領域４２の近傍の対象物部分に対応するものであってもよい。データ処理システムは、幾何学的データセットに基づいて、対応する又は最適な加熱プログラムを、決定、選択、及び／又は、推奨するものであってもよい。いくつかの実施形態では、回路１１２のデータ処理システムは、モデリングモジュール１３４を含む。モデリングモジュール１３４は、接合領域、接合界面、修理領域、パッチ６０、複合材料５４、及び／又は、その他における温度応答を数学的にモデル化する。加熱プログラムは、部分的にはモデリングモジュール１３４による演算に基づいて定義されてもよい。加熱プログラムは、加熱の開始に先立って定義されてもよいし、加熱処理中に更新あるいは変更されてもよい。モデリングモジュール１３４は、接合界面の加熱に用いる音波について要求される出力、周波数、その他のパラメータを決定することができ、よって、圧電加熱素子の選択に影響を与えうる。
【００３３】
図３Ｄは、パッチ６０が複合材料５４に十分に接合されるように適切に加熱された後の接合界面７０を示しており、これは硬化状態の接合界面７０に相当する。
【００３４】
回路１１２は、接合界面７０が適切に加熱されたことを判定するように構成されていてもよい。回路１１２は、適切に加熱されたとの判定に応じて、ヒーター１２０の作動を停止することができる。回路１１２は、適切に加熱されたとの判定をユーザーに報知するように構成されていてもよい。回路１１２は、ヒーター１２０の作動が停止し、音波がもはや出射されていないことをユーザーに報知するように構成されていてもよい。これら報知のいずれか１つに応じて、ユーザーは、装置１１０を表面４４から取り外し（及び／又は接続解除し）、修理状態を点検してもよい。いくつかの実施形態においては、ユーザーは、研磨又はその他の方法で、不適切なアーチファクト（artifacts）（例えば、パッチ６０に隣接する、表面４４と面一でない隆起部など）を除去してもよい。
【００３５】
表面４４から装置１１０を取り外した後は、装置１１０を用いる（及び／又は再構成する）ことによって、接合領域４２から離間した位置の別の損傷部、例えば、対象物４０上又は対象物内部における任意の位置の任意の複合材料表面部分（又は複合材料で形成された表面部分）である表面部分１８０（図４Ａ参照）を修理してもよいし、あるいは、自動車、ボート、建物などの、別の対象物を修理してもよい。図４Ａでは、表面部分１８０として欠陥を示している。しかし、他の例においては、表面部分は欠陥でなくてもよく、新しい製造部品を加えるために複合材料接合界面を加熱（及び／又は硬化）することが望まれる、対象物上（又は対象物内）の位置であってもよい。
【００３６】
図４Ａに示すように、部分１８０は、表面１８４を有する複合材料１８２によって形成された壁部を貫通する穴であってもよい。材料５４と同様に、材料１８２は、母材内に積層された１つ又は複数の強化材層を含んでいてもよい。
【００３７】
図４Ｂに示すように、部分１８０の縁部に対して、欠陥４６（図３Ｂ参照）と同様にして準備処理が施される。部分１８０を修理するため、パッチ１８６、１８８がパッチ６０と同様にして作成（及び／又は準備）される。パッチ１８６を部分１８０内に配置することによって、パッチ１８６と材料１８２との間に接合界面１９０、１９２を規定する。例えば、接着フィルム１９４及び位置決め用織物層１９６、１９８が、パッチ１８６と材料１８２との間にある状態で、パッチ１８６を部分１８０内に配置する。同様に、パッチ１８８を部分１８０内に配置することによって、パッチ１８８と材料１８２との間に接合界面２００、２０２を規定する。例えば、接着フィルム２０４及び位置決め用織物層２０５、２０６をパッチ１８８と材料１８２との間に挟むことによって接合界面２００を規定し、接着フィルム２０７及び位置決め用織物層２０５、２０６をパッチ１８８と材料１８２との間に挟むことによって接合界面２０２を規定する。接合界面２０８は、パッチ１８６、１８８間に挟まれた、位置決め用織物層１９６、１９８、２０５、２０６及び接着フィルム１９４、２０４、２０７によって規定される。接着フィルム１９４、２０４、２０７は、挟まれると、層１９６、１９８、２０５及び／又は２０６に浸透して、十分な接合界面を形成することができる。織物層１９６、１９８、２０５、２０６は、内部の織物繊維間に隙間あるいは空隙を備え、これらを通って接着フィルム２０４及び２０７が浸透する。一実施形態では、層１９６、１９８、２０５、２０６は、多孔度が少なくとも０．２％、２．０％、５．０％以上、７．０％、あるいは１０．０％の繊維材料を備え、これらを介して接着フィルム２０４及び２０７が浸透する。
【００３８】
図４Ｃにおいては、装置１１０及び装置２１０を材料１８２の両側に接続することによって接合領域が規定されており、当該領域は、ここでは、サブ領域２５４ａ、２５４ｂを含むものとして示されている。装置１１０及び装置２１０は、任意の適当な構造体、機構又は装置によって材料１８２に接続することができる。例えば、いずれの装置も、ストラップ（strap）、接着剤、磁石、クランプ、他の適当な構造体の内の１つ又は複数などの、留め具を１つ又は複数用いることによって材料１８２に接続することができる。
【００３９】
装置２１０は、構造及び機能において、装置１１０に類似している。例えば、装置２１０は、回路２１２、超音波ヒーター２２０、及び、並進アセンブリ２２４を含む。回路２１２は、回路１１２に類似のものであってよい。超音波ヒーター２２０は、超音波ヒーター１２０に類似のものであってよい。並進アセンブリ２２４は、並進アセンブリ１２４に類似のものであってよい。回路２１２は、制御部２３０（例えば、制御部１３０に類似のもの）、少なくとも１つの温度センサー２３２（例えば、センサー１３２に類似のもの）、モデリングモジュール２３４（例えば、モデリングモジュール１３４に類似のもの）、及び、電源２３６（例えば、電源１３６に類似のもの）を含む。
【００４０】
装置１１０、２１０は、接合界面１９０、１９２、２００、２０２、２０８を音波で加熱するように作動する。例えば、ヒーター１２０、２２０は、パッチ１８６、１８８が材料１８２に適切に接合されるまで、サブ領域２５４ａ、２５４ｂに対して音波を出射することができる。いくつかの実施形態において、回路２１２と回路１１２とは、互いに通信しており、これによって装置のフィードバック制御を改善することができる。
【００４１】
図５は、材料５４を修理するための代替的な構成を示す。図５において、図３Ｂ及び図３Ｃと同様にして、材料５４に準備処理が施され、パッチ６０が配置される。装置３１０は、回路３１２と、複数の超音波ヒーター３２０、３２０’と、表面４４に対して実質的に平行な少なくとも１つの方向１２６及び表面４４に対して実質的に垂直な方向１２８に沿って超音波ヒーターを移動させることができる並進アセンブリ３２４と、を含む。超音波ヒーター３２０、３２０’は、超音波ヒーター１２０に類似のものであってよい。並進アセンブリ３２４は、並進アセンブリ１２４に類似のものであってよい。
【００４２】
回路３１２は、制御部３３０（例えば、制御部１３０に類似のもの）、少なくとも１つの温度センサー３３２（例えば、センサー１３２に類似のもの）、モデリングモジュール３３４（例えば、モデリングモジュール１３４に類似のもの）、及び、電源３３６（例えば、電源１３６に類似のもの）を含む。
【００４３】
図５では、２つの超音波ヒーター３２０及び３２０’を示したが、装置３１０が備えうる超音波ヒーターの数はいくつであってもよく、２つの超音波ヒーターを備えてもよいし、２つより多くの超音波ヒーターを備えてもよい。並進アセンブリ３２４は、複数のヒーターを単一のユニットとして修理領域１５０周辺で移動させてもよいし、複数のヒーターを個別に移動させてもよい。装置３１０における超音波ヒーターは、位相配列のヒーターとして作動させることができる。つまり、各ヒーターが音波を出射するに際して、音波の周波数、音波の振幅、音波の位相の内の１つ又は複数を制御部１３０によって個別に決定可能である。例えば、ヒーター３２０が出射する音波３５４の位相は、ヒーター３２０’が出射する音波の位相と同じであってもよく、つまり、両ヒーター３２０及び３２０’からの音波は同位相であってもよい。両ヒーター３２０及び３２０’からの音波は、どのような位相関係に制御されてもよく、完全に同位相でもよく、完全に位相がずれていてもよく、同位相と位相ずれとの中間のどのような位相であってもよい。ヒーター３２０及び３２０’からそれぞれ出射される音波が接合領域４２内を移動するにつれて、これら音波が重なり合う場合がある。波の重ね合わせの原理によれば、音波は互いに協調的あるいは相殺的に干渉する。接合領域４２には、超音波ヒーター３２０及び３２０’からの音波が協調的に干渉する、つまり、合成音波の振幅が２つの振幅のいずれよりも大きくなる位相関係になる第１位置が存在しうる。そのような第１位置における加熱は、単一の超音波ヒーターを有する装置１１０を用いて行う加熱よりも大きくなる。また、接合領域４２には、超音波ヒーター３２０及び３２０’からの音波が相殺的に干渉する、つまり、合成音波の振幅が２つの振幅のいずれよりも小さくなる位相関係になる第２位置が存在しうる。そのような第２位置における加熱は、単一の超音波ヒーターを有する装置１１０を用いて行う加熱よりも小さくなる。接合領域内の特定の位置に対して熱を所望するように印加したり、しなかったりすることを目的として、両ヒーターからの音波の相対的な位相を制御して、第１位置及び第２位置の正確な場所を調整及び／又は選択することが可能である。ヒーター３２０及び３２０’が静止していても、音波の相対的な位相を調整することにより、第１位置を接合領域内で移動させることができる。この１つ又は複数の超音波ヒーターは、一次元配列、つまり一列に配置してもよいし、二次元配列としてもよい。
【００４４】
超音波ヒーター３２０は、任意の要素として、音響レンズ３７６を備えていてもよい。音響レンズ３７６は、対象物に入射する音波を集束させて、音波が対象物を通過するにつれてそのビーム径が小さくなるようにできる。これにより、修理領域において加熱すべき位置及び加熱しない位置をより緻密に制御できる。音響レンズは、本明細書に記載の例示的な超音波ヒーターのいずれに含まれていてもよい。
【００４５】
装置３１０は、任意の要素として、表面４４に配置された吸音材３７８を含んでいてもよい。吸音材３７８は、吸音材が配置された部分において対象物に入射する音波を制限するように機能しうる。吸音材３７８は、超音波による加熱されると不具合を示す対象物の部品を部分的に保護する。吸音材３７８は、吸音材で修理領域を完全に囲むように表面に配置することができる。吸音材により覆われる表面の広さは、表面４４の内側にある部品と、それら部品の加熱耐性とに大きく依存する。
【００４６】
装置３１０は、任意の要素として、可視光カメラ３８０を含んでいてもよい。可視光カメラ３８０は、表面４４の一部の画像を少なくとも１つ撮像するように構成されていてもよい。撮像された画像は、パッチとパッチ近傍の表面部分を含みうる。可視光カメラ３８０は回路３１２に接続されていてもよい。例えば、図１５に示されるように、回路３１２は、可視光カメラが撮像した画像を分析できるデータプロセッサを含んでもよい。可視光カメラは、制御部３３０あるいはユーザーから送られてくる命令に応答して、画像を撮像してもよい。可視光カメラ３８０は、任意の要素として、本明細書に記載の装置のいずれに含まれていてもよい。
【００４７】
図４Ｃに装置１１０及び装置２１０を示したように、装置３１０を実施したもの２つ用いて図４Ｂに示す部分１８０のような欠陥を修理してもよい。加えて、装置３１０を装置１００と並べて用いて欠陥を修理することも可能である。
【００４８】
図６Ａは、欠陥４６を有する対象物４０に取り付けられた例示的な装置４１０の半概略斜視図である。図６Ｂは、装置４１０を図６Ａの６Ｂで切断した半概略断面図である。装置４１０は、回路１１２に類似の回路、超音波ヒーター４２０、及び、並進アセンブリ４２４を含む。並進アセンブリは、超音波ヒーターを、対象物の表面に対して実質的に平行な第１方向−図３Ｃにおいて符号１２６で示す方向−と、対象物の表面に対して実質的に平行な第２方向−図６Ｂに符号４２７で示す方向−と、に沿って移動させることができる。並進アセンブリ４２４は、超音波ヒーター４２０を、対象物の表面に対して実質的に垂直な方向−図３Ｃにおいて符号１２８で示す方向−に沿って移動させることができる。
【００４９】
装置４１０は、温度センサー４３２を含む。センサー（又は、センサー部）４３２は、１つ又は複数の温度（又は、熱）センサーを有していてもよい。１つ又は複数の温度センサーは、欠陥４６に近接する第１位置の第１温度を測定するように構成されていてもよい。例えば、センサー４３２は、第１赤外線検出器（又はカメラ）を含み、これは、欠陥４６の第１部分に近接する第１位置の温度を測定するように構成されていてもよい。
【００５０】
センサー４３２は、欠陥４６に近接する第２位置の第２温度を測定するように構成されていてもよい。例えば、センサー４３２は、第２赤外線検出器（又はカメラ）を含み、これは、欠陥４６の第２部分に近接する第２位置の温度を測定するように構成されていてもよい。第１位置は、第２位置から離間していてもよい。
【００５１】
装置４１０の回路は、超音波ヒーター４２０からの超音波の出射を、第１温度及び第２温度に基づいて調整するように構成されていてもよい。
【００５２】
いくつかの実施形態においては、単一の検出器が第１位置及び第２位置の両方の温度を測定するように構成されていてもよい。例えば、当該単一の検出器は、表面における修理領域１５０の熱画像を取得するように構成された単一の赤外線カメラであってもよい。回路は、取得された熱画像を受信し、画像上で区別可能な第１領域及び第２領域を、それぞれ、第１位置及び第２位置に関連付けることができる。回路は、装置４１０に関連付けられたヒーター配列からの出射を、第１領域の画像から決定された温度に基づき調整し、及び／又は、装置４１０に関連付けられたヒーター配列からの出射を、第２領域の画像から決定された温度に基づき調節することができる。
【００５３】
並進アセンブリ４２４は、第１軌条４４０を支持する第１組のタワー４３８と、第２軌条４４４を支持する第２組のタワー４４２を含む。第１組及び第２組のタワーは、装置４１０を対象物４０に着脱可能に結合しうる。例えば、第１組及び第２組のタワーは、装置４１０を対象物４０に着脱可能に固定する吸引カップ装置を含んでいてもよく、これにより、後に装置４１０を対象物４０から取り外すに際し、表面に損傷を与えることなく取り外しを行える。並進アセンブリ４２４は、第１及び第２軌条に支持されるクロスバー４４６を含む。並進アセンブリ４２４は、超音波ヒーターをクロスバー４４６に沿って、つまり図３Ｃに示す方向１２６に沿って往復移動させることができる並進サブアセンブリ４４８を含む。
【００５４】
第１及び第２軌条４４０及び４４４は、表面４４が図６Ａ及び図６Ｂに示すように湾曲していても、表面４４に対して実質的に平行に配置されている。第１及び第２軌条は、可撓性を有していてもよく、あるいは第１組及び第２組のタワーに接合部において関節接続されていてもよい。いずれの場合でも、装置４１０は、図６Ｂにおいて点線４４及び４４’で示す、曲率が異なる表面に対して取付け可能に構成されている。
【００５５】
＜実施例３＞
この実施例は、材料の結合に関する加熱パラメータを決定するための例示的な方法を説明するものであり、当該方法は、本明細書に記載の任意の装置に関連させて用いられるものである。図７を参照されたい。
【００５６】
図７は、材料の結合に関する加熱パラメータを決定するための方法を概括的に５００で示し、当該方法の複数の工程を示している。方法５００は、図１、図３Ｃ、図３Ｄ、図４Ｃ、図５に示し、これら図面を参照して説明したモデリングモジュールのいずれにも適用可能である。方法５００の様々な工程を以下に説明し、また、図７に示しているが、これらの工程の必ずしもすべてを行う必要はなく、場合によっては、ここに示した順序とは異なる順序で行ってもよい。
【００５７】
方法５００は、修理領域を規定する工程５０２を含む。修理領域を規定することは、対象物の画像を可視光カメラで撮像することを含みうる。画像には、修理すべき損傷が含まれる。修理領域は、撮像した画像に基づいてユーザーが規定してもよい。修理領域は、損傷部に配置したパッチにより規定されてもよいし、あるいは、修理領域はパッチよりも大きな領域としてもよい。修理領域は、対象物の表面と、対象物が表面より内側に有する層、部品、及びその他の材料と、を含みうる。修理領域は、パッチと、損傷などの表面部分との間の接合界面を加熱対象として含み、加えて、加熱すべきでない、あるいは加熱を最小限にとどめる必要のある他の部品も含みうる。
【００５８】
方法５００は、修理パラメータ群を評価すると共に、修理パラメータ群をルックアップテーブルに提供する工程５０４を含む。修理パラメータ群を評価することは、例えば、修理領域の表面面積、修理領域内の材料の厚み、材料と材料の間に存在する接合領域の深さ位置、修理領域に含まれる補強材の層の数、修理領域に含まれる材料の種類、修理領域に含まれる各材料の境界条件、修理領域に含まれる材料の形状、ほかを評価することを含みうる。修理パラメータ群の評価は、コンピューターにより行ってもよいし、ユーザーが行ってもよい。モデリングモジュールは、ルックアップテーブルを含みうる。ルックアップテーブルには、各種材料が様々な状況下でエネルギーとしての様々な音波を受けた場合に示す熱応答に関するデータを含まれる。ルックアップテーブルに含まれるデータは、各種材料の熱応答をコンピューターシミュレーションによりモデル化して作成しておいてもよい。修理パラメータ群をルックアップテーブルに提供することは、モデリングモジュールによる演算の効率向上を目的とする。
【００５９】
方法５００は、加熱パラメータ群をコンピューターで算出する工程５０６を含む。加熱パラメータ群の算出は、有限要素分析アルゴリズムを用いて実行可能である。有限要素分析アルゴリズムにより、工程５０４のルックアップテーブルのデータに基づいて、修理領域についての予測温度マップを生成できる。アルゴリズムは、例えば、加熱器具からの対象物あるいはパッチへの音波の入射効率など、他の要素も入力として受け取る。有限要素分析は、対象物における熱の流れ、及び、修理領域にも存在しうるような、複雑な表面形状の対象物における波の伝播を説明する数学的方程式をモデル化するとして知られている。コンピューターは、工程５０６において、１つ又は複数の超音波加熱素子についての加熱パラメータ群を決定する。加熱パラメータ群の例には、超音波の出力、超音波の周波数、修理領域における１つ又は複数の超音波ヒーターの移動経路、及び、複数の超音波ヒーターが含まれる場合には、複数の超音波ヒーターからの音波の相対的な位相、などが含まれる。工程５０６は、修理の開始に先立って完了される。あるいは、工程５０６は、修理の開始前の実行及び修理中の実行を含め、複数回行われてもよい。例えば、加熱パラメータ群を決定するのに用いられる有限要素分析アルゴリズムは、修理領域の温度を入力とするが、修理領域の温度の測定は、修理の開始前及び／又は修理の実行中に行ってもよい。コンピューターにより算出する加熱パラメータは、修理において段階が進むにつれて変化する。後述の図８を参照されたい。
【００６０】
方法５００は、加熱パラメータ群を制御部に送出する工程５０８を含む。制御部は、工程５０６でコンピューターが算出したパラメータにしたがって、１つ又は複数の超音波加熱素子を動作させる。工程５０８は、工程５０６が実行される都度、実行されてもよい。
【００６１】
方法５００は、熱硬化を開始する工程５１０を含んでもよい。工程５０６で決定された加熱パラメータ群を制御部が受け取ると、制御部は１つ又は複数の超音波加熱素子と、修理領域周辺で１つ又は複数の超音波加熱素子を三次元で移動させることができる並進アセンブリと、を作動させる。
【００６２】
＜実施例４＞
この実施例は、材料を接合するための例示的な硬化サイクル（又はプロセス）を説明するものであり、当該サイクルは、本明細書に記載の任意の装置に関連させて用いられるものである。図８を参照されたい。
【００６３】
図８は、概括的に６００として示す、例示的な硬化サイクルのチャートである。サイクル６００は、加熱段階（heat ramp-up phase）６０４、保持段階（dwell phase）６０８、及び、冷却段階（cool down phase）６１２を含む。
【００６４】
サイクル６００に先立って、材料には、接合領域内の接合界面において互いに接合するための準備処理が施される。この準備処理は、損傷領域に準備処理を施すこと及び／又はパッチを配置することを含みうる。真空バッグ又は他の減圧器具を接合領域に対して用いることにより、材料を一体に保持する。材料を接合するための装置を用いて、接合領域を規定する。いくつかの実施形態においては、（例えば、装置によって接合領域を規定した後で）真空バッグを装置上に配置する。
【００６５】
段階６０４は、例えば摂氏５４度などの所定の第１温度（例えば、材料間の接合界面に対する所定温度）で開始する。いくつかの実施形態においては、上述の実施例のいずれかの装置から出射された音波を用いて接合界面を加熱する。いくつかの実施形態において、材料（及び／又は接合界面）は、まず、ヒートガンなどの他の熱源によって加熱されてもよい。このような熱源は、接着層及び／又は材料を適所に熱結合するために用いられてもよい。段階６０４は、例えば１分あたり摂氏約０．５度から３度の範囲の上昇率などの、所定の第１の率で、接合界面の温度を上昇させることを含む。段階６０４は、接合界面が所定の第２温度に到達するまで継続する。当該第２温度は、例えば、摂氏１７７度±摂氏６度などの、接合界面の硬化（又は硬化時の）温度である。
【００６６】
段階６０８は、接合界面が所定の第２温度に到達した時に開始する。段階６０８は、例えば１５０分〜２１０分などの所定時間、当該所定の第２温度を維持することを含む。所定の第２温度を所定時間維持することによって、材料間に（例えば接合界面において）適切な接合を形成することができる。
【００６７】
段階６１２は、上記所定時間が経過した時に開始する。段階６１２は、例えば、１分あたり摂氏３度以下などの所定の第２の率で、接合界面の温度を低下させることを含む。当該所定の第２の率は、接合強度を低下させることなく接合界面の温度を低下させることができる最大の率であってもよい。段階６１２は、接合界面が、例えば摂氏６０度以下などの所定の第３温度に到達するまで継続される。接合界面が所定の第３温度に到達すると、真空バッグ内の圧力を解放し、真空バッグ及び装置を取り除き、材料間の接合を検査する。
【００６８】
＜実施例５＞
この実施例は、材料を接合する方法を説明するものであり、図９〜図１２を参照する。
【００６９】
図９は、材料を接合するための本開示の態様による装置に関連させて行われる方法を概括的に７００で示し、当該方法の複数の工程を示している。方法７００の様々な工程を以下に説明し、また、図９に示しているが、これらの工程の必ずしもすべてを行う必要はなく、場合によっては、ここに示した順序とは異なる順序で行ってもよい。
【００７０】
方法７００は、接合領域に準備を施す工程７０２を含む。工程７０２において、対象物の表面部分に対して、新設の表面部分との接合のための準備処理が施される。表面部分は、対象物の欠陥である場合もあれば、欠陥のない領域の場合もある。表面部分に準備処理を施すことは、対象物から材料の一部を取り除くこと、対象物の（既存の）表面部分に新設の表面部分を配置すること、及び／又は、真空バッグ収容及び新設の表面部分が配置された領域の減圧を行うことによって新設の表面部分と対象物の表面部分とを一体に保持すること、を含みうる。工程７０２において、対象物に装置を配置することによって、接合領域を規定する。装置は、１つ又は複数の圧電ヒーターなどの超音波加熱器具と、並進アセンブリと、を含んでいてもよい。
【００７１】
方法７００は、加熱段階を行う工程７０４、保持段階を行う工程７０６、冷却段階を行う工程７０８（例えば、図８に示した段階６０４、６０８、６１２と同様のもの）を含む。工程７０４においては、対象物の表面部分と新設の表面部分との間の接合界面の温度を、接合界面の温度が所定の第１温度に到達するまで第１の率で上昇させるように（例えば、図８の段階６０４参照）、装置が構成及び／又は操作される。所定の第１温度は、例えば、接合界面の硬化温度である。工程７０６においては、接合界面の温度が、所定時間、所定の第１温度（又は、ほぼ第１温度）に維持されるように（例えば、図８の段階６０８参照）、装置が構成及び／又は操作される。工程７０８においては、接合界面が所定の第２温度に到達するまで、接合界面の温度が所定の第２の率で低下するように（例えば、図８の段階６１２参照）、装置が構成及び／又は操作される。
【００７２】
方法７００は、材料（例えば、新設の表面部分と対象物の表面部分）間に形成された接合を検査する工程７１０を含む。工程７１０において、ユーザーは、対象物の表面から装置を取り除き、真空バッグを取り除き、接合を検査することによって、装置による接合界面の加熱が、所望の硬化を得るために十分であったかどうかを調べる。
【００７３】
図１０は、概括的に８００で示される操作を示しており、これは、加熱段階のためのフィードバックループの一実施形態によって行われうる操作である。このフィードバックループは、装置の回路で実行することができる。
【００７４】
操作８００は、表面温度を取得する工程８０２を含む。表面温度は、接合界面に近接する、対象物の表面部分及び／又は新設の表面部分の表面温度の測定値を含む。装置の１つ又は複数の温度センサーが、表面温度を取得する。制御部、又は、装置の他の適当な回路が、１つ又は複数の温度センサーから、表面温度を受信する。
【００７５】
操作８００は、表面温度を内層温度に変換する工程８０４を含む。１つ又は複数の超音波ヒーターは、超音波を印加することにより接合界面を加熱する。超音波が表面から材料の内部へ入射し、通過することに伴って、異なる部分間の界面における摩擦、あるいは、複合繊維材料自体の内部摩擦によって、音波が熱に変換される。よって、熱は、露出していない位置にある接合界面の接合部（例えば、接着剤）に印加される。例えば、図４Ｂにおける接合界面２０８は、露出されていない接合界面の内層の位置に対応している。材料の非露出部分に印加されたこの熱は、接合界面の他の部分に伝熱により伝達される。接合界面の露出部分（例えば、図４Ｃの接合界面１９０の水平な部分）に伝熱的に伝達された熱は、対流により放散されうる。ただし、接合界面の他の非露出部分（例えば、図４Ｃの接合界面１９０における傾斜部の下方部）に伝熱により伝達された熱は、対流により放散されず、これによって、内層の温度が表面温度より高い状態になる。工程８０４において、装置の回路（例えば、制御部、データ処理システム、及び／又は、モデリングモジュール）は、測定した表面温度に基づいて内層温度を決定する。決定された内層温度は、１つ又は２つの要素、例えば、接合界面の輪郭形状、接合界面の深さ、及び／又は、接合される材料の組成、に基づいた推定値である。回路は、変換テーブル即ちルックアップテーブルにアクセスすることによって、内層温度を決定する。変換テーブルは、特定の表面温度を特定の内層温度に関連付けたものである。
【００７６】
操作８００は、内層温度が硬化温度に等しい（又は到達した）かどうかを判定する工程８０６を含む。いくつかの例では、硬化温度は、摂氏約１７７度である。他の例では、硬化温度は、摂氏約１２１度でああってもよい。工程８０６において、装置の回路は、内層温度が硬化温度に等しい（又は到達している）かどうかを判定する。内層温度が硬化温度に到達したと判定されると、操作８００は、保持段階に進む工程８０８に移行する（図８の段階６０８及び図９の工程７０６参照）。
【００７７】
ただし、工程８０６において、内層温度が硬化温度に等しくない（例えば、硬化温度より低い）と判定された場合、操作８００は工程８１０に進む。工程８１０において、回路は、内層温度上昇率が、例えば１分あたり摂氏０．５度などの所定の第１閾値率より小さいかどうかを判定する。工程８１０において、上昇率が所定の第１閾値率より小さいと判定されると、操作８００は、１つ又は複数の超音波ヒーターに対する電力を上げる工程８１２に進み、工程８０２に戻る。工程８１０において、上昇率が所定の第１閾値率以上であると判定されると、操作８００は、工程８１４に進む。
【００７８】
工程８１４において、回路は、内層温度上昇率が、例えば１分あたり摂氏３度などの所定の第２閾値率より大きいかどうかを判定する。工程８１４において、内層温度上昇率が所定の第２閾値率より大きくないと判定されると、操作８００は工程８０２に戻る。ただし、工程８１４において、内層温度上昇率が所定の第２閾値率より大きいと判定されると、操作８００は、１つ又は複数の超音波ヒーターに対する電力を下げる工程８１６に進み、工程８０２に戻る。
【００７９】
図１１は、概括的に９００で示される操作を示しており、これは、保持段階のためのフィードバックループの一実施形態によって行われうる操作である。このフィードバックループは、装置の回路で実行することができる。
【００８０】
操作９００は、表面温度を取得する工程９０２、及び、取得した表面温度を内層温度に変換する工程９０４を含む。工程９０２は、操作８００における工程８０２と同様である。工程９０４は、操作８００における工程８０４と同様である。
【００８１】
操作９００は、内層温度が低閾値温度より低いかどうかを判定する工程９０６を含む。低閾値温度は、例えば硬化温度（又は、接合界面が適切に硬化される温度範囲内の所定の低温）である。工程９０６において、内層温度が所定の低閾値温度より低いと判定されると、操作９００は、１つ又は複数の超音波ヒーターに対する電力を上げる工程９０８に進み、工程９０２に戻る。
【００８２】
ただし、工程９０６において、内層温度が低閾値温度より低くないと判定されると、操作９００は、保持段階における経過時間が、所定の保持時間に到達している（又は、等しい）かどうかを判定する工程９１０に進む。所定の保持時間は、接合界面が適切に硬化されるのに必要な保持時間である。
【００８３】
工程９１０において、経過時間が所定時間に到達していないと判定されると、操作９００は、内層温度が高閾値温度より高いかどうかを判定する工程９１２に進む。高閾値温度は、接合界面が適切に硬化される温度範囲内の所定の高温である。工程９１２において、内層温度が高閾値温度より高いと判定されると、操作９００は、１つ又は複数の超音波ヒーターに対する電力を下げる工程９１４に進み、工程９０２に戻る。ただし、工程９１２において、内層温度が高閾値温度より高くないと判定されると、操作は、（例えば、１つ又は複数の超音波ヒーターに対する電力を下げることなく）工程９０２に戻る。
【００８４】
工程９１０において、経過時間が所定時間に到達していたと判定されると、操作９００は、冷却段階に進む工程９１６に進む（例えば、図８の段階６１２及び図９の工程７０８を参照）。
【００８５】
図１２は、概括的に１０００で示される操作を示しており、これは、冷却段階のためのフィードバックループの一実施形態によって行われうる操作である。このフィードバックループは、装置の回路で実行することができる。
【００８６】
操作１０００は、表面温度を取得する工程１００２、及び、取得した表面温度を内層温度に変換する工程１００４を含む。工程１００２は、操作８００における工程８０２と同様である。工程１００４は、操作８００における工程８０４と同様である。
【００８７】
操作１０００は、内層温度低下率が所定の第３閾値率より小さいかどうかを判定する工程１００６を含む。所定の第３閾値率は、例えば、硬化された接合を損傷することなく内層温度が低下する率である。例えば、所定の第３閾値率は、１分あたり摂氏３度である。工程１００６において、内層温度低下率が所定の第３閾値率より小さくないと判定されると、操作１０００は、１つ又は複数の超音波ヒーターに対する電力を下げる工程１００８に進み、工程１００２に戻る。ただし、工程１００６において、内層温度低下率が所定の第３閾値率より小さいと判定されると、操作１０００は、内層温度が、例えば摂氏６０度などの適切な低温以下であるかどうかを判定する工程１０１０に進む。当該適切な低温は、その温度以下であれば、硬化された接合界面の温度が、硬化された接合を損傷することなく、所定の第３閾値率より大きい率で低下する温度である。
【００８８】
工程１０１０において、内層温度が適切な低温より高いと判定されると、操作１０００は工程１００２に戻る。ただし、工程１０１０において、内層温度が適切な低温以下であると判定されると、操作１０００は、１つ又はそれ以上の超音波ヒーターに対する電力供給を切る工程１０１２に進む。
【００８９】
＜実施例６＞
この実施例は、材料を接合する別の方法を説明するものであり、図１３を参照する。
【００９０】
図１３は、本開示の態様による材料を接合するための装置に関連させて行われる方法を概括的に１１００で示し、当該方法の複数の工程を示している。方法１１００の様々な工程を以下に説明し、また、図１３に示しているが、これらの工程の必ずしもすべてを行う必要はなく、場合によっては、ここに示した順序とは異なる順序で行ってもよい。
【００９１】
方法１１００は、対象物の表面における硬化領域内の２つの材料間に接合界面を規定する工程１１０２を含む。複数の複合材料の層を接合することによってパッチを形成する。工程１１０２において、対象物の表面部分には、パッチと接合するための準備処理が施される。表面部分の準備処理は、研磨、研削、又は他の方法によって表面部分からいくらか材料を取り除くことを含みうる。表面部分は、表面に関連付けられており、２つの材料のうちの一方である。２つの材料のうちの少なくとも一方は、複合材料、セラミック材料、及び、繊維ガラス材料のうちの１つである。表面部分は、表面にある窪みを含みうる。表面部分は、壁部を貫通する穴を含みうる。パッチは、２つの材料のうちの他方であってもよい。接合界面を規定することは、パッチと、準備処理が施された表面部分との間に、熱硬化性接着剤を配置することを含みうる。硬化領域の広さは、可視光カメラで入手したデータに依存する。
【００９２】
方法１１００は、音波で接合界面を加熱する工程１１０６を含む。接合界面を加熱することは、接合界面及び／又は接合界面の近傍の材料に超音波を印加することを含む。接合界面に印加される超音波は、１つ又は複数の圧電ヒーターから出射される。接合界面を加熱することは、例えば、図３Ｃを参照して説明した並進アセンブリを用いて、１つ又は複数の圧電ヒーターを三次元空間で移動させることを含みうる。接合界面を加熱することは、１つ又は複数の圧電ヒーターから出射される音波の相対的な位相を調整することを含みうる。
【００９３】
方法１１００は、接合領域内のある位置の温度を測定し、測定された温度に応じて当該位置での加熱効果を調節する工程１１０８を含む。例えば、工程１１０８は、温度センサーによって接合界面の温度を測定し、当該測定温度に基づいて圧電ヒーターの少なくとも一部からの超音波の出射を調節することを含む。温度測定の工程１１０８は、図１３においては、接合界面を加熱する工程１１０６の後に行うとして示されている。しかしながら、この順で工程１１０８と工程１１０６とを行う必要はない。工程１１０８は、工程１１０６の前に行ってもよいし、最中に行ってもよいし、後に行ってもよい。工程１１０６及び工程１１０８は、２つの材料を接合する間に、図１０〜図１２に示すループの要素として、それぞれ複数回行われてもよい。接合界面の温度を測定するのに用いられる温度センサーは、赤外線カメラであってもよい。
【００９４】
方法１１００のいくつかの実施例では、任意の工程として、有限要素分析アルゴリズムを用いて硬化領域の温度応答をモデル化することによって加熱パラメータを決定する工程１１０４を含んでもよい。任意の工程１１０４は、工程１１０６の前に行ってもよいし、工程１１０６と同時に行ってもよいし、工程１１０６の前と同時の両方で行ってもよい。硬化領域の複数の位置における現在の温度は、加熱パラメータを決定するための入力データの１つである。よって、任意の工程１１０４を、工程１１０８の前に行ってもよいし、同時に行ってもよいし、後に行ってもよい。
【００９５】
＜実施例７＞
この実施例は、材料を接合する別の方法を説明するものであり、図１４を参照する。
【００９６】
図１４は、本開示の態様による材料を接合するための装置に関連させて行われる方法を概括的に１２００で示し、当該方法の複数の工程を示している。方法１２００の様々な工程を以下に説明し、また、図１４に示しているが、これらの工程の必ずしもすべてを行う必要はなく、場合によっては、ここに示した順序とは異なる順序で行ってもよい。
【００９７】
方法１２００は、対象物の表面に接合領域を規定する工程１２０２を含む。当該表面は、修理すべき変異部を含みうる。当該表面は、既存の複合材料の表面である。当該複合材料は、予め硬化されている。
【００９８】
方法１２００は、変異部に隣接させてパッチ材料を設ける工程１２０４を含む。パッチは、母材及び／又は強化材を含む。変異部に隣接して設けられるパッチ材料は、硬化された状態であっても、未硬化の状態であってもよい。
【００９９】
方法１２００は、接合領域の近傍に、少なくとも１つの超音波圧電ヒーターを配備する工程１２０６を含む。少なくとも１つの圧電ヒーターは、並進アセンブリにより接合領域の近傍に保持される。少なくとも１つの圧電ヒーターは、単一のヒーターであってもよいし、複数のヒーターであってもよい。複数の圧電ヒーターが含まれる場合は、当該ヒーターを一次元配列としてもよいし、二次元配列としてもよい。
【０１００】
方法１２００は、パッチが対象物に適切に接合されるまで、接合領域に超音波を出射する工程１２１０を含む。対象物にパッチを適切に接合することは、少なくとも１つの圧電ヒーターから接合領域に超音波を出射することによって、接合界面で加熱段階、保持段階、冷却段階を行うことを含む。いくつかの実施形態では、超音波を出射することは、出射と同時に、少なくとも１つの圧電ヒーターを三次元空間で移動させることを含みうる。少なくとも１つの圧電ヒーターの移動は、並進アセンブリにより実行されうる。いくつかの実施形態では、複数の圧電ヒーターが含まれる場合、超音波を出射することは、複数の圧電ヒーターからの音波の相対的な位相を調整して、対象物内での音波の方向を操作することを含みうる。接合領域に対する超音波の出射を、パッチが対象物に適切に接合されるまで一定に保つ必要はない。つまり、１つ又は複数圧電ヒーターのパラメータの非限定的な例である、１つ又は複数のヒーターの電力、周波数、位置、相対的な位相は、工程１２１０の間、時間と共に変化しうる。例えば、加熱パラメータのうちの１つ又は複数は、フィードバックループの結果、変化しうる。例えば、図１０〜図１３を参照されたい。そのようなフィードバックループの一部として、接合界面の温度が温度センサーによって測定され、圧電ヒーターの少なくとも一部からの超音波の出射が当該測定温度に基づいて調節されうる。
【０１０１】
方法１２００のいくつかの実施例では、任意の工程として、有限要素アルゴリズムを用いて接合領域の温度応答をモデル化することによって加熱パラメータを決定する工程１２０８を含んでもよい。任意の工程１２０８は、工程１２１０の前に行ってもよいし、工程１２１０と同時に行ってもよいし、工程１２１０の前と同時の両方で行ってもよい。接合領域の複数の位置における現在の温度は、加熱パラメータを決定するための入力データの１つである。工程１２０８を、工程１２０６の前に行ってもよいし、後に行ってもよい。工程１２０８を、工程１２０４の前に行ってもよいし、後に行ってもよい。
【０１０２】
＜実施例８＞
この実施例は、本開示の態様によるデータ処理システム１５００を説明するものである。本実施例において、データ処理システム１５００は、図１〜図１４に示した、及び／又は、これら図面に関連させて説明した操作や機能の１つ又は複数を実施するための例示的なデータ処理システムである。図１５を参照されたい。
【０１０３】
この実施例では、データ処理システム１５００は、通信フレームワーク１５０２を含む。通信フレームワーク１５０２は、プロセッサユニット１５０４、メモリ１５０６、永続記憶装置１５０８、通信ユニット１５１０、入出力（Ｉ／Ｏ）ユニット１５１２、及び、ディスプレイ１５１４間の通信を提供するものである。メモリ１５０６、永続記憶装置１５０８、通信ユニット１５１０、入出力（Ｉ／Ｏ）ユニット１５１２、及び、ディスプレイ１５１４は、プロセッサユニット１５０４が通信フレームワーク１５０２を介してアクセス可能なリソースの例である。
【０１０４】
プロセッサユニット１５０４は、メモリ１５０６にロードされた、ソフトウェアに対する命令を実行する役割を行う。プロセッサユニット１５０４は、個々の実施形態によって、複数のプロセッサであってもよいし、マルチプロセッサコアであってもよいし、他のタイプのプロセッサであってもよい。また、プロセッサユニット１５０４は、複数の異種プロセッサシステムを用いて実現することができ、このような異種プロセッサシステムにおいては、主プロセッサが二次プロセッサと共に単一のチップ上に存在している。別の例として、プロセッサユニット１５０４は、同種のプロセッサを複数個含む対称型マルチプロセッサシステムであってもよい。
【０１０５】
メモリ１５０６及び永続記憶装置１５０８は、記憶装置１５１６の例である。記憶装置とは、情報を保存することができる任意のハードウェアであり、情報とは、例えば、限定するものではないが、データ、関数型のプログラムコード、及び、他の適当な一時的又は永続的情報である。
【０１０６】
記憶装置１５１６は、これらの例において、コンピューター可読記憶装置とも呼ばれる。メモリ１５０６は、これらの例において、例えば、ランダムアクセスメモリ、又は他の適当な揮発性もしくは不揮発性の記憶装置であってもよい。永続記憶装置１５０８は、個々の実施形態によって、様々な形態をとることができる。
【０１０７】
例えば、永続記憶装置１５０８は、１つ又は複数のコンポーネント又はデバイスを含んでいてもよい。例えば、永続記憶装置１５０８は、ハードドライブ、フラッシュメモリ、書換え可能な光ディスク、書換え可能な磁気テープ、又はこれらの適当な組み合わせであってもよい。永続記憶装置１５０８によって使用される媒体は、取り外し可能であってもよい。例えば、取り外し可能なハードドライブを、永続記憶装置１５０８に用いてもよい。
【０１０８】
これらの例において、通信ユニット１５１０は、他のデータ処理システム又は装置との通信を行う。これらの例において、通信ユニット１５１０は、ネットワークインターフェイスカードである。通信ユニット１５１０は、物理的な通信リンク及び無線通信リンクのいずれか一方又は両方を用いて、通信を行うことができる。
【０１０９】
入出力（Ｉ／Ｏ）ユニット１５１２は、データ処理システム１５００に接続された他の装置に対するデータの入出力を可能にする。例えば、入出力（Ｉ／Ｏ）ユニット１５１２は、キーボード、マウス、及び／又は他の適当な入力装置を用いたユーザー入力に対する接続手段を提供する。また、例えば、入出力（Ｉ／Ｏ）ユニット１５１２は、プリンタに出力を送信することができる。ディスプレイ１５１４は、ユーザーに対して情報を表示する機構を提供する。
【０１１０】
オペレーティングシステム、アプリケーション、及び／又はプログラムに対する命令は、記憶装置１５１６に配置されており、記憶装置は、通信フレームワーク１５０２を介して、プロセッサユニット１５０４と通信している。これらの例において、命令は、永続記憶装置１５０８に関数型の記述として格納されている。これらの命令は、メモリ１５０６にロードされて、プロセッサユニット１５０４によって実行される。様々な実施形態のプロセスは、プロセッサユニット１５０４によって、コンピューター実行可能な命令を用いて実行することができ、これらの命令は例えばメモリ１５０６などのメモリに配置してもよい。
【０１１１】
これらの命令は、プログラム命令、プログラムコード、コンピューター使用可能プログラムコード、又はコンピューター可読プログラムコードと呼ばれ、プロセッサユニット１５０４内のプロセッサによって読み取り及び実行することができる。種々の実施形態におけるプログラムコードは、様々な物理的又はコンピューター可読媒体、例えばメモリ１５０６や永続記憶装置１５０８などで具現化してもよい。
【０１１２】
プログラムコード１５１８は、選択的に取り外し可能なコンピューター可読媒体１５２０上に関数型の記述として配置されたものであって、データ処理システム１５００にロード又は転送され、プロセッサユニット１５０４によって実行される。これらの例において、プログラムコード１５１８及びコンピューター可読媒体１５２０は、コンピュータープログラム製品１５２２を構成している。一例において、コンピューター可読媒体１５２０は、コンピューター可読記憶媒体１５２４又はコンピューター可読信号媒体１５２６であってもよい。
【０１１３】
コンピューター可読記憶媒体１５２４は、例えば、光ディスク又は磁気ディスクを含み、このようなディスクは、永続記憶装置１５０８の一部であるドライブ又は他の装置に挿入又は配置されて、永続記憶装置１５０８の一部である、ハードドライブなどの記憶装置にデータ転送が行われる。コンピューター可読記憶媒体１５２４は、永続記憶装置として構成されてもよく、その例としては、データ処理システム１５００に接続されるハードドライブ、サムドライブ、又はフラッシュメモリなどが挙げられる。場合によっては、コンピューター可読記憶媒体１５２４は、データ処理システム１５００から取り外し可能でなくてもよい。
【０１１４】
これらの例において、コンピューター可読記憶媒体１５２４は、プログラムコード１５１８を搬送又は送信する媒体というよりはむしろ、プログラムコード１５１８を記憶するために用いられる物理的すなわち有形の記憶装置である。コンピューター可読記憶媒体１５２４を、コンピューター可読有形記憶装置又はコンピューター可読物理的記憶装置ともいう。換言すれば、コンピューター可読記憶媒体１５２４は、人が触れることができる媒体である。
【０１１５】
これに代えて、コンピューター可読信号媒体１５２６を用いて、プログラムコード１５１８を、データ処理システム１５００に転送してもよい。コンピューター可読信号媒体１５２６は、例えば、プログラムコード１５１８を含む搬送データ信号であってもよい。例えば、コンピューター可読信号媒体１５２６は、電磁信号、光信号、及び／又は他の適当な種類の信号であってもよい。これらの信号は、無線通信リンク、光ファイバケーブル、同軸ケーブル、ワイヤー、及び／又は任意の他の適当な種類の通信リンクなどの通信リンクを介して伝送することができる。換言すれば、通信リンク及び／又は接続は、例示的な実施例において、有形であっても無線であってもよい。
【０１１６】
いくつかの例示的な実施形態において、プログラムコード１５１８を、ネットワーク経由でコンピューター可読信号媒体１５２６を介して別の装置又はデータ処理システムから永続記憶装置１５０８にダウンロードし、データ処理システム１５００内で使用してもよい。例えば、サーバーのデータ処理システム内のコンピューター可読記憶媒体に格納されているプログラムコードを、ネットワーク経由でサーバーからデータ処理システム１５００にダウンロードしてもよい。プログラムコード１５１８を提供するデータ処理システムは、サーバコンピューター、クライアントコンピューター、又は、プログラムコード１５１８を格納し、送信することができる他のデバイスであってもよい。
【０１１７】
データ処理システム１５００について例示した様々なコンポーネントは、様々な実施形態が実施される態様を構成的に限定するものではない。データ処理システム１５００について例示したコンポーネントに対する追加の及び／又は代替のコンポーネントを含むデータ処理システムにおいても、様々な例示の実施形態を実施することができる。図１５に示した他のコンポーネントは、図示の例示的な実施例から変更してもよい。プログラムコードを実行可能であれば任意のハードウェア装置又はシステムを用いて、様々な実施形態を実現することができる。一例として、データ処理システム１５００は、無機コンポーネントと組み合わされた有機コンポーネントを含んでいてもよいし、人間を除く有機コンポーネントによって全体が構成されていてもよい。例えば、記憶装置は、有機半導体を含んで構成されていてもよい。
【０１１８】
別の例示的な実施例において、プロセッサユニット１５０４は、特定の用途のために製造又は構成された回路を有するハードウェアユニットの形態であってもよい。この種のハードウェアは、操作を実行する構成とするために記憶装置からメモリにプログラムコードを読み込む必要なく、操作を実行することができる。
【０１１９】
例えば、プロセッサユニット１５０４がハードウェアユニットの形態をとる場合、プロセッサユニット１５０４は、回路システム、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：application specific integrated circuit）、プログラマブルロジックデバイス、又は、いくつかの操作を行うように構成された他の適切なタイプのハードウェアであってもよい。プログラマブルロジックデバイスの場合、当該デバイスは、複数の操作を行うように構成される。当該装置は、複数の操作を行うように、後ほど再構成してもよいし、永久的に構成してもよい。プログラマブルロジックデバイスの例としては、例えば、プログラマブルロジックアレイ、プログラマブルアレイロジック、フィールドプログラマブルロジックアレイ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、及び、他の適切なハードウェア装置がある。この種の実装においては、様々な実施形態のためのプロセスをハードウェアユニットにおいて実装することができるので、プログラムコード１５１８を省いてもよい。
【０１２０】
さらに別の実施例において、プロセッサユニット１５０４は、コンピューター及びハードウェアユニット内のプロセッサの組み合わせを用いて実装してもよい。プロセッサユニット１５０４は、プログラムコード１５１８を実行するように構成された複数のハードウェアユニット及び複数のプロセッサを含む。この図示の例では、プロセスのいくつかは複数のハードウェアユニットにおいて実行され、他のプロセスは複数のプロセッサにおいて実行される。
【０１２１】
別の例において、通信フレームワーク１５０２を実現するためにバスシステムを用いてもよく、これは、システムバス又は入出力バスなどの１つ又は複数のバスを含んでいてもおよい。当然ながら、バスシステムは、バスシステムに連結された様々なコンポーネント間のデータ転送を実現する任意の適当な種類のアーキテクチャーを用いて実施することができる。
【０１２２】
さらに、通信ユニット１５１０は、データ送信、データ受信、又はデータ送信と受信との両方を行う複数のデバイスを含んでいてもよい。通信ユニット１５１０は、例えば、モデム又はネットワークアダプター、２つのネットワークアダプター、又はこれらの適当な組み合わせであってもよい。また、メモリは、例えば、メモリ１５０６であってもよく、あるいは、通信フレームワーク１５０２に存在するインターフェース及びメモリコントローラハブに含まれるようなキャッシュであってもよい。
【０１２３】
本明細書に記載のフローチャート及びブロック図は、様々な例示的な実施形態によるシステム、方法、及びコンピュータープログラム製品の可能な実施態様の構成、機能、及び動作を示すものである。この点において、フローチャート又はブロック図における各ブロックは、モジュール、セグメント、又はコードの一部を表すこともあり、これらは、特定の論理機能や機能を実行するための１つ又は複数の実行可能な命令である。なお、いくつかの代替の実施態様において、ブロックに示した機能が、図に示した順序とは異なる順序で起こってもよい。例えば、関連する機能によっては、連続するものとして示されている２つのブロックの機能が実質的に同時に実行されてもよいし、ブロックの機能が時には逆の順序で実行されてもよい。
【０１２４】
＜発明要旨の候補＞
このセクションは、実施形態の追加の側面及び特徴を、一連の付記として説明するものであるが、限定するものではない。明確さと効率の観点から、これら付記の内の一部あるいはすべてに、英数字を用いた標示をつけている。これらの付記は、それぞれ、１つ又は複数の他の付記と、及び／又は、本出願の開示の任意の部分と任意の適当なやり方で組み合わせてもよい。以下の付記のいくつかは、他の付記に明示的に言及してさらなる限定を加えているが、これは適切な組み合わせのいくつかの例を提示しているにすぎず、限定するものではない。
【０１２５】
Ａ０．  材料同士を接合する方法であって、
対象物の表面における硬化領域内で２つの材料間に接合界面を規定することと、
前記接合界面を音波で加熱することと、を含む方法。
【０１２６】
Ａ１．  前記接合界面を加熱することは、前記接合界面に超音波を印加することを含む、付記Ａ０に記載の方法。
【０１２７】
Ａ２．  前記接合界面を加熱することは、超音波を印加することと、当該超音波を１つ又は複数の圧電ヒーターから出射することと、を含む、付記Ａ０〜Ａ１のいずれかに記載の方法。
【０１２８】
Ａ３．  温度センサーを用いて前記接合界面の温度を測定することと、当該測定温度に基づいて、前記１つ又は複数の圧電ヒーターからの超音波の出射を調節することと、をさらに含む、付記Ａ０〜Ａ２のいずれかに記載の方法。
【０１２９】
Ａ４．  前記接合界面を規定することは、前記２つの材料の間に熱硬化性の接着剤を配置することを含む、付記Ａ０〜Ａ３のいずれかに記載の方法。
【０１３０】
Ａ５．  パッチに接合する表面部分に準備を施すことをさらに含み、前記表面部分は、前記表面に関連づけられた、前記２つの材料のうちの一方であり、前記パッチは、前記２つの材料のうちの他方である、付記Ａ０〜Ａ４のいずれかに記載の方法。
【０１３１】
Ａ６．  前記接合界面は、前記表面における窪み又は前記硬化領域の壁部を貫通する穴を含む表面部分に隣接する、付記Ａ０〜Ａ５のいずれかに記載の方法。
【０１３２】
Ａ７．  複合材料の複数の層を互いに接合することによって、前記表面部分用のパッチを形成することをさらに含む、付記Ａ０〜Ａ６のいずれかに記載の方法。
【０１３３】
Ａ８．  前記接合界面を加熱することは、前記１つ又は複数の圧電ヒーターを三次元空間で移動させることを含む、付記Ａ０〜Ａ７のいずれかに記載の方法。
【０１３４】
Ａ９．  前記接合界面を加熱することは、前記１つ又は複数の圧電ヒーターから出射される音波の相対的な位相を調節することを含む、付記Ａ０〜Ａ８のいずれかに記載の方法。
【０１３５】
Ａ１０．  加熱変数を、有限要素アルゴリズムを用いて前記硬化領域の温度応答をモデル化することによって決定することをさらに含む、付記Ａ０〜Ａ９のいずれかに記載の方法。
【０１３６】
Ａ１１．  有限要素アルゴリズムを用いて前記硬化領域の温度応答をモデル化することによって加熱変数を決定することは、前記接合領域の加熱に先立って行われる、付記Ａ０〜Ａ１０のいずれかに記載の方法。
【０１３７】
Ａ１２．  有限要素アルゴリズムを用いて前記硬化領域の温度応答をモデル化することによって加熱変数を決定することは、前記接合領域の加熱と同時に行われる、付記Ａ０〜Ａ１１のいずれかに記載の方法。
【０１３８】
Ａ１３．  有限要素アルゴリズムを用いて前記硬化領域の温度応答をモデル化することによって加熱変数を決定することは、前記接合領域の加熱に先立って行われるとともに、前記接合領域の加熱と同時に行われる、付記Ａ０〜Ａ１２のいずれかに記載の方法。
【０１３９】
Ａ１４．  前記温度センサーは、赤外線カメラである、付記Ａ０〜Ａ１３のいずれかに記載の方法。
【０１４０】
Ａ１５．  前記硬化領域の広さは、可視光カメラで入手したデータに依存する、付記Ａ０〜Ａ１４のいずれかに記載の方法。
【０１４１】
Ａ１６．  前記２つの材料のうちの少なくとも一方は、複合材料、セラミック材料、及び、繊維ガラス材料のうちの１つである、付記Ａ０〜Ａ１５のいずれかに記載の方法。
【０１４２】
Ｂ０．  前記接合界面を規定することは、対象物の表面であって、修理すべき変異部を含む表面に接合領域を規定することと、
前記変異部に隣接させてパッチ材料を設けることと、を含み、
前記接合界面を加熱することは、少なくとも１つの超音波圧電ヒーターを前記接合領域の近傍に配備することと、
前記パッチが前記対象物に適切に接合されるまで、前記少なくとも１つの圧電ヒーターから前記接合領域に超音波を出射することと、を含む、付記Ａ０に記載の方法。
【０１４３】
Ｂ１．  第１圧電ヒーターからの超音波と第２圧電ヒーターからの超音波との位相差を制御することをさらに含む、付記Ｂ０に記載の方法。
【０１４４】
Ｂ２．  少なくとも１つの圧電ヒーターを三次元空間で移動させることをさらに含み、当該移動は、前記出射と同時に実行される、付記Ｂ０〜Ｂ１のいずれかに記載の方法。
【０１４５】
Ｂ３．  加熱変数を、有限要素アルゴリズムを用いて前記接合領域の温度応答をモデル化することによって決定することをさらに含む、付記Ｂ０〜Ｂ２のいずれかに記載の方法。
【０１４６】
Ｂ４．  温度センサーを用いて前記接合界面の温度を測定することと、当該測定温度に基づいて、前記圧電ヒーターの少なくとも一部からの超音波の出射を調整することと、をさらに含む、付記Ｂ０〜Ｂ３のいずれかに記載の方法。
【０１４７】
Ｂ５．  前記パッチ及び前記対象物のうちの一方は、複合材料、セラミック材料、及び、繊維ガラス材料のうちの１つから成る、付記Ｂ０〜Ｂ４のいずれかに記載の方法。
【０１４８】
Ｃ０．  材料同士を接合するための装置であって、
規定された硬化領域内で複合材料同士を接合させるために超音波を出射するように構成された少なくとも１つの圧電ヒーターと、
前記超音波を前記硬化領域に向けるように構成された支持構造体と、
前記硬化領域内の複合材料の温度を監視するための温度センサーと、
前記センサーからの温度情報に基づいて、前記ヒーターの特性を調整するように構成された制御部と、を備える装置。
【０１４９】
Ｃ１．  前記支持構造体は、１対の可撓性の軌条と、前記可撓性の軌条に沿って移動するように構成されたレールと、を有する並進アセンブリを含み、前記少なくとも１つの圧電ヒーターは、前記レールに取り付けられている、付記Ｃ０に記載の装置。
【０１５０】
Ｃ２．  前記支持構造体は、前記少なくとも１つの圧電ヒーターを三次元で移動させることができる並進アセンブリを有する、付記Ｃ０〜Ｃ１のいずれかに記載の装置。
【０１５１】
Ｃ３．  前記温度センサーは、前記硬化領域内の１つ又は複数の位置の温度を測定するように構成された赤外線カメラを含む、付記Ｃ０〜Ｃ２のいずれかに記載の装置。
【０１５２】
Ｃ４．  前記制御部は、前記圧電ヒーターからの超音波の出射を調整するように構成されている、付記Ｃ０〜Ｃ３のいずれかに記載の装置。
【０１５３】
Ｃ５．  前記制御部は、前記圧電ヒーターの前記硬化領域に対する相対位置を調整するように構成されている、付記Ｃ０〜Ｃ４のいずれかに記載の装置。
【０１５４】
Ｃ６．  前記制御部は、前記圧電ヒーターの前記硬化領域に対する相対移動の速度を調整するように構成されている、付記Ｃ０〜Ｃ５のいずれかに記載の装置。
【０１５５】
＜動作方法／使用＞
一実施例において、損傷領域の特定は、航空機、自転車などの対象物や他の対象物の複合材料の表面について行われる。この損傷領域から複合材料の一部を除去することによって、損傷領域に対して修理のための準備が施される。準備が施された損傷領域にパッチを配置される。真空バッグを用いて、パッチ及び準備が施された損傷領域が置かれた空間を真空にされる。並進アセンブリと、１つ又は複数の超音波ヒーターと、を含む装置を対象物の表面に取り付けて、１つ又は複数の超音波ヒーターを表面に隣接配置させる。装置を作動させることによって、パッチと準備が施された損傷領域との間の接合界面に対して、１つ又は複数の超音波ヒーターから超音波が出射される。並進アセンブリは、ヒーターが超音波を対象物に出射するにつれて、１つ又は複数の超音波ヒーターを三次元で移動させるように構成されている。装置の回路は、出射される超音波を調節することによって、加熱段階、保持段階、及び冷却段階における接合界面の温度を制御して、準備が施された損傷表面にパッチが適切に接合する。回路は、冷却段階の完了を技術者に報知してもよい。技術者は、表面から装置を取り除き、真空バッグを取り除き、パッチと対象物との間の接合を検査する。
【０１５６】
当該装置は、どのような目的でどのような複合材を接合するのに用いてもよく、例えば、組み立てラインで新たな製造品を作成する目的に用いてもよい。
【０１５７】
＜有益性、特徴、利点＞
本明細書に記載した様々な実施形態は、材料を接合するための周知の方法に対して、いくつかの利点を有する。例えば、本明細書に記載した例示的な実施形態は、対象物の既存の表面部分と、新設の表面部分との間の接合界面に超音波を当てるによって、伝熱的ではなく直接加熱することを可能にし、これによって、接合界面の温度制御を改善したり、接合界面に沿った熱分布を改善したり、誤った位置を加熱することを抑制したり、加熱速度を高めたり、硬化時間を短縮したり、熱暴走を防いだりすることができる。ただし、本明細書に記載したすべての実施形態が、同じ利点又は同じ程度の利点を有するとは限らない。
【０１５８】
＜結語＞
上述の開示は、独自の有用性を持つ複数の別個の開示を包含しうる。これらの開示のそれぞれを、その好ましい形態で開示しているが、本明細書に開示及び図示されたそれらの具体的な実施形態は、限定的な意味でとらえられるべきではなく、多くの変形例が存在しうる。本開示の要旨は、本明細書に開示された様々な要素、特徴、機能、及び／又は特性の、すべての新規且つ非自明の組み合わせ及びサブコンビネーションを含む。以下の特許請求の範囲は、新規且つ非自明とみなされる、いくつかの組み合わせ及びサブコンビネーションを特に示している。特徴、機能、要素、及び／又は特性の、その他の組み合わせ及びサブコンビネーションにおいて具現化される開示は、本願又は関連出願に基づく優先権を主張する出願において、特許請求の範囲に記載されうる。そのような特許請求の範囲は、異なる開示を対象としたもの、同じ開示を対象としたもの、元の特許請求の範囲よりも広いもの、狭いもの、均等のもの、又は異なるもの、のいずれであろうとも、本開示の要旨に含まれるものとみなされる。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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