(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物質の構造状態を検出する診断ユニットであって、
前記診断ユニットは互いに重ね合わされた複数の診断層を有し、複数の診断層の各々は、
ａ）薄い誘電基板と、
ｂ）上記基板上に空間的に分布されて、上記基板の構造状態を表す電気信号を生成し得る複数のセンサと、
ｃ）上記基板内において上記各センサと電気的に接続された複数の導電要素と、
ｄ）上記各導電要素と電気的に接続された出力導線とからなる診断ユニット。
【請求項２】
前記診断層の各々は、前記基板上の少なくとも一個のアクチュエータを更に備え、
上記アクチュエータは必ずしも前記各センサとは別個では無く、且つ、前記各導電要素は上記アクチュエータを前記出力導線に対して電気的に接続する、請求項１に記載の診断ユニット。
【請求項３】
前記診断層の各々は、前記基板上で空間的に分布された複数のアクチュエータを更に備え、
前記アクチュエータは必ずしも前記センサと別個ではない請求項２に記載の診断ユニット。
【請求項４】
前記センサは圧電センサであり、且つ該圧電センサの物理的変形に応じて前記電気信号を生成する請求項１に記載の診断ユニット。
【請求項５】
ａ）互いに重ね合わされた複数の診断層であって、複数の診断層の各々が、
ｉ）薄い誘電基板と、
ｉｉ）前記基板上に空間的に分布されて前記基板の構造状態を表す電気出力信号を生成し得る複数のセンサと、
ｉｉｉ）前記基板内において前記各センサと電気的に接続された複数の導電要素と、
ｉｖ）前記各導電要素と電気的に接続された出力導線と、
を含む、複数の診断層と、
ｂ）前記出力導線と電気的に連結されて前記各センサから各出力信号を受信する信号受信ユニットと、
ｃ）前記信号受信ユニットと電気通信するインタフェースユニットであって、前記信号受信ユニットからのデータを処理して前記構造状態を検出するプロセッサユニットを備えたインタフェースユニットとからなる、物質の構造状態を検出する診断システム。
【請求項６】
ａ）前記診断層の各々は、前記基板上の少なくとも一個のアクチュエータを更に備え、前記アクチュエータ必ずしも前記センサとは別個では無く、且つ、前記導電要素は前記アクチュエータを前記出力導線に対して電気的に接続し、且つ、
ｂ）当該診断システムは、前記アクチュエータに対して入力信号を提供すべく前記出力導線に電気的に接続された信号生成ユニットを更に備える請求項５に記載の診断システム。
【請求項７】
前記信号生成ユニットは前記インタフェースユニットに電気的に接続され、且つ、前記インタフェースユニットは前記アクチュエータに対する前記入力信号を制御する制御ユニットを更に備える請求項６に記載の診断システム。
【請求項８】
前記診断層の各々は、前記基板上において空間的に分布された複数のアクチュエータを更に備え、且つ、前記アクチュエータは必ずしも前記センサと別個では無い請求項６に記載の診断システム。
【請求項９】
前記センサは圧電センサであり、且つ該圧電センサの物理的変形に応じて前記電気信号を生成する請求項５に記載の診断システム。
【請求項１０】
前記信号受信ユニットは前記出力導線に対して無線手段により電気的に連結される請求項５に記載の診断システム。
【請求項１１】
前記インタフェースユニットは前記信号受信ユニットからの前記データを記憶するメモリユニットを更に備える請求項５に記載の診断システム。
【請求項１２】
前記構造状態が、前記診断層における構造的損傷の位置および大きさから成る請求項５に記載の診断システム。
【請求項１３】
前記構造状態が、前記診断層に対する衝撃の位置および力から成る請求項５に記載の診断システム。
【請求項１４】
前記構造状態が硬化の進行から成る請求項５に記載の診断システム。
【請求項１５】
物質の構造状態の変化を検出する方法であって、
ａ）ｉ）薄い誘電基板と、
ｉｉ）前記基板上の少なくとも一個のアクチュエータと、
ｉｉｉ）前記基板上に空間的に分布された複数のセンサと、
ｉｖ）前記各センサおよび各アクチュエータに電気的に接続された、前記基板内の複数の導電要素と、
ｖ）前記各導電要素に電気的に接続された出力導線とからなる診断層を互いに重ね合わせた状態で複数有する物質を提供する工程と、
ｂ）前記出力導線を介して、前記アクチュエータに対し第１入力信号を送信する工程と、
ｃ）前記第１入力信号に応じて前記各センサから第１セットの出力信号を受信する工程
と、
ｄ）後の時点において、前記出力導線を介して、前記アクチュエータに対して第２入力信号を送信する工程と、
ｅ）前記第２入力信号に応じて、前記センサから第２セットの出力信号を受信する工程と、
ｆ）前記第１セットの出力信号と前記第２セットの出力信号とを分析し、前記第１セットの出力信号と前記第２セットの出力信号との差を決定する工程であって、前記差は前記構造状態における変化を表す、前記決定する工程と、からなる方法。
【請求項１６】
前記工程（ｆ）は、前記第１セットの出力信号から第１データセットを生成する工程、および前記第２セットの出力信号から第２データセットを生成する工程を含み、第１データセットは前記物質の第１構造状態を表し、且つ第２データセットは前記物質の第２構造状態を表す請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記構造状態における変化は、診断層における損傷の位置および大きさから成る請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
構造状態における変化が硬化の進行から成る請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
ａ）後の時点において、出力導線を介してアクチュエータに対して第ｎ番目の入力信号を送信する工程と、
ｂ）第ｎ番目の入力信号に応じて、前記センサから第ｎセットの出力信号を受信する工程と、
ｃ）第ｎセットの出力信号と先行セットの出力信号とを分析し、第ｎセットの出力信号と先行セットの出力信号との差を決定する工程であって、前記差は構造状態における更なる変化を表す、前記決定する工程と、
ｄ）所定時間の間、前記工程（ａ）、（ｂ）および（ｃ）を反復する工程とを更に備える請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記複数の診断層は前記物質の外側表面に接合される請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
互いに重ね合わされた複数の診断層を有する物質の物理的変形を検出する方法であって、前記複数の診断層の各々は、薄い誘電基板上に空間的に分布されると共に複数の導電要素により出力導線に電気的に接続された複数のセンサを備え、前記方法は、
ａ）前記センサの少なくとも一個から、前記センサの物理的変形を表す信号を受信する工程と、
ｂ）前記信号を処理して、前記物質の前記物理的変形を表すデータを生成する工程とからなる方法。
【請求項２２】
前記センサは圧電センサである請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記物質の物理的変形は該物質上の衝撃から成り、且つ、前記データは前記衝撃の力および位置から成る請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
複合材料の硬化の進行を監視するための方法であって、
ａ）互いに重ね合わされた複数の診断層を有する未硬化複合材料を提供する工程と、
ｂ）未硬化複合材料を該未硬化複合材料が硬化を開始する高温にさらす工程と、
ｃ）前記診断層の状態変化を、前記状態がほぼ一定になるまで監視する工程とからなる方法。
【請求項２５】
前記複数の診断層の各々は、
ｉ）薄い誘電基板と、
ｉｉ）前記基板上の少なくとも一個のアクチュエータと、
ｉｉｉ）前記基板上に空間的に分布された複数のセンサと、
ｉｖ）前記センサおよびアクチュエータに電気的に接続された、前記基板内の複数の導電要素と、
ｖ）導電要素に電気的に接続された出力導線とからなり、且つ、
前記工程（ｃ）が、
ｉ）前記出力導線を介して前記アクチュエータに入力信号を送信する工程と、
ｉｉ）第１入力信号に応じて前記センサから出力信号セットを受信する工程と、
ｉｉｉ）前記出力信号セットがほぼ一定になるまで前記工程（ｉ）および（ｉｉ）を反復する工程とを有する請求項２４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、分散した複数のセンサおよび複数のアクチュエータの埋設ネットワークを備えた層であって、構造体上に表面搭載されるか、もしくは同構造体内に埋設され得、構造状態を監視し、且つホスト側の金属性もしくは非金属性（複合）構造内の異常性を検出する層に関する。特に、上記層は複合構造内に埋設され、硬化の進行および衝撃負荷を監視すると共に、層間剥離不良および損傷を検出し得る。上記層はまた金属性構造物に表面搭載され、層間剥離、亀裂の生成および伝播を検出し得る。
【０００２】
２．関連技術の背景
殆ど全ての供用構造体は、それらの寿命を延ばしたり、その構造の壊滅的な破壊を防止すべく、構造の一体性および完全性を監視するための何らかの形態の保守を必要とする。而して、現在のスケジュール的に追い詰められた検査および保守の技術は、時間が掛かり、労働集約的であり且つコスト高である。また既存の視覚的検査技術は、複合構造体内における層間剥離などの様に担当者の目では視認不能な損傷状態を識別するには不好ましいことが多い。また、現在における超音波および渦電流スキャン、アコースティックエミッション、およびX 線検査などの非破壊評価技術は、隔離された位置の検査には有用であるが、多くの場合において、供用構造の現場検査などの様に休止時間および人間の関与に関して非実用的である。
【０００３】
最近では、洗練された構造技術および材料／構造損傷特性把握技術がセンサおよびアクチュエータの開発と組合されて進歩したことから、既存の構造および新たな構造の両者に関して、最小限に人間が関与することによりリアルタイムで、製造中に材料特性を現場で特性把握を行い、構造的一体性を監視し、且つ、損傷を検出するという新たな診断技術に対する相当の関心をもたらした。
【０００４】
斯かる技術を開発するために、考察される構造体は複数のセンサおよび複数のアクチュエータの大型アレイの組込式ネットワークを備えねばならない。しかし現在では、既存もしくは新たな構造体内に複数のセンサおよび複数のアクチュエータの大型アレイを経済的かつ効率的に実装する有効な技術は存在しない。センサおよびアクチュエータとして使用すべく圧電体が検討されてきたが、それらは設置および実装において個別に処理される。それらはホスト構造体上に個別に載置されねばならないことから、全ての接続ワイヤが構造体から外に露出してしまう。また、圧電素子の設置方法のために、要素は別個に較正されねばならない。
【０００５】
ウー（Ｗｕ）らに付与された米国特許第５，８１４，７２９号には、現場にて複合体の層間剥離を検出するシステムが開示されている。該システムは、積層された複合構造内に埋設された圧電アクチュエータと光ファイバセンサとから成っている。各アクチュエータは上記構造体内を伝播する振動波を生成し、各センサはこれらの歪波（ｓｔｒａｉｎ  ｗａｖｅ）を検知して信号を生成する。上記波の減衰特性は上記信号から計算され、層間剥離領域が決定され得る。しかし該システムは多数の不都合を有している。第１に、該システムは圧電アクチュエータの大型アレイに適応する様には設計されていない。各センサおよびアクチュエータは個別に載置されるべきことから、上記で列挙したワイヤおよび較正の問題は未解決のままである。第２に、上記光ファイバはセンサとしてのみ使用される。“ラインオブサイト”もしくは“透過探傷（ｔｈｒｏｕｇｈ−ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）”として公知の損傷検出方法は、損傷が検出されるには、その損傷が厳密にアクチュエータ−センサ対の経路内に位置する必要がある。ウー（Ｗｕ）らのシステムを用いると、周囲領域内の損傷は検出され得ない。故に、ウーらの方法は、大型センサネットワークの設置には適用され得ず、且つ、センサのための光ファイバおよびアクチュエータとしての圧電体のみを使用する。
【０００６】
ブラジック（Ｂｌａｚｉｃ）らに対して付与された米国特許第５，１８４，５１６号には、構造体の完全性を監視して評価するための自給式のコンフォーマル回路（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ  ｃｉｒｃｕｉｔ）が記載されている。該システムは、表面における歪みおよび亀裂を検知する一連の積層および接続線から成っている。また、電気的相互接続を生成すべく可撓性回路が使用される。次に全体構造が、試験される材料の表面に固定されてから試験が行われる。このシステムは多数の制限を有する。すなわち該システムは、上記コンフォーマル回路の平面の状態、すなわち、積層材料の内部構造ではなく表面構造における状態を監視するためにのみ有用である。層間剥離などの内部損傷に関する情報は得られない。更に上記コンフォーマル回路は、不連続な位置（すなわち、亀裂および歪ゲージの位置）における情報を収集し得るのみである。各センサ間の領域は監視され得ない。既存の損傷に関する情報も得られない。更に、アコースティックエミッションセンサは受動センサであって損傷を示すことは可能だが、更なる情報がなければ損傷の位置を確認することはできない。
【０００７】
ハグッドＩＶ（Ｈａｇｏｏｄ、ＩＶ）らに付与された米国特許第５，８６９，１８９号は、変形の発動及び検知の双方のために使用され得る構造制御用の複合体を開示している。その複合体は、平面かつ平行なアレイ内に配置され、かつ比較的に柔軟なポリマにより分離された、一連の可撓性長尺状圧電ファイバを備える。上記複合体は構造体構成要素内に埋設可能であり、各ファイバは該構成要素の長さもしくは幅に沿って延びている。複雑な変形を生成すべく、上記複合体の複数層が使用され得る。而して、ファイバ載置の幾何形状（すなわち平行配列）の故に、上記構成要素の小さな領域内でのみ生ずる変形を検知して、位置を確認することは困難である。各ファイバは上記複合体の全長および幅に沿って延在し得、特定位置における層間剥離もしくは損傷を検出するというよりは、より大規模な屈曲および振動を検知するよう企図されている。
【０００８】
既存もしくは新たな構造体における構造的一体性をリアルタイムで監視し、且つ／又は構造体内の損傷を検出するために、斯かる構造体内にセンサおよびアクチュエータの大型ネットワークアレイを効率的かつ経済的に一体化するための利用可能な既存技術は無い。
【０００９】
目的および利点
従って、本発明の目的は、（アルミニウム合金などの）金属性もしくは（繊維強化複合体などの）非金属性の材料から成る既存構造体および新たな構造体の双方に組込むための、一体的診断機能を備えた、組込式センサおよびアクチュエータの大型アレイのネットワークを含む層を提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、分解を要さずに、且つ機器を稼動状態から離脱させる必要なく、同時進行的（ｏｎ−ｇｏｉｎｇ）に対象物の構造的完全性を監視し得る層を提供することにある。
【００１１】
本発明の付加的な目的は、構造体内に埋設される前に較正され得ることから、構造体が製造された後で必要とされるソフトウェア変更が最小限であるという診断層を提供することにある。
【００１２】
本発明の更なる目的は、製造中に、繊維強化複合構造内へのセンサおよびアクチュエータの容易な埋設を許容する診断層を提供することにある。
本発明の付加的な目的は、積層材料の製造中における硬化工程を監視することにより、積層物製造の間における時間、費用およびエネルギを節約する方法を提供することにある。
【００１３】
本発明の更なる目的は、構造体に対する衝撃の応力−時間履歴を決定する方法を提供することにある。
最後に本発明の目的は、一体的診断層を有する複合材料における損傷の領域を識別する技術を提供することにある。
本発明は次の利点を提供する。
・構造状態のリアルタイムの監視および報告により保守コストを削減。
・構造診断における最小限の人間の関与による、労力および休止時間の削減。
・自動化及び自己診断による、安全性および信頼性の向上。
【００１４】
発明の要約
これらの目的及び利点、並びに他の目的及び利点は、積層構造体などの、複合体および金属性構造体内に組込まれる診断層により達成される。該層は、センサおよびアクチュエータを含むと共に、連続的に該層内の物理的変形もしくは機械的応力を診断し得る。積層構造内に埋設されると、上記層は、該積層構造体の硬化工程が完了する時点を正確に判定することも可能である。
【００１５】
上記診断層は、材料の構造状態を検出すべく使用され、かつ薄い誘電基板と、上記基板上に空間的に分布させられた複数のセンサと、上記基板内において上記各センサを出力導線に電気的に接続する複数の導電要素とを含む。上記各センサは、上記基板の構造状態を表す電気信号を生成し得、好ましくは、上記各センサの物理的変形に応じて電気信号を生成する圧電センサである。上記層はまた、少なくとも一個のアクチュエータ、好ましくは、上記基板上に空間的に分布されて上記各導電要素により上記出力導線に接続された複数のアクチュエータも備え得る。好ましくは、上記各センサおよび各アクチュエータは別個ではなく、圧電体がセンサおよびアクチュエータの双方として作用する。
【００１６】
診断層は、構造状態を検出する診断システム内にも組込まれ得る。この構造状態とは、構造体における損傷の位置および大きさ、構造体に対する衝撃の位置および力、又は、積層材料の硬化の進行を含む複合材料などの埋設構造体の製造品質であり得る。診断層に加え、システムは出力導線に電気的に接続されて、各センサからの各出力信号を受信する信号受信ユニットを備える。この結合は無線手段によるものであり得る。システムはまた、出力導線に電気的に接続されて各アクチュエータに入力信号を提供する信号生成ユニットも有し得る。システムにはまた、信号受信ユニット、および、好ましくは信号生成ユニットと電気的に通信するインタフェースユニットも備える。インタフェースユニットは、好ましくは、信号受信ユニットからのデータを処理して、構造状態を検出するプロセッサユニットと、信号生成ユニットに対する入力信号を制御する制御ユニットと、信号受信ユニットからのデータを記憶するメモリユニットとを備える。
【００１７】
本発明はまた、上述の診断層を含む構造の状態変化を検出する方法も提供する。該方法は、診断層を備えるホスト構造体を配備する工程と、出力導線を介して診断層のアクチュエータに第１入力信号を送信する工程と、第１入力信号に応じて各センサから第１セットの出力信号を受信する工程と、後にアクチュエータに第２信号を入力する工程と、第２信号に応じて各センサから第２セットの出力信号を受信する工程と、第１セットの出力信号および第２セットの出力信号を分析して両者間の差を判定する工程と、を有する。この差は、損傷の位置および大きさ、又は硬化の進行であり得る材料の構造の状態変化を表す。各出力信号が処理されることにより、材料の第１構造状態および第２構造状態を表すデータを生成し得る。引き続く第ｎ信号セットもまた所定時間に対して送信かつ受信され、第ｎセットの出力信号と先行セットの出力信号との間の更なる変化を監視し得る。上記診断層は複合材料の内側であり得るか、又は、金属材料もしくは複合材料の外側表面に接合され得る。
【００１８】
構造の物理的変形、好ましくは材料に対する衝撃の力および位置を検出する方法は上記方法と同様である。該方法は、各センサの内の少なくとも一個から該センサの物理的変形を表す信号を受信する工程と、前記信号を処理して材料の物理的変形を表すデータを生成する工程とを有する。
【００１９】
最後に、積層複合体を硬化する方法が提供される。該方法は、診断層を有する未硬化複合材料を配備する工程と、該未硬化複合材料に同未硬化複合材料の硬化を開始する高温を受けさせる工程と、診断層の状態が実質的に一定になるまで複合材料の診断層の状態変化を監視する工程とを有する。好ましくは、診断層は上述の如くであり、且つ、各信号は各アクチュエータに対して送信され、且つ各センサにより受信される。各受信信号が一定なら、硬化は完了している。
【００２０】
好ましい実施態様の詳細な説明
以下の詳細な説明は、実例の目的のために、多くの詳細を含んでいるが、当業者であれば、以下の詳細に対する多くの変更および改変は本発明の範囲内であることを理解し得よう。故に以下における本発明の各実施態様は、権利請求された本発明に対する一般性を失うことなく、且つ本発明に対して制限を課すことなく示される。
【００２１】
図面を参照すると、図１Ａは誘電基板１２上、もしくは誘電基板１２内に配置された複数のアクチュエータ／センサ１４を備える診断層１０を概略的に示している。各アクチュエータ／センサ１４は導電要素またはワイヤ１６を介して相互に接続される。好ましい実施態様に依れば、アクチュエータ／センサ１４は診断層１０上にネットワークとして配置される。誘電基板１２は、好ましくは、夫々が誘電物質の上側１２ａ、および下側層１２ｂを備え、それらの間に導電要素１６が挟持される。複数のアクチュエータ／センサ１４のネットワークに対しては、電気出力導線１８が電気的に接続される。導線１８によれば、アクチュエータ／センサ１４（アクチュエータ１４ａ）に対する外部デバイス（不図示）からの好ましい信号の入力、ならびに、アクチュエータ／センサ１４（センサ１４ｂ）からの信号の出力が可能となる。診断層１０はまた、スタンフォード多重アクチュエータ−受信器変換（Ｓｔａｎｆｏｒｄ  Ｍｕｌｔｉ−Ａｃｔｕａｔｏｒ−Ｒｅｃｅｉｖｅｒ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｔｉｏｎ）（ＳＭＡＲＴ）層としても知られている。
【００２２】
本発明の一実施態様に依れば、各アクチュエータ／センサはそれ自身の導電要素またはワイヤ１６を有する。この場合、１０個のアクチュエータ／センサ１４を有する診断層１０のセグメントに対しては１０本の導電要素またはワイヤ１６を有する。図１Ｂに示された別の実施態様に依れば、診断層１０は回路内にマイクロスイッチ１７を組込み得ることから、各信号はアクチュエータ／センサ１４のアレイの周囲にチャネル化されて、アクチュエータ／センサ１４当たりのワイヤ１６の本数を減少し得る。
【００２３】
現在において好ましい誘電基板１２はカプトン（Ｋａｐｔｏｎ、登録商標）ポリイミド膜（デュポン社、オハイオ州、Ｃｉｒｃｌｅｖｉｌｌｅ）である。但し、他のポリマ誘電膜または同様の材料も使用され得る。各アクチュエータ／センサ１４は、２個の別体の異なる構成要素であってもよい。例えば、複数のアクチュエータ／センサ１４の各々が、アクチュエータ１４ａおよびセンサ１４ｂの両者を備え得る。これに代わって、各アクチュエータ／センサ１４は単一の構成要素であってもよいが、この場合には各センサおよび各アクチュエータは相互に区別できないと言える。現在における好ましい実施態様に依れば、アクチュエータ／センサ１４の各々は、アクチュエータ１４ａとしてもセンサ１４ｂとしても機能し得る圧電デバイスである。アクチュエータ／センサ１４は、或る時点ではアクチュエータ１４ａとして機能し、その後に同一のアクチュエータ／センサ１４がセンサ１４ｂとして機能すべく、切換えられ得る。この切換えは、（不図示の）ハードウェア（スイッチ）により、又は、層１０とインタフェース接続するために使用される好ましいソフトウェア（図５Ｂ、図６）により実施され得る。アクチュエータ／センサ１４が、アクチュエータ１４ａおよびセンサ１４ｂの両者として作用する場合には、別個のアクチュエータ１４ａおよびセンサ１４ｂを備えたシステムの半分の個数のデバイスで同一の分解能が達成され得る。
【００２４】
アクチュエータ１４ａおよび／またはセンサ１４ｂとして機能する圧電デバイスは、圧電（ポリマ）膜、圧電結晶または圧電セラミックの形態であり得る。現在において好ましい本発明のアクチュエータ／センサ１４は、圧電デバイスである。
【００２５】
圧電セラミックなどの圧電アクチュエータ／センサ１４は、電気信号が印加されると物理的に変形する。更に、圧電セラミックに機械的な力を付与すると、物理的変形が生じて電気信号を生成する。この挙動により、単一の圧電セラミックがセンサ１４ｂおよびアクチュエータ１４ａの両者として作用し得るのである。各アクチュエータ／センサ１４のいずれか一個に経時変化する電気信号を入力すると、アクチュエータ／センサ１４から発出して材料を貫通して伝播する応力波または機械的変形がもたらされる。そのとき、複数の近接するアクチュエータ／センサ１４がこの伝播応力波を検出し得る。任意の近接するアクチュエータ／センサ１４により受信される前記波の性質は、該波を発信したアクチュエータ／センサ１４に関する受信アクチュエータ／センサ１４の空間的配置の関数である。センサ１４ｂは伝播応力波を、層１０の状態を表す（たとえば電圧などの）電磁信号へと変換する。これに代わって、層１０に対して衝撃が付与されると、層１０およびアクチュエータ／センサ１４の物理的変形が引き起こされる。結果として、各センサ１４ｂはその衝撃の力を表す各電気信号を発信する。その結果、層１０の状態を表すために各センサ１４ｂから発出する各信号は、たとえば導線１８を介して層１０に連結された信号受信ユニット３４（図５Ａ）により受信され得る。
【００２６】
圧電ファイバを組込んだ従来技術のデバイスとは対照的に、本発明のアクチュエータ／センサ１４はポイントセンサおよびポイントアクチュエータと見做され得ることに留意されたい。すなわち、入力信号に応じてアクチュエータ１４ａにより生成される応力波は、或る領域に亙り生成されるのでは無く、単一点から伝播すると見做され得る。同様にセンサ１４ｂは、該センサ１４ｂの特定位置における変形では無く、該センサ１４ｂの全体変形を表す電気信号を生成する。
【００２７】
診断層１０上における複数のアクチュエータ／センサ１４の空間的分布または配置は、ある程度までは設計の選択上の事項である。故に好ましい空間的配置は、たとえば層１０が埋設されるパネル、積層物または構造体の大きさ、構造体の所期用途、および、構造体を監視するに必要な感度レベルなどの多数の要因に依存し得る。航空および宇宙飛行の用途に対し、複数のアクチュエータ／センサ１４の各々の間の距離は、通常は約５．０８〜７６．２ｃｍ（約２〜３０インチ）、更に好ましくは約１０．１６〜５０．８ｃｍ（約４〜２０インチ）、最も好ましくは約１２．７〜３０．４８ｃｍ（約５〜１２インチ）の範囲である。
【００２８】
アクチュエータ／センサ１４の配列を有する診断層１０は、各アクチュエータ／センサ１４のネットワーク全体に亙り均一な応答を提供する。すなわち、所定力の衝撃であれば層１０上の種々の位置で同一の応答を与え、且つ、層１０の同一位置にて反復された所定力の衝撃は、大きさおよび位置の両者に関して同一の応答を与える。診断層１０は本質的に製造時に較正され、引き続く再較正は不要である。
【００２９】
図１Ｃは、本発明の別実施態様に係る診断層１１の正面図を示している。層１１は、誘電基板１２上、または誘電基板１２内に配置された複数のアクチュエータ／センサ１４などを含め、図１Ａに示された実施態様と共通な幾つかの特徴を有する。各アクチュエータ／センサ１４は、導電要素またはワイヤ１６を介して相互に接続される。各アクチュエータ／センサ１４は、好ましくは、診断層１１上にネットワークとして配置される。誘電基板１２は好ましくは誘電物質性の上側層１２ａ、および下側層１２ｂを備え、これらの間に導電要素１６が挟持される。複数のアクチュエータ／センサ１４の各々に対しては導線１８が電気的に接続される。導線１８によれば、（不図示の）外部デバイスから好ましい信号が各アクチュエータ／センサ１４へと入力され得る。導線１８によれば各センサ１４ｂからの信号が送信器１５へと転送され得、該送信器１５は次にその信号を信号受信ユニット３４（図５Ａ）へと送信する。この実施態様は、送信器１５を介して診断層１１と信号受信ユニット３２との間のリンクを確立する無線通信を使用する更に一般的な形状の別例を示している。上記無線通信は、好ましくは無線信号の形態であるが、赤外線信号、マイクロ波信号または他の電磁無線信号であってもよい。積層材料の動作条件によりワイヤ接続を構成することが困難または不可能である場合には、無線通信は特に有用である。本明細書中で特に言及しなければ、図１Ａの層１０に関して述べたことは図１Ｃの層１１にも等しく適用される。
【００３０】
次の説明は、積層複合材料中における本発明の診断層１０の使用法を特に詳述するものである。但し、層１０は、非積層複合材料および金属の内側、かつ複合体および金属の外側表面上で使用され得ることが理解されよう。表面上で使用される場合、層１０は既存の構造体に適用され得る。新たな構造体内に組込まれる場合、層１０は製造の間に埋設される。
【００３１】
図２Ａは、複合体内の複合プリプレグの間に診断層１０を組込んで提供された本発明に係る診断積層ユニット２０を概略的に示している。この場合に診断層１０は、診断積層ユニット２０の付加的な層と構造的に等価である。たとえば診断層１０は、診断積層ユニット２０内の他の層に接合され、高温で硬化され得る。図８および図９を参照して以下に記載するように、診断層１０を組込んだ積層物２０は層１０を有さない積層物と比較して、剪断試験および平面張力試験により評価された強度において、いかなる減少も示さない。
【００３２】
複合プリプレグは、高度に導電性の炭素繊維を含むことが多い。たとえばＧｒ／Ｅｐ（グラファイト繊維／エポキシ樹脂）は、積層構造において使用される一般的な複合材料である。診断層１０が適切に動作するために、導電要素１６は斯かる炭素繊維から電気的に絶縁されねばならない。誘電物質から成る上側層１２ａと下側層１２ｂとの間に各導電要素１６を挟持することにより、この目的が達成される。一方、各アクチュエータ／センサ１４は電気アースに接続されねばならず、且つ、近傍の各プリプレグ層の炭素繊維はアースとして使用され得る。プリプレグ層が炭素繊維も他の導電性材料も含まない場合には、アースとして作用する付加的な導電層が各アクチュエータ／センサ１４上に載置されねばならない。
【００３３】
図２Ｂに概略的に示された本発明の別の実施態様に依れば、積層多層診断ユニット２０’を形成すべく複数の診断層１０が組合され得る。診断ユニット２０’は、図２Ａの積層ユニット２０における層１０の組込みに類似した様式で、積層物内に組込まれ得る。複数の診断層１０はまた、積層物の厚みに亙り空間的に分布されて層間通信を確立しても良い。ひとつの層からの各センサ１４ｂは、他の層上の各アクチュエータ１４ａにより生成された診断信号を受信すべく使用され得る。積層材料内への層１０の組込みとは別に、層１０は種々の構造構成要素の外側表面にも接合され得る。たとえば層１０は、（不図示の）金属または非金属性の複合パネルの外側に接合され得る。層１０は、表面上への後接合により既存構造体に対して使用され得ると共に、製造の間において材料の内側に層１０を一体化することで新たな構造体に対して使用され得る。
【００３４】
層１０が（たとえば２０等の）積層物内に組込まれるかパネルの外側に組込まれるかに関わらず、層１０の動作または機能は本質的に同一である。すなわち、組込式アクチュエータ１４ａは、組込式センサ１４ｂにより受信される診断信号を生成する。各センサ１４ｂから受信された診断信号はたとえば好ましいソフトウェアにより翻訳され、層１０自体の状態、又は、層１０を組込んだ積層物２０／２０’の状態に関する診断情報を与える。故に、組込式診断法は、層１０／積層物２０／２０’が、損傷しているか／損傷していないか、又は、硬化しているか／未硬化であるかを表し得る。以下においては、各アクチュエータ１４ａおよび各センサ１４ｂが互い及び外部デバイスと相互作用し、層１０に関する診断情報を提供する方法を十分に記載する。
【００３５】
図３Ａおよび図３Ｂは、本発明の別の実施態様に係る診断層１０または積層パネル２０／２０’（図２Ａおよび図２Ｂ）が受けた損傷の位置および大きさ（または度合い）を診断層１０により検出することを示す概略図である。図３Ａを参照すると、層１０は第１状態または第１時点において、たとえば非損傷（または未硬化）であり、（不図示の）外部デバイスからの第１の入力信号により層１０のアクチュエータ１４ａは第１信号（すなわち応力波）を発信し、該信号は複数のセンサ１４ｂにより受信される。尚、図３Ａおよび図３Ｂには、明確化のために２個のセンサ１４ｂが示されている。複数のセンサ１４ｂにより受信された各信号は、第１データセットを提供すべく結合され得る。該第１データセットは、層１０の第１状態の特性または診断値であり、たとえばコンピュータのメモリユニット３９（図５Ａ）内に記憶され得る。図３Ｂは、（不図示の）外部デバイスからの後続の入力信号により、アクチュエータ１４ａが後続の応力波を発信して、その応力波も複数のセンサ１４ｂにより受信される状況を示している。もし層１０の状態が第１状態から変化した（たとえば損傷を受けて損傷層１０’が引き起こされた、又は、積層物２０が硬化した）ならば、複数のセンサ１４ｂにより受信された結合信号も変化しており、該結合信号は記憶され得る後続のデータセットに対応する。第１データセットと後続のデータセットとの間の差に基づき、損傷層１０’（または積層物２０）が受けた損傷の位置および範囲は、たとえば好ましいコンピュータプログラムを使用して決定され得る。
【００３６】
図３Ａおよび図３Ｂにおいて各入力信号は単一のアクチュエータ１４ａに対するものとして示されている。しかし実際には、層１０／積層物２０の任意のパネルまたは構造内の複数のアクチュエータ１４ａまたはアクチュエータ１４ａの全てに対して入力が為され得る。複数のアクチュエータ１４ａの各々から伝播される一個以上の波が複数のセンサ１４ｂにより受信されることにより、複数の経路を生成し得る。通常、所定のアクチュエータから伝播する波を受信するセンサの個数と、生成された経路の個数との比率は、１：１である。各センサ／経路から各信号は結合されてデータセットを提供し得、該データセットは記憶され得ると共に、本質的に上述の如く監視されているパネルまたは構造体の状態を表す。本明細書中において記載されるように、複数の後続のデータセットは、層１０を含むパネルまたは構造体の全寿命の間にわたって、種々の時間間隔にて収集され得る。各後続のデータセットは、コンピュータのメモリ内に記憶され得る。第１セットまたは先行セットの受信信号と後続（第ｎ番目の）セットの受信信号との間の差は、波の散乱（ｗａｖｅ  ｓｃａｔｔｅｒ）として記録され得る（図４Ａ）。故に波の散乱は、たとえば診断層１０が受けた損傷などの状態の変化を表す。所与の時点における全ての経路に対する散乱信号（ｓｃａｔｔｅｒ  ｓｉｇｎａｌ）は好ましいソフトウェアおよびコンピュータにより翻訳され、所与の積層構造体の構造の完全性または状態の全体読取値を提供し得る（図５Ｂ、図６）。たとえば積層パネル（たとえば２０、２０’）が受けた損傷の大きさおよび位置が測定され得る。尚、本方法は波の散乱（すなわち損傷により反射された波）情報と透過探傷情報の双方を提供するので、検出されるべき損傷がアクチュエータ−センサ対の経路に沿って位置する必要はないことに留意されたい。
【００３７】
（たとえば図５Ａの信号入力ユニット３２からなどの）層１０の外部のデバイスから層１０の各アクチュエータ１４ａに対する信号入力は、電圧、電流または他の電磁信号の形態をとり得る。現在における本発明の好ましい実施態様に依れば、各アクチュエータ１４ａに対する信号入力は３０〜２５０ＫＨｚの周波数における５ピーク波形（すなわち、図４Ａの入力信号として示された変調正弦波とも称される５ピーク正弦波）から成るパルス波の形態である。
【００３８】
各アクチュエータ１４ａに対する信号入力に応じて各センサ１４ｂにより受信された各信号は、応力波（すなわち伝播する機械的エネルギ）の形態を取り得る。各アクチュエータ１４ａから各センサ１４ｂにより受信された各信号は好ましくは、入力周波数と同一周波数であり、最も好ましくは、３０ＫＨｚ乃至２５０ＫＨｚの範囲である。
【００３９】
各センサ１４ｂから出力されて層１０の外部のデバイス（たとえば、図５Ａの信号受信ユニット３４）により受信された各信号は、電圧、電流または他の電磁特性の形態を取り得る。現在における本発明の好ましい実施態様に依れば、各センサ１４ｂから受信された各信号は電圧測定値の形態にある。
【００４０】
状態の変化（故に、診断信号における変化）の例として層１０に対する損傷を用いると、図４Ａは層１０のアクチュエータ１４ａに入力された入力信号（Ｉ）を示している。層１０に対する損傷以前における各センサ１４ｂからの代表的な出力診断信号は、Ａと表示された軌跡により表される（非損傷信号）。層１０に対する損傷の後における各センサ１４ｂからの代表的出力信号はＢと表示された軌跡により表される（損傷信号）。散乱信号Ｂ−Ａは非損傷出力信号と損傷出力信号との間の差であり、層１０が受けた損傷の範囲（大きさ）および位置を表している。
【００４１】
図４Ｂには、本発明の診断層１０から得られたセンサスペクトログラムおよび散乱スペクトログラムの各例を示している。センサスペクトログラムおよび散乱スペクトログラムは、広範な周波数範囲に亙り層１０の各センサ１４ｂからの出力診断信号をスキャンすることで得られる。センサスペクトログラムおよび散乱スペクトログラムは、３次元プロットであると共に、地形図に似た２次元等高線プロットとしても表され得る。センサスペクトログラムは、（たとえば図５Ａの信号入力ユニット３２からの）診断入力信号の波が診断層１０を通過して如何に伝播するかを反映している。散乱スペクトログラムは、層１０、又は、層１０を組込んだ積層構造２０／２０’の損傷または状態変化の性質を反映する。層１０に対していかなる状態変化も生じない（損傷なし）状況では、散乱スペクトログラムはブランクに見え得る。図４Ｂに示されたような各スペクトログラムの翻訳は、当業界において公知である。
【００４２】
図５Ａは、診断積層ユニット２０における変化を診断し、または、診断積層ユニット２０の状態を監視する診断システム３０を概略的に示している。ユニット２０は、診断層１０の各アクチュエータ１４ａに入力信号を提供する信号生成ユニット３２に電気的に接続された診断層１０を備える。現在において好ましい生成ユニット３２は、カリフォルニア州、Ｐａｌｏ  Ａｌｔｏのヒューレット・パッカード（Ｈｅｗｌｅｔｔ  Ｐａｃｋａｒｄ）社のモデル３３１２０Ａ−１５ＭＨｚ関数／任意波発生器などの関数発生器である。診断システム３０は更に、診断層１０に電気的に連結されて各センサ１４ｂからの各出力信号を受信する信号受信ユニット３４を含む。一般的には、データ取得ユニット３４ａは信号受信ユニット３４の一部である。データ取得ユニット３４ａは、ユニット２０とインタフェース接続すべくインタフェースユニット３６と電気的に通信される。インタフェースユニット３６は好ましくは、生成ユニット３２を介して層１０への信号入力を制御する制御ユニット３７、受信ユニット３４からのデータを処理するプロセッサユニット３８、および、プロセッサユニット３８または信号受信ユニット３４から受信したデータを記憶するメモリユニット３９を有する。プロセッサユニット３８は、信号処理のためのコンピュータおよび好ましいソフトウェア、並びに、層１０の各センサ１４ｂから受信された各信号に関する翻訳ルーチンを含み得る。更に、生成ユニット３２および受信ユニット３４の出力／入力容量に依存してこれらのユニットの各々に対する２個の増幅器が配備され得る。たとえばヒューレット・パッカード社の３３１２０Ａ関数発生器は最大で１０ボルトしか出力できないため、該デバイスに関しては電圧増幅器が使用されるのが一般的である。各増幅器は、ユニット３２および３４と別体の構成要素でもよく、またはこれらのユニット内に一体化されてもよい。
【００４３】
図５Ｂは、多機能構造監視システム４０を提供すべく好ましいソフトウェアと協働する診断システム３０を概略的に示している。システム４０の機能は、種々の構造の衝撃識別および損傷検出、ならびに、積層物硬化工程の監視を含むが、これらに限定されるものではない。故にシステム４０は、層１０上に又は層１０を含む構造体上に生じた衝撃の位置、衝撃が生じた時間、および、衝撃の力を識別すべく機能し得る。システム４０はまた、層１０が受けた又は層１０を含む構造体が受けた損傷の大きさおよび位置を検出するためにも使用され得る。システム４０は更に、以下において十分に記載される（図１４）ように積層構造の硬化工程の間に積層構造２０／２０’内で生ずる変化を監視する為にも使用され得る。
【００４４】
本発明のシステム３０に対して良好に統合されるソフトウェアの例は、ＩＤＩＭＰＡＣＴコードとして公知である。このソフトウェアは、層１０上の衝撃位置の診断だけでなく、層１０上の異物衝撃に続く力−時間履歴の分析も提供する。ＩＤＩＭＰＡＣＴは更に、１９９６年、スタンフォード大学（Ｓｔａｎｆｏｒｄ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ）のＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃ科、Ｍ．トレイシー（Ｍ．Ｔｒａｃｙ）の博士論文「分布された圧電センサを使用した複合プレートの衝撃荷重識別（Ｉｍｐａｃｔ  Ｌｏａｄ  Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｐｌａｔｅｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｓｅｎｓｏｒｓ）、および、１９９６年、カリフォルニア州のサンディエゴのＳＰＩＥ先進構造および材料会議の会議録（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＳＰＩＥ  Ｓｍａｒｔ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）におけるＭ．トレイシー（Ｍ．Ｔｒａｃｙ）およびＦ．Ｋ．チャン（Ｆ．Ｋ．Ｃｈａｎｇ）の「分布された圧電センサに基づく複合プレート内の衝撃荷重の識別（Ｉｄｅｎｔｉｆｙｉｎｇ  Ｉｍｐａｃｔ  Ｌｏａｄ  ｉｎ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｐｌａｔｅｓ  Ｂａｓｅｄ  ｏｎ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｐｉｅｚｏ−ｓｅｎｓｏｒｓ）に更に記載されている。
【００４５】
図６は、診断層１０の表面上の、又は、診断層１０を含む積層診断ユニット２０／２０’の表面上の衝撃の位置を決定すると共に該衝撃の力−時間履歴を再作成する上での（たとえばＩＤＩＭＰＡＣＴなどの）コンピュータコードの役割を概略的に示している。（この例ではハンマ強打である）異物からの層１０またはユニット２０／２０’に対する衝撃６２に続き、（構造２０／２０’上にまたは構造２０／２０’内に配置された）層１０の各アクチュエータ／センサ１４の応答が、好ましいソフトウェア６４および（不図示の）コンピュータの補助により分析され、衝撃６２に起因する損傷の位置に関する情報が取得され得る。これに加え、経時的な衝撃の力は、力−時間プロット（６６）として復元され得る。尚、衝撃を検出する上で、各アクチュエータ１４ａへの信号入力は不要であることに留意されたい。物理的変形は衝撃自体により提供されるのであって、入力信号に応じて各アクチュエータ１４ａから伝播する応力波により提供されるのでは無い。衝撃検出の場合には、各アクチュエータ／センサ１４の検知機能のみが使用される。
【００４６】
図７Ａは、ハンマ強打（図６）からの衝撃に晒される積層構造２０／２０’の診断層１０の５個の圧電セラミックセンサ１４ｂからの圧電センサ測定値を概略的に示している。５個のプロット（“微小歪み”対“ミリ秒単位の時間”）の各々は、１個のセンサ１４ｂからのデータに対応する。各センサ１４ｂからのデータは電圧応答として得られる。但し分析目的で各センサからの電圧データは、各センサ１４ｂの特定位置における層１０の機械的応力を表現すべく変換される。センサ電圧と歪みは直接的に関連付けられ、各センサ位置における層１０上の歪みは、そのセンサの電圧測定値を換算係数（微小歪み＝１０-6ε）と乗算して計算され得る。衝撃力は、層１０が衝撃／損傷を受けた後で複数のセンサ１４ｂの測定値の組合せに基づき復元され得る。衝撃の位置、時間または力を決定する上で衝撃の以前におけるセンサ測定値は不要であり、衝撃の時点および衝撃後に取られたセンサ測定値のみが必要とされる。
【００４７】
図７Ｂは、本発明に係る各センサ１４ｂからの測定値（図７Ａ）に基づき層１０／積層物２０／２０’（図６）が受けた衝撃（ハンマ強打）の履歴の復元を表す力−時間プロットである。同一の衝撃（ハンマ強打）の力−時間プロットは、当業界で公知のように力センサを有するモード調整済み衝撃ハンマを使用して実験的に決定された。上記機器はモデル０８６Ｃ０４（ニューヨーク、ＤｅｐｅｗのＰＣＢ  Ｐｉｅｚｏｔｒｏｎｉｃｓ社）であった。本発明の診断システム３０により予測された力−時間プロット（復元）がモード調整された衝撃ハンマＰＣＢモデル０８６Ｃ０４（実験データ）と比較されたとき、図７Ｂから明らかなように密接な関係が観察された。この密接な関係は、構造１０／２０／２０’に対する損傷の監視と、損傷を引き起こす衝撃の性質の決定との両者において本発明の正確な診断能力を例証するものである。
【００４８】
図７Ａに従い得られると共に図７Ｂにプロットされてデータは、人工的に誘起された高周囲ノイズレベル環境で取得された。高ノイズ環境は、（たとえば車両、航空機または艦艇からのエンジンノイズの存在下における）本発明の実際の使用環境をシミュレートする条件下での本発明の作用機能を評価すべく使用された。明らかに、これらの条件下でも本発明は正確である。
【００４９】
一方、診断層１０を組込んだ積層材料に対して機械的検査が行われ、診断積層物２０の一体性および強度が評価された。図８は、接合界面にて診断層１０を備えた及び備えない４種の異なる積層材料に対する剪断重ね継ぎの強度を比較したヒストグラムである。図８においては４種の異なる材料が表示されている。各重ね継ぎ標本は、オートクレーブ内で共硬化された。図８からは、診断層１０を組込んでも各複合体の界面における接合強度は減少しないことが理解され得る。
【００５０】
図９は同様に、診断層１０を備えた及び備えない４種の複合体の平面引張強度を比較したヒストグラムである。診断層１０を含んだ４種の積層材料の各々に対し、診断層界面あるいは診断層１０内では無く、複合体の内部において損傷が生じた。これらの結果からは、診断層１０を含めてもこれらの積層物の面外引張強度は減少しないことが明らかである。
【００５１】
従来技術の方法を使用して複合材料または積層材料を製造する間において、硬化はオートクレーブ内において３００°Ｆを超える温度へと積層物を加熱して数時間に亙り実施される。硬化工程の間において積層材料の状態は変化し得る。従来技術の積層材料および製造方法を使用すると、硬化工程の間において積層材料の状態変化を現場にて監視する信頼性の高い技術は無い。これと対照的に、本発明の診断層１０を有する積層材料の場合、硬化の進行は診断層１０に対する信号入力および診断層１０からの信号により監視され得る。図１０は、時間ゼロにて、すなわち診断層１０を有する積層材料の硬化サイクルの開始時点にて受信された信号に対する受信診断信号の位相遅延のプロットを示している。温度が上昇し始めると、先ず診断波の位相遅延は鋭く増加し、次に低下して実質的に一定レベルを達成する。位相シフトに対する最大値および一定値ならびに曲線の厳密な形状は、硬化工程を受ける特定の積層材料に依存して変化する傾向がある。但し、曲線の基本形状は図１０に示された通りである。
【００５２】
位相遅延は、層１０を含む積層物の状態変化の測定値である。故に、位相遅延がもはや変化しない場合、積層物の状態はもはや変化せず、硬化工程が完了したことを示す。図１０に示された例において、硬化工程の完了工程はＸとマークされており、約１６０分の時点に対応している。
【００５３】
故に診断層１０は、該層１０を含む積層物に対する硬化工程の完了を決定する信頼性の高い方法を提供する。硬化が信頼性高くは監視され得ないという従来技術の積層物製造工程と比較すると、積層物の硬化サイクル完了を信頼性高く決定することにより、更に標準化された製品が、より短時間内に、より少ないエネルギ消費、かつより少ないコストで製造され得る。
【００５４】
図１１は、本発明の診断層を形成する方法に必要とされる一連の工程の概略を示す図である。図１１で概説される方法は、電子工業における可撓性プリント回路の製造における工程と類似した特徴を有している。本発明の方法は、本発明の診断層１０の特性および構成要素と、積層物／複合体製造工程とに対して両立すべく適合される。図１１の工程１１００は、上記診断層に対する誘電基板を配備する工程を含む。工程１１００で配備された誘電基板は好ましくは、高温および低温の両方に耐性を有すると共に、約０．００２５４〜０．０２５４ｃｍ（約０．００１乃至０．０１０インチ）の範囲の好ましい厚みを有する。更に好ましくは、上記誘電基板は約０．００２５４〜０．０１２７ｃｍ（約０．００１乃至０．００５インチ）の範囲の厚みを有する。最も好ましくは、上記誘電基板は約０．００２５４〜０．００７６２ｃｍ（約０．００１乃至０．００３インチ）の範囲の厚みを有する。現在において好ましい誘電基板は、デュポン社（オハイオ州、Ｃｉｒｃｌｅｖｉｌｌｅ）から入手可能な種々のタイプのカプトン（Ｋａｐｔｏｎ、登録商標）などのポリイミド膜である。
【００５５】
図１１の工程１１０２は、上記誘電基板上に導体パターンを印刷する工程を含む。工程１１０４は、工程１１０２で印刷されたパターンに従い誘電基板上に導体パターンを食刻する工程を含む。工程１１０６は、工程１１００で配備された上記誘電基板上に第２誘電層を取付ける工程を含む。好ましい第２誘電層は、好ましい厚みのカプトン（Ｋａｐｔｏｎ、登録商標）の層である。工程１１０８は、工程１１０４で食刻された導体と電気接触が為されるように、誘電基板上に複数のアクチュエータ／センサを取付ける工程を備える。好ましくは、誘電基板上に取付けられた各アクチュエータ／センサは、アクチュエータおよびセンサの双方として機能し得る圧電デバイスである。最も好ましくは、誘電基板上に取付けられた各アクチュエータ／センサは、圧電セラミックである。工程１１０８で上記誘電基板上に各アクチュエータ／センサを取付ける前に、アクチュエータ／センサが取付けされる各位置において第２誘電層には孔が穿孔され得る。
【００５６】
本明細書中に記述された方法に従い製造された本発明の診断層１０は、結果的積層物の強度の喪失も構造的一体性の喪失も無く（図８および図９）、且つ概して元の製造（硬化）工程を改変すること無く、業界公知の方法に依り積層物または他の構造体内にまたはそれらの表面上に組込まれ得る。診断層１０は、積層物における単なる１枚の付加的層として取り扱われ得る。
【００５７】
図１２は、本発明の別実施態様に係る、診断層１０または診断ユニット２０／２０’の状態に生じた変化を診断する方法に含まれる一連の工程の概略を示している。工程１２００は、診断層または診断ユニットの少なくとも一個のアクチュエータに対して第１入力信号を送信する工程を含む。工程１２０２は、上記第１入力信号に応じ、上記診断層の複数のセンサからの第１セットの出力信号を受信する工程を含む。工程１２０４は、上記第１セットの出力信号に対応する第１セットの診断データを生成する工程を含み、上記第１セットの診断データは第１時点における上記診断層またはユニットの第１構造状態を表す。工程１２０６は、たとえばコンピュータのメモリ内に上記第１データセットを記憶する工程を含む。工程１２０８は、上記診断層または診断ユニットの少なくとも一個のアクチュエータに対して、第２のまたは第ｎ番目の信号を入力する工程を含み、上記第２のまたは第ｎ番目の入力信号は上記第１時点より後の時点で入力される。工程１２１０は、上記第２のまたは第ｎ番目の入力信号に応じて、上記診断層における複数のセンサから第２セットのまたは第ｎセットの出力信号を受信する工程を含む。工程１２１２は、上記第２セットのまたは第ｎセットの受信信号に対応した第２セットのまたは第ｎセットの診断データを生成する工程を含み、上記第ｎセットの診断データは、上記第１時点に引き続く時点における上記診断層またはユニットの後続の状態を表す。
【００５８】
工程１２１２で取得された第ｎデータセットは、後のアクセスおよび分析の為に記憶され得る。工程１２１４は、工程１２０４で取得された上記第１データセットと工程１２１２で取得された第ｎデータセットとを比較する工程を含む。工程１２１６は、上記第１セットの診断データ（第１時点）と上記第ｎセットの診断データ（後続の時点）との間の期間に上記診断層またはユニットに生じた状態変化を、もし在るならば、決定する工程を含む。
【００５９】
図１２の説明を参照すると、アクチュエータに入力された第１入力信号および該第１入力信号に応じて各センサから受信された第１出力信号は上記第ｎ信号の入力および受信に先立って入力かつ受信された信号を表し、且つ、上記第１データセットは上記第ｎセットの診断データを取得する前に取得された診断データセットを表す。上記方法は、工程１２０４および１２１２が無くても実行され得る。
【００６０】
すなわち、第ｎ番目の入力信号の後で上記診断層に対して付加的な入力信号が入力され得ると共に、第ｎデータセットが取得された後に対応する付加的なデータセット（たとえば第（ｎ＋ｘ）セット）が取得され得る。たとえば第（ｎ＋ｘ）セットなどの任意の付加的な診断データセットは、任意の先行データセット、すなわち、第１〜第（ｎ＋（ｘ−１））番目のデータセットと比較されることにより、上記診断層の更なる一切の状態変化を監視し得る。この様にして、本発明の複合体および方法に依れば診断層または積層物ユニットの同時進行的な監視が許容される。
【００６１】
図１３は、本発明の別の実施態様に係る、診断層が組込まれた構造体の物理的変形を検出する方法に含まれる一連の工程の概略を示している。好ましくは、複数のアクチュエータ／センサは圧電セラミックアクチュエータ／センサなどの圧電デバイスである。物理的変形を受けている診断層内の圧電センサは診断信号を、たとえば信号受信ユニットにより受信され得る診断信号を発信する。工程１３００は、上記診断層内に配置された少なくとも一個のセンサからの信号を受信する工程を含む。上記センサから受信された信号は、電圧読取値などの形態とされ得る。工程１３０２は、上記信号を処理し、上記診断層の物理的変形を表す診断データを生成する工程を含む。工程１３０４は、衝撃の力および位置として、診断データセットを翻訳する。
【００６２】
図１４は、診断層を有する積層材料を硬化する方法に含まれる一連の工程の概略を示しており、工程１４００は診断層を有する未硬化の積層材料を配備する工程を含む。工程１４０２は未硬化積層材料に加熱サイクルを受けさせる工程を含むが、該加熱サイクルにおいては、温度が周囲温度以上から硬化を開始する高温まで上昇されると共に硬化が完了するまで周囲温度以上に維持され、その後に温度は降下され得る。工程１４０４は、診断層の状態が実質的に一定に留まるまで積層材料の診断層の状態変化を監視する工程を含む。積層材料の診断層の状態が実質的に一定となったとき、積層材料が晒されている温度は降下され得る。特に工程１４０４は、診断層に対する診断信号入力の位相シフトが実質的に一定値を達成するまで該位相シフトを監視することにより、積層材料の診断層の状態変化を監視する工程を含む。
【００６３】
当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、上記実施態様は多くの手法で変更され得ることは明らかであろう。故に本発明の範囲は、添付の請求の範囲およびそれらの法的均等物により決定されねばならない。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】  本発明の一実施態様に係る診断層の概略を示す正面図。
【図１Ｂ】  本発明の別の実施態様に係る、当該診断層の回路内に複数のマイクロスイッチを含む診断層の正面図。
【図１Ｃ】  本発明の別の実施態様に係る、外部無線送信器を有する診断層の概略的を示す正面図。
【図２Ａ】本発明の別の実施態様に係る診断層を複合積層物内に組込むところを概略的に示す斜視図。
【図２Ｂ】  本発明の別の実施態様に係る多重層診断ユニットを形成すべく組合された複数の診断層の概略図。
【図３Ａ】  本発明の別の実施態様に係る診断層を組込んだパネルが受けた損傷の位置および大きさを該診断層により検出する状態を示す概略図。
【図３Ｂ】  本発明の別実施態様に係る診断層を組込んだパネルが受けた損傷の位置および大きさを該診断層により検出する状態を示す概略図。
【図４Ａ】  本発明に係る診断層のアクチュエータに対する入力信号（Ｉ）、および、非損傷状態（Ａ）、損傷状態（Ｂ）において上記診断層のセンサにより受信された信号に依る励起ならびに散乱信号（Ｂ−Ａ）を示す図。
【図４Ｂ】  本発明に係るセンサスペクトログラムおよび散乱スペクトログラムの例を示す図。
【図５Ａ】  本発明に係る診断システムの各構成要素間の関係を概略的に示すブロック図。
【図５Ｂ】  本発明に係る診断システムと、診断層を含む多機能構造監視システムを提供する好ましいコンピュータソフトウェアとの関係を概略的に示す図。
【図６】  本発明に係る診断層を含む積層パネルの表面への衝撃の位置および力−時間履歴が好ましいソフトウェアにより決定され得る方法の概略図。
【図７Ａ】  ハンマからの衝撃に晒される積層パネル内に埋設された本発明に係る診断層の５個のセンサに対する圧電センサ測定値を示す図である。
【図７Ｂ】本発明に係る診断層センサの測定値（図７Ａ）により決定された衝撃の力−時間プロットを、力センサを組込んでモード調整された衝撃ハンマにより決定された同一の衝撃のプロットと比較した図。
【図８】  接合表面にて本発明に係る診断層を備えた積層物および備えない積層物に対する剪断重ね継ぎ（ｓｈｅａｒ−ｌａｐ  ｊｏｉｎｔ）の強度を比較したヒストグラム。
【図９】本発明に係る診断層を備えた積層物および備えない積層物の平面引張強度を比較したヒストグラムである。
【図１０】  本発明の別の実施態様に係る、積層材料の硬化サイクルの間における診断波の位相遅延を示す図。
【図１１】  本発明に係る、診断層を作成する方法に含まれる一連の工程の概略を示す図。
【図１２】  本発明に係る、診断層の状態を監視する方法に含まれる各工程の概略図。
【図１３】  本発明の別の実施態様に係る、診断層を組込んだ構造体の構造的一体性を監視する方法に含まれる各工程の概略図。
【図１４】  本発明の別実施態様に係る、診断層を有する積層材料を硬化する方法に含まれる各工程の概略図。
【図１Ａ】
0004823459.tif 000002
【図１Ｂ】
0004823459.tif 000003
【図１Ｃ】
0004823459.tif 000004
【図２Ａ】
0004823459.tif 000005
【図２Ｂ】
0004823459.tif 000006
【図３Ａ】
0004823459.tif 000007
【図３Ｂ】
0004823459.tif 000008
【図４Ａ】
0004823459.tif 000009
【図４Ｂ】
0004823459.tif 000010
【図５Ａ】
0004823459.tif 000011
【図５Ｂ】
0004823459.tif 000012
【図６】
0004823459.tif 000013
【図７Ａ】
0004823459.tif 000014
【図７Ｂ】
0004823459.tif 000015
【図８】
0004823459.tif 000016
【図９】
0004823459.tif 000017
【図１０】
0004823459.tif 000018
【図１１】
0004823459.tif 000019
【図１２】
0004823459.tif 000020
【図１３】
0004823459.tif 000021
【図１４】
0004823459.tif 000022