JP2008039775A - 締結具アレイにおける電流フローを測定するための方法およびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 複数構造複合継手における締結具を通る電流を同時に測定するための方法および装置を与える。
【解決手段】方法は、プリント回路基板を少なくとも２つの構造の間に挿入するステップを含み、プリント回路基板は少なくとも１つのロゴスキーコイル感知回路によってエッチングされ、少なくとも２つの構造は、プリント回路基板の少なくとも１つのロゴスキーコイル感知回路を通って延在する少なくとも１つの締結具によって連結され、さらに、少なくとも１つの締結具の電流を検知するステップと、過渡パルスを捉えてそのパルスを出力に積分するための対応する受動積分回路に各締結具からの検知された電流を送信するステップと、出力を処理装置へ送信するステップとを含む。
【選択図】図７

Description

背景
本発明は、電流フローの測定に一般に関し、より特定的には、機械的に締付けられた複合構造継手における電流フローの測定に関する。

伝統的に、航空機は、主要な機体構造材料としてアルミニウムを用いて構築されてきた。アルミニウムは優れた電気的かつ熱的導体であり、落雷からの固有の保護をもたらすからである。しかしながら、航空機用の構造（「部品」または「構成要素」とも呼ばれ得る）は、ますます炭素繊維複合材料で作られるようになっている。なぜならば複合体はより高度な特定の強度および剛性を有するからである。複合構造は、アルミニウムと比較して電流を運ぶ容量が小さく、落雷との接触による破損にはるかに弱いことから、燃料を充填した（別名ウェットな）複合主要構造に複合材料を用いることで著しく落雷の懸念を与える。

航空機の複合構造に落雷した場合、大量の電流が複合構造のさまざまな材料間を横断し
、さまざまな材料間の誘電性のギャップの間を飛び越すように雷が複合構造に触れることにより、火花を生じさせ得る。翼の燃料タンク複合構造の発火閾値が異なるので、航空機の複合構造を通してどの程度高いアンペア数の電流が流れることができるかを理解することが必要である。

電流が制御されずに運搬されることの危険性は、一定のジオメトリでは、ジオメトリ固有の閾値レベル（閾値は、アーキングまたは火花の発生が見られるときの過渡的な雷パルスのピーク電流の最低値として規定される）を超えると火花を生じやすいことである。たとえば、このようなジオメトリとしては、露出された締結具のヘッド部が航空機外部から金属の下部構造へ高い電流を伝導するような、機械的に締付けられた外皮の下部構造継手を含む。これらのジオメトリについては、主として締結具のカラー／ナットと金属表面との間の接合面に起因して、発火閾値は相当に低くなり得る（約５０００アンペアのオーダ）。
「向上した継電器保護、制御および測定のための高精度ロゴスキーコイル（High-Precision Rogowski Coils for Improved Relay Protection, Control and Measurements）」

密に締付けられた継手内の空間的な制限のため、締結具における電流を直接測定することは困難であった。ロゴスキーコイル（Rogowski coil）などの電流フロー測定のための従来の方法の使用は、空間的な制限のために実行不可能であった。ロゴスキーコイルが電流測定に用いられるのは、大量の電磁干渉（ＥＭＩ）ノイズが複合構造のアーキング／発火に起因する電流フローの極端な変化に相応して生じるためである。ロゴスキーコイルはＥＭＩに対して免疫があり、周波数応答が広く、電流の振幅の広い範囲にわたって線形であるので、その使用がより便利である。

航空機製造業者は、典型的には、航空機が落雷に強いことを証明しなければならない。電流が航空機の構造を通してどのように流れるかは、そのような証明のための重要な要素である。しかしながら、問題は、複数構成要素の構造複合継手における個々の構成要素を通る電流フローを測定するのが非常に困難なことである。

上記を考慮して必要となるのは、複数構成要素の構造複合継手において個々の構成要素を通る電流フローを測定する方法およびシステムである。

発明の概要
本発明の１つの局面では、複数構造の複合継手における締結具を通る電流フローを測定する方法が与えられる。この方法は、プリント回路基板を少なくとも２つの構造間に挿入するステップを含み、プリント回路基板は、少なくとも１つのロゴスキーコイル感知回路でエッチングされ、少なくとも２つの構造はプリント回路基板の少なくとも１つのロゴスキーコイル感知回路を通して延在する少なくとも１つの締結具によって連結され、さらに、少なくとも１つの締結具において対応するロゴスキーコイルを用いて電流を検知するステップと、過渡パルスを捉えて出力にそのパルスを積分するための対応する受動積分器回路に各締結具からの検知された電流を送信するステップと、出力を処理装置に送信するステップとを含む。

本発明の別の局面では、複数構造の複合継手における締結具を通る電流フローを同時に測定するためのシステムが与えられる。このシステムは、少なくとも２つのロゴスキーコイル感知回路でエッチングされたプリント回路基板を含み、各ロゴスキーコイルは二重螺
旋パターンに巻かれ、プリント回路基板は、少なくとも２つの締結具によって連結された少なくとも２つの構造間の継手内部に挿入され、少なくとも２つの締結具は対応するロゴスキーコイル感知回路を通って延在し、さらに、受動積分器アレイを含み、受動積分器アレイは、各ロゴスキーコイル感知回路から対応する出力を受取ってその出力をアレイ出力に積分するための少なくとも２つの受動積分器回路を有し、さらに、アレイ出力を表示するための処理装置を含む。

本発明の本質が素早く理解されるよう、この概略が与えられている。添付の図と関連して好ましい実施例の以下の詳細な説明を参照すると、本発明についてより完全な理解を得ることができる。

本発明の上述の特徴および他の機能は、好ましい実施例の図面を参照してここで記述される。示された実施例は例示するよう意図されるが、本発明を限定しない。

好ましい実施例の詳細な説明
以下の詳細な説明は、本発明を実施するための現在想定される最良の形態である。この説明は限定的な意味に取ってはならず、本発明の一般的な原理を例示する目的で示されるにすぎない。なぜならば本発明の範囲は添付の請求項によって最も良く規定されるからである。

本発明によれば、複数締結具の構造複合継手における個々の締結具などの、複数構成要素の複合構造における個々の構成要素を通る電流フローを測定する方法およびシステムが与えられる。本発明の方法およびシステムは、これらの例示的実施例において航空機を用いて実現されるが、当業者は、本願明細書に記載された原理および教示が、自動車、船舶、ヘリコプターおよび列車などの複合表面を有するさまざまな構造に適用され得ることを認識するだろう。

避雷を与えるための航空機の複合構造への潜在的な修正が連続的に開発されてきた。潜在的修正が有効か否かを判断するために、修正された構造の航空機の試験が必要である。典型的には、航空機の翼構造は、翼構造がどのように屈曲するかを判断するために翼にさまざまな機械的負荷を加えることにより検査され、次にこの情報が分析モデルと比較される。

しかしながら、落雷による損傷を防ぐのに修正が有効か否かを判断するためには、複数締結具の構造複合継手における個々の締結具を通る電流フローが測定されてベースラインを生成する。締結具アレイ内の個々の電流フローを測定する能力がなくては、落雷中に電流フローを判断することができない。電流が落雷中にどのように流れているかを知ることによって、複合構造の設計または製造の変更が避雷するように電流フローを修正したか否かが判断され得る。

図１ａおよび図１ｂを見ると、複合継手２における電流フローの側面図および上面図がそれぞれ示される。複合継手２は、複合層５および複合層６などの構造をともに締付けるための金属締結具３を含む。このような構造は航空機の翼外皮などに用いられ得る。金属締結具３は、機械的負荷および電流４が翼外皮の複合層５、６と航空機の下部構造との間に転送されるようにする。電流フロー４は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）パネルの密な表面結合を防ぐ表面樹脂の結果として、締結具３を通るよう強制される。

航空機の翼構造に用いられる複合材料／層は、機械的負荷および電流の担体として優れた、高配向性炭素原子でできた繊維から構成される。繊維は、繊維間の剪断負荷を転送す
ることができる高分子樹脂物質で包まれているが、電流の担体としては不十分である。

締結具３を通って流れる電流（アンペア数）のレベルが高くなるほど、継手２で火花が発生する可能性が高い。航空機の燃料タンクが金属締結具および複合継手から構成されるので、継手２から発生する火花は結果として燃料タンク内部で生じる火花となる。落雷を受けた締結具を通る高い電流フローの効果は、隣接する締結具が電流フローを共有するように締結具３に隣接した複合体の抵抗を修正することによって緩和することができる。電流を広げるため、雷に晒される表面近くの複合スタックアップにさまざまな形状およびジオメトリの金属導体材料が加えられ得る。しかしながら、いかなる形状およびジオメトリの材料を加えるかを判断するために、経路および電流フローのレベルについて知ることが望ましい。

電流フローを知ることにより、電気的負荷が締結具またはその近くに集中するので締結具によって外皮と下部構造との間で電気的負荷が転送されることが理解でき、大量の電流が翼に当たった場合には、電流が外皮へ、次いで下部構造へと横断する。典型的には、電流は最小インピーダンスの経路を取り、電流はその経路から構造に入り、構造から出てその経路へ入る。

図２は、複数締結具の複合構造継手における個々の締結具を通る電流フローを測定する方法を用いるシステム１０のブロック図を示す。本発明の好ましい実施例では、トレースパターン１２、１４、１６、１８がプリント回路基板２０に組入れられる。ＰＣＢ２０は、領域でクエリされるすべての締結具に対するトレースパターンを有する。トレースパターン１２−１８はロゴスキーコイル感知回路を形成する。ＰＣＢ２０を設計するときには締結具レイアウトのパターンが知られている。ＰＣＢはすべて、特定のパターンで多層基板を通過する多層トレースに依存するが、各ＰＣＢはクエリされる領域の各々に合わせて作られる。ＰＣＢ２０の各層が同じ設計および製作プロセスを経るのでトレースはすべて本質的に平衡が保たれ、また、すべて同じ基板に構築されるのですべてのコイルの挙動が類似する。

本発明の１つの局面では、トレースパターン１２−１８は、ミネソタ州ミネアポリス（Minneapolis, Minnesota）のインフィニット・グラフィックス社（Infinite Graphics）のＰＡＲ−ＥＸＴ（登録商標）などの標準ＰＣ基板電子機器コンピュータ援用設計（ＥＣＡＤ）パッケージを用いて設計されている。ＰＣＢの多層基板技術を用いることにより、誘電体コア層を備えた多重信号層の使用が可能になり、（ほとんど同心であるが対向する方向の）トレースの巻線を支持する。

上述のように、トレースパターン１２−１８はロゴスキーコイル感知回路のアレイ１２−１８を形成し、それぞれの回路は複数締結具の構造複合継手における異なる締結具（または電流フローの測定が望ましい他の構成要素）を囲む。４つのロゴスキーコイル感知回路１２−１８が示されるが、回路トレースの数は５以上でも３未満でもよい。

ロゴスキーコイル感知回路１２−１８は、回路の外部の磁界に対する反応が最小になる一方で、測定されている領域に対する回路の信号反応が最大になるように巻かれる。ＰＣＢ２０の使用により、回路のインピーダンスならびに銅トレースおよび誘電領域のジオメトリについて固有の正確さがもたらされる。上述のように、締結具アレイのロゴスキーコイル感知回路１２−１８のすべてが同じ銅および誘電材料を用いて同じ製造シーケンスの間に形成され、回路トレースのすべてがジオメトリおよび材料特性において本質的に類似するので、感知装置の一貫性が向上する。その領域を通る磁束がトレースへの電流の誘導を引起すので、トレースが最大量の領域のまわりを包むことが重要である。締結具の直径および締結具間の間隔が、ＰＣＢの望ましい最大の厚さなどのジオメトリ上の特徴として
、ＰＣＢ回路として設計することができる領域を限定する。したがって、それらのトレースがすべて０の厚さおよび０の層間間隔を有していれば、トレース上にいかなる誘導電流もない。

ロゴスキーコイル感知回路１２−１８が個々の締結具の電流を検知し、各回路１２−１８は、受動積分器アレイ３８の個々の積分器回路３０−３６にそれぞれ入力される個々の出力（誘導電流対時間履歴）２２、２４、２６、２８を生成する。大きな電気パルスが締結具を通って送られ、パルスの迅速な変化により磁界を生成する。積分器回路３０−３６はそれぞれＰＣＢ２０から過渡パルス、すなわち誘導された電圧変化を捉え、締結具の所望の電流プロファイルへ後処理するのに適したアレイ出力４０にそのパルスを積分する。次いでアレイ出力４０は、表示されるために、オシロスコープまたはネットワークアナライザなどの処理／表示装置４２に送信される。

図３は、装置の電流フローによって発生する磁界によってロゴスキーコイル４３−６３に誘導された過渡電流を捉えることにより複数締結具の構造複合継手における個々の締結具を通る電流フローを測定するための、ロゴスキーコイル感知回路４３−６３のアレイでエッチングされたプリント回路基板４１を示す。ロゴスキーコイル感知回路４３−６３は各締結具を囲む。ロゴスキーコイルは、電流を測定するために当該技術において周知である。リュボミール コジョビック（Ljubomir Kojovic）による「向上した継電器保護、制御および測定のための高精度ロゴスキーコイル（High-Precision Rogowski Coils for Improved Relay Protection, Control and Measurements）」の７−８頁を参照されたい。

ロゴスキーコイルはそれぞれ二重螺旋パターンで巻かれる。第１の螺旋は時計回りの方向に締結具を巻き、第２の螺旋は反時計回りの方向に締結具を巻く。２つの螺旋は連続コイルを形成するよう一方端で互いに接続され、２つの螺旋の他方端はＰＣＢ４１上でコネクタ６５、６７によってそれぞれの積分器回路の入力リードに接続される。各回路は共通の接地６９に接続されて示されるが、ＰＣＢを積分器に接続する線からのＥＭＩを最小限にするためにツイストペア線を用いる場合は、これは必要ではない。

螺旋コイルにおける巻き方向は締結具の電流フローからの磁界に反応するよう配向され、その結果、締結具のまわりの単一の螺旋コイルによって形成されたループがなくなるようにする。単一のループがなくならない場合、ループは外皮における電流フローに起因して磁界に反応し、望ましくない反応を導入して締結具の電流測定を妨害する。

図４ａは、ＰＣＢ４１にエッチングされた、第１の螺旋７１および第２の螺旋７３を有する、４信号層ロゴスキーコイル設計４４の分解図を示す。図４ｂは、線Ａ−Ａに沿って得られた図４ａのロゴスキーコイルの断面図を示す。図４ｃは、線Ｂ−Ｂに沿って得られた図４ａのロゴスキーコイルの断面図を示す。

ＰＣＢ４１は、第２の螺旋７３を表す第１の信号層４６および第３の信号層４８から構成されるが、第２の信号層５２および第４の信号層５４は第１の螺旋７１を表す。この場合およそ９０ミルの誘電層５０はＰＣＢ２０の第２の信号層５２と第３の信号層４８との間に位置し、締結具の電流フローから発生する磁界を捉えるために感知領域で必要となる、増大した分離（したがって断面）を与える。個々の信号層はメッキされたスルーホールビア６４に接続する。さらに、ＰＣＢ４１は、外側層の上にソルダーレジスト層５６、５８を含み、第１の信号層４６と第２の信号層５２との間および第３の信号層４８と第４の信号層５４との間に、第１のプリプレッグ誘電体層６０および第２のプリプレッグ誘電体層６２をそれぞれ含む。

図５は受動積分器アレイ７５を示す（図２の３８に類似する）。受動積分器アレイ７５
は、それぞれの締結具の電流フローから発生する磁気的に誘導された電界を捉えて分析するために、各締結具について別個の積分器回路を含む。受動積分器アレイ７５は１１個の積分器回路６８−８８（３０−３６に類似）を含む。１１個の積分器回路が示されるが、受動積分器アレイはより多い、またはより少ない積分器回路を有することができる。各積分器回路はそれぞれ、ＰＣＢ４１上のロゴスキーコイルからの信号を捉え、その信号を個々の締結具の電流に変換して、外皮電流から出るノイズおよび他の電磁妨害をフィルタする。

図６は、図５の受動積分器アレイ７５における各々の受動積分器回路の回線図を示す。ロゴスキーコイル感知回路の出力が受動積分器回路に入力され、この実施例においては、この回路は５００ｏｈｍの可変抵抗器９０と、外皮電流から出るノイズおよび他の電磁妨害をフィルタする０．３３μＦのキャパシタ９２とを含む。図５の各積分器回路はロゴスキー感知回路からの出力をアレイ出力４０に積分し、それは処理／表示装置４２に送信される。

図７は、複数締結具の複合構造継手における個々の締結具を通る電流フローを測定するステップを示すフローチャートを示す。方法はステップＳ７００に始まり、そこでＰＣＢ２０は２つの構造間の継手内部に挿入され、２つの構造は、締結具がＰＣＢ２０に垂直であるようＰＣＢ２０の穴を通って延在する。ステップＳ７０１では、締結具の誘導電流は、たとえばシミュレートされた落雷テスト中に検知される。ステップＳ７０２では、誘導電流は受動積分器アレイ３８に送信される。誘導電流はテスト中に適用される電流ではなく、各トレースの２つの経路間で示される電流である。受動積分器アレイ３８はＰＣＢ２０から、過渡パルス、すなわち誘導された電圧変化を捉え、締結具の所望の電流プロファイルへ後処理するのに適したアレイ出力４０にそのパルスを積分する。ステップＳ７０３では、アレイ出力４０は、オシロスコープまたはネットワークアナライザなどの処理／表示装置４２に送信される。ステップＳ７０４では、出力４０は航空機の安全テスト中の継手設計を証明するために用いられる。代替的には、ステップＳ７０５で、出力４０は落雷によって発火することを防ぐための航空機の構造上の設計を改良するために用いられる。修正が落雷による損傷を防ぐのに有効か否かを判断するために、複数締結具の構造複合継手における個々の締結具を通る電流フローが測定されてベースラインを生成する。電流が落雷中にどのように流れているかを知ることによって、複合構造の設計または製造の変更が落雷から保護するか、または落雷による損傷を低減するような方法で電流フローを修正したか否かが判断され得る。

図８は、処理／表示装置４２に表示されたアレイ出力の例を示すグラフである。このグラフは、８つの締結具Ｆ１−Ｆ８を通る電流フローを示す。落雷を受けた締結具（締結具Ｆ６）の減じられたピーク電流、および締結具Ｆ６に隣接した締結具の増大した電流のレベルがグラフに示される。すべての締結具における電流フローを知ることによって、提案された設計が有効か否かを判断することができる。

本発明の方法およびシステムは、ダブラープレートおよび燃料／油圧アイソレータなどの燃料タンク機能のための他の設計改善のために利用することができる。

本発明は、好ましい実施例と現在考えられているものに関して上述されたが、本発明は上述されたものに限定されないことが理解される。逆に、本発明は、添付の請求項の精神および範囲内のさまざまな修正および等価の構成を包含するように意図される。

炭素繊維複合体における締結具の電流フローの側面図を示す図である。 炭素繊維複合体における締結具の電流フローの上面図を示す図である。 本発明の好ましい実施例における、複数締結具の構造複合体における個別の締結具を通る電流フローを測定するためのシステムのブロック図を示す図である。 複数締結具の構造複合継手における個別の締結具を通る電流フローを測定するための、ロゴスキーコイルによってエッチングされたプリント回路基板を示す図である。 図３の４信号層ロゴスキーコイルの分解図である。 線Ａ−Ａに沿って得られた図４ａのロゴスキーコイルの断面図である。 線Ｂ−Ｂに沿って得られた図４ａのロゴスキーコイルの断面図である。 本発明の好ましい実施例による受動積分器アレイの図である。 図５の受動積分器アレイの各受動積分器回路の回路図である。 複数締結具の構造複合継手における個別の締結具を通る電流フローを測定するためのステップを示すフローチャートである。 処理／表示装置に表示されたアレイ出力の例を示す図である。

符号の説明

１０ システム、１２，１４，１６，１８ ロゴスキーコイル感知回路、２２，２４，２６，２８ 出力、３０，３２，３４，３６ 積分器、３８ 積分器アレイ、４０ アレイ出力、４２ 処理／表示装置。

Claims (19)

1. 複数構造の複合継手における構造を通る電流フローを同時に測定するための方法であって、
   少なくとも１つのロゴスキーコイル感知回路によってエッチングされたプリント回路基板を少なくとも２つの構造の間に挿入するステップを含み、少なくとも２つの構造はプリント回路基板の少なくとも１つのロゴスキーコイル感知回路を通って延在し、
   少なくとも２つの締結具の誘導電流を検知するステップと、
   プリント回路基板からの過渡パルスを捉えてそのパルスをアレイ出力に積分するために受動積分器アレイへ誘導電流を送信するステップと、
   アレイ出力を処理装置へ送信するステップとを含む、方法。
2. 少なくとも２つの構造は締結具である、請求項１に記載の方法。
3. 締結具はプリント回路基板に垂直である、請求項２に記載の方法。
4. 処理装置はネットワークアナライザである、請求項３に記載の方法。
5. 処理装置はオシロスコープである、請求項３に記載の方法。
6. アレイ出力は航空機の安全を証明するために用いられる、請求項３に記載の方法。
7. アレイ出力は落雷による損傷を防止するため航空機の構造の設計を改良するために用いられる、請求項３に記載の方法。
8. 受動積分器アレイは少なくとも１つの受動積分器回路からなり、少なくとも１つの受動積分器回路は、外皮電流から生じるノイズをフィルタするためにキャパシタに接続される可変レジスタを含む、請求項１に記載の方法。
9. 誘導電流は少なくとも２つの構造を通って送信される電気パルスによって生じ、電気パルスは落雷をシミュレートする、請求項１に記載の方法。
10. 複数構造の複合継手において構造を通る電流フローを同時に測定するためのシステムであって、
    少なくとも１つのロゴスキーコイル感知回路によってエッチングされたプリント回路基板を含み、プリント回路基板は少なくとも２つの構造の間に挿入され、少なくとも２つの構造は少なくとも１つのロゴスキーコイル感知回路を通って延在し、さらに
    少なくとも１つのロゴスキーコイル感知回路から少なくとも１つの出力を受取って、その少なくとも１つの出力をアレイ出力に積分するための少なくとも１つの受動積分器回路を有する受動積分器アレイと、
    アレイ出力を表示するための処理装置とを含む、システム。
11. 出力は、少なくとも２つの構造を通って送信される電気パルスによって生じるプリント回路基板からの過渡パルスであって、電気パルスは落雷をシミュレートする、請求項１０に記載のシステム。
12. 少なくとも２つの構造は締結具である、請求項１１に記載のシステム。
13. 締結具はプリント回路基板に垂直である、請求項１２に記載のシステム。
14. 処理装置はネットワークアナライザである、請求項１３に記載のシステム。
15. 処理装置はオシロスコープである、請求項１３に記載のシステム。
16. アレイ出力は航空機の安全を証明するために用いられる、請求項１３に記載の方法。
17. アレイ出力は落雷による損傷を防止するため航空機の構造の設計を改良するために用いられる、請求項１３に記載の方法。
18. 少なくとも１つの受動積分器回路は、外皮電流から生じるノイズをフィルタする、請求項１０に記載のシステム。
19. 少なくとも１つの受動積分器回路は、キャパシタに接続される可変レジスタを含む、請求項１８に記載のシステム。

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