JP2009025314A - エアデータセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】機体形状に適合するとともに、構造が簡単なエアデータセンサを提供する。
【解決手段】機体の表面に接着して適合するフレキシブル基板、コンフォーマブル層、および、基板とカバー層の間の気圧を検知するための比較的薄いエアデータセンサを有する、40ノット未満の対気速度で移動する機体の表面に隣接した外気環境に関するデータを獲得するためのエアデータセンサ・アセンブリである。このアセンブリはまた、光ファイバ通信リンク、バッテリ、データ獲得サブシステムおよびフレキシブル・プリント回路も含み、すべてを基板とカバー層の間に含む。カバー層はポリマー膜で形成される。
【選択図】図1
【解決手段】機体の表面に接着して適合するフレキシブル基板、コンフォーマブル層、および、基板とカバー層の間の気圧を検知するための比較的薄いエアデータセンサを有する、40ノット未満の対気速度で移動する機体の表面に隣接した外気環境に関するデータを獲得するためのエアデータセンサ・アセンブリである。このアセンブリはまた、光ファイバ通信リンク、バッテリ、データ獲得サブシステムおよびフレキシブル・プリント回路も含み、すべてを基板とカバー層の間に含む。カバー層はポリマー膜で形成される。
【選択図】図1
Description
本発明は、エアボーン車両計装の分野に関し、より詳細には、航空構造のエアフォイルなど、機体構造に隣接した1つまたは複数の外気パラメータを測定するためのセンサに関する。
航空コミュニティは、計器飛行の出現以来、外気パラメータ測定を必要としてきた。しかし、従来技術のセンサ技術は通常、十分な分解能を実用的なフォームファクタで、40ノット未満の対気速度に関連付けられた動圧の測定のための手頃なコストで提供することができなかった。このため、ヘリコプターおよびV/STOL(垂直短距離離着陸)航空機は、レーダおよびレーザ光学系など、アクティブセンシング技術を使用し、結果として複雑さおよびコストが増し、信頼性に伴う問題があった。加えて、従来技術のエアデータセンサは特徴として、それらが取り付けられた機体部材に関して突起(突出)形状を有した。
本発明は、過酷な環境において極端な温度で、動圧にかかわらず温度および圧力を高い分解能で測定すると同時に、それが取り付けられる空力構造と統合されるかあるいはそれに適合する流線型の形状を有することができる装置を提供することによって、このような従来技術の欠点を克服する。本明細書では、エアボーン車両および航空構造は、航空機(固定翼か回転翼かにかかわらず)、スペースクラフト、自家動力および動力なしの発射体(ミサイルおよび砲弾など)および気体流体推進機構(ターボ機構、ジェットエンジン、ロケットエンジンなど)など、その空中の周囲で実施することができ、あるいはその空中を通過するように意図される、空中の移動のために意図されたいずれかの装置を意味する。流体力学的(すなわち、液体流体)ならびに空力的/気体流体を含むことは本発明の範囲内であることを理解されたい。
このとき図面、特に図1および2を参照して、The Boeing Companyによって製造されたAV−8B Harrier V/STOLタイプの航空機10を示す。また、このとき図3も参照して、本発明を、航空機10の翼14の一部の上の比較的薄いパッチ12または層として示す。本発明は、航空機、ロケットおよびミサイル、および発射体など、様々なエアボーン車両と関連して有用であることを理解されたい。このような車両を有人または無人にすることができる。Harrier航空機は、それが離陸および着陸中に40ノット未満の対気速度で動作する限りは、1つの例示または応用例として使用される。本発明の流線型の態様は、抗力および乱流を低減するためにより高い対気速度で有用である。
このとき特に図4を参照すると、エアデータセンサ・アセンブリ12の断面図を見ることができる。この図では、アセンブリ12が翼14の一部16に接着層18を介して結合されている。圧力センサ20はアセンブリ12内に位置する。データ獲得回路22およびバッテリ24もアセンブリ12内に位置することが好ましい。センサ20、回路22およびバッテリ24が、フレキシブル・プリント回路層26を介して機械的かつ電気的に相互接続される。バッテリ24は、2分の1ミルの厚さのポリマー充電式リチウムバッテリであることが好ましく、これは2000 Technology Parkway,Newark,NY 14513の住所のUltralife Battery,Inc.から
、部品番号EL27として入手可能である。
、部品番号EL27として入手可能である。
図5のように、本発明の好ましい実施形態では、センサ20など、センサのアレイまたは複数のセンサ26がフルオロポリマー層34の下で同じ場所に配置され、合計の厚さが6〜10ミルとなる。このようなセンサを温度および圧力センサ、または望まれるような他のエアデータセンサにすることができる。温度は気圧読み取りを訂正するために必要であることを理解されたい。絶対圧トランスデューサの一例は、米国特許第5,808,210号で開示されている。
センサはデータを、光ファイバ層28における光ファイバのネットワークを介して、電子データ整理および処理ブロック30(図5および7を参照)へ提供する。光ファイバ層28を使用して、電力をセンサ20に提供することもできる。共振型統合微構造センサに、マイクロビーム構造に位置する埋め込みフォトダイオードによって、光学的にエネルギーを与えることができる。入射光線がセンサに、光ファイバおよびコリメート・グレーデッド・インデックス・レンズを介して結合されるので、フォトダイオードは「エタロン効果」を確立し、マイクロビームを共振モードの動作に励起させる。このようなセンサのための光検知および駆動についての動作の原理は、米国特許第5,808,210号で提示されている。
層28における光ファイバを集め、標準光ファイバケーブルコネクタにおいて終端処理することができる。光ファイバケーブルコネクタがブロック30で、ユニバーサル信号コンディショナおよびリモート入力/出力ユニットに接続される。ブロック30は光信号を気温および気圧信号に変換し、これらがエアデータ計算ブロック32によって使用されて、周知の技術に従って圧力および温度から高度および対気速度が計算される。
本発明を使用して、飛行機の翼などの空力面またはタービンエンジンなどのターボ内部機構における境界層流量を特徴付けるための、最小侵入圧力測定器を提供することができる。それが取り付けられる表面の形状に近く適合することによって、検知中である境界層における流量特性における影響が最小限または無視できる程度にもなる。
本発明の実施では、エアデータセンサ(気圧センサ20など)、データ通信ネットワーク(層28内)、データ獲得回路22および機械的支持がすべて単一の超低プロファイル適合パッケージ12において結合される。パッケージまたはパッチ12は環境保護のためのコンフォーマル層34を含み、これは複数のポートまたは開口36を含む。層34はフルオロポリマー膜であることが好ましく、これはSt.Paul,Minnesotaの3M Companyによって製品番号500で、厚さ3.5から10ミルの航空機塗料交換膜として製造されたものなどである。保護カバーを設けることに加えて、膜34は、以下に記載する方法でシステムのコンポーネントを取り付けるためのフレキシブル層としての機能を果たす。
このとき再度図4を参照すると、計器パッケージ12は機体表面38に接着して結合されることが好ましい。接着層40は好ましくは、市販のアクリレート加工において約1.5ミルの厚さに形成された粘着剤の形であり、最初にバッキングまたは解除層(図示せず)を有し、これが表面38上への設置の直前に除去される。エアデータセンサ20、データ獲得回路22およびコンフォーマル充電式バッテリ24がすべて膜34上に取り付けられることが好ましく、これは最終的には計器パッケージ12のためのコンフォーマブル・カバー層を形成する。1つまたは複数のセンサ20(圧力センサおよび温度センサを含むことができる)、回路22およびバッテリ24がそれぞれカバー層34に電気的かつ機械的に接続されることを理解されたい。コンフォーマブル・アセンブリ12は好ましくは約6〜10ミルの厚さであり、層34はフレキシブル・プリント回路のためのベースとして
の機能を果たし、環境を保護するものとなることに加えて、電気的相互接続および機械的軽減支持を提供する。層24上のフレキシブル・プリント回路は好ましくは1ミル厚さのポリマー厚膜41であり、ステンシル、スクリーン印刷またはインクジェット処理技術を使用して層24上に付着される。電気的コンポーネントおよび圧力センサは好ましくは、ソルダーバンプ42を利用した従来の表面取り付け技術を使用して、フレキシブル・プリント回路に相互接続される。追加の機械的支持を提供することができ、これは約0.5ミルの厚さのエポキシ樹脂コーティング化合物の層44を追加してセンサ20および関連するコンポーネントを結合して、ポリマー膜層41およびカバー層34を層状にすることによって行う。
の機能を果たし、環境を保護するものとなることに加えて、電気的相互接続および機械的軽減支持を提供する。層24上のフレキシブル・プリント回路は好ましくは1ミル厚さのポリマー厚膜41であり、ステンシル、スクリーン印刷またはインクジェット処理技術を使用して層24上に付着される。電気的コンポーネントおよび圧力センサは好ましくは、ソルダーバンプ42を利用した従来の表面取り付け技術を使用して、フレキシブル・プリント回路に相互接続される。追加の機械的支持を提供することができ、これは約0.5ミルの厚さのエポキシ樹脂コーティング化合物の層44を追加してセンサ20および関連するコンポーネントを結合して、ポリマー膜層41およびカバー層34を層状にすることによって行う。
光ファイバ層28は、好ましくは約200ミクロンの厚さのポリイミドで形成されたフレキシブル基板であり、センサ20とデータ獲得回路22の間の、かつ光ファイバから導波路カプラ46への光相互接続を提供するためのものであり、導波路カプラ46は、計器パッケージ12を高温データプロセッサ32(図5を参照)に接続するマルチモード光ファイバケーブル50のためのストレインリリーフ48を有する。光ファイバ相互接続の使用により、影響を局所的処理範囲のみに制限することによって電磁妨害のイミュニティが高まる。データ獲得回路22は光信号を、さらに処理するために1つまたは複数の(好ましくはデジタルの)電気信号に変換することを理解されたい。
このとき図8、9および10を参照すると、圧力を検知するためのエアデータセンサ20についての一実施形態のある態様が見られる。図8および9では、共振マイクロビーム・センサ・アセンブリ60が例示される。図8はセンサ・アセンブリ60の部分切り取り図であり、これは、真空空洞エンクロージャ64、駆動電極66、マイクロビーム68およびセンサ抵抗器70を有する片持ち梁取り付けアーム62を有する。図9に例示するように、片持ち梁取り付けアーム62が、加えられた力74によって距離72だけ偏向されるとき、共振するマイクロビーム68は結果として軸方向の力が増すようになり、これを矢印76によって示す。
図10は、アセンブリ60についてのゲインおよび位相反応を示す。力74が加えられるにつれて、共振周波数および位相シフトが起こる周波数が変化し、加えられた力が増すと共に周波数が増す。ポート36で検知された気圧の変化が結果として、アーム62に加えられた力74における変化を生じ、これが、共振するマイクロビーム68の応答特性82の横座標または水平軸80に沿った共振周波数78におけるシフトとして検出される。
計器パッケージ12は、フレキシブル・プリント回路41をカバー層または膜42の上に作成し、その後にはんだ接続42を介してコンポーネント20、22および24が電気的に接続されることによって、製造される。エポキシ層またはコーティング44が加えられて、コンポーネント20、22および24に隣接した空間が満たされ、光ファイバ相互接続層28がカプラ46と共にこれらのコンポーネントおよびエポキシ層に取り付けられる。カプラ46および粘着層40をフレキシブル基板層28に、パッケージ12の残りへのアセンブリの前または後に、取り付けることができる。
このとき図11を参照すると、本発明の実施において有用な光ファイバインターフェイスまたはカプラ46の拡大図が見られる。光ファイバケーブル50が屈折率分布レンズ54内のストレインリリーフ48において受けられ、これが、シリコンチップサブシステム58内の光導波路またはエッチング加工空洞56に光学的に結合される。入射光線を矢印52によって示す。
このとき図12を参照すると、本発明の実施において有用なマイクロビーム温度センサ90の簡易図が見られる。気圧読み取りの訂正を提供するための気温の測定を、追加の共
振型統合微構造センサ90をエアデータセンサシステムに組み込むことによって実施することができる。共振マイクロビーム温度検知は、米国特許第5,772,322号から知られている。温度センサ90のための構造は、スパッタリング加工または同等の半導体方法を介して、バルクシリコン片持ち梁96の片側94に加えられた金または白金などの貴金属の適合金属化層92を含む。2つの異なる層の熱膨張の係数が、片持ち梁96の機械的な堅さを、梁96がさらされる温度に従って変化させる。エアデータおよび温度センサ90は好ましくは、共通のシリカ基板98上で互いに隣接して位置する2つの能動素子のアレイとしてパッケージされる。梁96はまた、共振型統合微構造100を担持することも好ましい。能動素子が、コンフォーマル・センサ・パッケージ12の端部の気圧光ファイバ50と同じ場所に位置するさらなる光ファイバ(図示せず)によって問い合わせされる。共振マイクロビーム・センサ技術の静的補償は米国特許第5,458,000号で開示されている。
振型統合微構造センサ90をエアデータセンサシステムに組み込むことによって実施することができる。共振マイクロビーム温度検知は、米国特許第5,772,322号から知られている。温度センサ90のための構造は、スパッタリング加工または同等の半導体方法を介して、バルクシリコン片持ち梁96の片側94に加えられた金または白金などの貴金属の適合金属化層92を含む。2つの異なる層の熱膨張の係数が、片持ち梁96の機械的な堅さを、梁96がさらされる温度に従って変化させる。エアデータおよび温度センサ90は好ましくは、共通のシリカ基板98上で互いに隣接して位置する2つの能動素子のアレイとしてパッケージされる。梁96はまた、共振型統合微構造100を担持することも好ましい。能動素子が、コンフォーマル・センサ・パッケージ12の端部の気圧光ファイバ50と同じ場所に位置するさらなる光ファイバ(図示せず)によって問い合わせされる。共振マイクロビーム・センサ技術の静的補償は米国特許第5,458,000号で開示されている。
実際には、本発明の計器パッケージ12を、解除層が取り付けられた、巻いた形で、パッケージ12を機体部材上に設置することが望ましくなるまで製造かつ格納することができ、このときにパッケージおよび解除層が解かれ、解除層が除去され、パッケージまたはパッチ12に手で、エアデータが取られるところに隣接した表面への圧力が加えられる。ケーブル50が好ましくは従来の光ファイバケーブルコネクタを介してデータ処理機器(図示せず)に接続されて、パッチ12が取り付けられる表面に隣接した境界層についてのエアデータが得られる。計器パッケージ12の全体の厚さは、約10ミルまたは0.0254cm(0.010インチ)の厚さである。
本発明は、その詳細のすべてに限定されるように解釈されるべきでなく、その修正および変形形態を、本発明の精神または範囲から逸脱することなく行うことができる。たとえば、本発明を、タービンエンジンの内面または流線型の気流を要する他の構造において利益を与えるように使用することができる。
Claims (18)
- 低い対気速度パラメータを検知するためのコンフォーマブル・エアデータセンサ・アセンブリであって、
a.フレキシブル基板と、
b.コンフォーマブル・カバー層と、
c.フレキシブル基板とコンフォーマブル・カバー層の間に位置し、アセンブリがエアボーン車両の表面にコンフォーマブルに固定されるとき、コンフォーマブル・カバー層に隣接した低い対気速度パラメータを検知するためのアセンブリを形成する、比較的薄いエアデータセンサとを含む、コンフォーマブル・エアデータセンサ・アセンブリ。 - センサがコンフォーマブル・カバー層に固定される、請求項1に記載のアセンブリ。
- コンフォーマブル・カバー層はポリマー材料を含む、請求項1に記載のアセンブリ。
- 基板、カバー層およびエアデータセンサを合わせた厚さは約0.0254cm(0.010インチ)である、請求項1に記載のアセンブリ。
- d.隣接したエアデータが望まれる構造の表面にアセンブリを接着させるためのフレキシブル基板に固定された接着層をさらに含む、請求項1に記載のアセンブリ。
- カバー層はさらに、エアデータセンサに電気的に接続されたフレキシブル・プリント回路をさらに含む、請求項1に記載のアセンブリ。
- エアデータセンサはさらに気圧センサを含む、請求項1に記載のアセンブリ。
- エアデータセンサ・アセンブリであって、
a.約40ノット未満の対気速度に関連付けられた表面の動圧の検出のために空力面上に取り付けられたアセンブリ内に位置するエアデータセンサのアレイと、
b.ポリマー材料で形成された保護カバー層と、
c.アセンブリ内に位置するデータ獲得回路と、
d.データ獲得回路とアレイにおける各エアデータセンサの間の相互接続パスを形成するフレキシブル基板とを含む、エアデータセンサ・アセンブリ。 - 空力面は前縁を有し、少なくともいくつかのエアデータセンサは空力面の前縁の領域に位置する、請求項8に記載のエアデータセンサ・アセンブリ。
- 少なくとも1つのエアデータセンサは、気圧の変化に応答して共振周波数シフトを有する共振マイクロビームを含む、請求項8に記載のエアデータセンサ・アセンブリ。
- エアデータセンサ・アセンブリを製造する方法であって、
a.フレキシブル・プリント回路をポリマー膜上に形成し、少なくとも1つの開口を膜およびフレキシブル・プリント回路において有するステップと、
b.開口に隣接し、かつそれと流動的に通信するフレキシブル回路に、比較的薄いエアデータセンサを取り付けるステップと、
c.接着層を有するフレキシブル基板をエアデータセンサおよびフレキシブル・プリント回路に取り付けるステップとを含み、結果として、
ポリマー膜に隣接した空気におけるエアパラメータを、開口を介してエアデータセンサを使用して検知するためのコンフォーマブル・エアデータセンサ・アセンブリを生じる方法。 - ステップaおよびcの間にさらに、
b1.データ獲得回路をフレキシブル・プリント回路に取り付ける追加のステップb1を含む、請求項11に記載の方法。 - ステップcはさらに、光相互接続をエアデータセンサとデータ獲得回路の間に提供するステップを含む、請求項12に記載の方法。
- エアボーン車両に隣接した外気データを検知する方法であって、
a.フレキシブル基板の外面上に位置する接着剤により、コンフォーマブル・カバー層とフレキシブル基板の間に位置する少なくとも1つの比較的薄いエアデータセンサを有する、コンフォーマブル・エアデータセンサ・アセンブリを形成するステップであって、カバー層は少なくとも1つの開口をその中に有し、アセンブリはエアデータを表す信号を提供するための出力を有するステップと、
b.センサ・アセンブリを航空車両の表面に、フレキシブル基板上の接着剤を使用して接着かつ適合させ、アセンブリの出力をエアデータ計算装置に接続するステップと、
c.エアデータセンサ・アセンブリの出力を、アセンブリが取り付けられる表面の気流特性への実質的な干渉なしに、開口に隣接した外気状態に関連付けられたエアデータを表す信号について監視するステップとを含む方法。 - ステップaおよびbの間にさらに、
a1.エアデータセンサ・アセンブリを巻いた形で、複数の他のエアデータセンサ・アセンブリと共に格納し、解除層が接着剤に取り付けられて、巻いた形にある間にエアデータセンサ・アセンブリの隣接した層に接着剤が接着することを防止する追加のステップa1を含む、請求項14に記載の方法。 - ステップa1およびbの間にさらに、
a2.1つのエアデータセンサ・アセンブリを隣接したエアデータセンサ・アセンブリから引き離し、解除層をフレキシブル基板上の接着剤から除去する追加のステップa2を含む、請求項15に記載の方法。 - エアデータセンサ・アセンブリは、カバー層における開口に隣接した外気圧を表す信号を提供するための共振マイクロビーム気圧センサを含む、請求項14に記載の方法。
- 外気圧における変化は結果として共振マイクロビームの共振周波数におけるシフトを生じ、外気圧を表す信号における変化を引き起こす、請求項17に記載の方法。
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