JP2011527501A - ハイブリッド織物材料およびそれを組み込んでいる構造コンポーネント - Google Patents
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Abstract
【課題】 ハイブリッド織物材料およびそれを組み込んでいる構造コンポーネントを提供することである。
【解決手段】 材料上またはそれに隣接して配置される電気的コンポーネントに信号パワー経路を提供している電気導電ファイバーを含む複合構造コンポーネントが開示される。信号経路は、従って、構造コンポーネントに埋め込まれることができる。また、類似の目的のための電気導電ファイバーおよび前記構造および織物から作られる材料を含むフレキシブルまたはドレイパブルな織物並びにその生産方法は開示される。
【選択図】 なし
【解決手段】 材料上またはそれに隣接して配置される電気的コンポーネントに信号パワー経路を提供している電気導電ファイバーを含む複合構造コンポーネントが開示される。信号経路は、従って、構造コンポーネントに埋め込まれることができる。また、類似の目的のための電気導電ファイバーおよび前記構造および織物から作られる材料を含むフレキシブルまたはドレイパブルな織物並びにその生産方法は開示される。
【選択図】 なし
Description
本発明は、電気的な回路アセンブリ、および、それを組み込んでいる構造コンポーネントに関し、特に、ファイバーの１つ以上が電気的な電流を通す電気導電性のものである繊維強化複合材料（ｆｉｂｒｅ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ）に関する。本発明は、また、電気導電ファイバーからなる構造物に関する。
最新の航空機は、一般的に、例えば、装置にパワーを供給するために、コントロール信号を伝えるために、または、電子的データを通すために、電気電流を通す多くのマイルのケーブル布線を含む。このようなケーブル布線は、乗物の重量の原因となり、および、取付け、および、ルート化にさらに時間がかかる。従って、また、理想的に低い形状構成の電気電流を通す代わりの方法を提供する必要性がある。さらに、新しい技術が例えば航空機を監視および制御のために開発されるのと同じように、増加するコンポーネントへの、および、そこからの信号またはパワーを通す必要性がある。
したがって、一つの方法として、本発明は、第１の方向に延び、および、他の同様の導電ファイバーから電気的に絶縁された、複数の、間隔を置かれた電気導電ファイバーと、第２の方向に延びている複数の電気絶縁ファイバーとを具備しているハイブリッド織物材料を提供する。これによって、第１の方向に延びている複数の絶縁された電気導電トラックを有する材料を規定する。
このように、既存のファイバー生産技術は、一体の導電構造に電気的な電流の通過を提供するために材料中に導電トラックを含む織物を生成するのに容易に適することができる。導電トラックは、別々にアドレス可能（ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ）である。
１つの配置において、前記織物は織られ、および、前記間隔を置かれた電気導電ファイバーは縦糸（ｗａｒｐ）ファイバーであり、および、第２の織り方向に延びている前記絶縁ファイバーは横糸（ｗｅｆｔ）ファイバーである。従って、生産において、非導電性材料、例えばガラス、ケブラー（登録商標）等の縦ボビンを選択される従来の織りにおいて、電気導電ファイバー、例えば炭素のボビンによって置き換えられる。本発明の好ましい実施態様において、前記電気導電縦ファイバーは、周期的または非周期的構造を提供するために、電気絶縁ファイバーを挿入される。
どのような適切な電気導電ファイバー、例えば炭素繊維（ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｒｅｓ）、金属メッキのファイバー（ｍｅｔａｌ ｐｌａｔｅｄ ｆｉｂｒｅｓ）、および、金属被覆されたファイバー（ｍｅｔａｌｌｉｓｅｄ ｆｉｂｒｅｓ）のうちの１つ以上は、また、使われることができる。
本発明は、上記のようなハイブリッド材料、および、マトリックス材料から作られるファイバー複合材料（ｆｉｂｒｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）に対応する。有利に、ファイバーは、ファイバー複合材料材料の生産にて、すでに共通に使用されるものから選択され、それは、使用するマトリックス材料に関する強度および前兆特性（ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｂｏｄｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ）が知られている。マトリックス材料は、ポリマー、エラストマ、金属およびセラミック材料、または、これらの１つ以上の混合物から好ましくは選択される。
ファイバー複合材料は、上で記載されているようなハイブリッド材料の複数の層を具備することができ、および、少なくとも１つの導電性のファイバーが複合材料の厚さを介して延びる。電気的な接続が導電性のファイバーの両端に作られることができるように、ファイバー複合材料は、配置されることができる。複数のファイバーが、ファイバー複合材料の厚さを介して延びている導電性の牽引（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｔｏｗ）を形成するように、組み合わされることができることがわかる。いくつかのこのような導電性の牽引は、いくつかの厚さを介して電気的な接続がされるように、使用されることができる。
応用の範囲が非常に広いが、特に興味がある１つは、データ、パワー、コントロール信号またはこれらの１つ以上の組合せの通路に対して、各々、複数の電気導電トラックを規定する剛性シート形状のファイバー複合材料である。例えば、ファイバー複合材料のシートは、乗物の表面エレメントまたはパネルであることができる。
別の応用において、電気信号の伝送ための伝送ラインは、上で記載されているハイブリッド材料の層の組立の多層構造を含み、そして、複数の絶縁電気導電トラックを規定し、および、前記ハイブリッドに隣接して配置される１つ以上の電気絶縁層は、材料層を織って作る。伝送ラインは、前記ハイブリッド材料層のどちらかの面に提供される電気的絶縁材料の少なくとも１つの層を含むことができ、これにより前記ハイブリッド材料層をはさむ。電気導電性材料の少なくとも１つのスクリーニング層は、最も外側の電気絶縁層に隣接して配置されることができ、および、ハイブリッド材料層から離れることができる。
上記のような電気的な回路アセンブリは、それが予定にされる特定の応用に従って多くの形状をとることができる。従って、例えば、電気的な回路アセンブリは、前記デジタル入出力端末の間のデジタル信号を通している複数の導電ファイバーを提供するアセンブリによって、各々、デジタル信号を入力および／または出力するそれぞれのデジタル入出力端末を有する電気的コンポーネントを含むことができる。
回路アセンブリが、２つの、間隔を置かれたアナログ電気的な回路コンポーネント、および、実際にハイブリッド配置を具備することができるように、本発明は、デジタル電子的コンポーネントによる使用に限定されない。ここで、アセンブリは、主にデジタルコンポーネントに出入りする信号を伝送または変調させるアナログセンサを含む。
「電気的に導電」という用語は、相対的であり、および、有効な電気信号が所望の信号またはパワー経路に沿って伝送されることを意味するように解釈されることを予定するものである。同様に「電気的に絶縁」の用語は、相対的であり、および、材料が電気導電材料に対して良好な絶縁特性を有することを意味するために用いられる。
「金属」という用語は、単に純金属だけではなく合金、半導体、および、セミメタル（ｓｅｍｉ−ｍｅｔａｌｓ）を含むように用いられる。
１つの配置において、導電ファイバーは、作動中のセンサ、例えばアンテナの部分を形成することができる。ここでは、導電ファイバーは、単純な２極（ダイポール）若しくはアレイに、または、それから信号を通すことができる。これらのダイポールまたはアレイは別々でありえて、または、それらは最適に構成された電気導電ファイバーを具備することができる。別の配置において、導電ファイバーは、周波数選択構造（ＦＳＳ）をなすように構成されることができる。後者の場合、本発明に係る複合構造は、関連する波長を通過させるように間隔を置かれる電気導電トラックを有するレードーム（ｒａｄｏｍｅ）として例えば役に立つように提供されることができる。
本発明は、第１の縦糸方向に延びている複数の電気絶縁ファイバーと、第２の横糸方向に延びている複数の電気絶縁ファイバーと、電気的な接続がハイブリッド材料に渡って作られることができるように、通常、第１および第２の方向と直角をなす第３の方向に延びている少なくとも１つの電気導電ファイバーとを具備しているハイブリッド材料に、更に及ぶ。
どれか１つの電気導電ファイバーは、電気導電ファイバーの牽引によって容易に置き換えられることができることは、理解される。
本発明は、次の明細書、および、実施例、添付の図面を参照することで、より適切に理解される。
以下の実施例では、ファイバー複合材料が電気導電トラックを信号、パワーなどに提供するように、それを介して実行される電気導電ファイバーを有するように、ハイブリッド織り材料は、間隔を置かれた電気導電ファイバーによって提供される。このようにして、電気導電領域がファイバー内に完全に収容されて、ファイバー複合構造は、外部のファイバーとマトリックス材料との間の界面が影響を受けないように提供されることができる。
実施例１
ハイブリッド織りは、ガラスファイバー（非導電性）および炭素繊維（導電）の交互の牽引の縦糸方向と、ガラスファイバーの１つ以上の牽引からなる横糸とからなる。これは、縦糸方向に平行な、絶縁と、電気導電とのトラックを規定する交互の縦糸牽引の織って作られる織物材料を提供する。この織物は、周りの材料を層の有無にかかわらずにフレキシブルな織物として使われることができ、または、複合物を形成する適切なマトリックス材料によって含浸させられることができる。
ハイブリッド織りは、ガラスファイバー（非導電性）および炭素繊維（導電）の交互の牽引の縦糸方向と、ガラスファイバーの１つ以上の牽引からなる横糸とからなる。これは、縦糸方向に平行な、絶縁と、電気導電とのトラックを規定する交互の縦糸牽引の織って作られる織物材料を提供する。この織物は、周りの材料を層の有無にかかわらずにフレキシブルな織物として使われることができ、または、複合物を形成する適切なマトリックス材料によって含浸させられることができる。
トラックが電気的な回路の部分を形成するように、信号は材料に電気的に結合されることができる。１つの配置において、上記の平行な導電トラックを備えるファイバー複合材料は、電気導電トラックがラップトップに再構成される複合材料に沿ってデータを通すことが可能であることを示すためにウェブカメラ（Ｗｅｂ Ｃａｍ）からラップトップへとＵＳＢフォーマットのデータ信号を通すために使用される。ＵＳＢコネクタを有するウェブカメラは、複合材料上のそれぞれのトラックに電気的に接続されたＵＳＢ端末によって接続されている。ウェブカメラコネクタから距離をおいて離され、更なるＵＳＢコネクタとなりえて、その端末（ｔｅｒｍｉｎａｌｓ）は、信号がラップトップに接続されているＵＳＢプラグに通されるように、対応する導電トラックに接続されている。ウェブカメラＵＳＢ信号は、複合材料に沿って通され、そして、画像がラップトップモニタ上にて見られる。
図１に示されるように、スクリーニングされたコネクタは、材料の層のスタックに置くことによって作られる。縦糸方向に交互に配置される導電牽引１２および非導電性牽引１４、並びに、絶縁横糸牽引１６を有する上記のハイブリッド材料の層１０は、スタックの中央で位置づけられる。そして、絶縁体として働く２枚の層の従来の織って作られたガラスファイバー織物１８の間にはさまれる。導電材料２０の２枚の層は、そこで一番上の、および、一番下の層として加えられる。導電材料２０は、相互接続された電気導電ファイバーの二次元の電気導電スクリーンまたはグリッドを提供するように、織って作られる炭素繊維材料であり得る。もし、更なるスクリーニングが必要とされるならば、それで、エンハンストされたスクリーニングを提供することを示すように、交互の導電牽引１２は、接地されることができる。
構造物の電気的特性は、電気導電および非導電の牽引、マトリックス材料などの適切な選択によって更に調整されることができる。
導電エレメントが他の回路またはコンポーネントに電気的に結合されることができるいくつかの異なる方法がある。例えば、図２ａに示されるように、結合はオーミックでありうる。例えば、それは、導電ファイバー４２と直接に物理的なコンタクトをし、複合物から延びている端末４０を提供することによってなされる。別の形態として、図２ｂおよび２ｃに示されるように、結合は、コンタクトレスでありえる。それは、容量性または誘導性の結合部材４４または４６によるものでありうる。このような配置の利点は、例えば、もしオリジナルの導電ファイバーがダメージを受けたならば、結合部材が電気的な回路を再構成するために必要に応じて新しい位置を定められることができるということである。結合部材は、下にある導電ファイバーとの必要な電気的な結合を提供するために永久に、または、半永久に複合材料に接着されうる接着パッドの形状をとることがありえる。
こうして形成される回路は、従来の電源またはデータ移送以外の多数の目的のために使われることができる。従って、例えば、図３に示されるように、空力研究（ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｓｔｕｄｉｅｓ）において、または、空力コントロールの目的のために、表面センサ５０のアレイは、構造および／または空力環境に関する１つ以上のパラメータを検出するために航空機上の複合エレメント５２の露出された表面に提供されることができ、および、複合エレメント内の電気導電ファイバー５４によってモニタリング装置５６に接続される。センサ５０と電気導電ファイバー５２との間の誘導性または容量性の結合の使用は、簡単な再構成およびセットアップを可能にする。
必要であれば回路がリルートされることができるように、複合物上の導線のアレイの提供は、冗長性（ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ）が構築することを可能にする。導線は、複合材料を加熱し、そして、それで防氷することを提供し、または、本体の赤外線の特性が修正されることを可能にするために用いられることがありえる。
実施例３
図４は、本発明の更なる実施形態に係る複合構造４００を介する概略断面である。構造４００は、織物（ｆａｂｒｉｃ）４１０のいくつかの層を具備する。そして、その各々は、従来の非導電性層であることができ、または、上で記載されているように配置されるいくつかの導電牽引を具備する層であることができる。加えて、更なる導電牽引４２０は、提供される。牽引４２０は、複合構造の厚さを介して延び、層４１０の平面と直角をなし、および、ハイブリッド材料層４１０を介して延びている他の導電性の牽引から電気的に分離される。導体パッド４３０、４４０は、牽引４２０の端部にて提供される。各パッド４３０、４４０は、構造４００の外面上の金属被覆された領域を具備する。このような厚さを介しての導電性の牽引は、ハイブリッド織物、例えば上記のハイブリッド織物のいくつかの層を介して、樹脂含浸の前に、織って作られることができる。導電性の牽引は、マニュアルにて織って作られることができ、または、機械にて縫合されることができる。他の牽引からの電気的な分離は、牽引４２０は、他の平面方向の導電性の牽引から離れ、適切な配置によって確保される。
図４は、本発明の更なる実施形態に係る複合構造４００を介する概略断面である。構造４００は、織物（ｆａｂｒｉｃ）４１０のいくつかの層を具備する。そして、その各々は、従来の非導電性層であることができ、または、上で記載されているように配置されるいくつかの導電牽引を具備する層であることができる。加えて、更なる導電牽引４２０は、提供される。牽引４２０は、複合構造の厚さを介して延び、層４１０の平面と直角をなし、および、ハイブリッド材料層４１０を介して延びている他の導電性の牽引から電気的に分離される。導体パッド４３０、４４０は、牽引４２０の端部にて提供される。各パッド４３０、４４０は、構造４００の外面上の金属被覆された領域を具備する。このような厚さを介しての導電性の牽引は、ハイブリッド織物、例えば上記のハイブリッド織物のいくつかの層を介して、樹脂含浸の前に、織って作られることができる。導電性の牽引は、マニュアルにて織って作られることができ、または、機械にて縫合されることができる。他の牽引からの電気的な分離は、牽引４２０は、他の平面方向の導電性の牽引から離れ、適切な配置によって確保される。
このような厚さを介しての導電性のチャネルは、結果として複合構造が機械的強度が重要である応用に使われるところで、または、構造の両側にて異なる周囲環境間の良好なシールを形成することが重要なところで（例えば構造が燃料タンクの部分を形成するところで）、特に望ましい。従来のコネクタは、複合構造内を切るためのアパチャーを必要とされ、それは、構造の機械的な特性の劣化を生じ、および、もし必要であるならば構造が再封止されることが必要とされる。本実施形態によって、多重の電気的な接続は、このような問題無く、複合構造の厚さを介して形成されることを可能にする。事実、このような厚さを介する導電性の牽引を組み込んでいる構造の機械的強度は、「ｚ―ピン止め（ｚ−ｐｉｎｎｉｎｇ）」を使用して達成される改良と類似の方法にて改良されることができることを予想する。従って、このような厚さを介する導電性の牽引は、また、「平面の」導電性のファイバーまたは牽引が存在しない材料においても望ましいことは理解される。
Claims (16)
- 第一の方向に延び、他の同様の導電ファイバーから分離される複数の間隔を置かれた電気導電ファイバーと、
第２の方向に延びている複数の電気絶縁ファイバーとを具備し、
それによって、第１の方向に延びている複数の絶縁された電気導電トラックを有している材料を規定する、ハイブリッド材料。 - 前記ハイブリッド材料は、織って作られ、
前記間隔を置かれた電気導電ファイバーは、縦糸ファイバーであり、
前記第２の織り方向に延びている前記絶縁ファイバーは、横糸ファイバーである、請求項１に係るハイブリッド材料。 - 前記電気導電縦糸ファイバーは、周期的であるか、または、周期的な構造を提供するように、電気絶縁ファイバーを挿入される、請求項２に係るハイブリッド材料。
- 前記電気導電ファイバーは、炭素繊維、金属メッキのファイバー、および、金属被覆されたファイバーのうちの１つ以上を具備する、先行する請求項のいずれかに係るハイブリッド材料。
- 先行する請求項のいずれかに係るハイブリッド材料、および、マトリックス材料からなるファイバー複合材料。
- 前記マトリックス材料は、ポリマー、エラストマ、金属若しくはセラミック材料、またはこれらの１つ以上の混合物を備える、請求項５に記載のファイバー複合材料。
- 請求項１〜４のいずれか１項に記載のハイブリッド材料の複数の層と、
前記複合材料の厚さを介して延びている少なくとも１つの導電性のファイバーとを具備する請求項５または請求項６に記載のファイバー複合材料。 - 電気的な接続が前記導電性のファイバーの両端に作られることができるように、配置される請求項７に記載のファイバー複合材料。
- データ、パワー、コントロール信号またはこれらの１つ以上の組合せの通路に対して、各々、複数の電気導電トラックを規定している剛性シート形状である、請求項５に係るファイバー複合材料。
- 電気信号の伝送のための伝送ラインであって、
複数の絶縁された電気導電トラックを規定している請求項１〜４のいずれか１項に係るハイブリッド材料の層を含む多層構造と、
前記ハイブリッド材料層に隣接して配置される１つ以上の電気絶縁層とを含んでいる伝送ライン。 - 前記ハイブリッド材料層をはさむために前記ハイブリッド材料層のどちらかの側面に提供される電気絶縁材料の少なくとも１つの層を含む請求項１０に記載の伝送ライン。
- 最も外側の電気絶縁層に隣接して配置され、および、前記ハイブリッド材料層から離される電気導電性の材料の少なくとも１つのスクリーニング層を含んでいる請求項１０または請求項１１に記載の伝送ライン。
- 請求項１〜４のいずれか１項に係るハイブリッド材料に、前記１つ以上の電気導電トラックによって電気的に結合された間隔を置かれた電気的コンポーネントを、組み合わせることを具備している電気的な回路アセンブリ。
- 前記電気的コンポーネントの各々は、デジタル信号を入力および／または出力するために、それぞれのデジタル入出力端末を有し、
前記アセンブリは、前記デジタル入出力端末の間のデジタル信号を通している複数の導電ファイバーを具備する請求項１３に記載の電気的な回路アセンブリ。 - 前記間隔を置かれた電気的コンポーネントは、アナログ電気的回路コンポーネントを備えている、請求項１３または１４に係る電気的な回路アセンブリ。
- 第１の縦糸方向に延びている複数の電気絶縁ファイバーと、
第２の横糸方向に延びている複数の電気絶縁ファイバーと、
電気的な接続がハイブリッド材料に渡って作られることができるように、通常、第１および第２の方向と直角をなす第３の方向に延びている少なくとも１つの電気導電ファイバーとを具備しているハイブリッド材料。
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