JP2013535705A - 繊維複合材料内に埋設された光導波路を外部光導波路に接続する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、航空機及び宇宙船の繊維複合材料１内に埋設された埋設光導波路２を外部光導波路１１に接続するための方法において、以下のステップ、繊維複合材料１内に埋設された埋設光導波路２の経路を確認すること、埋設光導波路２が外部光導波路１１に連結されるべき結節位置Ｐを決定すること、埋設光導波路２の周囲の繊維複合材料の少なくとも一部を除去することによって、結節位置Ｐにおいて埋設光導波路２の少なくとも一部を露出させること、埋設光導波路２の露出した部分を切断すること、切断された埋設光導波路２の端部１５と外部光導波路１１の端部１６とを相互に整列させること、及び、光導波路２，１１の整列させられた端部１５，１６同士を接合すること、を備える方法を提供する。
【選択図】図７

Description

本発明は、特に航空機及び宇宙船の繊維複合材料内に埋設される光導波路を外部光導波路に接続する方法に関する。

本発明は、繊維複合材料に適用され得るものであるが、航空機及び宇宙船の繊維複合材料について記載されるものである。

必要とされる多くのケーブル及び対応するケーブルクリップにより、航空機及び宇宙船におけるケーブルの形態は、極端に複雑な構造であり、かつ重量の大きなものになっている。さらに、ケーブルの形態又はそのモジュラ構造における後の拡張は、実現することが難しい。そのようなケーブルの形態を設置するための設計プロセスは、時間を浪費するものであり、複雑かつ誤差の影響を非常に受けやすい。顧客固有の適応及び要求は、かなりの構造的な複雑さが含まれる場所においてのみ実現され得る。本出願人は、通常は銅によって構成されるケーブル配置が光導波路の配置によって１対１で置き換えられる問題解決アプローチについて運用上精通している。しかしながら、この解決策は、重量を低減させる程度の効果を与えるだけであり、光導波路の可能性、将来性は、ほとんど活用できていない。

航空機及び宇宙船内において、繊維複合材料内に少なくとも部分的に埋設される光導波路は、損傷を監視するために使用される。国際公開第２００７／０６３１４５Ａ１号は、繊維複合材構造内に少なくとも部分的に埋設され、繊維複合材構造の損傷を監視するために使用される光ファイバを伴う繊維複合材構造について記述している。しかしながら、そのような埋設光導波路は、データを伝送することにも適している。しかし、埋設光導波路の問題は、繊維複合材料内に埋設されていない外部光導波路への接続、例えば埋設光導波路を光導波路プラグ接続に接続することに関する。

これに応じて、米国特許第７０３９２７６Ｂ２明細書は、第１の光伝送手段、例えば、航空機及び宇宙船の繊維複合材料内に埋設される光ファイバを、繊維複合材料の外部に設けられる光ファイバのような第２の光伝送手段に結合させるための方法及び装置を記述している。その方法は、例えばＸ線透視法によって、複合材料内に埋設される第１の光要素の位置を決定すること、レーザー光線加工又は掘削によって、第１の光伝送手段まで複合材料内に開口を形成すること、及び、第１の光伝送手段と第２の光伝送手段との間において、開口と第１の光伝送手段との接触面で、光接続を形成すること、を含む。しかしながら、この構造の不利な点は、繊維複合材料と第１の光伝送手段との同時の切断によって、埋設された光伝送手段を制御された方式で切断することが困難であるということである。その結果として、外部光導波路との十分な光接続を得るために、切断後に、埋設光導波路に仕上げ加工を施す必要がある。このことは、莫大な製造費がかかることを意味し、廃棄率を増加させる。それ故、その方法は、工業的規模において使用することができない。

したがって、本発明の目的は、繊維複合材料内に埋設された埋設光導波路を外部光導波路に接続するための改良された方法を提供することである。

この目的は、請求項１の特徴を有する方法によって達成される。

その結果、特に航空機及び宇宙船の繊維複合材料内に埋設される光導波路を外部光導波路に接続するための方法が提供され、この方法は、以下のステップ、繊維複合材料内に埋設された埋設光導波路の経路を確認すること、埋設光導波路が外部光導波路に連結されるべき結節位置を決定すること、埋設光導波路の周囲の繊維複合材料の少なくとも一部を除去することによって、結節位置において埋設光導波路の少なくとも一部を露出させること、埋設光導波路の露出した部分を切断すること、切断された埋設光導波路の端部と外部光導波路の端部とを相互に整列させること、及び、光導波路の整列させられた端部同士を接合すること、を備える。

したがって、本方法によれば、まず第１に、埋設光導波路を制御可能な手法によって露出させることができ、後のステップにおいて、光導波路を綺麗に切断することが可能になる。このことは、埋設光導波路の切断点の再現可能な一定の質を保証することを可能にし、その結果、外部光導波路への信頼性の高い接続をつくり出すことを可能にする。

本発明の有利な構成及び発展が、従属請求項及び添付図面と組み合わせされる明細書において与えられる。

本発明に係る方法の望ましい発展によれば、繊維複合材料内に埋設された埋設光導波路の経路は、非破壊的に、特に光学的方法、デジタルシェアログラフィ法、超音波法、Ｘ線法、干渉法等によって確認される。その結果、繊維複合材料内に埋め込まれた光導波路の位置を、迅速に、自動的に、そして信頼性の高い手法で確認することが可能になる。

本発明に係る方法の更なる望ましい発展によれば、埋設光導波路に剥離の効果を及ぼすことなく、繊維複合材料のみを剥離する方法によって、埋設光導波路の少なくとも一部を露出させ、それによって、埋設光導波路が露出する間に損傷することを防止できる。

本発明に係る方法のさらなる望ましい発展によれば、埋設光導波路の少なくとも一部の露出は、レーザー照射によって、特に赤外線レーザー照射によって行われる。これにより、埋設光導波路を迅速かつ再生産可能な手法で露出させることができ、それにより、本発明に係る方法の信頼性を高めることができる。

本発明に係る方法のさらなる望ましい発展によれば、露出した埋設光導波路は、当該埋設光導波路の中心軸に対して垂直に切断され、それによって、外部光導波路との信頼性の高い、長寿命の接合が可能になる。このことは、本発明の方法の信頼性を高める。

本発明に係る方法のさらなる望ましい発展によれば、露出した埋設光導波路は、レーザー照射、特に紫外線レーザー照射によって切断される。この方式では、埋設光導波路は、接触具を使用することなく迅速に切断されることになり、その結果、本方法の処理時間は効果的に低減される。

本発明に係る方法のさらなる望ましい発展によれば、各端部の中心軸が互いに同一直線上に配置されるように、かつ、各端部の端面が互いに接触するようにすべく、切断された埋設光導波路の端部と外部光導波路の端部とが相互に整列させられ、それによって各端部の相互の最適な整列が保証されることになる。

本発明に係る方法の望ましい発展によれば、切断された埋設光導波路の端部と外部光導波路の端部とが互いに整列されたときに、光線が、光導波路の一方に供給されるとともに、各光導波路の各端部の各端面によって形成される接触面で少なくとも部分的に反射し、かつ、各光導波路の各端部が相互に最適に整列されたときに、光線の最小限の反射が接触面で生じる。その結果、光導波路の各端部の整列について迅速かつ信頼性の高い検査が保証され、それによって、その製造の信頼性が高まることになる。

本発明に係る方法のさらなる望ましい発展によれば、各光導波路の各端部は、整列具、特に、少なくとも部分的に、光導波路の各端部の少なくとも一方を受けるＶ字状の溝を有する基板によって互いに整列させられる。このことは、特に各端部における相互の正確な整列を可能にし、それによって、つくり出される接続の質を向上させることになる。

本発明に係る方法の望ましい発展によれば、光導波路の相互に整列させられた端部が融着接合によって接合される。このことは、高品質で機械的にロード可能な光導波路間の接続を与える。

本発明に係る方法のさらなる望ましい発展によれば、埋設光導波路及び／又は外部光導波路は、光ファイバ及び／又は多数の光ファイバの配置として構成される。このことは、光導波路を柔軟な方式で配置することを可能にし、それによって、本方法の適用範囲を拡張することが可能になる。

本発明に係る方法のさらなる望ましい発展によれば、埋設光導波路は、繊維複合材料のラミネート層に織り込まれる。このことは、光導波路を特に単純な方法で処理できるようにし、繊維複合材料の生産性を単純化する。

図１は、繊維複合材料の部分断面図である。 図２は、光導波路を有する繊維組織の平面図である。 図３は、繊維複合材料内に埋設される光導波路を外部光導波路に接続するための方法を例示する。 図４は、繊維複合材料上に取り付けられる光学コネクタの側面図である。 図５は、少なくとも一部が露出している埋設光導波路を有する繊維複合材料の部分断面図である。 図６は、少なくとも一部が露出している埋設光導波路を有する繊維複合材料の更なる部分断面図である。 図７は、少なくとも一部が露出している埋設光導波路を有する繊維複合材料の更なる部分断面図である。 図８は、２つの相互に整列させられる光導波路の側面図である。 図９は、２つの光導波路を互いに整列させるための整列具の部分断面図である。

以下において、本発明は、添付図面を参照し、実施形態に基づいてより詳細に記述されるであろう。

図において、同じ参照番号は、他に指定がない限り、同一又は機能的に同一な要素を示す。

図１〜図９を同時に参照して、本発明の望ましい実施形態が以下に記載される。

図１は、例えば、航空機及び宇宙船の構造要素として構成される繊維複合材料の望ましい実施形態を例示する。構造要素１は、例えば、航空機及び宇宙船のストリンガ１、フォーマ１、クロスバー１等として構成される。繊維複合材料１は、望ましくは、炭素繊維強化プラスチック材料（ＣＦＲＰ）から形成される。その代わりに又は加えて、繊維複合材料１は、グラスファイバ、アラミドファイバ及び／又はボロンファイバ、あるいはこれらの材料の組み合わせによって構成され得る。繊維複合材料１は、望ましくは、多数のラミネートパイル又はラミネート層を有しており、ラミネート層５〜８にだけ参照番号を付して示している。どのような数のラミネート層も存在し得る。ラミネート層５〜８は、いずれの場合も、例えば繊維組織、織り繊維織物、異なる種類の繊維編物織物等、マトリクス材料に含浸されるものとして構成される。ラミネート層５〜８は、広範囲にわたって相互に接触していることが望ましい。

繊維複合材料１は、望ましくは、図１の断面図に示す埋設光導波路２を有する。埋設光導波路２は、例えば円形の断面形状を有する。埋設光導波路２は、図２に例示されるように、埋設された光ファイバ２として、又は多数の光ファイバ２からなる配置１０として構成され得る。埋設光導波路２は、前記繊維複合材料１の製造工程中に、繊維複合材料１内に導入されることが望ましい。埋設光導波路２は、望ましくは、繊維複合材料の長手方向、横方向又は厚さ方向の広がり全体わたって延びている。例えば繊維複合材料１は、特に繊維複合材料１の異なる平面及び方向において、繊維複合材料１を通じて延びる多くの光導波路２を含む。埋設光導波路２は、例えば、繊維複合材料１の表面３に結合され、繊維複合材料１の固定被覆層４のみ又はマトリクス層４のみによって被覆され得る（図１において、左から１番目の光導波路２）。さらに、光導波路２は、繊維複合材料１の表面３内又はラミネート層５内に少なくとも部分的に埋設され、マトリクス層４によって覆われ得る（図１において、左から２番目の光導波路２）。さらに、埋設光導波路２は、繊維複合材料１内において、表面近傍のラミネート層５，６間に埋設され得る（図１において、左から３番目の光導波路２）。埋設光導波路２は、例えば、繊維複合材料１の深部のラミネート層７，８間に埋設され得る。埋設光導波路２は、例えば、それぞれのラミネート層５〜８内に設けられ、具体的には、埋設光導波路２は、それぞれのラミネート層５〜８の一体的な構成要素として構成され得る。繊維複合材料１の外側に設けられるのは、外部光導波路１１であり、具体的には、外部光ファイバ１１又は多数の外部光ファイバ１１の配置である。

図２は、繊維組織９、特に炭素繊維組織９の例示的な実施形態における平面図である。 繊維組織９は、望ましくは、埋設光導波路２を含む。埋設光導波路２は、例えば、埋設された光ファイバ２として、又は、図２において、多数の埋設された光ファイバ２の配置１０又はアレイ１０として、繊維組織９内に編み込まれる。特に、埋設光導波路２は、繊維組織９と一体的に構成され、かつ、その製造工程中に前記繊維組織９内に導入されることが望ましい。

図３は、繊維複合材料１内に埋設された埋設光導波路２を外部光導波路１１に接続するための方法の望ましい実施形態の例示的なステップを示す。本方法における第１ステップＳ１において、埋設光導波路２を伴う繊維複合材料１と、外部光導波路１１とが提供される。このことは、例えば、手動、自動化又は部分的に自動化された繊維複合材料１の製造工程及び繊維複合材料１内に埋設される光導波路２の埋設工程を含む。ステップ１は、編み込まれた光導波路２を伴う繊維組織９の製造のための工程も含む。

ステップＳ２において、繊維複合材料１内に埋設された埋設光導波路２の経路が確認される。その位置に応じて、特に図１において繊維複合材料１内に埋設された埋設光導波路２の深さに応じて、例えば、光学的方法、デジタルシェアログラフィ法、超音波法、Ｘ線法、干渉法等が、繊維複合材料１内に埋設された埋設光導波路２の経路を決定（測定）するために使用される。その際、繊維複合材料１内に埋設された埋設光導波路２の経路が非破壊的に確認されることが必須となる。

ステップＳ３において、繊維複合材料１内に埋設された埋設光導波路２の経路を確認した後に、図４に示すように、埋設光導波路２が外部光導波路１１に結合される結節位置Ｐが決定される。外部光導波路１１は、例えば、繊維複合材料１の表面３上に取り付けられる光学コネクタ１２の一要素である。光学コネクタ１２は、例えば、繊維複合材料１に結合される、具体的には表面３に接着されるソケット２３を有し、ソケットに着脱自在な方式で結合されるプラグ２４を有する。結節位置Ｐの配置は、例えば、情報が埋設光導波路２内に供給される場所によって決まり、情報が取り出される場所によって決まる。

結節位置Ｐが決定された後に、ステップＳ４において、埋設光導波路２は、結節位置Ｐにおいて、埋設光導波路２の周囲の繊維複合材料１の少なくとも一部が除去されることによって、少なくとも部分的に露出することが望ましい。この目的のために、埋設光導波路２の方向に沿って繊維複合材料１内に広がる凹部２５が、例えば表面３から始まって形成されている。図５及び図６は、少なくとも部分的に露出する埋設光導波路２の側面図及び断面図を例示する。これに関し、繊維複合材料１の一部が埋設光導波路２の周囲から除去され、換言すれば、埋設光導波路２は、例えば少なくとも部分的に、繊維複合材料１に対して、具体的には凹部２５に対して、その外縁２６とともに、具体的には埋設光導波路２の周面２６とともに残存する。図７に示す埋設光導波路２は、望ましくは、その外縁２６全体の周りの繊維複合材料１から解放され、凹部２５は、繊維複合材料１内において埋設光導波路２が位置する深さよりも深く繊維複合材料１内に広がっている。埋設光導波路２は、埋設光導波路２に剥離効果を及ぼすことなく、繊維複合材料１を選択的に剥離させるだけの方法によって、少なくとも部分的に露出することが望ましい。繊維複合材料１内に埋設された埋設光導波路２を露出させるために用いられ得る処理は、例えば、繊維複合材料１を選択的に剥離させるエッチング処理又はレーザー処理である。例えば、埋設光導波路２は、特に赤外線レーザー照射を放出する炭酸ガスレーザー装置によって少なくとも部分的に露出させられる。レーザー照射は、繊維複合材料１の材料によって吸収され、その結果、制限された領域、例えば結節点Ｐの領域内において、熱の導入により制御された切除となる。例えば赤外線照射は、埋設光導波路２を貫通し、その場所での材料の除去を行わない。したがって、埋設光導波路２は、何ら損傷することなく露出し得る。

ステップＳ５において、露出した埋設光導波路２の切断処理、いわゆる「クリービング(cleaving)」が実行される。この点に関し、埋設光導波路２は、埋設光導波路２の中心軸１３に対して垂直に切断されるように切断されることが望ましい。露出した埋設光導波路２は、例えばレーザー照射によって切断される。埋設光導波路２は、望ましくは、紫外線レーザー照射、例えば、ヘリウム・カドミウム・レーザー装置からのレーザー照射によって切断される。レーザー照射の波長は、埋設光導波路２内における熱の発生とともにレーザー照射が埋設光導波路２によって吸収されるような波長帯を有する。このことは、埋設光導波路２の切断部２７を生じさせる。切断され、露出した埋設光導波路２の長さｌは、埋設光導波路２の端部１５が、例えば繊維複合材料１の表面３の方向に沿って、何らのねじれもなく折り曲げ可能となり、かつ、繊維複合材料１から導出され得るように構成されることが望ましい。長さｌは、端部１５が表面３上に少なくとも部分的に繊維複合材料１から導出され得るように算出されることが望ましい。特に、繊維複合材料１から導出された後、露出し、切断された埋設光導波路２の経路及び形状は、いわゆるハーモニックＳパスにほぼ一致する。換言すれば、繊維複合材料１から導出された後の埋設光導波路２の経路は、ガウス誤差関数の経路に一致することが望ましい。導出された埋設光導波路２を図７において点線で示す。埋設光導波路２の端部１５における端面１４は、その後、例えば研磨され又は化学的処理を受けることでさらに処理され得る。切断ステップの後における端面１４の表面の質は、さらなる仕上げ処理が必要にならないように構成されることが望ましい。繊維複合材料１内の凹部２５の広がりは、埋設光導波路２の端部１５が、容易に導出され得るように、または、外部光導波路１１に接続するために表面３上に曲げられるように構成されることが望ましい。

ステップＳ６において、切断された埋設光導波路２の端部１５と外部光導波路１１の端部１６とは、相互に整列させられる。ステップＳ６は、端部１５の少なくとも一部を曲げるとともに繊維複合材料１から導出する工程を含み得る。この点に関し、端部１５，１６は、埋設光導波路２の端部１５における中心軸１３と、外部光導波路の端部１６における中心軸１７とが互いに同一直線上に配置されるように相互に整列させられることが望ましく、さらに、埋設光導波路２の端部１５における端面１４が外部光導波路１１の端部１６における端面１８に接触することが望ましい。切断された埋設光導波路２の端部１５と外部光導波路１１の端部１６とが相互に整列させられたとき、例えば光線２８が２つの光導波路２，１１のうちの１つに供給される。図８によれば、光線２８は、各端部１５，１６の各端面１４，１８によって形成される接触面１９の位置で少なくとも部分的に反射する。光導波路２，１１の端部１５，１６の最適な整列がなされたとき、接触面１９の位置で、光線２８の最小限の反射が生じる。したがって、端部１５，１６における相互の最適な整列であるかどうかを検査することが可能になる。例えばＶ字状の溝２２を有する基板２１として構成され、かつ特に図９において例示される整列具２０によって、光導波路２，１１の端部１５，１６は、相互に整列させられる。整列具のＶ字状の溝２２は、光導波路２，１１の端部１５，１６を少なくとも部分的に受けるように構成される。したがって、光導波路２，１１の端部１５，１６の相互の最適な整列が保証される。

ステップＳ７において、相互に整列させられた光導波路２，１１の端部１５，１６は、共に接合される。相互に整列させられた光導波路２，１１の端部１５，１６は、融着接合法によって共に接合されることが望ましい。この方法において、端部１５，１６は共に融着する。

本方法の他の実施形態において、埋設光導波路２は、少なくとも部分的に露出する前に切断され得る。この目的のため、埋設光導波路２は、繊維組織９内に編み込まれることが望ましい。切断された埋設光導波路２が露出すると、埋設光導波路２を取り囲みかつそこで編み込まれる繊維組織９の繊維の相互作用により、光導波路２は、特定の角度で繊維複合材料１から突出することとなる。このことは、光導波路２，１１の簡単な整列と接合とを可能にする。

上述された本方法により、いかなる結節位置においても、繊維複合材料１内に埋設された埋設光導波路２を外部光導波路１１に結合できるようになる。実際、例えば多数の光導波路２が繊維複合材料１内に備えられ、いかなるときも拡張可能で、かつ要求に個別に適合可能な一体型の光導波路ネットワークを低重量で簡単に実現できるようになる。

１…繊維複合材料、２…光導波路、３…表面、４…マトリス層、５…ラミネート層、６…ラミネート層、７…ラミネート層、８…ラミネート層、９…繊維組織、１０…配置、１１…外部光導波路、１２…光学コネクタ、１３…中心軸、１４…端面、１５…端部、１６…端部、１７…中心軸、１８…端面、１９…接触面、２０…整列具、２１…基板、２２…Ｖ字状の溝、２３…ソケット、２４…プラグ、２５…凹部、２６…周面、２７…切断部、２８…光線、ｌ…長さ、Ｐ…結節位置

Claims (12)

1. 航空機及び宇宙船の繊維複合材料（１）内に埋設された埋設光導波路（２）を外部光導波路（１１）に接続するための方法において、
   以下のステップ、
   繊維複合材料（１）内に埋設された埋設光導波路（２）の経路を確認すること、
   埋設光導波路（２）が外部光導波路（１１）に連結されるべき結節位置（Ｐ）を決定すること、
   埋設光導波路（２）の周囲の繊維複合材料（１）の少なくとも一部を除去することによって、埋設光導波路（２）の少なくとも一部を結節位置（Ｐ）で露出させること、
   埋設光導波路（２）の露出した部分を切断すること、
   切断された埋設光導波路（２）の端部（１５）と外部光導波路（１１）の端部（１６）とを相互に整列させること、及び、
   光導波路（２，１１）の整列させられた端部（１５，１６）同士を接合すること、
   を備える方法。
2. 繊維複合材料（１）内に埋設された埋設光導波路（２）の経路は、特に光学的方法、デジタルシェアログラフィ法、超音波法、Ｘ線法、干渉法等によって非破壊的に確認されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 埋設光導波路（２）に剥離の効果を及ぼすことなく、繊維複合材料（１）のみを剥離する方法によって、埋設光導波路（２）の少なくとも一部が露出することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 埋設光導波路（２）の少なくとも一部は、レーザー照射、特に赤外線レーザー照射によって露出することを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 露出した埋設光導波路（２）は、当該埋設光導波路（２）の中心軸に対して垂直に切断されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 露出した埋設光導波路（２）は、レーザー照射、特に紫外線レーザー照射によって切断されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 各端部（１５，１６）の中心軸（１３，１７）が互いに同一直線上に配置されるように、かつ、各端部（１５，１６）の端面（１４，１８）が互いに接触するようにすべく、切断された埋設光導波路（２）の端部（１５）と外部光導波路（１１）の端部（１６）とが相互に整列させられることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 切断された埋設光導波路（２）の端部（１５）と外部光導波路（１１）の端部（１６）とが互いに整列させられたときに、光線が、光導波路（２，１１）の一方に供給されるとともに、各光導波路（２，１１）の各端部（１５，１６）の各端面（１４，１８）によって形成される接触面（１９）で少なくとも部分的に反射し、かつ、各光導波路（２，１１）の各端部（１５，１６）が相互に最適に整列させられたときに光線の最小限の反射が接触面（１９）で生じることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 各光導波路（２，１１）の各端部（１５，１６）は、整列具（２０）、特に、少なくとも部分的に、光導波路（２，１１）の各端部（１５，１６）の少なくとも一方を受けるＶ字状の溝を有する基板（２１）によって互いに整列させられることを特徴とする請求項７又は８に記載の方法。
10. 相互に整列させられた光導波路（２，１１）の端部（１５，１６）が融着接合によって接合されることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
11. 埋設光導波路（２）及び／又は外部光導波路（１１）は、光ファイバ（２，１１）及び／又は多数の光ファイバ（２，１１）の配置（１０）として構成されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 埋設光導波路（２）は、繊維複合材料（１）のラミネート層（９）に織り込まれることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法。

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