JP6084395B2 - 構造健全性の監視を目的としたナノ粒子インクによる圧電センサの分散ネットワークのための方法及びシステム - Google Patents
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Description
本発明は概して、構造健全性監視の方法及びシステムに関し、より詳しくは構造物の表面に配置されたナノ粒子センサを利用した構造健全性監視の方法及びシステムに関する。
マイクロセンサなどの小型センサは、複合構造物又は金属構造物などの構造物を連続的に監視し、且つ構造物の性能、起こりうる損傷、及び現在の状態を評価するため、材料特性、応力、歪みのレベルの測定を行う構造健全性監視（ＳＨＭ）システム及び方法含む各種のアプリケーションで使用することができる。既知のＳＨＭシステム及び方法は、ポリイミド基板又は他の好適な基板に組み込まれた小型で固いセラミックディスクセンサを含むことがある。このような既知のセンサは典型的に、接着剤を用いて手作業で構造物に接着される。このような手作業による取り付けは作業及び設置の費用を増大させ、また、このような接着剤は時間とともに劣化し、構造物からセンサが剥離する結果となることがある。さらに、このような既知のセンサは、例えば、湾曲した又は非平面の基板表面での使用を制限する、固い平面材料及び／又は脆性材料で作られることがある。さらに、このようなセラミックディスクセンサは電力及び各センサをつなぐ最低２本の導線からなる通信配線を必要とする。このような配線は、導線の結合、ハンガー、ブラケット、又は配線の構成を維持する他のハードウェアを利用する接続及び管理を必要とすることがある。このような配線及び当該配線を管理、構成するハードウェアは、構造物を複雑化し、重くすることがある。
これに加えて、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）などの既知のセンサシステム及び方法は、ナノ粒子を有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）センサなどの基板圧電センサ上への沈着の利用を含むことがある。ＭＥＭＳなどを製造する既知の方法は、直接描画インク用のＰＺＴ粉末の溶融塩合成を含みうる。しかしながら、このような既知の方法で製造されたＰＺＴセンサのアプリケーションは、ＰＺＴセンサの物理的形状によって制限されることがある。このような物理的形状の制限によって、検出能力が不十分となること、又は作動応答が不十分となることがある。さらに、このような既知の方法によって製造されたＰＺＴセンサは、その製造方法の結果として、その機能が重要となる領域には適用又は配置することができない場合がありうる。例えば、既知の溶融塩合成の方法は、ある種のアプリケーション基板が許容可能な温度以上で処理しなければならないことがある。
さらに、このような既知のＭＥＭＳシステム及び方法はまた、結晶化しておらず、且つ結晶化したナノ粒子よりも効率の劣るナノ粒子を有するセンサの使用を含みうる。非結晶化構造は典型的に、歪み及び電圧に対する応答感度の低下をもたらす構造破壊が大きくなっているが、一方、結晶化構造は典型的に、歪みに対する応答感度を上昇させ、動作に必要となるエネルギーを低下させる内部構造が大きくなっている。加えて、センサのナノ粒子は、ジェット噴霧沈着（ＪＡＤ）プロセスなど、一部の既知の沈着プロセス及びシステムに対しては大きすぎることがあり、又、このようなナノ粒子は、温度に敏感な基板又は構造物に損傷を与える恐れのある高温の焼結／結晶化プロセスが必要となることがある。
したがって、構造物の構造健全性監視システム及び方法に使用されるナノ粒子圧電センサによる分散ネットワークに関しては、方法及びシステムを改善するための技術が必要であり、このような方法及びシステムの改善は既知の方法及びシステムに対する優位性をもたらす。
構造物用の構造健全性監視システム及び方法に使用しうる、ナノ粒子圧電センサの分散ネットワークに対する方法及びシステムの改善のニーズは満たされている。以下の詳細な説明で議論されているように、本システム及び方法の実施形態は既存のシステム及び方法に対して有意な利点をもたらしうる。
本発明の一実施形態では、構造物の構造健全性を監視するシステムが提供されている。このシステムは、構造健全性の監視対象となる構造物を含む。このシステムはさらに、構造物の上に沈着されるナノ粒子インクによる圧電センサアセンブリの分散ネットワークを含む。各アセンブリは、ナノ粒子インクによる複数の圧電センサを含む。各アセンブリはさらに、複数の導電性インク電源及び複数のセンサを相互接続する通信線アセンブリを含む。このシステムはさらに、構造物の上にナノ粒子インクによる圧電センサアセンブリの分散ネットワークを沈着させるインク沈着装置を含む。このシステムはさらに、分散ネットワークに電力を供給する電源を含む。このシステムはさらに、センサから一又は複数の信号を介して構造物の構造健全性データを読み出して処理するデータ通信ネットワークを含む。構造物は、非曲面（又は平面）、曲面（又は非平面）、あるいは非曲面（又は平面）と曲面（又は非平面）との組み合わせを含みうる。ナノ粒子インクによる圧電センサアセンブルは、構造物本体とセンサアセンブルとの間に一又は複数の絶縁層、被覆層、又は塗料層を有する構造物の表面上に沈着させることができる。
本発明の別の実施形態では、構造物の構造健全性を監視する方法が提供されている。この方法は、構造健全性の監視対象となる構造物を提供するステップを含む。この方法はさらに、ナノ粒子インクによる圧電センサアセンブリの分散ネットワークを形成するため、インク沈着プロセスを介して構造物の上に、ナノ粒子インクによる複数の圧電センサ、複数の導電性インク電源及び複数のセンサを相互接続する通信線アセンブリを沈着するステップを含む。この方法はさらに電源を介して、分散ネットワークに電力供給するステップを更に含む。この方法はさらに、センサから一又は複数の信号を介して構造物の構造健全性データを読み出して処理するデータ通信ネットワークを含む。
本発明の別の実施形態では、構造健全性の監視対象となる構造物が提供されている。この構造物は本体を含む。この構造はさらに、インク沈着プロセスを介して、構造物の本体上に沈着されるナノ粒子インクによる圧電センサアセンブリの分散ネットワークを含む。各アセンブリは、ナノ粒子インクによる複数の圧電センサを含む。各アセンブリは、複数のセンサを相互接続する複数の導電性インクアクチュエータアセンブリをさらに含む。分散ネットワーク内の信号経路は複数のナノ粒子を含み、構造物の構造健全性データは、信号経路を通ってセンサからデータ通信ネットワークまで流れる一又は複数の信号によって得られる。
本発明の別の実施形態では、構造物の構造健全性を監視する方法が提供されている。この方法は、構造健全性の監視対象となる構造物を提供するステップを含む。この方法はさらに、構造物の構造健全性を検出、監視するため、ナノ粒子インクによる圧電センサアセンブリの分散ネットワークを使用するステップを含む。この方法はさらに、電源を介して分散ネットワークに電力を供給するステップを含む。この方法はさらに、ナノ粒子インクによる圧電センサアセンブリからの一又は複数の信号を介して、構造物の構造健全性データを読み出して処理するデータ通信ネットワークを使用するステップを含む。
既に説明した特徴、機能及び利点は、本発明の様々な実施形態で独立に実現することが可能であるか、以下の説明及び図面を参照してさらなる詳細が理解されうる、さらに別の実施形態で組み合わせることが可能である。
本発明は、好適且つ例示的な実施形態を示す添付図面と併せて、以下の詳細な説明を参照することでよりよく理解されるが、これらの図面は必ずしも正確な縮尺で描かれているわけではない。
添付図面を参照して本発明の実施形態についてさらに詳細に説明するが、添付図面にはすべての実施形態が示されているわけではない。実際には、幾つかの種々の実施形態が提供可能であり、本明細書で説明した実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、この開示が徹底的かつ完全であり、当業者に本発明の範囲が十分に伝わるように、これらの実施形態を提示する。以下の詳細な説明は、本発明を実行する際に現時点で想定される最良の態様である。この説明は限定的な意味で理解すべきものではなく、単に本発明の一般的な原理を説明することを目的として行ったものであり、本発明の範囲は添付の請求項によって最もよく定義される。
ここで図を参照すると、図１は構造物３０のナノ粒子インクによる圧電センサアセンブリ１２０（図５を参照）の分散ネットワークの一実施形態が使用され、同じようにしてナノ粒子インクによる圧電センサ１１０（図２〜４を参照）を用いる構造健全性監視のためのシステム１７０（図７を参照）及び方法２００（図８を参照）が使用されうる、例示的な先行技術の斜視図を示している。航空機１０は、機体１２、機首１４、コクピット１６、機体１２に動作可能なように結合された翼１８、一又は複数の推進ユニット２０、尾部垂直安定板２２、及び一又は複数の水平安定板２４を含む。図１に示した航空機１０は概して商用旅客機を代表するものであるが、本明細書で開示しているシステム１７０及び方法２００はまた、他の形式の航空機でも使用可能である。より具体的には、本発明の実施形態の教示は、他の旅客機、貨物航空機、回転翼航空機、及び他の形式の航空機又は飛行体、並びに衛星、宇宙発射飛行体、ロケット、及び他の形式の航空宇宙飛行体などの航空宇宙飛行体にも適用しうる。また、本発明によるシステム、方法及び装置の実施形態が、ボート及び他の船舶、列車、自動車、トラック、バス、及び他の形式の車両など、他の輸送手段にも利用可能であることが理解されるであろう。また、本発明によるシステム、方法及び装置の実施形態が、建築物、タービンブレード、医療機器、電子作動機器、消費家電機器、振動装置、受動及び能動式緩衝器、又は他の好適な構造物にも利用可能であることが理解されるであろう。
本発明の実施形態の図７に示すように、構造物３０の構造健全性１７２を監視するための構造健全性監視システム１７０が提供されている。図７は、本発明のナノ粒子インクによる圧電センサ１１０を使用した構造健全性監視システム１７０の一実施形態のブロック図を示したものである。システム１７０は、構造健全性１７２の監視対象となる構造物３０を含む。システム１７０は、構造物３０の表面上に沈着されるナノ粒子インクの分散ネットワークによるセンサアセンブリ１２０をさらに含む。構造物３０の本体３２（図５を参照）とナノ粒子インクによる圧電センサアセンブル１２０の分散ネットワークとの間に一又は複数の絶縁層、被覆層、又は塗料層を有する構造物３０の表面上に、ナノ粒子インクによる圧電センサアセンブリ１２０の分散ネットワークを沈着させることができる。
各センサアセンブリ１２０は、ナノ粒子インクによる複数の圧電センサ１１０を含む。各センサアセンブリ１２０はさらに、複数の導電性インク電源、及びアクチュエータアセンブリ１４１として動作し、ナノ粒子インクによる複数の圧電センサ１１０を相互接続する電力通信ワイヤアセンブリ１４０を有する。構造健全性監視システム１７０は好ましくは、沈着したナノ粒子インクによる圧電センサアセンブリ１１５（図２及び３も参照）を含む。一実施形態では、沈着したナノ粒子インクによる圧電センサアセンブリ１１５は、複合構造物１０２と共に使用される場合には、沈着したナノ粒子インクによる圧電センサアセンブリ１１６（図２を参照）を含むことがあり、又、金属構造物１３２と共に使用される場合には、沈着したナノ粒子による圧電センサアセンブリ１３０（図３を参照）を含むことがある。図７に示すように、構造健全性監視システム１７０はさらに、構造物３０の表面上にナノ粒子インクによる圧電センサアセンブリ１２０の分散ネットワークを沈着させるインク沈着装置を含む。構造健全性監視システム１７０はさらに、複数のセンサ１１０のポーリング用の電圧供給源１７６を含む。電圧供給源１７６は、構造健全性監視システム１７０で使用する前に、ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０のポーリング用に使用することもできる。本明細書で使用しているように、「ポーリング」という用語は、双極子又は領域の方向又は向きを揃えるため、通常高温で、材料全体に強電場を印加するプロセスを意味する。電圧供給源１７６は、圧電センサが他の圧電センサ１１０に問合せ信号を送信するアクチュエータ１４１となるように、一部の圧電センサ１１０を駆動することもできる。
図７に示すように、構造健全性監視システム１７０はさらに、センサアセンブリ１２０に電力を供給する電源１７８を含む。電源１７８は、バッテリー、電圧、ＲＦＩＤ（無線認証タグ）、磁気誘導送信、又は他の好適な電源を含みうる。電源１７８は無線であってもよい。図７に示すように、構造健全性監視システム１７０はさらに、センサ１１０からの一又は複数の信号９２を介して、構造物３０の構造健全性データ１７４を読み出して処理するためのデータ通信ネットワーク１７９を含む。データ通信ネットワーク１７９は無線であってもよい。データ通信ネットワーク１７９はデジタル又はアナログであってもよい。データ通信ネットワーク１７９は、受信機１７５（図７を参照）などにより、ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０から受信したデータを読み出すことができ、又、コンピュータプロセッサ１７７（図７を参照）などにより、ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０から受信したデータを処理することができる。データ通信ネットワーク１７９は無線であってもよい。
基板１０１の表面上又は構造物３０の表面上へのナノ粒子インクによる圧電センサ１１０の沈着により、構造健全性監視などのアプリケーション用にナノ粒子による圧電センサ１１０をそのままで導入することができる。ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０は、高密度の構造健全性監視システム１７０を実現する重要な要因となりうる。２個以上のナノ粒子による圧電センサ１１０を使用することにより、構造健全性監視システム１７０を動作させて、複合構造物１０２（図１を参照）又は金属構造物１３２（図３を参照）などの構造物３０、又は他の好適な構造物の構造健全性１７２を監視し、構造健全性データ１７４を提供することができる。構造健全性データ１７４は、接着剥離、弱接着、歪みレベル、水分浸入、材料変化、亀裂、空洞、層間剥離、空隙率、又は他の好適な構造健全性データ１７４、又は構造物３０の性能に悪影響を及ぼす可能性のある電気機械的特性又は他の不規則性を含みうる。
構造物３０は好ましくは、複合材料、金属材料、又は複合材料と金属材料との組み合わせを含む材料を含む。構造物３０は好ましくは、ナノ粒子による圧電センサアセンブリの分散ネットワークが沈着される曲面１３８を有する。ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０を、カスタマイズされた形状１６４（図６Ｂを参照）の構造物３０の上に沈着することもできる。図９に示すように、インク沈着装置１４２は、ジェット噴霧沈着装置１４６、インクジェット印刷装置１４７、エアロゾル印刷装置１９０、パルスレーザー蒸発法装置１９２、フレキソ印刷装置１９４、マイクロスプレー印刷装置１９６、フラットベッドシルクスクリーン印刷装置１９７、ロータリシルクスクリーン印刷装置１９８、グラビア印刷装置１９９、又は他の好適な直接描画印刷装置１４４を含む直接描画印刷装置１４４を含みうる。ナノ粒子インクによる圧電センサアセンブリ１２０の分散ネットワークはさらに、構造物３０の表面上に沈着された絶縁層１３４を含みうる。図２及び３に示すように、導電性インク電力通信ワイヤアセンブリ１４０は好ましくは、第１導電性電極１１４、第２導電性電極１１８、第１導電性トレース線１１２ａ、及び第２導電性トレース線１１２ｂを含む。構造健全性データ１７４は、接着剥離、弱接着、歪みレベル、水分浸入、材料変化、亀裂、空洞、層間剥離、空隙率、及び構造物３０の性能に悪影響を及ぼす可能性のある不規則性を含みうる。ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０は好ましくは、２０ナノメートルから約１ミクロンまでの範囲の粒子サイズを有するナノ粒子を含む。構造物３０は、好ましくは航空機の構造物１０（図１を参照）を含む。
図５に示すように、本発明の別の実施形態では、構造健全性１７２の監視対象となっている構造物３０が提供されている。図５は、本発明の構造物３０の一実施形態のブロック図を示している。構造物３０は本体３２を含む。構造物３０はさらに、インク沈着プロセス１２２を介して、構造物３０の表面上に沈着されるナノ粒子インクによる圧電センサアセンブリの分散ネットワークを含む。各センサアセンブリ１２０は、ナノ粒子インクによる複数の圧電センサ１１０を含む。各センサアセンブリ１２０はさらに、ナノ粒子インクによる複数の圧電センサ１１０を相互接続する複数の導電性インクアクチュエータアセンブリ１４１を含む。センサアセンブリ１２０内の信号経路９０は複数のナノ粒子を含む。構造物３０の構造健全性データ１７４（図７を参照）は、好ましくは、信号経路９０を通って、ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０からデータ通信ネットワーク１７９（図７を参照）まで流れる、一又は複数の信号９２によって得られる。
ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０は、製剤化されたチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）インク、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）などのナノ粒子インク、又は他の好適なナノ粒子インクを含みうる。このインクは好ましくはナノスケールインクのナノ粒子を含む。好ましくは、ナノスケールインクのナノ粒子はあらかじめ結晶化されている。ナノ粒子インクは、好ましくは、２０ナノメートルから約１ミクロンまでの範囲のナノスケール粒子サイズを有する。ナノスケールインクの粒子サイズにより、広範囲に及びインク沈着プロセス、装置、及びシステムを利用してナノ粒子インクを沈着することが可能となり、特に、ジェット噴霧沈着プロセス１２６（図６Ａ及び９を参照）及びジェット噴霧沈着装置１４６（図６Ａ及び９を参照）を利用してナノ粒子インクを沈着することが可能になる。ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０の各々は、約1ミクロンから約５００ミクロンまでの範囲の厚みを有することができる。ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０の厚みは、ナノ粒子のナノ粒子サイズ係数並びに第１及び第２導電層１１４、１１８（図２を参照）の厚みの観点から測定することができる。また、ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０の厚みは、適切なアスペクト比がナノ粒子インクによる圧電センサ１１０の感度を高めることがあるため、ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０のサイズに依存することがある。
ナノ粒子インク１０４はさらに、ゾル‐ゲルベースの接着促進剤、エポキシなどのポリマーベースの接着促進剤又は他の好適なポリマーベースの接着促進剤、又は基板１０１の表面へのナノ粒子インクの接着を促進する他の好適な接着促進剤を含みうる。一つの実施形態では、ナノスケールインクのナノ粒子はシリカのゾル‐ゲル中で懸濁していることがあり、直接描画印刷プロセス１２４（図９を参照）などのインク沈着プロセス１２２を利用して沈着される。ナノ粒子インク製剤中のシリカのゾル‐ゲルにより、ある種の既知の接着促進剤よりも多彩な基板にナノ粒子インクを接着することができる。ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０は、好ましくは、超音波伝搬及び電気機械インピーダンスに基づくモダリティを有する。
チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）ナノ粒子インクは、「ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲＦＯＲＭＩＮＧ ＬＥＡＤ ＺＩＲＣＯＮＡＴＥ ＴＩＴＡＮＡＴＥ ＮＡＮＯＰＡＲＴＩＣＬＥＳ」と題されて２０１１年８月１７日に同時出願された、代理人識別番号ＵＷＯＴＬ−１−３７２５９によって識別される米国特許非仮出願第１３／２１１，５５４号で開示されている方法によって処方可能であるが、その内容全体は本明細書に参照として組み入れられている。
図５に示すように、基板１０１は、非曲面（又は平面）１３６、曲面（又は非平面）１３８、あるいは非曲面（又は平面）１３６と曲面（又は非平面）１３８との組み合わせを含みうる。図２に示すように、基板１０１は第１表面１０３ａ及び第２表面１０３ｂを含みうる。基板１０１は好ましくは、複合材料、金属材料、複合材料と金属材料の組合せ、又は他の好適な材料を含む。図２に示すように、基板１０１は複合構造物１０２を含みうる。複合構造物１０２は、ポリマー複合材料、繊維強化複合材料、繊維強化ポリマー、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）、ガラス強化プラスチック（ＧＲＰ）、熱可塑性複合材料、熱硬化性複合材料、エポキシ樹脂複合材料、形状記憶ポリマー複合材料、セラミックマトリックス複合材料などの複合材料、又は他の好適な複合材料を含みうる。図3 に示すように、基板１０１は金属構造物１３２を含みうる。金属構造物１３２は、アルミニウム、ステンレススチール、チタニウム、これらの合金などの金属材料、又は他の好適な金属又は金属合金を含みうる。基板１０１はまた、他の好適な金属を含みうる。
図６Ａは、本発明のナノ粒子インクによる圧電センサ１１０を製造するためのインク沈着プロセス１２２及びインク沈着装置１４２の一実施形態の概略図を示したものである。例示的な直接描画印刷プロセス１２４及び直接描画印刷装置１４４は、ジェット噴霧沈着プロセス１２６及びジェット噴霧沈着装置１４６を示す図６Ａに表示されている。図６Ａに示すように、ナノスケールインクのナノ粒子１０６は、吸気口１４８を経由して溶剤１５２を含む混合容器１５０の中に送り込まれる。ナノスケールインクのナノ粒子１０６は、好ましくは、混合容器の中で溶剤１５２と混合され、ナノ粒子インク懸濁液１５４が形成される。ナノ粒子インク懸濁液１５４は、霧状インクのナノ粒子１５６を形成するため、超音波機構１５８によって噴霧することができる。霧状インクのナノ粒子１５６はノズル本体１６０を経由して送出され、基板１０１上にナノ粒子インクによる圧電センサ１１０を沈着及び印刷するため、ノズル先端１６２を経由して基板１０１の表面に向けられる。
図６Ｂは、基板１０１の表面上に沈着させた圧電ナノ粒子インクによるセンサ１１０の拡大図を示したものである。図６Ｂは、圧電ナノ粒子インクによるセンサ１１０を形成するため基板１０１上に沈着させた、ノズル本体１６０及びノズル先端１６２の霧状インクのナノ粒子１５６を示している。図６Ｂに示すように、ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０は、文字、デザイン、ロゴ、又は記号などのカスタマイズされた形状１６４、あるいは円、正方形、長方形、三角形などの幾何学的形状、又はその他の幾何学的形状、又は他の所望のカスタマイズされた形状１６４で、基板１０１上に沈着させることができる。インク沈着プロセス１２２及びインク沈着装置１４２は、基板１０１上での結晶１６６の成長を必要としない。しかも、沈着されたナノスケールインクのナノ粒子１０６は、結晶を成長させるための後処理工程を必要としない結晶状粒子構造を含んでいる。
図２及び３は、沈着されたナノ粒子インクによる圧電センサアセンブリ１１５の実施形態を示している。図２は、複合構造１０２を含む基板１０１上に沈着されたナノ粒子インクによる圧電センサアセンブリ１１６の一実施形態の断面図を示している。沈着されたナノ粒子インクによる圧電センサアセンブリ１１６は、アクチュエータアセンブリ１４１（図４を参照）として動作する電力通信ワイヤアセンブリ１４０に結合されたナノ粒子インクによる圧力センサ１１０を含む。電力通信ワイヤアセンブリ１４０は好ましくは、インク沈着装置１４２を介して、且つインク沈着プロセス１２２を介して基板１０１上に沈着される導電性インク１６８（図４を参照）から形成される。アクチュエータアセンブリ１４１（図４を参照）として動作する電力通信ワイヤアセンブリ１４０は、第１導電性電極１１４、第２導電性電極１１８、第１導電性トレース線１１２ａ、及び第２導電性トレース線１１２ｂを含みうる。第１導電性電極１１４、第２導電性電極１１８、第１導電性トレース線１１２ａ、及び第２導電性トレース線１１２ｂは、ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０に隣接していてもよい
図３は、金属構造物１３２を含む基板１０１上に沈着されたナノ粒子インクによる圧電センサアセンブリ１３０の別の実施形態の断面図を示している。沈着されたナノ粒子インクによる圧電センサアセンブリ１３０は、アクチュエータアセンブリ１４１（図４を参照）として動作する電力通信ワイヤアセンブリ１４０に結合されたナノ粒子インクによる圧力センサ１１０を含む。電力通信ワイヤアセンブリ１４０は好ましくは、インク沈着装置１４２を介して、且つインク沈着プロセス１２２を介して基板１０１上に沈着される導電性インク１６８（図４を参照）から形成される。アクチュエータアセンブリ１４１として動作する電力通信ワイヤアセンブリ１４０は、第１導電性電極１１４、第２導電性電極１１８、第１導電性トレース線１１２ａ、及び第２導電性トレース線１１２ｂを含みうる。第１導電性電極１１４、第２導電性電極１１８、第１導電性トレース線１１２ａ、及び第２導電性トレース線１１２ｂは、ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０に隣接していてもよい図３に示すように、沈着されたナノ粒子インクによる圧電センサアセンブリ１３０はさらに、基板１０１の本体、金属構造物１３２を含む基板１０１の上に直接沈着された絶縁層１３４を含む。ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０は、絶縁層１３４の上に沈着することができる。絶縁層１３４は、絶縁ポリマー被覆、誘電材料、セラミック材料、ポリマ材料、又は他の好適な絶縁材料を含みうる。ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０は、好ましくは、電力通信ワイヤアセンブリ１４０に結合される。
図４は、ナノ粒子インクによる圧電センサアセンブリ１２０の分散ネットワークの上面斜視図を示したものである。図４は、複合構造物１０２などの構造物３０上にすべて沈着されたアクチュエータアセンブリ１４１として動作する、導電性インク１６８による複数の電力通信ワイヤアセンブリ１４０に結合している、ナノ粒子インクによる複数の圧電センサ１１０を示している。同様に、金属構造物１３２に関しては、ナノ粒子インクによる複数の圧電センサ１１０は、金属構造物１３２上にすべて沈着された複数の電力通信ワイヤアセンブリ１４０に結合されていてもよい。
本発明の別の実施形態では、構造物３０の構造健全性を監視する方法２００が提供されている。図８は、本発明の方法２００の一実施形態のフロー図を示したものである。方法２００は、構造健全性１７２の監視対象となる構造物３０を提供するステップ２０２を含む（図７を参照）。方法２００はさらに、ナノ粒子インクによる圧電センサアセンブリ１２０の分散ネットワークを形成するため、インク沈着プロセス１２２を介して構造物３０の上に、ナノ粒子インクによる複数の圧電センサ１１０、及び複数のセンサ１１０を相互接続する導電性インクによる複数の電力通信ワイヤアセンブリ１４０を沈着するステップ２０４を含む。
図８に示すように、方法２００はさらに、ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０全体にわたって電場を生成するため、電圧供給源１７６（図７を参照）でナノ粒子インクによる圧電センサ１１０をポーリングする選択ステップ２０６を含む。方法２００はさらに、電源１７８（図７を参照）を介して、ナノ粒子インクによる圧力センサアセンブリ１２０の分散ネットワークに電力を供給するステップ２０８を含む。方法２００はさらに、一又は複数の信号９２（図５を参照）を介して、ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０から構造物３０の構造健全性データ１７４（図７を参照）を取り出して処理するため、データ通信ネットワーク１７９（図７を参照）を使用するステップ２１０を含む。
構造物３０は、好ましくは航空機の構造物１０（図１を参照）を含む。図９に示すように、インク沈着プロセス１２２は、ジェット噴霧沈着プロセス１２６、インクジェット印刷プロセス１２８、エアロゾル印刷プロセス１８０、パルスレーザー蒸発法プロセス１８２、フレキソ印刷プロセス１８４、マイクロスプレー印刷プロセス１８６、フラットベッドシルクスクリーン印刷プロセス１８７、ロータリシルクスクリーン印刷プロセス１８８、グラビア印刷プロセス１８９、又は他の好適な直接描画印刷プロセス１２４を含む直接描画印刷プロセス１２４を含みうる。データ通信ネットワーク１７９は、受信機１７５（図７を参照）により、ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０から受信した構造健全性データ１７４を読み出すことができ、又、コンピュータプロセッサ１７７（図７を参照）により、ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０から受信した構造健全性データ１７４を処理することができる。構造健全性データ１７４は、接着剥離、弱接着、歪みレベル、水分浸入、材料変化、亀裂、空洞、層間剥離、空隙率、及び構造物の性能に悪影響を及ぼす不規則性、又は他の好適な構造健全性データ１７４を含みうる。
基板１０１は好ましくは、複合材料、金属材料、複合材料と金属材料の組合せ、又は他の好適な材料を含む。基板１０１は好ましくは、第１表面１０３ａ及び第２表面１０３ｂを含む（図２を参照）。基板１０１は、非曲面又は平面１３６（図５を参照）、曲面又は非平面１３８（図５を参照）、あるいは非曲面又は平面１３６（図５を参照）と曲面又は非平面１３８（図５を参照）との組み合わせを含みうる。ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０を、カスタマイズされた形状１６４（図６Ｂを参照）の基板１０１上に沈着することもできる。
ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０は、構造健全性監視システム１７０で使用する前に、構造物３０の構造健全性１７２の監視用に電圧供給源１７６（図７を参照）によるポーリング処理を行ってもよい。ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０は、構造健全性システム１７０での使用に先立って、インク沈着プロセス１２２によって、基板１０１の上に沈着された導電性インク１６８によって形成される電力通信ワイヤアセンブリ１４０に結合されていてもよい。２個以上のナノ粒子インクによる圧電センサ１１０を使用して、構造健全性システム１７０を有効にすることができる。
構造物３０は、航空機１０（図１を参照）、宇宙船、航空宇宙飛行体、宇宙発射飛行体、ロケット、回転翼航空機、船舶、ボート、列車、自動車、トラック、バス、建築物、タービンブレード、医療機器、電子作動機器、コンピュータ電子機器、振動装置、受動及び能動式緩衝器、又は他の好適な構造物を含みうる。システム１７０及び方法２００は、例えば、風力発電（タービンブレードの健全性監視）、航空宇宙応用、軍事応用、医療応用、電子作動機器、消費家電製品、あるいは構造又は材料が監視を必要とする任意の応用を含む、多数の業界全体にわたって使用しうる。
本発明の別の実施形態では、構造物３０の構造健全性１７２を監視する方法が提供されている。この方法は、構造健全性１７２の監視対象となる構造物３０を提供するステップを含む。この方法はさらに、構造物３０の構造健全性１７２を検出、監視するため、ナノ粒子インクによる圧電センサアセンブリ１２０の分散ネットワークを使用するステップを含む。この方法はさらに、電源１７８を介してセンサアセンブリ１２０の分散ネットワークに電力を供給するステップを含む。この方法はさらに、ナノ粒子インクによる圧電センサアセンブリ１２０からの一又は複数の信号を介して、構造物３０の構造健全性データ１７４を読み出して処理するデータ通信ネットワーク１７９を使用するステップを含む。
本明細書で開示しているシステム１７０及び方法２００の実施形態は、複合及び金属構造物の超音波損傷検出、亀裂伝搬検出センサ、圧力センサ、又は他の好適なセンサを含む様々な応用に使用しうる、構造健全性監視用のナノ粒子インクによる圧電センサ１１０を提供する。例えば、システム１７０及び方法２００のナノ粒子インクによる圧電センサ１１０は、ドア周囲の損傷検出などの航空機の各種コンポーネントの製造開始から廃棄までの健全性監視、軍用機の亀裂成長検出などの軍事プラットフォーム、及び極低温タンクの健全性監視などの宇宙システムを提供することができる。ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０は、新規の効率的な設計に影響を及ぼしうるが事前には入手することのできない構造健全性データを提供することが可能で、これによりコストを低減しうる。
直接描画印刷プロセス１２４及び、例えば、ジェット噴霧沈着プロセス１２６は、処方されたナノ粒子インクを用いて、基板１０１の表面上、又は構造物３０の表面上に、既知の圧電センサ沈着プロセスと比較して低コストで、ナノ粒子インクによる多数の圧電センサ１１０を沈着させることが可能である。本明細書で開示しているシステム１７０及び方法２００の実施形態は、ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０を構造物３０の多数の領域に、大量に配置することを可能にする、ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０を提供する。多数の領域への配置及び大量の配置はいずれも既知の圧電センサでは実現困難な可能性があった。しかも、本明細書で開示しているシステム１７０及び方法２００の実施形態は、基板又は構造物に結合するための接着剤を必要としないため、既知のセンサよりも有利なナノ粒子インクによる圧電センサ１１０を提供し、これにより構造物３０からナノ粒子インクによる圧電センサ１１０が接着剥離する可能性を低減する。さらに、本明細書で開示しているシステム１７０及び方法２００の実施形態は、好ましい圧電特性を有し、接着剤を使用せずに所望の使用構成で、基板又は構造物上に沈着されるナノスケールインク粒子の有用性によって可能になる、ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０を提供する。ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０は、センサ１１０と基板又は構造物との間に接着剤を使用せずに、基板又は構造物上に沈着させることができるため、検査対象の構造物に結合する信号の改善を実現することができる。さらに、本明細書で開示しているシステム１７０及び方法２００の実施形態は、基板又は構造物上への手動による配置又は導入を必要とせず、所要のすべての電源及び通信線アセンブリを用いて、基板又は構造物上に沈着又は印刷することが可能な、ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０を提供し、これにより作業及び導入コストを低減し、同時に構造物の複雑度並びに重量を減少させる。これに加えて、ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０は、ジェット噴霧沈着プロセス１２６を含む多数の直接描画印刷プロセスによって沈着可能であり；前駆結晶化されたナノ粒子サイズの粒子から製造可能で、結晶化していない既知のセンサよりも効率的であり；高温焼結／結晶化プロセスを必要とせず、結果として温度感受性の高い基板又は構造物を損傷する可能性を低減又は排除し；湾曲した又は非平面の基板又は構造物への沈着が可能で；物理的形状の制限を除去又は最小限に抑え、これにより検出能力が不十分又は作動応答が不十分となる可能性を低減する。さらに、本明細書で開示しているシステム１７０及び方法２００の実施形態は、劣化又は脆弱化などが実際に進行する前に構造物３０の劣化又は脆弱化の予測に使用することができる、ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０を提供し、これにより構造物又は構造上のコンポーネント部品の信頼性を高め、構造物又は構造上のコンポーネント部品の寿命全体にわたって製造及び整備全体のコストを低減することができる。最後に、本明細書で開示しているシステム１７０及び方法２００の実施形態は、構造物の分解又は取り外しを行うことなく、あるいは測定ツールを挿入するため構造物にドリル穿孔を行うことなく、構造物の完全性、健全性、及び適合性を予測、監視、及び診断する能力を有する。
上述の実施形態では、システムは、構造物３０の構造健全性１７２を監視するステップに関して開示されており、該システムは構造健全性１７２の監視対象となっている構造物３０；構造物３０、ナノ粒子インクによる複数の圧電センサ１１０を含む各アセンブリ上に沈着されたナノ粒子インクによる圧電センサアセンブリ１２０の分散ネットワーク；及び複数のセンサ１１０を相互接続する導電性インクによる複数の電力通信ワイヤアセンブリ１４０；構造物３０上にナノ粒子インクによる圧電センサアセンブリ１２０を沈着するインク沈着装置１４２；分散ネットワークに電力を供給する電源１７８；及び、センサ１１０からの一又は複数の信号を介して構造物３０の構造健全性データ１７４を読み出して処理するデータ通信ネットワーク１７９を含む。
一つの変形例では、システムは、ナノ粒子インクによる複数の圧電センサ１１０のポーリングを行う電圧供給源１７６を含む。別の変形例では、構造物３０は、複合材料、金属材料、及び複合材料と金属材料との組み合わせを含むグループから選択された材料を含む。さらに別の変形例では、構造物３０は、ナノ粒子インクによる圧電センサアセンブリ１２０の分散ネットワークが沈着される曲面を有する。一つの代替的な実施例では、ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０は、カスタマイズされた形状で構造物の上に沈着される。さらに別の代替的な実施例では、インク沈着装置１４２は、ジェット噴霧沈着装置、インクジェット印刷装置、エアロゾル印刷装置、パルスレーザー蒸発法装置、フレキソ印刷装置、マイクロスプレー印刷装置、フラットベッドシルクスクリーン印刷装置、ロータリシルクスクリーン印刷プロセス、及びグラビア印刷プロセスを含むグループから選択された直接描画印刷装置を含む。
一つの変形例では、ナノ粒子インクによる圧電センサアセンブリ１２０の分散ネットワークはさらに、構造物３０の本体上に沈着された絶縁層を含む。一つの代替的な実施例では、導電性インクによる電源及び通信線アセンブリはそれぞれ、第１導電性電極１１４、第２導電性電極１１８、第１導電性トレース線、及び第２導電性トレース線を含む。一つの実施例では、構造健全性データ１７４は、接着剥離、弱接着、歪みレベル、水分浸入、材料変化、亀裂、空洞、層間剥離、空隙率、及び構造物３０の性能に悪影響を及ぼす不規則性を含む。別の実施例では、ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０は、約２０ナノメートルから約１ミクロンまでの範囲の粒子サイズを有するナノ粒子を含む。一つの代替的な実施例では、構造物３０は航空機構造物を含む。
上述の実施形態では、方法は、構造物３０の構造健全性１７２を監視するステップに関して開示されており、該方法は、構造健全性１７２の監視対象となっている構造物を提供するステップ；ナノ粒子インクによる圧電センサアセンブリ１２０の分散ネットワークを形成するため、インク沈着プロセスによって構造物３０の上に、ナノ粒子インクによる複数の圧電センサ１１０及び複数のセンサを相互接続する導電性インクによる複数の電力通信ワイヤアセンブリ１４０を沈着するステップ；電源１７８を介して分散ネットワークに電力を供給するステップ；及び、センサ１１０からの一又は複数の信号を介して構造物３０の構造健全性データ１７４を読み出して処理するデータ通信ネットワーク１７９を使用するステップを含む。一つの変形例では、この方法はさらに、ナノ粒子インクによる複数の圧電センサ１１０の沈着後、ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０全体にわたって電場を生成するため、電圧供給源１７６によってナノ粒子インクによる圧電センサ１１０をポーリングするステップを含む。
一つの変形例では、インク沈着プロセスは、ジェット噴霧沈着プロセス、インクジェット印刷装置プロセス、エアロゾル印刷プロセス、パルスレーザー蒸発法プロセス、フレキソ印刷プロセス、マイクロスプレー印刷プロセス、フラットベッドシルクスクリーン印刷プロセス、ロータリシルクスクリーン印刷プロセス、及びグラビア印刷プロセスを含むグループから選択された直接描画印刷プロセスを含む。別の変形例では、データ通信ネットワーク１７９は、受信機によってナノ粒子インクによる圧電センサ１１０から受信したデータを読み出し、コンピュータプロセッサによってナノ粒子インクによる圧電センサ１１０から受信したデータを処理する。さらに一つの実施例では、構造健全性データ１７４は、接着剥離、弱接着、歪みレベル、水分浸入、材料変化、亀裂、空洞、層間剥離、空隙率、及び構造物の性能に悪影響を及ぼす不規則性を含む。
上述の実施形態では、構造物３０は構造健全性が監視されるように開示されており、該構造物は、本体；及びインク沈着プロセス、ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０を含む各アセンブリによって、構造物３０の本体上に沈着されたナノ粒子インクによる圧電センサアセンブリ１２０の分散ネットワーク；及び複数のセンサ１１０を相互接続する導電性インクからなる複数のアクチュエータアセンブリ１４１を含み、前記分散ネットワーク内の信号経路は複数のナノ粒子を含み、且つ構造物３０の構造健全性データ１７４は、ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０から信号経路を経由してデータ通信ネットワーク１７９まで流れる一又は複数の信号から得られる。一つの変形例では、構造物３０は、ナノ粒子インクによる圧電センサアセンブリ１２０の分散ネットワークが沈着される曲面を有する。さらに別の変形例では、ナノ粒子インクによる圧電センサアセンブリ１２０の分散ネットワークはさらに、本体上に沈着された絶縁層を含む。さらに別の変形例では、ナノ粒子インクによる圧電センサ１１０は、約２０ナノメートルから約１ミクロンまでの範囲の粒子サイズを有するナノ粒子を含む。一つの代替的な実施例では、インク沈着プロセスは、ジェット噴霧沈着プロセス、インクジェット印刷装置プロセス、エアロゾル印刷プロセス、パルスレーザー蒸発法プロセス、フレキソ印刷プロセス、マイクロスプレー印刷プロセス、フラットベッドシルクスクリーン印刷プロセス、ロータリシルクスクリーン印刷プロセス、及びグラビア印刷プロセスを含むグループから選択された直接描画印刷プロセスを含む。さらに別の代替的な実施例では、構造物３０は航空機構造物を含む。
上述の説明及び関連する図面に示した教示の利点を有するこのような発明に関連する当業者であれば、本明細書に記載した多数の変形例および他の実施形態が想起されよう。本明細書に記載した実施形態は、例示することを意図したものであって、限定的又は網羅的であることを意図していない。本明細書では特定の用語を使用しているが、単に一般的かつ説明のために使用したものであり、限定を目的とするものではない。
１０ 航空機
１２ 機体
１４ 機首
１６ コクピット
１８ 翼
２０ 推進ユニット
２２ 尾部垂直安定板
２４ 尾部水平安定板
３０ 構造物
３２ 本体
９０ 信号経路
９２ 信号
１０１ 基板
１０２ 複合構造物
１０３ａ 第１表面
１０３ｂ 第２表面
１０６ ナノ粒子
１１０ 圧電センサ
１１２ａ 第１導電性トレース線
１１２ｂ 第２導電性トレース線
１１４ 第１導電性電極
１１５ 圧電センサアセンブリ
１１６ 圧電センサアセンブリ
１１８ 第２導電性電極
１２０ 圧電センサアセンブリ
１２２ インク沈着プロセス
１２６ ジェット噴霧沈着プロセス
１３０ 圧電センサアセンブリ
１３２ 金属構造物
１３４ 絶縁層
１３６ 平面
１３８ 非平面
１４０ 電力通信ワイヤアセンブリ
１４１ アクチュエータ
１４２ インク沈着装置
１４６ ジェット噴霧沈着装置
１４８ 吸気口
１５０ 混合容器
１５２ 溶剤
１５４ ナノ粒子インク懸濁液
１５６ 霧状インクのナノ粒子
１５８ 超音波機構
１６０ ノズル本体
１６２ ノズル先端
１６４ カスタマイズされた形状
１６６ 結晶
１６８ 導電性インク
１２ 機体
１４ 機首
１６ コクピット
１８ 翼
２０ 推進ユニット
２２ 尾部垂直安定板
２４ 尾部水平安定板
３０ 構造物
３２ 本体
９０ 信号経路
９２ 信号
１０１ 基板
１０２ 複合構造物
１０３ａ 第１表面
１０３ｂ 第２表面
１０６ ナノ粒子
１１０ 圧電センサ
１１２ａ 第１導電性トレース線
１１２ｂ 第２導電性トレース線
１１４ 第１導電性電極
１１５ 圧電センサアセンブリ
１１６ 圧電センサアセンブリ
１１８ 第２導電性電極
１２０ 圧電センサアセンブリ
１２２ インク沈着プロセス
１２６ ジェット噴霧沈着プロセス
１３０ 圧電センサアセンブリ
１３２ 金属構造物
１３４ 絶縁層
１３６ 平面
１３８ 非平面
１４０ 電力通信ワイヤアセンブリ
１４１ アクチュエータ
１４２ インク沈着装置
１４６ ジェット噴霧沈着装置
１４８ 吸気口
１５０ 混合容器
１５２ 溶剤
１５４ ナノ粒子インク懸濁液
１５６ 霧状インクのナノ粒子
１５８ 超音波機構
１６０ ノズル本体
１６２ ノズル先端
１６４ カスタマイズされた形状
１６６ 結晶
１６８ 導電性インク
Claims (5)
- 構造物（３０）の構造健全性（１７２）を監視する方法であって、
構造健全性（１７２）の監視対象となっている構造物を提供するステップと、
あらかじめ結晶化されたナノ粒子（１０６）を含むナノ粒子インク（１０４）を前記構造物（３０）の上に印刷して、複数のナノ粒子インクベースの圧電センサ（１１０）を形成するステップと、
導電性インクを前記構造物（３０）の上に印刷して、前記複数のセンサを相互接続する複数の導電性インク電力通信ワイヤアセンブリ（１４０）を形成して、ナノ粒子インクベースの圧電センサアセンブリ（１２０）の分散ネットワークを形成するステップと、
電源（１７８）を介して前記分散ネットワークに電力を供給するステップと、
前記センサ（１１０）からの一又は複数の信号を介して前記構造物（３０）の構造健全性データを読み出して処理するデータ通信ネットワーク（１７９）を使用するステップと、を含み、前記ナノ粒子インク（１０４）はいったん堆積されると焼結／結晶化プロセスを必要としない、方法。 - 前記複数のナノ粒子インクベースの圧電センサ（１１０）の形成後、前記ナノ粒子インクベースの圧電センサ（１１０）全体にわたって電場を生成するため、電圧供給源（１７６）によって前記ナノ粒子インクベースの圧電センサ（１１０）をポーリングするステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 前記ナノ粒子インク（１０４）の印刷が、ジェット噴霧沈着プロセス、インクジェット印刷プロセス、エアロゾル印刷プロセス、パルスレーザー蒸発プロセス、フレキソ印刷プロセス、マイクロスプレー印刷プロセス、フラットベッドシルクスクリーン印刷プロセス、ロータリシルクスクリーン印刷プロセス、及びグラビア印刷プロセスを含むグループから選択された直接描画印刷プロセスを含む、請求項１又は２に記載の方法。
- 前記データ通信ネットワーク（１７９）は、受信機によって前記ナノ粒子インクベースの圧電センサ（１１０）から受信したデータを読み出し、コンピュータプロセッサによって前記ナノ粒子インクベースの圧電センサ（１１０）から受信したデータを処理する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
- 前記構造健全性データ（１７４）は、構造物の性能に悪影響を及ぼす、接着剥離、弱接着、歪みレベル、水分浸入、材料変化、亀裂、空洞、層間剥離、空隙率、及び不規則性を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
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