JPH11507177A - 複合材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 その構造の一部をなすパターン付き導体を有し、複数の布層および浸透性樹脂マトリックス材料を含み、少なくとも一つの布層（４）が、得られた複合材料内に導電パス（１４）を形成する電気導体の付着したパターン付き層を有する積層複合材料（１０）が記載されている。電気導体は、布の個々の繊維が被覆され、かつ樹脂が導電領域内で個々の繊維間に浸透するような厚さまで付着することが好ましい。導電領域は、組込み電子デバイス（２）の外部電気接続を準備する。

Description

【発明の詳細な説明】 複合材料 本発明は、その構造の一部をなすパターン付き導体を有する複合材料、および そのようなパターン付き導体を使用した組込み電子デバイスを含む複合材料に関 する。 多数の現在の構造内では、繊維ポリマーマトリックス複合材料、特に繊維樹脂 複合材料が使用される。これらは、しばしば、ガラス繊維や炭素繊維など繊維の 一つまたは複数の布層から製造され、何らかの浸透性ポリマーマトリックスとと もに織物またはマットに成形される。そのような材料内に電子デバイスを組み込 んだ場合、かなりの潜在的な効用が見られた。そのようなデバイスには、ひずみ 計、温度センサおよび同様の検知デバイス、組込み識別タグ、また空中線などが ある。 しかしながら、組込みデバイスと外界との間で電気接触を実施する場合、問題 に遭遇する。積層中を縁部まで延びる細いワイヤなど、微細な導体を使用する構 造は周知である。そのような接続は、分離しやすい導体とマトリックスとの境界 において潜在的な弱点を示し、製造中に容易に破損する傾向があり、また接続を 複合積層の縁部のところにしか作成することができな い。ワイヤはマルチワイヤシステムにおける短絡が可能な基本的に任意の経路を とる。また、パネルの縁部におけるワイヤの位置は、制御することが困難であり 、マルチプラグコネクタの使用が実質上不可能になる。遭遇した他の問題は、ワ イヤがオートクレーブ処理中にパネルの縁部のところで破損しやすいことである 。延長ワイヤ技法は、用途が組込みデバイスに限定されることは明らかである。 より一般的な状況では、電気導体のパターン付き層で被覆されたボードである プリント回路ボード上に多数の電子デバイスが取り付けられる。これにより、多 数のデバイスを接続する仕事がはるかに簡単になる。この原理を使用すれば、導 体層を薄いポリマー基板上に適用することによってプリント回路を堅い基板上か またはフレキシブルフォーム内に製造することができる。しかしながら、いずれ のタイプの従来のプリント回路ボードも、樹脂マトリックスとの境界において層 間剥離する傾向を示す複合構造内でかなりの弱い面を示すので、積層複合物内に 組み込むのにあまり適さない。 本発明の目的は、プリント回路の接続および使用が容易であり、積層複合物内 での使用により適合できる接続システムを組 み込んだ複合材料を提供することである。 本発明の一態様によれば、繊維内に組み込むのに適した材料の繊維およびポリ マーマトリックス複合物から形成され、その上に電気導体のパターン付き層を付 着し、未硬化の硬化可能なポリマー複合マトリックス材料を含浸した布の層を含 む複合プリプレグが提供される。 本発明は、プリント回路ボード上に製造できるものと同じ導体の複雑なパター ンを布上に配置し、樹脂マトリックス複合物内に組み込むのに適したフォーマッ トで複数のデバイスを容易に接続することができる。そのような複雑かつ正確に 配列したパターンは、実用向きにワイヤを使用して組み込むことができない。 布材料は、マトリックス材料が浸透しやすいものであることを条件として、織 物または敷物、あるいは一部多孔性のクモの巣状構造を含む。マトリックス材料 は、複合物製造中にパターン無し領域内で布内の繊維間に浸透することができる ので、布層における層間剥離の傾向が制限され、材料は、従来のプリント回路を 組み込んだ場合には得られない良好な強度を厚さ中で保持する。個々の布繊維、 したがって導電パスの均一な被覆が 製造されており、かつ固体導電ストリップが形成されておらず、かつパターンの 導電領域内の布が、マトリックス材料が繊維間に浸透することができる少なくと も一部が開いたメッシュになっている厚さまで、パターンの導電領域内の導電材 料を配置した場合、布を複合材料中に組み込んだときの完全性の向上および層間 剥離の傾向の更なる低下が得られる。したがって、電気導体は、布の個々の繊維 が被覆され、かつ樹脂が導電領域内で布に浸透できる厚さまで付着することが好 ましい。したがって、樹脂は、複合物製造中に繊維間に浸透することができ、し たがって導電パスは、構造の一部となり、層間剥離サイトを形成する傾向が小さ くなる。 導体を布層中に織り込む試みの代わりに、金属をプリフォーム化布層に適用す ることにより、隣接する繊維が、導体領域内で均一な連続的な金属被覆を備える ことになる。それにより、各繊維が多数の異なる通路によってそれを囲む繊維に 接続され、またパターン付きトラックの領域内で発生する短絡の危険が最小限に 抑えられる。この信頼性の改善により、トラックがより細くなり、また冗長なト ラックの必要がなくなり、したがって、より細く、より密度の高い導電トラック を製造することができ、 マイクロプロセッサなど複雑な多重接続デバイスを組み込むことができるように なる。 本発明の他の様態によれば、複数の布層および樹脂マトリックス材料など浸透 性ポリマーマトリックス材料を含む積層複合材料が提供される。少なくとも一つ の布層には、その上に電気導体のパターン付き層を付着する。電気導体は、布の 個々の繊維が被覆され、かつマトリックス材料がその間に浸透するような厚さま で付着することが好ましい。 これは、上述の複雑さおよび構造完全性のすべての利点を有する完全な導体を 有する複合パネルをもたらす。さらに、導体パス内の任意の点において他の層中 の穴を介して接続を行うことができ、ワイヤを使用する場合のように積層の縁部 に制限されない。 本発明は、特に、導電層が本発明に従って一つまたは複数の布層上に配置され た積層多層布およびポリマーマトリックス複合材料、特に樹脂マトリックス複合 材料に適用できる。ただし、本発明は、そのような材料に制限されず、布、繊維 または他の形のポリマーマトリックス内に他の強化材料を加えて、あるいはそれ らを加えずに、また構造特性または他の特性のために選 択した他の周知の構成要素から分離して、あるいはそれらと組み合わせて、少な くとも一つの導電布層をポリマーマトリックス内に組み込んだ複合材料を包括す ることを理解されたい。 本発明は、パターン付き層に電気的に接続された一つまたは複数の組込み電子 デバイスとともに使用して、組込みデバイスへの外部電気接続および組込みデバ イス間の内部接続を実施することができる導電パスを提供する。積層内に有効に 組み込むことができるデバイスの例には、ひずみ計などセンサ、および形状変更 機などアクチュエータがある。また、本発明によれば、導電材料に適切なパター ンを選択することによって空中線、共振構造および周波数フィルタなどのデバイ スを直接形成することができる。また、本発明は、例えば、機械負荷、複合物内 の水分吸収などによって生じるものなど、マトリックス材料の誘電挙動の変化を 検出することができる容量性デバイスを構造内に組み込むことによって、マトリ ックス材料の劣化を監視するデバイスを形成する場合に有用である。パターンは 、例えば得られた積層に特定の磁気特性を与えるために、電気抵抗以外の特性の ために選択することができる。 さらに、導電パスを使用して、積層外の適切に調整されたシ ステムと対話することができる誘電性構造またはその他の同様の構造を形成する ことができる。この実施形態では、少なくともいくつかの導電パスを、組込みデ バイスと積層外の適切に調整されたシステムとの間の遠隔接続を実施するのに適 した一つまたは複数の共振構造を形成するように成形して、積層複合材料を形成 する。したがって、組込みデバイスと組み合わせて、直接接続をすべて省き、デ バイスを外界と誘導結合させ、布層を含んでいることに起因する機械的劣化およ び機械的弱さの可能性をさらに限定することができる。 この結合の特定の用途は、組込み識別デバイスを使用することにある。識別チ ップをパネル内に組み込み、識別のために検査できるように適切な結合を備える ことができる。チップは、組み込まれ、分離されるので、変更に耐えられる。パ ネルのそのような容易な検査は、大きい構造を組み立てるか、または調ベる場合 に有用である。 積層の特定の用途は、特に民間航空機によって高度視覚システム（ＥＶＳ）と ともに使用される高性能の調整可能な電磁コーナ反射器を製造することである。 レーダの慣習では、（それぞれ二面または三面反射器と呼ば れる）二つまたは三つの平坦プレート反射器を含むコーナ反射器を使用すること が周知である。プレート間の直角関係を維持することによって、入射波に対して 逆方向の反射が広い範囲の入射角において達成される。反射波は、個々のプレー トの主反射ローブに対応しており、したがって船舶用の検出ビーコンなど、高度 のレーダ断面が必要とされる用途に対して一連の方向から高いプロファイル反射 波が得られる（例えば、「Ｒａｄａｒ Ｃｒｏｓｓ Ｓｅｃｔｉｏｎ」、Ｋｎｏ ｔｔ、ＳｈａｅｆｆｅｒおよびＴｕｌｅｙ、Ａｒｔｅｃｈ Ｈｏｕｓｅ社、１９ ８５、ｐｐ１７５−１７７参照）。 上述の回折効果の場合、反射率を維持するためにプレート間の角度を９０°近 くに維持する必要がある。例えば、プレート間の角度がπ／２＋δ（δは小さい ）に増大した二面反射器を考えてみる。幾何光学によれば、反射ビームの方向は 、入射ビームの反対側から２δだけ異なっている。この相違が反射ローブの半値 幅に正確に一致する場合、入射光源のところにいる観測者は０°になる。さらに 開くと、観測者が第１のサイドローブ内に移動し、δが増大するにつれて、０° の変化が生じ、ピークが減少する。したがって、二面反射器の有効性は、基本的 に、角度誤差δと準ローブ幅の等級２λ／ｄとの相互作用に依存する。三面反射 器の物理原理は、二面反射器のそれと同じであり、同様の動作パラメータが使用 できる。 二面反射器における反射と結合した平坦なプレートからのバイスタティック散 乱の分析は、対称入射の場合、０°が整数値Ｘに対してδ＝（Ｘ／√２）（λ／ ｄ）において生じることを示している。したがって、直角からの偏差が小さけれ ば、特に高周波範囲のミリメートル端において、反射が迅速に低下する。例えば 、代表的な９４ＧＨｚ、１００ｍｍ二面反射器の場合、反射プロファイルは、１ ．３０°において最初に０に低下する。大きい反射プロファイルを維持するため に、コーナ反射器が形成するように設計された角度は、直角に厳密に近くなけれ ばならない。 本発明のこの実施形態は、散乱挙動のこの特徴を適用して、それぞれ少なくと も一つのアクチュエータへの電気接続を実施する上述の複合材料を含む少なくと も二つの平坦な反射器プレートを含むコーナ反射器を製造する。少なくとも一つ のアクチュエータは、電磁放射の反射率が実質上ピークになる第１の角度と、電 磁放射の反射率が実質上０になる第２の角度との間で 反射器プレート間の内角を変更することができる手段を含む。 ピークおよび０°反射のための適切な角度は、上述のように入射放射波長およ びプレート寸法に依存して選択される。したがって、反射器は、実際、反射率が 局所最大値にありかつ大きい応答信号が得られる構成から、反射率が局所最小値 にありかつはるかに小さい応答信号が得られる構成に切り替える作動手段を使用 して、入射放射の特定の周波数に対してオンおよびオフに切り替えられる。ピー ク反射率とゼロ反射率の差を最大にすることが好ましく、かつこれを達成するた めに、第１の角度は、直角に配置されたプレートから得られる反射断面積内のボ ード最大値を使用するために、実質上９０°に設定することが好ましい。その場 合、第２の角度は、反射率の最初の０°に対応する９０°からの偏差になるよう に選択するのが都合がよい。 これらのアクチュエータは、磁気ひずみセラミックスまたは電気ひずみセラミ ックスおよび圧電材料によって示されるものなど、導電積層中に伝達された電気 作動信号に対してひずみ応答を示すアクチュエータ材料を含むことが好ましい。 本発明による積層を使用すれば、アクチュエータ材料を複合積層反射器プレート 内に一体に組み込むことができ、外部可動部品が不要 になる。 これらの材料のうち、磁気ひずみ材料は、その制限的サイズのために本発明の たいていの用途にとって好ましくないかもしれない。これらの理由で、電気ひず み材料および圧電材料は、アクチュエータ材料用に好ましい選択かもしれない。 電気ひずみ材料は、圧電材料よりも使用できるひずみを生じ（３５０μεと比較 して５００με）、ヒステリシスの低下を示す。ただし、それらは、温度による 性能の明確な変化を示す。この最後の点は、高感度ひずみ監視技法および閉ルー プ制御を用いて克服することができる。とは言え、操作を簡単にするために、最 も好ましいアクチュエータ材料は、ＰＺＴなど圧電材料である。これは、良好な 帯域幅性能とともに、３５０μεの容認できる最大ひずみを生じ、温度の変化に 対して比較的良好な公差を示す。しかしながら、これは、クリープが生じやすく 、より高いレベルのヒステリシスを示す。 コーナ反射器を形成する活動プレートを正確に制御するために、何らかの形の ひずみ監視システムが必要である。これによれば、アクチュエータヒステリシス やクリープなどの効果を時間とともに補償することができる。多数の異なるタイ プのひず みセンサが使用できる。複合プレート内に組み込むために、好ましいオプション には、ＰＶＤＦポリマー、光ファイバケーブル、または単に抵抗ひずみ計がある 。この場合も、布内の導電パスにより、複合パネル内の組込みデバイスに直接接 続することができる。 多数の適切な方法を使用して、複雑なパターン付き導体を布上に配置すること ができる。パターンは、単に、銀を添加したインクなど導電性インクを用いてス クリーンプリンティングされる。あるいは、無電解付着プロセスおよび／または 電気機械付着プロセスを適切なパターン化と結合することもできる。可能な手法 には、フォトリソグラフィパターン化技法がある。この手法では、まず均一に事 前にメタライゼーションを付けた布をフォトレジストで最初に被覆し、このフォ トレジストを所望のパターンの形に露光し、現像して、パターン化された領域内 のメタライゼーションを露出させ、次いで例えば他の金属を電気付着することに よってパターン化された領域内のメタライゼーションを厚くし、最後に残ってい るフォトレジストをストリッピングによって除去し、パターン化されていない領 域内のメタライゼーションを除去するために十分な他のエッチング材を 布に与え、厚くなった領域に対応するパターン化された導電層を残す。この手法 の変形例では、普通のプリンタ用インクなど非導電性インクを用いてスクリーン 印刷により、メタライゼーションを施された基板上に適切なパターンを印刷する 。インクは、乾燥した後、前の例のフォトレジストと同じ役目を果たす。 本発明について、添付の図面を参照しながら、例を挙げて説明する。 第１図および第２図は、材料内にひずみ計を組み込んだ積層複合パネル、およ び本発明によるパターン付き布を使用して形成した電気接続を示す図である。 第３図は、本発明によるパターン付き布を使用して形成した誘導性結合を備え たデバイスを示す図である。 第４図および第５図は、本発明によるパターン付き布を使用して積層複合パネ ル内に形成した劣化モニタを示す図である。 第６図から第１１図は、調整可能な電磁コーナ反射器内で使用される本発明に よる積層を示す図である。 第１図から第５図の例のパターン付き布を、フォトリソグラフィパターン化に 基づくプロセスによって作成する。まずポリエステルの織り布に無電解化学付着 プロセスによってメタライ ゼーションを付ける。無電解化学付着プロセスは、銅、ニッケル上の銅、鉄、金 、銀、およびこの方式で付着することができるその他の金属の被覆を有する市販 のメタライゼーション付き布を製造する十分に確立された技法である。本明細書 において作成した例では、この技法を使用して、実質上均一な銅の層またはニッ ケル上の銅の層を配置する。 メタライゼーション付き布を化学作用に耐えられるフォトレジストで被覆し、 メタライゼーション付き布の、最終的に所望のメタライゼーション・パターンを 担持するようになされた領域のみが露出されるように、所望のパターンを用いて 、フォトレジストを紫外光に選択的に当て、アルカリ現像液内に浸すことによっ てフォトリソグラフィパターン化する。次いで、これらの領域の金属被覆を他の 銅を電気付着することによって厚くする。この後、有機ストリッピング溶液内に 浸すことによって残っているフォトレジストを完全に除去し、そして塩化鉄また は過硫酸アンモニウム内で布に光エッチング材を与え、それにより厚くなってい ないメタライゼーションを完全に除去し、厚くなっているパターン付き領域内の メタライゼーションを残す。布を複合材料中に組み込んだときに最適な一体強度 をもたらす ために、光エッチングの後で、個々の布繊維の均一な被覆が生じ、かつパターン の導電領域にマトリックス樹脂が浸透できるように金属を適切な厚さまで配置す るように、電気付着による厚くするプロセスを慎重に制御する。 第１図に、この処理の後の布を示す。ストリップ抵抗ひずみ計２は、二次元の 最適なひずみ測定能力を与えるために布４上に標準の１２０°アレイ内にある。 導電パス６のパターンは、ひずみ計への電気接続を実施する上述の方法を使用し て配置する。 第２図に、布４が、第２図に示されるエポキシ樹脂マトリックス内にポリエス テルの織り布の他の層を含む多層積層複合パネル１０内に組み込まれることを示 す。穴１２は、そのパスが破線１４によって示されている導体まで材料中に穿孔 される。したがって、ひずみ計アレイへの外部接続を穴１２中に作成することが でき、ワイヤ導体の場合のように、複合パネル１０の縁部のところに接続を作成 する必要はない。 第３図に、パターン化技法を使用して、組込みデバイスへの電気接続を実施す る代替手順を示す。導電性材料の誘導性ループ２４を布上に製造し、布層を上記 と同じ方法で多層積層複合 パネル２１中に組み込む。適切なセンサ、アクチュエータなどであるデバイス２ ２をパネル２１内に組み込み、ループ２４に電気的に接続する。次いで、デバイ スを外部検査ループ２６とともに誘導性結合を介して検査する。一般原理は当業 者に周知であるが、パターン付き導電布を使用すれば、製造および積層中への組 込みが容易になる。 第４図に、パターン化原理を使用して、デバイス自体を積層内に形成する方法 を示す。導電パスを有する二つの導電層３１を上述のように布上に製造し、互い に平行になるように多層積層複合パネル３２内に組み込む。接続は、ワイヤ３３ を介してモニタ３４まで実施する。モニタ３４を使用して、二つの組込み層間の 抵抗または容量の変化を検出することによって、層間の樹脂マトリックスの状態 を監視し、腐食、層間剥離、伝搬クラックなどを検出することができる。複数の そのようなデバイスを構造中に組み込めば、欠陥の存在ならびに位置の両方の早 期警告を与えることができる。 上記の両方の原理を第５図に示されるデバイス内で組み合わせる。劣化モニタ は、平行な平面４３内で互いに対向するように積層複合物４２内に組み込まれた 二つのＣ型導電領域４１を 含む。この構成によれば、適切に調整された外部デバイス４４による誘導性結合 を介して劣化モニタを直接検査することができ、直接電気接続が不要になる。 第６図から第１１図に、調整可能な電磁コーナ反射器を含む本発明の特定の実 施形態を示す。ただし、パターン付き布の製造、外部接続、ひずみ計の組込みに 関する実施形態の特徴は、一般に適用することができ、本発明のこの特定の用途 に限定されないことを理解されたい。 パターン付き金属布の製造用のベース材料は、銅の薄い層で被覆されたポリエ ステルの織り布である。銅は、無電解付着され、したがって各個々の繊維は、そ れに隣接する繊維に電気的に接続される。したがって、銅を電磁遮蔽材料として 通常使用することに申し分がなく、またメタライゼーションを連続的なトラック 中にパターン化して（必ずしも布の織地に平行ではない）、本発明による材料を 製造することができる。二つの製造方法が開発されている。これらは、フォトリ ソグラフィ技法によって画定された領域の選択性エッチングおよび電気メッキに 基づいている。 選択性エッチング方法ならびに電気メッキ方法における最初 のステップは、実質上同じである。すなわち、複数の選択された布の領域を、後 のプロセスがその特定の領域に及ぼす作用を抑制する材料で被覆しなければなら ない。 まず、布を伸ばして、しわまたは折り目のない平坦な表面をつくる。最初の研 究では、これは、５０ｃｍ正方形フレームを使用して、それに布を接着剤によっ て付着して行った。次いで、延びた布を液体感光性乳剤で被覆し、２４時間放置 して乾燥させて、布上に不浸透性の層を形成する。ただし、乳剤は、紫外光を用 いて選択的に露光し、アルカリ溶液中で現像することによってパターン化する。 この例では、乳剤は陽性である、すなわち露光された領域が除去されるが、陰性 レジストが容易に利用でき、その使用は周知である。適用および処理が容易であ り、また陰性レジストと比較して解像度が高いために陽性レジストを選択した。 布上に必要とされる導体パターンをＣＡＤパッケージ内で生成する。次いで、 パターンを、紫外光を通すフィルム上の紫外光を通さない乳剤中に移動する。こ の透過性は、パターンを、銅を被覆した布上の感光性乳剤中に選択性露光するた めのフォトマスクの働きをする。 次いで、フォトマスクを布乳剤の表面に密接に配置し、紫外光に当てる。これ は、マイクロエレクトロニクス工業において使用されるものと同じプロセスであ るが、この場合の公差および寸法では、高精度マスクアライナではなくライトボ ックスを使用することができる。次いで、布をアルカリ溶液で洗浄して、紫外光 に当たった領域を除去し、それにより下地の銅を露出させる。この特定の装置を 使用して画定することができる最小フィーチャサイズは、約２５０μｍである。 フィーチャサイズは、露光装置の乳剤不均一／感度、ならびに布基板の織り方に よって制限される。 パターン付き布を製造するために使用される二つの代替技法の第１の技法では 、無電解銅をメッキブリッジとして使用して、これらの露光された領域を選択的 に電気メッキする。酸性化硫酸銅溶液（１００ｇｍ／リットル）および犠牲（sa crificial）銅カソードを使用する標準の電気付着構成内で、パターン付き布を 単にアノードとして使用する。線形布領域のｍｍ²当たり約４０ｍＡのメッキ電 流を使用する。これは、主として円筒形織りストランドによって与えられる追加 の領域のために、通常平坦な表面をメッキするために使用されるよりもわずかに 高い 電流密度になる。銅は、約１００μｍの厚さまでメッキする。メッキの後、感光 性乳剤を布から除去し、その後蒸留水中で完全にすすぐことによって残留物を除 去した。 次いで、布をペルオキソニ硫酸アンモニウムの弱溶液内に入れる。この溶液は 、布の領域全体から銅をゆっくりとエッチングする。より薄いメッキされていな い領域は、約２分以内に完全に除去され、より厚い電気メッキされた銅の分離し たパターン付き領域内にのみ存在するメタライゼーションが残る。 第２の技法は、パターン付き感光性乳剤によって保護されていない銅の領域を エッチングする方法のみを使用する。パターン化の後、銅の露光された領域が除 去されるまで、布を単に上述の銅エッチング材内に入れる。次いで、乳剤を除去 し、再びパターン付き銅が残る。 二つの技法の本質的な違いは、電気メッキの場合には、レジスト内の穴が銅の トラックの形状をとり、エッチングの場合には、パターン化の後に残る乳剤がト ラックのパスをとることである。これは、第６図に示される関連するフォトマス クについて考えてみれば最もよく分かる。どちらの技法も、所望の結果、すなわ ちパターン付き布が得られるが、それぞれ関連する利点 および欠点を有する。 電気メッキした布は、おそらく、メッキしたブリッジが形成されることによっ て隣接する織りストランド間の接続が強化されるのでより信頼できる。これらの ブリッジは、導電トラックの製造を保証し、それらの低い抵抗は、それらがより 大きい電流の流れを処理できることを意味する。しかしながら、厚くなった銅は 、複合物内により大きい積層間欠陥をもたらす。 エッチングした布は、銅の厚さが最小であり、したがって複合材料中に組み込 んだ場合、機械特性に対する影響が制限される。しかしながら、布中の電気パス を製造するために無電解銅にのみ依存することは、特により薄いトラック幅（＜ ３００μｍ）中にいくつかの不連続部分が生じることを意味する。これらは、回 路設計において何らかの冗長性を組み込むことによって満足される。エッチング した布を製造する場合、トラック間の領域内のすべての乳剤を完全に露光し、除 去するために細心の注意を払わなければならない。そうしないと、個々のデバイ ス間に短絡が生じることになる。 上述のように、複合パネル内に組み込まれた能動デバイスから電気接続をとる 従来の技法は、ワイヤを二つの積層間から材 料の縁部まで引くことである。複合物内にプリント回路同等物の同等物を担持す るパターン付き布が含まれていることは、トラックが整然とした形で材料内の所 定の位置のところで正確に終端することを意味する。したがって、より制御され た予測可能な接続技法を使用することができる。 布基板を組み込む場合、パネル上のある点に対する積層内の布基板の位置に留 意する。パネルが薄いかまたは光を透過する樹脂システムから作成した場合、強 い光源の前にパネルを配置することによってトラック終端を容易に見つけること ができる。パネルが光を通さない場合、パネル内の布と同じ位置に整合したテン プレートをパネルの外面上に配置することによって終端を見つけることができる 。 適切な接続の一例を第７図に示す。トラック終端が見つかった後、導電トラッ ク７４への接続が必要とされる各点において、小さい直径の穴（＜５００μｍ） ７１を積層７２の前面中に布７３の厚さまで穿孔する。メッキした布の使用は、 銅トラックに到達したときに切り端内に金属粒子が見られるので、この手順を助 ける。 少量の導電性エポキシを穴内に入れ、太いワイヤを挿入する ことによって電気接続を作成する。次いで、パネルを低温の炉内に入れて、エポ キシを硬化させ、電気コンタクトを製造する。この手順は、トラック分離を、第 ７図に示されるような標準のマルチプラグコネクタのピッチに一致するように選 択した場合、大幅に強化される。穴７１のアレイは、マルチプラグコネクタ７６ のコネクタピン７５に一致するように穿孔される。コネクタを非導電性エポキシ 内でパネルに固定することによってコネクタに何らかの追加のサポートを与える ことができる。 複合構造中の穴を穿孔した場合、機械性能が局所的に劣化する。しかしながら 、この欠点は、おそらく１０ｍ²の領域上に広がり、すべて最小の構造要求の便 利な位置に配置することができる単一のコネクタからとられた多数のデバイスへ の接続の文脈において考えなければならない。 例えば、テストのために、小さい（３×５ｍｍ）ポリイミドフィルムひずみ計 に接続された二つの布回路を、エポキシ樹脂を事前に含浸したがガラス繊維布か ら製造した複合サンプル中に組み込んだ。導電性エポキシを使用して、ひずみ計 を導電トラックに接続した。ひずみ計がパネル内で互いに重なり合うように布を 配置し、上述の技法を使用して、外部電気接続を作成 した。この特定の場合、比較的小さい基板に対する機械的影響を最小限に抑える ために、全マルチピンコネクタではなく、ピンのみを穿孔した穴内に入れた。第 ３の外部ひずみ計を、組込みひずみ計上の、複合物の表面に取り付けた。 次いで、テストサンプルを機械テスト装置内に配置し、変化するひずみレベル を加えたときの各ひずみ計からの出力を監視した。各ひずみ計からの出力を第８ 図に示す。 各ひずみ計は、比較可能な測定値をもたらすことが分かる。これは、メタライ ゼーションを施された布を使用して、複合物中に組み込まれたひずみ計から有効 な結果が得られることを示す。 本発明の他の例を第９図に示す。第９図には、多数の個々の圧電素子を含む２ ５０×２５０ｍｍプレートが示されている。圧電素子９３は、平坦な電極を有す る標準の圧電セラミックであるＰＺＴ５Ｈから作成した。各電極は、１００×５ ×０．２５ｍｍであった。平行に接続され、一辺２００ｍｍの正方形の対角線を 横切って延びる多数のトラック９２を有する二つのメタライゼーション付き布９ １を調製した。これらの布を使用して、ＰＺＴに高い電圧を供給する。 事前に含浸したガラス繊維材料から構成したパネル９４、９６内に布９１を組 み込み、上述の銅導電トラック９２を備えた。導電性エポキシの連続的なボンド ラインを使用して、ＰＺＴ素子９３を銅トラックに取り付けた。以前の研究にお いて、この取付け方法は、最大の偏向をもたらすことが示されている。二つの布 間にある事前に含浸した積層９６を、それがＰＺＴ素子のまわりに取り付けられ るように切断した。この層は、電力供給された布間の短絡または高電圧破壊の可 能性を小さくする。簡単な二つのピンコネクタ９８を使用して、第７図に示され るコネクタと同じ方法で、各布層への電気接続を作成した。 この実施形態では、印刷した布を使用したので、以前に使用した構成手順がか なり簡単になった。所与の例は、パターン付き導電布の使用の簡単な図である。 統合ひずみ計監視とともに（使用できるひずみを増大させる）交互嵌合ＰＺＴを 使用して、同じパネルを構成すれば、この技法をより完全に使用することができ ることが分かる。交互嵌合ＰＺＴを使用した場合、電極の数が二倍になり、した がって作動するプレートの複雑さが著しく増大する。従来の技法を使用した場合 、これは、相当な組立てを実施する必要があるが、パターン付き布を使用した場 合、 パターン設計の簡単な変更のみが必要である。 第１０図に、統合ＰＺＴ圧電アクチュエータを有するガラス強化ポリマー複合 物の三つの可動プレート１０１を含む三面コーナ反射器を示す。反射器は、レー ダ断面が最大になるように直角の位置にある。破線１０２は、ＰＺＴアクチュエ ータが作動して、活動プレートが０反射形状に曲がった後でプレート１０１が占 拠する位置を示す。後者の形状では、プレートは、アクチュエータ材料の変形特 性のためにもはや平坦ではなく、曲がりおよび伸びにおける運動を生じるが、こ れは、上記で概説した原理に従う反射器の動作に大きい悪影響を及ぼすことは分 かっていない。 本発明の特定の用途は、視界が悪い場合に航空機の着陸を助ける滑走路識別シ ステムの分野である。ここ数年間、計器着陸装置（ＩＬＳ）を使用して離着陸場 に接近するとき、および誘導路、さらには外辺部に着陸しようとするときに、方 向を見失ってしまう民間航空機の事件が多数発生している。これは、複数の平行 な滑走路とともに稼働するいくつかの近代的な収容能力の大きい空港における特 定の問題である。これは、高度視覚システム（ＥＶＳ）と呼ばれる民間航空機用 の能動または受動 ミリメートルレーダシステムを開発する要望をもたらした。そのような装置は、 ３５または９４ＧＨｚの周波数およびヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）を使 用して、空港および滑走路の可視画像をつくり出す。したがって、パイロットは 、極めて悪い天候中に、ＩＬＳに頼ることなく、進入グライドパスの下で航空機 を操縦することができる。 一連の二面コーナ反射器１１１は、滑走路１５（第１１図）の長さに沿って配 置される。このシステムは、同様に三面反射器を組み込むことができる。コーナ 反射器のプレートを直角な位置に調節すると、反射器は高いレーダ断面を示す。 機首１１３内にレーダトランシーバを有する到着した航空機１１２は、パス１１ ４に沿って戻される、強く反射された信号であって、上述のヘッドアップディス プレイを製造するのに適した強化された画像をもたらす信号を受信する。プレー トの開度（divergence）をもたらす作動機構の動作により、プレートをオンまた はオフに切り替え、さらに到着した航空機の進入角の変化が相殺されるように調 節することもできる。明らかに、情報が多すぎると画像の解釈が困難になるので 、稼働中の滑走路のみを識別したほうが有利である。これは、特に、複数の平行 な滑走路が連続的に稼働して いる収容能力の大きい空港においてそうである。本発明を上述の滑走路識別シス テム内で使用すれば、反射器の選択的作動が可能になるために、受動反射器を用 いたそのような選択的識別が可能である。 民間航空機ＥＶＳシステム用に検討中のミリメートル波長において、管理可能 な偏向は、過度に寸法決定されたプレートを用いずに最初の０を達成する。例え ば、１００ｍｍ二面反射器の場合、反射プロファイルは、偏向３．４５°、３５ ＧＨｚ、および偏向１．３０°、９４ＧＨｚにおいて最初の０に低下する。切替 可能なコーナ反射器の使用の他の例は、受動デジタル高周波信号発生装置を備え ることである。反射器は、（モールス信号など）適切なメッセージ中継システム に従って所定のパターンの形でその直角な「オン」形状とその「オフ」形状の間 で切り替えられる。したがって、メッセージは、適切な周波数のレーダ信号を用 いて反射器を検査する遠隔観測者にのみ見えるが、そのようなものとして伝送は されない。 本発明の他の使用は、レーダ信号発生および反射の当業者なら思いつくであろ う。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９７年４月１日 【補正内容】 より一般的な状況では、電気導体のパターン付き層で被覆されたボードである プリント回路ボード上に多数の電子デバイスが取り付けられる。これにより、多 数のデバイスを接続する仕事がはるかに簡単になる。この原理を使用すれば、導 体層を薄いポリマー基板上に適用することによってプリント回路を堅い基板上か またはフレキシブルフォーム内に製造することができる。しかしながら、いずれ のタイプの従来のプリント回路ボードも、樹脂マトリックスとの境界において層 間剥離する傾向を示す複合構造内でかなりの弱い面を示すので、積層複合物内に 組み込むのにあまり適さない。網状ベースまたは有孔ベース上に導電パターンを 含むプリント回路は、例えば、米国特許出願第３０５３９２９号から公知である が、パターンの導電領域内にそのように形成された導電ストリップは、層間剥離 の傾向をもたらす潜在的に弱い領域である。 本発明の目的は、プリント回路の接続および使用が容易であり、積層複合物内 での使用により適合できる接続システムを組み込んだ複合材料を提供することで ある。 本発明の一態様によれば、繊維内に組み込むのに適した材料の繊維およびポリ マーマトリックス複合物から形成され、その 上に電気導体のパターン付き層を付着し、未硬化の硬化可能なポリマー複合マト リックス材料を含浸した布の層を含む複合プリプレグが提供される。電気伝導体 は、布の個々の繊維が被覆され、かつ樹脂が導電領域内で布に浸透できる厚さま で付着される。布は、未硬化の硬化可能なポリマー複合マトリックス材料を含浸 する。 本発明は、プリント回路ボード上に製造できるものと同じ導体の複雑なパター ンを布上に配置し、樹脂マトリックス複合物内に組み込むのに適したフォーマッ トで複数のデバイスを容易に接続することができる。そのような複雑かつ正確に 配列したパターンは、実用向きにワイヤを使用して組み込むことができない。 布材料は、マトリックス材料が浸透しやすいものであることを条件として、織 られた繊維または敷かれた繊維、あるいは一部多孔性の膜（ｗｅｂ）状構造を含 む。マトリックス材料は、複合物製造中にパターン無し領域内で布内の繊維間に 浸透することができるので、布層における層間剥離の傾向が制限され、材料は、 従来のプリント回路を組み込んだ場合には得られない良好な強度を厚さ中で保持 する。個々の布繊維の均一な被覆、 したがって導電パスが製造されており、かつ固体導電ストリップが形成されてお らず、かつパターンの導電領域内の布が、マトリックス材料が繊維間に浸透する ことができる、少なくとも一部が開いたメッシュになっている厚さまで、パター ンの導電領域内の導電材料を配置したので、布を複合材料中に組み込んだときの 完全性の向上および層間剥離の傾向の更なる低下が得られる。したがって、電気 導体は、布の個々の繊維が被覆され、かつ樹脂が導電領域内で布に浸透できる厚 さまで付着する。したがって、樹脂は、複合物製造中に繊維間に浸透することが でき、したがって導電パスは、構造の一部となり、層間剥離サイトを形成する傾 向が小さくなる。 導体を布層中に織り込む試みの代わりに、金属をプリフォーム化布層に適用す ることにより、隣接する繊維が、導体領域内で均一な連続的な金属被覆を備える ことになる。それにより、各繊維が多数の異なる通路によってそれを囲む繊維に 接続され、またパターン付きトラックの領域内で発生する短絡の危険が最小限に 抑えられる。この信頼性の改善により、トラックがより細くなり、また冗長なト ラックの必要がなくなり、したがって、より細く、より密度の高い導電トラック を製造することができ、 マイクロプロセッサなど複雑な多重接続デバイスを組み込むことができるように なる。 本発明の他の様態によれば、複数の布層および樹脂マトリックス材料など浸透 性ポリマーマトリックス材料を含む積層複合材料が提供される。少なくとも一つ の布層には、その上に電気導体のパターン付き層を付着する。電気導体は、布の 個々の繊維が被覆され、かつマトリックス材料がその間に浸透するような厚さま で付着することが好ましい。 これは、上述の複雑さおよび構造完全性のすべての利点を有する完全な導体を 有する複合パネルをもたらす。さらに、導体パス内の任意の点において他の層中 の穴を介して接続を行うことができ、ワイヤを使用する場合のように積層の縁部 に制限されない。 本発明は、特に、導電層が本発明に従って一つまたは複数の布層上に配置され た積層多層布およびポリマーマトリックス複合材料、特に樹脂マトリックス複合 材料に適用できる。ただし、本発明は、そのような材料に制限されず、布、繊維 または他の形のポリマーマトリックス内に他の強化材料を加えて、あるいはそれ らを加えずに、また構造特性または他の特性のために選 択した他の周知の構成要素から分離して、あるいはそれらと組み合わせて、少な くとも一つの導電布層をポリマーマトリックス内に組み込んだ複合材料を包括す ることを理解されたい。 本発明は、パターン付き層に電気的に接続された一つまたは複数の組込み電子 デバイスとともに使用して、組込みデバイスへの外部電気接続および組込みデバ イス間の内部接続を実施することができる導電パスを提供する。積層内に有効に 組み込むことができるデバイスの例には、ひずみ計などセンサ、および形状変更 機などアクチュエータがある。また、本発明によれば、導電材料に適切なパター ンを選択することによって空中線、共振構造および周波数フィルタなどのデバイ スを直接形成することができる。また、本発明は、例えば、機械負荷、複合物内 の水分吸収などによって生じるものなど、マトリックス材料の誘電挙動の変化を 検出することができる容量性デバイスを構造内に組み込むことによって、マトリ ックス材料の劣化を監視するデバイスを形成する場合に有用である。パターンは 、例えば得られた積層に特定の磁気特性を与えるために、電気抵抗以外の特性の ために選択することができる。 請求の範囲 １．繊維内に組み込むのに適した材料の繊維およびポリマーマトリックス複合物 から形成され、その上に電気伝導体のパターン付き層を付着した布の層を含む複 合プリプレッグであって、電気伝導体が、布の個々の繊維が被覆され、かつ樹脂 が導電領域内で布に浸透できる厚さまで付着され、布が、未硬化の硬化可能なポ リマー複合マトリックス材料を含浸する複合プリプレッグ。 ２．複数の布層および浸透性樹脂マトリックス材料を含む積層複合材料であって 、少なくとも一つの布層の上に、電気伝導体のパターン付き層を、布の個々の繊 維が被覆され、かつ樹脂が個々の繊維の間で浸透する厚さまで付着した積層複合 材料。 ３．パターン付き層が組込みデバイスへの外部電気接続を実施するようにパター ン付き層に電気的に接続された少なくとも一つの組込み電子デバイスをさらに含 む請求の範囲第２項に記載の積層複合材料。 ４．パターン付き層が組込みデバイス間の内部接続を実施するようにパターン付 き層に電気的に接続された複数の組込み電子 デバイスをさらに含む請求の範囲第３項に記載の積層複合材料。 ５．少なくとも一つの組込みデバイスがセンサである請求の範囲第３項または第 ４項に記載の積層複合材料。 ６．少なくとも一つの組込みデバイスがアクチュエータである請求の範囲第３項 から第５項のいずれか一項に記載の積層複合材料。 ７．少なくともいくつかの導電パスが、組込みデバイスと積層外の適切に調整さ れたシステムとの間の遠隔接続を実施するのに適した一つまたは複数の共振構造 を形成するように成形される請求の範囲第３項から第６項のいずれか一項に記載 の積層複合材料。 ８．請求の範囲第７項に記載の積層複合材料を含む少なくとも二つの平坦な反射 器プレートを含むコーナ反射器であって、少なくとも一つのアクチュエータが、 電磁放射の反射率が実質上ピークになる第１の角度と、電磁放射の反射率が実質 上０になる第２の角度との間で反射器プレート間の内角を変更することができる 手段を含むコーナ反射器。 ９．第１の角度が実質上９０°である請求の範囲第８項に記載のコーナ反射器。 １０．第２の角度が、反射率の最初の０に対応する９０°からの偏差である請求 の範囲第９項に記載のコーナ反射器。 １１．少なくとも一つのアクチュエータが、積層複合材料内に組み込まれた圧電 材料を含む請求の範囲第８項から第１０項のいずれか一項に記載のコーナ反射器 。 １２．電気導体の層を製造するために、導電性インクを用いてスクリーンプリン ティングを行うステップを含む請求の範囲第１項に記載の布層を製造する方法。 １３．電気導体の層を製造するために、フォトリソグラフィを行うステップを含 む請求の範囲第１項に記載の布層を製造する方法。 １４．メタライゼーション付き布をフォトレジストで被覆するステップと、この フォトレジストを所望のパターンの形に露光し、エッチングによってパターン化 された領域を露出させるステップと、パターン化された領域内のメタライゼーシ ョンを厚くするステップと、残っているフォトレジストをストリッピングによっ て除去するステップと、パターン化されていない領域内のメタライゼーションを 除去するために十分な他のエッチング材を布に与え、厚くなった領域に対応する パター ン化された導電層を残すステップとを含む請求の範囲第１３項に記載の方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＵ，ＣＡ，ＣＮ，Ｇ Ｂ，ＪＰ，ＫＲ，ＳＧ，ＵＳ (72)発明者 モリス，ジヨージ・ウイリアム イギリス国、ハンプシヤー・ジー・ユー・ 14・６・テイ・デイ、デイ・アール・エ イ・フアーンボロー、デイフエンス・イバ リユエイシヨン・アンド・リサーチ・エー ジエンシー、アール・69・ビルデイング、 インテレクチユアル・プロパテイ・デパー トメント（番地なし) (72)発明者 ツリーン，アンドリユウ・シヤウン イギリス国、ハンプシヤー・ジー・ユー・ 14・６・テイ・デイ、デイ・アール・エ イ・フアーンボロー、デイフエンス・イバ リユエイシヨン・アンド・リサーチ・エー ジエンシー、アール・69・ビルデイング、 インテレクチユアル・プロパテイ・デパー トメント（番地なし) (72)発明者 グラント，イアン イギリス国、ハンプシヤー・ジー・ユー・ 14・６・テイ・デイ、デイ・アール・エ イ・フアーンボロー、デイフエンス・イバ リユエイシヨン・アンド・リサーチ・エー ジエンシー、アール・69・ビルデイング、 インテレクチユアル・プロパテイ・デパー トメント（番地なし)

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．繊維および樹脂マトリックス複合物内に組み込むのに適した材料の繊維から 形成し、その上に電気導体のパターン付き層を付着した布層。 ２．電気導体を、布の個々の繊維が被覆され、かつ樹脂が導電領域内で布に浸透 できる厚さまで付着した請求の範囲第１項に記載の布層。 ３．複数の布層および浸透性樹脂マトリックス材料を含み、少なくとも一つの布 層の上に電気導体のパターン付き層を付着した積層複合材料。 ４．電気導体を、布の個々の繊維が被覆され、かつ樹脂がその間に浸透するよう な厚さまで付着した請求の範囲第３項に記載の積層複合材料。 ５．パターン付き層が組込みデバイスへの外部電気接続を実施するようにパター ン付き層に電気的に接続された少なくとも一つの組込み電子デバイスをさらに含 む請求の範囲第３項または第４項に記載の積層複合材料。 ６．パターン付き層が組込みデバイス間の内部接続を実施する ようにパターン付き層に電気的に接続された複数の組込み電子デバイスをさらに 含む請求の範囲第５項に記載の積層複合材料。 ７．少なくとも一つの組込みデバイスがセンサである請求の範囲第５項または第 ６項に記載の積層複合材料。 ８．少なくとも一つの組込みデバイスがアクチュエータである請求の範囲第５項 から第７項のいずれか一項に記載の積層複合材料。 ９．少なくともいくつかの導電パスが、組込みデバイスと積層外の適切に調整さ れたシステムとの間の遠隔接続を実施するのに適した一つまたは複数の共振構造 を形成するように成形される請求の範囲第５項から第８項のいずれか一項に記載 の積層複合材料。 １０．請求の範囲第８項に記載の積層複合材料を含む少なくとも二つの平坦な反 射器プレートを含み、少なくとも一つのアクチュエータが、電磁放射の反射率が 実質上ピークになる第１の角度と、電磁放射の反射率が実質上０になる第２の角 度との間で反射器プレート間の内角を変更することができる手段を含むコーナ反 射器。 １１．第１の角度が実質上９０°である請求の範囲第１０項に 記載のコーナ反射器。 １２．第２の角度が、反射率の最初の０に対応する９０°からの偏差である請求 の範囲第１１項に記載のコーナ反射器。 １３．少なくとも一つのアクチュエータが、積層複合材料内に組み込まれた圧電 材料を含む請求の範囲第９項から第１１項のいずれか一項に記載のコーナ反射器 。 １４．電気導体の層を製造するために、導電性インクを用いてスクリーンプリン ティングを行うステップを含む請求の範囲第１項または第２項に記載の布層を製 造する方法。 １５．電気導体の層を製造するために、フォトリソグラフィを行うステップを含 む請求の範囲第１項または第２項に記載の布層を製造する方法。 １６．メタライゼーション付き布をフォトレジストで被覆するステップと、この フォトレジストを所望のパターンの形に露光し、エッチングによってパターン化 された領域を露出させるステップと、パターン化された領域内のメタライゼーシ ョンを厚くするステップと、残っているフォトレジストをストリッピングによっ て除去するステップと、パターン化されていない領域内のメタライゼーションを 除去するために十分な他のエッチン グ材を布に与え、厚くなった領域に対応するパターン化された導電層を残すステ ップとを含む請求の範囲第１５項に記載の方法。