JP2003509686A - 遠隔的非破壊検査のための小型非接触音波赤外線装置 - Google Patents

遠隔的非破壊検査のための小型非接触音波赤外線装置

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Abstract

(57)【要約】 コンポーネント（８２）におけるクラック（１００）及び欠陥を検出するための熱画像化システム（８０）である。電磁音響トランスデューサ（ＥＭＡＴ）（８４）が、コンポーネント（８２）に結合され、パルス状の音信号をその中に導く。この音信号によって欠陥（１００）が加熱され、コンポーネント（８２）からのＩＲ放射（９８）が熱カメラによって検出される。パルス状信号の振幅は実質的に一定であり、パルス状信号の周波数はそれぞれのパルス内で変化しうる。制御ユニットを用いて、ＥＭＡＴ（８４）とカメラとの動作のタイミング及び制御が提供される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、材料の欠陥を検出するシステム及び方法に関し、より詳細
には、電磁音響トランスデューサ（ＥＭＡＴ）を用いて音波エネルギを材料の内
部に与え、材料内に存在し得るクラックやそれ以外の欠陥を加熱し、その熱放射
により材料を熱的に画像化して欠陥を識別するシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特定のコンポーネントや構造の構造的完全性の維持は、安全性などを考慮する
必要性から、多くの分野において非常に重要である。構造的完全性が失われるの
は、例えば、クラック（割れ）、層間剥離、不結合（disbonds）、腐食、含有物
、隙間など、コンポーネント又は構造に存在し得る材料の欠陥に起因する。例え
ば、航空産業では、航空機の外板及び航空機の構造コンポーネントの構造的完全
性を検査するための信頼できる技術が使用可能であり、航空機が飛行中に構造的
欠陥により損害を受けないことを確約できることが、非常に重要である。タービ
ン・ブレード及びロータや車両のシリンダ・ヘッドの構造的完全性もまた、これ
らの産業では重要である。従って、種々の産業において、異なる構造コンポーネ
ント及び材料の非侵襲性及び非破壊的な分析の技術が開発されてきた。
【０００３】 材料の欠陥の非侵襲性かつ非破壊的なテストのための既知の技術の１つとして
、構造コンポーネントを染色浸透剤で処理し、材料に存在し得るすべてのクラッ
クや欠陥にその染料が入っていくようにするという技術がある。次に、そのコン
ポーネントを洗浄し、その構造をパウダーで処理して、クラックに残っている染
料がパウダーの中に留まるようにする。この材料の検査は紫外線（ＵＶ）光源を
用いて、コンポーネント上の、染料により発せられる蛍光の位置を観察する。し
かし、この技術は、蛍光を検査する者が熟練している必要があり、従って、検査
者に重点が置かれ検査者に依存的であるという欠点がある。更に、染料は、堅く
閉じている又は表面上には存在しないクラック（１又は複数）には浸透しないの
が通常である。
【０００４】 コンポーネントの欠陥を検査する第２の既知の技術では、電磁コイルを用い、
コンポーネントに渦電流を誘導する。コイルをコンポーネント上で移動させると
、クラック又は他の欠陥のところで渦電流のパターンが変化する。コイルの複素
インピーダンスは、渦電流が変化すると変化し、これはオシロスコープで観察で
きる。この技術もまた、オペレータに重点が置かれるという欠点や、極端に低速
であり面倒であるという欠点がある。
【０００５】 他の既知の技術では、コンポーネントの熱的な画像化（thermal imaging）を
用いて欠点を識別する。典型的には、フラッシュ・ランプや熱線銃のような熱源
を用いて、熱の平面パルスをコンポーネントの表面へ送る。コンポーネントの材
料は熱を吸収し、赤外線波長の反射を放出する。或るタイプの欠陥の場合には、
欠陥部分では、表面温度の低下速度がその周りの範囲とは異なる。熱又は赤外線
画像化カメラが、コンポーネントを画像化して、結果的な表面温度変化を検出す
るために用いられる。この技術は不結合や腐食を検出するには好適であるが、通
常は、材料における垂直方向のクラック、即ち、表面と直角のクラックの検出に
は適さない。これは、疲労によるクラックは、平面熱パルスにとってはナイフ・
エッジのように見えるから、従って、クラックからの反射は存在しないか又は最
小限ののであり、そのため、熱画像ではクラックを見ることが困難又は不可能と
なるからである。
【０００６】 材料の欠陥を検出するための熱画像化は、材料の超音波励起を用いて熱を発生
させるシステムへと拡張されている。Rantala, J. et al. "lock-in Thermograp
hy with Mechanical Loss Angle Heating at Ultrasonic Frequencies," Quanti
tative Infrared Thermography, Eurotherm Series 50, Edizioni ETS, Pisa 19
97, pg 383-393には、そのような技術が開示されている。この技術では、超音波
励起を用い、超音波フィールドの結果としてクラック又は欠陥を「ライト・アッ
プ」させる。詳細には、超音波により、クラックの対向するエッジを摺り合わさ
せて、クラック・エリアを加熱させる。コンポーネントの欠陥の無い部分は超音
波により最小限にのみ加熱され、その結果として、材料の熱画像では、暗い背景
に対してクラックを明るいエリアとして示される。
【０００７】 上記で述べた超音波熱画像化技術で用いられるトランスデューサは、分析され
ているコンポーネントと機械的に接触する。しかし、高出力の超音波エネルギを
、特に金属の場合には、幾つかの材料へ結合するのは困難である。この技術にお
ける大きな改善は、超音波トランスデューサとコンポーネントとの間のカップリ
ングを改善することにより達成できる。
【０００８】 更に、既知の超音波熱画像化技術は、複雑な信号処理、特に、ベクトル・ロッ
クイン、同期画像化を用いる。ベクトル・ロックイン画像化は、周期的に変調さ
れる超音波ソースを用い、連続的な画像フレームを同期的に平均化し、ソースの
周期性に双方とも基づく同相画像及び直角位相画像を生成する処理技術を含む。
これにより、周期と同期した画像が得られ、同期していないノイズが画像から除
かれる。また、画像の周期性は、変調されたレーザ・ビームやヒート・ランプな
どの外部刺激によって誘導することもできる。プロセッサは、ビデオ画像のフレ
ームを受け取り、それらを、誘導された周期性と同期させて記憶し、次に、その
記憶されたフレームを後に受け取ったフレームと平均化してノイズを除去する。
１９８９年１０月３１日にトーマス（Thomas）らに対して発行された米国特許第
４，８７８，１１６号は、このタイプのベクトル・ロックイン画像化を開示して
いる。
【０００９】 １９９４年２月１５日にトーマス（Thomas）らに対して発行された米国特許第
５，２８７，１８３号は、’１１６特許で開示されているベクトル・ロックイン
画像化を修正した同期画像化技術を開示している。特に、’１８３特許で開示さ
れた画像化技術は、ベクトル・ロックイン同期画像化技術を「ボックス・カー（
box car）」技術を含むように拡張し、そこでは、ソースがパルス化され、画像
が各パルスに続く種々の遅延時間において同期的に平均化される。ボックス・カ
ー技術は、各超音波パルスの開始から固定の時間遅延のところにあるゲートと呼
ばれる幾つかの狭い時間ウインドウにおいて以外、ビデオ信号を０で乗算する。
これらのゲートの効果は、パルス後の所定の固定遅延時間において画像化されて
いるコンポーネントの状態に対応する幾つかの画像を得ることである。これらの
異なる遅延時間は異なる位相に類似し、ロックイン技術における周期的信号のサ
イン及びコサイン関数により表される。ゲート画像を獲得する間、異なる遅延時
間に対応する画像は、ピクセルごとの減算によって算術的に組み合わせられ、非
同期的な背景効果が抑制される。
【００１０】 超音波励起熱画像化技術は、これまで、クラックの検出に成功してきた。しか
し、この技術は、更に小さなクラック及び堅く閉じたクラックを更に高い感度で
検出するように、改善することができる。従って、本発明の目的は、そのような
欠陥検出技術を提供することである。
【００１１】
【発明の概要】
本発明の教示により、材料における音波的又は超音波的に励起した表面下の欠
陥の赤外線又は熱による画像化技術が開示される。音源は、音波を材料内へ最小
の減衰で結合させることができる。この場合、音波は、所定の時間にわたり一定
の周波数振幅を有するエネルギのパルスによって発生される。ある実施例では、
音源は、広帯域でパルス状の超音波エネルギを提供する電磁音響トランスデュー
サ（ＥＭＡＴ）である。ＥＭＡＴは、１つのパルスの間に信号の周波数を変化さ
せて、信号が材料の全領域に到達する確率を高めることができる。更に、ＥＭＡ
Ｔは、材料と機械的に接触していることが不要であるという利点を有する。適切
な熱画像化カメラを用いて、音源によって励起されている材料を画像化する。制
御ユニットが設けられており、タイミングをとる目的で、音源とカメラとの動作
を制御する。ベクトル・ロックイン又はボックス・カー統合（box car integrat
ion）同期画像化技術を用いて画像におけるノイズを減少させることができるが
、そのような信号処理技術は、本発明では不要である。
【００１２】 検出シーケンスの開始の間に、制御ユニットはカメラに命令して、試料のシー
ケンシャルな画像の獲得を開始させる。次に、制御ユニットは音源に命令して、
所定の時間期間だけ所定の周波数で超音波エネルギのパルスを出させる。一連の
画像が生成され、それら画像では、材料のクラック及び他の欠陥は、暗い（温度
が低い）背景に対する明るい（温度が高い）エリアとして示される。画像はモニ
タ上に表示することができ、また、一連の画像を後に再検討するために記憶して
おく記憶装置（ストレージ・デバイス）を備えることもできる。
【００１３】 本発明の更なる目的、効果及び特徴は、以下の説明と冒頭の特許請求の範囲と
添付の図面を参照することによって明らかになる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
熱画像化システムに関する好適な実施形態の以下の説明は、単なる例示的性質
を有するものであって、本発明及びその応用や使用を制限することは意図してい
ない。
【００１５】 図１は、本発明の一実施形態による画像化システム１０のブロック図である。
画像化システム１０は、試料１２のクラック、腐食、層間剥離、不結合などの欠
陥を検出するために使用される。試料１２は、これらのタイプの欠陥を含み得る
、例えば、航空機の外板などのような、任意の構造コンポーネント又は材料を表
すことを意図している。試料１２は金属である必要はなく、セラミックや複合物
などのような他の材料であってもよいことを強調しておく。システム１０は、圧
電エレメントを有する超音波トランスデューサ１４を含み、この圧電エレメント
は、特定の超音波又は音波周波数帯域内の超音波エネルギを生成する。トランス
デューサ１４は、ブランソン（Branson）９００ＭＡ超音波トランスデューサの
ような、ここでの目的に適する任意のトランスデューサでよい。一実施形態では
、超音波トランスデューサ１４は、約１ｋＷの出力レベルで、約１／２秒の時間
期間に対して、約２０ｋＨｚの周波数で実質的に一定の振幅の超音波エネルギの
パルスを生成する。しかし、当業者であれば理解するであろうが、本発明の範囲
内において、それ以外の超音波周波数、出力レベル、パルス期間を用いることも
できる。
【００１６】 トランスデューサ１４からの超音波エネルギは、カプラ１６を通じて試料１２
へ結合される。カプラ１６は、トランスデューサ１４の端部１８及び試料１２の
前側２０と機械的に接触する。図２は、トランスデューサ１４が、カプラ１６及
び試料１２と接触している様子を示す分解した側面図である。支持構造２６は、
トランスデューサ１４とカプラ１６との接触を維持する手助けに用いられる。一
実施形態では、カプラ１６は、銅などのような、柔らかい金属の薄片であり、超
音波エネルギを試料１２へ効率的に結合する。もちろん、ここでの論議に矛盾し
ない他のカプラを用いることもできる。例えば、カプラ１６は、一片の自動車の
ガスケット材料であってもよい。カプラ１６は、典型的に、トランスデューサ１
４の端部１８よりも柔らかく、かつ、トランスデューサ１４の端部１８に対して
変形させて、トランスデューサ１４が試料１２から跳ね上がったり、試料１２に
沿って動いたりしないようにするように鍛造可能である、任意の適当な材料でよ
い。一実施形態では、カプラ１６は、トランスデューサ１４からの超音波エネル
ギの約３０ないし４０パーセントを、試料１２へ結合する。しかし、複合物の欠
陥の検査などのような特定の応用では、カプラ１６が不要なこともあることに留
意されたい。
【００１７】 熱画像化カメラ２２が、試料１２の裏側２４から離間して備えられ、試料１２
の側２４の画像を、試料１２の超音波励起と関連して生成する。カメラ２２は、
単一画像において望まれる試料の画像を提供するように、試料１２から任意の距
離だけ離すことができる。別の実施形態では、トランスデューサ１４からの超音
波エネルギ及びカメラ２２で生成される画像を、試料１２の同じ側で提供するこ
とができる。熱カメラ２２は、レイセオン（Raytheon）社から入手できるガリレ
オ（Galileo）カメラなど、ここで説明する目的に適切な任意のカメラでよい。
一実施形態では、カメラ２２は、３〜５ミクロンの波長範囲の赤外線放射を感知
し、１秒あたり１００フレームの画像を生成する。カメラ２２は、２５６×２５
６のＩｎＳｂピクセルを有する合焦平面アレイを含み、望まれる解像度を発生す
る。一実施形態では、試料１２の側２４は黒く塗られ、赤外線画像化のための良
いコントラストを提供する。
【００１８】 コントローラ３０は、トランスデューサ１４とカメラ２２との間でのタイミン
グを提供する。コントローラ３０は、ここで説明する目的に適切な任意のコンピ
ュータでよい。検出プロセスを開始すると、コントローラ３０は、カメラ２２に
、所定のレートで試料１２のシーケンシャルな画像の撮影を開始させる。一連の
画像化が開始されると、コントローラ３０は増幅器３２へ信号を送り、この信号
により増幅器３２はパルスをトランスデューサ１４へ送り、パルス化した超音波
信号が生成される。この超音波エネルギは、使用される周波数での単純なパルス
の形式を有する。従来技術では現在でも行われているのであるが、エネルギのパ
ルスと画像化との間では、どのようなタイプのベクトル・ロックインや同期画像
化技術を用いる必要はない。しかし、そのような信号処理技術を用いて更にノイ
ズを低減することは可能である。ここで説明した周波数及びパルス時間期間は、
制限するために示した例ではなく、超音波周波数、パルス時間、入力電力などは
システムごとに及びテストされる試料により異なるということを強調しておく。
パルスの終了の後に、コントローラ３０は、カメラ２２に、画像の撮影を停止す
るように命令する。カメラ２２により生成された画像はモニタ３４へ送られ、モ
ニタ３４は試料１２の側２４の画像を表示する。次に、希望する場合には、別の
場所で見るために、画像を記憶装置３６に送ることもできる。
【００１９】 試料１２へ印加された超音波エネルギは、試料１２の欠陥やクラックの面が互
いに摺り合わされるようにし、熱を発生させる。この熱は、カメラ２２が生成し
た画像においては、明るいスポットとして現れる。従って、このシステムは、非
常に小さい狭く閉じたクラックを識別するのに非常に好適である。クラックの面
が接触しない開いたクラックに対しては、熱は、クラック先端での応力が集中し
ている点で生成される。この点は、画像上で明るいスポットとして現れ、開いた
クラックの終端又は先端を示す。超音波エネルギは、エネルギ・パルスに対する
クラックの方向に関係なく、試料１２のクラック又は欠陥を加熱するのに有効で
ある。カメラ２２は、試料１２の表面２４の画像を撮影し、試料１２の厚さ内に
あるクラックの位置に関係なく、試料１２おけるどのようなクラックでも視覚的
に指し示す。
【００２０】 本発明は、既知の超音波及び熱画像化技術に対する改善を与える。なぜなら、
クラック及び欠陥を加熱するために使用する超音波パルスが、実質的に一定の振
幅を有する単純なパルスであるからであり、また、ベクトル・ロックイン同期画
像化で使用されるようなシヌソイド信号変調を用いる必要がないからである。こ
の点を示すために、図３は、縦軸に出力を横軸に時間をとったグラフを示し、ベ
クトル・ロックイン画像化で用いる超音波信号の波形を示す。超音波信号は、所
定の周波数で生成され、低周波数シヌソイド変調波で変調され、これは、所定の
変調期間での振幅変調を与える。超音波周波数信号は、低周波数変調波を用いた
振幅で上下する。典型的には、超音波励起は、数秒にわたって行われる。この画
像化技術により生成される画像は、画像化されている特定のコンポーネントの実
際の画像ではなく、同期画像化における減算プロセスにより生成される差分画像
である。これらのタイプのシステムにおいてノイズを低減するこのタイプのベク
トル・ロックイン同期画像化の詳しい説明は、’１１６特許に記載されている。
【００２１】 図４は、縦軸に出力をとり横軸に時間をとったグラフを示し、本発明における
超音波励起を与えるために使用されるパルスを示す。各パルス内の超音波周波数
信号は、実質的に同じ振幅を有し、低周波数シヌソイド波形により変調されない
。カメラ２２により生成される画像は実際の画像であり、ベクトル・ロックイン
同期画像化技術で生成されるタイプの差分画像ではない。これにより、画像の向
上及び制御の簡素化という点で、大きな改善がなされる。１つのパルスで通常は
十分であるが、ノイズ低減のために信号を平均化する目的で、所定の時間期間だ
け間隔をあけた複数のパルスを用いることができる。「ボックス・カー」統合の
技術を、’１８３特許で説明されているように用いることができる。この技術で
は、各パルスに対して画像を識別するために各時間ウインドウにおいてゲートが
用いられ、このゲートは、パルスの開始から或る固定の時間遅延されたところに
ある。ゲートされた画像の獲得の間に、異なる遅延時間に対応する複数の画像が
、算術的に合成されて、非同期の背景効果を抑制する。
【００２２】 図５（ａ）〜５（ｄ）は、金属試料４２における開いた疲労クラック４０の４
つのシーケンシャルな画像３８を示す。図５（ａ）は、超音波エネルギが印加さ
れる前の試料４２の画像３８を示す。図５（ｂ）は、超音波エネルギが印加され
た１４ミリ秒後の試料４２の画像３８を示す。明らかなように、明るい（高い温
度）スポット４４（暗い領域として描かれている）が、クラック４０の閉じた端
部に現れる。そこでは機械的振動により熱が発生しているのである。図５（ｃ）
及び５（ｄ）は、それぞれ、６４ミリ秒後及び１１４ミリ秒後の画像３８を示す
。試料４２上の明るいスポット４４は、このシーケンスにわたって劇的に増加し
、クラック４０の位置を明確に示している。
【００２３】 図６は、超音波パルスによりエネルギが与えられた後の試料５２の閉じたクラ
ック５０の画像４８を示す。この実施形態では、クラック５０は閉じているので
、クラック５０の長さ全体が熱を発生し、クラック５０の長さ全体に沿って明る
いスポット５４を作り、閉じたクラックを指示している。超音波エネルギは、閉
じたクラック５０を背景との関係で十分に加熱させるのに有効であるので、非常
に短い閉じたクラック、例えば、２／３ｍｍ程度のクラックを、画像４８で容易
に確かめることができる。
【００２４】 図７は試料６８の画像６６を示す。この画像では、明るいスポット７０が示さ
れ、層間剥離又は不結合を超音波で励起することによって生じる熱エネルギから
生成されるタイプの画像を表すことを意図している。本発明の熱画像化技術は、
「キッシング（kissing、接触している）」不結合を識別するのに特に有用であ
る。
【００２５】 図８は、オペレータ５８が手持型トランスデューサ５８を、航空機の胴体のよ
うな試料６０に対して保持しているところの斜視図である。熱画像化カメラ６２
は、トランスデューサ５８の接触点から離れた位置で試料６０へ向けられている
。図８は、本発明によるシステムがこのようなコンポーネントのテストの分野で
使用できることを示す。
【００２６】 トランスデューサ１４は、本発明の熱音プロセスの目的に適した従来型のトラ
ンスデューサである。トランスデューサ１４は、付勢されているコンポーネント
に対して外部的な圧電素子を用いて、電気パルスから機械的変位への従来型の変
換を提供するため、トランスデューサとコンポーネントとの間の機械的な結合を
必要とするのが一般的である。例えば、圧電トランスデューサ１４は、正確な寸
法に切断されその切断された寸法によって決定される非常に狭い周波数で動作す
る圧電結晶のＰＺＴスタックを用いている。このＰＺＴスタックはトランスデュ
ーサ１４の先端に機械的に結合され、この先端が付勢されるコンポーネントに対
して押し付けられる。先端は、その寸法が固定されており可撓的ではないため、
広い接触面積を示し、その接触面積内に圧力を生じる。これは、コンポーネント
の平坦でなく滑らかでない表面によって更に影響を受ける。結合のこのような非
一様性は時として制御が困難であり、テスト結果の変動に寄与する最大のファク
タであると考えられる。
【００２７】 本発明の別の実施例では、トランスデューサ１４の代わりに電磁音響トランス
デューサ（electro-magnetic acoustic transducer = EMAT）を用いて、上述し
た制限を除去している。ＥＭＡＴは、欠陥の有無をテストする部分を付勢するの
に用いられることがある周知の装置である。このタイプのＥＭＡＴの例は、"Ele
ctromagnetic Acoustic Transducer EMAT and Inspection System with EMAR"と
題する２０００年８月２９日に与えられた米国特許第６，１０９，１０８号にお
いて見ることができる。
【００２８】 既知であるが、ＥＭＡＴは、テスト対象の中に静磁場を発生する永久磁石又は
電磁石を含む。提供される電磁石は、時間変動する電流を用いて付勢されると、
テスト対象の表面又は表面のすぐ下に渦電流を発生する。この渦電流は、静磁場
と相互作用して、テスト対象の中の自由電子に作用するローレンツ力を発生し、
これによって、自由電子とイオンとの衝突が、静磁場の方向と局所的な渦電流の
方向とに相互に垂直な方向に生じる。この相互作用により、様々な（縦方向、専
断方向）分極を有する音波が発生され、これがテスト対象の中の不連続部分から
反射されることにより、この技術分野において既知である検出システムにおいて
、欠陥が識別される。本発明では、これらの音波は、欠陥の位置において熱を発
生させる。音波は様々な形式を有するが、例えば、限定を意味するものではない
が、剪断波、表面波、プレート波、レイリー（Rayleigh）波、ラム（lamb）波な
どを含む。ＥＭＡＴを欠陥検出に用いるのは、強磁性及び非強磁性材料を含む導
電性又は磁気構造に限定される。磁気構造が非導電性である場合には、音の発生
は、磁気圧縮（magneto-striction）を通じて生じる。
【００２９】 ＥＭＡＴは、広い範囲の周波数及びパルス継続時間で動作させることができる
電磁装置である。周波数レンジが２０から２５ｋＨｚの超音波エネルギは、鉄鋼
中では、０．３から０．４ｍのオーダーの波長を有する。コンポーネントのサイ
ズと形状とに応じて、様々な効果により、コンポーネントの異なる領域における
機械的エネルギに変動が生じる。例えば、反射により建設的干渉及び相殺的干渉
が、エネルギが与えられていない隠れた領域において生じることがある。これら
の効果は、すべて、波長とコンポーネントの寸法とに依存する。従って、システ
ムが励起パルスの周波数を変化させる柔軟性を有していることが重要である。本
発明のこの実施例においてＥＭＡＴを用いることにより、音信号の周波数（波長
）が励起パルスの間に変化することが可能になる。複数の周波数の音信号を提供
することによって、節的（nodal）事象や幾何学的効果を最小化することができ
る。電磁石に与えられる時間変動する信号は、離散的な周波数値を有するステッ
プ状の周波数信号や、連続的な範囲にあり急速に掃引される周波数を有する掃引
周波数でありうる。更に、この信号は、パルス状の周波数信号、矩形波信号、ス
パイク・パルス信号などでもありうる。
【００３０】 また、ＥＭＡＴの使用には、コンポーネントにおいて音波を生じさせるのにテ
スト対象のコンポーネントと接触させる必要がないという利点が含まれる。ＥＭ
ＡＴがテスト対象のコンポーネントと接触する必要がないため、音発生装置の機
械的結合に付随するいくつかの問題点が解消される。解消される問題には、自己
破壊的な結合、コンポーネント表面の損傷、音源の損傷及び摩耗などがある。
【００３１】 別の実施例では、大型の又は形状が複雑なコンポーネントの励起又は付勢のた
めに、複数のセンサ又はＥＭＡＴを提供することもある。これらの複数センサは
、付勢シーケンスにおいて多重化され、コンポーネントのすべての領域が音波に
与えられる可能性を増加させることができる。
【００３２】 図９は、本発明のある実施例により、上述したタイプのＥＭＡＴ８４を用いて
コンポーネント８２における欠陥を検出するのに用いられる画像化システム８０
の平面図である。この例では、コンポーネント８２はタービン・エンジン内部の
タービン・ブレードなどの遠隔的な部分であるが、欠陥を検出される任意の適切
な部分でありうる。ある長さのケーブル８６がＥＭＡＴ８４と上述したコントロ
ーラ３０などのコントローラ（図示せず）とに取り付けられている。ＥＭＡＴ８
４は、コイル８８と永久磁石９０とを含む。別の実施例では、ＥＭＡＴ８４は、
電磁石を用いて静磁場を発生させることもできる。更に別の実施例では、複数の
ＥＭＡＴを用いて、これらのＥＭＡＴが多重化シーケンスで付勢されるようにす
ることもできる。また、ＥＭＡＴ８４は、コンポーネント８２と接触しているよ
うに示されているが、別の実施例では、コンポーネント８２から僅かに離して配
置して、所望の音波効果を依然として提供することが可能である。
【００３３】 ケーブル８６上のＡＣ電圧信号がコイル８８に与えられると、渦電流が生じ、
永久磁石９０によって発生された静磁場とコンポーネント８２において相互作用
を生じる。渦電流と静磁場との相互作用は、音波又は超音波を発生させ、これに
よって、コンポーネント８２における欠陥及びクラックの表面が相互に摺り合わ
され、熱が生じる。放射収集ユニット９４が赤外線カメラ２２などの適切な赤外
線カメラ（図示せず）に接続されており、コンポーネント８２の近傍に配置され
た赤外線レンズを含んでいる。クラック１００においてコンポーネント８２から
放出される赤外線放射９８は、レンズ９６によってユニット９４の中に合焦され
、ユニット９４に沿って反射され、ＩＲレンズ及びミラー構成１０２を通過して
カメラに至る。ＩＲ光ファイバ束をユニット９４の代わりに用いて、放射をカメ
ラまで運ぶこともできる。
【００３４】 コイル８８は、システム１０について上述したのと同じ態様でパルス化され、
同じように画像が発生される。システム８０はＥＭＡＴ８４を用いているから、
コイル８８に与えられる信号のＡＣ電圧の時間依存性を変更して、それぞれのパ
ルスの間に異なる音波周波数がコンポーネント８２において誘導させるようにす
ることもできる。ＥＭＡＴ８４に与えられる時間依存的なＡＣ電圧信号は、本発
明の範囲内で、ステップ状の周波数、掃引周波数、パルス状の周波数、矩形波パ
ルス、スパイク状のパルスなどを有することができる。これによって、システム
８０を選択的に制御して、音波がテスト期間中にコンポーネント８２のすべての
領域に入り込むようにすることができる。
【００３５】 以上の記述は、本発明の単なる例を開示及び説明するものである。当業者であ
れば、以上の説明、添付の図面及び冒頭の特許請求の範囲から、特許請求の範囲
によって定義された本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、多種の変更、修
正及び変形を行えることを、容易に認識するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明による画像化システムのブロック図である。
【図２】 図２は、図１に示す画像化システムのトランスデューサ、試料及びカメラの分
解した側面図である。
【図３】 図３は、ベクトル・ロックイン同期画像化を用いる既知の熱画像化技術におい
て使用される超音波信号を示すグラフであり、縦軸に出力、横軸に時間を示す。
【図４】 図４は、本発明の熱画像化技術で用いるパルス化した超音波信号を示すグラフ
であり、縦軸に出力、横軸に時間を示す。
【図５】 図５（ａ）〜５（ｄ）は、本発明の画像化システムによって超音波的に励起さ
れ画像化された試料の開いたクラックの所定の時間間隔での連続的画像を示す。
【図６】 図６は、本発明の画像化システムで生成された画像であり、超音波エネルギに
より励起された閉じたクラックを示す。
【図７】 図７は、本発明の画像化システムで生成された画像であり、超音波エネルギに
より励起された層間剥離又は不結合を示す。
【図８】 図８は、人が超音波トランスデューサを航空機コンポーネントに対して保持し
、本発明の画像化システムを用いてコンポーネントの欠陥を検査しているところ
の斜視図である。
【図９】 図９は、本発明の別の実施例による電磁音響トランスデューサを用いた熱音画
像化システムの平面図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｇ０１Ｎ 21/84 Ｇ０１Ｎ 21/84 Ｚ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ， ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ファヴロ，ローレンス・ディー アメリカ合衆国ミシガン州48070，ハンテ ィントン・ウッズ，ヘンドリー 26067 (72)発明者 ハン，シャオヤン アメリカ合衆国ミシガン州48170，プリマ ス，ウッドグロウヴ・ドライブ 9092 (72)発明者 オウヤン，ゾン アメリカ合衆国ミシガン州48202，デトロ イト，アンソニー・ウェイン・ドライブ 5200，ヘレン・ディロイ・アパートメンツ ナンバー710 (72)発明者 スイ，フア アメリカ合衆国ミシガン州492−１，デト ロイト，ウエスト・ハンコック 615，ア パートメント 202 (72)発明者 スン，ガン アメリカ合衆国ミシガン州48127，ディア ボーン・ハイツ，クランフォード・レイン 27241 (72)発明者 ゾンボ，ジョン・ポール アメリカ合衆国フロリダ州32926，コウコ ウ，コックス・ロード 2585 (72)発明者 シャノン，ロバート・イー アメリカ合衆国ペンシルバニア州15632， エクスポート，フェズント・ラン・ドライ ブ 28 Ｆターム(参考） 2G040 AA06 AB08 BA25 CA01 DA06 EA04 EC02 HA02 2G047 AA05 BC07 CA02 CA07 GF06 GF11 2G051 AA88 AA90 AB06 AB13 CA01 EA14 2G065 AA11 AB02 BA14 BA40 BC11 BC14 BC33 BD03 DA18 DA20 2G066 AC20 BA60 BC21 CA02 CA04 CA14

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 コンポーネントにおける欠陥を検出する熱画像化システムで
    あって、 前記コンポーネントを励起する少なくとも１つの電磁音響トランスデューサ（
    ＥＭＡＴ）と、 前記コンポーネントの熱画像を発生する熱画像化カメラと、 前記ＥＭＡＴと前記カメラとに結合されており、所定の周波数を有し時間変動
    する少なくとも１つの信号パルスを所定の継続時間の間前記ＥＭＡＴの方向に向
    け、前記カメラに前記コンポーネントのシーケンシャルな画像を発生させるコン
    トローラであって、前記ＥＭＡＴは前記コンポーネントの中に音波を誘導し、前
    記信号パルスは実質的に一定の振幅を有し、前記ＥＭＡＴによって発生される振
    動エネルギによって前記コンポーネントにおける欠陥が加熱し前記カメラによっ
    て発生される画像において可視化される、コントローラと、 を備えていることを特徴とする熱画像化システム。
  2. 【請求項２】 請求項１記載のシステムにおいて、前記コントローラは前記
    ＥＭＡＴに与えられる信号パルスの周波数を変化させるように動作することを特
    徴とするシステム。
  3. 【請求項３】 請求項２記載のシステムにおいて、前記コントローラは、前
    記信号パルスの周波数の変化をステップ周波数変化又は掃引周波数変化として提
    供することを特徴とするシステム。
  4. 【請求項４】 請求項１記載のシステムにおいて、前記コントローラは、前
    記時間変動する信号パルスを矩形波信号又はスパイク状のパルス信号として提供
    することを特徴とするシステム。
  5. 【請求項５】 請求項１記載のシステムにおいて、前記少なくとも１つのＥ
    ＭＡＴは複数のＥＭＡＴであることを特徴とするシステム。
  6. 【請求項６】 請求項５記載のシステムにおいて、前記コントローラは前記
    時間変動する信号パルスをそれぞれのＥＭＡＴにシーケンシャルに提供すること
    を特徴とするシステム。
  7. 【請求項７】 請求項１記載のシステムにおいて、前記信号パルスは１／２
    秒以下の継続時間を有することを特徴とするシステム。
  8. 【請求項８】 構造における欠陥を検出する欠陥検出システムであって、 前記構造の中に所定の周波数と実質的に一定の振幅とを有する音信号を所定の
    時間期間発生させる少なくとも１つのＥＭＡＴと、 前記構造の方向に向けられており、前記ＥＭＡＴが前記音信号を発生すると前
    記構造の画像を発生するカメラと、 前記ＥＭＡＴと前記カメラとに結合されており、それらの間のタイミング信号
    を提供するコントローラであって、時間変動する少なくとも１つの信号パルスを
    提供してＥＭＡＴを付勢し、前記カメラからの画像に応答するコントローラと、 を備えていることを特徴とする欠陥検出システム。
  9. 【請求項９】 請求項８記載のシステムにおいて、前記コントローラは前記
    ＥＭＡＴに与えられる信号パルスの周波数を変化させるように動作することを特
    徴とするシステム。
  10. 【請求項１０】 請求項９記載のシステムにおいて、前記コントローラは、
    前記信号パルスの周波数の変化をステップ周波数変化又は掃引周波数変化として
    提供することを特徴とするシステム。
  11. 【請求項１１】 請求項８記載のシステムにおいて、前記コントローラは、
    前記時間変動する信号パルスを矩形波信号又はスパイク状のパルス信号として提
    供することを特徴とするシステム。
  12. 【請求項１２】 請求項８記載のシステムにおいて、前記少なくとも１つの
    ＥＭＡＴは複数のＥＭＡＴであることを特徴とするシステム。
  13. 【請求項１３】 請求項１２記載のシステムにおいて、前記コントローラは
    前記時間変動する信号パルスをそれぞれのＥＭＡＴにシーケンシャルに提供する
    ことを特徴とするシステム。
  14. 【請求項１４】 構造における欠陥を検出する方法であって、 少なくとも１つの電磁音響トランスデューサ（ＥＭＡＴ）を前記構造に結合す
    るステップと、 時間変動する一連の信号パルスで前記ＥＭＡＴを付勢するステップであって、
    それぞれパルスは所定の周波数と実質的に一定の振幅とを有する、ステップと、 前記ＥＭＡＴを付勢することにより前記構造の中に音信号を発生するステップ
    と、 前記音信号の発生の前、発生している間、発生の後に前記構造の一連の熱画像
    を発生するステップと、 を含むことを特徴とする方法。
  15. 【請求項１５】 請求項１４記載の方法において、前記ＥＭＡＴを付勢する
    ステップは、異なる信号パルス周波数を用いて前記ＥＭＡＴを付勢して周波数が
    異なる音信号を発生するステップを含むことを特徴とする方法。
  16. 【請求項１６】 請求項１５記載の方法において、前記ＥＭＡＴを付勢する
    ステップは、前記ＥＭＡＴをステップ周波数信号又は掃引周波数信号として付勢
    するステップを含むことを特徴とする方法。
  17. 【請求項１７】 請求項１４記載の方法において、前記ＥＭＡＴを付勢する
    ステップは、前記ＥＭＡＴを矩形波パルス又はスパイク状のパルスとして付勢す
    るステップを含むことを特徴とする方法。
  18. 【請求項１８】 請求項１４記載の方法において、少なくとも１つのＥＭＡ
    Ｔを結合する前記ステップは、複数のＥＭＡＴを前記構造に結合するステップを
    含むことを特徴とする方法。
  19. 【請求項１９】 請求項１８記載の方法において、前記ＥＭＡＴを付勢する
    ステップは、前記ＥＭＡＴを時間変動する信号パルスを用いてシーケンシャルに
    付勢するステップを含むことを特徴とする方法。
  20. 【請求項２０】 請求項１４記載の方法において、前記ＥＭＡＴを前記構造
    に結合するステップは、前記ＥＭＡＴが前記構造に接触しないように前記ＥＭＡ
    Ｔを前記構造に結合するステップを含むことを特徴とする方法。
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