JP2011529177A - 曲面状ワークピースのための超音波検査装置 - Google Patents

Abstract

ワークピース（１１４）を走査すべく、走査平面（１０６）に対して垂直に向けられた複数の超音波振動子（１０４）を有する超音波走査器（１００）であって、ワークピース（１１４）の表面に対して形成され且つ接触媒質が満たされたラテックスゴム製シース（１０６）を具備する超音波走査器（１００）が提供される。

Description

本発明は走査器に関する。更に具体的には、本発明は、金属及び複合材構造等の非破壊試験のための、超音波試験（ＵＴ）の走査器に関する。

超音波試験を使用することによって、部品、溶接部、及び複合材料の内部のような、材料の目に見えない領域が解析される。この種類の非破壊試験（ＮＤＴ）は、音波の反射を利用し、他の方法では処理中に部品を破壊せずに検出することが非常に困難であろう欠陥及び特徴を検出する。超音波試験は、航空宇宙産業において、製造時及び点検中に材料の品位を試験するための一般的な技術である。

走査器は携帯型（すなわち、点検における走査に適する）または非携帯型（具体的には生産用）であることが多い。

空気と固体（すなわち、例えば被試験体）との間の音響インピーダンスのずれ量が大きいので、被検査体に超音波エネルギーを透過させるのを補助するために接触媒質（couplant）が必要とされることが超音波試験の特徴である。このため、接触媒質が使用されない場合、音波が反射し、走査の質が低下する。一般的に、接触媒質は、水若しくはジェルの形態、または変形可能な固体である。

従来から、超音波試験は、その操作が各ポイント毎に（point-by-point basis）実行されなければならないので、検査速度に関して制限されてきた。改良によって、試験部品の所望の範囲の２次元画像を作り出すための、表面上の連続走査を可能とする、アレイ（array）走査または「ペイントブラシ」型（paintbrush）走査の開発がもたらされた。しかしながら、斯かる装置は、巨大であり、（点検とは対称的に）生産環境における使用に制限され、且つ携帯できないと考えられる。

半径領域及びきつく湾曲した領域の走査が問題である。例えば積層複合材料内の欠陥はワークピースの表面と平行に発生することが多い。その結果、超音波振動子は、効率的に走査すべく、ワークピースの表面と垂直に向けられた走査ベクトルを有する必要がある。

このことは、きつく湾曲した領域、特にきついフィレット半径部（fillet radii）、例えばストリンガーのウェブの根元に見られるフィレット半径部において、問題を発生させる。斯かる半径部は５ｍｍ程度の半径を有し、この領域において従来の巨大な走査器を使用することは有効ではない。特に、直線状の走査アレイでは、湾曲した部品の表面と直角に超音波エネルギーを放出することができない。

約１ｍｍの最小解像度で斯かる半径部を走査することが望ましい。

改良された検査装置を提供することが本発明の目的である。

本発明の第１態様によれば、曲面状ワークピースを走査するための超音波走査器であって、本体と、第１走査方向を有する第１超音波振動子と、第２走査方向を有する第２超音波振動子と、カップリング部品であって、カップリング面でワークピースに振動子を超音波カップリングさせるべく構成されているカップリング部品とを具備し、第１走査方向及び第２走査方向がカップリング面に対してほぼ垂直であり且つ互いに対する角度が零度ではないように、振動子が本体に設置される、超音波走査器が提供される。

好ましくは、カップリング面は概してプリズム状（prismatic）である。

カップリング面は、ほぼ平らな二つの面の間にフィレット半径部を含むことができる。平らな二つの面はほぼ直角でもよい。

好ましくは、カップリング部品は、接触媒質液を受容するための空洞部を画成する変形可能な膜を具備する。好ましくは、膜はラテックスゴムから成る。好ましくは、超音波走査器は、接触媒質液の選択的導入及び選択的除去のために、前記空洞部と流体連通した接触媒質用バルブを具備する。

代替的に、カップリング部品は固体の接触媒質材料から成る。

複数の超音波振動子が単一の超音波走査アレイとして形成されてもよい。

好ましくは、振動子は、本体に個別に設置される別個の超音波振動子である。

好ましくは、振動子はそれらの走査方向がそれぞれほぼ単一の焦点軸線を通るように本体に設置され、各走査方向は焦点軸線に対して垂直である。振動子は、それらの走査ベクトルがそれぞれほぼ単一の焦点を通るように本体に設置されてもよい。カップリング面はフィレット半径部を含むことができ、焦点軸線はフィレット半径部のほぼ原点に定置される。フィレット半径部は凸状であってもよい。

好ましくは、走査中にカップリング面に接触媒質液を導入すべく構成された接触媒質液供給システムが提供される。

好ましくは、走査中にワークピースの表面と接触するように定置されたローラー要素が提供される。

好ましくは、超音波走査器は、本体の第１側部に設置された第１回転式エンコーダであって、走査中、ワークピースと接触し且つワークピースに対する走査器の移動を測定すべく定置された第１回転式エンコーダを具備する。

好ましくは、超音波走査器は、第１側部とほぼ反対側の、本体の第２側部に設置された第２回転式エンコーダであって、走査中、ワークピースと接触し且つワークピースに対する走査器の移動を測定すべく定置された第２回転式エンコーダを具備する。

好ましくは、カップリング部品は交換可能である。

好ましくは、カップリング部品は第１本体部品と第２本体部品との間に保持され、第１本体部品及び第２本体部品はスナップ連結によって連結される。

本発明の第２態様によれば、ワークピースを走査するための走査組立体であって、本体と、それぞれが走査ベクトルを有する複数の超音波振動子とを具備し、走査ベクトルがほぼ単一の焦点軸線を通り且つ走査ベクトルのそれぞれが焦点軸線に対してほぼ垂直であるように、振動子が本体に設置される走査組立体が提供される。

好ましくは、振動子は、走査ベクトルがそれぞれほぼ単一の焦点を通るように本体に設置される。

本発明の第３態様によれば、ワークピースの表面を超音波で走査する方法であって、走査されるべきワークピースを提供するステップと、第１平面に整列された第１走査ベクトルを有する第１超音波振動子と、第１平面と平行であるが走査方向において第１平面からオフセットした第２平面に整列された第２走査ベクトルを有する第２超音波振動子とを具備する走査装置を提供するステップと、走査線上でワークピースと交差する走査平面に第１平面を整列させるべく走査器を動かすステップと、第１超音波振動子で走査線上の第１位置を走査するステップと、走査平面に第２平面を整列させるべく走査器を動かすステップと、第１超音波振動子で走査線上の第２位置を走査するステップと、走査線の一部の画像を作り出すべく、第１走査ステップの結果と第２走査ステップの結果とを結合させるステップとを含む、方法が提供される。

好ましくは、走査装置を提供するステップは、第１平面に整列された複数の第１走査ベクトルを有する複数の第１超音波振動子と、第２平面に整列された複数の第２走査ベクトルを有する複数の第２超音波振動子とを具備する走査装置を提供するステップを含み、第１位置を走査するステップは、複数の第１位置を走査するステップを含み、第２位置を走査するステップは、複数の第２位置を走査するステップを含む。

図１ａは、本発明に係る第１走査装置の、図１ｂの線Ａ−Ａに沿った側面断面図である。 図１ｂは、図１ａの走査装置の背面図である。 図２ａは、本発明に係る第２走査装置の斜視図を示す。 図２ｂは、図２ａの走査装置の一部の斜視図を示す。 図２ｃは、図２ａの走査装置の概略的な側面断面図を示す。 図２ｄは、図２ａの走査装置の一部の概略的な斜視図を示す。 図３ａは、本発明に係る第３走査装置の斜視図を示す。 図３ｂは、図３ａの走査装置の一部の斜視図を示す。 図３ｃは、図３ａの走査装置の別部分の斜視図を示す。

図１ａ及び図１ｂを参照すると、超音波走査アレイ１０４を収納している本体１０２を具備する走査装置１００が提供される。装置１００は、本体１０２に接続され且つアレイ１０４を包囲しているラテックスゴム製ブーツ部材（boot）１０６を更に具備する。ブーツ部材１０６は、接触媒質液１０８で満たされる。

アレイ１０４は弓状の形態であり且つデータ接続部１１２を介してコンピューター１１０に接続される。アレイ１０４は、複合材ワークピース１１４の非破壊試験のために、超音波エネルギーを発信し且つ受信することができる。

ベクトル１１６によって例示されるように、アレイ１０４はその内面に対して垂直に超音波エネルギーを放射する。複数のベクトル１１６は焦点Ｆで交差する。ブーツ部材１０６の外面は、焦点Ｆに幾何学的な中心を有する円弧１１８の形態で形成される。

図１ｂを参照すると、装置１００は、フレーム１２２及びエンコーダホイール１２４を具備する回転式エンコーダ１２０を更に具備する。エンコーダホイール１２４は、ブーツ部材１０６の外面まで突出するように設置される。エンコーダホイール１２４はバネによって設置される。また、エンコーダ１２０はコンピューター１１０にも接続される。エンコーダは、装置１００によってワークピース１１４に沿って動かされる直線距離を報告することができる。

使用中、ブーツ部材１０６がフィレット領域内に適合するように、装置１００はワークピース１１４のフィレット領域に近接して定置される。ブーツ部材１０６は、ワークピース１１４と類似形状または同一形状であるように選択される。

焦点Ｆは、ブーツ部材の円弧１１８の中心に定置されると、ワークピース１１４の円弧の中心にも定置される。その結果、ベクトル１１６はワークピース１１４の表面と垂直である。ワークピースの表面と平行なワークピース内の欠陥、例えば複合材料の層間剥離を検出するために、この方向は最適な方向である。

図２ａ及び図２ｂを参照すると、走査装置２００が示される。装置２００は、ハウジング２０２、カップリング組立体２０４、第１エンコーダ２０６、第２エンコーダ２０８、ランナー（runner）２１０、及び複数の超音波振動子２１２を具備する。

ハウジング２０２の内部は図２ｂにおいて更に詳細に示される。ハウジングは弓状部分２１４を具備し、弓状部分は、それを通して形成された一連の貫通孔２１６を有する。貫通孔２１６は弓状部分に二つのオフセット列として構成される。

ハウジング２０２は一対のウイング（wing）２１８を具備し、各ウイングは、互いに対して直角に定置された一対の面２２０、２２２を具備する。面２２０、２２２は、これら面内に画成される一対の凹部２２４をそれぞれ有する。

ハウジング２０２は、弓状部分２１４を取り囲んでいる４つのタブ受容部分２２６を画成する。

また、カップリング組立体２０４も図２ｂにおいてより詳細に示される。カップリング組立体２０４は、長方形の貫通孔２３０を画成するフレーム部分２２８を具備する。４つのタブ２３２が孔２３０の側部に定置される。

ラテックスゴム製シース２３４がフレーム部分２２８の周囲に取り付けられ且つシールされる。シース２３４は、長方形状の前面２３６、前面２３６と直角な長方形状ベース面２３８、及びそれらの間に定置されたフィレット半径部２４０を具備する。シース２３４は、三角形状の側面２４２を具備し、且つフレーム部分２２８の孔２３０の単一開口面を有する空間を包囲すべくフレーム部分に対してシールされる。

第１エンコーダ２０６及び第２エンコーダ２０８はエンコーダホイール２４４、２４６をそれぞれ有する回転式エンコーダである。

超音波振動子２１２はそれぞれの孔２１６に挿入される。その結果、超音波振動子は弓状に定置される。図２ｃを参照すると、振動子２１２の弓状の構成が示される。図２ｃ及び図２ｄに示されるように、各振動子２１２の走査方向２１３は焦点軸線２４８と交差する。図２ｄを参照すると、振動子２１２の各列は、異なる位置で焦点軸線２４８と交差する。

振動子を列状に配置することは、多くの振動子を装置に組み込むことができるので有利である。単一振動子はアレイよりも安価であり、その結果、いくつかの単一振動子を使用することは、湾曲したアレイを使用することよりも経済的である。

二つの振動子は平行な走査方向を有しない。その結果、各列からの結果は固有であり且つ高解像度の画像を作り出すべく互いと結合されうる。

更に、各振動子２１２の走査方向２１３はシース２３４の外面に対して垂直にシース２３４の外面と交差する。すなわち、フィレット半径部２４０の中心軸線は焦点軸線２４８と一致する。

ランナー２１０は単純な玉軸受ランナーであり且つハウジング２０２の凹部２２４内に設置される。

カップリング組立体２０４は、タブ２３２をタブ受容部分２２６に挿入することによってハウジング２０２に取り付けられる。タブ２３２とタブ受容部分２２６とはスナップ連結を形成するように係合する。その後、シースは、振動子を取り外すことによって孔２１６の一つを通して、またはカスタマイズされた充填バルブ（図示せず）を介して、接触媒質液（この場合、水）で満たされることができる。

使用中、装置２００は、走査されるべき湾曲部分２５０と係合される。振動子が湾曲部分２５０を走査するのに使用される間、装置２００は焦点軸線２４８の方向に沿って摺動される。湾曲部分２５０の画像が形成されるように、エンコーダ２０６、２０８は、動かされた距離を記録する。

装置２００の両端部に配置された一対のエンコーダを使用することによって、エンコーダの一方が走査されている表面との接触を失う場合でさえ、走査は部品の端部まで完了できることに留意すべきである。動かされた距離は、この場合もなお表面と接触している他方のエンコーダによって簡単に記録される。

また、フレーム２２８のクリップ性（clip in nature）のおかげで、シース２３４は容易に交換可能であることにも留意すべきである。

図３ａ〜図３ｃは走査装置３００を示し、走査装置３００は、ハウジング３０２、カップリング組立体３０４、８つの超音波振動子（図示せず）、及び４つの回転式エンコーダ３０６を具備する。

装置３００の基本構造は装置２００の基本構造と似ている。装置３００において、ハウジング３０２は、弓状部分３１０上に画成される８つの孔３０８を具備する。

カップリング組立体３０４は、エンコーダ３０６が設置される４つのエンコーダマウント３１２を具備する。また、エンコーダ３０６は、検査されるべき部分のフランジ及び根元（root）の両方と接触できるように、向きが決められることに留意すべきである。装置２００のように、エンコーダはハウジング３０２の両側に定置される。その結果、エンコード処理の信頼性及び正確性が改善される。

ハウジング３０２が、成形プラスチック材料から成り、且つそこから突出している一対のリブ３１４を具備するので、使用者は、ハウジング３０２を把持し、且つ検査されるべき部分に沿って装置３００を摺動させることができる。

更に、接触媒質の供給菅３１６がカップリング組立体３０４の表面に接触媒質を供給すべく設けられる。このことは使用中の超音波カップリングを改善する。

装置２００及び３００に示されるような二列の振動子を提供することによって、全ての振動子が、動かされる所定の距離（例えば１ｍｍ間隔）で走査する場合に、振動子によって作り出される画像スライスが、振動子が整列されていないので、歪められるという問題がもたらされる。このことは、
ワークピースに沿った、走査器の所望の移動距離を検出することと、
振動子のリーディングの（すなわち前方の）組を使用して走査することと、
振動子のリーディングの組と振動子のトレーリングの（すなわち後方の）組との間の距離に等しい、走査器の更なる移動を検出することと、
振動子のトレーリングの（すなわち後方の）組を使用して走査することと
によって、修正されることができる。

情報を示すとき、トレーリングの組によって作り出された結果は、あたかもリーディングの組と同時に作り出されたかのように見なされる。

この問題を解決する別の方法は、リーディングの組とトレーリングの組との間の距離に等しい距離だけ振動子の一方の組からの結果をオフセットさせることである。このステップは後処理ソフトウェアによって完了されうる。

上記実施形態の変更は本発明の範囲に属する。

例えば、任意の数の振動子を使用することができる。

加えて、振動子の更なる列が受信範囲を改善するのに使用されてもよい。

カップリング表面は、凸状のフィレット半径部によって接続される一対の平面である必要はなく、ワークピースの外形に適合された任意の非平面状外形、例えば、湾曲した外形、弓状外形、起伏した（undulating）外形（波状外形）、または角のある外形（Ｖ字形断面の外形）であってもよい。

本発明の第３態様によれば、ワークピースの表面を超音波で走査する方法であって、走査されるべきワークピースを提供するステップと、第１平面に整列された第１走査ベクトルを有する第１超音波振動子と、第１平面と平行であるが走査方向において第１平面からオフセットした第２平面に整列された第２走査ベクトルを有する第２超音波振動子とを具備する走査装置を提供するステップと、走査線上でワークピースと交差する走査平面に第１平面を整列させるべく走査器を動かすステップと、第１超音波振動子で走査線上の第１位置を走査するステップと、走査平面に第２平面を整列させるべく走査器を動かすステップと、第２超音波振動子で走査線上の第２位置を走査するステップと、走査線の一部の画像を作り出すべく、第１走査ステップの結果と第２走査ステップの結果とを結合させるステップとを含む、方法が提供される。

Claims (24)

1. 曲面状ワークピースを走査するための超音波走査器であって、
   本体と、
   第１走査方向を有する第１超音波振動子と、
   第２走査方向を有する第２超音波振動子と、
   カップリング部品であって、カップリング面で前記ワークピースに前記振動子を超音波カップリングさせるべく構成されているカップリング部品と
   を具備し、
   前記第１走査方向及び第２走査方向が前記カップリング面に対してほぼ垂直であり且つ互いに対する角度が零度ではないように、前記振動子が前記本体に設置される、超音波走査器。
2. 前記カップリング面が概してプリズム状である、請求項１に記載の超音波走査器。
3. 前記カップリング面が、ほぼ平らな二つの面の間にフィレット半径部を含む、請求項２に記載の超音波走査器。
4. 前記平らな二つの面がほぼ直角である、請求項３に記載の超音波走査器。
5. 前記カップリング部品が、接触媒質液を受容するための空洞部を画成する変形可能な膜を具備する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波走査器。
6. 前記膜がラテックスゴムから成る、請求項５に記載の超音波走査器。
7. 前記接触媒質液の選択的導入及び選択的除去のために、前記空洞部と流体連通した接触媒質用バルブを具備する、請求項５または６に記載の超音波走査器。
8. 前記カップリング部品が固体の接触媒質材料から成る、請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波走査器。
9. 前記複数の超音波振動子が単一の超音波走査アレイとして形成される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の超音波走査器。
10. 前記振動子が、前記本体に個別に設置される別個の超音波振動子である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の超音波走査器。
11. 前記振動子が、それらの走査方向がそれぞれほぼ単一の焦点軸線を通るように前記本体に設置され、各走査方向が前記焦点軸線に対して垂直である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の超音波走査器。
12. 前記振動子が、それらの走査ベクトルがそれぞれほぼ単一の焦点を通るように前記本体に設置される、請求項１１に記載の超音波走査器。
13. 前記カップリング面がフィレット半径部を含み、前記焦点軸線が前記フィレット半径部のほぼ原点に定置される、請求項１１または１２に記載の超音波走査器。
14. 前記フィレット半径部が凸状である、請求項１３に記載の超音波走査器。
15. 走査中に前記カップリング面に接触媒質液を導入すべく構成された接触媒質液供給システムを具備する、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の超音波走査器。
16. 走査中にワークピースの表面と接触するように定置されたローラー要素を具備する、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の超音波走査器。
17. 前記本体の第１側部に設置された第１回転式エンコーダであって、走査中、ワークピースと接触し且つ該ワークピースに対する前記走査器の移動を測定すべく定置された第１回転式エンコーダを具備する、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の超音波走査器。
18. 前記第１側部とほぼ反対側の、前記本体の第２側部に設置された第２回転式エンコーダであって、走査中、ワークピースと接触し且つ該ワークピースに対する前記走査器の移動を測定すべく定置された第２回転式エンコーダを具備する、請求項１７に記載の超音波走査器。
19. 前記カップリング部品が交換可能である、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の超音波走査器。
20. 前記カップリング部品が第１本体部品と第２本体部品との間に保持され、該第１本体部品及び第２本体部品がスナップ連結によって連結される、請求項２０に記載の超音波走査器。
21. ワークピースを走査するための走査組立体であって、
    本体と、
    それぞれが走査ベクトルを有する複数の超音波振動子とを具備し、
    前記走査ベクトルがほぼ単一の焦点軸線を通り且つ該走査ベクトルのそれぞれが該焦点軸線に対してほぼ垂直であるように、前記振動子が前記本体に設置される、走査組立体。
22. 前記振動子が、それらの走査ベクトルがそれぞれほぼ単一の焦点を通るように前記本体に設置される、請求項２１に記載の超音波走査器。
23. ワークピースの表面を超音波で走査する方法であって、
    走査されるべきワークピースを提供するステップと、
    第１平面に整列された第１走査ベクトルを有する第１超音波振動子と、前記第１平面と平行であるが走査方向において該第１平面からオフセットした第２平面に整列された第２走査ベクトルを有する第２超音波振動子とを具備する走査装置を提供するステップと、
    走査線上で前記ワークピースと交差する走査平面に前記第１平面を整列させるべく前記走査器を動かすステップと、
    前記第１超音波振動子で前記走査線上の第１位置を走査するステップと、
    前記走査平面に前記第２平面を整列させるべく前記走査器を動かすステップと、
    前記第１超音波振動子で前記走査線上の第２位置を走査するステップと、
    前記走査線の一部の画像を作り出すべく、前記第１走査ステップの結果と前記第２走査ステップの結果とを結合させるステップと
    を含む、方法。
24. ワークピースの表面を超音波で走査する方法であって、
    前記走査装置を提供するステップが、前記第１平面に整列された複数の第１走査ベクトルを有する複数の第１超音波振動子と、前記第２平面に整列された複数の第２走査ベクトルを有する複数の第２超音波振動子とを具備する走査装置を提供するステップを含み、
    前記第１位置を走査するステップが、複数の第１位置を走査するステップを含み、
    前記第２位置を走査するステップが、複数の第２位置を走査するステップを含む、
    請求項２３に記載の方法。

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