JP2013145235A - 補正部材および補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フェイズドアレイ超音波探傷試験用スキャナの信号感度の補正部材と、フェイズドアレイ超音波探傷試験用スキャナの信号感度の補正方法とを提供する。
【解決手段】補正部材は、角度走査フェイズドアレイ超音波探傷試験用スキャナのトランスデューサ素子２２に結合するために、中心軸Ａと面１２とを備えた湾曲した補正面１８を有している。補正部材は、その走査軸Ｂが湾曲した補正面１８の中心軸Ａと同軸となるように、面１２がトランスデューサ２２を配置するよう構成されている。
【選択図】図２

Description

発明の詳細な説明

〔発明の技術分野〕
本出願は、補正（キャリブレーション）部材および補正方法に関するものである。より具体的には、本発明は、フェイズドアレイ超音波探傷試験用スキャナの信号感度の補正部材と、フェイズドアレイ超音波探傷試験用スキャナの信号感度の補正方法とに関係するものである。

〔発明の背景技術〕
部品、溶接部および複合材料の内部のような物品の非可視領域は、超音波探傷試験を利用して分析することができる。このタイプの非破壊検査は、音波の反射を利用し、利用しない場合には処理工程において部品を破棄せずに検出することは非常に困難であろう欠陥と特徴とを検出する。超音波探傷試験は、製造時やサービス提供時の物品の完全性をテストする航空宇宙分野での一般的な手法である。

フェイズドアレイ超音波探傷試験用スキャナは、一般的に複数のトランスデューサ素子を有するトランスデューサを有している。トランスデューサ素子のアレイは、試験（検査）材料の中に多数の波面のそれぞれが広がるように、選択的に通電されるようになっていてもよい。波面は、建設的かつ破壊的に材料中で一体化し、その結果、材料を通り抜けて移動し、そして、材料中の亀裂や不連あるいはそのようなものに反射する一次波面となる。このようなクラックや不連続等を、本明細書では「ターゲット（対象）特性」と称することにする。ビームを定義するために一次波面を考慮してもよい。ビームは、特定のシーケンスでの一群のトランスデューサ素子を発射することによって、走査エンベロープ全体で動的に進路を取ることができる。シーケンスおよび関連するパラメータ（例えば電圧）は、時には「焦点の法則（Focal Law）」として言及される。

複数の連続したビーム角での一次波面からの信号応答は、走査エンベロープに対応した二次元の「Ｓ−スキャン」イメージを形成するスキャナによって組み合わせることができる。このタイプのスキャナは、「扇」走査あるいは「角度」走査として当該技術分野で知られている。このようなスキャナのトランスデューサは、中心伝達軸を有しており、そして、エンベロープが中心軸から延伸する量は、例えば、＋５０°から−５０°あるいは＋７０°から＋５０°といった範囲で表されてもよい。ただし、エンベロープは、試験対象の主面のような平面あるいは軸を参照しながら説明されることもある。走査エンベロープが正負の両方向に延伸すると、それは「横」走査（スキャン）として知られるものとなる。

走査エンベロープのサイズを大きくすることが有利な場合もあるが、そうすることは、問題になる。というのは、通電トランスデューサ素子によって作成された一次波面の大きさがエンベロープ全体では異なることがあるからである。このように、中心軸から１つの角度でのターゲット特性由来の応答信号の強さは、中心軸から別の角度での同一のターゲット特性由来のものとは異なる場合がある。これが、信号応答を視覚化するときに値の範囲によって信号振幅の損失をもたらす可能性がある。信号応答は、スキャナのユーザに中継されうるものであり、実際に両方のターゲット特性が同サイズでありトランスデューサから等距離である場合、約５０°の場合のターゲット特性は、約２０°の場合の特性よりも小さい。

いくつかの超音波探傷試験用スキャナは、感度補正機能を備えることにより、上記の問題を補償することができる。一例としては、オリンパスによって販売されているＯｍｎｉｓｃａｎ ＭＸスキャナが挙げられる。感度補正プロセスは、一般的に、クロスドリル穴と共に設けられる「補正基準」部材に沿ってトランスデューサを移動するステップ、トランスデューサ素子に対する制御信号を補正するために、クロスドリル穴からの信号応答を使用するステップとを含む。しかし、このような感度補正の後に、広範囲の走査エンベロープ全体での信号応答が、所望されるものよりも変則的であってもよい。これに続いて、別の 「標準参照」部材は、超音波探傷試験用スキャナの補正ゲインを設定して、このゲインがターゲット特性を検索するための適切なレベルになるようにするために、トランスデューサを使用してスキャンされる。

（発明の概要）
本発明の第一の態様は、角度走査フェイズドアレイ超音波探傷試験用スキャナの信号感度を補正するための補正部材を提供する。角度走査フェイズドアレイ超音波探傷試験用スキャナは、走査エンベロープ全体の複数の連続したビーム角にて一次波面を形成するよう構成される。補正部材は、音響を伝達可能な材料で形成することができる。補正部材は、周縁部を有する第１の主面を備えていてもよい。補正部材は、第２の主面を備えていてもよい。補正部材は、第１の主面を含む一般平面と第２の主面を含む一般平面との間に配置される補正面を含んでもよい。補正面は、中心軸から概ね等距離になるように、ほぼ円弧状に延伸するように構成されてもよい。第１の主面の周縁部は、補正面からよりも大きく中心軸から離間していてもよい。補正部材は、超音波探傷試験用スキャナの超音波トランスデューサに音響的に結合するための入力面を含んでもよい。補正部材は、トランスデューサから補正面への一次波面の経路長が、走査エンベロープ全体の各ビーム角と概ね等しくなるように、トランスデューサを配置するように構成されてもよい。

このように、補正部材は、信号感度補正プログラムを有する角度走査フェイズドアレイ超音波探傷試験用スキャナの信号感度を補正するために使用されてもよい。補正は、補正面の角度の延長以下である走査エンベロープ全体で実行することができる。補正面は、音響的な反射の「肩（ショルダー）」を定義するとみなされてもよい。「肩」は、信号感度の正規化のために、加えて、適切なゲイン・レベルを設定し、ゆえに補正プロセスを簡略化するために、補正部材の補正標準としての使用を可能にするサイズにすることができる。

入力面は、補正面の中心軸に対して概ね平行であってもよい。

入力面は、補正面に対して接平面に対して平行であってもよい。

補正面のサイズは、欠陥を検出するように配置されたスキャナが検出する欠陥に相当するように選択されてもよい。

補正面は半円形の外形を有していてもよい。この利点は、本発明の実施形態に係る補正部材が、＋５０°から−５０°の範囲を超え、そして、いくつかの場合では＋９０°から−９０°近くの範囲になることもある走査エンベロープ全体の信号感度の補正をできるようにすることである。第１面の周縁部は、補正面よりも中心軸から、中心軸と補正面との間の距離の少なくとも１／４の大きさ離間している。

本発明の第二の態様は、フェイズドアレイ試験用スキャナの信号感度とゲインとを補正するために、第一の態様に係る補正部材の使用方法を提供する。

本発明の第三の態様は、角度走査フェイズドアレイ超音波探傷試験用スキャナの信号感度を補正するための方法を提供するものであり、この方法は、第一の態様に係る補正部材を準備するステップ、入力に超音波検査用スキャナの超音波トランスデューサを補正部材の入力面に結合するステップ、および、補正面からの信号応答を測定することによって、超音波探傷試験用スキャナの信号感度を補正する超音波探傷試験用スキャナの感度補正プログラムを動作させるステップを含む。

この方法は、補正面からの信号応答を測定することにより、超音波探傷試験用スキャナの信号ゲインを補正するステップを含んでいてもよい。

走査エンベロープは、少なくとも９０°、好ましくは少なくとも１１０°であってもよい。他の実施形態では、この範囲は、本部材の物理的な境界内にある負および／または正の角度を任意に組み合わせたものであってもよい。

超音波探傷試験用スキャナは、Ｏｍｎｉｓｃａｎ ＭＸスキャナや信号感度補正プログラムを有する他の角度走査フェイズドアレイ超音波探傷試験用スキャナであってもよい。

〔図面の簡単な説明〕
本発明の実施の形態について、以下では、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る補正部材の前面、側面、底面を示す正投影図である。

図２は、入力領域に結合されたトランスデューサを示す、図１の補正部材の斜視図である。

図３は、本発明の一実施形態に係る方法を示すフローチャートである。

図４は、感度補正後の図１の補正部材からの信号応答を示すプロットである。

〔本発明の実施形態の詳細な説明〕
図１および２は、本発明の実施形態に係る補正部材１０を示す。補正部材１０は、オリンパスによって販売されているＯｍｎｉｓｃａｎ ＭＸスキャナなどの信号感度補正プログラムを有する角度走査フェイズドアレイ超音波探傷試験用スキャナ（図示せず）の信号感度を補正（校正）するのに適している。機能性は、補正ゲインを設定するためにも提供される。このようなキャリブレーションプログラムは、当技術分野でよく知られており、簡潔な記載のために、詳細な説明は割愛する。なお、詳細については、ＭＸＵソフトウエアマニュアル4.3.3.1（SENSITIVITY CALIBRATION USING SIDE DRILLED HOLE）／ソフトウエアマニュアル4.3.3.2（SENSITIVITY CALIBRATION USING RADIUS / OLYMPUS PHASED ARRAY INSTRUMENTATIN MANUAL CH 4.2 page 59 / OMNISCAN CALIBRATION TECHNIQUES A.2.3 STEP 3 page 421）を参照のこと。

補正部材１０は、音響を伝搬可能な材料で形成され、試験される材料と適合するように選択されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、補正部材１０は、アルミニウムから形成することができる。

補正部材１０は、形状が概ね半円形であり、概ね平坦な上面１４と概ね平坦な下面１６との間に延伸する概ね平坦な前面１２を有する。上面１４および下面１６は、両方とも形状がほぼ半円形である。上面１４は、下面１６よりも大きく、補正部材１０の周囲に湾曲して延びる段差の範囲を決める。湾曲した段差あるいは肩は、音響反射面あるいは「補正面１８」を定義し、この面は、中心軸Ａから概ね等距離にある。よって、補正面１８は、円筒壁の一部を形成するものとして考えられてもよい。図示される実施形態では、中心軸Ａから補正面１８への径方向の距離Ｒ１が１１０ｍｍであるが、任意の適切な距離を有していてもよい。補正部材１０の周縁部は、境界面２４を形成している。中心軸Ａから境界面２４への径方向の距離Ｒ２は１２５ｍｍであるが、任意の適切な距離を有していてもよい。補正部材１０は、２０ｍｍの厚さＴを有しているが、任意の適切な厚さを有していてもよい。補正部材が、それに使用されるように配置されたトランスデューサの対応する寸法よりも大きいあるいは等しい厚さ、より好ましくは少なくとも二倍に対応する寸法の厚さ、を有することが好ましい。トランスデューサよりも短い部材であると、広がったビームの反射による誤信号応答を引き起こす可能性がある。

補正面１８は、４ｍｍの高さＳを有するが、任意の高さを有していてもよく、例えば、補正面の高さは、２０ｍｍ、１５ｍ、１０ｍｍ、５ｍｍ、あるいは１ｍｍよりも小さくてもよい。５ｍｍより小さいと、これがしばしばターゲット特性に相当するようになり、航空機の部品の試験などの適用に有利である。（これについては、以下でより詳しく説明する。）なお、補正面１８の高さは、０．５ｍｍから５ｍｍの間であるのが好ましい。

前面１２は、概ねフラットな入力領域１２ａを有しており、入力領域１２ａは、角度走査超音波探傷試験用スキャナの超音波トンラスデューサ２２に結合されるように配置されており、トランスデューサ２２は、走査エンベロープＥを介して補正部材１０の中に超音波を出射する。トランスデューサ２２によって形成された超音波ビームは、一般的なビーム軸Ｂの周囲で角度を持って移動する。入力面１２ａは、トランスデューサ２２に対して配列され、トランスデューサ２２から補正面１８までの一次波面の経路長は、走査エンベロープＥ全体の各ビーム角と概ね等しい。これを、ここでは、トランスデューサ２２の「補正設定」と称することにする。実際には、「概ね等しい」とは、差が５％以下である移動経路を意味する。

図示された実施形態では、入力領域１２ａは直接トランスデューサに結合するよう配置され、トランスデューサ２２の出射面が、フラットな入力領域１２ａと同一面上となり、かつ、トランスデューサの中心軸が、部材１０の中心線Ｐと一列になる。他の実施形態では、入力領域１２ａは、楔や蹄鉄を介してトランスデューサ２２に結合されるように配置することができる。ビーム軸Ｂは、いくつかの実施形態では、補正面１８の中心軸Ａに対して、概ね同軸となっていてもよい。また、いくつかの実施形態では、入力面１２ａは、トランスデューサ２２の結合面に適合するように、楔または蹄鉄の形状に、形成されていてもよく、例えば、入力面１２ａは、円弧状の外形を有していてもよい。

いくつかの実施形態では、補正面１８の音響を反射する寸法のサイズが、検出可能な欠陥の求められるサイズに相当するように選択されてもよい。例えば、補正面の高さは、対象であるメインのものと同じサイズであってもよい。これの利点は、本発明の実施形態に係る補正部材の、感度補正とゲイン補正との両方での使用を可能にすることである。

図示された実施形態では、補正面１８は中心軸Ａの周り１８０°に渡って延伸している。これの利点は、＋９０°から−９０°の広範囲の走査エンベロープ全体の感度補正を可能にすることである。他の実施形態では、補正面１８は、少なくとも４０°、６０°、９０°、１２０°あるいは１６０°に延伸することができる。

使用に際して、補正の配置におけるトランスデューサ２２と共に、角度走査超音波探傷試験用スキャナの感度補正機能が動作され、補正面１８からの信号応答を利用してスキャナの信号感度を補正する。これに続いて、スキャナのユーザは、補正面１８からの信号応答を利用して信号ゲインを補正することができ、いくつかの場合、その後、信号の形状とターゲット特性由来の応答との親和性を高めるために、基準となる補正を実施する。

図３は、角度走査フェイズドアレイ超音波探傷試験用スキャナの信号感度を補正するための本発明の実施形態に係る方法を示している。

ステップ３０では、本発明の実施形態に係る補正部材１０が用意される。

ステップ３２では、超音波探傷試験用スキャナの超音波トランスデューサは、補正の配置において、補正部材１０の入力領域１２ａに連結される。揺変性ゲルのような適切な接触触媒を、トランスデューサ２２と入力領域１２ａとの間に、これらの間の音響的な結合を改善するために、設けられてもよい。

ステップ３４では、超音波探傷試験用スキャナの感度補正機能が動作し、トランスデューサ２２が、走査エンベロープＥ全体で補正部材１０に超音波を放射し、補正面１８からの信号応答が、超音波探傷試験用スキャナの信号感度を補正するのに測定できるようになる。本発明の実施形態では、エンベロープＥが、部材の物理的な境界内に配置される負および／または正の角度を任意に組み合わせることがある。いくつかの実施形態では、超音波探傷試験用スキャナは、横方向スキャンモードで動作させてもよい。補正面１８からの信号応答は、スキャナの補正ゲインを設定するために使用することもできる。

図４は、感度補正が完了した補正面１８からの信号応答のプロットを示している。ｙ軸は、信号応答を表し、ｘ軸はビーム角を表し、そして、エンベロープＥの少なくともいくつかを示している。図示されているように、エンベロープＥに渡る応答のばらつきは、現時点でおおよそ±５°でのそれと等しい信号応答を有する±４５°で検出された同等サイズの欠陥にまで、現時点で改善され、これは、角度走査フェイズドアレイ超音波探傷試験用スキャナに対する既知の感度補正における改善であり、いくつかの場合では、より狭い角度領域での効果のみである。

本発明の実施形態に係る補正部材は、操作要求を満たすために、様々なサイズや形状にて構成されてもよい。

本発明の実施形態に係る感度補正部材は、従来技術による示唆される部材にてサポートされているものよりも、角度の広い範囲に渡って、より容易でより迅速な感度補正の方法を可能にできることが見出された。特に、本発明の実施形態に係る感度補正部材は、例えば±４５°といったより広い角度の横方向のスキャンを使用する際の感度補正を可能にする。さらに、本発明の実施形態に係る補正部材は、感度補正とゲイン補正との両者に使用できる。

本発明について１つ以上の好ましい実施形態を参照して上述したが、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲から逸脱することなく本発明に様々な変更や修正を行うことができることが、理解されるであろう。

本発明の一実施形態に係る補正部材の前面、側面、底面を示す正投影図である。 入力領域に結合されたトランスデューサを示す、図１の補正部材の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る方法を示すフローチャートを表わす図である。 感度補正後の図１の補正部材からの信号応答を示すプロットを表わす図である。

Claims (16)

1. 走査エンベロープ全体の複数の連続ビーム角において一次波面を生成するように構成された角度走査フェイズドアレイ超音波探傷試験用スキャナの信号感度を補正するための補正部材であって、
   上記補正部材は、音響を伝搬可能な材料で形成されており、周縁部を有する第１の主面、第２の主面、上記第１の主面を含む一般平面と上記第２の主面を含む一般平面との間に配置され、中心軸から概ね等距離になるように概ね円弧状に延伸するように構成された補正面、および、超音波探傷試験用スキャナの超音波トランスデューサに音響上結合する入力面、を有し、
   上記第１の主面の上記周縁部は、上記補正面からの間隔よりも上記中心軸からの間隔が大きくなるように設けられており、
   上記補正部材は、上記トランスデューサから上記補正面までの一次波面の経路長が、走査エンベロープ全体の各ビーム角と概ね等しくなるように、上記トランスデューサを配置するよう構成されていることを特徴とする補正部材。
2. 上記入力面は、補正面の中心軸に対して概ね平行であることを特徴とする請求項１に記載の補正部材。
3. 上記入力面は、上記補正面の接平面に対して平行であることを特徴とする請求項１または２に記載の補正部材。
4. 上記補正面のサイズは、欠陥を検出するよう配置された上記スキャナが検出する欠陥に相当するように選択されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の補正部材。
5. 上記補正面の高さは、少なくとも５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の補正部材。
6. 上記補正面は、少なくとも９０°の弧を介して延伸していることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の補正部材。
7. 上記補正面は、概ね１８０°の弧を介して延伸していることを特徴とする請求項６に記載の補正部材。
8. 上記第１の主面の周縁部は、少なくとも中心軸と補正面との間の距離の１／４の大きさ分補正面よりも中央軸から離れていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の補正部材。
9. フェイズドアレイ試験の信号感度とスキャナのゲインとを補正するために請求項１から８のいずれか１項に記載の補正部材を使用する使用方法。
10. 角度走査フェイズドアレイ超音波探傷試験用スキャナの信号感度を補正するための方法であって、
    請求項１から８のいずれか１項に記載の補正部材を用意するステップと、
    上記超音波探傷試験用スキャナの超音波トランスデューサを上記補正部材の入力面に結合するステップと、
    補正面からの信号応答を測定することによって、上記超音波探傷試験用スキャナの信号感度を補正するステップと、を含むことを特徴とする方法。
11. 補正面からの信号応答を測定することによって、上記超音波探傷試験用スキャナの信号ゲインを補正するステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 走査エンベロープは、少なくとも９０°であることを特徴とする請求項１０または１１に記載の方法。
13. 走査エンベロープは、横方向の走査エンベロープであることを特徴とする請求項１０から１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 上記超音波探傷試験用スキャナは、Ｏｍｎｉｓｃａｎ ＭＸスキャナであることを特徴とする請求項１０から１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 実質的に本明細書の図１および２を参照して説明した補正部材。
16. 実質的に本明細書の図３を参照して説明した使用および方法。

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