JP2013508680A - 留め具の締まりばめを検証するための超音波法 - Google Patents

Abstract

留め具の締まりばめを検証するための技術及び技法の実施形態を開示している。一つの実施形態では、トランスジューサは、留め具が締まりばめを受けるときに応力に曝される留め具の領域を介してせん断超音波信号を送信するように配置される。せん断超音波信号は、応力に曝される留め具の領域を介して送信される。送信された超音波信号は前記領域に衝突すると、留め具が受けている締まりばめの強度に応じてモード変換される。留め具からの帰還超音波信号はトランスジューサで受信される。帰還超音波信号に基づいて、プロセッサは留め具が受けている締まりばめの強度を決定し、同強度を示す値を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は超音波（ＵＳ）測定技術について教示し、より具体的には留め具の締まりばめ（ＩＦＦ）の超音波測定及び検証の方法について教示する。

最近の推計によると、米国内の商用航空機群の各種航空機について平均したところ、１機あたり１年に約１回の割合で雷放電に遭遇していることが示されている。航空機は概して、雲の帯電した部分を通過する際に雷放電に遭遇する。このような場合、放電は概して航空機に結合し、航空機から外側に向かって進展する。放電が発生している間、航空機が帯電領域を移動するにつれて、放電は概して航空機の機首から複数の外板パネル部分に向かって移動する。放電中には、放電は主翼先端及び／又は操縦翼面のエッジ（補助翼など）に結合することもある。この放電は概して機体から尾翼を通って抜ける。商用航空機は、航行用コンピュータなどの電子機器、及び雷放電によって劣化の恐れがある通信機器を含むため、機体が雷放電の影響から十分に保護されていることを検証するため、商用航空機は一連の包括的な認証手続きに適合している。

その一方で、今日の航空機は複合材料の比率を高くして設計及び製造されている。複合材料は強度重量比が高く、従来のアルミニューム合金と比較して力学特性及び疲労特性に優れているが、代替している金属材料よりも導電性が低く、電磁遮蔽能も幾分低いため、航空機からの電流放散は幾分低下する。導電路がないため、アーク放電及び蓄積電圧（キャパシタンス）が発生して、航空機構造体の障害部分を劣化させることがある。例えば、電光は留め具に結合して、留め具から航空機表面（すなわち外板）下の基礎構造に流れる。そのため、留め具を含む航空機の各部からの導電路を設ける技術が導入されている。

機体の電荷許容量、とりわけ航空機の留め具に結合する電荷の許容量を改善する技術には有用性があり、航空輸送の経済性及び／又は安全性を改善することができる。

留め具の締まりばめを検証する技術及び技法の実施形態を開示している。このような技術及び技法は、導電性留め具と構造物の落雷防止（ＬＳＰ）システムの導電層との間の締まりばめの検査及び検証に使用することができる。本開示による技術は、電荷が構造物を介して伝導されるように、留め具とＬＳＰシステムとの間に存在する導電路を有利に確保することが可能で、これによって導電路を確保しなかった場合に起こりうる劣化を低減又は解消することができる。さらに、このような検査は、留め具が所定の位置にある状態で、かつ締まりばめの対象となる各留め具及び留め具孔の大きさの測定なしで行うことができる。

実施形態により、留め具が受ける締まりばめの強度を決定する方法を提供する。これらの方法は、留め具が締まりばめを受ける際に、応力に曝される留め具の領域を介して超音波せん断波信号を送信するトランスジューサの位置決めを含む。これらの方法はまた、応力に曝される留め具の領域を介する超音波せん断波信号の送信も含む。以下の理論に固執することを望むものではないが、送信された超音波せん断波はこの領域を介して伝わり、留め具が締まりばめの境界で受ける締まりばめの強度に応じてモードが変わるものと考えられている。さらに、これらの方法は、反射した超音波信号をトランスジューサによって留め具から受信するステップを含む。反射した超音波信号は留め具が受ける締まりばめの強度を決定するため処理され、同強度を示す値を出力する。幾つかの実施形態では、長手方向波の振幅／エネルギー及び帰還超音波信号のせん断波成分を調べることによって、締まりばめの強度が決定される。幾つかの実施形態では、長手方向波成分の振幅／エネルギーと反射した超音波信号のせん断波成分の振幅／エネルギーを比較することによって決定される。さらに、締まりばめの強度を示す値は、グラフィカルユーザーインターフェースの中で使用される測定可能な指示値にすることができる。

幾つかの実施形態では、締まりばめは、留め具、スリーブ、及び複合材料間に存在する。代替される又は追加される実施形態では、反射波は留め具シャンクの端面から発生する。さらに、トランスジューサは留め具との調整を行うことができ、超音波信号の送信及び受信の間に選択された力で適用することができる。トランスジューサと留め具との位置調整、並びに力の選択は、留め具の構成に基づいて行うことができる。実施形態はまた、プロセッサに前述のような方法を実行させることができるコンピュータで実行可能な指令を保存する、コンピュータで読み取り可能な媒体も提供する。

実施形態は、留め具が受ける締まりばめの強度を決定するためのシステムを提供する。これらのシステムは、超音波トランスジューサ、プロセッサ、相互に通信を行うメモリを含む。このメモリは、プロセッサが実行した場合、上述のような方法をプロセッサが実施できるようにする、コンピュータで読み取り可能な指令を保存する。さらに、システムは、締まりばめの強度を表示するグラフィカルユーザーインターフェースを含むディスプレイを含むことができる。さらに、このシステムは、超音波トランスジューサと留め具との位置調整を行い、超音波トランスジューサを選択された力で留め具に適用する方法を含むことができる。さらに、超音波トランスジューサと留め具との位置調整、並びに超音波トランスジューサを留め具に適用する力はシステムパラメータで、制御可能な変数となっている。幾つかの実施形態のシステムは、留め具間のレールに沿って移動可能となるように、超音波トランスジューサが取り付け可能なレールを含む。

特性、機能、及び利点は、本開示の様々な実施形態で独立に実現することが可能で、さらに別の実施形態で組み合わせることもできる。

本開示による技術の実施形態は、次の図面を参照して以下に詳細に説明される。図面の中で、参照番号の最も左にある数字は、参照番号が最初に現れる図面を識別する。異なる図面中で使用される同一の参照番号は、同様又は同一の品目又は機能を示す。

図１は本開示の実施形態によって検証された締まりばめ留め具を有する航空機の側面図である。 図２は本開示の実施形態による留め具の締まりばめを検証するように構成された装置の断面図である。 図３は本開示の実施形態による留め具の締まりばめを検証するプロセスのフロー図である。 図４は本開示の実施形態による留め具の締まりばめを検証するように構成された別の装置の断面図である。 図５は本開示の実施形態による留め具の締まりばめを検証する別のプロセスのフロー図である。 図６Ａは本開示の実施形態による任意の数のデータサンプルの締まりばめを図解するチャートである。 図６Ｂは本開示の実施形態による任意の数のデータサンプルの締まりばめを図解するチャートである。 図６Ｃは本開示の実施形態による任意の数のデータサンプルの締まりばめを図解するチャートである。 図６Ｄは本開示の実施形態による任意の数のデータサンプルの締まりばめを図解するチャートである。 図６Ｅは本開示の実施形態による任意の数のデータサンプルの締まりばめを図解するチャートである。 図６Ｆは本開示の実施形態による任意の数のデータサンプルの締まりばめを図解するチャートである。 図６Ｇは本開示の実施形態による任意の数のデータサンプルの締まりばめを図解するチャートである。 図６Ｈは本開示の実施形態による任意の数のデータサンプルの締まりばめを図解するチャートである。 図７は本開示の実施形態による任意の数のデータサンプルの締まりばめを図解するチャートである。 図８は本開示の実施形態による締まりばめプローブを図解する模式図である。

留め具の締まりばめを検証する技術及び技法が本明細書で開示されている。本開示のある種の実施形態の具体的な詳細の多くは、このような実施形態を完全に理解するため、以下の説明及び図１〜８に記載されている。但し、当業者であれば、本開示が付加的な実施形態を有すること、又は本開示は以下の説明に記載されている幾つかの詳細なしで実施されうることを理解するであろう。

本明細書は、留め具と、留め具が取り付けられる材料との間の締まりばめを決定するためのシステムを開示する。さらに、本明細書はこのような決定を行う方法を開示する。幾つかのシステム及び方法では、締まりばめの強度は、留め具への超音波せん断波信号の送信及び留め具から戻るモード変換された信号の分析によって決定される。幾つかの実施形態では、せん断成分のエネルギーとモード変換された帰還信号の長手方向成分のエネルギーが比較されて、締まりばめの強度が決定される。幾つかの実施形態では、締まりばめの強度を決定する際に一方又は双方の振幅が考慮される。

図１は、本開示の実施形態により検証された締まりばめ留め具を有する航空機１００の側面図である。留め具は、航空機１００の機体１０２、主翼１０４、及び尾翼１０６を含む多岐にわたる場所で使用可能であることが理解されるであろう。例えば、航空機１００は、本開示の実施形態では、航空機の外板全体にわたり多数の留め具を含みうる。代替的な実施形態では、締まりばめ留め具は、他の種類の構造体、輸送手段、及び自動車、航空機、船舶、宇宙船などのプラットフォーム、又は他の好適な用途などで検証することができる。

この実施形態では、航空機１００は主翼組立品１０４、尾翼組立品１０６、及び着陸組立品１０８を含む機体１０２を含む。航空機１００はさらに、一又は複数の推進ユニット１１０、制御ユニット１１２（図示せず）、及び航空機１００の適切な運用を可能にする多数の他のシステム及びサブシステムを含む。留め具は、機体１０２、主翼組立品１０４、尾翼組立品１０６などの航空機１００の好適な部分、及び航空機１００の他の任意の好適な領域で使用されうることを理解すべきである。概して、航空機１００の各種コンポーネント及びサブシステムは既知の構造体であり、簡潔にするため、本明細書では詳細に記述しないものとする。

図１に示す航空機１００は概して、例えば、イリノイ州シカゴのボーイング社から市販されている７３７、７４７、７５７、７６７、７７７、及び７８７型を含む民間旅客機を表わしているが、本明細書に開示されている本発明の装置及び方法は、実質的に他の種類の航空機の組立にも使用することができる。さらに具体的には、本開示の教示は、他の旅客機、戦闘機、貨物航空機、回転翼航空機、及び例えば２００１年９月にＢｏｏｋ Ｓａｌｅｓ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓから出版されたＥｎｚｏ Ａｎｇｅｌｕｃｃｉ氏による図解入り軍用機百科事典（Ｔｈｅ Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｍｉｌｉｔａｒｙ Ａｉｒｃｒａｆｔ）、及び英国サリー州クロイドンのＪａｎｅ‘ｓ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｇｒｏｕｐから出版されたジェーン航空機年鑑（Ｊａｎｅ’ｓ Ａｌｌ ｔｈｅ Ｗｏｒｌｄ‘ｓ Ａｉｒｃｒａｆｔ）に記載されたものを含む、その他の種類の有人又は無人の航空機の製造及び組立てに応用することができる。

航空機は雷に遭遇した場合、航空機を劣化から保護するため、落雷防止（ＬＳＰ）システムを使用するが、これを使用しない場合には電荷の蓄積を被る。ひとつの解決方法は、航空機の外板に導電性の金属層を組み込み、広い面積にわたって電気エネルギーを均等に分布させる方法で、これによって航空機の部品の劣化を引き起こす可能性のあるエネルギーの集中を避けることができる。多くの場合、航空機の外板を内部構造体に結合する留め具は、航空機外板内の導電性層の下にくぼませることによって電荷から保護される。留め具は一般的に、電荷から留め具をさらに隠すため、非導電性材料によって覆われている。このような予防措置にもかかわらず、電荷はときとして留め具と結合して、留め具シャフトに流れることがある。このような場合、効率的な方法で電気エネルギーを航空機の外板及び他の構造体に流すことが望ましく、これにより留め具又は周囲の材料の加熱及び／又は劣化を防ぐことができる。電気エネルギーを留め具から逃がすため、留め具は周囲の材料との有利な締まりばめを有している。

留め具の締まりばめは、留め具シャンク、留め具スリーブ部分、及び留め具支持部を形成する周囲の材料の間の適合度の測定に関連する。例えば、直径０．５００インチの留め具シャンク／スリーブシステムに対しては、留め具の孔は直径０．４９５インチで材料に穿孔され、これにより０．００５インチのポジティブな締まりばめが形成される。このような例では、留め具シャンクの軸に垂直な方向に周囲の材料を圧迫することにより、留め具を孔に挿入することができる。

理論に束縛されるものではないが、留め具シャンクと留め具孔との間には一般的に顕微鏡的な間隙が存在すると考えられている。このような間隙は留め具シャンクと材料との間の電流を接触点に集中させる原因となる。締まりばめを提供し、これにより周囲の材料を止め具シャンクに圧迫することにより、顕微鏡的間隙を最小化して電気的接触領域を増大させ、結果的に留め具と周囲の材料との間の導電性が高まると考えられている。留め具の締まりばめが設計された閾値の範囲内にある場合には、関連する電気エネルギーは外板又はスパーに分散されるため、導電性を高めることにより留め具に結合する電荷の負の影響を低減又は払拭することができる。

すでに開示されているように、依然として電荷の蓄積に遭遇することが時折あるが、航空機はますます複合材料を使用して製造されるようになっている。概して、複合材料はエポキシ又は他の基質に埋め込まれた繊維を含む。繊維及び基質は共に導電性でありうるが、これらの材料の中の一つが他の材料よりも高い導電性を有することが時折起こる。例えば、カーボン／エポキシ複合材料のカーボン繊維は、エポキシ基質よりも導電性が高いと予測される。留め具が複合材料の中で締まりばめされる場合、締まりばめは複合材料の一又は複数の成分を留め具と電気的に接触させるのに役立ち、その結果留め具からの電荷の放散を改善する。したがって、留め具と複合材料との間の締まりばめを使用することにより、複合材料は得られる組立品の電荷放散特性を高める。

締まりばめが設計要件に一致していることを確認するため、従来の金属構造体であっても複合構造体であっても、締まりばめを検証する方法が望ましい。例えば、航空機製造の変動は、留め具と留め具孔との間の一定のかみ合いを阻害することがある。このような不一致の原因には、作業者の誤り、真円度誤差条件、ドリルビットサイズのわずかな過大／過小、ドリルビットの刃の劣化、留め具サイズの過小／過大などが含まれる。留め具が差し込まれた後に、航空機の締まりばめの強度を確認するための方法が必要となる。また、場合によっては航空機の使用を延長した後に、締まりばめが設計された閾値の範囲内にあることを確認するための方法が必要となる。Ｇｅｏｒｇｅｓｏｎ氏らによって「留め具の締まりばめを検証するための超音波法」という名称で２００７年８月３日に米国特許出願１１／８３３８２６号として出願され、２００９年２月５日に米国特許公開公報第２００９／００３１８１１Ａ１号として公開された明細書は、留め具の締まりばめを決定する方法及びシステムを開示している。

図２は本開示の実施形態による留め具の締まりばめを検証するように構成された装置の断面図である。システム２００は第１の材料２０２及び留め具孔２１４を介して配置された留め具２０６（ヘッド２０８、シャンク２１０、及びナット２１２を含む）によってしっかりと固定された第２の材料２０４を含む。シャンク２１０の上にナット２１２を締めることにより、留め具ヘッド２０８及びナット２１２を第１の材料２０２及び第２の材料２０４への圧縮力として働かせることができる。さらに、留め具シャンク２１０は、システム２００が締まりばめを含む場合に（前記の応力を受けていない留め具孔２１４は応力を受けていないシャンク２１０の直径よりも小さい直径を有する）、第１の材料２０２及び第２の材料２０４に半径応力を発生させることがある。第１の材料２０２及び第２の材料２０４の半径応力は、留め具２０６と材料２０２及び２０４との接触面で最大となり、一般的に留め具２０６からの距離が増すにつれて減少する。留め具２０６によって第１の材料２０２及び第２の材料２０４の上で働いている半径応力を受けて、第１の材料２０２及び第２の材料２０４は留め具２０６上でシャンク２１０の半径方向に向かう圧縮応力を働かせる。シャンク２１０上のこれらの圧縮応力は互いに同じではなく、シャンク２１０の表面上で（同様にシャンク２１０の内部で）場所により異なることがある。

締まりばめから生ずる圧縮応力の検出と測定は締まりばめに関する情報を提供し、その結果、設計した範囲に適合しているかどうかを判断するため、その値の測定を可能にする。さらに、締まりばめ（またはその欠落）に関する情報は、留め具の差込がもたらす周囲の材料の導電性成分への電流放散の程度を示すことができる。例えば、図２に示す実施形態では、第１の材料２０２及び第２の材料２０４のいずれか一方又は両方が導電性であり、落雷防止（ＬＳＰ）システムの導電性層を含み、及び／または導電性成分（例えば、カーボン繊維）をその中に含む。

引き続き図２を参照すると、システム２００は留め具締まりばめ（ＩＦＦ）プローブ２１６を含む。ＩＦＦプローブ２１６は超音波試験トランスジューサ２１８を含む。幾つかの実施形態では、約１ＭＨｚから約１０ＭＨｚの間の周波数は約５ＭＨｚとすることができる。せん断波トランスジューサ２１８は、留め具シャンクの軸にほぼ平行に進む個々にパルス化された多数の超音波せん断波からなる超音波信号２２０を生成する。超音波信号２２０はシャフトに沿って進むため、留め具２０６が締まりばめを受ける際に材料２０２及び２０４によってシャンク２１０上に働く圧縮応力に曝されるシャンク２１０の領域２２２に衝突する。一又は複数の領域２２２との衝突は、シャンク２１０と材料２０２及び２０４との間の締まりばめの強度に対応して、送信された超音波信号２２０のせん断波の長手方向波へのモード変換を引き起こす。領域２２２の通過中又は通過後、送信された超音波信号２２０は、留め具２０６の遠位端に衝突するとすぐに反射して（少なくとも部分的に）せん断波トランスジューサ２１８に向かって反転する。

帰還超音波信号２２４は、留め具２０６の遠位端から留め具２０６の長さ方向に沿って、一般的に留め具２０６の軸とほぼ平行に、せん断波トランスジューサ２１８に向かって進む。その結果、帰還超音波信号２２４は、締まりばめから発生する圧縮応力に曝される同領域、又は追加された領域２２２に衝突する。したがって、帰還信号２２４はさらに、留め具２０６と材料２０２及び２０４との間の締まりばめの強度に対応して、長手方向波にモード変換されることがある。その結果、帰還超音波信号２２４は、長手方向波によって特徴づけられるモード変換成分とせん断波によって特徴づけられる非モード変換成分を含む。

より具体的には、 帰還超音波信号２２４の長手方向成分の振幅／エネルギーは留め具２０６と材料２０２及び２０４との間の締まりばめの強度を示すことが明らかになっている。帰還超音波信号２２４のせん断波成分の振幅／エネルギーが逆比例の関係で締まりばめの強度を示すことも明らかになっている。さらに、帰還超音波信号２２４のせん断波成分の振幅と長手方向成分振幅との積及び比は、留め具２０６と材料２０２及び２０４との間の締まりばめの強度を示すことが明らかになっている。

幾つかの実施形態で引き続き図１を参照すると、ＩＦＦプローブ２１６は制御装置２２６と通信を行っている。制御装置２２６は動的波形発生器（ＤＷＧ）２２８及び信号解析機能を有する超音波パルス受信機（ＵＰＲ）を含んでいてもよいが、別の構成が検討されている。動的波形発生器２２８はせん断波トランスジューサ２１８に波生成情報を提供することができる。さらに、帰還超音波信号２２４を表示する超音波パルス受信器２１８からの信号を受信することができる。したがって、帰還超音波信号２２４を解析して、留め具２０６と材料２０２及び２０４との間の締まりばめに関する情報を決定することができる。例えば、制御装置２２６はコンピュータ、サーバー、又はプロセッサで実行される場合、動的波形発生器２２８及び超音波パルス受信機２３０によって実行される機能など、本明細書で開示されている技術を実行するモジュールを保存する記憶媒体に操作可能に接続される一又は複数のプロセッサを含む他のコンピューティング装置であってもよい。

さらに、制御装置２２６は、グラフィックユーザーインターフェース２３４を表示するディスプレイ２３２と通信することができる。グラフィックユーザーインターフェース２３４は、留め具２０６、材料２０２及び２０４、及びシステム２００（例えば、留め具２０６に対する具体的な取り付けの設計によって要求されている締まりばめの強度）に関する情報２３６を含むことができる。追加的に、又は代替的に、グラフィックユーザーインターフェース２３４は、制御装置２２６によって存続するように決定された締まりばめの強度を示す値を表示するインジケータを含むことができる。例えば、インジケータ２３８は、締まりばめの強度を示す数値表示、同じ値のアナログ表示、留め具２０６の使用継続／中止の表示、波の種類のグラフィカル表示を含むことができる。したがって、インジケータ２３８は、留め具２０６が周囲の材料２０２又は２０４への電流放散を行うかどうかを示すことができる。さらに、制御装置２２６は、コンピュータで読み込み可能な有形の媒体２４０、又は、制御装置（又はプロセッサ）で実行した場合、制御装置２２６が本明細書で開示しているシステムの方法及び／又は装置（すべて又はその一部）を実施する、コンピュータで読み込み可能な指令を保存するメモリ装置を含むこと（又は通信を行うこと）ができる。

図３は本開示の実施形態による留め具２０６の締まりばめを検証する方法３００のフロー図である。方法３００は、ハードウェア、ソフトウェア、又はこれらの組み合わせによって実施しうる操作の手順を示す、論理的なフロー図での一連の操作を図解したものである。ソフトウェアの前後関係で、操作行為は一般に、一又は複数のプロセッサで実行した場合、列挙された操作を実行するコンピュータで読み込み可能な指令を表わす。検討を行うため、方法３００は図２に関連して上述した代表的なシステム２００のコンポーネントを参照して記述されている。

３０２では、制御装置２２６は、動的波形発生器２２８を用いてせん断波トランスジューサ２１８を駆動する電子信号を発生させることにより、せん断波トランスジューサ２１８を起動する。３０４では、電子信号の種類にかかわらず、せん断波トランスジューサ２１８はせん断波カプラント媒体の留め具２０６への接触面を介して超音波信号２２０の送信を開始し、留め具２０６を介してせん断波を伝播させる。幾つかの実施形態では、せん断波カプラント媒体の接触面（例えば、超音波カップリングジェル）は、３０４の前に留め具２０６に塗布して、超音波信号と留め具２０６との結合を補助することができる。さらに、せん断波トランスジューサ２１８は選択された力で留め具２０６に適用することができる。

せん断波トランスジューサ２１８は、超音波信号２２０を留め具２０６に送信する間、留め具２０６の端部（又はヘッド２０８）の周囲で動かすことができる。したがって、領域２２２（締まりばめによって発生する応力を受ける）が留め具内のどこに発生しても、せん断波トランスジューサ２１８は締まりばめによって発生する応力を検出することが期待される。さらに、締まりばめから発生する応力が留め具２０６内部で変動する場合、せん断波トランスジューサ２１８は変動の範囲をすべて検出することが期待される。実際に幾つかの状況では、留め具２０６の長手方向の中心から特定の距離を選択し、中心からその距離にせん断波トランスジューサを配置し、その半径方向の距離で留め具２０６の周囲で締まりばめを検出するため、留め具２０６のヘッド周辺でせん断波トランスジューサを一般的に円運動させることが有効であろう。

例えば、留め具２０６又は孔が真円でない場合には、シャンクの外周部分が受ける締まりばめは他の外周部分よりも多くなる又は少なくなることがありうる。このような変動の結果、読取値の範囲が所定の留め具２０６に対して得られることになる。ユーザーの要望に応じて、最小値、最大値、平均、又は範囲内の他の値を使用して、締まりばめの強度を決定することができる。例えば、範囲内の任意の場所が仕様を外れたはめ合いを示す場合には、留め具２０６は仕様逸脱と判断されることがある。このような状況では、留め具２０６は取り外し、再取り付け、（同一又は異なるサイズの別の留め具２０６との）交換などが可能である。

送信された超音波信号２２０が留め具２０６内を進むにつれて、応力が加わった領域２２２は送信された超音波信号２２０の一部を長手方向波にモード変換する。送信された超音波信号２２０のモード変換されていないせん断波成分及びモード変換された長手方向波成分は、せん断波トランスジューサ２１８が３０６で帰還超音波信号２２４を受信するとすぐに、せん断波トランスジューサ２１８に戻る。

３０８では、制御装置２２６は、帰還超音波信号２２４を留め具２０６と材料２０２及び２０４との間の締まりばめの強度と関連づける。例えば、幾つかの実施形態では、制御装置２２６は帰還超音波信号２２４のモード変換された長手方向波成分の振幅又はエネルギーを決定する。幾つかの実施形態では、制御装置２２６は帰還超音波信号２２４のモード変換されていないせん断波成分の振幅又はエネルギーを決定する。幾つかの実施形態では、制御装置２２６は二つの振幅又はエネルギー及び二つの振幅又はエネルギーの積及び比を決定する。追加的に、又は代替的に、制御装置２２６は長手方向波成分及び／又はせん断波成分を統合して、各コンポーネントで戻ったエネルギーの量を決定し、同じものを締まりばめの強度と関連づけることができる。その際、音響結合材料を使用すると、（送信超音波信号２２０及び／又は帰還超音波信号２２４の）せん断波を留め具２０６及びせん断波トランスデュース２１８と結合するのに有用な場合がある。

制御装置２２６が帰還超音波信号２２４からどちらの値を決定するとしても、制御装置２２６は値を留め具２０６と材料２０２及び２０４との間の締まりばめの強度に関連づける。こうすることによって、制御装置２２６は、留め具２０６の種類、留め具の長さ、留め具２０６の直径（又はその他の長さ）、留め具２０６にヘッド２０８があるかどうか、又（ヘッドがある場合には）留め具が有するヘッド２０８の種類、材料２０２及び２０４の種類、留め具２０６自体の材料、留め具２０６が材料２０２及び２０４の表面に対して（９０度以外の）角度で取り付けられているかどうか、など様々な要因を考慮することができる。例えば、留め具２０６がヘッド２０８を有する場合、ヘッド２０８に隣接する材料２０２と２０４の相互作用及びヘッド２０８によって、シャンク２１０及びヘッド２０８の領域が何らかの張力／圧縮応力を受けるようになることがある。この応力は送信された超音波信号２２０のモード変換に影響を及ぼすことがある。したがって、これらの要因及び締まりばめの強度に関連する実験で入手したデータを考察することにより、３０８で示したように、制御装置２２６は、留め具２０６と材料２０２と２０４によって受ける締まりばめの強度を決定することができる。

図４は本開示の実施形態により留め具の締まりばめを検証するように構成された別の装置の断面図である。システム４００は、図２のシステム２００で図解されているように、同様のハードウェア、ソフトウェアなどを含む。但し、本明細書に記載されているように、システム４００の一部のハードウェア、ソフトウェアなどの構成は、システム２００のものとは異なっている。

図４のシステム４００はＩＦＦプローブ２１６を取り付けるレール４０２を含む。レール４０２の長さ及び形状によって、例えば、限定しないが、図１の航空機１００の機体１０２、主翼組立品１０４、尾翼組立品１０６などの各種の加工対象物に取り付けられる留め具２０６の上に又は隣接してＩＦＦプローブ２１６を大まかに配置することができる。手動で方向が定められたせん断はトランスジューサ２１８でさえ、多数の応用で十分に正確かつ再現性のある結果を提供できることが明らかになっているが、幾つかの実施形態では、レール４０２は、留め具ヘッドの特定の位置でほぼ０度のせん断波を留め具２０６に送信するようにせん断波トランスジューサ２１８の方向を定めるように選択された機能を含む。引き続き図４を参照するに、レール４０２はまた、せん断波トランスジューサ２１８と留め具２０６の位置を揃えるためのバーニア測位器（図示せず）を含む。これらのバーニア測位器により、留め具２０６はせん断波トランスジューサ２１８と留め具２０６の位置を揃えることが可能で、送信された超音波信号２２０が留め具２０６内部を通り、締まりばめから圧縮応力が発生する領域２２２の表面に沿って進むようにすることができる。幾つかの実施形態では、プローブ２１６は、留め具２０６のヘッド２０８に結合し、それに応じてせん断波トランスジューサ２１８に位置が揃うように形状と大きさが変更されたアダプタを含む。一方、幾つかの実施形態では、せん断波トランスジューサ２１８と留め具２０６の位置を揃えるバーニア制御を提供するが、留め具２０６に隣接するせん断波トランスジューサ２１８の手動による配置でも多数の応用に対して満足のいく結果を生み出せることが明らかになっている。

それにもかかわらず、せん断波トランスジューサ２１８は留め具２０６の上に配置して、長手方向軸４１２（又は中心）に揃えることができる。幾つかの実施形態では、せん断波トランスジューサ２１８は大きさが設定されたリングトランスジューサで、せん断波トランスジューサ２１８のアクティブセルは、留め具２０６が受ける可能性のある締まりばめによる圧縮応力に曝される留め具２０６内の領域２２２に向かって通過するように大きさが設定されている。したがって、せん断波トランスジューサ２１８のアクティブ素子は、留め具２０６の長手方向軸４１２からｒの距離に配置することができる。幾つかの実施形態では、留め具２０６の表面、距離ｒ、及びせん断波トランスジューサ２１８のアクティブ素子の幾何学的配置が定義する留め具２０６内の環状カラムに、せん断波トランスジューサのアクティブ素子が揃うように距離ｒが選択される。

追加的に、又は代替的に、システム４００はレール４０２とＩＦＦプローブ２１６を操作可能に結合する動力組立品４０４を含む。図４で図解した動力組立品４０４は、ジャッキ、スプリング式アクチュエータ装置４０６、真空組立品（図８を参照）、又は留め具２０８（留め具２０６が材料で覆われている場合には材料２０２又は２０４）に対してせん断波トランスジューサ２１８を保持するその他の機構を含む。動力組立品４０４は又、ねじ４０８、レバー、又はトランスジューサ固定組立品４０６が留め具２０６に対してせん断波トランスジューサ２１８を保持する際の力を調整するトランスジューサ固定組立品４０６に動作可能に結合されるその他の機構を含むことができる。図４はまた、動力組立品４０４が、ロードセル４１０、定規、又はレール４０２とトランスジューサ固定組立品４０６との間に、ロードセル４１０が、トランスジューサ固定組立品４０６が留め具２０６に対してせん断波トランスジューサ２１８を保持する力を測定するように、動作可能に結合されるその他の力測定装置を含みうることを図解している。さらに、ネジ４０８とロードセル４１０は、制御装置２２６がネジ４０８（及びトランスジューサ固定組立品４０６）を制御し、ロードセル４１０によって検出されるにつれて、力を得ることができるように、制御装置２２６に連通するように結合される。したがって、幾つかの実施形態では、制御装置２２６はせん断波トランスジューサが留め具２０６に適用される力を制御する。

したがって、レール４０２と動力組立品４０４（又は、固定具４１４と共に）によって、せん断波トランスジューサ２１８と留め具２０６との位置調整を行い、選択された力で適用することができる。追加的に、又は代替的に、システム４００はギャップフィラー４１６の層、接着剤、又はせん断波トランスジューサ２１８と材料２０２及び２０４との間に塗布される他の音響結合材料を含む。その結果、せん断波トランスジューサ２１８は、留め具２０６に音響信号を効率的に、反復可能かつ正確に超音波信号を送信するため、留め具２０６に音響的に結合することができる。

図５は本開示の実施形態による留め具２０６の締まりばめを検証する別の方法５００のフロー図である。方法５００に向けて、音響結合材料４１４を一又は複数の留め具２０６に適用することができる。例えば、音響結合材料４１４の薄膜を、主翼組立品１０４上の一連の（又は一群の）留め具２０６に塗布することができる（図１を参照）。材料２０２又は２０４の一つが留め具２０６を覆っている場合には、音響結合材料を被覆材料２０２又は２０４に適用することができる。

幾つかの実施形態では、制御装置２２６はレール４０２に操作可能に結合された位置決め機構及びＩＦＦプローブ２１６を使用して、留め具２０６の一つの近傍にＩＦＦプローブ２１６を配置する。５０２を参照。レール４０２の幾つかの実施形態は、留め具２０６上にＩＦＦプローブ２１６を正確に配置するバーニア位置決め機構を含み、正確な締まりばめ測定値を提供するために選択された特定の位置に超音波せん断波を結合する。

５０４では、制御装置２２６はせん断波トランスジューサ２１８と留め具２０６との位置を揃える。より具体的には、せん断波トランスジューサ２１８のアクティブ素子が、留め具２０６と材料２０２及び２０４との間の締まりばめから発生する圧縮力に曝される領域２２２の方向を指すように、せん断波トランスジューサ２１８と留め具２０６の位置を揃えることができる。この位置揃えは、制御装置２２６及びレール４０２上の位置決め機構（バーニア又はその他）によって達成することができる。より具体的には、制御装置２２６は、留め具２０６との関係でＩＦＦプローブ２１６を正確に配置するため、航空機１００（図１を参照）に関連するＣＡＤ／ＣＡＭ（コンピュータ支援設計／コンピュータ支援製造）ファイルにアクセスすることができる。追加的に、又は代替的に、ＩＦＦプローブ２１６上のアダプタを全体的に又は部分的に使用することにより、位置揃えを実現することができる。このアダプタは留め具２０６のヘッドに結合し、それによってせん断波トランスジューサと位置を揃えるように形状と大きさを変えることができる。したがって、５０６では、せん断はトランスジューサのアクティブ素子は、留め具２０６の長さ方向及びその表面に沿って超音波信号２２０を送信するように、位置を揃えることができる。

５０６では、動力組立品４０４のトランスジューサ固定組立品４０６及びネジ４０８（又は図８の真空システム、スプリング式充填機構、又は他の装置）を制御して、特定の留め具２０６の構成に対応するように選択された力で、留め具２０６にせん断波トランスジューサ２１８を適用することができる。この力は音響結合材料４１４を広げ、せん断波トランスジューサ２１８と留め具２０６との間を埋め、これによってせん断波トランスジューサ２１８と留め具２０６との間の音響結合を実現する。

本明細書の他の部分で説明したように、留め具２０６と材料２０２及び２０４との間の締まりばめの強度が決定される。５０８を参照。例えば、超音波信号２２０は留め具２０６に送信することが可能で、留め具２０６の表面に沿って進み、留め具２０６が受ける締まりばめの強度に応じてモード変換される。したがって、５０８では、制御装置２２６は帰還超音波信号２２４を受信し、同信号を解析し、留め具２０６が受ける締まりばめの強度を決定する。

５１０では、せん断波トランスジューサを留め具２０６から取り外し、他の留め具２０６と材料２０２と２０４との間の締まりばめの強度を決定するため、別の留め具２０６の近傍に再配置することができる。

そうではなく配置が望ましい場合には、５１２で留め具２０６の検査を完了したものとみなすことができる。

図６Ａ〜６Ｈは、本開示の実施形態による任意の数のデータサンプルの締まりばめを図解するチャート６００Ａ〜６００Ｈを示している。チャート６００Ａ〜６００Ｈは、試験中に受信した波形のＩＦＦの強度に対して、反射した信号の長手方向成分とせん断波成分のエネルギー（ボルト−マイクロ秒）を示している。チャート６００Ａ〜６００Ｈは任意の数のデータサンプルを含み、それぞれ既知の締まりばめを有する。本開示の教示による方法及び装置の実施形態を使用して、各試験データサンプルに対して線形又は非線形勾配（ボルト−マイクロ秒／締まりばめ）が測定される。さらに、試験データサンプルの収集に使用したプローブ２１６は、一定の選択された力で留め具２０６に対してせん断波トランスジューサ２１８を保持するため、スプリング充填された。

回帰分析相関処理を使用して、波形特性と材料２０２及び２０４による締まりばめとの間に相関曲線を確立することができる。チャート６００Ａ〜６００Ｈによって図示されている測定値の各種類について、設計要件の範囲内の各締まりばめに対して閾値範囲を決定することができ、これによって図２のシステム２００及び図４のシステム４００を較正することができる。例えば、これらの相関は、経験的データ（又は試験データ）と測定された締まりばめ強度との関連づけを含むことができる。このような例では、任意の数の試験サンプルについて締まりばめの強度を知ることができる。送信された超音波信号２２０と帰還超音波信号２２４との間の変化を測定するため、本明細書に記載されている技術及び／又は装置を使用して、試験サンプルを分析することができる。測定された変化はプロットして、既知のサンプルに対応する締まりばめに関連づけること、又は相関させることができる。他の例では、シミュレーションデータを測定した応力と共に使用すること、又は解析式を経験的データ及び／又はシミュレーションデータから導くことができる。追加的に、又は代替的に、信号解析の測定値を対応する締まりばめに変換するため、参照テーブルを作成することができる。

留め具の材料は種類ごとに、観測された応力と締まりばめとの間に独自の相関関係を有する。例えば、強化複合材料は第１の関連参照テーブル（又は解析式など）を有することが可能で、一方、金属材料は第２の関連参照テーブルを有することができる。さらに、強化複合材料の種々の変形は、単一の解析による締まりばめとの対応を確立する独自の参照テーブルを含むことができる。同様に、材料２０２及び２０４と各種留め具２０６の種類及びサイズとの相関関係を確立して、本明細書で開示している解析の結果を改善することができる。

留め具２０６を試験するため、閾値範囲が確立されると、上述の相関プロセスは反転されることがある。したがって、相関が不明な帰還超音波信号２２４による既知の締まりばめの試験の代わりに、このプロセスは、相関が既知の帰還超音波信号２２４を使用して行う未知の締まりばめの試験を含むことができる。

データサンプルを収集するために使用した実験システムでは、超音波パルス受信機２３０として、Ｒｉｔｅｃ ＲＰＲ−４０００高出力トーンバーストパルス／レシーバーを使用した。さらに、振幅５００ボルトの波形で超音波パルス受信機２３０を駆動するため、動的波形発生器２２８を設定した。動的波形発生器２２８は１００ボルト（又、場合によっては５０ボルト）の信号で超音波パルス受信機２３０を駆動することができ、制御装置２２６によって意味のある結果が得られることも明らかになった。実験システムは、制御装置２２６としてＰｉｃｏＳｃｏｐｅ ６ソフトウェア及びＬａｂＶｉｅｗバージョン８．０ソフトウェア（ＭａｔＬａｂ機能付き）で構成されたＤｅｌｌ ６３０ラップトップコンピュータを使用した。さらに、Ｄｅｌｌ ６３０コンピュータには、Ｐｉｃｏ Ｓｃｏｐｅ ｍｏｄｅｌ ５０２４ ＵＳＢデジタルオシロスコープを追加した。実験システムは、Ｏｌｙｍｐｕｓ, ＮＤＴ／Ｐａｎａｍｅｔｒｉｃ Ｍｏｄｅｌ Ｎｏｓ. Ｖ−１５５ＲＭ並びにＶ−１５６ＲＭ及びＴｅｃｈｎｉｃｓｏｎｉｃ ５ＭＨｚせん断波トランスジューサ２１８と共に使用した。

引き続き図６Ａ〜６Ｈを参照すると、チャート６００Ａ〜６００Ｈは以下の種類の実験データ（又は結果）を示している。
チャート６００Ａ：帰還超音波信号２２４の長手方向波成分の最大エネルギー
チャート６００Ｂ：帰還超音波信号２２４のせん断波成分の最大エネルギー
チャート６００Ｃ：帰還超音波信号２２４の長手方向波成分とせん断波成分の最大エネルギーのドット積
チャート６００Ｄ：帰還超音波信号２２４の長手方向波成分とせん断波成分の最大エネルギーの比
チャート６００Ｅ：帰還超音波信号２２４の長手方向波成分の最小エネルギー
チャート６００Ｆ：帰還超音波信号２２４のせん断波成分の最小エネルギー
チャート６００Ｇ：帰還超音波信号２２４の長手方向波成分とせん断波成分の最小エネルギーのドット積
チャート６００Ｈ：帰還超音波信号２２４の長手方向波成分とせん断波成分の最小エネルギーの比

チャート６００Ａ〜Ｈは帰還超音波信号２２４の長手方向波成分とせん断波成分のエネルギー（チャート６００Ａ、Ｂ、Ｅ及びＦ）及びこれらの値の比率よりも締まりばめの強度との相関関係をより良く示すこれらのドット積（チャート６００Ｃ及びＧ）を図解したものである。したがって、幾つかの実施形態では、帰還超音波信号２２４の長手方向波成分とせん断波成分のエネルギー及び／又はこれらのドット積は、各種留め具２０６と留め具孔２１４との間の締まりばめの強度を決定するために使用される。さらに、各種の締まりばめの強度は留め具２０６を取り外すことなく決定することができる。したがって、留め具取り付けの検証は、より迅速かつ効率的に、従来可能であったよりも高い正確性と精度で実施することができる。

図７は締まりばめの範囲内にわたり特定の小型の留め具２０６について収集した実験データ（帰還超音波信号２２４の長手方向波成分とせん断波成分の比率）のチャート７００を図解したものである。このチャートは、各データポイントで長手方向波とせん断波のエネルギー（せん断波トランスジューサ２１８を留め具２０６のヘッド２０８の周囲で動かしながら検出した）の最大比及び最小比を示している。チャート７００はまた、試験を行った既知の締まりばめの各々について平均の比率を示している。締まりばめ（Ｘ軸方向の値）は、留め具２０６のシャンク２１０と留め具孔２１４との間のはめ合い部の直径の差を示している。０．００１インチの正の締まりばめと０．０００５インチの負の締まりばめ（最右端から２つのデータポイント）の試験設定は、検討を行っている特定の留め具２０６に対しては許容誤差範囲外にあったことに注意することが有用であろう。図７で示しているように、最小二乗適合、回帰法などをデータに適用して、振幅比と締まりばめの強度との線形又は非線形関係７０２を決定することができる。図７で図解されている比率は一般に線形関係を実証しており、又許容誤差範囲外の２つのデータポイントは一般に他のデータポイントの下になる比率を有しているため、チャート７００はまた、帰還超音波信号２２４の長手方向波成分とせん断波成分との間の比率を少なくとも幾つかの状況で使用して、留め具２０６及び留め具孔２１４が十分な締まりばめを提供できるか否かを判断できることを示している。

さらに、ボーイング７８７主翼ボックスの試験設定に基づいて実施したデモンストレーションの結果は以下のデータとなった。

表１：ボーイング７８７主翼ボックス試験データ

したがって、表１はまた、帰還超音波信号２２４の長手方向波成分とせん断波成分の比率を使用して、留め具２０６が取り付けられる留め具孔２１４との締まりばめを実現できるか否かを判断できることを示している。

図８は本開示の実施形態による留め具締まりばめ（ＩＦＦ）プローブ８００を示す模式図である。ＩＦＦプローブ８００は、一又は複数のせん断波トランスジューサ２１８、及び三叉の真空カップ８０４に固定された関係にあるせん断波トランスジューサ２１８を保持するフレーム８０２を含む。真空が真空カップに適用される際に、真空圧、大気圧、及び真空カップ８０４の有効表面積によって決定される力で、プローブ８００がせん断波トランスジューサを留め具２０６とは反対の方向に引くように、真空カップ８０４は真空ポンプ８０６及び制御バルブ（図示せず）と連通している。幾つかの実施形態では、制御装置２２６は圧力トランスジューサ８０８と通信を行い、真空ポンプ及び関連する制御バルブを制御して、せん断波トランスジューサ２１８が留め具２０６に適用される際の力を決定する。

上述のように、本開示の好適かつ代替可能な実施形態は図解され説明されているが、本開示の精神及び範囲を逸脱することなく、多くの変更を行うことができる。したがって、本開示の範囲はこれらの好適かつ代替可能な実施形態によって限定されることはない。むしろ、本開示は以下の特許請求の範囲を参照して全体的に決定されるべきである。

Claims (11)

1. 留め具が締まりばめを受けるとき応力に曝される留め具の領域を介してせん断波超音波信号を送信し、該送信された超音波信号が、前記領域を通過する結果、前記留め具が受ける締まりばめの強度に対応してモード変換されるステップと、
   前記留め具から帰還超音波信号を受信するステップと、
   前記帰還超音波信号に基づいて、前記留め具が受ける締まりばめの強度を決定するステップと、
   前記締まりばめの強度を示す値を出力するステップと
   を含む方法。
2. 前記締まりばめが前記留め具と複合材料との間で行われる、請求項１に記載の方法。
3. 前記帰還信号が前記留め具のシャンクの端面から反射する、請求項１に記載の方法。
4. 前記締まりばめ強度を示す値が使用継続／中止の指示である、請求項１に記載の方法。
5. 前記決定が前記帰還超音波信号の長手方向波成分のエネルギーとせん断波成分のエネルギーとの比較をさらに含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記せん断波超音波信号を、トランスジューサによってせん断波伝搬ジェルカプラント接触面を介して送信し、本方法が、さらに、前記超音波信号の送信及び受信の間に、前記トランスジューサを前記留め具に選択された力で適用するステップを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記せん断波超音波信号をトランスジューサによって送信し、本方法が、さらに、前記超音波トランスジューサと前記留め具とを位置調整するステップを含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記位置調整するステップが、さらに、前記留め具の構成に基づいて前記超音波トランスジューサと前記留め具とを位置調整することを含む、請求項７に記載の方法。
9. さらに、前記留め具の異なる領域を介して別のせん断波超音波信号を送信するステップと、前記留め具が受ける別の締まりばめの強度を決定するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
10. 超音波トランスジューサと、
    前記トランスジューサと通信を行うプロセッサと、
    前記プロセッサと通信を行い、コンピュータで読み込み可能な指令を保存するメモリであって、前記指令を前記プロセッサで実行すると、前記プロセッサが、
    前記超音波トランスジューサを介してせん断波超音波信号を送信するステップであって、前記超音波トランスジューサがせん断波伝搬ジェルカプラントの接触面を介して留め具と位置調整されると、前記超音波トランスジューサが、前記留め具が締まりばめを受けるとき応力に曝される留め具の領域を介して、せん断波超音波信号を送信するステップと、
    前記超音波トランスジューサが前記留め具と位置調整されると、前記超音波トランスジューサを介して前記留め具から帰還超音波信号を受信するステップであって、前記帰還超音波信号が、応力に曝されている領域を通過する際に、前記留め具が受けている締まりばめの強度に応じてモード変換を受けるステップと、
    前記帰還超音波信号の前記モード変換に基づいて、前記留め具が受けている締まりばめの強度を決定するステップと、
    前記締まりばめの強度を示す値を出力するステップと
    を含む動作を実施する、メモリと
    を備えたシステム。
11. コンピュータで読み込み可能な指令を保存するコンピュータで読み込み可能な記憶媒体であって、前記指令を前記プロセッサで実行すると、前記プロセッサが、
    超音波トランスジューサを介してせん断波超音波信号を送信するステップであって、前記超音波トランスジューサが留め具と位置調整されると、前記超音波トランスジューサが、前記留め具が締まりばめを受けるときに締め具が応力に曝される領域を介して、前記せん断波超音波信号を送信するステップと、
    前記超音波トランスジューサが前記留め具と位置調整されると、前記超音波トランスジューサを介して、前記留め具から帰還超音波信号を受信するステップであって、前記帰還超音波信号が、応力に曝されている領域を通過する際に、前記留め具が受けている締まりばめの強度に応じてモード変換を受けるステップと、
    前記帰還超音波信号の前記モード変換に基づいて、前記留め具が受けている締まりばめの強度を決定するステップと、
    前記締まりばめの前記強度を示す値を出力するステップと
    を含む動作を実施する、コンピュータで読み込み可能な記憶媒体。

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