JP2017156134A - 超音波検査システム、超音波検査方法及び航空機構造体 - Google Patents

超音波検査システム、超音波検査方法及び航空機構造体 Download PDF

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Abstract

【課題】超音波検査法において、超音波の受信センサの受信指向性及び超音波の受信センサを配置するためのスペースによる制約を受けることなく、より高精度に超音波を検出できるようにすることである。
【解決手段】実施形態に係る超音波検査システムは、超音波伝播体及び光ファイバセンサを備える。超音波伝播体は、被検査対象を伝播する超音波の進行方向を変化させる。光ファイバセンサは、前記超音波伝播体によって前記進行方向が変化した前記超音波を検出する。
【選択図】 図1

Description

本発明の実施形態は、超音波検査システム、超音波検査方法及び航空機構造体に関する。
従来、航空機等の構造部材を非破壊で検査する方法として超音波検査法が知られている。また、超音波検査を行うためのセンサとして、ファイバ・ブラッグ・グレーティング(FBG: Fiber Bragg Grating)センサを用いる技術も知られている(例えば特許文献1及び特許文献2参照)。FBGセンサを超音波の受信用のセンサとして用いれば、超音波振動子をセンサとして用いる場合に比べて超音波の検出精度を向上させることができる。
特開2005−257289号公報 特開2006−132952号公報
しかしながら、FBGセンサには受信指向性がある。すなわち、FBGセンサでは、概ねファイバの長手方向に向かって進行する超音波しか受信することができない。このため、FBGセンサを超音波の受信用のセンサとして用いる場合には、FBGセンサの長手方向に対して垂直な方向から伝播してくる超音波はもちろん、一定以上の角度で傾斜する方向から伝播してくる超音波についても高精度に受信することが困難である。
従って、多数のFBGセンサを配置することが困難な場合やFBGセンサを配置するためのスペースを確保することが困難である場合には、FBGセンサを用いた超音波の検出ができなくなるという問題がある。逆に、FBGセンサを配置したとしても、限られた範囲における超音波しか検出することができない。
特に、超音波検査の対象が外板(パネル)(スキンとも言う)に桁(スパー)、小骨(リブ)及び縦通材(ストリンガ)等の補強材を取付けた航空機構造体である場合には、多数の補強材やケーブル類との干渉によってFBGセンサを配置するためのスペースを確保することが困難となる場合がある。
そこで、本発明は、超音波検査法において、超音波の受信センサの受信指向性及び超音波の受信センサを配置するためのスペースによる制約を受けることなく、より高精度に超音波を検出できるようにすることを目的とする。
本発明の実施形態に係る超音波検査システムは、超音波伝播体及び光ファイバセンサを備える。超音波伝播体は、被検査対象を伝播する超音波の進行方向を変化させる。光ファイバセンサは、前記超音波伝播体によって前記進行方向が変化した前記超音波を検出する。
また、本発明の実施形態に係る航空機構造体は、上述した超音波検査システムを取付けたものである。
また、本発明の実施形態に係る超音波検査方法は、被検査対象に超音波伝播体を設けることによって前記被検査対象を伝播する超音波の進行方向を変化させるステップと、前記超音波伝播体によって前記進行方向が変化した前記超音波を光ファイバセンサで検出するステップとを有する。
また、本発明の実施形態に係る超音波検査方法は、被検査対象の表面に、長さ方向が平行とならない向きで光ファイバセンサを配置するステップと、前記被検査対象を伝播する超音波を前記光ファイバセンサで検出するステップとを有する。
本発明の第1の実施形態に係る超音波検査システムの構成図。 図1に示す超音波検査システムの主要な構成要素の上面図。 被検査対象の表面に長さ方向が平行となるように従来の方法でFBGセンサを設置し、被検査対象をFBGセンサの長さ方向に伝播するラム波をFBGセンサで検出して得られた検出信号を示すグラフ。 被検査対象の表面に長さ方向が平行となるように従来の方法でFBGセンサを設置し、被検査対象をFBGセンサの長さ方向に垂直な方向に伝播するラム波をFBGセンサで検出して得られた検出信号を示すグラフ。 被検査対象の表面に長さ方向が垂直となるようにFBGセンサを配置し、被検査対象を第1の方向に伝播するラム波をFBGセンサで検出して得られた検出信号を示すグラフ。 被検査対象の表面に長さ方向が垂直となるようにFBGセンサを配置し、被検査対象を第1の方向に垂直な第2の方向に伝播するラム波をFBGセンサで検出して得られた検出信号を示すグラフ。 本発明の第1の実施形態に係る超音波検査システムにおける超音波伝播体の別の構造例を示す縦断面図。 図7に示す超音波伝播体の構造を示す上面図。 本発明の第1の実施形態に係る超音波検査システムにおける超音波伝播体の更に別の構造例を示す縦断面図。 図9に示す超音波伝播体の構造を示す上面図。 本発明の第2の実施形態に係る超音波検査システムに備えられる光ファイバセンサ及び超音波伝播体の構成を示す縦断面図。 図11に示す超音波検査システムの光ファイバセンサ及び超音波誘導体の上面図。 本発明の第3の実施形態に係る超音波検査システムの特徴を表す主要な構成要素の構成を示す正面図。 図13に示す超音波検査システムの主要な構成要素の上面図。 第3の実施形態に係る超音波検査システムにおける超音波伝播体の別の構造例を示す縦断面図。 図15に示す超音波伝播体の構造を示す上面図。 本発明の第3の実施形態に係る超音波検査システムにおける超音波伝播体の更に別の構造例を示す縦断面図。 図17に示す超音波伝播体の構造を示す上面図。 本発明の第4の実施形態に係る超音波検査システムの特徴を表す主要な構成要素の構成図。
本発明の実施形態に係る超音波検査システム、超音波検査方法及び航空機構造体について添付図面を参照して説明する。
(第1の実施形態)
(構成及び機能)
図1は本発明の第1の実施形態に係る超音波検査システムの構成図であり、図2は図1に示す超音波検査システムの主要な構成要素の上面図である。
超音波検査システム1は、超音波を利用して被検査対象Oの非破壊検査を行うためのシステムである。被検査対象Oの例としては、航空機の他、鉄道、宇宙機、自動車、船舶、風車のブレード等の移動体を構成する構造体が挙げられる。もちろん、建築物を被検査対象Oとしてもよい。
特に、高い安全性が要求される航空機構造体に対しては、定期的に損傷の有無の検査を行うことが重要である。そこで、超音波検査システム1を部品として取付けた航空機構造体を製作することもできる。すなわち、超音波検査システム1を航空機構造体に常時取付けて、超音波検査システム1で航空機構造体における損傷等の欠陥の有無を定期的に検査できようにすることができる。その場合には、被検査対象Oは、航空機構造体を構成する部品となる。航空機構造体では、特に、ファスナや接着剤で接合された部品同士の接着部分における剥がれを検出することが重要である。
例えば、パネルにスパー、リブ、ストリンガ等の補強材を取付けた翼構造体が被検査対象Oであれば、パネル自体やパネルと補強材との接合部分を損傷や剥がれ等の欠陥の有無の検出対象とすることができる。図示された例では、ストリンガO1を取付けたパネルO2が被検査対象Oとなっている。
被検査対象OがストリンガO1を取付けたパネルO2等の航空機構造体である場合には、被検査対象Oの材質は、ガラス繊維強化プラスチック(GFRP: Glass fiber reinforced plastics)や炭素繊維強化プラスチック(CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastics)等の複合材或いはアルミニウムやマグネシウム等の金属となる。
超音波検査システム1は、制御系2、アクチュエータ3、超音波伝播体4、光ファイバセンサ5及び信号処理系6で構成することができる。
制御系2は、アクチュエータ3を制御することによって、アクチュエータ3から超音波を発振させるための回路である。制御系2のうちデジタル情報を処理する構成要素は、コンピュータで構成することができる。また、ユーザが手動で必要な操作を行うことができるように、制御系2には、入力装置2Aを接続することができる。
アクチュエータ3は、被検査対象O及び超音波伝播体4に向けて超音波を発振する超音波振動子である。すなわち、アクチュエータ3は、制御系2から出力された制御信号を超音波に変換して送信する圧電セラミックス等の圧電素子である。アクチュエータ3の配置及び数は、検査エリアに応じて任意に決定することができる。図示された例では、ストリンガO1を取付けたパネルO2の検査エリアを囲むように4つのアクチュエータ3が配置されている。
超音波伝播体4は、被検査対象Oを伝播する超音波を検出するためのセンサとして用いられる光ファイバセンサ5を間接的に被検査対象Oの表面に取付けるための取付部品である。特に、超音波伝播体4は、被検査対象Oを伝播する超音波の進行方向を変化させることが可能な構造を有している。このため、超音波伝播体4は、超音波を伝播させる媒体としての役割を兼ねている。
光ファイバセンサ5は、被検査対象Oを伝播する超音波を検出するためのセンサである。光ファイバセンサ5は、超音波伝播体4を介して間接的に被検査対象Oの表面に取付けられる。従って、光ファイバセンサ5では、超音波伝播体4によって進行方向が変化した超音波が検出される。
光ファイバセンサ5では、被検査対象Oの内部に存在する欠陥を検出するためのアルゴリズムに応じて、欠陥を透過した超音波及び欠陥において反射した超音波の少なくとも一方を検出するようにすることができる。すなわち、欠陥を透過した超音波透過波及び欠陥で反射した超音波反射波の一方又は双方を光ファイバセンサ5で検出することができる。
このため、光ファイバセンサ5は、被検査対象Oを伝播する検査エリアからの超音波透過波及び超音波反射波の一方又は双方を検出することが可能な位置に配置される。図示された例では、4つのアクチュエータ3で囲まれた検査エリアの中央に光ファイバセンサ5が配置されている。
光ファイバセンサ5の代表例としては、FBGセンサの他、位相シフトFBG(PS−FBG: Phase−shifted FBG)センサが挙げられる。FBGセンサは、被検査対象Oを伝播する振動によって生じる歪の変化によって変動するFBGの光透過特性又は光反射特性の変化を光信号として検出することによって超音波を検出するセンサである。一方、PS−FBGは、屈折率の周期的な変動に局所的な位相シフトを導入したFBGである。このため、PS−FBGセンサを用いると、FBGセンサを用いる場合に比べて飛躍的に超音波の検出感度を向上させることができる。
FBGセンサ及びPS−FBGセンサ等の光ファイバセンサ5では、ファイバの長さ方向における微小な伸縮による光学特性の変化によって超音波振動による歪の変化が光信号として検出される。従って、光ファイバセンサ5の長さ方向に進行する超音波を良好な精度で検出することは可能であるが、光ファイバセンサ5の長さ方向に対して垂直な方向に進行する超音波を良好な精度で検出することは困難である。すなわち、光ファイバセンサ5は、受信指向性を有する。このため、光ファイバセンサ5を用いて超音波を検出するためには、光ファイバセンサ5の光学特性の変化方向である長さ方向を、超音波の伝播方向にできるだけ近付けることが超音波の検出精度の向上に繋がる。
仮に光ファイバセンサ5を被検査対象Oの表面に従来の方法で接着剤等で貼付けると、光ファイバセンサ5の長さ方向は、被検査対象Oの表面に平行となる。従って、光ファイバセンサ5を用いて超音波を検出することが可能なエリアは、光ファイバセンサ5の長さ方向を中心に所定の角度で広がる概ね扇形のエリアとなる。
これに対して、超音波伝播体4を介してファイバセンサ5を被検査対象Oに間接的に取付けるようにすれば、光ファイバセンサ5の長さ方向が被検査対象Oの表面に平行とならない向きで光ファイバセンサ5を被検査対象Oに取付けることが可能となる。換言すれば、被検査対象Oを伝播する超音波が、光ファイバセンサ5の長さ方向に伝播しない超音波であっても、超音波伝播体4の構造を適切な構造とすることによって、超音波の進行方向を光ファイバセンサ5の長さ方向に変化させることができる。
このため、光ファイバセンサ5の設置スペースの確保が困難な場合において、光ファイバセンサ5の長さ方向を任意の向きにして配置することができる。すなわち、受信指向性を有する光ファイバセンサ5の向きについての自由度を得ることが可能となる。
特に、光ファイバセンサ5の長さ方向を被検査対象Oの表面に対して垂直となるように配置することが可能となる。この場合、超音波伝播体4の構造を適切な構造とすることによって、光ファイバセンサ5に向かって全ての方向から進行してくる超音波を1本の光ファイバセンサ5で検出することが可能となる。すなわち、光ファイバセンサ5に向かって複数の方向から被検査対象Oを伝播してくる超音波の進行方向を、超音波伝播体4によって光ファイバセンサ5の受信指向性に応じた同一の方向に変化させることができる。
光ファイバセンサ5によって超音波の検出信号として得られる光信号の信号対雑音比(SNR:signal−to−noise ratio)及び精度を向上させる観点から特に好適な超音波としては、ラム(Lamb)波が挙げられる。ラム波は、超音波の波長の半分以下の薄板を伝播する波である。従って、アクチュエータ3からは、ラム波を送信することが好適である。
一方、光ファイバセンサ5でも被検査対象Oを伝播してくるラム波の特性が維持された状態で超音波を検出できるようにすることが重要である。そのためには、超音波伝播体4の構造を、被検査対象Oを伝播してくるラム波の特性が維持された状態で超音波による振動を被検査対象Oから光ファイバセンサ5に伝播させることが可能な構造とすることが必要である。ラム波が波長に対して相対的に板厚が厚いブロック状の媒体を伝播すると、ラム波の特性が失われてしまう。
そこで、図示されるように、超音波伝播体4を、被検査対象Oを伝播するラム波の進行方向を変化させるための薄板7で構成することができる。特に、薄板7の厚さをラム波の波長の1/2以下とすれば、ラム波の状態で超音波を薄板7に導くことができる。これにより、光ファイバセンサ5においても、薄板7で進行方向が変化したラム波を検出することが可能となる。具体例として、周波数が100kHzのラム波であれば波長が15mm程度となる。このため、薄板7の板厚を6mmから7mm程度とすればよい。
但し、薄板7の厚さをラム波の波長の1/2よりも厚くしても、ラム波の特性がある程度維持された状態で超音波を薄板7に導くことができる。すなわち、薄板7の厚さがラム波の波長の1/2よりも厚くなる程、超音波の波形の変化量が大きくなるため、光ファイバセンサ5による超音波の検出精度が低下するという関係がある。
一方、薄板7の強度を確保するために薄板7の厚さをラム波の波長の1/2よりも厚くすることが必要となる場合もある。従って、光ファイバセンサ5による超音波の検出精度が確保できる範囲内であれば、薄板7の厚さをラム波の波長の1/2よりも厚くしてもよい。つまり、薄板7の厚さを、薄板7に要求される強度及び光ファイバセンサ5による超音波の検出精度に基づいて、双方の条件を満たすように決定することができる。具体的には、薄板7の厚さが、光ファイバセンサ5による超音波の検出精度を維持するために必要な厚さよりも薄く、強度を確保するために必要な厚さよりも厚くなるように決定することができる。
薄板7の材質は、ラム波を伝播させることが可能であれば任意である。具体例として、アルミニウム、チタン、マグネシウム又は鉄等の金属或いは複合材で薄板7を構成することができる。
超音波伝播体4を薄板7で構成する場合において、特に、図示されるように被検査対象O側から光ファイバセンサ5側に向かって内径及び外径が次第に小さくなる円筒状の薄板7で超音波伝播体4を構成すれば、360度方向から超音波伝播体4に向かって被検査対象Oを伝播してくるラム波の進行方向を変化させることが可能となる。
また、光ファイバセンサ5側における円筒状の薄板7の外径及び内径を一定とし、かつ円筒状の薄板7の中心軸を被検査対象Oの表面に対して垂直にすれば、ラム波の進行方向を被検査対象Oの表面に対して垂直な方向に変化させることが可能となる。これにより、光ファイバセンサ5の長さ方向を被検査対象Oの表面に対して垂直に配置した状態で、被検査対象Oを伝播してくるラム波の進行方向を光ファイバセンサ5の長さ方向に変化させることができる。
より好適な具体例として、超音波伝播体4の構造を、縦断面が滑らかに湾曲した曲線となるエッジの無いロートを上下逆向きにした構造とすることができる。つまり、超音波伝播体4の構造をシームレスな構造とすることができる。この場合、超音波伝播体4の被検査対象O側における端部が、できるだけ被検査対象Oの表面に接するような構造とすれば、超音波伝播体4の内部のみならず、被検査対象Oの表面と超音波伝播体4との間においてもエッジ、すなわち曲率が不連続に変化する部分が形成されることを回避することができる。このため、光ファイバセンサ5に向かって伝播するラム波の減衰量を低減させることができる。
図示されるように超音波伝播体4の構造を逆向きのロート状にする場合、光ファイバセンサ5を、円筒状の薄板7の内径が小さい側における内部に配置することがラム波による薄板7の振動を光ファイバセンサ5に適切な向きで伝播する観点から現実的である。換言すれば、円筒状の薄板7の内径が小さい側における開口端を、光ファイバセンサ5を挿入するための挿入口とすることが、どの方向から伝播してくるラム波であっても確実に光ファイバセンサ5で検出できるようにする観点から実用的である。
その場合、光ファイバセンサ5は、円筒状の薄板7の内面にラム波の媒体8を介して固定されることになる。すなわち、光ファイバセンサ5は媒体8を介して薄板7と間接的に接触する。光ファイバセンサ5を薄板7に固定するための媒体8としては汎用の接着剤を用いることができる。或いは、はんだを媒体8としてもよい。但し、はんだ付けで光ファイバセンサ5を薄板7に固定する場合には、光ファイバセンサ5の品質を維持できる温度で溶融する低温はんだを使用することが適切である。
他の例として、媒体8を円柱状で剛体のプラスチック等の樹脂で構成することもできる。その場合には、樹脂よりも強度が大きいステンレス等の材料で構成される補強チューブで光ファイバセンサ5を保護し、補強チューブで保護された光ファイバセンサ5をプラスチック等の剛体の媒体8に突き刺す方法によって光ファイバセンサ5を超音波伝播体4に固定することができる。
尚、市販のテープで光ファイバセンサ5を薄板7に貼付けても薄板7を伝播するラム波等の超音波を光ファイバセンサ5で検出できることが試験によって確認されている。従って、超音波伝播体4にテープで光ファイバセンサ5を貼付けるようにしてもよい。例えば、超音波伝播体4が図示されるような逆向きのロート状の薄板7であれば、薄板7の先端の内側に光ファイバセンサ5を直接接触させた状態でテープで薄板7に貼付けるようにしてもよい。
信号処理系6は、光ファイバセンサ5により検出された超音波の検出信号に基づいて被検査対象Oに生じ得る欠陥を検出するための回路である。そのために、信号処理系6には、超音波の検出信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するA/D(analog−to−digital)変換処理の他、ノイズ除去処理、アベレージング処理、包絡線検波処理、ピーク検出処理及び閾値処理等の欠陥検出に必要な信号処理を行う機能が設けられる。また、信号処理系6は、超音波の送信タイミングやアクチュエータ3の識別情報等の信号処理に必要な情報を、制御系2から取得する機能を有している。
信号処理系6のうちデジタル情報を処理する構成要素は、コンピュータで構成することができる。また、欠陥の有無や位置等のユーザに必要な情報を表示させることができるように、信号処理系6には、表示装置6Aを接続することができる。
欠陥の例としては、部品の内部における亀裂や部品同士の接着部分又は接合部分における損傷や剥がれが挙げられる。また、上述したように、被検査対象Oの検査対象エリアを透過した超音波の検出信号に基づいて欠陥の検出を行っても良いし、被検査対象Oの検査対象エリアで反射した超音波の検出信号に基づいて欠陥の検出を行っても良い。
例えば、ある1つのアクチュエータ3からラム波等の超音波を発振することができる。アクチュエータ3と超音波伝播体4との間に欠陥が存在する場合には、欠陥を透過した超音波の波形が変化することになる。すなわち、アクチュエータ3と超音波伝播体4との間に欠陥が存在する場合には、アクチュエータ3から送信された超音波の波形が、欠陥が存在しない場合における超音波の波形から変化することになる。波形が変化した超音波の一部は、超音波伝播体4を伝播して光ファイバセンサ5側に導かれる。そして、欠陥を透過した超音波透過波の波形を光ファイバセンサ5で検出することができる。
このため、予めアクチュエータ3と超音波伝播体4との間に欠陥が存在しない場合における超音波の波形を基準波形として信号処理系6に記録しておき、実際に光ファイバセンサ5で検出された超音波の波形と、基準波形との比較処理を行うことによって欠陥の有無を判定することができる。
超音波の検出波形と、基準波形との比較処理は、例えば、波形のピーク位置のシフト量が閾値を超えたか否かを判定する閾値処理や検出波形と基準波形との間における最小2乗誤差や相互相関係数等の乖離量の指標値が閾値を超えたか否かを判定する閾値処理とすることができる。すなわち、所望の指標に対する閾値処理によって、超音波の検出波形が基準波形から変化したと判定される場合に超音波の伝播経路上に欠陥が存在すると判定することができる。尚、波形の比較に先だって、ノイズ除去のためのフィルタ処理、アベレージング処理、包絡線検波処理等の信号処理を波形信号に対して施すことが精度向上の観点から現実的である。
一方、アクチュエータ3から送信され、超音波伝播体4の下を通過して被検査対象Oを伝播する超音波が欠陥により反射すると、欠陥からの超音波反射波の一部が超音波伝播体4を伝播して光ファイバセンサ5側に導かれる。そして、欠陥で反射した超音波反射波の波形を光ファイバセンサ5で検出することができる。このため、超音波反射波についても、超音波透過波と同様に、欠陥が存在しない場合における基準波形と、実際に検出された波形との比較によって欠陥の有無を検出することができる。
欠陥で超音波が反射した場合には、本来存在しないピークが超音波反射波の波形に出現することになる。このため、超音波反射波を欠陥の検出に用いる場合には、被検査対象O中における音速と、アクチュエータ3における超音波の発振タイミングから光ファイバセンサ5での超音波のピークの検出タイミングまでの時間とに基づいて、欠陥の位置を特定することもできる。
従って、図示されるように光ファイバセンサ5を取付けた超音波伝播体4を挟んで複数のアクチュエータ3を配置し、複数のアクチュエータ3から順次ラム波等の超音波を発振すれば、どのアクチュエータ3と超音波伝播体4との間に欠陥が存在するのかを検出することができる。また、どのアクチュエータ3間に欠陥が存在するのかを検出することもできる。更に、欠陥からの超音波反射波を検出すれば、超音波反射波のピーク時刻に基づいて欠陥の概略位置を検出することもできる。
このような信号処理系6における欠陥の有無や位置の検出結果は、表示装置6Aに表示させてユーザに通知することができる。
(動作及び作用)
次に超音波検査システム1を用いた被検査対象Oの超音波検査方法について説明する。
まず、航空機構造体等の被検査対象Oの表面に、アクチュエータ3及び光ファイバセンサ5が取付けられる。光ファイバセンサ5については、図示されるような薄板7等の超音波の伝播方向を変化させることが可能な構造を有する超音波伝播体4を取付け部材として被検査対象Oの表面に取付けられる。
このため、被検査対象Oを伝播する超音波を検出することが可能であり、かつ被検査対象Oの表面に長さ方向が平行とならない向きで光ファイバセンサ5を配置することができる。好適には、被検査対象Oの表面に、長さ方向が垂直となるように光ファイバセンサ5を配置することができる。換言すれば、光ファイバセンサ5を所望の向きで配置できるように、被検査対象Oに超音波の一部の進行方向を変化させて光ファイバセンサ5に導くための超音波伝播体4を設けることができる。
一方、アクチュエータ3は、被検査対象Oの検査エリアを透過した超音波或いは検査エリアに生じ得る欠陥で反射した超音波を光ファイバセンサ5で検出することが可能となるように超音波を発振できる位置に配置される。例えば、図示されるように検査エリア及び光ファイバセンサ5を囲むように複数のアクチュエータ3を配置することができる。複数のアクチュエータ3及び光ファイバセンサ5は、定期的に航空機構造体等の被検査対象Oの超音波検査を行うことができるように、被検査対象Oの部品として常時取付けるようにしてもよい。
被検査対象Oの超音波検査を行う場合には、入力装置2Aの操作によって、超音波を発振させるアクチュエータ3が選択される。尚、予め超音波を発振するアクチュエータ3の順序をプリセットしておき、入力装置2Aの操作によって複数のアクチュエータ3からの超音波の断続的な発振を開始するようにしてもよい。
アクチュエータ3から超音波が発振されると、発振された超音波は、被検査対象Oの検査エリアを伝播する。被検査対象Oを伝播する超音波が、被検査対象Oに設置された超音波伝播体4に到達すると、被検査対象Oを伝播する超音波の一部が超音波伝播体4を伝播する。一方、被検査対象Oに設置された超音波伝播体4を通過した超音波であっても、被検査対象Oの内部に欠陥が存在する場合には、欠陥で反射して戻ってくる超音波反射波の一部が超音波伝播体4を伝播する。
超音波伝播体4を構成する薄板7等の構造は、超音波の進行方向を変化させることが可能な構造である。このため、被検査対象Oを伝播していた超音波の進行方向が超音波伝播体4によって変化する。すなわち、被検査対象Oを伝播していた超音波の進行方向が、光ファイバセンサ5の長さ方向に向かって変化する。その結果、超音波伝播体4によって進行方向が変化した超音波を光ファイバセンサ5で検出することができる。すなわち、実質的に被検査対象Oを伝播する超音波を光ファイバセンサ5で検出することができる。
光ファイバセンサ5で検出された超音波の振動波形は光信号に変換され、超音波の検出信号として信号処理系6に出力される。信号処理系6では、光信号のA/D変換処理、ノイズ除去処理、アベレージング処理、包絡線検波処理及びピーク検出処理等の信号処理が実行される。アベレージング処理が実行される場合には、信号の加算回数だけ同一のアクチュエータ3から繰返し超音波が発振される。そして、アベレージング処理に必要な数の超音波検出信号が取得される。
信号処理系6において欠陥の検出処理に必要なSNRで超音波の検出信号が取得できると、欠陥の検出処理を実行することができる。あるアクチュエータ3と超音波伝播体4との間に欠陥が存在する場合には、欠陥を透過した超音波の波形は欠陥の影響を受けた波形となる。一方、アクチュエータ3と超音波伝播体4との間に欠陥が存在しない場合には、超音波の波形は欠陥の影響を受けない波形となる。従って、欠陥の影響を受けない超音波の波形を基準波形として、基準波形から変化した波形を有する超音波が検出された場合には、対応するアクチュエータ3と超音波伝播体4との間に欠陥が存在すると判定することができる。
また、被検査対象Oの内部における欠陥で超音波が反射した場合には、欠陥が存在しない場合には観測されないピークが超音波反射波に出現する。このため、超音波反射波のピーク検出によっても欠陥を検出することができる。更に、超音波反射波から検出されたピークの時刻に基づいて、欠陥の位置を推定することもできる。
以上のような超音波検査システム1及び超音波検査方法は、超音波を検出するためのセンサとして用いられる光ファイバセンサ5を、逆ロート状に加工した薄板7等の超音波の進行方向を変化させることが可能な構造を有する超音波伝播体4を介して被検査対象Oに取付けるようにしたものである。
(効果)
このため、超音波検査システム1及び超音波検査方法によれば、受信指向性を有する光ファイバセンサ5の配置について自由度を得ることできる。その結果、光ファイバセンサ5を設置するスペースを確保することが困難な場合であっても、光ファイバセンサ5の向きを変えて設置することができる。
また、光ファイバセンサ5の長さ方向が被検査対象Oの表面に対して平行とならない向きで光ファイバセンサ5を配置することができる。このため、光ファイバセンサ5に向かって複数の方向から被検査対象Oを伝播する超音波を共通の光ファイバセンサ5で検出することが可能となる。特に、光ファイバセンサ5の長さ方向が被検査対象Oの表面に対して垂直となる向きで光ファイバセンサ5を配置すれば、全ての方位から伝播してくる超音波を共通の光ファイバセンサ5で検出することができる。
更に、超音波伝播体4を、適切な厚さを有する薄板7で構成すれば、被検査対象Oを伝播するラム波を光ファイバセンサ5で検出することが可能となる。このため、良好な精度で超音波を検出することができる。
実際に、CFRPで構成されるパネル上にFBGセンサを長さ方向がパネルの表面に垂直となる向きで接着剤で取付けて試験を行った。そして、従来のようにFBGセンサを長さ方向がパネルの表面に平行となる向きで取付けた場合と比較した。
図3は、被検査対象Oの表面に長さ方向が平行となるように従来の方法でFBGセンサを設置し、被検査対象OをFBGセンサの長さ方向に伝播するラム波をFBGセンサで検出して得られた検出信号を示すグラフであり、図4は、被検査対象Oの表面に長さ方向が平行となるように従来の方法でFBGセンサを設置し、被検査対象OをFBGセンサの長さ方向に垂直な方向に伝播するラム波をFBGセンサで検出して得られた検出信号を示すグラフである。
一方、図5は、被検査対象Oの表面に長さ方向が垂直となるようにFBGセンサを配置し、被検査対象Oを第1の方向に伝播するラム波をFBGセンサで検出して得られた検出信号を示すグラフであり、図6は、被検査対象Oの表面に長さ方向が垂直となるようにFBGセンサを配置し、被検査対象Oを第1の方向に垂直な第2の方向に伝播するラム波をFBGセンサで検出して得られた検出信号を示すグラフである。
図3乃至図6において横軸は相対時刻を示し、縦軸は超音波検出信号の相対振幅を示す。尚、図3及び図4における縦軸のスケールと、図5及び図6における縦軸のスケールは異なる。すなわち、図3及び図4における縦軸の相対振幅の範囲は±15であるが、図5及び図6における縦軸の相対振幅の範囲は、±80である。また、図3乃至図6に示す超音波検出信号は、いずれもノイズ除去処理及びアベレージング処理を実行して得られた信号であり、実線は包絡線検波前の信号を、一点鎖線は包絡線検波後の信号を、それぞれ示す。
被検査対象Oの表面に長さ方向が平行となるように従来の方法でFBGセンサを設置した場合には、図3に示すように、FBGセンサの長さ方向に伝播するラム波を十分な精度で検出することができる。しかしながら、図4に示すように、従来の方法で設置されたFBGセンサではFBGセンサの長さ方向に垂直な方向に伝播するラム波を十分な精度で検出することができない。
これに対して、被検査対象Oの表面に長さ方向が垂直となるようにFBGセンサを設置した場合には、図5に示すように、被検査対象Oを第1の方向に伝播するラム波を十分な精度で検出することができるのみならず、図6に示すように、被検査対象Oを第1の方向に垂直な第2の方向に伝播するラム波についても十分な精度で検出できることが分かる。尚、FBGセンサは、被検査対象Oの表面に接着剤で固定し、接着剤を円錐形状となるように成形した。従って、超音波伝播体4が金属等でなく接着剤のみであっても、被検査対象Oの表面に垂直に取付けたFBGセンサでラム波を検出できることが確認できる。つまり、超音波伝播体4として接着剤のみを用いても良いことが確認できる。
(第1の変形例)
図7は本発明の第1の実施形態に係る超音波検査システムにおける超音波伝播体の別の構造例を示す縦断面図であり、図8は図7に示す超音波伝播体の構造を示す上面図である。
図7及び図8に例示されるように超音波伝播体4Aの構造を、外径及び内径が徐々に小さくなる円錐状の先端に、外径及び内径が一定の円筒を連結した構造としてもよい。すなわち、超音波伝播体4Aの構造を、被検査対象O側が部分的にテーパする筒状構造とすることもできる。このような構造とすれば、超音波伝播体4Aにエッジが生じるものの、湾曲方向が周方向のみとなるため製造が容易となる。尚、円錐と円筒との連結部分にR面取りを施すことによってエッジを除去するようにしてもよい。
また、被検査対象Oの表面と超音波伝播体4Aの円錐部分とを滑らかに連結させるために超音波伝播体4Aの被検査対象O側における縁にR面取りを施すようにしてもよい。
(第2の変形例)
図9は本発明の第1の実施形態に係る超音波検査システムにおける超音波伝播体の更に別の構造例を示す縦断面図であり、図10は図9に示す超音波伝播体の構造を示す上面図である。
図9及び図10に例示されるように超音波伝播体4Bの構造を、外径及び内径が一定の円筒構造とすることもできる。この場合、超音波伝播体4Bの構造が極めて簡易となる。このため、超音波伝播体4Bの製造コストを一層低減させることができる。
但し、超音波伝播体4Aを構成する薄板7への被検査対象Oからの超音波の分岐方向が直角となる。このため、超音波を良好に薄板7に伝播させることによって超音波の検出精度を向上させる観点からは、図1や図7に例示されるように、薄板7の被検査対象O側における端部の板厚方向が被検査対象Oの表面に垂直又は垂直に近い角度となるようにすることが好ましいと考えられる。
(第2の実施形態)
図11は本発明の第2の実施形態に係る超音波検査システムに備えられる光ファイバセンサ及び超音波伝播体の構成を示す縦断面図であり、図12は図11に示す超音波検査システムの光ファイバセンサ及び超音波誘導体の上面図である。
図11及び図12に示された第2の実施形態における超音波検査システム1Aでは、超音波伝播体4Cの構造が第1の実施形態における超音波検査システム1と相違する。第2の実施形態における超音波検査システム1Aの他の構成及び作用については第1の実施形態における超音波検査システム1と実質的に異ならないため特徴を表す構成要素のみ図示し、同一の構成又は対応する構成については同符号を付して説明を省略する。
第2の実施形態における超音波検査システム1Aの超音波伝播体4Cは、被検査対象O側から光ファイバセンサ5側に向かって内径及び外径が次第に小さくなる円筒状の薄板7の、内径及び外径が小さい側における端部を内側に湾曲させた構造を有する。このため、被検査対象Oを伝播するラム波の進行方向を、薄板7の湾曲方向に変化させることができる。
このように超音波伝播体4Cの構造を、逆ロート状の円筒の先端を内側に折り返した構造とすれば、超音波伝播体4Cの高さを低くすることができる。このため、第2の実施形態によれば、第1の実施形態と同様な効果に加え、一層狭いスペースであっても光ファイバセンサ5を設置することが可能となるという効果を得ることができる。もちろん、図7に例示される超音波伝播体4Aや図9に例示される超音波伝播体4Bの先端を内側に折り返した構造とすることもできる。
(第3の実施形態)
図13は本発明の第3の実施形態に係る超音波検査システムの特徴を表す主要な構成要素の構成を示す正面図であり、図14は図13に示す超音波検査システムの主要な構成要素の上面図である。
図13及び図14に示された第3の実施形態における超音波検査システム1Bでは、超音波誘導体4Dの構造が第1の実施形態における超音波検査システム1と相違する。第3の実施形態における超音波検査システム1Bの他の構成及び作用については第1の実施形態における超音波検査システム1と実質的に異ならないため特徴を表す構成要素のみ図示し、同一の構成又は対応する構成については同符号を付して説明を省略する。
第3の実施形態における超音波検査システム1Bの超音波伝播体4Dは、被検査対象Oの表面に対する厚さ方向の傾斜角度がそれぞれ変化する複数の薄板7A、7Bで構成される。すなわち、各薄板7A、7Bは、板厚方向が被検査対象O側から光ファイバセンサ5側に向かって変化するように湾曲している。このため、複数の方向から被検査対象Oを伝播してくるラム波の進行方向を複数の薄板7A、7Bで変化させることができる。
従って、第3の実施形態においても、複数の方向から被検査対象Oを伝播してくる超音波の進行方向を、超音波伝播体4Dによって光ファイバセンサ5の受信指向性に応じた同一の方向に変化させることができる。例えば、図13に示すように被検査対象Oの表面に対して垂直となるように配置された光ファイバセンサ5の長さ方向にラム波の進行方向を変化させることができる。
尚、図13及び図14に示す例では、超音波伝播体4Dが2枚の薄板7A、7Bで2方向から伝播するラム波を光ファイバセンサ5に導くことができるように構成されているが、3枚以上の薄板7で3方向以上の複数の方向から伝播するラム波を光ファイバセンサ5に導くことができるように構成してもよい。薄板7の幅は、ラム波の波長以上であれば、ラム波の特性を維持した状態でラム波を伝播させることができるということが経験的に確認されている。
また、薄板7同士を接触させ、光ファイバセンサ5をいずれかの薄板7にテープや接着剤で貼付けるようにしてもよい。その場合には、光ファイバセンサ5が貼付けられる薄板7のみを光ファイバセンサ5側に突出させるようにしてもよい。
また、薄板7を湾曲させる代わりに平坦な薄板7を折り曲げて被検査対象Oの表面に対して傾斜させるようにしてもよい。つまり、被検査対象Oの表面に対してそれぞれ厚さ方向が垂直でない複数の薄板7で超音波伝播体4Dを構成することもできる。具体例として、断面が逆Y字型となるように超音波伝播体4Dを構成することができる。その場合には、鋭利なエッジが形成されないように折り曲げられる部分にR面取りを設けてもよい。
(第1の変形例)
図15は本発明の第3の実施形態に係る超音波検査システムにおける超音波伝播体の別の構造例を示す縦断面図であり、図16は図15に示す超音波伝播体の構造を示す上面図である。
図15及び図16に例示されるように、超音波伝播体4Eとして複数の薄板7A、7Bを光ファイバセンサ5の長さ方向を軸として対称とならない向きで配置することもできる。すなわち、複数の薄板7A、7Bの各幅方向を、所望の方向に向けることができる。これにより、特定の方向から伝播してくるラム波を選択的に光ファイバセンサ5で検出することが可能となる。これは、3枚以上の薄板7を配置する場合においても同様である。
(第2の変形例)
図17は本発明の第3の実施形態に係る超音波検査システムにおける超音波伝播体の更に別の構造例を示す縦断面図であり、図18は図17に示す超音波伝播体の構造を示す上面図である。
図17及び図18に例示されるように、超音波伝播体4Fとして1枚の湾曲した薄板7で1方向から伝播してくるラム波を光ファイバセンサ5で検出できるようにしてもよい。もちろん、薄板7を湾曲させる代わりに平坦な薄板7を折り曲げて超音波伝播体4Fを構成してもよい。この場合、狭いスペースであっても、1方向からのラム波を検出するための光ファイバセンサ5を所望の向きで配置することが可能となる。すなわち、従来の方法では光ファイバセンサ5を配置することができない場合であっても、光ファイバセンサ5を配置することが可能となる。
(第4の実施形態)
図19は本発明の第4の実施形態に係る超音波検査システムの特徴を表す主要な構成要素の構成図である。
図19に示された第4の実施形態における超音波検査システム1Cでは、超音波誘導体4の一部を被検査対象Oに埋め込んだ点が第1の実施形態における超音波検査システム1と相違する。第4の実施形態における超音波検査システム1Cの他の構成及び作用については第1の実施形態における超音波検査システム1と実質的に異ならないため特徴を表す主要な構成要素のみ図示し、同一の構成又は対応する構成については同符号を付して説明を省略する。
被検査対象Oが複合材である場合には、シート状のプリプレグを積層する際に、超音波誘導体4を構成する薄板7の端部をプリプレグの間に挟むことができる。すなわち、プリプレグの積層体の上に薄板7を載置し、薄板7の端部の上に更にプリプレグを積層することによって、薄板7の端部をプリプレグの間に挟み込むことができる。そして、薄板7の端部を挟み込んだ状態でプリプレグの積層体を硬化させれば、複合材で構成される被検査対象Oと、金属又は複合材で構成される薄板7とを一体化することができる。
このため、第4の実施形態によれば、被検査対象Oの内部を伝播するラム波等の超音波を良好に薄板7に伝播させることができる。また、超音波誘導体4を強固に被検査対象Oに固定することが可能となる。このため、特に、様々な部品を取付けた後では、被検査対象Oに超音波誘導体4を取付けることが困難な場合において有効である。
もちろん、他の実施形態や変形例として例示した構造を有する薄板7を被検査対象Oに埋め込むこともできる。
(他の実施形態)
以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。
例えば、上述した各実施形態では、アクチュエータ3から超音波を発振させることによって被検査対象Oの検査領域における損傷や剥がれ等の欠陥を検出する場合を例に説明したが、被検査対象O内において生じる超音波を検出することによって被検査対象Oの検査領域における損傷等の欠陥を検出するようにしてもよい。具体例として、複合材等の内部において変形や破壊が生じる際に放出されるアコースティック・エミッション(AE: Acoustic Emission)を光ファイバセンサ5で検出することによって被検査対象Oの検査領域における欠陥の検出を行うこともできる。
また、超音波誘導体4の近傍にアクチュエータ3を配置し、超音波誘導体4から遠ざかる方向に向かってアクチュエータ3から超音波を送信するようにしてもよい。そして、欠陥で反射した超音波反射波を光ファイバセンサ5で検出するようにしてもよい。
また、図5及び図6に示す評価試験の結果によれば、超音波誘導体4、4A,4B、4C、4Dを介在させなくても光ファイバセンサ5でラム波を検出できることが確認できる。そこで、被検査対象Oの表面に、超音波誘導体4、4A,4B、4C、4Dを介在させずに、長さ方向が平行とならない向きで光ファイバセンサ5を配置し、被検査対象Oを伝播する超音波を光ファイバセンサ5で検出するようにしてもよい。
1、1A、1B、1C 超音波検査システム
2 制御系
2A 入力装置
3 アクチュエータ
4、4A、4B、4C、4D、4E、4F 超音波伝播体
5 光ファイバセンサ
6 信号処理系
6A 表示装置
7、7A、7B 薄板
8 媒体
O 被検査対象
O1 ストリンガ
O2 パネル

Claims (13)

  1. 被検査対象を伝播する超音波の進行方向を変化させる超音波伝播体と、
    前記超音波伝播体によって前記進行方向が変化した前記超音波を検出する光ファイバセンサと、
    を備える超音波検査システム。
  2. 前記超音波伝播体は、前記被検査対象を伝播するラム波の進行方向を変化させるための薄板であり、
    前記光ファイバセンサは、前記進行方向が変化した前記ラム波を検出するように構成される請求項1記載の超音波検査システム。
  3. 前記超音波伝播体は、複数の方向から前記被検査対象を伝播してくる超音波の進行方向を前記光ファイバセンサの受信指向性に応じた同一の方向に変化させるように構成される請求項1又は2記載の超音波検査システム。
  4. 前記超音波伝播体は、前記超音波の進行方向を前記光ファイバセンサの長さ方向に変化させるように構成される請求項1乃至3のいずれか1項に記載の超音波検査システム。
  5. 前記超音波伝播体は、前記被検査対象側から前記光ファイバセンサ側に向かって内径及び外径が次第に小さくなる円筒状の薄板であり、前記被検査対象を伝播するラム波の進行方向を変化させるように構成される請求項1乃至4のいずれか1項に記載の超音波検査システム。
  6. 前記超音波伝播体は、前記被検査対象側から前記光ファイバセンサ側に向かって内径及び外径が次第に小さくなる円筒状の薄板の、前記内径及び外径が小さい側における端部を内側に湾曲させた構造を有し、前記被検査対象を伝播するラム波の進行方向を変化させるように構成される請求項1乃至5のいずれか1項に記載の超音波検査システム。
  7. 前記超音波伝播体は、前記被検査対象の表面に対してそれぞれ厚さ方向が垂直でない複数の薄板或いは前記被検査対象の表面に対する厚さ方向の傾斜角度がそれぞれ変化する複数の薄板であり、複数の方向から前記被検査対象を伝播してくるラム波の進行方向を変化させることができるように構成される請求項1乃至4のいずれか1項に記載の超音波検査システム。
  8. 前記光ファイバセンサの長さ方向が前記被検査対象の表面に平行とならない向きで前記光ファイバセンサを前記超音波伝播体を介して前記被検査対象に取付けた請求項1乃至7のいずれか1項に記載の超音波検査システム。
  9. 前記被検査対象及び前記超音波伝播体に向けて前記超音波を発振する超音波振動子と、
    前記光ファイバセンサにより検出された前記超音波の検出信号に基づいて前記被検査対象の欠陥を検出する信号処理系と、
    を更に備える請求項1乃至8のいずれか1項に超音波検査システム。
  10. 前記薄板の厚さを、前記ラム波の波長の1/2以下とした請求項2、5、6又は7記載の超音波検査システム。
  11. 請求項1乃至10のいずれか1項に記載の超音波検査システムを取付けた航空機構造体。
  12. 被検査対象に超音波伝播体を設けることによって前記被検査対象を伝播する超音波の進行方向を変化させるステップと、
    前記超音波伝播体によって前記進行方向が変化した前記超音波を光ファイバセンサで検出するステップと、
    を有する超音波検査方法。
  13. 被検査対象の表面に、長さ方向が平行とならない向きで光ファイバセンサを配置するステップと、
    前記被検査対象を伝播する超音波を前記光ファイバセンサで検出するステップと、
    を有する超音波検査方法。
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