JP4761611B2 - 調節可能な音響ミラー - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
この発明は、超音波検査に関し、特に、曲面についての超音波検査を改良する調節可能な音響ミラーに関する。
【０００２】
【背景技術】
超音波検査を行う場合、トランスジューサを、検査する材料と同じ材料から作成した、既知の直径および既知の（表面からの）深さの平底穴が設けられたフラットトップブロックで検量（校正）する。エネルギーレベル、操作周波数、水路などの１組の検査パラメータを設定し、フラットトップブロック検量標準に検量する。検査パラメータを用いて製造ハードウェアを検査する。多くの場合、同じブロック検査パラメータを用いて湾曲入口表面を検査する。通常の手順では、半径約３８ｃｍを超える入口表面曲率を有する曲面部品をフラットトップ部品とまったく同様に検査する。半径３８ｃｍ未満の場合、代表的にはオペレータが利得（エネルギーレベル）を上げる。これにより湾曲入口表面による損失を補償する。しかし、利得を上げると、システムノイズ（電子ノイズ）と材料ノイズいずれも増加し、そして、大多数の航空機エンジン材料の場合、部品が「検査不能」になる（「高ノイズ」のため部品が検査に不合格となる、すなわち「ノイズ不合格」）。この問題は、音響ビームを湾曲入口表面より下に焦点合わせ（表面下焦点合わせ）しようとするとエスカレートされ、また凸面より凹面を通過する場合に一層顕著になる。
【０００３】
音響ビームを曲面に通過させると有効感度が低下する。凹面では、ビームがオペレータの予想よりはるかに手前で焦点を合わせる。凸面は音響ビームを正しい焦点からずらす作用をなし、音響ビームはオペレータの予想より感度の低い、もはや焦点を結ばない音響ビームとなる。各ケースの過酷さはそれぞれの曲率半径に依存し、半径が小さければ小さいほど、音響ビームへの効果は大きくなる。ボアや穴のような曲率が一方向のみである表面の場合、表面がトランスジューサビームの中心のまわりに対称でないので、音響ビームは焦点を結ばない。検査感度に対する曲面の効果はきわめて複雑である。したがって、適当な形態の補正なしに、曲面の効果を補償するのは困難である。このような補正を行えば、フラットな入口表面と同じ感度およびビーム特性が保たれる。現在、湾曲部品には、材料境界でのエネルギー損失を補償するために追加の検査利得を与えている。検査利得は、半径と検査深さの組合せ毎に決定する。
【０００４】
曲面についての超音波検査能力を改良しようとしても、多年にわたって克服し難い障害となっていた。曲面は音響ビームを、多くの場合望ましくない方向に向け直し、エネルギーおよび解像性の損失となる。不正確な焦点合わせおよびエネルギー損失の過酷さは、表面曲率の大きさに依存する。曲率が大きければ大きいほど、不正確な焦点合わせ、エネルギー損失、また解像性損失が大きくなる。したがって、検査用の固定曲率音響ミラーを設けても、すべての曲率にまったく正確なわけではない。
【０００５】
曲率に関係なく、あらゆる曲面を正確に検査することのできる、調節可能なあるいは精密に互換可能な装置が望まれている。
【０００６】
【発明の概要】
数学的計算から、凸面だけでなく、凹面がフラットな表面と同様の検査結果を得るのに補償を必要とすることがわかる。しかし、凹面は、音響ビームの強さが増加し、ついである深さの後、急激に減少するので、複雑さを呈する。表面の半径は、強さおよび深さ両方の変化を決める。たとえば、ボア（１つの凹状曲率半径）では、音響エネルギーが分割される。曲面の面に入るビームの部分は、フラットな表面の面に入るビームの部分より浅い焦点となる。したがって、調節可能な音響ミラーまたは固定形状の互換可能なミラーを設ける。このミラーは、曲率に関係なく、凹および凸の曲面についての超音波検査を改良する。
【０００７】
本発明によれば、超音波検査素子および超音波検査方法が提供される。トランスジューサとともに用いるシステムで曲面を検査する。トランスジューサは球面焦点合わせレンズを有する。音響ビームを整形するミラー素子を設ける。ミラーの曲率を、ねじ、ロッドまたは電圧変調器（モジュレータ）などの調節手段で調節する。ミラーの曲率を変える別の手段として、固定曲率のミラー素子を互換することができる。ミラー素子のすべてのセグメントを、「迅速取り外し」ユニットとして作成することができる。これにより完全な検査システムの効率よい反復可能な組立が可能になる。
【０００８】
したがって、本発明は、特に曲面部品の、超音波検査を行う有用な技術を提供する。
【０００９】
【好適な実施態様】
本発明は、あらゆる曲面についての超音波検査用の音響ミラーを提供する。このミラーは、超音波で検査する回転部品を含むほぼあらゆる寸法の凹状半径について検査する。このミラーは、優先的な超音波方向を有する材料での表面下焦合超音波検査にも使用できる。このような材料はビーム方向付け現象を呈する。たとえば、単結晶材料および積層複合材料がこのような材料である。これらの材料は音響エネルギーを、材料の構造に依存する方向に方向付ける。単結晶材料では、音響エネルギーは主結晶軸に沿った通路に方向付けられる。積層複合材料では、音響エネルギーは繊維軸に沿った通路に方向付けられる。調節可能な音響ミラーまたは固定曲率の互換可能なミラー素子は、かかる材料の生来の方向付け効果を補償することができる。
【００１０】
ここで図面を参照すると、１０は、曲面についての超音波検査を改良する音響ミラーである。ミラー１０は、ミラーフレーム構造１４に可撓性ミラー素子１２を有する。ミラー素子１２は、トランスジューサ周波数、ミラー材料の音響インピーダンスおよび可撓性によって決まる適当な厚さとする。たとえば、ミラー素子１２は、５〜５０ＭＨｚのトランスジューサには、ステンレス鋼の厚さ約０．０３８ｃｍの膜とする必要がある。５ＭＨｚ未満のトランスジューサには、ミラー素子１２は、ステンレス鋼を使用する場合、０．０３８ｃｍより厚くする必要がある。調節ねじなどの調節手段１６により、検査している曲率に応じて、可撓性ミラー素子１２を調節する。このように調節可能であるので、ミラー１０は音響エネルギーを種々の凹面および凸面に焦点合わせすることができる。
【００１１】
図１では、ミラー素子１２の曲率を制御するのに、機械的三点曲げ形状を用いる。三点は、ミラー素子を取り付ける２つの端部１８とねじ−ビーム接触点２０である。調節手段１６は電圧源とすることもでき、また図３に示すように、ミラー素子を圧電材料とすることができる。この場合、２２に沿った電圧から曲率を誘導する。すなわち、ミラー素子１２は電圧とともに形状を変える。電圧を変調することによりミラー１２の曲率を制御することができる。ミラー素子１２は鉛直方向に拘束され、ミラーフレーム１４に取り付けられた固定端部１８のまわりに水平方向に回転および並進することができる。調節手段１６を用いてミラー曲率を調整する。ビームはミラー素子に均一な曲率を保証する。調節手段１６の実際の調節は手でもモータでも行うことができる。そして、図３に示すように、ミラー素子１２を圧電材料から製造する場合には、電圧を加える。こうすれば、ミラー素子はやはりミラー曲率を調節することのできる手段となる。
【００１２】
上述したように、ミラー素子は単一の調節可能なミラーとしても、多数の互換可能なユニットとしてもよい。図１および図２に示すように調節可能なミラー素子１２では、調節手段１６を任意適当な手段とすることができる。たとえば、図２では、調節手段はロッド３２であり、このロッドは１本でも、複数本でもよい。調節ロッド３２は、両端部間の距離を縮める両端部間の運動で、ミラー曲率を制御する。ミラーのタイプが凹であるか凸であるかは、ミラー素子が上に曲がっている（凸面ミラーである）か、下に曲がっている（凹面ミラーである）かによって決められる。凹面上では凸ミラーを用いることが多い。凸面では凹ミラーを用いることが多い。いずれの場合も、調節ロッド３２は距離を縮める。各端部１８を同時にまたは別々に動かしてミラー１２に所望の曲率を与えることができる。運動は、ミラー１２の近似水平軸線に沿って両方向に同時にでも、各方向に独立にでもよい。図２の構成の利点として、各タンバクルロッド３２を独立に調節することができる。これにより、円錐、テーパされた穴、異なる半径が９０°ずれた複合曲率などミラー形状を一層フレキシブルなものとすることができる。図１の実施例は一平面のみでの曲率調節を可能にする（したがって円筒ミラーという）。図２の実施例は円筒形のほかに円錐形も可能にする。
【００１３】
図４に示すように、ミラー素子１２はトランスジューサ２４の軸線に関して約４５°に配向されている。トランスジューサはミラー表面の上約１インチ以上に配置すればよい。図４では、トランスジューサ／ミラー装置１２，２４を用いて、階段状ブロックである部品２８の曲面２６を検査している。入口表面円錐３０は楕円３０に似ている。ミラー１２の曲率を調節して音響ビームを整形する。
【００１４】
図４は、ミラー／トランスジューサ装置の相対的配置および配向を示す。階段状ブロックは「検量ブロック」の一例である。このブロックには、複数の平底穴（ＦＢＨ＝ｆｌａｔ ｂｏｔｔｏｍ ｈｏｌｅ）が表面下特定の深さにドリル穿孔されている。これらの穴の検量を別に行い、つぎに製造部品をその感度で検査する。階段状ブロックは、（半径および音響特性に関して）製造部品と同じ形状である。階段状ブロックを用いて検査の開発、設定、測定を行う。
【００１５】
図５、図６および図７に、調節可能な曲率ミラーおよび調節不能な（固定）曲率ミラー両方を支持することができる迅速カップラー着脱構造を示す。これらの図面は、互換可能なミラー素子がトランスジューサ２４およびマニピュレータヘッド３４に対して着座する仕方を示す。図５において、迅速カップラー・ミラーカラー３６はダウエルピンを用いて位置合わせを行うことができる。カラー３６を据え付け時に一度位置合わせし、マニピュレータヘッド３４と関連したＵＨＦコネクタ３８のまわりに締め付ける。
【００１６】
図６において、迅速カップラー着脱ミラーホルダ４０は、ミラー素子１２が平坦または湾曲、互換可能または調節可能いずれであっても、ミラー素子１２を支持することができる。このミラーホルダ４０は、平坦または湾曲４５°ミラーが必要とされるあらゆる超音波検査に使用することができる。ミラーホルダ４０はステンレス鋼またはＰＶＣとするのが好ましい。ミラーホルダのガイドスロット（図示せず）はカラー３６のダウエルピンにはめることができる。図７に示すように、鎖線４２で示すビーム焦点特性はミラー素子の曲率に左右される。
【００１７】
固定ミラー素子の代表的な例を図８および図９に示す。図８は固定ミラー素子１２の上面図であり、図９はその側面図である。互換可能なミラー素子１２は平坦または湾曲とすることができる。湾曲ミラー素子はビーム焦点特性を変化させる。
【００１８】
以上、本発明を好適な実施態様について説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、実施態様に種々の変更を加えたり、実施態様の構成要素を均等物と置き換えたりできることが当業者には明らかである。たとえば、本発明の方法を、穴をレーザ穿孔したタービンブレードなどの種々の環境に適用することができる。本発明の方法は、表面や穴の周囲がレーザ排除性であるあらゆる部品にも適用できる。その上、特定の状況や材料を本発明の教示に適合させるために、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するのに最良な態様として説明した特定の実施態様に限定されず、特許請求の範囲に入るすべての態様を包含する。
【図面の簡単な説明】
【図１】三点曲げ形状での調節ねじの並進運動による、調節可能な曲率構造のミラーを示す線図である。
【図２】圧縮モードでの調節ロッドの水平二方向運動による、調節可能な曲率構造のミラーを示す線図である。
【図３】反射性圧電素子への電圧を変調することによる、調節可能な曲率構造のミラーを示す線図である。
【図４】曲率が一方向のみである曲面部品に対して調節可能な曲率のミラーを相対的に位置決めする一例を示す線図である。
【図５】曲率の調節可能なミラーおよび曲率の調節不能な（固定）ミラー両方を支持することのできる迅速カップラー着脱構造を示す線図である。
【図６】上記迅速カップラー着脱構造を示す線図である。
【図７】上記迅速カップラー着脱構造を示す線図である。
【図８】互換可能な固定曲率のミラー素子の平面図である。
【図９】互換可能な固定曲率のミラー素子の側面図である。
【符号の説明】
１２ ミラー素子
１６ ねじ
２４ トランスジューサ
２６ 凹面（凸面）
２８ 部品
３２ ロッド

Claims (9)

1. 曲面（２６）について超音波検査するにあたり、
   超音波検査用の音響ビームを整形するミラー素子（１２）を設け、
   前記曲面（２６）が凹面のときには前記ミラー素子（１２）が凸面となるように、前記曲面（２６）が凸面のときには前記ミラー素子（１２）が凹面となるように、該ミラー素子（１２）の曲率を前記曲面（２６）に対して調節する工程を含む
   ことを特徴とする、曲面（２６）について超音波検査する方法。
2. 前記ミラー素子（１２）が単一の調節可能な音響ミラーからなる、請求項１に記載の方法。
3. ミラー素子（１２）の曲率を調節する工程が、調節可能な音響ミラーの曲率を変える工程を含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記ミラー素子が圧電ミラー（１２）からなる、請求項１に記載の方法。
5. ミラー素子（１２）の曲率を調節する工程が、電圧変調器を用いる工程を含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記ミラー素子（１２）が、それぞれ少なくとも一側面に固定曲率を有する多数の互換可能なミラーからなる、請求項１に記載の方法。
7. 前記多数の互換可能なミラー素子（１２）のそれぞれを、トランスジューサ（２４）とともに用いてトランスジューサ／ミラーアセンブリ（１２，２４）を構成する、請求項６に記載の方法。
8. 前記トランスジューサ／ミラーアセンブリ（１２，２４）を機械的手段によりマニピュレータヘッド（３４）に対して着脱する、請求項７に記載の方法。
9. 多数の互換可能なミラー素子（１２）のそれぞれを、精密な繰り返し可能な位置決めを行う機械的手段（３６）により着脱できる、請求項７に記載の方法。

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