JP5639583B6 - 固体結合素子を有する超音波検査デバイス - Google Patents

Description

本発明は、コンポーネントを検査するためのデバイスに関する。さらに具体的に言うと、本発明は、複合航空機コンポーネントの超音波スキャンのためのデバイスに関する。

材料の目に見えない領域、例えばコンポーネント、溶接部および複合材料の内部を、超音波検査を用いて分析することができる。このタイプの非破壊検査（ＮＤＴ：nondestructive testing）は、音波反射を利用し、コンポーネントを破壊しなければ検出が極めて困難である欠陥および特徴部を検出する。超音波テストは、航空宇宙分野における一般的な技術であり、製造時および稼働中に材料の無欠性を検査する。

スキャナは、ポータブルタイプ（すなわち、稼働時スキャンに、より適している）、または非ポータブルタイプ（製造時用）である傾向がある。

超音波検査の特徴は、超音波エネルギーの試験試料に対する伝達を支援するカプラントを必要とする点であり、なぜなら、空気と固体（すなわち、そのような検査試料）との間の音響インピーダンス不整合が大きいからである。カプラントを使用しない場合、この不整合は、音波反射、およびスキャン品質低下を引き起こす。カプラントは、一般に、水またはジェルまたは低音響損失エラストマーのような変形可能固体の形式をとる。

超音波検査の他の特徴は、超音波振動子を、検出すべき実体または欠陥部に対して、正確に指向させる（通常、垂直に指向させる）必要がある点である。積層複合材料において、これらの欠陥部は、主にワークピースの表面に対して平行な配向性を有して存在する。したがって、ワークピースの表面に対して直交する方向に、スキャナを正確に指向させることが重要である。

従来、超音波検査は、操作をポイントごとに行わなければならないので、検査速度の点で制限があった。改良により、アレイスキャン、または、表面上の連続スキャンを可能とし、検査コンポーネントにおける所望の領域の２次元像を作成する、「ペイントブラシ（paintbrush）」スキャンが発達した。しかし、このような装置は、かさばり製造環境（稼働時とは対比される）における使用に限定され、ポータブル（可搬式）と見なせない。

問題は、低音響損失エラストマーが、比較的高い摩擦係数を有し、したがって、低音響損失エラストマーを、スキャンすべき表面に渡って移動することを困難にしている点である。一般的に言えば、低摩擦材料は、一般に、望ましい音響特性を有していない。

本発明の目的は、改良した検査デバイスを提供することである。

本発明によれば、複合材料のワークピースをスキャンするための工業用超音波スキャナを提供し、本発明超音波スキャナは、
アレイラインおよびスキャン方向を画定する超音波振動子アレイと、
アレイに接触するアレイ接触面、およびスキャンすべきワークピースに接触するワークピース接触面を画定する、固体結合コンポーネントと
を備え、
固体結合コンポーネントが、アレイ収容部を画定し、アレイを少なくとも部分的に包囲し、アレイをワークピース接触面に対して位置決めするよう構成し、アレイラインは、アレイ接触面およびワークピース接触面に対して平行にし、
アレイ収容部は、アレイが、挿入および抜去可能に、スキャン方向と垂直な方向に固体結合コンポーネントに滑り込ませることができるように指向されたオリフィスを有する。

好適には、超音波振動子と結合コンポーネントとの間における境界面（インターフェース）は、超音波振動子を、スキャンすべき表面に対して正確に（例えば、垂直に）指向させる作用をする。

本発明の第２様態によれば、超音波スキャナのための結合コンポーネントを提供し、本発明結合コンポーネントは、エラストマー系ポリマーで形成した本体を備え、また本体を少なくとも部分的にカバーし、０．５以下の摩擦係数を有するワークピース接触面を形成する、低摩擦材料の層を備える。

好適には、低摩擦材料の層は、結合コンポーネントが、ワークピースの表面にわたり走行するのを支援する。

用語「摩擦係数（coefficient of friction）」とは、ポリマー系の標準的な方法で測定した、すなわち、研磨したスチールに対して、測定した摩擦係数を意味する。
以下、例示的な超音波スキャナを、添付図面につき詳細に説明する。

本発明による第１スキャナの斜視図である。 図１ａに示すスキャナの斜視図である。 図１ａに示すスキャナの使用状態を示す側面図である。 本発明による第２スキャナの斜視図である。 図２ａに示すスキャナの使用状態を示す側面図である。 本発明による第３スキャナの分解斜視図である。 図３ａに示すスキャナの斜視図である。 図３ａに示すスキャナの平面図である。 図３ａに示すスキャナの一部分における側面図である。 本発明による第４スキャナにおける低摩擦コーティング法の段階を示す斜視図である。 本発明による第４スキャナにおける低摩擦コーティング法の段階を示す斜視図である。 本発明による第４スキャナにおける低摩擦コーティング法の段階を示す斜視図である。

図１ａ〜１ｃにつき説明すると、スキャナ１００は、カプラントとしてのブロック１０２および超音波アレイ１０４を備える。カプラントとしてのブロック１０２は、低音響損失エラストマーで構成し、一般に、直方体の形状である。ブロック１０２は、ワークピースの接触面１０６を画定する。直方体状の窪みとしてのアレイ収容部１０８を、ブロック１０２に画定し、また挿入オリフィスに向けて開放する。

超音波アレイ１０４は、当該技術分野で既知のタイプであり、また一般に、直方体であり、データライン１１４を接続するためのポート１１２を備える。アレイ１０４は、超音波を放出および受信し、以下に記載するようにコンポーネントをスキャンすることができる。アレイは、スキャン方向１１６を有する。

スキャナ１００は、アレイ１０４を、挿入オリフィス１１０からアレイ収容部１０８に滑り込ませることにより、組み立てる。アレイ収容部１０８は、アレイ１０４のおおよその外形寸法に対応する寸法であり、このため、アレイ１０４を所望位置に支持することができる。スキャン方向１１６は、接触面１０６に対して直交し、このためアレイ収容部は、このことを念頭に置いて指向させるのが望ましい。

少量のカプラント液（例えば、水またはジェル）を、オリフィス１１０に添加し、超音波エネルギーの、アレイ‐カプラント境界面にわたり伝達する支援を行い、またアレイ１０４の挿入および抜去を支援することができる。

図１ｃを参照すると、ワークピース１０は、補強材１２を備え、補強材１２は、ベース１６に対して９０°の角度で突出するフランジ１４を備える。フランジ１４は、ベース１６を、２°の半径を有する互いに対向する１対のフィレット丸め部１８で結合する。

フランジ１４は、検出のための欠陥部２０を有する。

欠陥部２０を検出するために、スキャナ１００を、接触面１０６が十分フランジ１４に衝合する状態となるようフランジ１４上に配置する。この場合、スキャン方向１１６は、フランジ１４に対して直交する。このことにより、アレイ１０４と、検出および分析すべき欠陥部２０との間における最適な指向性を得る。データはライン１１４を解して収集し、適切に分析する。

スキャナ１００は、ベース１６における欠陥部を検出するのにも使用できる。

微細な水スプレーミスト（図示せず）を、スキャナおよびワークピースに塗布し、摩擦を低減し、２個のコンポーネント間における超音波の伝達効率を増加させることもできる。

図２ａおよび２ｂにつき説明すると、これら図面はスキャナ２００を示す。スキャナ１００に類似したコンポーネントが、１００だけ大きい番号を付して示す。

カプラントとしてのブロック２０２は、一般に、直方体状の形状で、接触面２０６の反対側にはアーチ状の表面２１８を有する。アーチ状の表面は、スキャナ２００を、使用者の手が保持するのをより快適にする。

カプラントとしてのブロックには、内部に回転エンコーダ２２２を配置する窪み２２０を画定する。回転エンコーダ２２２は、エンコーダホイール２２４およびエンコーダデータライン２２６を備える。エンコーダ２２２は、スキャナ２００が移動する距離を決定するのに使用される。

図２ｂは、使用状態にあるスキャナ２００を示す。スキャナ１００と比較すると、スキャナ２００は、エンコーダホイール２２４とフランジ１４との間の接触に使用し、フランジ１４上でスキャナ２００が移動する距離を決定する。スキャナ２００は、ベース１６における欠陥部を検出するのにも使用することができる。

図３ａ〜３ｃには、スキャナ３００を示す。スキャナ１００に類似したコンポーネントに、２００だけ大きい番号を付して示す。

スキャナ３００は、プラスチック材料から形成したハウジング３２８を備える。ハウジング３２８は、全体的に、Ｃ字状の形状であり、ベース部分３３０、第１アーム３３２および第２アーム３３４を備える。各アーム３３２，３３４は、それぞれ、エンコーダ取り付け構成部３３６，３３８を画定する。ハウジングは人間工学的に形成し、使用者の手の中に快適に納まるようにする。

スキャナ３００は、各々エンコーダ２２２に類似した、第１エンコーダ３４０および第２エンコーダ３４２を備える。エンコーダ３４０，３４２は、ハウジング３２に対して、エンコーダ取り付け構成部３３６，３３８に取り付ける。エンコーダ取り付け構成部３３６，３３８は、エンコーダ３４０，３４２が、使用にあたり移動できるが、ワークピースに向けて弾性的にバイアスを加えた状態に保持し、ワークピースとの接触を維持するよう構成する。エンコーダ３４０，３４２がハウジング２２８に対して移動できるため、接触面３０６とワークピース１０との間の接触が維持されるので、スキャナ３００が、より効果的に、平坦でない表面を走行することができる。

使用にあたり、ハウジング３２８は、図３ｂに示すようにカプラントとしてのブロック３０２の周りに嵌合する。ハウジング３２８は、カプラントとしてのブロック３０２を保持する形状をしており、第１アーム３３２および第２アーム３３４が内方にテーパを付ける。したがって、アーム３３２，３３４は、カプラントとしてのテーパ付きのブロック３０２を保持する。

図３ｃに示すように、スキャナ３００は、ワークピース１０のフランジ１４に沿って、方向Ｄに走行する。ほとんどのスキャン操作の大部分にわたり、エンコーダ３４０，３４２の両方が、フランジ１４に接触するが、フランジの端部に接近すると、エンコーダ３４０，３４２のうち一方は接触を失う。このような状況下で、フランジ１４上で走行する距離は、単独のエンコーダから決定される。このようにして、スキャナ３００は、ワークピース１０の全長をスキャンすることができる。スキャナ１００を、ベース１６における欠陥部を検出するのにも使用することができる。

図３ｄは、スキャナ３００におけるカプラントとしてのブロック３０２の側面図を示す。図示のように、カプラントとしてのブロック３０２は、角度Ａにおいて面取り端部部分３４４を有する。したがって、端部部分３４４は、ベース１６に対して９０°以下の角度で、フランジ１４のスキャンを可能にする。

図４ａは、カプラントとしてのブロック４０２および振動子４０４を備えるスキャナ４００を示す。スキャナ４００は、複数枚の可撓性でありまた自己粘着性を有するポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ：polytetrafluoroethylene）のストリップ４０６を備える。ストリップは、カプラントとしてのブロック４０２のベースに対して粘着し、カプラントとしてのブロックとワークピース（図示せず）との間に低摩擦層を生ずる。

ＰＴＦＥは、一般的に、超音波が伝達するのに良好な音響特性を示さないが、０．０５〜０．２ミリメートルの薄いＰＴＦＥ層を使用することは、スキャナの性能を有意に抑制しないということが明らかになっている。

図４ｂを参照すると、および、代替的な配置を示し、この場合、ＰＴＦＥテープ４０６のストリップはオーバーラップする。

図４ｃを参照すると、カプラントとしてのブロック４０２の外側輪郭にほぼ適合するＰＴＦＥシース４０８を設ける。この場合、ＰＴＦＥの均一な層がもたらされ、スキャンしている領域におけるＰＴＦＥテープ４０６の端縁が存在することにより生ずるおそれがある、いかなる影響をも排除する。

Claims (17)

1. 複合材料のワークピースをスキャンするための工業用超音波スキャナにおいて、
   アレイラインおよびスキャン方向を画定する超音波振動子アレイと、
   前記アレイに接触するアレイ接触面、およびスキャンすべきワークピースに接触するワークピース接触面を画定する、固体結合コンポーネントと
   を備え、
   前記固体結合コンポーネントが、アレイ収容部を画定し、前記アレイを少なくとも部分的に包囲し、前記アレイを前記ワークピース接触面に対して位置決めするよう構成し、前記アレイラインは、前記アレイ接触面および前記ワークピース接触面に対して平行にし、
   前記アレイ収容部は、前記アレイが、挿入および抜去可能に、前記スキャン方向と垂直な方向に前記固体結合コンポーネントに滑り込ませることができるように指向されたオリフィスを有する、
   超音波スキャナ。
2. 請求項１に記載の超音波スキャナにおいて、
   前記アレイ接触面および前記ワークピース接触面を、ほぼ平坦、かつ互いにほぼ平行にした超音波スキャナ。
   超音波スキャナ。
3. 請求項１または２に記載の超音波スキャナにおいて、
   前記アレイは、ほぼ角柱状の外表面を画定し、また前記結合コンポーネントは、前記アレイを収容するための、対応オリフィスを画定する構成とした、超音波スキャナ。
4. 請求項３に記載の超音波スキャナにおいて、
   前記アレイは、多角形断面形状を有する構成とした、超音波スキャナ。
5. 請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の超音波スキャナにおいて、
   前記ワークピース接触面を少なくとも部分的にカバーし、０．５以下の摩擦係数を有する、低摩擦材料の層を備えた、超音波スキャナ。
6. 請求項５に記載の超音波スキャナにおいて、
   前記低摩擦材料は、約０．１の摩擦係数を有する、超音波スキャナ。
7. 請求項６に記載の超音波スキャナにおいて、
   前記低摩擦材料は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ：polytetrafluoroethylene）とした、超音波スキャナ。
8. 請求項５〜７のいずれか一項に記載の超音波スキャナにおいて、
   前記低摩擦材料は、粘着テープの形式とした、超音波スキャナ。
9. 請求項５〜７のいずれか一項に記載の超音波スキャナにおいて、
   前記低摩擦材料は、結合コンポーネントの少なくとも一部分の周りを包囲するシース形状とした、超音波スキャナ。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の超音波スキャナにおいて、
    さらに、前記結合コンポーネントを取り付けるハウジングを備え、前記ハウジングは、使用にあたり使用者が掴み易くするための表面を画定する構成とした、超音波スキャナ。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の超音波スキャナにおいて、
    さらに、ワークピースを接触させるため前記超音波スキャナに取り付け、また使用にあたり、ワークピースに対して走行する距離を決定する第１エンコーダを備えた、超音波スキャナ。
12. 請求項１１に記載の超音波スキャナにおいて、
    前記第１エンコーダと類似した、前記第１エンコーダの反対側で前記超音波スキャナの側面に取り付けた、他のエンコーダを備えた、超音波スキャナ。
13. 請求項１１または１２に記載の超音波スキャナにおいて、
    前記第１エンコーダおよび／または前記他のエンコーダが、ワークピースに向けて弾性的に復元するよう前記超音波スキャナに取り付けた、超音波スキャナ。
14. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の超音波スキャナにおいて、
    ワークピースに係合し、また前記超音波スキャナを、ワークピースに対する指向性を保持する位置決め構成部を備えた、超音波スキャナ。
15. 請求項１４に記載の超音波スキャナにおいて、
    前記位置決め構成部は、前記ワークピース接触面の反対側に位置する第１ローラーを備え、
    前記第１ローラーが、前記超音波スキャナに対して走行可能に取り付け、前記第１ローラーと前記ワークピースの接触面との間における、ワークピースの平坦部分をグリップするよう、前記ワークピース接触面に向けて弾性的に取り付けた、超音波スキャナ。
16. 請求項１５に記載の超音波スキャナにおいて、
    前記第１ローラーの反対側に位置して前記超音波スキャナに取り付けた第２ローラーであって、前記ワークピース接触面と同一側の側面で、前記ワークピースに接触する、該第２ローラーを備えた、超音波スキャナ。
17. 請求項１６に記載の超音波スキャナにおいて、
    前記第１ローラーの反対側に位置して前記超音波スキャナに取り付けた第３ローラーであって、前記ワークピース接触面と同一側の側面で、前記ワークピースに接触する、該第３ローラーを備え、
    前記第３ローラーは、前記超音波スキャナにおける前記第２ローラーとは反対側に配置した、超音波スキャナ。

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