JP6029320B2 - 面取り部又は皿面の超音波検査用の形状補正トランスデューサー接続機構 - Google Patents

Description

本発明は概して複合構造物等の構造物の超音波検査に関する。さらに具体的には、本発明は面取り部又は皿面を有する積層構造物の超音波検査において屈折及び散乱を除去する又は低減する形状補正トランスデューサー接続機構に関するものである。

航空宇宙及びその他の分野においては、しばしば構造物内の凹凸の有無について構造物を検査する必要があり得る。超音波検査は凹凸について複合及びその他の構造物を検査するのに幅広く使われている技術であり、これは凹凸には積層しやすい性質があり、覆っている音進入界面に対して平行（超音波検出に対して最適な方向性）に位置するからである。しかしながら、面取り部及び皿面等の角度付き界面の下の凹凸の超音波検査は、この種の面が界面を通して放射される超音波ビームを屈折させ、散乱させる傾向があるため正確でない可能性がある。標準的な航空機に何千と存在するフラッシュファスナー孔は共通の角度付き界面、掘削又はファスナーの取り外しによって発生した損傷を識別するための検査の対象となる界面を呈する。

超音波検査を受ける構造物内の角度付き界面によって生じる屈折及び散乱による望ましくない影響を最小限に抑えるために、様々な方法が考案されてきた。ある方法には、超音波トランスデューサーを複合構造物の表面に対して平行に、構造物のプライに対して角度をなすように位置づけすることが含まれる。超音波ビームは構造物に進入し、プライの繊維に沿って進む。プライの積層状の凹凸からは超音波エコーが返ってこないため、凹凸の存在を発見することができない。

別の方法では、樹脂ウェッジ上の構造物のプライに対して超音波トランスデューサーを平行に位置づけすることが含まれる。樹脂ウェッジと炭素繊維材料との間の速度差に起因して、超音波ビームがプライの角度において屈折する。プライの積層状の凹凸からは超音波エコーが返ってこないため、凹凸の存在を発見することができない。

ある解決策では、成形超音波アレイにより材料全体に音ビームを通過させていた。しかしながら、これらの技術でもプライ平面の層間剥離からの周縁エコーのはね返りが発生しうる。その他の場合において、平行の背面から角度付き表面に向かって超音波検査を行うことは可能であるが、上記の多くの場合において構造物の背面へのアクセスが不可能である。

長年、炭素繊維積層板の音響特性と一致する材料を特定するための試みが行われてきたが、成功していない。これらの材料と炭素繊維積層板との間の超音波音速と音響インピーダンスが一致しないため、これらの材料を形状補正器として使用すると、屈折と界面エネルギーの損失が生じる。ある材料においては、トランスデューサーの界面の角度を好適に選択することで積層板に対して直角のビームが得られるが、界面の材料が異種のために起こる音響インピーダンスの損失は解決しない。ＣＦＲＰ（炭素繊維強化ポリマー）ウェッジ状又はプラグ状のトランスデューサー接続機構により、検査対象の構造物を基本的に板状の構成に修復し、これにより超音波検査が大幅に簡略化される。屈折又は音響インピーダンスの損失がないため、ウェッジ又はプラグ接続機構と構造物との間の結合線界面の超音波ビームへの影響は無視できる範囲のものである。

したがって、面取り部又は皿面を有する構造物の超音波検査において屈折又は散乱を除去する又は低減する形状補正トランスデューサー接続機構が必要である。

本発明は概して構造物の超音波検査用の形状補正トランスデューサー接続機構を対象とするものである。形状補正トランスデューサー接続機構は、検査対象の構造物と係合する少なくとも一つの角度付き表面を有する形状補正構造物を含み、形状補正構造物は、検査対象の構造物の音速及びインピーダンスとおおむね一致する音速及びインピーダンスを有する。

ある実施形態では、形状補正トランスデューサー接続機構は、検査対象の構造物と係合する少なくとも一つの角度付き表面を有し且つ検査対象の構造物の音速及びインピーダンスとおおむね一致する音速及びインピーダンスを有する形状補正構造物と、形状補正構造物と接触するように配置された超音波トランスデューサーと、超音波トランスデューサーと連動する表示ユニットを含むことができる。

本発明はさらに、概して超音波検査の方法を対象としたものである。超音波検査方法の実例となる実施形態には、傾斜面を有する検査対象の構造物を供給し、検査対象の構造物上の傾斜面と係合する少なくとも一つの角度付き面を有し且つ検査対象の構造物の音速及びインピーダンスとおおむね一致する音速及びインピーダンスを有する形状補正構造物を供給し、形状補正構造物の角度付き面を検査対象の構造物の傾斜面に当接させて配置し、形状補正構造物を介して検査対象の構造物に超音波ビームを送信し、超音波ビームを受信し、超音波ビームの受信に基づいて結果を読み取ることが含まれる。

図１は実例となる形状補正ウェッジを使用した面取り部を有する構造物の超音波検査を示す斜視図である。 図２は実例となる様々なサイズの形状補正プラグを使用した皿面を有する構造物の超音波検査を示す断面図である。 図３は実例となる様々なサイズの形状補正プラグを使用した皿面を有する構造物の超音波検査を示す断面図である。 図４は実例となる様々なサイズの形状補正プラグを使用した皿面を有する構造物の超音波検査を示す断面図である。 図５は超音波検査方法の実例となる実施形態のフロー図である。 図５Ａは超音波検査方法の実例となる代替実施形態のフロー図である。 図６は航空機の製造及び運航方法のフロー図である。 図７は航空機のブロック図である。

以下の詳細な説明は、単に例示的な性質を有するものであり、記載される実施形態又は記載される実施形態の応用及び使用を限定するものではない。本明細書において使用される、「例示的」又は「実例となる」という用語は、「一つの実施例、事例、又は実例となる」ことを意味している。「例示的」又は「実例となる」として本明細書に記載されているあらゆる実施形態は、他の実施形態より好ましい、又は有利であることを必ずしも意味しない。以下に記載する全ての実施形態は、開示内容が当業者によって実行可能となるように提供された例示的な実施形態であり、請求の範囲を限定することを意図していない。更に、前述の技術分野、背景技術、発明の概要、又は後述の説明において明示又は暗示されたいずれの理論によっても制限されることはない。

まず形状補正トランスデューサー接続機構の実例となる実施形態である図１を参照する。以下、接続機構は概して参照番号１で表示される。接続機構１は形状補正ウェッジ２を含むことができる。形状補正ウェッジ２は非金属であってよい。ある実施形態において、形状補正ウェッジ２は複合材料であってよく、積層複合プライ３を含むことができる。形状補正ウェッジ２はウェッジ底面４、ウェッジ側面５及び７、そしてウェッジ最上面６を含むことができる。形状補正ウェッジ２は少なくとも一つの角度付き面８を有することができる。ある実施形態において、ウェッジ角度付き面８は、ウェッジ底面４とウェッジ側面７の間に延在していてよい。

接続機構１を使用して、 以下に説明する構造物２０の超音波検査を実施することができる。音速（形状補正ウェッジ２を通過する音の伝達速度）は、検査対象の構造物２０の超音波音速とおおよそ又はおおむね一致していて良い。ある実施形態において、構造物２０は非金属であってよい。ある実施形態において、構造物２０は複合材料であってよく、積層複合プライ２１を含むことができる。構造物２０は面取り部２６を含むことができ、面取り部２６の傾斜又は角度はおおむね、接続機構１の形状補正ウェッジ２の角度付き補正面８の傾斜又は角度と一致する又は対応する。層間剥離等の凹凸２８は例えば非限定的に、構造物２０の面取り部２６の下に存在する可能性がある。ある実施形態において、形状補正ウェッジ２と検査対象の構造物２０は同じ又はほぼ同じ材料であってよい。

超音波トランスデューサー１２は、形状補正ウェッジ２のウェッジ最上面６に当接させて配置することができる。表示ユニット１４は、トランスデューサーの配線１３又はその他の好適な接続部を通して超音波トランスデューサー１２に接続させることができる。入射超音波ビーム１５を超音波トランスデューサー１２から送ることができる。入射超音波ビーム１５は、形状補正ウェッジ２上の角度付き面８と、構造物２０上の面取り部２６によって形成される界面を通して構造物２０の凹凸２８へ送ることができる。反射超音波ビーム１６は面取り部２６とウェッジ角度付き面８の間の界面を介して凹凸２８から超音波トランスデューサー１２に反射して戻ることができる。入射超音波ビーム１５に対する反射超音波ビーム１６の修正特性に基づいて、表示ユニット１４は構造物２０の面取り部２６の下に凹凸２８があることを表示することができる。

当業者には当然のことであるが、接続機構１の形状補正ウェッジ２は、板状の構成として検査される構造物２０を基本的に復元することによって、超音波検査を大幅に簡略化する。接続機構１の形状補正ウェッジ２は構造物２０の超音波音速及び音響インピーダンスとほぼ一致するため、入射超音波ビーム１５と反射超音波ビーム１６は屈折及び散乱することなく構造物２０内の炭素複合プライ２１に対して直角に進入し反射する。したがって、ウェッジ角度付き面８及び面取り部２６によって形成された結合線界面の入射超音波ビーム１５と反射超音波ビーム１６への影響はわずかである。

次に図２〜４を参照すると、以下接続機構と呼ぶ形状補正トランスデューサー接続機構の実例となる代替実施形態が図２において参照番号１ａで概して示されている。接続機構１ａは、形状補正プラグ３２ａを含むことができる。形状補正プラグ３２ａは非金属であってよい。ある実施形態では、形状補正プラグ３２ａは複合材料であってよく、積層複合プライ３３を含むことができる。形状補正プラグ３２ａはプラグ底面３４、プラグ環状面３５及びプラグ最上面３７を含むことができる。少なくとも一つの環状のプラグ角度付き面３６がプラグ最上面３７と側部プラグ面３５の間に延在していてよい。

接続機構１ａを使用して、以下に説明するように構造物４０の超音波検査を実施することができる。形状補正プラグ３２ａの超音波音速は、検査対象の構造物４０の超音波音速に近い又はおおむね一致していてよい。ある実施形態において、構造物４０は非金属であってよい。ある実施形態において、構造物４０は複合材料であってよく、積層複合プライ４１を含むことができる。構造物４０は皿面４６を有する皿開口部４５を含むことができ、皿面４６の傾斜又は角度は、接続機構１ａの形状補正プラグ３２ａの角度付き補完面３６の傾斜又は角度とおおむね一致する又は対応する。例えば非限定的に、層間剥離等の凹凸３８は構造物４０の皿面４６の下に存在する可能性がある。ある実施形態では、形状補正プラグ３２ａと検査対象の構造物４０は同じ材料、又はほぼ同じ材料でできていてよい。

超音波トランスデューサー１２は、形状補正プラグ３２ａのプラグ最上面３７に当接させて配置することができる。表示ユニット１４はトランスデューサーの配線１３又はその他の好適な接続部を介して超音波トランスデューサー１２に接続することができる。入射超音波ビーム１５を超音波トランスデューサー１２から送ることができる。入射超音波ビーム１５は、形状補正プラグ３２ａの角度付き面３６と、構造物４０の皿面４６によって形成された界面を通して、構造物４０の凹凸３８に送ることができる。反射超音波ビーム１６は凹凸３８から反射して皿面４６とプラグ角度付き面３６との間の界面を介して超音波トランスデューサー１２に戻ることができる。入射超音波ビーム１５に対する反射超音波ビーム１６の修正特性に基づいて、表示ユニット１４に構造物４０の皿面４６の下の凹凸３８の存在が表示されうる。形状補正プラグ３２ｂ及び３２ｃをそれぞれ有するトランスデューサー接続機構１ｂ及び１ｃを対応する縮小サイズ又は直径で図３及び４に示す。

次に、超音波検査方法の実例となる実施形態を示すフロー図５００である図５を参照する。ブロック５０２において、面取り部を有する構造物が供給される。ブロック５０４において、構造物の面取り部と一致するウェッジ角度付き面を有する形状補正ウェッジが供給される。ウェッジを通過する音の伝達速度（音速）は、構造物を通過する音の伝達速度に近い、又はおおむね一致していて良い。ブロック５０６においてウェッジの角度付き面を構造物の補完的な面取り部に当接させて配置することができる。ブロック５０８において、超音波トランスデューサーをウェッジのある面に当接させて配置することができる。ブロック５１０において、超音波ビームをウェッジの角度付き面及び面取り部を通して構造物へ送ることができる。ブロック５１２において、超音波ビームは構造物の凹凸から反射して、面取り部及びウェッジ角度付き面を通って超音波トランスデューサーへ戻ることができる。ブロック５１４において、超音波検査の結果を読み取ることができる。

次に、超音波検査方法の実例となる実施形態を示すフロー図５００ａである図５Ａを参照する。ブロック５０２ａにおいて、皿面を有する構造物が供給される。ブロック５０４ａにおいて、構造物の皿面と一致するプラグ角度付き面を有する形状補正プラグが供給される。プラグを通る音の伝達速度（音速）は、構造物を通る音の伝達速度に近い、又はおおむね一致していて良い。ブロック５０６ａにおいて、プラグの角度付き面を、構造物の補完的な皿面に当接させて配置することができる。ブロック５０８ａにおいて、超音波トランスデューサーをプラグのある面に当接させて配置することができる。ブロック５１０ａにおいて、超音波ビームをプラグの角度付き面と皿面を介して構造物に送ることができる。ブロック５１２ａにおいて、超音波ビームは構造物の凹凸から反射して皿面とプラグ角度付き面を介して超音波トランスデューサーへ戻ることができる。ブロック５１４ａにおいて、超音波検査の結果を読み取ることができる。

次に図６及び７を参照すると、開示の実施形態は図６に示す航空機の製造及び運航方法７８、及び図７に示す航空機９４において使用することができる。試作段階において、例示の方法７８は、航空機９４の規格及び設計８０と、材料調達８２を含むことができる。製造段階においては、航空機９４の構成部品及びサブアセンブリの製造８４と、システム統合８６が行われる。その後、航空機９４は認可及び納品８８を経て運航９０されることができる。顧客によって運航されている間、航空機９４には、（変更、再構成、改装等も含むことができる）所定の整備及び保守９２が予定される。

方法７８の各工程は、システム・インテグレーター、第三者、及び／又はオペレータ（例：顧客）によって行われる又は実施されることが可能である。この説明の目的のために、システム・インテグレーターは、非限定的に、任意の数の航空機メーカー及び主要なシステム下請業者を含むことができ、第三者は、非限定的に、任意の数の供給メーカー、下請業者及びサプライヤを含むことができ、オペレータは、航空機、リース会社、軍部、サービス組織等であってよい。

図７に示すように、例示の方法７８によって製造された航空機９４は、複数のシステム９６及び内部装飾１００を有する機体９８を含むことができる。高レベルシステム９６の実施例は、一又は複数の推進システム１０２、電気システム１０４、油圧システム１０６、及び環境システム１０８を含む。任意の数の他のシステムを含むことができる。航空宇宙における実施例を示したが、本開示の原理を自動車産業等の他の業界に応用することができる。

本明細書に具現化された装置は、製造及び運航方法７８の一又は複数の段階において採用することができる。例えば、製造工程８４に対応する構成部品又はサブアセンブリは、航空機９４が運航している間に製造される構成部品又はサブアセンブリと同じ方法で加工又は製造することができる。また、一又は複数の装置の実施形態を、例えば、航空機９４を実質的に組立てしやすくする、又は航空機９４にかかる費用を削減することによって、製造段階８４及び８６において用いることが可能である。同様に、一又は複数の装置の実施形態を、航空機９４が運航している間に、例えば非限定的に、整備及び保守９２に用いることができる。

その他可能性のある実施形態は下記を含む。
Ａ.構造物の超音波検査用の形状補正トランスデューサー接続機構であって、
検査対象の構造物と係合する少なくとも一つの角度付きの面を有する形状補正構造物と、
検査対象の構造物の音速とおおむね一致する音速を有する形状補正構造物と、
形状補正構造物と接触した状態に配置された超音波トランスデューサーと、
超音波トランスデューサーと連動している表示ユニット
を含む形状補正トランスデューサー接続機構。

Ｂ．形状補正構造物が非金属である、段落Ａに記載の形状補正トランスデューサー接続機構。

Ｃ．形状補正構造物が複合材料でできている、段落Ａに記載の形状補正トランスデューサー接続機構。

Ｄ．形状補正構造物が複数の複合プライを含む、段落Ｃに記載の形状補正トランスデューサー接続機構。

Ｅ.形状補正構造物と検査対象の構造物がほぼ同じ材料でできていてよい、段落Ｂに記載の形状補正トランスデューサー接続機構。

Ｆ.形状補正構造物が形状補正ウェッジを含む、段落Ｂに記載の形状補正トランスデューサー接続機構。

Ｇ.形状補正構造物が形状補正プラグを含む、段落Ｂに記載の形状補正トランスデューサー接続機構。

Ｈ.構造物の超音波検査用の形状補正トランスデューサー接続機構であって、
検査対象の構造物と係合する少なくとも一つの角度付き面を有する形状補正構造物を含み、前記形状補正構造物が複数の複合プライを有し、また
前記形状補正構造物が検査対象の構造物の音速とおおむね一致する音速を有する
形状補正トランスデューサー接続機構。

本発明の実施形態を特定の実例となる実施形態に関連させて説明してきたが、当然ながら特定の実施形態は説明のためであり、限定するものではなく、当業者が他の変形例を発想することが可能である。

１ トランスデューサー接続機構
１ａ トランスデューサー接続機構
１ｂ トランスデューサー接続機構
１ｃ トランスデューサー接続機構
２ 形状補正ウェッジ
３ 積層複合プライ
４ ウェッジ底面
５ ウェッジ側面
６ ウェッジ最上面
７ ウェッジ側面
８ 角度付き面
１２ 超音波トランスデューサー
１３ トランスデューサーの配線
１４ 表示ユニット
１５ 入射超音波ビーム
１６ 反射超音波ビーム
２０ 構造物
２１ 積層複合プライ
２６ 面取り部
２８ 凹凸
３２ａ 形状補正プラグ
３３ 積層複合プライ
３４ プラグ底面
３５ プラグ環状面
３６ プラグ角度付き面
３７ プラグ最上面
３８ 凹凸
４０ 構造物
４１ 積層複合プライ
４５ 皿開口部
４６ 皿面

Claims (6)

1. 積層複合プライを含む複合構造物の超音波検査用の形状補正トランスデューサー接続機構であって、
   検査対象の複合構造物の傾斜した面と係合するように構成されている少なくとも一つの角度付き面を有する形状補正構造物を含み、前記形状補正構造物が複数の複合プライを含み、前記形状補正構造物が検査対象の複合構造物の音速とおおむね一致する音速を有し、
   前記形状補正構造物が、前記複合構造物の傾斜した面に前記複合構造物の前記積層複合プライに直角の方向で超音波ビームを伝播させるように構成されている、形状補正トランスデューサー接続機構。
2. 前記形状補正構造物が非金属である、請求項１に記載の形状補正トランスデューサー接続機構。
3. 前記形状補正構造物と前記検査対象の複合構造物がほぼ同じ材料でできている、請求項１に記載の形状補正トランスデューサー接続機構。
4. 形状補正構造物が形状補正ウェッジを含む、請求項１に記載の形状補正トランスデューサー接続機構。
5. 前記形状補正構造物が形状補正プラグを含む、請求項１に記載の形状補正トランスデューサー接続機構。
6. 傾斜した面を有する検査対象の、積層複合プライを含む複合構造物を供給し、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の形状補正構造物を供給し、
   前記形状補正構造物の角度付き面を前記検査対象の複合構造物の傾斜した面に当接させて配置し、
   前記形状補正構造物を介して超音波ビームを前記検査対象の複合構造物の中へ送り、前記超音波ビームが前記複合構造物の前記積層複合プライに直角の方向に伝播し、
   前記超音波ビームを受信し、
   受信した超音波ビームに基づいて結果を読み取る、超音波検査の方法。

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