JP6037340B2 - 表面の化学的性質の非接触測定装置および方法 - Google Patents
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Description
本開示は、概して、複合構造物などの構造物の表面上の汚染またはその他の表面の化学的性質の測定に関する。より詳細には、本開示は、検査されている表面との物理的接触を必要としない表面の化学的性質の非接触測定装置および方法に関する。
複合構造物またはその他の構造物の表面上の汚染物質やその他の表面の化学的性質を検出する現在の方法は、赤外分光法の使用を含むことがある。しかしながら、従来の赤外分光法技術は、構造的接着の品質に影響を及ぼす可能性のある表面の化学的性質の変化または低度の汚染を測定するための感度を有していないことがある。現在の赤外分光法は測定中に表面との接触を要するので、表面上にさらなる汚染物質をもたらす可能性がある。
本開示は、概して、表面の化学的性質の測定装置を対象とする。表面の化学的性質の測定装置に関する一実施形態には、プロセッサと、プロセッサと接続しており、かつ、ある範囲の赤外波長を用いて測定対象面にわたる表面の化学的性質を同時測定するために構成されている波長可変赤外線レーザー分光計のアレイと、プロセッサと接続しており、かつ、測定対象面から反射する赤外波長の赤外線スペクトルを表示するよう適合されている表示部とが含まれる。
いくつかの実施形態において、表面の化学的性質の測定装置は、入射赤外線ビーム開口、可視レーザービーム開口および反射赤外線ビーム開口を有する装置筐体と、装置筐体内のプロセッサと、装置筐体内に存在し、かつ、プロセッサならびに入射赤外線ビーム開口および可視レーザービーム開口と接続している波長可変レーザー赤外線分光計のアレイとを含んでいてもよい。波長可変赤外線レーザー分光計のアレイは、ある範囲の赤外波長を用いて測定対象面にわたる表面の化学的性質を同時測定するために構成されていてもよい。装置筐体内の可視レーザーは、可視レーザービーム開口と接続していてもよい。表示部は、プロセッサと接続していてもよく、かつ、測定対象面から反射する赤外波長の赤外線スペクトルを表示するよう適合されていてもよい。
さらに本開示は、概して、表面の化学的性質の非接触測定方法を対象としている。該方法の一実施形態は、表面の化学的性質の汚染の広がり（range）を有する複数の標準物を設けること、波長可変赤外線レーザー分光計のアレイを設けること、標準物上の表面の化学的性質の汚染の広がりの赤外線スペクトルを得ること、表面の化学的性質の汚染の広がりに合わせて赤外線スペクトルを較正すること、波長可変赤外線レーザー分光計のアレイを用いて汚染の可能性のある表面の赤外線スペクトルを得ること、および、汚染の可能性のある表面の赤外線スペクトルを表面の化学的性質の汚染の広がりの赤外線スペクトルと比較することを含む。
以下の詳細な説明は本質的に単なる例示であり、説明する実施形態または説明する実施形態の用途および使用を限定するよう意図していない。本明細書で用いられる「例示的な」や「一実施形態」という語は、「一例、場合または実施例としての役割を果たす」という意味である。本明細書における「例示的な」や「一実施形態」として説明するいかなる実施構成も、その他の実施構成より、好適または有利であると必ずしも解釈されるべきではない。以下で説明する実施構成のすべては、当業者が本発明を生産または使用できるように提供される例示的な実施構成であり、かつ、請求項により規定される本発明の範囲を限定するよう意図されてはいない。さらに、前出の技術分野、背景技術、発明の概要または以下の詳細な説明において提示される明示的または暗示的な理論に縛られるよう意図されてはいない。
図１および図２を参照するに、表面の化学的性質の非接触測定装置（以後、装置と呼ぶ）の一実施形態は全体として参照番号１により示す。装置１は、装置１の機能的構成要素の少なくともいくつかを収容する可能性のある装置筐体２を含んでいてもよい。図１に示すように、前面筐体板２ａが装置筐体２上に設けられていてもよい。前面筐体板２ａには、入射赤外線ビーム開口１２、可視レーザービーム開口１３および反射赤外線ビーム開口１４が設けられていてもよい。いくつかの実施形態において、図１にさらに示すように、可視レーザービーム開口１３は通常、入射赤外線ビーム開口１２と反射赤外線ビーム開口１４との間に存在してよい。
図２に示すように、装置１は、ＣＰＵ（中央処理装置）３を含んでいてもよい。波長可変赤外線レーザー分光計アレイ４は、ＣＰＵ３と接続していてもよい。波長可変赤外線レーザー分光計アレイ４は、ある範囲の赤外波長において複合材料またはその他の材料２４の測定対象面２５にわたる同時測定のために構成されていてもよい。波長可変赤外線レーザー分光計アレイ４は、赤外線エミッター５を含んでいてもよい。赤外線エミッター５は、前面筐体板２ａに設けられている入射赤外線ビーム開口１２（図１）と接続していてもよい。可視レーザーポインター６は、ＣＰＵ３と接続していてもよい。可視レーザーポインター６は、前面筐体板２ａに設けられている可視レーザービーム開口１３と接続していてもよい。波長可変赤外線レーザー分光計アレイ４は、赤外線受信機７を含んでいてもよい。赤外線受信機７は、装置筐体２の前面筐体板２ａに設けられている反射赤外線ビーム開口１４と接続していてもよい。表示部８は、ＣＰＵ３と接続していてもよい。いくつかの実施形態において、表示部８は、図１に示したように、装置筐体２の外面に設けられていてもよい。例えば限定はされないが、ＵＳＢポートなどの少なくとも１つのポート９は、ＣＰＵ３と接続していてもよい。１つまたは複数のポート９は、装置筐体２の外面に設けられていてもよい。制御盤１０は、ＣＰＵ３と接続していてもよい。いくつかの実施形態において、制御盤１０は、装置筐体２の外表面に設けられていてもよい。いくつかの実施形態において、制御盤１０は、タッチスクリーンの形式で設けられていてもよく、かつ、表示部８内に組み込まれていてもよい。
可視レーザーポインター６は、可視レーザービーム開口１３（図１）を介して、かつ、その表面の化学的性質または汚染が測定されることとなる材料２４の測定対象面２５上の選択された領域または地点に対して、可視レーザービーム１９を発するよう適合されていてもよい。波長可変赤外線レーザー分光計アレイ４は、赤外線エミッター５から入射赤外線ビーム開口１２（図１）を介して、かつ、測定対象面２５上の選択された領域または地点に対して、ある範囲の赤外波長を有する入射赤外線ビーム１８を発するよう適合されていてもよい。赤外線受信機７は、測定対象面２５からの反射赤外線ビーム２０を受けるよう適合されていてもよい。いくつかの実施形態において、赤外線エミッター５は、入射赤外線ビーム１８を発する能力を有していてもよく、赤外線受信機７は動作波長範囲（例えば、波数４００（ｃｍ−１）から波数約４０００（ｃｍ−１）まで）のすべてまたは一部にわたって、反射赤外線ビーム２０を集光するよう適合されていてもよい。
ＣＰＵ３は、反射赤外線ビーム２０に対応する赤外線スペクトルを処理および保存するとともに、表示部８上に該スペクトルを表示する能力を有していてもよい。ＣＰＵ３は、スペクトルの多変量解析の実行を始めとする、スペクトルを含むデータの数値操作を行う能力を有していてもよい。ＣＰＵ３は、表面汚染の広がりを有する標準物から得られる赤外線スペクトルを、標準物上に表面汚染が存在する状態で較正するよう適合されていてもよい。ＣＰＵ３は、複合標準物から得られる赤外線スペクトルを汚染の可能性のある表面から得られる赤外線スペクトルと比較して、表示部８にその比較を表示する能力をさらに有していてもよい。いくつかの実施形態において、ＣＰＵ３は、測定された表面上の汚染度を定量化して、表示部８上に定量化された汚染度を数値またはその他の形態で表示する能力を有していてもよい。ＣＰＵ３から外部装置（図示せず）上へのデータアップロードを促進するために、外部装置が装置筐体２のポート９に接続されていてもよい。
装置１の例示的用途において、表面上にシリコーンやその他の汚染の広がりを有する複合標準物またはその他の標準物（図示せず）を準備してもよい。いくつかの用途において、標準物は、グラファイト繊維エポキシ複合標準物とすることができる。その他の実施形態では、標準物は、代替の材料を含んでいてもよい。装置１の波長可変赤外線レーザー分光計アレイ４は、各標準物の表面に対して入射赤外線ビーム１８を発することができる。可視レーザーポインター６はまず、表面の汚染度が測定されることとなる各標準物の表面上の選択された領域または地点に対して可視レーザービーム１９を発することにより、表面上の選択された領域または地点に対する入射赤外線ビーム１８の衝突を誘導してもよい。赤外線受信機７は、各標準物の表面から反射される反射赤外線ビーム２０を受けてもよい。ＣＰＵ３は、各標準物に対応する反射赤外線ビーム２０から得られる赤外線スペクトルを処理および保存してもよい。いくつかの用途において、部分最小二乗（ＰＬＳ）ルーチンを用いて、標準物から得られる赤外線スペクトルを標準物上のシリコーン汚染量に合わせて較正し、測定感度を検証してもよい。
標準物から得られた赤外線スペクトルの較正後、装置１は、複合材料またはその他の材料２４の測定対象面２５の赤外線スペクトルを得るよう動作させてもよい。ある実施形態において、材料２４は、測定対象金属面２５を有していてもよい。他の実施形態では、材料２４は、測定対象複合またはその他の非金属面２５を有していてもよい。こうして、装置１の波長可変赤外線レーザー分光計アレイ４は、測定対象面２５に対して入射赤外線ビーム１８を発することができる。可視レーザーポインター６はまず、測定対象面２５上の選択された領域または地点に対して可視レーザービーム１９を発することにより、測定対象面２５上の選択された領域または地点に対する入射赤外線ビーム１８の衝突を誘導してもよい。赤外線受信機７は、測定対象面２５から反射される反射赤外線ビーム２０を受けてもよい。ＣＰＵ３は、測定対象面２５に対応する反射赤外線ビーム２０から得られる赤外線スペクトルを処理および保存してもよい。ＣＰＵ３は、標準物に対応する赤外線スペクトルとともに測定対象面２５に対応する赤外線スペクトルを表示してもよい。ＣＰＵ３は更に、測定対象面２５の赤外線スペクトルをシリコーン汚染標準物から得られる赤外線スペクトルと比較してもよい。いくつかの用途において、ＣＰＵ３は、測定対象面２５上の汚染度を定量化してもよい。
装置１が、例えば限定はされないが、高速実時間測定により、金属および複合接着表面を含む多種多様な接着表面についての化学的情報に対するアクセスを提供してもよいことは、当業者により理解されるであろう。該測定は、対象となっている表面上のさまざまな所望の化学種または不要な汚染物質種の不在を確認または検証するために用いてもよい赤外波長区分のアレイとして実施されてもよい。装置１は、接着表面の化学的性質を測定するのに十分な電力を用いて対象となっている表面の非接触測定を促進することにより、そうでなければ表面との赤外線計器の接触により生じる可能性がある表面の汚染を防ぐ。装置１は、大きな接着表面領域に対する表面測定を完全にカバーする高速測定方法を促進してもよい。赤外分光法領域の同時アレイは、多種多様な汚染物質および表面の化学的性質の測定に対するアクセスを提供してもよい。さらに、該方法を用いて、表面上の薄い被膜を該被膜または表面に触れることなく測定可能であることは、当業者により理解されるだろう。このことは、測定のために表面に触れることが望ましくないが、接着下塗りの厚みの測定は望まれる（約０.２ミルから約０.５ミルまで）、金属および複合材上の接着下塗りに有用である可能性がある。
次に図３を参照して、表面の化学的性質の非接触測定方法の一実施形態のフロー図１００を示す。ブロック１０２において、標準物の表面上にシリコーンまたはその他の汚染の広がりを有する複合標準物またはその他の非金属もしくは金属標準物を設ける。ブロック１０４において、波長可変赤外線レーザー分光計のアレイを設ける。ブロック１０６において、複合標準物上のシリコーン汚染の赤外線スペクトルを得る。いくつかの実施形態において、波数約４００（ｃｍ−１）から波数約４０００（ｃｍ −１ ）までの赤外波長を用いた赤外線スペクトルを得る。ブロック１０８において、ブロック１０６において得られた赤外線スペクトルを複合標準物の表面上の汚染の広がりに合わせて較正する。いくつかの実施形態において、赤外線スペクトルは、部分最小二乗（ＰＬＳ）ルーチンを用いて複合標準物の表面上の汚染の広がりに合わせて較正してもよい。ブロック１１０において、波長可変赤外線レーザー分光計のアレイを用いて、シリコーンまたはその他の汚染の可能性がある表面の赤外線スペクトルを得る。いくつかの実施形態において、波数約４００（ｃｍ−１）から波数約４０００（ｃｍ −１ ）までの赤外波長を用いた赤外線スペクトルを得る。いくつかの実施形態において、汚染の可能性がある表面は、金属製であってもよい。いくつかの実施形態において、汚染の可能性がある表面は、複合材またはその他の非金属材料であってもよい。ブロック１１２において、汚染の可能性がある表面の赤外線スペクトルを標準物の赤外線スペクトルと比較する。ブロック１１４において、汚染の可能性のある表面上の汚染度を定量化する。
次に図４および図５を参照して、図４に示すような航空機の製造および保守方法７８ならびに図５に示すような航空機９４との関連において、本開示の実施形態を使用できる。本生産の前で、例示的方法７８は、航空機９４の仕様および設計８０ならびに材料調達８２を含んでいてもよい。生産の際は、航空機９４の構成部品および部分組立品の製造８４ならびにシステム統合８６が行われる。その後、航空機９４は、認証および納品８８を経て、運航９０されてもよい。顧客による運航中、航空機９４は、（変更、再構成、改修などをも含むかもしれない）定期的整備および保守９２を受けることとなってもよい。
方法７８の各プロセスは、システムインテグレータ、第三者および／または操作者（例えば、顧客）により行われるかまたは実施されてもよい。この記述の意図するところは、システムインテグレータは、任意の数の航空機製造者および主要なシステム下請け業者を含んでもよいが、これらに限定されるわけではない。第三者は、任意の数の取り扱い業者、下請け業者および供給業者を含んでもよいが、これらに限定されるわけではない。操作者は、航空会社、リース会社、軍隊、保守組織などであってもよい。
図５に示すように、例示的方法７８により製造された航空機９４は、複数のシステム９６および内装１００とともに機体９８を含んでいてもよい。高度システム９６の例としては、推進システム１０２、電気システム１０４、油圧システム１０６および環境システム１０８のうちの１つ以上が挙げられる。任意の数の他のシステムを含んでもよい。航空宇宙の例が示されているが、本発明の原理は、自動車産業といった他の産業に適用することもできる。
ここで実施されている装置は、製造および保守方法７８のいずれか１つまたはそれ以上の段階中に使用してもよい。例えば、製造プロセス８４に対応する構成部品や部分組立品は、航空機９４が運航されている間に製造される構成部品や部分組立品と同様に組立てまたは製造されてもよい。また、航空機９４の組立てを大幅に早めるか、または、航空機９４のコストを削減することにより、例えば、製造段階８４および８６中に、一以上の装置の実施形態を利用してもよい。同様に、航空機９４の運航から、例えば限定はされないが、整備および保守９２の間に、一以上の装置の実施形態を利用してもよい。
ある例示的な実施形態に関して本開示の実施形態を説明してきたが、当業者は他の変形例に想到するため、該特定の実施形態は、限定ではなく説明を目的とするものであると理解されるべきである。
また、本願は以下に記載する態様を含む。
（態様１）
プロセッサと、
前記プロセッサと接続しており、かつ、ある範囲の赤外波長を用いた測定対象面にわたる表面の化学的性質の同時測定のために構成されている波長可変赤外線レーザー分光計のアレイと、
前記プロセッサと接続しており、かつ、前記測定対象面から反射する赤外波長の赤外線スペクトルを表示するよう適合されている表示部と、
を含む表面の化学的性質の測定装置。
（態様２）
前記プロセッサと接続している可視レーザーポインターをさらに含む態様１に記載の装置。
（態様３）
装置筐体をさらに含み、かつ、前記波長可変赤外線レーザー分光計のアレイが前記装置筐体に収容されている態様１に記載の装置。
（態様４）
前記筐体に入射赤外線ビーム開口をさらに含み、かつ、前記波長可変赤外線レーザー分光計のアレイが前記入射赤外線ビーム開口と接続している態様３に記載の装置。
（態様５）
前記装置筐体に可視レーザービーム開口と、前記プロセッサと接続しており、かつ、前記可視レーザービーム開口と接続している可視レーザーポインターとをさらに含む態様４に記載の装置。
（態様６）
前記筐体に反射赤外線ビーム開口をさらに含み、かつ、前記波長可変赤外線レーザー分光計のアレイが前記反射赤外線ビーム開口と接続している態様４に記載の装置。
（態様７）
前記波長可変赤外線レーザー分光計のアレイが、波数約４００（ｃｍ −１ ）から波数約４０００までの赤外波長を用いた測定対象面にわたる表面の化学的性質の同時測定のために構成されている態様１に記載の装置。
（態様８）
前記プロセッサと接続している少なくとも１つのポートをさらに含む態様１に記載の装置。
（態様９）
入射赤外線ビーム開口、可視レーザービーム開口および反射赤外線ビーム開口を有する装置筐体と、
前記装置筐体内のプロセッサと、
前記装置筐体内に存在し、かつ、前記プロセッサならびに前記入射赤外線ビーム開口および前記可視レーザービーム開口と接続している波長可変赤外線レーザー分光計のアレイであって、
ある範囲の赤外波長を用いた測定対象面にわたる表面の化学的性質の同時測定のために構成されている前記波長可変赤外線レーザー分光計のアレイと、
前記装置筐体内に存在し、かつ、前記可視レーザービーム開口と接続している可視レーザーと、
前記プロセッサと接続しており、かつ、前記測定対象面から反射する赤外波長の赤外線スペクトルを表示するよう適合されている表示部と、
を含む表面の化学的性質の測定装置。
（態様１０）
前記波長可変赤外線レーザー分光計のアレイが、波数約４００（ｃｍ −１ ）から波数約４０００までの赤外波長を用いた測定対象面にわたる表面の化学的性質の同時測定のために構成されている態様９に記載の装置。
（態様１１）
前記プロセッサと接続している少なくとも１つのポートをさらに含む態様９に記載の装置。
（態様１２）
前記可視レーザービーム開口が、概して、前記入射赤外線ビーム開口と前記反射赤外線ビーム開口との間に存在する態様９に記載の装置。
（態様１３）
表面の化学的性質の汚染の広がり（range）を有する複数の標準物を設けること、
波長可変赤外線レーザー分光計のアレイを設けること、
前記標準物上の前記表面の化学的性質の汚染の広がりの赤外線スペクトルを得ること、
前記表面の化学的性質の汚染の広がりに合わせて前記赤外線スペクトルを較正すること、
前記波長可変赤外線レーザー分光計のアレイを用いて汚染の可能性のある表面の赤外線スペクトルを得ること、および、
前記汚染の可能性のある表面の前記赤外線スペクトルを前記表面の化学的性質の汚染の広がりの前記赤外線スペクトルと比較すること
を含む表面の化学的性質の非接触測定方法。
（態様１４）
前記波長可変赤外線レーザー分光計のアレイを用いて汚染の可能性のある表面の赤外線スペクトルを得ることが、前記波長可変赤外線レーザー分光計のアレイを用いてシリコーン汚染の可能性のある表面の赤外線スペクトルを得ることを含む態様１３に記載の方法。
また、本願は以下に記載する態様を含む。
（態様１）
プロセッサと、
前記プロセッサと接続しており、かつ、ある範囲の赤外波長を用いた測定対象面にわたる表面の化学的性質の同時測定のために構成されている波長可変赤外線レーザー分光計のアレイと、
前記プロセッサと接続しており、かつ、前記測定対象面から反射する赤外波長の赤外線スペクトルを表示するよう適合されている表示部と、
を含む表面の化学的性質の測定装置。
（態様２）
前記プロセッサと接続している可視レーザーポインターをさらに含む態様１に記載の装置。
（態様３）
装置筐体をさらに含み、かつ、前記波長可変赤外線レーザー分光計のアレイが前記装置筐体に収容されている態様１に記載の装置。
（態様４）
前記筐体に入射赤外線ビーム開口をさらに含み、かつ、前記波長可変赤外線レーザー分光計のアレイが前記入射赤外線ビーム開口と接続している態様３に記載の装置。
（態様５）
前記装置筐体に可視レーザービーム開口と、前記プロセッサと接続しており、かつ、前記可視レーザービーム開口と接続している可視レーザーポインターとをさらに含む態様４に記載の装置。
（態様６）
前記筐体に反射赤外線ビーム開口をさらに含み、かつ、前記波長可変赤外線レーザー分光計のアレイが前記反射赤外線ビーム開口と接続している態様４に記載の装置。
（態様７）
前記波長可変赤外線レーザー分光計のアレイが、波数約４００（ｃｍ −１ ）から波数約４０００までの赤外波長を用いた測定対象面にわたる表面の化学的性質の同時測定のために構成されている態様１に記載の装置。
（態様８）
前記プロセッサと接続している少なくとも１つのポートをさらに含む態様１に記載の装置。
（態様９）
入射赤外線ビーム開口、可視レーザービーム開口および反射赤外線ビーム開口を有する装置筐体と、
前記装置筐体内のプロセッサと、
前記装置筐体内に存在し、かつ、前記プロセッサならびに前記入射赤外線ビーム開口および前記可視レーザービーム開口と接続している波長可変赤外線レーザー分光計のアレイであって、
ある範囲の赤外波長を用いた測定対象面にわたる表面の化学的性質の同時測定のために構成されている前記波長可変赤外線レーザー分光計のアレイと、
前記装置筐体内に存在し、かつ、前記可視レーザービーム開口と接続している可視レーザーと、
前記プロセッサと接続しており、かつ、前記測定対象面から反射する赤外波長の赤外線スペクトルを表示するよう適合されている表示部と、
を含む表面の化学的性質の測定装置。
（態様１０）
前記波長可変赤外線レーザー分光計のアレイが、波数約４００（ｃｍ −１ ）から波数約４０００までの赤外波長を用いた測定対象面にわたる表面の化学的性質の同時測定のために構成されている態様９に記載の装置。
（態様１１）
前記プロセッサと接続している少なくとも１つのポートをさらに含む態様９に記載の装置。
（態様１２）
前記可視レーザービーム開口が、概して、前記入射赤外線ビーム開口と前記反射赤外線ビーム開口との間に存在する態様９に記載の装置。
（態様１３）
表面の化学的性質の汚染の広がり（range）を有する複数の標準物を設けること、
波長可変赤外線レーザー分光計のアレイを設けること、
前記標準物上の前記表面の化学的性質の汚染の広がりの赤外線スペクトルを得ること、
前記表面の化学的性質の汚染の広がりに合わせて前記赤外線スペクトルを較正すること、
前記波長可変赤外線レーザー分光計のアレイを用いて汚染の可能性のある表面の赤外線スペクトルを得ること、および、
前記汚染の可能性のある表面の前記赤外線スペクトルを前記表面の化学的性質の汚染の広がりの前記赤外線スペクトルと比較すること
を含む表面の化学的性質の非接触測定方法。
（態様１４）
前記波長可変赤外線レーザー分光計のアレイを用いて汚染の可能性のある表面の赤外線スペクトルを得ることが、前記波長可変赤外線レーザー分光計のアレイを用いてシリコーン汚染の可能性のある表面の赤外線スペクトルを得ることを含む態様１３に記載の方法。
Claims (2)
- 表面に化学的に汚染された領域を有する複数の標準物を設けること、
波長可変赤外線レーザー分光計（４）を設けること、
前記標準物上の前記表面の化学的に汚染された領域の赤外線スペクトルを得ること、
前記表面の化学的に汚染された領域に合わせて前記赤外線スペクトルを較正すること、
前記波長可変赤外線レーザー分光計（４）を用いて汚染の可能性のある表面の赤外線スペクトルを得ること、および、
前記汚染の可能性のある表面の前記赤外線スペクトルを前記表面の化学的に汚染された領域の前記較正された赤外線スペクトルと比較することを含む表面の化学的性質の非接触測定方法。 - 前記波長可変赤外線レーザー分光計（４）を用いて汚染の可能性のある表面の赤外線スペクトルを得ることが、前記波長可変赤外線レーザー分光計（４）を用いてシリコーン汚染の可能性のある表面の赤外線スペクトルを得ることを含む請求項１に記載の方法。
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