WO2018092726A1 - 検査装置、検査ユニット及び検査方法 - Google Patents

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裕文 家永
慶介 丸小
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Definitions

  • the present invention relates to an inspection apparatus, an inspection unit, and an inspection method, and more particularly to inspection of a member formed of a composite material.
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • GFRP glass fiber reinforced plastic
  • a member formed of a composite material (hereinafter simply referred to as “composite material member”) often has a defect.
  • composite material member A member formed of a composite material (hereinafter simply referred to as “composite material member”) often has a defect.
  • mechanical processing for example, drilling
  • defects due to damage due to mechanical processing may occur.
  • inspection is performed in the manufacturing and processing processes of the composite material member.
  • ultrasonic inspection One of the most typical inspection methods for composite members is ultrasonic inspection.
  • ultrasonic inspection ultrasonic waves are incident on the composite material member, and a reflected wave returning from the composite material member is acquired. The position and size of the defect can be detected from the information included in the reflected wave.
  • an object of the present invention is to provide a technique for detecting a defect in a composite material member when it is assumed that a plurality of defects are arranged in the incident direction of the ultrasonic wave emitted from the ultrasonic probe. It is in. *
  • an inspection apparatus for inspecting a composite member formed of a composite material and having a main surface and an intersecting surface intersecting the main surface.
  • the inspection apparatus includes a main body part, an ultrasonic probe coupled to the main body part and in contact with the main surface, an optical sensor part coupled to the main body part so as to be movable in the first direction, and a processing apparatus. It has.
  • the ultrasonic probe is configured to make an ultrasonic wave incident on the main surface of the composite member and receive a reflected wave generated by reflection of the ultrasonic wave by the composite member.
  • the optical sensor part is configured to emit sensor light in a second direction perpendicular to the first direction, and to receive reflected light generated by reflecting the sensor light on the intersection plane.
  • the processing device is configured to output a measurement result obtained based on the reflected wave and the reflected light.
  • the inspection apparatus may further include an actuator that moves the optical sensor part in the first direction. In this case, emission of sensor light and reception of reflected light are performed while moving the optical sensor part in the first direction by the actuator.
  • the ultrasound probe is coupled to the body part so as to be movable in a third direction perpendicular to the first direction.
  • the optical sensor part has an optical sensor that emits sensor light, receives reflected light, and generates an output signal corresponding to the reflected light, and a cylindrical surface having a central axis parallel to the first direction. And a cylindrical member.
  • the optical sensor is accommodated in the cylindrical member.
  • the cylindrical member is connected to the main body part so as to be movable in the first direction.
  • an inspection unit for inspecting a composite material member formed of a composite material having a main surface and an intersecting surface intersecting the main surface.
  • the inspection unit includes a main body part, an ultrasonic probe coupled to the main body part and in contact with the main surface, and an optical sensor part coupled to the main body part so as to be movable in a first direction perpendicular to the main surface. It comprises.
  • the ultrasonic probe is configured to input ultrasonic waves to the main surface of the composite material, receive a reflected wave generated by reflecting the ultrasonic waves by the composite material, and output a first output signal corresponding to the reflected wave.
  • the optical sensor part emits sensor light in a second direction perpendicular to the first direction, receives reflected light generated by reflecting the sensor light at the intersection, and outputs a second output signal corresponding to the reflected light. It is configured as follows. *
  • an inspection method for inspecting a composite member having a main surface and an intersecting surface intersecting the main surface is provided.
  • the inspection method is (A) a step of bringing an ultrasonic probe into contact with the main surface and causing ultrasonic waves to enter the main surface from the ultrasonic probe; (B) receiving a reflected wave generated by reflecting an ultrasonic wave by the composite member; (C) emitting the sensor light in a second direction perpendicular to the first direction while moving the photosensor in the first direction along the intersecting plane; (D) receiving reflected light generated by reflecting the sensor light at the intersection; (E) outputting a measurement result obtained based on the reflected wave and the reflected light; It comprises.
  • Such an inspection method is particularly suitable when the intersecting surface is a side wall surface of a through hole formed in the composite member by drilling.
  • the optical sensor may be accommodated in a cylindrical member having a cylindrical surface having a central axis parallel to the first direction.
  • the cylindrical surface of the cylindrical member has a diameter corresponding to the diameter of the through hole.
  • steps (A) to (E) are repeated while changing the direction of the sensor light emission direction (second direction).
  • FIG. 1 is a top view showing an example of the structure of the composite material member 1 to be inspected in the present embodiment
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view partially showing the structure of the composite material member 1 shown in FIG. FIG.
  • an XYZ orthogonal coordinate system is introduced.
  • the Z-axis direction is defined as the thickness direction of the composite material member 1
  • the X-axis direction and the Y-axis direction are defined so as to be orthogonal to the in-plane direction of the composite material member 1.
  • the composite material member 1 is formed of a composite material (for example, CFRP) in which a resin and a fiber are combined.
  • CFRP a composite material
  • the composite material member 1 is formed in a plate shape.
  • laminate direction the direction in which the fiber sheets or fiber cloths are laminated (hereinafter simply referred to as “lamination direction”) is the thickness direction of the composite member 1, that is, in FIGS. 1 and 2. It is the Z-axis direction.
  • the circular through hole 2 penetrating in the thickness direction of the composite material member 1 (that is, in the stacking direction) is formed in the composite material member 1 having such a structure by drilling using a drill
  • the most typical defect is delamination on the side wall surface 2 a of the through hole 2.
  • a defect 3 extending from the side wall surface 2a of the through hole 2 toward the inside of the composite member 1 is formed (note that the side wall surface 2a is a surface intersecting the main surface 1a).
  • a plurality of defects 3 can be formed side by side along the side wall surface 2a (that is, side by side in the stacking direction). *
  • the occurrence of the defect 3 can affect the reliability of the composite member 1, it is desirable to inspect the composite member 1 after drilling. In the inspection of the composite member 1, first, the presence or absence of the defect 3 is evaluated. Further, when the presence of the defect 3 is detected, it is desirable to specify the number of the defects 3 and the region where the defect 3 exists. If the number of the defects 3 and the area where the defects 3 exist can be specified, basic data for use in determining the conditions for drilling or for calculating the strength of the structure including the composite member 1 can be obtained. it can. *
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating an example of ultrasonic inspection of the composite member 1.
  • the ultrasonic probe 4 is pressed against the main surface 1a of the composite member 1, and the ultrasonic wave 4a is incident on the main surface 1a from the ultrasonic probe 4.
  • the incident direction of the ultrasonic wave 4 a is the thickness direction (Z-axis direction) of the composite material member 1.
  • the reflected wave returning from the composite member 1 is received by the ultrasonic probe 4, and the presence or absence of the defect 3 can be determined from the ultrasonic image obtained from the reflected wave. *
  • FIG. 4 is a conceptual diagram showing a configuration of the inspection apparatus 10 of the present embodiment.
  • the inspection device 10 includes an inspection unit 11, a processing device 12, and a display device 13. *
  • FIG. 5 is a perspective view showing an example of the structure of the inspection unit 11.
  • the inspection unit 11 includes a main body part 14, an ultrasonic probe 15, and an optical sensor part 16. *
  • the main body part 14 of the inspection unit 11 includes a probe guide 14a, an optical sensor guide 14b, and an actuator 14c.
  • the probe guide 14a holds the ultrasonic probe 15 so as to be movable in a specific direction.
  • this specific direction that is, the direction in which the ultrasonic probe 15 can move
  • the position of the ultrasonic probe 15 in the probe moving direction can be adjusted by adjusting the position where the ultrasonic probe 15 is held by the probe guide 14a.
  • the optical sensor guide 14b holds the optical sensor part 16 movably in a direction perpendicular to the probe moving direction.
  • the perpendicular direction is referred to as “sensor scanning direction”.
  • the actuator 14 c is configured to drive the optical sensor part 16 to move in the “sensor scanning direction”. *
  • the ultrasonic probe 15 makes an ultrasonic wave used for ultrasonic inspection enter the composite member 1 and receive a reflected wave generated by reflecting the ultrasonic wave by the composite member 1. Configured. The ultrasonic probe 15 generates an output signal corresponding to the reflected wave. The output signal generated by the ultrasonic probe 15 is transmitted to the processing device 12 via the cable 17.
  • the optical sensor part 16 is inserted into the through hole 2 and used to detect the defect 3 exposed on the side wall surface 2a of the through hole 2 by optical inspection.
  • the defect 3 is detected not only by ultrasonic inspection but also by optical inspection.
  • the optical sensor part 16 includes a metal cylinder 21 and an optical sensor 22. *
  • the metal cylinder 21 is a cylinder member that houses and holds the optical sensor 22 therein.
  • the metal cylinder 21 has a cylindrical side surface, and is held by the optical sensor guide 14b on the side surface.
  • the central axis 21a of the metal cylinder 21 is oriented parallel to the sensor scanning direction, and the metal cylinder 21 is used to keep the positional relationship between the optical sensor 22 and the side wall surface 2a of the through hole 2 constant.
  • the metal cylinder 21 is desirably formed to have a diameter corresponding to the diameter of the through hole 2 (a diameter that is the same as or slightly smaller than the diameter of the through hole 2). *
  • FIG. 6 is a partial cross-sectional view showing the structure of the metal cylinder 21.
  • the metal cylinder 21 has an opening 21b for allowing sensor light 22a emitted from the optical sensor 22 to pass therethrough.
  • the optical sensor 22 is supported by the metal cylinder 21 so that the optical axis 22b of the sensor light 22a is oriented in a direction perpendicular to the sensor scanning direction, in this embodiment, parallel to the probe movable direction.
  • the optical sensor 22 emits sensor light in a direction perpendicular to the sensor scanning direction under the control of the processing device 12, and the sensor light is generated by being reflected by the side wall surface 2 a of the through hole 2. Configured to receive reflected light. The optical sensor 22 generates an output signal corresponding to the reflected light. The output signal generated by the optical sensor 22 is transmitted to the processing device 12 via the cable 18. In one embodiment, an optical displacement sensor may be used as the optical sensor 22. *
  • the processing device 12 controls the ultrasonic probe 15, the optical sensor 22, and the actuator 14 c, and processes the output signals received from the ultrasonic probe 15 and the optical sensor 22 to measure the measurement results. Is configured to output. For example, the processing device 12 processes the output signal received from the ultrasonic probe 15 to generate a desired ultrasonic image (for example, a B-mode image), and displays the ultrasonic image on the display device 13. Further, the processing device 12 processes the output signal received from the optical sensor 22 to generate a defect detection image indicating the presence or absence of the defect 3 at each position of the side wall surface 2a of the through-hole 2, and the generated defect detection The image is displayed on the display device 13.
  • a desired ultrasonic image for example, a B-mode image
  • the processing device 12 processes the output signal received from the optical sensor 22 to generate a defect detection image indicating the presence or absence of the defect 3 at each position of the side wall surface 2a of the through-hole 2, and the generated defect detection The image is displayed on the display device 13.
  • the processing device 12 When the defect 3 exposed on the side wall surface 2 a of the through hole 2 is present, the sensor light 22 a is not reflected at the position where the defect 3 is present, and the reflected light does not reach the optical sensor 22. Since the output signal output from the optical sensor 22 is generated in response to the reflected light, the presence / absence of the defect 3 at each position of the side wall surface 2a of the through hole 2 is determined based on the output signal output from the optical sensor 22. Judgment is possible.
  • the processing device 12 generates a defect detection image based on the output signal output from the optical sensor 22. Further, when an optical displacement sensor is used as the optical sensor 22, the shape of the side wall surface 2 a of the through hole 2 can be specified from information included in the reflected light. In this case, the processing device 12 may generate a profile image indicating the shape of the side wall surface 2a of the through hole 2 as the defect detection image.
  • the inspection unit 11 is disposed on the composite member 1.
  • the optical sensor part 16 is inserted into the through hole 2 of the composite member 1, and the ultrasonic probe 15 is further placed on the main surface 1 a of the composite member 1. Pressed.
  • the direction of the probe guide 14a (that is, the probe moving direction) and the position of the ultrasonic probe 15 in the probe moving direction are determined according to the position to be inspected.
  • the direction of the probe guide 14 a is defined in the + X direction with respect to the through hole 2.
  • the direction of the probe guide 14a is defined as an angle formed with the + X direction. That is, in the arrangement shown in FIG. 7, the orientation of the probe guide 14a is “0 °”. *
  • FIG. 8 is a conceptual diagram illustrating an ultrasonic inspection and an optical inspection performed by the inspection apparatus 10 of the present embodiment. *
  • the ultrasonic wave 15 a is incident on the main surface 1 a of the composite member 1 from the ultrasonic probe 15.
  • the incident direction of the ultrasonic wave 15 a is the thickness direction (Z-axis direction) of the composite member 1.
  • a reflected wave generated when the ultrasonic wave 15 a is reflected by the composite member 1 is received by the ultrasonic probe 15, and an output signal corresponding to the reflected wave is generated by the ultrasonic probe 15.
  • the processing device 12 generates an ultrasonic image from the output signal received from the ultrasonic probe 15 and displays the generated ultrasonic image on the display device 13.
  • the ultrasonic inspection is performed while changing the position of the ultrasonic probe 15 in the probe moving direction.
  • the position of the ultrasonic probe 15 may be changed by manually moving the ultrasonic probe 15 along the probe guide 14a.
  • the sensor light 22a emitted from the optical sensor 22 passes through the through-hole 2 while the position of the optical sensor part 16 is automatically moved in the sensor scanning direction (that is, the Z-axis direction) by the actuator 14c. Irradiates each position on the side wall surface 2a. Thereby, the side wall surface 2a of the through-hole 2 is scanned in the sensor scanning direction by the sensor light 22a. Further, the reflected light generated by reflecting the sensor light 22 a on the side wall surface 2 a is received by the optical sensor 22, and an output signal corresponding to the reflected light is generated by the optical sensor 22.
  • the processing device 12 generates a defect detection image indicating the presence or absence of the defect 3 at each position on the side wall surface 2a of the through hole 2 from the output signal received from the optical sensor 22, and the generated defect detection image is displayed on the display device 13. indicate. Specifically, if the defect 3 exists at a position where the side wall surface 2 a of the through hole 2 is present, the sensor light 22 a is not reflected at that position, and the reflected light does not reach the optical sensor 22. The processing device 12 generates a defect detection image indicating that the defect 3 exists at a position where the reflected light does not reach the optical sensor 22.
  • the shape of the side wall surface 2 a of the through hole 2 can be specified from information included in the reflected light.
  • the processing device 12 may generate a profile image indicating the shape of the side wall surface 2a of the through hole 2 as the defect detection image.
  • the same inspection is repeated while changing the direction of the probe guide 14a (that is, the direction in which the sensor light 22a is emitted) at a desired angular interval (for example, 90 °).
  • a desired angular interval for example, 90 °.
  • the orientation of the probe guide 14a may be changed by manually rotating the probe guide 14a.
  • the inspection apparatus 10 of the present embodiment has a configuration in which the optical sensor 22 is accommodated in the metal cylinder 21 having a diameter corresponding to the diameter of the through hole 2. According to such a configuration, the distance between the optical sensor 22 and the side wall surface 2a of the through hole 2 can be kept constant when the direction of the probe guide 14a (that is, the direction in which the sensor light 22a is emitted) is changed. it can. This is effective in improving the accuracy of optical inspection.
  • the ultrasonic probe 15 directly Information regarding the defect 3 that cannot be reached by the ultrasonic wave 15a can be obtained.
  • the inspection procedure of the present embodiment as shown in FIG. 9, the number and position of the defects 3 on the side wall surface 2 a of the through hole 2 can be detected by the optical sensor 22.
  • the number of defects 3 on the side wall surface 2a of the through hole 2 and information on the region 5 where the defects 3 exist can be obtained.
  • the defect 3 due to delamination on the side wall surface 2a of the through hole 2 is important. The usefulness of the inspection procedure of the embodiment is great.
  • the inspection for detecting the defect 3 occurring along the side wall surface 2a of the through hole 2 of the composite member 1 in which the through hole 2 is formed is performed.
  • the inspection apparatus and the inspection method of the embodiment can be applied to various structures in which a defect is generated at an intersecting surface intersecting the main surface of the composite material member.
  • the inspection apparatus and the inspection method of the present embodiment can be used for the inspection of the composite member 1 having the step structure 6 as illustrated in FIG.
  • the ultrasonic probe 15 is brought into contact with the main surface 1 a of the composite member 1, and the step surface 6 a (surface perpendicular to the main surface 1 a) of the step structure 6 is scanned by the optical sensor part 16.
  • the number of defects exposed on the step surface 6a of the composite member 1 and the range where the defects exist can be inspected. *

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Abstract

複合材で形成され、主面（１ａ）と交差面とを有する複合材部材（１）を検査するための検査装置（１０）が提供される。検査装置（１０）は、本体パーツ（１４）と、本体パーツ（１４）に結合され、主面（１ａ）に接触される超音波プローブ（１５）と、第１方向（Ｚ）に移動可能であるように本体パーツ（１４）に結合された光センサパーツ（１６）と、処理装置とを具備する。超音波プローブ（１５）は、複合材部材（１）の主面（１ａ）に超音波を入射し、反射波を受け取るように構成される。光センサパーツ（１６）は、第１方向（Ｚ）に垂直な第２方向（Ｘ）にセンサ光を出射し、反射光を受信するように構成される。処理装置は、反射波及び反射光に基づいて得られる測定結果を出力するように構成される。こうして、超音波の入射方向に複数の欠陥が並んでいることが想定される場合に、複合材部材の欠陥を検出する。

Description

検査装置、検査ユニット及び検査方法
本発明は、検査装置、検査ユニット及び検査方法に関し、特に、複合材で形成された部材の検査に関する。
炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）及びガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）に例示されるように、樹脂と繊維とを組み合わせて構成された複合材（composite material）は、航空機をはじめとする様々な産業分野において広く用いられている。　
複合材で形成された部材（以下では、単に、「複合材部材」という。）には、しばしば、欠陥が発生する。特に、複合材部材に機械的加工（例えば、穴あけ加工）を行った場合、機械的加工によるダメージに起因した欠陥が発生することがある。このような欠陥の有無を確認するために、複合材部材の製造、加工プロセスにおいては、検査が行われる。　
複合材部材の最も典型的な検査方法の一つが、超音波検査である。超音波検査においては、超音波が複合材部材に入射され、複合材部材から返ってくる反射波が取得される。この反射波に含まれている情報から欠陥の位置や大きさを検知することができる。　
しかしながら、超音波の入射方向に複数の欠陥が並んでいる場合、超音波検査による欠陥の検知に不十分な場合が生じる。超音波の入射方向に複数の欠陥が並んでいる場合、超音波の入射位置に最も近い欠陥によって超音波が反射される。このような場合、超音波検査では入射位置に最も近い欠陥しか検知できず、欠陥の検知漏れが発生し得る。特に、繊維で形成されたシートやクロスが積層されている複合材部材に対して機械的加工を行ったときに発生する層間剥離は、特定方向（例えば、繊維シートや繊維クロスの積層方向）に並んで発生し易いので、欠陥の検査漏れが生じやすい。　
なお、複合材に設けられた貫通孔の超音波検査については、例えば、米国特許出願公開２０１２／００３５８６２号に開示されている。
米国特許出願公開２０１２／００３５８６２号
従って、本発明の目的は、超音波プローブから出射される超音波の入射方向に複数の欠陥が並んでいることが想定される場合に複合材部材の欠陥を検出するための技術を提供することにある。　
本発明の他の目的は、以下の開示から当業者には理解されよう。　
本発明の一の観点では、複合材で形成され、主面と主面と交差する交差面とを有する複合材部材を検査するための検査装置が提供される。検査装置は、本体パーツと、本体パーツに結合され、主面に接触される超音波プローブと、第１方向に移動可能であるように本体パーツに結合された光センサパーツと、処理装置とを具備する。超音波プローブは、複合材部材の主面に超音波を入射すると共に、超音波が複合材部材によって反射されて生成される反射波を受け取るように構成される。光センサパーツは、第１方向に垂直な第２方向にセンサ光を出射すると共に、センサ光が交差面で反射されて生成される反射光を受信するように構成される。処理装置は、反射波及び反射光に基づいて得られる測定結果を出力するように構成される。　
一実施形態では、検査装置が、更に、光センサパーツを第１方向に移動させるアクチュエータを具備していてもよい。この場合、アクチュエータによって光センサパーツを第１方向に移動させながらセンサ光の出射及び反射光の受信が行われる。　
好適な実施形態では、超音波プローブが、第１方向に垂直な第３方向に移動可能であるように本体パーツに結合されている。　
好適な実施形態では、光センサパーツが、センサ光を出射し、反射光を受け取り、反射光に対応する出力信号を生成する光センサと、第１方向に平行な中心軸を有する円筒面を有する筒部材とを備えている。光センサは、筒部材に収容されている。筒部材は、第１方向に移動可能に本体パーツに連結されている。　
本発明の他の観点では、主面と、主面と交差する交差面とを有する複合材で形成された複合材部材を検査するための検査ユニットが提供される。検査ユニットは、本体パーツと、本体パーツに結合され、主面に接触される超音波プローブと、主面に垂直な第１方向に移動可能であるように本体パーツに結合された光センサパーツとを具備する。超音波プローブは、複合材の主面に超音波を入射し、複合材によって超音波が反射されて生成される反射波を受け取り、反射波に対応する第１出力信号を出力するように構成されている。光センサパーツは、第１方向に垂直な第２方向にセンサ光を出射し、センサ光が交差面で反射されて生成される反射光を受け取り、反射光に対応する第２出力信号を出力するように構成されている。　
本発明の更に他の観点では、主面と主面と交差する交差面とを有する複合材部材を検査するための検査方法が提供される。当該検査方法は、

　（Ａ）主面に超音波プローブを接触させて超音波プローブから超音波を前記主面に入射するステップと、

　（Ｂ）複合材部材によって超音波が反射されて生成される反射波を受信するステップと、

　（Ｃ）交差面に沿った第１方向に光センサを移動させながら、第１方向に垂直な第２方向にセンサ光を出射するステップと、

　（Ｄ）センサ光が交差面で反射されて生成される反射光を受信するステップと、

　（Ｅ）反射波及び反射光に基づいて得られる測定結果を出力するステップと

を具備する。　
このような検査方法は、交差面が、穴開け加工によって複合材部材に形成された貫通孔の側壁面である場合に特に好適である。　
一実施形態では、光センサが第１方向に平行な中心軸を有する円筒面を有する筒部材に収容されていてもよい。この場合、筒部材の該円筒面が、貫通孔の直径に対応する直径を有していることが望ましい。　
一実施形態では、センサ光を出射する方向（第２方向）の向きを変更しながら（Ａ）～（Ｅ）ステップが繰り返して行われることが好ましい。　
本発明によれば、超音波プローブから出射される超音波の入射方向に複数の欠陥が並んでいることが想定される場合にも複合材部材の欠陥を検出することができる。
本実施形態において検査される複合材部材の構造の一例を示す上面図である。 図１に図示されている複合材部材の貫通孔の近傍の構造を部分的に示す拡大断面図である。 図１に図示されている複合材部材の超音波検査の一例を示す概念図である。 本実施形態の検査装置の構成を示す概念図である。 本実施形態における検査ユニットの構造の一例を示す斜視図である。 金属筒の構造を示す部分断面図である。 本実施形態の検査装置を用いた複合材部材の検査を図示する斜視図である。 本実施形態の検査装置によって行われる超音波検査と光学的検査とを図示する概念図である。 本実施形態の検査手順によって得られる情報を示す概念図である。 本実施形態において検査される複合材部材の構造の他の例を示す斜視図である。
以下では、まず、本実施形態において検査される複合材部材の構造、及び、該複合材部材の超音波検査において生じ得る問題について説明する。　
図１は、本実施形態において検査される複合材部材１の構造の一例を示す上面図であり、図２は、図１に図示されている複合材部材１の構造を部分的に示す拡大断面図である。以下の説明においては、ＸＹＺ直交座標系が導入される。ＸＹＺ直交座標系においては、Ｚ軸方向が複合材部材１の厚さ方向に定義され、Ｘ軸方向及びＹ軸方向が、複合材部材１の面内方向に互いに直交するように定義される。　
複合材部材１は、樹脂と繊維とを組み合わせた複合材（例えば、ＣＦＲＰ）によって形成されている。本実施形態では、複合材部材１は、板状の形状に形成されている。複合材部材１において、繊維シート又は繊維クロスが積層される方向（以下、単に、「積層方向」ということがある。）は、複合材部材１の厚さ方向、即ち、図１、図２におけるＺ軸方向である。　
このような構造の複合材部材１に、ドリルを用いた穴開け加工によって複合材部材１の厚さ方向に（即ち、積層方向に）貫通する円形の貫通孔２を形成すると、貫通孔２の近傍に欠陥が生じる可能性がある。最も典型的な欠陥は、貫通孔２の側壁面２ａにおける層間剥離（delamination）である。層間剥離が発生すると、貫通孔２の側壁面２ａから複合材部材１の内部に向けて延伸する欠陥３が形成される（なお、側壁面２ａは、主面１ａに交差する面である）。層間剥離が発生する場合には、複数の欠陥３が側壁面２ａに沿って並んで（即ち、積層方向に並んで）形成され得る。　
欠陥３の発生は複合材部材１の信頼性に影響し得るので、穴開け加工の後には、複合材部材１を検査することが望ましい。複合材部材１の検査では、第一義的には、欠陥３の存在の有無が評価される。また、欠陥３の存在が検知された場合には、欠陥３の数や欠陥３が存在する領域を特定することが望ましい。欠陥３の数や欠陥３が存在する領域を特定できれば、穴開け加工の条件出しに使用したり、複合材部材１を含む構造体の強度計算に使用したりするための基礎データを得ることができる。　
欠陥３を検知するための最も簡便な手法の一つが、超音波検査である。超音波検査によれば、非破壊的に欠陥３を検知することができる。図３は、複合材部材１の超音波検査の一例を示す概念図である。複合材部材１の超音波検査が行われる場合、超音波プローブ４が複合材部材１の主面１ａに押し当てられ、超音波プローブ４から主面１ａに超音波４ａが入射される。本実施形態では、超音波４ａの入射方向は、複合材部材１の厚さ方向（Ｚ軸方向）である。複合材部材１から帰ってくる反射波が超音波プローブ４によって受信され、その反射波から得られる超音波画像から、欠陥３の有無を判断することができる。　
このような検査方法の一つの問題は、超音波４ａの入射方向、即ち、複合材部材１の厚さ方向に並んで（即ち、積層方向に並んで）複数の欠陥３が発生した場合、超音波プローブ４から直接に超音波４ａが到達可能な欠陥３又は欠陥３の部分しか検知できないことである。例えば、図３の構造では、複合材部材１の主面１ａに最も近い欠陥３ａ、及び、欠陥３ａよりも主面１ａから離れた欠陥３ｂのうち欠陥３ａによって超音波４ａが遮蔽されない部分３ｃしか検知することができない。このような問題は、特に、超音波プローブ４によるアクセスが難しい部分に欠陥３が発生することが想定される場合に特に重大である。　
このような背景から、超音波プローブ４から出射される超音波の入射方向に複数の欠陥が並んでいることが想定される場合でも複合材部材１に発生する欠陥３を適切に検出可能な技術の提供が求められている。以下に述べられる本実施形態の検査装置、検査ユニット及び検査方法は、このような要求に対応するための技術を提供する。　
図４は、本実施形態の検査装置１０の構成を示す概念図である。検査装置１０は、検査ユニット１１と、処理装置１２と、表示装置１３とを備えている。　
図５は、検査ユニット１１の構造の一例を示す斜視図である。検査ユニット１１は、本体パーツ１４と、超音波プローブ１５と、光センサパーツ１６とを備えている。　
検査ユニット１１の本体パーツ１４は、プローブガイド１４ａと、光センサガイド１４ｂと、アクチュエータ１４ｃとを備えている。プローブガイド１４ａは、超音波プローブ１５を特定方向に移動自在に保持している。以下では、この特定方向（即ち、超音波プローブ１５が移動可能な方向）を、「プローブ可動方向」という。超音波プローブ１５のプローブ可動方向における位置は、プローブガイド１４ａによって超音波プローブ１５が保持される位置を調節することで調節可能である。光センサガイド１４ｂは、光センサパーツ１６を、プローブ可動方向に垂直な方向に移動自在に保持している。以下では、該垂直な方向を、「センサ走査方向」という。アクチュエータ１４ｃは、光センサパーツ１６を駆動して「センサ走査方向」に移動させるように構成されている。　
超音波プローブ１５は、処理装置１２の制御の下、超音波検査に用いられる超音波を複合材部材１に入射すると共に、複合材部材１によって超音波が反射されて発生する反射波を受け取るように構成される。超音波プローブ１５は、該反射波に対応する出力信号を生成する。超音波プローブ１５によって生成された出力信号は、ケーブル１７を介して処理装置１２に送信される。
光センサパーツ１６は、貫通孔２に挿入され、貫通孔２の側壁面２ａに露出されている欠陥３を光学的検査によって検知するために用いられる。本実施形態の検査装置１０では、超音波検査に加え、光学的検査によっても欠陥３が検出される。光センサパーツ１６は、金属筒２１と、光センサ２２とを備えている。　
金属筒２１は、光センサ２２をその内部に収容して保持する筒部材である。金属筒２１は、円筒形の側面を有しており、側面において光センサガイド１４ｂによって保持されている。金属筒２１の中心軸２１ａは、センサ走査方向に平行に向けられており、金属筒２１は、光センサ２２と貫通孔２の側壁面２ａとの位置関係を一定に保つために用いられるものであり、金属筒２１は、貫通孔２の直径に対応する直径（貫通孔２の直径と同一又は微小に小さい直径）を有するように形成されることが望ましい。　
図６は、金属筒２１の構造を示す部分断面図である。金属筒２１は、光センサ２２から出射されるセンサ光２２ａを通過させるための開口２１ｂを有している。光センサ２２は、センサ光２２ａの光軸２２ｂが、センサ走査方向に垂直な方向、本実施形態ではプローブ可動方向に平行な方向に向くように金属筒２１によって支持される。　
図５に戻り、光センサ２２は、処理装置１２の制御の下、センサ走査方向に垂直な方向にセンサ光を出射すると共に、このセンサ光が貫通孔２の側壁面２ａで反射されて生成される反射光を受け取るように構成される。光センサ２２は、反射光に対応する出力信号を生成する。光センサ２２によって生成された出力信号は、ケーブル１８を介して処理装置１２に送信される。一実施形態では、光センサ２２としては、光変位センサが使用され得る。　
図４を再度に参照して、処理装置１２は、超音波プローブ１５、光センサ２２及びアクチュエータ１４ｃを制御すると共に、超音波プローブ１５及び光センサ２２から受け取られた出力信号を処理して測定結果を出力するように構成されている。例えば、処理装置１２は、超音波プローブ１５から受け取られた出力信号を処理して所望の超音波画像（例えば、Ｂモード画像）を生成し、該超音波画像を表示装置１３に表示する。また、処理装置１２は、光センサ２２から受け取られた出力信号を処理して、貫通孔２の側壁面２ａの各位置における欠陥３の有無を示す欠陥検知画像を生成し、生成された欠陥検知画像を表示装置１３に表示する。貫通孔２の側壁面２ａに露出された欠陥３が存在すると、欠陥３が存在する位置ではセンサ光２２ａが反射されず、反射光が光センサ２２に到達しない。光センサ２２から出力される出力信号は、反射光に応答して生成されるので、光センサ２２から出力される出力信号に基づいて貫通孔２の側壁面２ａの各位置における欠陥３の有無を判断可能である。処理装置１２は、光センサ２２から出力される出力信号に基づいて欠陥検知画像を生成する。また、光センサ２２として光変位センサが使用される場合、反射光に含まれる情報から貫通孔２の側壁面２ａの形状を特定可能である。この場合、処理装置１２は、欠陥検知画像として、貫通孔２の側壁面２ａの形状を示すプロファイル画像を生成してもよい。　
続いて、本実施形態の検査装置１０を用いて複合材部材１の貫通孔２の近傍の部分を検査する手順を説明する。　
まず、検査ユニット１１が複合材部材１の上に配置される。検査ユニット１１の配置においては、図７に図示されるように、複合材部材１の貫通孔２に光センサパーツ１６が挿入され、更に、超音波プローブ１５が複合材部材１の主面１ａに押し当てられる。プローブガイド１４ａの向き（即ち、プローブ可動方向）及びプローブ可動方向における超音波プローブ１５の位置は、検査されるべき位置に応じて決められる。図７では、プローブガイド１４ａの向きが、貫通孔２に対して＋Ｘ方向に規定されている。以下において、プローブガイド１４ａの向きを、＋Ｘ方向となす角として定義する。即ち、図７に図示されている配置では、プローブガイド１４ａの向きは、「０°」である。　
更に、超音波プローブ１５を用いた超音波検査と光センサパーツ１６を用いた光学的検査とが行われる。図８は、本実施形態の検査装置１０によって行われる超音波検査と光学的検査とを図示する概念図である。　
超音波検査では、超音波プローブ１５から複合材部材１の主面１ａに超音波１５ａが入射される。本実施形態では、超音波１５ａの入射方向は、複合材部材１の厚さ方向（Ｚ軸方向）である。超音波１５ａが複合材部材１によって反射されることにより生成される反射波が超音波プローブ１５によって受信され、反射波に対応する出力信号が超音波プローブ１５によって生成される。処理装置１２は、超音波プローブ１５から受け取られた出力信号から超音波画像を生成し、生成された超音波画像を表示装置１３に表示する。必要がある場合（例えば、広い範囲の検査を行う場合）、超音波プローブ１５の位置をプローブ可動方向において変更しながら、超音波検査が行われる。超音波プローブ１５の位置の変更は、プローブガイド１４ａに沿って超音波プローブ１５を手動で動かすことによって行ってもよい。　
一方、光学的検査では、アクチュエータ１４ｃによって光センサパーツ１６の位置をセンサ走査方向（即ち、Ｚ軸方向）に自動的に移動させながら、光センサ２２から出射されたセンサ光２２ａが貫通孔２の側壁面２ａの各位置に照射される。これにより、貫通孔２の側壁面２ａが、センサ光２２ａによってセンサ走査方向に走査される。更に、センサ光２２ａが側壁面２ａで反射されて生成される反射光が光センサ２２によって受信され、反射光に対応する出力信号が光センサ２２によって生成される。処理装置１２は、光センサ２２から受け取られた出力信号から貫通孔２の側壁面２ａの各位置における欠陥３の有無を示す欠陥検知画像を生成し、生成された欠陥検知画像を表示装置１３に表示する。詳細には、貫通孔２の側壁面２ａのある位置に欠陥３が存在すると、その位置ではセンサ光２２ａが反射されず、反射光が光センサ２２に到達しない。処理装置１２は、反射光が光センサ２２に到達しなかった位置に欠陥３が存在することを示す欠陥検知画像を生成する。また、光センサ２２として光変位センサが使用される場合には、反射光に含まれる情報から貫通孔２の側壁面２ａの形状を特定することも可能である。この場合、処理装置１２は、欠陥検知画像として、貫通孔２の側壁面２ａの形状を示すプロファイル画像を生成してもよい。　
プローブガイド１４ａの向き（即ち、センサ光２２ａが出射される向き）を所望の角度間隔（例えば、９０°）で変更しながら、同様の検査が繰り返し行われる。これにより、複合材部材１の貫通孔２の近傍における欠陥３の発生の有無、及び、欠陥３が発生している場合にはその数及び存在する範囲を特定することができる。プローブガイド１４ａの向きの変更は、プローブガイド１４ａを手動で回転させることによって行ってもよい。　
ここで、本実施形態の検査装置１０が、光センサ２２が貫通孔２の直径に対応する直径を有する金属筒２１に収容されている構成を有していることに留意されたい。このような構成によれば、プローブガイド１４ａの向き（即ち、センサ光２２ａが出射される向き）を変更したときに光センサ２２と貫通孔２の側壁面２ａとの距離を一定に保つことができる。これは、光学的検査の精度の向上に有効である。　
以上に説明されている検査手順によれば、超音波プローブ１５から出射される超音波１５ａの入射方向に複数の欠陥が並んでいることが想定される場合においても、超音波プローブ１５から直接に超音波１５ａを到達させることができないような欠陥３に関する情報を得ることができる。図２を参照して説明したように、超音波プローブのみが用いられる場合には、超音波プローブから直接に超音波を到達させることができないような欠陥３については情報を得ることができない。一方、本実施形態の検査手順においては、図９に図示されているように、光センサ２２によって貫通孔２の側壁面２ａにおける欠陥３の数及び位置を検知することができる。言い換えれば、本実施形態の検査手順によれば、貫通孔２の側壁面２ａにおける欠陥３の数及び欠陥３が存在する領域５の情報を得ることができる。特に、本実施形態のように、穴開け加工によって形成された貫通孔２を有する複合材部材１の検査では、貫通孔２の側壁面２ａにおける層間剥離に起因する欠陥３が重要であり、本実施形態の検査手順の有用性が大きい。　
なお、上記の実施形態では、貫通孔２が形成されている複合材部材１の貫通孔２の側壁面２ａに沿って発生する欠陥３を検知するための検査が行われているが、本実施形態の検査装置及び検査方法は、複合材部材の主面に交差する交差面において欠陥が発生するような様々な構造に適用可能である。例えば、本実施形態の検査装置及び検査方法は、図１０に図示されているような段差構造６を有する複合材部材１の検査にも使用され得る。この場合、超音波プローブ１５が複合材部材１の主面１ａに当接され、段差構造６の段差面６ａ（主面１ａに垂直な面）が光センサパーツ１６によって走査される。この場合も、複合材部材１の段差面６ａに露出している欠陥の数及び欠陥が存在する範囲が検査可能である。　
以上には、本発明の実施形態が具体的に記述されているが、本発明は、上記の実施形態に限定されない。本発明が種々の変更と共に実施され得ることは、当業者には理解されよう。　
尚、この出願は、２０１６年１１月２１日に出願された日本特許出願２０１６－２２６２０３号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てを引用によりここに組み込む。

Claims (9)

  1. 複合材で形成され、主面と前記主面と交差する交差面とを有する複合材部材を検査するための検査装置であって、

    　本体パーツと、

    　前記本体パーツに結合され、前記主面に接触される超音波プローブと、

    　第１方向に移動可能であるように前記本体パーツに結合された光センサパーツと、

    　処理装置と

    を具備し、

    　前記超音波プローブは、前記複合材部材の前記主面に超音波を入射すると共に、前記超音波が前記複合材部材によって反射されて生成される反射波を受け取るように構成され、

    　前記光センサパーツは、前記第１方向に垂直な第２方向にセンサ光を出射すると共に、前記センサ光が前記交差面で反射されて生成される反射光を受信するように構成され、

    　前記処理装置は、前記反射波及び前記反射光に基づいて得られる測定結果を出力するように構成される

    　検査装置。
  2. 請求項１に記載の検査装置であって、

    　更に、

    　前記光センサパーツを前記第１方向に移動させるアクチュエータを具備し、

    　前記アクチュエータによって前記光センサパーツを前記第１方向に移動させながら前記センサ光の出射及び前記反射光の受信が行われる

    　検査装置。
  3. 請求項１に記載の検査装置であって、

    　前記超音波プローブが、前記第１方向に垂直な第３方向に移動可能であるように前記本体パーツに結合される

    　検査装置。
  4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の検査装置であって、

    　前記光センサパーツが、

    　前記センサ光を出射し、前記反射光を受け取り、前記反射光に対応する出力信号を生成する光センサと、

    　前記第１方向に平行な中心軸を有する円筒面を有する筒部材と

    を備え、

    　前記光センサが前記筒部材に収容されており、

    　前記筒部材が、前記第１方向に移動可能に前記本体パーツに連結される

    　検査装置。
  5. 主面と前記主面と交差する交差面とを有する複合材で形成された複合材部材を検査するための検査ユニットであって、

    　本体パーツと、

    　前記本体パーツに結合され、前記主面に接触される超音波プローブと、

    　第１方向に移動可能であるように前記本体パーツに結合された光センサパーツと

    を具備し、

    　前記超音波プローブは、前記複合材の前記主面に超音波を入射し、前記複合材によって前記超音波が反射されて生成される反射波を受け取り、前記反射波に対応する第１出力信号を出力するように構成され、

    　前記光センサパーツは、前記第１方向に垂直な第２方向にセンサ光を出射し、前記センサ光が前記交差面で反射されて生成される反射光を受け取り、前記反射光に対応する第２出力信号を出力するように構成された

    　検査ユニット。
  6. 主面と前記主面と交差する交差面とを有する複合材部材を検査するための検査方法であって、

    　（Ａ）前記主面に超音波プローブを接触させて前記超音波プローブから超音波を前記主面に入射するステップと、

    　（Ｂ）前記複合材部材によって前記超音波が反射されて生成される反射波を受信するステップと、

    　（Ｃ）前記交差面に沿った第１方向に光センサを移動させながら、前記第１方向に垂直な第２方向にセンサ光を出射するステップと、

    　（Ｄ）前記センサ光が前記交差面で反射されて生成される反射光を受信するステップと、

    　（Ｅ）前記反射波及び前記反射光に基づいて得られる測定結果を出力するステップとを具備する

    　検査方法。
  7. 請求項６に記載の検査方法であって、

    　前記交差面が、穴開け加工によって前記複合材部材に形成された貫通孔の側壁面である

    　検査方法。
  8. 請求項７に記載の検査方法であって、

    　前記光センサが前記第１方向に平行な中心軸を有する円筒面を有する筒部材に収容されており、

    　前記円筒面が、前記貫通孔の直径に対応する直径を有している

    　検査方法。
  9. 請求項８に記載の検査方法であって、

    　前記第２方向の向きを変更しながら前記（Ａ）～（Ｅ）ステップが繰り返して行われる

    　検査方法。
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