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JP5986709B2 - 超音波探傷装置及び超音波探傷方法 - Google Patents

超音波探傷装置及び超音波探傷方法 Download PDF

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Description

本発明は、複合材料からなる積層部品の湾曲部における内部欠陥の状態を検査する超音波探傷装置等に関する。
繊維強化複合材料（ＦＲＰ）等の複合材料からなる積層部品の湾曲部における内部欠陥の状態を検査する際には、通常、超音波を送受信する超音波トランスデューサが用いられており、この超音波トランスデューサの構成等は、次のようになる。
即ち、超音波トランスデューサは、トランスデューサ本体を備えており、このトランスデューサ本体は、先端側に、積層部品の湾曲部における大径側の曲面又は小径側の曲面に対応する側面視湾曲形状の振動面を有している。また、トランスデューサ本体の振動面には、複数の振動子がトランスデューサ本体の振動面の湾曲方向に沿って配設されおり、各振動子は、積層部品の湾曲部側に向かって超音波を送信たり又は積層部品の湾曲部側からの反射波を受信するものであって、制御ユニットに接続されている。
従って、積層部品の湾曲部における内部欠陥の状態を検査する際には、まず、超音波トランスデューサを積層部品に対して相対的に移動させることにより、トランスデューサ本体の振動面を積層部品の湾曲部における大径側の曲面又は小径側の曲面に対向させる。そして、複数の振動子から送信された超音波を積層部品の湾曲部側に入射させて、複数の振動子によって積層部品の湾曲部側から反射波を受信する。これにより、制御ユニットによって複数の振動子から受信信号（超音波トランスデューサからの探傷信号）に基づいて積層部品の湾曲部における内部欠陥の状態の検査処理を行うことができ、換言すれば、積層部品の湾曲部における内部欠陥の状態を検査することができる。
なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１及び特許文献２に示すものがある。
特開２００３−９０８２９号公報 特開平６−１８４８８号公報
ところで、積層部品の層数が増えて、積層部品の湾曲部の肉厚が厚くなると、反射波の超音波強度が低くなり、超音波トランスデューサによって積層部品の湾曲部における内部欠陥による反射波を十分に検出できなくなる。一方、振動子に受信される反射波の検出感度を高めると、ノイズエコーが増大して、超音波トランスデューサから探傷信号（振動子からの受信信号）のＳＮ比（欠陥エコーの強度とノイズエコー強度の比）が低くなる。
つまり、積層部品の層数が増えて、積層部品の湾曲部の肉厚が厚くなると、積層部品の湾曲部における内部欠陥の状態の検査精度を向上させることは困難であるという問題があった。
そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成の超音波探傷装置等を提供することを目的とする。
本発明の第１の態様は、複合材料からなる積層部品の湾曲部（曲がり部）における内部欠陥の状態を検査する超音波探傷装置であって、超音波を送受信する超音波トランスデューサと、前記超音波トランスデューサからの探傷信号（受信信号）に基づいて前記積層部品の前記湾曲部の前記内部欠陥の状態の検査処理を行う制御ユニットと、を具備し、前記超音波トランスデューサは、先端側に前記積層部品の前記湾曲部における大径側の曲面に対応する側面視湾曲形状の振動面を有したトランスデューサ本体と、前記トランスデューサ本体の前記振動面に前記トランスデューサ本体の前記振動面の湾曲方向（曲がり方向）及び前記トランスデューサ本体の幅方向（換言すれば、前記トランスデューサ本体の側面に直交する方向）にマトリックス状に配設され、前記トランスデューサ本体の前記振動面に沿うように側面視湾曲形状を呈し、前記積層部品の前記湾曲部側に向かって超音波を送信し又は前記積層部品の前記湾曲部側から反射波を受信する複数の振動子と、を備え、前記制御ユニットは、前記幅方向に１列に並んだ複数の前記振動子によって構成される各振動子群において、予め設定された送受信パターンに基づいて、超音波を送信するように選択された送信用の前記振動子と、前記送信用の前記振動子に隣接しかつ反射波を受信するように選択された受信用の前記振動子との組み合わせを前記幅方向に沿ってのみ切り替えつつ、前記受信用の前記振動子から受信信号に基づいて開口合成法による処理（受信信号の重ね合わせ処理）を各振動子群について順次行うようになっている。
ここで、本願の明細書及び特許請求の範囲の記載において、「内部欠陥の状態」とは、内部欠陥の有無、内部欠陥の大きさ、内部欠陥の位置等を含む意であって、「曲面に対応する側面視湾曲形状」とは、曲面に沿った側面視湾曲形状、曲面を反転させた面に沿った形状を含む意である。
本発明の第１の態様によると、前記超音波トランスデューサを前記積層部品に対して相対的に移動させることにより、前記トランスデューサ本体の前記振動面を前記積層部品の前記湾曲部における大径側の曲面に対向させる。次に、前記制御ユニットによっていずれかの前記振動子群における送信用の前記振動子と受信用の前記振動子との組み合わせを前記送受信パターンに基づいて前記幅方向に沿ってのみ切り替えつつ、送信用の前記振動子から送信された超音波を前記積層部品の前記湾曲部に入射させて、受信用の前記振動子によって前記積層部品の前記湾曲部側から反射波を受信する。そして、前記制御ユニットによっていずれかの前記振動子群における受信用の前記振動子から受信信号に基づいて開口合成法による処理を行う。同様に、その他全ての前記振動子群においても、前記制御ユニットによって送信用の前記振動子と受信用の前記振動子との組み合わせを前記送受信パターンに基づいて前記幅方向に沿ってのみ切り替えつつ、受信用の前記振動子から受信信号に基づいて開口合成法による処理を順次行う。これにより、前記制御ユニットによって前記積層部品の前記湾曲部における前記内部欠陥の状態の検査処理を行うことができ、換言すれば、前記積層部品の前記湾曲部における前記内部欠陥の状態を検査することができる。
要するに、前述のように、各振動子群における前記送信用の前記振動子と前記受信用の前記振動子との組み合わせを前記送受信パターンに基づいて前記幅方向に沿ってのみ切り替えつつ、前記受信用の前記振動子から受信信号に基づいて開口合成法による処理を各振動子群について順次行うことができる。これにより、前記積層部品の層数が増えて、前記積層部品の湾曲部の肉厚が厚くなっても、受信用の前記振動子に受信される反射波の検出感度を高く設定することなく、前記超音波トランスデューサによって前記積層部品の前記湾曲部における前記内部欠陥による反射波を十分かつ確実に検出することができる。
本発明の第２の態様は、先端側に積層部品の湾曲部における大径側の曲面に対応する側面視湾曲形状の振動面を有したトランスデューサ本体と、前記トランスデューサ本体の前記振動面に前記トランスデューサ本体の前記振動面の湾曲方向及び前記トランスデューサ本体の幅方向にマトリックス状に配設されかつ前記トランスデューサ本体の前記振動面に沿うように側面視湾曲形状を呈した複数の振動子とを備えた超音波トランスデューサを用い、複合材料からなる積層部品の湾曲部（曲がり部）における内部欠陥の状態を検査する超音波探傷方法であって、前記超音波トランスデューサを前記積層部品に対して相対的に移動させることにより、前記トランスデューサ本体の前記振動面を前記積層部品の前記湾曲部における大径側の曲面に対向させて、前記積層部品の前記湾曲部と前記超音波トランスデューサの間に音響媒体を介在させた状態の下で、前記幅方向に１列に並んだ複数の前記振動子によって構成されるいずれかの振動子群において、予め設定された送受信パターンに基づいて、超音波を送信するように選択された送信用の前記振動子と、前記送信用の前記振動子に隣接しかつ反射波を受信するように選択された受信用の前記振動子との組み合わせを前記幅方向に沿ってのみ切り替えつつ、前記送信用の前記振動子から送信された超音波を前記積層部品の前記湾曲部に入射させて、前記受信用の前記振動子によって前記積層部品の前記湾曲部側から反射波を受信して、前記受信用の前記振動子から受信信号に基づいて開口合成法による処理を行い、その他全ての前記振動子群においても、前記送信用の前記振動子と前記受信用の前記振動子との組み合わせを前記送受信パターンに基づいて前記幅方向に沿ってのみ切り替えつつ、前記受信用の前記振動子から受信信号に基づいて開口合成法による処理を順次行うことにより、前記積層部品の前記湾曲部における前記内部欠陥の状態を検査する。
本発明の第２の態様によると、前述のように、各振動子群における前記送信用の前記振動子と前記受信用の前記振動子との組み合わせを前記送受信パターンに基づいて前記幅方向に沿ってのみ切り替えつつ、前記受信用の前記振動子から受信信号に基づいて開口合成法による処理を各振動子群について順次行うことができる。これにより、前記積層部品の層数が増えて、前記積層部品の湾曲部の肉厚が厚くなっても、前記受信用の前記振動子に受信される反射波の検出感度を高く設定することなく、前記超音波トランスデューサによって前記積層部品の前記湾曲部における前記内部欠陥による反射波を十分かつ確実に検出することができる。
本発明によれば、前記積層部品の層数が増えて、前記積層部品の湾曲部の肉厚が厚くても、前記超音波トランスデューサによって前記積層部品の前記湾曲部における前記内部欠陥による反射波を十分かつ確実に検出できるため、ノイズエコーを低減して、前記超音波トランスデューサからの探傷信号（受信用の前記振動子からの受信信号）のＳＮ比を高めて、前記積層部品の前記湾曲部における前記内部欠陥の状態の検査精度を向上させることができる。
本発明の実施形態に係る超音波探傷装置の制御ブロック図である。 本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサの拡大側面図である。 図３（ａ）は、図４ （ｂ）におけるIIIB-IIIB線に沿った図、図３（ｂ）は、本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサにおけるトランスデューサ本体の振動面を平面に展開した図である。 図４（ａ）は、本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサの正面図、図４（ｂ）は、本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサの側面図である。 第１送受信パターンに基づく送信用の圧電振動子及び受信用の圧電振動子の切り替えについて説明する図である。 第２送受信パターンに基づく送信用の圧電振動子及び受信用の圧電振動子の切り替えについて説明する図である。 本発明の実施形態に係る超音波探傷装置の概略的な構成を示す斜視図である。
本発明の実施形態について図１から図７を参照して説明する。
図７に示すように、本発明の実施形態に係る超音波探傷装置１は、複合材料からなる積層部品Ｗの湾曲部（曲がり部）Ｗｃにおける内部欠陥の状態を検査する装置であって、超音波Ｓ（図２参照）を音響媒体Ｍを通して送受信する超音波トランスデューサ３と、この超音波トランスデューサ３からの探傷信号に基づいて積層部品Ｗの湾曲部Ｗｃの内部欠陥の状態の検査処理を行う制御ユニット５とを具備している。ここで、本発明の実施形態にあっては、積層部品Ｗは、繊維強化複合材料（ＦＲＰ）により構成された航空機部品としてのケーシングことであって、積層部品Ｗの湾曲部Ｗｃは、ケーシングのフランジの付け根部のことであって、音響媒体Ｍは、水等の液体又は固体である。
本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサ３の具体的な構成は、次のようになる。
即ち、図１から図４に示すように、超音波トランスデューサ３は、トランスデューサ本体７を備えており、このトランスデューサ本体７は、先端側に、積層部品Ｗの湾曲部Ｗｃにおける大径側の曲面に沿った側面視湾曲形状の振動面９を有している。なお、トランスデューサ本体７が積層部品Ｗの湾曲部Ｗｃにおける大径側の曲面に沿った側面視湾曲形状の振動面９を有する代わりに、積層部品Ｗの湾曲部Ｗｃにおける小径側の曲面に対応する形状であっても構わない。
トランスデューサ本体７の振動面９には、複数（本発明の実施形態にあっては、８×８個）の圧電振動子１１がトランスデューサ本体７の振動面９の湾曲方向ＡＤ及びトランスデューサ本体７の幅方向（換言すれば、トランスデューサ本体７の側面に直交する方向）ＢＤにマトリックス状に配設されており、各圧電振動子１１は、積層部品Ｗの湾曲部Ｗｃ側に向かって超音波Ｓを送信したり又は積層部品Ｗの湾曲部Ｗｃ側から反射波Ｓを受信したりするものである。また、各圧電振動子１１は、コンポジット材又はセラミックス材により構成されてあって、制御ユニット５に接続されている。ここで、本発明の実施形態にあっては、幅方向ＢＤに並んだ８個の圧電振動子１１によって１つの圧電振動子群１１Ｇが構成されており、圧電振動子群１１Ｇの群数は８つである。
なお、トランスデューサ本体７の内部には、複数の圧電振動子１１の余分な振動を吸収するダンパー（図示省略）が設けられている。
本発明の実施形態に係る制御ユニット５の具体的な構成は、次のようになる。
即ち、図１に示すように、制御ユニット５は、圧電振動子１１に駆動信号（送信信号）を供給する信号発生部１３、及び圧電振動子１１からの受信信号（超音波トランスデューサ３からの探傷信号）を増幅するレシーバー１５を備えている。そして、信号発生部１３及び前述の複数の圧電振動子１１は、スイッチング回路１７に接続されており、このスイッチング回路１７は、選択した圧電振動子１１と信号発生部１３を接続状態と遮断状態に切り替え可能である。また、レシーバー１５及び前述の複数の圧電振動子１１は、信号検出回路１９に接続されており、この信号検出回路１９は、選択した圧電振動子１１とレシーバー１１５を接続状態と遮断状態に切り替え可能である。
具体的には、図５に示すように、スイッチング回路１７は、予め設定された第１送受信パターンに基づいて各圧電振動子群１１Ｇにおける送信用の圧電振動子１１を幅方向ＢＤに沿って８段階に分けて切り替えるようになっている。同様に、信号検出回路１９は、第１送受信パターンに基づいて各圧電振動子群１１Ｇにおける受信用の圧電振動子１１を幅方向ＢＤに沿って８段階に分けて切り替えることができるようになっている。また、第１送受信パターンに基づく代わりに、図６に示すように、予め設定された第２送受信パターンに基づいて各圧電振動子群１１Ｇにおける送受信用の圧電振動子１１（送信用の圧電振動子１１及び受信用の圧電振動子１１）を幅方向ＢＤに沿って４段階に分けて切り替えるようにしても構わない。なお、第２送受信パターンに基づく場合において、送信用の圧電振動子１１は、トランスデューサ本体７の振動面９における幅方向ＢＤの中間領域内に位置してあって、受信用の圧電振動子１１は、送信用の圧電振動子１１を幅方向ＢＤの両側から挟むようになっている。
レシーバー１５には、信号処理部２１が接続されており、この信号処理部２１は、各圧電振動子群１１Ｇにおいて、受信用の圧電振動子１１から受信信号（受信用の圧電振動子１１からの受信信号を増幅した増幅信号）に基づいて開口合成法による処理（受信信号の重ね合わせ処理）を順次行うものである。また、開口合成法による処理にあっては、超音波トランスデューサ３と積層部品Ｗの湾曲部Ｗｃとの位置関係、超音波トランスデューサ３の探傷周波数、積層部品Ｗ及び音響媒体Ｍにおける音速等が用いられる。更に、信号処理部２１には、信号処理部２１による処理結果（開口合成像等）とトランスデューサ３の位置情報を結合して表示する表示部（図示省略）が接続されている。
続いて、本発明の実施形態に係る超音波探傷方法について作用を含めて説明する。
超音波トランスデューサ３を積層部品Ｗに対して相対的に移動させることにより、トランスデューサ本体７の振動面９を積層部品Ｗの湾曲部Ｗｃにおける大径側の曲面に対向させる。次に、積層部品Ｗの湾曲部Ｗｃと超音波トランスデューサ３の間に音響媒体Ｍを介在させた状態の下で、スイッチング回路１７及び信号検出回路１９によっていずれかの圧電振動子群１１Ｇにおける送受信用の圧電振動子１１を第１送受信パターン又は第２送受信パターンに基づいて幅方向ＢＤに沿って８段階又は４段階に切り替えつつ（図５及び図６参照）、送信用の圧電振動子１１から送信された超音波Ｓを積層部品Ｗの湾曲部Ｗｃに入射させて、受信用の圧電振動子１１によって積層部品Ｗの湾曲部Ｗｃ側から反射波Ｓを受信する（図２参照）。そして、信号処理部２１によっていずれかの圧電振動子群１１Ｇにおける受信用の圧電振動子１１から受信信号に基づいて開口合成法による処理を行う。同様に、その他全ての圧電振動子群１１Ｇにおいても、スイッチング回路１７及び信号検出回路１９によって送受信用の圧電振動子１１を第１送受信パターン又は第２送受信パターンに基づいて幅方向ＢＤに沿って８段階又は４段階に切り替えつつ、信号処理部２１によって受信用の圧電振動子１１から受信信号に基づいて開口合成法による処理を順次行う。これにより、積層部品Ｗの湾曲部Ｗｃにおける円周方向の一部の領域について、制御ユニット５によって内部欠陥の状態（内部欠陥の有無、内部欠陥の大きさ、内部欠陥の位置等）の検査処理（探傷処理）を行うことができ、換言すれば、内部欠陥の状態を検査（探傷）することができる。
積層部品Ｗの湾曲部Ｗｃにおける円周方向の一部の検査領域について、内部欠陥の状態を検査した後に、超音波トランスデューサ３を積層部品Ｗに対して相対的に円周方向へ移動させつつ、前述のような処理を継続することにより、積層部品Ｗの湾曲部Ｗｃにおける円周方向の全領域について、内部欠陥の状態を検査することができる。
要するに、トランスデューサ本体７の振動面９に複数の圧電振動子１１が湾曲方向ＡＤ及び幅方向ＢＤにマトリックス状に配設されているため、スイッチング回路１７及び信号検出回路１９によって各圧電振動子群１１Ｇにおける送受信用の圧電振動子１１を幅方向ＢＤに沿って切り替えつつ、信号処理部２１によって各圧電振動子群１１Ｇにおける受信用の圧電振動子１１から受信信号に基づいて開口合成法による処理を行うことができる。これにより、積層部品Ｗの層数が増えて、積層部品Ｗの湾曲部Ｗｃの肉厚が厚くなっても、受信用の圧電振動子１１に受信される反射波Ｓの検出感度を高く設定することなく、超音波トランスデューサ３によって積層部品Ｗの湾曲部Ｗｃにおける内部欠陥による反射波Ｓを十分かつ確実に検出することができる。
従って、本発明の実施形態によれば、積層部品Ｗの層数が増えて、積層部品Ｗの湾曲部Ｗｃの肉厚が厚くなっても、ノイズエコーを低減して、超音波トランスデューサ３からの探傷信号（受信用の圧電振動子１１からの受信信号）のＳＮ比を高めて、積層部品Ｗの湾曲部Ｗｃにおける内部欠陥の状態の検査精度（探傷精度）を向上させることができる。
特に、図６に示すように、第２送受信パターンに基づく場合には、超音波トランスデューサ３による検査範囲（探傷範囲）を限定して、反射波Ｓの受信に適した受信用の圧電振動子１１からの受信信号に基づいて開口合成法による処理を行うことができ、積層部品Ｗの湾曲部Ｗｃにおける内部欠陥の状態の検査精度をより向上させることができる。
なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。
ＡＤ 湾曲方向
ＢＤ 幅方向
Ｍ 音響媒体
Ｓ 超音波（反射波）
Ｗ 積層部品
Ｗｃ 湾曲部
１ 超音波探傷装置
３ 超音波トランスデューサ
５ 制御ユニット
７ トランスデューサ本体
９ 振動面
１１ 圧電振動子
１１Ｇ 圧電振動子群
１３ 信号発生部
１５ レシーバー
１７ スイッチング回路
１９ 信号検出回路
２１ 信号処理部

Claims (7)

  1. 複合材料からなる積層部品の湾曲部における内部欠陥の状態を検査する超音波探傷装置であって、
    超音波を送受信する超音波トランスデューサと、
    前記超音波トランスデューサからの探傷信号に基づいて前記積層部品の前記湾曲部の前記内部欠陥の状態の検査処理を行う制御ユニットと、を具備し、
    前記超音波トランスデューサは、
    先端側に前記積層部品の前記湾曲部における大径側の曲面に対応する側面視湾曲形状の振動面を有したトランスデューサ本体と、
    前記トランスデューサ本体の前記振動面に前記トランスデューサ本体の前記振動面の湾曲方向及び前記トランスデューサ本体の幅方向にマトリックス状に配設され、前記トランスデューサ本体の前記振動面に沿うように側面視湾曲形状を呈し、前記積層部品の前記湾曲部側に向かって超音波を送信し又は前記積層部品の前記湾曲部側から反射波を受信する複数の振動子と、を備え、
    前記制御ユニットは、
    前記幅方向に１列に並んだ複数の前記振動子によって構成される各振動子群において、予め設定された送受信パターンに基づいて、超音波を送信するように選択された送信用の前記振動子と、前記送信用の前記振動子に隣接しかつ反射波を受信するように選択された受信用の前記振動子との組み合わせを前記幅方向に沿ってのみ切り替えつつ、前記受信用の前記振動子から受信信号に基づいて開口合成法による処理を各振動子群について順次行うようになっている、超音波探傷装置。
  2. 前記送信用の前記振動子は、前記トランスデューサ本体の前記振動面における前記幅方向の中間領域内に位置し、前記受信用の前記振動子は、前記送信用の前記振動子を前記幅方向の両側から挟むようになっている、請求項１に記載の超音波探傷装置。
  3. 先端側に積層部品の湾曲部における大径側の曲面に対応する側面視湾曲形状の振動面を有したトランスデューサ本体と、前記トランスデューサ本体の前記振動面に前記トランスデューサ本体の前記振動面の湾曲方向及び前記トランスデューサ本体の幅方向にマトリックス状に配設されかつ前記トランスデューサ本体の前記振動面に沿うように側面視湾曲形状を呈した複数の振動子とを備えた超音波トランスデューサを用い、複合材料からなる積層部品の湾曲部における内部欠陥の状態を検査する超音波探傷方法であって、
    前記超音波トランスデューサを前記積層部品に対して相対的に移動させることにより、前記トランスデューサ本体の前記振動面を前記積層部品の前記湾曲部における大径側の曲面に対向させて、
    前記積層部品の前記湾曲部と前記超音波トランスデューサの間に音響媒体を介在させた状態の下で、前記幅方向に１列に並んだ複数の前記振動子によって構成されるいずれかの振動子群において、予め設定された送受信パターンに基づいて、超音波を送信するように選択された送信用の前記振動子と、前記送信用の前記振動子に隣接しかつ反射波を受信するように選択された受信用の前記振動子との組み合わせを前記幅方向に沿ってのみ切り替えつつ、前記送信用の前記振動子から送信された超音波を前記積層部品の前記湾曲部に入射させて、前記受信用の前記振動子によって前記積層部品の前記湾曲部側から反射波を受信して、前記受信用の前記振動子から受信信号に基づいて開口合成法による処理を行い、
    その他全ての前記振動子群においても、前記送信用の前記振動子と前記受信用の前記振動子との組み合わせを前記送受信パターンに基づいて前記幅方向に沿ってのみ切り替えつつ、前記受信用の前記振動子から受信信号に基づいて開口合成法による処理を順次行うことにより、前記積層部品の前記湾曲部における前記内部欠陥の状態を検査する、超音波探傷方法。
  4. 前記送信用の前記振動子は、前記トランスデューサ本体の前記振動面における前記幅方向の中間領域内に位置し、前記受信用の前記振動子は、前記送信用の前記振動子を前記幅方向の両側から挟むようになっている、請求項３に記載の超音波探傷方法。
  5. 前記積層部品は、繊維強化複合材料により構成された航空機部品である、請求項３又は請求項４に記載の超音波探傷方法。
  6. 前記音響媒体は、液体である、請求項３から請求項５のうちのいずれか１項に記載の超音波探傷方法。
  7. 前記音響媒体は、固体である、請求項３から請求項５のうちのいずれかの１項に記載の超音波探傷方法。
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