(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造部材の表面のトポロジィを検査してこの部材に既知形式の応力がどの程度加えられているかを判断する方法であって、
構造上等価な部材についての校正用サンプルをある範囲にわたり準備して、各サンプルがそれぞれ違った程度まで既知形式の応力を受けるようにする段階と、
検査されることになる表面から離れた位置でかつ同じ広さに展開されしかも表面に対してキャリアフリンジを発生させるような小さな開光角度でモアレ格子を支持する段階と、
該格子を通り該表面に斜め角度で当るように光源を向ける段階と、
該表面に対して実質的に垂直な方向で該格子を通って該表面を眺めて干渉フリンジとフリンジに対するひずみの領域とを眺めて、該ひずみ領域のひろがり距離を測定し、かつ前記測定をそれぞれの校正用サンプルでとった等価な測定と比較して該部材に加えた応力の程度を判断する段階とを含む方法。
【請求項２】
前記測定と、同じ形式と各寸法と材料とをもつ部材の校正用サンプルについて測定した等価距離との間の比較をする前記段階はどのサンプルが前記部材と同じ測定距離を示すかを判断し、そのサンプルに加えられた応力の程度に注目して、どの程度の応力が前記部材に加えられた応力に実質的に対応するかを判断することを含んでいる請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記小さな開光角度を調節して校正用サンプル上でとった等価測定についてと実質的に同じフリンジ密度を与えるようにする段階を含む請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
ほぼ平行な光源を用意する段階を含む請求項１，２，３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記光の実質的な点源を用意する段階を含む請求項１，２，３のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記ひずみ領域のひろがり距離を測定する段階は該領域をまたいで実質的にひずんでいないフリンジと一緒にその領域の片側でひずみの始まりからその他の側のひずみが終るところまで最大可能な測定を行うことを含む請求項１ないし５のいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
表面へのひずみが表面内の孔を囲んだ円環状の領域を含む場合は、ひずみの領域のひろがりを測定する段階が実質的にひずんでいないフリンジと一緒に該孔の周辺からそこから一番遠くのフリンジひずみの点までの測定をすることを含んでいる請求項１ないし６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記斜め角度を実質的に４５°と６３．２°の１つに設定することを含む請求項１ないし７のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
観測者によって眺めたところにより表面の写真像を撮る段階を含む請求項１ないし８のいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
前記写真像はディジタイズした画像であり、かつディジタイズした画像をコンピュータに転送し、それを画像処理することを含む請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記フリンジのひずみの領域の始めと終りの少くとも１つを表わしている曲線の特定形状を探索するためにコンピュータをプログラムすることを含む請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
請求項１記載の方法を実行するための装置であって、
検査されることになる表面から離れた位置でかつ同じ広さに展開されしかも表面に対してキャリアフリンジを発生させるような小さな開光角度で置かれるモアレ格子と、
該格子を通り該表面に斜め角度で当るように向けられた光源と、
該格子を通って該表面を眺めるための観察用開口と、該ひずみの領域のひろがり距離を測定するための手段とを支持するための本体を含んでいる装置。
【請求項１３】
観測者をして前記表面が実質的に垂直方向から眺められているかどうかを判断できるようにする照準装置を含んでいる請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
前記照準装置は観測者に面したミラーを含み、このミラーは前記本体と固定されていて観測者の方向にそこから離れたラインインジケータを有しており、それによって、観測者が前記表面を実質的に垂直方向から眺めるときにはラインインジケータの反射がミラー内に観測できないようにしてある請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
前記光源は発光ダイオード（ＬＥＤ）で成る請求項１３又は１４記載の装置。
【請求項１６】
前記表面の写真像を得るために高解像度のディジタルスチールカメラを備えた請求項１３ないし１５のいずれか１項記載の装置。
【請求項１７】
前記カメラからのディジタル画像を処理し、かつ前記フリンジのひずみの領域の始めと終りの少くとも１つを表わす曲線の特定形状を探索するようにプログラムされたコンピュータを含んでいる請求項１６記載の装置。
【請求項１８】
前記モアレ格子の線間隔は実質的に１ないし２００ライン／ｍｍの範囲にある請求項１３ないし１７のいずれか１項記載の装置。
【請求項１９】
前記範囲が実質的に５ないし２０ライン／ｍｍである請求項１８記載の装置。
【請求項２０】
前記ライン間隔が実質的に１０ライン／ｍｍである請求項１９記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の属する技術分野
この発明は、表面トポロジィの検査に係り、とくに大きな応力を受ける構造部材の検査に関する。
【０００２】
従来の技術
大きな応力を蒙る構造部材では、例えば金属のもしくは繊維で強化したプラスチックの複合材料の翼では、構造部材の表面のトポロジィは極めて重要なこととなる。金属のボルトどめした構造を例にとると、ファスナ孔の冷間拡張は、孔の壁から生ずるクラックの形成を妨げることにより、その部材の疲労寿命を数倍増大させる。このような孔の冷間拡張の標準的方法は孔内部のスプリットスリーブを通してマンドレルを引き、スリーブを拡げて孔を囲んだ材料内で圧縮されたゾーンを形成するようにしている。孔の囲りに圧縮のゾーンをこうして作ることの効果は、ポアッソン効果によって、火山のような乱れもしくは噴火（エラプション）を孔を囲む表面に生じさせる。この表面乱れもしくはエラプションは孔の縁から最大一半径分まで拡がることができる。一般に信じられているところとは違って、ポアッソン火山（ボルケーノ）として冷間拡張された孔の周りにできるものの拡がり（長さや面積）は、孔に加えられた拡張の程度とメンバ材料の性質と直接関係しており、例えば上述したスプリットスリープを通ってマンドレルを引く方法により、このような拡張が制御されたやり方で実行されているときには少くとも言えることであることが発見された。拡張の程度は、例えば１％，２％，３％，４％などであり、これが孔に加えられる疲労増大のレベルを決めている。非常に細やかなバランスがそこには存在していて、一方では拡張が過度となることによって例えば板材料といった部材に損傷を生じさせ、他方では拡張不足によって不十分な疲労防護を与えることになる。この理由により、孔について冷間拡張があったかなかったかだけでなく、このような冷間拡張の程度を確認することが現代の航空機構造といった構造部材の完全性を保証するために重要となっている。本件出願人の米合衆国特許ＵＳ  Ｐａｔ  Ｎｏ．５，６１９，３２７では航空機翼のような構造部材における孔の冷間拡張を検出する方法を開示している。不運にも、この方法は上述の２つの要件のうちの第１のものを決めるという、重要かつ切迫した需要を充足しながら、第２のものについて信頼性がありかつ再現性のあるやり方での達成可能な方法を開示していない。
【０００３】
加えて、大きく応力を加えられた複合材料の状況では、構造の表面に衝撃を与えるオブジェクトによって構造に生ずる損傷の程度が、肉眼で視ることができる衝撃損傷という現象によって簡単に隠されてしまう。この現象により、構造上の損傷は衝撃が生じた表面からの距離とともに実際には増えることができる。衝撃を受けた表面のトポロジィを検査することによってこのような損傷の広がりを確かめるための能力は極めて価値のあるものとされ、その理由は表面損傷領域の比較と超音波Ｃ走査測定とを用いてこれを判断することに技術が利用できるからである。
【０００４】
発明が解決しようとする課題
この発明の目的は構造部材の表面のトポロジィを検査するための方法を提供して、その表面にあけられた孔のすぐ周りの金属の冷間加工の程度を確めることとし、また衝撃を受けた複合構造の損傷の広がりを確かめることである。
【０００５】
課題を解決するための手段
この発明によると、構造部材の表面のトポロジィを検査する方法が提供されていて、どんな既知形式の応力がその部材に加えられたかの程度を判断し、またこの方法は構造的に等価な部材の校正用サンプルをいろいろな範囲で用意して、各サンプルは異なるそれぞれの程度に既知形式の応力を受けるものとされており；検査されることになる表面から離れた位置でかつその表面と同じ拡がりをもっているモアレ格子を支持し；モアレ格子を通って斜め角度で被検表面に当るように光源を向け；被検表面に対して実質的に垂直な方向でモアレ格子を通って被検表面を眺めて干渉フリンジとそのフリンジに対するひずみ領域とを眺めるようにし、該ひずみ領域のひろがり寸法を測定して、該測定とそれぞれの校正用サンプルに対して行なわれた等価な測定とを比較して部材に加えられた応力の程度を判断する。
【０００６】
ここでいう“構造的に等価”というのはあるサンプルが同じ形式の構造をもつことを意味し、例えば同じやり方で強化されており、また同じ構造的に関連した寸法をもち、例えばサンプルの厚さとが同じで、また同じ材料のものであることを意味する。干渉フリンジは表面上に投影されたモアレ格子の影を含み、それに観測者によって直接眺められた格子の線が組合さっており、またフリンジのひずみの領域は表面のトポロジィへの乱れに対応しており、この乱れはポアッソン効果によって作用された部材への応力の印加により生じたものである。
【０００７】
発明の実施の形態
前記測定と、同形式（すなわち例えば厚さといった関連寸法と材料をもつもの）の部材の校正用サンプルについて測定した等価距離（寸法）との間の比較をする段階はどちらのサンプルがその部材と同じ測定距離を実質的に示すかを判断することを含んでいてよく、また、そのサンプルに加えられた応力の程度に注目し、どの程度の応力が前記部材に加えられた応力に実質的に相当するか、例えば孔の冷間加工の程度に相当するかを知ることを含んでいてよい。
【０００８】
この方法は小さな開光角度（インクルーデッドアングル、開先角度とも言う）を、例えばマイクロメータ形調節器を用いて調節する段階を含むことができて、校正用サンプルについて行なわた等価測定についてと同じフリンジ密度を実質的に与えるようにする。このやり方で測定の一致が確証される。
【０００９】
モアレ格子の線間隔は実質的に１ないし２００ライン／ｍｍの範囲であるのが好い。線間隔が１ライン／ｍｍでは、装置は例えば検査される部材の表面にある主要なへこみ（ｄｅｎｔ）を検出することができる。実質的に５ないし２０ライン／ｍｍの範囲内部にあるライン間隔をもつ装置が好ましく、またライン間隔が実質的に１０ライン／ｍｍであるのが最も好く、良い分解能と応用の範囲とを与える。
【００１０】
この方法は、コリメートされた光源のようなほぼ平衡な性質をもつ前記光源を用意して線形干渉パターンを作り、それによって観測者の眼が表面を垂直方向から完全に観ていないときにも正確な測定ができるようにする段階を含むのが好い。
【００１１】
光源を用意する段階は実質的な点光源、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）を用意することを含むのが便利である。実質的に表面を垂直方向から観測者が眺めるとすると、測定精度での損失がほとんどない結果がこのような光源を用いるときに生ずる。
【００１２】
表面を垂直方向から実質的に眺める段階は、観測者に対して光学的な支援（物）を与えることによって確かにできる。この光学的な支援は観測者に面して装置本体に固定されたミラーを含み、このミラーはラインインジケータを有していてそれにより観測者の方向でミラーから離れていて、観測者が表面を実質的に垂直方向に眺めるときには、ラインインジケータの反射がミラー内では観察できないようにしている。
【００１３】
前記ひずみの領域のひろがりを測定する段階はひずみの片側にあるひずみの始まりから他側にあるひずみの終りまでのひずんでいないフリンジの実質的な方向で領域をまたいだ最大可能な測定を行なうことを含むことができる。
【００１４】
表面のひずみはは表面内の孔を囲む円環状領域を含んでいる場合には、ひずみの領域のひろがりを測定する段階はこの孔の周辺から、その周辺からは一番遠くのフリンジひずみの点まで実質的にひずんでいないフリンジの方向に測定をすることを含む。
【００１５】
前記斜めの角度は４５°であるか６３．２°であるのが望ましく、格子のピッチと形成される表面変位との間で便利な関係が可能となる。４５°及び６３．２度の角度はフリンジ次数、格子ピッチ及び変位分解能の間でとくに便利な関係を与え、その理由としてフリンジに対する垂直変位が格子ピッチの逆数を開光角度の正接で除算して与えられることがある。したがって、ｔａｎ４５°＝１はピッチ当り１の分解能を、またｔａｎ６３．２°はほぼ２に等しい２倍の分解能を与える。
【００１６】
この方法は例えばグラティキュール（レチクル）のような観察デバイスを観測者のために用意する段階を含むことができて、この観察デバイスはひずみ領域の中心、例えば冷間加工されたと信じられている孔の中心に位置して、前記測定を正確に行うように機能するようにする。
【００１７】
観測者はカメラという媒体を介して表面を眺めてよく、それによって測定される画像が記録できる。もっと好いのは、カメラが高分解能の、好ましいのはディジタルの、スチールカメラであって、測定の最高可能精度が得られて記録がとれることである。ディジタルカメラを使用するときは、とられた測定結果は計算機に向けて簡便に転送でき、例えば画像処理とか長期間使用にあてられる。このような計算機はフリンジのひずみの領域の始めもしくは終りを表わしている曲線の特定形状を探索するようにプログラムされていてよい。このようにして、校正用サンプルと被試験部材との間の測定の一致性がよりよく得られることになる。
【００１８】
実施例
添付の図面を参照し例を挙げてこの発明を記述して行く。図１，２，３を見ると、この発明による装置が示されていて、この発明の方法で使用される。構造部材１は上側表面２と下側表面３とを有し、円形壁５（図１，３参照）によって定義された開口４によって孔あけがされている。開口４はポアッソンボルケーノ（火山）６が上側表面２の上と、同７が下側表面３の上とにあってそれで囲まれている。部材１の上には僅かに傾いた角度αでモアレ格子８が支持されていて、格子間隔は１０ライン／ｍｍとなっている。格子線（グリッドライン）９は寸法も間隔もともに誇張して示されているが、それは製図を明りょうにする理由による。図２ではマイクロメータ形式の角度調節器１０が示されており、モアレ格子８と部材の上側表面２との間の開光角はαである。観測者により眺める方向が矢印で示されている。各図ではコリメートされた光源１１が模式的に示されている。
【００１９】
図３では、ディジタルスチールカメラ１２が示されており、レンズ１３があってモアレ格子８を通って構造部材の上側表面２に向いているレンズがある。
【００２０】
図１では、影１４が格子の線９によって投影されていて、それが格子の暗い線と結合されていて、観測者によって上から眺めたときには結合された干渉とキャリヤフリンジ１５ないし２４を作るようになっている。図２ではキャリヤフリンジ２５が表面上に現れているのを示し、これは眺める人の眼に対して現れるのと同じである。
【００２１】
図４（ａ），４（ｂ），４（ｃ），４（ｄ）と５（ａ），５（ｂ）とを一緒に眺めると、開口を通って直径の３もしくは４倍は恐らくある金属板の所与の形式のものに対して、相対的に限定された校正プログラムがどのように使われて、既知の材料と厚さをもつ開口を規定しかつ既知の孔直径をもつ構造部材に冷間加工が加えられたとしてその量を確めることができるかを見ることができる。図４（ａ）ないし４（ｄ）では、構造部材は金属板であり、図４の４つの写真は干渉キャリヤフリンジ２５を示し、その上には各場合について冷間加工の量を確めるために測定されるひずみが備わっている。各場合について孔４の周辺上の点２６からキャリヤフリンジひずみが最初に発生する位置２７までの距離が測定される。どの図でも、拡張の程度が増すにつれて距離が増していることに気付くと思う。ポアッソン火山の外側縁は図４の各写真について位置２７で示してあるが、非常に一致していることが分り、測定が比較用の校正用サンプルと比較されるときは、冷間拡張の程度の測定についての驚くほどの精度を得ることができる。
【００２２】
ここで図５（ａ）と５（ｂ）のグラフを見ると、校正用サンプルについて作られており、点２６から位置２７まで被試験サンプルについてどのような測定がグラフから読取ることができて、各場合について孔に加えられた冷間拡張の表示を与えているかを見ることができる。
【００２３】
図６と８とは一緒に考察してよい。図６は断面図であり、どのような衝撃損傷２８がファイバ強化したプラスチック複合材の部材３０の厚さを通して衝撃を与えられた表面２９から拡がって行くことができて、損傷２８の領域内で部材の完全性をバーチャルに破壊するかを示している。損傷は衝撃を与えた表面２９上で肉眼で見ることができるが後方の表面３１に向って寸法が著しく増大していることに気付くと思う。
【００２４】
図８は現実の構造部材の衝撃を受けた表面２９の平面図を写真で示したものである直線の干渉フリンジ３２がかなりの距離にわたってひずんでいることを示し、衝撃を受けた表面２９の衝撃損傷部位（サイト）３３から外側にひろがっている。ひずんだ干渉フリンジ３４の領域は、図８で示したモアレ格子を通して目視できるけれど、衝撃を受けた表面２９を検査した裸眼では見えないものである。各フリンジは表面変位で０．００５ｍｍを表わしている。
【００２５】
この発明の方法は従って、複合材料の構造物への損傷をその構造物の表面に肉眼で見ることができる衝撃の後で推定するための信頼性のある手段を与えている。校正曲線が、表面損傷領域に関して、超音波Ｃスキャン（走査）結果に対して作ることができて、この発明の方法を用いて材料の厚さにわたって誘起された体積的なひろがりの損傷を推定するようにしている。表面損傷領域は損傷部位３３を囲んだフリンジのひずみ領域を測定することにより確認されることになる。
【００２６】
図７，９，１０はこの発明による手もちの装置３６を示す。この装置は中空の本体３７でアルミニウムでできたものを含み、２つのボタン３９，４０を備えたハンドル３８がある。中空の本体は第１の矩形状の中空の管４１があり、そこを通して観測者は被験表面を、下端４２でそこに支えられているモアレ格子８を通して眺める。モアレ格子は本体３７に軸動可能にマウントされていて、マイクロメータねじを介して調節可能であるのが望ましいが、この特徴は図７，９，１０には示されておらず、しかし図２には示されている。もしこの特徴が図７の実施例に現れていたとすると、下側の矩形状のフレーム４３は被験表面上に平坦に置かれることになり、格子とその表面とのなす角αは図２に示したマイクロメータ形調節器１０を介して正確に調節されることになる。この角度αはそこで校正目的に使用される同一角度αを反映するために正確に作ることができる。
【００２７】
モアレ格子８の頂度上に支持されて観察デバイス４４が支持されており、そこにはニードル４５があってミラー４６に対して間をあけて支持されている。被験部材の表面が観測者の眼により直接垂直方向から眺められるときには、ニードル４５の反射は観測者によつてはミラー４６内で見ることがない。こうして測定の一致が達成されて、校正サンプル結果との正確な比較が可能となる。
【００２８】
図９を参照すると、矩形状の管４１の上側部分４７はテーパーがついていてできるだけ多くの本質とは無関係な光で装置の内部からのものを遮断するようにしている。この特徴は明るい照明がされた作業場の床環境では極めて有用であり、このような環境ではモアレ格子を介して眺めた干渉フリンジを正確に検出することはこれなしではむづかしいのである。
【００２９】
この装置にはまた、第二の矩形状の管４８があって、第１の管とはある角度で設定されている。第２の管は２つの白色３．６ボルトＬＥＤ光源４９，５０を備えていて、それらが実質的に点光源として作用している。ボタン３９，４９は個別にＬＥＤ４９，５０をそれぞれスイッチオンとするのに使用される。ＬＥＤ４９は実質的にα＝４５°の角度で被観測表面を照射するように設計されている。ＬＥＤ５０は該表面と実質的に６３．２°の角度をなすようにする。管４８はまた３つの１．２ボルトニッケルカドミウムセルの電池パック５１を備えている。この発明の装置はこのように全く自律形であって作業場の床の上で使用するのにとくに適しており、例えば構造部材が航空機翼内に含まれているときに観察がされる。この発明の装置と一緒に、構造上の翼部材の中にある孔が冷間拡張に対して試験され、この部材に対して行なわれた冷間加工の既知量をもつ同じ材料と厚さとをもつ校正用サンプルと比較することができる。こうして、例えば、翼構造の表面内でクラックが検出されたとすると、クラックが発生したものとなるいずれかの孔が冷間加工されたひろがり（大きさ）について精度をもって判断を下すことができ、とくに、それが特定の程度にまで冷間加工されたかどうか判断ができる。観察用開口５として管４１のテーパのある部分の上側に作られたものを介して、観察されている表面内の開口４とグラティキュール５３を見ることができる。グラティキュールは開口の中心にある。このグラティキュールを用いると、前述の点２６と位置２７との間の距離が正確に読取れる。
【００３０】
このようにして、この発明の装置と方法とは便利でしかも信頼性のある手段として金属構造物内の孔の冷間加工の程度と、複合物構造の衝撃損傷の程度についての測定を正確に得られるものを与えている。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の方向が応用されている、冷間拡張された孔をあけられた構造部材の模式的断面図。
【図２】構造部材の表面に対してある角度で設定されたモアレ格子を通して眺めたキャリヤフリンジを備えた構造部材の模式的斜視図。
【図３】ディジタルカメラを含むこの発明による装置の側面模式図。
【図４】（ａ）板を貫通した１．０％冷間拡張した孔の領域内でひずんでいる干渉フリンジの写真。出口面で撮ったもので、この発明によるひずみのひろがりの測定を示している。
（ｂ）同じ板を貫通した１．５％冷間拡張した孔の領域内でひずんでいる干渉フリンジの写真。出口面で撮ったもので、ひずみのひろがりの測定を示している。
（ｃ）同じ板を貫通した２．０％冷間拡張した孔の領域内でひずんでいる干渉フリンジの写真。出口面で撮ったもので、ひずみのひろがりの測定を示している。
（ｄ）同じ板を貫通した２．５％冷間拡張した孔の領域内でひずんでいる干渉フリンジの写真。出口面で撮ったもので、ひずみのひろがりの測定を示している。
【図５】（ａ）フリンジひずみの一番遠くのひろがりに至る孔周辺を孔について加えられた％拡張に対してプロットした、この発明の方法と装置とを用いてエントリィフェース（入口面）について測定したグラフ。このグラフはポアッソン効果のひろがり、対、加えた拡張の程度を示す。
（ｂ）同じく出口面について測定したグラフ。このグラフはポアッソン効果のひろがり、対、加えた拡張の程度を示す。
【図６】ファイバ強化プラスチック複合材料で成る構造部材の断面図。肉眼で目視可能な衝撃損傷（Ｂａｒｅｌｙ  Ｖｉｓｉｂｌｅ  Ｉｍｐａｃｔ  Ｄａｍａｇｅ）として知られる現象を示している。
【図７】この発明による手もち装置の底面図。
【図８】ディジタルスチールカメラを用いて撮った画像。この発明の装置を用いており、複合材パネルへの衝撃損傷を示す。
【図９】図７の装置の平面図。
【図１０】図７と類似の装置の模式的側断面図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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