(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査ベクトルを画定する超音波アレイと、
第１の軸の周りを回転するために前記アレイの第１の端部に取り付けられた第１の部材と、
前記第１の軸の周りを回転するために、前記アレイの反対側の第２の端部に取り付けられた第２の部材と、
前記第１及び第２の部材の間に伸びて前記アレイの周囲に閉空間を形成する柔軟性連結部品であって、前記走査ベクトルが交差する加工物との接触面を有する柔軟性連結部品を有する連結アセンブリと、
を備え、
前記第１の部材と前記第２の部材は、前記柔軟性連結部品から独立した駆動機構により、同期して回転するように連結され、
前記駆動機構は、前記第１の軸に平行で、且つ前記第１の軸からずれた第２の軸を中心として回転可能な駆動シャフトを備えることを特徴とする超音波スキャナ。
【請求項２】
前記駆動シャフトは、前記スキャナに対して固定して取り付けられた軸受スリーブ内に保持されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波スキャナ。
【請求項３】
前記駆動シャフトは、前記第１の部材の対応するギア構造に係合する第１のギア構造を備えることを特徴とする請求項２に記載の超音波スキャナ。
【請求項４】
前記駆動シャフトは、前記第２の部材の対応するギア構造に係合する第２のギア構造を備えることを特徴とする請求項３に記載の超音波スキャナ。
【請求項５】
前記部材のギア構造は、放射状に内側に面するギアの歯を画定するリングギアであることを特徴とする請求項４に記載の超音波スキャナ。
【請求項６】
前記閉空間は、加圧された流体を収容することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の超音波スキャナ。
【請求項７】
前記加圧された流体は、液体であることを特徴とする請求項６に記載の超音波スキャナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波スキャナに関する。より詳細には、本発明は、複合工学部品、特に、航空宇宙部品の非破壊検査のための回転型超音波スキャナに関する。
【背景技術】
【０００２】
複合材部品の構造、及び、特には炭素繊維強化ポリマー（ＣＦＲＰ）部品の構造のため、製造過程の間、又は、使用時の応力の結果として内部欠陥が生ずることがある。例えば、部品の外部からは見えない炭素層の層間剥離が、材料内で生ずることがある。このような欠陥は、部品が弱体化する程度にまで材料特性に悪影響を及ぼすことがある。
【０００３】
続く製造工程及び検査又は点検の双方において、複合材部品の内部を検査できることが有利である。
【０００４】
破壊検査は、部品の（あらゆる損傷を含む）内部構造を明らかにするが、部品が使用できなくなる。製造された一群のサンプルは、破壊的に検査され得るが、これは、一群全体が無欠陥であるという１００％信頼性のある指標を提供しない。
【０００５】
従って、複合材部品に関して、非破壊検査は非常に重要である。超音波検査（ＵＴ）は、音波が材料内に出射され、反射波が記録され、解析される一般的な技術である。
【０００６】
この方法での部位ごとの検査は、遅く且つ面倒であり、そのため、加工物の表面にわたって線形の超音波センサアレイを「走査」し、材料を通過する「スライス」の２次元的表現を提供するための様々な方法が開発されている。その意図は、アレイと加工物との間の音波結合を維持することである。結合の方法の１つは、超音波アレイの周りに取り付けられた回転可能で流体が充填されたドラムを利用する。スキャナは、ドラムが回転し、超音波アレイと加工物との間で一定の結合が保たれるように、材料の表面に沿って押される。このようなスキャナは、「回転プローブ」又は「回転スキャナ」として知られている。このようなスキャナの１つは、特許文献１に開示されている。
【０００７】
一般的に、回転スキャナは、アレイが取り付けられる固定された中心軸を有するように構築される。ホイールは、中心軸の各端部に取り付けられる。ホイールは、一般的に円筒状の厚い膜要素によって接合されており、加工物への接触面を提供する。２つのホイールと膜は、液体の伝達媒質を充填することができる「ドラム」を形成する。この厚い膜の存在と、そのトルクを伝達する能力とによって、ホイールは、超音波アレイの周りを同期して回転し、加工物に対するスキャナの方向を維持する。この膜もまた、ドラムと加工物との間の接触圧が、超音波の経路に一定の結合を提供するのに十分であることを確保するのに十分な厚さを有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】欧州特許出願公開第１４４８９８３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本願出願人は、膜の厚さを低減することによって有益な効果を達成できることに気付いた。より薄い膜を提供することにより、減衰する音響エネルギーの量が低減され、ユーザーは、対象となる材料をより深部までスキャンすることができ、より厚い加工物を検査することを可能にする。
【００１０】
膜をより薄くすることに関する問題は、２つのホイールの間のねじり荷重経路を十分に提供することができないことである。それにより、加工物との不均一な接触が増加することがある。更に、流体を充填した薄い膜は、より小さな接触圧をもたらし、超音波の一定でない結合をもたらす。
【００１１】
本発明の目的は、上記の課題の１以上を克服、又は少なくとも軽減することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の態様によれば、走査ベクトルを画定する超音波アレイと、第１の軸の周りを回転するために前記アレイの第１の端部に取り付けられた第１の部材と、前記第１の軸の周りを回転するために、前記アレイの反対側の第２の端部に取り付けられた第２の部材と、前記第１及び第２の部材の間に伸びて前記アレイの周囲に閉空間を形成する柔軟性連結部品であって、前記走査ベクトルが交差する加工物との接触面を有する柔軟性連結部品を有する連結アセンブリと、を備え、前記第１の部材と前記第２の部材は、前記柔軟性連結部品から独立した駆動機構により、同期して回転するように連結され、前記駆動機構は、前記第１の軸に平行で、且つ前記第１の軸からずれた第２の軸を中心として回転可能な駆動シャフトを備えることを特徴とする超音波スキャナが提供される。
【００１３】
「柔軟性連結部品から独立した駆動機構」とは、部材の間の荷重通路が独立していることを意味する。言い換えれば、柔軟性連結部品を通らない荷重通路が存在していることを意味する。
【００１４】
有利なことに、膜と分離した駆動経路を提供することにより、膜がホイールの間のねじり荷重を伝える必要性を軽減するか又は排除する。それにより、ホイールの間のねじり荷重のすべてを伝える必要がなくなるため、膜をより薄くすることができる。
【００１５】
好ましくは、駆動機構は、ギア付きの駆動連結部であり、好ましくは、前記駆動シャフトは、前記スキャナに対して固定して取り付けられた軸受スリーブ内に保持されている。
【００１６】
有利なことには、駆動機構を提供することにより、軸上のセンサアレイの位置決めが可能となり、偏心機構が２つのホイールの間の機能的連結を提供することを可能にする。
【００１７】
好ましくは、前記駆動シャフトは、前記第１の部材の対応するギア構造に係合する第１のギア構造を備える。より好ましくは、前記第２の部材の対応するギア構造に係合する第２のギア構造を備える。
【００１８】
有利なことには、例えば、ギア付き配置による、適切なトルクの伝達によって、ずれたシャフトは、２つのホイールの間のねじり負荷を伝えることができ、膜から離れた荷重経路を提供する。
【００１９】
好ましくは、前記部材のギア構造は、放射状に内側に面するギアの歯を画定するリングギアである。有利なことには、これにより内部のシャフトの歯との容易な組立てが可能となる。
【００２０】
膜に対するあらゆる外力の影響をさらに低減するため、前記部材の間に延びる更なる連結部品が提供されてもよい。前記更なる連結部品は、前記柔軟性連結部品よりも堅い材料から作成されている。これは、軸方向により長いスキャナに適している。連結部品は、積層されていてもよい。
【００２１】
本発明の第２の態様によれば、走査ベクトルを画定する超音波アレイと、第１の軸の周りを回転するために前記アレイの第１の端部に取り付けられた第１の部材と、前記第１の軸の周りを回転するために、前記アレイの反対側の第２の端部に取り付けられた第２の部材と、前記第１及び第２の部材の間に伸びて前記アレイの周囲に閉空間を形成する柔軟性連結部品であって、前記走査ベクトルが交差する加工物との接触面を有する柔軟性連結部品を有する連結アセンブリと、を備え、前記第１の部材と前記第２の部材は、前記柔軟性連結部品から独立した駆動経路により、同期して回転するように連結されることを特徴とする超音波スキャナが提供される。
【００２２】
「柔軟性連結部品から独立した駆動経路」とは、部材の間の荷重経路が独立していることを意味する。言い換えれば、柔軟性連結部品を通過しない荷重経路が存在することを意味する。これは、駆動経路と柔軟性連結部品を画定する部材から、これらが取り付けられたもの、又は更に積層されたものを除外しない。従って、本発明によれば、駆動経路は、部材間に延びる更なる連結部品によって画定されてもよく、更なる連結部品は、柔軟性連結部品よりも堅い材料から作成される。
【００２３】
好ましくは、前記更なる連結部品は、アレイの周りに閉空間を画定し、前記柔軟性連結部品の内部に延びる。前記更なる連結部品は、前記柔軟性連結部品に取り付けられてもよく、前記柔軟性連結部品の内部表面に積層された材料層であってもよい。
【００２４】
この方法で代わりの荷重経路を提供することによって、堅い材料から構築された（従って、より薄く柔軟性のある膜の層を可能にする）更なる連結部品を使用して、部材の間でトルクを伝達することができる。選択された材料は、膜に比べて著しく堅く、従って、音波エネルギーをほとんど減衰させない一方で、加工物との良好な摩擦接触を提供する柔らかい外膜を保持する。
【００２５】
前記更なる連結部品は、プラスチック材料から構築されてもよい。
【００２６】
（更なる連結部品を代表する）プラスチック層に支持された柔軟性連結部品は、機械的駆動機構と連動して使用されてもよい。これは、部材が（機構によって）同期することを可能にする一方で、非常に薄い柔軟性連結部品を提供し、その形状の完全性は、更なる連結部品によって提供される。
【００２７】
代わりに、又は更に、前記閉空間は、加圧された流体（大気圧より高い）が充填されていてもよい。加圧された流体（好ましくは、水のような良好な結合特性を与える液体）を提供することで、放射状の外向きの力を、柔軟性連結部品に及ぼし、それによりその形状を保持するのを助ける。そのような力は、軸方向に前記部材を締め付けるようにも作用し、部材の間のトルク伝達を改善するであろう。
【００２８】
本発明の第３の態様によれば、走査方向を定義する超音波アレイと、前記アレイの第１の端部で軸の周りを回転するように取り付けられた第１の部材と、前記アレイの反対側の第２の端部で前記軸の周りを回転するように取り付けられた第２の部材と、前記部材の間に延びて前記走査方向に加工物との接触面を有する連結部品と、を備え、前記連結部品が、第１の剛性を有する外側材料と、第１の剛性よりも大きい第２の剛性を有する内側層とを有することを特徴とする超音波スキャナが提供される。
【００２９】
有利なことには、薄く堅い層を提供することで、膜をより薄くする一方で、柔軟性外部材料の加工物との接触能力を維持することができる。
【００３０】
好ましくは、内側層は、部品の音響特性に悪影響を与えることなく、ねじれ剛性を提供するプラスチック塗膜である。
【００３１】
閉空間を画定する連結部品の内部に含まれる流体（好ましくは液体）を加圧することにより、部材の間のトルクの伝達も補助し、その効果は、内側層によって提供されるトルク伝達及び剛性を補助するであろう。
【００３２】
本発明による２つの例のスキャナを、添付の図面を参照して以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、本発明の第１の態様のスキャナの平面断面図である。
【図２】図２は、図１のスキャナの側面断面図である。
【図３】図３（ａ）は、本発明の第２の態様のスキャナの側面断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のスキャナの一部の詳細図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１及び２によれば、シャーシ１０２と、回転アセンブリ１０４とを有するスキャナ１００が提供される。図は、走査される加工物（図示せず）に向かうものである。
【００３５】
シャーシ１０２は、回転せず、第１の側部１０８と第２の側部１１０とを有するハンドル部品１０６を備える。側部１０８、１１０は、同じハンドル部品１０６の一部であり、ハンドル（図示せず）が提供される回転アセンブリ１０４から離れた位置で接触している。そのように、第１の側部１０８と第２の側部１１０は、互いに回転しないように固定されていることが分かるであろう。それぞれの側部１０８、１１０は、孔１１２、１１４をそれぞれ画定しており、それらの孔は第１軸Ｘの周りに同心円状である。
【００３６】
シャーシ１０２は、走査アレイを収容するための空洞１２０を有する伸長胴体１１８を画定するスキャナ取り付け部１１６を備える。突起１２１は、胴体１１８の第１の端部に画定され、内側にねじ溝を有する軸方向孔１２２を有する。
【００３７】
胴体１１８の反対側の第２の端部では、伸長胴体１１８に隣接する第１のショルダー１２６と、端部カラー領域１３０に通ずる第２のショルダー１２８とを有する階段状の環状部品１２４が画定されている。端部カラー領域１３０は、内側にねじ溝を有する２つの孔１３２を画定する。
【００３８】
第１のころ軸受１３６は、端部カラー領域１３０の外部の円筒表面に画定される。密封部１３８は、環状部品１２４の第２のショルダー１２８から延びる。
【００３９】
伸長胴体１１８の反対側の端部では、更なる密封部１４０が突起１２１を囲む。
【００４０】
管状スリーブ１３４は、伸長胴体１１８の第１の側面に固定され、主軸Ｘの軸に平行で、且つ、主軸Ｘからずれた主軸Ｙを有する。
【００４１】
駆動シャフト１４２は、管状スリーブ１３４の内部に設けられ、管状スリーブ１３４の両端の２つの軸受１４４、１４６によって回転できるように取り付けられる。駆動シャフト１４２は、外部ギア構造１４８、１５０を各端部に画定する。ギア構造１４８、１５０は、駆動シャフト１４２に着脱可能に取り付けられるギア部材で画定され、管状スリーブ１３４との組立てを容易にする。止め輪１５２、１５４は、駆動シャフト１４２を軸方向に適切な位置で把持する。
【００４２】
第１の保持部１５６は、第１のセクション１５８を備える階段状の環状部品として提供される。第１のセクション１５８は、孔１１２と締まり嵌めする大きさで形成され、スキャナ取り付け部１１６に向かって突き出る第２のセクション１６０に向って小さくなる。第２のセクション１６０は、内部にネジ溝を有する孔１６２を有する。図１に示すように、組立て時には、ネジ又はボルト１６４が、孔１２２、１６２をつなぐ。ころ軸受１６６は、保持部１５６の第２のセクション１６０を囲む。上記した構成配置によって、スキャナ取り付け部１１６がハンドル部１０６の第１の側部１０８に固定して取り付けられることに留意すべきであろう。
【００４３】
次に、スキャナ取り付け部１１６の反対側の端部を見ると、第２の保持部１６８は、階段状の管状部品として提供され、伸長胴体１１８の空洞部１２０と締まり嵌めする大きさの第１のセクション１７０を備える。第２のセクション１７２は、ハンドル部品１０６の第２の側部１１０の孔１１４と締まり嵌めするように提供される。第３のセクション１７４は、ハンドル部品１０６の第２の側部１１０の外側表面と隣接する。ネジ溝を有する２つの孔１７６、１７８が、第２の保持部１６８内にＸ軸と平行となるよう提供され、スキャナ取り付け部１１６の端部カラー領域１３０のネジ溝を有する孔１３２の方向と一直線に配置される。第２の保持部１６８をスキャナ取り付け部１１６に固定するため、適当なネジ又はボルト１８０が挿入される。
【００４４】
そうすると、当然ながら、スキャナ取り付け部１１６は、両端の保持部の締まり嵌めにより、ハンドル部品１０６に対して回転することはできないことが理解されるであろう。あるいは、これらの部品がハンドル部品１０６に対して回転するのを防ぐために、非円形シャフト、キー溝又はスプラインを使用してもよい。
【００４５】
次に、回転アセンブリ１０４を見ると、ハブ部１８４、縁部１８６及び環状ギア１８８を有する第１のホイール１８２が提供される。
【００４６】
縁部１８６は、一般的にＬ字型であり、外側の円筒状接触面１９２を画定する。縁部１８６は、軸受１６６に取り付けられ、軸受１６６と共に回転する。縁部１８６は、ハブ部１８４を取り囲む。液体の密封を維持するために、密封部１４０はハブ部１８４とすべり接触するように隣接する。ハブ部１８４と縁部１８６は、ともにボルト１９０を介して環状ギア１８８の環状面に固定することにより結合される。
【００４７】
第２のホイール１９４も回転アセンブリ１０４の一部として画定され、軸受１３６と結合され、軸受１３６と共に回転可能なハブ部１９６を備える。密封部１２４は、ハブ部１９６と接しており、ハブ部１９６と共に液体を密封する。ハブ部１９６は、環状ギア１９８と、外側の接触表面２０２を与える一般的に円筒形状である縁部２００との双方に結合される。
【００４８】
ゴム膜２０４は、接触表面１９２、２０２に亘って拡がり、スキャナ取り付け部１１６を収容する円筒状の囲いを画定する。この囲いは、伝達媒質である流体、例えば、密封部１２４、１４０により漏れないようにされた水で充填される。
【００４９】
組立て時、ギア構造１４８は環状ギア１８８の内側の歯の付いた面と噛み合い、ギア構造１５０は環状ギア１９８の内側の歯の付いた面と噛み合う。この噛み合いにより、環状ギア１８８、１９８の回転は連係する。ホイールアセンブリ１８２、１９４の間の如何なるトルク差も、駆動シャフト１４２を通る荷重経路により伝達される。そのため、膜２０４の有る無しに関わらず、ホイール１８２、１９４の双方は駆動時において同じ速度で回転する。
【００５０】
使用時には、超音波トランスデューサ２０６がスキャナ取り付け部１１６の内部に取り付けられ、超音波エネルギーをＸ軸と垂直な方向Ｄに照射する（図２参照）。方向Ｄが加工物Ｗの方向を向き、超音波エネルギーが膜２０４を通り抜け加工物Ｗの表面に作用するように、ハンドル部品１０６を把持する。ハンドル部品１０６が加工品Ｗと平行に押されると、膜２０４と加工物Ｗの間で生ずる摩擦により、回転アセンブリ１０４が回転（軸受１６６、１３６を作動する）する。駆動シャフト１４２のため、ねじり荷重が膜２０４によって伝達されることはない。
【００５１】
シャフトＹの回転軸は主軸Ｘと平行であるが、主軸Ｘからずれて配置されることに留意すべきである。また、シャフト１４２は、スキャン方向Ｄがシャフト１４２と交差しないように超音波トランスデューサ２０６の横に配置されることにも留意すべきである。本実施形態では、軸Ｙは、スキャン方向Ｄから主軸Ｘに対してに９０度離して配置される。
【００５２】
次に図３（ａ）、図３（ｂ）で示されている代替のスキャナ２００は、フォーク状構造を画定している第１の側部２０４と第２の側部２０６を有するハンドル２０２を備える。走査アレイ２０８は、第１の側部２０４、第２の側部２０６の端部の間に配置される。
【００５３】
スキャナ１００と同様に、スキャナ２００は、２つの軸２１０、２１２を利用する。各軸は、ハンドル２０２の第１の側部、第２の側部から突き出ており、走査アレイ２０８と交わる。第１のホイール２１４は走査アレイ２０８の第１の側部２０４に取り付けられ、第２のホイール２１６は第２の側部２０６に取り付けられる。層状膜２１８は、ホイール２１４、２１６の間に延びており、層状膜２１８の内側に走査アレイ２０８（伝達媒質の流体２２０により取り囲まれている）を配置する円筒状ドラムを形成する。これらのホイールは自由に回転できるが、層状膜２１８によって互いのホイールを拘束する点に留意すべきである。次に図３（ｂ）では、膜２１８をより詳細に示しており、膜２１８は、外側に膜２２２（ゴム材料から構成される）と、内側にホイール２１４、２１６の間にいくらかのねじり剛性を与えるよう設計された薄いプラスチック材料から構成されるプラスチック塗膜２２４を備えることが分かる。
【００５４】
前述したような厚みのある加工物のより深部をスキャンするという効果を得るために、外側膜２２２は非常に薄いことに留意すべきである。それと同時に、ねじり剛性は、外側膜２２２と比べて相対的に堅いが、加工物をスキャンする走査アレイ２０８の性能を極端に悪化させない程度に十分に薄い、内側塗膜２２４を通る荷重経路により提供される。
【００５５】
したがって、層状膜は、ゴムの高い摩擦特性とプラスチック材料の剛性を併せ持つ。
【図１】
0005722496.tif 000002
【図２】
0005722496.tif 000003
【図３】
0005722496.tif 000004