(57)【要約】【課題】部品中の欠陥の寸法を決定するための方法及び装置を提供すること。【解決手段】音響トランスデューサの線形アレイを、第１の焦線に沿って収束超音波ビームを伝搬させるために使用する。収束超音波ビームを、第１の焦線に実質的に垂直な第１のアレイ方向に欠陥を横切って移動させる。欠陥の寸法を、欠陥を横切って収束超音波ビームを移動させる際の欠陥からの収束超音波ビームの１以上の反射から決定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
部品中の欠陥の寸法を決定する方法であって、
第１の焦線に沿って収束超音波ビームを伝搬させ、
第１のアレイ方向に欠陥を横切って収束超音波ビームを移動させ、
欠陥を横切って収束超音波ビームを移動させる際の欠陥からの収束超音波ビームの１以上の反射から欠陥の寸法を決定する
ことを含む方法。
【請求項２】
寸法を決定することが、１以上の反射の強度が選択した量だけ減少する第１の焦線の位置を決定することをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
選択した量がピーク反射強度の少なくとも半分の大きさである、請求項２記載の方法。
【請求項４】
収束超音波ビームを伝搬させるために超音波トランスデューサの線形アレイを作動させることをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
収束超音波ビームを移動させることが、（ｉ）線形アレイを移動させることと、（ｉｉ）複数のタイミングシーケンスを使用して超音波トランスデューサを作動させることとのうちの一方をさらに含む、請求項４記載の方法。
【請求項６】
収束超音波ビームを伝搬させるための送波モードと１以上の反射を検出するための受波モードとのうちの一方で線形アレイを動作させることをさらに含む、請求項４記載の方法。
【請求項７】
線形アレイの超音波トランスデューサを選択した出力レベルで作動させる、請求項４記載の方法。
【請求項８】
第１のアレイ方向に平行でない第２のアレイ方向に沿って収束超音波ビームを移動させることによって欠陥の第２の寸法を決定することをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項９】
第１の焦線とは平行でない第２の焦線に沿って収束超音波ビームを伝搬させることによって欠陥の第２の寸法を決定することをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
欠陥の２次元面積を決定することをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項１１】
部品の溶接部によって遮られない方向から欠陥の方に向けて収束超音波ビームを誘導するためにくさび形プリズムを使用することをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項１２】
部品の欠陥の寸法を決定するための装置であって、
第１の焦線に沿って収束超音波ビームを伝搬させ且つ欠陥からの収束超音波ビームの１以上の反射を取得するように構成された音響トランスデューサの線形アレイと、
１以上の反射を取得するために欠陥を横切って収束超音波ビームを移動させるように構成された制御ユニットと、
取得した１以上の反射から欠陥の寸法を決定するように構成されたプロセッサと
を含む装置。
【請求項１３】
プロセッサが、１以上の反射の強度が選択した量だけ減少する収束超音波ビームの位置を決定するようにさらに構成される、請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
選択した量がピーク反射強度から少なくとも半分の大きさである、請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
制御ユニットが、（ｉ）線形アレイを移動させることと、（ｉｉ）複数のタイミングシーケンスを使用して超音波トランスデューサを作動させることとのうちの一方を行うことによって収束超音波ビームを移動させるように構成される、請求項１２記載の装置。
【請求項１６】
制御ユニットが収束超音波ビームを伝搬させるための送波モードと１以上の反射を受けるための受波モードとのうちの一方で線形アレイを動作させるように構成される、請求項１２記載の装置。
【請求項１７】
プロセッサが選択した出力レベルで線形アレイの超音波トランスデューサを作動させるように構成される、請求項１２記載の装置。
【請求項１８】
線形アレイが第１のアレイ方向に平行でない第２のアレイ方向に沿って収束超音波ビームを移動させるために回転するように構成される、請求項１２記載の装置。
【請求項１９】
線形アレイが第１の焦線とは平行でない第２の焦点方向に沿って欠陥の方に向けて収束超音波ビームを伝搬させるために動くように構成される、請求項１２記載の装置。
【請求項２０】
プロセッサが欠陥の２次元面積を決定するようにさらに構成される、請求項１２記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示する主題は、欠陥のサイズを決定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な部品、例えば、発電用タービン部品は、大きなストレス下で動作する性能を要求される。溶接部は、潜在的にある数及びサイズの欠陥が存在することに起因して、部品の弱さの潜在的な源である。欠陥のサイズを決定する１つの方法は、特定の欠陥の方に向けて小さな点に収束させた音波ビームを誘導することを含む。かかる音波ビームを生成するためのいくつかの方法は、音波ビームを生成するトランスデューサのサイズを縮小すること、音波ビームを収束させるためにレンズを使用すること、及びビームを収束させるために２次元フェイズドアレイを使用することを含む。これらの方法は、複雑であり費用が掛かることがある。本開示は、超音波線形フェイズドアレイを使用して欠陥のサイズを決定するための方法及び装置を提供する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０３２９０８１号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一態様によれば、部品中の欠陥の寸法を決定する方法を開示し、本方法は、第１の焦線に沿って収束超音波ビームを伝搬させ、収束超音波ビームを第１のアレイ方向に欠陥を横断させ、欠陥を横切って収束超音波ビームを移動させる際の欠陥からの収束超音波ビームの１以上の反射から欠陥の寸法を決定することを含む。
【０００５】
本発明の別の一態様によれば、部品の欠陥の寸法を決定するための装置を開示し、本装置は、第１の焦線に沿って収束超音波ビームを伝搬させ且つ欠陥からの収束超音波ビームの１以上の反射を取得するように構成された音響トランスデューサの線形アレイと、１以上の反射を取得するために欠陥を横切って収束超音波ビームを移動させるように構成された制御ユニットと、取得した１以上の反射から欠陥の寸法を決定するように構成されたプロセッサとを含む。
【０００６】
これらの及びその他の長所及び特徴は、図面と併用して下記の詳細な説明からさらに明らかになるであろう。
【０００７】
発明と見なされる主題は、明細書の結論のところの特許請求の範囲において特に指摘され、明確に主張されている。上記及び他の特徴、並びに本発明の長所は、添付した図面を併用して下記の詳細な説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本開示の一実施形態に係る部品欠陥などの対象物の寸法を決定するための例示的な装置の図である。
【図２】図１の例示的な装置を動作させるための例示的なタイミングシーケンスを示す図である。
【図３】欠陥に対する例示的な線形フェイズドアレイの様々な向きを示す図である。
【図４】本開示の別の一態様において焦線の周りの線形アレイの回転を示す図である。
【図５】部品中の欠陥の寸法を決定するために部品に対する本開示の例示的な線形フェイズドアレイの使用を示す図である。
【図６】図５の例示的な線形フェイズドアレイの側面図である。
【図７】本明細書に記載した方法を使用して欠陥から取得した例示的な反射マップを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
詳細な説明は、図面を参照して一例として長所及び特徴とともに本発明の実施形態を説明する。
【００１０】
図１は、本開示の実施形態に係る部品欠陥などの対象物の寸法を決定するための例示的な装置１００を示す。装置１００は、例示的なアレイ方向１１２などの特定の方向に沿って一列に整列した超音波トランスデューサ１０４ａ．．．１０４ｎの、線形フェイズドアレイ１０２などの線形アレイを含む。一実施形態では、超音波トランスデューサを、圧電性トランスデューサとすることができ、これを、印加する電気信号に応じて超音波を生成するように作動させることができる。別の一態様では、トランスデューサは、超音波を検出し且つ検出した波に応じた電気信号を生成するように構成される。トランスデューサを、アレイ方向１１２と一般に呼ばれる方向に実質的に一列に整列させる。超音波トランスデューサを動作させるために、制御ユニット１２０を線形アレイに接続する。一態様では、制御ユニット１２０は、トランスデューサを作動させるために１つ以上のトランスデューサへ信号を与え、１つ以上のトランスデューサから信号を受信する。制御ユニットは、プロセッサ１２２、並びにデータ及びトランスデューサを作動させることやトランスデューサから取得した信号を処理することを含む本明細書において開示する様々な機能を実行するためにプロセッサ１２２にアクセス可能なコンピュータプログラム１２６を記憶するためのデータ記憶デバイス（コンピュータ可読媒体とも呼ばれる）１２４を含む。データ記憶デバイス１２４は、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、フラッシュメモリ、磁気テープ、ハードディスク及び光ディスクを含むがこれらに限定されない、任意の適切なデバイスとすることができる。一態様では、制御ユニット１２０は、収束超音波ビームを生成するために選択した作動シーケンスにしたがって超音波トランスデューサを作動させる。収束超音波ビームは、焦線１０６によって示された方向に沿って実質的に線又は円柱で伝搬する。「焦線」という用語の使用が、これゆえ、収束超音波ビーム又は収束超音波ビームの伝搬経路を呼ぶと理解することができる。作動シーケンスは、個々のトランスデューサにおいて生成された波面が焦線１０６のところに実質的に同時に到達して収束超音波ビームを構成するようにトランスデューサを作動させる。典型的な作動シーケンスでは、線形アレイの端部のところのトランスデューサ、すなわち、１０４ａ及び１０４ｎが、作動する最初のものであり、続いて、端から順を追って次のトランスデューサ（すなわち、１０４ｂ及び１０４ｎ−１）等、１以上の中央トランスデューサまで作動させる。焦線１０６は、したがって、あたかも１以上の中央トランスデューサから伝搬するように直線から外の方に誘導される。収束超音波ビームを形づくるために選択された個別の出力レベルで、トランスデューサをやはり作動させることができる。加えて、平行な焦線１０６’の周りを中心とする別の作動シーケンスを使用してトランスデューサを作動させることによって、焦線１０６に平行な例示的な焦線１０６’に沿って伝搬するもう１つの収束超音波ビームを作り出すことができる。これにより、焦線１０６に平行な任意の数の焦線を、適切な作動シーケンスを使用して作り出すことができる。
【００１１】
本開示の一態様では、収束超音波ビームを、欠陥を横切って、例えば、アレイ方向１１２に沿って移動させる。方向１１２に沿った焦線１０６（及びこれゆえ収束超音波ビーム）の動きを、上に論じた方法を使用して複数の平行な焦線を作り出すことによってシミュレーションすることができる。平行な焦線を作り出す順番は、左から右へなどの特定の方向である。あるいは、１つの焦線１０６を伝搬させ且つアレイ方向１１２に沿って線形フェイズドアレイ１０２それ自体を移動させることによって、焦線１０６を方向１１２に沿って移動させることができる。いずれのケースにおいても、その後の計算のために、焦線の位置を測定し記録することができる。
【００１２】
図１に示したように、焦線１０６を、欠陥１１０の方に誘導する。欠陥を、構造欠陥又は材料中の欠陥とすることができるが、収束超音波ビームを反射する部品内の任意の対象物にも同様に適用することができる。様々な実施形態では、構造物を、ロータタービン、ガスタービンシェル、圧縮機シェルケーシング、飛行ロータ、及び溶接したロータなどのタービン部品とすることができる。典型的な構造物は、タービン部品及び発電機部品を含む。例示的な実施形態では、欠陥は、例えば、スラグ、又はタングステン、石英、若しくは溶接プロセスにおいて使用される他の材料などの非金属包有物でありうる溶接欠陥である。代替実施形態では、欠陥は、例えば、溶接作業において形成されたクラック又は孔でありうる。典型的には、焦線１０６を、欠陥１１０の表面と交差するように方向１１２に沿って掃引する。焦線１０６が欠陥を横断すると、収束超音波ビームは、欠陥１１０から線形アレイ１０２の方に向かって反対方向に反射する。受け取った反射を、処理のために例示的な制御ユニット１２０へ送ることができる。
【００１３】
焦線が特定の方向に沿って動くときに測定した反射を、特定の方向における欠陥のサイズを決定するために使用する。ピーク振幅の半分の振幅又は強度が−６ｄＢ低下するまでなど、選択した量だけ反射強度が減少する焦線の位置を決定することによって、欠陥の寸法を典型的には決定する。収束超音波ビーム（すなわち、焦線１０６）が測定しようとする欠陥よりも狭い幅を有する場合には、焦線１０６が欠陥１１０の全体にわたって移動するときに−６ｄＢ以上の反射強度の低下が生じる位置を、欠陥の寸法を決定するために使用することができる。欠陥が収束ビームの幅よりも小さい場合には、既知のサイズの校正用反射体から得られる強度に対して反射強度を比較することによって、欠陥サイズの上限を推測することができる。
【００１４】
図２は、本開示の一実施形態における、線形フェイズドアレイ１０２を動作させるための例示的なタイミングシーケンスを示す。収束超音波ビームを伝搬させるための送波モード２０１及び欠陥からの収束超音波ビームの反射を検出するための受波モード２０２などのモードの交番するセットで、線形アレイ１０２を動作させることができる。受波モードの持続時間を、制御ユニットによって選択することができ、欠陥までの及び欠陥からの収束超音波ビームの予想される伝達時間に適応するように、一般に選択する及び／又は交番させることができる。
【００１５】
図３は、欠陥１１０に対する例示的な線形フェイズドアレイ１０２の様々な向きを示す。欠陥の２次元測定値を取得するために収束超音波ビームが様々な方向から欠陥上に当たるように、線形アレイの向きを決め且つ移動させることができる。第１の位置３０１ａにおいては、欠陥の方に向けて第１の方向の焦線１０６ａに沿って収束超音波ビームを伝搬させるように、線形フェイズドアレイ１０２の向きを決める。焦線１０６ａに対して実質的に垂直な第１のアレイ方向１１２ａに沿って、焦線１０６ａを移動させる。収束超音波ビームの反射が、このために、第１のアレイ方向１１２ａに沿った欠陥の寸法の情報をもたらす。第２の位置３０１ｂにおいては、線形アレイ１０２を、第１の位置３０１ａのところのそれ自体の向きから約９０度に向けて、第２の方向から欠陥１１０上に当たる焦線１０６ｂを形成する。例示的な実施形態では、第２の焦線１０６ｂは、第１の焦線１０６ａに対して実質的に垂直であり、第２のアレイ方向１１２ｂに沿って動いて、第２のアレイ方向１１２ｂに沿った欠陥の寸法を取得する。第２の焦線１０６ｂが第１の焦線１０６ａに実質的に垂直になるように、図３に示したように第２の位置３０１ｂを選択するが、これが本開示を限定することを意味しない。任意の方向からの寸法を取得するために、第２の位置を、角度θにしたがって第１の位置３０１ａから角度方向に離れた任意の位置とすることができる。加えて、３次元の測定値を取得するために、第１の焦線１０６ａ及び第２の焦線１０６ｂによって規定される面外の第３の位置から、測定値を取ることができる。
【００１６】
図４は、本開示の別の一態様における、焦線の周りの線形アレイの回転を図示する。図４の例示的な回転では、線形アレイを、第１の向き４０１ａから第２の向き４０１ｂへ回転する。第１の向き４０１ａにおいては、アレイ方向が、図示した座標系のｘ方向に沿っている。第２の向き４０１ｂにおいては、アレイ方向が、座標系のｙ方向に沿っている。これらの向きは、本明細書において論じる方法を使用して直交する方向に沿った欠陥の寸法を測定することを可能にする。図４には２つの向きだけを示しているが、これが本開示を限定することを意味しない。線形アレイを任意の角度まで回転させることができる。１８０度まで回転させることは、焦線の方向に垂直な面内の任意の方向における欠陥の断面測定値を取得することを可能にする。
【００１７】
図５は、部品中の欠陥の寸法を決定するために部品に対する本開示の例示的な線形フェイズドアレイの使用を図示する。部品内部の表面でない位置のところに欠陥５０６を有する部品５０２を示す。反射強度マップ５１２中の画素によって欠陥を示す。部品５０２と接触して設置したくさび５０４の斜面上に、線形フェイズドアレイ１０２を載置する。一般的に、溶接部の直上に設置した線形アレイから伝搬するビームを、溶接部が妨害する。このために、くさび５０４は、妨害されていない横方向から欠陥の方に向けて収束超音波ビームを操作員が誘導することを可能にする。これに加えて、図３及び図４において論じた様々な方向及び回転角から収束超音波ビームを誘導するために、くさび４０４を使用することができる。様々な代替方法を使用して収束超音波ビームを誘導することをやはり行うことができる。収束超音波ビーム５０９は、線形フェイズドアレイ１０２からくさび５０４を通り伝搬し、欠陥５０６の方に誘導される。図６は、図５の線形フェイズドアレイの側面図を示す。図６に示したように、焦線５０９は、縦波５０９ｐ及び横波５０９ｓの両方を含む。典型的には、横波５０９ｓを、本開示の目的にために使用する。
【００１８】
一態様では、非収束ビームを生成する非収束モードで線形フェイズドアレイを使用して、欠陥５０６の位置を決めることができる。欠陥の位置を決めるために本分野において既知の別の方法を、やはり使用することができる。一旦、欠陥の位置を決めると、寸法を決めるために、線形フェイズドアレイを収束させて、収束超音波ビームを形成することができる。別の一態様では、アレイの回転割り出し及び移動割り出しの両方を行うために、本発明を自動化することができる。かかる配置を用いて、選択した分解能で画像を生成するために、ビーム線焦点に垂直な線に沿って、反射データを再構成することができる。
【００１９】
図７は、本明細書において論じた方法を使用して得られる欠陥の例示的な反射マップ５１２の詳細図を示す。明画素６０１及び暗画素６０３を示す。画素の明るさ／暗さは、画素に関係する特定の位置からの反射強度の指標であり、これゆえに、欠陥サイズを決定するために使用することができる。代替実施形態では、反射強度を、色によって又は任意の選択した符号化方法によって示すことができる。
【００２０】
以上のことより、一態様では、本開示は、部品中の欠陥の寸法を決定する方法を提供し、本方法は、第１の焦線に沿って収束超音波ビームを伝搬させ、収束超音波ビームを第１のアレイ方向に欠陥を横断させ、欠陥を横切って収束超音波ビームを移動させる際の欠陥からの収束超音波ビームの１以上の反射から欠陥の寸法を決定することを含む。１以上の反射の強度が選択した量だけ減少する第１の焦線の位置を決定することによって、寸法を決定することができる。様々な実施形態では、選択した量は、ピーク反射強度から少なくとも半分の大きさである。収束超音波ビームを伝搬させるために、超音波トランスデューサの線形アレイを一般に作動させる。線形アレイを移動させることによって又は複数のタイミングシーケンスを使用して超音波トランスデューサを作動させることによってのいずれかで、収束超音波ビームを移動させることができる。収束超音波ビームを伝搬させるための送波モードと１以上の反射を検出するための受波モードとのうちの一方で、線形アレイを動作させることができる。線形フェイズドアレイの超音波トランスデューサを、選択した出力レベルで作動させることができる。一実施形態では、第１のアレイ方向に平行でない第２のアレイ方向に沿って収束超音波ビームを移動させることによって、欠陥の第２の寸法を決定することができる。代替の実施形態では、第１の焦線とは平行でない第２の焦線に沿って収束超音波ビームを伝搬させることによって、欠陥の第２の寸法を決定することができる。それゆえ、第１の決定した寸法及び第２の決定した寸法に対して、欠陥の２次元面積を決定することができる。部品の溶接部によって妨害されない方向から欠陥の方に向けて収束超音波ビームを誘導するために、くさび形プリズムを使用することができる。
【００２１】
別の一態様では、本開示は、部品の欠陥の寸法を決定するための装置を提供し、本装置は、第１の焦線に沿って収束超音波ビームを伝搬させ且つ欠陥からの収束超音波ビームの１以上の反射を取得するように構成された音響トランスデューサの線形アレイと、１以上の反射を取得するために欠陥を横切って収束超音波ビームを移動させるように構成された制御ユニットと、取得した１以上の反射から欠陥の寸法を決定するように構成されたプロセッサとを含む。プロセッサは、１以上の反射の強度が選択した量だけ減少する収束超音波ビームの位置を決定するようにさらに構成され、一実施形態では選択した量が、ピーク反射強度から少なくとも半分の大きさである。制御ユニットが、線形アレイを移動させることによって、又は複数のタイミングシーケンスを使用して超音波トランスデューサを作動させることによってのいずれかで収束超音波ビームを移動させるように構成される。制御ユニットが、収束超音波ビームを伝搬させるための送波モードと１以上の反射を受け取るための受波モードとのうちの一方で線形フェイズドアレイを動作させるように構成される。プロセッサは、選択した出力レベルで線形フェイズドアレイの超音波トランスデューサを作動させるように構成される。一実施形態では、線形フェイズドアレイは、第１のアレイ方向に平行でない第２のアレイ方向に沿って収束超音波ビームを移動させるために回転するように構成される。別の一実施形態では、線形フェイズドアレイは、第１の焦線とは平行でない第２の焦点方向に沿って欠陥の方に向けて収束超音波ビームを伝搬させるために動くように構成される。プロセッサは、決定した第１の寸法及び第２の寸法から欠陥の２次元面積を決定することができる。
【００２２】
本発明を、限られた数の実施形態だけに関連して詳細に説明してきているが、本発明がかかる開示した実施形態に限定されないことが、容易に理解されるはずである。むしろ、これまでに説明していないが本発明の精神及び範囲に見合った任意の数の変形形態、代替形態、置換形態又は等価な配列を組み込むように、本発明を変形することができる。加えて、本発明の様々な実施形態を説明してきているが、本発明の態様が説明した実施形態の一部だけを含みうることを理解すべきである。したがって、本発明は、上記の記載によって限定されるようには見なされないだけでなく、別記の特許請求の範囲の範囲によって限定されるだけである。
【符号の説明】
【００２３】
１００  装置
１０２  線形フェイズドアレイ
１０４  超音波トランスデューサ
１０６  焦線
１０６ａ  第１の焦線
１０６ｂ  第２の焦線
１１０  欠陥
１１２  アレイ方向
１１２ａ  第１のアレイ方向
１１２ｂ  第２のアレイ方向
１２０  制御ユニット
１２２  プロセッサ
１２４  データ記憶デバイス
１２６  コンピュータプログラム
３０１ａ  第１の位置
３０１ｂ  第２の位置
４０１ａ  第１の向き
４０１ｂ  第２の向き
５０２  部品
５０４  くさび
５０６  欠陥
５０９  収束超音波ビーム
５０９ｐ  縦波
５０９ｓ  横波
５１２  反射強度マップ
【図１】
2013108979.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2013108979.tif 000007
【図６】
2013108979.tif 000008
【図７】
2013108979.tif 000009