(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
接続されることで接合部を規定する第１のパネルおよび第２のパネルを含む複合構造の接合部を検査するためのシステムであって、前記第２のパネルは前記接合部で前記第１のパネルから少なくとも部分的に外側に延び、前記複合構造は前記接合部に配置された充填物をさらに含み、前記システムは、
前記第２のパネルの入力側の近くに配置された送信側変換器を含み、前記送信側変換器は、超音波信号の少なくとも一部分が接合部で第１のパネルから反射され、前記第２のパネルの出力側から出るように前記第２のパネルに超音波信号を送信することができ、前記入力側および出力側は前記第２のパネルの両側にあり、かつ前記第１のパネルの同じ側に位置し、前記システムはさらに、
前記第２のパネルの前記出力側の近くに配置された受信側変換器を含み、前記受信側変換器は前記超音波信号の反射された部分を受信することができ、前記システムはさらに、
前記送信側変換器および受信側変換器と電気的通信を行なう処理要素を含み、前記処理要素が、前記受信側変換器によって受信された前記超音波信号の反射された部分の、予め定められたしきい値に対する関係に基づいて、前記複合構造の欠陥を識別できるように、前記送信側変換器および受信側変換器は前記接合部の長さ又は高さに沿ってガイドされ、
前記処理要素に電気的に接続されたスキャンアセンブリをさらに含み、前記送信側変換器および前記受信側変換器は前記スキャンアセンブリが前記送信側変換器および前記受信側変換器を前記接合部に沿ってガイドするように前記スキャンアセンブリに固定され、
前記スキャンアセンブリは、一端が前記第２のパネルの前記入力側の近くに配置され、もう一端が前記第２のパネルの前記出力側の近くに配置される、ヨークを含み、前記送信側変換器は、前記ヨークの、前記入力側に近い端部に固定され、前記受信側変換器は、前記ヨークの、前記出力側に近い端部に固定され、前記スキャンアセンブリはさらに、前記ヨークを前記複合構造に対して移動させることができるガイドアセンブリを含む、システム。
【請求項２】
前記充填物は前記第１のパネルと前記第２のパネルとの間に配置され、かつ前記第１のパネルおよび前記第２のパネルの両方に少なくとも部分的に接触し、前記送信側変換器は、超音波信号の少なくとも一部分が前記第１のパネルと前記充填物との界面で前記第１のパネルから反射されるように前記充填物と前記第２のパネルとの界面で前記充填物に前記超音波信号を送信することができる、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記処理要素は前記超音波信号の反射された部分と前記予め定められたしきい値との比較に基づいて欠陥を識別することができ、前記予め定められたしきい値は前記送信側変換器によって送信された前記超音波信号に基づく、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記処理要素は、前記超音波信号の反射された部分が前記送信側変換器によって送信された前記超音波信号の予め定められた割合より小さい場合に欠陥を識別することができる、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記第２のパネルは前記接合部で隙間を規定し、前記充填物は前記隙間内に配置され、前記送信側変換器は前記超音波信号の少なくとも一部分が前記充填物と前記第１のパネルとの界面で前記第１のパネルから反射されるように前記隙間内の前記充填物に前記超音波信号を送信することができる、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記第２のパネルは基底部、直立部、および前記基底部と前記直立部とを接合する隅肉部を含み、前記基底部は前記第１のパネルに対して平行に配置され、前記直立部は前記第１のパネルから外側に延び、前記送信側変換器は前記第２のパネルの前記隅肉部で前記充填物に超音波信号を送信することができる、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記第１のパネルおよび第２のパネルは各々、ともに貼り合せられた複数の層を含み、前記第２のパネルは２つの対向するシートを含み、各シートは複数の層を含み、かつ基底部、直立部、および前記基底部と前記直立部とを接合する隅肉部を有し、前記シートの前記基底部は前記第１のパネルに対して平行に配置され、かつ互いから分岐し、前記直立部は前記第１のパネルから外側に延び、前記送信側変換器は前記超音波信号の少なくとも一部分が前記接合部で前記第１のパネルから反射され、他方のシートの前記隅肉部から出るように前記シートの一方の前記隅肉部に前記超音波信号を送信することができる、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記第２のパネルの前記シートの前記隅肉部は前記接合部で隙間を規定し、前記充填物は前記隙間内に配置され、前記送信側変換器は前記超音波信号の少なくとも一部分が前記充填物と前記第１のパネルとの界面で前記第１のパネルから反射されるように前記隙間内の前記充填物に前記超音波信号を送信することができる、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記請求項１ないし８のいずれかに記載されたシステムを用いて複合構造の接合部を検査するための方法であって、
接続されることで接合部を規定する第１のパネルおよび第２のパネルを含む複合構造を提供するステップを含み、前記第２のパネルは前記接合部で前記第１のパネルから外側に延び、前記複合構造は前記接合部に配置された充填物をさらに含み、前記方法はさらに、
送信側変換器および受信側変換器を前記接合部の長さ又は高さに沿ってガイドするステップを含み、前記送信側変換器および受信側変換器をガイドしながら、
超音波信号の少なくとも一部分が前記接合部で前記第１のパネルから反射され前記第２のパネルの出力側から出るように前記第２のパネルの入力側に前記送信側変換器からの超音波信号を送信するステップを含み、前記入力側および出力側は、前記第２のパネルの両側にあり、かつ前記第１のパネルの同じ側にあり、前記方法はさらに、
前記超音波信号の前記反射された部分を前記受信側変換器において前記第２のパネルの前記出力側で受信するステップと、
受信された前記超音波信号の前記反射された部分と予め定められたしきい値との関係に基づいて前記複合構造の欠陥を識別するステップとを含む、方法。
【請求項１０】
前記充填物は前記第１のパネルと前記第２のパネルとの間に配置され、かつ前記第１のパネルおよび前記第２のパネルの両方に少なくとも部分的に接触し、超音波信号を送信するステップは、超音波信号の少なくとも一部分が前記第２のパネルと前記充填物との界面で前記第１のパネルから反射されるように前記充填物と前記第２のパネルとの界面で前記充填物に超音波信号を送信するステップを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
欠陥を識別するステップは、前記超音波信号の前記反射された部分と前記予め定められたしきい値との比較に基づいて前記欠陥を識別するステップを含み、前記予め定められたしきい値は前記送信された超音波信号に基づく、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
欠陥を識別するステップは、前記超音波信号の前記反射された部分が前記送信された超音波信号の予め定められた割合より小さい場合に前記欠陥を識別するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記複合構造を提供するステップは、前記接合部で隙間を規定する第２のパネルを含む複合構造を提供するステップを含み、前記充填物は前記隙間内に配置され、超音波信号を送信するステップは、前記超音波信号の少なくとも一部分が前記充填物と前記第１のパネルとの界面で前記第１のパネルから反射されるように前記隙間内の前記充填物に前記超音波信号を送信するステップを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記複合構造を提供するステップは、基底部、直立部、および前記基底部と前記直立部とを接合する隅肉部を含む第２のパネルを含む複合構造を提供するステップを含み、前記基底部は前記第１のパネルに対して平行に配置され、前記直立部は前記第１のパネルから外側に延び、超音波信号を送信するステップは、前記第２のパネルの前記隅肉部で前記充填物に前記超音波信号を送信するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
超音波信号を送信するステップは、前記第２のパネルの前記入力側上で第１の予め定められた点を選択した後、前記超音波信号の少なくとも一部分が前記接合部で前記第１のパネルから反射されるように前記予め定められた点に前記超音波信号を送信するステップを含み、前記反射された部分を受信するステップは、前記第２のパネルの前記出力側の関連する点で前記超音波信号の前記反射された部分を受信するステップを含み、前記方法は、
前記第２のパネルの前記入力側で異なる点を繰返し選択するステップをさらに含み、前記超音波信号を送信するステップと前記反射された部分を受信するステップとは選択された点の各々について起こり、
欠陥を識別するステップは、それぞれの前記関連する点で受信された前記超音波信号の反射された部分と予め定められたしきい値との関係に基づいて各点で欠陥を識別するステップを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
前記請求項１ないし８のいずれかに記載されたシステムを用いて複合構造の接合部を検査するための方法であって、
接続されることで接合部を規定する第１のパネルおよび第２のパネルを含む複合構造を提供するステップを含み、前記第２のパネルは２つの対向するシートを含み、各シートは基底部、直立部、および前記基底部と前記直立部とを接合する隅肉部を含み、前記シートの前記基底部は前記第１のパネルの同じ側で前記第１のパネルに対して平行に配置され、かつ互いから分岐し、前記直立部は前記第１のパネルから外側に延び、前記隅肉部は前記第２のパネルと第１のパネルとの間の隙間を前記接合部で規定し、前記複合構造は前記隙間内に配置された充填物をさらに含み、前記方法はさらに、
送信側変換器および受信側変換器を前記接合部の長さ又は高さに沿ってガイドするステップを含み、前記送信側変換器および受信側変換器をガイドしながら、
超音波信号の少なくとも一部分が接合部で前記第１のパネルから反射され、一方のシートの前記隅肉部で前記第２のパネルから出るように前記第２のパネルの前記シートの他方の前記隅肉部で前記充填物に前記送信側変換器からの超音波信号を送信するステップと、
前記超音波信号の前記反射された部分を前記受信側変換器において受信するステップと、
受信した前記超音波信号の前記反射された部分の、予め定められたしきい値に対する関係に基づいて前記複合構造の欠陥を識別するステップとを含む、方法。
【請求項１７】
前記充填物は、前記第１のパネルおよび前記第２のパネルの間に配置され、かつ前記第１のパネルおよび前記第２のパネルの両方に少なくとも部分的に接触し、超音波信号を送信するステップは、超音波信号の少なくとも一部分が前記第１のパネルと前記充填物との界面で前記第１のパネルから反射されるように前記充填物と前記第２のパネルとの界面で前記充填物に超音波信号を送信するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
欠陥を識別するステップは、前記超音波信号の前記反射された部分と前記予め定められたしきい値との比較に基づいて前記欠陥を識別するステップを含み、前記予め定められたしきい値は前記送信された超音波信号に基づく、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
欠陥を識別するステップは、前記超音波信号の前記反射された部分が前記送信された超音波信号の予め定められた割合より小さい場合に前記欠陥を識別するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記第２のパネルの前記シートの前記隅肉部は長さ方向に延びる隙間を規定し、超音波信号を送信するステップは、前記第２のパネルの入力シートの前記隅肉部上で第１の予め定められた点を選択した後、前記超音波信号を前記第１の予め定められた点に送信するステップを含み、前記方法はさらに、
前記隙間の前記長さに沿って前記第２のパネルの前記入力シートの前記隅肉部上で前記第１の予め定められた点から長さ方向に間隔をあけられた点を繰返し選択するステップを含み、前記超音波信号を送信するステップと前記反射された部分を受信するステップとは選択された各点について起こり、
欠陥を識別するステップは、受信された前記超音波信号の反射された部分の各々と予め定められたしきい値との関係に基づいて各点で欠陥を識別するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
長さ方向に間隔をあけられた点の各々について上下方向に間隔をあけられた複数の点を選択するステップをさらに含み、前記超音波信号を送信するステップと前記反射された部分を受信するステップとは選択された各点について起こる、請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
この発明は一般に複合構造の接合部を検査するためのシステムおよび方法に関する。
【０００２】
【発明の背景】
一般に複合構造は複数の要素から成り立っている。多くの場合、これらの要素は接合部で交差し相互に接続される。このことから、これらの接合部の完全性は典型的に構造の性能にとって非常に重要である。非常に一般的な接合部の１つがＴ型接合部で、これは複合構造の１つの面が別の面の表面で終っているものである。別のあまり一般的でない接合がＸ型接合部で、２つの面が互いに交差する。設計上の理由のため、これらの要素の交差部分は何らかの種類の外部半径を有し（すなわち交差部分の角は尖っていない）、時として「ヌードル（noodle）」と呼ばれる内部充填材料を含む。ヌードルの品質、複合構造の要素とのヌードルとの界面、および要素の圧密化はすべて適切な接合部の機能にとって非常に重要である。たとえば、航空産業では、複合翼桁の、ウェブとフランジとの交差部分、またはともに硬化された構造の、ウェブと外板との交差部分の品質がそれらの性能にとって非常に重要である。亀裂、空洞、層間剥離または小さな孔などの傷が接合領域に形成され、複合材料に悪影響を及ぼす可能性がある。
【０００３】
複合構造の接合部の完全性を保証するため、接合部は一般に傷がないかどうか検査される。しかしながら、そのような接合部は、特に伝統的な非破壊検査（ＮＤＩ）方法を使用して検査することが典型的に非常に難しい。接合部の欠陥を「見る」ことのできるこれらの技術は、研究所での集中的な検査または多軸ロボットスキャナの使用を必要とする。たとえば、丸みを持つ接合領域を検査する１つのＮＤＩ方法は、丸みのあるシューがその端部に搭載された手動の超音波検査（ＵＴ）変換器をパルス反射モードで使用することを含む。オペレータがこのシューを接合部の内部の丸みに対して保持し、それを長さに沿ってスライドさせ９０度に近い角度にわたってそれを前後に動かす。オペレータは変換器に戻る超音波に影響する傷の兆候がないかを探し、これはオシロスコープ上の振幅／時間トレースの変化によってとらえられ、表示される。オペレータは、ＵＴ反射の振幅が十分大きいか、さらに同時にその傷の程度がその複合構造を不適格とするのに十分なほど大きいかどうかを「その場で（on the fly）」判断しなければならない。この点に関して、オペレータは一般に丸みのある部分の傷の標準および予め定められたＮＤＩ基準を傷の程度および長さについて使用する。
【０００４】
手動ＵＴ変換器を含むＮＤＩ方法は複合構造の傷を検出するために適切であるが、そのような方法には多数の欠点がある。第１に、オペレータがプロセスの間ずっと手動ＵＴ変換器を操作することが必要とされるため、そのような方法は一般にコストがかかり、時間もかかる。第２に、そのような方法はオペレータに依存しており、そのため潜在的なオペレータの間違いの影響を受ける。これに関し、オペレータは接合領域に沿って丸みの方向および軸の方向で変換器を動かす一方で、信号の変化がないか常にオシロスコープを監視しなければならない。さらに傷の兆候は多くの場合とらえにくく、よって複数の角度で完全に抜けがないように追跡することが必要とされるが、多くの場合確実に行なうのは難しい。
【０００５】
第３に、そのような手動検査方法では見直しできる画像データが提供されない。このため、もし検査の後で疑問が発生した場合に分析または見直しするためのデータは保存されない。第４に、そのような方法は、発見された傷の兆候の大きさまたは長さを示す画像を生成しない。オペレータはその兆候から測定された長さをその部分自身の上にマークするだけである。最後に、空気による超音波の減衰が極度に大きいため、ＵＴ変換器が適切に作動するには水または半流動体のゲルなどの接触媒質が変換器と複合構造との間に必要とされる。しかしながら、接触媒質を含むことで検査はその接触媒質に汚染されない構造に制限される。
【０００６】
手動検査方法の欠点を考慮して、いくつかの自動化された（すなわち機械で駆動される）方法が開発された。そのような自動化された方法の１つである複数変換器自動ＵＴスキャンシステムは、さまざまな配向で搭載されたいくつかの変換器を使用する。この点に関し、そのようなシステムは特定の複合構造の特定の構成について典型的には組立てられる。複数変換器自動ＵＴスキャンシステムは、一般に真直ぐな長い部分にはうまく作動するが、製造に非常に費用がかかり、しかも比較的柔軟性に欠ける。またそのようなシステムは、変換器と複合構造との間に接触媒質を供給するための水噴射機を必要とする。
【０００７】
別の自動化システムはＸＹＺ軸ロボットに搭載された回転ミラースキャンヘッドを利用して丸みを検査する。このシステムは前述の方法の欠点の大半を解消するが、実現するには費用がかかりすぎる。さらに、そのようなシステムは一般に操作が難しく、（スキャンヘッドに対する）丸みの配向および表面の粗さに対して敏感であり、このことはシステムが複合構造と結合して信頼性のあるデータを受取る能力に影響を及ぼす。
【０００８】
【発明の概要】
この発明に従うと、複合構造の接合部を検査するための改良されたシステムおよび方法が提供される。このため、この発明のシステムおよび方法は接合部分内の欠陥を信頼性をもって検出することができる。この発明のシステムおよび方法は、複合構造を汚染し得る接触媒質を使用せずに接合を検査することによって他の自動検査システムの欠点を克服している。さらにこの発明のシステムは、従来の自動システムと比較して製造に費用がかからない。さらにこの発明のシステムおよび方法は、従来の自動検査システムおよび方法と比較して実現に費用がかからない。
【０００９】
典型的に複合構造は第１のパネルおよび第２のパネルを含み、これらが接続されて接合部を規定する。第２のパネルは接合部で第１のパネルから外側に延び、これによって一般的にＴ形状の複合構造またはＸ形状の複合構造の一部を規定する。さらに複合構造は接合部に配置された充填物を含む。よってこの発明のシステムおよび方法は、充填物内の空洞、亀裂および／または剥離を示す欠陥などの欠陥を接合部で信頼性をもって検出するように設計される。
【００１０】
この発明のシステムは、第２のパネルの入力側の近くに配置された送信側変換器を含む。送信側変換器は、少なくとも超音波信号の一部が接合部で第１のパネルから反射されるように第２のパネルに超音波信号を送信することができる。超音波信号の反射された部分は第２のパネルの出力側から出る。
【００１１】
この発明によると、入力側および出力側は第２のパネルの両側にあり、第１のパネルの同じ側に位置する。
【００１２】
充填物が第１のパネルと第２のパネルとの間に配置され、かつ第１および第２のパネルの両方に少なくとも部分的に接触する一実施例では、送信側変換器は充填物と第２のパネルとの界面で充填物に超音波信号を送信することができる。このため、超音波信号の少なくとも一部分は第１のパネルと充填物との界面で第１のパネルから反射される。たとえば、第２のパネルは隙間内に配置される充填物との隙間を接合部で規定してもよい。この例では、送信側変換器は、超音波信号の少なくとも一部分が充填物と第１のパネルとの界面で第１のパネルから反射されるように隙間内の充填物に超音波信号を送信する。よく知られた構造の１つでは、第２のパネルは基底部、直立部、および基底部と直立部とを接合する隅肉部を含んでもよい。この構成では、基底部は第１のパネルに対して平行に配置され、直立部は第１のパネルから外側に延びる。このため、送信側変換器は第２のパネルの隅肉部で充填物に超音波信号を送信するであろう。
【００１３】
このシステムは、第２のパネルの出力側の近くに配置された受信側変換器も含む。受信側変換器は超音波信号の反射された部分を受信することができる。このシステムは、受信側変換器によって受信された超音波信号の反射された部分の、予め定められたしきい値に対する関係に基づいて複合構造の欠陥を識別することができる処理要素をさらに含む。これに関し、処理要素は超音波信号の反射された部分と、送信側変換器によって送信された超音波信号に基づいた予め定められたしきい値との比較に基づいて欠陥を識別することができる。たとえば、処理要素は、超音波信号の反射された部分が送信側変換器によって送信された超音波信号の予め定められた割合より小さい場合に欠陥を識別することができる。
【００１４】
一実施例では、第１のパネルおよび第２のパネルは各々、ともに貼り合せられた複数の層を含む。第２の部分は一般に２つの向い合うシートを含み、各シートは複数の層を含む。さらにこの実施例の各シートは、基底部、直立部、および基底部と直立部とを接合する隅肉部を含む。シートの基底部は第１のパネルに対して平行に配置され、互いから分岐し、一方直立部は第１のパネルから外側に延びる。このため、送信側変換器は超音波信号の少なくとも一部分が接合部で第１のパネルから反射され、他方のシートの隅肉部から出るようにシートの一方の隅肉部に超音波信号を送信することができる。この実施例では、第２のパネルのシートの隅肉部が接合部で隙間を規定してもよい。充填物を隙間内に配置し、超音波信号の少なくとも一部分が充填物と第１のパネルとの界面で第１のパネルから反射されるように送信側変換器を構成して超音波信号を隙間内の充填物に送信してもよい。
【００１５】
このシステムは、処理要素に電気的に接続されたスキャンアセンブリも含んでもよい。送信側変換器および受信側変換器は、この実施例ではスキャンアセンブリに固定され、スキャンアセンブリによって接合部に沿ってガイドされる。スキャンアセンブリは、一端が第２のパネルの入力側の近くに配置され、もう一端が第２のパネルの出力側の近くに配置されるヨークを含んでもよい。この構成では、送信側変換器はヨークの、入力側に近い一端に固定され、受信側変換器は、ヨークの、出力側に近い一端に固定される。スキャンアセンブリはヨークに加えて、複合構造に対してヨークを移動させることができるガイドアセンブリを含んでもよい。
【００１６】
複合構造の接合部を検査する動作において、超音波信号の少なくとも一部分が接合部で第１のパネルから反射され、第２のパネルの出力側から出るように超音波信号は第２のパネルの入力側に送信される。超音波信号の反射された部分は第２のパネルの出力側で受信される。すると受信された超音波信号の反射された部分と予め定められたしきい値との間の関係に基づいて複合構造の欠陥を識別することができる。この予め定められたしきい値は典型的に送信された超音波信号に基づいているので、欠陥は超音波信号の反射された部分が送信された超音波信号の予め定められた割合より小さい場合に識別することができる。
【００１７】
典型的に超音波信号の送信および超音波信号の反射された部分の受信を伴うこの検査プロセスは複数の異なる点で繰返される。これらの点は複合構造の長さに沿って長さ方向に間隔をあけられてもよいし、および／または細長い複合構造によって規定される縦の軸に直交する、横向きの方向に間隔をあけられてもよい。このようにして、接合部全体を調べて接合部内のいかなる欠陥も信頼性をもって検出することができる。さらにこの発明のシステムおよび方法は、複合構造が充填物が配置される接合部分を規定するやり方で接続される１対のパネルを含む限り、Ｔ形状およびＸ形状を有する複合構造を含むさまざまな構成を有する複合構造の接合部を有利に検査することができる。
【００１８】
この発明の一般的な説明が終ったので、必ずしも同じ割合で描かれていない添付の図面を参照していく。
【００１９】
［詳細な説明］
この発明の好ましい実施例が示される添付の図面を参照してこの発明をより十分に説明していく。しかしながら、この発明は多くの異なる形で実現することができ、ここに示される実施例に限定されるものとして理解されるべきではない。むしろこれらの実施例は、この開示が徹底的かつ完全になるように、さらに当業者に対しこの発明の範囲を十分に伝えるために提供される。同じ番号は全体を通して同じ要素を表わす。
【００２０】
図１および図２を参照すると、一般に１０として示される強化された複合構造が示される。この複合構造は一般に外板などの第１のパネル１２と、ウェブなどの第２のパネル１４とを含み、これらは接続されて一般に１６と示される接合部を規定する。第１のパネルが外板を含み、第２のパネルがウェブを含む場合、ウェブは通常図３および図４に示されるように上部パネル１７またはけたフランジに接合される。パネルはいくつかの要素のどれも含み得るが、一実施例では、パネルは複数の繊維複合層からなる積層板を含む。第２のパネルは対向する複合シート１８および２０（各々がいくつかの層を含み得る）から構成される。各シートの基底部２２は第１のパネルに対して平行かつ近くに位置付けられる。図示のように、シート１８の基底部２２はシート２０の対応する基底部２２から分岐する。シートの直立部２４は第１のパネルに交差して延びる。図１に示される実施例では、直立部は第１のパネルから外側に延びる。これに関し、示されるように、第１のパネルおよび第２のパネルはＴ型接合部を規定し、ここで第２のパネルの直立部は第１のパネルに対してほぼ直交して配置される。しかしながら、この発明の精神および範囲から離れることなく、直立部はいくつかの異なる方向のいずれか１つで第１のパネルから延びることができる。第２のパネルのシートは基底部と直立部との間に隅肉部２６も有する。シートの隅肉部は一般に接合部で第１のパネルと第２のパネルとの間の隙間を規定する。これに関し、少なくとも部分的にその隙間内で第２のパネルのシートと第１のパネルとの間に配置されるのが複合充填材料２８または「ヌードル」であり、これは樹脂または接着剤で作られ、多くの場合、織物、切り刻まれた複合繊維などで強化することができる。部材を組立てた状態で保持するため、第２のパネル、第１のパネルおよび充填物の接触面に熱硬化性の接着剤を置くことができる。
【００２１】
図２に挿入された分解図に示されるように、第１のパネル１２と第２のパネル１４との接続によって規定される接合部にさまざまな欠陥が現われる可能性があり、これらは複合構造の性能に影響する。たとえば、接合部は隅肉部２６で第２のパネルのシート１８および２０の層の中に層間剥離などの欠陥を含み得る。また、たとえば接合部は、充填物の中に空洞３３および／または亀裂３５などの欠陥、ならびに充填物と第１のパネルとの交差部分および／または充填物と第２のパネルとの交差部分に剥離などの欠陥を含み得る。これに関して図３および４を参照すると、この発明はそのような欠陥について接合部を検査するためのシステムおよび方法を提供する。接合部１６を検査するため、このシステムは、それぞれ接合部へ超音波信号を送信し、接合部から反射された超音波信号を受信できる、送信側変換器３０および受信側変換器３２を含む。これに関し、接合部の欠陥は、以下に説明するように、反射された超音波信号と予め定められたしきい値との間の関係に基づいて識別することができる。有利には、これらの変換器は超音波検査（ＵＴ）エアカップリング変換器であり、よって従来の変換器のように液体の接触媒質を必要としない。これによって、このシステムは別のやり方では液体の接触媒質によって汚染されるであろう複合構造の接合部を検査することができる。変換器はいくつかの既知のＵＴエアカップリング変換器のどれでも含み得るが、一実施例では、カリフォルニア州コスタメサのクオリティ・マテリアル・インスペクション・インコーポレイテッド（Quality Material Inspection Inc.（ＱＭＩ））によって製造されるモデルＡＳ４００変換器を含み得る。
【００２２】
接合部１６の全体を検査することができるように変換器３０および３２を接合部に沿ってガイドするため、このシステムはスキャンアセンブリを含む。スキャンアセンブリはヨーク３４を含み、この上に送信側変換機および受信側変換器が固定される。このヨークは一端が第２のパネル１４の複合シート１８の近くに配置され、もう一端が第２のパネルの複合シート２０の近くに配置されている。これに関し、送信側変換器は複合シート１８の近くに配置された一端に固定され、これによって第２のパネルの入力側３６が規定され、受信側変換器は複合シート２０の近くに配置された一端に固定され、これによって第２のパネルの出力側３８が規定される。示されるように、第２のパネルの入力側および出力側は対向し、第１のパネルの同じ側にある。
【００２３】
スキャンアセンブリは接合部１６に対してヨーク３４、さらに変換器３０および３２を移動させることのできるガイドアセンブリをさらに含む。ガイドアセンブリはいくつかの異なる要素のどれでも含み得る。たとえば、ガイドアセンブリは、ミネソタ州ソアビュー、ＰａＲシステムズ・インコーポレイテッド（Systems Inc.）によってどちらも製造される、シムロック（Cimroc）モデル制御器によって制御されるいくつかのガントリロボットのいずれかなどの、さまざまな制御モータによって操作されるロボットスキャンブリッジ４０を含み得る。これに関し、スキャンブリッジはヨーク／変換器を接合部の長さに対して平行な「ｘ」軸に沿って長さ方向に移動させて接合部の長さに沿って検査し、さらに接合部の高さに対して平行な「ｚ」軸に沿って上下方向に移動させて接合部の高さに沿って検査することができる。これに代えて、スキャンブリッジはヨーク／変換器を「ｙ」軸に沿って水平方向に移動させて変換器を接合部上に固定して接合部の高さを検査することができる。このようにして、変換器は接合部上のいかなる数の場所についても超音波信号を送信し、反射された超音波信号を受信することができる。
【００２４】
スキャンブリッジ４０は好ましくは変換器３０および３２を２つの軸に沿って移動させて接合部の長さおよび高さに沿って接合部１６を検査するが、スキャンブリッジは、この発明の精神および範囲を離れることなく、ヨーク３４および変換器を上述の軸の１つのみに沿って移動させて接合部の部分を検査することもできる。またスキャンブリッジは好ましくはヨーク／変換器を２つの軸に沿って移動させるが、スキャンブリッジは「ｘ」、「ｙ」および「ｚ」軸を含む、３つの軸に沿ってヨーク／変換器を移動させることもできる。さらにヨークおよびスキャンブリッジは別々の要素を含み得る一方で、ヨークおよびスキャンブリッジは単一の装置で実現することができる。これに関し、スキャンブリッジは１軸または２軸のロボットスキャンブリッジを含むことができ、一方ヨークは、図４に示されるように、「ｘ」軸に沿って変換器を移動させることのできる２つの引込み式の部材を含む調整可能なヨークを含む。
【００２５】
再び図３を参照すると、検査中に接合部１６の欠陥を識別するため、システムは処理要素４４を含む。一般に処理要素は、そこから超音波信号を送信する送信側変換器に対して電気的パルスを与えることのできる超音波信号モジュール４６を含む。また超音波信号モジュールは、受信した反射された超音波信号から電気パルスを生成する受信側変換器から電気パルスを受信することができる。さらに信号モジュールは、スクリーン、モニタなどのディスプレイ４８を含み、それぞれの変換器間で受け渡しされる電気信号を表示することができる。
【００２６】
超音波信号モジュール４６に加え、処理要素４４は一般に、スキャンブリッジ４０、さらにヨーク３４および変換器３０ならびに３２の動きを制御するための制御モジュール５０を含む。もし所望であれば、処理要素は、送信された超音波信号および受信された反射された超音波信号の振幅を示すデータを記録し、その後記憶することのできるデータ収集モジュール５２を含み得る。処理要素の、超音波信号モジュール、制御モジュールおよびデータ収集モジュールは、各々別々の要素を含み得るか、または１つまたはそれ以上のモジュールは、パーソナルコンピュータ、ハイレベルのプロセッサなどの単一の装置で実現することができる。たとえば一実施例では、超音波信号モジュールは、カリフォルニア州コスタメサのクオリティ・マテリアル・インスペクション・インコーポレイテッド（Quality Material Inspection Inc.（ＱＭＩ））によって製造されるエアスキャンソンダ（Airscan Sonda）００７ＣＸモデルエアカップリング超音波検査機器などの超音波検査機器を含み得る。また、たとえば制御モジュールおよびデータ収集モジュールは、両方のモジュールの機能を果たすことのできるパーソナルコンピュータで集合的に実現することができる。
【００２７】
動作において、一実施例によると、複合構造１０の接合部１６はまず変換器３０および３２を互いに対して、ならびに接合部に対して較正することによって検査される。これに関して図５を参照する。送信側変換器は第１のパネル１２および接合部に対して、第２のパネル１４の入力側３６に当初セットされる。第１のパネルに対しては、送信側変換器は送信側変換器の送信の軸５４が第１のパネルの垂線に対して予め定められた角度α、たとえば垂線から４５度になるように当初セットされる。接合部に対しては、送信側変換機は送信側変換機の送信の軸５４が、亀裂、空洞、層間剥離または小さな孔などの欠陥を第２のパネル、充填物または第１のパネル内に含まない可能性の高い、接合部の長さおよび高さに沿った接合部の一部分に交差するようにある位置に当初セットされる。たとえば、送信側変換器は送信の軸が接合部またはシート１８の隅肉部の長さおよび高さに沿った（「z」軸に沿って指定される）中心点に交差するように当初セットすることができる。これに代えて、検査されているものと類似の形状を有する指定された「標準」複合構造、および既知の欠陥のない領域を備えた接合部を使用して変換器を較正することもできる。そのような場合、送信側変換器は、送信側変換器の送信の軸が標準の複合構造の接合部の既知の欠陥のない領域に交差するように当初セットされるであろう。
【００２８】
一旦送信側変換器３０がセットされると、受信側変換器３２は送信側変換器および第１のパネル１４に対して、第２のパネル１４の出力側３８に配向することができる。これに関し、受信側変換器は受信側変換器５６の受信の軸が送信側変換器の、第１のパネルの垂線からの予め定められた角度αと等しい、第１のパネルの垂線からの角度βを有するように送信側変換器に直接向い合うように配向することができる。たとえば送信の軸が第１のパネルの垂線から４５度にセットされる場合、受信側変換器の受信の軸は同様に第２のパネルの出力側で第１のパネルの垂線から４５度にセットすることができる。このため、変換器の両方の軸が第１のパネルの垂線から４５度にセットされると、送信側変換器の送信の軸は受信側変換器の受信の軸に直交するであろう。しかしながら、予め定められた角度αおよびβは、この発明の精神および範囲から離れることなく、第２のパネルのそれぞれの側上で第１のパネルの垂線に対していかなる角度にもセットできることが理解されるべきである。これに関して、もし第２のパネルが第１のパネルに対して垂直でない場合、予め定められた角度αおよびβは超音波信号の最適な送信および受信のため必然的に異なるであろう。
【００２９】
受信側変換器３２を配向した後、超音波信号モジュールは送信側変換器に送信側変換器の送信の軸５４に沿って第２のパネル１４のシート１８に超音波信号５８を送信するように指示する。第２のパネルに入ると、超音波信号はシート１８を通って充填物２８に伝搬する。一旦充填物に入ると、信号は充填物を通って充填物と第１のパネル１２との交差部分に伝搬し、ここで超音波信号の有意の部分が第１のパネルから反射される（残りの部分は第１のパネルを通って伝搬する）。しかしながら、典型的に送信側変換器によって送信される超音波信号は、超音波信号が複合構造内の各界面を通って伝搬する異なる角度での縦モード信号であり、超音波信号の部分はモード変換を行なってせん断（すなわち横方向の）モード信号にすることができる。これに関して、第１のパネルの界面から反射され、このシステムによって典型的に使用される超音波信号は、反射された縦モードの超音波信号である。
【００３０】
反射された超音波信号は充填物２８およびシート２０を通って進み、シート２０の隅肉部２６から出てくる。しかしながら示されるように、超音波信号の反射された部分は受信側変換器が反射された超音波信号のすべてを受信しないように受信側変換器３２の受信軸５６からオフラインでもよい。超音波信号モジュール４６がディスプレイ４８を含む実施例では、そのような例は送信された超音波信号と反射された超音波信号との相対的な大きさを表すディスプレイによって見ることができる。もし受信側変換器が反射された超音波信号の伝搬からオフラインであると、受信側変換器の角度は受信側変換器が反射された信号の大半またはすべてを受信することができるまで調整される。後に説明するように、反射された信号を得られないことは接合部１６内（または接合部の外側の点）に欠陥があることを意味する。よって受信側変換器の角度を繰返し調整し、それでも受信側変換器が反射された信号を受信しない場合、送信の軸が接合部の長さまたはシート１８の隅肉部２６に沿った別の点に交差するように送信側変換器をリセットすることができる。
【００３１】
一旦受信側変換器３２が反射された超音波信号の伝搬と整列されると、受信側変換器はヨーク３４上で固定された角度の位置に固定される。受信側変換器を固定した後、変換器を含むヨークは送信側変換器の送信の軸が（「ｘ」方向に沿った）接合部１６の一端の第１の予め定められた点でシート１８に交差するように移動される。さらに、接合部１６の高さをより完全に検査するため、第１の予め定められた点は、送信側変換器の送信の軸が接合部の下方のある点で第２のパネル１４と交差し、これによって検査範囲の下方領域が規定されるように、接合部の下方の予め定められた長さのところにセットされる。たとえば接合部が０．５０インチの高さを有し、送信側変換器３０が接合部の高さに沿った中心点に当初セットされている場合、ヨークは送信の軸が接合部の下方の点で第２のパネルに入るように０．２５インチ（接合部の高さの半分）だけ、またはそれ以上（たとえば０．５０インチ）下げることができる。しかしながら、第１の予め定められた点は接合部の下方にセットされる必要はなく、接合部の下方領域にセットすることができることが理解されるべきである。
【００３２】
一旦ヨーク３４が変換器３０および３２を接合部の下方で接合部１６の一端に位置付けると、超音波信号モジュール４６は送信側変換器に接合部の下方の点で第２のパネル１４に超音波信号を送信するように指示する。しかしながら、超音波信号は前と同様シート１８を通って伝搬するが、超音波信号は充填物２８に交差しない。このため、超音波信号は充填物と第１のパネル１２との交差部分に伝搬しない。よって超音波信号の有意の部分は第１のパネルから反射されないが、その代わり第１のパネルを通って伝搬し、受信側変換器と反対の側で第１のパネルから出てくる。このため受信側変換器は測定可能な量の反射された超音波信号を受取らないが、これは前述のとおり、送信側変換器によって送信された超音波信号と受信側変換器によって受信された反射された超音波信号との間の大きさの有意の差によって見ることができる。これに関し、超音波信号が送信され、反射された超音波信号が受信される際に、処理要素４４のデータ収集モジュール５２は、送信された超音波信号および反射された超音波信号を示すデータを記録および／または保存することができる。
【００３３】
超音波信号を送信し、超音波信号の反射された部分を受信した後、制御モジュール５０は、送信側変換器の送信の軸が別の点で接合部に交差するようにヨーク３４、さらに変換器３０および３２を、接合部１６の長さに沿って（「ｘ」軸に沿って）ある増分量だけ縦に移動させる。たとえば、１２０インチの長さを有する接合部の場合、制御モジュールはヨーク／変換器を長さに沿って０．０３インチから０．０５インチ移動させることができる。一旦ヨーク／変換器が移動させられると、超音波信号モジュール４６は送信側変換器に別の超音波信号をシート１８に送信するように指示する。前と同様、送信の軸が接合部の下方のある点でシート１８に交差するように送信側変換器は接合部に対してある高さにあるため、受信側変換器は反射された超音波信号の測定可能な部分を受信しない。前と同様、データ収集モジュール５２は送信された超音波信号および反射された超音波信号を示すデータを再び記録および／または保存する。それから制御モジュールはヨーク／変換器を長さに沿って繰返し移動させ、変換器はそれぞれ超音波信号を送信し、超音波信号の反射された部分を受信する。データ収集モジュールは各点でのそれぞれのデータを記録および／または保存する。超音波信号を送信／受信し、データを記録し、ヨーク／変換器を移動させることによって、このシステムは接合部の下方のセットされた位置で接合部の長さをスキャンすることができる。
【００３４】
接合部１６の長さをスキャンした後、制御モジュール５０は、送信側変換器３２の送信の軸が、接合部より下方に以前にセットされた位置の上方の予め規定された高さのある点でシート１８に交差するようにヨーク／変換器を移動させる。たとえば０．５０インチの高さを有する接合部では、制御モジュールは送信の軸が以前にセットされた位置よりも０．０３インチから０．０５インチ上方の点でシート１８に交差するようにヨーク／変換器を移動させることができる。このシステムは、以前にスキャンされた長さのそれぞれの点から予め規定された高さ上方にある、超音波信号が送信される各点で接合部の長さを再びスキャンする。
【００３５】
制御モジュール５０は、このシステムが再び長さをスキャンできるようにヨーク／変換器を予め規定された高さ移動させ、制御モジュールは接合部の高さに沿った点で接合部の長さを連続してスキャンする。制御モジュールが送信側変換器の送信の軸が接合部に交差し始めるようにヨーク／変換器を移動させると、シート１８に送信された超音波信号の有意の部分は、変換器３０および３２の較正に関して前と同様、第１のパネルと充填物２８との交差部分で第１のパネル１２から反射されるであろう。このため、接合部の欠陥のない部分において、受信側変換器は予め規定されたしきい値を上回る大きさを有する反射された超音波信号を受信するであろう。しかしながら、もし送信側変換器が接合部の欠陥のある部分に超音波信号を送信すると、超音波信号の有意の部分は第１のパネルを通って伝搬し、受信側変換器はしきい値を下回る反射された超音波信号を受信するであろう。付加的に、またはこれに代えて、受信側変換器によって受信される反射された超音波信号を示す、データ収集モジュール５２によって収集されたデータを使用して接合部の画像を生成し、これをオペレータなどによって欠陥について調べることが可能である。接合部の画像は傷の検出に必要ではないが、そのような画像を使用して欠陥の大きさおよび／または形状を決定することができ、これを検査の終わりにそれぞれのデータから分析および再現することができる。
【００３６】
しきい値はいくつかの異なる方法のどれか１つで規定することができるが、一実施例では、しきい値は送信側変換器３０によって送信される超音波信号の振幅に基づいて規定される。たとえば、しきい値は送信された超音波信号の振幅の半分に等しくなるように規定することができる。よって、もし受信側変換器３２が送信された信号の半分よりも大きい反射された超音波信号を受信した場合、接合部のそれぞれの部分は欠陥がないとみなされる。しかし、もし受信側変換器が送信された信号の半分よりも小さい反射された超音波信号を受信した場合、それぞれの部分は欠陥があると識別される。
【００３７】
制御モジュール５０は好ましくはこのシステムが接合部の上方の予め定められた距離で接合部の長さをスキャンしてしまうまでヨーク／変換器を繰り返し移動させ続け、このシステムは接合部１６の長さを異なる高さで繰返しスキャンする。これに関し、接合部の上方の予め定められた距離は検査範囲の上方領域を規定し得る。予め定められた距離は接合部の上方のいかなる距離にも設定され得るが、一実施例では予め定められた距離は上方領域と下方領域とが接合部の中心から等距離にあるように設定される。しかしながら、下方領域と同様に、上方領域は接合部の上方に設定される必要はなく、その代わりに接合部の上方領域に設定され得る。
【００３８】
この時点では、このシステムは、接合部の長さに沿って接合部の下方の点から、さらに接合部の高さを通って接合部の上方の点に対して超音波信号を送信および受信して接合部１６の長さをスキャンするが、これはこのシステムが接合部を検査することのできる方法の１つにすぎないことが理解されるべきである。これに関し、このシステムは検査範囲の上方領域と下方領域との間で接合部の高さをスキャンし、さらに長さに沿って予め定められた長さ移動して接合部をスキャンすることができる。これに代えて、超音波信号がシート１８に送信され、その後接合部の長さに沿った点について受信される限り、このシステムはいかなる他の体系的なまたは非体系的なやり方で接合部および検査範囲内の点をスキャンすることができる。
【００３９】
さらに、図１から５に示される複合構造の実施例は一般にＴ接合部として知られるものを含むが、複合構造は充填物が配置される接合部を含む異なる複合構造のどれでも含み得ることが理解されるべきである。たとえば、図６を参照すると、別の実施例では、複合構造はＸ接合部を含む。Ｘ接合部は一般に第１のパネルおよび第２のパネルを含み、さらに充填物も含む。しかしＴ接合部とは異なり、Ｘ接合部は第３のパネル６０をさらに含む。一般に第３のパネルは第２のパネルと類似した構造を有し、第１のパネルの、第２のパネルと反対の側の近くに配置される。このため、第１のパネルと第２のパネルとの間の接合部は上述のように検査することができる。さらに第１のパネルと第３のパネルとの間の接合部は、複合構造を上下さかさまにするか、または変換器を第１のパネルと第３のパネルとの間で接合部に対して再配置することのどちらかで、同様のやり方で検査することができる。このようにして、この発明のシステムおよび方法は、複合構造が充填物の配置される接合部を規定するようなやり方で接続される１対のパネルを含む限り、Ｔ形状およびＸ形状を有する複合構造を含むさまざまな構造を有する複合構造の接合部を有利に検査することができる。
【００４０】
よってこの発明のシステムおよび方法は、接合部内の欠陥を信頼性を持って検出する一方、他の自動検査システムの欠点を克服する。これに関し、このシステムおよび方法は、複合構造を汚染し得る接触媒質を使用せずに接合部を検査することができる。さらにこの発明のシステムは、従来の自動システムと比較して製造に費用がかからない。この発明のシステムおよび方法は、従来の自動検査システムおよび方法と比較して実現に費用がかからない。
【００４１】
この発明の多くの修正および実施例が、以上の説明および添付の図面に示される教示の恩恵を受けるこの発明の属する分野の当業者に思い浮かぶであろう。よってこの発明は開示された特定の実施例に制限されるのでなく、変形および他の実施例は特許請求の範囲内に含まれることが意図されることが理解されるべきである。特定の用語がここで使用されてきたが、それらは一般的かつ説明的な意味でのみ使用され、制限の目的で使用されない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の一実施例による、検査のための接合部を含む複合構造の斜視図である。
【図２】  接合部に現われ得るさまざまな欠陥を含む接合部の分解図が挿入された、図１の複合構造の側面図である。
【図３】  この発明の一実施例による、複合構造の接合部を検査するためのシステムの概略的なブロック図である。
【図４】  この発明の一実施例による、スキャンブリッジの一部分を含むシステムの概略的な透視図である。
【図５】  この発明の一実施例による、接合部を強調した複合構造の概略的な分解図である。
【図６】  接合部を強調した、複合構造の別の実施例の概略的な分解図である。
【符号の説明】
１０  複合構造、１２  第１のパネル、１４  第２のパネル、１６  接合部、１７  上部パネル、１８  複合シート、２０  複合シート、２２  基底部、２４  直立部、２６  隅肉部、２８  充填物、３０  送信側変換器、３１  層間剥離、３２  受信側変換器、３４  ヨーク、３５  亀裂、３６  入力側、３７  剥離、３８  出力側、４０  ロボットスキャンブリッジ、４２  制御モータ、４４  処理要素、４６  超音波信号モジュール、４８  ディスプレイ、５０  制御モジュール、５２  データ収集モジュール、５４  送信の軸、５６  受信の軸、６０  第３のパネル
【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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