JP3709169B2 - 導電性材料の損傷診断方法及び診断装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波共鳴法を用いて導電性材料の腐食、疲労等の損傷診断を行う方法及び装置に関する。超音波共鳴法は、導電性材料の表面に隣接配置されるＥＭＡＴ（Electro-Magnetic Acoustic Transducer;電磁超音波探触子）により、導電性材料中に発生され伝播されるものである。より詳しくは本発明は、ＥＭＡＴを使用しリベット、ボルト等により締結された積層構造の導電性材料の腐食、クリープ、応力腐食割れ、疲労等の損傷診断を行う方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電磁超音波探触子（ＥＭＡＴ）は、例えば特許第３０５２０４９号公報及び特許第３０５２０５０号公報に開示されている。図１は、公知の電磁超音波探触子（ＥＭＡＴ、電磁超音波探触子）２０の原理を説明する配置図である。図１に示すように、ＥＭＡＴ２０は、導電性材料（被測定物）２の上方表面に隣接して配置される１対の永久磁石３ａ、３ｂ、並びにドライバコイル５及び検出コイル１５を含む。１対の永久磁石３ａ、３ｂは、スペーサ３ｃを介して互いに隣接され、導電性材料２に対し互いに逆向きの磁界を発生する。永久磁石３ａ、３ｂは、同様の磁界を発生する電磁石でもよい。ドライバコイル５及び検出コイル１５は、平板形であり、永久磁石３ａ、３ｂと導電性材料２の上方表面との間に配置される。ＥＭＡＴは、非接触で超音波を送受信できるので、導電性材料（被測定物）２は、ペンキ等の非導電性材料で覆われていてもかまわない。
【０００３】
永久磁石３ａ、３ｂは、導電性材料２の深さ方向に静磁場４を形成する。ドライバコイル５にコントローラ１８から高周波起動電流７を流すと、導電性材料２の上方表面に電流７と逆向きの渦電流８が発生する。この渦電流８と静磁場４の相互作用により、フレミング左手の法則に従って、ローレンツ力９が発生する。ローレンツ力９は、導電性材料２内の自由電子に作用し、イオンなどに衝突させ、静磁場４と高周波電流７の方向に垂直な運動を導電性材料２の内部に励起させ、超音波の横波１０を発生させる。
【０００４】
超音波の横波１０は、図１の矢印１１の方向へ進行し、導電性材料２の上方表面又は下方表面並びに内部の傷、欠陥、結晶粒界、組織変化等で反射し、矢印１２の方向へ進行する。反射した超音波の横波１０が導電性材料２の上方表面付近へ達すると、力１３が発生される。この力１３と静磁場４との相互作用により渦電流１４が発生される。この渦電流１４を検出コイル１５により検出し、プリアンプ１６及び主アンプ１７で増幅し、コントローラ１８へ送る。コントローラ１８は、主アンプ１７から受入れた電流を解析し、導電性材料２の内部の傷、欠陥、結晶粒界、組織変化等を評価する。
【０００５】
特許第３０５２０４９号公報は、超音波を発生する送信用コイル及び超音波を検出する受信用コイルを、それぞれ渦巻状とし、絶縁シートを介して重なり合うように配置し、且つ絶縁シートのスルーホールを介し両コイルのアース部を共通に形成し、コイルユニットを小型化した電磁超音波探触子を開示する。
【０００６】
特許第３０５２０５０号公報は、超音波を発生する送信用コイル及び超音波を検出する受信用コイルを、蛇行状とし、絶縁シートを介して重なり合うように配置し、且つ絶縁シートのスルーホールを介しアース部を共通に接続し、それによりコイルユニットを小型化すると共に、円筒状の導電性材料２の内部の傷、欠陥、結晶粒界、組織変化等の診断を可能とした電磁超音波探触子を開示する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電磁超音波探触子を使用する導電性材料の非破壊診断は、被診断体が超音波が通過可能な一体形状の導電性材料に適用可能であるが、導電性材料の複数層を重ねた積層構造体を評価することはできなかった。即ち、従来の電磁超音波探触子を使用する診断方法は、積層構造体の最上層を評価することが可能であるが、その下方に順次配置される第２層、第３層・・を診断又は評価することはできなかった。本発明の第１の目的は、電磁超音波探触子（ＥＭＡＴ）を使用し、積層構造体の導電性材料の第１層の表面上方から非接触で、第２層以下の各層の内部の傷、欠陥、結晶粒界、組織変化等を評価する診断方法及び装置を提供することにある。
【０００８】
本発明のその他の目的は、電磁超音波探触子を使用し、積層構造体の導電性材料の全体及び各層における材料の疲労、クリープ、腐食、応力割れ等を、積層構造体を分解することなく、また導電性材料の亀裂が発生する前に、評価することが可能な診断方法及び装置を提供することである。本発明の別の目的は、導電性材料の複数の層を締結するリベット、ボルト等のファスナーの損傷又は締結力の低下を積層構造体を分解することなく診断することを可能とする方法及び装置を提供することである。
【０００９】
本発明の更に別の目的は、導電性材料の積層構造体の全体の層又は各層の診断又は評価を可能にする超音波の信号を、積層構造体及び電磁超音波探触子から離間された個所において所定のソフトウェアを用いて診断することができる方法及び装置を提供することである。本発明の更に別の目的は、リベット、ボルト等のファスナーで締結された航空機、橋梁等の積層構造体の各層又はファスナーの損傷等の情報を含む超音波の信号を、積層構造体を分解することなく取出し、また取出された信号を他の個所又は遠隔地で処理することにより、それらの評価及び診断を正確に短時間で行うことができる方法及び装置を提供することである。本発明のその他の目的及び利点は、以下の説明及び図面から明らかにされる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の診断方法は、不導電性界面を介して重ねられた導電性材料の積層構造体の損傷状態を診断する。本発明の方法は、積層構造体に対し非接触状態に電磁超音波探触子を配置する工程、前記電磁超音波探触子により不導電性界面を通過して伝播する超音波を前記積層構造体の一方の側面から送信する工程、前記電磁超音波探触子により積層構造体の他方の側面により反射される超音波を受信する工程、及び受信された超音波の音速及び減衰の変化に基いて前記積層構造体の損傷状態を診断する工程を含む。
【００１１】
本発明の方法において、電磁超音波探触子は不導電性界面を介して重ねられた導電性材料の複数の層に共通の共鳴周波数の超音波を送信する。また損傷状態を診断する工程は積層構造体の厚さ方向全体の損傷状態を診断する工程を含む。本発明の方法は、更に不導性界面により反射される超音波を前記積層構造体の一方の側面から送信する工程、及び不導電性界面を通過し他方の側面より反射された超音波と不導性界面により反射された超音波の状態を比較し積層構造体の各層毎の損傷状態を診断する工程を含む。
【００１２】
本発明の診断方法は、不導電性界面を介して重ねられ締結部材により締結された導電性材料の積層構造体の状態を診断する。本発明の方法は、積層構造体に対し非接触状態に電磁超音波探触子を配置する工程、前記電磁超音波探触子により不導電性界面を通過して伝播する超音波を前記積層構造体の一方の側面から送信する工程、前記電磁超音波探触子により積層構造体の他方の側面により反射される超音波を受信する工程、及び受信された超音波の音速及び減衰に基き前記積層構造体の締結部材の締結力を診断する工程を含む。診断する工程はコンピュータソフトを使用して行われる。また診断する工程は電気信号を診断される積層構造体の部位から離間した個所又は遠隔地へ送信する工程を含む。
【００１３】
本発明の装置は、不導電性界面を介して重ねられた導電性材料の積層構造体の損傷状態を診断する。本発明の装置は、積層構造体に対し非接触状態に配置される電磁超音波探触子、電磁超音波探触子の作動を制御するコントローラ、及び電磁超音波探触子により得られた電気信号に基き積層構造体の損傷を評価するコンピュータを含む。電磁超音波探触子は不導電性界面を通過して伝播可能な周波数の超音波を前記積層構造体の一方の側面から送信可能であり、且つ積層構造体の他方の側面により反射される超音波を受信可能であり、前記コンピュータは受信された超音波の音速及び減衰に基き前記積層構造体の損傷状態を診断する。
【００１４】
本発明の装置は、不導電性界面を介して重ねられ締結部材により締結された導電性材料の積層構造体の状態を診断する。本発明の装置は、積層構造体に対し非接触状態に配置される電磁超音波探触子、電磁超音波探触子の作動を制御するコントローラ、及び電磁超音波探触子により得られた電気信号に基き積層構造体の損傷を評価するコンピュータを含む。電磁超音波探触子は不導電性界面を通過して伝播可能な周波数の超音波を前記積層構造体の一方の側面から送信可能であり、且つ積層構造体の他方の側面により反射される超音波を受信可能である。コンピュータは受信された超音波の音速及び減衰に基き前記積層構造体の締結部材の締結力を診断する。
【００１５】
本発明の装置は、更に遠隔送信可能な通信機構を含み、通信機構は電磁超音波探触子により得られた電気信号を診断ソフトを備えるコンピュータへ送信可能である。本発明の方法及び装置においては、好ましくはコンピュータに予め基準値として損傷のない積層構造体の基準測定値を格納し、測定すべき積層構造体の測定値を基準測定値と比較することにより診断を行う。
【００１６】
【発明の実施の態様】
図２は、本発明の原理を示す配置図である。図２において、被診断体は、導電性材料の第１層３２及び第２層３６をリベット３８により締結してなる積層構造体３４である。積層構造体３４の上方表面３１に隣接して電磁超音波探触子ＥＭＡＴ２０が配置される。ＥＭＡＴ２０は、図１に示すものと同様に、１対の永久磁石並びにドライバコイル及び検出コイルを備える。ＥＭＡＴ２０は、それにより発生される超音波の全部がリベット３８内を通ることのないように配置される。ＥＭＡＴ２０は、非接触で構造体内に超音波を発生することができるので、積層構造体３４の最上面３１は、ペンキ等の非導電性材料で覆われていてもかまわない。
【００１７】
ＥＭＡＴ２０のドライバコイルへ高周波電流を供給すると、図１の場合と同様に第１層３２に超音波１０が発生する。第１層３２に発生した超音波１０は、第１層３２又は第２層３６の端面３３又は３７により反射され、反射された超音波１２がＥＭＡＴ２０の検出コイルにより検出される。
【００１８】
ＥＭＡＴ２０のドライバコイルへ流す電流の周波数を掃引すると、式（１）に従って積層構造体３４の厚さ方向に共鳴した共鳴スペクトルが得られる。
ｆｎ＝ｎＶ／（２ｄ）‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐（１）
ここで、ｆｎ：共鳴周波数、ｎ：共鳴モード、Ｖ：音速、ｄ：板厚である。
【００１９】
式（１）の共鳴スペクトルにおいて、共鳴周波数近傍でローレンツ関数あるいはガウス関数で曲線近似を行い、その中心周波数を共鳴周波数とし、共鳴周波数でＥＭＡＴ２０を駆動し減衰曲線を得る。得られた減衰曲線を下記指数関数（２）と曲線近似し、式（２）中の時定数を減衰係数αとする。
Ａ＝Ａ0ｅｘｐ｛−α（ｔ−ｔ0）｝‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐（２）
【００２０】
積層構造体３４の第１層３２の厚さｄ1と第２層３６の厚さｄ2が異なる場合、第２層３６中へは、超音波１０は、界面（第１層３２の端面３３と第２層３６の上面３５）において共鳴モードが腹になる場合にのみ伝播する。その場合の周波数ｆｎは、式（１）において、音速Ｖ、板厚ｄ1が判れば得られる。
【００２１】
第２層３６へ伝播する周波数ｆｎで音速Ｖや式（２）の減衰係数αを求めることにより第１層３２及び第２層３６の損傷情報を含む情報を得ることができる。また界面で腹にならないモード、即ち、周波数ｆｎでない場合は、得られる情報は、第１層３２の損傷情報のみを含む。それ故、第１層３２と第２層３６の損傷情報を含む情報から第１層３２の損傷情報のみを含む情報を差引くことにより、第２層３６の損傷情報のみを含む情報を得ることができる。
【００２２】
またリベットやボルトの締結力が損傷により低下した場合、界面の結合力が弱くなり上の層から下の層への超音波の伝達が悪くなり、下の層へのエネルギーの漏れが無くなり、超音波の信号が強くなる。これに伴い、共鳴周波数の振幅の増加あるいは減衰係数の低下を生じるので、これを診断することによりリベットやボルトの締結力を診断することができる。
【００２３】
従来は、亀裂発生後の損傷を評価するため、渦流探傷法や接触型の超音波法が用いられた。また積層構造体の２層目以降の内部の亀裂は低周波渦流探傷法が用いられたが、亀裂の検出感度は５ｍｍ以上であった。更にその検出には計測者に熟練した技術力が要求された。本発明の方法は、積層構造体の損傷を最上表面から非接触で診断し、積層構造体を分解することなく、厚さ方向全体の損傷診断や各層毎の損傷診断を可能とする。また積層構造体のリベットやボルト等の損傷による締結力の低下を短時間で且つ特段の熟練を要することなく診断することを可能とする。
【００２４】
図３は、或る導電性材料から成る第１層３２の厚さｄ1が２ｍｍであり、第２層３６の厚さｄ2が５ｍｍである場合における第１層と第２層における第１次から第１５次の共鳴周波数ｆｎを記載した表である。図３によれば、ｄ1の第２次の共鳴周波数とｄ2の第５次の共鳴周波数が同じ１．５７ＭＨｚであるから、この周波数の超音波を使用すると、第１層及び第２層の損傷情報を含む情報が得られる可能性がある。また図３によれば、ｄ1の第４次の共鳴周波数とｄ2の第１０次の共鳴周波数が同じ３．１４ＭＨｚであり、ｄ1の第６次の共鳴周波数とｄ2の第１５次の共鳴周波数が同じ４．７１ＭＨｚであるから、これらの周波数３．１４ＭＨｚ又は４．７１ＭＨｚの超音波を使用することによっても、第１層及び第２層の損傷情報を含む情報が得られる可能性がある。
【００２５】
図４ａ及び図４ｂは、第１層３２及び第２層３４から成る積層構造体３４へＥＭＡＴ２０から超音波を加えた場合の反射及び透過された超音波の振幅を示すグラフである。図４ａ及び図４ｂにおいて、各横軸及び縦軸は、それぞれ超音波の周波数及び振幅の尺度を示す。図４ａの超音波は、図４ａの右方に示す配置のＥＭＡＴ２０により受信されたものであり、積層構造体３４の下方からの反射波の測定値を示す。図４ｂの超音波は、図４Ｂの右方に示す配置のＥＭＡＴ２０’により受信されたものであり、積層構造体３４の下方へ透過した超音波の測定値を示す。
【００２６】
図４ａのグラフと図４ｂのグラフを比較すると、特定の周波数において、ほぼ同様の測定値が表われる。従って、第１層３２及び第２層３４から成る積層構造体３４へ第１層の上方表面に配置したＥＭＡＴ２０から超音波を付加すると、特定の周波数の超音波は、第１層３２及び第２層３４を透過し、第２層３４の下方表面において反射され、その後、第２層及び第１層を通過し、第１層の上方表面のＥＭＡＴ２０により測定される。
【００２７】
図５ａ、図５ｂ及び図５ｃは、それぞれ２ｍｍ厚さの金属板の第１層３２、５ｍｍ厚さの金属板の第２層３６、及び第１層及び第２層を重ね、リベットで結合して成る積層構造体３４について、それぞれの上面ＥＭＡＴ２０を配置し、第１層及び第２層に第１次から第１５次の共鳴周波数を付与する場合の周波数（横軸）ｆｎ（ＭＨｚ）と、それぞれにおいて下方から反射される超音波の振幅Ａの規格化された値（最大振幅を１とした振幅、縦軸）の関係を示す。
【００２８】
図５ａ、図５ｂ及び図５ｃにおいて、第１層３２の第２次の共鳴周波数ｆ２（約１．５７ＭＨｚ）、第４次の共鳴周波数ｆ４（約３．１４ＭＨｚ）及び第６次の共鳴周波数ｆ６（約４．７１ＭＨｚ）は、それぞれ第２層３６の第５次の共鳴周波数ｆ５、第１０次の共鳴周波数ｆ１０、及び第１５次の共鳴周波数ｆ１５とほぼ一致する。図５ａ、図５ｂ及び図５ｃを対比すると、第１層３２の第４次の共鳴周波数ｆ４（約３．１４ＭＨｚ）の振幅と第２層３６の第１０次の共鳴周波数ｆ１０（約３．１４ＭＨｚ）の振幅の和は、図５ｃの積層構造体３４における超音波の振幅に一致する。それ故、このように第１層及び第２層の共通の共鳴周波数を使用することにより、第２層の材料の状態を診断することが可能である。
【００２９】
図６ａ、図６ｂ、図６ｃは、超音波の減衰を測定する方法を説明するためのグラフである。図６ａのグラフにおける曲線は、厚さ５ｍｍの３０４ステンレス鋼に対して、ＥＭＡＴにより付加した高周波起動電流（横軸、ＭＨｚ）と検出された超音波の振幅（縦軸、ａ．ｕ．）の関係（共鳴スペクトル）を示す。ｆ１、ｆ２、・・ｆ１７は、共鳴モードの次数である。図６ａの共鳴スペクトルの内、第７次の共鳴モードｆ７の拡大図が図６ｂである。図６ｂの第７次の共鳴モードの拡大図において、測定値に近似する曲線は、周波数約２．１９ＭＨｚと２．２３ＭＨｚの間で山形を形成し、山形の曲線の中心軸Ｃ、即ち第７次の共鳴モードの周波数は、約２．２１ＭＨｚにある。
【００３０】
図６ｃは、第７次の共鳴モードの周波数（約２．２１ＭＨｚ）におけるリングダウン曲線Ａ、即ち起動電流の停止後の振幅の時間変化を示すグラフである。測定値が前記式（２）の曲線Ａにより近似するとして、減衰係数αを求めると、α＝０．００８ｍμ／秒である。
【００３１】
図７ａは、本発明の評価法に用いられる材料の疲労と超音波の減衰係数及び速度の変化を調べるための試験装置の構成を示す配置図であり、図７ｂは、図７ａの試験装置を使用して得られた減衰係数及び速度の変化のグラフである。図７ａの試験装置においては、第１層３２と第２層３６がリベット３８により締結された積層構造体の被測定物に対し、ＥＭＡＴ２０が第１層３２に隣接配置される。第２層３６は、その延長部分４１、４２において繰返し荷重付加機構４４、４５に連結され、繰返し荷重を付加可能にされる。
【００３２】
図７ｂにおいて、横軸は、第２層３６に付加される繰返し荷重（垂直応力５５ＭＰａ）の回数を示す。即ち、横軸は、繰返し荷重のサイクルＮと第２層３６の破壊を生じる繰返し荷重のサイクルＮｆ（１５０，６００サイクル）に対する比Ｎ／Ｎｆである。図７ｂは、図７ａの試験装置において、ＥＭＡＴ２０により約３．１ＭＨｚを使用し、積層構造体から得られる超音波の速度Ｖ及び減衰係数αを示す。図７ｂにおいて超音波の速度Ｖは、速度変化ΔＶと定常時の速度Ｖ0の比ΔＶ／Ｖ0（％）により示され、その尺度は、左側縦軸に示される。また超音波の減衰係数αは、減衰係数の変化Δαと定常時の減衰係数α0（％）の比Δα／α0で示され、その尺度は、右側縦軸に示される。
【００３３】
図７ｂにおいて、減衰係数を示す曲線Δα／α0は、急速減少の後、徐々に増加し、疲労亀裂が生じるとき（Ｎ／Ｎｆが約０．８１）から減少する。図７ｂにおいて、超音波の速度を示す曲線ΔＶ／Ｖ0は、ほぼＶ字形を呈し、最小値は、Ｎ／Ｎｆが約０．４において生じる。
【００３４】
図８ａは、本発明の評価法に用いられる材料の疲労と超音波の減衰係数及び速度の変化を調べるための他の試験装置の構成を示す配置図であり、図８ｂは、図８ａの試験装置を使用して得られた減衰係数及び速度の変化のグラフである。図８ａの試験装置においては、第１層３２と第２層３６がリベット３８により締結された積層構造体の被測定物に対し、ＥＭＡＴ２０が第１層３２に隣接配置される。第１層３２は、その延長部分５１、５２において繰返し荷重付加機構４４、４５に連結され、繰返し荷重を付加可能にされる。
【００３５】
図８ｂにおいて、横軸は、第１層３２に付加される繰返し荷重（垂直応力４７ＭＰａ）の回数を示す。即ち、横軸は、繰返し荷重のサイクルＮと第１層３２の破壊を生じる繰返し荷重のサイクルＮｆ（１５０，６００サイクル）に対する比Ｎ／Ｎｆである。図８ｂは、図８ａの試験装置において、ＥＭＡＴ２０により約３．１ＭＨｚを使用し、積層構造体から得られる超音波の速度Ｖ及び減衰係数αを示す。図８ｂにおいて超音波の速度Ｖは、速度変化ΔＶと定常時の速度Ｖ0の比ΔＶ／Ｖ0（％）により示され、その尺度は、左側縦軸に示される。また超音波の減衰係数αは、減衰係数の変化Δαと定常時の減衰係数α0（％）の比Δα／α0で示され、その尺度は、右側縦軸に示される。
【００３６】
図８ｂにおいて、減衰係数を示す曲線Δα／α0は、徐々に増加し、疲労亀裂が生じるとき（Ｎ／Ｎｆが約０．８１）から急増する。図８ｂにおいて、超音波の速度を示す曲線ΔＶ／Ｖ0は、ほぼＶ字形を呈し、最小値は、Ｎ／Ｎｆが約０．４において生じる。
【００３７】
図９は、本発明の実施例の診断装置を示す配置図である。図１の配置図と同様の部材には同じ符号を付して重複説明を省略する。図９に示すように、ＥＭＡＴ２０は、導電性材料の第１層３２及び第２層３６からなる積層構造体（被測定物）３４の上方表面３１に隣接して配置される１対の永久磁石３ａ、３ｂ、並びにドライバコイル５及び検出コイル１５を含む。１対の永久磁石３ａ、３ｂは、スペーサ３ｃを介して互いに隣接され、積層構造体３４に対し互いに逆向きの磁界を発生する。永久磁石３ａ、３ｂは、同様の磁界を発生する電磁石でもよい。ドライバコイル５及び検出コイル１５は、平板形であり、永久磁石３ａ、３ｂと導電性材料２の上方表面との間に配置される。
【００３８】
永久磁石３ａ、３ｂは、積層構造体３４の深さ方向に静磁場４を形成する。ドライバコイル５にコントローラ１８から高周波起動電流７を流すと、積層構造体３４の上方表面３１に電流７と逆向きの渦電流８が発生する。この渦電流８と静磁場４の相互作用により、フレミング左手の法則に従って、ローレンツ力９が発生する。ローレンツ力９は、積層構造体３４内の自由電子に作用し、イオンなどに衝突させ、静磁場４と高周波電流７の方向に垂直な運動を積層構造体３４の内部に励起させ、超音波の横波１０を発生させる。
【００３９】
超音波の横波１０は、図９の矢印１１の方向へ進行し、導電性材料の第１層３２の下方表面３３、内部の傷、欠陥、結晶粒界、組織変化等で反射し、矢印１２の方向へ進行する。また導電性材料の第１層３２の下方表面３３及び第２層３６の上方表面３５を通過し第２層３６内へ矢印１１‘の方向へ進行した超音波は、第２層３６の下方表面３７、内部の傷、欠陥、結晶粒界、組織変化等で反射し、矢印１２’の方向へ進行する。
【００４０】
反射した超音波の横波１０が積層構造体３４の上方表面３１付近へ達すると、力１３が発生される。この力１３と静磁場４との相互作用により渦電流１４が発生される。この渦電流１４を検出コイル１５により検出し、プリアンプ１６及び主アンプ１７で増幅し、コントローラ１８へ送る。コントローラ１８は、主アンプ１７から受入れた電流を解析し、導電性材料２の内部の傷、欠陥、結晶粒界、組織変化等を評価する。コントローラ１８のコンピュータ部分１９は、遠隔地に配置され、両者の間が遠隔通信機構２２により接続される。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の方法及び装置は、導電性材料の積層構造体の疲労、クリープ、腐食、応力割れ等の損傷の評価を非接触で診断することができる。本発明においては、積層構造体の厚さ方向全体及び各層毎の損傷評価を積層構造体を分解することなく行うことができるので、診断時間が短く、手数も少ない。また本発明によれば、導電性材料の積層構造体の層を締結するリベット、ボルト等のファスナーの劣化、損傷による締結力の低下を評価することが可能である。また本発明によれば、材料の疲労、クリープ、応力腐食等による亀裂の発生前に損傷を評価することができるので、積層構造体の信頼性を高めることができる。特に、リベット、ボルト等で締結された航空機、船舶、橋梁等の構造物の信頼性を高めることが可能である。
【００４２】
本発明の方法は、電磁超音波探触子を測定される積層構造体に対し非接触状態で配置するので、積層構造体が非平滑表面を有する場合にも測定誤差が小さい利点を有する。またエルボ等の屈曲部を形成する積層構造体の診断においても誤差が小さい利点を有する。本発明において、コントローラのコンピュータ部分が測定される材料から離間した場所又は遠隔地に配置され、両者の間が遠隔通信機構により接続される。この構成により、航空機、船舶、橋梁等の大きな積層構造体の評価を非接触で離間した個所又は遠隔地において診断することが可能であり積層構造体の近くへコンピュータを設置する不都合をなくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】公知の電磁超音波探触子（ＥＭＡＴ）２０の原理を説明する配置図。
【図２】本発明の原理を示す配置図。
【図３】第１層と第２層における第１次から第１５次の共鳴周波数ｆｎを記載した表。
【図４】図４ａ及び図４ｂは積層構造体３４へＥＭＡＴ２０から超音波を加えた場合の反射及び透過された超音波の振幅を示すグラフ。
【図５】図５ａ、図５ｂ及び図５ｃは、それぞれ２ｍｍ厚さの金属板の第１層３２、５ｍｍ厚さの金属板の第２層３６、及び第１層及び第２層を重ね、リベットで結合して成る積層構造体３４について、それぞれの上面ＥＭＡＴ２０を配置し、第１層及び第２層に第１次から第１５次の共鳴周波数を付与する場合の周波数（横軸）ｆｎ（ＭＨｚ）と、それぞれにおいて下方から反射される超音波の振幅Ａの規格化された値を示すグラフ。
【図６】図６ａ、図６ｂ、図６ｃは、超音波の減衰を測定する方法を説明するためのグラフ。
【図７】図７ａは、本発明の評価法に用いられる材料の疲労と超音波の減衰係数及び速度の変化を調べるための試験装置の構成を示す配置図であり、図７ｂは、図７ａの試験装置を使用して得られた減衰係数及び速度の変化のグラフである。
【図８】図８ａは、本発明の評価法に用いられる材料の疲労と超音波の減衰係数及び速度の変化を調べるための試験装置の構成を示す配置図であり、図８ｂは、図８ａの試験装置を使用して得られた減衰係数及び速度の変化のグラフである。
【図９】本発明の実施例の診断装置の配置図である。
【符号の説明】
２：導電性材料、３ａ、３ｂ：永久磁石、４：静磁場、５：ドライバコイル、７：高周波電流、８：渦電流、９：ローレンツ力、１０：超音波（横波）、１７：主アンプ、１８：コントローラ、２０：電磁超音波探触子（ＥＭＡＴ）、３２：第１層、３４：積層構造体、３６：第２層、３８：リベット、２２：遠隔通信機構。
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波共鳴法を用いて導電性材料の腐食、疲労等の損傷診断を行う方法及び装置に関する。超音波共鳴法は、導電性材料の表面に隣接配置されるＥＭＡＴ（Electro-Magnetic Acoustic Transducer;電磁超音波探触子）により、導電性材料中に発生され伝播されるものである。より詳しくは本発明は、ＥＭＡＴを使用しリベット、ボルト等により締結された積層構造の導電性材料の腐食、クリープ、応力腐食割れ、疲労等の損傷診断を行う方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電磁超音波探触子（ＥＭＡＴ）は、例えば特許第３０５２０４９号公報及び特許第３０５２０５０号公報に開示されている。図１は、公知の電磁超音波探触子（ＥＭＡＴ、電磁超音波探触子）２０の原理を説明する配置図である。図１に示すように、ＥＭＡＴ２０は、導電性材料（被測定物）２の上方表面に隣接して配置される１対の永久磁石３ａ、３ｂ、並びにドライバコイル５及び検出コイル１５を含む。１対の永久磁石３ａ、３ｂは、スペーサ３ｃを介して互いに隣接され、導電性材料２に対し互いに逆向きの磁界を発生する。永久磁石３ａ、３ｂは、同様の磁界を発生する電磁石でもよい。ドライバコイル５及び検出コイル１５は、平板形であり、永久磁石３ａ、３ｂと導電性材料２の上方表面との間に配置される。ＥＭＡＴは、非接触で超音波を送受信できるので、導電性材料（被測定物）２は、ペンキ等の非導電性材料で覆われていてもかまわない。
【０００３】
永久磁石３ａ、３ｂは、導電性材料２の深さ方向に静磁場４を形成する。ドライバコイル５にコントローラ１８から高周波起動電流７を流すと、導電性材料２の上方表面に電流７と逆向きの渦電流８が発生する。この渦電流８と静磁場４の相互作用により、フレミング左手の法則に従って、ローレンツ力９が発生する。ローレンツ力９は、導電性材料２内の自由電子に作用し、イオンなどに衝突させ、静磁場４と高周波電流７の方向に垂直な運動を導電性材料２の内部に励起させ、超音波の横波１０を発生させる。
【０００４】
超音波の横波１０は、図１の矢印１１の方向へ進行し、導電性材料２の上方表面又は下方表面並びに内部の傷、欠陥、結晶粒界、組織変化等で反射し、矢印１２の方向へ進行する。反射した超音波の横波１０が導電性材料２の上方表面付近へ達すると、力１３が発生される。この力１３と静磁場４との相互作用により渦電流１４が発生される。この渦電流１４を検出コイル１５により検出し、プリアンプ１６及び主アンプ１７で増幅し、コントローラ１８へ送る。コントローラ１８は、主アンプ１７から受入れた電流を解析し、導電性材料２の内部の傷、欠陥、結晶粒界、組織変化等を評価する。
【０００５】
特許第３０５２０４９号公報は、超音波を発生する送信用コイル及び超音波を検出する受信用コイルを、それぞれ渦巻状とし、絶縁シートを介して重なり合うように配置し、且つ絶縁シートのスルーホールを介し両コイルのアース部を共通に形成し、コイルユニットを小型化した電磁超音波探触子を開示する。
【０００６】
特許第３０５２０５０号公報は、超音波を発生する送信用コイル及び超音波を検出する受信用コイルを、蛇行状とし、絶縁シートを介して重なり合うように配置し、且つ絶縁シートのスルーホールを介しアース部を共通に接続し、それによりコイルユニットを小型化すると共に、円筒状の導電性材料２の内部の傷、欠陥、結晶粒界、組織変化等の診断を可能とした電磁超音波探触子を開示する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電磁超音波探触子を使用する導電性材料の非破壊診断は、被診断体が超音波が通過可能な一体形状の導電性材料に適用可能であるが、導電性材料の複数層を重ねた積層構造体を評価することはできなかった。即ち、従来の電磁超音波探触子を使用する診断方法は、積層構造体の最上層を評価することが可能であるが、その下方に順次配置される第２層、第３層・・を診断又は評価することはできなかった。本発明の第１の目的は、電磁超音波探触子（ＥＭＡＴ）を使用し、積層構造体の導電性材料の第１層の表面上方から非接触で、第２層以下の各層の内部の傷、欠陥、結晶粒界、組織変化等を評価する診断方法及び装置を提供することにある。
【０００８】
本発明のその他の目的は、電磁超音波探触子を使用し、積層構造体の導電性材料の全体及び各層における材料の疲労、クリープ、腐食、応力割れ等を、積層構造体を分解することなく、また導電性材料の亀裂が発生する前に、評価することが可能な診断方法及び装置を提供することである。本発明の別の目的は、導電性材料の複数の層を締結するリベット、ボルト等のファスナーの損傷又は締結力の低下を積層構造体を分解することなく診断することを可能とする方法及び装置を提供することである。
【０００９】
本発明の更に別の目的は、導電性材料の積層構造体の全体の層又は各層の診断又は評価を可能にする超音波の信号を、積層構造体及び電磁超音波探触子から離間された個所において所定のソフトウェアを用いて診断することができる方法及び装置を提供することである。本発明の更に別の目的は、リベット、ボルト等のファスナーで締結された航空機、橋梁等の積層構造体の各層又はファスナーの損傷等の情報を含む超音波の信号を、積層構造体を分解することなく取出し、また取出された信号を他の個所又は遠隔地で処理することにより、それらの評価及び診断を正確に短時間で行うことができる方法及び装置を提供することである。本発明のその他の目的及び利点は、以下の説明及び図面から明らかにされる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の診断方法は、不導電性界面を介して重ねられた導電性材料の積層構造体の損傷状態を診断する。本発明の方法は、積層構造体に対し非接触状態に電磁超音波探触子を配置する工程、前記電磁超音波探触子により不導電性界面を通過して伝播する超音波を前記積層構造体の一方の側面から送信する工程、前記電磁超音波探触子により積層構造体の他方の側面により反射される超音波を受信する工程、及び受信された超音波の音速及び減衰の変化に基いて前記積層構造体の損傷状態を診断する工程を含む。
【００１１】
本発明の方法において、電磁超音波探触子は不導電性界面を介して重ねられた導電性材料の複数の層に共通の共鳴周波数の超音波を送信する。また損傷状態を診断する工程は積層構造体の厚さ方向全体の損傷状態を診断する工程を含む。本発明の方法は、更に不導性界面により反射される超音波を前記積層構造体の一方の側面から送信する工程、及び不導電性界面を通過し他方の側面より反射された超音波と不導性界面により反射された超音波の状態を比較し積層構造体の各層毎の損傷状態を診断する工程を含む。
【００１２】
本発明の診断方法は、不導電性界面を介して重ねられ締結部材により締結された導電性材料の積層構造体の状態を診断する。本発明の方法は、積層構造体に対し非接触状態に電磁超音波探触子を配置する工程、前記電磁超音波探触子により不導電性界面を通過して伝播する超音波を前記積層構造体の一方の側面から送信する工程、前記電磁超音波探触子により積層構造体の他方の側面により反射される超音波を受信する工程、及び受信された超音波の音速及び減衰に基き前記積層構造体の締結部材の締結力を診断する工程を含む。診断する工程はコンピュータソフトを使用して行われる。また診断する工程は電気信号を診断される積層構造体の部位から離間した個所又は遠隔地へ送信する工程を含む。
【００１３】
本発明の装置は、不導電性界面を介して重ねられた導電性材料の積層構造体の損傷状態を診断する。本発明の装置は、積層構造体に対し非接触状態に配置される電磁超音波探触子、電磁超音波探触子の作動を制御するコントローラ、及び電磁超音波探触子により得られた電気信号に基き積層構造体の損傷を評価するコンピュータを含む。電磁超音波探触子は不導電性界面を通過して伝播可能な周波数の超音波を前記積層構造体の一方の側面から送信可能であり、且つ積層構造体の他方の側面により反射される超音波を受信可能であり、前記コンピュータは受信された超音波の音速及び減衰に基き前記積層構造体の損傷状態を診断する。
【００１４】
本発明の装置は、不導電性界面を介して重ねられ締結部材により締結された導電性材料の積層構造体の状態を診断する。本発明の装置は、積層構造体に対し非接触状態に配置される電磁超音波探触子、電磁超音波探触子の作動を制御するコントローラ、及び電磁超音波探触子により得られた電気信号に基き積層構造体の損傷を評価するコンピュータを含む。電磁超音波探触子は不導電性界面を通過して伝播可能な周波数の超音波を前記積層構造体の一方の側面から送信可能であり、且つ積層構造体の他方の側面により反射される超音波を受信可能である。コンピュータは受信された超音波の音速及び減衰に基き前記積層構造体の締結部材の締結力を診断する。
【００１５】
本発明の装置は、更に遠隔送信可能な通信機構を含み、通信機構は電磁超音波探触子により得られた電気信号を診断ソフトを備えるコンピュータへ送信可能である。本発明の方法及び装置においては、好ましくはコンピュータに予め基準値として損傷のない積層構造体の基準測定値を格納し、測定すべき積層構造体の測定値を基準測定値と比較することにより診断を行う。
【００１６】
【発明の実施の態様】
図２は、本発明の原理を示す配置図である。図２において、被診断体は、導電性材料の第１層３２及び第２層３６をリベット３８により締結してなる積層構造体３４である。積層構造体３４の上方表面３１に隣接して電磁超音波探触子ＥＭＡＴ２０が配置される。ＥＭＡＴ２０は、図１に示すものと同様に、１対の永久磁石並びにドライバコイル及び検出コイルを備える。ＥＭＡＴ２０は、それにより発生される超音波の全部がリベット３８内を通ることのないように配置される。ＥＭＡＴ２０は、非接触で構造体内に超音波を発生することができるので、積層構造体３４の最上面３１は、ペンキ等の非導電性材料で覆われていてもかまわない。
【００１７】
ＥＭＡＴ２０のドライバコイルへ高周波電流を供給すると、図１の場合と同様に第１層３２に超音波１０が発生する。第１層３２に発生した超音波１０は、第１層３２又は第２層３６の端面３３又は３７により反射され、反射された超音波１２がＥＭＡＴ２０の検出コイルにより検出される。
【００１８】
ＥＭＡＴ２０のドライバコイルへ流す電流の周波数を掃引すると、式（１）に従って積層構造体３４の厚さ方向に共鳴した共鳴スペクトルが得られる。
ｆｎ＝ｎＶ／（２ｄ）‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐（１）
ここで、ｆｎ：共鳴周波数、ｎ：共鳴モード、Ｖ：音速、ｄ：板厚である。
【００１９】
式（１）の共鳴スペクトルにおいて、共鳴周波数近傍でローレンツ関数あるいはガウス関数で曲線近似を行い、その中心周波数を共鳴周波数とし、共鳴周波数でＥＭＡＴ２０を駆動し減衰曲線を得る。得られた減衰曲線を下記指数関数（２）と曲線近似し、式（２）中の時定数を減衰係数αとする。
Ａ＝Ａ0ｅｘｐ｛−α（ｔ−ｔ0）｝‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐（２）
【００２０】
積層構造体３４の第１層３２の厚さｄ1と第２層３６の厚さｄ2が異なる場合、第２層３６中へは、超音波１０は、界面（第１層３２の端面３３と第２層３６の上面３５）において共鳴モードが腹になる場合にのみ伝播する。その場合の周波数ｆｎは、式（１）において、音速Ｖ、板厚ｄ1が判れば得られる。
【００２１】
第２層３６へ伝播する周波数ｆｎで音速Ｖや式（２）の減衰係数αを求めることにより第１層３２及び第２層３６の損傷情報を含む情報を得ることができる。また界面で腹にならないモード、即ち、周波数ｆｎでない場合は、得られる情報は、第１層３２の損傷情報のみを含む。それ故、第１層３２と第２層３６の損傷情報を含む情報から第１層３２の損傷情報のみを含む情報を差引くことにより、第２層３６の損傷情報のみを含む情報を得ることができる。
【００２２】
またリベットやボルトの締結力が損傷により低下した場合、界面の結合力が弱くなり上の層から下の層への超音波の伝達が悪くなり、下の層へのエネルギーの漏れが無くなり、超音波の信号が強くなる。これに伴い、共鳴周波数の振幅の増加あるいは減衰係数の低下を生じるので、これを診断することによりリベットやボルトの締結力を診断することができる。
【００２３】
従来は、亀裂発生後の損傷を評価するため、渦流探傷法や接触型の超音波法が用いられた。また積層構造体の２層目以降の内部の亀裂は低周波渦流探傷法が用いられたが、亀裂の検出感度は５ｍｍ以上であった。更にその検出には計測者に熟練した技術力が要求された。本発明の方法は、積層構造体の損傷を最上表面から非接触で診断し、積層構造体を分解することなく、厚さ方向全体の損傷診断や各層毎の損傷診断を可能とする。また積層構造体のリベットやボルト等の損傷による締結力の低下を短時間で且つ特段の熟練を要することなく診断することを可能とする。
【００２４】
図３は、或る導電性材料から成る第１層３２の厚さｄ1が２ｍｍであり、第２層３６の厚さｄ2が５ｍｍである場合における第１層と第２層における第１次から第１５次の共鳴周波数ｆｎを記載した表である。図３によれば、ｄ1の第２次の共鳴周波数とｄ2の第５次の共鳴周波数が同じ１．５７ＭＨｚであるから、この周波数の超音波を使用すると、第１層及び第２層の損傷情報を含む情報が得られる可能性がある。また図３によれば、ｄ1の第４次の共鳴周波数とｄ2の第１０次の共鳴周波数が同じ３．１４ＭＨｚであり、ｄ1の第６次の共鳴周波数とｄ2の第１５次の共鳴周波数が同じ４．７１ＭＨｚであるから、これらの周波数３．１４ＭＨｚ又は４．７１ＭＨｚの超音波を使用することによっても、第１層及び第２層の損傷情報を含む情報が得られる可能性がある。
【００２５】
図４ａ及び図４ｂは、第１層３２及び第２層３４から成る積層構造体３４へＥＭＡＴ２０から超音波を加えた場合の反射及び透過された超音波の振幅を示すグラフである。図４ａ及び図４ｂにおいて、各横軸及び縦軸は、それぞれ超音波の周波数及び振幅の尺度を示す。図４ａの超音波は、図４ａの右方に示す配置のＥＭＡＴ２０により受信されたものであり、積層構造体３４の下方からの反射波の測定値を示す。図４ｂの超音波は、図４Ｂの右方に示す配置のＥＭＡＴ２０’により受信されたものであり、積層構造体３４の下方へ透過した超音波の測定値を示す。
【００２６】
図４ａのグラフと図４ｂのグラフを比較すると、特定の周波数において、ほぼ同様の測定値が表われる。従って、第１層３２及び第２層３４から成る積層構造体３４へ第１層の上方表面に配置したＥＭＡＴ２０から超音波を付加すると、特定の周波数の超音波は、第１層３２及び第２層３４を透過し、第２層３４の下方表面において反射され、その後、第２層及び第１層を通過し、第１層の上方表面のＥＭＡＴ２０により測定される。
【００２７】
図５ａ、図５ｂ及び図５ｃは、それぞれ２ｍｍ厚さの金属板の第１層３２、５ｍｍ厚さの金属板の第２層３６、及び第１層及び第２層を重ね、リベットで結合して成る積層構造体３４について、それぞれの上面ＥＭＡＴ２０を配置し、第１層及び第２層に第１次から第１５次の共鳴周波数を付与する場合の周波数（横軸）ｆｎ（ＭＨｚ）と、それぞれにおいて下方から反射される超音波の振幅Ａの規格化された値（最大振幅を１とした振幅、縦軸）の関係を示す。
【００２８】
図５ａ、図５ｂ及び図５ｃにおいて、第１層３２の第２次の共鳴周波数ｆ２（約１．５７ＭＨｚ）、第４次の共鳴周波数ｆ４（約３．１４ＭＨｚ）及び第６次の共鳴周波数ｆ６（約４．７１ＭＨｚ）は、それぞれ第２層３６の第５次の共鳴周波数ｆ５、第１０次の共鳴周波数ｆ１０、及び第１５次の共鳴周波数ｆ１５とほぼ一致する。図５ａ、図５ｂ及び図５ｃを対比すると、第１層３２の第４次の共鳴周波数ｆ４（約３．１４ＭＨｚ）の振幅と第２層３６の第１０次の共鳴周波数ｆ１０（約３．１４ＭＨｚ）の振幅の和は、図５ｃの積層構造体３４における超音波の振幅に一致する。それ故、このように第１層及び第２層の共通の共鳴周波数を使用することにより、第２層の材料の状態を診断することが可能である。
【００２９】
図６ａ、図６ｂ、図６ｃは、超音波の減衰を測定する方法を説明するためのグラフである。図６ａのグラフにおける曲線は、厚さ５ｍｍの３０４ステンレス鋼に対して、ＥＭＡＴにより付加した高周波起動電流（横軸、ＭＨｚ）と検出された超音波の振幅（縦軸、ａ．ｕ．）の関係（共鳴スペクトル）を示す。ｆ１、ｆ２、・・ｆ１７は、共鳴モードの次数である。図６ａの共鳴スペクトルの内、第７次の共鳴モードｆ７の拡大図が図６ｂである。図６ｂの第７次の共鳴モードの拡大図において、測定値に近似する曲線は、周波数約２．１９ＭＨｚと２．２３ＭＨｚの間で山形を形成し、山形の曲線の中心軸Ｃ、即ち第７次の共鳴モードの周波数は、約２．２１ＭＨｚにある。
【００３０】
図６ｃは、第７次の共鳴モードの周波数（約２．２１ＭＨｚ）におけるリングダウン曲線Ａ、即ち起動電流の停止後の振幅の時間変化を示すグラフである。測定値が前記式（２）の曲線Ａにより近似するとして、減衰係数αを求めると、α＝０．００８ｍμ／秒である。
【００３１】
図７ａは、本発明の評価法に用いられる材料の疲労と超音波の減衰係数及び速度の変化を調べるための試験装置の構成を示す配置図であり、図７ｂは、図７ａの試験装置を使用して得られた減衰係数及び速度の変化のグラフである。図７ａの試験装置においては、第１層３２と第２層３６がリベット３８により締結された積層構造体の被測定物に対し、ＥＭＡＴ２０が第１層３２に隣接配置される。第２層３６は、その延長部分４１、４２において繰返し荷重付加機構４４、４５に連結され、繰返し荷重を付加可能にされる。
【００３２】
図７ｂにおいて、横軸は、第２層３６に付加される繰返し荷重（垂直応力５５ＭＰａ）の回数を示す。即ち、横軸は、繰返し荷重のサイクルＮと第２層３６の破壊を生じる繰返し荷重のサイクルＮｆ（１５０，６００サイクル）に対する比Ｎ／Ｎｆである。図７ｂは、図７ａの試験装置において、ＥＭＡＴ２０により約３．１ＭＨｚを使用し、積層構造体から得られる超音波の速度Ｖ及び減衰係数αを示す。図７ｂにおいて超音波の速度Ｖは、速度変化ΔＶと定常時の速度Ｖ0の比ΔＶ／Ｖ0（％）により示され、その尺度は、左側縦軸に示される。また超音波の減衰係数αは、減衰係数の変化Δαと定常時の減衰係数α0（％）の比Δα／α0で示され、その尺度は、右側縦軸に示される。
【００３３】
図７ｂにおいて、減衰係数を示す曲線Δα／α0は、急速減少の後、徐々に増加し、疲労亀裂が生じるとき（Ｎ／Ｎｆが約０．８１）から減少する。図７ｂにおいて、超音波の速度を示す曲線ΔＶ／Ｖ0は、ほぼＶ字形を呈し、最小値は、Ｎ／Ｎｆが約０．４において生じる。
【００３４】
図８ａは、本発明の評価法に用いられる材料の疲労と超音波の減衰係数及び速度の変化を調べるための他の試験装置の構成を示す配置図であり、図８ｂは、図８ａの試験装置を使用して得られた減衰係数及び速度の変化のグラフである。図８ａの試験装置においては、第１層３２と第２層３６がリベット３８により締結された積層構造体の被測定物に対し、ＥＭＡＴ２０が第１層３２に隣接配置される。第１層３２は、その延長部分５１、５２において繰返し荷重付加機構４４、４５に連結され、繰返し荷重を付加可能にされる。
【００３５】
図８ｂにおいて、横軸は、第１層３２に付加される繰返し荷重（垂直応力４７ＭＰａ）の回数を示す。即ち、横軸は、繰返し荷重のサイクルＮと第１層３２の破壊を生じる繰返し荷重のサイクルＮｆ（１５０，６００サイクル）に対する比Ｎ／Ｎｆである。図８ｂは、図８ａの試験装置において、ＥＭＡＴ２０により約３．１ＭＨｚを使用し、積層構造体から得られる超音波の速度Ｖ及び減衰係数αを示す。図８ｂにおいて超音波の速度Ｖは、速度変化ΔＶと定常時の速度Ｖ0の比ΔＶ／Ｖ0（％）により示され、その尺度は、左側縦軸に示される。また超音波の減衰係数αは、減衰係数の変化Δαと定常時の減衰係数α0（％）の比Δα／α0で示され、その尺度は、右側縦軸に示される。
【００３６】
図８ｂにおいて、減衰係数を示す曲線Δα／α0は、徐々に増加し、疲労亀裂が生じるとき（Ｎ／Ｎｆが約０．８１）から急増する。図８ｂにおいて、超音波の速度を示す曲線ΔＶ／Ｖ0は、ほぼＶ字形を呈し、最小値は、Ｎ／Ｎｆが約０．４において生じる。
【００３７】
図９は、本発明の実施例の診断装置を示す配置図である。図１の配置図と同様の部材には同じ符号を付して重複説明を省略する。図９に示すように、ＥＭＡＴ２０は、導電性材料の第１層３２及び第２層３６からなる積層構造体（被測定物）３４の上方表面３１に隣接して配置される１対の永久磁石３ａ、３ｂ、並びにドライバコイル５及び検出コイル１５を含む。１対の永久磁石３ａ、３ｂは、スペーサ３ｃを介して互いに隣接され、積層構造体３４に対し互いに逆向きの磁界を発生する。永久磁石３ａ、３ｂは、同様の磁界を発生する電磁石でもよい。ドライバコイル５及び検出コイル１５は、平板形であり、永久磁石３ａ、３ｂと導電性材料２の上方表面との間に配置される。
【００３８】
永久磁石３ａ、３ｂは、積層構造体３４の深さ方向に静磁場４を形成する。ドライバコイル５にコントローラ１８から高周波起動電流７を流すと、積層構造体３４の上方表面３１に電流７と逆向きの渦電流８が発生する。この渦電流８と静磁場４の相互作用により、フレミング左手の法則に従って、ローレンツ力９が発生する。ローレンツ力９は、積層構造体３４内の自由電子に作用し、イオンなどに衝突させ、静磁場４と高周波電流７の方向に垂直な運動を積層構造体３４の内部に励起させ、超音波の横波１０を発生させる。
【００３９】
超音波の横波１０は、図９の矢印１１の方向へ進行し、導電性材料の第１層３２の下方表面３３、内部の傷、欠陥、結晶粒界、組織変化等で反射し、矢印１２の方向へ進行する。また導電性材料の第１層３２の下方表面３３及び第２層３６の上方表面３５を通過し第２層３６内へ矢印１１‘の方向へ進行した超音波は、第２層３６の下方表面３７、内部の傷、欠陥、結晶粒界、組織変化等で反射し、矢印１２’の方向へ進行する。
【００４０】
反射した超音波の横波１０が積層構造体３４の上方表面３１付近へ達すると、力１３が発生される。この力１３と静磁場４との相互作用により渦電流１４が発生される。この渦電流１４を検出コイル１５により検出し、プリアンプ１６及び主アンプ１７で増幅し、コントローラ１８へ送る。コントローラ１８は、主アンプ１７から受入れた電流を解析し、導電性材料２の内部の傷、欠陥、結晶粒界、組織変化等を評価する。コントローラ１８のコンピュータ部分１９は、遠隔地に配置され、両者の間が遠隔通信機構２２により接続される。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の方法及び装置は、導電性材料の積層構造体の疲労、クリープ、腐食、応力割れ等の損傷の評価を非接触で診断することができる。本発明においては、積層構造体の厚さ方向全体及び各層毎の損傷評価を積層構造体を分解することなく行うことができるので、診断時間が短く、手数も少ない。また本発明によれば、導電性材料の積層構造体の層を締結するリベット、ボルト等のファスナーの劣化、損傷による締結力の低下を評価することが可能である。また本発明によれば、材料の疲労、クリープ、応力腐食等による亀裂の発生前に損傷を評価することができるので、積層構造体の信頼性を高めることができる。特に、リベット、ボルト等で締結された航空機、船舶、橋梁等の構造物の信頼性を高めることが可能である。
【００４２】
本発明の方法は、電磁超音波探触子を測定される積層構造体に対し非接触状態で配置するので、積層構造体が非平滑表面を有する場合にも測定誤差が小さい利点を有する。またエルボ等の屈曲部を形成する積層構造体の診断においても誤差が小さい利点を有する。本発明において、コントローラのコンピュータ部分が測定される材料から離間した場所又は遠隔地に配置され、両者の間が遠隔通信機構により接続される。この構成により、航空機、船舶、橋梁等の大きな積層構造体の評価を非接触で離間した個所又は遠隔地において診断することが可能であり積層構造体の近くへコンピュータを設置する不都合をなくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】公知の電磁超音波探触子（ＥＭＡＴ）２０の原理を説明する配置図。
【図２】本発明の原理を示す配置図。
【図３】第１層と第２層における第１次から第１５次の共鳴周波数ｆｎを記載した表。
【図４】図４ａ及び図４ｂは積層構造体３４へＥＭＡＴ２０から超音波を加えた場合の反射及び透過された超音波の振幅を示すグラフ。
【図５】図５ａ、図５ｂ及び図５ｃは、それぞれ２ｍｍ厚さの金属板の第１層３２、５ｍｍ厚さの金属板の第２層３６、及び第１層及び第２層を重ね、リベットで結合して成る積層構造体３４について、それぞれの上面ＥＭＡＴ２０を配置し、第１層及び第２層に第１次から第１５次の共鳴周波数を付与する場合の周波数（横軸）ｆｎ（ＭＨｚ）と、それぞれにおいて下方から反射される超音波の振幅Ａの規格化された値を示すグラフ。
【図６】図６ａ、図６ｂ、図６ｃは、超音波の減衰を測定する方法を説明するためのグラフ。
【図７】図７ａは、本発明の評価法に用いられる材料の疲労と超音波の減衰係数及び速度の変化を調べるための試験装置の構成を示す配置図であり、図７ｂは、図７ａの試験装置を使用して得られた減衰係数及び速度の変化のグラフである。
【図８】図８ａは、本発明の評価法に用いられる材料の疲労と超音波の減衰係数及び速度の変化を調べるための試験装置の構成を示す配置図であり、図８ｂは、図８ａの試験装置を使用して得られた減衰係数及び速度の変化のグラフである。
【図９】本発明の実施例の診断装置の配置図である。
【符号の説明】
２：導電性材料、３ａ、３ｂ：永久磁石、４：静磁場、５：ドライバコイル、７：高周波電流、８：渦電流、９：ローレンツ力、１０：超音波（横波）、１７：主アンプ、１８：コントローラ、２０：電磁超音波探触子（ＥＭＡＴ）、３２：第１層、３４：積層構造体、３６：第２層、３８：リベット、２２：遠隔通信機構。
Claims (9)
- 不導電性界面を介して重ねられた導電性材料の積層構造体の損傷状態を診断する方法であって、
積層構造体に対し非接触状態に電磁超音波探触子を配置する工程、
前記電磁超音波探触子により不導電性界面を通過可能な超音波を前記積層構造体の一方の側面から送信する工程、
前記電磁超音波探触子により積層構造体の他方の側面により反射される超音波を受信する工程、及び
受信された超音波の音速及び減衰の変化に基いて前記積層構造体の損傷状態を診断する工程、を含み、
前記不導電性界面を通過可能な超音波は、前記不導電性界面を介して重ねられた導電性材料の複数の層に共通の共鳴周波数の超音波である方法。 - 請求項１の方法であって、損傷状態を診断する工程は積層構造体の厚さ方向全体の損傷状態を診断する工程を含む方法。
- 請求項１の方法であって、更に不導性界面により反射される超音波を前記積層構造体の一方の側面から送信する工程、及び不導電性界面を通過し他方の側面より反射された超音波と不導性界面により反射された超音波の状態を比較し積層構造体の各層毎の損傷状態を診断する工程を含む方法。
- 不導電性界面を介して重ねられ締結部材により締結された導電性材料の積層構造体の締結部材の締結力を診断する方法であって、
積層構造体に対し非接触状態に電磁超音波探触子を配置する工程、
前記電磁超音波探触子により不導電性界面を通過可能な超音波を前記積層構造体の一方の側面から送信する工程、
前記電磁超音波探触子により積層構造体の他方の側面により反射される超音波を受信する工程、及び
受信された超音波の音速及び減衰に基き前記積層構造体の締結部材の締結力を診断する工程、を含み、
前記不導電性界面を通過可能な超音波は、前記不導電性界面を介して重ねられた導電性材料の複数の層に共通の共鳴周波数の超音波である方法。 - 請求項１乃至４のいずれか１項の方法であって、診断する工程はコンピュータソフトを使用して行われる方法。
- 請求項１乃至５のいずれか１項の方法であって、診断する工程は電気信号を診断される積層構造体の部位から離間した個所又は遠隔地へ送信する工程を更に含む方法。
- 不導電性界面を介して重ねられた導電性材料の積層構造体の損傷状態を診断する装置であって、
積層構造体に対し非接触状態に配置される電磁超音波探触子、電磁超音波探触子の作動を制御するコントローラ、及び電磁超音波探触子により得られた電気信号に基き積層構造体の損傷を評価するコンピュータを含み、
前記電磁超音波探触子は不導電性界面を通過して伝播可能な周波数の超音波を前記積層構造体の一方の側面から送信可能であり、且つ積層構造体の他方の側面により反射される超音波を受信可能であり、前記不導電性界面を通過して伝播可能な周波数の超音波は、前記不導電性界面を介して重ねられた導電性材料の複数の層に共通の共鳴周波数の超音波であり、前記コンピュータは受信された超音波の音速及び減衰に基き前記積層構造体の損傷状態を診断する装置。 - 不導電性界面を介して重ねられ締結部材により締結された導電性材料の積層構造体の締結部材の締結力を診断する装置であって、
積層構造体に対し非接触状態に配置される電磁超音波探触子、電磁超音波探触子の作動を制御するコントローラ、及び電磁超音波探触子により得られた電気信号に基き積層構造体の締結部材の締結力を評価するコンピュータを含み、
前記電磁超音波探触子は不導電性界面を通過して伝播可能な周波数の超音波を前記積層構造体の一方の側面から送信可能であり、且つ積層構造体の他方の側面により反射される超音波を受信可能であり、前記不導電性界面を通過して伝播可能な周波数の超音波は、前記不導電性界面を介して重ねられた導電性材料の複数の層に共通の共鳴周波数の超音波であり、前記コンピュータは受信された超音波の音速及び減衰に基き前記積層構造体の締結部材の締結力を診断する装置。 - 更に遠隔送信可能な通信機構を含み、通信機構は電磁超音波探触子により得られた電気信号を診断ソフトを備えるコンピュータへ送信可能である請求項７又は８の装置。
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