JP5443478B2 - レーザー超音波システムを用いたサンプルの分光特性化の方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には、非破壊検査の分野に関する。より具体的には、本発明は、レーザー超音波システムを用いた分光分析の方法およびシステムに関する。

複合材料の生成における最近の発展は、複合材料の使用を様々な用途へと拡大させた。その軽量性に加えて、その高強度および耐久性により、複合材料は、一定の耐荷重構成要素のための基材として、金属および合金に取って代わりつつある。例えば、複合材料は現在、自動車などの車両、船舶および航空機などの車両で車体部品および構造用の材料として一般的に使用されている。しかし、複合材料の機械的完全性を保証するためには、厳しい検査が必要とされる。この検査は典型的には、複合材料製の構成要素の製造時および該構成要素の耐用年数中に定期的に必要とされる。

レーザー超音波は、複合材料製の物体を検査する方法の一例である。該方法は、複合材料の一部にパルス状の発生レーザーを放射することによって、複合材料の表面上に超音波振動を生成する工程が関与する。検出レーザービームは、振動する表面に配向され、表面の振動によって、散乱、反射および位相変調されて、位相変調光を生成する。集光光学機器は、位相変調レーザー光を受け取り、処理を行うためにそれを配向する。処理は典型的には、集光光学機器に連結された干渉計によって実行される。複合材料に関する情報は、位相変調光の処理から確認でき、該情報は、ひび、層間剥離、気孔率、異物（混入物）、剥離、繊維情報の検出を含む。

航空宇宙に使用される部品などの複雑な形状を有する物体にレーザー超音波を使用することの利点の１つは、接触媒質が不要で、形成された複雑さは、なぞり動作を行うロボットなしで検査できることである。レーザー超音波は、ポリマーマトリクス複合材料の検査のために、航空宇宙製造で使用することができる。これらの複合材料は、複数の特性化段階を経てもよい。これらの段階の１つは、レーザー超音波による超音波検査である。製造中のある点において、これらの複合材料は、複合材料の形成に使用される樹脂が適切に硬化されることを確実にするため、化学的に特性化される必要がある。また、正しい樹脂が形成工程内で使用されていることを確認することが重要である。複合材料の化学的特性化は典型的には、赤外線分光実験室分析のために制御サンプルを取得することが関与する。

発生レーザービームを対象面に配向し、発生レーザー波の波長が識別可能な対象面上で超音波変位を生成することと、識別可能なレーザー波の波長に対して、対象面上の変位振幅を測定することと、レーザー波の波長を変えることと、特定のレーザー波長に対する測定された相対超音波信号の振幅と、同じ発生レーザー波の波長に対する周知の組成の相対超音波信号の振幅とを比較することによって、対象面の組成を判定する工程と、を含む材料分析の方法を本明細書で開示される。該分光法は、測定された対象面の変位振幅を用いて、対象面の構造的完全性を評価する工程をさらに含んでいてもよい。対象は、製造された部品でもよく、かつ完成した製品の上に組み付けられてもよい。該方法は、対象に対して、一定の波長の範囲にわたる個々の波長での表面超音波変位振幅を測定することと、個々の波長に対して測定された対象面の変位振幅を相互に関連付ける測定されたデータ配列を形成することと、測定されたデータ配列と、周知の組成の材料に対する変位振幅のデータ配列および個々の波長とを比較して、対象の組成を判定することと、をさらに含むことができる。任意選択で、該方法は、対象面の組成が周知である、変位を生成したレーザー波の波長と相互に関連付けられた対象面の変位の測定された振幅の値の比較データ配列を生成することを含んでいてもよい。測定された変位振幅は、データ配列と比較され、該比較から対象の組成を判定してもよい。測定されたデータ配列は、一定の範囲の周知のレーザー波長にわたって対象面の変位振幅を測定し、次に、測定されたデータ配列を、比較データ配列と比較し、該比較から対象の組成を判定することによって生成されてもよい。完成された製品は、航空機を含んでいてもよい。対象の組成は、樹脂を含んでいてもよく、かつ該方法は、対象面の組成を判定する工程によって樹脂が適切に硬化されることを確実にすることをさらに含んでいてもよく、かつ対象面の組成を判定する工程によって対象内に特定の樹脂が存在することを確認することも含んでいてもよい。

（a)２つ以上の周知の波長で動作するパルス状発生レーザービームを用いて、物体上に超音波変位を発生させることと、（ｂ）各周知の波長で生成された変位振幅を測定することと、（ｃ）各周知の波長および対応する周知の波長で生成された変位振幅を含む測定されたデータ配列を生成することと、（ｄ）測定されたデータ配列と、周知の材料から得られたデータ配列とを比較することと、（ｅ）測定されたデータ配列と、データ配列を比較する工程に基づいて、物体の構成を特定することとによって物体を分析する方法も本明細書で開示される。データ配列は、周知の材料から得られてもよく、かつ一定の波長にわたる発生レーザーを用いて、周知の材料のサンプル内に超音波変位を発生させることと、変位を測定することと、変位とレーザー波長を相互に関連付けることとによって生成されてもよい。周知の材料から得られたデータ配列は、任意の標準的な分光法、ＦＴＩＲ透過または光音響法によって生成されてもよい。物体は、製造された部品でもよいし、および航空機に装着されてもよい。本開示は、発生レーザービームが、対象の物体上に配向され、超音波変位が、発生レーザービームによって対象の物体上に生成され、超音波変位が測定され、発生レーザービームの波長が変化し、さらなる超音波変位が発生レーザービームにより異なるレーザービーム波長で対象の物体上に生成され、さらなる超音波変位が測定され、超音波変位の測定されたデータ配列および発生レーザービームの波長が形成され、測定された超音波変位が、変位を発生させるために使用される発生レーザービームの波長と相互に関連付けられ、測定されたデータ配列が、周知の材料のデータ配列と比較され、対象の物体の材料が、比較の工程に基づいて識別され、対象の物体内の欠陥が、超音波変位を分析することによって検出される、対象の物体の超音波検査の方法をさらに含む。これらの工程は、発生レーザー光によって対象の物体の相当な量を走査することによって達成されてもよい。対象の物体は、製品内に組み込まれる部品であってもよい。

本発明の特徴および利点の一部についてはこれまで述べてきたが、その他は、添付の図面と併せて考慮する場合に説明が進むにつれて明らかになるであろう。
また、本発明は、好適な実施形態と関連付けて説明されるが、本発明がその実施形態に制限されることを意図しないことが理解されるであろう。逆に、添付の請求項により定義されるように、本発明の精神および範囲内に含まれ得るように、すべての代替物、改変および均等物を包含することを意図する。

超音波検査システムの斜視図である。 測定された光学的深さと複合材料の変位振幅とを比較するグラフのプロットである。 測定された光学的深さと複合材料の変位振幅とを比較するグラフのプロットである。 測定された光学的深さと複合材料の変位振幅とを比較するグラフのプロットである。

添付の図面を参照して、以下に、本発明についてより完全に説明される。その図面では、本発明の実施形態が示される。しかし、本発明は、多くの異なった形態で実施されてもよく、本明細書に説明される実施形態に限定されるものと解釈されるべきではなく、むしろこれらの実施形態は、本開示が完全なものとなるように、また当業者に本発明の範囲を完全に伝えるために提供されるものである。全体と通して同様な参照符号は、同様な要素を参照する。添付の図面の参照の便宜上、参照および図示のためだけに、方向用語が使用される。例えば、「上」、「下」、「上方」、「下方」などの方向用語は、関係位置を示すために使用されている。

本発明は、改変および均等物が当業者にとって明らかとなるように、図示および開示される構造、運用、正確な材料または実施形態の厳密な詳細に制限されるものではないことが理解される。図面および明細書において、本発明の例示的な実施形態が開示され、特定の用語が使用されているが、それらは単に総括的にかつ説明的な意味に使用されているのみで、制限する目的ではない。従って、本発明は、添付の請求項の範囲によってのみ制限される。

図１は、レーザー超音波検出システム１０の一実施形態を示す側面斜視図である。検出システム１０は、発生ビーム１４を放出するよう形成され、検査対象１５に配向されるレーザー超音波ユニット１２を備える。発生ビーム１４は、検査面１６上の検査対象１５に接触する。発生ビーム１４は熱弾性的に、検査面１６を拡張し、検査面１６上で対応する波変位１８を生成する。１つの実施形態では、発生ビーム１４は、検査面１６上に超音波変位１８を生成するよう構成されたパルス状のレーザーである。レーザー超音波ユニット１２から発せられる検出ビーム２０についても図示し、発生ビーム１４周辺で同軸上に示される。同じレーザー超音波ユニット１２から発せられるが、検出ビームおよび発生ビーム（１４、２０）は、異なる光源から発生される。しかし、検出ビーム２０は、任意選択的に、異なる場所だけでなく、異なるユニットから発せられてもよい。周知のように、検出ビーム２０は、位相変調光２１を形成するために超音波変位１８との接触時に、散乱、反射および位相変調される検出波を含む。検出ビーム２０からの位相変調光２１は、次に集光光学機器２３によって受光され、検査対象１５に関する情報を判定するために処理される。発生ビームおよび検出ビーム（１４、２０）は、面全体１６に関する情報を取得するために、対象１５を横切って走査されてもよい。該ビーム（１４、２０）を走査するために使用される機構（不図示）は、レーザー超音波ユニット１２内に収納されてもよい。該機構を制御し、任意選択的に集光光学機器によって記録されたデータを処理するプロセッサー（不図示）も、レーザー超音波ユニット１２内に収納されてもよい。集光光学機器２３は、レーザー超音波ユニット１２から分離され、矢印Ａを通じてレーザー超音波ユニット１２と連通して図示される。しかし、該集光光学機器は、レーザー超音波ユニット１２に含まれていてもよい。

レーザー超音波検査システムを用いて、対象の物体において欠陥の有無を超音波により検査し、該レーザー超音波検査システムを使用して、分光的な対象の物体の特性化も行う方法が、本明細書で開示される。本発明の１つの実施形態において、発生ビームは、レーザー超音波システムによって形成され、対象の表面上に熱弾性膨張を生成させるよう、対象の物体に配向される。超音波変位は、熱弾性膨張に応じて、対象面に生成される。超音波変位の振幅は、一定の超音波の波長において、発生レーザービームの対象面への光透過深さに正比例することが判明している。光透過深さは、対象の光吸収の逆数である。従って、発生レーザービームの光波長を変えることによって、発生ビームの一定の波長範囲にわたって対象の材料の吸収帯を観察することが可能である。

本明細書で説明される方法の１つの実施形態において、図１に示すレーザー超音波源１２からのレーザービームなど、発生レーザービームは、対象１５に配向され、対象面１６上で超音波変位１８を生成する。超音波変位１８の振幅は、上記のように、検出レーザービームによって測定されてもよい。発生レーザービーム１４の波長は、識別可能であるべきである。つまり、該波長は、表面の超音波変位を生成する際に知られ、計算でき、あるいは判別できる。対象１５の材料は、測定された表面変位１８と、表面変位１８を生成するために使用された発生ビーム１４の波長とを相互に関連付けることによって識別できる。変位および波長の値は、前に記録された、またはそうでない場合は、取得されたプロットまたは周知の材料の対応する変位振幅および発生ビームの波長のデータ配列と比較できる。従って、測定された相対振幅および波長の値を、周知の材料の基準となる相対振幅および波長の値と照合することによって、対象の材料および／または組成は、判定可能となる。本方法の１つの実施形態において、１つの検査物体の材料を識別するために、対応する発生ビームの波長による変位振幅の単一の測定が使用される。

１つの光学的実施形態において、検出ビームの波長は、一定のスペクトル領域にわたって、および超音波変位が物体で生成される範囲に沿った個々の点において変化する。個の波長のそれぞれにおける変位の値は、測定され、変位を生成するのに使用される発生ビームの波長に対して相互に関連付けられる。測定された変位の値および個々の波長の値は、測定された値をデータ配列に投入するのに使用される。同様に、測定されたデータ配列は、発生ビームの波長およびそれによって対象の材料を識別するための周知の材料（単数または複数）の対応する変位を含むデータ配列と比較および照合することができる。本方法の別の実施形態においては、対応する発生ビームの波長を有する２つの変位振幅の測定値は、検査物体の材料を識別するのに使用される。本方法のさらに別の実施形態においては、対応する発生光の波長を有する３つ以上の変位振幅の測定値が、検査物体の材料を識別するのに使用される。本方法のさらに別の実施形態においては、対応する発生光の波長を有する複数の変位振幅の測定値は、検査物体の材料を識別するのに使用され、発生ビームの波長のスペクトル範囲は、約０．１ミクロン〜約２０ミクロン、任意選択的に、約０．５ミクロン〜約１５ミクロン、任意選択的に、約１ミクロン〜約１０ミクロン、任意選択的に、約２ミクロン〜約８ミクロン、任意選択的に、約２．５ミクロン〜約７．５ミクロン、および任意選択的に、約３ミクロン〜約４ミクロンとなる。別の実施形態においては、連続する発生ビームの波長間の増分は、約０．０１ミクロンまたは約３ミクロン、またはこの間の任意の値であってもよい。任意選択的に、連続する波長の値は変化してもよい。

本方法を使用する多くの利点の１つは、本明細書で説明される分光分析を、特定の部品から採取したサンプルの代わりに製造され、実験室で分析された部品上で実行し得る点である。さらに、本明細書で説明される分光分析は、該部品が完成された製品に装着されている場合にも使用できる。任意選択的に、本方法は、その耐用年数中に、つまり、使用開始後に完成された製品において使用されてもよい。例えば、該分光分析は、航空機の部品に対して、その航空機への組立前に、部品の受入検査中に行うことができる。同様に、航空機への装着後、航空機の受入前、または航空機の使用開始後であってその部品またはその航空機の耐用年数中に、該分光分析を用いて、部品を分析することができる。

しかし、本方法は、航空機を含む完成された製品に限定されず、２つ以上の部品を含むあらゆる製品を含むことができることに注目すべきである。加えて、レーザー超音波システムは、アクセスが困難な場所にある部品や部品の一部の分光分析を提供するのに使用しうる。本方法は、製造された部品などの対象の物体の組成を決定しうるだけでなく、物体の形成工程が正しく行われたかを決定するのに使用しうる。例えば、部品が複合物である場合、または樹脂製品からなる場合、樹脂などの複合構成要素が適切に処理または硬化されたかどうかを決定できうる。また、特定の、または目的とする構成要素が完成された製品の形成に使用されたかを決定することもできる。該分析は、また塗面などの塗装膜が物体に塗布されたか、適切な塗装膜が表面に塗布されたか、および適切に塗布されたかを決定しうる。

今度は図２を参照すると、この図は、透過深さおよび変位を生成するのに使用される光源の光透過深さおよび超音波振幅変位（縦座標）対光波長（横座標）の比較を示す。さらに具体的には、図２は、黒鉛エポキシサンプルを検査中に記録された実際のデータを反映するプロット２２を示す。プロット２２は、超音波変位を生成した発生ビームの波長に相互に関連付けられた黒鉛エポキシサンプルの超音波変位の測定された振幅を表す一連の点２４を含む。測定された光深さは、光音響評価によって得られ、線２６によって表される。測定された光深さおよび波長の単位はいずれもミクロンである。図２において、超音波変位振幅の値は、測定された振幅と光透過深さとの間の比例関係を明示するために正規化された。図２において、絶対値は、変位応答を示し、線２６および一連の点２４の相対形状は、対象の材料を識別するために使用しうる。さらに、制限された点を、測定に使用することができる。例えば、２つの所与の波長で測定された超音波振幅の比率は、対象の材料または硬化の度合いなどの特定の特性のいずれかを識別するために使用することができる。

従って、周知の複合材料の記録された光深さのデータは、測定された超音波変位の値および対応する発生ビームの波長から、材料を識別するための有効な比較基準を提供する。上記の通り、材料に関する識別は、材料の組成に限定されず、材料が適切に処理されている場合は、塗装膜、および材料内の組成の割合も含む。

図３もまた、発生ビームにより生成された測定された振幅変位を表す正規化された点３０と測定された光深さを反映する対応する線３２とを比較するプロット２８を示す。この例では、材料は、黒鉛ＢＭＩサンプルであった。図４もまた、所与の波長にわたって測定された光深さと、正規化された振幅データとを比較する。図４の例においては、物体は、塗装された黒鉛エポキシサンプルを含む。

図２〜４において、周知の分光技法、光音響、および２．５ＭＨｚでのレーザー超音波測定間の比較が表されている。光音響測定は、実験室において、複合部品から切り取られた、直径５ミリメートルの小さいサンプルに対して行われた。レーザー超音波測定は、複合部品自体に対して直接行われた。レーザー超音波測定は、波長を３．０ミクロンと３．５ミクロンとの間で調整可能な光学パラメーター式発振器を搭載したレーザー超音波システムにより得られた。この波長範囲は、Ｃ−Ｈ分子結合のストレッチモードに対応する。図２〜４は、超音波変位および材料内での光深さ間の比例関係を明示し、それによって、本方法を用いた材料分析の別の利点を示す。結果は、レーザー超音波測定が、異なる種類の材料間の簡単な区別を可能とすることも示す。

より完璧な分析は、２．５ＭＨｚ以外のいくつかの周波数において、超音波振幅を使用することができる。従って、本方法は、２．５ＭＨｚでの測定に限定されない。いくつかの超音波周波数またはブロードバンド超音波信号（より複雑ではあるが）の使用は、本明細書で開示される方法の範囲内に含まれる。

本方法の別の利点は、レーザー超音波検出システムが、欠陥条件の存在、および気孔率、異物、層間剥離、気孔率、異物（混入物）、剥離、ひび、および繊維配向および繊維密度などの繊維特性、部品の厚さ、およびバルクの機械的特性などのその他の一般的な材料特性を分析するのと同時に、対象の分光分析を実行することができることである。時間および資本の節約に加え、検査クーポンまたは制御サンプルの代わりに、物体自体に分析が実行されるため、より代表的な分光分析が達成可能である。上記の通り、走査は、製造された部品自体、より大きい完成された製品に装着された部品、または完成した組み立てられた完成された製品全般に対して実行することができる。

発生ビームの波長の変更は、いくつかの方法で達成しうる。例えば、光学パラメトリック発振器は、所望の化学的識別を実行するのに十分な範囲にわたる発生レーザー波長を変更する能力を提供するために含むことができる。限られた数の異なる波長のみが必要とされる場合、ラーマンセル、ブリルアンセル、多波長レーザー、または複数のレーザーなどの装置を使用することが可能である。２つ以上の波長へのアクセスを付与する任意の装置またはシステムは、本明細書で説明される方法の１つの実施形態として考慮すべきである。

したがって、本明細書で開示される本発明は、その中に特有のその他のもの以外に、目標を実行し、上記の結果および利点を得るのによく適合される。本発明の現時点で好適な実施形態の１つを、開示の目的のために示してきたが、目的とする結果を達成するための手順の詳細において、多くの変更が存在する。これらおよびその他類似した改造は、それ自体を当業者に容易に示唆し、本明細書で開示される本発明の精神および添付の特許請求の範囲内に包含されることが意図される。

Claims (14)

1. 検査対象の材料を分析する方法であって
   （ａ）発生されたレーザービームを前記検査対象の一部分に放射することによって、該一部分の表面に超音波変位を生じさせるステップと、
   （ｂ）前記発生されたレーザービームの波長を変化させ、該変更されたレーザービームを前記検査対象の前記一部分に放射することによって、該一部分の表面に超音波変位を生じさせるステップと、
   （ｃ）前記ステップ（ａ）及び（ｂ）において生じた超音波変位の変位振幅を測定するステップと、
   （ｄ）前記ステップ（ｃ）において測定されたそれぞれの超音波振幅と、前記発生されたレーザービームの波長との関係を表すプロットを形成するステップと、
   （ｅ）発生されたレーザービームの波長と、既知の組成の対象に対して該生成されたレーザービームを放射することによって得られた超音波変位との関係を表すプロットを提供するステップと、
   （ｆ）ステップ（ｄ）及び（ｅ）において得られたプロットを対比することによって、前記検査対象物の組成を判定するステップと
   を含んでいることを特徴とする方法。
2. 請求項１記載の方法において、該方法はさらに、前記ステップ（ａ）及び（ｂ）で得られた超音波変位を測定することによって、前記検査対象の構造的完全性を評価するステップを含んでいることを特徴とする方法。
3. 請求項１又は２記載の方法において、前記検査対象は、製造された部品であることを特徴とする方法。
4. 請求項１又は２記載の方法において、前記検査対象は、完成製品上に組み立てられる製造された部品であることを特徴とする方法。
5. 請求項１〜４いずれかに記載の方法において、該方法はさらに、
   前記ステップ（ａ）及び（ｂ）で得られた超音波変位を測定し、それに基づいて、前記一部分の表面の光学的深さを推定し、前記生成されたレーザービームの波長と推定された光学的深さとの関係を表すプロットを形成し、該プロットと前記ステップ（ｄ）において得られたプロットとを組み合わせるステップ
   を含んでいることを特徴とする方法。
6. 請求項１〜５いずれかに記載の方法において、該方法はさらに、
   既知の組成を有する検査対象の表面の超音波変位の変位振幅の値からなる対比データ配列を形成するステップであって、該変位振幅は、当該超音波変位を生じたレーザー波の波長に相関していることを特徴とする方法。
7. 対象物を分析する方法であって、
   （ａ）２つ以上の既知の波長で動作するパルス状の発生レーザービームを用いて、前記物体の一部分上に超音波変位を生じさせるステップと、
   （ｂ）前記既知の波長それぞれで発生された、前記物体の一部分上の前記超音波変位の変位振幅を測定するステップと、
   （ｃ）前記既知の波長それぞれと、該既知の波長で発生された前記変位振幅とを含む測定されたデータ配列を生成するステップと、
   （ｄ）前記測定されたデータ配列を、既知の材料から得られたデータ配列と比較するステップであって、データ配列は、超音波変位と、該超音波変位を生成するために用いられた生成レーザービームの波長とを含んでいる、ステップと、
   （ｅ）前記測定されたデータ配列と、前記ステップ（ｄ）の比較結果に基づいて、前記物体の組成を識別するステップと
   を含むことを特徴とする方法。
8. 請求項７記載の方法において、前記既知の材料から得られた前記データ配列は、波長の所定範囲にわたる発生レーザービームを用いて、前記既知の材料のサンプル内に超音波変位を発生させ、前記超音波変位を測定し、得られた前記超音波変位を前記レーザービームの波長と相互に関連付けることによって生成されることを特徴とする方法。
9. 請求項７又は８記載の方法において、前記既知の材料から得られた前記データ配列は、実験室の分光学的評価によって生成されることを特徴とする方法。
10. 請求項７〜９いずれかに記載の方法において、前記物体は、製造された部品であることを特徴とする方法。
11. 請求項１０記載の方法において、前記製造された部品は、航空機に装着された製造された部品であることを特徴とする方法。
12. 対象物体の超音波検査の方法であって、
    前記対象物体上に発生レーザービームを接触させるステップと、
    前記発生レーザービームによって、前記対象物体上に超音波変位を発生させるステップと、
    前記超音波変位を測定するステップと、
    前記発生レーザービームの波長を変更するステップと、
    異なる波長の発生レーザービームによって、前記対象物体上に別の超音波変位を発生させるステップと、
    前記別の超音波変位を測定するステップと、
    超音波変位と発生レーザービームの波長とを含む測定されたデータ配列を形成するステップと、
    測定された前記超音波変位を、該変位を発生させるのに使用された前記発生レーザービームの波長と相互に関連付けるステップと、
    前記測定されたデータ配列を、既知の材料に関するデータ配列と比較するステップと、
    前記比較するステップにおける比較結果に基づいて、前記対象物体の材料を判定するステップと、
    前記超音波変位を分析することによって、前記対象物体内の欠陥を検出するステップと
    を備えていることを特徴とする方法。
13. 請求項１２記載の方法において、該方法はさらに、前記発生レーザービームによって、前記対象物体のほぼ全体を走査するステップを含んでいることを特徴とする方法。
14. 請求項１２又は１３記載の方法において、前記対象物体は、完成した製品に組み立てられる部品を含むことを特徴とする方法。

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