超音波弾性係数計算およびイメージングの方法
【課題】 物品の表面全体にまたがって弾性率を判定可能な非破壊試験方法を提供する
【解決手段】物品弾性係数を表すイメージを生成する本方法は、超音波の音波を利用して測定用サンプル上の点で飛行時間値を測定する段階と、点の位置を測定する段階と、測定用サンプルの厚さ値を計算する段階と、飛行時間値および厚さ値を利用して速度値を計算する段階と、測定用サンプルの密度値を計算する段階と、測定用サンプルのポアソン比を計算する段階と、速度値、密度値、およびポアソン比値を利用して弾性係数値を計算する段階と、イメージ上で弾性係数値にグレイの陰影または色を割り当てる段階と、点の位置および陰影を付けられたまたは色を付けられた弾性係数値を利用してイメージを構成する段階とを含む。
【解決手段】物品弾性係数を表すイメージを生成する本方法は、超音波の音波を利用して測定用サンプル上の点で飛行時間値を測定する段階と、点の位置を測定する段階と、測定用サンプルの厚さ値を計算する段階と、飛行時間値および厚さ値を利用して速度値を計算する段階と、測定用サンプルの密度値を計算する段階と、測定用サンプルのポアソン比を計算する段階と、速度値、密度値、およびポアソン比値を利用して弾性係数値を計算する段階と、イメージ上で弾性係数値にグレイの陰影または色を割り当てる段階と、点の位置および陰影を付けられたまたは色を付けられた弾性係数値を利用してイメージを構成する段階とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、全般的に、非破壊弾性係数測定およびそのイメージ構成の装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
製造された物品の機械的特性の判定は、新しい物品および構成物の性能および応用分野を予測し、既存のプロセスおよび／または製造品の一貫した品質を保証するのに有用である。評価できるそのような特性の１つが、弾性率（すなわち、ヤング率、弾性係数）である。弾性率は、材料の相対的な剛性の基準、より具体的には、ひずみに関する応力の変化の割合の基準である。
【０００３】
構成物または物品の弾性率（Ｅ）を判定する１つの方法が、引張試験を介することである。引張試験に、まず、既知の寸法のサンプルを上側の移動するジョーと最下部の静止ジョーとの間に固定することが含まれ、これらのジョーは、その間の既知の距離に配置される。固定されたならば、上側ジョーを最下部ジョーから離れる方向に進めることができ、これによって、試験物品に対する引張力が生成される。結果の応力が、生成されたひずみに関してプロットされ、ここで、弾性率は、このグラフの傾きと等しい。この原理を、下の式に示す。
【０００４】
Ｅ＝応力／ひずみ＝（Ｆ/Ａ）／（ｄ/ｌ）
ただし
Ｅ＝弾性率
Ｆ＝測定された力
Ａ＝面積
ｄ＝伸びの長さ
ｌ＝元の長さ 。
【０００５】
引張試験を利用して、物品の弾性率を計算することができるが、この試験は破壊的であり、これは、製造業者に利益の損失を提示する可能性がある。さらに、引張試験は、物品にまたがる弾性率の変化を予測することができるのではなく、引張試験は、物品の全体的な特性の測定である。
【０００６】
その結果、製造業者は、破壊的機械的試験の必要なしに物品の機械的特性を試験する方法を望み、さらに、物品の表面全体にまたがって弾性率を判定する忠実度を含む試験方法を望む。
【特許文献１】米国特許第６８５６１７５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本明細書では、物品の弾性率を非破壊的に判定する装置および方法を開示する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一実施形態で、超音波測定装置は、超音波トランスデューサおよびＸ−Ｙヘッドを含むスキャン装置と、コンピュータとを含む。超音波トランスデューサは、超音波の音波の飛行時間を測定することができ、コンピュータは、超音波トランスデューサおよびＸ−Ｙヘッドに機能的に通信可能に接続される。超音波トランスデューサとの接続は、コンピュータに飛行時間データを供給することができ、Ｘ−Ｙヘッドとの接続は、コンピュータに位置データを供給することができる。コンピュータは、飛行時間データおよび位置データを利用して弾性係数値を計算することができる。相対運動を、超音波トランスデューサとサンプルとの間で作成することができる。
【０００９】
一実施形態で、弾性係数値を計算する方法は、超音波の音波を利用してサンプル上の点の飛行時間を測定することであって、サンプルが、厚さ、ポアソン比、および密度を有する、測定することと、飛行時間および厚さを利用して超音波の音波の速度を計算することと、速度、密度、およびポアソン比を利用して点の弾性係数を判定することとを含む。
【００１０】
もう１つの実施形態で、物品のイメージを生成する方法は、超音波の音波を利用してサンプル上の点で飛行時間を測定することであって、サンプルが、ポアソン比および密度を有する、測定することと、点の位置を判定することと、点での測定用サンプルの点厚さを判定することと、飛行時間および点厚さを利用して速度を計算することと、速度、密度、およびポアソン比を利用して点弾性係数を判定することと、点弾性係数に色を割り当てることと、点の位置および色を利用して弾性係数イメージを作成することとを含む。
【００１１】
上で説明した特徴および他の特徴を、次の図面および詳細な説明によって例示する。
【００１２】
本特許または出願書に、カラーで制作された少なくとも１つの図面が含まれる。カラー図面を伴う本特許または特許出願公告のコピーは、必要な料金の受取および支払いの際に特許局によって提供される。
【００１３】
これから図面を参照するが、図面は、例示的実施形態であり、図面では、類似する要素に同様の番号が付けられている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本明細書での範囲は、両端を含み、独立に組み合わせ可能である（たとえば、「約２５重量％まで、約５重量％から約２０重量％が望ましい」は、両端の点を含み、「約５重量％から約２５重量％まで」の範囲のすべての中間の値を含むなどである）。本明細書の単語「第１」、「第２」などは、順序、量、または重要性を示すのではなく、ある要素を別の要素と区別するのに使用され、本明細において数詞が無いこと又は「ひとつの」は量の限定を示すのではなく、少なくとも１つの言及された項目の存在を示す。量と共に使用される修飾子「約」は、述べられた値を含み、文脈によって規定される意味を有する（すなわち、特定の量の測定に関連する度合の誤差を含む）。また、単語「前」、「後」、「最下部」、および／または「最上部」は、そうでないと注記されない限り、本明細書では、単に、記述の便宜のために使用され、１つの位置または空間的方位に限定されない。本明細書で使用される接尾辞「（ｓ）」は、それが修飾する単語の単数と複数の両方を含み、これによって、１つまたは複数のその単語を含むことが意図されている（たとえば、ｍｅｔａｌ（ｓ）は、１つまたは複数のｍｅｔａｌを含む）。
【００１５】
本明細書では、物品表面上の複数の点について物品の弾性率を計算するために材料特性データと組み合わせることができるデータを生成するのに超音波測定方法を使用することによって、製造業者の満足されていない必要を満足する方法を開示する。その後、弾性率データを利用して、視覚的分析のために物品の弾性率のイメージを生成することができる。
【００１６】
超音波の音波（２０キロヘルツ超）を超音波イメージング、超音波深さ測定、および超音波流量測定に使用することができる。たとえば、厚さ測定応用例では、音波が物品の質量を介して移動し、物品の反対側で反射し、発生点まで戻るのに必要な時間を利用して、その物品の厚さを計算することができる。この時間を、信号の「飛行時間」と呼ぶこともできる。厚さ計算は、時間（ｔ）および速度（Ｖ）を使用して、式Ｉに示されるように厚さ（Ｔ）を計算する。
【００１７】
Ｔ＝（Ｖｔ／２） （Ｉ）
ただし
Ｔ＝厚さ
Ｖ＝速度
ｔ＝時間 。
【００１８】
時間（ｔ）を測定するために、超音波トランスデューサを使用することができ、超音波トランスデューサは、超音波を発し、反射された信号を感知することができる。超音波トランスデューサは、直接接触システムおよび間接接触システムで使用することができる。直接接触システムでは、超音波トランスデューサが、試験片の１表面に直接に接触して配置され、音波が、物品の表面に直接に放たれる。直接接触システムは、パイプの厚さ測定など、多数の応用例で使用することができる。直接接触トランスデューサは、遅延線を使用することもでき、この遅延線は、薄い壁厚さを含む物品を測定するように設計された応用例で利用される。遅延線トランスデューサに、トランスデューサ要素と物品との間に置くことができる遅延要素が含まれ、この遅延要素は、最初の信号と反射された信号との間の遅延を増やす。遅延要素に、高分子、セラミック、金属、および類似物などの材料ならびに次のうちの少なくとも１つを含む組合せを含めることができる。非直接接触システムでは、超音波トランスデューサが、試験片からある距離に配置され、物品がその中に置かれる伝導媒体と接触する。伝導媒体は、超音波トランスデューサから放たれた音波を部品に伝えることができ、反射された信号を超音波トランスデューサに伝えることができる。空気が、悪い超音波伝導を示すことに留意されたい。
【００１９】
超音波送信器が、音波の飛行時間を判定したならば、信号の速度を利用して、厚さが判定される。速度（Ｖ）値は、超音波測定装置の較正を介して生成される。速度を較正する目的は、超音波信号が物品内を進む速度が、複数の変数（たとえば、密度、剛性、温度）に関して変化するからである。したがって、較正は、速度測定の正確さを高め、したがって厚さ計算の正確さを高めることができる。
【００２０】
物品の視覚的イメージを構成するのに利用できる複数の超音波厚さ測定を生成するように、装置を構成することができる。これは、製造された物品の視覚的検査を可能にするのに有益である可能性がある。物品の厚さのイメージは、物品の表面にまたがって超音波トランスデューサを平行移動する（たとえば、複数のトランスデューサをスキャンする）ことによって構成することができる。トランスデューサが物品の表面を平行移動する（たとえば、スキャンする）時に、複数の超音波飛行時間測定を、物品の表面にまたがる複数の点で行うことができる。超音波データが収集され、各点のめいめいの位置を利用して、測定が行われた点ごとに厚さ測定値を計算することができる。次に、さまざまな厚さに、物品のイメージ（たとえば、グレイスケールイメージ、ラスタカラーイメージ）を組み立てるのに利用できるグレイの陰影または色を割り当てることができる。たとえば、例示的な厚さ測定応用例では、集積回路基板の厚さを、回路基板上面にまたがって判定することができる。この実施形態では、超音波測定を、次の点から０．１０ミリメートル離れた点を含む複数の行で測定することができる。超音波測定値を、超音波測定の位置に対応するデータと共に保存することができる。次に、超音波測定値を利用して、各点の厚さを計算することができる。点ごとに厚さを計算した後に、イメージを作成することができる。イメージは、まず、グレイの陰影または色（たとえば、明るい陰影または色が薄い厚さに対応することができ、暗い陰影または暗い色がより厚い壁厚さに対応することができる）を各点の厚さ値に割り当てることによって作成される。次に、陰影または色を付けられた点を、イメージに組み立てることができ、ここで、陰影または色を付けられた点のそれぞれが、１画素に対応する。次に、結果のイメージを、厚さの異常が存在するかどうかの評価、欠陥の位置が許容できるか否か、異常な厚さの傾向の評価、ならびにトラブルシューティングおよび／またはプロセスの改善に必要な情報のためなど、検査目的に利用することができる。
【００２１】
物品の厚さのイメージングに関して、製造業者および／または研究者が物品の弾性率の視覚的イメージを作成する能力を有することが望ましいことが想定されている。この能力は、物品の弾性率の異常の存在を評価し、欠陥の位置を分析し、傾向を評価し、トラブルシューティングを行うなどの能力を製造業者および／または研究者に与える。視覚的イメージングは、破壊試験をも減らし、したがって浪費を減らす。たとえば、引張試験を使用して、製造された物品の弾性率を計算することができる。しかし、多数の製造された商品を破壊的に試験するコストは、製造利益を減らす可能性がある。したがって、超音波トランスデューサを、物品の表面をスキャンするのに利用して、他の材料特性データと共に使用できる飛行時間データを生成して、物品の表面にまたがる複数の点での弾性率を計算することができる。このデータは、物品の表面にまたがる、その物品の率の視覚的イメージの構成を可能にする。
【００２２】
弾性率は、式ＩＩに従って計算することができる。
【００２３】
Ｅ＝Ｖ２ρ［（１＋μ）（１−２μ）／（１−μ）］ （ＩＩ）
ただし
Ｅ＝弾性率
Ｖ＝速度
ρ＝密度
μ＝ポアソン比 。
【００２４】
この式では、音が進む速度の値（Ｖ）、密度（ρ）、およびポアソン比（μ）が、弾性率（Ｅ）を計算するのに使用される。均一の厚さ（Ｔ）を含む物品について、物品の密度は、式ＩＩＩに示されたものなど、複数の方法によって判定することができる。
【００２５】
ρ＝ｍ／Ｖ （ＩＩＩ）
ただし
ρ＝密度
ｍ＝質量
Ｖ＝体積 。
【００２６】
次に、ポアソン比は、物品のサンプルに対して、引張試験など、機械的試験を行うことによって計算することができる。ポアソン比（μ）は、式ＩＶによって計算することができる。
【００２７】
μ＝（Δｌ/ｌ）／（Δｗ/ｗ） （ＩＶ）
ただし
μ＝ポアソン比
Δｌ＝長さの変化
ｌ＝長さ
Δｗ＝幅の変化
ｗ＝幅 。
【００２８】
さらに、ポアソン比（μ）は、サンプルに対する機械的試験を行い、応力対ひずみのグラフを作成し（ここで、結果の曲線の傾きは弾性率と等しい）、その弾性率値を使用してポアソン比（μ）について式ＩＩを解くことによって判定することができる。
【００２９】
密度およびポアソン比を計算したならば、物品を超音波トランスデューサによってスキャンして、物品の表面にまたがる点の飛行時間（ｔ）を生成することができる。各時間値は、下の式（Ｖ）に示されているように、物品の既知の厚さを利用して速度（Ｖ）について式（Ｉ）を解くことによって、各点の速度（Ｖ）を計算するのに使用することができる。
【００３０】
Ｖ＝２Ｔ／ｔ （Ｖ）
ただし
Ｖ＝速度
Ｔ＝厚さ
ｔ＝時間 。
【００３１】
速度、密度、およびポアソン比がわかったならば、弾性率を、測定された各点で計算することができる。次に、弾性率データに陰影または色を割り当てることができ、視覚的イメージ（たとえば、グレイスケールイメージ、ラスタイメージなど）を、物品の弾性係数の視覚的表現として作成することができる。
【００３２】
既知の厚さを含む物品の弾性係数の計算およびイメージングのプロセスに似て、このプロセスを行って、不均一な厚さを含む物品の弾性率イメージを生成することもできる。この方法では、音が進む速度（Ｖ）、密度（ρ）、およびポアソン比（μ）が、やはり、式ＩＩに従って弾性率（Ｅ）を判定するのに使用される。より具体的には、密度およびポアソン比が、上で開示したものに類似する方法を利用して計算される（たとえば、密度は、式ＩＩＩを利用して計算することができ、ポアソン比は、引張試験などの機械的試験を行い、式ＩＶに従って利用することによって計算することができる）。しかし、弾性率を計算するために、超音波の速度が使用される。式（Ｖ）に示されているように、速度を判定するために、厚さおよび飛行時間が使用される。したがって、厚さは、飛行時間が各点について測定される前にまたはそれと同時に判定される。
【００３３】
厚さは、光学的測定方法（たとえば、コンパレータ）、磁力測定システム（たとえば、ローリングボール（ｒｏｌｌｉｎｇ ｂａｌｌ））、手動測定方法（たとえば、カリパス、マイクロメータ）、渦電流法、磁気誘導法、および類似物などであるがこれらに限定されない任意の方法を利用して判定することができる。たとえば、装置に、超音波トランスデューサと、非超音波厚さ測定システムとを含めることができる。この超音波トランスデューサは、物品を通る超音波の飛行時間を判定できるものとすることができ、この厚さ測定システムに、表面の厚さを測定する上側および下側の表面プローブ（たとえば、カリパス）を含めることができる。さらに、この例示的装置は、システムと物品の間の相対運動を作ることができ（たとえば、超音波トランスデューサおよび厚さ測定システムを物品の表面にまたがって平行移動することができ）、物品の表面にまたがって複数の点で飛行時間および厚さを測定できるものとすることができる。次に、超音波飛行時間データおよび厚さデータを利用して、超音波の速度を計算し、次に、この速度を使用して、各点の弾性率を計算することができる。次に、弾性率データに、厚さを表すグレイの陰影を割り当てることができ（たとえば、比較的薄い部分により明るい陰影、比較的厚い部分により暗い陰影）、測定された各点に、そのデータから生成される視覚的イメージ内の１画素または画素のグループを含めることができる。
【００３４】
弾性率データに基づいてイメージを計算し、生成できる装置は、プロセッサ、コンピュータなどであるがこれらに限定されない任意の装置とすることができ、メモリ、ストレージ、レジスタ、タイミング、割込み、通信インターフェース、入出力信号インターフェースなど、ならびに前述の少なくとも１つを含む組合せを使用することができる。さらに、この装置に、パルサおよび／または受信信号条件付け基板を含む、さまざまなセンサからのそのような信号の獲得の正確なサンプリングおよび変換を可能にする入力信号処理機能および入力信号フィルタリング機能を含めることができる。たとえば、この装置と共に動作することのできる信号を作ることができる超音波トランスデューサ、厚さ測定システム、および類似物を使用することができる。
【００３５】
さまざまな超音波トランスデューサを使用することができる。たとえば、超音波トランスデューサ要素のアレイを使用して、超音波ビームを送り、その後、物品から反射されたビームを受け取ることができる。そのようなスキャンは、一連の測定を含み、この測定では、焦点を合わされた超音波が送られ、システムが短い時間間隔の後に受信モードに切り替え、反射された超音波が受け取られる。送信および受信は、音響ビームまたは走査線に沿った一連の点からデータを獲得するために各測定中に同一方向で焦点を合わせることができ、受信器は、反射された超音波が受け取られる時に走査線に沿った一連の範囲で動的に焦点を合わせることができる。
【００３６】
任意選択で、高電圧構成要素を送信回路に含めて、個々の超音波トランスデューサ要素を駆動することができ、低電圧高密度ディジタル論理回路を使用して、高電圧ドライバに送信信号を供給することができる。高電圧ドライバは、通常、約１００ボルトまでの電圧で動作し、低電圧論理回路は、ＴＴＬ論理の場合に５ボルト程度の動作電圧を有する。高電圧ドライバは、ディスクリート構成要素としてまたは集積回路として製造することができ、低電圧論理回路は、別々の集積回路としてまたは単一チップ上で高電圧回路と組み合わせて製造することができる。高電圧ドライバおよび低電圧論理回路を含む送信回路に加えて、トランスデューサヘッドに、低雑音低電圧アナログ受信回路を含めることができる。低電圧受信回路は、送信論理回路に似て、通常、５ボルト程度の動作電圧を有し、別々の集積回路とすることができ、あるいは、モノリシック集積回路として低電圧送信論理回路と共に製造することができる。好ましい超音波トランスデューサに、Ｗｏｄｎｉｃｋｉの米国特許第６８５６１７５号に記載されたものが含まれる。
【００３７】
ここで図１を参照すると、図１は、例示的な超音波測定装置２の側面図である。超音波測定装置２に、スキャン装置４およびコンピュータ６が含まれる。スキャン装置４に、機能的にＸ−Ｙヘッド１０に接続された超音波トランスデューサ８が含まれる。Ｘ−Ｙヘッド１０は、基部１２に固定される。タンク１４が、Ｘ−Ｙヘッド１０の下に配置され、このタンク１４の中に、音響的に伝導性の流体１６が保持される。音響的に伝導性の流体１６内に、測定用サンプル１８が支持される。中央処理ユニット２０（以下では「ＣＰＵ」と称する）も、基部１２上に配置され、超音波トランスデューサ８およびモニタ２２と機能的に通信して接続される。
【００３８】
超音波トランスデューサ８に、超音波信号を発し、これを測定することのできる任意の設計または構成を含めることができる。たとえば、超音波トランスデューサ８に、約１０個以上のトランスデューサを含むトランスデューサの直線アレイを含めることができる。超音波トランスデューサ８は、音響的に伝導性の流体１６に沈められて長いサービス寿命を提供するように構成することができる。一実施形態で、保護ケーシングをトランスデューサの回りに配置することができ、このトランスデューサは、耐久性のために先端でシールされる。
【００３９】
Ｘ−Ｙヘッド１０に、超音波トランスデューサ８を測定用サンプル１８の上表面上で平行移動することのできる任意の装置、またはＸ−Ｙヘッド１０と測定用サンプル１８との間の相対運動を作成できるようにする任意の装置を含めることができる。一実施形態で、Ｘ−Ｙヘッド１０に、ＣＰＵ ２０に接続され、これによって制御される、リニアエンコーダを有するサーボ制御式のボールスライド（ｂａｌｌ ｓｌｉｄｅ）を含めることができる。Ｘ−Ｙヘッド１０を、長いサービス寿命のために構成することができ、振動を最小にするために治具付きとし、かつ／または支持することができる。
【００４０】
ＣＰＵ ２０に、スキャン装置４におよびこれからデータ、信号、電気通信、および／または命令を送り、かつ／または受け取り、ユーザ（たとえば、キーボード、マウス、タッチスクリーン）から入力を受け取ることができると同時に、機械的特性データ（たとえば弾性係数）を計算し、前記機械的特性データのイメージを生成するために前記データ、信号、電気通信、および／または命令を使用することができる、すべての処理ユニットを含めることができる。たとえば、一実施形態で、ＣＰＵ ２０は、超音波トランスデューサ８およびＸ−Ｙヘッド１０との間で通信を送り、受け取って、ユーザが入力した変数（たとえば、０．２ミリメートル離れたＸ−Ｙ側定点）によって指示される測定用サンプル１８にまたがる点での測定用サンプル１８にまたがる超音波飛行時間を測定することができる。さらに、ＣＰＵ ２０は、超音波測定から収集されたデータおよびユーザから入力されたデータ（たとえば、密度、速度）を利用して、測定用サンプル１８の弾性係数を計算することができる。計算されたならば、測定された点ごとの各計算の結果にグレイの陰影（すなわち、グレイスケールイメージング）または色（すなわち、ラスタイメージングまたは画素イメージング）を割り当てて、モニタ２２上で測定用サンプル１８を幾何学的に表す弾性係数のイメージを構成することができる。
【００４１】
コンピュータ６に、モニタ２２に表示されるイメージのされなる分析をユーザが行えるようにすることのできるソフトウェア、ハードウェア、および／またはプログラミングも含めることができる。そのような分析に、ビュー変更機能（たとえば、イメージのより大きいセクションまたはより小さいセクションを表示する）、測定機能（たとえば、距離測定、イメージの選択された部分内の平均機械的特性の計算）、および類似物を含めることができる。
【００４２】
一実施形態で、超音波トランスデューサ８は、音響的に伝導性の流体１６を介して音響的に伝導性の流体１６と測定用サンプル１８との界面まで送ることのできる超音波の音波を発することができるものとすることができ、この界面で、その超音波の音波の少なくとも一部が、この界面から反射され、これを超音波トランスデューサ８によって測定することができる。超音波の飛行時間は、波が放たれた瞬間、波が界面から反射された瞬間、および波が超音波トランスデューサ８で受け取られた瞬間から計算することができる。さらに、超音波の音波の少なくとも一部が、測定用サンプル１８を介して進み、その測定用サンプルの最下部表面で反射され、超音波トランスデューサ８まで戻り、この超音波トランスデューサ８で、その音波を測定することができ、その飛行時間を計算することができる。
【００４３】
ここで図２を参照すると、全体的に３０と示された、変更されたスキャン装置が示されている。この図では、変更されたスキャン装置３０に、腕３４を介してＸ−Ｙヘッド１０に接続された超音波トランスデューサ８を含めることができる。腕３４に、下側超音波トランスデューサ３２を接続することができ、下側超音波トランスデューサ３２は、カリパス３６を介して接続される。腕３４およびカリパスは、コンピュータ（図示せず）に機能的に通信して接続することができ、このコンピュータは、腕３４およびカリパス３６の動きを制御することができ、腕３４およびカリパス３６は、超音波トランスデューサ８および下側超音波トランスデューサ３２（以下では「トランスデューサ群」と称する）を測定用サンプル１８からある距離の位置まで延ばし、引っ込めることができる。変更されたスキャン装置３０は、スキャン装置４に似て機能するが、下側超音波トランスデューサ３２は、不均一な厚さを含む測定用サンプル１８の測定を可能にすることができる。
【００４４】
動作中に、音響的に伝導性の流体１６と測定用サンプル１８との界面から反射された超音波の音波を利用して、測定用サンプル１８の最上部表面および最下部表面からのトランスデューサ群の距離を調整することによって、トランスデューサ群を、測定用サンプル１８の表面輪郭に沿ってコンピュータ６（図１参照）を介して制御することができる。カリパス３６内に、カリパス３６が延ばされた距離を供給できるリニアエンコーダ（図示せず）を設けることができる。これらの距離を、その後、コンピュータ６によって使用して、測定用サンプル１８の厚さを計算することができる。
【００４５】
もう１つの実施形態で、変更されたスキャン装置に、下側超音波トランスデューサ３２の代わりに、測定用サンプル１８の厚さを測定できるものとすることのできる厚さ測定ツール（図示せず）を含めることができる。この厚さ測定ツールは、任意の方法（たとえば、光学的測定方法（たとえば、コンパレータ）、磁力測定システム（たとえば、ローリングボール）、手動測定方法（たとえば、カリパス、マイクロメータ）、渦電流法、磁気誘導法）を利用して測定用サンプル１８の厚さを測定できるものとすることができる。
【実施例】
【００４６】
ここで図３を参照すると、カーボン−グラファイト複合材リングの弾性係数の例示的なグレイスケールイメージが示されている。この図を構成するために、カーボン−グラファイトシールが、ＳＯＮＩＸ社の液浸型超音波スキャナおよびＭＡＴＥＣ社の超音波器具を利用して分析された。このカーボン−グラファイトシールは、約１．３２センチメートル（ｃｍ）の均一な厚さ、約１７．３ｃｍの内径、および約２０．５ｃｍの外径を含むものであった。点が、走査線に沿っておよび走査線に垂直に隣接する点の間の０．０６３ｃｍ（０．０２５インチ）の分離を有するラスタパターンで収集された。シールは、浸液槽内で支持され、超音波によって分析された。飛行時間測定は、分析された点ごとに保管された。次に、飛行時間データがＭＡＴＨＣＡＤ １２にインポートされ、ここで、各飛行時間およびそのめいめいの位置（たとえば、Ｘ−Ｙ座標）を使用して、入力された変数（たとえば、厚さ、密度）を用いて、測定された点ごとに幾何学的に類似するイメージ内の弾性係数を計算した。次に、弾性係数データ点に、計算された弾性係数の範囲に基づいてグレイの陰影を割り当て、リングの幾何学的に類似する表現内でリングの弾性係数を表すグレイスケールイメージを生成した。
【００４７】
ここで図４すなわち、カーボン−グラファイト複合材リングの弾性係数の例示的なラスタカラーイメージを参照する。このラスタカラーイメージを構成するために、図３の作成のために生成された弾性係数データに、計算された弾性係数値の範囲に関して色を割り当て、幾何学的に類似するイメージを生成した。
【００４８】
超音波測定技法の利用の主要な利益の１つが、この方法が非破壊的であることである。したがって、本明細書で開示される方法および装置は、おそらくそうでなければ販売可能な物品を破壊することなく、いくつかの固有の材料特性データと共に、超音波測定を使用する計算を介して物品の弾性率を非破壊的に判定するのに使用することができる。このプロセスは、製造業者および研究者が、破壊的試験に起因する利益の損失を減らし、かつ／または除去することを可能にする。本明細書で開示される方法および装置のもう１つの利点は、作成されるイメージを、弾性率の異常があるかどうかの評価、弾性率欠陥の位置、欠陥の受容性、弾性率値の傾向の評価、および／または製造プロセスのトラブルシューティングを可能にすることができる情報の評価など、検査目的に利用できることである。そのような分析情報は、製造業者および研究者が新しい有用な物品を開発するのを助け、プロセス歩留まりを高め、既知の物品の新しい応用例を識別することができる。結論として、これらの理由から、本明細書で開示される方法および装置は、分析測定技法の技術的現状に利益を与え、製造業者、研究者および類似物に貴重な分析ツールを提供することができる。
【００４９】
本発明を、例示的実施形態を参照して説明したが、当業者は、本発明の範囲から逸脱せずに、さまざまな変更を行うことができ、同等物をその要素と置換できることを理解するであろう。さらに、本発明の本質的範囲から逸脱せずに、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために、多数の修正形態を作ることができる。したがって、本発明が、本発明を実行するために企図された最良の態様として開示された特定の実施形態に限定されるのではなく、本発明が、添付の特許請求の範囲に含まれるすべての実施形態を含むことが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】例示的な超音波測定装置を示す側面図である。
【図２】もう１つの例示的な超音波測定装置を示す側面図である。
【図３】カーボン−グラファイト複合材リングの弾性係数を示す例示的なグレイスケールイメージである。
【図４】カーボン−グラファイト複合材リングの弾性係数を示す例示的なラスタカラーイメージである。
【符号の説明】
【００５１】
２ 超音波測定装置
４ スキャン装置
６ コンピュータ
８ 超音波トランスデューサ
１０ Ｘ−Ｙヘッド
１２ 基部
１４ タンク
１６ 音響的に伝導性の流体
１８ サンプル
２０ 中央処理ユニット
２２ モニタ
３０ 変更されたスキャン装置
３２ 下側超音波トランスデューサ
３４ 腕
３６ カリパス
【技術分野】
【０００１】
本開示は、全般的に、非破壊弾性係数測定およびそのイメージ構成の装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
製造された物品の機械的特性の判定は、新しい物品および構成物の性能および応用分野を予測し、既存のプロセスおよび／または製造品の一貫した品質を保証するのに有用である。評価できるそのような特性の１つが、弾性率（すなわち、ヤング率、弾性係数）である。弾性率は、材料の相対的な剛性の基準、より具体的には、ひずみに関する応力の変化の割合の基準である。
【０００３】
構成物または物品の弾性率（Ｅ）を判定する１つの方法が、引張試験を介することである。引張試験に、まず、既知の寸法のサンプルを上側の移動するジョーと最下部の静止ジョーとの間に固定することが含まれ、これらのジョーは、その間の既知の距離に配置される。固定されたならば、上側ジョーを最下部ジョーから離れる方向に進めることができ、これによって、試験物品に対する引張力が生成される。結果の応力が、生成されたひずみに関してプロットされ、ここで、弾性率は、このグラフの傾きと等しい。この原理を、下の式に示す。
【０００４】
Ｅ＝応力／ひずみ＝（Ｆ/Ａ）／（ｄ/ｌ）
ただし
Ｅ＝弾性率
Ｆ＝測定された力
Ａ＝面積
ｄ＝伸びの長さ
ｌ＝元の長さ 。
【０００５】
引張試験を利用して、物品の弾性率を計算することができるが、この試験は破壊的であり、これは、製造業者に利益の損失を提示する可能性がある。さらに、引張試験は、物品にまたがる弾性率の変化を予測することができるのではなく、引張試験は、物品の全体的な特性の測定である。
【０００６】
その結果、製造業者は、破壊的機械的試験の必要なしに物品の機械的特性を試験する方法を望み、さらに、物品の表面全体にまたがって弾性率を判定する忠実度を含む試験方法を望む。
【特許文献１】米国特許第６８５６１７５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本明細書では、物品の弾性率を非破壊的に判定する装置および方法を開示する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一実施形態で、超音波測定装置は、超音波トランスデューサおよびＸ−Ｙヘッドを含むスキャン装置と、コンピュータとを含む。超音波トランスデューサは、超音波の音波の飛行時間を測定することができ、コンピュータは、超音波トランスデューサおよびＸ−Ｙヘッドに機能的に通信可能に接続される。超音波トランスデューサとの接続は、コンピュータに飛行時間データを供給することができ、Ｘ−Ｙヘッドとの接続は、コンピュータに位置データを供給することができる。コンピュータは、飛行時間データおよび位置データを利用して弾性係数値を計算することができる。相対運動を、超音波トランスデューサとサンプルとの間で作成することができる。
【０００９】
一実施形態で、弾性係数値を計算する方法は、超音波の音波を利用してサンプル上の点の飛行時間を測定することであって、サンプルが、厚さ、ポアソン比、および密度を有する、測定することと、飛行時間および厚さを利用して超音波の音波の速度を計算することと、速度、密度、およびポアソン比を利用して点の弾性係数を判定することとを含む。
【００１０】
もう１つの実施形態で、物品のイメージを生成する方法は、超音波の音波を利用してサンプル上の点で飛行時間を測定することであって、サンプルが、ポアソン比および密度を有する、測定することと、点の位置を判定することと、点での測定用サンプルの点厚さを判定することと、飛行時間および点厚さを利用して速度を計算することと、速度、密度、およびポアソン比を利用して点弾性係数を判定することと、点弾性係数に色を割り当てることと、点の位置および色を利用して弾性係数イメージを作成することとを含む。
【００１１】
上で説明した特徴および他の特徴を、次の図面および詳細な説明によって例示する。
【００１２】
本特許または出願書に、カラーで制作された少なくとも１つの図面が含まれる。カラー図面を伴う本特許または特許出願公告のコピーは、必要な料金の受取および支払いの際に特許局によって提供される。
【００１３】
これから図面を参照するが、図面は、例示的実施形態であり、図面では、類似する要素に同様の番号が付けられている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本明細書での範囲は、両端を含み、独立に組み合わせ可能である（たとえば、「約２５重量％まで、約５重量％から約２０重量％が望ましい」は、両端の点を含み、「約５重量％から約２５重量％まで」の範囲のすべての中間の値を含むなどである）。本明細書の単語「第１」、「第２」などは、順序、量、または重要性を示すのではなく、ある要素を別の要素と区別するのに使用され、本明細において数詞が無いこと又は「ひとつの」は量の限定を示すのではなく、少なくとも１つの言及された項目の存在を示す。量と共に使用される修飾子「約」は、述べられた値を含み、文脈によって規定される意味を有する（すなわち、特定の量の測定に関連する度合の誤差を含む）。また、単語「前」、「後」、「最下部」、および／または「最上部」は、そうでないと注記されない限り、本明細書では、単に、記述の便宜のために使用され、１つの位置または空間的方位に限定されない。本明細書で使用される接尾辞「（ｓ）」は、それが修飾する単語の単数と複数の両方を含み、これによって、１つまたは複数のその単語を含むことが意図されている（たとえば、ｍｅｔａｌ（ｓ）は、１つまたは複数のｍｅｔａｌを含む）。
【００１５】
本明細書では、物品表面上の複数の点について物品の弾性率を計算するために材料特性データと組み合わせることができるデータを生成するのに超音波測定方法を使用することによって、製造業者の満足されていない必要を満足する方法を開示する。その後、弾性率データを利用して、視覚的分析のために物品の弾性率のイメージを生成することができる。
【００１６】
超音波の音波（２０キロヘルツ超）を超音波イメージング、超音波深さ測定、および超音波流量測定に使用することができる。たとえば、厚さ測定応用例では、音波が物品の質量を介して移動し、物品の反対側で反射し、発生点まで戻るのに必要な時間を利用して、その物品の厚さを計算することができる。この時間を、信号の「飛行時間」と呼ぶこともできる。厚さ計算は、時間（ｔ）および速度（Ｖ）を使用して、式Ｉに示されるように厚さ（Ｔ）を計算する。
【００１７】
Ｔ＝（Ｖｔ／２） （Ｉ）
ただし
Ｔ＝厚さ
Ｖ＝速度
ｔ＝時間 。
【００１８】
時間（ｔ）を測定するために、超音波トランスデューサを使用することができ、超音波トランスデューサは、超音波を発し、反射された信号を感知することができる。超音波トランスデューサは、直接接触システムおよび間接接触システムで使用することができる。直接接触システムでは、超音波トランスデューサが、試験片の１表面に直接に接触して配置され、音波が、物品の表面に直接に放たれる。直接接触システムは、パイプの厚さ測定など、多数の応用例で使用することができる。直接接触トランスデューサは、遅延線を使用することもでき、この遅延線は、薄い壁厚さを含む物品を測定するように設計された応用例で利用される。遅延線トランスデューサに、トランスデューサ要素と物品との間に置くことができる遅延要素が含まれ、この遅延要素は、最初の信号と反射された信号との間の遅延を増やす。遅延要素に、高分子、セラミック、金属、および類似物などの材料ならびに次のうちの少なくとも１つを含む組合せを含めることができる。非直接接触システムでは、超音波トランスデューサが、試験片からある距離に配置され、物品がその中に置かれる伝導媒体と接触する。伝導媒体は、超音波トランスデューサから放たれた音波を部品に伝えることができ、反射された信号を超音波トランスデューサに伝えることができる。空気が、悪い超音波伝導を示すことに留意されたい。
【００１９】
超音波送信器が、音波の飛行時間を判定したならば、信号の速度を利用して、厚さが判定される。速度（Ｖ）値は、超音波測定装置の較正を介して生成される。速度を較正する目的は、超音波信号が物品内を進む速度が、複数の変数（たとえば、密度、剛性、温度）に関して変化するからである。したがって、較正は、速度測定の正確さを高め、したがって厚さ計算の正確さを高めることができる。
【００２０】
物品の視覚的イメージを構成するのに利用できる複数の超音波厚さ測定を生成するように、装置を構成することができる。これは、製造された物品の視覚的検査を可能にするのに有益である可能性がある。物品の厚さのイメージは、物品の表面にまたがって超音波トランスデューサを平行移動する（たとえば、複数のトランスデューサをスキャンする）ことによって構成することができる。トランスデューサが物品の表面を平行移動する（たとえば、スキャンする）時に、複数の超音波飛行時間測定を、物品の表面にまたがる複数の点で行うことができる。超音波データが収集され、各点のめいめいの位置を利用して、測定が行われた点ごとに厚さ測定値を計算することができる。次に、さまざまな厚さに、物品のイメージ（たとえば、グレイスケールイメージ、ラスタカラーイメージ）を組み立てるのに利用できるグレイの陰影または色を割り当てることができる。たとえば、例示的な厚さ測定応用例では、集積回路基板の厚さを、回路基板上面にまたがって判定することができる。この実施形態では、超音波測定を、次の点から０．１０ミリメートル離れた点を含む複数の行で測定することができる。超音波測定値を、超音波測定の位置に対応するデータと共に保存することができる。次に、超音波測定値を利用して、各点の厚さを計算することができる。点ごとに厚さを計算した後に、イメージを作成することができる。イメージは、まず、グレイの陰影または色（たとえば、明るい陰影または色が薄い厚さに対応することができ、暗い陰影または暗い色がより厚い壁厚さに対応することができる）を各点の厚さ値に割り当てることによって作成される。次に、陰影または色を付けられた点を、イメージに組み立てることができ、ここで、陰影または色を付けられた点のそれぞれが、１画素に対応する。次に、結果のイメージを、厚さの異常が存在するかどうかの評価、欠陥の位置が許容できるか否か、異常な厚さの傾向の評価、ならびにトラブルシューティングおよび／またはプロセスの改善に必要な情報のためなど、検査目的に利用することができる。
【００２１】
物品の厚さのイメージングに関して、製造業者および／または研究者が物品の弾性率の視覚的イメージを作成する能力を有することが望ましいことが想定されている。この能力は、物品の弾性率の異常の存在を評価し、欠陥の位置を分析し、傾向を評価し、トラブルシューティングを行うなどの能力を製造業者および／または研究者に与える。視覚的イメージングは、破壊試験をも減らし、したがって浪費を減らす。たとえば、引張試験を使用して、製造された物品の弾性率を計算することができる。しかし、多数の製造された商品を破壊的に試験するコストは、製造利益を減らす可能性がある。したがって、超音波トランスデューサを、物品の表面をスキャンするのに利用して、他の材料特性データと共に使用できる飛行時間データを生成して、物品の表面にまたがる複数の点での弾性率を計算することができる。このデータは、物品の表面にまたがる、その物品の率の視覚的イメージの構成を可能にする。
【００２２】
弾性率は、式ＩＩに従って計算することができる。
【００２３】
Ｅ＝Ｖ２ρ［（１＋μ）（１−２μ）／（１−μ）］ （ＩＩ）
ただし
Ｅ＝弾性率
Ｖ＝速度
ρ＝密度
μ＝ポアソン比 。
【００２４】
この式では、音が進む速度の値（Ｖ）、密度（ρ）、およびポアソン比（μ）が、弾性率（Ｅ）を計算するのに使用される。均一の厚さ（Ｔ）を含む物品について、物品の密度は、式ＩＩＩに示されたものなど、複数の方法によって判定することができる。
【００２５】
ρ＝ｍ／Ｖ （ＩＩＩ）
ただし
ρ＝密度
ｍ＝質量
Ｖ＝体積 。
【００２６】
次に、ポアソン比は、物品のサンプルに対して、引張試験など、機械的試験を行うことによって計算することができる。ポアソン比（μ）は、式ＩＶによって計算することができる。
【００２７】
μ＝（Δｌ/ｌ）／（Δｗ/ｗ） （ＩＶ）
ただし
μ＝ポアソン比
Δｌ＝長さの変化
ｌ＝長さ
Δｗ＝幅の変化
ｗ＝幅 。
【００２８】
さらに、ポアソン比（μ）は、サンプルに対する機械的試験を行い、応力対ひずみのグラフを作成し（ここで、結果の曲線の傾きは弾性率と等しい）、その弾性率値を使用してポアソン比（μ）について式ＩＩを解くことによって判定することができる。
【００２９】
密度およびポアソン比を計算したならば、物品を超音波トランスデューサによってスキャンして、物品の表面にまたがる点の飛行時間（ｔ）を生成することができる。各時間値は、下の式（Ｖ）に示されているように、物品の既知の厚さを利用して速度（Ｖ）について式（Ｉ）を解くことによって、各点の速度（Ｖ）を計算するのに使用することができる。
【００３０】
Ｖ＝２Ｔ／ｔ （Ｖ）
ただし
Ｖ＝速度
Ｔ＝厚さ
ｔ＝時間 。
【００３１】
速度、密度、およびポアソン比がわかったならば、弾性率を、測定された各点で計算することができる。次に、弾性率データに陰影または色を割り当てることができ、視覚的イメージ（たとえば、グレイスケールイメージ、ラスタイメージなど）を、物品の弾性係数の視覚的表現として作成することができる。
【００３２】
既知の厚さを含む物品の弾性係数の計算およびイメージングのプロセスに似て、このプロセスを行って、不均一な厚さを含む物品の弾性率イメージを生成することもできる。この方法では、音が進む速度（Ｖ）、密度（ρ）、およびポアソン比（μ）が、やはり、式ＩＩに従って弾性率（Ｅ）を判定するのに使用される。より具体的には、密度およびポアソン比が、上で開示したものに類似する方法を利用して計算される（たとえば、密度は、式ＩＩＩを利用して計算することができ、ポアソン比は、引張試験などの機械的試験を行い、式ＩＶに従って利用することによって計算することができる）。しかし、弾性率を計算するために、超音波の速度が使用される。式（Ｖ）に示されているように、速度を判定するために、厚さおよび飛行時間が使用される。したがって、厚さは、飛行時間が各点について測定される前にまたはそれと同時に判定される。
【００３３】
厚さは、光学的測定方法（たとえば、コンパレータ）、磁力測定システム（たとえば、ローリングボール（ｒｏｌｌｉｎｇ ｂａｌｌ））、手動測定方法（たとえば、カリパス、マイクロメータ）、渦電流法、磁気誘導法、および類似物などであるがこれらに限定されない任意の方法を利用して判定することができる。たとえば、装置に、超音波トランスデューサと、非超音波厚さ測定システムとを含めることができる。この超音波トランスデューサは、物品を通る超音波の飛行時間を判定できるものとすることができ、この厚さ測定システムに、表面の厚さを測定する上側および下側の表面プローブ（たとえば、カリパス）を含めることができる。さらに、この例示的装置は、システムと物品の間の相対運動を作ることができ（たとえば、超音波トランスデューサおよび厚さ測定システムを物品の表面にまたがって平行移動することができ）、物品の表面にまたがって複数の点で飛行時間および厚さを測定できるものとすることができる。次に、超音波飛行時間データおよび厚さデータを利用して、超音波の速度を計算し、次に、この速度を使用して、各点の弾性率を計算することができる。次に、弾性率データに、厚さを表すグレイの陰影を割り当てることができ（たとえば、比較的薄い部分により明るい陰影、比較的厚い部分により暗い陰影）、測定された各点に、そのデータから生成される視覚的イメージ内の１画素または画素のグループを含めることができる。
【００３４】
弾性率データに基づいてイメージを計算し、生成できる装置は、プロセッサ、コンピュータなどであるがこれらに限定されない任意の装置とすることができ、メモリ、ストレージ、レジスタ、タイミング、割込み、通信インターフェース、入出力信号インターフェースなど、ならびに前述の少なくとも１つを含む組合せを使用することができる。さらに、この装置に、パルサおよび／または受信信号条件付け基板を含む、さまざまなセンサからのそのような信号の獲得の正確なサンプリングおよび変換を可能にする入力信号処理機能および入力信号フィルタリング機能を含めることができる。たとえば、この装置と共に動作することのできる信号を作ることができる超音波トランスデューサ、厚さ測定システム、および類似物を使用することができる。
【００３５】
さまざまな超音波トランスデューサを使用することができる。たとえば、超音波トランスデューサ要素のアレイを使用して、超音波ビームを送り、その後、物品から反射されたビームを受け取ることができる。そのようなスキャンは、一連の測定を含み、この測定では、焦点を合わされた超音波が送られ、システムが短い時間間隔の後に受信モードに切り替え、反射された超音波が受け取られる。送信および受信は、音響ビームまたは走査線に沿った一連の点からデータを獲得するために各測定中に同一方向で焦点を合わせることができ、受信器は、反射された超音波が受け取られる時に走査線に沿った一連の範囲で動的に焦点を合わせることができる。
【００３６】
任意選択で、高電圧構成要素を送信回路に含めて、個々の超音波トランスデューサ要素を駆動することができ、低電圧高密度ディジタル論理回路を使用して、高電圧ドライバに送信信号を供給することができる。高電圧ドライバは、通常、約１００ボルトまでの電圧で動作し、低電圧論理回路は、ＴＴＬ論理の場合に５ボルト程度の動作電圧を有する。高電圧ドライバは、ディスクリート構成要素としてまたは集積回路として製造することができ、低電圧論理回路は、別々の集積回路としてまたは単一チップ上で高電圧回路と組み合わせて製造することができる。高電圧ドライバおよび低電圧論理回路を含む送信回路に加えて、トランスデューサヘッドに、低雑音低電圧アナログ受信回路を含めることができる。低電圧受信回路は、送信論理回路に似て、通常、５ボルト程度の動作電圧を有し、別々の集積回路とすることができ、あるいは、モノリシック集積回路として低電圧送信論理回路と共に製造することができる。好ましい超音波トランスデューサに、Ｗｏｄｎｉｃｋｉの米国特許第６８５６１７５号に記載されたものが含まれる。
【００３７】
ここで図１を参照すると、図１は、例示的な超音波測定装置２の側面図である。超音波測定装置２に、スキャン装置４およびコンピュータ６が含まれる。スキャン装置４に、機能的にＸ−Ｙヘッド１０に接続された超音波トランスデューサ８が含まれる。Ｘ−Ｙヘッド１０は、基部１２に固定される。タンク１４が、Ｘ−Ｙヘッド１０の下に配置され、このタンク１４の中に、音響的に伝導性の流体１６が保持される。音響的に伝導性の流体１６内に、測定用サンプル１８が支持される。中央処理ユニット２０（以下では「ＣＰＵ」と称する）も、基部１２上に配置され、超音波トランスデューサ８およびモニタ２２と機能的に通信して接続される。
【００３８】
超音波トランスデューサ８に、超音波信号を発し、これを測定することのできる任意の設計または構成を含めることができる。たとえば、超音波トランスデューサ８に、約１０個以上のトランスデューサを含むトランスデューサの直線アレイを含めることができる。超音波トランスデューサ８は、音響的に伝導性の流体１６に沈められて長いサービス寿命を提供するように構成することができる。一実施形態で、保護ケーシングをトランスデューサの回りに配置することができ、このトランスデューサは、耐久性のために先端でシールされる。
【００３９】
Ｘ−Ｙヘッド１０に、超音波トランスデューサ８を測定用サンプル１８の上表面上で平行移動することのできる任意の装置、またはＸ−Ｙヘッド１０と測定用サンプル１８との間の相対運動を作成できるようにする任意の装置を含めることができる。一実施形態で、Ｘ−Ｙヘッド１０に、ＣＰＵ ２０に接続され、これによって制御される、リニアエンコーダを有するサーボ制御式のボールスライド（ｂａｌｌ ｓｌｉｄｅ）を含めることができる。Ｘ−Ｙヘッド１０を、長いサービス寿命のために構成することができ、振動を最小にするために治具付きとし、かつ／または支持することができる。
【００４０】
ＣＰＵ ２０に、スキャン装置４におよびこれからデータ、信号、電気通信、および／または命令を送り、かつ／または受け取り、ユーザ（たとえば、キーボード、マウス、タッチスクリーン）から入力を受け取ることができると同時に、機械的特性データ（たとえば弾性係数）を計算し、前記機械的特性データのイメージを生成するために前記データ、信号、電気通信、および／または命令を使用することができる、すべての処理ユニットを含めることができる。たとえば、一実施形態で、ＣＰＵ ２０は、超音波トランスデューサ８およびＸ−Ｙヘッド１０との間で通信を送り、受け取って、ユーザが入力した変数（たとえば、０．２ミリメートル離れたＸ−Ｙ側定点）によって指示される測定用サンプル１８にまたがる点での測定用サンプル１８にまたがる超音波飛行時間を測定することができる。さらに、ＣＰＵ ２０は、超音波測定から収集されたデータおよびユーザから入力されたデータ（たとえば、密度、速度）を利用して、測定用サンプル１８の弾性係数を計算することができる。計算されたならば、測定された点ごとの各計算の結果にグレイの陰影（すなわち、グレイスケールイメージング）または色（すなわち、ラスタイメージングまたは画素イメージング）を割り当てて、モニタ２２上で測定用サンプル１８を幾何学的に表す弾性係数のイメージを構成することができる。
【００４１】
コンピュータ６に、モニタ２２に表示されるイメージのされなる分析をユーザが行えるようにすることのできるソフトウェア、ハードウェア、および／またはプログラミングも含めることができる。そのような分析に、ビュー変更機能（たとえば、イメージのより大きいセクションまたはより小さいセクションを表示する）、測定機能（たとえば、距離測定、イメージの選択された部分内の平均機械的特性の計算）、および類似物を含めることができる。
【００４２】
一実施形態で、超音波トランスデューサ８は、音響的に伝導性の流体１６を介して音響的に伝導性の流体１６と測定用サンプル１８との界面まで送ることのできる超音波の音波を発することができるものとすることができ、この界面で、その超音波の音波の少なくとも一部が、この界面から反射され、これを超音波トランスデューサ８によって測定することができる。超音波の飛行時間は、波が放たれた瞬間、波が界面から反射された瞬間、および波が超音波トランスデューサ８で受け取られた瞬間から計算することができる。さらに、超音波の音波の少なくとも一部が、測定用サンプル１８を介して進み、その測定用サンプルの最下部表面で反射され、超音波トランスデューサ８まで戻り、この超音波トランスデューサ８で、その音波を測定することができ、その飛行時間を計算することができる。
【００４３】
ここで図２を参照すると、全体的に３０と示された、変更されたスキャン装置が示されている。この図では、変更されたスキャン装置３０に、腕３４を介してＸ−Ｙヘッド１０に接続された超音波トランスデューサ８を含めることができる。腕３４に、下側超音波トランスデューサ３２を接続することができ、下側超音波トランスデューサ３２は、カリパス３６を介して接続される。腕３４およびカリパスは、コンピュータ（図示せず）に機能的に通信して接続することができ、このコンピュータは、腕３４およびカリパス３６の動きを制御することができ、腕３４およびカリパス３６は、超音波トランスデューサ８および下側超音波トランスデューサ３２（以下では「トランスデューサ群」と称する）を測定用サンプル１８からある距離の位置まで延ばし、引っ込めることができる。変更されたスキャン装置３０は、スキャン装置４に似て機能するが、下側超音波トランスデューサ３２は、不均一な厚さを含む測定用サンプル１８の測定を可能にすることができる。
【００４４】
動作中に、音響的に伝導性の流体１６と測定用サンプル１８との界面から反射された超音波の音波を利用して、測定用サンプル１８の最上部表面および最下部表面からのトランスデューサ群の距離を調整することによって、トランスデューサ群を、測定用サンプル１８の表面輪郭に沿ってコンピュータ６（図１参照）を介して制御することができる。カリパス３６内に、カリパス３６が延ばされた距離を供給できるリニアエンコーダ（図示せず）を設けることができる。これらの距離を、その後、コンピュータ６によって使用して、測定用サンプル１８の厚さを計算することができる。
【００４５】
もう１つの実施形態で、変更されたスキャン装置に、下側超音波トランスデューサ３２の代わりに、測定用サンプル１８の厚さを測定できるものとすることのできる厚さ測定ツール（図示せず）を含めることができる。この厚さ測定ツールは、任意の方法（たとえば、光学的測定方法（たとえば、コンパレータ）、磁力測定システム（たとえば、ローリングボール）、手動測定方法（たとえば、カリパス、マイクロメータ）、渦電流法、磁気誘導法）を利用して測定用サンプル１８の厚さを測定できるものとすることができる。
【実施例】
【００４６】
ここで図３を参照すると、カーボン−グラファイト複合材リングの弾性係数の例示的なグレイスケールイメージが示されている。この図を構成するために、カーボン−グラファイトシールが、ＳＯＮＩＸ社の液浸型超音波スキャナおよびＭＡＴＥＣ社の超音波器具を利用して分析された。このカーボン−グラファイトシールは、約１．３２センチメートル（ｃｍ）の均一な厚さ、約１７．３ｃｍの内径、および約２０．５ｃｍの外径を含むものであった。点が、走査線に沿っておよび走査線に垂直に隣接する点の間の０．０６３ｃｍ（０．０２５インチ）の分離を有するラスタパターンで収集された。シールは、浸液槽内で支持され、超音波によって分析された。飛行時間測定は、分析された点ごとに保管された。次に、飛行時間データがＭＡＴＨＣＡＤ １２にインポートされ、ここで、各飛行時間およびそのめいめいの位置（たとえば、Ｘ−Ｙ座標）を使用して、入力された変数（たとえば、厚さ、密度）を用いて、測定された点ごとに幾何学的に類似するイメージ内の弾性係数を計算した。次に、弾性係数データ点に、計算された弾性係数の範囲に基づいてグレイの陰影を割り当て、リングの幾何学的に類似する表現内でリングの弾性係数を表すグレイスケールイメージを生成した。
【００４７】
ここで図４すなわち、カーボン−グラファイト複合材リングの弾性係数の例示的なラスタカラーイメージを参照する。このラスタカラーイメージを構成するために、図３の作成のために生成された弾性係数データに、計算された弾性係数値の範囲に関して色を割り当て、幾何学的に類似するイメージを生成した。
【００４８】
超音波測定技法の利用の主要な利益の１つが、この方法が非破壊的であることである。したがって、本明細書で開示される方法および装置は、おそらくそうでなければ販売可能な物品を破壊することなく、いくつかの固有の材料特性データと共に、超音波測定を使用する計算を介して物品の弾性率を非破壊的に判定するのに使用することができる。このプロセスは、製造業者および研究者が、破壊的試験に起因する利益の損失を減らし、かつ／または除去することを可能にする。本明細書で開示される方法および装置のもう１つの利点は、作成されるイメージを、弾性率の異常があるかどうかの評価、弾性率欠陥の位置、欠陥の受容性、弾性率値の傾向の評価、および／または製造プロセスのトラブルシューティングを可能にすることができる情報の評価など、検査目的に利用できることである。そのような分析情報は、製造業者および研究者が新しい有用な物品を開発するのを助け、プロセス歩留まりを高め、既知の物品の新しい応用例を識別することができる。結論として、これらの理由から、本明細書で開示される方法および装置は、分析測定技法の技術的現状に利益を与え、製造業者、研究者および類似物に貴重な分析ツールを提供することができる。
【００４９】
本発明を、例示的実施形態を参照して説明したが、当業者は、本発明の範囲から逸脱せずに、さまざまな変更を行うことができ、同等物をその要素と置換できることを理解するであろう。さらに、本発明の本質的範囲から逸脱せずに、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために、多数の修正形態を作ることができる。したがって、本発明が、本発明を実行するために企図された最良の態様として開示された特定の実施形態に限定されるのではなく、本発明が、添付の特許請求の範囲に含まれるすべての実施形態を含むことが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】例示的な超音波測定装置を示す側面図である。
【図２】もう１つの例示的な超音波測定装置を示す側面図である。
【図３】カーボン−グラファイト複合材リングの弾性係数を示す例示的なグレイスケールイメージである。
【図４】カーボン−グラファイト複合材リングの弾性係数を示す例示的なラスタカラーイメージである。
【符号の説明】
【００５１】
２ 超音波測定装置
４ スキャン装置
６ コンピュータ
８ 超音波トランスデューサ
１０ Ｘ−Ｙヘッド
１２ 基部
１４ タンク
１６ 音響的に伝導性の流体
１８ サンプル
２０ 中央処理ユニット
２２ モニタ
３０ 変更されたスキャン装置
３２ 下側超音波トランスデューサ
３４ 腕
３６ カリパス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波トランスデューサおよびＸ−Ｙヘッドを含むスキャン装置であって、前記超音波トランスデューサが、超音波の音波の飛行時間を測定することができる、スキャン装置と、
前記超音波トランスデューサおよび前記Ｘ−Ｙヘッドに機能的に通信可能に接続されたコンピュータと、を含み、
前記超音波トランスデューサとの前記接続は前記コンピュータに飛行時間データを供給することができ、前記Ｘ−Ｙヘッドとの前記接続は前記コンピュータに位置データを供給することができ、
前記コンピュータが、前記飛行時間データおよび位置データを利用して弾性係数値を計算することができ、
相対運動を、前記超音波トランスデューサとサンプルとの間で作成することができる
超音波測定装置。
【請求項２】
下側超音波トランスデューサと、
ユーザが前記コンピュータに情報を入力することを可能にするユーザインターフェースと、
前記コンピュータに機能的に通信可能に接続され、情報を表示することができるモニタと
をさらに含む、請求項１記載の超音波測定装置。
【請求項３】
厚さ、ポアソン比、および密度を有するサンプル上の点の飛行時間を超音波の音波を利用して測定することと、
前記飛行時間および前記厚さを利用して前記超音波の音波の速度を計算することと、
前記速度、前記密度、および前記ポアソン比を利用して前記点の弾性係数を判定することと
を含む、弾性係数値を計算する方法。
【請求項４】
前記サンプルが、可変厚さを有し、超音波トランスデューサを用いて点厚さを測定することを判定することをさらに含む、請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記密度を判定することをさらに含む、請求項３乃至４のいずれか記載の方法。
【請求項６】
超音波の音波を利用して前記サンプル上の各点の飛行時間を測定することと、
前記超音波の音波のそれぞれの速度を計算することと、
各点の弾性係数を判定することと
をさらに含む、請求項３乃至５のいずれか記載の方法。
【請求項７】
判定された前記弾性係数の範囲を判定することと、
判定された弾性係数の前記範囲に基づいて各点に色を割り当てることと、
前記サンプルの各点の前記弾性係数を表すカラーイメージを作成することと
をさらに含む、請求項３乃至６のいずれか記載の方法。
【請求項８】
前記色が、グレイの陰影であり、前記カラーイメージが、グレイスケールイメージである、請求項７記載の方法。
【請求項９】
ポアソン比および密度を有するサンプル上の点で超音波の音波を利用して飛行時間を測定することと、
前記点の位置を判定することと、
前記点での前記測定用サンプルの点厚さを判定することと、
前記飛行時間および前記点厚さを利用して速度を計算することと、
前記速度、前記密度、および前記ポアソン比を利用して点弾性係数を判定することと、
前記点弾性係数に色を割り当てることと、
前記点の前記位置および前記色を利用して弾性係数イメージを作成することと
を含む、物品のイメージを生成する方法。
【請求項１０】
前記点厚さを判定することが、さらに、超音波トランスデューサを用いて厚さを測定することを含む、請求項９記載の方法。
【請求項１】
超音波トランスデューサおよびＸ−Ｙヘッドを含むスキャン装置であって、前記超音波トランスデューサが、超音波の音波の飛行時間を測定することができる、スキャン装置と、
前記超音波トランスデューサおよび前記Ｘ−Ｙヘッドに機能的に通信可能に接続されたコンピュータと、を含み、
前記超音波トランスデューサとの前記接続は前記コンピュータに飛行時間データを供給することができ、前記Ｘ−Ｙヘッドとの前記接続は前記コンピュータに位置データを供給することができ、
前記コンピュータが、前記飛行時間データおよび位置データを利用して弾性係数値を計算することができ、
相対運動を、前記超音波トランスデューサとサンプルとの間で作成することができる
超音波測定装置。
【請求項２】
下側超音波トランスデューサと、
ユーザが前記コンピュータに情報を入力することを可能にするユーザインターフェースと、
前記コンピュータに機能的に通信可能に接続され、情報を表示することができるモニタと
をさらに含む、請求項１記載の超音波測定装置。
【請求項３】
厚さ、ポアソン比、および密度を有するサンプル上の点の飛行時間を超音波の音波を利用して測定することと、
前記飛行時間および前記厚さを利用して前記超音波の音波の速度を計算することと、
前記速度、前記密度、および前記ポアソン比を利用して前記点の弾性係数を判定することと
を含む、弾性係数値を計算する方法。
【請求項４】
前記サンプルが、可変厚さを有し、超音波トランスデューサを用いて点厚さを測定することを判定することをさらに含む、請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記密度を判定することをさらに含む、請求項３乃至４のいずれか記載の方法。
【請求項６】
超音波の音波を利用して前記サンプル上の各点の飛行時間を測定することと、
前記超音波の音波のそれぞれの速度を計算することと、
各点の弾性係数を判定することと
をさらに含む、請求項３乃至５のいずれか記載の方法。
【請求項７】
判定された前記弾性係数の範囲を判定することと、
判定された弾性係数の前記範囲に基づいて各点に色を割り当てることと、
前記サンプルの各点の前記弾性係数を表すカラーイメージを作成することと
をさらに含む、請求項３乃至６のいずれか記載の方法。
【請求項８】
前記色が、グレイの陰影であり、前記カラーイメージが、グレイスケールイメージである、請求項７記載の方法。
【請求項９】
ポアソン比および密度を有するサンプル上の点で超音波の音波を利用して飛行時間を測定することと、
前記点の位置を判定することと、
前記点での前記測定用サンプルの点厚さを判定することと、
前記飛行時間および前記点厚さを利用して速度を計算することと、
前記速度、前記密度、および前記ポアソン比を利用して点弾性係数を判定することと、
前記点弾性係数に色を割り当てることと、
前記点の前記位置および前記色を利用して弾性係数イメージを作成することと
を含む、物品のイメージを生成する方法。
【請求項１０】
前記点厚さを判定することが、さらに、超音波トランスデューサを用いて厚さを測定することを含む、請求項９記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００７−１３９７８４（Ｐ２００７−１３９７８４Ａ）
【公開日】平成１９年６月７日（２００７．６．７）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００６−３１３７２６（Ｐ２００６−３１３７２６）
【出願日】平成１８年１１月２１日（２００６．１１．２１）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年６月７日（２００７．６．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３１３７２６（Ｐ２００６−３１３７２６）
【出願日】平成１８年１１月２１日（２００６．１１．２１）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
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