초음파 검사방법(ULTRASONIC INSPECTION METHOD)

(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 등록특허공보(B1)
(45) 공고일자 2012년09월27일
(11) 등록번호 10-1186405
(24) 등록일자 2012년09월20일
(51) 국제특허분류(Int. Cl.)
G01N 29/04 (2006.01) G01N 29/00 (2006.01)
(21) 출원번호 10-2007-0119117
(22) 출원일자 2007년11월21일
심사청구일자 2008년07월02일
(65) 공개번호 10-2008-0048934
(43) 공개일자 2008년06월03일
(30) 우선권주장
11/564,346 2006년11월29일 미국(US)
(56) 선행기술조사문헌
US04252022 A1*
JP2002243703 A
US5549002 A
JP2004053360 A
*는 심사관에 의하여 인용된 문헌
(73) 특허권자
비더블유엑스 테크놀로지스, 인코포레이티드
미합중국, 24505 버지니아, 린치버그, 엠티.아토
스, 726 스테이트로드
(72) 발명자
다니엘 티. 맥라우클란
미국, 24502 버지니아, 린치버그, 517 리틀 크리
크 로드
브래들리 이. 콕스
미국, 24551 버지니아, 포레스트, 1121 브라이어
리지 플레이스
(74) 대리인
강철중, 조영신, 김윤배
전체 청구항 수 : 총 4 항 심사관 : 김진성
(54) 발명의 명칭 초음파 검사방법
(57) 요 약
본 발명은, 기복이 있거나 평탄하지 않은 표면을 가진 컴포넌트를 초음파로 검사하기 위한 방법이다. 다소자
어레이 초음파 트랜스듀서는, 어레이 트랜스듀서와 컴포넌트 표면 사이에서 물과 같은 본질적인 유체층에 따라
조종된다. 이 유체층은 컴포넌트를 액체에 담그거나 프로브와 컴포넌트 표면 사이에 고정 커플랜트 컬럼
(captive couplant column)을 사용함으로써 유지되어도 좋다. 컴포넌트는 스캔되어 기계적인 스타일러스, 레
이저 또는 초음파 기술의 어느 한 기술을 이용하여 2차원 표면 프로파일을 측정한다. 일단 컴포넌트 표면의
정확한 표면 프로파일이 얻어지면, 빔 왜곡 영향 및 평탄하지 않은 표면으로 인해 발생하곤 하는 리플렉터 위
치부정합(mis-location)을 제거하는 컴포넌트의 내부로부터 반사되는 초음파 신호를 처리하기 위해 데이터 처
리 파라미터가 산출된다.
대 표 도 - 도2
등록특허 10-1186405
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특허청구의 범위
청구항 1
평탄하지 않은 표면을 가진 컴포넌트를 초음파로 검사하기 위한 방법으로서,
a. 상기 컴포넌트를 액체에 담금으로써 각 소자가 넓은 빔 확산을 생성하는 다소자 어레이로 이루어진 초음파
트랜스듀서와 컴포넌트 사이에 적어도 수개의 초음파 파장 두께의 유체결합액을 공급하고, 상기 초음파 트랜
스듀서와 컴포넌트간의 접촉 없이 상기 컴포넌트 상에 평탄하지 않은 표면을 허용하는 공간을 상기 초음파 트
랜스듀서와 컴포넌트 사이에 제공하는 스텝과,
b. 상기 컴포넌트를 스캐닝하여 각각 별개의 초음파 소자를 한번에 하나씩 점화하는 스텝,
c. 각각의 점화 동안에, 상기 어레이의 각 소자로부터 상기 표면 및 내부 리플렉터의 양쪽으로부터 수신한 반
사된 초음파 파형을 동시에 기록하는 스텝,
d. 각각의 프로브 위치에서 각도 내의 초음파 빔을 스위핑하고 알려진 각도 및 프로브 위치를 이용하여 상기
컴포넌트의 표면 프로파일을 측정하기 위해 수집한 초음파 파형 데이터의 어레이를 처리하는 스텝,
e. 빔 왜곡을 제거하기 위해, 측정된 표면 프로파일에 기초해서 신호처리 파라미터를 프로브 위치의 함수로서
산출하는 스텝 및,
f. 상기 컴포넌트의 표면 불규칙성에 대한 수정을 행하여 상기 컴포넌트의 내부 리플렉터를 검사하기 위해 새
로 산출한 신호처리 파라미터를 이용해서 수집한 데이터의 어레이를 처리하는 스텝을 구비하여 이루어진 것을
특징으로 하는 초음파 검사방법.
청구항 2
청구항 1에 있어서,
a. 검사를 수행하기 위해 측면으로 분리된 제1 및 제2의 다소자 어레이 초음파 프로브를 사용하되,
b. 상기 제1 초음파 프로브는 상기 컴포넌트의 표면 프로파일을 매핑하기 위해, 결합액 및 상기 컴포넌트의
내부로 초음파 펄스를 송신하고, 상기 컴포넌트의 표면으로부터 초음파 반사를 수신하기 위해 사용되고,
c. 상기 제2 초음파 프로브는 상기 컴포넌트의 내부로부터 초음파 반사를 수신하기 위해 사용되는 것을 특징
으로 하는 초음파 검사방법.
청구항 3
청구항 1에 있어서, 수집한 데이터의 어레이를 처리하는 스텝 동안에, 합성 조리개 집속 기술이 사용되는 것
을 특징으로 하는 초음파 검사방법.
청구항 4
평탄하지 않은 표면을 가진 컴포넌트를 초음파로 검사하기 위한 방법으로서,
a. 고정 커플랜트 컬럼을 이용함으로써 각 소자가 넓은 빔 확산을 생성하는 다소자 어레이로 이루어진 초음파
트랜스듀서와 컴포넌트 사이에 적어도 수개의 초음파 파장 두께의 유체결합액을 공급하고, 상기 초음파 트랜
스듀서와 컴포넌트간의 접촉 없이 상기 컴포넌트 상에 평탄하지 않은 표면을 허용하는 공간을 상기 초음파 트
랜스듀서와 컴포넌트 사이에 제공하는 스텝과,
b. 상기 컴포넌트를 스캐닝하여 각각 별개의 초음파 소자를 한번에 하나씩 점화하는 스텝,
c. 각각의 점화 동안에, 상기 어레이의 각 소자로부터 상기 표면 및 내부 리플렉터의 양쪽으로부터 수신한 반
사된 초음파 파형을 동시에 기록하는 스텝,
d. 각각의 프로브 위치에서 각도 내의 초음파 빔을 스위핑하고 알려진 각도 및 프로브 위치를 이용하여 상기
컴포넌트의 표면 프로파일을 측정하기 위해 수집한 초음파 파형 데이터의 어레이를 처리하는 스텝,
e. 빔 왜곡을 제거하기 위해, 측정된 표면 프로파일에 기초해서 신호처리 파라미터를 프로브 위치의 함수로서
산출하는 스텝 및,
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f. 상기 컴포넌트의 표면 불규칙성에 대한 수정을 행하여 상기 컴포넌트의 내부 리플렉터를 검사하기 위해 새
로 산출한 신호처리 파라미터를 이용해서 수집한 데이터의 어레이를 처리하는 스텝을 구비하여 이루어진 것을
특징으로 하는 초음파 검사방법.
청구항 5
삭제
청구항 6
삭제
청구항 7
삭제
청구항 8
삭제
청구항 9
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청구항 10
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청구항 11
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청구항 12
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청구항 13
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청구항 14
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청구항 15
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명 세 서
발명의 상세한 설명
기 술 분 야
본 발명은, 일반적으로 컴포넌트 부품의 검사에 관한 것으로, 특히 컴포넌트 부품의 초음파 검사에 관한 것이[0001]
다.
배 경 기 술
복잡한 형상으로 된 표면을 가진 컴포넌트가 산업상 및 정부가 관여하는 작업(government operation) 전반에[0002]
걸쳐 많이 이용되고 있다. 이들 표면의 정확한 형상은 검사를 수행하기 전까지는 알려져 있지 않은 것이 많
다. 예컨대, 공업용 원자로 산업에는 복잡한 곡선을 가진 컴포넌트 및 용접봉이 많이 존재한다. 바깥쪽 면
으로부터 파이프 용접봉의 초음파(UT) 시험을 수행하기 위한 현재 이용가능한 적격의 방법 및 절차는 본질적
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으로 평탄하고 스무드한 형상에만 적용가능하다. 이들 절차에 대처함으로써 얻어진 현장 경험은 이들 용접봉
의 많은 부분이 평탄하지도 않고 스무드하지도 않다는 것을 나타낸다. UT 시험관에 의해 부닥치는 전형적인
현장 조건은 용접 크라운(weld crown) 상태의 편차 및 직경 용접 수축(diametrical weld shrinkage)과 같은
다른 표면 불규칙성을 포함한다.
공업용 컴포넌트(industrial component)의 위상 어레이 초음파 시험은 지난 20년 동안 광범위하게 사용되고[0003]
있다. 위상 어레이 초음파 시험은, 트랜스듀서가 그들 자신의 펄스발생기와 수신기 채널을 각각 가지는 작은
개별의 소자의 어레이로 구성되어 있는 초음파 시험의 하나의 형태이다. 각 소자는 넓은 빔 확산을 확실히
하기 위해 소형이다. 송신 중에, 각 소자는 각 소자로부터의 초음파가 컴포넌트 체적 내의 초점에 동시에 도
달하도록 정확하게 결정된 시간에 펄스화된다. 수신 중에, 각 소자로부터의 신호는 컴포넌트의 체적 내의 초
점으로부터 반사된 신호가 모두 위상이 같아지도록 정확한 시간만큼 지연된다. 지연된 수신신호는, 그 후 일
제히 가산되어 반사가 초점으로부터 개시될 때 최대진폭신호를 생성한다. 이들 송신 및 반사를 위한 시간지
연은 전자적으로 적용되기 때문에, 급속히 변화될 수 있다. 이것은, 위상 어레이 빔 특성이 초당 20,000회만
큼 높은 속도로 급속히 프로그램되거나 변화되도록 한다. 이들 기술을 이용하여, 초음파 빔의 초점은 각도범
위(angle: 모서리)에서 전자적으로 퍼지게 할 수 있고, 깊이의 범위를 통해 퍼지게 할 수 있으며, 프로브
(probe) 또는 임의의 다른 소망하는 패턴에 평행한 평행선을 따라 선형으로 퍼지게 할 수 있다. 이 융통성
(versatility)은 공업용 시험에 있어서 위상 어레이 초음파의 광범위한 사용을 불러 일으킨다.
구부러지고 기복이 있으며 불규칙한 표면을 가지는 컴포넌트는 오래 동안 초음파 시험을 위한 도전을 하고 있[0004]
다. 표면이 (원통과 같은) 주지의 불규칙한 형상을 가지면, 어떤 경우에는 컴포넌트가 검사되도록 초음파 프
로브를 설계하여 제조할 수 있다. 위상 어레이 초음파를 이용하여, (많은 경우에는) 송신 및 수신에서 사용
되는 지연시간을 조절함으로써 주지의 표면 형상을 보상하는 것이 가능하다. 위상 어레이 초음파 빔이 단순
하고 규칙적인 표면 형상을 위해 설계되도록 하는 초점 법칙 계산기(focal law calculator)는 상업적으로 입
수할 수 있다. 그렇지만, 표면 프로파일이 검사 전에 표면을 따라 미지의 방법으로 변화하는 경우, 초음파
검사를 수행하는데 이용할 수 있는 방법은 없다. 이것은, 예컨대 파이프가 용접되고, 그 후 용접이 스무드하
게 마무리되었지만 평탄하지 않은 지면에 접지될 때, 발생하게 된다. 종종, 트랜스듀서와, 자동화된 스캐닝
을 수행하는 것과 신뢰할 수 있는 결합을 얻는 것을 더 쉽게 만드는 부품의 안팎으로 초음파를 전도하는 부품
사이에, 물 경로가 이용된다.
도 1 및 도 2는 표면 불규칙성의 초음파 펄스에 대한 영향을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다. 도 1은 평[0005]
탄한 표면으로의 초음파 빔이 어떻게 소망하는 범위에 쉽게 집속되는지를 나타낸다. 도 2는 구부러진 표면으
로 인해 초음파 빔이 어떻게 분산되는지를 나타낸다. 초음파 검사의 충실도를 유지하려고 하면, 표면 프로파
일의 편차를 조정하지 않으면 안된다.
"표면 구조 측정(profilometry) 데이터를 이용하여 초음파 검사를 하기 위한 장치 및 방법(Device and method[0006]
for ultrasonic inspection using profilometry data)"이란 명칭이 붙여진 미국 특허출원 공개 제
2005/0150300호에는 트랜스듀서와 부품 표면 사이에 탄성파 전달매체(water coupling)를 가지는 썰매 구조
(sled arrangement) 상에 수개의 초음파 프로브를 이용하는 방법이 개시되어 있다. 이러한 구조는, 평탄하지
않은 표면으로 인한 리플렉터(reflector)의 위치의 오차를 보상함으로써 컴포넌트의 검사를 정정하기 위해 표
면 프로파일을 정밀하게 표시하는 능력을 제공한다. 그렇지만, 이것은 초음파 빔의 폭에 걸쳐 평탄하지 않은
표면 프로파일로 인한 초음파 빔에서의 광행차(aberration)를 수정하는 능력을 갖추고 있지 않다. 따라서,
그 적용가능성은, 표면으로 들어감에 따라 빔의 폭 전체에 걸쳐 평탄한 것으로 묘사될 수 있는 표면으로 한정
된다. 이러한 한정은, 도 2에 나타낸 바와 같이 1.5인치 반경의 곡률인데도 전형적인 초음파 빔에 심한 빔
왜곡을 발생시키기 때문에, 몹시 제한하고 있다. 그래서, 초음파 검사를 수행하는 복잡한 형상의 컴포넌트의
표면에 정합(整合)될 수 있는 유연한 위상 어레이 프로브를 개발했다. 이것은, 2004년 8월 30일～9월 3일에
캐나다 몬트리올에서 열린 제16회 비파괴 검사(nondestructive testing) 세계 컨퍼런스에서 소개된 "복잡한
형상을 가지는 컴포넌트의 접촉 시험을 위한 유연한 위상 어레이 트랜스듀서(A flexible phased array
transducer for contact examination of components with complex geometry)"라는 기사에 개시되어 있다. 이
실험적인 작업에서는, 각각 개별의 소자에 부착된 변위측정장치를 갖는 유연한 압전 프로브가 개발되었다.
개별의 소자는 평탄하지 않은 표면 프로파일에 정합하도록 아래로 밀어 넣어져 있다. 변위 센서로 각각 개별
의 소자의 수직 위치를 측정함으로써, 불규칙한 표면이 다른 상태로 생성하곤 하는 빔 왜곡을 보상 및 제거하
는 위상 어레이 지연을 산출할 수 있다. 그렇지만, 초음파를 부품으로 신뢰할 수 있게 결합하기 위해 프로브
소자와 부품 표면 사이에 충분한 접촉을 유지하는 것은 문제가 있다. 소자와 부품 사이의 양호한 초음파 결
합을 확실하게 하기 위해서, 결합액(coupling liquid) 또는 겔(gel)로 가득 채워진 수천분의 1인치 이하의 갭
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이 필요하다. 실제의 많은 표면 조건 하에 있어서 이것은 불가능하다.
씨. 홈즈, 비. 디링크워터 및 피. 윌콕스에 의한 기사, 「Insight, Vol. 46, No. 11, 677～680(2004)」에는,[0007]
모놀리딕(단일 소자) 초음파 트랜스듀서의 이용에 대해 개시되어 있다. 여기서는, 초음파 빔 특성은 맞춰져
있어 변경할 수 없다. 하나의 프로브는 표면 프로파일을 측정하기 위해 물 경로(water path)를 따라 동작하
고, 내부 검사를 위한 다른 프로브는 컴포넌트의 표면과 접촉하고 있다. 이 레퍼런스에 개시된 초음파 프로
브는 유연하지 않기 때문에, 평탄한 표면 상에서만 작용할 수 있다. 프로브의 평탄한 표면은, 적절히 동작하
도록 하기 위해 프로브와 컴포넌트 표면 사이의 얇은 액체 커플랜트(liquid couplant)가 수천분의 1인치 두께
이하인 프로브의 전 영역에 걸쳐 컴포넌트의 평탄한 표면과 접촉하고 있어야만 한다. 따라서, 이 장치는 평
탄한 표면 세그먼트(surface segment)로 구성되어 있는 컴포넌트 상에서만 작업할 수 있다. 하나의 평탄한
영역으로부터 다른 평탄한 영역으로의 천이 영역에 걸쳐 내부 검사 프로브는 동작할 수 없다. 이 어프로치는
프로브의 전 영역에 걸쳐 근본적으로 평탄한 큰 반경의 곡률을 갖는 구부러진 표면만 정합하도록 할 수 있다.
전형적인 트랜스듀서에 대해, 이 어프로치를 사용하기 위해서는 곡률의 반경이 2분의 1피트 이상이어야 한다.
이 어프로치에 의해 제공되는 수정은, 표면 프로파일의 편차에 대한 초음파 데이터로부터 내부 반사의 위치를
수정하는 것으로 제한된다. 빔 각도 및 각 프로브로부터 리플렉터까지의 거리가 알려져 있기 때문에, 표면
상의 프로브의 정확한 위치 및 표면 프로파일을 앎으로써, 이 기사에 개시된 어프로치에 의해 글로벌 좌표계
에 비례하여 리플렉터의 위치를 산출할 수 있다. 그렇지만, 이 어프로치는 존재하는 평탄하지 않은 표면 컴
포넌트의 비교적 작은 서브세트(subset)에만 적용할 수 있다. 이 어프로치는 프로브의 전 영역에 걸쳐 평탄
하지 않은 표면으로 인한 빔 왜곡의 모든 문제에 대처할 수 없다. 즉, 이 어프로치는 프로브의 전 영역에 걸
쳐 평탄한 표면의 세그먼트에만 적용가능하다.
발명의 내용
해결 하고자하는 과제
본 발명은, 주지의 기술에서의 결함을 처리하는 것으로, 기복이 있거나 평탄하지 않은 표면을 가진 컴포넌트[0008]
를 초음파로 검사하기 위한 방법으로 얻어진다. 다소자 어레이 초음파 트랜스듀서는, 어레이 트랜스듀서와
컴포넌트 표면 사이에서 물과 같은 실질적인 유체층에 따라 조종된다. 이 유체층은 컴포넌트를 액체에 담그
거나 프로브와 컴포넌트 표면 사이에 고정 커플랜트 컬럼(captive couplant column)을 사용함으로써 유지되어
도 좋다. 컴포넌트는 스캔되어 기계적인 스타일러스(mechanical stylus), 레이저 또는 초음파 기술의 어느
한 기술을 이용하여 2차원 표면 프로파일을 측정한다. 일단 컴포넌트 표면의 정확한 표면 프로파일이 얻어지
면, 빔 왜곡 영향 및 평탄하지 않은 표면으로 인해 발생하곤 하는 리플렉터 위치부정합(mis-location)을 제거
하는 컴포넌트의 내부로부터 반사되는 초음파 신호를 처리하기 위해 데이터 처리 파라미터가 산출된다.
본 발명을 특징짓는 각종의 신규한 특징은, 이 발명에 첨부된 청구의 범위 및 이 명세서를 형성하는 부분에[0009]
있어서 지시되어 있다. 본 발명의 더 좋은 이해 및 그 용도에 의해 얻어지는 조작상의 이점을 위해, 이 발명
의 바람직한 실시예가 개시되어 있는 이 명세서의 부분을 형성하는 첨부도면 및 서술적인 내용에 대해 참조가
이루어진다.
과제 해결수단
이 발명의 검사방법은 적어도 3가지의 다른 방식으로 수행되지만, 각 방법에는 몇 가지의 공통영역(common[0010]
area)이 존재한다.
제1 공통영역은, 다소자 어레이 초음파 프로브를 사용하는 것이 바람직하다는 것이다.[0011]
다른 공통영역은, 그 프로브가 실질적인 유체경로에 의해 검사되어야 할 컴포넌트로부터 분리되어 있다는 것[0012]
이다. 유체는 물이나 겔이어도 좋으나, 물이 작업하는데 가장 쉽기 때문에 물이 바람직하다. 전형적으로,
현재의 초음파 트랜스듀서 검사는 트랜스듀서가 컴포넌트과 근본적으로 거의 접촉하고 있는 것을 의미하는 수
천분의 1인치 두께 이하인 유체 또는 겔에 의해 검사되고 있는 컴포넌트에 연결되는 방식으로 수행된다. 따
라서, 본 발명을 위하여, 실질적인 유체 경로는 트랜스듀서와 컴포넌트 사이에서 접촉을 일으키는 일없이, 트
랜스듀서와 컴포넌트 사이에 컴포넌트 상의 평탄하지 않은 표면의 비교적 작은 반경의 곡률(curvature)을 허
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용하는 공간이 존재하도록, 트랜스듀서와 컴포넌트 사이에 적어도 수개의 초음파 파장으로 만들려고 의도하고
있다. 전형적으로, 이 물 경로는 3㎜～25㎜의 길이의 범위에 이른다.
다른 공통영역은, 컴포넌트가 그 컴포넌트의 2차원 표면 프로파일을 얻기 위해 스캐닝되고 있다는 것이다.[0013]
그렇지만, 사용되는 스캐닝 수단은 달라도 좋은데, 이들에 대해서는 후술하기로 한다.
다른 공통영역은, 컴포넌트의 측정된 표면 프로파일에 기초해서, 신호 처리 파라미터가 반사된 초음파 펄스에[0014]
기인한 초음파 빔 왜곡을 수정하는 초음파 프로브 위치의 함수로서 산출된다는 것이다.
발명의 실시를 위한 구체적인 내용
바람직한 실시예에서는, 완전한 데이터 세트가 송신기소자와 수신소자의 고유의 조합마다 각 프로브 위치에서[0015]
기록되도록 다소자 어레이 초음파 프로브에서 각각 개별의 UT 프로브 소자를 하나씩 점화하고, 그 어레이의
각 소자로부터 수신한 반사된 초음파 파형을 기록함으로써, 검사해야 할 컴포넌트를 스캐닝한다. 수집된 초
음파 파형 데이터의 어레이는 컴포넌트의 표면 프로파일을 측정하기 위해 처리된다. 측정된 표면 프로파일에
기초해서, 신호처리 파라미터가 평탄하지 않은 표면을 수정하여 컴포넌트의 내부 리플렉터(reflector)로부터
반사된 신호에서 발생하곤 하는 빔 왜곡 영향을 제거하는 프로브 위치의 함수로서 산출된다. 수집된 데이터
의 어레이는 처리되어 컴포넌트의 내부로부터 반사된 신호에 기초해서 컴포넌트의 내부를 분석(검사)하기 위
해 바로 앞의 스텝에서 산출된 엔코드된 프로브 위치의 함수로서 신호처리 파라미터를 변경한다.
바람직한 실시예에서는, 용적 측정 포인트 집속(volumetric point focusing)을 필요로 하는 2차원 조리개(two[0016]
dimensional aperture)를 형성함으로써 감도(sensitivity)를 증가시키고 해상도를 향상시키기 위해, 잘 알려
진 SAFT(Synthetic Aperture Focusing Technique: 합성 조리개 집속 기술)를 사용해도 좋다. 개별의 소자로
부터의 모든 파형이 격납되기 때문에 매트릭스 점화/집속(Matrix Firing/Focusing) 방식에 SAFT 기술을 쉽게
적용할 수 있다. 이때, SAFT 이점을 살리기 위해 단일의 초점에 집속할 때에 다수의 프로브 위치로부터의 파
형을 이용하는 것이 간편하다.
다른 실시예에서는, 2차원 표면 프로파일을 기계적인 스타일러스, 레이저에 기초를 둔 기술, 초음파 기술 또[0017]
는 유사한 기술 중의 하나를 이용하여 엔코드된 프로브 위치의 함수로서 측정하기 위해, 검사해야 할 컴포넌
트를 스캐닝한다. 측정된 표면 프로파일에 기초해서, 신호처리 파라미터가 프로브 위치의 함수로서
산출된다. 이들 신호처리 파라미터는 반사된 신호에서 발생하곤 하는 빔 왜곡 영향을 제거하기 위해 평탄하
지 않은 표면을 수정한다. 그 후, 산출된 신호처리 파라미터는 2차원 초음파 어레이 트랜스듀서에 접속되는
상업적으로 입수할 수 있는 위상 배열 기구로 다운로드된다. 그 후, 컴포넌트는 그 컴포넌트를 검사하기 위
해 위상 배열 기구로 다운로드된 신호처리 파라미터를 이용하여 다소자 어레이 초음파 프로브에 의해 스캐닝
된다. 이것은, 초음파 프로브 어레이 위치에 기초해서 신호처리 파라미터를 전자적으로 선택하고, 컴포넌트
내부의 리플렉터로부터 역으로 반사되는 펄스를 수신, 처리 및 기록하기 위해 그것들을 이용함으로써 수행된
다.
다른 실시예에서는, 검사해야 할 컴포넌트가 표면 프로파일을 측정하기 위해 상술한 바와 같이 스캐닝된다.[0018]
표면 프로파일을 측정하기 위해 컴포넌트가 스캐닝됨과 동시에, 다소자 어레이 초음파 프로브는 하나씩 점화
된 각각 개별의 어레이 소자를 갖는다. 어레이의 각 소자로부터 수신된 초음파 파형은, 완전한 데이터 세트
가 송신기소자와 수신소자의 고유의 조합마다 각 프로브 위치에서 기록되도록 기록된다. 신호처리 파라미터
는 상기에 지적한 바와 같이 측정된 표면 프로파일에 기초해서 산출된다. 각 소자의 개별의 점화(firing)로
부터 수신한 수집된 데이터의 어레이는, 그 후 표면 불규칙성을 수정하여 컴포넌트의 내부 리플렉터로부터 반
사된 신호에서 발생하곤 하는 빔 왜곡 영향을 제거하는 새로 산출된 신호처리 파라미터를 이용하여 처리된다.
각각의 실시예는, 하나의 어레이 프로브가 송신기 및 수신기로서 작용하도록 수행되어도 좋고, 또는 첫번째[0019]
프로브가 송신기로서 작용하고 두번째 프로브가 수신기로서 작용하도록 2개의 다소자 어레이 프로브를 사용해
도 좋다. 듀얼 프로브를 분리된 송신기 및 수신기로서 이용함으로써, 유체와 컴포넌트의 내부로부터 표면 근
방의 반사로 시스템을 일시적으로 어둡게 하는 컴포넌트의 표면 사이의 경계부로부터의 반사의 진폭을 축소시
킨다. 듀얼 프로브를 이용한 신호처리 파라미터의 작용 및 산출은, 2개의 프로브의 상대 위치를 고려하는 것
을 제외하고, 하나의 결합된 송신기/수신기 프로브를 이용할 때와 마찬가지이다. 이 경우, 표면 프로파일 정
보는 분리된 수신기 프로브가 컴포넌트의 내부로부터 반사된 초음파를 수신함과 동시에 송신기 프로브를 펄스
/에코 모드(이 프로브에서 동일한 소자에 대한 송신 및 수신)로 동작시킴으로써 얻어진다. 2개의 프로브는
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횡으로 분리된다. 송신기 프로브(제1 프로브)는 결합액 및 컴포넌트의 내부로 초음파 펄스를 송신하고, 컴포
넌트의 표면 프로파일을 매핑하기 위해 컴포넌트의 표면으로부터 초음파 반사를 수신한다. 수신기 프로브(제
2 프로브)는 컴포넌트의 내부로부터 초음파 반사를 수신한다.
데이터를 획득 및 처리하는 이 발명의 방법을 이용해서, 관심 대상의 영역의 각 점에서 집속된 초음파 빔을[0020]
가지는 등가의 이미지를 생성하기 위해 처이터를 처리하는 것이 가능하다. 또한, 조리개를 효과적으로 변화
시키는 컴포넌트의 다른 영역에 대해 다른 수의 소자로부터 데이터를 처리하는 것이 가능하다. 예컨대, 유효
한 조리개는, 초점 폭(focal width)이 다음과 같이 주어지기 때문에, 검사 영역에 대해 일정한 초점 폭을 유
지하기 위해 증가된 초점거리로 증가될 수 있다.
초점 폭 ~= (초점거리)(초음파 길이)/(유효 프로브 폭)[0021]
이 발명의 방법이 수행되는 일반적인 수단을 이하에 설명한다.[0022]
컴포넌트의 표면 프로파일은 어레이 프로브 초음파를 이용해서 정확하게 측정될 수 있다. 이것은, 각도범위[0023]
(angle: 모서리)의 빔을 전자적으로 스위핑하면서 컴포넌트 부품 전체에 걸쳐 스캐닝하고, 초음파 표면 반사
데이터를 수집하며, 그 후 데이터가 부품의 표면의 정확한 프로파일을 생성하도록 취해졌을 때 알려진 빔 각
도 및 프로브의 위치를 이용해서 수집된 데이터를 결합함으로써 수행된다. 표면 상의 점으로부터 최대 반사
는 초음파 빔이 표면과 수직으로 될 때 얻어진다. 빔 각도 및 프로브의 위치마다 데이터를 결합할 때, 표면
의 주어진 점으로부터 가장 높은 진폭을 가진 반사는 프로브로부터 표면 상의 점까지의 거리를 측정하기 위해
사용된다. 최대 반사에 대한 프로브의 정확한 위치 및 빔 각도를 조사함으로써, 표면 상의 점의 위치를 결정
할 수 있다. 전 표면은 그 표면을 규정하는 점의 격자(grid)에 대해 이 측정을 수행함으로써 프로파일될 수
있다. 상술한 위상 어레이 처리와 등가의 신호 처리가 동일한 표면 프로파일 능력을 제공하기 위해 매트릭스
점화 수집된 데이터에 대해 수행될 수 있다.
전 표면을 프로파일화하기 위해, 부품 전체에 걸쳐 스캐닝하는 동안 각도범위에서 초음파 빔이 스위핑된다.[0024]
적절하게 게이트로 제어될 때, 결과로서 얻어지는 신호는 각 프로브 위치에서 빔 각도마다 피크 신호(peak
signal: 첨두 신호)의 진폭 및 도착시간에 관한 정보를 제공한다. 프로브에 비례한 반사의 소스(source of
reflection: 반사원)의 공간적인 위치는 다음과 같이 이 정보로부터 산출될 수 있다:
[0025]
여기서 ToF는 반사에 대한 비행의 측정 거리이고, Vs는 액체 내에서의 소리의 속도이며, θ는 집속 빔의 각도[0026]
이다. 이들 상대위치값은, 반사가 리플렉터의 실제의 x, y 위치를 제공하도록 기록되고, 어레이에 저장되었
을 때 알려진 프로브 위치에 가산된다. 부품의 프로파일은, x 위치마다 최대의 진폭을 가지는 반사의 y 위치
를 찾기 위해 어레이를 x 위치의 함수로서 처리함으로써 발견된다. 이 처리를 컴포넌트의 길이에 따른 증분
값(increment)에서 취해진 다수의 스캔 라인을 이용하여 반복함으로써, 컴포넌트에 대한 전 표면 프로파일을
생성할 수 있다.
컴포넌트의 내부로부터의 데이터를 처리하기 위해 사용되는 시간지연값을 정확하게 산출하기 위해서, 트랜스[0027]
듀서 소자로부터 컴포넌트의 관심대상점까지 여행하고 있는 초음파에 의해 취해지는 경로를 결정하지 않으면
안된다. 소스 소자로부터 컴포넌트 표면에서의 액체/고체 경계를 통해 전파하는 초음파는 그 경계부에서 굴
절한다. 도 3은 이 굴절을 설명하기 위한 도면이다. 입사 초음파는 θ1의 각도로 표면에 충돌한다. 이 파
는 경계부에서 굴절되어 스넬(Snell)의 법칙에 의해 주어진 θ2의 각도로 컴포넌트 내를 여행한다:
[0028]
θ1 = 제1 재료(액체)의 입사각도[0029]
θ2 = 제2 재료(고체 성분)의 굴절각도[0030]
V1 = 제1 재료(액체)의 소리속도[0031]
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V2 = 제2 재료(고체 성분)의 소리속도[0032]
V2는 전단파(剪斷波: shear wave) 빔 또는 굴절된 종파(從波: ongitudinal wave) 빔의 어느 하나에 기인한 전[0033]
단파 속도 또는 고체의 종파 속도의 어느 하나로 될 수 있다. 평탄하지 않은 표면을 가진 컴포넌트를 검사하
기 위해 사용하는 시간지연을 산출하는 것은, 소스 소자와 스넬의 법칙을 만족하는 점에서 평탄하지 않은 표
면을 통과하는 소망하는 초점 사이의 굴절 경로를 찾는 것을 필요로 한다. 전형적으로, 이것은 수치적인 근
찾기(numerical root finding)를 통해 행해진다. 오차 함수(error function)는, 개별의 소자의 중심으로부터
평탄하지 않은 표면의 점을 통해 스넬의 법칙을 만족하는 소망하는 초점까지의 경로가 발견되었을 때, 제로로
가는 것으로 정의할 수 있다. 이 오차함수는 다음과 같이 주어진다:
[0034]
Xfocus는 입사광선이 표면과 교차하는 곳으로부터 소망하는 초점 X까지의 수평거리이고, Yfocus는 입사광선이 표[0035]
면과 교차하는 표면 아래에서 소망하는 초점까지의 깊이이며, θ1은 표면 법선에 비례한 입사각도이고, V1은
결합액의 소리속도이며, V2는 고체 성분의 소리속도이다. 오차 함수는 부품 표면을 따라 x의 함수로서 평가
된다. E(x)가 몇 가지 소정의 허용오차(tolerance) 내에서 제로와 같아지도록 x에 대한 값이 구해졌을 때,
스넬의 법칙을 만족하는 소리 경로에 대한 해법이 구해지고, 그 빔은 이 x값에서 표면을 통과한다. 또한, 스
넬의 법칙을 만족하는 해법을 구하는 다른 방법도 사용될 수 있다. 일단 초음파 경로 해법이 구해지면, 간단
한 계산은 신호처리 지연이 산출될 수 있는 이 경로를 따라 여행하는 신호에 비행 시간을 제공한다.
ToF = (액체의 경로 길이)/Vliquid (고체의 경로 길이)/Vsolid[0036]
도 4에는 복잡한 형상의 표면을 통해 동작하는 다소자(32) 어레이 프로브에 대한 광선추적의 예가 나타내어져[0037]
있다. 경계부 위의 재료는 물이고, 경계부 아래의 재료는 강철(steel)이다.
이 어프로치(approach: 접근법)는 2차원 어레이 프로브를 사용할 때 3차원으로 확장될 수 있다. 전형적으로,[0038]
2차원 어레이 프로브는 소자의 직사각형 2차원 어레이를 포함하고 있다. 이들 프로브에 의해, 평탄하지 않은
표면을 통한 집속은 3차원 x, y 및 z 모두의 초음파 경로에 대한 해석(solving)을 포함하고 있다.
본 발명은 여러 가지 이점을 제공한다.[0039]
주요한 이점의 하나는, 부품과 프로브 사이에 물 경로를 이용함으로써, 검사를 수행하기 위해 단순한 어레이[0040]
프로브를 사용하여 비교적 쉽게 부품 표면을 스캐닝할 수 있다는 것이다. 물 경로는 검사를 수행하기 위해
컴포넌트를 액체의 탱크 내에 담금으로써 제공될 수 있다. 또한, 물 경로는 컴포넌트의 표면에 대해 유연한
밀봉을 가지는 프로브의 주위에 작은 컨테이너(container: 용기)를 사용하여 프로브 표면과 부품 표면 사이의
영역을 가득 채우기 위해 액체를 컨테이너로 주입함으로써 설정될 수도 있다. 일반적으로, 결합액의 이용은
신뢰할 수 있는 결합을 제공하고, 자동 스캐닝에 적합하다. 또한, 물 경로는 상술한 바와 같이 부품의 표면
프로파일을 측정하기 위한 편리한 수단도 제공한다.
본 발명의 다른 이점은, 검사를 위한 초음파 빔 왜곡의 제거뿐만 아니라 컴포넌트 내부에서 리플렉터를 정확[0041]
히 위치시키는 것을 허용한다는 것이다. 전술한 바와 같이, 평탄한 표면으로부터의 비교적 작은 편차라도 그
표면을 통과하는 초음파 빔의 심한 왜곡을 일으킬 수 있다. 이 어프로치는 표면의 단차(step)를 포함한 광범
위한 평탄하지 않은 표면 상태에 대하여 아주 확고하다는 것을 나타낼 수 있다. 이 이점으로 인해, 이 기술
은 광범위한 평탄하지 않은 표면 검사 문제에 대처할 수 있다.
송신 및 수신 소자의 모든 고유의 조합으로부터의 초음파 파형이 디지털화되고 그 후의 처리를 위해 격납되는[0042]
매트릭스 점화 및 매트릭스 집속을 이용하는 이 기술의 실행을 위해, 표면 프로파일을 결정하여 동일한 데이
터를 갖거나 또는 컴포넌트의 전체 표면에 걸쳐 하나의 라스터 스캔(raster scan)으로부터 동시에 획득된 분
리된 데이터를 가지는 컴포넌트 내부의 검사를 수행하는 것이 가능하다. 이것은, 표면 프로파일과 컴포넌트
내부의 검사 데이터를 따로따로 얻기 위해 2회의 스캔을 수행해야 할 필요성을 제거하기 때문에, 이점이
있다. 게다가 표면 프로파일은, 평탄하지 않은 표면에 대해 초음파 빔을 정확하게 수정할 수 있도록, 아주
정확하게 측정되지 않으면 안된다. 동일한 데이터를 이용하거나 또는 표면 프로파일과 내부 검사 데이터를
동시에 얻음으로써, 2가지의 측정이 프로브의 동일한 위치에서 정확하게 획득된다. 이 어프로치에 의해, 수
천분의 1인치 이하 이내로의 표면 프로파일의 정확한 측정이 가능하게 된다. 이것은, 평탄하지 않은 표면으
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로 인한 왜곡을 제거하여 컴포넌트의 내부에 리플렉터의 아주 정확한 위치를 제공하는 것을 가능하게 한다.
본 발명은, 상업적으로 입수할 수 있는 위상 어레이 기구로 가능하지 않은 개선된 신호처리 기술을 이용하는[0043]
것을 가능하게 한다. 특히, 향상된 이미지 해상도를 제공하는 검사 범위의 모든 점에서 집속된 이미지를 제
공하기 위해 데이터를 처리하는 것을 가능하게 한다. 게다가, 일정한 초점 폭과 검사범위를 통한 해상도를
제공하기 위해 검사 프로브의 유효한 조리개(폭)를 변경하는 것을 가능하게 한다. "가공되지 않은" 데이터가
격납될 수 있기 때문에, 데이터를 리플렉터에 더 좋은 특성을 부여하기 위해 추가적인 정보를 제공하는 임의
의 다른 수의 집속 파라미터로 언제라도 처리할 수 있다. 이 향상된 특성은, 중대한 결점을 갖는다고 판단된
컴포넌트의 수리 또는 대체의 비용이 아주 높은 경우에, 매우 유익할 수 있다.
또 다른 이점은, 데이터를 획득하는데 아주 간단한 하드웨어를 사용하는 것이 가능하다는 점이다. 예컨대,[0044]
본 발명의 현 시점에서의 최상의 실시예는 간단한 펄스발생회로의 어레이 및 수신한 파형을 디지털화하여 처
리용 컴퓨터로 전달하기 위해 모두 병렬로 작업하는 고속 디지타이저에 접속된 간단한 수신기회로 어레이를
사용하는 것이다. 이 하드웨어를 동작시키기 위해 아주 적은 파라미터를 정의할 필요가 있다. 대조적으로,
상업적으로 입수할 수 있는 위상 어레이 하드웨어는, 상술한 펄스발생기/수신기 및 디지타이저 외에, 송신한
펄스 및 수신한 신호의 양쪽에 프로그램가능한 급속 전환(rapid switched)된 전자 지연을 제공하기 위한 장치
를 포함하고 있다. 그것들은 각 수신기 채널로부터의 지연된 신호를 가산하기 위한 회로도 포함하고 있다.
이들 모든 장치 또는 회로는 동작을 위해 프로그램되는 다수의 파라미터를 필요로 한다.
또 다른 이점은, 프로브의 고정된 위치로부터 데이터를 획득하기 위해 사용되는 능동소자로부터 실시되는 검[0045]
사를 증대시키기 위해 SAFT(Synthetic Aperture Focusing Technique: 합성 조리개 집속 기술)를 이용할 수 있
다는 점이다. SAFT에 따르면, 프로브의 다수의 위치에서 개별의 소자로부터 수집된 파형의 데이터는 적당한
지연이 그 데이터에 가해진 후에 일제히 가산된다. 이것은, 근본적으로 SAFT를 위한 데이터가 프로브의 다수
의 정확하게 알려진 위치로부터 오는 것을 제외하고는 매트릭스 집속(Matrix Focusing)을 위해 사용되고 있는
처리와 동일한 처리이다. 매트릭스 집속에 따르면, 송신기와 수신기 소자의 모든 고유의 조합으로부터 취해
진 데이터는 그 처리에 이용되고, 결과로서 얻어진 파형이 관련되는 한 상업적으로 입수할 수 있는 위상 어레
이 기구에서 수행되는 처리와 등가인 것을 나타낼 수 있다. SAFT를 이용함으로써, 데이터는 프로브의 단일의
위치에서 수집된 데이터에 대한 해상도 및 감도보다 향상된 해상도 및 감도를 제공하는 비교적 큰 유효 조리
개로 되는 비교적 큰 범위에 걸쳐 수집된다. 그렇지만, 데이터가 프로브의 물리적인 소자에 대해서만 수집될
뿐이기 때문에, SAFT 처리된 데이터는 더 큰 범위의 능동 프로브를 가지는 것과 완전히 등가로는 되지
않는다. SAFT는 검사의 해상도 및 감도를 향상시키는데 매우 효과적으로 사용할 수 있다.
2D 가변 표면 상에서 동작할 때 좋은 빔 특성을 제공하기에 아주 작은 소자 및 충분한 양의 소자를 가지는 완[0046]
전한 2D 어레이 프로브를 사용하는 것은 문제가 있을 수 있다. 더 많은 수의 2D 소자를 가지는 트랜스듀서는
형성하기 어렵고, 비싸며, 그 소자가 너무 작아지면 부족한 감도를 갖는다. 더 많은 수의 소자로부터의 데이
터를 점화하고 수집하며 처리하는데 걸리는 시간의 양은, 매트릭스 점화 어프로치의 경우 엄청날 수 있다.
다수(> 32)의 소자를 지원하기 위한 하드웨어는 용이하게 입수할 수 없다. 2D 프로브에 있어서 다수의 소자
의 사용을 회피하는 하나의 어프로치는 파형 데이터 세트의 필요한 2차원 어레이의 1차원을 제공하는
SAFT(Synthetic Aperture Focusing Technique: 합성 조리개 집속 기술)의 이용이다. SAFT에 따르면, 좁은 횡
폭(lateral width)을 가지는 1D 어레이 프로브는 개별의 소자에 대해 횡방향으로 뻗치는 좋은 빔을 제공하도
록 제조될 수 있다. 1D 어레이 프로브는 매트릭스 집속 어프로치에 대해 설명한 바와 같이 데이터를 수집하
는 부품의 표면 전체에 걸쳐 라스터 스캐닝된다. 그 후, 데이터는 매트릭스 집속과 SAFT의 조합을 이용하여
처리된다. 이것은, 아주 간단한 하드웨어 실시의 실용적인 이점을 갖는다. 어떤 경우에는 완전한 2D 어레이
만큼 좋은 감도를 제공하지 못한다는 것을 나타낼 수 있지만, 이것은 2차원에서 변화하는 표면을 갖는 컴포넌
트의 검사에 아주 실용적인 어프로치로 될 수 있다. SAFT는 어느 한 방향 또는 양 방향에서 수집된 데이터의
처리를 증대시키기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 원리의 응용을 설명하기 위해 본 발명의 특정 실시예 및/또는 상세(詳細)를 상기에 나타내어 개시[0047]
했지만, 이 발명은 그러한 원리를 이탈하는 일없이 청구의 범위에 더 충분히 개시된 바와 같이, 또는 (임의의
또는 모든 등가물을 포함하는) 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 바와 같이 구체화되어도 좋음
을 이해해야 한다.
도면의 간단한 설명
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이 명세서의 일부를 형성하는 첨부도면에 있어서, 도면에 나타낸 참조부호는 전 도면을 통해 동일하거나 대응[0048]
하는 부품을 가리킨다:
도 1은 평탄한 표면을 통해 부품으로 진행되는 초음파 펄스의 영향을 개략적으로 설명하는 도면이고,[0049]
도 2는 평탄하지 않은 표면을 통해 부품으로 진행되는 초음파 펄스의 영향을 개략적으로 설명하는 도면이며,[0050]
도 3은 2개의 다른 재료의 경계부에서의 초음파빔 굴절 및 반사를 개략적으로 설명하는 도면이고,[0051]
도 4는 다소자 어레이 프로브에 대한 광선 추적의 일례를 나타낸 도면이다.[0052]
도면
도면1
도면2
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