JP2011196799A - ゴム製品の検査方法及びゴム製品の検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ゴム製品を、ＡＥ波を利用して非破壊検査するゴム製品の検査方法及びゴム製品検査装置を提供する。
【解決手段】ゴム製品のき裂から発生するＡＥをＡＥセンサーで検知して、ＡＥの経時変化を求める。この経時変化の特性から、ＡＥが、ゴム製品から過飽和気体が気泡になったときに発生するＡＥであるか、気泡を起点としてき裂が発生したときに発生するＡＥであるかを判定する。また、ＡＥの経時変化を、予め測定したデータ比較して、ゴム製品のき裂進展を把握し、ゴム製品の良否を判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ゴム製品の検査方法及びゴム製品の検査装置に関する。更に詳しくは、ゴム製品から発生する弾性波を検知して、この弾性波の特性からゴム製品の損傷状態又は良否を判定するための検査方法及びゴム製品検査装置に関する。

Ｏリングに代表されるゴム製のシール部材は、家電製品から大型の機械、精密機器から建築機械まで、幅広い分野で使用されている。ゴムは、耐プラズマ性、耐熱性、クリーン性、非固着性、耐薬品性、耐溶剤性、耐油性等の優れた性質を備え、希望の形状に製造し易いという利点がある。また、ゴムは、天然の植物から採取されて工業用に利用されてから何世紀もたち、ゴム製造の歴史は古い。しかしながら、特に高温、真空、高気圧等の厳しい環境条件、高い気密性が求められる環境等で、使用されるゴム製品、ゴム製のシール材料等に関しては、その製造のときの品質管理、設計では、大変な労力と細心の注意と知識で設計され、使用されている。

このようなシール材料は、定期的に交換するか、定期的な検査をしなければならない。ゴム製品の検査は、様々な方法と検知原理が提案され利用されている。例えば、Ｘ線で観察したり、その表面を肉眼や顕微鏡等で観察したりするものである。特許文献１には、ゴム製のベルトを複数回にわたって伸長させた後、ベルトの表面のき裂を観察する方法が開示されている。この観察のためには、ベルトに機械的エネルギー加えている。しかしながら、ゴム製品の内部のき裂を検査する方法としては、ゴム製品に負荷をかけない非破壊検査が好ましい。

非破壊検査する方法の一つは、アコースティックエミッションを用いる方法がある。アコースティックエミッション（以下、ＡＥという。）は、材料の変形、破壊又は、き裂発生に伴って放出される弾性波である。この弾性波は、材料の表面に設置した、検出素子で検出することができる。ＡＥは、材料の種類とその変形、破壊やき裂等の種類によるが、通常、数ｋＨｚ〜数ＭＨｚに周波数帯域を持っている。例えば、金属材料で発生するＡＥは、主として１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの周波数の信号である。

ゴム材料の場合も，金属材料と同様に１ＭＨｚ以下の周波数の信号を対象とする。ＡＥを検出するためのセンサーは、一般的には圧電素子が用いられており、この圧電素子を材料の表面に密着させてＡＥを検出している。この例としては、免震構造物に使用している積層ゴムに取りつけたＡＥセンサーで、積層ゴムの欠陥から発生するＡＥ信号を検知する積層ゴムの品質管理システムが開示されている（特許文献２、３参照）。このシステムでは、複数のＡＥセンサーで検知したＡＥ信号の到達順序や時間差を計測し、欠陥の発生位置を特定している（特許文献２の明細書の段落［００２６］を参照。）。

また、このシステムでは、積層ゴム内のマイクロクラックの発生、進展に伴って発生した超音波を検知している（特許文献２の明細書の段落［００２６］を参照。）。更に、特許文献４には、タイヤ等のゴム製品の破損状態を推定するための方法と装置が開示されている。タイヤのホイルリム部の内側にＡＥセンサーを取り付け、ＡＥ波を検知し、ＡＥ波累積数の変化の度合いと、事前に分かっているＡＥ波累積数とタイヤ破損状態の関係データと比較して、タイヤの破損状態を推定している。

（イベント法とリングダウン法）
ＡＥを検出することでは、材料中で発生したクラック発生、そのクラックの進行状態の監視が可能である。ＡＥ信号は、短期間に連続的に発生する複数の周波数の弾性波から構成されており、その強度と大きさは、材料の種類やき裂の大きさ等によって異なる。ＡＥを検出し、電気信号として出力するためのアコースティックエミッションセンサー（以下、ＡＥセンサーという。）に検出される信号を処理する方法として、次の二つの方法がある。ＡＥセンサーで受信されて観察されるＡＥ信号は、性質を異にする２種類に分類できる。

第１の方法は、１つのＡＥ信号を１つと数えるイベント法である。このイベント法では、計数するＡＥ信号をＡＥイベントカウントと呼び、単位時間当たりのＡＥイベントカウント数をＡＥイベントカウントレートと呼ぶ。このＡＥイベントカウントレートは、応力の繰り返しによって進展するき裂から発生するＡＥ信号が基本的に離散的であることを考慮し、疲労き裂進展の評価に用いることが多い。

第２の方法は、定義した基準値以上の振幅を全て数えるリングダウン法である。このリングダウン法で計数するＡＥ信号をＡＥリングダウンカウントと呼び、単位時間当たりのＡＥリングダウンカウント数をＡＥリングダウンカウントレートと呼ぶ。図１５には、イベント法と、リングダウン法の違いを図示している。図１５（ａ）には、１つのＡＥ信号を示している。図１５（ｂ）及び（ｃ）には、このＡＥ信号を計数する２つの方法であるイベント法とリングダウン法の違いを示している。

図１５（ｂ）は、イベント法を示している。図１５（ｃ）は、リングダウン法を示している。図１５（ａ）のＡＥ信号の最大強度は、設定した閾値以上である。図１５（ａ）のＡＥ信号は、図１５（ｂ）に示すように、イベント法では、「１」とカウントされる。リングダウン法では、１つのＡＥ信号を構成する複数の弾性波の中で設定した閾値以上の強度のものを全て数える。このために図１５（ａ）のＡＥ信号は、図１５（ｃ）に示すように、リングダウン法では、「４」とカウントされる。

特開２００５−１６４４９９号公報 特開特開平１１−６４０９８号公報 特開特開平１１−６４０９９号公報 特開特開２００５−３３７９２９号公報

上述のように、肉眼や顕微鏡等でゴム製品の表面を観察する方法では、ゴム製品の表面に出ている損傷は発見できたとしても、内部に発生したき裂等の損傷の発見はできない。また、ＡＥ波を検知する方法は、金属材料の非破壊検査技術として公知である。しかし、ゴム製品から発生するＡＥ波の振幅は、金属から発生するＡＥ波と比べ、桁違いに小さい。同様に、ゴム製品から発生するＡＥ波の発生率も、金属の場合と比べて、桁違いに少ない。

上述の特許文献２、３には、建築構造物に利用される大きいゴム材料の検査にＡＥセンサーを利用している。このゴム材料は、建築構造物等の大きな圧力を受けて支えるものである。また、特許文献２、３に記載されたものは、ＡＥカウントの変化のみをみている。このような状況で、ゴム製のシール材料等の微小なゴム製品については、ＡＥセンサーを用いて、その検査を行う技術がまだ確立されていない。

本発明は上述のような技術背景のもとになされたものであり、下記の目的を達成する。
本発明の目的は、ゴム製品を、ＡＥ波を利用した非破壊検査により、検査するゴム製品の検査方法及びゴム製品検査装置を提供する。
本発明の他の目的は、ゴム製のシール材料を、ＡＥ波を利用した非破壊検査により、検査するゴム製品の検査方法及びゴム製品検査装置を提供する。

〔用語の定義〕
本発明において、ゴム製品、き裂、アコースティックエミッション（ＡＥ）は、次に定義される意味で使用する。以下、この用語毎に説明する。

「ゴム製品」とは、材料にゴムを利用した製品や部品を言う。ゴムの種類は、用途、適用箇所、適用機器等に応じて適宜選択して使用する。ゴムの種類としては、例えば天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム、ブチルゴム、クロロプレンゴム、ニトリルゴム、エチレンプロピレンゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、ハイパロン、ウレタンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、パーフロオロゴムが挙げられる。また、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、アクリロニトリルブタジエンゴム（ＮＢＲ）、水添加ＮＢＲ、シリコーンゴム、フッ素ゴム等が挙げられる。これらゴム材料に補強のために、これらに限定しないが、カーボンブラック、シリカ等のフィラー、老化防止剤、オイル等を添加したものも利用できる。

「き裂」（英語表記では、Crack。）は、材料に、本願発明の場合はゴム製品に、生じたひび割れ、割れ目、裂け目等の欠陥である。ゴム部材が繰り返し負荷や静的な負荷を受けると、き裂は、ゴム製品又は部材の表面又は内部から発生する。発生したき裂は繰り返し負荷によって進展して、最終的には部材又はゴム製品が破壊する。き裂を有する材料に負荷を与えると、き裂に、特に、き裂の先端近傍には負荷の高い応力集中が発生する。

この応力集中が材料の破壊靱性を上回ると、き裂の長さが伸びることでき裂進展が起こる。部材の疲労寿命の８０％程度は、発生したき裂が肉眼で観察可能になるまでに進展するのに費やされる。言い換えると、部材の疲労寿命の８０％程度は、肉眼で観察が困難な１ｍｍ以下のき裂が進展するのに費やされる。よって、部材の破壊を防ぐためには、肉眼で観察することが困難な１ｍｍ以下のき裂を検知する必要がある。

「アコースティックエミッション（ＡＥ）」は、材料の変形、破壊又は、き裂の発生に伴って放出される弾性波である。この弾性波は、材料の表面に設置した、ＡＥ検出素子で検出することができる。ＡＥセンサーは、弾性波を電気信号に変換して出力するための素子である。ＡＥセンサーは、一般的には、圧電素子からなり、材料表面に密着させてＡＥ信号を検出し、ＡＥ信号を電気信号に変換して出力する。

本発明は、ゴム製品の内部に発生したき裂を検査し、その大きさ、進展状況を把握することを目的にするものである。これによって、高圧等の厳しい環境下で利用されるゴム製品の内部き裂状況を、軽微な状態で検知し、内部き裂が表面に達する前に使用を停止することができる。これにより、ゴム製品を使用する装置の故障回避、その性能維持、事故を事前に防止ができるという顕著な効果がもたらされる。無論、ゴム製品の内部き裂状況を軽微な状態で検知できるので、ゴム製品を使用する装置のメンテナンスも容易になる。

例えば、機械の高圧流体のシール、防振等に利用されているゴム製のシール部品の場合を考える。このシール部品の内部で発生したき裂が進展して、表面に達すると、本来の役割である密封性、耐圧力等の働きができなくなる。更に、き裂がシール部品の表面まで進み、破裂すれば、機械事故の原因にもなりえる。そのために、シール部品の内部で発生したき裂をできるだけ速く検知でき、その進展も随時検査できるものが望ましい。また、シール部品の内部で発生したき裂が進展し、表面に達する時期等を予測することも望まれている。

本発明は、前記目的を達成するため、次の手段を採る。
本発明のゴム製品の検査方法は、ゴム製品のき裂から発生する弾性波（ＡＥ）を弾性波検知手段（ＡＥセンサー）で検知して、ゴム製品の損傷を検査するためのゴム製品の検査方法である。 本発明のゴム製品の検査方法は、気体からなる高圧気体雰囲気環境下で前記ゴム製品を減圧した後、前記ゴム製品から発生する前記弾性波（ＡＥ）を検知して、前記弾性波（ＡＥ）の経時変化を求め、前記経時変化の特性から、前記弾性波が、（ａ）前記ゴム製品から過飽和気体が気泡になったときに発生する前記弾性波であるか、（ｂ）前記気泡を起点としてき裂が発生したときに発生する前記弾性波であるかを判定して、前記ゴム製品の損傷の状態を検査することを特徴とする。

また、本発明のゴム製品の検査方法は、前記き裂の経時変化が、前記き裂が進展してゴム製品の表面に進展する兆候を示すとき、前記ゴム製品は損傷が大きいと推定すると良い。更に、本発明のゴム製品の検査方法は、前記判定は、前記経時変化を、予め損傷状態を分かっている前記ゴム製品の特性と比較して、求められると良い。前記ゴム製品は、Ｏリングであると良い。

本発明のゴム製品検査装置は、弾性波（ＡＥ）を検知するためのもので、ゴム製品に固定又は近傍に設置された弾性波検知手段（ＡＥセンサー）と、前記弾性波検知手段（ＡＥセンサー）で検知されたもので、前記ゴム製品のから発生する前記弾性波（ＡＥ）を解析して、経時変化を求め、前記ゴム製品の損傷を判定する解析手段とからなるゴム製品の損傷を検査ための装置である。

前記解析手段は、高圧ガス雰囲気環境下で前記ゴム製品を減圧した後、弾性波検知手段（ＡＥセンサー）で検知した前記弾性波（ＡＥ）の経時変化を求め、前記経時変化の特性から、前記弾性波が、（ａ）前記ゴム製品から過飽和気体が気泡になったときに発生する前記弾性波であるか、（ｂ）前記気泡を起点としてき裂が発生したときに発生する前記弾性波であるかを判定して、前記解析手段は、前記き裂から発生する前記弾性波の場合は、前記ゴム製品が損傷していると判定し、その旨の信号を出力することを特徴とする。

前記解析手段は、前記き裂の経時変化が、前記き裂が進展してゴム製品の表面に進展する兆候を示すとき、前記ゴム製品は損傷が大きいと推定して、その旨の信号を出力すると良い。前記解析手段は、前記経時変化を、予め損傷状態を分かっている前記ゴム製品の特性データと比較する比較手段を有すると良い。前記ゴム製品は、Ｏリングであると良い。

本発明ゴム製品の検査方法及びゴム製品の検査装置は、ゴム製品の内部から発生するＡＥ波を検知して、ＡＥ波の動向から、ゴム製品を評価し、非破壊検査ができるようになった。

図１は、本発明の実施の形態のゴム製品の損傷検知システム１の概要を図示している概念図である。 図２は、本発明の本実施の形態のサンプル３のＯリングの例を図示している図であり、図２（ａ）は、Ｏリングの概念図で、図２（ｂ）は、図２(ａ)のＡ−Ａ断面図を図示している。 図３は、本発明の実施の形態のゴム製品の損傷検知システム１の信号処理ユニット５の構造例を示しているブロック図である。 図４は、ゴム内で発生されるＡＥイベントカウント対ＡＥ振幅の関係を示すグラフである。 図５は、ゴム内で発生されるＡＥイベントカウント対ＡＥ周波数の関係を示すグラフである。 図６は、金属材料とゴム材料におけるＡＥ信号の減衰を比較するための方法を示す実験１の概要を示す概念図である。 図７は、実験１の結果を示すグラフで、金属材料とゴム材料で発生するＡＥ波の減衰量を測定した結果を示すグラフである。 図８は、実験２の測定の様子を示す概念図であり、図８（ａ）は試験片の寸法を示す概念図で、図８（ｂ）は試験片にき裂を発生させてＡＥを測定する様子を示す概念図である。 図９は、実験２の結果を示すグラフであり、図９（ａ）は銅の場合であり、図９（ｂ）はゴムの場合である。 図１０は、実験３の結果を示すもので、ゴム製の試験片の断面を示す写真であり、図１０（ａ）は高圧ガスに暴露する試験を３回繰り返した後の写真で、図１０（ｂ）は高圧ガスに暴露する試験を５回繰り返した後の写真である。 図１１は、繰り返し暴露試験した後、検出されたＡＥを信号処理し、イベントレートを求めた結果を示すグラフである。 図１２は、高圧水素ガス中で曝露した円柱試験片の減圧後の内部き裂発生状況である。 図１３は、図１２の試験片から発生したＡＥイベントカウントとＡＥ振幅の関係を示すグラフであり、図１３（ａ）は測定データを示すグラフであり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）を対数軸にしたグラフである。 図１４は、ゴム製品内で気泡とき裂が発生するメカニズムを様式的に示した図であり、図１４（ａ）は過飽和の状態、図１４（ｂ）は気泡の発生、図１４（ｃ）は気泡を起点としてき裂が発生する様子を図示している。 図１５は、計測されるＡＥの種類を説明した図であり、図１５（ａ）は１つのＡＥ信号を示し、図１５（ｂ）はイベント法、図１５（ｃ）リングダウン法を概念的に示している。

〔ゴム製品の損傷検知システムの全体概要〕
図１は、ゴム製品の損傷検知システム１の概要を図示している図である。図１に示すゴム製品の損傷検知システム１は、ゴム製品の損傷を実験により確認、検証するためのシステムであり、圧力装置２、サンプル３、ＡＥセンサー４、信号処理ユニット５、コンピュータ６等から構成されている。圧力装置２は、その内部にサンプル３を置き、ポンプ７等のガス供給・排気手段で、圧力装置２内に水素ガス等のガスを供給するか、圧力装置２内のガスを排気して、ガス圧力を所定圧力に調整する装置である。

高圧ガス中に曝されたゴム材料中に、き裂や巨視的な欠陥が存在する場合、通常ではき裂が発生又は発生したき裂が進展しない圧力での曝露において、減圧後にき裂が発生又は、既に発生したき裂が進展する。このき裂の発生と進展に伴うＡＥ信号が計測される。なお、図１のようにゴム製品を圧力装置内に入れずに、稼働中のゴム製品に直接、ＡＥセンサーを取り付け、稼働中でのＡＥ信号を計測しても良い。本実施の形態では、サンプル３は、ゴム製品である。本実施の形態においては、サンプル３は、シール部品の一つであるゴム製のＯリング（Ｏ-ring）である。

しかし、サンプル３は、シール部品、Ｏリング等に限定するものではなく、ゴム製の部品、製品であれば任意の形状であっても良い。図２には、本実施の形態に用いるサンプル３のＯリングの例を図示している。図２（ａ）に示すように、このＯリングは、その内側の半径Ｒ１と外側の半径Ｒ２を持ち、断面形状が円形でゴム製の材料からできているリングである。図２（ｂ）は、図２(ａ)のＡ−Ａ断面図を示している。この断面は、所定の直径Ｄ（＝Ｒ２−Ｒ１）の円になっている。後述する測定では、断面直径Ｄが３．２３ｍｍ、内側半径Ｒ１が５．９５ｍｍのＯリングを使用した。

ＡＥセンサー４は、サンプル３から発生するＡＥを検知するものである。ＡＥセンサー４は、任意の形状、動作原理のものが利用できるが、本実施の形態においては、圧電体からなるものである。ＡＥセンサー４は、検知したＡＥを、電気信号に変換して、出力する。この出力は、ＡＥセンサー４に接続された後段の装置に入力される。図１に示した例では、ＡＥセンサー４の出力信号は、信号処理ユニット５に入力される。信号処理ユニット５は、ＡＥセンサー４から受信した検出信号を、解析するためのものである。

図３には、信号処理ユニット５の回路例をブロック図で図示したものである。信号処理ユニット５は、メモリ１１、ＣＰＵ１０、入力インターフェース１２、出力インターフェース１３等からなる。メモリ１１には、信号処理ユニット５を制御するための制御プログラム（図示せず。）が格納される。信号処理ユニット５の起動時に、この制御プログラムが呼び出されて動作する。入力インターフェース１２は、ＡＥ信号を信号処理ユニット５に入力するためのインターフェースである。入力インターフェース１２は、ＡＥセンサー４に直接接続されていて、ＡＥセンサー４で受信したＡＥ信号を受信する。

受信されたＡＥ信号は、メモリ１１に保存されて、制御プログラムによって読み出されて処理される。ＣＰＵ１０は、メモリ１１に格納されている制御プログラムの命令を順次実行して、信号処理ユニット５を動作させる。出力インターフェース１３は、信号処理ユニット５でＡＥ信号を処理した結果を出力するためのものである。つまり、制御プログラムでＡＥ信号であるデータを処理した結果を出力する。この出力されたＡＥ信号データは、コンピュータ６に提供される。例えば、このＡＥ信号データは、コンピュータ６では、作業者が確認可能な形式で出力され、ディスプレイ等に表示される。

また、出力インターフェース１３に接続された他の電子計算機に提供することも可能である。本実施の形態のシステム１は、図３に破線で示したように、ＡＥセンサー４で受信した信号を増幅して、信号処理ユニット５に出力するためのプリアンプ１６を有している。信号処理ユニット５は、電源供給用に電源用インターフェース１５を有する。電源用インターフェース１５は、直流又は交流の電源等に接続されている。信号処理ユニット５は、バッテリー等の電源を内蔵し、電源用インターフェース１５はこの内蔵電源に接続さている。

次に、信号処理ユニット５は、ＡＥ信号を処理する概要を示す。ＡＥ信号の処理は、制御プログラムによって行なわれる。これらの処理は、この制御プログラムと同様な機能を持つ回路でも実現できる。信号処理ユニット５は、ＡＥセンサー４から受信したデータから、ＡＥ信号をメモリ１１に保存する。このとき、受信した時間を示す受信時間データを関連付けて保存する。また、圧力装置２の内圧等に関する他のデータも保存する。信号処理ユニット５は、メモリ１１に保存されたＡＥ信号と受信時間データを読み出して、データ処理してＡＥイベントカウントとＡＥ振幅を計算する。

そして、ＡＥイベントカウントとＡＥ振幅の関係を予め設定した使用限界線（後述する。）と比較して、サンプル３の良否を判定する。サンプル３のき裂の経時変化は、き裂が進展してゴム製品の表面に進展する兆候を示すとき、又は使用限界線に達するとき、サンプル３は損傷が大きいと推定される。この兆候としては、使用限界線を利用することができる。また、この経時変化は、予め損傷状態を分かっているサンプル３の特性と比較され、サンプル３の損傷が評価され、サンプル３の良否を判定することもできる。

信号処理ユニット５は、ＡＥイベントカウントとＡＥ振幅の計算結果、判定の結果及び／又はメモリ１１の内容を出力データとして、出力インターフェース１３から出力する。出力形式、装置は、これらのデータをグラフ化、表形式にして、表示装置又は印刷装置用のデータとするものが好ましい。また、テキスト形式のデータにして、他の電子計算機等の処理用に出力するようにもできる。このグラフに、最新のデータを追加して出力することも可能である。

このようにすると、サンプルの使用者、管理者等は、サンプル４の損傷状態の進展を把握しやすくなる。信号処理ユニット５は、上述のように、圧力装置２の内圧を測定するための、圧力測定器（図示せず。）等を有している。信号処理ユニット５は、ＡＥセンサー４からデータを連続的に、又は定期的に、又は指定時刻に受信する。また、信号処理ユニット５は、操作者の受信要求、信号処理ユニット５に接続されたコンピュータ６や他の電子機器等のデータ要求のときに、ＡＥセンサー４からデータを受信する。

更に、信号処理ユニット５は、計算結果を連続的に、又は定期的に、又は指定時刻に出力する。ＡＥセンサー４は、圧力装置２内のサンプル４の表面に接触するように固定されている。この固定時の固定手段としては、ＡＥセンサー４をサンプル３の表面に密着させ、接触するようなものであればどのような方法でも良い。図示していないが、圧力装置２の内圧は、圧力測定器を用いて測定されているものが好ましい。圧力測定器は、圧力装置２に流体を充填する装置に含まれるデバイスであるものでも良い。

圧力測定器は、当業者に自明なものであれば、既知の測定手段を含めどんな種類・測定原理のものでも良い。ＡＥセンサー４は、所定の検知感度を調整するものが好ましい。つまり、ＡＥセンサー４は、ＡＥ信号を検知するその検知感度を調整可能なものが好ましい。この検知感度は、信号処理ユニット５で設定しても良い。信号処理ユニット５は、ＡＥセンサー４から受信した信号の内、所定基準値以上の値をＡＥ信号として処理する。信号処理ユニット５は、ＡＥセンサー４から受信したデータをそのまま出力インターフェース１３から出力できる。

信号処理ユニット５は、ＡＥセンサー４から受信したデータについては、周波数や強度でフィルタリングし、初歩的な信号処理を行って、出力インターフェース１３から出力する。この出力された生のデータは、出力インターフェース１３に接続されたコンピュータ６で処理される。例えば、コンピュータ６は、信号処理ユニット５で処理していた、上述の、ＡＥイベントカウントとＡＥ振幅の計算、判定等の処理を行う。信号処理ユニット５では、フィルタによって所定の周波数のＡＥ信号を抽出し、抽出されたＡＥ信号がメインアンプにて増幅される。

そして、あらかじめ設定したＡＥ振幅値を超えたＡＥ信号の計数、振幅値の計算およびフーリエ変換が行われ、ＡＥイベントカウント、ＡＥ振幅およびＡＥ信号の周波数が計測される。コンピュータ６は、信号処理ユニット５から出力された信号を解析するための電子計算機である。コンピュータ６は、図示していないが、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、補助記憶装置、入出力インターフェース、及び、ディスプレイ、マウス、キーボード等の入出力デバイス等を備えた電子計算機である。コンピュータ６は、本実施の形態で記述した処理を行うことができるものであれば、任意の電子計算機を使用できる。

コンピュータ６は、ＡＥセンサー４で検知した一連のＡＥ信号を解析し、データベース（図示せず。）を参照して、解析を行う。データベースは、サンプル３から発するＡＥ信号に関するデータを格納したデータベースである。データベースには、正常な、つまり、利用可能なサンプル３に関するデータ、使用不可になったサンプル３に関するデータ等が格納される。データベースは、信号処理ユニット５又はコンピュータ６からデータ更新ができる。また、管理者、ユーザ等が、手動で、データベースを更新することができる。

データベースは、コンピュータ６の主記憶装置又は補助記憶装置又は接続された外部記憶装置に格納されている。データベースは、コンピュータ６から無線又は有線の通信手段によってアクセスできる場所に設置されたものであっても良い。コンピュータ６での解析は、次の手順で行われる。コンピュータ６での解析の結果は、サンプル３の良否の鑑定になる。例えば、サンプル３内のき裂が大きくないとき、つまり、サンプル３が本来の機能を果たせると判断した時は、検査合格を示す信号を出力する。

サンプル３内のき裂が大きく、つまり、サンプル３が本来の機能を果たせないと判断した時は、検査不合格を示す信号を出力する。無論、き裂が大きくはないが、数が多かったりするときも、検査不合格を示す信号を出力する。コンピュータ６は、サンプル３の検査結果を、過去の検査データも含めて、全て集計して、視覚で確認可能形式のグラフ等にまとめ、そのディスプレイに表示するか、印刷装置印刷することもできる。

図４は、サンプル３のＯリングから発生するＡＥ信号のＡＥイベントカウントとＡＥ振幅の関係の経時変化の模式図を示す。ＡＥイベントカウントとＡＥ振幅は、き裂発生の有無にかかわらずべき乗の関係がある。き裂が発生していないグラフＡの場合には傾きｍが４であり、サンプル３内の気泡は、き裂発生の前段階の状態である。気泡を起点としてき裂が発生するとグラフＢのように傾きｍが２となる。このときは、き裂は比較的に軽微な損傷である。そして、き裂損傷が激しくなると、図中の矢印で示すように、グラフＢ、Ｃ、及びＤのようにＡＥイベントカウントとＡＥ振幅の関係は、図中の右上方向にシフトしていく。

サンプル３がグラフＤの状態だと、サンプル３は、もはや機械等に使用することができない程度に損傷している。図中の破線のグラフは、サンプル３の良否を判定できる合格ライン（使用限界線）と設定した線である。データベースには、この図４のグラフと同様なデータが格納される。コンピュータ６では、新規に測定したＡＥ信号を、データベースに格納されているこのデータと比較して、サンプル３の判定を行う。よって、コンピュータ６は、サンプル３の測定結果を、データベースに保存されている図４のデータと比較して、使用限界線を元に、サンプル３の良否を判定できる。

図５は、ＡＥ信号をフーリエ変化して解析したＡＥイベントカウントとＡＥ周波数の関係の模式図である。気泡の形成とき裂の発生により、生じるＡＥ信号の周波数は異なり、バンドパスフィルターを用いてき裂発生に伴うＡＥ信号のみを取り出すことが可能である。つまり、図５の例では、気泡の形成のとき発生するＡＥ信号の周波数は、き裂の発生のときに発生するＡＥ信号の周波数より少ないことが解る。これらの周波数をバンドパスフィルターでフィルタリングして監視することにより、気泡の形成かき裂の発生かを監視することができる。

〔実験について〕
以下、このサンプルの解析を裏付けするいくつかの実験の測定を示す。実験１は、金属材料とゴム材料で発生するＡＥ信号を測定して、その減衰率を比較したものである。実験２は、金属材料とゴム材料で発生するＡＥ信号を受信して、その構成信号の違いを解析したものである。実験３は、ゴム製のサンプルを高圧ガスに配置し、ガスの圧力を高圧にし、減圧する測定を１回もしくは複数回繰り返した後、ＡＥを測定したものである。

〔実験１： 金属材料とゴム材料で発生するＡＥ信号の減衰の比較〕
まず、実験１について記述する。図６は、厚みの異なるゴムの試験片を用いて、各周波数成分のＡＥ波の減衰量を測定する概念図である。厚さの異なる３種類の円柱型のゴムの試験片を作製し、試験片の両端に第１ＡＥセンサーと第２ＡＥセンサーを取り付けた。試験片の寸法は、直径が１３ｍｍ、厚さが２、６及び１２ｍｍであった。第１ＡＥセンサーと第２ＡＥセンサーは、株式会社エヌエフ回路設計ブロック（英語表記：NF Corporation、所在地：日本国神奈川県横浜市）製のＡＥセンサーＡＥ−９００Ｆ２で、３００ｋＨｚ〜２．２ＭＨｚの広帯域用ＡＥセンサーであった。

そして、第１ＡＥセンサーに、発信器で生成した正弦波の電気信号を送った。この正弦波は、１００ｋＨｚ〜３ＭＨｚの範囲であった。発信器は、株式会社エヌエフ回路設計ブロック（英語表記：NF Corporation、所在地：日本国神奈川県横浜市）製のマルチファンクションジェネレータＷＦ１９７３であった。第１ＡＥセンサーは、広帯域のＡＥ信号の発信器として機能した。第２ＡＥセンサーで、第１ＡＥセンサーから送信され試験片を透過した正弦波を受信した。第２ＡＥセンサーは、ＡＥ信号の受信機として機能した。第２ＡＥセンサーで受信したＡＥ信号をプリアンプ（Pre-Amplifier 9913、株式会社エヌエフ回路設計ブロック製）で増幅し、オシロスコープ（LeCroy社（所在地：米国ニューヨーク市）製のWaveRunner 6030A）で観察した。

実験１は、室温で、大気中にて行われた。この実験１によって、送信側の正弦波に対する受信側の正弦波の振幅低下を各試験片の厚さごとに測定して、ゴム材料のＡＥ信号減衰に及ぼす周波数の影響を評価した。図７は、実験１の実験結果を示すグラフである。図７のグラフの縦軸は、送信側のＡＥ信号の振幅Ａ_０に対する受信側のＡＥ信号の振幅Ａであり、横軸は試験片の厚さである。ゴム材料でのＡＥ信号の減衰は、金属材料でのＡＥ信号の減衰と比べて大きい。図７に図示されたグラフから明らかなように、１ＭＨｚ以下の周波数のＡＥ信号の減衰量は、試験片の厚さが１０ｍｍでも５０％程度である。よって、厚さ１０ｍｍ程度のゴムの試験片を想定すると、対象とするＡＥ信号の周波数は１ＭＨｚ以下とすべきである。

〔実験２： 金属材料とゴム材料で発生するＡＥ信号の違い〕
次に、実験２について、記述する。図８には、金属材料とゴム材料で発生するＡＥ信号の違いを測定する実験の様子を示している。試験片はトラウザ試験片である。試験片の寸法は、図８（ａ）に図示している。試験片は、長さが１００ｍｍで、幅が１５ｍｍで、厚さが２ｍｍであった。切欠きは、試験片の端から長さ方向に４０ｍｍであった。試験片は、銅とゴムの２種類を利用した。この実験２は、金属材料とゴム材料の各材料内で発生するＡＥ信号を受信して、解析し、このＡＥ信号の構成信号の違いを解析したものである。

図８（ｂ）に図示したように、試験片にＡＥセンサーを密着するよう設置した。そして、矢印で示すように試験片を引っ張って引裂いた。引裂いた際に切欠きから進展するき裂に伴って発生する弾性波を計測した。実験２は室温で大気中にて行われた。この測定結果は、図９のグラフに示している。図９（ａ）に図示したグラフは銅の場合で、図９（ｂ）に図示したグラフはゴムの場合である。このグラフの横軸は、測定時の経過時間を示している。右側の縦軸は、ＡＥヒットカウントを示している。

また、左側の縦軸は、試験片を引裂くときの引裂力を示している。図９のグラフから解るように、応力が平坦になる領域において、き裂が進展する。これらのグラフから解るように、ゴムの場合も、銅の場合も、き裂の進展に伴って、ＡＥが発生している。しかし、ゴムの場合、鋼に比べて発生するＡＥイベントカウントレートは少ない。

〔実験３： ゴム材料に繰り返し高圧ガスを暴露する試験〕
実験３について記述する。この実験３では、円柱型のゴムの試験片を高圧水素ガス用のチャンバ内に置き、高圧水素ガスの加減圧を繰返して試験片の内部にき裂を発生させた。試験片の寸法は、直径が２９ｍｍ、厚さが１２．５ｍｍの円柱形状であった。試験片の材料は、未充填過酸化物架橋エチレンプロピレンゴムを使用した。

試験片は透明である。試験片は、チャンバ内におき、圧力０．７ＭＰａ、温度２５℃の高圧水素ガスの環境で２４時間曝露した。その後、チャンバ内を減圧して試験片内にき裂を発生させた。試験片は減圧後にチャンバ内から取り出した。そして、試験片の内部き裂の発生状況をマイクロスコープで観察すると共に、試験片の表面にＡＥセンサーを装着し、発生するＡＥ信号を計測した。図１０は、ゴム製の試験片を繰り返し、ガス暴露した後で、観察するときの写真である。図１０（ａ）は、高圧ガスに暴露する試験を３回繰り返した後の写真である。

図１０（ｂ）は、高圧ガスに暴露する試験を５回繰り返した後の写真である。図中には、発生したき裂がはっきりと観察できる。この写真からわかるように、３回の場合に比べて、５回の場合は、き裂が大きくなり、き裂の数も多くなっている。図１１は、検出されたＡＥを信号処理し、イベントレートを求めた結果を示すグラフである。このグラフの縦軸は、ＡＥイベントカウントレートを示し、横軸は経過時間を示している。このグラフからは、暴露試験の繰り返し回数が多くなると、き裂損傷に伴い、ＡＥイベントカウントレートも増加している。

図１２に、ゴムの試験片を、水素ガス中で２４時間曝露後、室温で大気中に放置したものを示している。このゴムの試験片は、未充填硫黄加硫エチレンプロピレンゴムから作製した円柱型のものであり、直径が２９ｍｍ、厚さが１２．５ｍｍであった。水素ガスの条件は、圧力０．７、１０、３０ＭＰａ、温度３０℃であった。試験片は、減圧して３日後に、試験片の断面をカッタにて切断し、この試験片の断面を光学顕微鏡によって観察したものである。水素ガスの圧力が０．７ＭＰａの場合、試験片にはき裂が発生していなかった。水素ガスの圧力が１０ＭＰａ及び３０ＭＰａの場合、試験片には、内部にき裂が観察された。

水素ガスの曝露圧力が高いほど、試験片のき裂の損傷が激しくなった。図１２（ａ）の試験片の表面にＡＥセンサーを取り付け、減圧後に生じたＡＥ信号を計測した。図１３は、減圧後に計測されたＡＥ信号のＡＥイベントカウントとＡＥ振幅の関係を示すグラフである。ＡＥイベントカウントとＡＥ振幅はべき乗の関係にある。き裂が発生していない圧力０．７ＭＰａでの傾きはｍ＝４であった。これに対して、き裂が認められた圧力１０ＭＰａ及び３０ＭＰａではｍ＝２であった。また、き裂損傷が激しいほど、ＡＥイベントカウントとＡＥ振幅の関係が図中の右上方向にシフトした。

〔実験データのまとめ〕
これらの一連の試験からは、ゴム製品の中に次のような挙動があったと推測できる。圧力装置２の中にゴム製のサンプル３を置き、高圧にすると、圧力装置２の水素ガスは過飽和状態になる。図１４（ａ）には、この様子を様式的に図示したものである。そして、圧力装置２から内部のガスを抜きとって減圧にすると、ゴム内の過飽和の水素が、ゴム内に気泡化する。図１４（ｂ）には、この様子を様式的に図示しており、気泡は矢印で示している。そして、更に減圧していくと、この気泡を起点としてき裂が発生する。

図１４（ｃ）には、この様子を様式的に図示しており、大きくなった気泡から発生するき裂を矢印で示している。き裂の進展によってサンプルから漏れる水素量が増加する。そして、この水素がサンプルを貫通することによって、著しいき裂ができる予想される。気泡が形成されるときと、き裂が発生するときの、両方で、ＡＥが発生する。しかし、気泡の形成と、き裂の発生では、発生されるＡＥの特性が異なる。この様子は、図１３（ｂ）に示すグラフの通り、一般できる。図１３（ｂ）のグラフの縦軸は、ＡＥのイベントカウントを示している。

横軸は、ＡＥの振幅を示している。また、気泡が形成されるときのグラフは、き裂発生のときグラフとより、緩やかである。よって、このＡＥカウントレートと振幅の関係に着目する。上の図１３（ａ）による、繰返しによりＡＥカウントレートと振幅の関係は、圧力が大きくなると図中の右上方向のグラフにシフトしている。そして、最後のグラフは、激しい損傷がある場合のグラフである。き裂の発生、その進展によると、グラフの傾きは、気泡形成時より緩やかになっている。気泡形成時のＡＥの振幅は、き裂発生時より小さくて、カウントレートも小さい。

そこで、ゴム製品の場合は、激しい損傷がある時点より前に使用限界線を設けて、ＡＥカウントレートと振幅の関係がこの使用限界線に達しているか否かを確認し、ゴム製品の良否を判定できる。これにより、ゴム製品に、その表面に損傷を起こすき裂があるか否かも判定できる。よって、産業に利用する視点から言えば、この使用限界線を越えた、ゴム製品は、安全性の確保の意味からその使用を停止すべきである。これは、機械検査等の現場では、おおいに役立つものである。

このように、き裂に対するＡＥの経時変化から、ゴム製品、例えばＯリング、の内部から発生したき裂が、その表面を貫通する前に使用を停止する。このシステムにて，内部き裂が表面に達する前に，ゴム製品の損傷を検知することができる。上述の実験１〜３では、圧力装置２には、水素を使用したが、ゴム製品に支障がない任意のガス、例えば、ヘリウムや窒素等の不活性ガスも使用できる。

本発明は、ゴム製品を利用する産業分野に利用するとよい。本発明は、ゴム製のシール材料を利用する分野に利用すると良い。本発明は、特に、ゴムパッキンのようなき裂による損傷を事前に検知し防ぐ必要がある製品に利用されると良い。

１…ゴム製品の損傷検知システム
２…圧力装置
３…サンプル（ゴム製品）
４…ＡＥセンサー
５…信号処理ユニット
６…コンピュータ
１６…プリアンプ

Claims (8)

1. ゴム製品のき裂から発生する弾性波（ＡＥ）を弾性波検知手段（ＡＥセンサー）で検知して、ゴム製品の損傷を検査するためのゴム製品の検査方法であって、
   気体からなる高圧気体雰囲気環境下で前記ゴム製品を減圧した後、前記ゴム製品から発生する前記弾性波（ＡＥ）を検知して、前記弾性波（ＡＥ）の経時変化を求め、
   前記経時変化の特性から、前記弾性波が、（ａ）前記ゴム製品から過飽和気体が気泡になったときに発生する前記弾性波であるか、（ｂ）前記気泡を起点としてき裂が発生したときに発生する前記弾性波であるかを判定して、前記ゴム製品の損傷の状態を検査する
   ことを特徴とするゴム製品の検査方法。
2. 請求項１に記載のゴム製品の検査方法において、
   前記き裂の経時変化が、前記き裂が進展してゴム製品の表面に進展する兆候を示すとき、前記ゴム製品は損傷が大きいと推定する
   ことを特徴とするゴム製品の検査方法。
3. 請求項１又は２に記載のゴム製品の検査方法において、
   前記判定は、前記経時変化を、予め損傷状態を分かっている前記ゴム製品の特性と比較して、求められる
   ことを特徴とするゴム製品の検査方法。
4. 請求項１乃至３の中から選択される１項に記載のゴム製品の検査方法において、
   前記ゴム製品は、Ｏリングである
   ことを特徴とするゴム製品の破損状態推定方法。
5. 弾性波（ＡＥ）を検知するためのもので、ゴム製品に固定又は近傍に設置された弾性波検知手段（ＡＥセンサー）と、
   前記弾性波検知手段（ＡＥセンサー）で検知されたもので、前記ゴム製品のから発生する前記弾性波（ＡＥ）を解析して、経時変化を求め、前記ゴム製品の損傷を判定する解析手段と
   からなるゴム製品の損傷を検査ためのゴム製品検査装置であって、
   前記解析手段は、
   高圧ガス雰囲気環境下で前記ゴム製品を減圧した後、弾性波検知手段（ＡＥセンサー）で検知した前記弾性波（ＡＥ）の経時変化を求め、
   前記経時変化の特性から、前記弾性波が、（ａ）前記ゴム製品から過飽和気体が気泡になったときに発生する前記弾性波であるか、（ｂ）前記気泡を起点としてき裂が発生したときに発生する前記弾性波であるかを判定して、
   前記解析手段は、
   前記き裂から発生する前記弾性波の場合は、前記ゴム製品が損傷していると判定し、その旨の信号を出力する
   ことを特徴とするゴム製品検査装置。
6. 請求項５に記載のゴム製品検査装置において、
   前記解析手段は、前記き裂の経時変化が、前記き裂が進展してゴム製品の表面に進展する兆候を示すとき、前記ゴム製品は損傷が大きいと推定して、その旨の信号を出力する
   ことを特徴とするゴム製品検査装置。
7. 請求項５又は６に記載のゴム製品のゴム製品検査装置において、
   前記解析手段は、前記経時変化を、予め損傷状態を分かっている前記ゴム製品の特性データと比較する比較手段を有する
   ことを特徴とするゴム製品検査装置。
8. 請求項５乃至７の中から選択される１項に記載のゴム製品検査装置において、
   前記ゴム製品は、Ｏリングである
   ことを特徴とするゴム製品検査装置。