JP2006250660A

JP2006250660A - セラミックスハニカムフィルタの検査方法及び検査装置

Info

Publication number: JP2006250660A
Application number: JP2005066542A
Authority: JP
Inventors: Takashi Otsuki; 貴史大槻
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 2005-03-10
Filing date: 2005-03-10
Publication date: 2006-09-21

Abstract

【課題】セラミックスハニカムフィルタの外観検査で欠陥があることを判別することが困難な場合において、フィルタが有する共振周波数（固有振動数）を用いて適確に正常品と欠陥品を判別することができるセラミックスハニカムフィルタの検査方法及び検査装置を提供する。
【解決手段】セラミックスハニカムフィルタが有する複数の共振周波数を用いて該セラミックスハニカムフィルタの欠陥を検査するセラミックスハニカムフィルタの検査方法であって、正常なセラミックスハニカムフィルタが有する任意の２つの共振周波数における共振の強さの比と、検査すべきセラミックスハニカムフィルタの前記２つの共振周波数における共振の強さの比を比較する
【選択図】図６

Description

本発明は、セラミックスハニカムフィルタが有するクラック等の欠陥の有無を検査するためのセラミックスハニカムフィルタの検査方法及び検査装置に関する。

車両等のエンジンからの排ガスを浄化するためにＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）が用いられている。このＤＰＦには炭化ケイ素質、窒化ケイ素質等の非酸化物からなるセラミックスハニカムフィルタ（以下、フィルタともいう）が用いられる。このフィルタは、原料を押出成形し、これを焼成することにより形成される。この焼成時等にフィルタ内部にクラック等の欠陥が生じることがある。フィルタにクラック等の欠陥があると、塵埃を確実に捕集することができず、フィルタ効率の低下を招く。また、使用時の熱応力により新たなクラックを招く原因となる。このようなフィルタ内部の欠陥は外観からは分からないため、フィルタ出荷前にこれを検査する必要がある。

排ガスフィルターの評価方法が特許文献１に記載されている。この評価方法は、排ガスフィルターが有する１次固有振動数を測定し、この１次固有振動数が所定の範囲内にあるか否かを読み取って評価するものである。しかし、排ガスフィルターの焼成工程において、炉内の温度分布の不均一等により成形体がすべて同じように焼成するとは限らない。したがって、複数の排ガスフィルターを同一の製造方法により製造しても、個々のフィルタでは焼成の程度が異なるため、密度等のパラメータがそれぞれ異なってくる。これにより、フィルタによって１次固有振動数がそれぞれ異なってくるため、一概にこの１次固有振動数が所定範囲内であれば欠陥のない正常品であるということはできない。

また、１次固有振動数は最も低い周波数での固有振動数であり、この周波数はフィルタ自体の形状や質量に起因するものである。このことは、正常品であろうが欠陥品であろうがフィルタの１次固有振動数は近い周波数を示すことを意味する。したがって、１次固有振動数が所定の範囲内にあるか否かのみでフィルタを評価しても、確実に欠陥品のフィルタを見定めることは困難である。

特開平１０−３３７４３０号公報

本発明は、セラミックスハニカムフィルタの外観検査で欠陥があることを判別することが困難な場合において、フィルタが有する共振周波数（固有振動数）を用いて適確に正常品と欠陥品を判別することができるセラミックスハニカムフィルタの検査方法及び検査装置の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１の発明では、セラミックスハニカムフィルタが有する複数の共振周波数を用いて該セラミックスハニカムフィルタの欠陥を検査するセラミックスハニカムフィルタの検査方法であって、正常なセラミックスハニカムフィルタが有する任意の２つの共振周波数における共振の強さの比と、検査すべきセラミックスハニカムフィルタの前記２つの共振周波数における共振の強さの比を比較することを特徴とするセラミックスハニカムフィルタの検査方法を提供する。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記セラミックスハニカムフィルタの打音を周波数解析することにより、共振周波数を検知することを特徴としている。

請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記任意の２つの共振周波数は、１次共振周波数を含む低次の共振周波数であることを特徴としている。

請求項４の発明は、請求項１又は２の発明において、前記任意の２つの共振周波数は、共振の強さが最大のものと２番目のものであることを特徴としている。

請求項５の発明では、検査すべきセラミックスハニカムフィルタから音響振動を発生させる励振手段と、前記音響振動を電気信号に変換する圧電素子と、前記電気信号を周波数解析して１次から高次までの共振周波数を検出するための周波数解析装置と、該周波数解析装置に接続されたパソコンとからなる請求項１〜４のいずれかに記載の検査方法を実施するためのセラミックスハニカムフィルタの検査装置及び検査方法を提供する。

請求項１の発明によれば、正常なセラミックスハニカムフィルタが有する複数の共振周波数のうち、任意の２つの共振周波数の共振の強さの比を、検査すべきフィルタの対応する共振周波数（固有振動数）の共振の強さの比と比較して検査する。したがって、１つの共振周波数が示す値のみで判断するのではなく、２つの共振周波数が示す値で判断するため、より正確にフィルタの欠陥を検査することができる。なお、共振の強さとは、共振に関する数値のことであり、例えば振幅等である。

請求項２の発明によれば、フィルタを叩いて音を発生させ、この音をＦＦＴアナライザ等で周波数解析することにより、容易に確実に共振周波数を検出できる。

請求項３の発明によれば、正常なフィルタの低次の共振周波数から２つ選択してその共振の強さの比を、検査すべきフィルタの対応する低次の共振周波数の共振の強さの比と比較して検査する。低次の共振周波数はフィルタの形状等により定まり、振幅も大きく識別しやすいため、正常なフィルタで選択した共振周波数と対応する被検査フィルタの共振周波数を容易に正確に読み取ることができ、共振の強さの比の算出作業及び比較作業の効率を高めることができる。これにより、検査の信頼性が向上する。

請求項４の発明によれば、共振の強さが大きい順に２つの共振周波数を読み取って、これに基づいて検査するため、共振周波数を容易に確実に識別することができ、検査の信頼性が向上する。

請求項５の発明によれば、フィルタを叩くハンマー又は振動を付与する発振器等からなる励振手段を用いて音響振動を発生させ、これを周波数解析してパソコン画面で表示することにより、又はパソコンで演算処理することにより、高精度で信頼性の高いフィルタ検査ができる。

図１は本発明に係るセラミックスハニカムフィルタの検査方法の対象であるセラミックスハニカムフィルタの概略図である。
図示したように、セラミックスハニカムフィルタ１は、円筒形状のフィルタ本体２からなる。このフィルタ本体２は、軸方向に貫通する貫通孔３を有する。フィルタ本体２の端面には多数の貫通孔３が格子のハニカム状に開口する。この貫通孔３には、フィルタ本体２の両端面（入口側と出口側）が千鳥格子状（市松模様）となるように封止材（不図示）が充填される。なお、封止材は入口側と出口側の両端面で異なる貫通孔３に形成される。すなわち、入口側が封止された貫通孔３は出口側が開口し、入口側が開口した貫通孔３は出口側が封止される。これにより、排ガスは入口側が開口した貫通孔３に流入し、途中で隣の貫通孔との境界部の焼成体からなる多孔質のフィルタを通って隣の貫通孔３に移り、出口側が開口した貫通孔３から浄化空気が排出される。

セラミックスハニカムフィルタ１は、一体成形又は接合により製造される。一体成形の場合、Ｓｉ粉末等の原料を押出成形して形成された成形体を焼成して製造される。接合体の場合、貫通孔を有する柱状の焼成本体を複数個接合して接合体を形成し、これを円筒状に加工して形成する。本発明に係る検査方法は、後述するようにいずれの製法により形成されたセラミックスハニカムフィルタ１に対しても適用可能である。

図２は本発明に係るセラミックスハニカムフィルタの検査方法に用いる共振周波数データを得るための検査装置の概略図である。
ＤＰＦ等のセラミックスハニカムフィルタ（被検査物）１に圧電素子４を取り付ける。この圧電素子４は増幅器５に接続される。増幅器５は周波数解析装置（ＦＦＴアナライザ）６に接続される。周波数解析装置６はパソコン７に接続される。フィルタ１を叩いて音を発生させるための打音器（例えばハンマー）（不図示）を準備する。

打音器でフィルタ１を叩くと、その打音の音響圧力振動は圧電素子４により電気信号に変換される。この打音の電気信号は増幅器５により増幅され、ＦＦＴアナライザ等の周波数解析装置６に入力される。周波数解析装置６でこの打音による音響信号を解析し共振周波数（固有振動数）を検出する。共振周波数はフィルタ１の形状、大きさ、材質、密度等に依存し、これらが同じであればその周波数は大きくは変わらない。ＤＰＦ等のセラミックスハニカムフィルタでは貫通孔の壁による多重反射の周波数が重畳する形の波形が表れる。これにより、周波数に対する振動波形グラフにおいて、打音発生後徐々に減衰する振動グラフの途中で、特定の周波数で１次から高次までの固有共振波が表れる。フィルタ１内部にクラック等の欠陥がある場合はこの固有共振波が消えるか又はその共振成分が小さくなる。

したがって、打音による共振周波数を調べ、予め分かっている正常なフィルタの共振周波数と比べることにより、クラック等の欠陥が検出可能である。しかし、共振周波数は形状や大きさが同じフィルタであっても、クラックの有無だけでなく、フィルタ製造時の焼成条件による密度や組織状態によっても変わるため、単に共振周波数を比較したのではクラックのない正常なフィルタを欠陥品と判断するおそれがある。そこで本発明では、ＦＦＴ解析した音響振動データから２つの共振周波数の強さの比を求め、この比を正常品と被検査品とで比較することにより被検査品のクラックの有無を検出する。

ハンマーによりフィルタ１を叩く際は、フィルタの共振を妨げず、かつフィルタが動かないように固定できれば、フィルタは横置きでも縦置きでもよい。打音用ハンマーは通常低音用としてゴム材質のものや、高音用として金属製のものがあるが、低音用では高次の周波数が出にくいので高音用の硬い材質のハンマーを用いるのが好ましい。円柱の被検査物の場合、円柱側面のどの方向から叩いても出てくる周波数成分は変わらない。ただし内部の欠陥もしくは構造の違いによりスペクトルの相対強度は違いが出てくる。

一般に共振体（被検査物）を図３に示す単純なモデルで考えると、変位ｘを与えた後の自由減衰振動周波数は減衰比ζが０＜ζ＜１の範囲のときω_０√（１−ζ^２）で与えられる。ただしωは減衰振動周波数、ω_０は固有振動周波数、ζは減衰比、ｍは質量、ｋはバネ定数、Ｃは粘性減衰係数を表す。また振幅の包絡線（エンベロープ）は図４に示すような波形になりχ＝ａｅ^−ζωｔで表すことができる。

フィルタ内に欠陥が生じた場合、共振の強さは弱くなる。すなわちＱ値（共振の強さ）は下がる。これを減衰比で表すとＱ＝１／２ζとなり、減衰比に着目することにより欠陥の度合いを見ることができる。すなわちフィルタ内部に欠陥があれば、減衰振動波形のエンベロープの減衰が欠陥のない場合より大きいということである。

図５は本発明に係るセラミックスハニカムフィルタの検査装置の別の例の構成図である。
この例は、音響振動を発生させる手段として、前述の図２の実施例のハンマーに代えて、強制振動装置９を備えたものである。強制振動装置９は、水晶発振器等の発振器１０と、増幅器１１と、被検査物１に振動を与えるアクチュエータである振動子１２からなる。強制振動装置９によりフィルタ１に所定周波数の振動を付与し、これに応じたフィルタ１の振動を圧電素子４を介して検出し、ＦＦＴ解析する。強制振動装置９以外の構成及び音響振動によるクラックの解析方法や原理は図２の例と同様である。なお、図５の例によれば、可聴音域以外の周波数であっても高精度で共振周波数を検出でき、広い周波数範囲で欠陥検出が可能になる。

図６は本発明に係るセラミックスハニカムフィルタの検査方法のフローチャートである。
ステップＳ１
クラック等のない正常なフィルタをハンマーで叩き、その音響振動の共振周波数を周波数解析装置により測定する。この測定結果は、後述する図７のグラフのようにパソコンの画面上に表され、フィルタが有する共振周波数が所定の周波数で複数のピークを持って表示される。これらのピークの周波数が共振周波数であり、周波数の低い順に１次、２次、・・・の共振周波数として表れる。

ステップＳ２
上記ステップＳ１での正常フィルタの音響振動の周波数解析に基づき、グラフに表れた１次から高次までの共振周波数のうち２つの共振周波数の強さの比を算出する。すなわち、ピークを示す所定の２つの周波数を選択し、その周波数におけるピーク値（共振の強さ）の比を求める。なお、共振の強さとは、その周波数の振動のエネルギーであり、グラフに表れる振幅である。周波数の選択は低い周波数域でピークを示す低次の共振周波数を選択することが好ましい。低次の共振周波数では、共振のピークが顕著に表れるため、識別しやすく高精度で確実な演算処理ができる。又はピークが高い順に２つの共振周波数を選択してもよい。この場合にも共振の強さが識別しやすく高精度で確実な演算処理ができる。

ステップＳ３
被検査フィルタを同じハンマーで叩き、その共振周波数を周波数解析装置により測定する。フィルタを叩くときは、ステップＳ１で正常なフィルタを叩いたときと同様の状態でフィルタの同じ位置を叩く。

ステップＳ４
被検査フィルタの測定結果のグラフから、ステップＳ２で選択した次数と同じ２つの共振周波数の強さの比を求める。共振の強さのピークが表れる周波数が若干ずれて表示されることがあるため、この場合、ステップＳ２で選択した周波数近傍でピークを示している周波数でのピーク値を用いる。この場合、上述したようにステップＳ２で低次の周波数を選択していると、周波数の識別が容易となる。

ステップＳ５
ステップＳ２とステップＳ４で得られた正常フィルタと被検査フィルタのピーク値の比を比較する。この比較は、正常フィルタのピーク値の比に対する被検査フィルタのピーク値の比の変化率を求めることにより行う。この変化率が例えば５０％以上であれば被検査フィルタは欠陥を有すると判断する。

図７は一体成形で製造された正常なセラミックスハニカムフィルタの共振周波数と減衰波形を示すグラフであり、図８は一体成形で製造された被検査セラミックスハニカムフィルタの共振周波数と減衰波形を示すグラフである。
図の（Ａ）は共振周波数の波形を示し、（Ｂ）は打音の減衰波形を示す。すなわち、（Ｂ）は音響振動の包絡線（エンベロープ）を示し、（Ａ）はこの包絡線をスペクトル解析した共振の強さを示す。測定は、直径１４．４ｃｍ、長さ１５．２ｃｍ、貫通孔数５３３／（２．５４ｃｍ）^２、貫通孔間の壁厚３５０μｍ、平均粒径９μｍの窒化ケイ素質ハニカムフィルタを用いて行った。正常フィルタの場合、３３７５Ｈｚにおいて１次の共振周波数が認められる。また、４８５４Ｈｚ、５００７Ｈｚ、６６６９Ｈｚにおいてそれぞれ２次、３次、４次の共振周波数が測定された。被検査フィルタでは、１次共振周波数が３４２９Ｈｚにおいて認められる。このように、フィルタの形状に依存する１次共振周波数は正常フィルタでも被検査フィルタでもほぼ同様の周波数において共振が認められる。一方、正常フィルタの２次、３次、４次の共振周波数での共振が非検査フィルタではほとんど測定されない。

このグラフを用いて本発明に係るセラミックスハニカムフィルタの検査方法を行う場合、正常フィルタの１次及び２次の共振周波数（３３７５Ｈｚ及び４８５４Ｈｚ）に着目する。この共振周波数におけるピーク値（共振の強さ）は１次の共振周波数（３３７５Ｈｚ）において０．２２５％であり、２次の共振周波数（４８５４Ｈｚ）において０．２５％である（図７参照）。したがって、１次に対する２次の共振周波数のピーク値の比は（０．２５／０．２２５）＝１．１となる。

次に、被検査フィルタ（欠陥フィルタ）の共振周波数に着目する。この共振周波数は、正常フィルタで用いた共振周波数（３３７５Ｈｚ及び４８５４Ｈｚ）である。グラフ（図８）を見ると３３７５Ｈｚに近い３４２９Ｈｚにピークが認められる。したがって、これを被検査フィルタの１次の共振周波数とする。すなわち、被検査フィルタの１次共振周波数は３３７５Ｈｚである。正常フィルタの２時共振周波数である４８５４Ｈｚ付近には顕著なピークが認められないが、この付近で幾分ピークを示している周波数が表れる（図のＦ）。これを被検査フィルタの２次共振周波数とする。ピーク値は３４２９Ｈｚ（１次共振周波数）において０．８％であり、Ｆ（２次共振周波数）において、０．０１５％である。したがって、１次共振周波数に対する２次共振周波数の強さの比は（０．０１５／０．８）＝０．０２となる。

正常フィルタで求めた比に対する被検査フィルタで求めた比の変動率は、
｛（１．１−０．０２）／１．１｝×１００＝９８％
となる。

これは、正常フィルタでピーク値を示した２次の共振周波数において被検査フィルタではピーク値をほとんど示さなかったため、正常フィルタでの１次と２次の共振周波数でのピーク値（共振の強さ）の変動率と、被検査フィルタの変動率は９８％のずれがあることを示す。この変動率が５０％以上であると、正常フィルタに比べて被検査フィルタがクラックを有し、フィルタを叩いたときの打音がフィルタ内で多重反射せずに共振がされなかったことになり、欠陥フィルタであると判断することができる。なお、変動率の比較は上述した１次と２次の共振周波数の他にいくつか行うことが望ましい。

このように、正常なセラミックスハニカムフィルタが有する複数の共振周波数のうち、所定の２つの共振周波数の共振の強さの比を、検査すべきフィルタの対応する共振周波数（固有振動数）の共振の強さの比と比較して検査することにより、１つの共振周波数で判断するのではなく、２つの共振周波数が示すピーク値で判断するため、より正確にフィルタの欠陥を検査することができる。さらに、低次の共振周波数の共振の強さの比と比較して検査することにより、正常なフィルタで選択した共振周波数と対応する共振周波数をグラフから容易に読み取ることができる。

（Ｂ）で示す減衰波形はフィルタを叩いたときの打音をそのまま表した波形そのもの（エンベロープ）である。セラミックスの密度が高いと共振が高くなる。すなわち、共振の強さの値（上述したピーク値）が上がる。逆に、フィルタ内に欠陥が生じると共振の強さは弱くなり、その値は下がる。これを減衰比（ζ）で表すと、共振の強さ（Ｑ）＝１／２ζとなり、減衰比に着目することにより欠陥の度合いを判断することもできる。すなわち、欠陥があれば、減衰波形の減衰が正常フィルタより大きいことになる。なお、減衰比（ζ）は前述のように次式で表される。

ω＝ω_０√（１−ζ^２）
ω：減衰振動周波数
ω_０：固有振動周波数（共振周波数）
ｍ：質量
ｋ：バネ定数
Ｃ：粘性減衰係数

図９は接合体からなる正常なセラミックスハニカムフィルタの共振周波数と減衰波形を示すグラフであり、図１０は接合体からなる被検査セラミックスハニカムフィルタの共振周波数と減衰波形を示すグラフである。
図の（Ａ）は共振周波数の波形を示し、（Ｂ）は打音の減衰波形を示す。測定は、密度が０．７６である３５ｍｍ角の窒化ケイ素質ハニカムセグメントを１０個接合して接合体とし、これを加工して製作した直径１４．４ｃｍ、長さ１５．２ｃｍの窒化ケイ素質ハニカムフィルタを用いて行った。検査方法は上述した方法と同様である。正常フィルタは特に１次と３次の共振周波数が顕著に表れている。そこで１次と３次の共振周波数を用いて検査する。

正常フィルタの１次の共振周波数２１５７Ｈｚでの共振の強さ２．０％に対する３次の共振周波数４３２０Ｈｚでの共振の強さは０．９％であり、その比は（０．９／２．０）＝０．４５である。これに対し、被検査フィルタの対応する共振周波数における共振の強さはそれぞれ２０９９Ｈｚ（１次共振周波数）で０．９％であり、Ｇ（３次共振周波数）で０．０１％である。したがって、被検査フィルタにおける１次共振周波数に対する３次共振周波数の比は（０．０１／０．９）＝０．０１である。

この場合における被検査フィルタの比の変動率は、
｛（０．４５−０．０１）／０．４５｝×１００＝９８％
となる。
したがって、変動率が５０％を超えるため、被検査フィルタは欠陥フィルタであると判断できる。

本発明は、セラミックスハニカムフィルタに適用できる。

本発明に係るセラミックスハニカムフィルタの検査方法の対象であるセラミックスハニカムフィルタの概略図。本発明に係るセラミックスハニカムフィルタの検査方法に用いる共振周波数データを得るための構成を示す検査装置の概略図。共振体のモデル図。減衰振動を示すグラフ。本発明に係るセラミックスハニカムフィルタの検査装置の別の例の構成図。本発明に係るセラミックスハニカムフィルタの検査方法のフローチャート。一体成形で製造された正常なセラミックスハニカムフィルタの共振周波数と減衰波形を示すグラフ。一体成形で製造された被検査セラミックスハニカムフィルタの共振周波数と減衰波形を示すグラフ。接合体からなる正常なセラミックスハニカムフィルタの共振周波数と減衰波形を示すグラフ。接合体からなる被検査セラミックスハニカムフィルタの共振周波数と減衰波形を示すグラフ。

符号の説明

１：セラミックスハニカムフィルタ、２：フィルタ本体、３：貫通孔、４：圧電素子、５：増幅器、６：周波数解析装置、７：パソコン、９：強制振動装置、１０：発振器、１１：増幅器、１２：振動子。

Claims

セラミックスハニカムフィルタが有する複数の共振周波数を用いて該セラミックスハニカムフィルタの欠陥を検査するセラミックスハニカムフィルタの検査方法であって、
正常なセラミックスハニカムフィルタが有する任意の２つの共振周波数における共振の強さの比と、
検査すべきセラミックスハニカムフィルタの前記２つの共振周波数における共振の強さの比を比較することを特徴とするセラミックスハニカムフィルタの検査方法。
前記セラミックスハニカムフィルタの打音を周波数解析することにより、共振周波数を検知する請求項１に記載のセラミックスハニカムフィルタの検査方法。
前記任意の２つの共振周波数は、１次共振周波数を含む低次の共振周波数である請求項１又は２に記載のセラミックスハニカムフィルタの検査方法。
前記任意の２つの共振周波数は、共振の強さが最大のものと２番目のものである請求項１又は２に記載のセラミックスハニカムフィルタの検査方法。
検査すべきセラミックスハニカムフィルタから音響振動を発生させる励振手段と、
前記音響振動を電気信号に変換する圧電素子と、
前記電気信号を周波数解析して１次から高次までの共振周波数を検出するための周波数解析装置と、
該周波数解析装置に接続されたパソコンとからなる請求項１〜４のいずれかに記載の検査方法を実施するためのセラミックスハニカムフィルタの検査装置。