(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定試料に外力を加えて周期的な変形を与える試料変形部と、
前記試料変形部により変形された前記測定試料に作用する応力及び前記測定試料の歪みに基づいて、前記測定試料の低周波の粘弾性特性を算出する第１の粘弾性特性算出部と、
前記試料変形部により変形された前記測定試料に入射音波を放射する放射部と、
前記放射部が放射した前記入射音波が前記測定試料で反射されて生じる反射音波、又は前記入射音波が前記測定試料を透過した透過音波を受信する受信部と、
前記受信部が受信した前記反射音波又は前記透過音波に基づいて、前記入射音波の周波数における前記測定試料の高周波の粘弾性特性を算出する第２の粘弾性特性算出部と、を備える、
粘弾性特性測定装置。
【請求項２】
前記粘弾性特性測定装置は、前記測定試料の低周波の粘弾性特性と、前記測定試料の高周波の粘弾性特性との相関性を算出する、
請求項１に記載の粘弾性特性測定装置。
【請求項３】
前記試料変形部は、所定の回転軸を中心に所定の周期で前記測定試料を回転させる、
請求項１又は２に記載の粘弾性特性測定装置。
【請求項４】
前記試料変形部は、所定の方向に所定の周期で前記測定試料を振動させる、
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の粘弾性特性測定装置。
【請求項５】
前記試料変形部は、前記測定試料の所定の方向に所定の周期で引張り力又は圧縮力を加えることで、前記測定試料に伸び又は縮みの変形を生じさせる、
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の粘弾性特性測定装置。
【請求項６】
前記試料変形部は、前記測定試料の所定の方向に曲がる力を所定の周期で加えることにより、前記測定試料に曲げ変形を生じさせる、
請求項１ないし５のいずれか一項に記載の粘弾性特性測定装置。
【請求項７】
前記粘弾性特性測定装置は、前記測定試料に電界を加える電界印加部をさらに備える、
請求項１ないし６のいずれか一項に記載の粘弾性特性測定装置。
【請求項８】
前記試料変形部に接続されると共に、前記測定試料に前記外力を伝達し、前記透過音波を反射して前記受信部に受信させる反射部と、
前記反射部と前記測定試料とを密閉するケーシングと、をさらに備える、
請求項１ないし７のいずれか一項に記載の粘弾性特性測定装置。
【請求項９】
前記放射部と前記測定試料との間に設けられた遅延部と、
前記透過音波を反射して前記受信部に受信させる反射部と、を更に備え、
前記遅延部と前記反射部との音響インピーダンスは略同じ値である、
請求項１ないし７のいずれか一項に記載の粘弾性特性測定装置。
【請求項１０】
前記放射部と前記測定試料との間に設けられ、前記測定試料と接している遅延部と、
前記遅延部と前記測定試料との接触面に測定光を照射する光源と、
前記測定光が前記接触面で反射されて生じた反射光を検出する検出部と、
前記検出部の検出結果に基づいて、前記接触面の面積を算出する算出部と、をさらに備える、
請求項１ないし７のいずれか一項に記載の粘弾性特性測定装置。
【請求項１１】
測定試料に外力を加えて周期的な変形を与える変形ステップと、
変形された前記測定試料に作用する応力及び前記測定試料の歪みに基づいて、前記測定試料の低周波の粘弾性特性を算出する第１の算出ステップと、
変形された前記測定試料に入射音波を放射する放射ステップと、
放射した前記入射音波が前記測定試料で反射されて生じる反射音波、又は前記入射音波が前記測定試料を透過した透過音波を受信する受信ステップと、
受信した前記反射音波又は前記透過音波に基づいて、前記入射音波の周波数における前記測定試料の高周波の粘弾性特性を算出する第２の算出ステップと、を備える、
粘弾性特性測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は粘弾性特性測定装置及び粘弾性特性測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ゴム製品は、その粘弾性特性に基づいて、品質が決定される。例えばタイヤでは、その摩擦係数の値に基づいて性能が決定される。このようなゴム製品の粘弾性特性を測定する技術について、種々の提案がなされている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、タイヤ等の粘弾性体における摩擦特性を測定する技術が開示されている。この特許文献１では、センサ部が、測定試料に振動を生じさせる音波を入射音波として放射する。また、センサ部は、測定試料で音波が反射されて生じる反射音波を受信する。そして、演算処理部は、センサ部で受信される反射音波に基づいて、測定試料の粘弾性特性における損失正接を導出する。演算処理部は、その損失正接に基づいて摩擦特性を算出する。なお、特許文献２には、研磨パッドに周期的な振動を加えて、研磨パッドの動的粘弾性特性を測定する技術が開示されている。また、特許文献３には、対象物に回転振動を加えて、対象物の動的粘弾性特性を測定する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−４７１３０号公報
【特許文献２】特開２００４−２２８２６５号公報
【特許文献３】特開２０１０−４８７２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
タイヤ等のゴム製品は、大きな応力が加わるために大変形が生じた状態で使用される。このような材料は、大変形が生じた状態と、小変形（例えば微小ひずみ）が生じた状態とで、その物質特性が異なること（ペイン効果）が知られている。具体的には、材料が大きく変形するため、材料内の凝集粒子間の破壊が起こり、弾性率の低下が生じる。従って、このような材料については、実際の使用に近い状態で実験（動的計測）を行う必要がある。
【０００６】
ゴム素材の摩擦特性は、凝着摩擦とヒステリシス摩擦の２つの要因が存在する。そのうち、ヒステリシス摩擦は、高周波の粘弾性特性（以下、高周波粘弾性特性と記載）が大きく寄与するといわれている。上述の通り、タイヤ等においてヒステリシス摩擦を測定する場合には、実際の使用状態に近い状態（大変形が生じるような状態）で測定する必要がある。しかしながら、特許文献１では、測定試料にそのような変形を生じさせることについて何ら開示されていない。例えば、超音波を用いてタイヤの高周波粘弾性の測定を行った場合には、超音波波動のために生じるゴム素材の振幅は１ミクロン程度であるため、実際の大きな変形のひずみを再現できない。
【０００７】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、ゴム製品等の測定試料の実際の使用状態を適切に反映させた状態で粘弾性特性を測定可能な粘弾性特性測定装置及び粘弾性特性測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様における粘弾性特性測定装置は、試料変形部と、第１の粘弾性特性算出部と、放射部と、受信部と、第２の粘弾性特性算出部を備える。試料変形部は、測定試料に外力を加えて周期的な変形を与える。第１の粘弾性特性算出部は、試料変形部により変形された測定試料に作用する応力及び測定試料の歪みに基づいて、測定試料の低周波の粘弾性特性を算出する。放射部は、試料変形部により変形された測定試料に入射音波を放射する。受信部は、放射部が放射した入射音波が測定試料で反射されて生じる反射音波、又は入射音波が測定試料を透過した透過音波を受信する。第２の粘弾性特性算出部は、受信部が受信した反射音波又は透過音波に基づいて、入射音波の周波数における測定試料の高周波の粘弾性特性を算出する。
【０００９】
本発明の第２の態様における粘弾性特性測定方法は、以下のステップ（ａ）〜（ｅ）を備える。
（ａ）測定試料に外力を加えて周期的な変形を与える変形ステップ、
（ｂ）変形された前記測定試料に作用する応力及び前記測定試料の歪みに基づいて、前記測定試料の低周波の粘弾性特性を算出する第１の算出ステップ、
（ｃ）変形された測定試料に入射音波を放射する放射ステップと、
（ｄ）放射した入射音波が測定試料で反射されて生じる反射音波、又は入射音波が測定試料を透過した透過音波を受信する受信ステップ、及び
（ｅ）受信した前記反射音波又は前記透過音波に基づいて、前記入射音波の周波数における前記測定試料の高周波の粘弾性特性を算出する第２の算出ステップ。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、ゴム製品等の測定試料の実際の使用状態を適切に反映させた状態で粘弾性特性を測定可能な粘弾性特性測定装置及び粘弾性特性測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１にかかる粘弾性特性測定装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】実施の形態１にかかるセンサの構成例を示すブロック図である。
【図３】実施の形態１にかかる処理部の構成例を示すブロック図である。
【図４Ａ】実施の形態１において高周波粘弾性特性を算出する方法を説明した図である。
【図４Ｂ】実施の形態１において高周波粘弾性特性を算出する方法を説明した図である。
【図５Ａ】実施の形態１における粘弾性特性測定装置の処理の一例を示したフローチャートである。
【図５Ｂ】実施の形態１における粘弾性特性測定装置の処理の一例を示したフローチャートである。
【図６】実施の形態２にかかる粘弾性特性測定装置の構成例を示すブロック図である。
【図７Ａ】実施の形態２において高周波粘弾性特性を算出する方法を説明した図である。
【図７Ｂ】実施の形態２において高周波粘弾性特性を算出する方法を説明した図である。
【図７Ｃ】実施の形態２において高周波粘弾性特性を算出する方法を説明した図である。
【図８Ａ】実施の形態２における粘弾性特性測定装置の処理の一例を示したフローチャートである。
【図８Ｂ】実施の形態２における粘弾性特性測定装置の処理の一例を示したフローチャートである。
【図９】実施の形態３にかかる粘弾性特性測定装置の構成例を示すブロック図である。
【図１０Ａ】測定試料に曲がる力を加えた場合の高周波粘弾性特性の測定例を示した図である。
【図１０Ｂ】測定試料に曲がる力を加えた場合の高周波粘弾性特性の測定例を示した図である。
【図１０Ｃ】測定試料に曲がる力を加えた場合の高周波粘弾性特性の測定例を示した図である。
【図１１】回転軸を中心に、所定の周波数に従って測定試料を回転させると共に、測定試料に電界を印加した場合の低周波粘弾性特性の測定例を示した図である。
【図１２】実施の形態４にかかる粘弾性特性測定装置の構成例を示すブロック図である。
【図１３Ａ】実施の形態４において高周波粘弾性特性を算出する方法を説明した図である。
【図１３Ｂ】実施の形態４において高周波粘弾性特性を算出する方法を説明した図である。
【図１３Ｃ】実施の形態４において高周波粘弾性特性を算出する方法を説明した図である。
【図１４】実施の形態４にかかる粘弾性特性測定装置の構成例を示すブロック図である。
【図１５】粘弾性特性を有する測定試料における、歪みと応力の関係の一例を示したグラフである。
【図１６】粘弾性特性を有する測定試料における、周波数と粘弾性の関係の一例を示したグラフである。
【図１７】実施の形態５にかかる粘弾性特性測定装置の一部の構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［実施の形態１］
以下、図面を参照して本発明の実施の形態１について説明する。図１は、実施の形態１にかかる粘弾性特性測定装置１の構成例を示したブロック図である。粘弾性特性測定装置１は、レオメータ制御部１０とレオメータ部１１と音波放射部１２と音波信号発生部１３と変換部１４と処理部１５を備える。以下の説明において、粘弾性特性の測定試料は測定試料Ｓとして説明する。測定試料Ｓは、固体の試料であってもよいし、液体の試料であってもよい。また、粘弾性特性は、後述の損失正接ｔａｎδ、貯蔵弾性率Ｅ’及び損失弾性率Ｅ”の少なくともいずれか１つの値を含む。
【００１３】
まず、レオメータ制御部１０について説明する。レオメータ制御部１０は、処理部１５から、レオメータ部１１の動作を指示する制御信号を取得する。レオメータ制御部１０は、その制御信号に応じて、レオメータ部１１が測定試料Ｓに所定の歪みを印加するよう制御する。具体的には、レオメータ制御部１０は、駆動部２０のモータ２３に対して駆動指示を出力する。
【００１４】
例えば、レオメータ制御部１０は、レオメータ部１１に対し、軸２１（回転治具）を中心に回転するように制御することができる。ここで、測定試料Ｓの軸２１側の部分はレオメータ部１１の回転に追従して動き、測定試料Ｓの音波放射部１２側の部分（軸２１側の反対側の部分）は固定されて動かない。このため、測定試料Ｓにはねじれ（せん断）の変形が生じる。また、レオメータ制御部１０は、軸２１を長さ方向（図１における上下方向。以下、縦方向と記載）に振動させることで、測定試料Ｓを縦方向に振動させるように制御してもよい。例えば、レオメータ制御部１０は、軸２１の回転又は振動を制御して、測定試料Ｓに正弦波振動を発生させてもよい。
【００１５】
以上の場合において、レオメータ制御部１０は、軸２１の回転の幅及び周期、又は軸２１の振動の振幅及び周波数を調整できる。なお、レオメータ制御部１０は、低周波数（例えば数Ｈｚ〜１００Ｈｚ程度）で測定試料Ｓを回転又は振動させるように制御する。
【００１６】
さらに、レオメータ制御部１０は、モータ２３が軸２１を介して、測定試料Ｓに所定の周期で縦方向に圧力をかけて圧縮するように制御してもよい。また、レオメータ制御部１０は、モータ２３が軸２１を介して、測定試料Ｓを所定の周期で縦方向に引っ張り上げて伸長させるように制御してもよい。このとき、レオメータ制御部１０は、圧力又は張力の大きさ及び周期を調整することができる。さらに、レオメータ制御部１０は、軸２１の幅方向（図１における左右方向。以下、横方向と記載）から所定の周期で測定試料Ｓに曲げる力をかけてもよい。このように、レオメータ制御部１０は、レオメータ部を制御して、測定試料Ｓに外力を加えて周期的な変形を与える。
【００１７】
以上に示したレオメータ制御部１０の動作は、組み合わせて実行されてもよい。レオメータ制御部１０は、例えばメモリやその他のＩＣ（Integrated Circuit）等の回路で構成することができる。
【００１８】
レオメータ部１１は、レオメータ制御部１０の制御に応じて、測定試料Ｓに外力を加えて変形させる試料変形部である。レオメータ部１１の動作に応じて生じる測定試料Ｓの変形は上述の通りである。レオメータ部１１と音波放射部１２は、測定試料Ｓを挟み込んでいる。
【００１９】
レオメータ部１１は、詳細には、駆動部２０と軸２１と環状板２２を有する。駆動部２０は、軸２１を介して外力を測定試料Ｓにかける。駆動部２０は、詳細には、モータ２３とセンサ２４を有する。モータ２３は、レオメータ制御部１０からの駆動指示に応じて、軸２１を駆動させる。軸２１は環状板２２と接続されており、軸２１の動きに応じて環状板２２が動く。環状板２２は測定試料Ｓの一面に固定されているため、測定試料Ｓは駆動部２０からの外力に応じて変形する。
【００２０】
また、環状板２２には、測定試料Ｓの温度を取得可能なプローブが設けられる。プローブが取得した測定試料Ｓの温度の情報は、センサ２４に出力される。
【００２１】
センサ２４は、測定試料Ｓの状態に関する測定量を測定し、変換部１４に出力する。出力された測定量は、変換部１４で変換された後、処理部１５に出力される。
【００２２】
図２は、センサ２４の構成例を示したブロック図である。センサ２４は、詳細には応力検出センサ３２と温度検出センサ３３を備える。以下、センサ２４の各部について説明する。
【００２３】
応力検出センサ３２は、レオメータ制御部１０が出力した駆動指示に基づいて、測定試料Ｓに作用している応力を検出し、検出した応力のデータを変換部１４に出力する。例えば、レオメータ制御部１０からの駆動指示が、正弦波に基づく縦方向の振動を測定試料Ｓにかけるものである場合には、応力検出センサ３２は、その正弦波の応力のデータを検出して変換部１４に出力する。なお、応力検出センサ３２は、測定試料Ｓにせん断力が加えられている場合には、発生したトルクを検出することで、測定試料Ｓに作用している応力を検出してもよい。
【００２４】
温度検出センサ３３は、環状板２２に設けられたプローブから測定試料Ｓの温度を取得する。温度検出センサ３３は、取得した温度のデータを変換部１４に出力する。
【００２５】
図１に戻り、説明を続ける。音波放射部１２は、測定試料Ｓに接触し、音波信号発生部１３が発生した高周波の入射音波を測定試料Ｓに放射するとともに、入射音波が測定試料Ｓに反射されて生じた反射音波（測定量）を取得する。音波放射部１２は、詳細には、トランスデューサ２５と遅延材２６を備える。以下、各部について説明する。
【００２６】
トランスデューサ２５は、例えば圧電素子を含んで構成される。トランスデューサ２５は、遅延材２６と接触するように取付けられている。トランスデューサ２５は、後述する方向整合器２８と接続され、方向整合器２８から電気信号が供給されると、この電気信号を音波に変換する。トランスデューサ２５は、変換された音波を遅延材２６に放射（入射）する。遅延材２６は、放射された音波を遅延させて測定試料Ｓに放射する。さらに、トランスデューサ２５は、遅延材２６を介して測定試料Ｓから放射された反射音波（入射音波が測定試料Ｓで反射されて生じる音波）を受信すると、その反射音波を電気信号に変換する。トランスデューサ２５は、変換後の電気信号を、方向整合器２８に出力する。
【００２７】
遅延材２６は、一方の面がトランスデューサ２５と密着しており、一方の面と対向する他方の面は、測定試料Ｓと接触するように設けられている。このような配置のため、遅延材２６は、トランスデューサ２５から入射された入射音波を測定試料Ｓに伝搬させるとともに、入射音波が測定試料Ｓで反射されて生じる反射音波をトランスデューサ２５に伝搬させることができる。遅延材２６は、音波の到達時間を遅延させる働きをする。具体的には、遅延材２６の伝搬長を長くすると、トランスデューサ２５が入射音波を放射してから反射音波を受信するまでの時間を長くすることができる。このため、トランスデューサ２５が入射音波を放射している間に、トランスデューサ２５が反射音波を受信することを回避することができる。
【００２８】
次に、音波信号発生部１３について説明する。音波信号発生部１３は、高周波粘弾性特性の算出のため、入射音波の電気信号を発生して音波放射部１２に出力する。また、音波信号発生部１３は、音波放射部１２が取得した反射音波の電気信号を受信し、受信した電気信号を変換部１４に出力する。音波信号発生部１３は、詳細には、駆動波形発生器２７と方向整合器２８と高周波増幅器２９を有する。以下、各部について説明する。
【００２９】
駆動波形発生器２７は、処理部１５から出力された音波の放射指示信号に応じて、電気信号（駆動波形）を生成し、生成した電気信号を方向整合器２８に出力する。この電気信号は、測定試料Ｓに放射する音波を生成させるための信号である。測定試料Ｓに放射する音波の具体例としては、パルス状の音波や、所定の周波数成分を含むような音波が挙げられる。さらに、駆動波形発生器２７は、上述の電気信号を生成して出力する場合、生成した電気信号の出力タイミングを示すトリガ信号を高周波増幅器２９に出力する。
【００３０】
方向整合器２８は、駆動波形発生器２７、高周波増幅器２９及びトランスデューサ２５に接続されている。方向整合器２８は、駆動波形発生器２７から受信した電気信号をトランスデューサ２５に出力するとともに、トランスデューサ２５から供給された電気信号を高周波増幅器２９に出力する。ここで方向整合器２８は、駆動波形発生器２７から出力された電気信号が高周波増幅器２９に出力されないように信号の伝送方向を調節している。
【００３１】
高周波増幅器２９は、方向整合器２８から電気信号が供給される。この電気信号は、トランスデューサ２５が出力した電気信号である。高周波増幅器２９は、供給された電気信号における高周波成分を所定の増幅率で増幅する。そして、高周波増幅器２９は、増幅後の電気信号を、変換部１４に出力する。高周波増幅器２９が増幅する電気信号中の高周波成分（例えば１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ）には、高周波粘弾性特性を算出するのに必要となる測定量が含まれている。なお、高周波増幅器２９は、駆動波形発生器２７からトリガ信号を受信後、トランスデューサ２５から供給される電気信号の受信を開始する。以上の処理のため、高周波増幅器２９は、測定試料Ｓの高周波粘弾性特性を測定しない期間、動作を行わない。そのため、高周波増幅器２９の不要な動作を抑制することができる。
【００３２】
このようにして、音波放射部１２及び音波信号発生部１３は、測定試料Ｓの高周波粘弾性特性に関する測定量を測定する。また、音波放射部１２は、測定試料Ｓに入射音波を出力する放射部として機能するとともに、入射音波が測定試料Ｓで反射されて生じる反射音波を受信する受信部として機能する。このような構成は、非破壊検査（超音波）でよく使われている。
【００３３】
次に、変換部１４について説明する。変換部１４は、処理部１５と、レオメータ制御部１０、駆動部２０及び音波信号発生部１３との間で通信される信号形式の変換を行う。変換部１４は、詳細には、Ｄ／Ａ変換部３０及びＡ／Ｄ変換部３１を有する。Ｄ／Ａ変換部３０は、処理部１５から出力されたデジタルの制御信号をアナログ信号に変換し、変換後の制御信号をレオメータ制御部１０に出力する。さらにＤ／Ａ変換部３０は、処理部１５から出力されたデジタルの放射指示信号をアナログ信号に変換し、変換後の放射指示信号を駆動波形発生器２７に出力する。
【００３４】
また、Ａ／Ｄ変換部３１は、高周波増幅器２９から出力された電気信号を、アナログ信号からデジタル信号に変換し、変換後の電気信号を処理部１５に出力する。さらにＡ／Ｄ変換部３１は、センサ２４から出力された電気信号を、アナログ信号からデジタル信号に変換し、変換後の電気信号を処理部１５に出力する。なお、Ｄ／Ａ変換部３０は、Ｄ／Ａ変換回路（コンバータ）から構成され、Ａ／Ｄ変換部３１は、Ａ／Ｄ変換回路（コンバータ）から構成される。以上のように、変換部１４が、処理部１５に出力された信号をＡ／Ｄ変換し、処理部１５から出力された信号をＤ／Ａ変換することについては、以降の説明では適宜記載を省略する。
【００３５】
次に、処理部１５（第１の粘弾性特性算出部及び第２の粘弾性特性算出部）について説明する。図３は、処理部１５の構成例を示したブロック図である。処理部１５は、音波放射部１２及び音波信号発生部１３が測定した測定量を用いて、測定試料Ｓの高周波粘弾性特性を算出する。処理部１５は、詳細には、入力部３４と演算部３５と時間データメモリ部３６と記憶部３７と表示／出力部３８を有する。処理部１５は、例えばコンピュータ（特にパーソナルコンピュータ）から構成される。様々な処理を行う機能ブロックとして処理部１５に記載されたシステムの各要素は、ハードウェア的には、メモリやその他のＩＣ等の回路で構成することができ、ソフトウェア的には、メモリにロードされたプログラムなどによって実現することができる。以下、各部について説明する。
【００３６】
入力部３４には、測定者から、レオメータ部１１が実行する測定試料Ｓの変形の種類及びパラメータを示す変形指示が入力される。例えば、測定者は、測定試料Ｓを回転させること（即ち軸２１を回転させること）と回転の幅や周期といったパラメータについて、入力部３４に入力することができる。測定試料Ｓを伸長若しくは圧縮、又は振動させる場合でも同様である。このように、測定者は、測定試料Ｓに印加する所定の歪みを決定する。
【００３７】
さらに、入力部３４には、音波信号発生部１３が音波を放射するための放射指示が測定者から入力されてもよい。入力部３４は、例えば、ボタン等で構成される。
【００３８】
演算部３５は、入力部３４から、レオメータ部１１が実行する測定試料Ｓの変形の種類及びパラメータを示す変形指示が出力された際、レオメータ制御部１０に制御信号を出力する。演算部３５は、この制御信号で、レオメータ部１１の動作を制御する。また、演算部３５は、変形指示に応じて生じる測定試料Ｓの歪みのデータを記憶部３７に格納する。
【００３９】
ここで、センサ２４は、時間データメモリ部３６に測定量のデータ（測定試料Ｓに作用している応力及び測定試料Ｓの温度のデータ）を出力する。演算部３５は、時間データメモリ部３６に格納されたそのデータと、記憶部３７に格納された測定試料Ｓの歪みのデータとを読み出して、測定試料Ｓの低周波の粘弾性特性（以下、低周波粘弾性特性と記載）を算出する。
【００４０】
さらに、演算部３５は、入力部３４から音波の放射指示が入力された際、Ｄ／Ａ変換部３０に放射指示信号を出力する。Ｄ／Ａ変換部３０は、放射指示信号をデジタル信号からアナログ信号に変換して、変化後の放射指示信号を駆動波形発生器２７に出力する。このようにして、演算部３５は、測定試料Ｓに放射する音波を生成させる。なお、演算部３５が出力するこれらの信号は、上述の通り、デジタル信号である。駆動波形発生器２７は放射指示信号に応じて、測定試料Ｓに放射する音波を生成させるための電気信号を生成し、方向整合器２８に出力する。このようにして、演算部３５は、入力部３４からの音波の放射指示をトリガとして、測定試料Ｓにおける高周波粘弾性特性の測定を開始する。
【００４１】
演算部３５は、時間データメモリ部３６に反射音波の時間波形データが格納されると、そのデータを読み出す。演算部３５は、例えばＦＦＴ（Fast Fourier Transformation）処理のような周波数領域での波形解析処理を行ない、検出対象となる周波数における振幅値及び位相を取得する。なお、検出対象となる周波数は、１つであってもよいし、複数であってもよい。次に、演算部３５は、記憶部３７に格納されている基準値を読み出し、その基準値と、時間データメモリ部３６に格納された反射音波の検出対象となる周波数における振幅値及び位相とに基づいて、測定試料Ｓの高周波粘弾性特性を算出する。
【００４２】
時間データメモリ部３６には、センサ２４から出力されたデータが、予め定められた周期で格納される。格納されるデータは、測定試料Ｓに作用している応力及び測定試料Ｓの温度のデータである。
【００４３】
さらに、時間データメモリ部３６には、高周波増幅器２９から供給された反射音波の電気信号の時間波形が、予め定められた周期で格納される。なお、時間データメモリ部３６は、演算部３５の制御に基づいて、データを格納する周期を変更することができる。
【００４４】
記憶部３７は、測定試料Ｓの歪みのデータを格納するとともに、測定試料Ｓの高周波粘弾性特性を算出するのに必要な基準値を予め格納している。この基準値は、高周波粘弾性特性の測定対象となる周波数における、振幅値および位相のデータである。基準値の詳細については後述する。演算部３５は、記憶部３７に格納された基準値を読み出す。
【００４５】
表示／出力部３８は、演算部３５が算出した測定試料Ｓの低周波粘弾性特性及び高周波における粘弾性特性を、測定者に対し、表示又は出力する。表示／出力部３８は、例えば、ディスプレイである。
【００４６】
＜低周波粘弾性特性の算出方法＞
次に、粘弾性特性測定装置１が測定試料Ｓの低周波粘弾性特性を算出する場合について、簡単に説明する。演算部３５は、時間データメモリ部３６から、測定試料Ｓに作用している応力のデータを読み込み、記憶部３７から、測定試料Ｓの歪みのデータを読み込む。そして、演算部３５は、測定試料Ｓに作用している応力の振幅及び測定試料Ｓの歪みの振幅を比較して、両者の振幅比を算出する。この振幅比が、低周波における貯蔵弾性率Ｅ’である。さらに、演算部３５は、測定試料Ｓに作用している応力の位相及び測定試料Ｓの歪みの位相を比較して、両者の位相差を算出する。演算部３５は、この位相差を用いて、低周波における損失正接ｔａｎδを算出する。なお、損失弾性率をＥ”とすると、損失正接ｔａｎδ、貯蔵弾性率Ｅ’及び損失弾性率Ｅ”には
ｔａｎδ＝Ｅ”／Ｅ’・・・（１）
の関係が成立する。そのため、損失正接ｔａｎδ及び貯蔵弾性率Ｅ’を算出することで、損失弾性率Ｅ”も算出することができる。このようにして、演算部３５は、動的な低周波粘弾性特性を算出することができる（例えば、特許文献２参照）。
【００４７】
また、演算部３５は、時間データメモリ部３６から読み出した測定試料Ｓの温度のデータも用いて、低周波粘弾性特性の温度依存性を算出することができる。
【００４８】
＜高周波粘弾性特性の算出方法（表面反射法）＞
さらに、粘弾性特性測定装置１が測定試料Ｓの高周波粘弾性特性を算出する場合について説明する。この算出方法としては、表面反射法が用いられる（例えば、特許文献１参照）。この場合には、トランスデューサ２５が入射音波を測定試料Ｓへ放射する。放射された入射音波が測定試料Ｓの表面で反射されて、反射音波が生じる。処理部１５は、その反射音波に基づいて、高周波粘弾性特性を測定する。
【００４９】
図４Ａ及び図４Ｂは、この表面反射法を用いて高周波粘弾性特性を算出する方法を説明した図である。図４Ａは、基準値を取得する際の入射音波の反射状況を示した図面であり、図４Ｂは、測定試料Ｓの高周波粘弾性特性を算出する際の入射音波の反射状況を示した図面である。なお、以下の説明では、音波放射部１２のトランスデューサ２５から放射される入射音波の伝搬特性を表す音響インピーダンスを用いる。
【００５０】
まず、図４Ａを参照して、基準値について説明する。基準値は、遅延材２６において、トランスデューサ２５が接触している面と反対側の面が測定試料Ｓと接触していない場合の、測定試料となる周波数における位相及び振幅値である。このとき、入射音波は、遅延材２６の端と空気との境界面で反射される。以降、入射音波および反射音波の周波数をｆとし、遅延材２６の音響インピーダンスを、周波数ｆの関数であるＺＢ（ｆ）と表す。同様に、空気中の音響インピーダンスを、周波数ｆの関数であるＺＡ（ｆ）と表す。ここで、音響インピーダンスＺＢ（ｆ）とＺＡ（ｆ）は複素数の値である。
【００５１】
遅延材２６と空気中との境界面における入射音波の反射率ＲＢＡ（ｆ）は
ＲＢＡ（ｆ）＝（ＺＡ（ｆ）−ＺＢ（ｆ））／（ＺＡ（ｆ）＋ＺＢ（ｆ））・・・（２）
となる。このとき、任意の周波数ｆにおいてＺＡ（ｆ）はＺＢ（ｆ）に比較して十分小さいため、式（２）から、反射率ＲＡＢ（ｆ）＝−１となる。つまり、遅延材２６と空気中との境界面においては、入射音波が全反射する。
【００５２】
以下の説明においては、トランスデューサ２５に入射する反射音波の式をａ０（ｆ）ｅｘｐ（ｉθ０（ｆ））と表す。ｉは虚数単位、ａ０（ｆ）は対象とする周波数における実数の振幅値であり、θ０（ｆ）は０以上の実数であって各周波数における位相を表す。トランスデューサ２５から測定試料Ｓに放射される入射音波の式は、
ａ０（ｆ）ｅｘｐ（ｉθ０（ｆ））×ＲＡＢ（ｆ）＝−ａ０（ｆ）ｅｘｐ（ｉθ０（ｆ））・・・（３）
となる。従って、式（３）に示す入射音波が測定試料Ｓに放射されるとみなすことができる。記憶部３７には、基準値として、式（３）における振幅ａ０（ｆ）及び位相θ０（ｆ）が予め格納されている。この基準値は、予め測定をして取得される。
【００５３】
次に、図４Ｂを参照して、測定試料Ｓの高周波粘弾性特性を算出する場合について説明する。測定試料Ｓの高周波粘弾性特性を算出する場合には、遅延材２６が測定試料Ｓと密着した状態で、駆動波形発生器２７からの電気信号の出力に応じて、トランスデューサ２５から図４Ａと同一の入射音波が放射される。トランスデューサ２５は、遅延材２６と測定試料Ｓとの境界面において反射される反射音波を受信し、高周波増幅器２９は、その反射音波の電気信号における高周波成分を増幅する。演算部３５は、この反射音波を、記憶部３７に格納された基準値と比較して、測定試料Ｓの損失正接を算出する。
【００５４】
ここで、周波数ｆの関数である測定試料Ｓの音響インピーダンスをＺＳ（ｆ）とすると、遅延材２６と測定試料Ｓとの境界面における入射音波の反射率ＲＢＳ（ｆ）は、
ＲＢＳ（ｆ）＝（ＺＳ（ｆ）−ＺＢ（ｆ））／（ＺＳ（ｆ）＋ＺＢ（ｆ））・・・（４）
となる。式（４）から、ＺＳ（ｆ）は次のように表される。
ＺＳ（ｆ）＝ＺＢ（ｆ）×（１＋ＲＢＳ（ｆ））／（１−ＲＢＳ（ｆ））・・・（５）
【００５５】
以下の説明においては、トランスデューサ２５に入射する反射音波の式をａ（ｆ）ｅｘｐ（ｉθ（ｆ））と表す。ｉは虚数単位、ａ（ｆ）は対象とする周波数における実数の振幅値であり、θ（ｆ）は０以上の実数であって各周波数における位相を表す。式（２）における基準値を用いると、反射音波の式は
ａ（ｆ）ｅｘｐ（ｉθ（ｆ））＝−ａ０（ｆ）ｅｘｐ（ｉθ０（ｆ））×ＲＢＳ（ｆ）・・・（６）
と表される。式（５）から、入射音波の反射率ＲＢＳ（ｆ）は
ＲＢＳ（ｆ）＝−（ａ（ｆ）／ａ０（ｆ））×ｅｘｐ（ｉ（θ（ｆ）−θ０（ｆ））・・・（７）
と表される。ここで、式（４）に式（６）を代入すると、ＺＳ（ｆ）は以下のように得られる。
ＺＳ（ｆ）＝ＺＢ（ｆ）×（１−（ａ（ｆ）／ａ０（ｆ））×ｅｘｐ（ｉ（θ（ｆ）−θ０（ｆ）））／（１＋（ａ（ｆ）／ａ０（ｆ））×ｅｘｐ（ｉ（θ（ｆ）−θ０（ｆ）））・・・（８）
【００５６】
ここで、周波数ｆの関数である測定試料Ｓの貯蔵弾性率及び損失弾性率を、それぞれＥ’（ｆ）及び損失弾性率Ｅ”（ｆ）とする。このとき、Ｅ’（ｆ）及びＥ”（ｆ）と、測定試料Ｓの音響インピーダンスＺＳ（ｆ）及び密度ρＴとの間には、次の関係が成り立つ。
Ｅ’＋ｉＥ”（ｆ）＝ＺＳ（ｆ）２／ρＴ・・・（９）
【００５７】
式（８）を式（９）に代入し、実数成分と虚数成分とを分離すると、損失正接ｔａｎδ（ｆ）は、次のように算出される。
ｔａｎδ（ｆ）＝Ｅ”／Ｅ’＝｛４×（ａ（ｆ）／ａ０（ｆ））×（１−（ａ（ｆ）／
ａ０（ｆ））２）×ｓｉｎ（θ（ｆ）−θ０（ｆ））｝／｛（１−（ａ（ｆ）／ａ０（ｆ））２）２−４×（ａ（ｆ）／ａ０（ｆ））２×ｓｉｎ２（θ（ｆ）−θ０（ｆ））｝・・・（１０）
【００５８】
なお、貯蔵弾性率Ｅ’（ｆ）及び損失弾性率Ｅ”（ｆ）は、それぞれ次のように算出される。
Ｅ’（ｆ）＝Ｒｅ［ＺＳ（ｆ）２／ρＴ］＝（ＺＢ（ｆ）２／ρＴ）×｛（１−（ａ（ｆ）／ａ０（ｆ））２）２−４（ａ（ｆ）／ａ０（ｆ））２×ｓｉｎ２（θ（ｆ）−θ０（ｆ））｝／｛１＋２（ａ（ｆ）／ａ０（ｆ））ｃｏｓ（θ（ｆ）−θ０（ｆ））＋（ａ（ｆ）／ａ０（ｆ））２｝２・・・（１１）
Ｅ”（ｆ）＝Ｉｍ［ＺＳ（ｆ）２／ρＴ］＝（ＺＢ（ｆ）２／ρＴ）×｛４（ａ（ｆ）／ａ０（ｆ））×（１−（ａ（ｆ）／ａ０（ｆ））２）ｓｉｎ（θ（ｆ）−θ０（ｆ））｝／｛１＋２（ａ（ｆ）／ａ０（ｆ））ｃｏｓ（θ（ｆ）−θ０（ｆ））＋（ａ（ｆ）／ａ０（ｆ））２｝２・・・（１２）
ここで、Ｒｅ［ＺＳ（ｆ）２／ρＴ］はＺＳ（ｆ）２／ρＴの実数成分であり、Ｉｍ［ＺＳ（ｆ）２／ρＴ］はＺＳ（ｆ）２／ρＴの虚数成分である。
【００５９】
式（１０）〜（１２）の通り、貯蔵弾性率Ｅ’（ｆ）、損失弾性率Ｅ”（ｆ）及び損失正接ｔａｎδ（ｆ）は、いずれもａ０（ｆ）、θ０（ｆ）を基準とする｛ａ（ｆ）／ａ０（ｆ）｝、｛θ（ｆ）−θ０（ｆ）｝で定義される。演算部３５は、振幅ａ０（ｆ）及び位相特性θ０（ｆ）を基準値と設定して、測定試料Ｓの測定時において取得される反射音波の電気信号のデータとその基準値とを比較する。この処理により、測定試料Ｓの高周波粘弾性特性を測定できる。また、上述の通り、測定試料Ｓの高周波粘弾性特性は周波数に依存する。そのため、演算部３５は、複数の周波数成分毎に高周波粘弾性特性を導出してもよい。また、高い周波数における損失正接を算出する必要がある場合には、入射音波として、超音波がトランスデューサ２５から供給されてもよい。
【００６０】
また、演算部３５は、時間データメモリ部３６から読み出した測定試料Ｓの温度のデータも用いて、高周波粘弾性特性の温度依存性を算出することができる。
【００６１】
図５Ａ及び図５Ｂは、粘弾性特性測定装置１の処理の一例を示したフローチャートである。以下、図５Ａ及び図５Ｂを用いて、粘弾性特性測定装置１の全体処理について説明する。
【００６２】
まず、演算部３５は、入力部３４から、測定試料Ｓの変形指示を受信したか否かを判定する（ステップＳ１）。変形指示を受信していない場合には（ステップＳ１のＮｏ）、演算部３５は、レオメータ制御部１０に制御信号を出力せず、再度ステップＳ１の判定処理を行う。変形指示の詳細は上述の通りである。
【００６３】
演算部３５が測定試料Ｓの変形指示を受信した場合には（ステップＳ１のＹｅｓ）、演算部３５はレオメータ制御部１０に制御信号を出力する。レオメータ制御部１０はその制御信号に応じて、駆動部２０のモータ２３に対して駆動指示を出力する。この駆動指示に応じて、モータ２３が駆動し、測定試料Ｓが変形する（ステップＳ２）。また、演算部３５は、測定試料Ｓの歪みのデータを記憶部３７に格納する。
【００６４】
次に、演算部３５は、入力部３４から音波の放射指示を受信したか否かを判定する（ステップＳ３）。放射指示を受信していない場合には（ステップＳ３のＮｏ）、演算部３５は、測定試料Ｓに放射する音波を生成させず、再度ステップＳ３の判定処理を行う。放射指示の詳細は上述の通りである。
【００６５】
演算部３５が音波の放射指示を受信した場合には（ステップＳ３のＹｅｓ）、演算部３５は駆動波形発生器２７に音波の放射指示信号を出力する。駆動波形発生器２７はその放射指示信号に応じて、測定試料Ｓに放射する入射音波を生成させるための電気信号を生成し、方向整合器２８に出力する。トランスデューサ２５は、供給された電気信号を入射音波に変換し、遅延材２６を介して入射音波を測定試料Ｓに放射する（ステップＳ４）。
【００６６】
トランスデューサ２５は、遅延材２６を介して測定試料Ｓからの反射音波を受信すると、その反射音波を電気信号に変換し、変換後の電気信号を方向整合器２８に出力する（ステップＳ５）。方向整合器２８は、その電気信号を高周波増幅器２９に出力する。高周波増幅器２９は、供給された電気信号に含まれる高周波成分を増幅し、増幅した電気信号を時間データメモリ部３６に出力する。
【００６７】
演算部３５は時間データメモリ部３６に格納されたデータを読み出し、周波数領域における波形解析処理を行ない、検出対象となる周波数における振幅値および位相を取得する（ステップＳ６）。また、応力検出センサ３２は測定試料Ｓに作用している応力を検出する（ステップＳ７）。
【００６８】
演算部３５は、測定試料Ｓに作用している応力のデータと、記憶部３７に記憶された測定試料Ｓの歪みのデータとに基づいて、測定試料Ｓの低周波粘弾性特性を算出する。さらに、演算部３５は、記憶部３７に格納されている基準値を読み出す。演算部３５は、その基準値と、時間データメモリ部３６に格納された反射音波の検出対象となる周波数における振幅値及び位相とに基づいて、測定試料Ｓの高周波粘弾性特性を算出する（ステップＳ８）。これらの算出方法の詳細は上述の通りである。
【００６９】
演算部３５は、所定の時間、低周波粘弾性特性を算出して取得し、粘弾性特性の時間変化における特徴量を抽出する（ステップＳ９）。特徴量は、貯蔵弾性率Ｅ’（ｆ）、損失弾性率Ｅ”（ｆ）及び損失正接ｔａｎδ（ｆ）の少なくとも１つの値でもよいし、貯蔵弾性率Ｅ’（ｆ）、損失弾性率Ｅ”（ｆ）及び損失正接ｔａｎδ（ｆ）のいずれか２つの値の比率であってもよい。また、演算部３５は、微分計算を行って粘弾性特性の時間変化のピークを特徴量として検出してもよいし、粘弾性特性の増大・減少傾向の度合いを特徴付ける特徴量を検出してもよい。このように、演算部３５は、一般に知られている特徴量の算出方法を用いて特徴量を算出できる。さらに、特徴量は、低周波粘弾性特性又は高周波粘弾性特性のいずれかの値を用いてもよいし、低周波粘弾性特性及び高周波粘弾性特性の両方の値を用いてもよい。演算部３５は、様々な特徴量のうち適切な特徴量を算出することで、測定試料Ｓの用途において最適な物性を測定試料Ｓが有するか否かを判定できる。
【００７０】
測定試料Ｓが化学プロセスを経て変化する（測定試料Ｓが化学変化を起こす）際に、時間とともに測定試料Ｓの粘弾性特性のスペクトロスコピーが変化するような場合がある。例えば、測定試料Ｓがパン生地である場合、測定試料Ｓに変形を加えて練っていくと、時間とともに粘弾性特性がシフトする。これに基づいて、パン生地に最適な粘弾性特性の値を決定することができる。具体的には、同じ材料の測定試料Ｓに、変形をそれぞれ異なる時間加えた複数のパン生地の検体を生成する。それらの複数の検体を焼き上げることで、焼き上がりの際に最適なパンの硬さとなる検体を特定する。その検体の粘弾性特性データが、パン生地に最適な粘弾性特性の値となる。他の測定試料Ｓでも、その特性に応じて最適な粘弾性特性の値を決定することができる。
【００７１】
このようにして取得された測定試料Ｓの最適な粘弾性特性の値（貯蔵弾性率Ｅ’（ｆ）、損失弾性率Ｅ”（ｆ）及び損失正接ｔａｎδ（ｆ）に基づいて、測定試料Ｓがその用途に最適な粘弾性特性を有するか否かを示す特徴量を決定することができる。例えば、測定者は、ステップＳ９で取得した測定試料Ｓの特徴量が所定範囲である場合には、測定試料Ｓは最適な粘弾性特性を有していると判断し、特徴量が所定範囲外である場合には、測定試料Ｓは最適な粘弾性特性を有していないと判断することができる。
【００７２】
さらに、演算部３５は、ステップＳ８で算出した高周波粘弾性特性及び低周波粘弾性特性を用いて、高周波粘弾性特性と低周波粘弾性特性の相関性がどの程度あるかを算出する（ステップＳ１０）。この相関性を算出することにより、測定試料Ｓの特性を明らかにすることができる。例えば、ステップＳ１０において、高周波粘弾性特性と低周波粘弾性特性の相関性が低い（例えば所定の閾値以下）と算出された場合は、測定試料Ｓの高周波粘弾性特性を測定することにより、低周波粘弾性特性の測定だけでは不明であった測定試料Ｓの特性の変化が分かることを意味する。従って、測定試料Ｓの特性について、新たな発見ができる。ステップＳ９で抽出した特徴量が低周波粘弾性特性と高周波粘弾性特性の両方を用いるものである場合には、低周波単独や高周波単独ではなく低周波粘弾性特性と高周波粘弾性特性の相関による特徴量の変化を知ることができる。
【００７３】
演算部３５は、ステップＳ１０で算出した相関性に基づいて、外場（例えば電界、磁界、電磁場）が高周波粘弾性特性に与える影響（外場があることに応じて生じた特徴量）を抽出する（ステップＳ１１）。なお、ステップＳ８〜Ｓ１１で算出又は抽出されたデータは、表示／出力部３８に表示又は出力されてもよい。
【００７４】
このように、粘弾性特性測定装置１は、レオメータを用いて測定試料Ｓを変形させた状態で、音波を用いて高周波粘弾性特性を測定している。そのため、測定試料Ｓの実際の使用状態を適切に反映させた状態で、高周波粘弾性特性を測定することができる。例えば、通常走行時においてタイヤは数Ｈｚ〜１００Ｈｚ前後の周波数で変形すると想定される。このため、測定試料Ｓとしてタイヤまたはタイヤ材料の高周波粘弾性特性を測定する場合、タイヤまたはタイヤ材料を数Ｈｚ〜１００Ｈｚ前後の周波数で振動させることで、粘弾性特性測定装置１はタイヤの走行時の高周波粘弾性特性を更に正確に測定できる。
【００７５】
また、粘弾性特性測定装置１は、回転や振動といった測定試料Ｓの低周波粘弾性特性についても測定することができる。そのため、粘弾性特性測定装置１は、高周波粘弾性特性と低周波粘弾性特性の相関性や、外場が与える高周波粘弾性特性への影響を算出できる。
【００７６】
［実施の形態２］
以下、図面を参照して本発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２では、表面反射法ではなく、底面反射法を用いて、測定試料Ｓの高周波粘弾性特性の算出を行う例について説明する。底面反射法は、入射音波が測定試料Ｓに入射しようとする際に測定試料の表面で反射されて生じる反射音波（以下、第１の反射音波と記載）と、測定試料の表面を透過した入射音波が、その表面と反対側の表面で反射されて生じる反射音波（以下、第２の反射音波と記載）とに基づいて、高周波粘弾性特性を測定する方法である（例えば、特許文献１参照）。
【００７７】
図６は、実施の形態２にかかる粘弾性特性測定装置２の構成例を示したブロック図である。実施の形態２にかかる粘弾性特性測定装置２は、実施の形態１にかかる粘弾性特性測定装置１と比較して、反射材３９を新たに設けている点が異なる。その他の粘弾性特性測定装置２の構成要素については、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００７８】
反射材３９は、測定試料Ｓにおいて、入射音波が測定試料Ｓに入射される面と反対側の面に接するように設けられている（即ち、遅延材２６やトランスデューサ２５に対向する面）。詳細には、反射材３９の測定試料Ｓに接する面は、遅延材２６が測定試料Ｓに接する面と平行である。反射材３９は、測定試料Ｓと環状板２２の間に設けられている。ここでは、反射材３９は環状板２２に固定されており、軸２１の動きに応じて反射材３９が動く。例えば、軸２１が回転することにより、反射材３９も回転する。そのため、反射材３９は測定試料Ｓに軸２１からの外力を伝達する。なお、反射材３９と測定試料Ｓの端部は空中に解放されている。
【００７９】
反射材３９は、測定者が手動で動かすか、又は機械で自動的に動かすことにより、遅延材２６との距離が変化する。測定試料Ｓ内部を透過した入射音波は、この反射材３９で反射される。反射材３９で反射された第２の反射音波は、遅延材２６に入射する。遅延材２６は第２の反射音波をトランスデューサ２５に出力し、トランスデューサ２５は第２の反射音波を電気信号に変換して方向整合器２８に供給する。方向整合器２８は、電気信号を高周波増幅器２９に供給する。高周波増幅器２９は、電気信号の高周波成分を増幅して、処理部１５に供給する。
【００８０】
また、反射材３９は、測定試料Ｓと比較すると、その音響インピーダンス差が大きい。そのため、トランスデューサ２５から放射された入射音波は、その境界面において効率よく反射される。
【００８１】
＜高周波粘弾性特性の算出方法（底面反射法）＞
図７Ａ、図７Ｂ及び図７Ｃは、底面反射法を用いて高周波粘弾性特性を算出する方法を説明した図である。図７Ａ及び図７Ｂは、基準値を取得する際の入射音波の反射状況を示した図面であり、図７Ｃは、測定試料Ｓの高周波粘弾性特性を算出する際の入射音波の反射状況を示した図面である。なお、以下の説明では、音波放射部１２のトランスデューサ２５から放射される入射音波の伝搬特性を表す音響インピーダンスを用いる。
【００８２】
まず、図７Ａを参照して、基準値について説明する。遅延材２６が反射材３９および測定試料Ｓのいずれとも密着していない状態において、トランスデューサ２５は、入射音波を放射する。すると、トランスデューサ２５は、遅延材２６と空気中との境界面において生じる反射音波（以降、Ａ０波とも記載）を受信する。ここで、演算部３５は、遅延材２６があるために生じる初期状態の誤差を取除くため、トランスデューサ２５から遅延材２６を介して放射される入射音波を、基準値として取得する。
【００８３】
実施の形態１の説明と同様、空気中の音響インピーダンスは、遅延材２６及び測定試料Ｓに比較して十分小さい。従って、トランスデューサ２５から放射された入射音波は、遅延材２６と空気中との境界面において全反射する。
【００８４】
ここで、トランスデューサ２５が受信するＡ０波を、ａ０（ｆ）ｅｘｐ（ｉθ０（ｆ））と表す。ｉは虚数単位であり、ａ０（ｆ）は各周波数における振幅値（実数値）であり、θ０（ｆ）は各周波数における位相（０以上の定数）である。そして、演算部３５は、トランスデューサ２５で受信された反射音波の時間波形をＦＦＴ処理して、各周波数における振幅値ａ０（ｆ）及び位相θ０（ｆ）を算出する。
【００８５】
次に、図７Ｂを参照して説明する。演算部３５は、入力部３４から反射部材参照指令を受けると、反射材３９の厚さおよび密度のデータを取得する。このデータは、放射指示と同じタイミングで入力部３４から入力されてもよいし、予め記憶部３７に格納されていてもよい。図７Ｂの遅延材２６において、反射材３９が密着している面は、トランスデューサ２５が密着した面の反対側である。トランスデューサ２５から入射音波が放射されると、遅延材２６と反射材３９との境界面において入射音波が反射されるため、反射音波（以降、Ａ１波とも記載）が発生する。また、反射材３９と空気中との境界面においても入射音波が反射されるため、別の反射音波（以降、Ｂ１波とも記載）が発生する。
【００８６】
このとき、演算部３５は、Ａ１波とＢ１波との時間遅延を検出する。演算部３５は、トランスデューサ２５から受信したＡ１波とＢ１波との時間波形に基づいて、Ａ１波とＢ１波との遅延時間ΔＴＲを測定する。
【００８７】
反射材３９の厚さをｈＲ、反射材３９の密度をρＲとすると、反射材３９の音響インピーダンスＺＲは、
ＺＲ＝２ｈＲρＲ／ΔＴＲ・・・（１３）
となる。以上から、演算部３５は、予め取得した反射材３９の厚さｈＲ及び反射材３９の密度ρＲのデータと、測定した遅延時間ΔＴＲとに基づいて、式（１３）を用い、反射材３９の音響インピーダンスＺＲを取得する。演算部３５は、以上の計算を行い、高周波粘弾性特性を導出するための基準値を算出する。
【００８８】
次に、図７Ｃを参照して、測定試料Ｓの高周波粘弾性特性の算出について説明する。測定試料Ｓの損失正接を導出する場合には、測定試料Ｓは、一方の面で遅延材２６に密着し、その一方の面と反対側の面で反射材３９と密着するように配置される。演算部３５が入力部３４から音波の放射指示を受信すると、演算部３５は電気信号を音波信号発生部１３に出力する。この処理に応じて、測定試料Ｓに入射音波が放射される。入射音波が測定試料Ｓで反射されるために生じる第１及び第２の反射音波は、実施の形態１と同様に、時間データメモリ部３６に格納される。
【００８９】
なお、演算部３５は、入射音波の放射指示が入力部３４から入力されると、測定試料Ｓの厚さ及び密度のデータを取得する。このデータは、放射指示と同じタイミングで入力部３４から入力されてもよいし、予め記憶部３７に格納されていてもよい。
【００９０】
駆動波形発生器２７の電気信号に応じてトランスデューサ２５が入射音波を放射すると、遅延材２６と測定試料Ｓとの境界面において入射音波が反射されるため、反射音波（以降、Ａ波とも記載）が生じる。さらに、測定試料Ｓと反射材３９との境界面において入射音波が反射されるため、反射音波（以降、Ｂ波とも記載）が生じる。演算部３５は、Ａ波とＢ波との時間遅延を検出すると共に、Ａ波及びＢ波について、各周波数における振幅値及び位相を取得する。詳細には、演算部３５は、トランスデューサ２５からの時間波形に基づいて、Ａ波とＢ波との遅延時間ΔＴを測定する。
【００９１】
ここで、測定試料Ｓの厚さをｈ、測定試料Ｓの密度をρとすると、測定試料Ｓの音響インピーダンスＺは、次の通りになる。
ＺＳ＝２ｈρ／ΔＴ・・・（１４）
【００９２】
式（１４）を用いると、測定試料Ｓと反射材３９との境界面における反射音波の反射率Ｒは、次の通りに表される。
Ｒ＝（ＺＲ−ＺＳ）／（ＺＲ＋ＺＳ）＝（ＺＲ―２ｈρ／ΔＴ）／（ＺＲ+２ｈρ／ΔＴ）・・・（１５）
以上から、演算部３５は、予め取得した測定試料Ｓの厚さｈ及び測定試料Ｓの密度ρのデータ並びに反射材３９の音響インピーダンスＺＲと、測定した遅延時間ΔＴに基づいて、式（１５）を用い、反射音波の反射率Ｒを取得する。
【００９３】
ここで、トランスデューサ２５で受信されるＡ波をａ（ｆ）ｅｘｐ（ｉθＡ（ｆ））と表し、Ｂ波をｂ（ｆ）ｅｘｐ（ｉθＢ（ｆ））と表す。但し、ｉは虚数単位であり、ａ（ｆ）及びｂ（ｆ）はそれぞれＡ波及びＢ波の各周波数における実数の振幅値であり、θＡ（ｆ）及びθＢ（ｆ）はそれぞれＡ波及びＢ波の各周波数における位相である。なお、θＡ（ｆ）、θＢ（ｆ）は０以上の実数である。
【００９４】
そして、演算部３５は、時間データメモリ部３６に格納されたＡ波及びＢ波の時間波形データを読出し、第１の反射音波に対する第２の反射音波の遅延時間を計測する。また、演算部３５は、トランスデューサ２５が受信したＡ波の時間波形をＦＦＴ処理して、Ａ波の各周波数における振幅値ａ（ｆ）及び位相θＡ（ｆ）を取得する。同様に、演算部３５は、トランスデューサ２５が受信したＢ波の時間波形をＦＦＴ処理して、Ｂ波の各周波数における振幅値ｂ（ｆ）及び位相θＢ（ｆ）を取得する。
【００９５】
Ａ０波、Ａ波及びＢ波の各周波数における振幅値ならびに導出される反射率Ｒを用いると、入射音波の減衰係数α（ｆ）は、
α（ｆ）＝（１／２ｈ）ｌｎ（Ｒ（ａ０（ｆ）２−ａ（ｆ）２）／ａ０（ｆ）ｂ（ｆ）））・・・（１６）
と表せる。また、Ａ波及びＢ波の各周波数における振幅値及び位相を用いると、入射音波の位相速度Ｖｐ（ｆ）は次の通りになる。
ＶＰ（ｆ）＝２ｈ×２πｆ／（θＢ−θＡ＋２πｆΔＴ＋２Ｎπ）・・・（１７）
但し、Ｎは任意の正の数である。
【００９６】
以上の通り導出される減衰係数α（ｆ）及び位相速度Ｖｐ（ｆ）を用いると、損失正接ｔａｎδ（ｆ）は、次の通り表せる。
ｔａｎδ（ｆ）＝α（ｆ）×Ｖｐ（ｆ）／πｆ・・・（１８）
また、貯蔵弾性率Ｅ’（ｆ）及び損失弾性率Ｅ”（ｆ）は、次の通り表せる。
Ｅ’（ｆ）＝ρＶｐ２（ｆ）・・・（１９）
Ｅ”（ｆ）＝２αρＶｐ３（ｆ）／ω＝αＶｐ（ｆ）Ｅ’（ｆ）／πｆ・・・（２０）
演算部３５は、式（１６）〜（２０）の演算を実行して、測定試料Ｓの高周波粘弾性特性を算出する。さらに、演算部３５は、その算出した測定試料Ｓの高周波粘弾性特性を表示／出力部３８へ出力する。
【００９７】
図８Ａ及び図８Ｂは、粘弾性特性測定装置２の処理の一例を示したフローチャートである。以下、図８Ａ及び図８Ｂを用いて、粘弾性特性測定装置２の全体処理について説明する。
【００９８】
図８ＡのステップＳ１〜Ｓ６は、図５ＡのステップＳ１〜Ｓ６の処理と同一であるため、説明を省略する。
【００９９】
図８ＡのステップＳ１２では、測定試料Ｓの音響特性である減衰係数α（ｆ）及び位相速度Ｖｐ（ｆ）を算出する。音響特性の算出方法は上述の通りである。図８ＡのステップＳ８において、演算部３５は、減衰係数α（ｆ）及び位相速度Ｖｐ（ｆ）に基づいて、測定試料Ｓの高周波粘弾性特性を算出する。測定試料Ｓの低周波粘弾性特性の算出については、図５Ａに示したステップＳ８と同様である。
【０１００】
図８Ａ及び図８ＢのステップＳ７〜Ｓ１１は、図５Ａ及び図５ＢのステップＳ７〜Ｓ１１の処理と同一であるため、説明を省略する。以上のように、底面反射法を用いても、レオメータが測定試料Ｓを変形した状態で、音波を用いて高周波粘弾性特性を測定することができる。
【０１０１】
［実施の形態３］
以下、図面を参照して本発明の実施の形態３について説明する。実施の形態３では、表面反射法や底面反射法ではなく、透過法を用いて、測定試料Ｓの高周波粘弾性特性の算出を行う例について説明する。透過法では、入射音波の放射を行うトランスデューサと透過音波の受信を行なうトランスデューサが別個に設けられている（例えば、特許文献１参照）。
【０１０２】
図９は、実施の形態３にかかる粘弾性特性測定装置３の構成例を示したブロック図である。実施の形態３にかかる粘弾性特性測定装置３は、実施の形態１にかかる粘弾性特性測定装置１と比較すると、トランスデューサ４０が新たに設けられ、遅延材２６及び方向整合器２８が設けられていない点が異なる。なお、その他の粘弾性特性測定装置３の構成要素については、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【０１０３】
トランスデューサ４０は、測定試料Ｓがトランスデューサ２５と接する面と反対側の面に接するように設けられている。詳細には、トランスデューサ４０の測定試料Ｓに接する面は、トランスデューサ２５が測定試料Ｓに接する面と平行である。トランスデューサ４０は、測定試料Ｓと環状板２２の間に設けられている。トランスデューサ４０は、駆動波形発生器２７で生成した駆動波形の電気信号を音波に変換する。変換された音波は、測定試料Ｓに放射される。入射された後、測定試料Ｓを透過した音波（透過音波）は、トランスデューサ２５に入力される。トランスデューサ２５の行う処理は実施の形態１と同様である。
【０１０４】
また、駆動波形発生器２７で生成した駆動波形の電気信号は、Ａ／Ｄ変換部３１にも出力される。Ａ／Ｄ変換部３１は、電気信号のＡ／Ｄ変換を行う。Ａ／Ｄ変換された電気信号は、時間データメモリ部３６に格納される。この処理により、時間データメモリ部３６には、入射音波の時間波形データが格納される。また、透過音波の時間波形データも、実施の形態１と同様に、時間データメモリ部３６に格納される。
【０１０５】
実施の形態３において、測定者が入射音波の放射指示を入力部３４に入力すると、測定試料Ｓに入射音波が放射される。この処理の詳細は上述の通りである。時間データメモリ部３６には、入射音波の時間波形データと透過音波の時間波形データとが格納される。演算部３５は、時間データメモリ部３６に格納された入射音波の時間波形データと透過音波の時間波形データとを読出し、読出したそれぞれの時間波形データのＦＦＴ処理を行う。この処理により、演算部３５は、各周波数における振幅値および位相を取得する。次に、演算部３５は、入射音波と透過音波とにおける、各周波数での振幅値及び位相を比較し、測定試料Ｓの高周波粘弾性特性を算出する。そして、演算部３５は、算出した測定試料Ｓの高周波粘弾性特性を表示／出力部３８に出力する。なお、粘弾性特性測定装置３の各部が実行するその他の処理については、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。なお、粘弾性特性測定装置３は、トランスデューサ２５が入射音波を放射し、トランスデューサ４０が透過音波を受信するような構成を有してもよい。
【０１０６】
以下、実施の形態１〜３に記載した方法を用いて、レオメータ部１１が実行する測定例について説明する。
【０１０７】
［測定例１］
レオメータ部１１は、回転軸を中心に、測定試料Ｓを所定の周波数で回転させることができる。この回転軸は、入射音波が放射される方向と平行な軸（例えば軸２１）である。この構成を用いると、測定試料Ｓは、入射音波が放射される方向と垂直な方向に所定の周波数で回転する。このようにして、測定試料Ｓに捩じり変形を生じさせることができる。
【０１０８】
［測定例２］
レオメータ部１１が、測定試料Ｓに対して引張り力又は圧縮力を加えることで、測定試料Ｓには伸長又は収縮する変形が生じる。また、レオメータ部１１は、測定試料Ｓを所定の周期で振動させることで、同一方向に所定の周期で伸長及び収縮する変形を生じさせてもよい。ここで、レオメータ部１１は、入射音波が放射される方向と平行な方向に、所定の周波数で測定試料Ｓを振動させてもよい。引張り力又は圧縮力を加える方向は、入射音波が放射される方向と平行である。
【０１０９】
［測定例３］
図１０Ａ〜図１０Ｃは、測定試料Ｓに曲げ力を加えた場合における、高周波粘弾性特性の測定例を示した図である。図１０Ａは表面反射法を用いて高周波粘弾性特性を測定した場合の図であり、図１０Ｂは底面反射法を用いて高周波粘弾性特性を測定した場合の図であり、図１０Ｃは透過法を用いて高周波粘弾性特性を測定した場合の図である。なお、図１０Ａ〜図１０Ｃでは、測定試料Ｓとトランスデューサ周辺の構成のみを図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。なお、図１０Ａ及び図１０Ｂでは、下方から上方に入射音波が入射されており、図１０Ｃでは、上方から下方に入射音波が入射されている。
【０１１０】
図１０Ａ〜図１０Ｃにおいて、測定試料Ｓは、点Ｐ１から矢印Ｘの方向に所定の周期で荷重が加えられている。つまり、測定試料Ｓは、横方向（図１０Ａ〜図１０Ｃでは左側の方向）に向かう力が加えられている。また、測定試料Ｓは、点Ｐ２及び点Ｐ３で支持されている。点Ｐ２及び点Ｐ３は、測定試料Ｓにおいて点Ｐ１と反対側で（つまり図１０Ａ〜図１０Ｃでは左側で）測定試料Ｓと接触している。ここで、点Ｐ２は測定試料Ｓの端部近傍に接し、点Ｐ３は点Ｐ２と反対側の測定試料Ｓの端部近傍に接している。点Ｐ２及び点Ｐ３は、測定試料Ｓが全体で横方向にシフトすることを抑制している。この構成のため、測定試料Ｓは、点Ｐ１の周辺部分のみが、所定の周期で応力が印加される方向に曲がる。このようにして、測定試料に曲げ変形を生じさせることができる。なお、測定試料Ｓに対し、点Ｐ１から所定の周期で矢印Ｘの方向への力を加える（正弦波振動を加える）ことにより、点Ｐ１の周辺部分のみを、所定の周期で応力が印加される方向に曲げてもよい。
【０１１１】
［測定例４］
図１１は、回転軸を中心に、所定の周波数で測定試料Ｓを回転させると共に、測定試料Ｓに電界を印加した場合における、高周波粘弾性特性の測定例を示した図である。図１１では、表面反射法を用いて高周波粘弾性特性を測定しており、図１１において上方から下方に入射音波が入射されている。なお、図１１では、測定試料Ｓとトランスデューサ周辺の構成のみを図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。測定例４における測定試料Ｓの一例は、ＥＲ(Electro−Rheological）流体、液晶や圧電材料である。
【０１１２】
図１１において、環状板２２と測定試料Ｓとの間には電極４１が設けられ、遅延材２６と測定試料Ｓとの間には電極４２が設けられている。電極４１から電極４２に電界Ｅが印加されると、放射音波が放射される方向と平行な方向に、測定試料Ｓに電界が印加される。なお、レオメータ制御部１０は、電極４１及び電極４２に印加する電界の強さを調整することができる。電極４１、電極４２及びレオメータ制御部１０は、電界印加部を構成する。処理部１５の入力部３４から測定者が印加する電界の強さが指定されると、演算部３５はその情報を取得する。演算部３５は、取得した電界の強さの情報に基づいて、レオメータ制御部１０に対し、指定された通りに電界の強さを調整するように制御する。以上の処理を行うことで、測定試料Ｓに印加させる電界の強さを変えて、高周波粘弾性特性を測定することができる。測定試料ＳがＥＲ流体である場合、外場からの電場に応じて粘性が変化するため、電場の強さを変えることで、異なる高周波粘弾性特性のデータを取得することができる。
【０１１３】
なお、測定例１において、測定試料Ｓには、所定の周波数の回転又は振動ではなく、ランダムな回転又は振動を加えてもよい。ただし、上述の通り、低周波粘弾性特性を算出するためには、測定試料Ｓに所定の周波数の正弦波回転又は正弦波振動を加えるのが好ましい。
【０１１４】
測定例４において、電極の代わりに磁石を配置することで、測定試料Ｓに磁界を印加させて高周波粘弾性特性を測定することができる。この場合、測定試料Ｓの一例はＭＲ(Magneto−Rheological)流体である。また、電極の代わりに電波を放射する電波放射源を配置することで、測定試料Ｓに電波を放射した状態で高周波粘弾性特性を測定することができる。また、測定例４において、測定試料Ｓは回転させなくてもよく、振動、伸長又は収縮する変形を測定試料Ｓに加えてもよい。
【０１１５】
測定例１において、測定試料Ｓは、入射音波が放射される方向と平行な回転軸を中心に回転する。しかし、回転軸は、入射音波が放射される方向と平行でなくてもよい。つまり、入射音波の放射方向と回転軸とで所定の角度を成すようにしてもよい。同様に、測定例２において、引張り力又は圧縮力が加えられる向きは、入射音波が放射される方向と平行な方向でなくてもよい。測定例３においても、曲がる力が加えられる方向は、測定試料Ｓに入射音波が放射される方向と垂直な方向でなくてもよい。測定例４においても、電界が加えられる方向は、放射音波が放射される方向と平行な方向でなくてもよい。
【０１１６】
なお、測定例１〜４における回転や振動のパラメータは、上述の通り、測定者側で設定することができる。また、変形例１〜４に示した測定試料Ｓの変形は、適宜組み合わせることが可能である。
【０１１７】
［実施の形態４］
実施の形態２では、底面反射法を用いて、測定試料Ｓの高周波粘弾性特性の算出を行った。ここで、反射材３９と測定試料Ｓとは空気中で接触しているため、レオメータ部１１が回転することで生じる遠心力によって、測定試料Ｓの飛散が生じたり、測定試料Ｓに気泡が混入したりすることがある。測定試料Ｓが液体の場合、特にこのような測定試料Ｓの形状の変化が起こり得る。このような測定試料Ｓの形状の変化により、測定試料Ｓの測定値に誤差が生じてしまい、低周波及び高周波の粘弾性特性を正確に測定できない可能性がある。
【０１１８】
実施の形態４では、この課題を解決するため、反射材３９と測定試料Ｓとを密閉することで、測定試料Ｓに遠心力がかかっても測定試料Ｓの形状の変化が抑制されるようにしている。
【０１１９】
図１２は、測定試料Ｓが液体の場合における、粘弾性特性測定装置４の構成例を示したブロック図である。図１２において、ケーシング構造５０は、内部に空気が殆ど無い状態で、環状板２２と反射材３９と測定試料Ｓとを密閉しているため、反射材３９と測定試料Ｓとの間への空気の混入を抑制している。反射材３９は、測定試料Ｓを挟んで遅延材２６と対向している。粘弾性特性測定装置４の他の構成要素については、粘弾性特性測定装置２と同様であるため、説明を省略する。このようにすることで、レオメータ部１１が回転して遠心力が生じても、測定試料Ｓはケーシング構造５０内に密閉されたままなので、測定試料Ｓの形状の変化が抑制される。
【０１２０】
また、実施の形態４では、入射音波の減衰係数αを算出する別の方法について更に提案する。図１３Ａ〜図１３Ｃは、底面反射法を用いて高周波粘弾性特性を算出する方法を説明した図である。図１３Ａは、測定試料Ｓ及び反射材３９がない状態で音波を遅延材２６に入射させた状況を示した図面である。図１３Ｂは、反射材３９がない状態で音波を遅延材２６を介して測定試料Ｓに入射させた状況を示した図面である。また、図１３Ｃは、反射材３９がある状態で音波を遅延材２６を介して測定試料Ｓに入射させた状況を示した図面である。
【０１２１】
なお、図１３Ａ〜図１３Ｃでは、遅延材２６の音響インピーダンスをＺＢとし、測定試料Ｓの音響インピーダンスをＺＳとする。また、以降の計算では、遅延材２６と測定試料Ｓとの間の界面における音波の減衰、遅延、多重反射の影響は無視している。
【０１２２】
遅延材２６から測定試料Ｓへの入射波の複素反射率ＲＢＳは、ＺＢ、ＺＳを用いると次のように表せる。
ＲＢＳ＝（ＺＳ−ＺＢ）／（ＺＳ＋ＺＢ）・・・（２１）
式（２１）から、音響インピーダンスＺＳは次のように表せる。
ＺＳ＝ＺＢ・（１＋ＲＢＳ）／（１−ＲＢＳ）・・・（２２）
【０１２３】
ここで、遅延材２６と空気中との境界面において生じる反射音波（Ａ０波）と、遅延材２６と測定試料Ｓとの境界面において生じる反射音波（Ａ波）とを比較する。Ａ０波を
Ａ０＝ａ０・ｅｘｐ（ｉθ０）・・・（２３）
と表し、Ａ波を
Ａ＝ａ・ｅｘｐ（ｉθＡ）・・・（２４）
と表すと、複素反射率ＲＢＳは
ＲＢＳ＝−（Ａ／Ａ０）＝（ａ・ｅｘｐ（ｉθＡ））／（ａ０・ｅｘｐ（ｉθ０））・・・（２５）
と表せる。ここで、複素反射率ＲＢＳを振幅成分と位相成分に分けて以下のように定義する。
ＲＢＳ≡−｜ＲＢＳ｜ｅｘｐ（−ｉθＢＳ）・・・（２６）
ここで、振幅成分｜ＲＢＳ｜、位相成分θＢＳは以下の値である。
｜ＲＢＳ｜＝ａ／ａ０・・・（２７）
θＢＳ（ｆ）＝θ０−θＡ・・・（２８）
【０１２４】
次に、反射材３９がある状態で音波を測定試料Ｓに入射させた状況を考慮する。このとき、測定試料Ｓと反射材３９との境界面において生じる反射音波（Ｂ波）を
Ｂ＝ｂ・ｅｘｐ（ｉθＢ）・・・（２９）
と表す。また、測定試料Ｓの音響インピーダンスＺＳと反射材３９の音響インピーダンスＺＲとの差に基づいて決定される、測定試料Ｓから反射材３９への入射波の複素反射率をＲＳＲと定義する。ここで、Ｂ波は次の通りに表される。
ｂ＝ａ０・ＲＳＲ・ＴＢＳ・ＴＳＢ・ｅｘｐ（−２αｈ）・・・（３０）
ここで、ｈは測定試料Ｓの厚さであり、式（３０）におけるｅｘｐ（−２αｈ）の項は測定試料Ｓによる減衰を示す項である。また、式（３０）におけるＴＢＳは遅延材２６から測定試料Ｓへの透過率、ＴＳＢは測定試料Ｓから遅延材２６への透過率であり、それぞれ次の通り定義される。
ＴＢＳ≡１−ＲＢＳ・・・（３１）
ＴＳＢ≡１−ＲＳＢ＝１＋ＲＢＳ・・・（３２）
ＲＳＢ≡−ＲＢＳ・・・（３３）
このとき、式（２７）、式（３１）、式（３２）から、
ＴＢＳ・ＴＳＢ＝（１−ＲＢＳ）・（１＋ＲＢＳ）＝１−ＲＢＳ２＝１−（ａ／ａ０）２＝（ａ０２−ａ２）／ａ０２・・・（３４）
となるので、式（３４）を式（３０）に代入して、入射音波の減衰係数α（ｆ）が
α＝（１／２ｈ）・ｌｎ（ＲＳＲ・（（ａ０２−ａ２）／ａ０・ｂ）・・・（３３）
と算出される。この結果は、式（１６）と同じ結果である。
【０１２５】
なお、遅延材２６の音響インピーダンスＺＢと反射材３９の音響インピーダンスＺＲとが同じ値又は略同じ値（計算上同じ値とみなせる値）であるときは、式（２１）、（３１）を用いると
ＲＳＲ＝ＲＳＢ＝−（ＺＳ−ＺＢ）／（ＺＳ＋ＺＢ）＝−ＲＢＳ・・・（３４）
ここで、式（２７）を用いると
ＲＳＲ＝−ＲＢＳ＝｜ＲＢＳ｜ｅｘｐ（−ｉθＢＳ）・・・（３５）
となる。ここで、（３５）における位相成分が無視できるものとして、実部のみを考慮すると、
ＲＳＲ＝−ａ／ａ０・・・（３６）
として表されるので、減衰係数α（ｆ）は
α（ｆ）＝（１／２ｈ）・ｌｎ（（ａ２−ａ０２）ａ／ａ０２・ｂ）・・・（３７）
と求められる。このように、遅延材２６の音響インピーダンスＺＢと反射材３９の音響インピーダンスＺＲとが同じ値であると、複素反射率ＲＳＲを求めることなく減衰係数αを算出できるため、より容易に減衰係数αを算出できる。
【０１２６】
以上の計算は、実施の形態２のように、反射材３９と測定試料Ｓとを密閉していない場合でも実行することができる。
【０１２７】
また、測定試料Ｓが固体の場合でも、図１２と同様に反射材３９と測定試料Ｓとを密閉することができる。図１４は、測定試料Ｓが固体の場合における、粘弾性特性測定装置４の構成例を示したブロック図である。図１４において、ケーシング構造５１は、環状板２２と反射材３９と測定試料Ｓとを密閉している。また、反射材３９に対向している測定試料Ｓの面は、遅延材２６に対向している測定試料Ｓの面と反対側の面である。ここで、ケーシング構造５１内に液体Ｌ（例えば水）が充填されることで、反射材３９と測定試料Ｓとの間への空気の混入を防いでいる。
【０１２８】
なお、図１２、図１４において、確実に反射材３９と測定試料Ｓとの間に空気を混入しないようにするためには、レオメータ部１１及び音波放射部１２の垂直軸を、重力方向に対して角度を成す（好ましくは垂直の角度を成す）ように横向きにするのが望ましい。換言すれば、トランスデューサ２５から入射され、測定試料Ｓに伝搬されて反射材３９で反射される音波は、重力方向と平行ではなく、重力方向と角度を成す（好ましくは垂直の角度を成す）のが望ましい。これにより、図１２における液体の測定試料Ｓ又は図１４における液体Ｌに空気が混入した場合でも、混入した空気は反射材３９と測定試料Ｓとの接触面周辺に溜まらないので、確実に反射材３９と測定試料Ｓとの間に空気を混入しないようにすることができる。
【０１２９】
以上のように、実施の形態１〜４の粘弾性特性測定装置においては、測定試料Ｓを大きく変形した場合の高周波粘弾性特性の挙動を計測することができる。上述の通り、タイヤのゴムといった、使用時に形状が変形する材料の高周波粘弾性特性を測定する場合に、実際の使用状態を適切に反映させた状態で高周波粘弾性特性を測定できる。特に、測定試料Ｓを低周波で回転又は振動させた場合に、低周波粘弾性特性及び高周波粘弾性特性の挙動を、その場（in situ)で同時に計測できる。これにより、低周波数と高周波数における粘弾性特性の違いや、歪み依存性の比較をすることができる。
【０１３０】
低周波は例えば１０Ｈｚ程度の周波数であり、高周波は例えば１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ程度の周波数であるが、周波数の範囲はこれに限られない。例えば、粘弾性特性測定装置で生体反応等を測定する際には、サンプルに応力が加えられた下、高周波として１ＭＨｚよりも低い周波数の粘弾性特性を測定することが有用の場合もある。このとき、好適な高周波数は、波長の有効性から、１０ｋＨｚ〜１００ＭＨｚ程度である。なお、「波長の有効性」とは、測定に用いる音波の波長が長くなると、測定する波形を分離するためにサンプル伝搬長を長くする必要があるため、音波の周波数や波長に制約があることをいう。また、地盤・地質・地震等の研究においては、サンプルに低周波数の応力が加えられた下、高周波の伝搬を検出することで、粘弾性特性が測定される。このとき、好適な高周波は、波長の有効性から１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ程度である。また、化学反応プロセスを測定する場合には、サンプルに低周波数の応力が加えられた下、加工工程中における高周波の伝搬を検出することで、粘弾性特性が測定される。このとき、好適な高周波は、波長の有効性から１０ｋＨｚ〜１００ＭＨｚ程度である。
【０１３１】
図１５は、粘弾性特性を有する測定試料における、歪みと応力の関係の一例を示したグラフである。図１５において、グラフの横軸が歪みであり、縦軸が応力を示す。また、図１５において、（ａ）は超音波を用いる測定がカバーする測定範囲を示し、（ｂ）はレオメータを用いる測定がカバーする測定範囲を示す。（ａ）における測定範囲は、歪み及び応力が小さい状態であり、（ｂ）における測定範囲は、歪み及び応力が大きい状態である。本発明にかかる粘弾性特性測定装置では、（ａ）と（ｂ）の両方の範囲を測定することができる。
【０１３２】
図１６は、粘弾性特性を有する測定試料における、周波数と粘弾性特性の関係の一例を示したグラフである。図１６において、グラフの横軸が周波数であり、縦軸が粘弾性特性を示す。また、図１６において、（ａ）は音波を用いる測定がカバーする測定範囲を示し、（ｂ）はレオメータを用いる測定がカバーする測定範囲を示す。（ａ）における測定範囲は、周波数及び粘弾性特性が大きい場合の粘弾性特性を示し、（ｂ）は、周波数及び粘弾性特性が小さい場合の粘弾性特性を示している。本発明にかかる粘弾性特性測定装置では、（ａ）と（ｂ）の両方の範囲を測定することができる。
【０１３３】
測定試料Ｓがパン生地やゴムといった材料であり、測定試料Ｓが混合下の化学プロセスにおいて重合等の反応を行う場合、測定試料Ｓに回転や振動を与えることにより、上述の粘弾性特性測定装置で時間経過に伴う粘弾性特性の変化を測定できる。また、反応は測定試料Ｓの表面から進行することが多い。そのため、測定試料Ｓの表面物性（表面における粘弾性特性）と、測定試料Ｓのバルクの物性（全体の粘弾性特性）とは異なることが想定される。ここで、測定試料Ｓの表面物性は、例えば表面反射法を用いた測定（特に超音波を用いた測定）の結果、算出される。また、測定試料Ｓのバルクの物性は、レオメータを用いて測定試料Ｓを変形させた際に、測定試料Ｓに作用する応力と測定試料Ｓの歪みを測定する結果、算出される。従って、これらの粘弾性特性のデータを比較することにより、反応の進行状況を適切に判断できる。さらに、高周波粘弾性特性の測定において、開口合成法を用いたＣＴ（Computed Tomography）を測定試料Ｓに行うことにより、物性特性の立体的な把握をすることもできる。なお、開口合成法は、超音波で測定を行う場合には、フェーズドアレー方式を用い、測定試料Ｓの断面イメージをバーチャルに合成する技術をいう。このようにして実験を行うことで、パン生地の最適な捏ねやゴムの最適な混錬を解析することができる。
【０１３４】
また、実施の形態１〜４において、粘弾性特性測定装置は、レオメータと高周波粘弾性測定装置とが複合された機能を有する。そのため、低周波及び高周波の粘弾性特性を、同じ又は異なるひずみ下で測定することができる。従って、測定試料Ｓをゴム（タイヤの材料）とすると、例えば、ゴムに掛ける負荷が小さい（レオメータ部１１がゴムに印加する歪みが小さい）ときのゴムの低周波における損失正接ｔａｎδを測定することで、ゴムのころがり抵抗の大小を測定できる。また、ゴムに掛ける負荷が大きい（レオメータ部１１がゴムに印加する歪みが大きい）ときのゴムの低周波における損失正接ｔａｎδを測定することで、ゴムのドライグリップの大小を測定できる。また、ゴムに掛ける負荷が大きい（レオメータ部１１がゴムに印加する歪みが大きい）ときのゴムの高周波における損失正接ｔａｎδを測定することで、ゴムのウエットグリップの大小を測定できる。具体的には、ゴムにレオメータ部１１でねじり歪を加えながら、チャック装置に設けられたトランスデューサ２５からゴムに超音波を送受信することで、高周波における損失正接ｔａｎδを測定することができる。
【０１３５】
以上に示した、ゴムのころがり抵抗とグリップ（ドライグリップ及びウエットグリップ）とは、タイヤの燃費を変化させるパラメータである。これらのパラメータを計測することで、負荷で発生したトルクで材料自身が最適な特性を有するように変化する負荷応答型のスマートマテリアルを、効率的又は総合的に評価できる可能性がある。
【０１３６】
一般に、タイヤの燃費を少なくする目的で、大きい負荷をかけた状態でのゴムの低周波における損失正接ｔａｎδを低減すると、大きい負荷をかけた状態でのゴムの高周波における損失正接ｔａｎδも減少してしまう。従って、いわゆる省燃費タイヤでは、ウエットグリップの性質が悪くなってしまう。
【０１３７】
ここで、ペイン効果に見られるような、粘弾性特性がひずみ依存性を有する現象から類推して考えると、大きい負荷（大きな歪み）が印加されたゴムにおいて、損失正接ｔａｎδを元の値よりも大きな値にできる（即ち、タイヤの性能を向上できる）可能性がある。具体的には、ゴムに配合されたフィラー粒子の凝集体であるアグリゲートの配向が、負荷歪によって不可逆に変化せず、一時的に切断又は移動するような構成とすることで、ゴムの粘弾性特性を負荷（歪み）の値に応じて変化させることができる。なお、ゴムの側鎖の分子量や末端の分子質量は、損失正接ｔａｎδの周波数依存性にかかわる要素として重要となる。
【０１３８】
このように、低周波及び高周波での損失正接ｔａｎδの測定だけでなく、ゴムのころがり抵抗とグリップ性能とを実使用温度で用途に応じて最適化する研究についても、実施の形態１〜４に係る粘弾性特性測定装置を適用することができる。
【０１３９】
［実施の形態５］
実施の形態１〜４において、演算部３５は、算出した測定試料Ｓの高周波粘弾性特性を用いて、測定試料Ｓの摩擦係数を算出してもよい。例えば、周波数ｆの関数である測定試料Ｓの摩擦係数μ（ｆ）は、上述の損失正接ｔａｎδ（ｆ）及び貯蔵弾性率Ｅ’（ｆ）を用いて、
μ（ｆ）＝α×Ｅ’（ｆ）ｎ×ｔａｎδ（ｆ）＋β・・・（３７）
と表される。α（＞０）及びβはタイヤの種類（例えばタイヤの材質）に基づいて変化する固有の定数であり、ｎは所定の実数である（例えばｎ＝−１／３）。なお、摩擦係数μ（ｆ）を求める数式は、式（３７）ではない、ｔａｎδ（ｆ）を用いた他の多項式や高次式であってもよい。なお、定数α及びβは、予め実験等で取得される値であり、記憶部３７に格納されている。
【０１４０】
［実施の形態６］
実施の形態６では、低周波及び高周波の粘弾性特性を測定するほかに、測定試料Ｓを光学的に測定する構成を説明する。図１７は、実施の形態６の粘弾性特性測定装置５における一部構成を示した図面である。図１７では、測定試料ＳであるタイヤＴとトランスデューサ２５と遅延材２６とが示されている。また、粘弾性特性測定装置５は、粘弾性特性測定装置１に比較して、光源６０と高速ＣＣＤカメラ６１と処理部６２とを更に備える。なお、粘弾性特性測定装置５は表面反射法でタイヤＴの高周波粘弾性特性を算出する装置であり、粘弾性特性測定装置５のその他の構成要素は、粘弾性特性測定装置１と同じであるため、説明を省略する。
【０１４１】
タイヤＴは、押圧力が掛けられることにより、その面Ｔ１が遅延材２６の面２６Ａの一部に接触する。そして、モータ２３の駆動により、面２６Ａの一部に接触しながら回転する。そのため、面Ｔ１には、回転により生じるせん断力と、押圧力により生じる摩擦力とが生じている。ここで、タイヤＴは、回転を続けても遅延材２６に接触し続けるよう（即ち、その前後方向に動かないよう）に固定されている。また、面２６Ａは、遅延材２６において、トランスデューサ２５が接する面と反対側の面である。
【０１４２】
ここで、光源６０は、遅延材２６を介して面２６Ａに向かって測定光を照射し、高速ＣＣＤカメラ６１は、測定光が面２６Ａで反射されたことにより生じた反射光を遅延材２６を介して検出する。なお、遅延材２６は、光源６０からの測定光が面２６Ａで反射可能であり、かつ反射光が高速ＣＣＤカメラ６１で検出可能な強度を有するように、透過性を有する。
【０１４３】
面２６Ａで測定光が反射される場合、面２６ＡにおいてタイヤＴが接触している領域と、面２６Ａにおいて別の物質（本例では、空気又は水）が接触している領域との区別は、光源６０から面２６Ａに入射される測定光の入射角を調節することにより可能である。遅延材２６とタイヤＴ（ゴム）との反射率と、遅延材２６と空気又は水との反射率とが異なるため、遅延材２６とタイヤＴとの境界面における臨界角θ１と、遅延材２６と空気又は水との境界面における臨界角θ２とは異なる。そのため、実施の形態６では、測定光の入射角を臨界角θ１と臨界角θ２との間に設定し、面２６Ａの各領域で測定光が反射されるか否かを高速ＣＣＤカメラ６１で検出する。処理部６２は、高速ＣＣＤカメラ６１の検出結果に基づいて、面２６Ａの各領域に接触しているのがタイヤＴであるか、あるいは空気又は水であるかを識別する。このようにして、処理部６２は、面２６ＡへのタイヤＴの接触面積を測定することができる。なお、処理部６２は、処理部１５と同様、例えばコンピュータ（特にパーソナルコンピュータ）から構成される。
【０１４４】
また、タイヤＴを回転させながらタイヤＴの接触面積を測定し続けることで、処理部６２は、面２６Ａに対するタイヤＴの滑り箇所と凝着箇所とを識別することができる。滑り箇所では、短時間で面２６Ａと接触しなくなるのに対し、凝着箇所では、面２６Ａと長時間接触するため、接触時間による両者の識別が可能であるからである。
【０１４５】
このようにして、面２６ＡへのタイヤＴの接触面積を測定することにより、処理部６２は、面２６ＡへのタイヤＴの接触面積と、低周波及び高周波の粘弾性特性測定結果との関連性を測定することができる。なお、タイヤＴではなく、回転の用途に用いる他の物質（例えば試料ローラ）を測定してもよい。また、測定試料Ｓを回転させず、部分すべりの範囲でトルクを加えるだけ、または単に遅延材２６に接触させている場合であっても、上述と同様にして、測定試料Ｓと遅延材２６との接触面積と、低周波及び高周波の粘弾性特性測定結果との関連性を測定することが可能である。
【０１４６】
さらに、図１７に係る粘弾性特性測定装置５において、トランスデューサ２５は、（高周波粘弾性を測定するための）入射音波をタイヤＴに放射せず、遅延材２６を介して測定試料Ｓから放射された反射音波の受信のみを実行してもよい。受信した反射音波のデータは、変換部１４を介して処理部１５に出力される。処理部１５は、この反射音波のデータに基づき、すべりによるタイヤＴの摩擦面での振動状態を測定することができる。このことにより、粘弾性特性測定装置５は、より的確な高周波粘弾性の測定ができる。例えば、粘弾性特性測定装置５は、顕著な特徴を有する振動周波数帯域、スペクトルや波形のデータを収集することができる。このデータに基づき、粘弾性特性測定装置５は、測定試料Ｓに摩擦力がかからない場合に、タイヤＴの振動状態が所望の状態であるかを判定することができる。所望の状態である場合に、粘弾性特性測定装置５は、測定試料Ｓの高周波粘弾性測定を実行することができるため、高周波粘弾性測定の条件を最適な条件にすることができる。なお、面２６Ａは、測定に応じて必要な表面粗さを持った摩擦面であってもよい。
【０１４７】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、実施の形態１において、温度検出センサ３３は必ずしも設けられなくてもよい。また、実施の形態１において、測定試料Ｓの歪みを予め決定して応力を測定するのではなく、測定試料Ｓに与える応力を予め決定して歪みを測定してもよい。この場合には、応力検出センサ３２の代わりに、変位検出センサが設けられる。この変位検出センサは、例えば軸２１の縦方向の変位に基づいて測定試料Ｓの歪みのデータを検出し、取得した歪みのデータを処理部１５に出力する。また、応力検出センサ３２と変位検出センサは、レオメータ部１１に両方設けられてもよい。また、測定試料Ｓを変形するのは、レオメータに限られない。
【０１４８】
実施の形態１〜６に示した処理は、制御方法の１つとして、コンピュータに実行させることができる。ここで、プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Random Access Memory））を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。
【符号の説明】
【０１４９】
１、２、３、４  粘弾性特性測定装置
１０  レオメータ制御部
１１  レオメータ部
１２  音波放射部
１３  音波信号発生部
１４  変換部
１５  処理部
２０  駆動部
２１  軸
２２  環状板
２３  モータ
２４  センサ
２５  トランスデューサ
２６  遅延材
２７  駆動波形発生器
２８  方向整合器
２９  高周波増幅器
３０  Ｄ／Ａ変換部
３１  Ａ／Ｄ変換部
３２  応力検出センサ
３３  温度検出センサ
３４  入力部
３５  演算部
３６  時間データメモリ部
３７  記憶部
３８  表示／出力部
３９  反射材
４０  トランスデューサ
４１、４２  電極
５０、５１  ケーシング構造
６０  光源
６１  高速ＣＣＤカメラ
６２  処理部
【要約】      （修正有）【課題】ゴム製品等の測定試料の実際の使用状態を適切に反映させた状態で粘弾性特性を測定可能な粘弾性特性測定装置及び粘弾性特性測定方法を提供する。【解決手段】粘弾性特性測定装置１は、測定試料Ｓに外力を加えて周期的な変形を与える試料変形部１１と、試料変形部１１により変形された測定試料Ｓに作用する応力及び測定試料Ｓの歪みに基づいて、測定試料Ｓの低周波の粘弾性特性を算出する第１の粘弾性特性算出部１５と、測定試料Ｓに入射音波を放射する放射部１２と、放射部２５が放射した入射音波が測定試料Ｓで反射されて生じる反射音波、又は入射音波が測定試料Ｓを透過した透過音波を受信する受信部１２と、受信部２５が受信した反射音波又は透過音波に基づいて、入射音波の周波数における測定試料Ｓの高周波の粘弾性特性を算出する第２の粘弾性特性算出部１５を備える。【選択図】図１【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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