(57)【要約】 【課題】超音波振動子の一部を被測定物体に押し当てたときに、その物体の密度や弾性的特性に応じてその超音波振動子の共振周波数や共振抵抗が変化する現象を利用して、その物体の粘弾性特性を測定する装置を提供する。【解決手段】等価質量が既知の超音波振動子の接触子を被測定物体に一定量押し込んだ時の７共振周波数の変化量と共振抵抗の変化量から被測定物体の損失係数を求め、反発力と被測定物体のポアソン比から被測定物体のヤング率を求める。【選択図】    図6
2013088130.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動子の共振時の振動の腹の位置に半球状の接触子を具備したセンサ振動子を、被測定物体に押し当てたときの前記センサ振動子の共振特性の変化量から被測定物体の粘弾性的な特性を測定する超音波粘弾性測定装置であって、等価質量が既知のセンサ振動子の接触子を被測定物体に一定量押し込んだときの前記センサ振動子の共振周波数の変化量と共振抵抗の変化量から被測定物体の損失係数を求めるとともに、前記センサ振動子の接触子を被測定物体に一定量押し込んだときの反発力(荷重)と、被測定物体のポアソン比から被測定物体のヤング率を求めることを特徴とする超音波粘弾性測定方法および装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動子の共振時の振動の腹の部分に半球状の接触子を具備したセンサ振動子を被測定物体に押し当てたときに、その物体の密度や弾性特性に応じてその超音波振動子の共振周波数や共振抵抗が変化する現象を利用して、その物体の粘弾性的な特性を測定する装置に関し、特に、超音波振動子として圧電振動子を用い、皮膚やゴムなどの比較的やわらかい物体の粘弾性特性を測定する超音波粘弾性特性測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波振動子を被測定物体に押し付けたときの共振特性の変化から被測定物体の粘弾性的な特性を測定する方法に関しては、特許文献1、特許文献2などが開示されている。
特許文献1には、図１に示すように、磁歪振動子Tの一方の端部に先端が半球状に加工されたホーンHを接合したホーン付き超音波振動子と、この超音波振動子の共振周波数frを自動追尾する励振装置（自励発振回路）を用いて、上記ホーン付き超音波振動子のホーン先端を被検出物体に当接したときの共振周波数と共振尖鋭度の変化分を測定し、この変化分から被検体の材質を識別する方法が開示されている。
【０００３】
また、特許文献2には、超音波振動子として、入力端子、出力端子、および共通アース端子を有する3端子型圧電振動子を用い、図2に示すように、前記圧電振動子82の出力電流を検出する仮想接地型電流検出回路83、前記圧電振動子に印加される電圧を一定にするための定電圧回路81、およびフィルタ機能を有する増幅回路84をループ状に接続して帰還型自励発振回路を構成し、前記圧電振動子に具備されている半球状の接触子を物体に押し当てたときの、前記自励発振回路の発振周波数の変化分、および前記電流検出回路出力の変化分から当接した物体の損失特性を測定する弾性特性測定装置が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公昭61-33136号公報（第3頁、第1図）
【特許文献２】特開2003-270219号公報（第6頁、図8）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１に示した特許文献1に開示されている従来の超音波振動子を用いた弾性特性測定装置においては、超音波振動子Tとして磁歪振動子を用いているため、振動速度に比例するモーショナル電流の検出にトランス1を使用する必要がある。また、共振周波数を自動追尾する発振回路（自励発振回路）は、同期検波回路4、および電圧制御発振器（VCO）6により構成されるため、装置が複雑で大型となり、その結果として高価になると言う欠点があった。
さらに、特許文献1に開示されている弾性測定装置においては、弾性特性として機械的品質係数Qの変化のみ測定しており、被測定物体の弾性定数(例えばヤング率)の測定方法が示されていない。
【０００６】
一方、図-2に示した特許文献2に示されている圧電振動子を用いた弾性特性測定装置においては、まず、3端子型圧電振動子の出力電圧の一部を入力側に帰還させて自励発振回路を構成してセンサ振動子の共振周波数の変化を測定しているため、被測定物体の損失が大きい場合、十分な帰還電圧を得ることが難しくなり、自励発振が停止してしまうという問題があった。
さらに、特許文献2においても、被測定物体の弾性定数(例えばヤング率)の測定方法が示されていない。
また、特許文献1および特許文献2に示されている従来の超音波振動子を用いた弾性特性測定装置においては、印加荷重を一定にした状態で測定するため、特に、応力緩和が大きな高分子物体などの柔らかい物体の測定においては、時間の経過とともに接触子が被測定物体に深く押し込まれ、押込み量が接触子の半径の1/2以上になり、測定精度が悪くなるという問題があった。  
つまり、従来の超音波振動子を用いた弾性特性測定装置においては、装置が複雑で高価であったり、自励発振回路が損失の大きな物体に対して停止してしまったりする欠点に加え、いずれの測定方法でも、被測定物体の粘弾性特性を物理定数として表すことが困難であり、特に、応力緩和が大きな高分子物体などの柔らかい物体の測定においては押込み量が大きくなり、測定精度が悪くなるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、
超音波振動子の共振時の振動の腹の位置に半球状の接触子を具備したセンサ振動子を、被測定物体に押し当てたときの前記センサ振動子の共振特性の変化量から被測定物体の粘弾性的な特性を測定する超音波粘弾性測定装置であって、等価質量が既知のセンサ振動子の接触子を被測定物体に一定量押し込んだときの共振周波数の変化量△frと共振抵抗の変化量RLから被測定物体の損失係数tanδを求めるとともに、前記センサ振動子の接触子を被測定物体に一定量t0だけ押し込んだときの反発力(荷重)Fと被測定物体のポアソン比σから被測定物体のヤング率Eを求めることにより、被測定物体の粘弾性特性を表す物理定数としての複素ヤング率E*を求めることができることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、センサ振動子の接触子を被測定の物体の表面に所定の押込み量だけ押し込むことにより、その時の共振周波数の変化量、共振抵抗の変化量およびそのときの反発力(荷重)の値から、その物体のヤング率と損失係数を求めることができ、結果として、被測定物体の物理定数としての粘弾性特性を求めることができるので、食品分野、医療分野、工業分野など幅広い分野での応用が期待される。
また、本発明によれば、接触子の押込み量を一定としているので、精度の高い測定が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】は、特許文献-1の第２図である。
【図２】は、特許文献-2の図8である。
【図３】は、本発明の基本原理の説明に用いる、剛体球と半無限体面との接触状態の説明図である。
【図４】は、センサ振動子の機械振動系を含む等価回路である。
【図５】は、図4の等価回路の電気-機械変換トランスを外した電気的等価回路である。
【図６】は、本発明の超音波粘弾性特性測定装置のセンサ振動子および測定台の一例を示す斜視図である。
【図７】は、本発明の超音波粘弾性測定装置を用いて測定した応力緩和特性の測定例である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
(測定原理の説明)
図3に示すように、ヤング率E、ポアソン比σ、密度ρの半無限体表面に、半径Rの剛体球状の接触子を有するセンサ振動子を押込み量tだけ押し込んだときの荷重(反発力)F、および接触半径aは、それぞれ、(1)式および(2)で与えられる。
【数１】
2013088130.tif 000003
【数２】
2013088130.tif 000004
このとき、接触子が物体から受ける負荷スティフネスsLは(3)式で与えられる。
【数３】
2013088130.tif 000005
このときの接触面積Scは(4)式で与えられる。
【数４】
2013088130.tif 000006
また、このとき、接触子が物体から受ける負荷質量mLは(5)式で与えられる。 
【数５】
2013088130.tif 000007
センサ振動子の接触子を被測定物体に押し当てたときに、接触子が物体から受ける負荷スティフネスsL と負荷質量mLにより、センサ振動子の共振角周波数ωr2は、(6)式のようになる。
【数６】
2013088130.tif 000008
(6)式より(7)式が得られ、
【数７】
2013088130.tif 000009
被測定物体が柔らかく、ヤング率が小さい場合、sL/s < mL/mとなり、(7)式からわかるように、主に負荷質量mLの効果により共振周波数fr2は無負荷時よりも低下するため、共振周波数の変化から負荷スティフネスsLの効果を求めることが不可能になり、(3)式から被測定物体のヤング率Eを求めることができない。
このような場合には、センサ振動子を押し込んだときの荷重Fを測定し、(1)式を変形して得られる(8)式により、被測定物体のポアソン比σが既知の場合、被測定物体のヤング率Eを求めることができる。
【数８】
2013088130.tif 000010
【００１１】
センサ振動子の機械振動系を含む等価回路は図4のように表される。図4において、m、s、rはそれぞれ、センサ振動子の等価質量、等価スティフネスおよび等価機械抵抗であり、mL、sL、およびrLはそれぞれ、接触子の端面から見た物体の接触インピーダンスで、それぞれ、負荷質量、負荷スティフネスおよび負荷機械抵抗である。また、φは力係数、Cdは制動容量である。
図5は、図4の等価回路を電気-機械変換の変成器をはずして求めた電気的な等価回路であり、図4の等価回路の等価定数との間には、(9)式の関係がある。
【数９】
2013088130.tif 000011
図5の等価回路の回路定数は、接触子を物体に圧接する前と後のセンサ振動子の電気的なインピーダンスの周波数特性をインピーダンスアナライザにより測定することにより容易に求めることができる。
しかしながら、機械振動系の等価回路定数を求めるためには、力係数φを求める必要があるが、形状が単純で無い場合や、接触子が付加されている場合などは、力係数φを精度良く求めることは困難である。
【００１２】
ここでは、本発明の、等価質量mが既知のセンサ振動子を用いてセンサ振動子を被測定物体に押し当てたときの共振周波数の変化と共振抵抗の変化から被測定物体の損失係数tanδを求める方法について説明する。
物体に接触子を押し当てる前のセンサ振動子の共振角周波数と押し当てた後のセンサ振動子の共振角周波数をそれぞれ、ωr1、ωr2とすると、それぞれ(10).(11)式で与えられる。ここでは、計算を簡単にするために共振周波数frの代わりに、共振角周波数ωrを用いている。
【数１０】
2013088130.tif 000012
【数１１】
2013088130.tif 000013
(10),(11)式より、それぞれ(12),(13)式が得られる。
【数１２】
2013088130.tif 000014
【数１３】
2013088130.tif 000015
(12)式を(13)式より、(14)式により、負荷質量mLを求めることができる。 
【数１４】
2013088130.tif 000016
【００１３】
センサ振動子の等価質量mが既知の場合には、(9)式の等価インダクタンスLと等価質量mの関係式より力係数φを求めることができる。力係数φが求められれば、(9)式より、センサ振動子の接触子を物体に押し当てることにより生じた共振抵抗の変化分RLから(15)式により機械抵抗の増加分rLを求めることができる。
被測定物体の損失係数tanδは、被測定物体が柔らかい物体の場合には(16)式で与えられ、複素ヤング率E*は、(17)式で与えられる。
【数１５】
2013088130.tif 000017
【数１６】
2013088130.tif 000018
【数１７】
2013088130.tif 000019
【００１４】
以上の説明をまとめ、以下に本発明による複素ヤング率E*の測定手順について説明する。
手順-1ヤング率Eと応力緩和特性を求める方法
a.センサ振動子の等価質量mは、既に別の方法で求められているとする。
b.被測定物体にセンサ振動子を押し当てて押込み量tだけ押し込んだときの共振周波数変化量△fr、共振抵抗変化量RLおよびそのときの荷重Fを測定し、(14)式により負荷質量mLを求め、(8)式から被測定物体のヤング率E1を求める。
c.所定の時間の経過ごとに、bを繰り返しヤング率を求め、応力緩和特性を求める。
手順-2  損失係数tanδおよび複素ヤング率E*を求める方法
d.センサ振動子の無負荷時の等価インダクタンスLと等価質量mを用いて、(9)式の関係から、力係数φを求める。
e.被測定物体にセンサ振動子の接触子を押し当てる前後の共振抵抗変化RLを測定し、(15)式から、負荷機械抵抗rLを求める。
f.(14)式から求めた負荷質量mLと(15)式から求めた負荷機械抵抗rLを用いて、 (16)式により損失係数tanδを計算する
g.(17)式により複素ヤング率E*を求める。
【実施例】
【００１５】
図6は、本発明の実施例のセンサ振動子および測定台60を示す斜視図である。図6において、センサ振動子61は、鉛直に移動可能なリニアスライダ62に固定されたホルダ63に保持されており、リニアスライダ移動ダイヤル64により、所望の距離だけ移動可能に構成されている。
測定台60には、上皿電子天秤65が配置され、被測定物体66はこの上皿天秤の上に載せられる。センサ振動子61は、3mm×3mm×30mmの圧電セラミック角柱の対向する二つの面のほぼ全面に電極が形成され、対向する電極の面に垂直な方向に分極されており、この圧電セラミック角柱振動子からなるセンサ振動子は、圧電横効果長さ方向振動子として動作する。この圧電セラミック角柱振動子の一方の端部には、アルミで加工された直径5mmの半球状の接触子67が接合されており、このセンサ振動子61は、接触子67を含めた長さ方向振動の基本モードの共振の節の位置がシリコンゴム等の軟弾性体で接着支持されている。
図6において、被測定物体を上皿電子天秤に載せ、センサ振動子の接触子67の頂点と被測定物体の表面とのクリアランスをゼロとした状態で、上皿電子天秤65の荷重表示をリセットし、前記リニアスライダにより瞬時に所定の押込み量だけ接触子を押し込んで、その後、センサ振動子の共振周波数、共振抵抗および上皿天秤の読みを測定する。
測定された共振周波数の変化量から負荷質量を求め、共振抵抗変化から損失係数を求め、上皿天秤の荷重の読みから反発力(荷重)を測定し、複素ヤング率および応力緩和特性を求めることができる。
図7は、図6に示した本発明の超音波粘弾性特性測定装置を用いて、厚さ6.6mmのチューインガムの応力緩和特性を測定した測定例である。図7の縦軸は反発力を示しているが、(8)式からわかるように、センサ振動子の接触子押込み量tが一定なので、反発力は被測定物体のヤング率に比例しており、図7は、ヤング率の変化を示している。さらに、接触子の半径R、被測定物体のポアソン比σが分かれば、ヤング率の絶対値も求めることができる。
【００１６】
センサ振動子の共振特性の測定には、インピーダンスアナライザを用いると便利であるが、インピーダンスアナライザは高価であるため、周波数範囲を限定した専用器を用いて測定することも可能である。
また、図6では、センサ振動子を垂直方向に移動させるために、リニアスライダを用いて手動で移動させる例を示したが、リニアモータやリニア電磁ソレノイドを使用して電子的に制御することにより、精度の向上と高速測定が可能になる。
また、実施例では、反発力(荷重)の測定に上皿天秤を用いたが、センサ振動子のホルダに荷重検出機構を構成することも可能である。
図6に示した本発明の超音波粘弾性特性測定装置においては、センサ振動子として圧電セラミック単体角柱を用いたが、センサ振動子は必ずしも圧電セラミック単体で形成する必要はなく、圧電セラミック板を金属などの振動体に接合した構造でも良い。また、圧電振動子の振動モードは、必ずしも長さ振動モードに限定されるものではなく、屈曲振動モードや拡がり振動モードを利用した振動子であっても良い。
【符号の説明】
【００１７】
60:測定台
61:センサ振動子
62:リニアスライダ
63:ホルダ
64:リニアスライダ移動ダイヤル
65:上皿電子天秤
66:被測定物体
67:接触子
【図１】
2013088130.tif 000020
【図２】
2013088130.tif 000021
【図３】
2013088130.tif 000022
【図４】
2013088130.tif 000023
【図５】
2013088130.tif 000024
【図６】
2013088130.tif 000025
【図７】
2013088130.tif 000026