(57)【要約】【課題】落下物体と試験対象物との間で力が作用しているときの落下物体が試験対象物から受ける力を高精度に測定する。【解決手段】重力によって落下する球体の内部に埋め込まれたコーナーキューブプリズムに光を照射する。球体が試験対象物と衝突したとき、または球体が流体である試験対象物の中を落下しているときのコーナーキューブプリズムからの反射光の状態変化を光波干渉計によって検出する。光波干渉計で検出された反射光の状態変化に基づいて、球体の変位速度を導出し、導出した変位速度から球体の加速度を導出し、導出した加速度に基づいて球体が試験対象物から受ける力を導出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射部を備えた落下物体と、
前記反射部に光を照射する光源を有し、落下している前記落下物体と試験対象物との間で力が作用しているときの前記反射部からの反射光の状態変化を検出する光波干渉計と、
前記光波干渉計で検出された前記反射部からの反射光の状態変化に基づいて、前記落下物体の加速度を導出し、導出した前記加速度に基づいて前記落下物体が前記試験対象物から受ける力を導出する導出部と、
を含む落下試験装置。
【請求項２】
前記反射部は、入射する光の方向と同じ方向に光を反射させる光学部品を含み、前記光学部品が前記落下物体の内部に埋め込まれている
請求項１に記載の落下試験装置。
【請求項３】
前記落下物体は球体であり、前記光学部品はコーナーキューブプリズムを含み、
前記コーナーキューブプリズムの光学的頂点と、前記コーナーキューブプリズムが埋め込まれた状態の前記球体の重心とが一致している
請求項２に記載の落下試験装置。
【請求項４】
前記反射部は、前記落下物体の粗面とされた表面部分によって構成される
請求項１に記載の落下試験装置。
【請求項５】
ガイド方向に伸長するガイド部と、前記ガイド方向に沿って移動可能に前記ガイド部に取り付けられた可動部と、を含む直動軸受を更に含み、
前記落下物体は、前記可動部に支持され、運動方向が拘束されている
請求項１に記載の落下試験装置。
【請求項６】
前記ガイド部の前記ガイド方向が鉛直方向に対して傾斜しており、前記落下物体の運動方向が鉛直方向に対して傾斜した方向に拘束されている
請求項５に記載の落下試験装置。
【請求項７】
前記落下物体は、鉛直軸に対して非対称な形状を有する請求項５または請求項６に記載の落下試験装置。
【請求項８】
前記光波干渉計は、鉛直方向上側から前記反射部に向けて光を照射する光学系を有する第１の光波干渉計と、鉛直方向下側から前記反射部に向けて光を照射する光学系を有する第２の光波干渉計と、を含む、
請求項２または請求項３に記載の落下試験装置。
【請求項９】
前記反射部は、鉛直方向上側から照射された光を反射する第１のコーナーキューブプリズムと、鉛直方向下側から照射された光を反射する第２のコーナーキューブプリズムと、を含む
請求項８に記載の落下試験装置。
【請求項１０】
前記落下物体は球体であり、鉛直方向上側から照射された光を前記第１のコーナーキューブプリズムに導入するための第１の開口部と、鉛直方向下側から照射された光を前記第２のコーナーキューブプリズムに導入するための第２の開口部と、を含み、
前記第１の開口部および前記第２の開口部の少なくとも一方は、前記球体の曲率と同じ曲率を有する球面形状を有する透明な蓋で塞がれている
請求項９に記載の落下試験装置。
【請求項１１】
前記導出部は、前記落下物体が前記試験対象物と衝突するときの前記落下物体に作用する衝撃力を、前記落下物体が前記試験対象物から受ける力として導出する
請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の落下試験装置。
【請求項１２】
前記導出部は、前記試験対象物である流体と、前記流体の中を落下する前記落下物体と、の間に作用する摩擦力を、前記落下物体が前記試験対象物から受ける力として導出する
請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の落下試験装置。
【請求項１３】
前記落下物体を前記試験対象物である流体とともに収容する容器と、
前記落下物体を前記容器の内部において鉛直方向上方に向けて打ち上げる打ち上げ機を更に含み、
前記導出部は、前記打ち上げ機によって鉛直方向上方に向けて打ち上げられて前記流体の中を運動する前記落下物体と、前記流体と、の間に作用する摩擦力を、前記落下物体が前記試験対象物から受ける力として導出する
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の落下試験装置。
【請求項１４】
前記導出部は、前記光波干渉計で検出された前記反射部からの反射光の状態変化に基づいて、前記落下物体の終端速度を導出し、導出した前記終端速度に基づいて前記流体の粘性係数を導出する
請求項１２または１３に記載の落下試験装置。
【請求項１５】
落下物体に備えられた反射部に光を照射し、
落下している前記落下物体と試験対象物との間で力が作用しているときの前記反射部からの反射光の状態変化を光波干渉計によって検出し、
前記光波干渉計で検出された前記反射部からの反射光の状態変化に基づいて、前記落下物体の加速度を導出し、導出した前記加速度に基づいて前記落下物体が前記試験対象物から受ける力を導出する
落下試験方法。
【請求項１６】
前記反射部をコーナーキューブプリズムで構成し、前記落下物体として、内部に前記コーナーキューブプリズムを埋め込んだ球体を用いる
請求項１５に記載の落下試験方法。
【請求項１７】
ガイド方向に伸長するガイド部と、前記ガイド方向に沿って移動可能に前記ガイド部に取り付けられた可動部と、を含む直動軸受の前記可動部に前記落下物体を固定することにより、前記落下物体の運動方向を拘束する
請求項１５に記載の落下試験方法。
【請求項１８】
前記ガイド部の前記ガイド方向を鉛直方向に対して傾斜させ、前記落下物体の運動方向を鉛直方向に対して傾斜した方向に拘束する
請求項１７に記載の落下試験方法。
【請求項１９】
前記落下物体として、鉛直軸に対して非対称な非球状体を用いる
請求項１７または請求項１８に記載の落下試験方法。
【請求項２０】
鉛直方向上側から前記反射部に向けて光を照射する光学系を有する第１の光波干渉計と、鉛直方向下側から前記反射部に向けて光を照射する光学系を有する第２の光波干渉計と、を用いて、前記反射部からの反射光の状態変化を検出する
請求項１５または請求項１６に記載の落下試験方法。
【請求項２１】
前記落下物体が前記試験対象物と衝突するときの前記落下物体に作用する衝撃力を、前記落下物体が前記試験対象物から受ける力として導出する
請求項１５から請求項２０のいずれか１項に記載の落下試験方法。
【請求項２２】
前記試験対象物である流体と、前記流体の中を落下する前記落下物体との間に作用する摩擦力を、前記落下物体が前記試験対象物から受ける力として導出する
請求項１５から請求項２０のいずれか１項に記載の落下試験方法。
【請求項２３】
前記光波干渉計で検出された前記反射部からの反射光の状態変化に基づいて、前記落下物体の終端速度を導出し、導出した前記終端速度に基づいて前記流体の粘性係数を導出する
請求項２２に記載の落下試験方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、落下試験装置および落下試験方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体の水との衝突や、水への突入は、複雑な非線形の現象であり、これらを調べることは、造船や海洋工学、航空宇宙工学などの分野で特に重要な課題となっている。
【０００３】
既存の落下試験装置は、金属球体等の落下物体を試験対象物に落下衝突させ、試験対象物に作用する衝撃力を、試験対象物の下部に設置したロードセル（力センサ）で測定するものである。
【０００４】
一方、力センサを用いずに被測定物の力学的特性を測定する手法として、例えば特許文献１に記載の材料試験方法が知られている。特許文献１には、被測定物に錘体を取り付けて、被測定物をばね要素とする質量―ばね系を構成し、質量―ばね系を加振して、錘体に作用する慣性力と錘体の変位とを測定し、慣性力と変位とに基づいて被測定物の力学的特性を評価する方法が記載されている。また、特許文献１には、錘体の変位速度を光波干渉計により計測し、計測した錘体の変位速度を微分して求めた加速度から慣性力を算出すると共に、計測した錘体の変位速度を積分して錘体の変位を算出することが記載されている。
【０００５】
また、重力加速度を、高精度かつ安定に測定する手法として、特許文献２には、マイケルソン干渉計の２つの鏡に相当する物体を別々に自由落下させ、それらの間の変位の時間変化を干渉計の出力で計測する自由落下装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１４７７００号公報
【特許文献２】特開２０１１−２０９２７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のロードセル（力センサ）を用いた落下試験装置においては、ロードセル（力センサ）の動的校正法は確立されていない。また、落下物体の衝突時に試験対象物自体が加速度運動することが予想され、試験対象物自身の慣性力も測定に含まれてしまう。上記の問題から、ロードセル（力センサ）を用いた従来の落下試験装置による衝撃力の測定精度は低く、最高でも数％程度と推定される。
【０００８】
本発明は、１つの側面として、落下物体と試験対象物との間で力が作用しているときの、落下物体が試験対象物から受ける力を高精度に測定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る落下試験装置は、反射部を備えた落下物体と、前記反射部に光を照射する光源を有し、落下している前記落下物体と試験対象物との間で力が作用しているときの前記反射部からの反射光の状態変化を検出する光波干渉計と、前記光波干渉計で検出された前記反射部からの反射光の状態変化に基づいて、前記落下物体の加速度を導出し、導出した前記加速度に基づいて前記落下物体が前記試験対象物から受ける力を導出する導出部と、を含む。
【００１０】
本発明に係る落下試験装置において、前記反射部は、入射する光の方向と同じ方向に光を反射させる光学部品を含んでいてもよく、前記光学部品が前記落下物体の内部に埋め込まれていてもよい。また、前記落下物体は球体であってもよく、前記光学部品はコーナーキューブプリズムを含んでいてもよい。前記コーナーキューブプリズムの光学的頂点と、前記コーナーキューブプリズムが埋め込まれた状態の前記球体の重心とが一致していることが好ましい。また、前記反射部は、前記落下物体の粗面とされた表面部分によって構成されていてもよい。
【００１１】
本発明に係る落下試験装置は、ガイド方向に伸長するガイド部と、前記ガイド方向に沿って移動可能に前記ガイド部に取り付けられた可動部と、を含む直動軸受を更に含み得る。この場合において、前記落下物体は、前記可動部に支持され、運動方向が拘束されている。また、前記ガイド部の前記ガイド方向が鉛直方向に対して傾斜していてもよく、この場合において、前記落下物体の運動方向が鉛直方向に対して傾斜した方向に拘束される。また、落下物体の運動方向が拘束されている場合には、前記落下物体は、鉛直軸に対して非対称な形状を有していてもよい。
【００１２】
本発明に係る落下試験装置において、前記光波干渉計は、鉛直方向上側から前記反射部に向けて光を照射する光学系を有する第１の光波干渉計と、鉛直方向下側から前記反射部に向けて光を照射する光学系を有する第２の光波干渉計と、を含んでいてもよい。この場合には、前記反射部は、鉛直方向上側から照射された光を反射する第１のコーナーキューブプリズムと、鉛直方向下側から照射された光を反射する第２のコーナーキューブプリズムと、を含んでいてもよい。また、前記落下物体は球体であってもよく、鉛直方向上側から照射された光を前記第１のコーナーキューブプリズムに導入するための第１の開口部と、鉛直方向下側から照射された光を前記第２のコーナーキューブプリズムに導入するための第２の開口部と、を含んでいてもよい。この場合において、前記第１の開口部および前記第２の開口部の少なくとも一方は、前記球体の曲率と同じ曲率を有する球面形状を有する透明な蓋で塞がれていてもよい。
【００１３】
本発明に係る落下試験装置において、前記導出部は、前記落下物体が前記試験対象物と衝突するときの前記落下物体に作用する衝撃力を、前記落下物体が前記試験対象物から受ける力として導出してもよい。
【００１４】
本発明に係る落下試験装置において、前記導出部は、前記試験対象物である流体と、前記流体の中を落下する前記落下物体と、の間に作用する摩擦力を、前記落下物体が前記試験対象物から受ける力として導出してもよい。
【００１５】
本発明に係る落下試験装置は、前記落下物体を前記試験対象物である流体とともに収容する容器と、前記落下物体を前記容器の内部において鉛直方向上方に向けて打ち上げる打ち上げ機を更に含んでいてもよい。この場合において、前記導出部は、前記打ち上げ機によって鉛直方向上方に向けて打ち上げられて前記流体の中を運動する前記落下物体と、前記流体と、の間に作用する摩擦力を、前記落下物体が前記試験対象物から受ける力として導出してもよい。
【００１６】
本発明に係る落下試験装置において、前記導出部は、前記光波干渉計で検出された前記反射部からの反射光の状態変化に基づいて、前記落下物体の終端速度を導出し、導出した前記終端速度に基づいて前記流体の粘性係数を導出してもよい。
【００１７】
本発明に係る落下試験方法は、落下物体に備えられた反射部に光を照射し、落下している前記落下物体と試験対象物との間で力が作用しているときの前記反射部からの反射光の状態変化を光波干渉計によって検出し、前記光波干渉計で検出された前記反射部からの反射光の状態変化に基づいて、前記落下物体の加速度を導出し、導出した前記加速度に基づいて前記落下物体が前記試験対象物から受ける力を導出する、というものである。
【００１８】
本発明に係る落下試験方法において、前記反射部をコーナーキューブプリズムで構成し、前記落下物体として、内部に前記コーナーキューブプリズムを埋め込んだ球体を用いてもよい。
【００１９】
本発明に係る落下試験方法において、ガイド方向に伸長するガイド部と、前記ガイド方向に沿って移動可能に前記ガイド部に取り付けられた可動部と、を含む直動軸受の前記可動部に前記落下物体を固定することにより、前記落下物体の運動方向を拘束してもよい。また、前記ガイド部の前記ガイド方向を鉛直方向に対して傾斜させ、前記落下物体の運動方向を鉛直方向に対して傾斜した方向に拘束してもよい。落下物体の運動方向を拘束した場合には、前記落下物体として、鉛直軸に対して非対称な非球状体を用いてもよい。
【００２０】
本発明に係る落下試験方法において、鉛直方向上側から前記反射部に向けて光を照射する光学系を有する第１の光波干渉計と、鉛直方向下側から前記反射部に向けて光を照射する光学系を有する第２の光波干渉計と、を用いて、前記反射部からの反射光の状態変化を検出してもよい。
【００２１】
本発明に係る落下試験方法において、前記落下物体が前記試験対象物と衝突するときの前記落下物体に作用する衝撃力を、前記落下物体が前記試験対象物から受ける力として導出してもよい。
【００２２】
本発明に係る落下試験方法において、前記試験対象物である流体と、前記流体の中を落下する前記落下物体との間に作用する摩擦力を、前記落下物体が前記試験対象物から受ける力として導出してもよい。
【００２３】
本発明に係る落下試験方法において、前記光波干渉計で検出された前記反射部からの反射光の状態変化に基づいて、前記落下物体の終端速度を導出し、導出した前記終端速度に基づいて前記流体の粘性係数を導出してもよい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、落下物体と試験対象物との間で力が作用しているときの、落下物体が試験対象物から受ける力を高精度に測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る落下試験装置の構成を示す図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の実施形態に係る落下試験装置において用いられる球体の上面図である。
【図２Ｂ】図２Ａにおける２Ｂ−２Ｂ線に沿った断面図である。
【図３Ａ】本発明の実施形態に係る落下試験装置によって取得された周波数ｆｂｅａｔおよび周波数ｆｒｅｓｔの時間変化を示すグラフである。
【図３Ｂ】本発明の実施形態に係る落下試験装置によって取得された球体の変位速度ｖの時間変化を示すグラフである。
【図３Ｃ】本発明の実施形態に係る落下試験装置によって取得された球体の位置ｘの時間変化を示すグラフである。
【図４Ａ】本発明の実施形態に係る落下試験装置によって取得された球体の加速度ａの時間変化を示すグラフである。
【図４Ｂ】本発明の実施形態に係る落下試験装置によって取得された球体に作用するすべての力Ｆｍａｓｓの時間変化を示すグラフである。
【図４Ｃ】本発明の実施形態に係る落下試験装置によって取得された球体が水面から受ける力Ｆｗａｔｅｒの時間変化を示すグラフである。
【図５】本発明の実施形態に係る落下試験装置によって取得された球体５０の変位速度ｖおよび球体５０が水面から受ける力Ｆｗａｔｅｒの時間変化を示すグラフと、ハイスピードカメラ４６によって撮影された画像とを対応させて表示した図である。
【図６】本発明の実施形態に係る落下試験装置を用いて、球体が水面から受ける力Ｆｗａｔｅｒの時間変化を７回測定した結果を示すグラフである。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る落下試験装置の構成を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る落下試験装置の構成を示す図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る落下試験装置の構成を示す図である。
【図１０】本発明の第５の実施形態に係る落下試験装置の構成を示す図である。
【図１１】本発明の第６の実施形態に係る落下試験装置の構成を示す図である。
【図１２】本発明の第６の実施形態に係る落下試験装置に用いられる球体の断面図である。
【図１３】本発明の第７の実施形態に係る落下試験装置の構成を示す図である。
【図１４】本発明の第８の実施形態に係る落下試験装置の構成を示す図である。
【図１５】本発明の第９の実施形態に係る落下試験装置の構成を示す図である。
【図１６】本発明の第１０の実施形態に係る落下試験装置の構成を示す図である。
【図１７Ａ】本発明の第１０の実施形態に係る落下試験装置に用いられる球体の断面図である。
【図１７Ｂ】本発明の第１０の実施形態に係る落下試験装置に用いられる他のタイプの球体の断面図である。
【図１８】本発明の第１１の実施形態に係る粘弾性測定装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。各図面において、同一または対応する構成要素には同一の参照符号を付与している。
【００２７】
［第１の実施形態]
図１は、本発明の第１の実施形態に係る落下試験装置１０の構成を示す図である。落下試験装置１０は、容器７０に収容された試験対象物としての水７１に、自由落下する球体５０を衝突させたときに、球体５０が水面から受ける衝撃力などを光波干渉計を用いて測定するものである。
【００２８】
図２Ａは、落下試験装置１０において用いられる球体５０の上面図、図２Ｂは、図２Ａにおける２Ｂ−２Ｂ線に沿った断面図である。球体５０の主な材質は、一例として、ＳＵＳ４４０で定められたステンレス鋼であり、表面は焼き戻し処理が施されている。球体５０の直径Ｄは、一例として、３０．２ｍｍである。なお、球体５０の材質は、特に限定されるものではなく、金属、樹脂、ゴムなどあらゆる材料で構成することが可能である。また球体５０のサイズも適宜変更することが可能である。
【００２９】
球体５０の内部には、コーナーキューブプリズム５１が埋め込まれている。コーナーキューブプリズム５１は、自身に入射する光の方向に関わらず、入射方向へ１８０°折り返す光学部品である。球体５０の上部には、開口部５２が設けられており、開口部５２においてコーナーキューブプリズム５１が露出している。コーナーキューブプリズム５１の光学的頂点（光波干渉計による測定点）は球体５０全体の重心、すなわちコーナーキューブプリズム５１を装着した状態の球体５０の重心と一致している。これにより、光波干渉計によって常に球体５０の重心の速度、加速度を測定することが可能となり、球体５０の落下中の姿勢変動による影響が低減される。本実施形態において、コーナーキューブプリズム５１を含む球体５０全体の質量Ｍは、約９３．８８ｇである。
球体５０にコーナーキューブプリズム５１を埋め込む際には、エポキシ系接着剤（スタイキャスト）を用いた。ほぼ球形となる球体５０の重心位置と、コーナーキューブプリズム５１の光学的頂点（光波干渉計による測定点）とが、０．１ｍｍの精度で一致するようにした。球体５０の姿勢変動がもたらす測定誤差については、ズレの成分のうち、光波干渉計の信号光に並行な成分はコサイン誤差となるので比較的小さいが、光波干渉計の信号光に垂直な成分はサイン誤差となるので比較的大きくなる。なお、コーナーキューブプリズム５１と同様の機能を有する光学部品であるキャッツアイを、コーナーキューブプリズム５１に代えて用いてもよい。
【００３０】
図１に示すように、落下試験装置１０は、レーザ光源１２、無偏光ビームスプリッタ２１、偏光ビームスプリッタ２２、ミラー２３、球体５０の内部に装着されたコーナーキューブプリズム５１、球体５０の外部に配置されたコーナーキューブプリズム２４、グラントムソンプリズム３１、３２、光検出器３３、３４およびデジタイザ３５を含む光波干渉計を備えている。
【００３１】
本実施形態において、レーザ光源１２として、ゼーマン型２周波Ｈｅ-Ｎｅレーザを用いている。レーザ光源１２は、偏光が互いに直交し且つ周波数が異なる２つのレーザ光Ｌ１およびＬ２を重ね合わせたレーザ光Ｌｒｅｓｔを出射する。レーザ光Ｌ１の周波数をｆ１とし、レーザ光Ｌ２の周波数をｆ２（＞ｆ１）とする。
【００３２】
レーザ光源１２から出射されたレーザ光Ｌｒｅｓｔは、無偏光ビームスプリッタ２１によって、光軸方向および光軸方向と直交する方向に分岐される。無偏光ビームスプリッタ２１によって光軸方向と直交する方向に反射されたレーザ光Ｌｒｅｓｔは、グラントムソンプリズム３２に入射する。
【００３３】
グラントムソンプリズム３２は、直線偏光を得るための光学部品である。レーザ光Ｌｒｅｓｔは、グラントムソンプリズム３２を透過した後、光検出器３４に入射する。光検出器３４は、受光した光の強度に応じた電気信号を生成するフォトダイオード等の光電変換素子である。光検出器３４によって生成された電気信号は、デジタイザ３５に供給される。
【００３４】
無偏光ビームスプリッタ２１を透過して光軸方向に進行するレーザ光Ｌｒｅｓｔは、偏光ビームスプリッタ２２に入射し、周波数ｆ１のレーザ光Ｌ１と周波数ｆ２のレーザ光Ｌ２に分割される。レーザ光Ｌ１は、偏光ビームスプリッタ２２を透過して光軸方向に進行し、レーザ光Ｌ２は、偏光ビームスプリッタ２２によって光軸方向と直交する方向に反射される。
【００３５】
レーザ光Ｌ２は、コーナーキューブプリズム２４に入射する。コーナーキューブプリズム２４は、自身に入射する光の方向に関わらず、入射方向へ１８０°折り返す光学部品である。レーザ光Ｌ２は、コーナーキューブプリズム２４によって反射され、再び偏光ビームスプリッタ２２に入射する。周波数ｆ２のレーザ光Ｌ２は、光波干渉計における参照光として利用される。一方、偏光ビームスプリッタ２２を透過したレーザ光Ｌ１は、ミラー２３によって反射され、鉛直方向下方に向けて進行し、球体５０内部のコーナーキューブプリズム５１に入射する。
【００３６】
球体５０は、落下前の初期状態において、円環状の電磁石６２による磁力によって電磁石６２に吸着され、静止状態を維持している。球体５０は、内部に設けられたコーナーキューブプリズム５１が、レーザ光Ｌ１を受光し得るように、開口部５２が鉛直方向上方に向けられた状態で電磁石６２に保持されている。球体５０が落下を開始してから水７１に衝突して水没するまでの期間、レーザ光Ｌ１を球体５０内部のコーナーキューブプリズム５１に照射し続けることが可能である。球体５０と電磁石６２との間には、緩衝用のラバー６１が設けられている。なお、本実施形態において、球体５０の落下距離（すなわち球体５０から水面までの距離）は、およそ１３６ｍｍである。
【００３７】
球体５０内部に入射したレーザ光Ｌ１は、コーナーキューブプリズム５１によって１８０°折り返される。コーナーキューブプリズム５１によって反射されたレーザ光をレーザ光Ｌ３とする。球体５０が自由落下している場合には、レーザ光Ｌ３の周波数ｆ３は、レーザ光Ｌ１の周波数ｆ１に対して、球体５０の落下速度に応じたドップラーシフト周波数ｆｄ分だけ小さくなり、ｆ３＝ｆ１−ｆｄとなる。周波数ｆ３のレーザ光Ｌ３は、光波干渉計における信号光として利用される。
【００３８】
コーナーキューブプリズム５１から出射されたレーザ光Ｌ３は、ミラー２３によって反射され、再び偏光ビームスプリッタ２２に入射する。信号光としてのレーザ光Ｌ３は、参照光としてのレーザ光Ｌ２と重ね合わせられ、信号光と参照光の周波数の差分に相当する周波数ｆｂｅａｔのビートを生ずる干渉光を生じる。この干渉光をレーザ光Ｌｂｅａｔとする。すなわち、コーナーキューブプリズム５１で反射された信号光としてのレーザ光Ｌ３に生じた状態変化（レーザ光Ｌ３のドップラーシフトによる周波数変化または位相変化）が、光波干渉計が干渉光を生ずることによって検出される。
【００３９】
ミラー２５は、レーザ光Ｌｂｅａｔをグラントムソンプリズム３１に向けて反射させる。レーザ光Ｌｂｅａｔは、グラントムソンプリズム３１を透過した後、光検出器３３に入射する。光検出器３３は、受光した光の強度に応じた電気信号を生成するフォトダイオード等の光電変換素子である。光検出器３３によって生成された電気信号は、デジタイザ３５に供給される。
【００４０】
デジタイザ３５は、光検出器３３および３４から出力される電気信号を、所定のサンプリング周期でデジタル信号に変換して記録する。本実施形態において、デジタイザ３５としてナショナルインスツルメンツ社のＮＩ  ＰＣＩ−５１０５が用いられている。デジタイザ３５は、各チャンネルのサンプル数が５Ｍ、サンプルレートが３０Ｍ／Ｓ、振幅分解能が８ｂｉｔの設定とされている。すなわち、デジタイザ３５による１回の測定時間は、約０．１６７秒とされる。
【００４１】
レーザダイオード４１は、自身が出射するレーザ光Ｌ４の光軸が、自由落下する球体５０の移動経路と交差する位置に配置されている。光検出器４２は、受光した光の強度に応じた電気信号を生成するフォトダイオード等の光電変換素子であり、自由落下する球体５０の移動経路を間に挟んでレーザダイオード４１の反対側に配置されている。光検出器４２によって生成された電気信号は、ＡＤ変換器４３によってデジタル信号に変換され、コンピュータ４４に入力される。コンピュータ４４は、落下する球体５０がレーザ光Ｌ４を遮断するタイミングにおいてＡＤ変換器４３から供給される信号に基づいて、測定データの記録を開始すべきトリガ信号を生成し、これをＤＡ変換器４５に供給する。ＤＡ変換器４５は、コンピュータ４４から供給されたトリガ信号をアナログ信号に変換し、パルス幅の短いアナログのトリガ信号を生成し、これをデジタイザ３５およびハイスピードカメラ４６に供給する。
【００４２】
デジタイザ３５は、ＤＡ変換器４５から出力されたアナログのトリガ信号を受信すると、光検出器３３および３４から出力される電気信号のサンプリングを開始する。デジタイザ３５によって記録された光検出器３３および３４の出力信号は、コンピュータ４４に供給される。
【００４３】
ハイスピードカメラ４６は、球体５０と水７１との衝突前後における水面付近の画像を記録するために用いられる。本実施形態において、ハイスピードカメラ４６の解像度は１３５４２４ピクセルとされ、フレームレートは１５０００ｆｐｓとされている。ハイスピードカメラ４６は、ＤＡ変換器４５からトリガ信号を受信すると撮影を開始する。ハイスピードカメラ４６による撮影と、デジタイザ３５によるデータのサンプリングを、トリガ信号を起点として同時に開始することで、デジタイザ３５に記録されたデータとハイスピードカメラによって撮影された画像との対応付けが可能となる。
【００４４】
なお、球体５０は、本発明における落下物体に対応し、コーナーキューブプリズム５１は本発明における反射部に対応する。レーザ光源１２、無偏光ビームスプリッタ２１、偏光ビームスプリッタ２２、ミラー２３、球体５０の内部に装着されたコーナーキューブプリズム５１、球体５０の外部に配置されたコーナーキューブプリズム２４、グラントムソンプリズム３１、３２、光検出器３３、３４およびデジタイザ３５を含む光波干渉計は、本発明における光波干渉計に対応する。コンピュータ４４は、本発明における導出部に対応する。
【００４５】
以下に、落下試験装置１０の動作について説明する。以下の説明において、球体５０の速度、加速度及び動的な力の向きは、鉛直方向上向きを正とする。
【００４６】
球体５０は、初期状態において電磁石６２によって静止状態で保持される。電磁石６２の電源がオフされると磁力の発生が停止され、球体５０は落下を開始する。電磁石６２の電源は手動で操作される。落下中の球体５０が、レーザダイオード４１から出射されたレーザ光Ｌ４と交差すると、ＤＡ変換器４５からトリガ信号が出力され、デジタイザ３５によるデータのサンプリングおよびハイスピードカメラ４６による撮影が開始される。
【００４７】
コンピュータ４４は、デジタイザ３５によって記録された光検出器３４の出力波形から、各時刻におけるレーザ光Ｌｒｅｓｔの周波数ｆｒｅｓｔを導出する。周波数ｆｒｅｓｔは、レーザ光源１２から出射されたレーザ光Ｌ２の周波数ｆ２とレーザ光Ｌ１の周波数ｆ２の差分｜ｆ２−ｆ１｜として観測され、一定の値をとる。また、コンピュータ４４は、デジタイザ３５によって記録された光検出器３３の出力波形から、各時刻におけるレーザ光Ｌｂｅａｔの周波数ｆｂｅａｔを導出する。周波数ｆｂｅａｔは、参照光としてのレーザ光Ｌ２の周波数ｆ２と、信号光としてのレーザ光Ｌ３の周波数ｆ３＝ｆ１−ｆｄとの差分｜ｆ２−（ｆ１−ｆｄ）｜として観測される。なお、球体５０が静止状態にあるときには、周波数ｆｒｅｓｔと周波数ｆｂｅａｔは一致する。本実施形態では、周波数ｆｒｅｓｔおよびｆｂｅａｔを導出するために、本発明者らにより開発・考案されたZero-Crossing Fitting Method (ZFM) を用いてそれぞれ計算される。ＺＦＭは、測定区間内にある全てのゼロクロス点の時刻情報を使うことにより、測定区間の両端のゼロクロス点の時刻情報だけを使う従来手法よりも格段に高精度な周波数推定を可能とした手法である。なお、周波数ｆｒｅｓｔおよびｆｂｅａｔを導出するために、一般的な周波数カウンタを用いることも可能である。
【００４８】
コンピュータ４４は、導出した各時刻における周波数ｆｒｅｓｔおよびｆｂｅａｔを、下記の（１）式に代入することによって、各時刻におけるドップラーシフト周波数ｆｄを導出する。
ｆｄ＝−（ｆｂｅａｔ−ｆｒｅｓｔ）  ・・・（１）
【００４９】
続いて、コンピュータ４４は、導出した各時刻におけるドップラーシフト周波数ｆｄを、下記の（２）式に代入することによって各時刻における球体５０の変位速度ｖを導出する。
ｖ＝λａｉｒ・ｆｄ／２  ・・・（２）
ただし、λａｉｒは、球体５０に入射するレーザ光Ｌ１の波長である。
【００５０】
コンピュータ４４は、（２）式に基づいて算出した各時刻における球体５０の変位速度ｖを数値積分することにより、各時刻における球体５０の位置（変位量）ｘを導出する。また、コンピュータ４４は、各時刻における球体５０の変位速度ｖを数値微分することにより、各時刻における球体５０の加速度ａを導出する。
【００５１】
球体５０に作用するすべての力Ｆｍａｓｓは、重力−Ｍｇと、水面から受ける力Ｆｗａｔｅｒとからなり、下記の（３）式によって表される。
Ｆｍａｓｓ＝−Ｍｇ＋Ｆｗａｔｅｒ  ・・・（３）
ただし、ｇは重力加速度であり、Ｍは球体５０の質量である。球体５０に作用するすべての力Ｆｍａｓｓは、球体５０の質量Ｍと加速度ａとの積と一致する。すなわち、Ｆｍａｓｓ＝Ｍａが成立する。コンピュータ４４は、Ｆｍａｓｓ＝Ｍａより、各時刻における球体５０に作用するすべての力Ｆｍａｓｓを導出する。
【００５２】
球体５０が水面から受ける力Ｆｗａｔｅｒは、下記の（４）式によって表される。
Ｆｗａｔｅｒ＝Ｆｍａｓｓ＋Ｍｇ  ・・・（４）
コンピュータ４４は、算出された各時刻における球体５０に作用するすべての力Ｆｍａｓｓを（４）式に代入することにより、各時刻おける球体５０が水面から受ける力Ｆｗａｔｅｒを導出する。
なお、測定対象とする力が、空気抵抗と比較して、十分に大きい場合は、空気抵抗は無視できる。測定対象とする力が、空気抵抗と比較して、十分には大きくない場合は、空気抵抗を考慮する必要がある。空気抵抗が無視できないならば、Ｆｗａｔｅｒには、空気抵抗が含まれていると想定される。また、後述するように、空気抵抗が測定対象とする力である場合もありえる。
【００５３】
図３Ａ〜３Ｃおよび図４Ａ〜４Ｃは、落下試験装置１０によって取得された各測定値の時間変化の一例を示すグラフである。図３Ａ〜３Ｃおよび図４Ａ〜４Ｃに示すグラフにおいて、時間及び位置の始点は、初めて動的な力が観測された点としている。変位速度、加速度及び動的な力の向きは鉛直方向上向きを正としている。図３Ａ〜３Ｃおよび図４Ａ〜４Ｃにはレーザ光Ｌｂｅａｔが水しぶきによって途切れる前、つまり周波数ｆｂｅａｔが正確に測定されている期間のデータのみが示されている。
【００５４】
図３Ａは、周波数ｆｂｅａｔおよび周波数ｆｒｅｓｔの時間変化を示すグラフである。周波数ｆｒｅｓｔは、各時刻において一定であるのに対して、周波数ｆｂｅａｔは、球体５０の速度変化に応じて変化する。
【００５５】
図３Ｂは、球体５０の変位速度ｖの時間変化を示すグラフである。各時刻における変位速度ｖは、各時刻における周波数ｆｂｅａｔおよびｆｒｅｓｔを（１）式に代入することによってドップラーシフト周波数ｆｄを求め、ｆｄを（２）式に代入することによって取得したものである。
【００５６】
図３Ｃは、球体５０の位置ｘの時間変化を示すグラフである。各時刻における位置ｘは、各時刻における変位速度ｖを数値積分することによって取得したものである。
【００５７】
図４Ａは、球体５０の加速度ａの時間変化を示すグラフである。各時刻における加速度ａは、各時刻における変位速度ｖを数値微分することによって取得したものである。
【００５８】
図４Ｂは、球体５０に作用するすべての力Ｆｍａｓｓの時間変化を示すグラフである。各時刻におけるＦｍａｓｓは、球体５０の質量Ｍと各時刻における加速度ａとの積を導出することによって取得したものである。
【００５９】
図４Ｃは、球体５０が水面から受ける力Ｆｗａｔｅｒの時間変化を示すグラフである。各時刻におけるＦｗａｔｅｒは、各時刻におけるＦｍａｓｓを（４）式に代入することによって取得したものである。なお、重力加速度ｇを９．７９９ｍ／ｓ２とした。
【００６０】
図５は、球体５０の変位速度ｖおよび球体５０が水面から受ける力Ｆｗａｔｅｒの時間変化を示すグラフと、ハイスピードカメラ４６によって撮影された画像とを対応させて表示した図である。図５において、時刻ｔが０．０６ｍｓ、１．１９ｍｓ、５．２０ｍｓ、１１．６７ｍｓのときの画像が示されている。なお、図５に示す変位速度ｖおよびＦｗａｔｅｒのグラフは、それぞれ、図３Ｂおよび図４Ｃに示したものと同じである。図５に示すように、球体５０が水面と衝突するとき、球体５０が水面から受ける力Ｆｗａｔｅｒは、最大値まで急激に増加した。時刻ｔが１．２３ｍｓのときに力Ｆｗａｔｅｒは、最大値である約１．０Ｎとなった。このとき、球体５０の位置ｘは、−２．０ｍｍであった。レーザ光Ｌｂｅａｔは、時刻ｔが１１．６ｍｓ、位置ｘが−１９．０ｍｍのときに、観測不能となった。
【００６１】
図６は、落下試験装置１０を用いて、球体５０が水面から受ける力Ｆｗａｔｅｒの時間変化を７回測定した結果を示すグラフである。７回の測定結果は、互いに略一致した。すなわち、本発明の実施形態に係る落下試験装置１０によれば、球体５０の位置、変位速度、加速度および慣性力を高い再現性を有して測定することが可能である。
【００６２】
以下において、本実施形態に係る落下試験装置１０によって取得される球体５０が水面から受ける力Ｆｗａｔｅｒの瞬時値の不確かさについて考察する。球体５０が水面から受ける力Ｆｗａｔｅｒの瞬時値の不確かさの要因としては、以下のものが挙げられる。
（１）光軸のずれ：光軸の不確かさの主原因は１ｍｒａｄの信号光の傾きである。これによる相対的な慣性力の不確かさは約５×１０−７ほどであり、これは無視可能である。
（２）質量測定の不確かさ：電子天秤を用いた時の質量測定の不確かさは約０．０１ｇであり、これは可動部全体の質量の０．０１％である。これは、Ｆｗａｔｅｒが最大値１．０Ｎに達した時に０．１ｍＮとなり、無視可能である。
（３）重力加速度のぶれ：重力加速度ｇは０．０１％の不確かさを含んで９．７９９ ｍ／ｓ２と推定される。これは、無視可能である。
（４）光波干渉計のノイズ
（５）周波数推定時に生じる誤差
（６）周波数から力の計算時に生じる誤差
【００６３】
（４）〜（６）で示される不確かさの要因を個々に推定するのは困難である。しかしながら、球体５０の水面への衝突前後でこれらの要因は、ほぼ変化しないものと考えられる。水面から１０〜５０ｍｍ程度の自由落下中におけるＦｗａｔｅｒの７回の測定結果の平均偏差と標準偏差は、それぞれ、約０．５ｍＮおよび約８．１ｍＮであった。よって（４）〜（６）の不確かさの合計は、この標準偏差となり、８ｍＮと推定される。不確かさとしては、（４）〜（６）が支配的であるため、Ｆｗａｔｅｒの瞬時値における不確かさは８ｍＮと推定される。これは、Ｆｗａｔｅｒの最大値１．０Ｎの０．８％である。
【００６４】
空気抵抗Ｆａｉｒは、球体５０の空気抗力係数Ｃｄ＝０．５を用いると、速度１．５ｍ／ｓのとき、約０．５ｍＮであると推測される。これは、本実施形態に係る落下試験装置１０において取得された落下速度−１．５ｍ／ｓ付近におけるＦｗａｔｅｒの７回の測定（図６参照）における平均値と一致する。すなわち、本実施形態に係る落下試験装置１０によれば、球体５０に作用する外部からの力として空気抵抗の測定も可能である。
【００６５】
以上の説明から明らかなように、本発明の第１の実施形態に係る落下試験装置１０によれば、落下物体である球体５０が試験対象物である水７１に衝突したときの、球体５０が水から受ける衝撃力を高精度に測定することが可能となる。また、刻々と変化する落下中の球体５０の位置、変位速度および加速度も正確に測定することが可能である。これらの正確な測定データは、例えば、数値的なシミュレーションの妥当性や能力を議論するための参照データとして活用することが可能である。なお、上記の説明では、試験対象物として水を用いる場合を例示したが、試験対象物は水以外の流体または固体であってもよい。
なお、図１では、信号光を一本のみとする場合を例示しているが、互いに角度が異なる３本の信号光を使うことにより、三次元での測定が可能となる。その場合、３本の信号光の角度差が大きいほど、測定範囲（測定可能な高さ方向の範囲）は、小さくなる。ただし、３本の信号光の角度差が大きいほど、三次元測定の精度は高くなる。測定では、常にコーナーキューブプリズムの光学的頂点の、それぞれの信号光に並行な成分の、速度、位置、加速度が測定される。基本形としては、１本の信号光は、鉛直方向に設定し、それに対して、僅かに角度を持たせて２本の信号光を導入することが望ましい。こうして、鉛直方向の信号光に加え、それと角度が異なる２本の信号光を追加で使うことにより、落下物体の水平面内の２自由度の速度、位置、加速度の精密測定が可能となる。
【００６６】
［第２の実施形態］
図７は、本発明の第２の実施形態に係る落下試験装置１０Ａの構成を示す図である。なお、図７において、第１の実施形態に係る落下試験装置１０（図１参照）と同一または対応する構成要素には、同一の参照符号を付与し、重複する説明は省略する。
【００６７】
第１の実施形態に係る落下試験装置１０では、落下物体として球体５０を用い、水面から受ける力の向きが落下物体の運動の方向と同じ方向となる場合の、落下物体が水面から受ける力の運動方向成分を精密に測定するものであった。これに対して、第２の実施形態に係る落下試験装置１０Ａは、落下物体として鉛直軸に対して非対称な形状を有する非球状体５６を用い、水面から受ける力の向きが落下物体の運動の方向と著しく異なる方向となる場合の、落下物体が水面から受ける力の運動方向成分を精密に測定するものである。
【００６８】
落下試験装置１０Ａにおいて、落下物体である非球状体５６は、静圧空気直動軸受２５０によって支持される。静圧空気直動軸受２５０は、ガイド方向である鉛直方向に伸長するガイド部２５２と、ガイド部２５２におけるガイド方向に沿って移動可能にガイド部２５２に取り付けられた可動部２５１と、を含む。可動部２５１のガイド部２５２への取り付け面の摩擦抵抗は極めて小さく、非球状体５６の鉛直方向の運動に与える影響は殆どない。可動部２５１には、水平方向に伸びるリンク２５３の一端が接続され、リンク２５３の他端には、鉛直方向に伸びるリンク２５４の一端が接続されている。リンク２５４の他端には、非球状体５６が接続されている。リンク２５３とリンク２５４との接続部には、コーナーキューブプリズム５１が固定されている。可動部２５１がガイド部２５２に沿って鉛直方向に落下すると、これに伴って非球状体５６も鉛直方向に落下する。すなわち、非球状体５６の運動方向は静圧空気直動軸受２５０によって拘束される。コーナーキューブプリズム５１は、非球状体５６とともに鉛直方向に落下する。すなわち、コーナーキューブプリズム５１および非球状体５６は、これらが一体となった剛体として運動する。
なお、静圧空気直動軸受２５０に、非接触のリニアモータを組み込み、任意の初速を簡便に与えられるようにすることは有効である。その際に、リニアモータ駆動時および非駆動時に、リニアモータが発生する力を、あらかじめ同じ光波干渉計を用いて精密に測定しておくことは重要である。リニアモータが発生する力は、可動部２５１の慣性力から、可動部２５１が空気中を運動する際の空気の摩擦抵抗および重力を差し引くことにより精密に測定することが可能である。可動部２５１の慣性力は、可動部２５１の全質量と、可動部２５１の加速度との積として求めることができる。
静圧直動空気軸受にリニアモータを組み込んだ落下試験装置における特性評価は下記の文献にあるボイスコイルモータの特性試験と同様な方法が好適である。
Y. Fujii, K. Maru and T. Jin, “Method for evaluating the electrical and mechanical characteristics of a voice coil actuator”, Precision Engineering, Vol.34, No.4, pp.802-806, 2010
また、任意の初速設定に留まらず、リニアモータを駆動させ、落下物体を任意の速度パターンで運動させ、その際に、落下物体が流体から受ける力、落下物体の位置、速度を、精密に測定することも可能である。その際、落下物体（軸受可動部等、一体となって運動するものを含む）に被試験流体から受ける力は、[物体に流体から受ける力] = [物体の加速度と質量の積] - [物体にリニアモータから受ける力]として求めることができる。なお、物体の加速度には、前述のように、重力加速度を含む。
【００６９】
第２の実施形態に係る落下試験装置１０Ａでは、運動方向が鉛直方向に拘束された状態で落下する非球状体５６の位置、変位速度、加速度および慣性力が、第１の実施形態に係る落下試験装置１０によるプロセスと同じプロセスで取得される。
【００７０】
第２の実施形態に係る落下試験装置１０Ａによれば、落下物体が鉛直軸に対して非対称な形状とされ、水面から受ける力の向きが落下物体の運動の方向と著しく異なる方向となる場合の、落下物体が水面から受ける力の運動方向成分を精密に測定することが可能である。
【００７１】
［第３の実施形態］
図８は、本発明の第３の実施形態に係る落下試験装置１０Ｂの構成を示す図である。なお、図８において、第１の実施形態に係る落下試験装置１０（図１参照）および第２の実施形態に係る落下試験装置１０Ａ（図７参照）と同一または対応する構成要素には、同一の参照符号を付与し、重複する説明は省略する。
【００７２】
第１の実施形態に係る落下試験装置１０は、球体５０を自由落下させ、水面に対して垂直方向に球体５０を衝突させた場合の、球体５０が水面から受ける力の運動方向成分を精密に測定するものであった。これに対して、第３の実施形態に係る落下試験装置１０Ｂは、落下物体を水面に対して斜め方向から衝突させた場合の、落下物体が水面から受ける力の運動方向成分を精密に測定するものである。
【００７３】
本実施形態に係る落下試験装置１０Ｂにおいは、第２の実施形態の場合と同様、落下物体として非球状体５６が用いられ、非球状体５６の運動方向が静圧空気直動軸受２５０によって拘束される。本実施形態において、静圧空気直動軸受２５０のガイド部２５２によるガイド方向は、鉛直方向に対して傾斜している。可動部２５１がガイド部２５２のガイド方向に沿って運動することにより、非球状体５６は鉛直方向に対して傾斜した方向に運動する。従って、非球状体５６は、容器７０に収容された水７１の水面に対して斜め方向から衝突する。コーナーキューブプリズム５１は、非球状体５６と一体となって運動する。無偏光ビームスプリッタ２２を透過したレーザ光Ｌ１は、非球状体５６の運動方向に進行するようにミラー２３による反射角度が調整される。
【００７４】
第３の実施形態に係る落下試験装置１０Ｂでは、運動方向が鉛直方向に対して斜め方向に拘束された状態で落下する非球状体５６の位置、変位速度、加速度および慣性力が、第１の実施形態に係る落下試験装置１０によるプロセスと同じプロセスで取得される。
【００７５】
第３の実施形態に係る落下試験装置１０Ｂによれば、落下物体を水面に対して斜め方向から衝突させた場合の、落下物体が水面から受ける力の運動方向成分を精密に測定することが可能である。
【００７６】
［第４の実施形態］
図９は、本発明の第４の実施形態に係る落下試験装置１０Ｃの構成を示す図である。なお、図９において、第１の実施形態に係る落下試験装置１０（図１参照）と同一または対応する構成要素には、同一の参照符号を付与し、重複する説明は省略する。
【００７７】
第１の実施形態に係る落下試験装置１０は、互いに異なる周波数を有する２つのレーザ光Ｌ１およびＬ２を出射する２周波型のレーザ光源１２を備えた光波干渉計を有するものであった。これに対して、第４の実施形態に係る落下試験装置１０Ｃは、単一の周波数のレーザ光を出射する１周波型のレーザ光源１２Ａを備えた光波干渉計を有する。
【００７８】
レーザ光源１２Ａは、周波数ｆ１のレーザ光Ｌ１を出射する。レーザ光源１２Ａの光軸方向前方には、アイソレータ１４が配置されている。アイソレータ１４は、一方向の光のみを透過し、逆方向の光を遮断する光学部品である。すなわち、レーザ光源１２Ａから出射されたレーザ光Ｌ１はアイソレータ１４を透過する一方、レーザ光源１２側とは反対側からアイソレータ１４に入射する光は遮断される。
【００７９】
アイソレータ１４を透過したレーザ光Ｌ１は、無偏光ビームスプリッタ２６により分岐され、一方は、光軸方向に進行してミラー２３に入射し、他方は光軸方向と直交する方向に反射されコーナーキューブプリズム２４に入射する。コーナーキューブプリズム２４で１８０°折り返されたレーザ光Ｌ１は、参照光として再び無偏光ビームスプリッタ２６に入射する。
【００８０】
ミラー２３によって反射されたレーザ光Ｌ１は、鉛直方向上側から球体５０の内部に入射する。球体５０の内部に入射したレーザ光Ｌ１は、コーナーキューブプリズム５１によって１８０°折り返される。コーナーキューブプリズム５１によって反射されたレーザ光をレーザ光Ｌ３とする。球体５０が落下し、球体５０に変位が生じると、当該変位に応じてレーザ光Ｌ３の位相がシフトする。レーザ光Ｌ３は、光波干渉計における信号光として利用される。
【００８１】
レーザ光Ｌ３は、ミラー２３によって反射され、再び無偏光ビームスプリッタ２６に入射する。無偏光ビームスプリッタ２６によって光軸方向と直交する方向に反射されたレーザ光Ｌ３は、参照光としてのレーザ光Ｌ１と重ね合わせられ、光検出器３６に入射する。光検出器３６は、受光した光の強度に応じた電気信号を生成するフォトダイオード等の光電変換素子である。光検出器３６によって生成された電気信号は、デジタイザ３５に供給される。
【００８２】
上記したように、レーザ光Ｌ３の位相は、球体５０の変位に応じて変化する。従って、球体５０の落下中において、レーザ光Ｌ１とレーザ光Ｌ３とを重ね合わせて干渉させると、球体５０の位置に応じて光の明暗が交互に出現する。より具体的には、球体５０にλ／２の変位が生じる毎に、光の強弱が反転する。コンピュータ４４は、デジタイザ３５に記録された光検出器３６の出力波形において、光の強弱の出現回数をカウントする所謂フリンジカウンティングを行うことにより、各時刻における球体５０の位置ｘを導出する。また、コンピュータ４４は、算出した各時刻における球体５０の位置ｘを数値微分することにより、各時刻における球体５０の変位速度ｖを導出する。また、コンピュータ４４は、算出した各時刻における球体５０の変位速度ｖを更に数値微分することにより、各時刻における球体５０の加速度ａを導出する。更にコンピュータ４４は、第１の実施形態の場合と同様、加速度ａから、球体５０に作用するすべての力Ｆｍａｓｓおよび球体５０が水７１から受ける力Ｆｗａｔｅｒを導出する。
【００８３】
以上のように、第４の実施形態に係る落下試験装置１０Ｃによれば、光波干渉計に１周波レーザを用いているので、２周波レーザを用いる場合と比較して安価な装置構成とすることが可能となる。
【００８４】
［第５の実施形態］
図１０は、本発明の第５の実施形態に係る落下試験装置１０Ｄの構成を示す図である。図１０において、第１の実施形態に係る落下試験装置１０（図１参照）と同一または対応する構成要素には、同一の参照符号を付与し、重複する説明は省略する。
【００８５】
第５の実施形態に係る落下試験装置１０Ｄは、内部にコーナーキューブプリズムが埋め込まれていない球体を用いる場合に適用し得る構成を有するものである。また、第５の実施形態に係る落下試験装置１０Ｄは、ベース３３０に固定された固体である試験対象物３４０に球体５０Ａを衝突させたときの、球体５０Ａが試験対象物３４０から受ける力を測定するものとして構成されている。
【００８６】
球体５０Ａの表面全体は粗面となっている。ミラー２３によって反射され、鉛直方向下方に向かうレーザ光は、凸レンズ３０１によって集光され、球体５０Ａに照射される。球体５０Ａの表面を粗面とすることで、球体５０Ａに照射されたレーザ光の球体５０Ａの表面での反射は、拡散反射となる。球体５０Ａの表面が凸レンズ３０１の焦点付近にある場合、球体５０Ａの表面で散乱されたレーザ光は、凸レンズ３０１でコリメートされる。凸レンズ３０１の焦点距離が長いほど計測範囲は長くなる。凸レンズ３０１の焦点位置を、球体５０Ａが試験対象物３４０と衝突する時の球体５０Ａの上面の位置に合わせておくことで、球体５０Ａと試験対象物３４０との衝突前後における位置、変位速度、加速度および慣性力を、第１の実施形態に係る落下試験装置１０と同様に取得することが可能である。
【００８７】
落下試験装置１０Ｄにおいて、レーザ光源１２の光軸方向前方には、ビームエキスパンダ３１０が配置されている。ビームエキスパンダ３１０は、レーザ光源１２から出射されたレーザ光の径を拡大する光学部品である。偏光ビームスプリッタ２２とコーナーキューブプリズム２４との間および偏光ビームスプリッタ２２とミラー２３との間にはそれぞれ、１／４波長板３２０および３２１が設けられている。光学系をこのように構成することで、光検出器３３および３４から第１の実施形態と同様の出力波形を得ることができる。
【００８８】
落下試験装置１０Ｄでは、球体５０の位置、速度、加速度および慣性力が、第１の実施形態に係る落下試験装置１０によるプロセスと同じプロセスで取得される。落下試験装置１０Ｄにおいて、球体５０Ａが試験対象物３４０に衝突したときの、球体５０Ａが試験対象物３４０から受ける力は、上記第１の実施形態におけるＦｗａｔｅｒに対応する。落下試験装置１０Ｄにおいて、コンピュータ４４は、（４）式に基づいて、Ｆｗａｔｅｒを球体５０Ａが試験対象物３４０から受ける動的な衝撃力として導出する。
【００８９】
以上のように、第５の実施形態に係る落下試験装置１０Ｄによれば、内部にコーナーキューブプリズムが埋め込まれていない球体を用いて測定を行うことが可能である。なお、球体５０Ａの材質は、表面を粗面とすることができるものであれば特に限定されない。また、本実施形態に係る落下試験装置１０Ｄの構成によれば、落下物体の姿勢変動が測定に影響を与えないので、鉛直軸に対して非対称である形状を有する物体を落下物体として用いることができる。
なお、図１０の例では、落下物体が固体の試験対象物に落下・衝突する際の相互関係を調べる装置構成を示したが、固体の試験対象物の替わりに、図１に示すような液体の試験対象物を用いてもよい。また、固体の対象物として、力センサを置くことにより、力センサの衝撃応答特性を高精度に調べることが可能となる。力センサの受感部に、コーナーキューブプリズムを埋め込んだ鋼球等を落下させることにより、衝突期間中に時々刻々変化する受感部に作用する力を高精度に測定することが可能となる。これと、力センサの出力信号の時系列を比較することにより、力センサの衝撃応答特性を評価することができる。同様に、前述の市販のロードセル（力センサ）を用いた落下試験装置等の精度評価、特性評価を行うこともできる。
【００９０】
［第６の実施形態］
図１１は、本発明の第６の実施形態に係る落下試験装置１０Ｅの構成を示す図である。なお、図１１において、第１の実施形態に係る落下試験装置１０（図１参照）と同一または対応する構成要素には、同一の参照符号を付与し、重複する説明は省略する。
【００９１】
上記の第１の実施形態に係る落下試験装置１０では、球体５０が水７１に突入した後は、レーザ光を球体５０内のコーナーキューブプリズム５１に照射し続けることは困難であり、球体５０が水７１に突入した後のデータを取得することは困難である。これに対して、第６の実施形態に係る落下試験装置１０Ｅは、球体が水７１に突入した後も各種データの取得を可能とする構成を有する。
【００９２】
図１２は、第６の実施形態に係る落下試験装置１０Ｅに用いられる球体５０Ｂの断面図である。球体５０Ｂは、２つのコーナーキューブプリズム５１ａおよび５１ｂを有する。コーナーキューブプリズム５１ａは、鉛直方向上側から球体５０Ｂに入射するレーザ光を反射させるために用いられ、コーナーキューブプリズム５１ｂは、鉛直方向下側から球体５０Ｂに入射するレーザ光を反射させるために用いられる。図１２では、２つのコーナーキューブプリズム５１ａ、５１ｂの幾何学的頂点同士を、ほぼ一致させるような配置になっている。コーナーキューブプリズム５１ａ、５１ｂの光学的頂点はコーナーキューブプリズム５１ａ、５１ｂの内側にある。２つのコーナーキューブプリズム５１ａ、５１ｂの光学的頂点同士を一致させるには、例えば，両方のコーナーキューブプリズム５１ａ、５１ｂの頂点部を、光学的頂点を含む平面で切断し、貼り合わせると良い。なお、切断面は、黒く塗装し、光を反射しにくいようにすることが望ましい。
【００９３】
また、球体５０Ｂは、鉛直方向上側からのレーザ光を球体５０Ｂの内部に導入するための開口部５２ａと、鉛直方向下側からのレーザ光を球体５０Ｂの内部に導入するための開口部５２ｂとを有する。下側の開口部５２ｂは、照射されたレーザ光を透過させる蓋５３で塞がれている。蓋５３は、球体５０Ｂと同じ曲率を有する球面形状を有している。このように、開口部５２ｂを、球面形状を有する蓋５３で塞ぐことにより、球体５０Ｂは、ほぼ完全な球形となり、取得される各データの汎用性が向上する。なお、開口部５２ｂを塞ぐ蓋５３として凸レンズを使用した場合には、コーナーキューブプリズム５１ｂで反射されて球体５０Ｂの外部に放射される光が広がってしまい、十分な強度の信号光を得ることができない。そこで、本実施形態では、蓋５３としてメニスカスレンズを使用している。蓋５３としてメニスカスレンズを使用することで、コーナーキューブプリズム５１ｂで反射されて球体５０Ｂの外部に放射される光を平行光に戻すことが可能となる。なお、上側の開口部５２ａにも同様の蓋を設けてもよい。球体５０Ｂの上側および下側に球体５０Ｂの曲率に合わせた蓋を付けることにより、ほぼ完全な球形の物体に作用する流体からの力を測定することが可能になる。図１１に示すように、球体５０Ｂは、上側の開口部５２ａが鉛直方向上側に向けられ、下側の開口部５２ｂが鉛直方向下側に向けられた状態で電磁石６２に保持される。
【００９４】
図１１に示すように、第６の実施形態に係る落下試験装置１０Ｅは、鉛直方向下側から球体５０Ｂにレーザ光を照射する光波干渉計の構成要素として、無偏光ビームスプリッタ２０１、ミラー２０２、偏光ビームスプリッタ２０３、ミラー２０４、コーナーキューブプリズム２０５、ミラー２０６、グラントムソンプリズム２３１および光検出器２３３を更に備えている。
【００９５】
無偏光ビームスプリッタ２０１は、レーザ光源１２から出射されたレーザ光Ｌｒｅｓｔを、鉛直方向上側から球体５０Ｂに照射する経路と鉛直方向下側から球体５０Ｂに照射する経路とに分岐させる。無偏光ビームスプリッタ２０１によって、球体５０Ｂの下側に導かれたレーザ光Ｌｒｅｓｔは、ミラー２０２によって進行方向が９０°曲げられ、偏光ビームスプリッタ２０３に入射する。
【００９６】
偏光ビームスプリッタ２０３は、レーザ光Ｌｒｅｓｔを周波数ｆ１のレーザ光Ｌ１と周波数ｆ２のレーザ光Ｌ２とに分割する。レーザ光Ｌ２は、コーナーキューブプリズム２０５によって１８０°折り返され、再び偏光ビームスプリッタ２０３に入射する。レーザ光Ｌ２は、光波干渉計における参照光として利用される。
【００９７】
ミラー２０４は、容器７０内に設けられ、偏光ビームスプリッタ２０３を透過したレーザ光Ｌ１を、鉛直方向下側から上側に向けて反射させる。ミラー２０４によって反射されたレーザ光Ｌ１は、鉛直方向下側から球体５０Ｂの内部に入射する。球体５０Ｂ内部に入射したレーザ光Ｌ１は、コーナーキューブプリズム５１ｂによって１８０°折り返される。コーナーキューブプリズム５１ｂによって反射されたレーザ光をレーザ光Ｌ３ｂとする。球体５０Ｂが落下している場合には、レーザ光Ｌ３ｂの周波数ｆ３ｂは、レーザ光Ｌ１の周波数ｆ１に対して、球体５０Ｂの落下速度に応じたドップラーシフト周波数ｆｄだけ大きくなり、ｆ３ｂ＝ｆ１＋ｆｄとなる。レーザ光Ｌ３ｂは、光波干渉計における信号光として利用される。
【００９８】
レーザ光Ｌ３ｂは、ミラー２０４によって反射され、再び偏光ビームスプリッタ２０３に入射する。信号光としてのレーザ光Ｌ３ｂは、参照光としてのレーザ光Ｌ２と重ね合わせられ、信号光と参照光の周波数の差分に相当する周波数ｆｂｅａｔ２のビートを生ずる干渉光を生じる。この干渉光をレーザ光Ｌｂｅａｔ２とする。
【００９９】
ミラー２０６は、レーザ光Ｌｂｅａｔ２をグラントムソンプリズム２３１に向けて反射させる。レーザ光Ｌｂｅａｔは、グラントムソンプリズム２３１を透過した後、光検出器２３３に入射する。光検出器２３３は、受光した光の強度に応じた電気信号を生成するフォトダイオード等の光電変換素子である。光検出器２３３によって生成された電気信号は、デジタイザ３５に供給される。容器７０は、レーザ光Ｌ１、Ｌ３ｂ、Ｌ４が透過し得るように透明な側面を有するものが用いられる。
【０１００】
このように、落下試験装置１０Ｅは、鉛直方向上側からコーナーキューブプリズム５１ａに向けてレーザ光を照射する光学系を有する上側の光波干渉計と、鉛直方向下側からコーナーキューブプリズム５１ｂに向けて光を照射する光学系を有する下側の光波干渉計と、を有する。
【０１０１】
コンピュータ４４は、上側の光波干渉計によって有効な測定値が得られる期間における球体５０Ｂの位置、変位速度、加速度および慣性力を、光検出器３３の出力信号から求めた周波数ｆｂｅａｔに基づいて導出する。上側の光波干渉計では、例えば、球体５０Ｂに水滴が覆いかぶさり、信号光の強度が保持できなくなるまでの期間において測定が可能である。一方、コンピュータ４４は、上側の光波干渉計によって有効な測定値が得られなくなった後の期間における球体５０Ｂの位置、変位速度、加速度および慣性力を、下側の光波干渉計の光検出器２３３の出力信号から求めた周波数ｆｂｅａｔ２に基づいて導出する。下側の光波干渉計では、例えば、球体５０Ｂと水７１との間に、気泡等がなくなり、信号光が十分に得られるようになった時点から測定が可能である。上側の光波干渉計によって有効な測定値が得られなくなった時点において球体５０Ｂと水７１との間に気泡等がなくなっていることが想定され、下側の光波干渉計が測定可能な状態になっていることが期待できる。このように、球体５０Ｂの上側からレーザ光を照射する光波干渉計と、球体５０Ｂの下側からレーザ光を照射する光波干渉を用いることにより、一方の光波干渉計での測定が不能となる期間を他方の光波干渉計で補完することが可能となる。球体５０Ｂの位置、変位速度、加速度および慣性力を導出するプロセスは、第１の実施形態に係る落下試験装置１０におけるプロセスと同様である。
【０１０２】
以上の説明から明らかなように、第６の実施形態に係る落下試験装置１０Ｅによれば、球体５０Ｂが水没し、鉛直方向上側から球体５０Ｂに向けて光を照射する光学系を有する光波干渉計による観測が不能となった後も、鉛直方向下側から球体５０Ｂに向けて光を照射する光学系を有する光波干渉計によって球体５０Ｂの位置、変位速度、加速度および慣性力を正確に測定することが可能である。
【０１０３】
［第７の実施形態］
図１３は、本発明の第７の実施形態に係る落下試験装置１０Ｆの構成を示す図である。なお、図１３において、第１の実施形態に係る落下試験装置１０（図１参照）と同一または対応する構成要素には、同一の参照符号を付与し、重複する説明は省略する。
【０１０４】
第１の実施形態に係る落下試験装置１０では、球体５０が水７１に突入したときの、球体５０が水面から受ける力を精密に測定するものであった。これに対して、第７の実施形態に係る落下試験装置１０Ｆは、落下中の球体５０と流体である気体との間に作用する摩擦力を測定するものである。
【０１０５】
落下試験装置１０Ｆは、試験対象物としての気体７６を断熱気密状態で収容するチャンバ７５を有する。チャンバ７５は、内部に収容される気体の種類、圧力および温度を制御する機能を有する。球体５０および球体５０を静止状態で保持する電磁石６２は、気体７６とともにチャンバ７５内に収容される。チャンバ７５の上面には、透明な窓（図示せず）が設けられており、チャンバ７５の内部に収容された球体５０へのレーザ光の照射や、球体５０で反射されたレーザ光の取り出しが可能となっている。
【０１０６】
球体５０は、初期状態において電磁石６２によってチャンバ７５内において静止状態で保持される。電磁石６２の電源がオフされると磁力の発生が停止され、球体５０はチャンバ７５内を落下する。落下試験装置１０Ｆでは、チャンバ７５内を落下する球体５０の位置、変位速度、加速度および慣性力が、第１の実施形態に係る落下試験装置１０によるプロセスと同じプロセスで取得される。落下中の球体５０と気体７６との間に作用する摩擦力は、上記第１の実施形態におけるＦｗａｔｅｒに対応する。落下試験装置１０Ｆにおいて、コンピュータ４４は、（４）式に基づいて、Ｆｗａｔｅｒを球体５０と気体７６との間に作用する摩擦力として導出する。
【０１０７】
このように、第７の実施形態に係る落下試験装置１０Ｆによれば、流体である気体７６中を落下する球体５０の時々刻々と変化する、位置、変位速度、加速度および慣性力を精密に測定することが可能であり、これにより、球体５０と気体７６との間に作用する摩擦力を精密に測定することが可能である。得られた上記各データから気体７６の各種の力学的なパラメータを導出することが可能である。なお、特に球体５０の落下速度が速い場合には、光検出器３３の出力信号の周波数をゼロに近づけないようにするために、レーザ光源１２から出射される２つのレーザ光のうち、周波数が低い方のレーザ光を信号光として用いることが好ましい。
【０１０８】
［第８の実施形態］
図１４は、本発明の第８の実施形態に係る落下試験装置１０Ｇの構成を示す図である。なお、図１４において、第１の実施形態に係る落下試験装置１０（図１参照）と同一または対応する構成要素には、同一の参照符号を付与し、重複する説明は省略する。
【０１０９】
第１の実施形態に係る落下試験装置１０では、球体５０が水７１に突入したときの、球体５０が水面から受ける力を測定するものであった。これに対して、第８の実施形態に係る落下試験装置１０Ｇは、球体５０と流体である水との間に作用する摩擦力を測定するものである。
【０１１０】
落下試験装置１０Ｇにおいて、球体５０および球体５０を静止状態で保持する電磁石６２は、容器７０内に収容された試験対象物としての水７１の中に設けられている。また、水７１の表面には、光学窓７２が設けられており、球体５０に照射されるレーザ光は、光学窓７２を介して水中に導入され、球体５０内部のコーナーキューブプリズム５１で反射されたレーザ光は、光学窓７２を介して水中から取り出される。水７１の表面に光学窓７２を設けることで、水面に生じる波によるレーザ光への影響を除去することが可能となる。容器７０は、レーザ光Ｌ４が透過し得るように透明な側面を有するものが用いられる。
【０１１１】
球体５０は、初期状態において電磁石６２によって水７１内に静止状態で保持される。電磁石６２の電源がオフされると磁力の発生が停止され、球体５０は水中を落下する。落下試験装置１０Ｇでは、水中を落下する球体５０の位置、変位速度、加速度および慣性力が、第１の実施形態に係る落下試験装置１０によるプロセスと同じプロセスで取得される。水中を落下する球体５０と水７１との間に作用する摩擦力は、上記第１の実施形態におけるＦｗａｔｅｒに対応する。落下試験装置１０Ｇにおいて、コンピュータ４４は、（４）式に基づいて、Ｆｗａｔｅｒを球体５０と水７１との間に作用する摩擦力として導出する。
【０１１２】
このように、第８の実施形態に係る落下試験装置１０Ｇによれば、流体である水７１中を落下する球体５０の時々刻々と変化する、位置、変位速度、加速度および慣性力を精密に測定することが可能であり、これにより、球体５０と水７１との間に作用する摩擦力を精密に測定することが可能である。得られた上記各データから流体の各種の力学的なパラメータを導出することが可能である。
【０１１３】
なお、本実施形態では、流体として水を使用する場合を例示したが、流体は水以外の液体または粘弾性流体であってもよい。また、可視光に対して不透明な流体であっても、その流体に対して透過性を有する波長のレーザ光を用いることにより、上記の各データを取得することが可能である。
【０１１４】
また、上記の説明では、球体５０と流体との間に作用する摩擦力を測定する場合について説明したが、落下試験装置１０Ｇを用いて流体の粘性係数を測定することも可能である。この場合、容器７０内に粘性係数を測定しようとする流体を収容し、球体５０を当該流体内において落下させたときの終端速度ｖｓを、光波干渉計によって求める。終端速度ｖｓは、球体５０に鉛直方向上向きの力を及ぼす抵抗力および浮力と球体５０に作用する重力とが釣り合ったときの速度である。球体５０が終端速度ｖｓに達すると、その後速度は変化せず一定となる。球体５０の直径、流体動粘度、終端速度を用いたレイノルズ数が１程度までであれば、球体５０の終端速度ｖｓは、ストークス則を用いることにより、下記の（５）式で表すことができる。
ｖｓ＝Ｄ２（ρ−ρｆ）ｇ／１８η  ・・・（５）
一方、レイノルズ数が、１よりも大きく５００以下であれば、球体５０の終端速度ｖｓは、アレンの法則を用いることにより、下記の（６）式で表すことができる
ｖｓ＝Ｄ｛４（ρ−ρｆ）２ｇ２／２２５ρｆη｝１／３  ・・・（６）
ただし、（５）式および（６）式において、Ｄは球体５０の直径、ρは球体５０の密度、ρｆは流体の密度、ηは流体の粘性係数である。
【０１１５】
（５）式または（６）式に光波干渉計を用いて求めた球体５０の終端速度ｖｓを代入することで、流体の粘性係数ηを取得することが可能である。
本発明で試験対象となるのは、落下物体（慣性質量）と、それと作用する気体・液体・固体の双方である。本発明により、その相互作用の関係を高精度に計測することが可能となる。本手法により、被試験体（落下物体）が被試験流体から受ける力が、被試験体の位置、速度と共に、高空間分解能、かつ、高時間分解能で計測することができる。この測定データを、各種実験式、各種理論式、各種数値計算に当てはめることで、各種流体の粘性や密度などの物性値を得ることができる。粘性の圧力依存性など、より詳細な特性評価を行うこともできる。また、この測定データを用いることで、様々な形状・運動状態の被試験体と各種流体との相互作用に関する、より高精度な各種実験式の導出、各種理論式のパラメータの導出を行うこともできる。また、数値計算コード、市販の流体解析ソフトウェアなどの精度検証を行うこともできる。流体としては、水、シリコンオイルなどの他、食塩水、砂糖水、鎖状高分子の水溶液や、微小気泡が高密度に混入した水、氷が浮いた水など、様々な流体の特性を調べることができる。また、光波干渉計は、被試験落下物、被試験流体と離して設置することが可能であるので、高温、低温の流体を用いることもできる。例えば、加熱炉に入った溶鋼、エンジンオイルなどの高温流体、断熱容器に入れられた液体窒素、液体ヘリウムなどの低温流体の自由表面に落下・衝突する被試験体（落下物体）が受ける力、位置、速度の関係を調べることもできる。例えば、流体内の粒子運動に対しては、運動方程式（BBO方程式）の各項の寄与を評価できる可能性もあり、現在までの実験式、理論式の確認と更新、さらには数値計算コードの精度評価を行うことができる、高い精度の実験データを得ることができる。
【０１１６】
［第９の実施形態］
図１５は、本発明の第９の実施形態に係る落下試験装置１０Ｈの構成を示す図である。なお、図１５において、第１の実施形態に係る落下試験装置１０（図１参照）と同一または対応する構成要素には、同一の参照符号を付与し、重複する説明は省略する。
【０１１７】
第９の実施形態に係る落下試験装置１０Ｈは、上記の第８の実施形態に係る落下試験装置１０Ｇ（図１４参照）と同様、球体５０と流体との間に作用する摩擦力や、流体の粘性係数を測定し得る構成を有するものである。上記の第８の実施形態に係る落下試験装置１０Ｇでは、容器７０に収容された流体が、気泡を含む場合、固体粒子を含む場合、不透明である場合には、球体５０に対するレーザ光の送受信が困難となり、各種データの測定が困難となる。これに対して、第９の実施形態に係る落下試験装置１０Ｈでは、容器７０に収容された流体８０が、気泡を含む場合、固体粒子を含む場合、不透明である場合でも対応し得る構成を有する。
【０１１８】
落下試験装置１０Ｈにおいて、球体５０は、静圧空気直動軸受２５０によって支持されている。静圧空気直動軸受２５０は、ガイド方向である鉛直方向に伸長するガイド部２５２と、ガイド部２５２におけるガイド方向に沿って移動可能にガイド部２５２に取り付けられた可動部２５１と、を含む。可動部２５１のガイド部２５２への取り付け面の摩擦抵抗は極めて小さく、球体５０の鉛直方向の運動に与える影響は殆どない。可動部２５１には、水平方向に伸びるリンク２５３の一端が接続され、リンク２５３の他端には、鉛直方向に伸びるリンク２５４の一端が接続されている。リンク２５４の他端には、球体５０が接続されている。リンク２５３とリンク２５４との接続部には、コーナーキューブプリズム５１が固定されている。可動部２５１がガイド部２５２に沿って鉛直方向に落下すると、これに伴って球体５０は流体８０内を鉛直方向に落下する。コーナーキューブプリズム５１は、球体５０とともに鉛直方向に落下することとなるが、流体８０内に埋没することはないので、流体８０が、気泡を含む場合、固体粒子を含む場合、不透明である場合でも、流体の中を落下する球体５０の位置、速度、加速度および慣性力を、第１の実施形態に係る落下試験装置１０によるプロセスと同じプロセスで取得することが可能である。
【０１１９】
［第１０の実施形態］
図１６は、本発明の第１０の実施形態に係る落下試験装置１０Ｉの構成を示す図である。なお、図１６において、第１の実施形態に係る落下試験装置１０（図１参照）と同一または対応する構成要素には、同一の参照符号を付与し、重複する説明は省略する。
【０１２０】
上記の第８の実施形態に係る落下試験装置１０Ｇ（図１４参照）は、鉛直方向下方に向けて落下する球体５０の位置、変位速度、加速度および慣性力を測定するものであった。これに対して、第１０の実施形態に係る落下試験装置１０Ｉは、鉛直方向を上下に往復運動する球体５０の位置、変位速度、加速度および慣性力を測定するものである。また、落下試験装置１０Ｉは、レーザ光を鉛直方向下側から球体に照射する光学系を有する光波干渉計を有する。
【０１２１】
図１７Ａは、落下試験装置１０Ｉに用いられる球体５０Ｃの断面図である。球体５０Ｃは、鉛直方向下側からのレーザ光を球体５０Ｃの内部に導入するための開口部５２を有する。開口部５２は、照射されたレーザ光を透過させる蓋５３で塞がれている。蓋５３は、球体５０Ｃと同じ曲率を有する球面形状を有している。このように、開口部５２を、球面形状を有する蓋５３で塞ぐことにより、球体５０Ｃは、ほぼ完全な球形となり、取得されるデータの汎用性が向上する。なお、開口部５２を塞ぐ蓋５３として凸レンズを使用した場合には、コーナーキューブプリズム５１で反射されて球体５０Ｃの外部に放射される光が広がってしまい、十分な強度の信号光を得ることができない。そこで、本実施形態では、蓋５３としてメニスカスレンズを使用している。蓋５３としてメニスカスレンズを使用することで、コーナーキューブプリズム５１で反射されて球体５０Ｃの外部に放出される光を平行光に戻すことが可能となる。
【０１２２】
図１７Ｂは、落下試験装置１０Ｉに用いられる他のタイプの球体５０Ｄの断面図である。球体５０Ｄは、開口部５２を塞ぐ蓋５３が凸レンズとして機能する。球体５０Ｄに向けて照射されるレーザ光は、凸レンズとして機能する蓋５３を透過することによって集光される。球体５０Ｄの内部の、蓋５３によって形成されるレンズの焦点面上には凹レンズ５４が設けられている。凹レンズ５４で反射されて球体５０Ｄの外部に放射されるレーザ光は、蓋５３を透過する際に平行光に戻される。
【０１２３】
図１６に示すように、落下試験装置１０Ｉは、球体５０Ｃ（または５０Ｄ）を鉛直方向上方に向けて打ち上げる、中空構造を有する打ち上げ機７３を容器７０内に有する。球体５０Ｃは、初期状態において、打ち上げ機７３によって静止状態で保持される。球体５０Ｃは、打ち上げ機７３によって鉛直方向上方に向けて打ち上げられると、水中を鉛直方向に沿って上下に運動する。球体５０Ｃが重力によって減速および落下する様子が、鉛直方向下側から球体５０Ｃにレーザ光を照射するように構成された光学系を有する光波干渉計によって観測される。本実施形態において、ミラー２３は、容器７０内において打ち上げ機７３の下側に設けられている。ミラー２３によって反射されたレーザ光Ｌ１は、鉛直方向下側から球体５０Ｃに照射される。容器７０は、レーザ光Ｌ１、Ｌ３、Ｌ４が透過し得るように透明な側面を有するものが用いられる。
【０１２４】
落下試験装置１０Ｉでは、水中を鉛直方向に沿って上下に運動する球体５０Ｃの位置、変位速度、加速度および慣性力が、第１の実施形態に係る落下試験装置１０よるプロセスと同じプロセスで取得される。落下中の球体５０Ｃと流体８０との間に作用する摩擦力は、上記第１の実施形態におけるＦｗａｔｅｒに対応する。落下試験装置１０Ｉにおいて、コンピュータ４４は、（４）式に基づいて、Ｆｗａｔｅｒを球体５０Ｃと流体８０との間に作用する摩擦力として導出する。
【０１２５】
第１０の実施形態に係る落下試験装置１０Ｉによれば、第８の実施形態と同様、流体８０中を運動する球体５０Ｃの時々刻々と変化する、位置、変位速度、加速度および慣性力を精密に測定することが可能である。これにより、球体５０Ｃと流体８０との間に作用する摩擦力を精密に測定することが可能である。得られた上記各データから流体の各種の力学的なパラメータを導出することが可能である。また、落下試験装置１０Ｉによれば、球体５０Ｃが鉛直方向に沿って上下に往復運動するので、データの測定可能期間を長くすることができ、測定精度の安定化を図ることができる。
【０１２６】
［第１１の実施形態］
図１８は、本発明の第１１の実施形態に係る粘弾性測定装置１０Ｊの構成を示す図である。図１８において、第１の実施形態に係る落下試験装置１０（図１参照）と同一または対応する構成要素には、同一の参照符号を付与し、重複する説明は省略する。
【０１２７】
粘弾性測定装置１０Ｊは、粘弾性流体の動的粘弾性の測定を行うものである。試験対象物である粘弾性を有する流体８０は、容器７０内に収容されている。流体８０は、容器７０内に収容された状態において、加振機９０によって鉛直方向の振動が加えられる。流体８０の上面に設置されたコーナーキューブプリズム５１は、流体８０の振動に伴って振動する。加振機９０の駆動により動的ひずみが流体８０に与えられ、それに応答して動的応力が流体８０に生じる。
【０１２８】
粘弾性測定装置１０Ｊにおいては、流体８０に振動を加えたときの動的応答、すなわち、時々刻々と変化する流体８０の上下方向の位置、変位速度、加速度および慣性力が第１の実施形態に係る落下試験装置１０によるプロセスと同じプロセスで取得される。加振機９０の振動を制御するための加振入力信号Ｓｖは、流体８０に与えられる動的ひずみを示す信号としてデジタイザ３５に記録される。流体８０に生じる動的応力は光波干渉計によって計測される。動的ひずみと動的応力との位相差から流体８０の動的粘弾性を取得することが可能である。
【０１２９】
上記した第１〜第１１の実施形態に係る落下試験装置および粘弾性測定装置の各構成要素および第１〜第１１の実施形態に係る落下試験方法における各要素は、適宜組み合わせることが可能である。
【符号の説明】
【０１３０】
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ、１０Ｇ、１０Ｈ、１０Ｉ  落下試験装置
１２  レーザ光源
２１  無偏光ビームスプリッタ
２２  偏光ビームスプリッタ
２３、２５  ミラー
２４  コーナーキューブプリズム
３３、３４  光検出器
３５  デジタイザ
４４  コンピュータ
４６  ハイスピードカメラ
５０、５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ  球体
７１  水
７６  空気
８０  流体
２５０  静圧空気直動軸受
【図１】
2016017951.tif 000003
【図３Ａ】
2016017951.tif 000004
【図３Ｂ】
2016017951.tif 000005
【図３Ｃ】
2016017951.tif 000006
【図４Ａ】
2016017951.tif 000007
【図４Ｂ】
2016017951.tif 000008
【図４Ｃ】
2016017951.tif 000009
【図７】
2016017951.tif 000010
【図８】
2016017951.tif 000011
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１８】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図１２】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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