JP2016070905A - 粘弾性特性測定装置およびその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電界や磁界によって特性が変化するエラストマーの粘弾性特性の定量的な評価を可能とする粘弾性特性測定装置およびその方法を提供する。【解決手段】この粘弾性特性測定装置は、測定対象物１の第１の面１ａに面接触する遅延部材１０と、遅延部材において第１の面に接触する接触面１０ａと対向する入射面１０ｂに音波を入射する入射手段と、遅延部材に入射された入射波が前記第１の面の位置で反射する第１の反射波と、第２の面１ｂの位置で反射する第２の反射波とを受信可能なトランスデューサ２０と、入射波の特性、第１の反射波の特性、遅延部材が測定対象物に接触していな状態で遅延部材の接触面で反射する基準反射波の特性、および第２の反射波の特性のうち少なくとも２つを用いて、前記測定対象物の粘弾性特性を導出する測定制御装置１００と、測定対象物に電界を印加する電圧印加装置５０とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、電界又は磁界によって特性が変化するエラストマーの粘弾性特性を測定する粘弾性特性測定装置およびその方法に関する。

例えばローラ、タイヤ等の機能部品にはエラストマーが用いられ、そのエラストマーと相手側部材との間の摩擦力によりローラによる搬送力やタイヤのグリップ力が発生する。この搬送力やグリップ力にはエラストマーの特性が大きな影響を与える。また、機能部品の使用条件や用途に応じてエラストマーに求められる特性、耐久性等が変化し、機能部品の種類や用途、機能部品に求められる性能も日々進化するため、それに応じて機能部品用のエラストマーが日々開発されており、その性能は徐々に向上している。

機能部品用のエラストマーを開発する際、機能部品に要求される機能に応じて、材料単体での特性、例えば硬度、粘弾性特性等の特性の狙いを決め、狙いの特性を有する材料を開発する。そして、開発した材料の評価を行うために、先ずは機能部品とは異なる形状の試験片による評価が行われており、当該評価の一つとして高周波粘弾性の評価が行われることがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１０７３０６号公報

一方、電界や磁界により寸法や容積をコントロールできるエラストマーの研究開発が近年行われており、この材料を機能部品に利用することも検討され始めている。また、このようなエラストマーの中には電界や磁界により粘弾性特性が変化するものもあり、機能部品の摩擦特性、特にはヒステリシス摩擦への関与が予見される。しかしながら、この様な新規素材の粘弾性特性を定量的に評価できる装置や方法はなかった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、電界や磁界によって特性が変化するエラストマーの粘弾性特性の定量的な評価を可能とする粘弾性特性測定装置およびその方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の第１の態様に係る粘弾性特性測定装置は、測定対象物の互いに対向する第１の面と第２の面のうち第１の面に面接触する遅延部材と、前記遅延部材において前記第１の面に接触する接触面と対向する入射面に音波を入射する入射手段と、前記遅延部材が前記測定対象物に接触していない状態で前記遅延部材に入射された入射波が前記接触面の位置で反射する基準反射波と、前記遅延部材が前記測定対象物の第１の面に接触している状態で前記遅延部材に入射された入射波が前記第１の面の位置で反射する第１の反射波と、前記遅延部材に入射された入射波が前記第２の面の位置で反射する第２の反射波とを受信可能な受信手段と、前記入射波の特性、前記基準反射波の特性、前記第１の反射波の特性、および前記第２の反射波の特性のうち少なくとも２つを用いて、前記測定対象物の粘弾性特性を導出する測定制御手段と、前記測定対象物に電界又は磁界を印加する印加手段とを備えている。

上記第１の態様では、測定装置に備えられた印加手段で測定対象物に電界又は磁界を印加するので、装置が印加する電界又は磁界の条件を基準にして粘弾性特性の測定を行うことができ、複数種類の測定対象物の電界又は磁界による粘弾性特性の変化を定量的に評価することができる。

本発明の第２の態様に係る粘弾性特性測定装置は、前記印加手段が、前記遅延部材の前記接触面上に形成された第１の電極と、前記測定対象物の第２の面に面接触する第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電位差を設けることにより前記第１の電極と前記第２の電極との間に電界を形成する電圧印加手段とを有する。

上記第２の態様では、第１および第２の電極が測定装置に備えられ、第１および第２の電極が測定対象物の第１および第２の面にそれぞれ面接触するので、測定対象物に対する電界の条件を安定させることができる。また、粘弾性特性を測定するために測定対象物に遅延部材を確実に面接触させる必要があるが、測定対象物の第２の面に第２の電極を面接触させることにより測定対象物の第１の面に遅延部材を安定して面接触させることができ、しかも測定対象物と各電極との面接触も同時に行うことができる。

本発明の第３の態様に係る粘弾性特性測定装置は、前記印加手段が、前記測定対象物の第１および第２の面と異なる第１の側面に面接触する第１の電極と、前記測定対象物において前記第１の側面と対向する第２の側面に面接触する第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電位差を設けることにより前記第１の電極と前記第２の電極との間に電界を形成する電圧印加手段とを有する。電圧は直流でも良く、交流でも良くまたは直流と交流を重畳したものでもよい。

上記第３の態様では、第１および第２の電極が測定装置に備えられ、第１および第２の電極が測定対象物の第１および第２の側面にそれぞれ面接触するので、測定対象物に対する電界の条件を安定させることができる。また、音波の入射面と異なる面から測定対象物に電界を印加する際の粘弾性特性の変化を評価することができる。

本発明の第４の態様に係る粘弾性特性測定装置は、前記印加手段が、前記測定対象物が間に配置されるように配置された正極および負極により、前記測定対象物内に磁界を形成する磁界形成手段を有する。
この態様では、正極および負極が測定装置に備えられ、正極と負極との間に測定対象物が配置されるので、測定対象物に印加する磁界の条件を安定させることができる。

本発明の第５の態様に係る粘弾性特性測定装置は、前記測定制御手段が、前記印加手段を制御して前記測定対象物に印加する電界又は磁界の条件を変化させながら、前記粘弾性特性の導出を複数回行うように構成されている。
この態様では、電界又は磁界の条件に対する粘弾性特性の傾向を得ることができるので、電界又は磁界により特性変化するエラストマーの開発やそのエラストマーを用いる機能部品の開発を効率良く行うことができ、また、新規開発材の未知の特性や傾向を容易且つ正確に知ることができる。

本発明の第６の態様に係る粘弾性特性測定装置は、前記印加手段により印加する電界又は磁界の条件と前記測定対象物の硬度又は弾性率とを対応付けて格納している記憶手段をさらに備え、前記測定制御手段が、前記導出された粘弾性特性を、その導出の際の前記電界又は磁界の条件に応じた前記測定対象物の硬度又は弾性率と対応付けて、出力および／又は記憶手段への格納を行うように構成されている。

ここで、エラストマーを用いる機能部品において、エラストマーの硬度や弾性率は一般的に主な要求仕様や設計指標となる。
上記第６の態様では、導出された粘弾性特性がその導出の際の電界又は磁界の条件に対応したエラストマーの硬度又は弾性率と対応付けられ、出力や記憶手段への格納が行われるので、機能部品を設計する際の主な指標の一つである硬度や弾性率に関連付けてエラストマーの粘弾性特性を把握することができ、機能部品の開発を効率良く行うことができる。また、新規開発材の未知の特性や傾向を容易且つ正確に知ることができる。

本発明の第７の態様に係る粘弾性特性測定方法は、測定対象物の互いに対向する第１の面と第２の面のうち第１の面に遅延部材を面接触させるステップと、電界又は磁界の印加装置により前記測定対象物に電界又は磁界を印加するステップと、前記遅延部材において前記第１の面に接触する接触面と対向する入射面に音波を入射するステップと、前記遅延部材に入射された入射波が前記第１の面の位置で反射する第１の反射波と、前記遅延部材に入射された入射波が前記第２の面の位置で反射する第２の反射波とを得るステップと、前記遅延部材が前記測定対象物に接触していない状態で前記遅延部材に入射された入射波が前記接触面の位置で反射する基準反射波を得るステップと、前記入射波の特性、前記基準反射波の特性、前記第１の反射波の特性、および前記第２の反射波の特性のうち少なくとも２つを用いて、前記測定対象物の粘弾性特性を導出するステップとを有する。

上記第７の態様では、測定対象物とは別の装置により測定対象物に電界又は磁界を印加するので、装置が印加する電界又は磁界の条件を基準にして評価を行うことができ、複数種類の測定対象物の電界又は磁界による粘弾性特性の変化を定量的に評価することができる。

本発明によれば、電界や磁界によって特性が変化するエラストマーの粘弾性の定量的な評価が可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る粘弾性特性測定装置の概略図である。 前記第１の実施形態の送受信回路および測定制御装置の概略図である。 前記第１の実施形態の粘弾性特性の導出結果の例である。 前記第１の実施形態の粘弾性特性の導出結果の例である。 本発明の第２の実施形態に係る粘弾性特性測定装置の概略図である。 本発明の第３の実施形態に係る粘弾性特性測定装置の概略図である。 前記第１の実施形態の粘弾性特性測定装置の変形例を示す概略図である。

本発明の第１の実施形態に係る粘弾性特性測定装置について図１〜図４を参照しながら以下に説明する。
この粘弾性特性測定装置は、測定対象物１の粘弾性特性を測定する装置である。本実施形態において粘弾性特性とは、音波を入射した際の貯蔵弾性率、損失弾性率、および損失正接の何れか１つ、またはこれらのうち複数で規定される特性の総称である。

この粘弾性特性測定装置は、測定対象物１の第１の面１ａに面接触する遅延部材１０と、遅延部材１０において第１の面１ａに接触する接触面１０ａと対向する入射面１０ｂに面接触するトランスデューサ２０と、トランスデューサ２０に付属している送受信回路３０と、測定対象物１において第１の面１ａに対向する第２の面１ｂに面接触する下面部材４０とを有する。遅延部材１０の接触面１０ａにはその全面に亘って延びる面状の第１の電極１１が形成され、下面部材４０の測定対象物１との接触面にはその全面に亘って延びる面状の第２の電極４１が形成されている。

この装置は、電極１１，４１にそれぞれ接続されている電圧印加装置５０と、下面部材４０を昇降して遅延部材１０と下面部材４０に測定対象物１を面接触させる電動シリンダー等から成る昇降装置６０と、遅延部材１０の温度を測定する温度計７０とを有し、また、送受信回路３０を介してトランスデューサ２０に接続されると共に、電圧印加装置５０、昇降装置６０および温度計７０に接続された周知のコンピュータから成る測定制御装置１００と、測定制御装置１００に接続された周知の液晶ディスプレイ等の表示装置１１０とを有する。測定制御装置１００は、送受信回路３０を含むトランスデューサ２０、電圧印加装置５０および昇降装置６０を制御し、送受信回路３０から受信する入射波、基準反射波、第１の反射波、および第２の反射波のデータ（時間的な強度変化のデータ）に基づき粘弾性特性を導出する測定プログラムを格納している。

測定対象物１は電界や磁界を印加することにより粘弾性特性が変化するエラストマーにより成る。このようなエラストマーは、公知のものを用いることができ、例えば、特開２００５−１１１２４５号公報に開示されているポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリフェニレン等を用いることも可能であり、特開平７−２４０５４４号公報に開示されているポリウレタンを用いることも可能であり、特公平６−４１５３０号公報に開示されているシリコンゴムを用いることも可能であり、特開２０１０−１５５９１８号公報に開示されているように導電性高分子と、カチオン成分およびアニオン成分からなる親水性イオン液体とを含む導電性高分子構造体を用いることも可能であり、特開２００９−１９１１１７号公報に開示がある液晶エラストマーを用いることも可能であり、ポリマー中に強磁性体ファイバや粒子や補強材が分散しており磁界によりファイバや粒子が配向する高分子材料を用いることも可能であり、その他電界や磁界により内部に分散しているファイバや粒子や補強材が配向する高分子を用いることも可能である。また、圧電効果により、超音波によってインピーダンスなど電気特性に変化をもたらす、または起電力を発生する物質も考えられる。

遅延部材１０は音波を伝搬可能な物質（例えば、ガラス、アクリル等）から成り、その上面にトランスデューサ２０が取付けられている。
トランスデューサ２０は例えばチタン酸ジルコン酸鉛などの圧電素子から成り、遅延部材１０の入射面１０ｂに音波を入射する。また、トランスデューサ２０は遅延部材１０に入射する入射波が遅延部材１０の接触面１０ａと測定対象物１の第１の面１ａとが接触する位置で反射する第１の反射波と、入射波が測定対象物１の第２の面１ｂと下面部材とが接触する位置で反射する第２の反射波とを受信する。トランスデューサ２０から遅延部材１０に入射する音波は何れの周波数であっても良いが、１０００Ｈｚ以上の高周波であることが好ましく、可聴帯域以上の例えば２００００Ｈｚ以上の超音波であることがより好ましい。

送受信回路３０は、測定制御装置１００からの指令に応じてトランスデューサ２０から遅延部材１０への音波の入射を制御すると共に、入射波の情報と、トランスデューサ２０が受信する基準反射波、第１の反射波、および第２の反射波の情報を測定制御装置１００に出力する。
昇降装置６０は内部にロードセルを有し、ロードセルは測定対象物１に加わる上下方向の力を検出する。

電圧印加装置５０は測定制御装置１００からの指令に応じて電極１１，４１の間に任意の電圧を印加するように構成されている。
図１では本実施形態の構成の理解のため、第２の電極４１を厚く記載しているが、実際は数μｍ〜数十μｍの金属薄膜でも良く、または、下面部材４０を金属導体として適度な反射特性を持たせてもよい。また、第１の電極１１は、前記と同様に金属薄膜でもよく、周知の導電性樹脂又は導電性エラストマーから成すことで、遅延部材１０を形成する物質の音響インピーダンスと同じ又は同等とすることが可能である。又は、遅延部材１０全体を導電体として、遅延部材１０自体を測定対象物１の第１の面１ａに面接触する電極として機能させることも可能である。

粘弾性特性の温度による影響を補償するため、この装置は遅延部材１０の温度を温度計７０で測定する。また、測定制御装置１００は、遅延部材１０の温度毎に、遅延部材１０の接触面１０ａに測定対象物１が接触せずに基準媒質（一例として、空気）が接触している状態（以下、「基準状態」とも称する。）において、入射波が遅延部材１０の接触面１０ａの位置で反射し測定される基準反射波の特性を示す参照データを、遅延部材１０の温度に対応させて参照データメモリ部１０２に予め複数格納している（例えば、後述するステップ１の前に既に格納している）。

後述するように、参照データとしては、基準反射波の時間的な強度変化特性や、基準反射波の各周波数領域における振幅特性および位相特性などが含まれる。そして、測定制御装置１００は、測定開始時に、予め格納している温度毎の参照データに基づいて、温度計７０によって計測される遅延部材１０の温度計測値に応じた補正参照データを決定する。測定制御装置１００は、一例として、決定される補正参照データを基準として、測定状態において取得される測定信号から測定対象物１の粘弾性特性を演算する。

このように、測定制御装置１００は、遅延部材１０の温度と対応付けて予め取得される複数の参照データから、測定時の遅延部材１０の温度に適した参照データを決定し、当該決定した参照データに基づいて粘弾性特性を演算する。これにより、遅延部材１０の温度変化による粘弾性特性の測定結果への影響を抑制できる。

測定制御装置１００は、時間データメモリ部１０１および前記参照データメモリ部１０２を有し、時間データメモリ部１０１は、トランスデューサ２０で受信する反射波の時間的な強度変化を格納する。参照データメモリ部１０２は、遅延部材１０の温度と対応付けて基準反射波の特性を示す複数の参照データを格納する。

そして、測定制御装置１００は測定プログラムにより動作し、ユーザなどから測定開始指令を受けると、温度計７０から遅延部材１０の温度計測値を取得して、参照データメモリ部１０２に格納される遅延部材温度毎の参照データに基づいて、当該温度計測値に応じた補正参照データを決定する。そして、測定制御装置１００は、送受信回路３０へ放射指令を与え、トランスデューサ２０から入射波を放射するとともに、トランスデューサ２０で受信する反射波データを時間データメモリ部１０１に一旦格納する。さらに、測定制御装置１００は、時間データメモリ部１０１および参照データメモリ部１０２に格納されるデータに基づき測定対象物１の粘弾性特性を演算する。なお、測定対象物１の粘弾性特性の演算過程において、測定制御装置１００は、参照データおよび測定データのいずれに対しても、たとえば高速フーリエ変換処理（Fast Fourier Transform；ＦＦＴ処理）のような周波数解析処理を行ない、各周波数領域における振幅特性および位相特性を取得し、当該取得した各周波数領域における振幅特性および位相特性に基づいて、粘弾性特性を演算する。

ここで、送受信回路３０は、図２に示すように、送信制御回路３１と、送信回路３２と、方向整合器３３と、受信回路３４と、信号処理回路３５とからなる。
送信制御回路３１は、測定制御装置１００から放射指令を受けると、入射波を生成するための生成信号を送信回路３２へ出力する。たとえば、送信制御回路３１は、パルス状の入射波を生成するためのパルス信号や、特定の周波数成分を含む入射波を生成するための正弦波信号などを出力する。また、送信制御回路３１は、生成信号の出力タイミングを通知するトリガ信号を受信回路３４に出力すると共に、入射波の電気信号を受信回路３４に出力する。

送信回路３２は、送信制御回路３１から受ける生成信号に応じた電気信号を方向整合器３３へ出力する。
方向整合器３３は、送信回路３２、トランスデューサ２０および受信回路３４とそれぞれ電気的に接続され、送信回路３２から出力された電気信号をトランスデューサ２０へ伝送し、かつ、トランスデューサ２０から受けた電気信号を受信回路３４へ出力する。

受信回路３４は、方向整合器３３から電気信号を受けると共に送信制御回路３１から入射波の電気信号を受けると、所定の増幅をした後に信号処理回路３５へ出力する。また、受信回路３４は、送信制御回路３１からトリガ信号を受信すると、トランスデューサ２０から出力される電気信号の受信を開始する。
信号処理回路３５は、受信回路３４から電気信号を受けると共に、アナログ・デジタル処理などを行ない、トランスデューサ３で受信される反射音波の時間的な強度に応じた反射波データと、入射波データとを、測定制御装置１００に出力する。

上記の装置を用いて、測定対象物１の粘弾性特性を測定する方法を以下説明する。
先ず、下面部材４０の上に所定の大きさに形成された測定対象物１を載置すると共に測定制御装置１００に測定開始の指令を入力すると、当該指令を測定制御装置１００が受け付け、測定プログラムにより測定制御装置１００が昇降装置６０を制御し、測定対象物１が下面部材４０と遅延部材１０とに所定の面圧で面接触するように昇降装置６０が下面部材４０を上昇させる（ステップ１）。

続いて、測定プログラムにより測定制御装置１００が電圧印加装置５０を制御し、電圧印加装置５０によって各電極１１，４１間に所定の電圧を印加する（ステップ２）。
続いて、測定プログラムにより測定制御装置１００が送受信回路３０を含むトランスデューサ２０、電圧印加装置５０および昇降装置６０を制御し、これにより第１の反射波や第２の反射波の測定を行う（ステップ３）。そして、測定制御装置１００は、入射波の特性、基準状態で測定された第１の反射波の特性、測定状態で測定された第１の反射波の特性、および第２の反射波の特性のうち少なくとも２つを用いて、粘弾性特性の導出を行う（ステップ４）。第１の反射波は、遅延部材１０に入射された入射波が測定対象物１の第１の面１ａの位置で反射する反射波であり、第２の反射波、遅延部材１０に入射された入射波が測定対象物１の第２の面１ｂの位置で反射する反射波である。

続いて、ステップ２で印加する電圧を変化させてステップ３〜４を行い（ステップ５）、ステップ５を複数回繰り返す（ステップ６）。続いて、導出された粘弾性特性を測定制御装置のハードディスク等の記憶部に格納すると共に、表示装置１１０に出力する（ステップ７）。表示装置１１０は測定制御手段１００から受け付けるデータを表示する。例えば、図３に示すように、横軸が印加電圧を示し縦軸が損失正接を示すグラフを表示する。

上記ステップ３及び４では、例えば特開２００８−１０７３０６号公報の段落００８０以降の説明に沿って反射波の測定が行われ、遅延部材１０の接触面１０ａに測定対象物１を接触させない基準状態で得られる基準反射波の反射波データと、遅延部材１０の接触面１０ａに測定対象物１を面接触させた測定状態で得られる第１の反射波の反射波データとを用い、粘弾性特性が導出される。

この時、例えば特開２００８−１０７３０６号公報の段落０１０２以降に説明されているように、上記粘弾性特性を導出する際、基準反射波の反射波データとして、参照データメモリ部１０２に格納されている各温度の参照データと測定状態時の温度計７０の温度計測値とに基づき決定される前述の補正参照データが用いられ、導出される粘弾性特性が温度補償される。このため、第１の反射波を測定する度に基準反射波を測定する必要が無い。なお、補正参照データを用いずに、第１の反射波を測定する度に基準反射波を測定することも可能である。

上記では、基準反射波の特性と第１の反射波の特性とを用いて測定対象物１の粘弾性特性を導出するものを示したが、測定対象物１の粘弾性特性の導出に第１の反射波の特性と第２の反射波の特性とを用いることも可能であり、入射波の特性と第１の反射波の特性とを用いることも可能であり、入射波の特性と第２の反射波の特性を用いることも可能であり、入射波の特性、基準反射波の特性、第１の反射波の特性、および第２の反射波の特性のうち３つ以上を用いることも可能である。

このように、本実施形態では、測定装置に備えられた各電極１１，４１および電圧印加装置５０で測定対象物１に電界を印加するので、装置が印加する電界の条件を基準にして粘弾性特性の測定を行うことができる。つまり、複数種類の測定対象物１の粘弾性特性を測定する場合でも、装置が印加する電界の条件を固定し、これを基準とすることができるので、複数種類の測定対象物の電界による粘弾性特性の変化を定量的に評価することができる。

また、第１および第２の電極１１，４１が測定装置に備えられ、第１および第２の電極１１，４１が測定対象物１の第１および第２の面１ａ，１ｂにそれぞれ面接触するので、測定対象物１に対する電界の条件、例えば測定対象物１と各電極１１，４１との距離等を安定させることができる。また、粘弾性特性を測定するために測定対象物１に遅延部材１０を確実に面接触させる必要があるが、測定対象物１の第２の面１ｂに第２の電極４１を面接触させることにより、測定対象物１の第１の面１ａに遅延部材１０を安定して面接触させることができ、しかも測定対象物１と各電極１１，４１との面接触も同時に行うことができる。

また、電圧印加手段５０を制御して測定対象物１に印加する電界の条件を変化させながら、粘弾性特性の導出を複数回行うように構成されているので、電界の条件に対する粘弾性特性の傾向を得ることができる。このため、電界により特性変化するエラストマーの開発やそのエラストマーを用いる機能部品の開発を効率良く行うことができ、また、新規開発材の未知の特性や傾向を容易且つ正確に知ることができる。

ここで、前記ステップ１の後、前記ステップ２を行う前に、測定対象物１の弾性率や硬度を求めることも可能である。例えば、先ず、測定プログラムにより動作する測定制御装置１００が電圧印加装置５０を制御し、電圧印加装置５０により各電極１１，４１間に所定の電圧が印加されるようにする（準備ステップ１）。続いて、測定プログラムにより動作する測定制御装置１００が昇降装置６０を制御し、下面部材４０と遅延部材１０との間に測定対象物１を挟む力を昇降装置６０によって段階的に変化させ、その際に昇降装置６０のロードセルから得られる荷重と、測定対象物１の水平方向の断面積とに基づき、測定対象物１の静的な弾性率を求める（準備ステップ２）。続いて、準備ステップ１で印加する電圧を変化させて、準備ステップ２を行い（準備ステップ３）、さらに準備ステップ３を複数回行う（準備ステップ４）。これにより、各電圧に応じた測定対象物１の弾性率が求められる。

続いて、電圧と測定対象物１の弾性率とを対応させて測定制御装置１００のハードディスク等の記憶部に格納する（準備ステップ５）。各電圧に応じた測定対象物１の硬度や弾性率を手動硬度計やその他の手段で測定し、その値を電圧に対応させて測定制御装置１００に格納することも可能である。
または、粘弾性特性の値に対し摩擦係数やすべり率がどの程度になるかを予め測定しておき、各粘弾性特性の値にそれぞれ対応するように摩擦係数やすべり率の値を測定制御装置１００に格納することも可能である。

この場合、前記ステップ１〜６で導出された粘弾性特性を、その導出の際の電圧に応じた測定対象物の弾性率、硬度、摩擦係数、又はすべり率と対応付けて、出力や記憶部への格納を行うことが可能である。例えば、図４に示すように、横軸が静的な弾性率を示し縦軸が損失正接を示すグラフや、横軸が損失正接を示し縦軸が摩擦係数やすべり率など摩擦特性を示すグラフを表示装置１１０に出力することが可能である。このようにすると、機能部品を設計する際の主な指標の一つである摩擦係数やすべり率など摩擦特性や、硬度や弾性率に関連付けて電界で物性が変化するエラストマーの粘弾性特性を把握することができ、機能部品の開発を効率良く行うことができる。また、新規開発材の未知の特性や傾向を容易且つ正確に知ることができる。

本発明の第２の実施形態に係る粘弾性特性測定装置について図５を参照しながら説明する。
この実施形態の装置は、図５に示すように、第１の実施形態の装置に対して第１および第２の電極の位置が異なり、その他の構成は同様である。以下では第１の実施形態と異なる点のみ説明する。

この実施形態では、遅延部材１０の下面に設けられていた第１の電極１１および下面部材４０の上面に設けられていた第２の電極４１が省かれ、代わりに、測定対象物１の対向する一対の側面にそれぞれ面接触する第１の電極部材７１および第２の電極部材７２が設けられている。各電極部材７１，７２は金属材料から成り、それぞれ電圧印加装置５０に接続されている。各電極部材７１，７２はそれぞれ電動シリンダーのロッドで支持されており、各電動シリンダーにより各電極部材７１，７２がそれぞれ遅延部材１０の側面に面接触させられる。各電極部材７１，７２を各側面との間に若干の隙間が生じるように配置することもできるが、面接触させた方が測定対象物１に対する電界の条件を安定させることができる。

この実施形態でも、第１の実施形態のステップ１〜７と同様に粘弾性特性の導出と、その格納や出力が行われる。なお、ステップ２では、各電極１１，４１の代わりに各電極部材７１，７２で電圧の印加が行われる。
この実施形態でも、測定装置に備えられた各電極部材７１，７２および電圧印加装置５０で測定対象物１に電界を印加するので、装置が印加する電界の条件を基準にして評価を行うことができる。

また、第１および第２の電極部材７１，７２が測定対象物１の互いに対向する側面にそれぞれ面接触するので、測定対象物１に対する電界の条件を安定させることができる。また、音波の入射面と異なる面から測定対象物１に電界を印加する際の粘弾性特性の変化を評価することができる。さらに言えば、音波の入射方向と直角な方向の電界が印加される際の粘弾性特性の変化を評価することができる。
本実施形態は、変更していない構成に係る第１の実施形態の上記効果も奏する。
また、第１および第２の電極部材７１，７２を第１実施形態に設け、第１および第２の電極部材７１，７２を用いた測定と、第１および第２の電極１１，４１を用いた測定を選択的又は同時に行うことも可能である。

本発明の第３の実施形態に係る粘弾性特性測定装置について図６を参照しながら説明する。
この実施形態の装置は、図６に示すように、第１の実施形態の装置に対して第１および第２の電極の代わりに正極および負極を設けた点で異なり、その他の構成は同様である。以下では第１の実施形態と異なる点のみ説明する。

この実施形態では、遅延部材１０の下面に設けられていた第１の電極１１および下面部材４０の上面に設けられていた第２の電極４１が省かれ、代わりに、測定対象物１の対向する一対の側面にそれぞれ近接するように正極８１および負極８２が設けられている。正極８１および負極８２はＵ字状に形成された金属製棒８０の両端であり、金属棒８０の長さ方向の中央部にはコイル８３が巻かれ、コイル８３には電源８４から電流が供給されるようになっている。電源８４は測定制御装置１００に接続されており、測定プログラムにより測定制御装置１００が電源８４を制御し、正極８１と負極８２との間に形成される磁界の条件を変えることができる。

この実施形態でも、第１の実施形態のステップ１〜７と同様に粘弾性特性の導出と、その格納や出力が行われる。なお、ステップ２では、各電極１１，４１の代わりに正極８１および負極８２で磁界の印加が行われる。
この実施形態でも、測定装置に備えられた正極８１、負極８２および電源８４で測定対象物１に磁界を印加するので、装置が印加する磁界の条件を基準にして評価を行うことができる。また、正極８１と負極８２の間に測定対象物１が配置されるので、測定対象物１
に印加する磁界の条件を安定させることができる。
本実施形態は、変更していない構成に係る第１の実施形態の上記効果も奏する。

なお、第１および第２の実施形態では、各電極４１，７１，７２は金属面により形成されている。これに対し、複数の導線を平面上に並設して各電極４１，７１，７２を形成することも可能であり、導線により平面状の網を形成して当該網により各電極４１，７１，７２を構成することも可能である。
また、電極１１を金属薄膜から形成し、遅延部材１０を電極１１の金属と音響インピーダンスが同じ又は近い材質から形成することも可能である。
電界を印加する一対の電極又は磁界を印加する正極および負極を、その他の態様とすることも可能であり、例えば面状ではなく点状の電極を設けることも可能である。

なお、上記第１〜第３の実施形態では、遅延部材１０の温度毎に基準反射波の特性を得て、得た特性に基づき補正参照データを決定し、測定状態の第１の反射波の特性と補正参照データの特性とに基づき粘弾性特性を導出し、温度補償をしている。これに対し、温度補償をせずに、測定状態の第１の反射波の特性と、元々測定してある基準反射波の特性に基づき、粘弾性特性を導出することも可能である。

なお、上記第１〜第３の実施形態において、測定対象物１の電気的特性を測定することも可能である。例えば、図７に示すように、第１の実施形態において各電極１１，４１にそれぞれインピーダンス測定装置８０の一対の測定端子８１，８２をそれぞれ接続し、インピーダンスの測定装置８０によって測定対象物１のインピーダンスを測定することが可能である。この場合、一対の測定端子８１，８２は測定対象物１の互いに対向する面にそれぞれ電気的に接続されることになる。また、測定装置８０は測定制御装置１００に接続されており、測定装置８０はブリッジ法、共振法、Ｉ−Ｖ法、ＲＦ Ｉ−Ｖ法、自動平衡ブリッジ法等の周知の方法で測定端子８１，８２が接触する物体のインピーダンスを測定するものである。

インピーダンスを測定する場合、例えば、前記ステップ３で反射波の測定を行う少し前から、測定プログラムにより測定制御装置１００が測定装置８０を制御し、測定装置８０により測定対象物１のインピーダンスを測定し始める（電気特性測定ステップ１）。

続いて、測定プログラムにより動作する測定制御装置１００が、測定装置８０から測定結果を受け付け、トランスデューサ２０からの入射波が測定対象物１内を通過している時としていない時のそれぞれのインピーダンスを得て、両者を比較することにより、入射波によるインピーダンスの変化を評価する（電気特性測定ステップ２）。続いて、前記ステップ５および６を行う度、前記電気特性測定ステップ１および２を繰り返す（電気特性測定ステップ３）。
なお、上記ではインピーダンスを測定し評価したが、測定装置８０を、反射波の測定状態でその電気的特性（電圧や電流）を測定する装置とし、インピーダンスの他の電気的特性を評価することも可能である。また、測定端子８１，８２を測定対象物１の互いに対向する一対の側面に接触させることも可能である。

このように構成すると、この装置によって、電界によって粘弾性など物性が変わり、摩擦などの機能や性能の可能性を拡大できる物質を評価するだけでなく、高周波振動時の物性変化を電気的特性の変化としても抽出することができ、センシング分野の材料の基礎研究にも有用である。また、粘弾性の評価と電気特性の評価とを関連付けることができるので、得られた電気特性による知見から材料改良の効率化につなげることができる。

１ 測定対象物
１ａ 第１の面
１ｂ 第２の面
１０ 遅延部材
１０ａ 接触面
１０ｂ 入射面
１１ 第１の電極
２０ トランスデューサ
３０ 送受信回路
４０ 下面部材
４１ 第２の電極
５０ 電圧印加装置
６０ 昇降装置
７０ 温度計
１００ 測定制御装置
１１０ 表示装置

Claims (8)

1. 測定対象物の互いに対向する第１の面と第２の面のうち第１の面に面接触する遅延部材と、
   前記遅延部材において前記第１の面に接触する接触面と対向する入射面に音波を入射する入射手段と、
   前記遅延部材が前記測定対象物に接触していない状態で前記遅延部材に入射された入射波が前記接触面の位置で反射する基準反射波と、前記遅延部材が前記測定対象物の第１の面に接触している状態で前記遅延部材に入射された入射波が前記第１の面の位置で反射する第１の反射波と、前記遅延部材に入射された入射波が前記第２の面の位置で反射する第２の反射波とを受信可能な受信手段と、
   前記入射波の特性、前記基準反射波の特性、前記第１の反射波の特性、および前記第２の反射波の特性のうち少なくとも２つを用いて、前記測定対象物の粘弾性特性を導出する測定制御手段と、
   前記測定対象物に電界又は磁界を印加する印加手段とを備えている粘弾性特性測定装置。
2. 前記印加手段が、前記遅延部材の前記接触面上に形成された第１の電極と、前記測定対象物の第２の面に面接触する第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電位差を設けることにより前記第１の電極と前記第２の電極との間に電界を形成する電圧印加手段とを有する請求項１に記載の粘弾性特性測定装置。
3. 前記印加手段が、前記測定対象物の第１および第２の面と異なる第１の側面に面接触する第１の電極と、前記測定対象物において前記第１の側面と対向する第２の側面に面接触する第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電位差を設けることにより前記第１の電極と前記第２の電極との間に電界を形成する電圧印加手段とを有する請求項１に記載の粘弾性特性測定装置。
4. 前記印加手段が、前記測定対象物が間に配置されるように配置された正極および負極により、前記測定対象物内に磁界を形成する磁界形成手段を有する請求項１に記載の粘弾性特性測定装置。
5. 前記測定制御手段が、前記印加手段を制御して前記測定対象物に印加する電界又は磁界の条件を変化させながら、前記粘弾性特性の導出を複数回行うように構成されている請求項１〜４の何れか一項に記載の粘弾性特性測定装置。
6. 前記印加手段により印加する電界又は磁界の条件と前記測定対象物の摩擦係数やすべり率等の摩擦特性、硬度又は弾性率とを対応付けて格納している記憶手段をさらに備え、
   前記測定制御手段が、前記導出された粘弾性特性を、その導出の際の前記電界又は磁界の条件に応じた前記測定対象物の摩擦係数やすべり率等の摩擦特性、硬度又は弾性率と対応付けて、出力および／又は記憶手段への格納を行うように構成されている請求項１〜５の何れか一項に記載の粘弾性特性測定装置。
7. 前記測定対象物の互いに対向する面にそれぞれ電気的に接続される一対の測定端子を有し、前記測定対象物の電気的特性を測定する電気的特性測定手段をさらに備えている請求項１〜６の何れか一項に記載の粘弾性特性測定装置。
8. 測定対象物の互いに対向する第１の面と第２の面のうち第１の面に遅延部材を面接触させるステップと、
   電界又は磁界の印加装置により前記測定対象物に電界又は磁界を印加するステップと、
   前記遅延部材において前記第１の面に接触する接触面と対向する入射面に音波を入射するステップと、
   前記遅延部材に入射された入射波が前記第１の面の位置で反射する第１の反射波と、前記遅延部材に入射された入射波が前記第２の面の位置で反射する第２の反射波とを得るステップと、
   前記遅延部材が前記測定対象物に接触していない状態で前記遅延部材に入射された入射波が前記接触面の位置で反射する基準反射波を得るステップと、
   前記入射波の特性、前記基準反射波の特性、前記第１の反射波の特性、および前記第２の反射波の特性のうち少なくとも２つを用いて、前記測定対象物の粘弾性特性を導出するステップとを有する粘弾性特性測定方法。

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