JPH11218484A - 粘弾性測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 粘弾性体の粘弾性特性を常に高精度かつ高安
定度で測定できる粘弾性測定方法を提供する。 【解決手段】 変位信号および荷重信号を所定のサンプ
リング周期で同時にサンプリングしてそれぞれデジタル
信号に変換するアナログ／デジタル変換工程と、変位信
号のデジタル信号に基づいて、該変位信号のゼロ・クロ
ス点を検出すると共に、荷重信号のデジタル信号に基づ
いて、該荷重信号のゼロ・クロス点を検出するゼロ・ク
ロス点検出工程と、このゼロ・クロス点検出工程で検出
した変位信号のゼロ・クロス点と、荷重信号のゼロ・ク
ロス点との差を演算して、該ゼロ・クロス点の差、サン
プリング周期および振動周波数に基づいて、変位信号お
よび荷重信号の位相差角を演算する演算工程とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、粘弾性体、例え
ば加硫ゴム、の粘弾性特性を引っ張り振動あるいは曲げ
振動方式の非共振強制振動法によって測定する方法およ
び装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、自動車タイヤにおいては、近
年、タイヤの摩耗、疲労・破壊等の耐久性に加えて、操
縦性、安定性、振動乗心地性、低燃費性等の多種多様の
性能が要求されている。このような性能を所期した通り
に実現するためには、ゴム材料の粘弾性特性を高い精度
で測定することが必要となる。

【０００３】そこで、従来は、スペクトロメータ等の粘
弾性測定装置を用い、そのチャック手段に、例えば加硫
ゴムからなる短冊状の弾性体試験片、一般的には幅４m
m、厚さ２mm、長さ４０mmの試験片の両端部分を把持し
て、その一端に例えば引っ張りによる正弦波状の変形を
与え、そのときに試験片に生じるひずみを例えば変位セ
ンサの出力に基づいて検出すると共に、応力を例えばロ
ードセルの出力に基づいて検出し、それらの検出信号波
形を処理して動的貯蔵弾性率（Ｅ′）、動的損失弾性率
（Ｅ″）および損失係数（ tanδ）を求めるようにして
いる。

【０００４】ここで、Ｅ′は、ひずみ（正弦波）を基準
に考えたとき、応力（正弦波）の、ひずみと同位相の成
分とひずみとから計算される弾性率であり、Ｅ″は、同
じく応力のひずみより９０°位相が進んだ成分とひずみ
とから計算される弾性率であり、tan δは、粘弾性体の
弾性体としての性質、粘性体としての性質の度合いを表
すもので、これらＥ′，Ｅ″および tanδ間には、 tanδ＝Ｅ″／Ｅ′ ・・・（１） の関係があり、δはひずみと応力の位相差角を表してい
る（ＪＩＳ Ｋ７１９８参照）。

【０００５】さらに、Ｅ′，Ｅ″は、それぞれ複素弾性
率（Ｅ^* ）の実数成分，虚数成分であり、これらの各パ
ラメータの間には、以下のような関係がある。 Ｅ′＝｜Ｅ^* ｜ cosδ ・・・（２） Ｅ″＝｜Ｅ^* ｜ sinδ ・・・（３） ｜Ｅ^* ｜² ＝Ｅ′² ＋Ｅ″² ・・・（４）

【０００６】上述したパラメータのうち、特に tanδ
は、物質の粘弾性的性質を端的に示す数値であって、そ
の測定精度は、測定装置本体の機構上の優劣に左右され
る他、測定方式によって大きく影響される。この tanδ
の測定方法としては、従来、（１）ひずみ信号波形およ
び応力信号波形から直接 tanδを測定する方法、（２）
Ｅ′，Ｅ″を測定して tanδを求める方法、（３）応力
波形とひずみ波形との位相差角δを直接計測する方法が
提案されている。

【０００７】上記（１）の方法は、図５に示すように、
例えばロードセルの出力に基づいて検出される応力信号
σ(t) と、例えば変位センサの出力に基づいて検出され
るひずみ信号ε(t) とを乗算器１に供給してアナログ乗
算し、この乗算器１の出力をローパスフィルタ２に供給
して交流成分を除去する、いわゆるロックインアンプに
より cosδに比例した信号を得、このローパスフィルタ
２の出力に基づいてtanδを求めるものである。

【０００８】すなわち、図６（ａ）に示すようなσ(t)
と図６（ｂ）に示すようなε(t) とを乗算器１で乗算す
ると、 σ(t) ・ε(t) ＝σ₀sinωt ・ε₀cos（ωt −δ） ＝σ₀ ・ε₀cosδ/2−｛σ₀ ・ε₀cos(2ωt −δ)/2 ｝ ・・・（５） ここで、σ₀ ；動的最大応力 ω＝２πｆ（ただし、ｆは振動周波数） ε₀ ；動的最大ひずみ となり、図６（ｃ）に示すような２倍の振動周波数で、
cosδに比例したオフセットのある波形が得られる。こ
こで、（５）式の第１項は直流成分であり、第２項は純
粋な交流成分であるので、ローパスフィルタ２のカット
オフ周波数を２ｆとして、第２項の交流成分を除去し
て、 cosδに比例した信号を得、それに基づいて tanδ
を求めるものである。

【０００９】上記（２）の方法は、Ｅ′，Ｅ″の定義通
りの計測方法で、従来の各種の粘弾性測定装置に最も一
般的に採用されているものである。この方法では、図７
に示すように、応力信号σ(t) を位相検波器５および６
にそれぞれ供給し、ひずみ信号ε(t) は位相検波器５に
供給すると共に、９０°移相器７を経て位相検波器６に
供給する。このようにして、位相検波器５において、ひ
ずみ信号ε(t) を基準に応力信号σ(t) を位相検波し
て、ひずみと同位相の応力波形成分（Ｅ′に比例した出
力）を得、位相検波器６において、ひずみ信号ε(t) を
９０°移相させた正弦波信号ε₉₀(t) を基準に応力信号
σ(t) を位相検波して、ひずみと９０°位相がずれた応
力波形成分（Ｅ″に比例した出力）を得て、これら位相
検波器５，６の出力信号の比から tanδを求めるもので
ある。

【００１０】上記（３）の方法は、応力信号σ(t) とひ
ずみ信号ε(t) とのそれぞれの動的成分を抽出し、両信
号の波形が同位相になる点（最大値、最小値またはゼロ
点）の時間差に基づいて、位相差角δを直接測定して t
anδを求めるものである。このため、かかる測定方法を
採用する装置では、図８（ａ）に示すような応力信号σ
(t) 、および図８（ｂ）に示すようなひずみ信号ε(t)
を、例えばゲインの大きい増幅器でそれぞれ増幅するこ
とにより、図８（ｃ）および図８（ｄ）に示すような矩
形波に変換し、これら信号を例えば排他的論理和回路に
供給して図８（ｅ）に示すような信号を得たのち、この
信号を積分器で積分してδに比例した出力を得るもので
ある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、粘弾性の測
定では、一般に、動的な変位（ひずみ）の振幅が、２０
μｍ程度から数百μｍと極めて微小であり、また、ロー
ドセルによって測定する荷重（応力）は、数ｇｆの微小
な力から、温度スペクトルにおけるＴｇ点（ゴムの低温
におけるガラス転移点）付近の数千ｇｆまでと、非常に
広範囲である。このような厳しい条件下で、新しい材料
の開発が進むにつれ、より高い精度の測定、例えば tan
δで０．００１の精度、あるいはそれ以上の高精度の測
定が要求されている。

【００１２】しかしながら、上述した従来の測定方法に
あっては、いずれも、応力信号およびひずみ信号を、そ
れぞれの測定方法に応じた機能を有する電子回路（ハー
ドウエア）により信号処理して tanδを測定するように
しているため、以下の理由から、精度を十分向上できな
いという問題がある。すなわち、ひずみおよび応力を広
いダイナミックレンジに亘って高精度かつ高安定度で測
定するには、直線性のみならず、回路のドリフト等によ
る限界があり、特に tanδについては、ひずみと応力と
の位相差を測定するものでありながら、電子回路自体に
よる位相遅れが生じてしまう。このため、特に上記
（２）の測定方法のように、Ｅ′，Ｅ″から間接的に t
anδを計測する場合には、Ｅ″の値がＥ′の値よりも２
桁以上小さくなる損失の少ない材料の場合には、Ｅ″の
測定限界によって tanδの測定精度の限界が決まってし
まうという問題がある。

【００１３】また、一般に、ハードウエアによって測定
精度を若干なりとも向上させるためには、相当高価な測
定回路が必要となり、大幅なコストアップを招くという
問題がある。なお、上述した種々の問題は、引っ張り振
動方式に限らず、曲げ振動方式によって粘弾性特性を測
定する場合にも、同様に生じるものである。

【００１４】この発明は、上述した従来の問題点に着目
してなされたもので、その第１の目的は、粘弾性体の粘
弾性特性を常に高精度かつ高安定度で測定できる粘弾性
測定方法を提供しようとするものである。

【００１５】さらに、この発明の第２の目的は、上記の
測定方法を簡単かつ安価な構成で実施できるようにした
粘弾性測定装置を提供しようとするものである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るため、この発明に係る粘弾性測定方法では、弾性体試
験片を一定の振動周波数で非共振強制振動させながら、
その振動による変位量および前記弾性体試験片に作用す
る荷重をそれぞれ変位センサおよびロードセルで検出
し、これら変位センサからの変位信号およびロードセル
からの荷重信号に基づいて前記弾性体試験片の粘弾性特
性を測定するにあたり、前記変位信号および前記荷重信
号を所定のサンプリング周期で同時にサンプリングして
それぞれデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変
換工程と、前記変位信号のデジタル信号に基づいて、該
変位信号のゼロ・クロス点を検出すると共に、前記荷重
信号のデジタル信号に基づいて、該荷重信号のゼロ・ク
ロス点を検出するゼロ・クロス点検出工程と、このゼロ
・クロス点検出工程で検出した前記変位信号のゼロ・ク
ロス点と、前記荷重信号のゼロ・クロス点との差を演算
して、該ゼロ・クロス点の差、前記サンプリング周期お
よび前記振動周波数に基づいて、前記変位信号および前
記荷重信号の位相差角を演算する演算工程とを含むこと
を特徴とするものである。

【００１７】この発明の一実施形態においては、前記ゼ
ロ・クロス点検出工程は、前記変位信号のデジタル信号
および前記荷重信号のデジタル信号の各々について、ノ
イズ成分を除去する平滑化処理と、この平滑化処理され
たデジタル信号の最大値および最小値を求めて、それら
の平均値をゼロ点として検出するゼロ点検出処理と、そ
の検出されたゼロ点に関して符号が変化する前後数点の
デジタル信号をそれぞれ抽出して、前記デジタル信号を
補間する補間処理とを行い、この補間処理されたデジタ
ル信号から対応するゼロ・クロス点を検出するようにす
る。

【００１８】このようにすれば、各ゼロ・クロス点をよ
り正確に検出することができ、したがって位相差角をよ
り精度良く求めることが可能となる。

【００１９】さらに、上記第２の目的を達成するため、
この発明は、弾性体試験片を加振器により一定の振動周
波数で非共振強制振動させながら、その振動による変位
量および前記弾性体試験片に作用する荷重をそれぞれ変
位センサおよびロードセルで検出し、これら変位センサ
からの変位信号およびロードセルからの荷重信号に基づ
いて前記弾性体試験片の粘弾性特性を測定する粘弾性測
定装置において、前記変位信号をサンプリングしてデジ
タル信号に変換する第１のアナログ／デジタル変換手段
と、前記荷重信号をサンプリングしてデジタル信号に変
換する第２のアナログ／デジタル変換手段と、前記加振
器、前記第１のアナログ／デジタル変換手段および前記
第２のアナログ／デジタル変換手段の動作をそれぞれ制
御すると共に、前記前記第１のアナログ／デジタル変換
手段および前記第２のアナログ／デジタル変換手段から
のそれぞれのデジタル信号に基づいて前記変位信号およ
び前記荷重信号の位相差角を演算する演算制御手段とを
有し、この演算制御手段により、前記変位信号および前
記荷重信号を所定のサンプリング周期で同時にサンプリ
ングしてそれぞれデジタル信号に変換するように、前記
第１のアナログ／デジタル変換手段および前記第２のア
ナログ／デジタル変換手段の動作を制御して、第１のア
ナログ／デジタル変換手段からのデジタル信号に基づい
て、前記変位信号のゼロ・クロス点を検出すると共に、
前記第２のアナログ／デジタル変換手段からのデジタル
信号に基づいて、前記荷重信号のゼロ・クロス点を検出
し、これら検出した前記変位信号のゼロ・クロス点と前
記荷重信号のゼロ・クロス点との差、前記サンプリング
周期および前記振動周波数に基づいて、前記位相差角を
演算するよう構成したことを特徴とするものである。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて、図面を参照して説明する。図１は、この発明に係
る粘弾性測定方法を実施する粘弾性測定装置の一実施形
態の要部の構成を示すものである。この粘弾性測定装置
は、弾性体試験片１１の両端部をそれぞれ着脱自在にチ
ャッキングする上チャック１２および下チャック１３を
有する。上チャック１２は、垂直方向に移動可能な円筒
状のスライドネジ１４の内部に延在して設けたロッド１
５を介して、スライドネジ１４の上部に設けたロードセ
ル１６に連結する。スライドネジ１４にはギア１７を螺
合し、このギア１７にパルスモータ１８の出力軸に取り
付けたギア１９を噛合して、パルスモータ１８の駆動に
よりギア１９を介してギア１７を正逆方向に回転させる
ことにより、スライドネジ１４と一体に上チャック１
２、ロッド１５およびロードセル１６を上下方向に移動
させるようにする。また、スライドネジ１４の移動通路
近傍には、上チャック１２を弾性体試験片１１のチャッ
キング位置に位置決めするために、スライドネジ１４の
下限位置を検出する下限センサ２０を設ける。

【００２１】一方、下チャック１３は、加振器２１の加
振ロッド２２に連結する。加振器２１は、この実施形態
では、加振ロッド２２を所定の中立位置（変位ゼロ点位
置）に保持するための保持コイル２３と、その変位ゼロ
点位置を中心に上下方向に振動させる加振コイル２４と
を有し、その加振ロッド２２の変位を変位センサプロー
ブ２５で検出するようにする。変位センサプローブ２５
は、この実施形態では光源２６、光ファイバ２７、受光
素子（図示せず）およびプリアンプ２８を有する光ファ
イバセンサを用い、光源２６からの光を光ファイバ２７
を経て加振ロッド２２の下端面に投射し、その反射光を
光ファイバ２７を経て受光素子で受光して、その出力を
プリアンプ２８に供給するようにする。なお、加振ロッ
ド２２の下端面には、好適には反射処理を施しておく。

【００２２】ロードセル１６の出力（荷重信号）は、ロ
ードセルアンプ３１で増幅した後、Ａ／Ｄ変換器３２
で、例えば１２ビット以上のデジタル信号に変換して演
算制御回路３３に供給する。パルスモータ１８は、パル
スモータドライバ３５により正逆方向に選択的に駆動す
る。このため、パルスモータドライバ３５には、パルス
発振器３６からの正回転用パルス（ＣＷ）および逆回転
用パルス（ＣＣＷ）を、それぞれスイッチ回路３７およ
び３８を介して選択的に供給するようにする。スイッチ
回路３７は、演算制御回路３３からの荷重ゼロ点設定値
（Fmin、例えば１６０ｇｆ）と、ロードセルアンプ３１
からの荷重信号とを入力とする差動アンプ３９の出力に
基づいて制御し、スイッチ回路３８は下限センサ２０の
出力に基づいて制御するようにする。なお、この実施形
態では、差動アンプ３９の出力に基づいて、レンジ切替
え回路４０を介してロードセルアンプ３１のレンジを切
り換えるようにする。

【００２３】また、変位センサプローブ２５のプリアン
プ２８の出力（変位信号）は、変位センサアンプ４１
で、例えば図２（ａ）に示すように増幅し、その出力を
リニアライザ４２で、例えば図２（ｂ）に示すように、
変位量と出力とが比例するように変換した後、Ａ／Ｄ変
換器４３で、例えば１２ビット以上のデジタル信号に変
換して演算制御回路３３に供給する。なお、Ａ／Ｄ変換
器３２による荷重信号のサンプリングおよびＡ／Ｄ変換
器４３による変位信号のサンプリングは、加振器２１の
加振コイル２４を駆動する後述する正弦波発振器からの
同期信号に同期して、所定のサンプリング区間におい
て、演算制御回路３３からのΔδ／２πｆ（ただし、Δ
δは測定すべきδの精度、ｆは正弦波発振器の出力周波
数）以下の一定周期のサンプリングパルスにより同時に
行う。

【００２４】次に、加振器２１の駆動系について説明す
る。保持コイル２３には、演算制御回路３３からの変位
ゼロ点設定値（例えば、４００μｍ）に基づいて直流電
力増幅器５１から直流電流を供給して、加振ロッド２２
を所定の変位ゼロ点位置に保持するようにする。このた
め、演算制御回路３３からの所定の変位ゼロ点設定値お
よびリニアライザ４２からの変位信号は、差動アンプ５
２に供給し、この差動アンプ５２の出力を直流電力増幅
器５１に供給して、加振ロッド２２を所定の変位ゼロ点
位置に保持するようにフィードバック制御する。

【００２５】また、加振コイル２４には、直流電力増幅
器５５から振幅が正弦波状に変化する直流電流を供給し
て、加振ロッド２２を変位ゼロ点位置を中心に所定の周
波数および振幅で往復振動させるようにする。このた
め、直流電力増幅器５５には、正弦波発振器５６から振
幅が正弦波状に変化する直流信号（正弦波信号）をスイ
ッチ回路５７を経て供給するようにし、この正弦波発振
器５６の出力の周波数および振幅を、演算制御回路３３
からの周波数設定値（例えば、１〜１００Ｈｚ）および
変位振幅設定値（例えば、２０〜４００μｍ）に基づい
てそれぞれ制御するようにする。なお、正弦波発振器５
６からの正弦波信号の振幅は、差動アンプ５８にリニア
ライザ４２からの変位信号をフィードバックして演算制
御回路３３からの変位ゼロ点設定値の振幅との差を検出
し、その検出した振幅を振幅／電圧変換器５９で電圧信
号に変換して、差動アンプ６０により演算制御回路３３
からの変位振幅設定値との差を検出し、その差がゼロと
なるように、すなわち実際の振幅が変位振幅設定値に対
応する振幅となるように制御する。また、この正弦波発
振器５６からは、Ａ／Ｄ変換器３２および４３のサンプ
リングパルスを生成するため、演算制御回路３３に同期
信号を供給する。

【００２６】上記の正弦波発振器５６は、サイクルカウ
ンタ６１の制御のもとに、その起動および停止を制御す
るようにする。このサイクルカウンタ６１は、差動アン
プ５８の出力に基づいて加振コイル２４の振動の測定サ
イクル（周期）を計数するもので、ここには演算制御回
路３３から測定サイクル設定値（例えば、１〜１０サイ
クル）を供給し、正弦波発振器５６の起動開始後、測定
サイクルの計数値が設定値に達した時点で、正弦波発振
器５６の駆動を停止させるようにする。

【００２７】また、ロードセル１６の出力が演算制御回
路３３からの荷重ゼロ点設定値となるように上チャック
１２を位置決めするため、差動アンプ６５により演算制
御回路３３からの変位ゼロ点設定値と、リニアライザ４
２からの変位信号との差を検出し、その差信号と演算制
御回路３３からの変位振幅設定値との差を差動アンプ６
６で検出して、この差動アンプ６６の出力をスイッチ回
路５７を経て直流電力増幅器５５に供給し、これにより
加振コイル２４を駆動して、加振ロッド２２を変位ゼロ
点位置から変位振幅設定値に対応する上死点位置に位置
決めするようにする。

【００２８】以上の構成により、弾性体試験片１１の両
端部を上チャック１２および下チャック１３にチャッキ
ングし、上チャック１２を荷重ゼロ点設定値に対応する
位置に位置決めすると共に、加振ロッド２２を変位ゼロ
点設定値に対応する位置に位置決めし、その状態で加振
ロッド２２を変位ゼロ点位置を中心に、変位振幅設定値
に対応する振幅で垂直方向に振動させながら、ロードセ
ルアンプ３１から出力される荷重信号およびリニアライ
ザ４２から出力される変位信号を、それぞれＡ／Ｄ変換
器３２および４３で正弦波発振器５６からの同期信号に
同期して、所定のサンプリング区間において一定のサン
プリング周期で同時にサンプリングしてデジタル信号に
変換し、これらＡ／Ｄ変換器３２，４３の出力に基づい
て演算制御回路３３で位相差角δを時間軸上で直接測定
して、その測定結果をディスプレイやプリンタ等の出力
装置７１に出力する。

【００２９】以下、この実施形態の動作を説明する。測
定開始前においては、スイッチ回路３７はオフ状態、ス
イッチ回路３８はオン状態にあり、スイッチ回路５７は
差動アンプ６６側に接続されているものとする。先ず、
パルス発振器３６からのＣＣＷパルスによりパルスモー
タドライバ３５を介してパルスモータ１８を逆回転さ
せ、スライドネジ１４を下降させる。その後、下限セン
サ２０がスライドネジ１４を検出した時点でスイッチ回
路３８をオフとして、上チャック１２をチャッキング位
置に位置決めする。この状態で、サンプルの弾性体試験
片１１の両端部を上チャック１２および下チャック１３
にチャッキングする。

【００３０】その後、差動アンプ６５および６６の出力
に基づいて、加振ロッド２２を変位ゼロ点位置から変位
振幅設定値に対応する上死点位置に位置決めし、その状
態でスイッチ回路３７をオンとして、パルス発振器３６
からのＣＷパルスによりパルスモータドライバ３５を介
してパルスモータ１８を正回転させ、スライドネジ１４
を、差動アンプ３９において荷重ゼロ点設定値とロード
セルアンプ３１からの荷重信号とが等しくなるまで上昇
させて、スイッチ回路３７をオフとする。これにより、
弾性体試験片１１に、荷重ゼロ点設定値の一定の静的荷
重（張力）または静的伸びを与えて、弾性体試験片１１
に動的伸び変形を加えたときにバックリング（弛み）が
生じないようにする。なお、ロードセルアンプ３１のレ
ンジは、レンジ切替え回路４０により、上記の荷重ゼロ
点位置決め動作時には狭く、その後の測定時では広くな
るように切り換えるようにする。

【００３１】以上により、ロードセル１６の荷重ゼロ点
位置への位置決めが終了したら、スイッチ回路５７を正
弦波発振器５６側に接続し、その状態で演算制御回路３
３の制御のもとにサイクルカウンタ６１により正弦波発
振器５６を起動して直流電力増幅器５５から加振コイル
２４に設定周波数および設定振幅の正弦波の直流電流を
供給して加振ロッド２２を振動ながら、Ａ／Ｄ変換器３
２，４３の出力を演算制御回路３３に取込んで位相差角
δの測定を行う。なお、この測定期間中は、差動アンプ
５２により変位ゼロ点設定値とリニアライザ４２からの
変位信号との差を検出し、その差がゼロとなるように直
流電力増幅器５１を介して加振器２１の保持コイル２３
に直流電流を供給して、加振ロッド２２を設定された変
位ゼロ点位置に保持するように制御すると共に、差動ア
ンプ５８、振幅／電圧変換器５９および差動アンプ６０
により、弾性体試験片１１が設定された振幅で振動する
ように、正弦波発振器５６の出力振幅を制御する。その
後、サイクルカウンタ６１が、設定された測定サイクル
数を計数したら、正弦波発振器５６の駆動を停止させ
て、当該弾性体試験片１１の測定を終了して、次の弾性
体試験片の測定に備える。

【００３２】なお、図１では、パルス発振器３６、スイ
ッチ回路３７，３８，５７、差動アンプ３９，５２，５
８，６０，６５，６６、リニアライザ４２、振幅／電圧
変換器５９、およびサイクルカウンタ６１を、便宜上、
演算制御回路３３から分離して示したが、それらの機能
は演算制御回路３３内においてソフトウェアで実現す
る。

【００３３】次に、Ａ／Ｄ変換器３２，４３の出力に基
づく演算制御回路３３での位相差角δの測定処理につい
て、図３に示すフローチャートを参照しながら説明す
る。先ず、ステップＳ１において、Ａ／Ｄ変換器３２，
４３により、所定のサンプリング区間において一定のサ
ンプリング周期で同時にサンプリングされてデジタル信
号に変換された荷重信号および変位信号を読み込む。こ
こで、ロードセルアンプ３１からは、図４（ａ）に示す
ような荷重信号（Ｆ）が出力され、リニアライザ４２か
らは、図４（ｂ）に示すような変位信号（Ｌ）が出力さ
れるので、この実施形態では、正弦波発振器５６からの
同期信号に基づいて、各信号の１サイクルのなかに、平
均値を含む区間ｔ(F₀)₊ , ｔ(F₀)_- , ｔ(L₀)₊ , ｔ(L₀)
_- 、最大値Ｆmax,Ｌmax を含む区間、および最小値Ｆmi
n,Ｌmin を含む区間のサンプリング区間Ｔをそれぞれ設
定し、その各サンプリング区間Ｔにおいて、荷重信号
（Ｆ）および変位信号（Ｌ）を一定のサンプリング周期
で同時にサンプリングしてＡ／Ｄ変換する。

【００３４】その後、ステップＳ２において、各信号を
１周期分以上読み込んだのを確認したら、ステップＳ３
において、読み込んだ荷重信号および変位信号にそれぞ
れフィルタ処理を施して平滑化し、ノイズ成分を除去す
る。このフィルタ処理は、例えば、各サンプリング区間
Ｔにおいて、２〜４次の多項式適合法（Savitzky Golay
法）によるコンボリューション演算により、平滑化と各
点の数値検出とを同時に行う。

【００３５】その後、ステップＳ４において、各信号波
形の最大値、最小値および平均値を求める。ここで、最
大値（Ｆmax,Ｌmax ）および最小値（Ｆmin,Ｌmin ）
は、各信号波形を一次微分し、それを平滑化した信号か
らゼロ・クロス点を検出して求める。また、平均値（Ｆ
₀,Ｌ₀ ）は、検出した最大値および最小値から、 Ｆ₀ ＝（Ｆmax ＋Ｆmin ）／２ Ｌ₀ ＝（Ｌmax ＋Ｌmin ）／２ をそれぞれ演算して求める。これらの平均値は、それぞ
れ各信号波形のゼロ点とする。

【００３６】次に、ステップＳ５において、位相差角δ
を時間軸上で、時間軸に対する変化率が最も大きいゼロ
点で精度良く検出するために、サンプリング開始点を起
点に各信号のサンプリング値を順にスキャンして、上記
のゼロ点に関して符号が変わる点をそれぞれ検出する。

【００３７】その後、ステップＳ６において、ゼロ・ク
ロス点を厳密に求めるために、各信号波形について検出
したゼロ点の前後数点づつのサンプリング値を抽出し、
それらの測定点を一次回帰分析してサンプリング周期の
間を補間して、ゼロ・クロス点を正確に求める。

【００３８】次に、ステップＳ７において、ステップＳ
６で求めた各信号波形のゼロ・クロス点の差を求めた
後、その差とサンプリング周期とに基づいて位相差角δ
に相当する時間（Δｔ）を演算する。

【００３９】その後、ステップＳ８において、ステップ
Ｓ７で求めたΔｔと、正弦波発振器５６の周波数設定値
ｆとに基づいて、 δ＝２πｆ・Δｔ により位相差角δを演算して、出力装置７１に出力す
る。

【００４０】なお、この発明は、上述した実施形態にの
み限定されるものではなく、幾多の変更または変形が可
能である。例えば、上述した実施形態では、図３のステ
ップＳ４で各信号波形の最大値および最小値を求めるの
で、それらの値と、弾性体試験片１１の幅（ｗ）、厚さ
（ｄ）および荷重ゼロ点における上下チャック１２，１
３間の距離（ｌ₀ ）とに基づいて、 σ₀ ＝｛（Ｆmax ＋Ｆmin ）／２｝／（ｗ×ｄ） ε₀ ＝｛（Ｌmax ＋Ｌmin ）／２｝／ｌ₀ により動的最大応力σ₀ および動的最大ひずみε₀ を演
算し、これらσ₀ およびε₀ に基づいて、 ｜Ｅ^* ｜＝σ₀ ／ε₀ により複素弾性率の絶対値を求め、その複素弾性率に基
づいて、上記（１），（２）および（３）式から、 tan
δ，Ｅ′およびＥ″を求めることもできる。

【００４１】

【発明の効果】以上のように、請求項１に係る粘弾性測
定方法によれば、変位信号および荷重信号を所定のサン
プリング周期で同時にサンプリングしてそれぞれデジタ
ル信号に変換し、それらのデジタル信号に基づいてそれ
ぞれのゼロ・クロス点を検出して、両ゼロ・クロス点の
差、サンプリング周期および振動周波数に基づいて位相
差角を演算するようにしたので、変位信号および荷重信
号をそれぞれデジタル信号に変換した後の処理をコンピ
ュータのソフトウェアによって実行して位相差角を時間
軸上で直接演算することができる。したがって、粘弾性
体の粘弾性特性を常に高精度かつ高安定度で測定するこ
とができる。

【００４２】また、請求項２に係る粘弾性測定方法によ
れば、ゼロ・クロス点を検出するにあたって、変位信号
および荷重信号のそれぞれのデジタル信号を平滑化して
ノイズ成分を除去し、その平滑化されたそれぞれのデジ
タル信号の最大値および最小値に基づいてそれらの平均
値をゼロ点としてそれぞれ検出し、さらに、それらのゼ
ロ点に関して符号が変化する前後数点のデジタル信号を
それぞれ抽出して補間処理を行って、それぞれ対応する
ゼロ・クロス点を検出するようにしたので、各ゼロ・ク
ロス点をより正確に検出することができ、位相差角をよ
り精度良く求めることができる。

【００４３】さらに、請求項３に係る粘弾性測定装置に
よれば、変位信号および荷重信号をそれぞれデジタル信
号に変換する第１および第２のアナログ／デジタル変換
手段と、これら第１および第２のアナログ／デジタル変
換手段からのデジタル信号を処理する演算制御手段とを
有し、この演算制御手段により、第１および第２のアナ
ログ／デジタル変換手段を制御して変位信号および荷重
信号を所定のサンプリング周期で同時にサンプリングし
てそれぞれデジタル信号に変換し、それらのデジタル信
号に基づいてそれぞれのゼロ・クロス点を検出して、両
ゼロ・クロス点の差、サンプリング周期および振動周波
数に基づいて位相差角を演算するようにしたので、変位
信号および荷重信号をそれぞれデジタル信号に変換した
後の処理をコンピュータのソフトウェアによって実行し
て位相差角を時間軸上で直接演算することができる。し
たがって、簡単かつ安価な構成で、回路のドリフトや回
路自体の位相遅れ等の問題を生じることなく、粘弾性体
の粘弾性特性を常に高精度かつ高安定度で測定すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る粘弾性測定方法を実施する粘弾
性測定装置の一実施形態の要部の構成を示すものであ
る。

【図２】図１に示す変位センサアンプおよびリニアライ
ザの動作を説明するための図である。

【図３】図１に示す演算制御回路での位相差角δの測定
処理を示すフローチャートである。

【図４】図１に示すロードセルアンプおよびリニアライ
ザからそれぞれ出力される荷重信号および変位信号を示
す波形図である。

【図５】従来の粘弾性測定装置の一例を示すブロック図
である。

【図６】その動作を説明するための信号波形図である。

【図７】従来の粘弾性測定装置の他の例を示すブロック
図である。

【図８】従来の粘弾性測定装置のさらに他の例を説明す
るための信号波形図である。

【符号の説明】

１１ 弾性体試験片 １２ 上チャック １３ 下チャック １６ ロードセル １８ パルスモータ ２０ 下限センサ ２１ 加振器 ２２ 加振ロッド ２３ 保持コイル ２４ 加振コイル ２５ 変位センサプローブ ３１ ロードセルアンプ ３２，４３ Ａ／Ｄ変換器 ３３ 演算制御回路 ３５ パルスモータドライバ ４１ 変位センサアンプ ５１，５５ 直流電力増幅器 ５６ 正弦波発振器 ７１ 出力装置

フロントページの続き (72)発明者 渡辺 潔 東京都国立市谷保1053−１ 株式会社日本 アプライドテクノロジ内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弾性体試験片を一定の振動周波数で非共
   振強制振動させながら、その振動による変位量および前
   記弾性体試験片に作用する荷重をそれぞれ変位センサお
   よびロードセルで検出し、これら変位センサからの変位
   信号およびロードセルからの荷重信号に基づいて前記弾
   性体試験片の粘弾性特性を測定するにあたり、 前記変位信号および前記荷重信号を所定のサンプリング
   周期で同時にサンプリングしてそれぞれデジタル信号に
   変換するアナログ／デジタル変換工程と、 前記変位信号のデジタル信号に基づいて、該変位信号の
   ゼロ・クロス点を検出すると共に、前記荷重信号のデジ
   タル信号に基づいて、該荷重信号のゼロ・クロス点を検
   出するゼロ・クロス点検出工程と、 このゼロ・クロス点検出工程で検出した前記変位信号の
   ゼロ・クロス点と、前記荷重信号のゼロ・クロス点との
   差を演算して、該ゼロ・クロス点の差、前記サンプリン
   グ周期および前記振動周波数に基づいて、前記変位信号
   および前記荷重信号の位相差角を演算する演算工程とを
   含むことを特徴とする粘弾性測定方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の粘弾性測定方法におい
   て、 前記ゼロ・クロス点検出工程は、 前記変位信号のデジタル信号および前記荷重信号のデジ
   タル信号の各々について、 ノイズ成分を除去する平滑化処理と、 この平滑化処理されたデジタル信号の最大値および最小
   値を求めて、それらの平均値をゼロ点として検出するゼ
   ロ点検出処理と、 その検出されたゼロ点に関して符号が変化する前後数点
   のデジタル信号をそれぞれ抽出して、前記デジタル信号
   を補間する補間処理とを行い、 この補間処理されたデジタル信号から対応するゼロ・ク
   ロス点を検出することを特徴とする粘弾性測定方法。
3. 【請求項３】 弾性体試験片を加振器により一定の振動
   周波数で非共振強制振動させながら、その振動による変
   位量および前記弾性体試験片に作用する荷重をそれぞれ
   変位センサおよびロードセルで検出し、これら変位セン
   サからの変位信号およびロードセルからの荷重信号に基
   づいて前記弾性体試験片の粘弾性特性を測定する粘弾性
   測定装置において、 前記変位信号をサンプリングしてデジタル信号に変換す
   る第１のアナログ／デジタル変換手段と、 前記荷重信号をサンプリングしてデジタル信号に変換す
   る第２のアナログ／デジタル変換手段と、 前記加振器、前記第１のアナログ／デジタル変換手段お
   よび前記第２のアナログ／デジタル変換手段の動作をそ
   れぞれ制御すると共に、前記第１のアナログ／デジタル
   変換手段および前記第２のアナログ／デジタル変換手段
   からのそれぞれのデジタル信号に基づいて前記変位信号
   および前記荷重信号の位相差角を演算する演算制御手段
   とを有し、 この演算制御手段により、前記変位信号および前記荷重
   信号を所定のサンプリング周期で同時にサンプリングし
   てそれぞれデジタル信号に変換するように、前記第１の
   アナログ／デジタル変換手段および前記第２のアナログ
   ／デジタル変換手段の動作を制御して、第１のアナログ
   ／デジタル変換手段からのデジタル信号に基づいて、前
   記変位信号のゼロ・クロス点を検出すると共に、前記第
   ２のアナログ／デジタル変換手段からのデジタル信号に
   基づいて、前記荷重信号のゼロ・クロス点を検出し、こ
   れら検出した前記変位信号のゼロ・クロス点と前記荷重
   信号のゼロ・クロス点との差、前記サンプリング周期お
   よび前記振動周波数に基づいて、前記位相差角を演算す
   るよう構成したことを特徴とする粘弾性測定装置。