音波センサおよびそれを備えた粘弾性測定装置
【課題】被測定物との間の接触状態を視認可能な音波センサおよびそれを備えた粘弾性測定装置を提供する。
【解決手段】光取込窓４ａは、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界に気泡ＢＬが存在する場合には、気泡ＢＬによって入射光Ｌｉｎが全反射されるとともに、気泡ＢＬが存在しない場合には、被測定物ＳＭＰによって入射光Ｌｉｎが反射されるように、取込んだ光を接合部へ導く。このような入射光Ｌｉｎが取込まれることによって、気泡ＢＬが存在する領域で生成された観測光Ｌｏｂは、入射光Ｌｉｎと略一致する一方、気泡ＢＬが存在しない領域で生成された観測光Ｌｏｂには、被測定物ＳＭＰの映像情報が含まれる。したがって、介在物ＢＬが存在するか否かに応じて、観測光Ｌｏｂには有意な差異が生じるため、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの接触状態を視認できる。
【解決手段】光取込窓４ａは、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界に気泡ＢＬが存在する場合には、気泡ＢＬによって入射光Ｌｉｎが全反射されるとともに、気泡ＢＬが存在しない場合には、被測定物ＳＭＰによって入射光Ｌｉｎが反射されるように、取込んだ光を接合部へ導く。このような入射光Ｌｉｎが取込まれることによって、気泡ＢＬが存在する領域で生成された観測光Ｌｏｂは、入射光Ｌｉｎと略一致する一方、気泡ＢＬが存在しない領域で生成された観測光Ｌｏｂには、被測定物ＳＭＰの映像情報が含まれる。したがって、介在物ＢＬが存在するか否かに応じて、観測光Ｌｏｂには有意な差異が生じるため、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの接触状態を視認できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は被測定物に音波を放射するとともに、被測定物で反射される音波に応じた検出信号を外部出力する音波センサに関し、特に、音波センサと被測定物との接触状態を視認可能とする技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
物質の物性を評価する指標の１つに粘弾性特性がある。粘弾性とは、与えられる応力に比例してひずみを生じる弾性、および与える応力を受けて粘性流動を生じる粘性を併せ持つ物性である。
【０００３】
近年、音波（特に、超音波）を用いて、被測定物の粘弾性特性を測定する方法が提案されている。このような、音波を用いた粘弾性特性の測定方法では、被測定物に音波を放射するとともに、当該放射された音波が被測定物で反射されて生じる音波を、基準状態において反射されて生じる音波と比較することで被測定物の粘弾性特性が取得される。
【０００４】
このような粘弾性特性の測定方法には、遅延部材を備える音波センサが使用される。遅延部材は、反射されて生じる音波を正確に検出するために、被測定物へ放射される音波と、被測定物で反射されて生じる音波とを時間的に分離させる部材である。すなわち、トランスデューサなどから放射された音波は、遅延部材を伝搬して被測定物へ入射するとともに、被測定物で反射された音波は、再度遅延部材を伝搬してトランスデューサへ入射する。
【０００５】
ところで、音波センサと被測定物との間に気泡などが介在すると、誤差の発生原因となるので、両者の間は可能な限り密着させることが望ましい。一例として、特開平１１−０３０５１２号公報（特許文献１）には、被測定物表面に遅延材表面を追従、密着させることを可能にした厚さ計プローブが開示されている。この厚さ計プローブでは、センサユニットおよび受け金具が軸上の点で支持金具の端部と接触するように構成して、保持する外筒の傾きに影響されることなく遅延材表面が被測定物表面に追従、密着される。
【特許文献１】特開平１１−０３０５１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
粘弾性特性の測定対象となる被測定物は、一例としてパン生地などであり、その表面は固形化されたものではなく、比較的柔らかい場合が多い。そのため、特開平１１−０３０５１２号公報（特許文献１）に開示される厚さ計プローブと同様の構成を有する音波センサを用いたとしても、高い精度で測定を行なうことができなかった。むしろ、被測定物に応じて、音波センサと被測定物との接触の程度を確認しながら、測定を行なうことが重要である。
【０００７】
しかしながら、特開平１１−０３０５１２号公報（特許文献１）に開示される厚さ計プローブを含む、従来の音波センサでは、音波センサと被測定物との接触状態を視認可能な構成とはなっていなかった。
【０００８】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、被測定物との間の接触状態を視認可能な音波センサおよびそれを備えた粘弾性測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明によれば、被測定物に対して第１の音波を放射するとともに、被測定物で反射されて生じる第２の音波に応じた検出信号を外部出力するように構成された音波センサである。そして、音波センサは、電気信号の入力に応答して第１の音波を発生するとともに、第２の音波の入力に応答して電気信号を発生する電気音波変換部と、電気音波変換部と被測定物との間に介挿され、第１および第２の音波に対して伝搬遅延を生じさせるための遅延部材とを備える。さらに、遅延部材は、光波を伝搬可能な媒質で構成されるとともに、部材外部からの第１の光波を取込んで、当該第１の光波を遅延部材と被測定物との接合部に向けて伝搬させるための光取込窓と、第１の光波が接合部で反射されて生じる第２の光波を部材外部へ取出すための光取出窓とが形成され、光取込窓は、遅延部材と被測定物との間に介在し得る介在物に応じて、生成される第２の光波が変化するように、第１の光波を接合部へ導く。
【００１０】
この発明によれば、遅延部材には、部材外部からの第１の光波を取込んで遅延部材と被測定物との接合部に向けて伝搬させるための光取込窓と、第１の光波が接合部で反射されて生じる第２の光波を部材外部へ取出すための光取出窓とが形成される。さらに、光取込窓は、遅延部材と被測定物との間に介在し得る介在物に応じて、生成される第２の光波が変化するように、第１の光波を接合部へ導く。これにより、遅延部材と被測定物との間に介在する気泡などの介在物の有無に応じた映像情報を容易に得ることができるので、音波センサと被測定物との接触状態の視認が可能となる。
【００１１】
好ましくは、光取込窓は、第１の光波が遅延部材と介在物との境界に到達すると、遅延部材の内部に維持されたまま反射される一方、第１の光波が遅延部材と被測定物との境界に到達すると、遅延部材を通過して被測定物へ入射するように、第１の光波を接合部へ導く。
【００１２】
また好ましくは、光取込窓は、遅延部材と被測定物との境界面に対する第１の光波の入射角が、遅延部材の屈折率と介在物の屈折率とに応じて定まる臨界角以上となるように、第１の光波を接合部へ導く。
【００１３】
また好ましくは、光取込窓は、第１の光波が遅延部材と介在物との境界に到達すると、遅延部材を通過して介在物へ入射した後、介在物と被測定物との境界で反射されるように、第１の光波を接合部へ導く。
【００１４】
また好ましくは、光取込窓は、遅延部材と被測定物との境界面に対する第１の光波の入射角が、遅延部材の屈折率と介在物の屈折率とに応じて定まる臨界角より小さくなるように、第１の光波を接合部へ導く。
【００１５】
さらに好ましくは、光取込窓は、遅延部材と被測定物との境界面内の第１の音波が入射する領域に含まれる各点において、介在物に応じた第２の光波を生成するための第１の光波を取込み可能に構成され、光取出窓は、第１の音波が入射する領域に含まれる各々の点において生成される第２の光波をいずれも取出し可能に構成される。
また好ましくは、遅延部材の屈折率は、被測定物の屈折率に比較して小さい。
【００１６】
また好ましくは、音波センサは、遅延部材を通過した第１の音波が被測定物に入射する領域を表示するための表示光を発生する表示光発生部をさらに備える。
【００１７】
また好ましくは、音波センサは、光取込窓に近接して配置され、第１の光波を生成して光取込窓へ与えるための光源部をさらに備える。
【００１８】
また好ましくは、音波センサは、光取出窓に近接して配置され、光取出窓から取出された第２の光波を受光して、受光した第２の光波に含まれる映像情報を出力するためのカメラ部と、カメラ部からの映像情報に基づいて、接合部における遅延部材および被測定物の少なくとも一方の状態を判断するための解析装置とをさらに備える。
【００１９】
またこの発明によれば、上述のいずれかの音波センサと、音波センサから出力される検出信号と、予め定められた基準音波に基づく基準値との比較により、被測定物の粘弾性特性を取得するための制御装置とを備える粘弾性測定装置である。
【発明の効果】
【００２０】
この発明によれば、被測定物との間の接触状態を視認可能な音波センサおよびそれを備えた粘弾性測定装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。
［実施の形態１］
【００２２】
図１は、この発明の実施の形態１に従う音波センサ１０１を備える粘弾性測定装置１００の概略構成図である。
【００２３】
図１を参照して、粘弾性測定装置１００は、被測定物ＳＭＰとの接触状態を保ちながら、その粘弾性特性を測定するための装置である。なお、本明細書において、粘弾性特性とは、貯蔵弾性率、損失弾性率および損失正接のうち少なくとも１つ以上で規定される物質の特性の総称を意味する。そして、粘弾性測定装置１００は、制御装置１と、音波センサ１０１とを備える。
【００２４】
音波センサ１０１は、被測定物ＳＭＰと接合するように配置され、被測定物ＳＭＰに対して音波を放射する（以下、音波センサ１０１から被測定物ＳＭＰへ放射される音波を「入射音波」とも称す。）とともに、被測定物ＳＭＰで反射されて生じる音波（以下、入射音波が被測定物ＳＭＰで反射されて生じる音波を「反射音波」とも称す。）に応じた検出信号を外部出力するように構成される。なお、入射音波および反射音波としては、可聴帯域以上の周波数を有する超音波が好ましい。
【００２５】
制御装置１は、音波センサ１０１から出力される検出信号と、予め定められた基準音波に基づく基準値との比較により、被測定物ＳＭＰの粘弾性特性を取得する。
【００２６】
音波センサ１０１は、送受信回路２と、トランスデューサ３と、遅延部材４とを含む。
【００２７】
送受信回路２は、制御装置１から与えられる指令に応答して、トランスデューサ３による入射音波の照射を制御するとともに、トランスデューサ３により受信される反射音波に応じた電気信号を制御装置１へ出力する。
【００２８】
トランスデューサ３は、送受信回路２からの電気信号の入力に応答して入射音波を発生するとともに、反射音波の入力に応答して電気信号を発生する電気音波変換部であり、一例として、チタン酸ジルコン酸鉛などの圧電素子などからなる。
【００２９】
遅延部材４は、バッファ（Buffer）部材などとも称され、トランスデューサ３と被測定物ＳＭＰとの間に介挿され、入射音波および反射音波に対して伝搬遅延を生じさせる。さらに、この発明の実施の形態１に従う遅延部材４は、可視光などの観測用の光波を伝搬可能な媒質で構成される。
【００３０】
遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの間には気泡などの介在物が存在し得る。このような介在物の存在によって、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの密着度は低下する。そこで、この発明に係る遅延部材４は、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの接触状態、すなわち介在物の有無を視認可能に構成される。
【００３１】
具体的には、遅延部材４には、部材外部からの光波を取込んで、当該取込んだ光波を遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの接合部に向けて伝搬させるための光取込窓と、伝搬した光波が遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの接合部で反射されて生じる光波を部材外部へ取出すための光取出窓とが形成される。ここで、「接合部」とは、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界面、および当該境界面に近接する遅延部材４および被測定物ＳＭＰ、ならびに遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの間に存在し得る介在物を総称的に示す用語である。
【００３２】
なお、以下の説明においては、光取込窓によって部材外部から取込まれる光波を「入射光」とも称し、光取出窓によって部材外部へ取出される光波を「観測光」とも称す。
【００３３】
そして、光取込窓は、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界に介在物が存在する場合には、当該介在物によって入射光が全反射されるとともに、介在物が存在しない場合には、被測定物ＳＭＰによって入射光が反射されるように、取込んだ光を接合部へ導く。このような入射光が取込まれることによって、介在物が存在する領域で生成された観測光は、入射光と略一致する一方、介在物が存在しない領域で生成された観測光には、被測定物ＳＭＰの映像情報が含まれる。したがって、介在物が存在するか否かに応じて、観測光には有意な差異が生じるため、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの接触状態を視認できる。
【００３４】
要約すると、光取込窓は、入射光が遅延部材４と介在物との境界に到達すると、遅延部材４の内部に維持されたまま反射されるとともに、入射光が遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界に到達すると、遅延部材４を通過して被測定物ＳＭＰへ入射するように、入射光を遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの接合部へ導く。すなわち、光取込窓は、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界面に対する入射光の入射角が、遅延部材４の屈折率と介在物の屈折率とに応じて定まる臨界角以上となるように、入射光を当該接合部へ導く。さらに、生成された観測光は、光取出窓によって部材外部へ取出され、接触状態が視認される。
【００３５】
なお、視認を行なう主体に応じて、入射光として用いる光波の波長帯域を適切に選択すればよい。すなわち、人間による視認（目視）が行なわれる場合には、入射光として可視光線を用い、ＣＣＤ（Charged Coupled Device）などで構成された受光部などによって目視が行なわれる場合には、当該受光部の受光感度に適した波長帯域を含む光波を入射光として用いることが望ましい。
【００３６】
また、粘弾性測定の対象となる被測定物ＳＭＰとしては、遅延部材４と接合可能な大きさを有するものであればいずれでもよい。
図２は、粘弾性測定装置１００の構成をより詳細に示す図である。
【００３７】
図２を参照して、制御装置１は、たとえば、パーソナルコンピュータなどで構成され、入力部１８と、時間データメモリ部１２と、記憶部１４と、演算部１０と、表示出力部１６とからなる。
【００３８】
入力部１８は、ユーザなどからの外部指令を受け、その外部指令を演算部１０へ出力する。一例として、入力部１８は、操作ボタン、キーボード、マウス、タッチパネルなどからなる。
【００３９】
時間データメモリ部１２は、送受信回路２を介して出力されるトランスデューサ３からの検出信号の時間波形データを所定の周期で格納する。なお、時間データメモリ部１２は、演算部１０からの要求に応じて、時間波形データを格納する周期を変更可能に構成される。
【００４０】
記憶部１４は、演算部１０を介して取得された基準値を格納し、演算部１０からの要求に応じて、その格納する基準値を読出す。そして、記憶部１４は、演算部１０で測定される粘弾性特性を順次格納する。
【００４１】
演算部１０は、入力部１８を介して、外部からプロセス開始指令を受けると、送受信回路２へ放射指令を与え、トランスデューサ３から入射音波を放射させる。そして、演算部１０は、時間データメモリ部１２に格納される反射音波の時間波形データを読出し、一例として、高速フーリエ変換処理（Fast Fourier Transform；以下、ＦＦＴ処理とも称す）のような周波数解析処理を行ない、各周波数における振幅値および位相を取得する。続いて、演算部１０は、記憶部１４に予め格納されている基準値を読出し、その基準値と取得した検出信号の各周波数における振幅値および位相とを比較することで、被測定物ＳＭＰの粘弾性特性を測定する。さらに、演算部１０は、その測定した被測定物ＳＭＰの粘弾性特性を表示出力部１６または／および記憶部１４へ出力する。したがって、トランスデューサ３から１回の入射音波の放射により、演算部１０は、その放射音波に含まれる周波数帯域の各周波数における被測定物ＳＭＰの粘弾性特性を測定できる。
【００４２】
表示出力部１６は、演算部１０によって測定される被測定物ＳＭＰの粘弾性特性や、演算部１０から出力される各指令情報などを表示または／およびそのデータを外部へ出力する。表示出力部１６が表示を行なう場合には、一例として、液晶ディスプレイやプラズマディスプレイなどの表示装置からなる。また、表示出力部１６がデータを外部へ出力を行なう場合には、一例として、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）、ＲＳ−２３２Ｃ（Recommended Standard 232 version C）、ＩＥＥＥ（Institute of Electrical and Electronic Engineers）１３９４、ＳＣＳＩ（Small Computer System Interface）、イーサネット（登録商標）、ＩＥＥＥ１２８４（パラレルポート）などの規格に対応するインターフェイスなどからなる。
【００４３】
一方、送受信回路２は、送信制御回路２０と、送信回路２２と、方向整合器２４と、受信回路２６と、信号処理回路２８とからなる。
【００４４】
送信制御回路２０は、制御装置１からの放射指令を受けると、放射する入射音波を生成するための生成信号を送信回路２２へ出力する。たとえば、送信制御回路２０は、パルス状の入射音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音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２０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２６へ出力する。
【００４５】
送信回路２２は、送信制御回路２０から受ける生成信号に応じた電気信号を方向整合器２４へ出力する。
【００４６】
方向整合器２４は、送信回路２２、トランスデューサ３および受信回路２６とそれぞれ電気的に接続され、送信回路２２から出力された電気信号をトランスデューサ３へ伝送し、かつ、トランスデューサ３から受けた電気信号を受信回路２６へ出力する。すなわち、方向整合器２４は、送信回路２２から出力された電気信号が受信回路２６へ出力されないように信号の伝送方向を制限する。
【００４７】
受信回路２６は、方向整合器２４から受ける電気信号を受け、所定の増幅をした後に信号処理回路２８へ出力する。また、受信回路２６は、送信制御回路２０からトリガ信号を受信すると、トランスデューサ３から出力される電気信号の受信を開始する。
【００４８】
信号処理回路２８は、受信回路２６から電気信号を受け、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瞬間的な振幅値を順次出力する。
（粘弾性特性の測定方法）
【００４９】
以下、粘弾性特性の測定方法の一例である表面反射法について詳述する。表面反射法では、入射音波を被測定物ＳＭＰへ放射し、その入射音波が被測定物ＳＭＰと遅延部材４との境界において反射されて生じる反射音波が利用される。
図３は、表面反射法を説明するための図である。
図３（ａ）は、基準値を取得する場合を示す。
図３（ｂ）は、被測定物ＳＭＰの粘弾性特性を取得する場合を示す。
【００５０】
まず、音波センサ１０１から放射される入射音波の伝搬特性を規定するため、遅延部材４および被測定物ＳＭＰの音響インピーダンスを導入する。
【００５１】
図３（ａ）を参照して、基準値を取得する場合には、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとを接合させない状態、すなわち、遅延部材４が空気と接する状態を基準状態として、音波センサ１０１から入射音波を放射する。
【００５２】
ここで、入射音波および反射音波の周波数をｆとすると、周波数ｆに依存する遅延部材４の音響インピーダンスはＺ１（ｆ）と表すことができる。また、空気中の音響インピーダンスはＺ０（ｆ）と表すことができる。但し、音響インピーダンスＺ０（ｆ）およびＺ１（ｆ）は、いずれも複素数である。さらに、遅延部材４と空気中との境界における入射音波の反射率Ｒ０１（ｆ）は、式（１）で表すことができる。
【００５３】
反射率Ｒ０１（ｆ）＝（Ｚ０（ｆ）−Ｚ１（ｆ））／（Ｚ０（ｆ）＋Ｚ１（ｆ））・・・（１）
【００５４】
ここで、空気中の音響インピーダンスＺ０（ｆ）は、遅延部材４および被測定物ＳＭＰに比較して十分小さいため、周波数ｆに関わらず０＜Ｚ０（ｆ）≪Ｚ１（ｆ）とみなすことができ、反射率Ｒ０１（ｆ）＝−１となる。すなわち、遅延部材４と空気中との境界面において、入射音波は全反射するとみなすことができる。
【００５５】
さらに、トランスデューサ３に入射する反射音波をＡ０（ｆ）ｅｘｐ（ｉθ０（ｆ））と表す。但し、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≦θ０（ｆ）＜∞）である。すると、遅延部材４と空気中との境界面において入射音波は全反射するので、トランスデューサ３から遅延部材４を介して被測定物ＳＭＰへ放射される入射音波は、式（２）で表される。
【００５６】
Ａ０（ｆ）ｅｘｐ（ｉθ０（ｆ））×Ｒ０１（ｆ）＝−Ａ０（ｆ）ｅｘｐ（ｉθ０（ｆ））・・・（２）
【００５７】
すなわち、制御装置１は、式（２）で表される入射音波が被測定物ＳＭＰへ照射されるとみなし、式（２）を構成するＡ０（ｆ）およびθ０（ｆ）を基準値として格納する。
【００５８】
一方、図３（ｂ）を参照して、被測定物ＳＭＰの粘弾性特性を測定する場合には、被測定物ＳＭＰと遅延部材４とを密着させ、トランスデューサ３から図３（ａ）の場合と同一の入射音波を放射する。そして、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界面において反射される反射音波に応じた検出信号を、格納した前記の基準値と比較することで、被測定物ＳＭＰの粘弾性特性を測定する。
【００５９】
被測定物ＳＭＰの音響インピーダンスをＺ２（ｆ）とすると、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界面における入射音波の反射率Ｒ１２（ｆ）は、式（３）で表すことができる。但し、音響インピーダンスＺ２（ｆ）は、複素数である。
【００６０】
反射率Ｒ１２（ｆ）＝（Ｚ２（ｆ）−Ｚ１（ｆ））／（Ｚ２（ｆ）＋Ｚ１（ｆ））・・・（３）
さらに、式（３）を変形すると、式（４）が導出される。
【００６１】
Ｚ２（ｆ）＝Ｚ１（ｆ）×（１＋Ｒ１２（ｆ））／（１−Ｒ１２（ｆ））・・・（４）
【００６２】
ここで、トランスデューサ３に入射する反射音波をＡ（ｆ）ｅｘｐ（ｉθ（ｆ））と表す。但し、ｉは虚数単位であり、Ａ（ｆ）は各周波数における振幅値（実数値）であり、θは各周波数における位相（０≦θ０＜∞）である。すると、式（２）で示される基準値を用いて、式（５）が成立する。
【００６３】
Ａ（ｆ）ｅｘｐ（ｉθ（ｆ））＝−Ａ０（ｆ）ｅｘｐ（ｉθ０（ｆ））×Ｒ１２（ｆ）・・・（５）
さらに、式（５）を変形して、式（６）が導出される。
【００６４】
Ｒ１２（ｆ）＝−Ａ（ｆ）／Ａ０（ｆ）×ｅｘｐ（ｉ（θ（ｆ）−θ０（ｆ））・・・（６）
式（６）を式（４）に代入すると、式（７）が導出される。
【００６５】
Ｚ２（ｆ）＝Ｚ１（ｆ）×（１−Ａ（ｆ）／Ａ０（ｆ）×ｅｘｐ（ｉ（θ（ｆ）−θ０（ｆ）））／（１＋Ａ（ｆ）／Ａ０（ｆ）×ｅｘｐ（ｉ（θ（ｆ）−θ０（ｆ）））・・・（７）
【００６６】
ここで、被測定物ＳＭＰの貯蔵弾性率Ｌ’（ｆ）および損失弾性率Ｌ”（ｆ）は、被測定物ＳＭＰの音響インピーダンスＺ２（ｆ）および密度ρ２との間に式（８）で示す関係が成立する。
Ｌ’＋ｉＬ”（ｆ）＝Ｚ２（ｆ）２／ρ２・・・（８）
【００６７】
（７）式を（８）式に代入し、実数成分と虚数成分とを分離することにより、貯蔵弾性率Ｌ’（ｆ）、損失弾性率Ｌ”（ｆ）および損失正接ｔａｎδ（ｆ）を求めることができる。
【００６８】
このように、制御装置１は、音波センサ１０１から出力される検出信号と、予め定められた基準音波に基づく基準値との比較により、被測定物ＳＭＰの粘弾性特性を取得する。
（音波センサの構造）
【００６９】
図４は、この発明の実施の形態１に従う音波センサ１０１の外観を示す概略図である。
【００７０】
図４を参照して、音波センサ１０１は、立方形状の遅延部材４と、その上部に接合された円柱形状のトランスデューサ３と、さらにその上部に配置された送受信回路２とから構成される。
【００７１】
上述したように、遅延部材４には、部材外部から入射光を取込んで遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの接合部に向けて伝搬させるための光取込窓と、入射光が遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの接合部で反射されて生じる観測光を部材外部へ取出すための光取出窓とが形成される。本発明の実施の形態１では、遅延部材４の側面に、光取込窓および光取出窓が形成される。
図５は、図４のＸ−Ｘ線断面図である。
【００７２】
図５を参照して、遅延部材４、トランスデューサ３および送受信回路２は、いずれも同一の中心軸Ａｘ上に配置される。そして、遅延部材４は、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの接触状態を視認可能とするために、その互いに対向する側面に光取込窓４ａおよび光取出窓４ｂが形成される。また、遅延部材４の内部媒質４ｃは、入射光および観測光が伝搬可能な材料、一例としてガラスやポリカーボネイトなどによって構成される。
【００７３】
より詳細には、光取込窓４ａおよび光取出窓４ｂは、遅延部材４の表層領域について、屈折率を均一化するとともに、より光波の透過度を高めるように加工することで実現される。すなわち、屈折率を均一化することで、部材外部から入射する光波の散乱を抑制して、より入射光の取込みを容易にするとともに、透過度を高めることで、取込んだ入射光を減衰させることなく遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの接合部に向けて伝搬させることができる。
【００７４】
以下、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界面において、入射光Ｌｉｎが全反射して観測光Ｌｏｂを生じる場合の挙動について詳述する。
【００７５】
まず、光取込窓４ａに対する入射光Ｌｉｎの入射角θｉｎと、入射光Ｌｉｎが遅延部材４の内部を伝搬する方向を規定する角度θ１との関係をみる。両者の間には、スネル（Snell）の法則により、空気の屈折率Ｎａｉｒと遅延部材４の屈折率Ｎ１とを用いて、
Ｎａｉｒ・ｓｉｎθｉｎ＝Ｎ１・ｓｉｎθ１
の関係が成立する。そのため、入射光Ｌｉｎが遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界面に入射する角度θ２は、
θ２＝π／２−θ１
となる。ここで、入射光Ｌｉｎが全反射するためには、入射する角度θ２が臨界角θｃ以上となる必要がある。すなわち、
θ２＝π／２−θ１≧θｃ
が成立する必要がある。ここで、気泡ＢＬの屈折率は、空気の屈折率と同じくＮａｉｒ（Ｎａｉｒ≦Ｎ１）であるので、臨界角θｃは、
θｃ＝ｓｉｎ−１（Ｎａｉｒ／Ｎ１）
となる。さらに、入射光Ｌｉｎの全反射によって生成される観測光Ｌｏｂは、入射光Ｌｉｎの入射経路と対称的な経路を伝搬するので、観測光Ｌｏｂが光取出窓４ｂに入射する角度θ３は、
θ３＝π／２−θ２
となる。そして、観測光Ｌｏｂが光取出窓４ｂを通過する場合の射出角θｏｕｔと角度θ３との間には、
Ｎ１・ｓｉｎθ３＝Ｎａｉｒ・ｓｉｎθｏｕｔ
の関係が成立する。したがって、射出角θｏｕｔは、
θｏｕｔ＝ｓｉｎ−１（ｓｉｎθ３・Ｎ１／Ｎａｉｒ）
と表される。
【００７６】
すなわち、上述の一連の関係式が成立する場合には、入射光Ｌｉｎは、遅延部材４と介在物である気泡ＢＬとの境界で全反射する。一方、被測定物ＳＭＰの屈折率Ｎ２が遅延部材４の屈折率Ｎ１より大きければ、臨界角は存在しない。そのため、気泡ＢＬが存在しない場合において、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界に到達した入射光Ｌｉｎは、遅延部材４を通過して被測定物ＳＭＰへ入射し、その一部が被測定物ＳＭＰで反射される。したがって、観測光Ｌｏｂは、気泡ＢＬに応じて変化することになり、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの接触状態を視認できる。そこで、光取込窓４ａおよび光取出窓４ｂは、上述の一連の関係式が成立するように、その位置、場所、大きさ、角度などが適切に設計される。
【００７７】
なお、入射光Ｌｉｎおよび観測光Ｌｏｂが内部媒質４ｃを伝搬する際に、光損失が生じないとすると、全反射して生じる観測光Ｌｏｂは、光取込窓４ａによって取込まれた入射光と一致する。すなわち、可視光であれば、全面「白色」の光が観測される。すなわち、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界に気泡ＢＬが介在していると、当該気泡ＢＬに対応する領域の映像情報は、「白色」となる。
【００７８】
さらに、トランスデューサ３からは、所定の立体角で入射音波が放射される。そのため、粘弾性特性を正確に測定するためには、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界面内の入射音波が入射する領域のいずれの点に対しても、気泡ＢＬによって全反射される入射光Ｌｉｎを与え、および生成された観測光Ｌｏｂを取出しできるように、光取込窓４ａおよび光取出窓４ｂを形成する必要がある。
【００７９】
図６は、図５において入射音波の放射域ＲＡＤの光取込窓４ａに対する最近端を視認する場合を示した図である。
【００８０】
図６を参照して、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界において、トランスデューサ３から放射される入射音波の放射域ＲＡＤの紙面右端に介在する気泡ＢＬを視認するためには、図５における一連の関係式が成立する必要がある。
【００８１】
ここで、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界面における遅延部材４の幅長をＬとし、入射音波が入射する領域の幅長をｘ（ｘ≦Ｌ）とすると、入射光Ｌｉｎの入射位置Ｈｉｎ、および放射域ＲＡＤの右端と光取込窓４ａとの距離（Ｌ−ｘ）／２を適切に設計する必要がある。
【００８２】
図７は、図５において入射音波の放射域ＲＡＤの光取込窓４ａに対する最遠端を視認する場合を示した図である。
【００８３】
図７を参照して、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界において、トランスデューサ３から放射される入射音波の放射域ＲＡＤの紙面左端に介在する気泡ＢＬを視認するためには、図５における一連の関係式が成立する必要がある。
【００８４】
図６と同様に、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界面における遅延部材４の幅長をＬとし、入射音波が入射する領域の幅長をｘ（ｘ≦Ｌ）とすると、観測光Ｌｏｂの射出位置Ｈｏｕｔ、および放射域ＲＡＤの左端と光取出窓４ｂとの距離（Ｌ−ｘ）／２を適切に設計する必要がある。
【００８５】
すなわち、光取込窓４ａは、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界面内の入射音波が入射する領域に含まれる各点において、気泡ＢＬに応じた観測光Ｌｏｂを生成するための入射光Ｌｉｎを取込み可能に構成され、光取出窓４ｂは、入射音波が入射する領域に含まれる各々の点において生成される観測光をいずれも取出し可能に構成される。
（設計例）
【００８６】
図５を参照して、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの間に介在する、中心軸Ａｘ上の気泡ＢＬを視認する場合の設計例について例示する。
【００８７】
一例として、遅延部材４の幅長Ｌ＝５０ｍｍとし、空気の屈折率Ｎａｉｒ＝１．０，遅延部材４の屈折率Ｎ１＝１．５，被測定物ＳＭＰの屈折率Ｎ２＝２．０とする。なお、遅延部材４の材質はガラスであり、被測定物ＳＭＰの材質はポリマーである。
【００８８】
たとえば入射光Ｌｉｎの入射角θｉｎ＝６０．０°とすると、光取込窓４ａで屈折して生じる角度θ１＝３５．６°となる。そのため、入射光Ｌｉｎが遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界面に入射する角度θ２＝５４．４°となる。
【００８９】
ここで、臨界角θｃ＝ｓｉｎ−１（Ｎａｉｒ／Ｎ１）＝４１．８°であるので、角度θ２≧臨界角θｃが成立する。すなわち、入射光Ｌｉｎは、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの間に介在する気泡ＢＬによって全反射する。さらに、観測光Ｌｏｂが光取出窓４ｂに入射する角度θ３＝３５．６°であるので、観測光Ｌｏｂが光取出窓４ｂから射出される射出角θｏｕｔ＝６０．０°が得られる。
【００９０】
このように、各角度が有意な値に決定できるので、光取込窓４ａから取込まれる入射光Ｌｉｎが順次伝搬して、光取出窓４ｂから射出される経路が形成されることが数学的に示される。なお、入射光Ｌｉｎが入射する入射位置Ｈｉｎ＝１７．９ｍｍとなるので、遅延部材４は、その高さＨが１７．９ｍｍを確保できるように形成される。
【００９１】
なお、上述の説明においては、光取込窓４ａおよび光取出窓４ｂを明確に区別して記載したが、光取込窓４ａおよび光取出窓４ｂは、その機能において互いに相補の関係にある。すなわち、たとえば、図５などにおいて、光取出窓４ｂから入射光を与えることも可能であり、この場合には、光取込窓４ａが光取出窓４ｂの機能を実現する。そのため、光取込窓４ａおよび光取出窓４ｂは、入射光の光源位置および観測光Ｌｏｂの視認位置などに応じて、機能的に定まることになる。
【００９２】
この発明の実施の形態１によれば、部材外部から入射光波を取込んで遅延部材と被測定物との接合部に向けて伝搬させるための光取込窓と、入射光が接合部で反射されて生じる観測光を部材外部へ取出すための光取出窓とが形成された遅延部材が用いられる。さらに、光取込窓は、遅延部材と被測定物との境界に介在物が存在する場合に限って、当該介在物によって入射光が全反射されるように入射光を接合部へ導く。これにより、介在物が存在する領域で生成された観測光は、入射光と略一致する一方、介在物が存在しない領域で生成された観測光には、被測定物の映像情報が含まれる。したがって、介在物が存在するか否かに応じて、観測光には有意な差異が生じるため、音波センサと被測定物との接触状態を視認できる。
［実施の形態２］
【００９３】
この発明の実施の形態１では、立方体形状を有する遅延部材について例示したが、他の形状を採用してもよい。そこで、以下に説明するこの発明の実施の形態２においては、錐面を含む形状の遅延部材を用いる構成について説明する。
【００９４】
この発明の実施の形態２に従う粘弾性測定装置は、音波センサの遅延部材の形状を除いて、上述のこの発明の実施の形態１に従う粘弾性測定装置１００と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【００９５】
図８は、この発明の実施の形態２に従う音波センサ１０２の外観を示す概略図である。
【００９６】
図８を参照して、音波センサ１０２は、いわゆる「そろばん珠」形状の遅延部材５と、その上部に接合された円柱形状のトランスデューサ３と、さらにその上部に配置された送受信回路２とから構成される。
【００９７】
遅延部材５は、２つの円錐台形を共通の底面で接合したような形状に構成され、その錐面を含む表面領域に光取込窓および光取出窓が形成される。
図９は、図８のＩＸ−ＩＸ線断面図である。
【００９８】
図９を参照して、遅延部材５、トランスデューサ３および送受信回路２は、いずれも同一の中心軸Ａｘ上に配置される。そして、遅延部材５の上側の円錐台形に相当する領域に、光取込窓５ａおよび光取出窓５ｂが形成される。光取込窓５ａは、遅延部材５と被測定物ＳＭＰの境界面に対する入射光Ｌｉｎの入射角θｉｎが、遅延部材５の屈折率と気泡ＢＬの屈折率とに応じて定まる臨界角θｃ以上となるように、取込んだ入射光Ｌｉｎを当該接合部へ導く。これにより、入射光Ｌｉｎは、遅延部材５と被測定物ＳＭＰと間に介在する気泡ＢＬによっていわゆる全反射を生じる一方、気泡ＢＬが存在しない場合には、被測定物ＳＭＰで反射される。したがって、観測光Ｌｏｂは、遅延部材５と被測定物ＳＭＰとの接触状態を表す映像情報を含む。さらに、この観測光Ｌｏｂは、光取出窓５ｂによって部材外部へ取出され、接触状態が視認される。
【００９９】
なお、この発明の実施の形態２においては、入射光Ｌｉｎおよび観測光Ｌｏｂの経路に応じて、光取込窓５ａおよび光取出窓５ｂの機能を果たす領域がそれぞれ定まるため、光取込窓５ａおよび光取出窓５ｂを予め明確に区別して形成する必要はない。
【０１００】
光取込窓５ａおよび光取出窓５ｂの形成方法などは、上述したこの発明の実施の形態１と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。また、遅延部材５の内部媒質などについても、上述の遅延部材４と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【０１０１】
以下、遅延部材５と被測定物ＳＭＰとの境界面において、入射光Ｌｉｎが全反射して観測光Ｌｏｂを生じる場合の挙動について詳述する。
【０１０２】
まず、光取込窓５ａに対する入射光Ｌｉｎの入射角θｉｎと、入射光Ｌｉｎが遅延部材５の内部を伝搬する方向を規定する角度θ１との関係をみる。両者の間には、スネルの法則により、空気の屈折率Ｎａｉｒと遅延部材５の屈折率Ｎ１とを用いて、
Ｎａｉｒ・ｓｉｎθｉｎ＝Ｎ１・ｓｉｎθ１
の関係が成立する。ここで、遅延部材５と被測定物ＳＭＰとの境界面に対する光取込窓５ａおよび光取出窓５ｂのなす角度をα１とすると、入射光Ｌｉｎが遅延部材５と被測定物ＳＭＰとの境界面に入射する角度θ２は、
θ２＝θ１＋α１
となる。ここで、入射光Ｌｉｎが全反射するためには、入射する角度θ２が臨界角θｃ以上となる必要がある。すなわち、
θ２＝θ１＋α１≧θｃ
が成立する必要がある。ここで、気泡ＢＬの屈折率は、空気の屈折率と同じくＮａｉｒ（Ｎａｉｒ≦Ｎ１）であるので、臨界角θｃは、
θｃ＝ｓｉｎ−１（Ｎａｉｒ／Ｎ１）
となる。さらに、入射光Ｌｉｎの全反射によって生成される観測光Ｌｏｂは、入射光Ｌｉｎの入射経路と中心軸Ａｘに対して対称的な経路を伝搬するので、観測光Ｌｏｂが光取出窓５ｂに入射する角度θ３は、
θ３＝θ２−α１＝θ１
となる。そして、観測光Ｌｏｂが光取出窓５ｂを通過する場合の射出角θｏｕｔと角度θ３との間には、
Ｎ１・ｓｉｎθ３＝Ｎａｉｒ・ｓｉｎθｏｕｔ
の関係が成立する。したがって、射出角θｏｕｔは、
θｏｕｔ＝ｓｉｎ−１（ｓｉｎθ３・Ｎ１／Ｎａｉｒ）
と表される。
【０１０３】
すなわち、上述の一連の関係式が成立する場合には、入射光Ｌｉｎが遅延部材５と被測定物ＳＭＰと間に介在する気泡ＢＬによって全反射し、遅延部材５と被測定物ＳＭＰとの接触状態を表す映像情報を含む観測光Ｌｏｂが視認できることを意味する。したがって、光取込窓５ａおよび光取出窓５ｂは、上述の一連の関係式が成立するように、その位置、場所、大きさ、角度などが適切に設計される。
【０１０４】
さらに、トランスデューサ３からは、所定の立体角で入射音波が放射される。そのため、粘弾性特性を正確に測定するためには、遅延部材５と被測定物ＳＭＰとの境界面内の入射音波が入射する領域のいずれの点に対しても、気泡ＢＬによって全反射される入射光Ｌｉｎを与え、および生成された観測光Ｌｏｂを取出しできるように、光取込窓５ａおよび光取出窓５ｂを形成する必要がある。
【０１０５】
図１０は、図９において入射音波の放射域ＲＡＤの光取込窓５ａに対する最近端を視認する場合を示した図である。
【０１０６】
図１０を参照して、遅延部材５と被測定物ＳＭＰとの境界において、トランスデューサ３から放射される入射音波の放射域ＲＡＤの紙面右端に介在する気泡ＢＬを視認するためには、図９における一連の関係式が成立する必要がある。そのため、光取込窓５ａおよび光取出窓５ｂの錐面の長さおよび角度などを適切に設計する必要がある。特に、光取込窓５ａに入射光Ｌｉｎが入射する入射位置Ｈｉｎ、および光取出窓５ｂから観測光Ｌｏｂが射出する射出位置Ｈｏｕｔを適切に設計する必要がある。
【０１０７】
なお、この発明の実施の形態２に従う遅延部材５は、中心軸Ａｘに対して対称に構成されるので、入射音波の放射域ＲＡＤの光取込窓５ａに対する最近端を視認可能に構成すれば、必然的に、入射音波の放射域ＲＡＤの光取込窓５ａに対する最遠端も視認可能となる。
（設計例）
【０１０８】
図９を参照して、遅延部材５と被測定物ＳＭＰとの間に介在する、中心軸Ａｘ上の気泡ＢＬを視認する場合の設計例について例示する。
【０１０９】
一例として、遅延部材５の底面部の直径Ｌ＝５０ｍｍとし、遅延部材５と被測定物ＳＭＰとの境界面に対する光取込窓５ａおよび光取出窓５ｂのなす角度α１＝３５°とし、空気の屈折率Ｎａｉｒ＝１．０，遅延部材５の屈折率Ｎ１＝１．５，被測定物ＳＭＰの屈折率Ｎ２＝２．０とする。
【０１１０】
たとえば入射光の光取込窓５ａに対する入射角θｉｎ＝１５．０°とすると、光取込窓５ａで屈折して生じる角度θ１＝９．９３°となる。そのため、入射光Ｌｉｎが遅延部材５と被測定物ＳＭＰとの境界面に入射する角度θ２＝４４．９３°となる。
【０１１１】
ここで、臨界角θｃ＝ｓｉｎ−１（Ｎａｉｒ／Ｎ１）＝４１．８°であるので、角度θ２≧臨界角θｃが成立する。すなわち、入射光Ｌｉｎは、遅延部材５と被測定物ＳＭＰとの間に介在する気泡ＢＬによって全反射する。さらに、観測光Ｌｏｂが光取出窓５ｂに入射する角度θ３＝９．９３°であるので、観測光Ｌｏｂが光取出窓５ｂから射出される射出角θｏｕｔ＝１５．０°が得られる。
【０１１２】
このように、各角度が有意な値に決定できるので、光取込窓５ａから取込まれる入射光Ｌｉｎが順次伝搬して、光取出窓５ｂから射出される経路が形成されることが数学的に示される。
【０１１３】
さらに、図１０を参照して、遅延部材５と被測定物ＳＭＰとの間に介在する、放射域ＲＡＤの光取込窓５ａに対する最近端の位置に介在する気泡ＢＬを視認する場合の設計例について例示する。なお、遅延部材５と被測定物ＳＭＰとの境界面における放射域ＲＡＤの直径ｘ＝４０ｍｍとする。
【０１１４】
上述したのと同様に、入射光の光取込窓５ａに対する入射角θｉｎ＝１５．０°とすると、光取込窓５ａで屈折して生じる角度θ１＝９．９３°となり、入射光Ｌｉｎが遅延部材５と被測定物ＳＭＰとの境界面に入射する角度θ２＝４４．９３°となる。さらに、観測光Ｌｏｂが光取出窓５ｂに入射する角度θ３＝９．９３°であるので、観測光Ｌｏｂが光取出窓５ｂから射出される射出角θｏｕｔ＝１５．０°が得られる。
【０１１５】
ここで、入射光Ｌｉｎが入射する入射位置Ｈｉｎ＝４．４７ｍｍとなる。そのため、光取込窓５ａおよび光取出窓５ｂは、それぞれの高さが遅延部材５と被測定物ＳＭＰとの境界面から４．４７ｍｍを確保できるように形成することで、放射域ＲＡＤのいずれの点に対しても、視認することができる。
【０１１６】
この発明の実施の形態２によれば、部材外部から入射光波を取込んで遅延部材と被測定物との接合部に向けて伝搬させるための光取込窓と、入射光が接合部で反射されて生じる観測光を部材外部へ取出すための光取出窓とが形成された遅延部材が用いられる。さらに、光取込窓は、遅延部材と被測定物との境界に介在物が存在する場合に限って、当該介在物によって入射光が全反射されるように入射光を接合部へ導く。これにより、介在物が存在する領域で生成された観測光は、入射光と略一致する一方、介在物が存在しない領域で生成された観測光には、被測定物の映像情報が含まれる。したがって、介在物が存在するか否かに応じて、観測光には有意な差異が生じるため、音波センサと被測定物との接触状態を視認できる。
【０１１７】
また、この発明の実施の形態２に係る光取込窓および光取出窓は、上述のこの発明の実施の形態１に比較して、遅延部材と被測定物との境界面に対する角度がより小さくなるように形成される。これにより、入射光および観測光の伝搬方向が遅延部材と被測定物との境界面に対してより垂直方向になるので、より容易な視認を実現できる。
［実施の形態３］
【０１１８】
この発明の実施の形態２では、２つの円錐台形が接合された形状を有する遅延部材について例示したが、この発明の実施の形態３においては、円錐台形状の遅延部材を用いる構成について説明する。
【０１１９】
この発明の実施の形態３に従う粘弾性測定装置は、音波センサの遅延部材の形状を除いて、上述のこの発明の実施の形態１に従う粘弾性測定装置１００と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【０１２０】
図１１は、この発明の実施の形態３に従う音波センサ１０３の外観を示す概略図である。
【０１２１】
図１１を参照して、音波センサ１０３は、円錐台形状の遅延部材６と、その上部に接合された円柱形状のトランスデューサ３と、さらにその上部に配置された送受信回路２とから構成される。
【０１２２】
遅延部材６は、より広い断面積をもつ面を底面側に配置した円錐台形の形状を有し、その錐面を含む表面領域に光取込窓および光取出窓が形成される。
図１２は、図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。
【０１２３】
図１２を参照して、遅延部材６、トランスデューサ３および送受信回路２は、いずれも同一の中心軸Ａｘ上に配置される。そして、遅延部材６の錐面およびトランスデューサ３との接合面を除く上面に、光取込窓６ａおよび光取出窓６ｂが形成される。光取込窓６ａは、遅延部材６と被測定物ＳＭＰの境界面に対する入射光Ｌｉｎの入射角θｉｎが、遅延部材６の屈折率と気泡ＢＬの屈折率とに応じて定まる臨界角θｃ以上となるように、取込んだ入射光Ｌｉｎを当該接合部へ導く。これにより、入射光Ｌｉｎは、遅延部材６と被測定物ＳＭＰと間に介在する気泡ＢＬによっていわゆる全反射を生じる一方、気泡ＢＬが存在しない場合には、被測定物ＳＭＰで反射される。したがって、観測光Ｌｏｂは、遅延部材６と被測定物ＳＭＰとの接触状態を表す映像情報を含む。さらに、この観測光Ｌｏｂは、光取出窓６ｂによって部材外部へ取出され、接触状態が視認される。
【０１２４】
なお、この発明の実施の形態３においては、入射光Ｌｉｎおよび観測光Ｌｏｂの経路に応じて、光取込窓６ａおよび光取出窓６ｂの機能を果たす領域がそれぞれ定まるため、光取込窓６ａおよび光取出窓６ｂを予め明確に区別して形成する必要はない。
【０１２５】
光取込窓６ａおよび光取出窓６ｂの形成方法などは、上述したこの発明の実施の形態１と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。また、遅延部材６の内部媒質などについても、上述の遅延部材４と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【０１２６】
この発明の実施の形態３に従う光取込窓６ａおよび光取出窓６ｂは、上述のこの発明の実施の形態２に従う光取込窓５ａおよび光取出窓５ｂを被測定物ＳＭＰとの境界面方向に延長したものと等価であるので、入射光Ｌｉｎおよび観測光Ｌｏｂの挙動は、この発明の実施の形態２に従う遅延部材５における挙動と同様となる。そのため、入射光Ｌｉｎおよび観測光Ｌｏｂの挙動についての詳細な説明は繰返さない。
【０１２７】
図１３は、図１２において入射音波の放射域ＲＡＤの光取込窓６ａに対する最近端を視認する場合を示した図である。
【０１２８】
図１３を参照して、遅延部材６と被測定物ＳＭＰとの境界面において、トランスデューサ３から放射される入射音波の放射域ＲＡＤの紙面右端に介在する気泡ＢＬを視認するためには、図１２における一連の関係式が成立する必要がある。そのため、光取込窓６ａおよび光取出窓６ｂの長さおよび角度などを適切に設計する必要がある。特に、光取込窓６ａに入射光Ｌｉｎが入射する入射位置Ｈｉｎ、および光取出窓６ｂから観測光Ｌｏｂが射出する射出位置Ｈｏｕｔを適切に設計する必要がある。
【０１２９】
なお、この発明の実施の形態３に従う遅延部材６は、中心軸Ａｘに対して対称に構成されるので、入射音波の放射域ＲＡＤの光取込窓６ａに対する最近端を視認可能に構成すれば、必然的に、入射音波の放射域ＲＡＤの光取込窓６ａに対する最遠端も視認可能となる。
（設計例）
【０１３０】
図１２を参照して、遅延部材６と被測定物ＳＭＰとの間に介在する、中心軸Ａｘ上の気泡ＢＬを視認する場合の設計例について例示する。
【０１３１】
一例として、遅延部材６の底面部の直径Ｌ＝５０ｍｍとし、遅延部材６と被測定物ＳＭＰとの境界面に対する光取込窓６ａおよび光取出窓６ｂのなす角度α１＝３０°とし、空気の屈折率Ｎａｉｒ＝１．０，遅延部材６の屈折率Ｎ１＝１．５，被測定物ＳＭＰの屈折率Ｎ２＝２．０とする。
【０１３２】
たとえば入射光の光取込窓６ａに対する入射角θｉｎ＝１５．０°とすると、光取込窓６ａで屈折して生じる角度θ１＝９．９３°となる。そのため、入射光Ｌｉｎが遅延部材６と被測定物ＳＭＰとの境界面に入射する角度θ２＝４４．９３°となる。
【０１３３】
ここで、臨界角θｃ＝ｓｉｎ−１（Ｎａｉｒ／Ｎ１）＝４１．８°であるので、角度θ２≧臨界角θｃが成立する。すなわち、入射光Ｌｉｎは、遅延部材６と被測定物ＳＭＰとの間に介在する気泡ＢＬによって全反射する。さらに、観測光Ｌｏｂが光取出窓６ｂに入射する角度θ３＝９．９３°であるので、観測光Ｌｏｂが光取出窓６ｂから射出される射出角θｏｕｔ＝１５．０°が得られる。
【０１３４】
このように、各角度が有意な値に決定できるので、光取込窓６ａから取込まれる入射光Ｌｉｎが順次伝搬して、光取出窓６ｂから射出される経路が形成されることが数学的に示される。
【０１３５】
この発明の実施の形態３によれば、部材外部から入射光波を取込んで遅延部材と被測定物との接合部に向けて伝搬させるための光取込窓と、入射光が接合部で反射されて生じる観測光を部材外部へ取出すための光取出窓とが形成された遅延部材が用いられる。さらに、光取込窓は、遅延部材と被測定物との境界に介在物が存在する場合に限って、当該介在物によって入射光が全反射されるように入射光を接合部へ導く。これにより、介在物が存在する領域で生成された観測光は、入射光と略一致する一方、介在物が存在しない領域で生成された観測光には、被測定物の映像情報が含まれる。したがって、介在物が存在するか否かに応じて、観測光には有意な差異が生じるため、音波センサと被測定物との接触状態を視認できる。
【０１３６】
また、この発明の実施の形態３に係る遅延部材は、より広い断面積をもつ面で被測定物と密着するように構成されるので、粘弾性特性の測定対象領域が比較的広い場合であっても、確実に音波センサと被測定物との接触状態を視認できる。
［実施の形態４］
【０１３７】
上述のこの発明の実施の形態１〜３においては、光取込窓によって取込まれた入射光が遅延部材と被測定物との間に介在する気泡によって全反射される構成について例示した。一方、この発明の実施の形態４においては、光取込窓によって取込まれた入射光が遅延部材と被測定物との間に介在する気泡に入射する構成について説明する。
【０１３８】
この発明の実施の形態４に従う粘弾性測定装置は、音波センサの遅延部材における各設計値を除いて、図１、図２および図４に示すこの発明の実施の形態１に従う粘弾性測定装置１００と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
図１４は、この発明の実施の形態４に従う音波センサの断面図である。
【０１３９】
図１４を参照して、この発明の実施の形態４に従う音波センサは、同一の中心軸Ａｘ上に配置される遅延部材＃４、トランスデューサ３および送受信回路２からなる。そして、
遅延部材＃４は、被測定物ＳＭＰを視認可能とするために、その互いに対向する側表面に光取込窓＃４ａおよび光取出窓＃４ｂが形成される。
【０１４０】
光取込窓＃４ａは、部材外部から入射光Ｌｉｎを取込んで、取込んだ入射光Ｌｉｎを遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの接合部に向けて伝搬させ、光取出窓＃４ｂは、入射光Ｌｉｎが遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの接合部で反射されて生じる観測光Ｌｏｂを部材外部へ取出す。
【０１４１】
より詳細には、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界に介在物である気泡ＢＬが存在する場合には、入射光Ｌｉｎは、介在する気泡ＢＬに入射して伝搬後に、気泡ＢＬと被測定物ＳＭＰとの境界で反射されて、観測光Ｌｏｂを生成する。一方、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界に介在物である気泡ＢＬが存在しない場合には、入射光Ｌｉｎは、遅延部材＃４と接する被測定物ＳＭＰによって反射されて観測光Ｌｏｂを生成する。そのため、気泡ＢＬの有無に関わらず、観測光Ｌｏｂには、被測定物ＳＭＰの表面状態についての映像情報が含まれるが、気泡ＢＬが存在する場合には、気泡ＢＬ自体の映像情報も観測光Ｌｏｂに含まれることになる。したがって、気泡ＢＬの有無に応じて、観測光Ｌｏｂには有意な差異が生じるため、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの接触状態を視認できる。
また、上述の実施の形態１〜３で示したような全反射して生じる観測光を用いる場合には、被測定物ＳＭＰが白色であれば、観測光との色の差異がわずかになるので、気泡ＢＬの存在を観測しにくいことも想定されるが、本実施の形態によれば、白色の被測定物ＳＭＰに対しても、確実に気泡ＢＬの有無を確認できる。
【０１４２】
要約すると、光取込窓＃４ａは、入射光が遅延部材＃４と気泡ＢＬとの境界に到達すると、遅延部材＃４を通過して気泡ＢＬへ入射した後、気泡ＢＬと被測定物ＳＭＰとの境界で反射されるように、入射光を遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの接合部へ導く。すなわち、光取込窓＃４ａは、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界面に対する入射光の入射角が、遅延部材＃４の屈折率と気泡ＢＬの屈折率とに応じて定まる臨界角より小さくなるように、入射光Ｌｉｎを当該接合部へ導く。
【０１４３】
光取込窓＃４ａおよび光取出窓＃４ｂの形成方法などは、上述したこの発明の実施の形態１と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。また、遅延部材＃４の内部媒質などについても、上述の遅延部材４と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【０１４４】
以下、入射光Ｌｉｎが被測定物ＳＭＰで反射されて観測光Ｌｏｂを生じる場合の挙動について詳述する。特に、中心軸Ａｘ上であって、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界面に介在する気泡ＢＬを介して被測定物ＳＭＰを視認する場合について説明する。
【０１４５】
まず、光取込窓＃４ａに対する入射光Ｌｉｎの入射角θｉｎと、入射光Ｌｉｎが遅延部材＃４の内部を伝搬する方向を規定する角度θ１との関係をみる。両者の間には、スネルの法則により、空気の屈折率Ｎａｉｒと遅延部材＃４の屈折率Ｎ１とを用いて、
Ｎａｉｒ・ｓｉｎθｉｎ＝Ｎ１・ｓｉｎθ１
の関係が成立する。そのため、入射光Ｌｉｎが遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界面に入射する角度θ２は、
θ２＝π／２−θ１
となる。ここで、入射光Ｌｉｎが遅延部材＃４を通過するためには、入射する角度θ２が臨界角θｃより小さくなる必要がある。すなわち、
θ２＝π／２−θ１＜θｃ
が成立する必要がある。ここで、気泡ＢＬの屈折率は、空気の屈折率と同じくＮａｉｒ（Ｎａｉｒ≦Ｎ１）であるので、臨界角θｃは、
θｃ＝ｓｉｎ−１（Ｎａｉｒ／Ｎ１）
となる。
【０１４６】
図１５は、遅延部材＃４と気泡ＢＬとの境界における光波の挙動を説明するための図である。
【０１４７】
図１５を参照して、被測定物ＳＭＰに入射する入射光Ｌｉｎの角度θ２と、入射光Ｌｉｎが気泡ＢＬ内に入射する角度θ３との関係をみる。両者の間には、スネルの法則により、遅延部材＃４の屈折率Ｎ１と空気の屈折率Ｎａｉｒとを用いて、
Ｎ１・ｓｉｎθ２＝Ｎａｉｒ・ｓｉｎθ３
の関係が成立する。そのため、入射光Ｌｉｎが気泡ＢＬと被測定物ＳＭＰとの境界面に入射する角度θ４は、
θ４＝π／２−θ３
となる。ここで、屈折率Ｎａｉｒ＞屈折率Ｎ２であれば、気泡ＢＬと被測定物ＳＭＰとの境界に到達した入射光Ｌｉｎは、被測定物ＳＭＰへ入射し、その一部が被測定物ＳＭＰで反射され、観測光Ｌｏｂが生成される。生成される観測光Ｌｏｂは、入射光Ｌｉｎの入射経路と対称的な経路を伝搬するので、観測光Ｌｏｂが気泡ＢＬと遅延部材＃４との境界面に入射する角度θ５は、
θ５＝π／２−θ４＝θ３
となる。さらに、遅延部材＃４の内部を伝搬する観測光Ｌｏｂが遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界面に対して成す角度θ６には、
【０１４８】
Ｎ１・ｓｉｎθ６＝Ｎａｉｒ・ｓｉｎθ５＝Ｎａｉｒ・ｓｉｎθ３＝Ｎ１・ｓｉｎθ２
の関係が成立するので、
θ６＝θ２
となる。さらに、再度、図１４を参照して、観測光Ｌｏｂが光取出窓４ｂに入射する角度θ７は、
θ７＝π／２−θ６
となる。そして、観測光Ｌｏｂが光取出窓４ｂを通過する場合の射出角θｏｕｔと角度θ３との間には、
Ｎ１・ｓｉｎθ７＝Ｎａｉｒ・ｓｉｎθｏｕｔ
の関係が成立する。したがって、射出角θｏｕｔは、
θｏｕｔ＝ｓｉｎ−１（ｓｉｎθ７・Ｎ１／Ｎａｉｒ）
と表される。
【０１４９】
すなわち、上述の一連の関係式が成立する場合には、入射光Ｌｉｎは、遅延部材＃４と気泡ＢＬとの境界を通過した後、気泡ＢＬと被測定物ＳＭＰとの境界で反射されることで、被測定物ＳＭＰの状態に応じた映像情報を含む観測光Ｌｏｂが生成される。したがって、光取込窓＃４ａおよび光取出窓＃４ｂは、上述の一連の関係式が成立するように、その位置、場所、大きさ、角度などが適切に設計される。
【０１５０】
なお、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界に気泡ＢＬが介在しない場合には、入射光Ｌｉｎは、遅延部材４を通過して被測定物ＳＭＰへ入射し、その一部が被測定物ＳＭＰで反射される。
【０１５１】
さらに、トランスデューサ３からは、所定の立体角で入射音波が放射される。そのため、粘弾性特性を正確に測定するためには、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界面内の入射音波が入射する領域のいずれの点に対しても、気泡ＢＬに入射した後に反射される入射光Ｌｉｎおよび観測光Ｌｏｂが存在するように、光取込窓＃４ａおよび光取出窓＃４ｂを形成する必要がある。
【０１５２】
図１６は、図１５において入射音波の放射域ＲＡＤの光取込窓＃４ａに対する最近端を視認する場合を示した図である。
【０１５３】
図１６を参照して、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界において、トランスデューサ３から放射される入射音波の放射域ＲＡＤの紙面右端に介在する気泡ＢＬを視認するためには、図１５における一連の関係式が成立する必要がある。
【０１５４】
ここで、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界面における遅延部材４の幅長をＬとし、入射音波が入射する領域の幅長をｘ（ｘ≦Ｌ）とすると、観測光Ｌｏｂの入射位置Ｈｉｎ、および放射域ＲＡＤの右端と光取込窓４ａとの距離（Ｌ−ｘ）／２を適切に設計する必要がある。
【０１５５】
図１７は、図１５において入射音波の放射域ＲＡＤの光取込窓＃４ａに対する最遠端を視認する場合を示した図である。
【０１５６】
図１７を参照して、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界において、トランスデューサ３から放射される入射音波の放射域ＲＡＤの紙面左端に介在する気泡ＢＬを視認するためには、図１５における一連の関係式が成立する必要がある。
【０１５７】
図１６と同様に、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界面における遅延部材４の幅長をＬとし、入射音波が入射する領域の幅長をｘ（ｘ≦Ｌ）とすると、観測光Ｌｏｂの射出位置Ｈｏｕｔ、および放射域ＲＡＤの紙面左端と光取出窓＃４ｂとの距離（Ｌ−ｘ）／２を適切に設計する必要がある。
【０１５８】
すなわち、光取込窓＃４ａは、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界面内の入射音波が入射する領域の各点において、気泡ＢＬに応じた観測光Ｌｏｂを生成するための入射光Ｌｉｎを取込み可能に構成され、光取出窓＃４ｂは、入射音波が入射する領域の各々の点において生成される観測光Ｌｏｂをいずれも取出し可能に構成される。
（設計例）
【０１５９】
図１４を参照して、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの間に介在する、中心軸Ａｘ上の気泡ＢＬを視認する場合の設計例について例示する。
【０１６０】
一例として、遅延部材＃４の幅長Ｌ＝５０ｍｍとし、空気の屈折率Ｎａｉｒ＝１．０，遅延部材＃４の屈折率Ｎ１＝１．１，被測定物ＳＭＰの屈折率Ｎ２＝１．６５とする。
【０１６１】
たとえば入射光の入射角θｉｎ＝３０．０°とすると、光取込窓＃４ａで屈折して生じる角度θ１＝２７．０°となる。そのため、入射光Ｌｉｎが遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界面に入射する角度θ２＝６３．０°となる。
【０１６２】
ここで、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの間に介在する気泡ＢＬの臨界角θｃ＝ｓｉｎ−１（Ｎａｉｒ／Ｎ１）＝６５．４°であるので、角度θ２＜臨界角θｃが成立する。すなわち、遅延部材＃４と気泡ＢＬとの境界面に到達した入射光Ｌｉｎは、遅延部材＃４を通過して気泡ＢＬへ入射する。
【０１６３】
再度、図１５を参照して、気泡ＢＬに入射した入射光Ｌｉｎは、遅延部材＃４と気泡ＢＬとの境界面において屈折して、角度θ３の角度で気泡ＢＬ内を伝搬する。このとき、角度θ３＝３６．４°となるので、入射光Ｌｉｎの気泡ＢＬと被測定物ＳＭＰとの境界面に入射する角度も３６．４°となる。入射光Ｌｉｎが気泡ＢＬと被測定物ＳＭＰとの境界面で反射されて観測光Ｌｏｂを生じる。そして、観測光Ｌｏｂが気泡ＢＬと遅延部材＃４との境界面に最入射する角度θ５＝θ３＝３６．４°となり、観測光Ｌｏｂが当該境界面から射出される角度θ６＝θ２＝６３．０°となる。
【０１６４】
再度、図１４を参照して、観測光Ｌｏｂが光取出窓＃４ｂに入射する角度θ７＝２７．０°であるので、観測光Ｌｏｂが光取出窓＃４ｂから射出される射出角θｏｕｔ＝３０．０°が得られる。
【０１６５】
このように、各角度が有意な値に決定できるので、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界に気泡ＢＬが介在していれば、光取込窓＃４ａから取込まれる入射光Ｌｉｎが順次伝搬して、光取出窓＃４ｂから射出される経路が形成されることが数学的に示される。
【０１６６】
さらに、図１６を参照して、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの間に介在する、放射域ＲＡＤの光取込窓＃４ａに対する最近端の位置に介在する気泡ＢＬを視認する場合の設計例について例示する。なお、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界面における放射域ＲＡＤの幅長ｘ＝４０ｍｍとする。
【０１６７】
上述したのと同様に、入射光Ｌｉｎの光取込窓＃４に対する入射角θｉｎ＝３０．０°とすると、光取込窓＃４ａで屈折して生じる角度θ１＝２７．０°となり、入射光Ｌｉｎが遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界面に入射する角度θ２＝６３．０°となる。
【０１６８】
ここで、入射音波の放射域ＲＡＤの紙面右端に入射光Ｌｉｎを入射可能とするためには、入射光Ｌｉｎは、入射位置Ｈｉｎ＝２．５４ｍｍにおいて光取込窓＃４ａによって取込まれる必要がある。すなわち、入射位置Ｈｉｎ＝２．５４ｍｍより高い位置で入射光Ｌｉｎを取込むように構成することで、放射域ＲＡＤのいずれの点に対しても、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの接触状態を視認することができる。
【０１６９】
なお、上述の説明においては、光取込窓＃４ａおよび光取出窓＃４ｂを明確に区別して記載したが、光取込窓＃４ａおよび光取出窓＃４ｂは、その機能において互いに相補の関係にある。すなわち、光取込窓＃４ａおよび光取出窓＃４ｂは、入射光の光源位置などに応じて、機能的に定まることになる。
【０１７０】
この発明の実施の形態４によれば、部材外部から入射光波を取込んで遅延部材と被測定物との接合部に向けて伝搬させるための光取込窓と、入射光が接合部で反射されて生じる観測光を部材外部へ取出すための光取出窓とが形成された遅延部材が用いられる。さらに、光取込窓は、遅延部材と被測定物との境界に気泡などの介在物が存在する場合には、当該気泡に入射した後に、当該気泡と被測定物との境界で反射されて観測光を生成するように、入射光を接合部へ導く。これにより、介在物が存在する領域で生成された観測光は、気泡自体の映像情報を含むようになる。したがって、介在物が存在するか否かに応じて、観測光には有意な差異が生じるため、音波センサと被測定物との接触状態を視認できる。
［実施の形態５］
【０１７１】
この発明の実施の形態４では、立方体形状を有する遅延部材について、光取込窓によって取込まれた入射光が遅延部材を通過して介在物に入射する構成について例示した。一方、この発明の実施の形態５においては、２つの円錐台形からなる遅延部材について、光取込窓によって取込まれた入射光が遅延部材を通過して介在物に入射する構成について説明する。
【０１７２】
この発明の実施の形態５に従う粘弾性測定装置は、音波センサの遅延部材における各設計値を除いて、図８に示すこの発明の実施の形態２に従う粘弾性測定装置と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
図１８は、この発明の実施の形態５に従う音波センサの断面図である。
【０１７３】
図１８を参照して、この発明の実施の形態５に従う音波センサは、同一の中心軸Ａｘ上に配置される遅延部材＃５、トランスデューサ３および送受信回路２からなる。そして、
遅延部材＃５の上側の円錐台形に相当する領域に、光取込窓＃５ａおよび光取出窓＃５ｂが形成される。より詳細には、光取込窓＃５ａは、入射光が遅延部材＃５と気泡ＢＬとの境界に到達すると、遅延部材＃５を通過して気泡ＢＬへ入射した後、気泡ＢＬと被測定物ＳＭＰとの境界で反射されるように、入射光を遅延部材＃５と被測定物ＳＭＰとの接合部へ導く。すなわち、光取込窓＃５ａは、遅延部材＃５と被測定物ＳＭＰとの境界面に対する入射光の入射角が、遅延部材＃５の屈折率と気泡ＢＬの屈折率とに応じて定まる臨界角より小さくなるように、入射光Ｌｉｎを当該接合部へ導く。これにより、気泡ＢＬの有無に応じて、観測光Ｌｏｂには有意な差異が生じるため、遅延部材＃５と被測定物ＳＭＰとの接触状態を視認できる。
【０１７４】
光取込窓＃５ａおよび光取出窓＃５ｂの形成方法などは、上述したこの発明の実施の形態１と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。また、遅延部材＃５の内部媒質などについても、上述の遅延部材４と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【０１７５】
以下、入射光Ｌｉｎが被測定物ＳＭＰで反射されて観測光Ｌｏｂを生じる場合の挙動について詳述する。特に、中心軸Ａｘ上であって、遅延部材＃５と被測定物ＳＭＰとの境界面に介在する気泡ＢＬを介して被測定物ＳＭＰを視認する場合について説明する。
【０１７６】
まず、光取込窓＃５ａに対する入射光Ｌｉｎの入射角θｉｎと、入射光Ｌｉｎが遅延部材＃５の内部を伝搬する方向を規定する角度θ１との関係をみる。両者の間には、スネルの法則により、空気の屈折率Ｎａｉｒと遅延部材＃５の屈折率Ｎ１とを用いて、
Ｎａｉｒ・ｓｉｎθｉｎ＝Ｎ１・ｓｉｎθ１
の関係が成立する。ここで、遅延部材＃５と被測定物ＳＭＰとの境界面に対する光取込窓＃５ａおよび光取出窓＃５ｂのなす角度をα２とすると、入射光Ｌｉｎが遅延部材＃５と被測定物ＳＭＰとの境界面に入射する角度θ２は、
θ２＝θ１＋α２
となる。ここで、入射光Ｌｉｎが遅延部材＃５を通過するためには、入射する角度θ２が臨界角θｃより小さくなる必要がある。すなわち、
θ２＝θ１＋α２＜θｃ
が成立する必要がある。ここで、気泡ＢＬの屈折率は、空気の屈折率と同じくＮａｉｒ（Ｎａｉｒ≦Ｎ１）であるので、臨界角θｃは、
θｃ＝ｓｉｎ−１（Ｎａｉｒ／Ｎ１）
となる。遅延部材＃５を通過した後の入射光Ｌｉｎの挙動については、上述のこの発明の実施の形態４において、図１５に示した内容と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【０１７７】
そして、気泡ＢＬと被測定物ＳＭＰとの境界面で反射されて生成される観測光Ｌｏｂが遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界面に対して成す角度θ６は、角度θ２と一致する。そのため、観測光Ｌｏｂが光取出窓＃５ｂに入射する角度θ７は、
θ７＝θ６−α２＝θ２−α２＝θ１
となる。そして、観測光Ｌｏｂが光取出窓＃５ｂを通過する場合の射出角θｏｕｔと角度θ７との間には、
Ｎ１・ｓｉｎθ７＝Ｎａｉｒ・ｓｉｎθｏｕｔ
の関係が成立する。したがって、射出角θｏｕｔは、
θｏｕｔ＝ｓｉｎ−１（ｓｉｎθ７・Ｎ１／Ｎａｉｒ）
と表される。
【０１７８】
すなわち、上述の一連の関係式が成立する場合には、入射光Ｌｉｎは、遅延部材＃５と気泡ＢＬとの境界を通過した後、気泡ＢＬと被測定物ＳＭＰとの境界で反射されることで、被測定物ＳＭＰの状態に応じた映像情報を含む観測光Ｌｏｂが生成される。したがって、光取込窓＃５ａおよび光取出窓＃５ｂは、上述の一連の関係式が成立するように、その位置、場所、大きさ、角度などが適切に設計される。
【０１７９】
さらに、トランスデューサ３からは、所定の立体角で入射音波が放射される。そのため、粘弾性特性を正確に測定するためには、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界面内の入射音波が入射する領域のいずれの点に対しても、全反射を生じる入射光Ｌｉｎおよび観測光Ｌｏｂが存在するように、光取込窓＃５ａおよび光取出窓＃５ｂを形成する必要がある。
【０１８０】
図１９は、図１８において入射音波の放射域ＲＡＤの光取込窓＃５ａに対する最近端を視認する場合を示した図である。
【０１８１】
図１９を参照して、遅延部材＃５と被測定物ＳＭＰとの境界において、トランスデューサ３から放射される入射音波の放射域ＲＡＤの紙面右端に介在する気泡ＢＬを視認するためには、図１８における一連の関係式が成立する必要がある。そのため、光取込窓＃５ａおよび光取出窓＃５ｂの長さおよび角度などを適切に設計する必要がある。特に、光取込窓＃５ａに入射光Ｌｉｎが入射する入射位置Ｈｉｎ、および光取出窓＃５ｂから観測光Ｌｏｂが射出する射出位置Ｈｏｕｔを適切に設計する必要がある。
【０１８２】
なお、この発明の実施の形態５に従う遅延部材５＃は、中心軸Ａｘに対して対称に構成されるので、入射音波の放射域ＲＡＤの光取込窓＃５ａに対する最近端を視認可能に構成すれば、必然的に、入射音波の放射域ＲＡＤの光取込窓＃５ａに対する最遠端も視認可能となる。
（設計例）
【０１８３】
図１８を参照して、遅延部材＃５と被測定物ＳＭＰとの間に介在する、中心軸Ａｘ上の気泡ＢＬを視認する場合の設計例について例示する。
【０１８４】
一例として、遅延部材＃５の幅長Ｌ＝５０ｍｍとし、遅延部材＃５と被測定物ＳＭＰとの境界面に対する光取込窓＃５ａおよび光取出窓＃５ｂのなす角度α１＝３０°とし、空気の屈折率Ｎａｉｒ＝１．０，遅延部材＃５の屈折率Ｎ１＝１．１，被測定物ＳＭＰの屈折率Ｎ２＝２．０とする。
【０１８５】
たとえば入射光の入射角θｉｎ＝１５．０°とすると、光取込窓＃５ａで屈折して生じる角度θ１＝１２．７°となる。そのため、入射光Ｌｉｎが遅延部材＃５と被測定物ＳＭＰとの境界面に入射する角度θ２＝４２．７°となる。
【０１８６】
ここで、遅延部材＃５と被測定物ＳＭＰとの間に介在する気泡ＢＬの臨界角θｃ＝ｓｉｎ−１（Ｎａｉｒ／Ｎ１）＝６５．４°であるので、角度θ２＜臨界角θｃが成立する。すなわち、遅延部材＃５と気泡ＢＬとの境界面に到達した入射光Ｌｉｎは、遅延部材＃５を通過して気泡ＢＬへ入射する。
【０１８７】
再度、図１５を参照して、気泡ＢＬに入射した入射光Ｌｉｎは、遅延部材＃５と気泡ＢＬとの境界面において屈折して、角度θ３の角度で気泡ＢＬ内を伝搬する。このとき、角度θ３＝４８．２°となる。さらに、入射光Ｌｉｎは、気泡ＢＬと被測定物ＳＭＰとの境界面で反射されて観測光Ｌｏｂを生じる。そして、観測光Ｌｏｂが気泡ＢＬと遅延部材＃５との境界面に最入射する角度θ５＝θ３＝４８．２°となり、観測光Ｌｏｂが当該境界面から射出される角度θ６＝θ２＝４２．７°となる。
【０１８８】
再度、図１８を参照して、観測光Ｌｏｂが光取出窓＃５ｂに入射する角度θ７＝１２．７°であるので、観測光Ｌｏｂが光取出窓＃５ｂから射出される射出角θｏｕｔ＝１５．０°が得られる。
【０１８９】
このように、各角度が有意な値に決定できるので、光取込窓＃５ａから取込まれる入射光Ｌｉｎが順次伝搬して、光取出窓＃５ｂから射出される経路が形成されることが数学的に示される。
【０１９０】
さらに、図１９を参照して、遅延部材＃５と被測定物ＳＭＰとの間に介在する、放射域ＲＡＤの光取込窓＃５ａに対する最近端の位置に介在する気泡ＢＬを視認する場合の設計例について例示する。なお、遅延部材＃５と被測定物ＳＭＰとの境界面における放射域ＲＡＤの直径ｘ＝４０ｍｍとする。
【０１９１】
上述したのと同様に、入射光の光取込窓＃５ａに対する入射角θｉｎ＝１５．０°とすると、光取込窓＃５ａで屈折して生じる角度θ１＝１２．７°となり、入射光Ｌｉｎが遅延部材＃５と被測定物ＳＭＰとの境界面に入射する角度θ２＝４２．７°となる。さらに、観測光Ｌｏｂが光取出窓＃５ｂに入射する角度θ３＝４８．２°となり、以下同様であるので、観測光Ｌｏｂが光取出窓＃５ｂから射出される射出角θｏｕｔ＝１５．０°が得られる。
【０１９２】
ここで、入射光Ｌｉｎが入射する入射位置Ｈｉｎ＝２７．１ｍｍとなる。そのため、光取込窓＃５ａおよび光取出窓＃５ｂは、それぞれの高さが遅延部材＃５と被測定物ＳＭＰとの境界面から２７．１ｍｍを確保できるように形成することで、放射域ＲＡＤのいずれの点に対しても、視認することができる。
【０１９３】
この発明の実施の形態５によれば、部材外部から入射光波を取込んで遅延部材と被測定物との接合部に向けて伝搬させるための光取込窓と、入射光が接合部で反射されて生じる観測光を部材外部へ取出すための光取出窓とが形成された遅延部材が用いられる。さらに、光取込窓は、遅延部材と被測定物との境界に気泡などの介在物が存在する場合には、当該気泡に入射した後に、当該気泡と被測定物との境界で反射されて観測光を生成するように、入射光を接合部へ導く。これにより、介在物が存在する領域で生成された観測光は、気泡自体の映像情報を含むようになる。したがって、介在物が存在するか否かに応じて、観測光には有意な差異が生じるため、音波センサと被測定物との接触状態を視認できる。
【０１９４】
また、この発明の実施の形態５に係る光取込窓および光取出窓は、上述のこの発明の実施の形態１に比較して、遅延部材と被測定物との境界面に対する角度がより小さくなるように形成される。これにより、入射光および観測光の伝搬方向が遅延部材と被測定物との境界面に対してより垂直方向になるので、より容易な視認を実現できる。
［実施の形態６］
【０１９５】
この発明の実施の形態５では、２つの円錐台形が接合された形状を有する遅延部材において、光取込窓によって取込まれた入射光が遅延部材を通過して介在物に入射する構成について例示した。一方、この発明の実施の形態６においては、円錐台形状の遅延部材を用いる構成について説明する。
【０１９６】
この発明の実施の形態６に従う粘弾性測定装置は、音波センサの遅延部材における各設計値を除いて、図８に示すこの発明の実施の形態３に従う粘弾性測定装置と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
図２０は、この発明の実施の形態６に従う音波センサの断面図である。
【０１９７】
図２０を参照して、この発明の実施の形態６に従う音波センサは、同一の中心軸Ａｘ上に配置される遅延部材＃６、トランスデューサ３および送受信回路２からなる。そして、遅延部材＃６の錐面およびトランスデューサ３との接合面を除く上面に、光取込窓＃６ａおよび光取出窓＃６ｂが形成される。
【０１９８】
より詳細には、光取込窓＃６ａは、入射光が遅延部材＃６と気泡ＢＬとの境界に到達すると、遅延部材＃６を通過して気泡ＢＬへ入射した後、気泡ＢＬと被測定物ＳＭＰとの境界で反射されるように、入射光を遅延部材＃６と被測定物ＳＭＰとの接合部へ導く。すなわち、光取込窓＃６ａは、遅延部材＃６と被測定物ＳＭＰとの境界面に対する入射光の入射角が、遅延部材＃６の屈折率と気泡ＢＬの屈折率とに応じて定まる臨界角より小さくなるように、入射光Ｌｉｎを当該接合部へ導く。これにより、気泡ＢＬの有無に応じて、観測光Ｌｏｂには有意な差異が生じるため、遅延部材＃６と被測定物ＳＭＰとの接触状態を視認できる。
【０１９９】
なお、この発明の実施の形態６においては、入射光Ｌｉｎおよび観測光Ｌｏｂの経路に応じて、光取込窓＃６ａおよび光取出窓＃６ｂの機能を果たす領域がそれぞれ定まるため、光取込窓＃６ａおよび光取出窓＃６ｂを予め明確に区別して形成する必要はない。
【０２００】
光取込窓＃６ａおよび光取出窓＃６ｂの形成方法などは、上述したこの発明の実施の形態１と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。また、遅延部材＃６の内部媒質などについても、上述の遅延部材４と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【０２０１】
この発明の実施の形態６に従う光取込窓＃６ａおよび光取出窓＃６ｂは、上述のこの発明の実施の形態５に従う光取込窓＃５ａおよび光取出窓＃５ｂを被測定物ＳＭＰとの境界面方向に延長したものと等価であるので、入射光Ｌｉｎおよび観測光Ｌｏｂの挙動は、この発明の実施の形態５に従う遅延部材＃５における挙動と同様となる。そのため、入射光Ｌｉｎおよび観測光Ｌｏｂの挙動についての詳細な説明は繰返さない。
【０２０２】
図２１は、図２０において入射音波の放射域ＲＡＤの光取込窓＃６ａに対する最近端を視認する場合を示した図である。
【０２０３】
図２１を参照して、遅延部材＃６と被測定物ＳＭＰとの境界面において、トランスデューサ３から放射される入射音波の放射域ＲＡＤの紙面右端に介在する気泡ＢＬを視認するためには、図２０における入射光Ｌｉｎおよび観測光Ｌｏｂの各角度の関係が成立する必要がある。そのため、光取込窓＃６ａおよび光取出窓＃６ｂの長さおよび角度などを適切に設計する必要がある。特に、光取込窓＃６ａに入射光Ｌｉｎが入射する入射位置Ｈｉｎ、および光取出窓＃６ｂから観測光Ｌｏｂが射出する射出位置Ｈｏｕｔを適切に設計する必要がある。
【０２０４】
なお、この発明の実施の形態６に従う遅延部材＃６は、中心軸Ａｘを対称にして配置されるので、入射音波の放射域ＲＡＤの光取込窓＃６ａに対する最近端を視認可能に構成することで、入射音波の放射域ＲＡＤの光取込窓＃６ａに対する最遠端を視認可能となる。
（設計例）
【０２０５】
図２０を参照して、遅延部材＃６と被測定物ＳＭＰとの間に介在する、中心軸Ａｘ上の気泡ＢＬを視認する場合の設計例について例示する。
【０２０６】
一例として、遅延部材＃６の幅長Ｌ＝５０ｍｍとし、遅延部材＃６と被測定物ＳＭＰとの境界面に対する光取込窓＃６ａおよび光取出窓＃６ｂのなす角度α１＝３０°とし、空気の屈折率Ｎａｉｒ＝１．０，遅延部材＃６の屈折率Ｎ１＝１．１，被測定物ＳＭＰの屈折率Ｎ２＝２．０とする。
【０２０７】
たとえば入射光の入射角θｉｎ＝１５．０°とすると、光取込窓＃６ａで屈折して生じる角度θ１＝１２．７°となる。そのため、入射光Ｌｉｎが遅延部材＃６と被測定物ＳＭＰとの境界面に入射する角度θ２＝４２．７°となる。
【０２０８】
ここで、遅延部材＃６と被測定物ＳＭＰとの間に介在する気泡ＢＬの臨界角θｃ＝ｓｉｎ−１（Ｎａｉｒ／Ｎ１）＝６５．４°であるので、角度θ２＜臨界角θｃが成立する。すなわち、遅延部材＃６と気泡ＢＬとの境界面に到達した入射光Ｌｉｎは、遅延部材＃６を通過して気泡ＢＬへ入射する。
【０２０９】
再度、図１５を参照して、気泡ＢＬに入射した入射光Ｌｉｎは、遅延部材＃６と気泡ＢＬとの境界面において屈折して、角度θ３の角度で気泡ＢＬ内を伝搬する。このとき、角度θ３＝４８．２°となる。さらに、入射光Ｌｉｎは、気泡ＢＬと被測定物ＳＭＰとの境界面で反射されて観測光Ｌｏｂを生じる。そして、観測光Ｌｏｂが気泡ＢＬと遅延部材＃６との境界面に最入射する角度θ５＝θ３＝４８．２°となり、観測光Ｌｏｂが当該境界面から射出される角度θ６＝θ２＝４２．７°となる。
【０２１０】
再度、図２０を参照して、観測光Ｌｏｂが光取出窓＃６ｂに入射する角度θ７＝１２．７°であるので、観測光Ｌｏｂが光取出窓＃６ｂから射出される射出角θｏｕｔ＝１５．０°が得られる。
【０２１１】
このように、各角度が有意な値に決定できるので、光取込窓＃６ａから取込まれる入射光Ｌｉｎが順次伝搬して、光取出窓＃６ｂから射出される経路が形成されることが数学的に示される。
【０２１２】
この発明の実施の形態６によれば、部材外部から入射光波を取込んで遅延部材と被測定物との接合部に向けて伝搬させるための光取込窓と、入射光が接合部で反射されて生じる観測光を部材外部へ取出すための光取出窓とが形成された遅延部材が用いられる。さらに、光取込窓は、遅延部材と被測定物との境界に気泡などの介在物が存在する場合には、当該気泡に入射した後に、当該気泡と被測定物との境界で反射されて観測光を生成するように、入射光を接合部へ導く。これにより、介在物が存在する領域で生成された観測光は、気泡自体の映像情報を含むようになる。したがって、介在物が存在するか否かに応じて、観測光には有意な差異が生じるため、音波センサと被測定物との接触状態を視認できる。
【０２１３】
また、この発明の実施の形態６に係る遅延部材は、より広い断面積をもつ面で被測定物と密着するように構成されるので、粘弾性特性の測定対象領域が比較的広い場合であっても、確実に音波センサと被測定物との接触状態を視認できる。
［実施の形態７］
【０２１４】
この発明の実施の形態３および６では、台形の縦断面を有する円錐台形からなる遅延部材を用いる構成について例示したが、同様に台形の縦断面を有する四角錐台形からなる遅延部材を用いる構成について説明する。
【０２１５】
この発明の実施の形態７に従う粘弾性測定装置は、音波センサの遅延部材の形状を除いて、上述のこの発明の実施の形態１に従う粘弾性測定装置１００と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
図２２は、この発明の実施の形態７に従う音波センサ１０４の外観図である。
【０２１６】
図２２を参照して、音波センサ１０４は、四角錐台形の遅延部材７と、その上部に接合された円柱形状のトランスデューサ３と、さらにその上部に配置された送受信回路２とから構成される。
【０２１７】
遅延部材７は、より広い面積をもつ横断面を底面側に配置した四角錐台形により構成され、その錐面およびトランスデューサ３との接合面を除く上面に、光取込窓７ａおよび光取出窓７ｂが形成される。光取込窓７ａおよび光取出窓７ｂの形成方法などは、上述したこの発明の実施の形態１と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。また、遅延部材７の内部媒質などについても、上述の遅延部材４と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【０２１８】
入射光および観測光の挙動などについては、上述のこの発明の実施の形態３または６と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【０２１９】
さらに、四角錐台形からなる遅延部材に代えて、同様に台形の縦断面を有するｎ角錐台形（但し、ｎは６以上の偶数）の遅延部材を用いてもよい。
【０２２０】
この発明の実施の形態７によれば、上述のこの発明の実施の形態３または６における効果に加えて、錐面に光取込窓および光取出窓を形成できるので、光取込窓および光取出窓が平面状に形成できる。これにより、光取込窓および光取出窓における入射光および観測光に生じる歪みを抑制できるので、より鮮明に音波センサと被測定物との接触状態を視認できる。
［実施の形態８］
【０２２１】
この発明の実施の形態１〜６では、垂直軸を中心として対称な形状を有する遅延部材を用いる構成について例示したが、この発明の実施の形態８においては、水平軸を中心として対称な形状を有する遅延部材を用いる構成について説明する。
【０２２２】
この発明の実施の形態８に従う粘弾性測定装置は、音波センサの形状を除いて、上述のこの発明の実施の形態１に従う粘弾性測定装置１００と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
図２３は、この発明の実施の形態８に従う音波センサ１０５の外観図である。
【０２２３】
図２３を参照して、音波センサ１０５は、いわゆる「かまぼこ」形状の遅延部材８と、その上部に接合された送受信回路＃２およびトランスデューサ＃３を含む部材とにより構成される。
【０２２４】
遅延部材８は、その垂直断面が半楕円形である略楕円柱状に構成され、その上部表面に光取込窓８ａおよび光取出窓８ｂが形成される。なお、遅延部材８の底面は、被測定物ＳＭＰと接合可能なように平面状に形成される。
【０２２５】
送受信回路＃２およびトランスデューサ＃３は、遅延部材８の表面曲率と一致するような外形にパッケージされて、遅延部材８と接合される。
図２４は、図２３のＸＸＩＶ−ＸＸＩＶ線断面図である。
【０２２６】
図２４を参照して、この発明の実施の形態８に従う遅延部材８は、上部表面の一方側から入射光Ｌｉｎを取込むとともに、生成された観測光Ｌｏｂを上部表面の他方側から取出して、部材外部へ出力する。
【０２２７】
上述のこの発明の実施の形態１〜３において説明したように、遅延部材８と被測定物ＳＭＰとの境界面で入射光Ｌｉｎが反射されて生成された観測光Ｌｏｂ、および、上述のこの発明の実施の形態４〜６において説明したように、入射光Ｌｉｎが遅延部材８を通過した後に被測定物ＳＭＰで反射されて生成された観測光Ｌｏｂのいずれについても視認することができる。
【０２２８】
さらには、視認対象とする観測光Ｌｏｂに応じて、遅延部材８の垂直断面の曲率などを適切に設計することが望ましい。
【０２２９】
なお、入射光Ｌｉｎおよび観測光Ｌｏｂの挙動などについては、上述のこの発明の実施の形態１〜６のいずれかと同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【０２３０】
この発明の実施の形態８によれば、上述のこの発明の実施の形態１〜６のいずれかにおける効果に加えて、上部表面のほぼ全面に光取込窓および光取出窓を形成できるので、光取込窓および光取出窓の面積をより大きくすることができる。これにより、入射光の取込量を増大させて遅延部材と被測定物との境界に入射する光量を確保できるとともに、音波センサと被測定物との接触状態をより詳細に視認できる。
［実施の形態９］
【０２３１】
上述したように、この発明に係る音波センサは、音波センサと被測定物との接触状態を視認可能とすることを目的とするが、音波センサと被測定物とのすべての接触面に対して、入射音波が放射されるとは限らない。すなわち、音波センサと被測定物との接触状態を視認する対象領域を入射音波の放射域にすれば十分である。
【０２３２】
一方で、トランスデューサから放射される入射音波は視認することができない。そのため、入射音波の放射域を視認できれば、より作業効率を向上させることが可能となる。
図２５は、この発明の実施の形態９に従う音波センサ１０１Ａの断面図である。
【０２３３】
図２５を参照して、この発明の実施の形態９に従う音波センサ１０１Ａは、図５に示すこの発明の実施の形態１に従う音波センサ１０１において、トランスデューサ３を同心円状のトランスデューサ３Ａに代えるとともに、トランスデューサ３Ａの中心部に表示光発光部９を設けたものである。
【０２３４】
表示光発光部９は、一例として、レーザダイオードなどで構成され、トランスデューサ３Ａから放射される入射音波の放射域ＲＡＤに対応するように、遅延部材４の上部から底面に向けて、表示光ＭＬを放射する。すなわち、表示光発光部９は、遅延部材４を通過した入射音波が被測定物ＳＭＰに入射する領域を表示するために、表示光ＭＬを放射する。すると、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界面上では、放射された表示光ＭＬの照射によって、周囲より輝度の高い領域が示される。
【０２３５】
その他の構成については、この発明の実施の形態１に従う音波センサ１０１と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【０２３６】
なお、図２５に示すように、表示光発光部９を同心円状のトランスデューサ３Ａの中心部に配置する構成に代えて、トランスデューサの外周に発光源を配置するような構成を採用してもよい。
【０２３７】
また、図２５ではこの発明の実施の形態１に従う音波センサに表示光発光部９を設けた構成を示したが、上述のいずれの音波センサに対しても、同様に表示光発光部９を設けることができる。
【０２３８】
この発明の実施の形態９によれば、音波センサと被測定物との境界のうち、接触状態を視認すべき領域を予め視認できるので、接触状態の視認作業をより効率的に行なうことができる。
［実施の形態１０］
【０２３９】
上述のこの発明の実施の形態１〜９では、光取込窓の周囲に存在するさまざまな方向の光のうち、視認に適した方向の光が取込まれる構成について説明したが、光取込窓に対して、積極的に入射光を与えるように構成してもよい。
【０２４０】
図２６は、この発明の実施の形態１０に従う音波センサ１０２Ａの概略構成図である。
【０２４１】
図２６を参照して、この発明の実施の形態１０に従う音波センサ１０２Ａは、一例として、図９に示すこの発明の実施の形態２に従う音波センサ１０２に対して、光源４０と、固定腕４２と、可動腕４４と、駆動装置４６と、受光部４８と、解析装置５０とをさらに設けたものである。
【０２４２】
光源４０は、一例として、可視光ランプや赤外線ランプなどで構成され、受光部４８における受光感度の高い波長領域を含む入射光を生成する。すなわち、光源４０は、光取込窓５ａに近接して配置され、入射光を生成して、光取込窓５ａへ与える。
【０２４３】
固定腕４２は、その一端がリンク機構を介して可動腕４４と連結されるとともに、その他端が図示しない架台に連結される。そして、固定腕４２は、可動腕４４に所定の変位を与えるための基準として機能する。
【０２４４】
可動腕４４は、その一端が光源４０と連結されるとともに、その他端がリンク機構を介して固定腕４２と連結される。
【０２４５】
駆動装置４６は、一例としてモータなどのドライブ機構からなり、固定腕４２に対する可動腕４４の角度を可変させる。すなわち、駆動装置４６は、光源４０で生成される入射光が光取込窓５ａに入射する入射角θｉｎを可変に構成される。この構成により、遅延部材５と被測定物ＳＭＰとの境界面において視認すべき領域に応じた入射光を、光取込窓５ａに対して与えることができる。
【０２４６】
これらの構成により、光取込窓５ａの周囲が暗い場合であっても、音波センサと被測定物との接触状態をより確実に視認できる。
【０２４７】
さらに、受光部４８は、一例としてＣＣＤといった撮像素子などで構成され、光取出窓５ｂによって取出される観測光を受光して、その受光結果を解析装置５０へ出力する。すなわち、受光部４８は、光取出窓５ｂに近接して配置され、光取出窓５ｂから取出された観測光を受光し、受光した観測光に含まれる映像情報を解析装置５０へ出力する。
【０２４８】
解析装置５０は、受光部４８から出力される映像情報を取得し、音波センサと被測定物との接触状態の良否を判断して、その判断結果を外部へ出力する。解析装置５０は、一例として、画像処理装置であり、受光部４８を介して取得される映像情報における濃淡や輝度に基づいて、接触状態の良否（たとえば、気泡ＢＬの有無）を判断する。なお、画像処理装置の処理内容については、さまざまな周知の技術を用いることができる。
【０２４９】
これらの構成により、可視光領域ではなく、赤外線領域の入射光を用いることもできるので、周囲からの光波の影響を抑制して、より安定した視認が可能となる。
【０２５０】
なお、光源４０と、受光部４８および解析装置５０とは、必ずしも同時に設ける必要はなく、いずれか一方だけを配置するようにしてもよい。
【０２５１】
この発明の実施の形態１０によれば、光取込窓の周囲が暗い場合であっても、入射光の光量を確保できるので、音波センサと被測定物との接触状態をより確実に視認できる。
【０２５２】
また、この発明の実施の形態１０によれば、画像処理装置によって音波センサと被測定物との接触状態の良否判断を所定の規則に従って行なうことができるので、人間による視認（目視）の場合のように主観的な判断に影響されることなく、判断基準を標準化することができる。これにより、接触状態を所定のレベルに維持して、測定精度のバラツキなどを抑制できる。
【０２５３】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０２５４】
【図１】この発明の実施の形態１に従う音波センサを備える粘弾性測定装置の概略構成図である。
【図２】粘弾性測定装置の構成をより詳細に示す図である。
【図３】表面反射法を説明するための図である。
【図４】この発明の実施の形態１に従う音波センサの外観を示す概略図である。
【図５】図４のＸ−Ｘ線断面図である。
【図６】図５において入射音波の放射域の光取込窓に対する最近端を視認する場合を示した図である。
【図７】図５において入射音波の放射域の光取込窓に対する最遠端を視認する場合を示した図である。
【図８】この発明の実施の形態２に従う音波センサの外観を示す概略図である。
【図９】図８のＩＸ−ＩＸ線断面図である。
【図１０】図９において入射音波の放射域の光取込窓に対する最近端を視認する場合を示した図である。
【図１１】この発明の実施の形態３に従う音波センサの外観を示す概略図である。
【図１２】図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。
【図１３】図１２において入射音波の放射域の光取込窓に対する最近端を視認する場合を示した図である。
【図１４】この発明の実施の形態４に従う音波センサの断面図である。
【図１５】遅延部材と気泡との境界における光波の挙動を説明するための図である。
【図１６】図１５において入射音波の放射域の光取込窓に対する最近端を視認する場合を示した図である。
【図１７】図１５において入射音波の放射域の光取込窓に対する最遠端を視認する場合を示した図である。
【図１８】この発明の実施の形態５に従う音波センサの断面図である。
【図１９】図１８において入射音波の放射域の光取込窓に対する最近端を視認する場合を示した図である。
【図２０】この発明の実施の形態６に従う音波センサの断面図である。
【図２１】図２０において入射音波の放射域の光取込窓に対する最近端を視認する場合を示した図である。
【図２２】この発明の実施の形態７に従う音波センサの外観図である。
【図２３】この発明の実施の形態８に従う音波センサの外観図である。
【図２４】図２３のＸＸＩＶ−ＸＸＩＶ線断面図である。
【図２５】この発明の実施の形態９に従う音波センサの断面図である。
【図２６】この発明の実施の形態１０に従う音波センサの概略構成図である。
【符号の説明】
【０２５５】
１ 制御装置、２，＃２ 送受信回路、３，３Ａ，＃３ トランスデューサ、４，５，６，７，８，＃４，＃５，＃６ 遅延部材、４ａ，５ａ，６ａ，７ａ，８ａ，＃４ａ，＃５ａ，＃６ａ 光取込窓、４ｂ，５ｂ，６ｂ，７ｂ，８ｂ，＃４ｂ，＃５ｂ，＃６ｂ 光取出窓、４ｃ 内部媒質、９ 表示光発光部、１０ 演算部、１２ 時間データメモリ部、１４ 記憶部、１６ 表示出力部、１８ 入力部、２０ 送信制御回路、２２ 送信回路、２４ 方向整合器、２６ 受信回路、２８ 信号処理回路、４０ 光源、４２ 固定腕、４４ 可動腕、４６ 駆動装置、４８ 受光部、５０ 解析装置、１００ 粘弾性測定装置、１０１，１０１Ａ，１０２，１０２Ａ，１０３，１０４，１０５ 音波センサ、Ａｘ 中心軸、ＢＬ 気泡、Ｈｉｎ 入射位置、Ｈｏｕｔ 射出位置、Ｌ’ 貯蔵弾性率、Ｌ” 損失弾性率、Ｌｉｎ 入射光、Ｌｏｂ 観測光、ＭＬ 表示光、Ｎ１，Ｎ２，Ｎａｉｒ 屈折率、ＲＡＤ 放射域、ＳＭＰ 被測定物、ｔａｎδ 損失正接、θｃ 臨界角、θｉｎ 入射角、θｏｕｔ 射出角。
【技術分野】
【０００１】
この発明は被測定物に音波を放射するとともに、被測定物で反射される音波に応じた検出信号を外部出力する音波センサに関し、特に、音波センサと被測定物との接触状態を視認可能とする技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
物質の物性を評価する指標の１つに粘弾性特性がある。粘弾性とは、与えられる応力に比例してひずみを生じる弾性、および与える応力を受けて粘性流動を生じる粘性を併せ持つ物性である。
【０００３】
近年、音波（特に、超音波）を用いて、被測定物の粘弾性特性を測定する方法が提案されている。このような、音波を用いた粘弾性特性の測定方法では、被測定物に音波を放射するとともに、当該放射された音波が被測定物で反射されて生じる音波を、基準状態において反射されて生じる音波と比較することで被測定物の粘弾性特性が取得される。
【０００４】
このような粘弾性特性の測定方法には、遅延部材を備える音波センサが使用される。遅延部材は、反射されて生じる音波を正確に検出するために、被測定物へ放射される音波と、被測定物で反射されて生じる音波とを時間的に分離させる部材である。すなわち、トランスデューサなどから放射された音波は、遅延部材を伝搬して被測定物へ入射するとともに、被測定物で反射された音波は、再度遅延部材を伝搬してトランスデューサへ入射する。
【０００５】
ところで、音波センサと被測定物との間に気泡などが介在すると、誤差の発生原因となるので、両者の間は可能な限り密着させることが望ましい。一例として、特開平１１−０３０５１２号公報（特許文献１）には、被測定物表面に遅延材表面を追従、密着させることを可能にした厚さ計プローブが開示されている。この厚さ計プローブでは、センサユニットおよび受け金具が軸上の点で支持金具の端部と接触するように構成して、保持する外筒の傾きに影響されることなく遅延材表面が被測定物表面に追従、密着される。
【特許文献１】特開平１１−０３０５１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
粘弾性特性の測定対象となる被測定物は、一例としてパン生地などであり、その表面は固形化されたものではなく、比較的柔らかい場合が多い。そのため、特開平１１−０３０５１２号公報（特許文献１）に開示される厚さ計プローブと同様の構成を有する音波センサを用いたとしても、高い精度で測定を行なうことができなかった。むしろ、被測定物に応じて、音波センサと被測定物との接触の程度を確認しながら、測定を行なうことが重要である。
【０００７】
しかしながら、特開平１１−０３０５１２号公報（特許文献１）に開示される厚さ計プローブを含む、従来の音波センサでは、音波センサと被測定物との接触状態を視認可能な構成とはなっていなかった。
【０００８】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、被測定物との間の接触状態を視認可能な音波センサおよびそれを備えた粘弾性測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明によれば、被測定物に対して第１の音波を放射するとともに、被測定物で反射されて生じる第２の音波に応じた検出信号を外部出力するように構成された音波センサである。そして、音波センサは、電気信号の入力に応答して第１の音波を発生するとともに、第２の音波の入力に応答して電気信号を発生する電気音波変換部と、電気音波変換部と被測定物との間に介挿され、第１および第２の音波に対して伝搬遅延を生じさせるための遅延部材とを備える。さらに、遅延部材は、光波を伝搬可能な媒質で構成されるとともに、部材外部からの第１の光波を取込んで、当該第１の光波を遅延部材と被測定物との接合部に向けて伝搬させるための光取込窓と、第１の光波が接合部で反射されて生じる第２の光波を部材外部へ取出すための光取出窓とが形成され、光取込窓は、遅延部材と被測定物との間に介在し得る介在物に応じて、生成される第２の光波が変化するように、第１の光波を接合部へ導く。
【００１０】
この発明によれば、遅延部材には、部材外部からの第１の光波を取込んで遅延部材と被測定物との接合部に向けて伝搬させるための光取込窓と、第１の光波が接合部で反射されて生じる第２の光波を部材外部へ取出すための光取出窓とが形成される。さらに、光取込窓は、遅延部材と被測定物との間に介在し得る介在物に応じて、生成される第２の光波が変化するように、第１の光波を接合部へ導く。これにより、遅延部材と被測定物との間に介在する気泡などの介在物の有無に応じた映像情報を容易に得ることができるので、音波センサと被測定物との接触状態の視認が可能となる。
【００１１】
好ましくは、光取込窓は、第１の光波が遅延部材と介在物との境界に到達すると、遅延部材の内部に維持されたまま反射される一方、第１の光波が遅延部材と被測定物との境界に到達すると、遅延部材を通過して被測定物へ入射するように、第１の光波を接合部へ導く。
【００１２】
また好ましくは、光取込窓は、遅延部材と被測定物との境界面に対する第１の光波の入射角が、遅延部材の屈折率と介在物の屈折率とに応じて定まる臨界角以上となるように、第１の光波を接合部へ導く。
【００１３】
また好ましくは、光取込窓は、第１の光波が遅延部材と介在物との境界に到達すると、遅延部材を通過して介在物へ入射した後、介在物と被測定物との境界で反射されるように、第１の光波を接合部へ導く。
【００１４】
また好ましくは、光取込窓は、遅延部材と被測定物との境界面に対する第１の光波の入射角が、遅延部材の屈折率と介在物の屈折率とに応じて定まる臨界角より小さくなるように、第１の光波を接合部へ導く。
【００１５】
さらに好ましくは、光取込窓は、遅延部材と被測定物との境界面内の第１の音波が入射する領域に含まれる各点において、介在物に応じた第２の光波を生成するための第１の光波を取込み可能に構成され、光取出窓は、第１の音波が入射する領域に含まれる各々の点において生成される第２の光波をいずれも取出し可能に構成される。
また好ましくは、遅延部材の屈折率は、被測定物の屈折率に比較して小さい。
【００１６】
また好ましくは、音波センサは、遅延部材を通過した第１の音波が被測定物に入射する領域を表示するための表示光を発生する表示光発生部をさらに備える。
【００１７】
また好ましくは、音波センサは、光取込窓に近接して配置され、第１の光波を生成して光取込窓へ与えるための光源部をさらに備える。
【００１８】
また好ましくは、音波センサは、光取出窓に近接して配置され、光取出窓から取出された第２の光波を受光して、受光した第２の光波に含まれる映像情報を出力するためのカメラ部と、カメラ部からの映像情報に基づいて、接合部における遅延部材および被測定物の少なくとも一方の状態を判断するための解析装置とをさらに備える。
【００１９】
またこの発明によれば、上述のいずれかの音波センサと、音波センサから出力される検出信号と、予め定められた基準音波に基づく基準値との比較により、被測定物の粘弾性特性を取得するための制御装置とを備える粘弾性測定装置である。
【発明の効果】
【００２０】
この発明によれば、被測定物との間の接触状態を視認可能な音波センサおよびそれを備えた粘弾性測定装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。
［実施の形態１］
【００２２】
図１は、この発明の実施の形態１に従う音波センサ１０１を備える粘弾性測定装置１００の概略構成図である。
【００２３】
図１を参照して、粘弾性測定装置１００は、被測定物ＳＭＰとの接触状態を保ちながら、その粘弾性特性を測定するための装置である。なお、本明細書において、粘弾性特性とは、貯蔵弾性率、損失弾性率および損失正接のうち少なくとも１つ以上で規定される物質の特性の総称を意味する。そして、粘弾性測定装置１００は、制御装置１と、音波センサ１０１とを備える。
【００２４】
音波センサ１０１は、被測定物ＳＭＰと接合するように配置され、被測定物ＳＭＰに対して音波を放射する（以下、音波センサ１０１から被測定物ＳＭＰへ放射される音波を「入射音波」とも称す。）とともに、被測定物ＳＭＰで反射されて生じる音波（以下、入射音波が被測定物ＳＭＰで反射されて生じる音波を「反射音波」とも称す。）に応じた検出信号を外部出力するように構成される。なお、入射音波および反射音波としては、可聴帯域以上の周波数を有する超音波が好ましい。
【００２５】
制御装置１は、音波センサ１０１から出力される検出信号と、予め定められた基準音波に基づく基準値との比較により、被測定物ＳＭＰの粘弾性特性を取得する。
【００２６】
音波センサ１０１は、送受信回路２と、トランスデューサ３と、遅延部材４とを含む。
【００２７】
送受信回路２は、制御装置１から与えられる指令に応答して、トランスデューサ３による入射音波の照射を制御するとともに、トランスデューサ３により受信される反射音波に応じた電気信号を制御装置１へ出力する。
【００２８】
トランスデューサ３は、送受信回路２からの電気信号の入力に応答して入射音波を発生するとともに、反射音波の入力に応答して電気信号を発生する電気音波変換部であり、一例として、チタン酸ジルコン酸鉛などの圧電素子などからなる。
【００２９】
遅延部材４は、バッファ（Buffer）部材などとも称され、トランスデューサ３と被測定物ＳＭＰとの間に介挿され、入射音波および反射音波に対して伝搬遅延を生じさせる。さらに、この発明の実施の形態１に従う遅延部材４は、可視光などの観測用の光波を伝搬可能な媒質で構成される。
【００３０】
遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの間には気泡などの介在物が存在し得る。このような介在物の存在によって、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの密着度は低下する。そこで、この発明に係る遅延部材４は、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの接触状態、すなわち介在物の有無を視認可能に構成される。
【００３１】
具体的には、遅延部材４には、部材外部からの光波を取込んで、当該取込んだ光波を遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの接合部に向けて伝搬させるための光取込窓と、伝搬した光波が遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの接合部で反射されて生じる光波を部材外部へ取出すための光取出窓とが形成される。ここで、「接合部」とは、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界面、および当該境界面に近接する遅延部材４および被測定物ＳＭＰ、ならびに遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの間に存在し得る介在物を総称的に示す用語である。
【００３２】
なお、以下の説明においては、光取込窓によって部材外部から取込まれる光波を「入射光」とも称し、光取出窓によって部材外部へ取出される光波を「観測光」とも称す。
【００３３】
そして、光取込窓は、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界に介在物が存在する場合には、当該介在物によって入射光が全反射されるとともに、介在物が存在しない場合には、被測定物ＳＭＰによって入射光が反射されるように、取込んだ光を接合部へ導く。このような入射光が取込まれることによって、介在物が存在する領域で生成された観測光は、入射光と略一致する一方、介在物が存在しない領域で生成された観測光には、被測定物ＳＭＰの映像情報が含まれる。したがって、介在物が存在するか否かに応じて、観測光には有意な差異が生じるため、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの接触状態を視認できる。
【００３４】
要約すると、光取込窓は、入射光が遅延部材４と介在物との境界に到達すると、遅延部材４の内部に維持されたまま反射されるとともに、入射光が遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界に到達すると、遅延部材４を通過して被測定物ＳＭＰへ入射するように、入射光を遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの接合部へ導く。すなわち、光取込窓は、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界面に対する入射光の入射角が、遅延部材４の屈折率と介在物の屈折率とに応じて定まる臨界角以上となるように、入射光を当該接合部へ導く。さらに、生成された観測光は、光取出窓によって部材外部へ取出され、接触状態が視認される。
【００３５】
なお、視認を行なう主体に応じて、入射光として用いる光波の波長帯域を適切に選択すればよい。すなわち、人間による視認（目視）が行なわれる場合には、入射光として可視光線を用い、ＣＣＤ（Charged Coupled Device）などで構成された受光部などによって目視が行なわれる場合には、当該受光部の受光感度に適した波長帯域を含む光波を入射光として用いることが望ましい。
【００３６】
また、粘弾性測定の対象となる被測定物ＳＭＰとしては、遅延部材４と接合可能な大きさを有するものであればいずれでもよい。
図２は、粘弾性測定装置１００の構成をより詳細に示す図である。
【００３７】
図２を参照して、制御装置１は、たとえば、パーソナルコンピュータなどで構成され、入力部１８と、時間データメモリ部１２と、記憶部１４と、演算部１０と、表示出力部１６とからなる。
【００３８】
入力部１８は、ユーザなどからの外部指令を受け、その外部指令を演算部１０へ出力する。一例として、入力部１８は、操作ボタン、キーボード、マウス、タッチパネルなどからなる。
【００３９】
時間データメモリ部１２は、送受信回路２を介して出力されるトランスデューサ３からの検出信号の時間波形データを所定の周期で格納する。なお、時間データメモリ部１２は、演算部１０からの要求に応じて、時間波形データを格納する周期を変更可能に構成される。
【００４０】
記憶部１４は、演算部１０を介して取得された基準値を格納し、演算部１０からの要求に応じて、その格納する基準値を読出す。そして、記憶部１４は、演算部１０で測定される粘弾性特性を順次格納する。
【００４１】
演算部１０は、入力部１８を介して、外部からプロセス開始指令を受けると、送受信回路２へ放射指令を与え、トランスデューサ３から入射音波を放射させる。そして、演算部１０は、時間データメモリ部１２に格納される反射音波の時間波形データを読出し、一例として、高速フーリエ変換処理（Fast Fourier Transform；以下、ＦＦＴ処理とも称す）のような周波数解析処理を行ない、各周波数における振幅値および位相を取得する。続いて、演算部１０は、記憶部１４に予め格納されている基準値を読出し、その基準値と取得した検出信号の各周波数における振幅値および位相とを比較することで、被測定物ＳＭＰの粘弾性特性を測定する。さらに、演算部１０は、その測定した被測定物ＳＭＰの粘弾性特性を表示出力部１６または／および記憶部１４へ出力する。したがって、トランスデューサ３から１回の入射音波の放射により、演算部１０は、その放射音波に含まれる周波数帯域の各周波数における被測定物ＳＭＰの粘弾性特性を測定できる。
【００４２】
表示出力部１６は、演算部１０によって測定される被測定物ＳＭＰの粘弾性特性や、演算部１０から出力される各指令情報などを表示または／およびそのデータを外部へ出力する。表示出力部１６が表示を行なう場合には、一例として、液晶ディスプレイやプラズマディスプレイなどの表示装置からなる。また、表示出力部１６がデータを外部へ出力を行なう場合には、一例として、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）、ＲＳ−２３２Ｃ（Recommended Standard 232 version C）、ＩＥＥＥ（Institute of Electrical and Electronic Engineers）１３９４、ＳＣＳＩ（Small Computer System Interface）、イーサネット（登録商標）、ＩＥＥＥ１２８４（パラレルポート）などの規格に対応するインターフェイスなどからなる。
【００４３】
一方、送受信回路２は、送信制御回路２０と、送信回路２２と、方向整合器２４と、受信回路２６と、信号処理回路２８とからなる。
【００４４】
送信制御回路２０は、制御装置１からの放射指令を受けると、放射する入射音波を生成するための生成信号を送信回路２２へ出力する。たとえば、送信制御回路２０は、パルス状の入射音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音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２０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２６へ出力する。
【００４５】
送信回路２２は、送信制御回路２０から受ける生成信号に応じた電気信号を方向整合器２４へ出力する。
【００４６】
方向整合器２４は、送信回路２２、トランスデューサ３および受信回路２６とそれぞれ電気的に接続され、送信回路２２から出力された電気信号をトランスデューサ３へ伝送し、かつ、トランスデューサ３から受けた電気信号を受信回路２６へ出力する。すなわち、方向整合器２４は、送信回路２２から出力された電気信号が受信回路２６へ出力されないように信号の伝送方向を制限する。
【００４７】
受信回路２６は、方向整合器２４から受ける電気信号を受け、所定の増幅をした後に信号処理回路２８へ出力する。また、受信回路２６は、送信制御回路２０からトリガ信号を受信すると、トランスデューサ３から出力される電気信号の受信を開始する。
【００４８】
信号処理回路２８は、受信回路２６から電気信号を受け、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瞬間的な振幅値を順次出力する。
（粘弾性特性の測定方法）
【００４９】
以下、粘弾性特性の測定方法の一例である表面反射法について詳述する。表面反射法では、入射音波を被測定物ＳＭＰへ放射し、その入射音波が被測定物ＳＭＰと遅延部材４との境界において反射されて生じる反射音波が利用される。
図３は、表面反射法を説明するための図である。
図３（ａ）は、基準値を取得する場合を示す。
図３（ｂ）は、被測定物ＳＭＰの粘弾性特性を取得する場合を示す。
【００５０】
まず、音波センサ１０１から放射される入射音波の伝搬特性を規定するため、遅延部材４および被測定物ＳＭＰの音響インピーダンスを導入する。
【００５１】
図３（ａ）を参照して、基準値を取得する場合には、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとを接合させない状態、すなわち、遅延部材４が空気と接する状態を基準状態として、音波センサ１０１から入射音波を放射する。
【００５２】
ここで、入射音波および反射音波の周波数をｆとすると、周波数ｆに依存する遅延部材４の音響インピーダンスはＺ１（ｆ）と表すことができる。また、空気中の音響インピーダンスはＺ０（ｆ）と表すことができる。但し、音響インピーダンスＺ０（ｆ）およびＺ１（ｆ）は、いずれも複素数である。さらに、遅延部材４と空気中との境界における入射音波の反射率Ｒ０１（ｆ）は、式（１）で表すことができる。
【００５３】
反射率Ｒ０１（ｆ）＝（Ｚ０（ｆ）−Ｚ１（ｆ））／（Ｚ０（ｆ）＋Ｚ１（ｆ））・・・（１）
【００５４】
ここで、空気中の音響インピーダンスＺ０（ｆ）は、遅延部材４および被測定物ＳＭＰに比較して十分小さいため、周波数ｆに関わらず０＜Ｚ０（ｆ）≪Ｚ１（ｆ）とみなすことができ、反射率Ｒ０１（ｆ）＝−１となる。すなわち、遅延部材４と空気中との境界面において、入射音波は全反射するとみなすことができる。
【００５５】
さらに、トランスデューサ３に入射する反射音波をＡ０（ｆ）ｅｘｐ（ｉθ０（ｆ））と表す。但し、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≦θ０（ｆ）＜∞）である。すると、遅延部材４と空気中との境界面において入射音波は全反射するので、トランスデューサ３から遅延部材４を介して被測定物ＳＭＰへ放射される入射音波は、式（２）で表される。
【００５６】
Ａ０（ｆ）ｅｘｐ（ｉθ０（ｆ））×Ｒ０１（ｆ）＝−Ａ０（ｆ）ｅｘｐ（ｉθ０（ｆ））・・・（２）
【００５７】
すなわち、制御装置１は、式（２）で表される入射音波が被測定物ＳＭＰへ照射されるとみなし、式（２）を構成するＡ０（ｆ）およびθ０（ｆ）を基準値として格納する。
【００５８】
一方、図３（ｂ）を参照して、被測定物ＳＭＰの粘弾性特性を測定する場合には、被測定物ＳＭＰと遅延部材４とを密着させ、トランスデューサ３から図３（ａ）の場合と同一の入射音波を放射する。そして、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界面において反射される反射音波に応じた検出信号を、格納した前記の基準値と比較することで、被測定物ＳＭＰの粘弾性特性を測定する。
【００５９】
被測定物ＳＭＰの音響インピーダンスをＺ２（ｆ）とすると、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界面における入射音波の反射率Ｒ１２（ｆ）は、式（３）で表すことができる。但し、音響インピーダンスＺ２（ｆ）は、複素数である。
【００６０】
反射率Ｒ１２（ｆ）＝（Ｚ２（ｆ）−Ｚ１（ｆ））／（Ｚ２（ｆ）＋Ｚ１（ｆ））・・・（３）
さらに、式（３）を変形すると、式（４）が導出される。
【００６１】
Ｚ２（ｆ）＝Ｚ１（ｆ）×（１＋Ｒ１２（ｆ））／（１−Ｒ１２（ｆ））・・・（４）
【００６２】
ここで、トランスデューサ３に入射する反射音波をＡ（ｆ）ｅｘｐ（ｉθ（ｆ））と表す。但し、ｉは虚数単位であり、Ａ（ｆ）は各周波数における振幅値（実数値）であり、θは各周波数における位相（０≦θ０＜∞）である。すると、式（２）で示される基準値を用いて、式（５）が成立する。
【００６３】
Ａ（ｆ）ｅｘｐ（ｉθ（ｆ））＝−Ａ０（ｆ）ｅｘｐ（ｉθ０（ｆ））×Ｒ１２（ｆ）・・・（５）
さらに、式（５）を変形して、式（６）が導出される。
【００６４】
Ｒ１２（ｆ）＝−Ａ（ｆ）／Ａ０（ｆ）×ｅｘｐ（ｉ（θ（ｆ）−θ０（ｆ））・・・（６）
式（６）を式（４）に代入すると、式（７）が導出される。
【００６５】
Ｚ２（ｆ）＝Ｚ１（ｆ）×（１−Ａ（ｆ）／Ａ０（ｆ）×ｅｘｐ（ｉ（θ（ｆ）−θ０（ｆ）））／（１＋Ａ（ｆ）／Ａ０（ｆ）×ｅｘｐ（ｉ（θ（ｆ）−θ０（ｆ）））・・・（７）
【００６６】
ここで、被測定物ＳＭＰの貯蔵弾性率Ｌ’（ｆ）および損失弾性率Ｌ”（ｆ）は、被測定物ＳＭＰの音響インピーダンスＺ２（ｆ）および密度ρ２との間に式（８）で示す関係が成立する。
Ｌ’＋ｉＬ”（ｆ）＝Ｚ２（ｆ）２／ρ２・・・（８）
【００６７】
（７）式を（８）式に代入し、実数成分と虚数成分とを分離することにより、貯蔵弾性率Ｌ’（ｆ）、損失弾性率Ｌ”（ｆ）および損失正接ｔａｎδ（ｆ）を求めることができる。
【００６８】
このように、制御装置１は、音波センサ１０１から出力される検出信号と、予め定められた基準音波に基づく基準値との比較により、被測定物ＳＭＰの粘弾性特性を取得する。
（音波センサの構造）
【００６９】
図４は、この発明の実施の形態１に従う音波センサ１０１の外観を示す概略図である。
【００７０】
図４を参照して、音波センサ１０１は、立方形状の遅延部材４と、その上部に接合された円柱形状のトランスデューサ３と、さらにその上部に配置された送受信回路２とから構成される。
【００７１】
上述したように、遅延部材４には、部材外部から入射光を取込んで遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの接合部に向けて伝搬させるための光取込窓と、入射光が遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの接合部で反射されて生じる観測光を部材外部へ取出すための光取出窓とが形成される。本発明の実施の形態１では、遅延部材４の側面に、光取込窓および光取出窓が形成される。
図５は、図４のＸ−Ｘ線断面図である。
【００７２】
図５を参照して、遅延部材４、トランスデューサ３および送受信回路２は、いずれも同一の中心軸Ａｘ上に配置される。そして、遅延部材４は、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの接触状態を視認可能とするために、その互いに対向する側面に光取込窓４ａおよび光取出窓４ｂが形成される。また、遅延部材４の内部媒質４ｃは、入射光および観測光が伝搬可能な材料、一例としてガラスやポリカーボネイトなどによって構成される。
【００７３】
より詳細には、光取込窓４ａおよび光取出窓４ｂは、遅延部材４の表層領域について、屈折率を均一化するとともに、より光波の透過度を高めるように加工することで実現される。すなわち、屈折率を均一化することで、部材外部から入射する光波の散乱を抑制して、より入射光の取込みを容易にするとともに、透過度を高めることで、取込んだ入射光を減衰させることなく遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの接合部に向けて伝搬させることができる。
【００７４】
以下、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界面において、入射光Ｌｉｎが全反射して観測光Ｌｏｂを生じる場合の挙動について詳述する。
【００７５】
まず、光取込窓４ａに対する入射光Ｌｉｎの入射角θｉｎと、入射光Ｌｉｎが遅延部材４の内部を伝搬する方向を規定する角度θ１との関係をみる。両者の間には、スネル（Snell）の法則により、空気の屈折率Ｎａｉｒと遅延部材４の屈折率Ｎ１とを用いて、
Ｎａｉｒ・ｓｉｎθｉｎ＝Ｎ１・ｓｉｎθ１
の関係が成立する。そのため、入射光Ｌｉｎが遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界面に入射する角度θ２は、
θ２＝π／２−θ１
となる。ここで、入射光Ｌｉｎが全反射するためには、入射する角度θ２が臨界角θｃ以上となる必要がある。すなわち、
θ２＝π／２−θ１≧θｃ
が成立する必要がある。ここで、気泡ＢＬの屈折率は、空気の屈折率と同じくＮａｉｒ（Ｎａｉｒ≦Ｎ１）であるので、臨界角θｃは、
θｃ＝ｓｉｎ−１（Ｎａｉｒ／Ｎ１）
となる。さらに、入射光Ｌｉｎの全反射によって生成される観測光Ｌｏｂは、入射光Ｌｉｎの入射経路と対称的な経路を伝搬するので、観測光Ｌｏｂが光取出窓４ｂに入射する角度θ３は、
θ３＝π／２−θ２
となる。そして、観測光Ｌｏｂが光取出窓４ｂを通過する場合の射出角θｏｕｔと角度θ３との間には、
Ｎ１・ｓｉｎθ３＝Ｎａｉｒ・ｓｉｎθｏｕｔ
の関係が成立する。したがって、射出角θｏｕｔは、
θｏｕｔ＝ｓｉｎ−１（ｓｉｎθ３・Ｎ１／Ｎａｉｒ）
と表される。
【００７６】
すなわち、上述の一連の関係式が成立する場合には、入射光Ｌｉｎは、遅延部材４と介在物である気泡ＢＬとの境界で全反射する。一方、被測定物ＳＭＰの屈折率Ｎ２が遅延部材４の屈折率Ｎ１より大きければ、臨界角は存在しない。そのため、気泡ＢＬが存在しない場合において、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界に到達した入射光Ｌｉｎは、遅延部材４を通過して被測定物ＳＭＰへ入射し、その一部が被測定物ＳＭＰで反射される。したがって、観測光Ｌｏｂは、気泡ＢＬに応じて変化することになり、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの接触状態を視認できる。そこで、光取込窓４ａおよび光取出窓４ｂは、上述の一連の関係式が成立するように、その位置、場所、大きさ、角度などが適切に設計される。
【００７７】
なお、入射光Ｌｉｎおよび観測光Ｌｏｂが内部媒質４ｃを伝搬する際に、光損失が生じないとすると、全反射して生じる観測光Ｌｏｂは、光取込窓４ａによって取込まれた入射光と一致する。すなわち、可視光であれば、全面「白色」の光が観測される。すなわち、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界に気泡ＢＬが介在していると、当該気泡ＢＬに対応する領域の映像情報は、「白色」となる。
【００７８】
さらに、トランスデューサ３からは、所定の立体角で入射音波が放射される。そのため、粘弾性特性を正確に測定するためには、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界面内の入射音波が入射する領域のいずれの点に対しても、気泡ＢＬによって全反射される入射光Ｌｉｎを与え、および生成された観測光Ｌｏｂを取出しできるように、光取込窓４ａおよび光取出窓４ｂを形成する必要がある。
【００７９】
図６は、図５において入射音波の放射域ＲＡＤの光取込窓４ａに対する最近端を視認する場合を示した図である。
【００８０】
図６を参照して、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界において、トランスデューサ３から放射される入射音波の放射域ＲＡＤの紙面右端に介在する気泡ＢＬを視認するためには、図５における一連の関係式が成立する必要がある。
【００８１】
ここで、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界面における遅延部材４の幅長をＬとし、入射音波が入射する領域の幅長をｘ（ｘ≦Ｌ）とすると、入射光Ｌｉｎの入射位置Ｈｉｎ、および放射域ＲＡＤの右端と光取込窓４ａとの距離（Ｌ−ｘ）／２を適切に設計する必要がある。
【００８２】
図７は、図５において入射音波の放射域ＲＡＤの光取込窓４ａに対する最遠端を視認する場合を示した図である。
【００８３】
図７を参照して、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界において、トランスデューサ３から放射される入射音波の放射域ＲＡＤの紙面左端に介在する気泡ＢＬを視認するためには、図５における一連の関係式が成立する必要がある。
【００８４】
図６と同様に、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界面における遅延部材４の幅長をＬとし、入射音波が入射する領域の幅長をｘ（ｘ≦Ｌ）とすると、観測光Ｌｏｂの射出位置Ｈｏｕｔ、および放射域ＲＡＤの左端と光取出窓４ｂとの距離（Ｌ−ｘ）／２を適切に設計する必要がある。
【００８５】
すなわち、光取込窓４ａは、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界面内の入射音波が入射する領域に含まれる各点において、気泡ＢＬに応じた観測光Ｌｏｂを生成するための入射光Ｌｉｎを取込み可能に構成され、光取出窓４ｂは、入射音波が入射する領域に含まれる各々の点において生成される観測光をいずれも取出し可能に構成される。
（設計例）
【００８６】
図５を参照して、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの間に介在する、中心軸Ａｘ上の気泡ＢＬを視認する場合の設計例について例示する。
【００８７】
一例として、遅延部材４の幅長Ｌ＝５０ｍｍとし、空気の屈折率Ｎａｉｒ＝１．０，遅延部材４の屈折率Ｎ１＝１．５，被測定物ＳＭＰの屈折率Ｎ２＝２．０とする。なお、遅延部材４の材質はガラスであり、被測定物ＳＭＰの材質はポリマーである。
【００８８】
たとえば入射光Ｌｉｎの入射角θｉｎ＝６０．０°とすると、光取込窓４ａで屈折して生じる角度θ１＝３５．６°となる。そのため、入射光Ｌｉｎが遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界面に入射する角度θ２＝５４．４°となる。
【００８９】
ここで、臨界角θｃ＝ｓｉｎ−１（Ｎａｉｒ／Ｎ１）＝４１．８°であるので、角度θ２≧臨界角θｃが成立する。すなわち、入射光Ｌｉｎは、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの間に介在する気泡ＢＬによって全反射する。さらに、観測光Ｌｏｂが光取出窓４ｂに入射する角度θ３＝３５．６°であるので、観測光Ｌｏｂが光取出窓４ｂから射出される射出角θｏｕｔ＝６０．０°が得られる。
【００９０】
このように、各角度が有意な値に決定できるので、光取込窓４ａから取込まれる入射光Ｌｉｎが順次伝搬して、光取出窓４ｂから射出される経路が形成されることが数学的に示される。なお、入射光Ｌｉｎが入射する入射位置Ｈｉｎ＝１７．９ｍｍとなるので、遅延部材４は、その高さＨが１７．９ｍｍを確保できるように形成される。
【００９１】
なお、上述の説明においては、光取込窓４ａおよび光取出窓４ｂを明確に区別して記載したが、光取込窓４ａおよび光取出窓４ｂは、その機能において互いに相補の関係にある。すなわち、たとえば、図５などにおいて、光取出窓４ｂから入射光を与えることも可能であり、この場合には、光取込窓４ａが光取出窓４ｂの機能を実現する。そのため、光取込窓４ａおよび光取出窓４ｂは、入射光の光源位置および観測光Ｌｏｂの視認位置などに応じて、機能的に定まることになる。
【００９２】
この発明の実施の形態１によれば、部材外部から入射光波を取込んで遅延部材と被測定物との接合部に向けて伝搬させるための光取込窓と、入射光が接合部で反射されて生じる観測光を部材外部へ取出すための光取出窓とが形成された遅延部材が用いられる。さらに、光取込窓は、遅延部材と被測定物との境界に介在物が存在する場合に限って、当該介在物によって入射光が全反射されるように入射光を接合部へ導く。これにより、介在物が存在する領域で生成された観測光は、入射光と略一致する一方、介在物が存在しない領域で生成された観測光には、被測定物の映像情報が含まれる。したがって、介在物が存在するか否かに応じて、観測光には有意な差異が生じるため、音波センサと被測定物との接触状態を視認できる。
［実施の形態２］
【００９３】
この発明の実施の形態１では、立方体形状を有する遅延部材について例示したが、他の形状を採用してもよい。そこで、以下に説明するこの発明の実施の形態２においては、錐面を含む形状の遅延部材を用いる構成について説明する。
【００９４】
この発明の実施の形態２に従う粘弾性測定装置は、音波センサの遅延部材の形状を除いて、上述のこの発明の実施の形態１に従う粘弾性測定装置１００と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【００９５】
図８は、この発明の実施の形態２に従う音波センサ１０２の外観を示す概略図である。
【００９６】
図８を参照して、音波センサ１０２は、いわゆる「そろばん珠」形状の遅延部材５と、その上部に接合された円柱形状のトランスデューサ３と、さらにその上部に配置された送受信回路２とから構成される。
【００９７】
遅延部材５は、２つの円錐台形を共通の底面で接合したような形状に構成され、その錐面を含む表面領域に光取込窓および光取出窓が形成される。
図９は、図８のＩＸ−ＩＸ線断面図である。
【００９８】
図９を参照して、遅延部材５、トランスデューサ３および送受信回路２は、いずれも同一の中心軸Ａｘ上に配置される。そして、遅延部材５の上側の円錐台形に相当する領域に、光取込窓５ａおよび光取出窓５ｂが形成される。光取込窓５ａは、遅延部材５と被測定物ＳＭＰの境界面に対する入射光Ｌｉｎの入射角θｉｎが、遅延部材５の屈折率と気泡ＢＬの屈折率とに応じて定まる臨界角θｃ以上となるように、取込んだ入射光Ｌｉｎを当該接合部へ導く。これにより、入射光Ｌｉｎは、遅延部材５と被測定物ＳＭＰと間に介在する気泡ＢＬによっていわゆる全反射を生じる一方、気泡ＢＬが存在しない場合には、被測定物ＳＭＰで反射される。したがって、観測光Ｌｏｂは、遅延部材５と被測定物ＳＭＰとの接触状態を表す映像情報を含む。さらに、この観測光Ｌｏｂは、光取出窓５ｂによって部材外部へ取出され、接触状態が視認される。
【００９９】
なお、この発明の実施の形態２においては、入射光Ｌｉｎおよび観測光Ｌｏｂの経路に応じて、光取込窓５ａおよび光取出窓５ｂの機能を果たす領域がそれぞれ定まるため、光取込窓５ａおよび光取出窓５ｂを予め明確に区別して形成する必要はない。
【０１００】
光取込窓５ａおよび光取出窓５ｂの形成方法などは、上述したこの発明の実施の形態１と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。また、遅延部材５の内部媒質などについても、上述の遅延部材４と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【０１０１】
以下、遅延部材５と被測定物ＳＭＰとの境界面において、入射光Ｌｉｎが全反射して観測光Ｌｏｂを生じる場合の挙動について詳述する。
【０１０２】
まず、光取込窓５ａに対する入射光Ｌｉｎの入射角θｉｎと、入射光Ｌｉｎが遅延部材５の内部を伝搬する方向を規定する角度θ１との関係をみる。両者の間には、スネルの法則により、空気の屈折率Ｎａｉｒと遅延部材５の屈折率Ｎ１とを用いて、
Ｎａｉｒ・ｓｉｎθｉｎ＝Ｎ１・ｓｉｎθ１
の関係が成立する。ここで、遅延部材５と被測定物ＳＭＰとの境界面に対する光取込窓５ａおよび光取出窓５ｂのなす角度をα１とすると、入射光Ｌｉｎが遅延部材５と被測定物ＳＭＰとの境界面に入射する角度θ２は、
θ２＝θ１＋α１
となる。ここで、入射光Ｌｉｎが全反射するためには、入射する角度θ２が臨界角θｃ以上となる必要がある。すなわち、
θ２＝θ１＋α１≧θｃ
が成立する必要がある。ここで、気泡ＢＬの屈折率は、空気の屈折率と同じくＮａｉｒ（Ｎａｉｒ≦Ｎ１）であるので、臨界角θｃは、
θｃ＝ｓｉｎ−１（Ｎａｉｒ／Ｎ１）
となる。さらに、入射光Ｌｉｎの全反射によって生成される観測光Ｌｏｂは、入射光Ｌｉｎの入射経路と中心軸Ａｘに対して対称的な経路を伝搬するので、観測光Ｌｏｂが光取出窓５ｂに入射する角度θ３は、
θ３＝θ２−α１＝θ１
となる。そして、観測光Ｌｏｂが光取出窓５ｂを通過する場合の射出角θｏｕｔと角度θ３との間には、
Ｎ１・ｓｉｎθ３＝Ｎａｉｒ・ｓｉｎθｏｕｔ
の関係が成立する。したがって、射出角θｏｕｔは、
θｏｕｔ＝ｓｉｎ−１（ｓｉｎθ３・Ｎ１／Ｎａｉｒ）
と表される。
【０１０３】
すなわち、上述の一連の関係式が成立する場合には、入射光Ｌｉｎが遅延部材５と被測定物ＳＭＰと間に介在する気泡ＢＬによって全反射し、遅延部材５と被測定物ＳＭＰとの接触状態を表す映像情報を含む観測光Ｌｏｂが視認できることを意味する。したがって、光取込窓５ａおよび光取出窓５ｂは、上述の一連の関係式が成立するように、その位置、場所、大きさ、角度などが適切に設計される。
【０１０４】
さらに、トランスデューサ３からは、所定の立体角で入射音波が放射される。そのため、粘弾性特性を正確に測定するためには、遅延部材５と被測定物ＳＭＰとの境界面内の入射音波が入射する領域のいずれの点に対しても、気泡ＢＬによって全反射される入射光Ｌｉｎを与え、および生成された観測光Ｌｏｂを取出しできるように、光取込窓５ａおよび光取出窓５ｂを形成する必要がある。
【０１０５】
図１０は、図９において入射音波の放射域ＲＡＤの光取込窓５ａに対する最近端を視認する場合を示した図である。
【０１０６】
図１０を参照して、遅延部材５と被測定物ＳＭＰとの境界において、トランスデューサ３から放射される入射音波の放射域ＲＡＤの紙面右端に介在する気泡ＢＬを視認するためには、図９における一連の関係式が成立する必要がある。そのため、光取込窓５ａおよび光取出窓５ｂの錐面の長さおよび角度などを適切に設計する必要がある。特に、光取込窓５ａに入射光Ｌｉｎが入射する入射位置Ｈｉｎ、および光取出窓５ｂから観測光Ｌｏｂが射出する射出位置Ｈｏｕｔを適切に設計する必要がある。
【０１０７】
なお、この発明の実施の形態２に従う遅延部材５は、中心軸Ａｘに対して対称に構成されるので、入射音波の放射域ＲＡＤの光取込窓５ａに対する最近端を視認可能に構成すれば、必然的に、入射音波の放射域ＲＡＤの光取込窓５ａに対する最遠端も視認可能となる。
（設計例）
【０１０８】
図９を参照して、遅延部材５と被測定物ＳＭＰとの間に介在する、中心軸Ａｘ上の気泡ＢＬを視認する場合の設計例について例示する。
【０１０９】
一例として、遅延部材５の底面部の直径Ｌ＝５０ｍｍとし、遅延部材５と被測定物ＳＭＰとの境界面に対する光取込窓５ａおよび光取出窓５ｂのなす角度α１＝３５°とし、空気の屈折率Ｎａｉｒ＝１．０，遅延部材５の屈折率Ｎ１＝１．５，被測定物ＳＭＰの屈折率Ｎ２＝２．０とする。
【０１１０】
たとえば入射光の光取込窓５ａに対する入射角θｉｎ＝１５．０°とすると、光取込窓５ａで屈折して生じる角度θ１＝９．９３°となる。そのため、入射光Ｌｉｎが遅延部材５と被測定物ＳＭＰとの境界面に入射する角度θ２＝４４．９３°となる。
【０１１１】
ここで、臨界角θｃ＝ｓｉｎ−１（Ｎａｉｒ／Ｎ１）＝４１．８°であるので、角度θ２≧臨界角θｃが成立する。すなわち、入射光Ｌｉｎは、遅延部材５と被測定物ＳＭＰとの間に介在する気泡ＢＬによって全反射する。さらに、観測光Ｌｏｂが光取出窓５ｂに入射する角度θ３＝９．９３°であるので、観測光Ｌｏｂが光取出窓５ｂから射出される射出角θｏｕｔ＝１５．０°が得られる。
【０１１２】
このように、各角度が有意な値に決定できるので、光取込窓５ａから取込まれる入射光Ｌｉｎが順次伝搬して、光取出窓５ｂから射出される経路が形成されることが数学的に示される。
【０１１３】
さらに、図１０を参照して、遅延部材５と被測定物ＳＭＰとの間に介在する、放射域ＲＡＤの光取込窓５ａに対する最近端の位置に介在する気泡ＢＬを視認する場合の設計例について例示する。なお、遅延部材５と被測定物ＳＭＰとの境界面における放射域ＲＡＤの直径ｘ＝４０ｍｍとする。
【０１１４】
上述したのと同様に、入射光の光取込窓５ａに対する入射角θｉｎ＝１５．０°とすると、光取込窓５ａで屈折して生じる角度θ１＝９．９３°となり、入射光Ｌｉｎが遅延部材５と被測定物ＳＭＰとの境界面に入射する角度θ２＝４４．９３°となる。さらに、観測光Ｌｏｂが光取出窓５ｂに入射する角度θ３＝９．９３°であるので、観測光Ｌｏｂが光取出窓５ｂから射出される射出角θｏｕｔ＝１５．０°が得られる。
【０１１５】
ここで、入射光Ｌｉｎが入射する入射位置Ｈｉｎ＝４．４７ｍｍとなる。そのため、光取込窓５ａおよび光取出窓５ｂは、それぞれの高さが遅延部材５と被測定物ＳＭＰとの境界面から４．４７ｍｍを確保できるように形成することで、放射域ＲＡＤのいずれの点に対しても、視認することができる。
【０１１６】
この発明の実施の形態２によれば、部材外部から入射光波を取込んで遅延部材と被測定物との接合部に向けて伝搬させるための光取込窓と、入射光が接合部で反射されて生じる観測光を部材外部へ取出すための光取出窓とが形成された遅延部材が用いられる。さらに、光取込窓は、遅延部材と被測定物との境界に介在物が存在する場合に限って、当該介在物によって入射光が全反射されるように入射光を接合部へ導く。これにより、介在物が存在する領域で生成された観測光は、入射光と略一致する一方、介在物が存在しない領域で生成された観測光には、被測定物の映像情報が含まれる。したがって、介在物が存在するか否かに応じて、観測光には有意な差異が生じるため、音波センサと被測定物との接触状態を視認できる。
【０１１７】
また、この発明の実施の形態２に係る光取込窓および光取出窓は、上述のこの発明の実施の形態１に比較して、遅延部材と被測定物との境界面に対する角度がより小さくなるように形成される。これにより、入射光および観測光の伝搬方向が遅延部材と被測定物との境界面に対してより垂直方向になるので、より容易な視認を実現できる。
［実施の形態３］
【０１１８】
この発明の実施の形態２では、２つの円錐台形が接合された形状を有する遅延部材について例示したが、この発明の実施の形態３においては、円錐台形状の遅延部材を用いる構成について説明する。
【０１１９】
この発明の実施の形態３に従う粘弾性測定装置は、音波センサの遅延部材の形状を除いて、上述のこの発明の実施の形態１に従う粘弾性測定装置１００と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【０１２０】
図１１は、この発明の実施の形態３に従う音波センサ１０３の外観を示す概略図である。
【０１２１】
図１１を参照して、音波センサ１０３は、円錐台形状の遅延部材６と、その上部に接合された円柱形状のトランスデューサ３と、さらにその上部に配置された送受信回路２とから構成される。
【０１２２】
遅延部材６は、より広い断面積をもつ面を底面側に配置した円錐台形の形状を有し、その錐面を含む表面領域に光取込窓および光取出窓が形成される。
図１２は、図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。
【０１２３】
図１２を参照して、遅延部材６、トランスデューサ３および送受信回路２は、いずれも同一の中心軸Ａｘ上に配置される。そして、遅延部材６の錐面およびトランスデューサ３との接合面を除く上面に、光取込窓６ａおよび光取出窓６ｂが形成される。光取込窓６ａは、遅延部材６と被測定物ＳＭＰの境界面に対する入射光Ｌｉｎの入射角θｉｎが、遅延部材６の屈折率と気泡ＢＬの屈折率とに応じて定まる臨界角θｃ以上となるように、取込んだ入射光Ｌｉｎを当該接合部へ導く。これにより、入射光Ｌｉｎは、遅延部材６と被測定物ＳＭＰと間に介在する気泡ＢＬによっていわゆる全反射を生じる一方、気泡ＢＬが存在しない場合には、被測定物ＳＭＰで反射される。したがって、観測光Ｌｏｂは、遅延部材６と被測定物ＳＭＰとの接触状態を表す映像情報を含む。さらに、この観測光Ｌｏｂは、光取出窓６ｂによって部材外部へ取出され、接触状態が視認される。
【０１２４】
なお、この発明の実施の形態３においては、入射光Ｌｉｎおよび観測光Ｌｏｂの経路に応じて、光取込窓６ａおよび光取出窓６ｂの機能を果たす領域がそれぞれ定まるため、光取込窓６ａおよび光取出窓６ｂを予め明確に区別して形成する必要はない。
【０１２５】
光取込窓６ａおよび光取出窓６ｂの形成方法などは、上述したこの発明の実施の形態１と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。また、遅延部材６の内部媒質などについても、上述の遅延部材４と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【０１２６】
この発明の実施の形態３に従う光取込窓６ａおよび光取出窓６ｂは、上述のこの発明の実施の形態２に従う光取込窓５ａおよび光取出窓５ｂを被測定物ＳＭＰとの境界面方向に延長したものと等価であるので、入射光Ｌｉｎおよび観測光Ｌｏｂの挙動は、この発明の実施の形態２に従う遅延部材５における挙動と同様となる。そのため、入射光Ｌｉｎおよび観測光Ｌｏｂの挙動についての詳細な説明は繰返さない。
【０１２７】
図１３は、図１２において入射音波の放射域ＲＡＤの光取込窓６ａに対する最近端を視認する場合を示した図である。
【０１２８】
図１３を参照して、遅延部材６と被測定物ＳＭＰとの境界面において、トランスデューサ３から放射される入射音波の放射域ＲＡＤの紙面右端に介在する気泡ＢＬを視認するためには、図１２における一連の関係式が成立する必要がある。そのため、光取込窓６ａおよび光取出窓６ｂの長さおよび角度などを適切に設計する必要がある。特に、光取込窓６ａに入射光Ｌｉｎが入射する入射位置Ｈｉｎ、および光取出窓６ｂから観測光Ｌｏｂが射出する射出位置Ｈｏｕｔを適切に設計する必要がある。
【０１２９】
なお、この発明の実施の形態３に従う遅延部材６は、中心軸Ａｘに対して対称に構成されるので、入射音波の放射域ＲＡＤの光取込窓６ａに対する最近端を視認可能に構成すれば、必然的に、入射音波の放射域ＲＡＤの光取込窓６ａに対する最遠端も視認可能となる。
（設計例）
【０１３０】
図１２を参照して、遅延部材６と被測定物ＳＭＰとの間に介在する、中心軸Ａｘ上の気泡ＢＬを視認する場合の設計例について例示する。
【０１３１】
一例として、遅延部材６の底面部の直径Ｌ＝５０ｍｍとし、遅延部材６と被測定物ＳＭＰとの境界面に対する光取込窓６ａおよび光取出窓６ｂのなす角度α１＝３０°とし、空気の屈折率Ｎａｉｒ＝１．０，遅延部材６の屈折率Ｎ１＝１．５，被測定物ＳＭＰの屈折率Ｎ２＝２．０とする。
【０１３２】
たとえば入射光の光取込窓６ａに対する入射角θｉｎ＝１５．０°とすると、光取込窓６ａで屈折して生じる角度θ１＝９．９３°となる。そのため、入射光Ｌｉｎが遅延部材６と被測定物ＳＭＰとの境界面に入射する角度θ２＝４４．９３°となる。
【０１３３】
ここで、臨界角θｃ＝ｓｉｎ−１（Ｎａｉｒ／Ｎ１）＝４１．８°であるので、角度θ２≧臨界角θｃが成立する。すなわち、入射光Ｌｉｎは、遅延部材６と被測定物ＳＭＰとの間に介在する気泡ＢＬによって全反射する。さらに、観測光Ｌｏｂが光取出窓６ｂに入射する角度θ３＝９．９３°であるので、観測光Ｌｏｂが光取出窓６ｂから射出される射出角θｏｕｔ＝１５．０°が得られる。
【０１３４】
このように、各角度が有意な値に決定できるので、光取込窓６ａから取込まれる入射光Ｌｉｎが順次伝搬して、光取出窓６ｂから射出される経路が形成されることが数学的に示される。
【０１３５】
この発明の実施の形態３によれば、部材外部から入射光波を取込んで遅延部材と被測定物との接合部に向けて伝搬させるための光取込窓と、入射光が接合部で反射されて生じる観測光を部材外部へ取出すための光取出窓とが形成された遅延部材が用いられる。さらに、光取込窓は、遅延部材と被測定物との境界に介在物が存在する場合に限って、当該介在物によって入射光が全反射されるように入射光を接合部へ導く。これにより、介在物が存在する領域で生成された観測光は、入射光と略一致する一方、介在物が存在しない領域で生成された観測光には、被測定物の映像情報が含まれる。したがって、介在物が存在するか否かに応じて、観測光には有意な差異が生じるため、音波センサと被測定物との接触状態を視認できる。
【０１３６】
また、この発明の実施の形態３に係る遅延部材は、より広い断面積をもつ面で被測定物と密着するように構成されるので、粘弾性特性の測定対象領域が比較的広い場合であっても、確実に音波センサと被測定物との接触状態を視認できる。
［実施の形態４］
【０１３７】
上述のこの発明の実施の形態１〜３においては、光取込窓によって取込まれた入射光が遅延部材と被測定物との間に介在する気泡によって全反射される構成について例示した。一方、この発明の実施の形態４においては、光取込窓によって取込まれた入射光が遅延部材と被測定物との間に介在する気泡に入射する構成について説明する。
【０１３８】
この発明の実施の形態４に従う粘弾性測定装置は、音波センサの遅延部材における各設計値を除いて、図１、図２および図４に示すこの発明の実施の形態１に従う粘弾性測定装置１００と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
図１４は、この発明の実施の形態４に従う音波センサの断面図である。
【０１３９】
図１４を参照して、この発明の実施の形態４に従う音波センサは、同一の中心軸Ａｘ上に配置される遅延部材＃４、トランスデューサ３および送受信回路２からなる。そして、
遅延部材＃４は、被測定物ＳＭＰを視認可能とするために、その互いに対向する側表面に光取込窓＃４ａおよび光取出窓＃４ｂが形成される。
【０１４０】
光取込窓＃４ａは、部材外部から入射光Ｌｉｎを取込んで、取込んだ入射光Ｌｉｎを遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの接合部に向けて伝搬させ、光取出窓＃４ｂは、入射光Ｌｉｎが遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの接合部で反射されて生じる観測光Ｌｏｂを部材外部へ取出す。
【０１４１】
より詳細には、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界に介在物である気泡ＢＬが存在する場合には、入射光Ｌｉｎは、介在する気泡ＢＬに入射して伝搬後に、気泡ＢＬと被測定物ＳＭＰとの境界で反射されて、観測光Ｌｏｂを生成する。一方、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界に介在物である気泡ＢＬが存在しない場合には、入射光Ｌｉｎは、遅延部材＃４と接する被測定物ＳＭＰによって反射されて観測光Ｌｏｂを生成する。そのため、気泡ＢＬの有無に関わらず、観測光Ｌｏｂには、被測定物ＳＭＰの表面状態についての映像情報が含まれるが、気泡ＢＬが存在する場合には、気泡ＢＬ自体の映像情報も観測光Ｌｏｂに含まれることになる。したがって、気泡ＢＬの有無に応じて、観測光Ｌｏｂには有意な差異が生じるため、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの接触状態を視認できる。
また、上述の実施の形態１〜３で示したような全反射して生じる観測光を用いる場合には、被測定物ＳＭＰが白色であれば、観測光との色の差異がわずかになるので、気泡ＢＬの存在を観測しにくいことも想定されるが、本実施の形態によれば、白色の被測定物ＳＭＰに対しても、確実に気泡ＢＬの有無を確認できる。
【０１４２】
要約すると、光取込窓＃４ａは、入射光が遅延部材＃４と気泡ＢＬとの境界に到達すると、遅延部材＃４を通過して気泡ＢＬへ入射した後、気泡ＢＬと被測定物ＳＭＰとの境界で反射されるように、入射光を遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの接合部へ導く。すなわち、光取込窓＃４ａは、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界面に対する入射光の入射角が、遅延部材＃４の屈折率と気泡ＢＬの屈折率とに応じて定まる臨界角より小さくなるように、入射光Ｌｉｎを当該接合部へ導く。
【０１４３】
光取込窓＃４ａおよび光取出窓＃４ｂの形成方法などは、上述したこの発明の実施の形態１と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。また、遅延部材＃４の内部媒質などについても、上述の遅延部材４と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【０１４４】
以下、入射光Ｌｉｎが被測定物ＳＭＰで反射されて観測光Ｌｏｂを生じる場合の挙動について詳述する。特に、中心軸Ａｘ上であって、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界面に介在する気泡ＢＬを介して被測定物ＳＭＰを視認する場合について説明する。
【０１４５】
まず、光取込窓＃４ａに対する入射光Ｌｉｎの入射角θｉｎと、入射光Ｌｉｎが遅延部材＃４の内部を伝搬する方向を規定する角度θ１との関係をみる。両者の間には、スネルの法則により、空気の屈折率Ｎａｉｒと遅延部材＃４の屈折率Ｎ１とを用いて、
Ｎａｉｒ・ｓｉｎθｉｎ＝Ｎ１・ｓｉｎθ１
の関係が成立する。そのため、入射光Ｌｉｎが遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界面に入射する角度θ２は、
θ２＝π／２−θ１
となる。ここで、入射光Ｌｉｎが遅延部材＃４を通過するためには、入射する角度θ２が臨界角θｃより小さくなる必要がある。すなわち、
θ２＝π／２−θ１＜θｃ
が成立する必要がある。ここで、気泡ＢＬの屈折率は、空気の屈折率と同じくＮａｉｒ（Ｎａｉｒ≦Ｎ１）であるので、臨界角θｃは、
θｃ＝ｓｉｎ−１（Ｎａｉｒ／Ｎ１）
となる。
【０１４６】
図１５は、遅延部材＃４と気泡ＢＬとの境界における光波の挙動を説明するための図である。
【０１４７】
図１５を参照して、被測定物ＳＭＰに入射する入射光Ｌｉｎの角度θ２と、入射光Ｌｉｎが気泡ＢＬ内に入射する角度θ３との関係をみる。両者の間には、スネルの法則により、遅延部材＃４の屈折率Ｎ１と空気の屈折率Ｎａｉｒとを用いて、
Ｎ１・ｓｉｎθ２＝Ｎａｉｒ・ｓｉｎθ３
の関係が成立する。そのため、入射光Ｌｉｎが気泡ＢＬと被測定物ＳＭＰとの境界面に入射する角度θ４は、
θ４＝π／２−θ３
となる。ここで、屈折率Ｎａｉｒ＞屈折率Ｎ２であれば、気泡ＢＬと被測定物ＳＭＰとの境界に到達した入射光Ｌｉｎは、被測定物ＳＭＰへ入射し、その一部が被測定物ＳＭＰで反射され、観測光Ｌｏｂが生成される。生成される観測光Ｌｏｂは、入射光Ｌｉｎの入射経路と対称的な経路を伝搬するので、観測光Ｌｏｂが気泡ＢＬと遅延部材＃４との境界面に入射する角度θ５は、
θ５＝π／２−θ４＝θ３
となる。さらに、遅延部材＃４の内部を伝搬する観測光Ｌｏｂが遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界面に対して成す角度θ６には、
【０１４８】
Ｎ１・ｓｉｎθ６＝Ｎａｉｒ・ｓｉｎθ５＝Ｎａｉｒ・ｓｉｎθ３＝Ｎ１・ｓｉｎθ２
の関係が成立するので、
θ６＝θ２
となる。さらに、再度、図１４を参照して、観測光Ｌｏｂが光取出窓４ｂに入射する角度θ７は、
θ７＝π／２−θ６
となる。そして、観測光Ｌｏｂが光取出窓４ｂを通過する場合の射出角θｏｕｔと角度θ３との間には、
Ｎ１・ｓｉｎθ７＝Ｎａｉｒ・ｓｉｎθｏｕｔ
の関係が成立する。したがって、射出角θｏｕｔは、
θｏｕｔ＝ｓｉｎ−１（ｓｉｎθ７・Ｎ１／Ｎａｉｒ）
と表される。
【０１４９】
すなわち、上述の一連の関係式が成立する場合には、入射光Ｌｉｎは、遅延部材＃４と気泡ＢＬとの境界を通過した後、気泡ＢＬと被測定物ＳＭＰとの境界で反射されることで、被測定物ＳＭＰの状態に応じた映像情報を含む観測光Ｌｏｂが生成される。したがって、光取込窓＃４ａおよび光取出窓＃４ｂは、上述の一連の関係式が成立するように、その位置、場所、大きさ、角度などが適切に設計される。
【０１５０】
なお、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界に気泡ＢＬが介在しない場合には、入射光Ｌｉｎは、遅延部材４を通過して被測定物ＳＭＰへ入射し、その一部が被測定物ＳＭＰで反射される。
【０１５１】
さらに、トランスデューサ３からは、所定の立体角で入射音波が放射される。そのため、粘弾性特性を正確に測定するためには、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界面内の入射音波が入射する領域のいずれの点に対しても、気泡ＢＬに入射した後に反射される入射光Ｌｉｎおよび観測光Ｌｏｂが存在するように、光取込窓＃４ａおよび光取出窓＃４ｂを形成する必要がある。
【０１５２】
図１６は、図１５において入射音波の放射域ＲＡＤの光取込窓＃４ａに対する最近端を視認する場合を示した図である。
【０１５３】
図１６を参照して、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界において、トランスデューサ３から放射される入射音波の放射域ＲＡＤの紙面右端に介在する気泡ＢＬを視認するためには、図１５における一連の関係式が成立する必要がある。
【０１５４】
ここで、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界面における遅延部材４の幅長をＬとし、入射音波が入射する領域の幅長をｘ（ｘ≦Ｌ）とすると、観測光Ｌｏｂの入射位置Ｈｉｎ、および放射域ＲＡＤの右端と光取込窓４ａとの距離（Ｌ−ｘ）／２を適切に設計する必要がある。
【０１５５】
図１７は、図１５において入射音波の放射域ＲＡＤの光取込窓＃４ａに対する最遠端を視認する場合を示した図である。
【０１５６】
図１７を参照して、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界において、トランスデューサ３から放射される入射音波の放射域ＲＡＤの紙面左端に介在する気泡ＢＬを視認するためには、図１５における一連の関係式が成立する必要がある。
【０１５７】
図１６と同様に、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界面における遅延部材４の幅長をＬとし、入射音波が入射する領域の幅長をｘ（ｘ≦Ｌ）とすると、観測光Ｌｏｂの射出位置Ｈｏｕｔ、および放射域ＲＡＤの紙面左端と光取出窓＃４ｂとの距離（Ｌ−ｘ）／２を適切に設計する必要がある。
【０１５８】
すなわち、光取込窓＃４ａは、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界面内の入射音波が入射する領域の各点において、気泡ＢＬに応じた観測光Ｌｏｂを生成するための入射光Ｌｉｎを取込み可能に構成され、光取出窓＃４ｂは、入射音波が入射する領域の各々の点において生成される観測光Ｌｏｂをいずれも取出し可能に構成される。
（設計例）
【０１５９】
図１４を参照して、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの間に介在する、中心軸Ａｘ上の気泡ＢＬを視認する場合の設計例について例示する。
【０１６０】
一例として、遅延部材＃４の幅長Ｌ＝５０ｍｍとし、空気の屈折率Ｎａｉｒ＝１．０，遅延部材＃４の屈折率Ｎ１＝１．１，被測定物ＳＭＰの屈折率Ｎ２＝１．６５とする。
【０１６１】
たとえば入射光の入射角θｉｎ＝３０．０°とすると、光取込窓＃４ａで屈折して生じる角度θ１＝２７．０°となる。そのため、入射光Ｌｉｎが遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界面に入射する角度θ２＝６３．０°となる。
【０１６２】
ここで、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの間に介在する気泡ＢＬの臨界角θｃ＝ｓｉｎ−１（Ｎａｉｒ／Ｎ１）＝６５．４°であるので、角度θ２＜臨界角θｃが成立する。すなわち、遅延部材＃４と気泡ＢＬとの境界面に到達した入射光Ｌｉｎは、遅延部材＃４を通過して気泡ＢＬへ入射する。
【０１６３】
再度、図１５を参照して、気泡ＢＬに入射した入射光Ｌｉｎは、遅延部材＃４と気泡ＢＬとの境界面において屈折して、角度θ３の角度で気泡ＢＬ内を伝搬する。このとき、角度θ３＝３６．４°となるので、入射光Ｌｉｎの気泡ＢＬと被測定物ＳＭＰとの境界面に入射する角度も３６．４°となる。入射光Ｌｉｎが気泡ＢＬと被測定物ＳＭＰとの境界面で反射されて観測光Ｌｏｂを生じる。そして、観測光Ｌｏｂが気泡ＢＬと遅延部材＃４との境界面に最入射する角度θ５＝θ３＝３６．４°となり、観測光Ｌｏｂが当該境界面から射出される角度θ６＝θ２＝６３．０°となる。
【０１６４】
再度、図１４を参照して、観測光Ｌｏｂが光取出窓＃４ｂに入射する角度θ７＝２７．０°であるので、観測光Ｌｏｂが光取出窓＃４ｂから射出される射出角θｏｕｔ＝３０．０°が得られる。
【０１６５】
このように、各角度が有意な値に決定できるので、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界に気泡ＢＬが介在していれば、光取込窓＃４ａから取込まれる入射光Ｌｉｎが順次伝搬して、光取出窓＃４ｂから射出される経路が形成されることが数学的に示される。
【０１６６】
さらに、図１６を参照して、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの間に介在する、放射域ＲＡＤの光取込窓＃４ａに対する最近端の位置に介在する気泡ＢＬを視認する場合の設計例について例示する。なお、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界面における放射域ＲＡＤの幅長ｘ＝４０ｍｍとする。
【０１６７】
上述したのと同様に、入射光Ｌｉｎの光取込窓＃４に対する入射角θｉｎ＝３０．０°とすると、光取込窓＃４ａで屈折して生じる角度θ１＝２７．０°となり、入射光Ｌｉｎが遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界面に入射する角度θ２＝６３．０°となる。
【０１６８】
ここで、入射音波の放射域ＲＡＤの紙面右端に入射光Ｌｉｎを入射可能とするためには、入射光Ｌｉｎは、入射位置Ｈｉｎ＝２．５４ｍｍにおいて光取込窓＃４ａによって取込まれる必要がある。すなわち、入射位置Ｈｉｎ＝２．５４ｍｍより高い位置で入射光Ｌｉｎを取込むように構成することで、放射域ＲＡＤのいずれの点に対しても、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの接触状態を視認することができる。
【０１６９】
なお、上述の説明においては、光取込窓＃４ａおよび光取出窓＃４ｂを明確に区別して記載したが、光取込窓＃４ａおよび光取出窓＃４ｂは、その機能において互いに相補の関係にある。すなわち、光取込窓＃４ａおよび光取出窓＃４ｂは、入射光の光源位置などに応じて、機能的に定まることになる。
【０１７０】
この発明の実施の形態４によれば、部材外部から入射光波を取込んで遅延部材と被測定物との接合部に向けて伝搬させるための光取込窓と、入射光が接合部で反射されて生じる観測光を部材外部へ取出すための光取出窓とが形成された遅延部材が用いられる。さらに、光取込窓は、遅延部材と被測定物との境界に気泡などの介在物が存在する場合には、当該気泡に入射した後に、当該気泡と被測定物との境界で反射されて観測光を生成するように、入射光を接合部へ導く。これにより、介在物が存在する領域で生成された観測光は、気泡自体の映像情報を含むようになる。したがって、介在物が存在するか否かに応じて、観測光には有意な差異が生じるため、音波センサと被測定物との接触状態を視認できる。
［実施の形態５］
【０１７１】
この発明の実施の形態４では、立方体形状を有する遅延部材について、光取込窓によって取込まれた入射光が遅延部材を通過して介在物に入射する構成について例示した。一方、この発明の実施の形態５においては、２つの円錐台形からなる遅延部材について、光取込窓によって取込まれた入射光が遅延部材を通過して介在物に入射する構成について説明する。
【０１７２】
この発明の実施の形態５に従う粘弾性測定装置は、音波センサの遅延部材における各設計値を除いて、図８に示すこの発明の実施の形態２に従う粘弾性測定装置と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
図１８は、この発明の実施の形態５に従う音波センサの断面図である。
【０１７３】
図１８を参照して、この発明の実施の形態５に従う音波センサは、同一の中心軸Ａｘ上に配置される遅延部材＃５、トランスデューサ３および送受信回路２からなる。そして、
遅延部材＃５の上側の円錐台形に相当する領域に、光取込窓＃５ａおよび光取出窓＃５ｂが形成される。より詳細には、光取込窓＃５ａは、入射光が遅延部材＃５と気泡ＢＬとの境界に到達すると、遅延部材＃５を通過して気泡ＢＬへ入射した後、気泡ＢＬと被測定物ＳＭＰとの境界で反射されるように、入射光を遅延部材＃５と被測定物ＳＭＰとの接合部へ導く。すなわち、光取込窓＃５ａは、遅延部材＃５と被測定物ＳＭＰとの境界面に対する入射光の入射角が、遅延部材＃５の屈折率と気泡ＢＬの屈折率とに応じて定まる臨界角より小さくなるように、入射光Ｌｉｎを当該接合部へ導く。これにより、気泡ＢＬの有無に応じて、観測光Ｌｏｂには有意な差異が生じるため、遅延部材＃５と被測定物ＳＭＰとの接触状態を視認できる。
【０１７４】
光取込窓＃５ａおよび光取出窓＃５ｂの形成方法などは、上述したこの発明の実施の形態１と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。また、遅延部材＃５の内部媒質などについても、上述の遅延部材４と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【０１７５】
以下、入射光Ｌｉｎが被測定物ＳＭＰで反射されて観測光Ｌｏｂを生じる場合の挙動について詳述する。特に、中心軸Ａｘ上であって、遅延部材＃５と被測定物ＳＭＰとの境界面に介在する気泡ＢＬを介して被測定物ＳＭＰを視認する場合について説明する。
【０１７６】
まず、光取込窓＃５ａに対する入射光Ｌｉｎの入射角θｉｎと、入射光Ｌｉｎが遅延部材＃５の内部を伝搬する方向を規定する角度θ１との関係をみる。両者の間には、スネルの法則により、空気の屈折率Ｎａｉｒと遅延部材＃５の屈折率Ｎ１とを用いて、
Ｎａｉｒ・ｓｉｎθｉｎ＝Ｎ１・ｓｉｎθ１
の関係が成立する。ここで、遅延部材＃５と被測定物ＳＭＰとの境界面に対する光取込窓＃５ａおよび光取出窓＃５ｂのなす角度をα２とすると、入射光Ｌｉｎが遅延部材＃５と被測定物ＳＭＰとの境界面に入射する角度θ２は、
θ２＝θ１＋α２
となる。ここで、入射光Ｌｉｎが遅延部材＃５を通過するためには、入射する角度θ２が臨界角θｃより小さくなる必要がある。すなわち、
θ２＝θ１＋α２＜θｃ
が成立する必要がある。ここで、気泡ＢＬの屈折率は、空気の屈折率と同じくＮａｉｒ（Ｎａｉｒ≦Ｎ１）であるので、臨界角θｃは、
θｃ＝ｓｉｎ−１（Ｎａｉｒ／Ｎ１）
となる。遅延部材＃５を通過した後の入射光Ｌｉｎの挙動については、上述のこの発明の実施の形態４において、図１５に示した内容と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【０１７７】
そして、気泡ＢＬと被測定物ＳＭＰとの境界面で反射されて生成される観測光Ｌｏｂが遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界面に対して成す角度θ６は、角度θ２と一致する。そのため、観測光Ｌｏｂが光取出窓＃５ｂに入射する角度θ７は、
θ７＝θ６−α２＝θ２−α２＝θ１
となる。そして、観測光Ｌｏｂが光取出窓＃５ｂを通過する場合の射出角θｏｕｔと角度θ７との間には、
Ｎ１・ｓｉｎθ７＝Ｎａｉｒ・ｓｉｎθｏｕｔ
の関係が成立する。したがって、射出角θｏｕｔは、
θｏｕｔ＝ｓｉｎ−１（ｓｉｎθ７・Ｎ１／Ｎａｉｒ）
と表される。
【０１７８】
すなわち、上述の一連の関係式が成立する場合には、入射光Ｌｉｎは、遅延部材＃５と気泡ＢＬとの境界を通過した後、気泡ＢＬと被測定物ＳＭＰとの境界で反射されることで、被測定物ＳＭＰの状態に応じた映像情報を含む観測光Ｌｏｂが生成される。したがって、光取込窓＃５ａおよび光取出窓＃５ｂは、上述の一連の関係式が成立するように、その位置、場所、大きさ、角度などが適切に設計される。
【０１７９】
さらに、トランスデューサ３からは、所定の立体角で入射音波が放射される。そのため、粘弾性特性を正確に測定するためには、遅延部材＃４と被測定物ＳＭＰとの境界面内の入射音波が入射する領域のいずれの点に対しても、全反射を生じる入射光Ｌｉｎおよび観測光Ｌｏｂが存在するように、光取込窓＃５ａおよび光取出窓＃５ｂを形成する必要がある。
【０１８０】
図１９は、図１８において入射音波の放射域ＲＡＤの光取込窓＃５ａに対する最近端を視認する場合を示した図である。
【０１８１】
図１９を参照して、遅延部材＃５と被測定物ＳＭＰとの境界において、トランスデューサ３から放射される入射音波の放射域ＲＡＤの紙面右端に介在する気泡ＢＬを視認するためには、図１８における一連の関係式が成立する必要がある。そのため、光取込窓＃５ａおよび光取出窓＃５ｂの長さおよび角度などを適切に設計する必要がある。特に、光取込窓＃５ａに入射光Ｌｉｎが入射する入射位置Ｈｉｎ、および光取出窓＃５ｂから観測光Ｌｏｂが射出する射出位置Ｈｏｕｔを適切に設計する必要がある。
【０１８２】
なお、この発明の実施の形態５に従う遅延部材５＃は、中心軸Ａｘに対して対称に構成されるので、入射音波の放射域ＲＡＤの光取込窓＃５ａに対する最近端を視認可能に構成すれば、必然的に、入射音波の放射域ＲＡＤの光取込窓＃５ａに対する最遠端も視認可能となる。
（設計例）
【０１８３】
図１８を参照して、遅延部材＃５と被測定物ＳＭＰとの間に介在する、中心軸Ａｘ上の気泡ＢＬを視認する場合の設計例について例示する。
【０１８４】
一例として、遅延部材＃５の幅長Ｌ＝５０ｍｍとし、遅延部材＃５と被測定物ＳＭＰとの境界面に対する光取込窓＃５ａおよび光取出窓＃５ｂのなす角度α１＝３０°とし、空気の屈折率Ｎａｉｒ＝１．０，遅延部材＃５の屈折率Ｎ１＝１．１，被測定物ＳＭＰの屈折率Ｎ２＝２．０とする。
【０１８５】
たとえば入射光の入射角θｉｎ＝１５．０°とすると、光取込窓＃５ａで屈折して生じる角度θ１＝１２．７°となる。そのため、入射光Ｌｉｎが遅延部材＃５と被測定物ＳＭＰとの境界面に入射する角度θ２＝４２．７°となる。
【０１８６】
ここで、遅延部材＃５と被測定物ＳＭＰとの間に介在する気泡ＢＬの臨界角θｃ＝ｓｉｎ−１（Ｎａｉｒ／Ｎ１）＝６５．４°であるので、角度θ２＜臨界角θｃが成立する。すなわち、遅延部材＃５と気泡ＢＬとの境界面に到達した入射光Ｌｉｎは、遅延部材＃５を通過して気泡ＢＬへ入射する。
【０１８７】
再度、図１５を参照して、気泡ＢＬに入射した入射光Ｌｉｎは、遅延部材＃５と気泡ＢＬとの境界面において屈折して、角度θ３の角度で気泡ＢＬ内を伝搬する。このとき、角度θ３＝４８．２°となる。さらに、入射光Ｌｉｎは、気泡ＢＬと被測定物ＳＭＰとの境界面で反射されて観測光Ｌｏｂを生じる。そして、観測光Ｌｏｂが気泡ＢＬと遅延部材＃５との境界面に最入射する角度θ５＝θ３＝４８．２°となり、観測光Ｌｏｂが当該境界面から射出される角度θ６＝θ２＝４２．７°となる。
【０１８８】
再度、図１８を参照して、観測光Ｌｏｂが光取出窓＃５ｂに入射する角度θ７＝１２．７°であるので、観測光Ｌｏｂが光取出窓＃５ｂから射出される射出角θｏｕｔ＝１５．０°が得られる。
【０１８９】
このように、各角度が有意な値に決定できるので、光取込窓＃５ａから取込まれる入射光Ｌｉｎが順次伝搬して、光取出窓＃５ｂから射出される経路が形成されることが数学的に示される。
【０１９０】
さらに、図１９を参照して、遅延部材＃５と被測定物ＳＭＰとの間に介在する、放射域ＲＡＤの光取込窓＃５ａに対する最近端の位置に介在する気泡ＢＬを視認する場合の設計例について例示する。なお、遅延部材＃５と被測定物ＳＭＰとの境界面における放射域ＲＡＤの直径ｘ＝４０ｍｍとする。
【０１９１】
上述したのと同様に、入射光の光取込窓＃５ａに対する入射角θｉｎ＝１５．０°とすると、光取込窓＃５ａで屈折して生じる角度θ１＝１２．７°となり、入射光Ｌｉｎが遅延部材＃５と被測定物ＳＭＰとの境界面に入射する角度θ２＝４２．７°となる。さらに、観測光Ｌｏｂが光取出窓＃５ｂに入射する角度θ３＝４８．２°となり、以下同様であるので、観測光Ｌｏｂが光取出窓＃５ｂから射出される射出角θｏｕｔ＝１５．０°が得られる。
【０１９２】
ここで、入射光Ｌｉｎが入射する入射位置Ｈｉｎ＝２７．１ｍｍとなる。そのため、光取込窓＃５ａおよび光取出窓＃５ｂは、それぞれの高さが遅延部材＃５と被測定物ＳＭＰとの境界面から２７．１ｍｍを確保できるように形成することで、放射域ＲＡＤのいずれの点に対しても、視認することができる。
【０１９３】
この発明の実施の形態５によれば、部材外部から入射光波を取込んで遅延部材と被測定物との接合部に向けて伝搬させるための光取込窓と、入射光が接合部で反射されて生じる観測光を部材外部へ取出すための光取出窓とが形成された遅延部材が用いられる。さらに、光取込窓は、遅延部材と被測定物との境界に気泡などの介在物が存在する場合には、当該気泡に入射した後に、当該気泡と被測定物との境界で反射されて観測光を生成するように、入射光を接合部へ導く。これにより、介在物が存在する領域で生成された観測光は、気泡自体の映像情報を含むようになる。したがって、介在物が存在するか否かに応じて、観測光には有意な差異が生じるため、音波センサと被測定物との接触状態を視認できる。
【０１９４】
また、この発明の実施の形態５に係る光取込窓および光取出窓は、上述のこの発明の実施の形態１に比較して、遅延部材と被測定物との境界面に対する角度がより小さくなるように形成される。これにより、入射光および観測光の伝搬方向が遅延部材と被測定物との境界面に対してより垂直方向になるので、より容易な視認を実現できる。
［実施の形態６］
【０１９５】
この発明の実施の形態５では、２つの円錐台形が接合された形状を有する遅延部材において、光取込窓によって取込まれた入射光が遅延部材を通過して介在物に入射する構成について例示した。一方、この発明の実施の形態６においては、円錐台形状の遅延部材を用いる構成について説明する。
【０１９６】
この発明の実施の形態６に従う粘弾性測定装置は、音波センサの遅延部材における各設計値を除いて、図８に示すこの発明の実施の形態３に従う粘弾性測定装置と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
図２０は、この発明の実施の形態６に従う音波センサの断面図である。
【０１９７】
図２０を参照して、この発明の実施の形態６に従う音波センサは、同一の中心軸Ａｘ上に配置される遅延部材＃６、トランスデューサ３および送受信回路２からなる。そして、遅延部材＃６の錐面およびトランスデューサ３との接合面を除く上面に、光取込窓＃６ａおよび光取出窓＃６ｂが形成される。
【０１９８】
より詳細には、光取込窓＃６ａは、入射光が遅延部材＃６と気泡ＢＬとの境界に到達すると、遅延部材＃６を通過して気泡ＢＬへ入射した後、気泡ＢＬと被測定物ＳＭＰとの境界で反射されるように、入射光を遅延部材＃６と被測定物ＳＭＰとの接合部へ導く。すなわち、光取込窓＃６ａは、遅延部材＃６と被測定物ＳＭＰとの境界面に対する入射光の入射角が、遅延部材＃６の屈折率と気泡ＢＬの屈折率とに応じて定まる臨界角より小さくなるように、入射光Ｌｉｎを当該接合部へ導く。これにより、気泡ＢＬの有無に応じて、観測光Ｌｏｂには有意な差異が生じるため、遅延部材＃６と被測定物ＳＭＰとの接触状態を視認できる。
【０１９９】
なお、この発明の実施の形態６においては、入射光Ｌｉｎおよび観測光Ｌｏｂの経路に応じて、光取込窓＃６ａおよび光取出窓＃６ｂの機能を果たす領域がそれぞれ定まるため、光取込窓＃６ａおよび光取出窓＃６ｂを予め明確に区別して形成する必要はない。
【０２００】
光取込窓＃６ａおよび光取出窓＃６ｂの形成方法などは、上述したこの発明の実施の形態１と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。また、遅延部材＃６の内部媒質などについても、上述の遅延部材４と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【０２０１】
この発明の実施の形態６に従う光取込窓＃６ａおよび光取出窓＃６ｂは、上述のこの発明の実施の形態５に従う光取込窓＃５ａおよび光取出窓＃５ｂを被測定物ＳＭＰとの境界面方向に延長したものと等価であるので、入射光Ｌｉｎおよび観測光Ｌｏｂの挙動は、この発明の実施の形態５に従う遅延部材＃５における挙動と同様となる。そのため、入射光Ｌｉｎおよび観測光Ｌｏｂの挙動についての詳細な説明は繰返さない。
【０２０２】
図２１は、図２０において入射音波の放射域ＲＡＤの光取込窓＃６ａに対する最近端を視認する場合を示した図である。
【０２０３】
図２１を参照して、遅延部材＃６と被測定物ＳＭＰとの境界面において、トランスデューサ３から放射される入射音波の放射域ＲＡＤの紙面右端に介在する気泡ＢＬを視認するためには、図２０における入射光Ｌｉｎおよび観測光Ｌｏｂの各角度の関係が成立する必要がある。そのため、光取込窓＃６ａおよび光取出窓＃６ｂの長さおよび角度などを適切に設計する必要がある。特に、光取込窓＃６ａに入射光Ｌｉｎが入射する入射位置Ｈｉｎ、および光取出窓＃６ｂから観測光Ｌｏｂが射出する射出位置Ｈｏｕｔを適切に設計する必要がある。
【０２０４】
なお、この発明の実施の形態６に従う遅延部材＃６は、中心軸Ａｘを対称にして配置されるので、入射音波の放射域ＲＡＤの光取込窓＃６ａに対する最近端を視認可能に構成することで、入射音波の放射域ＲＡＤの光取込窓＃６ａに対する最遠端を視認可能となる。
（設計例）
【０２０５】
図２０を参照して、遅延部材＃６と被測定物ＳＭＰとの間に介在する、中心軸Ａｘ上の気泡ＢＬを視認する場合の設計例について例示する。
【０２０６】
一例として、遅延部材＃６の幅長Ｌ＝５０ｍｍとし、遅延部材＃６と被測定物ＳＭＰとの境界面に対する光取込窓＃６ａおよび光取出窓＃６ｂのなす角度α１＝３０°とし、空気の屈折率Ｎａｉｒ＝１．０，遅延部材＃６の屈折率Ｎ１＝１．１，被測定物ＳＭＰの屈折率Ｎ２＝２．０とする。
【０２０７】
たとえば入射光の入射角θｉｎ＝１５．０°とすると、光取込窓＃６ａで屈折して生じる角度θ１＝１２．７°となる。そのため、入射光Ｌｉｎが遅延部材＃６と被測定物ＳＭＰとの境界面に入射する角度θ２＝４２．７°となる。
【０２０８】
ここで、遅延部材＃６と被測定物ＳＭＰとの間に介在する気泡ＢＬの臨界角θｃ＝ｓｉｎ−１（Ｎａｉｒ／Ｎ１）＝６５．４°であるので、角度θ２＜臨界角θｃが成立する。すなわち、遅延部材＃６と気泡ＢＬとの境界面に到達した入射光Ｌｉｎは、遅延部材＃６を通過して気泡ＢＬへ入射する。
【０２０９】
再度、図１５を参照して、気泡ＢＬに入射した入射光Ｌｉｎは、遅延部材＃６と気泡ＢＬとの境界面において屈折して、角度θ３の角度で気泡ＢＬ内を伝搬する。このとき、角度θ３＝４８．２°となる。さらに、入射光Ｌｉｎは、気泡ＢＬと被測定物ＳＭＰとの境界面で反射されて観測光Ｌｏｂを生じる。そして、観測光Ｌｏｂが気泡ＢＬと遅延部材＃６との境界面に最入射する角度θ５＝θ３＝４８．２°となり、観測光Ｌｏｂが当該境界面から射出される角度θ６＝θ２＝４２．７°となる。
【０２１０】
再度、図２０を参照して、観測光Ｌｏｂが光取出窓＃６ｂに入射する角度θ７＝１２．７°であるので、観測光Ｌｏｂが光取出窓＃６ｂから射出される射出角θｏｕｔ＝１５．０°が得られる。
【０２１１】
このように、各角度が有意な値に決定できるので、光取込窓＃６ａから取込まれる入射光Ｌｉｎが順次伝搬して、光取出窓＃６ｂから射出される経路が形成されることが数学的に示される。
【０２１２】
この発明の実施の形態６によれば、部材外部から入射光波を取込んで遅延部材と被測定物との接合部に向けて伝搬させるための光取込窓と、入射光が接合部で反射されて生じる観測光を部材外部へ取出すための光取出窓とが形成された遅延部材が用いられる。さらに、光取込窓は、遅延部材と被測定物との境界に気泡などの介在物が存在する場合には、当該気泡に入射した後に、当該気泡と被測定物との境界で反射されて観測光を生成するように、入射光を接合部へ導く。これにより、介在物が存在する領域で生成された観測光は、気泡自体の映像情報を含むようになる。したがって、介在物が存在するか否かに応じて、観測光には有意な差異が生じるため、音波センサと被測定物との接触状態を視認できる。
【０２１３】
また、この発明の実施の形態６に係る遅延部材は、より広い断面積をもつ面で被測定物と密着するように構成されるので、粘弾性特性の測定対象領域が比較的広い場合であっても、確実に音波センサと被測定物との接触状態を視認できる。
［実施の形態７］
【０２１４】
この発明の実施の形態３および６では、台形の縦断面を有する円錐台形からなる遅延部材を用いる構成について例示したが、同様に台形の縦断面を有する四角錐台形からなる遅延部材を用いる構成について説明する。
【０２１５】
この発明の実施の形態７に従う粘弾性測定装置は、音波センサの遅延部材の形状を除いて、上述のこの発明の実施の形態１に従う粘弾性測定装置１００と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
図２２は、この発明の実施の形態７に従う音波センサ１０４の外観図である。
【０２１６】
図２２を参照して、音波センサ１０４は、四角錐台形の遅延部材７と、その上部に接合された円柱形状のトランスデューサ３と、さらにその上部に配置された送受信回路２とから構成される。
【０２１７】
遅延部材７は、より広い面積をもつ横断面を底面側に配置した四角錐台形により構成され、その錐面およびトランスデューサ３との接合面を除く上面に、光取込窓７ａおよび光取出窓７ｂが形成される。光取込窓７ａおよび光取出窓７ｂの形成方法などは、上述したこの発明の実施の形態１と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。また、遅延部材７の内部媒質などについても、上述の遅延部材４と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【０２１８】
入射光および観測光の挙動などについては、上述のこの発明の実施の形態３または６と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【０２１９】
さらに、四角錐台形からなる遅延部材に代えて、同様に台形の縦断面を有するｎ角錐台形（但し、ｎは６以上の偶数）の遅延部材を用いてもよい。
【０２２０】
この発明の実施の形態７によれば、上述のこの発明の実施の形態３または６における効果に加えて、錐面に光取込窓および光取出窓を形成できるので、光取込窓および光取出窓が平面状に形成できる。これにより、光取込窓および光取出窓における入射光および観測光に生じる歪みを抑制できるので、より鮮明に音波センサと被測定物との接触状態を視認できる。
［実施の形態８］
【０２２１】
この発明の実施の形態１〜６では、垂直軸を中心として対称な形状を有する遅延部材を用いる構成について例示したが、この発明の実施の形態８においては、水平軸を中心として対称な形状を有する遅延部材を用いる構成について説明する。
【０２２２】
この発明の実施の形態８に従う粘弾性測定装置は、音波センサの形状を除いて、上述のこの発明の実施の形態１に従う粘弾性測定装置１００と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
図２３は、この発明の実施の形態８に従う音波センサ１０５の外観図である。
【０２２３】
図２３を参照して、音波センサ１０５は、いわゆる「かまぼこ」形状の遅延部材８と、その上部に接合された送受信回路＃２およびトランスデューサ＃３を含む部材とにより構成される。
【０２２４】
遅延部材８は、その垂直断面が半楕円形である略楕円柱状に構成され、その上部表面に光取込窓８ａおよび光取出窓８ｂが形成される。なお、遅延部材８の底面は、被測定物ＳＭＰと接合可能なように平面状に形成される。
【０２２５】
送受信回路＃２およびトランスデューサ＃３は、遅延部材８の表面曲率と一致するような外形にパッケージされて、遅延部材８と接合される。
図２４は、図２３のＸＸＩＶ−ＸＸＩＶ線断面図である。
【０２２６】
図２４を参照して、この発明の実施の形態８に従う遅延部材８は、上部表面の一方側から入射光Ｌｉｎを取込むとともに、生成された観測光Ｌｏｂを上部表面の他方側から取出して、部材外部へ出力する。
【０２２７】
上述のこの発明の実施の形態１〜３において説明したように、遅延部材８と被測定物ＳＭＰとの境界面で入射光Ｌｉｎが反射されて生成された観測光Ｌｏｂ、および、上述のこの発明の実施の形態４〜６において説明したように、入射光Ｌｉｎが遅延部材８を通過した後に被測定物ＳＭＰで反射されて生成された観測光Ｌｏｂのいずれについても視認することができる。
【０２２８】
さらには、視認対象とする観測光Ｌｏｂに応じて、遅延部材８の垂直断面の曲率などを適切に設計することが望ましい。
【０２２９】
なお、入射光Ｌｉｎおよび観測光Ｌｏｂの挙動などについては、上述のこの発明の実施の形態１〜６のいずれかと同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【０２３０】
この発明の実施の形態８によれば、上述のこの発明の実施の形態１〜６のいずれかにおける効果に加えて、上部表面のほぼ全面に光取込窓および光取出窓を形成できるので、光取込窓および光取出窓の面積をより大きくすることができる。これにより、入射光の取込量を増大させて遅延部材と被測定物との境界に入射する光量を確保できるとともに、音波センサと被測定物との接触状態をより詳細に視認できる。
［実施の形態９］
【０２３１】
上述したように、この発明に係る音波センサは、音波センサと被測定物との接触状態を視認可能とすることを目的とするが、音波センサと被測定物とのすべての接触面に対して、入射音波が放射されるとは限らない。すなわち、音波センサと被測定物との接触状態を視認する対象領域を入射音波の放射域にすれば十分である。
【０２３２】
一方で、トランスデューサから放射される入射音波は視認することができない。そのため、入射音波の放射域を視認できれば、より作業効率を向上させることが可能となる。
図２５は、この発明の実施の形態９に従う音波センサ１０１Ａの断面図である。
【０２３３】
図２５を参照して、この発明の実施の形態９に従う音波センサ１０１Ａは、図５に示すこの発明の実施の形態１に従う音波センサ１０１において、トランスデューサ３を同心円状のトランスデューサ３Ａに代えるとともに、トランスデューサ３Ａの中心部に表示光発光部９を設けたものである。
【０２３４】
表示光発光部９は、一例として、レーザダイオードなどで構成され、トランスデューサ３Ａから放射される入射音波の放射域ＲＡＤに対応するように、遅延部材４の上部から底面に向けて、表示光ＭＬを放射する。すなわち、表示光発光部９は、遅延部材４を通過した入射音波が被測定物ＳＭＰに入射する領域を表示するために、表示光ＭＬを放射する。すると、遅延部材４と被測定物ＳＭＰとの境界面上では、放射された表示光ＭＬの照射によって、周囲より輝度の高い領域が示される。
【０２３５】
その他の構成については、この発明の実施の形態１に従う音波センサ１０１と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【０２３６】
なお、図２５に示すように、表示光発光部９を同心円状のトランスデューサ３Ａの中心部に配置する構成に代えて、トランスデューサの外周に発光源を配置するような構成を採用してもよい。
【０２３７】
また、図２５ではこの発明の実施の形態１に従う音波センサに表示光発光部９を設けた構成を示したが、上述のいずれの音波センサに対しても、同様に表示光発光部９を設けることができる。
【０２３８】
この発明の実施の形態９によれば、音波センサと被測定物との境界のうち、接触状態を視認すべき領域を予め視認できるので、接触状態の視認作業をより効率的に行なうことができる。
［実施の形態１０］
【０２３９】
上述のこの発明の実施の形態１〜９では、光取込窓の周囲に存在するさまざまな方向の光のうち、視認に適した方向の光が取込まれる構成について説明したが、光取込窓に対して、積極的に入射光を与えるように構成してもよい。
【０２４０】
図２６は、この発明の実施の形態１０に従う音波センサ１０２Ａの概略構成図である。
【０２４１】
図２６を参照して、この発明の実施の形態１０に従う音波センサ１０２Ａは、一例として、図９に示すこの発明の実施の形態２に従う音波センサ１０２に対して、光源４０と、固定腕４２と、可動腕４４と、駆動装置４６と、受光部４８と、解析装置５０とをさらに設けたものである。
【０２４２】
光源４０は、一例として、可視光ランプや赤外線ランプなどで構成され、受光部４８における受光感度の高い波長領域を含む入射光を生成する。すなわち、光源４０は、光取込窓５ａに近接して配置され、入射光を生成して、光取込窓５ａへ与える。
【０２４３】
固定腕４２は、その一端がリンク機構を介して可動腕４４と連結されるとともに、その他端が図示しない架台に連結される。そして、固定腕４２は、可動腕４４に所定の変位を与えるための基準として機能する。
【０２４４】
可動腕４４は、その一端が光源４０と連結されるとともに、その他端がリンク機構を介して固定腕４２と連結される。
【０２４５】
駆動装置４６は、一例としてモータなどのドライブ機構からなり、固定腕４２に対する可動腕４４の角度を可変させる。すなわち、駆動装置４６は、光源４０で生成される入射光が光取込窓５ａに入射する入射角θｉｎを可変に構成される。この構成により、遅延部材５と被測定物ＳＭＰとの境界面において視認すべき領域に応じた入射光を、光取込窓５ａに対して与えることができる。
【０２４６】
これらの構成により、光取込窓５ａの周囲が暗い場合であっても、音波センサと被測定物との接触状態をより確実に視認できる。
【０２４７】
さらに、受光部４８は、一例としてＣＣＤといった撮像素子などで構成され、光取出窓５ｂによって取出される観測光を受光して、その受光結果を解析装置５０へ出力する。すなわち、受光部４８は、光取出窓５ｂに近接して配置され、光取出窓５ｂから取出された観測光を受光し、受光した観測光に含まれる映像情報を解析装置５０へ出力する。
【０２４８】
解析装置５０は、受光部４８から出力される映像情報を取得し、音波センサと被測定物との接触状態の良否を判断して、その判断結果を外部へ出力する。解析装置５０は、一例として、画像処理装置であり、受光部４８を介して取得される映像情報における濃淡や輝度に基づいて、接触状態の良否（たとえば、気泡ＢＬの有無）を判断する。なお、画像処理装置の処理内容については、さまざまな周知の技術を用いることができる。
【０２４９】
これらの構成により、可視光領域ではなく、赤外線領域の入射光を用いることもできるので、周囲からの光波の影響を抑制して、より安定した視認が可能となる。
【０２５０】
なお、光源４０と、受光部４８および解析装置５０とは、必ずしも同時に設ける必要はなく、いずれか一方だけを配置するようにしてもよい。
【０２５１】
この発明の実施の形態１０によれば、光取込窓の周囲が暗い場合であっても、入射光の光量を確保できるので、音波センサと被測定物との接触状態をより確実に視認できる。
【０２５２】
また、この発明の実施の形態１０によれば、画像処理装置によって音波センサと被測定物との接触状態の良否判断を所定の規則に従って行なうことができるので、人間による視認（目視）の場合のように主観的な判断に影響されることなく、判断基準を標準化することができる。これにより、接触状態を所定のレベルに維持して、測定精度のバラツキなどを抑制できる。
【０２５３】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０２５４】
【図１】この発明の実施の形態１に従う音波センサを備える粘弾性測定装置の概略構成図である。
【図２】粘弾性測定装置の構成をより詳細に示す図である。
【図３】表面反射法を説明するための図である。
【図４】この発明の実施の形態１に従う音波センサの外観を示す概略図である。
【図５】図４のＸ−Ｘ線断面図である。
【図６】図５において入射音波の放射域の光取込窓に対する最近端を視認する場合を示した図である。
【図７】図５において入射音波の放射域の光取込窓に対する最遠端を視認する場合を示した図である。
【図８】この発明の実施の形態２に従う音波センサの外観を示す概略図である。
【図９】図８のＩＸ−ＩＸ線断面図である。
【図１０】図９において入射音波の放射域の光取込窓に対する最近端を視認する場合を示した図である。
【図１１】この発明の実施の形態３に従う音波センサの外観を示す概略図である。
【図１２】図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。
【図１３】図１２において入射音波の放射域の光取込窓に対する最近端を視認する場合を示した図である。
【図１４】この発明の実施の形態４に従う音波センサの断面図である。
【図１５】遅延部材と気泡との境界における光波の挙動を説明するための図である。
【図１６】図１５において入射音波の放射域の光取込窓に対する最近端を視認する場合を示した図である。
【図１７】図１５において入射音波の放射域の光取込窓に対する最遠端を視認する場合を示した図である。
【図１８】この発明の実施の形態５に従う音波センサの断面図である。
【図１９】図１８において入射音波の放射域の光取込窓に対する最近端を視認する場合を示した図である。
【図２０】この発明の実施の形態６に従う音波センサの断面図である。
【図２１】図２０において入射音波の放射域の光取込窓に対する最近端を視認する場合を示した図である。
【図２２】この発明の実施の形態７に従う音波センサの外観図である。
【図２３】この発明の実施の形態８に従う音波センサの外観図である。
【図２４】図２３のＸＸＩＶ−ＸＸＩＶ線断面図である。
【図２５】この発明の実施の形態９に従う音波センサの断面図である。
【図２６】この発明の実施の形態１０に従う音波センサの概略構成図である。
【符号の説明】
【０２５５】
１ 制御装置、２，＃２ 送受信回路、３，３Ａ，＃３ トランスデューサ、４，５，６，７，８，＃４，＃５，＃６ 遅延部材、４ａ，５ａ，６ａ，７ａ，８ａ，＃４ａ，＃５ａ，＃６ａ 光取込窓、４ｂ，５ｂ，６ｂ，７ｂ，８ｂ，＃４ｂ，＃５ｂ，＃６ｂ 光取出窓、４ｃ 内部媒質、９ 表示光発光部、１０ 演算部、１２ 時間データメモリ部、１４ 記憶部、１６ 表示出力部、１８ 入力部、２０ 送信制御回路、２２ 送信回路、２４ 方向整合器、２６ 受信回路、２８ 信号処理回路、４０ 光源、４２ 固定腕、４４ 可動腕、４６ 駆動装置、４８ 受光部、５０ 解析装置、１００ 粘弾性測定装置、１０１，１０１Ａ，１０２，１０２Ａ，１０３，１０４，１０５ 音波センサ、Ａｘ 中心軸、ＢＬ 気泡、Ｈｉｎ 入射位置、Ｈｏｕｔ 射出位置、Ｌ’ 貯蔵弾性率、Ｌ” 損失弾性率、Ｌｉｎ 入射光、Ｌｏｂ 観測光、ＭＬ 表示光、Ｎ１，Ｎ２，Ｎａｉｒ 屈折率、ＲＡＤ 放射域、ＳＭＰ 被測定物、ｔａｎδ 損失正接、θｃ 臨界角、θｉｎ 入射角、θｏｕｔ 射出角。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物に対して第１の音波を放射するとともに、前記被測定物で反射されて生じる第２の音波に応じた検出信号を外部出力するように構成された音波センサであって、
前記音波センサは、電気信号の入力に応答して前記第１の音波を発生するとともに、前記第２の音波の入力に応答して電気信号を発生する電気音波変換部と、
前記電気音波変換部と前記被測定物との間に介挿され、前記第１および第２の音波に対して伝搬遅延を生じさせるための遅延部材とを備え、
前記遅延部材は、
光波を伝搬可能な媒質で構成されるとともに、
部材外部からの第１の光波を取込んで、当該第１の光波を前記遅延部材と前記被測定物との接合部に向けて伝搬させるための光取込窓と、
前記第１の光波が前記接合部で反射されて生じる第２の光波を部材外部へ取出すための光取出窓とが形成され、
前記光取込窓は、前記遅延部材と前記被測定物との間に介在し得る介在物に応じて、生成される前記第２の光波が変化するように、前記第１の光波を前記接合部へ導く、音波センサ。
【請求項２】
前記光取込窓は、前記第１の光波が前記遅延部材と前記介在物との境界に到達すると、前記遅延部材の内部に維持されたまま反射される一方、前記第１の光波が前記遅延部材と前記被測定物との境界に到達すると、前記遅延部材を通過して前記被測定物へ入射するように、前記第１の光波を前記接合部へ導く、請求項１に記載の音波センサ。
【請求項３】
前記光取込窓は、前記遅延部材と前記被測定物との境界面に対する前記第１の光波の入射角が、前記遅延部材の屈折率と前記介在物の屈折率とに応じて定まる臨界角以上となるように、前記第１の光波を前記接合部へ導く、請求項１に記載の音波センサ。
【請求項４】
前記光取込窓は、前記第１の光波が前記遅延部材と前記介在物との境界に到達すると、前記遅延部材を通過して前記介在物へ入射した後、前記介在物と前記被測定物との境界で反射されるように、前記第１の光波を前記接合部へ導く、請求項１に記載の音波センサ。
【請求項５】
前記光取込窓は、前記遅延部材と前記被測定物との境界面に対する前記第１の光波の入射角が、前記遅延部材の屈折率と前記介在物の屈折率とに応じて定まる臨界角より小さくなるように、前記第１の光波を前記接合部へ導く、請求項１に記載の音波センサ。
【請求項６】
前記光取込窓は、前記遅延部材と前記被測定物との境界面内の前記第１の音波が入射する領域に含まれる各点において、前記介在物に応じた前記第２の光波を生成するための前記第１の光波を取込み可能に構成され、
前記光取出窓は、前記第１の音波が入射する前記領域に含まれる各々の点において生成される前記第２の光波をいずれも取出し可能に構成される、請求項２〜５のいずれか１項に記載の音波センサ。
【請求項７】
前記遅延部材の屈折率は、前記被測定物の屈折率に比較して小さい、請求項１〜６のいずれか１項に記載の音波センサ。
【請求項８】
前記音波センサは、前記遅延部材を通過した前記第１の音波が前記被測定物に入射する領域を表示するための表示光を発生する表示光発生部をさらに備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載の音波センサ。
【請求項９】
前記音波センサは、前記光取込窓に近接して配置され、前記第１の光波を生成して前記光取込窓へ与えるための光源部をさらに備える、請求項１〜８のいずれか１項に記載の音波センサ。
【請求項１０】
前記音波センサは、
前記光取出窓に近接して配置され、前記光取出窓から取出された前記第２の光波を受光して、受光した前記第２の光波に含まれる映像情報を出力するためのカメラ部と、
前記カメラ部からの前記映像情報に基づいて、前記接合部における前記遅延部材および前記被測定物の少なくとも一方の状態を判断するための解析装置とをさらに備える、請求項１〜９のいずれか１項に記載の音波センサ。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の音波センサと、
前記音波センサから出力される前記検出信号と、予め定められた基準音波に基づく基準値との比較により、前記被測定物の粘弾性特性を取得するための制御装置とを備える、粘弾性測定装置。
【請求項１】
被測定物に対して第１の音波を放射するとともに、前記被測定物で反射されて生じる第２の音波に応じた検出信号を外部出力するように構成された音波センサであって、
前記音波センサは、電気信号の入力に応答して前記第１の音波を発生するとともに、前記第２の音波の入力に応答して電気信号を発生する電気音波変換部と、
前記電気音波変換部と前記被測定物との間に介挿され、前記第１および第２の音波に対して伝搬遅延を生じさせるための遅延部材とを備え、
前記遅延部材は、
光波を伝搬可能な媒質で構成されるとともに、
部材外部からの第１の光波を取込んで、当該第１の光波を前記遅延部材と前記被測定物との接合部に向けて伝搬させるための光取込窓と、
前記第１の光波が前記接合部で反射されて生じる第２の光波を部材外部へ取出すための光取出窓とが形成され、
前記光取込窓は、前記遅延部材と前記被測定物との間に介在し得る介在物に応じて、生成される前記第２の光波が変化するように、前記第１の光波を前記接合部へ導く、音波センサ。
【請求項２】
前記光取込窓は、前記第１の光波が前記遅延部材と前記介在物との境界に到達すると、前記遅延部材の内部に維持されたまま反射される一方、前記第１の光波が前記遅延部材と前記被測定物との境界に到達すると、前記遅延部材を通過して前記被測定物へ入射するように、前記第１の光波を前記接合部へ導く、請求項１に記載の音波センサ。
【請求項３】
前記光取込窓は、前記遅延部材と前記被測定物との境界面に対する前記第１の光波の入射角が、前記遅延部材の屈折率と前記介在物の屈折率とに応じて定まる臨界角以上となるように、前記第１の光波を前記接合部へ導く、請求項１に記載の音波センサ。
【請求項４】
前記光取込窓は、前記第１の光波が前記遅延部材と前記介在物との境界に到達すると、前記遅延部材を通過して前記介在物へ入射した後、前記介在物と前記被測定物との境界で反射されるように、前記第１の光波を前記接合部へ導く、請求項１に記載の音波センサ。
【請求項５】
前記光取込窓は、前記遅延部材と前記被測定物との境界面に対する前記第１の光波の入射角が、前記遅延部材の屈折率と前記介在物の屈折率とに応じて定まる臨界角より小さくなるように、前記第１の光波を前記接合部へ導く、請求項１に記載の音波センサ。
【請求項６】
前記光取込窓は、前記遅延部材と前記被測定物との境界面内の前記第１の音波が入射する領域に含まれる各点において、前記介在物に応じた前記第２の光波を生成するための前記第１の光波を取込み可能に構成され、
前記光取出窓は、前記第１の音波が入射する前記領域に含まれる各々の点において生成される前記第２の光波をいずれも取出し可能に構成される、請求項２〜５のいずれか１項に記載の音波センサ。
【請求項７】
前記遅延部材の屈折率は、前記被測定物の屈折率に比較して小さい、請求項１〜６のいずれか１項に記載の音波センサ。
【請求項８】
前記音波センサは、前記遅延部材を通過した前記第１の音波が前記被測定物に入射する領域を表示するための表示光を発生する表示光発生部をさらに備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載の音波センサ。
【請求項９】
前記音波センサは、前記光取込窓に近接して配置され、前記第１の光波を生成して前記光取込窓へ与えるための光源部をさらに備える、請求項１〜８のいずれか１項に記載の音波センサ。
【請求項１０】
前記音波センサは、
前記光取出窓に近接して配置され、前記光取出窓から取出された前記第２の光波を受光して、受光した前記第２の光波に含まれる映像情報を出力するためのカメラ部と、
前記カメラ部からの前記映像情報に基づいて、前記接合部における前記遅延部材および前記被測定物の少なくとも一方の状態を判断するための解析装置とをさらに備える、請求項１〜９のいずれか１項に記載の音波センサ。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の音波センサと、
前記音波センサから出力される前記検出信号と、予め定められた基準音波に基づく基準値との比較により、前記被測定物の粘弾性特性を取得するための制御装置とを備える、粘弾性測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【公開番号】特開２００８−１５１５７６（Ｐ２００８−１５１５７６Ａ）
【公開日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３３８３８９（Ｐ２００６−３３８３８９）
【出願日】平成１８年１２月１５日（２００６．１２．１５）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月１５日（２００６．１２．１５）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
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