JP2014174058A - 弾力計及び弾力測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】柔らかい材質の固体表面の弾力を高感度且つ高精度で測定できる弾力計及び弾力測定装置を提供する
【解決手段】サンプル表面に所定の力でプローブ３を押し込むことでサンプル表面の弾力を測定する弾力計１において、プローブ３は、気体が充填され可撓性を持つサンプル接触部１１がサンプル表面に押し込められた際に変形して内部圧力の変化するセンサ気体室２１と、隔壁９に設けられたカンチレバー１０と、センサ気体室６の内圧の変化によるカンチレバー１０のたわみを検出する検出部と、を備えるように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、人体などの生体の肌や、食品表面、ゴム製品表面などの弾力を測定する弾力計及び弾力測定装置に関する。

従来、人体の肌などの柔らかい固体表面の弾力を測定する弾力計としては、プローブを所定の力でサンプル表面に押し当て、プローブの変位量から弾力を測定する装置が知られている。例えば特許文献１では、レバーを操作して硬さ計を一定速度でサンプル表面に向けて移動させることにより、サンプル表面にプローブを介して一定荷重を作用させ、このときのプローブの変位量に基づいてサンプルの硬度を測定する装置が開示されている。また、弾力計の他の例として、皮膚を実際に持ち上げて、その持ち上がりにくさを測定することによって皮膚の弾力を測定する装置が知られている。例えば特許文献２では、プローブ内を減圧にして皮膚を吸引し、皮膚の盛り上がりを光学的に測定することによって、皮膚の弾力性を測定するものが開示されている。

特開平５−１２６７０９号公報 特開平１１−１３７５２５号公報

しかしながら、従来の装置によってサンプル表面の弾力を測定する場合には、サンプル表面を押した際の反発力の大きさに対応したバネ構造が必要である。つまり、従来の弾力計によると、サンプルが人体の皮膚や豆腐などの極めて柔らかい固体の場合、サンプル表面からの反発力が十分小さいため、サンプルに応じた反発力の違いを検出するためには極めて微小な反発力を高感度且つ高精度で検出できる必要があった。ところが、従来の弾力計に備わるバネ構造では、その感度と精度を実現することが難しい、という課題があった。

本発明はこのような事情に考慮してなされたもので、その目的は、柔らかい材質の固体表面の弾力を高感度且つ高精度で測定できる弾力計及び弾力測定装置を提供することである。

本発明は、前記課題を解決するために以下の手段を提供する。
本発明に係る弾力計は、サンプル表面にプローブを押し込むことで前記サンプル表面の弾力を測定する弾力計において、前記プローブは、気体が充填され先端面が可撓材から成り、前記サンプル表面に押し込められた際に変形して内部圧力が変化するセンサ気体室と、前記センサ気体室に充填された気体を当該センサ気体室の内外に流出入させる貫通穴の一部を覆うように一端が固定されたカンチレバーと、前記センサ気体室の内部圧力の変化による前記カンチレバーのたわみを検出する検出部と、を備える。
本発明に係る弾力計によれば、きわめて柔らかい材質のサンプルの表面の弾力を測定環境に影響されることなく高精度に測定することができる。

本発明に係る弾力計は、プローブは、貫通穴を介してセンサ気体室と連接され、センサ気体室との間で気体を流出入させる基部側気体室を備えることを特徴とする。
本発明に係る弾力計によれば、基部側気体室の形状や容積を設計パラメータにすることで、所望の感度や応答速度の弾力計を設計することができる。

本発明に係る弾力計は、一端がプローブの先端面と対向する側の面に接続され、プローブを長手方向に沿って移動させる接続部と、接続部の他端と接続され、プローブを収容可能でありプローブの先端面側が開口したフレームと、を備えることを特徴とする。
本発明に係る弾力計によれば、プローブがサンプルに接触した状態でプローブとサンプルが熱平衡状態になるまで保持した後にプローブをサンプルに押し付けることで、環境温度の影響を受けずにサンプルの弾力を測定することができる。

本発明に係る弾力計は、接続部が弾性体であることを特徴とする。
本発明に係る弾力計によれば、プローブとサンプルの相対位置が弾性体の平衡位置によって決まり、それからのずれ量を制御することによってプローブとサンプルにかかる力を容易に制御することができる。

本発明に係る弾力計は、接続部がネジ機構からなることを特徴とする。
本発明に係る弾力計によれば、プローブとサンプルの相対位置をネジの回転角度によって制御できるため、プローブとサンプルにかかる力を容易に制御することができる。

本発明に係る弾力計は、基部側気体室は外気と連通する開口を持つことを特徴とする。
本発明に係る弾力計によれば、外気の気圧が変動してもそれによって基部側気体室が連動して変動するため、プローブ先端面に力がかかることがなく、外気圧の変動の影響を受けない弾力計とすることができる。

本発明に係る弾力計は、センサ気体室の先端面は、弾力を測定する前の状態にて、フレームの先端面よりも突出することを特徴とする。
本発明に係る弾力計によれば、センサ気体室先端面がサンプル表面に接するまで押し込むことで、プローブがサンプル表面にかける力を一定にすることができる。

本発明に係る弾力計は、カンチレバーは、内部あるいは表面で金属配線と接続され、検出部は、カンチレバーのたわみによる金属配線の電気抵抗の変化を検出するものであることを特徴とする。
本発明に係る弾力計によれば、極めてわずかなたわみを検出することができ、極めて柔らかい材質のサンプルの弾力を測定することができる。

本発明に係る弾力計は、カンチレバーと同一構成からなる第２のカンチレバーを備え、第２のカンチレバーは、カンチレバーの近傍に配設され、当該第２のカンチレバーのたわみ変形を規制する規制部に固定されることを特徴とする。
本発明に係る弾力計によれば、周辺の温度変化によって発生するセンサ出力へのノイズを第２のカンチレバーの出力によってキャンセルすることができ、高感度の弾力測定をすることができる。

本発明に係る弾力計は、センサ気体室の先端面は、固体と接触したことを検知できるプローブ接触センサを持つことを特徴とする。
本発明に係る弾力計によれば、センサ気体室先端面がサンプルにわずかに接触した瞬間にプローブの移動を止めたあとで、熱平衡状態になるまで待つことができ、より高精度な弾力測定をすることができる。

本発明に係る弾力計は、フレームの先端面は、固体と接触したことを検知できるフレーム接触センサを持つことを特徴とする。
本発明に係る弾力計によれば、フレーム先端面がサンプルに接触した瞬間に弾力測定することで、より正確な弾力測定をすることができる。

本発明に係る弾力測定装置は、本発明の弾力計と、報知部と、検出部と接続され、カンチレバーのたわみに関する信号を処理する信号処理部と、プローブ接触センサと接続され、サンプル表面と前記プローブとが接触したことを検出するプローブ接触検出部と、フレーム接触センサと接続され、サンプル表面とフレームとが接触したことを検出するフレーム接触検出部と、プローブ接触検出部及びフレーム接触検出部の検出結果と、信号処理部の信号と、に基づいて弾力計に対する操作指示情報を生成し、報知部を介してユーザに当該操作指示情報を報知させる制御部と、を備えることを特徴とする。
本発明に係る弾力測定装置によれば、弾力測定を行いたいユーザは出力部に表示された指示に従って弾力計を操作することで、簡便に高精度な弾力測定を行うことができる。

本発明に係る弾力計及び弾力測定装置によれば、極めて柔らかい固体表面の弾力を高精度で測定することができ、また、測定環境の温度による影響も小さく抑えた状態で測定することができる。

本発明に係る第１の実施形態を示す図であって、弾力計１の断面図（（ａ）非測定時）、（ｂ）測定時）である。 本発明に係る第１の実施形態を示す図であって、測定過程のステップ毎の弾力計１の断面図である。 本発明に係る第１の実施形態を示す図であって、測定過程のステップ毎のセンサ出力の時間経過を示す。 本発明に係る第１の実施形態を示す図であって、測定過程の駆動アルゴリズムを示す。 本発明に係る第２の実施形態を示す図であって、センサ気体室の断面図である。 本発明に係る第３の実施形態を示す図であって、弾力計の断面図である。 本発明に係る第４の実施形態を示す図であって、弾力計の断面図である。 本発明に係る第５の実施形態を示す図であって、センサ気体室の断面図である。 本発明に係る第６の実施形態を示す図であって、弾力測定装置のブロック図である。

以下、本発明に係る弾力計の実施形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
「弾力計の各部構成」
図１は第１の実施形態に係る弾力計１の断面図である。図１（ａ）はサンプル１３の非測定時、図１（ｂ）はサンプル１３の弾力測定時の断面を示す。ここで、本実施形態に係る弾力計１の測定対象としてのサンプル１３は、例えば、生体の肌や、食品表面、ゴム製品表面等のように、柔らかい材質からなる固体表面を有するものである。

弾力計１は、図1に示すように、弾力計１の枠体としてのフレーム２と、サンプル１３の測定時において当該サンプル１３に押し当てるためのプローブ３と、フレーム２とプローブ３とを接続するバネ４と、を備える。フレーム２は、例えば、側面視にて、フレーム先端部１２側が開口した有底中空筒状からなる枠体である。当該フレーム２は、図１（ａ）に示すように、弾力計１の非測定状態でプローブ３の先端の一部がフレーム先端部１２より突出するように、プローブ３を内部に収容する。

プローブ３は、例えば、フレーム２よりも小さな中空棒状の基体の一端に、当該基体よりも細径からなる先端が連接された構造からなる。また、プローブ３は、基体の他端側がバネ４を介してフレーム２の内周面と接続されることで、フレーム２内に水平に支持される。当該プローブ３は、上記基体の他端側に相当する基部側気体室５と、基体の一端側に相当するセンサ気体室６と、基部側気体室５とセンサ気体室６との間に設けられた隔壁９及びカンチレバー１０と、で構成される。

基部側気体室５は、内部に気体が封止された構造からなる。ここで、基部側気体室５とセンサ気体室６とは、外気から隔離されているが、内部の気体通しは隔壁９の隙間（貫通穴）によって流通する。
隔壁９は、基部側気体室５とセンサ気体室６との間に配設された壁部である。隔壁９は、基部側気体室５とセンサ気体室６とを隔離するが、一部に上記隙間を有し、当該隙間をふさぐようにカンチレバー１０が配置される。

カンチレバー１０は、薄い板状の部材であり、一端が隔壁９に固定され、他端が自由端からなる片持ち梁である。ここで、カンチレバー１０の自由端と当該自由端に対向する隔壁９との間は極めて微小なギャップが形成される。そのため、基部側気体室５とセンサ気体室６との内部に封止された気体は、当該ギャップを介してのみ流通する。

また、カンチレバー１０は、隔壁９に固定された固定端付近に図示を略した電気配線と接続され、当該電気配線を介して検出部（図示省略）と接続される。検出部は、上記電気配線に接続されたブリッジ回路によって電気抵抗をモニタできる構成を備える。また、検出部は、上記電気抵抗を検出し、図示を略した制御部に送信する。制御部は、検出部と信号の送受信を行い、検出部の出力信号に基いてサンプル１３の弾力を求める。そして、カンチレバー１０は、基部側気体室５とセンサ気体室６のそれぞれの内部圧力に差が発生すると、カンチレバー１０の表裏面に差圧が生じるため、その差圧による力によってたわむ。そのため、制御部は、上記内部圧力の差によってカンチレバー１０がたわみ、たわみ量に応じて電気抵抗が変化する（ピエゾ効果）ので、その電気抵抗の変化量を検出することで、サンプル１３の弾力を測定できる。

なお、カンチレバー１０の厚みは、典型的には１ミクロン以下であり、１００ナノメートル以下が高感度のために尚望ましい。また、ギャップは数ミクロン以下であり、数百ナノメートル以下が高感度のためには尚望ましい。また、本実施形態における基部側気体室５とセンサ気体室６の内部に封入される気体は、空気であるが、測定環境や条件に応じて、窒素や酸素、不活性ガズなど別の種類の気体を用いてもよい。

センサ気体室６は、基部側気体室５と同じ径を持つセンサ気体室ベース部７と、センサ気体室ベース部７に接続されたセンサ気体室先端部８と、からなる。センサ気体室ベース部７は、隔壁９を介して基部側気体室５と接続されたプローブ３の先端側のベース材である。センサ気体室先端部８は、センサ気体室ベース部７よりも小径からなる部材であり、先端にサンプル１３の表面に接触する接触面であるサンプル接触部１１を備える。

サンプル接触部１１は、例えば、ポリエチレンやポリ塩化ビニリデン等から成る十ミクロン前後の厚さを持つ薄いフィルム材から成り、例えばポリスチレンやアクリロニトリルから成る数百ミクロン厚のプローブ３の他の部分よりも柔らかい構造となっている。サンプル接触部１１は、非測定状態において、フレーム２の先端であるフレーム先端部１２よりも距離ｄだけ突出する。当該距離ｄは、非測定状態におけるバネ４の長さ（つまり、非測定状態におけるフレーム２の内側面とプローブ３の基端との距離）よりも短い。

「弾力計による測定動作」
次いで、弾力計１によるサンプル１３の測定動作の概要について説明する。ここで、図１（ｂ）は、弾力計１を用いてサンプル１３の弾力を測定している際の断面図を示す。図１（ｂ）に示すように、バネ４は、センサ接触部１１がサンプル１３表面によって押し込められることで収縮する。センサ接触部１１は、フレーム先端部１２がサンプル１３に接触するまで押し込められることで、センサ接触部１１とフレーム先端部１２が略同一平面上に位置する。サンプル接触部１１は、上述のように極めてやわらかい構造物であるので、サンプル１３表面に押しつけられて変形することで、センサ気体室６の容積が減少する。その結果、センサ気体室６内部の圧力が一時的に基部側気体室５よりも高くなる。そのため、カンチレバー１０は、表面側と裏面側とにおいて差圧が発生してたわむ。ここで、サンプル１３の硬さに応じてサンプル接触部１１の変形量が定まるため、両気体室間の差圧も当該変形量に応じて決まる。つまり、カンチレバー１０のたわみ量は、サンプル１３の硬さに応じて決まる。したがって、検出部は、カンチレバー１０上の電気配線の電気抵抗を検出することにより、サンプル１３の弾力を測定できる。

次いで、弾力計１によるサンプル１３の弾力測定の詳細過程について、図２、図３、図４を用いて以下に説明する。図２は、測定過程のステップ毎の弾力計１の断面図を示す。図３は、測定過程のステップ毎の検出部の出力の時間経過を示す。図４は測定過程の駆動アルゴリズムを示すフローチャートである。図２（ａ）〜（ｅ）、図３、図４のｓ１〜ｓ５はそれぞれ同じステップに対応する。

まずステップｓ１は、ユーザが測定を開始する前の状態を表し、図２（ａ）に示すように、サンプル接触部１１がフレーム先端部１２よりも距離ｄだけ突出する。つまり、本ステップｓ１において、センサ気体室６と基部側気体室５の内部圧力が同一であり、カンチレバー１０が平らな状態であるため、図３に示すように、検出部の出力は無い。なお、本ステップｓ１は、図４に示す「ｓｔａｒｔ」に対応する。

次に、ステップｓ２は、ユーザがサンプル接触部１１をサンプル１３表面に接触させた状態を表す。ここで、通常弾力計１とサンプル１３は必ずしも同一温度ではないため、サンプル接触部１１がサンプル１３表面に接触した瞬間にサンプル接触部１１の温度がわずかに変化する。その結果、センサ気体室６内の圧力が変化することで両気体室間に差圧が発生するので、カンチレバー１０は当該差圧に応じてたわむ。つまり、図３におけるステップＳ２でのＳｉｇｎａｌは、上記接触時の温度変化に基づく検出部の出力を示す。

次いで、ステップｓ３は、ステップｓ２における、接触時の温度変化に基づく検出部の出力がゼロに至ったか否かを制御部が判断するステップである。つまり、ステップｓ３は、カンチレバー１０と隔壁９との間に形成されるギャップを介して、両気体室間の気体が移動するとともに熱移動も起きて、やがて両気体室間の圧力差と温度差が消滅することに基づき、当該圧力差と温度差が消滅したか否かを判断するステップである。そして、制御部は、ステップｓ３にて検出部の出力がゼロでないと判断した場合（ステップｓ３；Ｎｏ）、所定時間待機させて（ステップｓ４）、ステップｓ３以降の処理を繰り返す。

一方で、制御部は、ステップｓ２にて検出部の出力がゼロであると判断した場合（ステップｓ３；Ｙｅｓ）、フレーム先端部１２がサンプル表面に接触するまでプローブ３をサンプル１３表面に向けて押し込む（ステップｓ５）。

ここで、バネ４は、サンプル接触部１１がフレーム先端部１２から所定距離ｄだけ突出したステップｓ１にて平衡状態である一方、ステップｓ５ではこの所定距離ｄだけ圧縮される。そして、バネ４のバネ定数は既定値であるので、当該バネ定数と所定距離ｄとの積は、弾力計１がサンプル１３を押す力となる。つまり、弾力計１がサンプル１３を押す力の大きさは、あらかじめ設計時に決めておくことができる。また、センサ接触部１１の変形量は、センサ接触部１１とサンプル１３の硬さの大小関係に依存する。結局、サンプル１３の硬さによってセンサ接触部１１の変形量が決定されると、その変形量によって両気体室間の差圧が決定されるので、カンチレバー１０のたわみ量が決定される。したがって、ステップｓ６にて検出部が取得するセンサ出力は、サンプル１３の弾力に対応したものとなる。

次いで、ステップｓ７は、ｓ５の状態を維持することでギャップを通じて気体が移動し、両気体室間の差圧が解消されるため、カンチレバー１０のたわみが無くなり、検出部の取得するセンサ出力がゼロになった状態を表す。

以上のような構造を持つ弾力計１は、上述した手順で駆動させることにより、極めて柔らかい物質の弾力を環境温度の影響を受けずに高精度で測定することができる。また、基部側気体室５の形状や容積は、カンチレバー１０のたわみ量や、たわみが解消される速度に影響を与えることから、弾力計１は、これらを設計パラメータとして所望の感度や応答速度に設計することができる。

（第２の実施形態）
次いで、第２の実施形態に係る弾力計１ａについて説明する。ここで、図５は第２の実施形態に係る弾力計のセンサ気体室２１の断面図である。本実施形態に係る弾力計１ａは、第１の実施形態に係る弾力計１とセンサ気体室の構成以外同一であるので、センサ気体室２１以外の部分の説明は省略する。

弾力計１ａに係るセンサ気体室２１において、カンチレバー１０は、センサ気体室先端部２２の中に配置される。ここで、検出部は、第１の実施形態で説明したようにサンプル接触部１１がサンプル１３に接触してその接触部分の弾力を測定する。つまり、検出部による測定の空間分解能は、サンプル接触部１１のサンプル１３に接触する部分の面積で決まる。そのため、サンプル表面が複数の材質から成る場合や、同一材質であっても経時変化によって部分的に変質している場合などであっても、検出部がサンプル表面の弾力を高い空間分解能で測定するために、サンプル接触部１１はサンプル表面の微小構造（サンプル表面において同一材質から成る部分が種々のサイズで分布している場合に、その種々のサイズのうち最小サイズ）よりも径が小さい構造になっている。そのため、センサ気体室先端部２１はサンプル表面の微小構造よりも径の小さい形状からなるので、通常そのセンサ気体室先端部２１の内部に機能部品を作りこむことは難しい。ただし、本実施形態に係るカンチレバー１０は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）の技術を用いて作製されることで、全体のサイズを１ミリメートル以内の微細構造にすることができ、センサ気体室先端部２１の内部に上記機能部品を作りこむことが可能となる。ここで、カンチレバー１０がサンプル接触部１１に１ミリメートル以内程度の距離まで近接して配置されるため、検出部は、サンプル接触部１１のほんのわずかな変形によってもカンチレバー１０が反応して、サンプル表面の弾力を測定することができる。

（第３の実施形態）
次いで、第３の実施形態に係る弾力計３１について説明する。ここで、図６は第３の実施形態に係る弾力計３１の断面図である。なお、本実施形態に係る弾力計３１の構成のうち、第１の実施形態と同一構成については説明を省略する。

本実施形態に係る弾力計３１は、基部側気体室３２に外気に開放される外気連通口３３を備える。ここで、センサ接触部１１の変形によって生じるセンサ気体室６と基部側気体室３２の一時的な差圧によってカンチレバー１０が変形し、それをセンサ出力とすることで、サンプル表面の弾力を測定する、という弾力計３１の機能／動作は、基本的に弾力計１と同一である。ただし、本実施形態に係る弾力計３１では、基部側気体室３２が外気に連通しているため、基部側気体室３２内部に空気以外の気体を封入することができない一方で、外気の気圧が変化したときでも、それによってセンサ接触部１１が変形することはなく、安定した測定が実現できる。

（第４の実施形態）
次いで、第４の実施形態に係る弾力計４１について説明する。ここで、図７は第４の実施形態に係る弾力計４１の断面図である。なお、本実施形態に係る弾力計４１の構成のうち、第１の実施形態に係る弾力計１と同一構成については説明を省略する。

本実施形態に係る弾力計４１は、図7に示すように、フレーム２とプローブ３とを第1実施形態に係るバネ４に替えてネジ４２で固定する。ここで、図７（ａ）は、弾力計４１がサンプル１３表面に接触した瞬間の断面図である。また、図７（ｂ）は、この状態からネジ４２をあらかじめ決めた角度だけ回転させることで、フレーム２に対してプローブ３をサンプル４３表面に向けて押し込んだときの断面図である。

なお、この実施形態において、サンプル４３は、第１の実施形態におけるサンプル１３よりも更にやわらかい材質、例えば豆腐やプリンなどの食品の表面からなる場合を示している。そのため、図７（ｂ）におけるサンプル接触部１１は、サンプル４３表面に食い込んでいるため、フレーム先端部１２よりも突出する。したがって、サンプル４３を所定の力で押し込んでも内部の気圧差は大きくならないことから、検出部は、サンプル４３の弾力を求めることができる。もちろん、このような構造の弾力計４１でもサンプル４３の硬さによっては図１のように、センサ接触部１１がフレーム先端部１２と同一平面を成すこともある。このように、サンプル４３の弾力に応じて内部の２つの気体室の圧力差が決まり、それによるカンチレバー１０の変形を検出することによって、極めて柔らかい材質から成るサンプル４３の弾力を高精度に測定することができる。

（第５の実施形態）
次いで、第５の実施形態に係る弾力計１ｂについて説明する。ここで、図８は第５の実施形態に係る弾力計１ｂのセンサ気体室５１の断面図である。なお、本実施形態に係る弾力計１ｂの構成のうち、第１の実施形態に係る弾力計１と同一構成については説明を省略する。

本実施形態に係るセンサ気体室５１は、カンチレバー１０と同一プロセスを用いて作製した参照カンチレバー５２を備える。参照カンチレバー５２は、センサ出力に使われるカンチレバー１０の近傍に配設され、底面が下地層５３に固定されているためにたわみ変形が規制される。ここで、カンチレバー１０の近傍とは、参照カンチレバー５２がカンチレバー１０と実質的に同一温度であるとみなせる程度に近接した位置範囲を示唆するものとする。

当該カンチレバー５２は、センサ気体室５１の温度変化に基づくカンチレバー１０の電気抵抗変化の検出に用いられる。つまり、センサ気体室５１の温度変化によってカンチレバー１０の電気抵抗が変化するが、参照カンチレバー５２の電気抵抗も同様に変化するため、検出部は、カンチレバー１０の出力から参照カンチレバー５２の出力を差し引くことによって、測定環境の温度変化がセンサ出力に与える影響を解消することができる。つまり、弾力計１ｂは、このような構成にすることにより、測定環境の温度が急激に変化しても、安定してサンプルの弾力測定が可能になる。

（第６の実施形態）
次いで、第６の実施形態に係る弾力測定装置６２について説明する。ここで、図９は、弾力計６１を組み込んだ弾力測定装置６２のブロック図である。本実施形態に係る弾力計６１は、第１〜第５の実施形態にて説明した弾力計の何れかと同一の構造を備える。さらに、本実施形態に係る弾力計６１は、サンプル接触部６３とフレーム先端部６４各々に、図示を略した接触センサ（プローブ接触センサ、フレーム接触センサ）が配置されており、サンプル表面に接触したことを検出できる構造からなる。なお、接触センサは、電極から成るスイッチのようなものでも良いし、圧電体であっても良い。

弾力測定装置６２は、図９に示すように、サンプル接触部６３上の接触センサからの信号を受信するプローブ接触検出部６５と、フレーム先端部６４上の接触センサからの信号を受信するフレーム接触検出部６６と、カンチレバー１０からの弾力測定結果の信号（センサ出力）を受信する信号処理部６７と、表示用のモニタ等で構成される出力部６８と、弾力測定装置６２全体の動作を統括的に制御する制御部６９と、を備えて構成される。ここで、ユーザは、この弾力測定装置６２の出力部６８に表示される指示に従って弾力計６１をサンプル表面に押し付ける動作を行うものとする。なお、上記第１〜第５の実施形態において、「検出部」と記載した構成は、本実施形態に係る弾力測定装置６２の弾力計６１と、信号処理部６７との間に配置された構成とする。

このような構成の弾力測定装置６２を用いて第１の実施形態で説明した弾力計６１による測定動作の実行手順を、図３と図９を使って以下に説明する。まず図３の（ａ）はサンプル接触部６３がサンプル１３に接触していない状態を表し、信号処理部６７は、受信するセンサ出力がゼロであるので、当該センサ出力に係る信号を破棄する。次にサンプル接触部６３がサンプル表面に接触すると、プローブ接触検出部６５は、接触センサから取得した接触情報を制御部６９に送る。すると、制御部６９は、信号処理部６７に信号処理を命令する信号を送り、信号処理部６７にセンサ出力を記憶部（図示省略）へ記録させる。このときのセンサ出力が図３（ｂ）である。次に制御部６９は、信号処理部６７からの信号がゼロになるのを待って（図３（ｃ））、出力部６８にフレーム先端部６４をサンプル表面に向けて押し込む旨のユーザへの指示（操作指示情報）を表示するよう命令を送る。ユーザは、その指示を見てフレーム先端部６４をサンプル表面に押し込み、フレーム先端部６４がサンプル表面に接触したことを接触センサが検知すると、フレーム接触検出部６５が接触情報を制御部６９に送る。制御部６９は、出力部６８にフレーム先端部６４の移動を停止する旨のユーザへの指示（操作指示情報）を表示するよう命令を送る。ユーザは、その指示を見てフレーム先端部６４の移動を停止する。このとき信号処理部の受信する信号が図３（ｄ）であり、この信号が弾力計６１の検出するサンプル弾力を示す。その後弾力計６１内部の気体室のあいだの差圧が解消されることで出力もゼロになる（図３（ｅ））。なお、本実施形態では、弾力計６１をサンプルに向けて移動する動作をユーザ自身が行うとしたが、アクチュエータに接続することで自動的に行うようにすることも可能である。

なお、以上の実施形態における記述は、本発明に係る好適な弾力計及び弾力測定装置の一例であり、これに限定されるものではない。また、以上の実施形態における弾力計及び弾力測定装置の各部の細部構成に関して本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。具体的には、第１実施形態において、貫通穴（隔壁９の隙間）及びカンチレバー１０を配置する位置は、基部側気体室５とセンサ気体室６との境界位置としたが、基部側気体室５及びセンサ気体室６のうちセンサ気体室先端部８を除く位置であれば何れに設けてもよい。つまり、貫通穴とカンチレバー１０の配置は、センサ接触部１１のサンプル１３表面への押し込み動作に応じて、カンチレバー１０の一面側と当該一面側と対向する他面側との間に差圧の形成が可能な位置であれば足りる。

１ 弾力計
２ フレーム
３ プローブ
４ バネ（接続部、弾性体）
５ 基部側気体室
６ センサ気体室
７ センサ気体室ベース部
８ センサ気体室先端部
９ 隔壁
１０ カンチレバー
１１ サンプル接触部（先端面）
１２ フレーム先端部
１３ サンプル
２１ センサ気体室
２２ センサ気体室先端部
３１ 弾力計
３２ 基部側気体室
３３ 外気連通口（開口）
４１ 弾力計
４２ ネジ（ネジ機構）
５１ センサ気体室
５２ 参照カンチレバー（第２のカンチレバー）
５３ 下地層（規制部）
６１ 弾力計
６２ 弾力測定装置
６３ サンプル接触部
６４ フレーム先端部
６５ プローブ接触検出部
６６ フレーム接触検出部
６７ 信号処理部
６８ 出力部（報知部）
６９ 制御部

Claims (12)

1. サンプル表面にプローブを押し込むことで前記サンプル表面の弾力を測定する弾力計において、
   前記プローブは、
   気体が充填され先端面が可撓材から成り、前記サンプル表面に押し込められた際に変形して内部圧力が変化するセンサ気体室と、
   前記センサ気体室に充填された気体を当該センサ気体室の内外に流出入させる貫通穴の一部を覆うように一端が固定されたカンチレバーと、
   前記センサ気体室の内部圧力の変化による前記カンチレバーのたわみを検出する検出部と、
   を備えることを特徴とする弾力計。
2. 前記プローブは、前記貫通穴を介して前記センサ気体室と連接され、前記センサ気体室との間で前記気体を流出入させる基部側気体室を備えることを特徴とする請求項１に記載の弾力計。
3. 一端が前記プローブの先端面と対向する側の面に接続され、前記プローブを長手方向に沿って移動させる接続部と、
   前記接続部の他端と接続され、前記プローブを収容可能であり前記プローブの先端面側が開口したフレームと、
   を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の弾力計。
4. 前記接続部は、弾性体であることを特徴とする請求項３に記載の弾力計。
5. 前記接続部は、ネジ機構からなることを特徴とする請求項３に記載の弾力計。
6. 前記基部側気体室は、外気と連通する開口を備えることを特徴とする請求項２に記載の弾力計。
7. 前記センサ気体室の先端面は、弾力を測定する前の状態にて、前記フレームの先端面よりも突出することを特徴とする請求項３〜５の何れか一項に記載の弾力計。
8. 前記カンチレバーは、内部あるいは表面で金属配線と接続され、
   前記検出部は、前記カンチレバーのたわみによる前記金属配線の電気抵抗の変化を検出するものであることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の弾力計。
9. 前記カンチレバーと同一構成からなる第２のカンチレバーを備え、
   前記第２のカンチレバーは、前記カンチレバーの近傍に配設され、当該第２のカンチレバーのたわみ変形を規制する規制部に固定されることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の弾力計。
10. 前記センサ気体室の先端面は、固体と接触したことを検知するプローブ接触センサを備えることを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載の弾力計。
11. 前記フレームの先端面は、固体と接触したことを検知するフレーム接触センサを備えることを特徴とする請求項１〜１０の何れか一項に記載の弾力計。
12. 請求項１１に記載の弾力計と、
    報知部と、
    前記検出部と接続され、前記カンチレバーのたわみに関する信号を処理する信号処理部と、
    前記プローブ接触センサと接続され、前記サンプル表面と前記プローブとが接触したことを検出するプローブ接触検出部と、
    前記フレーム接触センサと接続され、前記サンプル表面と前記フレームとが接触したことを検出するフレーム接触検出部と、
    前記プローブ接触検出部及び前記フレーム接触検出部の検出結果と、前記信号処理部の信号と、に基づいて前記弾力計に対する操作指示情報を生成し、前記報知部を介してユーザに当該操作指示情報を報知させる制御部と、
    を備えることを特徴とする弾力測定装置。

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