JP2019132630A - 押込み試験装置及び押込み試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】誰でも精確に被検体の柔らかさが測定できる押込み試験装置を提供する。【解決手段】被検体に押し込まれる圧子１０と、圧子の一部が端部から突出する状態で配置される筐体２０と、圧子を被検体に押し込むように筐体が操作されたとき、圧子に後れて被検体に当接する当接部２１と、を有し、前記操作に伴い、当接部が被検体に当接した時点の圧子に作用する力が力センサで検出され、力センサの検出結果に基づいて被検体の柔らかさが算出される押込み試験装置であって、圧子の被検体への押込み方向が被検体の面に対して垂直方向となるように支援する押込み支援手段６０を備えている。誰が操作する場合も、押込み方向が被検体の面に対して垂直になるため、精確に測定できる。【選択図】図１

Description

本発明は、蒲鉾・ハム等の食品やヒトの柔軟な組織などに圧子を押込み、それらの柔らかさを計測する押込み試験装置と、その押込み試験方法に関する。

下記特許文献１には、柔軟な食品や人体組織などを被検体として、その柔らかさを計測する押込み試験装置が開示されている。
この装置は、図１１に示すように、被検体に押込まれる圧子１０と、圧子１０を被検体に押込んだ時に圧子１０に作用する力を検出する力センサ３０と、被検体の柔らかさを評価するヤング率を、圧子１０に作用する力に基づいて算出する演算部４０と、それらが内部に配置される筐体２０とを備えている。
圧子１０は、先端の半球部分の一定量が筐体２０の端部２１から突出するように筐体内に配置されている。

この装置を操作する操作者は、筐体２０部分を把持して、筐体２０の端部２１が被検体に当接するまで圧子１０を被検体に押込む。
このとき、筐体２０の端部２１が被検体に当接したときに力センサ３０で検出された力（押込荷重）をＦ、筐体２０の端部２１から突出する圧子１０の突出量（即ち、被検体に押込まれる圧子１０の押込量）をδ、圧子１０の半球面の直径をφ、被検体のヤング率をＥ、被検体に固有のポアソン比をνとすると、これらの間には(数１)で表される関係が存在する。
この(数１)を用いて、力センサ３０で検出された押込荷重Ｆから被検体のヤング率Ｅを求めることができる。

この押込み試験装置は、被検体の柔らかさを、被検体が本来あるべき場所で測定すること（いわゆる“その場測定”）が可能であり、幅広い方面での利用が期待できる。

ＷＯ２０１７／１６４４２６

しかし、この押込み試験装置では、圧子１０を被検体に押込む際に、その初期段階では、被検体に接触するのが筐体２０から突出する圧子１０のみであるため、筐体２０を被検体の面に対して垂直な方向に押し進めることが難しい。
圧子１０を被検体に押込むときの筐体２０の進行方向が被検体面の垂直方向から傾いている場合、次のような事態が発生する。

図１２（ａ）は、圧子１０が被検体の面に対して傾いていない状態を示し、図１２（ｂ）は、圧子１０が被検体の面に対してθだけ傾いている状態を示している。
図１２（ａ）の場合に力センサ３０で検出される荷重をＦとすると、図１２（ｂ）の場合に力センサ３０で検出されるＦの分力Ｆ’は、
(数２) Ｆ’＝Ｆｃｏｓθ
となる。θの絶対値が５°以下であれば、ＦとＦ’との誤差は０．４％以下であり、実際上、問題にならない。

しかし、この押込み試験装置では、圧子１０が被検体の面に対して傾いていると、ＦとＦ’との誤差だけでなく、筐体２０の端部２１が被検体に当接したときの圧子１０の押込量が違ってくる。
図１２（ｃ）に示すように、圧子１０が被検体の面に対して傾いていないとき、筐体２０の端部２１が被検体に当接するまでに押込まれる圧子１０の押込量をδとする。なお、ｒは、円環状の端部２１の外径における半径である。
圧子１０が被検体の面に対しθだけ傾いている場合、図１２（ｄ）に示すように、筐体２０の端部２１が被検体に当接したときの圧子１０の押込量δ’は、
(数３) δ’＝δ‐ｒｓｉｎθ
となる。
そのため、（数１）において、Ｆ及びδがＦ’及びδ’に代わるため、ヤング率Ｅの誤差が大きくなる。
なお、図１２（ｄ）のｙは、筐体２０の端部２１の一部が被検体に接触したときの、その接触位置と対称の端部位置における被検体との距離を示している。

図１３は、θに相当する角度を横軸に、また、ヤング率Ｅの誤差を縦軸に取り、圧子１０の傾きとヤング率Ｅの誤差との関係を示している。ヤング率Ｅの誤差を１％以下とするためには、圧子１０の傾きを０．２°以内に維持する必要があることが分かる。
また、図１４のグラフは、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４名が従来の押込み試験装置を用いて同一の被検体の柔らかさを測定した結果を示している。横軸は測定時の筐体の傾き（θに相当する角度）を示し、縦軸は算出されたヤング率を示している。図１４から明らかなように、押込み試験装置を操作する操作者により測定結果がバラついている。

本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、誰でも精確に被検体の柔らかさが測定できる押込み試験装置及び押込み試験方法を提供することを目的としている。

本発明は、被検体に押し込まれる圧子と、前記圧子が、少なくとも一部が端部から突出する状態で配置される筐体と、前記圧子を被検体に押し込むように前記筐体が操作されたとき、前記圧子に後れて被検体に当接する当接部と、を有し、前記操作に伴い、前記当接部が被検体に当接した時点の前記圧子に作用する力が力センサで検出され、力センサの検出結果に基づいて被検体の柔らかさが算出される押込み試験装置であって、圧子の被検体への押込み方向が被検体の面に対して垂直方向となるように支援する押込み支援手段を備えている。
この装置は、誰が操作する場合も、押込み方向が被検体の面に対して垂直になるため、被検体の柔らかさが精確に測定できる。

また、本発明の押込み試験装置では、前記押込み支援手段として、被検体の面に垂直な方向に前記筐体の動きを誘導するガイド孔が形成された外筒部と、前記外筒部の一端に設けられた、前記外筒部の外径よりも大きい外径の大径部と、を備えるガイド部材を有し、前記ガイド部材の一端の前記大径部が被検体の測定面上に配置され、前記ガイド部材の他端に開口するガイド孔から、圧子側を被検体に向けた前記筐体が挿入される。
この装置では、大径部を有するガイド部材が被検体の面に垂直に配置され、このガイド部材に誘導されて、筐体が被検体の面に垂直に進行する。

また、本発明の押込み試験装置では、前記ガイド部材が、前記筐体の動きを滑らかにするスライドブッシュを備えることが好ましい。
スライドブッシュの存在により、直線移動する筐体のがたつきを除くことができ、精確な測定が可能になる。

また、本発明の押込み試験装置は、前記押込み支援手段として、前記当接部を形成する複数の接触検知センサを有し、複数の接触検知センサは、前記圧子を中心とする円周を略等距離に分周する位置に配置されており、複数の接触検知センサの全てが被検体との接触を検知しなければ被検体の柔らかさが算出されない。
複数の接触検知センサの全てが被検体との接触を検知すれば、圧子の周囲が均等に被検体に当接していることになる。

また、本発明の押込み試験装置では、複数の接触検知センサの各々が被検体との接触を検知するごとに、その検知時点の力センサの検出値を用いて被検体の柔らかさの値を算出し、複数の接触検知センサの全てが被検体との接触を検知した後、得られた複数の前記値を平均化するようにしても良い。
圧子の押込み方向が被検体の面の垂直方向から多少ずれていても、平均値を取ることで、被検体の柔らかさが高精度に算出できる。

また、本発明の押込み試験装置では、複数の接触検知センサを、被検体との接触時に振動状態が変化する振動体で構成しても良い。

また、本発明は、被検体に押し込まれる圧子と、前記圧子が、少なくとも一部が端部から突出する状態で配置される筐体と、前記圧子を被検体に押し込むように前記筐体が操作されたとき、前記圧子に後れて被検体に当接する複数の接触検知センサと、を有する押込み試験装置により被検体の柔らかさを測定する押込み試験方法であって、複数の接触検知センサの各々が被検体との接触を検知するごとに、前記圧子に作用する押込荷重を検出し、該押込荷重を用いて被検体のヤング率を算出する個別ヤング率算出ステップと、複数の接触検知センサの全てが被検体との接触を検知した後、個別ヤング率算出ステップで得られた複数のヤング率の値を平均化する平均化ステップと、を備える。
この方法により、圧子の押込み方向が被検体の面の垂直方向から多少ずれている場合でも、被検体の柔らかさが高精度に算出できる。

また、本発明の押込み試験方法では、押込み試験装置の被検体への押込み速度と、複数の接触検知センサが被検体との接触を検知した時刻の時間差とを用いて、被検体に対する押込み試験装置の押込み方向の傾きを算出する傾き算出ステップと、前記傾きを用いて、最初の接触検知センサが被検体に接触したときの圧子の押込み量を算出する押込み量算出ステップと、最初の接触検知センサが被検体に接触したときに圧子に作用する押込荷重と、押込み量算出ステップで算出した押込み量とを用いて被検体のヤング率を算出するヤング率算出ステップと、を備えるようにしても良い。
この方法により、圧子の押込み方向が被検体の面の垂直方向から傾いている場合のヤング率算出誤差が補正できる。

本発明の押込み試験装置及び押込み試験方法により、被検体の柔らかさを高精度に求めることができる。

本発明の第１の実施形態に係る押込み試験装置を示す図 図１のガイド部材の分解斜視図 スライドブッシュの説明図 図１の押込み試験装置を用いたときの測定結果を示す図 ガイド部材の変形例を示す図 図５のガイド部材の分解斜視図 本発明の第２の実施形態に係る押込み試験装置の接触検知センサを示す図 ピンタイプの接触検知センサを示す図 （ａ）押込み試験装置を一定速度で被検体に押し込んだときのヤング率の変化を示す図、（ｂ）第２の実施形態の方式でヤング率を算出するときの傾きと誤差の関係を示す図 第２の実施形態の方式でヤング率を算出するときの手順を示すフロー図 従来の押込み試験装置を示す図 圧子の傾きがヤング率算出に及ぼす影響を説明する図 従来の押込み試験装置を用いてヤング率を算出するときの傾きと誤差の関係を示す図 従来の押込み試験装置を用いたときの測定結果を示す図

（第１の実施形態）
第１の実施形態の押込み試験装置は、押込み試験装置の筐体部分の移動方向をガイドするガイド部材とともに使用する。
図１には、ガイド部材６０と、これを使うことで被検体の面に対して垂直に押込むことが可能になる押込み試験装置５０とを示している。
押込み試験装置５０は、当接部を兼ねる端部２１から所定量突出する圧子１０が内部に配置されている筐体２０と、筐体２０の一部に装着された把持部５１とを有している。
ガイド部材６０は、図２の分解斜視図に示すように、被検体と接するように配置されるベース６１と、ベース６１の螺孔に一端が螺合されてベース６１に固定される円筒ケース６２と、円筒ケース６２内に一対のワッシャ６３、６５に挟まれて配置されるコイルバネ６４と、円筒ケース６２内に下端が位置決めされて配置されるスライドブッシュ６６と、押込み試験装置５０の筐体２０と結合されてスライドブッシュ６６内を移動する円筒状のスライダ６７とを備えている。

ベース６１の外径は、被検体と安定的に接することができるように、円筒ケース６２の外径よりも大きく設定されている。ベース６１は、特許請求の範囲で言う「大径部」を構成している。
スライドブッシュ６６は、図３に示すように、貫通孔の内側に軸方向に巡回移動するボールを有しており、このボールの転がりにより貫通孔に挿通されたスライダ６７の高精度な直線運動が可能になる。
ベース６１の方向に直線運動するスライダ６７の下端は、ワッシャ６５に当接して(図１)、コイルバネ６４を圧縮する。
押込み試験装置５０の筐体２０は、スライダ６７の孔に挿通され、先端がスライダ６７の孔から所定量突出する状態でスライダ６７に固定される。筐体２０のスライダ６７からの突出量は、押込み試験装置５０を被検体に向けて押込んだとき、端部２１がベース６１の開口の下端から突き出るように設定される。
コイルバネ６４は、筐体２０の端部２１が被検体に接近したとき、スライダ６７を介して筐体２０に反発力を作用し、操作者に慎重な操作を促す働きをしている。

この押込み試験装置５０を操作する操作者は、ガイド部材６０のベース６１の下面が被検体の面に接するようにガイド部材６０を保持する。そして、把持部５１を操作し、筐体２０に固定したスライダ６７を、筐体２０先端の端部２１が被検体に当接するまで、スライドブッシュ６６を介して、被検体に向けて直線運動させる。
このとき、ベース（大径部）６１を有するガイド部材６０は、被検体の面に対し、安定した状態で垂直に立てることができる。そして、このガイド部材６０にガイドされる押込み試験装置５０は、圧子１０を被検体の面に対して垂直に押込むことができる。

図４のグラフは、Ａ、Ｂ、Ｄの３名がガイド部材６０を用いて押込み試験装置５０を操作し、同一の被検体の柔らかさを測定したときの結果を示している。横軸及び縦軸は、図１４と同様である。
図１４及び図４の比較から明らかなように、ガイド部材６０の存在が高精度の柔らかさの測定を可能にしている。

図５は、ガイド部材の変形例を示している。このガイド部材７０は、図６の分解斜視図に示すように、押込み試験装置５０の筐体２０と結合されるホルダ７６と、ホルダ７６の下端に螺合されてホルダ７６と共に移動するケース７５と、ケース７５の軸線方向への移動を誘導するスライダ７３と、スライダ７３とケース７５との間を緩衝するように両者の隙間に配置されるドライブッシュ７２と、ホルダ７６の下端とスライダ７３の上端との間に配置されるコイルバネ７４と、スライダ７３の一端に固定されて大径部を構成するベース７１と、を備えている。
押込み試験装置５０の筐体２０を押込み、ホルダ７６及びケース７５を下方に移動させると、コイルバネ７４が圧縮される。コイルバネ７４の反発力に抗して筐体２０を押込んだとき、筐体２０の先端がベース７１の孔から突出するように、筐体２０はホルダ７６に固定される。
このガイド部材では、スライダ７３に対するケース７５の直線運動が、ドライブッシュ７２の存在により滑らかに行われる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態の押込み試験装置は、図７に示すように、筐体２０の端部２１に複数の接触検知センサ２２を備えている。この装置では、複数の接触検知センサ２２が当接部を構成している。複数の接触検知センサ２２は、圧子を中心とする円周を略等距離に分周する位置に配置されている。
なお、接触検知センサ２２は、被検体との接触が検知できるものであれば良く、被検体との接触により電気抵抗値が変化する感圧ゴムや、被検体との接触により振動状態が変化する振動体など、各種のものが使用できる。

振動体を接触検知センサとする場合は、複数の圧電体を図７の接触検知センサ２２の位置に配置して、各圧電体に共振周波数の交流電圧を印加し、各圧電体に共振振動を行わせる。圧電体が被検体に接触すると、圧電体の振動が止まり、あるいは、振幅が小さくなるので、被検体との接触が検知できる。
また、図８は、被検体との接触により、印加されている電気信号の周波数特性が変化するピンタイプの接触検知センサ２２１が圧子１０を囲んで配置された装置を示している。

第２の実施形態の押込み試験装置では、複数の接触検知センサ２２が全て被検体に接触したことを検知しなければ、被検体の柔らかさの検出が行われない。そうすることで、圧子の周囲が均等に被検体に接触し、被検体面の垂直方向に圧子の押込み方向が維持された状態での柔らかさの検出が担保できる。

図９（ａ）は、二つのピンタイプの接触検知センサを備える押込み試験装置を用いて、装置の先端を一定速度で被検体に押込みながら被検体のヤング率の推移を測定した結果について示している。図９（ａ）の横軸は時間であり、縦軸はヤング率である。
図９（ａ）のＡ点は、接触検知センサの一方が被検体に接触したときのヤング率の大きさを示し、図９（ａ）のＢ点は、接触検知センサの他方が被検体に接触したときのヤング率の大きさを示している。ここでは、被検体の面に対して押込み試験装置が多少傾いているため、二つの接触検知センサが被検体に接触した時点は一致していない。
Ａ点に至るまでの時間帯は、接触検知センサのいずれもが被検体に接触しておらず、圧子のみが被検体に押込まれることでヤング率が増加している。
Ａ点とＢ点との間の時間帯は、接触検知センサの一方と圧子とが被検体に押込まれることでヤング率が増加している。また、Ｂ点からヤング率のピークまでの時間帯は、二つの接触検知センサと圧子とが被検体に押込まれることでヤング率が増加している。
ピーク以降は、押込み力が解除されてヤング率が減少している。

この場合、被検体の面に対して押込み試験装置が傾いておらず、二つの接触検知センサが同時に被検体に接触したときのヤング率は、Ａ点のヤング率とＢ点のヤング率との平均値として算出することができる。
このように、複数の接触検知センサの各々が被検体に接触したときに力センサで検出された押込み荷重を用いてヤング率を算出し、それらのヤング率を平均化して被検体のヤング率とする方式を採る場合は、図１２（ｄ）に示すように、圧子の押込み方向が被検体の面に対して多少傾いていても、精度の高いヤング率の算出が可能になる。

図９（ｂ）は、この方式で求めた被検体のヤング率の誤差(縦軸)と、図１２のθに相当する傾き(横軸)との関係を示している。傾きの大きさが２°以内であれば、ヤング率の誤差は３％以下であり、図１３の特性に比べて、極めて高精度の測定結果が得られることが分かる。

図１０のフロー図は、この方式により被検体のヤング率を算出するときの手順を示している。
複数の接触検知センサの中で被検体との接触を新たに検知した接触検知センサがある場合に（ステップ１でＹｅｓ）、その検知時点の押込み荷重を用いて（数１）によりヤング率を計算し、記録部に記録する(ステップ２)。この手順を全ての接触検知センサが被検体との接触を検知するまで繰り返し、全ての接触検知センサが被検体との接触を検知すると(ステップ３でＹｅｓ)、記録部に記録した複数のヤング率を平均化する（ステップ４）。

なお、ここでは、複数のヤング率の平均値を算出しているが、複数の接触検知センサの中で被検体との接触を新たに検知した接触検知センサがある毎に、その検知時点の押込み荷重を記録部に記録し、全ての接触検知センサが被検体との接触を検知した後、記録部に記録した複数の押込み荷重の平均値を求め、その平均値を用いてヤング率を算出するようにしても良い。

また、複数の接触検知センサを備える押込み試験装置を既知の押込み速度で被検体に押し込む場合は、複数の接触検知センサの接触検知時点のズレから、被検体の面に対する押込み試験装置の傾き（図１２（ｄ）のθに相当する角度）を算出することができる。
いま、図１２（ｄ）に示すように、筐体端部の円周を二分する位置に二つの接触検知センサが配置された押込み試験装置が、一定の押込み速度Ｖで被検体に押し込まれ、二つの接触検知センサが被検体との接触を検知した時刻の時間差がｔであったとする。
このとき、図１２（ｄ）のｙに相当する距離は、
(数４) ｙ＝Ｖｔ
で表され、また、傾きθは、
(数５) θ＝ｓｉｎ^-1（ｙ／２ｒ）
で表される。
このθを用いて（数３）のδ’の算出が可能である。
そして、(数１)により、初めて接触検知センサが被検体との接触を検知したときに力センサが検出した押込み荷重Ｆと、押込み量δ’とを用いてヤング率Ｅを算出すれば、押込み試験装置の押込み方向が被検体の面に対して多少傾いていても、被検体の柔らかさを高精度に算出することができる。

なお、当接部を構成する接触検知センサの数は、２以上であれば良い。
また、ここでは半球面を有する圧子を示したが、圧子の形状はこれに限定されない。円柱、円筒、立方体などであっても良い。

本発明の押込み試験装置及び押込み試験方法は、被検体の柔らかさを高精度に測定することが可能であり、柔らかさの測定を必要とする食品分野、医療分野、素材を扱う分野など、幅広い分野において利用することができる。

１０ 圧子
２０ 筐体
２１ 端部
２２ 接触検知センサ
３０ 力センサ
４０ 演算部
５０ 押込み試験装置
５１ 把持部
６０ ガイド部材
６１ ベース
６２ 円筒ケース
６３ ワッシャ
６４ コイルバネ
６５ ワッシャ
６６ スライドブッシュ
６７ スライダ
７１ ベース
７２ ドライブッシュ
７３ スライダ
７４ コイルバネ
７５ ケース
７６ ホルダ
２２１ ピンタイプの接触検知センサ

Claims (8)

1. 被検体に押し込まれる圧子と、前記圧子が、少なくとも一部が端部から突出する状態で配置される筐体と、前記圧子を前記被検体に押し込むように前記筐体が操作されたとき、前記圧子に後れて前記被検体に当接する当接部と、を有し、前記操作に伴い、前記当接部が前記被検体に当接した時点の前記圧子に作用する力が力センサで検出され、前記力センサの検出結果に基づいて前記被検体の柔らかさが算出される押込み試験装置であって、
   前記圧子の前記被検体への押込み方向が前記被検体の面に対して垂直方向となるように支援する押込み支援手段を備える押込み試験装置。
2. 請求項１記載の押込み試験装置であって、
   前記押込み支援手段として、前記被検体の面に垂直な方向に前記筐体の動きを誘導するガイド孔が形成された外筒部と、前記外筒部の一端に設けられた、前記外筒部の外径よりも大きい外径の大径部と、を備えるガイド部材を有し、
   前記ガイド部材の一端の前記大径部が前記被検体の測定面上に配置され、前記ガイド部材の他端に開口する前記ガイド孔から、前記圧子側を前記被検体に向けた前記筐体が挿入される押込み試験装置。
3. 請求項２記載の押込み試験装置であって、
   前記ガイド部材が、前記筐体の動きを滑らかにするスライドブッシュを備える押込み試験装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の押込み試験装置であって、
   前記押込み支援手段として、前記当接部を形成する複数の接触検知センサを有し、前記複数の接触検知センサは、前記圧子を中心とする円周を略等距離に分周する位置に配置され、前記複数の接触検知センサの全てが前記被検体との接触を検知しなければ前記被検体の柔らかさが算出されない押込み試験装置。
5. 請求項４記載の押込み試験装置であって、
   前記複数の接触検知センサの各々が前記被検体との接触を検知するごとに、その検知時点の前記力センサの検出値を用いて前記被検体の柔らかさの値が算出され、前記複数の接触検知センサの全てが前記被検体との接触を検知した後、得られた複数の前記値が平均化される押込み試験装置。
6. 請求項４又は５に記載の押込み試験装置であって、
   前記複数の接触検知センサが、前記被検体との接触時に振動状態が変化する振動体から成る押込み試験装置。
7. 被検体に押し込まれる圧子と、前記圧子が、少なくとも一部が端部から突出する状態で配置される筐体と、前記圧子を前記被検体に押し込むように前記筐体が操作されたとき、前記圧子に後れて前記被検体に当接する複数の接触検知センサと、を有する押込み試験装置により前記被検体の柔らかさを測定する押込み試験方法であって、
   前記複数の接触検知センサの各々が前記被検体との接触を検知するごとに、前記圧子に作用する押込荷重を検出し、該押込荷重を用いて前記被検体のヤング率を算出する個別ヤング率算出ステップと、
   前記複数の接触検知センサの全てが前記被検体との接触を検知した後、前記個別ヤング率算出ステップで得られた複数のヤング率の値を平均化する平均化ステップと、
   を備える押込み試験方法。
8. 被検体に押し込まれる圧子と、前記圧子が、少なくとも一部が端部から突出する状態で配置される筐体と、前記圧子を前記被検体に押し込むように前記筐体が操作されたとき、前記圧子に後れて前記被検体に当接する複数の接触検知センサと、を有する押込み試験装置により前記被検体の柔らかさを測定する押込み試験方法であって、
   前記押込み試験装置の前記被検体への押込み速度と、前記複数の接触検知センサが前記被検体との接触を検知した時刻の時間差とを用いて、前記被検体に対する前記押込み試験装置の押込み方向の傾きを算出する傾き算出ステップと、
   前記傾きを用いて、最初の前記接触検知センサが前記被検体に接触したときの前記圧子の押込み量を算出する押込み量算出ステップと、
   前記最初の接触検知センサが前記被検体に接触したときに前記圧子に作用する押込荷重と、前記押込み量算出ステップで算出した前記押込み量とを用いて前記被検体のヤング率を算出するヤング率算出ステップと、
   を備える押込み試験方法。