JP3907267B2 - 生体表面部の力学特性測定のためのセンサ内蔵形加振器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体の表面部の力学特性を測定するために生体表面部に振動を加えそのときの動的応力及び加速度を測定するセンサ内蔵形加振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
生体の皮膚組織の力学特性を表わすパラメータを測定することができれば、皮膚の状態を客観的に表わす指標が得られ、基礎化粧品等の開発および評価において貴重な手段となり得る。その場合において、測定対象は生体であるので、無侵襲でかつ迅速に測定できなければならない。
【０００３】
本願出願人は、特願平２−１８０５４６号において、生体表面部の力学特性を無侵襲で迅速に測定できる測定方法と測定システム及びそれに使用するセンサ内蔵形加振器の構造を提案した。このセンサ内蔵形加振器では、先端に円盤状振動子を有する振動軸に駆動コイルが固定され、駆動コイルに対向する位置に弾性体によって釣支された永久磁石が配置される。測定の際にはケースを手で支持し駆動コイルに振動電流を流し、永久磁石の慣性によって振動軸の振動を生み出している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この加振器は永久磁石以外の部分、特に、振動軸とケースが一体であり、ケースを支持する手の筋肉組織や皮膚などを弾性体として振動軸が振動するため、この手の保持力によって周波数特性が変化し、自由な振動周波数を得ることが困難であった。
【０００５】
低い振動周波数を得るためには、この手の保持力の問題以外にも問題があり、加振器の質量を上げるかあるいは弾性体の剛性を下げることが必要であるが、質量の増加は効率の低下となる。一方、剛性を低下させるには弾性体の幅を狭くする、あるいは厚さを薄くする、また長さを長くする方法がある。
弾性体の幅を狭くする方法は振動軸を加振器のセンタに保持することを困難にする。また弾性体を薄くする方法は市販の材料の種類が限られていて選択が困難である。
【０００６】
弾性体の長さを単純に長くすることは加振器の直径によって制限される。
以上の理由により、振動周波数を下げるには限界があった。
したがって本発明の第１の目的は、手などにより保持されるケースに対して自由な振動が可能なセンサ内蔵形加振器を提供することにある。
本発明の第２の目的は手などにより保持されるケースに対して低い周波数においても自由な振動が可能なセンサ内蔵形加振器を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、筐体に固定された弾性体と、測定時に生体表面に圧接されるに適した振動子を先端に有し、振動子の振動が可能なように、該弾性体を介して筐体に取着された振動軸と、筐体に固定された磁石と、振動軸に固定され、磁石と磁気的に結合する駆動コイルと、振動軸の加速度を検出する加速度センサと、振動軸に作用する動的応力を検出する応力センサとを具備することを特徴とする生体表面部の力学特性測定のためのセンサ内蔵形加振器が提供される。
【０００８】
前記弾性体は、Ｌ字形状に曲がった板バネであることが好適である。
前述の加振器は前記板バネに貼着され、筐体と振動軸の間に作用する静的応力を検出するストレインゲージをさらに具備することが好適である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明のセンサ内蔵形加振器の一実施例の縦断面図である。
先端に振動子１０を有する振動軸１２は２つの板バネ１４によって、ケース１６に支持されている。より詳しくは、板バネ１４の一端はＯリング１８で振動軸１２に固定され、他端はケース１６の一部をなす外常磁性部材２０にバネ固定ねじ２２で固定される。２つの板バネ１４のそれぞれは、図２の横断面に示されるように、Ｏリング１８で挾持されるリング状の部分２４とそれから放射状に伸びる４つの部分２６を有している。放射状部分２６は図１の縦断面に示されるようにＬ字形状に曲げられ、その先端がバネ固定ねじ２２で固定される。
【００１０】
振動軸１２にはかご状のボビン２８が固定され、ボビン２８の円筒部分に駆動コイル３０が巻かれている。図３の横断面図に示すように、外常磁性部材２０、コイル３０と内常磁性部材３４は同心円をなし、その半径方向でコイル３０が常磁性部材２０，３４に挾まれる。
図１に示すように、磁石３２と常磁性部材２０，３４とコイル３０で磁気回路が形成される。コイル３０に電流を流すとその向きと大きさに応じた力が振動軸１２の軸方向に働くように設計されている。
【００１１】
測定時にケース１６と振動軸１２の間に作用する静的応力は板バネ１４の放射状部分に貼り付けられたストレインゲージ３６で検出され、振動軸１２の加速度は圧電セラミック３８で検出され、振動軸１２に作用する動的応力は圧電セラミック４０で検出される。コイル３０への駆動電流の供給及び各センサ３６，３８，４０の検出信号の取り出しはケーブル４２を介して行なわれる。
【００１２】
本発明の加振器は、磁石３２がケース１６側に直接固定され、磁石３２との間で相対運動するコイルを有する振動軸１２が板バネ１４を介してケース１６側に固定されるので、振動軸１２が、手で支持されたケース１６から独立に振動することができ、手の持つ機械的振動特性は影響しない。また測定時の振動が手の特性の個人差や加振器を保持する強度には影響されない。
【００１３】
加振器の低域振動周波数は弾性体の剛性に反比例するが、弾性体の剛性は弾性体の長さが長いほど下がるので好ましい。ところが使用上の都合により加振器の直径をできるだけ細くする必要があり、この弾性体の長さは加振器の直径によって制限を受ける。直径が細いと弾性体の長さは短くなって剛性は下がらない。本発明の加振器では、この弾性体としての板バネをＬ字形状とすることにより、ケースから振動軸までの実質弾性体長を長くとることができ、低域振動周波数を低くすることができる。
【００１４】
生体表面のある点に作用する力ｆ（ｔ）と、力の方向に速度ｖ（ｔ）で振動するときの駆動点機械インピーダンスは、ｆ（ｔ），ｖ（ｔ）のフーリエ変換をそれぞれＦ（ｆ），Ｖ（ｆ）として、
【００１５】
【数１】
【００１６】
により定義される。ここでＡ（ｆ）は速度ｖ（ｔ）の微分である加速度ａ（ｔ）のフーリエ変換であり、ωは加える振動の角周波数である。
図４は、図１〜３を参照して説明した本発明のセンサ内蔵形加振器を用いて、ｆ（ｔ）とａ（ｔ）を測定し、それらのフーリエ変換から（１）式に基づいて機械インピーダンスＺ（ｆ）を算出するための本発明に係る測定および演算装置の構成の一例を表わす図である。
【００１７】
ランダム波発生回路１４４はランダムな周波数分布を有する正弦波を出力する。ランダム波発生回路１４４の出力は低域フィルタ１４５において２Hz以上１KHz 以下の周波数成分のみが通過され、電力増幅器１４６において増幅され、図１のセンサ内蔵形加振器のコイル３０へ印加される。
図１の加振器において電気信号が軸方向の機械的振動に変換され、振動子１０へ伝達される。
【００１８】
ストレインゲージ３６において検知された静的な接触力はひずみ増幅器１６３において増幅され、圧電セラミック４０及び３８においてそれぞれ検知される動的な応力および加速度は電荷増幅器１６６において増幅され、いずれもＡ／Ｄ変換器１６４でデジタル信号に変換されて、コンピュータ１８０へ入力される。
測定者は接触力を随時コンピュータの表示画面から知ることができるだけでなく、接触力があらかじめ設定しておいた範囲よりも大きいのか、小さいのかブザー音によっても知ることができる。こうして、接触力が適切な範囲にあるときにだけ自動的に動的応力と加速度のデータをとりこむ。
【００１９】
そして、これらのデータにＦＦＴをかけることによって周波数領域のデータＦ（ｆ），Ａ（ｆ）を求め、最終的に式（１）から皮膚の機械インピーダンスを求める。なお、ＦＦＴは、サンプリング時間を３３３〔μｓ〕、サンプリング点数を５１２点、アベレージ回数を１６回として行われる。
図５は１０代〜６０代の１８５名の女性モニタの頬部の機械インピーダンスを、図１に示した本発明のセンサ内蔵形加振器を使用した図４のシステムで測定した結果を示す。横軸は被験者の年令であり、縦軸は複素数である機械インピーダンスＺ（ｆ）の絶対値｜Ｚ（ｆ）｜を３０Hz以上３００Hz以下の範囲で積分した値である。図５の結果は、年令と皮膚の機械インピーダンスの値との間に一定の相関があることを示している。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ケースを保持する手の力学特性に影響されず、かつ、低周波域における測定も可能なセンサ内蔵形加振器が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセンサ内蔵形加振器の縦断面図である。
【図２】本発明のセンサ内蔵形加振器の板バネ付近における横断面図である。
【図３】本発明のセンサ内蔵形加振器のコイル近傍の横断面図である。
【図４】本発明のセンサ内蔵形加振器が使用される力学特性測定装置の構成を示すブロック図である。
【図５】図４の装置による測定結果の一例のグラフである。
【符号の説明】
１０…振動子
１２…振動軸
１４…板バネ
１６…ケース
２０，３４…常磁性部材
３０…駆動コイル
３２…磁石
３６…ストレインゲージ
３８，４０…圧電セラミック
４２…ケーブル
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体の表面部の力学特性を測定するために生体表面部に振動を加えそのときの動的応力及び加速度を測定するセンサ内蔵形加振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
生体の皮膚組織の力学特性を表わすパラメータを測定することができれば、皮膚の状態を客観的に表わす指標が得られ、基礎化粧品等の開発および評価において貴重な手段となり得る。その場合において、測定対象は生体であるので、無侵襲でかつ迅速に測定できなければならない。
【０００３】
本願出願人は、特願平２−１８０５４６号において、生体表面部の力学特性を無侵襲で迅速に測定できる測定方法と測定システム及びそれに使用するセンサ内蔵形加振器の構造を提案した。このセンサ内蔵形加振器では、先端に円盤状振動子を有する振動軸に駆動コイルが固定され、駆動コイルに対向する位置に弾性体によって釣支された永久磁石が配置される。測定の際にはケースを手で支持し駆動コイルに振動電流を流し、永久磁石の慣性によって振動軸の振動を生み出している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この加振器は永久磁石以外の部分、特に、振動軸とケースが一体であり、ケースを支持する手の筋肉組織や皮膚などを弾性体として振動軸が振動するため、この手の保持力によって周波数特性が変化し、自由な振動周波数を得ることが困難であった。
【０００５】
低い振動周波数を得るためには、この手の保持力の問題以外にも問題があり、加振器の質量を上げるかあるいは弾性体の剛性を下げることが必要であるが、質量の増加は効率の低下となる。一方、剛性を低下させるには弾性体の幅を狭くする、あるいは厚さを薄くする、また長さを長くする方法がある。
弾性体の幅を狭くする方法は振動軸を加振器のセンタに保持することを困難にする。また弾性体を薄くする方法は市販の材料の種類が限られていて選択が困難である。
【０００６】
弾性体の長さを単純に長くすることは加振器の直径によって制限される。
以上の理由により、振動周波数を下げるには限界があった。
したがって本発明の第１の目的は、手などにより保持されるケースに対して自由な振動が可能なセンサ内蔵形加振器を提供することにある。
本発明の第２の目的は手などにより保持されるケースに対して低い周波数においても自由な振動が可能なセンサ内蔵形加振器を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、筐体に固定された弾性体と、測定時に生体表面に圧接されるに適した振動子を先端に有し、振動子の振動が可能なように、該弾性体を介して筐体に取着された振動軸と、筐体に固定された磁石と、振動軸に固定され、磁石と磁気的に結合する駆動コイルと、振動軸の加速度を検出する加速度センサと、振動軸に作用する動的応力を検出する応力センサとを具備することを特徴とする生体表面部の力学特性測定のためのセンサ内蔵形加振器が提供される。
【０００８】
前記弾性体は、Ｌ字形状に曲がった板バネであることが好適である。
前述の加振器は前記板バネに貼着され、筐体と振動軸の間に作用する静的応力を検出するストレインゲージをさらに具備することが好適である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明のセンサ内蔵形加振器の一実施例の縦断面図である。
先端に振動子１０を有する振動軸１２は２つの板バネ１４によって、ケース１６に支持されている。より詳しくは、板バネ１４の一端はＯリング１８で振動軸１２に固定され、他端はケース１６の一部をなす外常磁性部材２０にバネ固定ねじ２２で固定される。２つの板バネ１４のそれぞれは、図２の横断面に示されるように、Ｏリング１８で挾持されるリング状の部分２４とそれから放射状に伸びる４つの部分２６を有している。放射状部分２６は図１の縦断面に示されるようにＬ字形状に曲げられ、その先端がバネ固定ねじ２２で固定される。
【００１０】
振動軸１２にはかご状のボビン２８が固定され、ボビン２８の円筒部分に駆動コイル３０が巻かれている。図３の横断面図に示すように、外常磁性部材２０、コイル３０と内常磁性部材３４は同心円をなし、その半径方向でコイル３０が常磁性部材２０，３４に挾まれる。
図１に示すように、磁石３２と常磁性部材２０，３４とコイル３０で磁気回路が形成される。コイル３０に電流を流すとその向きと大きさに応じた力が振動軸１２の軸方向に働くように設計されている。
【００１１】
測定時にケース１６と振動軸１２の間に作用する静的応力は板バネ１４の放射状部分に貼り付けられたストレインゲージ３６で検出され、振動軸１２の加速度は圧電セラミック３８で検出され、振動軸１２に作用する動的応力は圧電セラミック４０で検出される。コイル３０への駆動電流の供給及び各センサ３６，３８，４０の検出信号の取り出しはケーブル４２を介して行なわれる。
【００１２】
本発明の加振器は、磁石３２がケース１６側に直接固定され、磁石３２との間で相対運動するコイルを有する振動軸１２が板バネ１４を介してケース１６側に固定されるので、振動軸１２が、手で支持されたケース１６から独立に振動することができ、手の持つ機械的振動特性は影響しない。また測定時の振動が手の特性の個人差や加振器を保持する強度には影響されない。
【００１３】
加振器の低域振動周波数は弾性体の剛性に反比例するが、弾性体の剛性は弾性体の長さが長いほど下がるので好ましい。ところが使用上の都合により加振器の直径をできるだけ細くする必要があり、この弾性体の長さは加振器の直径によって制限を受ける。直径が細いと弾性体の長さは短くなって剛性は下がらない。本発明の加振器では、この弾性体としての板バネをＬ字形状とすることにより、ケースから振動軸までの実質弾性体長を長くとることができ、低域振動周波数を低くすることができる。
【００１４】
生体表面のある点に作用する力ｆ（ｔ）と、力の方向に速度ｖ（ｔ）で振動するときの駆動点機械インピーダンスは、ｆ（ｔ），ｖ（ｔ）のフーリエ変換をそれぞれＦ（ｆ），Ｖ（ｆ）として、
【００１５】
【数１】
により定義される。ここでＡ（ｆ）は速度ｖ（ｔ）の微分である加速度ａ（ｔ）のフーリエ変換であり、ωは加える振動の角周波数である。
図４は、図１〜３を参照して説明した本発明のセンサ内蔵形加振器を用いて、ｆ（ｔ）とａ（ｔ）を測定し、それらのフーリエ変換から（１）式に基づいて機械インピーダンスＺ（ｆ）を算出するための本発明に係る測定および演算装置の構成の一例を表わす図である。
【００１７】
ランダム波発生回路１４４はランダムな周波数分布を有する正弦波を出力する。ランダム波発生回路１４４の出力は低域フィルタ１４５において２Hz以上１KHz 以下の周波数成分のみが通過され、電力増幅器１４６において増幅され、図１のセンサ内蔵形加振器のコイル３０へ印加される。
図１の加振器において電気信号が軸方向の機械的振動に変換され、振動子１０へ伝達される。
【００１８】
ストレインゲージ３６において検知された静的な接触力はひずみ増幅器１６３において増幅され、圧電セラミック４０及び３８においてそれぞれ検知される動的な応力および加速度は電荷増幅器１６６において増幅され、いずれもＡ／Ｄ変換器１６４でデジタル信号に変換されて、コンピュータ１８０へ入力される。
測定者は接触力を随時コンピュータの表示画面から知ることができるだけでなく、接触力があらかじめ設定しておいた範囲よりも大きいのか、小さいのかブザー音によっても知ることができる。こうして、接触力が適切な範囲にあるときにだけ自動的に動的応力と加速度のデータをとりこむ。
【００１９】
そして、これらのデータにＦＦＴをかけることによって周波数領域のデータＦ（ｆ），Ａ（ｆ）を求め、最終的に式（１）から皮膚の機械インピーダンスを求める。なお、ＦＦＴは、サンプリング時間を３３３〔μｓ〕、サンプリング点数を５１２点、アベレージ回数を１６回として行われる。
図５は１０代〜６０代の１８５名の女性モニタの頬部の機械インピーダンスを、図１に示した本発明のセンサ内蔵形加振器を使用した図４のシステムで測定した結果を示す。横軸は被験者の年令であり、縦軸は複素数である機械インピーダンスＺ（ｆ）の絶対値｜Ｚ（ｆ）｜を３０Hz以上３００Hz以下の範囲で積分した値である。図５の結果は、年令と皮膚の機械インピーダンスの値との間に一定の相関があることを示している。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ケースを保持する手の力学特性に影響されず、かつ、低周波域における測定も可能なセンサ内蔵形加振器が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセンサ内蔵形加振器の縦断面図である。
【図２】本発明のセンサ内蔵形加振器の板バネ付近における横断面図である。
【図３】本発明のセンサ内蔵形加振器のコイル近傍の横断面図である。
【図４】本発明のセンサ内蔵形加振器が使用される力学特性測定装置の構成を示すブロック図である。
【図５】図４の装置による測定結果の一例のグラフである。
【符号の説明】
１０…振動子
１２…振動軸
１４…板バネ
１６…ケース
２０，３４…常磁性部材
３０…駆動コイル
３２…磁石
３６…ストレインゲージ
３８，４０…圧電セラミック
４２…ケーブル
Claims (2)
- 筐体に固定された弾性体と、
測定時に生体表面に圧接されるに適した振動子を先端に有し、振動子の振動が可能なように、該弾性体を介して筐体に取着された振動軸と、
筐体に固定された磁石と、
振動軸に固定され、磁石と磁気的に結合する駆動コイルと、
振動軸の加速度を検出する加速度センサと、
振動軸に作用する動的応力を検出する応力センサとを具備し、
前記弾性体は、Ｌ字形状に曲がった板バネであることを特徴とする生体表面部の力学特性測定のためのセンサ内蔵形加振器。 - 前記板バネに貼着され、筐体と振動軸の間に作用する静的応力を検出するストレインゲージをさらに具備する請求項１記載の加振器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12433397A JP3907267B2 (ja) | 1997-05-14 | 1997-05-14 | 生体表面部の力学特性測定のためのセンサ内蔵形加振器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12433397A JP3907267B2 (ja) | 1997-05-14 | 1997-05-14 | 生体表面部の力学特性測定のためのセンサ内蔵形加振器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10314122A JPH10314122A (ja) | 1998-12-02 |
| JP3907267B2 true JP3907267B2 (ja) | 2007-04-18 |
Family
ID=14882753
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12433397A Expired - Fee Related JP3907267B2 (ja) | 1997-05-14 | 1997-05-14 | 生体表面部の力学特性測定のためのセンサ内蔵形加振器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3907267B2 (ja) |
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| JP2005537907A (ja) | 2002-09-06 | 2005-12-15 | マサチューセッツ・インスティテュート・オブ・テクノロジー | 生体特性の測定装置およびその方法 |
| US7833189B2 (en) | 2005-02-11 | 2010-11-16 | Massachusetts Institute Of Technology | Controlled needle-free transport |
| JP4583296B2 (ja) * | 2005-12-14 | 2010-11-17 | 国立大学法人広島大学 | 肌年齢の測定方法及びその装置 |
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| WO2011075535A1 (en) | 2009-12-15 | 2011-06-23 | Massachusetts Institute Of Technology | Plaque removal and differentiation of tooth and gum |
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| GB201302093D0 (en) * | 2013-02-06 | 2013-03-20 | Myoton As | System and Method for Non-invasive Measurement of Soft Biological Tissue |
| CN104122331B (zh) * | 2014-07-24 | 2016-08-17 | 北京大学 | 一种基于压电圆盘接触振动的无损检测系统及其检测方法 |
-
1997
- 1997-05-14 JP JP12433397A patent/JP3907267B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10314122A (ja) | 1998-12-02 |
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