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
【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
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。
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