JP4154720B2

JP4154720B2 - 粘弾性体表面の力学特性測定装置

Info

Publication number: JP4154720B2
Application number: JP2003180260A
Authority: JP
Inventors: 傑白; 衛東李
Original assignee: 株式会社ウェイブサイバー
Priority date: 2002-07-04
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2023-06-24
Also published as: JP2004085548A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、皮膚、スポンジ、ゴム製品、繊維製品など粘弾性体表面の力学特性を測定することのできる粘弾性体力学特性測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
粘弾性体表面の粘弾性と硬さを測定することが産業上には欠かせないことである。皮膚整形および美容においては、治療の成果または化粧品の効果をチェックできるようにするため、皮膚の粘性と弾性及び硬さの測定を行うことがしばしば必要である。
【０００３】
皮膚の粘弾性と硬さについては、エアポンプを使って空気圧で押圧を発生し、皮膚表面に変形を与える皮膚の変形度測定装置（特開平2-134131号公報）が知られている。この装置では、皮膚表面の変形が光の走行路を遮断することにより変化する受光量を読み取るようになっている。その受光量の変化を電気的に読み取って皮膚表面の弾性を測定する。しかしながら、このような装置では、エアポンプを使って皮膚表面を吸引或いは押圧するので、瞬間的に皮膚表面に押圧を与える或いは押圧を解除することができない。よって、粘弾性体表面の変形過程及び回復過程を正確に測定することが不可能である。また、測定ヘッドと被検体の間には充分に気密状態を保つ必要があるので、取り扱いにくい。
【０００４】
さらに、人間の皮膚の粘弾性を測定する装置としては、（特開平08-029312号公報）に記載のような形の装置も知られている。圧電振動子あるいは圧電振動子の先端に設けた接触子を皮膚に接触させ、その接触の前後の振動周波数を周波数検出素子によって検出し、それらの周波数の差から皮膚の粘弾性を求める。しかし、振動子の固有振動周波数が変化する原理を利用したもので、被検体の硬さを求める（特開平5−322731号公報に参考）ことが主な目的であるため、振動子の被検体に接触前後の振動周波数差だけで粘弾性体の弾性データーを求めることが困難なところがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その課題は幅広い種類の粘弾性体表面の粘弾性および硬さを１回の操作で同時に測定できる装置。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明は、次のように構成される。すなわち、測定装置には、接触圧子と、前記測定ヘッドに初期張力をかけておくバネと、前記接触圧子を押し出すための電磁力発生部と、前記接触圧子の位置をリアルタイムで測定する位置センサーとを備え、前記接触圧子の電磁力の発生及び除去タイミングをマイクロプロセッサにより制御し、前記位置センサーにより前記接触圧子の位置を読み取りにより、粘弾性体表面の変形過程及び回復過程を測定し、前記粘弾性体表面の粘性と弾性及び硬さを測定することを特徴とするものである。
【０００７】
この場合に、接触圧子を押し出すための電磁力発生部には電磁コイルと永久磁石を使用するほうがよい。また、電流の流れる前記電磁コイルと前記永久磁石により発生した電磁力を利用し、自在に移動し得る前記接触圧子を介して、被検体表面に変形を与えることを特徴とするものである。
【０００８】
また、被検体表面が押圧される過程及び押圧を解除した後の元に回復する過程では前記接触圧子が被検体と接触しているので、前記接触圧子の位置を検出により被検体表面の変化過程を査定することができる。
【０００９】
本発明において、簡単な構成で、１回の測定で簡単に自動的に粘弾性体表面の粘性と弾性及び硬さの状態などを同時に測定することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の粘弾性体表面の力学特性測定装置で用いる粘性、弾性、硬さの測定原理と実施例について説明する。
【００１１】
まず、測定原理について説明する。硬さというのは物体の硬軟の程度で、これを定量的に示すことが困難で、通常一定荷重のもとで接触圧子を押し込み、荷重をくぼみの面積で割った値で硬さを設定することが多い。粘性というのは力を加えたり、力を解除したりすると直ちにもとの形に戻らず、しばらく時間を掛けて、元に戻る性質である。弾性ということは外力によって変形を受けた物体がその変形を元に戻そうとする力を生ずる性質である。
【００１２】
粘弾性体が外力を受けたとき、変形の増大が時間的に遅れを示す、このような粘弾性体に対して、図１に示すように、フォークト・モデルはその挙動を表わす簡単な模型である。この関係は弾性率Ｇの理想弾性体01、及び粘性率ηの液体02中を動くダッシュポット03を並列に結合した模型で表わされる。このような粘弾性体の変形を遅れ弾性といい、外力を除去すれば弾性余効を示して結局は元の状態に戻る。このような緩和現象は下記の式で表れる。
Ｆ＝Ｇγ＋η（ｄγ／ｄｔ）・・・（１）
Ｆが応力、Ｇが粘弾性体の弾性率、ηが粘弾性体の粘性率、γがひずみ量、ｔが時間である。さらにη／Ｇが緩和時間である。
【００１３】
また、本発明の測定流れを説明する。測定ヘッドを粘弾性体表面に当て、接触圧子の押圧を短時間でゼロから所定の目標値まで上げていく。それから、押圧を所与の休止時間の後に突然ゼロまで下げる。接触圧子の押圧を除去した後の被検体の表面回復過程が下記の式の関係を満足する。即ち：
ｍ（ｄ^２γ／ｄｔ^２）＝Ｇγ＋η（ｄγ／ｄｔ）・・・（２）
上記式中のｍは粘弾性体表面に接触している接触圧子の質量である。この被検体表面のひずみ量γと時間ｔの関係を測定すれば、式（２）の数値解析により粘弾性体の弾性率Ｇ及び粘性率ηを算出することができる。さらに、押圧の目標値を被検体表面のくぼみの表面積で割った値が硬さ数である。
【００１４】
また、本発明の第一実施例を説明する。図２は上記に基づいて構成した本発明の粘弾性体の力学特性測定装置の第一実施例の主要部の断面図であり、カバー17の中には、一定の圧力で被検体表面Ｓに押し付けるため、ばね19で初期張力をかけた測定ヘッド14を備え、測定ヘッド14を被検体表面Sに測定スタートスイッチ18が掛るまで押し付け、電磁コイル15が測定ヘッド14に固定され、電磁コイル15と永久磁石16により発生した電磁力で接触圧子13を被検体Ｓ側へ押圧し、接触圧子13に付けてある位置識別マーク11の位置が位置センサー12により検出される。この過程で、接触圧子13が被検体表面Ｓと接触しているので、接触圧子13の位置を測定するにより、被検体表面Ｓの凹み過程と最終的な凹み量を測定することができる。また、接触圧子13に掛けた電磁力を除去して、被検体表面Ｓが元の状態に戻る過程も位置センサー12により測定される。図示しないマイクロプロセッサが電磁コイル15に流れる電流を制御し、位置センサー１２の出力データーを取り込んで被検体Ｓの粘性と弾性及び硬さを算出する。
【００１５】
本発明の第二実施例を説明する。図４は第二実施例の主要部の断面図である。電磁力発生部では、第一実施例の永久磁石１６の代わりに軟磁性体で構成したピストン２０と軟磁性体で構成したリング状磁気増強体２１と剛体棒２２が配置され、磁気増強体21が電磁コイル１５と一体となり、電磁コイル１５とピストン２０と磁気増強体２１とにより発生した電磁力が剛体棒２２を介して接触圧子１３に伝わる。測定操作と接触圧子１３の位置検出は第一実施例と同じである。
【００１６】
本発明の第三実施例を説明する。図５は第三実施例の主要部及び被検体に押し付けた測定場合の断面図である。血管等パイプ状被検体の内面の力学特性を測定するには、第一実施例又は第二実施例の接触圧子１３の先端に力伝達軸２４が配置される。力伝達軸２４と連結軸２３ａ、２３ｂとホルダ２８に設けた固定軸２５と剛体棒２９ａ、２９ｂと剛体触角２６ａ、２６ｂとによりパンタグラフと同様の力方向変換機構が構成される。第一実施例又は第二実施例の接触圧子１３の押し出し力が前記力方向変換機構により、剛体触角２６ａ、２６ｂの相互に反対方向であって、押し出し力に対して、剛体触角２６ａ、２６ｂ先端の垂直な方向の力に変換される。操作方法は測定装置をパイプ状被検体の中に入れて、剛体触角２６ａ、２６ｂ先端のみ被検体に接触することである。検出方法は第一実施例又は第二実施例と同じ、接触圧子１３の運動過程を測定により、パイプ状被検体の内面２７の力学特性を解析する。
【００１７】
以上、本発明の粘弾性体の力学特性測定装置の原理と実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限定されず様々の変形が可能である。例えば、第一実施例では、永久磁石16は小型電磁コイルを用いても良い。また測定ヘッド14を被検体表面Sに測定スタートスイッチ18が掛るまで押し付けるの代わりに接触圧子１３のみ被検体と接触し、接触圧子13の測定ヘッド14の中に凹む具合を測定して、マイクロプロセッサの制御により測定開始することも良い。さらに、第二実施例では、磁気増強のため設けた軟磁性体で構成した磁気増強体21がなくでも測定装置も構成できる。但し、この場合は、押し力の発生具合は多少悪くなる。
【００１８】
【発明の効果】
本発明の粘弾性体表面の力学特性測定装置によると、簡単な構成で、1回の測定で簡単に自動的に粘弾性体の粘性と弾性及び硬さの測定を同時におこなうことができる。さらに、電磁力を利用したので、超小型測定プローブを作ることのできる点が本発明のもう一つ特徴である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明において粘弾性体表面の力学特性測定装置の測定原理を説明するための図である。
【図２】本発明の第一実施例において粘弾性体表面の力学特性測定装置を説明するための測定プローブの構成を示す図である。
【図３】本発明の測定プローブを被検体に押し付けた場合の断面図である。
【図４】本発明の第二実施例について粘弾性体表面の力学特性測定装置を説明するための測定プローブの構成を示す図である。
【図５】本発明の第三実施例についてパイプ状粘弾性体内面の力学特性測定装置を説明するための測定プローブの構成とパイプ状被検体を測定する場合の断面図である。
【符号の説明】
０１・・・理想弾性体
０２・・・液体
０３・・・ダッシュポット
１１・・・位置識別マーク
１２・・・位置センサー
１３・・・接触圧子
１４・・・測定ヘッド
１５・・・電磁コイル
１６・・・永久磁石
１７・・・カバー
１８・・・スタートスイッチ
１９・・・バネ
２０・・・ピストン
２１・・・磁気増強体
２２・・・剛体棒
２３ａ，２３ｂ・・・連結軸
２４・・・力伝達軸
２５・・・固定軸
２６ａ，２６ｂ・・・剛体触角
２７・・・パイプ状被検体
２８・・・ホルダ

Claims

粘弾性体の力学特性を測定する装置であって、粘弾性体表面Ｓに接触する接触圧子１３を有する測定ヘッド１４は、電磁コイル１５と、前記電磁コイルと一体になった軟磁性体で構成した磁気増強体２１と、軟磁性体で構成されたピストン２０と、前記接触圧子の位置識別マーク１１の位置をリアルタイムで検出できる位置センサー１２とを有し、前記電磁コイルと前記磁気増強体と前記ピストンとにより発生した電磁力が、剛体棒２２を介して前記接触圧子に伝わり、前記接触圧子を介して前記粘弾性体表面に変形を与え、前記位置センサーで前記接触圧子の位置識別マーク１１の位置を検出することにより、前記粘弾性体表面の変形過程及び電磁力を除去した後の回復過程を測定することを特徴とする粘弾性体表面の力学特性測定装置。
パイプ状粘弾性体の内面の力学特性測定装置であって、接触圧子１３を有する測定ヘッド１４は、前記接触圧子の押し出し力を発生する電磁コイル１５と永久磁石１６と、前記接触圧子の位置識別マーク１１の位置をリアルタイムで検出できる位置センサー１２とを有し、前記接触圧子の先端には、力伝達軸２４と連結軸２３ａ，２３ｂと固定軸２５と剛体棒２９ａ，２９ｂとパイプ状粘弾性体の内面に接触する２つ剛体触角２６ａ，２６ｂとからなる力方向変換機構を有するものであり、前記電磁コイルと前記永久磁石により発生した電磁力が前記接触圧子と前記力方向変換機構を介して、前記２つ剛体触角２６ａと２６ｂの先端を相互に反対方向であって、前記接触圧子の押し出し力に対して垂直な方向に駆動し、パイプ状粘弾性体の内面に変形を与え、前記位置センサーで前記接触圧子の位置識別マーク１１の位置を検出することにより、前記粘弾性体内面の表面の変形過程及び電磁力を除去した後の回復過程を測定することを特徴とするパイプ状粘弾性体の内面の力学特性測定装置。
前記永久磁石の代わりに、軟磁性体で構成されたピストン２０と前記電磁コイルと一体になった軟磁性体で構成した磁気増強体２１を備え、前記電磁コイルと前記磁気増強体と前記ピストンとにより発生した電磁力が、剛体棒２２を介して前記接触圧子に伝わることを特徴とする請求項２に記載されたパイプ状粘弾性体の内面の力学特性測定装置。