JP4184202B2 - 弾力計測方法およびそれを用いた弾力計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、物性表面特性の計測に関する。より詳しくは、皮膚などの半流動物質の表面に発生する歪・弾力特性を計測する方法及びそれを用いた歪・弾力特性計測装置を提供するものである。

従来の一般計測において計測を行う際には、計測装置内に重力偏差が発生するために、計測角度に制限があるため、例えば、人間の顔の頬側面・顎下部などのどの方向でも計測できるものではなかった。
また、人間などの計測においては、計測中に計測対象物が移動するのを防止するため、計測対象物を固定する機材を設置する必要があった。

本発明発案者が発明した非接触センサーは、負荷付与部分が重力の影響を受けないことが知られているが、非接触センサーは移動機構を構成せず空気圧により応力を付与するため、小型装置において安定した応力を継続的に付与することは困難であり、計測項目に制限があり改善が求められていた。（特許文献１）
また、一般的な接触センサーは移動部分に負平行な重量移動があり、その計測移動部分の重量移動に起因して、センサー計測角度の変移により計測値が変動することが知られており、接触センサーを利用する際には、計測の都度に、正確に計測角度を計測する必要があり、本発明発案者が発案した方位センサー、傾斜センサーなどを応用して計測時の計測装置角度を検出し、角度変移により発生した偏差を補正する手法も研究されている。（特許文献2）
しかし、いずれの文献に記載された発明も、弾力特性の様な過渡的な衝撃を与え、物質特性の計測を行う方式に対しては、計測誤差の原因となる計測移動部分の重量偏差を補正することがなく、過渡的な動作に対して正確な角度計測および補正が困難なことが確認されたため、更に、過渡的な条件に影響を受けない計測手段が求められた。

特願２００２−２６８２１８号 特願２００３−３１９２３３号

本発明は、計測角度において影響を受けずに計測対象物に安定した衝撃又は変動を与え得る可動測定部を具備することにより、この可動測定部の移動量を検知し、計測対象に様々な変移を与える結果、計測対象に発生した様々な弾力特性を計測角度の影響を受けずに計測することを特徴とする弾力計測方法及びその計測方法を適用した弾力計測装置を提供する。
また、本発明は強い衝撃を与えて、計測対象物の表面を突き破り、内部の弾性についても測定することが出来る弾力計測方法及びその計測方法を適用した弾力計測装置を提供する。

本発明は、計測対象物に常に一定の強さで安定した衝撃又は変動を与えることにより、計測対象に発生する弾力特性を計測角度や重力の影響を受けずに正確に計測することができる弾力計測方法及び弾性計測装置を得ることができた。
すなわち、本発明は、先端を計測対象物の表面に衝突させることができる可動測定部、可動測定部の移動と連動して可動測定部の移動と反対方向に移動するバランサー部及び可動測定部の動きを検知する測定検知部を有する弾力計測方法であって、可動測定部の移動による重心の移動を相殺することにより、可動測定部を如何なる方向に対して計測を行おうとも可動測定部の移動に起因する計測誤差の発生を防止し、計測角度の制限を受けずに計測対象物に衝突させることが出来る弾力計測方法が上記目的を達成することを見いだした。

また、本発明はこれを具体化した弾力計測装置すなわち、先端を計測対象物の表面に衝突させることができる可動測定部、可動測定部を一定速度で移動を開始させるための磁石と磁力発生装置の組合わせによる駆動部、可動測定部の移動と連動して可動測定部と反対方向に移動するバランサー部、可動測定部の動きを検知する測定検知部を基本構成とする弾力計測装置である。

本発明は、計測対象に発生した様々な弾力特性を計測角度の影響を受けずに計測でき、計測対象物の表面に常に安定した衝撃又は変動を与えることが出来るので、計測結果の値をの信頼性が高い。また、本発明は強い衝撃を与えて、計測対象物の表面を突き破り、内部の弾性についても測定することが出来るので、応用範囲が広い。

本発明は、先端を計測対象物の表面に衝突させることができる可動測定部を、一定速度で移動を開始させるための磁石と磁力発生装置の組合わせによる駆動部を有することができる。
また、本発明は、先端を計測対象物の表面に衝突させた後、引き続き可動測定部に一定の力を加えて、可動測定部の先端を計測対象物の表面に押し続けるための磁石と磁力発生装置の組合わせによる駆動部を有することができる。
さらに、本発明は、先端を計測対象物の表面に衝突させた後、先端が計測対象物の表面を突き破って計測対象物の内部に一定量侵入させた後、引き続き可動測定部に一定の力を可動測定部の先端が計測対象物から抜け出す方向に加える磁石と磁力発生装置の組合わせによる駆動部を有することができる。

また、本発明の弾力測定装置は、可動測定部の移動と反対方向に移動するバランサー部の連動が、ベルトにより可動測定部の移動が行われ、ベルトにより回転するローラー、ローラーにより移動するベルト、ベルトにより移動するバランサー部により行われることができる。
さらに、本発明の弾力測定装置は、可動測定部の一部に遮光板を取り付け、遮光板を挟んで、一方側に光源とスリットを設け、他方側に受光装置を設けて、光と可動測定部の動きを検知する測定検知部を設けることができる。
また、可動測定部の一部に磁石とコイルを取り付け、磁気及び発電量を調べることにより可動測定部の動きを検知する測定検知部を設けることができる。
さらにまた、駆動部が可動測定部の内部に組み込まれた磁石と、可動測定部の周囲に設けられたコイルであり、コイルに流す電流を制御するコイル制御部、ベルトの動きを一定量で止めるためのベルトストッパー、先端位置調整具をさらに設けることができる。

センサーの重力変化を相殺して、任意の方向で計測し得る構造を作る。
素材指定がない限り、ポリテトラフルオロエチレン樹脂またはそれに順ずるものを使用する。
計測部参考図１は、ポリテトラフルオロエチレン素材のローラーに計測部分と動作相殺構造を平行して配置し、ポリテトラフルオロエチレン製のベルトで接続する構造としている。
計測部分および動作相殺構造がローラーで固定されており変芯しないため、如何なる方向に対しても重量変移が発生しないことが判っている。

本発明の弾力測定装置においては、センサー先端部精度やセンサーの肌接触部の形状が、指定値であることを確認する。
また、電源電圧の変動による駆動電流の変動を計測し、要求精度以内であることを確認する。
さらに、センサー移動部分の慣性重量を計測し、規定重量範囲にする。
また、センサー部分を上向き・下向きにして、センサー移動が発生する最小駆動電流求め、バランサ重量等を調整して規定範囲の値とする。
さらに、発生応力の計算のため、駆動電流の変化による、計測平面における静止時発生応力を、グラム単位で計測しておくと便利である。
また、弾力測定装置の精度の計算のため、弾力測定装置において既知の変移を複数点計測し、弾力測定装置の分解能・直線性・計測範囲を求めておくと便利である。

（光による移動量および角度の計測）
図３に示すように、可動測定部の一部に遮光板７を取り付ける。この遮光板を挟んで、ベース（基板）８の一方側にＬＥＤ光源９とスリット１０を設け、必要により光拡散板１１を取り付け、他方側に受光装置であるフォトトランジツター１２を設けて、光と可動測定部の動きを検知する測定検知部を設けることができる。このとき、遮光板を移動方向に傾斜する形状にすればアナログ信号が得られ、遮光板にランダムなスリットを設ければデジタル信号を得ることが出来る。また、場合によっては両者を設けて、アナログ信号とデジタル信号を同時に得ることもできる。
さらに、計測値の微分値を求めることにより、変化速度・変化特性を求めることができる。

また、本発明は、図４に示すような磁石とコイルを可動測定部とその周辺に取り付けて、
可動測定部のエンジンとすることができると共に、発生する電磁特性を検知することにより、弾力特性を知ることもできる。
図４に示すように、可動測定部が移動するとき、コイルに流れる電流により、磁石を移動することができる。移動方向は、コイルに流す電流方向により変化する。
コイルに電流を加え、一定時間経過後にコイルの電流を切ると、計測金具は肌の力により押し返されるとともに、コイルには磁石移動による起電力で電圧が発生する。
この場合、ストッパーに計測金具が固定されるような電流をコイルに流すと、一定のストローク変化からの値が計測され、ストッパーに計測金具が当たらないような弱い電流をコイルに流すと、一定の力で押し付けたときの値が計測される。
計測値の面を求めることで計測金具の変化量を求めることができるが、より計測精度を高めるため変移センサーを組込んだものである。
コイルに発生する電圧は、計測金具の微分変位に相当するものであり、下図のような変位が推測される。
肌の反発特性を計測する手段を、肌に一定ストローク量の変位を与えることにより、一定重量の計測体に対して与える反発特性とした場合、「重力変位の改善」・「磁気を用いた移動特性の計測」・「磁気を用いた移動の発生」を組み合わせることにより、計測することができる。
さらに、移動量を計測し変位特性の補正などを行おうとする場合は、「光による移動量および角度の計測」を組み合わせることにより、計測することができる。
尚、この組み合わせにおいては、センサー部分重量による変位が補正されているため、計測方向の制限がないものである。
本発明における信号処理は、可動測定部の動きを検知できるものであれば、どのようなものであっても良い。一例を図２に示す。サンプリング周期の値は、Ａ／Ｄサンプリングの限界値ではなく、１チップＣＰＵの処理時間などを含めたモデル値とすることが実用的である。

本発明の弾力計測装置について、好ましい条件について説明するが、本発明はこれに拘束されるものではない。
計測金具先端部に比較して、十分な広さがある肌接触面を肌に押し付けて計測する。十分な広さがあれば、押し付け圧による変位は周辺部分に発生し、計測部分に発生し難くなる。
肌接触面から内面に窪んだ状態での変位を計測するものとし、その外側の計測は対象としないものとする。
尚、計測金具の継続変化で、肌から離れても計測電圧は継続的に発生する。計測金具の先端は、周辺より細くした。これは、計測金具スライダ部分を筒状のもので構成した場合、化粧品が計測金具の先端に付着して、計測金具スライダ部分内面に付着するのを防止するためである。
一度使用した計測装置は、計測金具先端部分を含めて、清掃できる構造でなければならず、計測金具を突出させて清掃することになる。
この様な取り扱いのため、計測金具は曲げを含めて、破損する可能性がある。
故に、容易に交換できる構造と交換部品が準備されていなければならず、常に精度校正を行い得る構造でなければならない。
反発力が大きい場合、計測金具の移動速度が速いため、変位は早く終了すると共に発生電圧が高くなる。
肌には、計測金具に掛かる肌反発力以外の応力（金具重力付加）がないため、肌表面の変位を直接計測することができ、単純な肌の張り以外に、肌接触面の復旧特性などの計測ができる。

本発明の弾力測定方法を具体化した弾力測定装置の一例を図１に示す。
先端計測部１−２ 、先端位置計測具１−３ を備えた計測可動部１をベルト２に設置し、ローラー３を介してもうひとつのベルト２に設置したバランサー４とセットにして組み立てる。
計測可動部１の内部に永久磁石５（２，７００G程度）及びその周囲に巻回したコイルと軟磁性体からなる電磁石６を設ける。 さらに、計測可動部１の一部に遮光板７を取り付ける。
例えば、使用部材は、棒体の太さ１．０φ（ｍｍ）又は２．０φ（ｍｍ）、管の太さ３．０φ／ ２．０φ（ｍｍ）又は４．０φ ／ ３．０φ（ｍｍ）、５．０φ ／ ４．０φ（ｍｍ）、磁石 １．５φ × ９．０ｍｍ − ２，７００G、UEW線 ０．２６ｍｍを使用でき、仕上がり寸法１０ｍｍ×１５ｍｍ×６０ｍｍ程度にすることが出来る。
先端調整具１−３により、先端計測部１−２を一定の距離を保つように調整し、一定の位置から計測対象物に向ける。電磁石６に電流を流すと計測可動部１に内蔵した永久磁石７が磁力で、計測可動部１が打ち出され、先端計測部１−２が計測対象物の表面に衝突して跳ね返され、計測可動部１は往復運動する。このとき、計測可動部１はベルト２及びローラー３を介して連動するバランサー４の働きにより、非常に安定した往復運動をすることができる。
計測可動部１に取り付けられた遮光板７の動きを光又は磁力により検知し、計測対象物の弾力を計測する。次ぎに、この弾力計測装置を用いた具体的な測定について詳述する。

（変移過渡特性の計測）
アナログ遮光板を取り付けた実施例１の弾力計測装置を用いて、先端計測部を軽く肌の０．５ｃｍのところから、人の肌（顔）に向けて、計測可動部を打ち出した。
センサーヘッド加速度重量により、肌は衝撃を受けた後、反発するが、計測可動部の駆動部に図６の駆動電流を流したところ、計測可動部は図６の動きをした。
この実験は次の項目の測定量が得られる。
（１）最大変移量 （２）最大反発量 （３）変移周期特性 （４）変移減衰特性

（特定応力による変移量・変移特性の計測）
デジタル遮光板を取り付けた実施例１の弾力計測装置を用いて、先端計測部を軽く肌の表面に触れさせ、人の肌（顔）に向けて、計測可動部を打ち出した。計測可動部の駆動部に図７の駆動電流（２段階の電流）を流したところ、計測可動部は図７の動きをした。
これは、一度押してから、さらに強く押した時の弾力特性を調べるのに適する。
この実験は次の項目の測定量が得られる。
（１）初期変移特性・変移量 （２）長期負荷時変移特性 （３）安定時変移量

（特定負荷からの反発特性の計測）
デジタル遮光板を取り付けた実施例１の弾力計測装置を用いて、先端計測部を軽く肌の表面に触れさせ、人の肌（顔）に向けて、計測可動部を打ち出した。計測可動部の駆動部に図８の駆動電流（２段階の電流）を流したところ、計測可動部は図８の動きをした。
これは、一度押してから、さらに強く押し、次いで弱く押した時の弾力特性を調べるのに適する。
この実験は次の項目の測定量が得られる。
（１）負荷時間変動に対する初期変移特性・変移量

（特定負荷からの反発特性の計測）
デジタル遮光板を取り付けた実施例１の弾力計測装置を用いて、先端計測部を軽く肌の表面に触れさせ、人の肌（顔）に向けて、計測可動部を打ち出した。計測可動部の駆動部に図９の駆動電流（電流をオンにし、一定時間後にオフにする）を流したところ、計測可動部は図９の動きをした。
これは、一度押してから、中止し、肌自体の力で回復する時の弾力特性を調べるのに適する。
この実験は次の項目の測定量が得られる。
（１）変移安定後の原状回復特性の計測

以上代表的な弾力計測装置の使い方について説明したが、このほか、いろいろな使い方ができる。例えば、同じ場所に同一条件の負荷を与え、それぞれの負荷毎の変移特性の変化を求める。また、一回の変移検出後、変移状態が安定したら負荷を除き、繰り返して負荷を与えて計測する。さらに、計測対象物の粘着特性などの計測も実行することができる。
変位センサーの、計測金具に固定された三角形をしたセンサー部分は、バランサの左右移動により、計測金具が出るときと引くときで変化して、右側または左側に押し付けられた位置を移動するため、基準位置を確定させることで、機械誤差を少なくすることができる。
非接触状態の変移量検出で、計測金具の移動誤差が補正されれば、計測誤差は分解能近辺になることが推測される。
また、変位検出用金具は直線変化で良く、幅のある光センサー部の平均値で計測されるため、計測精度は高いことが推測される。
以上を前提に機械的精度誤差を無視した場合、移動量を２ｍｍとし１０ＢｉｔＡ／Ｄの計測範囲の１／２の９Ｂｉｔ分で距離変移計測を行うとした場合、計測分解能は下記となる。
計測分解能 ＝ ２／５１２ ≒ ４（μｍ）
また、変移検出に１ＫＨｚ周期サンプルでＡ／Ｄを用いたとしても、１秒間に１、０００回のサンプリングがされるため、変移発生時間が０．１秒としても１００回のサンプリングを行うことになり、連続的な変移検出には十分な情報を得ることができる。

本発明は、計測対象に発生した様々な弾力特性を計測角度の影響を受けずに計測でき、計測対象物の表面に常に安定した衝撃又は変動を与えることが出来るので、計測結果の値をの信頼性が高く、肌の弾力など美容関係に利用することが出来、また、本発明は強い衝撃を与えて、計測対象物の表面を突き破り、内部の弾性についても測定することが出来るので応用範囲が広く、ゼリー、蒟蒻、豆腐など食品関係の品質を表わす計測にも利用できる。

本発明の弾力計測装置 本発明の弾力計測装置における検知回路の一例 本発明の弾力計測装置における検知システムの一例 本発明における磁気検知の概略図 磁気検知の説明図 本発明の弾力計測装置による肌の弾力測定の一例 本発明の弾力計測装置による弾力測定の一例 本発明の弾力計測装置による弾力測定の一例 本発明の弾力計測装置による弾力測定の一例

符号の説明

１ 計測可動部
１−２ 先端計測部
１−３ 先端位置計測具
２ ベルト
３ ローラー
４ バランサー
５ 永久磁石
６ 電磁石
７ 遮光板
７−１ アナログ遮光板
７−２ デジタル遮光板
８ ベース（基板）
９ ＬＥＤ（発光ダイオード）
１０ スリット
１１ 光拡散板
１２ フォトトランジスター

Claims (9)

1. 先端を計測対象物の表面に衝突させることができる可動測定部、可動測定部の移動と連動して可動測定部の移動と反対方向に移動するバランサー部及び可動測定部の動きを検知する測定検知部を有する弾力計測方法であって、可動測定部の移動による重心の移動を相殺することにより、可動測定部を如何なる方向に対して計測を行おうとも可動測定部の移動に起因する計測誤差の発生を防止し、計測角度の制限を受けずに計測対象物に衝突させることが出来る弾力計測方法。
2. 先端を計測対象物の表面に衝突させることができる可動測定部を、一定速度で移動を開始させるための磁石と磁力発生装置の組合わせによる駆動部を有する請求項１に記載した計測角度の制限を受けずに計測対象物に衝突させることが出来る弾力計測方法。
3. 先端を計測対象物の表面に衝突させた後、引き続き可動測定部に一定の力を加えて、可動測定部の先端を計測対象物の表面に押し続けるための磁石と磁力発生装置の組合わせによる駆動部を有する請求項２に記載した計測角度の制限を受けずに計測対象物に衝突させることが出来る弾力計測方法。
4. 先端を計測対象物の表面に衝突させた後、先端が計測対象物の表面を突き破って計測対象物の内部に一定量侵入させた後、引き続き可動測定部に一定の力を可動測定部の先端が計測対象物から抜け出す方向に加える磁石と磁力発生装置の組合わせによる駆動部を有する請求項２に記載した計測角度の制限を受けずに計測対象物に衝突させることが出来る弾力計測方法。
5. 先端を計測対象物の表面に衝突させることができる可動測定部、可動測定部を一定速度で移動を開始させるための磁石と磁力発生装置の組合わせによる駆動部、可動測定部の移動と連動して可動測定部と反対方向に移動するバランサー部、可動測定部の動きを検知する測定検知部を基本構成とする弾力計測装置。
6. 可動測定部の移動と反対方向に移動するバランサー部の連動が、ベルトにより可動測定部の移動が行われ、ベルトにより回転するローラー、ローラーにより移動するベルト、ベルトにより移動するバランサー部により行われる請求項５に記載した弾力計測装置。
7. 可動測定部の一部に遮光板を取り付け、遮光板を挟んで、一方側に光源とスリットを設け、他方側に受光装置を設けて、光と可動測定部の動きを検知する測定検知部を設けた請求項５又は請求項６に記載した弾力計測装置。
8. 可動測定部の一部に磁石とコイルを取り付け、磁気及び発電量を調べることにより可動測定部の動きを検知する測定検知部を設けた請求項５又は請求項６に記載した弾力計測装置。
9. 駆動部が可動測定部の内部に組み込まれた磁石と、可動測定部の周囲に設けられたコイルであり、コイルに流す電流を制御するコイル制御部、ベルトの動きを一定量で止めるためのベルトストッパー、先端位置調整具をさらに設けた請求項５ないし請求項８のいずれかひとつに記載した弾力計測装置。