JP4315372B2

JP4315372B2 - 物体の変形特性測定装置

Info

Publication number: JP4315372B2
Application number: JP2003359905A
Authority: JP
Inventors: 真金子; 知洋川原; 幸男保坂
Original assignee: Satake Corp; Hiroshima University NUC
Current assignee: Satake Corp; Hiroshima University NUC
Priority date: 2003-10-20
Filing date: 2003-10-20
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2023-10-20
Also published as: JP2005121614A

Description

本発明は、物体の変形特性測定装置に関する。

物体に加振力を作用させ、物体の機械インピーダンスを測定することは公知である。例えば、物体の粘性、弾性又は質量の測定には、振幅のある周期的な加振力（入力）を物体上に作用させ、その作用点あるいは同じ物体上の他の一点で、加振力によって生ずる加速度，速度，変位の周期的な応答（出力）を測定すれば、加振力と加速度，速度，変位などとの間の伝達特性が求められ、物体の変形特性を知ることができる。この物体の機械インピーダンスを測定する技術は、弾性と粘性（塑性）とを兼ね備えた粘弾性体の力学的挙動を構造論的に解明すること及び製品の性能向上に役立てるうえで重要になる。例えば、工業材料であれば、プラスチック、繊維、ゴム、パルプ、油脂、接着剤、セラミック、薬品などが対象となり、その他、果実、食肉、魚介類など生鮮食品の分野や、麺類など加工食品の分野や、胃壁などの生体内腔部等又は皮膚や筋肉などの生体表面部等の医療の分野も対象となる。

従来、本発明者は上記のような物体の機械インピーダンスを測定する装置を特願２００２−３２９１４５により提案している。このものは、被測定物に加圧空気を連続的又はパルス状に噴射して非接触で加振する空気ノズルと、前記加圧空気の振幅，振動周波数又はデューティー比を変化させるための圧力制御弁と、被測定物に与えた加振力によって生じる加速度，速度，変位のうち、少なくともいずれか１つを測定する振動測定センサーとを備え、さらに、前記空気ノズルからの加振力と当該被測定物からの加速度，速度，変位の少なくともいずれか１つとの間の伝達特性から、物体の変形特性を演算する演算・表示装置を備えたものである。

これにより、被測定物に加圧空気を連続的又はパルス状に噴射して非接触で加振するので、被測定物となる物体の形状によらず圧力を均一に付与することが可能で、いかなる形状の被測定物であっても変形特性を測定することができる。また、加振力が圧縮性のある加圧空気であるから被測定物からの衝撃を緩和し、被測定物に対して非接触であるから衛生的に、かつ、傷つけることなく変形特性を測定するという作用・効果がある。

また、前記振動測定センサーは、被測定物に照射されたレーザー光の反射面の位置が被測定物の振動によって変化する現象を、その反射光の光軸が変化する現象として位置検出素子でとらえるもの、つまり、レーザー変位計を使用するものであるから、被測定物表面の反射率の影響を受けにくく、かつ、非接触で高精度に振動状態を把握するという作用・効果がある。

しかしながら、上記従来の装置にあっては（図１２参照）、被測定物に加圧空気を噴射する空気ノズル１００とレーザー変位計１１０とを別体で設けているので、測定装置全体が大きくなるという問題があった。また、空気ノズル１００から被測定物１０５Ａに対して加圧空気１００Ａを連続的又はパルス状に噴射すると、被測定物１０５Ａ（破線）が非接触で押圧されて、符号１０５（実線）の状態になる。そして、被測定物が符号１０５Ａの状態と符号１０５の状態を繰り返すことで加振され、変形特性が測定されることになる。このとき、空気ノズル１００とレーザー変位計１１０とが別体で設けられているので、噴風前に空気ノズル１００の作用点Ｆ１にレーザー変位計の焦点を合わせていても、噴風後は空気ノズル１００の作用点Ｆ２とレーザー変位計の焦点Ｆ３がずれてしまい、変位量の測定誤差が大きくなるという問題があった。この変位量の測定誤差は被測定物が柔らかい材質であった場合に顕著に表れる。

本発明は、上記問題点にかんがみ、装置全体を縮小するとともに、変位量の測定誤差を極力なくすことができる物体の変形特性測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、被測定物に加圧空気を連続的又はパルス状に噴射し、当該被測定物に非接触で加振力を作用させる空気ノズルと、前記加圧空気の振幅，振動周波数又はデューティ比を変化させるための圧力制御弁と、前記加振力によって生じる被測定物の変位を測定するレーザー変位計と、前記加圧空気による加振力と被測定物の変位の間の伝達特性から、当該被測定物の変形特性を演算する演算・表示装置と、前記レーザー変位計と圧力制御弁を一体的に支持するとともに空気ノズルを取り付けてなり、圧力制御弁からの加圧空気を空気ノズルに誘導する経路が形成された空圧ユニットとを備えてなる物体の変形特性測定装置において、前記空圧ユニットは、底面がレーザー変位計取付面とされ上面及び一側面が開放される凹状部を有するとともに、前記一側面に対向する他側面側にイモねじ用の孔を有するものであり、また、前記レーザー変位計取付面には、前記加圧空気の誘導経路の一部を構成し下端に前記空気ノズルが配置される垂直経路の上端が開放されており、当該レーザー変位計取付面に配置したレーザー変位計をイモねじの締め付けにより位置調整可能とすることで、前記垂直経路の上端にレーザー変位計の発光部を臨ませてレーザー光源から出射したビーム光を当該経路内に誘導するものとし、前記空気ノズルからの噴風が被測定物に作用する作用点と、この作用点に照射するビーム光の焦点を一致させる、という技術的手段を講じた。

また、前記空気ノズルは、前記空圧ユニットへの取り付けを脱着可能とするとよい。

さらに、前記空圧ユニット下部には、前記空気ノズルを囲繞するカバー体を備えるとよい。

本発明によれば、空圧ユニットが、底面がレーザー変位計取付面とされ上面及び一側面が開放される凹状部を有するとともに、前記一側面に対向する他側面側にイモねじ用の孔を有するものであり、また、前記レーザー変位計取付面には、前記加圧空気の誘導経路の一部を構成し下端に前記空気ノズルが配置される垂直経路の上端が開放されており、当該レーザー変位計取付面に配置したレーザー変位計をイモねじの締め付けにより位置調整可能とすることで、前記垂直経路の上端にレーザー変位計の発光部を臨ませてレーザー光源から出射したビーム光を当該経路内に誘導するものとし、前記空気ノズルからの噴風が被測定物に作用する作用点と、この作用点に照射するビーム光の焦点を一致させるものであるから、空圧ユニットの空気を誘導する経路を介して空気ノズルから被測定物に噴風され、この噴風と同時にレーザー変位計のレーザー光源から出射したビーム光が同一の経路を介して空気ノズルから被測定物に照射される。つまり、空気ノズルから被測定物に作用する噴風の作用点と、この作用点に照射するビーム光の焦点が一致して変位量の測定誤差を極力なくすことが可能となる。また、空圧ユニットにレーザー変位計及び圧力制御弁が一体で支持されているので装置全体を縮小することが可能となる。

また、前記空気ノズルは、前記空圧ユニットへの取り付けを脱着可能としているから、被測定物に応じて最適な空気ノズルを選択することができる。

さらに、前記空圧ユニット下部には、前記空気ノズルを囲繞するカバー体を備えているから、外部の雰囲気の影響を抑えて噴風空気の広がりや乱流を防止することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は物体の変形特性を測定する装置の機器構成を示す概略図である。図１において、符号１は被測定物となる粘弾性体であり、テーブル２上の試料台３にステンレス製の皿状容器４を載置し、該皿状容器４の上面に５ｍｍ厚のスポンジ状の膜５を張設したものである。該粘弾性体１はスポンジ状膜内部に空気６が充満した空気枕形状であり、柔軟性が保持されている。

粘弾性体１の側部には、脚部７及び腕部８からなる組み立て式の鉄製スタンド９が立設してあり、腕部８先端には、粘弾性体１に向けて加圧空気を噴射するノズル１０とレーザー変位計１１とが一体で支持されている。レーザー変位計１１の底面にはレーザー光源を発光する発光部１１ａと、該発光部１１ａからレーザー光源を被測定物に照射し、その反射光を受光する受光部１１ｂが設けられている。そして、ノズル１０から噴射する噴風が被測定物に作用する作用点と、この作用点に照射するレーザー変位計１１の光軸とを一致させるために、ノズル１０とレーザー変位計１１との間に後述する空圧ユニット１２を設けている。ノズル１０と粘弾性体１との距離は、粘弾性体１になるべく空気圧がかかる距離に設定すればよく、例えば、ノズル１０先端と粘弾性体１表面との距離を５ｍｍに設定して配置される。

空圧ユニット１２には、空気を送る装置が接続されている。すなわち、空圧ユニット１２には、メインバルブとなる電磁弁１３とジョイント１４とを接続し、該ジョイント１４からはエアーホース１５を介してエアーの圧力を制御するためのエアーレギュレータ１６（圧力調整弁又は減圧弁）とエアー源となるエアーコンプレッサー１７を接続している。そして、エアーレギュレータ１６は、エアーが出口側に流れないで圧力が高まってきたときには、入ってくるエアーを大気に開放して逃がす動作（リリーフ）を行い、エアーの圧力の制御が行われる。

また、メインバルブとなる電磁弁１３は、コンプレッサー１７からのエアーが加圧されて保持されており、エアーの噴出を可能とすべく、パーソナルコンピュータ１８からケーブル１９を介して電磁弁１３を開閉駆動させ、加圧空気が噴射されることになる。電磁弁１３からは、空圧ユニット１２の空気流路を介してノズル１０に連絡している。また、レーザー変位計１１は、被測定物の作用点の変位を測定すべく、ケーブル２０を介してパーソナルコンピュータ１８に接続する。

図２は図１に示したレーザー変位計１１の測定原理を示す概略図である。すなわち、レーザー変位計１１は、レーザー光源２１から発光部１１ａを介して出射したビーム光Ｋを、空圧ユニット１２及びノズル１０を通して膜５の表面に照射し、膜５の表面で反射した光の出射方向を受光部１１ｂを介して位置検出素子２２で検出する。膜５の表面が変位すると、表面によるビーム光Ｋの反射方向が変化し、位置検出素子２２上の受光位置が変化するので、変位センサー主回路２３によりこの受光位置変化を検出することにより膜５の変位を測定することができる。

前記レーザー変位計１１と前記ノズル１０との間は空圧ユニット１２が設けられている。該空圧ユニット１２は、レーザー光源２１から出射するビーム光Ｋの焦点を、被測定物に作用する噴風の作用点と一致させる役目を果たす。すなわち、図３乃至図５を参照して説明すると、空圧ユニット１２には、ジョイント１４をねじ込むための雌ねじ付空気供給路２４を水平方向に穿設し、該雌ねじ付空気供給路２４の終端に電磁弁１３へ空気を送るための電磁弁供給路２５を上方向に接続する。

電磁弁１３の内部構成は図６のように、空気入口ポート３０及び空気出口ポート３１をそれぞれ接続した空気シリンダ３５と、該空気シリンダ３５内を摺動する弁体３２と、空気入口ポート３０のシリンダ入口側３６を開閉する弁座３３と、弁体３２を常時押圧するスプリング３４と、前記シリンダ入口側３６の弁座３３を開放するためのソレノイド装置３７と、前記空気シリンダ３５のスプリング側３５Ａの圧力と空気入口ポート３０の圧力を同一にするための背圧ポート３８と、を備えている。これにより、ソレノイド装置３７に電圧が印加されない場合は、スプリング３４及び背圧ポート３８により弁体３２が押圧されて弁座３３がシリンダ入口側３６に当接して空気は漏れないが、ソレノイド装置３７に電圧が印加されるとソレノイド装置３７に励磁され、弁体３２がソレノイド方向に移動し（図６の一点鎖線）、シリンダ入口側３６が開放されることにより、空気入口ポート３０から空気シリンダ３５、シリンダ出口側４０を経て空気出口ポート３１に加圧空気が噴射されることになる（図６の一点鎖線の矢印）。

再び、図３乃至図５を参照して空圧ユニット１２を説明すると、空圧ユニット１２には、電磁弁１３から噴風を誘導するための電磁弁排出路２６を下方向に穿設し（図３、図４）、該電磁弁排出路２６の終端に水平中継路２７を接続するとともに、該水平中継路２７からノズル１０に空気を誘導する垂直中継路２８を接続する。該垂直中継路２８上端には、レーザー変位計１１の発光部１１ａを臨ませて、レーザー光源２１を垂直中継路２８内に誘導するように配置する。つまり、空圧ユニット１２に穿設した垂直中継路２８の上方側を凹状に切削加工して、レーザー変位計を取り付ける変位計取付面４１を設ける。そして、レーザー変位計１１の発光部１１ａを垂直中継路２８に臨ませるとともに、レーザー変位計１１の上から固定ホルダー４２を被せ、空圧ユニット１２に固定ねじ４３，４３を螺着して固定する。なお、レーザー光源２１を垂直中継路２８内に誘導するために、空圧ユニット１２にイモねじ用の調整用孔４４，４４を穿設し（図３、図５）、イモねじの締め付け調節により空圧ユニット１２とレーザ変位計１１との微妙な位置調整が可能となる。符号４５，４５は電磁弁１３を空圧ユニットに取り付けるための固定ねじである。

垂直中継路２８下端には、噴風用のノズル１０が設けられる。該ノズル１０は、空圧ユニット１２への取り付けを脱着可能とすべくねじ加工するとともに、先端ノズル長を１３ｍｍ程度に形成して、噴風空気の広がりや乱流が起こらないようにするとよい。また、ノズル１０は内径が１ｍｍのもの、２ｍｍのもの及び３ｍｍのものを被測定物に応じて適宜選択して使用するとよく、レーザー光源２１のスポット径は直径が３０μｍであるので、レーザー光源２１がノズル１０の内径のほぼ中心を通り、変位が計測できるようにするとよい。なお、外部の雰囲気によって噴風空気の広がりや乱流が起こらないよう、空圧ユニットの下部にノズル１０を囲繞するアクリル製のカバー体３９を設けてもよい（図４参照）。

次に上記構成における作用を説明する。コンプレッサー１７を起動して空気を加圧するとともに、エアーレギュレータ１６によって所定の圧力に調節すると、エアーホース１５、ジョイント１４及び空圧ユニット１２に加圧空気が充満する状態になる。

空圧ユニット１２内では、雌ねじ付空気供給路２４及び電磁弁供給路２５に加圧空気が充満しており、この状態で電磁弁１３を開閉駆動させると、パルス状の空気がノズル１０から噴射される。このときの、被測定物の窪み（凹部）の変位をレーザー変位計にて測定するのである。パルス状に加圧空気を噴射させるためには、電磁弁１３を連続的にオン・オフ制御すればよく、タイマーなどを変更すればパルスの周期を変更することが可能である。また、加圧空気の圧力を変更させるため、振幅を変えることも可能である。さらには、デューティー比も任意に変更することができる。

電磁弁１３を開閉駆動させる際は、パーソナルコンピュータ１８からの指令によりソレノイド装置３７に電圧が印加される。ソレノイド装置３７に電圧が印加されると励磁により弁体３２がソレノイド方向に移動し、シリンダ入口側３６が開放されることにより、空気入口ポート３０から空気シリンダ３５を経て空気出口ポート３１に加圧空気が噴射される。

空気出口ポート３１からの噴風は再び空圧ユニット１２流入する。すなわち、空圧ユニット１２の電磁弁排出路２６、水平中継路２７及び垂直中継路２８を介してノズル１０から被測定物に噴風される。この噴風と同時にレーザー変位計１１のレーザー光源２１が垂直中継路２８内に誘導され、ノズル１０から被測定物に照射される。つまり、ノズル１０から被測定物に作用する噴風の作用点と、この作用点に照射するレーザー変位計１１のレーザー光源２１の焦点が一致して変位量の測定誤差を極力なくすことが可能となる。

従来の空気ノズル１００とレーザー変位計１１０とを別体で設けた測定装置（図１２）と、本発明の空圧ユニット１２を介して空気ノズル１０とレーザー変位計１１とを一体化した測定装置（図３乃至図５）とを比較した。供試材料としては、５ｍｍ厚のスポンジ状の膜をステンレス製の皿状容器の上面に張設したものに、空気ノズルから噴風をステップ状に印加し（図７参照）、レーザー変位計により変位を測定した。１０パターンの空気圧を印加して従来装置と本発明とを比較すると（図８参照）、約１ｍｍの測定誤差があることが分かった。これにより、本発明の測定装置を利用すれば、全体構成を縮小することが可能になり、また、ノズル１０から被測定物に作用する噴風の作用点と、この作用点に照射するレーザー変位計１１のレーザー光源２１の焦点が一致して変位量の測定誤差を極力なくすことが可能となった。

供試材料として、こんにゃく、ミニトマト、キウイを用い、本発明の測定装置を利用してインピーダンス計測を行った。各供試材料に対し空気ノズル１０から空気圧０．２（ＭＰａ）、時間２００（ｍｓｅｃ）の噴風を印加し、変位応答を計測した。パーソナルコンピュータ１８により供試材料を図９のモデルと仮定して質量ｍ、粘性率ｃ、弾性率ｋを算出した。図１０及び図１１はこんにゃく、ミニトマト、キウイの各々についてインピーダンス計測を行った結果であり、硬さを推定して被測定物が何であるか特定することが可能となる。

本発明は、工業材料であれば、プラスチック、繊維、ゴム、パルプ、油脂、接着剤、セラミック、薬品などの硬さの測定、生鮮食品であれば、果実、食肉、魚介類などの硬さの測定、加工食品であれば、麺類、加工米飯、レトルト食品などの硬さの測定、医療分野であれば、胃壁などの生体内腔部等又は皮膚や筋肉などの生体表面部等の硬さ測定に適用できる。

本発明の測定装置の機器構成を示す概略図である。図１に示したレーザー変位計の測定原理を示す概略図である。測定装置の拡大正面図である。図３の矢視Ａ方向から見た測定装置の側面図である。図３の矢視Ｂ方向から見た測定装置の平面図である。電磁弁の内部構成を示す概略縦断面図である。実施例１に使用する噴風の計測変位データである。１０パターンの空気圧を印加して従来装置と本発明とを比較した図である。インピーダンス測定のモデルである。こんにゃく、ミニトマト、キウイの各々についてインピーダンス計測を行った結果である。質量ｍ、粘性率ｃ、弾性率ｋを比較した結果である。従来の測定装置を示す概略図である。

符号の説明

１粘弾性体
２テーブル
３試料台
４皿状容器
５膜
６空気
７脚部
８腕部
９鉄製スタンド
１０ノズル
１１レーザー変位計
１１ａ発光部
１１ｂ受光部
１２空圧ユニット
１３電磁弁
１４ジョイント
１５エアーホース
１６エアーレギュレータ
１７エアーコンプレッサー
１８パーソナルコンピュータ
１９ケーブル
２０ケーブル
２１レーザー光源
２２位置検出素子
２３変位センサ主回路
２４雌ねじ付空気供給路
２５電磁弁供給路
２６電磁弁排出路
２７水平中継路
２８垂直中継路
３０空気入口ポート
３１空気出口ポート
３２弁体
３３弁座
３４スプリング
３５空気シリンダ
３６シリンダ入口側
３７ソレノイド装置
３８背圧ポート
３９カバー体
４０シリンダ出口側
４１変位計取付面
４２固定ホルダー
４３固定ねじ
４４調整用孔
４５固定ねじ

Claims

被測定物に加圧空気を連続的又はパルス状に噴射し、当該被測定物に非接触で加振力を作用させる空気ノズルと、前記加圧空気の振幅，振動周波数又はデューティ比を変化させるための圧力制御弁と、前記加振力によって生じる被測定物の変位を測定するレーザー変位計と、前記加圧空気による加振力と被測定物の変位の間の伝達特性から、当該被測定物の変形特性を演算する演算・表示装置と、前記レーザー変位計と圧力制御弁を一体的に支持するとともに空気ノズルを取り付けてなり、圧力制御弁からの加圧空気を空気ノズルに誘導する経路が形成された空圧ユニットとを備えてなる物体の変形特性測定装置において、
前記空圧ユニットは、底面がレーザー変位計取付面とされ上面及び一側面が開放される凹状部を有するとともに、前記一側面に対向する他側面側にイモねじ用の孔を有するものであり、また、前記レーザー変位計取付面には、前記加圧空気の誘導経路の一部を構成し下端に前記空気ノズルが配置される垂直経路の上端が開放されており、当該レーザー変位計取付面に配置したレーザー変位計をイモねじの締め付けにより位置調整可能とすることで、前記垂直経路の上端にレーザー変位計の発光部を臨ませてレーザー光源から出射したビーム光を当該経路内に誘導するものとし、前記空気ノズルからの噴風が被測定物に作用する作用点と、この作用点に照射するビーム光の焦点を一致させることを特徴とする物体の変形特性測定装置。
前記空気ノズルは、前記空圧ユニットへの取り付けを脱着可能としてなる請求項１記載の物体の変形特性測定装置。
前記空圧ユニット下部には、前記空気ノズルを囲繞するカバー体を備えてなる請求項１又は２記載の物体の変形特性測定装置。