JP6164881B2 - Elasticity meter and elasticity measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、人体などの生体の肌や、食品表面、ゴム製品表面などの弾力を測定する弾力計及び弾力測定装置に関する。 The present invention relates to a elasticity meter and a elasticity measuring device for measuring elasticity of a living body such as a human body, a food surface, a rubber product surface, and the like.
従来、人体の肌などの柔らかい固体表面の弾力を測定する弾力計としては、プローブを所定の力でサンプル表面に押し当て、プローブの変位量から弾力を測定する装置が知られている。例えば特許文献1では、レバーを操作して硬さ計を一定速度でサンプル表面に向けて移動させることにより、サンプル表面にプローブを介して一定荷重を作用させ、このときのプローブの変位量に基づいてサンプルの硬度を測定する装置が開示されている。また、弾力計の他の例として、皮膚を実際に持ち上げて、その持ち上がりにくさを測定することによって皮膚の弾力を測定する装置が知られている。例えば特許文献2では、プローブ内を減圧にして皮膚を吸引し、皮膚の盛り上がりを光学的に測定することによって、皮膚の弾力性を測定するものが開示されている。
Conventionally, as a elasticity meter for measuring the elasticity of a soft solid surface such as a human skin, a device is known in which a probe is pressed against a sample surface with a predetermined force and the elasticity is measured from the amount of displacement of the probe. For example, in Patent Document 1, a constant load is applied to a sample surface via a probe by operating a lever to move the hardness meter toward the sample surface at a constant speed, and based on the displacement amount of the probe at this time. An apparatus for measuring the hardness of a sample is disclosed. As another example of the elasticity meter, a device that measures the elasticity of the skin by actually lifting the skin and measuring the difficulty of lifting the skin is known. For example,
しかしながら、従来の装置によってサンプル表面の弾力を測定する場合には、サンプル表面を押した際の反発力の大きさに対応したバネ構造が必要である。つまり、従来の弾力計によると、サンプルが人体の皮膚や豆腐などの極めて柔らかい固体の場合、サンプル表面からの反発力が十分小さいため、サンプルに応じた反発力の違いを検出するためには極めて微小な反発力を高感度且つ高精度で検出できる必要があった。ところが、従来の弾力計に備わるバネ構造では、その感度と精度を実現することが難しい、という課題があった。 However, when the elasticity of the sample surface is measured by a conventional apparatus, a spring structure corresponding to the magnitude of the repulsive force when the sample surface is pushed is necessary. In other words, according to the conventional elasticity meter, when the sample is a very soft solid such as human skin or tofu, the repulsive force from the sample surface is sufficiently small, so it is extremely difficult to detect the difference in repulsive force according to the sample. It was necessary to detect a minute repulsive force with high sensitivity and high accuracy. However, the conventional spring structure of the elasticity meter has a problem that it is difficult to realize the sensitivity and accuracy.
本発明はこのような事情に考慮してなされたもので、その目的は、柔らかい材質の固体表面の弾力を高感度且つ高精度で測定できる弾力計及び弾力測定装置を提供することである。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a elasticity meter and a elasticity measuring apparatus capable of measuring the elasticity of a soft solid surface with high sensitivity and high accuracy.
本発明は、前記課題を解決するために以下の手段を提供する。
本発明に係る弾力計は、サンプル表面にプローブを押し込むことで前記サンプル表面の弾力を測定する弾力計において、前記プローブは、気体が充填され先端面が可撓材から成り、前記サンプル表面に押し込められた際に変形して内部圧力が変化するセンサ気体室と、前記センサ気体室に充填された気体を当該センサ気体室の内外に流出入させる貫通穴の一部を覆うように一端が固定されたカンチレバーと、前記センサ気体室の内部圧力の変化による前記カンチレバーのたわみを検出する検出部と、を備える。
本発明に係る弾力計によれば、きわめて柔らかい材質のサンプルの表面の弾力を測定環境に影響されることなく高精度に測定することができる。
The present invention provides the following means in order to solve the above problems.
The elasticity meter according to the present invention is a elasticity meter that measures the elasticity of the sample surface by pushing the probe into the sample surface. The probe is filled with gas and the tip surface is made of a flexible material, and is pushed into the sample surface. One end is fixed so as to cover a part of the sensor gas chamber that changes its internal pressure when deformed, and a through hole that allows the gas filled in the sensor gas chamber to flow into and out of the sensor gas chamber. A cantilever, and a detector for detecting deflection of the cantilever due to a change in internal pressure of the sensor gas chamber.
According to the elasticity meter according to the present invention, the elasticity of the surface of a very soft sample can be measured with high accuracy without being affected by the measurement environment.
本発明に係る弾力計は、プローブは、貫通穴を介してセンサ気体室と連接され、センサ気体室との間で気体を流出入させる基部側気体室を備えることを特徴とする。
本発明に係る弾力計によれば、基部側気体室の形状や容積を設計パラメータにすることで、所望の感度や応答速度の弾力計を設計することができる。
The elasticity meter according to the present invention is characterized in that the probe includes a base-side gas chamber that is connected to the sensor gas chamber via a through hole and allows gas to flow into and out of the sensor gas chamber.
According to the elasticity meter according to the present invention, it is possible to design an elasticity meter having a desired sensitivity and response speed by using the shape and volume of the base side gas chamber as design parameters.
本発明に係る弾力計は、一端がプローブの先端面と対向する側の面に接続され、プローブを長手方向に沿って移動させる接続部と、接続部の他端と接続され、プローブを収容可能でありプローブの先端面側が開口したフレームと、を備えることを特徴とする。
本発明に係る弾力計によれば、プローブがサンプルに接触した状態でプローブとサンプルが熱平衡状態になるまで保持した後にプローブをサンプルに押し付けることで、環境温度の影響を受けずにサンプルの弾力を測定することができる。
The elasticity meter according to the present invention has one end connected to the surface on the side facing the distal end surface of the probe, and is connected to the connecting portion that moves the probe along the longitudinal direction and the other end of the connecting portion, and can accommodate the probe And a frame having an opening on the distal end side of the probe.
According to the elasticity meter of the present invention, the probe is pressed against the sample after being held in contact with the sample until the probe and the sample are in a thermal equilibrium state, so that the elasticity of the sample is not affected by the environmental temperature. Can be measured.
本発明に係る弾力計は、接続部が弾性体であることを特徴とする。
本発明に係る弾力計によれば、プローブとサンプルの相対位置が弾性体の平衡位置によって決まり、それからのずれ量を制御することによってプローブとサンプルにかかる力を容易に制御することができる。
The elasticity meter according to the present invention is characterized in that the connecting portion is an elastic body.
According to the elasticity meter according to the present invention, the relative position between the probe and the sample is determined by the equilibrium position of the elastic body, and the force applied to the probe and the sample can be easily controlled by controlling the amount of deviation therefrom.
本発明に係る弾力計は、接続部がネジ機構からなることを特徴とする。
本発明に係る弾力計によれば、プローブとサンプルの相対位置をネジの回転角度によって制御できるため、プローブとサンプルにかかる力を容易に制御することができる。
The elasticity meter according to the present invention is characterized in that the connecting portion is formed of a screw mechanism.
According to the elasticity meter according to the present invention, since the relative position between the probe and the sample can be controlled by the rotation angle of the screw, the force applied to the probe and the sample can be easily controlled.
本発明に係る弾力計は、基部側気体室は外気と連通する開口を持つことを特徴とする。
本発明に係る弾力計によれば、外気の気圧が変動してもそれによって基部側気体室が連動して変動するため、プローブ先端面に力がかかることがなく、外気圧の変動の影響を受けない弾力計とすることができる。
The elasticity meter according to the present invention is characterized in that the base side gas chamber has an opening communicating with the outside air.
According to the elasticity meter according to the present invention, even if the atmospheric pressure changes, the base side gas chamber fluctuates in conjunction therewith, so that no force is applied to the probe tip surface, and the influence of the fluctuation of the external pressure is not affected. It can be a elasticity meter that does not receive.
本発明に係る弾力計は、センサ気体室の先端面は、弾力を測定する前の状態にて、フレームの先端面よりも突出することを特徴とする。
本発明に係る弾力計によれば、センサ気体室先端面がサンプル表面に接するまで押し込むことで、プローブがサンプル表面にかける力を一定にすることができる。
The elasticity meter according to the present invention is characterized in that the front end surface of the sensor gas chamber protrudes from the front end surface of the frame in a state before measuring elasticity.
According to the elasticity meter according to the present invention, the force exerted by the probe on the sample surface can be made constant by pushing until the tip end surface of the sensor gas chamber contacts the sample surface.
本発明に係る弾力計は、カンチレバーは、内部あるいは表面で金属配線と接続され、検出部は、カンチレバーのたわみによる金属配線の電気抵抗の変化を検出するものであることを特徴とする。
本発明に係る弾力計によれば、極めてわずかなたわみを検出することができ、極めて柔らかい材質のサンプルの弾力を測定することができる。
The elasticity meter according to the present invention is characterized in that the cantilever is connected to the metal wiring inside or on the surface, and the detection unit detects a change in electric resistance of the metal wiring due to the deflection of the cantilever.
According to the elasticity meter according to the present invention, it is possible to detect an extremely slight deflection, and it is possible to measure the elasticity of a sample made of a very soft material.
本発明に係る弾力計は、カンチレバーと同一構成からなる第2のカンチレバーを備え、第2のカンチレバーは、カンチレバーの近傍に配設され、当該第2のカンチレバーのたわみ変形を規制する規制部に固定されることを特徴とする。
本発明に係る弾力計によれば、周辺の温度変化によって発生するセンサ出力へのノイズを第2のカンチレバーの出力によってキャンセルすることができ、高感度の弾力測定をすることができる。
The elasticity meter according to the present invention includes a second cantilever having the same configuration as that of the cantilever, and the second cantilever is disposed in the vicinity of the cantilever and is fixed to a restricting portion that restricts deformation of the second cantilever. It is characterized by being.
According to the elasticity meter according to the present invention, noise to the sensor output caused by a change in ambient temperature can be canceled by the output of the second cantilever, and highly sensitive elasticity measurement can be performed.
本発明に係る弾力計は、センサ気体室の先端面は、サンプル表面と接触したことを検知できるプローブ接触センサを持つことを特徴とする。
本発明に係る弾力計によれば、センサ気体室先端面がサンプルにわずかに接触した瞬間にプローブの移動を止めたあとで、熱平衡状態になるまで待つことができ、より高精度な弾力測定をすることができる。
The elasticity meter according to the present invention is characterized in that the tip surface of the sensor gas chamber has a probe contact sensor capable of detecting contact with the sample surface .
According to the elasticity meter according to the present invention, after stopping the probe movement at the moment when the front end surface of the sensor gas chamber is slightly in contact with the sample, it is possible to wait until the thermal equilibrium state is reached. can do.
本発明に係る弾力計は、フレームの先端面は、サンプル表面と接触したことを検知できるフレーム接触センサを持つことを特徴とする。
本発明に係る弾力計によれば、フレーム先端面がサンプルに接触した瞬間に弾力測定することで、より正確な弾力測定をすることができる。
The elasticity meter according to the present invention is characterized in that the front end surface of the frame has a frame contact sensor capable of detecting contact with the sample surface .
According to the elasticity meter according to the present invention, the elasticity can be measured more accurately by measuring the elasticity at the moment when the front end surface of the frame contacts the sample.
本発明に係る弾力測定装置は、本発明の弾力計と、報知部と、検出部と接続され、カンチレバーのたわみに関する信号を処理する信号処理部と、プローブ接触センサと接続され、サンプル表面と前記プローブとが接触したことを検出するプローブ接触検出部と、フレーム接触センサと接続され、サンプル表面とフレームとが接触したことを検出するフレーム接触検出部と、プローブ接触検出部及びフレーム接触検出部の検出結果と、信号処理部の信号と、に基づいて弾力計に対する操作指示情報を生成し、報知部を介してユーザに当該操作指示情報を報知させる制御部と、を備えることを特徴とする。
本発明に係る弾力測定装置によれば、弾力測定を行いたいユーザは出力部に表示された指示に従って弾力計を操作することで、簡便に高精度な弾力測定を行うことができる。
The elasticity measuring device according to the present invention is connected to the elasticity meter according to the present invention, a notification unit, a detection unit, a signal processing unit for processing a signal related to deflection of a cantilever, a probe contact sensor, and a sample surface. A probe contact detection unit that detects contact with the probe, a frame contact detection unit that is connected to the frame contact sensor and detects that the sample surface is in contact with the frame, and a probe contact detection unit and a frame contact detection unit. And a control unit that generates operation instruction information for the elasticity meter based on the detection result and a signal from the signal processing unit, and causes the user to notify the operation instruction information via the notification unit.
According to the elasticity measuring device of the present invention, a user who wants to perform elasticity measurement can easily and accurately measure elasticity by operating the elasticity meter in accordance with an instruction displayed on the output unit.
本発明に係る弾力計及び弾力測定装置によれば、極めて柔らかい固体表面の弾力を高精度で測定することができ、また、測定環境の温度による影響も小さく抑えた状態で測定することができる。 According to the elasticity meter and the elasticity measuring apparatus according to the present invention, the elasticity of the extremely soft solid surface can be measured with high accuracy, and the measurement can be performed in a state where the influence of the temperature of the measurement environment is suppressed to be small.
以下、本発明に係る弾力計の実施形態について図面を参照して説明する。
(第1の実施形態)
「弾力計の各部構成」
図1は第1の実施形態に係る弾力計1の断面図である。図1(a)はサンプル13の非測定時、図1(b)はサンプル13の弾力測定時の断面を示す。ここで、本実施形態に係る弾力計1の測定対象としてのサンプル13は、例えば、生体の肌や、食品表面、ゴム製品表面等のように、柔らかい材質からなる固体表面を有するものである。
Hereinafter, embodiments of the elasticity meter according to the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
"Configuration of each part of the elasticity meter"
FIG. 1 is a cross-sectional view of a elasticity meter 1 according to the first embodiment. 1A shows a cross section when the
弾力計1は、図1に示すように、弾力計1の枠体としてのフレーム2と、サンプル13の測定時において当該サンプル13に押し当てるためのプローブ3と、フレーム2とプローブ3とを接続するバネ4と、を備える。フレーム2は、例えば、側面視にて、フレーム先端部12側が開口した有底中空筒状からなる枠体である。当該フレーム2は、図1(a)に示すように、弾力計1の非測定状態でプローブ3の先端の一部がフレーム先端部12より突出するように、プローブ3を内部に収容する。
As shown in FIG. 1, the elasticity meter 1 connects a
プローブ3は、例えば、フレーム2よりも小さな中空棒状の基体の一端に、当該基体よりも細径からなる先端が連接された構造からなる。また、プローブ3は、基体の他端側がバネ4を介してフレーム2の内周面と接続されることで、フレーム2内に水平に支持される。当該プローブ3は、上記基体の他端側に相当する基部側気体室5と、基体の一端側に相当するセンサ気体室6と、基部側気体室5とセンサ気体室6との間に設けられた隔壁9及びカンチレバー10と、で構成される。
The
基部側気体室5は、内部に気体が封止された構造からなる。ここで、基部側気体室5とセンサ気体室6とは、外気から隔離されているが、内部の気体通しは隔壁9の隙間(貫通穴)によって流通する。
隔壁9は、基部側気体室5とセンサ気体室6との間に配設された壁部である。隔壁9は、基部側気体室5とセンサ気体室6とを隔離するが、一部に上記隙間を有し、当該隙間をふさぐようにカンチレバー10が配置される。
The base
The
カンチレバー10は、薄い板状の部材であり、一端が隔壁9に固定され、他端が自由端からなる片持ち梁である。ここで、カンチレバー10の自由端と当該自由端に対向する隔壁9との間は極めて微小なギャップが形成される。そのため、基部側気体室5とセンサ気体室6との内部に封止された気体は、当該ギャップを介してのみ流通する。
The
また、カンチレバー10は、隔壁9に固定された固定端付近に図示を略した電気配線と接続され、当該電気配線を介して検出部(図示省略)と接続される。検出部は、上記電気配線に接続されたブリッジ回路によって電気抵抗をモニタできる構成を備える。また、検出部は、上記電気抵抗を検出し、図示を略した制御部に送信する。制御部は、検出部と信号の送受信を行い、検出部の出力信号に基いてサンプル13の弾力を求める。そして、カンチレバー10は、基部側気体室5とセンサ気体室6のそれぞれの内部圧力に差が発生すると、カンチレバー10の表裏面に差圧が生じるため、その差圧による力によってたわむ。そのため、制御部は、上記内部圧力の差によってカンチレバー10がたわみ、たわみ量に応じて電気抵抗が変化する(ピエゾ効果)ので、その電気抵抗の変化量を検出することで、サンプル13の弾力を測定できる。
Further, the
なお、カンチレバー10の厚みは、典型的には1ミクロン以下であり、100ナノメートル以下が高感度のために尚望ましい。また、ギャップは数ミクロン以下であり、数百ナノメートル以下が高感度のためには尚望ましい。また、本実施形態における基部側気体室5とセンサ気体室6の内部に封入される気体は、空気であるが、測定環境や条件に応じて、窒素や酸素、不活性ガズなど別の種類の気体を用いてもよい。
The thickness of the
センサ気体室6は、基部側気体室5と同じ径を持つセンサ気体室ベース部7と、センサ気体室ベース部7に接続されたセンサ気体室先端部8と、からなる。センサ気体室ベース部7は、隔壁9を介して基部側気体室5と接続されたプローブ3の先端側のベース材である。センサ気体室先端部8は、センサ気体室ベース部7よりも小径からなる部材であり、先端にサンプル13の表面に接触する接触面であるサンプル接触部11を備える。
The
サンプル接触部11は、例えば、ポリエチレンやポリ塩化ビニリデン等から成る十ミクロン前後の厚さを持つ薄いフィルム材から成り、例えばポリスチレンやアクリロニトリルから成る数百ミクロン厚のプローブ3の他の部分よりも柔らかい構造となっている。サンプル接触部11は、非測定状態において、フレーム2の先端であるフレーム先端部12よりも距離dだけ突出する。当該距離dは、非測定状態におけるバネ4の長さ(つまり、非測定状態におけるフレーム2の内側面とプローブ3の基端との距離)よりも短い。
The
「弾力計による測定動作」
次いで、弾力計1によるサンプル13の測定動作の概要について説明する。ここで、図1(b)は、弾力計1を用いてサンプル13の弾力を測定している際の断面図を示す。図1(b)に示すように、バネ4は、センサ接触部11がサンプル13表面によって押し込められることで収縮する。センサ接触部11は、フレーム先端部12がサンプル13に接触するまで押し込められることで、センサ接触部11とフレーム先端部12が略同一平面上に位置する。サンプル接触部11は、上述のように極めてやわらかい構造物であるので、サンプル13表面に押しつけられて変形することで、センサ気体室6の容積が減少する。その結果、センサ気体室6内部の圧力が一時的に基部側気体室5よりも高くなる。そのため、カンチレバー10は、表面側と裏面側とにおいて差圧が発生してたわむ。ここで、サンプル13の硬さに応じてサンプル接触部11の変形量が定まるため、両気体室間の差圧も当該変形量に応じて決まる。つまり、カンチレバー10のたわみ量は、サンプル13の硬さに応じて決まる。したがって、検出部は、カンチレバー10上の電気配線の電気抵抗を検出することにより、サンプル13の弾力を測定できる。
"Measurement operation with elasticity meter"
Next, an outline of the measurement operation of the
次いで、弾力計1によるサンプル13の弾力測定の詳細過程について、図2、図3、図4を用いて以下に説明する。図2は、測定過程のステップ毎の弾力計1の断面図を示す。図3は、測定過程のステップ毎の検出部の出力の時間経過を示す。図4は測定過程の駆動アルゴリズムを示すフローチャートである。図2(a)〜(e)、図3、図4のs1〜s5はそれぞれ同じステップに対応する。
Next, a detailed process of measuring the elasticity of the
まずステップs1は、ユーザが測定を開始する前の状態を表し、図2(a)に示すように、サンプル接触部11がフレーム先端部12よりも距離dだけ突出する。つまり、本ステップs1において、センサ気体室6と基部側気体室5の内部圧力が同一であり、カンチレバー10が平らな状態であるため、図3に示すように、検出部の出力は無い。なお、本ステップs1は、図4に示す「start」に対応する。
Step s1 represents a state before the user starts measurement, and the
次に、ステップs2は、ユーザがサンプル接触部11をサンプル13表面に接触させた状態を表す。ここで、通常弾力計1とサンプル13は必ずしも同一温度ではないため、サンプル接触部11がサンプル13表面に接触した瞬間にサンプル接触部11の温度がわずかに変化する。その結果、センサ気体室6内の圧力が変化することで両気体室間に差圧が発生するので、カンチレバー10は当該差圧に応じてたわむ。つまり、図3におけるステップS2でのSignalは、上記接触時の温度変化に基づく検出部の出力を示す。
Next, step s2 represents a state in which the user has brought the
次いで、ステップs3は、ステップs2における、接触時の温度変化に基づく検出部の出力がゼロに至ったか否かを制御部が判断するステップである。つまり、ステップs3は、カンチレバー10と隔壁9との間に形成されるギャップを介して、両気体室間の気体が移動するとともに熱移動も起きて、やがて両気体室間の圧力差と温度差が消滅することに基づき、当該圧力差と温度差が消滅したか否かを判断するステップである。そして、制御部は、ステップs3にて検出部の出力がゼロでないと判断した場合(ステップs3;No)、所定時間待機させて(ステップs4)、ステップs3以降の処理を繰り返す。
Next, in step s3, the control unit determines whether or not the output of the detection unit based on the temperature change at the time of contact in step s2 has reached zero. That is, in step s3, the gas between the gas chambers moves and the heat transfer occurs through the gap formed between the
一方で、制御部は、ステップs2にて検出部の出力がゼロであると判断した場合(ステップs3;Yes)、フレーム先端部12がサンプル表面に接触するまでプローブ3をサンプル13表面に向けて押し込む(ステップs5)。
On the other hand, when the control unit determines that the output of the detection unit is zero in step s2 (step s3; Yes), the
ここで、バネ4は、サンプル接触部11がフレーム先端部12から所定距離dだけ突出したステップs1にて平衡状態である一方、ステップs5ではこの所定距離dだけ圧縮される。そして、バネ4のバネ定数は既定値であるので、当該バネ定数と所定距離dとの積は、弾力計1がサンプル13を押す力となる。つまり、弾力計1がサンプル13を押す力の大きさは、あらかじめ設計時に決めておくことができる。また、センサ接触部11の変形量は、センサ接触部11とサンプル13の硬さの大小関係に依存する。結局、サンプル13の硬さによってセンサ接触部11の変形量が決定されると、その変形量によって両気体室間の差圧が決定されるので、カンチレバー10のたわみ量が決定される。したがって、ステップs6にて検出部が取得するセンサ出力は、サンプル13の弾力に対応したものとなる。
Here, the
次いで、ステップs7は、s5の状態を維持することでギャップを通じて気体が移動し、両気体室間の差圧が解消されるため、カンチレバー10のたわみが無くなり、検出部の取得するセンサ出力がゼロになった状態を表す。
Next, in step s7, since the gas moves through the gap by maintaining the state of s5 and the differential pressure between the two gas chambers is eliminated, the deflection of the
以上のような構造を持つ弾力計1は、上述した手順で駆動させることにより、極めて柔らかい物質の弾力を環境温度の影響を受けずに高精度で測定することができる。また、基部側気体室5の形状や容積は、カンチレバー10のたわみ量や、たわみが解消される速度に影響を与えることから、弾力計1は、これらを設計パラメータとして所望の感度や応答速度に設計することができる。
The elasticity meter 1 having the above-described structure can measure the elasticity of an extremely soft substance with high accuracy without being affected by the environmental temperature by being driven according to the above-described procedure. Further, since the shape and volume of the base
(第2の実施形態)
次いで、第2の実施形態に係る弾力計1aについて説明する。ここで、図5は第2の実施形態に係る弾力計のセンサ気体室21の断面図である。本実施形態に係る弾力計1aは、第1の実施形態に係る弾力計1とセンサ気体室の構成以外同一であるので、センサ気体室21以外の部分の説明は省略する。
(Second Embodiment)
Next, the elasticity meter 1a according to the second embodiment will be described. Here, FIG. 5 is a sectional view of the
弾力計1aに係るセンサ気体室21において、カンチレバー10は、センサ気体室先端部22の中に配置される。ここで、検出部は、第1の実施形態で説明したようにサンプル接触部11がサンプル13に接触してその接触部分の弾力を測定する。つまり、検出部による測定の空間分解能は、サンプル接触部11のサンプル13に接触する部分の面積で決まる。そのため、サンプル表面が複数の材質から成る場合や、同一材質であっても経時変化によって部分的に変質している場合などであっても、検出部がサンプル表面の弾力を高い空間分解能で測定するために、サンプル接触部11はサンプル表面の微小構造(サンプル表面において同一材質から成る部分が種々のサイズで分布している場合に、その種々のサイズのうち最小サイズ)よりも径が小さい構造になっている。そのため、センサ気体室先端部21はサンプル表面の微小構造よりも径の小さい形状からなるので、通常そのセンサ気体室先端部21の内部に機能部品を作りこむことは難しい。ただし、本実施形態に係るカンチレバー10は、MEMS(Micro Electro Mechanical System)の技術を用いて作製されることで、全体のサイズを1ミリメートル以内の微細構造にすることができ、センサ気体室先端部21の内部に上記機能部品を作りこむことが可能となる。ここで、カンチレバー10がサンプル接触部11に1ミリメートル以内程度の距離まで近接して配置されるため、検出部は、サンプル接触部11のほんのわずかな変形によってもカンチレバー10が反応して、サンプル表面の弾力を測定することができる。
In the
(第3の実施形態)
次いで、第3の実施形態に係る弾力計31について説明する。ここで、図6は第3の実施形態に係る弾力計31の断面図である。なお、本実施形態に係る弾力計31の構成のうち、第1の実施形態と同一構成については説明を省略する。
(Third embodiment)
Next, the
本実施形態に係る弾力計31は、基部側気体室32に外気に開放される外気連通口33を備える。ここで、センサ接触部11の変形によって生じるセンサ気体室6と基部側気体室32の一時的な差圧によってカンチレバー10が変形し、それをセンサ出力とすることで、サンプル表面の弾力を測定する、という弾力計31の機能/動作は、基本的に弾力計1と同一である。ただし、本実施形態に係る弾力計31では、基部側気体室32が外気に連通しているため、基部側気体室32内部に空気以外の気体を封入することができない一方で、外気の気圧が変化したときでも、それによってセンサ接触部11が変形することはなく、安定した測定が実現できる。
The
(第4の実施形態)
次いで、第4の実施形態に係る弾力計41について説明する。ここで、図7は第4の実施形態に係る弾力計41の断面図である。なお、本実施形態に係る弾力計41の構成のうち、第1の実施形態に係る弾力計1と同一構成については説明を省略する。
(Fourth embodiment)
Next, the
本実施形態に係る弾力計41は、図7に示すように、フレーム2とプローブ3とを第1実施形態に係るバネ4に替えてネジ42で固定する。ここで、図7(a)は、弾力計41がサンプル13表面に接触した瞬間の断面図である。また、図7(b)は、この状態からネジ42をあらかじめ決めた角度だけ回転させることで、フレーム2に対してプローブ3をサンプル43表面に向けて押し込んだときの断面図である。
As shown in FIG. 7, the
なお、この実施形態において、サンプル43は、第1の実施形態におけるサンプル13よりも更にやわらかい材質、例えば豆腐やプリンなどの食品の表面からなる場合を示している。そのため、図7(b)におけるサンプル接触部11は、サンプル43表面に食い込んでいるため、フレーム先端部12よりも突出する。したがって、サンプル43を所定の力で押し込んでも内部の気圧差は大きくならないことから、検出部は、サンプル43の弾力を求めることができる。もちろん、このような構造の弾力計41でもサンプル43の硬さによっては図1のように、センサ接触部11がフレーム先端部12と同一平面を成すこともある。このように、サンプル43の弾力に応じて内部の2つの気体室の圧力差が決まり、それによるカンチレバー10の変形を検出することによって、極めて柔らかい材質から成るサンプル43の弾力を高精度に測定することができる。
In this embodiment, the
(第5の実施形態)
次いで、第5の実施形態に係る弾力計1bについて説明する。ここで、図8は第5の実施形態に係る弾力計1bのセンサ気体室51の断面図である。なお、本実施形態に係る弾力計1bの構成のうち、第1の実施形態に係る弾力計1と同一構成については説明を省略する。
(Fifth embodiment)
Next, the elasticity meter 1b according to the fifth embodiment will be described. FIG. 8 is a sectional view of the
本実施形態に係るセンサ気体室51は、カンチレバー10と同一プロセスを用いて作製した参照カンチレバー52を備える。参照カンチレバー52は、センサ出力に使われるカンチレバー10の近傍に配設され、底面が下地層53に固定されているためにたわみ変形が規制される。ここで、カンチレバー10の近傍とは、参照カンチレバー52がカンチレバー10と実質的に同一温度であるとみなせる程度に近接した位置範囲を示唆するものとする。
The
当該カンチレバー52は、センサ気体室51の温度変化に基づくカンチレバー10の電気抵抗変化の検出に用いられる。つまり、センサ気体室51の温度変化によってカンチレバー10の電気抵抗が変化するが、参照カンチレバー52の電気抵抗も同様に変化するため、検出部は、カンチレバー10の出力から参照カンチレバー52の出力を差し引くことによって、測定環境の温度変化がセンサ出力に与える影響を解消することができる。つまり、弾力計1bは、このような構成にすることにより、測定環境の温度が急激に変化しても、安定してサンプルの弾力測定が可能になる。
The
(第6の実施形態)
次いで、第6の実施形態に係る弾力測定装置62について説明する。ここで、図9は、弾力計61を組み込んだ弾力測定装置62のブロック図である。本実施形態に係る弾力計61は、第1〜第5の実施形態にて説明した弾力計の何れかと同一の構造を備える。さらに、本実施形態に係る弾力計61は、サンプル接触部63とフレーム先端部64各々に、図示を略した接触センサ(プローブ接触センサ、フレーム接触センサ)が配置されており、サンプル表面に接触したことを検出できる構造からなる。なお、接触センサは、電極から成るスイッチのようなものでも良いし、圧電体であっても良い。
(Sixth embodiment)
Next, the
弾力測定装置62は、図9に示すように、サンプル接触部63上の接触センサからの信号を受信するプローブ接触検出部65と、フレーム先端部64上の接触センサからの信号を受信するフレーム接触検出部66と、カンチレバー10からの弾力測定結果の信号(センサ出力)を受信する信号処理部67と、表示用のモニタ等で構成される出力部68と、弾力測定装置62全体の動作を統括的に制御する制御部69と、を備えて構成される。ここで、ユーザは、この弾力測定装置62の出力部68に表示される指示に従って弾力計61をサンプル表面に押し付ける動作を行うものとする。なお、上記第1〜第5の実施形態において、「検出部」と記載した構成は、本実施形態に係る弾力測定装置62の弾力計61と、信号処理部67との間に配置された構成とする。
As shown in FIG. 9, the
このような構成の弾力測定装置62を用いて第1の実施形態で説明した弾力計61による測定動作の実行手順を、図3と図9を使って以下に説明する。まず図3の(a)はサンプル接触部63がサンプル13に接触していない状態を表し、信号処理部67は、受信するセンサ出力がゼロであるので、当該センサ出力に係る信号を破棄する。次にサンプル接触部63がサンプル表面に接触すると、プローブ接触検出部65は、接触センサから取得した接触情報を制御部69に送る。すると、制御部69は、信号処理部67に信号処理を命令する信号を送り、信号処理部67にセンサ出力を記憶部(図示省略)へ記録させる。このときのセンサ出力が図3(b)である。次に制御部69は、信号処理部67からの信号がゼロになるのを待って(図3(c))、出力部68にフレーム先端部64をサンプル表面に向けて押し込む旨のユーザへの指示(操作指示情報)を表示するよう命令を送る。ユーザは、その指示を見てフレーム先端部64をサンプル表面に押し込み、フレーム先端部64がサンプル表面に接触したことを接触センサが検知すると、フレーム接触検出部65が接触情報を制御部69に送る。制御部69は、出力部68にフレーム先端部64の移動を停止する旨のユーザへの指示(操作指示情報)を表示するよう命令を送る。ユーザは、その指示を見てフレーム先端部64の移動を停止する。このとき信号処理部の受信する信号が図3(d)であり、この信号が弾力計61の検出するサンプル弾力を示す。その後弾力計61内部の気体室のあいだの差圧が解消されることで出力もゼロになる(図3(e))。なお、本実施形態では、弾力計61をサンプルに向けて移動する動作をユーザ自身が行うとしたが、アクチュエータに接続することで自動的に行うようにすることも可能である。
An execution procedure of the measurement operation by the
なお、以上の実施形態における記述は、本発明に係る好適な弾力計及び弾力測定装置の一例であり、これに限定されるものではない。また、以上の実施形態における弾力計及び弾力測定装置の各部の細部構成に関して本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。具体的には、第1実施形態において、貫通穴(隔壁9の隙間)及びカンチレバー10を配置する位置は、基部側気体室5とセンサ気体室6との境界位置としたが、基部側気体室5及びセンサ気体室6のうちセンサ気体室先端部8を除く位置であれば何れに設けてもよい。つまり、貫通穴とカンチレバー10の配置は、センサ接触部11のサンプル13表面への押し込み動作に応じて、カンチレバー10の一面側と当該一面側と対向する他面側との間に差圧の形成が可能な位置であれば足りる。
The description in the above embodiment is an example of a suitable elasticity meter and elasticity measuring device according to the present invention, and the present invention is not limited to this. In addition, the detailed configuration of each part of the elasticity meter and elasticity measuring device in the above embodiment can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. Specifically, in the first embodiment, the position where the through hole (gap between the partition walls 9) and the
1 弾力計
2 フレーム
3 プローブ
4 バネ(接続部、弾性体)
5 基部側気体室
6 センサ気体室
7 センサ気体室ベース部
8 センサ気体室先端部
9 隔壁
10 カンチレバー
11 サンプル接触部(先端面)
12 フレーム先端部
13 サンプル
21 センサ気体室
22 センサ気体室先端部
31 弾力計
32 基部側気体室
33 外気連通口(開口)
41 弾力計
42 ネジ(ネジ機構)
51 センサ気体室
52 参照カンチレバー(第2のカンチレバー)
53 下地層(規制部)
61 弾力計
62 弾力測定装置
63 サンプル接触部
64 フレーム先端部
65 プローブ接触検出部
66 フレーム接触検出部
67 信号処理部
68 出力部(報知部)
69 制御部
1
5 base
12
41
51
53 Underlayer (Regulation Department)
61
69 Control unit
Claims (12)
前記プローブは、
気体が充填され先端面が可撓材から成り、前記サンプル表面に押し込められた際に変形して内部圧力が変化するセンサ気体室と、
前記センサ気体室に充填された気体を当該センサ気体室の内外に流出入させる貫通穴の一部を覆うように一端が固定されたカンチレバーと、
前記センサ気体室の内部圧力の変化による前記カンチレバーのたわみを検出する検出部と、
を備えることを特徴とする弾力計。 In the elasticity meter that measures the elasticity of the sample surface by pushing the probe into the sample surface,
The probe is
A sensor gas chamber that is filled with gas and has a distal end surface made of a flexible material, and deforms when the sample is pushed into the sample surface, and the internal pressure changes;
A cantilever having one end fixed so as to cover a part of a through-hole that allows the gas filled in the sensor gas chamber to flow into and out of the sensor gas chamber;
A detection unit for detecting deflection of the cantilever due to a change in internal pressure of the sensor gas chamber;
A elasticity meter comprising:
前記接続部の他端と接続され、前記プローブを収容可能であり前記プローブの先端面側が開口したフレームと、
を備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の弾力計。 One end is connected to the surface on the side facing the tip surface of the probe, and a connection part for moving the probe along the longitudinal direction;
A frame that is connected to the other end of the connecting portion, can accommodate the probe, and has an open end surface side of the probe;
The elasticity meter according to claim 1, further comprising:
前記検出部は、前記カンチレバーのたわみによる前記金属配線の電気抵抗の変化を検出するものであることを特徴とする請求項1〜7の何れか一項に記載の弾力計。 The cantilever is connected to the metal wiring inside or on the surface,
The elasticity meter according to claim 1, wherein the detection unit detects a change in electrical resistance of the metal wiring due to deflection of the cantilever.
前記第2のカンチレバーは、前記カンチレバーの近傍に配設され、当該第2のカンチレバーのたわみ変形を規制する規制部に固定されることを特徴とする請求項1〜8の何れか一項に記載の弾力計。 A second cantilever having the same configuration as the cantilever,
The said 2nd cantilever is arrange | positioned in the vicinity of the said cantilever, and is fixed to the control part which controls the bending deformation of the said 2nd cantilever, The any one of Claims 1-8 characterized by the above-mentioned. Elasticity meter.
報知部と、
前記検出部と接続され、前記カンチレバーのたわみに関する信号を処理する信号処理部と、
前記センサ気体室の先端面が、前記サンプル表面と接触したことを検知するプローブ接触センサと接続され、前記サンプル表面と前記プローブとが接触したことを検知するプローブ接触検出部と、
前記フレーム接触センサと接続され、前記サンプル表面と前記フレームとが接触したことを検出するフレーム接触検出部と、
前記プローブ接触検出部及び前記フレーム接触検出部の検出結果と、前記信号処理部の信号と、に基づいて前記弾力計に対する操作指示情報を生成し、前記報知部を介してユーザに当該操作指示情報を報知させる制御部と、
を備えることを特徴とする弾力測定装置。 The elasticity meter according to claim 11;
A notification unit;
A signal processing unit that is connected to the detection unit and processes a signal related to deflection of the cantilever;
A probe contact detection unit that detects that the tip surface of the sensor gas chamber is in contact with the sample surface and detects that the sample surface and the probe are in contact;
A frame contact detection unit that is connected to the frame contact sensor and detects that the sample surface and the frame are in contact with each other;
Operation instruction information for the elasticity meter is generated based on detection results of the probe contact detection unit and the frame contact detection unit and a signal of the signal processing unit, and the operation instruction information is transmitted to the user via the notification unit. A control unit for informing
An elasticity measuring device comprising:
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