JP7474023B2 - 押込み試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、蒲鉾・ハム等の食品やヒトの柔軟な組織などに圧子を押込み、それらの柔らかさを計測する押込み試験装置に関する。

下記特許文献１には、柔軟な食品や人体組織などを被検体として、その柔らかさを計測する押込み試験装置が開示されている。
この装置は、図７に示すように、ペンシル状の外形を有しており、その外形を形作る筐体１０の内部に、被検体に押込まれる圧子５０や、圧子５０を被検体に押込んだ時に圧子５０に作用する力を検出する力センサ３０、圧子５０に作用する力に基づいて、被検体の柔らかさを評価するヤング率を算出する演算部４０等が収納されている。
図８は、この押込み試験装置の構成を簡略化して示している。圧子５０は、先端の半球部分の一定量が筐体１０の端面１１から突出するように筐体１０に収容されている。

この装置を操作する操作者は、筐体１０部分を把持して、筐体１０の端面１１が被検体に当接するまで圧子５０を被検体に押込む。
このとき、筐体１０の端面１１が被検体に当接したときに力センサ３０で検出された力（押込荷重）をＦ、筐体１０の端面１１から突出する圧子５０の突出量（即ち、被検体に押込まれる圧子５０の押込量）をδ、圧子５０の半球面の直径をφ、被検体のヤング率をＥ、被検体に固有のポアソン比をνとすると、これらの間には(数１)で表される関係が存在する。
この(数１)を用いて、力センサ３０で検出された押込荷重Ｆから被検体のヤング率Ｅを求めることができる。

この押込み試験装置は、被検体の柔らかさを、被検体が本来あるべき場所で測定すること（いわゆる“その場測定”）が可能である。図９には、筐体１０に把持部６０を設けた押込み試験装置を用いて、輸送管に装着された緩衝材の柔軟性を測定する様子や、運動直後の脚の筋肉の硬さを測定する様子を示している。

ＷＯ２０１７／１６４４２６

しかし、この押込み試験装置では、圧子５０を被検体に押込む際に、その初期段階では、被検体に接触するのが筐体１０から突出する圧子５０のみであるため、筐体１０を被検体の面に対して垂直な方向に押し進めることが難しい。
圧子５０を被検体に押込むときの筐体１０の進行方向が被検体面の垂直方向から傾いている場合、次のような事態が発生する。

図１０（ａ）は、圧子５０が被検体の面に対して傾いていない状態を示し、図１０（ｂ）は、圧子５０が被検体の面に対してθだけ傾いている状態を示している。
図１０（ａ）の場合に力センサ３０で検出される荷重をＦとすると、図１０（ｂ）の場合に力センサ３０で検出されるＦの分力Ｆ’は、
(数２) Ｆ’＝Ｆｃｏｓθ
となる。θの絶対値が５°以下であれば、ＦとＦ’との誤差は０．４％以下であり、実際上、問題にならない。

しかし、この押込み試験装置では、圧子５０が被検体の面に対して傾いていると、ＦとＦ’との誤差だけでなく、筐体１０の端面１１が被検体に当接したときの押込量が違ってくる。
図１０（ｃ）に示すように、圧子５０が被検体の面に対して傾いていないとき、筐体１０の端面１１が被検体に当接するまでに押込まれる押込量をδとする。なお、ｒは、円環状の端面１１の外径における半径である。
圧子５０が被検体の面に対しθだけ傾いている場合、図１０（ｄ）に示すように、筐体１０の端面１１が被検体に当接したときの押込量δ’は、
(数３) δ’＝δ‐ｒｓｉｎθ
となる。
そのため、（数１）において、Ｆ及びδがＦ’及びδ’に代わるため、ヤング率Ｅの誤差が大きくなる。

図１１は、θに相当する角度を横軸に、また、ヤング率Ｅの誤差を縦軸に取り、圧子５０の傾きとヤング率Ｅの誤差との関係を示している。ヤング率Ｅの誤差を１％以下とするためには、筐体１０の傾きを０．２°以内に維持する必要があることが分かる。

また、この押込み試験装置では、被検体への押込み試験を行ったとき、被検体の一部や被検体に付着した汚れが筐体１０の端面１１の開口部から筐体１０内に侵入する惧れがある。こうした異物を筐体１０内から取り除くには大変な手間が掛かる。また、こびり付いた異物は、測定誤差の原因にもなる。

本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、圧子を被検体の面に対して垂直に押込むことができ、また、筐体内への異物の侵入を防止することができる押込み試験装置を提供することを目的としている。

本発明は、筐体の端面から突出する圧子を備えた押込み試験装置本体と、押込み試験装置本体の筐体に固定された可動部と、可動部の移動方向を誘導する固定部と、可動部又は可動部に固定された押込み試験装置本体と固定部との接触を検知する接触検知センサと、を有し、可動部及び固定部から成るガイド部材により押込み試験装置本体の押込み方向がガイドされる押込み試験装置であって、固定部には、被検体と接触する該固定部の端部に、押込み試験装置本体の筐体から突出する圧子の挿通が可能な中心孔を設け、可動部には、接触検知センサが接触を検知したとき、圧子が固定部の中心孔から所定量突出するように押込み試験装置本体を固定する。そして、接触検知センサが接触を検知するまで可動部を固定部方向に移動したとき、押込み試験装置本体の圧子が被験体に接触して該被験体に押し込まれ、接触検知センサが接触を検知した時点の圧子に作用する押込み荷重から被検体の柔らかさが算出される。
この押込み試験装置では、固定部の端部を被検体に接触させることで、固定部の垂線方向を被検体面に垂直に保つことができる。そのため、固定部にガイドされる可動部の移動方向、及び、可動部に固定された押込み試験装置本体の押込み方向が被検体面に垂直になる。また、押込み試験装置本体の筐体の端面は、試験時に被検体に接触しないため、筐体内への異物の侵入が防止できる。ガイド部材に付着した異物は、試験後、ガイド部材を押込み試験装置本体から取り外して水洗い等の処理を行うことで簡単に除くことができる。

また、本発明の押込み試験装置では、固定部の端部に、固定部の内で最も径が大きい大径部を設け、この大径部に中心孔を設けることが望ましい。
大径部を被検体に接触させることで、安定した状態で固定部の垂線方向を被検体面に垂直に保つことができる。

また、本発明の押込み試験装置では、固定部の大径部には、中心孔の周囲に円筒部を立設し、可動部には、円筒部の外周面と内周面が係合する円形凹部を形成し、接触検知センサを、円形凹部の底面に設置して円筒部の先端との接触を検知させ、又は、円筒部の先端に設置して円形凹部の底面との接触を検知させるようにしても良い。
こうすることで、接触検知センサがガイド部材で包囲され、外部に露出しない。また、被検体にも接触しない。そのため、試験時の接触検知センサの汚れが回避できる。

また、本発明の押込み試験装置では、可動部に押込み試験装置の筐体を固定し、接触検知センサを筐体の端部に設置して固定部との接触を検知させるようにしても良い。
この場合、接触検知センサからの信号導出を、ガイド部材を経ずに行うことができるため、回路構成が簡単になる。

本発明の押込み試験装置は、押込み方向を被検体面に垂直な方向に保つことができ、また、筐体内への異物の侵入を防ぐことができる。

本発明の実施形態に係る押込み試験装置の断面図（押込み前） 本発明の実施形態に係る押込み試験装置の断面図（押込み後） 図１、図２の装置の分解斜視図 図１の押込み試験装置の第１の変形例を示す図 図１の押込み試験装置の第２の変形例を示す図 図１の押込み試験装置の第３の変形例を示す図 従来の押込み試験装置を示す図 図７の装置の概略図 押込み試験装置の使用状態を示す図 押込み試験装置の傾きによる誤差の発生を説明する図 従来の押込み試験装置を用いてヤング率を算出するときの傾きと誤差の関係を示す図

本発明の押込み試験装置は、図１に示すように、圧子５０の押込み方向をガイドするガイド部材７０と結合して使用する。
押込み試験装置自体の構成は、図７及び図８に示すものと同様であり、力センサ３０や演算部４０等を収容する筐体１０と、筐体１０の端面１１から突出する圧子５０とを備えている。ただ、圧子５０の筐体端面１１からの突出長さは、図７及び図８の装置に比べて遥かに長く設定されている。

ガイド部材７０は、図１の断面図、図３の分解斜視図に示すように、押込み試験装置が固定される可動部７１と、可動部７１の移動方向を規制する固定部７２と、可動部７１に設置されて固定部７２との接触を検知する接触検知センサ８０と、を有している。
固定部７２は、被検体と接触する端部に円盤状の大径部７２１を有している。大径部７２１の径は、固定部７２の内で最も大きい。大径部７２１の中心には、圧子５０の挿通を許容する中心孔７２２が設けられている。また、中心孔７２２を取り囲む位置には、円筒部７２３が設けられており、円筒部７２３の孔は、中心孔７２２と連通している。

一方、可動部７１は、円筒部７２３の外周面に対向する内周面を備えた円形凹部７１１を有している。円形凹部７１１の底面７１３の中心には、押込み試験装置が差し込まれる挿入孔７１４が形成されており、ここに押込み試験装置の筐体１０が差し込まれてネジ７１２で固定される。

また、可動部７１の円形凹部７１１の底面７１３には、接触検知センサ８０が固定されている。接触検知センサ８０は、固定部７２の円筒部７２３の端面との接触を検知する。
接触検知センサ８０は、円筒部７２３の端面との接触が検知できるものであれば、どのようなものでも使用可能である。例えば、接触により電気抵抗値が変化する感圧ゴムや、接触により振動状態が変化する振動体、印加されている電気信号の周波数特性が接触により変化するピンタイプのセンサ等が使用できる。

図１において、可動部７１を下方に動かすと、可動部７１の円形凹部７１１の内周面が固定部７２の円筒部７２３の外周面にガイドされて、可動部７１と可動部７１に固定された押込み試験装置とが下方に移動し、図２に示すように、接触検知センサ８０が固定部７２の円筒部７２３の端面に接触し、また、押込み試験装置の圧子５０が固定部７２の大径部７２１の中心孔７２２から突出する。
このときの圧子５０の中心孔７２２からの突出量が、予め決められた突出量となるように、押込み試験装置が可動部７１にネジ７１２で固定される。

この押込み試験装置を操作する操作者は、ガイド部材７０の固定部７２を、大径部７２１の下面が被検体の面に接するように保持し、その状態で可動部７１又は可動部７１に固定された押込み試験装置の一部を掴み、接触検知センサ８０が固定部７２の円筒部７２３端面との接触を検知するまで、押し進める。
このとき、固定部７２の大径部７２１の下面が被検体面に接することで、固定部７２の円筒部７２３の軸方向は被検体の面に垂直となり、この円筒部７２３に誘導されて、可動部７１及び可動部７１に固定された押込み試験装置は、被検体面に垂直に進行し、圧子５０が被検体面に垂直に押込まれる。
そして、接触検知センサ８０が固定部７２の円筒部７２３端面との接触を検知した時点で圧子５０に作用した押込み荷重が押込み試験装置の力センサ３０で検出され、その検出値を用いて被検体の柔らかさが演算部４０で算出される。

この押込み試験により圧子５０に付着した異物は、試験後、ガイド部材７０の可動部７１を固定部７２から分離して圧子５０を掃除することで簡単に取り除くことができる。
また、固定部７２の下面に付着した異物や中心孔７２２から入り込んだ異物は、分離した固定部７２を水洗いして簡単に取り除くことができる。
接触検知センサ８０は、試験中、ガイド部材７０の可動部７１及び固定部７２で囲まれており、また、被検体から離れた位置にあるため、汚れる惧れがない。

なお、ここでは、接触検知センサ８０を可動部７１に取り付けて、固定部７２の円筒部７２３との接触を検知するようにしたが、図４に示すように、接触検知センサ８０を固定部７２の円筒部７２３の端面に取り付けて、可動部７１の円形凹部７１１との接触を検知するようにしても良い。

また、図５に示すように、接触検知センサ８０を押込み試験装置の筐体１０の端部１１に設けて、固定部７２の円筒部７２３との接触を検知するようにしても良い。この場合、接触検知センサ８０からの信号導出を、押込み試験装置の筐体１０内を通して行うことができる。

また、図６に示すように、固定部７２は、大径部７２１を必ずしも必要としない。
また、ガイド部材７０の固定部７２の円筒部７２３と可動部７１の円形凹部７１１の内周面との間にスライドブッシュ等を介在させて、固定部７２に対する可動部７１の動きを円滑にするようにしても良い。
ここで示したガイド部材の構成は、一例であり、本発明は、それに限定されるものではない。

本発明の押込み試験装置は、装置の清掃が容易であって、また、柔らかさを高精度に測定することができる。そのため、柔らかさの測定を必要とする食品分野、医療分野、素材を扱う分野など、幅広い分野において利用することができる。

１０ 筐体
１１ 端面
３０ 力センサ
４０ 演算部
５０ 圧子
７０ ガイド部材
７１ 可動部
７２ 固定部
８０ 接触検知センサ
５０１ 圧子支持部
７１１ 円形凹部
７１２ ネジ
７１３ 底面
７１４ 挿入孔
７２１ 大径部
７２２ 中心孔
７２３ 円筒部

Claims (1)

1. 筐体の端面から突出する圧子を備えた押込み試験装置本体と、
   前記押込み試験装置本体の前記筐体が固定される可動部と、
   前記可動部の移動方向を誘導する固定部と、
   前記可動部又は前記可動部に固定された前記押込み試験装置本体と前記固定部との接触を検知する接触検知センサと、
   を有し、前記可動部及び固定部から成るガイド部材により前記押込み試験装置本体の押込み方向がガイドされる押込み試験装置であって、
   前記固定部は、被検体と接触する該固定部の端部に、該固定部の内で最も径が大きい大径部を有し、前記大径部に、前記押込み試験装置本体の前記筐体から突出する前記圧子の挿通が可能な中心孔を備え、
   前記可動部には、前記接触検知センサが接触を検知したとき、前記圧子が前記固定部の中心孔から所定量突出するように前記押込み試験装置本体の前記筐体が固定され、
   前記固定部の前記大径部は、前記中心孔の周囲に立設する円筒部を有し、
   前記可動部は、前記円筒部の外周面と内周面が係合する円形凹部を有し、
   前記接触検知センサは、前記円形凹部の底面、若しくは、前記可動部に固定された前記押込み試験装置本体の前記筐体の端部、に設置されて、前記円筒部の先端との接触を検知し、又は、前記円筒部の先端に設置されて、前記円形凹部の底面との接触を検知し、
   前記接触検知センサが接触を検知するまで前記可動部を前記固定部方向に移動したとき、前記押込み試験装置本体の前記圧子が前記被験体に接触して該被験体に押し込まれ、前記接触検知センサが接触を検知した時点の前記圧子に作用する押込み荷重から前記被検体の柔らかさが算出される押込み試験装置。