JPH05322730A - 硬度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧電素子の自励発振を利用した硬度センサに
おいて、検出器等を設けずに振動子が被測定物に接触し
たことを検出して正確な硬度を測定する。 【構成】 この処理は電源投入後に開始され、まずは電
源投入直後の圧電素子からの発振周波数を基準周波数に
設定し（１００）、次の発振周波数は測定周波数として
設定し（２００）、測定周波数と基準周波数との周波数
変化量を求める（３００）。そして周波数変化量が予め
定めたしきい値より小さい場合には（４００“Ｎo
”）、その周波数変化量は周囲温度変化等の原因によ
るセンサの発振周波数のドリフト等によるものと判断し
て硬度出力はせず、基準周波数をその測定周波数で更新
する（５００）。周波数変化がしきい値より大きくなっ
た場合には（４００“Ｙes”）、振動子が被測定物に接
触したことを示すことになるので、その際の周波数変化
に基づいて硬度を出力する（６００）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電素子の自励発振を
利用した硬度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】物体の硬度を測定する硬度センサとして
圧電素子の自励発振を利用したセンサがある。

【０００３】このセンサでは、圧電素子を有する振動子
を自励発振させておき、その振動子を被測定物に接触さ
せた際、被測定物の硬度に応じて変化する発振周波数を
検出することによって当該被測定物の硬度を測定してい
る。つまり、振動子が被測定物に接触していない時の振
動子の発振周波数（以下、基準周波数という）を予めメ
モリ等に記憶しておき、次に振動子が被測定物に接触し
た時の振動子の発振周波数（以下、測定周波数という）
を測定し、測定周波数から基準周波数を減算した結果に
応じた値を硬度として出力する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
硬度センサを用いた硬度測定では、まず振動子が被測定
物に接触したか否かを確認する必要がある。

【０００５】しかし、従来はその確認を目視によって行
っていたため、その作業に手間がかかると共に、温度変
化による発振周波数のドリフトによって誤判断する等の
目視者による個人誤差が生じる、という問題がある。ま
た振動子が被測定物に接触したことを確認するため検出
器を設けるという方法も考えられるが、それでは検出器
を設ける分だけ大型化し、コストアップになる、という
問題が生じる。

【０００６】また、従来の硬度センサでは予め設定した
基準周波数を基に硬度を算出していたため、硬度測定を
開始した後周囲の温度が変化して、ドリフトによって発
振周波数が変化した場合に、正確な硬度を測定できな
い、という問題もある。

【０００７】そこで、本発明はこのような問題に着目し
てなされたもので、検出器を設けることなく振動子が被
測定物に接触したことを自動的に検出し、正確な硬度を
測定できる硬度センサを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
請求項１記載の発明では、圧電素子を有する振動子を自
励発振させ、その振動子を被測定物に接触させた際、被
測定物の硬度に応じて変化する圧電素子の発振周波数に
よって被測定物の硬度を測定する硬度センサにおいて、
電源投入時あるいはリセット後、所定時間間隔で圧電素
子からその発振周波数に応じた電圧出力を受け、その発
振周波数をカウントする周波数カウント手段と、上記周
波数カウント手段によって上記所定時間間隔でカウント
された測定周波数から上記電源投入時あるいはリセット
後の最初にカウントされた基準周波数を減算する周波数
減算手段と、上記周波数減算手段の減算出力を受け、減
算出力が予め定めたしきい値より小さい場合には当該減
算出力に応じた硬度を出力せず、減算出力が上記しきい
値より大きくなった場合には当該減算出力に応じた硬度
を出力する硬度出力手段と、上記硬度出力手段の出力を
受け、上記硬度を表示する表示手段と、を具備すること
を特徴とする。

【０００９】請求項２記載の発明では、請求項１記載の
硬度センサにおいて、硬度出力手段の出力を受け、周波
数減算手段からの減算出力が予め定めたしきい値より小
さい場合には、基準周波数の値を当該減算した際の測定
周波数の値に更新して周波数減算手段に設定する基準周
波数更新手段、を具備することを特徴とする。

【００１０】

【作用】請求項１記載の発明では、電源投入時あるいは
リセット後に所定時間間隔で圧電素子からその発振周波
数に応じた電圧出力を受けてその発振周波数をカウント
し、当該所定時間間隔毎にカウントした測定周波数から
電源投入時あるいはリセット時の最初にカウントした基
準周波数を減算する。そして減算出力が予め定めたしき
い値より小さい場合には当該減算出力に応じた硬度を出
力せず、減算出力が上記しきい値より大きくなった場合
には当該減算出力に応じた硬度を出力して、それを表示
する。

【００１１】請求項２記載の発明では、測定周波数から
基準周波数を減算した出力が予め定めたしきい値より小
さい場合には、基準周波数の値をその測定周波数の値に
更新し、更新後新たに測定した測定周波数から当該更新
された基準周波数を減算して、その減算出力に基づき硬
度を出力する。

【００１２】

【実施例】以下、本発明に係る硬度センサの実施例を図
面に基づいて説明する。

【００１３】図１は、本実施例に係る硬度センサの構成
を示している。

【００１４】硬度センサは、センサ部１および増幅器２
からなり被測定物１０に接触することによって自励発振
する自励発振回路３、その発振周波数出力を受けて当該
発振周波数をカウントする周波数カウント回路４、その
カウント出力を入力して周波数／電圧変換して硬度を演
算すると共に後述する接触検知を行う演算処理回路５、
その演算出力を受けて表示制御を行う表示制御回路６、
およびＣＲＴやＬＣＤ等の表示器７とから構成されてい
る。

【００１５】自励発振回路３は、圧電素子２３の上側電
極２３ａを増幅器２の入力に接続する一方、圧電素子２
２の下側電極２２ｂを増幅器２の出力に接続して構成さ
れており、増幅器２が発生する電圧を電極２２ａ、２２
ｂを介して圧電素子２２に印加し、逆圧電効果によって
圧電素子２２，２３に変位を起こさせ、圧電素子２３が
変位した際の圧電効果によって電極２３ａ、２３ｂ間に
発生する電圧を増幅器２で増幅させ、この増幅出力を圧
電素子２２へフィードバックすることで自励発振するよ
うに構成されている。

【００１６】演算処理回路５は、ＲＡＭやＲＯＭ等のメ
モリ（図示せず）を有しており、このメモリに、振動板
２１が被測定物１０に非接触時の発振周波数カウント値
と振動板２１が被測定物１０に接触した際の発振周波数
カウント値との差に基づくしきい値を予め記憶している
と共に、そのしきい値に基づく接触検知を含む硬度測定
処理（図４参照）用のプログラムが格納されている。

【００１７】なお、図１では、センサ部１における振動
子２０の構造のみを詳細に図示している。

【００１８】図２（ａ），（ｂ）は、センサ部１の断面
構造、および被測定物１０に接触させた際のセンサ部１
の動作を各々示している。

【００１９】センサ部１は、先端に開口部１１ａが形成
された筒状の外ケース１１の中に、センサチップ１２が
可動可能で、かつ、センサチップ１２先端の振動板２１
が開口部１１ａから突出するようにして設けられてお
り、センサチップ１２底面外側と外ケース１１底面内側
との間にスプリング１３が挿入されて常時センサチップ
１２を開口部１１ａ方向に付勢するように構成されてい
る。なお、図中１４は、センサチップ１２内の後述する
振動子２０の信号を取出すためその中に導電線８ａ〜ｃ
（図４参照）が通るケーブルである。

【００２０】そしてこのセンサ部１の振動板２１を手操
作や駆動機構（図示せず）等によって被測定物１０に接
触させた場合には、（ｂ）に示すようにセンサチップ１
２全体がストロークＳだけ後退し、振動板２１がコイル
スプリング１３によって常時一定の力で被測定物１０に
押し付けられることになる。

【００２１】図３は、センサチップ１２の断面構造を示
している。

【００２２】センサチップ１２は、振動板２１が先端に
設けられた圧電素子２２、および圧電素子２２上に設け
た圧電素子２３からなる振動子２０を、内ケース２４中
にシリコンゴム等の弾性材料２５を介して固定して構成
されている。

【００２３】図４は、振動子２０の構造および外観を示
している。

【００２４】振動子２０は、先端が尖った形状の振動板
２１と圧電素子２２，２３とからなり、圧電素子２２，
２３には各々上面電極２２ａ，２３ａ、下面電極２２
ｂ、２３ｂが設けられている。振動板２１は圧電素子２
２前面側に接着剤等で固定され、また圧電素子２３は下
側電極２３ｂを介して圧電素子２２上面の上面電極２２
ａに電気的に導通するように接着剤等で固定されてい
る。そして図１にも示すように上側電極２３ａ、上側電
極２２ａおよび下側電極２２ｂには、各々導電線８ａ〜
ｃが接続されており、ケーブル１４内を通ってセンサチ
ップ１２、センサ部１外へ出されるように構成されてい
る。

【００２５】次に、このように構成された硬度センサに
おける硬度測定処理を、図５を参照して説明する。

【００２６】この硬度測定処理は電源投入後に自動的に
開始し、電源投入後図１に示すようにセンサ部１を矢印
Ａの方向で、かつ、センサ部１の振動板２１が被測定物
１０に接触するまでの間、周波数カウント回路４が少な
くても数回（回数が多ければ多いほどよい）自励発振回
路３の発振周波数をカウントできるようなスピードで移
動させる。

【００２７】その際、電源投入によりセンサ部１および
増幅器２から構成される自励発振回路３が自励発振を開
始し、その発振周波数を周波数カウント回路４がカウン
トし、演算処理回路５は電源投入直後の最初の発振周波
数を周波数／電圧変換してそのカウント値を基準周波数
として設定し、メモリ等に記憶する（ステップ１０
０）。

【００２８】その後、演算処理回路５は、周波数カウン
ト回路５が所定時間あけてカウントした周波数カウント
値を測定周波数として設定してメモリ等に記憶し（ステ
ップ２００）、次いでその測定周波数から最初に設定し
た基準周波数を減算して周波数の変化量を算出し（ステ
ップ３００）、その周波数変化量が予め定めたしきい値
より大きいか否か比較する（ステップ４００）。

【００２９】ここで周波数変化量が予め定めたしきい値
より小さい場合には（ステップ４００“Ｎo ”）、演算
処理回路５はこの周波数変化量が周囲温度変化等の原因
による発振周波数のドリフトによるもので、振動板２１
が被測定物１０に接触したことによるものではないと判
断して硬度出力はせず、基準周波数をその測定周波数で
更新してメモリ等に設定し（ステップ５００）、ステッ
プ２００の測定周波数の設定処理に戻る。

【００３０】そして周波数変化量が予め定めたしきい値
より大きくなった場合には（ステップ４００“Ｙe
s”）、演算処理回路５は振動板２１が被測定物１０に
接触したものと判断して、その周波数変化量に基づいて
硬度を出力する（ステップ６００）。その際、振動板２
１が被測定物１０に接触するまでは、少なくてもステッ
プ２００→３００→４００→５００→２００→・・・と
いうように数回は基準周波数が測定周波数で更新される
ため、測定周波数が基準周波数である接触直前の最新の
測定周波数に基づき算出され、硬度が算出されることに
なる。

【００３１】なお、その後はステップ２００の測定周波
数の設定処理へ戻り、所定時間毎にステップ２００→３
００→４００→６００→２００→・・・と処理を繰返す
ことによって、測定周波数を基準周波数である被測定物
１０への接触直前の測定周波数に基づき演算して硬度を
出力する。

【００３２】従って、本実施例によれば、周波数変化量
と予め定めたしきい値とを比較して振動子が被測定物に
接触しているか否かを判断し、接触していると判断した
場合にのみ硬度を出力するようにしたため、温度変化に
よるドリフトによって接触前に硬度を誤出力することが
なくなると共に、以上の処理をソフトウエアにより行っ
ため新たな検出器等を付加することなくその接触を検知
でき、大型化およびコストアップを防止できる。

【００３３】また、硬度出力を行う際には、測定周波数
を予め設定した所定の基準周波数と比較するのではな
く、更新された接触直前の測定周波数と比較して出力す
るため、温度ドリフトが測定周波数に与える影響が排除
されて、周囲の温度環境に応じた正確な硬度測定が可能
になる。

【００３４】なお、本実施例では、振動子の接触の際に
硬度の出力を開始するものとして説明したが、その接触
の際に硬度の出力だけでなく、表示器７に接触したこと
を示す表示をしたり、あるいはＬＥＤ（図示せず）を点
滅させたりしても良い。

【００３５】また、本実施例では、硬度測定処理を本セ
ンサの電源投入後に開始するものとして説明したが、演
算処理回路４０にリセットスイッチ（図示せず）を設け
たり、あるいは外部から演算処理回路４０へのリセット
信号の入力等によりこの処理を開始させるようにしても
良い。

【００３６】このようにした場合、例えば、図６に示す
ように３種類の試料５０，６０，７０があり、試料５０
に対する試料６０，７０の硬度を比べる際には、まず試
料５０にセンサを接触させた状態でリセットスイッチを
押し、あるいはリセット信号を入力して試料５０の硬度
を基準周波数として設定する。そして試料６０，７０に
センサを接触させれば、試料５０の硬度に対する試料６
０，７０の硬度の差が出力される。この方法によれば、
基準試料（この場合、試料５０）から硬度がどれくらい
ずれているかがわかる。

【００３７】また、本センサの出力によってコントロー
ルされるシステムとして、例えば図７に示すようなシス
テムが考えられる。

【００３８】図７は、製パン工場におけるオーブン等の
加工システムを示しており、オーブン８０の中に、図１
で示した増幅器２（センサ部１に設けても良い）、演算
処理回路５、表示制御回路６、表示器７等を組み込み、
自励発振回路３を構成するセンサ部１をパン生地８１に
接触させることによりパン生地８１の硬さを自動的に測
定しようとするシステムである。このシステムでは、パ
ン生地８１は一般に水分量が多いほど軟らかく、水分量
が少ないほど硬いため、パン生地８１の硬度を測定し、
その出力によってオープン８０の温度や加熱時間をコン
トロールするようにする。このように本発明に係る硬度
センサを用いて加工システムを構築すれば、特に食品加
工業等においては今まで食品の硬度を測定できるセンサ
が無かったために人間の感覚のみでコントロールされて
いた品質管理も、容易かつ自動に行うことが可能にな
る。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の発
明では、測定周波数と基準周波数との間の変化量を予め
定めたしきい値と比較して、その変化量がしきい値以上
であれば振動子が被測定物に接触しているとみなして硬
度を出力し、変化量が当該しきい値以下であれば、振動
子が被測定物に接触してないと判断して硬度を出力しな
いようにしたため、温度変化等によるドリフトによって
硬度の誤出力することがなくなると共に、新たな検出器
等を付加することなく振動子が被測定物に接触したこと
を検知できる。このため、本装置の大型化およびコスト
アップを防止できる。

【００４０】また、請求項２記載の発明では、周波数変
化がしきい値以下であれば、基準周波数の値をその測定
周波数の値によって更新するようにしたため、硬度出力
を行う際には、測定周波数を常に接触直前の最新の測定
周波数と比較して硬度を出力することになり、周囲温度
の変化によるドリフトによって測定周波数に与えられる
影響が排除され、硬度の測定精度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る硬度センサの一実施例を示すブロ
ック図。

【図２】（ａ），（ｂ）各々、センサ部の断面構造、お
よびセンサ部の動作を示す断面図。

【図３】センサチップの断面構造を示す断面図。

【図４】振動子の構造および外観を示す斜視図。

【図５】硬度センサにおける硬度測定処理を示すフロー
チャート。

【図６】硬度センサを３種類の試料に使用した場合の使
用方法を示す説明図。

【図７】硬度センサを製パン工場における加工システム
に使用した例を示す説明図。

【符号の説明】

１ センサ部 ２ 増幅器 ３ 自励発振回路 ４ 周波数カウント回路（周波数カウント手段） ５ 演算処理回路（周波数減算手段，硬度出力手段，基
準周波数更新手段） ６ 表示制御回路 ７ 表示器（表示手段） ８ａ〜ｃ 導電線 １０ 被測定物 １２ センサチップ ２０ 振動子 ２１ 振動板 ２２，２３ 圧電素子 ２２ａ，２３ａ 上面電極 ２２ｂ，２３ｂ 下面電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電素子を有する振動子を自励発振さ
   せ、その振動子を被測定物に接触させた際、被測定物の
   硬度に応じて変化する圧電素子の発振周波数によって被
   測定物の硬度を測定する硬度センサにおいて、 電源投入時あるいはリセット後、所定時間間隔で圧電素
   子からその発振周波数に応じた電圧出力を受け、その発
   振周波数をカウントする周波数カウント手段と、 上記周波数カウント手段によって上記所定時間間隔でカ
   ウントされた測定周波数から上記電源投入時あるいはリ
   セット後の最初にカウントされた基準周波数を減算する
   周波数減算手段と、 上記周波数減算手段の減算出力を受け、減算出力が予め
   定めたしきい値より小さい場合には当該減算出力に応じ
   た硬度を出力せず、減算出力が上記しきい値より大きく
   なった場合には当該減算出力に応じた硬度を出力する硬
   度出力手段と、 上記硬度出力手段の出力を受け、上記硬度を表示する表
   示手段と、 を具備することを特徴とする硬度センサ。
2. 【請求項２】 硬度出力手段の出力を受け、周波数減算
   手段からの減算出力が予め定めたしきい値より小さい場
   合には、基準周波数の値を当該減算した際の測定周波数
   の値に更新して周波数減算手段に設定する基準周波数更
   新手段、 を具備することを特徴とする請求項１記載の硬度セン
   サ。