JPH0552731A - 硬さセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 ファジィコントローラ４２は、周波数差ー電
圧変換回路７からの振動子が被測定物体に接触したとき
の共振周波数の変化量と、微分回路４１からの振動子が
被測定物体に接触したときの共振周波数の時間変化率
と、位置センサ５１からの振動子が被測定物体に接触し
たときの被測定物体のへこみ量をもとに、ファジィ推論
を行なって被測定物体の硬さを検出している。 【効果】 被測定物体の硬さ検出精度を従来に比べ向上
させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、硬さセンサに関し、特
に圧電素子を有する振動子を自励発振させ、振動子を被
測定物体に接触させて被測定物体の硬さを検出する硬さ
センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の硬さセンサとして図９〜
図１２に示すものが提案されている。なお、図９は従来
の提案に係わる硬さセンサの振動子の一例を示す斜視
図、図１０は従来の提案に係わる硬さセンサの一例を示
す回路ブロック図、図１１は従来の提案に係わる硬さセ
ンサの検出部の一例を示す断面図、図１２は従来の提案
に係わる硬さセンサの一例を示す断面図である。

【０００３】図９において、硬さセンサの振動子１はそ
れぞれ厚み長さ振動モード（振動による変位方向を両矢
印で示す）を有する圧電素子２、３と圧電素子２の前面
側に接着剤などで固定された略三角形板状をしたベーク
ライトや樹脂、金属製などの振動板４とから構成されて
いる。ここに圧電素子２、３には、上面電極２１、３
１、下面電極２２、３２が設けられている。圧電素子３
は、圧電素子２と変位方向を一致させるようにして圧電
素子２の上面に載置され、下面電極３２を圧電素子２の
上面電極２１と電気的に導通させるようにして圧電素子
２の上面に接着剤などで固定されている。

【０００４】図１０において、圧電素子２の上面電極２
１および圧電素子３の下面電極３２は接地されている。
圧電素子３の上面電極３１は増幅器５の入力端子に接続
され、かつ増幅器５の出力端子は圧電素子２の下面電極
２２に接続されており、圧電素子２、３と増幅器５とに
よって自励発振回路が構成されている。また周波数カウ
ント回路６は、入力端子が増幅器５の出力端子に接続さ
れており、増幅器５からの出力より発振周波数をカウン
トし、そのカウント値を周波数差一電圧変換回路７へ出
力する。周波数差一電圧変換回路７は、振動子１の振動
板４が被測定物体９に接触していないときの発振周波数
のカウント値と、振動子１の振動板４が被測定物体９に
接触したときの発振周波数のカウント値との差を電圧出
力に変換して計量化し、これを硬度値として表示器８へ
出力し、表示器８に表示させるようになっている。

【０００５】以上のような構成のもとに、圧電素子２の
上面電極２１、下面電極２２を介して圧電素子２に増幅
器５から発生する電圧を印加すると、圧電素子２は逆圧
電効果により変位を起こす。この変位により圧電素子２
の上面に固着されている圧電素子３も変位を起こし、圧
電素子３の圧電効果により圧電素子３の上面電極３１、
下面電極３２間に電圧が発生する。この電圧が増幅器５
で増幅された後、再び圧電素子２にフィードバックされ
ることで自励発振が成立する。上述の如く、自励発振し
ている振動子１に振動板４の先端を硬度を検出する被測
定物体９に接触させると、被測定物体９の硬さに応じて
発振周波数が変化する。この発振周波数を周波数カウン
ト回路６でカウントし、このカウント値を周波数差一電
圧変換回路７へ出力する。周波数差一電圧変換回路７は
振動子１の振動板４が被測定物体９に接触していないと
きの発振周波数のカウント値と振動子１の振動板４が被
測定物体９に接触したときの発振周波数のカウント値と
の差を電圧出力に変換して計量化し、これを硬度値とし
て表示器８へ出力し、表示器８に表示させている。

【０００６】図１１において、図９に示す振動子１は内
ケース１０の中に収納されるとともに、内ケース１０内
に充填されたシリコンなどの弾性材料１１により固定さ
れている。このようにして検出部１２が構成されてい
る。なお、振動板４の一部は、内ケース１０の一端側に
設けた孔１０ａより突出するようになっている。

【０００７】図１２において、硬さセンサ１５は次のよ
うに構成されている。すなわち、図１１に示す検出部１
２が外ケース１３の中にコイルスプリング１４を介して
移動可能なように収納されている。検出部１２の一端側
１２ａに突出している振動板４が外ケース１３の一端部
（底部）１３ａに穿設されたた孔１３ｂより外部に突出
されている。そして、検出部１２の一端側（底面）１２
ａは、外ケース１３の一端部１３ａの内壁１３ｃに、検
出部１２の他端側１２ｂと外ケース１３の他端部１３ｄ
の内壁１３ｅ間に設けたコイルスプリング１４によって
押え付けられるようになっている。また、図１０に示す
ような振動子１の圧電素子２の上面電極２１を接地する
ための接地線や振動子１の圧電素子３の上面電極３１か
ら増幅器５への入力線や増幅器５から、振動子１の圧電
素子２の下面電極２２への出力線などがケーブル１６と
して検出部１２の他端側１２ｂから取出され、外ケース
１３の他端部１３ｄより外部に取出されている。図１０
に示す、増幅器５、周波数カウント回路６、周波数差一
電圧変換回路７および表示器８は外ケース１３の外部に
設けられている。なお、図１１では、ケーブル１６を構
成する振動子１の圧電素子２の上面電極２１を接地する
ための接地線や、振動子１の圧電素子３の上面電極３１
から増幅器５への入力線や、増幅器５から振動子１の圧
電素子２の下面電極２２への出力線は図示省略してあ
る。

【０００８】以上のように構成された図１２の硬さセン
サ１５を、図１３に示すように被測定物体９に接触させ
ると、検出部１２は、振動子１の振動板４の外ケース１
３より突出した部分の長さ（図１２に示すストローク
Ｓ）だけ図示右方向に外ケース１３内を移動し、振動板
４はコイルスプリング１４によって一定の力で被測定物
体９に押付けられる。この時、振動子１の発振周波数は
変化する。この発振周波数は図１０の周波数カウント回
路６でカウントされる。被測定物体９の硬さを検出する
に当たってのその他の動作については前述したと同様で
ある。

【０００９】

【発明が解決しょうとする課題】上述した従来の提案に
係る硬さセンサにおいては、圧電素子２、３を有する振
動子１を自励発振させておき、その振動子１を被測定物
体９に接触させたとき、被測定物体９の硬さに応じて変
化する発振周波数を検出することで被測定物体９の硬さ
を検出している。

【００１０】一方、振動子１を被測定物体９に接触させ
たとき、被測定物体９の硬さに応じて変化するのは発振
周波数だけではない。発振周波数の時間変化率や被測定
物体９のへこみ量なども振動子１を被測定物体９に接触
させたとき、被測定物体９の硬さに応じて変化する。

【００１１】ところが、従来の提案に係る硬さセンサに
おいては、被測定物体９の硬さを検出するに当たって、
発振周波数の変化量しか検出していないため、充分な精
度の硬さ検出は難しいという問題がある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の硬さセンサは、
圧電素子を有する振動子を自励発振させ、振動子を被測
定物体に接触させて被測定物体の硬さを検出する硬さセ
ンサにおいて、振動子が被測定物体に接触したときの発
振周波数の変化量、発振周波数の時間変化率および被測
定物体のへこみ量をそれぞれ検出し、出力する第１の検
出手段と、第１の検出手段からの出力信号をもとに、例
えばファジィ推論を行なって被測定物体の硬さを検出す
る第２の検出手段とを備えたことを特徴とする。

【００１３】

【作用】上記構成の硬さセンサにおいて、第１の検出手
段は、振動子が被測定物体に接触したときの発振周波数
の変化量、発振周波数の時間変化率および被測定物体の
へこみ量をそれぞれ検出し、第２の検出手段に出力す
る。第２の検出手段は、第１の検出手段からの出力信号
をもとに、例えばファジィ推論を行なって被測定物体の
硬さを検出する。これにより、被測定物体の硬さ検出の
精度を従来に比べ、向上させることができる。

【００１４】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を用いて
説明する。なお、本発明の硬さセンサの実施例におい
て、硬さセンサの振動子および硬さセンサの検出部につ
いては図９および図１１と同じであるので説明を省略す
る。また、硬さセンサの信号処理については、図１０の
周波数差一電圧変換回路７までは図１０と同じであるの
で説明を省略するが、周波数差一電圧変換回路７の後段
の信号処理については後述する図１で説明する。

【００１５】本発明による硬さセンサにおいては、図９
の振動子１が被測定物体９に接触したときの共振周波数
（発振周波数）の変化量△Ｆの他に、共振周波数（発振
周波数）の時間変化率｜△Ｆ／△Ｔ｜および被測定物体
９のくぼみ（へこみ）量△Ｌを検出し、これらの値をも
とに、ここではファジィ推論を行なって被測定物体９の
硬さを検出する（求める）ものである。

【００１６】上記共振周波数の変化量△Ｆ、共振周波数
の時間変化率｜△Ｆ／△Ｔ｜および被測定物体９のくぼ
み量△Ｌについて、図４、図５を用いて説明する。な
お、図４は、本発明に係る硬さセンサ１５′の振動子１
の共振周波数の各実施例を示す特性図、図５は、本発明
に係る硬さセンサ１５′の被測定物体９との接触状態を
示す要部断面図である。また、図４において、ｔ１は硬
さセンサ１５′の振動子１が被測定物体９に接触した時
点であり、ｔ２は振動子１が被測定物体９に接触しなく
なった時点であり、Ｔ３は硬さセンサ１５′の振動子１
が被測定物体９に接触している状態にある期間を示す。
また、図５において、硬さセンサ１５′は図２、図３と
同じものであるので、ここでは説明を省略し、後述する
図２で説明する。

【００１７】図５に示すように、硬さセンサ１５′の振
動子１の振動板４を被測定物体９に接触させると、振動
子１の共振周波数は図４に示すように変化する。ここ
で、図４（Ｂ）は図４（Ａ）よりも被測定物体９の硬さ
が硬い場合を示している。従って、図４では振動子１を
被測定物体９に接触させると、振動子１の共振周波数Ｆ
ｏは、△Ｆ（図４（Ａ）では△Ｆ１、図４（Ｂ）では△
Ｆ２）変化し、被測定物体９の硬さが硬いほど△Ｆは増
加し、柔らかいほど△Ｆは減少する。図４では△Ｆ２＞
△Ｆ１である。

【００１８】また、共振周波数の時間変化率（絶対値）
｜△Ｆ／△Ｔ｜は、被測定物体９が硬いほど小さくなる
ことが実験的に確かめられている。図４では、｜△Ｆ１
／△Ｔ１｜＞｜△Ｆ２／△Ｔ２｜である。

【００１９】また図５に示すように、硬さセンサ１５′
の振動子１の振動板４が被測定物体９に接触したときの
被測定物体９のくぼみ量△Ｌは、被測定物体９が柔らか
いほど、また弾力があるほど大きくなる。

【００２０】次に上記の△Ｆ、｜△Ｆ／△Ｔ｜、△Ｌの
値をもとにファジィ推論することにより被測定物体９の
硬さを検出する場合の構造図および回路図をそれぞれ図
２および図１に示す。図２は、本発明による硬さセンサ
の一実施例を示す断面図である。同図において、図１１
〜図１３と同一または相当部分には同符号を用いてい
る。

【００２１】図２の硬さセンサ１５′において、図１２
の硬さセンサ１５との相異点は、図１２の外ケース１３
内の検出部１２の他端側１２ｂより、コイルスプリング
１４のある右方向へ向けて、外ケース１３の一部を外部
に突出させて、その内部に図示の如く位置センサ５１を
収納し、この位置センサ５１にて振動板４が被測定物体
９に図３に示すように接触したときに、移動した検出部
１２の他端側１２ｂの位置を検出することにより、図５
に示す被測定物体９のくぼみ量△Ｌを検出することがで
きるようにしたことにある。

【００２２】図１は、本発明による硬さセンサの一実施
例を示す要部回路ブロック図である。同図において、図
１０と同一または相当部分には同符号を用いている。図
１において、周波数差一電圧変換回路７は、出力として
共振周波数の変化量（図４（Ａ）では△Ｆ１、図４
（Ｂ）では△Ｆ２）に相当する信号を微分回路４１およ
びファジィコントローラ４２に出力する。微分回路４１
は、周波数差一電圧変換回路７からの信号を微分し、｜
△Ｆ／△Ｔ｜に相当する信号（図４（Ａ）では｜△Ｆ１
／△Ｔ１｜、図４（Ｂ）では｜△Ｆ２／△Ｔ２｜）を本
発明の第２の検出手段としてのファジィコントローラ４
２に出力する。

【００２３】ファジィコントローラ４２は、周波数差一
電圧変換回路７、微分回路４１および位置センサ５１か
らの△Ｆ、｜△Ｆ／△Ｔ｜および△Ｌに相当する信号を
もとにファジィ推論を行なって、ファジィ推論の結果と
して被測定物体９の硬さが検出される。表示器８は、フ
ァジィコントローラ４２によるファジィ推論の結果を表
示させている。なお、周波数カウント回路６と周波数差
一電圧変換回路７と微分回路４１と位置センサ５１は、
本発明の第１の検出手段を構成する。

【００２４】ファジィコントローラ４２による被測定物
体９の硬さ検出について、図６〜図８を用いて以下、説
明する。なお、図６（Ａ）〜（Ｄ）はファジィ推論の各
メンバーシップ関数を示す図であって、同図（Ａ）〜
（Ｄ）はそれぞれ共振周波数の変化量△Ｆ（＝ｘ１とお
く）、被測定物体９のくぼみ量△Ｌ（＝ｘ２とおく）、
共振周波数の時間変化率｜△Ｆ／△Ｔ｜（＝ｘ３とお
く）およびファジィ推論結果ｙ１のメンバーシップ関数
を示す。図７はファジィ推論のファジィルールを示す
図、図８はミニマックス重心法によるファジィ推論の過
程とその結果を示す図である。

【００２５】いま、△Ｆ＝ｘ１＝−０．９（ＫＨｚ）、
△Ｌ＝ｘ２＝０．２（ｍｍ）、｜△Ｆ／△Ｔ｜＝ｘ３＝
１３０（Ｈｚ／ｍｍ）の場合を例にとって説明する。こ
れらの値の場合、図７のファジィ推論のファジィルール
と図６の各メンバーシップ関数を用いて、ミニマックス
重心法によって推論する過程とその推論結果を図８に示
す。

【００２６】ｘ１，ｘ２，ｘ３の値をもとに、図６から
図７に適合する組合わせは、ｘ１＝Ｓ，ｘ２＝Ｍ，ｘ３
＝Ｍの場合と、ｘ１＝ＺＲ，ｘ２＝Ｓ，ｘ３＝Ｌの場合
である。これは図７のルール２とルール６に該当し、ル
ール２ではｙ１＝軟、ルール６ではｙ１＝硬となる。従
って、ルール２では、図６（Ｄ）の推論結果ｙ１の左側
の三角形の図形に、ルール６では、図６（Ｄ）の推論結
果ｙ１の右側の三角形の図形に着目する。

【００２７】次に、ルール２によるファジィ推論の結果
ｙ１は、図８（Ａ）に示すようにして図示の斜線部分
（ａ，ｂ，ｃの値のうち一番小さい値ａ以下の部分）と
なる。また、ルール６によるファジィ推論の結果ｙ１も
同様に、図８（Ｂ）に示すようにして、図示の斜線部分
（ａ′，ｂ′，ｃ′の値のうち一番小さい値ａ′以下の
部分）となる。従って、最終的な推論結果ｙ１は、図８
（Ｃ）に示すように、同図（Ａ），（Ｂ）の各ｙ１の斜
線部分の図形の和の重心Ｐの座標Ｑとして求まる。

【００２８】ファジィコントローラ４２は、以上のよう
にして求めた硬度値を表示器８に表示させている。

【００２９】以上の説明から判かるように、従来の提案
に係る硬さセンサにおいては、振動子１が被測定物体９
に接触したときの共振周波数の変化量を用いて被測定物
体９のの硬さ検出を行なっているのに対し、本発明の硬
さセンサ１５′では、振動子１が被測定物体９に接触し
たときの共振周波数の変化量、共振周波数の時間変化率
および被測定物体９のくぼみ量を用いて被測定物体９の
硬さ検出を行なっているので、被測定物体９の硬さ検出
の精度を従来に比べ向上させることができる。

【００３０】本発明は本実施例に限定されることなく、
本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の応用および変形
が考えられる。

【００３１】

【発明の効果】上述したように本発明による硬さセンサ
を用いれば、第１の検出手段にて、振動子が被測定物体
に接触したときの発振周波数の変化量、発振周波数の時
間変化率および被測定物体のへこみ量を検出し、第２の
検出手段にて、第１の検出手段から供給される振動子が
被測定物体に接触したときの発振周波数の変化量、発振
周波数の時間変化率および被測定物体のへこみ量をもと
に、ファジィ推論などを行なって被測定物体の硬さを検
出するようにしたので、被測定物体の硬さを検出するに
当たり、その検出精度を従来に比べ、向上させることが
できるなどの効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による硬さセンサの一実施例を示す要部
回路ブロック図である。

【図２】本発明による硬さセンサの一実施例を示す断面
図である。

【図３】図２の動作説明図である。

【図４】本発明に係る硬さセンサ１５′の振動子１の共
振周波数の各実施例を示す特性図である。

【図５】本発明に係る硬さセンサ１５′の被測定物体９
との接触状態を示す要部断面図である。

【図６】ファジィ推論の各メンバーシップ関数を示す図
である。

【図７】ファジィ推論のファジィルールを示す図であ
る。

【図８】ミニマックス重心法によるファジィ推論の過程
とその結果を示す図である。

【図９】従来の提案に係わる硬さセンサの振動子の一例
を示す斜視図である。

【図１０】従来の提案に係わる硬さセンサの一例を示す
回路ブロック図である。

【図１１】従来の提案に係わる硬さセンサの検出部の一
例を示す断面図である。

【図１２】従来の提案に係わる硬さセンサの一例を示す
断面図である。

【図１３】図１２の硬さセンサと被測定物体との接触状
態を示す断面図である。

【符号の説明】

１ 振動子 ２，３ 圧電素子 ６ 周波数カウント回路 ７ 周波数差一電圧変換回路 ８ 表示器 ９ 被測定物体 １２ 検出部 １５′ 硬さセンサ ４１ 微分器 ４２ ファジィコントローラ ５１ 位置センサ

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、前記振動子を被測定物体に接触させて前記被測定物
   体の硬さを検出する硬さセンサにおいて、 前記振動子が前記被測定物体に接触したときの発振周波
   数の変化量、発振周波数の時間変化率および前記被測定
   物体のへこみ量をそれぞれ検出し、出力する第１の検出
   手段と、 前記第１の検出手段からの出力信号をもとに前記被測定
   物体の硬さを検出する第２の検出手段とを備えたことを
   特徴とする硬さセンサ。
2. 【請求項２】 前記第２の検出手段は、前記第１の検出
   手段からの出力信号をもとにファジィ推論を行なって前
   記被測定物体の硬さを検出するようにしたことを特徴と
   する請求項１に記載の硬さセンサ。