JPWO2016208253A1 - 硬度計 - Google Patents

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Abstract

本発明は、対象物との接触部を滑らかにピストン運動させることが可能な硬度計を提供することを目的とする。硬度計は、測定対象物に連続的に押し付けられる可動部を備える本体部と、前記測定対象物における前記可動部との接触部分の押し付け方向の動きの加速度に対応する加速度情報を出力する第１のセンサと、前記測定対象物における前記可動部との接触部分での反力に対応する反力情報を出力する第２のセンサと、モータと、前記モータによって駆動され、前記本体部および前記可動部をピストン運動させるクランク機構と、前記本体部の周囲に配置された少なくとも１つの緩衝部材と、を備える。

Description

本発明は、硬度計に関する。
従来から、対象物の硬度を測定することが有益である場面は多い。対象物が人体の場合、硬度の測定は、医療分野、または、皮膚整形や美容の分野において有益である。例えば、医療分野では、所定箇所の硬度を測定することにより、長期にわたり同じ姿勢での寝たきりに起因する支持面皮膚の潰瘍、臓器の変化による皮膚の浮腫や強皮症状などを判定できる。また、皮膚整形や美容の分野では、所定箇所の硬度を測定することにより、疾病の進行度や薬物治療を行った際の効果などを判定できる。
例えば、従来より、機械的振動部が物体と接触したときの共振状態の変化情報を得て、これを物体の硬さ情報として出力する触覚センサがある（特許文献１参照）。
一方、従来より、クランク機構を用いてピストンを往復運動させる技術（特許文献２参照）、および、ピストンアセンブリのシーリング技術（特許文献３参照）がある。
特開平１０−０６２３２８号公報 特開２０１２−１５４２６０号公報 特開２００３−１５６１４６号公報
例えば、対象物の硬度を測定する硬度計において、加速度センサの情報を用いる場合を想定する。加速度センサを用いる場合、そのセンサから取得される情報にノイズが混在しないように、対象物との接触部を滑らかにピストン運動させることが必要となる。
特許文献１の技術は、機械的振動部が物体と接触したときの共振状態の変化情報を利用しており、そもそも加速度センサを利用した技術ではない。したがって、加速度センサを用いる硬度計において、対象物との接触部を滑らかにピストン運動させる構成が求められる。
特許文献２は、クランク機構を用いてピストン運動をさせる技術を開示している。このような技術では、動力源（モータなど）の軸に対して偏心したクランク軸の動きをピストン運動に変換するため、対象物との接触部が横方向に揺れ動いてしまう。この影響によって加速度センサからの情報にノイズが混在してしまうため、加速度センサを用いる硬度計にクランク機構を適用することは難しいと考えられていた。
また、特許文献３は、ピストンに対してシーリングを行う技術を開示しているが、この技術では、ピストン先端部分の機械的負荷の軽減しか考慮されていない。このように、従来では、加速度センサを用いる硬度計において滑らかなピストン運動を可能にするシーリング技術が検討されていなかった。
そこで、本発明は、対象物との接触部を滑らかにピストン運動させることが可能な硬度計を提供することを目的とする。
例えば、上記課題を解決するために、特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、測定対象物に連続的に押し付けられる可動部を備える本体部と、前記測定対象物における前記可動部との接触部分の押し付け方向の動きの加速度に対応する加速度情報を出力する第１のセンサと、前記測定対象物における前記可動部との接触部分での反力に対応する反力情報を出力する第２のセンサと、モータと、前記モータによって駆動され、前記本体部および前記可動部をピストン運動させるクランク機構と、前記本体部の周囲に配置された少なくとも１つの緩衝部材と、を備える硬度計が提供される。
また、他の例によれば、測定対象物に連続的に押し付けられる可動部を備える本体部と、前記測定対象物における前記可動部との接触部分の押し付け方向の動きの加速度に対応する加速度情報を出力する第１のセンサと、前記測定対象物における前記可動部との接触部分での反力に対応する反力情報を出力する第２のセンサと、モータと、前記モータによって駆動され、前記本体部および前記可動部をピストン運動させるクランク機構と、前記本体部の周囲に配置された少なくとも１つの緩衝部材と、前記可動部の周囲を取り囲み、かつ、前記測定対象物に接触する接触部材と、を備え、前記接触部材が切欠き部を有する、硬度計が提供される。
また、他の例によれば、測定対象物に連続的に押し付けられる可動部を備える硬度計用の接触部材が提供される。前記接触部材は、前記可動部の周囲を取り囲み、かつ、前記測定対象物に接触するように構成され、切欠き部を有する。
本発明によれば、硬度計において、対象物との接触部を滑らかにピストン運動させることができる。本発明に関連するさらなる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、上記した以外の、課題、構成および効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。
一実施形態の生体硬度計の全体構成図である。 測定装置の動作原理の説明図である。 測定装置の構造例の模式図である。 受信コイル側の出力電圧と圧迫による圧力の関係を示す図である。 対象物をバネとした場合において、（ａ）は加速度センサによる出力を示す図であり、（ｂ）は磁気センサによる出力を示す図であり、（ｃ）は圧力センサによる出力を示す図であり、（ｄ）は変位センサによる出力を示す図である。 （ａ）は磁気センサ電圧を示す図であり、（ｂ１）は２階微分波形を示す図で、（ｂ２）は加速度センサの出力に基づく加速度波形を示す図であり、（ｃ）は対象物の変位を示す図である。 生体硬度計による処理の全体の流れを示すフローチャートの一例である。 第１実施例における生体硬度計の構成図である。 測定装置内の軸受部材およびクランク軸を上方から見た図である。 第１実施例における緩衝部材を側面から見た図である。 第１実施例における緩衝部材をピストン運動の進行方向側から見た図である。 図１１のＡ−Ａ線断面図である。 第１実施例における緩衝部材の好ましい配置例である。 第１実施例における生体硬度計の別の構成の拡大図である。 第１実施例における接触部材をピストン運動の進行方向側から見た図である。 第１実施例における接触部材を側面から見た図である。 第２実施例における生体硬度計の構成図である。 緩衝部材の別の例を側面から見た図である。 図１８の緩衝部材をピストン運動の進行方向側から見た図である。 緩衝部材の別の例をピストン運動の進行方向側から見た図である。 図２０の緩衝部材を測定装置に配置したときの断面図である。
以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明する。添付図面は本発明の原理に則った具体的な実施例を示しているが、これらは本発明の理解のためのものであり、決して本発明を限定的に解釈するために用いられるものではない。また、各図において共通の構成については同一の参照番号が付されている場合がある。なお、以下の説明において、説明や図示の都合上、「Ｖ（ボルト）」と「ｍＶ（ミリボルト）」など、単位のスケールが異なっている部分がある。
以下の実施例は、測定対象物の硬度を計算する技術に関する。以下では、測定対象物として人体などの生体を例として説明するが、これに限定されない。例えば、以下の実施例における硬度計は、生体以外の対象物に適用されてもよい。
硬度とは、測定対象物の硬さを表す指標である。硬度は、様々な指標で表すことができるが、一例として、弾性および粘性の少なくとも一方を含む概念で定義されてもよい。弾性とは、力を加えて変形した対象物が、その力が除かれたとき、もとの形に戻ろうとする特性を表す。粘性とは、力を加えて対象物を変形させたとき、もとの形に戻りにくい特性を表す。
図１は、生体硬度計の全体構成図である。生体硬度計１０００は、測定装置１と、硬度計算装置２とを備える。なお、図１の測定装置１では、図２、図３の測定装置１と比較して、構成の一部の図示を省略している。
ここで、併せて図２と図３も参照しながら、測定装置１の構成と動作原理について説明する。測定装置１は、受信コイル１１（磁場検知手段）を有する本体部１４と、発信コイル１２（磁場発生手段）および加速度センサ１３を有する可動部１５と、バネ１６（弾性体）とを備える。なお、受信コイル１１と発信コイル１２とを合わせて磁気センサ１９と称する。磁気センサ１９は、対象物における可動部１５との接触部分での反力に対応する反力情報を出力する。加速度センサ１３は、対象物における可動部１５との接触部分の押し付け方向の動きの加速度に対応する加速度情報を出力する。
可動部１５の接触部２０は、硬度の計算時に、対象物である人体の胴体Ｂが凹むように胴体Ｂに押し付けられる部位である。なお、本体部１４と可動部１５は、剛性を有する。加速度センサ１３は、その押し付け方向の動きの加速度の情報を検出する。ここで、胴体Ｂはバネ的性質とダッシュポット的性質を有する。例えば、胴体Ｂが、バネ１７（ａ）（バネ定数Ｋ）およびダッシュポット１７（ｂ）（ダッシュポット定数Ｇ）を有すると考える。バネ定数Ｋは胴体Ｂの弾性成分に対応し、ダッシュポット定数Ｇは胴体Ｂの粘性成分に対応する。これら弾性成分および粘性成分の少なくとも１つが本実施例での計算対象である。
磁気センサ１９は、測定装置１によって胴体Ｂへ加えられた圧力に応じた胴体Ｂの反力の大きさに相当する電圧の情報を出力する。そのため、受信コイル１１と発信コイル１２は、お互いに対向するように配置されている。そして、本体部１４と可動部１５との間には、バネ定数がＫ'（既知）のバネ１６が配置されている（図２参照）。なお、Ｋ'＞Ｋの関係が成立するように、バネ１６を選択する。そうしないと、本体部１４に圧迫の力Ｆが加えられたときに（図２参照）、本体部１４と可動部１５が接触部２０で接してしまい、磁気センサ１９としての役割が損なわれるからである。なお、例えば、本体部１４と可動部１５との間の距離Ｄは２ｍｍ程度で、本体部１４に圧迫の力Ｆが加えられたときの、バネ１６の縮み量は０．５ｍｍ程度となるように設計すればよい。
なお、バネ１６は、同じ形状の線径が太いバネに交換されてもよい。また、バネ１６の自由長さをより長くしてもよい。これらの構成を採用した場合、バネ１６が同じ縮み量になるための圧迫の力Ｆが大きくなり、その結果、本体部１４から対象物への力も大きくなる。これにより、対象物の深層位置の硬度を測定することができる。従来では、皮膚表面での硬度の測定しか行えておらず、皮膚深層までの情報に対応できていないという課題があった。これに対して、当該構成によれば、皮膚表面のみならず、皮膚深層までの皮下組織や筋肉などの硬度を測定することができる。
次に、図２を参照して、磁気センサ１９および周辺部品の動作について説明する。まず、交流発振源３１は、特定の周波数（例えば、２０ｋＨｚ）を持つ交流電圧を生成する。その交流電圧はアンプ３２によって特定の周波数を持つ交流電流に変換され、その変換された交流電流が発信コイル１２に流れる。発信コイル１２を流れる交流電流によって発生した磁場は、受信コイル１１に誘起起電力を発生させる。
誘起起電力によって受信コイル１１に発生した交流電流（周波数は交流発振源３１によって生成された交流電圧の周波数と同じ）は、プリアンプ３３によって増幅され、増幅後の信号が検波回路３４に入力される。検波回路３４は、交流発振源３１によって生成された特定の周波数または２倍周波数によって、前記増幅後の信号の検波を行う。そのため、交流発振源３１の出力を、参照信号３５として検波回路３４の参照信号入力端子に導入する。なお、検波回路３４を用いずに全波整流回路を用いた動作方式にしてもよい。検波回路３４（または整流回路）からの電圧の情報（出力信号）は、ローパスフィルタ３６を通過した後、硬度計算装置２の駆動回路２１（図１参照）に導入される。
なお、本体部１４に加えられる圧力（力Ｆ）と、ローパスフィルタ３６から駆動回路２１に導入される出力信号によって表される電圧の大きさとの関係は、図４の線４ａ（破線）に示す通りである。線４ａが直線的であるのは、バネ１６のバネ定数Ｋ'が大きく、本体部１４への圧力に対するバネ１６の縮み量が小さいためである。仮に、圧力（力Ｆ）と駆動回路２１に導入される出力信号が比例関係になっていない場合でも、直線性に変換して、図４に示す直線関係を計算する。さらに、この線４ａを、圧力が０のときに電圧が０になるように補正して線４ｂ（実線）とすることで、圧力と電圧との関係を、原点を通る比例関係にすることができる。この補正は、例えば、後記するマイクロプロセッサー２３によって行うことができる。また、磁気センサ１９が出力する電圧の情報に対する、胴体Ｂへ加えられている圧力の比を示す変換係数を、以下、電圧・圧力変換係数（Ｃｍｐ[Ｎ／ｍＶ]）と称し、この値は予め実験によって算出しているものとする。
次に、図１に戻って、硬度計算装置２について説明する。硬度計算装置２は、コンピュータ装置である。硬度計算装置２は、駆動回路２１，２２と、マイクロプロセッサー２３と、記憶部２４と、音声発生部２５と、表示部２６と、電源部２７と、入力部２８とを備える。
駆動回路２１は、測定装置１の受信コイル１１からローパスフィルタ３６（図２参照）などを経由して受信した電圧の情報をマイクロプロセッサー２３に伝える。駆動回路２２は、測定装置１の加速度センサ１３から受信した加速度の情報をマイクロプロセッサー２３に伝える。
マイクロプロセッサー２３は、例えばＣＰＵ(Central Processing Unit)によって実現される。マイクロプロセッサー２３は、微分波形作成部２３１と、波形比較部２３２と、変換係数算出部２３３と、計算部２３５と、判定部２３６とを備える。マイクロプロセッサー２３の上記処理部は、各種プログラムにより実現することができる。例えば、硬度計算装置２の図示しないメモリには、記憶部２４に格納されている各種プログラムが展開される。マイクロプロセッサー２３は、メモリにロードされたプログラムを実行する。以下、マイクロプロセッサー２３の各処理部の処理内容について、図５〜図６を参照しながら説明する。
図５に示すように、バネ定数が０．９３５ｋｇｆ／ｍｍのバネを用いた場合において、加速度センサ１３による出力は（ａ）に示すようになり、磁気センサ１９による出力は（ｂ）に示すようになり、磁気センサ１９の代わりに圧力センサ（不図示）を用いた場合の出力は（ｃ）に示すようになり、リファレンスとしてのレーザセンサなどの変位センサ（不図示）による出力（変位の真値（正しい値））は（ｄ）のようになる。
なお、本実施例の目的は、対象物の硬度、すなわち、図２のバネ定数Ｋとダッシュポット定数Ｇの少なくとも１つを計算することである。そのために、まず、図５の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す出力の情報のうち少なくとも１つを用いて、（ｄ）に示す情報に極力近い情報を得ることを考える。そして、その得た情報を使って、対象物の硬度を計算する。
つまり、レーザセンサなどの変位センサを用いないで対象物の硬度特徴を計算するために、加速度センサ１３と磁気センサ１９（または圧力センサ）による情報を用いる。変位センサを用いないことの理由としては、例えば、対象物の表面状況や、対象物への固定可否により使用が困難であることや、高価であることなどが挙げられる。
図５において、（ｂ）に示す磁気センサ１９による出力の波形と、（ｄ）に示す変位センサの出力による波形とを比較すると、縦軸の単位および振幅の大きさは異なっているが、概形はよく似ていて、また、周波数は同じである。したがって、（ｂ）に示す磁気センサ１９による出力の波形に所定の変換係数（以下、「電圧・変位変換係数（Ｃｍｄ[ｍｍ／ｍＶ]）」と称する。）を乗算することにより、（ｄ）に示す変位センサの出力による波形に近似する波形の情報を得ることができる。電圧・変位変換係数Ｃｍｄは、２階微分波形（詳細は後記）に対する、加速度波形のそれぞれの大きさの比を示す数値である。なお、（ｃ）に示す圧力センサによる出力の波形と、（ｄ）に示す変位センサの出力による波形とについても、同様である。
ここで、対象物の硬度の計算について、数式を使って説明する（適宜各図参照）。本体部１４に圧迫の力（圧力）Ｆが加えられたときのバネ１７（ａ）とダッシュポット１７（ｂ）の縮み量（変位量）をＸとし（図２参照）、磁気センサ１９による出力電圧をＶｍとすると、次の式（１）、式（２）、式（３）が成立する。なお、作用反作用の法則により、可動部１５と胴体Ｂとの接触部２０にも、力（圧力）Ｆがかかる。
Figure 2016208253
 式（１）は、フックの法則を表す式である。
式（２）は、磁気センサ１９による出力電圧Ｖｍに、電圧・変位変換係数Ｃｍｄを乗算することで、変位量Ｘを得ることができることを表す式である。
式（３）は、磁気センサ１９による出力電圧Ｖｍに、電圧・圧力変換係数Ｃｍｐを乗算することで、圧力Ｆを得ることができることを表す式である。
そして、式（１）に式（２）および式（３）を代入して整理すると、次の式（４）を得ることができる。
Figure 2016208253
 つまり、電圧・圧力変換係数Ｃｍｐを電圧・変位変換係数Ｃｍｄで除算することで、対象物の複素弾性率を計算することができる。本例では、この複素弾性率を硬度に関する情報として用いる。
図１に戻って、記憶部２４は、各種情報を記憶する手段であり、例えば、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ(Read Only Memory)、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などによって実現される。記憶部２４は、実験によって算出された電圧・圧力変換係数Ｃｍｐを予め記憶している。
音声発生部２５は、音声を発生させる手段であり、例えばスピーカによって実現される。音声発生部２５は、例えば、測定装置１による測定の開始時および終了時に、ビープ音を発生させる。
表示部２６は、各種表示を行う手段であり、例えば、ＬＣＤ(Liquid Crystal Display)またはＣＲＴ(Cathode Ray Tube) Displayによって実現される。表示部２６には、各種の波形、対象物の硬度（例えば、弾性の情報および粘性の情報の少なくとも一方）、および対象物の硬度を視覚化したインジケータなどが表示される。
電源部２７は、硬度計算装置２における電源供給手段である。入力部２８は、各種情報入力のためにユーザによって操作される手段であり、例えば、キーボードやマウス等によって実現される。
ここで、図３を参照して、測定装置１の構造例について説明する。なお、図２で説明した事項については、説明を適宜省略する。測定装置１ａ（１）は、全体がペンシル型になっている。測定装置１ａ（１）は、本体部１４と可動部１５とから構成されている。
本体部１４は、受信コイル１１と、受信コイル１１を搭載するコイル基板１２０と、受信コイル１１および発信コイル１２とに接続される動作回路基板１３０と、電池１８と、硬度計算の開始時等に操作される動作ボタン１９０と、表示部２６とを備えている。可動部１５は、発信コイル１２と、加速度センサ１３と、発信コイル１２および加速度センサ１３を搭載するコイル基板１１０とを備えている。
コイル基板１１０とコイル基板１２０の間には、１本から４本のバネ１６ａ（１６）が配置されている。簡易な方式としては、バネ１６ａ（１６）を１個として、コイル基板１１０と発信コイル１２のコイル直径と同じ直径以上を持つバネ１６ａ（１６）を使用することができる。バネ１６ａ（１６）を１個の構成とするとコイル基板１１０と発信コイル１２のコイルをバネ１６ａ（１６）内部に配置でき、小型化が可能となる。
測定装置１ａ（１）によれば、対象物が凹むように可動部１５が対象物に押し付けられた際、バネ１６ａ（１６）が縮んで発信コイル１２と受信コイル１１とが近づき、受信コイル１１が検知する磁場の大きさが増加することで、接触部２０で発生した反力の大きさに応じた電圧の情報が受信コイル１１から出力される。また、測定装置１ａ（１）は、全体がペンシル型であるため、コンパクトで使いやすい。
次に、図７のフローチャートを参照して（適宜他図参照）、生体硬度計１０００の処理について説明する。
まず、操作者によって、測定装置１の動作ボタン１９０が操作される（ステップＳ１）。ここでは、測定装置１ａ（１）の全体が図示しないモータに取付けられている。この構成の場合、モータを駆動することにより、所定の周波数ｆＨｚで可動部１５を連続的に対象物に押し付けることができる。
硬度計算装置２のマイクロプロセッサー２３は、測定装置１の可動部１５が対象物に押し付けられるたびに、その測定装置１からの情報を取得する。マイクロプロセッサー２３は、測定装置１から取得した情報（反力情報および加速度情報）に基づいて硬度（例えば、複素弾性率）を算出する（ステップＳ２）。次に、マイクロプロセッサー２３は、ステップＳ２で計算した硬度のデータについて、平均値および分散を計算する（ステップＳ３）。
次に、マイクロプロセッサー２３は、ステップＳ３で計算した平均値および分散に基づいて、それらの値が異常値か否かを判定する（ステップＳ４）。この処理は、マイクロプロセッサー２３の判定部２３６によって実行される。Ｙｅｓの場合はステップＳ５に進み、Ｎｏの場合はステップＳ６に進む。なお、異常値か否かの判定は、例えば、平均値および分散を、予め設定しておいた閾値と比較することにより実現できる。
また、ステップＳ４でＹｅｓの場合（異常値の場合）とは、マイクロプロセッサー２３は、表示部２６に計測やり直しのメッセージを表示させ、ステップＳ２に戻る（ステップＳ５）。
ステップＳ４でＮｏの場合、マイクロプロセッサー２３は、表示部２６に硬度に関する情報を表示させて（ステップＳ６）、処理を終了する。本例では、測定装置１の可動部１５が対象物に複数回押し付けられるため、ステップＳ２の計算によって、複数の硬度に関する情報を取得することができる。一例として、表示部２６には、硬度に関する情報の平均値および弾性成分に関する情報の平均値が表示されてもよい。
次に、図６を参照して、硬度の計算処理（ステップＳ２）について説明する。以下の例では、硬度として複素弾性率を計算する例を説明する。なお、図７では、複数の硬度の情報を取得することができることを説明したが、以下では、硬度の１回の計算について説明する。
マイクロプロセッサー２３は、磁気センサ１９から駆動回路２１を介して取得した電圧の情報に基づく電圧波形と、加速度センサ１３から駆動回路２２を介して取得した加速度の情報に基づく加速度波形とを取得する。電圧波形は、微分波形作成部２３１に入力される。加速度波形は、波形比較部２３２に入力される。図６の（ａ）は電圧波形を示す。また、図６の（ｂ２）は加速度波形を示す。
次に、微分波形作成部２３１は、電圧波形を２階微分し、２階微分波形を作成する。図６の（ｂ１）は、電圧波形から算出された２階微分波形を示す。
次に、波形比較部２３２は、微分波形作成部２３１で算出された２階微分波形（図６の（ｂ１））と加速度波形（図６の（ｂ２））とを比較し、比較結果を変換係数算出部２３３に出力する。変換係数算出部２３３は、その比較結果に基づいて、電圧・変位変換係数Ｃｍｄを計算する。変換係数算出部２３３は、電圧・変位変換係数Ｃｍｄを計算部２３５へ出力する。
具体的には、例えば、次の式（５）を用いて電圧・変位変換係数Ｃｍｄを計算することができる（図６の（ｂ）参照）。ここでのＡｍ、Ａａは、それぞれ、図６の（ｂ１）、（ｂ２）に示す値に対応する。
Figure 2016208253
次に、計算部２３５は、記憶部２４に予め格納されている電圧・圧力変換係数Ｃｍｐを電圧・変位変換係数Ｃｍｄで除算する（式（４）参照）ことで、対象物の複素弾性率の絶対値Ｋを計算する。複素弾性率とは、測定対象物が変形時および回復時に、熱として消失したエネルギーを考慮に入れた、材料の動的物性値である。複素弾性率の実部は貯蔵弾性率、虚部は損失弾性率と等しい。
上記の例では、硬度として複素弾性率を計算する例を説明したが、これに限定されない。他の例として、硬度のより詳細な情報として、弾性成分および粘性成分の少なくとも１つの情報が算出されてもよい。一例として、加速度波形と電圧波形から算出された２階微分波形との間の位相差を計算し、複素弾性率と位相差とを用いて弾性成分および粘性成分の情報を算出してもよい。
以下では、上記で説明した生体硬度計１０００における測定装置１の構造の実施例について説明する。
［第１実施例］
図８は、第１実施例における生体硬度計の構成図である。図８は、主に測定装置１の構成要素のみを図示し、硬度計算装置２の構成要素は省略されている。硬度計算装置２は、図８の測定装置１に組み込まれてもよいし、有線または無線で接続された他のコンピュータ装置で実現されてもよい。
測定装置１は、モータ８１と、モータ８１によって駆動されるクランク機構を備える。クランク機構は、モータ８１の軸８１ａに対して偏心した位置にあるクランク軸８２と、クランク軸８２と本体部１４とを接続するリンク（接続部材）８４とを備える。測定装置１は、モータ８１からの動力をクランク機構によって本体部１４に伝え、所定の周波数で可動部１５を対象物に押し付けるように構成されている。
より具体的に測定装置１の構造について説明する。測定装置１は、以下で説明する各種の構成要素を収容するための筐体８０を備える。筐体８０は、図８の平面視でほぼ直角に折れ曲がった形状を有する。筐体８０は、第１の部分８０ａおよび第２の部分８０ｂを備える。第１の部分８０ａには、モータ８１が配置されており、第２の部分８０ｂには、本体部１４が配置されている。筐体８０の第１の部分８０ａと第２の部分８０ｂとの間の折れ曲がる部分には、クランク機構が配置されている。この構成によれば、第１の部分８０ａに配置されたモータ８１を駆動したときに、クランク機構によって本体部１４および可動部１５をピストン運動させることができる。
さらに、この構成によれば、操作者が第１の部分８０ａを手で持ちながら、第２の部分８０ｂを対象物に向けることができる。このように、本実施例の生体硬度計は、測定対象物の絶対的な安静が必要なく、人体のような動く測定対象物に対して好ましい構成である。
モータ８１の軸８１ａには、円筒状の軸受部材８３が取付けられている。軸受部材８３には、モータ８１の軸８１ａに対して偏心した位置にクランク軸８２が取付けられている。図９は、軸受部材８３およびクランク軸８２を上方から見た図である。またさらに軸８１ａの回転を安定させるために、軸受部材８３において軸８１ａの周辺にベアリングを固定してもよい。
クランク軸８２は、リンク８４によって本体部１４と接続されている。この構成によれば、モータ８１を駆動すると、モータ８１の軸８１ａに対して偏心した位置にあるクランク軸８２が、図９の平面視においてモータ８１の軸８１ａの周りを回転する。このクランク軸８２の回転に従ってリンク８４が図８中の左右方向に動き、その結果、本体部１４および可動部１５がピストン運動することになる。以下では、本体部１４および可動部１５のピストン運動の方向を、進行方向と称する。
なお、リンク８４の長さｌ１は、本体部１４の進行方向の長さｌ２に対して１／３以上であることが好ましい。この構成によれば、クランク機構によって本体部１４および可動部１５をピストン運動させたときの横方向の動き（筐体８０内でのがたつき）を低減させることができる。
本体部１４は、円筒形状を有する。本体部１４は、リンク８４に接続された第１の部材８６と、当該第１の部材８６に接続された第２の部材８７とを備える。第１の部材８６は、連結部材８５によってリンク８４と接続されている。第１の部材８６は、第２の部材８７の内側に延びる延在部８６ａを有する。延在部８６ａは、受信コイル１１が取付けられたコイル基板１２０を備える。コイル基板１２０は、可動部１５のコイル基板１１０と対向する位置に配置されている。
本体部１４の第２の部材８７は、可動部１５を備える。可動部１５は、円筒形状を有する。可動部１５は、対象物との接触部２０を備える第１の部材９１と、当該第１の部材９１と接続され、かつ本体部１４の第２の部材８７の内側に配置された第２の部材９２とを備える。可動部１５は、対象物との接触部２０が第２の部材８７の先端から突き出した状態で、本体部１４の第２の部材８７の内側で支持されている。
可動部１５の第１の部材９１と、本体部１４の第２の部材８７の突出部８７ａとの間には、バネ１６が配置されている。可動部１５の第２の部材９２は、発信コイル１２が取付けられたコイル基板１１０を備える。コイル基板１１０は、コイル基板１２０と対向する位置に配置されている。これにより、受信コイル１１と発信コイル１２は、互いに対向するように配置される。また、コイル基板１１０には、加速度センサ１３が取付けられている。
本実施例の特徴として、本体部１４の周囲には、複数の緩衝部材９３が配置されている。一例として、緩衝部材９３は、ゴム部材である。例えば、緩衝部材９３は、シリコーンゴムで形成されている。ここで、緩衝部材９３はシリコーンゴムでなくてもよく、パッキン材などに使用されるゴムを利用することができる。図８の例では、２つの緩衝部材９３が、本体部１４と筐体８０との間に配置されている。この構成によれば、クランク機構によって本体部１４および可動部１５をピストン運動させたときの横方向の動き（筐体８０内でのがたつき）が生じた場合でも、本体部１４と筐体８０との間に緩衝部材９３が配置されているため、本体部１４と筐体８０との接触を防止できる。本体部１４と筐体８０との接触を防止できるため、本体部１４および可動部１５の滑らかなピストン運動が可能になる。したがって、加速度センサ１３からの情報にノイズが混在するのを防ぐことができ、その結果、生体硬度計で測定される硬度の精度が向上する。
なお、本体部１４と筐体８０との接触を防止するという観点では、緩衝部材９３が本体部１４の周囲において少なくとも２箇所に配置されていればよい。また、緩衝部材９３は、本体部１４と筐体８０との接触が想定される部分に対して配置されてもよい。
図１０〜図１２は、緩衝部材９３の構造を示す。図１０は、緩衝部材９３を側面から見た図であり、図１１は、緩衝部材９３をピストン運動の進行方向側から見た図である。また、図１２は、図１１のＡ−Ａ線断面図である。
緩衝部材９３は、本体部１４の周囲を取り囲むリング形状を有する（図１１）。また、緩衝部材９３は、Ｓ字の断面を有する（図１２）。緩衝部材９３がＳ字の断面を有することによって、緩衝部材９３にバネ性を持たせることが可能となる。緩衝部材９３にバネ性を持たせると、本体部１４がピストン運動したときに、緩衝部材９３が常に同じ位置に戻ってきやすくなる。したがって、安定したピストン運動を行うために、緩衝部材９３は、本体部１４と筐体８０との接触を防ぐ機能を持ちながら、バネ性を持つことが好ましい。
図１３は、緩衝部材９３の好ましい配置例を示す。２つの緩衝部材９３は、それらのＳ字形状が互いに向き合うように配置されている。言い換えれば、２つの緩衝部材９３は、それらのＳ字形状が進行方向に対して垂直な面（図１３の点線）に対して対称となるように配置されている。本体部１４がピストン運動した場合、緩衝部材９３の位置が進行方向にずれる可能性がある。このように、緩衝部材９３のＳ字形状が互いに向き合うように配置すると、本体部１４がピストン運動したときの緩衝部材９３のずれを防ぐことができる。
なお、図１０〜図１３の例では、Ｓ字の断面を有する緩衝部材９３を説明したが、この構成に限定されない。緩衝部材９３は、矩形の断面形状を有してもよい。また、バネ性も考慮して、緩衝部材９３は、少なくとも１つの曲線部分を有する断面形状を有していてもよい。
また、ピストン運動したときの緩衝部材９３のずれを防ぐために、本体部１４は、緩衝部材９３の周囲に配置された滑り止め部材９４を備えてもよい。一例として、滑り止め部材９４は、ポリエステルテープ（マイラーテープ）である。滑り止め部材９４は、本体部１４に段差を形成するためのものであればよく、他の材料でもよい。
なお、図８の例では、滑り止め部材９４は、２つの緩衝部材９３の間に配置されているが、この構成に限定されない。図１４は、生体硬度計の別の構成例を示す。図１４に示すように、好ましくは、滑り止め部材９４は、進行方向に対して各緩衝部材９３の前後に配置されてもよい。
また、図１４に示すように、本体部１４は、緩衝部材９３に対応する位置に溝部９６を備えてもよい。これにより、本体部１４がピストン運動したときの緩衝部材９３のずれを防ぐことができる。
また、図１４に示すように、筐体８０が、緩衝部材９３に対応する位置に溝部９５を備えてもよい。これにより、本体部１４がピストン運動したときの緩衝部材９３のずれを防ぐことができる。
また、本実施例において、測定装置１は、可動部１５の周囲を取り囲み、かつ、測定対象物に接触する接触部材（ガード部材）１０１をさらに備える。接触部材１０１は、円筒形状であり、ねじ１０３によって筐体８０の第２の部分８０ｂの先端に取付けられている。
接触部材１０１は、測定対象物に押し当てるための押し当て部１０１ａを有する（図８）。ここで、接触部材１０１の押し当て部１０１ａと可動部１５の接触部２０との関係を説明する。可動部１５の接触部２０の面と接触部材１０１の押し当て部１０１ａの面とは、ピストン運動の振幅の中心位置のときに同一平面上に位置する。したがって、可動部１５の接触部２０の面は、ピストン運動の振幅の最大のときに接触部材１０１の押し当て部１０１ａの面よりも突出することになる。一例として、ピストン運動の振幅が３ｍｍの場合、可動部１５の接触部２０の面は、ピストン運動の振幅の最大のときに接触部材１０１の押し当て部１０１ａの面より１．５ｍｍ突出する。
図１５は、接触部材１０１をピストン運動の進行方向から見た図であり、図１６は、接触部材１０１を側面から見た図である。接触部材１０１は、３つの押し当て部１０１ａを有する。測定対象物に対して１つの面を形成するために、接触部材１０１は少なくとも３つの押し当て部１０１ａを備えていればよい。この構成によれば、３つの押し当て部１０１ａを測定対象物に接触させながら本体部１４をピストン運動させるときに、測定対象物に対して測定装置１を一定の位置（高さ）に保持することができ、かつ、可動部１５の接触部２０を測定対象物に垂直に当てることができる。したがって、正確な硬度の情報を得ることができる。
また、接触部材１０１は、３つの切欠き部１０２を有する。例えば、測定対象物が人体の場合、接触部材１０１を測定対象物に押し当てたときに皮膚表面の張力により、皮膚表面が硬くなる。このように皮膚表面が硬い状態になってしまうと、皮膚または筋肉の本来の硬度を測定することができなくなる。これに対して、接触部材１０１が切欠き部１０２を備えることによって、切欠き部１０２の部分から皮膚表面の張力が逃げることになり、皮膚または筋肉の本来の硬度を測定することができる。
なお、切欠き部１０２の数は３つに限定されない。また、上述の通り、切欠き部１０２は皮膚表面の張力を逃がす役目を果たすため、切欠き部１０２は接触部材１０１の中でより広い範囲で設けられるのが好ましい。一例として、図１５の平面視（測定対象物との接触面）で見たときに、切欠き部１０２が接触部材１０１の円周Ｒに対して１／２以上を占めるのが好ましい。
［第２実施例］
図１７は、第２実施例における生体硬度計の構成図である。上述の実施例で説明した構成要素については、同じ符号を付して説明を省略する。
本実施例の特徴は、１つの緩衝部材１０４が本体部１４の周囲に配置されている点である。緩衝部材１０４が本体部１４と筐体８０との間に配置されている。緩衝部材１０４は、本体部１４の周囲を覆うゲル状部材である。例えば、緩衝部材１０４は、シリコーンゲルである。さらに、緩衝部材１０４は、シリコーンゲルのような部材を袋状に詰めたものを使用してもよい。なお、本体部１４と筐体８０との接触を防止するという観点では、緩衝部材１０４として他のゲル状部材を用いてもよい。
なお、図１７では、緩衝部材１０４を本体部１４の周囲の全体に配置するような例を示したが、これに限定されない。例えば、本体部１４と筐体８０との接触が想定される部分に対して、緩衝部材１０４を部分的に配置してもよい。
また、上記のようなゲル状の緩衝部材の他に、緩衝部材１０４として、樹脂製または金属製の軸受け構造の部材を１つまたは複数個使用することが可能である。軸受け構造の緩衝部材１０４の材料としては、例えば、テフロンが挙げられる。図１８は、樹脂製または金属製の軸受け構造の緩衝部材１０４の側面図であり、図１９は、図１８の緩衝部材１０４をピストン運動の進行方向側から見た図である。緩衝部材１０４は、円筒状部材であり、本体部１４の周囲に配置される。
また、緩衝部材１０４は、樹脂製または金属製のリング状部材であってもよい。この構成の場合、リング状の緩衝部材１０４は、本体部１４の周囲で筐体８０との接触が想定される１つまたは複数の箇所に配置される。
なお、図１８および図１９の例において、軸受け構造（緩衝部材１０４）の内側面と本体部１４との間の摩擦を低減するために、緩衝部材１０４における本体部１４との接触面に以下のような表面処理を施すことが好ましい。例えば、緩衝部材１０４における本体部１４との接触面が鏡面処理されてもよい（例えば、緩衝部材１０４が金属製の場合、研磨処理されてもよい）。また、緩衝部材１０４における本体部１４との接触面にコーティングを施してもよい。例えば、コーティング処理としては、シリコンコーティングまたはテフロンコーティングなどが有効である。
また、緩衝部材１０４として、筐体８０の内壁（内側面）８８に複数の凸部を設けてもよい。図２０は、緩衝部材１０４として凸形状の８個の棒（リブ構造）を設けた構成を示し、緩衝部材１０４を本体部１４のピストン運動の進行方向側から見た図である。図２１は、図２０の緩衝部材１０４を測定装置１に配置したときの断面図である。図２０に示すように、８個の棒状の緩衝部材１０４は、本体部１４（仮想線によって図示）の周囲に一定の間隔で設けられている。また、図２１に示すように、８個の棒状の緩衝部材１０４は、本体部１４のピストン方向に沿って延びている。
図２０および図２１の例では、８個の棒状の緩衝部材１０４を設けた例を説明したが、凸形状の複数の緩衝部材１０４は、筐体８０と本体部１４との間の接触面積を小さくするか、または、筐体８０と本体部１４との間の摩擦係数を小さくするような構造をとることが効果的である。
凸形状の複数の緩衝部材１０４は、本体部１４の周囲（本体部１４の円周）を少なくとも３点で支持するように設けられていればよい。なお、クランク機構によって本体部１４および可動部１５をピストン運動させたときのがたつきを考慮すると、凸形状の複数の緩衝部材１０４は、本体部１４の周囲（本体部１４の円周）に４つ以上設けられているのが好ましい。
図２０の例では、緩衝部材１０４の断面（すなわち、ピストン運動の進行方向側から見たときの凸部の断面）は四角形であるが、これに限定されない。緩衝部材１０４の断面（凸部の断面）は、三角形状、半円形状などの他の形状であってもよい。また、図２０および図２１の例では、緩衝部材１０４は、その断面が四角形状であり、かつ本体部１４のピストン方向に沿って棒状に形成されているため、本体部１４と面で接触しているが、この構成に限定されない。凸形状の緩衝部材１０４は、その断面形状などの構成に応じて、本体部１４と線または点で接触してもよい。なお、凸形状の緩衝部材１０４における本体部１４との接触面に上述したようなコーティングを施してもよい。
さらに、クランク機構によって本体部１４および可動部１５をピストン運動させたときの安定性を考慮して、本体部１４は、緩衝部材１０４に対応する位置に溝部を備えてもよい。例えば、本体部１４の周囲において棒状の緩衝部材１０４に対応する位置に、本体部１４のピストン方向に沿って複数の溝部（レール構造）を設けてもよい。この構成によれば、クランク機構によって本体部１４および可動部１５をピストン運動させたときのがたつきをより効果的に防止することができる。
この構成によれば、クランク機構によって本体部１４および可動部１５をピストン運動させたときの横方向の動き（筐体８０内でのがたつき）が生じた場合でも、本体部１４と筐体８０との間に緩衝部材１０４が配置されているため、本体部１４と筐体８０との接触を防止できる。本体部１４と筐体８０との接触を防止できるため、本体部１４および可動部１５の滑らかなピストン運動が可能になる。したがって、加速度センサ１３からの情報にノイズが混在するのを防ぐことができ、その結果、生体硬度計で測定される硬度の精度が向上する。
本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることもできる。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることもできる。また、各実施例の構成の一部について、他の構成を追加・削除・置換することもできる。
上述したマイクロプロセッサー２３の各種処理は、それらの一部や全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリ、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に格納することができる。
上述の実施例において、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。全ての構成が相互に接続されていてもよい。
１０００ ...生体硬度計
１、１ａ ...測定装置
２ ...硬度計算装置
１１ ...受信コイル
１２ ...発信コイル
１３ ...加速度センサ（第１のセンサ）
１４ ...本体部
１５ ...可動部
１６、１６ａ...バネ
１７（ａ）...バネ
１７（ｂ）...ダッシュポット
１８ ...電池
１９ ...磁気センサ（第２のセンサ）
２０ ...接触部
２１、２２...駆動回路
２３ ...マイクロプロセッサー
２４ ...記憶部
２５ ...音声発生部
２６ ...表示部
２７ ...電源部
２８ ...入力部
３１ ...交流発振源
３２ ...アンプ
３３ ...プリアンプ
３４ ...検波回路
３５ ...参照信号
３６ ...ローパスフィルタ
８０ ...筐体
８１ ...モータ
８２ ...クランク軸
８３ ...軸受部材
８４ ...リンク
８５ ...連結部材
８６ ...本体部の第１の部材
８７ ...本体部の第２の部材
９１ ...可動部の第１の部材
９２ ...可動部の第２の部材
９３ ...緩衝部材
９４ ...滑り止め部材
９５、９６...溝部
１０１ ...接触部材
１０１ａ ...押し当て部
１０２ ...切欠き部
１０４ ...緩衝部材
１１０、１２０...コイル基板
１３０ ...動作回路基板
１９０ ...動作ボタン
２３１ ...微分波形作成部
２３２ ...波形比較部
２３３ ...変換係数算出部
２３５ ...計算部
２３６ ...判定部

Claims (20)

  1. 測定対象物に連続的に押し付けられる可動部を備える本体部と、
    前記測定対象物における前記可動部との接触部分の押し付け方向の動きの加速度に対応する加速度情報を出力する第１のセンサと、
    前記測定対象物における前記可動部との接触部分での反力に対応する反力情報を出力する第２のセンサと、
    モータと、
    前記モータによって駆動され、前記本体部および前記可動部をピストン運動させるクランク機構と、
    前記本体部の周囲に配置された少なくとも１つの緩衝部材と、
    を備えることを特徴とする硬度計。
  2. 請求項１に記載の硬度計において、
    前記緩衝部材が、前記本体部の周囲において少なくとも２箇所に配置されていることを特徴とする硬度計。
  3. 請求項２に記載の硬度計において、
    前記緩衝部材は、Ｓ字の断面を有することを特徴とする硬度計。
  4. 請求項３に記載の硬度計において、
    前記緩衝部材は、それらのＳ字の形状が互いに向き合うように配置されていることを特徴とする硬度計。
  5. 請求項２に記載の硬度計において、
    前記緩衝部材は、ゴム部材であることを特徴とする硬度計。
  6. 請求項１に記載の硬度計において、
    前記本体部は、前記緩衝部材に対応する位置に溝部を備えることを特徴とする硬度計。
  7. 請求項１に記載の硬度計において、
    前記本体部は、前記緩衝部材の周囲に配置された滑り止め部材を備えることを特徴とする硬度計。
  8. 請求項１に記載の硬度計において、
    前記第２のセンサは、２つのコイルとバネとで構成されていることを特徴とする硬度計。
  9. 請求項１に記載の硬度計において、
    前記本体部、前記第１のセンサ、前記第２のセンサ、前記モータ、前記クランク機構、および前記緩衝部材を収容する筐体をさらに備え、
    前記緩衝部材が、前記筐体と前記本体部との間に配置されていることを特徴とする硬度計。
  10. 請求項９に記載の硬度計において、
    前記筐体が、前記緩衝部材に対応する位置に溝部を備えることを特徴とする硬度計。
  11. 請求項１に記載の硬度計において、
    前記緩衝部材は、前記本体部の周囲を覆うゲル状部材であることを特徴とする硬度計。
  12. 請求項１に記載の硬度計において、
    前記可動部の周囲を取り囲み、かつ、前記測定対象物に接触する接触部材をさらに備え、
    前記接触部材が切欠き部を有することを特徴とする硬度計。
  13. 請求項１２に記載の硬度計において、
    前記接触部材が円筒形状であり、前記切欠き部が、前記測定対象物との接触面から見たときに、前記接触部材の円周に対して１／２以上を占めることを特徴とする硬度計。
  14. 請求項１に記載の硬度計において、
    前記クランク機構は、前記モータの軸に対して偏心した位置にあるクランク軸と、前記クランク軸と前記本体部とを接続する接続部材とを備え、
    前記接続部材の長さは、前記本体部の進行方向の長さに対して１／３以上であることを特徴とする硬度計。
  15. 請求項１に記載の硬度計において、
    前記緩衝部材は、前記本体部の周囲の１つまたは複数の箇所に配置された樹脂製または金属製の円筒状部材であることを特徴とする硬度計。
  16. 請求項１５に記載の硬度計において、
    前記円筒状部材の内側面は、コーティングまたは研磨処理が施されていることを特徴とする硬度計。
  17. 請求項９に記載の硬度計において、
    前記緩衝部材が、前記筐体に内側面に形成された少なくとも３つの凸部であることを特徴とする硬度計。
  18. 請求項１７に記載の硬度計において、
    前記凸部が、前記本体部の前記本体部のピストン方向に沿って延びるように構成されていることを特徴とする硬度計。
  19. 測定対象物に連続的に押し付けられる可動部を備える本体部と、
    前記測定対象物における前記可動部との接触部分の押し付け方向の動きの加速度に対応する加速度情報を出力する第１のセンサと、
    前記測定対象物における前記可動部との接触部分での反力に対応する反力情報を出力する第２のセンサと、
    モータと、
    前記モータによって駆動され、前記本体部および前記可動部をピストン運動させるクランク機構と、
    前記本体部の周囲に配置された少なくとも１つの緩衝部材と、
    前記可動部の周囲を取り囲み、かつ、前記測定対象物に接触する接触部材と、
    を備え、
    前記接触部材が切欠き部を有することを特徴とする硬度計。
  20. 測定対象物に連続的に押し付けられる可動部を備える硬度計用の接触部材であって、
    前記可動部の周囲を取り囲み、かつ、前記測定対象物に接触するように構成されるとともに、切欠き部を有することを特徴とする接触部材。
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