WO2005100951A1

WO2005100951A1 - 硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法、動作中心周波数選択装置及び硬さ測定システム

Info

Publication number: WO2005100951A1
Application number: PCT/JP2004/018577
Authority: WO
Inventors: Sadao Omata; Yoshinobu Murayama; Katsuhito Honda
Original assignee: Nihon University
Priority date: 2004-04-07
Filing date: 2004-12-13
Publication date: 2005-10-27
Also published as: US7565841B2; JPWO2005100951A1; JP4822438B2; US20070250294A1

Abstract

　位相シフト回路を用いて対象物の硬さを測定する硬さ測定システムについて、その動作中心周波数を選択することをより容易とすることである。　動作中心周波数選択装置に硬さセンサを接続し、自由端状態で、周波数−振幅特性等を取得し、各ピークの周波数、位相等を測定取得し、これを自由端特性とする（Ｓ１０−Ｓ２０）。次に硬さセンサを第１テストピースに接触させ、各ピークについて変化した周波数、位相等を測定取得し、第１特性とする。（Ｓ２２−Ｓ２８）。第１テストピースより硬い第２テストピースについても同様にして第２特性を取得する（Ｓ３０−Ｓ３６）。これらに基づき、所定の選択基準に基づいて硬さ測定に適するピーク選択が行われ、そのピークの周波数から動作中心周波数の設定が行われる（Ｓ３８−Ｓ４０）。

Description

明細書

硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法、動作中心周波数選択装置及び硬さ測定システム

技術分野

[0001] 本発明は、対象物に振動を入射する振動子と対象物から反射される信号を検出する振動検出センサとを有する硬さセンサを用いて対象物の硬さを測定する硬さ測定システムの動作中心周波数選択に係り、特に硬さセンサに増幅器とともに直列に接続され、振動子への入力波形と振動検出センサからの出力波形に位相差が生じるときは、周波数を変化させてその位相差をゼロにシフトする位相シフト回路と、を含み対象物の硬さに応じて生ずる周波数変化より対象物の硬さを測定する硬さ測定システムについて、動作中心周波数を選択する方法及び硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置に関する。

背景技術

[0002] 生体の組織物質等の硬さを測定する方法として、プローブを被測定物質に押し当てつつ振動を与えて、その入力振動に対する生体組織物質の機械振動応答をセンサで検出して周波数、位相の変化等から硬さに対応する特性値を得る方法がある。特に、本願の発明者は、特許文献 1に開示されるように、対象物に振動を入射する振動子と対象物から反射される信号を検出する振動検出センサを有する硬さセンサと、硬さセンサに増幅器とともに直列に接続され、振動子への入力波形と振動検出センサからの出力波形に位相差が生じるときは、周波数を変化させてその位相差をゼロにシフトする位相シフト回路とを用レ、、対象物の硬さに応じて生ずる周波数変化より対象物の硬さを測定する硬さ測定システムを考案している。

[0003] 位相シフト回路を用いる硬さ測定システムの例を図 8に示す。図 8において、硬さ測定システム 10は、対象物 8である生体組織等に押し当てられる硬さセンサ 12と、硬さ検出部 20とを含んで構成される。硬さセンサ 12は、対象物 8に振動を入射する振動子 14と対象物 8から反射される信号を検出する振動検出センサ 16とを有する。このような硬さセンサ 12としては、圧電素子を 2つ積み重ね、一方を振動子 14とし、他方を振動検出センサ 16とするものを用いることができる。硬さ検出部 20は、振動検出センサ 16からの出力端子と、振動子 14への入力端子との間に、適当な直流カット容量、増幅器 22及び位相シフト回路 24を直列に接続し、位相シフト回路 24によって位相差を補償するために生ずる周波数偏差を検出する周波数偏差検出器 26と、検出された周波数偏差を硬さに換算して出力する硬さ換算器 28を含む。周波数偏差検出器 26は一般的な周波数測定器を用いることができ、硬さ換算器 28は、予め較正されたルックアップテーブルを用いて換算を行レ、、あるいは予め与えられる換算式に従い換算演算を行うマイクロコンピュータ等を用いることができる。

[0004] 位相シフト回路 24は、上記のように、振動検出センサ 16—直流カット容量一増幅器 22—振動子 14—対象物 8—振動検出センサ 16のループ内に直列接続により設けられて、振動子 14への入力波形と振動検出センサ 16からの出力波形に位相差が生じるときは、周波数を変化させてその位相差をゼロにシフトする機能を有する回路である。位相シフト回路 24の周波数に対する振幅及び位相の特性を示す基準伝達特性曲線は、図 9に示すように、動作中心数周波数 fをおいて振幅が最大となり、位相が反

f

転するものが好ましい。このような特性の回路は、動作中心数周波数 fを共振周波数として、そこで振幅ゲインが最大となるバンドパスフィルタを設計することで得ることができる。具体的に電子部品を配置してハードウェアで構成することも、またソフトゥェァによりディジタルフィルタ特性を実現することでもよい。

[0005] 位相シフト回路 24の機能を説明するには、位相シフト回路を含まない振動系ループと比較することがよい。すなわち、振動検出センサ—直流カット容量-増幅器-振動子 -対象物 -振動検出センサのループは、いわゆる自励発振回路を構成する。対象物 8に硬さセンサ 12 (=振動子 14 +振動検出センサ 16)が接触していないときにも、振動子 14と振動検出センサ 16の間の空間を対象物とする形で自励発振回路が構成され、ある共振周波数において系全体が発振し安定する。つぎに、対象物に硬さセンサ（=振動子 +振動検出センサ）が接触すると、対象物の機械的な振動系の影響により、系全体の発振状態が変化する。すなわち、対象物の振動系の内容である硬さを表すパネ定数の大きさにより、位相差が生じ、また周波数の変化が生ずる。ここで周波数変化を検出し、対象物の硬さを測定しょうとする試みは、すでに数多くの先行技術が知られている。しかし、通常の共振周波数の変化は極めて少なぐその精度よい検出は困難を伴うことが多ぐまた、位相差の検出はよい測定手段が少ない

。位相シフト回路 24は、図 9に説明したような周波数に対する振幅及び位相の特性を示す基準伝達特性曲線を用い、位相の変化を周波数の変化に換算し、測定しにくい位相差の検出を測定しやすい周波数の測定に変換しょうとするものである。

[0006] そこで、位相シフト回路 24が、振動検出センサ 16—直流カット容量一増幅器 22—振動子 14一対象物 8—振動検出センサ 16のループ内に直列接続により設けられるときの作用について説明する。このように機械的な振動系で構成される対象物と、電気的な発振回路とを含む自励発振ノレープの中に位相シフト回路 24が接続されるときは、全体の系がいわゆる速度共振によって自励発振が持続するように動作する。速度共振とは、共振周波数において振幅最大で位相がゼロとなるものである。すなわち、対象物 8に硬さセンサ 12 (=振動子 14 +振動検出センサ 16)が接触していないときには、振動子 14と振動検出センサ 16の間の空間を対象物とする形で、振動子 14への入力波形と振動検出センサ 16からの出力波形との位相差がゼロとなる周波数で安定するように位相シフト回路 24の動作点が定まる。この状態を、図 9において、周波数 f 、位相 Θ で示すとする。

1 1

[0007] つぎに、対象物 8に硬さセンサ 12 (=振動子 14 +振動検出センサ 16)が接触すると、対象物 8の機械的な振動系、すなわち硬さを表すパネ定数の大きさにより、振動子 14への入力波形と振動検出センサ 16からの出力波形に位相差が生ずる。いま、対象物 8の硬さによって、位相差が Δ Θだけ生ずるものとすると、速度共振による自励発振を持続するように、すなわち、この位相差 Δ Θを補償して系全体の位相差をゼロにするように、位相シフト回路 24の動作点がシフトする。図 9で説明すると、位相 Θ 、周波数 f の動作点が、位相 θ + Δ Θ、周波数 f + A fの動作点にシフトし、ここ

1 1 1 1

で系全体の位相差をゼロとして、速度共振が持続し、安定する。

[0008] すなわち、位相シフト回路 24を振動検出センサ 16—直流カット容量一増幅器 22—振動子 14一対象物 8—振動検出センサ 16のループ内に直列接続により設けることで、速度共振を持続するために必要な位相差補償を行い、同時に、その補償を行った位相差 Δ Θの大きさを周波数偏差 A fに変換できる。ここで得られる速度偏差は、従来技術のように、共振周波数の変化分ではなぐ位相変化分を位相シフト回路 24の基準伝達特性曲線により周波数変化分に変換したもので、その変換係数 A f/ Δ Θ は、位相シフト回路 24の基準伝達特性曲線の設計により、任意の大きさにすることができる。すなわち、小さな位相差を大きな周波数偏差にすることもでき、大きすぎる位相差を適当な周波数偏差の大きさにすることもできる。

[0009] このようにして得られる周波数偏差を、適当な周波数測定装置により測定し、これを予め求めておいた周波数偏差一硬さの較正関係に基づいて硬さに変換することができる。

[0010] 特許文献 1 :特開平 9一 145691号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0011] 硬さセンサ 12は、その周波数一振幅特性、あるいは周波数一位相特性において、さまざまなピークを有する。したがって、上記のように、振動検出センサ 16—直流カット容量 -増幅器 22 -位相シフト回路 24 -振動子 14 -対象物 8 -振動検出センサ 16のループを形成するときは、位相シフト回路 24の動作中心周波数の設定 fをどのように選

f

択するかにより、さまざまな周波数で応答させることが可能である。位相シフト回路 24 の動作中心周波数 fは、硬さセンサ 12が対象物 8に接触するときに生ずる位相差 Δ

f

Θを適当な変換係数 Θで周波数偏差に変換するため、基準伝達特性曲線の形と、硬さセンサ 12が対象物 8に接触していないときの動作中心周波数 f とから

1 設定されるものである。したがって、対象物 8の硬さを精度よく測定するためには、硬さセンサ 12の有するさまざまなピークの中から、どれを硬さ測定に用いるか選択し、その動作中心周波数 f に合わせ、位相シフト回路 24の基準伝達特性曲線の形と、そ

1

の動作中心周波数 f_fを設定する必要がある。

[0012] いままで、硬さセンサの有するさまざまなピークの中から、どれを硬さ測定に用いるか選択は、ノウハウに委ねられている。したがって、位相シフト回路を用レ、る硬さ測定において、対象物 8の硬さを精度よく測定するための条件設定等に多大の負荷と時間を要している。

[0013] 本発明の目的は、位相シフト回路を用いて対象物の硬さを測定する硬さ測定システムについて、その動作中心周波数を選択することをより容易に可能とする硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法及び硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置を提供することである。他の目的は、硬さ測定に用いるための動作中心周波数を選定し、硬さ測定を行う硬さ測定システムを提供することである。以下の手段は、か力、る目的の少なくとも 1つを実現するために貢献するものである。

課題を解決するための手段

[0014] 本発明に係る硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法は、対象物に振動を入射する振動子と対象物から反射される信号を検出する振動検出センサとを有する硬さセンサと、硬さセンサに増幅器とともに直列に接続され、振動子への入力波形と振動検出センサからの出力波形に位相差が生じるときは、周波数を変化させてその位相差をゼロにシフトする位相シフト回路と、を含み対象物の硬さに応じて生ずる周波数変化より対象物の硬さを測定する硬さ測定システムについて、動作中心周波数を選択する方法であって、硬さセンサがテストピースに未接触の自由端状態で周波数に対する振幅特性又は位相特性における複数のピークを検出して各ピークを区別するピーク検出工程と、区別された各ピークについて、そのピーク位置の周波数又は位相又は振幅の中の少なくとも 1つを測定し記憶する自由端特性取得工程と、区別された各ピークにつき、硬さセンサをテストピースに接触させるときに変化する周波数又は位相又は振幅の中の少なくとも 1つを測定し記憶する接触特性取得工程と、区別された各ピークにつき、自由端特性と接触特性との間の周波数変化又は位相変化又は振幅変化の中の少なくとも 1つに基づレ、て、硬さ測定に用いるためのピークを選択するピーク選択工程と、選択されたピークの自由端状態の周波数を硬さセンサの動作周波数とし、硬さセンサの動作周波数力任意の周波数幅を隔てる周波数を位相シフト回路の動作周波数とする動作中心周波数設定工程と、を備えることを特徴とする。

[0015] 上記構成により、硬さセンサの周波数に対する振幅特性又は位相特性における複数のピークを検出し、その各ピークについて、硬さセンサがテストピースに接触していないときと接触するときの周波数変化、位相変化、振幅変化を求め、それに基づいて硬さ測定に用いるためのピークを選択する。ピークの選択の基準は、測定の目的に合わせ設定することができる。周波数変化、位相変化、振幅変化については、いずれカ 1つについて求めてもよぐその中の 2つ、例えば周波数変化、位相変化について求めてこれを選択の基準にしてもよぐまた、周波数変化、位相変化、振幅変化の 3つを総合した選択の基準としてもよい。例えば、位相変化の適当な大きさを定めてもよぐ位相変化の最も大きなピークを選択するようにしてもよぐまた、測定に都合のよい周波数範囲の中で選択を行うようにしてもよレ、。このようにして、硬さ測定システムについて、その動作中心周波数を選択することがより容易に可能となる。

また、本発明に係る硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法は、対象物に振動を入射する振動子と対象物から反射される信号を検出する振動検出センサとを有する硬さセンサと、硬さセンサに増幅器とともに直列に接続され、振動子への入力波形と振動検出センサからの出力波形に位相差が生じるときは、周波数を変化させてその位相差をゼロにシフトする位相シフト回路と、を含み対象物の硬さに応じて生ずる周波数変化より対象物の硬さを測定する硬さ測定システムについて、動作中心周波数を選択する方法であって、硬さセンサがテストピースに未接触の自由端状態で周波数に対する振幅特性又は位相特性における複数のピークを検出して各ピークを区別するピーク検出工程と、区別された各ピークについて、そのピーク位置の周波数又は位相又は振幅の中の少なくとも 1つを測定し記憶する自由端特性取得工程と、区別された各ピークにつき、硬さセンサを柔らかい硬さの第 1テストピースに接触させるときに変化する周波数又は位相又は振幅の中の少なくとも 1つを測定し記憶する第 1特性取得工程と、区別された各ピークにつき、硬さセンサを第 1テストピースより硬い第 2テストピースに接触させるときに変化する周波数又は位相又は振幅の中の少なくとも 1つを測定し記憶する第 2特性取得工程と、区別された各ピークにつき、自由端特性と第 1特性との間の周波数変化又は位相変化又は振幅変化の中の少なくとも 1 つと、自由端特性と第 2特性との間の周波数変化又は位相変化又は振幅変化の中の少なくとも 1つに基づいて、硬さ測定に用いるためのピークを選択するピーク選択工程と、選択されたピークの自由端状態の周波数を硬さセンサの動作周波数とし、硬さセンサの動作周波数力任意の周波数幅を隔てる周波数を位相シフト回路の動作周波数とする動作中心周波数設定工程と、を備えることを特徴とする。 [0017] 上記構成により、硬さセンサの周波数に対する振幅特性又は位相特性における複数のピークを検出する。そして、テストピースを柔ら力いものと硬いものと用意し、硬さセンサがテストピースに接触していないときと接触するときの周波数変化、位相変化、振幅特性が 2種類のテストピースについてどのように異なるかを各ピークについて求める。そして、その結果に基づいて硬さ測定に用いるためのピークを選択する。したがって、 2種類のテストピースの硬さ、柔らかさの範囲内で対応のよいピークを選択すること力 Sでき、硬さ測定システムについて、その動作中心周波数を選択することがより容易に可能となる。周波数変化、位相変化、振幅変化については、いずれか 1つについて求めてもよぐその中の 2つ、例えば周波数変化、位相変化について求めてこれを選択の基準にしてもよぐまた、周波数変化、位相変化、振幅変化の 3つを総合した選択の基準としてもょレ、。

[0018] また、ピーク選択工程は、自由端特性と第 1特性との間の周波数変化及び位相変化の変化方向と、自由端特性と第 2特性との間の周波数変化及び位相変化の変化方向とを比較し、相互に逆方向に変化する候補ピークの中から選択することが好ましレ、。

[0019] 上記構成により、 2種類のテストピースの硬さ、柔らかさの範囲内で位相の変化をより大きく検出できるピークを選択することができ、硬さ測定システムについて、その動作中心周波数を選択することがより容易に可能となる。

[0020] また、ピーク選択工程は、自由端特性に比べ第 1特性が周波数及び位相のいずれも減少方向に変化し、自由端特性に比べ第 2特性が周波数及び位相のいずれも増加方向に変化する候補ピークの中から選択することが好ましい。

[0021] 一般的な物質は、柔ら力べなるにつれ周波数が低周波側にずれ、位相は減少し、硬くなるにつれ周波数が高周波側にずれ、位相は増加する。上記構成により、一般的な物質に対する応答特性に沿ったピークを選択することができる。もちろん、位相シフト回路の機能は、位相と周波数の変換にあり、選択されるピークがこのようでなくても、他の理由、例えば感度がより良好であるとか、発振の安定性がより良好である等の理由の選択基準で選択することは可能である。

[0022] また、ピーク選択工程は、候補ピークの中から、変化幅の大きレ、ピークを選択することが好ましい。上記構成により、硬さに対する感度を大きくするピークを選択できる。

[0023] また、ピーク検出工程において、さらに、複数のピークの中から任意の周波数範囲の中にあるピークに絞り込む周波数絞込み工程を備えることが好ましい。硬さセンサの形状や材質等が同じであれば、そのテストピースに対する応答特性もほぼ同じである。例えば、硬さセンサの仕様が決まっていて、硬さ測定に適するピークがどの周波数範囲にあるかわかっていることがある。上記構成により、ピーク検出工程において周波数範囲を定めて行うことで、硬さ測定システムの動作中心周波数を選択することがより容易に可能となる。

[0024] また、ピーク検出工程において、さらに、複数のピークの中から任意の Q値以下にあるピークに絞り込む Q値絞込み工程を備えることが好ましい。

[0025] ここで Q値とは、ピークの鋭さを示す特性値で、例えば、周波数一振幅特性で、そのピークの半値幅、すなわちピークの最大振幅に対する半分の振幅における周波数幅で代表させることができる。一般的に、 Q値の大きいピークはその振動が安定で、例えば、対象物に接触したとしてもその振動状態の変化が少ない。いわゆる振動体の 1 次固有振動数などは、その Q値が高い代表である。位相シフト回路を用いる振動ループ系では、対象物に接触するときの位相のずれが大きいほどよぐまた、その位相のずれを位相シフト回路で補償するので、振動の安定性は高くないほうが望ましレ、。上記構成により、適当な振動の安定性を有するピークを選択するので、硬さ測定システムの動作中心周波数を選択することがより容易に可能となる。

[0026] また、ピーク検出工程において、さらに、複数のピークの中から、そのピーク位置における位相変化率が任意の値以下にあるピークに絞り込む位相変化率絞込み工程を備えることが好ましい。

[0027] ピークにおける位相が急変するようなものは、感度を高くとることができるが、反面振動が不安定になりがちである。上記構成により、適当な振動の安定性を確保できるピークを選択できる。

[0028] また、動作中心周波数設定工程は、位相シフト回路の Q値に応じて任意の周波数幅を設定することが好ましい。

[0029] 図 9に関連して説明したように、位相シフト回路 24における位相差 Δ Θを周波数偏差 A fに変換する変換係数 A f/ Δ Θは、位相シフト回路 24の基準伝達特性曲線の形、すなわちその Q値と、位相シフト回路 24の動作中心周波数 fと、硬さセンサ 12が

f

対象物 8に接触していないときの動作中心周波数 f との間の周波数幅で決まる。上

1

記構成により、位相シフト回路の Q値に応じて fと f との間の周波数幅を設定するので

f 1

、適当な変換係数 Δ ίΖ Δ Θを得ることができる。

[0030] また、本発明に係る硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置は、対象物に振動を入射する振動子と対象物から反射される信号を検出する振動検出センサとを有する硬さセンサと、硬さセンサに増幅器とともに直列に接続され、振動子への入力波形と振動検出センサからの出力波形に位相差が生じるときは、周波数を変化させてその位相差をゼロにシフトする位相シフト回路と、を含み対象物の硬さに応じて生ずる周波数変化より対象物の硬さを測定する硬さ測定システムについて、動作中心周波数を選択する装置であって、硬さセンサがテストピースに未接触の自由端状態で周波数に対する振幅特性又は位相特性における複数のピークを検出して各ピークを区別するピーク検出手段と、区別された各ピークについてその周波数と位相とを測定し記憶する自由端特性取得手段と、区別された各ピークにつき、硬さセンサをテストピースに接触させるときに変化する周波数と位相とを測定し記憶する接触特性取得手段と、区別された各ピークにつき、自由端特性と接触特性との間の周波数変化及び位相変化とに基づいて、硬さ測定に用いるためのピークを選択するピーク選択手段と、選択されたピークの自由端状態の周波数を硬さセンサの動作周波数とし、硬さセンサの動作周波数から任意の周波数幅を隔てる周波数を位相シフト回路の動作周波数とする動作中心周波数設定手段と、を備えることを特徴とする。

[0031] また、本発明に係る硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置は、対象物に振動を入射する振動子と対象物から反射される信号を検出する振動検出センサとを有する硬さセンサと、硬さセンサに増幅器とともに直列に接続され、振動子への入力波形と振動検出センサからの出力波形に位相差が生じるときは、周波数を変化させてその位相差をゼロにシフトする位相シフト回路と、を含み対象物の硬さに応じて生ずる周波数変化より対象物の硬さを測定する硬さ測定システムについて、動作中心周波数を選択する装置であって、硬さセンサがテストピースに未接触の自由端状態で、周波数に対する振幅特性又は位相特性における複数のピークを検出して各ピークを区別するピーク検出手段と、区別された各ピークについてその周波数と位相とを測定し記憶する自由端特性取得手段と、区別された各ピークにつき、硬さセンサを柔らかい硬さの第 1テストピースに接触させるときに変化する周波数と位相とを測定し記憶する第 1特性取得手段と、区別された各ピークにつき、硬さセンサを第 1テストピースより硬い第 2テストピースに接触させるときに変化する周波数と位相とを測定し記憶する第 2特性取得手段と、区別された各ピークにつき、自由端特性と第 1特性との間の周波数変化及び位相変化と、自由端特性と第 2特性との間の周波数変化及び位相変化とに基づいて硬さ測定に用レ、るピークを選択するピーク選択手段と、を備え、選択されたピークの自由端状態の周波数を硬さセンサの動作中心周波数とすることを特徴とする。

[0032] また、ピーク選択手段は、自由端特性と第 1特性との間の周波数変化及び位相変化の変化方向と、自由端特性と第 2特性との間の周波数変化及び位相変化の変化方向とを比較し、相互に逆方向に変化する候補ピークの中から選択することが好ましレ、。

[0033] また、ピーク選択手段は、自由端特性に比べ第 1特性が周波数及び位相のいずれも減少方向に変化し、自由端特性に比べ第 2特性が周波数及び位相のいずれも増加方向に変化する候補ピークの中から選択することが好ましい。

[0034] また、ピーク選択手段は、候補ピークの中から、変化幅の大きレ、ピークを選択することが好ましい。

[0035] また、ピーク検出手段において、さらに、複数のピークの中から任意の周波数範囲の中にあるピークに絞り込む周波数絞込み手段を備えることが好ましレ、。

[0036] また、ピーク検出手段において、さらに、複数のピークの中から任意の Q値以下にあるピークに絞り込む Q値絞込み手段を備えることが好ましい。

[0037] また、ピーク検出手段において、さらに、複数のピークの中から、そのピーク位置における位相変化率が任意の値以下にあるピークに絞り込む位相変化率絞込み手段を備えることが好ましい。

[0038] また、本発明に係る硬さ測定システムは、対象物に振動を入射する振動子と対象物から反射される信号を検出する振動検出センサとを有する硬さセンサを用いて対象物の硬さを測定する硬さ測定システムであって、硬さセンサと増幅器とが直列接続されたセンサ増幅回路部について、外部より周波数を変化させて掃引する信号を入力し、周波数に対する振幅特性又は位相特性において現れる複数のピークを予め定めた基準と比較して硬さ測定に用いるためのピークを選定し、選定されたピークに対応する選定周波数をセンサ増幅回路部に入力して選定周波数に対応する選定位相差が出力される状態で動作させるオープンループの第 1回路ループと、センサ増幅回路部の入力端と出力端の間に位相シフト回路を接続しループを閉じて自励発振ループを構成し、センサ増幅回路部への入力波形とその出力波形との間に位相差が生じるときは、位相シフト回路によって周波数を変化させてその位相差をゼロにシフトさせて自励発振を持続させるクローズドループの第 2回路ループと、センサ増幅回路部を含む回路ループを、第 1回路ループにおける選定周波数及び選定位相差の下の動作状態から、第 2の回路ループにおいてセンサ増幅回路部の両端の選定位相差を位相シフト回路で補償して選定周波数の下で自励発振を持続させる動作状態に切り替える切り替え手段と、切り替え後において、対象物に硬さセンサを接触させ、対象物の硬さに応じてセンサ増幅回路部の両端の位相差が選定位相差からさらに変化する硬さによる位相差成分を、位相シフト回路によって選定周波数から周波数を変化させて補償してセンサ増幅回路の両端を選定位相差のままに維持し、変化させた周波数偏差を出力する周波数偏差出力部と、を備え、出力された周波数偏差から対象物の硬さを測定することを特徴とする。

[0039] 上記構成により、第 1回路ループにおいて硬さ測定に用いるためのピークを選定し、その状態で切り替え手段によって第 2回路ループに切り替えて、第 1回路ループにおける選定周波数及び選定位相差の下の動作状態の下で自励発振を持続させる動作状態とする。したがって、選定された硬さ測定用のピークについてそのまま自励発振を持続できるので、硬さ測定用のピークについて自励発振を持続するように位相シフト回路の定数の設定を改めて行う必要がなぐその後の硬さ測定が容易となる。

[0040] また、本発明に係る硬さ測定システムにおいて、位相シフト回路は、位相検出器と電圧制御発振器と分周器とがループ状に接続されるフェーズロック回路であって、センサ増幅回路部の出力と分周器の出力とが位相検出器に入力されてそれらの間の位相差をゼロにするように発振状態をロックするフェーズロック回路と、時々刻々の分周器のデータについて選定位相差に相当するデータを補償演算し、これに基づき、センサ増幅回路部の出力信号の 1周期について選定位相差分の位相差を補償した位相差補償信号を出力する補償信号出力部と、を含み、補償信号出力部から出力される位相差補償信号をセンサ増幅回路部の入力信号として供給することが好ましレ、。

[0041] 位相シフト回路は、フェーズロック回路を含み、これによりロックされた発振状態の時々刻々のデータは分周器に現れる。その分周器のデータに、選定位相差に相当するデータを減算等で補償したデータを生成し、それに基づき位相差補償信号を生成する。したがって、抵抗、コンデンサ、インダクタ等の複雑な回路素子定数の変更等によることなぐ位相差補償信号を生成することができる。

[0042] また、本発明に係る硬さ測定システムにおいて、センサ増幅器回路部の出力をデジタル信号に変換して位相シフト回路に供給する変換器を含み、デジタル信号で動作する位相シフト回路の補償信号出力部は、電圧制御発振器の信号のデータをカウントする分周カウンタと、分周カウンタと同じビット数を有する選定位相差を補償するデータを分周カウンタのデータに加算するフルァダー回路と、フルァダー回路のデータから正弦波信号を生成する波形生成器と、を有し、生成された正弦波信号を位相差補償信号としてセンサ増幅回路部に供給することが好ましい。

[0043] 位相差補償信号を生成する回路部分は、デジタル信号処理を行うこととしたので、回路構成が簡単になる。発明の効果

[0044] 上記のように、本発明に係る硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法及び硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置によれば、位相シフト回路を用いて対象物の硬さを測定する硬さ測定システムについて、その動作中心周波数を選択することがより容易に行うことができる。また、本発明に係る硬さ測定システムによれば、硬さ測定に用いるためのピークにおいて自励発振を持続させて硬さ測定を行うことが容易となる。図面の簡単な説明

[図 1]本発明に係る実施の形態における硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置のブロック図である。

[図 2]本発明に係る実施の形態における動作中心周波数選択の手順を示すフローチヤートである。

[図 3]硬さセンサにっレ、て取得される周波数-振幅特性、周波数-位相特性の例を示す図である。

[図 4]本発明に係る実施の形態において、ピーク選択の内容を説明するため、あるピークについての自由端特性、第 1特性、第 2特性を並べて示す図である。

[図 5]本発明に係る実施の形態において、硬さセンサの周波数の変化と位相の変化のタイプを分類し、タイプ 1からタイプ 4として並べた図である。

[図 6]本発明に係る実施の形態において、ピークを選択する基準の 1例を示す図である。

[図 7]本発明に係る実施の形態において、硬さセンサと位相シフト回路の動作中心周波数の設定が行われる様子を説明する図である。

[図 8]従来技術における位相シフト回路を用いる硬さ測定システムの例を示す図である。

[図 9]従来技術における位相シフト回路基準伝達特性曲線の例を示す図である。

[図 10]従来技術における基準伝達特性曲線を有する位相シフト回路を用いた場合の硬さ測定の様子を説明する図である。

[図 11]本発明の実施の形態の硬さ測定システムにおいて、位相シフト回路の位相曲線 106の様子を示す図である。

[図 12]本発明に係る実施の形態における硬さ測定システムの構成を示すブロック図である。

[図 13]本発明に係る実施の形態における硬さ測定システムの第 1回路ループに関する構成を示すブロック図である。

[図 14]本発明に係る実施の形態における硬さ測定システムの第 2回路ループに関する構成を示すブロック図である。 [図 15]本発明に係る実施の形態における硬さ測定システムの対象物の硬さを測定する手順を示すフローチャートである。

[図 16]本発明に係る実施の形態における硬さ測定システムにおいて、第 1回路ループのときの位相差を説明する図である。

[図 17]本発明に係る実施の形態における硬さ測定システムにおいて、第 2回路ループのときの位相差補償を説明する図である。

[図 18]本発明に係る実施の形態における硬さ測定システムにおいて、硬さセンサを対象物に接触させたときの周波数偏差を説明する図である。

符号の説明

[0046] 4, 6 テストピース、 8 対象物、 10 硬さ測定システム、 12 硬さセンサ、 14 振動子、 16 振動検出センサ、 20 硬さ検出部、 22 増幅器、 24 位相シフト回路、 26 周波数偏差検出器、 28 硬さ換算器、 50 動作中心周波数選択装置、 52 CPU, 54 入力部、 56 出力部、 58 記憶装置、 60 ネットワークアナライザ、 62 PG部、 64 ANA部、 70 ピーク検出部、 72 絞込み部、 74 自由端特性取得部、 76 第 1 特性取得部、 78 第 2特性取得部、 80 ピーク選択部、 82 動作中心周波数設定部、100, 106 位相曲線、 102 硬さセンサの特性、 104 (硬さセンサ +対象物）の特性、 120 硬さ測定システム、 122 第 1回路ループ、 124 第 2回路ループ、 130 硬さ測定コンピュータ、 132 制御部、 134 モニタ部、 136 発振周波数設定部、 138 補償位相差出力部、 140 切替部、 142 周波数偏差出力部、 144 硬さ換算部、 146 水晶発振器、 150 PLD、 152 発振周波数設定回路、 154 26ビットフルァダ一回路、 156, 164 正弦波発生器、 158 位相差検出器、 160 256分周力ゥンタ、 162 8ビッ卜フノレァダー回路、 166 周波数カウンタ、 170, 172 切り替え回路、 180 変換回路、 182 DZA変換器、 184 ローパスフィノレタ、 186 バッファ回路、 188 コンパレータ、 190 PLL回路、 192 位相検出器、 194 電圧制御発振器、 200 センサ増幅回路部、 210 位相シフト回路。

発明を実施するための最良の形態

[0047] 以下に本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。ここで適用される硬さ測定システムは、位相シフト回路を用いて対象物の硬さを測定するシステムで、図 8、図 9で説明したような硬さ測定システムである。対象物は、振動を入射できその反射信号を検出できるものであればよい。例えば、生体の組織、例えば皮膚組織、開腹した部所の肝臓等の内臓組織であってもよぐまたそれ以外の材料物質、例えば柔らかレ、ゾル状の物ゃ硬レ、固体であってもよレ、。

[0048] また、以下では、硬さ測定システムの動作中心周波数選択の対象となる硬さセンサとして、圧電素子を 2つ積み重ね、一方を振動子とし、他方を振動検出センサとするものを説明するが、振動を対象物に入力でき、対象物からの応答信号を検出できるものであれば、それ以外の構成であってもよレ、。例えば、 1つの圧電素子を用い、その両側の圧電面のうち片方の面を接地し、もう片方の面に設けられる電極パターンを外側リング電極と、中心側円電極とする構成の硬さセンサでもよい。この場合は、外側リング電極に入力される交流信号に応じ、圧電素子の外周部分が振動するので振動子として働き、圧電素子の中央部分が検出する振動に応じた交流信号が中心側円電極に現れて振動検出センサとして働く。また、振動子と振動検出センサとを別々に用意し、その集合を硬さセンサと呼ぶものとしてもよい。また、硬さセンサと対象物との間に適当な接触用ボールや、接触用突出棒等を設けてもよい。

[0049] 図 1は硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置 50のブロック図である。硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置 50 (以後、特に断らない限り、動作中心周波数選択装置 50とする）は、 CPU52と、キーボード等の入力部 54、ディスプレイやプロッタ等の出力部 56、プログラムや特性データ等を記憶する記憶装置 58と、硬さセンサ 12の周波数一振幅特性、周波数一位相特性を測定して取得するネットワークアナラィザ 60を含み、これらは内部バスで相互に接続される。かかる動作中心周波数選択装置 50は、ネットワークアナライザ機能を内蔵する専用コンピュータ等で構成することができる。また、一般的なコンピュータと、一般的なネットワークアナライザとを組み合わせて構成することもできる。

[0050] 図 1において、硬さセンサ 12は、図示されていない対象物に振動を入射する振動子 14と対象物から反射される信号を検出する振動検出センサ 16とを有する。硬さセンサ 12は、 PZT (チタン酸ジルコン酸鉛）の圧電素子を 2つ積み重ね、一方を振動子 14とし、他方を振動検出センサ 16としたものである。動作中心周波数選択装置 50の動作においては、硬さセンサ 12は、予め用意された 2種類のテストピース 4, 6に接触し、その周波数-振幅特性、周波数-位相特性が測定される。

[0051] テストピースの一方は、柔らかい硬さの第 1テストピース 4で、例えばシリコンゴムのような弾性体を板材に貼り付けたものを用いることができる。テストピースの他方は、第 1 テストピースより硬い第 2テストピース 6で、例えば、木材や、硬質プラスチックを板材に貼り付けたものを用いることができる。第 1テストピース 4及び第 2テストピース 6は、硬さ測定システムの扱う対象物の硬さ範囲の上限と下限を代表する物質をそれぞれ貝占り付けたものが望ましい。第 1テストピース 4及び第 2テストピース 6を硬さセンサ 12 に接触させるのは、搬送装置等を用いて CPU52の指示の下で自動的に行ってもよぐオペレータが動作中心周波数選択装置 50と対話的に交信しつつ、手動で行ってもよレ、。簡易的には、オペレータの手の平や指先等を第 1テストピース 4とし、測定机の表面部等を第 2テストピース 6とし、オペレータが硬さセンサ 12を手の平や測定机の表面部に接触させることでもよい。

[0052] ネットワークアナライザ 60は、硬さセンサの周波数一振幅特性、周波数一位相特性を測定取得する機能を有する測定器であって、周波数を変化させてパルス信号を掃引出力できる PG部 62と、信号を受け取ってその周波数一振幅特性、周波数一位相特性を解析測定する ANA部 64とを含む。 PG部 62からの出力端子は硬さセンサ 12 の振動子 14に接続され、 ANA部 64への入力端子は硬さセンサ 12の振動検出センサ 16に接続される。具体的には、ネットワークアナライザ 60は、 CPU52の指示を受けて、所定の周波数範囲でノ^レスを掃引して振動子 14に供給し、振動検出センサ 1 6から受け取った信号を解析してその周波数一振幅特性、周波数一位相特性を測定し、測定取得されたデータを、内部バスを介し CPU52に送る機能を有する。

[0053] CPU52は、ネットワークアナライザ 60に指示を与え、ネットワークアナライザ 60から送られてくるデータを処理し、硬さ測定システムの動作中心周波数を選択する機能を有する。具体的には、硬さセンサ 12がテストピースに接触していない自由状態におレ、て周波数一振幅特性を受け取り、その複数のピークをそれぞれ検出するピーク検出部 70と、各ピークについてその周波数及び位相を取得する自由端特性取得部 74 と、硬さセンサ 12が第 1テストピース 4に接触したときの各ピークの周波数及び位相を取得する第 1特性取得部 76と、第 2テストピース 6に接触したときの各ピークの周波数及び位相を取得する第 2特性取得部 78と、これらに基づき硬さ測定に用いるピークを選択するピーク選択部 80と、選択されたピークに基づいて硬さ測定システムの動作中心周波数を設定する動作中心周波数設定部 82を含む。ピーク検出部 70には、複数のピークのうち、ある範囲のピークに絞り込み、以後の処理をより容易にする絞込み部 72を含む。これらの機能はソフトウェアによって実現することができ、具体的には対応する動作中心周波数選択プログラムを実行することで実現できる。また、各機能の一部をハードウェアで実現するように構成してもよレ、。

[0054] 上記構成の動作中心周波数選択装置 50の作用、特に CPU52の各機能について、動作中心周波数選択の手順を示す図 2のフローチャートを用いて説明する。

[0055] 動作中心周波数選択の手順を行うには、まず動作中心周波数選択の対象となる硬さセンサ 12をネットワークアナライザ 60に上記の接続法により接続する。ついで対応する動作中心周波数選択プログラムを起動する。そして、その指示に従レ、まず硬さセンサ 12を自由端状態にセットする（S 10)。具体的には、硬さセンサ 12を何物にも接触させていない自由端状態とする。上記のように、搬送装置等を用いて自動的に硬さセンサ 12をテストピースに対し離隔する方向に移動させてもよぐオペレータが動作中心周波数選択装置 50と対話して、「自由端にセットして下さい」の指示に従い、硬さセンサ 12をフリーの状態にするものとしてもよい。

[0056] そして、周波数一振幅特性、周波数一位相特性を取得する（S12)。具体的には、 C PU52のピーク検出部 70の機能の一部により、ネットワークアナライザ 60に指示を与え、所定の周波数範囲のパルス信号を掃引しつつ振動子 14に与え、振動検出センサ 16からの信号を受け取り、その周波数一振幅特性、周波数一位相特性を測定取得する。取得された周波数-振幅特性、周波数-位相特性は、一旦記憶装置 58に記憶される。

[0057] 図 3に取得される周波数一振幅特性、周波数一位相特性の例を示す。図 3は、周波数一振幅特性、周波数一位相特性をわ力、りやすいように 1つの表示画面に表したときの様子を示すもので、横軸に周波数、縦軸に振幅及び位相をとり、周波数 -振幅特性を実線で、周波数一位相特性を破線で示してある。掃引する周波数範囲は、例えば 1kHzから 10MHz等と広い範囲にすることができ、振幅もその周波数範囲における振幅範囲をカバーするように広くとり、位相も同様にその周波数範囲における振幅範囲をカバーするように広くとってある。

[0058] 図 3において、周波数一振幅特性に注目すると、この周波数範囲ではかなり多くのピークが存在する。同様に、周波数一位相特性に注目しても、この周波数範囲ではかなり多くのピークが存在することがわかる。この複数のピークの中で、硬さ測定に適するピークを 1つ選択するのが動作中心周波数選択装置 50の目的であり、機能である。この多数のピークのそれぞれを検出し、それらについて以後の処理を行ってもよい。まったくの最初のときは、周波数一振幅特性におけるすべてのピーク、及び周波数一位相特性におけるすべてのピークを検出し、それらについて以後の処理を行うのが望ましレ、。データや経験が積み重なってくると、対象とするピークを絞り込むことができる。

[0059] そこで、ピーク絞込みを行う（S14)。具体的には、 CPU52のピーク検出部 70に含まれる絞込み部 72の機能により、予め定めてある絞込み基準に従って、多数のピークの中で、以後の処理に適するピークを絞り込む。

[0060] 絞込み基準の 1つは、周波数 -振幅特性、周波数 -位相特性のいずれかに絞るものである。いずれに絞り込んでもよい。例えば周波数一振幅特性に絞込み、その特性における各ピークを対象ピークとしてもよい。

[0061] また、絞込み基準の 1つは、周波数範囲を所定の範囲に絞り、絞り込まれた周波数範囲の中のピークに絞り込むものである。例えば、ある形状、ある材質の硬さセンサを扱っているうちに、そのタイプの硬さセンサは、経験上、ある範囲の周波数近辺に硬さ測定に適するピークがあることがわかってくることがある。具体的に 10mm直径で厚さ lmmの圧電素子を積層して構成する硬さセンサが数 10kHz近辺に硬さ測定に適するピークがあることがわかっているとすれば、周波数範囲を 10_100kHzの範囲に絞ることが可能である。

[0062] また、絞込み基準の 1つは、ピークの Q値の範囲を制限するものである。ここでピークの Q値とは、ピークの鋭さを示す特性値で、例えばピークの半値幅等を用いることができる。ピークの半値幅が狭いときは、そのピークが代表する振動は安定したものであることが多ぐテストピースに接触したときに、周波数や位相の変化が少なぐ硬さ測定に十分な感度を得られないことがある。そこで、ピークの半値幅が所定の値以上あるピークに絞り込むことがよい。例えば <3値=半値幅/周波数として、 Q値が 1%以上のものに絞り込むものとすることができる。

[0063] また、絞込み基準の 1つは、ピーク位置における位相の変化率の大きさを制限するものである。ピークの周波数において位相が急激に変化するピークを用いると、 Δ Θ / A fを大きくできるが、一方でその振動が不安定となり、硬さ測定値の精度がかえつて低下することがある。そこで、ピークの周波数における位相の変化率が所定の値以下に絞り込むことがよレ、。例えば、そのピークの半値幅の間における位相の変化が、 45度以下のものに絞ることができる。

[0064] また、絞込み基準の 1つは、ピークが混み合って現れる範囲のピークを除外するものである。ピークが混み合つているところは、振動の多重モードが現れていることが多ぐその振動が不安定等のため、硬さ測定に適さないことがある。そこで、ピークが混み合っていないところのピークに絞り込むことがよい。例えば、ピーク数/周波数幅が所定以下であるときのピークに絞り込む。あるいは、周波数一振幅特性、周波数一位相特性の画面上でオペレータがピークの混み合つている範囲を除外して対象範囲を特定してもよい。

[0065] これらの絞込み基準を用いる際に、硬さセンサに適当な材料を付加し、ピークの Q 値や、ピーク位置における位相の変化率の大きさを適当な値に改善させて用いてもよい。例えば、測定がしゃすい周波数のピークであるが Q値が鋭すぎるときは、粘性物質を硬さセンサの接触面側に付加し、適当な Q値及び適当な位相変化とすることができる。位相の変化率が大き過ぎるときも同様に適当な材料物質を付加して適当な位相変化率とすることができる。

[0066] これらの絞込み基準は、単独で用いてもよぐ複数を適宜組み合わせてもよい。例えば、周波数範囲を lOkHz-lOOkHzとし、周波数-振幅特性において、振幅特性のピークの (3値=半値幅/周波数が 1%以上というように絞り込むことができる。

[0067] 再び図 2に戻り、絞り込まれた範囲について、ピーク検出を行う（S16)。具体的には、 CPU52のピーク検出部 70の機能の一部により、周知のピーク検出の手法により、絞り込まれた範囲のすべてのピークを検出する（S16)。周知のピーク検出の手法としては、最大値検出、微分係数の変曲点検出等を用いることができる。

[0068] そして、検出された各ピークについて、そのピーク位置の周波数と位相を取得する（ S18)。取得された各ピーク位置の周波数と位相は自由端特性として記憶される（S2 0)。具体的には、自由端特性取得部 74の機能により、ピーク検出されたピークをラベル付け等の識別キーを付し、 S12の工程で記憶装置 58に記憶された周波数一振幅特性、周波数一位相特性と照合し、各ピークについてそのピーク位置の周波数と位相を取得し、各ピークを区別する識別キーとともに記憶装置 58に記憶される。自由端特性とは、各ピークのピーク位置の周波数と位相のデータの集合である。

[0069] こうして自由端特性特性が取得され記憶されると、次に硬さセンサ 12を第 1テストピース 4に接触させる（S22)。接触は、 S10で説明したと同様に、自動で行ってもよぐ「第 1テストピースに接触させて下さい」等の対話式でオペレータが手動で行ってもよレ、。手動のときに、簡易的にオペレータの手の平等に接触し、これを第 1テストピース 4と扱ってもよい。

[0070] そして、周波数振幅特性、周波数一位相特性を取得する（S24)。具体的には、第 1特性取得部 76の機能の一部により、 S12の工程で説明したと同様に、ネットワークアナライザ 60に指示を与え、所定の周波数範囲のノ^レス信号を掃引しつつ振動子 1 4に与え、振動検出センサ 16からの信号を受け取り、その周波数振幅特性、周波数 -位相特性を測定取得する。取得された周波数 -振幅特性、周波数 -位相特性は、一旦記憶装置 58に記憶される。

[0071] ついで、 S16で検出された各ピークにつき、そのピーク位置の周波数と位相を取得する（S26)。取得された各ピーク位置の周波数と位相は第 1特性特性として記憶される（S28)。具体的には、第 1特性取得部 76の機能の一部により、すでにラベル付け等の識別キーが付されている各ピークについて、 S24の工程で記憶装置 58に記憶された周波数一振幅特性、周波数一位相特性と照合し、それらのピーク位置の周波数と位相を取得し、各ピークを区別する識別キーとともに記憶装置 58に記憶される。第 1特性とは、各ピークのピーク位置の周波数と位相のデータの集合である。

[0072] こうして第 1特性特性が取得され記憶されると、次に硬さセンサ 12を第 2テストピース 6に接触させる（S30)。接触は、 S10、 S22で説明したと同様に、自動で行ってもよく、「第 2テストピースに接触させて下さい」等の対話式でオペレータが手動で行ってもよレ、。手動のときに、簡易的に測定机の表面部に接触し、これを第 2テストピース 6 と扱ってもよい。

[0073] そして、周波数一振幅特性、周波数一位相特性を取得する（S32)。具体的には、第 2特性取得部 78の機能の一部により、 S12、 S24の工程で説明したと同様に、ネットワークアナライザ 60に指示を与え、所定の周波数範囲のパルス信号を掃引しつつ振動子 14に与え、振動検出センサ 16からの信号を受け取り、その周波数一振幅特性、周波数 -位相特性を測定取得する。取得された周波数 -振幅特性、周波数 -位相特性は、ー且記憶装置 58に記憶される。

[0074] ついで、 S16で検出された各ピークにつき、そのピーク位置の周波数と位相を取得する（S34)。取得された各ピーク位置の周波数と位相は第 2特性特性として記憶される（S36)。具体的には、第 2特性取得部 78の機能の一部により、すでにラベル付け等の識別キーが付されている各ピークについて、 S32の工程で記憶装置 58に記憶された周波数一振幅特性、周波数一位相特性と照合し、それらのピーク位置の周波数と位相を取得し、各ピークを区別する識別キーとともに記憶装置 58に記憶される。第 2特性とは、各ピークのピーク位置の周波数と位相のデータの集合である。

[0075] こうして自由端特性、第 1特性、第 2特性が取得され記憶されると、これらに基づき、硬さ測定に適するピーク選択が行われる（S38)。具体的には、ピーク選択部 80の機能により、自由端特性、第 1特性、第 2特性の各ピークのデータを所定の基準の選択処理を行い、硬さ測定に適する 1つのピークが選択される。

[0076] 図 4に、ピーク選択の内容を説明するため、あるピークについての自由端特性、第 1 特性、第 2特性を並べて示す。図 4では、（b)に自由端状態における周波数一振幅特性、周波数一位相特性を拡大して示し、その左側の（a)に第 1テストピース 4に接触したときの周波数一振幅特性、周波数一位相特性を示し、（b)の右側の（c)に第 2テストピース 6に接触したときの周波数一振幅特性、周波数一位相特性を示してある。いずれも横軸に周波数、縦軸に振幅と位相を取り、周波数一振幅特性を実線で、周波数一位相特性を破線で示してある。 [0077] 図 4の例では、自由端状態におけるピーク位置における周波数 f 、位相 Θ 、第 1

0 0 テストピース 4に接触すると、周波数が低周波側にシフトして f となり、位相も小さな値

s

の Θ となるのに対し、第 2テストピース 6に接触すると、周波数が高周波側にシフトし s

て Ϊとなり、位相は大きな値の Θ となっている。ここで、周波数の変化と位相の変化に h h

注目すると、自由端状態から第 1テストピース 4に接触すると、周波数も位相も減少するのに対し、自由端状態から第 2テストピース 6に接触すると、周波数も位相も増加する。

[0078] 図 5は、周波数の変化と位相の変化のタイプを分類し、タイプ 1からタイプ 4として並ベたものである。なお、一般的な振動体では、周波数の変化と振幅の変化は逆方向になることが多いので、このような場合には、周波数の変化と位相の変化のタイプに代えて、振幅と位相の変化のタイプに分類してもよい。このように、現れる可能性のある組み合わせは 4つあり、各ピークは、これら 4つのタイプにいずれかに分類されるが、どのようなメカニズムで特定のピークが特定のタイプに属するかは、現在のところまだ解明されていなレ、。したがって、硬さセンサが硬さ測定に適するかどうかを判断するときは、硬さセンサをテストピースに接触させ、そのときの位相の変化に着目するだけでなく、周波数の変化、振幅の変化を合わせて検討することが望ましい。以下では、周波数変化と、位相変化の 2つに着目する場合について説明する。

[0079] 周波数変化と、位相変化とに着目すると、ピーク選択の基準はこの 4つのタイプを用いて定めることができる。通常は、図 6に示すような特性を有するピークを選択する基準として用いることができる。すなわち、自由端状態から柔らかい第 1テストピース 4 に接触したときの変化がタイプ 4で、自由端状態から硬い第 2テストピース 6に接触したときの変化がタイプ 1であるピークを、硬さ測定に適するピークとして選択する基準である。図 6の選択基準を満たすピークは、柔らかいものに接触すると、周波数も位相も低下し、硬いものに接触すると周波数も位相も上昇するという特性をもつものである。このように、変化の方向が逆方向であるので、位相差の変化を拡大して捉えること力 Sできる。

[0080] また、このようなピークを有する振動系は、単自由度系の振動と同じような傾向を有するものである。したがって、このようなピークを用いて、対象物の硬さを測定することは、単自由度系振動のモデルに合わせることになり、通常の物理現象に近い測定を行っていることにもなる。ちなみに、図 4の例は、図 6の選択基準に合うピークであるので、そのまま、硬さ測定に適するピークとして選択することができる。

[0081] また、別のピーク選択の基準は、図 6のタイプの中で、その位相差の変化がより大きなピークを選択するというものである。この基準によれば、硬さ検出の感度をさらに向上させることができる。

[0082] また、別のピーク選択の基準として、自由端状態から柔らかい第 1テストピース 4に接触したときの変化がタイプ 2で、自由端状態から硬い第 2テストピース 6に接触したときの変化がタイプ 3であるピークを、硬さ測定に適するピークとして選択するものとしてもよレ、。あるいは、自由端状態から柔らかい第 1テストピース 4に接触したときの変ィ匕がタイプ 3で、自由端状態から硬い第 2テストピース 6に接触したときの変化がタイプ 2であるピークを、硬さ測定に適するピークとして選択するものとしてもよい。この場合には、単自由度振動のモデルとは異なるが、やはり変化の方向が逆方向であるので、位相差の変化を拡大して捉えることができる。

[0083] また、別のピーク選択の基準として、他の基準、例えば感度がより良好であるとか、発振の安定性がより良好である等の理由の選択基準で選択し、図 5のタイプ分類にはこだわらなレ、ことも可能である。

[0084] これらピーク選択の基準は、相互にその内容が矛盾しない限り、複数の選択基準を組み合わせてもよい。例えば、図 6の選択基準でもなお複数のピークが選択されるときは、その位相差の最大のものを 1つ選択するというようにできる。このように、予め定めたピーク選択の基準に各ピークの特性変化を当てはめ、ピーク選択の基準に合うピークを 1つ選択することでピーク選択が行われる。

[0085] 硬さ測定に適するものとしてピークが 1つ選択されると、動作中心周波数設定部 82 の機能により、動作中心周波数の設定が行われる（S40)。まず選択された 1つのピークの自由端状態における周波数が、その硬さセンサの動作中心周波数 f とされる。

1 そして、位相シフト回路 24の動作中心周波数 fは、図 7に示すように、 f と所定の周波

f 1

数幅 AWだけ隔てるものとして設定される。所定の周波数幅は、位相シフト回路 24の Q値、すなわち周波数一振幅特性のピークの鋭さに応じて設定することができる。すなわち、位相シフト回路 24の Q値が大きくて、ピークが鋭ぐ Δ Θ / A fの変化が大きいときは、 A Wを大きく設定してもよぐ逆にピークがなだらかで、 Δ の変化が小さいときは、を小さくし、 f近傍の Δ Θ / A fが大きいところで位相差補償を行うようにすることがよレ、。

[0086] 上記において、動作中心周波数選択の各手順は、コンピュータを含む動作中心周波数選択装置 50において、動作中心周波数選択プログラムを実行することで行われるものとして説明した。この他に、コンピュータを用いず、ネットワークアナライザの機能を中心として、ハードウェアで構成する専用機で上記手順を実行するものとしてもよい。また、一般的なネットワークアナライザ等の解析装置をオペレータが操作し、図 2の各工程を順次手動で行うことでも動作中心周波数選択を行うこともできる。

[0087] 次に、上記のようにして硬さ測定に用いられるピークが選定されたあとの処理について、好適な硬さ測定システムについて説明する。硬さ測定システムとしては図 8に関連して説明したように、対象物 8に振動を入射する振動子 14と対象物 8から反射される信号を検出する振動検出センサ 16とを有する硬さセンサ 12を用い、硬さセンサ 12と増幅器 22と位相シフト回路 24とを直列に接続する回路ループを用いることができる。この回路ループはクローズドループ（閉ループ）であるので、硬さセンサ 12、増幅器 22、位相シフト回路 24の特性に応じた自励発振を起こすことが可能である。その場合に、硬さ測定に用いられるピークとして選定された選定周波数、選定位相差の下で、正確にはその近傍で自励発振を生ずるように回路ループの特性、特に位相シフト回路 24の特性を設定する必要がある。以下で説明する硬さ測定システムは、硬さ測定に用レ、られるピークとして選定された選定周波数、選定位相差の下で自励発振を生ずる設定を容易にすることを目的とするものである。

[0088] 位相シフト回路としては、図 9に示すような周波数 f_fにおいて振幅ピークを有する基準伝達特性曲線を有するものを用いることができる。ここで位相シフト回路の動作中心周波数 fは、図 7に関連して説明したように、硬さセンサ 12の動作中心周波数 f 、

f 1 すなわち硬さの測定に用いられる選定周波数に基づいて設定される。このような基準伝達特性曲線を有する位相シフト回路は、抵抗、コンデンサ、インダクタ等の回路素子を組み合わせ、それらの定数を適切に設定することで得ることができる。図 10は、このような基準伝達特性曲線を有する位相シフト回路を用いた場合の硬さ測定の様子を説明する図である。

[0089] 図 10において、縦軸は位相、横軸は周波数で、図 9における位相シフト回路の基準伝達特性曲線の位相曲線 100が示される。また、硬さセンサ 12を対象物 8に接触しないときの硬さセンサ 12の周波数一位相特性を実線 102で、硬さセンサ 12を対象物 8に接触させたときの（硬さセンサ 12 +対象物 8)の周波数一位相特性を破線 104 で示してある。そして、上記のように、所定の基準に従って硬さ測定のためのピークが選定され、そのピークの近傍で実際に硬さ測定に用いる選定周波数 f 、選定位相差

Θ が指定されると、実線 102の選定周波数 f 、選定位相差 Θ の位置を通るように位相シフト回路の特性が設定される。このようにして位相シフト回路の特性が設定されることで、硬さセンサー増幅器一位相シフト回路の閉ループは、選定周波数 f 、選定位相差 Θ の条件で自励発振を行うことができる。この状態で、硬さセンサ 12が対象物 8 に接触すると、閉ループの発振状態が変化し、図 10に示すように位相シフト回路の位相曲線 100と破線 104の交点に移動する。すなわち、硬さに応じた位相差 Δ Θ、周波数偏差が生ずる。この変化は対象物 8の硬さに依存するので、検出された周波数偏差 Δ fから対象物の硬さを求めることができる。

[0090] このように、図 9で説明した基準伝達特性曲線を有する位相シフト回路を用いて、対象物の硬さを求めることができる力硬さ測定に用いる選定周波数 f 、選定位相差 s

Θ が選定されても、その点をちようど通るように位相シフト回路を設定するには、多くの回路素子の定数を様々に変更しながら正確に行うことを要する。この定数設定を正確に行わないと、閉ループの自励発振がせつ力べ選定した選定周波数 f 、選定位相差 Θ の下で生じず、硬さ測定の精度が低下する。

[0091] 以下に説明する硬さ測定システムは、予め選定した選定周波数 f 、選定位相差 Θ の下で閉ループの自励発振を維持することを容易にするものであるが、最初にその原理を説明する。この新しい硬さ測定システムは、位相シフト回路の特性力図 9に説明したものと異なる。図 11は、その新しい位相シフト回路の位相曲線 106の様子を示す図である。すなわち、この位相シフト回路は、閉ループにおいて、選定位相差 Θ を常に維持する特性を有し、硬さセンサ 12が対象物 8に接触しないときの硬さセンサ 12の特性である実線 102、接触するときの（硬さセンサ 12 +対象物 8)の特性である破線 104との交点における周波数の変化である周波数偏差 Δ fでもって、対象物 8 の硬さを検出する。図 11の作用の位相シフト回路は、硬さセンサの入力側と出力側との間の位相差を選定位相差 Θ に常に維持するようにする構成が必要であるが、こ s

のような機能を有する構成は、図 9に示す基準伝達特性曲線を望ましい特性に設定するのに比較して、以下に詳述するように、回路技術によって容易に実現することができる。

[0092] そしてこのような位相シフト回路を用いることで、硬さ測定に用いられるピークとして選定された選定周波数、選定位相差の下で自励発振を行わせ、その下で硬さ測定を行うことが容易に実現できる。すなわち、オープンループで (硬さセンサ +増幅器）に外部から信号を入力し、その信号を硬さ測定用の選定周波数 f に選んでそのまま s

動作させると、（硬さセンサ +増幅器）の入力側と出力側に位相差が出るがこれが選定位相差 Θ に相当する。この状態で動作を継続させ、ついで、これに位相シフト回路を接続してループを閉じてクローズドループにする。オープンループからクローズドループへの切り替えは、電子スィッチで行えば、オープンループが有する振動持続力によって、その振動が減衰する前にクローズドループに切り替えられ、選定周波数 f 、選定位相差 Θ の振動状態がそのままクローズドループに持続される。その際に、位相シフト回路を、（硬さセンサ +増幅器）の出力側の信号について選定位相差分を補償する信号を生成する回路構成とし、その生成した信号を (硬さセンサ +増幅器）の入力側に供給するようにループを閉じる。このようにすることで、硬さセンサの入力側と出力側との間の位相差を選定位相差 Θ に常に維持するようにして自励振動を持続させることができる。

[0093] 以下に、力かる新しい位相シフト回路を用レ、、硬さ測定に用いられるピークとして選定された選定周波数、選定位相差の下で自励発振を生ずる設定を容易にする硬さ測定システムの詳細を説明する。図 12は、力、かる硬さ測定システム 120の構成を示すブロック図である。この硬さ測定システム 120は、システム全体の動作を制御する硬さ測定コンピュータ 130と、水晶発振器 146と、デジタル回路を集積化した PLA (P rogramable Logic Array) 150と、 PLA(150)からのデータを正弦波波形に変換する変換回路 180と、硬さセンサ 12と増幅器 22とを直列接続され変換回路 180からの正弦波波形が入力されるセンサ増幅回路部 200と、センサ増幅回路部 200の出力信号をデジタル化するコンパレータ 188と、 PLL (Phased Lock Loop)回路 19 0を含んで構成される。

[0094] ここで PLA150は、オープンループの回路ループのデジタル回路部分 C1と、クローズドノレープの回路部分 C2と、オープンノレープの回路ノレープとクローズドノレープの回路ループとの切り替えを行う切り替え回路 170, 172を含む。

[0095] PLA (150)のデジタル回路部分 C1は、水晶発振器 146からの源振からデジタル処理により所定の周波数の信号を合成するための周波数設定回路 152、 26ビットフルァダ一回路 _{1 54}、正弦波発生器 156を含み、さらに、硬さ測定に用いるために選定された選定周波数 f の下でのセンサ増幅回路部 200の入力端と出力端との間の位相差である選定位相差 Θ を検出する位相差検出器 158を含む。周波数設定回路

152の設定は、硬さ測定コンピュータ 130の制御の下で行われ、位相差検出器 158 で検出された選定位相差 Θ のデータは硬さ測定コンピュータ 130に記憶される。

s

[0096] PLA (150)のデジタル回路部分 C2は、 PLL回路 190に接続される 256分周カウンタ 160と、 256分周カウンタ 160のデータと選定位相差 Θ を補償するデータを加算 s

する 8ビットフルァダー回路 162と、それに基づいて正弦波データを生成する正弦波発生器 164を含む。また、クローズドループの回路ループにおける周波数を計測する周波数カウンタ 166を含む。周波数カウンタ 166のデータは、硬さセンサ 12が対象部 8に接触していないときのデータと、接触したときのデータとがそれぞれ硬さ測定コンピュータ 130にとりこまれ、その周波数偏差力も硬さが変換される。

[0097] 硬さ測定コンピュータ 130は、制御部 132と、モニタ部 134を備える。制御部 132は、 CPUとメモリとを含み、デジタル回路部分 C1の周波数設定回路 152に対する周波数設定を行う発振周波数設定部 136、デジタル回路部分 C1で検出された選定位相差 Θ をとりこんで記憶し、デジタル回路部分 C2の 8ビットフルァダー回路 160に出力する補償位相差出力部 138、切り替え回路 170, 172を切り替える切替部 140、周波数偏差を求める周波数偏差出力部 142、予め定められた換算方式に従って周波数偏差を硬さに変換する硬さ換算部 144を含む。 [0098] 力かる硬さ測定システム 120は、硬さ測定コンピュータ 130の制御部 132における切替部 140の機能により切り替え回路 170, 172を動作させ、オープンループの回路ループ又はクローズドループの回路ループに切り替えて用いられる。以下では、ォープンループの回路ループを第 1回路ループ、クローズドループの回路ループを第 2回路ループと呼ぶことにして、それらの構成を順次説明する。

[0099] 図 13は、第 1回路ループ 122に関する構成を示すブロック図である。第 1回路ループ 122は、制御部 132の切替部 140からの信号 Aにより、切り替え回路 170， 172が図 13において紙面の上方側に接続を切り替えることで構成が行われる。第 1回路ループ 122は、硬さ測定に用いられるピークを選定し、選定された選定周波数をセンサ増幅回路部 200に入力し、センサ増幅回路部 200の入力端と出力端との間の位相差を選定位相差 Θ として記憶する機能を実行するために用いられるものである。

[0100] 力、かる第 1回路ループ 122は、水晶発振器 146-発振周波数設定回路 152-26ビットフルァダー回路 154-正弦波発生器 156 - (切り替え回路 170) -D/A変換回路 182-ローパスフィルタ 184-バッファ回路 186-振動子 14- (開放空間） -振動検出センサ 16—増幅器 22—コンパレータ 188—(切り替え回路 172)力なるオープンループで構成される。

[0101] 第 1回路ループ 122において、水晶発振器 146-発振周波数設定回路 152-26ビットフルァダー回路 154-正弦波発生器 156の部分は、水晶発振器 146の原振動を用いて、発振周波数設定回路 152で設定される周波数の信号を合成し、 26ビットの分解能の正弦波データとして出力する機能を有する。かかる機能は、 DDS (Direct Digital Synthesizer)と呼ばれる周知のデジタル回路技術によって構成することができる。例えば、制御部 132の発振周波数設定部 136において、 100kHzと設定されると、発振周波数設定回路 152において源振動から 100kHzの正弦波信号を生成する処理がなされ、 100kHzの一周期である 10 μ secの期間を 26ビットで区分し、それぞれに対し、正弦波の波高値のデータが出力される。このようにして、設定された周波数の正弦波信号のデジタルデータは切り替え回路 170を介し、変換回路 180 に出力される。

[0102] 切り替え回路 170は、変換回路 180へのデータ出力を、デジタル回路部分 C1の正弦波発生回路 156からのものとする力、デジタル回路部分 C2の正弦波発生回路 16 4からのものにするカ制御部 132における切替部 140の制御の下で切り替える機能を有する回路である。力かる切り替え回路 170は、正弦波発生回路 156, 164のデータをラッチするラッチ回路と、複数ビットのデータ線の接続を切り替えるマルチプレクサ回路等で構成できる。

[0103] 変換回路 180は、出力された正弦波のデジタルデータをアナログ信号波形に変換し、ノイズを除去してセンサ増幅回路部 200に供給する機能を有し、具体的には上記のように DZA変換器 182、ローパスフィルタ 184、バッファ回路 186で構成される。

[0104] センサ増幅回路部 200は、上記のように硬さセンサ 12と増幅器 22を直列に接続したもので、それぞれの構成は、図 8で説明したものと同様であるので、同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

[0105] オープンループの基本構成は以上であるが、センサ増幅回路部 200の入力端と出力端の位相差を検出するために、増幅器 22の出力をコンパレータ 188でデジタルデータ化し、切り替え回路 172を介し、デジタル回路部分 C1の位相差検出器 158の一方側信号として入力される。位相差検出器 158の他方側信号としては、 26ビットフルァダー回路 154のデータが入力される。この 2つの信号の比較からセンサ増幅回路部 200の入力端と出力端との間の位相差が検出される。力かる位相差検出器 158は、パルスの進み遅れを検出する周知のデジタル回路等を用いて構成することができる。なお、切り替え回路 172の内容は上記の切り替え回路 170と同様である。

[0106] 第 1回路ループ 122において、硬さ測定に用いるピークを選定するには、制御部 1 32の発振周波数設定部 136において、任意の周波数掃引範囲を設定する。例えば、硬さ測定コンピュータ 130の図示されていないキーボード等の入力部から、操作者が任意の周波数掃引範囲として、 40kHzから 170kHzを入力し、そのデータを制御部 132が取得して発振周波数設定部 136において、掃引モードとして設定する。このように掃引モードで 40kHzから 170kHzの範囲設定が行われると、 PLA(150)のデジタル回路部分 C1の発振周波数設定回路 152では、予め定められた刻み周期と周波数刻みに従い、逐時的に 40kHzから 170kHzの正弦波の生成処理を行う。亥 IJ み周期を 10msec、周波数刻みを 50Hzとすれば、 40. 00kHzの正弦波生成を行つた後、 10msec後に 40. 05kHzの正弦波生成を行い、これを 10msecごとに 50Hz ずつ周波数を上げて、 170kHzまで行う。 170kHzまでくれば再び 40kHzに戻り、これを繰り返す。したがって、センサ増幅回路部 200には、 40kHz力ら 170kHzの正弦波信号が繰り返し掃引されて入力される。

[0107] そして、位相差検出器 158は、センサ増幅回路部 200の入力端と出力端との間の位相差が検出されるので、その位相差と、センサ増幅回路部 200に入力される周波数とを、モニタ 134に出力すれば、操作者は、センサ増幅回路部 200の周波数に対する位相特性を観察することができる。また、センサ増幅回路部 200の入力端と出力端との間の信号振幅ゲインを取得し、これもモニタ 134に出力すれば、図 3に関連して説明した周波数に対する振幅特性及び位相特性を観察することができる。この特性をモニタ 134で観察し、例えば、テストピースを硬さセンサ 12に接触させ、そのときのピークの変化から、既に説明してきた絞込み基準を用いて絞り込み、それを硬さ測定に用いる選定ピークとし、その近傍の周波数、位相差をそれぞれ選定周波数 f 、選定位相差 Θ とすることができる。

[0108] 一例として、選定周波数 f について 100kHz、選定位相差 Θ について入力側を基準として 25° 、つまり入力側に対し出力側の位相が遅れているものが選定されたものとすることができる。このようにして、選定周波数 f 、選定位相差 Θ が定まると、センサ増幅回路部 200に入力する信号を選定周波数 f 、上記の例で 100kHzに固定し s

てそのまま入力を続ける。このとき、センサ増幅回路部 200の入力端と出力端との間の位相差は、選定位相差 Θ 、すなわち上記の例で 25° となり、選定周波数 f = 10

0kHzの信号が入力されつづける間、その位相差は維持される。そして、選定位相差 Θ 、すなわち上記の例で一 25° のデータは、デジタルデータに換算され、制御部 13

2の選定位相差出力部 138に記憶される。例えば、 360° を 8ビット表示するものとして、一25° は、一00001010として記憶される。そして、このデータを用いて次の第 2 回路ループ 124において、その位相差を補償するデータとして選定位相差 Θ の符号を反転し、—Θ のデータを補償位相差として出力する。上記の例では一 0000101

0を補償位相差として出力する。

[0109] 次に、図 14は、第 2回路ループ 124に関する構成を示すブロック図である。第 2回路ループ 124は、制御部 132の切替部 140からの信号 Aにより、切り替え回路 170, 172が図 14において紙面の下方側に接続を切り替えることで構成が行われる。ここで、切り替え回路 170, 172は上記のように、マルチプレクサ回路によって電子的に切り替えられ、例えば数十 nsec程度の時間で第 1回路ループの構成から第 2回路ループの構成に切り替えることができる。この程度の時間では第 1回路ループの動作、つまり選定周波数 fで振動子 12が振動する動作はあまり減衰しない。したがって、切り替えの後でも、第 2回路ループ 124には、選定周波数 fの振動がそのまま引き継がれる。第 2回路ループ 124は、このように切り替え後に引き継がれた振動状態、すなわちセンサ増幅回路部 200に選定周波数 f の信号が入力され、センサ増幅回路部 2

00の入力端と出力端との間に選定位相差 Θ が生じている状態のまま、自励発振を s

維持させる機能を実行するために用いられるものである。

[0110] 力、かる第 2回路ループ 124は、振動子 14一 (開放空間)一振動検出センサ 16—増幅器 22-コンパレータ 188—位相検出器 192-電圧制御発振器（Voltage Controlle d Oscillator : VC〇） 194— 256分周カウンタ 160— 8ビットフルァダー回路 162—正弦波発生器 164- (切り替え回路 170) -D/A変換回路 182-ローパスフィルタ 184 -バッファ回路 186-振動子 14のクローズドループで構成される。ここで、位相検出器 192から正弦波発生器 164までが、位相シフト回路としての機能を有する部分に相当する。

[0111] 第 2回路ループ 124において、位相検出器 192—電圧制御発振器 194-256分周器 160の部分は、いわゆる PLL動作を行う回路部分であり、位相検出器 192の一方側の入力信号にはセンサ増幅回路部 200の出力が用いられ、他方側の入力信号には 256分周カウンタ 160の出力が用いられる。この構成において、位相検出器 192 により 2つの信号の位相のずれに対応する電圧を出力し、その出力の大きさに応じた周波数の信号を電圧制御発振器 194が出力し、その出力を今の場合 256分周カウンタ 160によって 1/256に分周して再び位相検出器 192に戻す。したがって、このフィードバック動作により、この回路部分の全体の動作としては、位相検出器 192における 2信号の位相差をなくすように働き、いわゆる位相差をゼロとする周波数の信号にロックされる PLL動作が行われる。 [0112] 例えば、上記の例で選定周波数 f = 100kHzとすれば、は 256分周カウンタ 160に s

おいては、（1/256)分周された信号が 100kHzとなるようにロックされるので、 25· 6MHzのパルスが 256分周カウンタ 160に入力される。したがって、 256分周カウンタ 160のデータは、フルスケールで f = 100kHzの信号を表すことになり、換言すれば、選定周波数 f = 100kHzの一周期が 8ビットのデータとして時々刻々表されていることになる。

[0113] 8ビットフノレアダー回路 162は、 256分周カウンタ 160の時々刻々のデータに、選定位相差出力部 138から出力される選定位相差 Θ を補償するデータを加算する機能を有する回路である。例えば、ある時刻における 256分周カウンタ 160のデータが 01 000000とすると、上記の列で選定位ネ目差 Θ のデータは一00001010であり、これを s

補償するデータは + 00001010であるので、同じ 8ビット同士のフル桁加算ができ、その結果は 01001010となる。ここで、加算する前のデータと比較すると、加算後のデータは、加算前に比べ、位相が進んでいることになる。

[0114] 正弦波発生器 164は、上記の正弦波発生器 156と同様の機能を有し、 8ビットフルァダー回路 162の出力に従って位相を進めた状態で正弦波の波高値のデータが出力される。この選定位相差 Θ が補償された正弦波信号のデジタルデータは、切り替 s

え回路 170、変換回路 180を介し、センサ増幅回路部 200に入力される。したがって、センサ増幅回路部 200においては、入力端と出力端との間の位相差は選定位相差 Θ のままである力第 2回路ループ 124全体としては、この選定位相差 Θ を、上記 s s の位相検出器 192から正弦波発生器 164までの位相シフト回路としての機能により補償するので、自励発振を持続させることができる。

[0115] 力、かる構成の硬さ測定システム 120を用いて対象物 8の硬さを測定する手順を図 1 5のフローチャートを用いて説明する。かかる手順は、硬さ測定コンピュータ 130の制御部 132の発振周波数設定部 136、補償位相差出力部 138、切替部 140、周波数偏差出力部 142、硬さ換算部 144の機能によって実現される。これらの機能はソフトウェアによって実現することができ、具体的には対応する硬さ測定プログラムを実行することで実現できる。また、各機能の一部をハードウェアで実現するように構成してあよい。 [0116] まず、システムを立ち上げ、硬さ測定プログラムを始動させる。このとき、切替部 140 は、第 1回路ループ 122を選択するように切り替え回路 170, 172に指令を与える。そして、硬さ測定に使用しょうとする硬さセンサ 12および増幅器 22をセットする（S11 0)。セットは、図 12で説明したように、変換回路 180とコンパレータ 188の間に硬さセンサ 12および増幅器 22を直列に接続して行われる。硬さ測定システム 120としては、このように硬さセンサ 12および増幅器 22を直列接続したセンサ増幅回路部 200と一組としてこれを交換可能として扱ってもよぐ増幅器 22は固定として、硬さセンサ 12 のみで交換可能としてもよレ、。

[0117] つぎに、掃引周波数範囲を入力し、その値を取得する（S112)。具体的には制御部 132の発振周波数設定部 136の機能により、上記のように操作者のキーボード等力の入力を取得し、それを発振周波数の設定値とする。上記の例では、 40kHzから 120kHzが掃引周波数範囲として取得される。この掃引周波数範囲は、硬さセンサ 12が与えられれば、経験あるいは事前の実験等で適当に定めることができる。

[0118] ついで取得された掃引周波数範囲で、センサ増幅回路部 200への入力信号をくり力えし掃引する（S114)。具体的には、水晶発信器 146から正弦波発生器 156等の機能による。そして上記のように、センサ増幅回路部 200の入力端と出力端との間の位相差を位相差検出器 158で検出し、モニタ部 134に周波数に対する振幅特性及び位相特性させる。操作者は、この画面を見ながら、予め定められた基準に従って、硬さ測定に用いるピークを絞り込んで選定する（S116)。この手順は、図 2で説明した内容で行うことができる。この処理においては、操作者が硬さ測定用コンピュータ 1 30と対話型で処理することができるので、図 15ではこの手順を破線で示した。もちろん、テストピースへの接触や、予め定めた絞込み基準との比較を自動化してもよい。

[0119] 硬さ測定用のピークが選定されると、その選定位相差 Θ のデータは補償位相差出 s

力部 138に入力され、記憶される（S118)。上記の例では、—00001010のデータが記憶される。また、掃引周波数が選定周波数 f に固定され、その状態でセンサ増幅回路部 200に入力が続けられ、振動子 14はその周波数で振動動作を続ける（S120 )。この動作において、センサ増幅回路部 200の入力端と出力端との間の位相差は選定位相差 Θ のままである。 [0120] その様子を図 16に示す。この図は、硬さセンサ 12と増幅器 22とで構成されるセンサ増幅回路部 200を取り出して示すもので、硬さセンサ 12の入力側である振動子 14 に選定周波数 fの信号が入力される。そして、硬さセンサ 12の出力側である振動検 s

出センサ 16に直列に接続された増幅器 22を介し、センサ増幅回路部 200の出力端に現れる信号は、振動子 14への入力信号を基準として、選定位相差 - Θ だけ位相がずれる。この位相ずれは、主に硬さセンサ 12の特性によるものである。そして、この選定周波数 f 、選定位相差 Θ は、この条件の下で、対象物の硬さを測定するのがこの硬さセンサの場合には好適であるとして選定されたものであり、硬さ測定システムの動作中心条件に相当するものである。

[0121] つぎに、切替部 140の指令により、位相シフト回路を含むクローズドループに切り替えられる（S122)。すなわち、第 1回路ループ 122の構成から、第 2回路ループ 124 の構成に切り替えが行われる。この切り替えは、上記のように、第 1回路ループの振動の減衰に比べ短時間で行うことができる。そして、補償位相差出力部 138の機能により、選定位相差 Θ を補償する補償位相差データが出力される（S124)。上記の s

例では、上記の例では、 + 00001010のデータが 8ビットフルァダー回路 172に出力される。 S122と S124の手順の順序は、逆にしてもよい。

[0122] これにより、切り替えによって第 1回路ループ 122の動作していた条件、すなわち、選定周波数 fで振動子 14が振動し、センサ増幅回路部 200の入力端と出力端との s

間の位相差が選定位相差 Θ である動作状態でループが閉じられ、その際に、 8ビッ s

トフルァダ一回路 172及び正弦波発生器 164の作用によって、センサ増幅回路 200 の出力端を基準にして選定位相差 Θ を補償する位相を有する正弦波信号が生成さ s

れ、これがセンサ増幅回路 200の入力端に供給される。上記の例では、選定位相差 - Θ に対し、 + Θ の位相を有する正弦波が生成されてセンサ増幅回路 200の入力端に供給され、クローズドループの第 2回路ループ 124全体としてはセンサ増幅回路 200に生じた位相差を補償する。したがって、第 2回路ループ 124は自励発振を持続することができる（S126)。

[0123] その様子を図 17に示す。ここでは、 PLL回路 190から正弦波発生器 164を含む選定位相差 Θ を補償する機能を有する回路部分を位相シフト回路 210として概括的に示してある。上記のように位相シフト回路 210は、選定位相差一 Θ に対し、 + Θ の位 s s 相を有する正弦波を生成して振動子 14に供給する機能を有するので、センサ増幅回路部 200に位相シフト回路 210を接続してループを閉じれば、全体として位相差が補償され、自励発振が持続する。

[0124] このようにして、硬さ測定に用いる振動条件の下においてクローズドループ内で自励発振が持続するようにできると、この状態で硬さセンサ 12に対象物 8を接触させる（ S128)。そうすると、図 11の関連で説明したように、対象物 8の硬さ特性に応じ、（硬さセンサ 12 +対象物 8)の周波数一位相特性が変化し、その硬さに応じた位相変化 Δ Θを補償するように、周波数を変化させる。その周波数変化は高精度の周波数力ゥンタ 166を介し検出されて周波数偏差出力部 142の機能により出力される（S130) 。そして、硬さ換算部 144の機能により、予め定められた換算方式に従って、周波数偏差が硬さに変換される（S132)。

[0125] その様子を図 18に示す。ここでは、図 17の状態において、さらに対象物 8に硬さセンサ 12が接触されている。そして、硬さによる位相差 Δ Θ力位相シフト回路 210の機能により周波数を Δ f変化させることで補償されるので、クローズドループの自励発振周波数が変化する。この A fが対象物 8の硬さに応じた周波数偏差に相当する

[0126] このように、硬さセンサの両端の位相差について周波数を変化させることで維持するような位相シフト回路を用いることで、オープンノレープにおいて硬さ測定に用いる周波数、位相差を選定し、その振動状態から短時間で位相シフト回路を含んでループを閉じてその振動状態で自励振動を持続させることができる。したがって、硬さ測定に用いるのに適した振動条件で、対象物の硬さを測定することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 対象物に振動を入射する振動子と対象物から反射される信号を検出する振動検出センサとを有する硬さセンサと、硬さセンサに増幅器とともに直列に接続され、振動子への入力波形と振動検出センサからの出力波形に位相差が生じるときは、周波数を変化させてその位相差をゼロにシフトする位相シフト回路と、を含み対象物の硬さに応じて生ずる周波数変化より対象物の硬さを測定する硬さ測定システムにつレ、て、動作中心周波数を選択する方法であつて、

硬さセンサがテストピースに未接触の自由端状態で周波数に対する振幅特性又は位相特性における複数のピークを検出して各ピークを区別するピーク検出工程と、区別された各ピークについて、そのピーク位置の周波数又は位相又は振幅の中の少なくとも 1つを測定し記憶する自由端特性取得工程と、

区別された各ピークにつき、硬さセンサをテストピースに接触させるときに変化する周波数又は位相又は振幅の中の少なくとも 1つを測定し記憶する接触特性取得工程と、

区別された各ピークにつき、自由端特性と接触特性との間の周波数変化又は位相変化又は振幅変化の中の少なくとも 1つに基づレ、て、硬さ測定に用いるためのピークを選択するピーク選択工程と、

選択されたピークの自由端状態の周波数を硬さセンサの動作周波数とし、硬さセンサの動作周波数力任意の周波数幅を隔てる周波数を位相シフト回路の動作周波数とする動作中心周波数設定工程と、

を備えることを特徴とする硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法。

[2] 対象物に振動を入射する振動子と対象物から反射される信号を検出する振動検出センサとを有する硬さセンサと、硬さセンサに増幅器とともに直列に接続され、振動子への入力波形と振動検出センサからの出力波形に位相差が生じるときは、周波数を変化させてその位相差をゼロにシフトする位相シフト回路と、を含み対象物の硬さに応じて生ずる周波数変化より対象物の硬さを測定する硬さ測定システムにつレ、て、動作中心周波数を選択する方法であつて、

区別された各ピークにつき、硬さセンサを柔らかい硬さの第 1テストピースに接触させるときに変化する周波数又は位相又は振幅の中の少なくとも 1つを測定し記憶する第 1特性取得工程と、

区別された各ピークにつき、硬さセンサを第 1テストピースより硬い第 2テストピースに接触させるときに変化する周波数又は位相又は振幅の中の少なくとも 1つを測定し記憶する第 2特性取得工程と、

区別された各ピークにつき、自由端特性と第 1特性との間の周波数変化又は位相変化又は振幅変化の中の少なくとも 1つと、自由端特性と第 2特性との間の周波数変化又は位相変化又は振幅変化の中の少なくとも 1つに基づいて、硬さ測定に用いるためのピークを選択するピーク選択工程と、

[3] 2に記載の硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法において、

ピーク選択工程は、自由端特性と第 1特性との間の周波数変化及び位相変化の変化方向と、自由端特性と第 2特性との間の周波数変化及び位相変化の変化方向とを比較し、相互に逆方向に変化する候補ピークの中から選択することを特徴とする硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法。

[4] 3に記載の硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法において、

ピーク選択工程は、

自由端特性に比べ第 1特性が周波数及び位相のレ、ずれも減少方向に変化し、自由端特性に比べ第 2特性が周波数及び位相のいずれも増加方向に変化する候補ピークの中から選択することを特徴とする硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法。 [5] 3に記載の硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法において、ピーク選択工程は、候補ピークの中から、変化幅の大きいピークを選択することを特徴とする硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法。

[6] 2に記載の硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法において、

ピーク検出工程において、さらに、複数のピークの中力任意の周波数範囲の中にあるピークに絞り込む周波数絞込み工程を備えることを特徴とする硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法。

[7] 2に記載の硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法において、

ピーク検出工程において、さらに、複数のピークの中力、ら任意の Q値以下にあるピークに絞り込む Q値絞込み工程を備えることを特徴とする硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法。

[8] 2に記載の硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法において、

ピーク検出工程において、さらに、複数のピークの中から、そのピーク位置における位相変化率が任意の値以下にあるピークに絞り込む位相変化率絞込み工程を備えることを特徴とする硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法。

[9] 2に記載の硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法において、

動作中心周波数設定工程は、位相シフト回路の Q値に応じて任意の周波数幅を設定することを特徴とする硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法。

[10] 対象物に振動を入射する振動子と対象物から反射される信号を検出する振動検出センサとを有する硬さセンサと、硬さセンサに増幅器とともに直列に接続され、振動子への入力波形と振動検出センサからの出力波形に位相差が生じるときは、周波数を変化させてその位相差をゼロにシフトする位相シフト回路と、を含み対象物の硬さに応じて生ずる周波数変化より対象物の硬さを測定する硬さ測定システムにつレ、て、動作中心周波数を選択する装置であつて、

硬さセンサがテストピースに未接触の自由端状態で周波数に対する振幅特性又は位相特性における複数のピークを検出して各ピークを区別するピーク検出手段と、区別された各ピークについて、そのピーク位置の周波数又は位相又は振幅の中の少なくとも 1つを測定し記憶する自由端特性取得手段と、区別された各ピークにつき、硬さセンサをテストピースに接触させるときに変化する周波数又は位相又は振幅の中の少なくとも 1つを測定し記憶する接触特性取得手段と、

区別された各ピークにつき、自由端特性と接触特性との間の周波数変化又は位相変化又は振幅変化の中の少なくとも 1つに基づレ、て、硬さ測定に用いるためのピークを選択するピーク選択手段と、

選択されたピークの自由端状態の周波数を硬さセンサの動作周波数とし、硬さセンサの動作周波数力任意の周波数幅を隔てる周波数を位相シフト回路の動作周波数とする動作中心周波数設定手段と、

を備えることを特徴とする硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置。

対象物に振動を入射する振動子と対象物から反射される信号を検出する振動検出センサとを有する硬さセンサと、硬さセンサに増幅器とともに直列に接続され、振動子への入力波形と振動検出センサからの出力波形に位相差が生じるときは、周波数を変化させてその位相差をゼロにシフトする位相シフト回路と、を含み対象物の硬さに応じて生ずる周波数変化より対象物の硬さを測定する硬さ測定システムにつレ、て、動作中心周波数を選択する装置であつて、

硬さセンサがテストピースに未接触の自由端状態で、周波数に対する振幅特性又は位相特性における複数のピークを検出して各ピークを区別するピーク検出手段と、区別された各ピークについて、そのピーク位置の周波数又は位相又は振幅の中の少なくとも 1つを測定し記憶する自由端特性取得手段と、

区別された各ピークにつき、硬さセンサを柔らかい硬さの第 1テストピースに接触するときに変化する周波数又は位相又は振幅の中の少なくとも 1つを測定し記憶する第 1特性取得手段と、

区別された各ピークにつき、硬さセンサを第 1テストピースより硬い第 2テストピースに接触させるときに変化する周波数又は位相又は振幅の中の少なくとも 1つを測定し記憶する第 2特性取得手段と、

区別された各ピークにつき、自由端特性と第 1特性との間の周波数変化又は位相変化又は振幅変化の中の少なくとも 1つと、自由端特性と第 2特性との間の周波数変化又は位相変化又は振幅変化の中の少なくとも 1つとに基づいて硬さ測定に用いるピークを選択するピーク選択手段と、

を備え、選択されたピークの自由端状態の周波数を硬さセンサの動作中心周波数とすることを特徴とする硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置。

[12] 11に記載の硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置において、

ピーク選択手段は、自由端特性と第 1特性との間の周波数変化及び位相変化の変化方向と、自由端特性と第 2特性との間の周波数変化及び位相変化の変化方向とを比較し、相互に逆方向に変化する候補ピークの中から選択することを特徴とする硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置。

[13] 11に記載の硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置において、

ピーク選択手段は、

自由端特性に比べ第 1特性が周波数及び位相のレ、ずれも減少方向に変化し、自由端特性に比べ第 2特性が周波数及び位相のいずれも増加方向に変化する候補ピークの中力選択することを特徴とする硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置。

[14] 11に記載の硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置において、

ピーク選択手段は、候補ピークの中から、変化幅の大きいピークを選択することを特徴とする硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置。

[15] 11に記載の硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置において、

ピーク検出手段において、さらに、複数のピークの中力任意の周波数範囲の中にあるピークに絞り込む周波数絞込み手段を備えることを特徴とする硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置。

[16] 11に記載の硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置において、

ピーク検出手段において、さらに、複数のピークの中力、ら任意の Q値以下にあるピークに絞り込む Q値絞込み手段を備えることを特徴とする硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置。

[17] 11に記載の硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置において、

ピーク検出手段において、さらに、複数のピークの中から、そのピーク位置における位相変化率が任意の値以下にあるピークに絞り込む位相変化率絞込み手段を備えることを特徴とする硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置。

[18] 対象物に振動を入射する振動子と対象物から反射される信号を検出する振動検出センサとを有する硬さセンサを用いて対象物の硬さを測定する硬さ測定システムであつて、

硬さセンサと増幅器とが直列接続されたセンサ増幅回路部について、外部より周波数を変化させて掃引する信号を入力し、周波数に対する振幅特性又は位相特性において現れる複数のピークを予め定めた基準と比較して硬さ測定に用いるためのピークを選定し、選定されたピークに対応する選定周波数をセンサ増幅回路部に入力して選定周波数に対応する選定位相差が出力される状態で動作させるオープンル一プの第 1回路ループと、

センサ増幅回路部の入力端と出力端の間に位相シフト回路を接続しノレープを閉じて自励発振ループを構成し、センサ増幅回路部への入力波形とその出力波形との間に位相差が生じるときは、位相シフト回路によって周波数を変化させてその位相差をゼロにシフトさせて自励発振を持続させるクローズドループの第 2回路ループと、センサ増幅回路部を含む回路ループを、第 1回路ループにおける選定周波数及び選定位相差の下の動作状態から、第 2の回路ループにおいてセンサ増幅回路部の両端の選定位相差を位相シフト回路で補償して選定周波数の下で自励発振を持続させる動作状態に切り替える切り替え手段と、

切り替え後において、対象物に硬さセンサを接触させ、対象物の硬さに応じてセンサ増幅回路部の両端の位相差が選定位相差からさらに変化する硬さによる位相差成分を、位相シフト回路によって選定周波数から周波数を変化させて補償してセンサ増幅回路の両端を選定位相差のままに維持し、変化させた周波数偏差を出力する周波数偏差出力部と、

を備え、出力された周波数偏差から対象物の硬さを測定することを特徴とする硬さ彻 J定システム。

[19] 18に記載の硬さ測定システムにおいて、

位相シフト回路は、位相検出器と電圧制御発振器と分周器とがループ状に接続されるフェーズロック回路であって、センサ増幅回路部の出力と分周器の出力とが位相検出器に入力されてそれらの間の位相差をゼロにするように発振状態をロックするフェーズロック回路と、時々刻々の分周器のデータについて選定位相差に相当するデータを補償演算し、これに基づき、センサ増幅回路部の出力信号の 1周期について選定位相差分の位相差を補償した位相差補償信号を出力する補償信号出力部と、

を含み、補償信号出力部から出力される位相差補償信号をセンサ増幅回路部の入力信号として供給することを特徴とする硬さ測定システム。

19に記載の硬さ測定システムにおいて、

センサ増幅器回路部の出力をデジタル信号に変換して位相シフト回路に供給する変換器を含み、

デジタル信号で動作する位相シフト回路の補償信号出力部は、

電圧制御発振器の信号のデータをカウントする分周カウンタと、

分周カウンタと同じビット数を有する選定位相差を補償するデータを分周カウンタのデータに加算するフルァダー回路と、

フルァダー回路のデータから正弦波信号を生成する波形生成器と、

を有し、生成された正弦波信号を位相差補償信号としてセンサ増幅回路部に供給することを特徴とする硬さ測定システム。