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JP6970328B2 - One-point contact hardness measuring device and method - Google Patents
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JP6970328B2 - One-point contact hardness measuring device and method - Google Patents

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JP6970328B2 JP2017162122A JP2017162122A JP6970328B2 JP 6970328 B2 JP6970328 B2 JP 6970328B2 JP 2017162122 A JP2017162122 A JP 2017162122A JP 2017162122 A JP2017162122 A JP 2017162122A JP 6970328 B2 JP6970328 B2 JP 6970328B2
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Description

本発明は、一点接触硬度測定装置及び方法に関する。 The present invention relates to a one-point contact hardness measuring device and method.

本発明者は、果実の硬度、熟度等の各種特性をその振動に基づいて測定する技術について研究開発を行っており、これまでも多くの技術を提案している(例えば、特許文献1〜5参照)。 The present inventor has been conducting research and development on a technique for measuring various characteristics such as hardness and ripeness of a fruit based on its vibration, and has proposed many techniques (for example, Patent Documents 1 to 1). 5).

特許文献1、4、5には、レーザードップラー法を用いて果実の特性を測定する測定装置が開示されている。これらの装置では、加振器を用いて果実の下側に0〜2kHzの周波数範囲の振動を与え、レーザー光を照射して果実の上側の振動を測定している。 Patent Documents 1, 4 and 5 disclose a measuring device for measuring the characteristics of a fruit by using a laser Doppler method. In these devices, a vibration device is used to apply vibrations in the frequency range of 0 to 2 kHz to the lower side of the fruit, irradiate with laser light, and measure the vibration on the upper side of the fruit.

特許文献2、3では、2点で果実を狭持して振動させて、果実の特性を測定する装置が開示されている。これらの装置では、振動源及び振動センサの双方を果物に押し付けた状態で、測定が行われる。測定結果から演算によって第2の共振周波数fが求められ、式[m2/3×f (m:果実の重量)]を用いて、果実の硬度指標が算出される。 Patent Documents 2 and 3 disclose an apparatus for measuring the characteristics of a fruit by holding and vibrating the fruit at two points. In these devices, the measurement is performed with both the vibration source and the vibration sensor pressed against the fruit. The second resonance frequency f 2 is obtained by calculation from the measurement result, and the hardness index of the fruit is calculated using the formula [m 2/3 × f 2 2 (m: weight of fruit)].

特許第3062071号公報Japanese Patent No. 3062071 特許第3927996号公報Japanese Patent No. 3927996 特開2015−28445号公報JP-A-2015-28445 特許第4696218号公報Japanese Patent No. 4696218 特許第4899049号公報Japanese Patent No. 4899049

上記特許文献2、3に開示された装置では、果実の硬度、熟度を測定する場合、果実を2点接触で挟み込む作業が必要であった。この作業は煩雑であり、作業時間も増大していた。 In the apparatus disclosed in Patent Documents 2 and 3, when measuring the hardness and ripeness of a fruit, it is necessary to sandwich the fruit by two-point contact. This work was complicated and the work time was increased.

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、果実の硬度を容易に測定することができる硬度測定装置及び方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a hardness measuring device and a method capable of easily measuring the hardness of a fruit.

上記目的を達成するために、本発明の第1の観点に係る硬度測定装置は、
サンプルの下部に当接してこれを支持しつつ変形が可能な第1の圧電素子を有し、前記第1の圧電素子の変形に応じた電圧信号である第1の電圧信号を出力する第1のセンサ部と、
前記第1の圧電素子と独立して変形が可能な第2の圧電素子を有し、前記第2の圧電素子の変形に応じた電圧信号である第2の電圧信号を出力するとともに前記第1のセンサ部を支持する第2のセンサ部と、
記第2のセンサ部を支持して加振する加振部と、
前記加振部の加振中における前記第1の電圧信号と前記第2の電圧信号との位相差に基づいて、前記サンプルの硬度を判定する硬度判定部と、
を備える。
In order to achieve the above object, the hardness measuring device according to the first aspect of the present invention is
A first that has a first piezoelectric element that is in contact with the lower part of the sample and can be deformed while supporting it, and outputs a first voltage signal that is a voltage signal corresponding to the deformation of the first piezoelectric element. Sensor part and
It has a second piezoelectric element that can be deformed independently of the first piezoelectric element, and outputs a second voltage signal that is a voltage signal corresponding to the deformation of the second piezoelectric element and also outputs the first. The second sensor part that supports the sensor part of
A vibration unit for vibrating supports the previous SL second sensor portion,
A hardness determination unit that determines the hardness of the sample based on the phase difference between the first voltage signal and the second voltage signal during vibration of the vibration unit.
To prepare for.

この場合、前記加振部を支持する弾性部材を備える、
こととしてもよい。
In this case, an elastic member that supports the vibration-exciting portion is provided.
It may be that.

前記サンプルの重量に応じて、前記弾性部材を、ばね強度が異なるものに交換可能である、
こととしてもよい。
Depending on the weight of the sample, the elastic member can be replaced with one having a different spring strength.
It may be that.

前記第1の圧電素子は、その中央で前記サンプルの下部に当接し、
前記第1のセンサ部は、前記第1の圧電素子の外縁を振動可能に支持する第1の支持部を有し、
前記第2のセンサ部は、前記第2の圧電素子の外縁を振動可能に支持する第2の支持部を有し、
前記第2の支持部が、前記第1の支持部を支持する、
こととしてもよい。
The first piezoelectric element abuts on the lower part of the sample at the center thereof.
The first sensor unit has a first support unit that oscillateably supports the outer edge of the first piezoelectric element.
The second sensor unit has a second support unit that oscillateably supports the outer edge of the second piezoelectric element.
The second support portion supports the first support portion.
It may be that.

前記サンプルを補助的に支持する補助支持部を備える、
こととしてもよい。
Auxiliary support for supporting the sample.
It may be that.

本発明の第2の観点に係る硬度測定方法は、
サンプルの下部に当接してこれを支持しつつ変形が可能な第1の圧電素子を有する第1のセンサ部を、前記第1の圧電素子と独立して変形が可能な第2の圧電素子を有する第2のセンサ部で支持し、加振部で前記第2のセンサ部を支持する支持工程と、
前記加振部を用いて、前記第1のセンサ部及び前記第2のセンサ部を介して前記サンプルを加振させつつ、前記第1の圧電素子の変形に応じた電圧信号である第1の電圧信号と、前記第2の圧電素子の変形に応じた電圧信号である第2の電圧信号を測定する測定工程と、
前記加振部の加振中における前記第1の電圧信号と前記第2の電圧信号との位相差に基づいて、前記サンプルの硬度を判定する硬度判定工程と、
を含む。
The hardness measuring method according to the second aspect of the present invention is
A first sensor unit having a first piezoelectric element that is in contact with the lower part of the sample and can be deformed while supporting it , and a second piezoelectric element that can be deformed independently of the first piezoelectric element. A support process in which the second sensor portion is supported and the vibration portion supports the second sensor portion.
A first voltage signal corresponding to the deformation of the first piezoelectric element while vibrating the sample via the first sensor unit and the second sensor unit using the vibration unit. A measurement step for measuring a voltage signal and a second voltage signal which is a voltage signal corresponding to the deformation of the second piezoelectric element.
A hardness determination step of determining the hardness of the sample based on the phase difference between the first voltage signal and the second voltage signal during vibration of the vibration unit.
including.

本発明によれば、1点接触でサンプルの硬度を測定することができるので、サンプルを挟んで保持する必要がなくなる。この結果、サンプルを挟み込む作業が不要となるので、サンプルの硬度を容易に測定することができる。 According to the present invention, the hardness of the sample can be measured by one-point contact, so that it is not necessary to sandwich and hold the sample. As a result, the work of sandwiching the sample becomes unnecessary, and the hardness of the sample can be easily measured.

本発明の実施の形態に係る硬度測定装置の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the hardness measuring apparatus which concerns on embodiment of this invention. 図2(A)は、第1の圧電素子の構造の一例を示す図である。図2(B)及び図2(C)は、第1の圧電素子が振動する様子を示す図である。FIG. 2A is a diagram showing an example of the structure of the first piezoelectric element. 2 (B) and 2 (C) are views showing how the first piezoelectric element vibrates. 図1の硬度判定部のハードウエア構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the hardware structure of the hardness determination part of FIG. 図1の硬度測定装置における硬度の測定の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the hardness measurement in the hardness measuring apparatus of FIG. 加振部の加振周波数に対する、第1の圧電素子の出力信号と、第2の圧電素子の出力信号との位相差の変化の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the change of the phase difference between the output signal of a 1st piezoelectric element and the output signal of a 2nd piezoelectric element with respect to the vibration frequency of a vibration part. 果実の硬度指標と収穫後の日数との関係の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the relationship between the hardness index of a fruit and the number of days after harvesting. 果実の熟度と硬度指標との関係の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the relationship between the ripeness of a fruit and a hardness index. 図1の硬度測定装置の使用例を示す図である。It is a figure which shows the use example of the hardness measuring apparatus of FIG.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1に示すように、本実施の形態に係る硬度測定装置1は、サンプルとしての果実Sの硬度を測定する装置である。硬度測定装置1は、第1のセンサ部11と、第2のセンサ部12と、加振部13と、を基本的な構成要素として備える。この3つの構成要素は、下から加振部13、第2のセンサ部12、第1のセンサ部11の順に積層されている。なお、図1では、第1のセンサ部11及び第2のセンサ部12について、紙面に平行な断面が示されている。 As shown in FIG. 1, the hardness measuring device 1 according to the present embodiment is a device for measuring the hardness of the fruit S as a sample. The hardness measuring device 1 includes a first sensor unit 11, a second sensor unit 12, and a vibrating unit 13 as basic components. These three components are stacked in the order of the vibration excitation unit 13, the second sensor unit 12, and the first sensor unit 11 from the bottom. Note that FIG. 1 shows a cross section of the first sensor unit 11 and the second sensor unit 12 parallel to the paper surface.

第1のセンサ部11は、第1の圧電素子11Aと、第1の支持部11Bと、固定板11Cと、を備える。固定板11Cは、第1のセンサ部11の下部に設けられた剛性の高い円板状の部材である。第1の支持部11Bは、円筒状の中空の部材であり、固定板11Cに載置されている。第1の圧電素子11Aは、円板状のピエゾ素子である。この第1の支持部11B上に、第1の圧電素子11Aの外縁が接続され、第1の圧電素子11Aは、第1の支持部11Bに支持されている。第1の圧電素子11Aはその中央で果実Sの下部に当接し、果実Sを支持している。 The first sensor unit 11 includes a first piezoelectric element 11A, a first support unit 11B, and a fixing plate 11C. The fixing plate 11C is a highly rigid disk-shaped member provided in the lower part of the first sensor unit 11. The first support portion 11B is a cylindrical hollow member and is mounted on the fixing plate 11C. The first piezoelectric element 11A is a disk-shaped piezo element. The outer edge of the first piezoelectric element 11A is connected on the first support portion 11B, and the first piezoelectric element 11A is supported by the first support portion 11B. The first piezoelectric element 11A abuts on the lower part of the fruit S at the center thereof and supports the fruit S.

第1の圧電素子11Aは、円筒状の第1の支持部11Bに支持されているため、撓んで変形することが可能となっている。 Since the first piezoelectric element 11A is supported by the cylindrical first support portion 11B, the first piezoelectric element 11A can be bent and deformed.

図2(A)の断面図に示すように、第1の圧電素子11Aでは、基材層11Aaと、下部電極層11Abと、圧電材料層11Acと、上部電極層11Adとが、この順に積層されている。最も下の基材層11Aaは、シリコンから構成されている。下部電極層11Abと、圧電材料層11Acと、上部電極層11Adとで、圧電層が形成される。 As shown in the cross-sectional view of FIG. 2A, in the first piezoelectric element 11A, the base material layer 11Aa, the lower electrode layer 11Ab, the piezoelectric material layer 11Ac, and the upper electrode layer 11Ad are laminated in this order. ing. The bottom substrate layer 11Aa is made of silicon. A piezoelectric layer is formed by the lower electrode layer 11Ab, the piezoelectric material layer 11Ac, and the upper electrode layer 11Ad.

下部電極層11Ab及び上部電極層11Adは、導電性材料(例えば、アルミニウムや銅などの金属)から成り、圧電材料層11Acは、例えばPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)などの材料(圧電特性を示す材料)から成る。圧電材料層11Acは、厚み方向に所定極性の電圧を印加すると、伸縮する性質を有する。 The lower electrode layer 11Ab and the upper electrode layer 11Ad are made of a conductive material (for example, a metal such as aluminum or copper), and the piezoelectric material layer 11Ac is a material such as PZT (lead zirconate titanate) (which exhibits piezoelectric properties). Material). The piezoelectric material layer 11Ac has a property of expanding and contracting when a voltage having a predetermined polarity is applied in the thickness direction.

図2(B)に示すように、第1の圧電素子11Aが振動力を受け、上側が凸となるように反りかえると、圧電層は伸び、圧電層側に、面方向に伸びる方向への応力が加わる。これにより、上部電極層11Adが正で、下部電極層11Abが負となる極性(以下、正極性と呼ぶ)の電圧が発生する。 As shown in FIG. 2B, when the first piezoelectric element 11A receives a vibration force and warps so that the upper side becomes convex, the piezoelectric layer expands and extends toward the piezoelectric layer in the direction of the surface. Stress is applied. As a result, a voltage having a polarity (hereinafter referred to as positive electrode property) in which the upper electrode layer 11Ad is positive and the lower electrode layer 11Ab is negative is generated.

これに対して、図2(C)に示すように、第1の圧電素子11Aが振動力を受け、下側が凸となるように反りかえると、圧電層は縮み、圧電層側に、面方向に縮む方向への応力が加わる。これにより、上部電極層11Adが負で、下部電極層11Abが正となる極性(以下、負極性と呼ぶ)の電圧が発生する。 On the other hand, as shown in FIG. 2C, when the first piezoelectric element 11A receives a vibration force and warps so that the lower side becomes convex, the piezoelectric layer shrinks, and the piezoelectric layer shrinks toward the piezoelectric layer in the plane direction. Stress is applied in the direction of contraction. As a result, a voltage having a polarity (hereinafter referred to as negative electrode property) in which the upper electrode layer 11Ad is negative and the lower electrode layer 11Ab is positive is generated.

もちろん、第1の圧電素子11Aでは、圧電層が縮むと、上部電極層11Ad側が正、下部電極層11Ab側が負となるように、両電極層間に電圧が発生し、圧電層が伸びると、上部電極層11Ad側が負、下部電極層11Ab側が正となるように、両電極層間に電圧が発生するような圧電材料層11Acを用いても構わない。第1の圧電素子11Aは、撓んで振動し、圧電層の両極にその振動に応じた電圧を発生させるものであればよい。 Of course, in the first piezoelectric element 11A, when the piezoelectric layer shrinks, a voltage is generated between the two electrode layers so that the upper electrode layer 11Ad side becomes positive and the lower electrode layer 11Ab side becomes negative, and when the piezoelectric layer extends, the upper portion A piezoelectric material layer 11Ac that generates a voltage between both electrode layers may be used so that the electrode layer 11Ad side is negative and the lower electrode layer 11Ab side is positive. The first piezoelectric element 11A may bend and vibrate, and may generate a voltage corresponding to the vibration at both poles of the piezoelectric layer.

発生する電圧信号の大きさは、変形の度合いに応じた量になる。なお、圧電素子を構成する材料によって(例えば、バルク、薄膜によって)分極作用が異なるので、電圧の極性と伸縮の関係とが上述とは逆になる場合がある。 The magnitude of the generated voltage signal is an amount according to the degree of deformation. Since the polarization action differs depending on the material constituting the piezoelectric element (for example, depending on the bulk or thin film), the relationship between the polarity of the voltage and the expansion / contraction may be opposite to the above.

このように、第1の圧電素子11Aは、その変形に応じて下部電極層11Abと上部電極層11Adとの間に生じた電圧を発生させる。第1のセンサ部11は、第1の圧電素子11Aの変形に応じた電圧信号である第1の電圧信号を出力する。 As described above, the first piezoelectric element 11A generates a voltage generated between the lower electrode layer 11Ab and the upper electrode layer 11Ad according to its deformation. The first sensor unit 11 outputs a first voltage signal, which is a voltage signal corresponding to the deformation of the first piezoelectric element 11A.

図1に戻り、第2のセンサ部12は、第2の圧電素子12Aと、第2の支持部12Bと、を備える。第2の支持部12Bは、円筒状の中空の部材であり、第1のセンサ部11の固定板11Cを支持し、固定板11Cを介して第1の支持部11Bを支持している。第2の支持部12Bは、加振部13に支持されている。 Returning to FIG. 1, the second sensor unit 12 includes a second piezoelectric element 12A and a second support unit 12B. The second support portion 12B is a cylindrical hollow member that supports the fixing plate 11C of the first sensor portion 11 and supports the first support portion 11B via the fixing plate 11C. The second support portion 12B is supported by the vibration portion 13.

第2の圧電素子12Aは、円板状のピエゾ素子であり、円筒状の第2の支持部12Bの内部空間に設けられている。第2の圧電素子12Aは、その外縁で第2の支持部12Bと接続され第2の支持部12Bに支持されている。第2の圧電素子12Aは、第2の支持部12Bから加えられる振動力により撓み振動が可能となっている。第2の圧電素子12Aは、変形に応じた電圧を電極間に発生させる点は、第1の圧電素子11Aと同じであり、その構造及び動作は、図2(A)〜図2(C)に示す第1の圧電素子11Aと同じである。第2のセンサ部12は、第2の圧電素子12Aの変形に応じた電圧信号である第2の電圧信号を出力する。 The second piezoelectric element 12A is a disk-shaped piezo element, and is provided in the internal space of the cylindrical second support portion 12B. The second piezoelectric element 12A is connected to the second support portion 12B at its outer edge and is supported by the second support portion 12B. The second piezoelectric element 12A can be flexed and vibrated by the vibration force applied from the second support portion 12B. The second piezoelectric element 12A is the same as the first piezoelectric element 11A in that a voltage corresponding to the deformation is generated between the electrodes, and the structure and operation thereof are the same as those in FIGS. 2 (A) to 2 (C). It is the same as the first piezoelectric element 11A shown in. The second sensor unit 12 outputs a second voltage signal, which is a voltage signal corresponding to the deformation of the second piezoelectric element 12A.

加振部13は、被駆動部13Aと、駆動部13Bとを備える。駆動部13Bの上に被駆動部13Aが配設され、被駆動部13Aが駆動部13Bに対して上下に振動する。被駆動部13Aは、第2のセンサ部12を支持しており、被駆動部13Aの振動が、第2のセンサ部12の第2の圧電素子12Aに伝達され、これにより第2の圧電素子12Aが振動する。また、被駆動部13Aの振動は、第2のセンサ部12(第2の支持部12B)を介して、第1のセンサ部11の第1の支持部11Bに伝達され、第1の圧電素子11Aが振動する。第1の圧電素子11Aが振動することにより、その振動が果実Sに伝達される。 The vibration-exciting unit 13 includes a driven unit 13A and a driving unit 13B. The driven unit 13A is arranged on the driven unit 13B, and the driven unit 13A vibrates up and down with respect to the driving unit 13B. The driven unit 13A supports the second sensor unit 12, and the vibration of the driven unit 13A is transmitted to the second piezoelectric element 12A of the second sensor unit 12, whereby the second piezoelectric element is transmitted. 12A vibrates. Further, the vibration of the driven portion 13A is transmitted to the first support portion 11B of the first sensor portion 11 via the second sensor portion 12 (second support portion 12B), and is transmitted to the first support portion 11B, and the first piezoelectric element. 11A vibrates. When the first piezoelectric element 11A vibrates, the vibration is transmitted to the fruit S.

硬度判定部20は、加振部13の加振中における第1の電圧信号と第2の電圧信号との位相差に基づいて、果実Sの硬度を判定する情報処理装置(コンピュータ)である。 The hardness determination unit 20 is an information processing device (computer) that determines the hardness of the fruit S based on the phase difference between the first voltage signal and the second voltage signal during the vibration of the vibration unit 13.

図3に示すように、硬度判定部20は、ハードウエア構成として、内部バス30と、制御部31、主記憶部32、外部記憶部33、操作部34、表示部35及び通信部36を備える。主記憶部32、外部記憶部33、操作部34、表示部35及び通信部36はいずれも内部バス30を介して制御部31に接続されている。 As shown in FIG. 3, the hardness determination unit 20 includes an internal bus 30, a control unit 31, a main storage unit 32, an external storage unit 33, an operation unit 34, a display unit 35, and a communication unit 36 as hardware configurations. .. The main storage unit 32, the external storage unit 33, the operation unit 34, the display unit 35, and the communication unit 36 are all connected to the control unit 31 via the internal bus 30.

制御部31は、CPU(Central Processing Unit)等から構成されている。このCPUが、外部記憶部33に記憶されているプログラム39を実行することにより、硬度判定部20の各構成要素が実現される。 The control unit 31 is composed of a CPU (Central Processing Unit) and the like. Each component of the hardness determination unit 20 is realized by the CPU executing the program 39 stored in the external storage unit 33.

主記憶部32は、RAM(Random-Access Memory)等から構成されている。主記憶部32には、外部記憶部33に記憶されているプログラム39がロードされる。この他、主記憶部32は、制御部31の作業領域(データの一時記憶領域)として用いられる。 The main storage unit 32 is composed of a RAM (Random-Access Memory) or the like. The program 39 stored in the external storage unit 33 is loaded into the main storage unit 32. In addition, the main storage unit 32 is used as a work area (temporary data storage area) of the control unit 31.

外部記憶部33は、フラッシュメモリ、ハードディスク、DVD−RAM(Digital Versatile Disc Random-Access Memory)、DVD−RW(Digital Versatile Disc ReWritable)等の不揮発性メモリから構成される。外部記憶部33には、制御部31に実行させるためのプログラム39があらかじめ記憶されている。また、外部記憶部33は、制御部31の指示に従って、このプログラム39の実行の際に用いられるデータを制御部31に供給し、制御部31から供給されたデータを記憶する。 The external storage unit 33 is composed of a flash memory, a hard disk, a non-volatile memory such as a DVD-RAM (Digital Versatile Disc Random-Access Memory) and a DVD-RW (Digital Versatile Disc ReWritable). The external storage unit 33 stores in advance a program 39 for being executed by the control unit 31. Further, the external storage unit 33 supplies the data used when executing the program 39 to the control unit 31 according to the instruction of the control unit 31, and stores the data supplied from the control unit 31.

操作部34は、キーボード及びマウスなどのポインティングデバイス等と、キーボードおよびポインティングデバイス等を内部バス30に接続するインターフェイス装置から構成されている。操作部34を介して、操作者が操作した内容に関する情報が制御部31に入力される。 The operation unit 34 is composed of a pointing device such as a keyboard and a mouse, and an interface device for connecting the keyboard, the pointing device, and the like to the internal bus 30. Information about the content operated by the operator is input to the control unit 31 via the operation unit 34.

表示部35は、CRT(Cathode Ray Tube)またはLCD(Liquid Crystal Display)などから構成され、操作者が操作情報を入力する場合は、操作用の画面が表示される。 The display unit 35 is composed of a CRT (Cathode Ray Tube), an LCD (Liquid Crystal Display), or the like, and when an operator inputs operation information, an operation screen is displayed.

通信部36は、シリアルインターフェイスまたはパラレルインターフェイスから構成されている。通信部36は、通信ネットワークを介して第1のセンサ部11及び第2のセンサ部12と接続されており、第1のセンサ部11及び第2のセンサ部12から電圧信号を受信する。 The communication unit 36 is composed of a serial interface or a parallel interface. The communication unit 36 is connected to the first sensor unit 11 and the second sensor unit 12 via a communication network, and receives voltage signals from the first sensor unit 11 and the second sensor unit 12.

図1に戻り、硬度測定装置1は、弾性部14と、補助支持部15と、をさらに備える。図1では、補助支持部15は、紙面に平行な断面が示されている。 Returning to FIG. 1, the hardness measuring device 1 further includes an elastic portion 14 and an auxiliary support portion 15. In FIG. 1, the auxiliary support portion 15 has a cross section parallel to the paper surface.

弾性部14は、ばね部材である。弾性部14は、加振部13と補助支持部15の底面との間に挿入され、加振部13を支持する。弾性部14は、果実Sの重量に応じて、弾性係数が異なるものに交換可能である。例えば、すいかのような重い果実Sを測定する場合には、ばね強度の強いばね部材を弾性部14として選択する。プチトマトなどの軽量な果実Sを測定する場合には、ばね強度の小さいばね部材を弾性部14として選択する。りんご、なしなどの中くらいの重量の果実Sを測定する場合には、ばね強度が中くらいのばね部材を弾性部14として選択する。 The elastic portion 14 is a spring member. The elastic portion 14 is inserted between the vibrating portion 13 and the bottom surface of the auxiliary support portion 15 to support the vibrating portion 13. The elastic portion 14 can be replaced with one having a different elastic modulus according to the weight of the fruit S. For example, when measuring a heavy fruit S such as watermelon, a spring member having a strong spring strength is selected as the elastic portion 14. When measuring a lightweight fruit S such as petit tomato, a spring member having a small spring strength is selected as the elastic portion 14. When measuring a medium-weight fruit S such as an apple or a pear, a spring member having a medium spring strength is selected as the elastic portion 14.

補助支持部15の上部には、円形の貫通孔が設けられている。補助支持部15は、この貫通孔の縁で、果実Sを補助的に支持する。補助支持部15は、第1のセンサ部11に支持された果実Sが、第1のセンサ部11から落下しないように果実Sを支持する。 A circular through hole is provided in the upper part of the auxiliary support portion 15. The auxiliary support portion 15 supplementarily supports the fruit S at the edge of the through hole. The auxiliary support portion 15 supports the fruit S so that the fruit S supported by the first sensor portion 11 does not fall from the first sensor portion 11.

次に、本実施の形態に係る硬度測定装置1を用いた果実Sの硬度の測定動作について説明する。 Next, the operation of measuring the hardness of the fruit S using the hardness measuring device 1 according to the present embodiment will be described.

図4に示すように、まず、測定対象である果実Sに応じたばね部材を弾性部14として設置する(ステップS1)。具体的には、果実Sの重量に応じたばね強度を有するばね部材を弾性部14として選択し設置する。 As shown in FIG. 4, first, a spring member corresponding to the fruit S to be measured is installed as the elastic portion 14 (step S1). Specifically, a spring member having a spring strength corresponding to the weight of the fruit S is selected and installed as the elastic portion 14.

続いて、果実Sを第1のセンサ部11の第1の圧電素子11A上に載置する(ステップS2;支持工程)。これにより、果実Sの下部に当接してこれを支持しつつ変形が可能な第1の圧電素子11Aを有する第1のセンサ部11と、第1の圧電素子11Aと独立して変形が可能な第2の圧電素子12Aを有する第2のセンサ部12とを介して、加振部13で果実Sを支持したことになる。この場合、必要であれば、果実Sを補助支持部15で補助的に支持する。 Subsequently, the fruit S is placed on the first piezoelectric element 11A of the first sensor unit 11 (step S2; support step). As a result, the first sensor unit 11 having the first piezoelectric element 11A that is in contact with the lower part of the fruit S and can be deformed while supporting it, and the first piezoelectric element 11A can be deformed independently. The fruit S is supported by the vibrating unit 13 via the second sensor unit 12 having the second piezoelectric element 12A. In this case, if necessary, the fruit S is supplementarily supported by the auxiliary support portion 15.

続いて、加振部13を用いて、第1のセンサ部11A及び第2のセンサ部12Aを介して果実Sを加振させつつ、第1の圧電素子11Aの変形に応じた電圧信号である第1の電圧信号と、第2の圧電素子12Aの変形に応じた電圧信号である第2の電圧信号を測定する(ステップS3;測定工程)。具体的には、加振部13は、振動数を徐々に高くしながら、各振動数における第1の圧電素子11Aの電圧信号と、第2の圧電素子12Aの電圧振動との位相差を求める。 Subsequently, the vibration unit 13 is used to vibrate the fruit S via the first sensor unit 11A and the second sensor unit 12A, and the voltage signal corresponds to the deformation of the first piezoelectric element 11A. The first voltage signal and the second voltage signal, which is a voltage signal corresponding to the deformation of the second piezoelectric element 12A, are measured (step S3; measurement step). Specifically, the vibrating unit 13 obtains the phase difference between the voltage signal of the first piezoelectric element 11A and the voltage vibration of the second piezoelectric element 12A at each frequency while gradually increasing the frequency. ..

続いて、硬度判定部20は、加振部13の加振中における第1の電圧信号と第2の電圧信号との位相差に基づいて、果実Sの硬度を判定する(ステップS4;硬度判定工程)。具体的には、ステップS3で取得された、加振部13での周波数の各振動数における第1の圧電素子11Aの電圧信号と、第2の圧電素子12Aの電圧信号との位相差との関係に基づいて、果実Sの共振周波数を求め、求められた共振周波数に基づいて、果実Sの硬度及び熟度を判定する。ここで、熟度とは、果実Sの熟れ具合を意味する官能的な指標であり、主に果実の食べ頃を判断するのに用いられている。 Subsequently, the hardness determination unit 20 determines the hardness of the fruit S based on the phase difference between the first voltage signal and the second voltage signal during the vibration of the vibration unit 13 (step S4; hardness determination). Process). Specifically, the phase difference between the voltage signal of the first piezoelectric element 11A and the voltage signal of the second piezoelectric element 12A at each frequency of the frequency in the vibrating unit 13 acquired in step S3. Based on the relationship, the resonance frequency of the fruit S is obtained, and the hardness and maturity of the fruit S are determined based on the obtained resonance frequency. Here, the ripeness is a sensual index meaning the ripeness of the fruit S, and is mainly used to determine when the fruit is ready to eat.

図5には、加振部13の周波数に対する、第1の圧電素子11Aの出力信号と、第2の圧電素子12Aの出力信号との位相差の変化の様子が示されている。図5の上のグラフは、大きいボール(大玉)を果実Sと見立てた場合の周波数の第1の圧電素子11Aの電圧信号と、第2の圧電素子12Aの電圧信号との位相差との関係を示す。また、図5の真ん中のグラフは、中くらいのボール(中玉)を果実Sと見立てた場合の周波数の第1の圧電素子11Aの電圧信号と、第2の圧電素子12Aの電圧信号との位相差との関係を示す。さらに、図5の下のグラフは、小さなボール(小玉)を果実Sと見立てた場合の周波数の第1の圧電素子11Aの電圧信号と、第2の圧電素子12Aの電圧信号との位相差との関係を示す。 FIG. 5 shows a change in the phase difference between the output signal of the first piezoelectric element 11A and the output signal of the second piezoelectric element 12A with respect to the frequency of the exciting portion 13. The upper graph of FIG. 5 shows the relationship between the phase difference between the voltage signal of the first piezoelectric element 11A and the voltage signal of the second piezoelectric element 12A at a frequency when a large ball (large ball) is regarded as the fruit S. Is shown. Further, the graph in the middle of FIG. 5 shows the voltage signal of the first piezoelectric element 11A and the voltage signal of the second piezoelectric element 12A having a frequency when the medium ball (middle ball) is regarded as the fruit S. The relationship with the phase difference is shown. Further, the graph at the bottom of FIG. 5 shows the phase difference between the voltage signal of the first piezoelectric element 11A and the voltage signal of the second piezoelectric element 12A having a frequency when a small ball (small ball) is regarded as the fruit S. Shows the relationship between.

図5に示すように、大玉、中玉、小玉サイズが異なる全てのボールにおいて、幾つかの両出力信号の位相差にピークが現れている。本発明者は、このピークに対応する周波数が果実Sの共振周波数に一致していることを見いだした。測定された共振周波数は、レーザードップラー法で測定した共振周波数とほぼ一致していることが確認された。したがって、両出力信号の位相差のピークに対応する周波数は果実Sの共振周波数であると考えることができる。硬度判定部20は、このピークに対応する共振点(共振周波数)を検出する。 As shown in FIG. 5, in all the balls having different sizes of the large ball, the medium ball, and the small ball, a peak appears in the phase difference between some output signals. The present inventor has found that the frequency corresponding to this peak corresponds to the resonance frequency of the fruit S. It was confirmed that the measured resonance frequency was almost the same as the resonance frequency measured by the laser Doppler method. Therefore, the frequency corresponding to the peak of the phase difference between the two output signals can be considered to be the resonance frequency of the fruit S. The hardness determination unit 20 detects a resonance point (resonance frequency) corresponding to this peak.

なお、測定の結果、大玉、中玉、小玉のピーク周波数fに対するf〜fの周波数比率はほぼ同じとなった。 As a result of the measurement, large piece, Nakatama, frequency ratio of f 2 ~f 8 to the peak frequency f 1 of the Kodama became almost the same.

複数の異なる周波数で現れる位相差のピークのうち、周波数の低い側から1番目のピークに対応する共振周波数を第1の共振周波数fとする。この第1の共振周波数fを用いることで、果実Sの硬度の測定が可能になる。 Of the peaks of the phase difference which appears in a plurality of different frequencies, the resonance frequency corresponding to the first peak from the low frequency side as the first resonant frequency f 1. By using this first resonance frequency f 1 , the hardness of the fruit S can be measured.

硬度指標は、次の式(1)によって算出される。
果実Sの硬度=m2/3×f (m:果実Sの重量、f:第1の共振周波数)
The hardness index is calculated by the following formula (1).
Hardness of fruit S = m 2/3 × f 1 2 (m: weight of fruit S, f 1 : first resonance frequency)

なお、果実Sの重量mは事前に測定して測定者が入力するようにしてもよいし、硬度測定装置1で自動的に測定されるようにしてもよい。例えば、弾性部14の下にロードセルを設置すれば、果実Sの重量mを測定することができる。 The weight m of the fruit S may be measured in advance and input by the measurer, or may be automatically measured by the hardness measuring device 1. For example, if a load cell is installed under the elastic portion 14, the weight m of the fruit S can be measured.

このようにして得られた硬度は、欠陥がない限り、熟度との相関が強いことが知られている。一般に、未熟な果実Sは硬く、過熟な果実Sは軟らかい。また、適熟、すなわち食べ頃の果実Sは適度な硬さを有している。収穫された果実Sは、時間の経過とともに熟して軟らかくなっていく。 It is known that the hardness thus obtained has a strong correlation with maturity as long as there are no defects. In general, the immature fruit S is hard and the overripe fruit S is soft. In addition, the fruit S, which is properly ripe, that is, when it is ready to eat, has an appropriate hardness. The harvested fruit S ripens and becomes soft with the passage of time.

図6には、果実Sの硬度指標の経時変化の一例が示されている。収穫された果実Sの硬度指標は、経過時間との間で一次的な相関関係が認められ、単純に低下する。従って、予め果実Sの硬度指標の経時変化を調べてデータ化しておけば、測定した果実Sの硬度指標からその後の硬度変化を予測することができる。 FIG. 6 shows an example of the change over time in the hardness index of the fruit S. The hardness index of the harvested fruit S has a primary correlation with the elapsed time and simply decreases. Therefore, if the change over time of the hardness index of the fruit S is investigated in advance and converted into data, the subsequent change in hardness can be predicted from the measured hardness index of the fruit S.

図7には、果実Sの硬度指標と熟度との関係の一例が示されている。横軸が熟度を表しており、図中の長円状に示す部分が、データの分布を簡略化して表したものである。熟度は、様々な硬度指標の果実を実食し、過熟(熟れすぎ)、適熟(食べ頃)、未熟(熟れ不足)を、数値化して官能的に評価したものである。 FIG. 7 shows an example of the relationship between the hardness index of fruit S and the ripeness. The horizontal axis represents maturity, and the oval-shaped portion in the figure is a simplified representation of the data distribution. The degree of maturity is a sensual evaluation of overripe (overripe), appropriate ripeness (when eaten), and immature (underripe) by actually eating fruits with various hardness indexes.

このように、硬度指標と熟度との間には、一次的な相関関係が認められる。従って、果実Sの硬度指標と熟度との相関関係を調べてデータ化しておけば、測定した果実Sの硬度指標からその熟度を評価することができる。 Thus, there is a primary correlation between the hardness index and maturity. Therefore, if the correlation between the hardness index of the fruit S and the ripeness is investigated and converted into data, the ripeness can be evaluated from the measured hardness index of the fruit S.

以上詳細に説明したように、1点接触で果実Sの硬度を測定することができるので、果実Sを挟んで保持する必要がなくなる。この結果、果実Sを挟み込む作業が不要となるので、果実の硬度を容易に測定することができる。 As described in detail above, since the hardness of the fruit S can be measured by one-point contact, it is not necessary to sandwich and hold the fruit S. As a result, the work of sandwiching the fruit S becomes unnecessary, so that the hardness of the fruit can be easily measured.

例えば、果実Sが高い位置にある場合には、図8に示すように、棒50の先に硬度測定装置1を取り付け、硬度測定装置1に果実Sを載置すれば、その硬度を簡単に測定することができる。 For example, when the fruit S is in a high position, as shown in FIG. 8, if the hardness measuring device 1 is attached to the tip of the rod 50 and the fruit S is placed on the hardness measuring device 1, the hardness can be easily measured. Can be measured.

また、本実施の形態に係る硬度測定装置1は、加振部13を支持する弾性部14を備えるものとした。このようにすれば、果実Sの共振周波数に対応して、両電圧信号の位相差のピークがより顕著に表れやすくなる。しかしながら、本発明はこれには限られない。弾性部14はなくてもよい。また、弾性部14をばね部材としたが、ゴムなどの弾性部材を用いるようにしてもよい。 Further, the hardness measuring device 1 according to the present embodiment is provided with an elastic portion 14 that supports the vibrating portion 13. By doing so, the peak of the phase difference between the two voltage signals is more likely to appear more prominently corresponding to the resonance frequency of the fruit S. However, the present invention is not limited to this. The elastic portion 14 may not be provided. Further, although the elastic portion 14 is used as a spring member, an elastic member such as rubber may be used.

また、本実施の形態に係る硬度測定装置1では、弾性部14として用いる弾性部材を、果実Sの重量に応じてばね強度が異なるものに交換可能であるものとした。このようにすれば、果実Sの重量に関わらず、硬度を高精度に測定することができる。 Further, in the hardness measuring device 1 according to the present embodiment, the elastic member used as the elastic portion 14 can be replaced with one having a different spring strength according to the weight of the fruit S. By doing so, the hardness can be measured with high accuracy regardless of the weight of the fruit S.

また、本実施の形態に係る硬度測定装置1では、円筒状の第2の支持部12Bが、円筒状の第1の支持部11Bを支持する。これにより、果実Sを安定して支持することができるとともに、内部に空間を設け、その空間内で第1の圧電素子11A、第2の圧電素子12Aを振動変形させることができる。 Further, in the hardness measuring device 1 according to the present embodiment, the cylindrical second support portion 12B supports the cylindrical first support portion 11B. As a result, the fruit S can be stably supported, and a space can be provided inside, and the first piezoelectric element 11A and the second piezoelectric element 12A can be vibrated and deformed in the space.

また、本実施の形態に係る硬度測定装置1では、補助支持部15を備える。これにより、第1のセンサ部11から果実Sが落下するのを防止することができる。しかしながら、補助支持部15は必須ではない。 Further, the hardness measuring device 1 according to the present embodiment includes an auxiliary support portion 15. This makes it possible to prevent the fruit S from falling from the first sensor unit 11. However, the auxiliary support 15 is not essential.

また、上記実施の形態では、シリコン基板の上に積層される電極層、圧電層で第1の圧電素子11Aを構成したが、他の構成を有する圧電素子を用いてもよい。 Further, in the above embodiment, the first piezoelectric element 11A is composed of the electrode layer and the piezoelectric layer laminated on the silicon substrate, but a piezoelectric element having another configuration may be used.

また、上記実施の形態では、果実Sの硬度を測定したが、本発明はこれには限られない。他の農産物の硬度等の測定にも適用することができる。 Further, in the above embodiment, the hardness of the fruit S is measured, but the present invention is not limited to this. It can also be applied to the measurement of hardness and the like of other agricultural products.

その他、硬度判定部20(コンピュータ)のハードウエア構成やソフトウエア構成は一例であり、任意に変更および修正が可能である。 In addition, the hardware configuration and software configuration of the hardness determination unit 20 (computer) are examples, and can be arbitrarily changed and modified.

コンピュータの処理を行う中心となる部分は、専用のシステムによらず、通常のコンピュータシステムを用いて実現可能である。例えば、前記の動作を実行するためのコンピュータプログラムを、コンピュータが読み取り可能な記録媒体(フレキシブルディスク、CD−ROM、DVD−ROM等)に格納して配布し、当該コンピュータプログラムをコンピュータにインストールすることにより、前記の処理を実行するコンピュータを構成してもよい。また、インターネット等の通信ネットワーク上のサーバ装置が有する記憶装置に当該コンピュータプログラムを格納しておき、通常のコンピュータシステムがダウンロード等することでコンピュータを構成してもよい。 The central part of computer processing can be realized by using a normal computer system, not by a dedicated system. For example, a computer program for performing the above operation is stored and distributed in a computer-readable recording medium (flexible disk, CD-ROM, DVD-ROM, etc.), and the computer program is installed in the computer. May configure a computer to perform the above processing. Further, the computer program may be stored in a storage device of a server device on a communication network such as the Internet, and the computer may be configured by downloading or the like by a normal computer system.

コンピュータの機能を、OS(オペレーティングシステム)とアプリケーションプログラムの分担、またはOSとアプリケーションプログラムとの協働により実現する場合などには、アプリケーションプログラム部分のみを記録媒体や記憶装置に格納してもよい。 When the function of the computer is realized by the division of the OS (operating system) and the application program or the cooperation between the OS and the application program, only the application program portion may be stored in the recording medium or the storage device.

搬送波にコンピュータプログラムを重畳し、通信ネットワークを介して配信することも可能である。たとえば、通信ネットワーク上の掲示板(BBS, Bulletin Board System)にコンピュータプログラムを掲示し、ネットワークを介してコンピュータプログラムを配信してもよい。そして、このコンピュータプログラムを起動し、OSの制御下で、他のアプリケーションプログラムと同様に実行することにより、前記の処理を実行できるように構成してもよい。 It is also possible to superimpose a computer program on a carrier wave and distribute it via a communication network. For example, a computer program may be posted on a bulletin board system (BBS, Bulletin Board System) on a communication network, and the computer program may be distributed via the network. Then, the computer program may be started and executed in the same manner as other application programs under the control of the OS so that the above processing can be executed.

この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。 The present invention allows for various embodiments and variations without departing from the broad spirit and scope of the invention. Further, the above-described embodiments are for explaining the present invention, and do not limit the scope of the present invention. That is, the scope of the present invention is shown not by the embodiment but by the claims. Then, various modifications made within the scope of the claims and within the scope of the equivalent invention are considered to be within the scope of the present invention.

本発明は、果実の硬度、熟度等の測定に適用することができる。 The present invention can be applied to the measurement of fruit hardness, ripeness and the like.

1 硬度測定装置、11 第1のセンサ部、11A 第1の圧電素子、11Aa 基材層、11Ab 下部電極層、11Ac 圧電材料層、11Ad 上部電極層、11B 第1の支持部、11C 固定板、12 第2のセンサ部、12A 第2の圧電素子、12B 第2の支持部、13 加振部、13A 被駆動部、13B 駆動部、14 弾性部、15 補助支持部、20 硬度判定部、30 内部バス、31 制御部、32 主記憶部、33 外部記憶部、34 操作部、35 表示部、36 通信部、39 プログラム、50 棒、S 果実(サンプル) 1 hardness measuring device, 11 first sensor part, 11A first piezoelectric element, 11Aa base material layer, 11Ab lower electrode layer, 11Ac piezoelectric material layer, 11Ad upper electrode layer, 11B first support part, 11C fixing plate, 12 2nd sensor part, 12A 2nd piezoelectric element, 12B 2nd support part, 13 vibration part, 13A driven part, 13B drive part, 14 elastic part, 15 auxiliary support part, 20 hardness judgment part, 30 Internal bus, 31 control unit, 32 main storage unit, 33 external storage unit, 34 operation unit, 35 display unit, 36 communication unit, 39 program, 50 rods, S fruit (sample)

Claims (6)

サンプルの下部に当接してこれを支持しつつ変形が可能な第1の圧電素子を有し、前記第1の圧電素子の変形に応じた電圧信号である第1の電圧信号を出力する第1のセンサ部と、
前記第1の圧電素子と独立して変形が可能な第2の圧電素子を有し、前記第2の圧電素子の変形に応じた電圧信号である第2の電圧信号を出力するとともに前記第1のセンサ部を支持する第2のセンサ部と、
記第2のセンサ部を支持して加振する加振部と、
前記加振部の加振中における前記第1の電圧信号と前記第2の電圧信号との位相差に基づいて、前記サンプルの硬度を判定する硬度判定部と、
を備える硬度測定装置。
A first that has a first piezoelectric element that is in contact with the lower part of the sample and can be deformed while supporting it, and outputs a first voltage signal that is a voltage signal corresponding to the deformation of the first piezoelectric element. Sensor part and
It has a second piezoelectric element that can be deformed independently of the first piezoelectric element, and outputs a second voltage signal that is a voltage signal corresponding to the deformation of the second piezoelectric element and also outputs the first. The second sensor part that supports the sensor part of
A vibration unit for vibrating supports the previous SL second sensor portion,
A hardness determination unit that determines the hardness of the sample based on the phase difference between the first voltage signal and the second voltage signal during vibration of the vibration unit.
A hardness measuring device.
前記加振部を支持する弾性部材を備える、
請求項1に記載の硬度測定装置。
An elastic member that supports the vibrating portion.
The hardness measuring device according to claim 1.
前記サンプルの重量に応じて、前記弾性部材を、ばね強度が異なるものに交換可能である、
請求項2に記載の硬度測定装置。
Depending on the weight of the sample, the elastic member can be replaced with one having a different spring strength.
The hardness measuring device according to claim 2.
前記第1の圧電素子は、その中央で前記サンプルの下部に当接し、
前記第1のセンサ部は、前記第1の圧電素子の外縁を振動可能に支持する第1の支持部を有し、
前記第2のセンサ部は、前記第2の圧電素子の外縁を振動可能に支持する第2の支持部を有し、
前記第2の支持部が、前記第1の支持部を支持する、
請求項1から3のいずれか一項に記載の硬度測定装置。
The first piezoelectric element abuts on the lower part of the sample at the center thereof.
The first sensor unit has a first support unit that oscillateably supports the outer edge of the first piezoelectric element.
The second sensor unit has a second support unit that oscillateably supports the outer edge of the second piezoelectric element.
The second support portion supports the first support portion.
The hardness measuring device according to any one of claims 1 to 3.
前記サンプルを補助的に支持する補助支持部を備える、
請求項1から4のいずれか一項に記載の硬度測定装置。
Auxiliary support for supporting the sample.
The hardness measuring device according to any one of claims 1 to 4.
サンプルの下部に当接してこれを支持しつつ変形が可能な第1の圧電素子を有する第1のセンサ部を、前記第1の圧電素子と独立して変形が可能な第2の圧電素子を有する第2のセンサ部で支持し、加振部で前記第2のセンサ部を支持する支持工程と、
前記加振部を用いて、前記第1のセンサ部及び前記第2のセンサ部を介して前記サンプルを加振させつつ、前記第1の圧電素子の変形に応じた電圧信号である第1の電圧信号と、前記第2の圧電素子の変形に応じた電圧信号である第2の電圧信号を測定する測定工程と、
前記加振部の加振中における前記第1の電圧信号と前記第2の電圧信号との位相差に基づいて、前記サンプルの硬度を判定する硬度判定工程と、
を含む硬度測定方法。
A first sensor unit having a first piezoelectric element that is in contact with the lower part of the sample and can be deformed while supporting it , and a second piezoelectric element that can be deformed independently of the first piezoelectric element. A support process in which the second sensor portion is supported and the vibration portion supports the second sensor portion.
A first voltage signal corresponding to the deformation of the first piezoelectric element while vibrating the sample via the first sensor unit and the second sensor unit using the vibration unit. A measurement step for measuring a voltage signal and a second voltage signal which is a voltage signal corresponding to the deformation of the second piezoelectric element.
A hardness determination step of determining the hardness of the sample based on the phase difference between the first voltage signal and the second voltage signal during vibration of the vibration unit.
Hardness measuring method including.
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