JP7370515B2 - 押し込み試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、被検体の柔らかさを測定できるようにした押し込み試験装置に関するものである。

従来、物品の柔らかさなどを検出するための装置として、下記の特許文献１に記載されるような押し込み試験装置が提案されている。

このような押し込み試験装置は、先端を半球状にした圧子と、この圧子の先端を突出させた状態で保持するケーシングと、このケーシングと圧子との間に設けられたロードセルとを備えて構成されるものであって、圧子を被検体に押し込んで柔らかさを検出する際に、その被検体への押し込み量Δｘや、押し込み時に圧子に作用する荷重Ｆ、圧子の半球面の直径φ、被検体のヤング率Ｅ、被検体固有のポアソン比νなどを用いて、下式を用いて被検体のヤング率Ｅを測定できるようにしたものである。

このような装置によれば、被検体に圧子を押し込むことによって、その被検体の柔らかさを測定することができるため、肌の柔らかさ、食品や素材の柔らかさなどを測定することにより、食品の状態や物品の触感などを定量化することができるようになる。

特開2019-132623号公報

しかしながら、このような押し込み試験装置を用いて被検体の柔らかさを測定する場合、次のような問題がある。

すなわち、このような押し込み試験装置を被検体に押し込んで柔らかさを測定する場合、上記数１を用いて柔らかさを測定するようにしているが、この測定されるヤング率Ｅは、圧子を被検体の表面から法線方向に押圧することを前提として測定されるものであるため、実際に、圧子が斜め方向に押圧された場合には、正確にヤング率Ｅを測定することができない。

具体的には、被検体に対して斜め方向に圧子が押圧された場合、被検体の表面は、図３に示すような盛り上がりや凹みなどを生ずる状態となり、圧子に対して複雑な方向からの押圧荷重と引張荷重が生ずることになる。また、圧子を斜めに押圧した場合、圧子に対する変位量は、実際に垂直に押圧した場合よりも小さくなるのに対して、数１では、大きいままの変位量で測定されることになる。そのため、圧子が斜めに押圧された場合、測定値が大きく変化してしまい、正確にヤング率Ｅを測定することができなくなる。

そこで、本発明は、上記課題に着目してなされたもので、圧子が被検体に斜め方向から押圧された場合であっても、正確にその被検体の柔らかさを測定できるようにした押し込み試験装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、柔らかさの測定対象である被検体に押し込まれる圧子と、当該圧子を収容するケーシングと、当該ケーシングから突出している圧子を被検体に押圧した際に、その圧子に作用する荷重を検出する３軸の荷重検出センサーと、を備えてなる押し込み試験装置において、前記ケーシングの長手方向と、被検体に作用する押圧方向との角度を、前記３軸に作用するそれぞれの荷重成分を用いて算出し、当該算出された角度に応じて、前記荷重検出センサーによる荷重、および、前記圧子が被検体に接触しうる先端部分の径、および、圧子の押し込み量を含むパラメーターを用いて被検体の柔らかさを測定する測定部を備えるようにしたものである。

このように構成すれば、被検体に対して圧子が斜めに押圧された場合、３軸の荷重によって押圧方向を推定し、その押圧方向とケーシングの長手方向との角度を荷重検出センサーで検出することができるとともに、その荷重検出センサーによって、被検体への押圧力を検出することができるようになる。

さらに、柔らかさを測定する場合、角度に応じた補正値を乗じて柔らかさを測定する。

このように構成すれば、角度に応じた押し込み量や圧子の接触面積を補正することができ、正確な柔らかさを測定することができるようになる。

本発明によれば、柔らかさの測定対象である被検体に押し込まれる圧子と、当該圧子を収容するケーシングと、当該ケーシングから突出している圧子を被検体に押圧した際に、その圧子に作用する荷重を検出する３軸の荷重検出センサーと、を備えてなる押し込み試験装置において、前記ケーシングの長手方向と、被検体に作用する押圧方向との角度を、前記３軸に作用するそれぞれの荷重成分を用いて算出し、当該算出された角度に応じて、前記荷重検出センサーによる荷重、および、前記圧子が被検体に接触しうる先端部分の径、および、圧子の押し込み量を含むパラメーターを用いて被検体の柔らかさを測定する測定部を備えるようにしたので、被検体に対して圧子が斜めに押圧された場合、３軸の荷重によって押圧方向を推定し、その押圧方向とケーシングの長手方向との角度を荷重検出センサーで検出することができるとともに、その荷重検出センサーによって、被検体への押圧力を検出することができるようになる。

本発明の押し込み試験装置の構成を示す図 同形態における押し込み速度を変化させた場合の測定値を示す図 斜め方向に押し込んだ状態図 斜め方向に押し込んだ際の圧子の接触面積を示す図 押し込み角度を変化させた場合の測定値を示す比較例

以下、本発明における一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

この実施の形態における押し込み試験装置１は、被検体６の柔らかさの指標をヤング率として測定して出力できるようにしたものであって、図１に示すように、ケーシング２の内部に、被検体６に押圧される圧子４と、この圧子４を被検体６に押圧させるための押圧部３と、この押圧部３によって押圧された圧子４の荷重を検出する荷重検出センサー５とを備えて構成される。そして、特徴的に、その圧子４を被検体６に押圧する際に、その押圧方向とケーシング２の長手方向に沿った軸線ＣＬにとの角度を測定し、その角度によって、被検体６の柔らかさを測定できるようにしたものである。以下、本実施の形態における押し込み試験装置１について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、説明において、ケーシング２の長手方向をＺ軸とし、これに直交する方向をＸ軸、Ｙ軸とする。

まず、この押し込み試験装置１の構造について、図１や図２を用いて説明する。

この押し込み試験装置１を構成するケーシング２は、内部に押圧部３や荷重検出センサーや圧子４などを有するものであって、内部を中空に構成している。このケーシング２の先端部分には、被検体６に垂直に圧子４を押圧させるための平面状の接触部２１を設けている。ここの接触部２１は、可能な限り押し込み試験装置１の長手方向の軸線ＣＬを被検体６の法線方向として接触できるように、上方の把持部２０よりも外径を大きくしたリング形状としている。なお、ここでは、接触部２１をリング形状としているが、把持部２０よりも大きくした矩形状の形状であってもよく、その下端面を比較的大きな平面状とするようにしている。そして、このようなケーシング２を人間の手で把持して接触部２１を被検体６に押圧させたり、あるいは、治具などに把持部を固定して、接触部２１を被検体６に押圧させたりできるようにしている。

このケーシング２の内部に設けられる押圧部３は、圧子４を被検体６に押圧できるようにしたものであって、ここでは、サーボモーターで構成される。そして、そのサーボモーターを駆動することによって、その回転量に応じた上下方向の変位を測定できるようにしており、圧子４の変位量を測定しながら被検体６を押圧させるようにしている。なお、ここでは、サーボモーターで押圧部３を構成しているが、バネや手動による押圧によって圧子４を押し込めるようにしてもよい。このとき、圧子４の上下方向の変位が分かるように、変位センサーなどを設けるようにしておくようにする。

荷重検出センサー５は、圧子４を被検体６に押圧した際に作用する荷重を検出できるようにしたものであって、圧子４の上端部分と押圧部３の間に設けられる。ここでは、荷重検出センサー５として、３軸方向の荷重（直交するＸＹＺ軸方向の荷重）を検出できるロードセルを用いる。このロードセルは、周知のように、薄い金属板で構成された起歪部を四方向に設け、これを中央の作用部に向けて起立させてなるもので、その起歪部に掛かる荷重を電気信号の変化として検出できるように構成されるものである。そして、この電気信号の変化によって荷重を検出する際、その起歪部に貼り付けられたホイートストンブリッジによって、その起歪部の変形に伴って生ずる電圧変化を荷重として検出する。なお、このような荷重検出センサー５を設ける場合、ケーシング２の長手方向に沿った軸線ＣＬをＺ軸として検出し、また、これに垂直な方向をＸ軸、Ｙ軸としてそれぞれの荷重を検出できるようにしておく。

この荷重検出センサー５が取り付けられる圧子４は、先端部分を半球面４１としたものであって、ケーシング２の内壁に僅かな隙間をもって設けられる摺動部４２で上下動するようになっている。そして、図２に示すように、圧子４を被検体６に押圧させ、その被検体６の柔らかさを測定できるようにしている。なお、この圧子４は、測定前においては、図１に示すようにケーシング２の内部に収容されており、その先端の半球面４１をケーシング２の接触面２１から突出させないようにしておく。そして、計測を開始した段階で、押圧部３を介して圧子４をケーシング２の接触面２１から突出させるようにしている。

このような構成のもと、圧子４の押圧によって被検体６の柔らかさを測定する。

測定部では、まず、荷重検出センサー５に作用するＸＹＺ軸方向の荷重成分を用いて、実際に作用した荷重の方向を推定し、その荷重の方向とケーシング２の長手方向（Ｚ軸方向）との角度を算出する。この角度を算出するに際しては、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向のそれぞれに作用する荷重成分から合成ベクトルを実際に作用した荷重の方向と推定し、その合成ベクトルとＺ軸方向に対する角度を算出する。この算出された角度には、Ｘ軸回りのロール角やＹ軸回りのピッチ角が存在することになるが、それぞれの角度を算出しておく。なお、このようなＸＹＺ軸方向の荷重成分からＺ軸方向に対する角度を算出する場合、ケーシング２のＺ軸方向との角度が整合しない場合がある。具体的には、圧子４を斜め方向に被検体６に押し込んだ場合、図３に示すように、押し込み方向に被検体６が盛り上がって押圧荷重が作用し、また、反対方向には凹みを生じて引張荷重が作用する。そして、これらの押圧荷重や引張荷重によって、ケーシング２のＺ軸方向に対する傾斜角度を正確に算出することができなくなる。そこで、被検体６の盛り上がりや凹みなどによる荷重への影響を考慮して補正係数を掛けるようにしている。このような補正係数としては、０度から２０度の傾斜範囲内においては、実験によって１．５から２．０の範囲内に設定しておくと正確な角度が検出できることが分かった。

次に、このように算出された角度から、実際に圧子４を押圧した際の荷重方向（合成ベクトルの方向）に沿った変位量Δｘを求める。このとき、圧子４がＺ軸方向に沿って押圧している場合は、サーボモーターによる回転量に応じた変位がそのまま被検体６を押圧した変位となり、また、例えば、Ｚ軸方向から４５度傾いている場合は、そのサーボモーターによる変位に対して１／√２の値だけ変位した値となる。

また、このように算出された合成ベクトル方向に対する変位Δｘを用いて、サーボモーターの回転速度などから、合成ベクトル方向に対する押し込み速度も算出する。

さらに、このように算出されたＺ軸に対する傾斜角度によって、圧子４の押圧面の面積も補正する。実際に圧子４をＺ軸方向に押圧した場合、被検体６との接触面は円形状となるが、傾斜して押圧された場合は、図４の斜線部に示すような形状の接触面となり、接触表面積Ｓが小さくなる。そこで、この傾斜角度に応じて接触表面積Ｓを補正する。この接触表面積Ｓは、傾斜角度に応じて、半球面の表面積から非接触部分の面積を減じて算出する。

そして、このように補正された押し込み量Δｘや押し込み速度、接触表面積Ｓなどを用いて、測定部では、次の数２を用いてヤング率Ｅを測定する。

ここで、既知数は、補正された変位Δｘ、Ｚ軸方向の荷重Ｆ、補正された圧子の接触表面積Ｓ、ポアソン比ν、補正された速度（Δｘの微分値）である。一方、未知数としては、ヤング率Ｅ、速度補正係数ｃとなるため、数２だけではヤング率Ｅや速度補正係数ｃを測定することができない。そのため、数２を時間で微分した数３を用いる。

ここで、被検体６を押圧する際の変位量はごく僅かであり、等速で押圧していると仮定すると、変位の二回微分の項（加速度項）はゼロとなり、次の数４となる。

このＦの微分項は、荷重をサンプリング時間で割った値であるため既知数となり、この数４や数２を用いて、ヤング率Ｅや速度依存係数ｃを算出する。

そして、このように測定されたヤング率Ｅや速度依存係数ｃなどを表示可能に出力するとともに、その際の押し込速度も表示できるようにしておく。

このような構成を有する押し込み試験装置を用いて被検体を種々の角度で押圧した際のヤング率について、数１を用いた場合と、数４を用いた場合の結果を図５に示す。

図５において、上段の図は被検体６に垂直に圧子４を押圧した状態（傾斜０度）で押し込んだ際のヤング率Ｅを測定したものであり、中段の図は１０度傾斜させた状態で押し込んだ際のヤング率Ｅ、下段の図は２０度傾斜させた状態で押し込んだ際のヤング率Ｅを測定したものである。実験においては、サンプルによる誤差を調べるために、３種類のサンプルを用いてヤング率Ｅを測定した。

図５から分かるように、数１を用いて押し込み力を測定した場合、傾斜角度が大きくなるとヤング率Ｅが小さく測定されるのに対し、傾斜角度を考慮した数４を用いてヤング率Ｅを測定した場合、変化が小さいことが分かる。このことから、傾斜角度が変わった場合であっても、正確にヤング率Ｅを測定できることが分かる。

このように上記実施の形態によれば、柔らかさの測定対象である被検体６に押し込まれる圧子４と、当該圧子４を収容するケーシング２と、当該ケーシング２から突出している圧子４を被検体６に押圧した際に、その圧子４に作用する荷重を検出する３軸の荷重検出センサー５とを備えてなる押し込み試験装置１において、前記ケーシング２の長手方向（ＣＬ）と被検体６に作用する押圧方向との角度を、前記３軸に作用するそれぞれの荷重成分を用いて算出し、当該算出された角度に応じて、前記荷重検出センサー５による荷重Ｆ、および、前記圧子４が被検体６に接触する圧子４の径に基づく接触表面積Ｓ、および、圧子４の押し込み量Δｘを含むパラメーターを用いて被検体６のヤング率Ｅを測定するようにしたので、３軸の荷重によって押圧方向を推定し、その押圧方向とケーシング２の長手方向との角度を荷重検出センサー５で検出することができるとともに、その荷重検出センサー５によって、被検体６への押圧力を検出することができるようになる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。

例えば、上記実施の形態では、押し込み速度を考慮してヤング率Ｅを測定するようにしたが、押し込み速度を考慮せずにヤング率Ｅを測定するようにしてもよい。この場合、補正された変位や接触表面積によって、数１を用いて算出される。

また、上記実施の形態では、傾斜角度を算出する場合、３軸の荷重検出センサー５を用いた合成ベクトルとＺ軸方向の角度を算出するようにしたが、その他の方法で被検体６の表面の法線方向とケーシング２の長手方向との角度を算出するようにしてもよい。この場合、角度を算出する場合、別途測距センサーなどを用いてケーシング２と被検体６の表面との距離などを測定し、その距離に応じてケーシング２の傾斜角度を算出する方法などを用いることができる。

さらに、上記実施の形態では、傾斜角度に応じて圧子４の接触表面積Ｓを補正するようにしたが、圧子４が非常に小さく構成されており、傾斜状態で押圧しても半球面全体で押圧するような場合は、接触表面積Ｓに対する補正を行わないようにしてもよい。

１・・・押し込み試験装置
２・・・ケーシング
２１・・・接触面
３・・・押圧部
４・・・圧子
４１・・・半球面
４２・・・摺動部
５・・・荷重検出センサー
６・・・被検体

Claims (4)

1. 柔らかさの測定対象である被検体に押し込まれる圧子と、
   当該圧子を収容するケーシングと、
   当該ケーシングから突出している圧子を被検体に押圧した際に、その圧子に作用する荷重を検出する３軸の荷重検出センサーと、
   を備えてなる押し込み試験装置において、
   前記ケーシングの長手方向と、被検体に作用する押圧方向との角度を、前記３軸に作用するそれぞれの荷重成分を用いて算出し、当該算出された角度に応じて、前記荷重検出センサーによる荷重、および、前記圧子が被検体に接触しうる先端部分の径、および、圧子の押し込み量を含むパラメーターを用いて被検体の柔らかさを測定する測定部を備えるようにしたことを特徴とする押し込み試験装置。
2. 前記測定部が、角度に応じた補正値を乗じて測定されるものである請求項１に記載の押し込み試験装置。
3. 柔らかさの測定対象である被検体に押し込まれる圧子と、
   当該圧子を収容するケーシングと、
   当該ケーシングから突出している圧子を被検体に押圧した際に、その圧子に作用する荷重を検出する３軸の荷重検出センサーと、
   を備えてなる押し込み試験装置を用いた押し込み試験方法において、
   前記ケーシングの長手方向と、被検体に作用する押圧方向との角度を、前記３軸に作用するそれぞれの荷重成分を用いて算出し、当該算出された角度に応じて、前記荷重検出センサーによる荷重、および、前記圧子が被検体に接触しうる先端部分の径、および、圧子の押し込み量を含むパラメーターを用いて被検体の柔らかさを測定するようにしたことを特徴とする押し込み試験方法。
4. 前記測定が、角度に応じた補正値を乗じて測定するようにしたものである請求項３に記載の押し込み試験方法。

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