JP2019219269A

JP2019219269A - 粘弾性特性測定プローブ

Info

Publication number: JP2019219269A
Application number: JP2018116668A
Authority: JP
Inventors: 吉田　哲男; Tetsuo Yoshida; 哲男吉田; 歩白岩; Ayumi Shiraiwa
Original assignee: Tohoku Electronic Industrial Co Ltd
Current assignee: Tohoku Electronic Industrial Co Ltd
Priority date: 2018-06-20
Filing date: 2018-06-20
Publication date: 2019-12-26

Abstract

【課題】一つの測定ブローブで、被測定試料の同一部分の動的粘弾性特性測定機能と応力緩和特性測定機能に加え、接触インピーダンス測定機能を有する小形で低価格のハンディー型の粘弾性特性測定プローブを提供する。【解決手段】一方の端部に半球状の接触子を具備した柱状圧子と、柱状圧子を所定の距離だけ、ステップ状あるいは正弦波状に駆動するための可動コイル型リニアモータと、柱状圧子の位置を検出するための位置センサと、柱状圧子の長さ方向の重力方向からの傾きを検出するための傾斜センサをセンサホルダに一体に組み込む。【選択図】図１

Description

本発明は、皮膚などの生体、食品、ゴム製品など、比較的柔らかい物体の粘弾性特性を測定することが可能で、ハンディー型としても使用可能な小形の粘弾性特性測定プローブに関する。

皮膚などの生体、食品、ゴム製品など、比較的柔らかい物体の粘弾性特性の測定においては、動的粘弾性特性測定法、応力緩和測定法、接触インピーダンス測定法などが広く実施されている。

動的粘弾性測定法は、物体に角周波数ωの振動ひずみγ₀(ω)を与え、そのときのひずみγと応力σとの振幅比および位相差δから物体の粘弾性特性を測定する方法で、1Hz以下の低い周波数から数100Hzまでの高い周波数の領域で、液体から固体までの物体の粘弾性特性の測定に使用されている。液体や柔らかい物体の測定においては、弱い加振力で大きな変位が得られるため、弱い加振力を高精度で測定するための力センサが必要になり、金属やセラミックスなどの弾性率の高い物体の測定においては、大きな加振力でも小さな変位しか得られないため、大きな駆動力を有する加振器と微小な変位を高精度に測定するための変位（ひずみ）センサが必要となり、一つの装置でこれらの要求性能に対応するために一般に装置が大型で高価なものになる。

応力緩和法は、物体に一定のひずみγ₀を与えたときの応力σの時間変化σ(t)を測定し、緩和弾性率G(t)および緩和時間τを求める方法であり、ひずみγ₀と応力σとの振幅比、および、緩和弾性率G(t)および緩和時間τから、その物体の粘弾性特性を求める方法である。応力緩和法の測定においては、瞬間的にひずみを与え、直後の応力変化を測定する必要があるため、一般に、およそ１秒以内の緩和時間を有する硬い物体の測定を精度よく測定することは困難であるが、肌や食品など、緩和時間τが数秒から数10秒になるものの場合には、測定系が簡単になること、また、力学モデルとの対応が容易であることなどの利点がある。

接触インピーダンス法は、圧電振動子や磁歪振動子の共振振動の腹の位置に半球状の接触子を装着して構成したセンサ振動子の無負荷状態における共振周波数frと共振抵抗Rに対して、一定の荷重で接触子を物体に押し付けたときの共振周波数frと共振抵抗Rの変化量△frと△Rから、その物体の粘弾性特性を測定する方法であり、接触子の材質や寸法を適切に選ぶことにより食品や生体などの柔らかい物体から、金属などの硬い物体までの粘弾性特性、すなわち複素弾性率を測定することができることが知られており、測定原理と具体的な測定手順は特許文献１に詳しく開示されている。

特許文献２には、所定の周波数の振動が与えられる接触子と、接触子が人の肌面に接触されたときに、接触子の周波数の変化を測定する発振回路と、接触子が人の肌面に所定の圧力により押圧されたときに、肌面から受ける反力を測定する歪計と、発振回路および歪計の測定結果に基づいて肌面の特性を測定する肌特性測定部とを有し、肌の表面弾力および肌の内部硬さの双方を同時にしかも肌面上の同一部位において測定することが可能な肌特性測定装置が開示されている。

肌の粘弾性特性は、皮膚の構造が複雑であるため、圧子あるいは接触子を肌に押し当てて測定する場合には、圧子や接触子の大きさ、圧子や接触子の押込み量や押込み荷重、さらに、動的粘弾性特性測定法や接触インピーダンス法においては、加振の周波数などの測定条件によって、大きく変化することが知られており、基本的に、特許文献２に開示されているように、複数の測定法により同一部分の特性を測定することは有効であると考えられる。

しかしながら、特許文献２に開示されている肌特性測定装置では、人の皮膚や食品などの弾性的な特性を、単に硬さ、あるいは弾力として測定しており、肌の粘弾性特性が正しく測定されていない。つまり、人の皮膚などの生体や食品などの比較的柔らかい物体の弾性的な性質には、特に損失成分として表される粘性が含まれており、粘弾性特性あるいは複素弾性率として評価する必要がある。

図９は、従来の可動コイル型リニアモータの構造を示す斜視図であり、図９において、厚さ方向に着磁された矩形板状の磁石R1とR2が、それぞれ、鉄などの軟磁性材料からなるコの字型に曲げられた外ヨークR3とR4の内側に接合され、さらに鉄などの軟磁性材料からなる２枚の矩形板R5とR6を内ヨークとして閉磁路が構成されており、内ヨークR5とR6を貫通させる可動コイルR7がコイルボビンR8に巻かれている。可動コイルR7の巻線の方向は、前記矩形板状磁石R1とR2による磁界の向きに対して直交しているため、可動コイルR7の巻線に電流が流れると、フレミングの左手の法則により、可動コイルR7に対して、電流の方向と磁界の方向それぞれに対して直交する方向に駆動力が発生し、可動コイルR7は、前記内ヨークに沿って移動する。発生する駆動力の向きは、電流の向きに対応している。

図１０は、図９に示した従来の可動コイル型リニアモータから駆動力を取り出すための機構の構造例を示す断面図であり、可動コイルR7およびコイルボビンR8には接続板R9が接続され、さらに、この接続板R9は移動板R10に接続されている。移動板R10の両端部は、それぞれ、軸受R11とR12を介して、２本の摺動軸R13とR14により摺動可能に支持され、可動コイルR7に駆動力が発生すると、移動板R10が内ヨークR5とR6の長さ方向に沿って移動する。

図１０に示したように、従来の可動コイル型リニアモータでは、可動コイルに発生した駆動力を外部に取り出すために、少なくとも２本の摺動軸R13とR14と、これらの摺動軸に沿って移動する移動板R10が必要となり、さらに、図示されていないこれらの摺動軸を保持する機構も必要となるため、可動コイルR7の移動方向と直交する方向の形状、寸法が大きくなり、特に、細型の可動コイル型リニアモータを得るのが困難であった。

特開２０１３−０８８１３０号公報特開２０１１−１３０８０５号公報

以上に説明したように、人の皮膚などの生体、食品、ゴム製品など、比較的柔らかい物体の粘弾性特性をハンディーな装置で測定しようとした場合、従来の動的粘弾性特性測定装置や応力緩和特性測定装置では、装置が大型で非常に高価になると言う問題に加え、測定のために所定の寸法の測定試料を準備する必要があり、特に、人の皮膚を直接測定することはほぼ不可能であった。

また、従来の動的粘弾性特性測定装置や応力緩和測定装置は、一般に実験室内の良い環境に設置され、荷重の印加方向が重力方向に一致しているため問題が無かったが、ハンディー型の動的粘弾性特性測定装置を用いて、人の皮膚などの粘弾性特性を測定しようとした場合には、粘弾性特性測定プローブ先端の接触子を皮膚に押し付ける角度は、多くの場合鉛直方向からずれるため、粘弾性特性測定プローブの可動部の重量の影響で、実際に皮膚を押す荷重が設定値からずれ、その結果測定値に誤差を生じると言う問題があった。

また、従来の接触インピーダンス測定装置では、測定周波数が数10〜数100kHzに限定されているため、特に人の皮膚などの柔らかい物体の粘弾性特性を測定する場合に、比較のためにさらに低い測定周波数でのデータが要求されていた。

また、ハンディー型の粘弾性特性測定プローブに、従来の可動コイル型リニアモータを使用した場合に、可動コイルの摺動系が大型になり、細い径の粘弾性特性測定プローブを実現することが困難であった。

本発明は、一つの測定ブローブで、動的粘弾性特性測定機能と応力緩和特性測定機能に加え、接触インピーダンス測定機能を有する小形で低価格のハンディー型の粘弾性特性測定プローブを提供するものである。

本発明によれば、一方の端部に半球状の接触子を具備した柱状圧子と、前記柱状圧子を長さ方向に所定の距離だけ、ステップ状あるいは正弦波状に駆動するための可動コイル型リニアモータと、前記柱状圧子の位置を検出するための位置センサと、前記柱状圧子の長さ方向の重力方向からの傾きを検出するための傾斜センサと、前記柱状圧子、前記可動コイル型リニアモータ、前記位置センサ及び前記傾斜センサを組み込むための筒状ケースとを備え、前記接触子は前記筒状ケースの長さ方向先端部より突出して配置されることを特徴とする粘弾性特性測定プローブが得られる。

また、本発明によれば、上記粘弾性特性測定プローブであって、前記柱状圧子は、柱状あるいは細長板状の圧電素子の一方の端部に半球状の前記接触子が具備され、長さ方向1/2波長モードで共振するセンサ振動子と、前記センサ振動子の共振状態における振動の節の位置を支持固定するととともに、前記センサ振動子の電気端子を兼ねる金属端子が装着されたセンサ振動子ホルダとを備えて構成されることを特徴とする粘弾性特性測定プローブが得られる。

また、本発明によれば、上記粘弾性特性測定プローブであって、前記位置センサは、前記柱状圧子に装着された軟磁性材料と前記筒状ケースに装着された励磁コイルおよび差動検出コイルによって構成される差動トランスであることを特徴とする粘弾性特性測定プローブが得られる。

また、本発明によれば、上記粘弾性特性測定プローブであって、前記可動コイル型リニアモータが、軟磁性金属材料からなる柱状の内ヨークと、同じく軟磁性金属材料からなる板状の複数個の外ヨークと、前記外ヨークの内側に、前記外ヨークの形状に合わせて貼り付けられる、厚さ方向に着磁された複数個の磁石と、前記内ヨークと前記外ヨークの両端面を磁気的に短絡して閉磁路を構成するとともに、前記内ヨークを前記複数個の外ヨークの中央部に保持するための軟磁性金属材料からなる端ヨークと、前記内ヨークを摺動可能に貫通させた樹脂製のコイルボビンに巻線が施されてなる可動コイルと、前記コイルボビンの両側の鍔の部分に、前記可動コイルの移動方向と平行に取り付けられる少なくとも２本の駆動軸とにより構成されるとともに、前記端ヨークに前記駆動軸を摺動させるための摺動軸受を形成し、前記駆動軸の一方の側は前記柱状圧子と結合されることを特徴とする粘弾性特性測定プローブが得られる。

本発明によれば、加振器として可動コイル型リニアモータのコイルボビンに取り付けた駆動軸を端ヨークに形成した摺動軸受を介して取り出す構造としているため、構造が単純になるとともに、小形化を達成できる。

本発明によれば、柱状圧子あるいはセンサ振動子ホルダに装着した磁性材料と筒状ケースに形成した差動トランス用コイルにより、位置検出用差動トランスを構成しているため、位置センサを別に形成した場合と比較して、構造が単純化するとともに、小形化を達成できる。

また、本発明によれば、柱状圧子の代わりに、センサ振動子を用いた場合、センサ振動子を柱状圧子の代わりと考え、一定量をステップ状に押し込むことにより応力緩和特性（これは、直流の粘弾性特性と考えることができる）を求めることが可能であり、同様に、センサ振動子を柱状圧子の代わりと考え、可動コイル型リニアモータによりこれを駆動することにより、5Hzから20Hzの動的粘弾性特性の測定が可能となり、さらに、センサ振動子を用いて、数10kHzから数100kHzの接触インピーダンス特性を測定することができるので、同じ部分の粘弾性特性を異なる２つあるいは３つ周波数で測定することができ、これらの特性を組み合わせることにより、試料の粘弾性特性をより詳しく求めることができる。

さらに、本発明によれば、装置が小形になるためハンディー型の装置を実現できるとともに、本発明によれば、装置に柱状圧子あるいはセンサ振動子の長さ方向が重力方向から傾斜した場合の傾斜角を検出するための傾斜センサが内蔵されているため、装置が重力方向に対して傾斜した場合の印加荷重に含まれる、柱状圧子の重量、あるいはセンサ振動子を含むセンサ振動子ホルダの重量、さらには、駆動軸を含む可動コイルの重量、に対する補正が可能となり、測定誤差を小さくすることができる。

本発明の粘弾性特性測定プローブの構造例を示す断面図である。本発明の粘弾性特性測定プローブの別の構造例を示す断面図である。本発明の粘弾性特性測定プローブに用いられる可動コイル型リニアモータの磁気回路の構造例を示す部品図および組立図である。本発明の粘弾性特性測定プローブに用いられる可動コイル型リニアモータの可動コイルの構造例を示す部品図および組立図である。図３に示した磁気回路と図４に示した可動コイルを組み合わせた、本発明の粘弾性特性測定プローブに用いられる可動コイル型リニアモータの構造例である。本発明の粘弾性特性測定プローブに用いられる可動コイル型リニアモータの別の構造例を示す断面図と斜視図である。本発明の粘弾性特性測定プローブに用いられる可動コイル型リニアモータのさらに別の構造例を示す断面図と斜視図である。本発明の粘弾性特性測定プローブに用いられる可動コイル型リニアモータのさらに別の構造例を示す断面図と斜視図である。従来の一般的な可動コイル型リニアモータ構造を示す斜視図である。従来の可動コイル型リニアモータにおける駆動力取り出し機構の例を示す断面図である。

図１は、本発明の粘弾性特性測定プローブの構造例を示す断面図である。図１において、一方の端部に半球状の接触子101が具備された細長板状の圧電素子102は、長さ方向1/2波長モードで共振してセンサ振動子103を構成している。センサ振動子ホルダ104に装着された電気端子を兼ねる金属端子105は、センサ振動子103の共振状態における振動の節の位置でセンサ振動子103をセンサ振動子ホルダ104に支持固定している。センサ振動子ホルダ104及びそれに固定されるセンサ振動子103は、柱状圧子を構成する。さらに、センサ振動子ホルダ104には、パイプ状の軟磁性体106が装着されており、励磁コイル107と差動検出コイル108により差動トランス109を構成し、差動トランス109は、センサ振動子ホルダ104の長さ方向の変位を検出するための位置センサとして使用されている。センサ振動子ホルダ104は、２本の駆動軸110により、可動コイル型リニアモータ111の可動コイル112に結合されている。可動コイル型リニアモータ111は、接触子101を具備したセンサ振動子103をセンサ振動子103の長さ方向に所定の距離だけ、ステップ状あるいは正弦波状に駆動するために用いられる。

センサ振動子103、センサ振動子ホルダ104、差動トランス109、および可動コイル型リニアモータ111は、筒状ケース113に組み込まれて、本発明の粘弾性特性測定プローブ100を構成している。さらに、本発明の粘弾性特性測定プローブ100においては、粘弾性特性の測定の際のプローブの重力方向からの傾斜を検出するための傾斜センサ114が筒状ケース113の内部に装着されている。接触子101が筒状ケース113の長さ方向先端部から突出するように、センサ振動子ホルダ104及びセンサ振動子103より構成される柱状圧子は筒状ケース113に組み込まれて配置される。

図１に示した本発明の粘弾性特性測定プローブ100では、図示していない駆動制御回路により、所定の基準位置信号と前記差動トランス109により検出される位置信号との差の信号に従って、可動コイル型リニアモータ111の可動コイル112に流す電流の大きさと向きを制御して前記センサ振動子ホルダ104を駆動し、結果としてセンサ振動子103の先端に装着された半球状の接触子101を所定の荷重で所定の押込み量だけ、被測定試料に押し込むように動作する。さらに、基準信号を所定の周波数の正弦波信号やステップ状信号とすることで、接触子101の変位、および荷重を正弦波状やステップ状とすることができる。ただし、接触子101の変位を正弦波状やステップ状とするためには、その周波数は、可動コイル型リニアモータ111の発生駆動力と負荷質量となる前記可動コイル112および前記センサ振動子ホルダ104などの質量の大きさによって制限される。

被測定試料に正弦波状のひずみを印加した場合、荷重の大きさは、可動コイル自身の重量やセンサ振動子ホルダの重量の和となる。したがって、あらかじめ、可動コイル自身の重量やセンサ振動子ホルダの重量を知れば、駆動電流を検出することにより印加荷重を求めることができ、押込み量はセンサ振動子ホルダ104の変位量として差動トランス109により検出することができるため、荷重と変位量の振幅と位相を同時に測定することが可能となり、いわゆる動的粘弾性特性を測定できることになる。

また、被測定試料にステップ状の変位を印加した場合、試料の応力緩和にともなう時間の経過による荷重の減少を、前述したように、可動コイルに流れる駆動電流の変化として検出できるため、いわゆる応力緩和特性を測定できることになる。

さらに、図１に示した本発明の粘弾性特性測定プローブ100では、半球状の接触子101が具備された細長板状の圧電素子102は、長さ方向1/2波長モードで共振してセンサ振動子103を構成しているため、被測定試料に接触子101を一定の荷重で押し込んだ場合の、センサ振動子103の共振周波数と共振抵抗の変化量から、いわゆる接触インピーダンス特性、すなわち、被測定試料の粘弾性特性を測定できる。

本発明の粘弾性特性測定プローブ100を手で持って被測定試料に押し当てる場合、粘弾性特性測定プローブ100は、一般に重力方向から傾斜することが考えられる。粘弾性特性測定プローブ100が重力方向から傾斜した場合、前記可動コイルの負荷質量となる可動コイル自身の重量および前記センサ振動子ホルダなどの重量が変化して、所定の変位量に対する可動コイル112に流れる駆動電流が所定の値より変化することになる。したがって、本発明では、粘弾性特性測定プローブ100の重力方向からの傾きを、筒状ケース113に装着した傾斜センサ114により検出して、可動コイル112に流れる駆動電流を補正することができるため、粘弾性特性測定プローブ100を手で持った場合でも、安定な測定を行うことができる。

図２は、本発明の粘弾性特性測定プローブの別の構造例を示す断面図であり、図１のセンサ振動子ホルダ104の形状を変更して、先端に半球状の接触子201が形成されている柱状圧子202を構成している。図２の柱状圧子202は、図１のセンサ振動子ホルダ104とセンサ振動子103を一体化した形状を有する。

図２に示した本発明の粘弾性特性測定プローブ200では、図示していない駆動制御回路により、所定の基準位置信号と差動トランス209により検出される位置信号との差の信号に従って、可動コイル型リニアモータ211の可動コイル212に流す電流の大きさと向きを制御して前記柱状圧子202を所定の荷重で被測定試料に押し込むように動作する。さらに、基準信号を所定の周波数の正弦波信号やステップ状信号とすることで、接触子201の変位、および荷重を正弦波状やステップ状とすることができる。図２において、207は励磁コイル、208は差動検出コイル、210は駆動軸、213は筒状ケース、214は、傾斜センサである。図２の構成においても、接触子201が筒状ケース213の長さ方向先端部から突出するように、柱状圧子202が筒状ケース213に組み込まれて配置される。励磁コイル207及び差動検出コイル208により差動トランス209が構成され、差動トランス209は位置センサとして機能する。

被測定試料に正弦波状のひずみを印加した場合、荷重の大きさは、可動コイルに流れる駆動電流に比例する駆動力と可動コイル自身の重量や柱状圧子の重量の和となる。したがって、あらかじめ、可動コイル自身の重量や柱状圧子の重量を知れば、駆動電流を検出することにより印加荷重を求めることができ、押込み量は柱状圧子202の変位量として差動トランス209により検出することができるため、荷重と変位量の振幅と位相を同時に測定することが可能となり、いわゆる動的粘弾性特性を測定できることになる。

図３は、本発明の粘弾性特性測定プローブに用いられる可動コイル型リニアモータの磁気回路300の構造例を示す部品図および組立図である。図３において、磁気回路300は、軟磁性金属材料からなる２枚の矩形板状の外ヨーク301と、外ヨーク301の内側に貼り付けられる外ヨーク301の形状とほぼ同じ形状で厚さ方向に着磁された矩形板状磁石302と、同じく軟磁性金属材料からなる矩形板状の内ヨーク303と、外ヨーク301と内ヨーク303の両端に配置され、閉磁路を構成するとともに、内ヨーク303を２枚の外ヨーク301の中央部に保持するための開口部304が形成された軟磁性金属材料からなる少なくとも２枚の端ヨーク305で構成されている。さらに、端ヨーク305には、後で詳しく説明する可動コイルの駆動力を取り出すための駆動軸用の摺動軸受306が形成されている。

図４は、本発明の粘弾性特性測定プローブに用いられる可動コイル型リニアモータの可動コイル400の構造例を示す部品図および組立図である。図４において、樹脂製のボビン401には、図３に示した磁気回路300の内ヨーク303を貫通させるための角型の中空パイプ402の両側に鍔403が形成され、鍔403には、それぞれ2本ずつの駆動軸405を固定するためのネジ部404が形成されており、これらは、コイルボビン401に巻線406が施された後で、図５に示すように可動コイル400として組み立てられる。

図５は、図３に示した磁気回路300と図４に示した可動コイル400を組み合わせた、本発明の粘弾性特性測定プローブに用いられる可動コイル型リニアモータの構造例を示す斜視図である。図５において、磁気回路300に装着された可動コイル400に電流が流れると、前述したように、可動コイル400には、磁気回路により発生している磁界の方向と電流の方向のそれぞれに直交する方向に電流に比例した駆動力が発生し、駆動力の向きは、電流の向きに対応して変化する。本発明では、図５に示すように、可動コイル400に発生した駆動力を駆動軸405により取り出す構造となっており、駆動軸405は可動コイル400の両側に配置され、可動コイル400を磁気回路300の構成部材と触れないように支持するとともに、磁気回路300の端ヨークに形成した摺動軸受407により支持されているため、可動コイル400は、小さな摩擦力で摺動することができる。２本の駆動軸405の一方の側は、図１及び図２に示されるように柱状圧子と結合されている。

さらに、図５の構造を、図９および図１０に示した従来の可動コイル型リニアモータと比較すると、本発明では、可動コイルからの駆動力の取り出し機構と摺動機構をリニアモータ内部に構成したため、構成部材が格段に少なくなるとともに、可動コイル400の移動方向と直交する方向の寸法を小さくすることが可能となり、細い粘弾性特性測定プローブを実現することができる。

図６は、本発明の粘弾性特性測定プローブに用いられる可動コイル型リニアモータの別の構造例を示す断面図と斜視図である。

図６では、中空円柱を長さ方向に略２等分した形状の外ヨーク601とその内側に同様に、中空円柱を長さ方向に略２等分した形状の厚さ方向に着磁された磁石602が貼り付けられ、中央部に内ヨーク603が配置されている。内ヨーク603と磁石602の間には、内ヨーク603を貫通させるように可動コイル604が配置されている。可動コイル604のボビンには、駆動軸606を装着するためのネジ部605が形成され、駆動軸606が装着されている。駆動軸606は、外ヨーク601と磁石602と内ヨーク603の端面に配置されて閉磁路を形成するための端ヨーク607に形成された摺動軸受け608を介して、可動コイル604に発生する駆動力を取り出す構造となっている。

図７は、本発明の粘弾性特性測定プローブに用いられる可動コイル型リニアモータの別の構造例を示す断面図と斜視図である。

図７では、矩形板状の外ヨーク701に矩形板状の厚さ方向に着磁された磁石702が貼り付けられた４個の複合体を筒状に組み立て、中央部に内ヨーク703を配置している。内ヨーク703と磁石702の間には、内ヨーク703を貫通させるように可動コイル704が配置されている。可動コイル704のボビンには、駆動軸706を装着するためのネジ部705が形成され、駆動軸706が装着されている。駆動軸706は、外ヨーク701と磁石702と内ヨーク703の端面に配置されて閉磁路を形成するための端ヨーク707に形成された摺動軸受け708を介して、可動コイル704に発生する駆動力を取り出す構造となっている。

図８は、本発明の粘弾性特性測定プローブに用いられる可動コイル型リニアモータの別の構造例を示す断面図と斜視図である。

図８では、矩形板状の外ヨーク801に矩形板状の厚さ方向に着磁された磁石802が貼り付けられた複合体６組を断面６角形形状の筒状に組み立て、中央部に内ヨーク803が配置されている。内ヨーク803と磁石802の間には、内ヨーク803を貫通させるように可動コイル804が配置されている。可動コイル804のボビンには、駆動軸806を装着するためのネジ部805が形成され、駆動軸806が装着されている。駆動軸806は、外ヨーク801と磁石802と内ヨーク803の端面に配置されて閉磁路を形成するための端ヨーク807に形成された摺動軸受け808を介して、可動コイル804に発生する駆動力を取り出す構造となっている。

図６、図７、図８に示した本発明の粘弾性特性測定プローブ用可動コイル型リニアモータは、図５に示した可動コイル型リニアモータと比較して、いずれも、外形寸法を同じにした場合に磁石の使用量を増やすことが可能で、磁石による発生磁界と可動コイルとの電磁的結合度を大きくできる可能性があり、同じ駆動電流に対する発生力を大きくできる可能性がある一方、図６に示した円筒型の場合には、矩形板の場合と比較して加工が難しくなるという不利な点もある。また、図７、および図８に示した構造の場合には、部材の数が多くなると言う不利な点もある。しかし、前述したようにそれぞれ、発生力が大きくなるという利点があることから、これらの形状は、用途や要求条件に合わせて選定することで、それぞれの特徴が生かされる。

以上に説明した、本発明の粘弾性特性測定プローブでは、これを構成する可動コイル型リニアモータ、位置センサ、傾斜センサ、およびセンサ振動子などのデバイスの駆動回路や検出回路について詳しい説明を省略しているが、これらの個々のデバイスの基本的な構成や基本的な駆動回路や検出回路は、既知の技術を利用可能である。また、これら個々のセンサデバイスから得られる検出信号の処理についても、プリアンプなどの微小信号処理回路からA/D変換回路、さらには、デジタル信号処理回路と続く、一連の回路の一部に無線回路を含めることも一般的な技術として広く利用されており、本発明においても、性能と機能を満たす範囲で、これらの技術を適切に適用することができる。

また、特に、本発明の粘弾性特性測定プローブを人の肌の特性の測定に使用する場合には、肌の特性として重要な、肌に含まれる水分の量を測定するために広く用いられている櫛型電極を用いた静電容量検出型肌水分センサを、本発明の粘弾性特性測定プローブの先端部のセンサ振動子103あるいは柱状圧子202の周囲に配置し、この肌水分センサにより得られるデータを本発明の粘弾性特性測定プローブにより得られるデータと組み合わせることにより、より適切な情報を得ることができる。

100,200:粘弾性特性測定プローブ
101,201:接触子
102:細長板状の圧電素子
103:センサ振動子
104:センサ振動子ホルダ
105:金属端子
106,206:パイプ状の軟磁性体
107,207:励磁コイル
108,208:差動検出コイル
109,209:差動トランス
110,210,405,606,706,806:駆動軸
111,211:可動コイル型リニアモータ
112,212,400,604,704,804:可動コイル
113,213:筒状ケース
114,214:傾斜センサ
202:柱状圧子
300:磁気回路
301,601,701,801:外ヨーク
302,602,702,802:磁石
303,603,703,803:内ヨーク
304:開口部
305,607,707,807:端ヨーク
306,407,608,708,808:摺動軸受
401:コイルボビン
402:角型の中空パイプ
403:鍔
404,605,705,805:ネジ部
406:巻線

Claims

一方の端部に半球状の接触子を具備した柱状圧子と、
前記柱状圧子を長さ方向に所定の距離だけ、ステップ状あるいは正弦波状に駆動するための可動コイル型リニアモータと、
前記柱状圧子の位置を検出するための位置センサと、
前記柱状圧子の長さ方向の重力方向からの傾きを検出するための傾斜センサと、
前記柱状圧子、前記可動コイル型リニアモータ、前記位置センサ及び前記傾斜センサを組み込むための筒状ケースとを備え、前記接触子は前記筒状ケースの長さ方向先端部より突出して配置されることを特徴とする粘弾性特性測定プローブ。
請求項１に記載の粘弾性特性測定プローブであって、前記柱状圧子は、
柱状あるいは細長板状の圧電素子の一方の端部に半球状の前記接触子が具備され、長さ方向1/2波長モードで共振するセンサ振動子と、
前記センサ振動子の共振状態における振動の節の位置を支持固定するととともに、前記センサ振動子の電気端子を兼ねる金属端子が装着されたセンサ振動子ホルダとを備えて構成されることを特徴とする粘弾性特性測定プローブ。
請求項１または請求項２に記載の粘弾性特性測定プローブであって、前記位置センサは、前記柱状圧子に装着された軟磁性材料と前記筒状ケースに装着された励磁コイルおよび差動検出コイルによって構成される差動トランスであることを特徴とする粘弾性特性測定プローブ。
請求項１、請求項２、および請求項３のいずれか一項に記載の粘弾性特性測定プローブであって、前記可動コイル型リニアモータは、軟磁性金属材料からなる柱状の内ヨークと、同じく軟磁性金属材料からなる複数個の板状の外ヨークと、前記外ヨークの内側に、前記外ヨークの形状に合わせて貼り付けられている、厚さ方向に着磁された複数個の磁石と、前記内ヨークと前記外ヨークの両端面を磁気的に短絡して閉磁路を構成するとともに、前記内ヨークを前記複数個の外ヨークの中央部に保持するための軟磁性金属材料からなる端ヨークと、前記内ヨークを摺動可能に貫通させた樹脂製のコイルボビンに巻線が施されてなる可動コイルと、前記コイルボビンの両側の鍔の部分に、前記可動コイルの移動方向と平行に取り付けられる少なくとも２本の駆動軸とを有して構成されるとともに、前記端ヨークに前記駆動軸を摺動させるための摺動軸受を形成し、前記駆動軸の一方の側は前記柱状圧子と結合されることを特徴とする粘弾性特性測定プローブ。