JP5314052B2

JP5314052B2 - 測定装置

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Publication number: JP5314052B2
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Authority: JP
Inventors: 充高島
Original assignee: REAL DESIGN CO.,LTD
Current assignee: REAL DESIGN CO.,LTD
Priority date: 2009-01-19
Filing date: 2009-01-19
Publication date: 2013-10-16
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Description

この発明は、測定対象の粘弾性を測定する測定装置および測定方法に関する。

従来、測定対象の弾性などを測定するために、固有共振周波数を有する圧電素子などの先端部を測定対象に当てて、測定部位の附加質量に応じて変化する共振周波数を測定する技術が開示されている（たとえば、下記特許文献１，２参照。）。このような測定技術は、触覚に関わる医療分野や食品の品質管理など様々な分野で利用されている。

特開平５−３２２７３１号公報特願平１１−２２５９７０号公報

しかしながら、上述した従来技術では、圧電素子などの先端部を測定対象に押し当てる力によって測定結果が変化するという問題がある。たとえば、ユーザが測定装置を把持して圧電素子の先端部を測定対象に押し当てる場合は、呼吸に伴う体動や手ぶれなどの筋肉振動があるため、先端部を測定対象に押し当てる力を常に一定にすることが困難である。

また、上述した従来技術では、圧電素子などの先端部を測定対象に押し当てる角度によっても測定結果が変化するという問題がある。たとえば、ユーザが測定装置を把持して圧電素子などの先端部を測定対象に押し当てる場合は、呼吸に伴う体動や手ぶれなどの筋肉振動があるため、先端部を測定対象に対して常に垂直に押し当てることが困難である。

したがって、上述した従来技術では、測定対象の弾性を精度よく測定することが困難である。特に、測定装置が、ユーザが把持して使用できるタイプのものである場合は、ユーザに過度の集中や忍耐を強いたり、測定結果がばらついたりする。このため、従来技術では、ユーザが把持して使用できるタイプの測定装置に適用することが困難であった。

開示の測定装置および測定方法は、上述した問題点を解消するものであり、測定対象の粘弾性を簡単に精度よく測定することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、この発明にかかる測定装置は、測定対象に接触させるための接触部を有する接触部材と、前記接触部材を所定方向に突き出す駆動手段と、前記接触部材に設けられた圧電素子と、前記圧電素子の出力電圧を測定する測定手段と、前記測定手段による測定結果を出力する出力手段とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、接触部材を測定対象に突き出すことにより、測定対象の粘弾性に応じた反作用が接触部材を通じて圧電素子に伝わり、反作用の大きさに応じた電圧が圧電素子から出力される。

また、この発明にかかる測定装置は、前記測定対象との接触を検知する接触電極と、前記接触電極によって前記測定対象との接触が検知されると、前記接触部材を突き出すように前記駆動手段を制御する駆動制御手段と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、接触部材の突き出し直前の接触部材と測定対象との距離が一定になるため、ユーザが測定装置を測定対象に押しつける力の大きさを意識しなくても、接触部材を測定対象に一定の力で突き出すことができる。

また、この発明にかかる測定装置は、前記接触電極は、前記所定方向の高さが前記駆動手段による突き出し後の前記接触部より低いことを特徴とする。

この発明によれば、接触電極が測定対象と接触したときに、測定対象に対して接触部材を確実に押し込むことができる。

また、この発明にかかる測定装置は、前記接触電極は、前記所定方向の高さが前記駆動手段による突き出し前の前記接触部の高さ以上であることを特徴とする。

この発明によれば、接触電極が測定対象と接触する前は接触部材が測定対象に押し込まれないようにできるため、測定対象の粘弾性を測定対象からの反作用に精度よく反映させることができる。

また、この発明にかかる測定装置は、前記接触電極は、前記所定方向と直交する平面上に２つ以上設けられ、前記駆動制御手段は、２つ以上の前記接触電極によって前記測定対象との接触が同時に検知されると前記駆動手段を制御することを特徴とする。

この発明によれば、ユーザは、少なくとも一方向の角度に注意して測定対象に２つ以上の接触電極を接触させることで、測定対象の面に対して接触部材を直角に突き出すことができる。

また、この発明にかかる測定装置は、前記接触電極は、前記所定方向と直交する平面上に３つ以上設けられ、前記駆動制御手段は、３つ以上の前記接触電極によって前記測定対象との接触が同時に検知されると前記駆動手段を制御することを特徴とする。

この発明によれば、ユーザは、測定装置の角度に注意しなくても、測定対象に３つ以上の接触電極を接触させることで、測定対象の面に対して接触部材を直角に突き出すことができる。

また、この発明にかかる測定装置は、前記接触電極は、前記駆動手段の突き出しによる前記接触部材の通過領域を囲んで設けられていることを特徴とする。

この発明によれば、測定対象における、３つ以上の接触電極が接触した部分に囲まれる位置へ接触部材を直角に突き出すことができる。

また、この発明にかかる測定装置は、前記駆動手段は、入力される駆動電流に応じた力で前記接触部材を突き出し、前記駆動制御手段は、前記駆動電流として方形波を前記駆動手段へ入力することにより前記駆動手段を制御することを特徴とする。

この発明によれば、測定対象に対して接触部材を瞬時に突き出すことができる。

また、この発明にかかる測定装置は、前記測定手段は、前記駆動手段による前記接触部材の突き出しの前における前記出力電圧と、前記駆動手段による前記接触部材の突き出し時における前記出力電圧のピークと、の差分を測定することを特徴とする。

また、この発明にかかる測定装置は、前記測定手段は、前記駆動手段による前記接触部材の突き出しから１０ｍｓｅｃ以下の期間内において前記突き出しの前における前記出力電圧および前記ピークを取得することを特徴とする。

この発明によれば、ユーザの呼吸性の体動や筋肉振動の影響を受けずに測定対象の粘弾性を測定することができる。

この発明によれば、接触部材が測定対象へ突き出される前の圧電素子の出力電圧のばらつきを補償して測定対象の粘弾性を測定することができる。

また、この発明にかかる測定装置は、前記測定手段は、前記駆動手段による前記接触部材の突き出し後における前記出力電圧を複数回取得し、取得した各出力電圧の減衰量を測定することを特徴とする。

この発明によれば、測定対象のダンピング特性を測定することができる。

また、この発明にかかる測定装置は、前記測定手段は、前記駆動手段による前記接触部材の突き出し後における前記出力電圧の振幅を複数回取得し、取得した各振幅の減衰量を測定することを特徴とする。

また、この発明にかかる測定装置は、ユーザの把持操作によって変位可能なことを特徴とする。

この発明によれば、ユーザの把持操作によって変位可能なタイプの測定装置であっても、ユーザの技術や筋肉振動に関わらず測定対象の粘弾性を精度よく測定することができる。

開示の測定装置および測定方法によれば、測定対象の粘弾性を簡単に精度よく測定することができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態にかかる測定装置を示す正面断面図である。図２は、所定方向１０１の側から見た測定装置１００を示す上面図である。図３は、所定方向１０１の反対側から見た圧電素子１５５を示す下面図である。図４は、測定装置１００の動作例を示す図（その１）である。図５は、測定装置１００の動作例を示す図（その２）である。図６は、回路基盤１３０の機能的構成の一例を示すブロック図である。図７は、回路基盤１３０の動作の一例を示すフローチャートである。図８は、回路基盤１３０の動作の他の例を示すフローチャートである。図９は、回路基盤１３０の動作のさらに他の例を示すフローチャートである。図１０は、測定装置１００によるフィルタスポンジの測定例を示すグラフである。図１１は、測定装置１００によるクッションスポンジの測定例を示すグラフである。図１２は、測定装置１００による餅の測定例を示すグラフである。図１３は、測定装置１００によるクッションスポンジの測定例を示すグラフである。図１４は、測定装置１００による前腕皮膚の測定例を示すグラフである。図１５は、測定装置１００による頬皮膚の測定例を示すグラフである。図１６は、測定装置１００による測定した餅の経時変化を示すグラフである。図１７は、制振性能の半値幅法による測定方法を説明するグラフである。図１８は、制振性能の減衰率法による測定方法を説明するグラフである。

符号の説明

１００測定装置
１０１所定方向
１１０ケース
１１１電池フタ
１２１電池
１２２，１２３電極
１３０回路基盤
１４０駆動部
１４１ヨーク
１４２マグネット
１４３プレート
１４４ダンパ
１５０接触部材
１５１接触部
１５２，１５８基板
１５３支持部材
１５４ボイスコイル
１５５圧電素子
１５６導線
１５７増幅器
１６０開口板
１６１，１６２，２０１接触電極
１７０表示部
４００測定対象
６１１誘導ハム検出部
６１２方形波生成部
６１３波形測定部
ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４時期
ｈ１，ｈ２差分

以下に添付図面を参照して、この測定装置および測定方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。

（実施の形態）
（測定装置の構成）
図１は、実施の形態にかかる測定装置を示す正面断面図である。実施の形態にかかる測定装置は、測定対象の粘弾性（堅さや粘性抵抗など）を測定する測定装置である。図１に示すように、実施の形態にかかる測定装置１００は、ケース１１０と、電池１２１と、回路基盤１３０と、駆動部１４０と、接触部材１５０と、接触電極１６１，１６２，２０１（接触電極２０１については図２参照）と、を備えている。

測定装置１００は、ユーザの把持操作によって変位可能な測定装置である。すなわち、測定装置１００は、ユーザが手に持って動かすことができる小型の測定装置である。ユーザは、測定装置１００を手に持って、測定装置１００の所定方向１０１側の先端部を測定対象に当てることで、測定対象の粘弾性などを測定することができる。

ケース１１０は、電池１２１と、回路基盤１３０と、駆動部１４０と、接触部材１５０と、を収納している。電池１２１は、電極１２２，１２３を介して回路基盤１３０および駆動部１４０へ電力を供給する電源である。また、電池１２１は、ケース１１０に設けられた電池フタ１１１を取り外すことによって交換することができる。

ただし、回路基盤１３０および駆動部１４０へ電力を供給する電源は電池１２１に限らない。たとえば、回路基盤１３０へ電力を供給する電源は、電気ケーブルを介して回路基盤１３０に接続された外部の電源であってもよい。

回路基盤１３０は、駆動部１４０の制御を行う駆動制御手段である。具体的には、回路基盤１３０は、接触電極１６１，１６２，２０１からの出力に応じて駆動部１４０へ駆動電流を入力することで、接触部材１５０を突き出すように駆動部１４０を制御する。また、回路基盤１３０は、圧電素子１５５の出力電圧を測定する測定手段である。回路基盤１３０は、圧電素子１５５の出力電圧の測定結果を表示部１７０に表示させる。

駆動部１４０は、接触部材１５０を所定方向１０１へ突き出す駆動手段である。具体的には、駆動部１４０は、ヨーク１４１と、マグネット１４２と、プレート１４３と、ダンパ１４４と、接触部材１５０に設けられたボイスコイル１５４と、によって構成されている。ヨーク１４１はケース１１０の内壁に固定されている。ヨーク１４１の内部における底面の中心部にはマグネット１４２が設けられている。

プレート１４３は、マグネット１４２の上に設けられている。ダンパ１４４はヨーク１４１上に設けられている。ダンパ１４４は、接触部材１５０が所定方向１０１の反対方向へ過度に変位しないように接触部材１５０を支持している。回路基盤１３０から駆動部１４０へ入力された駆動電流は、図示しない導線を介してボイスコイル１５４に流れる。

ボイスコイル１５４に電流が流れると、ボイスコイル１５４に電磁力が働き、マグネット１４２に対して接触部材１５０が所定方向１０１へ突き出される。したがって、駆動部１４０は、回路基盤１３０から入力される駆動電流に応じた力で接触部材１５０を突き出す。たとえば、回路基盤１３０から駆動部１４０へ駆動電流として方形波が入力されると、ボイスコイル１５４に急激な電流が流れ、接触部材１５０が瞬時に突き出る。

接触部材１５０は、測定対象に接触させるための接触部１５１を有する。接触部１５１は、接触部材１５０の所定方向１０１側が球面状に形成されている。接触部材１５０における接触部１５１と反対側の面には基板１５２が貼り付けられている。基板１５２の面積は、接触部材１５０における接触部１５１と反対側の面の面積よりも大きい。したがって、基板１５２は、接触部材１５０における接触部１５１と反対側の面に対してはみ出している。基板１５２は、たとえば、厚さが０．３［ｍｍ］程度のアルミ基板である。

基板１５２における接触部材１５０とは反対側の面の外周部には、接触部材１５０とは反対方向に延びる支持部材１５３が設けられている。支持部材１５３における接触部材１５０とは反対方向の先端部は、マグネット１４２と接触しないようにマグネット１４２を囲む筒状に形成されている。そして、支持部材１５３における接触部材１５０とは反対方向の先端部にはボイスコイル１５４が巻き付けられている。

また、基板１５２における接触部材１５０とは反対側の面には圧電素子１５５が貼り付けられている。したがって、圧電素子１５５は、基板１５２の歪みに応じて歪む。圧電素子１５５は、圧電素子１５５の歪みに応じた電圧を、導線１５６を通じて増幅器１５７へ出力する。圧電素子１５５は、たとえばユニモルフ圧電素子である。

増幅器１５７は、支持部材１５３に固定された基板１５８上に設けられている。増幅器１５７は、圧電素子１５５の出力電圧を増幅する。そして、増幅器１５７は、増幅した出力電圧を、図示しない導線を介して回路基盤１３０へ出力する。増幅器１５７は、たとえば、圧電素子１５５の出力電圧のインピーダンス変換を行うインピーダンス変換器である。インピーダンス変換器としては、たとえば、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：電界効果トランジスタ）を用いることができる。

ケース１１０の所定方向１０１側の先端部には開口板１６０が設けられている。開口板１６０には開口部が設けられており、開口板１６０の開口部を通じて接触部材１５０が外部へ突き出るようになっている。開口板１６０上には、接触電極１６１，１６２，２０１が設けられている。接触電極１６１，１６２，２０１のそれぞれは、測定対象との接触を検知し、図示しない導線を通じて回路基盤１３０へ検知結果を出力する。

接触電極１６１，１６２，２０１のそれぞれは、所定方向１０１の高さが、駆動部１４０による接触部材１５０の突き出し前における接触部１５１の高さとほぼ同じである。したがって、接触電極１６１，１６２，２０１のそれぞれは、所定方向１０１の高さが、駆動部１４０による接触部材１５０の突き出し後における接触部１５１の高さより低い。

表示部１７０は、圧電素子１５５の出力電圧の測定結果を出力する出力手段である。表示部１７０は、回路基盤１３０の制御に従って、回路基盤１３０によって測定された圧電素子１５５の出力電圧の測定結果をユーザに対して表示する。

図２は、所定方向１０１の側から見た測定装置１００を示す上面図である。接触電極１６１，１６２，２０１は、所定方向１０１と直交する平面（図２の紙面）上に設けられている。このため、接触電極１６１，１６２，２０１のすべてを測定対象に接触させると、測定対象の面に対して接触部材１５０の突き出し方向（所定方向１０１）が直角になる。

したがって、接触電極１６１，１６２，２０１のすべてが測定対象との接触を検知したときに接触部材１５０を突き出すことで、測定対象の面に対して接触部材１５０を直角に突き出すことができる。これにより、ユーザは、測定装置１００の角度を特に注意しなくても、接触電極１６１，１６２，２０１を同時に測定対象に接触させることで、測定対象の粘弾性を精度よく測定することができる。

また、接触電極１６１，１６２，２０１のすべてが測定対象との接触を検知したときに接触部材１５０を突き出すことで、接触部材１５０の突き出し直前における接触部１５１と測定対象との距離を常に一定にすることができる。これにより、測定対象に対して接触部１５１を常に一定の力で押し込み、測定対象の粘弾性に応じた反作用を得ることができる。このため、ユーザが測定装置１００を測定対象に押し当てる力を意識しなくても、測定対象の粘弾性を簡単に精度よく測定することができる。

また、接触電極１６１，１６２，２０１は、接触部１５１の通過領域を中心とした円上に設けられている。このように、接触部材１５０の通過領域を囲んで接触電極１６１，１６２，２０１を設けることで、測定対象における接触電極１６１，１６２，２０１が接触した各部分に囲まれる位置へ接触部材１５０を突き出すことができる。

これにより、測定対象の面に対する接触部材１５０の突き出し方向をより確実に直角にすることができる。このため、ユーザは、接触電極１６１，１６２，２０１を同時に測定対象に接触させることで、測定対象の粘弾性をより簡単に精度よく測定することができる。

ここでは、３つの接触電極（接触電極１６１，１６２，２０１）を設ける構成について説明したが、接触電極を２つにする構成も可能である。たとえば、接触電極２０１を省いた構成にしてもよい。この構成においては、接触電極１６１，１６２の両方が測定対象との接触を検知したときに接触部材１５０を突き出すようにする。

これにより、ユーザは、一方向の角度のみに注意しながら接触電極１６１，１６２を同時に測定対象に接触させることで、測定対象の粘弾性を簡単に精度よく測定することができる。ここで、ユーザが注意する一方向の角度とは、接触電極１６１，１６２を結ぶ直線を回転軸として変化する測定装置１００の角度である。

また、接触電極を１つにする構成も可能である。たとえば、接触電極１６２，２０１を省いた構成にしてもよい。この構成においては、接触電極１６１が測定対象との接触を検知したときに接触部材１５０を突き出すようにする。これにより、接触部材１５０の突き出し直前における接触部１５１と測定対象との距離を常に一定にすることができる。

したがって、測定対象に対して接触部１５１を常に一定の力で押し込み、測定対象の粘弾性に応じた反作用を得ることができる。このため、ユーザが測定装置１００を測定対象に押し当てる力を意識しなくても、測定対象の粘弾性を簡単に精度よく測定することができる。また、接触電極を１つにする構成にする場合には、接触電極１６１をたとえば接触部１５１の表面に設ける構成とすることも可能である。

また、接触電極を４つ以上にする構成も可能である。たとえば、接触部１５１の通過領域を中心とした円上にさらに接触電極を追加する構成にしてもよい。この構成においては、接触電極１６１，１６２，２０１および追加した接触電極のすべてが測定対象との接触を検知したときに接触部材１５０を突き出すようにする。

なお、図示しないが、測定装置１００に電源スイッチを設け、電源スイッチがＯＮのときに接触電極１６１，１６２，２０１を測定対象に接触させると接触部材１５０を突き出すようにしてもよい。これにより、たとえば測定装置１００の未使用時などに、ユーザの意に反して接触部材１５０が突き出ることを回避することができる。

図３は、所定方向１０１の反対側から見た圧電素子１５５を示す下面図である。圧電素子１５５は、基板１５２よりも面積が小さく、圧電素子１５５の全面が基板１５２の一部に対して貼り付けられている。また、基板１５２と圧電素子１５５のそれぞれは円形に形成されている。このため、基板１５２と圧電素子１５５の取り付け方向に関わらず、基板１５２の歪みに応じて圧電素子１５５を歪ませることができる。

（測定装置の使用例）
図４は、測定装置１００の動作例を示す図（その１）である。図５は、測定装置１００の動作例を示す図（その２）である。上述したように、接触電極１６１，１６２，２０１のそれぞれは、所定方向１０１の高さが、駆動部１４０による接触部材１５０の突き出し前における接触部１５１の高さ以上（図では同じ）である。

これにより、接触部材１５０の突き出し前においては接触部１５１が測定対象４００に押し込まれないようにすることができる。このため、接触部材１５０の突き出し時に、測定対象４００の粘弾性を測定対象４００からの反作用に精度よく反映させることができる。

図４に示すように、測定対象４００に接触電極１６１，１６２，２０１を同時に接触させると、回路基盤１３０の制御によって駆動部１４０が接触部材１５０を所定方向１０１へ突き出す。これにより、図５に示す状態になる。ここで、接触電極１６１，１６２，２０１のそれぞれは、所定方向１０１の高さが、駆動部１４０による接触部材１５０の突き出し後における接触部１５１の高さより低く形成されている。

このため、図５に示すように、突き出し後の接触部１５１は、測定対象４００と接触した接触電極１６１，１６２，２０１よりも所定方向１０１側へ変位するため、測定対象４００に押し込まれる。測定対象４００へ押し込まれた接触部１５１は、測定対象４００から、測定対象４００の粘弾性に応じた反作用を所定方向１０１とは反対方向に受ける。

接触部１５１が受けた反作用は、接触部材１５０の接触部１５１とは反対側に設けられた基板１５２に伝わる。そして、基板１５２は、接触部材１５０との接触面よりも面積が大きい。このため、基板１５２が接触部材１５０からの反作用を所定方向１０１とは反対方向に受けると、基板１５２の接触部材１５０からはみ出した部分が所定方向１０１へわずかに変位し、その結果、基板１５２全体が歪む。

そして、基板１５２全体の歪みに応じて、基板１５２の接触部材１５０とは反対側に貼り付けられた圧電素子１５５も歪み、圧電素子１５５の歪みに応じた電圧が回路基盤１３０へ出力される。したがって、回路基盤１３０へ出力される圧電素子１５５の出力電圧は、測定対象４００の粘弾性に応じて変化する。このため、圧電素子１５５の出力電圧を取得することで、測定対象４００の粘弾性を測定することができる。

（測定装置の機能的構成）
図６は、回路基盤１３０の機能的構成の一例を示すブロック図である。図６に示すように、測定装置１００の回路基盤１３０は、誘導ハム検出部６１１と、方形波生成部６１２と、波形測定部６１３と、を備えている。誘導ハム検出部６１１は、接触電極１６１，１６２，２０１のそれぞれの誘導ハムを検知する。

誘導ハムは、接触電極１６１，１６２，２０１が測定対象と接触したときに接触電極１６１，１６２，２０１に発生する。誘導ハム検出部６１１は、接触電極１６１，１６２，２０１のすべてから同時に誘導ハムを検知すると、方形波生成部６１２および波形測定部６１３のそれぞれに対して検知信号を出力する。

方形波生成部６１２は、誘導ハム検出部６１１から検知信号が出力されると方形波を生成する。そして、方形波生成部６１２は、生成した方形波を駆動電流として駆動部１４０へ入力する。方形波生成部６１２から駆動部１４０へ方形波を入力することで、ボイスコイル１５４に急激な電流が流れ、駆動部１４０による接触部材１５０の突き出しを瞬時に行うことができる（ステップファンクション）。

波形測定部６１３は、誘導ハム検出部６１１から検知信号が出力されると、圧電素子１５５の出力電圧の波形測定を行い、波形測定の結果を表示部１７０によって表示させる。ところで、ユーザの呼吸性の体動や筋肉振動は通常２０Ｈｚ以下である。このため、波形測定部６１３は、駆動部１４０による接触部材１５０の突き出しから１０ｍｓｅｃ以下の期間内に圧電素子１５５の出力電圧を取得することが望ましい。これにより、ユーザの呼吸性の体動や筋肉振動の影響を受けずに測定対象の弾性を測定することができる。

波形測定部６１３は、たとえば、駆動部１４０による接触部材１５０の突き出しの前における圧電素子１５５の出力電圧と、駆動部１４０による接触部材１５０の突き出し時における圧電素子１５５の出力電圧のピークと、の差分を測定する（たとえば図７参照）。

または、波形測定部６１３は、駆動部１４０による接触部材１５０の突き出しの後における圧電素子１５５の出力電圧を複数回取得し、取得した各出力電圧の減衰量を測定するようにしてもよい（たとえば図８参照）。または、波形測定部６１３は、駆動部１４０による接触部材１５０の突き出しの後における圧電素子１５５の出力電圧の振幅を複数回取得し、取得した各振幅の減衰量を測定するようにしてもよい（たとえば図９参照）。

（回路基盤の動作）
図７は、回路基盤１３０の動作の一例を示すフローチャートである。まず（ＳＴＡＲＴ）、誘導ハム検出部６１１が、接触電極１６１，１６２，２０１のすべてから誘導ハムを検知したか否かを判断し（ステップＳ７０１）、接触電極１６１，１６２，２０１のすべてから誘導ハムを検知するまで待つ（ステップＳ７０１：Ｎｏのループ）。

ステップＳ７０１において、接触電極１６１，１６２，２０１のすべてから誘導ハムを検知すると（ステップＳ７０１：Ｙｅｓ）、波形測定部６１３が、圧電素子１５５の出力電圧を取得する（ステップＳ７０２）。また、方形波生成部６１２が、方形信号を駆動部１４０へ出力する（ステップＳ７０３）。これにより、駆動部１４０によって接触部材１５０が、測定対象に対して瞬時に突き出される。

つぎに、波形測定部６１３が、圧電素子１５５の出力電圧のピークを取得する（ステップＳ７０４）。つぎに、波形測定部６１３が、ステップＳ７０２によって取得された出力電圧と、ステップＳ７０４によって取得されたピークの出力電圧と、の差分を算出する（ステップＳ７０５）。つぎに、波形測定部６１３が、ステップＳ７０５による算出結果を表示部１７０へ出力し（ステップＳ７０６）、一連の動作を終了する（ＥＮＤ）。

このように、回路基盤１３０は、駆動部１４０による接触部材１５０の突き出し前における圧電素子１５５の出力電圧と、駆動部１４０による接触部材１５０の突き出し時における圧電素子１５５の出力電圧のピークと、の差分を測定する。これにより、接触部材１５０が測定対象へ突き出される前の圧電素子１５５の出力電圧におけるばらつきを補償して測定対象の堅さを測定することができる。

ここでは、接触部材１５０の突き出しの直前における圧電素子１５５の出力電圧を取得する方法を説明したが、このような方法に限らない。たとえば、接触部材１５０の突き出し前における圧電素子１５５の出力電圧が安定している場合は、ステップＳ７０１の前に圧電素子１５５の出力電圧を取得するようにしてもよい。そして、ステップＳ７０５においては、ステップＳ７０１の前に取得した圧電素子１５５の出力電圧と、ステップＳ７０４によって取得されたピークの出力電圧と、の差分を算出する。これにより、測定対象の堅さを測定することができる。

図８は、回路基盤１３０の動作の他の例を示すフローチャートである。まず（ＳＴＡＲＴ）、誘導ハム検出部６１１が、接触電極１６１，１６２，２０１のすべてから誘導ハムを検知したか否かを判断し（ステップＳ８０１）、接触電極１６１，１６２，２０１のすべてから誘導ハムを検知するまで待つ（ステップＳ８０１：Ｎｏのループ）。接触電極１６１，１６２，２０１のすべてから誘導ハムを検知すると（ステップＳ８０１：Ｙｅｓ）、波形測定部６１３が、圧電素子１５５の出力電圧を取得する（ステップＳ８０２）。

つぎに、方形波生成部６１２が方形信号を駆動部１４０へ出力する（ステップＳ８０３）。これにより、接触部材１５０が駆動部１４０によって突き出される。つぎに、波形測定部６１３が、ステップＳ８０２またはステップＳ８０６（後述）によって出力電圧を所定回数取得したか否かを判断する（ステップＳ８０４）。

ステップＳ８０４において、出力電圧を所定回数取得していない場合（ステップＳ８０４：Ｎｏ）は、出力電圧を最後に取得してから所定時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ８０５）。そして、所定時間が経過するまで待つ（ステップＳ８０５：Ｎｏのループ）。ステップＳ８０５において待機する所定時間は、常に一定の時間にせずに、ステップＳ８０５を実行するたびに変更してもよい。

ステップＳ８０５において所定時間が経過すると（ステップＳ８０５：Ｙｅｓ）、波形測定部６１３が圧電素子１５５の出力電圧を取得し（ステップＳ８０６）、ステップＳ８０４へ戻って処理を続行する。ステップＳ８０４において出力電圧を所定回数取得した場合（ステップＳ８０４：Ｙｅｓ）は、波形測定部６１３が、ステップＳ８０２またはステップＳ８０６によって取得された各出力電圧の減衰量を算出する（ステップＳ８０７）。

つぎに、波形測定部６１３が、ステップＳ８０７による算出結果を表示部１７０へ出力し（ステップＳ８０８）、一連の動作を終了する（ＥＮＤ）。このように、接触部材１５０の突き出し後における圧電素子１５５の出力電圧を複数回取得し、取得した各出力電圧の減衰量を測定することで、測定対象の減衰率を測定することができる。

図９は、回路基盤１３０の動作のさらに他の例を示すフローチャートである。まず（ＳＴＡＲＴ）、誘導ハム検出部６１１が、接触電極１６１，１６２，２０１のすべてから誘導ハムを検知したか否かを判断し（ステップＳ９０１）、接触電極１６１，１６２，２０１のすべてから誘導ハムを検知するまで待つ（ステップＳ９０１：Ｎｏのループ）。

ステップＳ９０１において、接触電極１６１，１６２，２０１のすべてから誘導ハムを検知すると（ステップＳ９０１：Ｙｅｓ）、方形波生成部６１２が方形信号を駆動部１４０へ出力する（ステップＳ９０２）。これにより、接触部材１５０が駆動部１４０によって突き出される。つぎに、波形測定部６１３が、圧電素子１５５の出力電圧の波高値を取得する（ステップＳ９０３）。

つぎに、波形測定部６１３が、圧電素子１５５の出力電圧の波低値を取得する（ステップＳ９０４）。つぎに、波形測定部６１３が、ステップＳ９０３によって取得された波高値と、ステップＳ９０４によって取得された波低値と、に基づいて圧電素子１５５の出力電圧の振幅を算出する（ステップＳ９０５）。

つぎに、ステップＳ９０５によって出力電圧の振幅を所定回数算出したか否かを判断する（ステップＳ９０６）。出力電圧の振幅を所定回数算出していない場合（ステップＳ９０６：Ｎｏ）は、ステップＳ９０３へ戻って処理を続行する。出力電圧の振幅を所定回数算出した場合は（ステップＳ９０６：Ｙｅｓ）、波形測定部６１３が、ステップＳ９０５によって算出された各振幅の減衰量を算出する（ステップＳ９０７）。

つぎに、波形測定部６１３が、ステップＳ９０７による算出結果を表示部１７０へ出力し（ステップＳ９０８）、一連の動作を終了する（ＥＮＤ）。このように、接触部材１５０の突き出し後における圧電素子１５５の出力電圧の振幅を複数回取得し、取得した各振幅の減衰量を測定することで、測定対象の対数減衰率を測定することができる。

（測定結果の例）
図１０は、測定装置１００によるフィルタスポンジの測定例を示すグラフである。図１１は、測定装置１００によるクッションスポンジの測定例を示すグラフである。図１０および図１１において、横軸は時間［ｍｓｅｃ］を示している。また、図１０および図１１において、縦軸は圧電素子１５５の出力電圧［Ｖ］を示している。

図１０の波形１０００は、図７に示した動作によってフィルタスポンジの硬さを測定した結果を示している。フィルタスポンジは、フィルタに用いられるウレタンフォーム（イノアック社製ＣＦＨ−２０）である。図１１の波形１１００は、図７に示した動作によってクッションスポンジの硬さを測定した結果を示している。クッションスポンジは、クッションに用いられるウレタンフォーム（イノアック社製ＥＣＭ）である。

図１０および図１１に示す測定例において、基盤は０．３［ｍｍ］圧のアルミ板とした。また、増幅器１５７は時定数１秒のインピーダンス変換器とした。また、圧電素子１５５はユニモルフ圧電素子とした。また、駆動部１４０の突き出しによる接触部材１５０の変位量（ストローク長）は０．３ｍｍとした。これらの各測定条件は、図１２〜図１６に示す測定例においても同様である。

図１０および図１１において、時期ｔ１は、誘導ハム検出部６１１によって、接触電極１６１，１６２，２０１のすべてから誘導ハムが検知された時期を示している。時期ｔ２は、時期ｔ１の後に圧電素子１５５の出力電圧がピークとなった時期を示している。図１０の差分ｈ１および図１１の差分ｈ２のそれぞれは、時期ｔ１と時期ｔ２における圧電素子１５５の各出力電圧の差分を示している。

波形測定部６１３は、差分ｈ１や差分ｈ２を算出する。図１０および図１１に示す例では、フィルタスポンジを測定した場合に波形測定部６１３によって算出される差分ｈ１（図１０）は、クッションスポンジを測定した場合に波形測定部６１３によって算出される差分ｈ２（図１１）よりも大きい。この場合は、測定対象のフィルタスポンジは、測定対象のクッションスポンジよりも堅いことが分かる。

図１２は、測定装置１００による餅の測定例を示すグラフである。図１３は、測定装置１００によるクッションスポンジの測定例を示すグラフである。図１２および図１３において、横軸は時間［ｍｓｅｃ］を示している。また、図１２および図１３において、縦軸は圧電素子１５５の出力電圧［Ｖ］を示している。

図１２の波形１２００は、図８に示した動作によって餅の減衰率を測定した結果を示している。図１３の波形１３００は、図８に示した動作によってクッションスポンジの減衰率を測定した結果を示している。図１２および図１３において、時期ｔ１は、誘導ハム検出部６１１によって、接触電極１６１，１６２，２０１のすべてから誘導ハムが検知された時期を示している。

時期ｔ２は、時期ｔ１の後、時間ａが経過した時期を示している。時期ｔ３は、時期ｔ１の後、時間ｂ（＞ａ）が経過した時期を示している。差分ｈａは、時期ｔ１と時期ｔ２における圧電素子１５５の各出力電圧の差分を示している。差分ｈｂは、時期ｔ１と時期ｔ３における圧電素子１５５の各出力電圧の差分を示している。波形測定部６１３は、差分ｈａに対する差分ｈｂの減衰量を算出する。

図１２および図１３に示す例では、餅を測定した場合に波形測定部６１３によって算出される差分ｈａに対する差分ｈｂの減衰量（図１２）は、クッションスポンジを測定した場合に波形測定部６１３によって算出される差分ｈａに対する差分ｈｂの減衰量（図１３）よりも大きい。この場合は、測定対象の餅は、測定対象のクッションスポンジよりも減衰率が大きいことが分かる。

ここで、測定対象の減衰率を測定する具体的な方法の一例について説明する。ステップファンクションによる接触部材１５０の突き出しに対する測定対象の応答ｈ（ｔ）は、下記（１）式のように示すことができる。

上記（１）式において、ｔは時間を示している。ｈ０は、接触部材１５０の突き出しに対する測定対象の反作用の初期波高値を示している。βは測定系の時定数を示している。

測定系の時定数を１秒とすると、時間ｔ＝ａの場合の応答ｈａおよび時間ｔ＝ｂの場合の応答ｈｂは、それぞれ下記（２）式および（３）式のように示すことができる。

上記（２）式および（３）式において、γは測定対象の時定数（減衰率の逆数）を示している。上記（２）式および（３）式によって、下記（４）式が成り立つ。

上記（４）式において、Ｋは定数である。上記（４）式により、時間ｔ＝ａの場合の応答ｈａおよび時間ｔ＝ｂの場合の応答ｈｂをそれぞれ測定することで、測定対象の時定数γを算出することができる。応答ｈａおよび応答ｈｂには、たとえば、図１２および図１３に示した差分ｈａおよび差分ｈｂを用いることができる。したがって、測定対象の減衰率として、図１２および図１３に示した差分ｈａおよび差分ｈｂと、上記（４）式と、に基づく時定数γを算出することができる。

図１４は、測定装置１００による前腕皮膚の測定例を示すグラフである。図１５は、測定装置１００による頬皮膚の測定例を示すグラフである。図１４および図１５において、横軸は時間［ｍｓｅｃ］を示している。また、図１４および図１５において、縦軸は圧電素子１５５の出力電圧［Ｖ］を示している。

図１４の波形１４００は、図９に示した動作によって前腕皮膚の対数減衰率を測定した結果を示している。図１５の波形１５００は、図９に示した動作によって頬皮膚の対数減衰率を測定した結果を示している。図１４および図１５において、時期ｔ１は、誘導ハム検出部６１１によって、接触電極１６１，１６２，２０１のすべてから誘導ハムが検知された時期を示している。

時期ｔ２は、時期ｔ１の後に圧電素子１５５の出力電圧が波高値となった時期を示している。差分ｈ１は、時期ｔ１と時期ｔ２における圧電素子１５５の各出力電圧の差分を示している。時期ｔ３は、時期ｔ２の後に圧電素子１５５の出力電圧が波高値となった時期を示している。時期ｔ４は、時期ｔ３の後に圧電素子１５５の出力電圧が波低値となった時期を示している。差分ｈ２は、時期ｔ３と時期ｔ４における圧電素子１５５の各出力電圧の差分を示している。

波形測定部６１３は、差分ｈ１に対する差分ｈ２の減衰量を算出する。図１４および図１５に示す例では、前腕皮膚を測定した場合に波形測定部６１３によって算出される差分ｈ１に対する差分ｈ２の減衰量（図１４）は、頬皮膚を測定した場合に波形測定部６１３によって算出される差分ｈ１に対する差分ｈ２の減衰量（図１５）より小さい。この場合は、測定対象の頬皮膚は測定対象の前腕皮膚よりダンピング特性が大きいことが分かる。

ここで、測定対象のダンピング特性を測定する具体的な方法の一例について説明する。たとえば、測定対象のダンピング特性として、図１４および図１５に示した差分ｈ１に対する差分ｈ２の対数減衰率Δ＝ｌｎ（ｈ１／ｈ２）を算出することができる。

図１６は、測定装置１００による測定した餅の経時変化を示すグラフである。図１６において、横軸は時間［分］を示している。また、図１６において、縦軸は圧電素子１５５の出力電圧［ｍＶ］を示している。図１６の波形１６００は、図７に示した動作を１５［分］毎に行った結果を示している。波形１６００に示すように、時間経過によって餅が堅くなっていく様子を測定装置１００により測定することができることが分かる。

（制振性能について）
波形測定部６１３によって測定する指標は、上述した各種指標に限らず、圧電素子１５５の出力電圧に基づく様々な指標を用いることができる。圧電素子１５５の出力電圧に２次遅れ系の信号が強調される場合は、たとえば、波形測定部６１３によって測定対象の制振性能を測定してもよい。以下に、波形測定部６１３によって測定対象の制振性能を測定する例について説明する。

図１７は、制振性能の半値幅法による測定方法を説明するグラフである。図１７において、横軸は圧電素子１５５の出力電圧の周波数［Ｈｚ］を示している。図１７において、縦軸は圧電素子１５５の出力電圧の振幅を示している。波形１７００は、圧電素子１５５の出力電圧の周波数に対する圧電素子１５５の出力電圧の振幅の特性を示している。

たとえば、波形１７００がピーク値となる周波数をω０とし、波形１７００がピーク値から３［ｄＢ］小さくなる各周波数をω１およびω２とすると、波形測定部６１３は、ω０、ω１およびω２を用いて損失係数η＝（ω２−ω１）／ω０を算出する。損失係数ηは、測定対象の制振性能を示している。

図１８は、制振性能の減衰率法による測定方法を説明するグラフである。図１８において、横軸は時間を示し、縦軸は圧電素子１５５の出力電圧の振幅を示している。波形１８００は、圧電素子１５５の出力電圧の振幅の経時変化を示している。

たとえば、波形１８００において、１［ｓｅｃ］の期間における圧電素子１５５の出力電圧の振幅の減少量をＤ［ｄＢ］とし、共振周波数をｆとすると、波形測定部６１３は、減少量Ｄおよび共振周波数ｆを用いて損失係数η＝Ｄ／（２７．３ｆ）を算出する。損失係数ηは、測定対象の制振性能を示している。

（測定結果の表示例）
測定装置１００を肌の弾性測定に用いる場合の表示部１７０による表示例について説明する。この場合は、波形測定部６１３は、波形測定部６１３から出力された弾性に関する算出結果を、ユーザに対して分かりやすい情報に変換して表示部１７０に表示させてもよい。たとえば、波形測定部６１３は、あらかじめ統計によって得られた弾性の標準値を記憶しており、弾性の算出結果と標準値とを比較する。

そして、波形測定部６１３は、比較結果を表示部１７０に表示させる。たとえば、波形測定部６１３は、「弾性が標準的」、「弾性が標準より高い」または「弾性が標準より低い」などの情報を表示部１７０に表示させる。

または、波形測定部６１３は、あらかじめ統計によって得られた年齢別の弾性の標準値を記憶しており、弾性の算出結果に対応する年齢を肌年齢として表示部１７０に表示させてもよい。たとえば、波形測定部６１３は、「肌年齢２０歳」、「肌年齢３０歳」または「肌年齢４０歳」などの情報を表示部１７０に表示させる。

以上説明したように、この発明にかかる測定装置および測定方法によれば、測定対象の粘弾性を簡単に精度よく測定することができる。なお、上述した実施の形態においては、測定対象の粘弾性などを測定する構成について説明したが、通電電極をさらに設け、測定対象の粘弾性とともに皮膚の濡れ特性なども同時に測定する構成としてもよい。

Claims

測定対象に接触させるための接触部を有する接触部材と、
前記接触部材を所定方向に突き出す駆動手段と、
前記接触部材に設けられ、前記所定方向からみて円形に形成された圧電素子と、
前記測定対象との接触を検知する接触電極と、
前記接触電極によって前記測定対象との接触が検知されると、前記接触部材を突き出すように前記駆動手段を制御する駆動制御手段と、
前記圧電素子の出力電圧を測定する測定手段と、
前記測定手段による測定結果を出力する出力手段と、
を備えることを特徴とする測定装置。
前記測定手段は、前記駆動手段による前記接触部材の突き出し前における前記出力電圧と、前記駆動手段による前記接触部材の突き出し時における前記出力電圧のピークと、の差分を測定することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
前記測定手段は、前記駆動手段による前記接触部材の突き出しから１０ｍｓｅｃ以下の期間内において前記突き出しの前における前記出力電圧および前記ピークを取得することを特徴とする請求項２に記載の測定装置。
前記測定手段は、前記駆動手段による前記接触部材の突き出し後における前記出力電圧を複数回取得し、取得した各出力電圧の減衰量を測定することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
ユーザの把持操作によって変位可能なことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の測定装置。
測定対象に接触させるための接触部を有する接触部材と、
前記接触部材を所定方向に突き出す駆動手段と、
前記接触部材に設けられた圧電素子と、
前記測定対象との接触を検知し、前記所定方向の高さが前記駆動手段による突き出し後の前記接触部より低い接触電極と、
前記接触電極によって前記測定対象との接触が検知されると、前記接触部材を突き出すように前記駆動手段を制御する駆動制御手段と、
前記圧電素子の出力電圧を測定する測定手段と、
前記測定手段による測定結果を出力する出力手段と、
を備えることを特徴とする測定装置。
測定対象に接触させるための接触部を有する接触部材と、
前記接触部材を所定方向に突き出す駆動手段と、
前記接触部材に設けられた圧電素子と、
前記測定対象との接触を検知し、前記所定方向の高さが前記駆動手段による突き出し前の前記接触部の高さ以上である接触電極と、
前記接触電極によって前記測定対象との接触が検知されると、前記接触部材を突き出すように前記駆動手段を制御する駆動制御手段と、
前記圧電素子の出力電圧を測定する測定手段と、
前記測定手段による測定結果を出力する出力手段と、
を備えることを特徴とする測定装置。
測定対象に接触させるための接触部を有する接触部材と、
前記接触部材を所定方向に突き出す駆動手段と、
前記接触部材に設けられた圧電素子と、
前記所定方向と直交する平面上に２つ以上設けられ、前記測定対象との接触を検知する接触電極と、
２つ以上の前記接触電極によって前記測定対象との接触が同時に検知されると、前記接触部材を突き出すように前記駆動手段を制御する駆動制御手段と、
前記圧電素子の出力電圧を測定する測定手段と、
前記測定手段による測定結果を出力する出力手段と、
を備えることを特徴とする測定装置。
測定対象に接触させるための接触部を有する接触部材と、
前記接触部材を所定方向に突き出す駆動手段と、
前記接触部材に設けられた圧電素子と、
前記所定方向と直交する平面上に３つ以上設けられ、前記測定対象との接触を検知する接触電極と、
３つ以上の前記接触電極によって前記測定対象との接触が同時に検知されると、前記接触部材を突き出すように前記駆動手段を制御する駆動制御手段と、
前記圧電素子の出力電圧を測定する測定手段と、
前記測定手段による測定結果を出力する出力手段と、
を備えることを特徴とする測定装置。
前記接触電極は、前記駆動手段の突き出しによる前記接触部材の通過領域を囲んで設けられていることを特徴とする請求項９に記載の測定装置。
測定対象に接触させるための接触部を有する接触部材と、
入力される駆動電流に応じた力で前記接触部材を所定方向に突き出す駆動手段と、
前記接触部材に設けられた圧電素子と、
前記測定対象との接触を検知する接触電極と、
前記接触電極によって前記測定対象との接触が検知されると、前記駆動電流として方形波を前記駆動手段へ入力することにより、前記接触部材を突き出すように前記駆動手段を制御する駆動制御手段と、
前記圧電素子の出力電圧を測定する測定手段と、
前記測定手段による測定結果を出力する出力手段と、
を備えることを特徴とする測定装置。
測定対象に接触させるための接触部を有する接触部材と、
前記接触部材を所定方向に突き出す駆動手段と、
前記接触部材に設けられた圧電素子と、
前記測定対象との接触を検知する接触電極と、
前記接触電極によって前記測定対象との接触が検知されると、前記接触部材を突き出すように前記駆動手段を制御する駆動制御手段と、
前記駆動手段による前記接触部材の突き出し後における前記圧電素子の出力電圧の振幅を複数回取得し、取得した各振幅の減衰量を測定する測定手段と、
前記測定手段による測定結果を出力する出力手段と、
を備えることを特徴とする測定装置。