JP7019445B2

JP7019445B2 - 押込み試験装置

Info

Publication number: JP7019445B2
Application number: JP2018025684A
Authority: JP
Inventors: 光平岡本; 一良安原
Original assignee: Shinko Denshi Co Ltd
Current assignee: Shinko Denshi Co Ltd
Priority date: 2018-02-16
Filing date: 2018-02-16
Publication date: 2022-02-15
Anticipated expiration: 2038-01-30
Also published as: JP2019132815A

Description

本発明は、蒲鉾・ハム等の食品やヒトの柔軟な組織などに圧子を押込み、それらの柔らかさを計測する押込み試験装置に関する。

下記特許文献１には、柔軟な食品や人体組織などを被検体として、その柔らかさを計測する押込み試験装置が開示されている。
この装置は、図５に示すように、被検体に押込まれる圧子１０と、圧子１０を被検体に押込んだ時に圧子１０に作用する力を検出する力センサ３０と、被検体の柔らかさを評価するヤング率を、圧子１０に作用する力に基づいて算出する演算部４０と、それらが内部に配置される筐体２０とを備えている。
圧子１０は、先端の半球部分の一定量が、筐体２０の端面２１である押し当て面から突出するように筐体内に配置されている。

この装置を操作する操作者は、筐体２０部分を把持して、筐体２０の端面２１が被検体に当接するまで圧子１０を被検体に押込む。
このとき、筐体２０の端面２１が被検体に当接したときに力センサ３０で検出された力（押込荷重）をＦ、筐体２０の端面２１から突出する圧子１０の突出量（即ち、被検体に押込まれる圧子１０の押込量）をδ、圧子１０の半球面の直径をφ、被検体のヤング率をＥ、被検体に固有のポアソン比をνとすると、これらの間には(数１)で表される関係が存在する。

この(数１)を用いて、力センサ３０で検出された押込荷重Ｆから被検体のヤング率Ｅを求めることができる。

この押込み試験装置は、被検体の柔らかさを、被検体が本来あるべき場所で測定すること（いわゆる“その場測定”）が可能であり、幅広い方面での利用が期待できる。

ＷＯ２０１７／１６４４２６

しかし、この押込み試験装置では、圧子１０を被検体に押込む際に、その初期段階では、被検体に接触するのが筐体２０から突出する圧子１０のみであるため、筐体２０を被検体の面に対して垂直な方向に押し進めることが難しい。
圧子１０を被検体に押込むときの筐体２０の進行方向が被検体面の垂直方向から傾いている場合、次のような事態が発生する。

図６（ａ）は、圧子１０が被検体の面に対して傾いていない状態を示し、図６（ｂ）は、圧子１０が被検体の面に対してθだけ傾いている状態を示している。
図６（ａ）の場合に力センサ３０で検出される荷重をＦとすると、図６（ｂ）の場合に力センサ３０で検出されるＦの分力Ｆ’は、
(数２) Ｆ’＝Ｆｃｏｓθ
となる。θの絶対値が５°以下であれば、ＦとＦ’との誤差は０．４％以下であり、実際上、問題にならない。

しかし、この押込み試験装置では、圧子１０が被検体の面に対して傾いていると、ＦとＦ’との誤差だけでなく、筐体２０の端面２１が被検体に当接したときの圧子１０の押込量が違ってくる。
図６（ｃ）に示すように、圧子１０が被検体の面に対して傾いていないとき、筐体２０の端面２１が被検体に当接するまでに押込まれる圧子１０の押込量をδとする。なお、ｒは、円環状の端面２１の外径における半径である。
圧子１０が被検体の面に対しθだけ傾いている場合、図６（ｄ）に示すように、筐体２０の端面２１が被検体に当接したときの圧子１０の押込量δ’は、
(数３) δ’＝δ‐ｒｓｉｎθ
となる。
そのため、（数１）において、Ｆ及びδがＦ’及びδ’に代わるため、ヤング率Ｅの誤差が大きくなる。
なお、図６（ｄ）のｙは、筐体２０の端面２１の一部が被検体に接触したときの、その接触位置と対称の位置の端面部分と被検体との距離を示している。

図７は、θに相当する角度を横軸に、また、ヤング率Ｅの誤差を縦軸に取り、圧子１０の傾きとヤング率Ｅの誤差との関係を示している。ヤング率Ｅの誤差を１％以下とするためには、圧子１０の傾きを０．２°以内に維持する必要があることが分かる。

本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、誰でも精確に被検体の柔らかさが測定できる押込み試験装置を提供することを目的としている。

本発明は、被検体に押し込まれる圧子と、前記圧子に作用する力を検出する力センサと、前記力センサと、該力センサと前記圧子とを接続する接続部材とが収納され、前記圧子が、少なくとも一部が端面より外側に突出する状態で配置される筐体と、前記筐体の前記端面の離間する位置に設けられた、被検体との接触を検知する複数の接触検知センサと、を備える押込み試験装置であり、複数の接触検知センサは、前記圧子を中心とする円周を略等距離に分周する前記位置で前記端面から同じ長さ突出しており、前記端面より外側に突出する前記圧子の先端までの距離は、前記複数の接触検知センサが前記端面から突出する長さよりも長く、前記圧子を被検体に押し込むように前記筐体が操作されたとき、前記接触検知センサが被検体に接触した時点の前記圧子に作用する力が前記力センサで検出され、その検出結果に基づいて被検体の柔らかさが算出される。
この装置では、複数の接触検知センサの被検体への接触状態から、押込み試験装置が被検体の面に対し傾いているかどうかが分かる。

また、本発明の押込み試験装置では、前記複数の接触検知センサの各々が被検体との接触を検知するごとに、その検知時点の前記力センサの検出値を用いて被検体の柔らかさの値を算出し、得られた複数の前記値を平均化するようにしても良い。
この装置では、圧子の押込み方向が被検体の面の垂直方向からずれていても、平均値を取ることで、被検体の柔らかさが高精度に算出できる。

また、本発明の押込み試験装置では、前記圧子の被検体への押込み速度と、複数の接触検知センサが被検体との接触を検知した時刻の時間差とを用いて、被検体に対する前記筐体の押込み方向の傾きを算出し、前記傾きを用いて、接触検知センサの一つが最初に被検体に接触した時点の前記圧子の押込み量を算出し、前記押込み量と前記時点で前記力センサが検出した検出値とを用いて被検体の柔らかさの値を算出するようにしても良い。
この装置では、圧子の押込み方向が被検体の面の垂直方向からずれていても、ずれによる誤差を補正することができる。

また、本発明の押込み試験装置では、前記接触検知センサがピン形状であっても良い。
この装置では、筐体の端面より突出する圧子の長さがピン形状の接触検知センサの長さよりも長く設定される。

また、本発明の押込み試験装置では、複数の接触検知センサを、被検体との接触時に振動状態が変化する振動体で構成しても良い。
振動体が被検体に接触すると、振動体の振動が止まり、あるいは、振幅が小さくなるので、被検体との接触が検知できる。

本発明の押込み試験装置により、被検体の柔らかさを高精度に求めることができる。

本発明の実施形態に係る押込み試験装置の接触検知センサ位置を示す図ピンタイプの接触検知センサを示す図（ａ）押込み試験装置を一定速度で被検体に押し込んだときのヤング率の変化を示す図、（ｂ）実施形態の方式でヤング率を算出するときの傾きと誤差の関係を示す図実施形態の方式でヤング率を算出するときの手順を示すフロー図従来の押込み試験装置を示す図圧子の傾きがヤング率算出に及ぼす影響を説明する図従来の押込み試験装置を用いてヤング率を算出するときの傾きと誤差の関係を示す図

本発明の押込み試験装置は、図１に示すように、筐体２０の端面２１に、この端面から突出する複数の接触検知センサ２２を備えている。この装置では、複数の接触検知センサ２２が被検体との当接部を構成している。複数の接触検知センサ２２は、圧子を中心とする円周を略等距離に分周する位置に配置されている。複数の接触検知センサ２２の端面２１からの突出長さは、みな同じである。
なお、接触検知センサ２２は、被検体との接触が検知できるものであれば良く、被検体との接触により電気抵抗値が変化する感圧ゴムや、被検体との接触により振動状態が変化する振動体など、各種のものが使用できる。

振動体を接触検知センサとする場合は、複数の圧電体を図１の接触検知センサ２２の位置に配置して、各圧電体に共振周波数の交流電圧を印加し、各圧電体に共振振動を行わせる。圧電体が被検体に接触すると、圧電体の振動が止まり、あるいは、振幅が小さくなるので、被検体との接触が検知できる。
また、図２は、被検体との接触により、印加されている電気信号の周波数特性が変化するピンタイプの接触検知センサ２２１が圧子１０を囲んで配置された装置を示している。
圧子１０の先端は、接触検知センサ２２１の先端よりも突出している。そのため、圧子１０を被検体に押し込むとき、複数の接触検知センサ２２１は圧子１０に遅れて被検体に接触する。

この押込み試験装置では、複数の接触検知センサ２２が全て被検体に接触したことを検知しなければ、被検体の柔らかさの検出を行われないようにしても良い。そうすることで、圧子の周囲が均等に被検体に接触し、被検体面の垂直方向に圧子の押込み方向が維持された状態での柔らかさの検出が担保できる。

図３（ａ）は、二つのピンタイプの接触検知センサを備える押込み試験装置を用いて、装置の先端を一定速度で被検体に押込みながら被検体のヤング率の推移を測定した結果について示している。図３（ａ）の横軸は時間であり、縦軸はヤング率である。
図３（ａ）のＡ点は、接触検知センサの一方が被検体に接触したときのヤング率の大きさを示し、図３（ａ）のＢ点は、接触検知センサの他方が被検体に接触したときのヤング率の大きさを示している。ここでは、被検体の面に対して押込み試験装置が多少傾いているため、二つの接触検知センサが被検体に接触した時点は一致していない。
Ａ点に至るまでの時間帯は、接触検知センサのいずれもが被検体に接触しておらず、圧子のみが被検体に押込まれることでヤング率が増加している。
Ａ点とＢ点との間の時間帯は、接触検知センサの一方と圧子とが被検体に押込まれることでヤング率が増加している。また、Ｂ点からヤング率のピークまでの時間帯は、二つの接触検知センサと圧子とが被検体に押込まれることでヤング率が増加している。
ピーク以降は、押込み力が解除されてヤング率が減少している。

この場合、被検体の面に対して押込み試験装置が傾いておらず、二つの接触検知センサが同時に被検体に接触したときのヤング率は、Ａ点のヤング率とＢ点のヤング率との平均値として算出することができる。
このように、複数の接触検知センサの各々が被検体に接触したときに力センサで検出された押込み荷重を用いてヤング率を算出し、それらのヤング率を平均化して被検体のヤング率とする方式を採る場合は、図６（ｄ）に示すように、圧子の押込み方向が被検体の面に対して多少傾いていても、精度の高いヤング率の算出が可能になる。

図３（ｂ）は、この方式で求めた被検体のヤング率の誤差(縦軸)と、図６のθに相当する傾き(横軸)との関係を示している。傾きの大きさが２°以内であれば、ヤング率の誤差は３％以下であり、図７の特性に比べて、極めて高精度の測定結果が得られることが分かる。

図４のフロー図は、この方式により被検体のヤング率を算出するときの手順を示している。
複数の接触検知センサの中で被検体との接触を新たに検知した接触検知センサがある場合に（ステップ１でＹｅｓ）、その検知時点の押込み荷重を用いて（数１）によりヤング率を計算し、記録部に記録する(ステップ２)。この手順を全ての接触検知センサが被検体との接触を検知するまで繰り返し、全ての接触検知センサが被検体との接触を検知すると(ステップ３でＹｅｓ)、記録部に記録した複数のヤング率を平均化する（ステップ４）。

なお、ここでは、複数のヤング率の平均値を算出しているが、複数の接触検知センサの中で被検体との接触を新たに検知した接触検知センサがある毎に、その検知時点の押込み荷重を記録部に記録し、全ての接触検知センサが被検体との接触を検知した後、記録部に記録した複数の押込み荷重の平均値を求め、その平均値を用いてヤング率を算出するようにしても良い。

また、複数の接触検知センサを備える押込み試験装置を既知の押込み速度で被検体に押し込む場合は、複数の接触検知センサの接触検知時点のズレから、被検体の面に対する押込み試験装置の傾き（図６（ｄ）のθに相当する角度）を算出することができる。
いま、図６（ｄ）に示すように、筐体端面の円周を二分する位置に二つの接触検知センサが配置された押込み試験装置が、一定の押込み速度Ｖで被検体に押し込まれ、二つの接触検知センサが被検体との接触を検知した時刻の時間差がｔであったとする。
このとき、図６（ｄ）のｙに相当する距離は、
(数４) ｙ＝Ｖｔ
で表され、また、傾きθは、
(数５) θ＝ｓｉｎ^-1（ｙ／２ｒ）
で表される。
このθを用いて（数３）のδ’の算出が可能である。
そして、(数１)により、初めて接触検知センサが被検体との接触を検知したときに力センサが検出した押込み荷重Ｆと、押込み量δ’とを用いてヤング率Ｅを算出すれば、押込み試験装置の押込み方向が被検体の面に対して多少傾いていても、被検体の柔らかさを高精度に算出することができる。

なお、当接部を構成する接触検知センサの数は、２以上であれば良い。
また、ここでは半球面を有する圧子を示したが、圧子の形状はこれに限定されない。円柱、円筒、立方体などであっても良い。

本発明の押込み試験装置は、被検体の柔らかさを高精度に測定することが可能であり、柔らかさの測定を必要とする食品分野、医療分野、素材を扱う分野など、幅広い分野において利用することができる。

１０圧子
２０筐体
２１端面
２２接触検知センサ
３０力センサ
４０演算部
２２１ピンタイプの接触検知センサ

Claims

被検体に押し込まれる圧子と、
前記圧子に作用する力を検出する力センサと、
前記力センサと、該力センサと前記圧子とを接続する接続部材とが収納され、前記圧子が、少なくとも一部が端面より外側に突出する状態で配置される筐体と、
前記筐体の前記端面の離間する位置に設けられた、前記被検体との接触を検知する複数の接触検知センサと、
を備え、
前記複数の接触検知センサは、前記圧子を中心とする円周を略等距離に分周する前記位置で前記端面から同じ長さ突出しており、
前記端面より外側に突出する前記圧子の先端までの距離は、前記複数の接触検知センサが前記端面から突出する長さよりも長く、
前記圧子を前記被検体に押し込むように前記筐体が操作されたとき、前記複数の接触検知センサの各々が前記被検体との接触を検知するごとに、その検知時点の前記力センサの検出値を用いて前記被検体の柔らかさの値が算出され、得られた複数の前記値が平均化される押込み試験装置。
被検体に押し込まれる圧子と、
前記圧子に作用する力を検出する力センサと、
前記力センサと、該力センサと前記圧子とを接続する接続部材とが収納され、前記圧子が、少なくとも一部が端面より外側に突出する状態で配置される筐体と、
前記筐体の前記端面の離間する位置に設けられた、前記被検体との接触を検知する複数の接触検知センサと、
を備え、
前記複数の接触検知センサは、前記圧子を中心とする円周を略等距離に分周する前記位置で前記端面から同じ長さ突出しており、
前記端面より外側に突出する前記圧子の先端までの距離は、前記複数の接触検知センサが前記端面から突出する長さよりも長く、
前記圧子を前記被検体に押し込むように前記筐体が操作されたとき、前記圧子の前記被検体への押込み速度と、前記複数の接触検知センサが前記被検体との接触を検知した時刻の時間差とを用いて、前記被検体に対する前記筐体の押込み方向の傾きが算出され、前記傾きを用いて、前記接触検知センサの一つが最初に前記被検体に接触した時点の前記圧子の押込み量が算出され、前記押込み量と前記時点で前記力センサが検出した検出値とを用いて前記被検体の柔らかさの値が算出される押込み試験装置。
請求項１または２に記載の押込み試験装置であって、
前記接触検知センサがピン形状である押込み試験装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載の押込み試験装置であって、
前記接触検知センサが、前記被検体との接触時に振動状態が変化する振動体から成る押込み試験装置。