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硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法、動作中心周波数選択装置及び硬さ測定システム

国内特許コード P08S000100
整理番号 NUBIC-2004JP0002
掲載日 2008年10月16日
出願番号 特願2006-512248
登録番号 特許第4822438号
出願日 平成16年12月13日(2004.12.13)
登録日 平成23年9月16日(2011.9.16)
国際出願番号 JP2004018577
国際公開番号 WO2005100951
国際出願日 平成16年12月13日(2004.12.13)
国際公開日 平成17年10月27日(2005.10.27)
優先権データ
  • 特願2004-112704 (2004.4.7) JP
発明者
  • 尾股 定夫
  • 村山 嘉延
  • 本田 勝民
出願人
  • 学校法人日本大学
発明の名称 硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法、動作中心周波数選択装置及び硬さ測定システム
発明の概要

位相シフト回路を用いて対象物の硬さを測定する硬さ測定システムについて、その動作中心周波数を選択することをより容易とすることである。
動作中心周波数選択装置に硬さセンサを接続し、自由端状態で、周波数-振幅特性等を取得し、各ピークの周波数、位相等を測定取得し、これを自由端特性とする(S10-S20)。次に硬さセンサを第1テストピースに接触させ、各ピークについて変化した周波数、位相等を測定取得し、第1特性とする。(S22-S28)。第1テストピースより硬い第2テストピースについても同様にして第2特性を取得する(S30-S36)。これらに基づき、所定の選択基準に基づいて硬さ測定に適するピーク選択が行われ、そのピークの周波数から動作中心周波数の設定が行われる(S38-S40)。

従来技術、競合技術の概要


生体の組織物質等の硬さを測定する方法として、プローブを被測定物質に押し当てつつ振動を与えて、その入力振動に対する生体組織物質の機械振動応答をセンサで検出して周波数、位相の変化等から硬さに対応する特性値を得る方法がある。特に、本願の発明者は、特許文献1に開示されるように、対象物に振動を入射する振動子と対象物から反射される信号を検出する振動検出センサを有する硬さセンサと、硬さセンサに増幅器とともに直列に接続され、振動子への入力波形と振動検出センサからの出力波形に位相差が生じるときは、周波数を変化させてその位相差をゼロにシフトする位相シフト回路とを用い、対象物の硬さに応じて生ずる周波数変化より対象物の硬さを測定する硬さ測定システムを考案している。



位相シフト回路を用いる硬さ測定システムの例を図8に示す。図8において、硬さ測定システム10は、対象物8である生体組織等に押し当てられる硬さセンサ12と、硬さ検出部20とを含んで構成される。硬さセンサ12は、対象物8に振動を入射する振動子14と対象物8から反射される信号を検出する振動検出センサ16とを有する。このような硬さセンサ12としては、圧電素子を2つ積み重ね、一方を振動子14とし、他方を振動検出センサ16とするものを用いることができる。硬さ検出部20は、振動検出センサ16からの出力端子と、振動子14への入力端子との間に、適当な直流カット容量、増幅器22及び位相シフト回路24を直列に接続し、位相シフト回路24によって位相差を補償するために生ずる周波数偏差を検出する周波数偏差検出器26と、検出された周波数偏差を硬さに換算して出力する硬さ換算器28を含む。周波数偏差検出器26は一般的な周波数測定器を用いることができ、硬さ換算器28は、予め較正されたルックアップテーブルを用いて換算を行い、あるいは予め与えられる換算式に従い換算演算を行うマイクロコンピュータ等を用いることができる。



位相シフト回路24は、上記のように、振動検出センサ16-直流カット容量-増幅器22-振動子14-対象物8-振動検出センサ16のループ内に直列接続により設けられて、振動子14への入力波形と振動検出センサ16からの出力波形に位相差が生じるときは、周波数を変化させてその位相差をゼロにシフトする機能を有する回路である。位相シフト回路24の周波数に対する振幅及び位相の特性を示す基準伝達特性曲線は、図9に示すように、動作中心数周波数ffをおいて振幅が最大となり、位相が反転するものが好ましい。このような特性の回路は、動作中心数周波数ffを共振周波数として、そこで振幅ゲインが最大となるバンドパスフィルタを設計することで得ることができる。具体的に電子部品を配置してハードウエアで構成することも、またソフトウエアによりディジタルフィルタ特性を実現することでもよい。



位相シフト回路24の機能を説明するには、位相シフト回路を含まない振動系ループと比較することがよい。すなわち、振動検出センサ-直流カット容量-増幅器-振動子-対象物-振動検出センサのループは、いわゆる自励発振回路を構成する。対象物8に硬さセンサ12(=振動子14+振動検出センサ16)が接触していないときにも、振動子14と振動検出センサ16の間の空間を対象物とする形で自励発振回路が構成され、ある共振周波数において系全体が発振し安定する。つぎに、対象物に硬さセンサ12(=振動子14+振動検出センサ16)が接触すると、対象物の機械的な振動系の影響により、系全体の発振状態が変化する。すなわち、対象物の振動系の内容である硬さを表すバネ定数の大きさにより、位相差が生じ、また周波数の変化が生ずる。ここで周波数変化を検出し、対象物の硬さを測定しようとする試みは、すでに数多くの先行技術が知られている。しかし、通常の共振周波数の変化は極めて少なく、その精度よい検出は困難を伴うことが多く、また、位相差の検出はよい測定手段が少ない。位相シフト回路24は、図9に説明したような周波数に対する振幅及び位相の特性を示す基準伝達特性曲線を用い、位相の変化を周波数の変化に換算し、測定しにくい位相差の検出を測定しやすい周波数の測定に変換しようとするものである。



そこで、位相シフト回路24が、振動検出センサ16-直流カット容量-増幅器22-振動子14-対象物8-振動検出センサ16のループ内に直列接続により設けられるときの作用について説明する。このように機械的な振動系で構成される対象物と、電気的な発振回路とを含む自励発振ループの中に位相シフト回路24が接続されるときは、全体の系がいわゆる速度共振によって自励発振が持続するように動作する。速度共振とは、共振周波数において振幅最大で位相がゼロとなるものである。すなわち、対象物8に硬さセンサ12(=振動子14+振動検出センサ16)が接触していないときには、振動子14と振動検出センサ16の間の空間を対象物とする形で、振動子14への入力波形と振動検出センサ16からの出力波形との位相差がゼロとなる周波数で、発振が安定するように位相シフト回路24の動作点が定まる。この状態を、図9において、周波数f1、位相θ1で示すとする。



つぎに、対象物8に硬さセンサ12(=振動子14+振動検出センサ16)が接触すると、対象物8の機械的な振動系、すなわち硬さを表すバネ定数の大きさにより、振動子14への入力波形と振動検出センサ16からの出力波形に位相差が生ずる。いま、対象物8の硬さによって、位相差がΔθだけ生ずるものとすると、速度共振による自励発振を持続するように、すなわち、この位相差Δθを補償して系全体の位相差をゼロにするように、位相シフト回路24の動作点がシフトする。図9で説明すると、位相θ1、周波数f1の動作点が、位相θ1+Δθ、周波数f1+Δfの動作点にシフトし、ここで系全体の位相差をゼロとして、速度共振が持続し、安定する。



すなわち、位相シフト回路24を振動検出センサ16-直流カット容量-増幅器22-振動子14-対象物8-振動検出センサ16のループ内に直列接続により設けることで、速度共振を持続するために必要な位相差補償を行い、同時に、その補償を行った位相差Δθの大きさを周波数偏差Δfに変換できる。ここで得られる周波数偏差Δfは、従来技術のように、共振周波数の変化分ではなく、位相変化分を位相シフト回路24の基準伝達特性曲線により周波数変化分に変換したもので、その変換係数Δf/Δθは、位相シフト回路24の基準伝達特性曲線の設計により、任意の大きさにすることができる。すなわち、小さな位相差を大きな周波数偏差にすることもでき、大きすぎる位相差を適当な周波数偏差の大きさにすることもできる。



このようにして得られる周波数偏差を、適当な周波数測定装置により測定し、これを予め求めておいた周波数偏差-硬さの較正関係に基づいて硬さに変換することができる。




【特許文献1】特開平9-145691号公報

産業上の利用分野


本発明は、対象物に振動を入射する振動子と対象物から反射される信号を検出する振動検出センサとを有する硬さセンサを用いて対象物の硬さを測定する硬さ測定システムの動作中心周波数選択に係り、特に硬さセンサに増幅器とともに直列に接続され、振動子への入力波形と振動検出センサからの出力波形に位相差が生じるときは、周波数を変化させてその位相差をゼロにシフトする位相シフト回路と、を含み対象物の硬さに応じて生ずる周波数変化より対象物の硬さを測定する硬さ測定システムについて、動作中心周波数を選択する方法及び硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】 対象物に振動を入射する振動子と対象物から反射される信号を検出する振動検出センサとを有する硬さセンサと、硬さセンサに増幅器とともに直列に接続され、振動子への入力波形と振動検出センサからの出力波形に位相差が生じるときは、周波数を変化させてその位相差をゼロにシフトする位相シフト回路と、を含み対象物の硬さに応じて生ずる周波数変化より対象物の硬さを測定する硬さ測定システムについて、動作中心周波数を選択する方法であって、
硬さセンサがテストピースに未接触の自由端状態で周波数に対する振幅特性又は位相特性における複数のピークを検出して各ピークを区別するピーク検出工程と、
区別された各ピークについて、そのピーク位置の周波数又は位相又は振幅の中の少なくとも1つを測定し記憶する自由端特性取得工程と、
区別された各ピークにつき、硬さセンサを柔らかい硬さの第1テストピースに接触させるときに変化する周波数又は位相又は振幅の中の少なくとも1つを測定し記憶する第1特性取得工程と、
区別された各ピークにつき、硬さセンサを第1テストピースより硬い第2テストピースに接触させるときに変化する周波数又は位相又は振幅の中の少なくとも1つを測定し記憶する第2特性取得工程と、
区別された各ピークにつき、自由端特性と第1特性との間の周波数変化又は位相変化又は振幅変化の中の少なくとも1つと、自由端特性と第2特性との間の周波数変化又は位相変化又は振幅変化の中の少なくとも1つに基づいて、硬さ測定に用いるためのピークを選択するピーク選択工程と、
選択されたピークの自由端状態の周波数を硬さセンサの動作周波数とし、硬さセンサの動作周波数から任意の周波数幅を隔てる周波数を位相シフト回路の動作周波数とする動作中心周波数設定工程と、
を備えることを特徴とする硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法。
【請求項2】 請求項に記載の硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法において、
ピーク選択工程は、自由端特性と第1特性との間の周波数変化及び位相変化の変化方向と、自由端特性と第2特性との間の周波数変化及び位相変化の変化方向とを比較し、相互に逆方向に変化する候補ピークの中から選択することを特徴とする硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法。
【請求項3】 請求項2に記載の硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法において、
ピーク選択工程は、
自由端特性に比べ第1特性が周波数及び位相のいずれも減少方向に変化し、
自由端特性に比べ第2特性が周波数及び位相のいずれも増加方向に変化する候補ピークの中から選択することを特徴とする硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法。
【請求項4】 請求項に記載の硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法において、
ピーク選択工程は、候補ピークの中から、変化幅の大きいピークを選択することを特徴とする硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法。
【請求項5】 請求項に記載の硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法において、
ピーク検出工程において、さらに、複数のピークの中から任意の周波数範囲の中にあるピークに絞り込む周波数絞込み工程を備えることを特徴とする硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法。
【請求項6】 請求項に記載の硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法において、
ピーク検出工程において、さらに、複数のピークの中から任意のQ値以下にあるピークに絞り込むQ値絞込み工程を備えることを特徴とする硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法。
【請求項7】 請求項に記載の硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法において、
ピーク検出工程において、さらに、複数のピークの中から、そのピーク位置における位相変化率が任意の値以下にあるピークに絞り込む位相変化率絞込み工程を備えることを特徴とする硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法。
【請求項8】 請求項に記載の硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法において、
動作中心周波数設定工程は、位相シフト回路のQ値に応じて任意の周波数幅を設定することを特徴とする硬さ測定システムの動作中心周波数選択方法。
【請求項9】 対象物に振動を入射する振動子と対象物から反射される信号を検出する振動検出センサとを有する硬さセンサと、硬さセンサに増幅器とともに直列に接続され、振動子への入力波形と振動検出センサからの出力波形に位相差が生じるときは、周波数を変化させてその位相差をゼロにシフトする位相シフト回路と、を含み対象物の硬さに応じて生ずる周波数変化より対象物の硬さを測定する硬さ測定システムについて、動作中心周波数を選択する装置であって、
硬さセンサがテストピースに未接触の自由端状態で、周波数に対する振幅特性又は位相特性における複数のピークを検出して各ピークを区別するピーク検出手段と、
区別された各ピークについて、そのピーク位置の周波数又は位相又は振幅の中の少なくとも1つを測定し記憶する自由端特性取得手段と、
区別された各ピークにつき、硬さセンサを柔らかい硬さの第1テストピースに接触するときに変化する周波数又は位相又は振幅の中の少なくとも1つを測定し記憶する第1特性取得手段と、
区別された各ピークにつき、硬さセンサを第1テストピースより硬い第2テストピースに接触させるときに変化する周波数又は位相又は振幅の中の少なくとも1つを測定し記憶する第2特性取得手段と、
区別された各ピークにつき、自由端特性と第1特性との間の周波数変化又は位相変化又は振幅変化の中の少なくとも1つと、自由端特性と第2特性との間の周波数変化又は位相変化又は振幅変化の中の少なくとも1つとに基づいて硬さ測定に用いるピークを選択するピーク選択手段と、
選択されたピークの自由端状態の周波数を硬さセンサの動作周波数とし、硬さセンサの動作周波数から任意の周波数幅を隔てる周波数を位相シフト回路の動作周波数とする動作中心周波数設定手段と、
を備えることを特徴とする硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置。
【請求項10】 請求項に記載の硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置において、
ピーク選択手段は、自由端特性と第1特性との間の周波数変化及び位相変化の変化方向と、自由端特性と第2特性との間の周波数変化及び位相変化の変化方向とを比較し、相互に逆方向に変化する候補ピークの中から選択することを特徴とする硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置。
【請求項11】 請求項に記載の硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置において、
ピーク選択手段は、
自由端特性に比べ第1特性が周波数及び位相のいずれも減少方向に変化し、
自由端特性に比べ第2特性が周波数及び位相のいずれも増加方向に変化する候補ピークの中から選択することを特徴とする硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置。
【請求項12】 請求項に記載の硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置において、
ピーク選択手段は、候補ピークの中から、変化幅の大きいピークを選択することを特徴とする硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置。
【請求項13】 請求項に記載の硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置において、
ピーク検出手段において、さらに、複数のピークの中から任意の周波数範囲の中にあるピークに絞り込む周波数絞込み手段を備えることを特徴とする硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置。
【請求項14】 請求項に記載の硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置において、
ピーク検出手段において、さらに、複数のピークの中から任意のQ値以下にあるピークに絞り込むQ値絞込み手段を備えることを特徴とする硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置。
【請求項15】 請求項に記載の硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置において、
ピーク検出手段において、さらに、複数のピークの中から、そのピーク位置における位相変化率が任意の値以下にあるピークに絞り込む位相変化率絞込み手段を備えることを特徴とする硬さ測定システムの動作中心周波数選択装置。
【請求項16】 対象物に振動を入射する振動子と対象物から反射される信号を検出する振動検出センサとを有する硬さセンサを用いて対象物の硬さを測定する硬さ測定システムであって、
硬さセンサと増幅器とが直列接続されたセンサ増幅回路部について、外部より周波数を変化させて掃引する信号を入力し、周波数に対する振幅特性又は位相特性において現れる複数のピークを予め定めた基準と比較して硬さ測定に用いるためのピークを選定し、選定されたピークに対応する周波数を選定周波数として選択する選定周波数選択装置と、
選択された選定周波数をセンサ増幅回路部に入力して選定周波数に対応する選定位相差が出力される状態で動作させるオープンループの第1回路ループと、
センサ増幅回路部の入力端と出力端の間に位相シフト回路を接続しループを閉じて自励発振ループを構成し、センサ増幅回路部への入力波形とその出力波形との間に位相差が生じるときは、位相シフト回路によって周波数を変化させてその位相差をゼロにシフトさせて自励発振を持続させるクローズドループの第2回路ループと、
センサ増幅回路部を含む回路ループを、第1回路ループにおける選定周波数及び選定位相差の下の動作状態から、第2の回路ループにおいてセンサ増幅回路部の両端の選定位相差を位相シフト回路で補償して選定周波数の下で自励発振を持続させる動作状態に切り替える切り替え手段と、
切り替え後において、対象物に硬さセンサを接触させ、対象物の硬さに応じてセンサ増幅回路部の両端の位相差が選定位相差からさらに変化する硬さによる位相差成分を、位相シフト回路によって選定周波数から周波数を変化させて補償してセンサ増幅回路の両端を選定位相差のままに維持し、変化させた周波数偏差を出力する周波数偏差出力部と、
を備え、
選定周波数選択装置は、
硬さセンサがテストピースに未接触の自由端状態で、周波数に対する振幅特性又は位相特性における複数のピークを検出して各ピークを区別するピーク検出手段と、
区別された各ピークについて、そのピーク位置の周波数又は位相又は振幅の中の少なくとも1つを測定し記憶する自由端特性取得手段と、
区別された各ピークにつき、硬さセンサを柔らかい硬さの第1テストピースに接触させるときに変化する周波数又は位相又は振幅の中の少なくとも1つを測定し記憶する第1特性取得手段と、
区別された各ピークにつき、硬さセンサを第1テストピースより硬い第2テストピースに接触させるときに変化する周波数又は位相又は振幅の中の少なくとも1つを測定し記憶する第2特性取得手段と、
区別された各ピークにつき、自由端特性と第1特性との間の周波数変化又は位相変化又は振幅変化の中の少なくとも1つと、自由端特性と第2特性との間の周波数変化又は位相変化又は振幅変化の中の少なくとも1つとに基づいて硬さ測定に用いるためのピークを選択するピーク選択手段と、
選択されたピークの自由端状態の周波数を選定周波数として選択する選定周波数設定手段と、
を含み、
周波数偏差出力部から出力された周波数偏差から対象物の硬さを測定することを特徴とする硬さ測定システム。
【請求項17】 請求項16に記載の硬さ測定システムにおいて、
位相シフト回路は、
位相検出器と電圧制御発振器と分周器とがループ状に接続されるフェーズロック回路であって、センサ増幅回路部の出力と分周器の出力とが位相検出器に入力されてそれらの間の位相差をゼロにするように発振状態をロックするフェーズロック回路と、
時々刻々の分周器のデータについて選定位相差に相当するデータを補償演算し、これに基づき、センサ増幅回路部の出力信号の1周期について選定位相差分の位相差を補償した位相差補償信号を出力する補償信号出力部と、
を含み、補償信号出力部から出力される位相差補償信号をセンサ増幅回路部の入力信号として供給することを特徴とする硬さ測定システム。
【請求項18】 請求項17に記載の硬さ測定システムにおいて、
センサ増幅器回路部の出力をデジタル信号に変換して位相シフト回路に供給する変換器を含み、
デジタル信号で動作する位相シフト回路の補償信号出力部は、
電圧制御発振器の信号のデータをカウントする分周カウンタと、
分周カウンタと同じビット数を有する選定位相差を補償するデータを分周カウンタのデータに加算するフルアダー回路と、
フルアダー回路のデータから正弦波信号を生成する波形生成器と、
を有し、生成された正弦波信号を位相差補償信号としてセンサ増幅回路部に供給することを特徴とする硬さ測定システム。
産業区分
  • 試験、検査
  • 治療衛生
国際特許分類(IPC)
Fターム
出願権利状態 権利存続中
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