硬度計算システムおよび硬度計算方法
【課題】対象物の押圧時のくぼみ方の特性に関係なく、対象物の硬度を高精度で計算することを課題とする。
【解決手段】本発明の硬度計算システム１０００によれば、磁気センサ１９から取得した電圧の情報に基づいて作成した２階微分波形と、加速度センサ１３から取得した加速度の情報に基づく加速度波形と、を比較して電圧・変位変換係数Ｃｍｄを計算し、予め求めている電圧・圧力変換係数Ｃｍｐを電圧・変位変換係数Ｃｍｄで除算して対象物のバネ定数（硬度）を計算することで、対象物の押圧時のくぼみ方の特性に関係なく、対象物の硬度を高精度で計算することができる。
【解決手段】本発明の硬度計算システム１０００によれば、磁気センサ１９から取得した電圧の情報に基づいて作成した２階微分波形と、加速度センサ１３から取得した加速度の情報に基づく加速度波形と、を比較して電圧・変位変換係数Ｃｍｄを計算し、予め求めている電圧・圧力変換係数Ｃｍｐを電圧・変位変換係数Ｃｍｄで除算して対象物のバネ定数（硬度）を計算することで、対象物の押圧時のくぼみ方の特性に関係なく、対象物の硬度を高精度で計算することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物（人体など）の硬度を計算する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、対象物の硬度を測定することが有益である場面は多い。例えば、対象物が人体の場合、体の所定箇所の硬度を測定することで、筋肉や臓器の硬度、あるいは、動脈硬化の進行度などを知り、その後の対策等に役立てることができる。
【０００３】
例えば、人体などの対象物に対して、加速度センサと圧力センサを備えた装置を押し当て、圧力情報と、加速度の情報を２階積分して得た変位情報と、を用いることで、対象物の硬度（弾性係数）を計算する技術がある（特許文献１参照）。
【０００４】
また、対象物の硬度を測る一般の装置として、デュロメータがある。デュロメータを用いれば、対象物に押し当てた押針によるくぼみの深さから、対象物の硬度を算出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２１１１７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の技術では、加速度の情報を２階積分することによる誤差が大きくて硬度の計算精度が低くなる場合があるという問題がある。
【０００７】
また、デュロメータは、ゴムやプラスチックのように、押針が当たっている部分の周りの部分がほとんどくぼまないような対象物の硬度の測定には適しているが、人体のように、押針が当たっている部分の周りの部分も一緒にくぼむような対象物の硬度の測定には、誤差が大きくなるため適していない。
【０００８】
そこで、本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、対象物の押圧時のくぼみ方の特性に関係なく、対象物の硬度を高精度で計算することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために、本発明は、対象物の硬度を計算する硬度計算システムであって、前記硬度の計算時に前記対象物が凹むように前記対象物に押し付けられる測定装置と、前記測定装置からの情報に基づいて前記硬度を計算する硬度計算装置と、を備えており、前記測定装置は、前記対象物における前記測定装置との接触部分の押し付け方向の動きの加速度の情報を検出する加速度センサと、前記対象物における前記測定装置との接触部分へ加えられた圧力の大きさに応じた電圧の情報を出力する磁気センサと、を備えており、前記硬度計算装置は、前記磁気センサが出力する電圧の情報に対する、前記接触部分へ加えられている圧力の比を示す電圧・圧力変換係数を記憶する記憶部と、前記磁気センサから取得した電圧の情報に基づく電圧波形を２階微分することにより、２階微分波形を作成する２階微分波形作成部と、前記作成された２階微分波形と、前記加速度センサから取得した加速度の情報に基づく加速度波形とを比較し、比較結果を出力する波形比較部と、前記出力された比較結果に基づいて、前記作成された２階微分波形に対する、前記加速度波形の大きさの比を示す電圧・変位変換係数を計算し、前記電圧・圧力変換係数を前記電圧・変位変換係数で除算することで、前記硬度を計算する計算部と、を備えることを特徴とする。
その他の手段については後記する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、対象物の押圧時のくぼみ方の特性に関係なく、対象物の硬度を高精度で計算することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態の硬度計算システムの全体構成図である。
【図２】測定装置の動作原理の説明図である。
【図３】測定装置の構造例の模式図である。
【図４】受信コイル側の出力電圧と圧迫による圧力の関係を示す図である。
【図５】対象物をバネとした場合において、（ａ）は加速度センサによる出力を示す図であり、（ｂ）は磁気センサによる出力を示す図であり、（ｃ）は圧力センサによる出力を示す図であり、（ｄ）は変位センサによる出力を示す図である。
【図６】（ａ）は磁気センサ電圧を示す図であり、（ｂ）において（ｂ１）は２階微分波形を示す図で（ｂ２）は加速度センサ出力に基づく加速度波形を示す図であり、（ｃ）は胸部変位を示す図である。
【図７】対象物をバネとした場合の加速度センサによる出力の２階積分値の変化の説明図である。
【図８】対象物をバネとした場合において、（ａ）は磁気センサ出力に基づいて算出した変位を示す図であり、（ｂ）は変位センサの出力を示す図である。
【図９】硬度計算装置による処理の全体の流れを示すフローチャートである。
【図１０】硬度計算装置によるバネ定数の計算の処理の流れを示すフローチャートである。
【図１１】（ａ）は２つの接触部を有する測定装置の構造例の模式図で、（ｂ）は接触部のほかに液圧測定部を有する測定装置の構造例の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という。）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明において、説明や図示の都合上、「Ｖ（ボルト）」と「ｍＶ（ミリボルト）」など、単位のスケールが異なっている部分がある。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態に係る硬度計算システム１０００は、測定装置１と硬度計算装置２とを備えて構成される。なお、図１の測定装置１では、図２の測定装置１と比較して、構成の一部の図示を省略している。
ここで、併せて図２も参照しながら、測定装置１の構成と動作原理について説明する。測定装置１は、受信コイル１１（磁場検知手段）を有する本体部１４と、発信コイル１２（磁場発生手段）および加速度センサ１３を有する接触部１５と、バネ１６（弾性体）と、を備えて構成される。なお、受信コイル１１と発信コイル１２とを合わせて磁気センサ１９と称する。
【００１４】
接触部１５は、硬度の計算時に、測定装置１の操作者によって、対象物である人体の胴体Ｂ（ここでは胸部を想定）が凹むように胴体Ｂに押し付けられる部位である。なお、本体部１４と接触部１５は、剛性を有する。加速度センサ１３は、その押し付け方向の動きの加速度の情報を検出する。ここで、胴体Ｂはバネ的性質とダンパ的性質を有するが、バネ的性質のほうが支配的であるので、近似的に、胴体Ｂをバネ定数がＫのバネ１７であると考える。このバネ１７のバネ定数Ｋ（硬度）が、本実施形態での計算対象である。
【００１５】
磁気センサ１９は、測定装置１によって胴体Ｂへ加えられた圧力の大きさに応じた電圧の情報を出力する。そのため、受信コイル１１と発信コイル１２は、お互いに対向するように配置されている。そして、本体部１４と接触部１５の間には、バネ定数がＫ’（既知）のバネ１６が配置されている。なお、Ｋ’＞Ｋの関係が成立するように、バネ１６を選択する。そうしないと、本体部１４に圧迫の力Ｆが加えられたときに（図２参照）、本体部１４と接触部１５が接してしまい、磁気センサ１９としての役割が損なわれるからである。なお、例えば、本体部１４と接触部１５との間の距離Ｄは２ｍｍ程度で、本体部１４に圧迫の力Ｆが加えられたときの、バネ１６の縮み量は０．５ｍｍ程度となるように設計すればよい。
【００１６】
次に、図２を参照して、磁気センサ１９および周辺部品の動作について説明する。まず、交流発振源３１は、特定の周波数（例えば、２０ｋＨｚ）を持つ交流電圧を生成する。その交流電圧はアンプ３２によって特定の周波数を持つ交流電流に変換され、その変換された交流電流が発信コイル１２に流れる。発信コイル１２を流れる交流電流によって発生した磁場は、受信コイル１１に誘起起電力を発生させる。
【００１７】
誘起起電力によって受信コイル１１に発生した交流電流（周波数は交流発振源３１によって生成された交流電圧の周波数と同じ。）は、プリアンプ３３によって増幅され、増幅後の信号が検波回路３４に入力される。検波回路３４では、交流発振源３１によって生成された特定の周波数又は２倍周波数によって、前記した増幅後の信号の検波を行う。そのため、交流発振源３１の出力を、参照信号３５として検波回路３４の参照信号入力端子に導入する。また、検波回路３４を用いずに全波整流回路を用いた動作方式にしてもよい。検波回路３４（または整流回路）からの電圧の情報（出力信号）は、ローパスフィルタ３６を通過した後、硬度計算装置２の駆動回路２１（図１参照）に導入される。
【００１８】
なお、本体部１４に加えられる圧力（力Ｆ）と、ローパスフィルタ３６から駆動回路２１に導入される出力信号によって表される電圧の大きさとの関係は、図４の線４ａ（破線）に示す通りである。線４ａが直線的であるのは、バネ１６のバネ定数Ｋ’が大きく、本体部１４への圧力に対するバネ１６の縮み量が小さいためである。この線４ａを、圧力が０のときに電圧が０になるように補正して線４ｂ（実線）とすることで、圧力と電圧との関係を、原点を通る比例関係にすることができる。この補正は、例えば、後記する処理部２３によって行うことができる。また、磁気センサ１９が出力する電圧の情報に対する、胴体Ｂへ加えられている圧力の比を示す変換係数を、以下、電圧・圧力変換係数（Ｃｍｐ[Ｎ／ｍＶ]）と称し、この値は予め実験によって算出しているものとする。
【００１９】
次に、図１に戻って、硬度計算装置２について説明する。硬度計算装置２は、コンピュータ装置であり、駆動回路２１，２２、処理部２３、記憶部２４、音声発生部２５、表示部２６、電源部２７および入力部２８を備えて構成される。
【００２０】
駆動回路２１は、測定装置１の受信コイル１１からローパスフィルタ３６（図２参照）などを経由して受信した電圧の情報を処理部２３に伝える。
駆動回路２２は、測定装置１の加速度センサ１３から受信した加速度の情報を処理部２３に伝える。
【００２１】
処理部２３は、例えばＣＰＵ(Central Processing Unit)によって実現され、２階微分波形作成部２３１、波形比較部２３２、計算部２３３および判定部２３４を備える。以下、それらの処理について、図５〜図７も参照しながら説明する。
【００２２】
図５に示すように、バネ定数が０．９３５ｋｇｆ／ｍｍのバネを用いた場合において、加速度センサ１３による出力は（ａ）に示すようになり、磁気センサ１９による出力は（ｂ）に示すようになり、磁気センサ１９の代わりに圧力センサ（不図示）を用いた場合の出力は（ｃ）に示すようになり、リファレンスとしてのレーザセンサなどの変位センサ（不図示）による出力（変位の真値（正しい値））は（ｄ）のようになる。
【００２３】
なお、本実施形態の目的は、対象物（図２のバネ１７）のバネ定数（硬度）を計算することであるが、そのために、まず、図５の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す出力の情報のうち少なくとも１つ以上を用いて、（ｄ）に示す情報に極力近い情報を得ることを考える。そして、その得た情報を使って、対象物（図２のバネ１７）のバネ定数（硬度）を計算する。
【００２４】
つまり、レーザセンサなどの変位センサを用いないで対象物のバネ定数（硬度）を計算するために、加速度センサ１３と磁気センサ１９（または圧力センサ）による情報を用いる。変位センサを用いないことの理由としては、例えば、状況により使用が困難であることや、高価であることなどが挙げられる。なお、例えば、従来技術で行っていたように、加速度センサ１３の出力を２階積分すると、図７に示すように、２階積分値の誤差が時間の経過とともに大きくなり、実用に耐えないので、本実施形態ではその方法を用いない。
【００２５】
図５において、（ｂ）に示す磁気センサ１９による出力の波形と、（ｄ）に示す変位センサの出力による波形とを比較すると、縦軸の単位や振幅の大きさは異なっているが、概形はよく似ていて、また、周波数は同じである。したがって、（ｂ）に示す磁気センサ１９による出力の波形に所定の変換係数（以下、「電圧・変位変換係数（Ｃｍｄ[ｍｍ／ｍＶ]）」と称する。）を乗算してやれば、（ｄ）に示す変位センサの出力による波形と近似することができる。電圧・変位変換係数Ｃｍｄは、２階微分波形（詳細は後記）に対する、加速度波形のそれぞれの大きさの比を示す数値である。なお、（ｃ）に示す圧力センサによる出力の波形と、（ｄ）に示す変位センサの出力による波形とについても、同様である。
【００２６】
ここで、対象物のバネ定数（硬度）の計算について、数式を使って説明する（適宜各図参照）。本体部１４に圧迫の力（圧力）Ｆが加えられたときのバネ１７の縮み量（変位量）をＸとし（図２参照）、磁気センサ１９による出力電圧をＶｍとすると、次の式（１）、式（２）、式（３）が成立する。なお、作用反作用の法則により、接触部１５と胴体Ｂとの接触部分にも、力（圧力）Ｆがかかる。
Ｆ＝Ｋ×Ｘ ・・・式（１）
Ｘ＝Ｃｍｄ×Ｖｍ ・・・式（２）
Ｆ＝Ｃｍｐ×Ｖｍ ・・・式（３）
【００２７】
式（１）は、フックの法則を表す式である。
式（２）は、磁気センサ１９による出力電圧Ｖｍに、電圧・変位変換係数Ｃｍｄを乗算することで、変位量Ｘを得ることができることを表す式である。
式（３）は、磁気センサ１９による出力電圧Ｖｍに、電圧・圧力変換係数Ｃｍｐを乗算することで、圧力Ｆを得ることができることを表す式である。
【００２８】
そして、式（１）に式（２）および式（３）を代入して整理すると、次の式（４）を得ることができる。
Ｋ＝Ｃｍｐ／Ｃｍｄ ・・・式（４）
つまり、電圧・圧力変換係数Ｃｍｐを電圧・変位変換係数Ｃｍｄで除算することで、対象物のバネ定数Ｋ（硬度）を計算することができる。
【００２９】
図１に戻って、記憶部２４は、各種情報を記憶する手段であり、例えば、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ(Read Only Memory)、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などによって実現される。記憶部２４は、実験によって算出された電圧・圧力変換係数Ｃｍｐを予め記憶している。
【００３０】
音声発生部２５は、音声を発生させる手段であり、例えばスピーカによって実現される。音声発生部２５は、例えば、測定装置１による測定の開始時や終了時に、ビープ音を発生させる。
表示部２６は、各種表示を行う手段であり、例えば、ＬＣＤ(Liquid Crystal Display)やＣＲＴ(Cathode Ray Tube) Displayによって実現される。表示部２６には、各種の波形、対象物の硬度、硬度を視覚化したインジケータなどが表示される。
【００３１】
電源部２７は、硬度計算装置２における電源供給手段である。
入力部２８は、各種情報入力のためにユーザによって操作される手段であり、例えば、キーボードやマウス等によって実現される。
【００３２】
ここで、図３を参照して、測定装置１の構造例について説明する。なお、図２で説明した事項については、説明を適宜省略する。測定装置１ａ（１）は、全体がペンシル型で、本体部１４と接触部１５とから構成されている。
【００３３】
本体部１４は、発信コイル１２、発信コイル１２を搭載するコイル基板１２０、発信コイル１２および受信コイル１１と接続される動作回路基板１３０、電池１８、硬度計算の開始時等に操作される動作ボタン１９０、表示部２６を備えている。
【００３４】
接触部１５は、受信コイル１１、加速度センサ１３、受信コイル１１および加速度センサ１３を搭載するコイル基板１１０を備えている。
コイル基板１１０とコイル基板１２０の間には、１本から４本のバネ１６ａ（１６）が配置されている。簡易な方式としては、バネ１６ａ（１６）を１個として、コイル基板１１０と発信コイル１２のコイル直径と同じ直径以上を持つバネ１６ａ（１６）を使用することができる。バネ１６ａ（１６）を１個の構成とするとコイル基板１１０と発信コイル１２のコイルをバネ１６ａ（１６）内部に配置でき、小型化が可能となる。
【００３５】
測定装置１ａ（１）は、対象物が凹むように接触部１５が対象物に押し付けられた際、バネ１６ａ（１６）が縮んで発信コイル１２と受信コイル１１とが近づき、受信コイル１１が検知する磁場の大きさが増加することで、接触部１５へ加えられた圧力の大きさに応じた電圧の情報を受信コイル１１から出力する。また、測定装置１ａ（１）は、全体がペンシル型であることで、コンパクトで使いやすい。
【００３６】
次に、図９のフローチャートを参照して（適宜他図参照）、硬度計算装置２の処理について説明する。
まず、操作者によって動作ボタン１９０が操作される（ステップＳ１）。
ここでは、その後、操作者によって、測定装置１ａ（１）の接触部１５が対象物に数回押し付けられたものとする。
【００３７】
そして、硬度計算装置２の処理部２３は、測定装置１ａ（１）の接触部１５が対象物に押し付けられるたびに、その測定装置１ａ（１）からの情報に基づいて対象物のバネ定数（硬度）を計算する（ステップＳ２。詳細は図１０で後記）。
【００３８】
次に、硬度計算装置２の処理部２３は、ステップＳ２で計算した複数回分のバネ定数について、平均値や分散を計算する（ステップＳ３）。
次に、硬度計算装置２の処理部２３の判定部２３４は、ステップＳ３で計算した平均値や分散に基づいて、それらの値が異常値か否かを判定し（ステップＳ４）、Ｙｅｓの場合はステップＳ５に進み、Ｎｏの場合はステップＳ６に進む。なお、異常値か否かの判定は、例えば、予め設定しておいた閾値と比較することにより実現できる。また、ステップＳ４でＹｅｓの場合（異常値の場合）とは、例えば、測定装置１を持つ手の震えなどによって、加速度センサ１３の加速度の検知精度が低下した場合が考えられる。
【００３９】
ステップＳ５において、硬度計算装置２の処理部２３は、表示部２６に計測やり直しのメッセージを表示させ、ステップＳ２に戻る。
【００４０】
ステップＳ６において、硬度計算装置２の処理部２３は、表示部２６にバネ定数（硬度）を表示させ、処理を終了する。ここでは、例えば、バネ定数の平均値を表示すればよい。
【００４１】
次に、図１０を参照して、硬度計算装置２による対象物のバネ定数（硬度）の計算の処理（図９のステップＳ２の処理）について説明する。なお、図９の説明では、ステップＳ２でバネ定数（硬度）の計算を複数回行うものとしたが、この図１０では、バネ定数（硬度）の１回の計算について説明する。
【００４２】
まず、処理部２３は、磁気センサ１９から取得した電圧の情報に基づく電圧波形と、加速度センサ１３から取得した加速度の情報に基づく加速度波形を取得する（ステップＳ２１）。
【００４３】
次に、２階微分波形作成部２３１は、電圧波形を２階微分し、２階微分波形を作成する（ステップＳ２２。図６の（ａ）と（ｂ１）参照）。
【００４４】
次に、波形比較部２３２は、２階微分波形（図６の（ｂ１）参照）と加速度波形（図６の（ｂ２）参照）を比較して比較結果を出力し、計算部２３３は、その比較結果に基づいて、電圧・変位変換係数Ｃｍｄを計算する（ステップＳ２３）。具体的には、例えば、次の式（５）を用いて電圧・変位変換係数Ｃｍｄを計算することができる（図６（ｂ）参照）。
【数１】
【００４５】
次に、計算部２３３は、電圧・圧力変換係数Ｃｍｐを電圧・変位変換係数Ｃｍｄで除算する（式（４）参照）ことで、対象物のバネ定数Ｋ（硬度）を計算し（ステップＳ２４）、処理を終了する。
【００４６】
このように、本実施形態の硬度計算システム１０００によれば、磁気センサ１９から取得した電圧の情報に基づいて作成した２階微分波形と、加速度センサ１３から取得した加速度の情報に基づく加速度波形と、を比較して電圧・変位変換係数Ｃｍｄを計算し、予め求めている電圧・圧力変換係数Ｃｍｐを電圧・変位変換係数Ｃｍｄで除算して対象物のバネ定数（硬度）を計算することで、対象物の押圧時のくぼみ方の特性に関係なく、対象物の硬度を高精度で計算することができる。特に、加速度センサ１３の出力を２階積分する従来技術に比べて、大きく精度を上げることができる。また、磁気センサ１９を用いることで、測定装置１の小型化や低価格化を容易に実現できる。
【００４７】
（変形例）
次に、測定装置１の変形例について説明する。この変形例では、磁気センサ１９の代わりに、圧力センサ（不図示）を使用する。圧力センサとしては、例えば、ひずみゲージ（ロードセル）式、圧電式、容量式、電磁式、音叉式、ピエゾ半導体式などの圧力センサを用いればよい。
【００４８】
そして、図１０のフローチャートにおいて、ステップＳ２２では電圧波形の代わりに圧力波形を２階微分することで２階微分波形を作成し、ステップＳ２４では電圧・圧力変換係数Ｃｍｐを「１」（電圧から圧力への変換が不要のため）としてバネ定数を計算すればよい。このようにして、磁気センサ１９の代わりに圧力センサを用いても、磁気センサ１９の場合と同様に、対象物の押圧時のくぼみ方の特性に関係なく、対象物のバネ定数（硬度）を高精度で計算することができる。
【００４９】
また、図１１（ａ）に示すように、２チャンネル、つまり、接触部１５を２つ有する測定装置１ｂ（１）を用いてもよい。そうすれば、対象物における２箇所のバネ定数を同時に計算できるので、その平均値を用いたり、対象部位と周囲部位のバネ定数の差を計算したり、精度がよいほうの値のみを用いたりすることができる。
【００５０】
（応用例）
前記した実施形態では、対象物を人体の胴体（胸部）としたが、それ以外の対象物に対しても硬度計算システム１０００を適用することができる。
例えば、産婦人科分野で、妊婦の子宮口の硬さ計測に適用することができる。その場合、例えば、超音波診断装置に付属する構成として測定装置１を用いてもよい。
【００５１】
また、整形外科分野で、人体の各所の筋肉の硬さ計測に適用することができる。具体的には、筋肉の緊張や凝りの程度を計測することができる。
また、美容分野で、人体の肌の硬さ計測に適用することができる。
【００５２】
また、外科分野で、前記したペンシル型のほかに、内視鏡型、指先装着型などによって、通常の外科手術や腹腔鏡手術のときに腸や肝臓などの臓器の硬さ計測に適用することができる。
【００５３】
また、心臓内科分野で、心臓内壁の硬さ計測や動脈硬化の進行度計測に適用することができる。その場合、超小型のコイル（受信コイル１１、発信コイル１２）や加速度センサ１３等を作り、心臓カテーテルの先端部に測定装置１を装着すればよい。具体的には、例えば、図１１（ｂ)に示すように、接触部１５のほかに、血管内の液圧を計算するための液圧測定部１５０を備えた測定装置１ｃ（１）を用いればよい。そして、接触部１５によって測定した対象物の硬度を、液圧測定部１５０によって測定した液圧の大きさに応じて補正すればよい。なお、測定装置１ｃ（１）では、液圧によって接触部１５や液圧測定部１５０が押されることを考慮して、その押される力の反対方向に作用するバルーン等の反発部材をそれらの根元部分に設置してもよい。
【００５４】
以上で本実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこれらに限定されるものではない。
例えば、測定装置１における弾性体の例としてバネ１６を用いたが、それ以外に、ゴムなどの他の弾性体を用いてもよい。
【００５５】
また、図９のフローチャートでは、ステップＳ１で動作ボタン１９０の操作があったことを処理開始の契機としたが、これに限らず、何も操作しなくても、測定装置１の接触部１５にある程度の圧力がかかったことを処理開始の契機としてもよい。
【００５６】
また、硬度の異なる複数の対象物に対応するために、バネ１６の硬さが異なる複数の測定装置１を用意しておいたり、あるいは、同一の測定装置１に対して硬さが異なるバネ１６を付け替えて校正するようにしたりしておくこともできる。
また、硬度を測定する対象物は、人体以外であってもよい。
その他、具体的な構成や処理について、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ 測定装置
２ 硬度計算装置
１１ 受信コイル（磁場検知手段）
１２ 発信コイル（磁場発生手段）
１３ 加速度センサ
１４ 本体部
１５ 接触部
１６，１６ａ バネ（弾性体）
１７ バネ
１８ 電池
１９ 磁気センサ
２１，２２ 駆動回路
２３ 処理部
２４ 記憶部
２５ 音声発生部
２６ 表示部
２７ 電源部
２８ 入力部
３１ 交流発振源
３２ アンプ
３３ プリアンプ
３４ 検波回路
３５ 参照信号
３６ ローパスフィルタ
１１０ コイル基板
１２０ コイル基板
１３０ 動作回路基板
１５０ 液圧測定部
１９０ 動作ボタン
２３１ ２階微分波形作成部
２３２ 波形比較部
２３３ 計算部
２３４ 判定部
１０００ 硬度計算システム
Ｂ 胴体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物（人体など）の硬度を計算する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、対象物の硬度を測定することが有益である場面は多い。例えば、対象物が人体の場合、体の所定箇所の硬度を測定することで、筋肉や臓器の硬度、あるいは、動脈硬化の進行度などを知り、その後の対策等に役立てることができる。
【０００３】
例えば、人体などの対象物に対して、加速度センサと圧力センサを備えた装置を押し当て、圧力情報と、加速度の情報を２階積分して得た変位情報と、を用いることで、対象物の硬度（弾性係数）を計算する技術がある（特許文献１参照）。
【０００４】
また、対象物の硬度を測る一般の装置として、デュロメータがある。デュロメータを用いれば、対象物に押し当てた押針によるくぼみの深さから、対象物の硬度を算出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２１１１７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の技術では、加速度の情報を２階積分することによる誤差が大きくて硬度の計算精度が低くなる場合があるという問題がある。
【０００７】
また、デュロメータは、ゴムやプラスチックのように、押針が当たっている部分の周りの部分がほとんどくぼまないような対象物の硬度の測定には適しているが、人体のように、押針が当たっている部分の周りの部分も一緒にくぼむような対象物の硬度の測定には、誤差が大きくなるため適していない。
【０００８】
そこで、本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、対象物の押圧時のくぼみ方の特性に関係なく、対象物の硬度を高精度で計算することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために、本発明は、対象物の硬度を計算する硬度計算システムであって、前記硬度の計算時に前記対象物が凹むように前記対象物に押し付けられる測定装置と、前記測定装置からの情報に基づいて前記硬度を計算する硬度計算装置と、を備えており、前記測定装置は、前記対象物における前記測定装置との接触部分の押し付け方向の動きの加速度の情報を検出する加速度センサと、前記対象物における前記測定装置との接触部分へ加えられた圧力の大きさに応じた電圧の情報を出力する磁気センサと、を備えており、前記硬度計算装置は、前記磁気センサが出力する電圧の情報に対する、前記接触部分へ加えられている圧力の比を示す電圧・圧力変換係数を記憶する記憶部と、前記磁気センサから取得した電圧の情報に基づく電圧波形を２階微分することにより、２階微分波形を作成する２階微分波形作成部と、前記作成された２階微分波形と、前記加速度センサから取得した加速度の情報に基づく加速度波形とを比較し、比較結果を出力する波形比較部と、前記出力された比較結果に基づいて、前記作成された２階微分波形に対する、前記加速度波形の大きさの比を示す電圧・変位変換係数を計算し、前記電圧・圧力変換係数を前記電圧・変位変換係数で除算することで、前記硬度を計算する計算部と、を備えることを特徴とする。
その他の手段については後記する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、対象物の押圧時のくぼみ方の特性に関係なく、対象物の硬度を高精度で計算することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態の硬度計算システムの全体構成図である。
【図２】測定装置の動作原理の説明図である。
【図３】測定装置の構造例の模式図である。
【図４】受信コイル側の出力電圧と圧迫による圧力の関係を示す図である。
【図５】対象物をバネとした場合において、（ａ）は加速度センサによる出力を示す図であり、（ｂ）は磁気センサによる出力を示す図であり、（ｃ）は圧力センサによる出力を示す図であり、（ｄ）は変位センサによる出力を示す図である。
【図６】（ａ）は磁気センサ電圧を示す図であり、（ｂ）において（ｂ１）は２階微分波形を示す図で（ｂ２）は加速度センサ出力に基づく加速度波形を示す図であり、（ｃ）は胸部変位を示す図である。
【図７】対象物をバネとした場合の加速度センサによる出力の２階積分値の変化の説明図である。
【図８】対象物をバネとした場合において、（ａ）は磁気センサ出力に基づいて算出した変位を示す図であり、（ｂ）は変位センサの出力を示す図である。
【図９】硬度計算装置による処理の全体の流れを示すフローチャートである。
【図１０】硬度計算装置によるバネ定数の計算の処理の流れを示すフローチャートである。
【図１１】（ａ）は２つの接触部を有する測定装置の構造例の模式図で、（ｂ）は接触部のほかに液圧測定部を有する測定装置の構造例の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という。）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明において、説明や図示の都合上、「Ｖ（ボルト）」と「ｍＶ（ミリボルト）」など、単位のスケールが異なっている部分がある。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態に係る硬度計算システム１０００は、測定装置１と硬度計算装置２とを備えて構成される。なお、図１の測定装置１では、図２の測定装置１と比較して、構成の一部の図示を省略している。
ここで、併せて図２も参照しながら、測定装置１の構成と動作原理について説明する。測定装置１は、受信コイル１１（磁場検知手段）を有する本体部１４と、発信コイル１２（磁場発生手段）および加速度センサ１３を有する接触部１５と、バネ１６（弾性体）と、を備えて構成される。なお、受信コイル１１と発信コイル１２とを合わせて磁気センサ１９と称する。
【００１４】
接触部１５は、硬度の計算時に、測定装置１の操作者によって、対象物である人体の胴体Ｂ（ここでは胸部を想定）が凹むように胴体Ｂに押し付けられる部位である。なお、本体部１４と接触部１５は、剛性を有する。加速度センサ１３は、その押し付け方向の動きの加速度の情報を検出する。ここで、胴体Ｂはバネ的性質とダンパ的性質を有するが、バネ的性質のほうが支配的であるので、近似的に、胴体Ｂをバネ定数がＫのバネ１７であると考える。このバネ１７のバネ定数Ｋ（硬度）が、本実施形態での計算対象である。
【００１５】
磁気センサ１９は、測定装置１によって胴体Ｂへ加えられた圧力の大きさに応じた電圧の情報を出力する。そのため、受信コイル１１と発信コイル１２は、お互いに対向するように配置されている。そして、本体部１４と接触部１５の間には、バネ定数がＫ’（既知）のバネ１６が配置されている。なお、Ｋ’＞Ｋの関係が成立するように、バネ１６を選択する。そうしないと、本体部１４に圧迫の力Ｆが加えられたときに（図２参照）、本体部１４と接触部１５が接してしまい、磁気センサ１９としての役割が損なわれるからである。なお、例えば、本体部１４と接触部１５との間の距離Ｄは２ｍｍ程度で、本体部１４に圧迫の力Ｆが加えられたときの、バネ１６の縮み量は０．５ｍｍ程度となるように設計すればよい。
【００１６】
次に、図２を参照して、磁気センサ１９および周辺部品の動作について説明する。まず、交流発振源３１は、特定の周波数（例えば、２０ｋＨｚ）を持つ交流電圧を生成する。その交流電圧はアンプ３２によって特定の周波数を持つ交流電流に変換され、その変換された交流電流が発信コイル１２に流れる。発信コイル１２を流れる交流電流によって発生した磁場は、受信コイル１１に誘起起電力を発生させる。
【００１７】
誘起起電力によって受信コイル１１に発生した交流電流（周波数は交流発振源３１によって生成された交流電圧の周波数と同じ。）は、プリアンプ３３によって増幅され、増幅後の信号が検波回路３４に入力される。検波回路３４では、交流発振源３１によって生成された特定の周波数又は２倍周波数によって、前記した増幅後の信号の検波を行う。そのため、交流発振源３１の出力を、参照信号３５として検波回路３４の参照信号入力端子に導入する。また、検波回路３４を用いずに全波整流回路を用いた動作方式にしてもよい。検波回路３４（または整流回路）からの電圧の情報（出力信号）は、ローパスフィルタ３６を通過した後、硬度計算装置２の駆動回路２１（図１参照）に導入される。
【００１８】
なお、本体部１４に加えられる圧力（力Ｆ）と、ローパスフィルタ３６から駆動回路２１に導入される出力信号によって表される電圧の大きさとの関係は、図４の線４ａ（破線）に示す通りである。線４ａが直線的であるのは、バネ１６のバネ定数Ｋ’が大きく、本体部１４への圧力に対するバネ１６の縮み量が小さいためである。この線４ａを、圧力が０のときに電圧が０になるように補正して線４ｂ（実線）とすることで、圧力と電圧との関係を、原点を通る比例関係にすることができる。この補正は、例えば、後記する処理部２３によって行うことができる。また、磁気センサ１９が出力する電圧の情報に対する、胴体Ｂへ加えられている圧力の比を示す変換係数を、以下、電圧・圧力変換係数（Ｃｍｐ[Ｎ／ｍＶ]）と称し、この値は予め実験によって算出しているものとする。
【００１９】
次に、図１に戻って、硬度計算装置２について説明する。硬度計算装置２は、コンピュータ装置であり、駆動回路２１，２２、処理部２３、記憶部２４、音声発生部２５、表示部２６、電源部２７および入力部２８を備えて構成される。
【００２０】
駆動回路２１は、測定装置１の受信コイル１１からローパスフィルタ３６（図２参照）などを経由して受信した電圧の情報を処理部２３に伝える。
駆動回路２２は、測定装置１の加速度センサ１３から受信した加速度の情報を処理部２３に伝える。
【００２１】
処理部２３は、例えばＣＰＵ(Central Processing Unit)によって実現され、２階微分波形作成部２３１、波形比較部２３２、計算部２３３および判定部２３４を備える。以下、それらの処理について、図５〜図７も参照しながら説明する。
【００２２】
図５に示すように、バネ定数が０．９３５ｋｇｆ／ｍｍのバネを用いた場合において、加速度センサ１３による出力は（ａ）に示すようになり、磁気センサ１９による出力は（ｂ）に示すようになり、磁気センサ１９の代わりに圧力センサ（不図示）を用いた場合の出力は（ｃ）に示すようになり、リファレンスとしてのレーザセンサなどの変位センサ（不図示）による出力（変位の真値（正しい値））は（ｄ）のようになる。
【００２３】
なお、本実施形態の目的は、対象物（図２のバネ１７）のバネ定数（硬度）を計算することであるが、そのために、まず、図５の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す出力の情報のうち少なくとも１つ以上を用いて、（ｄ）に示す情報に極力近い情報を得ることを考える。そして、その得た情報を使って、対象物（図２のバネ１７）のバネ定数（硬度）を計算する。
【００２４】
つまり、レーザセンサなどの変位センサを用いないで対象物のバネ定数（硬度）を計算するために、加速度センサ１３と磁気センサ１９（または圧力センサ）による情報を用いる。変位センサを用いないことの理由としては、例えば、状況により使用が困難であることや、高価であることなどが挙げられる。なお、例えば、従来技術で行っていたように、加速度センサ１３の出力を２階積分すると、図７に示すように、２階積分値の誤差が時間の経過とともに大きくなり、実用に耐えないので、本実施形態ではその方法を用いない。
【００２５】
図５において、（ｂ）に示す磁気センサ１９による出力の波形と、（ｄ）に示す変位センサの出力による波形とを比較すると、縦軸の単位や振幅の大きさは異なっているが、概形はよく似ていて、また、周波数は同じである。したがって、（ｂ）に示す磁気センサ１９による出力の波形に所定の変換係数（以下、「電圧・変位変換係数（Ｃｍｄ[ｍｍ／ｍＶ]）」と称する。）を乗算してやれば、（ｄ）に示す変位センサの出力による波形と近似することができる。電圧・変位変換係数Ｃｍｄは、２階微分波形（詳細は後記）に対する、加速度波形のそれぞれの大きさの比を示す数値である。なお、（ｃ）に示す圧力センサによる出力の波形と、（ｄ）に示す変位センサの出力による波形とについても、同様である。
【００２６】
ここで、対象物のバネ定数（硬度）の計算について、数式を使って説明する（適宜各図参照）。本体部１４に圧迫の力（圧力）Ｆが加えられたときのバネ１７の縮み量（変位量）をＸとし（図２参照）、磁気センサ１９による出力電圧をＶｍとすると、次の式（１）、式（２）、式（３）が成立する。なお、作用反作用の法則により、接触部１５と胴体Ｂとの接触部分にも、力（圧力）Ｆがかかる。
Ｆ＝Ｋ×Ｘ ・・・式（１）
Ｘ＝Ｃｍｄ×Ｖｍ ・・・式（２）
Ｆ＝Ｃｍｐ×Ｖｍ ・・・式（３）
【００２７】
式（１）は、フックの法則を表す式である。
式（２）は、磁気センサ１９による出力電圧Ｖｍに、電圧・変位変換係数Ｃｍｄを乗算することで、変位量Ｘを得ることができることを表す式である。
式（３）は、磁気センサ１９による出力電圧Ｖｍに、電圧・圧力変換係数Ｃｍｐを乗算することで、圧力Ｆを得ることができることを表す式である。
【００２８】
そして、式（１）に式（２）および式（３）を代入して整理すると、次の式（４）を得ることができる。
Ｋ＝Ｃｍｐ／Ｃｍｄ ・・・式（４）
つまり、電圧・圧力変換係数Ｃｍｐを電圧・変位変換係数Ｃｍｄで除算することで、対象物のバネ定数Ｋ（硬度）を計算することができる。
【００２９】
図１に戻って、記憶部２４は、各種情報を記憶する手段であり、例えば、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ(Read Only Memory)、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などによって実現される。記憶部２４は、実験によって算出された電圧・圧力変換係数Ｃｍｐを予め記憶している。
【００３０】
音声発生部２５は、音声を発生させる手段であり、例えばスピーカによって実現される。音声発生部２５は、例えば、測定装置１による測定の開始時や終了時に、ビープ音を発生させる。
表示部２６は、各種表示を行う手段であり、例えば、ＬＣＤ(Liquid Crystal Display)やＣＲＴ(Cathode Ray Tube) Displayによって実現される。表示部２６には、各種の波形、対象物の硬度、硬度を視覚化したインジケータなどが表示される。
【００３１】
電源部２７は、硬度計算装置２における電源供給手段である。
入力部２８は、各種情報入力のためにユーザによって操作される手段であり、例えば、キーボードやマウス等によって実現される。
【００３２】
ここで、図３を参照して、測定装置１の構造例について説明する。なお、図２で説明した事項については、説明を適宜省略する。測定装置１ａ（１）は、全体がペンシル型で、本体部１４と接触部１５とから構成されている。
【００３３】
本体部１４は、発信コイル１２、発信コイル１２を搭載するコイル基板１２０、発信コイル１２および受信コイル１１と接続される動作回路基板１３０、電池１８、硬度計算の開始時等に操作される動作ボタン１９０、表示部２６を備えている。
【００３４】
接触部１５は、受信コイル１１、加速度センサ１３、受信コイル１１および加速度センサ１３を搭載するコイル基板１１０を備えている。
コイル基板１１０とコイル基板１２０の間には、１本から４本のバネ１６ａ（１６）が配置されている。簡易な方式としては、バネ１６ａ（１６）を１個として、コイル基板１１０と発信コイル１２のコイル直径と同じ直径以上を持つバネ１６ａ（１６）を使用することができる。バネ１６ａ（１６）を１個の構成とするとコイル基板１１０と発信コイル１２のコイルをバネ１６ａ（１６）内部に配置でき、小型化が可能となる。
【００３５】
測定装置１ａ（１）は、対象物が凹むように接触部１５が対象物に押し付けられた際、バネ１６ａ（１６）が縮んで発信コイル１２と受信コイル１１とが近づき、受信コイル１１が検知する磁場の大きさが増加することで、接触部１５へ加えられた圧力の大きさに応じた電圧の情報を受信コイル１１から出力する。また、測定装置１ａ（１）は、全体がペンシル型であることで、コンパクトで使いやすい。
【００３６】
次に、図９のフローチャートを参照して（適宜他図参照）、硬度計算装置２の処理について説明する。
まず、操作者によって動作ボタン１９０が操作される（ステップＳ１）。
ここでは、その後、操作者によって、測定装置１ａ（１）の接触部１５が対象物に数回押し付けられたものとする。
【００３７】
そして、硬度計算装置２の処理部２３は、測定装置１ａ（１）の接触部１５が対象物に押し付けられるたびに、その測定装置１ａ（１）からの情報に基づいて対象物のバネ定数（硬度）を計算する（ステップＳ２。詳細は図１０で後記）。
【００３８】
次に、硬度計算装置２の処理部２３は、ステップＳ２で計算した複数回分のバネ定数について、平均値や分散を計算する（ステップＳ３）。
次に、硬度計算装置２の処理部２３の判定部２３４は、ステップＳ３で計算した平均値や分散に基づいて、それらの値が異常値か否かを判定し（ステップＳ４）、Ｙｅｓの場合はステップＳ５に進み、Ｎｏの場合はステップＳ６に進む。なお、異常値か否かの判定は、例えば、予め設定しておいた閾値と比較することにより実現できる。また、ステップＳ４でＹｅｓの場合（異常値の場合）とは、例えば、測定装置１を持つ手の震えなどによって、加速度センサ１３の加速度の検知精度が低下した場合が考えられる。
【００３９】
ステップＳ５において、硬度計算装置２の処理部２３は、表示部２６に計測やり直しのメッセージを表示させ、ステップＳ２に戻る。
【００４０】
ステップＳ６において、硬度計算装置２の処理部２３は、表示部２６にバネ定数（硬度）を表示させ、処理を終了する。ここでは、例えば、バネ定数の平均値を表示すればよい。
【００４１】
次に、図１０を参照して、硬度計算装置２による対象物のバネ定数（硬度）の計算の処理（図９のステップＳ２の処理）について説明する。なお、図９の説明では、ステップＳ２でバネ定数（硬度）の計算を複数回行うものとしたが、この図１０では、バネ定数（硬度）の１回の計算について説明する。
【００４２】
まず、処理部２３は、磁気センサ１９から取得した電圧の情報に基づく電圧波形と、加速度センサ１３から取得した加速度の情報に基づく加速度波形を取得する（ステップＳ２１）。
【００４３】
次に、２階微分波形作成部２３１は、電圧波形を２階微分し、２階微分波形を作成する（ステップＳ２２。図６の（ａ）と（ｂ１）参照）。
【００４４】
次に、波形比較部２３２は、２階微分波形（図６の（ｂ１）参照）と加速度波形（図６の（ｂ２）参照）を比較して比較結果を出力し、計算部２３３は、その比較結果に基づいて、電圧・変位変換係数Ｃｍｄを計算する（ステップＳ２３）。具体的には、例えば、次の式（５）を用いて電圧・変位変換係数Ｃｍｄを計算することができる（図６（ｂ）参照）。
【数１】
【００４５】
次に、計算部２３３は、電圧・圧力変換係数Ｃｍｐを電圧・変位変換係数Ｃｍｄで除算する（式（４）参照）ことで、対象物のバネ定数Ｋ（硬度）を計算し（ステップＳ２４）、処理を終了する。
【００４６】
このように、本実施形態の硬度計算システム１０００によれば、磁気センサ１９から取得した電圧の情報に基づいて作成した２階微分波形と、加速度センサ１３から取得した加速度の情報に基づく加速度波形と、を比較して電圧・変位変換係数Ｃｍｄを計算し、予め求めている電圧・圧力変換係数Ｃｍｐを電圧・変位変換係数Ｃｍｄで除算して対象物のバネ定数（硬度）を計算することで、対象物の押圧時のくぼみ方の特性に関係なく、対象物の硬度を高精度で計算することができる。特に、加速度センサ１３の出力を２階積分する従来技術に比べて、大きく精度を上げることができる。また、磁気センサ１９を用いることで、測定装置１の小型化や低価格化を容易に実現できる。
【００４７】
（変形例）
次に、測定装置１の変形例について説明する。この変形例では、磁気センサ１９の代わりに、圧力センサ（不図示）を使用する。圧力センサとしては、例えば、ひずみゲージ（ロードセル）式、圧電式、容量式、電磁式、音叉式、ピエゾ半導体式などの圧力センサを用いればよい。
【００４８】
そして、図１０のフローチャートにおいて、ステップＳ２２では電圧波形の代わりに圧力波形を２階微分することで２階微分波形を作成し、ステップＳ２４では電圧・圧力変換係数Ｃｍｐを「１」（電圧から圧力への変換が不要のため）としてバネ定数を計算すればよい。このようにして、磁気センサ１９の代わりに圧力センサを用いても、磁気センサ１９の場合と同様に、対象物の押圧時のくぼみ方の特性に関係なく、対象物のバネ定数（硬度）を高精度で計算することができる。
【００４９】
また、図１１（ａ）に示すように、２チャンネル、つまり、接触部１５を２つ有する測定装置１ｂ（１）を用いてもよい。そうすれば、対象物における２箇所のバネ定数を同時に計算できるので、その平均値を用いたり、対象部位と周囲部位のバネ定数の差を計算したり、精度がよいほうの値のみを用いたりすることができる。
【００５０】
（応用例）
前記した実施形態では、対象物を人体の胴体（胸部）としたが、それ以外の対象物に対しても硬度計算システム１０００を適用することができる。
例えば、産婦人科分野で、妊婦の子宮口の硬さ計測に適用することができる。その場合、例えば、超音波診断装置に付属する構成として測定装置１を用いてもよい。
【００５１】
また、整形外科分野で、人体の各所の筋肉の硬さ計測に適用することができる。具体的には、筋肉の緊張や凝りの程度を計測することができる。
また、美容分野で、人体の肌の硬さ計測に適用することができる。
【００５２】
また、外科分野で、前記したペンシル型のほかに、内視鏡型、指先装着型などによって、通常の外科手術や腹腔鏡手術のときに腸や肝臓などの臓器の硬さ計測に適用することができる。
【００５３】
また、心臓内科分野で、心臓内壁の硬さ計測や動脈硬化の進行度計測に適用することができる。その場合、超小型のコイル（受信コイル１１、発信コイル１２）や加速度センサ１３等を作り、心臓カテーテルの先端部に測定装置１を装着すればよい。具体的には、例えば、図１１（ｂ)に示すように、接触部１５のほかに、血管内の液圧を計算するための液圧測定部１５０を備えた測定装置１ｃ（１）を用いればよい。そして、接触部１５によって測定した対象物の硬度を、液圧測定部１５０によって測定した液圧の大きさに応じて補正すればよい。なお、測定装置１ｃ（１）では、液圧によって接触部１５や液圧測定部１５０が押されることを考慮して、その押される力の反対方向に作用するバルーン等の反発部材をそれらの根元部分に設置してもよい。
【００５４】
以上で本実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこれらに限定されるものではない。
例えば、測定装置１における弾性体の例としてバネ１６を用いたが、それ以外に、ゴムなどの他の弾性体を用いてもよい。
【００５５】
また、図９のフローチャートでは、ステップＳ１で動作ボタン１９０の操作があったことを処理開始の契機としたが、これに限らず、何も操作しなくても、測定装置１の接触部１５にある程度の圧力がかかったことを処理開始の契機としてもよい。
【００５６】
また、硬度の異なる複数の対象物に対応するために、バネ１６の硬さが異なる複数の測定装置１を用意しておいたり、あるいは、同一の測定装置１に対して硬さが異なるバネ１６を付け替えて校正するようにしたりしておくこともできる。
また、硬度を測定する対象物は、人体以外であってもよい。
その他、具体的な構成や処理について、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ 測定装置
２ 硬度計算装置
１１ 受信コイル（磁場検知手段）
１２ 発信コイル（磁場発生手段）
１３ 加速度センサ
１４ 本体部
１５ 接触部
１６，１６ａ バネ（弾性体）
１７ バネ
１８ 電池
１９ 磁気センサ
２１，２２ 駆動回路
２３ 処理部
２４ 記憶部
２５ 音声発生部
２６ 表示部
２７ 電源部
２８ 入力部
３１ 交流発振源
３２ アンプ
３３ プリアンプ
３４ 検波回路
３５ 参照信号
３６ ローパスフィルタ
１１０ コイル基板
１２０ コイル基板
１３０ 動作回路基板
１５０ 液圧測定部
１９０ 動作ボタン
２３１ ２階微分波形作成部
２３２ 波形比較部
２３３ 計算部
２３４ 判定部
１０００ 硬度計算システム
Ｂ 胴体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物の硬度を計算する硬度計算システムであって、
前記硬度の計算時に前記対象物が凹むように前記対象物に押し付けられる測定装置と、前記測定装置からの情報に基づいて前記硬度を計算する硬度計算装置と、を備えており、
前記測定装置は、
前記対象物における前記測定装置との接触部分の押し付け方向の動きの加速度の情報を検出する加速度センサと、
前記対象物における前記測定装置との接触部分へ加えられた圧力の大きさに応じた電圧の情報を出力する磁気センサと、を備えており、
前記硬度計算装置は、
前記磁気センサが出力する電圧の情報に対する、前記接触部分へ加えられている圧力の比を示す電圧・圧力変換係数を記憶する記憶部と、
前記磁気センサから取得した電圧の情報に基づく電圧波形を２階微分することにより、２階微分波形を作成する２階微分波形作成部と、
前記作成された２階微分波形と、前記加速度センサから取得した加速度の情報に基づく加速度波形とを比較し、比較結果を出力する波形比較部と、
前記出力された比較結果に基づいて、前記作成された２階微分波形に対する、前記加速度波形の大きさの比を示す電圧・変位変換係数を計算し、
前記電圧・圧力変換係数を前記電圧・変位変換係数で除算することで、前記硬度を計算する計算部と、
を備えることを特徴とする硬度計算システム。
【請求項２】
前記磁気センサは、
磁場を発生させる磁場発生手段と、
前記対象物よりも剛性が大きい弾性体によって前記磁気発生手段と直接的または間接的に接続され、前記磁場発生手段が発生させた磁場を検知して当該磁場の大きさに応じた電圧の情報を出力する磁場検知手段と、を備えており、
前記対象物が凹むように前記測定装置が前記対象物に押し付けられた際、前記弾性体が縮んで前記磁場発生手段と前記磁場検知手段とが近づき、前記磁場検知手段が検知する磁場の大きさが増加することで、前記対象物における前記測定装置との接触部分へ加えられた圧力の大きさに応じた電圧の情報を前記磁場検知手段から出力する
ことを特徴とする請求項１に記載の硬度計算システム。
【請求項３】
対象物の硬度を計算する硬度計算システムであって、
前記硬度の計算時に前記対象物が凹むように前記対象物に押し付けられる測定装置と、前記測定装置からの情報に基づいて前記硬度を計算する硬度計算装置と、を備えており、
前記測定装置は、
前記対象物における前記測定装置との接触部分の押し付け方向の動きの加速度の情報を検出する加速度センサと、
前記対象物における前記測定装置との接触部分へ加えられた圧力の情報を出力する圧力センサと、を備えており、
前記硬度計算装置は、
前記圧力センサから取得した圧力の情報に基づく圧力波形を２階微分することにより、２階微分波形を作成する２階微分波形作成部と、
前記作成された２階微分波形と、前記加速度センサから取得した加速度の情報に基づく加速度波形とを比較し、比較結果を出力する波形比較部と、
前記出力された比較結果に基づいて、前記作成された２階微分波形に対する、前記加速度波形の大きさの比を示す電圧・変位変換係数を計算し、
前記電圧・変位変換係数の逆数をとることで、前記硬度を計算する計算部と、
を備えることを特徴とする硬度計算システム。
【請求項４】
対象物の硬度を計算する硬度計算システムによる硬度計算方法であって、
前記硬度計算システムは、前記硬度の計算時に前記対象物が凹むように前記対象物に押し付けられる測定装置と、前記測定装置からの情報に基づいて前記硬度を計算する硬度計算装置と、を備えており、
前記測定装置は、
前記対象物における前記測定装置との接触部分の押し付け方向の動きの加速度の情報を検出する加速度センサと、
前記対象物における前記測定装置との接触部分へ加えられた圧力の大きさに応じた電圧の情報を出力する磁気センサと、を備えており、
前記硬度計算装置は、
前記磁気センサが出力する電圧の情報に対する、前記接触部分へ加えられている圧力の比を示す電圧・圧力変換係数を記憶する記憶部と、２階微分波形作成部と、波形比較部と、計算部と、を備えており、
前記２階微分波形作成部は、
前記磁気センサから取得した電圧の情報に基づく電圧波形を２階微分することにより、２階微分波形を作成し、
前記波形比較部は、
前記作成された２階微分波形と、前記加速度センサから取得した加速度の情報に基づく加速度波形とを比較し、比較結果を出力し、
前記計算部は、
前記出力された比較結果に基づいて、前記作成された２階微分波形に対する、前記加速度波形の大きさの比を示す電圧・変位変換係数を計算し、
前記電圧・圧力変換係数を前記電圧・変位変換係数で除算することで、前記硬度を計算する
ことを特徴とする硬度計算方法。
【請求項５】
前記磁気センサは、
磁場を発生させる磁場発生手段と、
前記対象物よりも剛性が大きい弾性体によって前記磁気発生手段と直接的または間接的に接続され、前記磁場発生手段が発生させた磁場を検知して当該磁場の大きさに応じた電圧の情報を出力する磁場検知手段と、を備えており、
前記対象物が凹むように前記測定装置が前記対象物に押し付けられた際、前記弾性体が縮んで前記磁場発生手段と前記磁場検知手段とが近づき、前記磁場検知手段が検知する磁場の大きさが増加することで、前記対象物における前記測定装置との接触部分へ加えられた圧力の大きさに応じた電圧の情報を前記磁場検知手段から出力する
ことを特徴とする請求項４に記載の硬度計算方法。
【請求項６】
対象物の硬度を計算する硬度計算システムによる硬度計算方法であって、
前記硬度計算システムは、前記硬度の計算時に前記対象物が凹むように前記対象物に押し付けられる測定装置と、前記測定装置からの情報に基づいて前記硬度を計算する硬度計算装置と、を備えており、
前記測定装置は、
前記対象物における前記測定装置との接触部分の押し付け方向の動きの加速度の情報を検出する加速度センサと、
前記対象物における前記測定装置との接触部分へ加えられた圧力の情報を出力する圧力センサと、を備えており、
前記硬度計算装置は、
２階微分波形作成部と、波形比較部と、計算部と、を備えており、
前記２階微分波形作成部は、
前記圧力センサから取得した圧力の情報に基づく圧力波形を２階微分することにより、２階微分波形を作成し、
前記波形比較部は、
前記作成された２階微分波形と、前記加速度センサから取得した加速度の情報に基づく加速度波形とを比較し、比較結果を出力し、
前記計算部は、
前記出力された比較結果に基づいて、前記作成された２階微分波形に対する、前記加速度波形の大きさの比を示す電圧・変位変換係数を計算し、
前記電圧・変位変換係数の逆数をとることで、前記硬度を計算する
ことを特徴とする硬度計算方法。
【請求項１】
対象物の硬度を計算する硬度計算システムであって、
前記硬度の計算時に前記対象物が凹むように前記対象物に押し付けられる測定装置と、前記測定装置からの情報に基づいて前記硬度を計算する硬度計算装置と、を備えており、
前記測定装置は、
前記対象物における前記測定装置との接触部分の押し付け方向の動きの加速度の情報を検出する加速度センサと、
前記対象物における前記測定装置との接触部分へ加えられた圧力の大きさに応じた電圧の情報を出力する磁気センサと、を備えており、
前記硬度計算装置は、
前記磁気センサが出力する電圧の情報に対する、前記接触部分へ加えられている圧力の比を示す電圧・圧力変換係数を記憶する記憶部と、
前記磁気センサから取得した電圧の情報に基づく電圧波形を２階微分することにより、２階微分波形を作成する２階微分波形作成部と、
前記作成された２階微分波形と、前記加速度センサから取得した加速度の情報に基づく加速度波形とを比較し、比較結果を出力する波形比較部と、
前記出力された比較結果に基づいて、前記作成された２階微分波形に対する、前記加速度波形の大きさの比を示す電圧・変位変換係数を計算し、
前記電圧・圧力変換係数を前記電圧・変位変換係数で除算することで、前記硬度を計算する計算部と、
を備えることを特徴とする硬度計算システム。
【請求項２】
前記磁気センサは、
磁場を発生させる磁場発生手段と、
前記対象物よりも剛性が大きい弾性体によって前記磁気発生手段と直接的または間接的に接続され、前記磁場発生手段が発生させた磁場を検知して当該磁場の大きさに応じた電圧の情報を出力する磁場検知手段と、を備えており、
前記対象物が凹むように前記測定装置が前記対象物に押し付けられた際、前記弾性体が縮んで前記磁場発生手段と前記磁場検知手段とが近づき、前記磁場検知手段が検知する磁場の大きさが増加することで、前記対象物における前記測定装置との接触部分へ加えられた圧力の大きさに応じた電圧の情報を前記磁場検知手段から出力する
ことを特徴とする請求項１に記載の硬度計算システム。
【請求項３】
対象物の硬度を計算する硬度計算システムであって、
前記硬度の計算時に前記対象物が凹むように前記対象物に押し付けられる測定装置と、前記測定装置からの情報に基づいて前記硬度を計算する硬度計算装置と、を備えており、
前記測定装置は、
前記対象物における前記測定装置との接触部分の押し付け方向の動きの加速度の情報を検出する加速度センサと、
前記対象物における前記測定装置との接触部分へ加えられた圧力の情報を出力する圧力センサと、を備えており、
前記硬度計算装置は、
前記圧力センサから取得した圧力の情報に基づく圧力波形を２階微分することにより、２階微分波形を作成する２階微分波形作成部と、
前記作成された２階微分波形と、前記加速度センサから取得した加速度の情報に基づく加速度波形とを比較し、比較結果を出力する波形比較部と、
前記出力された比較結果に基づいて、前記作成された２階微分波形に対する、前記加速度波形の大きさの比を示す電圧・変位変換係数を計算し、
前記電圧・変位変換係数の逆数をとることで、前記硬度を計算する計算部と、
を備えることを特徴とする硬度計算システム。
【請求項４】
対象物の硬度を計算する硬度計算システムによる硬度計算方法であって、
前記硬度計算システムは、前記硬度の計算時に前記対象物が凹むように前記対象物に押し付けられる測定装置と、前記測定装置からの情報に基づいて前記硬度を計算する硬度計算装置と、を備えており、
前記測定装置は、
前記対象物における前記測定装置との接触部分の押し付け方向の動きの加速度の情報を検出する加速度センサと、
前記対象物における前記測定装置との接触部分へ加えられた圧力の大きさに応じた電圧の情報を出力する磁気センサと、を備えており、
前記硬度計算装置は、
前記磁気センサが出力する電圧の情報に対する、前記接触部分へ加えられている圧力の比を示す電圧・圧力変換係数を記憶する記憶部と、２階微分波形作成部と、波形比較部と、計算部と、を備えており、
前記２階微分波形作成部は、
前記磁気センサから取得した電圧の情報に基づく電圧波形を２階微分することにより、２階微分波形を作成し、
前記波形比較部は、
前記作成された２階微分波形と、前記加速度センサから取得した加速度の情報に基づく加速度波形とを比較し、比較結果を出力し、
前記計算部は、
前記出力された比較結果に基づいて、前記作成された２階微分波形に対する、前記加速度波形の大きさの比を示す電圧・変位変換係数を計算し、
前記電圧・圧力変換係数を前記電圧・変位変換係数で除算することで、前記硬度を計算する
ことを特徴とする硬度計算方法。
【請求項５】
前記磁気センサは、
磁場を発生させる磁場発生手段と、
前記対象物よりも剛性が大きい弾性体によって前記磁気発生手段と直接的または間接的に接続され、前記磁場発生手段が発生させた磁場を検知して当該磁場の大きさに応じた電圧の情報を出力する磁場検知手段と、を備えており、
前記対象物が凹むように前記測定装置が前記対象物に押し付けられた際、前記弾性体が縮んで前記磁場発生手段と前記磁場検知手段とが近づき、前記磁場検知手段が検知する磁場の大きさが増加することで、前記対象物における前記測定装置との接触部分へ加えられた圧力の大きさに応じた電圧の情報を前記磁場検知手段から出力する
ことを特徴とする請求項４に記載の硬度計算方法。
【請求項６】
対象物の硬度を計算する硬度計算システムによる硬度計算方法であって、
前記硬度計算システムは、前記硬度の計算時に前記対象物が凹むように前記対象物に押し付けられる測定装置と、前記測定装置からの情報に基づいて前記硬度を計算する硬度計算装置と、を備えており、
前記測定装置は、
前記対象物における前記測定装置との接触部分の押し付け方向の動きの加速度の情報を検出する加速度センサと、
前記対象物における前記測定装置との接触部分へ加えられた圧力の情報を出力する圧力センサと、を備えており、
前記硬度計算装置は、
２階微分波形作成部と、波形比較部と、計算部と、を備えており、
前記２階微分波形作成部は、
前記圧力センサから取得した圧力の情報に基づく圧力波形を２階微分することにより、２階微分波形を作成し、
前記波形比較部は、
前記作成された２階微分波形と、前記加速度センサから取得した加速度の情報に基づく加速度波形とを比較し、比較結果を出力し、
前記計算部は、
前記出力された比較結果に基づいて、前記作成された２階微分波形に対する、前記加速度波形の大きさの比を示す電圧・変位変換係数を計算し、
前記電圧・変位変換係数の逆数をとることで、前記硬度を計算する
ことを特徴とする硬度計算方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−７６６５８（Ｐ２０１３−７６６５８Ａ）
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１７３２１（Ｐ２０１１−２１７３２１）
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
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