JP2003185514A

JP2003185514A - 三次元負荷荷重測定装置

Info

Publication number: JP2003185514A
Application number: JP2001389642A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sasai; 喬司笹井; Masao Nishida; 誠男西田
Original assignee: Lion Corp
Current assignee: Lion Corp
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2003-07-03

Abstract

(57)【要約】【課題】従来のクロスビーム構造では達成し得なかっ
た「定格容量を小さくし、感知感度を上げる」との課題
を解決し、微少な負荷荷重として測定される日常生活品
等の使用特性を三次元の空間座標軸上の負荷荷重として
測定することができる三次元負荷荷重測定装置を提供す
る。【解決手段】左右、前後および垂直方向の三方向にお
いて弾性体により支えられる浮き台からなる試料台と、
弾性体を介して受ける、試料台にかかる左右、前後およ
び垂直方向の微小な荷重を測定するための荷重変換器
と、を備える。

Description

【発明の詳細な説明】【０００１】【発明の属する技術分野】本発明は、測定対象にかか
る、三次元空間座標軸方向の負荷荷重を測定することが
できる三次元負荷荷重測定装置に関する。【０００２】【従来の技術】内容物を充填する容器を押して、当該容
器における内容物の排出性を評価する場合、容器を押す
際の押し負荷荷重値が、また、ポンプ式容器でのピスト
ン部の押し負荷荷重値などが、当該容器の使いやすさを
判断する定量的指標として極めて有用であり、こうした
押し負荷荷重値の測定は、従来から広汎に実施されてい
る。ここで測定される負荷荷重値は、いずれもある特定
方向の負荷荷重を測定している。【０００３】しかし、日常品の中では、垂直荷重に負荷
をかけながらさらに水平方向に負荷をかけることが要求
されるクリーム、ジェル等の製品（以下、剤と称す）あ
るいは歯ブラシ等の用具などの場合には、一方向のみの
負荷荷重の測定では、その使用をする際の特性は正確に
測定できず、こうした物に対しては、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向
の負荷荷重を測定することが要求される。こうした、
Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の負荷荷重を測定する装置として、多
分力荷重変換器があるが、一般に梁が交錯したクロスビ
ーム構造であるので、その構造から定格容量は１０００
Ｎ以上となっている。【０００４】【発明が解決しようとする課題】しかしながら、日常品
の特性を測定する際に必要とされる定格容量は約２０Ｎ
以下である。したがって、従来のクロスビーム方式の多
分力荷重変換器を用いては、日常品の使用特性を評価す
ることができない問題点がある。【０００５】一方、従来は、クリームやジェル等の剤の
特性を測定する指標として、粘度を測定するのが最も一
般的であった。しかし、粘度の測定においては、ゾル特
性を有する液状物の場合には、人の使用時の感覚と比較
的良い一致を見るが、構造粘性を有するチキソトロピー
性を持つゲル液状物の場合には、粘度測定器のローター
と液状物との境界でスリップ現象が発生し、人が実際に
液状物を延ばすときの感覚と乖離する問題があった。ま
た、剤の上を円盤状のローターを回転させて回転時のせ
ん断力を測定するレオメーターがあるが、測定中におけ
る液状物の物性変化に対応して、圧着力および回転速度
などの条件を至適にコントロールできず、実際に使う場
合との乖離がある。【０００６】このように、従来は、多種多様な日常品の
なかで、水平面や垂直方向に荷重が負荷されるような要
素のある液状物、固形状物、粉状物あるいは用具などの
使い易さを、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸からなる空間座標軸上で負荷
される比較的小さな荷重を測定することはできなかっ
た。そのために、従来は、Ｘ軸、Ｙ軸またはＺ軸のいず
れかの軸方向での荷重測定で代用していた。例えば、皮
膚を塗擦する液状物の皮膚に対する延び易さを示す特性
や、歯ブラシのブラッシング時の負荷荷重特性などの測
定に対しても、Ｘ軸、Ｙ軸またはＺ軸のいずれかの軸方
向での荷重測定を行っていた。したがって、日常品の使
用特性をＸ、Ｙ、Ｚ軸の三次元空間座標軸方向の負荷荷
重から評価する場合には、微小な荷重を、３次元空間座
標軸のそれぞれの方向において感度良く感知できること
が必須条件となる。【０００７】本発明は、上記の点に鑑みてなされたもの
で、従来のクロスビーム構造では達成し得なかった「定
格容量を小さくし、感知感度を上げる」との課題を解決
し、微少な負荷荷重として測定される日常生活品等の使
用特性を三次元の空間座標軸上の負荷荷重として測定す
ることができる三次元負荷荷重測定装置を提供するもの
である。【０００８】【課題を解決するための手段】本発明の三次元負荷荷重
測定装置は、左右、前後および垂直方向の三方向におい
て弾性体により支えられる浮き台からなる試料台と、前
記弾性体を介して受ける、前記試料台にかかる左右、前
後および垂直方向の微小な荷重を測定するための荷重変
換器と、を具備することを特徴とする。【０００９】なお、ここでの弾性体とは、金属ばね、空
気ばね、液体ばねまで含み、変位に対する力（荷重）の
関係が直線関係となる（いわゆる、フックの法則を満た
す）特性を有するものとする。【００１０】本発明において、試料台は、３次元の三軸
方向のそれぞれにある弾性体により支えられており、こ
の弾性体はプリロードの状態にある（ここで、「プリロ
ード」とは、弾性体が試料台に当接して弾力を蓄えた状
態に設置されていることをいう）。また、３次元の三軸
方向にある荷重変換器は、弾性体を介してあるいは直接
に試料台と接し固定されている。試料台の上に設置ある
いは固定された測定対象の物品（剤、用具等）に三次元
空間内で任意の力が負荷されると、試料台は三次元の任
意の方向に容易に移動しようとする。その結果、この移
動に対応した圧着力が弾性体を介して荷重変換器に負荷
される。このようにして、本発明の三次元負荷荷重測定
装置は、液状物、用具などの物品の使用にともない負荷
される二次元または三次元空間座標軸方向の負荷荷重値
を、当該物品が実際に使用される場合と同様の条件また
は近似した条件下で測定する。【００１１】また、従来、日用品等の物品の使い勝手を
評価する際に、これまでは官能評価にかわる定量的に測
定し評価する手段がなかったが、二次元または三次元空
間座標軸上の負荷荷重値と当該物品を実際に使用した際
の使用特性を官能で評価した結果と対応させることによ
り、本発明の三次元負荷荷重測定装置は、当該物品に対
する消費者満足を達成し得る力学値あるいは許容限界の
力学値を把握することができることを可能とする装置と
なる。すなわち、本発明の三次元負荷荷重測定装置は、
官能評価と相関する定量的な評価を可能とする測定装置
としても用いることができる。【００１２】【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を参照して説明する。図１に、本発明の一実施の形態
である３次元負荷荷重測定装置の構成を示している。【００１３】図１に示す本発明の一実施の形態である三
次元負荷荷重測定装置は、水平面内で直立し四方を囲む
壁面部と、底面部とを有する枡状の本体と、当該本体の
中に、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の３方向に設置されたバネ等の弾性
体（以下では、バネを使用するものとして説明する）で
支持される直方体形状の試料台（フローティングプレー
ト：浮き台）と、当該バネを介してあるいは直接に試料
台と接し固定されている荷重変換器（荷重センサー）が
設けられている。特に、試料台の下部、すなわち垂直方
向（鉛直方向、Ｚ軸方向）には、ほぼ正三角形の頂点に
配置される３つのバネとこれらのバネのそれぞれの一端
に固定された荷重変換器を有し、水平面内のＸ軸方向
（本体の壁面部の１つを正面として左右方向に相当す
る）およびＹ軸方向（本体の壁面部の１つを正面として
前後方向に相当する）には、それぞれ水平に２つずつの
バネとこれらのバネのそれぞれの一端に固定された荷重
変換器を有する構成をとる。【００１４】なお、上記試料台は、本体の底面に対し水
平に保持されるように予め設定されており、各バネはプ
リロードの状態にある。また、Ｚ方向（垂直方向）につ
いては、マグネットまたは引っ張りバネを用いて下方向
（底面方向）へ引きつけ初期荷重をかけることにより上
方向の力も検出する。このようにバネをプリロードの状
態にすることにより、正方向にも逆方向にも連続してス
ムーズに負荷荷重を検出することができる。【００１５】さて、本実施の形態の三次元負荷荷重測定
装置において、上記のように構成するのは、以下によ
る。（１）試料台の下部に３つのバネと荷重変換器を設ける
のは、２つ以下では、試料台を確実に保持できず、ま
た、４つ以上では、いずれかのバネと試料台の接触部分
において試料台が浮き上がる可能性があることから、３
つのバネと荷重変換器を設けている。（２）水平面内のＸ軸方向およびＹ軸方向には、それぞ
れ２つずつのバネとこれらのバネのそれぞれに固定され
た荷重変換器を設けるのは、各方向に１つでは、被験体
に作用する力の方向によっては、その荷重を正確に測定
できない可能性があり、また、３つ以上設けることは、
無駄でありコスト増ともなることから、２つずつのバネ
と荷重変換器を設けている。【００１６】このように構成された三次元負荷荷重測定
装置の試料台に設置された被験体に対し、水平面内の左
右方向であるＸ軸方向および前後方向であるＹ軸方向、
ならびに、垂直方向であるＺ軸方向にかかる力学的な作
用・運動を与え、上記荷重変換器にかかる荷重を測定す
ることにより、間接的に、被験体にかかっている３次元
の荷重を測定する。また、このようにして測定される負
荷荷重値は、人による感覚的評価（官能評価）に対応す
る定量的な評価をするためのデータとして数量化でき、
また、このデータは、物品の開発・設計を行う際に指針
となるデータとして利用できるものとなっている。【００１７】次に、同実施の形態の３次元負荷荷重測定
装置と、当該３次元負荷荷重測定装置から測定データを
取得しこの測定データを解析・評価するための情報処理
装置を含むシステム全体（荷重測定システム）の構成に
ついて説明する。【００１８】本実施の形態の３次元負荷荷重測定装置
は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の３方向においてプリロード状態にあ
るバネにより支持された試料台のフローティング機構に
特徴を有するものであるが、被験体にかかる荷重値を測
定するシステムとしては、上記３次元負荷荷重測定装置
を含む荷重測定システムとして構成される。【００１９】この荷重測定システムでは、３次元負荷荷
重測定装置の試料台に設置される被験体にかかる荷重
は、バネを介して荷重変換器に負荷され、この荷重変換
器に負荷された荷重に応じた電圧値を示す電気信号（ア
ナログ信号）を出力する。そして荷重変換器から出力さ
れるアナログ信号は、増幅された後アナログ／デジタル
変換され、時間と対応付けられたデジタル・データとし
て記憶される。そして、記憶されたデジタル信号は、情
報処理装置に読み込こまれ、この情報処理装置におい
て、様々なデータ処理がなされる。【００２０】この荷重測定システムの具体的な構成は、
図２に示すように、上記３次元負荷荷重測定装置１と、
３方向にある各荷重変換器の出力をそれぞれ増幅する３
つの動歪み測定器（増幅アンプ）２と、動歪み測定器２
の出力をそれぞれアナログ／デジタル変換するＡ／Ｄ変
換器３と、Ａ／Ｄ変換器３が出力するデジタル・データ
を測定データとして記憶する記憶部４と、この測定デー
タをもとに各種データ解析を実行する解析システム（情
報処理装置）５とから構成される。【００２１】このように構成された荷重測定システムで
は、被験体である対象物に負荷された荷重は、Ｘ、Ｙ、
Ｚ軸の三方向にある荷重変換器で感知され、数ｍＶ程度
の電圧をもつアナログ信号として出力される。出力され
たアナログ信号は、動歪む測定器２で約１０００倍に増
幅され数Ｖの電圧をもつアナログ信号となる。そして、
増幅されたアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器３でデジタル
信号に変換され、記憶部４に記憶され、解析システム５
でデータ解析される。【００２２】また、この三次元負荷荷重測定装置１を用
いて被験体である物品（剤、用具等）の使用時の作用結
果を得て、この結果に基づき、当該物品に固有な荷重パ
ラメータを、作用時間で表される関数として定義するこ
とで、解析システム５で行うさらなるデータ解析とし
て、当該物品に固有な荷重パラメータのとりうる範囲を
算出し、活用することも可能となる。【００２３】具体的には、測定値をＹ、作用時間を変数
Ｘとし、さらに、当該物品に固有の前提条件（特性）を
示すパラメータｆ₀、ｆ₁、ｆ₂、…、ｆ_nを導入して定義
された関数Ｙ＝Ｆ（Ｘ、ｆ₀、ｆ₁、ｆ₂、…、ｆ_n）特には、多項式関数Ｙ＝ｆ_n×Ｘⁿ＋ｆ_n-1×Ｘ^n-1＋…＋ｆ₁×Ｘ＋ｆ₀ を用いて、所定の作用結果Ｙと作用時間Ｘに対応するパ
ラメータｆ₀、ｆ₁、ｆ₂、…、ｆ_nの範囲を算出する。こ
こで算出されたパラメータｆ₀、ｆ₁、ｆ₂、…、ｆ_nの値
の範囲を、設計に係る基準あるいは開発の指針として製
品を開発することにより、所定の作用時間中に所定の作
用結果を得られる製品を開発できるようになる。また、
後述するように、三次元負荷荷重測定装置１は、評価者
による実使用時の官能評価と相関の高い負荷荷重を測定
できるので、算出されたパラメータに基づき設計された
製品は、所定の官能評価を得られることが期待できる。【００２４】なお、上記のように三次元負荷荷重測定装
置１および荷重測定システムは構成されるが、荷重変換
器には、各バネがプリロード状態にあるため外的荷重が
負荷されずとも、構成上初期荷重が負荷されており、こ
のため荷重変換器から出力されるアナログ信号は、この
初期荷重に応じた電圧値を示す。したがって、測定にあ
たっては、動歪み測定器２において、外的負荷が無負荷
の状態で電圧値が０（ゼロ）になるように設定される。
また、３次元負荷荷重測定装置１には、Ｘ軸方向、Ｙ軸
方向にそれぞれ２つずつ、Ｚ軸方向に３つの荷重変換器
があるが、これらからの出力は、各方向にある荷重変換
器の出力の平均を、それぞれの方向の負荷荷重の測定値
として用いる。【００２５】また上記構成において、記憶部４は、ハー
ドディスク、光磁気ディスク等の不揮発性の記録装置に
より構成されている。また、解析システム５は、一般の
パーソナルコンピュータ等のコンピュータ装置を用いて
実現される。すなわち、データ解析用のプログラムをこ
のコンピュータ装置にインストールし実行することによ
りデータ解析を行うことにより、解析システム５として
機能させることができる。また、この解析システム５に
は、周辺機器として入力装置、表示装置等（いずれも図
示せず）が接続されるものとする。ここで、入力装置と
はキーボード、マウス等の入力デバイスのことをいう。
表示装置とはＣＲＴ（ＣａｔｈｏｄｅＲａｙＴｕｂ
ｅ）や液晶表示装置等のことをいう。【００２６】また、本実施の形態において、被験体に荷
重を作用させる場合、人がその物品を使用する場合と同
様の状態・状況を再現し、人手により負荷をかけるよう
にするのが好ましいが、繰り返し一定の作用を与えるこ
とを目的とする場合は、図３に示すような駆動装置を利
用して行うようにしてもよい。図３に示す駆動装置は、
Ｘ軸方向もしくはＹ軸方向、またはＺ軸方向、あるい
は、それらを組み合わせた任意の方向に作用点部分を駆
動し、この作用点部分に接続された部材（例えば、歯ブ
ラシ等の用具）を被験体に接触させた後、作用点部分を
駆動することにより、被験体に力学的作用を負荷する。【００２７】次に、荷重測定システムを用いた具体的な
測定方法について説明する。【００２８】試料台に設置（固定）された被験体に対
し、人または上記駆動装置により力学的作用を与える。
このとき、人がその被験体の物品を使用する場合と同様
の状態・状況を再現するように行う。こうして被験体に
与えられた力学的作用により、被験体が設置された試料
台が負荷を受けた方向に動く。こうして試料台が動く
と、この試料台を支えるバネを介して荷重変換器に荷重
が負荷される。すると、前述のように、負荷を受ける３
方向に設けられた荷重変換器からは、三次元の負荷荷重
に対応する電圧値をもつアナログ信号を出力される。こ
のアナログ信号は、前述のように、動歪み測定器２およ
びＡ／Ｄ変換器３を通して解析システム５にデジタル・
データ（測定データ）として取り込まれ、この解析シス
テム５においてデータの表示や各種データ処理がなされ
る。【００２９】なお、荷重変換器から出力されたアナログ
信号の電圧は、既知の荷重に対して三次元の各空間座標
軸の各荷重変換器が出力する電圧の関係であって予め求
められている検量線（電圧Ｖ―荷重Ｎの関係）に対応さ
せることにより、この出力電圧を荷重値Ｎ（ニュート
ン）に変換した後、各種データ処理をする。また、デー
タ処理としては、必要に応じて最大荷重値、平均荷重
値、および負荷時間を算出するとともに、平均荷重値と
負荷時間から力積値を、また負荷時間に対する荷重値の
傾きなどのパラメータも算出し利用することができる。【００３０】また、上記電圧値の読取りおよびその解析
は、解析システム５に表示されるデータチャートから直
読して行ってもよいし、解析システム５やその他のコン
ピュータに取り込み、ＣＳＶ（ＣｏｍｍａＳｅｐａｒ
ａｔｅｄＶａｌｕｅ）形式等のファイルとして保存し
利用してもよい。ＣＳＶ形式等の形式で保存されたファ
イルは、一般的な汎用の表計算ソフトやデータベース・
ソフトを用いてデータ処理を行うことができる。【００３１】次に、三次元負荷荷重測定装置１を用いた
実施例を示し、その有用性を説明する。【００３２】［実施例１］顆粒を含有し、皮膚に塗擦す
ることにより、皮膚の角質を摩擦で除去することを目的
とした液状物の測定例を示す。本実施例は、当該液状物
がもつ機能から、当該液状物を皮膚上で延ばすことによ
り、液状物が皮膚表面に沿って延展する際に、皮膚表面
と液状物との境界においてズレ応力が発生する。そのズ
レ応力から液状物の伸び易さを定量的に評価する例であ
る。【００３３】まず、本実施例で使用する資料の試料記号
と試料名は、以下のとおりである。ジェルＡ：粒状シリカ、グリセリンなどを含む実験室調
製品ジェルＢ：クルミ殻粒、スクワランなどを含む実験室調
製品ジェルＣ：フットスクラブＸ（商品）ジェルＤ：フットスクラブＹ（商品）【００３４】ここで、これらのジェル剤を人の肘に塗布
して、手掌で広げて伸ばした際の、伸ばし易さの難易に
関する官能による評価を、以下の表に示す。【００３５】【表１】【００３６】この表に示されるように、官能による評価
では、ジェルＤが最も伸ばしやすく、次いで、ＣとＢが
続き、ジェルＡは最も伸ばし難いと感知されている。【００３７】次に、三次元負荷荷重測定装置１によるジ
ェル剤の延ばし易さの測定例を示す（図４参照）。この
例では、三次元負荷荷重測定装置１の試料台の中央に、
試料のジェルを乗せ、手腹で円を描くようにして平面状
に延ばし、このとき被験体のジェルにかかる荷重、すな
わち、試料台にかかる３次元の荷重を測定している。【００３８】試料台にかかる荷重は、前述したように、
バネを介して荷重変換器に作用し、荷重変換器はかかっ
た荷重に応じた電圧値をもつアナログ信号を出力する。
そのアナログ信号はＡ／Ｄ変換器３によりＡ／Ｄ変換さ
れ、Ａ／Ｄ変換された電圧値データは、記憶部４にＣＳ
Ｖファイル形式のファイルとして保存される。そして、
解析システム５にインストールされたデータ解析用のソ
フト（表計算ソフト等）上で、測定された電圧値データ
が、サンプリングされた時間に対応するデータＮｏと関
連づけられて散布図として出力される。【００３９】図５〜８に、その出力例（データチャー
ト）を示している。各図において、横軸のデータＮｏに
対応する荷重に対応する電圧値を縦軸に示している。ま
た（ａ）部分は左右にかかる荷重を、（ｂ）部分は前後
にかかる荷重を、（ｃ）部分は垂直方向にかかる荷重を
示している（ただし、これらの図において、（ａ）部分
は（ｂ）部分により上書き表示され、また（ｂ）部分は
（ｃ）部分により上書き表示されたものとなってい
る。）。なお、これらの図において、上のピークは荷重
変換器のある方向に押される場合を示し、下のピークは
引かれる場合を示している。また、サンプリング周波数
は２０Ｈｚであり、したがって１データの取り込み時間
は０．０５秒となっている。【００４０】こうして得られたデータチャートから、荷
重に相当する電圧の振れ幅（振幅）が異なることが確認
できる。このことは、試料のジェルが円盤状に延展され
るとき、ジェル剤が持つ粘着性の違いにより、ズレ応力
の差異が検出されたことを示すものである。すなわち、
荷重に相当する電圧振幅が大きい場合は、当該ジェルの
延展時のズレ応力の大きいことが推定され、人の場合に
は皮膚にこのジェル剤を塗擦する際に力を要することを
意味している。すなわちこのジェルは、いわゆる広がり
難いと感知されることになる。これらの図に示すよう
に、データチャートの荷重に相当する電圧の振れ幅は、
ジェルＡが最も大きく、次にジェルＢとジェルＣが続
き、最も小さいものはジェルＤである。【００４１】ここで、以下の表に、資料毎の左右荷重
値、前後荷重値、左右前後の平均値、垂直荷重値、なら
びに左右前後の荷重平均値と垂直荷重との比を示す。ま
た、図９に、各試料にかかる３軸方向の荷重値（平均）
をグラフ化した図を、図１０（ａ）に左右荷重値と官能
評価値との関係を示し、図１０（ｂ）に前後荷重値と官
能評価値との関係を示している。【００４２】【表２】【００４３】これらからわかるように、試料にかかる左
右方向の荷重および前後方向の荷重ともに、官能評価値
と良い一致を示している。なお、垂直方向の荷重はジェ
ル剤を広げるために加える荷重であり、ジェルを広げる
ための前提条件ともなる。そこで、垂直方向にかかる荷
重を測定の前提条件とした場合を見る。すなわち、左右
方向の平均荷重と前後方向の平均荷重を加えた荷重に対
する垂直方向の荷重の比を求める。このようにして求め
られた比を、図１１に示す。この図に示されるように、
上記比を求めることで、各ジェル剤の延ばし易さの差が
明らかになる。ジェルＡは他のジェルに比べて、平面に
延ばすために要する垂直方向の力が大きいことが分か
る。この比と官能との関係を見ると曲線関係にある。【００４４】次に、垂直方向にかかる荷重を考えると、
剤の広がりに関係するズレ応力ではないので、左右方向
にかかる荷重と前後方向にかかる荷重とを一元的に捕ら
えることは適当でない。というのは、垂直方向にかかる
荷重は、剤を左右・前後の平面に延ばすのに必要な荷
重、すなわち作用力として考えられるからである。そこ
で、作用力の結果としてのズレ応力の大小が、人が感知
する剤の延ばしやすさに係る官能評価にどのように影響
するかを調べると、「左右・前後方向の荷重の平均値／
垂直方向の荷重」として求められる比と官能評価とに間
に、図１２に示すような曲線関係があることが見られ
た。【００４５】人の物理的現象に対する反応は、作用強度
が強くなるにしたがって，人が感じる反応は一般に鈍く
なることがしばしば観察される。それが、この事例にも
当てはまると推察される。そこで、上記比のＬｏｇ値
（対数値）と官能評価値との関係を見ると、両者間には
直線関係にあることが分かる（図１３参照）。【００４６】以上、本実施例に示したように、３次元負
荷荷重測定装置１を用いることで、従来は測定が困難で
あった、人によるジェル剤のような液状物の延び易さを
定量的に測定できることが可能となる。また、３次元負
荷荷重測定装置１を用いて得られた測定結果は、上記の
ように官能評価値との良好な一致性も確認されている。【００４７】［実施例２］次に、歯ブラシの使用特性を
測定する場合の例を示す。【００４８】従来歯ブラシの主たる物理的特性は、歯ブ
ラシのヘッドに植毛されている用毛の硬さを測定するこ
とであった。すなわち、歯ブラシのハンドル部から切り
離されたヘッド部位の用毛を、ピアノ線の障壁部を設け
たフラット面に圧着しながら移動させることにより、用
毛が障壁部を乗り越えるときの抵抗力すなわち曲げ応力
を測定しているのみであった。この方法で得られる測定
値は、当該用毛の剛軟特性を知るための指標とはなる
が、歯ブラシを実際に使用する場合のブラッシングの実
情からの乖離がある。すなわち、歯ブラシがブラッシン
グ時に歯および歯茎に及ぼす負荷荷重は用毛の剛軟性以
外に用毛の植毛面の形状、ヘッドの形状、ネックの弾力
性が影響している。【００４９】また、ブラッシング対象の歯や歯並びの形
は、障壁部を設けたフラット面とは異なり、歯ブラシと
接触する歯の並びは凸凹であり、また交合面では歯ブラ
シと歯の接触部分はおよそ水平となるが、側面は緩やか
な円弧を描いている。このような特徴のある歯および歯
並びが、歯ブラシとの固有な圧着状態を生み出してい
る。それゆえに、市販の歯ブラシでは、用毛の剛軟性、
植毛の形、ヘッドの形、ネックの弾力性、ネックやハン
ドルの形などが異なる様々な歯ブラシがある所以であ
る。したがって、前述したヘッドを切断した用毛の剛軟
性は、歯ブラシの一部の特性であり、かつブラッシング
する対象も実際の人の口腔内の形状と異なっている。【００５０】そのために、従来の方法では、用毛の剛軟
性の指標を示すにすぎなく、歯ブラシの形そのものの要
素を組み入れたブラッシング時での歯に負荷される荷重
を測定する目的からはかけ離れている。本実施例では、
人が実際に歯ブラシでブラッシングする際の条件に近似
した条件でブラッシングするときに、歯または歯茎に負
荷されるＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の３方向の負荷荷重の測定例
を示すものである。【００５１】以下の表に、本実施例の測定対象とした歯
ブラシの特徴を示す。【００５２】【表３】【００５３】【００５４】上記Ａ歯ブラシは毛先が極めて細い（０．
１３ｍｍφ）ことを特徴とする。Ｂ歯ブラシは用毛の太
さは普通（０．２ｍｍφ）で植毛面がフラットな比較的
汎用の歯ブラシである。Ｃ歯ブラシは、用毛は太く
（０．２６ｍｍφ）、植毛面が湾曲状であることが特徴
とする。【００５５】ここで、ブラッシングする代表的な部位で
ある右側下顎臼歯交合面および側下顎臼歯頬側をブラッ
シングした場合に、歯ブラシが歯に当るときに感じる当
りの強さについて、５名の評価者（イ、ロ、ハ、ニ、
ホ）による官能評価を実施すると、以下の表に示すよう
な官能評価値が得られた。【００５６】【表４】【００５７】「評価基準」５：歯および歯茎に当る感じがかなり強い、４：歯および歯茎に当る感じがやや強い、３：歯および歯茎に当る感じがどちらでもない、２：歯および歯茎に当る感じがやや柔らかい、１：歯および歯茎に当る感じがかなり柔らかい。【００５８】右側下顎臼歯交合面のブラッシングでは、
毛先の細いＡ歯ブラシの当りが最も柔らかい。毛先が最
も太いＣ歯ブラシより、毛先の太さが中庸のＢ歯ブラシ
が最も当りが強く感じられている。Ｂ歯ブラシは毛先の
太さが中庸であるにもかかわらず、植毛面がフラットで
あるので、比較的フラットな臼歯交合面と密着性が良
く、そのために、歯ブラシからの負荷荷重が効率的に交
合面に伝わったためである。一方、側下顎臼歯頬側で
は、毛先が最も太く、かつ植毛面が凹の形状であるＣ歯
ブラシの当りが強く感じられている。これは湾曲した臼
歯側面と歯ブラシの植面湾曲面との密着性が良いうえ
に、毛先が太いことによる毛の曲げ硬さが大きいことに
よるものである。【００５９】次に、三次元負荷荷重測定装置１を用いた
右側下顎臼歯交合面のブラッシング負荷荷重の測定例を
示す。【００６０】この例では、三次元負荷荷重測定装置１の
試料台に鍔モデル（人の口腔モデル）を設置する（図１
４参照）。一方、前述した駆動装置には、鍔モデルの歯
丈の半分までに植毛がかぶさるように歯ブラシを設置す
る。この駆動装置の駆動条件は、人が実際に歯ブラシで
ブラッシングする場合の条件に近似させた。すなわち、
臼歯に対して、前後に歯ブラシを動かす方法である。か
つては、ブラッシングの方法として、いわゆるローリン
グ方法が推奨されたこともあったが、磨き難いことや、
うまくブラッシングしないと歯茎を傷めるなどの理由
で、現在では、細かいピッチの前後動作によるブラッシ
ングが薦められている。【００６１】本実施例での歯ブラシの動きは、現在推奨
されている方法であり、かつ、人が実際に多く行ってい
ると推定されるブラッシング方法に近似させている。す
なわち、移動距離は６０ｍｍ（中心からは３０ｍｍ）、
移動速度は３００ｍｍ／ｓｅｃ、往復回数５０回とし
た。また鍔モデルのブラッシングする箇所は、歯周疾患
が発生する代表的な箇所といえる右側下顎臼歯交合面、
右側下顎臼歯頬側とした。【００６２】図１５にＡ歯ブラシによる右側下顎臼歯交
合面のブラッシング負荷荷重相当電圧チャートを、図１
６にＢ歯ブラシによる右側下顎臼歯交合面のブラッシン
グ負荷荷重相当電圧チャートを、図１７にＣ歯ブラシに
よる右側下顎臼歯交合面のブラッシング負荷荷重相当電
圧チャートを、図１８にＡ歯ブラシによる右側下顎臼歯
頬側のブラッシング負荷荷重相当電圧チャートを、図１
９にＢ歯ブラシによる右側下顎臼歯頬側のブラッシング
負荷荷重相当電圧チャートを、図２０にＣ歯ブラシによ
る右側下顎臼歯頬側のブラッシング負荷荷重相当電圧チ
ャートを、それぞれ示している。なお、ここでは相対評
価をするので、測定データの電圧値をそのまま用いてい
る。【００６３】試料台に設置した歯の鍔モデルに負荷され
た荷重は、この荷重に相当する電圧値の振幅として、図
１５〜１７に示す測定チャートとして表示される。この
測定チャートの形から、臼歯交合面のブラッシングで
は、Ａ歯ブラシを用いた場合にかかる荷重に相当する電
圧振幅が小さく、Ｂ歯ブラシではＡ歯ブラシより明らか
に荷重に相当する電圧振幅が大きく、またこの電圧振幅
はＣ歯ブラシの場合よりわずかに大きいことが認められ
る。【００６４】また、荷重の方向では、左右方向にかかる
荷重に相当する電圧振幅は小さく、前後方向にかかる荷
重に相当する電圧振幅は最も大きい。これは、一般に歯
をブラッシングする場合に前後方向に歯ブラシを操作す
る（いわゆる縦磨きと称する）のと同様に、本測定例に
おいては、鍔モデルに対して、前後方向にブラシを動か
していることによる。このように測定チャートは、人が
臼歯交合面をブラッシングするときの感じを良く表して
いる。【００６５】また、臼歯頬側のブラッシングにおいて
も、図１８〜２０に示されるように、左右方向にかかる
荷重に相当する電圧振幅は、前後方向にかかる荷重に相
当する電圧振幅に比べてかなり小さい。これは側面とい
えども、歯側面直角方向への圧迫はブラッシングでは難
しく、それより、歯と歯間の凸凹の面に対して、歯ブラ
シが前後に動かされるときにひっかかる際に、前後の動
きを妨害するように生ずる荷重の方が大きいことを示し
ている。測定チャートからわかるように、Ｃ歯ブラシに
対して測定された電圧振幅はＢ歯ブラシの場合よりも大
きくなっている。これは、Ｃ歯ブラシはＢ歯ブラシに比
べて植毛が太く、かつ、植毛の面が凹型のために、臼歯
側面の湾曲にぴったりと沿えるので、歯ブラシからの力
が臼歯側面に効率的に伝わったためである。【００６６】ここで、負荷荷重とこの負荷荷重に相当す
る電圧の関係（検量線）から、測定された電圧値を荷重
値に変換した結果を、以下の表に示す。【００６７】【表５】【００６８】また、図２１に、上記荷重値をグラフ化し
たものを示している。この表およびグラフからわかるよ
うに、測定チャートで推論した結果と一致している。す
なわち、測定チャートで見られた荷重に相当する電圧値
の振幅より推定されたように、臼歯交合面で、Ｃ歯ブラ
シは三種のなかで最も歯への荷重が大きく、一方、Ａ歯
ブラシは荷重が小さいことが示されている。一方、臼歯
頬側では、Ａ歯ブラシは荷重幅が最も小さく、Ｃ歯ブラ
シは最も大きいものとなっている。【００６９】さらに、ここで、図２２に、臼歯交合面合
計荷重と官能評価値との関係を、図２３に、臼歯頬側合
計荷重と官能評価値との関係を示す。これらのグラフか
らわかるように、臼歯交合面および臼歯頬側面とも、当
該測定装置と官能評価値とは良い一致を示しており、当
該三次元負荷荷重測定装置１が、官能評価と相関する定
量的な評価を可能とする測定装置としても有用であるこ
とを示している。【００７０】以上、この発明の実施形態を、図面を参照
して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限
られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲
の構成等も含まれる。【００７１】【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、左右、前後および垂直方向の三方向において弾
性体により支えられる浮き台からなる試料台と、前記弾
性体を介して受ける、前記試料台にかかる左右、前後お
よび垂直方向の微小な荷重を測定するための荷重変換器
と、を具備する構成をとるので、前後左右垂直方向にか
かる微少な負荷荷重を同時に、効率よく正確に測定する
ことができる。

【図面の簡単な説明】【図１】本発明の一実施の形態である三次元負荷荷重
測定装置の構成を示す図である。【図２】同実施の形態の三次元負荷荷重測定装置を用
いる荷重測定システムの構成を示す図である。【図３】駆動装置の外観を示す図である。【図４】同実施の形態の三次元負荷荷重測定装置を用
い、ジェルを手で延ばす動作をする場合の測定の様子を
示す図である。【図５】ジェルＡを手で延ばす動作をした場合の測定
（出力）例である。【図６】ジェルＢを手で延ばす動作をした場合の測定
（出力）例である。【図７】ジェルＣを手で延ばす動作をした場合の測定
（出力）例である。【図８】ジェルＤを手で延ばす動作をした場合の測定
（出力）例である。【図９】ジェルＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄを手で延ばす動作をし
た場合の３軸方向への荷重をグラフ化した図である。【図１０】ジェルＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄを手で延ばす動作を
した場合の、（ａ）左右方向にかかる荷重と官能評価値
との関係、（ｂ）前後方向にかかる荷重と官能評価値と
の関係、を示す図である。【図１１】ジェルＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄを手で延ばす動作を
した場合の左右前後方向にかかる荷重の平均値と垂直荷
重との比をグラフ化した図である。【図１２】ジェルＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄを手で延ばす動作を
した場合の左右前後方向にかかる荷重の平均値と垂直荷
重との比と、官能評価値との関係を示すグラフである。【図１３】ジェルＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄを手で延ばす動作を
した場合の左右前後方向にかかる荷重の平均値と垂直荷
重との比の対数値と、官能評価値との関係を示すグラフ
である。【図１４】同実施の形態の三次元負荷荷重測定装置と
駆動装置を用い、歯ブラシを用いた顎モデルに対するブ
ラッシングをする動作をする場合の測定の様子を示す図
である。【図１５】Ａ歯ブラシを用い臼歯交合面に対しブラッ
シング動作をした場合の測定（出力）例である。【図１６】Ｂ歯ブラシを用い臼歯交合面に対しブラッ
シング動作をした場合の測定（出力）例である。【図１７】Ｃ歯ブラシを用い臼歯交合面に対しブラッ
シング動作をした場合の測定（出力）例である。【図１８】Ａ歯ブラシを用い臼歯頬側に対しブラッシ
ング動作をした場合の測定（出力）例である。【図１９】Ｂ歯ブラシを用い臼歯頬側に対しブラッシ
ング動作をした場合の測定（出力）例である。【図２０】Ｃ歯ブラシを用い臼歯頬側に対しブラッシ
ング動作をした場合の測定（出力）例である。【図２１】歯ブラシ（Ａ，Ｂ，Ｃ）を用い顎モデルに
対するブラッシングをする動作をする場合の、（ａ）ブ
ラッシングによる臼歯交合面への負荷荷重、（ｂ）ブラ
ッシングによる臼歯頬側への負荷荷重、をグラフ化した
図である。【図２２】歯ブラシを用いた顎モデルに対するブラッ
シングをする動作をする場合の臼歯交合面にかかる合計
荷重と官能評価値との関係を示すグラフ図である。【図２３】歯ブラシを用いた顎モデルに対するブラッ
シングをする動作をする場合の臼歯頬側にかかる合計荷
重と官能評価値との関係を示すグラフ図である。【符号の説明】１…３次元負荷荷重測定装置２…動歪み測定器（増幅アンプ）３…Ａ／Ｄ変換器４…記憶部５…解析システム（情報処理装置）

Claims

【特許請求の範囲】【請求項１】左右、前後および垂直方向の三方向にお
いて弾性体により支えられる浮き台からなる試料台と、前記弾性体を介して受ける、前記試料台にかかる左右、
前後および垂直方向の微小な荷重を測定するための荷重
変換器と、を具備することを特徴とする三次元負荷荷重
測定装置。