JP2007151819A - 咬合力測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被験者の咬合力を簡単、且つ正確に測定でき、また小型で薄型の咬合力測定装置を提供すること。
【解決手段】咬合力検出部Ａが平面状部材３の表裏に薄膜状圧電体６を用いた圧力センサを、相対向させて配置された咬合力測定装置。薄膜状圧電体６の材料としては、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ポリフッ化ビニリデン等が採用される。圧力センサが薄膜状圧電体、二層の電極層及び絶縁層の４層で構成されている。平面状部材の材質がエラストマー、合成ゴム、又はシリコンゴムである。
【選択図】図４

Description

咬合力を測定する咬合力測定装置に関し、更に詳しくは被験者の咬合力を簡単に且つ正確に測定できる咬合力測定装置に関する。

咬合力の測定評価は歯科治療の評価、疾病の予防、小児の顎の発達の評価などに用いられる。
従来、咬合力を測定する方法として、歯の咬合に使用される筋肉に光を照射して得られた散乱光からこの筋肉の酸素飽和度を計算し、予め計測しておいた酸素飽和度と咬合力との相関関係データに基づいて被験者の咬合力を推定する方法がある（特許文献１参照）。

また、咬合力検出部に加えた圧力（咬合力）を、圧力媒体液を介して圧力検出器に送り、圧力を測定するような直接的に咬合力を測定する装置がある（特許文献２参照）。
また、直接的に咬合力を測定する別の方法として、プラスチックフィルム製の基板上にプリント配線を形成し、該配線上に圧力センサを配置した測定装置がある（特許文献３参照）。
この測定装置の特徴は、咬合力検出部の厚さが薄くなっている点である。
特開２００２−８５４３２号公報 特開平９−６６０４８号公報 特開平５−２７７１３６号公報

しかし、例えば特許文献１に記載されているような間接的に測定する方法の場合、酸素飽和度と咬合力との相関関係データは被験者毎に異なる。
そのため、咬合力の測定を行おうとする度に予め被験者一人一人の酸素飽和度と咬合力との相関関係データを作成しておく必要があり、手間と時間を余分に要する。

一方、特許文献２に記載されているような直接的に測定する装置の場合、直接被験者の咬合力を測定するので事前に被験者毎のデータを収集する必要が無く、容易に測定することができる。
しかし、被験者に咬ませる部分である咬合力検出部に一定の大きさの機械的な構造を必要とするため、咬合力検出部が厚くなり（約６〜１２ｍｍ）特に小児の場合には咬合の状態に大きく影響を与え正確な測定を困難にする。

特許文献３に記載されている測定装置の咬合力検出部は、厚さは薄いが、そのことが原因で測定時に被験者が咬むと撓み易く、咬合力検出部に曲げモーメントが発生する。
その結果、該曲げモーメントによっても電圧が発生し、それがノイズとなり正確な咬合力の測定ができない欠点がある。

また、従来の咬合力測定装置に用いられている圧力センサは、その種類によってダイナミックレンジが固定されてしまう。
その結果、被験者に応じて予め概略的に咬合力を予測し、適当な圧力センサを用いなければ正確に測定することができない。
更にまた、従来の咬合力測定装置では、咬合力検出部内の機械構造を保護するために、咬合力検出部全体をシェル構造にしている。
しかし、シェル構造は咬合力を効率よく圧力センサに伝達することができないため、咬合力を加えても圧力センサが反応しない力の範囲、いわゆる不感帯が発生する。

本発明は以上のような課題背景をもとになされたものである。
即ち、本発明は被験者の咬合力を簡単且つ正確に測定でき、薄型の不感帯が存在しない咬合力測定装置を提供することを目的とする。

本発明者は上記のような技術的背景を鑑み、鋭意研究を重ねた結果、咬合力検出部の表裏に薄膜状圧電体を配置することで、曲げモーメントによるノイズの影響を除去できることを見出し、その知見に基づいて本発明を完成させたものである。

すなわち本発明は、（１）咬合力を測定する装置であって、その構成部である咬合力検出部が平面状部材の表裏に薄膜状圧電体を用いた圧力センサを相対向させて配置してなる咬合力測定装置に存する。

また本発明は、（２）、薄膜状圧電体が窒化アルミニウム、酸化亜鉛、又はポリフッ化ビニリデンである上記（１）記載の咬合力測定装置に存する。

また本発明は、（３）、薄膜状圧電体が窒化アルミニウムである上記（１）記載の咬合力測定装置に存する。

また本発明は、（４）、咬合力検出部の厚さが１．０mm以下である上記（１）記載の咬合力測定装置に存する。

また本発明は、（５）、上記圧力センサが薄膜状圧電体、二層の電極層及び絶縁層の４層で構成され、該圧力センサを折り畳んでなる上記（１）記載の咬合力測定装置に存する。

また本発明は、（６）、平面状部材の材質がエラストマー、合成ゴム、又はシリコンゴムである上記（１）記載の咬合力測定装置に存する。

なお本発明の目的に添ったものであれば上記発明を適宜組み合わせた構成も採用可能である。

本発明は咬合力検出部を平面状部材の表裏に圧力センサを相対向させて配置する構造とすることで、被験者が咬合力検出部を噛んだ時に生じるノイズ（圧力センサに曲げモーメントが加わることで発生する余計な電圧）の影響を排し、より正確な咬合力を測定することが可能になる。
また、圧力センサに対し、薄膜状圧電体を用いることで咬合力検出部の厚さを被験者が無理なく噛める厚さ（例えば約１．０ｍｍ以下）にすることができる。
その結果、被験者の咬合力を正確に測定することが可能になる。
また、咬合力検出部は機械的な構造を有さず、咬合力を直接薄膜状圧電体に作用させて咬合力を測定する。

このような測定方法を採用することで、咬合力検出部をシェル構造にする必要がなくなり、不感帯が発生せず、精密な咬合力を検出することができる。
また、圧力センサには薄膜状圧電体を用いているので、圧力センサのダイナミックレンジが固定されず、感度の調節をアンプのみで行えるため、そのセンサのみで幅広い咬合力の大きさを高精度で測定することが可能になる。
また従来の筋肉に光を照射して咬合力を間接的に測定する場合と異なり、直接咬合力を測定するので被験者個々のデータを測定前に予め収集する必要が無い。

〔実施形態〕
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
最初に本発明の咬合力測定装置の構成について説明する。
図１は本発明の咬合力測定装置を概略的に説明するための平面概略図である。
本発明は、薄膜状圧電体を二層の電極層で挟み込み一体化した図示しない圧力センサ１と圧力センサ２、これらの圧力センサを固定するための平面状部材３、圧力センサに発生した電圧から咬合力を計算する電圧検出部４、及び加わった咬合力を表示する測定値表示部５とよりなる。
そして咬合力検出部Ａは平面状部材３の表裏に圧力センサ１及び圧力センサ２を相対向させて配置させている。

次に圧力センサの構造について説明する。
圧力センサ１及び圧力センサ２の基本構造は薄膜状圧電体６を二層の電極層７で挟み込んだものであるが、電極層の短絡を防止するために絶縁層８をその構成の一部に加えることが好ましい。

その絶縁層８を加えた圧力センサの例を図２に示す。
薄膜状圧電体６の表面に絶縁層８を形成し、一体化したものを電極層７Ａ及び電極層７Ｂで挟み込んだ構造である。
圧力センサをこのような構造とすることで、圧電体の薄膜化に伴う電極層７Ａと電極層７Ｂ間の短絡を防止することができる。
また、図３に示すように、図２の圧力センサを幅方向に沿って複数回折り畳む構造（図では一回折り畳む構造を示す）も可能である。
外側の電極層７Ｂを接地電位に接続することで、外側の電極層７Ｂが薄膜状圧電体６を電磁的にシールドする。
その結果、外部のノイズを遮断し、正確な圧力を測定することが可能となる。

ここで、圧力センサにおける絶縁層の材質は特に限定されるものではないが、可撓性があり、軽量で、取り扱い易い特徴を有するプラスチックフィルムが好ましい。
特に耐熱性、絶縁破壊強度、機械的強度等に優れるポリイミド系のフィルムがより好ましい。
また、電極層の材質は特に限定されるものではないが、例えばＡｌ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ等の金属や合金の導電材料、又は金属酸化物や金属窒化物の導電材料を用いることができる。
また、薄膜状圧電体の種類は限定されないが、薄膜であっても感度が高い窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ポリフッ化ビニリデン等を使うことが好ましい。
特に窒化アルミニウムは耐食性や化学的安定性に優れ、且つ加工の際も比較的簡単に薄膜状に形成することが可能である。

そして、平面状部材の材質は支持力を担保出来る限り、特に限定されるものではないが、咬合力検出部は薄く、且つ軽いことが好ましいので、例えば硬質プラスチック、エストマー、合成ゴム、シリコンゴム等が適している。
しかし薄い状態であってもある程度の弾性を有し、被験者が咬んで咬合力検出部が湾曲した場合に折れないことが条件となり、例えば、エラストマー、合成ゴム、シリコンゴム等が適している。

ところで、測定する際に、幼児を含む被験者が無理なく咬合力検出部を噛めることや圧力感知性の観点から、二つの圧力センサと平面状部材の合計の厚さは１．０ｍｍ以下であることが好ましい。
咬合力検出部と圧力センサに発生した電圧を咬合力に換算する電圧検出部４と、その換算した咬合力を外部に表示する測定値表示部５を常法により接続する。
ここで、電圧検出部４と測定値表示部５は咬合力測定装置内に配置しても良く、また咬合力測定装置の外部に配置しても良い。

次に本発明における咬合力の測定原理について説明する。
被験者が咬合力検出部を咬むことで圧力センサ１，圧力センサ２には、上下方向から咬合力Ｆが与えられ、また同時に咬合力Ｆによって咬合力検出部は曲げられ、曲げモーメントＭが圧力センサに与えられる。
その結果、図４のような形に変形する。

圧力センサ１、圧力センサ２に加わる曲げモーメントは、大きさは等しいが曲げの方向が逆であるので、曲げモーメントにより発生した電圧は、符合が逆で大きさが等しくなる。
即ち発生電圧は以下の式で表される。
Ｖ_１= Ａ_ＰＦ＋Ａ_ｍＭ（式１）
Ｖ_２= Ａ_ＰＦ−Ａ_ｍＭ（式２）
Ｖ₁ ：圧力センサ１から測定される電圧( Ｖ)
Ｖ₂ ：圧力センサ２から測定される電圧( Ｖ)
Ａ_Ｐ：比例係数
Ｆ：咬合力( Ｎ)
Ａ_ｍ：比例係数
Ｍ：曲げモーメント( Ｎ)
上記二つの式を変形するとＦ及びＭは以下の式で表される。
Ｆ＝( Ｖ_１＋Ｖ_２)/２Ａ_Ｐ（式３）
Ｍ＝( Ｖ_１−Ｖ_２)/２Ａ_ｍ（式４）
この計算を電圧計測装置に行わせることで曲げモーメントＭの影響を排除した正確な咬合力を測定することができる。
なお、Ａ_Ｐ、Ａ_ｍの比例係数は圧電体に固有の値である。

以下に具体的な実施例を示して、本発明を説明するが本発明は以下の実施例に限定されることはない。

〔実施例〕
薄膜状圧電体として用いる厚さ約１．０μｍの窒化アルミニウム薄膜６１を用い、電極層として厚さ約５０ｎｍの銅薄膜７１と１２μｍのアルミニウム薄膜７２用いた。
そして銅薄膜とアルミニウム薄膜間でのショートを防ぐために、厚さ約８．５μｍのポリイミド薄膜９を絶縁層とした。
該ポリイミド薄膜９をアルミニウム薄膜に重ねて接着して一体化させ、圧力センサを作製した。
なお、銅薄膜７１を可能な限り薄くするためにポリイミド薄膜９に蒸着させた。

次に図５に示す通り、該圧力センサの端部を銅薄膜７１が接着している面を内側にして、圧力センサの端部同士が接触しないような箇所で折り曲げた。
そして折り曲げた結果作られた隙間に導線を挿入し、銅薄膜７１に樹脂系接着剤を用いて接着固定した。
導線接着後はシリコン樹脂１０で該隙間を埋め液体が中に混入しないようにした。
一方、もう一本の導線は圧力センサの外側にむき出しになったアルミニウム薄膜７２の任意の位置に同じように樹脂系接着剤を用いて接着固定した。
圧力センサをもう一つ作成し、以上と同様の処理を行った。

二つの圧力センサを厚さ約０．３ｍｍのステンレス製の平面状部材３の表裏に樹脂系接着剤で接着固定し、圧力センサを保護するためにシリコンゴムで圧力センサを覆って咬合力検出部を作った。
咬合力検出部の厚さは約１．０ｍｍとなった。
最後に各電極層から導線を電圧検出部４に常法により接続した。

〔実験１〕
（動的圧力実験）
以上により作成した咬合力検出部を使って下記の実験を行い、本発明である咬合力測定装置の性能を証明した。
なお実際の生活において咬合力は食物を咀嚼するときに発生させるものであり、静的な咬合力より動的な咬合力の測定が実際の咬合力評価には向いていることから動的圧力実験を行った。
本発明の咬合力測定装置の咬合力検出部に対し、加圧機を使って上下から挟むようにして正弦波状に変化する応力を加えた。
図６の上段には加えた応力を示し、下段にはその時咬合力検出部の圧力センサが発生させた電荷量を示した。
図７は加えた応力の振幅値と咬合力に対応した出力の振幅値の対応を示す。

〔実験２〕
（咬合力測定実験）
本発明の咬合力測定装置を実際に被験者に使用させ、咬合力の測定を行った。
図８は、本発明の咬合力測定装置によって奥歯における咬合力を測定した結果を示している。
実際の咀嚼運動のようにかみしめを繰り返し、咬合力を時間的に変化させた。
したがって測定結果は絶対値ではなく、変動する咬合力の振幅によって評価した。

〔比較例〕
咬合力測定装置として従来の装置である歯科用咬合力計オクルーザルフォースメータＧＭ１０（株式会社モリタ製）の咬合力検出部を用い、静的な応力を加えてその出力をひずみゲージアンプの出力として測定した。
図９は加えた応力と、咬合力検出部の出力の対応を示す。

図６から分かるように、本発明の咬合力測定装置は微細な咬合力を検知することが可能であり、曲げモーメントの発生によるノイズを除去し、正確な咬合力の測定を行うことができる。
また図９に示すように、従来の咬合力計測装置は応力を加えてもセンサの出力が発生しない範囲（いわゆる不感帯）が存在する。
一方、図７から分かるように、本発明による咬合力測定装置は、咬合力検出部において咬合力が直接薄膜圧電体に作用するため、不感帯が発生せず、微細な咬合力も容易に検出することができる。

図１は本発明の咬合力測定装置を説明するための平面概略図である。 図２は、圧力センサに絶縁層を加えた構造を説明する概略図である。 図３は、絶縁層を加えた圧力センサを幅方向にそって一回折り畳んだ時の様子を示した図である。 図４は、咬合力検出部に咬合力が加わったときの咬合力検出部の変形の様子を説明する概略図である。 図５は実施例で用いた咬合力検出部の形状を説明する概略図である。 図６は実施例における咬合力検出部を加圧した場合の出力の様子を示すグラフである。 図７は実施例における咬合力検出部を加圧した場合の、加えたときの荷重に対応する出力電圧の振幅を示すグラフである。 図８は実施例における咬合力検出部を実際に噛んで、咬合力を測定した結果を示すグラフである。 図９は比較例を加圧した場合の加えた荷重に対応する出力電圧の振幅を示すグラフである。

符号の説明

１…圧力センサ
２…圧力センサ
２１…窒化アルミニウム薄膜
３…平面状部材
４…電圧検出部
５…測定値表示部
６…薄膜状圧電体
６１…窒化アルミニウム薄膜
７…電極層
７Ａ…電極層
７Ｂ…電極層
７１…銅薄膜
７２…アルミニウム薄膜
８…絶縁層
９…ポリイミド薄膜
１０…シリコン樹脂
Ａ…咬合力検出部

Claims (6)

1. 咬合力を測定する装置であって、その構成部である咬合力検出部が平面状部材の表裏に薄膜状圧電体を用いた圧力センサを相対向させて配置してなることを特徴とする咬合力測定装置。
2. 薄膜状圧電体が窒化アルミニウム、酸化亜鉛、又はポリフッ化ビニリデンであることを特徴とする請求項１記載の咬合力測定装置。
3. 薄膜状圧電体が窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項２記載の咬合力測定装置。
4. 咬合力検出部の厚さが１．０mm以下であることを特徴とする請求項１記載の咬合力測定装置。
5. 上記圧力センサが薄膜状圧電体、二層の電極層及び絶縁層の４層で構成され、該圧力センサを折り畳んでなることを特徴とする請求項１記載の咬合力測定装置。
6. 平面状部材の材質がエラストマー、合成ゴム、又はシリコンゴムであることを特徴とする請求項１記載の咬合力測定装置。

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