JP2019020187A - 泡特性測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】 試料の種別に拘わらず、客観的に泡の特性を測定できる汎用的な泡特性測定システムを得る。【解決手段】 駆動部１２は、泡沫層１１２に浸漬される振動子１１を駆動信号に従って振動させる。センサ部１３は、振動子１１の振動を検出する。機械インピーダンス特定部２２は、駆動信号およびセンサ部１３の出力信号から振動子１１が泡沫から受ける機械インピーダンスを算出する。泡特性特定部２３は、算出された機械インピーダンスに基づいて、泡沫層１１２の泡特性を測定する。【選択図】 図１

Description

本発明は、泡特性測定システムに関するものである。

食品関連、化粧品関連、油化学関連など種々の業界において、泡特性（泡持ちなど）の客観的な評価が望まれている。泡特性の評価方法として、例えば、合成洗剤の泡持ち（泡安定度）に関するJIS-K3362に採用されている流下法、潤滑油の泡安定度に関するJIS-K2518に採用されている送気法などの試験法が提案されている。

また、泡層厚と泡持ち時間との関係を特定することで、ビールの泡持ちを評価する測定装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。

国際公開第１９９９／０３０１４９号

上述の方法は、試料による泡の時間的変化を容器などの外側から観察し、その試料の泡特性を、それぞれの試料の種別に応じた独自の測定方法で評価しているが、泡の特性は試料の特性によって変化するため、上述のような方法では、試料の種別ごとに測定方法を確立していく必要があり、確立された測定方法がない種別の試料については、客観的に泡の特性を特定することは困難である。また、食品関連や化粧品関連において、泡持ちを目視により観察する場合、その観察時間に１時間程度を要するものもあり、負担が大きく工数も必要となっている。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、試料の種別に拘わらず、客観的に泡の特性を測定できる汎用的な泡特性測定システムを得ることを目的とする。

本発明に係る泡特性測定システムは、泡沫層に浸漬される振動子と、駆動信号に従って振動子を振動させる駆動部と、振動子の振動を検出するセンサ部と、駆動信号およびセンサ部の出力信号から泡沫層の機械インピーダンスを算出する機械インピーダンス特定部と、算出された機械インピーダンスに基づいて、泡沫層の泡特性を測定する泡特性特定部とを備える。

本発明によれば、試料の種別に拘わらず、振動子の駆動時間を短くできるので、振動子の振動による泡沫への影響を少なくしつつ、客観的に泡の特性を測定できる汎用的な泡特性測定システムが得られる。

図１は、本発明の実施の形態に係る泡特性測定システムの構成を示す図である。 図２は、実施の形態１における機械インピーダンスの時間的変化の例を示す図である。 図３は、実施の形態２における機械インピーダンスの実数成分の減衰係数と虚数成分の減衰係数とによる２次元座標の例を示す図である。 図４は、実施の形態３における複素数平面での機械インピーダンスの軌跡の例を示す図である。

以下、図に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

実施の形態１．

図１は、本発明の実施の形態に係る泡特性測定システムの構成を示す図である。

容器１０１内で試料（液体）が液体層１１１および泡沫層１１２に分離しており、図１に示す泡特性測定システムは、この泡沫層１１２の泡特性を測定する。

図１に示す泡特性測定システムは、プローブ部１、プローブ部１を固定する固定台２、信号変換部３、および信号処理部４を備える。

プローブ部１は、振動子１１、駆動部１２、およびセンサ部１３を備える。

振動子１１は、シャフト１１ａと、シャフト１１ａ先端の球状部１１ｂとを備える。球状部１１ｂは、泡沫層１１２に浸漬される。球状部１１ｂは、例えば金属球とされるが、対象となる泡に対して充分に剛体であるならば、プラスチックやテフロン（登録商標）など他の材質でもよい。

駆動部１２は、駆動信号に従って振動子１１を上下方向（つまり、泡沫層の表面に対して垂直方向となる深さ方向）に振動させる。例えば、駆動部１２は、ソレノイドコイルを備え、駆動信号をソレノイドコイルに印加し、駆動信号と同一の周波数で振動子１１を振動させる。なお、振動子１１を、上下方向に限らず、泡沫層の表面に対して斜め方向に振動させてもよい。

センサ部１３は、振動子の振動を検出する。ここでは、センサ部１３は、例えば圧電素子などで振動子１１の加速度を検出し、検出した加速度を示す加速度信号を生成する。

例えば、球状部１１ｂは、直径５ｍｍとされ、シャフト１１ａの直径は十分に細く、球状部１１ｂの球径の約１／５以下にすることが望ましい。ここでは０.６ｍｍである。駆動部１２は、約３００Ｈｚの共振周波数で振動子１１を振動させる。なお、共振周波数は、振動子が測定対象に浸漬していない状態（空中）において、振動周波数を掃引して探した共振周波数である。この共振周波数を使用して駆動部１２を駆動することで、感度よく測定ができる。ただし、感度は低下するが、振動周波数の条件を共振に限定する必要はない。

なお、プローブ部１には、例えば、特許第５０２０４０３号公報に記載のものを使用することができる。

信号変換部３は、アナログアンプ、デジタルアナログコンバータ、アナログデジタルコンバータなどを備える。信号変換部３は、信号処理部４からのデジタル信号としての駆動信号をアナログ信号に変換し、必要に応じて増幅した後で、その駆動信号をプローブ部１の駆動部１２に供給する。また、信号変換部３は、プローブ部１のセンサ部１３からのアナログ信号としての加速度信号を、必要に応じて増幅した後で、デジタル信号に変換し、その加速度信号を信号処理部４に供給する。

信号処理部４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などを含むパーソナルコンピュータなどといったコンピュータであって、ＲＯＭ、図示せぬ記憶装置などに記憶されているプログラムをＲＡＭにロードしてＣＰＵで実行し、これにより、各種処理部として動作する。

ここでは、信号処理部４は、駆動信号出力部２１、機械インピーダンス特定部２２、泡特性特定部２３、およびタイマー部２４として動作する。

駆動信号出力部２１は、所定周波数の駆動信号を生成し、信号変換部３を介してプローブ部１の駆動部１２に供給する。

機械インピーダンス特定部２２は、駆動信号およびセンサ部３の出力信号から泡沫層１１２の機械インピーダンスを算出する。ここでは、機械インピーダンス特定部２２は、信号変換部３を介してプローブ部１のセンサ部３から加速度信号を取得し、駆動信号および加速度信号から泡沫層１１２の機械インピーダンスを算出する。

例えば、機械インピーダンス特定部２２は、特許第５０２０４０３号公報に記載のように、振動子１１を泡沫層１１２に浸漬した場合の、駆動信号と加速度信号との位相差θ_Ｌおよび駆動信号と加速度信号との振幅比｜Ｆ_Ｌ｜を特定し、そして、（ａ）振動子１１を空中に配置した場合の、駆動信号と加速度信号との位相差θ_Ａおよび駆動信号と加速度信号との振幅比｜Ｆ_Ａ｜、並びに（ｂ）振動子１１を泡沫層１１２に浸漬した場合の、駆動信号と加速度信号との位相差θ_Ｌおよび駆動信号と加速度信号との振幅比｜Ｆ_Ｌ｜に基づき、位相差θ_Ａ，θ_Ｌの差である位相差γ（＝θ_Ａ−θ_Ｌ）、および振幅比｜Ｆ_Ａ｜，｜Ｆ_Ｌ｜の比である振幅比α（＝｜Ｆ_Ａ｜／｜Ｆ_Ｌ｜）を特定し、機械インピーダンスＺｘ（複素数）を次式に従って計算する。

なお、振動子１１を空中に配置した場合の、駆動信号と加速度信号との位相差θ_Ａおよび駆動信号と加速度信号との振幅比｜Ｆ_Ａ｜は、予め測定されているものとする。また、機械インピーダンスＺｐは、振動子１１の振動周波数およびプローブ部１などの測定系の機構のみに依存するため、ここでは定数であって、例えば特許第５０２０４０３号公報に記載のようにして実験などにより予め特定されているものとする。

泡特性特定部２３は、測定された機械インピーダンスに基づいて、泡沫層１１２の泡特性を測定する。

また、タイマー２４は、振動子の振動する時間区間と振動を停止する時間区間を設定して、測定における一連の動作時間を管理する。例えば、測定時間を１０秒とし、測定周期を１分とし、測定回数に応じて、泡特性測定システムが動作する。具体的には、測定回数が１回の場合、測定回数を１回とすることで、１０秒の間で、駆動部１２に駆動信号を入力し球状部１１ｂを振動させて機械インピーダンスを測定し停止する。また、測定回数が２回の場合、１回目が開始されると、１０秒の間で、駆動部１２に駆動信号を入力し球状部１１ｂを振動させて機械インピーダンスを測定する。その後の５０秒間は停止して、次に２回目の測定が１０秒間で行われて停止する。このように、球状部１１ｂの振動する時間を短時間にすることができるので、球状部１１ｂの振動による影響を泡沫層１１２にほとんど与えることなく測定ができる。また、泡特性の測定で時間経過をみる場合、同条件での測定結果の比較が必要であるため、タイマーを用いることで自動的に経過観察を行えるだけでなく、他の試料に対しても同条件の測定を容易に行うことができる。

なお、後述する実施の形態においては、温度や湿度の一定の環境下で測定することが望ましい。

実施の形態１では、泡特性特定部２３は、（ａ）機械インピーダンスの時間的変化を指数関数的な減衰として示すモデル式を特定し、（ｂ）そのモデル式における減衰係数βに基づいて、泡沫層１１２の泡持ちに係る泡特性を測定する。この測定においては、測定回数を数回（２回から５回）に設定すればよく、目視による観察に比べれば、かなり短時間で推定することができる。

そのモデル式は、例えば、次式とされる。

Ｙ＝Ｙ_０・ｅｘｐ（β・（ｔ−ｔ_０））＋Ｙ_１

ここで、Ｙは、機械インピーダンスの虚数成分または実数成分の値であり、Ｙ_０は、減衰項Ｙ_０・ｅｘｐ（β・（ｔ−ｔ_０））の初期値であり、βは、減衰係数であり、ｔ_０は泡立て終了時から測定開始時までの時間となるオフセット値であり、Ｙ_１は、オフセット値である。

そして、泡特性特定部２３は、例えば、測定開始から所定時間が経過するまでの複数のタイミングでの機械インピーダンスの虚数成分または実数成分の測定値（つまり、機械インピーダンスの虚数成分または実数成分の時系列データ）に対する所定の非線形回帰分析処理によって、モデル式（非線形回帰式）の回帰係数（定数）Ｙ_０，β，ｔ_０，Ｙ_１の値を特定する。非線形回帰分析処理としては、例えばＧＲＧ（Generalized Reduced Gradient）非線形を使用できる。

図２は、実施の形態１における機械インピーダンスの実数成分の時間的変化の例を示す図である。図２において、試料Ａは、比較的泡立ち・泡持ちの良いハンドソープの原液であり、試料Ｂは、比較的泡立ち・泡持ちの悪い無添加せっけんの原液である。

図２において、試料Ａのモデル式は、Ｙ＝４．１０４・ｅｘｐ（−０．００２５１８・（ｔ＋５８．１０））−２．５５３となり、試料Ｂのモデル式は、Ｙ＝５．３１１・ｅｘｐ（−０．００７４３６・（ｔ＋５４．３７））−２．５３６となる。なお、機械インピーダンスの虚数成分の測定値は、測定開始時（ｔ＝０）の測定値で正規化され、正規化済みの測定値に基づいて、回帰係数が特定されている。

つまり、試料Ａの減衰係数βは、−０．００２５１８であり、試料Ｂの減衰係数βは、−０．００７４３６である。試料Ａの減衰係数βの絶対値のほうが、試料Ｂの減衰係数βの絶対値より小さい。このように、泡持ちの良い試料の減衰係数βのほうが、絶対値が小さくなる。

したがって、泡特性特定部２３は、この減衰係数βを、泡沫層１１２の泡特性値としてもよいし、この減衰係数と泡持ちなどの既存の特性値との対応関係を予め求めておき、その対応関係に基づいて、この減衰係数を既存の特性値に変換するようにしてもよい。

次に、実施の形態１に係る泡特性測定システムの動作について説明する。

まず、試料が用意され、所定の手順で液体層１１１と泡沫層１１２とが形成される。次に、泡沫層１１２に振動子１１の球状部１１ｂが浸漬されるように、プローブ部１が配置される。

次に、信号処理部４の駆動信号出力部２１は、駆動信号を生成し、信号変換部３を介さずにプローブ部１の駆動部１２に供給する。駆動部１２は、振動子１１を振動させる。これにより、球状部１１ｂは、泡沫層１１２内で上下に振動する。

プローブ部１のセンサ部１３は、この振動に応じた加速度信号を、信号変換部３を介して、信号処理部４へ供給する。

信号処理部４では、機械インピーダンス特定部２２が、この加速度信号および駆動信号に基づいて、泡沫層１１２に浸漬した振動子１１が泡沫から受ける機械インピーダンスを測定し、泡特性特定部２３は、測定された機械インピーダンスに基づいて、振動子１１が浸漬している泡沫層１１２の泡持ちに係る泡特性を測定する。

実施の形態１では、機械インピーダンス特定部２２が、時系列に沿って、各時点の機械インピーダンスを測定していき、泡特性特定部２３は、測定された機械インピーダンスの時間的変化に基づいて、上述のようにして減衰係数βの値を特定する。さらに、必要に応じて、泡特性特定部２３は、この減衰係数βの値を、既存の泡特性（泡持ちなど）の値に変換する。

以上のように、上記実施の形態１によれば、駆動部１２は、泡沫層１１２に浸漬された振動子１１を駆動信号に従って振動させ、センサ部１３は、振動子１１の加速度を検出し、検出した加速度を示す加速度信号を生成する。機械インピーダンス特定部２２は、駆動信号および加速度信号から泡沫の機械インピーダンスを測定し、泡特性特定部２３は、測定された機械インピーダンスに基づいて、泡沫層１１２の泡持ちに係る泡特性を測定する。

これにより、試料の種別に拘わらず、客観的に泡の特性を測定できる。つまり、振動子１１を泡沫層１１２に浸漬させた状態で振動子１１の機械インピーダンスを測定しているので、試料により形成される泡の物性（粘性、弾性、マスなど）に応じて変化する機械インピーダンスから泡持ちに係る泡特性を測定することで、汎用的な泡特性測定システムが得られる。

実施の形態２．

実施の形態２に係る泡特性測定システムでは、機械インピーダンス特定部２２は、振動子１１の機械インピーダンスの実数成分および虚数成分を特定し、泡特性特定部２３は、（ａ）機械インピーダンスの実数成分の時間的変化を指数関数的な減衰として示す第１モデル式を特定するとともに、機械インピーダンスの虚数成分の時間的変化を指数関数的な減衰として示す第２モデル式を特定し、（ｂ）第１モデル式における減衰係数β_ｒと第２モデル式における減衰係数β_ｉとによる２次元座標に基づいて、泡持ちの安定性に係る泡沫層の泡特性を測定する。

つまり、実施の形態２では、実施の形態１と同様の減衰係数が、機械インピーダンスの実数成分と虚数成分の両方について導出され、実数成分の減衰係数β_ｒと虚数成分の減衰係数β_ｉの対が示す２次元座標が、２次元平面において予め区分されている複数の領域のうちのどの領域に属するかによって、泡持ちの安定性に係る泡沫層の泡特性が測定される。

図３は、実施の形態２における機械インピーダンスの実数成分の減衰係数β_ｒと虚数成分の減衰係数β_ｉとによる２次元座標の例を示す図である。図３に示す例では、２次元平面が所定の境界線によって安定領域と不安定領域とに区分されており、試料Ａの減衰係数の２次元座標は安定領域に属するので、試料Ａの泡持ちは安定であると判定され、試料Ｂの減衰係数の２次元座標は不安定領域に属するので、試料Ｂの泡持ちは不安定であると判定される。なお、試料の種別が様々であることから、境界線はそれぞれの種別に応じて評価できるように設定すればよい。

なお、実施の形態２に係る泡特性測定システムのその他の構成および動作については実施の形態１と同様であるので、その説明を省略する。

以上のように、上記実施の形態２によれば、試料ごとに、機械インピーダンスの実数成分の減衰係数β_ｒと虚数成分の減衰係数β_ｉとによる２次元座標から、試料の泡特性が特定されるため、目標となる領域を予め設定しておくことで、その領域に２次元座標が属するか否かで、泡持ちの安定性に係る泡特性を測定して、試料の評価を行うことができる。

実施の形態３．

実施の形態３に係る泡特性測定システムでは、機械インピーダンス特定部２２は、振動子１１が泡沫から受ける機械インピーダンスの実数成分および虚数成分を測定し、泡特性特定部２３は、複素数平面において、その機械インピーダンスの座標の位置または機械インピーダンスの軌跡を、泡の触感や食感に係る泡沫層の泡特性として測定する。

例えば、信号処理部４は、複素数平面においてその機械インピーダンスの軌跡を所定の表示装置に表示したり記録紙に印刷したりする。

機械インピーダンスの実数成分については、機械インピーダンスの実数成分が大きいほど、泡膜の粘りが強くなり、機械インピーダンスの虚数成分については、機械インピーダンスの虚数成分が正であれば、泡膜のマスが支配的となり、機械インピーダンスの虚数成分が負であれば、泡膜の弾性が支配的となる。そのため、複素数平面における機械インピーダンスの軌跡によって泡の触感や食感に係る泡特性の時間的変化が把握できる。

図４は、実施の形態３における複素数平面での機械インピーダンスの軌跡の例を示す図である。

例えば、図４に示す試料Ａの泡は、当初、粘りが強く、マスが支配的になっているが、時間経過とともに、粘りが弱くなり、弾性が支配的になっている。また、図４に示す試料Ｂの泡は、試料Ａに比べ、当初の粘りが弱く、時間経過とともに弾性もあまり増加しない。

なお、実施の形態３に係る泡特性測定システムのその他の構成および動作については実施の形態１と同様であるので、その説明を省略する。

以上のように、上記実施の形態３によれば、複素数平面における測定された機械インピーダンスの座標の位置または機械インピーダンスの軌跡によって泡の触感や食感に係る泡特性の時間的変化の評価を行うことができる。

実施の形態４．

実施の形態４に係る泡特性測定システムでは、振動子１１を泡沫層の深さ方向に変化させていき、機械インピーダンス特定部２２は、各時点の機械インピーダンスの値（実数成分および虚数成分の一方または両方の値）を測定し、泡特性特定部２３は、（ａ）振動子１１を泡沫層１１２の深さ方向に変化させた際の機械インピーダンスの変化を特定し、（ｂ）その機械インピーダンスの変化に基づいて、泡沫層１１２の深さ方向における泡沫層１１２の泡特性の分布（例えば泡沫層１１２の深さ方向の水分量分布）を特定する。

なお、実施の形態４に係る泡特性測定システムのその他の構成および動作については実施の形態１と同様であるので、その説明を省略する。

なお、上述の実施の形態に対する様々な変更および修正については、当業者には明らかである。そのような変更および修正は、その主題の趣旨および範囲から離れることなく、かつ、意図された利点を弱めることなく行われてもよい。つまり、そのような変更および修正が請求の範囲に含まれることを意図している。

本発明は、例えば、様々な試料の泡特性の測定に適用可能である。

１１ 振動子
１２ 駆動部
１３ センサ部
２２ 機械インピーダンス特定部
２３ 泡特性特定部
２４ タイマー

Claims (6)

1. 泡沫層に浸漬される振動子と、
   駆動信号に従って前記振動子を振動させる駆動部と、
   前記振動子の振動を検出するセンサ部と、
   前記駆動信号および前記センサ部の出力信号から前記泡沫層の機械インピーダンスを算出する機械インピーダンス特定部と、
   算出された前記機械インピーダンスに基づいて、前記泡沫層の泡特性を測定する泡特性特定部と、
   を備えることを特徴とする泡特性測定システム。
2. 前記振動子の振動する時間区間を設定して、測定における一連の動作時間を管理するタイマーをさらに備え、
   前記センサ部は、前記振動子の加速度を検出し、
   前記機械インピーダンス特定部は、前記駆動信号および前記センサ部の加速度信号から前記振動子が泡沫から受ける機械インピーダンスを算出すること、
   を備えることを特徴とする請求項１記載の泡特性測定システム。
3. 前記泡特性特定部は、（ａ）前記機械インピーダンスの時間的変化を指数関数的な減衰として示すモデル式を特定し、（ｂ）前記モデル式における減衰係数に基づいて、泡持ちに係る前記泡沫層の泡特性を測定することを特徴とする請求項１記載の泡特性測定システム。
4. 前記機械インピーダンス特定部は、前記機械インピーダンスの実数成分および虚数成分を算出し、
   前記泡特性特定部は、（ａ）前記機械インピーダンスの実数成分の時間的変化を指数関数的な減衰として示す第１モデル式を特定するとともに、前記機械インピーダンスの虚数成分の時間的変化を指数関数的な減衰として示す第２モデル式を特定し、（ｂ）前記第１モデル式における減衰係数と前記第２モデル式における減衰係数とによる２次元座標に基づいて、前記泡持ちの安定性に係る前記泡沫層の泡特性を測定すること、
   を特徴とする請求項１記載の泡特性測定システム。
5. 前記機械インピーダンス特定部は、前記機械インピーダンスの実数成分および虚数成分を算出し、
   前記泡特性特定部は、複素数平面において、前記機械インピーダンスの座標の位置及び／または前記機械インピーダンスの軌跡を、泡の触感や食感に係る前記泡沫層の泡特性として測定すること、
   を特徴とする請求項１記載の泡特性測定システム。
6. 前記泡特性特定部は、（ａ）前記振動子を前記泡沫層の深さ方向に変化させた際の前記機械インピーダンスの変化を算出し、（ｂ）前記機械インピーダンスの変化に基づいて、前記泡沫層の深さ方向における前記泡沫層の泡特性の分布を測定することを特徴とする請求項１記載の泡特性測定システム。

Images