Brevet FR2811764A1 — publié le 20020118

-1 La présente invention concerne un dispositif d'évaluation de propriétés acoustiques de friction d'une surface. Elle s'applique en particulier à l'évaluation in vivo de propriétés acoustiques de friction de la peau, ongles, cheveux, muqueuses d'un être humain afin de pouvoir quantifier les propriétés physiologiques et les effets de produits cosmétiques ou de médicaments. On connaît déjà un dispositif d'évaluation des propriétés de friction d'une surface souvent caractérisées par la détermination des coefficients dynamique et statique de friction. Ce dispositif d'évaluation est du type comprenant un palpeur, destiné à être appliqué au contact de la surface, porté par un ensemble déformable sous l'effet de la friction entre le palpeur et la surface. Le coefficient dynamique de friction est défini habituellement lorsque le palpeur est en mouvement sur la surface, par le rapport entre la force de frottement appelée encore force tangentielle F, toujours dirigée dans la direction s'opposant au mouvement, et la force normale N. représentée par la charge normale appliquée par le palpeur en contact sur la surface: pi= F/N La force tangentielle qui précède immédiatement le mouvement relatif entre le palpeur et la surface, appelée habituellement force tangentielle limite et généralement supérieure à la force tangentielle F générée lors du mouvement, permet de définir le coefficient de friction statique de la surface par la relation suivante: 2 = FiN La précision et la reproductibilité des mesures de p, et p2 dépendent de la connaissance et du contrôle précis de la charge normale N. Récemment, d'autres effets physiques accompagnant la friction sont observés et peuvent être évalués pour la caractérisation d'une surface. Spécialement, les vibrations et l'émission acoustique induite par le frottement d'un corps sur une surface. Le dispositif selon l'invention représente un nouveau type de sonde de contact mécanique permettant la caractérisation de propriétés acoustiques de friction d'une surface, caractérisé en ce qu'il comprend une brosse de fibres fines déformables, en contact avec la surface à analyser. Ces fibres sont reliées à un capteur acoustique monté rigide dans un boitier destiné à être relié à un appareil assurant par l'intermédiaire de moyens motorisés classiques un déplacement linéaire des fibres sur la surface. Suivants d'autres caractéristiques de ce dispositif: L'invention a également pour objet l'application du dispositif précité, à l'évaluation des propriétés de friction de la surface de la peau, ongles, cheveux et muqueuses d'un être humain vivant par la détermination précise des coefficients dynamique et statique de friction lil et p2 précisés précédemment. Selon des modes particuliers de réalisation: -2- - la sensiblité du dispositif selon l'invention peut varier suivant le matériau des fibres, leurs dimensions, leur nombre et leur géométrie. - la sensiblité du dispositif selon l'invention peut également varier par le mode de fixation des fibres sur le capteur acoustique. L'invention sera mieux comprise a la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement a titre d'exemple et faite en se référant aux dessins dans lesquels: - la figure 1 représente en coupe, le dispositif de l'invention - la figure 2 représente une coupe du dispositif suivant les flèches A de la figure 1 - la figure 3 représente en coupe une variante du dispositif permettant l'évaluation combinée des coefficients gt et g2 et de propriétés acoustiques de friction d'une surface. En référence à ces dessins, le dispositif comporte un boîtier (1) comportant à son extrémité inférieure un orifice (2) par lequel dépassent les pointes d'une brosse de fibres déformables (3) en contact direct avec la surface à analyser (S). La brosse de fibres est liée à un capteur acoustique (4), par exemple type piézoélément bilame (voir figure 2), monté dans le boitier (1). L'extrémité supérieure du boitier est munie d'une tête de fixation (5) couplant le boitier à un appareil (6) assurant par l'intermédiaire de moyens motorisés classiques un déplacement linéaire des fibres (3) sur la surface (S). Le signal provenant du capteur acoustique (4), relié au connecteur (7), est enregistré par un appareil (8). Un ordinateur (9) analyse le signal et pilote le déplacement de l'appareil (6). Selon les autres caractéristiques précitées du dispositif illustrées par la figure 3, le capteur acoustique (4) est fixé dans un élément de mesure (10) de la force normale N précisée précédemment, fixé dans le boitier (1) , et est également muni d'un élément de mesure (11) de la force tangentielle F ou Fr,. précisée précédemment. Les signaux provenant des éléments de mesure (10) et (11) sont reliés au connecteur (7) et respectivement enregistrés par les canaux A et B de l'appareil (12). Le dispositif selon l'invention est simple à utiliser. Initialement, la sonde acoustique en forme de brosse est couplée par l'intermédiaire de la fixation (5) du boitier (1), à un appareil (6) assurant par l'intermédiaire de moyens motorisés classiques un déplacement linéaire des fibres (3) sur la surface (S), et l'application sur cette surface d'une charge normale N contrôlée. Lors du frottement sec de la brosse sur la surface, beaucoup de fibres en contact se plient et se déplient suivant la rugosité de la surface testée. Ces rapides processus aléatoires d'interaction fibre-surface (friction) se caractérisent par la libération successive de l'énergie emmagasinée lors de la flexion des fibres. Ces nombreux points de contact, quasiment considérés comme des points de source de vibrations, excitent l'élément piézoélectrique du capteur (4) produisant un signal acoustique quasi continu, de bande de fréquence relativement large allant du kHz à quelques MHz. Ce signal acoustique est enregistré par un appareil (8) connecté au capteur par l'intermédiaire du connecteur (7). Le spectre de fréquence caractérise les propriétés -3- acoustiques de friction de la surface testée et peut être influencé par la fabrication du dispositif. Un filtre passe haut de fréquence 30-100 kHz est souvent utilisé pour supprimer les basses fréquences, la haute amplitude du signal de vibration et le bruit de fond. L'enregistrement et l'analyse de ce signal par un ordinateur (9) peut permettre la caractérisation intégrale de la surface le long du chemin de mouvement de la brosse. Simultanément et complémentairement au signal acoustique, les éléments de mesure (10) et (11) intégrés dans le dipositif permettent respectivement, la mesure de la force normale N appliquée sur la surface (S) par le contact des fibres (3), et la force tangentielle résultante de la déformation en flexion du capteur acoustique (4) sous l'effet de la friction entre la brosse de fibres (3) et la surface (S). Ces caractéristiques du dispositif évaluant la mesure des forces tangentielle et normale permettent le calcul des coefficients dynamique et statique de friction tat et I2 précisés précédemment. Leur détermination permet une corrélation directe des paramètres du signal acoustique avec ces variables classiques de friction lesquelles sont moins sensibles aux petites perturbations de surface. L'ordinateur (9) collecte les données du capteur acoustique (4), des éléments de mesure (10) et (11) par l'intermédiaire de l'appareil (12) et les analyse. Il gère également les déplacements de l'appareil (6). L'invention ne se limite pas au mode de construction décrit ci-dessus. En particulier, différents types d'éléments de mesure permettant d'évaluer les forces normale et tangentielle peuvent être utilisés (jauge de déformation, piézoélément, optique, inductif etc). De plus, l'invention peut s'appliquer à la mesure de propriétés acoustiques de friction et des coefficients classiques de friction de surfaces très variées autres que la surface de la peau, ongles, cheveux et muqueuses. Parmi les avantages de l'invention, on notera les suivants. Le dispositif selon l'invention est une petite tête compact et sensible pouvant se fixer sur n'importe quel appareil effectuant un déplacement sur une surface. Son faible poids permet l'application d'une faible charge normale, qui dans le cas de la peau et des muqueuses, permet des mesures pertinentes et comparables des coefficients de friction l, et Jt2 en évitant les variations dues aux sollicitations des couches sous cutanées. Aucun appareil spécial n'est requis pour l'enregistrement et l'analyse du signal acoustique de sortie du dispositif. Au lieu d'informations lourdes et très complexes obtenues par exemple par microscopie ou profilométrie, seulement quelques paramètres du signal acoustique (nombre d'événements, RMS, l'énergie intégrale, le niveau du signal moyen, le paramètre d'enveloppe du signal et d'autres particularités comme le temps, la fréquence, le paramètre temps-fréquence ou encore les paramètres ondelette) peuvent être choisis pour une rapide caractérisation intégrale de surface. Ces paramètres acoustiques donnent des informations différentes et plus détaillées que les forces de friction classiques. De plus, une quantité plus faible de données est nécessaire pour un suivi en temps réel et une évaluation des résultats. -4- Une modification du dispositifpeut s'effectuer par l'interchangeabilité de la brosse de fibres. Le mouvement linéaire du dispositif le long d'une surface est plus convenable pour la caractérisation rapide de surface, mais étant donné la variabilité d'arrangements des fibres et de la forme de la brosse (circulaire, rectangle etc), d'autres mouvements réalisés par l'appareil (6) (déplacement courbe-linéaire, balayage rotationelle de la tête combinée avec un déplacement, etc) peuvent donner différentes informations complémentaires sur la surface. Le signal acoustique est hautement sensible aux perturbations de surface. Les changements de friction et propriétés d'adhésion moléculaires pourront être révélés par un choix approprié du matériau de la brosse. A titre d'exemple non limnitatif, le boitier (1) aura des dimensions de l'ordre de 20 mm pour la longueur et de 6 mm pour le diamètre. La brosse de fibres (3) aura des dimensions de l'ordre de 3 mm de longueur et de 0. 5 mm pour la largeur et dépassera de l'orifice inférieur (2) du boitier d'une longueur de l'ordre de 1 mm. -5- REVENDICATIONS 1) Dispositif d'évaluation de propriétés acoustiques de friction d'une surface (S) caractérisé en ce qu'il comporte un boîtier (1) comportant à son extrémité inférieure un orifice (2) par lequel dépassent les pointes d'une brosse de fibres déformable (3) en contact direct avec la surface à analyser (S) et liées à un capteur acoustique (4) fixé dans le boitier (1). 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la brosse de fibres (3) est composée de fines fibres serrées. 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le boitier (1) est muni d'une tête de fixation (5) permettant le couplage du boitier à tout appareil (6) assurant un déplacement sur la surface (S). 4) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le signal du capteur acoustique (4), engendré par le déplacement de la brosse de fibres (3) sur la surface (S), est relié à un appareil (8) par l'intermédiaire du connecteur (7). ) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le capteur acoustique (4) est lié à un élément de mesure (10), fixé dans le boitier (1), permettant d'évaluer la force normale générée par le contact des fibres (3) sur la surface (S). 6) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le capteur acoustique (4) est muni d'un élément de mesure (il1) permettant d'évaluer la force tangentielle générée par le frottement de la brosse sur la surface (S). 7) Dispositif selon les revendications 5 et 6 caractérisé en ce que les éléments de mesure (10) et (1 l) sont reliées à un appareil (12) par l'intermédiaire du connecteur (7). 8) Application d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 à l'évaluation de propriétés acoustiques de friction de la surface de la peau d'un être humain vivant. 9) Application d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7 à l'évaluation des propriétés de friction de la surface de la peau d'un être humain vivant.