(57)【要約】  本発明は、面の手触りを定量的に測定するセンサに関し、そのセンサは、把持力のある囲み体、検出領域で面と接触させるための中空胴体、検出領域と接触中の中空胴体から発せられたノイズを検出する第１の音響検出要素、面によって中空胴体に作用された法線力もしくは法線圧力と摩擦力の測定を行う第２の機械的検出要素を有する。上記は、皮膚もしくはその付属物、織物、革、樹脂材料または触感の評価が重要とされる任意の他の材料の摩擦音響特性の測定に適用するものである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
面（２０）の触感を定量的に測定するプローブであって、
把持力のあるケーシング（１）と、
測定領域で前記面と接触させるように意図された中空胴体（６）と、
前記中空胴体が前記測定領域と接触しているときに、前記中空胴体から発せられたノイズを検出する音響的な第１の検出要素（５）と、
前記面によって前記中空胴体に作用された法線力もしくは法線圧力と摩擦力を測定するようになされた機械的な第２の検出要素（４、７、８）を具備するプローブ。
【請求項２】
前記音響的な第１の検出要素が前記把持力のあるケーシングの内部に保持されたマイクロフォンを有し、このマイクロフォンは、前記中空胴体の内部に配置された薄膜（１１）を有する請求項１に記載のプローブ。
【請求項３】
前記機械的な第２の検出要素は、前記中空胴体が前記測定領域と接触しているときに受ける法線力を測定するようになされた少なくとも一つの法線力センサ（４）を有する請求項１に記載のプローブ。
【請求項４】
前記機械的な第２の検出要素は、前記中空胴体が前記測定領域と接触しているときに受ける法線圧力を測定するようになされた少なくとも一つの法線圧力センサを有する請求項１に記載のプローブ。
【請求項５】
前記機械的な第２の検出要素は、前記中空胴体が前記測定領域と接触しているときに受ける摩擦力を測定するようになされた少なくとも一つの摩擦力センサ（７、８）を有する請求項１に記載のプローブ。
【請求項６】
両端部間に延在する細長い部品（３）を有しており、その部品は、前記把持力のあるケーシングの内部に保持され、かつその両端部の一方で前記中空胴体に連結されており、法線力と摩擦力を前記機械的な第２の検出要素に伝達するようになされた請求項１に記載のプローブ。
【請求項７】
前記摩擦力センサは、前記細長い部品に取り付けられた加速度計（７）と歪みゲージ（８）を有する請求項５に記載のプローブ。
【請求項８】
前記細長い部品は、その両側部に２つのプレート（３６）を形成するための２つの横開口（３５）を有し、前記プレートは前記歪みゲージを支持する請求項７に記載のプローブ。
【請求項９】
前記細長い部品は、金属合金から形成される請求項６に記載のプローブ。
【請求項１０】
前記把持力のあるケーシングに配置され、前記プローブが前記測定領域と接触しているときに、前記プローブの移動方向を示すように意図されたダイオード（９）を有する請求項１に記載のプローブ。
【請求項１１】
前記ダイオードは、光学カメラと結合されて前記測定領域にわたって前記中空胴体の移動速度を測定する装置を形成する請求項１０に記載のプローブ。
【請求項１２】
前記中空胴体は、球状の形状である請求項１に記載のプローブ。
【請求項１３】
前記中空胴体は、平坦な上方面（６ａ）と円筒の一部分からなる下方部分（６ｂ）を有する請求項１に記載のプローブ。
【請求項１４】
前記中空胴体は、平坦でありほぼ平行である上方面（６ａ）および下部面（６ｂ）を有し、平行６面体形状をなす請求項１に記載のプローブ。
【請求項１５】
前記中空胴体は、カーボンファイバで作られる請求項１に記載のプローブ。
【請求項１６】
前記第１および第２の検出要素から、そしてまた、速度測定装置からも電子計算ユニット（３０）にデータを伝送する伝送要素（１２）を有する請求項１に記載のプローブ。
【請求項１７】
前記電子計算ユニットは、前記測定領域の触感を定量化するために前記データを単純なパラメータに変換するようになされた請求項１６に記載のプローブ。
【請求項１８】
前記中空胴体と前記把持力のあるケーシングの間にギャップ（δ）を設けて前記中空胴体の法線方向の移動と接線方向の移動を可能にした請求項１に記載のプローブ。
【請求項１９】
測定面に加えた処理の摩擦音響特性に対する効果を測定するために使用する請求項１から１８のいずれか一項に記載のプローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面粗さを測定する装置の分野に関する。より詳細には、本発明は、音響特性および摩擦学的特性（以降、摩擦音響特性と呼ぶ）を測定するプローブに関し、ひいては表面の手触りの定量化するものに関する。本発明は、皮膚およびその付属物、織物、革、樹脂、または触感の評価が重要とされる任意の他の材料の摩擦音響特性を測定するのに適用することができる。
【背景技術】
【０００２】
「手触り」という用語は、その柔らかさ、その堅さ、その弾力性、その微細性、その復元性、および触感によって認識できる他の品質などの材料の触感品質を意味すると解釈できる。この概念は、産業上の要求に向けて、基本的には評価員による主観的な触感評価によって判断される。したがって、これらの人達はすでに訓練を受けた、触感の質的評価を行う専門家である。これは、皮膚に塗るクリームの皮膚病学的効果が評価されるべきものであるとしたときの特別の場合である。
【０００３】
これらの評価は、実際上、前記対象の面の摩擦学的（接触、摩擦）特性と音響特性の生体評価に合致する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この手法は、専門家に大きく依存したままであるので、そのため、本来決まったやり方がなく、主観性が高いことがはっきりと理解されるであろう。
【０００５】
本発明の目的は、静的および動的摩擦力と音波などの物理データを収集することで、触感を定量化および特性化するプローブを提案することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このために、本発明の対象は、面の手触りを定量的に測定するプローブであり、このプローブは、
把持力のあるケーシングと、
測定領域における面と接触させるように意図された中空の接触胴体と、
中空胴体が測定領域と接触しているときに、前記中空胴体から発せられたノイズを検出する音響的な第１の検出要素と、
面によって前記中空胴体上に作用された法線力と摩擦力を測定するようになされた機械的な第２の検出要素とを有する。
【０００７】
したがって、プローブは、胴体または調査する面の領域を走査することで、特定のパラメータを定量化して、この面の機械音響的作用を測定する。
【０００８】
有利なことに、音響的な第１の検出要素は、把持力のあるケーシング内に保持されたマイクロフォンを有し、このマイクロフォンは、前記中空胴体内に配置された薄膜を有する。
【０００９】
さらに、前記機械的な第２の検出要素は、法線力を測定するようになされた少なくとも一つの法線力センサと、摩擦力を測定するようになされた少なくとも一つの摩擦力センサをそれぞれ有し、前記中空胴体は、測定領域と接触しているときにそれらの力を受ける。
【００１０】
一つの好ましい実施形態では、前記中空胴体は球状の形状をなしている。有利なことに、中空胴体は、特にカーボンファイバのような優れた共鳴性能と最小限の剛性を示す材料で作られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の他の特徴と利点は、以下の説明を読むと、さらに明瞭になるであろう。これは単に一例に過ぎず、そして添付図面とともに読まれるべきである。
【００１２】
本発明によるプローブの一つの典型的な実施形態が図１ａおよび図１ｂに示されている。
【００１３】
図１ａに示すプローブは、例えば金属からなる外部ケーシング１を有する。このプローブは、操作者によって容易に把持するために円筒状の形状をなし、かつ細長くなっている。外部ケーシング１は、外部ケーシング１の内部に延在する保持体２によって、その両端部のうちの一方で閉じられている。データ伝送用の電気ワイヤ１２は、金属合金で作られた保持体２から電子計算ユニット（図示せず）につながっている。外部ケーシング１の他方の端部１４は、解析する表面に当てて移動させるように意図するため、プローブの摩擦要素６である。レーザダイオード９は、外部ケーシング１の頭部に接近して配置されている。このレーザダイオード９は、直線セグメントを追跡するのを可能にして、解析する面をプローブがこすられる方向を示す。有利なことに、外部ケーシング１は、周囲のノイズを最小化するように塗装することができる。
【００１４】
図１ｂは、電気ワイヤ１２が付いた側のプローブ端部の平面図であり、さらに、保持体２およびデータを電気計算ユニットにデータ伝送する電気ワイヤ１２用の出口１３を示している。
【００１５】
図２は、図１ａに示すプローブをＩＩ−ＩＩから見た断面図を示している。保持体２は円筒状形状を有し、外部ケーシング１の内側面に合致する。保持体２の内側には開口が形成されており、保持体２は、マイクロフォン５を部分的に収容することができる。この開口は、電気ワイヤ１２用に用意した出口１３によって保持体２の外側部分に延長されている。
【００１６】
マイクロフォン５は、保持体２と係合され、マイクロフォン５に押し付けられた保持ねじ２２によって、保持体２の内側の所定位置に保持されている。マイクロフォン５は細長い形状をなし、音響振動薄膜を設けたマイクロフォンヘッド１１をなすその他端部は、図２では、中空のかつ好ましくは球状の胴体として示された摩擦要素６内に配置されている。
【００１７】
中空胴体６は、細長い部品３に固定されている。ケーシング１と同じ方向に細長い形状のこの部品３は、外部ケーシング１の内側にある保持ねじ２１を用いて保持体２に固定されている。細長い部品３は、保持体２から外部ケーシング１の端部１４まで延びている。細長い部品３の長さは、外部ケーシング１の端部１４と細長い部品３の端部に固定された中空胴体６との間にギャップδが残るようになっている。細長い部品３は、片側のみを用いて保持体２に固定されるのが好ましい。細長い部品３は、保持体２の突出端部２６に固定されており、この端部は、保持体２の断面と比較して面積が小さくなっている。図２では、保持ねじ２１を示しており、切断面に関して対称な第２のねじは示されていない。細長い部品３と保持体２の間にその対向領域のほとんどにわたって空間２５が残される。したがって、これら２つの部品は、空間２５とそれらの固定面積が小さいことに起因して、一方に対して他方を曲げることができる。
【００１８】
法線力センサ４はこの空間２５に置かれ、その固定部分は、保持体２の所定の位置に保持され、その可動部分は、細長い部品３と接触している。こうして、この法線力センサ４は、調査する面をプローブが移動されているときに、測定する面によって中空胴体６に加えられた任意の法線力を検出することができる。これは、一方では、中空胴体６と外部ケーシング１の端部１４との間のギャップδにより、他方では、細長い部品３と保持体２の間で起こりうる屈曲により、測定すべき面からセンサ４の可動部分に法線力が確実に伝達されるためである。
【００１９】
加速度計７は、中空胴体６に近接して細長い部品３の側面に配置されている。歪みゲージ８は、図２では４つあるが、細長い部品３の外側面に固定されている。加速度計７と歪みゲージ８は、中空胴体６に加わる摩擦力を検出するセンサを構成する。細長い部品３の形状とギャップδにより、この部品は、プローブの中空胴体６が測定する面と接触しながら移動しているときに曲がることができるようになる。こうして、中空胴体は、外部ケーシング１に対して接線方向に移動することができる。この曲がりは、加速度計と歪みゲージ８によって直接測定される。
【００２０】
電気ワイヤ（図示せず）は、電子計算ユニットへのデータ伝送用の電気ワイヤ１２に種々のセンサを接続する。
【００２１】
細長い部品３の中心部には開口が形成され、マイクロフォン５の胴体がその開口を通る。この開口は、マイクロフォンの外側寸法より直径がより大きくなっているので、細長い部品３がこれらの変形中にマイクロフォンの胴体と接触することはない。
【００２２】
図３は、歪みゲージ８と加速度計７の付いた細長い部品３を示している。図３はさらに、細長い部品の軸に沿ってその中心に形成されており、マイクロフォンの胴体が通る開口を示している。２つの開口３５は、２つのプレート３６が部品３の両側に形成されて残るように細長い部品の両側にその長い全長に沿って設けられている。これらのプレート３６は、歪みゲージ８を保持している。プレート３６の厚さは、部品３を構成する材料と歪みゲージ８の特性に応じて計算される。図３に示す実施例では、各プレート３６は２つの歪みゲージを保持している。部品３は、単一部品として加工される。すなわち、マイクロフォンを通過させるためにその中心部に、さらに歪みゲージを保持するプレートを形成するためにその両側部に、ともに穴が開けられる。開口３５は、図２の歪みゲージ８とレーザダイオード９が実質的に同じ平面に置かれるように穴が開いているのが好ましい。こうして、細長い部品３は、摩擦要素６がレーザダイオード９によって示される方向に解析する面を移動しているときに、開口３５のために容易に曲がることができる。
【００２３】
細長い部品の両端部の一方３１には、中空胴体６を固定するように意図された円錐穴が設けられている。その反対側の端部には、保持ねじ２１を保持体２に締め付けるためにねじ３３が形成されている。細長い部品３のこの同じ端部で、ねじ３３に対して直径方向の反対側には、法線力センサ４の可動部分と接触する保持面３２がある。反対の場合を想定することももちろん明らかに可能であり、その場合に、法線力センサは細長い部品３に固定され、その可動部分は保持体２の対向面に保持される。
【００２４】
中空胴体６はプローブの摩擦要素となる。中空胴体６が解析する面を移動したことから発生したノイズを音響的に良好に伝達するのを保証するために、中空胴体は自由空気を包含し、共鳴箱として動作しなければならない。中空胴体はまた、測定する面を移動しているときに、法線力と摩擦力を伝達するのに十分な剛性もなければならない。カーボンファイバの類の材料は、そのような特性を示している。例えば、ピンポン玉は、本発明によるプローブ用の優れた摩擦要素となる。
【００２５】
図５ａおよび図５ｂはそれぞれ、本発明によるプローブの第２および第３の実施形態を示している。中空胴体６は、図１の球状の形状とは異なる形状を有している。図１では、中空胴体６は、実質的に長方形形状の平坦な上方部分６ａを有し、その中央で（図５ａには示していない）細長い部品３に固定されている。中空胴体の下方部分６ｂは、円筒の一部分で形成されている。したがって、中空胴体６は、円筒をその軸に対して平行な平面で切断した、円筒の一部分をなす形状を有する。中空胴体の丸い部分は、解析する面と接触させるように意図されている。このタイプの中空胴体の場合、プローブは、円筒の一部分６ｂの軸に対してほぼ垂直な方向に移動される。中空胴体と解析する面の間で接触する場合の接触面は、後者の軸に対してほぼ平行な円筒の一部分上の面となる。
【００２６】
図５ｂに示す中空胴体は、ほぼ平行６面体形状をなし、上方面６ａは、図５ａのものと同じ形状をなし、中空胴体は下方部分６ｂによって閉じられて、下方面６ｂが上方面６ａに対してほぼ平行である平行６面体を形成する。この中空胴体では、解析する面との接触面積が大きくなる。
【００２７】
マイクロフォンは、細長い形状をした、一般的な市販のマイクロフォンである。このマイクロフォンは、良好な音響性能を有していなければならない。マイクロフォンは、本発明によるプローブの音響的な第１の検出要素となる。
【００２８】
法線力センサは、ゼロから数ニュートンまでの力を検出することができ、静的測定と動的測定を行うことができる小型の力センサである。別の実施形態では、上記から分かるように、特に中空胴体が採用することができる様々な形状を考慮して、有利なことに法線力センサ４を圧力センサと置き換えることができる。後者は、測定面によって中空胴体６に作用された法線圧力を中空胴体の形状と無関係に測定できるという利点を有する。圧力センサは、上記で説明した法線力センサと同様の態様で取り付けられる。
【００２９】
歪みゲージは、静的なおよびほとんど静的な摩擦力を測定するのを可能にし、一方、加速度計は、この同様な力の動的成分を得るのを可能にする。
【００３０】
法線力センサと摩擦力センサは、機械的な第２の検出要素を構成する。細長い部品３は、図１ａおよび図１ｂの中空胴体が受ける力を機械的な第２の検出要素に伝達する。
【００３１】
本発明によるプローブは、測定面に加えた処理が摩擦音響特性に及ぼす影響の測定に特に適用可能である。例えば美容術では、プローブは、何も塗布しないで皮膚の試験領域で記録した摩擦音響特性を、保湿物質を塗布した後に、ある時間間隔で継続的に、この同じ領域で記録した摩擦音響特性と比較することで、皮膚上の保湿物質の効果を定量化できるようにする。例えば、髪に及ぼすシャンプーの効果を定量化することに対して同様の適用を想定することができる。
【００３２】
図４は、面２０の手触りを特性化するために使用中のプローブと電子計算ユニットの全体図を示している。（図４には示していない）操作者が、プローブ５０の摩擦要素６を、調査する面２０の測定領域と接触させており、前記面上を線６０に沿って方向７０で直線摩擦走査を行っている。レーザダイオード９は、面２０上に見ることができる直線セグメントを追跡することによって、操作者が線６０と移動方向７０を容易にたどることができるようにする。レーザダイオード９はまた、線６０に沿って連続して通過中に、操作者によってたどる基準マークによってプローブを線６０上に再配置するのも可能にする。
【００３３】
別の実施例では、解析する面を移動する速度を測定する装置をプローブに追加することができる。レーザダイオード９を光学カメラで補って、解析すべき面にわたってプローブの移動速度を測定する測定装置とすることもできる。この技術は、光学マウスによって公知である。そのような光学マウスは、米国特許第４３６４０３５号および第４３９０８７３号に記載されている。別の光学マウスは、リチャードＦ・ライアンによる論文「高性能デジタルセンサ用の光学マウスおよびアーキテクチャ方法論」ＶＬＳＩ−８１−１、１９８１年８月号で詳細に説明されている。この速度測定により、プローブの移動速度を制御することが可能になり、それにより、計器の良好な校正を保証する。操作者がプローブの移動速度を制御することもできる。測定が使用者によって左右されないようにするために、移動速度に応じて測定値を修正することを想定することもできる。
【００３４】
一方でマイクロフォンによって記録され、他方で法線力センサと摩擦力センサによって記録された（さらに、速度測定装置がある場合には、それを用いて充当した）すべてのデータは、電気伝送ワイヤ１２によって電子計算ユニット３０に送られる。次いで、得られたデータは、複雑な計算アルゴリズムによって処理され、そのアルゴリズムにより、調査を受ける面の音響的および摩擦学的特性を定量化するための単純なパラメータを得ることができる。電子計算ユニット３０はまた、読み取りデータの振幅に関連した、音の種類についての品質情報を伝えることもできるので、操作者は、計算結果を主観的評価と組み合わせることができる。
【００３５】
音響信号の処理に関しては言えば、ノイズは、操作者による線６０に沿った直線摩擦走査中に、中空胴体の共鳴性能によって増幅され、音響信号を表す電気信号に変換するために、（図４では図示しない）マイクロフォンの振動板の裏に取り付けた前置増幅器によって取り込まれる。電気伝送ワイヤ１２は、こうして取り込まれた電気信号を電子計算ユニット３０に送る。
【００３６】
図４に示す音響情報は、例えば、一方でフーリエ変換によって処理することができ、また、連続する小波形への分解によって処理することができる。フーリエ変換により、音響信号の基本スペクトルパワー密度を計算することが可能になる。また、フーリエ変換により、プローブの摩擦要素と解析する面の間の境界に関係する多数の物理的および生理学上の現象を考慮に入れることも可能になる。さらに、フーリエ変換により、変換して求めたスペクトルからデシベルでの平均音響レベルを得ることも可能であり、これは２つの利点、すなわち、測定を一般に認められた尺度にするという利点と、摩擦要素が解析する面にわたってこすられているときに散乱したエネルギを表すという利点とを有する。連続する小波形解析はそれ自体、音響信号が「時間−周波数」に基づいて表されるのを可能にする。
【００３７】
音響信号から計算したこれら様々なパラメータにより、例えば、皮膚や髪などの表面に活性成分を付加したことの生体への効果（保持力、生物学的利用能など）を定量化し、認定することができるようになる。音響レベルの低下は、例えば、図４のグラフ４０で示すように検出することができ、そのレベルは、修復クリームを肌に塗った後で読み込まれる。
【００３８】
法線力（または法線圧力）センサと摩擦センサで収集した情報の処理に関して、読み込んだ電気信号は、電気伝送ワイヤ１２によって電子計算ユニット３０に送られる。次いで、これらの信号は、例えば、移動に関連した摩擦係数の変化を計算するために、ソフトウエアによって法線力と接線力に変換することができる。法線力あるいは法線圧力を読み取ることによって、解析する面を通過中に、加える法線力が実質的に同じになることを保証するように種々の走査を制御することが可能になる。解析線６０に沿って走査することで、時間の関数としての摩擦曲線、つまり、図４に示すｆ（ｔ）４１を得ることができる。その曲線は、アルゴリズムによって３つの部分に分解することができる。最初のものは、単に付着しているだけであり、プローブの摩擦要素は、材料を剪断する応力を作用させ、スライドを開始する。２番目のものはある種の緩和状態であり、移動が開始され、表面力による把持から摩擦要素を解放する。最終的に、最後のものは、プローブがわずかな摩擦で面を移動し始める動的段階である。これら曲線部分のそれぞれは、機械的パラメータによって特性化することができ、そのパラメータとは、スティフネス（起点での傾き）と静摩擦係数および動摩擦係数である。この解析例では限定していない。
【００３９】
上記のように、力の測定は、プローブが解析する面を走査する速度によって影響されることがある。速度測定装置によって測定されたこのパラメータは、走査速度とは実質的に無関係であり、したがって、使用者に左右されない触感解析値を決定するために考慮に入れることができる。
【００４０】
実例を挙げるならば、髪の摩擦係数に対するシャンプーの影響は、髪が洗われた回数に応じて測定されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１ａ】本発明によるプローブの一つの実施形態の全体図である。
【図１ｂ】図１ａのプローブの平面図である。
【図２】図１ａのプローブをＩＩ−ＩＩから見た断面図である。
【図３】図１ａ、図１ｂ、および図２のプローブにおいて力を伝達するように意図された細長い部品の図である。
【図４】面を測定中の図１のプローブと電子計算ユニットの全体図である。
【図５ａ】第２の実施形態におけるプローブの図である。
【図５ｂ】第３の実施形態におけるプローブの図である。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
2007526473.tif 000009
【国際調査報告】
2007526473.tif 000010
2007526473.tif 000011
2007526473.tif 000012
2007526473.tif 000013
2007526473.tif 000014
2007526473.tif 000015