(57)【要約】【課題】骨伝導の仕組みを利用し、咀嚼音の空間的な広がりを解析することにより食感を定量化する。【解決手段】骨伝導による食品の破砕の振動を測定し、破砕の位置から食感を定量化する食感測定装置であって、歯に相当する複数の薄板１２３と、その両側方に接続された２つのセンサ１２２ａ，１２２ｂとを有する顎骨に相当する第１の支持材２０１と、複数の薄板１２３と基台１０１との間で食品を挟持して破砕するために、第１の支持材２０１を移動する駆動手段１０４，１０５，１２１と、センサ１２２ａ，１２２ｂにより破砕の振動を電気信号に変換して取得する取得手段１０６，１０７と、電気信号の時間差と減衰による相対振幅差とから、破砕の位置と定位の程度を表す指標とを求める算出手段１０３とを備えた。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
骨伝導による食品の破砕の振動を測定し、破砕の位置または空間的広がりから食感を定量化する食感測定方法であって、
顎骨に相当するの第１の支持材に接続された歯に相当する複数の薄板と基台との間で食品を挟持して破砕する破砕ステップと、
前記複数の薄板の両側方の前記第１の支持材に接続された２つのセンサにより、破砕の振動を電気信号に変換して取得する取得ステップと、
前記２つのセンサからの前記電気信号の時間差と減衰による相対振幅差とから、破砕の位置と定位の程度を表す指標とを求める定位算出ステップと
を備えたことを特徴とする食感測定方法。
【請求項２】
前記指標の平均値と前記時間差の微分分散と前記相対振幅差のパワーの平均周波数と前記電気信号の平均周波数とを求める特徴量算出ステップと、
該特徴量算出ステップで求めた各特徴量毎の平均を算出して規格化し、共分散行列から固有ベクトルを求めて主成分方向のベクトルを求める主成分分析ステップと
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の食感測定方法。
【請求項３】
骨伝導による食品の破砕の振動を測定し、破砕の位置または空間的広がりから食感を定量化する食感測定装置であって、
歯に相当する複数の薄板と、該複数の薄板の両側方に接続された２つのセンサとを有する顎骨に相当する第１の支持材と、
前記複数の薄板と基台との間で食品を挟持して破砕するために、前記第１の支持材を移動する駆動手段と、
前記２つのセンサにより、破砕の振動を電気信号に変換して取得する取得手段と、
前記２つのセンサからの前記電気信号の時間差と減衰による相対振幅差とから、破砕の位置と定位の程度を表す指標とを求める算出手段と
を備えたことを特徴とする食感測定装置。
【請求項４】
前記算出手段は、前記指標の平均値と前記時間差の微分分散と前記相対振幅差のパワーの平均周波数と前記電気信号の平均周波数とからなる特徴量を求め、該特徴量毎の平均を算出して規格化し、共分散行列から固有ベクトルを求めて主成分方向のベクトルを求めることを特徴とする請求項３に記載の食感測定装置。
【請求項５】
前記複数の薄板は、歯茎に相当するゴム製のシートを介して、前記第１の支持材に接続されていることを特徴とする請求項３または４に記載の食感測定装置。
【請求項６】
前記駆動手段は、緩衝材を介して前記第１の支持材に接続された第２の支持材を含み、該第２の支持材を移動して前記食品を破砕することを特徴とする請求項３、４または５に記載の食感測定装置。
【請求項７】
前記第１の支持材と前記第２の支持材とを接続する衝撃吸収材をさらに備えたことを特徴とする請求項６に記載の食感測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、食感測定方法およびその装置に関し、より詳細には、食品の咀嚼時のサクサク感などの食感を定量化するための食感測定方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
食品を咀嚼した時の食感は、その食品に対する好悪を決定する重要な要素である。また、食感は、食品の材料、品質、鮮度などを評価する尺度となることから、食感を定量的に把握することも重要である。例えば、天ぷら、コロッケなどの揚げ物、ポテトチップなどの乾燥スナック菓子などの食品は、咀嚼時のサクサク感が重要な要素である。
【０００３】
従来、サクサク感のような食感は、多数の被験者による官能評価が中心であった。このような主観評価は、時間と手間がかかる上に、天候や被験者の健康状態などにより結果が左右されるという問題があった。そこで、咀嚼時の咀嚼音、顎の振動を測定したり、食品を破砕したときの圧力変化などを測定して、サクサク感を定量化する方法が知られている。
【０００４】
例えば、Ｚ．Ｍ．Ｖｉｃｋｅｒｓ，“Ｓｅｎｓｏｒｙ，　Ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ，　ａｎｄ　Ｆｏｒｃｅ−Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　Ｐｏｔａｔｏ　Ｃｈｉｐ　Ｃｒｉｓｐｎｅｓｓ”　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｆｏｏｄ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，　Ｖｏｌ．５２，　Ｎｏ．１，　ｐｐ．１３８−１４０，　１９８７には、食品を破砕したときの音を収録し、その周波数分布やピークの数などにより食感を評価する方法が記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の評価方法は、食品の破砕音の時間軸での解析のみであり、空間的な解析がなされていなかった。人間は、両耳によって音を知覚し、定位感、広がり感などの空間的知覚が重要な役割を果たしていることが知られている。従来の評価方法では、このような空間的知覚の相違に基づいて食感を把握することができないという問題があった。
【０００６】
また、人間が口腔内で食品を破砕したときの咀嚼音は、口から耳へと空気伝播する成分と、骨伝導による成分とが考えられる。骨伝導では、食品の微小な振動も歯から耳へと伝導することから、食感に大きく関与していることが知られている。しかしながら、従来の評価方法では、骨伝導音を考慮した食感の評価ができないという問題もあった。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、骨伝導の仕組みを利用し、咀嚼音の空間的な解析を行うことによる食感測定方法およびその装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、骨伝導による食品の破砕の振動を測定し、破砕の位置または空間的広がりから食感を定量化する食感測定方法であって、顎骨に相当するの第１の支持材に接続された歯に相当する複数の薄板と基台との間で食品を挟持して破砕する破砕ステップと、前記複数の薄板の両側方の前記第１の支持材に接続された２つのセンサにより、破砕の振動を電気信号に変換して取得する取得ステップと、前記２つのセンサからの前記電気信号の時間差と減衰による相対振幅差とから、破砕の位置と定位の程度を表す指標とを求める定位算出ステップとを備えたことを特徴とする。
【０００９】
この方法によれば、歯に相当する複数の薄板と顎骨に相当するの第１の支持材と、２つのセンサとにより、骨伝導による食品の破砕の振動を測定し、破砕の位置と定位の程度を表す指標とを求めることにより、咀嚼音の空間的広がりを測定することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の食感測定方法において、前記指標の平均値と前記時間差の微分分散と前記相対振幅差のパワーの平均周波数と前記電気信号の平均周波数とを求める特徴量算出ステップと、該特徴量算出ステップで求めた各特徴量毎の平均を算出して規格化し、共分散行列から固有ベクトルを求めて主成分方向のベクトルを求める主成分分析ステップとを備えたことを特徴とする。
【００１１】
この方法によれば、咀嚼音の空間的広がりを各特徴量から定量化するので、定位感に基づいた食感特性により、食品毎の食感の相違を定量化することができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、骨伝導による食品の破砕の振動を測定し、破砕の位置から食感を定量化する食感測定装置であって、歯に相当する複数の薄板と、該複数の薄板の両側方に接続された２つのセンサとを有する顎骨に相当する第１の支持材と、前記複数の薄板と基台との間で食品を挟持して破砕するために、前記第１の支持材を移動する駆動手段と、前記２つのセンサにより、破砕の振動を電気信号に変換して取得する取得手段と、前記２つのセンサからの前記電気信号の時間差と減衰による相対振幅差とから、破砕の位置と定位の程度を表す指標とを求める算出手段とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の前記算出手段は、前記指標の平均値と前記時間差の微分分散と前記相対振幅差のパワーの平均周波数と前記電気信号の平均周波数とからなる特徴量を求め、該特徴量毎の平均を算出して規格化し、共分散行列から固有ベクトルを求めて主成分方向のベクトルを求めることを特徴とする。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項３または４に記載の前記複数の薄板は、歯茎に相当するゴム製のシートを介して、前記第１の支持材に接続されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、請求項３、４または５に記載の前記駆動手段は、緩衝材を介して前記第１の支持材に接続された第２の支持材を含み、該第２の支持材を移動して前記食品を破砕することを特徴とする。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の食感測定装置において、前記第１の支持材と前記第２の支持材とを接続する衝撃吸収材をさらに備えたことを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本発明は、骨伝導の仕組みを利用して咀嚼音を取得し、咀嚼音の空間的広がり、すなわち定位感に基づいて、サクサク感などの食感を定量化する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態にかかる食感測定装置を示した構成図である。食感測定装置は、センサ部と制御部とから構成されている。センサ部は、基台１０１と測定部１０２とから構成され、基台１０１に載せられた食品を、基台１０１と測定部１０２とにより破砕して測定を行う。測定部１０２は、人の上顎に相当し、駆動機構１２１により上下動する。詳細は、図２を参照して後述する。
【００１９】
制御部は、センサ部の制御と測定結果の解析を行う汎用コンピュータ１０３を有する。汎用コンピュータ１０３は、測定部１０２の駆動機構１２１を制御するためのコントローラボード１０４およびモータドライバ１０５と、測定部１０２のセンサ１２２ａ，１２２ｂからの信号を受信するためのアンプ１０６およびＡＤ変換ボード１０７とに接続されている。
【００２０】
図２は、本発明の一実施形態にかかる食感測定装置の測定部を示した構成図である。測定部１０２は、顎骨に相当するアクリル製の第１の支持材２０１を有し、第１の支持材２０１に歯に相当するアクリル製の複数の薄板１２３と、その両側にセンサ１２２ａ，１２２ｂとが接続されている。また、測定部１０２の駆動機構１２１に接続されたアルミ製の第２の支持材２０２が、シリコンゴム製の緩衝材２０３ａ，２０３ｂを介して第１の支持材２０１に接続されている。さらに、第１の支持材２０１と第２の支持材２０２とは、緩衝材２０３ａ，２０３ｂとともに、骨伝導音の反射を防ぐための衝撃吸収材２０４ａ，２０４ｂにより接続されている。
【００２１】
食品を破砕するときの１つの衝撃に対して、１つの鋭いインパルスを測定できることが望ましく、本実施形態では、歯に相当する薄板１２３と顎骨に相当する第１の支持材２０１とは、アクリル製である。薄板１２３は、１ｍｍ厚のアクリル板で、幅５ｍｍ、高さ１５ｍｍのものを、１ｍｍ間隔で８本設置する。薄板１２３と第１の支持材２０１とは、破砕の振動を伝えやすいように、歯茎に相当するゴム製のシート１２４により接続されている。また、センサ１２２ａ，１２２ｂは、ＡＥ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）センサを使用し、破砕の振動を電圧信号に変換する。
【００２２】
このような構成により、駆動機構１２１により測定部１０２を下方に駆動して、基台１０１に載せられた食品を、歯に相当する薄板１２３と基台１０１とにより破砕する。破砕の振動は、骨伝導と同様にして、歯茎に相当するシート１２４と顎骨に相当する第１の支持材２０１とを伝達して、センサ１２２ａ，１２２ｂを通過し、緩衝材２０３ａ，２０３ｂと衝撃吸収材２０４ａ，２０４ｂとにより吸収される。破砕の振動は、センサ１２２ａ，１２２ｂにより電圧信号に変換されて、アンプ１０６で増幅される。増幅された電圧信号は、ＡＤ変換ボード１０７において、サンプリング周波数６２．５ｋＨｚでデジタル信号に変換され、測定データとして汎用コンピュータ１０３に格納される。
【００２３】
左右２つのセンサ１２２ａ，１２２ｂにより測定された電圧信号波形は、時間差τ、減衰による相対振幅差ξとすると、
【００２４】
【数１】
2004012242.tif 000003
【００２５】
となり、この１次近似は、
【００２６】
【数２】
2004012242.tif 000004
【００２７】
となる。ここで第２項は、ｆ（ｔ）の時間微分を表す。左右の電圧信号波形の和信号ｆ＋（ｔ）と差信号ｆ−（ｔ）とは、
【００２８】
【数３】
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【００２９】
と表されるので、
【００３０】
【数４】
2004012242.tif 000006
【００３１】
左右の電圧信号波形の差信号ｆ−（ｔ）は、和信号ｆ＋（ｔ）とその微分の荷重和に分解され、時間差τと相対振幅差ξの最適推定値は、最小二乗法により、
【００３２】
【数５】
2004012242.tif 000007
【００３３】
を最小にする値である。歯に相当する複数の薄板１２３のうち、１箇所で破砕がおきた場合には、最適なτ、ξを選ぶことによってＪ＝０となる。
【００３４】
しかし、歯に相当する複数の薄板１２３で同時に破砕がおきた場合には、電圧信号が様々な位置からの信号の重ね合わせで表され、式（７）では近似することができず、式（８）は、Ｊ＝Ｊｒｅｓという値をとる。
【００３５】
【数６】
2004012242.tif 000008
【００３６】
このＪｒｅｓをｆ−（ｔ）のパワーで正規化したものを、
【００３７】
【数７】
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【００３８】
と定義する。Ｑ１は、定位の程度を表す指標であり、咀嚼音の空間的広がり、すなわち定位感を定量化したものである。Ｑ１は、０に近いほど定位しやすく、１に近いほど定位しにくい波形であることを示す。
【００３９】
図３は、本発明の一実施形態にかかる食感測定方法を示すフローチャートである。汎用コンピュータ１０３は、コントローラボード１０４およびモータドライバ１０５を介して駆動機構１２１を制御し、測定部１０２を下方に駆動して、食品を破砕する（Ｓ１１）。本実施形態では、咀嚼速度を５ｃｍ／ｓとしている。センサ１２２ａ，１２２ｂからの電圧信号を、サンプリング周波数６２．５ｋＨｚでデジタル信号に変換し、測定時間０．５秒ごとの測定データにして汎用コンピュータ１０３に格納する（Ｓ１２）。式（８）により、時間軸上の微小区間ごとに破砕の位置を求め、式（１０）によりＱ１を算出する（Ｓ１３）。
【００４０】
図４は、食感測定装置により測定したクラコット（三笠フーズ株式会社製）の測定結果の画面を示す図である。画面３００は、縦軸に振幅、横軸に時間とする左センサの信号波形３０１および右センサの信号波形３０２と、微小区間ごとに定位を求めた定位結果３０３と、縦軸にｆ−（ｔ）のパワー、横軸をＱ１とする分布図３０４とを備えている。
【００４１】
分布図３０４の分布傾向から、以下の４つの特徴量を計算して（Ｓ１４）、食品の食感のグループ分けを行う。
【００４２】
【数８】
2004012242.tif 000010
【００４３】
式（１１）は、Ｑ１の平均値３０５であり、定位の程度を表す指標である。この値が小さいほど定位しやすいことを示す。式（１２）は、時間差τの微分分散３０６であり、破砕の空間的なばらつきを示す。破砕が広範囲でおこると、この値が大きくなる。式（１３）は、パワーの平均周波数３０７であり、破砕が時間的に短いほど周波数が高くなる。式（１４）は、電圧信号の平均周波数３０８であり、全体の破砕音の高さを示している。
【００４４】
本実施形態では、測定した電圧信号を、中心周波数４００，８００，１２００，１６００Ｈｚ、各帯域幅４００Ｈｚの４つのバンドに分解し、各バンドごとに式（１１）〜（１３）の特徴量を算出する。式（１４）は、バンドを分解せずに全体から算出する。
【００４５】
次に、定位感と食感との相関に関与する主成分の分析を行う（Ｓ１５）。食品ごとに、各バンドごとの式（１１）〜（１３）の特徴量と、式（１４）の特徴量とにより、合計１３個の特徴量を算出する。食品数×測定回数×特徴量の要素の行列を得て、各々の特徴毎に、全要素の平均と分散とを用いて、平均０、分散１となるように規格化し、共分散行列から固有ベクトルを求めて主成分方向のベクトルを得る。得られた結果から、寄与率の高い２つの主成分ＰＣ１，ＰＣ２により表す。
【００４６】
図５は、食感測定装置により測定した複数の食品の測定結果の画面を示す図である。画面４００は、一例として、クラコット、リンゴ、ポテトチップス（カルビー株式会社製）、ポッキー（江崎グリコ株式会社、登録商標）の４つの食品について測定を行った結果を示す画面である。横軸のＰＣ１は、Ｑ１の平均値が小さいと大きな値となる、すなわち定位しやすい食品ほど大きな値となる。縦軸のＰＣ２は、時間差τの微分分散が小さいと大きな値となる、すなわち、破砕が広範囲でおこる食品ほど小さな値となる。
【００４７】
「ポキポキ」といった食感で表されるポッキーは、定位しやすく、「シャリシャリ」といった食感で表されるリンゴは、定位しにくいことがわかる。また、「サクサク」といった食感で表されるクラコット、および「パリパリ」といった食感で表されるポテトチップスは、口腔内の様々な部位で時間的に独立して破砕が起こるので、ＰＣ２が小さい。
【００４８】
本実施形態によれば、骨伝導の仕組みを模倣したセンサ部により取得した咀嚼音の空間的広がりを測定することができる。空気伝播音を測定するよりも微小な振動を得ることができ、また、緩衝材と衝撃吸収材とにより振動伝達経路と駆動系とが非接触であることから、駆動系のノイズの影響を軽減できるので、同一の条件で精度のよい測定を行うことができる。
【００４９】
また、本実施形態によれば、咀嚼音の空間的広がり、すなわち定位感を、複数の特徴量から定量化することができる。例えば、図５に示した主成分分析の結果のように、定位感に基づいた食感特性により、食品毎の食感の相違を定量化するとができ、食品開発における嗜好の評価、品質の評価などに適用することができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、骨伝導の仕組みを模倣したセンサ部により咀嚼音を取得して、咀嚼音の空間的な広がりを解析することにより食感を定量化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる食感測定装置を示す構成図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる食感測定装置の測定部を示す構成図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかる食感測定方法を示すフローチャートである。
【図４】食感測定装置により測定したクラコットの測定結果の画面を示す図である。
【図５】食感測定装置により測定した複数の食品の測定結果の画面を示す図である。
【符号の説明】
１０１　　基台
１０２　　測定部
１０３　　汎用コンピュータ
１０４　　コントローラボード
１０５　　モータドライバ
１０６　　アンプ
１０７　　ＡＤ変換ボード
１２１　　駆動機構
１２２ａ，１２２ｂ　　センサ
１２３　　薄板
１２４　　シート
２０１　　第１の支持材
２０２　　第２の支持材
２０３ａ，２０３ｂ　　緩衝材
２０４ａ，２０４ｂ　　衝撃吸収材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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