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歯根膜内の受容器特性にもとづく食感センサと 3 次元咀嚼運動機構による食感計測に関する研究＜平成 24 年度助成＞

歯根膜内の受容器特性にもとづく食感センサと3 次元咀嚼運動機構による食感計測に関する研究
中（ 神戸大学緒本裕之大学院システム情報学研究科 ）よって 1 次元計測の市販機器に対して高い独自性言を有することができる。他 1 点は、精密な軌道を食物を咀嚼し摂取することは、我々ヒトにおい生成する 3 次元駆動システムを製作し、その駆動て生命・健康の維持に必要不可欠な行為であり、そシステムによって食感センサの位置や姿勢を変化の過程で我々は主に 3 つの刺激を知覚している。

させる 3 次元咀嚼運動を実現する。3 次元変位のそのうち 2 つは食物の風味として重要な要素であ計測の可能な食感センサと 3 次元運動の可能な駆る味と香りであり、それぞれ味覚と嗅覚で知覚さ動系の融合により、咀嚼に近い状態で食感の計測れる。他 1 つは歯と食物間に発生する物理的関係が可能なシステムを実現する。

である食感である。パリパリやシコシコなど食感の表現は無数に存在し、味と香りに劣らず食物にヒトの歯の構造対する食感評価の重要性は高い。この食感評価のヒトの歯の構造を図 1 に示す。歯は表面からエ手段として、測定機器を用いた食感の定量化は被ナメル質、象牙質、歯髄の 3 層構造である。エナ験者実験に比べて厳密な比較検討が可能となる。

メル質は、歯冠部（歯の頭の部分）をおおう人体

しかし、測定機器による測定方法は 1 軸方向からの中で最も硬い組織であり、いったん崩壊してし食品を押すことでその反力を測定するが、ヒトがまうと再生能力がないため自然治癒ができない。

食感を感知するとき歯は歯根膜によって 3 軸方向

したがって、加齢とともにすり減る傾向がある。に変位していることから、機器による測定でも定象牙質は、エナメル質の下の層にある組織であり、量化が十分であるとは言えない。先行研究では、エナメル質より柔らかく刺激が加わると痛みを感食感を咀嚼時の音響解析や、食品の構成物質をスじる。エナメル質と違い、象牙質は歯髄側では僅1, 2）。しかに再生能力があり、歯髄を保護するように働く。

かしながら、いずれもヒトが食感を圧力で感じて歯髄には、神経線維のほか小動脈及び小静脈の毛いると仮定しているのに対して歯の構造を測定機細血管やリンパ管を含んでおり、痛覚をもつ。

ペクトル解析によって評価するものがある

器の検出部に反映させた食感評価方法の研究は十分になされていない。

歯周組織には、セメント質、歯槽骨、歯根膜がある。セメント質は、歯根の周りを覆うように取そこで本研究では、食感センサ及び咀嚼運動のり囲んでいる柔らかい組織である。セメント芽細両者を改善した新たな食感計測システムの開発を胞により生成され、歯根膜と呼ばれる結合組織を目的とする。このシステムの特徴は大きく 2 点かつなぎとめる役割をする。歯槽骨は、歯根を支えらなる。1 点は、食物と歯の間に発生する 3 次元ている骨であり、この歯槽骨が吸収し（溶け）減の力と歯に生じる微小 3 次元変位を計測可能な少する病気が歯周病である。

新たな食感センサを開発する点であり、この点に歯根膜は、歯と歯槽骨の間にある厚さ 0.2 ～96

浦上財団研究報告書

0.3 mm ほどの薄い膜で、歯と歯の周囲の骨を結びつけ、歯を支えるコラーゲン線維の堅固で弾力性に富む結合組織である。歯周靭帯とも呼ばれる。

Vol.22（2015）

食感センサ
1）原理

歯根膜には歯を歯槽骨に固定する役割と、負荷がヒトは物を噛んだ圧力を歯が動揺することで感かかった際の衝撃を和らげる働きがある。一方が知している。歯は、歯と歯槽骨の間にある歯根膜セメント質、他方が歯槽骨に埋め込まれている。

が伸縮することで変位する。歯が動揺する範囲は埋め込まれた末端部分はシャーピー線維と呼ばれ前節で述べた通り非常に小さいため、歯に相当する線維組織である。歯根膜は、歯根と歯槽骨をつるプランジャの変位のレンジは小さくする。また、なぎとめながらクッションのような働きをする他、歯根膜は歯根部位を覆うようになっているため歯感覚受容器としても働き、組織内に分布する豊富は 3 軸方向に変位する。このことから、3 次元でな知覚受容器によって、口腔内組織の働きを制御なおかつ限定的な変位のレンジを持つプランジャしている。いわゆる食感はこの歯根膜内の受容器を作成する必要がある。以下に食感センサとしてによって知覚されている3, 4）。

要求される条件を挙げる。

歯と歯周組織は以上のような構造と関係にある

・ 3 軸方向に変位することが、食感の検出部に当たるのは歯根と歯槽骨の間・ 歯根膜に相当する弾性体をもつことのクッションである歯根膜である。歯根膜は筋線・ 食品を押し込んでも破損の無い強度を有する

維と血管から成る器官で、筋線維内には多くの触圧神経が内包されており、圧力がかかると伸縮しヒトは圧力を知覚している。歯根膜の伸縮によって歯は 3 軸方向に変位していると考えられる。

こと・ 繰り返しの使用に耐えるよう弾性体内に配線をもたないこと
・ 3 軸方向の変位を測定できること

以上のことから、歯根膜に相当する柔軟な素これらの条件を満たすには、0 . 2 mm 程度の変位材を食感センサが有すること、またその柔軟性にの計測が可能であり、配線の不要な計測原理をよって生じた歯の変位を知覚していることが分か用いる必要がある。そこで本研究では磁石の発る。次節においてこれらのことを反映させた食感生する磁界強度を巨大磁気抵抗効果（GMR : Giantセンサを設計する。

Magnetoresistive effect）を利用した GMR 素子で計測することを計測原理として、高感度かつ無線Enamelとなるセンサの構成を設計した。
Dentine

図 2 に動作原理を示す。食感センサは、歯、歯Gum

槽骨、歯根膜に相当するそれぞれプランジャ、ベース、エラストマ層を有している。プランジャは磁Pulp chamber

Alveolar bone

石を内蔵する。このプランジャに食物が接触すると 3 軸の力が作用しプランジャが変位する。この変位は柔軟膜が非常に薄いことから 3 軸の並進と仮定する。ベースの下部には電子回路の基板が接着されており、その基板に GMR 素子とコイル素

Blood vessel
図1

Periodontal membrane
ヒトの歯の構造子であるインダクタの 2 種類の素子が配置されている。プランジャに力が作用してもベースは変位歯根膜内の受容器特性にもとづく食感センサと 3 次元咀嚼運動機構による食感計測に関する研究

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しないことから、プランジャとその内部に固定さ12 mm である。プランジャの内部には厚さ 1 mm、れた磁石の変位によって GMR 素子とインダクタ直径 6 mm の円柱磁石が固定されている。歯根膜が受ける磁石の発生する磁界強度が変化する。こに相当するエラストマ層はウレタン を充填、固化の変化にもとづいてプランジャの変位を算出し振して製作され、その厚さは 3 mm、アスカー C 硬動を検出することで食感センサの出力とする。

度は 15 である。ベースの直径は 26 mm の円形でForceElastomer612あり、中央にプランジャを受けるための円錐台をContactor
Magnetic field strength

るため、プランジャのサイズはヒトの臼歯の 2 倍程度とした。

Base13Tooth parts
position
GMR element
図22）設

くりぬいた形状のくぼみがある。製作を容易にす

20inductor20

食感センサの構造と原理

10計

食感センサの計測原理は、磁界強度の変化からInductor

プランジャの 3 軸の変位を算出することである。
したがって、磁界強度の変化に対して方向の異Connectorなる軸の計測が必要である。3 軸の情報を復元す

図3るのであれば、3 つの GMR 素子があれば良いと考えられるが、変位の方向によって感度や精度にGMR3）製食感センサ基板上の部品配置

作偏りが生じることを防ぐため、4 つの GMR 素子を食感センサの部品の中で硬度が必要なのはプラ回路基板上で円状に配置することとした。同様にンジャとベースである。これらは図 2 で示したサインダクタも 4 つを配置した。その配置図を図 3

イズと形状であるが、本研究では 3 次元造形機をに示す。図 3 はプランジャとベースのある面と反用いて ABS 樹脂の積層整形により製作した。プ対の回路基板の面を示す。半径 10 mm の円に内ランジャは歯冠部分と歯根部分の 2 つに分けて製接する位置に GMR 素子とインダクタを配置し、作し、中に磁石を入れて接着し固定させた。次に、GMR 素子は円の半径方向に感度軸をもちその方ベースのくぼみの中心とプランジャの中心を合せ向の磁界強度を計測する。インダクタは方向性をた後、両者の隙間にウレタンを流し込み固化させ持たず、磁界強度の変化の大きさに対して出力をた。ウレタンが固化した後、プランジャとベース変化させる。これら素子は樹脂等のモールドによの位置合わせに使用する部分をプランジャから切る防水が可能なため、水分のあるような食物の計断し、ベースの底面を電子基板に固定することで測も可能である。回路基板の大きさは 40 mm 角

食感センサを製作した。製作したセンサを図 4 にであるが、コネクタを介してすべての素子の出力示す。図 4 の白い部分がプランジャとベース、エを取り出すため一方が 55 mm の長さをもつ。図 2

ラストマ層であり、その下に回路基板がある。回で示したように、プランジャは円錐台を逆にし路基板の片端にはプラグのコネクタがある。

た形状をしており、食物と接触する面の直径は

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浦上財団研究報告書

柔軟層（歯根膜） 3軸に変位する接触子（臼歯）固定部（歯槽骨）Vol.22（2015）ており、C d xj , C d yj , C d zj（ j = 1,⋯, 9 ）は校正行列
C の要素を表す。また、Δx , Δy , Δz は 3 軸方向の変位を表す。校正行列 C の各要素は既知の出力電圧と変位の組み合わせを用いて最小二乗法による重回帰分析で決定する。一度校正行列を決定することで計測時は単純な計算で変位を算出することが可能であり、リアルタイムに食感センサの出力を確認する用途にも対応が可能である。

図4

食感センサ4）計測システム

ΔxΔy ＝CVΔz11/v 1 21/v 1

食感センサの計測システムは、図 4 で示した食Cdx1 … Cdx9＝ Cdy1 … Cdy9Cdz1 … Cdz 9 1/ 2v41/v 4感センサと各素子の出力を増幅するための回路、…

増幅した電圧を計測するための AD 変換ボード（CONTEC 社製、AIO-161601UE3 - PE）とコンピュータから成る。GMR 素子の出力は差動電圧であり、数十 mV の大きさがあるため、32 倍の（1）6）基礎評価増幅率で増幅し AD 変換ボードへと入力する。イ

変位の計測の基礎評価を行った。校正した食感ンダクタは一端をグランドに接続し、他端を増幅

センサを次節で述べる 3 次元駆動システムに固定回路の入力端に接続する。インダクタの出力は微し次に示す範囲の変位を 0.5 mm 刻みで与えた。

小であるため増幅率は 10000 倍とした。これら増− 1.0 ≤ x, y ≤ 1.0

幅回路は、計装アンプを使用し 8 個の素子の同時− 1.0 ≤ z ≤ − 0.5増幅が可能なよう独自の回路基板を製作した。ま与 え た 変 位 は、5 × 5 × 2 ＝ 50 通 り と な る。

た、各素子の出力は AD 変換ボードの入力まではz = − 1 における xy 平面上の結果を図 5、xz 平面

特に遅れなく増幅・伝達されるため、サンプリンの結果を図 6 に示す。

グ周波数は AD 変換ボードの機能に依存する。本

この評価における変位の最大誤差は 0.22 mm

研究では 10 kHz の周波数までの計測が可能であで、 変 位 の レンジ の 2 mm の 10 % 程 度 で あ る。

ることを予備実験により確認した。

xy 平面上と xz 平面上ともに、原点付近の位置の誤差に比べ原点から距離が大きくなるにつれて誤

5）校正差が大きく精度が低い傾向にあることが分かる。

食感センサの 4 個の GMR 素子の出力電圧からこの傾向の原因としては、プランジャが変位だけ変位を算出する方法について述べる。これまで著でなく微小回転を生じたためと考えられる。ただ者らの研究において、磁石の微小変位は GMR 素し、食物を押し付ける実験においては、原点まわ子の出力の 2 乗に反比例することが明らかとなっりのあまり変位の小さなレンジを主に使用すると5）ている 。この特性にもとづいて式（1）のような考えられ、3 軸の± 0.5 mm の範囲内における最校正式を用いて 3 軸の変位を求める。式（1）の大誤差は 0.18 mm とレンジの 10%に収まっているv（i i = 1,⋯, 4）は各 GMR 素子の出力電圧を表しことから実用上は問題無いと考えられる。

歯根膜内の受容器特性にもとづく食感センサと 3 次元咀嚼運動機構による食感計測に関する研究99

3 次元駆動システム
3 軸の変位の計測の可能な食感センサを製作したが、駆動機構が 1 軸ではその有効性を活用することができない。そこで 3 軸方向の咀嚼運動を模擬することができる駆動機構を設計した。駆動機
構は大きな力を発生することができるパラレルリ
ンク機構 6）での事例があるが、生成できる運動の（a）z ＝− 0.5レンジが小さいため、本研究ではボールねじを用いたスライダ機構を採用した。ボールねじを用いることで高い剛性を、またアクチュエータにステッピングモータを用いることで高い精密さを実現する。2 軸方向に動作する XY スライダ（シグマ光機製、SGSP33 - 200（XY））に z 軸スライダ（シグマ光機製、SGSP33 - 200（Z））を組み合わせ、3 軸の駆動システムを構成した。その駆動システムを図 7に示す。図 7 では、接触子が下に向くように食感センサが固定されており、x 軸と y 軸のボールね（b）z ＝− 1.0
図5xy 平面上の計測した変位と目標値じがみえる。各軸の最大移動速度は 20 mm/sec であり、一般に食感の計測に用いられている計測機器の最大移動速度が 10 mm/sec であることと比較すると 2 倍の速度である 6）。また、繰り返し位
置決め精度は 0.01 mm 以下である。

（a）y ＝ 0.5

図7

実（b）y ＝ 1.0
図6x z 平面上の計測した変位と目標値

3次元駆動システム

験
食感センサと 3 次元駆動システムを用いて実験を行った。ただしここでは、食物からの反力が100

浦上財団研究報告書

Vol.22（2015）

3 軸方向に生じることを確認するため、3 次元駆3 軸方向に変位しそれを計測可能なこと、破断の動システムの 2 軸を固定し、押し込み方向（ z 軸）瞬間が計測可能なことが明らかとなった。

のみの動作をさせ破断実験を行った。試料として食感センサと 3 次元駆動システムを用いて凝集スナック菓子を用いて 7.5 mm/sec で食感センサ性の計測評価を行った。直径 15 mm の市販のウィを押し込んだ場合の 3 軸の変位とインダクタの出ンナーに対して、3 次元駆動システムで 3 mm の力を計測した。その結果を図 8 に示す。図 8 では

押し込みを 2 回繰り返したときの食感センサの

約 380 msec でインダクタの出力が一度大きくなっz 軸方向の変位を計測した。テクスチュロメータている。これは試料と食感センサが接触した瞬間を用いた凝集性の評価では歪みと応力のデータをを示している。その後、各軸の徐々に変位が大き用いて行うが、エラストマ層が弾性体であると仮くなり x 軸では正方向、y 軸では負の方向、に大定できる場合は変位と応力が比例すると考えられきくなっている。そして約 840 msec で各軸の変ることから、先の実験と同様に z 軸の変位を対象位の絶対値が小さくなるとともにインダクタの出とした。結果を図 9 に示す。図 9 の横軸が移動し力が再度大きくなっており、これは破断の瞬間をた z 軸の歪みを示しており 2 回目の歪みに対する示している。このようにスナック菓子の破断させ変位が 1 回目と比較して小さくなっていることがる際にエラストマ層の存在によってプランジャが分かる。一般にウィンナーのような食品はこのよ

図8スナック菓子を押しつぶした際の 3 軸変位とインダクタの出力電圧

図9ウインナーを 2 回、3 mm だけ押下した際の z 軸の変位

歯根膜内の受容器特性にもとづく食感センサと 3 次元咀嚼運動機構による食感計測に関する研究

101

うな凝集性を有しているとされており、この結果ると捉えることができる。このことは、食物を評から食感センサと駆動システムが凝集性を評価可価する際に一方向（垂直方向）からの押し込みだ能であることが明らかとなった。

けでは、ヒトが歯で知覚している応力が十分に評ヒトの咀嚼軌道価できていない可能性があることを示唆する。さらに咀嚼運動はあらかじめ決められた一定の軌道

3 次元駆動システムは x , y, z の 3 軸方向へ動作ではなく、口腔反射を受けながら軌道を調整してすることができるため、3 次元的な咀嚼運動を生いるとの報告もあるため 4 , 7 ）、フィードバック制成することが可能である。そこで本研究では 3 次御系を 3 次元駆動システムに組み込む必要がある。

元駆動システムによって咀嚼運動を生成することこれらのシステムへの反映は、今後の課題としてを目的として、ヒトの咀嚼軌道を計測した。被験研究を推進したい。

者にチューイングガムを咀嚼させ、そのときの鼻先と顎先の 3 次元座標をモーションキャプチャシ

結言ステム（ NaturalPoint 社製、OptiTrack ）で取得しヒトの歯の構造にもとづいて歯根膜に相当するた。2 周期分の鼻先に対する相対的な顎先の軌道

エラストマ層をもつ食感センサと 3 軸に動作が可を図 10 に示す。顔の正面に対して顎が上下する

能な 3 次元駆動システムを開発した。食物に対し方向を横の方向を lengthwise direction、それと直て垂直方向の押し付けと計測が主である市販の食角の横方向を lateral direction とした。顔の奥行感計測機器に対し、食感センサのプランジャはエ

き方向は変位量が小さいため本報告書では省略すラストマ層の動く範囲において 3 軸方向に変位し、る。顎が上下する方向には約 10 mm の変位があその変位によって食物から受ける力の方向や大きり、左右の方向には約 6 mm の変位となった。被さを推測することができる。食感センサの各軸の験者により顎が変位する方向が異なる場合がある

変位の精度は動作レンジの約 10 %であった。また、が、変位量としては上下方向が大きく、左右方向

3 次元駆動システムは市販の機器に対し 2 倍の速は上下に比べて小さい。顎の運動は周期的である度である 20 m/sec での動作が可能であり、ヒトが、ガムを咀嚼した場合は大きな円形の軌道ではの咀嚼の円軌道の再現も可能である。破断実験及なく、細長い楕円軌道あるいは直線的な軌道であび凝集性の評価実験により開発したセンサとシステムの有効性を検証した。
食感センサでは 3 軸の変位を計測可能であることを示したが、その有効性はまだ十分に示せていない。例えばこの食感センサでしか計測しえない食物を対象として実験を実施し提案するシステムの有効性を訴えたい。3 次元駆動システムの動作速度について、衣松らが報告している人の咀嚼速度が最大 100 mm/sec であることに対してはまだ8）不十分であるといえる 。この移動速度については今後研究を進める過程において必要に応じて改良したい。
図 10 ガム咀嚼時の顎の軌道（顔正面に対して横軸は顔の幅方向、縦軸は顔の長さ方向）

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謝

浦上財団研究報告書

辞本研究を行うにあたり、多大な研究助成を賜りました（公財）浦上食品・食文化振興財団、ならびに関係の皆様に厚く御礼申し上げます。
文献1) 安 藤 繁, 理 解 と 工 夫 か ら 新 し い 創 造 を No. 2 耳 で 味
わ う 食 感 ～ サ ク サ ク 感 ～, SHINKAWA Times, http://www.shinkawa.co.jp/times/column/s-andou/vol14_column_
profas.html.
2) 中野有加 , 櫻井直樹, 藤路陽, 堀江秀樹, 中野明正, 鈴木克己 , 弾性指標を用いたスライストマトの果肉硬度の非破壊評価（栽培管理・作型）, 園芸学研究, 7 (4), pp.
543-547(2008).
3) 福田麻利子, ヒト抜去歯付着歯根膜の感覚神経終末の分布－特に第一小臼歯および第三大臼歯について－,Vol.22（2015）
歯科学報, 94 (7), pp. 575-587(1994).
4) 前田健康, 原田史子, 歯根膜ルフィニ神経終末の再生・発生過程, Niigata Dent. J., 33 (2), pp. 1 － 15 (2003).
5) 伍賀正典, 中本裕之, 武縄悟, 貴田恭旭, 磁気式触覚センサの小型化と性能評価, 日本機械学会誌（C 編）,76 (772), pp. 3640-3647 (2010).
6) 髙信英明, 正田耕一郎, 高西淳夫, 柳沢幸江, 食物物性計
測・評価ロボット（テクスチュロボット）の開発, 日本
咀嚼学会雑誌, 11 (1), pp. 21-28 (2001).
7) 日塔睦雄, 遠藤義樹, 児玉厚三, 虫本栄子, 田中久敏,
Single denture における粘膜および歯根膜感覚の役割,
日本顎口腔機能学会, 下顎運動機能と EMG 論文集, 11,pp. 179-186 (1992).
8) 衣松令恵, 道脇幸博, 横山美加, 道健一, 高橋智子, 大越ひろ, ヒトの咀嚼を考慮した食物の分類に関する研究 :第一報 物性測定システムの開発, 日本口腔科学会雜誌,51 (1), pp. 35-42 (2002).

Texture measurement by using food texture sensor based on characteristics of receptor in periodontal membrane and three-axis manducation motion system 103

Texture measurement by using food texture sensor based on
characteristics of receptor in periodontal membrane
and three-axis manducation motion system
Hiroyuki Nakamoto
Graduate School of System Informatics, Kobe University
Manducations and ingestions of food are necessary to preserve our life and health. In
the manducations, we perceive three stimuli: taste, smell and food texture. The food texture
is a physical relationship between teeth and food. Many expressions of food texture imply
their importance. Good designs of food texture contribute marketable foods. In general,measurements of properties of food texture use food texture instruments. The instruments
give pressure to food in an only one-direction motion. The sensor is a load cell thatmeasures unidirectional stress. The measurements using the instruments are not enoughfor evaluations of food texture. The evaluations require much and various data in pressing
food. Therefore, we need to develop a novel sensor of food texture and a multi-axis motionsystem.
In this study, we propose a food texture sensor based on characteristics of receptor
in periodontal membrane. The food texture sensor has the same structure of human
grinding tooth, and measures three-axis displacement and vibration of its tooth parts. The
food texture sensor is confirmed to measure the displacement with an error of 10%. The
three-axis manducation motion system is composed of a combination of sliders driven
by stepping motors. The manducation-motion system with the sensor is confirmed tomeasure responses of breaking tests of foods. In addition, a motion-capture system obtains
trajectories of human manducations. We discuss the application of the trajectories to ourmanducation-motion system with the proposed sensor as the next step of our study.