人の体のあらゆる動きを逃さず捉える伸縮性ひずみセンサとは？

「ひずみセンサ（ひずみゲージ）」という名前を聞いたことはありますか？

ひずみセンサとは、物質が外からの力を受けて変形した量を検出できるセンサのことです。

自動車の衝突試験、交通インフラの安全性の試験、ビル・ダムなどの建造物強度や安全性の確認などに使われています。*1, *2, *3

これらの用途で使われる一般的なひずみセンサは、金属やセラミックスなどの伸びない素材でできているため、微小な変形を精度良く計測することはできますが、大きく曲げたり伸ばしたりすることはできません。

ところが、今回紹介する伸縮性ひずみセンサは、ひずみセンサの中でも珍しく、伸びる素材でできたセンサです。センサ自体が伸び縮みできるので、たとえば人体のように不特定な形状の曲面にも追従することができ、人体の皮膚のように伸びることで本来の動きを邪魔することなく小さな動きから大きな動きまで捉えて測定できます。

そのため、医療やスポーツなどの人間工学分野での利用拡大が期待されているのです。

この技術を実現しているのは「ゴムに合わせて伸び縮みする電極」と「繰り返し伸ばしても性能が変わらないゴム」。

「電極って固いイメージだけど、なぜ伸びるの！？」

「ゴムって繰り返し使っていると伸びっぱなしになったり切れたりするのに、性能が変わらないゴムってどういうこと？」

と思われた方もいるのではないでしょうか。

本記事ではそのような疑問にお答えするため、伸縮性ひずみセンサの仕組みを徹底解剖し、実用例もあわせて紹介します。

これまでにない伸縮性ひずみセンサ C-STRETCH®の原理・構造

バンドー化学が開発した伸縮性ひずみセンサ C-STRETCH^®は、ゴムのように伸び縮みすることで、測定対象がどのくらい伸縮変形したか、ひずみの大きさを検出できるセンサです。

紙のように薄く、柔軟に変形させることができます。

まずは、伸縮性ひずみセンサ全体の原理・構造をみてみましょう。

伸縮性ひずみセンサは、一言で表現するとゴムでできたコンデンサです。

変形するとコンデンサ容量（静電容量）が変化するので可変容量コンデンサとも言えます。ゴム（エラストマー）の上下面を伸縮電極によって挟んだ構造が基本構成で、さらにその外側は保護膜で覆われています。

外部から力がかかると、ゴムが変形して面積と厚みが変わります。伸縮電極はゴムの変形に追従するので、電極面積と電極間距離が変化します。すなわち、ゴムの変形によりこの2つの伸縮電極の間の静電容量が変化するので、逆にこの静電容量を測れば変形の大きさを知ることができるのです。

ちなみに、このCapacitance（静電容量）とStretch（伸びる）という特長からC-STRETCH®と名付けました。

＊コンデンサ（Capacitor）とは＊

電荷を蓄えたり放出したりする電子部品で、コンデンサ特性は静電容量で表されます。

＊静電容量（Capacitance）とは＊

電荷をどれぐらい蓄えられるかを表す量。並行平板コンデンサでは以下の式で表されます

上述の関係を、静電容量の計算式で考えてみます。

面積Sと体積Vとの関係になるように変形すると、静電容量Cは次式(1)

と表すことができます。

ここに、ゴムの特性を合わせて考えてみましょう。

特性①ゴムは引っ張りや圧縮をして変形させても体積は一定（ポアソン比が約0.5）で変化しません。

したがってV＝定数です。

特性②比誘電率は素材分子の極性などで決まる特性なので、変形しても基本的には変化しません。

したがってε_o・ε_r＝定数です。

この２つの特長を踏まえると、次式(2)

となり、静電容量は定数×面積の2乗となり、面積の2乗に比例する関係であることが分かります。

センサが面的（x, y）に伸びた場合、どの方向に伸びたかまでは分かりませんが、面積換算でどのぐらい伸びたのかを求めることができます。

では、特定の方向に伸びた場合はどうでしょうか。

長さ方向に伸ばしたとします。体積は一定なので、伸ばした分だけ幅は細くなり、厚みも薄くなります。

この関係を静電容量の式に入れて変形してみると、次式(3)

となり、n倍に伸長させたら静電容量もn倍になる関係であることがわかります。

センサが長さ方向に伸びた場合に、長さに対して比例関係（直線関係）であることから、長さを測るセンサとして適していることが分かります。

というわけで、元の静電容量と伸長後の静電容量を測定することで、センサがどのぐらい伸びたかがわかるのです。

電極が"伸びる"？ ゴムと一緒に伸び縮みする電極

伸縮性ひずみセンサにおいては、電極およびゴムが伸び縮みした際の静電容量を測ることでその伸び縮み量を算出している、ということがわかりました。

しかし、コンデンサなどに使われている電極といえば、一般的には固く伸びないものというイメージがあります。

伸縮性ひずみセンサに使われている「伸縮電極」とは一体なんなのでしょうか？

伸縮電極はおおまかに分けると2つの種類があります。

1つ目は、導電性のフィラーを分散させたペーストやインクをゴム上に描画した電極です。金属フレークやグラファイトなどの電気を通す物質を、分散媒となる樹脂や溶剤に混ぜてペーストやインクを調製します。そして、これを用いてゴムに電極を描画し、乾燥させることで作製されます。

ゴムが伸びると、これに追従して導電性のペーストやインクを用いて作製された電極も伸びます。伸長に伴い、ペーストやインクの中に分散され重なり合った状態にあった導電性のフィラー*は、互いの接点を保ちながら伸長方向にスライドするように移動します。ゴムが縮むと導電性のフィラーは再び重なり合った状態に戻るため、繰り返し伸縮させても導電性は維持されます。

*フィラーとは

ゴムや樹脂などに配合することで、補強効果を発現させたり寸法安定性を向上させたり導電性を発現させたりするなど特定の性能や機能の向上を図ったり、加工性を改善したり、コストダウンを図ったりするための添加剤や充てん剤のこと。

2つ目は、本質的に伸縮性のない導電性材料を用いて幾何学的な構造体を作り、伸縮できるようにした電極です。

たとえば金属箔や鋼線、またポリチオフェンやポリアニリンといった導電性の高分子フィルムなどを、曲げたり、折り紙細工や切り紙細工のように幾何学的に折りたたんだりすることで、幾何学的な構造を変化させながら伸縮可能な電極を作製することができます。

ばねのようならせん構造や、アコーディオンに使われているような蛇腹構造、さらにはマジックハンドに使われているようなパンタグラフ機構の伸縮電極もあります。

伸縮性ひずみセンサC-STRETCH®では、1つ目に紹介した方法が使われています。大きく伸縮させても導電性フィラー間の接点が保たれるように、導電性フィラーや加工方法を工夫し、伸縮性ひずみセンサ用の伸縮電極として必要な導電性を確保できるように設計しています。

曲面も測定できる？大きな変形にも対応可能なひずみセンサ

伸縮性ひずみセンサはセンサ自体が収縮することによって、従来のひずみセンサではできなかった大きな変形の計測ができるようになりました。

なお、従来のひずみセンサには以下のような種類があります。

①ひずみゲージ式

絶縁体フィルム上に金属（抵抗体）がパターニングされたもので、測定対象のひずみにより金属パターンが伸ばされて抵抗値が変化することでひずみ量を測定しています。

⇒金属や構造体などの基本的には固い物体の微小なひずみを計測するために用いられています。微小なひずみにも高い感度がありますが、金属なのでそれほど伸びず大きな変形は計測できません。

②圧電式

圧力がかかると電荷が発生する圧電材料を用い、圧電体の上下を電極で挟んだ構造で、電荷の量を元にひずみ量を測定します。圧電体には強誘電体セラミックスが用いられています。ポリフッ化ビニリデン（PVDF）を用いた柔軟なタイプもありますが大きな伸縮性はありません。

⇒微小な動きにも感度良く、動的な測定（動きがあったことの検知）に向いていますが、定量的な測定（どのぐらい動いたか）には向きません。自ら電荷を発生するため無電源でセンシングし続けることができ、構造物の劣化を検知するための省電力の監視システムなどで活用されています。

③光ファイバ式

光ファイバにグレーティング（回折格子）を形成したもので、レーザ光が入射すると、特定の波長は反射されその他の波長は透過します。光ファイバがひずんで引き延ばされると、回折格子で反射する波長に変化が生じます。この性質を利用して、ひずみの計測が可能です。

⇒装置規模が大きく手軽に利用できるものではありませんが、電気配線を必要とせず大規模なシステムを構成できるため、建造物の安全監視やインフラの維持監視のために活用されています。また光であるため、電気式では困難な電磁干渉が大きい環境で活用されています。

特殊な例として、地殻変動などの大規模なひずみを検出できるものもあります。*4

地中にシリコンオイルを充填した容器を収容し、容器の外部から加わる圧力が受感オイルの体積を変化させます。その体積変化を算出することによって、地盤の隆起を検知できるのです。

装置そのものが大きいため、人体への利用はできないのはもちろん、日常的に使うのには適しませんが、耐久性が高く、地盤による応力など大きな力にも耐えられます。

これらに対して、伸縮性ひずみセンサは伸縮できるため、微小な変化にも対応しつつ、大きな変形の計測を得意としています。

人の体の小さい動きから大きい動きまで追従できるうえに、曲面のような丸みをおびた形のひずみも柔軟に測定できるわけです。

それぞれのひずみセンサに特長があり目的に応じて使い分けるものですので優劣はありませんが、伸縮性ひずみセンサの伸縮性・柔軟性は、ほかのひずみセンサとは一線を画した特性だといえるでしょう。

分子同士の引っ掛かりが少ない？伸びてもすぐ元に戻るゴム

さらに、伸縮性ひずみセンサ開発者の大高さんは「伸縮性ひずみセンサは10万回以上使用しても問題がない」といいます。

一般的なゴムは、何度も繰り返し使ったり大きく伸ばしすぎたりすると、伸び切ってしまって元通りに戻らなくなったり、さらには切れてしまったりするものです。なぜ伸縮性ひずみセンサは繰り返し使っても問題ないのでしょうか？

その理由を理解するために、まずはゴムが伸び切って伸縮性が下がってしまうメカニズムについて解説します。

ゴムは、変形しようとする柔軟性成分である非拘束相（ソフトドメイン）と、変形を抑制しようとする拘束相（架橋点やハードドメイン）から構成されています。

非拘束相が伸びようとすると拘束相がこれを阻止しようとするため、伸縮のできる弾性体となるのです。

一方、ゴムに対して応力をかけすぎると、ソフトドメインが引き伸ばされて結晶化してしまったり、ハードドメインが転位してしまったりします。

結晶化：規則的に分子鎖が並ぶ現象。ソフトドメインが結晶化するとひずみを発生させてしまう。

転位：固体の結晶の中で起きる、分子の位置ずれのこと。転位が増えると、分子配列がずれていき、ひずみを発生させてしまう。

すると、各ドメインは元の位置や状態に戻れなくなってしまい、これがゴムの中の「永久ひずみ」となり、伸縮性が損なわれてしまうのです。

たとえば、腰回りがゴムで伸び縮みするズボンの場合、繰り返し履くことや洗濯することでだんだんとゴムが伸びてしまい、ゆるゆるになって履けなくなってしまうことがあります。

この原因の一つは、ゴムの中にできた永久ひずみなのです。

伸縮性ひずみセンサでは、非拘束相については引き伸ばされても結晶化しにくく、拘束相については転移しにくい化学構造で設計しています。

そのため、ゴムの中の永久ひずみの残留は極小化され、伸縮性の低下が抑制されているのです。

「伸縮性ひずみセンサの製品スペックとしては、元の長さの2倍まで伸縮できるように設計しました。人体において可動域の大きい膝での伸長率が1.6倍だったからです。2倍までの伸縮であれば、10万回以上繰り返し伸長させてもほとんど特性が変わらず使えることを確認しております。人体の測定を継続的におこなうのに十分なスペックを持っています」（開発者　大高さんコメント）

また、伸ばしたものが瞬時に元の姿に戻る（縮む）というのもセンサとして重要なポイントです。この特徴を実現するために、ゴムの分子鎖の凝集や絡み合いをほぐす効果のある成分を導入しています。

これらの分子設計や配合設計により、

• とても小さな力で変形できる伸縮性･柔軟性をもつ
• 大きく変形しても永久ひずみが残りにくい
• 力を除くと瞬時に元の形状に戻る

という、伸縮性ひずみセンサとして優れた物性を実現しているのです。

伸縮性ひずみセンサ C-STRETCH®はこんなことに使われている！

「小さな力で大きく伸び、曲面にも柔軟に変形でき、素早い動きに追従できる」という伸縮性ひずみセンサの特長は、人の計測への親和性が高いと考え、医療分野やヘルスケアの分野での計測技術として応用研究を行ってきました。その中のいくつかは製品化し、医療機器や、医療現場で活用される機器として販売しています。

歩行中の非侵襲的な呼吸数計測方法

呼吸リハビリテーション施設での呼吸の測定に伸縮性ひずみセンサを使えば、これまでは実施者が主観的に判断していた呼吸数を計測できます。

従来の呼吸測定装置は口や鼻からの気流を測定するために大きな装置が必要で、呼吸運動を同調させた歩行訓練などで室外に持ち出すことは難しかったのですが、伸縮性ひずみセンサを備えたベルトを胸部に装着すれば、歩行しながら呼吸数や呼吸様態を確認することができます。呼吸機能に障害のある方の評価指数の一つとして活用されています。

喉の動きの計測

ものを飲み込む力が衰えてしまった方の嚥下訓練にも使われています。

嚥下するときに喉仏が上下に動きますが、曲面に追従できる伸縮性ひずみセンサだからこそ、喉の形状にもしっかりフィットして喉仏の動きを捉えられます。

喉の動きは自身では客観的に把握しづらく、検査者も言葉では説明しにくいものです。

嚥下の動きをリアルタイムに可視化することで、患者と検査者が同じ画面で確認できるため効果的なフィードバックができます。また、嚥下の回数やタイミングを細かく評価できるので、過去の記録と比較して訓練成果を定量的に実感でき、リハビリへのモチベーションを高められます。

身体運動の計測

運動状態の解析には、多くのカメラを使用したモーションキャプチャーシステムで画像解析する方法が広く用いられています。体の動き全体を多角的に、かつ精細に分析できる優れたシステムです。

しかし、解析作業には多大な労力が必要で、時間がかかります。また、カメラから死角になってしまう部位の計測はできません。

伸縮性ひずみセンサであれば画像解析も必要なく、簡便にその場でデータが取れるため、たとえば、患者さんと測定結果を一緒に見ながらその方に合ったリハビリを指導したり、画面を見ながらフィードバックするトレーニングを行ったりすることに適しています。

また、スポーツや整形外科においては、関節の動きを測定することに活用されています。関節の外周の伸びから関節の曲げ伸ばしを測定したり、捻挫などによる関節のゆるみの状態を測定したりすることに利用されています。大掛かりな設備を用いずに、かつ本来の動きを妨げることなく、装着するだけで素早く簡便に数値データを得られます。

透析治療の安全のための警報装置

医療安全のための監視センサとしても利用されています。点滴や人工透析のような、輸液や輸血のために穿刺してチューブを処置する治療が多くありますが、チューブが引っ張られて針が抜けてしまう医療事故があります。特に、認知症や意識の混濁した患者が自ら抜いてしまう自己抜針の医療事故の割合が高く、問題となっています。

これまでにも、針が抜けて血液が漏れたことを濡れセンサで検知する監視センサはありました。抜けてしまった後に速やかに警報で知らせたり、自動で装置を止めたりすることで、抜針後の被害を最小限に食い止められます。しかし、針は抜けてしまっているので、漏れた血液を清掃して針を再挿入するなどの処置が必要になり、患者にも看護師にも経営にも負担となっています。

伸縮性ひずみセンサをチューブに装着してチューブの動きを監視し、抜針に至る前の不穏な動きの段階で検知することで、抜針に至ってしまうのを未然に防ぐことができます。

このように伸縮性ひずみセンサは、医療現場での人体の動きの測定に幅広く利用されているのです。

伸縮性ひずみセンサの活用の幅は広がり続ける

来のひずみセンサとは一線を画す優れた特長を持つ伸縮性ひずみセンサ。

しかし、「センサの基本原理は1～2年ほどで開発できたものの、センサだけ作っても、なかなか世の中に出せませんでした。新しい技術なので、何かの置き換えという既存市場は無く、いったい何に使えるのか、使い道まで新しく考える必要がありました。

そのため、センサ開発だけで終わりとせず、センサの応用技術の研究を始め、最終製品としてのデバイス開発、医療機器を製造販売できる体制の構築や、医療分野で活用して頂くための市場開拓まで手掛け、医療ヘルスケア機器チームとして研究～出口までの開発を行ってきました」と大高さんは開発メンバーと歩んできた過去を語ります。

過去には伸縮性ひずみセンサの使い方を公募したこともありました。その際には多くの新しいアイデアが集まったとのことです。

「実際にお手に取ってもらうと、思った以上に柔らかくてセンシング性能も素直で感触が良く、何かに使えそうという意見をもらうことが多いです。

これまで医療ヘルスケア分野での応用に取り組んできましたが、もっともっと新しい使い道もあるはずです。人の計測に限らず、広い技術分野で活用の幅を広げて行きたいと思っています。」と大高さんは期待を込めます。

【参考文献】

*1

出所）野里ら，自動車技術論文集，46 (2), 461-466, 2015「衝撃校正と遠心校正における 衝突試験用ひずみゲージ式加速度計のラウンドロビンテスト」

https://www.jstage.jst.go.jp/article/jsaeronbun/46/2/46_20154228/_pdf/-char/ja

 

*2

出所）公益財団法人鉄道総合技術研究所「鉄道車両の走行安全性を測る」

https://www.google.com/url?sa=t&source=web&rct=j&opi=89978449&url=https://bunken.rtri.or.jp/doc/fileDown.jsp%3FRairacID%3D0004005005&ved=2ahUKEwj1n9PBjbCHAxVKna8BHTTIJdAQFnoECBYQAQ&usg=AOvVaw1rW5jVSyWzBAKfX7OqJlv0

 

*3

出所）中根・泉，コンクリートジャーナル，Vo1.12, No'3, March 1974 「コンクリート技術基礎教室 コンクリートの試験方法 第9回 9.ひずみの測定方法（その1）」

https://www.jstage.jst.go.jp/article/coj1963/12/3/12_73/_pdf/-char/ja

 

*4

出所）田中ら，気象研究所技術報告 第12号, 132-143, 1984「第３章 火山用体積歪計の開発」

https://www.mri-jma.go.jp/Publish/Technical/DATA/VOL_12/12_132.pdf