情報処理学会 インタラクション 2024
IPSJ Interaction 2024

2B-47
2024/2/28

鉄粉ボンドを手袋に塗布することによる拡張可能なデータグローブの作製
山岸 真人1,a)

高田 崚介1

概要：本稿では，鉄粉とボンドを混ぜ合わせた導電性の物体（以降鉄粉ボンド）を，衣類や手袋に塗布することによる曲げ検出を用いたデータグローブを提案する．鉄粉ボンドは導電性，柔軟性を持ち，指を曲げ伸ばしすると抵抗値が変化する．この特性を利用し，曲げセンサとして利用可能である．ここでの鉄粉ボンドは完全に固まっている状態のことを指す．さらに，鉄粉ボンドは磁性体であるため，鉄粉ボンドを塗布した手袋は磁石のアタッチメントによる拡張が容易である．抵抗値の異なるアタッチメントを接続したり，接続する場所を変化させればアタッチメントの判別も可能である．本稿では鉄粉ボンドを手袋の曲げセンサとして実装し，抵抗値の変化や接続したアタッチメントの種類や位置の判別についての検証を行った．

1. はじめにアタッチメントを用いて拡張可能な研究として，メアン
ダコイル＋＋ [7] が挙げられる. この手法ではアタッチメ

鉄粉とボンドを混ぜ合わせた「鉄粉ボンド」を手袋に塗ントを置くだけで容易に接続できるが，アタッチメントを布することで，指の曲げを検出する手法を提案する. 鉄粉

固定することができない. また，Haconiwa[8]，岩崎らの研ボンドは導電性，柔軟性を持っており，曲げ伸ばしすると

究 [9] では拡張用接続端子としてスナップボタンを用いて抵抗値が変化する（図 1）. この特性を利用し，自由に形いる. これらの研究ではアタッチメントを固定できるが，状を設定可能な曲げセンサとして活用する. また鉄粉ボン

スナップボタンのある位置にしか接続できず，拡張できる

ドは従来の導電性接着剤 [1] と異なり，磁性体であるため，範囲があらかじめ決められている，接続に手間がかかると磁石を用いてアタッチメントを装着できる. 鉄粉ボンド表いった問題がある. 提案手法は作製が容易であり，素材上面から磁石を介してアタッチメントへ電流を流し，その抵のどこにでも接続，固定でき，アタッチメントを接続した

抗値の変化からアタッチメントの種類やアタッチメントを際の抵抗値変化を用いてアタッチメントの種類や位置の判装着した位置を判別する. 提案手法は VR コントローラと別を行うことができるという点で異なる.

しての活用を目指す.

2. 関連研究
指の曲げセンシングには圧電素子 [2]，導電繊維 [3]，光ファイバ [4]，超音波 [5] などが用いられている. これらの手法ではセンサとして用いる素子の形状があらかじめ決まっているため，自由にセンサ形状を設計することが難し
い. 提案手法はセンシングしたい場所に狙って鉄粉ボンドを塗布することで，自由に形状を設計できる.

Koelle らの研究 [6] では，導電性のバイオプラスチックを用いて曲げセンシングを行っている. バイオプラスチッ
クは自由に形状を設計できる点で提案手法と近いが，提案手法で用いる鉄粉ボンドは磁性体であるため，磁石を用いてアタッチメントを装着するなど拡張性を持つ点で異なる.
1a)

神戸市立工業高等専門学校 電子工学科
r119335@g.kobe-kosen.ac.jp© 2024 Information Processing Society of Japan

図 1提案手法831

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表 13. 提案手法

抵抗値と経過時間

体積比

提案手法の原理を以下に示す.

3.1 曲げセンサの原理
曲げセンサの原理を図 2 に示す. 指を曲げることにより経過時間 (日) 後の抵抗 (kΩ)

標本

鉄粉ボンド

123

a550.830.11×b463.4

2.3

0.64

0.22

1.70.93c3722627.8

21.7

22.6

23.3

19.6

d285300×456

手袋の外側に塗布した鉄粉ボンドが引き延ばされ，断面積も小さくなる. したがって，式 (1) に基づいて抵抗値が増加する. ここで，ρ は抵抗率，l は長さ，S は断面積である.

l [m]R [Ω] = ρ [Ω・m]S [m2 ]

4. 実装
4.1 鉄粉ボンドの体積比の検討(1)

鉄粉とボンドを混ぜ合わせることで， 導電性，柔軟性を持った鉄粉ボンドを作製した. 鉄粉には協和純薬工業株式
会社の鉄粉＃ 300(46µm) を使用し，ボンドにはセメダイン

3.2 アタッチメントの位置と種類判別の原理

株式会社の木工用ボンド [10] を使用した.

アタッチメントの位置，種類を判別する原理を図 3 に示

鉄粉ボンドの特性を調べるために，鉄粉とボンドの体積す. まず，アタッチメントを接続した位置を変化させると比を変えた表を 4 種類作製し比較した. ボンド作製時から形成される並列回路の各抵抗値が変化し，アタッチメントの経過時間と抵抗値の関係を表 1 に示す。表 1 のとおり，にかかる電圧が変化する. その変化を読み取ることで位置を標本 a は鉄粉比率が高く，硬すぎたために 3 日目に標本が特定する. さらに，アタッチメントの種類でそれぞれ固有割れ，抵抗が測定不能になった. 標本 d は 1 日目の時点での抵抗値等の特性を持つため，アタッチメントにかかる電は抵抗値が高いものの電流を流していたが，2 日目になる圧は変化する. その変化を読み取ることで種類を判別する.と絶縁した. 標本 c，d は継続してある程度一定の抵抗を維持していた.
その後，標本 c，d を曲げられるかの検証を行った. 標
本 c は 10 回ほど 90 度に折り曲げることで割れてしまったが， 標本 d は 100 回以上折り曲げても割れることはなかった. よって一定の抵抗を維持しており，曲げることが可能であ る標本 c（鉄粉: ボンドが 3:7）をプロトタイ プに使用した.

4.2 プロトタイプの作製
4.1 節の実験を基に，鉄粉ボンド（鉄粉: ボンドの体積比 3:7）を用いて指の曲げセンシング可能か検証するため
図 2

曲げセンサの原理のプロトタイプを作製した. 手袋は軍手を用い，人差し指部分に鉄粉ボンドを塗布した. 曲げ計測には Arduino

Duemilanove を使用した. 設計図を図 4，実際のプロトタイプを図 5 に示す.

Arduino を用いた分圧回路によって抵抗を測定できるよう設計した. 10kΩ の分圧抵抗を用いた.

5. 実験
指を曲げる，鉄粉ボンドへの押下，アタッチメントの接続の 3 つの実験を行った.

5.1 指を曲げた時の抵抗の変化
作製した鉄粉ボンドを塗布した手袋を着用した状態で人差し指を曲げ，抵抗値の変化を調べた. 同時に曲げセン
サを同じように曲げ，鉄粉ボンドとの変化の違いを調べ，
図 3

アタッチメント接続の原理図© 2024 Information Processing Society of Japan

結果を Python で描画した. 曲げセンサとして ALPHA-832

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MB090-N-221-A02 を用いた. 図 6 に鉄粉ボンドと曲げセンサの値の変化を示す.
指を曲げることにより鉄粉ボンドは抵抗値が小さくなり，曲げセンサは抵抗値が大きくなった. センサの応答速度は鉄粉ボンド，曲げセンサともに約 0.1 秒であった. 鉄粉ボンドは曲げセンサとして利用できることが分かった.

5.2 鉄粉ボンドへの押下時の抵抗の変化
図 4

設計図

作製した鉄粉ボンドを他の指で押し，抵抗値の変化を調べた. 同時に圧力センサを同じように押し，鉄粉ボンドとの変化の違いを調べ，結果を Python で描画した. 圧力センサとして ALPHA-MF01-N-221-A01 を用いた. 図 7 に鉄粉ボンドと圧力センサの値の変化を示す.
押下によって鉄粉ボンドは抵抗値が大きくなり，圧力センサは抵抗値が小さくなった，押下した鉄粉ボンドを離したとき，圧力センサと比べて値が戻りにくかった. 押下間隔をあけなければならないという点を除けば，鉄粉ボンドは圧力センサとして利用できることが分かった.

5.3 磁石でアタッチメントを接続
5.3.1 アタッチメントの位置
鉄粉ボンドにアタッチメントを接続し，接続する場所を
図 5プロトタイプ変化させることによる抵抗値と電圧の変化を調べた. 今回はアタッチメントとして 5kΩ の抵抗を使用した. アタッ
チメントの位置は GND から 1cm–3cm で変化させ，結果を Python で描画した. 回路図を図 8，抵抗値と電圧の変化を図 9 に示す. アタッチメントの位置を変化させることによって抵抗値，電圧値がともに変化した. 位置を変化してから値が変化するまで 100–200 秒の遅延が生じた.

5.3.2 アタッチメントの種類
鉄粉ボンドに様々な種類のアタッチメントを接続し，アタッチメントにかかる電圧の変化を調べた. 今回はアタッチメントとして，5kΩ 抵抗，可変抵抗，LED（赤，白，緑，
図 6

指を曲げた時の抵抗値の変化青），曲げセンサ，圧力センサを用いた. 接続図を図 10 に示す. アタッチメントの位置は GND から 3cm で固定し，結果を Python で描画した. 各アタッチメントを接続した
ときの変化を図 11，図 12 に示す.
曲げセンサ，圧力センサは 15 秒経過時に押す，曲げる動作を行った. 可変抵抗は 15 秒経過時に抵抗値を変化させた. LED は全て弱く光り，各 LED，アタッチメントはともに固有の電圧値を持った. ここで各 LED の電圧値が異なるのは，LED の順電圧が色によって異なるからである．センサや可変抵抗は接続した状態でも機能することが分かった.

図 7

押下時の抵抗値の変化© 2024 Information Processing Society of Japan833

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図 82B-47
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アタッチメントの回路図
図 12

様々なセンサ，抵抗を接続したときの電圧の変化

図 13
図 9改良案

アタッチメントの位置を変化させたときの抵抗と電圧の変化

6. 応用例
これらの検証結果より，鉄粉ボンドを用いたデータグ
ローブでは以下の 3 つのことが行える.

• 手の動きを検出• タップやスワイプなどの入力を判別• アタッチメントの接続と認識
これらを用いた VR アプリケーションでは，ジェスチャを認識するだけでなく，タップでメニューを開いたり，スワイプで音量の調節を行うことができる．さらに，アプリ
ケーションの種類に応じて振動フィードバック，コントローラなどの機能を容易に拡張することもできる．
図 10

アタッチメントの接続図

7. 課題と議論
7.1 アタッチメントの位置判別時の遅延
アタッチメントの位置を判別する際，遅延が生じる. さらに素子の片方を GND に固定しなければならない.
この問題を解決するための改良案を図 13 に示す. 鉄粉ボンドを分割し，それぞれ違う値の抵抗を接続する. それによって分割した鉄粉ボンドを座標として認識でき，アタッチメントをどの点に接続したかを，どの抵抗が並列接続されているかで全体抵抗が変化することによって判別することができる.

図 11

様々な LED を接続したときの電圧値変化

遅延の原因となっている鉄粉の代わりに判別条件に抵抗を用いることによって，遅延を減らすことができると考える.

© 2024 Information Processing Society of Japan834

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7.2 鉄粉ボンドの時間経過による抵抗値の変化
鉄粉ボンド作製時に時間経過によって抵抗値が変化した

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参考文献
[1]

が，それには以下のような理由が予想される.

• ボンドが固まっていない（水分が残っている）ことに[2]

よる抵抗値の変化• 鉄の酸化による抵抗値の変化
現時点では詳しい原因はわかっていないが，デバイスの作製とともに原因を調査する.

[3]

7.3 指を曲げた時の抵抗値の減少
3.1 節で示したように，鉄粉ボンドを曲げると引き延ばされ，断面積が減少するため抵抗値は増加するはずである.
しかし，5.1 節の図 6 で示すように抵抗値は減少した．

[4]

鉄粉ボンドは鉄粉とボンドの混合物であり，ここで用いているボンド [10] は酢酸ビニル樹脂を水に分散（エマルション化）したものである. 乾燥した酢酸ビニル樹脂エマル[5]

ションは小さな空洞が多数存在する構造となっている [11].
本実験では指を曲げたことでり空洞がなくなり抵抗率が減少し，その変化が長さや断面積の変化よりも大きかったのではないかと考えられる.
[6]

7.4 材料の検討
本研究では鉄粉：ボンドの体積比を 2:8 にすると絶縁した. しかし，柔軟性の点でいえば鉄粉の比率が少ない方が柔らかくなり，手袋に塗布した場合に曲げやすい. そのた[7]

め鉄粉ボンドをより柔らかくすることができないか考える.
鉄粉以外に銅などの導電性の高い物質を混ぜる，ボンドの種類をより柔らかいものに変更する案がある. これらの案[8]を今後実験し，適した材料を調査する.

8. まとめ
本稿は，導電性を持つ，形状変化を自由に設計可能，磁[9]性体であるといった特徴を持つ鉄粉ボンドを使用したデータグローブを提案した. 本研究より，鉄粉ボンドを塗布し[10]た手袋を着用し指を曲げる，鉄粉ボンドへの押下で抵抗値が変化することが分かった. さらに，鉄粉ボンドに磁石でアタッチメントを接続でき，接続する位置，アタッチメントの種類で抵抗値が変化することが分かった. 提案手法を[11]

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利用することで，手の動きを認識するだけでなく，アタッチメントを容易に接続でき，その種類，位置を認識できるグローブを作製可能である. 今後はアタッチメントの位置を判断する際の遅延時間の解決，特性の良い材料の調査を行う.
謝辞

本研究は JSPS 科研費 JP22K17941 の助成を受けたものです.

© 2024 Information Processing Society of Japan835