薄くしなやかで皮膚にも貼れる力覚（圧力とせん断）センサ
弘前大学

大学院理工学研究科教授 笹川 和彦
2024年3月14日

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従来技術とその問題点
これまで開発したセンサ
指先に接着できるくらい薄くて（150ミクロン以下）しなやかなのに、接触圧力とずり応力を測定可能な３軸力覚センサを開発している。
一般的に３軸応力センサは、固くて厚い形状をしているため、極めて独創的。

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測定原理
• 感圧導電性の感受層を挟んで上下電極を配置• 接触圧力やずり応力（せん断応力）が作用したときの電極の変位による上下電極間の電気抵抗変化を計測

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貼合型センサ作製工程

ZX

Z
X

Y

Conductive polymer

Y

Procedure of the sensor fabrication

Fabricated sensor

1．銅張ポリイミドフィルムにウェットエッチング処理により上下電極形成
2．上下電極にPEDOT、カーボンインクをスクリーン印刷で塗布
3．上下電極を重ね合わせ、ポリウレタンフィルムで封止（手作り）
4参考：感圧素子
 感圧素子：導電性高分子 (PEDOT / PSS) (Orgacon EL-P 3040, Agfa-Material) 特性：圧力が加わると、電気抵抗が減少 (2)Structural formula of a PEDOT / PSS

5指先の力覚計測（よこなぞり）

6指先の力覚計測（ボトルの把持）7

従来技術とその問題点
既に実用化されているセンサは、上下電極を貼り合わせる構造のフィルムセンサであるが、貼り合わせ構造に起因した。
・低応力域での不安定性（高感度化）・小型高集積化（空間分解能）の限界等の問題があり、広く市販化されるまでには至っていない。
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そこで、
新技術１ 積層型３軸応力センサ
新技術２ 小型高集積化に向けた分布計測センサシステムを開発したので、紹介する。

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新技術１ 積層型センサ• 従来の上下電極貼り合せ構造から、積層化した２つのセンサ素子を対に配した構造にした。これにより、上部電極リードをなくし、高空間分解能化と高感度が期待できるセンサ構造を実現した。

10積層型センサ製造工程
Sectional viewX-axis

ZYY-axis

CurrentX
Procedure of the sensor fabrication1.

インクジェットプリンタとAgインクを用いて下部電極印刷

2.

下部電極上にPEDOTをスクリーン印刷法により10層塗布(焼成：120℃×60min)

3.

Agインクを用いて，PEDOT表面上に上部電極印刷

4.

ポリウレタンフィルムで封止Fabricated sensor(焼成：120℃×60min)

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新技術１ 積層型センサ

12新技術１ 積層型センサ

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積層型センサの較正結果
Contact pressure

接触圧力

Output voltage [V]

4.716
4.714
4.712
4.71
0(a)

12
3
4
Contact pressure [kPa]5

Relationship between output voltage and contact pressure
接触圧力が増加→電圧が上昇「応力と電圧の関係」の近似式を求め、センサ出力電圧から応力を導出可能
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本発明型センサの較正結果
Shear stress

せん断応力

1KPa (10gf/cm2)以下の低応力域も高精度で計測できる15

新技術の特徴・従来技術との比較（１）• 従来技術の問題点であった、低応力域での不安定性を積層構造とすることにより改善することに成功した。
• 従来では不安定性が見られた、1KPa(10gf/cm2)以下の低応力域も高精度で計測できる。
• 積層構造のため、印刷技術、フォトリソグラ
フィー技術により、mサイズの小型高集積化が可能となった。
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新技術２ 高集積化に向けた
分布計測センサシステム• 従来の貼合型センサをマトリクス状に多数配置して、測定ポイントを順次走査できる構造のセンサとその駆動回路を開発し、高集積化が期待できるシステムを実現した。

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新技術２ 高集積化に向けた
分布計測センサシステム

18新技術の特徴・従来技術との比較（２）• 応力分布の測定のために、多数の従来型センサを配置すると、多くのリード線の取り回しが必要で、そのために広い面積をとることが問題であった。
• 配線を共通化したセンサ構造とし、その駆動回路を開発することにより、従来型センサをマトリクス状に４個×４個配置した、３軸応力の分布センサを実現した。
• 小型高集積化のための基礎技術が確立した。
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想定される用途• 医療・スポーツ・工芸などの熟練技における手応えの可視化と伝承。
• タッチパネル、デジタルペンやキーボード、電子楽器などの電子機器の入力インターフェース。自動車など機械操作の触覚インターフェース。
• リハビリ・介護福祉分野などでのモニタリング（例：義足などの装着状態）• 力覚提示装置のフィードバックへの利用。力覚をモニタリングし、フィードバックする。
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応用例１ 採血の穿刺手技【採血検査の課題】
個々人の血管の状態（細い太い、皮下深い浅い）を把握して、採血針の挿入事故、感染症に配慮しながら、大量の血液検体を素早く採取 ⇒ 熟練技

駆血帯・静脈(表層)を押さえ動脈(深層)を拘束しない適度な締め力採血針・弾力のある皮膚、血管外壁貫通確認
・痛くない針の挿入
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穿刺機構制御（熟練手技の獲得）

20y1816ST

1412SA1050

３軸触覚センサ（特許取得済）とモーションキャプチャによる計測

52545658

押付方向

60z
力覚センサ
CP：把持刺入方向

指先の力覚と運動軌跡による採血手技の可視化成功→熟練手技の特徴抽出
22プロトタイプによる模擬血管への穿刺実験

模擬血管

模擬血管の位置計測から穿刺まで10数秒で実現

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応用例２ 採血検査用穿刺支援システム
採血検査のときに採血針の血管への刺入には熟練技が必要。
指先の手応え感から血管への貫通を判定し、穿刺業務を支援するシステムを開発しました。

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応用例２ 採血検査用穿刺支援システム

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応用例３ りんご収穫時の触覚計測
専用触覚センサY+X+

磁気モーションセンサ

センサ装着時の手の全体像測定装置装着時
26 場所：弘前大学附属藤崎農場
 熟練者による収穫 データの測定は160Hzで3秒間

時計回り

測定実験

反時計回り

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応用例４ 高機能なタッチパネル
透明な材料で分布センサを作製

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応用例５ ウェアラブル足底応力計測• 右足の母趾球部と踵部にセンサを接着し、靴下と靴を着用→ウェアラブル装置に接続し、歩行時の足底応力を計測する• 右足3歩分の歩行• 計測の様子を動画撮影し、データの時間同期を行う
Wearable measurement device
Sensor 1 Sensor 2Y+
X
Measurement point

YX+
Direction of shear stressacting on the skin29

結果～室内歩行実験(ウェアラブル装置)～
Contact
Pressure [kPa]

160140HCTO

HCTOHC

TO

120
100
80
6040

踵部→母趾球部200-300

200

700

1200

1700

2200

2700

3200

1700

2200

2700

3200

踵部：後方

Backward

15Forward

Shear Stress Y [kPa]-201050-300

200

700

1200-5-10-15Time [ms]Heel母趾球部：前方ThenarStress charge during walk within doors

HC：踵接地 TO:つま先離床
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結果～積雪道歩行実験～
HC
90

Contact
Pressure [kPa]

HCTOTO

TO

HC

80
70
60
50
403020母趾球部→踵部

10Backward

300

800

1300

1800

2300

2800

3300

2300

2800

3300

3800

4300

50-200-5300

800

1300

1800

3800

4300

踵部・母趾球部：前方-10ForwardShear Stress Y [kPa]0-200-10-15-20-25-30

Time [ms]Heel母趾球部：前方ThenarStress charge during walk on snowy roads

31実用化に向けた課題• 現在、センサの基本構造の有効性は検証済み。
大量生産化を見据えた、さらなる小型高集積化、精度の均一化が課題である。
• 今後、感圧材料と有効な測定範囲についての関連性を明らかにし、対象測定応力値に対する材料選定とセンサ構造の関連づけを行う。
• 積層型センサをマトリクス状に配置し、逐次走査する分布計測用のセンサ構造について出願準備中。
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企業への期待• 大量生産を見据えた小型高集積化や精度の均一化については、印刷やフォトリソグラフィー技術により克服できると考えている。
• 微細加工の技術を持つ、企業との共同研究を希望。
• 力覚に基づく熟練技の伝承、トレーニングなどの支援装置を開発中の企業。
• 医療・健康福祉、スポーツ分野などで肌ざわりや力覚の評価とそれに基づく製品開発を考えている企業には、本技術の導入が有効。
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本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：分布測定センサ，分布測定センサシステム，分布測定プログラムおよび記録媒体• 特許番号 ：特許第6753615号，
US10,859,449• 出願人：弘前大学• 発明者：笹川 和彦
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本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：触覚センサ素子、触覚セン
サ、３軸触覚センサおよび触覚センサ素子の製造方法• 出願番号 ：特願2021-542821
• 出願人
：弘前大学
• 発明者
：笹川 和彦35

産学連携の経歴
これまで、• センサの製造に関する共同研究• センサの利用に関する共同研究について複数の企業様と実施の経験を有する。

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お問い合わせ先
国立大学法人弘前大学 研究・イノベーション推進機構
リサーチアドミニストレーター(URA)：
工藤 重光、清水 武史、平井貴人、山科 則之
白井 隆之、渡部 雄太(東京事務所在籍 2名)
産学官連携コーディネーター：三上 夫美加
ＴＥＬＦＡＸe-mail

0172-39-3176
0172-39-3921
ura＠hirosaki-u.ac.jp37