1.はじめに
近年、ウェアラプルデバイスとしてバイタル情報や活動情報など人に関するセンシングデバイスの開発が盛んに行われている。センシングする手段は様々あるが、スマートフォンのように加速度センサや角速度センサから動作やバイタルを解析する手法、カメラ等による光学的な情報から体全体の動作を解析する手法が代表的である。ウェアラブルデバイスもスマート端末を軸としてGoogle GlassやApple Watchのように、魅力的なアプリとセットで提供することで一般消費者は受け入れやすいものとなっている。現在製品化されている上記のデバイスで使用されているセンサは、加速度センサのようなチップ部品、感圧センサや圧電素子のようなフィルム部品で構成されている。メガネや腕時計のように普段から身に付けられている人との親和性が高いデバイスに組み込むことで何気ないセンシングを実現している。一方、フレキシプルなウェアラプルデバイスも製品化され始めている。例えば導電茶材（導電性高分子コートした導電糸）を電極として織り込むことで心電を計測するウェア製品"hitoe" (東レ)"などが挙げられる。本報で紹介するC-STRETCH®は、非常に薄く柔軟で大きく伸び縮みできることから人体などの曲面へ装着した際にも動きの追従性に優れ、装着感の少ない身体への親和性が高い特徴と、後述するように繰り返し精度よく運動等を検出できる特徴を併せ持っていることから、衣服や靴のような大きな伸縮をともなう、ストレッチャプルな装着型センシングデバイスに活用できるものとして期待される。
2. C-STRETCH®の計測原理と基礎特性
C-STRETCH®は静電容量式のひずみセンサであり、面方向の伸張変形（面積変化）を検知するセンサである。センサ構造の模式図を図１に示す。柔軟で弾性変形するエラストマー（絶縁層）と、伸張変形に追従可能な伸縮電極層(導電層)が交互に積層された構造で、電気的には並行平板コンデンサ構造になっている。構造はコンデンサであるため静電容量は式１で示される。図1. 構造の模式図（左：断面図、右：斜視図）センサ静電容量Ｃは、電極で挟まれたエラストマー層（誘電層）の誘電率を、厚みd（電板間距離）、対抗する電極の面積Sにより決まる。エラストマーのポアソン比は0.5に近く、体積一定と見なすことが出来る。また比誘電率は材料固有の個であり伸長による変化も小さいため、式をまとめると、静電容量は面積の２乗に比例する関係となる。すなわちC-STRETCH®は電極面積の変化を検知するセンサである。実験的に確認した結果を図２に示す。検知部面積はビジョンセンサ（COGNEX EZ-140）を用いて計測し、面積の２乗に比例していることが確認された。C-STRETCH®は異方性の無い検出原理であるため、X方向、Y方向の区別なく、さらには、検知部の局所的な変形であっても、面積の２乗に比例することを確認している。²センサの両端を挟持して1軸方向に伸長させた場合では、センサ検知部の長さを計測できるセンサとなる。長さ方向にn倍伸長した時の静電容量をCとすると、元の長さ1に対して伸長後の長さは1' = n · 1となり、幅ｗと厚みｄは、エラストマーの体積が一定であるために、それぞれw' = w/√n、d' = d/√nとなる。誘電率は材料の固有値、面積は製造条件から既知であるため、式２で示されるように、静電容量は伸長前の静電容量Coに対してn倍になる。実験的に確認した結果を図３に示す。 C' = ε · l '· w' = ε · l · w  = n · C o ·······式2以上の結果から、上式の固有値（誘電率、検知部面積、厚み）となる。製造条件を適切に管理することで、面積や長さの絶対値を計測できるポテンシャルを持ったセンサである。
3..他方式との対比
伸縮性ひずみセンサ（ストレッチセンサ）はまだ製品例が少ないが、計測原理として静電容量式と抵抗式がある。抵抗式では、導電フィラーを充填したポリマー材料や、CNT配向膜》などが報告されている。これらは、この導電材料の配合設計や加工条件の工夫によって、伸長に対する出力変化の線形性や、計測感度、繰り返し精度、応答性のような電気的特性のみならず、柔軟性や伸縮性のような物理特性にも影響する。１つの導電材料で多くのバラメータを設計･制御する必要があり、高度な技術と品質管理が要求される。換言すると高度な精度や物理特性の要求に対しての自由度が低い。これに対して、静電容量式であるC-STRETCH®では、センサ出力が式１に示すように明確であり、エラストマーの形状因子を適切に創御、導電層は静電容量に対して十分な導電性を有していれば良い。また伸長によって多少の抵抗変化をしたとしても出力に影響しない設計が容易であることから、高精度の検出を実現でき、設計の自由度の高い方式であと。
4.応用の利用例
C-STRETCH®の計測用途の一例として、肘関節の回転角度の測定を挙げる9 。被験者の肘関節にまたがるようにセンサを貼り付けた。肘の曲げ伸ばし運動によりセンサが伸縮することを利用し、関節角度を計測するためのモデル立てを行った例である。比較対象としては、モーションキャプチャを使用し、マーカの３次元座標情報から関節角度を算出した。図４に示したモーションキャプチャで算出した角度（点線）とC-STRETCHの静電容量（実線）の変化が一致している。よって、２点でキャリプレーション（例えば０℃と90度）を行うことで、C-STRETCH®の出力結果から関節角度を推定することが可能である。他の応用例を代表図にて以下に紹介する。図５は関節等の身体５箇所にセンサを貼付し、ゴルフスイングにおける各所の動きを計測した結果である。動きの大きさや速さと、動きのリズムなどの情報が得られ、例図6　手袋にセンサ貼付したセンサグローブにてロボットハンドを操作11えば正しいスイングフォームへと導くティーチングデバイスへの応用が考えられる。図６は、センサ貼付したグロープにて５指の屈曲状態を検出し、同じ動きをロボットハンドで再現するデモンストレーションを行ったものである。センサの出力変化でロボットハンドのサーボモータをコントロールしている。ロボットの遠隔操作や、ゲーム・玩具でのコントローラ、バーチャル空間での操作インターフェースなどの応用が考えられる。図７は、胸部および腹部を一周するバンドにセンサを貼付し、呼吸による胸囲および腹囲の変化を計測した結果である。呼吸数、呼吸の大きさ、胸郭運動バターン等の情報が得られる。呼吸数モニタなどへの応用が考えられる。
4.おわりに
C-STRETCH®は、従来の歪みゲージでは設置困難であった自由な曲面への設置が可能であり、柔軟物のような大きな歪みの計測が可能である。柔軟で大変形できるというこれまでにない特徴を持ち、精度にも優れるセンサであり、広い産薬分野で適用し得るポテンシャルを持ったセンサであると期待している。 C-STRETCH®を新製品の研究開発のために評価いただけるように、センサ素子、トランスミッター、専用ソフトウェア等の一式をセット（図8）にしたキット販売を行っている。あらゆる柔軟物に組み付けることで、大変形のひずみゲージ、スイッチ、インターフェースとして利用でき、例えば、アバレル製品や、クッション等の柔軟な製品の設計のためのひずみ評価ツールとして、身体に装着して活動量や運動フォーム等の運動情報を取得するウェアラブルセンサとして、呼吸や体動などの生体情報を検出するウェアラブルデバイスとして、ゲームや玩具等を操作するインターフェースとしてなど、さまざまなアプリケーションが考えられる。アバレル分野、医療福祉分野、リハビリテーション分野、アミューズメント分野、ロボット分野など広い産業分野で使用して頂けるよう、今後も改良開発にさらなる注力していく。
BANDO TECHNICAL REPORT No.20/2016