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 S3F ( Surface Stress Sensitive Films ) 感圧フィルムシステム とは

S3F 感圧フィルム | 概要と原理

S3F ( Surface Stress Sensitive Films ) 感圧フィルムによる圧力分布/せん断応力計測システム


S3F ( Surface Stress Sensitive Films ) 感圧フィルムシステムとは、皮膚による摩擦などによる、圧力の測定のための光学機器です。S3Fは、蛍光色素を埋め込んだ弾性高分子フィルムであり、表面はマーカーでコーティングされています。フィルムに対して、センサーボックスに内蔵されたLED光源によって光を照射することで、蛍光色素およびマーカーが励起されます。フィルムの表面を特殊なカメラで撮影することで、せん断力および垂直力による層の変形を解析します。フィルムは、まず無荷重で撮影され、次いで、垂直力およびせん断の差を比較するためにボックスに装填されます。せん断は、せん断弾性率および厚さが解っているフィルム内の表面にかかった荷重に起因するマーカーの動きを追跡することによって測定されます。圧力は、圧力勾配が生じる負荷によって異なる蛍光色素濃度(強度レベル)によって測定されます。フィルム装填時にはフィルムは局所的に変形します。したがってその領域には染料がほとんど存在しません。フィルムは静圧の変化を測定するのに使用することはできません。圧力勾配のみを測定することはできず、静的圧力の変化に影響されずに測定が可能です。

 

製品ラインナップ


感圧フィルムを応用した製品として、人間の足のせん断応力を測定するFootSTEPSシステムと、より大きな力/エリアに対応するTireSensorシステムのラインナップがございます。


 歩行時に床面にかかる圧力分布/せん断応力分布の瞬時計測が可能
 一体化されたセンサーボックスと制御用PCのシンプルな構成
 測定対象に応じて各種サイズの選択が可能
 医療器具/スポーツ器具の研究開発に

FootSTEPS

 タイヤの地面にかかる圧力分布/せん断応力分布の瞬時計測が可能
 一体化されたセンサーボックスと制御用PCのシンプルな構成
 自転車から航空機着陸時まで広いレンジでの解析が可能


TireSensor

FootSTEPSシステム

FootSTEPシステムは、人間の足のせん断力を測定するためのセンサーなどの機器が一体化されたシステムです。センサーボックス内のカメラは保護層内の感圧フィルム層(S3F層)を撮影します。S3F層は、主に圧力によって生成される膜厚の変化を発光レベルの変化として視覚化が可能な材料を含んでいます。無荷重時に撮影された画像と、加圧時に撮影された画像の数字的な比率によってS3F層の垂直方向の変位を定量化します。
上層の下部にはマーカーがあり、足が接触している間に主にせん断力によって横方向に移動します。相互相関を分析することで、せん断によって生じる変位を定量化します。ボックス下部に取り付けられたセンサーによって同時にx軸、y軸、z軸の3つの力とモーメントを測定します。最初に足に接触した際に、プレートからのトリガーパルスによって各種センサーの同期をとります。圧力およびせん断力の3次元の変位データは瞬時に計算されます。圧力とせん断力の値は、測定された変位を入力として、S3Fの有限要素法によるオフライン解析によって提供されます。


地面と歩行時の足底の圧力の相互作用の高解像度による視覚化は、歩行中の特定の足底位置での圧力およびせん断データを評価するのに役立ちます。

例えば、糖尿病患者のためにFootSTEPSを用いた研究から得られた情報は、皮膚破壊および潰瘍形成を予測するのに役立ちます。足の潰瘍や組織の崩壊の発生を緩和するために、患者ごとに特注の装具を特別に設計することができます。

サンプル画像

仕様表


You can see by side scrolling.

Foot STEPS 仕様表



FootSTEPS 装置構成


 センサーボックス


 感知プレート( force plate )

 制御/コントロールPC

■ ソフトウエア

電源 AC100-120V , 50-60Hz
インターフェース USB3.0(カメラ) , USB2.0(カメラ以外)
圧力検出域 15 - 700kPa (2000kPa以上で飽和)
せん断力検出域 3 ±100kPa
精度 圧力/せん断力ともにフルスケール時で±5%
キャプチャレート 50fps
再構築時の空間分解能  2mm
 有効計測範囲  320mm × 430mm
 サイズ  924×533×549mm(感知プレートを含まない)

TireSensorシステム

TireSensorは、圧力とせん断力を同時計測する、タイヤの分析に最適化されたシステムです。感知プレート(force plate)と組み合わせることで、地面とタイヤとの、圧力とせん断力のデータを高分解能で提供します。TireSensorプラットフォーム上でのタイヤの回転を、 保護層で強化されたS3フィルム層(感圧フィルム層)の画像を高解像度でキャプチャすることで分析します。S3フィルム層には、主に圧力によって生成される膜厚の変化を、照度変化として視覚化することを可能にする探査素材が含まれています。荷重時に撮影された画像と、荷重が抜けた状態の画像を数値的に比較することで、S3フィルムの垂直方向の変位を定量化しています。

各種マーカーが、不透明な上層の下のフィルムに塗布されています。マーカーは、重みを受けることで、主にせん断力によって横方向に移動します。相互相関関数分析によって、せん断によって生じる変位を定量化します。3D変位マップは、タイヤ接触面によって生成される圧力およびせん断のパターンを即時に分析可能です。圧力およびせん断力値は、測定された変位値を、有限要素法を用いることで、オフライン解析が可能です。

仕様表


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 TireSensor 仕様表

Tire Sensor 装置構成

 センサーボックス


 感知プレート( force plate )

 制御/コントロールPC

■ ソフトウエア
電源 AC100-120V , 50-60Hz
インターフェース USB3.0(カメラ) , USB2.0(カメラ以外)
精度 圧力/せん断力ともにフルスケール時で±5%
キャプチャレート 10fps
空間分解能  2mm
成分混成時の精度  圧力/せん断間で3%未満

測定事例

測定原理

S3フィルムは、垂直および接線方向の力に対してS3フィルムの単純化された応答により、機能しています。S3フィルムの表面は、加えられた接線方向の荷重のため、接線方向の変位を受けるが、圧縮も収縮もしません。S3フィルムの応答は、S3フィルムの表面上の一連のマーカーを考慮することによって視覚化されています。S3フィルムのせん断に伴ってマーカーが移動します。この変位はS3フィルムの特性、せん断弾性率および厚さの関数によって得られます。荷重が抜けた時にはS3フィルムは元の形状に戻ります。


通常の力が加えられた時には、S3フィルムは変形しますが、圧縮も収縮も起こりません。作用点付近の荷重の存在によって、S3フィルムの局所的な厚さは修正されます。荷重が抜けた際には、S3フィルムは元の形状に戻ります。応力が加えられたフィルムの厚さは、加えられた垂直力の関数、S3フィルムの厚さ、せん断弾性率の三つの要素の結果としての厚みです。この時に、S3フィルムは圧力の勾配のみに反応しており、静圧の変化には反応していません。これは、次に述べる理由で大きな利点になっています。はじめに、静圧による影響を受けていないということは、純粋にせん断力のセンサーとして優れています。圧力は皮膚による摩擦力よりも数桁大きく現れる事が一般的です。したがって皮膚による摩擦センサの反応は、正常応答と接線応答との間との相互のやりとりに起因します。次に、圧力勾配のセンサとしての機能を持つため、より大きい、またはより小さい感度を必要とする用途に合わせて調整することができます。

圧力とせん断を測定するプロセスは2つのステップで実行されます。まず、S3フィルムの法線方向および接線方向の変形を光学的に測定します。これらの変形は、S3フィルムの物理的応力/歪みのモデルを用いてそれぞれの力量に変換されます。第1世代のシステムでは、蛍光を用いてS3フィルムの通常の変形を測定します。この世代のS3フィルム測定システムの実験の設定を図に示します。

一台の高解像度CCDカメラによって撮影された、一対の画像から、変形に関する3つの成分すべてを抽出することができます。S3フィルムに埋め込まれた色素から放出された蛍光を利用して成分を検出します。無荷重で力の加わっていない画像と、荷重がかかり、力の加わった2種類の画像を撮影します。接線方向に対する変位の測定は同じ一対の画像を用いて演算されます。S3フィルムの表面は小さな粒子があり、接線方向の変位マップは力がかかった画像と力の抜けた画像を空間的に相互相関させることによって得られます。

フィルムは、蛍光色素で薄くコートされています。色素を励起するために光源により露光されます。フィルムの蛍光画像は、無負荷状態(風がない状態)で記録され、次に負荷がかかった状態(風を受けた状態)で記録されます。フィルムの蛍光は、フィルムの厚さの線形関数です。したがって、無負荷状態から負荷を受けた状態の比率がフィルム厚さの有効な測定値となります。膜厚の変化は圧力勾配の存在を表します。

先に述べた通りに、まず無負荷状態でS3フィルムが記録され、ついで荷重のかかった状態で記録されます。フィルム表面の接線方向の変位は、この2枚の画像の相互相関を使用して決定されます。接線方向の変位(ベクトル)とS3フィルムの厚さの変化(コンター)を重ね合わせることで、流れの可視化が可能になります。この画像は、FEAモデルを使用して強制的に変換されなければならないことに留意する必要があります。

有限要素法

フィルムの変形を物理的な荷重に変換するプロセスは、S3フィルムの単純な2D FEAモデルを使用します。例えば、図のようにフィルムの表面に一点に荷重がかかります。この場合、S3フィルムの変形は2D空間で処理可能です。S3フィルムは弾力性のある固体ですので、加えられた力によって変形します。元の点(x、y)は、荷重を加えると(X、Y)に移動します。変位量が小さい場合、フックの法則は、もともとの内部の応力テンソルを変形テンソル(ひずみテンソル)に関連づけます。


S3フィルムの応答は、S3フィルムの応答関数を使用することで、個々の法線および接線方向の荷重にモデル化されます。表面における通常の荷重に対するS3フィルムの応答は、通常の応答関数と接線応答関数の両方を含む。同様に、接線応答関数に対するフィルムの応答には、垂直方向の応答と接線方向の応答の両方が含まれます。 そして、その結果は応答行列g(x)である。弾性反応は、応答行列と負荷成分の畳み込みとして表すことができます。応答行列g(x)が実験的にまたは有限要素法によって決定され得る場合、適用される負荷L(x)は、式の逆畳み込みによって決定され得ます。

最後に、反応式は控えめな形で記述されます。S3フィルム表面上に個別の表面位置に現れた任意の負荷のセットとS3フィルムの反応は、それぞれの負荷時間と反応マトリックスの関数を掛け合わせたものです。S3フィルムの応答は、個々の力に対する応答の重ね合わせであるため、応答は連立一次方程式として記述することができます。S3フィルムの反応(R)は実験的に測定され、応答関数は実験的に、または有限要素法によって決定することができます。未知の負荷を有するこの連立一次方程式は、優対角行列であり、逆算することで計算が可能です。


有限要素法を使用して応答関数をモデル化することにより、S3フィルムの挙動に関するいくつかの洞察を得ることができます。法線方向または接線方向の任意の力がS3フィルム表面に加えられた際に、力は特定の接触している領域にわたって分散されます。様々な方向から受けた力に対するS3フィルムの反応は、接触領域の範囲について決まります。接触面積は、フィルムの厚みによって一定化されます。この接触面積と膜厚の比は、空間周波数を規定します。膜厚と等しい領域に作用する力は、空間周波数が1になります。膜厚よりも大きな接触面積に作用する力は、1未満の空間周波数となり、逆に膜厚よりも薄い接触面積に作用する力は、1より大きい空間周波数となります。

図では、各空間周波数において、フィルムの応答関数、法線、接線およびクロストークがプロットされています。緑色で囲った0.1以下の空間周波数に注目すると、この分析の重要な結果が強調されます。ここで、力は膜厚の5倍を超える接触面積に作用しています。この領域では、純粋なせん断力に対する接線の応答は振幅が1として標準化されています。このとき、同一の接触領域にわたって均等な力が加わっていると想定すると、応答の振幅は約100分の1に相当します。このことは、圧力に対する応答と比較して、皮膚による摩擦に対して、S3フィルムの応答が実質的に拡大されることを意味します。皮膚摩擦の測定のための主な制限の1つは、皮膚による摩擦力が実質的に圧力よりも小さいことです。S3フィルムの応答特性は、圧力に対する皮膚による摩擦力の応答を向上させます。この挙動によって、S3フィルムは、はるかに強い圧力の存在下であっても、皮膚による摩擦センサとして動作することが可能になります。


振幅/周波数のプロットを調べることにより、S3フィルム S3Fの通常の力に対する応答は、圧力よりも、むしろ圧力勾配を使用して数学的にモデル化することができます。このモデルは特に、0.1未満の空間周波数に対して有効です。フィルムの厚さ(h)、せん断弾性率(m)、接線力(Fx)、および垂直力(P)の観点から、フィルムの法線(Y)および接線として結果を得ることができます。フィルムのX反応は、加えられた接線の力および圧力勾配の関数であることに留意してください。さらに、圧力勾配は膜厚によって荷重が加えられます。これらの式は、フィルムの設計ツールとして使用することができます。皮膚による摩擦に関心がある場合、薄膜は、せん断力に対する圧力勾配に対する応答を緩和します。例えば、1kPa / mの圧力勾配および1Paの剪断力を有する100ミクロンフィルムは、圧力に対する応答の振幅よりも20倍大きい振幅で剪断力に応答します。逆に、厚い膜の応答では、圧力がより重要になります。

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