垂直圧力分布・せん断応力計測 感圧フィルム

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。

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。

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。

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。

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。

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(歪みテンソル)に関連づけます。

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。

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。