まず動く

　注射の種類には皮下注射、筋肉注射、靜脈注射などがある。専門家ではないのでその詳細は不明だが、血液検査のために採血はよく受けている。これは、注射針先端を血管内にとどめ、血液を注射器内筒に吸い上げる作業である。看護師資格を持つ看護大学のM先生、S先生と共同研究を行っている。先生方いわく、注射器針は穿刺（せんし）時に少し曲がる（反る）感じがするという。針が血管に穿刺させるときの皮膚面から何度で刺入（しにゅう）するか、また、その時の針先にかかっている力はどのくらいかという議論から「注射針先端の力の測定装置」の開発・試作をすることになった。 　以前、ブログにひずみ、ひずみゲージの話しを投稿した。ひずみゲージを応用すると上述の装置が試作できる可能性があると判断し、その設計・製作に取りかかった。人間の皮膚に刺す針であるが、人に刺して実験することは不可能なので、刺す対象を仮に固めのスポンジを想定し、力を測る装置の上にそのスポンジ片を乗せそれに刺すことにした。 　図1(a)は対象物のスポンジに針が刺さる場合、その針が反らない場合である。赤色矢印は水平方向と垂直方向の力の成分を示す。この二つの力の成分が分かれば針穿刺時の力の大きさと方向が分かる。大きさは水平力の二乗と垂直力の二乗のルートで求まる。また、方向は、力の2成分から垂直力／水平力を求め、さらにその値の逆正接（アークタンジェント、tan-1(垂直力／水平力)）を計算すると水平面からの角度が求まる。つまり、何度の角度で穿刺したかが分かる。 　ところが実際には、図１(b)に示すように針は反りかえるといわれているので、実験で求める針角度は、針が真っ直ぐな図(a)のような状態のときの角度より小さくなることが予想される。このような注射針の曲がり（反り）具合と穿刺角度を求めるために図2に示す2階建ての力変換装置を考案した。図で上方の箱状の部分で水平方向の力を測り、下方の水平に置かれた板（起歪材：発生したひずみをとりだすための材料でバネ材）が上下方向の力を測る部分である。 　図3は上下方向の力を検出するために貼ったひずみゲージを示す。図4はひずみゲージを貼り終え水平方向・垂直方向の力検出が可能であるかをチェックしているところである。図4は固めのスポンジに穿刺している様子を示す。針を斜めに刺入すると、その時の針先にかけた力はスポンジを経て2軸力変換器に伝わるので穿刺時の力が測定できる。

写真1：注射針が変形する様子

写真2：2軸力変換器の基礎フレーム

写真3：ひずみゲージを貼付した起歪材

写真4：試作した2軸力変換器

 2011.12.15

　現在、面白い実験的研究を行っている。その研究を紹介するにあたって、あらかじめ力の測定技術を紹介しておかないと、紹介する実験装置が理解できないと思われる。そこで、今回、ひずみゲージを応用した力の測定原理を簡単に紹介する。 　ひずみゲージを飛び込み台に貼付し、ダイバーが飛び込みを開始するまでに台にかかるひずみと力の変化を考えてみる。図1に示すようにひずみゲージを飛び込み台の根本に貼る。ただし、ひずみゲージを貼るところが鉄でないとゲージを貼ることが困難になるので、この飛び込み台の根本は鉄製と仮定する。ゲージを貼った後は図1のようにひずみゲージ、ひずみ測定器、パソコンへとそれぞれ配線をする。 　この飛び込み台は弾性体であるから、図1のようにダイバーが先端に立つと湾曲する。しかし、その飛び込み台は、ダイバーが飛び込みを終えると振動しながら元の平らな状態に戻る。飛び込み台にひずみゲージを貼り以下の手順を踏むと体重やその他重い物の重量が測れる秤に変身する。この測定原理がわかると、一般家庭にある電子体重計の測定原理も分かる。 　図1ではダイバーという人間が乗っている図であるが、この個所に重さが分かっている物体、例えば本のような物を束ねてあらかじめ見方を測っておいたものを順次乗せる。いま、それらの物体重量は20、40、60、80、100[kgf]と分かっているものとする。乗せた都度、ひずみ測定器でひずみ量を測る。こうして、既知荷重を乗せる度にひずみを測っておいて、その結果をグラフにすると図2が出来上がる。図2の赤丸は実測した荷重とひずみをプロットした点である。100[kgf]に対するひずみを見ると500μであるから、荷重に対するひずみの傾きは100[kgf]／500μである。つまり、0.2[kgf]／μで、これはひずみ量を力に変換するための荷重係数ｋでもある。1μのひずみを測定したとすれば、台先端に0.2[kgf]の力がかかったということが分かる係数である。図2を見てもわかるように、この係数を使うと、もしも100μのひずみが計測されたとするなら、それは0.2（[kgf]／μ）×100（μ）を計算して、20[kgf]の力が台先端に加わったことが直ちに分かる。　ここでμはギリシャ文字でミューと読み、単位の補助として10−6を意味する。長さLのある物体に力がかかったとし、その物体がΔLだけ伸びたとする。その時のひずみの定義は、ΔL／Lで表わされる。例えば、1ｍ（＝1000ｍｍ）（L）の棒を引っ張ったとし、それが1ｍｍ（ΔL）伸びたとすると、Lは1000ｍｍで、ΔLは1ｍｍであるから、ΔL／L は1／1000＝0.001である。このひずみ量はμ（＝10−6）を使って表すと、0.001×106×（10−6）＝1000×μとなる。これを1000μと表し、上記棒を引っ張った時に生じたひずみ量である。 　以上述べたように、鉄のような金属（弾性体）にひずみゲージを貼付すると、その鉄に加わった力で生じるひずみ量が容易に測定できる。これまで述べたひずみは、図1のひずみ測定器によって電気信号として求まるので、パソコンを使い図や表に表せる。図3は、ダイバーが飛び込み台に乗り、先端に向かって歩くことから始まる飛び込み台根本に生じるひずみの変化である。ダイバーが台先端に立った時のひずみ量は、すでに校正を終えているのでダイバーの体重に相当する。そのため、その位置（台先端）でのひずみが分かればダイバーの体重がわかるのである。ダイバーが飛び込んだあとの振動は、台が自由振動する時のひずみ変化である。 　図4は、台先端に未知の重量物を乗せたときに計測されたひずみから逆算して未知重量が分かることを示す数値例である。例えば、体重が分からない人が台先端に立った時のひずみが275μと計測されたとする。そうすると、図2の校正曲線から275のひずみに対応する荷重を読み取ると、55[kgf]と体重がわかる。一方、図2から荷重係数ｋが求まっているので、単に275μにｋ（＝0.2[kgf]／μ）を掛け算すると、55[kgf]という体重[kgf]が容易に算出できる。 上に述べたような力測定装置が出来上がると、測定器の上に乗った人の足裏にかかる力が分かる。これをコンパクトにした装置が床反力計（フォースプレート）である。床反力計は体重はもちろん測れるが、その上に乗りジャンプした時の力や人の重心移動などを測ることができる大変便利な力測定装置である。 　以上、飛び込み台にひずみゲージを貼付すると体重計に変身することの例を述べた。ここでは、体重という重い重量が測れることを例に示したが、同様の考えで薄い板バネにひずみゲージを貼付すると、グラムオーダーの超小型荷重計を試作できる。次の機会に注射針が注射時にほんのわずか反っていることが実測できる装置の開発について述べる。

 2011.12.8　記

　最近、微小な力、圧力、変位（ものの移動量）を測ることがある。そのときに使うセンサーは、ひずみゲージという小さな抵抗体である。これを例えば板バネのような弾性体に貼付する。その弾性体が力を受け変形すると表面がひずむので、そのひずみ量が測れるという「スグレもの」がひずみゲージ（センサーの一種）である。ひずみゲージそのものは1枚数百円と安いものだが、ひずみゲージにリード線という細い電線をつなげ、ひずみ測定器という高価な精密測定装置に接続する必要があるのが難点である。 　さて、上述したひずみゲージは何に使えるかというと「力」、「圧力」、「変位」、「加速度」などの物理量測定に応用できる。このゲージを応用し、過去にロープの張力、液体の圧力、ロボットが物を持つ時の力、人が物に及ぼす力、人を抱き起す時の力、身体が動くときの体重変化（床反力計）、人が飛び降りた時の床反力、人の重心変化、物を持ったときに手にかかる力、注射器の内圧、胃ろうで半固定状栄養剤を補給するときのチューブの圧力などの測定を行った。 　定年退職後は研究室を失ったため、自宅を改築した小さな物つくり実験室を作り、ここで人が行う動作を研究するための小さな力変換器を考案・試作している。現在進行中の測定は「目薬容器を押す力と容器内圧の測定」、「注射針にかかる微小力の測定」、「注射針先端にかかる微小力による反り量と力の関係」などである。 　こうした力や圧力測定のためにひずみゲージの応用がある。ひずみゲージを応用した力変換器（荷重計）や圧力変換器は市販されている。この場合、例えばクレーンで重い物を持ち上げるときの力を測る、工場のタンク内の圧力を測るというような工業用の力や圧力を測定するなら既製品が使える。しかし、人が物を持つとか押す、あるいは手作業する場合に手・指にかかる力、看護・福祉分野での人の動作時にかかる力の測定などは既製の検出器で測定することは困難なことが多い。そこで、ひずみが測れるひずみゲージというセンサーを応用して人の動作に関わる力を測ることになる。ここで、“ひずみゲージを応用して”と書いたが、ひずみゲージ単体では何にも役に立たない。ひずみゲージは一種の電気抵抗であるから、その抵抗体であるゲージを弾性体に貼る必要である。なぜ弾性体に貼るかというと、バネを想定すると分かるように弾性体は力を加えると伸びたり縮んだりと変形し、その力を取り去ると元の状態に戻るからである。この変形量（ひずみ）と力の関係は比例するという物理の原理を利用するのである。つまり、ひずみゲージを貼付した弾性体に力を加えると弾性体はひずむ。するとひずみゲージもひずむ。同時にゲージ抵抗が変化するので、そこに流れる電流も変化する。その電流（電圧）をメータで読み取れば、どれだけひずんだかがわかる。これがひずみ測定の原理である。 　上記した逆を考える。ひずみゲージを貼付した弾性体が何らかの力を受けひずんだとする。そのひずみを測ると逆に弾性体にかかった力が分かる。この時に大切なのは、弾性体にいくらの力を加えたら、ひずみゲージからいくらのひずみ量が得られるかということを事前に実測しておく必要がある。この事前に行う作業は「校正」といい、この校正をしていな弾性体は力変換器として使えない。 　以上述べたことを整理すると、ゲージを貼付した弾性体が力を受けると変形しその表面は「ひずむ」。その「ひずみ」によって抵抗体(ひずみゲージ)も「ひずみ」、そのために抵抗が変化する。この微小な抵抗変化をひずみ測定器が「ひずみ」に対応した電気量に変換してくれる。こうして、力を受けた弾性体がひずんだ時の「ひずみ」の大小は電気量として求まる。ひずみ量が測れたということは、弾性体にかかった力が分かることになる。ここで、弾性体の力と「ひずみ」の関係（校正）は求めてあることが前提である。これがひずみゲージを応用した力測定の原理である。ひずみゲージを貼付した弾性体は力変換器である。 　ひずみゲージは、身近には体重計に応用されている。ただし、普通の体重計はその人の体重が分かれば目的は達成したことになるので、体重計に乗った時の体重しかわからない。しかし、力を測る研究では、徐々に変化する力の様子を連続した量として測りたい。そのため、研究では時間に対して変化する動的な力を測定することが多い。例えばひずみゲージを床反力計（フォースプレート）に応用すると、そこに乗るまでに徐々に加わる力の変化や乗った状態で何かを持つというように人が発揮する力が測定できる。そのために動作研究にはひずみゲージの応用は欠かせない。

 写真1：ひずみゲージの表面（ゲージ長：1�o）：ゲージ長は様々なものがある

写真2：ひずみゲージの裏面

写真3：ひずみゲージの入ったケース

写真4：ひずみゲージの規格（ゲージ長：1�o、ゲージ抵抗120Ω）

 2011.12.1

　東京大学工学部（船舶工学科）、航空宇宙技術研究所（機体部、計測部）、東京工業大工学部（制御工学科）、放送大学（産業と技術専攻）、東京電機大学理工学部（知能機械工学科）と主に研究所、大学に長年勤務していた関係で所属していた学会も多い。それらは機械学会、計測自動制御学会、ロボット学会、バイオメカニズム学会、人間工学会、看護教育研究学会などである。これらの学会でいまだに脱会していないのは、日本人間工学会である。それは、ひとつ目に現在も非常勤ではあるが看護大学、看護専門学校で人間工学の講義をしているからである。ふたつ目は看護大学の先生方から依頼され実験装置の開発や試作を行っているからである。人間工学に関わる教育上必要な情報は、学会発表や送られてくる学会誌から得ることができる。こうした情報は受け身である。ところが、看護研究用の装置開発・試作をすると、その成果を発信したくなる。これは受け身ではなく情報を発信する立場であって、その発信ができる場が人間工学会である。 

　今年も日本人間工学会の下部組織である関東支部41回大会が12月10日(土)、11日(日)に東京豊洲にある芝浦工業大学で開催された。すでにブログに投稿した「ひずみゲージ」を応用した“注射針先の力を測る装置開発”と“点眼容器の内圧測定に関する研究”として発表した。正式な演題名は以下の通りである。

(1) 針先2軸の力測定器開発と穿刺角度の推定（第1報、2報）
(2) 点眼容器の使用性に関する研究〜点眼容器の内部圧力測定について〜（第1報、2報）
 　これらの内容は「2011年度　一般社団法人日本人間工学会関東支部第41回大会」講演集　「あなたのための人間工学」で閲覧できる。

 　(1)の概要は、看護師が患者に注射をするとき、少し針が反りかえるというのでその反りと針の刺入角度測定方法についてである。注射操作のベテランである共同研究者のK先生、S先生から「注射器の針は身体皮膚に対して15°〜20°」と教科書に書いてあるが、その角度を実験的に知りたい。また、「注射（穿刺）時の角度や針刺入速度で痛みが異なるのではないか」という疑問が投げかけられた。そこで、力はベクトルなので注射針を穿刺する時に押す水平力と下方にかける垂直力が分かれば、その力の成分から針が向かう方向（角度）が分かると判断し、2軸の力が測れる装置を開発した（第1報）。

 　(2)の概要は、点眼容器形状や容器材料によって、点眼しやすさが異なるので、その違いを見出す方法についての研究である。この差異を人間工学的な手法で明らかにしたいという相談を看護大学の先生から受けた。これもひずみゲージを応用した方法でやれそうだと判断し、ひずみゲージを容器に貼付した。しかし、容器に平坦な個所がなくゲージは貼りにくいことと、貼ったとしてもその個所のひずみは分かるが具体的な力や圧力は測れない。そこで、考えついたのは、超小型圧力変換器（直径3ｍｍ〜5ｍｍ）を用い、指中に収めて押せば圧力が測れると気づいた。しかし、測定対象の点眼容器は丸みがあることと押すと変形するという問題が生じた。指で押すときの指圧力は測れるがその測定精度が問題になっている。ところが、もしも既製の小型圧力変換器を容器内に挿入できれば、その圧力変動から容器の特徴が推測できるかもしれない。そう思い、超小型圧力変換器を点眼容器内に挿入し内部圧力が測定できるように工夫し、圧力測定を行った。
 　実験装置や工夫した内容は、後日ブログで紹介したいと思っている。【2011.12.10】

写真：共同研究者と芝浦工業大学　豊洲キャンパスにて記念撮影 2011.12.13　記