一つのセンサで 冷温感・触感・見た目を 含む質感を測る技術 新潟大学 工学部 機械システム工学科 准教授 寒川 雅之 1 質感評価の従来技術とその問題点 • 従来の質感評価＝感性的な手法 – 熟練技術者による手触り、見た目での評価 – 官能評価による数値化 • 問題点 – 評価結果への評価者の主観の混入 ➡客観性に課題 – 評価者の経験や年齢、体調によるばらつき ➡再現性に課題 2 本技術の概要 • 質感の構成要素 – 触感：硬さ、厚み、摩擦、・・・ – 視感：光沢、色、散乱、・・・ – 冷温感：熱伝導、熱放射、熱容量、・・・ • 本技術は質感構成要素を「一つ」の、「小型」のセン サにより複合的に計測する手法 – 触感 ➡ ベクトル接触力変化 – 視感 ➡ 入射光変化 – 冷温感 ➡ 温度時間変化 3 センサの基本構造 試作例 マイクロ カンチレバー エラストマ（弾性樹脂） Si基板 5 mm 5 mm Si基板上に表面MEMSプロセスにより作製した傾斜マイクロカンチレバー （片持ちはり）が弾性樹脂に埋め込まれた構造 4 触覚の検知原理 0.3 mm 薄膜ひずみ抵抗 傾斜構造 荷重に対するひずみ抵抗変化 Resistance Change (ppm) マイクロカンチレバー電子顕微鏡写真 100 0 -50 -100 -150 垂直荷重印加時 剪断荷重印加時 Shear Force 50 Normal Force 0 0.2 0.4 0.6 Force (N) 0.8 一つのカンチレバーが垂直・剪断 荷重両方に応答を示す ➡ 圧力だけでなく滑りも検知可能 5 対象物 反射光 （対象物表面特性を反映） インピーダンス変化率 (%) 視覚の検知原理 0 入射光なし(基準) 緑 -1 青 -2 -3 赤 光源の色 -4 赤 + 光励起キャリア 光源(カラーLED等) センサ 緑 青 入射光の色 白 導電性変化は光源と対象物 の色の組み合わせに依存 対象物の色の判別が可能 光入射 ➡ 光導電効果によりSi中導電性変化 6 冷温覚の検知原理 対象物 熱伝達 センサ 接触 ヒータ（体温程度に加熱） センサを対象物に接触させたときの熱伝達による温度変化 ➡ センサの導電性変化 7 アクティブタッチ計測 • 人間の探索行動と同様に、センサをアクチュ エータで駆動し、能動的に対象物に接触させて 計測 – 押当て、押込み、なぞり、光の色や当たる角度を 変える、・・・ • 動きと複合的センサ出力の相関性から質感情 報を得る なぞり センサ 観察光 押当て、押込み センサ 伝熱 対象物 垂直力 剪断力 対象物 8 触覚センサの従来技術とその問題点 • ロードセル、力覚センサ – 小型化困難 – 高価（数万円/個～） • 感圧ゴム、感圧インク、ゴム静電容量 – 圧力のみの検出➡滑りの検出不可 – 非線形性、耐久性 • ロボットハンド一体型 – 低汎用性 – 高価(百万円以上) 9 新技術の特徴・従来技術との比較 • 質感を数値化し記録・比較・評価でき、客観性・再現 性に優れる。 • 圧力、温度、光のセンサを組み合わせて計測するの に比べ、複合的な質感を一つのセンサで計測可能で あり、小型化・低コスト化・アレイ化が期待できる。 • 他のMEMS触覚センサ技術との比較 – 検知部の構造・作製プロセスが簡便、特殊な加工技術を 必要としない ➡ 低コスト – ほぼ接触力のみの検知であり、光や温度を複合して検知 する例はない 10 紙幣の手触り計測 触感計測の例 紙や布等をなぞった時の出力変化 スキャン方向 250 F = 20 gf 光沢紙 z ひずみ抵抗変化率 (arb. units) ひずみ抵抗変化率 (ppm) 0.5 m m v = 0.05 mm/s s 200 スキャン 開始 ポリスチレン 150 ティッシュペーパー 100 デニム生地 PET樹脂 50 皮革 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 時間 (s) 0 1 2 3 スキャン距離 (mm) 4 0.03mmの微小な凹凸も計測可能 凹凸や摩擦係数に応じた出力変化 11 視感計測の例 900 Siインピーダンス ( ) 890 色紙の計測 観測光：赤 観測光：緑 観測光：青 880 870 860 850 840 830 820 橙紙 緑紙 青紙 橙紙 緑紙 青紙 橙紙 緑紙 青紙 観測光の色との組み合わせで紙の色が分かる 12 冷温感計測の例 センサを押当てた時のSi導電性変化 センサを押当てた時のひずみ抵抗変化 接触力による変化 ひずみ抵抗変化 Siインピーダンス変化 金属 アクリル 木材 0 50 100 接触後時間経過(秒) 150 金属 木材 アクリル 0 1 2 3 4 5 接触後経過時間(秒) 6 • 接触➡伝熱による温度変化➡インピーダンス・抵抗変化 • 材質による熱伝達の違いを計測可能 13 想定される用途 • 医療・福祉 – 介護ロボットや手術支援ロボットにおけるハンドリング制御 – 褥瘡リスク評価・予防のための皮膚ストレス、発赤、発熱等の評価 – しこり等の「触診」の数値化 • 製造業 – 官能評価に代わる家電・自動車等の製品の表面仕上げ評価 – 布・紙、化粧品等の材質の評価 – 熟練技術者の手でしかわからない表面仕上げ等の記録・数値化 • その他 – 数値化による質感のカタログ化、遠隔地への伝送 14 実用化に向けた課題 • 現在、物体に対する押込み、押当て、なぞり、光照射 により、触感、視感、冷温感の違いをそれぞれ計測 可能なことを示している。それらの違いを如何に組み 合わせて総合的な質感評価基準をつくるかが課題。 • 今後、様々な材質に対するデータを収集し、また動き の量や速度に対する依存性を評価することで、質感 の違いを表す最適なパラメータの構築を目指す。 • 実用化に向けて、センサの接触部の材質や形状の 最適化、および計測システムへの実装方法を検討し ていく必要がある。 15 企業への期待 • 測定対象によって、最適なセンサの構造や動 かし方が異なるため、実際に様々な質感を持 つ部品等を製作・評価している企業からの試 作品等の実験評価 • センサで得られた質感を含む計測データを活 かした新製品開発等の共同研究 16 本技術に関する知的財産権 1. 発明の名称 ：MEMSセンサ – 出願番号 – 出願人 – 発明者 2. ：特願2016-087136 ：新潟大学 ：寒川 雅之 発明の名称 ：物体表面の質感計測装置およびそ れを用いた紙葉類判別装置 – 出願番号 – 出願人 – 発明者 ：特願2011-198993 ：大阪大学、国際電気通信基礎技術研究所 ：寒川 雅之、奥山 雅則、野間 春生 17 産学連携の経歴 • 2011年 経済産業省・戦略的基盤技術高度化支援 事業に採択(アルケア株式会社・国際電気通信基礎 技術研究所と共同) • 2011年-2012年 JST A-STEP FSステージ探索タイ プに採択 • 2015年- 株式会社コガネイと共同研究実施 • 2015年 JST A-STEP FSステージ探索タイプに採択 • 2015年-2016年 JST マッチングプランナープログラ ム探索試験に採択 18 お問い合わせ先 新潟大学 シニアリサーチコーディネーター リサーチコーディーネーター 坪川 紀夫 林 敏和 ＴＥＬ 025-262-7554（ワンストップカウンター） ＦＡＸ 025-262-7513 e-mail [email protected] 19
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