半導体・ を用いた 半導体・MEMSを 近接覚・ 近接覚・触覚コンボセンサ 触覚コンボセンサ 新潟大学 工学部 助教 機械システム 機械システム工学科 システム工学科 寒川 雅之 1 開発の 開発の背景 介護ロボット等のヒューマンサポートロボット ＝安全性・作業性を保証するためには器用な触覚機能が必要 要求される性能 • 垂直力・剪断力が同時に検出可能(多軸化) • 高密度に配置可能(高密度化) • 信号処理回路により信号の前処理が可能(集積化) ロボット • 対象物の近接検知(複合化) 触覚センサ 触覚センサ ロボットの腕や肩に実装して 障害物の接触状態を検知する。 ロボットハンドの指や掌に実装して 最適な把持状態を実現する。 2 接触力検知原理 マイクロカンチレバー（片持ち梁）構造 マイクロ カンチレバー 1 mm エラストマ Si基板 垂直力 • ナノ薄膜中 ナノ薄膜中の 薄膜中の応力制御により 応力制御により 傾斜した カンチレバー構造 傾斜したMEMSカンチレバー した カンチレバー構造 →垂直・水平方向どちらにも変形可能 ＝垂直力と剪断力の同時検知 →超小型構造＝高密度に配置可能 • NiCrナノ ナノ薄膜 ナノ薄膜ひずみゲージ 薄膜ひずみゲージによる ひずみゲージによる検知 による検知 →低コスト、低温プロセス →高い温度安定性(低抵抗温度係数) 剪断力 エラストマ(弾性樹脂 エラストマ 弾性樹脂)に 弾性樹脂 に検知部を 検知部を埋め込 んだ構造 んだ構造 • 柔らかい皮膚を模したセンサ • 高耐久性、感度コントロール可能 3 近接検知原理 1 mm マイクロ カンチレバー 半導体Si中の光導電効果 光導電効果によるイン 光導電効果 ピーダンス(抵抗、静電容量)変化 →反射光により物体の近接を検知 エラストマ カンチレバー Rg 配線 Si基板 Cw Ci Ci Cd 空乏層 対象物 Cd Si Rs 等価回路 直流 高周波 Ci エラストマ 光 ＋ Si – 光生成キャリアによる Siインピーダンス変化 近接検知 Cd Rg Cw カンチレバー変形による ひずみゲージ抵抗変化 接触力検知 Si3N4 Rs Cd Ci 測定周波数により 接触力と近接を 分離して計測 一つのセンサで 複合的検知 4 競合する 競合する触覚 する触覚センサ 触覚センサ技術 センサ技術との 技術との比較 との比較 感圧導電抵抗方式,静電容量方式 (実用段階) 薄型のシート状の高密度圧力センサ 原理的に剪断力の計測は難しい MEMS方式 (研究段階) 隔膜構造 (デルフト大・イリノイ大・サンタナ大) 多軸化・高密度化・集積化が可能 プロセスが本提案の4倍となり複雑 Si片持ち梁構造 (本技術) 多軸化・高密度化・集積化・埋め込みが可能 作製プロセス、構造がシンプル 近接覚との複合検知 PPS社 TactArray 隔膜構造 片持ち梁構造 本件の片持ち梁方式は構造が単純かつ頑強で3次元的計測が可能 5 試作センサ 試作センサ ~ 1 mm 試作センサチップ 5 mm 5 mm マイクロカンチレバー • Siウェハーを表面MEMSプロセスにより加工 • 1素子の大きさ: ～1 mm • 配線も含めたチップの大きさ： 5 mm□、厚み: ～2 mm →ロボットの指先等にも配置可能 6 接触力の 接触力の計測 垂直⼒に対する抵抗変化 剪断⼒に対する抵抗変化 Fx Fy • 印加⼒に対し線形な抵抗変化 • 印加⼒の方向に依存した抵抗変化 ⇒3つのカンチレバーの出力から3軸ベクトル力が得られる 7 近接・ 近接・触覚検知 触覚 接触時: 直流抵抗が線形に変化 近接覚 近接時: 高周波インピーダンスが変化 8 想定される 想定される用途 される用途 • ロボットハンドやマニピュレーションにおける接触検知、把 持力制御 – 接触前に近接状況を検知することで、より器用な取扱が可能 • 物体の質感（テクスチャー）計測 – 多軸接触力により凹凸、摩擦、硬さ等、光により表面の明るさ を計測→視覚を含むマルチモーダルな質感 • 皮膚と環境（ベッド、装着用具等）の接触状況モニタリング – 近接計測＝装着具合、浮き等の検知、接触力計測＝皮膚への ストレス 9 想定される 想定される用途 される用途 10 開発状況と 開発状況と実用化に 実用化に向けた課題 けた課題 • 開発状況 – 垂直力: ～1 N (分解能: 40 mN) – 剪断力: ～0.2 N (分解能: 20 mN) – 近接: ～5 cm – 耐久性: 2000回以上 エラストマの弾性 で調整可能 • 課題 – 計測用システムの構築・集積化、実装方法 – 環境光・温度への対策 11 企業への 企業への期待 への期待 • 増幅回路や計測用回路との集積化、およびセ ンサの実装技術に期待 – フリップチップ実装 – パッケージング • 本技術を有効に活用した応用共同研究 – 人体と機械装置の接触状態の計測 – マルチモーダル質感評価（布、肌等の触り心地 の評価） – 新規入力デバイス 12 本技術に 本技術に関する知的財産権 する知的財産権 • • • • 発明の名称 ：MEMSセンサ 出願番号 ：特願2013-223626 出願人 ：新潟大学、立命館大学 発明者 ：寒川雅之、奥山雅則、野間 春生 13 お問い合わせ先 わせ先 新潟大学 産学地域連携推進機構 ＴＥＬ ０２５－２６２－７５５４ ＦＡＸ ０２５－２６２－７５１３ e-mail [email protected] 14
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