MEMS-Tactile Sensor

これまでにMEMS（Micro Electro Mechanical Systems）技術を応用し、超小型の触覚センサを開発してきた。下図にその動作原理を示す。この触覚センサはSi基板の上に極小マイクロカンチレバーを複数個作製し、さらに全体を弾性体（エラストマ）で覆う構造である。この弾性体の上部に外力を与えると、弾性体が変形し、同時にカンチレバーの傾斜角度も変わる。電気的にこの傾斜角を計測し、適切な演算を施すことで、弾性体上部に作用する外力を3軸（圧力＋剪断力2軸）として計測できる。現在の試作センサは直径1mm、高さ1mmで実現している。

2025年 第8回 力触覚技術応用コンソーシアム研究会　開催情報  (立命館大学 東京キャンパス）

2024年 第7回 力触覚技術応用コンソーシアム研究会　開催情報 (立命館大学)

2023年 第6回 力触覚技術応用コンソーシアム研究会　開催情報 (立命館大学 東京キャンパス）

2022年 第5回　力触覚技術応用コンソーシアム研究会　(新潟大学）

2021年 第4回　力触覚技術応用コンソーシアム研究会　（オンライン）

2020年 第3回　力触覚技術応用コンソーシアム研究会（COVIDのためキャンセル）

2018年 第2回　力触覚技術応用コンソーシアム研究会（立命館大学 東京キャンパス）

2017年 第1回　力触覚技術応用コンソーシアム研究会（立命館大学）

さらに、このセンサを産業用ロボットに応用する上で有効な機能として、光学近接計測機能も有している。生産ラインにおいてロボットが物体を掴むためには、あらかじめカメラなどで環境を計測し、対象物体近傍にロボットハンドを移動させたのち、指を物体表面に接触させる。その際に接触直前の近接情報は安定した把持のために極めて重要である。本センサでは制御が容易な光を利用した方法を採用し、距離検出の手法を検討した。

光検出の原理について述べる。MEMSセンサ基板のSi でバイス層には、金属半導体間の仕事関数差により空乏層が存在すると考えられる。触覚検知のように端子B 間の直流抵抗を測定する場合には、Si3N4 薄膜は絶縁膜として振る舞うため，NiCr ひずみゲージ抵抗の変化のみを検出する。一方、端子間に交流信号を印加した場合、Si3N4 薄膜はキャパタとして振る舞うため、Si 基板の物性値変化の影響を容易に受ける。端子間の等価回路は、ひずみゲージ抵抗と基板の並列回路で概ね近似でき、光照射によって半導体 Si 層に生成したキャリアにより、Si 層の抵抗 RSi および空乏層容量 CD が変化する。つまり、センサへの入射光量を端子間の交流インピーダンス変化として検出することができるため、端子間で計測する信号の交流/直流を切り替えるという単純な方法で近接覚と触覚の2つの情報が検出可能となる。従って、下図 に示すように触覚センサの傍に投光用のチップLED を配置し、物体表面で反射してセンサに入射する光の強度が物体センサ間の距離により変化することを利用し、交流計測モードで接触までの距離を検出できる。同時に同じ回路を直流モードで計測することで接触後の外力を計測可能である。現実的には同一センサに切り替え回路を設けるよりも、センサのパターンとして触覚センサと距離計測センサを独立に設けるが、それぞれに個別のプロセスを設ける必要は無く極めて生産性が高い。