柔軟物の手触り感を計測する皮膚構造規範型MEMS触感センサ

2013 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 25820083
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 野田 堅太郎 東京大学, 情報理工学(系)研究科, 特任助教 (00547482)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 触覚センサ / 液体フィルタ / 皮膚状構造

Research Abstract

初年度には、液体フィルタの形状・粘性と液体中に封止したピエゾ抵抗素子周りに生じる流れの解明に取り組んだ。
ピエゾ抵抗素子の周囲に粘性液体を配置し、高分子膜および弾性体層で覆ったセンサ素子を実現した。このとき、弾性体層の一部に薄く・微小なガラス板を配置することで、外部から粘性液体中のピエゾ抵抗素子の変形を観測することができるような構造を実現した。また、粘性液体中に直径4マイクロメートルのガラスビーズを分散することで、液体中の流れを可視化した。この構造にせん断力を印加し、せん断力を印加した場合のガラスビーズの移動量を観測した結果、ピエゾ抵抗素子周りの液体は層流となることを確認した。今後、この結果を元に、液体フィルタを有する力センサの設計・試作を行うことを予定している。
また、試作するセンサのせん断力およびせん断力変化に対する応答を計測し、評価を行うため、6軸力計を直動ステージ上に組み込んだせん断力および力変化を印加する実験装置を構築した。この実験装置を利用することにより、センサの応答特性の計測および評価に取り組む。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

平成25年度には当該年度に目標としていた、粘性液体中に封止したピエゾ抵抗素子の変形を観測することが可能な液体封止構造を実現するとともに、マイクロビーズを用いることで素子周りの流れを可視化する研究目的を達成した。この結果を元に平成26年度以後、皮膚状構造を有する力センサの実現に取り組むことを予定している。
更に今後の研究作業に必要となる、試作したセンサ素子の応答特性を計測・評価するためのせん断力および力変化を素子に印加する実験装置を構築しており、目標に対して順調に研究作業が進んでいると考える。

Strategy for Future Research Activity

平成26年度には、ピエゾ抵抗素子とその周囲に液体フィルタを形成したセンサ構造を皮膚状構造体中に配置し、テクスチャとの接触力とその変化を計測するセンサ構造を実現する。この構造では、皮膚の表皮-真皮部分の構造を規範として、表面に指紋状の凹凸を持つ剛性が高いシリコーンゴムを用いて作製した表面構造と剛性が低いシリコーンゴムを用いて作製した内部構造の2相の構造体を組み合わせて実現する。このとき、皮膚の真皮部にあたる内部構造にセンサ要素を配置することで、センサ表面の変形を計測する。
こうした指紋状の凹凸構造を持つセンサは、物質表面に線s名を押し付けた場合には表面の凹凸構造が変形し、応答特性が変化する可能性が考慮される。例えば、人は対象物の凹凸高さによて、最もテクスチャを検知しやすいなぞり速度や押しつけ力を有していると考えられる。そこで、対象物表面の形状と押しつけによる表面構造の変形との関係がセンサ感度に与える影響を評価し、センサ表面構造の有効性・設計指針を検証する。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

平成25年度は、液体フィルタ中のピエゾ抵抗素子の変形を計測するなど、構造の設計に手を加えることなく、その基礎的な応答特性の計測・評価に注力したため、ガラスマスクや計測用電子部品など、計測方法・センサの構造を大きく変えるための物品を購入していない。このため、物品費および共有設備などの使用費用の一部を次年度使用額に回す予定としている。
触覚センサの試作を行うため、SOIウェハの購入費用、シリコンウェハの加工費（ピエゾ抵抗形成）ならびにSOIウェハのハンドリング層の加工費用が多く必要となる。こレらの費用に次年度使用額分の経費を充てることを予定している。