４. 最近の触覚センサの研究開発動向

４. １　新製法＆新材料の利用

（１）E-skin： 近年、皮膚のような特徴の実現を目的としたE-skin(Electronic skin)の研究開発が盛んである²⁾³⁾。E-skinは印刷技術によりフレキシブルなフィルム上に有機トランジスタなどを用いて検出素子と電子回路とを作成したものであり、低コストで、大量生産が可能な特徴がある。
有機半導体は、インクジェット法などの印刷技術で、高分子フィルムの上に容易に製造できる。また大面積で低コストな電子部品が作製可能であり、軽量性と柔軟性を兼ね備えた、伸縮可能な触覚センサなどが開発されている。このため曲面などへの実装が可能であり義手、ロボットなどへの利用、その特徴を活かしたwearable sensor など様々なIoT 機器への応用が模索されている。
図３にはその例を示す⁵⁾。薄さ(2 µm)の有機トランジスタ集積回路を、1.2µm厚のポリエチレンテレフタレート基板上に作製したフレキシブルな回路で、4.8×4.8cm²のアクティブエリアに144 (12 ×12) セルを搭載している。図のように肌のような自由曲面に貼り付けることが可能で、センサは電気的・機械的特性の劣化がほぼ無く233%まで伸長可能とのことである。

このほか、検出素材として、ナノチューブ、グラフェン、硫化モリブデンが利用されるなど、新たな変換材料の試みも行われている。また、力、近接距離、温度、湿度など各種検出器をフィルム上に製作することで多角的センシングを行う試みも行われている⁶⁾。
ただし触覚は接触により情報収集を行う。このため伸び、縮み、擦り、打撃などに対する物理的耐久性や、水,油、湿気などの浸透に対する化学的耐久性が重要となる。E-skin に関して、現実の環境での実績に関して筆者は残念ながら知らないが、最近開発が進んだこともあり長期間に渡る安定性については未知の部分があると思われる。

（２）E-textile： E-textileとは、導電性高分子繊維、炭素、金属などで表面修飾した繊維を撚り糸状や布状に織り上げて、触覚センサとしたものである⁴⁾。
静電容量変化から力を検出している例を図４に示す⁷⁾。図のようにケブラー繊維を導電繊維でコーティングし、その上を誘電体であるPDMDで覆った導電繊維を交差させて用いる。
交差部は導体間に誘電体が挟まれたキャパシタを形成し、力によって誘電体部分が変形するため容量が変化し、力を計測する。

このように検出原理は、編上げた繊維間の静電容量や接触抵抗の接触力による変化から荷重を検出する。織物としてセンサを構成する方式は、製作が比較的容易で安価に作れ、大面積化が容易、柔軟性もあるなどの特徴を有する。このため現在wearable e-textile として、ヘルスケア、スポーツ、ゲームなどの分野での利用が行われている。また、ロボットでは空間／強度分解能が低くても良い部分などへの利用は適当であろう。

４. ２　モジュール化

近年モジュール構造としたセンサでロボット全体を覆い、各モジュールを階層的バス方式で接続する触覚センサがある。例えば、実際にロボットに利用されたセンサとしては、iCub skin（図５）、HEX-O-skin（図６）などがある。
iCub はフレキシブル基板上に電極を作り、誘電体を挟んだ静電容量式である⁸⁾。図のように電極を三角形状とし物体をこのパッチで覆う。この三角形中には12 個の検出点があり、I2C 経由で検出データを転送している。
静電容量式は薄型で構造がシンプル、誘電体により検出感度などの特性を変更可能、静電容量検出専用の計測ICがあるため利用しやすいなどの利点がある。しかし、静電容量式では、対象物の材質や体積によってもセンサ出力が変化し、特に検出物体と地面の間での接地状態にも依存してセンサ出力は変化するため、物体に依存せず距離・姿勢を計測することは難しい。また電磁ノイズ、温度の影響を受けやすいなどの欠点がある。

HEX-O-skin は一辺が14mmの六角形構造の中に荷重、近接、温度、加速度センサおよびMPUを含む⁹⁾¹⁰⁾。各六角形はポートで隣接モジュールに接続し計測データを伝送する。実装はこの六角形構造でロボット腕等を覆うことを想定している。ただし、PCB 基板を用いているため柔軟性は低いようだ。

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【著者略歴】
下条　誠（しもじょう　まこと）
1976年　東京工業大学 総合理工学研究科 精密機械システム専攻修了
1976年　通商産業省工業技術院　製品科学研究所
1985年 – 1986年　スタンフォード大学 客員研究員
1993年　通商産業省工業技術院　生命工学工業技術研究所
1997年　茨城大学工学部情報工学科 教授
2001年　電気通信大学 知能機械工学専攻 教授
2016年　東京大学 大学院情報理工学系研究科 特任研究員
現在に至る

専門分野
ロボティクス・メカトロニクス研究、特にロボットハンドと触覚センシングの研究を行っている。具体的には、視覚と触覚情報を補完する近接覚センシング、薄く柔軟なすべり覚センサの研究、これらセンサを取付けたロボットハンドの研究開発など。

3. MEMS触覚センサ

3.1. 基本原理
　筆者らはこれまでに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。図3にその動作原理を、図4に試作したサンプルを示す。
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。先のヒトの皮膚触覚構造に述べたように、この触覚センサが外部からの機械的刺激を弾性体内部の超小型の検知素子で検出する構造は人間の触覚受容器に類似している。

3.2. 製造プロセス
　図5にMEMS触覚センサの製造プロセスを示す。作製は主にSiマイクロマシンニング技術を用いる。まず SOI ウェハ上に絶縁層として Si₃N₄、検知層のひずみゲージ薄膜としてNiCr、カンチレバーを傾斜させるための応力層として Cr、配線として Au をそれぞれ積層(スパッタリング)・パターニングする。その後、基板からカンチレバーをリリースするために、バッファードフッ酸(BHF)を用いて SOI ウェハの埋め込み酸化層を犠牲層としてエッチングする。カンチレバー構造が基板から切り離されると、基板の拘束から解放されてCrが縮むことにより、カンチレバーの断面内に応力分布が発生し、自動的にカンチレバーが基板から持ち上がった構造となる。この構造に対して、PDMSをスピンコートで塗布してカンチレバー構造全体をカバーし、最終的にPDMSであらかじめ作製した突起を接着してセンサとして完成する。

4. MEMS触覚センサの機能

4.1. 触覚計測
　MEMS触覚センサのプロトタイプにはカンチレバー構造を三つ配置することで、センサの突起部先端にかかる外力を計測できる。図6に示ように各センサの出力をe_i (i:1〜3)として、あらかじめ各センサ毎に作製する構成マトリックスMと掛け合わせることで、センサに対して垂直な圧力とセンサに沿う方向の2軸の剪断力としてF_k(k:x,y,z)を得る。それぞれの軸方向に作用させた外力を正確に分離できることが分かる。またPDMSが外力を変形に変換するトランスデューサであるが、この硬度を変化させることでMEMS部分の設計を変更することなくダイナミックレンジを変更できる。

一方で、この試作センサの感度は極めて高い。図7に示すように日本の紙幣には偽造防止のためにインクで印刷された高さ30μm，幅500μmのスリット状の構造が設けられている。その表面をヒトがなぞると紙幣の真贋を見破ることができるが、同様にMEMS触覚センサでスリット部分をスキャンすると、図7に示すようにこれを検出できる。

4.2. ヒトを越える光学近接計測機能
　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、触覚計測に加え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、距離検出の手法を実現した。

まず光検出の原理および手法について示す。図8はMEMS触覚センサのカンチレバーの検知部の二つの端子を通り基板に対して垂直な面で切った断面図である。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 A,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、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。そこで図 9 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。

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謝辞
本稿のMEMSに関する図面は共同研究者である新潟大学寒川雅之准教授から提供を受けた。

【著者略歴】
野間　春生（のま　はるお）
立命館大学 情報理工学部 情報理工学科 実世界情報コース
メディアエクスペリエンスデザイン研究室

1994年3月　筑波大学大学院　博士課程　工学研究科構造工学専攻修了　博士（工学）取得
1994年4月　株式会社国際電気通信基礎技術研究所　入社
2012年12月　株式会社国際電気通信基礎技術研究所　退社
2013年1―3月　Worcester Polytechnic Institute 客員研究員
2013年4月　立命館大学　情報理工学部　教授

学会役職
日本バーチャルリアリティ学会　理事（2019年−）

専門分野・研究テーマ
バーチャルリアリティ、触覚インタフェース、ウェアラブル＆ユビキタスインタフェース

2.力覚検知のメカニズム

力を検知するメカニズムは①ひずみゲージ型や静電容量型などの力覚センサを用いる方法、と②外力推定オブザーバのようにロボットや機械の入出力の関係から推定する方法、に大別される。また、前者と後者を組み合わせた手法も提案されている³⁾。前者は起歪体と呼ばれる構造体の微小変位から力を導出するのに対して後者はモータのトルクと角速度から動力学に基づき力を計算する。ほとんどの場合ロボットにはモータと角度センサが標準搭載されていることから、ロボットを想定した場合にはセンサレスで力を計測できるのが後者のメリットである。ただし、慣性や摩擦などの影響を受けるため、そのパラメータを正確に知る必要がある。以下では適用範囲の広い前者の力覚センサを中心にそのメカニズムを述べる。

空間においては並進方向に3軸の力、回転方向に3軸の回転力（モーメントやトルクとも呼ばれる）が存在し、一つの剛体に生じる合力は合計6軸まである。そのうちの1軸のみを検知するものは荷重センサやロードセルと呼ばれ、力覚センサの分類に数えないことが多い。上記のように剛体には6軸の力が作用することから、ツールの合力を知るためには6軸の力検知が標準的に必要であり、現在では6軸力覚センサが協働ロボットや組み立てロボットに数多く採用されている。多軸の力を検知するため、起歪体の様々な場所に微小変位を検知する複数の素子が取り付けられるが、ほとんどの場合その素子の数は軸の数に対して冗長な構成となっている。例えば歪ゲージ型の6軸力覚センサでは20～30枚の歪ゲージが貼り付けられることが多い。

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【著者略歴】
辻　俊明（つじ　としあき）
1978年7月9日生。2006年3月慶應義塾大学大学院理工学研究科総合デザイン工学
専攻後期博士課程修了。
同年4月 東京理科大学工学部第一部機械工学科嘱託助手。
2007年4月埼玉大学工学部電気電子システム工学科助教。
2009 年10月から2015年3月までJSTさきがけ研究員を兼任。
2012 年3月より埼玉大学工学部電気電子システム工学科准 教授、現在に至る。

2018年度，2019年度日本ロボット学会理事。再生医療とリハビリテーション学会
理事。博士 （工学）。

2006年度，2007年度ファナックFAロボット財団論文賞等を受賞。主として力覚センシングとその信号 処理に関する研究に従事しており、リハビリ支援ロボット，モーションコントロール技術に応用している