立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第31号) 2022

［ 研究助成 (A) ］

分布型触覚センサ Soft-MPS Array の開発
Development of Distributed Tactile Sensor Soft- MPS Array2201017

研究代表者

京都先端科学大学
ナガモリアクチュエータ研究所

助 教長

濱峻介

いないように思える。柔軟な皮膚の内部には，[研 究 の 目 的]

サイズが小さい触覚器が高密度に分布的に配置
ロボットに触覚を与え，それらの情報を用いされている。そして，機械的刺激の大きさに応ることは，人との接 s 触の検出や物体のマニじて皮膚が変形することで，反応する触覚器のピュレーションにおいて有用である。触覚セン

個数が変わり，このことが力の大小の認知に影

サには多くの種類があり，近年は柔らかい材料響を与えていると考えられる。このような生物で構成された触覚センサが多く報告されている。の皮膚構造や触覚知覚の機序に，ヒステリシス

触覚をセンシングするメカニズムとしては，抵の問題を解決する要因があると考え，生物に抗式，磁気式，圧電式，静電容量式，光学式な倣って複数の微小な触覚センサの情報を用いる

ど多くの手法がある。

ことで機械的刺激を計測するシステムの実現を抵 抗 式 の 触 覚 セ ン サ の 1 つ と し て，Soft-目指す。本研究では，分布型にした Soft-MPS

Magnetic Powdery Sensor (Soft-MPS) が提案の特性の評価と，基板への接合方法を検証した。

されている．Soft-MPS は，強磁性体の粉体と[研究の内容，成果]

柔軟材料 (シリコーンゴム) で構成された安価な構成の抵抗式触覚センサである。成型時に，感圧部である金属粉を磁場で固定した状態で，1．分布型触覚センサ Soft-MPS Array の製作

未重合の柔軟材料を流し込み，重合することで分布型触覚センサ Soft-MPS Array を製作す金属粉を柔軟材料中に固定する。この構造によるための型の設計と，センサの信号を処理するり，柔軟かつ高感度な抵抗式触覚センサを実現ための回路の検討を行った。
磁 石 を 複 数 備 え た 型 を 用 い，Soft-MPSしている。
一方で，ソフトマテリアルで構成されたセンArray の製作を行う。本研究では，3×3 のセサであるため，力と抵抗値の関係にヒステリシ

ンサノ―ドを備えた Soft-MPS Array を製作しスが存在する。ヒステリシスが存在することで，た。上 部 の 型 お よ び 下 部 の 型 に 対 し て，500センサは力の検出時に誤認識してしまう。このメッシュの篩を用いて金属粉 (#200 鉄粉，協問題を解決することは，ソフトマテリアルを使和純薬工業株式会社) を加えた。その後，棒磁用している限り原理上は不可能である。ここで，石を用いて，型に備え付けた磁石の磁力線の生物の皮膚に着目すると，これらも柔軟な材料反発を利用し，開放されている磁力線上に拘で構成されているため，ヒステリシスが存在す

束されている金属粉を整えた (図 1a)。スペーるはずであるが，生物はそのことを問題として

サ ー を 介 し て 上 下 の 型 を 合 わ せ，未 重 合 の― 1 ―立石科学技術振興財団

Ecoflex TM 00-50 を 注 ぎ 硬 化 さ せ る こ と で，の ピ ン を 介 し て 行 い，力 の 印 可 速 度 は 1

Soft-MPS Array を得た (図 1b)。

mm/min とし，0.5 mm の往復変位を与えたときのセンサの電圧応答を計測した。各実験で力を印可する箇所と番号の対応を図 4 に示す。

図1

Soft-MPS Array ; a) 型，b) 外観

3×3 のセンサの信号を処理する上で，省配線化のために，キーボードなどの回路で見られるキーマトリックス方式を応用した信号処理用

図3

実験のセッティング

図4

力を印可した位置の回路を製作した (図 2)．マイコンの Output
ピ ン (OUTPUT1〜3) の 電 圧 の High と Lowを切り替えることで，情報を取得したいセンサ
ノ ー ド (SoftMPS-Node) を 選 択 す る。ま た，
Input ピン (INPUT1〜3) で，各センサノードの抵抗値の変化を電圧値として取得する。PCB基板を製作し，Soft-MPS Array を両面のカプトンテープと銀ナノ接着剤により基板の電極に接着した。なお，マイコンは Arduino，抵抗と1. 3

実験結果

しては 1 MΩ の金属皮膜抵抗，ダイオードは1. 3. 1 センサノードの真上に力を印可した場合1SS380VM を使用した。

図 4 の No. 1〜No. 9 の箇所に変位を与えた際の電圧応答を計測した。一例として，図 5 に
No. 7 の付近に力を印可した際の電圧応答の結果を示す。グラフより，No. 7 の電圧変化が大きいことが確認できる。しかしながら，グラフ上の No. 1 および No. 8 で取得した電圧でも電圧降下が見られた。

図21. 2

また，0.0319 N 程度の力が印可されてから信号処理用の回路電圧値が変化し始めていることから，今回の製法ではその力以下での変形では抵抗値が変化し実験製作した Soft-MPS Array の力に対する応答の評価を行った。センサノードの真上に力を印可した場合と，センサノードの間に力を印可した場合における実験を行い，センサの応答特性の評価を行った。力を印可する箇所の変更は精密ステージによりセンサの位置を変更することで行い，力の計測は卓上万能試験機 (オートグ
ラフ AGS-X，株式会社島津製作所) を用いて行った (図 3)。力の印可は圧縮用の直径 2 mm
― 2 ―

図5No. 7 に印可した力に対する電圧応答

Tateisi Science and Technology Foundation

同じ形状で穴のあいたマスクを用い，スキージていなかったことが分かる。
1. 3. 2 センサノードの間に力を印可した場合で穴にハンダペーストを流し込むことで，ク

図 4 の No. 10〜No. 13 に変位を与えた際の電リームハンダ (XG-Z40 SMD Sn63/Pb37 25-45

圧応答を計測した。一例として，図 6 に No. 11um) を回路基板上に塗布した。その後，Soft-付近に力を印可した際の電圧応答の結果を示す。

MPS の金属界面 (図 7) が回路基板に合わさグラフより，すべてのセンサノードが反応してるように，ピンセットでアライメントを行い，いないことが確認できる。

回路基板上に Soft-MPS を設置した。恒温槽で任意の温度で加熱することで，ハンダを溶かした。加熱後，クリームハンダは完全に固まり接合するまでに一定の時間を要するので，加熱終了から 24 時間以上は静置した後，評価実験を行った。図 8 にプロセスの概要を示す。

図6No. 11 に印可した力に対する電圧応答

2．柔軟材料の接合技術の開発

図7Soft-MPS 上の金属界面銀ナノ接着剤を Soft-MPS と基板の接着に使用していたが，接着剤が広がるため位置精度が悪く，また接着力が弱く剥がれやすい問題があった。一方で，Soft-MPS は大部分が難接着材であるシリコーンゴムで構成されているが，図8

金属粒子を含んだ界面を持つため，回路素子の接着に用いられるハンダにより接着可能である

2. 2

ハンダによる接合のプロセス実験ことが期待できる。そこで，本研究では，接着2. 2. 1 接合強度の確認の位置精度と接着力の向上を目的とした接着方銅板に接合した Soft-MPS に対して，せん断法として，ハンダにより柔軟材料を接着する手方向および引張方向に力を印可した際の強度の法を提案する。

確認を行った (図 9)。Soft-MPS と銅板の接合

2. 1が切れた際の力を接着力とした。
，フォース

金属界面を利用した柔軟材料の接合

Soft-MPS と回路基板を接合するプロセスにゲージ (ZTS-20N, IMADA CO., LTD.) の電圧関して述べる。まず，Soft-MPS の作製を行っ値を Analog Discovery2 を用いて計測し，そのた。従来の作製方法と同様に，磁石を備えた電圧値を力に変換することで力の計測を行った。

200 メ ッ シ ュ，共 和 純 薬

接合の際，加熱時の温度条件を変化させるこ工業) を整列させ，柔軟材料 (Ecoflex 00-20，とで，温度に応じた接合強度を確認した。ク

Smooth-On inc.) を流し込むことで，金属粉をリームハンダの融点は 200℃程度であるため，固定化することで Soft-MPS を得た。金属粉に接 着 の 際 に は Soft-MPS を 200℃ か ら 上 下 には 200 メッシュの Soft-MPS 中の金属粉の界面20℃ずつ刻んだ温度で加熱した。その結果，恒の酸化被膜を除去するために，Soft-MPS にフ温槽を 160℃以下に設定して加熱した場合はラックスを塗布した。また，回路基板の電極とSoft-MPS と銅板が接着せず，240℃以上に設型 に 金 属 粉 (鉄 粉― 3 ―立石科学技術振興財団

定した場合はゴムが変形し，鉄粉が漏れ出てしなお，ここではデータを示していないが，せまった。温度の設定は，180℃，200℃，220℃

ん断試験においても，接着剤による接合と比較の 3 つのパターンで実験を行った。

すると，強度が大きくなった。

引張方向の力の試験は，図 10 の実験装置を用いて行った。Soft-MPS を引張用の紐を取り付けが可能な形状に成型することで，引張試験を行った。リファレンスとして銀ナノ接着剤を用いた場合との接合強度の比較を行った。

図 11

引張方向の接合強度

2. 3. 2 電気的性質の確認
図9

力を印可した際の電圧応答を図 12 に示す。

接合強度試験の概要図

Soft-MPS に力を加えたことにより，電圧が変化していることが確認できる。このことから，印可した力に応じてセンサの抵抗値が変化したことが分かる。ヒステリシスが大きいのは，柔軟な材料である Shore 00-20 のシリコーンゴムを使用したからだと考えられる。

図 10

引張試験に用いたサンプル形状

2. 2. 2 導電性の確認

Soft-MPS をクリームハンダにより基板と接合した後，フォースゲージを介して力をセンサに印可し，力に対するセンサの電圧応答を評価した。
2. 3

実験結果

図 12

力に対する電圧応答

2. 3. 1 接合強度の確認

ク リ ー ム ハ ン ダ に よ る 接 着 (温 度 条 件：
[今後の研究の方向，課題]

180℃，200℃，220℃) した場合の最大引張力の結果を図 11 に示す。なお，各条件のサンプ

図 2 のようなセンサ信号処理用基板の製作にルに対し 3 回ずつ試験を行い，その平均値をグおいて，基板が過度に大きくならないように処ラフにした。
銀ナノ接着で接着した条件と比較すると，引理に関わる回路を各 Soft-MPS ノードの大きさ張方向の強度が向上していることが確認できに収まるように設計を行った際に，市販の表面た。図 11 より，破断時の引張力に関しては，実装用ダイオード (1206 程度の大きさ) では高温の条件 (220℃) は他の温度条件 (180℃，小型化に限界があることが分かった。そのため，200℃) と比較すると強度が小さいことが確認

100 um 程度の小さい Soft-MPS ノードを実現できる。

するためには，小型のダイオードを基板上に製― 4 ―Tateisi Science and Technology Foundation作する必要がある。このように，高密度な分布今後は，Soft-MPS ノードの小型化と，ディ型センサシステムを実現するためには，Soft-スペンサロボットを用いたハンダの塗布によるMPS ノードの小型化だけでなく，信号処理用微小な金属界面の小型基板への接合などの技術の基板自体の小型化も今後は実現していく必要を開発することで，Soft-MPS Array のセンサがある。

ノードをより高密度にして，センサシステムをまた，Soft-MPS の基板への接合が安定して人間の皮膚に近づけていく。

いないことが確認できたため，安定したデータの取得のために，安定的な接合に関する技術を構築することとした。クリームハンダを用いる[成果の発表，論文等][ 1 ] 長濱峻介，右田かよ，菅野重樹，分布型触覚セことで，導電性を確保しつつ，導電性接着剤とンサ Soft-MPS Array の開発，ロボティクス・メカ比較すると強固に接着できることを確認した。

トロニクス 講演会 2021，1P1-M01，2021 年 6 月

本接合手法は，Soft-MPS のみではなく様々な難接着物を接着する手法となることが期待できる。

[ 2 ] 長濱峻介，本間大樹，菅野重樹，金属界面を利用した柔軟素子の回路基板への接合方，ロボティク
ス・メカトロニクス 講演会 2022，2A2-R07，2022
年6月― 5 ―