立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第27号) 2018

力・光・温度複合 MEMS センサによる金属・樹脂表面仕上げの質感評価
Texture Evaluation of Metal and Resin Surface using Force,
Light and Temperature MEMS Sensor2171014

研究代表者

新潟大学 工学部准教授

寒川雅之

平方向の力も検知できる。また，基板であるシ[研 究 の 目 的］

リコンは半導体であり，光照射や温度変化によ
近年，自動車や家電製品などの工業製品におり電気伝導度が変化するため，これを用いて光いて，付加価値向上や他製品との差異明確化のと温度を同じセンサにより検知可能である。こため，表面仕上げによる質感向上が注目されつのセンサを金属や樹脂の部材に押し付けてなぞつある。質感は視覚や触覚によって感じられるると，それらの表面粗さや摩擦係数に応じてセものであり，従来は主に人の感性によって評価ンサにはたらく力が変化するため，センサの出されてきた。しかし，個人差により評価にばら力からそれらを評価する。一方，光を照射したつきがあり，再現性に課題があった。一方，表時の反射光を本センサで検知することで，金属面粗さや摩擦係数，反射率，熱伝導率等の質感や樹脂の色や光沢といった見た目の質感もあわに影響を及ぼす各物理的特性により質感の比較せて評価する。

を行う場合もあるが，質感はこれらの多くの特[研究の内容，成果］性が複合的に相互作用した結果もたらされるものであり，個別にこれらを計測すると評価に時間がかかり，評価装置の高コスト化にもつなが1．センサの設計最適化と作製
本センサの垂直方向および水平方向の力に対る。
そ こ で，本 研 究 で は，力・光・温 度 に 対する感度は，カンチレバーのサイズやエラストし て 複 合 的 に 感 度 を 持 つ MEMS (Micro-マーの形状・材料に大きく依存する。本研究でelectromechanical systems) センサにより，製は質感計測に適した出力を得るため，これらの品の内外装に用いられるような金属や合成樹脂再設計を行った。の材質や表面仕上げの違いによる質感を計測す(a) カンチレバーの再設計る手法の開発を行う。このセンサは，MEMS従来のものとサイズを変更したカンチレバー技術によりシリコン基板上に作製したマイクロを設計・試作し，力に対する感度の比較を行っ構造体 (カンチレバー) を弾性樹脂 (エラストた。図 1 に試作したカンチレバーの電子顕微鏡マー) に封止したものであり，外力によるエラ像を示す。カンチレバーの長さは，従来のもの

ストマーの 3 次元的変形をカンチレバーで検出が 290 μm であるのに対し，新たに設計したもするため，垂直方向だけでなくすべりによる水のは 155 μm である。カンチレバー上にコの字― 1 ―立石科学技術振興財団状に見えるのがNiCr 薄膜のひずみゲージであり，この抵抗変化としてカンチレバーの変形を検知する。図図1

新設計カンチレバー

2 にエラストマーに封止した新旧カンチレバーの水平方向の力に対するひずみ抵抗
図4変化を示す。新たに設計したセンサが従来より新設計エラストマーによる感度向上結果2 倍程度高い感度を持っていることが分かる。
本研究では，センサで金属・樹脂の表面を水平向に動かすことで質感を評価するため，表面と方向になぞることにより質感を評価するため，接触するエラストマーは粘着性がなく，なめら水平方向の力への検知が重要であり，新設計のかにすべることが望ましい。また，表面が濡れセンサがより質感評価に適しているといえる。

たり汚れたりしている場合の計測を想定すると，(b) エラストマーの形状設計耐水性や防汚性を持つ必要がある。従来用いて水平方向に印加されるモーメントの増大を狙いたシリコーンゴムの一種である PDMS は，い，図 3 のような従来よりもエラストマーを高若干の粘着性を持つため，本研究では新たに非くしたセンサを試作した。図 4 に力を印加した粘着性が高く，透水性の低いフッ素系エラスト時の応答を示す。力に対する変化は従来のもの

マー (SIFEL，信越化学) を用いたセンサを試に比べて約 7 倍大きくなった。

作した。図 5 に耐水性評価のため，水中で力の(c) エラストマーの材料検討印加試験を行った結果を示す。従来の PDMS

本研究ではセンサを金属・樹脂表面で水平方を用いたものは，水中では PDMS 中に水が浸透し，配線の短絡により非常に大きなノイズが生じ (図中のデータは比較のため 1/1000 の値を示している)，力に対する依存性は見られな
いが，フッ素エラストマーを用いたものは空気中と変わらない結果が得られており，このセンサを用いることで濡れた表面でも問題なく計測可能であることを示した。

図2

ひずみ抵抗変化の新旧比較

図3

エラストマー形状の設計

図5― 2 ―

水中での力印加時の抵抗変化

Tateisi Science and Technology Foundation

2．金属・樹脂部材の質感計測(a) 光沢感の計測

表面粗さの異なるアルミニウム板に対して，センサに隣接して設置した LED からの光を照射し，その反射光をセンサに入射させて計測した。また，センサ基板面とアルミニウム板表面の角度を変化させ，その時の変化を調べた。図6 に角度に対する反射光によるセンサのインピーダンス減少率を示す。センサに光が入射す

図 7 POM の写真および光学顕微鏡像

ると，シリコン中の光生成キャリアが増加し，インピーダンスが減少するが，その非入射時に対する減少率が表面粗さにより異なっていることが分かる。また，角度に対する変化も異なっており，これは反射の指向性，すなわち光沢の違いを反映したものである。
(b) 樹脂・金属表面の計測

樹脂材料として様々な電気製品や自動車のパネルなどに広く用いられるポリオキシメチレン(POM) と，金属材料としてアルミニウムを用いて，それらの表面にセンサを接触させ，水平図 8 POM のなぞり計測結果方向になぞった時のセンサの出力変化を調べた。
図 7 に POM 表面の写真 (左) と光学顕微鏡像(右) を示す。上は成型後そのままであり，縦を反映したものであり，成型のみの場合は向きに射出成型時の金型による成型痕が，また，下により大きく異なっているが，平坦化したものは平削り加工により平坦化したものであり，縦は差が小さくなっている。また，水平方向の力縞状の加工痕が見られる。これらの痕に平行なが最大静止摩擦力を超えすべり始めると，抵抗方向と垂直な方向それぞれに対して 0.1 mm/sは減少に転じるが，平坦化したもので加工痕にの速度でなぞる計測を行った結果を図 8 に示す。

垂直な場合，周期的な変化が見られる。これは，計測開始後数秒間はひずみ抵抗が大きく上昇す

図 7 下に見られる加工痕の間隔と一致しており，るが，これは滑り始める前の静止摩擦力の変化その凹凸を反映したものであると考えられる。
一方，成型のみの場合は凹凸は平坦化したものよりも大きいにも関わらず，そのような変化は見られない。これは，図 7 上のように凹凸の間隔がランダムで狭く，センサとの接触面よりもはるかに小さいためである。
一方，アルミニウムの場合の結果を図 9 に示す。図 8 の POM に比べて最初の抵抗の増加が小さく，また減少に転じるまでの時間も短い。
これは，金属が樹脂に比べてすべりやすいこと

図6

反射光によるインピーダンス減少の角度依存性を示している。また，すべった後の変化の振幅― 3 ―立石科学技術振興財団

図9

アルミニウムのなぞり計測結果

図 10

表面加飾加工サンプルは表面粗さが大きいものの方が大きくなっており，このことから表面の状態を反映した結果が得られているといえる。
(c) 加飾加工表面の計測

図 7 に示すような，マット (艶消し) および皮革調の表面加飾を施した樹脂についてセンサによるなぞり計測を行った。なお，それぞれの加工の深さは 32 μm と 93 μm である。図 11 に
それらに対してなぞり計測を行った結果を示す。
加飾の違いにより，同じ材質の樹脂であるが，

図 11

表面加飾による計測結果の違い

最初の抵抗増加とすべった後の抵抗変化の振幅が大きく異なることが分かる。このように，セ[成果の発表，論文等］

ンサの出力は加飾の種類に依存するため，これ

1．難 波 勇 太，安 部 隆，寒 川 雅 之：
“光・ひ ず み 複 合を分析すればその質感の違いを評価できるといMEMS センサによるポリオキシメチレン樹脂加工える。

表面の質感評価”，平成 29 年度電気学会 E 部門総合 研 究 会，姫 路，6 月 29 日，PHS-17-15, pp. 5 - 9(2017)【電気学会優秀論文発表賞受賞】．

[今後の研究の方向，課題］

2．難波勇太，安部隆，寒川雅之：“光・ひずみ複合触覚センサを用いたポリオキシメチレン樹脂の表面形センサの光と力に対する出力が材質や表面加飾によって変化することは明らかになったが，その違いをどのように人の感覚と結び付けるかが今後の課題である。すでに一部着手しているが，人が実際に触って評価する官能試験の結果と，センサ出力の特徴的な変化の相関を分析することで，セン出力から感覚を表す指標を構築

状・色計測による質感評価”，第 34 回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム，11
月 1 日，広島，01am2-PS-117 (2017)．
3．荒木凌馬，寒川雅之，野間春生，安部隆，“繊細な把持制御に向けた近接触覚複合マイクロカンチレ
バーセンサの小型化・多素子化”，第 8 回マイク
ロ・ナ ノ 工 学 シ ン ポ ジ ウ ム，11 月 1 日，広 島，
01pm4-PN76 (2017)．
4．佐藤周平，安部隆，寒川雅之：“フッ素エラストマを用いた MEMS 触覚センサの耐水性向上”，平成することを目指して研究を進める。

30 年電気学会全国大会，3 月 16 日，福岡，3-174,
p. 252 (2018)．
5．難波勇太，安部隆，寒川雅之：“光・ひずみ複合触― 4 ―Tateisi Science and Technology Foundation

覚センサを用いたポリオキシメチレン樹脂の表面形

cantilevers in Proximity and Tactile Sensor for状・色計測による質感評価”，電気学会論文誌 E,Dexterous Gripping Control”, Micromachines, Vol.

Vol. 138, No. 6, pp. 250 - 256 (2018)．

9, No. 6, 301 (2018).

6．菅史賢，荒木凌馬，安部隆，野間春生，寒川雅之：

8．F. Suga, R. Araki, T. Abe, H. Noma, M. Sohgawa :“柔軟物把持制御用近接触覚センサの接触部形状の“Suppression of Deformation for Gripping Soft Ob-

検討とカンチレバーの小型高密度配置による荷重分

jects Using Miniature Tactile Sensor with Hemi-

布計測”，ロボティクス・メカトロニクス講演会

sphere PDMS”, The 9th Asia-Pacific Conference

2018，6 月 4 日，北九州，1P2-M09 (2018)．

of

7．R. Araki, T. Abe, H. Noma, M. Sohgawa : “Miniaturization and High-Density Arrangement of Micro-― 5 ―TransducersandMicro-Nano

Technology(APCOT 2018), Jun. 26, Hong Kong, 123 (2018).