皮膚状マイクロ触覚センサによるテクスチャ計測に関する研究

東京大学大学院

情報理工学系研究科野 田

知能機械情報学専攻

堅 太 郎

In this paper, we propose a skin-type tactile sensor to measure a micro size texture of an object by scanning its surface.
The sensor was composed of two layers with different stiffness, the surface layer with highly stiff and bumpy surface, andthe inner layer with low stiffness.
The bumpy surface structure of the tactile sensor, like the finger prints, enables to detect the micro texture by scanning.
According to this result, we designed and fabricated a tactile sensor and confirmed its sensing characteristics by scanning
random texture patterns formed on a silicon wafer surface.

1.

緒示す。人の皮膚は図 2A に示すように、剛性が高く、指紋言状構造が存在する表皮内に剛性が低い組織が包まれている

コスメトロジーにおいて、髪や皮膚などの手触り感は、（真皮）。この表皮と真皮との境にメルケル触盤やマイスナ

その質感の良し悪しを判断する上で非常に重要な要素であー小体といった触覚受容体が多く存在しており、表皮の変る。特に、髪の手触りには、髪表面に存在するキューティ形を計測している 。

クルの存在が大きく関与しており、その形状・分布を計測し、これを定量的に評価する手法が必要となる。

2）

そこで、図 2B に示すように、提案する触覚センサは、表皮に当たる剛性が高く指紋のような凹凸構造が存在する

1）

髪表面には、一辺 50 mm、厚み 1 mm 程度の大きさ の鱗シリコーンゴム層と、真皮に当たる剛性の低いシリコーン形状をしたキューティクルが積み重なって存在しているゴム層を重ね合わせた。また、剛性が低いシリコーンゴム（図１）。人は、物体表面のマイクロサイズのざらつきを判層部分にセンサ素子を配置し、センサ表面部分の変形を検別が可能である ことから、髪を梳いた際に感じるキュー出する2）

ティクル状態の差を髪質の差として鋭敏に感知できると考えられる。

4, 5）

。

センサ素子には、直立状に配置したピエゾ抵抗素子

6, 7）を利用した。ピエゾ抵抗素子は、変形することで抵抗値が大

このように髪質を評価する上で重要となるキューティクきく変わる材料である。これを直立状に配置することで、ルの形状、状態を計測する方法として、これまで物体表面

図 2 C の矢印方向の変形を抵抗値変化として検出可能であをなぞった際に生じる振動を計測するセンサ などが実現る。このピエゾ抵抗素子を皮膚状構造中に配置することにされている。しかし、これまで提案されているセンサの表よって、物体表面をなぞった際に触覚センサに生じるせん面構造は平坦なものが多く、キューティクルのように微小断変形を計測する（図３）。

3）な大きさのテクスチャを計測することは困難であった。

物体表面をなぞった際に生じるせん断変形は、皮膚状構

そこで本研究では、高感度にテクスチャを計測すること

造表面の指紋構造が物体表面のテクスチャと触れることでができる人の皮膚構造に注目し、指紋構造を模した触覚セ生じると考えられるため、物体表面をなぞった際の触覚センサを実現した。このとき、指紋構造の形状と触覚センサ感度とを比較することで、微小なテクスチャの計測に必要な指紋構造の形状の設計方法の確立を目指す。

2. 微小テクスチャを計測するための皮膚状構造体の特性評価
2. 1

皮膚状構造体の設計・試作

提案する皮膚状構造を持つ触覚センサの概念図を図２にTexture detection with micro skin typetactile sensor
Kentaro Noda
Department of Mechano-Informatics,Graduate School of Information Scienceand Technology, The University of Tokyo− 132 −

図１

毛髪表面の SEM 観察画像

皮膚状マイクロ触覚センサによるテクスチャ計測に関する研究

図 2 提案する触覚センサの概念図(A) 皮膚の断面図、(B) 提案する触覚センサの断面図、(C) ピエゾ抵抗カンチレバーの構造

図3

なぞりによる物体表面テクスチャの計測

図 4 試作した皮膚状触覚センサ(A) 全体図、(B) 内部に配置したピエゾ抵抗カンチレバーンサの出力は、センサ表面の指紋構造の形状によって変化試作した皮膚状構造を持つ触覚センサおよびピエゾ抵抗すると予測される。そこで、本研究では触覚センサ表面の素子の写真を図４に示す。この触覚センサは、30×30mm

指 紋 構 造 の 形 状、 す な わ ち 図 2B に お け る 幅 FW をの大きさであり、配線にフレキシブルなポリイミド－銅基0.025mm ～ 0.6mm、指紋間のギャップ FG の値を 0.15mm板を用いることによって、曲面に固定することを可能とし～ 3.0mm まで変化させた場合の指紋状構造の形状とセンた。

サの感度との関係を計測する。

− 133 −

2

コスメトロジー研究報告 Vol.20, 2012

2. 2

なぞり動作による物体表面形状の計測

ぞり速度が 10 mm/s であることから、図８では、25Hz の物体表面を走査するにあたり、図５に示すようなセット位置に応答のピークを観測した。二つのセンサにおいて、アップを作成した。このセットアップでは、一軸方向自動

このピーク値の大きさを比較すると、センサ表面に指紋構ステージの上に６軸力計および半径 30mm の半円柱を配造を持つことで、センサの出力が約 50 倍まで上昇してい置し、半円柱表面に触覚センサを配置した。６軸力計の出ることが確認された。この結果から、本研究が提案するよ力を元に、触覚センサと計測対象物との接触力を決定し、うに、触覚センサ表面に指紋構造を形成した皮膚状触覚セ自動ステージを駆動させることで、一定の押し付け力で物ンサを用いることで、センサの感度が向上し、微小な凹凸体表面をなぞることが可能である。の計測に有効であることが確認された。

本研究では、人が物体表面をなぞる動作を模して、押し付け力を 0.2 N、なぞり速度を 10mm/s として計測を行った。

2. 4 指紋構造幅 FW がセンサ感度に与える影響の検証
指紋構造の形状と触覚センサの感度との関係を求めるた

2. 3

触覚センサ表面の指紋構造の有効性の検証

め、ま ず 図 ２ に お け る 指 紋 構 造 の 幅 FW を 0.025 mm ～本研究が提案する皮膚状構造の有効性を検証するため、0.6 mm まで変え、図 6 C と同様の凹凸形状をなぞった際の試作した皮膚状触覚センサと表面に指紋状構造がない平坦センサ応答の周波数特性を計測した。ただし、指紋構造間な触覚センサを利用し、幅 0.1mm、ギャップ 0.3 mm の凹の距離 FG=0.45 mm で一定とした。結果 3. 1 と同様に、各凸構造を走査し、応答結果の差を比較、検証した（図６、7）。

センサにおいて、周波数 25 Hz でのセンサ出力を比較した

図７の各センサでの計測結果をフーリエ変換し、周波数結果を図９に示す。

特性を算出、比較した結果を図８に示す。本実験で計測し図９の結果が示すように、指紋構造の幅 FWが 0.6 mm かた凹凸構造のエッジからエッジまでの距離は 0.4 mm、なら細くなるにつれ、応答が増加していき、FW=0.05mm の

図5

触覚センサを用いた物体表面のなぞり計測用セットアップ

図 6 指紋構造の有効性を検証するための触覚センサの寸法値(A) 皮膚状触覚センサ、(B) 表面が平坦な触覚センサ、(C) 計測
対象の寸法

図 7 皮膚状触覚センサと表面が平坦な触覚センサとを用いた
物体表面のテクスチャ計測結果の比較− 134 −

皮膚状マイクロ触覚センサによるテクスチャ計測に関する研究と き に 感 度 が 最 大 に な っ た 後、 更 に 幅 が 狭 く な り

果が示すように、FG が 0.15 mm ～ 1.0 mm の間では増加しFW=0.025 mm になると出力が減少していくことがわかる。ていくものの、1.0 mm を超えるとセンサの出力が減少し指紋構造の幅が 0.6mm よりも細くなっていった場合、ていくことが分かる。

指紋構造と指紋構造との間に物体表面の凹凸形状が入り込

本実験の結果は、2. 4 節の結果と同様に、指紋構造間のみやすくなるために触覚センサの出力が増加する。しかし、ギャップ FG が狭くなることによって、指紋構造間に物体指紋構造のアスペクト（指紋構造の幅 / 指紋構造の高さ）表面の凹凸が入り込むことが難しくなるためにが大きくなり、細くなりすぎた場合、指紋状構造が物体表

FG=0.15 mm ～ 1.0 mm の間では、FG の減少に従ってセン面の凹凸形状と接触した際に生じる接触力によって折れ曲サ応答が減少していると考えられる。一方、FG ＝ 3.0mm

がり、触覚センサ内部にまで変形が届かなくなるものと予の場合にセンサ応答が減少する原因としては、指紋構造間想される（図 10）。こうした原因により、提案した触覚セの間隔が開いたことで、各指紋構造と物体表面の凹凸とのンサでは、指紋状構造の高さ 100um に対して、幅 50 um の間で生じた変形の重畳が起こらなくなったことが原因と考構造が最も高い感度を持つことになったと考えられる。

えられる。図 3A に示したように、本触覚センサでは、指紋構造と物体表面に存在する凹凸が接触したことによって、2. 5 指紋構造間ギャップ FG がセンサ感度に与える影響の検証せん断変形が生じている。触覚センサ表面には複数の指紋

2. 4 と 同 様 に 指 紋 構 造 間 の ギ ャ ッ プ FG を 0.15 mm ～構造が存在するため、触覚センサに生じるせん断変形は、3.0 mm まで変化させた場合のセンサ出力の変化を計測し指紋構造一つ一つで生じたせん断変形の重ね合わせとなるた。このとき、指紋構造の幅 FW=0.3mm で一定とした。

（図 3B）。このため、指紋構造間のギャップ FG が大きくな

また、計測対象としては図 6C に示したものを使用した。

りすぎると、変形の重畳が生じなくなり、なぞりによって対象物表面をなぞった際の応答周波数 25Hz でのセンサ起こる触覚センサの出力が減少したと予想される。こうし出力と FG との関係をまとめた結果を図 11 に示す。この結た原因により、指紋構造間のギャップと触覚センサの出力

図8

図9

物体表面をなぞった際のセンサ応答の周波数特性比較

図 10 高アスペクト指紋構造にて物体表面をなぞった場合の変形模式図− 135 −

図 11

指紋構造幅 FW とセンサ出力の関係

指紋構造間のギャップ FG とセンサ出力の関係

コスメトロジー研究報告 Vol.20, 2012との関係を考慮した場合、FG=1.0 mm にてセンサ出力がダムに選択・作製している。作製したパターンを図 12 に最大になったと考えられる。

示す。また、本実験では、ランダムサンプルの凸構造の配置間隔の選択回数は図 12 に示すとおりである。

2. 6

皮膚状構造体の設計手法に関する考察

物体表面をなぞるにあたり、接触力は 0.2 N、なぞり速３節における実験結果より、本研究において提案する触度は 15 mm/s とした。

覚センサでは、表面の指紋構造の幅、構造間のギャップによって感度が大きく変化する。こうしたセンサ感度を最大

3. 2

触覚センサによる計測結果の評価とする寸法値は、３節でも述べたとおり、例えば指紋幅に試作したランダムサンプル表面を触覚センサによってな関しては、指紋の高さと指紋幅との関係であるアスペクトぞった結果を 2. 4. および 2. 5. 章の場合と同様に、センサ比や、触覚センサ表面を構成する材料の剛性などが影響す

出力を周波数解析した結果と凸構造の配置パターンから周ることが予想される。特に材料の剛性などを変えた場合、波数を算出した結果の比較を図 13 に示す。

触覚センサの感度の最適値が変化する可能性が考慮される

図 13 が示すように試作したランダムサンプルの凸構造

も の の、 指 紋 幅 FW=0.05 mm、 指 紋 構 造 間 の 距 離の配置周期と同様に、サンプルをなぞった際の周波数解析

FG=1.0mm とすることでセンサの感度が最大になるとい結果では、0.1 mm、0.3 mm、0.6 mm 間隔で配置した凸構う結果を得た。

造 を な ぞ っ た 時 に 生 じ る 周 波 数 成 分 で あ る、75Hz、37.5 Hz、25 Hz の周波数応答が検出されることを確認した。

3. ランダム配置した微小凹凸構造の計測試験
3. 1

この結果は、対象がランダムに配置されたパターンであ

計測対象物の設計および実験手法っても、配置された凸構造の周期をセンサ出力の周波数解幅 0.1mm、高さ 0.01 mm の凸構造をシリコン基板上に連析結果から検出できることを示しており、提案した皮膚状続的に作製し、その表面を試作した触覚センサでなぞるこ構造を有する触覚センサを用いることで、一般的な物体表とで、凸構造の間隔・周期をセンサ出力から検出可能であ面の凹凸周期を計測できることを確認した。

るかを確認した。
このとき、計測を行うに当たり、人の指紋構造と同等の寸法である、FW=0.3mm、FG=0.15mm の皮膚状構造体を持つ触覚センサを使用した。また、触覚センサに液体フィルタを組み込むことで、なぞり時の摩擦力がセンサ出力に与える影響を軽減している。
使用したサンプルでは凸構造を 61 個配置しており、各凸構造間の間隔は 0.1mm、0.3mm、0.6mm の間隔をラン

図 12 ランダム配置した凸構造サンプル(A) 試作したサンプルのイメージ (B) 配置周期とその割合

図 13− 136 −ランダムサンプルをなぞった際の周波数解析結果(A) 触覚センサ出力 (B) 触針段差計出力

皮膚状マイクロ触覚センサによるテクスチャ計測に関する研究

4．総３）針生誠 , 田中真美 , 柿澤みのり , 川副智行 , 清水秀樹 ,括“毛髪手触り感計測用センサの開発に関する研究 ,”日本

本研究の成果として、人の皮膚表面の構造が微小なテクスチャ計測を行う上で重要であることを確認するとともに、機械学会情報・知能・精密機器部門講演会講演論文集 ,pp.69-73, 2008.

テクスチャ計測に有効な触覚センサ表面の指紋状構造の形４）K. Noda, K. Matsumoto, and I. Shimoyama,“Tactile状の設計方針を確立した。またランダムに配置した凸構造

sensor with standing piezoresistive cantilevers,

サンプル表面を触覚センサによってなぞった際に、センサ

covered with 2-layer skin type structures for texture

出力の周波数応答から、凸構造の配置周期を検出できるこ

detection of object surface,”Proc. of IROS2008, 2008.とを確認し、提案するセンサが物体表面の微小凹凸－テク５）K. Noda, K. Matsumoto, and I. Shimoyama,“Skin-type

スチャの周期を検出する上で有効であることを確認した。

tactile sensor using standing piezoresistive cantilever

本成果を元に試作した皮膚状構造を持つ触覚センサは、

for micro structure detection,”Proc. of IEEE Sensors,

毛髪表面に存在するキューティクルのようにマイクロサイ

2010.

ズのテクスチャを計測することが可能となり、髪質のよう

６）K. Noda, K. Hoshino, K. Matsumoto, and I. Shimoyama,

な触感情報の定量的な計測・評価につながると期待される。

“A shear stress sensor for tactile sensing with thepiezoresistive cantilever standing in elastic material,”（引用文献）

Sensors and Actuators A, vol.127, pp.295-301, 2006.

１）C. Popescu, and H. Höcker,“Cytomechanics of Hair:

７）野田堅太郎、高橋英俊、中井亮仁、松本潔、下山勲、”

Basics of the Mechanical Stability,” International

ピエゾ抵抗カンチレバーを用いた MEMS 力センサに関

Review of Cell and Molecular Biology, vol.277, pp.137-する研究 ,”4 大学ナノ・マイクロファブリケーションコ

156, 2009.

ンソーシアム 、2011.

２）山鳥重 , 彦坂興秀 , 河村満 ,“タッチ ,”医学書院 , 2001.

− 137 −