人の皮膚感覚と同等の性能を持つロボット皮膚センサーを開発――スプレー噴霧技術を改良し、均一で大面積の圧電膜を成膜可能に NEDOと熊本大学

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作製した凹形状に加工した基材への圧電膜塗布とフレキシブル・薄型圧電膜デバイス

新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)は2019年10月10日、熊本大学と共同で、人の皮膚感覚と同等の性能を有するロボット皮膚センサーを開発したと発表した。従来のスプレー噴霧技術を改良して、長時間のスプレー噴霧技術やスプレーガン自動駆動システムを確立し、均一で再現性の良い大面積圧電膜の成膜に成功したという。

これまで、ロボット用皮膚センサーの開発では、主にシート状に成形した圧電感圧センサーをロボットに貼り付ける手法が提案されてきた。しかし、大面積の自由曲面形状を隙間なく被覆するためには柔軟性や伸縮性が不足していることが課題だった。

この課題を解決するため、NEDOと熊本大学は2015年度から、力や振動と電気信号を相互に変換する圧電膜をスプレー塗布により作製するゾルゲルスプレー法をコア技術とした塗装プロセスを用い、ロボット用皮膚センサーなど曲面に密着する圧電感圧センサーの作製技術の確立と、作製される圧電膜のフレキシブル性・耐高温性を活用した応用に取り組んできた。

従来のゾルゲルスプレー法は、主に超音波探傷用のトランスデューサー作製など小規模機器にしか対応できなかった。そこで今回の研究では、ゾルゲルスプレー法の作製プロセスを大面積に拡張するための連続塗布プロセス(連続ゾルゲルスプレー法)を確立した。そして、この連続ゾルゲルスプレー法を自動コーティング装置に適用し、大面積でも均一な製膜が可能であることを実証した。原則的に、塗布対象の基材サイズの制約なく大面積へと拡張し均一塗布が可能だという。

連続塗布プロセスで曲面塗布を行うロボットアーム式コーティング装置

さらに、開発した連続スプレー法プロセスで作製した圧電デバイスを用いて感圧特性の評価を実施。その結果、人の触覚で最も高精細な指先と同程度の1mmの空間分解能を持つことや、人の皮膚が知覚可能な数Hzから1kHzまでの振動を検出できることが実証された。また、平均感度が25mV/Nであること、人の皮膚の平均的な圧覚である数g重の荷重に対し十分な出力を示すことも確認された。

感圧分布センサーの力入力に対する周波数ごとの感度

高精細な圧力分布測定には、高密度な電極・配線配置が必要となる。このような場合、一般的に下図のように縦横方向に配置した電極配線パターンで圧電膜を挟むマトリクスアレイ構造を採用する。今回、下部電極パターンを付与した絶縁基板上への圧電膜塗布・焼成に成功した。さらに、この圧電膜上に上部電極パターンを付与し、上下電極の交点からの出力の取得にも成功した。

圧力分布を取得するマトリクスアレイ構造と試作センサー

このセンサーの搭載により、人間協働ロボットの安全かつ快適な動作が可能となり、社会実装の可能性が高まった。この技術を応用して、モバイル機器や日用品、自動車、航空機の翼など、さまざまな形状・サイズの対象表面に圧電感圧センサーをスプレー塗布することにより、表面圧分布や振動も測定できる。また、ゾルゲルスプレー法で作製される圧電膜の耐熱衝撃性を活かし、超高温下であっても、大面積・特殊形状を対象とした超音波非破壊検査が可能となる。また、材料の完全非鉛化にも成功したことから、人の皮膚表面に貼り付けて振動や生体信号取得のためのウェアラブル・フレキシブルセンサーとしての活用も期待される。

今後は、力分布の安定計測に向けて曲面への電極配置手法の確立に取り組み、ロボット皮膚センサーのほか、ボトルなどの把持状態の取得、航空機や自動車の車体表面の風圧分布測定などの用途開発を行っていく予定だ。また、熊本大学は、ゾルゲルスプレー法で作製するセンサーの事業化を推進するための大学発ベンチャー、株式会社CASTを設立したという。

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