圧力センサ
CEATEC 2023
Society 5.0の実現に貢献する「近接＆力センサ」と「透明IDタグ」
INDEX
近接＆力センサ
没入感の高いVRや繊細な作業を行うロボットなど潜在的応用先は多い
透明IDタグ
人々の生活や企業のビジネス、社会活動など、あらゆる方面において、業務や作業のデジタル化が急激に進んでいます。これにともなって、ヒューマン・マシン・インターフェース（HMI）の領域では、人が行う作業と機械が行う作業の境目をなくすため、現実世界にあるモノとクラウド上のデジタルデータの結びつきを、一層強める方向へとむかっています。また、現実世界で製造・流通・利用されているモノも、物理空間とサイバー空間の相互作用や、世界的なサスティナビリティの機運の高まりからあらゆる製品へのトレーサビリティへの対応が求められる時代が訪れようとしています。
村田製作所（以下、ムラタ）では、人と機械を密につなぐHMIを実現する新たなセンサや、あらゆるモノとデジタルデータを紐付ける新たな手段を開発し、デジタル化社会を支えていきます。2023年10月17日～20日に幕張メッセで開催された「CEATEC 2023」では、ムラタが開発しているデジタル社会の発展を支える新技術を披露しました。ムラタブースで参考出品した新技術の中から、HMIの実現にむけて人と機械をより密接につなぐ「近接＆力センサ」について技術・事業開発本部 デバイスセンター 応用技術開発部の渡邊に、モノの表面上にさりげなく付加してデータと紐付ける「透明IDタグ」について同本部 マテリアル技術センター 材料プロセス開発部の白井と住吉に話を聞きました。
近接＆力センサ：モノの近接から接触までを連続的に捕捉
――開発している近接＆力センサとは、どのような機能を備えたセンサなのでしょうか。
渡邊 私達が開発している近接＆力センサは、物体の近接から接触までの過程を検知することを目的としたセンサです。たとえば、モノに手を近づけた際の指の動き、およびモノに触れた後の力の入れ具合を境目なく検知できます。これまでモノが触れる瞬間に起こる現象を捕捉する際には、近接センサと力センサをそれぞれ用意する必要がありました。近接＆力センサは、それをひとつのセンサで検知します。
――どのような原理で測定しているのでしょうか。
渡邊 このセンサでは、近赤外光を計測対象物に照射し、反射して戻ってきた光の光量を使って三角測量的な原理に基づき、対象物までの距離を算出しています。
従来の距離測定方法として、赤外線を照射して対象物で反射した光が帰ってくるまでの時間を基に距離を算定するIR-TOF（Time of Flight）や超音波センサの活用、カメラで撮影した映像の解析といった距離測定などがあります。近接＆力センサに採用している三角測量は、原理的に近距離の計測において精度が高まることから、これら従来方法よりもモノが近接する0mmから20、30mmといった極近距離の正確な測定も可能にします（図1）。また、測定の媒体に近赤外光を利用し、三角測量的な原理に基づいているため、対象物の反射率の影響が少ない測定が可能な点も特長です。
また、同じセンサモジュール上に、距離測定用と同じ仕組みのセンサを、もう1セット接触力測定用に搭載しています。こちらではセンサを弾性体で被覆し、対象物が弾性体に接触し、加わった荷重によって生じる変位を同じ原理で測定し、接触力を測定しています。開発したセンサでは、0N～12Nまでの荷重範囲を測定可能です。
没入感の高いVRや繊細な作業を行うロボットなど潜在的応用先は多い
――どのような応用を想定しているのでしょうか。
渡邊 VRコントローラへの応用などを想定しています。VRは没入感が重要なアプリケーションですが、没入感を高めるためには、手の動きと仮想空間上での動きのギャップを最小限に抑える必要があります。動きや力を検知するセンサの連携を高めることで、没入感が向上すると考えています。
さらに、ロボットなどの機械を手足のように操るHMIをシンプルなシステム構成で実現するためにも利用できます。このセンサでは、モノが近接してくる過程と接触した後に加わる力を同じ測定原理、仕組みのセンサで計測しています。距離と荷重は同じアルゴリズムでセンシングできるので、単純な制御で測定対象物の接近からセンサに触れる瞬間に起きる現象も正確に捕捉できます。
繊細な作業が求められるロボットによる自動化/自律化、遠く離れた場所にいる人同士で共同作業、さらには仮想空間内にあるデジタル化されたモノを扱うVR関連の応用など、近接＆力センサを応用できそうな場面は多いのではないでしょうか。
測定可能な範囲をさらに拡大
――今後、この新しいコンセプトのセンサをどのように進化させていく予定ですか。
渡邊 測定可能距離範囲を0mm～100mmに、測定可能荷重範囲は0N～15Nに拡大した改良版の開発を進めています。すでに試作済のセンサのサイズは、8×11×4mmです。三角測量の原理を利用しているため、改良版で測定範囲を広げるためにはサイズを大きくする必要があります。ただし、ムラタが蓄積してきた小型センサを作る技術を応用することで、改良版のサイズは12×12×6mmにまで小型化できるとみています。
透明IDタグ：モノの表面上にさりげなくデータと紐付けたIDを付与
――開発している透明IDタグとは、どのような場面で活用する技術なのでしょうか。
白井 透明IDタグは、製品の表面上に、さりげなく目立たないように透明で小さなIDタグを付加するための技術です。
現在、工業製品にシリアル番号を付与して管理する際には、バーコードやRFIDタグなどを製品に付けて、これを読み取ることで個々の製品をクラウド上のデータに紐付けています。ただし、バーコードやRFIDなどを製品に付けるためには製品上に相応の面積を割く必要があり、決して見栄えのするものではありません。特に、宝飾品のような高度な意匠性と質感が求められる製品には付けられません。ところが、真贋判定を行い、二次流通での高価転売などの問題を防ぎたい宝飾品のような製品でこそ、認証情報や所有者の履歴などのデジタル化しておきたい情報が必要とされています。開発している透明IDタグならば、こうした課題を解決できます。
微小粒子を規則的に並べたコロイド結晶をIDタグに活用
――どのような技術を投入して、透明で小さなIDタグを作っているのでしょうか。
住吉 「コロイド結晶」と呼ばれる、微小な粒子を二次元的に規則正しく並べた構造を樹脂で固めてIDタグとして利用しています。
コロイド結晶とは、ナノメートルからマイクロメートル単位の微小粒子を樹脂内に分散させ、粒子間の距離や配列が定まった状態で整列させた、あたかも結晶のような性質を持つ構造体です。我々はこのコロイド結晶の構造を制御し、外観が限りなく透明に見えるよう工夫しています。ただし、コロイド結晶に確認用の光を照射すると、個々の微小粒子の表面で反射した光が干渉し、回折現象によって特定方向に強い光が透過/反射します。これにより固有のパターンを描く性質を持っています。
コロイド結晶中の粒子は、規則正しく配列しているのですが、粒子間の距離や配列を変えたコロイド結晶を人工的に生成して組み合わせると、場所ごとに性質の異なる結晶が、それぞれ異なるパターンを発生させます。それがちょうど指紋のような役割を果たし、読み取ってコード化することで、個別に識別できるIDタグとして利用可能になります。
1mmΦの透明タグで1京パターンのIDを識別可能
――巧妙な技術ですね。バーコードやRFIDと比較した、この技術固有の特長は。
白井 最大のメリットは、微小かつ目に見えない透明のIDタグを作ることができる点です。腕時計の針の軸頭など、製品のデザインに溶け込むような場所にさりげなくIDタグを仕込むことができます。1mm径のスペースがあれば、そこに約1京パターンのIDを識別することが可能です。微小粒子の個々の配列を認証に利用しているため、模倣できない点もこの製品の大きな特長です。
また、光を使って認証し、RFIDのように認証時に電波を使用しないため、金属製品にも適用しやすいメリットもあります。光沢のある素材の上にも付与することが可能です。
私たちは、2025年頃を想定して、まずは宝飾品や時計など、意匠性が特に重視される製品への適用を起点にして市場展開していく予定です。その際には、透明IDタグを、製品に付ける技術やタグからIDを読み取るシステムまでを合わせたソリューションとして提供していこうと考えています。
――ユニークな材料固有の特徴を活かした技術であり、ムラタとしては異質な商品に見えます。なぜ、こうした技術を開発できたのでしょうか。
住吉 コロイド結晶はムラタが積層セラミックコンデンサ（MLCC）の製造を通じて磨いてきた、均一な微小粒子を均等分散させる技術の延長にあります。それを光学的な特徴と紐づけて構想したのが透明IDタグとなっています。特に、規則正しく微粒子を並べ、それを透明化してモノに付ける技術は、他社にはまねできないと考えています。
「近接＆力センサ」と「透明IDタグ」は、デジタル社会が発展していく中で、新たな利用シーンを生み出していく可能性を秘めた技術です。それぞれ現時点で想定している応用分野はありますが、ムラタが気づいていないアプリケーションが多くあることでしょう。
ムラタだからこそ実現できる技術を活用し、デジタル化社会を支え、発展させていくための新たな応用を共に作ってみませんか。
コロイド結晶を用いた「透明IDタグ」は
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※記事の内容は、記事公開日時点の情報です。記事内で紹介している製品の仕様、外観は予告なく変更する場合があります。
