业务和作业的数字化在人类生活、企业商务、社会活动等各个方面正在快速发展。与此同时，在人机界面（HMI）领域，为了消除人类进行的作业与机器进行的作业之间的区别，人们正在不断进一步加强现实世界中的物体与云端的数字数据之间的联系。此外，由于物理空间和网络空间的相互作用以及全球可持续发展势头的不断增强，人类正在进入一个在现实世界中生产、销售和使用的全部产品都需要可追溯的时代。

村田制作所（以下简称村田）正在开发用于实现人与机器紧密连接的HMI的新型传感器和将万物与数字数据相关联的新手段，以支持数字化社会。在2023年10月17日至20日于幕张展览馆举办的“CEATEC 2023”上，村田展示了正在开发的支持数字社会发展的新技术。在村田展位上展示出来以供参考的新技术中，我们就更紧密地连接人与机器以实现HMI的“接近和力传感器”采访了技术与事业开发本部 设备中心 应用技术开发部的渡边，就在物体表面随意附加与数据相关的“透明ID标签”采访了同一本部 材料技术中心 材料工艺开发部的白井和住吉。

接近和力传感器：连续捕获物体从接近到接触的过程

――你们正在开发的接近和力传感器是一种具备什么样的功能的传感器？

渡边：我们正在开发的接近和力传感器是一种以对物体从接近到接触的过程进行检测为目的的传感器。例如，在将手靠近物体时手指的运动，以及触摸物体后施加的力的大小，对这些都可以进行无缝检测。迄今为止，为了捕捉在物体相互触碰的瞬间发生的现象，需要分别准备接近传感器和力传感器。接近和力传感器通过单个传感器就能对其进行检测。

――测量原理是什么？

渡边：该传感器用近红外光照射物体，并利用反射回来的光量根据三角测量原理计算到对象物体之间的距离。

传统的距离测量方法有IR-TOF（Time of Flight），它根据发射红外线后对象物体反射光返回的时间来计算距离，此外还有利用超声波传感器以及对照相机拍摄的图像进行解析等距离测量方法。接近和力传感器中使用的三角测量从原理上来看在测量短距离时精度很高，因此与这些传统方法相比，它能更准确地测量物体靠近到从0mm到20、30mm的很短距离（图1）。此外，由于它使用近红外光作为测量介质，并基于三角测量原理，因此还具有在测量时受对象物体的反射率影响较小的特点。

此外，在同一传感器模块上还安装了另一组与距离测量传感器具有相同机制的传感器用于测量接触力。该传感器上覆盖有弹性体，在对象物体接触弹性体时按相同原理对施加负载引起的位移进行测量并测量接触力。开发的传感器可以测量的负载范围为0N至12N。

它有许多潜在的应用，例如沉浸感很高的VR和进行精细作业的机器人等

――预想用于什么样的应用？

渡边：我们预想用于VR控制器等应用。VR是沉浸感很重要的应用，为了增强沉浸感，需要尽量减少手部动作与在虚拟空间中动作之间的差异。我们认为，增加检测运动和力的传感器的相互协作将提高沉浸感。

而且，它还可以用于通过简单的系统构成来实现像使用手和脚那样操纵机器人等机械的HMI。在该传感器中，采用原理和机制相同的传感器来测量物体接近的过程以及接触后施加的力。它可以使用相同的算法来感测距离和负载，因此通过简单的控制即可准确捕获从测量对象物体接近到接触传感器的瞬间所发生的现象。

我估计能够应用接近和力传感器的地方应该很多，例如精细作业所需要的通过机器人实现自动化/自主化、与位于远处的人员之间的共同作业以及使用已在虚拟空间中被数字化的物体的VR相关应用等。

进一步扩大可测量范围

――你们今后打算让这种新概念传感器如何进化？

渡边：我们目前正在开发改进版，将可测量距离范围扩大到0mm到100mm，将可测量负载范围扩大到0N到15N。已经完成试制的传感器尺寸为8×11×4mm。它采用三角测量原理，因此在改进版中需要增加尺寸以扩大测量范围。然而，通过应用村田制作所积累的小型传感器技术，我们相信改进版的尺寸可以减小到12×12×6mm。

透明ID标签：在物体表面随意附加与数据相关的ID

――你们正在开发的透明ID标签是一种用在什么样的场合的技术？

白井：透明ID标签是一种用于在产品表面随意附加不起眼的小型透明ID的技术。

目前，在为工业产品分配序列号并对其进行管理时，会将条形码或RFID标签贴在产品上，通过读取这些标签，将每个产品与云端的数据相关联。但是，为了将条形码、RFID等粘贴到产品上，需要在产品上分配一定的面积，对产品外观有影响。尤其不能应用于对设计性和质感要求较高的产品，例如珠宝首饰。但是，越是需要进行真伪鉴定、防止在二次流通中高价转售等问题的珠宝首饰等产品，就越需要将认证信息、拥有者历史等信息数字化。利用我们正在开发的透明ID标签就可以解决这些问题。

将由规则排列的微粒组成的胶体结晶用作ID标签

――你们使用什么养的技术来制作小型透明ID标签？

住吉：将被称为“胶体结晶”的微粒在二维空间规则排列的结构用树脂硬化后作为ID标签使用。

胶体结晶是一种具有类似结晶性质的结构，通过将从纳米级到微米级的微粒分散在树脂内，并让其以规定的颗粒间距离和排列方式排列而形成。我们正在设法控制这种胶体结晶的结构，使其看起来尽可能透明。然而，当用光照射胶体结晶进行确认时，从各个微粒表面反射的光会产生干扰，并且由于衍射现象，在特定方向上会有强光透射/反射。由此导致它具有能够绘制固定图案的特性。

胶体结晶中的粒子是规则排列的，但是，当人为地制造和组合粒子间距离和排列方式不同的胶体结晶时，在不同位置具有不同特性的结晶会分别产生不同的图案。这正好能起到像指纹一样的作用，通过读取它们并将其转化为代码，就可以作为能识别个体的ID标签使用。

1mmΦ透明标签可识别1京（万兆）个图案的ID

――这真是一项巧妙的技术。与条形码和RFID相比，该技术有哪些固有的特点？

白井：突出的优点是可以制作微小、隐形、透明的ID标签。ID标签可以随意地放置在手表指针轴的头部等融入产品设计的位置。如果有直径为1mm的空间，则可以在该空间中识别大约1京（万兆）个图案的ID。该产品的另一大特点是无法模仿，因为它将每个微粒的排列用于进行认证。

此外，由于它使用光进行认证，而不像RFID那样在认证时使用电波，因此还具有易于用于金属产品的优点。它也可以附加到有光泽的材料上。

我们计划在2025年左右首先将其应用于珠宝首饰和手表等特别重视设计性的产品，然后以此为起点逐步向市场推广。届时，我们打算将透明ID标签作为与附加到产品的技术和从标签读取ID的系统组合后的解决方案向客户提供。

――这是一项利用材料的固有特性的专有技术，它似乎是一款与村田的特点不符的商品。你们为什么能够开发出这项技术呢？

住吉：胶体结晶是村田制作所通过生产多层陶瓷电容器（MLCC）磨练出来的将均匀颗粒均匀分散的技术的延伸。将其与光学特性关联起来构想的结果就是透明ID标签。我们认为，特别是将微粒按规则排列，然后将其透明化并将其附加到物体上的技术是其他公司无法模仿的。

在数字社会的不断发展的形势下，“接近和力传感器”和“透明ID标签”是有可能产生新的使用场景的技术。尽管目前每种技术都有其设想的应用领域，但可能还有很多应用是村田制作所尚未注意到的。

您是否愿意与我们一起利用只有村田才能实现的技术开发新的应用来支持和发展数字化社会？

使用胶体结晶的透明ID标签正在募集能够与我们共同创建新的业务和服务的合作伙伴。

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• Microscopic and invisible ID Tags can enable individual identification using colloidal crystals
• CEATEC 2023

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