圧電フィルムセンサーと傾斜計が高感度な制御能力を提供します

ロボットの応用において、圧電フィルムセンサーの使用はロボットが人間のような手の器用さを持つことを可能にし、敏感な触覚フィードバックが重要な役割を果たします。ロボットは物を掴む際の圧力の変化を感知し、効果的に把握力を制御し、傾斜計を組み込むことで制御能力を向上させる必要があります。これはロボット開発の重要な段階を表しています。圧電フィルムセンサーは敏感な圧力検知能力を提供し、傾斜計と組み合わせることで、ロボットの触覚用途を制御するための新しい可能性を生み出します。本記事では、圧電フィルムセンサーと傾斜計の技術開発と応用、そして村田製作所が提供するソリューションについて紹介します。

より環境に優しく、より高感度な圧電フィルム材料

圧電フィルムは、ポリ乳酸（PLA）と呼ばれる材料から作られています。ポリ乳酸は「生分解性ポリマー」の一種で、従来の石油由来のプラスチックに匹敵する強度と成形性を持つ素材です。この素材は1995年頃から注目され始め、現在では環境に優しいポリマーとして広く認識されています。PLAに含まれる乳酸は、植物から抽出されたデンプンを乳酸菌による乳酸発酵によって生成されます。デンプンは植物の光合成から得られるものであり、製造プロセスで使用されるエネルギーを除き、製造、廃棄、分解のライフサイクル全般でカーボンニュートラルな材料が使用されるため、待機中のCO₂の増加には寄与しません。   PLAは他の生分解性ポリマーにはない高い透明性を持ち、光透過率は93%でアクリルをも超えます。PLAは日常的な用途で、スーパーマーケットで見かける卵パックやトマトの箱などに一般的に使用されています。通常、PLAは環境に優しい低コストの植物由来のポリマーとして利用されていますが、その圧電特性は独特の特性を提供します。   PLAの圧電定数（圧電d定数）は約7から12 pC/Nで、PZTなどの材料と比較すると比較的小さいです。しかし、PLAは相対誘電率が非常に低く、およそ2.5であるため、比較的高い圧電出力定数（圧電g定数、g=d/εTに等しい）を持ちます。そのため、PLAは圧電出力において高い感度を示します。比較すると、圧電出力定数の観点では、PLAは圧電定数がPLAの4倍あるポリフッ化ビニリデン（PVDF）とほぼ同等です。   PLAから作られた圧電フィルムは、圧縮や変形によるフィルム表面の歪み（伸縮）に比例した分極を生成します。この分極により生成される電荷がI/Vコンバータによって電圧に変換され、アナログ信号出力となります。これにより、圧電フィルムが受ける圧力変化を検知することが可能です。

高感度圧力検出用の柔軟な薄型圧電フィルムセンサー

村田製作所の「ピコリーフ」は、独自の圧電技術を用いて開発された柔軟な薄型センサーで、高感度の圧力検知を目的に設計されています。従来のセンサーよりも小型で薄型であり、設置スペースを節約し、組立性能や耐久性を向上させます。ピコリーフは、人間と機械のインターフェイス (HMI) センシングを必要とする製品の機能性、組み立ての簡便さ、耐久性を向上させることを目指しています。センサーとして機能するために、電極は薄くて柔軟性の高い有機圧電膜に印刷またはラミネートされています。このフィルムは両面テープを使用してデバイスに取り付けることができ、接着工程を不要にします。   ピコリーフはデバイスを薄型化するのに貢献し、ディスプレイやタッチパネルと組み合わせても空間を節約できます。その高い感度により、1つのセンサーで大きなディスプレイ全体の圧力を検出できます。また、ミクロン範囲の微細な変位、無意識の筋肉の震え、動作中の握力維持、人間の脈拍などの生理信号を検出する用途にも使用できます。   ピコリーフは非焦電性特性を持つため、温度変化による分極を起こさず、体温、日光、半導体の発熱などの要因による感度の変動や干渉を最小限に抑えます。また、ピコリーフは低消費電力特性を持ち、センサー自体の消費電力がゼロであり、駆動アンプを低消費電流（約10μA）で設計することも可能です。さらに、その柔軟な構造により、曲面の装置にも曲げて取り付けることができます。   村田製作所の独自の圧電技術を活用したピコリーフは、狭いスペースにも取り付け可能です。従来のセンサーと比較して薄型化を実現しつつ、組立性能や耐久性を向上させています。ピコリーフは、圧電膜の変位速度に基づいた出力を得るための検出回路を組み合わせています。この出力特性を活用することで、ピコリーフは圧力検知、握力検知、生体信号検知など多様なセンサー用途に対応します。   ピコリーフは、圧力検知用途で使用でき、圧力変化を検知するUIセンサーとして機能します。例えば、ピコリーフをスタイラスに配置することで、ユーザーの手の握力状態をモニタリングできます。その機能は触知を超えており、手圧を検知して不注意な動作を防止することができます。   さらに、ピコリーフは、生体信号検知用途にも利用可能で、圧電膜センサーの高感度を活用します。脈拍や呼吸といった生体信号を検知するセンサーとして機能します。生体信号検知の精度に関して、人体表面での心拍数や呼吸数をモニタリングする生分解性圧電センサーの使用に関する学術論文がすでにいくつか発表されており、圧電センサーを基にした生体信号検知の正確性が確認されています。   村田製作所は、ピコリーフに関するさまざまな製品フォーマットを提供しています。センサーエレメントはメインボードに直接取り付け可能であるほか、配線を組み合わせることでセンサーの設置場所をボードから離すことができるタイプもあります。さらに、部品取付け配線を組み合わせたセンサーエレメントでは、センサー設置場所がボードからさらに分離され、メインボードに取り付け部品がない設計が可能になります。   ピコリーフの検出回路は、I/Vコンバータおよび増幅回路で構成されています。圧電膜が圧力や変形による伸縮で湾曲すると、適用された湾曲量に比例した分極を生成します。ピコリーフによって生成された電荷は、I/Vコンバータを通じて電圧に変換され、アナログ信号出力が得られます。この出力信号は増幅および調整可能で、一般用途のADCやCPUで処理されるため、センサー容量や浮遊容量の影響を受けません。現在では離散回路が推奨されていますが、村田製作所は2025年に信号処理機能を備えたピコリーフ専用ASICを開発し、提供開始を予定しています。

Picoleafセンサーは、優れた変形検出能力を備えています

Picoleafセンサーの圧電特性により、「変位方向」と「変位速度」の両方を検出することが可能です。変位方向に関して、「山折り」変形を検知した場合、変位方向がPicoleaf基準電圧の正側へ出力され、「谷折り」変形を検知した場合は変位方向が負側へ出力されます。さらに、変位速度については、ピーク電圧に基づいて計算することができ、これは変位速度に比例して増加します。   さらに、Picoleafセンサーの逆出力機能を利用することにより、プッシュおよびリリースの動作をユーザーインターフェースでのスイッチの切り替えにシームレスに適用できます。Picoleafを周期的な振動を行う物体に取り付ければ、その振動を検知し、状態検知センサーとして使用することが可能です。   Picoleafの厚さはわずか0.2mm以下で、非常にコンパクトであり、寸法は2x10mmです。ディスプレイやタッチパネルと組み合わせてもスペースを節約できます。また、高さの変化があるデバイスや円筒形の物体を包み込むような特殊形状を含む、曲面にも貼り付けることが可能です。Picoleafは高感度を誇り、1ミクロン程度の変位も検知できます。1つのセンサーで、大型ディスプレイ全体の表面積に対する圧力を検知することが可能です。また、手の震えや握力、脈動といった無意識の筋肉の動きを検知するためにも使用できます。   非焦電性の特性を持つことで、Picoleafは体温や日光、半導体といった熱的要因によるドリフトが発生しないため、ノイズが最小限に抑えられます。その結果、アルゴリズムの構築が容易になり、センサー自体は消費電力がゼロで、駆動用の増幅回路も低消費電力（約10μA）で設計可能です。

Picoleafはさまざまな圧力検知用途に使用できます

Picoleafの透明度は90％を超え、透明ディスプレイパネルのエリアにも設置することが可能です。タッチスクリーンのUI機能とPicoleafの圧力検知機能を組み合わせることで、通常のタッチスクリーンとは異なる、人間の行動原理に基づいたヒューマンマシンインターフェース（HMI）を実現できます。応用例としては、圧力検知によって動作する信頼性の高い入力UIを設計したり、変形検知を利用してペンのような入力デバイスを実装したり、さまざまな圧力検知機能を応用してリアルなソフトウェアキーボードの体験を実現することができます。   新しいウェアラブルコンセプトの実現で困難に直面した場合でも、Picoleafの軽量、薄型、短尺、柔軟な構造を活かして、設計の一体性を保ちながら新たな機能を追加することができます。Picoleafの設置の柔軟性により、スペースが限られている場合や湾曲した表面などの課題にも簡単に対処できます。制約のあるスペースや湾曲した表面で圧力検知を適用して操作性の高いUIを作成するだけでなく、高感度を活用した着用および/またはグリップ検知機能を組み込むことで、脈拍や呼吸などの生体信号を検出するウェアラブルデバイスを実現できます。現在、村田製作所の圧電フィルムセンサPicoleafを搭載したフィットネスデバイスが市場に出回っています。   設計時には、Picoleafを利用してロボット製品に触覚を与えることも可能です。これらのデバイスの高感度特性を活用することで、触覚情報を利用するロボット産業の発展に貢献できます。Picoleafをロボットハンドの指先に適用すれば、柔らかい物体または硬い物体に接触した際に引き起こされる変形を検出し、それに応じてつかむ力を調整することができ、物体の柔らかさに関わらず多様な物をつかむことが可能となります。また、Picoleafを遠隔操作ロボットに接続して触覚のフィードバックを定量化することで、VR操縦者によりリアルな環境情報を提供します。さらに、作動中のロボット内部の配線にPicoleafを貼り付けて、配線の劣化などの内部異常を検出することが可能です。   歪み検知型、静電容量型、加速度センサ型、および機械式ソフトウェア型などの他の製品と比較して、Picoleafは標準サイズがわずか3x17 mm、厚さがわずか0.25 mm（裏面接着剤0.1 mm）であり、接着テープを用いて組み立てることができます。また、力の検知性能を持ち、1μm単位の高精度な感度と変形速度データの検出能力を備えています。回路設計では、一般的な部品を使用可能であり、4ピンのZIFコネクタインターフェイスを備え、Vddの標準電圧は3.3V、消費電力は10μA以下、応答時間は10 ms未満であり、曲面での設計も可能なため、さらに多くの利点を提供します。

高性能傾斜計は過酷な環境の要求に応えます

村田製作所が提供するSCL3300インク​​ロメーターは、高性能な3軸インク​​ロメーターです。その寸法はわずか7.6×8.6×3.3mm（幅×長さ×高さ）で、さまざまな用途や要件に対応するための4つの測定モードを選択できます。このセンサーは超低ノイズを誇り、最大0.001°/√Hzの分解能を実現しています。また、内部SPIデジタルインターフェース、優れた機械的ダンピング特性、-40～125°Cの動作温度範囲を備えています。供給電圧3.0～3.6Vでの消費電流はわずか1.2mAです。SCL3300は成熟した容量性3D-MEMS技術を利用しており、高性能を実現し、堅牢で耐久性のある設計に適しています。   SCL3300は、過酷な環境での高い安定性を必要とするアプリケーションに最適です。これには、水平検知、傾き補正、機械制御、構造物の健全性モニタリング、慣性測定ユニット（IMU）、ロボティクス、位置/ナビゲーションシステムが含まれます。   製品開発のスピードを加速するために、村田製作所はデジタル加速度計/インク​​ロメーターボード「SCL3300-D01-PCB」を導入しました。このボードは±2.4gの範囲をサポートする3軸インク​​ロメーターを備え、MEMSデジタルインク​​ロメーターSCL3300シリーズのチップキャリア回路基板が搭載されています。チップキャリア回路基板の目的は、迅速なプロトタイプ設計を容易にすることです。SCL3300チップキャリア回路基板には、センサーと回路基板設計が基板上にハンダ付けされており、ヘッダーと受動部品が含まれています。   別のインク​​ロメーターである「BCGMCU」は、性能が向上した第2世代のBCGソリューションです。これにより、病院や家庭で眠っている人の状態を監視する新しい可能性が開かれます。このデバイスは、睡眠中の人の心拍数、呼吸頻度、呼吸時間などのさまざまな生体信号を検出できるほか、ベッドから離れたタイミングや睡眠状態の分析を可能にします。BCGMCUソリューションは、事前にプログラムされたマイクロコントローラー（BCGMCU-D01）とSCL3300-D01インク​​ロメーターで構成されており、ソフトウェアソリューションプロバイダー、サービスプロバイダー、およびOEMシステムインテグレーター向けにカスタマイズされたコンポーネントレベルのソリューションを提供します。

結論

村田製作所の高感度で環境に優しいピエゾフィルムセンサー「Picoleaf」は、コンパクトなサイズ、低消費電力、高感度といった優れた特性を備えています。これにより、タッチユーザーインターフェース、ウェアラブルデバイス、ロボットの触覚センシングなど、さまざまなピエゾ電気検知用途で幅広く活用することが可能です。また、高性能なSCL3300傾斜センサーと組み合わせることで、ロボット用途において優れた制御能力を提供することができるため、関連アプリケーションに最適な選択肢となります。