水晶振動子を用いた高性能力センサ / High Performance Force Sensor using Quartz Crystal Resonator
圧電材料の一種である水晶振動子を用いて，異次元の性能（感度，ダイナミックレンジ，正確性，応答速度）を有する力センサを研究しています．
水晶振動子（Quartz Crystal Resonator : QCR）は，通常タイミングデバイスとしてよく用いられる圧電振動子であって，励振用の半導体回路を接続することで
高いキャリアの発振周波数を，高い安定性（ppbオーダ程度）で出力することが可能です．
その高い安定性や，圧電材料としての結晶の品質を活かして，センサ用の信号変換器（トランスデューサ）としての利用も進んでおり
我々の研究グループでは，とくに力センサの応用に関して，世界で随一の技術力を有しています．
このQCR力センサは，感度，剛性，ダイナミックレンジ，応答性，繰り返し再現性など，あらゆる面で既存の力を圧倒するポテンシャルを有しており
とくに$10^6$を超えるダイナミックレンジ（＝大荷重と微弱力を同時に計測できる）は他のセンサではあり得ない大きな強みです．
当該研究テーマでは，
- 独自の圧電振動子のトランスデューサとしての水晶デバイスの，デザイン/性能解析
- MEMS微細加工をベースとした素子の作製技術の検証
- ロボット応用や産業機器に向けた実装
まだセンサの限界は底しれず，さらなる可能性を追求できる見込みがあります．
一緒にこのテーマに取り組んでみたい，という学生の皆様を募集中です．
主たる参考文献 / Remarkable References
- H. Sugiura, S. Amaya, F. Arai, Robotic micromanipulation system for electrophysiology experiments using oocyte, Proceedings of International Symposium on Micro-Nanomechatronics and Human Science (MHS) 2024, Japan, BEST PAPER AWARD
- K. Otani, H. Sugiura, S. Watanabe, T. Bilal, S. Amaya, F. Arai, Robotic micromanipulation system for electrophysiology experiments using oocyte, Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automations(ICRA), 2024
- S. Watanabe, H. Sugiura, and F. Arai, “High-Speed Frequency Detection of QCR Force Sensor Using a PLL Circuit”， Proceedings of International Symposium on Micro-Nanomechatronics and Human Science (MHS), 2022 BEST PAPER AWARD
- Y. Taniguchi, H. Sugiura, T. Yamanaka, S. Watanabe, … and F. Arai., A force measurement platform for a vitreoretinal surgical simulator using an artificial eye module integrated with a quartz crystal resonator” Microsystem and Nanoengineering, 2022, 8 (1), 74
- [Invited] 杉浦広峻，水晶振動子を用いた力センサ技術とその応用，展望，MEMSセンシングネットワークビジネス展2024，東京ビッグサイト，Feb. 2, 2024