2018 Fiscal Year Research-status Report
Influence of Vibration Frequency on Ultrasonic Tactile Displays
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18KK0107
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| Research Institution | Saitama University |
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Principal Investigator |
高崎 正也 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (10333486)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山口 大介 埼玉大学, 理工学研究科, 助教 (00735657)
水野 毅 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (20134645)
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| Project Period (FY) |
2019-02-07 – 2024-03-31
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| Keywords | ハプティクス / 皮膚感覚 / ディスプレイ / 超音波 / 摩擦制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
人の触覚のひとつ皮膚感覚（つるつる・ざらざらといった感覚を受容）を提示するデバイス「皮膚感覚ディスプレイ」であって，プレート形超音波振動子表面での摩擦制御を利用しているものを対象としている．現在のところ，超音波の周波数がディスプレイのパフォーマンス・制御性・製造コスト等に及ぼす影響が未知の状態である．非線形現象を多く含むため，数値計算による検討は困難であり，実際にその周波数の超音波振動子を製作して実験的な検討を行う必要がある．従前より，埼玉大学では15 MHzの振動子を，リール大学では30 kHzの振動子をそれぞれ用いてきた．本研究では，埼玉大学チームが周波数を下げていき，リール大学チームが周波数を上げていくアプローチをとる．超音波皮膚感覚ディスプレイを開発する際の超音波周波数選択の指標のためのデータベース構築を目指している．
30 kHzから周波数を上げていくアプローチでは，研究協力者（Frederic Giraud准教授）の指導を受けながらプレート材質・寸法・圧電素子の設計を行い，リール大学の技術的支援を受けながら製作・調整を行う．2019年3月にリール大学にて詳細な共同研究打合せを行い，今後の工程について確認した．
15 MHzから周波数を下げていくアプローチでは，圧電材料であるニオブ酸リチウムの単結晶基板を用いてバイモルフを構成することを計画している．この構成のためには接着剤による接合が必要であり，そのスキルはリール大学が持っている．今後，指導を受けながら製作を進めていく．一方，圧電セラミクス（チタン酸ジルコン酸鉛：PZT）の板に電極を形成して高次モードの振動を励振することで1 MHz近傍の振動子とすることを検討した．実際に電圧を印加して振動子とした場合に800MHz付近に共振周波数を持つことがわかった．今後，この振動子を皮膚感覚ディスプレイに適用していくことも検討する．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では，二つの機関が対称的なアプローチをとることで，目的を達成しようとしている．埼玉大学チームが超音波の周波数を下げていき，リール大学チームが同周波数を上げていくアプローチをとる．これには詳細な打合せと研究協力者（Frederic Giraud准教授とリール大学博士課程学生）との連携が欠かせない．2019年3月の打合せにてその礎を築くことができた．
30 kHzから周波数を上げていくアプローチでは，研究協力者（Frederic Giraud准教授）の指導を受けながら，一部はリール大学チームが実施しながら，研究を推進していく．2019年3月にリール大学にて詳細な共同研究打合せを行い，今後の工程について確認することができた．2019年度の研究実施期間が短かったため，上記の進捗にとどまっている．
15 MHzから周波数を下げていくアプローチでは，当初の方法（ニオブ酸リチウムを用いる方法）に加えて，圧電セラミクス板を用いる方法に関しても検討を開始した．ニオブ酸リチウムを用いる方法では，構成のためには接着剤による接合が必要であり，今後リール大学の指導を受けながら振動子を製作していく．圧電セラミクスを用いる方法では，50 mm×50 mm×2 mmの板に表面電極を形成し，交流電圧を印加することで高次モードの振動が発生することを実験的に確認した．880 kHz，10 Vp-pの入力に対して最大振動速度0.4 m/sを得た．簡便な皮膚感覚提示実験を行ったところ，ざらざら感を提示することができた．
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| Strategy for Future Research Activity |
上記のように，二つの機関が対称的なアプローチをとるため，超音波の周波数の選択も重要である．30kHzと880kHzの間を指数的に考え，70kHz，160kHz，380kHzなどを選択する事で，本研究の目的の達成に近づくと考えられる．
上記のような共振周波数を持つ，40 mm×60 mm程度のサイズのプレート型超音波振動子を設計・製作を計画していく．その際の設計から調整にかけて見られる問題点について知見を蓄えていく．実際に駆動・制御して皮膚感覚の提示を行い，皮膚感覚ディスプレイとしてのパフォーマンス・制御性を評価する．それぞれの周波数で得られた知見をまとめ，皮膚感覚ディスプレイの設計・製作・調整・制御のそれぞれの観点でのその周波数の長所・短所を整理していく．
30 kHzから周波数を上げていくアプローチでは，70kHz程度の共振周波数を持つ振動子について，研究協力者（Frederic Giraud准教授）の指導を受けながらプレート材質・寸法・圧電素子の設計を行い，リール大学の技術的支援を受けながら製作・調整を行う．
15 MHzから周波数を下げていくアプローチでは，従来よりも厚いニオブ酸リチウム基板を用いて2MHz程度の共振周波数を持つ振動子の製作を試みる．将来のアプリケーションを考えると，振動子自体は透明であることが好ましい．このために，「間接励振」（これまでに開発した技術）を用いることで，プレート部分をガラス基板とした超音波振動子を製作していく．
圧電セラミクス板で構成した振動子は透明という特性を持つことができないため，ガラス基板を用いて同様の振動を励起する方法について検討していく．
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| Causes of Carryover |
2018年度の研究実施期間が短く，当初の計画との差が発生した．2019年度にこの差分を勘案して加速する予定であり，十分に可能な範囲であると考える．
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Research Products
(1 results)
