| 研究課題/領域番号 |
18KK0107
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| 研究機関 | 埼玉大学 |
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研究代表者 |
高崎 正也 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (10333486)
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| 研究分担者 |
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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| 研究期間 (年度) |
2019-02-07 – 2024-03-31
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| キーワード | 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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| 研究実績の概要 |
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・調整を行っている．金属板にPZTプレートを接着した振動子の製作を行った．
15 MHzから周波数を下げていくアプローチでは，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800 kHz近傍に共振周波数を持つことを見いだした．超音波振動を間欠的に励振したところ，500 Hzでのon/offに追従させることが出来た．また，画像処理を用いた簡易指位置計測による制御でザラザラ感を提示することが出来た．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
2019年3月の打合せにて研究協力者（Frederic Giraud准教授とリール大学博士課程学生）との連携の基礎を築くことができた．
その後，30 kHzから周波数を上げていくアプローチでは，金属板とPZTプレートによる超音波振動子の製作を行うことが出来た．簡便な実験で，駆動周波数が低いために振動振幅を高速で制御することが難しいということを確認できた．リアリティーの高い皮膚感覚を提示するには共振周波数を高くするべきであることを示唆する結果を得た．
15 MHzから周波数を下げていくアプローチでは，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，50 mm×50 mm×2 mmのPZT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．さらに電極構造を改良することで，共振周波数870 kHz，Q値（振動の効率を表す指数）1800を得た．また，高いQ値をもちつつ，振幅の制御において500 Hz程度まで追従できることを確認した．
製作した50 mm角振動子を用いて，皮膚感覚提示を試みた．画像処理を用いた簡便な指位置計測によりなぞり位置・速度に応じて超音波励振を制御し皮膚感覚を提示することが出来た．一方で，周波数の高さから振動振幅を確保できる一方で振動振幅が小さいため，従来の弾性表面波皮膚感覚ディスプレイと同様で，指で直接触るよりも指先にアルミ箔を備えた方が明確な皮膚感覚を感じることが出来ることを確認した．
これらの成果を踏まえ，Frederic Giraud准教授とディスプレイを触りながら議論する予定だったが，新型コロナウィルス感染拡大の影響でこれがキャンセルとなり，研究の進捗に影響を及ぼしている．
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| 今後の研究の推進方策 |
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．特に，金属板とPZTピースの組み合わせでは設計の自由度が高く，70kHz，160kHz振動子を計画していく．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．
15 MHzから周波数を下げていくアプローチでは，880 kHzとの中間周波数として2 MHz程度の共振周波数を持つ振動子を計画する．従来よりも厚いニオブ酸リチウム基板を用いて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も同時に計画していく．
金属板と圧電セラミクスピース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，金属板をガラス板に置き換えて超音波振動子を構成する方法について検討していく．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
新型コロナウィルス感染拡大の影響で，当初リール大学に訪問して議論する予定であったが，渡航直前にリール大学での外国人研究者受け入れ中止の連絡を受けて，この渡航を延期した．当初の計画との差はこの延期によるものである．2020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．我々研究者がネットを介したコミュニケーションに慣れてきたこともあり，感染拡大の影響が長期化しても，相互訪問による議論をある程度補完できると考えている．
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