情報処理学会 インタラクション 2023
IPSJ Interaction 2023

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2 方向の振動合成が可能な液体金属を封入した電磁ソフトアクチュエータ
清水 真陽†,1新藤 尚輝†,2安藤 潤人†,3野間 春生†,4

概要：本研究の目的は小型で多方向の触覚提示装置の実現である．その実現のため 2 方向の振動合成が可能な電磁ソフトアクチュエータを開発した．開発した電磁ソフトアクチュエータは液体金属を封入した 2 つのソフトチューブと磁石を利用しており，ソフトチューブ内の液体金属に電流を流すことで，振動子を振動させられる．本研究ではこれらの構成要素によってせん断方向，押込み方向の触覚提示が可能かどうかを確かめ，入力信号の周波数に追従して振動させられることを示した．

1. はじめに指や手で物体表面をなぞると，皮膚が押込み方向とせん断方向の変形が生じる．その変形によって触覚受容器に刺付けている．この 2 つのソフトチューブはそれぞれ独立しており，流路は繋がっていない．磁石は振動子を挟むように，磁石と振動子のクリアランスが 1 mm になるように配置している．

激が加わり，ヒトは表面の情報を触感覚として知覚する．

ソフトチューブ内の液体金属に電流を流すと，振動子正したがって，皮膚変形を再現することで，表面をなぞった面と直交方向に磁界が存在しているため，ソフトチューブ感覚を知覚させることが可能である．仮想の物体を触ったは電磁力によって振動子正面から見て上下左右に動く．左感覚を提示する触覚ディスプレイや遠隔の物体を触った感覚を伝える触覚インターフェースは皮膚に何らかの刺激を与えることで実現している．皮膚に直接的に刺激を与える方式では，ピン型アクチュエータ[1]，形状記憶合金[2]，空気圧[3]，静電アクチュエータ[4]が利用されている．近年ではソフトアクチュエータを利用した方式も開発されている[5, 6]．これらの多くは単方向のみの提示であり，多方向の提示を実現しようとすると装置が大型化してしまう問題が生じる．本研究の目的は小型で多方向の触覚提示の実現である．
すでに流体金属を封入した電磁ソフトアクチュエータを開発し，振動周波数の範囲が数十 Hz～数百 Hz の触覚提示を実現している[7]．本研究ではこの電磁ソフトアクチュエータの原理を利用して押込み方向とせん断方向の 2 方向の触覚提示可能な電磁ソフトアクチュエータを開発する．

図１

2 方向電磁ソフトアクチュエータ

本稿ではプロトタイプを作製しその動きを計測し評価した．

2. 2 方向電磁ソフトアクチュエータ
開発したソフトアクチュエータの構成要素と動作原理について説明する．図１は実際に作製したソフトアクチュエータの写真を示す．図 2 はその模式図を示す．ソフトア
クチュエータは 2 つのネオジム磁石と振動子，液体金属（低融点合金（融点-19℃）, 材料ドットコム）を封入したシリコン製ソフトチューブ（直径 2.0 mm，内径 1.0 mm）からなる．
振動子は紙製であり，2 つのソフトチューブが十字に貼り†立命館大学 情報理工学部 情報理工学科
1 mshimizu@mxdlab.net
2 nshindo@mxdlab.net
3 anmitsu@fc.ritsumei.ac.jp
4 hanoma@fc.ritsumei.ac.jp© 2023 Information Processing Society of Japan

図22 軸電磁ソフトアクチュエータの構成要素

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右方向に通るソフトチューブ内部の液体金属に電流を印可

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定である．

するとソフトチューブは上下方向に変形し，上下方向のソフトチューブ内部の液体金属に電流を印可するとソフトチューブは左右方向に変形する．この変形を利用して電流の向きを変化させることでソフトチューブを上下左右に振動させる．また，電流の向きを変化させるタイミングによってソフトチューブの振動数が，電流量によって荷重が制御可能である．これらを制御し，異なる位相と振動数を持った上下方向，左右方向の信号を合成することで 2 次元の振動を発生させ，振動子上部に皮膚を接触させることによって押込み方向とせん断方向の振動提示を実現できる．

3. 2 方向の変位測定
動作原理を確認するため 2 方向電磁ソフトアクチュエー
タのプロトタイプを作製し，それぞれの方向の変位を測定

図３垂直方向の変位

図４

水平方向の変位した．測定にはレーザ測距センサ（HG-C1050, パナソニック）を使用した．垂直方向の変位の測定ではセンサをアクチュエータの設置面の垂直方向に，水平方向の測定では水平位置にセンサを設置し，振動子表面にレーザを当てることでその変位を測定している．
測定実験では各ソフトアクチュエータに 5V，1A を印可し，アクチュエータを各方向へ動かした．振動させるため，50 Hz の矩形波を信号とし，電流の方向を変化させた．
垂直方向のみを動かす場合は振動子正面から見て左右を通るソフトチューブ内部の液体金属にのみ電流を印可した．図３は垂直方向に振動子を動かしたときの変位の測定結果である．約 0.2 mm の振幅で入力信号の 50 Hz に追従して振動している様子が観測された．
水平方向にのみ動かす場合は振動子正面から見て上下方向を通るソフトチューブ内部の液体金属のみに電流を印参考文献可した．図４は水平方向に振動子を動かしたときの変位の[1]測定結果である．約 0.15 mm の振幅で入力信号の 50 H に追従して振動している様子が観測された．
2 方向の振幅に違いが生じた理由として，2 つのソフトチューブが同じ長さでなかったためと考えられた．

[2]

2 方向のそれぞれの振動による変位測定から，どちらの方向でも入力信号に合わせて振動させられることが実証さ

[3]

れた．
これによって 2 方向の振動を合成して触覚を提示し，それぞれの入力信号を変化させることによって様々な 2 次[4]元振動を表現することができる．

4. おわりに本研究では 2 方向の振動合成可能な電磁ソフトアクチュ[5]

エータを開発し，動作原理を確認した．その結果，2 方向どちらも入力信号に追従して振動させることが可能である[6]

ことが分かった．これによりせん断方向，押込み方向の触覚提示が可能であることが示された．今後は 2 方向の振動を合成し，実際にどのような触覚提示が可能か調査する予© 2023 Information Processing Society of Japan[7]Qi Wang and V. Hayward, "Compact, Portable, Modular,High-performance, Distributed Tactile Transducer Device Basedon Lateral Skin Deformation," 2006 14th Symposium on Haptic
Interfaces for Virtual Environment and Teleoperator Systems, pp.
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