情報処理学会 インタラクション 2017
IPSJ Interaction 2017

1-508-36
2017/3/2

微細加工による電極アレイを用いた高解像度摩擦振動
触覚ディスプレイ石塚裕己†1 鈴木勝順†1梶本裕之†2

概要：物体をなぞった際の触感をリアルに再現するためには物体をなぞった際の皮膚変形を高精度に再現することが必要になる．本報告では高精度な皮膚変形を再現するために，微細加工によって触覚呈示用の電極を微小化し密に配置した静電吸着による摩擦振動触覚ディスプレイを製作した．本触覚ディスプレイはそれぞれの電極への印加電圧を制御することで摩擦力分布を呈示でき，これによって局所的に触れている指表面を変形できる．実際に触覚ディスプ
レイを駆動させたところ，周波数とその組み合わせによって知覚される触感が異なることが確認された．

High Resolution Electrostatic Tactile Display Using Micro-fabricatedElectrode ArrayHIROKI ISHIZUKA†1 KATSUYORI SUZUKI†1HIROYUKI KAZIMOTO†2
Abstract: This paper demonstrates a high resolution electrostatic tactile display. The tactile display consists of an array ofchromium electrode which is fabricated with micro-fabrication process. The tactile display can present frictional force distribution
by controlling the voltage to each electrodes. We experimentally confirmed that the users could perceive the presented frictional
force distribution.

1. はじめにに変化する電圧を印加することで，凹凸感のような触感を使用者に呈示できる．静電吸着による摩擦振動触覚ディス

現在，スマートフォンや Apple Watch のように触覚へプレイは多くの報告があるが，構成要素である電極は単一情報伝達を行う装置への関心が高まっている．今後は，このものが殆どである [3]．また，円状の電極を 3 mm の間隔

れらのデバイスの振動による簡易な触覚情報伝達から実際で配置した摩擦振動触覚ディスプレイを製作した例もあるの物体の触感の再現のような高度な触覚への情報伝達へのが，摩擦振動で点字を使用者に呈示するものであった[4]．

関心が高まると予想される．物体の触感再現を再現するた本研究では，図 1 に示すように，この摩擦振動触覚ディス

めには，物体をなぞった際に生じる皮膚変形を高精度に再プレイの構成要素の電極を微細加工技術によって従来より現することが必要になる．そのためには，触感呈示用のピも小さい 1 mm の大きさまで微小化し，アレイ化する．そクセルを密に配置し，それらを個々に制御することで皮膚して，個々の電極への印加電圧を制御することで指と触覚の接触部の皮膚変形を高精度に制御することが必要になる．

ディスプレイとの間に働く静電吸着力を局所的に制御する．

現在，数多くの報告例があるアクチュエータを用いた機械式触覚ディスプレイはアクチュエータを小型化した際に高変位を実現することできず，高解像度化することが難し
い[1]．また，電気式触覚ディスプレイも提案されているが，これは高解像度化すると深部にある神経を刺激できなくなるという問題がある[2．
そこで，本研究では高精度に皮膚変形を生じさせるために，高解像度な静電吸着による摩擦振動触覚ディスプレイを提図 1 触覚ディスプレイの概要案する．本触覚ディスプレイは電極の上に絶縁層を形成す

Figure 1 Schematic illustration of the tactile display.

ることで構成されている．この触覚ディスプレイに周期的†1 香川大学
Kagawa University†2 電気通信大学
University of Electro-Communication© 2017 Information Processing Society of Japan250

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図 2 触覚ディスプレイの原理
Figure 2 Principle of the tactile display.
図 4 触覚呈示の様子

この静電吸着力の分布を制御し実際の物体をなぞった際にFigure 4 Photograph of the actual experiment.

指に生じる皮膚変形を再現することで，実際の物体をなぞった際の触感が再現を目指す．

接続して(e)のような触覚ディスプレイとした．

2. 原理と製作方法
図 2 に触覚ディスプレイの触感呈示の原理を示す．本3. 考察と議論

触覚ディスプレイは電極を密に配置し，表面に厚さ 1 µm の昇圧回路とトランジスタとを組み合わせて触覚ディ絶縁材料の SiO2 膜が形成されている．触覚ディスプレイはスプレイへの入力電源の回路を製作した．電源装置はマイ矩形波や交流のように周期的に変化する電圧が印加される．

コン(mbed, ARM Ltd.)によって制御されており，電圧の周波電圧が印加されている場合には指と電極の間に異なる電荷数や Duty 比を制御することができる．触覚ディスプレイが溜まり，吸着力が発生する．一方で，電圧が印加されての各電極への入力電圧を電圧値 300 V と Duty 比 10%で固いない場合には吸着力は生じない．これによって電圧が印定し，全て周波数 50 Hz とした場合と 100 Hz とした場合，加されている状態では指に働く摩擦力が増大し，摩擦力がそして交互に 50 Hz と 100 Hz として図 4 に示すように知周期的に変動することで凹凸をなぞったような触感が呈示

覚実験を行った．その結果 50 Hz と 100 Hz との違いは知覚される．個々の電極への印加電圧の値，周波数，Duty 比をでき，また交互に 50 Hz と 100 Hz とした場合には一様な周それぞれ制御することで，摩擦力の分布を制御できる．

波数とは異なる触感が呈示できていることを確認した．こ図 3 に本触覚ディスプレイの製作工程を示す．(a)基板となのことから 50 Hz と 100 Hz の入力電圧を用いた場合にはるガラス板を洗浄した後にスパッタリングにて膜厚 0.1 µm

摩擦力の分布は被験者によって知覚された．従来の単一電のクロム膜を形成した．(b)保護膜を塗布しウェットエッチ極からなる摩擦振動触覚ディスプレイでは再現できなかっングによってクロム膜を局所的に削り，(c)電極のパターンた触感を本触覚ディスプレイでは電極を密に配置しそれぞを形成した．その後，保護膜を剥離し再び洗浄した後に，れ制御することで再現できていたと言える．本報告では微(d)スパッタリングにて膜厚 1 µm の SiO2 膜を電極上に形小な電極を用いることで従来の静電吸着方式の触覚ディス成した．最後に基盤と電極とをワイヤーボンディングにてプレイでは呈示できなかった触感が再現できていることを示唆した．今後は触覚ディスプレイへの入力電圧の大きさ，周波数，Duty 比，電圧を印加する電極のパターンについて検討し，それらが知覚可能かを検討していきたい．そして，それらを組み合わせて触感呈示を行うことでリアルな物体の触感再現へと拡張する．

参考文献
Akther, A., Kafy, A., Zhai, L., Kim, C., Reza, M. I., Kim, J.,
Ultrasonic wave propagation of flexible piezoelectric polymer fortactile actuator: simulation and experiment, Smart Mater, vol. 25,2016, 15043.
[2] Tezuka, M., Kitamura, N., Miki, N., Presentation of Various
Tactile Sensations Using Micro-Needle Electrotactile Display,
PLoS One, vol. 11, no. 2, 2016, e0148410.
[3] Bau, O., Poupyrev, I., Harrison, C., TeslaTouch: Electrovibration
for Touch Surface, Proceedings of UIST’ 10, 2010, p. 283-292.
[4] Tang, H., Beebe, D. J., A Microfabricated Electrostatic Haptic
Display for Persons with Visual Impairments, IEEE Transactionson Rehabilitation Engineering, vol. 6, no. 3, 1998, p. 241-248.
[1]

図 3 製作工程
Figure 3 Fabrication process of the tactile display.

© 2017 Information Processing Society of Japan251