JP2022073159A - 振動提示素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化、薄型化、及び低電圧化を図りつつ、生体の皮膚に対して効率よく振動を提示する振動提示素子を得ることが可能な技術を提供する。【解決手段】生体の皮膚に対して振動を提示する振動提示素子であって、圧電効果によって振動を発生させる圧電アクチュエータと前記圧電アクチュエータからの振動を受けて共振するとともに当該振動を前記生体の皮膚に提示する毛状体、を複数備える毛状構造と、を有する、ことを特徴とする振動提示素子。【選択図】図１

Description

本発明は、振動提示素子及び、振動提示素子の製造方法に関する。

近年、タブレット端末、ゲーム用コントローラ、機器の遠隔操作のフィードバック機構など、人の触覚を刺激するハプティクスデバイスが知られている（例えば、特許文献１など）。

特許文献１には、タッチパネルの端部にアクチュエータとして振動モーターを配置し、タッチパネル全体を略均一な振動量で振動させる構成が開示されている。

また、特許文献２には、ＰＶＣゲルアクチュエータに複数の凸構造を設け、当該凸構造をアクチュエータにより変位させることで、凸構造間の間隔を広げることにより、皮膚に引張歪みを与えて、触覚を刺激するハプティクスデバイスが記載されている。

特開２０１２－１３７９７１号公報 特開２０１９－１３３２７４号公報

ところで、上記のようなハプティクスデバイスを衣服などに実装してウェアラブル化することで、その技術の応用をさらに広げることが期待されている。しかしながら、特許文献１、２に記載のようなアクチュエータを用いると、ハプティクスデバイスを小型化（薄型化）、軽量化することが難しく、ウェアラブル化には支障があるという問題がある。

これに対して、圧電効果により変位を生じさせる圧電アクチュエータを用いると、ハプティクスデバイスを小型化（薄型化）、軽量化することが可能であるが、その変位により効果的なハプティクス効果を得るには、高い電圧（例えば数十Ｖ程度）を印可する必要があり、ウェアラブル化には適さない、という問題がある。

上記のような問題点に鑑み、本発明は、小型化、薄型化、及び低電圧化を図りつつ、生体の皮膚に対して効率よく振動を提示する振動提示素子を得ることが可能な技術を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る振動提示素子は、
生体の皮膚に対して振動を提示する振動提示素子であって、
圧電効果によって振動を発生させる圧電アクチュエータと
前記圧電アクチュエータからの振動を受けて共振するとともに当該振動を前記生体の皮膚に提示する毛状体、を複数備える毛状構造と、を有する、
ことを特徴とする。

ここで、圧電アクチュエータについては、無機（例えばＰＺＴなど）、有機（例えばＰＶＤＦなど）を問わず、圧電材料を用いたアクチュエータであればよいが、薄膜型で柔軟性を有するものが望ましい。また、毛状体には、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、レー
ヨン繊維など、所望の繊維素材を採用することができる。

このような構成によると、圧電アクチュエータからの振動で共振する毛状体によって生体の皮膚に存在する感覚受容器が刺激されるため、低電圧で駆動する圧電アクチュエータであっても、効果的に生体の皮膚に対して振動を提示することが可能になる。

また、前記圧電アクチュエータは、前記生体の皮膚表面に対して、垂直方向への振動を発生させるものであってもよい。このような構成であると、生体の皮膚表面から深い位置にある感覚受容器を効率的に刺激することができる。

また、前記毛状構造は、先端部が前記生体の皮膚表面に対して水平方向に振動する毛状体を含んでいてもよい。このような構成であると、生体の皮膚表面に近い位置にある感覚受容器を効率的に刺激することができる。

また、前記毛状構造は、形状の異なる複数種類の毛状体を含んでいてもよい。また、前記複数種類の毛状体は、異なる固有周波数により振動するものであってもよい。このような構成であると、生体の皮膚表面に存在する複数種類の感覚受容器のそれぞれに対して、最適化された振動を提示する毛状体を、一の毛状構造に備えることが可能になる。なお、固有周波数は、毛状体の長さ、太さ（径）、その他形状を調整することで、所望の値を得るようにするとよい。

また、前記生体は人体であって、前記毛状構造は、人体の皮膚に接した際に、前記皮膚に存在する感覚受容器であるマイスナー小体への刺激が最大化される周波数で振動する第１毛状体と、前記皮膚に存在する感覚受容器であるメルケル盤への刺激が最大化される周波数で振動する第２毛状体と、を少なくとも含むものであってもよい。また、前記毛状構造は、人体の皮膚に接した際に、前記皮膚に存在する感覚受容器であるパチニ小体への刺激が最大化される周波数で振動する第３毛状体をさらに含んでいてもよい。

また、前記圧電アクチュエータは、前記の全ての毛状体の共振周波数を含む波形で振動するように、印可電圧が設定されていてもよい。これにより、一の圧電アクチュエータにより、それぞれ別の固有周波数を有する毛状体を、まとめて共振させることが可能になる。

また、前記圧電アクチュエータを封止する封止部をさらに有しており、前記毛状構造は、前記封止部表面に設けられ、前記圧電アクチュエータからの振動は前記封止部を介して前記毛状構造に伝達されるのであってもよい。

ここで、封止部は柔軟性を有する封止材を充填することにより形成されてもよいし、フィルムを接着剤により貼り合わせることにより形成されてもよいし、ラミネータによりフィルム熱圧着して形成されるのであってもよい。また、毛状構造は、鋳型を用いたナノインプリントにより形成されるのであってもよいし、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）で毛状構造の版を製作してこれを転写することにより形成するのであってもよいし、３Ｄプリンタで形成したものを貼り付けることにより形成するのであってもよいし、静電植毛により起毛構造を形成するのであってもよい。

また、本発明に係る振動提示素子の製造方法は、
封止材としての第１ラミネートフィルムに接着剤を塗布する第１ステップと、
前記第１ステップで塗布された接着剤上に圧電アクチュエータを配置する第２ステップと、
前記第２ステップで配置された圧電アクチュエータへ、配線を接続する第３ステップと
、
前記圧電アクチュエータ及び前記配線を含む領域を封止材としての第２ラミネートフィルムで覆う第４ステップと、
前記第１ラミネートフィルム及び前記第２ラミネートフィルムをラミネート加工することにより、前記圧電アクチュエータ及び前記配線を封止する封止部を形成する第５ステップと、
前記第５ステップにおいて封止された前記配線の一部を、端子として露出させる第６ステップと、を含む
ことを特徴とする。

また、前記振動提示素子の製造方法は、
前記圧電アクチュエータが封止されている領域の前記封止部表面に接着剤を塗布する第７ステップと、
前記第７ステップで塗布された接着剤に、毛状体を静電植毛することで、毛状構造を形成する第８ステップと、をさらに含むものであってもよい。

本発明によれば、小型化、薄型化、及び低電圧化を図りつつ、生体の皮膚に対して効率よく振動を提示する振動提示素子を得ることが可能な技術を提供することができる。

図１Ａは、実施形態に係る振動提示素子の概略断面図である。図１Ｂは実施形態に係る振動提示素子の概略平面図である。 図２は、実施形態に係る圧電アクチュエータの概略を示す図である。 図３は、皮膚に存在する感覚受容器と、皮膚表面に対する毛状体の振動特性を説明する図である。 図４は、皮膚に存在する感覚受容器の存在深度と最大感度周波数を示す表である。 図５は、実施形態に係る振動提示素子の製造方法の流れを示すフローチャートである。 図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、図６Ｄ、図６Ｅ、図６Ｆ、図６Ｇ、図６Ｈはそれぞれ、実施形態に係る振動提示素子の製造の各工程における模式図である。 図７Ａは、実施形態に係る振動提示素子の変形例を示す第１の図である。図７Ｂは、実施形態に係る振動提示素子の変形例を示す第２の図である。

以下、本発明を適用した実施形態の一例について図面に基づいて説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜実施形態＞
図１は、本実施形態に係る振動提示素子１の概略を示す図であり、図１Ａは振動提示素子１の概略断面図、図１Ｂは振動提示素子１の概略平面図である。振動提示素子１は、人が身に着ける衣類、アクセサリなどに実装されて、着用者の皮膚に振動を提示するウェアラブルタイプのハプティクスデバイスである。

（振動提示素子の構成）
図１に示すように、振動提示素子１は、概略、圧電アクチュエータ１０と、当該圧電アクチュエータ１０を封止する封止部３０、及び、毛状構造２０を有する構成となっている。振動提示素子１を実装する場合には、圧電アクチュエータ１０が着用者の皮膚表面に対
して垂直な方向の振動を発生させるように、かつ、毛状構造２０が着用者の皮膚に接するように配置される。

圧電アクチュエータ１０は、例えば半導体プロセスによって形成される極薄型（例えば厚さが５μｍ）のＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）デバイスとすることができる。図２に、極薄型の圧電アクチュエータ１０の概略構成を示す。

図２に示すように、圧電アクチュエータ１０は、シリコン（Ｓｉ）からなる基部９１と、例えばプラチナ（Ｐｔ）電極からなる電極層９２、９４と、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体層９３と、例えば二酸化ケイ素（ＳＩＯ_２）からなる、絶縁層９５を備える構成となっている。また、圧電アクチュエータ１０は半導体プロセスによって形成されるＭＥＭＳデバイスであるため、基部９１上には図示しない半導体回路が作り込まれており、この半導体回路は、必要に応じて、集積回路等の能動素子、コンデンサ、インダクタ、配線等の回路要素を備えていてもよい。

また、圧電アクチュエータ１０には配線１１（例えば銅線）が接続されており、外部電源から配線１１を介して圧電アクチュエータ１０に電圧が印可されると、圧電効果により振動が発生し、当該振動が毛状構造２０を構成する各毛状体を介して着用者の皮膚に伝達される。

封止部３０は、例えば、圧電アクチュエータ１０を覆ったポリイミド（ＰＩ）などのフィルムを熱圧着することによって形成することができる。なお、フィルムの素材はＰＩに限られるわけではなく、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）などの他の素材を採用することもできる。

毛状構造２０は、封止部３０の表面上に設けられる接着剤層４０に、それぞれ形状の異なる、第１毛状体２１、第２毛状体２２、第３毛状体２３、の３種類の毛状体を、例えば静電植毛の技術により植毛することにより形成される。なお、各毛状体の素材は、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、レーヨン繊維など、所望の繊維素材を採用することができる。

第１毛状体２１及び第２毛状体は、その先端が着用者の皮膚表面に対して水平方向に振動するように形成されており、第３毛状体は、皮膚表面に対して垂直方向に振動するように形成されている。図３は、人体の皮膚Ｈ及び皮膚に存在する感覚受容器のモデル図と、皮膚表面に対する各毛状体の振動特性を示す説明図である。

図３に示すように、人体の皮膚に存在する感覚受容器には、その表層近くに存在するマイスナー小体Ｈ１及びメルケル盤Ｈ２と、表層から深い位置に存在するパチニ小体Ｈ３及びルフィニ終末（図示せず）が存在している。皮膚の表層近くに存在するマイスナー小体Ｈ１及びメルケル盤Ｈ２に対しては、毛状体の水平方向への振動が感覚受容器を引っ掻くような刺激を与えることになり、効果的に触覚を刺激することができる。一方、皮膚の深部に存在するパチニ小体Ｈ３（及びルフィニ終末）に対しては、水平方向への振動は伝達しづらく、垂直方向への振動を加えることが効果的となる。

また、マイスナー小体Ｈ１、メルケル盤Ｈ２、パチニ小体Ｈ３の各感覚受容器は、それぞれ最大の感度を有する振動の周波数が異なっている。図４に、感覚受容器の存在深度と、最大の感度を有する周波数に係る表を示す。

このため、第１毛状体２１、第２毛状体２２、第３毛状体２３の各毛状体は、それぞれ
、感覚受容器の最大感度周波数に応じて、異なる固有周波数（固有振動数）を有するように形成されている。例えば、毛状体の長さ、径、その他の形状などを調整することで、所望の周波数を得るようにしてもよい。

具体的には、第１毛状体２１は、マイスナー小体Ｈ１への刺激が最大化される周波数で振動するように固有周波数（例えば４０Ｈｚ）が設定されている。同様に、第２毛状体２２はメルケル盤Ｈ２への刺激が最大化される固有周波数（例えば７０Ｈｚ）が設定されており、第３毛状体２３はパチニ小体Ｈ３への刺激が最大化される固有周波数（例えば２００Ｈｚ）が設定されている。

各毛状体は、圧電アクチュエータ１０からの振動を受けてそれぞれ固有の周波数で共振することによって、各感覚受容器を効率的に刺激する。即ち、圧電アクチュエータ１０は、第１毛状体２１、第２毛状体２２、第３毛状体２３の各毛状体の共振周波数を含む波形（例えば、各毛状体の固有周波数の合成波）で振動するように印可電圧が設定される。

（振動提示素子の製造方法）
次に、図５及び図６に基づいて、本実施形態に係る振動提示素子１の製造方法を説明する。図５は、本実施形態に係る振動提示素子１の製造の流れを示すフローチャートであり、図６は、振動提示素子１の製造の各工程における模式図である。

図５及び図６に示すように、振動提示素子１を製造するには、まず、封止部３０の一部となるラミネートフィルム３１上に、圧電アクチュエータを接着するための接着剤を塗布する（Ｓ１０１、図６Ａ）。次に、接着剤の上に圧電アクチュエータ１０を配置して接着する（Ｓ１０２、図６Ｂ）。続けて、圧電アクチュエータ１０と接続される配線１１を設ける（Ｓ１０３、図６Ｃ）。

次に、ラミネートフィルム３２で圧電アクチュエータ１０及び配線１１を覆い（Ｓ１０４、図６Ｄ）、ラミネートフィルム３１、３２をラミネートヒータ（図示せず）により熱圧着する（Ｓ１０５、図６Ｅ）ことで、封止部３０が形成される。次に、配線１１の端部にあたる部分の封止部を切り欠いて配線１１を露出させ、端子を形成する（Ｓ１０６、図６Ｆ）。

次に、圧電アクチュエータ１０が封止されている領域の封止部表面に、接着剤を塗布し（Ｓ１０７、図６Ｇ）、毛状体となる繊維を静電植毛の手法により接着剤に植え付けることで、毛状構造２０を形成すると（Ｓ１０８、図６Ｈ）、製造工程は終了する。

以上のような、本実施形態に係る振動提示素子１によれば、低電圧で駆動する小型の圧電アクチュエータによる振動提示素子でありながら、特性の異なる感覚受容器のそれぞれに対して最適化された刺激を与えることで、効果的に振動の提示ができる振動提示素子を提供することができる。

＜変形例＞
なお、上記の実施形態に係る振動提示素子１は、本発明を例示的に説明するものに過ぎず、本発明は上記の具体的な形態には限定されない。本発明は、その技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上記の実施形態に係る振動提示素子１の毛状構造２０は、３種類の毛状体を、封止部３０の一の面にのみ備える構成であったが、本発明はこのような構成に限定されない。図７に、振動提示素子１の変形例を複数示す。

例えば、図７Ａに示すように、毛状体の種類を２種類としてもよいし、毛状構造を１種類のみの毛状体で構成してもよい。また、図７Ｂに示すように、毛状構造を、封止部の複
数の面に設けるようにしてもよい。また、毛状体の長さ、径、その他の形状などは、自由に変更可能である。

このように、毛状構造を所望の毛状体で形成することができるため、人体の構造の凹凸に合わせて毛状体の長さ及び径を調節して（長くした場合には固有周波数が低くなるため、径を太くするなど）、凹部であっても適切に振動を伝達することが可能になる。

また、上記の実施形態では、毛状構造を静電植毛の手法により形成していたが、鋳型を用いたナノインプリントにより形成されるのであってもよいし、ＰＤＭＳで毛状構造の版を製作してこれを転写することにより形成するのであってもよいし、３Ｄプリンタで形成したものを貼り付けることにより形成するのであってもよい。

また、上記の実施形態では、圧電アクチュエータは、ＰＺＴからなる有機圧電体を備えるＭＥＭＳデバイスであったが、これに限らず、所望の圧電アクチュエータを採用することが可能である。

また、上記の実施形態では、ラミネートフィルムを熱圧着することで、封止部を形成していたが、封止材の充填、接着剤によるフィルム貼り合わせなどで、封止部を形成してもよい。

１・・・振動提示素子
１０・・・圧電アクチュエータ
１１・・・配線
２０・・・毛状構造
２１・・・第１毛状体
２２・・・第２毛状体
２３・・・第３毛状体
３０・・・封止部
３１、３２・・・ラミネートフィルム
４０・・・接着剤層
Ｈ・・・皮膚
Ｈ１・・・マイスナー小体
Ｈ２・・・メルケル盤
Ｈ３・・・パチニ小体

Claims (11)

1. 生体の皮膚に対して振動を提示する振動提示素子であって、
   圧電効果によって振動を発生させる圧電アクチュエータと
   前記圧電アクチュエータからの振動を受けて共振するとともに当該振動を前記生体の皮膚に提示する毛状体、を複数備える毛状構造と、を有する、
   ことを特徴とする、振動提示素子。
2. 前記圧電アクチュエータは、前記生体の皮膚表面に対して、垂直方向への振動を発生させる、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の振動提示素子。
3. 前記毛状構造は、先端部が前記生体の皮膚表面に対して水平方向に振動する毛状体を含む、
   ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の振動提示素子。
4. 前記毛状構造は、形状の異なる複数種類の毛状体を含んでいる、
   ことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の振動提示素子。
5. 前記複数種類の毛状体は、異なる固有周波数により振動する、
   ことを特徴とする、請求項４に記載の振動提示素子。
6. 前記生体は人体であって、
   前記毛状構造は、人体の皮膚に接した際に、前記皮膚に存在する感覚受容器であるマイスナー小体への刺激が最大化される周波数で振動する第１毛状体と、前記皮膚に存在する感覚受容器であるメルケル盤への刺激が最大化される周波数で振動する第２毛状体と、を少なくとも含む、
   ことを特徴とする、請求項５に記載の振動提示素子。
7. 前記毛状構造は、人体の皮膚に接した際に、前記皮膚に存在する感覚受容器であるパチニ小体への刺激が最大化される周波数で振動する第３毛状体をさらに含む、
   ことを特徴とする、請求項６に記載の振動提示素子。
8. 前記圧電アクチュエータは、前記の全ての毛状体の共振周波数を含む波形で振動するように、印可電圧が設定されている、
   ことを特徴とする、請求項５から７のいずれか一項に記載の振動提示素子。
9. 前記圧電アクチュエータを封止する封止部をさらに有しており、
   前記毛状構造は、前記封止部表面に設けられ、
   前記圧電アクチュエータからの振動は前記封止部を介して前記毛状構造に伝達される、
   ことを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の振動提示素子。
10. 振動提示素子の製造方法であって、
    封止材としての第１ラミネートフィルムに接着剤を塗布する第１ステップと、
    前記第１ステップで塗布された接着剤上に圧電アクチュエータを配置して接着する第２ステップと、
    前記第２ステップで配置された圧電アクチュエータへ、配線を接続する第３ステップと、
    前記圧電アクチュエータ及び前記配線を含む領域を封止材としての第２ラミネートフィルムで覆う第４ステップと、
    前記第１ラミネートフィルム及び前記第２ラミネートフィルムをラミネート加工することにより、前記圧電アクチュエータ及び前記配線を封止する封止部を形成する第５ステップと、
    前記第５ステップにおいて封止された前記配線の一部を、端子として露出させる第６ステップと、を含む
    ことを特徴とする、振動提示素子の製造方法。
11. 前記圧電アクチュエータが封止されている領域の前記封止部表面に接着剤を塗布する第７ステップと、
    前記第７ステップで塗布された接着剤に、毛状体を静電植毛することで、毛状構造を形成する第８ステップと、をさらに含む、
    ことを特徴とする、請求項１０に記載の振動提示素子の製造方法。
    

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