SU8 微細機構／形状記憶合金厚膜アクチュエータアレイ型 触覚ディスプレイ素子形成と動作特性評価

摘要

触覚による感覚を皮膚に提示する触覚ディスプレイは， 視覚障害者向け機器，モバイル機器，車載機器，医用ハプ ティック機器などの幅広い応用が期待されている。アレイ 状に配置した可動ピンの機械的刺激による様々な種類の触 覚ディスプレイが研究されており(1), (2)，中でも，SMA は単 位体積当たりの仕事量が大きく，形状記憶合金(Shape Memory Alloy: SMA)コイルをアクチュエータに用い，静的 に凹凸を提示する触角ディスプレイが開発されている(3), (4)。大きな変位と発生力が得られるが，SMA コイルとマイ クロピンを精密に組み立てて微小ピッチでアレイ化するの は容易ではなく，また，極端に厚い箱型のシステムとなり， 携帯性を要するような用途が制限される。指の皮膚下にあ る感覚受容器のマイスナー小体は，30 Hz 前後の振動周波数 帯域では数μm 程度の振幅を知覚可能とされており(5)，振動 刺激を用いることで小さい変位（振幅）と発生力でも感知 可能である。SMA 膜を用いたMEMS 構造化することは， 超薄型チップ状の触覚ディスプレイを実現するためには有 効であり(6)，筆者らは，基板上に形成したSMA 厚膜アクチ ュエータを用いたプレーナ構造の触覚ディスプレイ素子の 開発に取り組hでいる(7)~(9)。これまで，SMA 厚膜アクチュ エータアレイ形成手法を確立し(7)，また，SMA アクチュエ ータの繰り返し動作に必要となるバイアスばねを，厚膜レ ジストSU8 を用いたリソグラフィによる形成する手法を試 みてきたが (8)，SU8 ばねの設計が適正ではなく不均一に変 形し，また，SU8 可動ピンとキャップ構造の良好な形成が 確立されておらず，実際に指先等で触れる官能評価が十分 に実施できなかった。また，皮膚が高感度とされる15 Hz 以上の振動では，SMA の熱応答が律速して動作振幅が著し く低下する課題があった(8) 。本論文では， 国際会議 Transducers 2017 で報告した最新の成果を中心に(9)，SU8 ば ねの設計および形成方法の改良による全ピンが動作可能な 触覚ディスプレイ素子の形成手法の確立，大きな振幅を得 るパルス駆動条件の適正化，および官能評価試験による触 感提示可能性の検証について報告する。