触覚フィードバックへの圧電素子の利用

ハプティック（触覚）という用語は、「つかむ」または「知覚する」 を意味するギリシャ語に由来し、工学的な文脈では触覚を活用する技術を指します。電子システムでは、触覚は、人間と機械の相互作用を強化するためにデバイスに組み込まれた力または触覚フィードバック機構を表すために一般的に使用されます。

工学的見地から、触覚フィードバックは通常、制御された振動、動き、または力を発生させる機械的アクチュエータによって実現されます。これらのアクチュエータは、偏心回転質量（ERM）モータや線形共振アクチュエータ（LRA）から圧電素子まで多岐にわたり、圧力、重さ、表面の質感といった現実世界の物理的感覚をシミュレートします。タクタイルモダリティを取り入れることで、触覚は視覚と聴覚の手がかりを補い、より直感的で応答性の高いデジタルインターフェースを実現します。これは、正確な入力検証を必要とするアプリケーションや、仮想オブジェクトの操作を含む没入型のユーザー体験にとって特に重要です。

双方向性の強化に対する需要の高まりにより、さまざまな分野で触覚技術の採用が加速しています。民生用電子機器におけるゲームコントローラやタッチスクリーンから、自動車ダッシュボードのフィードバック対応コントロール、ヘルスケアにおける手術シミュレーションに至るまで、触覚はユーザー体験とシステム機能の両方において重要な要素になりつつあります。この記事では、触覚における圧電素子の基礎技術や使用する利点を含め、触覚フィードバックについて、詳しく説明します。

一般的な触覚アクチュエータ技術

触覚アクチュエータは、電気エネルギーを機械的運動に変換することにより、振動、変位、圧力などの感触を発生させる電気機械トランスデューサです。これらのアクチュエータは、触覚フィードバックシステムの機能的中核として機能し、ユーザーインターフェースの正確な物理的応答を可能にします。

触覚システムにはいくつかのアクチュエーション技術が採用されており、それぞれが異なる動作原理と性能特性を持っています。

• 圧電アクチュエータは、印加された電界に応じて機械的に変形し振動する圧電素子を利用し、低遅延で高周波、低変位フィードバックを実現します。（Same Skyの圧電素子のラインナップをご覧ください。）
• 偏心回転質量（ERM）モータは、DCモータシャフトに取り付けられた偏心質量で構成されています。駆動すると、アンバランスな負荷の回転により、通常は低周波数で振動力が発生します。これらはモバイル機器や低価格のアプリケーションによく見られます。
• 電気活性ポリマー（EAP）アクチュエータは、電界で伸縮する誘電性ポリマーを使用します。これらの材料は滑らかで柔軟な動作プロファイルを作り出すことができますが、多くの場合、高い駆動電圧を必要とします。
• 線形共振アクチュエータ（LRA）は、交流電磁界を用いて磁性質量を単一軸に沿って駆動することによって作動します。共振周波数に調整されたLRAは、ERMよりも高速応答時間で、より効率的な指向性フィードバックを実現します。
• ボイスコイルアクチュエータ（VCA）は、磁界中に浮遊するコイルが電流に応答して直線的に動く、ローレンツ力の原理を利用しています。VCAは、広い帯域幅の動作と、振幅と周波数の正確な制御を可能にします。

各アクチュエータタイプは、周波数応答、電力効率、統合の複雑さ、フィードバックの忠実度においてトレードオフの関係にあります。ウェアラブルデバイスの微妙なタクタイルキュー、AR/VRインターフェースの没入型触覚、車載タッチスクリーンにおける堅牢なフィードバックなど、その選択はターゲットとするアプリケーションにより異なります。

触覚フィードバックにおける圧電素子の基礎

圧電効果とは、機械的応力を受けると、ある種の材料に電荷が発生することを指します。重要なことは、この現象が可逆的であることです。これらの材料に電界を加えると、測定可能な機械的変形を起こします。この可逆的な特性は、触覚フィードバックシステムで使用される圧電アクチュエータの動作の基本となっています。

触覚アプリケーションでは、圧電素子は主に逆作用によって駆動され、入力電圧に応答してマイクロスケールの変位または振動を生じます。その双方向性により、これらの素子は力センサや圧力センサとして使用することもでき、タッチセンシティブインターフェースやク閉ループシステムに2つの機能を統合することができます。

一般的なアクチュエータ構成の1つにピエゾベンダーがあり、これは2つの圧電層を逆極性で張り合わせたものです。電圧が印加されると、一方の層が伸張し、もう一方の層が収縮して、構造が曲がります。この屈曲変位は、高い精度と局所的な動きを必要とする用途に最適です。

対照的に、多層圧電素子は多数の薄い圧電層を並列に積み重ね、動作電圧を下げながら機械的出力を大幅に向上させます。このような構造は、より大きな触覚表面や、電圧ヘッドルームの限られた低消費電力の組み込みシステムなど、より大きな力や変位が要求される場面で有利です。

圧電素子のたわみ振幅は入力信号に正比例するため、静的な位置決めと動的な振動プロファイルの両方で高分解能の制御が可能です。他の多くのアクチュエータとは異なり、圧電素子は位置と振幅を独立して細かく調節できるため、信号のニュアンスやエンコードされたフィードバックが重要なアプリケーションに適しています。

図1：圧電素子の「変形」。（画像提供：Same Sky）

触覚設計における圧電素子の利点

触覚フィードバックシステムで使用される圧電素子は、逆圧電効果を利用して、高速で大きな力の機械的変位を発生させます。その固有の材料特性により、応答時間は通常1ミリ秒以下となり、高精度と瞬時のユーザー応答を必要とするアプリケーションにおいて、最小限の待ち時間でリアルタイムの触覚フィードバックが可能になります。

質量駆動型アクチュエータ（ERMやLRAなど）とは異なり、圧電デバイスは吊り下げられたエレメントの慣性または共振に依存しません。その結果、消費電力が低く、整定時間が速くなります。これらの特性により、エネルギー効率とフォームファクタが厳しく制限されるバッテリ駆動システムやポータブルシステムへの統合に特に適しています。

圧電素子のスリムで薄型の形状は、コンパクトな機械的統合を容易にします。このため、技術者は1つの設計に複数の圧電アクチュエータを組み込んで、正味の触覚出力を増幅したり、ユーザーインターフェース全体に空間的に分解された触覚信号を送ったりすることができます。このような構成は、タッチパッド、ウェアラブルデバイス、静電容量式タッチスクリーンなどのアプリケーションにおいて、動き、方向性、圧力勾配のシミュレーションに使用できます。

圧電アクチュエータは、駆動信号の周波数、振幅、波形の点で高い設定可能性を提供し、さまざまなフィードバックの質感や効果をサポートします。さらに、この技術は、直径、厚さ、定格電圧、取り付けスタイルなど、さまざまな機械的、電気的形態で利用できるため、自動車、医療、産業、民生用電子機器市場において、ニーズに合わせたソリューションを提供することができます。

圧電素子設計の考慮点

圧電ベースの触覚フィードバックシステムを設計するには、次のようないくつかの重要な要素を注意深く考慮する必要があります。

• 駆動質量：効果的な振動伝達を確保するために、アクチュエータの力を慣性負荷に合わせます。
• エレメントタイプ：電圧、変位、サイズの制約に基づいて、単層または多層素子のいずれかを選択します。
• メカニカルエンベロープ：アクチュエータが使用可能なスペースと取り付け方向内に収まるようにします。
• 作動軸：適切なエレメント形状を選択するために、移動方向を定義します。
• 電源とドライバ：システムの電源を圧電の容量性負荷に合わせ、効率的な励振のために適合するドライバを選択します。
• 周波数要件：最適な触覚フィードバックを得るために、素子の共振周波数または希望する帯域幅を目標にします。
• 温度条件：圧電素子の動作温度範囲がシステムの環境条件に合っていることを確認します。

まとめ

効果的でユーザーフレンドリーな触覚フィードバックを製品に組み込むには、振動強度、応答感度、位置精度、設置面積、電力効率などのアクチュエータ性能を慎重に評価する必要があります。圧電素子はこのような要求に適しており、幅広い条件下で正確で低消費電力な動作を実現します。Same Skyの圧電素子の製品ラインアップは、さまざまなサイズと構成をサポートしており、最新の電子システムにおける触覚フィードバックと振動センシングの両方に対応する汎用性の高いソリューションとなっています。