客观日本

日本产综研开发出全球最薄的可弯曲振动器件,能表现多种触觉

2021年02月12日 电子电气

日本产业技术综合研究所(以下简称“产综研”)与欧姆龙共同开发出了全球最薄最轻的薄膜状振动器件,厚度仅7微米。该器件采用了超薄MEMS技术,有助于个人电脑键盘、游戏机控制器和医疗器械等实现各种各样的触觉。

实现“触觉”(通过力、振动或运动等产生触觉的技术)的致动器使用偏心马达以及将能量和电信号转换为运动的“压电陶瓷”。这些产品虽然也用于智能手机和游戏控制器等,但由于柔软性和尺寸的问题,很难贴到曲面上或者排列多个形成阵列。而且启动速度较慢,只能进行开关控制,能表现的触觉有限。

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在薄膜基板上张贴了新开发的压电薄膜致动器(图片由产综研提供)

产综研与欧姆龙开发的器件最大限度减薄了压电陶瓷的厚度,是一款兼具反应速度、功率和柔性的触觉用压电薄膜致动器。采用由硅、金属电极薄膜、压电薄膜和绝缘膜构成的多层结构。尺寸为5毫米见方,厚7微米。施加直流电压时,整个致动器会弯曲,施加交流电压时则振动。该器件像铝箔一样柔软,即使安装到薄膜基板上,也可以贴合曲面。

为充分传递振动,还改良了粘合致动器和薄膜基板的材料。向制作的触觉薄膜施加10伏的电压时,能获得11微米振幅的振动,远远超过指尖能感知到的1微米极限。

研究团队将4个致动器摆成田字型阵列,制作了触觉薄膜。然后用3种模式进行振动,测试了能在多大程度上被指尖的触觉识别到。在以0.5秒的间隔反复同时开关4个致动器的模式下,准确率达到97.5%。而在反复交替开关相邻两个致动器的模式下,准确率只有50%多。原因被认为是,振动过强,传递到了关闭状态的致动器区域。

开发团队中的产综研传感系统研究中心的主任研究员竹下俊弘介绍说:“这不是致动器的问题,在薄膜侧添加一个分离振动的结构应该能解决问题。振动频率和电压的施加方式等也有改良的空间”。

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使用新开发的触觉薄膜进行测试的概要和结果(图片由产综研提供)

今后计划排列更多的致动器形成阵列等,以实现各种各样的触觉表现。竹下主任研究员表示:“器件非常薄,耐久性是最主要的课题。除用于个人电脑的键盘、鼠标和游戏控制器之外,还有望用于远程医疗,将手术机器人施加的力传递给医生,以及用于各种电子产品,帮助用户进行疗愈和放松等”。

受疫情影响,研究成果于1月29日在美国电气电子工程师学会(IEEE)在线举行的国际学会“MEMS2021”上进行了口头发表。

日语原文

日文:JST Science Portal编辑部
中文:JST客观日本编辑部

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