Summary
ここで嗅覚ディスプレイへの応用に必要な微粒化効率を向上させるアモルファスのテフロン膜を用いた弾性表面波 (SAW) デバイスの表面をコーティングする方法を確立しています。
Abstract
嗅覚は、ヒューマン インター フェースの重要な意味は、弾性表面波 (SAW) アトマイザーとマイクロ ディスペンサーを使用して嗅覚ディスプレイを開発しました。この嗅覚ディスプレイ、微粒化の効率が人間の嗅覚のインターフェイスで問題となる臭い永続性問題を避けるために重要です。したがって、SAW デバイスは、親水性から疎水性に基板の性質を変更する非晶質のテフロン フィルムでコーティングされています。Silanize、フィルムの密着性を高めるためにテフロン コーティング前に圧電体基板表面に必要です。基板上の均一なコーティングを取得するディップ コーティング法が採択されました。高速電磁弁は、その精度と再現性が高いので、SAW デバイス表面に液滴を噴出するマイクロ ディスペンサーとして使用されました。その後、微粒化疎水性の基板上になりました。本研究では基板上残りの液体微粒化後に最小にするための非晶質のテフロン コーティングを検討しました。ここで説明したプロトコルの目的はアモルファスのテフロン膜を用いた SAW デバイスの表面をコーティングする方法を示すことで、官能試験に続いて見たアトマイザーとマイクロ ディスペンサーを使用して香りを生成します。
Introduction
視覚・聴覚の五感を刺激するためのデバイスが普及して、我々 は我々 認識; すべての感覚を示すことができません。しかし、我々 は通常だけこれらの 2 つの感覚を使用して感覚を提示できます。香りを提示することができますガジェットであり、ユーザーは香り1,2,3,4,5,6、感知できるように、仮想現実で使用される嗅覚ディスプレイ 7。以来、嗅覚は感情に大きく貢献、嗅覚刺激が現実を強化するために不可欠です。以前映画、アニメーション、および香り8,9でゲームを行った。
いくつかの研究は、嗅覚ディスプレイを研究しています。たとえば、柳田は、彼または彼女のまわりの 1 つはそれを感知1時でさえ、指定された人に香りを提供香りプロジェクターを勉強しています。山田らは、臭気濃度2の単純なガウス分布モデルを用いた仮想空間での匂い源定位を勉強しています。キムらは、臭気放出デバイス3の二次元配列の概念を提案しています。また、簡単なウェアラブル嗅覚ディスプレイとこれらの香りの方向を制御するため超音波フェイズド アレイは、提案された4,5,6をされています。
嗅覚ディスプレイの問題の一つは、香りの永続性です。ユーザーは、空気または別の香りに変更するためのもの後も香りを検出可能性があります。できるだけ早く仮想現実で香りを切り替えることが望ましいので、香りの永続性の問題を検討しなければなりません。
多くの成分をブレンドした嗅覚ディスプレイを検討しました。以前高速スイッチング10とソレノイド バルブを使用してこのシステムを開発しました。ないが安定して、多くの食材をブレンド、香りの持続性の問題をまだ解決できる我々。したがって、マイクロ ディスペンサーと見たアトマイザー11を用いた嗅覚ディスプレイを開発したので。同様の手法は、液滴12,13,14を操作するために使用されている我々 世代の香りを適用しました。SAW デバイスに液滴を噴霧液滴を細分化することができますそれ以来適して瞬時に15、16;しかし、我々 は小さな液滴が微粒化後圧電基板上とどまることを発見しました。これらの小さな液滴は、ほとんどの液体が霧化された場合でも香りの持続性を引き起こします。
通常、香水は粘度を下げるためにエタノールなどの溶剤に溶解しました。希釈の香水がその親水性の性質のための圧電体基板の表面に広がるし、薄膜に広がる霧化効率が悪化します。こうして、RF 電力を増加させる場合でも除去できない微粒化後も液体のままの部分。後すぐに溶媒が蒸発するので、香水のみは、基板に棒に残ります。
本研究では、我々 は自然で疎水性になるように非晶質テフロン薄膜を用いた圧電基板表面をコートします。以来、我々 は、疎水性表面の液滴のような球を保つことができる、基板面からの液体のデタッチのために必要なエネルギーは減少します。SAW デバイスの表面は疎水性になるときに、微粒化効率が改善されることが期待されます。香りがすぐに表示され、そのプレゼンテーションの後すぐに消えることができますように噴霧効率を改善するこの方法の全体的な目標は、最終的に嗅覚にアプリケーションを表示します。この稿では、アモルファスのテフロン膜を用いた SAW デバイスをコーティングする方法を示し、微粒化効率の改善を示すし、その実験結果が参照17に記載されました。
Protocol
ここで説明する方法は、人間の倫理委員会の東京技術研究所によって承認されています。
1. 見たデバイス作製とインピー ダンスをチェック
- LiNbO3基板上の 10 MHz SAW デバイスを準備 [128o-伝搬、IDT (間 digitated 探触子) の 21 の指ペア X Y カットを回転]、図 1 aに示すように、片側 IDT 32 指組の作った反射板一緒に。
注:図 1 bは、微粒化の原理を示しています。のこぎりは、液体の液滴で縦波に変換されます。霧が見たエネルギーが十分に大きい場合、音響流により生成されます。
注: SAW デバイスは、著者が設計された電極パターンに従って典型的な露光を使用して製造元により作製しました。上記圧電基板は、高電気機械結合係数のために選ばれました。 - アルミ箔、導電性ペースト (この SAW デバイス用) アルミ製プリント基板を用いた SAW デバイスをマウント SMA コネクタが接続されている (図 2)。
注: アルミ製プリント基板は、放熱に有効です。 - ネットワーク アナライザーを使用してインピー ダンスの周波数特性を測定します。SAW デバイスは、プリント回路基板から同軸ケーブル接続を介してアナライザーに接続されます。周波数特性デバイス アドミタンスの虚数部どこでゼロ、SAW デバイスの共振周波数である周波数が表示されます。
注: デバイスで音響損失が大きい場合、微粒化は発生しません。音響の損失は、インピー ダンスの周波数特性を測定することによって確認できます。とき SAW デバイスは、テフロン フィルム、コーティングは、映画があまりにも厚い場合をチェックする監視必要があります後と前に周波数特性の違いとコーティングされています。
2. シリル化
- アミノ酸ベースのシラン カップリング剤 (3 ahhminopropyltriethoxy シラン) を準備します。ピペットを使用して水で 0.5% (v/v) 濃度を調整します。
注: シリル化は非晶質のテフロン コーティングの密着性を高めるために必須です。シリル化は実行されない場合、テフロン コーティングは微粒化時に削除されます。 - アセトンを浸した綿棒を用いた SAW デバイスの表面をきれいにします。
- ディップコーター (図 3) で、デバイスを設定します。
注: プリント回路基板を用いた SAW デバイスは固定メンディング テープに添付、ディップコーター SAW デバイス (0.5 mm) の厚さが薄すぎて、ディップコーターに直接接続するので。 - 微粒化エリアは 0.2 mm の速度でソリューションに没入できる/s. は、5 分のためのソリューションのデバイスを保持デバイスをプルダウンします。
- 1.7 mm の速度でデバイスをプルアップ/s. 5 分のための空気でそのデバイスは残します。
- 1 分の純水装置をすすいでください。
- 30 分のための空気でそのデバイスは残します。
3. 非晶質のテフロン コーティング
- 希釈用、非晶質のテフロン材と溶剤を準備します。3% (v/v)、溶剤を使用する非晶質のテフロン液の濃度を調整します。
- ディップコーター (図 3) で、デバイスを設定します。
注: ディップ コーティングここで採用した均一な塗膜が必要不可欠であります。大まかなコーティングとしてはあまりにも厚いコーティングは SAW 減衰による微粒化効率の劣化の原因に。 - 微粒化領域に没頭して 0.2 mm の速度でソリューション/米 15 のためのソリューションのデバイスが保持されるようにデバイスをプルダウン s。
- 1.7 mm の速度でデバイスをプルアップ/s. 5 分のための空気でそのデバイスは残します。
- 微粒化領域に没頭して 0.2 mm の速度でソリューション/米 15 のためのソリューションのデバイスが保持されるようにデバイスをプルダウン s。
- 1.7 mm の速度でデバイスをプルアップ/s. デバイスは 30 分のための空気でそのまま。
- ホット プレートを使用して 60 分間 180 ° C でデバイスを焼きます。
注: コーティングの厚さは約 400 nm 水晶振動子微量天秤 (QCM) 測定によると。
4 微粒化のための実験の設定
- プリント回路基板の SAW デバイスをマウントします。
注: SAW デバイスの厚さは 0.5 mm なのでそれすることができます簡単に破られます。したがって、機械的にそれをサポートする必要があります。 - ネットワーク アナライザーを使用して SAW デバイスのインピー ダンスの周波数特性を測定します。SAW デバイスは、プリント回路基板の同軸ケーブル接続を介してアナライザーに接続されます。周波数特性は周波数を表示する必要がありますデバイス アドミタンスの虚数部どこでゼロ、SAW デバイスの共振周波数であります。
メモ: は、SAW デバイスで RF の減衰を確認します。SAW デバイスの損失は、コーティングされて不適切な場合に高くなります。この損失の増加に起こりますコーティングの不均一性や過度の厚さのコーティング;したがって、コーティング前後のインピー ダンス特性を比較する必要があります。SAW 減衰があまりにも多くの場合、微粒化を実行できません。 - 関数発生器に RF 電力増幅器による SAW デバイスを接続します。
- 関数発生器 (図 4 a) で RF バースト信号の波形を設定します。SAW デバイスのバースト信号が正弦波にする必要があります、そのデューティ サイクル 10% べきであります。電波の周波数は、インピー ダンス特性の測定から得られる SAW デバイスの共振周波数に設定する必要があります。
- バースト方形波発生器を電磁弁に接続 [i.e、駆動回路 (図 5) をマイクロ ディスペンサー] ディスカッション18,にも記載されているディスペンサーに 24 V パルス信号を提供できるので、。19。
ヒント: 駆動電磁弁、トランジスタ アレイは便利です。8 ソレノイドまで本研究でトランジスタ ・ アレイを使用してバルブを駆動することができます。 - マイクロ ディスペンサー (図 5) に液体の流れに圧力を適用するマイクロ ポンプを設定します。マイクロ ポンプは、マイクロ ディスペンサー20の自吸機能をサポートしています。
- 必要に応じて、SAW デバイスの温度を測定するのに赤外線放射温度計を使用します。
注: SAW デバイスの温度は表面通常に達する 5 分約 45 ° C、RF バースト信号 (85 vp-p とデューティ サイクル 10%) が適用されます。
5. 微粒化
- 液体を入れて (すなわち。、香りやエタノールで希釈し化学) バイアルに。
- マイクロ ディスペンサー (図 4 b) のパルス信号の波形を設定します。パルス信号は 10% のデューティ サイクルの方形波パルス シーケンスを関数発生器で生成されます。
- ジェットの液滴に SAW デバイス18マイクロ ディスペンサーにパルス信号を適用します。マイクロ ディスペンサーから単一液滴はいくつか nanoliters のみなので、微粒化の大きな液滴を形成するパルス シーケンスが必要です。
- RF バースト信号を液滴17を細分化する SAW デバイスに適用されます。バースト信号は、液滴の形成後、アンプを通して関数発生器から適用されます。蒸気が微粒化プロセスから生成されます限り、信号はの適用されるべき。
注: RF バースト信号の平均 RF 電力を調整する使用は。SAW デバイスは、高周波電力が 2 w. よりもはるかに大きい場合亀裂があります。 - 残りの液滴を検査する SAW デバイスの表面を観察します。
- 手順 4.1 4.7 で同じ手順を実行し、裸の 5.1 5.5 SAW 素子。裸 1 つからそれとコーティング基板上残り液滴の量を比較します。
6. 香りを検出
- ステップ 5.1 でのガラスびんに液体を入れてください。
- その高さは参加者の鼻に等しく残るようにジャックを使用して見たアトマイザーの高さを調整します。
- SAW デバイスに液体を分配します。
- ファンをオンにします。
- 香りを検出する参加者を許可します。
注: 著者は、蒸気濃度を評価すべきではなく知覚強度から前の仕事で使用される VOC アナライザーではなく感覚のテストを行いました。
Representative Results
エタノール 1 マイクロリットルは裸、コーティング LiNbO3 (エタノールは通常に使用される基板溶媒として香水) に置かれました。(図 6 a); 基板上に伝わった後、エタノール溶液の薄膜が形成されました。その一方で、球のような形は、コーティングされた基板 (図 6 b) に保たれました。水 1 マイクロリットル当たりの接触角は非晶質のテフロン コーティング (図 6 cと6 d) 後 50 から 110 度に増加。非晶質のテフロン コーティングが疎水性を強化されたことが分かった。液滴の球のような形は、裸の基板上の薄膜に液体が広がるに対し、コーティングされた基板上保たれました。
次に、200 の微粒化の実験ラベンダーの nL だった (図 7) を実行します。噴霧塗装との後の画像は図 7 a 7 bにそれぞれ表示されます。写真のスケールは、デジタル カメラによって記録されたフレーム数から得られました。ラベンダーは、エタノールで希釈 (希釈倍率: 50: 1 v/v)。裸基板上液体拡散調剤された後すぐに。33 ms で強い微粒化は、図 7aのように限られた霧だけはサークル内で液体のエッジで生成されたに対し、液体の中心で発生.100 ms で微粒化は止まった。だから、微粒化は、最初に発生した、それはすぐに中止されました。その後、液体の部分が残った。溶媒を急速に蒸発、部分的な溶質基板表面に残っています。したがって、残りの溶質は深刻な香りの持続性を引き起こされます。それが解かれた後の接触角度が 90 度以上の球のような形でコーティングされた基板上維持された一方、(図 7 b)。濃ミスト噴霧中に生成されました。微粒化後、あまり小さい領域内の液体は裸の基板と比較して小さな領域に残っていた。残りの液体は滑らかな表面ではなかったが、代わりに小さな単一液滴を形成、以来、テフロン コーティングの液滴の適用範囲を正確に計算することは困難です。大まかに言うと、疎水性表面に残りの液体は親水性の表面上の 10% であったせいぜい。
図 1: 見たアトマイザー 。(a) SAW デバイスおよび (b) 主義見たアトマイザーの構成。その電極は、ゴールド、クロムから構成されます。図 1 aは転載許可20。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2: プリント基板にデバイスを見た。
図 3: ディップコーター本研究で使用されます。
図 4: シーケンスの時間します。(a) RF バースト信号の波形。Vppと Trの典型的な値は 85 Vp p 1 s、それぞれ。典型的なデューティ サイクルなど TH/Trは 10%。(b) 波形マイクロ ディスペンサーに適用されます。典型的な Tw、T と N が 1 ms、10 ms、70 パルス、それぞれ。
図 5: 液滴の微粒化の実験のセットアップ。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 6: 裸とコーティングの subtrates 間の液滴形状の比較。例は、(a) 平面図裸リチウム ニオブ表面上の薄膜とコーティングの一つで、液滴の (b) 側面図。エタノール 1 マイクロリットルは両方 (、) で使用されていた (b)。ここでは、(c) と (d) がそれぞれ裸及びめっき基板上水 1 マイクロリットルの側面図を表示。この図は、アクセス許可17で再現しました。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 7: 液体の液滴の微粒化します。(A) 親水性表面 (ニオブ酸リチウム ベア) と (b) 疎水性表面 (アモルファス テフロン基板) が示されています。このサンプルは、200 nL ラベンダー。この図は、アクセス許可17で再現しました。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 8: 電磁弁に基づいてマイクロ ディスペンサー 。(A) マイクロ ディスペンサーの原理と (b) 単一チャネルのドライバー回路が示されています。この図は、アクセス許可20転載されています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 9: 非晶質のテフロン皮膜で被覆された見たアトマイザーのアプリケーション。東京都でインテリジェントなユーザー インターフェイス (IUI) シンポジウム 2018 から研究デモ。
Discussion
本研究の重要なコンポーネントの 1 つは高速ソレノイド バルブ18,19製マイクロ ディスペンサーです。図 8 aは、このマイクロ ディスペンサーの原則を示しています。プランジャーが電磁コイルによって駆動されました。コンセントはプランジャーによってオフの段階で完全に閉じられます。プランジャー フェーズでは、その後、それ短い中に液体を前面に描画に移動元の場所に戻ります、図 8 bに示す回路によって駆動電磁弁のオリフィスからの噴流の小さな液滴急速に。1 つの液滴の量は、いくつかの nanoliters です。バルブの周波数が 1 1000 Hz、最小パルス幅は、0.5 ms、それは典型的な電磁弁よりもはるかに高速動作します。電磁弁のオリフィスと基板間の典型的な距離 15 mm であった。本研究は示した液体の量が正確かつ再現性のある;また、泡に対してロバストです。
香りの持続性は大幅に非晶質テフロン coatingwhen 見たアトマイザーに基づいて嗅覚ディスプレイの使用によりを減らすことができます21。クリーニングのため基板表面に溶剤を提供する専用のチャンネルを使用する場合にさらに改善できます。
プロトコルの重要なステップは、最適なものから外れているとき、アトマイザーの励起周波数を手動で調整です。これは、自動的に実行してください将来的に。初期のプロトコルからの変更はシリル化が噴霧されたなし自体をコーティング テフロン以来シリル化プロセスを含めること。
この手法は、1 つは定在波の問題を制限する残りの 2 つの問題があります。定在波は、基板の端に反射が発生したときに生成されます。グリセリンとノードが定期的に表示されます、ので、微粒化がノードに弱くなります。定在波を抑制するシリコーン ゲルを使用して、これは十分ではありません。音響エネルギーを吸収するより良い材料が必要です。
2 つ目の制限は、テフロン コーティングの耐久性です。テフロン コーティングが部分的に何度も液体を噴霧した後削除されます。以来、コーティングの現状は広く研究されていない、著者はテフロン コーティングの耐久性を拡張するそれを最適化できます。
それにもかかわらず、既存のメソッドについてプロトコルの意義は、コーティングなしと比較して塗装面に噴霧した後残りの液体の削減です。したがって、香りの持続性が大幅に低減、17は別記します。この SAW デバイスを使用して、嗅覚ディスプレイのデモを行った。カシス、オレンジ、ウィスキー、およびそれらの混合物を示す 8 成分嗅覚ディスプレイは、ヘッド マウント (図 9) を表示19ユーザーに提示されました。このような状況で提案されたコーティングを施した SAW デバイスは香りプレゼンテーションの質の大幅悪化が懸念される香りの永続化を抑制しても動作します。
ここで説明する手法は、嗅覚ディスプレイにとって重要です。また、見たアトマイザーは医療用ネブライザーとエレクトロ スプレー イオン化質量分析のために適用されます。微粒化効率は、それらのアプリケーションにも必要です。
Disclosures
著者が明らかに何もありません。
Acknowledgments
本研究は、JST みらいプログラム、助成番号 JPMJMI17DD によって部分的に支えられました。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| SAW device | Lightom | Custom-made | |
| Network analyzer | SDR-kits | DG84AQ VNWA 3E | |
| Dip coater | Aiden | DC4300 | |
| Silane coupling agent | Shin-etsu Chemical | KBE 903 | |
| Cytop amorphous teflon coating | Asahi glass | CT107MK | |
| Solvent for diluting cytop coating | Asahi glass | CT-SOLV100K | |
| Solenoid valve | Lee | INKA2438510H | |
| Transistor array | Texas Instrument | ULN2803A | |
| RF power amplifier | Mini-Circuits | ZHL-5W-1 | |
| Digital camera | Panasonic Corp | DMC-FZ300 | |
| Head Mount Display | Occulus | Occulus Rift Headset | |
| Hot plate | As One | HHP-170A |
References
- Yanagida, Y. A survey of olfactory displays: Making and delivering scents. IEEE Sensors. , 1-4 (2012).
- Yamada, T., Yokoyama, S., Tanikawa, T., Hirota, K., Hirose, M. Wearable Olfactory Display: Using Odor in Outdoor Environment. IEEE Virtual Reality. , 199-206 (2006).
- Kim, H., et al. An X-Y addressablematrix odor-releasing system using an on-off switchable device. Angewandte Chemie. 123 (30), 6903-6907 (2011).
- Amores, J., Maes, P. Essence: olfactory interfaces for unconscious influence of mood and cognitive performance. CHI Conference on Human Factors in Computing Systems. , 28-34 (2017).
- Dobbelstein, D., Herrdum, S., Rukzio, E. inScent: A Wearable Olfactory Display as an Amplification for Mobile Notifications. International Symposium on Wearable Computers. , 28-34 (2017).
- Hasegawa, K., Qiu, L., Shinoda, H. Midair Ultrasound Fragrance Rendering. IEEE Transaction ON VISUALIZATION AND COMPUTER GRAPHICS. 24 (4), 1477-1485 (2018).
- Essentials of machine olfaction and taste. Nakamoto, T. , Wiley. 247-314 (2016).
- Nakamoto, T., Yoshikawa, K. Movie with scents generated by olfactory display using solenoid valves. Institute of Electronics, Information and Communication Engineers. E89-A (11), 3327-3332 (2006).
- Nakamoto, T., Otaguro, S., Kinoshita, M., Nagahama, M., Ohnishi, K., Ishida, T. Cooking up an interactive olfactory game display. IEEE Computer Graphics and Application. 28 (1), 75-78 (2008).
- Nakamoto, T., Minh, P. H. D. Improvement of olfactory display using solenoid valves. Proceedings of IEEE Virtual Reality Annual International Symposium. , 171-178 (2007).
- Hashimoto, K., Nakamoto, T. Tiny Olfactory Display Using Surface Acoustic Wave Device and Micropumps for Wearable Applications. IEEE Sensors Journal. 16 (12), 4974-4980 (2016).
- Beyssen, D., Brizoual, L. L., Elmazria, O., Alnot, P. Microfluidic device based on surface acoustic wave. Sensors and Actuators B: Chemical. 118 (1-2), 380-385 (2006).
- Wixforth, A., Strobl, C., Gauer, C., Toegl, A., Scriba, J., Guttenberg, Z. V. Acoustic manipulation of small droplets. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 379 (7-8), 982-991 (2004).
- Heron, S. R., Wilson, R., Shaffer, S. A., Goodlett, D. R., Cooper, J. M. Surface Acoustic Wave Nebulization of Peptides as a Microfluidic Interface for Mass Spectrometry. Analytical Chemistry. 82 (10), 3985-3989 (2010).
- Kurosawa, M., Watanabe, T., Higuchi, T. Surface acoustic wave atomizer with pumping effect. IEEE Micro Electro Mechanical Systems (MEMS). , 25-30 (1999).
- Shiokawa, S., Matsui, Y., Ueda, T. Liquid streaming and droplet formation caused by leaky Rayleigh waves. Ultrasonics Symposium:Proceedings of the IEEE. 1, 643-646 (1989).
- Li, H., Qi, G., Kato, S., Nakamoto, T. Investigation and Improvement of Atomization Efficiency based on SAW Device Coated with Amorphous Fluoropolymer Film for Olfactory Display. Sensors and Actuators B: Chemical. 263 (15), 266-273 (2018).
- Kato, S., Nakamoto, T. Control system of micro droplet using micro-dispenser based on solenoid valve and its application for highly efficient SAW atomizer. IEEJ Transactions on Sensors and Micromachines. 138 (6), 220-225 (2018).
- Itou, S., Iseki, M., Kato, S., Nakamoto, T. Olfactory and visual presentation using olfactory display using SAW atomizer and solenoid valves. Proceedings of the 2018 Conference on Intelligent User Interface. , (2018).
- Nakamoto, T., Ito, S., Kato, S., Qi, G. Multicomponent olfactory display using solenoid valves and SAW atomizer and its blending-capability evaluation. IEEE Sensors Journal. , (2018).
- Kato, S., Nakamoto, T. Olfactory Display Based on Sniffing Action. IEEE Conference on Virtual Reality. , (2018).
