JP2010130722A - 電歪アクチュエータシステム - Google Patents

Abstract

【課題】電歪アクチュエータを用いて、柔軟な動きを達成することが可能な電歪アクチュエータシステムを提供する。
【解決手段】エラストマー１１を挟むように配置された正極電極１２および負極電極１３に帯電している電荷に応じて、エラストマー１１を伸縮変形させる電歪アクチュエータ１０と、印加用スイッチSWi1と印加用抵抗Ri1を備え、電源４０と正極電極１２との間に直列接続される電圧印加回路５０と、放電用スイッチSWo1と放電用抵抗Ro1を備え、両端を正極電極１２および負極電極１３のそれぞれに接続される放電回路６０と、印加用抵抗Ri1の抵抗値に応じて印加用スイッチSWi1のＯＮ時間を制御し、且つ、放電用抵抗Ro1の抵抗値に応じて放電用スイッチSWo1のＯＮ時間を制御することにより、正極電極１２および負極電極１３に帯電する電荷を制御する制御装置７０を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、電歪アクチュエータ、すなわち、エラストマーと前記エラストマーの表裏両面を挟むようにそれぞれ配置された正極電極および負極電極とを備え、前記正極電極および前記負極電極に帯電している電荷に応じて前記エラストマーを伸縮変形させる電歪アクチュエータを備えるシステムに関するものである。

従来、電歪アクチュエータとして、例えば、特開2005-260236号公報（特許文献１）に記載されているものがある。ここで、電歪アクチュエータに対して高い駆動周波数の電圧を印加した場合に、電歪アクチュエータに残留した電荷によって、実際にアクチュエータに印加される駆動電圧が入力電圧より小さくなる問題が発生する。つまり、一定の周波数以上の駆動電圧において、電歪アクチュエータの変位が減少することになる。

この問題を解決するために、特許文献１には、電歪アクチュエータに残留した電荷を放電するための放電回路を設けることが記載されている。放電回路により、電歪アクチュエータに残留した電荷を放電することで、放電後に印加される入力電圧が実際の駆動電圧に相当することができるとされている。
特開2005-260236号公報（請求項７、［0025］、［0071］〜［0077］）

ところで、特許文献１などに記載の電歪アクチュエータの駆動回路においては、入力電圧を制御することにより、電歪アクチュエータの変位量を制御していた。一般に、電歪アクチュエータにパルス波の電圧を印加することで、電歪アクチュエータの急峻な動きを達成していた。

また、電歪アクチュエータなどのいわゆる人工筋肉の制御対象は、近年、多種多様化しており、人工筋肉は、例えば、特に人間共存型ロボットのハンドなどのアクチュエータとして期待されている。人間共存型ロボットのハンドには、柔軟な動きを求められる。例えば、実際の人に触れる際に、ロボットハンドは人に衝撃を与えないように、ゆっくりとした動きをする必要がある。さらに、人に接触した時に、ロボットハンドが押し戻されるような柔軟性も必要となる。このような動きを達成するアクチュエータとして、人工筋肉が注目されている。

これまで、ロボットハンドは、一般に電気モータなどを用いて駆動している。しかし、モータにより駆動した場合には、上述したような柔軟性を達成することが容易ではない。さらに、特許文献１に記載した駆動回路においても、問題を生じる。確かに、電歪アクチュエータそのものの持つ柔軟性をある程度は発揮することができる。しかし、この電歪アクチュエータをゆっくりと動かそうとすることは容易ではない。電歪アクチュエータの動きは、電歪アクチュエータに印加される電圧に依存する。つまり、電歪アクチュエータに電圧を印加する場合に、駆動回路に供給する入力電圧を変化させることで、ゆっくりとした動きを達成できる。しかし、電歪アクチュエータに帯電した電荷を放電する際には、放電回路により瞬間的に放電することになるため、このときに電歪アクチュエータの動きは急峻な動きとなってしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電歪アクチュエータを用いて、柔軟な動きを達成することが可能な電歪アクチュエータシステムを提供することを目的とする。

以下、上記課題を解決するのに適した各手段につき、必要に応じて作用効果等を付記しつつ説明する。

（手段１）手段１に係る電歪アクチュエータシステムは、
エラストマーと前記エラストマーの表裏両面を挟むようにそれぞれ配置された正極電極および負極電極とを備え、前記正極電極および前記負極電極に帯電している電荷に応じて前記エラストマーを伸縮変形させる電歪アクチュエータと、
印加用スイッチと該印加用スイッチに直列接続される印加用抵抗を備え、電源と前記正極電極との間に直列接続される電圧印加回路と、
放電用スイッチと該放電用スイッチに直列接続される放電用抵抗を備え、両端を前記正極電極および前記負極電極のそれぞれに接続される放電回路と、
前記印加用抵抗の抵抗値に応じて前記印加用スイッチのＯＮ時間を制御し、且つ、前記放電用抵抗の抵抗値に応じて前記放電用スイッチのＯＮ時間を制御することにより、前記正極電極および前記負極電極に帯電する電荷を制御する制御装置と、
を備えることを特徴とする。

これにより、正極電極および負極電極に帯電する電荷を自由に制御できる。具体的には、印加用スイッチをＯＮさせ、且つ、放電用スイッチをＯＦＦすることにより、一対の電極（正極電極および負極電極）に帯電する電荷を増加させることができる。増加する電荷は、印加用抵抗の抵抗値と印加用スイッチのＯＮ時間に応じたものとなる。一方、印加用スイッチをＯＦＦさせ、且つ、放電用スイッチをＯＮすることにより、一対の電極に帯電している電荷を減少させることができる。減少させる電荷は、放電用抵抗の抵抗値と放電用スイッチのＯＮ時間に応じたものとなる。このように、一対の電極に帯電する電荷を自由に制御できることにより、電歪アクチュエータにおけるエラストマーの伸縮変形量を自由に制御できる。

（手段２）手段１に記載の電歪アクチュエータシステムにおいて、
前記制御装置は、前記正極電極および前記負極電極に帯電する電荷を制御することにより、前記エラストマーの伸縮量を制御するようにしてもよい。
これにより、エラストマーの伸縮量、すなわちエラストマーが変形している状態を制御することができる。

（手段３）手段１または２に記載の電歪アクチュエータシステムにおいて、
前記制御装置は、前記正極電極および前記負極電極に帯電する電荷を制御することにより、前記エラストマーの伸縮変形速度を制御するようにしてもよい。
これにより、エラストマーの伸縮変形速度、すなわちエラストマーが変形する速度を制御することができる。

（手段４）手段３に記載の電歪アクチュエータシステムにおいて、
前記制御装置は、前記印加用スイッチがＯＮしている時に前記正極電極および前記電源に電気的に接続される前記印加用抵抗の抵抗値を変化させるようにしてもよい。
これにより、一対の電極（正極電極と負極電極）に帯電する電荷を増加させる際に、エラストマーの変形速度を確実に且つ容易に制御できる。

（手段５）手段３または４に記載の電歪アクチュエータシステムにおいて、
前記制御装置は、前記放電用スイッチがＯＮしている時に前記正極電極および前記負極電極に電気的に接続される前記放電用抵抗の抵抗値を変化させるようにしてもよい。
これにより、一対の電極（正極電極と負極電極）に帯電する電荷を減少させる際に、エラストマーの変形速度を確実に且つ容易に制御できる。

（手段６）手段４に記載の電歪アクチュエータシステムにおいて、
前記印加用スイッチおよび前記印加用抵抗は、並列接続された複数組からなり、
それぞれの前記印加用抵抗の抵抗値は、異なる抵抗値に設定されているようにしてもよい。
これにより、一対の電極（正極電極と負極電極）に帯電する電荷を増加させる際に、エラストマーの変形速度の制御を確実に且つ容易に実現できる。

（手段７）手段５に記載の電歪アクチュエータシステムにおいて、
前記放電用スイッチおよび前記放電用抵抗は、並列接続された複数組からなり、
それぞれの前記放電用抵抗の抵抗値は、異なる抵抗値に設定されているようにしてもよい。
これにより、一対の電極（正極電極と負極電極）に帯電する電荷を減少させる際に、エラストマーの変形速度の制御を確実に且つ容易に実現できる。

（手段８）手段１〜７の何れかに記載の電歪アクチュエータシステムにおいて、
前記制御装置は、前記正極電極および前記負極電極に現在帯電している電荷と、指令値とに基づいて、前記印加用スイッチおよび前記放電用スイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御するようにしてもよい。
これにより、確実に、一対の電極に帯電する電荷が指令値の電荷となるように、制御することができる。つまり、電歪アクチュエータを確実に制御できる。

（手段９）手段１〜８の何れか一項に記載の電歪アクチュエータシステムにおいて、前記電源により印加される電圧は、一定電圧としてもよい。
これにより、電源から印加される電圧を制御することなく、電歪アクチュエータの伸縮制御を行うことができる。

（他の手段）また、前記電歪アクチュエータは、前記エラストマーと前記正極電極および前記負極電極とからなる一組の電歪エラストマーを複数層積層して形成されるようにしてもよい。これにより、エラストマーの伸縮変形量を大きくすることができる。

また、前記電歪アクチュエータにおける前記エラストマーは、前記エラストマーの表裏面の電極に電荷が帯電することにより前記エラストマーの表面の接線方向に伸縮変形可能としている。これにより、エラストマーが延在する方向の長さが伸縮変形する。例えば、エラストマーの両端の位置を規制している場合には、平面状の状態と、中央部が凸状に撓み変形する状態と変化することができる。この電歪アクチュエータは、人型ロボットのハンドのアクチュエータに適用することができ、ダイヤフラムポンプのダイヤフラムアクチュエータに適用することができる。

以下、本発明の電歪アクチュエータシステムを具体化した実施形態について図面を参照しつつ説明する。

＜第一実施形態＞
第一実施形態の電歪アクチュエータシステムについて以下に説明する。まず、電歪アクチュエータシステムを構成する電歪アクチュエータ１０について、図１および図２を参照して説明する。図１は、電歪アクチュエータ１０の斜視図であって、（ａ）は電極に電荷が帯電していない状態を示し、（ｂ）は電極に電荷が帯電している状態を示す。図２は、電歪アクチュエータ１０の模式断面図である。

電歪アクチュエータ１０は、いわゆる人工筋肉（ソフトアクチュエータ）である。この電歪アクチュエータ１０は、図１および図２に示すように、エラストマー１１と、エラストマー１１の表裏両面を挟むようにそれぞれ配置された正極電極１２および負極電極１３とを備える。そして、エラストマー１１、正極電極１２および負極電極１３からなるひと組の電歪エラストマーが、複数層、本実施形態においては３層積層されている。つまり、図２に示すように、正極電極１２、エラストマー１１、負極電極１３、エラストマー１１、正極電極１２、エラストマー１１、負極電極１３の順に積層されている。

ここで、エラストマー１１は、ゴム状の誘電体であって、膜厚方向に圧縮されると、面方向に伸張変形する。このエラストマー１１は、シリコーンゴム系、アクリル系、ＮＢＲ系等の材料がよく用いられる。そして、正極電極１２および負極電極１３に挟まれる１層のエラストマー１１の膜厚は、２０μｍ〜１００μｍである。また、正極電極１２および負極電極１３の膜厚は、５μｍ〜２０μｍである。

そして、正極電極１２と負極電極１３との間に高電圧を印加すると、正極電極１２および負極電極１３に電荷が帯電する。そうすると、図１（ｂ）に示すように、各電極１２、１３に帯電した電荷による引力により、エラストマー１１が膜厚方向に圧縮され、その結果、エラストマー１１は、面方向に伸張変形する。つまり、正極電極１２および負極電極１３に帯電している電荷に応じて、エラストマー１１が伸縮変形する。

ここで、本実施形態に適用する電歪アクチュエータ１０においては、エラストマー１１による伸縮変形により生じる力を十分に発揮するために、エラストマー１１の膜厚１μｍに対して例えば６０Ｖ程度の電圧を印加している。そして、例えば、エラストマー１１の総膜厚（３層のエラストマー１１の合計膜厚）が５０μｍとすると、電極１２、１３に印加すべき電圧は、３０００Ｖとなる。このように、本実施形態の電歪アクチュエータ１０に印加する電圧は非常に高電圧となる。

次に、電歪アクチュエータ１０を人型ロボットハンド２０のアクチュエータ装置３０に適用した場合について、図３を参照して説明する。図３（ａ）は、人型ロボットハンド２０、および、そのアクチュエータ装置２０について示す図であり、（ｂ）は人型ロボットハンド２０を伸ばした状態（Ｂ）におけるアクチュエータ装置３０を示し、（ｃ）は人型ロボットハンド２０を屈曲した状態（Ｃ）におけるアクチュエータ装置３０を示す。

図３（ａ）に示すように、人型ロボットハンド２０は、３つの関節２１、２２、２３により連結される部材（図示せず）と、被覆部材２４と、駆動力伝達部材２５とを備えている。人型ロボットハンド２０は、人間の手の指をなすように形成されている。３つの関節２１、２２、３３は、所定軸周りに回転可能に二部材を連結している。さらに、３つの関節２１〜２３が回転する軸は、ほぼ平行となるように構成されている。被覆部材２４は、関節２１〜２３および関節２１〜２３により連結される部材を被覆している。そして、被覆部材２４は、人間の指の外形をなすように形成されている。駆動力伝達部材２５は、伸張変形不能で、撓み変形可能な材料により、長尺薄膜状に形成されている。この駆動力伝達部材２５の一端は、先端の第一関節２１に固定され、他端は、後述するアクチュエータ装置３０を構成する可動板３２に固定されている。また、駆動力伝達部材２５の中間部は、第二、第三関節２２、２３の屈曲外側に支持されている。

そして、駆動力伝達部材２５の他端が図３（ａ）の下側に引っ張られると、図３（ａ）の二点鎖線で示す（Ｂ）のように移動する。二点鎖線（Ｂ）の状態は、実線（Ａ）の状態に比べて、第一関節２１から第二関節の屈曲外側を通って第三関節２３の屈曲外側までの距離が短くなる。そのため、上述のように動作する。一方、駆動力伝達部材２５の他端が図３（ａ）の上側に引っ張られると、図３（ａ）の二点鎖線で示す（Ｃ）のように移動する。二点鎖線（Ｃ）の状態は、実線（Ａ）の状態に比べて、第一関節２１から第二関節の屈曲外側を通って第三関節２３の屈曲外側までの距離が長くなる。そのため、上述のように動作する。

アクチュエータ装置３０は、基体３１と、可動板３２と、４つの電歪アクチュエータ３３〜３６とから構成されている。基体３１は、固定された対向平板からなる。可動板３２は、平板状からなり、基体３１を構成する対向平板の中央に設けられている。さらに、可動板３２は、基体３１に対して可動板３２の法線方向に相対的に移動可能に設けられている。また、可動板３２の一方面には、駆動力伝達部材２５の他端が固定されている。４つの電歪アクチュエータ３３〜３６のそれぞれは、図１および図２において説明した電歪アクチュエータ１０である。また、４つの電歪アクチュエータ３３〜３６は、全て同一形状をなしている。

そして、第一の電歪アクチュエータ３３は、一端（図１の右端に相当）を可動板３２の左端に固定し、他端（図１の左端に相当）を基体３１の左板上端側に固定している。第二の電歪アクチュエータ３４は、一端（図１の右端に相当）を可動板３２の左端に固定し、他端（図１の左端に相当）を基体３１の左板下端側に固定している。第三の電歪アクチュエータ３５は、一端（図１の左端に相当）を可動板３２の右端に固定し、他端（図１の右端に相当）を基体３１の右板上端側に固定している。第四の電歪アクチュエータ３６は、一端（図１の左端に相当）を可動板３２の右端に固定し、他端（図１の右端に相当）を基体３１の右板下端側に固定している。

図３（ａ）に示す状態は、第一〜第四の電歪アクチュエータ３３〜３６の電極に同一の電荷が帯電している状態である。このときの各電極に帯電する電荷は、各電極に帯電可能な電荷の中間値としている。この状態において、第一の電歪アクチュエータ３３、第二の電歪アクチュエータ３４および基体３１の左板により、ほぼ二等辺三角形を形成している。一方、第三の電歪アクチュエータ３５、第四の電歪アクチュエータ３６および基体３１の右板により、ほぼ二等辺三角形を形成している。この状態が、可動範囲の中間となる。

図３（ｂ）に示す状態は、第一、第三の電歪アクチュエータ３３、３５の各電極に最大の電荷が帯電している状態で、第二、第四の電歪アクチュエータ３４、３６の各電極に電荷が帯電していない状態である。そうすると、第一、第三の電歪アクチュエータ３３、３５は、最大の伸張変形量となり、第二、第四の電歪アクチュエータ３４、３６は、伸張変形していない初期状態となる。この変形動作に伴って、可動板３２が図３（ａ）の状態に比べて図３（ｂ）の下方へ移動する。

図３（ｃ）に示す状態は、第一、第三の電歪アクチュエータ３３、３５の各電極に電荷が帯電していない状態で、第二、第四の電歪アクチュエータ３４、３６の各電極に最大の電荷が帯電している状態である。そうすると、第一、第三の電歪アクチュエータ３３、３５は、伸張変形していない初期状態となり、第二、第四の電歪アクチュエータ３４、３６は、最大の伸張変形量となり、この変形動作に伴って、可動板３２が図３（ａ）の状態に比べて図３（ｃ）の上方へ移動する。

次に、電歪アクチュエータシステムの全体構成について図４を参照して説明する。図４は、電歪アクチュエータシステムの全体構成を示す図である。図４に示すように、電歪アクチュエータ１０と、電源４０と、電圧印加回路５０と、放電回路６０と、制御装置７０とから構成される。ここで、電歪アクチュエータ１０は、上述において、図１および図２を用いて説明した構成からなる。

電源４０は、一定の電圧を印加することができる電源である。例えば、電源４０により印加される電圧は、数千Ｖとしている。

電圧印加回路５０は、電源４０と電歪アクチュエータ１０の正極電極１２との間に直列接続されている。つまり、この電圧印加回路５０は、電源４０による印加電圧を、電歪アクチュエータ１０の正極電極１２に印加する回路となる。電圧印加回路５０は、直列接続された印加用スイッチと印加用抵抗からなる一組が、複数並列に接続されている。詳細には、電圧印加回路５０は、第一〜第三の印加用スイッチSWi1、SWi2、SWi3と、第一〜第三の印加用抵抗Ri1、Ri2、Ri3とから構成される。第一〜第三の印加用スイッチSWi1、SWi2、SWi3は、リレースイッチをなしている。つまり、第一〜第三の印加用スイッチSWi1、SWi2、SWi3は、それぞれ図示しないコイルを備えており、当該コイルに電流が供給された場合にコイルが発生する電磁力によりＯＮする。

第一の印加用スイッチSWi1と第一の印加用抵抗Ri1は直列接続されている。つまり、第一の印加用スイッチSWi1の一端は、第一の印加用抵抗Ri1に接続され、他端は、電源４０に接続されている。第一の印加用抵抗Ri1の一端は、第一の印加用スイッチSWi1に接続され、他端は、正極電極１２に接続されている。この第一の印加用抵抗Ri1の抵抗値は、１０ＭΩのものを用いている。

第二の印加用スイッチSWi2と第二の印加用抵抗Ri2は直列接続されている。さらに、直列接続される第二の印加用スイッチSWi2と第二の印加用抵抗Ri2は、直列接続される第一の印加用スイッチSWi1と第一の印加用抵抗Ri1に対して、並列接続されている。つまり、第二の印加用スイッチSWi2の一端は、第二の印加用抵抗Ri2に接続され、他端は、電源４０に接続されている。第二の印加用抵抗Ri2の一端は、第二の印加用スイッチSWi2に接続され、他端は、正極電極１２に接続されている。この第二の印加用抵抗Ri2の抵抗値は、１００ＭΩのものを用いている。

第三の印加用スイッチSWi3と第三の印加用抵抗Ri3は直列接続されている。さらに、直列接続される第三の印加用スイッチSWi3と第三の印加用抵抗Ri3は、直列接続される第一の印加用スイッチSWi1と第一の印加用抵抗Ri1に対して、並列接続されている。つまり、第三の印加用スイッチSWi3の一端は、第三の印加用抵抗Ri3に接続され、他端は、電源４０に接続されている。第三の印加用抵抗Ri3の一端は、第三の印加用スイッチSWi3に接続され、他端は、正極電極１２に接続されている。この第三の印加用抵抗Ri3の抵抗値は、１ＧΩのものを用いている。

そして、第一〜第三の印加用スイッチSWi1、SWi2、SWi3は、選択的にＯＮされる。さらに、第一〜第三の印加用スイッチSWi1、SWi2、SWi3は、後述する第一〜第三の放電用スイッチSWo1、SWo2、SWo3に対しても、選択的にＯＮされる。

第一の印加用スイッチSWi1がＯＮされ、他の全てのスイッチがＯＦＦの時には、正極電極１２に対して、１０ＭΩの第一の印加用抵抗Ri1が介在した状態で、電源４０の電圧を印加することになる。また、第二の印加用スイッチSWi2がＯＮされ、他の全てのスイッチがＯＦＦの時には、正極電極１２に対して、１００ＭΩの第二の印加用抵抗Ri2が介在した状態で、電源４０の電圧を印加することになる。第三の印加用スイッチSWi3がＯＮされ、他の全てのスイッチがＯＦＦの時には、正極電極１２に対して、１ＧΩの第三の印加用抵抗Ri3が介在した状態で、電源４０の電圧を印加することになる。

放電回路６０は、電歪アクチュエータ１０の正極電極１２および負極電極１３に接続されている。つまり、放電回路６０は、電歪アクチュエータ２０に並列接続されている。また、放電回路６０のうち正極電極１２に接続される側は、電圧印加回路５０と正極電極１２との間に接続されている。

この放電６０は、電歪アクチュエータ１０の正極電極１２および負極電極１３に帯電している電荷を放電する回路となる。放電回路６０は、第一〜第三の放電用スイッチSWo1、SWo2、SWo3と、第一〜第三の放電用抵抗Ro1、Ro2、Ro3とから構成される。第一〜第三の放電用スイッチSWo1、SWo2、SWo3は、リレースイッチをなしている。つまり、第一〜第三の放電用スイッチSWo1、SWo2、SWo3は、それぞれ図示しないコイルを備えており、当該コイルに電流が供給された場合にコイルが発生する電磁力によりＯＮする。

第一の放電用スイッチSWo1と第一の放電用抵抗Ro1は直列接続されている。つまり、第一の放電用スイッチSWo1の一端は、第一の放電用抵抗Ro1に接続され、他端は、正極電極１２および電圧印加回路５０に接続されている。第一の放電用抵抗Ro1の一端は、第一の放電用スイッチSWo1に接続され、他端は、負極電極１３に接続されている。この第一の放電用抵抗Ro1の抵抗値は、１０ＭΩのものを用いている。

第二の放電用スイッチSWo2と第二の放電用抵抗Ro2は直列接続されている。さらに、直列接続される第二の放電用スイッチSWo2と第二の放電用抵抗Ro2は、直列接続される第一の放電用スイッチSWo1と第一の放電用抵抗Ro1に対して、並列接続されている。つまり、第二の放電用スイッチSWo2の一端は、第二の放電用抵抗Ro2に接続され、他端は、正極電極１２および電圧印加回路５０に接続されている。第二の放電用抵抗Ro2の一端は、第二の放電用スイッチSWo2に接続され、他端は、負極電極１３に接続されている。この第二の放電用抵抗Ro2の抵抗値は、１００ＭΩのものを用いている。

第三の放電用スイッチSWo3と第三の放電用抵抗Ro3は直列接続されている。さらに、直列接続される第三の放電用スイッチSWo3と第三の放電用抵抗Ro3は、直列接続される第一の放電用スイッチSWo1と第一の放電用抵抗Ro1に対して、並列接続されている。つまり、第三の放電用スイッチSWo3の一端は、第三の放電用抵抗Ro3に接続され、他端は、正極電極１２および電圧印加回路５０に接続されている。第三の放電用抵抗Ro3の一端は、第三の放電用スイッチSWo3に接続され、他端は、負極電極１３に接続されている。この第三の放電用抵抗Ro3の抵抗値は、１ＧΩのものを用いている。

そして、第一〜第三の放電用スイッチSWo1、SWo2、SWo3は、選択的にＯＮされる。さらに、第一〜第三の放電用スイッチSWo1、SWo2、SWo3は、第一〜第三の印加用スイッチSWi1、SWi2、SWi3に対しても、選択的にＯＮされる。

第一の印加用スイッチSWi1がＯＮされ、他の全てのスイッチがＯＦＦの時には、正極電極１２と負極電極１３とに１０ＭΩの第一の放電用抵抗Ro1が接続されることになる。また、第二の放電用スイッチSWo2がＯＮされ、他の全てのスイッチがＯＦＦの時には、正極電極１２と負極電極１３とに１００ＭΩの第二の放電用抵抗Ro2が接続されることになる。第三の放電用スイッチSWo3がＯＮされ、他の全てのスイッチがＯＦＦの時には、正極電極１２と負極電極１３とに１ＧΩの第三の放電用抵抗Ro3が接続されることになる。

制御装置７０は、正極電極１２および負極電極１３に現在帯電している電荷と、指令値とに基づいて、第一〜第三の印加用スイッチSWi1、SWi2、SWi3および第一〜第三の放電用スイッチSWo1、SWo2、SWo3のＯＮ／ＯＦＦを制御する。具体的には、制御装置７０は、各スイッチのコイルに供給する電流を制御している。そして、制御装置７０は、上記スイッチのＯＮ／ＯＦＦ制御を行うことにより、正極電極１２および負極電極１３に帯電する電荷を制御している。具体的には、制御装置７０は、正極電極１２および負極電極１３に帯電する電荷が指令値に一致するように、各スイッチをＯＮ／ＯＦＦさせる。ここで、制御装置７０は、上記スイッチのうち何れかを選択してＯＮし、他の全てのスイッチをＯＦＦとする。

より詳細には、制御装置７０は、それぞれの印加用抵抗Ri1、Ri2、Ri3の抵抗値に応じて何れか印加用スイッチSWi1、SWi2、SWi3のＯＮ時間を制御し、且つ、それぞれの放電用抵抗Ro1、Ro2、Ro3の抵抗値に応じて何れかの放電用スイッチSWo1、SWo2、SWo3のＯＮ時間を制御することにより、正極電極１２および負極電極１３に帯電する電荷を制御する。

ここで、上述したように、電歪アクチュエータ１０は、正極電極１２および負極電極１３に帯電している電荷に応じてエラストマー１１を伸縮変形させる。つまり、制御装置７０は、正極電極１２および負極電極１３に帯電する電荷を制御することにより、エラストマー１１の伸縮量を制御し、且つ、エラストマー１１の伸縮変形速度を制御する。

次に、電歪アクチュエータシステムの動作について、図５を参照して説明する。図５（ａ）〜図５（ｃ）は、それぞれ、第一〜第三の印加用スイッチSWi1、SWi2、SWi3および第一〜第三の放電用スイッチSWo1、SWo2、SWo3の何れかをＯＮさせた時の、時間に対するエラストマー１１の伸張変形量を示す図である。ここで、図５（ａ）〜図５（ｃ）の何れも、初期状態において、正極電極１２および負極電極１３に電荷が帯電していない状態とする。つまり、初期状態において、エラストマー１１の伸張変形量は、ゼロとしている。

図５（ａ）は、エラストマー１１の伸張変形量を階段状に増減させた場合の例を示している。時刻Ｔ１〜Ｔ２間において、第一の印加用スイッチSWi1のみをＯＮさせる。そうすると、正極電極１２および負極電極１３には、第一の印加用抵抗Ri1の抵抗値１０ＭΩに応じた速度で、電荷が帯電していく。そして、時刻Ｔ２において、正極電極１２および負極電極１３には、時刻Ｔ１〜Ｔ２間と第一の印加用抵抗Ri1の抵抗値１０ＭΩに応じた電荷が帯電することになる。つまり、時刻Ｔ１〜Ｔ２間、エラストマー１１は、抵抗値１０ＭΩに応じた速度で伸張変形して、伸張変形量Ｐ２に達する。続いて、時刻Ｔ２〜Ｔ３間において、全てのスイッチをＯＦＦさせる。そうすると、時刻Ｔ２〜Ｔ３間は、エラストマー１１を、伸張変形量Ｐ２の状態に維持することができる。

続いて、時刻Ｔ３〜Ｔ４間において、第一の印加用スイッチSWi1のみを再びＯＮさせる。そうすると、エラストマー１１は、抵抗値１０ＭΩに応じた速度で伸張変形して、伸張変形量Ｐ４に達する。続いて、時刻Ｔ４〜Ｔ５間において、全てのスイッチをＯＦＦさせる。そうすると、時刻Ｔ４〜Ｔ５間は、エラストマー１１を、伸張変形量Ｐ４の状態に維持することができる。

続いて、時刻Ｔ５〜Ｔ６間において、第一の印加用スイッチSWi1のみを再びＯＮさせる。そうすると、エラストマー１１は、抵抗値１０ＭΩに応じた速度で伸張変形して、伸張変形量Ｐ６に達する。続いて、時刻Ｔ６〜Ｔ７間において、全てのスイッチをＯＦＦさせる。そうすると、時刻Ｔ６〜Ｔ７間は、エラストマー１１を、伸張変形量Ｐ６の状態に維持することができる。

続いて、時刻Ｔ７〜Ｔ８間において、第一の放電用スイッチSWo1のみをＯＮさせる。そうすると、正極電極１２および負極電極１３に帯電していた電荷は、第一の放電用抵抗Ro1の抵抗値１０ＭΩに応じた速度で減少（放電）していく。そして、時刻Ｔ８において、正極電極１２および負極電極１３には、時刻Ｔ７〜Ｔ８間と第一の放電用抵抗Ro1の抵抗値１０ＭΩに応じた電荷が減少（放電）することになる。つまり、時刻Ｔ７〜Ｔ８間、エラストマー１１は、抵抗値１０ＭΩに応じた速度で収縮変形して、初期状態からの伸張変形量Ｐ５に達する。続いて、時刻Ｔ８〜Ｔ９間において、全てのスイッチをＯＦＦさせる。そうすると、時刻Ｔ８〜Ｔ９間は、エラストマー１１を、伸張変形量Ｐ５の状態に維持することができる。

続いて、時刻Ｔ９〜Ｔ１０間において、第一の放電用スイッチSWo1のみを再びＯＮさせる。そうすると、エラストマー１１は、抵抗値１０ＭΩに応じた速度で収縮変形して、初期状態からの伸張変形量Ｐ４に達する。続いて、時刻Ｔ１０〜Ｔ１１間において、全てのスイッチをＯＦＦさせる。そうすると、時刻Ｔ１０〜Ｔ１１間は、エラストマー１１を、初期状態からの伸張変形量Ｐ４の状態に維持することができる。

続いて、時刻Ｔ１１〜Ｔ１２間において、第一の放電用スイッチSWo1のみを再びＯＮさせる。そうすると、エラストマー１１は、抵抗値１０ＭΩに応じた速度で収縮変形して、初期状態からの伸張変形量Ｐ３に達する。続いて、時刻Ｔ１２〜Ｔ１３間において、全てのスイッチをＯＦＦさせる。そうすると、時刻Ｔ１２〜Ｔ１３間は、エラストマー１１を、初期状態からの伸張変形量Ｐ３の状態に維持することができる。

続いて、時刻Ｔ１３〜Ｔ１４間において、第一の放電用スイッチSWo1のみを再びＯＮさせる。そうすると、エラストマー１１は、抵抗値１０ＭΩに応じた速度で収縮変形して、初期状態からの伸張変形量Ｐ２に達する。続いて、時刻Ｔ１４〜Ｔ１５間において、全てのスイッチをＯＦＦさせる。そうすると、時刻Ｔ１４〜Ｔ１５間は、エラストマー１１を、初期状態からの伸張変形量Ｐ２の状態に維持することができる。

続いて、時刻Ｔ１５〜Ｔ１６間において、第一の放電用スイッチSWo1のみを再びＯＮさせる。そうすると、エラストマー１１は、抵抗値１０ＭΩに応じた速度で収縮変形して、初期状態からの伸張変形量Ｐ１に達する。続いて、時刻Ｔ１６〜Ｔ１７間において、全てのスイッチをＯＦＦさせる。そうすると、時刻Ｔ１６〜Ｔ１８間は、エラストマー１１を、初期状態からの伸張変形量Ｐ１の状態に維持することができる。続いて、時刻Ｔ１７〜Ｔ１８間において、第一の放電用スイッチSWo1のみを再びＯＮさせる。そうすると、エラストマー１１は、抵抗値１０ＭΩに応じた速度で収縮変形して、初期状態からの伸張変形量ゼロに達する。

次に、図５（ｂ）は、エラストマー１１の伸張変形量を徐々に増加させ、その後徐々に減少させた場合の例を示している。時刻Ｔ１〜Ｔ２間において、第三の印加用スイッチSWi3のみをＯＮさせる。そうすると、正極電極１２および負極電極１３には、第三の印加用抵抗Ri3の抵抗値１ＧΩに応じた速度で、電荷が帯電していく。そして、時刻Ｔ２において、正極電極１２および負極電極１３には、時刻Ｔ１〜Ｔ２間と第三の印加用抵抗Ri1の抵抗値１ＧΩに応じた電荷が帯電することになる。つまり、時刻Ｔ１〜Ｔ２間、エラストマー１１は、抵抗値１ＧΩに応じた速度で伸張変形して、伸張変形量Ｐ２に達する。

続いて、時刻Ｔ２〜Ｔ３間において、第二の印加用スイッチSWi2のみをＯＮさせる。そうすると、正極電極１２および負極電極１３には、第二の印加用抵抗Ri2の抵抗値１００ＭΩに応じた速度で、電荷が帯電していく。このときの帯電する電荷の増加速度は、時刻Ｔ１〜Ｔ２における電荷の増加速度に比べて早くなる。これは、時刻Ｔ２〜Ｔ３における第二の印加用抵抗Ri2の抵抗値が、時刻Ｔ１〜Ｔ２における第三の印加用抵抗Ri3の抵抗値より小さいためである。そして、時刻Ｔ３において、正極電極１２および負極電極１３には、時刻Ｔ２〜Ｔ３間と第二の印加用抵抗Ri2の抵抗値１００ＭΩに応じた電荷が帯電することになる。つまり、時刻Ｔ２〜Ｔ３間、エラストマー１１は、抵抗値１００ＭΩに応じた速度で伸張変形して、伸張変形量Ｐ４に達する。

続いて、時刻Ｔ３〜Ｔ４間において、第一の印加用スイッチSWi1のみをＯＮさせる。そうすると、正極電極１２および負極電極１３には、第一の印加用抵抗Ri1の抵抗値１０ＭΩに応じた速度で、電荷が帯電していく。このときの帯電する電荷の増加速度は、時刻Ｔ２〜Ｔ３における電荷の増加速度に比べて早くなる。これは、時刻Ｔ３〜Ｔ４における第一の印加用抵抗Ri1の抵抗値が、時刻Ｔ２〜Ｔ３における第二の印加用抵抗Ri2の抵抗値より小さいためである。そして、時刻Ｔ４において、正極電極１２および負極電極１３には、時刻Ｔ３〜Ｔ４間と第一の印加用抵抗Ri1の抵抗値１０ＭΩに応じた電荷が帯電することになる。つまり、時刻Ｔ３〜Ｔ４間、エラストマー１１は、抵抗値１０ＭΩに応じた速度で伸張変形して、伸張変形量Ｐ６に達する。

続いて、時刻Ｔ４〜Ｔ５間において、全てのスイッチをＯＦＦさせる。そうすると、時刻Ｔ４〜Ｔ５間は、エラストマー１１を、初期状態からの伸張変形量Ｐ６の状態に維持することができる。

続いて、時刻Ｔ５〜Ｔ６間において、第一の放電用スイッチSWo1のみをＯＮさせる。そうすると、正極電極１２および負極電極１３に帯電していた電荷は、第一の放電用抵抗Ro1の抵抗値１０ＭΩに応じた速度で減少していく。そして、時刻Ｔ６において、正極電極１２および負極電極１３には、時刻Ｔ５〜Ｔ６間と第一の放電用抵抗Ro1の抵抗値１０ＭΩに応じた電荷が減少（放電）することになる。つまり、時刻Ｔ５〜Ｔ６間、エラストマー１１は、抵抗値１０ＭΩに応じた速度で収縮変形して、伸張変形量Ｐ４に達する。

続いて、時刻Ｔ６〜Ｔ７間において、第二の放電用スイッチSWo2のみをＯＮさせる。そうすると、正極電極１２および負極電極１３に帯電していた電荷は、第二の放電用抵抗Ro2の抵抗値１００ＭΩに応じた速度で減少していく。このときの放電する電荷の減少速度は、時刻Ｔ５〜Ｔ６における電荷の減少速度に比べて遅くなる。これは、時刻Ｔ６〜Ｔ７における第二の放電用抵抗Ro2の抵抗値が、時刻Ｔ５〜Ｔ６における第一の放電用抵抗Ro1の抵抗値より小さいためである。そして、時刻Ｔ７において、正極電極１２および負極電極１３には、時刻Ｔ６〜Ｔ７間と第二の放電用抵抗Ro2の抵抗値１００ＭΩに応じた電荷が減少（放電）することになる。つまり、時刻Ｔ６〜Ｔ７間、エラストマー１１は、抵抗値１００ＭΩに応じた速度で収縮変形して、伸張変形量Ｐ２に達する。

続いて、時刻Ｔ７〜Ｔ８間において、第三の放電用スイッチSWo3のみをＯＮさせる。そうすると、正極電極１２および負極電極１３に帯電していた電荷は、第三の放電用抵抗Ro3の抵抗値１ＧΩに応じた速度で減少していく。このときの放電する電荷の減少速度は、時刻Ｔ６〜Ｔ７における電荷の減少速度に比べて遅くなる。これは、時刻Ｔ７〜Ｔ８における第三の放電用抵抗Ro3の抵抗値が、時刻Ｔ６〜Ｔ７における第二の放電用抵抗Ro2の抵抗値より小さいためである。そして、時刻Ｔ８において、正極電極１２および負極電極１３には、時刻Ｔ６〜Ｔ７間と第二の放電用抵抗Ro2の抵抗値１００ＭΩに応じた電荷が減少（放電）することになる。そうすると、時刻Ｔ７において、エラストマー１１は、抵抗値１００ＭΩに応じた速度で収縮変形して、初期状態からの伸張変形量ゼロに達する。

次に、図５（ｃ）は、上記図５（ａ）（ｂ）とは異なり、変則的に、エラストマー１１の伸張変形量を増加させ、その後減少させた場合の例を示している。時刻Ｔ１〜Ｔ２間において、第一の印加用スイッチSWi1のみをＯＮさせて、エラストマー１１の伸張変形量がＰ２に達する。時刻Ｔ２〜Ｔ３間において、第二の印加用スイッチSWi2のみをＯＮさせて、エラストマー１１の伸張変形量がＰ４に達する。時刻Ｔ３〜Ｔ４間において、第三の印加用スイッチSWi3のみをＯＮさせて、エラストマー１１の伸張変形量がＰ６に達する。続いて、時刻Ｔ４〜Ｔ５間において、全てのスイッチをＯＦＦさせて、エラストマー１１の伸張変形量をＰ６の状態を維持している。

続いて、時刻Ｔ５〜Ｔ６間において、第三の放電用スイッチSWo3のみをＯＮさせて、エラストマー１１の伸張変形量がＰ４に達すると、時刻Ｔ７まで全てのスイッチをＯＦＦさせて維持する。時刻Ｔ７〜Ｔ８間において、第一の放電用スイッチSWo1のみをＯＮさせて、エラストマー１１の伸張変形量がＰ２に達すると、時刻Ｔ９まで全てのスイッチをＯＦＦさせて維持する。時刻Ｔ９〜Ｔ１０間において、第二の放電用スイッチSWo2のみをＯＮさせて、エラストマー１１の伸張変形量がゼロとなる。

以上説明した電歪アクチュエータシステムによれば、正極電極１２および負極電極１３に帯電する電荷を自由に制御できる。具体的には、印加用抵抗の抵抗値に応じた印加用スイッチのＯＮ時間を制御することで、電極に帯電する電荷を自由に増加させることができる。逆に、放電用抵抗の抵抗値に応じた放電用スイッチのＯＮ時間を制御することで、電極に帯電している電荷を自由に減少（放電）させることができる。その結果、エラストマー１１の伸縮量、すなわちエラストマーが変形している状態を制御することができる。

さらに、電極に帯電する電荷を増加させる際に、第一〜第三の印加用スイッチSWi1、SWi2、SWi3の何れかを選択することで、電源４０と正極電極１２とに電気的に接続される印加用抵抗の抵抗値を変化させることができる。これにより、電極に帯電する電荷の増加速度を変化させることができる。その結果、エラストマー１１の伸張変形速度を自由に変化させることができる。

また、電極に帯電している電荷を減少（放電）させる際に、第一〜第三の放電用スイッチSWo1、SWo2、SWo3の何れかを選択することで、正極電極１２と負極電極１３に並列に電気的に接続される放電用抵抗の抵抗値を変化させることができる。これにより、電極に帯電していた電荷の減少速度（放電速度）を変化させることができる。その結果、エラストマー１１の収縮変形速度を自由に変化させることができる。

また、印加用スイッチと印加用抵抗を複数組並列に接続し、各印加用抵抗の抵抗値を異なる値としたことで、容易に印加用抵抗を変化させることができる。もちろん、可変抵抗を適用することもできるが、本構成の方がより容易な構成となる。また、放電用スイッチと放電用抵抗を複数組並列に接続し、各放電用抵抗の抵抗値を異なる値としたことで、容易に放電用抵抗を変化させることができる。もちろん、可変抵抗を適用することもできるが、本構成の方がより容易な構成となる。

また、正極電極１２および負極電極１３に現在帯電している電荷と、指令値とに基づいて、印加用スイッチおよび放電用スイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御している。これにより、確実に、一対の電極１２、１３に帯電する電荷が指令値の電荷となるように、制御することができる。つまり、電歪アクチュエータ１０を確実に制御できる。

さらに、電源４０により印加される電圧は、一定電圧としている。このように、電源４０から印加される電圧を制御しないとしても、本実施形態によれば、電歪アクチュエータ１０の伸縮制御を行うことができる。

＜第二実施形態＞
上記第一実施形態においては、電歪アクチュエータシステムの対象として、人型ロボットハンド２０とした。この他に、第二実施形態として、電歪アクチュエータシステムの電歪アクチュエータ１０をダイヤフラムポンプに適用した場合について説明する。

第二実施形態のダイヤフラムポンプ１００について、図６および図７を参照して説明する。図６は、ダイヤフラムポンプ１００の軸方向断面図である。図７は、電歪アクチュエータからなるダイヤフラム１２０の斜視図である。

図６に示すように、ダイヤフラムポンプ１００は、一方に開口する有底筒状の筐体１１０と、ダイヤフラム１２０と、バネ１３０とから構成される。筐体１１０の底面には、図示しない弁を有する吸入ポート１１１および排出ポート１１２が形成されている。この筐体１１０の内部には、流体が充填されており、吸入ポート１１１から流体が供給され、排出ポート１１２から流体が排出される。

ダイヤフラム１２０は、筐体１１０の開口側を覆蓋している。このダイヤフラム１２０は、図７に示すように、円盤状のエラストマー１１と、エラストマー１１の表裏両面にそれぞれ配置された正極電極１２および負極電極１３とを備えており、複数層積層されてなる。このダイヤフラム１２０は、第一実施形態において説明した電歪アクチュエータ１０であり、正極電極１２および負極電極１３に帯電する電荷に応じて、面方向に伸張変形する。

ただし、このダイヤフラム１２０は、筐体１１０の開口側に覆蓋するように固定されているため、外周面が規制されている。従って、ダイヤフラム１２０の電極１２、１３に電荷が帯電すると、図６に示すように、ダイヤフラム１２０の中央部が筐体１１０の開口方向へ凸状に撓み変形する。つまり、ダイヤフラム１２０を構成する電極１２、１３に帯電する電荷を制御することにより、筐体１１０およびダイヤフラム１２０により形成される空間体積を変化させることができる。

バネ１３０は、両端それぞれをダイヤフラム１２０と筐体１１０の底面とに結合されている。そして、ダイヤフラム１２０が筐体１１０の底面に最も近づく状態を、バネ１３０の自由長となるように設定されている。つまり、バネ１３０の弾性力により、ダイヤフラム１２０が筐体１１０の底面に最も近づく状態である初期状態に戻ることを確実にしている。

このように構成されるダイヤフラムポンプに、本発明の電歪アクチュエータシステムを適用した場合にも、第一実施形態における人型ロボットハンド２０による効果と同一の効果を奏する。

電歪アクチュエータ１０の斜視図であって、（ａ）は電極に電荷が帯電していない状態を示し、（ｂ）は電極に電荷が帯電している状態を示す。 電歪アクチュエータ１０の模式断面図である。 （ａ）は人型ロボットハンド２０、および、そのアクチュエータ装置２０について示す図であり、（ｂ）は人型ロボットハンド２０を伸ばした状態（Ｂ）におけるアクチュエータ装置３０を示す図であり、（ｃ）は人型ロボットハンド２０を屈曲した状態（Ｃ）におけるアクチュエータ装置３０を示す図である。 電歪アクチュエータシステムの全体構成を示す図である。 第一〜第三の印加用スイッチSWi1、SWi2、SWi3および第一〜第三の放電用スイッチSWo1、SWo2、SWo3の何れかをＯＮさせた時の、時間に対するエラストマー１１の伸張変形量を示す図である。 ダイヤフラムポンプ１００の軸方向断面図である。 電歪アクチュエータからなるダイヤフラム１２０の斜視図である。

符号の説明

１０：電歪アクチュエータ
１１：エラストマー、 １２：正極電極、 １３：負極電極
２０：人型ロボットハンド
２１、２２、２３：関節、 ２４：被覆部材、 ２５：駆動力伝達部材
３０：アクチュエータ装置
３１：基体、 ３２：可動板、 ３３〜３６：電歪アクチュエータ
４０：電源、 ５０：電圧印加回路、 ６０：放電回路、 ７０：制御装置
SWi1、SWi2、SWi3：第一〜第三の印加用スイッチ
Ri1、Ri2、Ri3：第一〜第三の印加用抵抗
SWo1、SWo2、SWo3：第一〜第三の放電用スイッチ
Ro1、Ro2、Ro3：第一〜第三の放電用抵抗
１００：ダイヤフラムポンプ
１１０：筐体、 １１１：吸入ポート、 １１２：排出ポート
１２０：ダイヤフラム、 １３０：バネ

Claims (9)

1. エラストマーと前記エラストマーの表裏両面を挟むようにそれぞれ配置された正極電極および負極電極とを備え、前記正極電極および前記負極電極に帯電している電荷に応じて前記エラストマーを伸縮変形させる電歪アクチュエータと、
   印加用スイッチと該印加用スイッチに直列接続される印加用抵抗を備え、電源と前記正極電極との間に直列接続される電圧印加回路と、
   放電用スイッチと該放電用スイッチに直列接続される放電用抵抗を備え、両端を前記正極電極および前記負極電極のそれぞれに接続される放電回路と、
   前記印加用抵抗の抵抗値に応じて前記印加用スイッチのＯＮ時間を制御し、且つ、前記放電用抵抗の抵抗値に応じて前記放電用スイッチのＯＮ時間を制御することにより、前記正極電極および前記負極電極に帯電する電荷を制御する制御装置と、
   を備えることを特徴とする電歪アクチュエータシステム。
2. 前記制御装置は、前記正極電極および前記負極電極に帯電する電荷を制御することにより、前記エラストマーの伸縮量を制御する請求項１に記載の電歪アクチュエータシステム。
3. 前記制御装置は、前記正極電極および前記負極電極に帯電する電荷を制御することにより、前記エラストマーの伸縮変形速度を制御する請求項１または２に記載の電歪アクチュエータシステム。
4. 前記制御装置は、前記印加用スイッチがＯＮしている時に前記正極電極および前記電源に電気的に接続される前記印加用抵抗の抵抗値を変化させる請求項３に記載の電歪アクチュエータシステム。
5. 前記制御装置は、前記放電用スイッチがＯＮしている時に前記正極電極および前記負極電極に電気的に接続される前記放電用抵抗の抵抗値を変化させる請求項３または４に記載の電歪アクチュエータシステム。
6. 前記印加用スイッチおよび前記印加用抵抗は、並列接続された複数組からなり、
   それぞれの前記印加用抵抗の抵抗値は、異なる抵抗値に設定されている請求項４に記載の電歪アクチュエータシステム。
7. 前記放電用スイッチおよび前記放電用抵抗は、並列接続された複数組からなり、
   それぞれの前記放電用抵抗の抵抗値は、異なる抵抗値に設定されている請求項５に記載の電歪アクチュエータシステム。
8. 前記制御装置は、前記正極電極および前記負極電極に現在帯電している電荷と、指令値とに基づいて、前記印加用スイッチおよび前記放電用スイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御する請求項１〜７の何れか一項に記載の電歪アクチュエータシステム。
9. 前記電源により印加される電圧は、一定電圧である請求項１〜８の何れか一項に記載の電歪アクチュエータシステム。

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