JP4531375B2 - Ｅｈｄ現象を利用したアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、いわゆるＥＨＤ現象（Electro Hydro Dynamics Phenomenon）を利用したアクチュエータに関するものである。ここでＥＨＤ現象とは、キシレン、クロロホルム、シリコンオイル、機械油等のある種の電気絶縁性流体（電気応答流体）に電極を挿入し、これに高電圧を印加すると、電極間で電気応答流体の拡散、攪拌などの力学的現象が発生する現象のことをいう。

近年、医療や福祉などの人間と共存する環境での使用を目的とした小型機器や生体用機器などの研究が精力的に行なわれている。これらの機器を駆動するアクチュエータとして、最近、軽量で小型かつ柔軟性を有するといった、いわば人に優しいアクチュエータが要求されている。こうした要求に応え得るものとして、いわゆるＥＨＤ現象を利用したアクチュエータが注目されている（例えば、非特許文献１参照）。この非特許文献１では、第１の電極と、この第１の電極に対し相対移動可能にされた第２の電極とを、液体としての電気応答流体に浸漬させたアクチュエータを開示している。

小宮山晃浩、寺阪澄孝、稲田慎、三井和幸、黒田真一、阿部洋、新妻淳子、齋藤剛：「ＥＨＤ現象を用いたアクチュエータの開発」、日本ロボット学会第２１回学術講演会（２００３）

従来のＥＨＤ現象を利用したアクチュエータで使用される電気応答流体は、いずれも液体である。液体の場合、回転時の抵抗が大きいため、十分な回転数が得られないという問題があった。また、液体の量が多くなることによりアクチュエータの重量が重くなるという問題があった。
本発明は、このようなＥＨＤ現象を利用したアクチュエータにおいて、軽量で、高速駆動が可能なアクチュエータを提供することを目的とする。

上記目的達成のため、本出願の発明者らは、ある種の絶縁性気体で発生するＥＨＤ現象を利用してアクチュエータを構成することを考えた。図１に示すように、容器１１に電気応答流体１２を注入し、この電気応答流体１２が揮発することにより発生した電気応答気体１３で容器内が満たされるような環境を整えた。ここでの電気応答流体１２は、出願人が先に出願した特願２００２−２２７７４１に記載のようなエーテル結合を持ちハロゲン元素を含む放電処理がなされた電気応答液体等であり、従って電気応答気体１３は、これらの液体としての電気応答流体１２が揮発して気化したものである。また、電気応答気体１３は、フッ素又は硫黄等を成分とし、高い電気陰性度を有するのが好ましい。これらの液体は、常温・常圧で高い揮発性を有するので、容器１１も常温、常圧の中に載置すればよい。

そして、電気応答気体１３中に線状電極１４、電気応答流体１２中に平板電極１５を配置し、この線状電極１４と平板電極１５との間に高電圧（数［ｋＶ］以上）を印加すると、両電極間に不平等電界（異なる形状又は異なる材質の電極が対向配置されて電圧を印加されたことにより生じる、電極間の位置によって強度が異なる電界をいう）が生じ、線状電極１４から平板電極１５に向けて電気応答気体１３の活発な気流１６が生じる。この気流１６は、電気応答流体１２の液面を凹ませるほどの活発な流動である。この発生原理は十分に解明されていないが、イオンドラッグが一因ではないかと考えられている。すなわち、陽極付近の気体分子が正電荷に帯電し、陽極に引き寄せられ、それに伴い電極間に流動が生じるものと考えられている。また、気流１６は、気体の性質の違いや不平等電界の作り方によって、その大きさや向きが異なると考えられる。なお、容器１１中の気体は、例えば空気等であっても、ある程度はＥＨＤ現象を生じさせることはできる。しかし、空気等の場合、電極１４及び１５間の絶縁性が十分でなく、十分な強さの気流１６が得られない。従って、電気応答気体１３は、所望の強さの気流１６が得られるような物質の中から選択される。

本発明は、このような電気応答気体のＥＨＤ現象に基づく力学的運動を利用したアクチュエータを提供するものである。すなわち、本発明に係るＥＨＤ現象を利用したアクチュエータは、第１の電極と、前記第１の電極と異なる形状又は異なる材質で、前記第１の電極と対向配置され、前記第１の電極との間に不平等電界を発生させ、前記第１の電極に対し相対移動するように構成された第２の電極と、前記第１の電極が取り付けられ、前記第１及び第２の電極を内部に収容する静止部材としての容器と、前記第２の電極が取り付けられて前記容器に対して移動する出力部材と、前記容器の内部に収容される電気応答気体と、前記第１及び第２の電極の間に電圧を印加する電圧印加手段とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、電気応答気体が第１の電極と第２の電極との間に供給され、電気応答気体の力学的運動により前記第２の電極が前記第１の電極に対し相対移動する。このため、アクチュエータの重量は軽量であり、相対移動する電極に対する抵抗が少なく、高速駆動が可能である。

次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
ここでは、アクチュエータとして、第１の電極に対し第２の電極が回転駆動する回転型アクチュエータを例にとって説明する。
図２に平面図（ａ）、側面断面図（ｂ）により示すように、この回転型アクチュエータは、ハウジング２０と、環状電極３０と、回転電極４０と、電圧印加部５０と、電気応答流体供給部６０とを備えている。ハウジング２０は、ＥＨＤ現象を発生させる電気応答気体を閉じ込め、環状電極３０と回転電極４０との間にこの電気応答気体を供給するためのものである。ここでは、ハウジング２０はアクリルを材料として形成され、その大きさは、直径１００［ｍｍ］、高さ６０［ｍｍ］とする。
環状電極３０は、例えばアルミニウム等を材料としてハウジング２０の内壁側面２０ｂに設けられている。

一方、回転電極４０は、ハウジング２０の上蓋２０ｕの、環状電極３０の中心位置付近を貫通する回転軸４１を備えており、この回転軸４１が、ベアリング２１により回転自在に上蓋２０ｕに保持されている。ここでは、回転軸４１の長さ及び軸径は、それぞれ５０［ｍｍ］、φ３［ｍｍ］とする。また、ベアリング２１の直径は、φ３［ｍｍ］とする。この回転軸４１には、アーム部４２が水平方向に延びるように取り付けられ、更にこのアーム部４２の先端には、アーム部４２と直角をなすブーム部４３が延設されている。ここでは、アーム部４２、ブーム部４３は、ステンレスを材料として形成され、その長さは、それぞれ１０［ｍｍ］、２０［ｍｍ］であるとする。

電圧印加部５０は、この環状電極３０と回転電極４０との間に直流電圧を印加するものであり、電圧発生部５１で発生した電圧が、接続線５２及び５３により両電極３０及び４０に供給される。電圧発生部５１から発生される電圧の大きさは、制御部５４により制御される。

また、電気応答流体供給部６０は、上述のような電気応答流体をハウジング２０内に滴下するためのものである。滴下された電気応答流体は揮発し、電気応答気体としてハウジング２０内の電極３０及び４０の間に提供される。本実施の形態では、ベアリング２１の隙間等から電気応答気体が僅かずつではあるが漏出するため、定量の電気応答流体を一定時間ごとに滴下するものとする。

このような構成において、電気応答流体５０から滴下された電気応答流体が揮発し、電圧印加部５０より電極３０及び４０に電圧が印加されると、回転電極４０から環状電極３０に向けて電気応答気体の活発な気流Ａが生じ、その反作用で回転電極４０がこの気流Ａとは反対の方向（矢印Ｂ方向）に回転する。この回転力を外部動力として取り出すことにより、回転型アクチュエータを構成することができる。
このような気流Ａは、ハウジング２０内の気体がどのようなものであっても多少は生じ、例えば空気でもある程度の気流は発生する。しかし、空気等では電極３０及び４０の間の電圧が１０［ｋＶ］程度となると放電が発生し始め、しかも実用に供するのに十分な回転速度及びトルクが得られない。従って、十分な回転速度及びトルクを得るためには、適当な電気応答気体を選択すると共に、その濃度を適切な状態に保つことが必要である。

上述のように構成した回転型アクチュエータにおいて、常温・常圧に保たれたハウジング２０内に電気応答流体を滴下して揮発させた後、電圧印加部５０による印加電圧を徐々に変化させた。そして、そのときの回転電極４０の回転数の変化(無負荷時)及び電極３０及び４０の間の電流値の変化を測定した。その結果を図３のグラフに示す。回転電極４０を接地し、環状電極３０側に、電圧印加部５０から０〜２４［ｋＶ］又は０〜−２４［ｋＶ］を印加した。同図（ａ）は、印加電圧を０〜２４［ｋＶ］の正の電圧とした場合のグラフであり、同図（ｂ）は印加電圧を０〜−２４［ｋＶ］の負の電圧とした場合のグラフである。なお、回転数は、回転軸４１に取り付けられた反射板（図示せず）と光学式回転計を用いて測定した。

図３（ａ）に示すように、印加電圧を正の電圧とした場合には、印加電圧が６［ｋＶ］付近になったところから回転電極４０の回転が始まると共に電流も流れ始めた。印加電圧の上昇に伴って、回転速度、電流共に増加した。しかし、回転数は印加電圧が１８［ｋＶ］を超えた辺りから増加率（グラフの傾き）が小さくなり始め、２０［ｋＶ］以上となると殆ど増加しなくなった。印加電圧が最大２４［ｋＶ］となったときの回転数は４１００［ｒｐｍ］であった。一方、電流値は、印加電圧が２０［ｋＶ］以上となっても増加率は低下せずむしろ増加し、印加電圧が２４［ｋＶ］のときの電流値は約２００［μＡ］であった。

図３（ｂ）に示すように、印加電圧を負の電圧とした場合には、印加電圧が−８［ｋＶ］付近になったところから回転電極４０の回転が始まると共に電流も流れ始めた。印加電圧の上昇に伴って、回転速度、電流共に増加した。印加電圧が正の場合と同様、回転数は印加電圧が−１８［ｋＶ］を超えた辺りから増加率（グラフの傾き）が小さくなり始めたが、−２０［ｋＶ］以上での増加率の低下の度合は、正の印加電圧の場合ほど顕著ではなく、回転数は上昇を続けた。印加電圧が最大−２４［ｋＶ］となったときの回転数は５１００［ｒｐｍ］で、正の印加電圧の場合よりも大きくなった。一方、電流値は、印加電圧が−２０［ｋＶ］以上となっても増加率は殆ど低下せず、電流値は上昇を続けた。印加電圧が−２４［ｋＶ］のときの電流値は約２００［μＡ］であった。

また、上述のように構成した回転型アクチュエータにおいて、常温・常圧に保たれたハウジング２０内に電気応答流体を滴下して揮発させた後、電圧印加部５０による印加電圧を徐々に変化させた。そして、そのときの回転電極４０の最大のトルクの変化（最大負荷時）、及び電極３０及び４０間の電流値の変化を測定した。その結果を図４のグラフに示す。
電圧印加部５０からの印加電圧は、回転電極４０を接地し、環状電極３０に印加する電圧を０〜２４［ｋＶ］及び０〜−２４［ｋＶ］の間で変化させた。同４（ａ）は、印加電圧を０〜２４［ｋＶ］の正の電圧とした場合のグラフであり、図４（ｂ）は印加電圧を０〜−２４［ｋＶ］の負の電圧とした場合のグラフである。

図４（ａ）に示すように、印加電圧を正の電圧とした場合には、印加電圧が８［ｋＶ］付近になったところから回転電極４０がトルクを発生し始めると共に電流も流れ始めた。印加電圧の上昇に伴って、トルク、電流共に増加した。しかし、トルクは印加電圧が２０[ｋＶ]付近となった後は増加率（グラフの傾き）がほぼゼロとなった。印加電圧が最大２４［ｋＶ］となったときのトルクは０．３［μＮｍ］であった。一方、電流値は、印加電圧が２０［ｋＶ］以上となっても増加率は低下せず、印加電圧が２４［ｋＶ］のときの電流値は約１４０［μＡ］であった。
また、図４（ｂ）に示すように、印加電圧を負の電圧とした場合には、印加電圧が−９［ｋＶ］付近になったところから回転電極４０がトルクを発生し始めると共に電流も流れ始めた。印加電圧の上昇に伴って、トルク、電流共に増加した。印加電圧が正の場合と異なり、トルクは印加電圧が−２０［ｋＶ］を超えても増加率（グラフの傾き）は小さくならず、トルクは上昇を続けた。電流値は、印加電圧が−２０[ｋＶ]を超えても増加率は低下せず、上昇を続けた。印加電圧が最大−２４［ｋＶ］となったときのトルクは０．５［μＮｍ］で、正の印加電圧の場合よりも僅かに大きくなった。一方、電流値は、印加電圧が−２４［ｋＶ］のとき約１５０［μＡ］であった。

図５に、図３及び４の印加電圧２４［ｋＶ］時のデータを用いて、図２の回転型アクチュエータのトルクと回転数との関係（図５（ａ））、及びトルクと電流との関係（図５（ｂ））を表した。図５（ａ）、（ｂ）とも、各グラフにおいて両端の値のみしか測定していないが、いずれも、グラフは右下がりとなっている。これは、図２の回転型アクチュエータは、トルクが上がると回転数が下がるという特性、及びトルクが上がると電極３０及び４０間の電流が下がる、とという特性を有することを示している。前者の特性は、一般の電磁モータでも同様であるが、後者の特性は、一般の電磁モータとは異なっている。
一般の電磁モータでは、負荷が増加すると電流は増加し、さらに過負荷状態が継続すると発熱を起こし、モータが破壊される虞がある。このため、これを回避するモータ制御が必要となる。これに対し、図２の回転型アクチュエータでは、負荷が増加すると電流が減少する特性を有しているので、過負荷状態が生じても特別な制御が不要となる。この点は、駆動システムを設計する場合に大きな利点となると考えられる。
また、図２の回転型アクチュエータは、ハウジング２０内の気体のＥＨＤ現象を利用するため、液体のＥＨＤ現象を利用した従来のアクチュエータに比べ、アクチュエータの設置方向や位置を比較的自由に選択することができる。
なお、ハウジング２０内の気体を空気のみとした場合には、図３のように回転数は増加せず、しかも印加電圧が１０［ｋＶ］付近になると放電が始まり、電流値は急激に増加し、アクチュエータとして機能しなくなってしまった。図６及び図７は、その様子を示すグラフである。図６（ａ）及び図７（ａ）は、それぞれ印加電圧を正とした場合における回転数及び電流を示しており、図６（ｂ）及び図７（ｂ）は印加電圧を負とした場合における回転数及び電流を示している。

以上、発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、回転型アクチュエータの回転電極４０の形状を、図８に示すような形状としてもよい。この図８に示す回転型アクチュエータでは、回転電極４０が、回転軸４１に接続されたアーム部４４及び４５と、アーム部４４及び４５の先端に取り付けられた羽根電極４６を備えている。
また、図９に示すように、環状電極３０に代えて、ハウジング２０の内壁側面２０ｂから突出するように多数の線状電極３１を設けると共に、回転電極４０のアーム部４７の先端に平板電極４８を設けるようにしてもよい。このような構成とすると、線状電極３１から平板電極４８に向かう気流が発生し、この気流の反作用により回転電極４０が回転する。
また、上記の実施の形態では、第１の電極としての環状電極３０に対し第２の電極としての回転電極が回転するものであったが、第２の電極は相対移動するものであればよく、回転に限らず、平行移動等を行なうものであってもよい。

気体によるＥＨＤ現象を説明する原理図である。 本発明の実施の形態に係る回転型アクチュエータを示す。 図２に示す回転型アクチュエータの印加電圧と回転電極４０の回転数(無負荷時)及び電極３０及び４０の間の電流値との関係を示す。 図２に示す回転型アクチュエータの印加電圧と回転電極４０の最大トルク(最大負荷時)及び電極３０及び４０の間の電流値との関係を示す。 図２に示す回転型アクチュエータのトルクと回転数の関係、トルクと電流の関係を示す。 図２に示す回転型アクチュエータにおいて、ハウジング２０内の気体を空気のみとした場合における回転電極４０の回転数の変化を示す。 図２に示す回転型アクチュエータにおいて、ハウジング２０内の気体を空気のみとした場合における電流値の変化を示す。 本発明の実施の形態に係る回転型アクチュエータの変形例を示す。 本発明の実施の形態に係る回転型アクチュエータの変形例を示す。

符号の説明

１１・・・容器、 １２・・・電気応答流体、 １３・・・電気応答気体、 １４・・・線状電極、 １５・・・平板電極、 １４・・・線状電極、 １５・・・平板電極、 １６・・・気流、 ２０・・・ハウジング、 ２１・・・ベアリング、 ３０・・・環状電極、 ３１・・・線状電極、 ４０・・・回転電極、 ４１・・・回転軸、 ４２・・・アーム部、 ４３・・・ブーム部、 ４４、４５、４７・・・アーム部、 ４６・・・羽根電極、 ４８・・・開いた電極、 ５０・・・電圧印加部、 ５１・・・電圧発生部、 ５２、５３・・・接続線、 ５４・・・制御部、 ６０・・・電気応答流体供給部。

Claims (4)

1. 第１の電極と、
   前記第１の電極と異なる形状又は異なる材質で、前記第１の電極と対向配置され、前記第１の電極との間に不平等電界を発生させ、前記第１の電極に対し相対移動するように構成された第２の電極と、
   前記第１の電極が取り付けられ、前記第１及び第２の電極を内部に収容する静止部材としての容器と、
   前記第２の電極が取り付けられて前記容器に対して移動する出力部材と、
   前記容器の内部に収容される電気応答気体と、
   前記第１及び第２の電極の間に電圧を印加する電圧印加手段と
   を備えたことを特徴とする、ＥＨＤ現象を利用したアクチュエータ。
2. 前記電気応答気体は、揮発性及び絶縁性を有する電気応答流体を揮発させることで生じるものである、請求項１記載のＥＨＤ現象を利用したアクチュエータ。
3. 前記第１の電極は、環状電極であり、
   前記第２の電極は、前記環状電極の中心位置付近を回転軸として回転するように構成された線状電極である
   ことを特徴とする請求項１又は２記載のＥＨＤ現象を利用したアクチュエータ。
4. 前記電気応答気体は、フッ素及び硫黄の少なくとも一方を含む請求項１記載のＥＨＤ現象を利用したアクチュエータ。

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