JPH08210240A

JPH08210240A - アクチュエータ

Info

Publication number: JPH08210240A
Application number: JP7043308A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Edamura; 一弥枝村; Yasubumi Otsubo; 泰文大坪
Original assignee: Fujikura Kasei Co Ltd
Current assignee: Fujikura Kasei Co Ltd
Priority date: 1994-07-27
Filing date: 1995-03-02
Publication date: 1996-08-20
Also published as: EP0695025B1; EP0695025A3; ATE181469T1; US5705969A; DE69510281D1; EP0695025A2

Abstract

(57)【要約】【目的】電気感応性流体を作動流体とした新しい動作
原理に基づく新規なアクチュエータを得る。【構成】円筒状のケース１に電気感応性流体１１を作
動流体として入れ、このケース１の内周壁に複数の電極
３ａ，３ｂ…３ｈを設け、ケース１内に羽根車状のロー
タ６を配し、上記電極３ａ，３ｂ…３ｈに電圧を印加し
て作動流体１１を流動させ、この流動によってロータ６
を回転させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、電気感応性流体を作
動流体として使用し、電気エネルギーを回転運動や往復
運動に変換するアクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】作動流体を用いるアクチュエータとして
は、油圧モータ、油圧シリンダ、エアーモータ、エアー
シリンダなどがよく知られている。これらのものは、加
圧油や加圧空気が持つエネルギーを回転運動や往復運動
に変換するものである。

【０００３】一方、電気感応性流体とは、電圧の印加に
よって粘性、光学特性などの物理的特性が変化する流体
であって、その代表的なものに液晶化合物や電気レオロ
ジー流体がある。液晶化合物は電圧によりその光学特性
が変化し、電気レオロジー流体は電圧印加によりその粘
性が変化するものである。

【０００４】これまで、このような電気感応性流体を作
動流体として使用し、これに電圧を印加して電気エネル
ギーを回転運動や往復運動などに変換するアクチュエー
タは知られていない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】よって、本発明の課題
は、電気感応性流体を作動流体として用いた新規なアク
チュエータを得ることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】かかる課題は、筐体内に
電気感応性流体を作動流体として入れ、この筐体に複数
の電極を設け、筐体内に動力取出用の可動部材を配し、
上記電極に電圧を印加して作動流体を流動させ、この流
動によって可動部材を動かすようにすることによって解
決できる。また、回転運動を取り出すには、円筒状の筐
体に電気感応性流体を作動流体として入れ、この筐体の
内周壁に複数の電極を設け、筐体内に羽根車状のロータ
を配し、上記電極に電圧を印加して作動流体を流動さ
せ、この流動によってロータを回転させるようにすれば
よい。さらに、上記電気感応性流体として、有機フッ素
化合物と電気絶縁性媒体とからなる組成物を用いること
が好ましい。

【０００７】以下、本発明を詳しく説明する。図１ない
し図３は、本発明のアクチュエータの一例を示すもの
で、回転運動を取り出す１種のモータである。図中符号
１は、電気絶縁性材料からなる有底円筒状のケース（筐
体）であり、このケース１には蓋２がその開口部を閉じ
るように取り付けられている。また、ケース１の内周壁
には図３に示すように等間隔に８個の電極３ａ，３ｂ，
３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ，３ｇ，３ｈが取り付けられて
いる。

【０００８】この電極３ａ，３ｂ…３ｈは、鉄、銅、ア
ルミニウムなどの金属からなる針金状のもので、ケース
１の内周壁に突出して形成された電極支持部４…に挿通
されて内周壁の壁面に接するように取り付けられてい
る。また、電極３ａ，３ｂ…３ｈの上部はＬ字状に折り
曲げられて、ケース１の上部に形成されたスリット５…
を介してケース１の外方に延びており、その端部は円環
状に曲げられている。

【０００９】また、ケース１内には羽根車状のロータ６
が設けられている。このロータ６は、図２に示すように
回転軸６ａとこの回転軸６ａに等間隔に取り付けられた
６枚の羽根６ｂ…とからなり、その回転軸６ａの下端部
は針頭状となってケース１の底部の中央に形成されたピ
ポット軸受７に軸支され、回転軸６ａの上部は、蓋２の
中央に設けられ軸受８を介してケース１の上方に延びて
いる。

【００１０】また、上記各電極３ａ，３ｂ…３ｈからは
それぞれ図示しないリード線が１基の直流電源１０に接
続されている。この直流電源１０は、０．５〜１０ｋＶ
程度の直流電圧を出力するもので、この出力直流電圧を
必要に応じて各電極３ａ，３ｂ…３ｈに所定時間ずつ順
次にかつ自動的に切り換えて印加する自動切換機能を有
するものである。

【００１１】そして、ケース１内には、ロータ６の羽根
６ｂ…がほぼ没する程度にまで電気感応性流体１１が満
たされている。この電気感応性流体１１として、本出願
人が先に特願平４−２１１８３４号（特開平６−５７２
７４号）および特願平４−２２８９４７号（特開平６−
７３３９０号）として特許出願した電気感応性流体を用
いることが好ましい。この電気感応性流体は、下記一般
式（Ｉ），（II），（III）および（IV）で示される有
機フッ素化合物と電気絶縁性媒体とからなるものであ
る。

【００１２】

【化１】

【００１３】

【化２】

【００１４】上記一般式（Ｉ）で示される具体的な化合
物としては、例えばＦ(ＣＦ₂)₈ＣＨ₂ＣＨ₂ＯＨ；２−（ペルフルオロオクチ
ル）エタノールＦ(ＣＦ₂)₁₀ＣＨ₂ＣＨ₂ＯＨ；２−（ペルフルオロデシ
ル）エタノールＦ(ＣＦ₂)_2aＣＨ₂ＣＨ₂ＯＨ；旭硝子株式会社製「ｃｍ
アルコール」（ａは３〜８の整数である混合物）Ｆ(ＣＦ₂)₉ＣＨ₂ＯＨ；ペルフルオロノニルメタノールＦ(ＣＦ₂)₈ＣＯＯＨ；９Ｈ−ヘキサデカフルオロノナン
酸Ｆ(ＣＦ₂)₇ＣＯＯＨ；ペルフルオロオクタン酸Ｆ(ＣＦ₂)₁₇ＣＯＯＨ；ペルフルオロステアリン酸などがある。

【００１５】また、一般式（II）で示される具体的な化
合物としては、例えば次の構造式（Ａ），（Ｂ）で表さ
れる化合物などがある。

【００１６】

【化３】

【００１７】また、一般式（III）で示される具体的な
化合物としては、例えばＨＯＯＣ−(ＣＦ₂)₂−ＣＯＯＨＨＯＯＣ−(ＣＦ₂)₃−ＣＯＯＨＨＯＯＣ−(ＣＦ₂)₆−ＣＯＯＨＨＯＯＣ−(ＣＦ₂)₈−ＣＯＯＨＨＯＣＨ₂−(ＣＦ₂)₃−ＣＨ₂ＯＨＨＯＣＨ₂−(ＣＦ₂)₆−ＣＨ₂ＯＨＨＯＣＨ₂−(ＣＦ₂)₈−ＣＨ₂ＯＨなどである。

【００１８】さらに、一般式（IV）で示される具体的な
化合物としては、例えば以下の構造式（Ｃ），（Ｄ），
（Ｅ）で示される化合物などがある。

【００１９】

【化４】

【００２０】これらの有機フッ素化合物（Ｉ）ないし
（IV）は、それぞれ単独で用いてもよく、また２種ある
いはそれ以上を混合して用いてもよい。

【００２１】また、上記電気絶縁性媒体とは、電気絶縁
性であるとともに上記有機フッ素化合物を電圧印加時に
少なくともその一部を溶解せしめ得る特性を有するもの
で、電圧印加時のフッ素化合物を溶媒和する性質を持つ
ものである。

【００２２】このような電気絶縁性媒体の一例として
は、シリコーン油、セバチン酸エステル類、トリメリッ
ト酸エステル類、部分水添されたトリフェニル類、ホス
ファゼン油、アジピン酸エステル類、フタル酸エステル
類、植物油等の脂肪族カルボン酸エステル類、芳香族ポ
リカルボン酸高級アルコールエステル類、精製された灯
油等の脂肪族炭化水素類や鉱油類、アルキル置換の芳香
族炭化水素類、ハロゲン置換の脂肪族もしくは芳香族炭
化水素類、フッ素系オイル、フルオロカーボン類、フル
オロシリコーン系オイル、エーテル類、ホスファゼン類
等の電気絶縁性媒体を挙げる事ができ、それぞれ単独で
あるいは２種以上混合して使用する事ができる。

【００２３】また、一般式（Ｉ）ないし（IV）で示され
る有機フッ素化合物の上記電気絶縁性媒体に対する配合
割合は、例えば０．１〜３５重量％である。特に、１〜
１５％程度が好適である。さらに、上記電気絶縁性媒体
と上記有機フッ素化合物を用いて電気感応性流体を製造
するには、単に両者を混合し、室温で充分に撹拌すれば
よい。

【００２４】次に、この例のアクチュエータの作動につ
いて説明する。基本的には、複数の電極３ａ，３ｂ，…
に直流電源１０からの直流電圧を印加することによって
ロータ６が回転するのであるが、具体的な電圧印加方法
には次のようなものがある。

【００２５】まず、第１の電圧印加方法は、２つの電
極、例えば図３における電極３ａと、これに対して平面
角で１８０度の位置にある電極３ｅを正極とし、残る６
個の電極を接地（負極）して直流電圧を印加する方法で
ある。この第１の電圧印加方法は、２つの固定した電極
を、例えば正極として、残る６個の電極を接地し負極と
して、電圧印加する点に特徴がある。この場合には、正
極側に正極性形直流電源装置より正電荷が印加され、接
地側は相対的に負極となる。また、直流電源装置が負電
荷印加の負極性形電源装置である場合には、２つの固定
した電極には負電荷が印加されるので負極となり、接地
側は相対的に正極となる。

【００２６】この第１の電圧印加方法の変形例として、
電極３ａとこれに対して平面角で１３５度の位置にある
電極３ｄとを正極として電圧印加し、残る電極を接地す
るもの、および電極３ａとこれに対して平面角で９０度
の位置にある電極３ｃとを正極として電圧印加し、残る
電極を接地するもの等がある。勿論、これらの電極の組
合わせと同様の平面角を有する組合わせ、例えば電極３
ａと電極３ｆ、電極３ａと電極３ｇ、電極３ｂと電極３
ｄ等も第１の印加方法に包含される。但し、図３の配置
において、相隣する電極の組合わせは除外される。

【００２７】従って、この第１の電圧印加方法では、最
小限２個の電極を正極又は負極とし、これら２個の電極
間に少なくとも１個以上の電極を存在させ、これらの電
極を残りの電極とともに接地するような配置が望まし
い。

【００２８】また、この第１の電圧印加方法では、２つ
の電極間への電界強度を比較的高くすることがロータの
回転には好ましく、このためには印加電圧を高くする方
法、ケースを小型化する方法等がある。具体的には、図
１のケースの内直径が５ｃｍの時には印加電圧は３ｋＶ
以上、好ましくは５ｋＶ以上とすることが望ましい。

【００２９】また、第２の電圧印加方法は、図３におい
て８個の電極３ａ，３ｂ…３ｈに直流電圧を順次切り替
えて印加する方法である。具体的には、８個の電極３
ａ，３ｂ…３ｈのうちロータ６の回転軸６ａを挟んで相
対向する２個の電極３ａ，３ｅを正極として電圧を印加
し、残る電極は接地する。一定時間、例えば１秒経過後
に、電極３ａから隣接する電極３ｂに、電極３ｅから隣
接する電極３ｆに、図３において時計廻り方向に沿って
電圧印加を切り替える。この時、電極３ｅから電極３ｆ
への切り替えのタイミングを、電極３ａから電極３ｂへ
の切り替えのタイミングより一定時間、例えば０．５秒
遅延させる。したがって、電極３ｅには電極３ａよりも
長い時間、例えば０．５秒間余分に電圧が印加される。

【００３０】ついで、電極３ｂおよび電極３ｆへの所定
時間、例えば１秒間の電圧印加を行ったのち、電極３ｂ
から電極３ｃへ、電極３ｆから電極３ｇへ電圧印加を切
り替えるが、この切り替えも、電極３ｆから電極３ｇへ
のタイミングは、先の切替タイミングが遅れているため
同様に遅れることになる。このように、図４のタイミン
グチャートに示したように２個の電極への電圧印加の切
替えを同時に行うのではなく、２個の電極のいずれか一
個を所定時間、例えば０．５秒間遅延して切替えを行
う。以下、同様にして各電極に順次切り替えて電圧印加
が行われるが、どの場合にも電圧印加されている２個の
電極以外の電極は接地されている。

【００３１】この第２の電圧印加方法では、各電極間の
電界強度は比較的低くてもロータ６は回転し、印加電圧
は２ｋＶ以下であってもよく、印加電圧を高くできない
時やケースが大型の場合に好適な電圧印加方法である。

【００３２】このような複数の電極３ａ，３ｂ…に対す
る電圧印加によりケース１内の電気感応性流体１１は流
動し、この流動によってロータ６が回転する。かくし
て、ロータ６の回転軸６ａから回転運動を取り出すこと
ができ、アクチュエータとして作動する。また、電極３
ａ，３ｂ…（正極および負極）の平面的な配置を調整す
ることで、ロータ６の回転方向を制御することができ
る。すなわち、電気感応性流体が正極から負極への流動
を示す場合には、ロータ６はその方向に回転運動をする
ことになる。

【００３３】このようなアクチュエータにあっては、複
数の電極３ａ，３ｂ…への電圧印加による電気エネルギ
ーがロータ６の回転運動に変換され、動力として取り出
すことができる。このような電気感応性流体を作動流体
として使用したアクチュエータは、これまで知られてお
らず本発明者が初めて開発したものである。

【００３４】上述の具体例では電極数を８個としたが、
上述のように２個以上であればこれ以外でもよく、ロー
タの羽根の枚数も２枚以上であればよい。また、電極数
とロータの羽根の枚数とを一致させる必要も特にない。
さらに、他の電圧印加方法を採用すればロータの回転数
を変化させることもできる。また、上述のような回転機
に限られず、シリンダ内にピストンを配し、電気感応性
流体を満たすとともにシリンダの内周壁に円環状の電極
を複数並べて形成し、シリンダに電気感応性流体のもど
り流路を設け、電極に順次電圧を切り替えて印加するこ
とにより、ピストンを往復運動させることができる。

【００３５】（実験例１）図１ないし図３に示したアク
チュエータを作製した。但し、ロータ６のみは８枚の羽
根を等間隔に設けた８枚羽根のものを使用した。電気感
応性流体として、一般式（II）に含まれる上記構造式
（Ａ）のフッ素化合物を、下記４種（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）
の電気絶縁性媒体中に５重量％含有させたものを約６０
ｍｌケース１に満たした。電極３ａと電極３ｅとを正極
として直流５．０ｋＶを印加し、残りの電極はすべて接
地して負極とした。この結果、それぞれの電気感応性流
体中で、ロータ６は電圧印加直後に回転を始め、電圧印
加中回転し続けた。その時の、電気絶縁性媒体と回転速
度の関係を表１に示した。尚、いずれの場合にも電圧印
加時の電流値は、用いた電流測定装置の測定限界下限以
下の０．０５ｍＡ以下であった。電気絶縁性媒体：Ａ；シリコーンオイル（「ＴＳＦ４５１−１００」，東
芝シリコーン(株)製）Ｂ；セバチン酸ジオクチル（「ＤＯＳ」，協和発酵工業
(株)製）Ｃ；フルオロカーボン（「フロリナートＦＣ−７７」，
住友スリーエム(株)製）Ｄ；部分水添されたトリフェニル（「サームエス−９０
０」，新日鉄化学(株)製）

【００３６】

【表１】

【００３７】（実験例２）実験例１において、電気絶縁
性媒体としてＡのシリコーンオイルを用い、印加電極と
して電極３ａと電極３ｄとを用いた以外は同様の条件に
して電圧印加を行ったところ、印加直後よりロータ６が
回転しはじめ、印加中は１６秒／１回の回転速度で回転
しつづけた。電流値は０．０５ｍＡ以下であった。

【００３８】（実験例３）実験例１において、電気絶縁
性媒体としてＡのシリコーンオイルを用い、印加電極と
して電極３ａと電極３ｃとを用いた以外は同様の条件に
して電圧印加を行ったところ、印加直後よりロータ６が
回転しはじめ、印加中は２０秒／１回の回転速度で回転
しつづけた。電流値は０．０５ｍＡ以下であった。

【００３９】（実験例４）実験例１において、電気絶縁
性媒体としてＡのシリコーンオイルを用い、ロータ６と
して４枚の羽根を等間隔に設けた４枚羽根のものを使用
した以外は同様の条件にして電圧印加を行ったところ、
印加直後よりロータ６が回転しはじめ、印加中は１６秒
／１回の回転速度で回転しつづけた。電流値は０．０５
ｍＡ以下であった。

【００４０】（実験例５）図１ないし図３に示すアクチ
ュエータを作製した。ロータ６は図２に示すような６枚
羽根とし、電気感応性流体には実験例２で用いたものを
使用した。印加電圧は直流２ｋＶとし、電圧を８個の電
極に順次切り換えて印加する第２の印加方法を採用し
た。電極３ａ，３ｂ…３ｈへの電圧印加は、図４のタイ
ミングチャートに示した通りとし、印加時間は１秒と
し、電極３ｅへの最初の印加時間のみ１．５秒とした。
この結果、ロータ６は２４秒／１回転の回転速度で回転
し続けた。

【００４１】（実験例６）実験例１で用いた構造式
（Ａ）のフッ素化合物のかわりに、一般式（Ｉ）に含ま
れるＦ−(ＣＦ₂)₈−ＣＨ₂ＣＨ₂ＯＨ（「Ａ−１８２
０」，(株)ダイキンファインケミカル研究所製）を用い
た以外は実験例１と同様にして、電気絶縁性媒体と回転
速度の関係を測定し、表２に示した。尚、いずれの場合
にも電圧印加時の電流値は、用いた電流測定装置の測定
限界下限以下の０．０５ｍＡ以下であった。

【００４２】

【表２】

【００４３】（実験例７）実験例１で用いた構造式
（Ａ）のフッ素化合物のかわりに、一般式（III）に含
まれるＨＯＯＣ−(ＣＦ₂)₆−ＣＯＯＨ（出光石油化学
(株)製）を用いた以外は実験例１と同様にして、電気絶
縁性媒体と回転速度の関係を測定し、表３に示した。
尚、いずれの場合にも電圧印加時の電流値は、用いた電
流測定装置の測定限界下限以下の０．０５ｍＡ以下であ
った。

【００４４】

【表３】

【００４５】（実験例８）実験例１で用いた構造式
（Ａ）のフッ素化合物のかわりに、一般式（IV）に含ま
れ、上記構造式（Ｅ）で表される化合物（出光石油化学
(株)製）を用いた以外は実験例１と同様にして、電気絶
縁性媒体と回転速度の関係を測定し、表４に示した。
尚、いずれの場合にも電圧印加時の電流値は、用いた電
流測定装置の測定限界下限以下の０．０５ｍＡ以下であ
った。

【００４６】

【表４】

【００４７】（実験例９）電気感応性流体として、一般
式（III）に含まれるＨＯＣＨ₂−(ＣＦ₂)₈−ＣＨ₂ＯＨ
（出光石油化学(株)製）を、実験例１で用いたシリコー
ンオイル中に３重量％含有させたものを用い、実験例１
と同様に５．０ｋＶ印加時の回転速度を測定したとこ
ろ、７２．８秒／１回転であった。尚、電圧印加時の電
流値は、用いた電流測定装置の測定限界下限以下の０．
０５ｍＡ以下であった。

【００４８】（実験例１０）電気感応性流体として、一
般式（Ｉ）に含まれるＦ−(ＣＦ₂)_2a−ＣＨ₂ＣＨ₂ＯＨ
（ａは３〜８の整数である混合物、「Ｃｍアルコー
ル」，旭硝子(株)製）を、実験例１で用いたシリコーン
オイル中に３重量％含有させたものを用い、実験例１と
同様に５．０ｋＶ印加時の回転速度を測定したところ、
７８．６秒／１回転であった。尚、電圧印加時の電流値
は、用いた電流測定装置の測定限界下限以下の０．０５
ｍＡ以下であった。

【００４９】（実験例１１）電気感応性流体として、Ｂ
の電気絶縁性媒体中に、実験例１で用いたフッ素化合物
を５重量％含有させたものを約６０ｍｌケース１に満た
した。８枚羽根のロータ６を用い、電極３ｃ，３ｄ，３
ｇ，３ｈをケースより取り去り、電極３ａと３ｅとを正
極とし、電極３ｂと３ｆを接地して負極として、直流
５．０ｋＶを印加して、印加中の回転方向と回転速度を
測定した。結果を表５に示した。また、電極３ｂと３ｆ
のかわりに、電極３ｄと３ｈを負極として用いて、同様
に電圧印加中の回転方向と回転速度を測定し、結果を表
５に示した。尚、電圧印加時の電流値はどちらの場合に
も、用いた電流測定装置の測定限界下限以下の０．０５
ｍＡ以下であった。

【００５０】

【表５】

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば電
気感応性流体を作動流体とし、電気エネルギーを回転運
動や往復運動に変換する新規なアクチュエータを得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のアクチュエータの一例を示す概略構
成図である。

【図２】図１のアクチュエータのロータを示す平面図
である。

【図３】図１のアクチュエータの電極の配置を示す平
面図である。

【図４】本発明のアクチュエータにおける電極への第
２の電圧印加方法の一例を説明するためのタイミングチ
ャートである。

【符号の説明】

１…ケース、３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ，３
ｇ，３ｈ…電極、６…ロータ、１０…直流電源、１１…
電気感応性流体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】筐体内に電気感応性流体を作動流体とし
て入れ、この筐体に複数の電極を設け、筐体内に動力取
出用の可動部材を配してなり、上記電極に電圧を印加し
て作動流体を流動させ、この流動によって可動部材を動
かすようにしたことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】円筒状の筐体に電気感応性流体を作動流
体として入れ、この筐体の内周壁に複数の電極を設け、
筐体内に羽根車状のロータを配してなり、上記電極に電
圧を印加して作動流体を流動させ、この流動によってロ
ータを回転させるようにしたことを特徴とするアクチュ
エータ。
【請求項３】上記電気感応性流体として、有機フッ素
化合物と電気絶縁性媒体とからなる組成物を用いること
を特徴とする請求項１または２記載のアクチュエータ。