(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界共役流体のジェット噴流圧力によって変形する駆動部（２）と、電圧印加によって該電界共役流体のジェット噴流圧力を発生させる少なくとも１対の電極を備えている電極部（３）とを備えた、電界共役流体を密封して収容する流体収容部（１）を有する、閉鎖系筺体からなるアクチュエータであって、該駆動部は流体収容部の両先端もしくは片先端に形成される円弧状チューブからなり、該電界共役流体のジェット噴流による加圧もしくは減圧により該円弧状チューブからなる駆動部を変形させ、その変位を駆動力とすることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記駆動部が、電界共役流体のジェット噴流圧力によって変形可能な部材または変形可能な構造よりなることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記駆動部が複数互いに貼合されており、電界共役流体のジェット噴流圧力により、一部の駆動部が変形することにより、貼合された駆動部全体を任意の方向に変形駆動させることができることを特徴とする請求項１又は２記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記電極が、電界共役流体に非一様電界を形成可能な針状電極とリング状電極からなる電極対であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記電極が、電界共役流体に非一様電界を形成可能なコイル状電極であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記電極の少なくとも1方が、電界共役流体に非一様電界を形成可能な目開き0.05〜5.0mmの網状電極であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記針状電極が、その先端角度が９０°以下または１８０°以上の先端形状を有するものである請求項４記載のアクチュエータ。
【請求項８】
前記電極間に50V〜15KVの電圧を印加することを特徴とする請求項１〜７の何れか１項記載のアクチュエータ。
【請求項９】
電界共役流体が、導電率＝４×１０-10S/m,粘度＝１×１０0Pa・sで表される点Ｐ、導電率＝４×１０-10S/m,粘度＝1×１０-4Pa・sで表される点Ｑ、導電率＝５×１０-6S/m,粘度＝１×１０-4Pa・sで表される点Ｒを頂点とする直角三角形の内部に位置する導電率および粘度を有する化合物、または、該三角形の内部に位置する導電率および粘度を有するように調製された二種類以上の化合物の混合物からなる電界共役流体か、導電率が４×１０-10〜５×１０-6S/mの範囲内にあり、表面張力が２２dyn/cm以下の含フッ素系電界共役流体であることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電圧を印加することにより電界間を移動する電界共役流体を用いたアクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
電界共役流体（ＥＣＦ）とは、Electro-Conjugate Fluidの略語であり、電圧印加によって電極間に移動流（ＥＣＦジェット噴流）を発生する特徴を有する作動環境温度下で液体状態を示す流体である。
【０００３】
本発明者らは、これまで、特許第３１７９０３５号に示す、導電率＝４×１０-10S/m,粘度＝１×１０0Pa・sで表される点Ｐ、導電率＝４×１０-10S/m,粘度＝1×１０-4Pa・sで表される点Ｑ、導電率＝５×１０-6S/m,粘度＝１×１０-4Pa・sで表される点Ｒを頂点とする直角三角形の内部に位置する導電率および粘度を有する化合物、または、該三角形の内部に位置する導電率および粘度を有するように調製された二種類以上の化合物の混合物からなる流体や、特許第３１５７８０４号に示す、導電率が４×１０-10〜５×１０-6S/mの範囲内にあり、表面張力が２２dyn/cm以下の含フッ素系流体が、電界共役流体であることを見出し、特許されるに至っている。
【０００４】
また、本発明者らは、上記電界共役流体の具体的応用例として、ＥＣＦジェット噴流を駆動源として用いる各種回転モータやポンプ機構を提案し（特許第３１７９０３５号、特許第３２２４９８５号、特許第３２２５０１５号）、更に特許第３２２５０１６号として、円筒内に付設された電極間に発生するＥＣＦジェット噴流により円筒内のピストンを移動させるピストン駆動型リニアモータや、ＥＣＦジェット噴流を推力として電極が移動体となって円筒内を移動する電極駆動型リニアモータを提案した。
【０００５】
上記回転モータは、円筒型回転ロータ上に電極を付設し、ロータの回転軸を介して回転駆動力を外部に導出する等の方式のものであり、また上記リニアモータでは、円筒内にある移動体から外部への駆動力の導出は、円筒より突き出したピストン棒や、円筒両端蓋部から突出した電極支持棒の移動を介して行われていた。即ち、これまでのＥＣＦジェット噴流を駆動力として用いるアクチュエータは、電極が設置されＥＣＦが充填されている筐体から駆動軸を筐体外に突出させ、駆動軸の運動を介して動力の導出を行っていたため、筐体より突出する駆動軸については、筐体内に充填されたＥＣＦが漏出しないように軸受け部分の液体シールや軸封じが必要であり、摩擦による伝達動力のロスもあった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記従来技術を更に改良したものであり、より小型化が可能で高性能な実用的アクチュエータの提供を目的とするものである。
【０００７】
本発明者らは、この目的を達成すべく更に検討を進めた結果、弾性変形可能なチューブを利用し、ＥＣＦジェット噴流圧力により、チューブを弾性変形させ、その変位を駆動力として用いる方式に着目し、本発明を完成するに至ったものである。
【０００８】
即ち、本発明は、電界共役流体のジェット噴流圧力によって変形する駆動部（２）と、電圧印加によって該電界共役流体のジェット噴流圧力を発生させる少なくとも１対の電極を備えている電極部（３）とを備えた、電界共役流体を密封して収容する流体収容部（１）を有する、閉鎖系筺体からなるアクチュエータであって、該駆動部は流体収容部の両先端もしくは片先端に形成される円弧状チューブからなり、該電界共役流体のジェット噴流による加圧もしくは減圧により該円弧状チューブからなる駆動部を変形させ、その変位を駆動力とすることを特徴とするアクチュエータである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の基本原理は、チューブ内のＥＣＦジェット噴流により発生する圧力を駆動源としてチューブを弾性変形させ、その変位を駆動力とすることにある。本発明によれば、電界共役流体を充填するチューブを密閉することができ、外部への駆動軸が不要となり、駆動軸部の液体シールや軸封じが不要となる。また、液体シール部分からの流体漏出や、軸・シール部間の摩擦による駆動力ロスもなくなり、自由自在に変形することができるＥＣＦチューブアクチュエータの提供が可能となる。
【００１０】
本発明は、ＥＣＦジェット噴流により発生する圧力を利用するものであり、図１に本発明のアクチュエータの基本原理を模式的に示す。
【００１１】
本発明のアクチュエータは、原則として電界共役流体を充填密閉した閉鎖系筐体であり、電界共役流体を密封して収容する流体収容部１は、ＥＣＦジェット噴流圧力によって変形する駆動部２と、電圧印加によって該電界共役流体のジェット噴流圧力を発生させる少なくとも1対の電極を備えている電極部３とから構成される。ジェット噴流圧力によって変形するのは駆動部２のみであり、電極部３とその近傍は固定され、ジェット噴流圧力によっては変形しない構成となっている。
【００１２】
図１に示すように、電極部で発生したＥＣＦジェット噴流は駆動部へと移動する。このＥＣＦジェット噴流が密閉系内で発生するときには、噴流方向の圧力は高まり、反対方向の圧力は減少する。これらの圧力変化により変形する部材や機構で駆動部は製造される。具体的にはシリコーンゴムでできた円弧状チューブを駆動部として用い、差圧の力で弾性変形させ、その変位を駆動力として用いるものである。図１に示すような構造では、左右の円弧の屈伸を交互に繰返すことによって、パイプの中を這うように進むことができる。図１の構造では、たわみの外側と内側にも均等に圧力はかかるが、円弧形状なことから、外側弧の方が内側弧よりも面積が広く、受圧面積が大きな外側のほうにより多くの力がかかる。この結果、たわみを解消するように外側に開こうとして、円弧状→延伸状となりアクチュエータが形成される。これは、圧力測定原理のブルドン管に似ている。
尚、チューブ内への電界共役流体の充填率は、必ずしも100％でなくてもよく、ＥＣＦジェット噴流を発生させる電極近傍が電界共役流体によって満たされていればよく、例えば図１においては、アクチュエータの両先端部は空気や、用いた電界共役流体と相溶しない液体等で満たされていてもよい。
【００１３】
また、このようなチューブを複数貼合したものも使用できる。図２には、２つのチューブを貼合したアクチュエータを示した。これは、ＥＣＦジェット噴流圧力により、片方のチューブを延伸（加圧力）させ、片方を収縮（負圧力）させて、貼合チューブを屈曲させることができ、バイメタルに動作が似ている。
【００１４】
また、図３に示すように、３本のチューブを貼合して、それぞれチューブへのＥＣＦ圧力を調整することにより、任意の方向にチューブを屈曲させることができる。指の動きにも似ているが360°の方向に屈曲させることが可能である。
【００１５】
これらのＥＣＦチューブアクチュエータは、マイクロアクチュエータとして細管内の移動作業に用いたり、指の動きを模倣した人工指や、複数のＥＣＦチューブアクチュエータを組み合せて、手指の動きを模倣した人工手指や、卵を潰さずに掴み上げ移動するしなやかなロボットハンド機能や、プリンターやコピー機の紙送り機構等に使用できる。また、ＥＣＦチューブアクチュエータは小型化が容易なことから、医療分野において血管より挿入して疾患部位を措置するマイクロサージェリー用器具に用いる方向ガイド機構やアクチュエータとして用いることができる。
さらに、チューブ材質として透明体を用いて、ＥＣＦチューブアクチュエータがＥＣＦジェット噴流圧力により弾性変形する原理を応用して、透明体を光透過のレンズ機構として用いれば、レンズ厚をＥＣＦジェット噴流圧力により任意に調整することが可能となり、焦点距離や倍率等のレンズ性能を電気制御により自由に調整可能な光制御機構も可能となる。
【００１６】
次に、本発明に用いる電極について説明する。
【００１７】
ＥＣＦジェット噴流は、図４に示すような２本の線状電極が２重螺旋状となったコイル型電極や、図５に示すような２枚の対向する網状電極（目開き0.05〜5.0mm）によっても発生し、そのＥＣＦジェット噴流を用いたリニアアクチュエータは、本発明者らが、特願平１０−１１８３３号（特許第３２２５０１６号）に示している。これらは、本発明の電極部として用いることができ、ＥＣＦジェット噴流圧力を発生させることにより、本発明のＥＣＦアクチュエータを駆動させることができる。
【００１８】
また、図６に示すような針状電極とリング状電極からなる電極対も用いることができる。この電極対もＥＣＦジェット噴流を発生することは、本発明者らによって特願平９−２９０８２６号（特許第３２４５３８６号）に示されている。
【００１９】
また、この針状電極の形状については、その先端角度が90°以下の尖鋭先であることが好ましいことが分かった。また180°以上の場合には、図７のようになり、円周縁部分が円弧状に尖鋭先となっていることから、この形状も好ましい。
【００２０】
これらの電極間に50V〜15KVの電圧を印加することにより、電界共役流体のジェット噴流を形成することができる。
【００２１】
本発明で用いる電界共役流体は、印加電圧に応じて電極間に移動流を形成可能な液体である。ここで使用される電界共役流体は、印加電圧に応じて電極間に移動流を形成することができる使用温度において液体の有機化合物であり、この有機化合物は実質的に絶縁性である。より具体的には、特許第３１７９０３５号に詳細に説明されている、ジブチルアジペート、トリアセチン等に代表される、導電率＝４×１０-10S/m,粘度＝１×１０0Pa・sで表される点Ｐ、導電率＝４×１０-10S/m,粘度＝1×１０-4Pa・sで表される点Ｑ、導電率＝５×１０-6S/m,粘度＝１×１０-4Pa・sで表される点Ｒを頂点とする直角三角形の内部に位置する導電率および粘度を有する化合物、または、該三角形の内部に位置する導電率および粘度を有するように調製された二種類以上の化合物の混合物からなる流体や、特許第３１５７８０４号に詳細に説明されている、エチルパーフルオロブチルエーテル等に代表される、導電率が４×１０-10〜５×１０-6S/mの範囲内にあり、表面張力が２２dyn/cm以下の含フッ素系流体が用いられる。
【００２２】
【実施例】
以下、実施例により本発明を更に具体的に説明する。
実施例１（加圧圧力によるアクチュエータ駆動）
図８に本実施例で用いたＥＣＦアクチュエータの構造を示す。
【００２３】
装置両端の駆動部Cは、内径2.4mm、肉厚50μmの円弧状シリコーンゴムチューブで製作し、その曲率半径は34mm、撓み角度は46°であった。
【００２４】
電極には、針状電極Aとリング状電極Bからなる電極対を用いた、針状電極Aの形状は根本外径125μm、先端角度180°で、タングステンを用いて製作した。リング状電極Bの形状は、外径3mm、穴径2mm、厚さ1mmで、黄銅を用いて製作した。両電極間の間隔は0.3mmとした。
【００２５】
電界共役流体にはDBD（デカン二酸ジブチル）を用いた。
【００２６】
実験装置内にDBDを充填し、その時の駆動部Cの曲率半径は49.3mm、撓み角度は32°であった。針状電極Aを正極にリング状電極Bを負極として、直流電圧を印加したときの駆動部Cの先端の垂直方向変位と水平方向変位を測定して図９に示した。実験は室温状態で行った。
【００２７】
また、その時の駆動部付近の圧力を、圧力計Dで測定して、図１０に示した。
【００２８】
図９と図１０の結果により、印加電圧に比例した加圧圧力の発生により、駆動部が変位しアクチュエータとして機能していることが分かった。
実施例２（減圧圧力によるアクチュエータ駆動）
実施例１で用いたＥＣＦアクチュエータ（図８）を用いて、針状電極Aの代わりに同形状の針状電極Xを正極とし、リング状電極Bの代わりに同形状のリング状電極Yを負極とした以外は実施例1と同様にして、直流電圧を印加した。その時の駆動部Cの先端の垂直方向変位と水平方向変位を測定して図１１に示し、圧力計Dで測定した発生圧力を図１２に示した。
【００２９】
図１１と図１２の結果より、ＥＣＦジェット噴流力の方向が異なるとジェット噴流後方では減圧圧力が発生し、駆動部先端は加圧圧力とは反対の方向に駆動した。これらにより、ＥＣＦジェット噴流方向による加圧・減圧圧力の発生により、駆動部を任意の方向に変位させ、自由度の高いアクチュエータが可能なことが分かった。
実施例３（多段電極）
図１３に示す構造のＥＣＦアクチュエータを用いた。実施例１で用いたアクチュエータとの違いは、図８の針状電極Xとリング状電極Yの位置が交代され、リング状電極B-2と針状電極A-2となっており、ＥＣＦジェット噴流発生電極対が直列に配向された多段電極対となっていることであり、それ以外の構造は同様である。
【００３０】
針状電極Aと同形状の針状電極A-2を正極として、リング状電極Bと同形状のリング状電極B-2を負極として、直流電圧を印加し、その時の駆動部Cの先端の垂直方向変位と水平方向変位を測定して図１４に示し、圧力計Dで測定した発生圧力を図１５に示した。
【００３１】
図１４と図１５の結果から、電極対を直列に複数配向した場合には、単独電極の電極対の場合に比較し、発生する加圧圧力は増大し、駆動変位も増大していることが分かった。
実施例４（電極形状）
図１６に示す構造の装置を用いて、電極形状と発生するＥＣＦジェット噴流力の関係を測定した。実験は室温で行い、電界共役流体には実施例1で用いたDBDを使用し、針状電極を正極としリング状電極を負極として、直流電圧10KVを印加した。リング状電極は、外径8mm、穴径5mm、厚さ1mmであり黄銅を用いて製造した。リング状電極と針状電極との電極間隔と、針状電極の材質、外径、先端角度をそれぞれ変えて、その時に上部に噴水状に発生するＥＣＦジェット噴流の高さを測定し、ＥＣＦジェット噴流力とした。その結果を図１７〜１９に示した。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のアクチュエータの基本原理を模式的に示す装置の概略図である。
【図２】  本発明の別の形態である２つのチューブを貼合したアクチュエータを示す図である。
【図３】  本発明の更に別の形態である３本のチューブを貼合してしたアクチュエータを示す図である。
【図４】  本発明に用いる２本の線状電極が２重螺旋状となったコイル型電極を示す図である。
【図５】  本発明に用いる２枚の対向する網状電極を示す図である。
【図６】  本発明に用いる針状電極とリング状電極からなる電極対を示す図である。
【図７】  本発明に用いる針状電極の好ましい先端形状を示す図である。
【図８】  本発明の実施例１で用いたアクチュエータを示す図である。
【図９】  実施例１の実験における、印加電圧と垂直方向変位及び水平方向変位との関係を示すグラフである。
【図１０】  実施例１の実験における、印加電圧と発生圧力との関係を示すグラフである。
【図１１】  実施例２の実験における、印加電圧と垂直方向変位及び水平方向変位との関係を示すグラフである。
【図１２】  実施例２の実験における、印加電圧と発生圧力との関係を示すグラフである。
【図１３】  本発明の実施例３で用いたアクチュエータを示す図である。
【図１４】  実施例３の実験における、印加電圧と垂直方向変位及び水平方向変位との関係を示すグラフである。
【図１５】  実施例３の実験における、印加電圧と発生圧力との関係を示すグラフである。
【図１６】  実施例４で行った電極形状と発生するＥＣＦジェット噴流力の関係を調べるのに用いた装置を示す図である。
【図１７】  実施例４の実験における、電極間距離とＥＣＦジェット噴流の高さとの関係を示すグラフである。
【図１８】  実施例４の実験における、電極間距離とＥＣＦジェット噴流の高さとの関係を示すグラフである。
【図１９】  実施例４の実験における、電極間距離とＥＣＦジェット噴流の高さとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１…流体収容部
２…駆動部（チューブ）
３…電極部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
0003718482.tif 000013
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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