(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＥＲ流体（ＥＲゲルを含む）を用いたデバイスに電圧を印加する方法において、印加する電圧を正負反対符号の電圧に振り分けて印加することを特徴とするＥＲ流体への電圧印加法。
【請求項２】
電圧を印加する電極が、正電極基板／ＥＲ流体／出力基板／ＥＲ流体／負電極基板なる配列をとることを特徴とする請求項１に記載されたＥＲ流体への電圧印加法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明はＥＲ（エレクトロレオロジー：電気粘性）流体（ゲルを含む）を用いた各種デバイスの電圧印加法と電極配列法に関するものである。従来は絶縁破壊を起こすため印加できなかった高い電圧をＥＲ流体デバイスに印加して大きなＥＲ効果を発現できるようにするもので、コンパクトかつ高性能なデバイスの実現を可能とする新しいＥＲ流体への電圧印加法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＥＲ流体は印加する電圧の強さに応じて粘弾性を制御できる流体であり、その応答性が極めて高いことから、トルク伝達や振動・衝撃吸収、油圧・空圧制御、位置・速度制御、仮想現実感の力覚呈示、把持・固定など様々な用途への応用が提案され、一部のデバイスで実用化され始めている。ＥＲ流体の粘性変化の大きさは、一般に印加する電圧のほぼ２乗に比例することから、高い電圧を印加できればできるほど大きな粘性変化が得られ、よりコンパクトで高性能（高出力）のデバイスの実現が可能となる。
【特許文献１】特開平9-53610号公報
【非特許文献１】未来材料、12巻8号31頁、2003年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】ＥＲ流体を電極基板間に挟み高い電圧を印加しても、流体に流れる電流は極めて低い。そのためＥＲ流体を用いたデバイスは消費電力が低く、また高電圧を必要とするものの容量の小さな高圧電源で作動できる。この点は安全上からも望ましいが、電圧が高くなるほど電極間での絶縁破壊を起こし易くなる問題がある。そのため、ＥＲ流体は一般に電界強度（電圧を電極間隙で割った値）が数（３程度）ｋＶ／ｍｍ以下で使用されている。ＥＲ流体の粘性変化は電界強度のほぼ２乗の比例することから、例えば３ｋＶ／ｍｍが４ｋＶ／ｍｍになるだけで、１６／９、すなわち約１．８倍の粘性変化が得られ、デバイスとしてもその分コンパクト化できる。絶縁破壊を防ぐ方法としては、電極基板面の突起を防ぐ、電極表面を薄い絶縁性の物質で被覆する、ＥＲ流体に気泡を含ませないなどの方法が紹介されている（未来材料、１２巻８号３１頁、２００３年）が、不安定な絶縁破壊を防止する効果はあるものの、印加できる電界強度を高める効果は小さい。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明者は長年ＥＲ流体およびその応用開発を行ってきた。ＥＲ流体の絶縁破壊を抑える方法として流体材料面や使用方法面から、種々の手法を検討したが有効な手段は見出されなかった。例えば、使用面では印加する電圧を、ＤＣ電圧の他にＡＣ電圧、パルス電圧を周波数やパルス幅を変えて印加する方法などを検討したが、ＥＲ効果の発現の程度には影響あるものの、絶縁破壊電圧を上げる効果は殆ど見られなかった。
【０００５】
静電吸着の分野ではシリコンウエハなど絶縁物を吸着させる際に、ウエハ自体に高電位による静電気破壊を起こさせないために、一つの吸着基板面に正負反対符号の電極を形成して電圧を印加する場合がある。本発明者は常々ＥＲ流体の絶縁破壊の防止方法を考えてきたことから、これをヒントに次のように考えた。すなわち、ＥＲ流体には従来ゼロ電位（一般的にはアース電位）を基準に一般に正の高電圧を印加してきたが、静電吸着の場合のように電圧を正負に振り分けることにより実質上、正負それぞれ半分の電圧を印加することになり、絶対電圧を低下させ、その結果ＥＲ流体の絶縁破壊を起こし難くすることが出来るのではないだろうかと考えた。
【０００６】
そこで、正負の電圧を発生する高圧電源を製作し、手持ちのＥＲ流体ブレーキやクラッチで確かめたところ、従来のゼロ電位基準では絶縁破壊を起こし易かった4000Vの電位差でも、−2000Ｖと＋2000Vに振り分けて印加すれば、絶縁破壊を生じることなく安定に高電圧を印加でき、またゼロ電位基準の3000Vの際に発生するＥＲ効果の1.6倍のＥＲ効果を安定に発現することが確認された。
【０００７】
また、このように印加する電圧を正負に振り分ける方法に加えて、新規な電極配列法を取ることにより、ＥＲ流体を用いたデバイスの簡素化や安全性の向上が図れることが分かった。
【０００８】  すなわち、本発明は、ＥＲ流体（ＥＲゲルを含む）に電圧を印加して該流体の粘弾性を制御方法において、電圧を正負反対符号に振り分けて印加する電圧印加法および、その電極が、正電極基板／ＥＲ流体／出力基板／ＥＲ流体／負電極基板なる配列をとることを特徴とするＥＲ流体への電圧印加法にある。【０００９】
本発明に言うＥＲ流体とは、電圧を印加した際にその粘弾性が瞬間的にかつ大きく変化し、その変化が可逆的である流体およびゲルである。ＥＲ流体はミクロンサイズの誘電体粒子を絶縁油に分散させた分散系と、粒子を用いない均一系に大別される。
【００１０】
前者に用いられる粒子としては、イオン分極が可能な水、酸、アルカリあるいは有機電解質などを含んだ、シリカやゼオライト等の無機粒子、あるいはイオン交換樹脂やセルロースなどの有機粒子、水を含まずイオン分極よりは電子分極を生じ易いカーボンやポリアニリン、金属フタロシアニン等の半導電体粒子、表面に絶縁性薄膜層を形成した金属粒子や導電ポリマー粒子、その他、異方導電性や非線形光学特性を有する材料からなる粒子等が挙げられる。最近は高誘電性のナノ粒子を用いたＥＲ流体も開発されている。
【００１１】
また後者の均一系としては、液晶性、粘度異方性、両親媒性、強誘電性、高双極子能率等を有する物質あるいはその溶液や混合液が挙げられ、中でも、液晶、特に高分子液晶が好ましいものとして挙げられる。前者の分散系は電界印加時に剪断応力が剪断速度によらずほぼ一定である、いわゆるビンガム流動を示す。一方、後者の均一系は一般に剪断応力が剪断速度に比例する、いわゆるニュートン流動を示す。本発明にはいずれの流体をも使用することできる。
【００１２】
一方、ＥＲゲルは上記ＥＲ流体に使用されるような誘電体粒子をシリコーン、ポリスチレン、ポリメタアクリレート、ポリフッ化ビニリデンなどのポリマーからなるゲル中に分散させたもので、中でもシリコーンゲルは電気的特性に優れることから研究が進んでいる。シリコーンゲルを用いたＥＲゲルについては、特開2002−080881号公報、同2005−255701号公報、同2006−328281号公報などに記載されている。またＥＲ流体と同様、誘電体粒子を用いない均一系のＥＲゲルも高分子液晶ポリシロキサン等を用いて作製されており、これらにも本願特許の電圧印加法を適応できる。
【００１３】
本発明に言うＥＲ流体（ＥＲゲルを含む）の粘弾性とは、流体の場合は粘度や動的弾性率であるが、ゲルの場合はゲルの粘性や動的弾性率のみならず、電極とゲルとの接触界面の密着性や付着性も含まれる。
【００１４】
本発明で言う「正負反対符号に振り分けて電圧を印加」とは、例えばＥＲ流体（ＥＲゲルを含む）に2000Vの電圧（電位差）を印加する場合、プラス1000Vとマイナス1000Vに振り分けて印加することを言う。この振り分けの比率は1対1、すなわち、半分の値のプラスとマイナスの電圧、として印加するのが望ましいが、必ずしも1対1でなくても1対4から4対1の程度の範囲で振り分けても良い。このような正負反対符号の電圧に振り分けて印加することにより、従来のゼロＶを基準としてプラスの高電圧を印加していた場合に比べて、ＥＲ流体デバイスの絶縁破壊が起き難くなる原因は定かではないが、ＥＲ流体自体の破壊ではなく、通常はゼロ電位であるデバイス周辺部材と電極間での相対的な電圧が低下するために放電し難くなるのではと推論している。しかし、現実には、周辺部材を取り除いたプラスとマイナスの電極間だけの場合でも絶縁破壊が起こり難い。
【００１５】
印加する電圧は、直流、直流パルス、交流のいずれでも良い。直流パルスの場合は印加のタイミングがずれていても良い。また交流の場合には３相交流よりも位相が逆転する２相交流が望ましい。
【００１６】
ＥＲ流体（ＥＲゲルを含む）に電圧を印加する電極配列として、従来用いられてきた一般的な配列法を図1に示す。ＥＲ流体2は高圧側電極基板1と低圧側電極基板2の間に挟まれている。ＥＲ流体を用いたクラッチやブレーキなどのデバイスでは、高圧側電極基板1、低圧側電極基板3はそれぞれ入力基板、出力基板としての役割を果たす。また図2は絶縁性基板4の同一面上に高圧側電極3と低圧側電極1が配列し、これと対向する出力あるいは入力基板5との間にＥＲ流体2が挟まれた配列方法であり、特開平9-53610号公報に記載された方法である。なお、基板は平面でなく回転軸やシリンダの内壁や外壁のような円筒面であっても良い。ＥＲ流体が挟まれる間隙は一定距離であることが望ましい。またＥＲゲルの場合には、ＥＲゲルは入力あるいは出力基板の一方の表面に接着固定されていることが望ましい。
【００１７】
本願発明は上記の２つの電極配列法のいずれにも適応できるが、下記の配列法をとると更に優れた特徴が発揮される。その電極配列法を図3および図4に示す。図3は、高圧正側電極基板6／ＥＲ流体2／出力あるいは入力基板5／ＥＲ流体2／高圧負側電極基板7、なる配列法である。また図４は、（高圧正側電極6＋高圧負側電極7）基板／ＥＲ流体2／出力あるいは入力基板5、なる配列法である。このような配列法で、出力あるいは入力基板5自体、あるいはその表面を導電性材料で形成することにより、出力あるいは入力基板5の表面は正側高電圧と負側高電圧の中間の電位をとることになる。そのため印加する正側と負側の絶対電圧をほぼ等しくすることで、基板5の表面電位を中間のゼロ電位あるいはゼロ電位近辺にすることができ、基板5からアースをとらなくても安全性が大きく向上する。
【００１８】
一方、従来の電極配列である図1の場合には、一般に低圧側をアースに結線する必要あり、また図2の場合には電極基板と対向する出力あるいは入力側の基板5の表面が高圧と低圧の中間電位をとることになり、高圧側の電圧が高くなると出力あるいは入力側の基板5の電位が高くなり、感電などの危険が生じる恐れがある。
【００１９】
図3および図4に示した本発明の電極配列方法では、電極に高電圧を印加した際でも出力あるいは入力基板5をほぼゼロ電位にすることができることから、基板5が回転や移動を行う場合でも基板5からアースをとる必要がなくなり、デバイスの設計が大幅に容易になる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の電圧印加法により、従来の電圧印加法では絶縁破壊の発生が起き易くて印加できなかった高い電圧をＥＲ流体に印加することが可能となり、同じＥＲ流体を用いたデバイスでも2倍近くの大きなＥＲ効果を発現させることが可能となった。そのため、デバイスのコンパクト化が可能となり、印加する絶対電位も低減でき、安全性の向上が図れた。また、本発明の電圧印加法と新しい電極配列法を組み合わせることにより、感電や高電圧による静電気破壊を起こす恐れのあるデバイスの出力あるいは入力側の基板（あるいはそれと金属部品で連結する部分）の電位を、ゼロあるいはゼロ近くに低減でき安全性が高まる。すなわち、高電圧を使用するＥＲ流体デバイスの難点であった移動する入力あるいは出力側基板からのアースが、必ずしも必要ではなくなり、デバイス設計が大幅に容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、実施例をもって本発明の内容を補足する。
【実施例】
【００２２】
（実施例１）
図5に示すＥＲ流体の特性評価装置を用いて、電圧印加法による特性の相違を評価した。金属製シリンダ10（内径42mm、深さ45mm）の底に沈められたの樹脂製絶縁性円盤12（厚さ10mm）の中央部にあけられた三角錘の穴と、樹脂製の絶縁性蓋13の中央部に設置されたベアリング14との2箇所で、金属製のロータ11（直径40mm、長さ40mm）が支えられている。ロータ11は絶縁性カプラー15を介してトルクセンサ19に接続されている。シリンダ10は絶縁性カプラー15を介して結合されたモータ16により回転する。モータ16およびトルクセンサ19はフレーム20で固定されている。ロータ11およびシリンダ10の軸部には、それぞれ高圧側電圧および低圧側電圧を印加するための給電用ブラシ17および18が設置されている。
【００２３】
評価に用いたＥＲ流体は、変性ポリアミド樹脂エラストマー粒子（平均粒径：12μm）をシリコーンオイル（粘度：20cst）に容積率30％で分散させたものである。電圧印加による剪断応力の評価は、ロータ11の回転速度を60rpm一定として25℃で行った。直流高圧電源を用い、ゼロ電位を基準とした従来の方法と、正負（１対１）に振り分けた本願発明の方法との評価結果を表１に示す。
【表１】
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【００２４】
表１の結果のように、従来法と本願発明法での印加電位差による剪断応力の値には大差はないが、本願発明の電圧印加法を用いた場合、絶縁破壊電圧が向上して、高い電圧を印加できるようになり、同じＥＲ流体であっても実質的に大きな剪断応力、すなわちＥＲ効果が得られる。
【００２５】
（実施例２）
図6に示す円盤型ＥＲ流体ブレーキを用いて、本願発明の電圧印加法の効果を確認した。樹脂製ハウジング21（外径85mm）の内面には、ドーナツ型金属板（内径25mm、外径70mm、厚さ1mm）からなる高圧正側電極板22および高圧負側電極板23が貼り付けられており、それぞれから導線28が取り出されている。ハウジング21の内部には、段差付きの金属製シャフト25（直径8mm）をもつ金属製の円盤型ロータ24（直径70mm、厚さ5mm）が設置され、ベアリング14により回転する。円盤型ロータ24の表面と電極板22および23の1.0mmの間隙には実施例１で用いられたＥＲ流体が充填され、Ｏリングシール26によって漏れが防止されている。
【００２６】
このような構造のＥＲ流体ブレーキを用いて、印加電圧とトルク（ブレーキ力：Nm）の関係を測定した。電圧印加の方法を、電極板22に正の高電圧、電極板23に負の高電圧（本願発明法Ａ）、電極板22および電極板23に正の高電圧、ロータ24（シャフト25）を負の高電圧（本願発明法Ｂ）、電極22および電極23ともに高電圧、ロータ24（シャフト25）をゼロ電位（従来法）の３法で比較したトルクの測定結果を表２に示す。表中の印加電位差は電極板とロータ24（シャフト25）との間の値であり、本願発明法ＡおよびＢでは正負の絶対電圧の比を１対１に、従来法では、ロータ24（シャフト25）をアースに接続してゼロ電位とした。
【表２】
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【００２７】
上記の結果から、実際のデバイスに用いた場合にも、本願発明法は従来法に比較して高い電圧印加でも絶縁破壊が起こり難く、より高い電圧を印加することができ、大きなブレーキ力が得られることがわかる。
【００２８】    （実施例３）
図７に示すように、樹脂製円筒３１（外径３０ｍｍ、内径２５ｍｍ、長さ８１ｍｍ）の内面に、６個の金属製リング（外径２５ｍｍ、内径２１ｍｍ、長さ１０ｍｍ）３２および３３、金属性リングの間に５個（両端を合わせて７個）の樹脂製リング型のスペーサ３４（外径２５ｍｍ、内径２０ｍｍ、長さ３ｍｍ）を交互に挟み、両端を樹脂製蓋３５（直径３０ｍｍ、厚さ１０ｍｍ）で閉めてシリンダを製作した。樹脂製蓋の中央には金属製のピストンロッド３６（外径１８ｍｍ、長さ１８０ｍｍ）を通す穴（直径１８ｍｍ）が設けられ、シール２６が取り付けられている。また金属製リングからなる高圧正側円筒電極３２および高圧負側電極３３のそれぞれには導線２７が結線されていて、これらは交互に二つに分け集結されている。ピストンロッド３６表面と金属円筒３２および３３との間隙は１．５ｍｍ、またピストンロッド表面とスペーサ３４の間隙は１．０ｍｍであり、それらの間隙には実施例１で用いたＥＲ流体が充填されている。【００２９】  このようなピストン型シリンダを用いて、電圧を印加した際のブレーキ力（単位：ｇ）を表３にまとめた。なお比較のため、集結された二つの導線を更に一つにまとめて高電圧側とし、ピストンロッドを低電圧側のアースとした従来法での印加も行った。表３の印加電圧差はピストンロッドと金属製リング間の電位差を言う。【００３０】
（実施例４）
ロッド型グリップ製作のための基礎試験用のデバイスを図8に示す。図（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、ＥＲゲルシート41を張り合わせた一対の電極基板の間に５本のアルミ製ロッド46がスペーサ45を挟んで並べられた状態の側面、平面（Ａ−Ａ面）、および立面（Ｂ−Ｂ面）の図である。ＥＲゲルシート41（厚さ0.5mm、幅40mm×65mm）を表面に形成した金属板42および43（厚さ0.5mm、幅40mm×75mm）を、樹脂製絶縁性基板44（厚さ10mm、幅60mm×85mm）に接着剤で張り合わせて積層板を2個（一対）製作した。積層板の両端部には、それぞれ6個の穴（直径3.1mm、6個×2列で合計12個）が一定間隔で開けられており、その穴には樹脂製ピン45（直径3mm）を立てて、ロッドを一定間隔に区分けして配列するためのスペーサとしている。上記の積層板に樹脂製ピン45を立てた後、5本の金属製ロッド（幅8mm、高さ8mm、長さ160mm）46を平行に並べ、その後、もう一方の積層板をＥＲゲルシート表面が向かい合わせになるように被せて試験用のデバイスとした。金属板42および43には樹脂製絶縁性基板45を貫通して導線27が配線されて、金属板42および43はそれぞれ高圧正側電極板および高圧負側電極板として、電圧がかけられるようになっている。電圧を印加しない状態では、ロッドは軽く動くが、印加するとロッドがＥＲゲルシートに吸いつけられて動き難くなる。
【００３１】
電圧の印加方法とロッドを動かす際の抵抗（単位：ｇ）の関連を測定した結果を表４に示した。本願発明の電圧印加法では下の鉄板（電極）に正側の高電圧、上の鉄板（電極）には負側の高電圧を、また従来法では下の鉄板（電極）に正側の高電圧、上の鉄板（電極）はアースに接続した。なお、ＥＲゲルシートは、アクリル酸エステルに少量の酸化スズと水酸化チタンを混合して水中で懸濁重合して得られた複合粒子の表面に更に鉄フタロシアニンをメカニカルコートした粒子を分散させたシリコーンゲルであり、詳しい製法は特開2003−322196号公報に記載されている。
【表４】
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【００３２】
表４の結果を見ても明らかなように、従来法の電圧印加法では3500Vでは絶縁破壊を起こしたが、本願発明法では4500Vでも絶縁破壊は起こらず、1.7倍のブレーキ力が得られた。
【００３３】
（実施例５）
実施例４のＥＲゲルシートを用いた基礎試験デバイスの原理を用い、更に多くのロッドを用いて把持装置に応用した例を図９に示す。ロッドの位置（引き出し長さ）を揃えた左右のロッド型把持具52を、把持すべき物体53に接近させる（図ａ）。ロッド51の先端が物体53に接触するとロッド51は物体の形状に応じて軽く押し返されて引っ込む（図ｂ）。このようにして物体53に全体のロッドの先端が届いた状態でＥＲゲルシートに電圧を印加すると、物体53は固定される。固定された状態で目的の仕事が完了すると、把持具52は元の位置に戻されるが、その際、物体53と接触した反対側のロッド51の端部が、所定の位置に固定されたロッド位置揃え板54に当たり、全体のロッドを元の位置に戻す（図ｃ）。
【００３４】
このような把持具を用いることにより、複雑な形状や壊れ易い物体であっても、また毎回異なる形状の物体であっても、均一な力で把持することが出来る。また本願発明の電圧印加法を用いることにより、各ロッドからアースをとることなくロッドの電位をゼロにすることができ、安全性が向上する。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、ＥＲ流体を用いた各種デバイスにおいて絶縁破壊の発生を抑えて、より高い電圧の印加を可能とする技術であり、デバイスの出力性能を大幅に向上させ、実質的なデバイスのコンパクト化に寄与するものである。クラッチ、ブレーキ、ダンパー、テンションコントローラ、グリップ、バルブ、力覚呈示など、ＥＲ流体を用いた多くのデバイスへに幅広く利用される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来ＥＲ流体の作動に用いられてきた一般的な電極基板と流体の配列法を示す。
【図２】これも従来から知られているＥＲ流体の作動に用いられる電極基板と流体の配列法を示す。
【図３】ＥＲ流体の作動に用いる本発明の新しい電極基板と流体の配列法を示す。
【図４】これもＥＲ流体の作動に用いる本発明の新しい電極基板と流体の配列法である。
【図５】ＥＲ流体の基礎特性を従来法と本発明法で測定して比較するための、実施例1で用いたＥＲ流体基礎特性評価装置の概略図を示す。
【図６】本願発明の電圧印加法を用いた実施例２のＥＲ流体ブレーキの構造図を示す。
【図７】本願発明の電圧印加法と電極配列法を用いた、実施例３のＥＲ流体ピストン型シリンダの構造図を示す。
【図８】ロッド型グリップ製作のための実施例４で用いた基礎試験用デバイスの構造を示す。本願発明の電圧印加法と電極配列法とＥＲゲルが使用されている。
【図９】実施例４のＥＲゲルシートを用いた基礎試験デバイスの原理に基づき、ロッド数を更に多くして把持装置に応用した例を示す。
【符号の説明】
【００３７】
1：高圧側電極基板
2：ＥＲ流体
3：低圧側電極基板
4：絶縁基板
5：出力あるいは入力基板
6：高圧正側電極基板
7：高圧負側電極基板
10：金属製シリンダ
11：ロータ
12：樹脂製絶縁性円盤
13：樹脂製絶縁性蓋
14：ベアリング
15：絶縁性カプラー
16：モータ
17:高圧側給電用ブラシ
18:低圧側給電用ブラシ
19:トルクセンサ
20：フレーム
21：ハウジング
22：高圧正側電極板
23：高圧負側電極板
24：円盤型ロータ
25：シャフト
26：Ｏリングシール
27：導線
31：樹脂製円筒
32：金属製リング（高圧正側円筒電極）
33：金属製リング（高圧負側円筒電極）
34：スペーサ（樹脂製リング）
35：円盤蓋
36：ピストンロッド
41：ＥＲゲルシート
42：金属板（高圧正側電極板）
43：金属板（高圧負側電極板）
44：樹脂製絶縁性基板
45：樹脂製ピン（スペーサ）
46：金属製ロッド
51：ロッド
52：ＥＲゲルシート把持具
53：物体
54：ロッド位置揃え板
【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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