(57)【要約】【課題】ＣＡＤ等で作成した仮想物体を体感するためのバーチャルグローブなど新しいユーザーインターフェイスとして適応しようとすると、小型、軽量で、ある程度形状に自由度がありつつ、バーチャルリアリティにおいて硬い物体を提示するための大きな力を発生できるアクチュエータが求められている。【解決手段】ＥＲＦで満たされた電極間に多数の穴が開いたシートを挿入し、電極間に電圧をかけることで、電極とシート間で発生する抵抗力を利用したアクチュエータを提供する。【選択図】 図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＥＲＦで満たされた電極間にシートを挿入し、電極間に電圧をかけることで、電極とシート間で発生する抵抗力を利用したアクチュエータ
【請求項２】
前記シートは、多数の穴が開いたシートであることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ
【請求項３】
前記シートは、 メッシュ状の穴のあいたシートであることを特徴とする請求項１および２に記載のアクチュエータ
【請求項４】
前記シートは、細い糸状のもので編まれたシートであることを特徴とする請求項１から３に記載のアクチュエータ
【請求項５】
前記シートは、1枚もしくは、複数枚を重ねて電極間に挿入することを特徴とする請求項１から４に記載のアクチュエータ
【請求項６】
前記シートは、表面もしくは素材が導体ではないことを特徴とする請求項１から５に記載のアクチュエータ
【請求項７】
前記シートは、使用するＥＲＦの粒子径と同等、もしくはそれ以上の大きさの穴が開いていることを特徴とする請求項１から６に記載のアクチュエータ
【請求項８】
前記電極の少なくともどちらか１方が、凹凸のある表面形状を有することを特徴とする請求項１から７に記載のアクチュエータ
【請求項９】
前記電極の凹凸のある表面形状は、使用するＥＲＦの粒子径の大きさと同等、もしくは、それ以上の大きさ（周波数成分）の凹凸を持つことを特徴とする請求項８に記載のアクチュエータ
【請求項１０】
前記電極の凹凸は、前記シート面の移動方向に対しそれに垂直となるように配列された形状を有することを特徴とする請求項８および９に記載のアクチュエータ
【請求項１１】
前記使用する電極の凹凸は、前記シート面の移動方向に対しそれに垂直の成分を持つような溝状の形状とすることを特徴とする請求項８および９に記載のアクチュエータ
【請求項１２】
前記電極と前記シートからなる構造を複数層状に重ねることにより、抵抗力を大きくすることを特徴とする請求項１から１１に記載のアクチュエータ
【請求項１３】
前記電極、および前記シートに柔らかい素材を使用し、装置全体を曲げることができることを特徴とする請求項１から１２に記載のアクチュエータ
【請求項１４】
前記電極の両方が固定されており、挿入される前記シートのみ移動する構造を持つことを特徴とする請求項１から１３に記載のアクチュエータ
【請求項１５】
前記電極の片方は、少なくとも1枚の前記シートと共に移動する構造を持つことを特徴とする請求項１から１４に記載のアクチュエータ
【請求項１６】
複数の前記シートの移動方向は、同一方向とは限定しないことを特徴とする請求項１から１５に記載のアクチュエータ
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固定された電極間にシートを挿入し、シートの移動に対する剪断力を利用したＥＲＦ（Electro Rheological Fluids、電気粘性流体）アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のコンピュータハードウエア、ＣＡＤ及びＣＧ等のグラフィック系ソフトウエアは共にめざましいスピードで技術革新が進んでいる。また、三次元ＣＡＤ、ＣＡＥソフトウエアの普及やデザイナーを対象としたＣＧ系のソフトウエアなど業務と密接なつながりがあるソフトウエアの開発も同様の状況である。
【０００３】
しかし、コンピュータを利用するときのユーザインターフェースは、キーボード、マウスが主流であり、三次元データ等を扱うときも利用者が二次元のマウスとキーボードを駆使してデータを築いている。
【０００４】
このような状況で、実際に三次元ＣＧを使用するデザイナー等の感想として、「今までの五感で感じながらの創作にはほど遠く、創作意欲がわかない」と言った声が多くある。特に、宝飾品デザイナーでは、ＣＧやＣＡＤの利用が少ない現状にあり、体感しながら操作できるシステムが求められている。
【０００５】
流体の中には、外部から電界をかけることでその粘性を大きく変化させることができるものがある。このような電界によって流体の見かけの粘性が変化する現象はＥＲ（Electro Rheological、電気粘性）効果と呼ばれている。ＥＲ効果の厳密なメカニズムは解明されていないが、電界をかけることにより流体中の粒子が電界方向へのクラスタを形成し、電極と平行に移動しようとする流体の層の運動を妨げることにより、剪断応力を増大させているものと考えられている。このようなＥＲ効果を持つ流体をＥＲＦ（Electro Rheological Fluids、電気粘性流体）という。
【０００６】
分散系ＥＲＦは分極しやすい物質の微粒子（1〜20μm程度の大きさ）を絶縁性の液体中に多数分散させたものであり、そのずり速度−剪断応力特性は図２のように表される。すなわち、電界を印加しない状態ではニュートン流体と同様の特性を持つが、電界を印加することによってずり速度に関らず降伏応力τyが増加するという特性を持ち、電極間隔x、相対速度uと粘性率μすると剪断応力τは、式（数１）と表される。
【０００７】
【数１】
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【０００８】
降伏応力τyは印加電界により制御可能であり、図２に示すようにＥＲＦは、ビンガム流体の特性を示すことからずり速度0mm/s付近においても力を保持する特性を持っている。図１のアクチュエータは、この特性を用い、指の動きを停止しても力を提示し続ける。 
【０００９】
また、ＥＲＦに印加する電界は数kV/mmと非常に大きいが、電極間にはわずかな電流（数十μA程度）しか流れないので、電力は極めて小さく人体への危険は少ないと考えられる。さらに、外部から力を与えない限り剪断応力は発生しないため、制御系の故障・暴走
時にも人体に危険をおよぼすことはない。
【００１０】
電気粘性流体によるＥＲ効果を促進に関する発明として、電界を生じせしめる一対の電極間に、電気絶縁性分散媒中に固体粒子を分散させてなる電気粘性流体が配されており、少なくとも一方の電極の電気粘性流体と接する表面に微細な凹凸が形成されていることを特徴とすること、また電極表面の微細な凹凸が網目状であることが開示されている（特開平２０００―１４４１６５号公報）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平２０００―１４４１６５号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】河西伸一、清弘智昭、佐野正明、串田賢一、「電気粘性流体を用いたバーチャルグローブの開発」、日本機械学会論文集C編、Vol.73、No.733号（2007-9）、 pp. 7-13.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
これまでに、ＥＲＦアクチュエータにおいて、電極間表面を荒らして大きな抵抗力を発生させる技術があるが、電気二重円筒型のアクチュエータとなっているため、アクチュエータ自体が大きい、重い、取回しが難しいなどの問題があった。
【００１４】
たとえば、ＣＡＤ等で作成した仮想物体を体感するためのバーチャルグローブなど新しいユーザーインターフェイスとして適応しようとすると、小型、軽量で、ある程度形状に自由度がありつつ、大きな力を発生できるアクチュエータが求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
新たなユーザーインターフェイスとして、 図１に示すようなＥＲＦ(Electro Rheological Fluid)を用いた安全、小型かつ軽量であるＥＲＦアクチュエータと、それを用いたバーチャルグローブを考案した。このアクチュエータでは、ＥＲＦ中に布を挿入することにより、ＥＲＦ単体よりも大きな剪断応力が発生させることができた。
【００１６】
しかし、指先に反力の有無を提示することは可能であったが、指の動きを拘束する大きな反力の発生には至らなかった。小型軽量を維持しながら、これを実現するためには、アクチュエータの単位面積あたりの発生する抵抗力をさらに大きくする必要がある。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、ＥＲＦアクチュエータによる抵抗力を、挿入した布が液中粒子のクラスタを切断する力と、クラスタと電極との結合力の合算と考え、より大きな抵抗力に高めるために後者に影響すると思われる電極表面の粗さと電極素材に着目した。これらと抵抗力の関係について実証実験を行った結果、従来よりも大きな抵抗力を発生させることができた。
【００１８】
本論では、人間に安全、小型かつ軽量な、ＥＲＦを用いたバーチャルグローブのための、より大きな抵抗力を発生させる、ＥＲＦアクチュエータの電極形状について提案した。
クラスタと電極表面との結合力に着目し、電極表面を紙やすりにより粗すことにより、大きな抵抗力が得られることが分かった。また、電極の素材による大きな意差はなく、メッシュの大きさや電極表面の状態に依存することが明らかとなった。さらに、その増加した抵抗力はＥＲ効果によるものであることを示した。
【００１９】
また、電極に意図的に周期的な凹凸を施すことにより、抵抗力を大きくすることが可能にとなった。 
このことにより安全、小型かつ軽量のＥＲＦアクチュエータを用いたバーチャルグローブの実現が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】(a)ＥＲＦアクチュエータを用いたバーチャルグローブの概要と(b)ＥＲＦアクチュエータ構造図
【図２】分散系ＥＲＦのずり速度−剪断応力特性
【図３】(a)ＥＲＦ粒子のクラスタ形成概念図と(b)拡大図
【図４】（a）布の引っ張り抵抗力の計測実験装置図と(b)装置写真
【図５】布のメッシュを変えて計測した結果
【図６】算術平均粗さ（Ra）による表面粗さの影響を示す図
【図７】十点平均粗さ（Rz）による表面粗さの影響を示す図
【図８】最大断面高さ（Rt）による表面粗さの影響を示す図
【図９】最大谷深さ（Rv）による表面粗さの影響を示す図
【図１０】素材別で抵抗力を計測した結果
【図１１】「布の引っ張り力特性」の動作パターンで計測した結果
【図１２】「ビンガム流体特性の検証」の動作パターンで測定した結果
【図１３】布を引っ張る方向で形状測定及びＦＦＴにより解析を行った結果
【図１４】(a)加工した電極の概要および(b)形状写真と(c)非接触表面形状測定機（ZYGO社製  New View 6300）で計測した結果
【図１５】電極の表面粗さの違いによる引張り抵抗力試験結果
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明のERFアクチュエータは、ERFで満たした電極間に布を挿入する。その電極間に電界を印加すると、図３のように布のメッシュを貫いてERFの粒子がクラスタを形成する。このとき、布を引っ張るとメッシュ中のクラスタを切断しながら移動するため大きな抵抗力が発生すると考えられる。
【００２２】
しかし、電極表面が鏡面状態である場合、布を引っ張ってもクラスタが維持されたまま、電極表面でクラスタが滑ることが考えられる。この時、布にはクラスタの切断による抵抗力より小さな力しかかからない。特に今回の使用目的では、布の移動速度が遅いため、電極表面近辺におけるずり速度は非常に小さくなり、ミクロ的に見た時にＥＲＦ媒体の粘度による剪断応力は小さく、粒子と電極表面との関係が重要と考えられる。
【００２３】
そのため、本発明により電極表面に凹凸を形成させ、クラスタの滑りを抑制することにより、抵抗力が増大すると考えた。
【実施例】
【００２４】
電極表面の粗さの抵抗力との関係を検証するために、布の引っ張り抵抗力の計測実験を行った。実験装置を図４に示す。ＥＲＦを満たした容器に、図４（a）の様に電極（60mm×10mm）を1mmの間隔で固定する。この電極間に幅10mmの工業的に規格化されたスクリーン印刷に用いられる布（シルクスクリーン）を通し、布を垂直方向に一定スピード（5mm/s）で引き上げ、その時に布に生じる抵抗力をロードセルにより計測する。この時、計測開始時の布の弛みによる影響を避けるため、次に手順で実験装置を動作させ、指令電圧(4kV)が印加されている期間の平均値を計測値とする。
【００２５】
(a)布は一定速度で上昇
(b)布の上昇開始後、1.5秒後に電圧を印加
(c)開始から3.5秒後に電圧印加を停止
(d)開始から4.5秒後に布の上昇停止
なお、本実験では、（株）ＥＲテック社製の分散系ＥＲＦ（Type ED2025）を用いた。
【００２６】
この条件により、以下の４つの実験をおこなった。
１．メッシュ特性
布のmeshは1インチ間に何本の糸で織られているかを示す単位で、数字が大きくなるほど、糸と糸の間隔は狭くなる。また、ＥＲＦは製造元により使用されている成分や微粒子の形状、粒子の大きさが異なる。そこで、本実験で使用しているＥＲＦと最適なメッシュとの関係を明らかにするため、100、200、300、350meshにより布の引っ張り抵抗力を計測した。
【００２７】
布のメッシュを変えて計測した結果を図５に示す。測定結果から、今回使用しているＥＲＦでは、100meshの布で大きな力を発生することが分かった。
メッシュと抵抗力の関係は、本実験で使用したＥＲＦの粒子の大きさが起因すると考えられる。本実験で使用した粒子の大きさは、約15±5μmであり、100meshの布の糸と糸の隙間が約20μmであることから、糸と糸の間にクラスタが形成され大きな力が発生したと考えられる。
【００２８】
この結果から、100meshの布を用いて電極粗さ特性の計測を行った。
２．電極粗さ特性
電極粗さとクラスタの結合力の関係を明らかにするため、Cu合金の電極表面を紙やすり（150、400、1200番）により粗した電極と未処理電極の４種類の抵抗力を計測した。
【００２９】
電極の表面粗さは、表面形状測定器（（株）ミツトヨ製CS-H5000CNC）によりJIS-B-0601-2001規格で基準長さ0.8mm、評価長さ4mm、布を引っ張る方向で計測を行った。
使用した電極の粗さの計測結果を表１に示す。粗さの評価は、非周期的な輪郭曲線のパラメータである、算術平均粗さ(Ra)、十点平均粗さ(Rz)、最大断面高さ(Rt)、最大谷深さ(Rv)を用いた。 
【００３０】
表１のRaとRzの値が同様の傾向となっていることから、ほぼ一様の粗さに加工がされていることが確認できる。
また、それぞれの電極における抵抗力を計測し、各粗さパラメータとの関係を図６〜９に示す。
【００３１】
この結果より、未処理電極より、粗した電極で大きな抵抗力が発生していることがわかる。特にCu-400が一番大きな力を発生しており、未処理より約1.8倍となった。
この特性は、どのパラメータにおいても同様の傾向を示した。しかし、最も粗いCu-150ではCu-1200と同様まで抵抗力が低下することから、粗さと抵抗力は単純増加の関係ではないことが分かった。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
３．電極材質特性
一般にＥＲＦの研究においては、電極にAl合金、Cu合金、ステンレス等の導電性の高く、加工性の良い素材を使用している。そこで、ほぼ同一の表面粗さ(Ra)を有する、Cu合金、Al合金、SUS420の電極を作製して、抵抗力を計測した。
【００３４】
３種類の素材で作製した電極の表面粗さのパラメータを表２に示す。その電極を用いて抵抗力を計測した結果を図１０に示す。
結果より、メッシュにより若干の差はあるもののCu合金、SUS及びAl合金ではほぼ同じ程度の力が出ていることが分かった。また、どの素材の電極においても、100meshで最も大きな抵抗力が発生し、他のメッシュでは、同程度の値となっている。
【００３５】
電極素材の特性は、素材による意差は確認できず、電極表面形状やメッシュに依存する要素が大きいと思われる。
【００３６】
【表２】
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【００３７】
４．ビンガム流体の特性の検証
本アクチュエータではずり速度0mm/s付近においても力を保持する必要がある。しかし、ニュートン流体においても、電極表面の凹凸により抵抗力が増加する可能性がある。そこで、ビンガム流体の特性であることを確かめる実験を以下の手順により行った。 
【００３８】
(a)布は一定速度で上昇
(b)布の上昇開始後、1.5秒後に電圧を印加
(c)開始3秒後に電圧を印加したまま、布の上昇を停止
(d)4.5秒後に電圧停止
この実験において、（c）の布の上昇停止後に、抵抗力が保持されていれば、ビンガム流体である。
【００３９】
「布の引っ張り力特性」の動作パターンで測定を行った結果を図１１に示す。また、  「ビンガム流体特性の検証」の動作パターンで測定した結果を図１２に示す。電界が印加状態で、ずり速度0mm/s付近における剪断応力が発生していることから、電極表面を粗すことによる抵抗力の増大はＥＲ効果によるものと言える。
【００４０】
バーチャルリアリティにおいて硬い物体を提示する際に有意な特性と考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明によりＣＡＤ等による仮想物体を体感できるバーチャルグローブ等のユーザインターフェースのためのアクチュエータを提供することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１・・・ERFアクチュエーター
２・・・電極
３・・・シート（布）
４・・・ERF
５・・・力
６・・・抵抗力
７・・・電源
８・・・クラスタ
９・・・ロードセル
【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】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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