(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気粘性流体の流路を形成する、固定電極板（１１；２１；３１）及び該固定電極板に対して電極間隔方向に変位自在となった可動電極板（１２；２２；３２）と、
前記固定電極板及び可動電極板間に電圧を印加するための電圧源（１３；２５；３３）と、
前記固定電極板及び可動電極板によって形成される前記流路の上流側または下流側のいずれか一方に設けられた固定絞り（１５；２７；３５）とを具備する電気粘性流体アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載の電気粘性流体アクチュエータにおいて、前記固定絞り（１５；２７）が前記流路の上流側に配置され、前記電圧源の所定の出力電圧の基で前記可動電極板に外力が及ぼされたとき、前記可動電極板に生じた変位が小さくなるように負のフィードバック制御が行われる電気粘性流体アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１に記載の電気粘性流体アクチュエータにおいて、前記固定絞り（３５）が前記流路の下流側に配置され、前記電圧源の出力電圧が変化させられたとき、前記可動電極板に生じた変位が大きくなるように正のフィードバック制御が行われる電気粘性流体アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１に記載の電気粘性流体アクチュエータにおいて、更に、前記固定電極板（１１；２１；３１）と前記可動電極板（１２；２２；３２）との間に設けられた弾性体（２３）を具備する電気粘性流体アクチュエータ。
【請求項５】
請求項４に記載の電気粘性流体アクチュエータにおいて、前記弾性体（２３）がベローズ及びダイヤフラムのいずれかから形成されると共に前記流路の一部を形成する電気粘性流体アクチュエータ。
【請求項６】
請求項１に記載の電気粘性流体アクチュエータにおいて、前記固定絞り（１５；２７）が前記流路の上流側には配置され、前記電気粘性流体アクチュエータが触覚呈示装置として用いられる電気粘性流体アクチュエータ。
【請求項７】
請求項１に記載の電気粘性流体アクチュエータにおいて、前記電圧源（１３；２５；３３）が可変電圧源として構成される電気粘性流体アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気粘性流体を利用した電気粘性流体アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気粘性流体即ちＥＲ流体(electro-rheological fluid)は電界の印加によりその粘度を変化させるものとして知られている。
【０００３】
図５を参照すると、ＥＲ流体を利用した従来のＥＲ流体アクチュエータの構成が概念図で示される。同図において、参照符号ＥはＥＲ流体源を示し、参照符号ＳはＥＲ流体の溜めを示し、矢印ＡはＥＲ流体源Ｅから溜めＳに向かって流されるＥＲ流体の流路を示す。
【０００４】
ＥＲ流体アクチュエータは、ＥＲ流体の流路に沿って設けられた一対の固定電極板１０１及び１０２と、この一対の固定電極板１０１及び１０２に制御電圧を印加するための可変電圧源１０３とを具備する。
【０００５】
また、ＥＲ流体アクチュエータは、一対の固定電極板１０１及び１０２に対してＥＲ流体の流路の上流側に設けられた固定絞り１０４とを具備し、このとき一対の固定電極板１０１及び１０２と固定絞り１０４との間には制御圧力発生領域１０５が形成される。
【０００６】
ＥＲ流体アクチュエータは、更に、制御圧力発生領域１０５と連通させられた駆動部１０６を具備し、この駆動部１０６は例えばベローズとして構成され得る。なお、駆動部１０６には、ベローズに代わるものして、例えばダイアフラム或いはばね付勢型シリンダ／ピストンが用いられてもよい。
【０００７】
ＥＲ流体アクチュエータは、更に、ベローズ１０６の変位を検出するための変位センサ１０７と、この変位センサ１０７の出力に基づいてベローズ１０６の変位量を認識すると共に可変電圧源１０３の出力電圧を必要に応じて適宜制御する制御回路例えばマイクロコンピュータ１０８とを具備する。
【０００８】
次に、図５の従来のＥＲ流体アクチュエータの作動について説明する。
【０００９】
可変電圧源１０３の出力電圧を上昇或いは下降させることにより、ベローズ１０６が伸縮させられる。例えば、可変電圧源１０３の出力電圧が上昇させられると、一対の固定電極板１０１及び１０２間に印加される電界強度が大きくなり、このため一対の固定電極板１０１及び１０２間を流れるＥＲ流体の粘度が増大させられる。このとき制御圧力発生領域１０５の圧力が上昇し、その結果ベローズ１０６が伸長させられる。一方、可変電圧源１０３の出力電圧が下降させられると、一対の固定電極板１０１及び１０２間に印加させる電界強度が小さくなり、このため一対の固定電極板１０１及び１０２間を流れるＥＲ流体の粘度が減少させられる。このとき制御圧力発生領域１０５の圧力が下降し、その結果ベローズ１０６が短縮させられる。かくして、可変電圧源１０３の出力電圧を制御回路１０８で制御することにより、ベローズ１０６の伸縮、つまり位置を制御することができる。ただし、このままでは外力によりベローズ１０６の位置が変化してしまうため、位置決め制御を行うためには、ベローズ１０６の変位を検出する変位センサ１０７及び制御回路１０８を用いたフィードバック系を構成する必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
一般的に、ＥＲ流体アクチュエータについては、マイクロアクチュエータとしての用途が期待されている。しかしながら、図５の従来のＥＲ流体アクチュエータにあっては、ベローズ、ダイアフラム或いはシリンダ／ピストン等で構成される駆動部１０６だけでなく、駆動部１０６の変位を検出する変位センサ１０７も必要となり、このため図５のＥＲ流体アクチュエータをマイクロ化することが難しいという課題があった。
【００１１】
従って、本発明の目的は、マイクロ化に適した構成の位置決め制御のためのＥＲ流体アクチュエータを提供することである。
【００１２】
また、本発明の他の目的は、マイクロ化に適した、変位のオンオフ制御を高速に行い得るＥＲ流体アクチュエータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明による電気粘性流体アクチュエータは電気粘性流体を利用するものであって、電気粘性流体の流路を形成する、固定電極板及び該固定電極板に対して電極間隔方向に変位自在となった可動電極板と、固定電極板及び可動電極板間に電圧を印加するための電圧源と、固定電極板及び可動電極板によって成形される流路の上流側または下流側のいずれか一方に設けられた固定絞りとを具備するものである。このような電気粘性流体アクチュエータにおいては、可動電極板自体が駆動部として機能し、またその変位位置は電圧源の出力電圧によって決まるので、付加的な駆動部及びその変位センサは必要とされず、このため電気粘性流体アクチュエータのマイクロ化を容易に行うことができる。
【００１４】
本発明による電気粘性流体アクチュエータにおいて、固定絞りが固定電極板及び可動電極板によって成形される流路の上流側に配置される場合には、電圧源の所定の出力電圧の基で可動電極板に外力が及ぼされたとき、可動電極板に生じた変位が小さくなるように負のフィードバック制御が行われる。
【００１５】
また、本発明による電気粘性流体アクチュエータにおいて、固定絞りが固定電極板及び可動電極板によって成形される流路の下流側に配置される場合には、前記電圧源の出力電圧が変化させられたとき、可動電極板に生じた変位が大きくなるように正のフィードバック制御が行われる。
【００１６】
本発明による電気粘性流体アクチュエータは、更に、固定電極板及び可動電極板間に設けられた弾性体を具備し得る。この場合、好ましくは、弾性体はベローズ及びダイヤフラムのいずれかから形成されると共に上述の流路の一部を形成する。
【００１７】
本発明による電気粘性流体アクチュエータにおいては、固定絞りが流路の上流側に配置された場合、電気粘性流体アクチュエータは触覚呈示装置として利用され得る。
【００１８】
本発明による電気粘性流体アクチュエータにおいては、好ましくは、電圧源は可変電圧源として構成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に、図１を参照して、本発明によるＥＲ流体アクチュエータの第１の実施形態について説明する。
【００２０】
図５の場合と同様に、図１において、参照符号ＥはＥＲ流体源を示し、参照符号ＳはＥＲ流体の溜めを示し、矢印ＡはＥＲ流体源Ｅから溜めＳに向かって流されるＥＲ流体の流路を示す。
【００２１】
ＥＲ流体アクチュエータは、ＥＲ流体の流路に沿って設けられた固定電極板１１及び可動電極板１２と、これら固定電極板１１及び可動電極板１２の間に制御電圧を印加するための電圧源１３とを具備する。
【００２２】
図１には図示されないが、固定電極板１１は適当な支持体（図示されない）に対して固定される。一方、可動電極板１２は固定電極板１１に対して電極間隔方向に変位自在に保持される。このような変位自在の保持は、例えば、固定電極板１１及び可動電極板１２の流路方向に沿う側辺をベローズ或いはダイヤフラム等のような弾性体(図示されない)で互いに連結することにより可能である。可動電極板１２は電極として機能するだけでなく、後述するように駆動部としても機能する。なお、電極板１１を可動にし、電極板１２を固定にしてもよい。
【００２３】
好ましくは、電圧源１３は可変電圧源として構成される。このような可変電圧源１３の出力電圧は手動で調整し得るようにしてもよいが、例えばマイクロコンピュータから成る制御回路１４によって調整されてもよい。
【００２４】
また、ＥＲ流体アクチュエータは、固定電極板１１及び可動電極板１２に対してＥＲ流体の流路の上流側に設けられた固定絞り１５を具備し、このとき固定電極板１１及び可動電極板１２と固定絞り１５との間には制御圧力発生領域１６が形成される。
【００２５】
図１のＥＲ流体アクチュエータの第１の作動モードについて説明する。なお、この第１の作動モードにおいては、可動電極板１２に外力が及ぼされることはなく、可変電圧源１２の出力電圧が変化させられる。
【００２６】
先ず、可変電圧源１３から所定の電圧が固定電極板１１及び可動電極板１２間に印加されてＥＲ流体が定常状態で流れている平衡状態を想定すると、可動電極板１２は固定電極板１１に対して所定の位置に留められ、その位置については、可変電圧源１３から出力される設定電圧及び固定電極板１１及び可動電極板１２間の弾性体（ベローズ若しくはダイヤフラム等）のばね定数によって決まる。
【００２７】
このような平衡状態において、可変電圧源１３の出力電圧が上昇させられると、ＥＲ流体アクチュエータでは、上述の平衡状態から別の平衡状態に移行するための過渡状態となる。つまり、ＥＲ流体の粘度が増大し、その結果、制御圧力発生領域１６の圧力が上昇して、固定電極板１２は可動電極板１１から離れるように変位させられ、その変位量は可変電圧源１３の出力電圧の上昇分に対応する。即ち、可変電圧源１３の出力電圧が上昇させられると、ＥＲ流体アクチュエータは、図１に示す平衡状態から、可動電極板１２が固定電極板１１から離れた側での別の平衡状態に移行する。
【００２８】
一方、可変電圧源１３の出力電圧が下降させられると、ＥＲ流体アクチュエータでは、やはり上述の平衡状態から別の平衡状態に移行するための過渡状態となる。つまり、ＥＲ流体の粘度が減少し、その結果、制御圧力発生領域１６の圧力が下降して、可動電極板１２は固定電極板１１に接近するように変位させられ、その変位量は可変電圧源１３の出力電圧の下降分に対応する。即ち、可変電圧源１３の出力電圧が下降させられると、ＥＲ流体アクチュエータは、図１に示す平衡状態から、可動電極板１２が固定電極板１１に接近した側での平衡状態に移行する。
【００２９】
要するに、上述した第１の作動モードにおいては、可動電極板１２の変位は可変電圧源１３の出力電圧に応じた量と成る。
【００３０】
次に、図１のＥＲ流体アクチュエータの第２の作動モードについて説明する。なお、この第２の作動モードにおいては、可変電圧源１３の出力電圧は所定の一定電圧に維持され、可動電極板１２に外力が及ぼされることになる。
【００３１】
図１に示すＥＲ流体アクチュエータの平衡状態において、可動電極板１２が固定電極板１１に接近するように可動電極板１２に外力が及ぼされると、固定電極板１１及び可動電極板１２間の距離が小さくなって、固定電極板１１及び可動電極板１２間の電界強度が大きくなり、このためＥＲ流体の粘度が増大する。一方、固定電極板１１及び可動電極板１２間の距離が小さくなることにより、その間のＥＲ流体の流れ抵抗も大きくなる。その結果、制御圧力発生領域１６の圧力が上昇して、電極板１２は電極板１１から離れるように変位させられる。即ち、第２の作動モードにおいては、可変電圧源１３の出力電圧が一定とされているとき、可動電極板１２に外力が及ぼされて可動電極板１２が固定電極板１１に接近するように変位させられると、可動電極板１２にはその外力を相殺するように逆方向に変位する力が作用する。
【００３２】
このような第２の作動モードにおいては、可変電圧源１３の一定出力電圧の基でＥＲ流体アクチュエータが平衡状態にあるとき、可動電極板１２に外力が及ぼされると、可動電極板１２に生じた変位が小さくなるように負のフィードバック制御が行われることに成る。この結果、可変電圧源１３の出力電圧による位置決め制御が可能となる。
【００３３】
以上述べたように、図１のＥＲ流体アクチュエータにおいては、可動電極板１２自体が駆動部として機能し、また図５に示したような変位センサ１０７を必要としないので、図１のＥＲ流体アクチュエータについては、図５の従来のＥＲ流体アクチュエータに比べてマイクロ化を容易に達成することができる。
【００３４】
図２及び図３を参照すると、図２は図１のＥＲ流体アクチュエータを触覚呈示装置として構成した際の縦断面図、図３はその底面図である。なお、図２は図３のＩＩ−ＩＩ線に沿う縦断面図である。
【００３５】
上述の場合と同様に、図２において、参照符号ＥはＥＲ流体源を示し、参照符号ＳはＥＲ流体の溜めを示し、矢印ＡはＥＲ流体源Ｅから溜めＳに向かって流されるＥＲ流体の流路を示す。
【００３６】
図２に示すように、触覚呈示装置は、固定円形電極板２１及び可動円形電極板２２を具備し、固定円形電極板２１及び可動円形電極板２２の周囲にはベローズ２３が設けられ、これにより固定円形電極板２１及び可動円形電極板２２間にはＥＲ流体の流路（矢印Ａ）の一部として流体チャンバ２４が形成される。固定円形電極板２１は適当な支持体（図示されない）に対して固定され、一方可動円形電極板２２はベローズ２３のために円形電極板２１に対して電極間隔方向に変位自在となる。可動円形電極板２２は電極として機能するだけでなく、後述するように駆動部としても機能する。
【００３７】
また、触覚呈示装置は、固定円形電極板２１及び可動円形電極板２２に制御電圧を印加するための電圧源２５を具備する。電圧源２５は好ましくは可変電圧源として構成され、これにより固定円形電極板２１及び可動円形電極板２２間に印加される電圧は適宜調節される。このような可変電圧源２５の出力電圧は手動で調整し得るようにしてもよいが、例えばマイクロコンピュータから成る制御回路２６によって調整されてもよい。
【００３８】
図３に示すように、固定円形電極板２１にはその周囲に沿って４つの弧状開口部２１Ａが等間隔に形成され、これら弧状開口部２１ＡはＥＲ流体を流体チャンバ２４に導入するためのＥＲ流体導入口となる。また、円形電極板２１にはその中心に円形開口部２１Ｂが形成され、この円形開口部２１ＢはＥＲ流体を流体チャンバ２４から排出させるためのＥＲ流体排出口となる。
【００３９】
再び図２に戻って説明すると、４つの弧状開口部即ちＥＲ流体導入口２１Ａは、固定絞り２７を介してＥＲ流体源Ｅに連通させられ、円形開口部即ちＥＲ流体排出口２１Ｂは溜めＳに連通させられる。
【００４０】
図２の触覚呈示装置において、可変電圧源２５の出力電圧が一定とされているとき、可動円形電極板２２が固定円形電極板２１に接近するように人の指によって押し込まれると、円形電極板２２は人の指を押し戻すように変位させられる。というのは、図１のＥＲ流体アクチュエータの第２の作動モードで説明したように、可動円形電極板２２が固定円形電極板２１に接近させられると、その間の電界強度が大きくなってＥＲ流体の粘度が増大すると共にその間のＥＲ流体の流れ抵抗も大きくなり、その結果、流体チャンバ２４内の圧力が上昇することになるからである。
【００４１】
また、図２及び図３に示すような触覚呈示装置において、固定円形電極板２１及び可動円形電極板２２を直径1mm程度に構成し、複数対の固定円形電極板２１及び可動円形電極板２２をマトリックス状に配置させることにより、画像や文字等の触覚情報を呈示することができる。例えば、図２及び図３に示すような触覚呈示装置から書換え可能な点字パネル等を構成することが可能である。
【００４２】
次に、図４を参照して、本発明によるＥＲ流体アクチュエータの第２の実施形態について説明する。
【００４３】
上述の場合と同様に、図４において、参照符号ＥはＥＲ流体源を示し、参照符号ＳはＥＲ流体の溜めを示し、矢印ＡはＥＲ流体源Ｅから溜めＳに向かって流されるＥＲ流体の流路を示す。
【００４４】
第２の実施形態においても、ＥＲ流体アクチュエータは、ＥＲ流体の流路に沿って設けられた固定電極板３１及び可動電極板３２と、この固定電極板３１及び可動電極板３２間に制御電圧を印加するための可変電圧源３３とを具備する。
【００４５】
図４には図示されないが、固定電極板３１は適当な支持体（図示されない）に対して固定される。一方、可動電極板３２は固定電極板３１に対して電極間隔方向に変位自在に保持される。このような変位自在の保持は、例えば、固定電極板３１及び可動電極板３２の流路方向に沿う側辺をベローズ或いはダイヤフラム等のような弾性体(図示されない)で互いに連結することにより可能である。また、可動電極板３２は固定電極板３１と向かい合う面にスペーサ３２Ａを備え、このスペーサ３２Ａは適当な絶縁材料から形成され、固定電極板３１及び可動電極板３２間の流路を直角に横切るように設けられる。なお、図４には図示されないが、スペーサ３２Ａには固定電極板３１及び可動電極板３２間の流路方向に沿って少なくとも１つの溝が形成されるが、その理由については後述される。
【００４６】
図４のＥＲ流体アクチュエータでは、可動電極板３１の変位を制限するためにストッパ３４が設けられ、可動電極板３１は、可動電極板３１自体がストッパ３４と当接する最外方位置（図４参照）と、スペーサ３２Ａが固定電極板３１と当接する最内方位置との間で変位自在とされる。可動電極板３２は電極として機能するだけでなく、後述するように駆動部としても機能する。
【００４７】
可変電圧源３３の出力電圧は手動で調整し得るようにしてもよいが、例えばマイクロコンピュータから成る制御回路３５によって調整されてもよい。
【００４８】
また、ＥＲ流体アクチュエータは、固定電極板３１及び可動電極板３２に対してＥＲ流体の流路の下流側に設けられた固定絞り３６を具備し、このとき固定電極板３１及び可動電極板３２と固定絞り３６との間には制御圧力発生領域３７が形成される。
【００４９】
図４のＥＲ流体アクチュエータの作動について説明する。なお、固定電極板３１及び可動電極板３２間のベローズ或いはダイヤフラム等のような弾性体はその電極間隔を狭めるような弾性力が可動電極板３２に作用するものとする。
【００５０】
可変電圧源３３から固定電極板３１及び可動電極板３２間に印加される電圧がゼロとされるとき、即ちＥＲ流体の粘度が最小値とされているとき、制御圧力発生領域３７で発生される圧力は大きく、このため可動電極板３２はストッパ３４側の最外方位置に押し遣られる（図４参照）。なお、可動電極板３２がストッパ３４側の最外方位置にあるとき、固定電極板３１及び可動電極板３２間でのＥＲ流体の流れ抵抗は最小となり、このため制御圧力発生領域３７の圧力は最大となる。
【００５１】
可動電極板３２が図４に示すように最外方位置に置かれているときに、可変電圧源３３から固定電極板３１及び可動電極板３２間に印加される電圧が所定値まで上昇させられると、ＥＲ流体の粘度が増大し、このため制御圧力発生領域３７の圧力は減少し、その結果、可動電極板３２は固定電極板３１に向かって変位させられる。可動電極板３２が固定電極板３１に向かって変位させられると、その間の電界強度が大きくなると共にＥＲ流体の流れ抵抗も大きくなるので、制御圧力発生領域３７の圧力は一層小さくなる。かくして、可動電極板３２は急速に固定電極板３１に向かって変位させられて、スペーサ３２Ａが固定電極板３１に当接する最内方位置を取り、これにより固定電極板３１及び可動電極板３２間の流路が実質的に遮断される。なお、上述したように、スペーサ３２Ａには固定電極板３１及び可動電極板３２間の流路方向に沿って少なくとも１つの溝が形成されているので、スペーサ３２Ａが固定電極板３１に当接する最内方位置にあったとしても、固定電極板３１及び可動電極板３２間にはＥＲ流体の最小限の流れが維持される。
【００５２】
スペーサ３２Ａが固定電極板３１に当接する最内方位置にあるとき、固定電極板３１及び可動電極板３２間にはＥＲ流体の最小限の流れが維持されるので、可変電圧源３３から固定電極板３１及び可動電極板３２間に印加される電圧が再びゼロに戻されると、制御圧力発生領域３７で発生される圧力が増大して可動電極板３２は再びストッパ３４側の最外方位置に押し遣られることになる（図４参照）。
【００５３】
このように、図４のＥＲ流体アクチュエータにおいては、可変電圧源３３の出力電圧をゼロと所定電圧との間で切り換えることにより、可動電極板３２は、正のフィードバック制御によりＥＲ流体の流路を開放するオン位置と該流路を閉鎖するオフ位置のいずれかを取ることになる。要するに、図４のＥＲ流体アクチュエータを用いることにより、ＥＲ流体の流路のオンオフ制御を行うことが可能である。
【００５４】
図４のＥＲ流体アクチュエータについては、種々の用途が考えられるが、例えば、流体論理回路の素子として利用することが可能である。
【００５５】
図４のＥＲ流体アクチュエータにおいても、可動電極板３２自体が駆動部として機能し、また図５に示したような変位センサ１０７を必要としないので、図４のＥＲ流体アクチュエータについても、図５の従来のＥＲ流体アクチュエータに比べてマイクロ化を容易に達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明によるＥＲ流体アクチュエータの第１の実施形態の原理構成を示す概念図である。
【図２】図１のＥＲ流体アクチュエータが適用された触覚呈示装置を示す縦断面図である。
【図３】図２の触覚呈示装置の底面図である。
【図４】本発明によるＥＲ流体アクチュエータの第２の実施形態の原理構成を示す概念図である。
【図５】従来のＥＲ流体アクチュエータの原理構成を示す概念図である。
【符号の説明】
【００５７】
Ｅ：ＥＲ流体源
Ｓ：溜め
１１：固定電極板
１２：可動電極板
１３：可変電圧源
１４：制御回路
１５：固定絞り
１６：制御圧力発生領域
２１：固定円形電極板
２２：可動円形電極板
２１Ａ：弧状開口部（ＥＲ流体導入口）
２１Ｂ：円形開口部（ＥＲ流体排出口）
２３：ベローズ
２４：流体チャンバ
２５：可変電圧源
２６：制御回路
２７：固定絞り
３１：固定電極板
３２：可動電極板
３２Ａ：スペーサ
３３：可変電圧源
３４：ストッパ
３５：制御回路
３６：固定絞り
３７：制御圧力発生領域
１０１・１０２：固定電極板
１０３：可変電圧源
１０４：固定絞り
１０５：制御圧力発生領域
１０６：駆動部
１０７：変位センサ
１０８：制御回路
【図１】
0004953131.tif 000002
【図２】
0004953131.tif 000003
【図３】
0004953131.tif 000004
【図４】
0004953131.tif 000005
【図５】
0004953131.tif 000006