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日本バーチャルリアリティ学会誌第 13 巻 2 号 2008 年 6 月

特集 ■アクチュエータ・テクノロジー

特集

アクチュエータ・テクノロジー〜ヒトとの親和性を目指して〜

静電アクチュエータとその応用〜ヒトとの親和性をめざす薄く透明なアクチュエータ〜

山本晃生

東京大学

YAMAMOTO AKIO

していれば，そのイメージも多少は和らぐであろう．あ1．はじめに今回，ヒトとの親和性という観点から静電アクチュ

るいは，薄く透明なアクチュエータであれば，アクチュエータに関する記事を書かせていただくにあたり，まエータを環境の中に埋め込み，その存在を意識させなくずアクチュエータにおける「ヒトとの親和性」とは何かすることもできるはずである．

を考えてみたい．より優れたヒトとの親和性を目指すとそのような訳で，本稿では上記の四つのキーワードをき，アクチュエータに必要とされる要件とは何であろう

念頭に，静電アクチュエータについて紹介していきたい．

か．様々な考え方があろうかとは思うが，本稿では 4 つのキーワードを挙げてみたい．それは，
「軽量」
，
「柔軟」，

2．静電気力「薄型」，「透明」である．

「静電気」と聞いて多くの人が思い浮かべるのは，冬そもそも，ヒトとの親和性を目指したアクチュエー

場にバチッとくる，あの不快な現象であるだろう．そのタというものが話題となること自体が，既存のアクチュ

不快な静電気を使ったアクチュエータがヒトとの親和性

エータ，すなわち，電磁モータはヒトとの親和性が必に優れるとは，にわかには信じられないかもしれない．

ずしも高く無い，ということを含意しているように思

静電気には確かに放電などのやっかいな現象がついてわれる．では，既存のモータはどのような点においてヒ回るため，利用に際してはそれなりの注意が必要である．

トとの親和性が低いのだろうか．それはおそらく，硬くしかし，上手に使えば先に挙げた四つのキーワード，すて重いという部分にあると思われる．ならばヒトとの親

なわち，「軽量」，「薄型」，「柔軟」，「透明」を特徴とし和性が高いアクチュエータは，軽く柔らかいものであるて持つアクチュエータが実現できる．

だろう．概して，重いアクチュエータは機器全体を重く一般的に静電気力というのは微弱な力であると認識さする．そして，重い機器が運動すれば大きな運動量を持れ，静電気力が有効に活用できるのは微小領域のみと思ち，万一ヒトとぶつかった時には大きな衝撃を与えうる．

われることが多い．確かに，静電気力の応用はマイクロすなわち，ヒトとの親和性を安全面から考えれば，アク分野での応用が多く，静電アクチュエータ研究も，そのチュエータは軽い方が好ましい．また，アクチュエータ大半はマイクロアクチュエータに関するものである．しの柔らかさも，その使い方によっては，衝突時の安全性かし一方で，静電気力の特徴を上手く活用することで，に寄与しうる．

数 N から数十 N にもおよぶ推力を生み出す静電アクチュ

ヒトとの親和性としてもう一つ重要なものとして，心エータも実現されている．そして，それらの静電アクチュ理的なもの，すなわち外観やイメージが考えられる．身エータは，上記の軽量・薄型・柔軟・透明といった特性の回りのより多くの機器や環境にアクチュエータが搭載を兼ね備えており，ヒトとの高い親和性が期待できる．

される未来を想像したとき，それらが，いかにもメカっでは，弱いはずの静電気力で，どうやって，そのようぽい見た目をしていては，雰囲気的にも落ち着かない．

なアクチュエータが実現されうるのか，次節においてそ

これに対し，アクチュエータが生体のように柔軟性を有の点を考察してみたい．

8

特集

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アクチュエータ・テクノロジー

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3．静電気力は弱いのか？
電磁気学で習う二つの力，静電気力と磁気力は，どちらが強いだろうか．直感的には，磁気力の方が圧倒的に強いように思えるが，まずは，その点を確認してみたい．
以下，文献 [1][2] などにおける議論も参考に，静電気力の大きさについて考察する．
静電アクチュエータの簡単なモデルとして，図 1(a)図1に示す単純な平行平板コンデンサモデルを考える．2 枚アクチュエータモデルとしての平行平板コンデンサの対向した電極に電圧を印加したとき，電極に働く静電吸引力は，�いアクチュエータが強い力を発し，小さく軽いアクチュエータが小さな力しか発生しないのは当然である．つま�り，アクチュエータの寸法・重量を無視して，単にその発生力の大小だけを比較しても無意味であり，本質的なと表される．ただし，ε は電極間の誘電率，E は電極間比較は，アクチュエータの単位重量あたり，あるいは，に発生する電界を表す．このように静電気力は電界の単位体積あたりの発生力により行われるべきである．そ2 乗に比例するため，式の上では，電界を大きくすればのように考えた場合，仮に静電気力が磁気力に比べて二いくらでも強い静電気力が得られることになる．しかし桁小さいならば，アクチュエータ重量，あるいは，体積実用的には実現できる電界 E には上限があり，それはを二桁小さく作れば，アクチュエータ性能としては同等絶縁破壊によってもたらされる．例えば，大気中で高いなものが得られることになる．では，そのようなことは電界を発生させると電極間で放電が起きる．放電が始ま可能なのだろうか．

る電界は諸条件により異なるが，代表的な値としては 3静電気力のメリットは，電極を薄く軽く製作できる点MV/m が良く用いられる．この値を用いて先ほどの静電にある．磁気力の発生には，永久磁石にせよ，電磁石に気力の上限値を計算すると，単位面積あたりの静電気力せよ，ある程度の体積と重量を必要とする．これに対し，(Fe / S) が約 40 N/m2，身近な単位で表せば，1 cm2 あたり静電気力は薄い導体に電圧を印加するだけで容易に発生0.4 gf が最大ということになる．

できる．よって，図 1 (b) に示すように，電極を含むア一方の磁気力について考えてみると，こちらも磁気クチュエータ構造をできるだけ薄く，そして，軽くして飽和や電磁石の発熱などによる上限があるが，それでいくことで，単位体積あたり，あるいは，単位重量あたも，1m あたり 10 N オーダの力を発生することができりでの推力を高めることができ，電磁モータにも匹敵する．これは静電気力と比較すると実に 4 桁も大きな値でるアクチュエータ性能が実現される．

25ある．これと比べれば，確かに静電気力は弱いのである．

そのような薄い電極構造を実現する具体的な一つのさて，上でも述べたが，静電気力の上限を定める放電手段が，プラスチックフィルムなどのシート状部材の利開始電界は諸条件によって異なる．前述の数値は大気中用である [1]．薄いシート上に電極を形成する技術としてでの代表値であるが，この値は電極間距離が縮まってくは，フレキシブルプリント回路基板などの既存の技術がると急激に増大することが知られている ( パッシェンの利用できる．

法則 )[3]．よって，微細加工などによって微小な電極距4．静電フィルムアクチュエータ

離を持った構造体を作れば，より大きな電界が実現できる．あるいは，電極間を絶縁耐力に優れた気体や液体でシート状電極を用いた静電アクチュエータは，現在ま置き換えても良い．静電気力は電界の 2 乗に比例するのでにいくつかの種類が提案されているが [1][4-6]，ここでで，そのようにして発生電界を一桁大きくできれば，発は，代表的な二つのフィルムアクチュエータを紹介させ生しうる静電気力を二桁大きくすることができる．ていただく．一つは，柄川らにより提案された誘導電荷

しかし二桁大きくなってみても，まだ磁気力とは開き形アクチュエータ [1]，もう一つは，新野らによる両電極がある．そこで，もう一歩踏み込んでアクチュエータの形アクチュエータ [5] である．いずれも，フレキシブル重量・寸法も考慮した性能評価について考えてみたい．

プリント基板などを利用してシート状部材に微細な電極異なるサイズのアクチュエータがあったとき，大きく重を埋め込んでおり，それにより静電アクチュエータとし

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特集ては大きな発生力を実現している．駆動電圧としては，誘導された電荷動作方向

ロボット応用などの高い推力を必要とする用途には，1〜 2 kV 程度の電圧が用いられ，この場合，大気中の放移動子固定子電を防ぐため，誘電性液体中で駆動される．一方，後述

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電極
３相パルス電圧する紙送り用途などのように大きな推力発生を必要とし��� 誘導電荷形

ない場合には 300 〜 600 V 程度の電圧で駆動可能であり，動作方向その場合には直接大気中で駆動される．
4.1

アクチュエータ・テクノロジー

電極

移動子
固定子

誘導電荷形

誘導電荷形は，電極構造を有する固定子フィルムと，３相正弦波電圧表面抵抗値の調整された移動子フィルムから構成され��� （交流駆動）両電極形

る．模式図を図 2 (a) に示す．固定子電極に対して一定
図2

電圧を印加すると，移動子表面に微小電流が流れ電荷パ2 種の静電フィルムアクチュエータ

ターンが形成される．その後，固定子側電圧を切り替えて固定子上の電圧分布を横にシフトさせていくことで，移動子上の電荷パターンに加わる静電気力により移動子が駆動される．この方式は，次に紹介する両電極形よりも発生力は低いが，移動子に電極構造が不要なため，移動子として多様なものを用いることができる．移動子と14して利用可能なものは表面抵抗値が 10 Ω 前後の素材とされているが [1][7]，一部の紙は表面抵抗値がこの範囲内に収まるため，固定子電極上に置いて直接搬送することが可能である [7]．
4.2

図3

両電極形

変形しながら動作する例（両電極形）
動作中でも様々な方向に変形可能

両電極形は，移動子・固定子の両者に電極構造を持たせたものであり，両者に電圧を印加することで，誘導電荷形よりも大きな推力を発生することができる．電極な方向に変形させて駆動している様子であるが [9][10]，構造として，3 相電極を用いたもの [5] や 4 相電極 [4][6]誘導電荷形においても同様に曲げて動作させることがを用いたものなどが提案されているが，多く研究されて可能である．

いるのは，移動子・固定子の両者に 3 相電極を用いたもまた両アクチュエータとも，透明化可能である [11]．のである [5]．模式図を図 2 (b) に示す．このタイプでは，図 4 は，両電極形アクチュエータを透明化した例である．

移動子・固定子の両者に 3 相正弦波を印加することによ

ベースとなるフィルムに透明な素材を用い，その上にり，電極間に働く静電気力により移動子を駆動する．こITO などの透明導電体で電極を形成すると，このようなのタイプは同期式のアクチュエータとなり，移動子の動透明アクチュエータが実現できる．

作速度は印加電圧の周波数に比例する．また，移動子のアクチュエータの薄く平明的な構造を活かすことで，位置を検出し，位置に応じた印加電圧を与えることで，複数の移動子・固定子フィルムの組を積層して推力を増推力の制御も容易である [8]．

大することも可能である [1]．例えば，両電極形において主な性能としては，最高動作速度 1 m/s 以上，単位重50 組の移動子・固定子フィルムを積層し，300N の推力量あたりの推力 630 N/kg などが報告されている [5]．

を記録した例が報告されている [12]．

4.3

5．応用

特徴

上で紹介した 2 種のフィルムアクチュエータは，い今のところ，静電フィルムアクチュエータに関して商ずれも軽く，薄く，柔らかい．図 3 は，両電極形を様々品化にまで至った例は無いが，ロボット，広告・アミュー

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アクチュエータ・テクノロジー

1175Electrostatic Actuator

Desktop

Paper/Document
Plastic Tray

図4Film

透明アクチュエータ（両電極形）＊口絵にカラー版掲載
図5（白い冊子はアクチュエータが透明であることを示すために ,アクチュエータの背後におかれたもの）

静電アクチュエータによるデスクトップオートメーション

ズメント，インタフェースデバイスなどとしての応用が化を移動子上に発生させることができる．そこで，移動模索されている．

子を指で動かし，その動きに応じて移動子に推力変化をロボット応用としては，より大きな推力を得られる両与えることで，細かい凹凸感を表現することができる．

電極形の利用が検討されている．軽量・ダイレクトドラ

また，より一般的な構成のハプティックデバイスとしイブといった特徴を活かした 2 自由度ロボットアームのては，例えば 2 自由度のジョイスティック型デバイスな

試作 [13] や，アクチュエータの柔軟性を活かした魚ロ

どが試作されている [17]．そのようなハプティックデバ

ボットの試作例 [14] が，これまでに報告されている．

イスの応用としては，静電アクチュエータが非磁性であ

広告・アミューズメント用途としては，図 4 のようる点を活かして，MRI( 磁気共鳴画像診断 ) 装置近傍での利用が模索されている [18]．に，透明化したアクチュエータの利用が検討されている．
図 4 の例は両電極形によるものであり，移動子・固定子6．まとめの両者が透明化されているが，誘導電荷形で固定子のみを透明化し，紙を移動子に用いれば，紙がひとりでに動本稿では，ヒトとの親和性に絡んだ四つのキーワードいているような不思議な状況を演出することも可能であを念頭におきつつ，静電フィルムアクチュエータについる．これらは，広告やアミューズメント用途への利用がて解説した．現段階では，ヒトとの親和性を直接的に示期待できる．

す事例は紹介できないが，いくつか紹介した研究事例の薄くて透明という特徴を活かし，アクチュエータを中から，多少なりとも，その可能性を感じ取っていただ

環境中に埋め込んでインタフェースとして用いることもければ幸いである．

提案されている．例えば，デスクの表面に静電アクチュエータを埋め込むことで，デスクトップの自動化 ( 例え

参考文献

ば書類の搬送 ) を行おうとする研究が提案されている[1] S. Egawa, T. Higuchi: Multi-Layered Electrostatic Film( 図 5)[15]．このようなデスクトップインタフェースとしActuator, Proc. IEEE MEMS 90, pp. 166-171 (1990)ては，電磁式アクチュエータを用いた提案が過去に複数[2] 柄川：静電アクチュエータ，マイクロマシン技術総なされているが，静電アクチュエータを用いると，搬送覧 pp. 461-467，産業技術サービスセンター (2003)

力等に制約は生じるものの，フィルムをデスク表面に敷[3] 武田：気体放電の基礎，東京電機大学出版局 (1990)

くだけの簡易な構造でデスクトップインタフェースが実[4]T. Niino, S. Egawa, N. Nishiguchi, T. Higuchi: Developmentof an Electrostatic Actuator Exceeding 10N Propulsive Force,現できる可能性がある．

Proc. IEEE MEMS 92, pp. 122-127 (1992)

インタフェース用途としては，この他にもハプティックデバイスとしての応用が検討されている．文献 [16][5] 新野，樋口，柄川：交流駆動両電極形静電モータ，
日本ロボット学会誌，15, 1, pp. 97-102 (1997)

では，両電極形アクチュエータを用いて，表面粗さ感などのテクスチャ感呈示を行った例が報告されている．こ[6] N. Yamashita, A. Yamamoto, M. Gondo, T. Higuchi:のアクチュエータは，移動子重量が軽く ( 数 g)，減速器をEvaluation of an Electrostatic Motor Driven by Two-Four-介さないダイレクトドライブであるため，微細な力の変Phase AC Voltage and Electrostatic Induction, Proc. IEEE111276

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ICRA 2007, pp. 1572-1577 (2007)

アクチュエータ・テクノロジー

Design and Control for High-mobility Open-loop Swimming,[7] 新野，柄川，樋口：静電気力による紙送り機構，精IEEE Transactions on Robotics, 24, 1, pp. 118-129 (2008)

密工学会誌，60, 12, pp. 1761-1764 (1994)[15] A. Yamamoto, H. Yoshioka, T. Higuchi: A 2-DOF[8] 山本，新野，樋口：高出力静電モータを用いた高精Electrostatic Sheet Conveyer Using Wire Mesh for Desktop

度位置決め制御，精密工学会誌，64，9，pp. 1385-1389

Automation, Proc. IEEE ICRA 2006, pp. 2208-2213 (2006)(1998)[16] 石井，山本，樋口：薄型静電アクチュエータを用いた皮膚感覚ディスプレイの開発，電気学会論文誌 E，[9] 西嶋，山本，樋口，稲葉：柔軟な構造を有する静電フィルムアクチュエータの開発，精密工学会誌 , 69, 3,

122，10，pp. 474-479 (2002)

pp. 443-447 (2003)[17] 平野，山本，一柳，樋口：静電フィルムモータを[10] A. Yamamoto, T. Nishijima, T. Higuchi: Deformable

用いたジョイスティック型 2 自由度ハプティックデバ

Electrostatic Linear Motor”, Proc. IEEE TExCRA 2004,

イスの試作，ロボティクス・メカトロニクス講演会

pp. 27-28 (2004)'06 講演論文集 , 1P1-D02 (2006)[11] S. Egawa, T. Niino, T. Higuchi: Film Actuators: Planar,[18] A. Yamamoto, K. Ichiyanagi, T. Higuchi, H. Imamizu,Electrostatic Surface-Drive Actuators, Proc. IEEE MEMS

R. Gassert, M. Ingold, L. Sache, H. Bleuler: Evaluation of91, pp. 9-14 (1991)

MR-compatibility of Electrostatic Linear Motor, Proc. IEEE

[12] T. Niino, S. Egawa, H. Kimura, T. Higuchi: Electrostatic

ICRA 2005, pp. 3669-3674 (2005)

Artificial Muscle: Compact, High-Power Linear Actuatorswith Multiple-Layer Structures, Proc. IEEE MEMS 94, pp.

【略歴】

130-135 (1994)山本[13] 西嶋，山本，樋口，稲葉：静電フィルムアクチュエー

晃生 (YAMAMOTO Akio)

東京大学

大学院工学系研究科

准教授

タを用いた２自由度ロボットアームの開発，精密工学

1999 年東京大学大学院工学系研究科・博士課程修了，会誌，71, 12, pp. 1574-1578 (2005)

博士 ( 工学 )．1999 年東京大学大学院工学系研究科助手，[14] Z.G. Zhang, N. Yamashita, M. Gondo, A. Yamamoto,2000 年同講師，2005 年より同助教授 ( 現職 )．専門はメT. Higuchi: Electrostatically Actuated Robotics Fish:

カトロニクス，アクチュエータ，触力覚インタフェース．

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