【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気粘性流体を用いた位置および速度を高精度かつ高応答速度で制御するためのアクチュエ−タ−に関するもので、ロボット、精密加工機械、精密測定装置、等の用途に広く利用される。

【０００２】

【従来の技術】電圧印加により粘性が大きく瞬間的かつ可逆的に変化する電気粘性流体は、トルク伝達、振動吸収、サ−ボ制御、油圧システム、振動素子、等の分野の新しいアクチュエ−タ−としての応用が期待されており、それらについての特許や文献も多い。 例えば、トルク伝達ではＵＳＰ２４１７８５０、ＵＳＰ４２６５３４
６、振動吸収ではＥＰ１０８０８３、ＥＰ１３７１１
２、サ−ボ制御ではＧＢ２０８３５９５、油圧システムではＧＢ１５１１６５８、ＵＳＰ３４０５７２８、などが挙げられる。

【０００３】これらのアクチュエーターに用いられる電気粘性流体としては、シリカや澱粉などの含水微粒子を絶縁油に分散させた、いわゆるＷｉｎｓｌｏｗ流体（Ｕ
ＳＰ２４１７８５０）が、古くから知られている。 その後このＷｉｎｓｌｏｗ流体の粘性変化の大きさや温度特性、耐久性などの改良を計って、含水微粒子にイオン交換樹脂粒子（特開昭５０−９２２７８）やゼオライト粒子（特開平２−３７１１）を用いる方法、また有機半導体粒子（ＧＢ２１７０５１０）、表面絶縁化した導電体粒子（特開昭６４−６０９３）、液晶ポリマー粒子（Ｐ
ｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｔｈｅ ２ｎｄ Ｉｎｔ'ｌ
Ｃｏｎｆ． ｏｎ ＥＲＦ、２３１、１９８９）などの非含水粒子を用いる方法、など多くの提案がなされている。

【０００４】電気粘性流体を用いると極めて応答速度が速くまたシンプルでコンパクトなアクチュエーターが得られることから電気粘性流体に対する期待は大きいが、
まだ実用化されたものは極めて少ない。 この原因として、流体の温度特性や耐久性の悪さ、更には、粒子沈降の問題などが挙げられているが、機械制御性を詳細に検討した結果、これら以外に更に大きな問題のあることを発見した。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】電気粘性流体は電圧印加によりその粘性が著しく増大する。 この粘性の増大を機械的抑制力として作用させたアクチュエ−タ−は、従来の機械的あるいは電気・機械的手段を用いて機械的抑制力を発現させたものに比べて応答性が速く、例えば、
１０００Ｈｚの応答も比較的容易に達成し得ることが知られている。

【０００６】特開平４−２７２５２９には、支持部材と回転する可動部材の間隙に介在させた電気粘性流体に電圧を印加し減衰力を与えて可動部材を所定の位置に迅速かつ正確に停止させる方法が、また特開平４−１５８４
１４には、作動制御系にサ−ボ機構を備えたアクチュエ−タ−において、作動値と目標値の偏差に応じて電気粘性流体の流動抵抗に基ずく減衰力を及ぼし、位置や角度を制御する方法が記載されており、電気粘性流体を用いない従来の制御方法に比べて位置決め速度に大きな改良効果のあることが述べられている。 しかし、従来の電気粘性流体を用いたこれらのアクチュエ−タ−には、機械的抑制力を発生させ高速で精度の高い位置決め行なう際に難点があることが分かった。

【０００７】アクチュエ−タ−の作用点を目標位置に静止させるには、一般に作用点が静止させたい目標の位置の手前の所定の位置で出力源を停止させる方法、更に精密な位置決めを行なう場合には、出力源にサ−ボ機構を備え、作用点が静止させたい目標の位置に近づくにつれてその情報を出力源にフィ−ドバックし移動速度を減少させ静止する方法がとられる。 電気粘性流体を用いて更に高度な位置決め制御を行なう場合、電気粘性流体を出力源と作用点の間に介在させ、静止過程に入った作用点の位置の信号を該流体にフィ−ドバックさせてその粘性変化に基ずく機械的抑制力をダンパ−として利用し、駆動系や伝達系の振動やブレを吸収している。 このように電気粘性流体に電圧を印加して機械的抑制力を発現させ静止位置を制御する場合、ビンガム流体的流動挙動を示す従来の粒子分散タイプの電気粘性流体には、アクチュエ−タ−の作用点が目標位置に近づきその移動速度が下がるにつれて、すなわち、該流体にかかる剪断速度が下がり零に近づくにつれて、一定電圧の印加では、該流体の粘度が急激に上昇する特徴がある。 この特徴は制止に近い状態で大きな抑制力を発現させるという面では好ましいが、目標位置に正しく静止させるという面では好ましくなく問題となることが多い。 作用点を目標位置に静止させるためには、目標位置と作用点の偏差（距離または角度）についての正確な情報を制御機器（コンピュ−
タ−）にフィ−ドバックし、偏差の時間微分すなわち速度を求め、この速度に対応した抑制力を発現させるために、電気粘性流体に印加する電圧を刻々調整していく必要がある。 このためには極めて高精度の位置センサ−を用いて速度（位置の変化を時間で微分した値：停止に近づくほど位置の変化は小さくなり精度が低下する）を算出し、それに対応した抑制力を発現させるべく電気粘性流体に印加する電圧を刻々調整（非線形制御）することが必要となる。 しかし、現実にはそのような高性能の位置センサ−は極めて高価であり、また更に粒子分散系の流体ではク−ロン摩擦的静止を抑えることは不可能に近いことから、従来の粒子分散タイプの電気粘性流体を用いたアクチュエ−タ−では精密な位置決めを高速度で行なうことは難しいことがわかった。

【０００８】

【課題を解決するための課題】本発明の目的は、高精度かつ高応答速度で位置決めが可能なアクチュエ−タ−を提供することにある。 本発明者らは、電圧印加時に剪断速度に比例した剪断応力を発現するニュ−トン流体的な流動挙動を示す電気粘性流体に着目し、各種の流体につき検討を重ねてきた。 その結果、ある種の液晶性高分子がニュ−トン流体的流動挙動を示す電気粘性流体になり得ることを見つけ、その高分子の合成に成功し、これを用いて位置や速度の制御性能のためのアクチュエ−タ−
を検討してきた。 上記の着眼と特殊な電気粘性流体の発見および合成を基に、各種のアクチュエ−タ−の機械的抑制力の制御について検討を重ねた結果、極めて良好な制御性のあるアクチュエ−タ−の得られることがわかり、本発明に到達することができた。

【０００９】すなわち、本発明は電圧印加時の剪断応力が剪断速度に比例する電気粘性流体を用いた、位置または速度を制御するためのアクチュエ−タ−である。 電気粘性流体を用いて機械的抑制力を制御する方法とは、アクチュエ−タ−の出力（負荷）側に設けられた位置（または角度）センサ−で作用点の位置を検知し、その位置の時間的微分値（すなわち速度）に比例した機械的抑制力を、印加する電圧の大きさによって粘性（剪断応力）
が変化する電気粘性流体への印加電圧を調整することに発現させる方法である。 このためには、ビンガム流体的挙動をする従来の電気粘性流体を用いたアクチュエ−タ−の場合には、この印加電圧を速度に合わせて刻々調整しなければならない。 一方、ニュ−トン流体的流動挙動を示す流体を用いた場合には、剪断応力が剪断速度に比例すると言う特徴から、該電気粘性流体の印加電圧と粘性の関係から予め求められた一定電圧を印加するだけで、速度に比例した所定の機械的抑制力を発現するアクチュエ−タ−が得られる。

【００１０】一般にアクチュエ−タ−とは電気、機械、
磁気、熱、光、等のエネルギ−を機械的作用（エネルギ−）に変換する素子を言うが、本発明に言うアクチュエ−タ−とは、中でも、主として機械的エネルギ−を機械的作用に変換するもので、より具体的には、モ−タ−、
空気圧、油圧等の機械的エネルギ−を回転あるいは直進運動に変換するアクチュエ−タ−であり、特に位置や速度の精密な制御を必要とするアクチュエ−タ−である。
このようなものの代表例としてはシリンダ−、モ−タ−、クラッチ、バルブ、等が挙げられる。 モ−タ−の場合、通常は減速器やボ−ルネジ等と組み合わせたシステムとしてして適応されるが、ダイレクトドライブモ−タ−のように直接機械的作用を行なうものにも本発明を適応することができる。 なお、これらアクチュエ−タ−への電気粘性流体の適用方法については、図１の（ａ）から（ｄ）のようなシリンダ−型、図２の（ａ）や（ｂ）
のようなリニアガイド型、図３の（ａ）や（ｂ）のようなボ−ルネジ型、図４のようなベアリング軸受型、図５
のようなフランジ型、図６のようなリング型、等の構造体の部分に形成した少なくとも一対の電極間に電気粘性流体を介在させこれに電圧を印加する方法が挙げられる。

【００１１】これらのアクチュエ−タ−は、一般に、可動部分と固定部分から構成されるが、作動時には可動部分（伝達系）の弾性に基ずく振動の他に、静止摩擦と動摩擦の境界領域にある低速度、特に停止に移行する直前では、可動部分と固定部分の間の静止摩擦と動摩擦の抵抗の差に基ずく負荷の変動で、速度の不安定性、いわゆるブレやスティックスリップを生じ易い。 電気粘性流体はこのような際の不安定性を緩和するが、ク−ロン摩擦的性質を本質的に有する従来の粒子分散系の電気粘性流体を用いた場合には、新たな問題としてこのク−ロン摩擦による不安定性を生じる。 一方、ニュ−トン流体的な挙動を示す電気粘性流体を用いた場合には、このようなク−ロン摩擦の問題もなく、更にニュ−トン流体の特性から、例えば、ある一定の速度（加速度）で静止しようとする場合、速度が設定よりも速くなるとより大きな抑制力が働き、また、遅くなるとより小さな抑制力となり、減衰速度を設定値に近づける、いわゆる自己調整作用を発現することからより好ましい。 従って後者の電気粘性流体を用いた本発明のアクチュエ−タ−は、特に低速度で作動する際の速度や位置決めには極めて有効なことが理解される。

【００１２】本発明に言う剪断速度に比例した剪断応力を示す電気粘性流体とは、電圧を印加した際の粘度が下式を満足する流体である。 τ ＝ η（Ｄ−Ｄ ₀ ） ⁿ ＋ Ｃ 式（１） ここで、τは剪断応力［Ｐａ］、ηは見かけの粘性率［Ｐａ・ｓｅｃ］、Ｄは剪断速度［ｓｅｃ ^-1 ］、Ｄ ₀は遅延値［ｓｅｃ ^-1 ］、ｎは係数［正の実数］、また、Ｃ
は降伏応力［Ｐａ］、であり、ｎ、およびＤ ₀は、０.
８≦ｎ≦１. ５、より好ましくは、０. ９≦ｎ≦１.
２、０≦Ｃ≦３００、より好ましくは、０≦Ｃ≦１００
（３ｋｖ／ｍｍの電圧を印加時の値）、０≦Ｄ ₀ ≦５０
である。 見かけの粘性率ηはできるだけ大きいことが望ましいが、小さくても電圧解除時の値（η _off ）との比、η／η _off 、がある程度大きければ（できるだけ大きいことが望ましいが、例えば２）、本発明に有効に用いることができる。 降伏応力Ｃは従来の粒子分散系電気粘性流体、例えば、含水シリカ粒子分散系では３００〜
１０００、含水イオン交換樹脂粒子分散系では１０００
〜５０００、であるのに対して、本発明に使用されるニュ−トン流体的な流動挙動をなす電気粘性流体は３００
以下、できれば零に近いものが好ましい。 遅延値Ｄ ₀は印加電圧が低いとやや大きくなる傾向があるが、低い方が好ましい。 また、式（１）で剪断速度ＤがＤ ₀より低い領域においてはＤ−Ｄ ₀は零と見なす。 なお、本発明は静止に近づいた際の機械的抑制力を対象とするものであり、上記の式（１）は、剪断速度が０〜５０［ｓｅｃ
^-1 ］の領域で成立すればよい。

【００１３】このような粘性挙動を示す代表的な電気粘性流体として、ある種の化合物からなるサ−モトロピック液晶が挙げられる。 このような化合物としては、複数個の液晶性基をシリコ−ン等の屈曲性分子鎖に結合した液晶性化合物が挙げられ、これらについては特願平３−
２２００６４に具体的に記載されている。 上記の化合物は、粒子を分散させたものでないことから、粒子沈降や粒子摩耗の問題もない均一系の電気粘性流体であり特に好ましい。

【００１４】なお、これまでに均一系の電気粘性流体としてニトロベンゼンなどの極性液体（Ｊａｐａｎ．Ｊ．
Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． １６ １７７５（１９７７））、
コレステリック液晶混合物（Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏ
ｎｓ ３８６５（１９６５））やメトキシベンジリデンブチルアニリン（ＭＢＢＡ）などの低分子液晶（Ｊａｐ
ａｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． １７１５２５（１９７
８）および、ＧＢ２２０８５１５Ａ）、強誘電性ポリマー溶液（第３９回高分子討論会予稿集，１８Ｕ０７、１
９９０）を用いる方法などが報告されているが、これらはいずれも電気粘性流体と言えるほどの電気粘性効果は得られておらず本発明の機械制御アクチュエ−タ−には使用し難い。

【００１５】

【実施例】本発明を具体的に説明するために、以下に実施例を挙げて図面を参考にしながら述べる。

【００１６】

【実施例１】図７は電気粘性流体を用いた速度および位置決め制御機構（ロボットア−ムの間接部を始めとする多くのメカトロニクス機器に適応可能）を具備した装置をモデル的に示す。 ロボットア−ム２０は減速器１８の出力側シャフト１９に取り付け（固定）られ、サ−ボモ−タ−１によって駆動され円運動をする。 シャフト１９
には更に上端部に下部フランジ２２と上部フランジ２５
の一対のフランジからなる電気粘性流体を用いた制御機構が取り付けられている。 シャフト１９に取り付け（固定）られた下部フランジ２２の上面には幅広いリング状の平らな溝が彫られており、溝にはリング状の電極板２
１（絶縁材でフランジ２２とは電気的に絶縁されている）が取り付けられ（固定）ている。 一方、ベアリング２６を介してシャフト１９に取り付けられたフランジ２
５の下面にもリング状の電極板２４（絶縁材でフランジ２５とは電気的に絶縁されている）が取り付けられている。 これら一対の電極板の平行でかつ一定の間隙（１．
０ｍｍ）には、電気粘性流体２３が封入され、電源２９
により電圧が印加されるようになっている。 上部フランジ２５は剛体フレ−ム２７に固定されている。

【００１７】ロボットア−ム２０の高速でのラフな駆動は、モ−タ−１７に取り付けられた角度センサ−からモ−タ−１７にフィ−ドバックされる信号に基づき（またはフィ−ドバックなしに）モ−タ−１７によってなされるが、電気粘性流体には電圧は印加されない。 所定の速度や位置決めの精度を要求される低速度駆動や停止過程では電圧が印加され、モ−タ−１７は位置センサ−２８
及びモ−タ−に取り付けられた角度センサ−の情報を用いて制御される。

【００１８】図８はこの装置の制御系のブロック線図を示す。 Ｘは精密な位置決めを行いたい量、Ｆ（Ｘ', Ｖ
in）は剪断速度Ｘ'（Ｘを時間で微分した値）と印加電圧Ｖinの関係から決まる力を表す関数である。 本発明に用いられるニュ−トン流体的粘性挙動を示す電気粘性流体では関数Ｆが剪断速度Ｘ'に対してほぼ線形であることから、制御系が安定化し易く、高精度の位置決め制御が可能となる。 なお、印加電圧Ｖinは精密位置決めを行なう間際に印加される。

【００１９】図９は電気粘性流体に、本発明のニュ−トン流体的流動挙動をする側鎖型液晶性シリコ−ン化合物を用いた場合（ａ）と、従来のビンガム流体的流動挙動をする粒子分散系のものを用いた場合（ｂ）の、ロボットア−ムの目標停止位置の近傍に到達した後の静止状況を比較したものである。 評価はモ−タ−１でロボットア−ム４を一定の速度で駆動し、所定の位置に静止させるようサ−ボモ−タ−の制御条件を設定し、静止予定約０．３秒前に電気粘性流体に所定の電圧を印加して行った。 （ｂ）では本来は停止過程の位置を検出しつつ、その信号を制御装置にフィ−ドバックし速度情報に変換した後これに対応した電圧を刻々計算して電気粘性流体にフィ−ドバックしなければならないが、本評価は（ａ）、（ｂ）ともにそれぞれ所定の一定電圧を印加して行った。

【００２０】なお、使用した電気粘性流体は以下の組成のものであり、（ａ）は６０℃で、（ｂ）は３０℃で評価を行なった。 側鎖型液晶性シリコ−ン：化学式１に示す構造の化合物をジメチルシリコ−ン（１００ｃｓｔ）５０重量部で希釈したもの

【００２１】

【化１】

【００２２】粒子分散系電気粘性流体：球状シリカ粒子（粒径：約５μｍ、含水率：７ｗｔ％）３０重量部をジメチルシリコ−ン（２０ｃｓｔ）に分散させたもの

【００２３】

【発明の効果】本発明により、従来のモ−タ−や空気圧シリンダ−等のアクチュエ−タ−では困難であった機械制御システム系の位置および速度の制御が高精度かつ高応答速度で行なうことが可能となり、ロボット、精密加工機械、精密測定装置、等の制御に広く利用される。

【図面の簡単な説明】

図１から図６までは本発明のアクチュエ−タ−において電気粘性流体が適応される部分の構造の代表例をモデル的に示す。 電気粘性流体はこれらに形成された電極間に封入されている。

【図１】図１はシリンダ−型の例であり、（ａ）および（ｂ）はシリンダ−の内筒壁とピストンの外周壁の間に、（ｃ）はピストンに設けられた開口部分に、（ｄ）
はシリンダ−の外部に、電極が形成されている。

【図２】図２はリニアガイド型の例であり、（ａ）はガイド滑り面の外部壁と、（ｂ）はガイド滑り面の内部壁と、スライダ−面の間に電極が形成さている。

【図３】図３は回転運動を直線運動に変換するボ−ルネジ型の例であり、（ａ）は絶縁性のベアリングを用いた場合の例でボルト内壁とナット（シャフト）外壁の間に、（ｂ）は導電性（金属製）のベアリングを用いた場合の例でボルトとナットの対向壁面にそれぞれ絶縁材を介してスパイラル状に、電極が形成されている。

【図４】図４はベアリング軸受型の例であり、絶縁性のベアリングを介した回転軸面と固定軸面の間に電極が形成されている。

【図５】図５はフランジ型の例であり、対向するフランジ面に電極が形成されている。

【図６】図６はリング型の例であり、対向するリング状の溝をもつフランジ間に電極が形成されている。

【図７】図７は実施例１のロボットア−ムをモデル的に表した駆動装置図を示す。

【図８】図８は実施例１の制御系のブロック線図を示す。

【図９】図９は実施例１のア−ムの停止過程の挙動を示す。

【符号の説明】

１：電極 ２：電気粘性流体 ３：シリンダ− ４：シャフト ５：ピストン ６：シ−ル ７：ピストン開口部 ８：電気粘性流体のバイパス ９：リニアガイド １０：スライダ− １１：ボールネジ軸 １２：ナット １３：ベアリング １４：絶縁材 １５：フランジ １６：リング状フランジ １７：サ−ボモ−タ− １８：減速器 １９：シャフト ２０：ロボットア−ム ２１：電極板 ２２：下部フランジ ２３：電気粘性流体 ２４：電極 ２５：上部フランジ ２６：ベアリング ２７：剛体フレ−ム ２８：位置（角度）センサ− ２９：電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl. ⁵識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０５Ｄ 13/62 Ｅ 9132−3Ｈ //(Ｃ１０Ｍ 169/04 107:50 139:04） Ｃ１０Ｎ 40:04 8217−4Ｈ 40:08 8217−4Ｈ 40:14 8217−4Ｈ