従来,機械を駆動するアクチュエータには,電磁力を利用したモータが最も広く使われてきた.しかし,従来のモータは,自然のアクチュエータである生物の筋肉に比べ,パワー・重量比が小さい.近年,空気圧人工筋,形状記憶合金,高分子ゲルなど,様々な新方式のアクチュエータが研究されているが,出力・制御性の両面で十分な性能を持つものは,未だ開発されていない.

　本研究では,将来のロボットの「筋肉」となりうる軽量・大出力アクチュエータとして,フィルム状静電アクチュエータを積層した「静電人工筋」を提案する.

　電荷間のクーロン力により動作する静電アクチュエータは,古くから研究されてきたが,駆動に高電圧が必要の上,出力が小さかったため,実用化されなかった.近年,IC技術を応用した静電マイクロモータが試作され,静電力が再び注目されるようになったが,通常の大きさの機械を駆動できる大出力の静電アクチュエータを実現しようとする試みは少ない.

　従来の静電アクチュエータの性能が低かった原因は,静電力の利点が充分に生かされていなかったためである.静電アクチュエータには,寸法を縮小すると力密度が向上する特性がある.これを利用し,多数の微小な静電アクチュエータの力を合計すれば,少ない体積で強い力を得ることができる.

　集積アクチュエータの構成として最も現実的なのは,図1に示す積層フィルム構造であると考える.微細な電極を有する多数のフィルムを積層した2組の束を交互に重ね合わせ,フィルム間に滑り力を発生させる.2つの束の間が滑る点が生体筋に類似していることから,静電人工筋と名付ける.

図1 静電人工筋概念図

　静電人工筋の実現のためには,構成要素となるフィルムアクチュエータと,その接続方法の開発が必要である.積層数が多いため,個々の要素の製作・組立の容易さが重要である.そこで,単純な構造と,高い製作精度を要求しない点を特徴とする,パルス駆動誘導電荷形フィルムアクチュエータを考案した.

　本論文では,フィルムアクチュエータとその設計法について述べ,フィルムアクチュエータを積層化した静電人工筋を製作する.また,フィルムアクチュエータの他の分野への応用も検討する.

　フィルムアクチュエータの構造と動作原理を図2に示す.3相電極を持つ固定子の上に,極めて高い抵抗率の抵抗体層を持つ移動子を置く,固定子電極に以下の手順で電圧を順次印加することにより,移動子を駆動する.

　(1)初期充電 最初は,移動子は電荷を持たない.図2(1a)に示すように,固定子電極に(+-0)の電圧を印加し,移動子を電極と逆極性に帯電させる(1b).

　(2)駆動 図2(2a)のように,電圧を印加する電極を右に1相ずらすと,電極の電荷は瞬時に入れ替わるが,抵抗体の抵抗率が高いため,移動子の電荷はしばらく保持される.この時,電荷間の静電力により,移動子に対し上向きの浮上力と右向きの駆動力が働き,移動子は(2b)のように右に動く.

　(3)再充電 駆動中に移動子の電荷の一部が失われる.そこで,各ステップの駆動後に,静止状態で図2(3)のように再び充電を行い,初期充電後の状態に戻す.失われる電荷量は少ないので,再充電に要する時間は短い.

　この後,電極を1相ずつずらして,(2)駆動と(3)再充電を繰り返す.

図2 動作原理

　材料・寸法の異なる数種類のアクチュエータを試作した.図3に240mピッチアクチュエータの断面を示す.固定子には,電子回路配線用として用いられているフレキシブルプリント回路板を利用した.25mのベースフィルム上の銅箔に,エッチングにより240mピッチの電極を形成し,表面にポリイミドフィルムを接着して絶縁した.移動子のベースフィルムには,厚さ12mのPETを用い,抵抗体層としてカーボンブラックを塗布した.表面抵抗率は約10¹⁴に調製した.移動子は固定子の両面に置くことができる.摩擦を低減するため,固定子・移動子間には直径10mのガラス粒子を挿入した.また,空気の絶縁破壊を防ぐため,空隙を絶縁液(パーフルオロカーボン)で満たした.

　直流高圧電源により発生させた正負の電圧を,半導体リレーにより切り換えることにより,アクチュエータ駆動パルスを発生させた.240mピッチアクチュエータは,最大800Vまで印加できた.図4に電圧と力の関係を示す.絶縁液・ガラス粒子の有無による差を調べた.4通りの組み合わせのうち,絶縁液有り,ガラス粒子無しの場合は動かなかった.絶縁液を用いない場合,約600V以上で空気の絶縁破壊による放電が起こり,フィルムが帯電して力が低下する.ガラス粒子は,電圧が高い場合に効果が大きい.

図表図3 フィルムアクチュエータの断面 / 図4 フィルムアクチュエータの電圧と力の関係

　表1に,試作したフィルムアクチュエータの性能をまとめる.240mピッチアクチュエータは,1.27mmピッチアクチュエータに比べ力・面積比が50倍に増加している.これは,材料の絶縁耐力の向上により電界強度が増したことと,構造寸法比等の設計が改善されたことによる.

表1 フィルムアクチュエータの性能

　アクチュエータの各部の寸法,誘電率,抵抗率といったパラメータが性能に及ぼす影響を,理論および数値計算により調べた.

　電極ピッチpは,構造の細かさを表す代表寸法である.理論的には,ピッチが細かい方が有利となる.ピッチを狭めると,アクチュエータを薄型化でき,単位高さあたりの積層枚数が増えるからである.駆動電圧が低下する利点もある.ただし,実際には製作技術による制約がある.

　移動子の表面抵抗率_sと充放電時定数の間には,の関係がある.時定数が短すぎると移動子が動く前に電荷が失われ,長すぎると初期充電に時間がかかる.240mピッチアクチュエータの場合_s＝10¹³〜10¹⁵が適当である.

　寸法比の影響は数値電界計算により求めた.最も興味深いのは,電極-抵抗体間距離と電極ピッチの比(h/p)の影響である.図5に示すように,抵抗体は電極に近いほど良いのではなく,距離には最適値がある.距離が狭まると,移動子が固定子に吸引され,摩擦が増加するからである.

　図6に誘電率の影響を示す.絶縁液の誘電率は大きいほど力が増加する.フィルム誘電率も,一般的には大きい方が良いが,絶縁液に比べ効果は小さい.

図表図5 電極-抵抗体間距離の影響 / 図6 誘電率の影響

　420m,100m,240mピッチのフィルムアクチュエータを用いて,それぞれ積層アクチュエータを試作した.図7は,240mピッチ40層静電人工筋の概形図である.図8に示すように,固定子・移動子フィルムを重ね,ピンで固定した.固定子のピンは給電線を兼ねている.これをケースに納め,絶縁液に浸して密閉した.力は移動子端部に取り付けたワイヤから,シールを通じてケース外に取り出す.完成写真を図9に示す.総重量は110gである.

図表図7 240mピッチ40層静電人工筋の概形 / 図8 積層アクチュエータの構造 / 図9 ケースに納められた静電人工筋

　図10に電圧と力の関係を示す.駆動力は,1層の40倍になることが期待されるが,実際には約30倍となった.力が不足した原因は,隣合う移動子が接近して干渉したためと考えられる.図11に駆動周波数の影響を示す.低速時には8Nの力が得られた.速度を速めるにつれて力が低下するが,パワーは増加する.最大パワーは脱調する直前の1kHzで得られた.効率は16%であった.

図表図10 240mピッチ40層静電人工筋の電圧と力の関係 / 図11 駆動周波数による力・パワーの変化

　表2に製作した積層アクチュエータの性能をまとめる.240mピッチ40層アクチュエータは,初期の420mピッチ4層アクチュエータに比べて,パワー・重量比で250倍に増加した.これは,フィルムアクチュエータの性能が向上したことによる.

　静電人工筋の実用性を示すため,静電人工筋を2組用いた2自由度ロボットアームを試作した(図12).人工筋の出力ワイヤにより各関節に取り付けたプーリを回転させる.手先に近い第2軸のアクチュエータは負荷が小さいため,積層数を半分の20層とした.先端に50gの負荷を吊り下げ,運搬できた.

図表表2 積層アクチュエータの性能 / 図12 静電人工筋により駆動される2自由度ロボットアーム

　フィルムアクチュエータを1層で用いると,極めて薄いアクチュエータが実現でき,人工筋以外への応用も考えられる.図13は,透明導電体ITOを用いて製作した透明アクチュエータである.広告ディスプレイやブラインドへの応用が期待される.また,回転アクチュエータ,XY2自由度駆動,紙を直接に駆動する静電紙送り,絶縁フィルム材料の搬送の実験を行った.アクチュエータ全体を小型化し,マイクロアクチュエータとして利用することも考えられる.

図13 透明フィルムアクチュエータ

　静電力により動作する,静電人工筋を開発した.自重110gに対し,最大で力8N,パワー0.5Wを得た.本研究により,静電力を利用して充分に実用的な出力を発生できることが確認された.現状のパワー・重量比は,5W/kgとまだ小さいが,今後,設計の最適化や材料の改善により,1kW/kgの軽量・大出力アクチュエータを実現することも可能と考えられる.また,フィルムアクチュエータは広い分野での応用が期待される.