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位置フィードバック機構を内蔵した
ERマイクロアクチュエータ
東京工業大学 精密工学研究所
准教授 吉田 和弘
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従来技術とその問題点
• 小形サイズで高い発生力と大きいストロークのア
クチュエータには液圧駆動が適しており、その制
御に、電界で粘度を制御できる機能性流体ERF
を用いたシンプル、小形のERバルブを応用する
ことができる。
• 液圧アクチュエータは、液体が固有の形を持たな
いことから、ソフト化できる特長も有する。
• 位置制御のためには、外部に位置センサ、コント
ローラが必要で、システムとして大形化、高コスト
化をまねく問題があった。
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新技術の特徴・従来技術との比較
• ERバルブの一方の電極を可動とし出力端とした構造で、
外力による位置に応じて液圧パワーを制御する、シンプ
ル、小形でアクチュエータに組み込み可能なデバイスを
提案する。
• 上記デバイスによる、外部の位置センサおよび コント
ローラなしの位置制御により、高パワー密度、ソフトで、
従来より小形、コンパクト、低コストの位置制御システム
を実現できる。
• 上記アクチュエータを直列に接続し、それぞれで横方向
外力がゼロになるように位置制御を行うと、形状適応と
いう新機能を実現できる。
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従来技術：ERマイクロアクチュエータ
ERF
パワー源 P
固定電極
Q
Q
差圧 P
ERF（Electro-Rheological Fluid．電気粘性流体）：電界で粘度が変化
ERマイクロバルブ
○ 電界強度Eで圧力
P，流量Qを制御
E: 高
E=0
流量 Q
○ 固定電極だけの
摺動部がない
単純構造
 マイクロ化可能
ERマイクロアクチュエータ
ERマイクロ
ERF圧力源
ERF圧力源
アクチュエータ
（一定圧力）
（一定圧力）
： ERマイクロバルブ
ERマイクロ
ERマイクロ
＋
バルブ
バルブ
液圧マイクロ
アクチュエータ
Vv
Vv
v
v
特長：
液圧
液圧
○高パワー密度
マイクロ
マイクロ
○ソフト化可能
アクチュ
アクチュ
○シンプル、小形
v低  収縮 エータ v高  伸長 エータ
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提案技術：位置フィードバック機構を
内蔵したERマイクロアクチュエータ
可動電極
変位x
力f
ベローズ
（ばね要素）
ERF
固定絞り q
ばね要素
可動電極
スペーサ
固定電極
v
pc
固定電極
電極部
流入口
流出口
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提案するアクチュエータの動作
伸長／収縮
可動電極
v：
高／低
ERF
pc
位置フィードバック機能
外力
可動電極
ERF
pc
特長
電極間電圧v：高／低
 ER効果により
圧力降下pc：高／低
 ベローズ：
伸長／収縮
変位が増加／減少する外力
 流路間隔：増加／減少，
電極間の粘度：減少／増加
 圧力降下pc：減少／増加
v
 発生力：減少／増加
 外力による変位を抑制
○シンプル，コンパクトな構造
○位置フィードバック機能
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試作したアクチュエータ
電極部
シリコーンゴム
（10, t0.2）
可動電極
（8.8, t0.3）
Ps=
200 kPa
スペーサ
（t0.08）
流出口（1.0）
円筒形絞り
0.11 mm
 0.5 mm
ERF：
ネマティック液晶
流入口
（1.0）
（3箇所）
固定電極
（8.8, t0.5）
10 mm
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試作アクチュエータの静特性
出力変位：最大52 m，
ヒステリシスなし
25
60
40
20
0
1.5
20
Temp.: 23 C
x


Model
pc


15
10
0
発生力
：最大1.5 N
パラメータ同定
 実験結果とほぼ一致
最大出力変位における
アクチュエータ剛性：16 kN/m
： フィードバックなしの3.7倍
 位置フィードバック機能
1.0
0.5
0.0
0
Pressure pc [kPa]
Output force f [N] Output disp. x [m]
実験結果
200
400
600
800
Applied voltage v [V]
： 数学モデルの値18 kN/m
とほぼ一致
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変位拡大機構
出力変位を拡大したアクチュエータの提案と実現
変位xa
可動電極
ベローズ
（ばね
定数K）
ERF
固定絞り q
pc
伸長／収縮
電極間電圧v：高／低
ベローズ
 ER効果により
（ばね定数Km， 圧力降下p ：高／低
c
有効面積Am）  出力変位：伸／縮
変位x
位置フィードバック機能
変位が増／減する外力
 流路間隔：増／減，
v
電極間の粘度：減／増
 圧力降下pc：減／増
固定電極
 発生力：減／増
（有効面積A）  外力による変位を抑制
力fa
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試作した変位拡大機構付アクチュエータ
シリコーンゴム（10, t0.2）
カバー
変位拡大機構
ポート (0.5)
ベース
電極部
銅製円板
（8.2, t0.3）
可動電極
（8.8, t0.3）
ERF：
低分子
ネマティック
液晶
10
試作アクチュエータの特性
30
200
20
100
最大203 m

p

ヒステリシスなし
Temp.: 23 C

x
c
0
2
10
0
最大1.8 N
1
0
0
Output disp. Applied voltage
xa [m]
(reference) v [V]
動特性実験結果
Pressure pc1 [kPa]
Output disp. xa [m]
Output force fa [N]
静特性実験結果
1000
500
0
200
0.83 s
0.84 s
100
アクチュエータ剛性：6.3 kN/m
0.73 s
0.72 s
0.83 s
200 V
400 V
600 V
800 V
0.76 s
0.89 s
0
200
400
600
800
Applied voltage v [V]
Time constant: 0.81 s
5
6
7
8
9 25 26 27 28 29
Time [s]
バンド幅：0.1 Hz以上
： 電極部に流せる流量に比べ
変位拡大機構容積が過大
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形状適応機能を有する多自由度ERアクチュエータ
内視鏡検査における
被験者の負担軽減
センサおよびアクチュエータ
を用いた形状適応機能の付加
液圧駆動：
高いパワー密度
内視鏡
管状器官
均一系ERF：
センシングおよび制御機能
均一系ERFを用いた形状適応機能を有する
多自由度ERアクチュエータの提案
基本ユニット
可動電極形
3ポートERバルブ
内視鏡
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提案する多自由度ERアクチュエータ
基本ユニット
可動電極形
3ポートERバルブ
内視鏡
可動電極形3ポートERバルブ
基本ユニット
内視鏡
固定電極
ERF
液圧源
可動電極
固定電極
制御圧力
ゴム製チャンバ
可動電極形ERバルブの制御圧力により長手方向に伸縮
中央のゴム製チャンバは左右に対して長さの比が2:1
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提案するアクチュエータの動作
制御圧力：高
接触力
接触力
流路高さ：高
電界強度：低
流路高さ：低
電界強度：高
可動電極形
接触力 3ポート
ERバルブ
ERF
液圧源
下向きの接触力を
下げるように
内視鏡を屈曲：
形状適応機能
接触力
接触力
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可動電極形ERバルブラージモデル
固定電極
変位
弾性
ヒンジ
固定電極
弾性
ヒンジ
可動電極
○ 2枚の固定電極とその間の1枚の
可動電極から成る3ポート形
○ 弾性ヒンジを用い，
摺動部なしで電極間隔変化
○ 2個のERバルブを用い，
圧力による力をキャンセル
固定電極
シール膜
（PDMS）
可動電極
シール膜
（PDMS）
400 m
（中立位置）
5 mm
16 mm
固定電極
11 mm
2 mm
19 mm
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可動電極形3ポートERバルブの特性実験
実験装置
力と圧力の関係
変位と圧力の関係
圧力センサ
圧力センサ
pc1 pc2
Ps
電源
ギア
ポンプ
変位x
可動電極形 力f
ERバルブ
○ pc1，pc2ともにヒステリシス
pc2
あり
Ps
○ 最大変化には0.7 N程度必要
pc1
：改良の余地あり
○ pc1とpc2はほぼ対称形
○ 変化範囲pc1: 61 %, pc2: 54 %
：理論値90%より小
：内部漏れの影響
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試作した1関節基本ユニットラージモデル
可動電極形3ポートER
バルブラージモデル
板ばね
（内視鏡に相当）
リン青銅製 長さ： 18 mm
幅 ： 10 mm
厚さ： 0.2 mm
PDMS製チャンバ
FEM解析により設計し，成型加工
0.84mm
0.5mm
膜厚
0.1 mm
5 mm
10 mm
10 mm
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１関節基本ユニットラージモデルの実験結果
動
作
コンプライアンス
○ 力fをはおもりで印加
○ 形状適応機能：
Ps = 0 kPa：なし
Ps = 80 kPa：あり
f, y
f = 0.4 N，Ps = 80
0 kPa
kPa
Ps = 0 kPa：6.0 mm/N
Ps = 80 kPa：7.2 mm/N
： コンプライアンス1.2倍
： 形状適応機能を確認
ただし，今後改良が必要
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想定される用途
• 小形サイズで高い発生力、大きなストロークで、低
コストの位置制御システムを実現できるため、細い
管路内、災害現場の瓦礫内等の狭隘空間で作業
を行うマイクロロボット、マイクロマニピュレータ等に
応用できると思われる。
• 管状器官の形状にならって変形する内視鏡、カ
テーテル等、ソフトかつ形状適応機能を応用した、
人に負担の少ない医用・福祉デバイスに応用でき
ると思われる。
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実用化に向けた課題
• 位置フィードバック機構により外乱による位置決め
誤差を低減する機能は実験的に確認できた。位
置決め誤差をゼロにするためには、今後、さらな
る工夫が必要である。
• 形状適応機能については、原理的な有効性を実
験的に確認できた。今後、内視鏡を屈曲する実用
的なトルクを発生する液圧アクチュエータを開発
する必要がある。
• 組み込み形液圧パワー源としては、高出力パ
ワー（体積2.3cm3 で0.22W出力）の圧電マイクロ
ポンプ等の応用を図る必要がある。
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企業への期待
• 共同研究による、耐久性を含めた実用レベル
の特性の実現
• 共同研究による、高パワー密度、コンパクト、
ソフト、低コストという本アクチュエータの特長
を活かした産業用デバイスへの応用、実用化
• 共同研究による、形状適応機能を有する内視
鏡等の医用・福祉デバイスへの応用、実用化
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本技術に関する知的財産権
•
•
•
•
•
•
発明の名称
出願番号
公開番号
特許番号
出願人
発明者
：電気粘性流体アクチュエータ
：特願2007-198359
：特開2009-036216
：特許第4953131号
：国立大学法人東京工業大学
：吉田和弘
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産学連携の経歴
• 2000-2003年度 セイコーエプソン㈱と共同研究実施
（研究分担者）
• 2005-2009年度 セイコーエプソン㈱と共同研究実施
（研究代表者）
• 2006年度
古河電気工業㈱と共同研究実施
（研究分担者）
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お問い合わせ先
東京工業大学大学
産学連携コーディネーター 尾上 二郎
ＴＥＬ 03-5734-7634
ＦＡＸ 03-5734-7694
e-mail onoue＠sangaku.titech.ac.jp
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