JP3281109B2 - Actuator using electrorheological fluid - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an actuator for controlling the position and speed of an electrorheological fluid with high accuracy and high response speed, and relates to a robot, a precision machining machine, a precision measuring device, Widely used for such purposes.

【０００２】[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。2. Description of the Related Art An electrorheological fluid whose viscosity changes instantaneously and reversibly by applying a voltage is a new actuator in fields such as torque transmission, vibration absorption, servo control, hydraulic systems, and vibration elements. Application is expected, and there are many patents and literatures about them. For example, US Pat. No. 2,417,850 and US Pat.
6. For vibration absorption, EP108083, EP13711
2, GB2083595 for servo control, GB151116, USP3405728 for hydraulic system, and the like.

【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。As an electrorheological fluid used in these actuators, a so-called Winslow fluid (U.S. fluid) in which water-containing fine particles such as silica and starch are dispersed in insulating oil.
SP2417850) has been known for a long time. Thereafter, a method of using ion-exchange resin particles (JP-A-50-92278) or zeolite particles (JP-A-2-3711) as the water-containing fine particles by improving the degree of viscosity change, temperature characteristics, and durability of the Winslow fluid. Organic semiconductor particles (GB2170510), surface-insulated conductor particles (JP-A-64-6093), and liquid crystal polymer particles (P
rosedings the 2nd Int'l
Conf. on ERF, 231, 1989), and many other proposals have been made.

【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。[0004] The use of an electrorheological fluid has a great expectation for an electrorheological fluid because an extremely fast response speed and a simple and compact actuator can be obtained.
Very few have yet been put to practical use. The causes of this are poor temperature characteristics and durability of the fluid, as well as the problem of particle sedimentation. did.

【０００５】[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。The viscosity of an electrorheological fluid is significantly increased by applying a voltage. Actuators in which this increase in viscosity acts as a mechanical restraining force have a faster response than those in which a mechanical restraining force is developed using conventional mechanical or electric / mechanical means. ,
It is known that a response at 1000 Hz can also be achieved relatively easily.

【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。Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 4-272529 discloses that a voltage is applied to an electrorheological fluid interposed in a gap between a supporting member and a rotating movable member to apply a damping force to quickly and accurately stop the movable member at a predetermined position. The method is disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No.
In the actuator 14 having a servo mechanism in the operation control system, a damping force is applied based on the flow resistance of the electrorheological fluid in accordance with the deviation between the operation value and the target value to control the position and the angle. This document describes that there is a significant improvement in positioning speed as compared with a conventional control method that does not use an electrorheological fluid. However, it has been found that these actuators using a conventional electrorheological fluid have difficulty in generating a mechanical restraining force and performing high-speed and high-accuracy positioning.

【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。In order to stop the point of action of the actuator at the target position, generally, a method of stopping the output source at a predetermined position before the target position where the point of action is desired to be stopped, and in the case of performing more precise positioning In this method, a servo mechanism is provided in the output source, and the information is fed back to the output source as the action point approaches the target position to be stopped, and the moving speed is reduced to stop the operation. When performing more advanced positioning control using an electrorheological fluid, the electrorheological fluid is interposed between the output source and the action point, and the signal of the position of the action point in the stationary process is fed back to the fluid. The mechanical restraining force based on the viscosity change is used as a damper to absorb vibrations and vibrations of the drive system and the transmission system. In the case where the static position is controlled by applying a voltage to the electrorheological fluid to exert a mechanical restraining force in this way, a conventional particle-dispersion type electrorheological fluid exhibiting a Bingham fluid flow behavior includes an actuator. As the point of action approaches the target position and its moving speed decreases, that is, as the shearing speed applied to the fluid decreases and approaches zero, the viscosity of the fluid sharply increases when a constant voltage is applied. Although this feature is preferable in that a large restraining force is developed in a state close to stopping, it is not preferable in terms of correctly stopping at the target position, and often causes a problem. In order to stop the action point at the target position, accurate information on the deviation (distance or angle) between the target position and the action point must be provided to a control device (computer).
In this case, it is necessary to adjust the voltage applied to the electrorheological fluid in order to obtain the time derivative of the deviation, that is, the speed, and to express the suppression force corresponding to the speed. For this purpose, an extremely high-precision position sensor is used to calculate the speed (a value obtained by differentiating the change in position with respect to time: as the position approaches stop, the change in position decreases and the accuracy decreases), and the suppression force corresponding thereto is calculated. It is necessary to adjust (non-linearly control) the voltage applied to the electrorheological fluid every moment in order to cause the phenomenon. However, in reality, such a high-performance position sensor is extremely expensive, and furthermore, it is almost impossible to suppress Coulomb frictional static with a fluid of a particle dispersion type. It has been found that it is difficult to perform precise positioning at a high speed with an actuator using an electrorheological fluid.

【０００８】[0008]

【課題を解決するための手段】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ーターを
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ートン流体的な
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
がニュー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ーター
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、各種のアクチュエーターの機械的
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ーター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。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an actuator capable of positioning with high accuracy and high response speed. The present inventors have focused on an electrorheological fluid exhibiting a Newtonian fluid flow behavior that generates a shear stress proportional to the shear rate when a voltage is applied, and have repeatedly studied various fluids. As a result, they found that a certain liquid crystalline polymer could be an electrorheological fluid exhibiting Newtonian fluid flow behavior, and succeeded in synthesizing the polymer. We have been studying actuators. Based on the above observations and the discovery and synthesis of special electrorheological fluids, we have repeatedly studied the control of the mechanical restraining force of various actuators.As a result, it was found that an actuator with extremely good controllability can be obtained. The invention could be reached.

【０００９】すなわち、本発明は０〜５０［ｓｅｃ ^-1 ］
の間の剪断速度領域において、電圧印加時の剪断応力が
剪断速度に比例する均一系の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ーターであ
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、アクチュエーターの出力（負荷）側に設けられた
位置（または角度）センサー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
ュエーターの場合には、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、ニュートン流体的
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
るアクチュエーターが得られる。That is, the present invention provides 0 to 50 [sec ^-1 ].
This is an actuator for controlling the position or speed using a homogeneous electrorheological fluid in which the shear stress at the time of applying a voltage is proportional to the shear rate in the shear rate range between . The method of controlling the mechanical restraining force using the electrorheological fluid is to detect the position of the action point with a position (or angle) sensor provided on the output (load) side of the actuator,
A method in which a mechanical restraining force proportional to a time differential value (that is, speed) of the position is developed by adjusting an applied voltage to an electrorheological fluid whose viscosity (shear stress) changes according to the magnitude of the applied voltage. It is. For this purpose, in the case of an actuator using a conventional electrorheological fluid having a Bingham fluid-like behavior, the applied voltage must be adjusted every moment according to the speed. On the other hand, when a fluid exhibiting Newtonian fluid flow behavior is used, a constant voltage previously determined from the relationship between the applied voltage and the viscosity of the electrorheological fluid is applied since the shear stress is proportional to the shear rate. By itself, an actuator that exhibits a predetermined mechanical restraining force proportional to the speed can be obtained.

【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。[0010] Generally, an actuator is an electric, mechanical,
An element which converts energy such as magnetism, heat, light, etc. into a mechanical action (energy) is referred to. An actuator referred to in the present invention mainly converts mechanical energy into a mechanical action. More specifically, the motor,
It is an actuator that converts mechanical energy such as air pressure and hydraulic pressure into rotation or linear motion, and particularly requires an accurate control of position and speed.
Representative examples of such a device include a cylinder, a motor, a clutch, and a valve. In the case of a motor, the present invention is generally applied as a system combined with a speed reducer, a ball screw, etc., but the present invention is also applied to a motor that directly performs a mechanical action such as a direct drive motor. can do. The method of applying the electrorheological fluid to these actuators is described in a cylinder type as shown in FIGS. 1 (a) to 1 (d), and in FIGS. 2 (a) and 2 (b).
Linear guide type, ball screw type as shown in FIGS. 3A and 3B, bearing type as shown in FIG. 4, FIG.
A method in which an electrorheological fluid is interposed between at least a pair of electrodes formed on a structure such as a flange type as shown in FIG. 6 and a ring type as shown in FIG. 6 and a voltage is applied thereto.

【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。These actuators are generally composed of a movable part and a fixed part. In operation, in addition to the vibration based on the elasticity of the movable part (transmission system), the actuator also has a boundary between static friction and dynamic friction. At a certain low speed, especially immediately before shifting to a stop, fluctuations in load based on the difference between the static friction and the dynamic friction resistance between the movable part and the fixed part tend to cause speed instability, so-called blurring and stick-slip. The electrorheological fluid reduces the instability in such a case. However, when a conventional particle-dispersion type electrorheological fluid having essentially the Coulomb frictional property is used, this problem becomes a new problem. Instability due to Ron friction. On the other hand, when an electrorheological fluid exhibiting a Newtonian fluid behavior is used, there is no such problem of Coulomb friction, and furthermore, from the characteristics of the Newtonian fluid, for example, a certain speed (acceleration) ), When the speed is higher than the set speed, a larger restraining force works, and when the speed is slower, a smaller restraining force is exerted. preferable. Therefore, it is understood that the actuator of the present invention using the latter electrorheological fluid is extremely effective particularly for speed and positioning when operating at low speed.

【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−Ｄ₀ ）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］、Ｄ₀ 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Ｄ₀ 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≦Ｄ₀ ≦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Ｄ₀ 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Ｄ₀ より低
い領域においてはＤ−Ｄ₀ 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。An electrorheological fluid having a shear stress proportional to the shear rate according to the present invention is a fluid whose viscosity when a voltage is applied satisfies the following equation. τ = η (D−D ₀ ) ⁿ + C Equation (1) where τ is the shear stress [Pa], η is the apparent viscosity [Pa · sec], D is the shear rate [sec ⁻¹ ], D ₀ is a delay value [sec ^-1 ], n is a coefficient [positive real number], and C
Is the yield stress [Pa], and n and D ₀ are
8 ≦ n ≦ 1.5, more preferably 0.9 ≦ n ≦ 1.5.
2, 0 ≦ C ≦ 300, more preferably 0 ≦ C ≦ 100
(Value when a voltage of 3 kv / mm is applied), 0 ≦ D ₀ ≦ 50
It is. Although the apparent viscosity η is desirably as large as possible, if it is small, if the ratio to the value at the time of voltage release (η _off ), η / η _off , is large to some extent (preferably as large as possible, for example, 2). It can be used effectively in the present invention. The yield stress C is 300 to 300 in a conventional particle dispersion type electrorheological fluid, for example, a hydrated silica particle dispersion system.
1000, and 1000 for a hydrated ion exchange resin particle dispersion.
The electro-rheological fluid having a Newtonian flow behavior used in the present invention is 300 to 5,000.
In the following, it is preferable that the value be close to zero if possible. The delay value D ₀ tends to increase slightly when the applied voltage is low, but is preferably low. Moreover, D-D ₀ is at a shear rate D is lower than D ₀ region by the formula (1) is regarded as zero. Note that the present invention is directed to a mechanical restraining force when approaching rest, and the above equation (1) indicates that the shear rate is 0 to 50 [sec].
^-1 ].

【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。As a typical electrorheological fluid exhibiting such a viscous behavior, there is a thermotropic liquid crystal made of a certain compound. Examples of such compounds include liquid crystal compounds in which a plurality of liquid crystal groups are bonded to a flexible molecular chain such as silicone.
220064. Since the above-mentioned compound is not a dispersion of particles, it is a homogeneous electrorheological fluid having no problems of particle sedimentation and particle abrasion, and is particularly preferable.

【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。[0014] Heretofore, polar liquids such as nitrobenzene (Japan.
Appl. Phys. 16 1775 (1977)),
Cholesteric liquid crystal mixture (Communicatio)
ns 3865 (1965)) and methoxybenzylidenebutylaniline (MBBA).
an. J. Appl. Phys. 171525 (197
8) and GB2208515A), ferroelectric polymer solution (39th Polymer Symposium Proceedings, 18U07, 1
990) have been reported, but none of them has obtained an electrorheological effect that can be said to be an electrorheological fluid, and it is difficult to use them in the machine control actuator of the present invention.

【００１５】[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。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described in detail with reference to the drawings with reference to the embodiments.

【００１６】[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。Embodiment 1 FIG. 7 schematically shows an apparatus provided with a speed and positioning control mechanism using an electrorheological fluid (applicable to many mechatronic devices including an indirect portion of a robot arm). The robot arm 20 is attached (fixed) to the output shaft 19 of the speed reducer 18, and is driven by the servo motor 1 to make a circular motion. Shaft 19
Has a lower flange 22 and an upper flange 25 at the upper end.
A control mechanism using an electrorheological fluid comprising a pair of flanges is mounted. A wide ring-shaped flat groove is carved on the upper surface of the lower flange 22 attached (fixed) to the shaft 19, and the ring-shaped electrode plate 2 is formed in the groove.
1 (electrically insulated from the flange 22 by an insulating material) is attached (fixed). On the other hand, the flange 2 attached to the shaft 19 via the bearing 26
A ring-shaped electrode plate 24 (which is electrically insulated from the flange 25 by an insulating material) is also attached to the lower surface of 5. A parallel and fixed gap between the pair of electrode plates (1.
0 mm), an electrorheological fluid 23 is enclosed, and a power supply 29
To apply a voltage. The upper flange 25 is fixed to the rigid frame 27.

【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。The rough driving of the robot arm 20 at high speed is based on a signal fed back from the angle sensor attached to the motor 17 to the motor 17 (or without feedback). (2) The operation is performed by the motor 17, but no voltage is applied to the electrorheological fluid. A voltage is applied during a low-speed driving or stopping process that requires a predetermined speed and positioning accuracy, and the motor 17 is driven by the position sensor 28.
And is controlled using information from an angle sensor attached to the motor.

【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。FIG. 8 is a block diagram of a control system of the apparatus. X is the amount to perform precise positioning, F (X ', V
in) is a function representing a force determined from the relationship between the shear rate X ′ (a value obtained by differentiating X with time) and the applied voltage Vin. In the electrorheological fluid exhibiting Newtonian viscous behavior used in the present invention, since the function F is almost linear with respect to the shear rate X ′, the control system is easily stabilized, and high-precision positioning control is possible. Become. Note that the applied voltage Vin is applied immediately before the fine positioning is performed.

【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。FIG. 9 shows a case where the side chain type liquid crystalline silicone compound having the Newtonian fluid flow behavior of the present invention is used as the electrorheological fluid (a) and the conventional Bingham fluid flow behavior. This is a comparison of the stationary state after reaching the vicinity of the target stop position of the robot arm in the case of (b) using a particle dispersion system. The evaluation was performed by driving the robot arm 4 at a constant speed with the motor 1 and setting the control conditions of the servomotor so as to stop at a predetermined position. This was performed by applying a predetermined voltage to the electrorheological fluid. In (b), while the position of the stop process is originally detected, the signal is fed back to the control device, converted into speed information, and the corresponding voltage is calculated every moment to feed back to the electrorheological fluid. However, this evaluation was performed by applying a predetermined constant voltage to each of (a) and (b).

【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The electrorheological fluid used had the following composition: (a) was evaluated at 60 ° C., and (b) was evaluated at 30 ° C. Side-chain type liquid crystalline silicone: A compound having a structure represented by Chemical Formula 1 diluted with 50 parts by weight of dimethyl silicone (100 cst).

【００２１】[0021]

【化１】 Embedded image

【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Particle-dispersed electrorheological fluid: 30 parts by weight of spherical silica particles (particle size: about 5 μm, water content: 7 wt%) dispersed in dimethyl silicone (20 cst)

【００２３】[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。According to the present invention, control of the position and speed of a mechanical control system system, which has been difficult with conventional actuators such as motors and pneumatic cylinders, can be performed with high accuracy and high response speed. It is widely used for controlling robots, precision processing machines, precision measuring devices, etc.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

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。FIGS. 1 to 6 schematically show a typical example of the structure of a portion to which an electrorheological fluid is applied in the actuator of the present invention. The electrorheological fluid is sealed between the electrodes formed on these.

【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。FIG. 1 shows an example of a cylinder type, wherein (a) and (b) are between an inner cylinder wall of a cylinder and an outer peripheral wall of a piston, and (c) is an opening portion provided in the piston. , (D)
Has an electrode formed outside the cylinder.

【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。FIGS. 2A and 2B show an example of a linear guide type, wherein FIG. 2A shows an outer wall of a guide sliding surface, FIG. 2B shows an inner wall of the guide sliding surface, and an electrode formed between a slider surface. .

【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。FIG. 3 shows an example of a ball screw type for converting a rotary motion into a linear motion. FIG. 3 (a) shows an example in which an insulating bearing is used, in which an inner wall of a bolt and an outer wall of a nut (shaft) are provided. (B) shows an example in which a conductive (metal) bearing is used, in which electrodes are spirally formed on opposing wall surfaces of a bolt and a nut via an insulating material.

【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。FIG. 4 is an example of a bearing type, in which an electrode is formed between a rotating shaft surface and a fixed shaft surface via an insulating bearing.

【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。FIG. 5 is an example of a flange type, in which electrodes are formed on opposed flange surfaces.

【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。FIG. 6 is an example of a ring type, in which electrodes are formed between flanges having opposed ring-shaped grooves.

【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。FIG. 7 is a drive device diagram schematically showing the robot arm of the first embodiment.

【図８】図８は実施例１の制御系のブロック線図を示
す。FIG. 8 is a block diagram of a control system according to the first embodiment.

【図９】図９は実施例１のア−ムの停止過程の挙動を示
す。FIG. 9 shows the behavior of the arm stopping process according to the first embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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 1: Electrode 2: Electrorheological fluid 3: Cylinder 4: Shaft 5: Piston 6: Seal 7: Piston opening 8: Bypass of electrorheological fluid 9: Linear guide 10: Slider 11: Ball screw shaft 12: Nut 13: Bearing 14: Insulating material 15: Flange 16: Ring flange 17: Servo motor 18: Reduction gear 19: Shaft 20: Robot arm 21: Electrode plate 22: Lower flange 23: Electro-rheological fluid 24 : Electrode 25: Upper flange 26: Bearing 27: Rigid frame 28: Position (angle) sensor 29: Power supply

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ //(Ｃ１０Ｍ 169/04 (Ｃ１０Ｍ 169/04 107:50 107:50 139:04） 139:04） Ｃ１０Ｎ 40:04 Ｃ１０Ｎ 40:04 40:08 40:08 40:14 40:14 (56)参考文献 特開 平４−194328（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−1727（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−51590（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G05D 3/00 - 3/20 F16D 35/00 G05D 13/62 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. ⁷ Identification symbol FI // (C10M 169/04 (C10M 169/04 107: 50 107: 50 139: 04) 139: 04) C10N 40:04 C10N 40 : 04 40:08 40:08 40:14 40:14 (56) References JP-A-4-194328 (JP, A) JP-A-5-1727 (JP, A) JP-A-5-51590 (JP, A) (58) Field surveyed (Int. Cl. ⁷ , DB name) G05D 3/00-3/20 F16D 35/00 G05D 13/62

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】０〜５０［ｓｅｃ ^-1 ］の間の剪断速度領域
において電圧印加時の剪断応力が剪断速度に比例する均
一系の電気粘性流体を、アクチュエーターを構成する少
なくとも一対の電極間に介在させ、一定電圧を印加する
事で位置または速度を制御することを特徴とするアクチ
ュエーター。1. A shear rate region between 0 and 50 [sec ⁻¹ ].
In the method, a uniform electrorheological fluid in which the shear stress at the time of voltage application is proportional to the shear rate is interposed between at least a pair of electrodes constituting the actuator, and the position or speed is controlled by applying a constant voltage. Actuator.