アクチュエータ用作動媒体およびアクチュエータ

【目的】作動媒体を使用し、新しい動作原理に基づく電気エネルギーを運動エネルギーに変換する新規なアクチュエータを得る。
【構成】円筒状のケース１に作動媒体１１として下記一般式で示されるエステルを入れ、このケース１の内周壁に複数の電極３ａ，３ｂ…３ｈを設け、ケース１内に羽根車状のロータ６を配し、上記電極３ａ，３ｂ…３ｈに電圧を印加し、この作動媒体によってロータ６を回転させる。
【化１】

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、電気エネルギーを回転運動や往復運動などの運動エネルギーに変換するアクチュエータとその作動媒体に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、電気エネルギーを回転運動や往復運動などの運動エネルギーに、作動媒体を利用して直接変換するアクチュエータは知られておらず、先に本発明者が特許出願した特願平６−１７５８７２号（平成６年７月２７日出願）が唯一のものである。この先行出願のアクチュエータは、筐体内に電気感応性流体を作動媒体として入れ、この筐体に複数の電極を設け、筐体内に動力取出用の可動部材を配してなり、上記電極に電圧を印加して作動媒体によって可動部材を動かすようにしたものであり、上記電気感応性流体としては、有機フッ素化合物と電気絶縁性流体とからなる２成分系の混合物が用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明者は、先行出願のアクチュエータの更なる性能の向上を求め、作動媒体として１成分系のもので、エネルギー変換効率がよく、しかも安価なものを得るべく検討を行った。
【０００４】
【課題を解決するための手段】その結果、作動媒体として下記一般式（Ｉ）で表されるエステルを選択することで、上記課題を達成できることが判明した。
【化４】

【０００５】以下、本発明を詳しく説明する。図１ないし図３は、本発明のアクチュエータの一例を示すもので、回転運動を取り出す１種のモータである。図中符号１は、電気絶縁性材料からなる有底円筒状のケース（筐体）であり、このケース１には蓋２がその開口部を閉じるように取り付けられている。また、ケース１の内周壁には図３に示すように等間隔に８個の電極３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ，３ｇ，３ｈが取り付けられている。
【０００６】この電極３ａ，３ｂ…３ｈは、鉄、銅、アルミニウムなどの金属からなる針金状のもので、ケース１の内周壁に突出して形成された電極支持部４…に挿通されて内周壁の壁面に接するように取り付けられている。また、電極３ａ，３ｂ…３ｈの上部はＬ字状に折り曲げられて、ケース１の上部に形成されたスリット５…を介してケース１の外方に延びており、その端部は円環状に曲げられている。
【０００７】また、ケース１内には羽根車状のロータ６が設けられている。このロータ６は、図２に示すように回転軸６ａとこの回転軸６ａに等間隔に取り付けられた６枚の羽根６ｂ…とからなり、その回転軸６ａの下端部は針頭状となってケース１の底部の中央に形成されたピポット軸受７に軸支され、回転軸６ａの上部は、蓋２の中央に設けられ軸受８を介してケース１の上方に延びている。
【０００８】また、上記各電極３ａ，３ｂ…３ｈからはそれぞれ図示しないリード線が１基の直流電源１０に接続されている。この直流電源１０は、０．５〜１０ｋＶ程度の直流電圧を出力するもので、この出力直流電圧を必要に応じて各電極３ａ，３ｂ…３ｈに所定時間ずつ順次にかつ自動的に切り換えて印加する自動切換機能を有するものである。
【０００９】そして、ケース１内には、ロータ６の羽根６ｂ…がほぼ没する程度にまで作動媒体１１として上記一般式（Ｉ）で表されるエステルが満たされている。
【００１０】このエステルは、二塩基不飽和脂肪酸のジエステルであり、二塩基不飽和脂肪酸としては、マレイン酸、フマル酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸など、および、これら以外の不飽和脂肪酸としては、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸からなる飽和脂肪酸の直鎖状の主鎖部分を脱水素して１個の不飽和結合を導入したものなどが挙げられ、また一般式（Ｉ）のＲ₁およびＲ₂としては、メチル基、エチル基、ブチル基、イソブチル基、２−エチルヘキシル基、イソデシル基などのアルキル基が挙げられる。具体的なエステルの好ましいものとしては、マレイン酸ジブチル、フマル酸ジブチル、フタル酸ジメチル、フタル酸ジブチル、フタル酸ビス（２−エチルヘキシル）などが挙げられる。
【００１１】次に、この例のアクチュエータの作動について説明する。基本的には、複数の電極３ａ，３ｂ，…に直流電源１０からの直流電圧を印加することによってロータ６が回転するのであるが、具体的な電圧印加方法には次のようなものがある。
【００１２】まず、第１の電圧印加方法は、２つの電極、例えば図３における電極３ａと、これに対して平面角で１８０度の位置にある電極３ｅを正極とし、残る６個の電極を接地（負極）して直流電圧を印加する方法である。この第１の電圧印加方法は、２つの固定した電極を、例えば正極として、残る６個の電極を接地し負極として、電圧印加する点に特徴がある。この場合には、正極側に正極性形直流電源装置より正電荷が印加され、接地側は相対的に負極となる。また、直流電源装置が負電荷印加の負極性形電源装置である場合には、２つの固定した電極には負電荷が印加されるので負極となり、接地側は相対的に正極となる。
【００１３】この第１の電圧印加方法の変形例として、電極３ａとこれに対して平面角で１３５度の位置にある電極３ｄとを正極として電圧印加し、残る電極を接地するもの、および電極３ａとこれに対して平面角で９０度の位置にある電極３ｃとを正極として電圧印加し、残る電極を接地するもの等がある。勿論、これらの電極の組合わせと同様の平面角を有する組合わせ、例えば電極３ａと電極３ｆ、電極３ａと電極３ｇ、電極３ｂと電極３ｄ等も第１の印加方法に包含される。但し、図３の配置において、相隣りあう電極同士の組合わせは除外される。
【００１４】従って、この第１の電圧印加方法では、最小限２個の電極を正極又は負極とし、これら２個の電極間に少なくとも１個以上の電極を存在させ、これらの電極を残りの電極とともに接地するような配置が望ましい。
【００１５】また、この第１の電圧印加方法では、２つの電極間への電界強度を比較的高くすることがロータの回転には好ましく、このためには印加電圧を高くする方法、ケースを小型化する方法等がある。具体的には、図１R>１のケースの内直径が５ｃｍの時には印加電圧は３ｋＶ以上、好ましくは５ｋＶ以上とすることが望ましい。
【００１６】また、第２の電圧印加方法は、図３において８個の電極３ａ，３ｂ…３ｈに直流電圧を順次切り替えて印加する方法である。具体的には、８個の電極３ａ，３ｂ…３ｈのうちロータ６の回転軸６ａを挟んで相対向する２個の電極３ａ，３ｅを正極として電圧を印加し、残る電極は接地する。一定時間、例えば１秒経過後に、電極３ａから隣接する電極３ｂに、電極３ｅから隣接する電極３ｆに、図３において時計廻り方向に沿って電圧印加を切り替える。この時、電極３ｅから電極３ｆへの切り替えのタイミングを、電極３ａから電極３ｂへの切り替えのタイミングより一定時間、例えば０．５秒遅延させる。したがって、電極３ｅには電極３ａよりも長い時間、例えば０．５秒間余分に電圧が印加される。
【００１７】ついで、電極３ｂおよび電極３ｆへの所定時間、例えば１秒間の電圧印加を行ったのち、電極３ｂから電極３ｃへ、電極３ｆから電極３ｇへ電圧印加を切り替えるが、この切り替えも、電極３ｆから電極３ｇへのタイミングは、先の切替タイミングが遅れているため同様に遅れることになる。このように、図４のタイミングチャートに示したように２個の電極への電圧印加の切替えを同時に行うのではなく、２個の電極のいずれか一個を所定時間、例えば０．５秒間遅延して切替えを行う。以下、同様にして各電極に順次切り替えて電圧印加が行われるが、どの場合にも電圧印加されている２個の電極以外の電極は接地されている。
【００１８】この第２の電圧印加方法では、各電極間の電界強度は比較的低くてもロータ６は回転し、印加電圧は２ｋＶ以下であってもよく、印加電圧を高くできない時やケースが大型の場合に好適な電圧印加方法である。
【００１９】このような複数の電極３ａ，３ｂ…に対する電圧印加によりケース１内に設けられたロータ６が回転する。かくして、ロータ６の回転軸６ａから回転運動を取り出すことができ、アクチュエータとして作動する。また、電極３ａ，３ｂ…（正極および負極）の平面的な配置を調整することで、ロータ６の回転方向を制御することができる。すなわち、電気感応性流体が正極から負極への流動を示す場合には、ロータ６はその方向に回転運動をすることになる。
【００２０】このようなアクチュエータにあっては、複数の電極３ａ，３ｂ…への電圧印加による電気エネルギーがロータ６の回転運動に変換され、動力として取り出すことができる。このような作動媒体を使用したアクチュエータは、これまで知られておらず本発明者が初めて開発したものである。
【００２１】上述の具体例では電極数を８個としたが、上述のように２個以上であればこれ以外でもよく、ロータの羽根の枚数も２枚以上であればよい。また、電極数とロータの羽根の枚数とを一致させる必要も特にない。さらに、他の電圧印加方法を採用すればロータの回転数を変化させることもできる。また、上述のような回転機に限られず、シリンダ内にピストンを配し、作動媒体を満たすとともにシリンダの内周壁に円環状の電極を複数並べて形成し、シリンダに作動媒体のもどり流路を設け、電極に順次電圧を切り替えて印加することにより、ピストンを往復運動させることができる。
【００２２】（実施例１）図１ないし図３に示したアクチュエータを作製した。ロータ６は６枚の羽根を等間隔に設けた６枚羽根のものを使用した。作動媒体として、マレイン酸ジブチル約６０ｍｌをケース１に満たした。電極３ａと電極３ｅとを正極として直流電圧５．０ｋＶを印加し、残りの電極はすべて接地して負極とした。この結果、ロータ６は電圧印加直後に回転を始め、電圧印加中回転し続けた。その時の回転速度は６．５秒／１回転であり、電流値は用いた電流測定装置の測定限界下限以下の０．０５ｍＡ以下であった。
【００２３】（実施例２）実施例１と同様の作動媒体、および装置を用いた。印加電圧は直流２．０ｋＶとし、電圧を８個の電極に順次切り換えて印加する第２の印加方法を採用した。電極３ａ，３ｂ…３ｈへの電圧印加は、図４のタイミングチャートに示した通りとし、印加時間は１秒とし、電極３ｅへの最初の印加時間のみ１．５秒とした。この結果、ロータ６は１８秒／１回転の回転速度で回転し続けた。電流値は０．０５ｍＡ以下であった。
【００２４】（実施例３）図１ないし図３に示したアクチュエータにおいて、ケース１の直径およびロータ６の羽根６ｂの横幅を、それぞれ実施例１の１／２としたアクチュエータを用い、これに実施例１と同様に８個の電極３ａ，３ｂ…３ｈを付設した。ここに実施例１で用いた作動媒体１５ｍｌを満たした。電極３ａと３ｅとを正極として直流電圧を印加し、残りの電極はすべて接地して負極とした。この結果、ロータ６は電圧印加直後から回転を始め、電圧印加中回転し続けた。その時の印加電圧と回転速度の関係を表１に示した。尚、いずれの場合にも電圧印加時の電流値は０．０５ｍＡ以下であった。
【００２５】
【表１】

【００２６】（実施例４）作動媒体としてフタル酸ジブチルを用いた以外は実施例３と同様にして、印加電圧と回転速度の関係を測定した。結果を表２に示した。尚、電流値はいずれの場合も０．０５ｍＡを示した。
【００２７】
【表２】

【００２８】（実施例５）作動媒体としてフタル酸ジブチルを用いた以外は実施例３と同様にして、印加電圧と回転速度の関係を測定した。結果を表２に示した。尚、電流値はいずれの場合も０．０５ｍＡ以下を示した。
【００２９】
【表３】

【００３０】（実施例６）作動媒体としてフタル酸ビス（２−エチルヘキシル）を用いた以外は実施例３と同様にして、直流電圧５．０ｋＶ印加時の回転速度を測定したところ、１５．８秒／１回転であった。この時の電流値は０．０５ｍＡ以下であった。
【００３１】（実施例７）作動媒体としてフタル酸ジメチルを用いた以外は実施例３と同様にして、直流電圧５．０ｋＶ印加時の回転速度を測定した。電圧印加直後の回転運動では３５．７秒／１回転の回転速度を示したが、その後回転運動は不安定となり、回転速度が急に低下する様子も観察された。電圧印加中の電流値は０．１ｍＡであった。
【００３２】（実施例８）実施例３において、電極３ｃ，３ｄ，３ｇ，３ｈをケースより取り去り、電極３ａと３ｅとを正極とし、電極３ｂと３ｆを接地して負極として、直流５．０ｋＶを印加して、印加中の回転方向と回転速度を測定した。結果を表５に示した。また、電極３ｂと３ｆのかわりに、電極３ｄと３ｈを負極として用いて、同様に電圧印加中の回転方向と回転速度を測定し、結果を表４に示した。尚、電圧印加時の電流値はどちらの場合にも、用いた電流測定装置の測定限界下限以下の０．０５ｍＡ以下であった。
【００３３】
【表４】

【００３４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば作動媒体として、マレイン酸ジエステル、フマル酸ジエステル、フタル酸ジエステルなどの不飽和二塩基酸を用い、電気エネルギーを回転運動や往復運動に変換する新規なアクチュエータを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアクチュエータの一例を示す概略構成図である。
【図２】図１のアクチュエータのロータを示す平面図である。
【図３】図１のアクチュエータの電極の配置を示す平面図である。
【図４】本発明のアクチュエータにおける電極への第２の電圧印加方法の一例を説明するためのタイミングチャートである。
【符号の説明】
１…ケース、３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ，３ｇ，３ｈ…電極、６…ロータ、１０…直流電源、１１…作動媒体

【特許請求の範囲】
【請求項１】下記一般式（Ｉ）で表されるエステルからなり、電気エネルギーを運動エネルギーに変換するアクチュエータに用いられる作動媒体。
【化１】