Dielectric Elastomer Actuator
- 別名: DEA
- カテゴリ: Actuation & drivetrain › Motors
- タグ: soft-actuators, artificial-muscle, electroactive-polymer, microrobotics, high-voltage
柔軟電極で挟んだ薄いエラストマー膜からなるソフトアクチュエータ。高電圧によって膜が薄く押しつぶされて面方向に広がり、大きなひずみを生む。
定義
誘電エラストマーアクチュエータ（dielectric elastomer actuator、DEA）は、柔らかく伸縮可能な誘電体をもつコンデンサである。通常はシリコーンまたはアクリル系エラストマーの薄いエラストマー膜の両面に、カーボングリース、カーボン充填シリコーン、カーボンナノチューブ層などの柔軟電極を塗布する。電圧を印加すると、両電極上の異符号の電荷が互いに引き合い、各電極上の同符号の電荷が反発し合うことで、膜は厚さ方向に圧縮され、面方向に広がる。エラストマーはほぼ非圧縮性なので、厚さの減少と面積の増加は連成している。DEA はより広い電気活性高分子の一群に属し、2000 年ごろに SRI International の Pelrine らが行った研究によって、予備延伸した膜が 100% を超えるひずみに達しうることが示され、人工筋肉の有力な候補となった。
実効的な駆動圧力はしばしばマクスウェル応力（Maxwell stress）と呼ばれ、p = ε₀ εᵣ E² で表される。ここで E は膜にかかる電界（電圧を厚さで割ったもの）、εᵣ はエラストマーの比誘電率である。電界に対して二乗で依存するため、DEA には 1 マイクロメートルあたり数十ボルトの電界が必要であり、厚さ数十マイクロメートルの膜ではキロボルト級の電圧となる。あるいは、より薄い膜の多層積層体を用いて電圧を下げる。実用的な設計には、厚さ方向に収縮する積層体、伸長または屈曲するロール状チューブ、ダイアフラム、柔軟なフレームに張って屈曲や折り畳みを行う予備延伸膜がある。予備延伸は性能を高め、電気機械的不安定性の抑制にも役立つ。この不安定性では、膜が薄くなると電界が上がり、膜がさらに薄くなって、最終的に破壊に至る。
動作範囲は故障モードによって決まる。絶縁破壊、すなわち膜を貫く電気的短絡が電界の上限を、したがって力の上限を定める。欠陥、ほこり、電極の縁があると、材料の公称強度より低いところで絶縁破壊が起こるため、寿命はアクチュエータをその限界にどれだけ近づけて動かすかに強く依存する。アクリル系エラストマーは大きなひずみを生むが粘弾性で応答が遅く、シリコーンは応答が速く損失も小さい。これは羽ばたき翼のような高周波の用途で重要になる。電気的には DEA は容量性負荷であり、定常状態で流れる電流は小さいが、小型の高電圧ドライバを必要とする。このドライバは、DEA で動く小型ロボットにおいて最も重く、最も作るのが難しい部分になることが多い。磁気駆動やモータによる駆動と異なり、DEA には磁石、コイル、歯車がなく、そのコンプライアンスはばねや柔らかい構造によって後から加えるものではなく、アクチュエータ自体の一部である。
重要な理由
DEA は、歯車も磁石もない柔らかく静かなデバイスで、筋肉のようなひずみと速い応答を実現する。そのため、昆虫サイズの飛行ロボット、ソフトグリッパー、そしてモータでは重すぎたり硬すぎたりするその他の機械にとって、数少ないアクチュエータの選択肢の一つとなる。ただし、高電圧の電子回路と絶縁破壊の限界を最初から設計に織り込むことが前提である。
主な用途
- 羽ばたき翼型および昆虫サイズの飛行ロボット
- ソフトグリッパー（静電吸着と組み合わせた設計を含む）
- 柔らかい這行ロボットと遊泳ロボット
- ハプティックディスプレイと触覚ディスプレイ
- 焦点可変レンズなどの適応光学デバイス
- 誘電エラストマー発電機によるエネルギーハーベスティング
実際の使われ方
昆虫サイズの羽ばたき翼ロボットを製作するチームが、多層シリコーン DEA を円筒状に巻き、フレクシャ伝達機構を介して翼に接続する。翼の共振周波数に近い正弦波の高電圧を DC バイアスに重ねて駆動し、アクチュエータが中点を挟んで両方向に振動するようにする。静電圧力は、極性にかかわらず膜を圧縮する方向にしか働かないからである。ピーク電圧は、同じロットの試験サンプルで測定した絶縁破壊電圧に対して余裕をもって選ぶ。これ以上近づけると揚力は増すが、アクチュエータの寿命が急激に縮むからである。飛行制御器は電圧振幅を推力指令として扱い、この上限を守らなければならず、さらに発熱や経年劣化に伴うアクチュエータ特性のゆっくりとした変化にも対応しなければならない。
よくある誤解
- 電圧が高いほど常に有効な力が大きくなる — 力は電界の二乗で増えるが、絶縁破壊のリスクも同様に増え、限界近くで動かすと寿命が急激に縮む
- 電圧を反転すれば動きも反転する — 静電圧力は電界の二乗に依存するので、極性にかかわらず膜は圧縮される。双方向の動きにはバイアス、予荷重、または拮抗ペアが必要である
- DEA は流れる電流が小さいので電源の用意が簡単である — キロボルト級の駆動回路が必要であり、小型ロボットでは変換器が質量と複雑さの大半を占めることが多い
- DEA は圧電アクチュエータの一種である — 圧電セラミックスは硬く、ひずみは 1 パーセントを大きく下回る。一方 DEA は柔らかく、柔軟な膜にかかる静電圧力を利用する
知っておくべき人
- ソフトロボティクスの研究者
- マイクロロボットおよび昆虫サイズの飛行ロボットのエンジニア
- 高電圧パワーエレクトロニクスの設計者
- 電気活性高分子に取り組む材料エンジニア
関連技術
- 電気活性高分子（Electroactive Polymers）
- 圧電バイモルフアクチュエータ（Piezoelectric Bimorph Actuators）
- HASEL アクチュエータ（HASEL Actuators）
- 静電吸着（Electroadhesion）
- 高電圧 DC-DC コンバータ（High-Voltage DC-DC Converters）
- 柔軟電極（Compliant Electrodes）