JP2008216074A - 高分子アクチュエータの伸縮量センシング方法および伸縮量センシング装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 高分子アクチュエータの伸縮量センシング精度を向上させ、かつコンパクトである、高分子アクチュエータの伸縮量センシング方法および装置を提供する。
【解決手段】 高分子アクチュエー１の駆動を周波数変調した駆動電圧８により行い、駆動電圧８と駆動波形１０との位相１５を比較することにより、高分子アクチュエータ１の伸縮に伴う静電容量の変化を計測することで、高分子アクチュエータの伸縮量１７を求める方法である。
【選択図】 図１
【解決手段】 高分子アクチュエー１の駆動を周波数変調した駆動電圧８により行い、駆動電圧８と駆動波形１０との位相１５を比較することにより、高分子アクチュエータ１の伸縮に伴う静電容量の変化を計測することで、高分子アクチュエータの伸縮量１７を求める方法である。
【選択図】 図１
Description
本発明は、化学的な変化により、機械的変形を生じる高分子アクチュエータに関する。
高分子アクチュエータの伸縮量センシング方法として、外部センサにより伸縮量を求めるものが提案されている(例えば、特許文献１参照)。
また、高分子アクチュエータに伸縮量のセンシングにおいて、伸縮に伴う高分子アクチュエータ自身の静電容量変化を利用することで、外部センサを必要としない方法も提案されている(特許文献２参照)。
図５は、外部センサを必要としない従来の高分子アクチュエータの伸縮量センシング方法の構成図である。高分子アクチュエータ１は、伸縮量を検出するため駆動電圧８に検出用電圧発生用回路２９から発生させた低い振幅で高い周波数の検出用電圧２２を重畳させた検出用電圧重畳駆動電圧２３により伸張させる。このときの、高分子アクチュエータ１は静電容量成分と考えられるので、抵抗器２４と高分子アクチュエータ１でハイパスフィルタを構成することができる。すなわち、検出電圧２５には高い周波数の検出用電圧２２のみが検出される。ここで、高分子アクチュエータ１の静電容量成分は伸縮量により変化するので、検出電圧２５の振幅は高分子アクチュエータ１の伸縮量と比例関係にある。この関係を利用し、電圧振幅検出回路２６において検出電圧２５の振幅２７を求め、伸縮量算出回路２８において高分子アクチェータ１の伸縮量１７を算出している。
特開2005-46980 (請求項第１項、図４)
特表2005-522162 (請求項第７３項)
また、高分子アクチュエータに伸縮量のセンシングにおいて、伸縮に伴う高分子アクチュエータ自身の静電容量変化を利用することで、外部センサを必要としない方法も提案されている(特許文献２参照)。
図５は、外部センサを必要としない従来の高分子アクチュエータの伸縮量センシング方法の構成図である。高分子アクチュエータ１は、伸縮量を検出するため駆動電圧８に検出用電圧発生用回路２９から発生させた低い振幅で高い周波数の検出用電圧２２を重畳させた検出用電圧重畳駆動電圧２３により伸張させる。このときの、高分子アクチュエータ１は静電容量成分と考えられるので、抵抗器２４と高分子アクチュエータ１でハイパスフィルタを構成することができる。すなわち、検出電圧２５には高い周波数の検出用電圧２２のみが検出される。ここで、高分子アクチュエータ１の静電容量成分は伸縮量により変化するので、検出電圧２５の振幅は高分子アクチュエータ１の伸縮量と比例関係にある。この関係を利用し、電圧振幅検出回路２６において検出電圧２５の振幅２７を求め、伸縮量算出回路２８において高分子アクチェータ１の伸縮量１７を算出している。
ところが、従来の高分子アクチュエータの伸縮量センシング方法は、外部センサにより伸縮量を求めていたため、アクチュエータの重量や大きさが増え、軽量で小型であるという高分子アクチュエータの特徴を十分に生かすことができなかった。また、伸縮に伴う高分子アクチュエータ自身の静電容量変化を利用することで外部センサを必要としない方法では、駆動電圧が高いため、伸縮量検出用交流信号のSN比が悪くなり、高分子アクチュエータの伸縮量を精度よく求めるのが困難であった。さらに、ハイパスフィルタ構成に用いられる抵抗器による損失が大きいことや、抵抗器自身のサイズが大きくなることなどの問題が生じていた。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、高分子アクチュエータの伸縮量を、重量や大きさを増やすことなく、高精度にセンシングする方法およびセンシング装置である。
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、高分子アクチュエータを駆動させる駆動電圧に伸縮量を検出する検出用電圧を重畳し、制御器の指令により前記高分子アクチュエータを駆動させ、前記高分子アクチュエータの伸縮に伴う静電容量の変化を検出電圧として計測することにより前記高分子アクチュエータの伸縮量を求める高分子アクチュエータの伸縮量センシング方法において、前記検出用電圧を周波数変調電圧とし、前記周波数変調電圧が重畳された駆動電圧とその電流との位相差を位相差関係線と照合することにより、前記高分子アクチュエータの伸縮量を求めるものである。
請求項２に記載の発明は、前記位相差関係線が前記高分子アクチュエータを伸縮変化させたときの位相差と伸縮量との関係を予め求めておいたものである。
請求項３に記載の発明は、高分子アクチュエータと、制御器の指令により前記高分子アクチュエータに駆動電圧を印加して駆動させる駆動回路と、前記駆動電圧に伸縮量を検出する検出用電圧を重畳する検出電圧発生回路と、検出した検出電圧を基に伸縮量を計測する伸縮量算出回路とを備え、前記高分子アクチュエータの伸縮に伴う静電容量の変化を検出電圧として計測することにより前記高分子アクチュエータの伸縮量を求める高分子アクチュエータの伸縮量センシング装置において、前記検出電圧発生回路を周波数変調した周波数変調回路とし、前記駆動回路と前記高分子アクチュエータとの間に前記駆動電圧とその電流との位相差を検出する位相差検出部を設けたものである。
請求項４に記載の発明は、前記位相差検出部が電流検出回路とハイパスフィルタ回路とを含む電圧・電流位相検出回路からなるものである。
請求項５に記載の発明は、前記伸縮量算出回路が前記位相差を位相差関係線と照合する回路を有するものである。
請求項６に記載の発明は、前記位相差関係線はが前記高分子アクチュエータを伸縮変化させたときの位相差と伸縮量との関係を記憶回路に記憶させておいたものである。
請求項７に記載の発明は、請求項３から６のいずれかに記載の高分子アクチュエータの伸縮量センシング装置と、前記高分子アクチュエータを制御する制御器とを有した高分子アクチュエータ駆動装置である。
請求項１に記載の発明によると、高分子アクチュエータの駆動を、周波数変調した検出用電圧を重畳した駆動電圧とその電流との位相差を位相差関係線と照合することにより、前記高分子アクチュエータの伸縮量を求めるので、高分子アクチュエータの伸縮量センシングの精度を向上させることができる。
請求項２に記載の発明によると、位相差関係線は高分子アクチュエータを伸縮変化させたときの位相差と伸縮量との関係を予め求めているので、高分子アクチュエータの伸縮量センシングの精度を向上させることができる。
請求項３〜７に記載の発明によると、高分子アクチュエータの駆動を周波数変調した駆動電圧により行い、駆動電圧と電流波形との位相差を比較することにより、前記高分子アクチュエータの伸縮に伴う静電容量の変化を計測するので、コンパクトな装置で伸縮量センシングを行うことができる。
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施例を示す高分子アクチュエータの伸縮量センシング方法の構成図である。図において、４は搬送波、５は駆動指令３を搬送波４により周波数変調する周波数変調回路、６は周波数変調回路５より出力される変調電圧、７は高分子アクチュエータ１を伸縮させるための駆動電圧を出力する駆動回路、１６は高分子アクチュエータ１の伸縮量を検出する伸縮量算出回路、１７は高分子アクチュエータ１の伸縮量、３０は位相差検出部である。
位相差検出部３０は、電流検出回路９、ハイパスフィルタ回路１１ａ、１１ｂ、伸縮量算出回路１４からなる。なお、８は駆動回路７より出力される駆動電圧、１０は電流検出回路９より出力される検出電流、１２はハイパスフィルタ１１ａにより分離された搬送波電圧、１３はハイパスフィルタ１１ｂにより分離された搬送波電流、１４は搬送波電圧１２と搬送波電流１３の位相を検出するための電圧・電流位相検出回路、１５は電圧・電流位相検出回路１４より出力される位相である。
位相差検出部３０は、電流検出回路９、ハイパスフィルタ回路１１ａ、１１ｂ、伸縮量算出回路１４からなる。なお、８は駆動回路７より出力される駆動電圧、１０は電流検出回路９より出力される検出電流、１２はハイパスフィルタ１１ａにより分離された搬送波電圧、１３はハイパスフィルタ１１ｂにより分離された搬送波電流、１４は搬送波電圧１２と搬送波電流１３の位相を検出するための電圧・電流位相検出回路、１５は電圧・電流位相検出回路１４より出力される位相である。
本発明が特許文献１および特許文献２と異なる部分は、高分子アクチュエータ１伸縮量を、外部センサや伸縮量検出用交流信号を重畳して検出する代わりに、搬送波により周波数変調された駆動指令に基づいて出力される駆動電圧を高分子アクチュエータ１に印加し、高分子アクチュエータ１の伸縮に伴う高分子アクチュエータの静電容量変化を、駆動電圧および検出電流に含まれる搬送波の位相を検出することにより、高分子アクチュエータの伸縮量を求めている部分である。
図１において、制御器２から出力される駆動指令３は、周波数変調回路５において搬送波４を用いて周波数変調され、変調電圧６として出力される。このときの変調方法としては、ＰＷＭ変調などが挙げられる。また、搬送波４の周波数は、駆動指令３に対して十分高く、たとえば、駆動指令３の最高周波数が１０Ｈｚであるならば、搬送波４の周波数は１００倍以上の１ｋＨｚ以上とする。次に、スイッチング素子などで構成されている駆動回路７より変調電圧６に基づき駆動電圧８が出力される。この駆動電圧８が高分子アクチュエータ１に印加され、高分子アクチュエータ１が伸縮動作する。このときの電流検出回路９により検出電流１０が出力される。この電流検出回路９はシャント抵抗などで構成される。駆動電圧８と検出電流１０はそれぞれ、ハイパスフィルタ回路１１ａ、ハイパスフィルタ回路１１ｂに入力される。ここでハイパスフィルタ回路１１ａおよび１１ｂのカットオフ周波数は、駆動電圧８と検出電流１０に含まれる搬送波４の成分のみが出力される値である駆動指令３の最高周波数と搬送波４の周波数のほぼ中間値に設定されている。たとえば、駆動指令３の最高周波数が１０Ｈｚ、搬送波４の周波数が１ｋＨｚであるならば、ハイパスフィルタ回路１１ａおよび１１ｂのカットオフ周波数は５００Ｈｚ付近に設定される。ハイパスフィルタ回路１１ａおよび１１ｂから、駆動電圧８より分離された搬送波電圧１２および駆動電流９より分離された搬送波電流１３がそれぞれ出力される。この搬送波電圧１２と搬送波電流１３の位相１５を、電圧・電流位相検出回路１４で求める。最後に、伸縮量算出回路１６において位相１５より高分子アクチュエータ１の伸縮量１７を求める。
ここで、図２および図３を用いて高分子アクチュエータ１の伸縮量１７の求め方を説明する。
図２は、高分子アクチュエータ１の断面図である。高分子アクチュエータ１は高分子１８の両面に電極１９が貼り付けられた構成となっている。図２(ａ)は電極１９に電圧が印加されていない状態、図２(ｂ)は電極１９に電圧が印加されている状態である。高分子アクチュエータ１を伸張動作させるために、電極１９に電圧を印加すると、図２(ｂ)のように、高分子１８が電極１９により圧縮され、押し広げられることで高分子アクチュエータ１は伸張する。電圧印加で、高分子１８の厚みｄは小さくなり、電極表面積Ｓは広がる。高分子アクチュエータ１は電気的にはコンデンサーと考えられるので、電圧を印加することで高分子アクチュエータ１の静電容量が増加する。図３は高分子アクチュエータ１の等価回路である。容量成分のリアクタンスＸｃ２０および内部抵抗Ｒ２１で構成される。高分子アクチュエータ１に駆動電圧Ｖを印加した場合の、駆動電圧Ｖと電流Ｉの位相θの関係を図４に示す。また、駆動電圧Ｖと電流Ｉの位相θの関係を数式で表すと、次式のようになる。
図２は、高分子アクチュエータ１の断面図である。高分子アクチュエータ１は高分子１８の両面に電極１９が貼り付けられた構成となっている。図２(ａ)は電極１９に電圧が印加されていない状態、図２(ｂ)は電極１９に電圧が印加されている状態である。高分子アクチュエータ１を伸張動作させるために、電極１９に電圧を印加すると、図２(ｂ)のように、高分子１８が電極１９により圧縮され、押し広げられることで高分子アクチュエータ１は伸張する。電圧印加で、高分子１８の厚みｄは小さくなり、電極表面積Ｓは広がる。高分子アクチュエータ１は電気的にはコンデンサーと考えられるので、電圧を印加することで高分子アクチュエータ１の静電容量が増加する。図３は高分子アクチュエータ１の等価回路である。容量成分のリアクタンスＸｃ２０および内部抵抗Ｒ２１で構成される。高分子アクチュエータ１に駆動電圧Ｖを印加した場合の、駆動電圧Ｖと電流Ｉの位相θの関係を図４に示す。また、駆動電圧Ｖと電流Ｉの位相θの関係を数式で表すと、次式のようになる。
駆動電圧Ｖと電流Ｉの位相θは、容量成分のリアクタンスＸｃ２０および内部抵抗Ｒ２１の値に依存することがわかる。ここで、高分子アクチュエータ１が伸張する際、内部抵抗Ｒ２１の値の変化は容量成分のリアクタンスＸｃ２０の値の変化に比べわずかであるため、位相θは内部抵抗Ｒ２１の値の変化の影響をほとんど受けない。そのため、高分子アクチュエータ１の伸張時の位相θ変化は、容量成分のリアクタンスＸｃ２０の値の変化に依存するといえる。先に述べたように、高分子アクチュエータ１は伸張する際、高分子アクチュエータ１の静電容量が増加するため、容量成分のリアクタンスＸｃ２０の値は減少し、位相θも減少する。この位相θの値の変化より、高分子アクチュエータ１の伸縮量を求めることができる。ここで、駆動電圧Ｖと電流Ｉには、駆動指令３と搬送波４の成分が含まれているが、高分子アクチュエータ１の制御に無関係で一定値を保つ搬送波４のみで位相θを求めると、高分子アクチュエータ１の伸縮量１７を正確に求めることが可能となる。具体的には、ハイパスフィルタ回路１１ａおよび１１ｂにより分離された搬送波電圧１２および搬送波電流１３を用いて、電圧・電流位相検出回路１４において位相１５を求める。この位相１５より、伸縮量算出回路１６において高分子アクチュエータ１の伸縮量１７を求めるが、あらかじめ高分子アクチュエータ１を最小値から最大値まで変化させたときの伸縮量１７と位相１５の関係を記憶装置（図示していない）に記憶させておき、現在求めた位相１５と、記憶させた値を比較することにより、現在の伸縮量１７を求めている。
１ 高分子アクチュエータ
２ 制御器
３ 駆動指令
４ 搬送波
５ 周波数変調回路
６ 変調電圧
７ 駆動回路
８ 駆動電圧
９ 電流検出回路
１０ 駆動電流
１１ａ ハイパスフィルタ回路
１１ｂ ハイパスフィルタ回路
１２ 搬送波電圧
１３ 搬送波電流
１４ 電圧・電流位相検出回路
１５ 位相
１６ 伸縮量算出回路
１７ 伸縮量
１８ 高分子
１９ 電極
２０ 容量成分のリアクタンスＸｃ
２１ 内部抵抗Ｒ
２２ 検出用電圧
２３ 検出電圧重畳駆動電圧
２４ 抵抗器
２５ 検出電圧
２６ 電圧振幅検出回路
２７ 振幅
２８ 伸縮量算出回路
２９ 検出用電圧発生回路
３０ 位相差検出部
２ 制御器
３ 駆動指令
４ 搬送波
５ 周波数変調回路
６ 変調電圧
７ 駆動回路
８ 駆動電圧
９ 電流検出回路
１０ 駆動電流
１１ａ ハイパスフィルタ回路
１１ｂ ハイパスフィルタ回路
１２ 搬送波電圧
１３ 搬送波電流
１４ 電圧・電流位相検出回路
１５ 位相
１６ 伸縮量算出回路
１７ 伸縮量
１８ 高分子
１９ 電極
２０ 容量成分のリアクタンスＸｃ
２１ 内部抵抗Ｒ
２２ 検出用電圧
２３ 検出電圧重畳駆動電圧
２４ 抵抗器
２５ 検出電圧
２６ 電圧振幅検出回路
２７ 振幅
２８ 伸縮量算出回路
２９ 検出用電圧発生回路
３０ 位相差検出部
Claims (7)
- 高分子アクチュエータを駆動させる駆動電圧に伸縮量を検出する検出用電圧を重畳し、制御器の指令により前記高分子アクチュエータを駆動させ、前記高分子アクチュエータの伸縮に伴う静電容量の変化を検出電圧として計測することにより前記高分子アクチュエータの伸縮量を求める高分子アクチュエータの伸縮量センシング方法において、
前記検出用電圧を周波数変調電圧とし、前記周波数変調電圧が重畳された駆動電圧とその電流との位相差を位相差関係線と照合することにより、前記高分子アクチュエータの伸縮量を求めることを特徴とした高分子アクチュエータの伸縮量センシング方法。 - 前記位相差関係線は、前記高分子アクチュエータを伸縮変化させたときの位相差と伸縮量との関係を予め求めておいたものであることを特徴とする請求項１記載の高分子アクチュエータの伸縮量センシング方法。
- 高分子アクチュエータと、制御器の指令により前記高分子アクチュエータに駆動電圧を印加して駆動させる駆動回路と、前記駆動電圧に伸縮量を検出する検出用電圧を重畳する検出電圧発生回路と、検出した検出電圧を基に伸縮量を計測する伸縮量算出回路とを備え、前記高分子アクチュエータの伸縮に伴う静電容量の変化を検出電圧として計測することにより前記高分子アクチュエータの伸縮量を求める高分子アクチュエータの伸縮量センシング装置において、
前記検出電圧発生回路を周波数変調した周波数変調回路とし、前記駆動回路と前記高分子アクチュエータとの間に前記駆動電圧とその電流との位相差を検出する位相差検出部を設けたことを特徴とする高分子アクチュエータの伸縮量センシング装置。 - 前記位相差検出部は、電流検出回路とハイパスフィルタ回路とを含む電圧・電流位相検出回路からなることを特徴とする請求項３記載の高分子アクチュエータの伸縮量センシング装置。
- 前記伸縮量算出回路は、前記位相差を位相差関係線と照合する回路を有することを特徴とする請求項３記載の高分子アクチュエータの伸縮量センシング装置。
- 前記位相差関係線は、前記高分子アクチュエータを伸縮変化させたときの位相差と伸縮量との関係を記憶回路に記憶させておいたものであることを特徴とする請求項５記載の高分子アクチュエータの伸縮量センシング装置。
- 請求項３から６のいずれかに記載の高分子アクチュエータの伸縮量センシング装置と、前記高分子アクチュエータを制御する制御器とを有したことを特徴とする高分子アクチュエータ駆動装置。
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