アクチュエータ素子および変形量検出方法
【課題】 電圧の印加に伴う駆動によって生じる変形量を容易に検出することができるアクチュエータ素子を提供する。
【解決手段】 アクチュエータ素子は、電圧の印加によって変形を生じるとともに、変形を加えると電圧を発生するアクチュエータ本体と、アクチュエータ本体に電圧を印加する電源と、前記電源によるアクチュエータ本体への電圧の印加状態と電圧が印加されない遮断状態とを切り換えるスイッチと、アクチュエータ本体の変形によって発生した電圧を測定するための増幅回路とを備えることを特徴とする。
【解決手段】 アクチュエータ素子は、電圧の印加によって変形を生じるとともに、変形を加えると電圧を発生するアクチュエータ本体と、アクチュエータ本体に電圧を印加する電源と、前記電源によるアクチュエータ本体への電圧の印加状態と電圧が印加されない遮断状態とを切り換えるスイッチと、アクチュエータ本体の変形によって発生した電圧を測定するための増幅回路とを備えることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータ素子および変形量検出方法に関し、特に、駆動によって生じる変形量を検出することができるアクチュエータ素子およびその変形量検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療用ロボット、福祉用ロボット、産業用ロボット、マイクロマシンなどの分野において、小型かつ軽量で、柔軟性に富むアクチュエータ素子の必要性が高まっている。
【０００３】
アクチュエータ素子のサイズを小型化すると、重力・慣性力のような体積力よりも、摩擦力・粘性力のような面積力が支配的になってくる。このため、小型アクチュエータ素子の駆動原理として、静電力、圧電性、超音波、形状記憶合金、高分子の伸縮などを利用することが提案されている。
【０００４】
特に、低電圧で駆動し、応答性が速く、柔軟性に富み、小型化および軽量化が容易で、しかも小電力で動作するアクチュエータ素子として、高分子アクチュエータ素子の研究・開発が行われている。この高分子アクチュエータ素子としては、ポリピロールおよびポリアニリンなどの電子導電性ポリマーの電解質中におけるレドックス伸縮を利用した電子導電性高分子アクチュエータ素子と、イオン交換膜と接合電極とを含んで構成され、イオン交換膜の含水状態において、該イオン交換膜に電圧を印加してイオン交換膜に湾曲および変形を生じさせることによって、アクチュエータ素子として機能を実現するイオン導電性高分子アクチュエータ素子という２種のものがよく知られている。
【０００５】
また特許文献１には、低電圧で駆動し、空気中および真空中で安定に作動し、製造方法が極めて簡単であり、耐久性があり、柔軟性に富み、簡単な構造のため小型化が容易であり、応答性が速く、幅広い用途への実用化を可能にするアクチュエータ素子として、カーボンナノファイバとイオン性液体とのゲルを、導電性および伸縮性のある活性層として利用したアクチュエータ素子が開示されている。
【０００６】
このようなアクチュエータ素子によって駆動される部品または装置などの被駆動体を、正確に高信頼度で駆動させるためには、アクチュエータ素子を正確に駆動することが要求される。このためには、アクチュエータ素子の変形状態を常時正確に知っている必要がある。
【０００７】
たとえば特許文献２には、電圧を印加することによって変形するイオン導電性高分子の変形量を検出する方法として、複数の方法が開示されている。特許文献２における第１の方法によれば、イオン導電性高分子の一部が、対向して固定された２枚の電極板の間に配置され、イオン導電性高分子の変形に際して、前記２枚の電極板に平行に移動可能なように、更なる電極板を用意し、イオン導電性高分子に保持させている。そして、イオン導電性高分子の変形に伴って前記保持させた電極板が移動することを利用して、保持させた電極板と固定された一方の電極板とによって構成される平行平板電極によるキャパシタの静電容量、および／または、保持させた電極板と固定された他方の電極板とによって構成される平行平板電極によるキャパシタの静電容量を測定することによって、イオン導電性高分子の変形量を検出している。
【０００８】
また、特許文献２における第２の方法によれば、イオン導電性高分子に光ファイバを固定し、該光ファイバの一端からレーザ光を入射させ、他端から出射するレーザ光を受光素子アレイにて検出するように構成している。そして、イオン導電性高分子の変形に伴って前記固定した光ファイバの他端が変位し、それに伴って他端から出射するレーザ光の方位が変化することを利用して、この方位の変化を受光素子アレイの受光素子の位置によって検出することによって、イオン導電性高分子の変形量を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−２８８０４０号公報
【特許文献２】特開２００８−３８６６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献２に記載される変形量の検出方法は、変形量検出のために複数の電極板、または光ファイバ・光源・受光素子アレイなどを設ける必要があり、アクチュエータ素子の小型化を妨げるだけでなく、アクチュエータ素子の製造工程も複雑化させることになるという問題がある。また、変形するイオン導電性高分子自体に電極板または光ファイバを取り付けているため、変形を妨げるおそれがあり、さらに、変形の繰り返しに伴って検出精度が低下するおそれがあるという問題もある。
【００１１】
本発明の目的は、電圧の印加に伴う駆動によって生じる変形量を容易に検出することができるアクチュエータ素子およびその変形量検出方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、電圧の印加によって変形を生じる性質を有するとともに、変形を加えると電圧を発生する性質を有するアクチュエータ本体と、
アクチュエータ本体に電圧を印加する電源と、
前記電源によってアクチュエータ本体へ電圧が印加される印加状態と、電圧が印加されない遮断状態とを切り換えるスイッチと、
前記アクチュエータ本体の変形によって発生した電圧を測定するための増幅回路とを備えることを特徴とするアクチュエータ素子である。
【００１３】
また本発明は、前記増幅回路は、
前記アクチュエータ本体に設けられる各電極の印加電圧の差分を出力する第１の演算増幅器と、
前記電源における各電極の印加電圧の差分を出力する第２の演算増幅器と、
前記第１の演算増幅器によって出力された電圧と、前記第２の演算増幅器によって出力された電圧との差分を出力する第３の演算増幅器とを備えることを特徴とする。
【００１４】
また本発明は、前記アクチュエータ本体は、
イオン性液体とポリマーとからなるイオン伝導層と、
前記イオン伝導層を挟み、相互に電気的に絶縁されて設けられる２つの電極層とからなることを特徴とする。
【００１５】
また本発明は、前記アクチュエータ本体は、
イオン交換樹脂からなるイオン導電性高分子層と、
前記イオン導電性高分子層を挟み、相互に電気的に絶縁されて設けられる２つの電極層とからなることを特徴とする。
【００１６】
また本発明は、電圧の印加によって変形を生じる性質を有するとともに、変形を加えると電圧を発生する性質を有するアクチュエータ本体に対して、電圧を印加したときの変形量を検出する変形量検出方法であって、
アクチュエータ本体に対して電圧を印加する第１工程と、
アクチュエータ本体に対する電圧の印加を停止する第２工程と、
電圧の印加が停止された後に、アクチュエータ本体に発生している電圧と、アクチュエータ本体に対して印加された電圧との差分を測定する第３工程と、
測定された差分に基づいて変形量を検出する第４工程とを含むことを特徴とする変形量検出方法である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、アクチュエータ本体の変形量を容易に検出することができる。また検出のために複雑な装置を設ける必要がないので、アクチュエータ素子の小型化を妨げることがなく、製造工程も複雑化させることがない。また、変形によって発生する変形電圧に基づいて変形量を検出するように構成されているので、従来技術のように変形を妨げる可能性のある部材を取り付ける必要がない。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係るアクチュエータ素子１を説明するための図である。
【図２】アクチュエータ素子１の構成要素であるアクチュエータ本体１１について説明するための図である。図２（ａ）は、アクチュエータ本体１１に対して電源Ｅによる電圧が印加されていないときのアクチュエータ本体１１を示し、図２（ｂ）は、アクチュエータ本体１１に対して電源Ｅによる電圧が印加されたときのアクチュエータ本体１１を示している。図２（ｃ）は、図２（ａ）に示される回路の等価回路を示す図である。
【図３】アクチュエータ素子１の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図４】アクチュエータ本体１１の変形量を検出する変形検出工程を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態に係るアクチュエータ素子１を説明するための図である。アクチュエータ素子１は、電圧を印加することによって伸縮または屈曲などの変形を生じるアクチュエータ本体１１と、第１および第２スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２と、駆動源であるアクチュエータ本体１１に駆動電圧を印加するための電源１２と、第１〜第３演算増幅器ＯＰ１，ＯＰ２，ＯＰ３を有する増幅回路１３と、Ａ／Ｄ（Analog/Digital）変換器１４と、アクチュエータ素子１全体を制御する図示しない制御装置とを含んで構成される。また、アクチュエータ本体１１は、詳細には後述するが、イオン伝導層２１と、イオン伝導層２１の一表面に形成される第１電極層２２ａと、イオン伝導層２１の他表面に形成される第２電極層２２ｂとを有する。
【００２０】
以下、アクチュエータ素子１の構成について詳細に説明する。アクチュエータ本体１１の第１および第２電極層２２ａ，２２ｂは、電源１２の両極の各端子と第１および第２配線Ｌ１，Ｌ２によってそれぞれ接続され、各配線Ｌ１，Ｌ２には、第１および第２スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２が介在される。
【００２１】
第１演算増幅器ＯＰ１は、一方の入力端子に第３配線Ｌ３によって第１電極層２２ａの印加電圧Ｖ１ａが与えられ、他方の入力端子には第４配線Ｌ４によって第２電極層２２ｂの印加電圧Ｖ１ｂが与えられ、これらの入力電圧Ｖ１ａ，Ｖ１ｂの差分が出力電圧Ｖ１ｏｕｔとして導出される。前記第３配線Ｌ３は、その一端部が前記第１配線Ｌ１における第１スイッチ素子ＳＷ１と第１電極層２２ａとの間に接続され、他端部は前記第１演算増幅器ＯＰ１の一方の入力端子に接続される。前記第４配線Ｌ４は、その一端部が前記第２配線Ｌ２における第２スイッチ素子ＳＷ２と第２電極層２２ｂとの間に接続され、他端部は前記第１演算増幅器ＯＰ１の他方の入力端子に接続される。
【００２２】
また、第２演算増幅器ＯＰ２は、一方の入力端子に第５配線Ｌ５によって電源１２の一方の電極の印加電圧Ｖ２ａが与えられ、他方の入力端子には第６配線Ｌ６によって電源１２の他方の電極の印加電圧Ｖ２ｂが与えられ、これらの入力電圧Ｖ２ａ，Ｖ２ｂの差分が出力電圧Ｖ２ｏｕｔとして導出される。前記第５配線Ｌ５は、その一端部が前記第１配線Ｌ１における第１スイッチ素子ＳＷ１と電源１２の一方の電極との間に接続され、他端部は前記第２演算増幅器ＯＰ２の一方の入力端子に接続される。前記第６配線Ｌ６は、その一端部が前記第２配線Ｌ２における第２スイッチ素子ＳＷ２と電源１２の他方の電極との間に接続され、他端部は前記第２演算増幅器ＯＰ２の他方の入力端子に接続される。
【００２３】
また、第３演算増幅器ＯＰ３は、一方の入力端子が第７配線Ｌ７によって第１演算増幅器ＯＰ１の出力電圧Ｖ１ｏｕｔが与えられ、他方の入力端子には第８配線Ｌ８によって第２演算増幅器ＯＰ２の出力電圧Ｖ２ｏｕｔが与えられ、これらの入力電圧Ｖ１ｏｕｔ，Ｖ２ｏｕｔの差分が出力電圧Ｖ３ｏｕｔとして導出される。前記第７配線Ｌ７は、その一端部が第１演算増幅器ＯＰ１の出力端子に接続され、他端部は第３演算増幅器ＯＰ３の一方の入力端子に接続される。前記第８配線Ｌ８は、その一端部が第２演算増幅器ＯＰ２の出力端子に接続され、他端部は第３演算増幅器ＯＰ３の他方の入力端子に接続される。
【００２４】
Ａ／Ｄ変換器１４は、第９配線Ｌ９によって第３演算増幅器ＯＰ３の出力電圧Ｖ３ｏｕｔが与えられる。Ａ／Ｄ変換器１４は、入力されたアナログデータである出力電圧Ｖ３ｏｕｔをデジタルデータに変換し、そのデジタルデータを制御装置へ出力する。第９配線Ｌ９は、その一端部が第３演算増幅器ＯＰ３の出力端子に接続され、他端部はＡ／Ｄ変換器１４の入力端子に接続される。
【００２５】
本実施形態に係るアクチュエータ素子１は、自己センシング機能を有するアクチュエータ素子として構成されている点において特徴を有する。ここでいう自己センシング機能とは、アクチュエータ本体１１が駆動電圧を印加されて変形したとき、その変形に伴って変形とほぼ同時に、自己（すなわち、アクチュエータ本体１１）において発生する微小な変形電圧（ここで、変形に伴って発生する電圧を「変形電圧」と称する）を測定することによって、自己（すなわち、アクチュエータ本体１１）の変形量を検出する機能を指している。
【００２６】
したがって、アクチュエータ素子１において自己センシング機能を実現するために、駆動源であるアクチュエータ本体１１には、電圧を印加することによって変形を生ずる性質を有するとともに、外力が付与されるなどして変形すると電圧を発生する性質を有するものが用いられる。
【００２７】
図２は、アクチュエータ素子１の構成要素であるアクチュエータ本体１１について説明するための図である。図２（ａ）は、アクチュエータ本体１１に対して電源Ｅによる電圧が印加されていないときのアクチュエータ本体１１を示し、図２（ｂ）は、アクチュエータ本体１１に対して電源Ｅによる電圧が印加されたときのアクチュエータ本体１１を示している。また、図２（ｃ）は、図２（ａ）に示される回路の等価回路を示す図である。
【００２８】
アクチュエータ本体１１は、本実施形態においては、イオン性液体とポリマーとのゲル状組成物からなるイオン伝導層２１を、カーボンナノファイバとイオン性液体とポリマーとのゲル状組成物からなる第１および第２電極層２２ａ，２２ｂで挟んだ３層構造として形成されている。なお、第１および第２電極層２２ａ，２２ｂは、相互に電気的に絶縁状態に形成されている。
【００２９】
前記イオン性液体とは、常温溶融塩または単に溶融塩などとも称されるものであり、常温（室温）を含む幅広い温度域で溶融状態を呈する塩である。イオン性液体は、従来より知られた各種のイオン性液体を使用することができるが、常温（室温）または可及的に常温に近い温度において液体状態を呈し安定なものが好ましい。
【００３０】
好適なイオン性液体としては、下記の一般式（Ｉ）〜（ＩＶ）で表されるカチオン（好
ましくは、イミダゾリウムイオン、第４級アンモニウムイオン）と、アニオン（Ｘ-）よりなるものを例示することができる。
【００３１】
【化１】
【００３２】
【化２】
【００３３】
［ＮＲxＨ4-x］+ （ＩＩＩ）
［ＰＲxＨ4-x］+ （ＩＶ）
【００３４】
上記の式（Ｉ）〜（ＩＶ）において、Ｒは炭素数１〜１２のアルキル基またはエーテル結合を含み炭素と酸素の合計数が３〜１２のアルキル基を示し、式（Ｉ）においてＲ1は炭素数１〜４のアルキル基または水素原子を示す。式（Ｉ）において、ＲとＲ1とは同一ではないことが好ましい。式（ＩＩＩ）および式（ＩＶ）において、ｘはそれぞれ１〜４の整数である。
【００３５】
アニオン（Ｘ-）としては、テトラフルオロホウ酸イオン、ヘキサフルオロリン酸イオン、ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド酸イオン、過塩素酸イオン、トリス（トリフルオロメタンスルホニル）炭素酸イオン、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、ジシアンアミドイオン、トリフルオロ酢酸イオン、有機カルボン酸イオン、およびハロゲンイオンより選ばれる少なくとも１種が好ましい。ただし、これらの組合せに限らず、常温溶融塩であって、導電率が０．１Ｓｍ-1以上のものであれば、使用可能である。
【００３６】
また、カーボンナノファイバは、線径が１μｍ未満で、アスペクト比が１００以上の炭素繊維である。代表的な製造法としては、溶融紡糸法が知られている。
【００３７】
さらに、ゲル状組成物を得るのに用いることのできるポリマーとしては、ポリフッ化ビニリデンーヘキサフルオロプロピレン共重合体［ＰＶＤＦ（ＨＦＰ）］、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、パーフルオロスルホン酸（Ｎａｆｉｏｎ，ナフィオン）、ポリー２−ヒドロキシエチルメタクリレート（poly−ＨＥＭＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）などが挙げられる。
【００３８】
第１および第２電極層２２ａ，２２ｂを構成するゲル状組成物は、カーボンナノファイバとイオン性液体によりカーボンナノファイバゲルを得て、このゲルに、機械的な強度を保つためにポリマーを配合してゲル状組成物を得る。カーボンナノファイバとイオン性液体とのゲルは、イオン性液体の存在下でカーボンナノファイバにせん断力をかけることにより生成する。その際のカーボンナノファイバの配合割合は、カーボンナノファイバ／ゲル＝１〜４０重量％であるのが好ましい。
【００３９】
機械的な強度を保つためにカーボンナノファイバゲルにポリマーを配合して、導電性があり電気応答伸縮活性のある電極層を得る際のカーボンナノファイバゲルとポリマーとの配合比（重量比）は、ゲル：ポリマー＝１：２〜４：１であるのが好ましい。
【００４０】
イオン伝導層２１を構成するゲル状組成物は、イオン性液体とポリマーとからなる。このゲル状組成物を得る際のイオン性液体とポリマーの配合比（重量比）は、イオン性液体：ポリマー＝１：４〜４：１であるのが好ましい。
【００４１】
イオン伝導層２１の表面に、第１および第２電極層２２ａ，２２ｂをそれぞれ形成して、アクチュエータ本体１１を得るには、たとえば、各層の配合成分を含む分散液または溶液を、順次、展延法（キャスト法）により製膜し、溶媒を蒸発、乾燥させればよい。各層の厚さは、１０〜５００μｍであるのが好ましい。また、各層の製膜に当たっては、スピンコート法、印刷法、スプレー法なども用いることができる。さらに、押し出し法、射出法なども用いることができる。
【００４２】
このようにして得られたアクチュエータ本体１１は、図２（ａ）に示すように、スイッチ素子ＳＷ３がオフにされている状態、すなわち電源Ｅによる電圧が印加されていない状態では、変形が全く生じていない自然状態にある。この自然状態にあるアクチュエータ本体１１に対し、図２（ｂ）に示すように、スイッチ素子ＳＷ３をオンにして電圧を印加すると、印加された電圧に応じた変形量でアクチュエータ本体１１を屈曲変形させることができる。このようにアクチュエータ本体１１を屈曲変形させることで、アクチュエータ本体１１を駆動源として機能させることができる。
【００４３】
また、アクチュエータ本体１１に対して外力などを付与することによって強制的に屈曲変形を生じさせた場合には、アクチュエータ本体１１は、その変形量に応じた微小な変形電圧を発生する性質を有する。このとき、発生する変形電圧の大きさは、変形量の大きさによる。このようにアクチュエータ本体１１に変形電圧が発生するので、この変形電圧を測定することによって、アクチュエータ本体１１の変形量を検出することができる。なお、図２（ａ）の等価回路として図２（ｃ）に示すように、アクチュエータ本体１１は、電気的には大容量のコンデンサＣと漏れ電流に相当する並列抵抗Ｒと考えることができる。
【００４４】
以下では、アクチュエータ本体１１の第１および第２電極層２２ａ，２２ｂ間に駆動電圧Ｖｄを印加すると、アクチュエータ本体１１には屈曲変形が生じ、この屈曲変形に伴って微小な変形電圧Ｖｔがアクチュエータ本体１１に発生するものとして説明を行う。
【００４５】
図１に戻って、この微小な変形電圧Ｖｔを測定可能にするために、アクチュエータ素子１には、第１および第２スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２、ならびに増幅回路１３が設けられている。なお、第１および第２スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２のオンおよびオフへの切り換えは、図示しない制御装置によって行われる。
【００４６】
以下、アクチュエータ素子１の動作について具体的に説明する。図３は、アクチュエータ素子１の動作を説明するためのタイミングチャートである。図４は、アクチュエータ本体１１の変形量を検出する変形検出工程を示すフローチャートである。
【００４７】
図３（１）および（２）に示すように、時刻ｔ０で、制御装置は、第１および第２スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２をいずれも同時にオン（導通状態）にする（ステップｓ１）。第１および第２スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２がオンにされると、電源１２によって駆動電圧Ｖｄがアクチュエータ本体１１に印加される。アクチュエータ本体１１は、第１および第２電極層２２ａ，２２ｂ間に駆動電圧Ｖｄが印加されると、自然状態から駆動電圧Ｖｄに応じた変形量Ｘだけ屈曲変形する。
【００４８】
時刻ｔ０から時間Ｔ１だけ経過した時刻ｔ１で、制御装置は、駆動電圧Ｖｄが印加されたときのアクチュエータ本体１１の変形量Ｘを検出するために、第１および第２スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２をいずれも同時にオフ（遮断状態）にする（ステップｓ２）。第１および第２スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２がオフにされると、電源１２によるアクチュエータ本体１１に対する駆動電圧Ｖｄの印加を停止される。アクチュエータ本体１１では、駆動電圧Ｖｄの印加が停止されると、第１および第２電極層２２ａ，２２ｂ間の電圧が、停止直前までの印加されていた電圧Ｖｄから変形量Ｘに応じた変形電圧Ｖｔだけ変化する。すなわち、第１および第２電極層２２ａ，２２ｂ間の電圧は、Ｖｄ＋Ｖｔに変化する。この変形電圧Ｖｔは、前述するように、アクチュエータ本体１１への電圧印加による起電力に由来している。この起電力は、印加される駆動電圧Ｖｄよりも微小であるため、第１および第２スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２がオンにされているときには、駆動電圧Ｖｄに埋もれた状態である。
【００４９】
このように第１および第２スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２がオフにされると、第１演算増幅器ＯＰ１の各入力端子には第１および第２電極層２２ａ，２２ｂの各電圧が与えられ、第２演算増幅器ＯＰ２の各入力端子には電源１２の電極の各電圧が与えられる。また、第３円演算増幅器ＯＰ３の各入力端子には、第１および第２電極層２２ａ，２２ｂ間の電圧（Ｖｄ＋Ｖｔ）および電源１２の電極間の電圧Ｖｄがそれぞれ与えられる。そして、第３演算増幅器ＯＰ３からは、両者の差分である変形電圧Ｖｔが増幅されて、Ａ／Ｄ変換器１４へ出力される。なお、増幅後の変形電圧Ｖｔを、電圧Ｖｔ’と表す。
【００５０】
図３（４）に示すように、時刻ｔ１から微小な待ち時間Ｔ２（たとえば、１０μｓｅｃ）だけ経過した時刻ｔ２で、制御装置は、Ａ／Ｄ変換器１４によるＡ／Ｄ変換を開始させる（ステップｓ３）。図３（３）に示すように、この待ち時間Ｔ２は、第１および第２スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２がオフにされてからＡ／Ｄ変換を開始するまでの待ち時間であり、制御装置の遅延部によって計測される。なお、この待ち時間Ｔ２は、アクチュエータ本体１１に印加された駆動電圧Ｖｄと変形電圧Ｖｔとを切り分けて、前記増幅後の電圧Ｖｔ’を精度良く測定するために必要な時間である。Ａ／Ｄ変換器１４は、Ａ／Ｄ変換が開始されると、第３演算増幅器ＯＰ３から入力される電圧Ｖｔ’に対応するアナログデータを、１６ｂｉｔデジタルデータに変換する。
【００５１】
時刻ｔ２から測定時間Ｔ３（たとえば、４０μｓｅｃ）だけ経過した時刻ｔ３で、制御装置は、Ａ／Ｄ変換器１４によるＡ／Ｄ変換を停止させる（ステップｓ４）。この測定時間Ｔ３は、Ａ／Ｄ変換器１４において電圧Ｖｔ’を測定する時間であり、制御装置のＡ／Ｄ変換部によって計測される。
【００５２】
Ａ／Ｄ変換器１４によるＡ／Ｄ変換が停止されると、制御装置には、Ａ／Ｄ変換器１４において変換されたデジタルデータが入力される。制御装置では、入力されたデジタルデータに基づいて、アクチュエータ本体１１の変形量Ｘが検出される（ステップｓ５）。
【００５３】
制御装置には、アクチュエータ本体１１の変形量Ｘと、その変形量Ｘに応じてアクチュエータ本体１１に発生する変形電圧Ｖｔ（または、増幅後の変形電圧Ｖｔ’）との対応関係を示すデータが、予め格納されている。したがって、制御装置は、この対応関係を示すデータと、第３演算増幅器ＯＰ３から入力されたデジタルデータとに基づいて、アクチュエータ本体１１の変形量Ｘを検出することができる。
【００５４】
また、このようにアクチュエータ本体１１の変形量Ｘを検出することによって、アクチュエータ本体１１の変形状態を正確に知ることができる。したがって、電源１２の駆動電圧Ｖｄを制御することによって、アクチュエータ素子１の駆動を正確に制御することができる。
【００５５】
時刻ｔ３から所定の微小な時間Ｔ４（たとえば、１００〜２００μｓｅｃ）だけ経過した時刻ｔ４で、制御装置は、第１および第２スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２をいずれも同時にオンにする。第１および第２スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２がオンにされると、前述するように、電源１２によって駆動電圧Ｖｄがアクチュエータ本体１１に印加される。
【００５６】
本実施形態によれば、駆動電圧Ｖｄが印加されたときのアクチュエータ本体１１の変形量Ｘを検出するために、第１および第２スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２がオフにされている時間（Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４）が極めて微少な時間である。したがって、アクチュエータ本体１１に対する駆動電圧Ｖｄの印加が停止されたとしても、駆動電圧Ｖｄに応じた変形量Ｘでアクチュエータ本体１１が変形したままの状態で、アクチュエータ本体１１に対する駆動電圧Ｖｄの印加が再開される。すなわち、アクチュエータ本体１１の変形量Ｘに影響を与えずに、その変形量Ｘを検出することができる。
【００５７】
上記の説明においては、アクチュエータ本体１１として、イオン伝導層２１と、イオン伝導層２１を挟む２つの電極層２２ａ，２２ｂとを積層した３層構造のアクチュエータ本体を用いているが、アクチュエータ本体１１の構成はこのような構成に限らない。
【００５８】
たとえば、電圧の印加によって可動なイオンを含んでいるイオン導電性高分子を用いるＩＰＭＣ（Ionic Polymer Metal Composites）アクチュエータまたはＩＣＰＦ（Ionic
Conducting Polymer Film）アクチュエータと呼ばれるタイプの高分子アクチュエータであっても良い。
【００５９】
このような高分子アクチュエータは、陽イオン物質が含浸されたイオン導電性高分子層２１と、このイオン導電性高分子層２１の両面それぞれに設けられる電極層２２ａ，２２ｂとによって構成されたアクチュエータ本体１１を用いることによって実現される。
【００６０】
イオン導電性高分子層２１は、フッ素樹脂、炭化水素系などを骨格としたイオン交換樹脂からなり、表裏２つの主面を持つ形状を呈している。また、イオン交換樹脂としては、陰イオン交換樹脂、陽イオン交換樹脂、両イオン交換樹脂のいずれでも良いが、このうち陽イオン交換樹脂が好適である。
【００６１】
陽イオン交換樹脂としては、ポリエチレン、ポリスチレン、フッ素樹脂などにスルホン酸基、カルボキシル基などの官能基が導入されたものが挙げられ、特にフッ素樹脂にスルホン酸基、カルボキシル基などの官能基が導入された陽イオン交換樹脂が好ましい。
【００６２】
電極層２２ａ，２２ｂは、たとえば、イオン導電性高分子層２１に金属錯体（たとえば、金錯体、白金錯体）を水溶液中で吸着させ、吸着した金属錯体を還元剤により還元して、イオン導電性高分子層２１表面に金属を析出させることによって形成する。
【００６３】
また、電極層２２ａ，２２ｂは、カーボンブラックの微細粉末とイオン導電性樹脂（イオン導電性高分子層２１を構成する材料と同じものでよい）を溶媒に分散させた塗料を、イオン導電性高分子層２１に塗布し乾燥させて、所望の厚さでカーボン電極層として形成することもできる。
【００６４】
なお、少なくともイオン導電性高分子層２１に陽イオン物質が含浸されているが、この陽イオン物質とは、水および金属イオン、水および有機イオン、イオン液体のいずれかであることが好ましい。ここで、金属イオンとは、たとえば、ナトリウムイオン、カリウムイオン、リチウムイオン、マグネシウムイオンなどが挙げられる。
【００６５】
また、有機イオンとは、たとえば、アルキルアンモニウムイオンなどが挙げられる。これらのイオンは、イオン導電性高分子層２１中において水和物として存在している。イオン導電性高分子層２１が水および金属イオン、または水および有機イオンを含み、含水状態となっている場合には、高分子アクチュエータは中からこの水が揮発しないように、電極層２２ａ，２２ｂおよびイオン導電性高分子層２１を封止しておくことが好ましい。
【００６６】
また、イオン液体としては、イミダゾリウム環系化合物、ピリジニウム環系化合物、脂肪族系化合物のものを使用することができる。イオン導電性高分子層２１にイオン液体を含浸させている場合には、揮発する心配なく高温あるいは真空中でも高分子アクチュエータを使用することができる。
【００６７】
以上説明するように、本実施形態のアクチュエータ素子１によれば、アクチュエータ本体１１の変形量を容易に検出することができる。また検出のために複雑な装置を設ける必要がないので、アクチュエータ素子１の小型化を妨げることがなく、製造工程も複雑化させることがない。また、変形によって発生する変形電圧に基づいて変形量を検出するように構成されているので、従来技術のように変形を妨げる可能性のある部材を取り付ける必要がない。
【符号の説明】
【００６８】
１ アクチュエータ素子
１１ アクチュエータ本体
１２ 電源
１３ 増幅回路
１４ Ａ／Ｄ変換器
２１ イオン伝導層
２２ａ，２２ｂ 電極層
ＳＷ１，ＳＷ２ スイッチ素子
ＯＰ１，ＯＰ２，ＯＰ３ 演算増幅器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータ素子および変形量検出方法に関し、特に、駆動によって生じる変形量を検出することができるアクチュエータ素子およびその変形量検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療用ロボット、福祉用ロボット、産業用ロボット、マイクロマシンなどの分野において、小型かつ軽量で、柔軟性に富むアクチュエータ素子の必要性が高まっている。
【０００３】
アクチュエータ素子のサイズを小型化すると、重力・慣性力のような体積力よりも、摩擦力・粘性力のような面積力が支配的になってくる。このため、小型アクチュエータ素子の駆動原理として、静電力、圧電性、超音波、形状記憶合金、高分子の伸縮などを利用することが提案されている。
【０００４】
特に、低電圧で駆動し、応答性が速く、柔軟性に富み、小型化および軽量化が容易で、しかも小電力で動作するアクチュエータ素子として、高分子アクチュエータ素子の研究・開発が行われている。この高分子アクチュエータ素子としては、ポリピロールおよびポリアニリンなどの電子導電性ポリマーの電解質中におけるレドックス伸縮を利用した電子導電性高分子アクチュエータ素子と、イオン交換膜と接合電極とを含んで構成され、イオン交換膜の含水状態において、該イオン交換膜に電圧を印加してイオン交換膜に湾曲および変形を生じさせることによって、アクチュエータ素子として機能を実現するイオン導電性高分子アクチュエータ素子という２種のものがよく知られている。
【０００５】
また特許文献１には、低電圧で駆動し、空気中および真空中で安定に作動し、製造方法が極めて簡単であり、耐久性があり、柔軟性に富み、簡単な構造のため小型化が容易であり、応答性が速く、幅広い用途への実用化を可能にするアクチュエータ素子として、カーボンナノファイバとイオン性液体とのゲルを、導電性および伸縮性のある活性層として利用したアクチュエータ素子が開示されている。
【０００６】
このようなアクチュエータ素子によって駆動される部品または装置などの被駆動体を、正確に高信頼度で駆動させるためには、アクチュエータ素子を正確に駆動することが要求される。このためには、アクチュエータ素子の変形状態を常時正確に知っている必要がある。
【０００７】
たとえば特許文献２には、電圧を印加することによって変形するイオン導電性高分子の変形量を検出する方法として、複数の方法が開示されている。特許文献２における第１の方法によれば、イオン導電性高分子の一部が、対向して固定された２枚の電極板の間に配置され、イオン導電性高分子の変形に際して、前記２枚の電極板に平行に移動可能なように、更なる電極板を用意し、イオン導電性高分子に保持させている。そして、イオン導電性高分子の変形に伴って前記保持させた電極板が移動することを利用して、保持させた電極板と固定された一方の電極板とによって構成される平行平板電極によるキャパシタの静電容量、および／または、保持させた電極板と固定された他方の電極板とによって構成される平行平板電極によるキャパシタの静電容量を測定することによって、イオン導電性高分子の変形量を検出している。
【０００８】
また、特許文献２における第２の方法によれば、イオン導電性高分子に光ファイバを固定し、該光ファイバの一端からレーザ光を入射させ、他端から出射するレーザ光を受光素子アレイにて検出するように構成している。そして、イオン導電性高分子の変形に伴って前記固定した光ファイバの他端が変位し、それに伴って他端から出射するレーザ光の方位が変化することを利用して、この方位の変化を受光素子アレイの受光素子の位置によって検出することによって、イオン導電性高分子の変形量を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−２８８０４０号公報
【特許文献２】特開２００８−３８６６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献２に記載される変形量の検出方法は、変形量検出のために複数の電極板、または光ファイバ・光源・受光素子アレイなどを設ける必要があり、アクチュエータ素子の小型化を妨げるだけでなく、アクチュエータ素子の製造工程も複雑化させることになるという問題がある。また、変形するイオン導電性高分子自体に電極板または光ファイバを取り付けているため、変形を妨げるおそれがあり、さらに、変形の繰り返しに伴って検出精度が低下するおそれがあるという問題もある。
【００１１】
本発明の目的は、電圧の印加に伴う駆動によって生じる変形量を容易に検出することができるアクチュエータ素子およびその変形量検出方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、電圧の印加によって変形を生じる性質を有するとともに、変形を加えると電圧を発生する性質を有するアクチュエータ本体と、
アクチュエータ本体に電圧を印加する電源と、
前記電源によってアクチュエータ本体へ電圧が印加される印加状態と、電圧が印加されない遮断状態とを切り換えるスイッチと、
前記アクチュエータ本体の変形によって発生した電圧を測定するための増幅回路とを備えることを特徴とするアクチュエータ素子である。
【００１３】
また本発明は、前記増幅回路は、
前記アクチュエータ本体に設けられる各電極の印加電圧の差分を出力する第１の演算増幅器と、
前記電源における各電極の印加電圧の差分を出力する第２の演算増幅器と、
前記第１の演算増幅器によって出力された電圧と、前記第２の演算増幅器によって出力された電圧との差分を出力する第３の演算増幅器とを備えることを特徴とする。
【００１４】
また本発明は、前記アクチュエータ本体は、
イオン性液体とポリマーとからなるイオン伝導層と、
前記イオン伝導層を挟み、相互に電気的に絶縁されて設けられる２つの電極層とからなることを特徴とする。
【００１５】
また本発明は、前記アクチュエータ本体は、
イオン交換樹脂からなるイオン導電性高分子層と、
前記イオン導電性高分子層を挟み、相互に電気的に絶縁されて設けられる２つの電極層とからなることを特徴とする。
【００１６】
また本発明は、電圧の印加によって変形を生じる性質を有するとともに、変形を加えると電圧を発生する性質を有するアクチュエータ本体に対して、電圧を印加したときの変形量を検出する変形量検出方法であって、
アクチュエータ本体に対して電圧を印加する第１工程と、
アクチュエータ本体に対する電圧の印加を停止する第２工程と、
電圧の印加が停止された後に、アクチュエータ本体に発生している電圧と、アクチュエータ本体に対して印加された電圧との差分を測定する第３工程と、
測定された差分に基づいて変形量を検出する第４工程とを含むことを特徴とする変形量検出方法である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、アクチュエータ本体の変形量を容易に検出することができる。また検出のために複雑な装置を設ける必要がないので、アクチュエータ素子の小型化を妨げることがなく、製造工程も複雑化させることがない。また、変形によって発生する変形電圧に基づいて変形量を検出するように構成されているので、従来技術のように変形を妨げる可能性のある部材を取り付ける必要がない。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係るアクチュエータ素子１を説明するための図である。
【図２】アクチュエータ素子１の構成要素であるアクチュエータ本体１１について説明するための図である。図２（ａ）は、アクチュエータ本体１１に対して電源Ｅによる電圧が印加されていないときのアクチュエータ本体１１を示し、図２（ｂ）は、アクチュエータ本体１１に対して電源Ｅによる電圧が印加されたときのアクチュエータ本体１１を示している。図２（ｃ）は、図２（ａ）に示される回路の等価回路を示す図である。
【図３】アクチュエータ素子１の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図４】アクチュエータ本体１１の変形量を検出する変形検出工程を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態に係るアクチュエータ素子１を説明するための図である。アクチュエータ素子１は、電圧を印加することによって伸縮または屈曲などの変形を生じるアクチュエータ本体１１と、第１および第２スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２と、駆動源であるアクチュエータ本体１１に駆動電圧を印加するための電源１２と、第１〜第３演算増幅器ＯＰ１，ＯＰ２，ＯＰ３を有する増幅回路１３と、Ａ／Ｄ（Analog/Digital）変換器１４と、アクチュエータ素子１全体を制御する図示しない制御装置とを含んで構成される。また、アクチュエータ本体１１は、詳細には後述するが、イオン伝導層２１と、イオン伝導層２１の一表面に形成される第１電極層２２ａと、イオン伝導層２１の他表面に形成される第２電極層２２ｂとを有する。
【００２０】
以下、アクチュエータ素子１の構成について詳細に説明する。アクチュエータ本体１１の第１および第２電極層２２ａ，２２ｂは、電源１２の両極の各端子と第１および第２配線Ｌ１，Ｌ２によってそれぞれ接続され、各配線Ｌ１，Ｌ２には、第１および第２スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２が介在される。
【００２１】
第１演算増幅器ＯＰ１は、一方の入力端子に第３配線Ｌ３によって第１電極層２２ａの印加電圧Ｖ１ａが与えられ、他方の入力端子には第４配線Ｌ４によって第２電極層２２ｂの印加電圧Ｖ１ｂが与えられ、これらの入力電圧Ｖ１ａ，Ｖ１ｂの差分が出力電圧Ｖ１ｏｕｔとして導出される。前記第３配線Ｌ３は、その一端部が前記第１配線Ｌ１における第１スイッチ素子ＳＷ１と第１電極層２２ａとの間に接続され、他端部は前記第１演算増幅器ＯＰ１の一方の入力端子に接続される。前記第４配線Ｌ４は、その一端部が前記第２配線Ｌ２における第２スイッチ素子ＳＷ２と第２電極層２２ｂとの間に接続され、他端部は前記第１演算増幅器ＯＰ１の他方の入力端子に接続される。
【００２２】
また、第２演算増幅器ＯＰ２は、一方の入力端子に第５配線Ｌ５によって電源１２の一方の電極の印加電圧Ｖ２ａが与えられ、他方の入力端子には第６配線Ｌ６によって電源１２の他方の電極の印加電圧Ｖ２ｂが与えられ、これらの入力電圧Ｖ２ａ，Ｖ２ｂの差分が出力電圧Ｖ２ｏｕｔとして導出される。前記第５配線Ｌ５は、その一端部が前記第１配線Ｌ１における第１スイッチ素子ＳＷ１と電源１２の一方の電極との間に接続され、他端部は前記第２演算増幅器ＯＰ２の一方の入力端子に接続される。前記第６配線Ｌ６は、その一端部が前記第２配線Ｌ２における第２スイッチ素子ＳＷ２と電源１２の他方の電極との間に接続され、他端部は前記第２演算増幅器ＯＰ２の他方の入力端子に接続される。
【００２３】
また、第３演算増幅器ＯＰ３は、一方の入力端子が第７配線Ｌ７によって第１演算増幅器ＯＰ１の出力電圧Ｖ１ｏｕｔが与えられ、他方の入力端子には第８配線Ｌ８によって第２演算増幅器ＯＰ２の出力電圧Ｖ２ｏｕｔが与えられ、これらの入力電圧Ｖ１ｏｕｔ，Ｖ２ｏｕｔの差分が出力電圧Ｖ３ｏｕｔとして導出される。前記第７配線Ｌ７は、その一端部が第１演算増幅器ＯＰ１の出力端子に接続され、他端部は第３演算増幅器ＯＰ３の一方の入力端子に接続される。前記第８配線Ｌ８は、その一端部が第２演算増幅器ＯＰ２の出力端子に接続され、他端部は第３演算増幅器ＯＰ３の他方の入力端子に接続される。
【００２４】
Ａ／Ｄ変換器１４は、第９配線Ｌ９によって第３演算増幅器ＯＰ３の出力電圧Ｖ３ｏｕｔが与えられる。Ａ／Ｄ変換器１４は、入力されたアナログデータである出力電圧Ｖ３ｏｕｔをデジタルデータに変換し、そのデジタルデータを制御装置へ出力する。第９配線Ｌ９は、その一端部が第３演算増幅器ＯＰ３の出力端子に接続され、他端部はＡ／Ｄ変換器１４の入力端子に接続される。
【００２５】
本実施形態に係るアクチュエータ素子１は、自己センシング機能を有するアクチュエータ素子として構成されている点において特徴を有する。ここでいう自己センシング機能とは、アクチュエータ本体１１が駆動電圧を印加されて変形したとき、その変形に伴って変形とほぼ同時に、自己（すなわち、アクチュエータ本体１１）において発生する微小な変形電圧（ここで、変形に伴って発生する電圧を「変形電圧」と称する）を測定することによって、自己（すなわち、アクチュエータ本体１１）の変形量を検出する機能を指している。
【００２６】
したがって、アクチュエータ素子１において自己センシング機能を実現するために、駆動源であるアクチュエータ本体１１には、電圧を印加することによって変形を生ずる性質を有するとともに、外力が付与されるなどして変形すると電圧を発生する性質を有するものが用いられる。
【００２７】
図２は、アクチュエータ素子１の構成要素であるアクチュエータ本体１１について説明するための図である。図２（ａ）は、アクチュエータ本体１１に対して電源Ｅによる電圧が印加されていないときのアクチュエータ本体１１を示し、図２（ｂ）は、アクチュエータ本体１１に対して電源Ｅによる電圧が印加されたときのアクチュエータ本体１１を示している。また、図２（ｃ）は、図２（ａ）に示される回路の等価回路を示す図である。
【００２８】
アクチュエータ本体１１は、本実施形態においては、イオン性液体とポリマーとのゲル状組成物からなるイオン伝導層２１を、カーボンナノファイバとイオン性液体とポリマーとのゲル状組成物からなる第１および第２電極層２２ａ，２２ｂで挟んだ３層構造として形成されている。なお、第１および第２電極層２２ａ，２２ｂは、相互に電気的に絶縁状態に形成されている。
【００２９】
前記イオン性液体とは、常温溶融塩または単に溶融塩などとも称されるものであり、常温（室温）を含む幅広い温度域で溶融状態を呈する塩である。イオン性液体は、従来より知られた各種のイオン性液体を使用することができるが、常温（室温）または可及的に常温に近い温度において液体状態を呈し安定なものが好ましい。
【００３０】
好適なイオン性液体としては、下記の一般式（Ｉ）〜（ＩＶ）で表されるカチオン（好
ましくは、イミダゾリウムイオン、第４級アンモニウムイオン）と、アニオン（Ｘ-）よりなるものを例示することができる。
【００３１】
【化１】
【００３２】
【化２】
【００３３】
［ＮＲxＨ4-x］+ （ＩＩＩ）
［ＰＲxＨ4-x］+ （ＩＶ）
【００３４】
上記の式（Ｉ）〜（ＩＶ）において、Ｒは炭素数１〜１２のアルキル基またはエーテル結合を含み炭素と酸素の合計数が３〜１２のアルキル基を示し、式（Ｉ）においてＲ1は炭素数１〜４のアルキル基または水素原子を示す。式（Ｉ）において、ＲとＲ1とは同一ではないことが好ましい。式（ＩＩＩ）および式（ＩＶ）において、ｘはそれぞれ１〜４の整数である。
【００３５】
アニオン（Ｘ-）としては、テトラフルオロホウ酸イオン、ヘキサフルオロリン酸イオン、ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド酸イオン、過塩素酸イオン、トリス（トリフルオロメタンスルホニル）炭素酸イオン、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、ジシアンアミドイオン、トリフルオロ酢酸イオン、有機カルボン酸イオン、およびハロゲンイオンより選ばれる少なくとも１種が好ましい。ただし、これらの組合せに限らず、常温溶融塩であって、導電率が０．１Ｓｍ-1以上のものであれば、使用可能である。
【００３６】
また、カーボンナノファイバは、線径が１μｍ未満で、アスペクト比が１００以上の炭素繊維である。代表的な製造法としては、溶融紡糸法が知られている。
【００３７】
さらに、ゲル状組成物を得るのに用いることのできるポリマーとしては、ポリフッ化ビニリデンーヘキサフルオロプロピレン共重合体［ＰＶＤＦ（ＨＦＰ）］、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、パーフルオロスルホン酸（Ｎａｆｉｏｎ，ナフィオン）、ポリー２−ヒドロキシエチルメタクリレート（poly−ＨＥＭＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）などが挙げられる。
【００３８】
第１および第２電極層２２ａ，２２ｂを構成するゲル状組成物は、カーボンナノファイバとイオン性液体によりカーボンナノファイバゲルを得て、このゲルに、機械的な強度を保つためにポリマーを配合してゲル状組成物を得る。カーボンナノファイバとイオン性液体とのゲルは、イオン性液体の存在下でカーボンナノファイバにせん断力をかけることにより生成する。その際のカーボンナノファイバの配合割合は、カーボンナノファイバ／ゲル＝１〜４０重量％であるのが好ましい。
【００３９】
機械的な強度を保つためにカーボンナノファイバゲルにポリマーを配合して、導電性があり電気応答伸縮活性のある電極層を得る際のカーボンナノファイバゲルとポリマーとの配合比（重量比）は、ゲル：ポリマー＝１：２〜４：１であるのが好ましい。
【００４０】
イオン伝導層２１を構成するゲル状組成物は、イオン性液体とポリマーとからなる。このゲル状組成物を得る際のイオン性液体とポリマーの配合比（重量比）は、イオン性液体：ポリマー＝１：４〜４：１であるのが好ましい。
【００４１】
イオン伝導層２１の表面に、第１および第２電極層２２ａ，２２ｂをそれぞれ形成して、アクチュエータ本体１１を得るには、たとえば、各層の配合成分を含む分散液または溶液を、順次、展延法（キャスト法）により製膜し、溶媒を蒸発、乾燥させればよい。各層の厚さは、１０〜５００μｍであるのが好ましい。また、各層の製膜に当たっては、スピンコート法、印刷法、スプレー法なども用いることができる。さらに、押し出し法、射出法なども用いることができる。
【００４２】
このようにして得られたアクチュエータ本体１１は、図２（ａ）に示すように、スイッチ素子ＳＷ３がオフにされている状態、すなわち電源Ｅによる電圧が印加されていない状態では、変形が全く生じていない自然状態にある。この自然状態にあるアクチュエータ本体１１に対し、図２（ｂ）に示すように、スイッチ素子ＳＷ３をオンにして電圧を印加すると、印加された電圧に応じた変形量でアクチュエータ本体１１を屈曲変形させることができる。このようにアクチュエータ本体１１を屈曲変形させることで、アクチュエータ本体１１を駆動源として機能させることができる。
【００４３】
また、アクチュエータ本体１１に対して外力などを付与することによって強制的に屈曲変形を生じさせた場合には、アクチュエータ本体１１は、その変形量に応じた微小な変形電圧を発生する性質を有する。このとき、発生する変形電圧の大きさは、変形量の大きさによる。このようにアクチュエータ本体１１に変形電圧が発生するので、この変形電圧を測定することによって、アクチュエータ本体１１の変形量を検出することができる。なお、図２（ａ）の等価回路として図２（ｃ）に示すように、アクチュエータ本体１１は、電気的には大容量のコンデンサＣと漏れ電流に相当する並列抵抗Ｒと考えることができる。
【００４４】
以下では、アクチュエータ本体１１の第１および第２電極層２２ａ，２２ｂ間に駆動電圧Ｖｄを印加すると、アクチュエータ本体１１には屈曲変形が生じ、この屈曲変形に伴って微小な変形電圧Ｖｔがアクチュエータ本体１１に発生するものとして説明を行う。
【００４５】
図１に戻って、この微小な変形電圧Ｖｔを測定可能にするために、アクチュエータ素子１には、第１および第２スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２、ならびに増幅回路１３が設けられている。なお、第１および第２スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２のオンおよびオフへの切り換えは、図示しない制御装置によって行われる。
【００４６】
以下、アクチュエータ素子１の動作について具体的に説明する。図３は、アクチュエータ素子１の動作を説明するためのタイミングチャートである。図４は、アクチュエータ本体１１の変形量を検出する変形検出工程を示すフローチャートである。
【００４７】
図３（１）および（２）に示すように、時刻ｔ０で、制御装置は、第１および第２スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２をいずれも同時にオン（導通状態）にする（ステップｓ１）。第１および第２スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２がオンにされると、電源１２によって駆動電圧Ｖｄがアクチュエータ本体１１に印加される。アクチュエータ本体１１は、第１および第２電極層２２ａ，２２ｂ間に駆動電圧Ｖｄが印加されると、自然状態から駆動電圧Ｖｄに応じた変形量Ｘだけ屈曲変形する。
【００４８】
時刻ｔ０から時間Ｔ１だけ経過した時刻ｔ１で、制御装置は、駆動電圧Ｖｄが印加されたときのアクチュエータ本体１１の変形量Ｘを検出するために、第１および第２スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２をいずれも同時にオフ（遮断状態）にする（ステップｓ２）。第１および第２スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２がオフにされると、電源１２によるアクチュエータ本体１１に対する駆動電圧Ｖｄの印加を停止される。アクチュエータ本体１１では、駆動電圧Ｖｄの印加が停止されると、第１および第２電極層２２ａ，２２ｂ間の電圧が、停止直前までの印加されていた電圧Ｖｄから変形量Ｘに応じた変形電圧Ｖｔだけ変化する。すなわち、第１および第２電極層２２ａ，２２ｂ間の電圧は、Ｖｄ＋Ｖｔに変化する。この変形電圧Ｖｔは、前述するように、アクチュエータ本体１１への電圧印加による起電力に由来している。この起電力は、印加される駆動電圧Ｖｄよりも微小であるため、第１および第２スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２がオンにされているときには、駆動電圧Ｖｄに埋もれた状態である。
【００４９】
このように第１および第２スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２がオフにされると、第１演算増幅器ＯＰ１の各入力端子には第１および第２電極層２２ａ，２２ｂの各電圧が与えられ、第２演算増幅器ＯＰ２の各入力端子には電源１２の電極の各電圧が与えられる。また、第３円演算増幅器ＯＰ３の各入力端子には、第１および第２電極層２２ａ，２２ｂ間の電圧（Ｖｄ＋Ｖｔ）および電源１２の電極間の電圧Ｖｄがそれぞれ与えられる。そして、第３演算増幅器ＯＰ３からは、両者の差分である変形電圧Ｖｔが増幅されて、Ａ／Ｄ変換器１４へ出力される。なお、増幅後の変形電圧Ｖｔを、電圧Ｖｔ’と表す。
【００５０】
図３（４）に示すように、時刻ｔ１から微小な待ち時間Ｔ２（たとえば、１０μｓｅｃ）だけ経過した時刻ｔ２で、制御装置は、Ａ／Ｄ変換器１４によるＡ／Ｄ変換を開始させる（ステップｓ３）。図３（３）に示すように、この待ち時間Ｔ２は、第１および第２スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２がオフにされてからＡ／Ｄ変換を開始するまでの待ち時間であり、制御装置の遅延部によって計測される。なお、この待ち時間Ｔ２は、アクチュエータ本体１１に印加された駆動電圧Ｖｄと変形電圧Ｖｔとを切り分けて、前記増幅後の電圧Ｖｔ’を精度良く測定するために必要な時間である。Ａ／Ｄ変換器１４は、Ａ／Ｄ変換が開始されると、第３演算増幅器ＯＰ３から入力される電圧Ｖｔ’に対応するアナログデータを、１６ｂｉｔデジタルデータに変換する。
【００５１】
時刻ｔ２から測定時間Ｔ３（たとえば、４０μｓｅｃ）だけ経過した時刻ｔ３で、制御装置は、Ａ／Ｄ変換器１４によるＡ／Ｄ変換を停止させる（ステップｓ４）。この測定時間Ｔ３は、Ａ／Ｄ変換器１４において電圧Ｖｔ’を測定する時間であり、制御装置のＡ／Ｄ変換部によって計測される。
【００５２】
Ａ／Ｄ変換器１４によるＡ／Ｄ変換が停止されると、制御装置には、Ａ／Ｄ変換器１４において変換されたデジタルデータが入力される。制御装置では、入力されたデジタルデータに基づいて、アクチュエータ本体１１の変形量Ｘが検出される（ステップｓ５）。
【００５３】
制御装置には、アクチュエータ本体１１の変形量Ｘと、その変形量Ｘに応じてアクチュエータ本体１１に発生する変形電圧Ｖｔ（または、増幅後の変形電圧Ｖｔ’）との対応関係を示すデータが、予め格納されている。したがって、制御装置は、この対応関係を示すデータと、第３演算増幅器ＯＰ３から入力されたデジタルデータとに基づいて、アクチュエータ本体１１の変形量Ｘを検出することができる。
【００５４】
また、このようにアクチュエータ本体１１の変形量Ｘを検出することによって、アクチュエータ本体１１の変形状態を正確に知ることができる。したがって、電源１２の駆動電圧Ｖｄを制御することによって、アクチュエータ素子１の駆動を正確に制御することができる。
【００５５】
時刻ｔ３から所定の微小な時間Ｔ４（たとえば、１００〜２００μｓｅｃ）だけ経過した時刻ｔ４で、制御装置は、第１および第２スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２をいずれも同時にオンにする。第１および第２スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２がオンにされると、前述するように、電源１２によって駆動電圧Ｖｄがアクチュエータ本体１１に印加される。
【００５６】
本実施形態によれば、駆動電圧Ｖｄが印加されたときのアクチュエータ本体１１の変形量Ｘを検出するために、第１および第２スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２がオフにされている時間（Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４）が極めて微少な時間である。したがって、アクチュエータ本体１１に対する駆動電圧Ｖｄの印加が停止されたとしても、駆動電圧Ｖｄに応じた変形量Ｘでアクチュエータ本体１１が変形したままの状態で、アクチュエータ本体１１に対する駆動電圧Ｖｄの印加が再開される。すなわち、アクチュエータ本体１１の変形量Ｘに影響を与えずに、その変形量Ｘを検出することができる。
【００５７】
上記の説明においては、アクチュエータ本体１１として、イオン伝導層２１と、イオン伝導層２１を挟む２つの電極層２２ａ，２２ｂとを積層した３層構造のアクチュエータ本体を用いているが、アクチュエータ本体１１の構成はこのような構成に限らない。
【００５８】
たとえば、電圧の印加によって可動なイオンを含んでいるイオン導電性高分子を用いるＩＰＭＣ（Ionic Polymer Metal Composites）アクチュエータまたはＩＣＰＦ（Ionic
Conducting Polymer Film）アクチュエータと呼ばれるタイプの高分子アクチュエータであっても良い。
【００５９】
このような高分子アクチュエータは、陽イオン物質が含浸されたイオン導電性高分子層２１と、このイオン導電性高分子層２１の両面それぞれに設けられる電極層２２ａ，２２ｂとによって構成されたアクチュエータ本体１１を用いることによって実現される。
【００６０】
イオン導電性高分子層２１は、フッ素樹脂、炭化水素系などを骨格としたイオン交換樹脂からなり、表裏２つの主面を持つ形状を呈している。また、イオン交換樹脂としては、陰イオン交換樹脂、陽イオン交換樹脂、両イオン交換樹脂のいずれでも良いが、このうち陽イオン交換樹脂が好適である。
【００６１】
陽イオン交換樹脂としては、ポリエチレン、ポリスチレン、フッ素樹脂などにスルホン酸基、カルボキシル基などの官能基が導入されたものが挙げられ、特にフッ素樹脂にスルホン酸基、カルボキシル基などの官能基が導入された陽イオン交換樹脂が好ましい。
【００６２】
電極層２２ａ，２２ｂは、たとえば、イオン導電性高分子層２１に金属錯体（たとえば、金錯体、白金錯体）を水溶液中で吸着させ、吸着した金属錯体を還元剤により還元して、イオン導電性高分子層２１表面に金属を析出させることによって形成する。
【００６３】
また、電極層２２ａ，２２ｂは、カーボンブラックの微細粉末とイオン導電性樹脂（イオン導電性高分子層２１を構成する材料と同じものでよい）を溶媒に分散させた塗料を、イオン導電性高分子層２１に塗布し乾燥させて、所望の厚さでカーボン電極層として形成することもできる。
【００６４】
なお、少なくともイオン導電性高分子層２１に陽イオン物質が含浸されているが、この陽イオン物質とは、水および金属イオン、水および有機イオン、イオン液体のいずれかであることが好ましい。ここで、金属イオンとは、たとえば、ナトリウムイオン、カリウムイオン、リチウムイオン、マグネシウムイオンなどが挙げられる。
【００６５】
また、有機イオンとは、たとえば、アルキルアンモニウムイオンなどが挙げられる。これらのイオンは、イオン導電性高分子層２１中において水和物として存在している。イオン導電性高分子層２１が水および金属イオン、または水および有機イオンを含み、含水状態となっている場合には、高分子アクチュエータは中からこの水が揮発しないように、電極層２２ａ，２２ｂおよびイオン導電性高分子層２１を封止しておくことが好ましい。
【００６６】
また、イオン液体としては、イミダゾリウム環系化合物、ピリジニウム環系化合物、脂肪族系化合物のものを使用することができる。イオン導電性高分子層２１にイオン液体を含浸させている場合には、揮発する心配なく高温あるいは真空中でも高分子アクチュエータを使用することができる。
【００６７】
以上説明するように、本実施形態のアクチュエータ素子１によれば、アクチュエータ本体１１の変形量を容易に検出することができる。また検出のために複雑な装置を設ける必要がないので、アクチュエータ素子１の小型化を妨げることがなく、製造工程も複雑化させることがない。また、変形によって発生する変形電圧に基づいて変形量を検出するように構成されているので、従来技術のように変形を妨げる可能性のある部材を取り付ける必要がない。
【符号の説明】
【００６８】
１ アクチュエータ素子
１１ アクチュエータ本体
１２ 電源
１３ 増幅回路
１４ Ａ／Ｄ変換器
２１ イオン伝導層
２２ａ，２２ｂ 電極層
ＳＷ１，ＳＷ２ スイッチ素子
ＯＰ１，ＯＰ２，ＯＰ３ 演算増幅器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧の印加によって変形を生じる性質を有するとともに、変形を加えると電圧を発生する性質を有するアクチュエータ本体と、
アクチュエータ本体に電圧を印加する電源と、
前記電源によってアクチュエータ本体へ電圧が印加される印加状態と、電圧が印加されない遮断状態とを切り換えるスイッチと、
前記アクチュエータ本体の変形によって発生した電圧を測定するための増幅回路とを備えることを特徴とするアクチュエータ素子。
【請求項２】
前記増幅回路は、
前記アクチュエータ本体に設けられる各電極の印加電圧の差分を出力する第１の演算増幅器と、
前記電源における各電極の印加電圧の差分を出力する第２の演算増幅器と、
前記第１の演算増幅器によって出力された電圧と、前記第２の演算増幅器によって出力された電圧との差分を出力する第３の演算増幅器とを備えることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ素子。
【請求項３】
前記アクチュエータ本体は、
イオン性液体とポリマーとからなるイオン伝導層と、
前記イオン伝導層を挟み、相互に電気的に絶縁されて設けられる２つの電極層とからなることを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ素子。
【請求項４】
前記アクチュエータ本体は、
イオン交換樹脂からなるイオン導電性高分子層と、
前記イオン導電性高分子層を挟み、相互に電気的に絶縁されて設けられる２つの電極層とからなることを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ素子。
【請求項５】
電圧の印加によって変形を生じる性質を有するとともに、変形を加えると電圧を発生する性質を有するアクチュエータ本体に対して、電圧を印加したときの変形量を検出する変形量検出方法であって、
アクチュエータ本体に対して電圧を印加する第１工程と、
アクチュエータ本体に対する電圧の印加を停止する第２工程と、
電圧の印加が停止された後に、アクチュエータ本体に発生している電圧と、アクチュエータ本体に対して印加された電圧との差分を測定する第３工程と、
測定された差分に基づいて変形量を検出する第４工程とを含むことを特徴とする変形量検出方法。
【請求項１】
電圧の印加によって変形を生じる性質を有するとともに、変形を加えると電圧を発生する性質を有するアクチュエータ本体と、
アクチュエータ本体に電圧を印加する電源と、
前記電源によってアクチュエータ本体へ電圧が印加される印加状態と、電圧が印加されない遮断状態とを切り換えるスイッチと、
前記アクチュエータ本体の変形によって発生した電圧を測定するための増幅回路とを備えることを特徴とするアクチュエータ素子。
【請求項２】
前記増幅回路は、
前記アクチュエータ本体に設けられる各電極の印加電圧の差分を出力する第１の演算増幅器と、
前記電源における各電極の印加電圧の差分を出力する第２の演算増幅器と、
前記第１の演算増幅器によって出力された電圧と、前記第２の演算増幅器によって出力された電圧との差分を出力する第３の演算増幅器とを備えることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ素子。
【請求項３】
前記アクチュエータ本体は、
イオン性液体とポリマーとからなるイオン伝導層と、
前記イオン伝導層を挟み、相互に電気的に絶縁されて設けられる２つの電極層とからなることを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ素子。
【請求項４】
前記アクチュエータ本体は、
イオン交換樹脂からなるイオン導電性高分子層と、
前記イオン導電性高分子層を挟み、相互に電気的に絶縁されて設けられる２つの電極層とからなることを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ素子。
【請求項５】
電圧の印加によって変形を生じる性質を有するとともに、変形を加えると電圧を発生する性質を有するアクチュエータ本体に対して、電圧を印加したときの変形量を検出する変形量検出方法であって、
アクチュエータ本体に対して電圧を印加する第１工程と、
アクチュエータ本体に対する電圧の印加を停止する第２工程と、
電圧の印加が停止された後に、アクチュエータ本体に発生している電圧と、アクチュエータ本体に対して印加された電圧との差分を測定する第３工程と、
測定された差分に基づいて変形量を検出する第４工程とを含むことを特徴とする変形量検出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−２２９８８１（Ｐ２０１０−２２９８８１Ａ）
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７７６３１（Ｐ２００９−７７６３１）
【出願日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【出願人】（０００１１１０８５）ニッタ株式会社 (588)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【出願人】（０００１１１０８５）ニッタ株式会社 (588)
【Ｆターム（参考）】
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