アクチュエータ駆動システムおよびアクチュエータの制御方法
【課題】本発明は、アクチュエータの変位の後戻り現象を抑制し、印加電圧値を変化させることなく屈曲変位量および発生力を滑らかに変化させて過電圧等による電極の破壊や劣化を回避可能なアクチュエータの制御方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明のアクチュエータ駆動システムは、第１面と第２面とを有するフィルム、および、該フィルムの第１面、第２面上にそれぞれ形成された第１電極、第２電極とを備えるアクチュエータと、前記アクチュエータに電気的に接続され、前記第１電極から前記第２電極へ正または負の電圧パルスを複数回連続して印加可能であり、少なくとも該電圧パルスの周波数及び／またはＰＷＭ値を変化し得る駆動装置と、を含む。
【解決手段】本発明のアクチュエータ駆動システムは、第１面と第２面とを有するフィルム、および、該フィルムの第１面、第２面上にそれぞれ形成された第１電極、第２電極とを備えるアクチュエータと、前記アクチュエータに電気的に接続され、前記第１電極から前記第２電極へ正または負の電圧パルスを複数回連続して印加可能であり、少なくとも該電圧パルスの周波数及び／またはＰＷＭ値を変化し得る駆動装置と、を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータの変位量や発生力を滑らかに変化させるアクチュエータ駆動システム、および、当該アクチュエータの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、２足歩行ロボットや、癒し効果を有する動物のロボット等が、メカトロニクスの分野で注目を集めている。しかし、ロボットの動作を、従来のように電磁モータを基本とするアクチュエータで制御しようとすると、その動作は生物の動作と比してどうしてもぎこちないものとなってしまう。そのため、アクチュエータにはエネルギー変換効率のみでなく伸縮，屈曲、ねじれ等の複雑な運動が要求されるようになっている。
【０００３】
このような要求に応えるべく、イオン伝導性高分子化合物、電子伝導性高分子化合物、非イオン性高分子化合物などを用いたアクチュエータが提案されている。アクチュエータは、１）伸縮，屈曲、ねじれ等の複雑な運動が可能である、２）スムーズな駆動が可能である、３）超小型・軽量化が可能である、４）駆動時のノイズや音が少ない、５）機械的な故障が少ない、６）大気、水、有媒体中といった広範囲な環境下で駆動可能である、といった優れた特徴を有しており、従来の電磁モータに替わる次世代のアクチュエータとして期待されている。
【０００４】
上記アクチュエータは、イオン伝導性高分子化合物を用いるものが主流であり、例えば非特許文献１には、イオン交換樹脂膜の両面に金属電極が形成されたメタル−コンポジットポリマ（IPMC:ionic polymer-metal composites）が開示されている(以下、特に断りのない場合、「アクチュエータ」という。)。
【０００５】
アクチュエータの動作原理は、例えば、フィルムがカチオン交換を行うアニオン性イオン交換樹脂膜の場合、次のように説明できる。すなわち、図７ａに示すアクチュエータ１０は、高分子化合物からなるフィルム１２の第１面１２ａ上に形成された第１電極１４ａおよびフィルム１２の第２面１２ｂ上に形成された第２電極１４ｂを備え、駆動装置（電源）２０と電源電極２０ａ、２０ｂを介して電気的に接続されている。電源電極２０ａがプラスに、２０ｂがマイナスになるよう直流電圧を印加すると、第１電極１４ａは陽極に、第２電極１４ｂは陰極として機能し、膜内で自由に移動できるカチオンが第２電極１４ｂ（陰極）側に移動する。このカチオンに伴われてフィルム１２（イオン交換樹脂膜）に含まれる水分子も第２電極１４ｂ（陰極）側に移動するため、第２電極１４ｂ側の浸透圧が上昇するが、フィルム１２（イオン交換樹脂膜）に固定されているアニオンは第１電極１４ａに引き寄せられにくいため、第１電極１４ａ（陽極）側の浸透圧は低下する。この結果、第２電極１４ｂ（陰極）側は膨張し、一方、第１電極１４ａ（陽極）側は収縮して、アクチュエータ１０は図７ｂのように屈曲変形する。
【０００６】
アクチュエータ１０の屈曲方向を反転させるためには、直流電圧の極性を反転させればよい。すなわち、電源電極２０ａがマイナスに、２０ｂがプラスになるよう駆動装置（電源）２０をスイッチングすると、直流電圧が第２電極１４ｂ（陽極）から第１電極１４ａ（陰極）に電圧が印加され、上記動作原理に従ってアクチュエータ１０は反転屈曲する。
【０００７】
図８ｂは、図８ａのように±３Ｖの直流電圧をスイッチング間隔３０秒で第１電極１４ａ、第２電極１４ｂ間に印加した場合のアクチュエータ１０の屈曲変位（以下、単に「変位」ともいう。）を表す。本測定に用いられたアクチュエータ１０は、公知のアクチュエータであり、１ｃｍ×２ｃｍ、厚み約２００μｍのパーフルオロスルホン酸フィルム１２の両面に、白金が無電解メッキされて構成されている。図８ｂは、温度２５℃、相対湿度９０％（ａ）及び３０％（ｂ）で、直流電圧±３Ｖをスイッチング間隔３０秒周期で印加した場合のフィルム１２の変位を示し、変位は後述する図５に示すように、アクチュエータ１０に電位を印加しない場合の平衡位置からの屈曲幅L（ｍｍ）に対応する。
【０００８】
【非特許文献１】M.Shahinpoor,Electrochemica Acta 48(2003)2343-2353
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のように、直流電圧を印加してアクチュエータ１０の動作を制御する方法では、屈曲方向を反転させるには直流電圧の極性を反転させ、また、屈曲変位量および発生力は印加する電圧値を変化させることで制御していた。
【００１０】
しかし、印加電圧値を変化させる制御では、電圧のかけ過ぎや過電圧という不安定要素から、電極１４ａ、１４ｂの破壊や劣化を回避するのは困難である。また、屈曲変位量と電位の関係が複雑であるために、電位の調節によるアクチュエータ１０の屈曲変位量および発生力の制御は容易ではない。
【００１１】
さらに、図８ｂの曲線ａに見られるように、通常、白金を無電解メッキすることにより得られるアクチュエータ１０では、相対湿度（以下、「ＲＨ」と略す。）９０％の含水量が高い状態では、変位の後戻り現象が生じるという問題もあった。
【００１２】
そこで本発明は、印加電圧値を変化させることなく屈曲変位量および発生力を滑らかに変化させ、過電圧等による電極の破壊や劣化を回避可能なアクチュエータの制御方法を提供することを目的とする。
【００１３】
また、本発明の別の目的は、特に相対湿度の高い環境において発生しやすいアクチュエータの変位の後戻り現象を抑制し、スムーズな動作を実現するアクチュエータの制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を克服すべく、本発明のアクチュエータ駆動システムは、第１面と第２面とを有するフィルム、および、該フィルムの第１面、第２面上にそれぞれ形成された第１電極、第２電極とを備えるアクチュエータと、前記アクチュエータに電気的に接続され、前記第１電極から前記第２電極へ正または負の電圧パルスを複数回連続して該アクチュエータに印加可能であり、少なくとも該電圧パルスの周波数及び／またはＰＷＭ（Pulse Width Modulation）値を変化し得る駆動装置と、を含む。このため上記アクチュエータ駆動システムは、上記電圧パルスを正又は負の一定値として、その周波数またはＰＷＭ値又はその両方を変化させるアクチュエータの制御を行うことができる。さらに、電圧パルスの電圧値を変化させる制御を加えることも可能である。なお、本明細書においてＰＷＭ（Pulse Width Modulation）値とは、電圧パルスの周期（ｓ）に対するパルス幅（ｓ）の比ｒ
(0＜ｒ＜1)をいうものとする。
【００１５】
本発明のアクチュエータの制御方法は、上記アクチュエータの制御方法であって、前記第１電極から前記第２電極へ、正または負の同一の電圧値、同一の周波数、及び同一のＰＷＭ値をもつ電圧パルスを複数回連続して上記アクチュエータに印加する、電圧パルス印加ステップを含み得る。この電圧パルス印加ステップにより、周波数及びＰＷＭ値が一定で、正又は負の一定の電圧値を持つ電圧パルスを、一定回数（一定時間）連続して上記アクチュエータに印加して、これを駆動することができる。
【００１６】
本発明のアクチュエータの制御方法は、上記電圧パルス印加ステップを、該電圧パルス印加ステップの周波数を変化させて複数回繰り返し得る。したがって、一定の周波数、ＰＷＭ値および電圧値を持つ電圧パルスを上記一定時間印加する電圧パルス印加ステップを経た後、周波数のみ変化させた他の電圧パルス印加ステップを繰り返しアクチュエータに作用させ、これを駆動することができる。
【００１７】
本発明のアクチュエータの制御方法は、上記電圧パルス印加ステップを、該電圧パルス印加ステップのＰＷＭ値を変化させて複数回繰り返し得る。したがって、周波数、電圧値を一定にしてＰＷＭ値のみ変化させた電圧パルス印加ステップを繰り返し作用させて、アクチュエータを駆動することができる。
【００１８】
よって、本発明のアクチュエータの制御方法によれば、電圧値を一定に保ちつつ、上記電圧パルスの周波数またはＰＷＭ値のみ変化させた電圧パルス印加ステップを繰り返しアクチュエータに作用させ、あるいは、周波数及びＰＷＭ値を同時に変化させた電圧パルス印加ステップを繰り返しこれに作用させて、アクチュエータを制御することが可能である。
【００１９】
本発明のアクチュエータの制御方法において、上記電圧パルスの周波数は、閾値の周波数、例えば３０Ｈｚ以上であることが好ましい。上記電圧パルスの周波数を閾値以上とすることにより、アクチュエータの変位を連続的に安定して変化させることができる。ここで、閾値の周波数は、主としてアクチュエータの構成材料、膜圧などにより決まり、従来のアクチュエータの制御方法による電圧パルスの印加方法では、アクチュエータが追従できなくなる電圧パルスの周波数に略相当する。
【００２０】
本発明のアクチュエータの制御方法において、上記電圧パルスのＰＷＭ値は、０％より大きく１００％未満のすべての領域において好適である。すなわち、電圧パルスが存在することとなる全ＰＷＭ値において、アクチュエータの変位を滑らかに安定して変化させることができる。
【００２１】
本発明のアクチュエータの制御方法は、上記電圧値の絶対値は、０Ｖより大きく、１０Ｖ以下とするのが好ましい。上記電圧パルスの印加電圧を±１０Ｖ以下とすることで、効率的にアクチュエータを駆動することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明のアクチュエータ駆動システムは、上記構成を備えるため、アクチュエータに対し、同一の電圧値、同一の周波数、及び同一のＰＷＭ値をもつ電圧パルスを複数回連続して印加する、電圧パルス印加ステップを作用させることができる。このため、特に相対湿度の高い環境において発生しやすいアクチュエータの変位の後戻り現象を抑制し、安定したアクチュエータの運動を実現することができる。
【００２３】
また、本発明のアクチュエータ駆動システムは、少なくとも電圧パルスの周波数及び／またはＰＷＭ値を変化し得る駆動装置を備えるため、電圧値を一定に保ちつつ、上記電圧パルスの周波数またはＰＷＭ値のみ変化させた電圧パルス印加ステップを繰り返しアクチュエータに作用させ、あるいは、周波数及びＰＷＭ値を同時に変化させた電圧パルス印加ステップを繰り返しこれに作用させて、アクチュエータを制御することが可能である。したがって、上記電圧パルスの周波数及び／又はＰＷＭ値を連続的に変化させて電圧パルス印加ステップを繰り返すことにより、スムーズなアクチュエータの駆動を実現することができる。
【００２４】
更に、上記電圧パルスの周波数を閾値（例えば３０Ｈｚ）以上とすることにより、ＰＷＭ値が０％より大きく１００％未満であるすべての値において、より滑らかで迅速なアクチュエータの駆動を得ることができる。
【００２５】
さらに、本発明のアクチュエータ駆動システムは、電圧パルスの印加電圧が−１０Ｖ〜＋１０Ｖの範囲でアクチュエータを所望の変位で駆動することができるため、従来の電磁モータ駆動に比べて省エネルギーでアクチュエータの駆動を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明のアクチュエータ駆動システム１は、図７ａに示すように、第１面１２ａと第２面１２ｂとを有するフィルム１２、および、フィルム１２の第１面１２ａ、第２面１２ｂ上にそれぞれ形成された第１電極１４ａ、第２電極１４ｂとを備えるアクチュエータ１０と、アクチュエータ１０に第１電源電極２０ａ、第２電源電極２０ｂを介して電気的に接続され、第１電極１４ａから第２電極１４ｂへ正または負の電圧パルスを複数回連続して印加可能であり、少なくとも当該電圧パルスの周波数及び／またはＰＷＭ値を変化し得る駆動装置２０を含む。
【００２７】
アクチュエータ１０は、公知のアクチュエータでよく、公知の方法で製造することができる。上記のように、図７ａに示すアクチュエータ１０として、例えば１ｃｍ×２ｃｍ、厚み約２００μｍのパーフルオロスルホン酸フィルム１２の両面に、第１電極、第２電極１４ａ、１４ｂとして白金を無電解メッキしたものを記載したが、これに限定されるものではない。
【００２８】
フィルム１２は、屈曲可能な柔軟性を有し、加水分解性が少なく、大気中で安定な、例えば高分子化合物が好ましく、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系ポリマー；ポリスチレン；ポリイミド；ポリパラフェニレンオキサイド、ポリ（２，６−ジメチルフェニレンオキサイド）、ポリパラフェニレンスルフィド等のポリアリーレン類（芳香族系ポリマー）等に、スルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、リン酸基、スルホニウム基、アンモニウム基、ピリジニウム基等を導入したもの；ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素系のポリマー；含フッ素系のポリマーの骨格にスルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基、スルホニウム基、アンモニウム基、ピリジニウム基等を導入したパーフルオロスルホン酸ポリマー、パーフルオロカルボン酸ポリマー、パーフルオロリン酸ポリマー、ポリブダジエン系化合物；エラストマーやゲルなどのポリウレタン系化合物；シリコーン系化合物；ポリ塩化ビニル；ポリエチレンテレフタレート；ナイロン；ポリアリレート等、４級窒素カチオンを有するアイオネン類を挙げることができる。
【００２９】
上記高分子のフィルム１２は含水状態で、上述したような動作原理に従って屈曲変形するが、大気中での動作ではその含水量で屈曲度に影響がでることが知られているため、フィルム１２内部の水分子をイオン液体で置換してもよい。この場合でも屈曲の原理は同じであり、内部のイオン液体のイオンが移動することによって、フィルム１２は屈曲変形する。
【００３０】
また、フィルム１２は、上記高分子電解質以外にも、誘電性材料、例えばポリフッ化ビニリデンのような膜であってもよい。ポリフッ化ビニリデン膜からなるフィルム１２にイオン液体を含浸させれば、電界下、膜内の物質（イオン液体のイオン）の移動により、フィルム１２は屈曲変形を生ずることができる。
【００３１】
さらに、フィルム１２として導電性高分子を用いてもよい。このような高分子としては、特に限定されるものではないが、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリフェニレン等が挙げられる。この場合も、フィルム１２内部のドーパント（イオン）の移動で、フィルム１２は屈曲することが知られている。
【００３２】
さらに、フィルム１２として、ゾル・ゲル法などで得られる高分子構造をもつ金属酸化物も用いることができる。このような金属酸化物としては、特に限定されるものではないが、例えば、マンガン、ニッケル、コバルト、五酸化バナジウム系の金属酸化物を用いることができる。
【００３３】
さらには、フィルム１２として、カーボン粉末をバインダー（好ましくはフィルム１２と相溶性高い材料）と混ぜたり、単独使用で接合した導電膜も用いることができる。このようなカーボンとしては、例えば、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、カーボンチューブ、グラファイト等を挙げることができる。カーボンブラックとしては、例えば、チャネルブラック、サーマルブラック、ファーネスブラック、アセチレンブラック等を挙げることができる。中でも、上記カーボン粉末は、カーボンナノチューブ、ファーネスブラックまたはアセチレンブラックであることが特に好ましい。これにより、より好適に電気伝導性を付与することができ、屈曲し、アクチュエータとして応用することができる。
【００３４】
以上のような、様々な材料をフィルム１２として用いることができるが、本実施形態においては、アクチュエータ１０として、Pt-NafionTM117/Li+を従来法により作製した。図６にナフィオンＴＭ（Nafion）の構造式を示す。
【００３５】
また、第１電極１４ａ、第２電極１４ｂの構成材料は白金に限定されず、金その他の貴金属さらに卑金属、半導体をフィルムにメッキして使用してもよい。伸縮性のある電極材をフィルムに接合して用いてもよい。伸縮性の電極材としては微粉末をバインダーなどと混ぜることで電極を形成したもの、あるいは、布帛に導電性を付与したもの、メッシュ状の金網、多孔性金属フィルムなどである。たとえば、フィルムを構成する上記高分子化合物と同一の高分子化合物を含む高分子バインダーにカーボン粉末を分散させてペーストとし、フィルムを両面から挟んで加熱プレスし、電極として使用してもよい。
【００３６】
駆動装置２０は図２に模式的に示すように、波形入力用のパソコン２２と、Ｄ／Ａ変喚器２４と、図示しない電力増幅器、及びアクチュエータ１０の第１電極１４ａと第２電極１４ｂにそれぞれ接続される第１電源電極２０ａ及び第２電源電極２０ｂ（図７ａ参照）とを含んで構成される。
【００３７】
駆動装置２０の動作であるが、駆動装置２０は、波形入力用のパソコン２２に入力された波形データをＤ／Ａ変喚器２４でアナログ電位に変換し、これを電力増幅アンプで電流を増幅して、第１電源電極２０ａ及び第２電源電極２０ｂを介してアクチュエータ１０に印加する。これにより、所望の印加電圧パルスの波形データを波形入力用パソコン２２に入力し、アクチュエータ１０に印加することができる。
【００３８】
すなわち、パソコン２２で波形データをテキストデータで作製（ＸＹ形式データでＸは時間、Ｙは電位）し、ＤＡ変換ボード（Ｄ／Ａ変喚器２４）に電位を出力する。その電位を電力増幅アンプ（汎用のポテンシオスタットを利用）で電流値を増加させ、アクチュエータ１０を駆動させる。アクチュエータ１０の動きはフィルム１２の含水量の影響（湿度の影響）を受けるので、チャンバーの中で作動テストをする。
【００３９】
次に、上記アクチュエータ駆動システム１における、アクチュエータ１０の屈曲変位量、発生力の測定装置及びこれらの測定方法について説明する。
【００４０】
アクチュエータ１０の屈曲変位量は、例えば図３ａに示すような変位測定装置３０ａにより測定することができる。変位測定装置３０ａは、測定用パソコン３２と、ＣＣＤカメラ３４とを含み、アクチュエータ１０の屈曲変位をＣＣＤカメラ３４にて測定する。図５に示すように、ＣＣＤカメラ３４はアクチュエータ１０の変位方向と直角方向に設置され、測定用パソコン３２によりアクチュエータ１０の動作軌跡を捉えるようにプログラムされている。屈曲変位Ｌは、アクチュエータ１０に電位を印加しない場合の平衡位置を基準線として定義される。例えば屈曲変位Ｌは、屈曲したアクチュエータ１０がその固定位置（原点）から垂直距離Ｘに位置する単位片と基準線との距離として測定される。なお、測定用パソコン３２は、駆動装置２０の波形入力用パソコン２２を代用してもよい。
【００４１】
あるいは、図３ｂに示すような変位測定装置３０ｂによりアクチュエータ１０の屈曲変位量を測定してもよい。変位測定装置３０ｂは、波形入力用パソコン２２と兼用可能な測定用パソコン３２と、レーザー変位計３６とを含み、レーザー変位計３６によりアクチュエータ１０の屈曲変位Ｌを測定する。図３ｂ中、垂直距離Ｙは垂直距離Ｘと同様に定義され、垂直距離Ｙの位置のアクチュエータ１０の単位片からのレーザー反射光から屈曲変位Ｌを求めることができる。ＣＣＤカメラ３４を用いると画像処理が必要なため、１０Ｈｚ以上の周波数の変位変化には追随できないが、レーザー変位計３６は高速な変位変化にも追従することができる。
【００４２】
また、アクチュエータ１０の発生力は、例えば図４に示すような発生力測定装置４０を用いて測定することができる。測定装置４０は、例えば０．１ｍｇ精度の電子天秤（バランス）４２と、アクチュエータ１０を挟み込む電極４４とを連動させて構成することができる。アクチュエータ１０の発生力に対応した垂直方向の力を固定部分４４がバランス４２に伝播して、発生力を精密に測定することができる。
【００４３】
以下、上記アクチュエータ駆動システム１における、アクチュエータ１０の制御方法について説明する。
【００４４】
本発明に係るアクチュエータ１０の制御方法は、上記アクチュエータ駆動システム１の第１電極１４ａから第２電極１４ｂへ、正または負の同一の電圧値、同一の周波数、及び同一のＰＷＭ値をもつ電圧パルスを複数回連続して印加する、電圧パルス印加ステップを含む。この電圧パルス印加ステップにより、周波数及びＰＷＭ値が一定で、正又は負の一定の電圧値を持つ電圧パルスを、一定時間連続してアクチュエータ１０に印加して、これを駆動することができる。
【００４５】
上記本発明に係る電圧パルス印加ステップによる制御法に対する、アクチュエータ１０の応答を調べるため、以下のような測定を行った。
【実施例１】
【００４６】
図１ａは、上記電圧パルス印加ステップを表す概念図であり、ｖ（Ｖ）を電圧パルスの入力電位（印加電圧）、τを電圧パルスの周期（ｓ）、ｒ(0＜ｒ＜1)をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）値とし、Ｔを便宜的に大周期（ｓ）としてＴ／２において電圧パルスの入力電位を＋ｖ（Ｖ）から−ｖ（Ｖ）に反転した場合を表している。
【００４７】
図１ａの入力電位波形におけるアクチュエータ１０の応答性を調べるため、レーザー変位計３６により、相対湿度（ＲＨ）４０％と９０％で入力電位：ｖ＝±２Ｖ、ＰＷＭ値：ｒ＝０．５、大周期：Ｔ＝６４ｓ、電圧パルスの周期τの周波数を１，２，５，１０、２５，５０，１００，２５０Ｈｚとして変位計測を行った。この測定結果を、周波数に対する変位量の絶対値の関係として図９ａに示す。
【００４８】
一方、図１ｂは、本発明に係る電圧パルス印加ステップを用いない、従来の直流電圧印加方式の入力電位波形を表す概念図である。上記測定と同様に、図１ｂの入力電位波形におけるアクチュエータ１０の応答性をレーザー変位計３６により調べた。入力電位ｖ＝±２Ｖ、ＰＷＭ値：ｒ＝０．５、大周期：Ｔ＝６４ｓを上記測定条件と同一とし、相対湿度（ＲＨ）９０％、電圧パルスの周期τの周波数を５、１０、２５，５０，１００，２５０Ｈｚとして上記アクチュエータ１０の変位計測を行った。周波数に対する変位量の絶対値の測定結果を図９ｂに示す。
【００４９】
図９ｂより、従来の直流電圧印加方式のアクチュエータ１０の制御方法では、１００〜２５０の周波数領域においてアクチュエータ１０は入力電位ｖの変化に追従できないことが分かる。
【００５０】
一方、図９ａより、本発明の電圧パルス印加ステップによるアクチュエータ１０の制御方法では、周波数が大きくなるほど変位量は小さくなるが、３０Ｈｚ以上の周波数になっても変位量は０とならず、高周波の波形変化（入力電位ｖの変化）にも対応できることが分かった。
【００５１】
したがって、本実施例で用いたPt-NafionTM117/Li+のアクチュエータ１０の閾値の周波数は、略３０Ｈｚであることがわかる。閾値の周波数は、主としてアクチュエータ１０の構成材料により決まり、従来のアクチュエータ１０の制御方法による電圧パルスの印加方法では、アクチュエータが追従できなくなる電圧パルスの周波数に相当する。
【００５２】
また、本発明の電圧パルス印加ステップによる制御方法では、ＲＨ９０％の条件では、周波数が高くなるほど後戻り現象が緩和されることが確認された。さらに図９ａより、周波数が高くなるにつれて変位量は、一定の直流電圧を印加した場合のように、スムーズに安定して変化することがわかった。
【００５３】
以上の測定結果より、本発明の電圧パルス印加ステップによる制御方法を用いると、アクチュエータ１０は、印加電圧パルスの周期τの周波数が閾値（本実施例において３０Ｈｚ）以上の周波数領域において滑らかな周波数制御が可能であることが分かった。
【００５４】
したがって、本発明のアクチュエータ１０の制御方法を用いれば、上記電圧パルス印加ステップを、電圧パルスの周波数を閾値（本実施例において３０Ｈｚ）以上の高周波数領域において連続的に変化させて繰り返すことによって、後戻り現象を抑制し、滑らかで安定したアクチュエータ１０の駆動を行うことができる。換言すると、一定の周波数、ＰＷＭ値および電圧値を持つ電圧パルスを上記一定時間印加する電圧パルス印加ステップを経た後、周波数のみ変化させた他の電圧パルス印加ステップをアクチュエータに作用させる過程を繰り返し、当該アクチュエータをスムーズに駆動することができる。
【実施例２】
【００５５】
次に、電圧パルス印加ステップの周波数が閾値（本実施例において３０Ｈｚ）におけるアクチュエータ１０の変位量のＰＷＭ値依存性を調べるため、図１ａの入力電位波形を用いて、ＰＷＭ値２０，５０、８０、１００％でアクチュエータ１０の変位測定を行った。測定条件は、ＲＨ４０％と９０％で、入力電位：ｖ＝±２Ｖ、大周期：Ｔ＝６４ｓ、電圧パルスの周期：τ＝０．０１ｓ（１００Ｈｚ）とし、ＣＣＤカメラ３４を用いて測定を行った。
【００５６】
図１０において、●はＲＨ４０％、▽はＲＨ９０％のアクチュエータ１０の変位量を表す。なお、ＰＷＭ値０％は電流の流れない状態を、ＰＷＭ値１００％は１周期６４ｓの直流電流を意味する。
【００５７】
ＰＷＭ値が小さくなると、変位量も小さくなっている。また、ＰＷＭ値が０％より大きく１００％より小さい場合、すなわち、電圧パルスが存在するすべてのＰＷＭ値において、アクチュエータ１０の変位量はスムーズに変化していることがわかる。
【００５８】
また、本実験において、アクチュエータ１０が最大変位に到達する時間は、ＰＷＭ値１００％未満の方がＰＷＭ値１００％のときよりも速くなっていることが確認された。例えばＲＨ４０％、ＰＷＭ値５０%の場合、ＰＷＭ値１００％の場合に対し、変位は１／３に減少するが、最大変位に到達する時間は１／２に減少していた。
【００５９】
したがって、本発明のアクチュエータの制御方法によれば、周波数、電圧値を一定にしてＰＷＭ値のみ連続的に変化させる上記電圧パルス印加ステップを繰り返しアクチュエータ１０に作用させることにより、迅速かつ滑らかにアクチュエータ１０を駆動することができる。また、上記のように図１０から、０％より大きく１００％より小さいＰＷＭ値の全領域で滑らかなアクチュエータの駆動が可能である。
【００６０】
よって、実施例１及び２の結果より、本発明のアクチュエータの制御方法によれば、電圧値を一定に保ちつつ、上記電圧パルスの周波数またはＰＷＭ値のみ変化させた電圧パルス印加ステップを繰り返しアクチュエータに作用させ、あるいは、周波数及びＰＷＭ値を同時に変化させた電圧パルス印加ステップを繰り返しこれに作用させて、アクチュエータ１０をスムーズに制御することが可能である。
【実施例３】
【００６１】
上記実施例２と同条件下で、発生力測定装置４０を用いて、ＰＷＭ値２０、５０、８０、９０、１００％の場合のアクチュエータ１０の発生力の測定を行った。ＰＷＭ値と発生力（ｍＮ）の関係を図１１に示す。
【００６２】
変位量と同様に、ＰＷＭ値が小さくなれば発生力も小さくなることが分かった。
【００６３】
以上、本発明のアクチュエータ駆動システムおよびアクチュエータの制御方法について説明したが、本発明は上記実施形態および実施例に限定されるものではない。アクチュエータのフィルムの材料は上記パーフルオロスルホン酸やナフィオンＴＭ（Nafion）に限定されず、その他のイオン伝導性高分子化合物、非イオン性高分子化合物、あるいは、金属酸化物などを用いてもよい。
【００６４】
また、第１電極、第２電極の構成材料は白金に限定されず、上記のように、金その他の貴金属さらに卑金属、半導体をフィルムにメッキして使用してもよい。伸縮性のある電極材をフィルムに接合して用いてもよい。伸縮性の電極材として、微粉末をバインダーなどと混ぜることで電極を形成したもの、あるいは、布帛に導電性を付与したもの、メッシュ状の金網、多孔性金属フィルムなどを使用してもよい。
【００６５】
また、本発明のアクチュエータの制御方法において、アクチュエータに印加する電圧値も特に限定されないが、−１０Ｖ以上、１０Ｖ以下とするのが好ましい。電圧パルスの印加電圧を±１０Ｖ以下とすることで、効率的にアクチュエータを駆動することができる。
【００６６】
さらに、本発明のアクチュエータを複数枚直列に接続して作動させてもよい。直列に接続したアクチュエータの枚数分だけ大きな発生力を得ることが出来る。この場合も、直列に接続した各アクチュエータに印加する電圧パルスの印加電圧を、１枚当たりで±１０Ｖ以下とすることで、効率的にアクチュエータを駆動することができる。例えば、３枚のアクチュエータを直列に接続し、１枚当たり２Ｖ電圧を印加した場合は、全体の３枚のアクチュエータに、計６Ｖの電圧を印加することになる。
【００６７】
また、上記ＣＣＤカメラやレーザー変位計を使用した変位測定装置、駆動装置、発生力測定装置の構成機器及び構成も特に限定されず、それぞれの機能を発揮し得る装置を適宜使用することができる。
【００６８】
その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明に係るアクチュエータ駆動システムおよびアクチュエータの制御方法は、大気中・水中等広範な環境下で小型・軽量な駆動全般に有用であり、電子・メカトロニクス・機械部品製造や、ロボット・玩具製造、医療・福祉器具関連、触覚等のセンサ開発などの分野での産業上利用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１ａ】本発明のアクチュエータ制御法における印加電圧パルスのシークエンスを示す模式図である。
【図１ｂ】従来のアクチュエータ制御法における印加電圧のシークエンスを示す模式図である。
【図２】本発明に係るアクチュエータ駆動システムの駆動装置を示す模式図である。
【図３ａ】本発明に係るアクチュエータ駆動システムの変位測定装置（ＣＣＤカメラ）を示す模式図である。
【図３ｂ】本発明に係るアクチュエータ駆動システムの変位測定装置（レーザー変位計）を示す模式図である。
【図４】本発明に係るアクチュエータ駆動システムの発生力測定装置を示す模式図である。
【図５】アクチュエータの屈曲状態を説明する模式図である。
【図６】NafionＴＭの構造式Ｒ；ＳＯ３-，ＣＯＯ-を示す構造図である。
【図７ａ】アクチュエータ駆動システムを示す模式図である。
【図７ｂ】アクチュエータの屈曲状態を説明するアクチュエータ駆動システムの説明図である。
【図８ａ】アクチュエータに印加する電圧のシークエンスを示す模式図である。
【図８ｂ】ＲＨ９０％（ａ）とＲＨ４０％（ｂ）におけるアクチュエータの変位変化の測定図である。
【図９ａ】本発明のアクチュエータ制御法による、周波数に対するＲＨ９０％（▽）とＲＨ４０％（●）でのアクチュエータの変位変化の測定図である。
【図９ｂ】従来のアクチュエータ制御法による、周波数に対するＲＨ９０％でのアクチュエータの変位変化の測定図である。
【図１０】本発明のアクチュエータ制御法による、ＰＷＭ値に対するＲＨ９０％（▽）とＲＨ４０％（●）でのアクチュエータの変位変化の測定図である。
【図１１】本発明のアクチュエータ制御法による、ＰＷＭ値に対するＲＨ９０％（▽）とＲＨ４０％（●）でのアクチュエータの発生力変化の測定図である。
【符号の説明】
【００７１】
１：アクチュエータ駆動システム
１０：アクチュエータ
１２：フィルム
１２ａ：第１面
１２ｂ：第２面
１４ａ：第１電極
１４ｂ：第２電極
２０：駆動装置（電源）
２０ａ：第１電源電極
２０ｂ：第２電源電極
２２：波形入力用パソコン
２４：Ｄ／Ａ変喚器
３０ａ、３０ｂ：変位測定装置
３２：計測用パソコン
３４：ＣＣＤカメラ
３６：レーザー変位計
４０：発生力測定装置
４２：電子天秤（バランス）
４４：電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータの変位量や発生力を滑らかに変化させるアクチュエータ駆動システム、および、当該アクチュエータの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、２足歩行ロボットや、癒し効果を有する動物のロボット等が、メカトロニクスの分野で注目を集めている。しかし、ロボットの動作を、従来のように電磁モータを基本とするアクチュエータで制御しようとすると、その動作は生物の動作と比してどうしてもぎこちないものとなってしまう。そのため、アクチュエータにはエネルギー変換効率のみでなく伸縮，屈曲、ねじれ等の複雑な運動が要求されるようになっている。
【０００３】
このような要求に応えるべく、イオン伝導性高分子化合物、電子伝導性高分子化合物、非イオン性高分子化合物などを用いたアクチュエータが提案されている。アクチュエータは、１）伸縮，屈曲、ねじれ等の複雑な運動が可能である、２）スムーズな駆動が可能である、３）超小型・軽量化が可能である、４）駆動時のノイズや音が少ない、５）機械的な故障が少ない、６）大気、水、有媒体中といった広範囲な環境下で駆動可能である、といった優れた特徴を有しており、従来の電磁モータに替わる次世代のアクチュエータとして期待されている。
【０００４】
上記アクチュエータは、イオン伝導性高分子化合物を用いるものが主流であり、例えば非特許文献１には、イオン交換樹脂膜の両面に金属電極が形成されたメタル−コンポジットポリマ（IPMC:ionic polymer-metal composites）が開示されている(以下、特に断りのない場合、「アクチュエータ」という。)。
【０００５】
アクチュエータの動作原理は、例えば、フィルムがカチオン交換を行うアニオン性イオン交換樹脂膜の場合、次のように説明できる。すなわち、図７ａに示すアクチュエータ１０は、高分子化合物からなるフィルム１２の第１面１２ａ上に形成された第１電極１４ａおよびフィルム１２の第２面１２ｂ上に形成された第２電極１４ｂを備え、駆動装置（電源）２０と電源電極２０ａ、２０ｂを介して電気的に接続されている。電源電極２０ａがプラスに、２０ｂがマイナスになるよう直流電圧を印加すると、第１電極１４ａは陽極に、第２電極１４ｂは陰極として機能し、膜内で自由に移動できるカチオンが第２電極１４ｂ（陰極）側に移動する。このカチオンに伴われてフィルム１２（イオン交換樹脂膜）に含まれる水分子も第２電極１４ｂ（陰極）側に移動するため、第２電極１４ｂ側の浸透圧が上昇するが、フィルム１２（イオン交換樹脂膜）に固定されているアニオンは第１電極１４ａに引き寄せられにくいため、第１電極１４ａ（陽極）側の浸透圧は低下する。この結果、第２電極１４ｂ（陰極）側は膨張し、一方、第１電極１４ａ（陽極）側は収縮して、アクチュエータ１０は図７ｂのように屈曲変形する。
【０００６】
アクチュエータ１０の屈曲方向を反転させるためには、直流電圧の極性を反転させればよい。すなわち、電源電極２０ａがマイナスに、２０ｂがプラスになるよう駆動装置（電源）２０をスイッチングすると、直流電圧が第２電極１４ｂ（陽極）から第１電極１４ａ（陰極）に電圧が印加され、上記動作原理に従ってアクチュエータ１０は反転屈曲する。
【０００７】
図８ｂは、図８ａのように±３Ｖの直流電圧をスイッチング間隔３０秒で第１電極１４ａ、第２電極１４ｂ間に印加した場合のアクチュエータ１０の屈曲変位（以下、単に「変位」ともいう。）を表す。本測定に用いられたアクチュエータ１０は、公知のアクチュエータであり、１ｃｍ×２ｃｍ、厚み約２００μｍのパーフルオロスルホン酸フィルム１２の両面に、白金が無電解メッキされて構成されている。図８ｂは、温度２５℃、相対湿度９０％（ａ）及び３０％（ｂ）で、直流電圧±３Ｖをスイッチング間隔３０秒周期で印加した場合のフィルム１２の変位を示し、変位は後述する図５に示すように、アクチュエータ１０に電位を印加しない場合の平衡位置からの屈曲幅L（ｍｍ）に対応する。
【０００８】
【非特許文献１】M.Shahinpoor,Electrochemica Acta 48(2003)2343-2353
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のように、直流電圧を印加してアクチュエータ１０の動作を制御する方法では、屈曲方向を反転させるには直流電圧の極性を反転させ、また、屈曲変位量および発生力は印加する電圧値を変化させることで制御していた。
【００１０】
しかし、印加電圧値を変化させる制御では、電圧のかけ過ぎや過電圧という不安定要素から、電極１４ａ、１４ｂの破壊や劣化を回避するのは困難である。また、屈曲変位量と電位の関係が複雑であるために、電位の調節によるアクチュエータ１０の屈曲変位量および発生力の制御は容易ではない。
【００１１】
さらに、図８ｂの曲線ａに見られるように、通常、白金を無電解メッキすることにより得られるアクチュエータ１０では、相対湿度（以下、「ＲＨ」と略す。）９０％の含水量が高い状態では、変位の後戻り現象が生じるという問題もあった。
【００１２】
そこで本発明は、印加電圧値を変化させることなく屈曲変位量および発生力を滑らかに変化させ、過電圧等による電極の破壊や劣化を回避可能なアクチュエータの制御方法を提供することを目的とする。
【００１３】
また、本発明の別の目的は、特に相対湿度の高い環境において発生しやすいアクチュエータの変位の後戻り現象を抑制し、スムーズな動作を実現するアクチュエータの制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を克服すべく、本発明のアクチュエータ駆動システムは、第１面と第２面とを有するフィルム、および、該フィルムの第１面、第２面上にそれぞれ形成された第１電極、第２電極とを備えるアクチュエータと、前記アクチュエータに電気的に接続され、前記第１電極から前記第２電極へ正または負の電圧パルスを複数回連続して該アクチュエータに印加可能であり、少なくとも該電圧パルスの周波数及び／またはＰＷＭ（Pulse Width Modulation）値を変化し得る駆動装置と、を含む。このため上記アクチュエータ駆動システムは、上記電圧パルスを正又は負の一定値として、その周波数またはＰＷＭ値又はその両方を変化させるアクチュエータの制御を行うことができる。さらに、電圧パルスの電圧値を変化させる制御を加えることも可能である。なお、本明細書においてＰＷＭ（Pulse Width Modulation）値とは、電圧パルスの周期（ｓ）に対するパルス幅（ｓ）の比ｒ
(0＜ｒ＜1)をいうものとする。
【００１５】
本発明のアクチュエータの制御方法は、上記アクチュエータの制御方法であって、前記第１電極から前記第２電極へ、正または負の同一の電圧値、同一の周波数、及び同一のＰＷＭ値をもつ電圧パルスを複数回連続して上記アクチュエータに印加する、電圧パルス印加ステップを含み得る。この電圧パルス印加ステップにより、周波数及びＰＷＭ値が一定で、正又は負の一定の電圧値を持つ電圧パルスを、一定回数（一定時間）連続して上記アクチュエータに印加して、これを駆動することができる。
【００１６】
本発明のアクチュエータの制御方法は、上記電圧パルス印加ステップを、該電圧パルス印加ステップの周波数を変化させて複数回繰り返し得る。したがって、一定の周波数、ＰＷＭ値および電圧値を持つ電圧パルスを上記一定時間印加する電圧パルス印加ステップを経た後、周波数のみ変化させた他の電圧パルス印加ステップを繰り返しアクチュエータに作用させ、これを駆動することができる。
【００１７】
本発明のアクチュエータの制御方法は、上記電圧パルス印加ステップを、該電圧パルス印加ステップのＰＷＭ値を変化させて複数回繰り返し得る。したがって、周波数、電圧値を一定にしてＰＷＭ値のみ変化させた電圧パルス印加ステップを繰り返し作用させて、アクチュエータを駆動することができる。
【００１８】
よって、本発明のアクチュエータの制御方法によれば、電圧値を一定に保ちつつ、上記電圧パルスの周波数またはＰＷＭ値のみ変化させた電圧パルス印加ステップを繰り返しアクチュエータに作用させ、あるいは、周波数及びＰＷＭ値を同時に変化させた電圧パルス印加ステップを繰り返しこれに作用させて、アクチュエータを制御することが可能である。
【００１９】
本発明のアクチュエータの制御方法において、上記電圧パルスの周波数は、閾値の周波数、例えば３０Ｈｚ以上であることが好ましい。上記電圧パルスの周波数を閾値以上とすることにより、アクチュエータの変位を連続的に安定して変化させることができる。ここで、閾値の周波数は、主としてアクチュエータの構成材料、膜圧などにより決まり、従来のアクチュエータの制御方法による電圧パルスの印加方法では、アクチュエータが追従できなくなる電圧パルスの周波数に略相当する。
【００２０】
本発明のアクチュエータの制御方法において、上記電圧パルスのＰＷＭ値は、０％より大きく１００％未満のすべての領域において好適である。すなわち、電圧パルスが存在することとなる全ＰＷＭ値において、アクチュエータの変位を滑らかに安定して変化させることができる。
【００２１】
本発明のアクチュエータの制御方法は、上記電圧値の絶対値は、０Ｖより大きく、１０Ｖ以下とするのが好ましい。上記電圧パルスの印加電圧を±１０Ｖ以下とすることで、効率的にアクチュエータを駆動することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明のアクチュエータ駆動システムは、上記構成を備えるため、アクチュエータに対し、同一の電圧値、同一の周波数、及び同一のＰＷＭ値をもつ電圧パルスを複数回連続して印加する、電圧パルス印加ステップを作用させることができる。このため、特に相対湿度の高い環境において発生しやすいアクチュエータの変位の後戻り現象を抑制し、安定したアクチュエータの運動を実現することができる。
【００２３】
また、本発明のアクチュエータ駆動システムは、少なくとも電圧パルスの周波数及び／またはＰＷＭ値を変化し得る駆動装置を備えるため、電圧値を一定に保ちつつ、上記電圧パルスの周波数またはＰＷＭ値のみ変化させた電圧パルス印加ステップを繰り返しアクチュエータに作用させ、あるいは、周波数及びＰＷＭ値を同時に変化させた電圧パルス印加ステップを繰り返しこれに作用させて、アクチュエータを制御することが可能である。したがって、上記電圧パルスの周波数及び／又はＰＷＭ値を連続的に変化させて電圧パルス印加ステップを繰り返すことにより、スムーズなアクチュエータの駆動を実現することができる。
【００２４】
更に、上記電圧パルスの周波数を閾値（例えば３０Ｈｚ）以上とすることにより、ＰＷＭ値が０％より大きく１００％未満であるすべての値において、より滑らかで迅速なアクチュエータの駆動を得ることができる。
【００２５】
さらに、本発明のアクチュエータ駆動システムは、電圧パルスの印加電圧が−１０Ｖ〜＋１０Ｖの範囲でアクチュエータを所望の変位で駆動することができるため、従来の電磁モータ駆動に比べて省エネルギーでアクチュエータの駆動を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明のアクチュエータ駆動システム１は、図７ａに示すように、第１面１２ａと第２面１２ｂとを有するフィルム１２、および、フィルム１２の第１面１２ａ、第２面１２ｂ上にそれぞれ形成された第１電極１４ａ、第２電極１４ｂとを備えるアクチュエータ１０と、アクチュエータ１０に第１電源電極２０ａ、第２電源電極２０ｂを介して電気的に接続され、第１電極１４ａから第２電極１４ｂへ正または負の電圧パルスを複数回連続して印加可能であり、少なくとも当該電圧パルスの周波数及び／またはＰＷＭ値を変化し得る駆動装置２０を含む。
【００２７】
アクチュエータ１０は、公知のアクチュエータでよく、公知の方法で製造することができる。上記のように、図７ａに示すアクチュエータ１０として、例えば１ｃｍ×２ｃｍ、厚み約２００μｍのパーフルオロスルホン酸フィルム１２の両面に、第１電極、第２電極１４ａ、１４ｂとして白金を無電解メッキしたものを記載したが、これに限定されるものではない。
【００２８】
フィルム１２は、屈曲可能な柔軟性を有し、加水分解性が少なく、大気中で安定な、例えば高分子化合物が好ましく、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系ポリマー；ポリスチレン；ポリイミド；ポリパラフェニレンオキサイド、ポリ（２，６−ジメチルフェニレンオキサイド）、ポリパラフェニレンスルフィド等のポリアリーレン類（芳香族系ポリマー）等に、スルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、リン酸基、スルホニウム基、アンモニウム基、ピリジニウム基等を導入したもの；ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素系のポリマー；含フッ素系のポリマーの骨格にスルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基、スルホニウム基、アンモニウム基、ピリジニウム基等を導入したパーフルオロスルホン酸ポリマー、パーフルオロカルボン酸ポリマー、パーフルオロリン酸ポリマー、ポリブダジエン系化合物；エラストマーやゲルなどのポリウレタン系化合物；シリコーン系化合物；ポリ塩化ビニル；ポリエチレンテレフタレート；ナイロン；ポリアリレート等、４級窒素カチオンを有するアイオネン類を挙げることができる。
【００２９】
上記高分子のフィルム１２は含水状態で、上述したような動作原理に従って屈曲変形するが、大気中での動作ではその含水量で屈曲度に影響がでることが知られているため、フィルム１２内部の水分子をイオン液体で置換してもよい。この場合でも屈曲の原理は同じであり、内部のイオン液体のイオンが移動することによって、フィルム１２は屈曲変形する。
【００３０】
また、フィルム１２は、上記高分子電解質以外にも、誘電性材料、例えばポリフッ化ビニリデンのような膜であってもよい。ポリフッ化ビニリデン膜からなるフィルム１２にイオン液体を含浸させれば、電界下、膜内の物質（イオン液体のイオン）の移動により、フィルム１２は屈曲変形を生ずることができる。
【００３１】
さらに、フィルム１２として導電性高分子を用いてもよい。このような高分子としては、特に限定されるものではないが、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリフェニレン等が挙げられる。この場合も、フィルム１２内部のドーパント（イオン）の移動で、フィルム１２は屈曲することが知られている。
【００３２】
さらに、フィルム１２として、ゾル・ゲル法などで得られる高分子構造をもつ金属酸化物も用いることができる。このような金属酸化物としては、特に限定されるものではないが、例えば、マンガン、ニッケル、コバルト、五酸化バナジウム系の金属酸化物を用いることができる。
【００３３】
さらには、フィルム１２として、カーボン粉末をバインダー（好ましくはフィルム１２と相溶性高い材料）と混ぜたり、単独使用で接合した導電膜も用いることができる。このようなカーボンとしては、例えば、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、カーボンチューブ、グラファイト等を挙げることができる。カーボンブラックとしては、例えば、チャネルブラック、サーマルブラック、ファーネスブラック、アセチレンブラック等を挙げることができる。中でも、上記カーボン粉末は、カーボンナノチューブ、ファーネスブラックまたはアセチレンブラックであることが特に好ましい。これにより、より好適に電気伝導性を付与することができ、屈曲し、アクチュエータとして応用することができる。
【００３４】
以上のような、様々な材料をフィルム１２として用いることができるが、本実施形態においては、アクチュエータ１０として、Pt-NafionTM117/Li+を従来法により作製した。図６にナフィオンＴＭ（Nafion）の構造式を示す。
【００３５】
また、第１電極１４ａ、第２電極１４ｂの構成材料は白金に限定されず、金その他の貴金属さらに卑金属、半導体をフィルムにメッキして使用してもよい。伸縮性のある電極材をフィルムに接合して用いてもよい。伸縮性の電極材としては微粉末をバインダーなどと混ぜることで電極を形成したもの、あるいは、布帛に導電性を付与したもの、メッシュ状の金網、多孔性金属フィルムなどである。たとえば、フィルムを構成する上記高分子化合物と同一の高分子化合物を含む高分子バインダーにカーボン粉末を分散させてペーストとし、フィルムを両面から挟んで加熱プレスし、電極として使用してもよい。
【００３６】
駆動装置２０は図２に模式的に示すように、波形入力用のパソコン２２と、Ｄ／Ａ変喚器２４と、図示しない電力増幅器、及びアクチュエータ１０の第１電極１４ａと第２電極１４ｂにそれぞれ接続される第１電源電極２０ａ及び第２電源電極２０ｂ（図７ａ参照）とを含んで構成される。
【００３７】
駆動装置２０の動作であるが、駆動装置２０は、波形入力用のパソコン２２に入力された波形データをＤ／Ａ変喚器２４でアナログ電位に変換し、これを電力増幅アンプで電流を増幅して、第１電源電極２０ａ及び第２電源電極２０ｂを介してアクチュエータ１０に印加する。これにより、所望の印加電圧パルスの波形データを波形入力用パソコン２２に入力し、アクチュエータ１０に印加することができる。
【００３８】
すなわち、パソコン２２で波形データをテキストデータで作製（ＸＹ形式データでＸは時間、Ｙは電位）し、ＤＡ変換ボード（Ｄ／Ａ変喚器２４）に電位を出力する。その電位を電力増幅アンプ（汎用のポテンシオスタットを利用）で電流値を増加させ、アクチュエータ１０を駆動させる。アクチュエータ１０の動きはフィルム１２の含水量の影響（湿度の影響）を受けるので、チャンバーの中で作動テストをする。
【００３９】
次に、上記アクチュエータ駆動システム１における、アクチュエータ１０の屈曲変位量、発生力の測定装置及びこれらの測定方法について説明する。
【００４０】
アクチュエータ１０の屈曲変位量は、例えば図３ａに示すような変位測定装置３０ａにより測定することができる。変位測定装置３０ａは、測定用パソコン３２と、ＣＣＤカメラ３４とを含み、アクチュエータ１０の屈曲変位をＣＣＤカメラ３４にて測定する。図５に示すように、ＣＣＤカメラ３４はアクチュエータ１０の変位方向と直角方向に設置され、測定用パソコン３２によりアクチュエータ１０の動作軌跡を捉えるようにプログラムされている。屈曲変位Ｌは、アクチュエータ１０に電位を印加しない場合の平衡位置を基準線として定義される。例えば屈曲変位Ｌは、屈曲したアクチュエータ１０がその固定位置（原点）から垂直距離Ｘに位置する単位片と基準線との距離として測定される。なお、測定用パソコン３２は、駆動装置２０の波形入力用パソコン２２を代用してもよい。
【００４１】
あるいは、図３ｂに示すような変位測定装置３０ｂによりアクチュエータ１０の屈曲変位量を測定してもよい。変位測定装置３０ｂは、波形入力用パソコン２２と兼用可能な測定用パソコン３２と、レーザー変位計３６とを含み、レーザー変位計３６によりアクチュエータ１０の屈曲変位Ｌを測定する。図３ｂ中、垂直距離Ｙは垂直距離Ｘと同様に定義され、垂直距離Ｙの位置のアクチュエータ１０の単位片からのレーザー反射光から屈曲変位Ｌを求めることができる。ＣＣＤカメラ３４を用いると画像処理が必要なため、１０Ｈｚ以上の周波数の変位変化には追随できないが、レーザー変位計３６は高速な変位変化にも追従することができる。
【００４２】
また、アクチュエータ１０の発生力は、例えば図４に示すような発生力測定装置４０を用いて測定することができる。測定装置４０は、例えば０．１ｍｇ精度の電子天秤（バランス）４２と、アクチュエータ１０を挟み込む電極４４とを連動させて構成することができる。アクチュエータ１０の発生力に対応した垂直方向の力を固定部分４４がバランス４２に伝播して、発生力を精密に測定することができる。
【００４３】
以下、上記アクチュエータ駆動システム１における、アクチュエータ１０の制御方法について説明する。
【００４４】
本発明に係るアクチュエータ１０の制御方法は、上記アクチュエータ駆動システム１の第１電極１４ａから第２電極１４ｂへ、正または負の同一の電圧値、同一の周波数、及び同一のＰＷＭ値をもつ電圧パルスを複数回連続して印加する、電圧パルス印加ステップを含む。この電圧パルス印加ステップにより、周波数及びＰＷＭ値が一定で、正又は負の一定の電圧値を持つ電圧パルスを、一定時間連続してアクチュエータ１０に印加して、これを駆動することができる。
【００４５】
上記本発明に係る電圧パルス印加ステップによる制御法に対する、アクチュエータ１０の応答を調べるため、以下のような測定を行った。
【実施例１】
【００４６】
図１ａは、上記電圧パルス印加ステップを表す概念図であり、ｖ（Ｖ）を電圧パルスの入力電位（印加電圧）、τを電圧パルスの周期（ｓ）、ｒ(0＜ｒ＜1)をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）値とし、Ｔを便宜的に大周期（ｓ）としてＴ／２において電圧パルスの入力電位を＋ｖ（Ｖ）から−ｖ（Ｖ）に反転した場合を表している。
【００４７】
図１ａの入力電位波形におけるアクチュエータ１０の応答性を調べるため、レーザー変位計３６により、相対湿度（ＲＨ）４０％と９０％で入力電位：ｖ＝±２Ｖ、ＰＷＭ値：ｒ＝０．５、大周期：Ｔ＝６４ｓ、電圧パルスの周期τの周波数を１，２，５，１０、２５，５０，１００，２５０Ｈｚとして変位計測を行った。この測定結果を、周波数に対する変位量の絶対値の関係として図９ａに示す。
【００４８】
一方、図１ｂは、本発明に係る電圧パルス印加ステップを用いない、従来の直流電圧印加方式の入力電位波形を表す概念図である。上記測定と同様に、図１ｂの入力電位波形におけるアクチュエータ１０の応答性をレーザー変位計３６により調べた。入力電位ｖ＝±２Ｖ、ＰＷＭ値：ｒ＝０．５、大周期：Ｔ＝６４ｓを上記測定条件と同一とし、相対湿度（ＲＨ）９０％、電圧パルスの周期τの周波数を５、１０、２５，５０，１００，２５０Ｈｚとして上記アクチュエータ１０の変位計測を行った。周波数に対する変位量の絶対値の測定結果を図９ｂに示す。
【００４９】
図９ｂより、従来の直流電圧印加方式のアクチュエータ１０の制御方法では、１００〜２５０の周波数領域においてアクチュエータ１０は入力電位ｖの変化に追従できないことが分かる。
【００５０】
一方、図９ａより、本発明の電圧パルス印加ステップによるアクチュエータ１０の制御方法では、周波数が大きくなるほど変位量は小さくなるが、３０Ｈｚ以上の周波数になっても変位量は０とならず、高周波の波形変化（入力電位ｖの変化）にも対応できることが分かった。
【００５１】
したがって、本実施例で用いたPt-NafionTM117/Li+のアクチュエータ１０の閾値の周波数は、略３０Ｈｚであることがわかる。閾値の周波数は、主としてアクチュエータ１０の構成材料により決まり、従来のアクチュエータ１０の制御方法による電圧パルスの印加方法では、アクチュエータが追従できなくなる電圧パルスの周波数に相当する。
【００５２】
また、本発明の電圧パルス印加ステップによる制御方法では、ＲＨ９０％の条件では、周波数が高くなるほど後戻り現象が緩和されることが確認された。さらに図９ａより、周波数が高くなるにつれて変位量は、一定の直流電圧を印加した場合のように、スムーズに安定して変化することがわかった。
【００５３】
以上の測定結果より、本発明の電圧パルス印加ステップによる制御方法を用いると、アクチュエータ１０は、印加電圧パルスの周期τの周波数が閾値（本実施例において３０Ｈｚ）以上の周波数領域において滑らかな周波数制御が可能であることが分かった。
【００５４】
したがって、本発明のアクチュエータ１０の制御方法を用いれば、上記電圧パルス印加ステップを、電圧パルスの周波数を閾値（本実施例において３０Ｈｚ）以上の高周波数領域において連続的に変化させて繰り返すことによって、後戻り現象を抑制し、滑らかで安定したアクチュエータ１０の駆動を行うことができる。換言すると、一定の周波数、ＰＷＭ値および電圧値を持つ電圧パルスを上記一定時間印加する電圧パルス印加ステップを経た後、周波数のみ変化させた他の電圧パルス印加ステップをアクチュエータに作用させる過程を繰り返し、当該アクチュエータをスムーズに駆動することができる。
【実施例２】
【００５５】
次に、電圧パルス印加ステップの周波数が閾値（本実施例において３０Ｈｚ）におけるアクチュエータ１０の変位量のＰＷＭ値依存性を調べるため、図１ａの入力電位波形を用いて、ＰＷＭ値２０，５０、８０、１００％でアクチュエータ１０の変位測定を行った。測定条件は、ＲＨ４０％と９０％で、入力電位：ｖ＝±２Ｖ、大周期：Ｔ＝６４ｓ、電圧パルスの周期：τ＝０．０１ｓ（１００Ｈｚ）とし、ＣＣＤカメラ３４を用いて測定を行った。
【００５６】
図１０において、●はＲＨ４０％、▽はＲＨ９０％のアクチュエータ１０の変位量を表す。なお、ＰＷＭ値０％は電流の流れない状態を、ＰＷＭ値１００％は１周期６４ｓの直流電流を意味する。
【００５７】
ＰＷＭ値が小さくなると、変位量も小さくなっている。また、ＰＷＭ値が０％より大きく１００％より小さい場合、すなわち、電圧パルスが存在するすべてのＰＷＭ値において、アクチュエータ１０の変位量はスムーズに変化していることがわかる。
【００５８】
また、本実験において、アクチュエータ１０が最大変位に到達する時間は、ＰＷＭ値１００％未満の方がＰＷＭ値１００％のときよりも速くなっていることが確認された。例えばＲＨ４０％、ＰＷＭ値５０%の場合、ＰＷＭ値１００％の場合に対し、変位は１／３に減少するが、最大変位に到達する時間は１／２に減少していた。
【００５９】
したがって、本発明のアクチュエータの制御方法によれば、周波数、電圧値を一定にしてＰＷＭ値のみ連続的に変化させる上記電圧パルス印加ステップを繰り返しアクチュエータ１０に作用させることにより、迅速かつ滑らかにアクチュエータ１０を駆動することができる。また、上記のように図１０から、０％より大きく１００％より小さいＰＷＭ値の全領域で滑らかなアクチュエータの駆動が可能である。
【００６０】
よって、実施例１及び２の結果より、本発明のアクチュエータの制御方法によれば、電圧値を一定に保ちつつ、上記電圧パルスの周波数またはＰＷＭ値のみ変化させた電圧パルス印加ステップを繰り返しアクチュエータに作用させ、あるいは、周波数及びＰＷＭ値を同時に変化させた電圧パルス印加ステップを繰り返しこれに作用させて、アクチュエータ１０をスムーズに制御することが可能である。
【実施例３】
【００６１】
上記実施例２と同条件下で、発生力測定装置４０を用いて、ＰＷＭ値２０、５０、８０、９０、１００％の場合のアクチュエータ１０の発生力の測定を行った。ＰＷＭ値と発生力（ｍＮ）の関係を図１１に示す。
【００６２】
変位量と同様に、ＰＷＭ値が小さくなれば発生力も小さくなることが分かった。
【００６３】
以上、本発明のアクチュエータ駆動システムおよびアクチュエータの制御方法について説明したが、本発明は上記実施形態および実施例に限定されるものではない。アクチュエータのフィルムの材料は上記パーフルオロスルホン酸やナフィオンＴＭ（Nafion）に限定されず、その他のイオン伝導性高分子化合物、非イオン性高分子化合物、あるいは、金属酸化物などを用いてもよい。
【００６４】
また、第１電極、第２電極の構成材料は白金に限定されず、上記のように、金その他の貴金属さらに卑金属、半導体をフィルムにメッキして使用してもよい。伸縮性のある電極材をフィルムに接合して用いてもよい。伸縮性の電極材として、微粉末をバインダーなどと混ぜることで電極を形成したもの、あるいは、布帛に導電性を付与したもの、メッシュ状の金網、多孔性金属フィルムなどを使用してもよい。
【００６５】
また、本発明のアクチュエータの制御方法において、アクチュエータに印加する電圧値も特に限定されないが、−１０Ｖ以上、１０Ｖ以下とするのが好ましい。電圧パルスの印加電圧を±１０Ｖ以下とすることで、効率的にアクチュエータを駆動することができる。
【００６６】
さらに、本発明のアクチュエータを複数枚直列に接続して作動させてもよい。直列に接続したアクチュエータの枚数分だけ大きな発生力を得ることが出来る。この場合も、直列に接続した各アクチュエータに印加する電圧パルスの印加電圧を、１枚当たりで±１０Ｖ以下とすることで、効率的にアクチュエータを駆動することができる。例えば、３枚のアクチュエータを直列に接続し、１枚当たり２Ｖ電圧を印加した場合は、全体の３枚のアクチュエータに、計６Ｖの電圧を印加することになる。
【００６７】
また、上記ＣＣＤカメラやレーザー変位計を使用した変位測定装置、駆動装置、発生力測定装置の構成機器及び構成も特に限定されず、それぞれの機能を発揮し得る装置を適宜使用することができる。
【００６８】
その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明に係るアクチュエータ駆動システムおよびアクチュエータの制御方法は、大気中・水中等広範な環境下で小型・軽量な駆動全般に有用であり、電子・メカトロニクス・機械部品製造や、ロボット・玩具製造、医療・福祉器具関連、触覚等のセンサ開発などの分野での産業上利用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１ａ】本発明のアクチュエータ制御法における印加電圧パルスのシークエンスを示す模式図である。
【図１ｂ】従来のアクチュエータ制御法における印加電圧のシークエンスを示す模式図である。
【図２】本発明に係るアクチュエータ駆動システムの駆動装置を示す模式図である。
【図３ａ】本発明に係るアクチュエータ駆動システムの変位測定装置（ＣＣＤカメラ）を示す模式図である。
【図３ｂ】本発明に係るアクチュエータ駆動システムの変位測定装置（レーザー変位計）を示す模式図である。
【図４】本発明に係るアクチュエータ駆動システムの発生力測定装置を示す模式図である。
【図５】アクチュエータの屈曲状態を説明する模式図である。
【図６】NafionＴＭの構造式Ｒ；ＳＯ３-，ＣＯＯ-を示す構造図である。
【図７ａ】アクチュエータ駆動システムを示す模式図である。
【図７ｂ】アクチュエータの屈曲状態を説明するアクチュエータ駆動システムの説明図である。
【図８ａ】アクチュエータに印加する電圧のシークエンスを示す模式図である。
【図８ｂ】ＲＨ９０％（ａ）とＲＨ４０％（ｂ）におけるアクチュエータの変位変化の測定図である。
【図９ａ】本発明のアクチュエータ制御法による、周波数に対するＲＨ９０％（▽）とＲＨ４０％（●）でのアクチュエータの変位変化の測定図である。
【図９ｂ】従来のアクチュエータ制御法による、周波数に対するＲＨ９０％でのアクチュエータの変位変化の測定図である。
【図１０】本発明のアクチュエータ制御法による、ＰＷＭ値に対するＲＨ９０％（▽）とＲＨ４０％（●）でのアクチュエータの変位変化の測定図である。
【図１１】本発明のアクチュエータ制御法による、ＰＷＭ値に対するＲＨ９０％（▽）とＲＨ４０％（●）でのアクチュエータの発生力変化の測定図である。
【符号の説明】
【００７１】
１：アクチュエータ駆動システム
１０：アクチュエータ
１２：フィルム
１２ａ：第１面
１２ｂ：第２面
１４ａ：第１電極
１４ｂ：第２電極
２０：駆動装置（電源）
２０ａ：第１電源電極
２０ｂ：第２電源電極
２２：波形入力用パソコン
２４：Ｄ／Ａ変喚器
３０ａ、３０ｂ：変位測定装置
３２：計測用パソコン
３４：ＣＣＤカメラ
３６：レーザー変位計
４０：発生力測定装置
４２：電子天秤（バランス）
４４：電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面と第２面とを有するフィルムと、
該フィルムの第１面上に形成された第１電極と、該フィルムの第２面上に形成された第２電極とを備えるアクチュエータの制御方法であって、
前記第１電極から前記第２電極へ、正または負の同一の電圧値、同一の周波数、及び同一のＰＷＭ（Pulse Width Modulation）値をもつ電圧パルスを複数回連続して印加する、電圧パルス印加ステップを含むアクチュエータの制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の電圧パルス印加ステップを、該電圧パルス印加ステップの周波数を変化させて複数回繰り返す、アクチュエータの制御方法。
【請求項３】
請求項１に記載の電圧パルス印加ステップを、該電圧パルス印加ステップのＰＷＭ値を変化させて複数回繰り返す、請求項１に記載のアクチュエータの制御方法。
【請求項４】
前記電圧パルスの周波数は、閾値以上の周波数である請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアクチュエータの制御方法。
【請求項５】
前記閾値の周波数は、３０Ｈｚである請求項４に記載のアクチュエータの制御方法。
【請求項６】
前記電圧パルスのＰＷＭ値は、０％より大きく１００％より小さい請求項１乃至５のいずれか１項に記載のアクチュエータの制御方法。
【請求項７】
第１面と第２面とを有するフィルム、および、該フィルムの第１面、第２面上にそれぞれ形成された第１電極、第２電極とを備えるアクチュエータと、
前記アクチュエータに電気的に接続され、前記第１電極から前記第２電極へ正または負の電圧パルスを複数回連続して印加可能であり、少なくとも該電圧パルスの周波数及び／またはＰＷＭ値を変化し得る駆動装置と、
を含むアクチュエータ駆動システム。
【請求項８】
前記電圧パルスの電圧値を変化し得る、請求項７に記載のアクチュエータ駆動システム。
【請求項１】
第１面と第２面とを有するフィルムと、
該フィルムの第１面上に形成された第１電極と、該フィルムの第２面上に形成された第２電極とを備えるアクチュエータの制御方法であって、
前記第１電極から前記第２電極へ、正または負の同一の電圧値、同一の周波数、及び同一のＰＷＭ（Pulse Width Modulation）値をもつ電圧パルスを複数回連続して印加する、電圧パルス印加ステップを含むアクチュエータの制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の電圧パルス印加ステップを、該電圧パルス印加ステップの周波数を変化させて複数回繰り返す、アクチュエータの制御方法。
【請求項３】
請求項１に記載の電圧パルス印加ステップを、該電圧パルス印加ステップのＰＷＭ値を変化させて複数回繰り返す、請求項１に記載のアクチュエータの制御方法。
【請求項４】
前記電圧パルスの周波数は、閾値以上の周波数である請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアクチュエータの制御方法。
【請求項５】
前記閾値の周波数は、３０Ｈｚである請求項４に記載のアクチュエータの制御方法。
【請求項６】
前記電圧パルスのＰＷＭ値は、０％より大きく１００％より小さい請求項１乃至５のいずれか１項に記載のアクチュエータの制御方法。
【請求項７】
第１面と第２面とを有するフィルム、および、該フィルムの第１面、第２面上にそれぞれ形成された第１電極、第２電極とを備えるアクチュエータと、
前記アクチュエータに電気的に接続され、前記第１電極から前記第２電極へ正または負の電圧パルスを複数回連続して印加可能であり、少なくとも該電圧パルスの周波数及び／またはＰＷＭ値を変化し得る駆動装置と、
を含むアクチュエータ駆動システム。
【請求項８】
前記電圧パルスの電圧値を変化し得る、請求項７に記載のアクチュエータ駆動システム。
【図１ａ】
【図１ｂ】
【図２】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８ａ】
【図８ｂ】
【図９ａ】
【図９ｂ】
【図１０】
【図１１】
【図１ｂ】
【図２】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８ａ】
【図８ｂ】
【図９ａ】
【図９ｂ】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−５４３６（Ｐ２００９−５４３６Ａ）
【公開日】平成２１年１月８日（２００９．１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１６１６０６（Ｐ２００７−１６１６０６）
【出願日】平成１９年６月１９日（２００７．６．１９）
【出願人】（５０４１４５３２０）国立大学法人福井大学 (287)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月８日（２００９．１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月１９日（２００７．６．１９）
【出願人】（５０４１４５３２０）国立大学法人福井大学 (287)
【Ｆターム（参考）】
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