センサ出力補正回路及び補正方法
【課題】固体高分子電解質を用いた曲率センサに付与される曲率と曲率センサからの出力電圧との間の線形性を保持すること。
【解決手段】一対の電極と、その間に形成された固体高分子電解質層と、を備えたセンサ２００が、付与された曲率に応じて出力する出力電圧を補正する補正回路１００であって、出力電圧の変化量を監視する監視回路１０２と、変化量が所定の基準値よりも小さい場合、センサが静止状態であると判定し、目標電圧を設定する状態判定回路１０３と、静止状態であると判定された場合、センサ２００に対し出力電圧が目標電圧に近づく方向に出力電圧と目標電圧とのずれに応じた量の電荷を注入する補正電流生成回路１０４と、を備えるセンサ出力補正回路。
【解決手段】一対の電極と、その間に形成された固体高分子電解質層と、を備えたセンサ２００が、付与された曲率に応じて出力する出力電圧を補正する補正回路１００であって、出力電圧の変化量を監視する監視回路１０２と、変化量が所定の基準値よりも小さい場合、センサが静止状態であると判定し、目標電圧を設定する状態判定回路１０３と、静止状態であると判定された場合、センサ２００に対し出力電圧が目標電圧に近づく方向に出力電圧と目標電圧とのずれに応じた量の電荷を注入する補正電流生成回路１０４と、を備えるセンサ出力補正回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はセンサ出力補正回路及び補正方法に関し、特に固体高分子電解質を用いた曲率センサ用の補正回路及び補正方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療介護機器、産業用ロボット、パーソナルロボットなどの分野において、小型で軽量なセンサの必要性が高まっている。また、歪センサ、振動センサとして、複雑な形状の構造物に設置可能な軽量かつ可撓性を有するセンサの必要性が高まっている。
【０００３】
このような軽量かつ可撓性を有するセンサとして、特許文献１には、固体高分子電解質（ＳＰＥ：Solid Polymer Electrolyte）、特に、非水系高分子固体電解質を用いた変形センサが開示されている。このセンサは、センサ素子の変形により起電力を生じるものである。また、非水系高分子固体電解質を用いているため、空気中において安定して高い応答感度を有する。
【０００４】
また、特許文献１に記載の変形センサでは、非特許文献１に記載の通り、可撓性を有するセンサに付与される曲率と、センサからの出力電圧との間に比例関係（線形性）を有することが知られている。そのため、特許文献１に記載の変形センサの具体的用途としては、曲率（曲げ変形）センサが特に有望視されている。この曲率センサは、広範囲の曲率を検出することができる。また、変形を保持した場合、略一定の電圧を発生し続けることができる。さらには、バイアス電圧が不要であるため、低消費電力であるなどの特徴を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００９／０９６４１９号パンフレット
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】大槻、外２名、「固体高分子電解質を用いた曲率センサの特性評価」、第１８回ＭＡＧＤＡコンファレンスｉｎ東京、電磁現象及び電磁力に関するコンファレンス講演論文集、２００９年、ｐ．１６５−１７０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図１０は、本発明が解決しようとする課題を説明するための模式的グラフである。図１０の横軸は時間、縦軸は曲率センサの出力電圧である。一定時間間隔において、同一の曲率を繰り返し付与した場合を示している。図１０に示すように、繰り返し回数が増えると、同一の曲率を付与しているにも関わらず、出力電圧が徐々に降下している。即ち、曲率センサに付与される曲率と、曲率センサからの出力電圧との間の線形性が保持されないという問題があった。
【０００８】
本発明は上記に鑑みなされたものであり、固体高分子電解質を用いた曲率センサに付与される曲率と曲率センサからの出力電圧との間の線形性を保持するためのセンサ出力補正回路及び補正方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る第１の態様は、
一対の電極と、
前記一対の電極間に形成された固体高分子電解質層と、を備えたセンサが、
付与された曲率に応じて出力する出力電圧を補正する補正回路であって、
前記出力電圧の変化量を監視する監視回路と、
前記変化量が所定の基準値よりも小さい場合、前記センサが静止状態であると判定し、目標電圧を設定する状態判定回路と、
前記静止状態であると判定された場合、前記センサに対し前記出力電圧が前記目標電圧に近づく方向に前記出力電圧と前記目標電圧とのずれに応じた量の電荷を注入する補正電流生成回路と、を備えるセンサ出力補正回路である。
これにより、センサに付与される曲率とセンサからの出力電圧との間の線形性を保持することができる。
【００１０】
本発明に係る第２の態様は、前記第１の態様において、
前記状態判定回路は、前記変化量が所定の基準値よりも大きい場合、前記センサが動作状態であると判定し、
前記動作状態であると判定された場合、前記補正電流生成回路は、前記センサに対し前記変化量を緩和する方向に電荷を注入することを特徴とするセンサ出力補正回路である。
これにより、より確実に、センサに付与される曲率とセンサからの出力電圧との間の線形性を保持することができる。
【００１１】
本発明に係る第３の態様は、前記第２の態様において、
前記動作状態であると判定された場合、前記センサに対し注入される前記電荷の量が、前記変化量によらず一定であることを特徴とするセンサ出力補正回路である。
これにより、より迅速に補正することができる。
【００１２】
本発明に係る第４の態様は、前記第１〜３のいずれかの態様において、
前記静止状態であると判定された場合、前記センサに対し注入される前記電荷の量が、ＰＷＭ制御されることを特徴とするセンサ出力補正回路である。ＰＷＭ制御は、具体的な制御方法として好適である。
【００１３】
本発明に係る第５の態様は、前記第１〜４のいずれかの態様において、
前記監視回路が積分回路を含むことを特徴とするセンサ出力補正回路である。具体的回路構成として好適である。
【００１４】
本発明に係る第６の態様は、前記第１〜５のいずれかの態様において、
前記監視回路が微分回路を含むことを特徴とするセンサ出力補正回路である。具体的回路構成として好適である。
【００１５】
本発明に係る第７の態様は、前記第１〜６のいずれかの態様において、
前記固体高分子電解質層が非水系高分子固体電解質層であることを特徴とするセンサ出力補正回路である。具体的回路構成として好適である。
【００１６】
本発明に係る第８の態様は、
一対の電極と、
前記一対の電極間に形成された固体高分子電解質層と、を備えたセンサが、
付与された曲率に応じて出力する出力電圧を補正する補正方法であって、
前記出力電圧の変化量を監視するステップと、
前記変化量が所定の基準値よりも小さい場合、前記センサが静止状態であると判定し、目標電圧を設定するステップと、
前記静止状態であると判定した場合、前記センサに対し前記出力電圧が前記目標電圧に近づく方向に前記出力電圧と前記目標電圧とのずれに応じた量の電荷を注入するステップと、を備えるセンサ出力補正方法である。
これにより、センサに付与される曲率とセンサからの出力電圧との間の線形性を保持することができる。
【００１７】
本発明に係る第９の態様は、前記第８の態様において、
前記変化量が所定の基準値よりも大きい場合、前記センサが動作状態であると判定するステップと、
前記動作状態であると判定した場合、前記センサに対し前記変化量を緩和する方向に電荷を注入するステップと、を更に備えることを特徴とするセンサ出力補正方法である。
これにより、より確実に、センサに付与される曲率とセンサからの出力電圧との間の線形性を保持することができる。
【００１８】
本発明に係る第１０の態様は、前記第９の態様において、
前記動作状態であると判定した場合、前記センサに対し注入する前記電荷の量が、前記変化量によらず一定とすることを特徴とするセンサ出力補正方法である。
これにより、より迅速に補正することができる。
【００１９】
本発明に係る第１１の態様は、前記第８〜１０のいずれかの態様において、
前記静止状態であると判定した場合、前記センサに対し注入する前記電荷の量を、ＰＷＭ制御することを特徴とするセンサ出力補正方法である。ＰＷＭ制御は、具体的な制御方法として好適である。
【００２０】
本発明に係る第１２の態様は、前記第８〜１１のいずれかの態様において、
前記固体高分子電解質層が非水系高分子固体電解質層であることを特徴とするセンサ出力補正回路である。特に非水系高分子固体電解質層を用いたセンサの出力電圧の補正方法として好適である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、固体高分子電解質を用いた曲率センサに付与される曲率と曲率センサからの出力電圧との間の線形性を保持するためのセンサ出力補正回路及び補正方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施の形態１に係る補正回路を備えた曲率センサのブロック図である。
【図２】実施の形態１に係る補正方法を説明するためのフローチャートである。
【図３】実施の形態１に係る補正回路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】実施例及び比較例に係る曲率センサ２００の構造を示す断面図である。
【図５Ａ】出力電圧が４５０μＶ程度となる曲げ変形量（曲率）を付与し続けた場合の出力電圧の変化を示すグラフである。
【図５Ｂ】出力電圧が４５０μＶ程度となる曲げ変形量（曲率）を付与し続けた場合の出力電圧の変化を示すグラフである。
【図６Ａ】出力電圧が４５０μＶ程度となる曲げ変形量（曲率）を付与した後、この曲げ変形を解除した場合の出力電圧の変化を示すグラフである。
【図６Ｂ】出力電圧が４５０μＶ程度となる曲げ変形量（曲率）を付与した後、この曲げ変形を解除した場合の出力電圧の変化を示すグラフである。
【図７Ａ】出力電圧が７５μＶ程度となる曲げ変形量（曲率）を約１秒毎に繰り返し付与した場合の出力電圧の変化を示すグラフである。
【図７Ｂ】出力電圧が７５μＶ程度となる曲げ変形量（曲率）を約１秒毎に繰り返し付与した場合の出力電圧の変化を示すグラフである。
【図８Ａ】出力電圧が２５０μＶ程度となる曲げ変形量（曲率）を約２秒毎に繰り返し付与した場合の出力電圧の変化を示すグラフである。
【図８Ｂ】出力電圧が２５０μＶ程度となる曲げ変形量（曲率）を約２秒毎に繰り返し付与した場合の出力電圧の変化を示すグラフである。
【図９Ａ】出力電圧が２５０μＶ程度となる曲げ変形量（曲率）を約２秒毎に５段階に分割して繰り返し付与した場合の出力電圧の変化を示すグラフである。
【図９Ｂ】出力電圧が２５０μＶ程度となる曲げ変形量（曲率）を約２秒毎に５段階に分割して繰り返し付与した場合の出力電圧の変化を示すグラフである。
【図１０】本発明が解決しようとする課題を説明するための模式的グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００２４】
（実施の形態１）
図１を参照して本発明の第１の実施の形態に係る補正回路を備えた曲率センサについて説明する。図１は、実施の形態１に係る補正回路を備えた曲率センサのブロック図である。図１に示す補正回路１００は、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路１０１、積分回路１０２、積分結果判定回路１０３、補正電流生成回路１０４を備えている。曲率センサ２００は、上部電極２０２ａ、下部電極２０２ｂ、ＳＰＥ層２０１を備えている。
【００２５】
図１には、曲率センサ２００の模式的断面図が示されている。ＳＰＥ層２０１は、非水系高分子固体電解質層である。具体的な非水系高分子固体電解質としては、例えば、特許文献１や特開２００７-３３６７９０号公報に開示された公知の非水系高分子固体電解質を用いることができる。ＳＰＥ層２０１は、上部電極２０２ａと、下部電極２０２ｂとに挟持されている。ここで、上部電極２０２ａ及び下部電極２０２ｂとしては、例えば、特許文献１に開示された公知の炭素電極を用いることができる。そして、この上部電極２０２ａ及び下部電極２０２ｂの外側表面には、例えば銀ペーストなどの導電材料が塗布されている（不図示）。
【００２６】
実際の曲率センサ２００は、フィルム状であって、可撓性を有している。このフィルム状の曲率センサ２００自体を曲げ変形する、即ち、曲率センサ２００に曲率を付与すると、曲率に応じた起電力が発生する。つまり、図１に示すように、曲率センサ２００に曲率を付与すると、曲率に応じた起電力Ｖａが、上部電極２０２ａと下部電極２０２ｂとの間に発生する。これまでの曲率センサ２００は、曲率に応じた起電力Ｖａを検出するのみであった。ここで、曲率センサ２００をある一方向に曲げた場合の起電力が正の値である場合、その反対方向に曲げた場合の起電力は負の値となる。
【００２７】
これに対し、本実施の形態に係る曲率センサ２００には、補正回路１００が接続されている。上述の通り、図１に示す補正回路１００は、Ａ／Ｄ変換回路１０１、積分回路１０２、積分結果判定回路１０３、補正電流生成回路１０４を備えている。Ａ／Ｄ変換回路１０１には、曲率センサ２００において発生したアナログ起電力Ｖａが入力される。
【００２８】
Ａ／Ｄ変換回路１０１は、このアナログ起電力Ｖａをデジタル出力電圧Ｖｄに変換し、出力する。このデジタル出力電圧Ｖｄが測定値としてモニターされる。つまり、このデジタル出力電圧Ｖｄから測定対象である曲率を逆算することができる。
【００２９】
他方、Ａ／Ｄ変換回路１０１から出力されたデジタル出力電圧Ｖｄは、積分回路１０２に入力される。積分回路１０２は、所定の期間毎にデジタル出力電圧Ｖｄを積分する。そして、積分回路１０２から出力された積分結果が、積分結果判定回路１０３に入力される。
【００３０】
積分結果判定回路１０３は、出力電圧の変化量が大きい場合つまり所定の基準値以上の場合、曲率センサ２００が動作状態にあると判断する。一方、出力電圧の変化量が小さい場合つまり所定の基準値より小さい場合、曲率センサ２００が静止状態にあると判断する。
【００３１】
動作状態にあると判断した場合、積分結果判定回路１０３は、出力電圧の変化を緩和する方向を示す極性信号ｓ１を生成する。この極性信号ｓ１に応じて補正電流生成回路１０４から出力される補正電流の方向つまり補正電流Ｉ１又はＩ２のいずれかが選択される。また、この場合、積分結果判定回路１０３は、一定の電荷量を出力するためのパルス幅制御信号ｓ２を生成する。
【００３２】
一方、静止状態にあると判断した場合、積分結果判定回路１０３は、その静止状態における出力電圧のレンジに対応した設定制御変動幅上下の近い方に目標電圧を設定する。そして、出力電圧の積分結果と目標電圧の積分結果との差の極性つまりその差が正の値か負の値かに応じた極性信号ｓ１を生成する。具体的には、極性信号ｓ１は出力電圧を目標電圧に近づける方向を示す信号である。また、この場合、積分結果判定回路１０３は、出力電圧の積分結果と目標電圧の積分結果との差の大きさ（絶対値）に応じたパルス幅制御信号ｓ２を生成する。
【００３３】
補正電流生成回路１０４には、極性信号ｓ１及びパルス幅制御信号ｓ２が入力される。補正電流生成回路１０４は、極性信号ｓ１に応じて、補正電流Ｉ１又はＩ２のいずれかの補正電流を出力する。例えば、デジタル信号である極性信号ｓ１がＨの場合、上部電極２０２ａに供給される補正電流Ｉ１が補正電流生成回路１０４から出力されるとする。ここで、下部電極２０２ｂに供給される補正電流Ｉ２が補正電流生成回路１０４から出力されることはない。反対に、極性信号ｓ１がＬの場合、上部電極２０２ａに供給される補正電流Ｉ１は補正電流生成回路１０４から出力されず、下部電極２０２ｂに供給される補正電流Ｉ２のみが補正電流生成回路１０４から出力される。
【００３４】
また、補正電流生成回路１０４は、パルス幅制御信号ｓ２に応じた時間だけ一定値の補正電流Ｉ１又はＩ２を出力する。即ち、ＰＷＭ制御により曲率センサ２００への注入電荷量が制御される。ここで、積分結果判定回路１０３により動作状態にあると判断された場合、補正電流生成回路１０４は、パルス幅制御信号ｓ２に応じて一定時間、一定値の補正電流Ｉ１又はＩ２を出力する。つまり、常に一定量の電荷が曲率センサ２００へ注入される。一定量の電荷を、時間依存的に注入することにより、ヒステリシスの少ないまた急峻な変動がない迅速な補正をすることができる。
【００３５】
一方、積分結果判定回路１０３により静止状態にあると判断された場合、出力電圧の積分結果と目標電圧の積分結果との差が大きければ、一定値の補正電流Ｉ１又はＩ２が出力される時間が長くなり、曲率センサ２００へ注入される電荷量が多くなる。反対に、出力電圧の積分結果と目標電圧の積分結果との差が小さければ、一定値の補正電流Ｉ１又はＩ２が出力される時間も短くなり、曲率センサ２００へ注入される電荷量も少なくなる。
【００３６】
上述のように、曲率センサ２００は、曲率を一定に保持した場合、その曲率に応じた略一定の起電力を出力し続ける。しかしながら、厳密には長時間保持すると、例えば正の起電力の場合、徐々に起電力が減少し、曲率と起電力との線形性が悪化するという問題があった。しかしながら、当該補正電流を曲率センサ２００に供給することにより、一定の起電力に保持することができる。従って、曲率と起電力との線形性を保持することができる。
【００３７】
上述の曲率を一定に保持した場合のように、出力電圧の変化量が小さい場合、補正電流生成回路１０４は、出力電圧の目標電圧からのずれに応じた電荷量を曲率センサ２００へ出力する。これに対し、出力電圧の変化量が大きく、所定の基準値を超えるような場合、この電圧変動を緩和するように、出力電圧の変化量によらず一定の電荷を曲率センサ２００へ出力する。この場合の一定の注入電荷量は適宜調整の上、決定すればよい。
【００３８】
出力電圧の変化量が所定の基準値を超えた場合とは、具体的には、例えば、曲げ変形を加えている時や曲げ変形を解除した時である。このような場合、立ち上がりのオーバーシュートや立ち下がりのオーバーシュートが発生する。しかしながら、当該補正電流を曲率センサ２００に供給することにより、このようなオーバーシュートを緩和することができる。これにより、さらに高精度に曲率と起電力との線形性を保持することができる。
【００３９】
また、本実施の形態に係る補正回路１００は、曲率センサ２００の電極端子に直接接続されるものであって、曲率センサ２００自体に何らかの変更を必要とするものではない。そのため、曲率センサ２００の有する、薄さ、軽さ、可撓性などの特長が損なわれることがない。また通常考えられる補正方法のように、曲率センサ２００において発生した起電力をアルゴニズムに則った数学的な演算処理をして出力する必要がない。そのことにより、出力電圧を補正電荷により制御しながら出力することができるため、リアルタイム性に優れている。さらに、本発明に係る補正方法は、曲率センサ２００を構成する固体高分子電解質の特性を踏まえて、これに直接電荷を注入するという極めて独創的な手法である。
【００４０】
次に、図２を用いて本実施の形態に係る補正方法について説明する。図２は、実施の形態１に係る補正方法を説明するためのフローチャートである。図２に示すように、出力電圧の変化量をモニターする（ステップＳＴ１）。図１の例では、積分回路１０２により出力電圧の変化量をモニターする。次に、出力電圧の変化量が基準値以下であるか否かを判定する（ステップＳＴ２）。図１の例では、積分結果判定回路１０３により判定する。
【００４１】
ここで、出力電圧の変化量が大きく、基準値以下でなければ（ステップＳＴ２ＮＯ）、動作状態にあると判断し、出力電圧の変化を緩和する方向に一定量の電荷を曲率センサ２００へ注入する（ステップＳＴ３）。そして、再度ステップＳＴ１へ戻り、出力電圧の変化量を測定する。
【００４２】
一方、出力電圧の変化量が小さく、基準値以下であれば（ステップＳＴ２ＹＥＳ）、静止状態にあると判断し、目標電圧を設定すると共に出力電圧と目標電圧とのずれを計算する（ステップＳＴ４）。そして、この出力電圧と目標電圧とのずれに応じた量の電荷を、出力電圧が目標電圧に近づく方向に注入する（ステップＳＴ５）。そして、再度ステップＳＴ１へ戻り、出力電圧の変化量を測定する。
【００４３】
次に、図３を用いて図１の補正回路１００の動作について説明する。図３は、実施の形態１に係る補正回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。図３に示したのは、出力電圧の変化量が小さい場合であって、目標電圧に保持するための補正動作である。図３の最上段は、Ａ／Ｄ変換回路１０１から出力されたデジタル出力電圧Ｖｄを示している。２段目は、積分結果判定回路１０３から出力される極性信号ｓ１を示している。３段目は、積分結果判定回路１０３から出力されるパルス幅制御信号ｓ２を示している。最下段は、補正電流生成回路１０４から出力される補正電流Ｉ１又はＩ２（注入電荷量）を示している。
【００４４】
図３に示すように、等しいサンプリング時間で出力電圧Ｖｄを積分し、この積分結果に基づいて極性信号ｓ１及びパルス幅制御信号ｓ２が生成される。まず、図３では途中からになっているが、時間Ｔ１までのサンプリング時間では、出力電圧Ｖｄの積分結果と目標電圧の積分結果との差は正の値となる。そのため、時間Ｔ１においてデジタル信号である極性信号ｓ１はＬとなる。また、時間Ｔ１においてパルス幅制御信号ｓ２は出力電圧Ｖｄの積分結果と目標電圧の積分結果との差の大きさ（絶対値）に応じて、幅Ｗ１だけＨになる。その結果、時間Ｔ１においてＩ２×Ｗ１の電荷が曲率センサ２００の下部電極２０２ｂに供給される。これにより、出力電圧Ｖｄが目標電圧に近づく。
【００４５】
時間Ｔ１から時間Ｔ２までのサンプリング時間では、出力電圧Ｖｄが目標電圧より常に大きいため、出力電圧Ｖｄの積分結果と目標電圧の積分結果との差は正の値となる。そのため、時間Ｔ２においてデジタル信号である極性信号ｓ１はＬのままとなる。また、時間Ｔ２においてパルス幅制御信号ｓ２は出力電圧Ｖｄの積分結果と目標電圧の積分結果との差の大きさ（絶対値）に応じて、幅Ｗ２だけＨになる。その結果、時間Ｔ２においてＩ２×Ｗ２の電荷が曲率センサ２００の下部電極２０２ｂに供給される。これにより、出力電圧Ｖｄが目標電圧に近づく。
【００４６】
時間Ｔ２から時間Ｔ３までのサンプリング時間では、出力電圧Ｖｄの積分結果と目標電圧幅の積分結果との差が負にて最小値となる。そのため、時間Ｔ３においてデジタル信号である極性信号ｓ１はＨに切り換わる。また、出力電圧Ｖｄの積分結果と目標電圧の積分結果との差が０であるため、時間Ｔ３においてパルス幅制御信号ｓ２はＨにならない。その結果、時間Ｔ３では、補正電流Ｉ１、Ｉ２のいずれも流れない。
【００４７】
時間Ｔ３から時間Ｔ４までのサンプリング時間では、出力電圧Ｖｄが目標電圧より常に小さいため、出力電圧Ｖｄの積分結果と目標電圧の積分結果との差は負の値となる。そのため、時間Ｔ４においてデジタル信号である極性信号ｓ１はＨのままとなる。また、時間Ｔ４においてパルス幅制御信号ｓ２は出力電圧Ｖｄの積分結果と目標電圧の積分結果との差の大きさ（絶対値）に応じて、幅Ｗ４だけＨになる。その結果、時間Ｔ４においてＩ１×Ｗ４の電荷が曲率センサ２００の上部電極２０２ａに供給される。これにより、出力電圧Ｖｄが目標電圧に近づく。
【００４８】
時間Ｔ４から時間Ｔ５までのサンプリング時間では、出力電圧Ｖｄの積分結果と目標電圧の積分結果との差は正の値となる。そのため、時間Ｔ５においてデジタル信号である極性信号ｓ１はＨに切り換わる。また、時間Ｔ５においてパルス幅制御信号ｓ２は出力電圧Ｖｄの積分結果と目標電圧の積分結果との差の大きさ（絶対値）に応じて、幅Ｗ５だけＨになる。その結果、時間Ｔ４においてＩ２×Ｗ５の電荷が曲率センサ２００の下部電極２０２ｂに供給される。これにより、出力電圧Ｖｄが目標電圧に近づく。
【００４９】
図３を用いて説明したように、出力電圧の変化量が小さい場合、つまり、積分結果判定回路１０３により静止状態にあると判断された場合、出力電圧Ｖｄと目標電圧とのずれ量に応じた電荷量を曲率センサ２００へ注入することにより、出力電圧Ｖｄが目標電圧に近づくようにフィードバック補正する。
【実施例】
【００５０】
次に、本願に係る具体的な実施例を用いて本発明の効果について説明する。図４は実施例及び比較例に係る曲率センサ２００の構造を示す断面図である。曲率センサ２００は、縦２０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ０．０３〜０．２ｍｍのＳＰＥ層２０１の表裏両面に同一形状の炭素電極２０２を備えている。更に、２つの炭素電極２０２の外側表面には、それぞれ銀ペーストが塗布され、導電層２０３が形成されている。そして、ＳＰＥ層２０１、炭素電極２０２、導電層２０３は、樹脂製の保護膜２０４により覆われている。ここで、ＳＰＥ層２０１は例えば特許文献１に開示された公知の非水系高分子固体電解質から構成されている。
【００５１】
導電層２０３にリード２０５が接続されることにより、曲率に応じた起電力を測定できる。そして、実施例では補正回路（不図示）からリード２０５を介して補正電流が曲率センサ２００へ供給される。当然のことながら、比較例に係る曲率センサ２００は、このような補正回路を備えていない。
【００５２】
また、曲率センサ２００は、板バネ３０２に挟持されている。さらに、板バネ３０２に挟持された曲率センサ２００が、ホルダ（固定治具）３０２に固定されている。ここで、各構成要素の位置関係は、図４に示すようになっている。
【００５３】
具体的には、２０ｍｍ×２０ｍｍのＳＰＥ層２０１の先端と板バネ３０２の先端とが一致している。また、ＳＰＥ層２０１の中央部までホルダ３０２に挟まれている。つまり、ＳＰＥ層２０１の先端側１０ｍｍがホルダ３０２から突出し、曲げ変形可能な状態となっている。ＳＰＥ層２０１の先端から２ｍｍの領域がシェーカー３０１により押され、図面下側に曲げ変形される。
【００５４】
ここで、シェーカー３０１は、図４に矢印にて示した図面上下方向に移動する。シェーカー３０１が図面下側に移動することにより、ＳＰＥ層２０１の先端が押され、曲げ変形する。反対に、シェーカー３０１が図面上側に移動することにより、ＳＰＥ層２０１の曲げ変形が解除される。また、ＳＰＥ層２０１の先端から５ｍｍの部位の変位をレーザ変位計により測定した。
【００５５】
図５Ａ、５Ｂには、出力電圧が４５０μＶ程度となる曲げ変形量（曲率）を付与し続けた場合の出力電圧の変化を示している。図５Ａ、５Ｂの横軸は時間（秒）、縦軸は出力電圧（μＶ）を示している。図５Ａ、５Ｂにおいて実施例Ａ、比較例Ｂとして示している。図５Ａは短時間での出力電圧変化を示している。図５Ａに示すように、実施例Ａでは、比較例Ｂに比べ、立ち上がりのオーバーシュートが抑制されていることが分かる。
【００５６】
図５Ｂは長時間での出力電圧変化を示している。図５Ｂに示すように、比較例Ｂでは０〜２００秒付近において出力電圧が低下及び再上昇し、１０００秒以降において出力電圧が徐々に低下している。これに対し、実施例Ａでは、出力電圧が４５０μＶ付近で一定に保持されている。
【００５７】
次に、図６Ａ、６Ｂには、出力電圧が４５０μＶ程度となる曲げ変形量（曲率）を付与した後、この曲げ変形を解除した場合の出力電圧の変化を示している。図６Ａ、６Ｂの横軸は時間（秒）、縦軸は出力電圧（μＶ）を示している。図６Ａ、６Ｂにおいて実施例Ａ、比較例Ｂとして示している。図６Ａは短時間での出力電圧変化を示している。図６Ａに示すように、実施例Ａでは、比較例Ｂに比べ、立ち下がりのオーバーシュートが抑制されていることが分かる。
【００５８】
図６Ｂは長時間での出力電圧変化を示している。図６Ｂに示すように、比較例Ｂでは０〜５００秒付近において出力電圧が０μＶから比較的急激に降下し、１０００秒以降においても出力電圧が徐々に低下し続け、２０００秒において約−１００μＶとなっている。これに対し、実施例Ａでは、出力電圧が０μＶで一定に保持されている。
【００５９】
次に、図７Ａ、７Ｂには、出力電圧が７５μＶ程度となる曲げ変形量（曲率）を約１秒毎に繰り返し付与した場合の出力電圧の変化を示している。試験は０〜２６０分行なった。図７Ａ、７Ｂの横軸は時間（秒）、縦軸は出力電圧（μＶ）を示している。図７Ａ、７Ｂにおいて実施例Ａ、比較例Ｂとして示している。図７Ａは試験開始後０〜２０分における出力電圧変化を示している。図７Ａに示すように、比較例Ｂでは出力電圧の最大値（及び最小値）が徐々に降下している。これに対し、実施例Ａでは、出力電圧の最大値（及び最小値）が一定に保持されている。
【００６０】
図７Ｂは試験開始後２４０〜２６０分における出力電圧変化を示している。図７Ｂに示すように、比較例Ｂでは出力電圧の最大値（及び最小値）がさらに降下している。即ち、比較例Ｂでは、付与している曲率は同じであるにも関わらず、出力電圧の出力値が繰り返し数の増加と共に大きく低下してしまう。これに対し、実施例Ａでは、試験開始後２４０分を経過した後も、出力電圧の最大値（及び最小値）が試験開始直後とほとんど変化せず、一定に保持されている。
【００６１】
次に、図８Ａ、８Ｂには、出力電圧が２５０μＶ程度となる曲げ変形量（曲率）を約２秒毎に繰り返し付与した場合の出力電圧の変化を示している。図８Ａ、８Ｂの横軸は時間（秒）、縦軸は出力電圧（μＶ）を示している。図８Ａ、８Ｂにおいて実施例Ａ、比較例Ｂとして示している。図８Ａは短時間での出力電圧変化を示している。図８Ａに示すように、実施例Ａでは、比較例Ｂに比べ、立ち上がり及び立ち下がりのオーバーシュートが抑制されていることが分かる。
【００６２】
図８Ｂは長時間での出力電圧変化を示している。図８Ｂに示すように、比較例Ｂでは出力電圧が回数毎に徐々に低下している。これに対し、実施例Ａでは、出力電圧が２５０μＶ付近で一定に保持されている。
【００６３】
次に、図９Ａ、９Ｂには、出力電圧が２５０μＶ程度となる曲げ変形量（曲率）を約２秒毎に５段階に分割して繰り返し付与した場合の出力電圧の変化を示している。図９Ａ、９Ｂの横軸は時間（秒）、縦軸は出力電圧（μＶ）を示している。図９Ａ、９Ｂにおいて実施例Ａ、比較例Ｂとして示している。図９Ａは短時間での出力電圧変化を示している。図９Ａに示すように、実施例Ａでは、比較例Ｂに比べ、立ち上がり及び立ち下がりのオーバーシュートが抑制されていることが分かる。
【００６４】
図９Ｂは長時間での出力電圧変化を示している。図９Ｂに示すように、比較例Ｂでは出力電圧が回数毎に徐々に低下している。また、図９Ｂの比較例Ｂから分かるように、５段階に分割して曲げ変形を付与した場合、図９Ｂの比較例Ｂのように分割せずに１段階で曲げ変形を付与した場合に比べ、出力電圧の低下が大きくなっている。これに対し、図９Ｂの実施例Ａでは、図９Ｂの実施例Ａと同様に、繰り返し数が増えても出力電圧が２５０μＶ付近で一定に保持されている。
【００６５】
以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。例えば、図１の積分回路１０２に代えて、かなり急峻な変動には微分回路を用いてもよく、さらに、積分回路と微分回路の両方を用いて出力電圧の変化をモニターしてもよい。また、積分回路１０２、積分結果判定回路１０３、補正電流生成回路１０４を２経路備え、出力電圧の変化量が小さい場合の経路と、出力電圧の変化量が大きい場合の経路とを別々としてもよい。
【符号の説明】
【００６６】
１００ 補正回路
１０１ 変換回路
１０２ 積分回路
１０３ 積分結果判定回路
１０４ 補正電流生成回路
２００ 曲率センサ
２０１ ＳＰＥ層
２０２ 炭素電極
２０２ａ 上部電極
２０２ｂ 下部電極
２０３ 導電層
２０４ 保護膜
２０５ リード
３０１ シェーカー
３０２ 板バネ
３０２ ホルダ
【技術分野】
【０００１】
本発明はセンサ出力補正回路及び補正方法に関し、特に固体高分子電解質を用いた曲率センサ用の補正回路及び補正方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療介護機器、産業用ロボット、パーソナルロボットなどの分野において、小型で軽量なセンサの必要性が高まっている。また、歪センサ、振動センサとして、複雑な形状の構造物に設置可能な軽量かつ可撓性を有するセンサの必要性が高まっている。
【０００３】
このような軽量かつ可撓性を有するセンサとして、特許文献１には、固体高分子電解質（ＳＰＥ：Solid Polymer Electrolyte）、特に、非水系高分子固体電解質を用いた変形センサが開示されている。このセンサは、センサ素子の変形により起電力を生じるものである。また、非水系高分子固体電解質を用いているため、空気中において安定して高い応答感度を有する。
【０００４】
また、特許文献１に記載の変形センサでは、非特許文献１に記載の通り、可撓性を有するセンサに付与される曲率と、センサからの出力電圧との間に比例関係（線形性）を有することが知られている。そのため、特許文献１に記載の変形センサの具体的用途としては、曲率（曲げ変形）センサが特に有望視されている。この曲率センサは、広範囲の曲率を検出することができる。また、変形を保持した場合、略一定の電圧を発生し続けることができる。さらには、バイアス電圧が不要であるため、低消費電力であるなどの特徴を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００９／０９６４１９号パンフレット
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】大槻、外２名、「固体高分子電解質を用いた曲率センサの特性評価」、第１８回ＭＡＧＤＡコンファレンスｉｎ東京、電磁現象及び電磁力に関するコンファレンス講演論文集、２００９年、ｐ．１６５−１７０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図１０は、本発明が解決しようとする課題を説明するための模式的グラフである。図１０の横軸は時間、縦軸は曲率センサの出力電圧である。一定時間間隔において、同一の曲率を繰り返し付与した場合を示している。図１０に示すように、繰り返し回数が増えると、同一の曲率を付与しているにも関わらず、出力電圧が徐々に降下している。即ち、曲率センサに付与される曲率と、曲率センサからの出力電圧との間の線形性が保持されないという問題があった。
【０００８】
本発明は上記に鑑みなされたものであり、固体高分子電解質を用いた曲率センサに付与される曲率と曲率センサからの出力電圧との間の線形性を保持するためのセンサ出力補正回路及び補正方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る第１の態様は、
一対の電極と、
前記一対の電極間に形成された固体高分子電解質層と、を備えたセンサが、
付与された曲率に応じて出力する出力電圧を補正する補正回路であって、
前記出力電圧の変化量を監視する監視回路と、
前記変化量が所定の基準値よりも小さい場合、前記センサが静止状態であると判定し、目標電圧を設定する状態判定回路と、
前記静止状態であると判定された場合、前記センサに対し前記出力電圧が前記目標電圧に近づく方向に前記出力電圧と前記目標電圧とのずれに応じた量の電荷を注入する補正電流生成回路と、を備えるセンサ出力補正回路である。
これにより、センサに付与される曲率とセンサからの出力電圧との間の線形性を保持することができる。
【００１０】
本発明に係る第２の態様は、前記第１の態様において、
前記状態判定回路は、前記変化量が所定の基準値よりも大きい場合、前記センサが動作状態であると判定し、
前記動作状態であると判定された場合、前記補正電流生成回路は、前記センサに対し前記変化量を緩和する方向に電荷を注入することを特徴とするセンサ出力補正回路である。
これにより、より確実に、センサに付与される曲率とセンサからの出力電圧との間の線形性を保持することができる。
【００１１】
本発明に係る第３の態様は、前記第２の態様において、
前記動作状態であると判定された場合、前記センサに対し注入される前記電荷の量が、前記変化量によらず一定であることを特徴とするセンサ出力補正回路である。
これにより、より迅速に補正することができる。
【００１２】
本発明に係る第４の態様は、前記第１〜３のいずれかの態様において、
前記静止状態であると判定された場合、前記センサに対し注入される前記電荷の量が、ＰＷＭ制御されることを特徴とするセンサ出力補正回路である。ＰＷＭ制御は、具体的な制御方法として好適である。
【００１３】
本発明に係る第５の態様は、前記第１〜４のいずれかの態様において、
前記監視回路が積分回路を含むことを特徴とするセンサ出力補正回路である。具体的回路構成として好適である。
【００１４】
本発明に係る第６の態様は、前記第１〜５のいずれかの態様において、
前記監視回路が微分回路を含むことを特徴とするセンサ出力補正回路である。具体的回路構成として好適である。
【００１５】
本発明に係る第７の態様は、前記第１〜６のいずれかの態様において、
前記固体高分子電解質層が非水系高分子固体電解質層であることを特徴とするセンサ出力補正回路である。具体的回路構成として好適である。
【００１６】
本発明に係る第８の態様は、
一対の電極と、
前記一対の電極間に形成された固体高分子電解質層と、を備えたセンサが、
付与された曲率に応じて出力する出力電圧を補正する補正方法であって、
前記出力電圧の変化量を監視するステップと、
前記変化量が所定の基準値よりも小さい場合、前記センサが静止状態であると判定し、目標電圧を設定するステップと、
前記静止状態であると判定した場合、前記センサに対し前記出力電圧が前記目標電圧に近づく方向に前記出力電圧と前記目標電圧とのずれに応じた量の電荷を注入するステップと、を備えるセンサ出力補正方法である。
これにより、センサに付与される曲率とセンサからの出力電圧との間の線形性を保持することができる。
【００１７】
本発明に係る第９の態様は、前記第８の態様において、
前記変化量が所定の基準値よりも大きい場合、前記センサが動作状態であると判定するステップと、
前記動作状態であると判定した場合、前記センサに対し前記変化量を緩和する方向に電荷を注入するステップと、を更に備えることを特徴とするセンサ出力補正方法である。
これにより、より確実に、センサに付与される曲率とセンサからの出力電圧との間の線形性を保持することができる。
【００１８】
本発明に係る第１０の態様は、前記第９の態様において、
前記動作状態であると判定した場合、前記センサに対し注入する前記電荷の量が、前記変化量によらず一定とすることを特徴とするセンサ出力補正方法である。
これにより、より迅速に補正することができる。
【００１９】
本発明に係る第１１の態様は、前記第８〜１０のいずれかの態様において、
前記静止状態であると判定した場合、前記センサに対し注入する前記電荷の量を、ＰＷＭ制御することを特徴とするセンサ出力補正方法である。ＰＷＭ制御は、具体的な制御方法として好適である。
【００２０】
本発明に係る第１２の態様は、前記第８〜１１のいずれかの態様において、
前記固体高分子電解質層が非水系高分子固体電解質層であることを特徴とするセンサ出力補正回路である。特に非水系高分子固体電解質層を用いたセンサの出力電圧の補正方法として好適である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、固体高分子電解質を用いた曲率センサに付与される曲率と曲率センサからの出力電圧との間の線形性を保持するためのセンサ出力補正回路及び補正方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施の形態１に係る補正回路を備えた曲率センサのブロック図である。
【図２】実施の形態１に係る補正方法を説明するためのフローチャートである。
【図３】実施の形態１に係る補正回路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】実施例及び比較例に係る曲率センサ２００の構造を示す断面図である。
【図５Ａ】出力電圧が４５０μＶ程度となる曲げ変形量（曲率）を付与し続けた場合の出力電圧の変化を示すグラフである。
【図５Ｂ】出力電圧が４５０μＶ程度となる曲げ変形量（曲率）を付与し続けた場合の出力電圧の変化を示すグラフである。
【図６Ａ】出力電圧が４５０μＶ程度となる曲げ変形量（曲率）を付与した後、この曲げ変形を解除した場合の出力電圧の変化を示すグラフである。
【図６Ｂ】出力電圧が４５０μＶ程度となる曲げ変形量（曲率）を付与した後、この曲げ変形を解除した場合の出力電圧の変化を示すグラフである。
【図７Ａ】出力電圧が７５μＶ程度となる曲げ変形量（曲率）を約１秒毎に繰り返し付与した場合の出力電圧の変化を示すグラフである。
【図７Ｂ】出力電圧が７５μＶ程度となる曲げ変形量（曲率）を約１秒毎に繰り返し付与した場合の出力電圧の変化を示すグラフである。
【図８Ａ】出力電圧が２５０μＶ程度となる曲げ変形量（曲率）を約２秒毎に繰り返し付与した場合の出力電圧の変化を示すグラフである。
【図８Ｂ】出力電圧が２５０μＶ程度となる曲げ変形量（曲率）を約２秒毎に繰り返し付与した場合の出力電圧の変化を示すグラフである。
【図９Ａ】出力電圧が２５０μＶ程度となる曲げ変形量（曲率）を約２秒毎に５段階に分割して繰り返し付与した場合の出力電圧の変化を示すグラフである。
【図９Ｂ】出力電圧が２５０μＶ程度となる曲げ変形量（曲率）を約２秒毎に５段階に分割して繰り返し付与した場合の出力電圧の変化を示すグラフである。
【図１０】本発明が解決しようとする課題を説明するための模式的グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００２４】
（実施の形態１）
図１を参照して本発明の第１の実施の形態に係る補正回路を備えた曲率センサについて説明する。図１は、実施の形態１に係る補正回路を備えた曲率センサのブロック図である。図１に示す補正回路１００は、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路１０１、積分回路１０２、積分結果判定回路１０３、補正電流生成回路１０４を備えている。曲率センサ２００は、上部電極２０２ａ、下部電極２０２ｂ、ＳＰＥ層２０１を備えている。
【００２５】
図１には、曲率センサ２００の模式的断面図が示されている。ＳＰＥ層２０１は、非水系高分子固体電解質層である。具体的な非水系高分子固体電解質としては、例えば、特許文献１や特開２００７-３３６７９０号公報に開示された公知の非水系高分子固体電解質を用いることができる。ＳＰＥ層２０１は、上部電極２０２ａと、下部電極２０２ｂとに挟持されている。ここで、上部電極２０２ａ及び下部電極２０２ｂとしては、例えば、特許文献１に開示された公知の炭素電極を用いることができる。そして、この上部電極２０２ａ及び下部電極２０２ｂの外側表面には、例えば銀ペーストなどの導電材料が塗布されている（不図示）。
【００２６】
実際の曲率センサ２００は、フィルム状であって、可撓性を有している。このフィルム状の曲率センサ２００自体を曲げ変形する、即ち、曲率センサ２００に曲率を付与すると、曲率に応じた起電力が発生する。つまり、図１に示すように、曲率センサ２００に曲率を付与すると、曲率に応じた起電力Ｖａが、上部電極２０２ａと下部電極２０２ｂとの間に発生する。これまでの曲率センサ２００は、曲率に応じた起電力Ｖａを検出するのみであった。ここで、曲率センサ２００をある一方向に曲げた場合の起電力が正の値である場合、その反対方向に曲げた場合の起電力は負の値となる。
【００２７】
これに対し、本実施の形態に係る曲率センサ２００には、補正回路１００が接続されている。上述の通り、図１に示す補正回路１００は、Ａ／Ｄ変換回路１０１、積分回路１０２、積分結果判定回路１０３、補正電流生成回路１０４を備えている。Ａ／Ｄ変換回路１０１には、曲率センサ２００において発生したアナログ起電力Ｖａが入力される。
【００２８】
Ａ／Ｄ変換回路１０１は、このアナログ起電力Ｖａをデジタル出力電圧Ｖｄに変換し、出力する。このデジタル出力電圧Ｖｄが測定値としてモニターされる。つまり、このデジタル出力電圧Ｖｄから測定対象である曲率を逆算することができる。
【００２９】
他方、Ａ／Ｄ変換回路１０１から出力されたデジタル出力電圧Ｖｄは、積分回路１０２に入力される。積分回路１０２は、所定の期間毎にデジタル出力電圧Ｖｄを積分する。そして、積分回路１０２から出力された積分結果が、積分結果判定回路１０３に入力される。
【００３０】
積分結果判定回路１０３は、出力電圧の変化量が大きい場合つまり所定の基準値以上の場合、曲率センサ２００が動作状態にあると判断する。一方、出力電圧の変化量が小さい場合つまり所定の基準値より小さい場合、曲率センサ２００が静止状態にあると判断する。
【００３１】
動作状態にあると判断した場合、積分結果判定回路１０３は、出力電圧の変化を緩和する方向を示す極性信号ｓ１を生成する。この極性信号ｓ１に応じて補正電流生成回路１０４から出力される補正電流の方向つまり補正電流Ｉ１又はＩ２のいずれかが選択される。また、この場合、積分結果判定回路１０３は、一定の電荷量を出力するためのパルス幅制御信号ｓ２を生成する。
【００３２】
一方、静止状態にあると判断した場合、積分結果判定回路１０３は、その静止状態における出力電圧のレンジに対応した設定制御変動幅上下の近い方に目標電圧を設定する。そして、出力電圧の積分結果と目標電圧の積分結果との差の極性つまりその差が正の値か負の値かに応じた極性信号ｓ１を生成する。具体的には、極性信号ｓ１は出力電圧を目標電圧に近づける方向を示す信号である。また、この場合、積分結果判定回路１０３は、出力電圧の積分結果と目標電圧の積分結果との差の大きさ（絶対値）に応じたパルス幅制御信号ｓ２を生成する。
【００３３】
補正電流生成回路１０４には、極性信号ｓ１及びパルス幅制御信号ｓ２が入力される。補正電流生成回路１０４は、極性信号ｓ１に応じて、補正電流Ｉ１又はＩ２のいずれかの補正電流を出力する。例えば、デジタル信号である極性信号ｓ１がＨの場合、上部電極２０２ａに供給される補正電流Ｉ１が補正電流生成回路１０４から出力されるとする。ここで、下部電極２０２ｂに供給される補正電流Ｉ２が補正電流生成回路１０４から出力されることはない。反対に、極性信号ｓ１がＬの場合、上部電極２０２ａに供給される補正電流Ｉ１は補正電流生成回路１０４から出力されず、下部電極２０２ｂに供給される補正電流Ｉ２のみが補正電流生成回路１０４から出力される。
【００３４】
また、補正電流生成回路１０４は、パルス幅制御信号ｓ２に応じた時間だけ一定値の補正電流Ｉ１又はＩ２を出力する。即ち、ＰＷＭ制御により曲率センサ２００への注入電荷量が制御される。ここで、積分結果判定回路１０３により動作状態にあると判断された場合、補正電流生成回路１０４は、パルス幅制御信号ｓ２に応じて一定時間、一定値の補正電流Ｉ１又はＩ２を出力する。つまり、常に一定量の電荷が曲率センサ２００へ注入される。一定量の電荷を、時間依存的に注入することにより、ヒステリシスの少ないまた急峻な変動がない迅速な補正をすることができる。
【００３５】
一方、積分結果判定回路１０３により静止状態にあると判断された場合、出力電圧の積分結果と目標電圧の積分結果との差が大きければ、一定値の補正電流Ｉ１又はＩ２が出力される時間が長くなり、曲率センサ２００へ注入される電荷量が多くなる。反対に、出力電圧の積分結果と目標電圧の積分結果との差が小さければ、一定値の補正電流Ｉ１又はＩ２が出力される時間も短くなり、曲率センサ２００へ注入される電荷量も少なくなる。
【００３６】
上述のように、曲率センサ２００は、曲率を一定に保持した場合、その曲率に応じた略一定の起電力を出力し続ける。しかしながら、厳密には長時間保持すると、例えば正の起電力の場合、徐々に起電力が減少し、曲率と起電力との線形性が悪化するという問題があった。しかしながら、当該補正電流を曲率センサ２００に供給することにより、一定の起電力に保持することができる。従って、曲率と起電力との線形性を保持することができる。
【００３７】
上述の曲率を一定に保持した場合のように、出力電圧の変化量が小さい場合、補正電流生成回路１０４は、出力電圧の目標電圧からのずれに応じた電荷量を曲率センサ２００へ出力する。これに対し、出力電圧の変化量が大きく、所定の基準値を超えるような場合、この電圧変動を緩和するように、出力電圧の変化量によらず一定の電荷を曲率センサ２００へ出力する。この場合の一定の注入電荷量は適宜調整の上、決定すればよい。
【００３８】
出力電圧の変化量が所定の基準値を超えた場合とは、具体的には、例えば、曲げ変形を加えている時や曲げ変形を解除した時である。このような場合、立ち上がりのオーバーシュートや立ち下がりのオーバーシュートが発生する。しかしながら、当該補正電流を曲率センサ２００に供給することにより、このようなオーバーシュートを緩和することができる。これにより、さらに高精度に曲率と起電力との線形性を保持することができる。
【００３９】
また、本実施の形態に係る補正回路１００は、曲率センサ２００の電極端子に直接接続されるものであって、曲率センサ２００自体に何らかの変更を必要とするものではない。そのため、曲率センサ２００の有する、薄さ、軽さ、可撓性などの特長が損なわれることがない。また通常考えられる補正方法のように、曲率センサ２００において発生した起電力をアルゴニズムに則った数学的な演算処理をして出力する必要がない。そのことにより、出力電圧を補正電荷により制御しながら出力することができるため、リアルタイム性に優れている。さらに、本発明に係る補正方法は、曲率センサ２００を構成する固体高分子電解質の特性を踏まえて、これに直接電荷を注入するという極めて独創的な手法である。
【００４０】
次に、図２を用いて本実施の形態に係る補正方法について説明する。図２は、実施の形態１に係る補正方法を説明するためのフローチャートである。図２に示すように、出力電圧の変化量をモニターする（ステップＳＴ１）。図１の例では、積分回路１０２により出力電圧の変化量をモニターする。次に、出力電圧の変化量が基準値以下であるか否かを判定する（ステップＳＴ２）。図１の例では、積分結果判定回路１０３により判定する。
【００４１】
ここで、出力電圧の変化量が大きく、基準値以下でなければ（ステップＳＴ２ＮＯ）、動作状態にあると判断し、出力電圧の変化を緩和する方向に一定量の電荷を曲率センサ２００へ注入する（ステップＳＴ３）。そして、再度ステップＳＴ１へ戻り、出力電圧の変化量を測定する。
【００４２】
一方、出力電圧の変化量が小さく、基準値以下であれば（ステップＳＴ２ＹＥＳ）、静止状態にあると判断し、目標電圧を設定すると共に出力電圧と目標電圧とのずれを計算する（ステップＳＴ４）。そして、この出力電圧と目標電圧とのずれに応じた量の電荷を、出力電圧が目標電圧に近づく方向に注入する（ステップＳＴ５）。そして、再度ステップＳＴ１へ戻り、出力電圧の変化量を測定する。
【００４３】
次に、図３を用いて図１の補正回路１００の動作について説明する。図３は、実施の形態１に係る補正回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。図３に示したのは、出力電圧の変化量が小さい場合であって、目標電圧に保持するための補正動作である。図３の最上段は、Ａ／Ｄ変換回路１０１から出力されたデジタル出力電圧Ｖｄを示している。２段目は、積分結果判定回路１０３から出力される極性信号ｓ１を示している。３段目は、積分結果判定回路１０３から出力されるパルス幅制御信号ｓ２を示している。最下段は、補正電流生成回路１０４から出力される補正電流Ｉ１又はＩ２（注入電荷量）を示している。
【００４４】
図３に示すように、等しいサンプリング時間で出力電圧Ｖｄを積分し、この積分結果に基づいて極性信号ｓ１及びパルス幅制御信号ｓ２が生成される。まず、図３では途中からになっているが、時間Ｔ１までのサンプリング時間では、出力電圧Ｖｄの積分結果と目標電圧の積分結果との差は正の値となる。そのため、時間Ｔ１においてデジタル信号である極性信号ｓ１はＬとなる。また、時間Ｔ１においてパルス幅制御信号ｓ２は出力電圧Ｖｄの積分結果と目標電圧の積分結果との差の大きさ（絶対値）に応じて、幅Ｗ１だけＨになる。その結果、時間Ｔ１においてＩ２×Ｗ１の電荷が曲率センサ２００の下部電極２０２ｂに供給される。これにより、出力電圧Ｖｄが目標電圧に近づく。
【００４５】
時間Ｔ１から時間Ｔ２までのサンプリング時間では、出力電圧Ｖｄが目標電圧より常に大きいため、出力電圧Ｖｄの積分結果と目標電圧の積分結果との差は正の値となる。そのため、時間Ｔ２においてデジタル信号である極性信号ｓ１はＬのままとなる。また、時間Ｔ２においてパルス幅制御信号ｓ２は出力電圧Ｖｄの積分結果と目標電圧の積分結果との差の大きさ（絶対値）に応じて、幅Ｗ２だけＨになる。その結果、時間Ｔ２においてＩ２×Ｗ２の電荷が曲率センサ２００の下部電極２０２ｂに供給される。これにより、出力電圧Ｖｄが目標電圧に近づく。
【００４６】
時間Ｔ２から時間Ｔ３までのサンプリング時間では、出力電圧Ｖｄの積分結果と目標電圧幅の積分結果との差が負にて最小値となる。そのため、時間Ｔ３においてデジタル信号である極性信号ｓ１はＨに切り換わる。また、出力電圧Ｖｄの積分結果と目標電圧の積分結果との差が０であるため、時間Ｔ３においてパルス幅制御信号ｓ２はＨにならない。その結果、時間Ｔ３では、補正電流Ｉ１、Ｉ２のいずれも流れない。
【００４７】
時間Ｔ３から時間Ｔ４までのサンプリング時間では、出力電圧Ｖｄが目標電圧より常に小さいため、出力電圧Ｖｄの積分結果と目標電圧の積分結果との差は負の値となる。そのため、時間Ｔ４においてデジタル信号である極性信号ｓ１はＨのままとなる。また、時間Ｔ４においてパルス幅制御信号ｓ２は出力電圧Ｖｄの積分結果と目標電圧の積分結果との差の大きさ（絶対値）に応じて、幅Ｗ４だけＨになる。その結果、時間Ｔ４においてＩ１×Ｗ４の電荷が曲率センサ２００の上部電極２０２ａに供給される。これにより、出力電圧Ｖｄが目標電圧に近づく。
【００４８】
時間Ｔ４から時間Ｔ５までのサンプリング時間では、出力電圧Ｖｄの積分結果と目標電圧の積分結果との差は正の値となる。そのため、時間Ｔ５においてデジタル信号である極性信号ｓ１はＨに切り換わる。また、時間Ｔ５においてパルス幅制御信号ｓ２は出力電圧Ｖｄの積分結果と目標電圧の積分結果との差の大きさ（絶対値）に応じて、幅Ｗ５だけＨになる。その結果、時間Ｔ４においてＩ２×Ｗ５の電荷が曲率センサ２００の下部電極２０２ｂに供給される。これにより、出力電圧Ｖｄが目標電圧に近づく。
【００４９】
図３を用いて説明したように、出力電圧の変化量が小さい場合、つまり、積分結果判定回路１０３により静止状態にあると判断された場合、出力電圧Ｖｄと目標電圧とのずれ量に応じた電荷量を曲率センサ２００へ注入することにより、出力電圧Ｖｄが目標電圧に近づくようにフィードバック補正する。
【実施例】
【００５０】
次に、本願に係る具体的な実施例を用いて本発明の効果について説明する。図４は実施例及び比較例に係る曲率センサ２００の構造を示す断面図である。曲率センサ２００は、縦２０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ０．０３〜０．２ｍｍのＳＰＥ層２０１の表裏両面に同一形状の炭素電極２０２を備えている。更に、２つの炭素電極２０２の外側表面には、それぞれ銀ペーストが塗布され、導電層２０３が形成されている。そして、ＳＰＥ層２０１、炭素電極２０２、導電層２０３は、樹脂製の保護膜２０４により覆われている。ここで、ＳＰＥ層２０１は例えば特許文献１に開示された公知の非水系高分子固体電解質から構成されている。
【００５１】
導電層２０３にリード２０５が接続されることにより、曲率に応じた起電力を測定できる。そして、実施例では補正回路（不図示）からリード２０５を介して補正電流が曲率センサ２００へ供給される。当然のことながら、比較例に係る曲率センサ２００は、このような補正回路を備えていない。
【００５２】
また、曲率センサ２００は、板バネ３０２に挟持されている。さらに、板バネ３０２に挟持された曲率センサ２００が、ホルダ（固定治具）３０２に固定されている。ここで、各構成要素の位置関係は、図４に示すようになっている。
【００５３】
具体的には、２０ｍｍ×２０ｍｍのＳＰＥ層２０１の先端と板バネ３０２の先端とが一致している。また、ＳＰＥ層２０１の中央部までホルダ３０２に挟まれている。つまり、ＳＰＥ層２０１の先端側１０ｍｍがホルダ３０２から突出し、曲げ変形可能な状態となっている。ＳＰＥ層２０１の先端から２ｍｍの領域がシェーカー３０１により押され、図面下側に曲げ変形される。
【００５４】
ここで、シェーカー３０１は、図４に矢印にて示した図面上下方向に移動する。シェーカー３０１が図面下側に移動することにより、ＳＰＥ層２０１の先端が押され、曲げ変形する。反対に、シェーカー３０１が図面上側に移動することにより、ＳＰＥ層２０１の曲げ変形が解除される。また、ＳＰＥ層２０１の先端から５ｍｍの部位の変位をレーザ変位計により測定した。
【００５５】
図５Ａ、５Ｂには、出力電圧が４５０μＶ程度となる曲げ変形量（曲率）を付与し続けた場合の出力電圧の変化を示している。図５Ａ、５Ｂの横軸は時間（秒）、縦軸は出力電圧（μＶ）を示している。図５Ａ、５Ｂにおいて実施例Ａ、比較例Ｂとして示している。図５Ａは短時間での出力電圧変化を示している。図５Ａに示すように、実施例Ａでは、比較例Ｂに比べ、立ち上がりのオーバーシュートが抑制されていることが分かる。
【００５６】
図５Ｂは長時間での出力電圧変化を示している。図５Ｂに示すように、比較例Ｂでは０〜２００秒付近において出力電圧が低下及び再上昇し、１０００秒以降において出力電圧が徐々に低下している。これに対し、実施例Ａでは、出力電圧が４５０μＶ付近で一定に保持されている。
【００５７】
次に、図６Ａ、６Ｂには、出力電圧が４５０μＶ程度となる曲げ変形量（曲率）を付与した後、この曲げ変形を解除した場合の出力電圧の変化を示している。図６Ａ、６Ｂの横軸は時間（秒）、縦軸は出力電圧（μＶ）を示している。図６Ａ、６Ｂにおいて実施例Ａ、比較例Ｂとして示している。図６Ａは短時間での出力電圧変化を示している。図６Ａに示すように、実施例Ａでは、比較例Ｂに比べ、立ち下がりのオーバーシュートが抑制されていることが分かる。
【００５８】
図６Ｂは長時間での出力電圧変化を示している。図６Ｂに示すように、比較例Ｂでは０〜５００秒付近において出力電圧が０μＶから比較的急激に降下し、１０００秒以降においても出力電圧が徐々に低下し続け、２０００秒において約−１００μＶとなっている。これに対し、実施例Ａでは、出力電圧が０μＶで一定に保持されている。
【００５９】
次に、図７Ａ、７Ｂには、出力電圧が７５μＶ程度となる曲げ変形量（曲率）を約１秒毎に繰り返し付与した場合の出力電圧の変化を示している。試験は０〜２６０分行なった。図７Ａ、７Ｂの横軸は時間（秒）、縦軸は出力電圧（μＶ）を示している。図７Ａ、７Ｂにおいて実施例Ａ、比較例Ｂとして示している。図７Ａは試験開始後０〜２０分における出力電圧変化を示している。図７Ａに示すように、比較例Ｂでは出力電圧の最大値（及び最小値）が徐々に降下している。これに対し、実施例Ａでは、出力電圧の最大値（及び最小値）が一定に保持されている。
【００６０】
図７Ｂは試験開始後２４０〜２６０分における出力電圧変化を示している。図７Ｂに示すように、比較例Ｂでは出力電圧の最大値（及び最小値）がさらに降下している。即ち、比較例Ｂでは、付与している曲率は同じであるにも関わらず、出力電圧の出力値が繰り返し数の増加と共に大きく低下してしまう。これに対し、実施例Ａでは、試験開始後２４０分を経過した後も、出力電圧の最大値（及び最小値）が試験開始直後とほとんど変化せず、一定に保持されている。
【００６１】
次に、図８Ａ、８Ｂには、出力電圧が２５０μＶ程度となる曲げ変形量（曲率）を約２秒毎に繰り返し付与した場合の出力電圧の変化を示している。図８Ａ、８Ｂの横軸は時間（秒）、縦軸は出力電圧（μＶ）を示している。図８Ａ、８Ｂにおいて実施例Ａ、比較例Ｂとして示している。図８Ａは短時間での出力電圧変化を示している。図８Ａに示すように、実施例Ａでは、比較例Ｂに比べ、立ち上がり及び立ち下がりのオーバーシュートが抑制されていることが分かる。
【００６２】
図８Ｂは長時間での出力電圧変化を示している。図８Ｂに示すように、比較例Ｂでは出力電圧が回数毎に徐々に低下している。これに対し、実施例Ａでは、出力電圧が２５０μＶ付近で一定に保持されている。
【００６３】
次に、図９Ａ、９Ｂには、出力電圧が２５０μＶ程度となる曲げ変形量（曲率）を約２秒毎に５段階に分割して繰り返し付与した場合の出力電圧の変化を示している。図９Ａ、９Ｂの横軸は時間（秒）、縦軸は出力電圧（μＶ）を示している。図９Ａ、９Ｂにおいて実施例Ａ、比較例Ｂとして示している。図９Ａは短時間での出力電圧変化を示している。図９Ａに示すように、実施例Ａでは、比較例Ｂに比べ、立ち上がり及び立ち下がりのオーバーシュートが抑制されていることが分かる。
【００６４】
図９Ｂは長時間での出力電圧変化を示している。図９Ｂに示すように、比較例Ｂでは出力電圧が回数毎に徐々に低下している。また、図９Ｂの比較例Ｂから分かるように、５段階に分割して曲げ変形を付与した場合、図９Ｂの比較例Ｂのように分割せずに１段階で曲げ変形を付与した場合に比べ、出力電圧の低下が大きくなっている。これに対し、図９Ｂの実施例Ａでは、図９Ｂの実施例Ａと同様に、繰り返し数が増えても出力電圧が２５０μＶ付近で一定に保持されている。
【００６５】
以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。例えば、図１の積分回路１０２に代えて、かなり急峻な変動には微分回路を用いてもよく、さらに、積分回路と微分回路の両方を用いて出力電圧の変化をモニターしてもよい。また、積分回路１０２、積分結果判定回路１０３、補正電流生成回路１０４を２経路備え、出力電圧の変化量が小さい場合の経路と、出力電圧の変化量が大きい場合の経路とを別々としてもよい。
【符号の説明】
【００６６】
１００ 補正回路
１０１ 変換回路
１０２ 積分回路
１０３ 積分結果判定回路
１０４ 補正電流生成回路
２００ 曲率センサ
２０１ ＳＰＥ層
２０２ 炭素電極
２０２ａ 上部電極
２０２ｂ 下部電極
２０３ 導電層
２０４ 保護膜
２０５ リード
３０１ シェーカー
３０２ 板バネ
３０２ ホルダ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極と、
前記一対の電極間に形成された固体高分子電解質層と、を備えたセンサが、
付与された曲率に応じて出力する出力電圧を補正する補正回路であって、
前記出力電圧の変化量を監視する監視回路と、
前記変化量が所定の基準値よりも小さい場合、前記センサが静止状態であると判定し、目標電圧を設定する状態判定回路と、
前記静止状態であると判定された場合、前記センサに対し前記出力電圧が前記目標電圧に近づく方向に前記出力電圧と前記目標電圧とのずれに応じた量の電荷を注入する補正電流生成回路と、を備えるセンサ出力補正回路。
【請求項２】
前記状態判定回路は、前記変化量が所定の基準値よりも大きい場合、前記センサが動作状態であると判定し、
前記動作状態であると判定された場合、前記補正電流生成回路は、前記センサに対し前記変化量を緩和する方向に電荷を注入することを特徴とする請求項１に記載のセンサ出力補正回路。
【請求項３】
前記動作状態であると判定された場合、前記センサに対し注入される前記電荷の量が、前記変化量によらず一定であることを特徴とする請求項２に記載のセンサ出力補正回路。
【請求項４】
前記静止状態であると判定された場合、前記センサに対し注入される前記電荷の量が、ＰＷＭ制御されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のセンサ出力補正回路。
【請求項５】
前記監視回路が積分回路を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のセンサ出力補正回路。
【請求項６】
前記監視回路が微分回路を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のセンサ出力補正回路。
【請求項７】
前記固体高分子電解質層が非水系高分子固体電解質層であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のセンサ出力補正回路。
【請求項８】
一対の電極と、
前記一対の電極間に形成された固体高分子電解質層と、を備えたセンサが、
付与された曲率に応じて出力する出力電圧を補正する補正方法であって、
前記出力電圧の変化量を監視するステップと、
前記変化量が所定の基準値よりも小さい場合、前記センサが静止状態であると判定し、目標電圧を設定するステップと、
前記静止状態であると判定した場合、前記センサに対し前記出力電圧が前記目標電圧に近づく方向に前記出力電圧と前記目標電圧とのずれに応じた量の電荷を注入するステップと、を備えるセンサ出力補正方法。
【請求項９】
前記変化量が所定の基準値よりも大きい場合、前記センサが動作状態であると判定するステップと、
前記動作状態であると判定した場合、前記センサに対し前記変化量を緩和する方向に電荷を注入するステップと、を更に備えることを特徴とする請求項８に記載のセンサ出力補正方法。
【請求項１０】
前記動作状態であると判定した場合、前記センサに対し注入する前記電荷の量を、前記変化量によらず一定とすることを特徴とする請求項９に記載の補正方法。
【請求項１１】
前記静止状態であると判定した場合、前記センサに対し注入する前記電荷の量を、ＰＷＭ制御することを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載のセンサ出力補正方法。
【請求項１２】
前記固体高分子電解質層が非水系高分子固体電解質層であることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか一項に記載のセンサ出力補正方法。
【請求項１】
一対の電極と、
前記一対の電極間に形成された固体高分子電解質層と、を備えたセンサが、
付与された曲率に応じて出力する出力電圧を補正する補正回路であって、
前記出力電圧の変化量を監視する監視回路と、
前記変化量が所定の基準値よりも小さい場合、前記センサが静止状態であると判定し、目標電圧を設定する状態判定回路と、
前記静止状態であると判定された場合、前記センサに対し前記出力電圧が前記目標電圧に近づく方向に前記出力電圧と前記目標電圧とのずれに応じた量の電荷を注入する補正電流生成回路と、を備えるセンサ出力補正回路。
【請求項２】
前記状態判定回路は、前記変化量が所定の基準値よりも大きい場合、前記センサが動作状態であると判定し、
前記動作状態であると判定された場合、前記補正電流生成回路は、前記センサに対し前記変化量を緩和する方向に電荷を注入することを特徴とする請求項１に記載のセンサ出力補正回路。
【請求項３】
前記動作状態であると判定された場合、前記センサに対し注入される前記電荷の量が、前記変化量によらず一定であることを特徴とする請求項２に記載のセンサ出力補正回路。
【請求項４】
前記静止状態であると判定された場合、前記センサに対し注入される前記電荷の量が、ＰＷＭ制御されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のセンサ出力補正回路。
【請求項５】
前記監視回路が積分回路を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のセンサ出力補正回路。
【請求項６】
前記監視回路が微分回路を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のセンサ出力補正回路。
【請求項７】
前記固体高分子電解質層が非水系高分子固体電解質層であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のセンサ出力補正回路。
【請求項８】
一対の電極と、
前記一対の電極間に形成された固体高分子電解質層と、を備えたセンサが、
付与された曲率に応じて出力する出力電圧を補正する補正方法であって、
前記出力電圧の変化量を監視するステップと、
前記変化量が所定の基準値よりも小さい場合、前記センサが静止状態であると判定し、目標電圧を設定するステップと、
前記静止状態であると判定した場合、前記センサに対し前記出力電圧が前記目標電圧に近づく方向に前記出力電圧と前記目標電圧とのずれに応じた量の電荷を注入するステップと、を備えるセンサ出力補正方法。
【請求項９】
前記変化量が所定の基準値よりも大きい場合、前記センサが動作状態であると判定するステップと、
前記動作状態であると判定した場合、前記センサに対し前記変化量を緩和する方向に電荷を注入するステップと、を更に備えることを特徴とする請求項８に記載のセンサ出力補正方法。
【請求項１０】
前記動作状態であると判定した場合、前記センサに対し注入する前記電荷の量を、前記変化量によらず一定とすることを特徴とする請求項９に記載の補正方法。
【請求項１１】
前記静止状態であると判定した場合、前記センサに対し注入する前記電荷の量を、ＰＷＭ制御することを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載のセンサ出力補正方法。
【請求項１２】
前記固体高分子電解質層が非水系高分子固体電解質層であることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか一項に記載のセンサ出力補正方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図１０】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図１０】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【公開番号】特開２０１２−２５４０（Ｐ２０１２−２５４０Ａ）
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３５２７７（Ｐ２０１０−１３５２７７）
【出願日】平成２２年６月１４日（２０１０．６．１４）
【出願人】（０００００１０８５）株式会社クラレ (1,607)
【出願人】（３０６０２９９８１）ケイテック株式会社 (6)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１４日（２０１０．６．１４）
【出願人】（０００００１０８５）株式会社クラレ (1,607)
【出願人】（３０６０２９９８１）ケイテック株式会社 (6)
【Ｆターム（参考）】
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