JP2006173219A - 高分子アクチュエータとその駆動方法およびそれを用いた力触覚呈示システム - Google Patents

Abstract

【課題】 小型軽量で、容易に製造でき、複雑で微妙な動作と力検出が可能な高分子アクチュエータとその駆動方法および小型軽量で、動作や感触の点で人に優しく、複雑で精密な力触覚呈示と力検出が可能な力触覚呈示システムを提供する。
【解決手段】 高分子アクチュエータは、ひとつの高分子膜２に電圧印加用電極３１と起電力検出用電極３２を備える。電圧を印加することにより高分子膜２に変形が生じさせ、外力により高分子膜２の表面に生じた起電力を検出する。力触覚呈示システムは、アクチュエータ機能とセンサ機能を併せ持つ高分子アクチュエータを用いる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電圧の印加によって機能する高分子アクチュエータおよび仮想現実感や遠隔操作などに使用される力触覚呈示システムに関する。

従来の電圧印加により機能するアクチュエータとしては、電磁式のほかにも、静電式、圧電式、超音波式、形状記憶合金式、高分子伸縮式などがあるが、高分子伸縮式は柔軟かつ軽量で、変位量も大きいという特長がある。
従来の高分子アクチュエータは、例えば金属膜上に導電性ポリマ（高分子）膜と電解質膜を積層してなり、電圧の印加により生じる導電性ポリマ膜と電解質膜との間でのイオンの授受により、導電性ポリマ膜が体積変化し、その体積変化により金属膜が導電性ポリマ膜とともにたわみ変形するので、そのたわみ変形力を他の物体の駆動などに利用することができる（例えば、特許文献１参照）。
この従来の高分子アクチュエータの構造を図１０に示す。図１０において、１１１は金属膜、１１２は導電性ポリマ膜、１１３は電解質膜、１１４は電極である。制御部１１５にて金属膜１１１と電極１１４の間に電圧を印加することにより、導電性ポリマ膜１１２と電解質膜１１３との間でイオンの授受が生じ、導電性ポリマ１１２が体積変化し、その体積変化により金属膜１１１が導電性ポリマ１１２とともにたわみ変形する。従来の高分子アクチュエータは、このたわみ変形を他の物質の駆動などに利用するものである。

また、高分子からなるセンサとしては、例えばポリウレタンエラストマより構成される圧電素子が、加圧や延伸などの圧力の作用により表面に電位が発現する圧電効果を用いた感圧センサや接触センサがある（例えば、特許文献２参照）。
この高分子からなるセンサを図１１に示す。図１１において、２２１と２３１は電極、２２２と２３２は感圧導電層である。電極２２１と感圧導電層２２２を有するシート状基材２０２と、電極２３１と感圧導電層２３２を有するシート状基材２０３とを、感圧導電層２２２と感圧導電層２３２の表面が相互に対向するように積層された形態とすることにより、加圧や延伸により圧電性が発現し、感圧センサや接触センサなどの各種センサにおける圧電素子として用いることができる。

また、アクチュエータとセンサを併せ持つ力触覚呈示システムとしては、例えば複数の骨材を連結部で可動自在に連結するとともに、連結部をまたがり複数の骨材間に固定された弾性膨張収縮体を備え、少なくとも指または手のひらまたは手の甲を含む手の一部に係合される指サックまたはグローブを備え、前記弾性膨張収縮体を膨張または収縮させることにより前記手の一部に擬似的な力を与え、前記指サックまたはグローブの外面部に感圧センサや摩擦センサなどの触覚センサを備えた力感覚ディスプレイハンドがある。また、電気的に駆動することのできるポリマ材料によるアクチュエータ（高分子アクチュエータ）を駆動源にすることにより、軽量かつ安全となることが開示されている。（特許文献３参照）。
力感覚ディスプレイハンドの構造を図１２に示す。図１２において、弾性膨張収縮体３０３を固定し、連結部材３０２にて連結された骨材３０１を指サック３０５にて手の一部に係合し、弾性膨張収縮体３０３を膨張または収縮させることにより、手の一部に擬似的な力を与えることができる。
また、電気的に駆動する高分子アクチュエータの構造を図１３に示す。図１３において、３０３は弾性膨張収縮体、３１７は触覚センサであり、高剛性な指サック３０５の先に、人工皮膚３１６の中に触覚センサ３１７を設けることにより、力覚呈示のための駆動とは独立に対象物に触った信号を検出できるので、この信号を力覚の相互情報通信などで利用することができる。

このように、従来の高分子アクチュエータは、高分子膜に電圧を印加すると、圧電効果により、たわみ変形するのでアクチュエータとして利用できる。
また、高分子膜に加圧や延伸などを施すと、その高分子膜の表面に電位が発現し、触覚センサとして利用できることが知られている。
また、従来のアクチュエータとセンサを併せ持つ力触覚呈示システムは、弾性膨張収縮体を備えることにより力覚を呈示することができ、触覚センサを独立に設けることにより、力触覚呈示システムとして利用できる。
特開平０９−２９３９１３号公報（第２−４頁、図１） 特開２００３−２８２９８３号公報（第６頁、図４） 特開２００４−０２９９９９号公報（第５−７頁、図１、図４）

ところが、従来の高分子アクチュエータは、センサ機能を具備していないので、複雑・精密な動きができず、用途に制約があるという問題があった。また、複雑・精密な動きが必要な場合は、センサを別途用意する必要があるので、全体として複雑かつ大きくなるというような問題もあった。
従来のアクチュエータとセンサを併せ持つ力触覚呈示システムは、力覚呈示のアクチュエータとは全く別に独立して触覚センサを設けているので、複雑かつ大きくなるといった問題があった。
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、ひとつの高分子膜に複数の電極を付加することにより、アクチュエータ機能とセンサの機能を併せ持つことができる高分子アクチュエータおよびそれを用いた力触覚呈示システムを提供することを目的とする。

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、高分子化合物からなる高分子膜と、この膜に電圧を印加する電圧印加用電極とを備えた高分子アクチュエータにおいて、前記高分子膜の一部に起電力を検出する起電力検出用電極を設け、最小単位の高分子膜にアクチュエータ機能とセンサ機能を併せ持つようにするものである。
請求項２記載の発明は、前記電圧印加用電極および／または前記起電力検出用電極が、少なくとも２個形成されているものである。
請求項３記載の発明は、高分子化合物からなる高分子膜に複数の電極を備え、前記電極に電圧を印加して前記高分子膜を駆動させる高分子アクチュエータの駆動方法において、 前記電極の一部は電圧印加用電極とし、残りの電極は起電力を検出する起電力検出用電極とし、前記電圧印加用電極に電圧を印加して駆動させ、前記起電力検出用電極で変位量を検出するものである。
請求項４記載の発明は、単位の駆動素子を複数組み合わせた駆動体と、前記駆動体の物理量を検出するセンサと、前記駆動体を制御する制御部とを備えた力触覚呈示システムにおいて、前記単位の駆動素子を高分子膜とし、前記単位の高分子膜を駆動する電圧印加用電極を設け、前記センサは前記高分子膜の起電力を検出する起電力検出用電極とし、アクチュエータ機能とセンサ機能を併せ持つものである。

請求項１に記載の発明によると、ひとつの高分子膜でアクチュエータ機能とセンサ機能を併せ持つことから、小型軽量であり、単純構造であることから容易に製造でき、安価にもできる。
請求項２に記載の発明によると、２個以上の電圧を印加する電極および／または前記起電力を検出する電極があるので、二次元または三次元の複雑な動きが可能となり、センサとして使用すると二次元の微妙な動きを検出できる。
請求項３に記載の発明によると、複数の電極を備えた高分子アクチュエータにおいて、一部の電極に電圧を印加し、残りの電極から起電力を検出するので、電圧印加用電極と起電力検出用電極を作り分ける必要はないため簡便に製作することができ、また、電圧印加用電極と起電力検出用電極を切替ながら使用することもできる。
請求項４に記載の力触覚呈示システムによると、センサ機能を併せ持つしなやかで小型軽量なアクチュエータを用いるので、装着した人に対し負担や違和感を少なくすることができ、小型軽量のまま複雑で微妙な力触覚呈示と力検出ができるので、仮想現実感や遠隔操作などにおいてより高度で確実な操作が可能となる。

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、本発明の実施例１を示す高分子アクチュエータの斜視図である。図２は、図１の高分子アクチュエータを断面と平面からみた図である。図１および図２において、高分子アクチュエータ１は、電圧印加用電極３１と起電力検出用電極３２とを備えた高分子膜２からなっている。

本発明が特許文献１と異なる部分は、起電力検出用電極３２を、電圧印加用電極３１と共にひとつの高分子膜２に備えた部分である。

つぎに、本実施例の動作を図３を用いて説明する。
高分子膜２に備えた電圧印加用電極３１に、電圧印加装置４１の電圧を印加すると、高分子膜２にたわみ変形力５が生じ、アクチュエータとして機能することができる。一方、高分子膜２に外力６を与えると、高分子膜２の表面に起電力を生じる。この起電力を図４に示すように起電力検出用電極３２に接続した起電力検出装置４２で検出することにより、センサとして機能することができる。すなわち、ひとつの高分子膜２からなる高分子アクチュエータ１は、アクチュエータとしての機能とセンサとしての機能を併せ持つことができる。また、電圧印加によるアクチュエータ機能と起電力検出によるセンサ機能は、同時に機能することができる。

図５は、本発明の実施例２を示す高分子アクチュエータの平面図である。図５において、電圧印加用電極３１と起電力検出用電極３２とを各々２個ずつ高分子膜２に備えた高分子アクチュエータである。２個の電圧印加用電極３１に異なる電圧を印加させることにより、高分子膜２にはたわみ変形だけでなくねじり変形も同時に与えることができる。２個の起電力検出用電極３１からの起電力から検出される情報は、たわみ量だけでなくねじり量も同時に得ることができる。

２個以上の電圧印加用電極３１および／または起電力検出用電極３２をひとつの高分子膜２に備えても、そのアクチュエータ機能とセンサ機能には何ら問題はなく、本発明は電極３の数に制約されるものではない。

本発明の実施例３について説明する。実施例１の高分子アクチュエータにおいて、電圧印加用電極３１と起電力検出用電極３２を入れ替えて、アクチュエータおよびセンサとしての機能を評価したが、入れ替えても問題なく使用することができる。さらに、電圧印加と起電力検出を切り替えながら使用することもできる。

図６は、本発明の実施例４を示す力触覚呈示システムの部分側面図である。この高分子アクチュエータは、図７に示すような電極３ａと電極３ｂを配置した高分子膜２により構成されている。電極３ａは、図５に示したような電極構造を有しており、電圧印加装置および起電力検出装置に接続している。

本発明が特許文献３と異なる部分は、ひとつの高分子膜２に電圧印加用電極３１と起電力検出用電極３２を備えることにより、アクチュエータ機能とセンサ機能を併せ持つ高分子アクチュエータを用いていることである。

起電力検出装置からの情報から指の曲がり具合などを知ると同時に、反力やそれ以外の力情報について電圧印加装置を通して電圧印加用電極に与え、力触覚を呈示することができる。電極３ｂは、起電力検出装置に接続することにより、接触センサとして利用する。
また、電極３ｂを、図８に示すような電極構造とすることにより、接触センサと力触覚呈示をひとつの高分子アクチュエータで実現することもできる。すなわち、電極３ｄを起電力検出装置に接続すると同時に、電極３ｃを電圧印加装置に接続することにより、高分子アクチュエータを面アクチュエータとして駆動することができ、図９に示した様に用いることにより、複雑で精密な力触覚呈示が可能となる。

ここでは、電極のない部分の高分子膜は、電極部と同じものとしたが、機能的には同じである必要はなく、他のより安価な高分子材料などに変更しても良い。
ここでは、指に取り付けた力触覚呈示システムの例を示したが、手のひらや手の甲に取り付けることも可能であり、何ら問題はない。また、腕または脚または足など他の体または体の一部に取り付けて使用することもできる。

本発明の高分子アクチュエータは、アクチュエータ機能に加えてセンサ機能を併せ持つことにより、小型軽量で、複雑で微妙な動作と力検出ができるので、従来の電磁型のアクチュエータでは困難であった超小型の機器や、曲面や球面など平面以外の場所への設置などにも適用できる。
また、本発明の力触覚呈示システムは、小型軽量で金属部材を用いないアクチュエータ機能に加えてセンサ機能を併せ持つ高分子アクチュエータを用いることにより、小型軽量で手の動きを妨げることがなく、しなやかで手になじむシステムを実現でき、複雑で精密な力触覚呈示と力検出ができるので、仮想現実感や遠隔操作以外にも、コミュニケーションや老人や障害者の補助具などにも適用できる。

本発明の実施例１を示す高分子アクチュエータの斜視図 図１の高分子アクチュエータの断面図と正面図 本発明の実施例１の動作を示すアクチュエータ機能の説明図 本発明の実施例１の動作を示すセンサ機能の説明図 本発明の実施例２を示す高分子アクチュエータの平面図 本発明の実施例３を示す力触覚呈示システムの部分正面図 図６の高分子アクチュエータの電極構成を表す平面図 本発明の実施例３の変形例である高分子アクチュエータの電極構成を表す平面図 本発明の実施例３の他の変形例である力触覚呈示システムの部分正面図 従来の高分子アクチュエータを示す正面図 従来の高分子からなるセンサを示す正面図 従来の力触覚呈示システムを示す正面図 従来の力触覚呈示システムを示す側面図

符号の説明

１ 高分子アクチュエータ
２ 高分子膜
３、１１４、２２１、２３１ 電極
３１ 電圧印加用電極
３２ 起電力検出用電極
４１ 電圧印加装置
４２ 起電力検出装置
５ たわみ変形力
６ 外力
７ 指
１１１ 金属膜
１１２ 導電性ポリマ膜
１１３ 電解質膜
１１５ 制御部
２０２、２０３ シート状基材
２２２、２３２ 感圧導電層
３０１ 骨材
３０２ 連結部材
３０３ 弾性膨張収縮体
３０５ 指サック
３１６ 人工皮膚
３１７ 触覚センサ

Claims (4)

1. 高分子化合物からなる高分子膜と、この膜に電圧を印加する電圧印加用電極とを備えた高分子アクチュエータにおいて、
   前記高分子膜の一部に起電力を検出する起電力検出用電極を設け、最小単位の高分子膜にアクチュエータ機能とセンサ機能を併せ持つことを特徴とする高分子アクチュエータ。
2. 前記電圧印加用電極および／または前記起電力検出用電極が、少なくとも２個形成されてい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。
3. 高分子化合物からなる高分子膜に複数の電極を備え、前記電極に電圧を印加して前記高分子膜を駆動させる高分子アクチュエータの駆動方法において、
   前記電極の一部は電圧印加用電極とし、残りの電極は起電力を検出する起電力検出用電極とし、前記電圧印加用電極に電圧を印加して駆動させ、前記起電力検出用電極で変位量を検出することを特徴とする高分子アクチュエータの駆動方法。
4. 単位の駆動素子を複数組み合わせた駆動体と、前記駆動体の物理量を検出するセンサと、前記駆動体を制御する制御部とを備えた力触覚呈示システムにおいて、
   前記単位の駆動素子を高分子膜とし、前記単位の高分子膜を駆動する電圧印加用電極を設け、前記センサは前記高分子膜の起電力を検出する起電力検出用電極とし、アクチュエータ機能とセンサ機能を併せ持つことを特徴とする高分子アクチュエータを用いた力触覚呈示システム。

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