JP2011234530A - Driving apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、駆動装置に関し、特に、高分子アクチュエータを備えた駆動装置に関する。 The present invention relates to a drive device, and more particularly, to a drive device including a polymer actuator.
従来、微小変位を発生させるための変位素子として、高分子アクチュエータが知られている。このような高分子アクチュエータは、柔軟で大量作製が可能なうえ製造コストも安くできると考えられているため、様々な方式が研究されている。 Conventionally, a polymer actuator is known as a displacement element for generating a minute displacement. Since such a polymer actuator is considered to be flexible and capable of being manufactured in large quantities and can be manufactured at a low cost, various methods have been studied.
高分子アクチュエータの方式としては、たとえば、イオン導電性高分子アクチュエータ、導電性高分子アクチュエータ、誘電型ポリマーアクチュエータなどが挙げられる。なかでも、誘電型ポリマーアクチュエータは、より大きな変位量と動作速度が得られることから注目されている。 Examples of the polymer actuator system include an ion conductive polymer actuator, a conductive polymer actuator, and a dielectric polymer actuator. Among them, the dielectric polymer actuator is attracting attention because it can obtain a larger displacement and operating speed.
誘電型ポリマーアクチュエータは、誘電ポリマー(誘電エラストマ)からなる変位層を電極で挟んだ構成を有しており、電極間に電圧が印加されると、電極間に発生したクーロン力で誘電エラストマが弾性範囲内で押圧変形されて変位が出力される。なお、このような高分子アクチュエータの一例として、電極間に誘電エラストマ層を備えたアクチュエータが、たとえば、特許文献1に開示されている。 A dielectric polymer actuator has a structure in which a displacement layer made of a dielectric polymer (dielectric elastomer) is sandwiched between electrodes. When a voltage is applied between the electrodes, the dielectric elastomer is elasticized by the Coulomb force generated between the electrodes. The pressure is deformed within the range and the displacement is output. As an example of such a polymer actuator, an actuator having a dielectric elastomer layer between electrodes is disclosed in Patent Document 1, for example.
ここで、誘電型ポリマーアクチュエータにおいて、その駆動を繰り返すと、駆動時の変形動作によりポリマーからなる変位層内部に微小な破損が生じる場合がある。この微小破損部分では電気抵抗が小さくなるため、この状態で電圧印加を続けると漏洩電流が発生する。破損の初期段階では漏洩電流も微少であるため破損による影響は少ないものの、このまま駆動を続けると破損が進展するとともに、破損の進展にしたがって漏洩電流量も増加するため、電気抵抗によるジュール熱が増大する。そして、ジュール熱による温度上昇によって変位層の温度がポリマーの融点を超えると、ポリマーが溶解して一気に変位層の破損が進展し、アクチュエータとして使用できなくなる程度の破損に至る場合がある。また、ポリマーが可燃性の場合には、ジュール熱により発火して破損する場合もある。いずれも絶縁破壊のメカニズムで破損に至っているが、これがアクチュエータの使用中に起こると駆動装置自体の破損に至るおそれがある。 Here, in the dielectric polymer actuator, if the driving is repeated, there may be a case where minute breakage occurs inside the displacement layer made of the polymer due to the deformation operation at the time of driving. Since the electrical resistance is small at the minute damaged portion, a leakage current is generated when voltage application is continued in this state. Although the leakage current is very small at the initial stage of damage, the influence of the damage is small, but if the drive is continued as it is, the damage will progress and the amount of leakage current will increase as the damage progresses, increasing Joule heat due to electrical resistance. To do. When the temperature of the displacement layer exceeds the melting point of the polymer due to a temperature rise due to Joule heat, the polymer dissolves and breakage of the displacement layer progresses at a stretch, which may lead to breakage that cannot be used as an actuator. Moreover, when a polymer is combustible, it may be ignited and damaged by Joule heat. In either case, damage is caused by a dielectric breakdown mechanism, but if this occurs during use of the actuator, the drive device itself may be damaged.
これらの絶縁破壊による破損を防ぐには、アクチュエータの破損に至る前の初期段階で漏洩電流を検出し、電圧印加を停止することが有効である。 In order to prevent breakage due to these dielectric breakdowns, it is effective to detect the leakage current at the initial stage before the breakage of the actuator and stop the voltage application.
漏洩電流の検出に関しては、従来、絶縁体に交流電圧を印加して、漏洩電流を測定し、印加電圧と漏洩電流との関係に基づいて絶縁診断を行うコンデンサの絶縁診断方法が知られている。この方法では、ボイドなど絶縁体の部分的劣化は誘電正接(tanδ)の変化として、漏洩電流に反映される。 Regarding the detection of leakage current, a capacitor insulation diagnosis method is conventionally known in which an alternating voltage is applied to an insulator, the leakage current is measured, and an insulation diagnosis is performed based on the relationship between the applied voltage and the leakage current. . In this method, a partial deterioration of an insulator such as a void is reflected in the leakage current as a change in dielectric loss tangent (tan δ).
上記した高分子アクチュエータ(誘電型ポリマーアクチュエータ)も広義でのコンデンサと言えるため、原理的には従来技術を用いて絶縁状態を検出することも可能であると考えられる。 Since the above-described polymer actuator (dielectric polymer actuator) can also be said to be a capacitor in a broad sense, in principle, it is considered possible to detect the insulation state using conventional techniques.
しかしながら、高分子アクチュエータは、一般的なコンデンサとは異なり、アクチュエータが動作状態の場合には、電極間に発生するクーロン力のために変位層(誘電ポリマー)が圧縮変形してその体積が変化(電極間距離が変化)する。このため、静電容量が変化するので、絶縁状態の判定基準となる漏洩電流の状態が変化するという不都合が生じる。そのため、上記した従来の方法では、絶縁状態の判定が困難になるという問題点がある。 However, unlike a general capacitor, a polymer actuator has a displacement layer (dielectric polymer) that compresses and deforms due to the Coulomb force generated between the electrodes when the actuator is in an operating state. The distance between the electrodes changes). For this reason, since the capacitance changes, there arises a disadvantage that the state of the leakage current that is a criterion for the insulation state changes. Therefore, the conventional method described above has a problem that it is difficult to determine the insulation state.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の1つの目的は、高分子アクチュエータの動作状態における絶縁状態を判定することが可能な駆動装置を提供することである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a drive device capable of determining an insulation state in an operation state of a polymer actuator. It is.
この発明のもう1つの目的は、高分子アクチュエータの絶縁状態を検出することで、安全性の向上が図られた駆動装置を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a driving device in which safety is improved by detecting an insulation state of a polymer actuator.
上記目的を達成するために、この発明の一の局面による駆動装置は、誘電エラストマからなる変位層を含む高分子アクチュエータと、高分子アクチュエータを駆動させるための駆動信号を出力する駆動部と、高分子アクチュエータの駆動時に出力される出力電流値から、駆動信号に応じた判定用信号を生成する検出部と、駆動信号と判定用信号とから変位層の絶縁状態を判定する制御部と、制御部からの指示に基づき、高分子アクチュエータに駆動信号を出力する状態と、駆動信号を遮断する状態とを切り替えるスイッチ部とを備えている。そして、上記制御部は、変位層が絶縁破壊状態であると判定した場合には、スイッチ部に駆動信号を遮断する指示を出し、高分子アクチュエータへの通電を停止する。 In order to achieve the above object, a drive device according to one aspect of the present invention includes a polymer actuator including a displacement layer made of a dielectric elastomer, a drive unit that outputs a drive signal for driving the polymer actuator, A detection unit that generates a determination signal according to the drive signal from an output current value output when the molecular actuator is driven, a control unit that determines an insulation state of the displacement layer from the drive signal and the determination signal, and a control unit And a switch unit that switches between a state in which a drive signal is output to the polymer actuator and a state in which the drive signal is blocked based on an instruction from the controller. And when the said control part determines with the displacement layer being a dielectric breakdown state, it gives the instruction | indication which interrupts | blocks a drive signal to a switch part, and stops the electricity supply to a polymer actuator.
この一の局面による駆動装置では、上記のように、出力電流値から、駆動信号に応じた判定用信号を生成する検出部を備えることによって、変位層が圧縮変形してその体積が変化した場合でも、その体積変化に応じた判定用信号を生成することができる。そして、駆動信号と判定用信号とから変位層の絶縁状態を判定する制御部を備えることによって、高分子アクチュエータの動作状態において、変位層の絶縁状態を判定することができる。なお、変位層の絶縁状態を判定することにより、高分子アクチュエータにおける変位層の絶縁状態を検出して、アクチュエータの破損に至る前の初期段階での漏洩電流を検出することができる。 In the drive device according to this aspect, as described above, when the displacement layer is compressively deformed and its volume is changed by providing the detection unit that generates the determination signal according to the drive signal from the output current value However, a determination signal corresponding to the volume change can be generated. And by providing the control part which determines the insulation state of a displacement layer from a drive signal and the signal for determination, the insulation state of a displacement layer can be determined in the operation state of a polymer actuator. By determining the insulation state of the displacement layer, the insulation state of the displacement layer in the polymer actuator can be detected, and the leakage current in the initial stage before the actuator is damaged can be detected.
また、一の局面では、変位層が絶縁破壊状態であると制御部で判定した場合には、スイッチ部に駆動信号を遮断する指示を制御部から出し、高分子アクチュエータへの通電を停止するように構成することによって、破損の初期段階で高分子アクチュエータの動作を停止させることができるので、変位層における破損の進展を抑制することができる。これにより、高分子アクチュエータの絶縁破壊に起因する駆動装置自体の破損を抑制することができるので、安全性の向上を図ることができる。 Also, in one aspect, when the control unit determines that the displacement layer is in a dielectric breakdown state, the control unit issues an instruction to shut off the drive signal to stop energization of the polymer actuator. With this configuration, it is possible to stop the operation of the polymer actuator at the initial stage of breakage, so that the progress of breakage in the displacement layer can be suppressed. As a result, it is possible to suppress the damage of the drive device itself due to the dielectric breakdown of the polymer actuator, so that safety can be improved.
上記一の局面による駆動装置において、上記検出部は、駆動信号と出力電流値とから判定用信号を生成するように構成されているのが好ましい。このように構成すれば、容易に、駆動信号に応じた判定用信号を生成することができるので、容易に、高分子アクチュエータの動作状態における絶縁状態を判定することができる。 In the driving device according to the above aspect, it is preferable that the detection unit is configured to generate a determination signal from the driving signal and the output current value. If comprised in this way, since the signal for determination according to a drive signal can be produced | generated easily, the insulation state in the operation state of a polymer actuator can be determined easily.
上記一の局面による駆動装置において、検出部は、駆動信号に重畳させる検出用信号を出力する検出信号出力部を含み、検出用信号と出力電流値とから判定用信号を生成するように構成することもできる。このように構成すれば、容易に、駆動信号に応じた判定用信号を生成することができるとともに、高分子アクチュエータの動作状態における絶縁状態を精度よく判定することができる。 In the drive device according to the above aspect, the detection unit includes a detection signal output unit that outputs a detection signal to be superimposed on the drive signal, and is configured to generate a determination signal from the detection signal and the output current value. You can also If comprised in this way, while the signal for determination according to a drive signal can be produced | generated easily, the insulation state in the operation state of a polymer actuator can be determined with sufficient precision.
この場合において、検出用信号は、駆動信号の周波数より2桁以上高い周波数を有する交流信号であるのが好ましい。 In this case, the detection signal is preferably an AC signal having a frequency two orders of magnitude higher than the frequency of the drive signal.
以上のように、本発明によれば、高分子アクチュエータの動作状態における絶縁状態を判定することが可能な駆動装置を容易に得ることができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to easily obtain a drive device that can determine an insulation state in an operation state of a polymer actuator.
また、本発明によれば、高分子アクチュエータの絶縁状態を検出することで、安全性の向上が図られた駆動装置を容易に得ることができる。 In addition, according to the present invention, it is possible to easily obtain a drive device with improved safety by detecting the insulation state of the polymer actuator.
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments embodying the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態による駆動装置の概略構成を示すブロック図である。図2は、本発明の第1実施形態による高分子アクチュエータの概略構成を示す断面図である。図3は、本発明の第1実施形態による駆動装置の検出部の概略構成を示すブロック図である。まず、図1〜図3を参照して、本発明の第1実施形態による駆動装置の構成について説明する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a driving apparatus according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the polymer actuator according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration of the detection unit of the drive device according to the first embodiment of the present invention. First, with reference to FIGS. 1-3, the structure of the drive device by 1st Embodiment of this invention is demonstrated.
第1実施形態による駆動装置は、図1に示すように、高分子アクチュエータ10と、高分子アクチュエータ10を駆動させるための信号(駆動信号)を出力する駆動部20と、駆動部20からの信号(駆動信号)の出力・遮断を切り替えるスイッチ部(SW部)30と、高分子アクチュエータ10の絶縁状態を検出する検出部40と、スイッチ部30の開閉を制御する制御部50とを備えている。
As shown in FIG. 1, the drive device according to the first embodiment includes a
高分子アクチュエータ10は、図2に示すように、軟弾性材料である誘電エラストマ(誘電ポリマー)からなる変位層5の両面を同じく軟弾性の電極層6および7で挟み込んだ誘電型ポリマーアクチュエータからなる。
As shown in FIG. 2, the
また、図1に示すように、上記高分子アクチュエータ10の変位層5は、電気的(等価回路的)には、誘電特性のコンデンサ成分5aと絶縁特性の抵抗成分5bとが並列接続された構成に表記できる。このため、高分子アクチュエータ10全体では、誘電エラストマ(変位層5(図2参照))に相当する、コンデンサ成分5aと抵抗成分5bとの並列接続の両端に、電極層6および7(図2参照)に相当する抵抗成分6aおよび7aが直列接続された構成に表記できる。
As shown in FIG. 1, the
駆動部20は、図1に示すように、スイッチ部30を介して高分子アクチュエータ10と接続されており、高分子アクチュエータ10に駆動信号としての駆動電圧を印加(出力)する機能を有している。また、上記駆動信号は、制御部50および検出部40にも接続されており、高分子アクチュエータ10に出力する駆動信号と同じ駆動信号(駆動電圧)を、制御部50および検出部40に出力する。なお、駆動信号が高分子アクチュエータ10に入力されることにより、高分子アクチュエータ10から電流値(出力電流値)が出力される。
As shown in FIG. 1, the
検出部40は、高分子アクチュエータ10からの出力電流値と駆動部20からの駆動信号とから、高分子アクチュエータ10の絶縁状態を判定するための判定用信号を生成する。また、検出部40は、図3に示すように、駆動信号が入力されるACカップリング41と、出力電流値が入力されるA/D変換部42と、A/D変換部42を介してA/D変換された出力電流値を積算する積算部43とを含んで構成されている。
The
制御部50は、図1に示すように、駆動部20からの駆動信号(駆動電圧)に基づいて、高分子アクチュエータ10の絶縁状態を判定するための判定基準用の値を算出する機能を有している。また、制御部50は、算出した判定基準用の値と検出部40からの判定用信号とから高分子アクチュエータ10の絶縁状態を判定する。そして、高分子アクチュエータ10が絶縁破壊状態であると判定すると、スイッチ部30に駆動信号を遮断する指示を出し、高分子アクチュエータ10への通電を停止する。
As shown in FIG. 1, the
スイッチ部30は、制御部50からの指示に基づき、高分子アクチュエータ10に駆動信号を出力する状態と、駆動信号を遮断する状態とを切り替える。
The
図4は、本発明の第1実施形態による駆動装置の動作を説明するための図である。なお、図4(a)では、駆動部から出力される駆動信号(駆動電圧)の波形の一例を示しており、図4(b)では、ACカップリングを通した後の駆動信号(駆動電圧)の波形の一例を示している。次に、図1〜図4を参照して、本発明の第1実施形態による駆動装置の動作について説明する。 FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of the driving apparatus according to the first embodiment of the present invention. 4A shows an example of the waveform of the drive signal (drive voltage) output from the drive unit, and FIG. 4B shows the drive signal (drive voltage) after AC coupling. ) Shows an example of a waveform. Next, with reference to FIGS. 1-4, operation | movement of the drive device by 1st Embodiment of this invention is demonstrated.
まず、図1に示すように、駆動部20から、高分子アクチュエータ10に駆動信号(駆動電圧)が出力される。この際、駆動部20から検出部40および制御部50にも、高分子アクチュエータ10に出力された駆動信号と同じ駆動信号が出力される。なお、駆動部20からは、たとえば図4(a)に示すような波形の駆動信号が出力される。
First, as shown in FIG. 1, a drive signal (drive voltage) is output from the
高分子アクチュエータ10に駆動信号(駆動電圧)が印加されると、図2に示すように、変位層5が充電されて、変位層5のコンデンサ成分5a(図1参照)に電荷が蓄積される。そして、印加された電圧によって発生する電界により電極層6と電極層7との間に静電引力(クーロン力)が働き、電極層同士が引き合う。これにより、軟弾性体である変位層5が、層面に垂直な方向(B1方向)に収縮するとともに、層面に沿った方向(A1方向)に延伸する。すなわち、変位層5が圧縮されて、面積が広がるように変形する。一方、変位層5に充電された電荷が放電されると、上記とは逆方向に変位層5が変形する。このように、高分子アクチュエータ10は、駆動信号(駆動電圧)に応じて駆動動作を行う。
When a driving signal (driving voltage) is applied to the
ここで、上記高分子アクチュエータ10(変位層5)に絶縁破壊が発生していない状態では、コンデンサ成分5a(図1参照)は所定の静電容量を、抵抗成分5b(図1参照)は所定の絶縁抵抗を有している。そのため、高分子アクチュエータ10(変位層5)に流れる電流量も入力信号(駆動信号(駆動電圧))に応じてコンデンサ成分5aおよび抵抗成分5bが作用し、所定の電流量となる。その一方、変位層5に絶縁破壊が生じると絶縁抵抗(抵抗成分5b)が損傷の程度に応じて小さくなるので、その分、抵抗成分5bに流れる漏洩電流が増加し計測される電流量も増加する。そのため、絶縁破壊による電流量の増加を測定(検出)すれば、高分子アクチュエータ10(変位層5)の絶縁状態を検出することが可能となる。
Here, in a state where dielectric breakdown does not occur in the polymer actuator 10 (displacement layer 5), the
一方、高分子アクチュエータ10に駆動信号が入力されることにより、出力電流値が出力され、この出力電流値が検出部40に入力される。すなわち、検出部40には、駆動信号と出力電流値とが入力される。
On the other hand, when a drive signal is input to the
検出部40に入力された駆動信号は、ACカップリング41を通ることで微分成分が出力され、図4(b)に示すように、駆動信号(駆動電圧)の変化(電圧変化)のタイミングで立ち上がり、立ち下がりの信号(タイミング信号)が得られる。
The drive signal input to the
検出部40に入力された出力電流値は、図3に示すように、A/D変換部42によってA/D変換され、駆動信号の立ち上がりから立ち下がりのタイミング信号が出力される間(図4(b)のt)だけ積算部43で積算される。そして、検出部40は、その積算値を判定用信号として制御部50に出力する。
As shown in FIG. 3, the output current value input to the
制御部50では、まず、その判定用信号をもとに高分子アクチュエータ10(変位層5)の絶縁状態の判定が行われる。判定用信号は、駆動信号が入力されてから所定時間の電流の積分値であるが、絶縁破壊が発生していない状態では、変位層5(誘電ポリマー)の静電容量と絶縁抵抗とが所定の値となっており、それに応じた電流の積算値(積算量)となる。しかしながら、高分子アクチュエータ10が駆動動作中は、駆動信号(駆動電圧)によって変位層5(誘電ポリマー)の体積が変化し、それに応じて静電容量も変化する。このため、高分子アクチュエータ10から出力される電流の積算値(積算量)も変化する。
The
ここで、第1実施形態では、上記制御部50において、入力される駆動信号(駆動電圧)に基づいて、絶縁破壊が発生していない状態の高分子アクチュエータ10の電流値(電流量の積算値)を算出し、この値を上記判定基準用の値として用いる。この判定基準用の値は、駆動信号(駆動電圧)の変化に応じて変化する。
Here, in the first embodiment, in the
そして、制御部50では、算出された判定基準用の値と検出部40からの判定用信号とを比較して、判定用信号が判定基準(判定基準用の値)を超えているのであれば、漏洩電流が増加していて絶縁破壊が発生していると判断する。すなわち、絶縁破壊が生じると漏洩電流が増加するため、出力電流値の積算値である検出用信号が、判定基準用の値よりも高くなる。ただし、測定誤差等の誤差要因を考慮して、判定基準+誤差分の値に対して判断した方がより正確な制御が可能である。
Then, the
制御部50において、絶縁破壊が発生していると判断(絶縁破壊状態であると判断)されると、制御部50からスイッチ部30に、駆動信号を遮断する指示が出され、スイッチ部30で実際の信号の遮断を行う。この信号の遮断により、高分子アクチュエータ10への通電が停止され、これ以上の駆動動作による破損が防止される。
When the
このように、第1実施形態による駆動装置では、高分子アクチュエータ10の駆動動作中に変位層5(誘電ポリマー)に印加する駆動信号(駆動電圧)に対して判定基準となる漏洩電流の状態を算出することで、変位層5(誘電ポリマー)の体積変化に応じた判定基準を適用した絶縁状態の判定を行うことができる。このため、高分子アクチュエータ10の破損に至る前の初期段階での漏洩電流を検出することができる。
As described above, in the drive device according to the first embodiment, the state of the leakage current that becomes the determination reference with respect to the drive signal (drive voltage) applied to the displacement layer 5 (dielectric polymer) during the drive operation of the
また、第1実施形態では、上記のように、高分子アクチュエータ10の変位層5が圧縮変形してその体積が変化した場合でも、その体積変化に応じた判定用信号を生成することができるので、制御部50で算出された判定用基準値と判定用信号とを比較することにより、高分子アクチュエータ10(変位層5)の絶縁状態を判定することができる。そして、破損の初期段階で高分子アクチュエータ10の動作を停止させることによって、変位層5における破損の進展を抑制することができる。これにより、高分子アクチュエータ10の絶縁破壊に起因する駆動装置自体の破損を抑制することができるので、安全性の向上を図ることができる。
Further, in the first embodiment, as described above, even when the
(第2実施形態)
図5は、本発明の第2実施形態による駆動装置の概略構成を示すブロック図である。図6は、本発明の第2実施形態による駆動装置の検出部(位相検出部)の概略構成を示すブロック図である。次に、図5および図6を参照して、本発明の第2実施形態による駆動装置の構成について説明する。なお、各図において、対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明は省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a block diagram showing a schematic configuration of the driving apparatus according to the second embodiment of the present invention. FIG. 6 is a block diagram showing a schematic configuration of a detection unit (phase detection unit) of the driving apparatus according to the second embodiment of the present invention. Next, with reference to FIG. 5 and FIG. 6, the structure of the drive device by 2nd Embodiment of this invention is demonstrated. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to a corresponding component, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
この第2実施形態では、上記第1実施形態とは異なり、検出部40が、検出信号を出力する検出信号出力部140と、検出信号および出力電流値の両信号の位相差を検出する位相検出部150とを含んで構成されている。また、駆動部20は、高分子アクチュエータ10に駆動信号としての駆動電圧を印加(出力)するとともに、高分子アクチュエータ10に出力する駆動信号と同じ駆動信号(駆動電圧)を、制御部160にも出力する。ただし、第2実施形態では、駆動部20からの駆動信号は、検出部40には直接入力されないように構成されている。すなわち、第2実施形態では、第1実施形態と異なり、検出部40では、駆動信号の代わりに検出信号を用いて判定用信号を生成するように構成されている。
In the second embodiment, unlike the first embodiment, the
また、検出信号出力部140からの検出信号は、駆動部20からの駆動信号と重畳された後、高分子アクチュエータ10に入力される。すなわち、第2実施形態では、高分子アクチュエータ10には、駆動信号(駆動電圧)と検出信号とが重畳された重畳信号が印加される。なお、検出信号出力部140からの検出信号は、位相検出部150にも入力される。
Further, the detection signal from the detection signal output unit 140 is superimposed on the drive signal from the
検出部40の位相検出部150は、高分子アクチュエータ10からの出力電流値と検出信号出力部140からの検出信号とから、高分子アクチュエータ10の絶縁状態を判定するための判定用信号を生成する。また、位相検出部150は、図6に示すように、ACカップリング151および153、コンパレータ152および154、XOR論理ゲート155、ローパスフィルタ(LPF)156を含んで構成されており、ACカップリング151には検出信号が入力されるとともに、ACカップリング153には出力電流値が入力される。ACカップリング151に入力された検出信号は、コンパレータ152を介して、XOR論理ゲート155の一方の入力端子に入力される。一方、ACカップリング153に入力された出力電流値は、コンパレータ154を介して、XOR論理ゲート155の他方の入力端子に入力される。XOR論理ゲート155の出力端子はローパスフィルタ156と接続されており、XOR論理ゲート155を通った信号がローパスフィルタ156を介して上記判定用信号として制御部160に出力される。
The
制御部160は、図5に示すように、駆動部20からの駆動信号(駆動電圧)に基づいて、高分子アクチュエータ10の絶縁状態を判定するための判定基準用の値を算出する機能を有している。また、制御部160は、算出した判定基準用の値と検出部40(位相検出部150)からの判定用信号とから高分子アクチュエータ10の絶縁状態を判定する。そして、高分子アクチュエータ10が絶縁破壊状態であると判定すると、スイッチ部30に駆動信号を遮断する指示を出し、高分子アクチュエータ10への通電を停止する。
As shown in FIG. 5, the
図7〜図15は、本発明の第2実施形態による駆動装置の動作を説明するための図である。なお、図7(a)では、駆動部から出力される駆動信号(駆動電圧)の波形の一例を示しており、図7(b)では、検出信号出力部から出力される出力信号の波形の一例を示しており、図7(c)では、駆動信号の波形と検出信号の波形とを重畳した信号の波形の一例を示している。次に、図2および図5〜図15を参照して、本発明の第2実施形態による駆動装置の動作について説明する。 7 to 15 are views for explaining the operation of the driving apparatus according to the second embodiment of the present invention. FIG. 7A shows an example of the waveform of the drive signal (drive voltage) output from the drive unit, and FIG. 7B shows the waveform of the output signal output from the detection signal output unit. An example is shown, and FIG. 7C shows an example of a waveform of a signal obtained by superimposing the waveform of the drive signal and the waveform of the detection signal. Next, the operation of the driving apparatus according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
駆動部20から、たとえば図7(a)に示すような波形の駆動信号が出力されるとともに、検出信号出力部140(図5参照)から、たとえば図7(b)に示すような波形の検出信号が出力される。駆動部20からの駆動信号は、検出信号出力部140(図5参照)からの検出信号と重畳されて、たとえば図7(c)に示すような重畳信号となり、図5に示すように、この重畳信号が高分子アクチュエータ10に印加される。この際、検出信号出力部140からの検出信号は、位相検出部150(図5参照)にも出力される。
A drive signal having a waveform as shown in FIG. 7A, for example, is output from the
この検出信号は、安全を見て、高分子アクチュエータ10の駆動周波数(駆動信号の周波数)に比べて2桁程度以上高い周波数帯を用いるのが好ましい。このような検出信号であれば、高分子アクチュエータ10の応答が困難なため、駆動信号に重畳させた場合でも、高分子アクチュエータ10の動作に影響を与えることなく、高分子アクチュエータ10(変位層)の絶縁状態を検出することができる。
In view of safety, the detection signal preferably uses a frequency band that is higher by about two digits than the driving frequency of the polymer actuator 10 (frequency of the driving signal). Since such a detection signal makes it difficult for the
一方、高分子アクチュエータ10に駆動信号が入力されることにより、出力電流値が出力され、この出力電流値が検出部40の位相検出部150(図5参照)に入力される。すなわち、検出部40の位相検出部150(図5参照)には、検出信号出力部140(図5参照)からの検出信号と、高分子アクチュエータ10からの出力電流値とが入力される。なお、高分子アクチュエータ10には、検出信号が重畳された重畳信号が入力されるため、出力電流値も、図8に示すような、検出信号が重畳された波形となっている。
On the other hand, when a drive signal is input to the
検出部40(位相検出部150)に入力された検出信号は、図6に示したように、ACカップリング151を通ることでDC成分が除去される。その後、コンパレータ152を通ることで駆動信号の入出力に対応した電流の有無を表す2値信号に変換される。具体的には、図9に示すように、所定の基準値Fに対して、ACカップリング151(図6参照)を通過後の検出信号の値が大きい場合はHレベル、ACカップリング151(図6参照)を通過後の検出信号の値が小さい場合はLレベルとなる2値信号(X)に変換される。そして、変換された2値信号(X)がXOR論理ゲート155(図6参照)に入力される。
As shown in FIG. 6, the DC signal is removed from the detection signal input to the detection unit 40 (phase detection unit 150) through the
検出部40(位相検出部150)に入力された出力電流値は、ACカップリング153(図6参照)を通ることでDC成分が除去されて、図10に示すような波形に変換される。その後、コンパレータ154(図6参照)を通ることで駆動信号の入出力に対応した電流の有無を表す2値信号に変換される。具体的には、図11に示すように、所定の基準値Fに対して、ACカップリング153(図6参照)を通過後の電流値の値が大きい場合はHレベル、ACカップリング153(図6参照)を通過後の電流値の値が小さい場合はLレベルとなる2値信号(Y)に変換される。そして、変換された2値信号(Y)がXOR論理ゲート155(図6参照)に入力される。 The output current value input to the detection unit 40 (phase detection unit 150) passes through the AC coupling 153 (see FIG. 6) to remove the DC component and is converted into a waveform as shown in FIG. Thereafter, the signal passes through the comparator 154 (see FIG. 6) and is converted into a binary signal indicating the presence / absence of a current corresponding to the input / output of the drive signal. Specifically, as shown in FIG. 11, when the value of the current value after passing through the AC coupling 153 (see FIG. 6) is larger than the predetermined reference value F, the H level and the AC coupling 153 ( When the value of the current value after passing through FIG. 6 is small, it is converted into a binary signal (Y) that becomes L level. Then, the converted binary signal (Y) is input to the XOR logic gate 155 (see FIG. 6).
続いて、XOR論理ゲート155で両信号のXOR演算が行われ、図12に示すように、両信号の位相差を示す位相差信号が生成される。その後、この位相差信号をローパスフィルタ156(図6参照)に通すことで、時間に対する位相のズレ度合いを示す信号が生成され、この信号が判定用信号として制御部160に出力される。
Subsequently, the
制御部160では、まず、その判定用信号をもとに高分子アクチュエータ10(変位層5(図2参照))の絶縁状態の判定が行われる。判定用信号は、その時間における入力電圧(駆動電圧に重畳させた検出信号)と出力電流(出力電流値に重畳された検出信号)との位相差であるが、高分子アクチュエータ10(変位層5)に絶縁破壊が発生していない状態では、変位層5における静電容量と絶縁抵抗とが所定の値となっており、位相差もそれに応じた値となる。しかしながら、高分子アクチュエータ10が駆動動作中は、駆動信号(駆動電圧)によって変位層5(誘電ポリマー)の体積が変化し、それに応じて静電容量も変化する。このため、高分子アクチュエータ10から出力される電流値も変化する。
The
そのため、第2実施形態では、上記制御部160において、入力される駆動信号(駆動電圧)に応じて、絶縁破壊が発生していない状態の判定基準用の値を算出する。この判定基準用の値は、駆動信号(駆動電圧)の変化に応じて変化する。
Therefore, in the second embodiment, the
ここで、高分子アクチュエータ10の変位層5(図2参照)は、等価回路的に、コンデンサ成分と抵抗成分とが並列接続された構成に表記できるため、図13に示すCR並列回路および図14に示すベクトル図を参照して、検出信号および出力電流値の両信号の位相のズレについて説明する。
Here, since the displacement layer 5 (see FIG. 2) of the
図13および図14に示すように、抵抗205bには、電流IRが流れ、コンデンサ205aには、電流ICが流れる。電圧Vを基準にすると、抵抗205bの電流IRに対して、コンデンサ205aの電流ICは90°位相が進むため、全体の電流I(変位層の電流に相当)は、図14のIaのようになる。そして、電流I(Ia)と電流IRとのなす角度αが、絶縁破壊が発生していない状態での位相差に相当する。
As shown in FIGS. 13 and 14, a current I R flows through the
変位層5(図2参照)に絶縁破壊が生じると絶縁抵抗(抵抗成分5b)が損傷の程度に応じて小さくなるので、その分、抵抗成分5bに流れる漏洩電流が増加する。このため、図14において、抵抗205b(図13参照)の抵抗値Rが小さくなるので、電流IR(=V/R)が大きくなる。すなわち、IRがA1の状態からA2の状態となる。そうすると、電流Iも、B1の状態(Ia)からB2の状態(Ib)となり、位相差(角度α)が小さくなる。すなわち、高分子アクチュエータ10に絶縁破壊が生じると、位相のズレ度合いが変化する。
When dielectric breakdown occurs in the displacement layer 5 (see FIG. 2), the insulation resistance (
また、高分子アクチュエータ10の駆動により変位層5(図2参照)の体積変化が生じると、静電容量Cが変化するので、図14におけるIC(=ωCV)も変化する。このため、上述したように、制御部160において、駆動信号(駆動電圧)に応じて、判定基準用の値が算出される。
Further, when the volume of the displacement layer 5 (see FIG. 2) is changed by driving the
そして、制御部160では、算出された判定基準用の値と検出部40からの判定用信号とを比較して、判定用信号が判定基準(判定基準用の値)を超えている(下回る)のであれば、漏洩電流が増加していて絶縁破壊が発生していると判断する。
Then, the
具体的には、ローパスフィルタ156(図6参照)を通過した判定用信号は、たとえば、図15に示すように、時間に対する位相のズレ度合いを示す信号としてモニタされる。絶縁破壊が発生すると、漏洩電流が増加して位相差が小さくなるため、位相のズレ度合いが小さくなる。そして、判定用信号が判定基準を下回ると絶縁破壊が発生していると判断する。ただし、測定誤差等の誤差要因を考慮して、判定基準+誤差分の値に対して判断した方がより正確な制御が可能である。また、位相差(位相のズレ度合い)は、駆動電圧の変化(静電容量の変化)によっても変化するため、駆動電圧(駆動信号)に応じて判定基準も変化する。 Specifically, the determination signal that has passed through the low-pass filter 156 (see FIG. 6) is monitored as a signal indicating the degree of phase shift with respect to time, for example, as shown in FIG. When dielectric breakdown occurs, the leakage current increases and the phase difference decreases, so the degree of phase shift decreases. When the determination signal falls below the determination criterion, it is determined that dielectric breakdown has occurred. However, more accurate control is possible by taking into account error factors such as measurement errors and making judgments on the value of the criterion + error. Further, since the phase difference (the degree of phase shift) also changes due to a change in drive voltage (change in capacitance), the determination criterion also changes according to the drive voltage (drive signal).
制御部160において、絶縁破壊が発生していると判断(絶縁破壊状態であると判断)されると、制御部160からスイッチ部30に、駆動信号を遮断する指示が出され、スイッチ部30で実際の信号の遮断を行う。この信号の遮断により、高分子アクチュエータ10への通電が停止され、これ以上の駆動動作による破損が防止される。
When the
このように、第2実施形態による駆動装置では、検出部40を、駆動信号に重畳させる検出用信号を出力する検出信号出力部140を含み、検出用信号と出力電流値とから判定用信号を生成するように構成することによって、容易に、駆動信号に応じた判定用信号を生成することができるとともに、高分子アクチュエータ10の動作状態における絶縁状態を精度よく判定することができる。
Thus, in the drive device according to the second embodiment, the
第2実施形態のその他の効果は、上記第1実施形態と同様である。 Other effects of the second embodiment are the same as those of the first embodiment.
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the scope of claims for patent, and further includes all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims for patent.
5 変位層
5a コンデンサ成分
5b 抵抗成分
6、7 電極層
6a、7a 抵抗成分
10 高分子アクチュエータ
11 変位層
20 駆動部
30 スイッチ部
40 検出部
41、151、153 ACカップリング
42 A/D変換部
43 積算部
50、160 制御部
140 検出信号出力部
150 位相検出部
152、154 コンパレータ
155 XOR論理ゲート
156 ローパスフィルタ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記高分子アクチュエータを駆動させるための駆動信号を出力する駆動部と、
前記高分子アクチュエータの駆動時に出力される出力電流値から、前記駆動信号に応じた判定用信号を生成する検出部と、
前記駆動信号と前記判定用信号とから前記変位層の絶縁状態を判定する制御部と、
前記制御部からの指示に基づき、前記高分子アクチュエータに前記駆動信号を出力する状態と、前記駆動信号を遮断する状態とを切り替えるスイッチ部とを備え、
前記制御部は、前記変位層が絶縁破壊状態であると判定した場合には、前記スイッチ部に前記駆動信号を遮断する指示を出し、前記高分子アクチュエータへの通電を停止することを特徴とする、駆動装置。 A polymer actuator including a displacement layer made of a dielectric elastomer;
A drive unit that outputs a drive signal for driving the polymer actuator;
A detection unit that generates a determination signal according to the drive signal from an output current value that is output when the polymer actuator is driven;
A control unit for determining an insulation state of the displacement layer from the drive signal and the determination signal;
Based on an instruction from the control unit, a switch unit that switches between a state of outputting the drive signal to the polymer actuator and a state of blocking the drive signal,
When it is determined that the displacement layer is in a dielectric breakdown state, the control unit issues an instruction to block the drive signal to the switch unit and stops energization of the polymer actuator. , Drive device.
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JP2017034789A (en) * | 2015-07-30 | 2017-02-09 | 富士電機株式会社 | Rotary actuator |
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- 2010-04-28 JP JP2010103338A patent/JP2011234530A/en active Pending
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