JP2015519870A - 自己検出型誘電エラストマーデバイス - Google Patents

Abstract

本発明は誘電エラストマーデバイス（ＤＥＤ）自己検出のための回路と、システムと、方法と、を提供する。本回路は（例えば、作動信号または予備充電信号を提供するための）第１の電圧源に結合された、または結合するように適合された第１のＤＥＤと、第１のＤＥＤと直列に設けられた電流センサと、第１のＤＥＤに結合され当該ＤＥＤの前後で電圧の振動を生じるのに適合され、また第１の電圧源から切離される振動信号源と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は誘電エラストマーデバイス（ＤＥＤ）回路および方法に関する。より詳しくは、本発明は、限定されることはないのだが、自己検出を可能にする誘電エラストマー発電装置（ＤＥＧ）回路および方法に関する。

誘電エラストマーデバイス（ＤＥＤ）は、それがアクチュエータ（誘電エラストマーアクチュエータ、即ちＤＥＡ）であれまたは発電装置（誘電エラストマー発電装置、即ちＤＥＧ）であれ、有用な変換デバイスで、電気エネルギーを機械エネルギーに、またはその逆に、変換するために使用できる。ＤＥＤは、従来のアクチュエータ／発電装置については本質的にコンプライアントである等いくつかの固有な特質を有し、それらによって一部の応用が好都合になっている。

ＤＥＤは通常、対向状のコンプライアントな電極１２の間に挟持された誘電エラストマー膜１１を備える。この誘電エラストマー膜１１は、蓄電器のように高電圧を電極１２前後に印加すると静電圧により圧縮されて、未圧縮または収縮状態から圧縮または拡張状態への膜の二次元的拡張を生じる。

先行技術の従来の変換器の場合のように、デバイスの状態に関する何らかの帰還を有することが多くの用途で有益または必要である。この帰還を、閉ループ制御、即ち、デバイスが例えばその限界近辺で作動しているかの検出（即ち、デバイスの切迫した故障リスクを制限するように特定すること）に用いてもよい。先行技術の従来の変換器は、通常は、このように何らかの外部センサ（マイクロスイッチ、歪ゲージ、光学センサ、等）を装着して、デバイスの測定を直接行いまたはその動作を検出している。要求される外部センサにより、部品点数およびアクチュエータの複雑さは増大する。

ＤＥＤの一利点は、ＤＥＤの状態に関する帰還をアクチュエータ／発電装置の変換器自体の測定し得る電気的特性だけから得られることにあり、これを自己検出と呼び、動的（例えば、ＤＥＡの作動時またはＤＥＧの機械的変形時）に行われるのが好ましい。特に、ＤＥＤの膜は容積的に圧縮できないことが好ましいため、ＤＥＤの電極間の容量変化をＤＥＤの物理形状の変化に関連付けることができる。そのため、外部センサは不要である。自己検出型ＤＥＤはこのように多機能性であり、その形状をモニターすることによって、ＤＥＤは歪みまたは圧力センサとして挙動でき同時にアクチュエータまたは発電装置（即ち、自己出力型センサ）としても機能する。ＤＥＤの容量概算値もまた、ＤＥＤの健全性を示す電荷、漏洩電流等のＤＥＤの電気的状態に関する付加的で有用な帰還データを提供するために使用できる。外部センサでは、ＤＥＤの電気的状態に関する任意の帰還を直接提供することはない。

ＤＥＤ上の電荷が増大するにつれて、電界および静電圧もまた増大する。電界が過度に巨大になるまで成長が許容されれば、ＤＥＤは静電破壊を受けることになる。これが生じると、ＤＥＤ上の電荷が膜１１の厚みを介して急速に放電され、相当の熱を発生してＤＥＤの破局的な故障を招くことがよくある。漏洩電流のモニターにより、ＤＥＤの静電破壊と故障の前兆の検出が可能になる。

効率的なＤＥＤに要される高電圧のために、容量の自己検出を実施することは他分野で普通に適用されている容量検出技術の適用ほどは、簡単なことではない。それにもかかわらず、自己検出方法がこれまで開発され、使用されて、ＤＥＡシステムでの帰還を提供してきた。

例えば、国際特許公開第ＷＯ２００９／０１５１５号は自己検出型誘電アクチュエータシステムを開示し、その中で比較的高い周波数の検出用信号を低周波数作動信号に信号ミキサーにより重畳してアクチュエータの変形を検出信号の変化から推定を行っている。

国際特許公開第ＷＯ２０１０／０９５９６０号および同第ＷＯ２０１２／０５３９０６号は、各々、電極の間の電圧差とＤＥＡへ供給する直列電流とのみを測定することによりＤＥＡの対向電極の間の容量を動的に（即ち、ＤＥＤの作動時）推定するための方法とシステムとを開示している。容量推定を用いて、充電電流および漏洩電流もまた推定できる。

しかし、こうしたシステムと方法とにはいくつかの潜在的な欠点が存在する。

第１に、ＤＥＤシステムに特有の高電圧により、先行技術の方法では所要の振動を作動信号に導入するに際して、浮遊型振動信号源であるかあるいは信号ミキサーであるかに拘わらず、比較的高価な高電圧電子部品を必要とする。振動は作動信号源自体により（例えば、パルス幅変調を用いて）択一的に発生させればよいのだが、このことが設計を複雑にする。

第２に、この方法を適用してＤＥＧシステムで自己検出を実施することは容易でない。国際公開第ＷＯ２０１０／０９５９６０号の方法とシステムでは、例えば、少なくとも自己検出時にＤＥＡの電圧が振動される必要がある。この振動は、振動用高電圧源によりまたはＤＥアクチュエータを急速に充電／放電する高電圧切替えを用いて、提供される。自己検出方法はこのようにＤＥＡ前後に小規模の電圧振動を誘起すると同時にそれを作動させる。ＤＥＡの誘発リップルに対する応答により、その歪状態と電気的状態との導出が可能になる。

しかし、ＤＥＧ発電装置はＤＥＡとは多少動作が異なり、ＤＥＧ制御用の制御回路／手法は先行技術のＤＥＡ自己検出型システムおよび方法には役立ち得ない。

ＤＥＧは、その内部に蓄えた電気的位置エネルギーを増大させることにより電気エネルギーを発生する。これを達成するステップを図１に図解で示す。図１の上部から始めて、力学エネルギー１０をまずＤＥＧ１１にこれを伸長させることにより加える。この結果、電極１２の二次元的な拡大と膜１３の直交方向の圧縮を来たし、容量の増大に至らしめる。電気エネルギー１４を充電または電力源（図示せず）からの予備充電によりＤＥＧに入力すると、対向電極１２が正反対に帯電する。二次元的な収縮によって対向電極１２上の反対極性電荷（＋および−）を隔てさせることと対向電極１２上の同一極性電荷を互いに近付けることとにより、ＤＥＧの弛緩が力学エネルギーを電気エネルギーに転換させる。電気エネルギー１４が抽出されてサイクルが繰り返される。

予備充電用の電荷を提供するために、ＤＥＧシステムは、国際特許公開第ＷＯ２０１１／００５１２３号に開示されているような自己予備充電回路を備えているのが好ましい。しかし、自己予備充電回路は、国際公開第ＷＯ２０１０／０９５９６０号の自己検出型ＤＥＡ方法に必要であるような高電圧電源とＤＥＧとの間の常時接続は提供しない。

従って、本発明の目的は、先行技術の１個以上の欠点を克服または少なくとも改善する自己検出型ＤＥＤシステムおよび／またはＤＥＤ自己検出方法を提供することであり、またはそれに替えて大衆に有用な選択を少なくとも提供することである。

本発明の更なる目的は以下の説明から明らかになるであろう。

第１の態様では、本発明は、自己検出型誘電エラストマーデバイス（ＤＥＤ）回路であって、
第１の電圧源に結合された、または結合するように適合された第１のＤＥＤと
第１のＤＥＤと直列に設けられた電流センサと、
第１のＤＥＤに結合され、ＤＥＤの前後に電圧の振動を生じるように適合された振動信号源であって、第１の電圧源から切離される、振動信号源と、
を備える、回路、
に存在すると概していうことができる。

振動信号源と第１のＤＥＤとの結合は直接的または間接的のいずれでもよい。

第１の電圧源は、例えば、作動信号または予備充電信号を提供するように適合されていればよく、更にＤＥＤから電流を選択的にシンクするように適合されてもよい。

好ましくは、振動信号源は接地基準の信号源である。

好ましくは、振動信号源は第１のＤＥＤの低電圧電極に結合される。より好ましくは、振動信号源は好ましくはＤＥＤと電流センサと直列に設けられ、より好ましくは電流センサと接地との間に結合される。この実施形態では、第１のＤＥＤの高電圧電極は第１の電圧源に結合された、または結合するように適合されたものである。

あるいは、振動信号源は第１のＤＥＤと並列に設けられた蓄電器の低電圧電極に結合されてもよい。特に、振動信号源は好ましくは蓄電器の低電圧電極と接地との間に設けられ、振動信号源と蓄電器とは共にＤＥＤと並列に設けられる。

好ましくは、電流センサはＤＥＤの低電圧電極に結合される。

好ましくは、振動信号源は正弦波または矩形波振動信号を発生する。しかし、任意の他の適当な振動信号波形を替わりに用いてもよい。

好ましくは、ＤＥＤは誘電エラストマー発電装置（ＤＥＧ）を備える。その場合第１の電圧源は好ましくはＤＥＤへ／から電流を選択的にソースおよびシンクして、ＤＥＤをそれぞれ予備充電および放電させる。

あるいは、ＤＥＤは誘電エラストマーアクチュエータ（ＤＥＡ）を備えていてもよい。その場合、第１の電圧源は作動信号をＤＥＡに提供するように適合される。作動信号は一般的には振動信号よりは大分電圧が高い。

好ましくは、本回路は第１のＤＥＤと並列に設けられた電圧センサを更に備える。

好ましくは、本回路は１個以上の更なるＤＥＤを備え、各々が第１のＤＥＤと並列に設けられ、更なる電流センサが１個以上の更なるＤＥＤの各々と直列に設けられる。

あるいは、本回路は、各々が第１のＤＥＤと直列に設けられた１個以上の更なるＤＥＤを備えていてもよい。好ましくは、更なる電圧センサが１個以上の更なるＤＥＤの各々の高電圧電極に結合される。

好ましくは、前記または各電流センサは差動アンプに結合される１対の端子の間に設けられた直列抵抗器を備える。

好ましくは、電圧センサは分圧器を備える。

好ましくは、振動信号源は直流オフセットを有さない。

第２の態様では、本発明は、本発明の第１の態様に従った自己検出型ＤＥＤ回路を備えた自己検出型ＤＥＤシステム、に存在すると概していうことができる。

好ましくは、ＤＥＤはＤＥＧを備え、システムは自己検出型ＤＥＤ回路と並列に設けられた電荷制御回路を更に備える。特に、電荷制御回路は好ましくは自己予備充電回路を備える。

あるいは、ＤＥＤはＤＥＡを備え、本システムはＤＥＡを選択的に作動させるように自己検出型ＤＥＤ回路と並列な第１の電圧源を更に備えていてもよい。

好ましくは、本システムは、前記または各電流センサに通信可能に結合される計算デバイスを更に備える。計算デバイスは好ましくはまたは各電圧センサにも通信可能に結合される。

好ましくは、計算デバイスは少なくとも前記または各電流センサから測定値を受信し、該受信した測定値に少なくとも部分的に基づいてＤＥＤの状態に関する少なくとも１個の帰還パラメータを計算するように適合される。好ましくは、帰還パラメータはＤＥＤの面積、変形、容量、電荷および／または漏洩電流のうちの１個以上を示す。

好ましくは、計算デバイスは平面近似法、および特に超平面近似法、により少なくとも１個の帰還パラメータを計算するように適合される。

第３の態様では、本発明は、誘電エラストマーデバイス（ＤＥＤ）自己検出方法であって、
振動電圧を第１のＤＥＤに提供するステップであって、振動電圧はＤＥＤに結合されるまたは結合可能な第１の電圧源から切離されている、ステップと、
第１のＤＥＤと直列に電流測定値を受信するステップと、
電流測定値に少なくとも部分的に基づいて第１のＤＥＤの状態に関する少なくとも１個の帰還パラメータを計算するステップと、
を含む、自己検出方法、
に存在すると概していうことができる。

好ましくは、振動電圧は接地基準の振動電圧信号である。

好ましくは、振動電圧は第１の電圧源により供給される高電圧信号から独立な低電圧信号である。

好ましくは、振動電圧を第１のＤＥＤに提供するステップは、
振動電圧をＤＥＤの低電圧電極に提供することと、
振動電圧を蓄電器の低電圧電極にＤＥＤと並列に提供することと、
のうちの少なくとも１個を含む。

好ましくは、本方法は、第１のＤＥＤの前後の電圧測定値を受信することと、電流測定値と電圧測定値との両方に少なくとも基づいて第１のＤＥＤの状態に関する少なくとも１個の帰還パラメータを計算することと、を更に含む。

好ましくは、少なくとも１個の帰還パラメータを計算するステップは、電流測定値を入力データとして受信しかつ測定値を処理することにより帰還パラメータを計算する計算デバイスによって遂行される。帰還パラメータは好ましくは計算デバイスにより発生される状態検出用信号により表される。

好ましくは、本方法は、電流測定値を第１のＤＥＤと並列に設けられた１個以上の更なるＤＥＤと直列に受信することと、更なるＤＥＤの各々の状態に関する少なくとも１個の帰還パラメータをそれぞれの電流測定値に少なくとも部分的に基づいて計算することと、を更に含む。

あるいは、本方法は、第１のＤＥＤと直列に設けられた１個以上の更なるＤＥＤの前後の電圧の測定値を受信することと、更なるＤＥＤの各々の状態に関する少なくとも１個の帰還パラメータを電流測定値と更なるＤＥＤの各々のそれぞれの電圧測定値とに少なくとも部分的に基づいて計算することと、を含んでもよい。

好ましくは、帰還パラメータは、ＤＥＤの面積、変形、容量、電荷および／または漏洩電流のうちの１個以上を示す。

好ましくは、本方法は、時間について電流および／または電圧測定値を記録するステップを更に含む。

好ましくは、少なくとも１個の帰還パラメータを計算するステップは、
ＤＥＤに供給された電荷を電流測定値から時間について計算することと、
１個以上の帰還パラメータを直交軸として定義したとき最良に適合される面の係数から、少なくとも電荷と電圧との測定値を介して、時間について計算することと、
のステップを含む。

好ましくは、１個以上の帰還パラメータを計算するステップは、電圧−電荷軸に沿った傾斜からＤＥＤの容量を計算することを含む。

好ましくは、ＤＥＤと直列の電流を検出するステップは、ＤＥＤと直列に設けられた抵抗器前後の電圧差を測定することを含む。

好ましくは、ＤＥＤの電圧を検出するステップは、ＤＥＤと並列に設けられた分圧器内の電圧を測定することを含む。

第４の態様では、本発明は、ＤＥＤを制御する方法であって、
ＤＥＤの状態に関する帰還を本発明の第３の態様の自己検出方法に従って得ることと、
ＤＥＤを帰還に少なくとも部分的に基づいて制御することと、
を含む、方法、
に存在すると概していうことができる。

好ましくは、ＤＥＤはＤＥＧを備え、本方法は
ＤＥＧを、その機械的変形時に電気エネルギーをＤＥＧの高電圧電極に供給することにより予備充電を行うことと、
ＤＥＧの弛緩時に高電圧電極から電気エネルギーを抽出することと、
を更に含む。

好ましくは、帰還は共振を調整するためにＤＥＧの剛度を制御するように用いられる。

好ましくは、帰還は漏洩電流を制限するためにＤＥＤの前後の電圧を制御するように用いられる。

あるいは、ＤＥＤはＤＥＡを備えてもよく、本方法はＤＥＡの所望の状態と帰還により示されたＤＥＡの検出状態との間を誤差で相関付けている動作電圧を供給することによりＤＥＡを作動させることを更に含む。

第５の態様では、本発明は、誘電エラストマーデバイスの状態を検出する方法であって、
接地基準の振動信号を誘電エラストマーデバイスに提供するステップと、
誘電エラストマーデバイスと直列に電流を検出するステップと、
検出した電流によって状態検出用信号を発生するステップと、
を特徴とする、方法、
に存在すると概していうことができる。

検出用信号は誘電デバイスの状態に関する帰還として使用されてもよい。

第６の態様では、本発明は、高電圧電極と低電圧電極とを有する誘電エラストマーデバイスを用いて機械的歪みおよび／または動作を検出するための方法であって、
デバイスの低電圧電極で電圧を振動させるステップと、
誘電デバイスを介して直列電流を検出するステップと、
歪みおよび／または動作の状態を検出するために検出した電流に応じて状態検出用信号を発生させるステップと、
を特徴とする、方法、
に存在すると概していうことができる。

第７の態様では、本発明は、誘電エラストマーデバイス回路であって、
第１の電圧源に結合されるまたは結合可能な誘電エラストマーデバイスと、
誘電エラストマーデバイスに結合される振動信号源と、を備え、
第１の電圧源と誘電エラストマーデバイスとは直流阻止蓄電器により互いに結合される、誘電エラストマーデバイス回路に存在すると概していうことができる。この誘電エラストマーデバイスは、直流阻止蓄電器を形成することができるか、または直流阻止蓄電器が誘電エラストマーデバイスと並列に設けられた蓄電器を備えてもよい。

本発明の更なる態様は、全てその新規な態様で検討されるべきだが、以下の説明から明らかになるだろう。

本発明の多くの実施形態について、実施例を通して次の図面を参照しながら以下に説明する。

自己検出型誘電エラストマー発電装置からの発電に必要な４個のステップの図解説明である。 先行技術による自己検出型誘電エラストマーアクチュエータ回路の概要図である。 本発明に従った自己検出型誘電エラストマーデバイス回路の第１の実施形態のブロック図である。 図３の回路の概要図である。 本発明に従った自己検出型誘電エラストマーデバイスの第２の実施形態のブロック図である。 図５の回路を内蔵する誘電エラストマー発電システムのブロック図である。 図６のシステムの概要図である。 図７のシステム内のＤＥＤのシミュレーションおよび推定による容量波形を示す。 図７のシステム内のＤＥＤのシミュレーションによる容量波形を示す。 本発明に従った自己検出型誘電エラストマーデバイス回路の第３の実施形態のブロック図である。 本発明に従った自己検出型誘電エラストマーデバイス回路の第４の実施形態のブロック図である。 本発明の更なる実施形態に従った回路での誘電エラストマー発電装置の（ａ）容量と（ｂ）電圧との実施例波形を示す。

本明細書を通して、類似の参照数字は異なる実施形態での類似の特徴を示すためにも使用する。本明細書および特許請求の範囲の目的のため、「低電圧」および「高電圧」の用語は、任意の特定数値の電圧範囲ではなく、それぞれの信号の電圧振幅の相対的差異を指し示す。特に、同一回路内で、「高電圧」信号は位数の大きさで「低電圧」信号のものより少なくとも数倍は大きいことが好ましく、位数でより大きければより好ましい。

国際公開第ＷＯ２０１０／０９５９６０号、同第ＷＯ２０１１／００５１２３号および同第ＷＯ２０１２／０５３９０６号の内容は参照により本明細書に組み込まれる。

先行技術の自己検出型誘電エラストマーアクチュエータ（ＤＥＡ）回路を図２に示す。自己検出は、ＤＥの前後の電流および電圧の振動を得ることによって達成される。図示したような適度な出力リップル（ＨＶ ｉｎ）の電源を用いることか、または電圧源とＤＥ（例えば、パルス幅変調ＰＷＭを使用）との間の接続を急速に切換えることか、のいずれかにより、所要の振動は高電圧作動または駆動信号ＨＶと好都合に組合わされる。主要な構成要素には、ＤＥ（ＤＥ１）、振動用高電圧源（ＨＶ ｉｎ）、ＤＥ直列電流センサ（Ｒｉおよび端子ｉ＿ｓｅｎｓｅ）、および高電圧センサ（分圧器は直列抵抗器Ｖｓ１およびＶｓ２並びに端子Ｖ＿ｓｅｎｓｅを備える）が含まれる。

簡単に前述したように、自己検出用振動を高電圧電源に組合せる先行技術によるＤＥＡ自己検出回路については大きな欠点が２点存在する。

第１に、ＤＥＧシステムは一般にＤＥＧが一定の電荷を有している間は各発電サイクル内に位相を有している（即ち、ＤＥＧと予備充電回路との間に電流は流れていない）ので、上述のことは多くの誘電エラストマー発電装置（ＤＥＧ）回路にとっては適当でない。このことは予備充電回路による電流は供給されないことを意味し、自己検出に必要なＤＥＧを介した振動を得ることはできない。

第２に、先行技術のＤＥＡ自己検出回路は、振動を提供するために場合によっては１０００Ｖを超える電圧を取扱える高電圧電子装置を必要とする。ＤＥＤに適当な高電圧電子機器は大量には生産されてないので、それらは通常高価である。

本発明は、高電圧電源への永続的な接続またはＤＥＧの高電圧電極に印加すべき振動信号を必要としない、ＤＥＧ自己検出用の、既存のものに代わる回路／システムおよび／または方法を提供する。

本発明に関連して、「高電圧」および「低電圧」の用語は相対的な意味においてのみ用いる。即ち、高電圧信号は単に低電圧信号より高い電圧を有しているだけである。これらの用語が任意の特定な電圧範囲を指し示すことは意図されていない。高電圧源または低電圧源のいずれも必ずしも連続的にＤＥＤへ供給される必要はない。特に、ＤＥＤがＤＥＧを備える場合、予備充電の運転局面時には概して高電圧信号だけが供給される。他の段階では、高電圧「源」は実際にはＤＥＧから電流をシンクしてそれにより発生したエネルギーを使用または貯蔵してもよい。同様に、検出が必要なときに振動用低電圧信号だけを発生させてもよい。

図３を参照して、本発明に従った自己検出回路の第１の実施形態のブロック図が示されている。図４には本回路のより詳細な概略図が示されている。

図３に特に示すように、本回路は、好ましくは、ＤＥＤ（可変蓄電器ＤＥにより表わされている）と、振動検出用信号源３０と、電流センサ３１と、電圧センサ３２と、を備える。検出用信号源３０、および好ましくは電流センサ３１はいずれも、ＤＥＤのリターンピンまたは低電圧側または電極と直列に設けられている。電圧センサ３２は、ＤＥＤ、電流センサ３１、および検出用信号源３０と並列に設けられている。使用時には、本回路は通常は端子Ａで高電圧源に結合されるであろう。例えばＤＥＧの場合ならば、高電圧源は、好ましくは、国際公開第ＷＯ２０１１／００５１２３号に開示されているように自己予備充電（ｓｅｌｆ−ｐｒｉｍｉｎｇ）回路を備えることが好ましく、機械的変形後のＤＥＤを予備充電する。

検出用信号源は、好ましくは、直流オフセットまたはバイアスのない低電圧の振動信号を提供する。この信号は正弦波であるのが好ましいが、それに替えて例えば矩形波であっても構わない。振動検出用信号の周波数は、高電圧信号のものよりも実質的に高いことが好ましい。

説明図から、振動信号源３０は高電圧源から基本的に「切離され」または独立しているか、あるいは高電圧源に容量結合のみされ、それにより後述するように高電圧の作動または予備充電源からの直流信号は、ＤＥＤまたは蓄電器により阻止されることが分かる。本実施形態での振動信号源は、接地とＤＥＤの低電圧電極との間に結合されるので、「接地基準の」と云うことにする。比較すると、先行技術のような振動信号の高電圧信号への重畳または変調は、接地または信号ミキサーに関係付けられない「浮遊の」振動信号源を必要とするため、比較的高価な高電圧電極が必要になる。

図４を参照して、電流センサは直列抵抗器Ｒｉを端子ｉ＿ｓｅｎｓｅ１とｉ＿ｓｅｎｓｅ２との間に備えているのが好ましく、これを作動アンプに結合させて、例えば、抵抗器Ｒｉ前後の電位差、つまりオームの法則を用いた抵抗器を介した電流、を決定してもよい。電圧センサは、好ましくは、１対の直流抵抗器Ｖｓ１およびＶｓ２を、端子Ｖ＿ｓｅｎｓｅをそれらの間に配した分圧器構成で備える。検出用信号源３０は、好ましくは、ピーク間で１００Ｖ未満、より好ましくは１０Ｖ未満、の低電圧の振動信号源を備える。

本発明の第１の実施形態の特定な実施例では、５８ｋΩの電流検出抵抗器Ｒｉを介した電流を決定するために端子ｉ＿ｓｅｎｓｅ１ および ｉ＿ｓｅｎｓｅ２間、およびＤＥＤ電圧を測定するために１０００：１、３００ＭΩの分圧器からの電圧センサ抵抗器Ｖｓ１およびＶｓ２間、の電圧差を用いる。検出用信号源３０は、好ましくは、１００Ｈｚの振動で７．５Ｖの振幅を有し、高電圧信号ＨＶは１００Ｖである。

説明目的のために、ＤＥＤに３個の固定値テスト蓄電器で置換することによって本実施例の回路を順番にテストした。テスト蓄電器の各々の容量について市販のＲＣＬメータでテストを行いその後実施例の回路と、第２０１２／０５３９０６号により開示された超平面近似法等の自己検出方法と、を用いて評価を行った。本テストの結果を、本発明に従って評価した容量と測定を行った容量との間の百分率差として、誤差と共に下の表１に列挙する。

これらのテスト結果から、本回路により、比較的正確な容量推定を、電流と電圧との単なる測定値から得ることができることが分かる。本回路と方法とは、このように適用して永続的な高電圧接続を有するＤＥＡからの動的帰還を得ることができ、先行技術で要されていたような振動導入用のパルス幅変調作動信号または高電圧電子装置を要さない。

上述のように、ＤＥＧは必ずしも常に高電圧電源に接続されていなくてもよいのだが、図３および４のシステム中で検出用信号が振動する時には、電流のシンクおよびソース用のＨＶ供給は（少なくとも周期的にまたは断続的には）存在していない。このような問題を扱う、本発明に従った自己検出回路５０の第２の実施形態のブロック図を図５に示す。

この第２の実施形態によれば、複数のＤＥＤが、複数のＤＥＤのうちの１個のリターンピンまたは低電圧電極と直列に設けられた少なくとも１個の振動検出用信号源３０と、並列に設けられている。このＤＥＤはそのため高電圧信号源と振動検出信号源３０との間に直流阻止蓄電器を効果的に形成している。

これらの複数のＤＥＤは、単一の誘電体膜をこの膜の対向側に複数の対の電極を形成することにより使用して形成すればよく、それにより単一のＤＥＤ膜を多数の能動帯域または領域に区分でき、さもなければ別個のＤＥＤ膜から交互に形成させてもよい。ＤＥＤ同士を位相について相互に変形させる必要はないが、位相外れの発電装置は最大可変静電全容量を低下させるのでそうすることは一般には好ましい。ＤＥＤのそれぞれの静電容量（特に静電均衡時）は実質的に等しいことが好ましいので、電流検出回路要件は各ＤＥＤについて同一だが、代替的な実施形態では本発明の範囲から逸脱しなければ容量が異なってもよい。

本発明の第２の実施形態の図示実施例では、本回路は、可変蓄電器ＤＥ１〜ＤＥ３で表された３個のＤＥＤを備えている。各ＤＥＤには自身の直列電流センサ３１が設けられており、また本回路はそれらのＤＥＤと並列な単一の電圧センサ３２を更に備えている。低電圧検出用信号源３０の振動は、複数のＤＥＤに交互に電流を互いにソースおよびシンクせしめる。自己検出方法ではこのため電流をシンク／ソースさせるための高電圧電源をもはや必要としない。

複数のＤＥＤを並列に接続することの付加的な利点は、単一の検出用信号と電圧センサとを用いて複数のＤＥＤの検出ができることである。各ＤＥにはそれ自身の電流センサを要するのだが、本システムではマルチゾーン検出の複雑さを減少している。

言い換えれば、高電圧電子装置を必要としない単一の振動検出用信号のみを用いて多チャンネルセンサを生成できる。手頃でコンパクトかつ低コストの構成要素をたやすく得ることができる。

本発明は高電圧源に永続的に接続される必要無しに、自己検出に必要な電流および電圧の振動を供給するための回路と方法とを提供するので、自己検出型発電装置の実装が可能になる。図６および７に示すように、図５のセグメント化した自己検出型ＤＥＤ回路５０を電荷制御回路構成６０と並列に接続することにより、自己検出型ＤＥＧが生成される。電荷制御回路構成６０は、好ましくは、電圧調整用および予備充電用の両方の電子装置を含み、最も好ましくは、図７に詳細を示す２段型ＳＰＣ７０など、国際公開第ＷＯ２０１１／００５１２３号に開示された自己予備充電回路（ＳＰＣ）を含む。電荷制御回路構成６０はＤＥＧに対する充電／放電を自由にでき、電荷制御回路構成がそうしない間には並列のＤＥＧセグメントにより電荷をシンク／ソースさせることができる。

本発明の第２の実施形態の作用を更に説明するために、図７の回路のシミュレーション波形を図８および９に示す。シミュレーションの目的で、一連の電流センサは各々が６０ｋΩの抵抗器を備え、電流検出抵抗器（検出抵抗器１〜検出抵抗器３）の間の各前後の電圧差を１０ｋＨｚのサンプルレートで測定した。検出用信号源３０により４００Ｈｚの周波数で±５Ｖの間で振動する正弦波信号が構成された。ＤＥＤそれ自体は約２Ｈｚの周波数の正弦波形を有する可変蓄電器によりシミュレーションされ、ＤＥＧの周期的機械的振動を表わした。

ＤＥＤの容量の推定を、国際公開第ＷＯ２０１２／０５３９０６号により開示された以下のステップを含む超平面近似法を用いて行った：電流センサ３１と電圧センサ３２とを用いて電圧と電流とをモニターまたは反復的に測定および記録を行うこと、測定された電流からＤＥＤに供給した電荷を計算すること、および測定値から導出したデータを介して最良適合の面の係数から１個以上の帰還パラメータを計算する（即ち、関連の軸に沿う最良適合面の傾斜）こと。特に、超平面空間は、ＤＥ前後の電位差のそれぞれを表す直交軸と、ＤＥを介した直列電流と、期間に亘りＤＥへ供給された電荷と、により定義するのが好ましい。帰還パラメータはＤＥＤの容量、漏洩電流および電極抵抗のうちの１個以上を含むのが好ましく、容量はＤＥＤの面積または変形を示すので特に重要である。特に、ＤＥＤの容量は平面方程式の第１の係数により近似され、この第１の係数は平面方程式の電圧変数の係数である（即ち、電圧−電荷の軸に沿う最良適合面の傾斜）。

この超平面近似法は少なくとも本実施例では好ましいが、本発明の範囲から逸脱しない限り電流センサ３１と電圧センサ３２とにより得られたデータから、国際公開第ＷＯ２０１０／０９５９６０号に開示された動的自己検出法等、そのような情報を計算または推定するための他の任意の方法を代替的に利用してもよいことが理解できる。

上記の方法は、検出した電流と電圧とを入力データとして受信しかつ入力データを適当なアルゴリズムに従って処理することによりＤＥＤの状態に関する帰還を導出するように、電流センサ３１と電圧センサ３２とに通信可能に結合したマイクロコントローラ等のある種の計算デバイス（図示せず）により通常は遂行されるであろう。これを行うために必要なプログラミング技術は、計算機システムの分野の当業者に周知である。計算機デバイスはこのように、好ましくは、ＤＥＤの状態を示す状態検出信号を発生し、これをＤＥＤコントローラへ帰還として出力してもよく、または内部で使用してもよい。

図８は、ＤＥＤのシミュレーションによる正弦波状に変化する容量と、図７の回路を用いた推定容量と上述の超平面近似法を用いた推定容量と、の両方を示している。重複した波形は、シミュレーションによる容量値と推定による容量値との間の見事な一致を明瞭に示している。良好な結果は、２００Ｈｚの正弦波と４００Ｈｚ５Ｖの矩形波形との検出用信号を用いた場合にも達成されており、ＤＥＧの動作条件または回路要件に見合った振動検出信号源３０を選択する上での柔軟性があることを示している。比較結果も、また、少なくとも１個の既存のものに代わる自己検出方法を用いて達成されている。

図９は同シミュレーション時のＤＥＧの出力電圧を示し、これが発電も同時に行っていたことを示している（容量の振動時のＤＥＧ電圧の周期的振動と、ＤＥＧ電圧の概ね上昇方向の傾向と、から明らか）。

本発明に従った自己検出型誘電エラストマーデバイスの第３の実施形態を図１０のブロック図に示す。この回路は図５の第１の実施形態の回路のある難題に対処するもので、電流センサ１は振動検出信号の頂部上に浮遊しているので接地を基準にはしていない。図１０の回路は、振動検出信号を小型の固定蓄電器Ｃｓ（ＤＥＤ ＤＥ１−ＤＥ３の容量より小さな桁が好ましい）のリターンピンに印加することによってこの問題を解決するもので、そのことにより蓄電器Ｃｓが直流阻止蓄電器を形成するので、検出信号を供給する回路構成が高電圧に曝されずまた全ての電流センサは接地が基準となる。振動信号源もまた本発明の本実施例の高電圧信号源から切離される。

本発明に従った自己検出型誘電エラストマーデバイス回路の更なる実施形態では、誘電エラストマーデバイス同士を図１１に示すようと直列に接続してもよい。誘電エラストマーデバイスを直列に接続すること（本実施例では、ＤＥ１〜ＤＥ３）で電流センサは１個だけ必要だが、電圧センサは複数個要求される。自己検出法では電流の積分を介してＤＥＤ上の電荷量計算が必要になることがよくあるので電流センサが１個だけであることは有利で、この積分が必要なのは１チャンネルに対してだけであろう。直列構成の下部側に、複数の電圧センサが必要で、これらのセンサはＤＥＤから電荷（従ってエネルギー）を排出させる。そのため、並列にするかまたは直列にするかの構成上の選択は用途別に特化される。

図１２（ａ）および１２（ｂ）は本発明の別の実施形態のテストからの結果を示している。この実施形態での回路は図１０のものと同様であるのだが、２個の並列ＤＥＧと国際公開第ＷＯ２０１１／００５１２３号に開示されたような自己予備充電回路に接続された高電圧源とを有している。ＤＥＧに約２Ｈｚの周波数で手動で手ポンプを行った。図１２（ａ）の容量は、測定による１個のＤＥＧの容量と、簡易なモデルにより予測を行った最大値および最小値と、を示している。これと同時に測定した図１２（ｂ）に示す電圧については、電圧がサイクル毎にゆっくり増大していて、本回路がエネルギー、従って発生電力、を蓄積しつつあることを示している。

本発明の他の実施形態では、電圧センサを省いてもよい。特に、電気システムが上手くモデル化されれば、ＤＥＤの容量を電圧の検出無しに推定してもよい。例えば、ＤＥＤと電流検出用抵抗器とはフィルターと見なすことができ、容量はその位相とマグニチュード応答とから推定することができる。

別の実施形態では、本発明により低電圧の振動信号源を有するＤＥＤ回路が提供される。

更なる実施形態では、本発明によりＤＥＤの前後の電圧に高電圧信号と独立に振動を生じる振動信号源を有したＤＥＤ回路が提供される。

更なる実施形態では、本発明により接地基準の振動信号源を備えたＤＥＤ回路が提供される。

本願では多くの応用が可能である。特に、本発明の回路および方法を、ＤＥＧおよび相応な自己検出方法に組み合わせることにより、自己出力型センサを得ることができる。即ち、ＤＥＧ自体は機械的変形を受けると電力を発生するが、本発明の回路では、ＤＥＧの容量、従ってその面積または変形、を推定するための自己検出方法に必要な振動が導入される。ＤＥＧによる発生電力は、完全自給型センサのための振動と自己検出回路とに完全に動力提供することが可能で、あるいはバッテリを補充または再充電することが可能である。

そのような自己出力型センサの可能性ある応用分野としては、関節動作をモニターするための柔軟なＤＥＧセンサを一体化させたスポーツ用衣類、または例えばバッテリ交換または大型アレーへの配線が不可能であるような場合の形態的健康モニターのための自己出力型センサのアレー、が含まれる。

自己出力型センサ等の応用の他に、ＤＥＧの電気的および機械的な両状態をモニターできる能力により、強化型ＤＥＧ性能を可能にする閉ループ制御手法の開発に使用できる帰還が提供される。特に、本発明を用いて得られる帰還により、どの程度密集しているとＤＥＧが故障しまたは損失を示すことになるかの指標が、漏洩電流等の指標を介して提供される。こうした情報は、強化型制御手法の生成に利用できる。例えば、ＤＥＧの電荷状態を制御することでエネルギー発生とＤＥＧ信頼性を最大化できるので、ＤＥＧはその故障崩落線の内部でまたは漏洩電流による損失を最小化するように動作し、あるいは、ＤＥＧが機械的励振周波数で共振するようにＤＥＧの剛度を調整できる。そのような帰還は、現在のところ、ＤＥＧにインピーダンス整合が上手くとれない外部センサでしか提供できず、高価なものとなりおよび／または効率が悪い。

回路構成はまた複数のＤＥＧを同時にモニターするのに適しており、費用効果の高い多自由度のセンサが可能になるので伸縮素材分野も範囲に入れることができる。このことは、例えば、靴の中底での応力分布の決定に利用できる。

本回路はまた、誘電エラストマーアクチュエータと共にも使用可能である。本回路は先行技術での高電圧電極を要しないので、自己検出型ＤＥＡ用の比較的安価で既存のものに代わる回路を提供する。これに替えて、本回路を特定用途の誘電エラストマーセンサ（即ち、作動も発電もしないＤＥＤ）と共に用いてもよい。

以上から、高電圧振動を必要とせずに自己検出型誘電エラストマーデバイスを実装可能にする、回路および／または方法が提供されることが分かる。特に、このことにより、自己検出が、誘電エラストマーアクチュエータの永続的な高電圧接続を通常は行わない誘電エラストマー発電装置内に、実装可能になる。本発明には、自己検出に必要なＤＥＤ電圧振動を低電圧電子装置だけで導入できる、付加的または代替的な利点がある。本発明は、誘電エラストマーアクチュエータシステムに適用でき、動作用信号源の設計が簡素化される利点を有し、自己検出に必要な振動を提供する必要性はもはやない。

本発明のＤＥＤ自己検出回路は、単一のＤＥＤまたは複数のＤＥＤのいずれを備えても構わないことが理解される。特許請求の範囲中に記載した「第１のＤＥＤ」についての如何なる言及も本回路が複数のＤＥＤを必然的に備えることを暗に意味するものと解釈すべきではない。「第１のＤＥＤ」は、少なくとも一部の実施形態では、本回路またはシステム内の唯一のＤＥＤと理解すればよい。

本明細書を通して他に特に明確に要求しない限り、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、等の語は、排他的または網羅的意味とは反対の包含的な意味に、換言すれば「含むが限定はされない」という意味に、解釈されるべきである。

本発明を、実施例を通じてまたその可能な実施形態を参照しながら説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく修正または改良を加えることができることを理解するべきである。本発明はまた、本願明細書中で言及されまたは示された部品、要素、および特徴に、個別にまたはまとめて、それらの部品、要素、または特徴のうちの２個以上の任意のまたは全ての組み合わせにおいて存在すると広くいうことができる。更に、本発明の特定な構成要素または完全体が公知の等価物を有するとして参照された場合、そのような等価物は個別に明記されていると同様に本明細書に組み込まれる。

本明細書の全体を通じた先行技術の如何なる記載事項も、そのような先行技術が広く公知であり、または当該分野での一般常識を形成する旨の承認であると決して見なされるべきではない。

Claims (32)

1. 自己検出型誘電エラストマーデバイス（ＤＥＤ）回路であって、
   第１の電圧源に結合された、または結合するように適合された第１のＤＥＤと、
   前記第１のＤＥＤと直列に設けられた電流センサと、
   前記第１のＤＥＤに結合され、前記ＤＥＤの前後に電圧の振動を生じるように適合された振動信号源であって、前記第１の電圧源から切離される、振動信号源と、
   を備える、回路。
2. 前記振動信号源は接地基準の信号源である、請求項１に記載の回路。
3. 前記振動信号源は前記第１のＤＥＤの低電圧電極に結合される、請求項１または請求項２に記載の回路。
4. 前記振動信号源は前記第１のＤＥＤと並列に設けられた蓄電器の低電圧電極に結合される、請求項１または請求項２に記載の回路。
5. 前記ＤＥＤは誘電エラストマー発電装置（ＤＥＧ）を備え、また前記第１の電圧源は好ましくは前記ＤＥＤへ／から電流を選択的にソースおよびシンクして、前記ＤＥＤをそれぞれ予備充電および放電させるように適合される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の回路。
6. 前記ＤＥＤは誘電エラストマーアクチュエータ（ＤＥＡ）を備え、前記第１の電圧源は作動信号を前記ＤＥＡに提供するように適合される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の回路。
7. 前記第１のＤＥＤと並列に設けられた電圧センサを更に備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の回路。
8. 各々が前記第１のＤＥＤと並列に設けられた１個以上の更なるＤＥＤと、前記１個以上の更なるＤＥＤの各々と直列に設けられた更なる電流センサと、を備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載の回路。
9. 各々が前記第１のＤＥＤと直列に設けられた１個以上の更なるＤＥＤを備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載の回路。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の自己検出型ＤＥＤ回路を備える、自己検出型ＤＥＤシステム。
11. 前記ＤＥＤは誘電エラストマー発電装置（ＤＥＧ）を備え、前記システムは前記自己検出型ＤＥＤ回路と並列に設けられた電荷制御回路を更に備える、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記ＤＥＤは誘電エラストマーアクチュエータ（ＤＥＡ）を備え、前記システムは前記ＤＥＡを選択的に作動させるように前記自己検出型ＤＥＤ回路と並列な前記第１の電圧源を更に備える、請求項１０に記載のシステム。
13. 前記ＤＥＤの状態に関する少なくとも１個の帰還パラメータを計算するように、前記または各電流センサに通信可能に結合される計算デバイスを更に備える、請求項１０〜１２のいずれか１項に記載のシステム。
14. 前記計算デバイスは平面近似法により前記少なくとも１個の帰還パラメータを計算するように適合される、請求項１３に記載のシステム。
15. 誘電エラストマーデバイス（ＤＥＤ）自己検出方法であって、
    振動電圧を第１のＤＥＤに提供するステップであって、前記振動電圧は前記ＤＥＤに結合されるまたは結合可能な第１の電圧源から切離されているステップと、
    前記第１のＤＥＤと直列に電流測定値を受信するステップと、
    前記電流測定値に少なくとも部分的に基づいて前記第１のＤＥＤの前記状態に関する少なくとも１個の帰還パラメータを計算するステップと、
    を含む、自己検出方法。
16. 前記振動電圧は接地基準の振動電圧信号である、請求項１５に記載の自己検出方法。
17. 前記振動電圧は第１の電圧源により供給される高電圧信号から独立な低電圧信号である、請求項１５または請求項１６に記載の自己検出方法。
18. 前記振動電圧を前記第１のＤＥＤに提供するステップは、
    前記振動電圧を前記ＤＥＤの低電圧電極に提供することと、
    前記振動電圧を蓄電器の低電圧電極に前記ＤＥＤと並列に提供することと、
    のうちの少なくとも１個を含む、請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の自己検出方法。
19. 前記方法は、第１のＤＥＤの前後の電圧測定値を受信することと、前記電流測定値と前記電圧測定値との両方に少なくとも基づいて前記第１のＤＥＤの前記状態に関する少なくとも１個の帰還パラメータを計算することと、を更に含む、請求項１５〜１８のいずれか１項に記載の自己検出方法。
20. 前記少なくとも１個の帰還パラメータを計算するステップは、前記電流測定値を入力データとして受信しかつ前記測定値を処理することにより前記帰還パラメータを計算する計算デバイスによって遂行される、請求項１５〜１９のいずれか１項に記載の自己検出方法。
21. 前記帰還パラメータは前記計算デバイスにより発生される状態検出用信号により表される、請求項２０に記載の自己検出方法。
22. 前記方法は、前記電流測定値を前記第１のＤＥＤと並列に設けられた１個以上の更なるＤＥＤと直列に受信することと、前記更なるＤＥＤの各々の前記状態に関する少なくとも１個の帰還パラメータを前記それぞれの電流測定値に少なくとも部分的に基づいて計算することと、を更に含む、請求項１５〜２１のいずれか１項に記載の自己検出方法。
23. 前記方法は、前記第１のＤＥＤと直列に設けられた１個以上の更なるＤＥＤの前後の電圧の測定値を受信することと、前記更なるＤＥＤの各々の前記状態に関する少なくとも１個の帰還パラメータを前記電流測定値と前記更なるＤＥＤの各々のそれぞれの電圧測定値とに少なくとも部分的に基づいて計算することと、を更に含む、請求項１５〜２１のいずれか１項に記載の自己検出方法。
24. 時間について電流測定値を記録するステップを更に含む、請求項１５〜２３のいずれか１項に記載の自己検出方法。
25. 前記方法は前記ＤＥＤの前後の電圧測定値を受信するステップを更に含み、少なくとも１個の帰還パラメータを計算する前記ステップは、
    前記ＤＥＤに供給された電荷を前記電流測定値から時間について計算することと、
    １個以上の帰還パラメータを直交軸として定義したとき最良に適合される面の係数から、少なくとも前記電荷と電圧との測定値を介して、時間について計算することと、
    のステップを含む、請求項１５〜２４のいずれか１項に記載の自己検出方法。
26. ＤＥＤの前記状態に関する帰還を請求項１５〜２５のいずれか１項に記載の自己検出方法に従って得ることと、
    前記ＤＥＤを前記帰還に少なくとも部分的に基づいて制御することと、
    を含む、ＤＥＤを制御する方法。
27. 前記ＤＥＤはＤＥＧを備え、前記方法は
    前記ＤＥＧを、その機械的変形時に電気エネルギーを前記ＤＥＧの高電圧電極に供給することにより予備充電を行うことと、
    前記ＤＥＧの弛緩時に前記高電圧電極から電気エネルギーを抽出することと、
    を更に含む、請求項２６に記載の方法。
28. 前記ＤＥＤはＤＥＡを備え、前記方法は前記ＤＥＡの所望の状態と前記帰還により示される前記ＤＥＡの検出状態との間を誤差で相関付けている作動電圧を供給することにより前記ＤＥＡを作動させることを更に含む、請求項２６に記載の方法。
29. 前記帰還は
    共振を調整するための前記ＤＥＤの剛度と、
    前記漏洩電流を制限するための前記ＤＥＤの前後の電圧と、
    のうちの１個以上を制御するために使用される、請求項２６〜２８のいずれか１項に記載の方法。
30. 誘電エラストマーデバイスの状態を検出する方法であって、
    接地基準の振動信号を前記誘電エラストマーデバイスに提供するステップと、
    前記誘電エラストマーデバイスと直列に電流を検出するステップと、
    前記検出した電流によって状態検出用信号を発生するステップと、
    を特徴とする、方法。
31. 前記検出用信号は前記誘電デバイスの前記状態に関する帰還として使用される、請求項３０に記載の方法。
32. 高電圧電極と低電圧電極とを有する誘電エラストマーデバイスを用いて機械的歪みおよび／または動作を検出するための方法であって、
    前記デバイスの前記低電圧電極で電圧を振動させるステップと、
    前記誘電デバイスを介して直列電流を検出するステップと、
    前記歪みおよび／または動作の前記状態を検出するために前記検出した電流に応じて状態検出用信号を発生させるステップと、
    を特徴とする、方法。

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