JP2018019501A - アクチュエータ、センサ装置、及び、制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】変形材料の変形特性の変化に起因する駆動特性の変化を好適に抑制できるアクチュエータを提供する。
【解決手段】ポリマーファイバーアクチュエータ１は、外部からのエネルギ入力（加熱による温度上昇）に応じて変形して動力を出力する変形材料としてのポリマーファイバー２と、このポリマーファイバー２にエネルギ（熱）を入力するエネルギ入力部としての電熱線３と、ポリマーファイバー２の変形特性が変化したこと（ポリマーファイバー２の膨潤の発生）を検出する制御装置４の膨潤検出部５と、電熱線３の熱を制御することによりポリマーファイバー２の出力を制御する制御装置４の駆動制御部６と、を備える。駆動制御部６は、膨潤検出部５がポリマーファイバー２の膨潤の発生を検出するとき、変形特性の変化に応じて、電熱線３からポリマーファイバー２へ入力される熱量を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気的、光子的、化学的、熱的、吸収、もしくは他の手段による外部からのエネルギ入力に応じて、変形材料を変形させることによって動力を出力するアクチュエータと、このアクチュエータを動力源として用いるセンサ装置と、このアクチュエータを制御するための制御装置に関する。

従来、この種のアクチュエータとして、例えば特許文献１に記載されるようなポリマーファイバーアクチュエータが知られている。特許文献１に記載のポリマーファイバーアクチュエータは、電気加熱や白色加熱による温度変化により、ねじりまたは引張作動を発生することができる熱駆動式のものである。

特開２０１６−４２７８３号公報

ポリマーファイバーは、周囲環境の水分や油分を吸収して膨潤することにより物性が変化する。これにより、アクチュエータの駆動特性が変化し、所望のアクチュエータ特性が得られなくなったり、強度低下による破損が生じる場合がある。ポリマーファイバーアクチュエータ以外のこの種の他のアクチュエータにおいても、変形材料（ポリマーファイバーアクチュエータにおけるポリマーファイバー）の変形特性を変化させる物質（ポリマーファイバーアクチュエータにおける水分や油分）が外部から変形材料と接触することにより、同様の問題を生じる虞がある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、変形材料の変形を動力源とするアクチュエータにおいて、変形材料の変形特性の変化に起因する駆動特性の変化を好適に抑制できるアクチュエータと、このアクチュエータを動力源として用いるセンサ装置と、このアクチュエータを制御するための制御装置と、を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るアクチュエータ（１，１Ａ，１Ｂ）は、外部からのエネルギ入力に応じて変形して動力を出力する変形材料（２）と、前記変形材料にエネルギを入力するエネルギ入力部（３）と、前記変形材料の変形特性が変化したことを検出する特性変化検出部（５，５Ａ）と、前記エネルギを制御することにより前記変形材料の出力を制御する駆動制御部（６，６Ａ，６Ｂ）と、を備え、前記駆動制御部は、前記特性変化検出部が前記変形特性の変化を検出するとき、前記変形特性の変化に応じて前記エネルギを制御する。

同様に、上記課題を解決するために、本発明に係るセンサ装置（２０）は、外部の情報を検出するセンサ部（２１）と、前記センサ部の姿勢を変更可能な上記のアクチュエータと、を備える。

同様に、上記課題を解決するために、本発明に係る制御装置（４，４Ａ，４Ｂ）は、外部からのエネルギ入力に応じて変形して動力を出力する変形材料（２）と、前記変形材料にエネルギを入力するエネルギ入力部（３）と、を備えるアクチュエータ（１，１Ａ，１Ｂ）を制御するための制御装置であって、前記変形材料の変形特性が変化したことを検出する特性変化検出部（５，５Ａ）と、前記エネルギを制御することにより前記変形材料の出力を制御する駆動制御部（６，６Ａ，６Ｂ）と、を備え、前記駆動制御部は、前記特性変化検出部が前記変形特性の変化を検出するとき、前記変形特性の変化に応じて前記エネルギを制御する。

これらの構成により、変形材料の変形特性の変化を検出したときには、変形材料へ入力するエネルギを適切に制御して、アクチュエータ出力に変形材料の変形特性の変化が影響しないようにしている。この結果、変形材料の変形特性の変化に起因するアクチュエータの駆動特性の変化を好適に抑制できる。

本発明によれば、変形材料の変形を動力源とするアクチュエータにおいて、変形材料の変形特性の変化に起因する駆動特性の変化を好適に抑制できるアクチュエータと、このアクチュエータを動力源として用いるセンサ装置と、このアクチュエータを制御するための制御装置と、を提供することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係るアクチュエータの一例としてのポリマーファイバーアクチュエータの概略構成を示す図である。 図２は、第１実施形態に係るポリマーファイバーアクチュエータにより実施される駆動信号補正制御のフローチャートである。 図３は、第１実施形態に係るポリマーファイバーアクチュエータが適用されるセンサ装置の構成を示す図である。 図４は、本発明の第２実施形態に係るポリマーファイバーアクチュエータの概略構成を示す図である。 図５は、第２実施形態に係るポリマーファイバーアクチュエータにより実施される補正量算出制御のフローチャートである。 図６は、本発明の第３実施形態に係るポリマーファイバーアクチュエータの概略構成を示す図である。 図７は、第３実施形態に係るポリマーファイバーアクチュエータにより実施される膨潤回復制御のフローチャートである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

本発明が対象とするアクチュエータとは、電気的（電流変化など）、光子的（照射光の強弱など）、化学的（化学物質の付与、可逆的な化学反応など）、熱的（温度変化など）、吸収（水分の吸収による収縮など）、もしくは他の手段による外部からのエネルギ入力に応じて、変形材料を変形させることによって動力を出力するアクチュエータである。このようなアクチュエータには、例えば、ポリマーファイバーアクチュエータ、形状記憶合金、ピエゾ素子などが含まれるが、以下の実施形態ではポリマーファイバーアクチュエータを一例として挙げて説明する。

［第１実施形態］
図１〜図３を参照して第１実施形態を説明する。まず図１を参照して、第１実施形態に係るポリマーファイバーアクチュエータ１の構成について説明する。

第１実施形態に係るポリマーファイバーアクチュエータ１（アクチュエータ）は、図１に示すように所定の軸方向に沿って延在するひも状に形成され、その軸方向断面が略円形状に形成される。ポリマーファイバーアクチュエータ１は、加熱による温度上昇というエネルギ入力に応じて、軸方向の伸縮動作、または軸回りのねじり動作として動力を出力することができる。以下の説明では、図１に示すように、ポリマーファイバーアクチュエータ１の延在方向（軸方向）をＸ方向と表記し、このＸ方向と直交する断面の径方向のうち所定の一方向（図１の上下方向）をＹ方向と表記する。

図１に示すように、ポリマーファイバーアクチュエータ１は、ポリマーファイバー２（変形材料）と、電熱線３（エネルギ入力部、導電性材料）と、制御装置４とを備える。

ポリマーファイバー２は、ポリマーファイバーアクチュエータ１の動力源であり、外部からのエネルギ入力（加熱による温度上昇）に応じて変形して動力を出力する変形材料として機能するものである。ポリマーファイバー２は、例えば、Ｘ方向に延在方向を揃えられたポリアミド繊維の束で形成される。

電熱線３は、ポリマーファイバー２の外周側にらせん状に巻き付けられて配置されている。電熱線３は、電流供給によって発熱し、ポリマーファイバー２を加熱させることができる。つまり、電熱線３は、変形材料としてのポリマーファイバー２に、加熱による温度上昇というエネルギ入力を行うエネルギ入力部として機能するものであり、ポリマーファイバー２は、電熱線３から入力される熱に応じて変形することで、Ｘ方向の伸縮動作やＸ方向まわりのねじり動作を行うことができる。

制御装置４は、電熱線３の電流供給を制御することにより、ポリマーファイバー２の変形、すなわちポリマーファイバーアクチュエータ１の出力を制御する。

上述のように、ポリマーファイバー２は、周囲環境の水分や油分を吸収して膨潤することにより物性が変化する特性がある。物性が変化すると、ポリマーファイバー２の変形特性が変化する。つまり、同一条件の温度上昇によっても、ポリマーファイバー２の変形量が異なるものとなり、これにより、アクチュエータの駆動特性も変化する虞がある。そこで第１実施形態では、このようなポリマーファイバー２の膨潤の発生に起因する駆動特性の変化を防止すべく、制御装置４は、膨潤に起因するポリマーファイバー２の変形特性の変化に応じて、制御装置４から電熱線３に送信する駆動信号（電流供給量）を補正する。より詳細には、制御装置４は、ポリマーファイバー２の変形による出力をフィードバック制御することによって、ポリマーファイバー２の目標出力に対応する駆動信号を補正する。制御装置４は、このような機能に係る構成要素として、図１に示すように、膨潤検出部５（特性変化検出部）と、駆動制御部６と、異常検出部７と、報知部８とを有する。

膨潤検出部５は、ポリマーファイバー２の膨潤発生（変形特性の変化）を検出する。膨潤検出部５は、周囲環境やポリマーファイバー２に関する様々な情報に基づいて膨潤発生の有無を推定することができるが、第１実施形態では、ポリマーファイバー２の駆動制御中における目標出力に対する現実の出力に基づいて膨潤発生を検出する。膨潤検出部５は、例えば、ポリマーファイバー２の変位量を検出する位置センサ９や、ポリマーファイバー２の動作の加速度を検出する加速度センサ１０と電気的に接続され、これらのセンサ９，１０から入力される情報に基づき、ポリマーファイバー２の現実の出力を把握することができる。

駆動制御部６は、電熱線３からポリマーファイバー２へ入力するエネルギ（熱）を制御することにより、ポリマーファイバー２の出力を制御する。特に第１実施形態では、駆動制御部６は、膨潤検出部５がポリマーファイバー２の膨潤発生を検出するとき、膨潤に応じて電熱線３からポリマーファイバー２へ入力される熱エネルギを制御し、具体的には、ポリマーファイバー２の変形による出力をフィードバック制御することによって、ポリマーファイバー２の目標出力に対応する駆動信号を補正する。

異常検出部７は、ポリマーファイバー２の異常を検出する。異常検出部が検出するポリマーファイバー２の異常とは、例えば、ポリマーファイバー２の膨潤発生に応じて、電熱線３からポリマーファイバー２へ入力される熱エネルギを制御したとしても、膨潤に起因する変形特性の変形をカバーできず、アクチュエータの駆動特性の変化を抑制できないような、ポリマーファイバー２に係る何等かの異常を含む。異常検出部７は、ポリマーファイバー２の異常を検出したときは、報知部８に出力するか、または、異常検出に関する情報を記憶する。

報知部８は、異常検出部７により検出されたポリマーファイバー２の異常を報知する。報知部８は、例えばディスプレイなどの表示装置であり、異常検出に関する情報を表示することによってアクチュエータ１の使用者に報知する構成とすることができる。

制御装置４は、物理的には、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）及びＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）などを有するコンピュータである。制御装置４の各機能の全部または一部は、ＲＯＭに保持されるアプリケーションプログラムをＲＡＭにロードしてＣＰＵで実行することによって、ＲＡＭやＲＯＭにおけるデータの読み出し及び書き込みを行うことで実現される。また、例えばポリマーファイバーアクチュエータ１を駆動源として用いるセンサ装置２０（図３参照）が、自動車等の車両に搭載されるなど、ポリマーファイバーアクチュエータ１が車載部品として適用される場合には、制御装置４は、自動車部品のマイコン（例えばＥＣＵ）に実装することもできる。

このようなポリマーファイバーアクチュエータ１は、例えば以下のような動作を行う。すなわち、まず制御装置４が、ポリマーファイバーアクチュエータ１に所望の動作を出力させるべく、電熱線３の電流供給を制御すると、電熱線３に所定値の電流が流れることにより電熱線３が発熱する。電熱線３から放出された熱は、電熱線３が表面に巻回されるポリマーファイバー２に伝達される。ポリマーファイバー２は、外周面から伝達された熱が最終的に中心部まで到達してその全体が温度上昇すると、温度上昇分に応じて変形する。この結果、ポリマーファイバーアクチュエータ１は、ポリマーファイバー２の変形に伴う動力を出力することができる。

さらに、ポリマーファイバーアクチュエータ１は、制御装置４の膨潤検出部５が、アクチュエータの動作中にポリマーファイバー２の膨潤の発生を検出した場合には、駆動制御部６が、膨潤によるポリマーファイバー２の変形特性の変動をカバーすべく、アクチュエータの目標出力に対応する電熱線３への駆動信号を補正する。以下では、この補正を「駆動信号補正制御」とも表す場合がある。

図２を参照して、この駆動信号補正制御の具体的な手順の一例を説明する。図２に示す駆動信号補正制御のフローチャートの一連の処理は、制御装置４により例えば所定周期ごとに実施される。

ステップＳ１１では、駆動制御部６によりポリマーファイバーアクチュエータ１が駆動される。駆動制御部６は、例えば所定の目標動作（目標軌道、目標加速度推移など）を設定し、この目標動作に対応する駆動信号によって電熱線３の発熱を制御することによって、ポリマーファイバー２の変形による出力を制御する。ステップＳ１１の処理が完了するとステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では、膨潤検出部５により、位置センサ９及び加速度センサ１０から情報が取得される。膨潤検出部５は、駆動制御部６によってポリマーファイバー２の動作が出力されている最中に、位置センサ９からポリマーファイバー２の変形量（例えばＸ方向の伸縮量や、Ｘ方向まわりのねじり量）を取得し、また、加速度センサ１０からポリマーファイバー２の動作中の加速度に関する情報を取得することができる。ステップＳ１２の処理が完了するとステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３では、膨潤検出部５により、ステップＳ１２にて取得したセンサ情報に基づき、アクチュエータ動作、すなわち、ポリマーファイバー２の変形によるポリマーファイバーアクチュエータ１の現実の出力が算出される。ステップＳ１３の処理が完了するとステップＳ１４に進む。

ステップＳ１４では、膨潤検出部５により、ステップＳ１３にて算出されたアクチュエータ動作と、目標動作との偏差が算出される。ステップＳ１４の処理が完了するとステップＳ１５に進む。

ステップＳ１５では、膨潤検出部５により、ステップＳ１４にて算出されたアクチュエータ動作と目標動作との偏差に基づき、ポリマーファイバー２に膨潤が発生しているか否かが判定される。膨潤検出部５は、例えば、偏差が所定の閾値を超えるときに、ポリマーファイバー２の変形特性が変化しており、ポリマーファイバー２に膨潤が発生していると判定することができる。膨潤検出部５は、膨潤発生に係る判定結果を駆動制御部６に出力する。ステップＳ１５の判定の結果、ポリマーファイバー２に膨潤が発生している場合には（ステップＳ１５のＹｅｓ）ステップＳ１６に進み、そうでない場合には（ステップＳ１５のＮｏ）本制御フローを終了する。

ステップＳ１６では、駆動制御部６により、ステップＳ１５にてポリマーファイバー２の膨潤発生と判定されたのに応じて、アクチュエータ出力の膨潤による影響を解消すべく、ステップＳ１４にて算出されたアクチュエータ動作と目標動作との偏差に基づき補正量が算出される。駆動制御部６は、例えば、偏差の大小に応じて補正量を調整することができるし、または、所定の補正量を設定することもできる。ステップＳ１６の処理が完了するとステップＳ１７に進む。

ステップＳ１７では、駆動制御部６により、ステップＳ１６にて算出した補正量が駆動信号に加算される。駆動制御部６は、以後のアクチュエータ制御においては、ポリマーファイバー２の目標出力に対応する駆動信号に、さらに補正量を加算したものを制御信号として用いて、電熱線３を制御する。ステップＳ１７の処理が完了すると本制御フローを終了する。

次に、第１実施形態に係るポリマーファイバーアクチュエータ１の効果について説明する。

第１実施形態のポリマーファイバーアクチュエータ１は、外部からのエネルギ入力（加熱による温度上昇）に応じて変形して動力を出力する変形材料としてのポリマーファイバー２と、このポリマーファイバー２にエネルギ（熱）を入力するエネルギ入力部としての電熱線３と、ポリマーファイバー２の変形特性が変化したこと（より詳細には、ポリマーファイバー２に外部から水分または油分が吸収されるポリマーファイバー２の膨潤の発生）を検出する制御装置４の膨潤検出部５と、電熱線３の熱を制御することによりポリマーファイバー２の出力を制御する制御装置４の駆動制御部６と、を備える。駆動制御部６は、膨潤検出部５がポリマーファイバー２の膨潤の発生を検出するとき、変形特性の変化（膨潤）に応じて、電熱線３からポリマーファイバー２へ入力される熱量（以下「入力熱量」とも表記する）を制御する。

上述のように、ポリマーファイバー２は、周囲環境の水分や油分を吸収して膨潤することにより物性が変化する特性がある。物性が変化すると、ポリマーファイバー２の変形特性が変化する。つまり、同一条件の温度上昇によっても、ポリマーファイバー２の変形量が異なるものとなり、これにより、アクチュエータの駆動特性も変化する虞がある。これに対して、第１実施形態のポリマーファイバーアクチュエータ１は、上記構成により、ポリマーファイバー２の膨潤発生を検出したときには、ポリマーファイバー２へ入力する熱量を適切に制御して、ポリマーファイバー２の膨潤が発生してもアクチュエータ出力にポリマーファイバー２の変形特性の変化が影響しないようにしている。この結果、ポリマーファイバー２の変形特性の変化に起因するアクチュエータの駆動特性の変化を好適に抑制できる。

また、第１実施形態のポリマーファイバーアクチュエータ１において、駆動制御部６は、膨潤検出部５がポリマーファイバー２の膨潤発生を検出するとき、ポリマーファイバー２の膨潤に応じて、ポリマーファイバー２の目標出力に対応する入力熱量を補正する。より詳細には、駆動制御部６は、ポリマーファイバー２の出力をフィードバック制御することによって、ポリマーファイバー２の目標出力に対応する駆動信号（すなわち入力熱量）を補正する。

この構成により、膨潤によりポリマーファイバー２の変形特性が変化した状態でも、ポリマーファイバー２への入力を適切に補正することによって、ポリマーファイバー２の現実の出力が目標出力となるようにポリマーファイバー２の動作を適切に制御することが可能となる。

また、第１実施形態のポリマーファイバーアクチュエータ１は、ポリマーファイバー２の変形特性の変化に応じて入力熱量を制御しても対応できないポリマーファイバー２の異常を検出する異常検出部７を備える。この構成により、駆動制御部６が、膨潤発生に応じて電熱線３への駆動信号を補正し、ポリマーファイバー２への入力熱量を補正したとしても、アクチュエータの駆動特性の変化を抑制できない事態の発生を精度良く認識することができる。

また、第１実施形態のポリマーファイバーアクチュエータ１は、異常検出部７により検出されたポリマーファイバー２の異常を報知する報知部８を備える。この構成により、ポリマーファイバー２の異常発生をアクチュエータの使用者や管理者に迅速に知らせることができる。

また、第１実施形態のポリマーファイバーアクチュエータ１において、エネルギ入力部としての電熱線３はポリマーファイバー２の外周側にらせん状に巻き付けられる。この構成により、電熱線３から放出された熱をポリマーファイバー２の全体に亘って効率良く伝達することが可能となる。

また、ポリマーファイバーアクチュエータ１の構成要素である制御装置４は、膨潤検出部５及び駆動制御部６がポリマーファイバー２及び電熱線３を適切に制御して上述の機能を発揮することによって、それ単体でもポリマーファイバーアクチュエータ１の全体と同様の作用・効果を奏することができる。

次に、図３を参照して、第１実施形態に係るポリマーファイバーアクチュエータ１の適用例について説明する。図３に示すように、ポリマーファイバーアクチュエータ１は、センサ装置２０の駆動源として利用することができる。センサ装置２０は、外部の情報（熱、温度、光など）を検出するセンサ部２１と、センサ部２１の姿勢を変更可能なポリマーファイバーアクチュエータ１とを備える。

センサ部２１は、例えば図３に示すようにポリマーファイバーアクチュエータ１の一方の端部に接続されている。ポリマーファイバーアクチュエータ１の他方の端部は、例えば固定部材に保持され、これによりセンサ部２１が接続される側の端部をより大きく動作させることができるように構成することもできる。

制御装置４は、電熱線３の電流供給を制御することにより、ポリマーファイバーアクチュエータ１の出力を制御して、センサ部２１の姿勢を制御する。制御装置４は、センサ部２１の姿勢情報を取得して、目標姿勢との偏差に応じて電熱線３の制御量を調整することによって、センサ部２１の姿勢をフィードバック制御する構成とすることもできる。

このようにセンサ装置２０の駆動源としてポリマーファイバーアクチュエータ１を適用することにより、従来のモータ等の回転機を適用する場合と比較して駆動源を小型化することができるので、センサ装置２０の全体の小型化や軽量化を図ることができる。

［第２実施形態］
図４及び図５を参照して第２実施形態を説明する。第２実施形態に係るポリマーファイバーアクチュエータ１Ａは、ポリマーファイバー２の膨潤発生に応じた補正手法が、第１実施形態のポリマーファイバーアクチュエータ１と異なる。

図４に示すように、ポリマーファイバーアクチュエータ１Ａの制御装置４Ａが有する駆動制御部６Ａは、膨潤検出部５Ａがポリマーファイバー２の膨潤発生を検出するとき、ポリマーファイバー２の出力停止中に、ポリマーファイバー２の膨潤に応じた補正量を算出し、この補正量を電熱線３への駆動信号に加算または減算することによって、ポリマーファイバー２の目標出力に対応する駆動信号及び入力熱量を補正する。以下では、この補正を「補正量算出制御」とも表す場合がある。

また、制御装置４Ａが有する膨潤検出部５Ａは、ポリマーファイバー２の動作停止中における周囲環境の温度若しくは湿度や、ポリマーファイバー２の電気抵抗などの情報に基づいて、ポリマーファイバー２の膨潤発生有無を推定する。膨潤検出部５Ａは、例えば、図４に示すように、周囲環境の温度を検出する温度センサ１１や、周囲環境の湿度を検出する湿度センサ１２や、ポリマーファイバー２の電気抵抗値を検出する電気抵抗センサ１３と電気的に接続され、これらのセンサ１１，１２，１３から入力される情報に基づき、ポリマーファイバー２の膨潤発生を推定することができる。

図５を参照して、第２実施形態における補正量算出制御の具体的な手順の一例を説明する。図５に示す補正量算出制御のフローチャートの一連の処理は、制御装置４Ａにより例えば所定周期ごとに実施される。

ステップＳ２１では、駆動制御部６Ａにより、ポリマーファイバーアクチュエータ１Ａが停止状態であるか否かが判定される。ステップＳ２１の判定の結果、ポリマーファイバーアクチュエータ１Ａが停止状態である場合（ステップＳ２１のＹｅｓ）にはステップＳ２２に進み、そうでない場合（ステップＳ２１のＮｏ）には本制御フローを終了する。

ステップＳ２２では、膨潤検出部５Ａにより、温度センサ１１、湿度センサ１２、電気抵抗センサ１３から情報が取得される。膨潤検出部５Ａは、ポリマーファイバーアクチュエータ１Ａの停止中に、温度センサ１１及び湿度センサ１２から周囲環境の温度や湿度の情報を取得し、また、電気抵抗センサ１３からポリマーファイバー２の電気抵抗値を取得することができる。ステップＳ２２の処理が完了するとステップＳ２３に進む。

ステップＳ２３では、膨潤検出部５Ａにより、ステップＳ２２にて取得したセンサ情報に基づき、ポリマーファイバー２の膨潤の発生有無が推定される。膨潤検出部５Ａは、例えば、周囲環境の温度や湿度の上昇が所定量を超え、ポリマーファイバー２に周囲環境の水分等が浸透しやすい状況に遷移していると判断し得るときに、ポリマーファイバー２の膨潤が発生していると推定することができる。また、膨潤検出部５Ａは、ポリマーファイバー２の電気抵抗値が所定範囲を超えて変動し、ポリマーファイバー２の物性が変化していると判断し得るときに、ポリマーファイバー２の膨潤が発生していると推定することができる。ステップＳ２３の処理が完了するとステップＳ２４に進む。

ステップＳ２４では、駆動制御部６Ａにより、ステップＳ２３の膨潤推定結果に基づき、ポリマーファイバーアクチュエータ１Ａの現在の状態において、ポリマーファイバー２の膨潤が発生しているか否かが判定される。ステップＳ２４の判定の結果、膨潤が発生している場合（ステップＳ２４のＹｅｓ）にはステップＳ２５に進む。一方、膨潤が発生していない場合（ステップＳ２５のＮｏ）には、補正を行わずに本制御フローを終了する。

ステップＳ２５では、駆動制御部６Ａにより、ステップＳ２４にてポリマーファイバー２の膨潤発生と判定されたのに応じて、アクチュエータ出力の膨潤による影響を解消すべく、駆動信号の補正量が算出される。駆動制御部６Ａは、例えば、ステップＳ２３にて膨潤の度合いまで推定して、膨潤の度合いに応じて補正量を調整することができるし、または、所定の補正量を設定することもできる。駆動制御部６Ａは、以後のアクチュエータ制御においては、ポリマーファイバー２の目標出力に対応する駆動信号に、さらに補正量を加算したものを制御信号として用いて、電熱線３を制御する。ステップＳ２５の処理が完了すると本制御フローを終了する。

第２実施形態に係るポリマーファイバーアクチュエータ１Ａでは、第１実施形態のポリマーファイバーアクチュエータ１と同様に、ポリマーファイバー２の膨潤発生の検出に応じて、ポリマーファイバー２へ入力する熱量を適切に制御して、ポリマーファイバー２の膨潤が発生してもアクチュエータ出力にポリマーファイバー２の変形特性の変化が影響しないようにしている。したがって、第２実施形態に係るポリマーファイバーアクチュエータ１Ａは、第１実施形態のポリマーファイバーアクチュエータ１と同様の効果を奏することができる。

［第３実施形態］
図６及び図７を参照して第３実施形態を説明する。第３実施形態に係るポリマーファイバーアクチュエータ１Ｂは、ポリマーファイバー２の膨潤発生に応じた対策が、電熱線３への駆動信号の補正ではなく、ポリマーファイバー２の膨潤を元の状態に回復させる回復制御を実施する点で、第１実施形態のポリマーファイバーアクチュエータ１と異なる。

図６に示すように、ポリマーファイバーアクチュエータ１Ｂの制御装置４Ｂが有する駆動制御部６Ｂは、膨潤検出部５Ａがポリマーファイバー２の膨潤発生を検出するとき、ポリマーファイバー２の出力停止中に回復制御を実施する。駆動制御部６Ｂは、回復制御において、電熱線３からポリマーファイバー２に所定の熱量を入力することによって、ポリマーファイバー２の内部に浸透している水分等を蒸発させて、ポリマーファイバー２を膨潤発生前の状態に回復させる。以下では、この回復制御を「膨潤回復制御」とも表す場合がある。

なお、制御装置４Ｂが有する膨潤検出部５Ａは、第２実施形態の膨潤検出部５Ａと同様に、温度センサ１１、湿度センサ１２、電気抵抗センサ１３などに基づいてポリマーファイバー２の膨潤発生を推定する。

図７を参照して、第３実施形態における膨潤回復制御の具体的な手順の一例を説明する。図７に示す補正量算出制御のフローチャートの一連の処理は、制御装置４Ｂにより例えば所定周期ごとに実施される。

ステップＳ３１〜Ｓ３４の各処理ステップの処理内容は、図５のステップＳ２１〜Ｓ２４と同様であるので説明を省略する。

ステップＳ３５では、駆動制御部６Ｂにより、ステップＳ３４にてポリマーファイバー２の膨潤発生と判定されたのに応じて、アクチュエータ出力の膨潤による影響を解消すべく、膨潤回復制御が実施される。膨潤回復制御において、駆動制御部６Ｂは、例えば、ポリマーファイバー２の出力停止中、すなわち、ポリマーファイバーアクチュエータ１Ｂを駆動させるための駆動信号が無いときに、膨潤回復制御のための所定値の駆動信号を所定時間だけ電熱線３に出力する。電熱線３は、この駆動信号の入力に応じて、所定量の熱量を所定時間発生する。これによりポリマーファイバー２は所定熱量によって所定時間加熱され、内部に浸透している水分等の少なくとも一部が放出され、膨潤状態から改善される。ステップＳ３５の処理が完了すると、ステップＳ３２に戻り、ステップＳ３４にてポリマーファイバー２の膨潤が無いと判定されるまでステップＳ３２〜Ｓ３５が繰り返される。

第３実施形態に係るポリマーファイバーアクチュエータ１Ｂでは、ポリマーファイバー２の膨潤発生の検出に応じて、ポリマーファイバー２へ入力する熱量を適切に制御して膨潤回復制御を実施して、第１実施形態のポリマーファイバーアクチュエータ１と同様に、ポリマーファイバー２の膨潤が発生してもアクチュエータ出力にポリマーファイバー２の変形特性の変化が影響しないようにしている。したがって、第３実施形態に係るポリマーファイバーアクチュエータ１Ｂは、第１実施形態のポリマーファイバーアクチュエータ１と同様の効果を奏することができる。

また、第３実施形態に係るポリマーファイバーアクチュエータ１Ｂでは、ポリマーファイバー２の膨潤発生を検出したときに、ポリマーファイバー２の出力停止中に膨潤回復制御を実施するので、ポリマーファイバー２の変形特性を常に略同一の状態に維持してアクチュエータ制御を行うことが可能となり、制御精度を向上できる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

上記実施形態では、本発明に係るアクチュエータの一例としてポリマーファイバーアクチュエータ１，１Ａ，１Ｂを挙げて説明したが、変形材料（上記実施形態ではポリマーファイバー２）の変形を動力源とするアクチュエータであれば他種のアクチュエータであってもよい。他種のアクチュエータの場合、変形材料の種類、変形材料の変形特性を変化させる現象（上記実施形態ではポリマーファイバー２の膨潤）、変形特性を変化させる物質（上記実施形態では水分や油分）の種類の態様は、それぞれアクチュエータに適したものとなる。例えば、変形材料が金属の場合には、変形特性を変化させる物質としては水素が該当する。

上記実施形態では、変形材料（ポリマーファイバー２）にエネルギ入力を行うエネルギ入力部として電熱線３を挙げたが、エネルギ入力部としては、電熱線３の他にも、例えば導電性エラストマやめっきなど、変形材料としてのポリマーファイバー２の外周側に巻き付けられ、ポリマーファイバー２の表面の一部または全部を被覆するよう構成される他の導電性材料を用いることができる。

また、上記の第１実施形態では、制御装置４の膨潤検出部５が、位置センサ９及び加速度センサ１０からポリマーファイバー２の動作中の変位及び加速度の情報を取得し、これらのセンサ情報に基づいてポリマーファイバー２の実際の出力を算出する構成を例示したが、この構成に限られず、位置センサ９または加速度センサ１０の一方のみを用いる構成としてもよいし、ポリマーファイバー２の実際の出力を導出できる他の情報を用いる構成としてもよい。

また、上記の第２、第３実施形態では、制御装置４Ａ，４Ｂの膨潤検出部５Ａが、温度センサ１１及び湿度センサ１２から周囲環境の温度や湿度の情報を取得し、また、電気抵抗センサ１３からポリマーファイバー２の電気抵抗値を取得し、これらのセンサ情報に基づいてポリマーファイバー２の膨潤が発生有無を推定する構成を例示したが、この構成に限られず、温度センサ１１、湿度センサ１２、または電気抵抗センサ１３の少なくとも１つを用いる構成としてもよいし、ポリマーファイバー２の膨潤が発生有無を推定できる他の情報を用いる構成としてもよい。

また、上記実施形態では、変形材料（ポリマーファイバー２）の変化特性の変化（膨潤発生）を検出したときに、エネルギ入力部（電熱線３）からポリマーファイバー２へ入力されるエネルギ（熱量）を制御する制御手法の一例として、第１実施形態の駆動信号補正制御、第２実施形態の補正量算出制御、第３実施形態の膨潤回復制御を例示したが、ポリマーファイバー２の膨潤発生に起因するアクチュエータの駆動特性の変化を抑制できれば他の制御手法を用いることもできる。また、第１実施形態の駆動信号補正制御、第２実施形態の補正量算出制御、第３実施形態の膨潤回復制御のいずれかを組み合わせて実施することもできる。

また、上記実施形態では、エネルギ入力部として、変形材料としてのポリマーファイバー２の外周側に巻き付けられる導電性材料（電熱線３）を適用する構成を挙げたが、エネルギ入力部は変形材料にエネルギを入力できればよく、例えばポリマーファイバー２の内部に導電性材料を埋設して、内側からポリマーファイバー２を加熱する構成でもよい。

１，１Ａ，１Ｂ：ポリマーファイバーアクチュエータ（アクチュエータ）
２：ポリマーファイバー（変形材料）
３：電熱線（エネルギ入力部、導電性材料）
４，４Ａ，４Ｂ：制御装置
５，５Ａ：膨潤検出部（特性変化検出部）
６，６Ａ，６Ｂ：駆動制御部
７：異常検出部
８：報知部
２０：センサ装置
２１：センサ部

Claims (13)

1. 外部からのエネルギ入力に応じて変形して動力を出力する変形材料（２）と、
   前記変形材料にエネルギを入力するエネルギ入力部（３）と、
   前記変形材料の変形特性が変化したことを検出する特性変化検出部（５，５Ａ）と、
   前記エネルギを制御することにより前記変形材料の出力を制御する駆動制御部（６，６Ａ，６Ｂ）と、を備え、
   前記駆動制御部は、前記特性変化検出部が前記変形特性の変化を検出するとき、前記変形特性の変化に応じて前記エネルギを制御する、
   アクチュエータ（１，１Ａ，１Ｂ）。
2. 前記駆動制御部（６，６Ａ）は、前記特性変化検出部が前記変形特性の変化を検出するとき、前記変形特性の変化に応じて、前記変形材料の目標出力に対応する前記エネルギを補正する、
   請求項１に記載のアクチュエータ（１，１Ａ）。
3. 前記駆動制御部（６）は、前記変形材料の出力をフィードバック制御することによって、前記変形材料の目標出力に対応する前記エネルギを補正する、
   請求項２に記載のアクチュエータ（１）。
4. 前記駆動制御部（６Ａ）は、前記特性変化検出部（５Ａ）が前記変形特性の変化を検出するとき、前記変形材料の出力停止中に前記変形特性の変化に応じた補正量を算出し、前記補正量を前記エネルギに加算または減算することによって、前記変形材料の目標出力に対応する前記エネルギを補正する、
   請求項２または３に記載のアクチュエータ（１Ａ）。
5. 前記駆動制御部（６Ｂ）は、前記特性変化検出部が前記変形特性の変化を検出するとき、前記エネルギ入力部から前記変形材料への前記エネルギの入力によって前記変形特性を変化前の状態に回復させる回復制御を実施する、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載のアクチュエータ（１Ｂ）。
6. 前記変形特性の変化に応じて前記エネルギを制御しても対応できない前記変形材料の異常を検出する異常検出部（７）を備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載のアクチュエータ（１，１Ａ，１Ｂ）。
7. 前記異常検出部により検出された前記異常を報知する報知部（８）を備える、請求項６に記載のアクチュエータ。
8. 前記特性変化検出部（５，５Ａ）は、前記変形材料の変形量、周囲環境の温度若しくは湿度、または、前記変形材料の電気抵抗、のうち少なくとも１つに基づいて、前記変形材料の変形特性が変化したことを検出する、
   請求項１〜７のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
9. 前記変形材料は、ポリマーファイバーである、
   請求項１〜８のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
10. 前記エネルギ入力部は、前記ポリマーファイバーの外周側に巻き付けられる導電性材料であり、
    前記ポリマーファイバーは、前記導電性材料から入力される熱に応じて変形する、
    請求項９に記載のアクチュエータ。
11. 前記特性変化検出部は、前記ポリマーファイバーに外部から水分または油分が吸収される前記ポリマーファイバーの膨潤の発生を検出し、
    前記駆動制御部は、前記特性変化検出部が前記膨潤の発生を検出するとき、前記膨潤に応じて、前記エネルギ入力部から前記変形材料へ入力される前記エネルギを制御する、
    請求項９または１０に記載のアクチュエータ。
12. 外部の情報を検出するセンサ部（２１）と、
    前記センサ部の姿勢を変更可能な請求項１〜１１のいずれか１項に記載のアクチュエータ（１，１Ａ，１Ｂ）と、
    を備えるセンサ装置（２０）。
13. 外部からのエネルギ入力に応じて変形して動力を出力する変形材料（２）と、
    前記変形材料にエネルギを入力するエネルギ入力部（３）と、
    を備えるアクチュエータ（１，１Ａ，１Ｂ）を制御するための制御装置（４，４Ａ，４Ｂ）であって、
    前記変形材料の変形特性が変化したことを検出する特性変化検出部（５，５Ａ）と、
    前記エネルギを制御することにより前記変形材料の出力を制御する駆動制御部（６，６Ａ，６Ｂ）と、を備え、
    前記駆動制御部は、前記特性変化検出部が前記変形特性の変化を検出するとき、前記変形特性の変化に応じて前記エネルギを制御する、
    制御装置。

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