JP2020061878A - 誘電エラストマーアクチュエータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】誘電エラストマーアクチュエータの形状の指標値を検出する機能を有しながらも小型化を図ることの可能な誘電エラストマーアクチュエータ装置を提供する。【解決手段】誘電エラストマーアクチュエータ（ＤＥＡ１０）は、誘電エラストマーからなる誘電層１１と同誘電層１１の厚さ方向の両側に積層された一対の電極層（第１電極１２および第２電極１３）とを有する。ＤＥＡ装置は、ＤＥＡ１０の第１電極１２と接地端子１５との間に設けられて第１電極１２にＤＥＡ１０の駆動用の駆動電圧を印加する駆動電源装置１４、および、ＤＥＡ１０の第２電極１３と接地端子１５との間に設けられて第２電極１３に検出用の交流電圧を印加する検出電源装置１６を有する。検出電源装置１６とＤＥＡ１０の第２電極との間には、それらの間に流れる交流電流の振幅の指標値を検出する検出装置２０が設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、誘電エラストマーアクチュエータ装置に関するものである。

近年、誘電エラストマーアクチュエータ（ＤＥＡ：Dielectric Elastomer Actuator）の開発が行われている。ＤＥＡは、誘電エラストマーからなるシート状の誘電層と、誘電層の厚さ方向の両側に積層された一対の電極層（正極電極および負極電極）とを有している。ＤＥＡの作動制御では、正極電極と負極電極との間に駆動電圧が印加される。これにより、印加電圧の大きさに応じて誘電層が厚さ方向に圧縮される一方で同誘電層の面に沿った方向に伸張されるといったように、ＤＥＡは変形する。

また、こうしたＤＥＡの伸縮量を検出する装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の装置は、ＤＥＡの駆動電圧（直流電圧）に伸縮量検出用の高周波の交流電圧を重畳する検出電圧発生回路や、ＤＥＡの負極電極に接続される電流検出用の抵抗器に発生する電圧の振幅を検出する電圧振幅検出回路を有している。

ＤＥＡはコンデンサ構造をなしており、上記装置においてはＤＥＡと抵抗器とでハイパスフィルターを構成する。そのため、上記装置においてＤＥＡの駆動電圧に重畳された高周波の交流電圧は、ＤＥＡを通過して、ＤＥＡの負極電極に現れるようになる。またＤＥＡは、作動に伴い誘電層が薄くなって電極間距離が短くなるほど、静電容量が大きくなって同ＤＥＡを流れる交流電流の振幅が大きくなるため、負極電極に現れる交流電圧の振幅も大きくなる。

上記装置では、こうしたＤＥＡの特性をもとに、検出電圧発生回路によってＤＥＡの駆動電圧に高周波の交流電圧が重畳されるとともに、電圧振幅検出回路によって、そのときのＤＥＡの負極電極における電圧の振幅が同ＤＥＡの伸縮量の指標値として検出される。

特開２００８−２１６０７４号公報

ＤＥＡの駆動電圧は、例えば６００Ｖ〜２０００Ｖの高電圧である。そのため、上記装置の検出電圧発生回路を構成する各素子としては高電圧に耐える大型の部品が採用される。こうしたことから、上記装置の大型化が避けられない。

本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、誘電エラストマーアクチュエータの形状の指標値を検出する機能を有しながらも小型化を図ることの可能な誘電エラストマーアクチュエータ装置を提供することにある。

上記課題を解決するための誘電エラストマーアクチュエータ装置は、誘電エラストマーからなる誘電層と同誘電層の厚さ方向の両側に積層された一対の電極層とを有する誘電エラストマーアクチュエータと、前記一対の電極層の一方と接地端子との間に設けられて、前記一方に前記誘電エラストマーアクチュエータの駆動用の駆動電圧を印加する駆動電圧印加部と、前記一対の電極層の他方と前記接地端子との間に設けられて、前記他方に交流電圧を印加する検出電圧印加部と、前記検出電圧印加部と前記他方との間に設けられて、前記検出電圧印加部および前記他方の間に流れる交流電流の振幅の指標値を検出する検出部とを備える。

上記構成において、誘電エラストマーアクチュエータ（以下、ＤＥＡ）はコンデンサ構造をなしており、「１／（ｊ×２π×ｆ×Ｃ）」（ただし、「ｊ」は虚数、「ｆ」は周波数、「Ｃ」は静電容量）のインピーダンスを持つ。そのため、検出電圧印加部からＤＥＡの一対の電極層の他方（第２電極）に交流電圧Ｖｄを印加すると、検出電圧印加部とＤＥＡの第２電極との間に、ＤＥＡの静電容量に応じた交流電流（ｊ×２π×ｆ×Ｃ×Ｖｄ）が流れるようになる。そして、ＤＥＡはコンデンサ構造をなしているため、ＤＥＡの作動に伴い誘電層が薄くなって電極層間の距離が短くなるほど、静電容量が大きくなってＤＥＡ（具体的には、検出電圧印加部と第２電極との間）を流れる交流電流の振幅も大きくなる。こうしたことから、ＤＥＡに流れる交流電流、すなわちＤＥＡの第２電極と検出電圧印加部との間に流れる交流電流の振幅と同ＤＥＡの形状（例えば、厚さ）とは相関関係になる。上記構成によれば、そうした第２電極と検出電圧印加部との間に流れる交流電流の振幅の指標値を、ＤＥＡの形状の指標となる値として、検出部によって検出することができる。

しかも、ＤＥＡはコンデンサ構造をなしているため、一対の電極層の一方（第１電極）に駆動電圧が印加されるとともに他方（第２電極）に交流電圧が印加されるとはいえ、それら電圧の干渉分は、ＤＥＡを通過する交流電圧分だけに留まる。そのため、検出電圧印加部と第２電極との間に流れる交流電流の振幅の指標値を検出する検出部（詳しくは、検出部を構成する各素子）を、第１電極に印加されるＤＥＡ駆動用の駆動電圧に対応するものにする必要はなく、第２電極に印加される形状検出用の交流電圧に対応するものにすることができる。したがって上記構成によれば、検出部の小型化を図ることができる。

このように上記構成によれば、ＤＥＡの形状の指標値を検出する機能を有しながらもＤＥＡ装置の小型化を図ることができる。
上記装置において、前記検出部によって検出される前記指標値に基づいて、前記誘電エラストマーアクチュエータの形状を算出する算出部を備える。

上記構成によれば、検出電圧印加部と第２電極との間に流れる交流電流の振幅の指標値、すなわちＤＥＡの形状の指標となる値に基づいて、同ＤＥＡの実際の形状を算出することができる。そのため、そうしたＤＥＡの実際の形状をもとに、ＤＥＡの作動制御やＤＥＡの異常を判定する制御など、ＤＥＡについての各種制御を精度良く実行することができる。

上記装置において、前記検出部によって検出される前記指標値に基づいて、前記誘電エラストマーアクチュエータの形状が制御目標の形状になるように、前記駆動電圧印加部によって前記一対の電極層の前記一方に印加される駆動電圧をフィードバック制御する制御部を備えることが好ましい。

上記構成によれば、検出電圧印加部と第２電極との間に流れる交流電流の振幅の指標値、すなわちＤＥＡの形状の指標となる値をもとに、ＤＥＡの形状が制御目標の形状になるように、ＤＥＡの形状を精度良く制御することができる。

上記装置において、前記検出電圧印加部は、前記一対の電極層の前記他方に電圧を出力する演算増幅器を備え、前記演算増幅器は、同演算増幅器の最大出力電流を「Ｉｍａｘ」とし、前記一対の電極層の前記一方に印加される駆動電圧を「Ｖｉｎ」とし、前記誘電エラストマーアクチュエータの等価直列抵抗を「Ｒｓ」とし、前記検出部の内部抵抗を「Ｒｂ」とした場合に関係式「Ｉｍａｘ≧Ｖｉｎ／（Ｒｓ＋Ｒｂ）」を満たすものであることが好ましい。

上記構成では、ＤＥＡに印加される駆動電圧Ｖｉｎが変化した瞬間において、ＤＥＡの第２電極と検出電圧印加部との間には、ＤＥＡの等価直接抵抗Ｒｓに検出部の内部抵抗Ｒｂを加算した値によって駆動電圧Ｖｉｎを除算した値「Ｖｉｎ／（Ｒｓ＋Ｒｂ）」に相当する電流が瞬間的に流れる。このとき仮に検出電圧印加部（上記構成では、演算増幅部）の電流出力能力が不足すると、これに起因してＤＥＡの第２電極に供給される検出電圧印加部の出力電圧が変動して不安定となり、検出部による検出値（交流電流の振幅の指標値）の検出精度の低下を招くおそれがある。

この点、上記構成によれば、第２電極に電流を出力する演算増幅器の最大出力電流Ｉｍａｘが上記電流「Ｖｉｎ／（Ｒｓ＋Ｒｂ）」以上になっているため、ＤＥＡに印加される駆動電圧が変化しても、十分な電流供給能力があるため検出電圧印加部の出力電圧変動を抑えることができる。これにより、ＤＥＡの第２電極と検出電圧印加部との間を流れる交流電流が不要に変化することを抑えることができるため、同交流電流の振幅の指標値を精度良く検出することができる。

本発明によれば、誘電エラストマーアクチュエータの形状の指標値を検出する機能を有しながらも同誘電エラストマーアクチュエータ装置の小型化を図ることができる。

ＤＥＡ装置の一実施形態を示すブロック図。 駆動電源装置の出力電圧の周波数帯域を示すグラフ。 検出電源装置の出力波形図。 全波整流回路およびピーク検出回路の出力波形図。 ＤＥＡを等価回路で示した電気回路構造を示すブロック図。 フィードバック制御の制御構造を示すブロック図。 ＤＥＡ装置の他の実施形態を示すブロック図。 ＤＥＡ装置の他の実施形態を示すブロック図。 ＤＥＡ装置の他の実施形態を示すブロック図。

以下、誘電エラストマーアクチュエータ装置の一実施形態について説明する。
図１に示すように、誘電エラストマーアクチュエータ（以下、ＤＥＡ１０）は、誘電エラストマーからなるシート状の誘電層１１と、同誘電層１１の厚さ方向の両側に配置された一対の電極層としての第１電極１２および第２電極１３とが積層された多層構造体である。ＤＥＡ１０は、第１電極１２と第２電極１３との間に駆動電圧が印加されると、印加電圧の大きさに応じて、誘電層１１が厚さ方向（図１の上下方向）に圧縮されるとともに誘電層１１の面に沿った方向（図１の左右方向）に伸張するように変形する。

誘電層１１を構成する誘電エラストマーは特に限定されるものではなく、公知のＤＥＡに用いられる誘電エラストマーを用いることができる。上記誘電エラストマーとしては、例えば、架橋されたポリロタキサン、シリコーンエラストマー、アクリルエラストマー、ウレタンエラストマーが挙げられる。これら誘電エラストマーのうちの一種を用いてもよいし、複数種を併用してもよい。誘電層１１の厚さは、例えば、２０〜２００μｍである。

第１電極１２および第２電極１３を構成する材料としては、例えば、導電エラストマー、カーボンナノチューブ、ケッチェンブラック（登録商標）、金属蒸着膜が挙げられる。上記導電エラストマーとしては、例えば、絶縁性高分子および導電性フィラーを含有する導電エラストマーが挙げられる。

上記絶縁性高分子としては、例えば、架橋されたポリロタキサン、シリコーンエラストマー、アクリルエラストマー、ウレタンエラストマーが挙げられる。これら絶縁性高分子のうちの一種を用いてもよいし、複数種を併用してもよい。上記導電性フィラーとしては、例えば、ケッチェンブラック（登録商標）、カーボンブラック、銅や銀等の金属粒子が挙げられる。これら導電性フィラーのうちの一種を用いてもよいし、複数種を併用してもよい。第１電極１２および第２電極１３の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

本実施形態の装置は、ＤＥＡ１０の第１電極１２に駆動用の駆動電圧Ｖｉｎを印加する駆動電源装置１４を有している。駆動電源装置１４の正極側出力端子１４ＡはＤＥＡ１０の第１電極１２に接続されており、同駆動電源装置１４の負極側出力端子１４Ｂは接地端子１５に接続されている。本実施形態では、駆動電源装置１４が駆動電圧印加部に相当する。

駆動電源装置１４は、直流、交流、矩形波等の予め定められたパターンで変化する駆動電圧Ｖｉｎを出力してＤＥＡ１０の第１電極１２に印加する。この駆動電圧Ｖｉｎは、例えば「０〜１０００Ｖ」の範囲で制御される。また図２に示すように、駆動電圧Ｖｉｎの周波数帯域ｆ１（図２にハッチングで示す領域）は低周波数域（例えば、１００Ｈｚ以下）に設定される。

図１に示すように、本実施形態の装置は、ＤＥＡ１０の第２電極１３に形状検出用の交流電圧Ｖｄを印加する検出電源装置１６を有している。検出電源装置１６の正極側出力端子１６ＡはＤＥＡ１０の第２電極１３に接続されており、同検出電源装置１６の負極側出力端子１６Ｂは接地端子１５に接続されている。本実施形態では、検出電源装置１６が検出電圧印加部に相当する。

図３に示すように、検出電源装置１６は、一定の周波数ｆ２（本実施形態では、１ｋＨｚ）で、駆動電圧Ｖｉｎに対して十分に小さい所定振幅（例えば、２Ｖ程度）の交流電圧Ｖｄを出力してＤＥＡ１０の第２電極１３に印加する。本実施形態では、図２に示すように、交流電圧Ｖｄの周波数ｆ２が駆動電圧Ｖｉｎの周波数帯域ｆ１よりも高くなるように定められており、互いに周波数的に分離されている。ＤＥＡ１０（図１）の第２電極１３に交流電圧Ｖｄを印加する検出電源装置１６は、電流増幅するバッファアンプとして機能する演算増幅器１７を備えている。

ここで、ＤＥＡ１０の第１電極１２に印加される駆動電圧Ｖｉｎが一定であっても、ＤＥＡ１０の第２電極１３に交流電圧Ｖｄが印加されるため、この交流電圧Ｖｄの分だけ、ＤＥＡ１０の第１電極１２と第２電極１３との間に印加される電圧が変動して、同ＤＥＡ１０が変形（伸縮）するおそれがある。本実施形態では、ＤＥＡ１０の駆動のために同ＤＥＡ１０の第１電極１２に印加される駆動電圧Ｖｉｎ（詳しくは、その最大値［１０００Ｖ］）に対して、ＤＥＡ１０の形状の検出のために同ＤＥＡ１０の第２電極１３に印加される交流電圧Ｖｄの振幅（例えば、２Ｖ）が十分に低くなっている。そのため、仮に交流電圧Ｖｄの印加に起因してＤＥＡ１０が変形したとしても、ＤＥＡ１０の変形量（詳しくは、その総量）に与える影響はごく小さい。また、交流電圧Ｖｄの周波数ｆ２をＤＥＡ１０が殆ど応答しない高い周波数に設定することにより、この交流電圧Ｖｄの印加に起因するＤＥＡ１０の変形量は無視できる程度に小さく抑えることができる。

ＤＥＡ１０はコンデンサ構造をなしており、「１／（ｊ×２π×ｆ×Ｃ）」（ただし、「ｊ」は虚数、「ｆ」は周波数、「Ｃ」は静電容量）のインピーダンスを持つ。そのため、検出電源装置１６からＤＥＡ１０の第２電極１３に交流電圧Ｖｄを印加すると、検出電源装置１６とＤＥＡ１０の第２電極１３との間に、ＤＥＡ１０の静電容量Ｃに応じた交流電流Ｉｄ（＝ｊ×２π×ｆ×Ｃ×Ｖｄ）が流れるようになる。

本実施形態の装置は、検出電源装置１６とＤＥＡ１０の第２電極１３との間に流れる交流電流Ｉｄの振幅の指標値（振幅検出値ＶＡ）を検出する検出部としての検出装置２０を有している。この検出装置２０は、シャント抵抗器２１、差動増幅回路２２、バンドパスフィルター２３、全波整流回路２４、およびピーク検出回路２５を有している。

シャント抵抗器２１は、検出電源装置１６の正極側出力端子１６ＡとＤＥＡ１０の第２電極１３との間に直列接続されている。シャント抵抗器２１の両端間電圧は、シャント抵抗器２１の抵抗値Ｒ（本実施形態では、１００Ω）と同シャント抵抗器２１を流れる電流Ｉとに応じた電圧値Ｖ（＝Ｉ×Ｒ）、すなわちシャント抵抗器２１を流れる電流Ｉに比例する電圧値になる。

差動増幅回路２２は、シャント抵抗器２１の両端間電圧を増幅するための差動増幅器２２Ａを有している。この差動増幅器２２Ａの反転入力端子は、抵抗器Ｒ１を介してシャント抵抗器２１の正端子２１Ａに接続されるとともに抵抗器Ｒ４を介して固定電位ＶＲＥＦ（本実施形態では、接地端子）に接続されている。また差動増幅器２２Ａの非反転入力端子は、抵抗器Ｒ２を介してシャント抵抗器２１の負端子２１Ｂに接続されるとともに抵抗器Ｒ５を介して固定電位ＶＲＥＦに接続されている。さらに差動増幅器２２Ａの反転入力端子は、抵抗器Ｒ３を介して同差動増幅器２２Ａの出力端子と接続されている。なお、抵抗器Ｒ１〜Ｒ５の抵抗値は、シャント抵抗器２１の抵抗値に対して十分に大きい値（１００ｋΩ〜１ＭΩ）に設定することが好ましい。

バンドパスフィルター２３は、差動増幅器２２Ａの出力端子に接続されており、同差動増幅器２２Ａによって増幅された電圧値のうち、検出電源装置１６から出力される交流電圧Ｖｄの周波数ｆ１（１ｋＨｚ）を中心とする狭周波数帯域内の信号成分を選択的に通過させるものである。このバンドパスフィルター２３により、所定周波数（１ｋＨｚ）の交流電圧Ｖｄの印加に伴ってシャント抵抗器２１に流れる電流に相当する信号成分（詳しくは、同電流に比例する電圧成分）が抽出されて出力される。

全波整流回路２４は、バンドパスフィルター２３に接続されている。全波整流回路２４は、図４に示すように、バンドパスフィルター２３を通過した電圧波形における負電圧の部分（図４中に二点鎖線で示す部分）を反転させることによって、全周期にわたって正電圧になるように整流して出力する回路である。

ピーク検出回路２５（図１）は、全波整流回路２４に接続されており、全波整流回路２４によって整流された電圧波形の正側（図４の上側）のピーク値Ｐ（すなわち振幅）を求めて出力する回路である。ピーク値Ｐは、図４から明らかなように、バンドパスフィルター２３を通過した電圧波形の振幅に相当する値、すなわち交流電圧Ｖｄの印加に伴ってシャント抵抗器２１を流れる交流電流Ｉｄの振幅に比例する値（上記振幅検出値ＶＡ）になる。

このようにして検出装置２０は、シャント抵抗器２１、差動増幅回路２２、バンドパスフィルター２３、全波整流回路２４、およびピーク検出回路２５を通じて、振幅検出値ＶＡを検出する。

ここで、本実施形態の装置では、ＤＥＡ１０の第１電極１２に高電圧（最大１０００Ｖ）の駆動電圧Ｖｉｎが印加されるとともに、ＤＥＡ１０の第２電極１３に低電圧（バイアスが０Ｖ、且つ振幅が２Ｖ）の交流電圧Ｖｄが印加される。ここで、ＤＥＡ１０がコンデンサ構造をなしているため、ＤＥＡ１０の第１電極１２と第２電極１３とは交流的には結合しているが、直流的には分離されている。つまり、ＤＥＡ１０の第１電極１２側は高電圧、第２電極１３側は低電圧というように電圧レベルが高／低に分離されている。そのため、検出電源装置１６とＤＥＡ１０の第２電極１３との間に設けられて上記振幅検出値ＶＡを検出する検出装置２０（詳しくは、検出装置２０を構成する各素子）は、第１電極１２に印加される駆動電圧Ｖｉｎの電圧範囲に対応した高電圧対応の大型の特殊部品で構成する必要はなく、第２電極１３に印加される交流電圧Ｖｄの電圧範囲に対応した汎用の低電圧の部品で構成することができる。したがって、検出電源装置や検出装置がＤＥＡ１０の第１電極１２と駆動電源装置１４との間に設けられるものと比較して、ＤＥＡ装置の小型化を図ることができる。

本実施形態の装置は、例えばマイクロコンピュータを中心に構成される電子制御装置３０を有している。この電子制御装置３０には、ピーク検出回路２５から出力される上記ピーク値Ｐが取り込まれるとともに上記振幅検出値ＶＡとして記憶されている。そして、電子制御装置３０は、振幅検出値ＶＡをもとに、演算マップＭ１から、ＤＥＡ１０の実際の形状（例えば厚さ）に相当する値（実形状Ｓｒ）を算出する。本実施形態では、電子制御装置３０が算出部に相当する。

以下、実形状Ｓｒを算出する手順について説明する。
ＤＥＡ１０の第２電極１３に一定周波数ｆ２の交流電圧Ｖｄが印加されると、ＤＥＡ１０には交流電流Ｉｄが流れる。そして、この場合におけるＤＥＡ１０のインピーダンスＺは、ＤＥＡ１０の静電容量Ｃと交流電圧Ｖｄの周波数ｆ２とに基づく以下の関係式（１）を満たす値になる。

Ｚ＝１／（ｊ×２π×ｆ２×Ｃ） …（１）

本実施形態の装置では、ＤＥＡ１０の第２電極１３に印加される交流電圧Ｖｄの周波数ｆ２が一定であるため、上記関係式（１）より、ＤＥＡ１０の静電容量Ｃが大きいときほど、ＤＥＡ１０のインピーダンスＺが低くなり、同ＤＥＡ１０に交流電流Ｉｄが流れ易くなる。

そして、この場合にＤＥＡ１０を流れる交流電流Ｉｄは、交流電圧Ｖｄ（詳しくは、Ｖ０×ｓｉｎ（２π×ｆ２×ｔ））、同交流電圧Ｖｄの絶対値｜Ｖｄ｜、振幅Ｖ０（その絶対値｜Ｖ０｜）、周波数ｆ２、ＤＥＡ１０のインピーダンスＺ、ＤＥＡ１０の静電容量Ｃ、および時間ｔに基づく以下の関係式（２）〜（４）を満たす値になる。

Ｉｄ＝Ｖｄ／Ｚ
＝Ｖ０×ｓｉｎ（２π×ｆ２×ｔ）×ｊ×２π×ｆ２×Ｃ …（２）
＝Ｖ０×ｃｏｓ（２π×ｆ２×ｔ）×ｊ×２π×ｆ２×Ｃ …（３）
｜Ｉｄ｜＝｜Ｖ０｜×２π×ｆ２×Ｃ …（４）

関係式（２）〜（４）から明らかなように、交流電流Ｉｄの大きさ（振幅）は、交流電圧Ｖｄの振幅Ｖ０、交流電圧Ｖｄの周波数ｆ２、およびＤＥＡ１０の静電容量Ｃを変数とする算出式によって算出することができる。本実施形態では、この算出式における振幅Ｖ０（２Ｖ）と周波数ｆ２（１ｋＨｚ）とが一定であるため、交流電流Ｉｄの振幅（本実施形態では、振幅検出値ＶＡ）を取得することができれば、同交流電流Ｉｄの振幅をもとにＤＥＡ１０の静電容量Ｃを算出することができる。

またＤＥＡ１０は、コンデンサ構造をなしているため、ＤＥＡ１０に印加される駆動電圧が高くなると、同ＤＥＡ１０の誘電層１１が薄くなって第１電極１２と第２電極１３との距離ｄが短くなってＤＥＡ１０の静電容量Ｃが大きくなり、ひいてはＤＥＡ１０（具体的には、検出電源装置１６と第２電極１３との間）を流れる交流電流Ｉｄの振幅が大きくなる。そのため、交流電流Ｉｄの振幅をもとにＤＥＡ１０の形状を求めることができる。

以上のことから、本実施形態の装置では、交流電流Ｉｄの振幅と同ＤＥＡ１０の形状とは相関関係になると云える。本実施形態では、そうした交流電流Ｉｄの振幅の指標値（振幅検出値ＶＡ）を、ＤＥＡ１０の形状の指標となる値として、検出装置２０によって検出することができる。そして、この振幅検出値ＶＡに基づいて、ＤＥＡ１０の形状を精度良く求めることができる。

本実施形態では、発明者による各種の実験やシミュレーションの結果をもとにＤＥＡ１０を流れる交流電流Ｉｄの振幅（具体的には、振幅検出値ＶＡ）とＤＥＡ１０の形状（具体的には、厚み）との関係が予め求められており、同関係が演算マップＭ１として電子制御装置３０のメモリ３１に記憶されている。演算マップＭ１には、具体的には、振幅検出値ＶＡが大きい値であるときほど、ＤＥＡ１０の厚みが薄くなっている状態を示す値が算出されるようになる関係が記憶されている。そして、上記振幅検出値ＶＡに基づいて、演算マップＭ１から、ＤＥＡ１０の形状（実形状Ｓｒ）が算出される。

図５に、コンデンサ構造のＤＥＡ１０を等価回路で示した電気回路構造を示す。同図５に示すように、本実施形態の装置では、ＤＥＡ１０の第１電極１２に印加される矩形波の駆動電圧Ｖｉｎがステップ的に変化したとき、ＤＥＡ１０の第２電極１３と検出電源装置１６との間に、ＤＥＡ１０の等価直列抵抗（詳しくは、その抵抗値）Ｒｓにシャント抵抗器２１の抵抗値Ｒｂを加算した値によって駆動電圧Ｖｉｎを除算した値（＝Ｖｉｎ／（Ｒｓ＋Ｒｂ））に相当する電流が瞬間的に流れる。このとき仮に検出電源装置１６の電流出力能力が不足すると、これに起因してＤＥＡ１０の第２電極１３に供給される検出電源装置１６の出力電圧が変動して不安定となり、検出装置２０による前記振幅検出値ＶＡの検出精度の低下を招くおそれがある。

この点、本実施形態の装置では、検出電源装置１６が演算増幅器１７を有している。そして、演算増幅器１７の最大出力電流を「Ｉｍａｘ」とし、ＤＥＡ１０の第２電極１３に印加される駆動電圧を「Ｖｉｎ」とし、ＤＥＡ１０の等価直列抵抗を「Ｒｓ」とし、シャント抵抗器２１の抵抗値を「Ｒｂ」とすると、上記演算増幅器１７としては以下の関係式（５）を満たすものが採用されている。

Ｉｍａｘ≧Ｖｉｎ／（Ｒｓ＋Ｒｂ） …（５）

これにより、ＤＥＡ１０の第１電極１２に印加される駆動電圧Ｖｉｎが「０Ｖ」からステップ的に変化して、同ＤＥＡ１０の第２電極１３と検出電源装置１６との間に流れる電流が「Ｖｉｎ／（Ｒｓ＋Ｒｂ）」となっても、検出電源装置１６の演算増幅器１７から十分な電流を供給し、出力電圧が不安定になることを抑えることができる。これにより、ＤＥＡ１０の第２電極１３と検出電源装置１６との間を流れる交流電流Ｉｄが不要に変化することを抑えることができるため、同交流電流Ｉｄの振幅の指標値（上記振幅検出値ＶＡ）を精度良く検出することができる。

電子制御装置３０はＤＥＡ１０の作動制御を実行する。ＤＥＡ１０の作動制御にかかる一連の処理（ＤＥＡ制御処理）は、所定周期毎の処理として、電子制御装置３０によって実行される。

ＤＥＡ制御処理では、目標とするＤＥＡ１０の厚みが定められており、その目標に向けてＤＥＡ１０の厚みをフィードバック制御するときには、ＤＥＡ装置は以下のように動作する。

図６に示すように、先ず、予め測定して求められるとともに電子制御装置３０のメモリ３１に記憶されているＤＥＡ１０の厚みと振幅検出値ＶＡとの関係式をもとに、振幅検出値ＶＡについての制御目標値ＶＡＴが算出される。そして、制御目標値ＶＡＴと振幅検出値ＶＡとの偏差ΔＶＡ（＝ＶＡＴ−ＶＡ）が算出されるとともに、同偏差ΔＶＡをもとに、例えば３制御などにより、偏差ΔＶＡが「０」になるように、駆動電源装置１４の作動が制御される。

以上説明したように、本実施形態によれば、以下に記載する効果が得られる。
（１）ＤＥＡ１０の第２電極１３と検出電源装置１６との間に流れる交流電流Ｉｄの振幅の指標値（振幅検出値ＶＡ）を、ＤＥＡ１０の形状の指標となる値として、検出装置２０によって検出することができる。しかも、検出装置２０を、ＤＥＡ１０の第１電極１２に印加される駆動電圧Ｖｉｎに対応した高電圧対応の大型の特殊な部品で構成する必要はなく、ＤＥＡ１０の第２電極１３に印加される低圧の交流電圧Ｖｄに対応するものにすることができる。そのため、ＤＥＡ装置の小型化を図ることができる。このように、振幅検出値ＶＡを検出する機能を有しながらもＤＥＡ装置の小型化を図ることができる。

（２）振幅検出値ＶＡに基づいてＤＥＡ１０の変位を算出することができ、その算出情報に基づいてＤＥＡ１０の作動制御を精度良く実行することができる。
（３）現在の振幅検出値ＶＡをフィードバックして同振幅検出値ＶＡと制御目標値ＶＡＴとの偏差ΔＶＡが「０」になるように駆動電源装置１４の駆動電圧出力（駆動電圧Ｖｉｎ）を制御することにより、ＤＥＡ１０の厚みを精度良く制御することができる。

（４）ＤＥＡ１０の第２電極１３に電圧を出力する演算増幅器１７は、ＤＥＡ１０の第１電極１２に印加される駆動電圧Ｖｉｎがステップ的に変化したとき同ＤＥＡ１０の第２電極１３と検出電源装置１６との間に瞬間的に流れる電流値（Ｖｉｎ／（Ｒｓ＋Ｒｂ））以上の電流供給能力を有する。これにより、ＤＥＡ１０の第２電極１３に供給される検出電源装置１６の出力電圧が変動して不安定となることを抑えることができるため、同交流電流Ｉｄの振幅の指標値（上記振幅検出値ＶＡ）を精度良く検出することができる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・ピーク検出回路２５に代えて、ローパスフィルターを設けるようにしてもよい。こうした構成によっても、全波整流回路２４から出力された電圧値をローパスフィルターによって交流電流Ｉｄの実効値に相当する値（実効値相当値）に変換した上で、電子制御装置３０に出力することができる。ここで、交流電流のピーク検出値と実効値との比は「√２：１」の関係が成り立つため、上記実効値相当値はＤＥＡ１０の変位を示す信号として用いることができる。

・バンドパスフィルター２３に代えて、ハイパスフィルターを設けるようにしてもよい。ハイパスフィルターのカットオフ周波数は、駆動電圧Ｖｉｎの周波数帯域よりも高く、交流電圧Ｖｄの周波数よりも低い周波数に設定することが好ましい。こうした構成によれば、シャント抵抗器２１の両端間電圧の変動分のうち、変化速度（０〜１００Ｈｚ相当）が比較的遅い駆動電圧Ｖｉｎの周波数帯域を通過させない一方で、交流電流Ｉｄの振幅を検出するために必要な高周波（１ＫＨｚ）のみを通過させることができる。

・バンドパスフィルター２３および全波整流回路２４に代えて、ロックインアンプを設けるようにしてもよい。こうした構成によれば、ロックインアンプにより、シャント抵抗器２１の両端間電圧の変動分の中から所定周波数ｆ２（１ＫＨｚ）の交流電圧Ｖｄの周波数成分のみを狭帯域で精度良く分離して抽出することができる。

・図７に示すように、電子制御装置３０と駆動電源装置１４との間に、ローパスフィルター４０を設けるようにしてもよい。電子制御装置３０の出力段にＤＡコンバーターが採用される場合などにより、電子制御装置３０の出力電圧に量子化ノイズやグリッチノイズなどの高周波のノイズ成分が重畳され、ひいては駆動電源装置１４の出力にも同ノイズが重畳される場合がある。そして、このノイズ成分は、ＤＥＡ１０に流れる交流電流Ｉｄを乱す一因になるため、ＤＥＡ１０の形状（具体的には、振幅検出値ＶＡ）の検出における誤差要因になる。上記構成によれば、駆動電源装置１４の出力電圧（駆動電圧Ｖｉｎ）から高周波のノイズ成分を除去することができるため、ＤＥＡ１０の形状を精度良く検出することができる。

・図８に示すように、シャント抵抗器２１（図１参照）および差動増幅回路２２に代えて、検出電源装置１６とＤＥＡ１０の第２電極１３との間に、演算増幅器を有するＩＶ変換回路５０を設けるようにしてもよい。ここで、演算増幅器の正転入力と反転入力とは仮想ショートされるため、反転入力端子は検出電源装置１６の出力電圧（駆動電圧Ｖｄ）と同電位になり、ＤＥＡ１０の第２電極１３には交流電圧Ｖｄが印加される。これに伴いＤＥＡ１０に電流Ｉｄが流れると、演算増幅器のフィードバック抵抗Ｒに電流が流れ、演算増幅器の出力にて値「Ｉｄ×Ｒ」の変化として取り出すことができる。こうした構成によっても、検出電源装置１６とＤＥＡ１０との間に流れる電流を電圧に変換した値が、ＩＶ変換回路５０から出力されてバンドパスフィルター２３に入力されるようになる。

また、上記において演算増幅器からは検出電源装置１６の出力電圧（駆動電圧Ｖｄ）に値「Ｉｄ×Ｒ」が加算されて出力されるため、図９に示すように、上記ＩＶ変換回路５０とバンドパスフィルター２３との間に、ＩＶ変換回路５０の出力電圧から検出電源装置１６の出力電圧（交流電圧Ｖｄ）を減算する演算回路５１を設けるようにしてもよい。こうした構成によれば、演算回路５１の出力から検出電源装置１６の出力電圧の成分を除去し、値「Ｉｄ×Ｒ」の成分のみの電圧値をバンドパスフィルター２３に入力するようにできる。

・現在の振幅検出値ＶＡや制御目標値ＶＡＴが一定時間が経過しても変化しない、あるいは予め定めた判定値以上であることをもってＤＥＡ装置に異常が発生していると判定することができる。

・振幅検出値ＶＡをもとに算出されるＤＥＡ１０の形状変位に基づいて各種制御（例えば、ＤＥＡ１０の作動制御）を実行することに限らず、振幅検出値ＶＡに基づいてＤＥＡ１０の実際の静電容量（実静電容量）を算出するとともに同静電容量に基づいて各種制御を実行したり、振幅検出値ＶＡに基づいて各種制御を実行したりすることもできる。

・上記実施形態の装置は、複数の誘電層が間に電極層を介して積層された誘電エラストマーアクチュエータを備える装置にも適用することができる。

１０…誘電エラストマーアクチュエータ（ＤＥＡ）、１１…誘電層、１２…第１電極、１３…第２電極、１４…駆動電源装置、１４Ａ…正極側出力端子、１４Ｂ…負極側出力端子、１５…接地端子、１６…検出電源装置、１６Ａ…正極側出力端子、１６Ｂ…負極側出力端子、１７…演算増幅器、２０…検出装置、２１…シャント抵抗器、２１Ａ…正端子、２１Ｂ…負端子、２２…差動増幅回路、２３…バンドパスフィルター、２４…全波整流回路、２５…ピーク検出回路、３０…電子制御装置、３１…メモリ、４０…ローパスフィルター、５０…ＩＶ変換回路、５１…演算回路。

Claims (4)

1. 誘電エラストマーからなる誘電層と同誘電層の厚さ方向の両側に積層された一対の電極層とを有する誘電エラストマーアクチュエータと、
   前記一対の電極層の一方と接地端子との間に設けられて、前記一方に前記誘電エラストマーアクチュエータの駆動用の駆動電圧を印加する駆動電圧印加部と、
   前記一対の電極層の他方と前記接地端子との間に設けられて、前記他方に交流電圧を印加する検出電圧印加部と、
   前記検出電圧印加部と前記他方との間に設けられて、前記検出電圧印加部および前記他方の間に流れる交流電流の振幅の指標値を検出する検出部と
   を備える誘電エラストマーアクチュエータ装置。
2. 前記検出部によって検出される前記指標値に基づいて、前記誘電エラストマーアクチュエータの形状を算出する算出部を備える
   請求項１に記載の誘電エラストマーアクチュエータ装置。
3. 前記検出部によって検出される前記指標値に基づいて、前記誘電エラストマーアクチュエータの形状が制御目標の形状になるように、前記駆動電圧印加部によって前記一対の電極層の前記一方に印加される駆動電圧をフィードバック制御する制御部を備える
   請求項１または２に記載の誘電エラストマーアクチュエータ装置。
4. 前記検出電圧印加部は、前記一対の電極層の前記他方に電圧を出力する演算増幅器を備え、
   前記演算増幅器は、同演算増幅器の最大出力電流を「Ｉｍａｘ」とし、前記一対の電極層の前記一方に印加される駆動電圧を「Ｖｉｎ」とし、前記誘電エラストマーアクチュエータの等価直列抵抗を「Ｒｓ」とし、前記検出部の内部抵抗を「Ｒｂ」とした場合に関係式「Ｉｍａｘ≧Ｖｉｎ／（Ｒｓ＋Ｒｂ）」を満たすものである
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の誘電エラストマーアクチュエータ装置。