JP2021027722A - 制御装置及びアクチュエータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動中のＤＥＡと交流信号生成部との間を流れる交流電流に基づく指標値の検出精度を向上させる。【解決手段】ＤＥＡ１０を制御する制御装置は、ＤＥＡ１０の正極電極１２に駆動電圧を印加する駆動電圧生成部２１と、ＤＥＡ１０の正極電極１２とグランド間に配置され、ＤＥＡ１０の駆動中に一時的に閉鎖されて、正極電極１２を短絡させる開閉スイッチ部２２と、ＤＥＡ１０の負極電極１３に交流電圧を印加する交流信号生成部２３と、開閉スイッチ部２２の閉鎖時におけるＤＥＡ１０と交流信号生成部２３との間を流れる交流電流に基づいて、ＤＥＡ１０の静電容量を検出する静電容量検出部２５とを備える。【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を制御する制御装置、及びアクチュエータ装置に関する。

近年、誘電アクチュエータ（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、誘電層の両側に配置された電極層とを有する多層構造体である。ＤＥＡの電極層間に電圧を印加すると、クーロン力によって両電極層が引き寄せ合うことにより、ＤＥＡは、誘電層の厚み方向に圧縮するように変形するとともに、面方向に伸長するように変形する。

また、ＤＥＡは、コンデンサ構造を有していることから、外力を検出するセンサとしても機能する。すなわち、ＤＥＡに外力が加えられて誘電層の厚みが変化すると、静電容量が変化する。この静電容量の変化に基づいてＤＥＡに加えられた外力を推定する。例えば、特許文献１には、ＤＥＡの静電容量を検出し、検出された静電容量に基づいてＤＥＡの変形状態を確認する技術が開示されている。

特表２０１５−５１９８７０号公報

駆動中のＤＥＡに加えられた外力を検出する場合のように、駆動中のＤＥＡの静電容量を検出する場合、駆動電圧と比較して十分に小さい交流電圧を交流信号生成部からＤＥＡに印加し、ＤＥＡと交流信号生成部との間を流れる交流電流に基づいて静電容量が検出される。この場合、駆動電圧を生成してＤＥＡに印加する駆動電圧生成部のインピーダンス変動に起因して、ＤＥＡと交流信号生成部との間を流れる交流電流にオフセットが生じ、当該交流電流に基づいて検出される静電容量に誤差が生じる。

例えば、駆動電圧生成部として、小型のコッククロフト・ウォルトン回路等の高電圧出力回路が用いられる。こうした高電圧出力回路においては、電流の吐き出し時のインピーダンスは低いが電流の引き込み時のインピーダンスが高くなるといった特性があり、このインピーダンス変動が交流電流にオフセットを生じさせる。

この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、駆動中のＤＥＡと交流信号生成部との間を流れる交流電流に基づく静電容量等の指標値の検出精度を向上させることにある。

上記課題を解決する制御装置は、誘電エラストマーアクチュエータを制御する制御装置であって、前記誘電エラストマーアクチュエータの一方の電極に駆動電圧を印加する駆動電圧生成部と、前記誘電エラストマーアクチュエータの前記一方の電極とグランド間に配置され、前記誘電エラストマーアクチュエータの駆動中に一時的に閉鎖されて、前記一方の電極を短絡させる開閉スイッチ部と、前記誘電エラストマーアクチュエータのいずれかの電極に交流電圧を印加する交流信号生成部と、前記開閉スイッチ部の閉鎖時における前記誘電エラストマーアクチュエータと前記交流信号生成部との間を流れる交流電流に基づいて、前記誘電エラストマーアクチュエータに関する指標値を検出する指標値検出部とを備える。

上記構成によれば、開閉スイッチ部が閉鎖状態となり、駆動電圧生成部に接続される誘電エラストマーアクチュエータの電極が短絡しているときに、誘電エラストマーアクチュエータと交流信号生成部との間を流れる交流電流に基づいて指標値を検出する。誘電エラストマーアクチュエータの駆動中においても、駆動電圧生成部に接続される電極が短絡している間は、誘電エラストマーアクチュエータと交流信号生成部との間を流れる交流電流が駆動電圧生成部のインピーダンス変動の影響を受けることはない。そのため、駆動電圧生成部に接続される電極が短絡している間の交流電流に基づいて指標値を検出することにより、指標値の検出精度が向上する。

前記交流信号生成部は、前記誘電エラストマーアクチュエータの他方の電極に交流電圧を印加することが好ましい。
前記駆動電圧生成部は、前記駆動電圧が固定された定電圧期間を有する波形の駆動電圧を周期的に印加し、前記開閉スイッチ部は、前記定電圧期間に閉鎖されることが好ましい。

上記構成によれば、誘電エラストマーアクチュエータの静電容量に基づいて、誘電エラストマーアクチュエータに作用する外力を容易に求めることができる。
タイミング信号を発生するタイミング生成部を備え、前記タイミング信号に基づいて、前記開閉スイッチ部が閉鎖されるとともに前記指標値検出部により前記指標値が検出されることが好ましい。

上記構成によれば、タイミング信号に合わせることにより、開閉スイッチ部が閉鎖されて駆動電圧生成部に接続される電極が短絡する適切なタイミングにて、指標値検出部による指標値の検出を行うことができる。これにより、指標値の検出精度が更に向上する。

前記開閉スイッチ部が閉鎖される期間は、前記駆動電圧の変化に対して前記誘電エラストマーアクチュエータが追従することができる機械的な応答周波数帯域の上限値の逆数の１／５以下の長さであることが好ましい。

上記構成によれば、開閉スイッチ部が閉鎖される期間が短いことから、当該期間内における駆動電圧の変化に対して誘電エラストマーアクチュエータの変位が追従できない。そのため、駆動電圧生成部に接続される電極を短絡させて駆動電圧を一時的に０Ｖに低下させることによる指標値の検出に与える影響を抑えることができる。

前記開閉スイッチ部が閉鎖される期間は、前記誘電エラストマーアクチュエータがコンデンサとして機能することのできる電気的な応答周波数帯域の上限値の逆数の５倍以上の長さであることが好ましい。

上記構成によれば、指標値の検出精度が更に向上する。
上記課題を解決するアクチュエータ装置は、誘電エラストマーアクチュエータと、上記制御装置とを備える。

本発明によれば、駆動中のＤＥＡと交流信号生成部との間を流れる交流電流に基づく指標値の検出精度を向上させることができる。

第１実施形態のアクチュエータ装置の説明図。 誘電エラストマーアクチュエータの断面構造を示す断面図。 電流検出部及び静電容量検出部の説明図。 振幅検出部の説明図。 （ａ）〜（ｄ）は、駆動電圧、外圧、及び交流振幅の検出値のそれぞれの経時的な変化と、開閉スイッチ部の動作とを示すタイミング図。 第２実施形態のアクチュエータ装置の説明図。 （ａ）〜（ｄ）は、駆動電圧、誘電エラストマーアクチュエータの変位量、及び交流振幅の検出値のそれぞれの経時的な変化と、開閉スイッチ部の動作とを示すタイミング図。 変更例の電流検出部の説明図。

＜第１実施形態＞
以下、本発明のアクチュエータ装置を、脈動発生装置に具体化した第１実施形態について説明する。

脈動発生装置は、印加される駆動電圧に応じて発生する振動を人体の脈動の触感として使用者に認識させる誘電エラストマーアクチュエータ１０（ＤＥＡ：Dielectric Elastomer Actuator）と、誘電エラストマーアクチュエータ１０を制御する制御装置２０とを備えている。

図２に示すように、ＤＥＡ１０は、誘電エラストマーからなるシート状の誘電層１１と、誘電層１１の面直方向の両側に配置された電極層としての正極電極１２及び負極電極１３とが複数積層された多層構造体である。ＤＥＡ１０の最外層には絶縁層１４が積層されている。ＤＥＡ１０は、正極電極１２と負極電極１３との間に直流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が面直方向に圧縮されるとともに誘電層１１の面に沿った方向であるＤＥＡ１０の面方向に伸長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。

正極電極１２及び負極電極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、絶縁性高分子及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、カーボンナノチューブ、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。正極電極１２及び負極電極１３の厚さは、例えば、１〜１００μｍである。

絶縁層１４を構成する絶縁エラストマーは特に限定されるものではなく、公知のＤＥＡの絶縁部分に用いられる公知の絶縁エラストマーを用いることができる。上記絶縁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。これら絶縁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。絶縁層１４の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。また、ＤＥＡ１０全体の厚さは、柔軟性及び強度の確保の観点から、例えば、０．３〜３ｍｍであることが好ましい。

図１に示すように、制御装置２０は、ＤＥＡ１０を駆動する駆動電圧を生成してＤＥＡ１０の正極電極１２に印加する駆動電圧生成部２１と、ＤＥＡ１０の正極電極１２とグランド間に配置される開閉スイッチ部２２と、開閉スイッチ部２２を制御する開閉制御部２２ａとを備えている。

駆動電圧生成部２１は、ＤＥＡ１０に動脈の振動を模擬する動作を行わせるための駆動電圧を生成してＤＥＡ１０の電極間に印加する。ＤＥＡ１０の電極間に印加される駆動電圧は、例えば、５００〜２０００Ｖ程度の高電圧である。駆動電圧生成部２１は特に限定されるものではなく、小型のコッククロフト・ウォルトン回路等の公知の高電圧出力回路を用いることができる。

動脈の振動を模擬するようにＤＥＡ１０を動作させるための駆動電圧の波形の一例を図５（ａ）に示す。
図５（ａ）に示すように、駆動電圧の波形は、１周期の最後に、低インピーダンスとなる低電位に電圧が固定される定電圧期間Ｔ１を有している。図５（ａ）の駆動電圧の波形においては、最大振幅が１０００Ｖであり、周期が１秒であり、周期の最後の０．２秒が駆動電圧０Ｖの定電圧期間Ｔ１となっている。駆動電圧生成部２１は、上記波形の駆動電圧を周期的にＤＥＡ１０に印加する。

ＤＥＡ１０に印加される駆動電圧の周波数帯域ｆｄは、ＤＥＡ１０の機械的特性に基づいて設定される。エラストマーにより構成されるＤＥＡ１０は、ばね特性に加えて、ダンピング特性を有する。そのため、駆動電圧の周波数帯域ｆｄが高過ぎる場合、駆動電圧の変化に対して、ＤＥＡ１０の機械的な変形が追従できない。したがって、駆動電圧の周波数帯域ｆｄは、ＤＥＡ１０の機械的な応答周波数帯域の上限値ｆｍと同等又はそれ以下に設定する。

定電圧期間Ｔ１は、ＤＥＡ１０の電気的特性に基づいて、ＤＥＡ１０がコンデンサとしての電気的な応答が可能な長さを有する期間に設定する。具体的には、定電圧期間Ｔ１は、ＤＥＡ１０がコンデンサとして機能することのできる電気的な応答周波数帯域の上限値ｆｅの逆数（１／ｆｅ）の５倍以上の長さに設定することが好ましく、１０倍以上の長さに設定することがより好ましい。

定電圧期間Ｔ１におけるＤＥＡ１０側から見た駆動側のインピーダンスは、例えば、１００Ω以下であることが好ましく、０Ωであることがより好ましい。
図１に示すように、開閉スイッチ部２２は、ＤＥＡ１０の正極電極１２と駆動電圧生成部２１との間に接続されている。開閉スイッチ部２２が閉鎖されると、ＤＥＡ１０の正極電極１２はグランドに短絡する。開閉スイッチ部２２は特に制限されるものではないが、高電圧が印加されることから、例えば、ＳｉＣのＭＯＳＦＥＴ等の高耐圧パワーデバイスを用いることが好ましい。

図５（ｄ）に示すように、開閉制御部２２ａは、ＤＥＡ１０の駆動中において、ＤＥＡ１０に印加される駆動電圧が定電圧期間Ｔ１である期間、開閉スイッチ部２２を閉鎖し、駆動電圧が定電圧期間Ｔ１でない期間が開閉スイッチ部２２を開放した解放期間となるように、開閉スイッチ部２２の動作を制御する。

図１に示すように、制御装置２０は、交流電圧からなる交流信号を生成してＤＥＡ１０の負極電極１３に印加する交流信号生成部２３と、ＤＥＡ１０の負極電極１３から交流信号生成部２３に流れる交流電流を検出する電流検出部２４とを備えている。交流信号の振幅は、例えば、３〜１０Ｖであり、交流信号の平均電圧は、例えば、０Ｖ（グランド電圧）であり、交流信号の周波数は、例えば、１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚである。

ここで、交流信号の振幅の電圧値は、駆動電圧に比べて十分に小さくなるように設定する。これにより、駆動電圧に基づくＤＥＡ１０の変形に、交流信号の振幅が与える影響をほとんど無視することができる。また、交流信号の周波数は、定電圧期間Ｔ１内に交流信号の正弦波が５周期以上入る周波数であることが好ましく、１０周期以上入る周波数であることがより好ましい。

図３に示すように、電流検出部２４は、ＤＥＡ１０の負極電極１３と交流信号生成部２３との間に結線される検出抵抗２４ａと、検出抵抗２４ａの２つの端子間の電位差を検出する差演算部２４ｂとを備える。検出抵抗２４ａの抵抗値は、充電時間の長時間化によるＤＥＡ１０の応答性能の低下を抑制する観点から、例えば、１００Ω〜１０ｋΩ程度の低い値に設定することが好ましい。

図１及び図３に示すように、電流検出部２４には、電流検出部２４により検出された交流電流に基づいてＤＥＡ１０の静電容量を検出する静電容量検出部２５が接続されている。静電容量検出部２５は、電流検出部２４により検出された交流電流の交流振幅を検出する振幅検出部２６と、振幅検出部２６で検出された交流振幅をアナログデジタル変換するＡＤ変換部２７と、変換されたデジタルデータからＤＥＡ１０の静電容量を演算する静電容量演算部２８とを備えている。

図４に示すように、振幅検出部２６は、電流検出部２４により検出された電流の交流信号成分を抽出するハイパスフィルタやバンドパスフィルタ等からなるフィルタ部２６ａと、交流信号を全波整流して全波整流信号を生成する全波整流部２６ｂと、全波整流信号を時間的に積分する積分部２６ｃとを備えている。静電容量演算部２８は、ＤＥＡ１０に印加される駆動電圧が定電圧期間Ｔ１である期間に検出された交流電流の交流振幅に基づいてＤＥＡ１０の静電容量を演算する。なお、本実施形態においては、ＤＥＡ１０の静電容量が指標値に該当し、静電容量検出部２５が指標値検出部に該当する。

図１に示すように、制御装置２０は、静電容量検出部２５により検出されたＤＥＡ１０の静電容量に基づいて、ＤＥＡ１０に加えられた外力を推定する外力推定部２９を備えている。ＤＥＡ１０に加えられた外力は、以下のようにして推定される。

ＤＥＡ１０は、コンデンサ構造をなしており、電気的には１／ｊ・２πｆＣのインピーダンスを持つ。そのため、交流信号生成部２３からＤＥＡ１０の負極電極１３に交流信号Ｖａを印加すると、交流信号生成部２３と負極電極１３との間に、ＤＥＡ１０の静電容量Ｃに応じた交流電流Ｉａ（＝ｊ・２πｆＣ・Ｖａ）が流れる。上記関係式は、交流信号の振幅｜Ｖａ｜が一定で、交流信号の周波数ｆが固定周波数であるとしたとき、交流電流の振幅｜Ｉａ｜が静電容量Ｃに比例することを表している。

ＤＥＡ１０の静電容量Ｃは、誘電層１１の厚みをｄ、面積をＳ、誘電率をεとしたとき、「Ｃ＝ε・（Ｓ／ｄ）」として表せる。また、厚み方向にＤＥＡ１０を変位させる外力がＤＥＡ１０に加えられている場合、ＤＥＡ１０に加えられた外力Ｆは、ＤＥＡ１０のばね定数をｋ、厚み方向の変位をΔｄとしたとき、「Ｆ＝ｋ・Δｄ」として表せる。したがって、静電容量変化からＤＥＡ１０に加えられた外力Ｆを推定できる。

本実施形態の作用について説明する。
使用者によりＤＥＡ１０を駆動するための所定の操作が行われると、図５（ａ）に示す波形となるように変化する駆動電圧が駆動電圧生成部２１にて生成され、ＤＥＡ１０の正極電極１２に印加される。駆動電圧が印加されると、ＤＥＡ１０は、印加電圧に応じたＤＥＡ１０の面方向及び面直方向に伸縮し、その伸縮に基づいて動脈の振動を模擬するように振動する駆動状態となる。駆動中のＤＥＡ１０に使用者の指を押し当てると、ＤＥＡ１０の振動が指に伝わり、使用者は、指に伝わる振動を脈動のように認識する。

また、ＤＥＡ１０が駆動中であるとき、開閉制御部２２ａは、ＤＥＡ１０に印加される駆動電圧が定電圧期間Ｔ１である期間、開閉スイッチ部２２を閉鎖し、駆動電圧が定電圧期間Ｔ１でない期間、開閉スイッチ部２２を開放する。

また、ＤＥＡ１０が駆動中であるとき、交流信号が交流信号生成部２３にて生成され、ＤＥＡ１０の負極電極１３に印加される。そして、交流信号生成部２３と負極電極１３との間に流れる交流電流が電流検出部２４により検出され、静電容量検出部２５において、交流電流の交流振幅が検出されるとともに、駆動電圧が定電圧期間Ｔ１である期間に検出された交流電流の交流振幅に基づいてＤＥＡ１０の静電容量が検出される。そして、外力推定部２９において、ＤＥＡ１０の静電容量に基づいて、ＤＥＡ１０に加えられた外力、即ち、使用者の指によるＤＥＡ１０への押し当て圧が推定される。

図５（ｂ）〜（ｄ）は、ＤＥＡ１０の駆動中において、使用者の指によるＤＥＡ１０への押し当て圧（以下、外圧という。）を経時的に変化させた場合における外圧の変化、交流振幅の検出値の変化、及び開閉スイッチ部２２の動作の一例を示すタイミング図である。

駆動中のＤＥＡ１０に対して外圧が加えられた場合、駆動電圧の印加によるＤＥＡ１０の誘電層１１の厚み変化に、外圧によるＤＥＡ１０の誘電層１１の厚み変化が加算される。そして、ＤＥＡ１０の静電容量の変化も駆動電圧の印加による静電容量の変化に、外圧による静電容量の変化が加算される。そのため、図５（ｃ）に示すように、交流振幅の検出値は、駆動電圧に対応する成分に外圧に対応する成分を加算したものとなる。ここで、駆動電圧を印加する駆動電圧生成部２１のインピーダンス変動の影響により、電流検出部２４により検出される交流電流にオフセットが生じ、その結果、交流電流の交流振幅に基づいて検出される静電容量に誤差が生じる。

本実施形態においては、駆動電圧が定電圧期間Ｔ１である期間に検出された交流電流の交流振幅に基づいてＤＥＡ１０の静電容量の検出を行っている。定電圧期間Ｔ１においては、開閉スイッチ部２２が閉鎖状態となることにより、駆動電圧生成部２１に接続されるＤＥＡ１０の正極電極１２が短絡する。これにより、駆動電圧生成部２１のインピーダンス変動の影響を受けることなくＤＥＡ１０の静電容量を検出することができる。

なお、駆動電圧生成部２１は、一定の出力インピーダンスを持つ。そのため、駆動電圧生成部２１の動作を単純に停止する、又は出力される駆動電圧を０Ｖにするのみでは、駆動電圧生成部２１のインピーダンス変動による影響が生じるが、正極電極１２を短絡させることにより、こうしたインピーダンス変動による影響も低減できる。

また、定電圧期間Ｔ１においては、駆動電圧が既知の低電圧（０Ｖ）に固定されていることから、駆動電圧の印加による静電容量の変化量は零にて一定となる。そのため、検出された静電容量から外圧による静電容量の変化量を求めること、及び外圧による静電容量の変化量からＤＥＡ１０に加えられた外圧を求めることが容易である。

次に、第１実施形態の効果について記載する。
（１）ＤＥＡ１０を制御する制御装置は、ＤＥＡ１０の正極電極１２に駆動電圧を印加する駆動電圧生成部２１と、ＤＥＡ１０の正極電極１２とグランド間に配置され、ＤＥＡ１０の駆動中に一時的に閉鎖されて、正極電極１２を短絡させる開閉スイッチ部２２と、ＤＥＡ１０の負極電極１３に交流電圧を印加する交流信号生成部２３と、開閉スイッチ部２２の閉鎖時におけるＤＥＡ１０と交流信号生成部２３との間を流れる交流電流に基づいて、ＤＥＡ１０の静電容量を検出する静電容量検出部２５とを備える。

上記構成によれば、開閉スイッチ部２２が閉鎖状態となり、駆動電圧生成部２１に接続されるＤＥＡ１０の正極電極１２が短絡しているときに、ＤＥＡ１０と交流信号生成部２３との間を流れる交流電流に基づいてＤＥＡ１０の静電容量を検出する。ＤＥＡ１０の駆動中においても、正極電極１２が短絡している間は、ＤＥＡ１０と交流信号生成部２３との間を流れる交流電流が駆動電圧生成部２１のインピーダンス変動の影響を受けることはない。そのため、正極電極１２が短絡している間の交流電流に基づいて静電容量を検出することにより、静電容量の検出精度が向上する。

（２）駆動電圧生成部２１は、駆動電圧が固定された定電圧期間Ｔ１を有する波形の駆動電圧を周期的に印加し、開閉スイッチ部２２は、定電圧期間Ｔ１に閉鎖される。
上記構成によれば、ＤＥＡ１０の静電容量に基づいて、ＤＥＡ１０に加えられた外圧を容易に求めることができる。

（３）開閉スイッチ部２２が閉鎖される期間は、ＤＥＡ１０がコンデンサとして機能することのできる電気的な応答周波数帯域の上限値の逆数の５倍以上の長さである。
上記構成によれば、ＤＥＡ１０の静電容量の検出精度が更に向上する。

＜第２実施形態＞
以下、ロボット用のアクチュエータ装置として具体化した第２実施形態のアクチュエータ装置について説明する。上記実施形態と同一又は対応する構成については、同一の符号を付すことにより重複する説明を省略する。

図６に示すように、アクチュエータ装置は、基材３０と、基材３０の上面に対して、上下方向を厚さ方向（積層方向）とするように取り付けられたＤＥＡ１０と、ＤＥＡ１０を制御する制御装置２０と、ＤＥＡ１０の上面に取り付けられた駆動体３１とを備えている。

アクチュエータ装置は、ＤＥＡ１０の厚さ方向の伸縮動作に基づいて駆動体３１を上下方向に変位させることにより、駆動体３１によって対象物を移動させたり、把持したりする等の操作を行う。そして、ＤＥＡ１０が有するセルフセンシング特性を利用して、ＤＥＡ１０に作用する外力、即ち、駆動体３１と対象物との間に作用する力（例えば、把持力）を推定し、推定された外力に基づいて、駆動体３１と対象物との間に作用する力が目的の大きさとなるようにＤＥＡ１０に印加される駆動電圧を調整する。

第２実施形態の制御装置２０は、タイミング信号を生成するタイミング生成部３２を備え、開閉スイッチ部２２の開閉動作のタイミング及び静電容量の検出のタイミングがタイミング信号に基づいて制御される点において、第１実施形態の制御装置２０と相違する。

タイミング生成部３２は、ＤＥＡ１０の駆動中において、所定の周期にて定期的にタイミング信号を生成し、生成したタイミング信号を開閉制御部２２ａ及び静電容量検出部２５に送信する。タイミング信号を送信する周期は、例えば、１〜１０ミリ秒であることが好ましい。

開閉制御部２２ａは、タイミング信号の受信に基づいて、開閉スイッチ部２２を開放状態から閉鎖状態に変更し、予め設定された短絡期間Ｔｓが経過した後、開閉スイッチ部２２を閉鎖状態から開放状態に戻す。また、静電容量検出部２５は、タイミング信号の受信から短絡期間Ｔｓが経過するまでの間に電流検出部２４により検出された交流電流に基づく交流振幅のデジタルデータを静電容量演算部２８に取り込み、ＤＥＡ１０の静電容量を検出する。

短絡期間Ｔｓは、ＤＥＡ１０の機械的特性及び電気的特性に基づいて、ＤＥＡ１０がコンデンサとしての電気的な応答は可能であるが、駆動電圧の変化に対して機械的な変形が追従できない期間となるように設定する。

具体的には、短絡期間Ｔｓは、ＤＥＡ１０がコンデンサとして機能することのできる電気的な応答周波数帯域の上限値ｆｅの逆数（１／ｆｅ）の５倍以上の長さに設定することが好ましく、１０倍以上の長さに設定することがより好ましい。

また、短絡期間Ｔｓは、駆動電圧の変化に対してＤＥＡ１０が追従することができる機械的な応答周波数帯域の上限値ｆｍの逆数（１／ｆｍ）の１／５以下の長さに設定することが好ましく、１／１０以下の長さに設定することがより好ましい。なお、上記機械的な応答周波数帯域は、ＤＥＡ１０に一体に取り付けられる基材３０及び駆動体３１に応じて変化する。そのため、上記機械的な応答周波数帯域は、ＤＥＡ１０を単独で用いた場合の機械的な応答周波数帯域ではなく、ＤＥＡ１０とＤＥＡ１０に取り付けられる部材とを含めたアクチュエータ装置におけるＤＥＡ振動系全体としての機械的な応答周波数帯域を意味する。

図７（ａ）〜（ｄ）は、ＤＥＡ１０の駆動中における駆動電圧、ＤＥＡ１０の変位量、及び交流振幅の検出値のそれぞれの経時的な変化と、開閉スイッチ部２２の動作の一例を示すタイミング図である。

図７（ｄ）に示すように、ＤＥＡ１０の駆動中は、開閉スイッチ部２２が閉鎖状態となる短絡期間Ｔｓが定期的に設けられる。図７（ａ）に示すように、ＤＥＡ１０の駆動中は、駆動体３１に任意の動作を行わせるための駆動電圧がＤＥＡ１０に印加されつつ、開閉スイッチ部２２が閉鎖状態となる短絡期間Ｔｓにおいて、ＤＥＡ１０の正極電極１２が短絡することにより、駆動電圧が一時的に０Ｖに低下する。

短絡期間Ｔｓは、駆動電圧の変化に対してＤＥＡ１０の機械的な変形が追従できない短い期間である。そのため、図７（ｂ）及び図７（ｃ）に示すように、駆動電圧が０Ｖに低下しても、ＤＥＡ１０の変位量は殆ど変わらず、駆動電圧を印加し続けた場合と同じ状態が継続されて、駆動電圧を印加し続けた場合と同じ変位量に基づく交流電流の交流振幅を検出できる。

図６に示すように、静電容量検出部２５は、短絡期間Ｔｓに検出された交流電流の交流振幅に基づいて静電容量を検出する。そして、外力推定部２９において、静電容量に基づいて、ＤＥＡ１０に作用する外力、即ち、対象物と駆動体３１との間に作用する外力が推定される。推定された外力は、駆動電圧生成部２１に送信されて、ＤＥＡ１０に印加される駆動電圧を調整するためのパラメータとして用いられる。

次に、第２実施形態の効果について記載する。第２実施形態のアクチュエータ装置によれば、第１実施形態の効果（１）及び（３）に加えて、以下に記載する効果が得られる。
（４）制御装置２０は、タイミング信号を発生するタイミング生成部３２を備え、タイミング信号に基づいて、開閉スイッチ部２２が閉鎖されるとともに、静電容量検出部２５により静電容量が検出される。

上記構成によれば、タイミング信号に合わせることにより、開閉スイッチ部２２が閉鎖されて正極電極１２が短絡する適切なタイミングにて、静電容量検出部２５による静電容量の検出を行うことができる。これにより、静電容量の検出精度が更に向上する。

（５）開閉スイッチ部２２が閉鎖される期間は、駆動電圧の変化に対してＤＥＡ１０が追従することができる機械的な応答周波数帯域の上限値の逆数の１／５以下の長さである。

上記構成によれば、開閉スイッチ部２２が閉鎖される期間が短いことから、当該期間内における駆動電圧の変化に対してＤＥＡ１０の変位が追従できずに、ＤＥＡ１０の変位量は、開閉スイッチ部２２を閉鎖しなかった場合と略同じになる。そのため、正極電圧を短絡させて駆動電圧を一時的に０Ｖに低下させることによる静電容量の検出に与える影響を抑えることができる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・制御装置２０を構成する駆動電圧生成部２１、開閉スイッチ部２２、交流信号生成部２３、電流検出部２４、静電容量検出部２５の具体的構成は適宜変更できる。例えば、駆動電圧生成部２１の一部として開閉スイッチ部２２を設けてもよいし、図８に示すように、トランスを利用した電流検出部２４を採用してもよい。

図８に示す電流検出部２４は、トランスコア４０に１次巻線４１および２次巻線４２が巻かれたトランス４３を備えている。トランスコア４０の１次巻線４１として、負極電極１３と交流信号生成部２３とを接続する配線が巻かれている。トランスコア４０の２次巻線４２として、出力配線が巻かれており、出力配線の両端子間には負荷抵抗４４が接続されている。この場合には、図３に示す電流検出部２４のように、被測定経路に抵抗器を挿入していないため、抵抗器の送入による被測定回路の動作の乱れがなく、被測定回路に与える影響の少ないより正確な電流検出が可能となる。

・上記第１実施形態では、定電圧期間Ｔ１の間は常に開閉スイッチ部２２を閉鎖状態としていたが、定電圧期間Ｔ１内の一部の間のみ、開閉スイッチ部２２を閉鎖状態としてもよい。この場合、１回の定電圧期間Ｔ１内に複数回、開閉スイッチ部２２を閉鎖状態としてもよい。

・ＤＥＡ１０の負極電極１３に交流電圧を印加してもよい。
・ＤＥＡ１０と交流信号生成部２３との間を流れる交流電流に基づいて検出されるＤＥＡ１０に関する指標値は、ＤＥＡ１０の静電容量に限定されない。例えば、ＤＥＡ１０の静電容量の変化量等のＤＥＡ１０の静電容量に関連する静電容量情報を上記指標値としてもよい。

Ｔ１…定電圧期間、Ｔｓ…短絡期間、１０…誘電エラストマーアクチュエータ（ＤＥＡ）、１１…誘電層、１２…正極電極、１３…負極電極、２０…制御装置、２１…駆動電圧生成部、２２…開閉スイッチ部、２２ａ…開閉制御部、２３…交流信号生成部、２４…電流検出部、２５…静電容量検出部、２９…外力推定部、３２…タイミング生成部。

Claims (7)

1. 誘電エラストマーアクチュエータを制御する制御装置であって、
   前記誘電エラストマーアクチュエータの一方の電極に駆動電圧を印加する駆動電圧生成部と、
   前記誘電エラストマーアクチュエータの前記一方の電極とグランド間に配置され、前記誘電エラストマーアクチュエータの駆動中に一時的に閉鎖されて、前記一方の電極を短絡させる開閉スイッチ部と、
   前記誘電エラストマーアクチュエータのいずれかの電極に交流電圧を印加する交流信号生成部と、
   前記開閉スイッチ部の閉鎖時における前記誘電エラストマーアクチュエータと前記交流信号生成部との間を流れる交流電流に基づいて、前記誘電エラストマーアクチュエータに関する指標値を検出する指標値検出部とを備えることを特徴とする制御装置。
2. 前記交流信号生成部は、前記誘電エラストマーアクチュエータの他方の電極に交流電圧を印加する請求項１に記載の制御装置。
3. 前記駆動電圧生成部は、前記駆動電圧が固定された定電圧期間を有する波形の駆動電圧を周期的に印加し、
   前記開閉スイッチ部は、前記定電圧期間に閉鎖される請求項１又は請求項２に記載の制御装置。
4. タイミング信号を発生するタイミング生成部を備え、
   前記タイミング信号に基づいて、前記開閉スイッチ部が閉鎖されるとともに前記指標値検出部により前記指標値が検出される請求項１又は請求項２に記載の制御装置。
5. 前記開閉スイッチ部が閉鎖される期間は、前記駆動電圧の変化に対して前記誘電エラストマーアクチュエータが追従することができる機械的な応答周波数帯域の上限値の逆数の１／５以下の長さである請求項４に記載の制御装置。
6. 前記開閉スイッチ部が閉鎖される期間は、前記誘電エラストマーアクチュエータがコンデンサとして機能することのできる電気的な応答周波数帯域の上限値の逆数の５倍以上の長さである請求項１〜５のいずれか一項に記載の制御装置。
7. 誘電エラストマーアクチュエータと、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載の制御装置とを備えるアクチュエータ装置。