JP4625545B2 - 導電性高分子アクチュエータデバイス、導電性高分子アクチュエータの制御装置及び制御方法 - Google Patents
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Description
図20において、導電性高分子で構成される導電性高分子膜部2401と対向電極部2404を高分子固体電解質層で構成される電解質部2402を介して対向したデバイス構成であり、導電性高分子膜部2401に接して内界検知電極2405を形成することによって、その導電性高分子膜部2401による変位状態の計測を行っている。
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で電圧を開放した後の所定のタイミングに、前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加するとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を取得し、取得した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を取得する変位量取得手段と、
前記変位量取得手段により取得された前記アクチュエータ動作部の変位量に基づいて、前記アクチュエータ動作部の前記変位量を調整する変位量調整手段とを備える、導電性高分子アクチュエータの制御装置を提供する。
前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で電圧が開放された状態の時間を計測する開放時間計測部と、
前記開放時間計測部の計測時間が一定時間を越えた場合に、所定のタイミングで前記電圧印加手段が前記導電性高分子膜部と前記電極との間に、ある波形の電圧を印加するとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を取得し、取得した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を取得する変位量取得手段と、
前記変位量取得手段により取得された前記アクチュエータ動作部の変位量に基づいて前記アクチュエータ動作部の前記変位量を調整する変位量調整手段とを備える、導電性高分子アクチュエータデバイスを提供する。
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で電圧を開放した後の所定のタイミングに、前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加するとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を取得し、取得した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を変位量取得手段で取得し、
前記取得された前記アクチュエータ動作部の変位量と変位量の目標値との差を求めて、その差に基づく電圧を前記導電性高分子膜部と前記電極との間に印加して、前記アクチュエータの前記変位量を変位量調整手段で調整することを備える、導電性高分子アクチュエータの制御方法を提供する。
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で電圧を開放した後の所定のタイミングに、前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加するとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を取得し、取得した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を取得する変位量取得手段と、
前記変位量取得手段により取得された前記アクチュエータ動作部の変位量に基づいて、前記アクチュエータ動作部の前記変位量を調整する変位量調整手段とを備える、導電性高分子アクチュエータの制御装置を提供する。
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で電圧の印加を開始する場合に、ある波形の電圧を前記導電性高分子膜部と前記電極との間に印加したとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段で検出した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を算出する変位量算出部とを備える、第1の態様に記載の導電性高分子アクチュエータの制御装置を提供する。
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で電圧を開放しているときに、ある一定時間ごとに、ある波形の電圧を前記導電性高分子膜部と前記電極との間に印加したとき前記導電性高分子膜部に流れる電流値を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段で検出した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を算出する変位量算出部とを備える、第1の態様に記載の導電性高分子アクチュエータの制御装置を提供する。
前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で電圧が開放された状態の時間を計測する開放時間計測部と、
前記開放時間計測部の計測時間が一定時間を越えた場合に、所定のタイミングで前記電圧印加手段が前記導電性高分子膜部と前記電極との間に、ある波形の電圧を印加するとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を取得し、取得した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を取得する変位量取得手段と、
前記変位量取得手段により取得された前記アクチュエータ動作部の変位量に基づいて前記アクチュエータ動作部の前記変位量を調整する変位量調整手段とを備える、導電性高分子アクチュエータデバイスを提供する。
前記変位量取得手段により取得された電流値を基に、電流値変位量変換テーブルに予め記憶されている変位量電荷量換算値を参照して前記アクチュエータの変位量を推定する変位量推定部と、
前記変位量推定部で推定された変位量と前記変位量の目標値との差を計算し、前記計算された変位量の差から目標電荷量を計算する目標電荷量計算部と、
前記目標電荷量計算部で計算した目標電荷量に基づき電圧を前記電圧印加装置により印加するように制御して前記アクチュエータの前記変位量を調整する印加制御部とを備える、第5の態様に記載の導電性高分子アクチュエータデバイスを提供する。
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で電圧を開放した後の所定のタイミングに、前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加するとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を取得し、取得した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を変位量取得手段で取得し、
前記取得された前記アクチュエータ動作部の変位量と変位量の目標値との差を求めて、その差に基づく電圧を前記導電性高分子膜部と前記電極との間に印加して、前記アクチュエータの前記変位量を変位量調整手段で調整することを備える、導電性高分子アクチュエータの制御方法を提供する。
本発明の第1実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータデバイス及び導電性高分子アクチュエータの制御方法について説明する。
図1は、本発明の第1実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータの制御方法を行うアクチュエータデバイスの図であって、前記アクチュエータの断面模式図を含んでいる。
制御部92は、電流測定部91の測定結果に基づき、電源93の電圧を制御する。
導電性高分子膜部101は、例えば、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリン及びその誘導体、又は、それらの共重合体を含む材料の導電性高分子膜で形成される。導電性高分子膜部101としては、特に、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリN−メチルピロール、ポリ3−メチルチオフェン、ポリ3−メトキシチオフェン、及び、ポリ3,4−エチレンジオキシチオフェン、又は、これらから選ばれる1種類又は2種類で構成される(共)重合体の導電性高分子膜が好ましい。
一般的に、導電性高分子膜を用いたアクチュエータは、導電性高分子(導電性ポリマー)に対して、アニオン(陰イオン)若しくはカチオン(陽イオン)がドーピング又はアンドープされることに伴う膨脹収縮変形によって変形動作を行う。
図3に、図1の構成の導電性高分子アクチュエータの動作特性を示す。
これに対して、本発明者は、導電性高分子アクチュエータを駆動するときの電流と変位との間に成り立つ関係を新たに見い出している。本発明は、この関係を用いて導電性高分子アクチュエータの変位の制御を行う。
以下では、導電性高分子アクチュエータにおける、変位と、振幅の大きさと、電流値との間に前記の関係が成立する理由について図を用いて考察する。図6A及び図6Bは、一般的な導電性高分子アクチュエータにおいて、導電性高分子膜部が伸縮動作を繰り返すときに、導電性高分子アクチュエータの導電性高分子膜部が伸張する方向に徐々に変位する場合の動作例を示す。
前記の考察から、矩形波などに代表される一定の波形を持つ電圧信号を印加したときに流れる電流値を計測すれば、アクチュエータの変位(アクチュエータの固定点からの絶対的な変位量)を検出することが可能である。この方法によって検出したアクチュエータの変位をフィードバックすれば、導電性高分子アクチュエータの変位を正確に制御できる。また、特許文献1の方法に比べてアクチュエータの構成が簡単であるというメリットがある。
図9Aは、本発明の第1実施形態にかかるアクチュエータの制御方法の例を示す図である。
ここで、変位量電荷量換算値は予め決められた値であって、目標電荷量計算部1533はこの値を保持している。目標電荷量計算部1533は目標電荷量を計算すると、その値を電流測定部91とステップ制御部1530とに出力する。
図4A及び図4Bを用いて説明したように、図1の電源93をオフにしていて再び動作を開始するときの変位は、オフにしていた時間が長い場合(例えば、1分以上の場合)には電源93をオフする前の変位と再び動作を開始するときの変位が大きく異なる場合がある。これに対して、図1の電源93をオフにしていて、再び動作するときに前記の第1ステップS1から第7ステップS7の方法を行うことによって目標値に近づけることが可能である。また、電源93をオフしていた時間を計測して、その時間がある一定の値を超えたとき(電圧開放状態の継続時間が一定時間を越えたとき)にのみ、再び動作するとき(その後の所定のタイミングで、再び動作するとき)に前記の第1ステップS1から第7ステップS7の方法を行うことによって目標値に近づけることも可能である。なお、前記所定のタイミングは、第1ステップS1を開始するタイミングであって、たとえば、電源93がオフである状態から再び動作を開始するタイミングである。
前記の方法を採ることによって、簡易な構成で導電性高分子アクチュエータの変位状態(固定点からの絶対的な変位量)を検出して、その結果を用いて変位状態を目標値に調整することが可能である。
変位電荷量換算値を決める際には、以下のような実験を行う。
特許文献1の方法と比べて、本発明の第1実施形態の導電性高分子アクチュエータの制御方法においては、抵抗検知用電極を設ける必要がない。また、複数の抵抗検知用電極の間を絶縁する必要がないために、制御電極103と導電性高分子膜部101との間に絶縁体を設ける必要がない。これらの点から、本発明の第1実施形態の導電性高分子アクチュエータの制御方法は、特許文献1の方法と比べて、簡易な構成で実現可能である。
前記第1実施形態の説明では、主に、湾曲動作を行うアクチュエータについて説明したが、本発明の方法は直線動作を行うアクチュエータについても適用可能である。また前記説明では主にアニオン駆動型のアクチュエータを考えたが、カチオン駆動型のアクチュエータにも本発明の第2実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータの制御方法を適用可能である。
ここで、変位量電荷量換算値は、予め決められた値であって、目標電荷量計算部1533はこの値を保持している。目標電荷量計算部1533は目標電荷量を計算すると、その値を電流測定部1521とステップ制御部1530に出力する。
今、図18の構成において、導電性高分子膜部1501に重さ約5gの錘(おもり)1505を接続して、接続部材1508の変位をレーザー変位計1540で測定する場合を考える。このとき、駆動電圧と電流と変位の関係の概要は図19で与えられる。ただし、駆動する印加電圧の時間変化は、図4A及び図4Bと同様である。すなわち、周波数0.5Hz、±1.5Vの矩形波形の駆動電圧を印加し、途中で1時間電源をオフして、再び同じ矩形波形の駆動電圧を印加した場合を考える。図に示すように、図19の図19結果は、図4A及び図4Bとほぼ同様の傾向を示す。ただし、一般的に図16Aに示すような直動型のアクチュエータにおいては、図1に示すような湾曲型のアクチュエータに比べて、変位の幅はやや小さくなる傾向がある。図19の結果を用いることによって、第1実施形態と同様の方法で、電流値変位量変換テーブル1532の値を決定することができる。
Claims (8)
- 導電性高分子膜部と、前記導電性高分子膜部に接する位置にある電解質部と、前記電解質部に接する位置にある電極とでアクチュエータ動作部を構成する導電性高分子アクチュエータにおいて、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で、印加した電圧を開放した後の所定のタイミングで、前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加するとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を取得し、取得した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を取得する変位量取得手段と、
前記変位量取得手段により取得された前記アクチュエータ動作部の変位量に基づいて、前記アクチュエータ動作部の前記変位量を調整する変位量調整手段とを備える、導電性高分子アクチュエータの制御装置。 - 前記変位量取得手段は、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で電圧の印加を開始する場合に、ある波形の電圧を前記導電性高分子膜部と前記電極との間に印加したとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段で検出した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を算出する変位量算出部とを備える、請求項1に記載の導電性高分子アクチュエータの制御装置。 - 前記変位量取得手段は、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で、印加した電圧を開放しているときに、ある一定時間ごとに、ある波形の電圧を前記導電性高分子膜部と前記電極との間に印加したとき前記導電性高分子膜部に流れる電流値を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段で検出した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を算出する変位量算出部とを備える、請求項1に記載の導電性高分子アクチュエータの制御装置。 - 前記変位量取得手段は、電圧開放状態の継続時間が一定時間を越えたときに、その後の所定のタイミングで、前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加して、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を検出し、検出した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を取得する、請求項1に記載の導電性高分子アクチュエータの制御装置。
- 導電性高分子膜部と、前記導電性高分子膜部に接する位置の電解質部と、前記電解質部に接する位置の電極とでアクチュエータ動作部を構成する導電性高分子アクチュエータと、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で、印加した電圧が開放された状態の時間を計測する開放時間計測部と、
前記開放時間計測部の計測時間が一定時間を越えた場合に、所定のタイミングで前記電圧印加手段が前記導電性高分子膜部と前記電極との間に、ある波形の電圧を印加するとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を取得し、取得した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を取得する変位量取得手段と、
前記変位量取得手段により取得された前記アクチュエータ動作部の変位量に基づいて前記アクチュエータ動作部の前記変位量を調整する変位量調整手段を備える、導電性高分子アクチュエータデバイス。 - 前記変位量調整手段は、
前記変位量取得手段により取得された電流値を基に、電流値変位量変換テーブルに予め記憶されている変位量電荷量換算値を参照して前記アクチュエータの変位量を推定する変位量推定部と、
前記変位量推定部で推定された変位量と前記変位量の目標値との差を計算し、前記計算された変位量の差から目標電荷量を計算する目標電荷量計算部と、
前記目標電荷量計算部で計算した目標電荷量に基づき電圧を前記電圧印加装置により印加するように制御して前記アクチュエータの前記変位量を調整する印加制御部とを備える、請求項5に記載の導電性高分子アクチュエータデバイス。 - 前記変位量推定部の前記目標電荷量計算部は、前記変位量取得手段により取得された電流値を積分することによって電荷量を計算する、請求項5に記載の導電性高分子アクチュエータデバイス。
- 導電性高分子膜部と、前記導電性高分子膜部に接する位置にある電解質部と、前記電解質部に接する位置にある電極とでアクチュエータ動作部を構成する導電性高分子アクチュエータにおいて、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で、印加した電圧を開放した後の所定のタイミングで、前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加するとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を取得し、取得した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を変位量取得手段で取得し、
前記取得された前記アクチュエータ動作部の変位量と変位量の目標値との差を求めて、その差に基づく電圧を前記導電性高分子膜部と前記電極との間に印加して、前記アクチュエータの前記変位量を変位量調整手段で調整することを備える、導電性高分子アクチュエータの制御方法。
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