JP4816831B2 - 高分子アクチュエータの駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、高分子アクチュエータの駆動装置に関する。

従来、微小変位を発生させる為の変位素子として、静電引力型、圧電型、超音波式、形状記憶合金式等のマイクロアクチュエータが提案されている。

なかでも圧電型は体積当たりの発生力が大きい為、小型でも実用的な駆動力を発生することができ、小型の撮像装置のアクチュエータ等に用いられている。現在の圧電型の主流は、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３）を主材料とする無機アクチュエータである。

圧電型アクチュエータ（以下、単に、圧電素子とも記す）は、ＰＺＴ等で構成される変位層を挟んで形成された２つの電極膜に、駆動信号を印加し、変位層に電荷を充放電することにより、層面に垂直な方向に伸縮するとともに、層面に沿った方向に反対の位相で伸縮するものである。

このような圧電素子の駆動回路として、充電時に圧電素子に蓄積された電荷（エネルギー）を放電時にコンデンサに回収し、回収した電荷（エネルギー）を充電時に再利用するものが提案されている（特許文献１参照）。

特許文献１の駆動回路は、具体的には、圧電素子の一端に電磁コイルを介して接続され、圧電素子からの電荷を回収するコンデンサと、電磁コイルとコンデンサとの接続点とグランド間を開閉するスイッチを有し、スイッチがオン状態の時に電磁コイルに蓄積された電磁エネルギーを、スイッチがオフ状態の時にコンデンサに回収させるものである。

ところで、ＰＺＴは変位量が極めて小さい為、大きな変位量や大きな速度を必要とする用途には適していなかった。さらに、ＰＺＴは鉛を含んでいる為、将来的に使用が制限される懸念がある。

また、他の無機小型アクチュエータにおいても、それぞれ動作環境に制限があったり、応答性が不十分であったり、構造が複雑であったり、また柔軟性が欠如している等の問題点があり、用途も制限されていた。

そこで、これらの問題点に対して、軽量で柔軟な有機材料を用いた高分子アクチュエータが研究されてきている。一般に有機材料はヤング率が低い（柔らかい）為、無機材料と比較して変位力は小さくなるが変位量は大きくなる。また、高分子アクチュエータは、インクジェット法や印刷法等のウェットプロセスで製造できるので、安価で、大面積の作製が可能であり、さらにはフレキシブル基板対応も可能となる。これらの特徴を生かし、高分子アクチュエータは、小型モータ、マイクロポンプ、医療機器、ロボット用駆動源等への応用が期待されている。

このような高分子アクチュエータとしては、イオン導電性高分子アクチュエータ、導電性高分子アクチュエータ、誘電型ポリマーアクチュエータ等が挙げられるが、なかでも、誘電体の柔軟なポリマーを電極間に挟んだ構成の誘電型ポリマーアクチュエータは、より大きな変位量と動作速度が得られることから注目されている。

特開２００８−１６０９２８号公報

誘電型ポリマーアクチュエータにおいては、無機材料の圧電素子に比べ大きな変位量は得られる一方、変位に伴いポリマー誘電体の容量が大きく変化する。この為、仮に、誘電型ポリマーアクチュエータに特許文献１の駆動回路を適用した場合、充電時にポリマー誘電体に蓄積された電荷を、放電時に効率よく回収できないという問題がある。即ち、特許文献１では圧電素子からの放電電流を検出してスイッチを開閉しているが、このスイッチの開閉による電荷の回収が、誘電型ポリマーアクチュエータの容量が変化した場合には効率的に行えないという問題がある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、高分子アクチュエータに蓄積された電荷を効率よく回収することが可能な高分子アクチュエータの駆動装置を提供することを目的とする。

上記目的は、下記に記載の発明によって達成される。

充放電することにより伸縮する高分子アクチュエータの駆動装置であって、
前記高分子アクチュエータの一方の電極に直列に接続された電磁コイルと、
前記電磁コイルの前記高分子アクチュエータとは反対側に直列に接続されたダイオードと、
前記ダイオードの前記電磁コイルとは反対側に接続されたコンデンサと、
前記電磁コイルと前記ダイオードとの接続点とグランドとの間に配設され、前記接続点と前記グランドとの間の経路を開閉するスイッチと、
前記電磁コイルを流れる前記高分子アクチュエータからの放電電流を検出する電流検出部と、
前記スイッチ及び前記電流検出部に接続され、前記経路を開閉するために前記スイッチに回収信号を付与するとともに、該回収信号の位相を前記電流検出部で検出された前記放電電流の位相に近づけるように前記回収信号の周波数を制御する回収信号生成部と、を備えたことを特徴とする高分子アクチュエータの駆動装置。

本発明によれば、高分子アクチュエータの容量が変位に伴い変化した場合でも、放電経路のインピーダンスを高分子アクチュエータの容量に係らず最小化することができる。その結果、高分子アクチュエータからの電荷を効率よく回収することができる。

本発明の実施形態に係る高分子アクチュエータの概略構成、及び駆動変形の態様を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る高分子アクチュエータの駆動装置の概略構成を示すブロック図である。 回収信号周波数に対する放電経路のインピーダンス、及び回収信号周波数に対する回収信号と放電電流との位相差の関係を示す図である。 放電時間に対する変位層の厚み、変位層の容量、及び回収信号周波数の関係を示す図である。 回収信号生成部の概略構成を示すブロック図、及び各部の信号波形を示す図である。 駆動装置の充電用回路の概略構成を示すブロック図である。

以下図面に基づいて、本発明の実施形態に係る高分子アクチュエータの駆動装置を説明する。尚、本発明は該実施の形態に限られない。

最初に、本発明の実施形態に係る高分子アクチュエータの構成、及びその駆動変形の態様を、図１を用いて説明する。図１（ａ）は、高分子アクチュエータ５の概略構成を示す模式図、図１（ｂ）は、高分子アクチュエータの充電時の態様を示す模式図、図１（ｃ）は、高分子アクチュエータの放電時の態様を示す模式図である。

図１（ａ）に示すように、高分子アクチュエータ５は、誘電体の柔軟なゴム状のポリマーで形成された変位層５０１と、変位層５０１の一方の面に形成された第１の電極膜５０２と、変位層５０１の他方の面に形成された第２の電極膜５０３とが積層されて構成された誘電型ポリマーアクチュエータである。

図１（ｂ）に示すように、第１の電極膜５０２と第２の電極膜５０３との間に電源７より電圧が印加されると、変位層５０１は充電（電流を矢印Ｑで示す）され、層面に垂直な方向に収縮するとともに、層面に沿った方向に反対の位相で伸長する。

次に、図１（ｃ）に示すように、第１の電極膜５０２と第２の電極膜５０３との間に例えばコンデンサ８を接続すると、変位層５０１に充電された電荷は放電（電流を矢印Ｐで示す）され、変位層５０１は層面に垂直な方向に伸長するとともに、層面に沿った方向に反対の位相で収縮する。

このように、高分子アクチュエータ５は、充放電されることにより、層面に垂直な方向、及び層面に沿った方向に伸縮する。

次に、本発明の実施形態に係る高分子アクチュエータ５の駆動装置の概略構成を、図２を用いて説明する。図２は、高分子アクチュエータ５の駆動装置１の放電用回路の概略構成を示すブロック図である。即ち、図２は、充電時に高分子アクチュエータ５に蓄積された電荷を放電するための放電時に用いられる回路を示している。

駆動装置１は、図２に示すように、電磁コイル１０、ダイオード２０、コンデンサ３０、スイッチ４０、電流検出部５０、及び回収信号生成部６０を備え、高分子アクチュエータ５に充電時に蓄積された電荷をコンデンサ３０に回収するものである。尚、コンデンサ３０に回収した電荷は、充電時に再利用することができる。

電磁コイル１０、ダイオード２０、コンデンサ３０は、この順で高分子アクチュエータ５の第１の電極膜５０２に直列に配設されている。即ち、電磁コイル１０は高分子アクチュエータ５の第１の電極膜５０２に直列に接続され、ダイオード２０は電磁コイル１０の高分子アクチュエータ５とは反対側に直列に接続され、コンデンサ３０はダイオード２０の電磁コイル１０とは反対側に直列に接続されている。

スイッチ４０は、ＭＯＳ−ＦＥＴで構成され、電磁コイル１０とダイオード２０との接続点とグランドとの間に配設され、回収信号生成部６０からの回収信号により、接続点とグランドとの間の経路を開閉する。

スイッチ４０をオン（閉成）すると、高分子アクチュエータ５からの放電電流を電磁コイル１０に流して高分子アクチュエータ５の電荷を放電させる第１の放電経路Ｐ１が構成される。この時、電磁コイル１０には、放電電流による放電エネルギーが磁気エネルギーとして蓄えられる。

スイッチ４０をオフ（開成）すると、高分子アクチュエータ５からの放電電流を電磁コイル１０、及びダイオード２０を経由してコンデンサ３０に流して高分子アクチュエータ５の電荷を放電させ回収する第２の放電経路Ｐ２が構成される。この時、電磁コイル１０に蓄えられた磁気エネルギーは、放電電流に基づく電荷としてコンデンサ３０に回収される。

電流検出部５０は、抵抗素子やオペアンプ等から構成され、高分子アクチュエータ５からの放電電流を検出する。

回収信号生成部６０は、スイッチ４０をオン／オフし、高分子アクチュエータ５からの電荷のコンデンサ３０への回収を制御する回収信号を生成する。また、回収信号生成部６０は、位相比較器６０１、フィルタ６０２、電圧制御発振器６０３等から構成され（図５（ａ）参照）、電流検出部５０で検出された放電電流に基づき、回収信号の周波数を制御する。

ここで、放電経路（第１の放電経路Ｐ１、第２の放電経路Ｐ２）のインピーダンスについて説明する。

第１の放電経路Ｐ１は、高分子アクチュエータ５、電磁コイル１０、スイッチ４０（オン状態）で構成され、そのインピーダンスＺ１は、概ね下記式（１）で示される。

但し、Ｃｐは高分子アクチュエータ５の変位層５０１（ポリマー誘電体）の静電容量、Ｌは電磁コイル１０のインダクタンス、ｆは回収信号生成部６０で生成される回収信号の周波数である。

第２の放電経路Ｐ２は、高分子アクチュエータ５、電磁コイル１０、コンデンサ３０で構成され、そのインピーダンスＺ２は、概ね下記式（２）で示される。

但し、Ｃｐは高分子アクチュエータ５の変位層５０１（ポリマー誘電体）の静電容量、Ｌは電磁コイル１０のインダクタンス、Ｃｘはコンデンサ３０の静電容量、ｆは回収信号生成部６０で生成される回収信号の周波数である。

式（２）において、コンデンサ３０の静電容量Ｃｘは、高分子アクチュエータ５の変位層５０１の静電容量Ｃｐよりも十分に大きい値とされているので、コンデンサ３０による第２の放電経路Ｐ２のインピーダンスＺ２への影響は非常に小さくなる。この為、その成分は無視することができ、式（２）は、下記式（２Ａ）と置き換えることができる。

すなわち、式（１）、式（２Ａ）より、第１の放電経路Ｐ１のインピーダンスＺ１と第２の放電経路Ｐ２インピーダンスＺ２は、概ね等しい値となる。このインピーダンスを放電経路（第１の放電経路Ｐ１、第２の放電経路Ｐ２）のインピーダンスＺとする（Ｚ＝Ｚ１≒Ｚ２）。

回収信号の周波数ｆと放電経路のインピーダンスＺとの関係を図３（ａ）に示す。インピーダンスＺは、回収信号周波数ｆが下記式（３）で示す放電経路の共振周波数ｆ_０となる時に最も小さくなる。

ここで、高分子アクチュエータ５の電荷を効率よくコンデンサ３０に回収する為には、放電経路のインピーダンスＺを最小化し、放電経路の損失を最小化する必要がある。この為、回収信号周波数ｆを、放電経路のインピーダンスＺが最小化される共振周波数ｆ_０とする。

一方、高分子アクチュエータ５の変位層５０１（ポリマー誘電体）の静電容量Ｃｐは、下記式（４）で示される。

但し、εは真空の誘電率、ε_０はポリマー誘電体の比誘電率、Ｓは電極面積、ｄはポリマー誘電体の厚み（図１（ｃ）参照）である。

変位層５０１（ポリマー誘電体）の静電容量Ｃｐは、式（４）に示すように、厚みｄにより変動する。厚みｄは、図４（ａ）に示すように、放電に伴い厚くなる。したがって、静電容量Ｃｐは、図４（ｂ）に示すように、放電に伴い減少する。

この為、式（３）に示した放電経路の共振周波数ｆ_０は、放電に伴い変化する（大きくなる）。したがって、回収信号周波数ｆを放電経路の共振周波数ｆ_０の変化に対応させて、図４（ｃ）に示すように逐次変化させれば、効率をよくすることができる。

ここで、回収信号周波数ｆに対する回収信号と放電電流との位相差の関係を図３（ｂ）に示す。回収信号の周波数ｆが放電経路の共振周波数ｆ_０に等しくなる時に、回収信号と放電電流との位相差は０となる。

したがって、回収信号周波数ｆを放電経路の共振周波数ｆ_０の変化に対応させて、逐次変化させるには、回収信号と放電電流との位相差を略０、すなわち、回収信号生成部６０で生成する回収信号の位相を電流検出部５０で検出された放電電流の位相に近づけるように回収信号の周波数を制御すればよい。

以下、回収信号生成部６０で行われる回収信号の位相制御の詳細について図５を用いて説明する。図５（ａ）は、回収信号生成部６０の概略構成を示すブロック図、図５（ｂ）は、回収信号生成部６０の各部の信号波形を示す図である。

回収信号生成部６０は、図５（ａ）に示すように、位相比較器６０１、フィルタ６０２、電圧制御発振器６０３等から構成される。

位相比較器６０１は、電流検出部５０で検出された放電電流（図５（ｂ１））の位相と、電圧制御発振器６０３で生成される回収信号（図５（ｂ２））との位相を比較し、位相差に相当する信号（図５（ｂ３））を出力する。

フィルタ６０２は、位相比較器６０１から出力された放電電流と回収信号との位相差に相当する信号を平滑し直流信号（図５（ｂ４））として出力する。

電圧制御発振器６０３は、フィルタ６０２から出力された放電電流と回収信号との位相差に相当する直流信号が、放電電流と回収信号との位相差が０の時の電圧に相当する基準電圧Ｖｒに等しくなるように、すなわち、放電電流と回収信号との位相差が略０になるように、回収信号の周波数を制御しつつ、回収信号を出力する。

このように、回収信号生成部６０は、ＰＬＬ回路（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）を構成し、放電電流と回収信号との位相差が略０になるように、回収信号の周波数を制御する。これにより、回収信号周波数ｆを放電に伴い変化する放電経路の共振周波数ｆ_０に対応させて逐次変化させることができる。その結果、放電経路のインピーダンスＺを常に最小化し、放電経路の損失を最小化することができるので、高分子アクチュエータ５の電荷を効率よくコンデンサ３０に回収することが可能となる。

このように、本発明の実施形態に係る駆動装置１においては、回収信号生成部６０は、該回収信号生成部６０で生成する回収信号の位相を電流検出部５０で検出された放電電流の位相に近づけるように回収信号の周波数ｆを制御する。

これにより、回収信号生成部６０で生成する回収信号の周波数ｆを、高分子アクチュエータ５（ポリマー誘電体）の容量Ｃｐが変位に伴い変化した場合でも、その容量Ｃｐに対応した周波数（共振周波数ｆ_０）とすることができるので、放電経路のインピーダンスＺを高分子アクチュエータ５の容量Ｃｐに係らず常に最小化することができる。その結果、高分子アクチュエータ５からの電荷を効率よく回収することが可能となる。

以上の説明では、駆動装置１の一部として、高分子アクチュエータ５に蓄積された電荷を放電するための放電用回路を説明したが、高分子アクチュエータに電荷を蓄積するための充電用回路としても同様の回路を用いることができる。

図６は、駆動装置１の充電用回路の概略構成を示すブロック図であり、コンデンサ３０に蓄積された電荷を利用して高分子アクチュエータ５を充電する回路を示す。図６において、図２の放電用回路と異なる点は、高分子アクチュエータ５とコンデンサ３０とが置き換わった形態となることである。従って、図６における電磁コイル１０Ａ、ダイオード２０Ａ、スイッチ４０Ａ、電流検出部５０Ａ、充電信号生成部６０Ａは、それぞれ図２における電磁コイル１０、ダイオード２０、スイッチ４０、電流検出部５０、回収信号生成部６０と同様の機能を果たすものであるため、その詳細な説明は省略する。

この充電用回路においても、充電信号生成部６０Ａで生成する充電信号の周波数ｆを、高分子アクチュエータ５（ポリマー誘電体）の容量Ｃｐが変位に伴い変化した場合でも、その容量Ｃｐに対応した周波数（共振周波数ｆ_０）とすることができるので、充電経路のインピーダンスＺを高分子アクチュエータ５の容量Ｃｐに関わらず常に最小化することができる。その結果、コンデンサ３０から高分子アクチュエータ５への電荷の供給を効率よく行うことが可能となる。

１ 駆動装置
１０ 電磁コイル
２０ ダイオード
３０ コンデンサ
４０ スイッチ
５０ 電流検出部
６０ 回収信号生成部
６０１ 位相比較器
６０２ フィルタ
６０３ 電圧制御発振器
５ 高分子アクチュエータ（誘電型ポリマーアクチュエータ）
５０１ 変位層（誘電ポリマー）
５０２ 第１の電極膜
５０３ 第２の電極膜
７ 電源
８ コンデンサ

Claims (4)

1. 充放電することにより伸縮する高分子アクチュエータの駆動装置であって、
   前記高分子アクチュエータの一方の電極に直列に接続された電磁コイルと、
   前記電磁コイルの前記高分子アクチュエータとは反対側に直列に接続されたダイオードと、
   前記ダイオードの前記電磁コイルとは反対側に接続されたコンデンサと、
   前記電磁コイルと前記ダイオードとの接続点とグランドとの間に配設され、前記接続点と前記グランドとの間の経路を開閉するスイッチと、
   前記電磁コイルを流れる前記高分子アクチュエータからの放電電流を検出する電流検出部と、
   前記スイッチ及び前記電流検出部に接続され、前記経路を開閉するために前記スイッチに回収信号を付与するとともに、該回収信号の位相を前記電流検出部で検出された前記放電電流の位相に近づけるように前記回収信号の周波数を制御する回収信号生成部と、を備えたことを特徴とする高分子アクチュエータの駆動装置。
2. 前記回収信号生成部は、
   前記電流検出部で検出された前記放電電流の位相と前記回収信号の位相とを比較し、位相差に相当する信号を出力する位相比較器と、
   前記位相比較器からの前記位相差に相当する信号を平滑化して直流信号として出力するフィルタと、
   前記フィルタからの前記直流信号が基準電圧となるように前記回収信号の周波数を制御しつつ、前記回収信号を出力する電圧制御発振器とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の高分子アクチュエータの駆動装置。
3. 前記スイッチは、
   該スイッチの閉成により、前記高分子アクチュエータからの前記放電電流を前記電磁コイルに流して前記高分子アクチュエータの電荷を放電させる第１の放電経路を構成し、
   該スイッチの開成により、前記高分子アクチュエータからの放電電流を前記電磁コイルおよび前記ダイオードを経由して前記コンデンサに流して前記高分子アクチュエータの前記電荷を放電させ回収する第２の放電経路を構成することを特徴とする請求項１または２に記載の高分子アクチュエータの駆動装置。
4. 前記高分子アクチュエータは、ポリマーを誘電体とする変位層を２つの電極間に挟んだ構成の誘電型ポリマーアクチュエータであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の高分子アクチュエータの駆動装置。