JP5962626B2 - 駆動素子及び駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、駆動素子及び駆動方法に係り、特に、複数のアクチュエータを備える駆動素子及び駆動方法に関する。

従来から、低電力で外部に力を取り出すことができ、電磁妨害の問題が発生しない静電型のアクチュエータが注目されている。そして、近年においては、静電型のアクチュエータの中でも、高分子アクチュエータが、人間が直接肌で触れる場面においても安全に動作するアクチュエータとして、特に期待されている。これは、高分子アクチュエータは、セラミックや金属の材料で作られたアクチュエータと異なり、軽量であり、柔軟性に富み、かつ、低電圧で駆動可能だからである。

図１２（Ａ）に示されるように、一般に、高分子アクチュエータ２０は、平板電極ＥＰａと平板電極ＥＰｂとの間に電解質層ＤＬが挟まれて構成されている。ここで、平板電極ＥＰａ，ＥＰｂとしては、例えば、外部接続用の金属パッドが端部に形成されたカーボンナノチューブ電極を採用することができる。

かかる高分子アクチュエータ２０では、平板電極ＥＰａと平板電極ＥＰｂとの間に電圧を印加すると、図１２（Ｂ）に示されるように、高分子アクチュエータ２０が変形する。また、図１２（Ｂ）に示される場合とは逆方向の電圧を平板電極ＥＰａと平板電極ＥＰｂとの間に印加すると、図１２（Ｃ）に示されるように、図１２（Ｂ）に示される場合とは逆方向に高分子アクチュエータ２０が変形する。

こうした、高分子アクチュエータ（以下、「ＥＡＰ（Electro Active Polymer）」とも記す）２０を等価回路で表すと、図１３に示される通り、実質的にキャパシタＣとして表される。

こうした高分子アクチュエータを含む静電型のアクチュエータを、エネルギ源として低電圧出力の直流電源を採用して駆動する技術（特許文献１参照：以下、「従来例」という）が提案されている。この従来例の技術では、複数のキャパシタと複数のスイッチとを備える昇圧回路を採用する。この昇圧回路では、まず、複数のスイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御して複数のキャパシタを並列接続して、低電圧出力の直流電源を用いた複数のキャパシタへの充電を行うことができる状態とするとともに、静電型のアクチュエータへの印加電圧を低電圧に設定する。引き続き、複数のスイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御して複数のキャパシタを直列接続した後、直列接続により形成された合成キャパシタの両端間の高電圧を静電型のアクチュエータに印加する状態とする。

なお、従来例の技術では、上述した２つの状態を交互に切り換えつつ、当該２つの状態を繰り返し発生させるようになっている。

特開２０１０−２２０４４２号公報

上述した従来例の技術では、高電圧印加状態で静電型のアクチュエータに蓄積された電荷は、低電圧印加状態となった瞬間に廃棄され、複数のキャパシタへの充電時に当該複数のキャパシタに充電される電荷は、全て、直流電源から供給される。このため、従来例の技術では、効率的に直流電源から供給される電力を利用しているとはいい難かった。

ところで、多くの小型機器では小型の乾電池等を直流電源として採用するので、静電型のアクチュエータの駆動のための消費電力を極力抑制することが望ましい。このため、省電力化を更に可能としつつ、静電型のアクチュエータを備える駆動素子を駆動することができる技術が待望されている。

本発明は、上記の事情を鑑みてなされたものであり、静電型のアクチュエータの駆動に際して、簡易な構成で、消費電力を抑制することができる駆動素子及び駆動方法を提供することを目的とする。

本発明の駆動素子は、一つ以上の静電型のアクチュエータから構成される第１のアクチュエータ群と、一つ以上の静電型のアクチュエータから構成される第２のアクチュエータ群と、を一体型に形成して伸縮駆動部とした駆動素子であって、前記第１のアクチュエータ群と前記第２のアクチュエータ群は、少なくとも二つのアクチュエータから構成され、前記第１のアクチュエータ群と前記第２のアクチュエータ群との間で電荷移動が行われ、前記第１のアクチュエータ群と前記第２のアクチュエータ群との間での電荷移動に際しては、電荷の移動元のアクチュエータ群のアクチュエータが直列に接続され、前記電荷の移動先のアクチュエータ群のアクチュエータが並列に接続される、ことを特徴とする。

本発明の駆動素子の駆動方法は、一つ以上の静電型のアクチュエータから構成される第１のアクチュエータ群と、一つ以上の静電型のアクチュエータから構成される第２のアクチュエータ群と、を一体型に形成して伸縮駆動部とした駆動素子の駆動方法であって、前記第１のアクチュエータ群と前記第２のアクチュエータ群は、少なくとも二つのアクチュエータから構成され、前記第１のアクチュエータ群と前記第２のアクチュエータ群との間で電荷移動を行わせる電荷移動工程と、前記電荷移動工程による、前記第１のアクチュエータ群と前記第２のアクチュエータ群との間での電荷移動に際して、電荷の移動元のアクチュエータ群のアクチュエータを直列に接続し、前記電荷の移動先のアクチュエータ群のアクチュエータを並列に接続する、接続制御工程と、を備える、ことを特徴とする。

本発明によれば、静電型の複数のアクチュエータを構成する第１のアクチュエータ群と第２のアクチュエータ群との間で電荷移動が行われる。このため、電荷の移動元のアクチュエータ群に蓄えられたエネルギの一部を、電荷の移動先のアクチュエータ群への電圧印加に必要なエネルギの少なくとも一部として利用することができる。

したがって、本発明の駆動素子によれば、静電型のアクチュエータの駆動に際して、簡易な構成で、消費電力を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る駆動素子の概略的な構成を説明するためのブロック図である。 図１の駆動素子における固定部材上のアクチュエータの配置を説明するための図である。 図１の駆動制御部の構成を説明するための図である。 図３の第１スイッチアレイの構成を説明するための図である。 図３の第２スイッチアレイの構成を説明するための図である。 図３のスイッチ制御部のスイッチ制御により実現される回路例（その１及びその２）を説明するための図である。 図３のスイッチ制御部のスイッチ制御により実現される回路例（その３及びその４）を説明するための図である。 スイッチ制御部によるスイッチ制御シーケンスを説明するための図である。 スイッチ制御シーケンスの実行による高分子アクチュエータ及び固定部材の一実施形態における変形を説明するための図である。 固定部材上へのアクチュエータの配置の変形例を説明するための図（その１）である。 固定部材上へのアクチュエータの配置の変形例を説明するための図（その２）である。 高分子アクチュエータを説明するための図である。 高分子アクチュエータの等価回路を示す図である。

以下、本発明の一実施形態を、図１〜図９を参照して説明する。なお、以下の説明及び図においては、上述した図１２及び図１３の場合を含めて、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、以下の説明において「接続」との用語は、電気的な導通接続を意味するものとする。また、接地レベルを基準とする電位を、「電圧」とも記す。

［構成］
図１には、一実施形態に係る駆動素子１０の概略的な構成が示されている。この図１に示されるように、駆動素子１０は、乾電池等の直流電源である電源３０と接続されている。ここで、電源３０は、出力電圧が「ＶＥ」の直流電源となっている。

上記の駆動素子１０は、固定部材２５と、第１ＥＡＰ群２０Ｇ₁及び第２ＥＡＰ群２０Ｇ₂と、駆動制御部１２とを備えている。ここで、上記の固定部材２５は、後述する図２に示されるように、矩形状の平板状部材となっている。この固定部材２５は、可撓性を有するとともに、少なくとも表面が絶縁性を有している。

上記の第１ＥＡＰ群２０Ｇ₁は、Ｎ（≧２）個のＥＡＰ２０₁₁〜２０_1Nから構成されている。これらのＥＡＰ２０₁₁〜２０_1Nは、固定部材２５上に配設されている。

上記のＥＡＰ２０_1j（ｊ＝１〜Ｎ）のそれぞれは、２個の端子Ｔａ_1j，Ｔｂ_1jを有している。そして、ＥＡＰ２０_1jの等価回路であるキャパシタＣ_1j（容量：Ｃ０）が、端子Ｔａ_1j，Ｔｂ_1jを介して、駆動制御部１２と接続されている。

上記の第２ＥＡＰ群２０Ｇ₂は、Ｎ個のＥＡＰ２０₂₁〜２０_2Nから構成されている。これらのＥＡＰ２０₂₁〜２０_2Nは、固定部材２５上に配設されている。

上記のＥＡＰ２０_2jのそれぞれは、２個の端子Ｔａ_2j，Ｔｂ_2jを有している。そして、ＥＡＰ２０_2jの等価回路であるキャパシタＣ_2j（容量：Ｃ０）が、端子Ｔａ_2j，Ｔｂ_2jを介して、駆動制御部１２と接続されている。

なお、図１におけるＥＡＰ２０₁₁〜２０_1N，２０₂₁〜２０_2Nの配列順は、固定部材２５上におけるＥＡＰ２０₁₁〜２０_1N，２０₂₁〜２０_2Nの配列順を反映している訳ではない。本実施形態における固定部材２５上におけるＥＡＰ２０₁₁〜２０_1N，２０₂₁〜２０_2Nの配列については、後述する。

上記の駆動制御部１２は、第１ＥＡＰ群２０Ｇ₁を構成するＥＡＰ２０₁₁〜２０_1N、及び、第２ＥＡＰ群２０Ｇ₂を構成するＥＡＰ２０₂₁〜２０_2Nの駆動を制御する。この駆動制御部１２は、端子Ｓａ₁₁〜Ｓａ_1N，Ｓｂ₁₁〜Ｓｂ_1N及び端子Ｓａ₂₁〜Ｓａ_2N，Ｓｂ₂₁〜Ｓｂ_2Nを有している。そして、端子Ｓａ_1jが第１ＥＡＰ群２０Ｇ₁の端子Ｔａ_1jと接続されるとともに、端子Ｓｂ_1jが第１ＥＡＰ群２０Ｇ₁の端子Ｔｂ_1jと接続されている。また、端子Ｓａ_2jが第２ＥＡＰ群２０Ｇ₂の端子Ｔａ_2jと接続されるとともに、端子Ｓｂ_2jが第２ＥＡＰ群２０Ｇ₂の端子Ｔｂ_2jと接続されている。

また、駆動制御部１２は、端子ＶＰ，ＶＭを有している。そして、端子ＶＰは電源３０の＋端子と接続されている。また、端子ＶＭは電源３０の−端子と接続されている。

なお、駆動制御部１２の詳細な構成については、後述する。

［ＥＡＰの配列］
次に、本実施形態における固定部材２５上におけるＥＡＰ２０₁₁〜２０_1N，２０₂₁〜２０_2Nの配列について、図２を参照して説明する。なお、図２には、Ｎ＝４の場合が例示されている。

図２に示されるように、本実施形態では、ＥＡＰ２０₁₁〜２０_1Nは、固定部材２５の一方側の表面における固定部材２５の長手方向の一方側領域（図２における紙面下方側の領域）に、当該長手方向に直交する方向に沿って順次配列されて、固定されている。このように配列されたＥＡＰ２０₁₁〜２０_1Nは、全体として１枚のシート状となっている。なお、ＥＡＰ２０₁₁〜２０_1Nのそれぞれは、電極ＥＬａ側が固定部材２５に固定されるようになっている。

また、本実施形態では、ＥＡＰ２０₂₁〜２０_2Nは、固定部材２５の一方側の表面における固定部材２５の長手方向の他方側領域（図２における紙面上方側の領域）に、当該長手方向に直交する方向に沿って順次配列されて、固定されている。このように配列されたＥＡＰ２０₂₁〜２０_2Nは、全体として１枚のシート状となっている。なお、ＥＡＰ２０₂₁〜２０_2Nのそれぞれは、電極ＥＬｂ側が固定部材２５に固定されるようになっている。

以上のように配列されたＥＡＰ２０₁₁〜２０_1N，２０₂₁〜２０_2Nは、固定部材２５の一方側の表面において、全体として、１枚のシート状となっている。

［駆動制御部１２の構成］
次いで、上述した駆動制御部１２の構成について説明する。

駆動制御部１２は、図３に示されるように、第１スイッチアレイ１６₁と、第２スイッチアレイ１６₂とを備えている。また、駆動制御部１２は、スイッチ制御部１９を備えている。

上記の第１スイッチアレイ１６₁は、複数のスイッチを備えて構成されている。そして、第１スイッチアレイ１６₁における各スイッチは、スイッチ制御部１９から送られたスイッチ制御信号ＳＣ１〜ＳＣ４に従って、ＯＮ／ＯＦＦを行う。

第１スイッチアレイ１６₁は、上述した端子Ｓａ₁₁〜Ｓａ_1N，Ｓｂ₁₁〜Ｓｂ_1Nを有しており、第１ＥＡＰ群２０Ｇ₁と接続されている。また、第１スイッチアレイ１６₁は、上述した端子ＶＰ，ＶＭを介して、電源３０と接続されている。第１スイッチアレイ１６₁の詳細な構成については、後述する。

上記の第２スイッチアレイ１６₂は、上述した第１スイッチアレイ１６₁と同様に、複数のスイッチを備えて構成されている。そして、第２スイッチアレイ１６₂における各スイッチは、スイッチ制御部１９から送られたスイッチ制御信号ＳＣ６〜ＳＣ９に従って、ＯＮ／ＯＦＦを行う。

第２スイッチアレイ１６₂は、上述した端子Ｓａ₂₁〜Ｓａ_2N，Ｓｂ₂₁〜Ｓｂ_2Nを有しており、第２ＥＡＰ群２０Ｇ₂と接続されている。また、第２スイッチアレイ１６₂は、第１スイッチアレイ１６₁と同様に、端子ＶＰ，ＶＭを介して、電源３０と接続されている。第２スイッチアレイ１６₂の詳細な構成については、後述する。

なお、第１スイッチアレイ１６₁と第２スイッチアレイ１６₂とは、電荷移動経路ＳＯ₁，ＳＯ₂を介して接続されている。ここで、電荷移動経路ＳＯ₁を介して、第１スイッチアレイ１６₁から第２スイッチアレイ１６₂へ（ひいては、第１ＥＡＰ群２０₁から第２ＥＡＰ群２０₂へ）、電荷が移動するようになっている。また、電荷移動経路ＳＯ₂を介して、第２スイッチアレイ１６₂から第１スイッチアレイ１６₁へ（ひいては、第２ＥＡＰ群２０₂から第１ＥＡＰ群２０₁へ）、電荷が移動するようになっている。

上記のスイッチ制御部１９は、スイッチ制御信号ＳＣ１〜ＳＣ４を生成し、生成されたＳＣ１〜ＳＣ４を第１スイッチアレイ１６₁へ送る。また、スイッチ制御部１９は、スイッチ制御信号ＳＣ６〜ＳＣ９を生成し、生成されたＳＣ６〜ＳＣ９を第２スイッチアレイ１６₂へ送る。

なお、スイッチ制御部１９は、不図示の指令入力部からスイッチ制御シーケンスの開始指令を受けると、スイッチ制御シーケンスを開始する。そして、スイッチ制御シーケンスの終了指令を受けると、スイッチ制御シーケンスを終了する。

＜第１スイッチアレイ１６₁の構成＞
上述した第１スイッチアレイ１６₁は、図４に示されるように、スイッチＳ１とスイッチＳ２とを備えている。また、第１スイッチアレイ１６₁は、スイッチＳ３_k,1，Ｓ３_k,2（ｋ＝１〜（Ｎ−１）），Ｓ３_Nと、スイッチＳ４_j（ｊ＝１〜Ｎ）とを備えている。

なお、以下の説明においては、スイッチＳ３_k,1，Ｓ３_k,2（ｋ＝１〜（Ｎ−１）），Ｓ３_Nを総称する場合には、「スイッチＳ３」と記すものとする。また、スイッチＳ４_j（ｊ＝１〜Ｎ）を総称する場合には、「スイッチＳ４」と記すものとする。また、図４に図示されている接続線路の抵抗値は、殆ど「０［Ω］」であるものとする。

本実施形態では、スイッチＳ１〜Ｓ４のそれぞれは、一方側端子及び他方側端子の２端子を有しており、スイッチ制御部１９が生成したスイッチ制御信号ＳＣ１〜ＳＣ４に従って、ＯＮ／ＯＦＦする。ここで、スイッチ制御部１９から送られたスイッチ制御信号によりＯＮが指定されたスイッチは、当該スイッチの一方側端子と他方側端子とを接続状態（電気的な導通状態）とし、当該スイッチ制御信号によりＯＦＦが指定されたスイッチは、一方側端子と他方側端子とを非接続状態（電気的な絶縁状態）とする。

上記のスイッチＳ１の一方側端子は、電源３０の＋端子と接続されている。また、スイッチＳ１の他方側端子は、端子Ｓｂ₁₁（ひいては、キャパシタＣ₁₁の電極ＥＰｂ）及び電荷移動経路ＳＯ₂と接続されている。

上記のスイッチＳ２の一方側端子は、端子Ｓｂ_1N（ひいては、キャパシタＣ_1Nの電極ＥＰｂ）と接続されている。また、スイッチＳ２の他方側端子は、電荷移動経路ＳＯ₁と接続されている。

上記のスイッチＳ３_k,1の一方側端子は、端子Ｓａ_1k（ひいては、キャパシタＣ_1kの電極ＥＰａ）と接続されている。また、スイッチＳ３_k,1の他方側端子は、端子Ｓａ_1(k+1) （ひいては、キャパシタＣ_1(k+1)の電極ＥＰａ）と接続されている。

上記のスイッチＳ３_Nの一方側端子は、端子Ｓａ_1N（ひいては、キャパシタＣ_1Nの電極ＥＰａ）と接続されている。また、上記のスイッチＳ３_Nの他方側端子は、接地レベルと接続されている。

なお、電源３０の−端子も、第１スイッチアレイ１６₁内で、接地レベルと接続されている。

上記のスイッチＳ４₁を除くスイッチＳ４_jの一方側端子は、端子Ｓｂ_1(j-1)（ひいては、キャパシタＣ_1(j-1)の電極ＥＰｂ）と接続されている。また、上記のスイッチＳ４₁を除くスイッチＳ４_jの他方側端子は、端子Ｓａ_1j （ひいては、キャパシタＣ_1jの電極ＥＰａ）と接続されている。

上記のスイッチＳ４₁の一方側端子は、接地レベルと接続されている。また、スイッチＳ４₁の他方側端子は、端子Ｓａ₁₁（ひいては、キャパシタＣ₁₁の電極ＥＰａ）と接続されている。

＜第２スイッチアレイ１６₂の構成＞
上述した第２スイッチアレイ１６₂は、図５に示されるように、第１スイッチアレイ１６₁と対称的に構成されている。すなわち、第２スイッチアレイ１６₂は、スイッチＳ６とスイッチＳ７とを備えている。また、第２スイッチアレイ１６₂は、スイッチＳ８_k,1，Ｓ８_k,2（ｋ＝１〜（Ｎ−１）），Ｓ８_Nと、スイッチＳ９_j（ｊ＝１〜Ｎ）とを備えている。

なお、以下の説明においては、スイッチＳ８_k,1，Ｓ８_k,2（ｋ＝１〜（Ｎ−１）），Ｓ８_Nを総称する場合には、「スイッチＳ８」と記すものとする。また、スイッチＳ９_j（ｊ＝１〜Ｎ）を総称する場合には、「スイッチＳ９」と記すものとする。また、図５に図示されている接続線路の抵抗値は、殆ど「０［Ω］」であるものとする。

本実施形態では、スイッチＳ６〜Ｓ９のそれぞれは、上述したスイッチＳ１〜Ｓ４と同様に、一方側端子及び他方側端子の２端子を有している。そして、スイッチＳ６〜Ｓ９は、スイッチ制御部１９が生成したスイッチ制御信号ＳＣ６〜ＳＣ９に従って、ＯＮ／ＯＦＦする。なお、スイッチが「ＯＮ」の意義、及び、スイッチが「ＯＦＦ」の意義は、スイッチＳ１〜Ｓ４の場合と同様である。

上記のスイッチＳ６の一方側端子は、電源３０の＋端子と接続されている。また、スイッチＳ６の他方側端子は、端子Ｓｂ₂₁（ひいては、キャパシタＣ₂₁の電極ＥＰｂ）及び電荷移動経路ＳＯ₁と接続されている。

上記のスイッチＳ７の一方側端子は、端子Ｓｂ_2N（ひいては、キャパシタＣ_2Nの電極ＥＰｂ）と接続されている。また、スイッチＳ７の他方側端子は、電荷移動経路ＳＯ₂と接続されている。

上記のスイッチＳ８_k,1の一方側端子は、端子Ｓａ_2k（ひいては、キャパシタＣ_2kの電極ＥＰａ）と接続されている。また、スイッチＳ８_k,1の他方側端子は、端子Ｓａ_2(k+1) （ひいては、キャパシタＣ_2(k+1)の電極ＥＰａ）と接続されている。

上記のスイッチＳ８_Nの一方側端子は、端子Ｓａ_2N（ひいては、キャパシタＣ_2Nの電極ＥＰａ）と接続されている。また、上記のスイッチＳ８_Nの他方側端子は、接地レベルと接続されている。

なお、電源３０の−端子は、第２スイッチアレイ１６₂内でも、接地レベルと接続されている。

上記のスイッチＳ９₁を除くスイッチＳ９_jの一方側端子は、端子Ｓｂ_2(j-1)（ひいては、キャパシタＣ_2(j-1)の電極ＥＰｂ）と接続されている。また、上記のスイッチＳ９₁を除くスイッチＳ９_jの他方側端子は、端子Ｓａ_2j（ひいては、キャパシタＣ_2jの電極ＥＰａ）と接続されている。

上記のスイッチＳ９₁の一方側端子は、接地レベルと接続されている。また、スイッチＳ９₁の他方側端子は、端子Ｓａ₂₁（ひいては、キャパシタＣ₂₁の電極ＥＰａ）と接続されている。

以上のように構成された第１スイッチアレイ１６₁及び第２スイッチアレイ１６₂のスイッチＳ１〜Ｓ４及びスイッチＳ６〜Ｓ９のそれぞれのＯＮ／ＯＦＦを、スイッチ制御部１９が制御することにより、図６及び図７に示される動作モードの接続設定することができるようになっている。

図６（Ａ）には、第１ＥＡＰ群２０Ｇ₁から第２ＥＡＰ群２０Ｇ₂への電荷移動モードである第１動作モードの等価回路における接続設定が示されている。この第１動作モードでは、第１ＥＡＰ群２０Ｇ₁におけるキャパシタＣ₁₁〜Ｃ_1N（すなわち、ＥＡＰ２０₁₁〜２０_1N）が直列に接続されて合成キャパシタＣＳ₁（容量：Ｃ０／Ｎ）が形成される。また、第２ＥＡＰ群２０Ｇ₂におけるキャパシタＣ₂₁〜Ｃ_2N（すなわち、ＥＡＰ２０₂₁〜２０_2N）が並列に接続されて合成キャパシタＣＰ₂（容量：Ｎ・Ｃ０）が形成される。そして、合成キャパシタＣＳ₁と合成キャパシタＣＰ₂とが、電荷移動経路ＳＯ₁を介して接続され、電荷移動経路ＳＯ₁に電流Ｉ_S1が流れることにより、第１ＥＡＰ群２０Ｇ₁から第２ＥＡＰ群２０Ｇ₂への電荷移動が発生する。

なお、第１動作モードは、スイッチＳ１が「ＯＦＦ」、スイッチＳ２が「ＯＮ」、スイッチＳ３が「ＯＦＦ」、及び、スイッチＳ４が「ＯＮ」とされるとともに、スイッチＳ６が「ＯＦＦ」、スイッチＳ７が「ＯＦＦ」、スイッチＳ８が「ＯＮ」、及び、スイッチＳ９が「ＯＦＦ」とされることにより、設定される。

図６（Ｂ）には、電源３０による第２ＥＡＰ群２０Ｇ₂に対する補充充電モードである第２動作モードの等価回路における接続設定が示されている。この第２動作モードでは、上述した第１動作モードに引き続いて設定される。

第２動作モードでは、合成キャパシタＣＰ₂が電源３０に接続される。そして、第１動作モードの実行による電荷移動のみでは不足する電荷が、電源３０により合成キャパシタＣＰ₂に補充充電される。したがって、第１動作モードの実行による電荷移動のみで十分である場合には、この補充充電は不要である。

なお、第２動作モードは、スイッチＳ１が「ＯＦＦ」、スイッチＳ２が「ＯＦＦ」とされるとともに、スイッチＳ６が「ＯＮ」、スイッチＳ７が「ＯＦＦ」、スイッチＳ８が「ＯＮ」、及び、スイッチＳ９が「ＯＦＦ」とされることにより、設定される。

図７（Ａ）には、第２ＥＡＰ群２０Ｇ₂から第１ＥＡＰ群２０Ｇ₁への電荷移動モードである第３動作モードの等価回路における接続設定が示されている。この第３動作モードでは、第１ＥＡＰ群２０Ｇ₁におけるキャパシタＣ₁₁〜Ｃ_1Nが並列に接続されて合成キャパシタＣＰ₁（容量：Ｎ・Ｃ０）が形成される。また、第２ＥＡＰ群２０Ｇ₂におけるキャパシタＣ₂₁〜Ｃ_2Nが直列に接続されて合成キャパシタＣＳ₂（容量：Ｃ０／Ｎ）が形成される。そして、合成キャパシタＣＰ₁と合成キャパシタＣＳ₂とが、電荷移動経路ＳＯ₂を介して接続され、電荷移動経路ＳＯ₂に電流Ｉ_S2が流れることにより、第２ＥＡＰ群２０Ｇ₂から第１ＥＡＰ群２０Ｇ₁への電荷移動が発生する。

なお、第３動作モードは、スイッチＳ１が「ＯＦＦ」、スイッチＳ２が「ＯＦＦ」、スイッチＳ３が「ＯＮ」、及び、スイッチＳ４が「ＯＦＦ」とされるとともに、スイッチＳ６が「ＯＦＦ」、スイッチＳ７が「ＯＮ」、スイッチＳ８が「ＯＦＦ」、及び、スイッチＳ９が「ＯＮ」とされることにより、設定される。

図７（Ｂ）には、電源３０による第１ＥＡＰ群２０Ｇ₁に対する補充充電モードである第４動作モードの等価回路における接続設定が示されている。この第４動作モードでは、上述した第３動作モードに引き続いて設定される。

第４動作モードでは、合成キャパシタＣＰ₁が電源３０に接続される。そして、第３動作モードの実行による電荷移動のみでは不足する電荷が、電源３０により合成キャパシタＣＰ₁に補充充電される。したがって、第３動作モードの実行による電荷移動のみで十分である場合には、この補充充電は不要である。

なお、第４動作モードは、スイッチＳ１が「ＯＮ」、スイッチＳ２が「ＯＦＦ」、スイッチＳ３が「ＯＮ」、及び、スイッチＳ４が「ＯＦＦ」とされるとともに、スイッチＳ６が「ＯＦＦ」、スイッチＳ７が「ＯＦＦ」とされることにより、設定される。

［動作］
次に、上記のように構成された駆動素子１０の動作について、スイッチ制御部１９によるスイッチＳ１〜Ｓ４，Ｓ６〜Ｓ９のＯＮ／ＯＦＦ制御による駆動素子１０の駆動に主に着目して説明する。

なお、以下においては、周期「２・ＴＰ」の振動力を取り出す場合を例示して説明する。

図８には、スイッチ制御部１９が実行するスイッチ制御シーケンスのタイミングチャートが示されている。この図８に示されるように、当初時点（時刻Ｔ₀）においては、スイッチ制御部１９は、スイッチ制御信号ＳＣ１〜ＳＣ４，ＳＣ６〜ＳＣ９において「ＯＦＦ」を指定しており、スイッチＳ１〜Ｓ４，Ｓ６〜Ｓ９の全てが「ＯＦＦ」となっているものとする。

また、当初時点では、第１ＥＡＰ群２０Ｇ₁のＥＡＰ２０₁₁〜２０_1Nのそれぞれには、電荷Ｑ０（＝Ｃ０・ＶＥ）が蓄積され、両電極間の電圧は「ＶＥ」となっているものとする。かかる電荷の蓄積は、例えば、事前（出荷時）に、上述した第４動作モードと同様の接続設定を行うことにより行われる。勿論、直前の充電によって電荷を蓄積してもよい。

また、当初時点では、第２ＥＡＰ群２０Ｇ₂のＥＡＰ２０₂₁〜２０_2Nのそれぞれには、電荷は殆ど蓄積されておらず、両電極間の電圧はほぼ「０」となっているものとする。

この結果、当初時点においては、図９（Ａ）に示されるように、ＥＡＰ２０₁₁〜２０_1Nが蓄積電荷に応じて変形することにより、固定部材２５におけるＥＡＰ２０₁₁〜２０_1Nの配置部分が変形している。一方、ＥＡＰ２０₂₁〜２０_2Nの蓄積電荷はほぼ「０」であるので、ＥＡＰ２０₂₁〜２０_2Nは変形せず、固定部材２５におけるＥＡＰ２０₂₁〜２０_2Nの配置部分は変形していない。

なお、図９（Ａ）（及び、後述する図９（Ｂ））には、図２の場合と同様に、Ｎ＝４の場合が例示されている。

図８に戻り、時刻Ｔ₁において、上述した指令入力部からスイッチ制御シーケンスの開始指令を受けると、スイッチ制御部１９が、スイッチ制御シーケンスを開始する。かかるスイッチ制御シーケンスの実行に際して、スイッチ制御部１９は、まず、「ＯＮ」を指定したスイッチ制御信号ＳＣ４，ＳＣ８を生成し、スイッチＳ４，Ｓ８の全てへ送る。この結果、スイッチＳ４，Ｓ８の全て「ＯＮ」となり、上述した合成キャパシタＣＳ₁及び合成キャパシタＳＰ₂が形成される。この後、直ちに、スイッチ制御部１９は、「ＯＮ」を指定したスイッチ制御信号ＳＣ２を生成し、スイッチＳ２へ送る。この結果、上述した図６（Ａ）に示される第１動作モードの接続設定の状態となる。

こうして第１動作モードの接続設定の状態となると、電荷移動経路ＳＯ₁に電流Ｉ_S1が流れることにより、第１ＥＡＰ群２０Ｇ₁から第２ＥＡＰ群２０Ｇ₂への電荷移動が迅速に行われる。かかる電荷移動の結果、合成キャパシタＣＳ₁に蓄積された電荷の多くが合成キャパシタＣＰ₂へ移動し、合成キャパシタＣＳ₁に残留する電荷が大きく減少する。

ここで、値Ｎが大きくなるほど、合成キャパシタＣＳ₁に残留する電荷が少なくなる。そして、値Ｎが十分に大きければ、合成キャパシタＣＳ₁に残留する電荷は、ほぼ「０」となる。

図８に戻り、第１動作モードにおける電荷移動により合成キャパシタＣＳ₁に蓄積された電荷の多くの移動が完了するまでの時間を経過した後の時刻Ｔ₂となると、スイッチ制御部１９は、まず、「ＯＦＦ」を指定したスイッチ制御信号ＳＣ２，ＳＣ４を生成し、スイッチＳ２及びスイッチＳ４の全てへ送る。この後、直ちに、スイッチ制御部１９は、「ＯＮ」を指定したスイッチ制御信号ＳＣ６を生成し、スイッチＳ６へ送る。この結果、上述した図６（Ｂ）示される第２動作モードの接続設定の状態となる。

こうして第２動作モードの接続設定の状態となると、第１動作モードの実行による電荷移動のみでは不足する電荷が、電源３０により合成キャパシタＣＰ₂に補充充電され、合成キャパシタＣＰ₂に印加される電圧が「ＶＥ」となる。

こうした第２動作モードにおいては、図９（Ｂ）に示されるように、ＥＡＰ２０₁₁〜２０_1Nの蓄積電荷が少ないので、ＥＡＰ２０₁₁〜２０_1Nは殆ど変形せず、固定部材２５におけるＥＡＰ２０₁₁〜２０_1Nの配置部分も変形しない。一方、ＥＡＰ２０₂₁〜２０_2Nが蓄積電荷に応じて変形することにより、固定部材２５におけるＥＡＰ２０₂₁〜２０_2Nの配置部分が、上述した図９（Ａ）における変形方向とは逆方向に変形する。

図８に戻り、時刻Ｔ₁からの経過時間が時間ＴＰである時刻Ｔ₃となると、スイッチ制御部１９は、まず、「ＯＦＦ」を指定したスイッチ制御信号ＳＣ６，ＳＣ８を生成し、スイッチＳ６及びスイッチＳ８の全てへ送る。引き続き、直ちに、スイッチ制御部１９は、「ＯＮ」を指定したスイッチ制御信号ＳＣ３，ＳＣ９を生成し、スイッチＳ３，Ｓ９の全てへ送る。この結果、スイッチＳ３，Ｓ８の全て「ＯＮ」となり、上述した合成キャパシタＣＰ₁及び合成キャパシタＣＳ₂が形成される。

この後、直ちに、スイッチ制御部１９は、「ＯＮ」を指定したスイッチ制御信号ＳＣ７を生成し、スイッチＳ７へ送る。この結果、上述した図７（Ａ）に示される第３動作モードの接続設定の状態となる。

こうして第３動作モードの接続設定の状態となると、電荷移動経路ＳＯ₂に電流Ｉ_S2が流れることにより、第２ＥＡＰ群２０Ｇ₂から第１ＥＡＰ群２０Ｇ₁への電荷移動が迅速に行われる。かかる電荷移動の結果、合成キャパシタＣＳ₂に蓄積された電荷の多くが合成キャパシタＣＰ₁へ移動し、合成キャパシタＣＳ₂に残留する電荷が大きく減少する。

図８に戻り、第３動作モードにおける電荷移動により合成キャパシタＣＳ₂に蓄積された電荷の多くの移動が完了するまでの時間を経過した後の時刻Ｔ₄となると、スイッチ制御部１９は、まず、「ＯＦＦ」を指定したスイッチ制御信号ＳＣ７，ＳＣ９を生成し、スイッチＳ７及びスイッチＳ９の全てへ送る。この後、直ちに、スイッチ制御部１９は、「ＯＮ」を指定したスイッチ制御信号ＳＣ１を生成し、スイッチＳ１へ送る。この結果、上述した図７（Ｂ）に示される第４動作モードの接続設定の状態となる。

こうして第４動作モードの接続設定の状態となると、第３動作モードの実行による電荷移動のみでは不足する電荷が、電源３０により合成キャパシタＣＰ₁に補充充電され、合成キャパシタＣＰ₁に印加される電圧が「ＶＥ」となる。この結果、上述した図９（Ａ）に示される変形が発生する。

図８に戻り、時刻Ｔ₁からの経過時間が時間（２・ＴＰ）（すなわち、１周期長）である時刻Ｔ₅となると、スイッチ制御部１９は、まず、「ＯＦＦ」を指定したスイッチ制御信号ＳＣ１，ＳＣ３を生成し、スイッチＳ１及びスイッチＳ３の全てへ送る。この結果、上述した時刻Ｔ₀における状態と同様に、全てのスイッチが「ＯＦＦ」の状態となる。

この後、直ちに、スイッチ制御部１９は、上述した時刻Ｔ₁〜Ｔ₅の場合と同様のスイッチ制御シーケンスを順次繰り返す。この結果、図９（Ａ）の変形と、図９（Ｂ）の変形とが、周期（２・ＴＰ）で順次繰り返され、振動力が取り出される。

そして、指令入力部からスイッチ制御シーケンスの終了指令を受けると、スイッチ制御部１９は、全てのスイッチを一旦「ＯＦＦ」とさせた後、「ＯＮ」を指定したスイッチ制御信号ＳＣ１，ＳＣ３を生成し、スイッチＳ１及びスイッチＳ３の全てへ送り、第４動作モードの接続設定の状態とする。この結果、第１ＥＡＰ群２０Ｇ₁のＥＡＰ２０₁₁〜２０_1Nのそれぞれには、電荷Ｑ０（＝Ｃ０・ＶＥ）が蓄積され、両電極間の電圧は「ＶＥ」となる。この後、スイッチ制御部１９は、「ＯＦＦ」を指定したスイッチ制御信号ＳＣ１，ＳＣ３を生成し、スイッチＳ１及びスイッチＳ３の全てへ送ることにより、上述した時刻Ｔ₀の状態と同様の状態設定を行い、指令入力部から新たなスイッチ制御シーケンスの開始指令が送られてくるのを待つ。

以上説明したように、本実施形態では、複数の高分子アクチュエータを構成する第１ＥＡＰ群２０Ｇ₁と第２ＥＡＰ群２０Ｇ₂との間で電荷移動が行われる。このため、電荷の移動元の高分子アクチュエータに蓄えられたエネルギの一部を、電荷の移動先の高分子アクチュエータへの電圧印加に必要なエネルギの少なくとも一部として利用することができる。

したがって、本発明の本実施形態によれば、高分子アクチュエータの駆動に際して、簡易な構成で、消費電力を抑制することができる。

また、本実施形態では、第１ＥＡＰ群２０Ｇ₁と第２ＥＡＰ群２０Ｇ₂との間での電荷移動に際して、電荷の移動元のＥＡＰ群における高分子アクチュエータが直列に接続され、電荷の移動先のＥＡＰ群における高分子アクチュエータが並列に接続されるようにする。このため、移動元の直列接続された高分子アクチュエータが形成する合成キャパシタに蓄積された電荷の多くを、移動先の並列接続された高分子アクチュエータが形成する合成キャパシタへ移動させることができる。

本実施形態では、電荷移動において、第１ＥＡＰ群２０Ｇ₁から第２ＥＡＰ群２０Ｇ₂への第１電荷移動と、第２ＥＡＰ群２０Ｇ₂から第１ＥＡＰ群２０Ｇ₁への第２電荷移動とが交互に繰り返される。このため、消費電力を抑制しつつ、振動力を取り出すことができる。

［実施形態の変形］
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

例えば、上記の実施形態では、アクチュエータとして高分子アクチュエータ（ＥＡＰ）を採用したが、他の静電型のアクチュエータを採用してもよい。

また、上記の実施形態では、電荷移動後のアクチュエータには、少量の電荷残留が発生するが、電荷移動後の残留電荷を積極的に放電させるようにしてもよい。

また、上記の実施形態では、ＥＡＰ２０₁₁〜２０_1Nを並列接続した状態で事前充電を行うようにしたが、ＥＡＰ２０₁₁〜２０_1Nを直列接続した状態で事前充電を行うようにしてもよい。

また、上記の実施形態では、固定部材上におけるＥＡＰの配置を図２に示されるようにしたが、以下の変形例のように他の配置とすることができる。

＜固定部材上におけるＥＡＰの配置の変形例１＞
図１０には、固定部材上におけるＥＡＰの配置の変形例１が示されている。図１０に示されるように、この変形例１では、ＥＡＰ２０₁₁〜２０_1Nと、ＥＡＰ２０₂₁〜２０_2Nとが、固定部材２５の一方の表面上において、固定部材２５の長手方向に直交する方向に沿って、１つずつ互い違いに配置されている。そして、ＥＡＰ２０₁₁〜２０_1N及びＥＡＰ２０₂₁〜２０_2Nが全体として１枚のシート状となっている。

かかる変形例１の配置を採用した場合にも、上記の実施形態におけるスイッチ制御部１９がスイッチ制御シーケンスを実行することにより、上記の実施形態の場合と同様の効果を奏することができる。

＜固定部材上におけるＥＡＰの配置の変形例２＞
図１１には、固定部材上におけるＥＡＰの配置の変形例２が示されている。図１１に示されるように、この変形例２では、固定部材２５の一方の表面上にＥＡＰ２０₁₁〜２０_1Nが固定部材２５の長手方向に直交する方向に沿って配列されるともに、固定部材２５の他方の表面上にＥＡＰ２０₂₁〜２０_2Nが固定部材２５の長手方向に直交する方向に沿って配列されている。そして、ＥＡＰ２０₁₁〜２０_1Nが全体として１枚のシート状となるとともに、ＥＡＰ２０₂₁〜２０_2Nが全体として１枚のシート状となっている。

かかる変形例２の配置を採用した場合にも、上記の実施形態におけるスイッチ制御部１９がスイッチ制御シーケンスを実行することにより、上記の実施形態の場合と同様の効果を奏することができる。

以下に、この出願の願書に最初に添付した特許請求の範囲に記載した発明を付記する。
付記に記載した請求項の項番は、この出願の願書に最初に添付した特許請求の範囲の通りである。

［付記］
＜請求項１＞
静電型の複数のアクチュエータと、前記複数のアクチュエータを固定する固定部材とを備えた駆動素子であって、
前記複数のアクチュエータは、前記固定部材上にシート状に配置され、
前記複数のアクチュエータは、前記複数のアクチュエータの一部である第１のアクチュエータ群と、前記複数のアクチュエータの前記第１アクチュエータ群以外の部分である第２のアクチュエータ群とから成り、
前記第１のアクチュエータ群と前記第２のアクチュエータ群との間で電荷移動が行われる、
ことを特徴とする駆動素子。
＜請求項２＞
前記第１のアクチュエータ群から前記第２のアクチュエータ群への第１電荷移動と、前記第２のアクチュエータ群から前記第１のアクチュエータ群への第２電荷移動とが交互に繰り返して行われる、ことを特徴とする請求項１に記載の駆動素子。
＜請求項３＞
前記第１のアクチュエータ群と前記第２のアクチュエータ群との間での電荷移動に際しては、電荷の移動元のアクチュエータ群のアクチュエータが直列に接続され、前記電荷の移動先のアクチュエータ群のアクチュエータが並列に接続される、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の駆動素子。
＜請求項４＞
前記第１のアクチュエータ群及び前記第２のアクチュエータ群の一方は前記固定部材の基端側に配置され、前記第１のアクチュエータ群及び前記第２のアクチュエータ群の他方は前記固定部材の自由端側に配置されている、
ことを特徴とする請求項１から請求項３いずれか一項に記載の駆動素子。
＜請求項５＞
前記第１のアクチュエータ群のアクチュエータと、前記第２のアクチュエータ群のアクチュエータとは互いに駆動方向が異なり、前記第１のアクチュエータ群のアクチュエータと、前記第２のアクチュエータ群のアクチュエータとが互い違いに配置されている、ことを特徴とする請求項１から３いずれか一項に記載の駆動素子。
＜請求項６＞
前記複数のアクチュエータは、前記固定部材の一方の面に配置されている、ことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の駆動素子。
＜請求項７＞
前記複数のアクチュエータは、前記固定部材の両面に配置されている、ことを特徴とする請求項１から３いずれか一項に記載の駆動素子。
＜請求項８＞
静電型の複数のアクチュエータと、前記複数のアクチュエータを固定する固定部材を備え、前記複数のアクチュエータは、前記固定部材上にシート状に配置されるとともに、前記複数のアクチュエータは、前記複数のアクチュエータの一部である第１のアクチュエータ群と、前記複数のアクチュエータの前記第１のアクチュエータ群以外の部分である第２のアクチュエータ群とから成る駆動素子の駆動方法であって、
前記第１のアクチュエータ群と前記第２のアクチュエータ群との間で電荷移動を行わせる電荷移動工程を備える、
ことを特徴とする駆動方法。

１０ … 駆動素子
１２ … 駆動制御部
１６₁ … 第１スイッチアレイ
１６₂ … 第２スイッチアレイ
１９ … スイッチ制御部
２０ … 高分子アクチュエータ（静電型のアクチュエータ）
２０_1j（ｊ＝１〜Ｎ）… 高分子アクチュエータ（静電型のアクチュエータ）
２０_2j（ｊ＝１〜Ｎ）… 高分子アクチュエータ（静電型のアクチュエータ）
２０Ｇ₁ … 第１ＥＡＰ群（第１のアクチュエータ群）
２０Ｇ₂ … 第２ＥＡＰ群（第２のアクチュエータ群）
２５ … 固定部材
３０ … 電源
ＤＬ … 電解質層
ＥＰａ，ＥＰｂ … 平板電極
Ｃ … キャパシタ
Ｓ１〜Ｓ４ … スイッチ
Ｓ６〜Ｓ９ … スイッチ

Claims (7)

1. 一つ以上の静電型のアクチュエータから構成される第１のアクチュエータ群と、一つ以上の静電型のアクチュエータから構成される第２のアクチュエータ群と、を一体型に形成して伸縮駆動部とした駆動素子であって、
   前記第１のアクチュエータ群と前記第２のアクチュエータ群は、少なくとも二つのアクチュエータから構成され、
   前記第１のアクチュエータ群と前記第２のアクチュエータ群との間で電荷移動が行われ、前記第１のアクチュエータ群と前記第２のアクチュエータ群との間での電荷移動に際しては、電荷の移動元のアクチュエータ群のアクチュエータが直列に接続され、前記電荷の移動先のアクチュエータ群のアクチュエータが並列に接続される、
   ことを特徴とする駆動素子。
2. 前記電荷移動は、前記第１のアクチュエータ群から前記第２のアクチュエータ群への第１電荷移動と、前記第２のアクチュエータ群から前記第１のアクチュエータ群への第２電荷移動とが行われ、前記第１電荷移動と前記第２電荷移動を交互に繰り返し、前記第１電荷移動と前記第２電荷移動に際しては、電荷の移動元のアクチュエータ群のアクチュエータが直列に接続され、前記電荷の移動先のアクチュエータ群のアクチュエータが並列に接続される、ことを特徴とする請求項１に記載の駆動素子。
3. 前記第１のアクチュエータ群と前記第２のアクチュエータ群を固定する固定部材を備え、
   前記第１のアクチュエータ群及び前記第２のアクチュエータ群の一方は前記固定部材の基端側に配置され、前記第１のアクチュエータ群及び前記第２のアクチュエータ群の他方は前記固定部材の自由端側に配置されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の駆動素子。
4. 前記第１のアクチュエータ群と前記第２のアクチュエータ群は、前記固定部材の一方の面に配置されている、ことを特徴とする請求項３に記載の駆動素子。
5. 前記第１のアクチュエータ群と前記第２のアクチュエータ群を固定する固定部材を備え、
   前記第１のアクチュエータ群のアクチュエータと、前記第２のアクチュエータ群のアクチュエータとは互いに駆動方向が異なり、前記第１のアクチュエータ群のアクチュエータと、前記第２のアクチュエータ群のアクチュエータとが、前記固定部材の一方の面に互い違いに配置されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の駆動素子。
6. 前記第１のアクチュエータ群と前記第２のアクチュエータ群を固定する固定部材を備え、
   前記第１のアクチュエータ群と前記第２のアクチュエータ群は、前記固定部材の両面に配置されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の駆動素子。
7. 一つ以上の静電型のアクチュエータから構成される第１のアクチュエータ群と、一つ以上の静電型のアクチュエータから構成される第２のアクチュエータ群と、を一体型に形成して伸縮駆動部とした駆動素子の駆動方法であって、
   前記第１のアクチュエータ群と前記第２のアクチュエータ群は、少なくとも二つのアクチュエータから構成され、
   前記第１のアクチュエータ群と前記第２のアクチュエータ群との間で電荷移動を行わせる電荷移動工程と、
   前記電荷移動工程による、前記第１のアクチュエータ群と前記第２のアクチュエータ群との間での電荷移動に際して、電荷の移動元のアクチュエータ群のアクチュエータを直列に接続し、前記電荷の移動先のアクチュエータ群のアクチュエータを並列に接続する、接続制御工程と、を備える、
   ことを特徴とする駆動素子の駆動方法。

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