WO2019117138A1 - 外力制御装置 - Google Patents

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WO2019117138A1
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dea
applied voltage
capacitance
operated
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悠二 米原
雅俊 島田
藤原　武史
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豊田合成株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D37/00—Stabilising vehicle bodies without controlling suspension arrangements
    • B62D37/02—Stabilising vehicle bodies without controlling suspension arrangements by aerodynamic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15D—FLUID DYNAMICS, i.e. METHODS OR MEANS FOR INFLUENCING THE FLOW OF GASES OR LIQUIDS
    • F15D1/00—Influencing flow of fluids
    • F15D1/10—Influencing flow of fluids around bodies of solid material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N11/00—Generators or motors not provided for elsewhere; Alleged perpetua mobilia obtained by electric or magnetic means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H9/00—Marine propulsion provided directly by wind power
    • B63H9/04—Marine propulsion provided directly by wind power using sails or like wind-catching surfaces
    • B63H9/06—Types of sail; Constructional features of sails; Arrangements thereof on vessels

Definitions

  • the present invention relates to an external force control device.
  • a rear spoiler device mounted at the rear of a vehicle is known as an external force control device.
  • the rear spoiler device stabilizes the vehicle posture by obtaining an external force (down force) that presses the vehicle against the road surface by an air flow flowing along the rear spoiler.
  • an external force down force
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 as a movable structure capable of operating the rear spoiler, the external force obtained through the rear spoiler is controlled by operating the rear spoiler based on the speed of the vehicle, yaw rate, air velocity, wind direction, etc.
  • a rear spoiler device is disclosed.
  • an external force control apparatus that controls an external force obtained through an operated object such as a rear spoiler by operating the operated object, it is obtained after the operation due to a change in an environmental state in which the operated object is placed.
  • External force sometimes fluctuates.
  • As a method of suppressing such fluctuation of the external force it is conceivable to operate the object in consideration of the environmental state in which the object is placed.
  • parameters indicating the environmental condition vary widely, for example, the wind speed of the air flow, the wind direction, the air pressure, the air temperature, and the humidity. Therefore, it is necessary to provide a large number of measuring devices in order to measure a parameter indicating the environmental condition and to operate the object based on the measured value.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to suppress an increase in measuring devices for measuring an environmental state and fluctuation of external force caused by the environmental state.
  • An external force control device that solves the above-mentioned problems includes a dielectric elastomer actuator, an object to be operated, and a control unit.
  • the object to be operated is operated by the dielectric elastomer actuator, and a predetermined external force acts.
  • the control unit controls an applied voltage to the dielectric elastomer actuator and measures a capacitance of the dielectric elastomer actuator.
  • the control unit calculates the external force obtained through the operated object based on the applied voltage and the measured capacitance, and applies the applied voltage so that the external force approaches a predetermined target value. Control.
  • the dielectric elastomer actuator that operates the object to be operated is used as a detection unit of the external force obtained through the object to be operated. Then, the applied voltage is controlled by external force feedback control to bring the external force closer to the target value to displace the operated object.
  • the external force obtained through the manipulated object changes due to the change in the environmental state (for example, the wind speed and the wind direction of the air flow) in which the manipulated object is placed, the change is canceled and the target is The object to be operated is displaced to a state in which the external force to be Therefore, the external force obtained through the object to be manipulated becomes difficult to change due to the change of the environmental condition.
  • the environmental state for example, the wind speed and the wind direction of the air flow
  • the parameters indicating the environmental condition such as the wind speed and the wind direction of the air flow are measured, and the measurement result is reflected in the setting of the target value. There is no need. Therefore, it is possible to reduce the number of parameters indicating the environmental condition used to set the target value and the number of measuring devices that measure the environmental condition.
  • the control unit includes an applied voltage, a capacitance when the applied voltage is applied in a state where the external force is not applied to the object to be operated, and the measured capacitance It is preferable to calculate the said external force obtained via the said to-be-operated thing based on.
  • the target value is set based on a motion state of an attachment object to which the external force control device is attached.
  • the external force feedback control is performed when an appropriate external force can not be obtained due to the environmental state while displacing the operation target to a state in which an external force suitable for the movement state of the attachment object is obtained.
  • the object can be further displaced to a state in which an appropriate external force is obtained.
  • the external force is preferably a fluid pressure acting on the object to be operated.
  • the external force to be controlled is fluid pressure
  • external force feedback control using the dielectric elastomer actuator as a detection unit functions more suitably.
  • the object to be operated may be an aerodynamic device of a moving body, a blade of a wind turbine, or a sail of a sailboat.
  • the external force control device of the present invention it is possible to suppress the increase in the number of measuring devices that measure the environmental state and the fluctuation of the external force caused by the environmental state.
  • FIG. 2 is a schematic of a dielectric elastomer actuator.
  • the correlation diagram which shows the relationship between the applied voltage and electrostatic capacitance in a dielectric elastomer actuator.
  • the flowchart which shows the process sequence which determines applied voltage.
  • the rear spoiler device 10 includes a dielectric elastomer actuator 11 (DEA: Dielectric Elastomer Actuator), a movable spoiler 12 (object to be operated) operated by the dielectric elastomer actuator 11, and a control unit 13 for controlling an applied voltage to the dielectric elastomer actuator 11.
  • DEA Dielectric Elastomer Actuator
  • movable spoiler 12 object to be operated operated by the dielectric elastomer actuator 11
  • control unit 13 for controlling an applied voltage to the dielectric elastomer actuator 11.
  • the dielectric elastomer actuator 11 is composed of a sheet-like dielectric portion 20 made of dielectric elastomer, and a positive electrode 21 and a negative electrode 22 made of a conductive elastomer.
  • the dielectric elastomer actuator 11 is configured by laminating a plurality of dielectric portions 20, the positive electrode 21 and the negative electrode 22 such that the positive electrode 21 and the negative electrode 22 are disposed on both sides in the thickness direction of the dielectric portion 20. Have a multi-layered structure.
  • An insulating layer 23 is laminated on the outermost layer of the dielectric elastomer actuator 11. In the dielectric elastomer actuator 11, when a DC voltage is applied between the positive electrode 21 and the negative electrode 22, the dielectric portion 20 is compressed in the thickness direction according to the magnitude of the applied voltage. To stretch in the direction along the face of the
  • the dielectric elastomer which comprises the dielectric part 20 is not specifically limited,
  • the dielectric elastomer used for a well-known dielectric elastomer actuator can be used.
  • Examples of the dielectric elastomer include crosslinked polyrotaxane, silicone elastomer, acrylic elastomer, and urethane elastomer. One of these dielectric elastomers may be used, or multiple types may be used in combination.
  • the electrically conductive elastomer which comprises the positive electrode 21 and the negative electrode 22 is not specifically limited,
  • the electrically conductive elastomer used for a well-known dielectric elastomer actuator can be used.
  • As said conductive elastomer the conductive elastomer containing an insulating polymer and a conductive filler is mentioned, for example.
  • Examples of the insulating polymer include crosslinked polyrotaxane, silicone elastomer, acrylic elastomer, and urethane elastomer. One of these insulating polymers may be used, or multiple types may be used in combination.
  • Examples of the conductive filler include metal particles such as ketjen black (registered trademark), carbon black, copper, silver and the like. One of these conductive fillers may be used, or a plurality of them may be used in combination.
  • the insulating elastomer constituting the insulating layer 23 is not particularly limited, and a known insulating elastomer used for the insulating portion of a known dielectric elastomer actuator can be used.
  • Examples of the insulating elastomer include cross-linked polyrotaxane, silicone elastomer, acrylic elastomer, and urethane elastomer.
  • One of these insulating elastomers may be used, or multiple types may be used in combination.
  • the thickness of the dielectric portion 20 is, for example, 20 to 200 ⁇ m.
  • the thickness of the positive electrode 21 and the negative electrode 22 is, for example, 10 to 100 ⁇ m.
  • the thickness of the insulating layer 23 is, for example, 10 to 100 ⁇ m.
  • the "dielectric elastomer actuator 11" will be simply described as "DEA11."
  • the movable spoiler 12 includes a spoiler body 12 a and a link mechanism 12 b.
  • the spoiler body 12 a extends in the vehicle width direction outside the vehicle A.
  • the link mechanism 12b connects between the DEA 11 and the spoiler body 12a.
  • the spoiler body 12a is attached to the vehicle A such that the angle of the spoiler body 12a with respect to the front-rear direction can be continuously changed between the minimum deployed position and the maximum deployed position.
  • the link mechanism 12b displaces the spoiler main body 12a by transmitting the driving force based on the expansion and contraction operation of the DEA 11 to the spoiler main body 12a.
  • a known magnification change mechanism such as a rack and pinion can be used.
  • the scaling factor of the link mechanism 12b is preferably, for example, ten times to several tens of times.
  • the control unit 13 controls an applied voltage applied to the DEA 11 from a power source (not shown) such as a battery provided in the vehicle A.
  • a power source such as a battery provided in the vehicle A.
  • the DEA 11 deforms according to the magnitude of the applied voltage.
  • the angle with respect to the front-rear direction of the spoiler main body 12a that is, the position of the movable spoiler 12 is changed via the link mechanism 12b.
  • the voltage applied to the DEA 11 is maintained constant, whereby the position of the movable spoiler 12 is fixed.
  • the control unit 13 measures the capacitance of the DEA 11 by applying an AC voltage, which is sufficiently smaller than the applied voltage, to the applied voltage.
  • the control unit 13 controls the DEA 11 so that the movable spoiler 12 is displaced to a position where a downforce (external force) suitable for the motion state of the vehicle A can be obtained based on the relationship between the shape of the DEA 11 and the applied voltage and capacitance. Set the applied voltage for.
  • the capacitance of the DEA 11 is a parameter that is inversely proportional to the distance between the electrodes of the DEA 11 and proportional to the area of the electrodes (opposing area), and changes according to the shape of the DEA 11. Therefore, when a large voltage is applied to the DEA 11 and the amount of deformation based on the compression in the thickness direction and the extension in the surface direction of the dielectric portion 20 increases, the capacitance of the DEA 11 also increases. Therefore, as shown in FIG. 3, a correlation is established between the applied voltage of the DEA 11 and the electrostatic capacitance, the larger the other and the larger the other. A mutually convertible correlation is established between the shape (deformation amount) of the DEA 11 and the capacitance.
  • the external force (down force) is estimated from the applied voltage and capacitance by utilizing the self-sensing characteristic of the DEA 11.
  • the control unit 13 includes a storage unit 14.
  • the first characteristic value indicating the correlation between the applied voltage and the capacitance in the DEA 11, and the correlation between the external force parameter corresponding to the motion state of the vehicle A and the target external force (down force)
  • a second characteristic value to be shown is stored.
  • the first characteristic value is, as shown in FIG. 3, a state in which no external force (down force) acts on the movable spoiler 12 (hereinafter referred to as a reference state), that is, a state where the vehicle A is stationary in a windless environment. It shows the correlation between the applied voltage and the capacitance.
  • the first characteristic value is stored in the storage unit 14 as a map.
  • the first characteristic value can be obtained by simulation or in advance measurement on the assumption that the rear spoiler device 10 is attached to the vehicle A.
  • the second characteristic value is a target of the external force parameter obtained by converting the traveling speed and the steering angle as parameters indicating the motion state of the vehicle A, and the downforce suitable for the motion state of the vehicle A into the reduction amount of the capacitance described above. It shows the correlation with the value.
  • the second characteristic value is stored in the storage unit 14 as a map. The second characteristic value can be obtained by simulation or in advance measurement test assuming that the rear spoiler device 10 is attached to the vehicle A.
  • the control is started when the traveling state of the vehicle A becomes equal to or more than a predetermined value set in advance.
  • the current traveling speed and steering angle are input to the control unit 13 from the measurement unit A1 such as a speed sensor and a steering angle sensor provided in the vehicle A.
  • the control unit 13 Based on the input traveling speed and steering angle, and the second characteristic value stored in the storage unit 14, the control unit 13 converts the downforce suitable for the current movement state into the reduction amount of the capacitance.
  • the target value F 0 of the external force parameter thus determined is determined (step S1).
  • control unit 13 applies a preset application voltage V 0 to the DEA 11 (step S2).
  • the DEA 11 is deformed, and the movable spoiler 12 is displaced based on the amount of deformation.
  • control unit 13 measures the capacitance of the DEA 11 when the applied voltage V 0 is applied.
  • the control unit 13 based on the first characteristic values shown in FIG. 3, obtains the reference value C 0 is the capacitance of DEA11 in the case of applying the applied voltage V 0 in the reference state. Then, the control unit 13 calculates the decrease amount (C 0 -C 1 ) between the reference value C 0 of the capacitance and the measurement value C 1 of the capacitance as the measured value F 1 of the external force parameter ( Step S3).
  • step S4 determines the measured value F 1 of the external force parameter whether is less than the target value F 0 (step S4).
  • step S4 if the measured value F 1 is less than the target value F 0 (YES), the increase the applied voltage to DEA11, to a preset application voltage V Stay up-to a predetermined amount by adding to the current applied voltage (Step S5).
  • the applied voltage is increased, the deformation amount of the DEA 11 is increased, and the movable spoiler 12 is displaced in the direction to increase the down force.
  • step S5 the process returns to step S3.
  • step S4 if the measured value F 1 of the external force parameter is the target value F 0 or more (NO), the control unit 13 determines the measured value F 1 is whether exceeds the target value F 0 (Step S6).
  • step S6 when (YES) the measured value F 1 exceeds the target value F 0 is a voltage applied to the DEA11, lowers to a preset application voltage V down to a predetermined amount is subtracted from the current of the applied voltage (Step S7). When the applied voltage is lowered, the deformation amount of the DEA 11 is reduced, and the movable spoiler 12 is displaced in the direction to reduce the down force.
  • step S7 the process returns to step S3.
  • step S3 the calculation of the measured value F 1 of the external force parameter with the current of the applied voltage is executed in step S3.
  • the process may return to step S1 from steps S5 and S7. Even in this case, step S2 is omitted.
  • the rear spoiler device 10 includes a dielectric elastomer actuator (DEA) 11, a movable spoiler 12, and a control unit 13.
  • the movable spoiler 12 is operated by the DEA 11, and a down force acts.
  • the control unit 13 controls the voltage applied to the DEA 11 and measures the capacitance of the DEA 11.
  • the control unit 13 calculates an external force parameter corresponding to the downforce obtained through the movable spoiler 12 based on the applied voltage and the measured capacitance of the DEA 11, and the measured value of the external force parameter obtained by the calculation
  • the applied voltage is controlled so that F 1 approaches the target value F 0 .
  • the DEA 11 for operating the movable spoiler 12 is used as a detection unit of an external force parameter corresponding to the downforce obtained through the movable spoiler 12. Then, the applied voltage is controlled to displace the movable spoiler 12 by external force feedback control that brings the external force parameter closer to the target value.
  • the downforce obtained through the movable spoiler 12 changes due to the change of the environmental condition (for example, the wind speed and the wind direction of the air flow) in which the movable spoiler 12 is placed, the change is cancelled.
  • the movable spoiler 12 is displaced to obtain a target downforce. Therefore, the downforce obtained via the movable spoiler 12 is suppressed from fluctuating due to the change of the environmental condition.
  • the measurement result is made to reflect in setting of target value There is no need. Therefore, it is possible to reduce the number of parameters indicating the environmental condition used to set the target value and the number of measuring devices that measure the environmental condition. As a result, the size and weight of the device can be reduced.
  • the parameter which shows an environmental state is measured and it is set as the structure which operates the movable spoiler 12 in consideration of an environmental state, there exists a problem that the influence of the parameter excluded from measurement object can not be avoided. There is also a problem that it is difficult to accurately measure the parameters to be measured.
  • the external force parameter detected by the DEA 11 is intrinsic to the environmental state that affects the downforce, the above problem hardly occurs.
  • the position of the movable spoiler 12 is fixed by maintaining the applied voltage to the DEA 11. According to the above configuration, there is no need to provide a lock mechanism or the like for fixing the position of the movable spoiler 12. Also, in principle, no power is required to maintain the applied voltage to the DEA 11 itself, so the power consumption for fixing the position of the movable spoiler 12 can be reduced.
  • the control unit 13 measures the applied voltage and the capacitance (reference value C 0 ) when the applied voltage is applied in the state where the downforce (external force) is not applied to the movable spoiler 12
  • the measured value F 1 of the external force parameter is calculated based on the measured capacitance (measured value C 1 ).
  • the external force parameter corresponding to the downforce obtained through the movable spoiler 12 can be easily calculated based on the capacitance of the DEA 11.
  • the target value F 0 of the external force parameter is set based on the motion state (traveling speed and steering angle) of the vehicle A.
  • the external force feedback control is performed when an appropriate downforce can not be obtained due to the environmental state.
  • the movable spoiler 12 can be further displaced to obtain an appropriate downforce.
  • the external force to be controlled is fluid pressure.
  • external force feedback control using the DEA 11 as a detection unit functions more suitably.
  • the present embodiment can be modified as follows.
  • the present embodiment and the following modifications can be implemented in combination with one another as long as there is no technical contradiction.
  • the DEA 11 may displace the operated object or may deform the operated object.
  • a deformable exterior portion for example, a nose portion, a tail portion formed of an elastic resin material such as polypropylene may be used as the operation target.
  • the external force control device may change the outer shape of the vehicle such that an appropriate fluid pressure can be obtained according to the movement state of the vehicle or the like by operating the exterior portion.
  • aerodynamic devices of moving objects such as vehicles, airplanes, ships, etc.
  • external force control devices that operate the blades of a wind turbine as manipulated objects, sails of sailing ships as manipulated objects
  • the external force control device may control a load acting on the object to be operated as an external force.
  • the seat of a seat such as a vehicle may be used as the operated object.
  • the external force control device may displace the seat portion so that the load acting on the seat portion is comfortable to sit in accordance with the weight and body shape of the seated person.
  • the DEA 11 is connected to the link mechanism 12b of the object to be operated.
  • the link mechanism 12b may be omitted, and the DEA 11 may be directly connected to a portion (spoiler main body 12a) on the operated object to which the external force directly acts.
  • one DEA 11 is connected to one object to be operated.
  • a plurality of DEAs 11 to each of which an independent voltage is applied may be connected to one object to be operated.
  • the object to be operated can be displaced more complicatedly.
  • the external force parameter corresponding to the external force obtained by the object to be manipulated is electrostatic if it corresponds to the external force obtained through the object with the reference value C 0 of the capacitance and the measured value C 1 as variables. It is not limited to the decrease (C 0 -C 1 ) between the reference value C 0 of the volume and the measured value C 1 .
  • C 0 -C 1 the decrease between the reference value C 0 of the volume and the measured value C 1 .
  • the target value of the external force parameter corresponding to the predetermined target value may be set based on both the parameter indicating the movement state of the mounting object and the parameter indicating the environmental state in which the object is placed, or the environment You may set based on only the parameter which shows a state.
  • the target value of the external force parameter may be a value that changes in accordance with the applied voltage.
  • the target value of the external force parameter may be a constant value (for example, zero or a minimum value) that does not depend on the environmental state and the motion state.
  • the first characteristic value and the second characteristic value are stored in the storage unit 14 as a map.
  • the first characteristic value and the second characteristic value may be relational expressions such as approximate expressions.
  • an arithmetic circuit corresponding to a relational expression between the first characteristic value and the second characteristic value may be provided.
  • the reference state used to set the second characteristic value is not limited to the state in which it can be assumed that no external force is generated, and may be appropriately changed according to the type of external force to be controlled and the mounting object, etc. Can.
  • ⁇ Whether the applied voltage is increased or decreased to bring the measured value of the external force parameter close to the target value depends on the arrangement or configuration of the DEA 11 and the object to be operated (for example, the presence or absence of conversion of the movement direction in the link mechanism) Is set appropriately. Also, whether to increase or decrease the applied voltage may be set with reference to the history so far. For example, when the difference between the measured value of the external force parameter and the target value becomes larger than the difference between the previous and subsequent times due to the previous voltage increase, the voltage is controlled to drop this time.
  • the external force control device may include a measurement unit that measures a parameter indicating a motion state of the attachment target or a parameter indicating an environmental state in which the object to be operated is placed.
  • A vehicle (attachment target), A1: measurement unit, 10: rear spoiler device (external force control device), 11: dielectric elastomer actuator (DEA), 12: movable spoiler (operation object), 12a: spoiler main body, 12b: link Mechanism 13 control unit 14 storage unit 20 dielectric unit 21 positive electrode 22 negative electrode 23 insulating layer

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Abstract

リアスポイラ装置（１０）は、誘電エラストマーアクチュエータ（ＤＥＡ）（１１）と、可動スポイラ（１２）と、制御部（１３）と、を備える。可動スポイラ（１２）は、ＤＥＡ（１１）により操作され、ダウンフォースが作用する。制御部（１３）は、ＤＥＡ（１１）に対する印加電圧を制御するとともに、ＤＥＡ（１１）の静電容量を測定する。制御部（１３）は、印加電圧と測定されたＤＥＡ１１の静電容量とに基づいて、可動スポイラ（１２）を介して得られるダウンフォースに対応する外力パラメータを演算し、演算により得られた外力パラメータの測定値（Ｆ１）を目標値（Ｆ０）に近づけるように印加電圧を制御する。

Description

外力制御装置
　本発明は、外力制御装置に関する。
　外力制御装置として、車両後部に取り付けられるリアスポイラ装置が知られている。リアスポイラ装置は、リアスポイラに沿って流れる空気流によって、車両を路面に押し付ける外力（ダウンフォース）を得ることにより、車両姿勢を安定化させる。特許文献１及び特許文献２には、リアスポイラを操作可能な可動構造として、車両の速度、ヨーレート、気流の風速、風向き等に基づいてリアスポイラを操作することにより、リアスポイラを介して得られる外力を制御するリアスポイラ装置が開示されている。
特開２０１４－１３３４３７号公報 特開平２－１７５３８７号公報
　リアスポイラ等の被操作物を介して得られる外力を、被操作物を操作することにより制御する外力制御装置においては、被操作物が置かれている環境状態の変化に起因して、操作後に得られる外力が変動することがあった。こうした外力の変動を抑制する方法として、被操作物が置かれている環境状態を考慮して被操作物を操作することが考えられる。しかしながら、環境状態を示すパラメータは、例えば、気流の風速、風向き、気圧、気温、湿度というように多岐にわたる。そのため、環境状態を示すパラメータを測定し、その測定値に基づいて被操作物を操作するためには、多数の測定装置を設ける必要がある。
　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、環境状態を測定する測定装置の増加及び環境状態に起因する外力の変動を抑制することにある。
　上記課題を解決する外力制御装置は、誘電エラストマーアクチュエータと、被操作物と、制御部と、を備える。前記被操作物は、前記誘電エラストマーアクチュエータにより操作され、所定の外力が作用する。前記制御部は、前記誘電エラストマーアクチュエータに対する印加電圧を制御するとともに、前記誘電エラストマーアクチュエータの静電容量を測定する。前記制御部は、印加電圧と、測定された前記静電容量とに基づいて、前記被操作物を介して得られる前記外力を演算し、前記外力を所定の目標値に近づけるように印加電圧を制御する。
　上記構成においては、被操作物を操作する誘電エラストマーアクチュエータを、被操作物を介して得られる外力の検出部として用いている。そして、外力を目標値に近づける外力フィードバック制御によって、印加電圧を制御して被操作物を変位させている。
　これにより、被操作物が置かれている環境状態（例えば、気流の風速及び風向き）の変化に起因して、被操作物を介して得られる外力が変化したとしても、その変化を打ち消して目標とする外力が得られる状態に被操作物が変位する。したがって、被操作物を介して得られる外力が、環境状態の変化に起因して変動し難くなる。
　また、上記構成の場合には、環境状態の変化に起因した変動を抑制するために、気流の風速及び風向き等の環境状態を示すパラメータを測定し、その測定結果を目標値の設定に反映させる必要がない。そのため、目標値の設定に用いる環境状態を示すパラメータの数、及び環境状態を測定する測定装置の数を減らすことができる。
　上記外力制御装置において、前記制御部は、印加電圧と、前記被操作物に前記外力が作用していない状態において前記印加電圧が印加された際の静電容量と、前記測定された静電容量とに基づいて、前記被操作物を介して得られる前記外力を演算することが好ましい。
　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、被操作物を介して得られる外力を容易に演算することができる。
　上記外力制御装置において、前記目標値は、当該外力制御装置が取り付けられる取付対象の運動状態に基づいて設定されることが好ましい。
　上記構成によれば、取付対象の運動状態に適した外力が得られる状態に被操作物を変位させつつ、環境状態に起因して適切な外力が得られない場合には、外力フィードバック制御によって、適切な外力が得られる状態に被操作物を更に変位させることができる。
　上記外力制御装置において、前記外力は、前記被操作物に作用する流体圧であることが好ましい。
　制御対象となる外力が流体圧である場合には、誘電エラストマーアクチュエータを検出部として用いた外力フィードバック制御がより好適に機能する。
　上記外力制御装置において、前記被操作物は、移動体の空力機器、風車の羽根、又は帆船の帆等が挙げられる。
　本発明の外力制御装置によれば、環境状態を測定する測定装置の増加及び環境状態に起因する外力の変動を抑制することができる。
リアスポイラ装置の概略図。 誘電エラストマーアクチュエータの概略図。 誘電エラストマーアクチュエータにおける印加電圧と静電容量との関係を示す相関図。 印加電圧を決定する処理手順を示すフローチャート。
　以下、外力制御装置を車両のリアスポイラ装置に具体化した一実施形態について説明する。
　図１には、車両Ａのリア側に設けられるリアスポイラ装置１０が示される。リアスポイラ装置１０は、誘電エラストマーアクチュエータ１１（ＤＥＡ：Dielectric Elastomer Actuator）と、誘電エラストマーアクチュエータ１１により操作される可動スポイラ１２（被操作物）と、誘電エラストマーアクチュエータ１１に対する印加電圧を制御する制御部１３と、を備えている。
　図２に示すように、誘電エラストマーアクチュエータ１１は、誘電エラストマーからなるシート状の誘電部２０と、導電エラストマーからなる正極電極２１及び負極電極２２と、から構成される。誘電エラストマーアクチュエータ１１は、誘電部２０の厚さ方向の両側にそれぞれ正極電極２１及び負極電極２２が配置されるように、複数の誘電部２０、正極電極２１及び負極電極２２を積層することによって構成された多層構造を有する。誘電エラストマーアクチュエータ１１の最外層には絶縁層２３が積層されている。誘電エラストマーアクチュエータ１１において、正極電極２１と負極電極２２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、誘電部２０は厚さ方向に圧縮されるとともに、誘電部２０の面に沿った方向に伸張するように変形する。
　誘電部２０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、公知の誘電エラストマーアクチュエータ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。
　正極電極２１及び負極電極２２を構成する導電エラストマーは特に限定されるものではなく、公知の誘電エラストマーアクチュエータに用いられる導電エラストマーを用いることができる。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、ケッチェンブラック（登録商標）、カーボンブラック、銅、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。
　絶縁層２３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、公知の誘電エラストマーアクチュエータ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。
　誘電部２０の厚さは、例えば、２０～２００μｍである。正極電極２１及び負極電極２２の厚さは、例えば、１０～１００μｍである。絶縁層２３の厚さは、例えば、１０～１００μｍである。以下では、「誘電エラストマーアクチュエータ１１」を単に「ＤＥＡ１１」として記載する。
　可動スポイラ１２は、スポイラ本体１２ａと、リンク機構１２ｂと、を備えている。スポイラ本体１２ａは、車両Ａの外部において車幅方向に延在する。リンク機構１２ｂは、ＤＥＡ１１とスポイラ本体１２ａとの間を接続する。
　スポイラ本体１２ａは、スポイラ本体１２ａの前後方向に対する角度が、最小展開位置から最大展開位置の間で無段階に変更され得るように、車両Ａに対して取り付けられている。リンク機構１２ｂは、ＤＥＡ１１の伸縮動作に基づく駆動力をスポイラ本体１２ａに伝達することにより、スポイラ本体１２ａを変位させる。リンク機構１２ｂとしては、例えば、ラックアンドピニオン等の公知の変倍機構を用いることができる。リンク機構１２ｂの変倍率は、例えば、十倍～数十倍であることが好ましい。
　制御部１３は、車両Ａに備えられるバッテリ等の電源（図示略）からＤＥＡ１１に印加される印加電圧を制御する。制御部１３において、ＤＥＡ１１に対する印加電圧が変更されると、ＤＥＡ１１は印加電圧の大きさに応じて変形する。そして、ＤＥＡ１１の変形量に基づいて、リンク機構１２ｂを介してスポイラ本体１２ａの前後方向に対する角度、即ち可動スポイラ１２の位置が変更される。また、ＤＥＡ１１に対する印加電圧が一定に維持されることにより、可動スポイラ１２の位置が固定される。制御部１３は、この印加電圧に比べて十分小さな交流電圧を印加電圧に加えることで、ＤＥＡ１１の静電容量を測定する。
　以下、制御部１３について、ＤＥＡ１１に対する印加電圧を制御する構成を具体的に説明する。
　制御部１３は、ＤＥＡ１１の形状と印加電圧と静電容量との関係に基づいて、車両Ａの運動状態に適したダウンフォース（外力）が得られる位置に可動スポイラ１２が変位するように、ＤＥＡ１１に対する印加電圧を設定する。
　ＤＥＡ１１の静電容量は、ＤＥＡ１１の電極間の間隔に反比例するとともに、電極の面積（対向面積）に比例するパラメータであり、ＤＥＡ１１の形状に応じて変化する。そのため、ＤＥＡ１１に対して大きな電圧が印加されて、誘電部２０の厚さ方向の圧縮及び面方向の伸長に基づく変形量が増大すると、ＤＥＡ１１の静電容量も増大する。したがって、図３に示すように、ＤＥＡ１１の印加電圧と静電容量との間には、一方が大きくなるに従って他方も大きくなる相関関係が成立している。そして、ＤＥＡ１１の形状（変形量）と静電容量との間には、互いに変換可能な相関関係が成立している。
　ＤＥＡ１１に対して変形を阻害する外力が作用している状態においてＤＥＡ１１に電圧が印加されると、外力が作用していない状態と比較してＤＥＡ１１の変形量が減少する。その結果、図３に示すように、印加電圧が同じであっても、ＤＥＡ１１の静電容量は減少する。したがって、ＤＥＡ１１に外力が作用している状態と外力が作用していない状態との間の静電容量の相違は、ＤＥＡ１１に作用している外力の大きさを示すパラメータと見なすことができる。本実施形態においては、こうしたＤＥＡ１１のセルフセンシング特性を利用することにより、印加電圧及び静電容量から外力（ダウンフォース）を推定している。
　図１に示すように、制御部１３は、記憶部１４を備えている。記憶部１４には、ＤＥＡ１１における印加電圧と静電容量との相関関係を示す第１特性値と、車両Ａの運動状態と目標とする外力（ダウンフォース）に対応する外力パラメータとの相関関係を示す第２特性値とが保存されている。
　第１特性値は、図３に示すように、可動スポイラ１２に外力（ダウンフォース）が働かない状態（以下、基準状態という。）、即ち無風の環境内で車両Ａが静止している状態における印加電圧と静電容量との相関関係を示すものである。第１特性値は、マップとして記憶部１４に保存されている。第１特性値は、車両Ａにリアスポイラ装置１０を取り付けた状態を想定したシミュレーション又は事前の測定により求めることができる。
　第２特性値は、車両Ａの運動状態を示すパラメータとしての走行速度及び操舵角と、車両Ａの運動状態に適したダウンフォースを、上述した静電容量の減少量に換算した外力パラメータの目標値との相関関係を示すものである。第２特性値は、マップとして記憶部１４に保存されている。第２特性値は、車両Ａにリアスポイラ装置１０を取り付けた状態を想定したシミュレーション又は事前の測定試験により求めることができる。
　次に、制御部１３において、印加電圧を決定する処理手順について説明する。
　図１及び図４に示すように、車両Ａの走行状態が予め設定された所定値以上になると制御が開始される。制御部１３には、車両Ａに備えられる速度センサ及び操舵角センサ等の計測部Ａ１から現在の走行速度及び操舵角が入力される。制御部１３は、入力された走行速度及び操舵角と、記憶部１４に記憶された第２特性値とに基づいて、現在の運動状態に適したダウンフォースを上記静電容量の減少量に換算した外力パラメータの目標値Ｆ０を決定する（ステップＳ１）。
　次に、制御部１３は、予め設定された印加電圧Ｖ０をＤＥＡ１１に印加する（ステップＳ２）。これにより、ＤＥＡ１１が変形するとともに、その変形量に基づいて可動スポイラ１２が変位する。そして、制御部１３は、印加電圧Ｖ０を印加した際のＤＥＡ１１の静電容量を測定する。
　次に、制御部１３は、図３に示す第１特性値に基づいて、基準状態において印加電圧Ｖ０を印加した場合のＤＥＡ１１の静電容量である基準値Ｃ０を求める。そして、制御部１３は、外力パラメータの測定値Ｆ１として、静電容量の基準値Ｃ０と静電容量の測定値Ｃ１との間の減少量（Ｃ０－Ｃ１）を演算する（ステップＳ３）。
　次に、制御部１３は、外力パラメータの測定値Ｆ１が目標値Ｆ０未満であるか否かを判定する（ステップＳ４）。ステップＳ４において、測定値Ｆ１が目標値Ｆ０未満である場合（ＹＥＳ）には、ＤＥＡ１１への印加電圧を、現在の印加電圧に予め設定された所定量を加算した印加電圧Ｖｕｐに上昇させる（ステップＳ５）。印加電圧を上昇させると、ＤＥＡ１１の変形量が増大し、可動スポイラ１２は、ダウンフォースを大きくする方向へと変位する。
　ステップＳ５の後は、ステップＳ３へと戻る。ステップＳ５の後のステップＳ３においては、制御部１３は、第１特性値に基づいて、基準状態において印加電圧Ｖｕｐを印加した場合のＤＥＡ１１の静電容量である基準値Ｃ０を求める。そして、制御部１３は、印加電圧Ｖｕｐを印加した際のＤＥＡ１１の静電容量の測定値Ｃ１と基準値Ｃ０から外力パラメータの測定値Ｆ１（＝Ｃ０－Ｃ１）を演算する。
　また、ステップＳ４において、外力パラメータの測定値Ｆ１が目標値Ｆ０以上である場合（ＮＯ）には、制御部１３は、測定値Ｆ１が目標値Ｆ０を超えるか否かを判定する（ステップＳ６）。ステップＳ６において、測定値Ｆ１が目標値Ｆ０を超える場合（ＹＥＳ）には、ＤＥＡ１１への印加電圧を、現在の印加電圧から予め設定された所定量を減算した印加電圧Ｖｄｏｗｎに降下させる（ステップＳ７）。印加電圧を降下させると、ＤＥＡ１１の変形量が減少し、可動スポイラ１２は、ダウンフォースを小さくする方向へと変位する。
　ステップＳ７の後は、ステップＳ３へと戻る。ステップＳ７の後のステップＳ３においては、制御部１３は、第１特性値に基づいて、基準状態において印加電圧Ｖｄｏｗｎを印加した場合のＤＥＡ１１の静電容量である基準値Ｃ０を求める。そして、制御部１３は、印加電圧Ｖｄｏｗｎを印加した際のＤＥＡ１１の静電容量の測定値Ｃ１と基準値Ｃ０から外力パラメータの測定値Ｆ１（＝Ｃ０－Ｃ１）を演算する。また、ステップＳ６において、外力パラメータの測定値Ｆ１が目標値Ｆ０を超えない場合（ＮＯ）、即ち測定値Ｆ１が目標値Ｆ０と等しい場合には、制御部１３は、ＤＥＡ１１への印加電圧を維持する。
　そして、制御部１３は、車両Ａの走行速度が所定値以上である間、上記のフローを所定の周期で繰り返し実行して印加電圧を制御する。これにより、制御部１３は、車両Ａの運動状態に適したダウンフォース（外力）が得られる位置に可動スポイラ１２を変位させる。ＤＥＡ１１に電圧が印加されている状況においては、ステップＳ１，Ｓ２は省略され、ステップＳ３において現在の印加電圧を用いた外力パラメータの測定値Ｆ１の演算が実行される。ここで、ステップＳ５，Ｓ７からステップＳ１に戻してもよい。この場合でも、ステップＳ２は省略される。
　次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。
　（１）リアスポイラ装置１０は、誘電エラストマーアクチュエータ（ＤＥＡ）１１と、可動スポイラ１２と、制御部１３と、を備える。可動スポイラ１２は、ＤＥＡ１１により操作され、ダウンフォースが作用する。制御部１３は、ＤＥＡ１１に対する印加電圧を制御するとともに、ＤＥＡ１１の静電容量を測定する。制御部１３は、印加電圧と測定されたＤＥＡ１１の静電容量とに基づいて、可動スポイラ１２を介して得られるダウンフォースに対応する外力パラメータを演算し、演算により得られた外力パラメータの測定値Ｆ１を目標値Ｆ０に近づけるように印加電圧を制御する。
　上記構成においては、可動スポイラ１２を操作するＤＥＡ１１を、可動スポイラ１２を介して得られるダウンフォースに対応する外力パラメータの検出部として用いている。そして、外力パラメータを目標値に近づける外力フィードバック制御によって、印加電圧を制御して可動スポイラ１２を変位させている。
　これにより、可動スポイラ１２が置かれている環境状態（例えば、気流の風速及び風向き）の変化に起因して、可動スポイラ１２を介して得られるダウンフォースが変化したとしても、その変化を打ち消して目標とするダウンフォースが得られる状態に可動スポイラ１２が変位する。したがって、可動スポイラ１２を介して得られるダウンフォースが、環境状態の変化に起因して変動することが抑制される。
　そして、上記構成の場合には、環境状態の変化に起因した変動を抑制するために、気流の風速及び風向き等の環境状態を示すパラメータを測定し、その測定結果を目標値の設定に反映させる必要がない。そのため、目標値の設定に用いる環境状態を示すパラメータの数、及び環境状態を測定する測定装置の数を減らすことができる。その結果、装置の小型化及び軽量化を図ることができる。
　また、環境状態を示すパラメータを測定し、環境状態を考慮して可動スポイラ１２を操作する構成とした場合には、測定対象外としたパラメータの影響が避けられないという問題がある。測定対象のパラメータについても、正確に測定することが難しいという問題もある。一方、上記構成とした場合には、ＤＥＡ１１により検出される外力パラメータが、ダウンフォースに影響を与える環境状態を内在したものとなるため、上記のような問題は生じ難い。
　（２）ＤＥＡ１１に対する印加電圧を維持することにより、可動スポイラ１２の位置を固定している。
　上記構成によれば、可動スポイラ１２の位置を固定するためのロック機構等を設ける必要がない。また、原則的に、ＤＥＡ１１に対する印加電圧を維持すること自体には電力を要さないため、可動スポイラ１２の位置を固定するための電力消費を小さくできる。
　（３）制御部１３は、印加電圧と、可動スポイラ１２にダウンフォース（外力）が作用していない状態において上記印加電圧が印加された際の静電容量（基準値Ｃ０）と、測定された静電容量（測定値Ｃ１）とに基づいて、外力パラメータの測定値Ｆ１を演算する。
　上記構成によれば、ＤＥＡ１１の静電容量に基づいて、可動スポイラ１２を介して得られるダウンフォースに対応する外力パラメータを容易に演算することができる。
　（４）外力パラメータの目標値Ｆ０は、車両Ａの運動状態（走行速度及び操舵角）に基づいて設定される。
　上記構成によれば、車両Ａの運動状態に適したダウンフォースが得られる状態に可動スポイラ１２を変位させつつ、環境状態に起因して適切なダウンフォースが得られない場合には、外力フィードバック制御によって、適切なダウンフォースが得られる状態に可動スポイラ１２を更に変位させることができる。
　（５）制御対象となる外力が流体圧である。
　制御対象となる外力が流体圧である場合には、ＤＥＡ１１を検出部として用いた外力フィードバック制御がより好適に機能する。
　なお、本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本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。
　・ＤＥＡ１１は、被操作物を変位させてもよいし、被操作物を変形させてもよい。
　・被操作物を介して得られる外力を、被操作物を変位させることによって制御する外力制御装置であれば、リアスポイラ装置１０等の車両用のスポイラ装置以外の外力制御装置にも適用することができる。
　例えば、車両に関して、ポリプロピレン等の弾性樹脂材等により形成された変形可能な外装部分（例えば、ノーズ部分、テール部分）を被操作物としてもよい。この場合、外力制御装置は、当該外装部分を操作することによって、車両の運動状態等に応じた適切な流体圧が得られるように車両の外形状を変化させてもよい。また、流体圧を外力として制御する外力制御装置としては、車両、飛行機、船等の移動体の空力機器、風車の羽根を被操作物として操作する外力制御装置、帆船の帆を被操作物として操作する外力制御装置が挙げられる。
　更に、外力制御装置は、被操作物に作用する荷重を外力として制御してもよい。例えば、車両等の座席の座部を被操作物としてもよい。この場合、外力制御装置は、着座者の体重及び体形等に応じて、座部に作用する荷重が座り心地が良いものとなるように座部を変位させてもよい。
　・上記実施形態では、ＤＥＡ１１は、被操作物のリンク機構１２ｂに接続されている。しかしながら、リンク機構１２ｂを省略して、被操作物における外力が直接作用する部分（スポイラ本体１２ａ）にＤＥＡ１１が直接、接続されてもよい。
　・上記実施形態では、一つの被操作物に対して一つのＤＥＡ１１が接続されている。しかしながら、一つの被操作物に対して、それぞれ独立した電圧が印加される複数のＤＥＡ１１が接続されてもよい。この場合には、被操作物をより複雑に変位させることができる。
　・被操作物により得られる外力に対応する外力パラメータは、静電容量の基準値Ｃ０と測定値Ｃ１を変数として被操作物を介して得られる外力に対応するものであれば、静電容量の基準値Ｃ０と測定値Ｃ１との間の減少量（Ｃ０－Ｃ１）に限定されるものではない。例えば、静電容量の基準値Ｃ０と測定値Ｃ１と予め記憶されたマップ又は関係式とから外力Ｆ１そのものの値を演算し、演算した外力を用いて上記の外力フィードバック制御を実行してもよい。
　・所定の目標値に対応する外力パラメータの目標値は、取付対象の運動状態を示すパラメータ及び被操作物が置かれている環境状態を示すパラメータの両方に基づいて設定してもよいし、環境状態を示すパラメータのみに基づいて設定してもよい。外力パラメータの目標値を、印加電圧に応じて変化する値としてもよい。外力パラメータの目標値を、環境状態及び運動状態によらない一定値（例えば、零又は極小値）としてもよい。
　・上記実施形態では、第１特性値及び第２特性値をマップとして記憶部１４に保存している。しかしながら、第１特性値及び第２特性値は、近似式等の関係式であってもよい。この場合には、第１特性値及び第２特性値を記憶部１４に保存する構成に代えて、第１特性値及び第２特性値の関係式に対応する演算回路を設けてもよい。
　・第２特性値の設定に用いられる基準状態は、外力が生じていないと仮定できる状態に限定されるものではなく、制御対象となる外力の種類及び取付対象等に応じて適宜、変更することができる。
　・外力パラメータの測定値を目標値に近づけるために、印加電圧を上昇させるか、降下させるかは、ＤＥＡ１１及び被操作物の配置又は構成（例えば、リンク機構における運動方向の変換の有無）に応じて適宜、設定される。また、これまでの履歴を参照して印加電圧を上昇させるか、降下させるかを設定してもよい。例えば、前回の電圧上昇により外力パラメータの測定値と目標値との差が前々回の差よりも大きくなった場合には、今回は電圧を降下するように制御される。この場合には、ＤＥＡ１１及び被操作物の配置又は構成からでは、外力パラメータの測定値を目標値に近づけるために印加電圧を上昇させるか、降下させるかが不明であっても、印加電圧を適切に変化させることができる。
　・外力制御装置は、取付対象の運動状態を示すパラメータ、又は被操作物が置かれている環境状態を示すパラメータを計測する計測部を備えていてもよい。
　Ａ…車両（取付対象）、Ａ１…計測部、１０…リアスポイラ装置（外力制御装置）、１１…誘電エラストマーアクチュエータ（ＤＥＡ）、１２…可動スポイラ（被操作物）、１２ａ…スポイラ本体、１２ｂ…リンク機構、１３…制御部、１４…記憶部、２０…誘電部、２１…正極電極、２２…負極電極、２３…絶縁層。

Claims (5)

  1. 　誘電エラストマーアクチュエータと、
    　前記誘電エラストマーアクチュエータにより操作され、所定の外力が作用する被操作物と、
    　前記誘電エラストマーアクチュエータに対する印加電圧を制御するとともに、前記誘電エラストマーアクチュエータの静電容量を測定する制御部と、を備え、
    　前記制御部は、印加電圧と、測定された前記静電容量とに基づいて、前記被操作物を介して得られる前記外力を演算し、前記外力を所定の目標値に近づけるように印加電圧を制御することを特徴とする外力制御装置。
  2. 　前記制御部は、印加電圧と、前記被操作物に前記外力が作用していない状態において前記印加電圧が印加された際の静電容量と、前記測定された静電容量とに基づいて、前記被操作物を介して得られる前記外力を演算することを特徴とする請求項１に記載の外力制御装置。
  3. 　前記目標値は、当該外力制御装置が取り付けられる取付対象の運動状態に基づいて設定されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の外力制御装置。
  4. 　前記外力は、前記被操作物に作用する流体圧であることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の外力制御装置。
  5. 　前記被操作物は、移動体の空力機器、風車の羽根、又は帆船の帆であることを特徴とする請求項４に記載の外力制御装置。
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