WO2021024628A1 - 制御装置及びアクチュエータ装置 - Google Patents

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dea
control device
drive voltage
open
unit
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Inventor
堀邊　隆介
Original Assignee
豊田合成株式会社
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a control device for controlling a dielectric elastomer actuator and an actuator device.
  • DEA Dielectric Elastomer Actuator
  • DEA is a multilayer structure having a sheet-like dielectric layer made of a dielectric elastomer and electrode layers arranged on both sides of the dielectric layer.
  • DEA has a capacitor structure.
  • the DEA also functions as a sensor for detecting an external force. That is, when an external force is applied to the DEA to change the thickness of the dielectric layer, the capacitance of the DEA changes. Based on this change in capacitance, the external force applied to the DEA is estimated.
  • Patent Document 1 discloses a technique of detecting the capacitance of DEA and confirming the deformed state of DEA based on the detected capacitance.
  • a high voltage output circuit such as a small Cockcroft-Walton circuit is used as the drive voltage generator.
  • a high-voltage output circuit has a characteristic that the impedance at the time of discharging the current is low, but the impedance at the time of drawing in the current is high. This impedance fluctuation causes an offset in the alternating current.
  • An object of the present invention is to improve the detection accuracy of index values such as capacitance based on an alternating current flowing between a driving DEA and an alternating current signal generation unit.
  • a control device for controlling the dielectric elastomer actuator has a first electrode and a second electrode.
  • the control device is arranged between a drive voltage generating unit that applies a drive voltage to the first electrode and the first electrode and the ground, and is temporarily closed during driving of the dielectric elastomer actuator.
  • An open / close switch unit that short-circuits one electrode, an AC signal generation unit that applies an AC voltage to either the first electrode or the second electrode, and the dielectric elastomer actuator and the AC signal when the open / close switch unit is closed. It includes an index value detecting unit that detects an index value related to the dielectric elastomer actuator based on an alternating current flowing between the generating unit and the dielectric elastomer actuator.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure of a dielectric elastomer actuator. Explanatory drawing of the current detection part and the capacitance detection part. Explanatory drawing of the amplitude detection part. (A) to (d) are timing diagrams showing changes over time of each of the detected values of the drive voltage, the external pressure, and the AC amplitude, and the operation of the open / close switch unit.
  • (A) to (d) are timing diagrams showing changes over time of each of the detected values of the drive voltage, the displacement amount of the dielectric elastomer actuator, and the AC amplitude, and the operation of the open / close switch unit. Explanatory drawing of the current detection part of the modification example.
  • the pulsation generator includes a dielectric elastomer actuator 10 (DEA: Dielectric Elastomer Actuator) and a control device 20 for controlling the dielectric elastomer actuator 10.
  • the dielectric elastomer actuator 10 is for making the user recognize the vibration generated in response to the applied drive voltage as the tactile sensation of the pulsation of the human body.
  • the DEA 10 is a multilayer structure composed of a plurality of dielectric layers 11 and a plurality of positive electrode electrodes 12 (first electrode) and negative electrode 13 (second electrode).
  • the dielectric layer 11 is in the form of a sheet made of a dielectric elastomer.
  • the positive electrode 12 and the negative electrode 13 are laminated on both sides in a direction orthogonal to the surface of the dielectric layer 11.
  • An insulating layer 14 is laminated on the outermost layer of the DEA 10.
  • the dielectric layer 11 when a DC voltage is applied between the positive electrode 12 and the negative electrode 13, the dielectric layer 11 is compressed in a direction orthogonal to the surface of the dielectric layer 11 according to the magnitude of the applied voltage. It extends in the direction along the surface.
  • the dielectric elastomer constituting the dielectric layer 11 is not particularly limited, and a known dielectric elastomer used for DEA 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 a plurality of types may be used in combination.
  • the thickness of the dielectric layer 11 is, for example, 20 to 200 ⁇ m.
  • Examples of the material constituting the positive electrode 12 and the negative electrode 13 include a conductive elastomer, carbon nanotubes, Ketjen black (registered trademark), and a metal vapor deposition film.
  • Examples of the conductive elastomer include a conductive elastomer containing an insulating polymer and a conductive filler.
  • Examples of the insulating polymer include crosslinked polyrotaxane, silicone elastomer, acrylic elastomer, and urethane elastomer. One of these insulating polymers may be used, or a plurality of types may be used in combination.
  • Examples of the conductive filler include carbon nanotubes, Ketjen black (registered trademark), carbon black, and metal particles such as copper and silver. One of these conductive fillers may be used, or a plurality of types may be used in combination.
  • the thickness of the positive electrode 12 and the negative electrode 13 is, for example, 1 to 100 ⁇ m.
  • the insulating elastomer constituting the insulating layer 14 is not particularly limited, and a known insulating elastomer used for the insulating portion of the known DEA can be used.
  • the insulating elastomer include crosslinked polyrotaxane, silicone elastomer, acrylic elastomer, and urethane elastomer.
  • One of these insulating elastomers may be used, or a plurality of types may be used in combination.
  • the thickness of the insulating layer 14 is, for example, 10 to 100 ⁇ m.
  • the thickness of the entire DEA 10 is preferably, for example, 0.3 to 3 mm from the viewpoint of ensuring flexibility and strength.
  • the control device 20 includes a drive voltage generation unit 21, an open / close switch unit 22, and an open / close control unit 22a.
  • the drive voltage generation unit 21 generates a drive voltage for driving the DEA 10 and applies it to the positive electrode 12 of the DEA 10.
  • the open / close switch section 22 is arranged between the positive electrode 12 of the DEA 10 and the ground, and controls the open / close switch section 22.
  • the drive voltage generation unit 21 generates a drive voltage for causing the DEA 10 to perform an operation of simulating the vibration of an artery, and applies the drive voltage between the electrodes of the DEA 10.
  • the drive voltage applied between the electrodes of the DEA 10 is, for example, a high voltage of about 500 to 2000 V.
  • the drive voltage generation unit 21 is not particularly limited, and a known high voltage output circuit such as a small Cockcroft-Walton circuit can be used.
  • FIG. 5 (a) shows an example of the waveform of the drive voltage for operating the DEA 10 so as to simulate the vibration of the artery.
  • the waveform of the drive voltage has a constant voltage period T1 in which the voltage is fixed at a low potential that becomes low impedance at the end of one cycle.
  • the maximum amplitude is 1000 V
  • the period is 1 second
  • the last 0.2 seconds of the cycle is the constant voltage period T1 of the drive voltage 0 V.
  • the drive voltage generation unit 21 periodically applies the drive voltage of the above waveform to the DEA 10.
  • the frequency band fd of the drive voltage applied to the DEA 10 is set based on the mechanical characteristics of the DEA 10.
  • the DEA10 made of an elastomer has damping properties in addition to spring properties. Therefore, if the frequency band fd of the drive voltage is too high, the mechanical deformation of the DEA 10 cannot follow the change in the drive voltage. Therefore, the frequency band fd of the drive voltage is set to be equal to or lower than the upper limit value fm of the mechanical response frequency band of the DEA 10.
  • the constant voltage period T1 is set to a period in which the DEA10 has a length capable of electrically responding as a capacitor based on the electrical characteristics of the DEA10.
  • the constant voltage period T1 is preferably set to a length of 5 times or more the reciprocal (1 / fe) of the upper limit value fe of the electrical response frequency band in which the DEA 10 can function as a capacitor. It is more preferable to set the length to 10 times or more.
  • the impedance on the drive side seen from the DEA10 side in the constant voltage period T1 is preferably, for example, 100 ⁇ or less, and more preferably 0 ⁇ .
  • the open / close switch unit 22 is connected between the positive electrode 12 of the DEA 10 and the drive voltage generation unit 21.
  • the open / close switch portion 22 is closed, the positive electrode 12 of the DEA 10 is short-circuited to the ground.
  • the open / close switch unit 22 is not particularly limited, but since a high voltage is applied, it is preferable to use a high withstand voltage power device such as a SiC MOSFET.
  • the open / close control unit 22a closes the open / close switch unit 22 during the constant voltage period T1 in which the drive voltage applied to the DEA 10 is fixed during the drive of the DEA 10.
  • the open / close switch unit 22 is opened during a period other than T1.
  • the control device 20 includes an AC signal generation unit 23 and a current detection unit 24.
  • the AC signal generation unit 23 generates an AC signal composed of an AC voltage and applies it to the negative electrode 13 of the DEA 10.
  • the current detection unit 24 detects the alternating current flowing from the negative electrode 13 of the DEA 10 to the alternating current signal generation unit 23.
  • the amplitude of the AC signal is, for example, 3 to 10 V
  • the average voltage of the AC signal is, for example, 0 V (ground voltage)
  • the frequency of the AC signal is, for example, 1 kHz to 10 kHz.
  • the voltage value of the amplitude of the AC signal is set to be sufficiently smaller than the drive voltage. As a result, the influence of the amplitude of the AC signal on the deformation of the DEA 10 based on the drive voltage can be almost ignored.
  • the frequency of the AC signal is preferably a frequency in which the sine wave of the AC signal enters in 5 cycles or more, and more preferably 10 cycles or more in the constant voltage period T1.
  • the current detection unit 24 includes a detection resistor 24a and a difference calculation unit 24b.
  • the detection resistor 24a is connected between the negative electrode 13 of the DEA 10 and the AC signal generation unit 23.
  • the difference calculation unit 24b detects the potential difference between the two terminals of the detection resistor 24a.
  • the resistance value of the detection resistor 24a is preferably set to a low value of, for example, about 100 ⁇ to 10k ⁇ from the viewpoint of suppressing deterioration of the response performance of the DEA 10 due to a long charging time.
  • a capacitance detection unit 25 that detects the capacitance of the DEA 10 based on the alternating current detected by the current detection unit 24 is connected to the current detection unit 24.
  • the capacitance detection unit 25 includes an amplitude detection unit 26, an AD conversion unit 27, and a capacitance calculation unit 28.
  • the amplitude detection unit 26 detects the AC amplitude of the AC current detected by the current detection unit 24.
  • the AD conversion unit 27 converts the AC amplitude detected by the amplitude detection unit 26 into analog-digital conversion.
  • the capacitance calculation unit 28 calculates the capacitance of the DEA 10 from the converted digital data.
  • the amplitude detection unit 26 includes a filter unit 26a, a full-wave rectification unit 26b, and an integration unit 26c.
  • the filter unit 26a includes a high-pass filter, a band-pass filter, and the like that extract an AC signal component of the current detected by the current detection unit 24.
  • the full-wave rectifier unit 26b full-wave rectifies the AC signal to generate a full-wave rectified signal.
  • the integrating unit 26c integrates the full-wave rectified signal in time.
  • the capacitance calculation unit 28 calculates the capacitance of the DEA 10 based on the AC amplitude of the alternating current detected in the constant voltage period T1 in which the drive voltage applied to the DEA 10 is fixed.
  • the capacitance of DEA 10 corresponds to the index value
  • the capacitance detection unit 25 corresponds to the index value detection unit.
  • the control device 20 includes an external force estimation unit 29 that estimates an external force applied to the DEA 10 based on the capacitance of the DEA 10 detected by the capacitance detection unit 25.
  • the external force applied to DEA10 is estimated as follows.
  • the above relational expression represents that the amplitude
  • a driving voltage that changes as shown in the waveform shown in FIG. 5A is generated by the driving voltage generation unit 21 and applied to the positive electrode 12 of the DEA 10. Will be done.
  • the DEA 10 expands and contracts in the direction along the plane of the DEA 10 and in the direction orthogonal to the plane according to the applied voltage, and is driven so as to simulate the vibration of the artery based on the expansion and contraction. ..
  • the vibration of the DEA10 is transmitted to the finger. The user recognizes the vibration transmitted to the finger like a pulsation.
  • the open / close control unit 22a closes the open / close switch unit 22 during the constant voltage period T1 in which the drive voltage applied to the DEA 10 is fixed, and closes the open / close switch unit 22 during a period other than the constant voltage period T1. Open.
  • an AC signal is generated by the AC signal generation unit 23 and applied to the negative electrode 13 of the DEA 10. Then, the AC current flowing between the AC signal generation unit 23 and the negative electrode electrode 13 is detected by the current detection unit 24. Then, the capacitance detection unit 25 detects the AC amplitude of the AC current, and detects the capacitance of the DEA 10 based on the AC amplitude of the AC current detected in the constant voltage period T1. Then, in the external force estimation unit 29, the external force applied to the DEA 10, that is, the pressing pressure on the DEA 10 by the user's finger is estimated based on the capacitance of the DEA 10.
  • 5 (b) to 5 (d) show changes in the external pressure and AC amplitude when the pressure (hereinafter referred to as external pressure) pressed against the DEA 10 by the user's finger is changed over time while the DEA 10 is being driven.
  • external pressure the pressure
  • the detected value of the AC amplitude is the sum of the component corresponding to the drive voltage and the component corresponding to the external pressure.
  • the capacitance of the DEA 10 is detected based on the AC amplitude of the AC current detected during the constant voltage period T1.
  • the open / close switch unit 22 is closed during the constant voltage period T1
  • the positive electrode 12 of the DEA 10 connected to the drive voltage generation unit 21 is short-circuited.
  • the capacitance of the DEA 10 can be detected without being affected by the impedance fluctuation of the drive voltage generation unit 21.
  • the drive voltage generation unit 21 has a constant output impedance. Therefore, if the operation of the drive voltage generation unit 21 is simply stopped or the output drive voltage is set to 0 V, the impedance fluctuation of the drive voltage generation unit 21 affects the alternating current. According to the first embodiment, by short-circuiting the positive electrode 12, the influence of impedance fluctuation on the alternating current can be reduced.
  • the drive voltage is fixed at a known low voltage (0 V) during the constant voltage period T1
  • the amount of change in capacitance due to the application of the drive voltage is constant at zero. Therefore, it is easy to obtain the amount of change in capacitance due to external pressure from the detected capacitance, and to obtain the external pressure applied to DEA 10 from the amount of change in capacitance due to external pressure.
  • the control device for controlling the DEA 10 includes a drive voltage generation unit 21, an open / close switch unit 22, an AC signal generation unit 23, and a capacitance detection unit 25.
  • the drive voltage generation unit 21 applies a drive voltage to the positive electrode 12 of the DEA 10.
  • the open / close switch portion 22 is arranged between the positive electrode 12 of the DEA 10 and the ground, and is temporarily closed during the driving of the DEA 10 to short-circuit the positive electrode 12.
  • the AC signal generation unit 23 applies an AC voltage to the negative electrode 13 of the DEA 10.
  • the capacitance detection unit 25 detects the capacitance of the DEA 10 based on the alternating current flowing between the DEA 10 and the AC signal generation unit 23 when the open / close switch unit 22 is closed.
  • the open / close switch section 22 when the open / close switch section 22 is closed and the positive electrode 12 of the DEA 10 connected to the drive voltage generating section 21 is short-circuited, the alternating current flowing between the DEA 10 and the alternating current signal generating section 23 The capacitance of DEA 10 is detected based on the current. Therefore, while the DEA 10 is being driven, while the positive electrode 12 is short-circuited, the AC current flowing between the DEA 10 and the AC signal generation unit 23 is not affected by the impedance fluctuation of the drive voltage generation unit 21. Therefore, by detecting the capacitance based on the alternating current while the positive electrode 12 is short-circuited, the detection accuracy of the capacitance is improved.
  • the drive voltage generation unit 21 periodically applies a drive voltage having a waveform having a constant voltage period T1 in which the drive voltage is fixed.
  • the open / close switch unit 22 is closed during the constant voltage period T1. According to the above configuration, the external pressure applied to the DEA 10 can be easily obtained based on the capacitance of the DEA 10.
  • the period during which the open / close switch unit 22 is closed is set to be five times or more the reciprocal of the upper limit of the electrical response frequency band in which the DEA 10 can function as a capacitor. According to the above configuration, the detection accuracy of the capacitance of the DEA 10 is further improved.
  • the actuator device includes a base material 30, a DEA 10, a control device 20 for controlling the DEA 10, and a drive body 31 attached to the upper surface of the DEA 10.
  • the DEA 10 is attached to the upper surface of the base material 30 so that the thickness direction (stacking direction) of the DEA 10 coincides with the vertical direction of the actuator device.
  • the actuator device displaces the drive body 31 in the vertical direction based on the expansion / contraction operation in the thickness direction of the DEA 10, so that the drive body 31 moves the object or grips the object. Then, the self-sensing characteristic of the DEA 10 is used to estimate the external force acting on the DEA 10, that is, the force acting between the driving body 31 and the object (for example, the gripping force). Further, based on the estimated external force, the drive voltage applied to the DEA 10 is adjusted so that the force acting between the drive body 31 and the object has a target magnitude.
  • the control device 20 of the second embodiment includes a timing generation unit 32 that generates a timing signal.
  • the control device 20 of the second embodiment is different from the control device 20 of the first embodiment in that the timing of the opening / closing operation of the open / close switch unit 22 and the timing of detecting the capacitance are controlled based on the timing signal. ..
  • the timing generation unit 32 periodically generates a timing signal at a predetermined cycle while driving the DEA 10, and transmits the generated timing signal to the open / close control unit 22a and the capacitance detection unit 25.
  • the period for transmitting the timing signal is preferably, for example, 1 to 10 milliseconds.
  • the open / close control unit 22a changes the open / close switch unit 22 from the open state to the closed state based on the reception of the timing signal, and after the preset short-circuit period Ts elapses, the open / close switch unit 22 is changed from the closed state to the open state. return. Further, the capacitance detection unit 25 transmits digital data of the alternating current amplitude based on the alternating current detected by the current detection unit 24 to the capacitance calculation unit 28 from the reception of the timing signal to the elapse of the short-circuit period Ts. Take in and detect the capacitance of DEA10.
  • the short-circuit period Ts is a period in which the DEA10 can electrically respond as a capacitor based on the mechanical and electrical characteristics of the DEA10, but the mechanical deformation cannot follow the change in the drive voltage. Is set.
  • the short-circuit period Ts is preferably set to a length of 5 times or more the reciprocal (1 / fe) of the upper limit value fe of the electrical response frequency band in which the DEA 10 can function as a capacitor. It is more preferable to set the length to 10 times or more.
  • the short-circuit period Ts should be set to a length equal to or less than 1/5 of the reciprocal (1 / fm) of the upper limit value fm of the mechanical response frequency band that the DEA10 can follow with respect to the change in the drive voltage. Is preferable, and it is more preferable to set the length to 1/10 or less.
  • the mechanical response frequency band varies depending on the base material 30 and the driving body 31 integrally attached to the DEA 10. Therefore, the mechanical response frequency band is not the mechanical response frequency band when the DEA10 is used alone, but the mechanical response frequency band of the entire DEA vibration system in the actuator device including the DEA10 and the members attached to the DEA10. It means the response frequency band.
  • a short-circuit period Ts in which the open / close switch portion 22 is closed is periodically provided while the DEA 10 is being driven.
  • a short-circuit period Ts in which the open / close switch portion 22 is closed while the driving voltage for causing the driving body 31 to perform an arbitrary operation is applied to the DEA 10
  • the drive voltage temporarily drops to 0V.
  • the short-circuit period Ts is a short period in which the mechanical deformation of the DEA 10 cannot follow the change in the drive voltage. Therefore, as shown in FIGS. 7 (b) and 7 (c), even if the drive voltage drops to 0 V, the displacement amount of the DEA 10 hardly changes, and the same state as when the drive voltage is continuously applied continues. Therefore, it is possible to detect the AC amplitude of the AC current based on the same displacement amount as when the drive voltage is continuously applied.
  • the capacitance detection unit 25 detects the capacitance based on the AC amplitude of the AC current detected during the short-circuit period Ts. Then, the external force estimation unit 29 estimates the external force acting on the DEA 10, that is, the external force acting between the object and the driving body 31 based on the capacitance. The estimated external force is transmitted to the drive voltage generation unit 21 and used as a parameter for adjusting the drive voltage applied to the DEA 10.
  • the control device 20 includes a timing generation unit 32 that generates a timing signal. Based on the timing signal, the open / close switch unit 22 is closed, and the capacitance detection unit 25 detects the capacitance.
  • the capacitance is detected by the capacitance detection unit 25 at an appropriate timing when the open / close switch unit 22 is closed and the positive electrode 12 is short-circuited by matching with the timing signal. As a result, the detection accuracy of the capacitance is further improved.
  • the period during which the open / close switch unit 22 is closed is set to a length of 1/5 or less of the reciprocal of the upper limit of the mechanical response frequency band in which the DEA 10 can follow the change in the drive voltage. ing.
  • the displacement of the DEA 10 cannot follow the change in the drive voltage within that period. Therefore, the displacement amount of the DEA 10 hardly changes, and substantially the same state as when the open / close switch portion 22 is not closed is maintained. Therefore, it is possible to suppress the influence on the detection of the capacitance due to short-circuiting the positive electrode voltage and temporarily lowering the drive voltage to 0V.
  • the specific configurations of the drive voltage generation unit 21, the open / close switch unit 22, the AC signal generation unit 23, the current detection unit 24, and the capacitance detection unit 25 that make up the control device 20 can be appropriately changed.
  • the open / close switch unit 22 may be provided as a part of the drive voltage generation unit 21, or the current detection unit 24 using a transformer may be adopted as shown in FIG.
  • the current detection unit 24 includes a transformer 43 in which a primary winding 41 and a secondary winding 42 are wound around a transformer core 40.
  • a transformer core 40 As the primary winding 41 of the transformer core 40, a wiring for connecting the negative electrode electrode 13 and the AC signal generation unit 23 is wound.
  • An output wiring is wound as a secondary winding 42 of the transformer core 40, and a load resistor 44 is connected between both terminals of the output wiring.
  • the resistor is not inserted in the measurement path. Therefore, the operation of the circuit to be measured is not disturbed by the feeding of the resistor, the influence on the circuit to be measured is small, and more accurate current detection becomes possible.
  • the open / close switch unit 22 is always closed during the constant voltage period T1, but the open / close switch unit 22 may be closed only for a part of the constant voltage period T1. In this case, the open / close switch unit 22 may be closed a plurality of times within one constant voltage period T1.
  • AC voltage may be applied to the positive electrode 12 of the DEA 10.
  • the index value related to DEA10 detected based on the AC current flowing between the DEA10 and the AC signal generation unit 23 is not limited to the capacitance of the DEA10.
  • the capacitance information related to the capacitance of DEA10 such as the amount of change in the capacitance of DEA10 may be used as an index value.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Abstract

ＤＥＡを制御する制御装置は、駆動電圧生成部、開閉スイッチ部、交流信号生成部、静電容量検出部を備える。駆動電圧生成部は、ＤＥＡの正極電極に駆動電圧を印加する。開閉スイッチ部は、ＤＥＡの正極電極とグランドとの間に配置され、ＤＥＡの駆動中に一時的に閉鎖されて正極電極を短絡させる。交流信号生成部は、ＤＥＡの負極電極に交流電圧を印加する。静電容量検出部は、開閉スイッチ部の閉鎖時における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、ＤＥＡの静電容量を検出する。

Description

制御装置及びアクチュエータ装置
　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。これにより、ＤＥＡは、誘電層の厚み方向に圧縮するとともに、面方向に伸長する。
　また、ＤＥＡは、コンデンサ構造を有している。このことから、ＤＥＡは、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、ＤＥＡの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。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ため、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に印加する。そして、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、ＤＥＡの静電容量を検出する。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る。このため、この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特性を有している。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ため、本発明の第一の態様によれば、誘電エラストマーアクチュエータを制御する制御装置が提供される。前記誘電エラストマーアクチュエータは、第１電極及び第２電極を有している。前記制御装置は、前記第１電極に駆動電圧を印加する駆動電圧生成部と、前記第１電極とグランドとの間に配置され、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第１電極を短絡させる開閉スイッチ部と、前記第１電極及び前記第２電極のいずれか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。
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、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。誘電エラストマーアクチュエータ１０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ためのものである。
　図２に示すように、ＤＥＡ１０は、複数の誘電層１１と、複数の正極電極１２（第１電極）及び負極電極１３（第２電極）とからなる多層構造体である。誘電層１１は、誘電エラストマーからなるシート状である。正極電極１２及び負極電極１３は、誘電層１１の面と直交する方向の両側にそれぞれ積層されている。ＤＥＡ１０の最外層には、絶縁層１４が積層されている。ＤＥＡ１０では、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の面と直交する方向に圧縮されるとともに、誘電層１１の面に沿った方向に伸長する。
　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。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。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。
　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。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。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。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、駆動電圧生成部２１、開閉スイッチ部２２、開閉制御部２２ａを備えている。駆動電圧生成部２１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。開閉スイッチ部２２は、ＤＥＡ１０の正極電極１２とグランドとの間に配置され、開閉スイッチ部２２を制御する。
　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される。
　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される。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、ＤＥＡ１０に印加される駆動電圧が固定される定電圧期間Ｔ１で、開閉スイッチ部２２を閉鎖し、定電圧期間Ｔ１でない期間で、開閉スイッチ部２２を開放する。
　図１に示すように、制御装置２０は、交流信号生成部２３及び電流検出部２４を備えている。交流信号生成部２３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。電流検出部２４は、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。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。
　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される。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。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、検出抵抗２４ａ及び差演算部２４ｂを備える。検出抵抗２４ａ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。差演算部２４ｂは、検出抵抗２４ａの２つの端子間の電位差を検出する。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、振幅検出部２６、ＡＤ変換部２７、静電容量演算部２８を備えている。振幅検出部２６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。ＡＤ変換部２７は、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。静電容量演算部２８は、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。
　図４に示すように、振幅検出部２６は、フィルタ部２６ａ、全波整流部２６ｂ、積分部２６ｃを備えている。フィルタ部２６ａ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。全波整流部２６ｂは、交流信号を全波整流して全波整流信号を生成する。積分部２６ｃは、全波整流信号を時間的に積分する。静電容量演算部２８は、ＤＥＡ１０に印加される駆動電圧が固定される定電圧期間Ｔ１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。第１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。
　第１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）に示す波形の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、印加電圧に応じてＤＥＡ１０の面に沿った方向及び面と直交する方向のそれぞれに伸縮し、その伸縮に基づいて動脈の振動を模擬するように駆動する。駆動中のＤＥＡ１０に使用者の指を押し当てると、ＤＥＡ１０の振動が指に伝わる。使用者は、指に伝わる振動を脈動のように認識する。
　ＤＥＡ１０の駆動中に、開閉制御部２２ａは、ＤＥＡ１０に印加される駆動電圧が固定される定電圧期間Ｔ１で、開閉スイッチ部２２を閉鎖し、定電圧期間Ｔ１でない期間で、開閉スイッチ部２２を開放する。
　また、ＤＥＡ１０の駆動中に、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により検出される。すると、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、定電圧期間Ｔ１で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の静電容量の変化についても、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る。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。
　第１実施形態においては、定電圧期間Ｔ１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。定電圧期間Ｔ１で開閉スイッチ部２２が閉鎖されることにより、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。
　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か、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交流電流への影響が生じる。第１実施形態によれば、正極電極１２を短絡させることにより、インピーダンス変動による交流電流への影響も低減できる。
　また、定電圧期間Ｔ１中、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、駆動電圧生成部２１、開閉スイッチ部２２、交流信号生成部２３、静電容量検出部２５を備える。駆動電圧生成部２１は、ＤＥＡ１０の正極電極１２に駆動電圧を印加する。開閉スイッチ部２２は、ＤＥＡ１０の正極電極１２とグランドとの間に配置されると共に、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。交流信号生成部２３は、ＤＥＡ１０の負極電極１３に交流電圧を印加する。静電容量検出部２５は、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。
　上記構成によれば、開閉スイッチ部２２が閉鎖されて、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の静電容量が検出される。このため、ＤＥＡ１０の駆動中に、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する。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倍以上の長さに設定されている。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。第１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、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。ＤＥＡ１０は、基材３０の上面に対して、アクチュエータ装置の上下方向にＤＥＡ１０の厚さ方向（積層方向）を一致させるように取り付けられている。
　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、対象物を把持したりする。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）を推定する。また、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を備えている。第２実施形態の制御装置２０は、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、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される。
　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。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、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の動作の一例と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が閉鎖される短絡期間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が閉鎖される短絡期間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は、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を推定する。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を備えている。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により静電容量が検出される。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以下の長さに設定されている。
　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、その期間内における駆動電圧の変化に対してＤＥＡ１０の変位が追従できない。このため、ＤＥＡ１０の変位量は殆ど変化せず、開閉スイッチ部２２を閉鎖しなかった場合と略同じ状態が継続される。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。
　上記各実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記各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に示すように、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、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。このため、抵抗器の送入による被測定回路の動作が乱れず、被測定回路に与える影響が少なく、より正確な電流検出が可能となる。
　第１実施形態では、定電圧期間Ｔ１は常に開閉スイッチ部２２を閉鎖していたが、定電圧期間Ｔ１の一部の期間のみ、開閉スイッチ部２２を閉鎖してもよい。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を閉鎖してもよい。
　ＤＥＡ１０の正極電極１２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、指標値としてもよい。

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は、第１電極及び第２電極を有し、
    　前記制御装置は、
    　前記第１電極に駆動電圧を印加する駆動電圧生成部と、
    　前記第１電極とグランドとの間に配置され、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第１電極を短絡させる開閉スイッチ部と、
    　前記第１電極及び前記第２電極のいずれか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、制御装置。
  2. 　請求項１に記載の制御装置において、
    　前記交流信号生成部は、前記第２電極に交流電圧を印加する、制御装置。
  3. 　請求項１又は２に記載の制御装置において、
    　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、制御装置。
  4. 　請求項１又は２に記載の制御装置は、更に、
    　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、制御装置。
  5. 　請求項４に記載の制御装置において、
    　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以下の長さに設定されている、制御装置。
  6. 　請求項１～５のいずれか一項に記載の制御装置において、
    　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倍以上の長さに設定されている、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。
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