JP5622168B2

JP5622168B2 - アクチュエーター

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Publication number: JP5622168B2
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Inventors: 哲郎松本
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Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2010-04-14
Filing date: 2010-04-14
Publication date: 2014-11-12
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Description

本発明はアクチュエーターに関し、変位の方向や変位の程度を検出可能なアクチュエータの構成等に関する。

アクチュエーターの種類の一つに高分子アクチュエーターがある。このアクチュエーターは、ゴムのような柔らかい材質であるが、電圧を加えると曲がり、電圧を加えるのをやめると元に戻る特性を持っている。例えば、イオン交換膜の両側に電極を形成し、イオン交換膜に電位差を与えてイオン交換膜に変形を発生させる。このような高分子電解質膜形のアクチュエーターの例が特開平４−２７５０７８号公報や特開平１１−１６９３９３号公報に記載されている。

特開平４−２７５０７８号公報特開平１１−１６９３９３号公報

しかしながら、上述のような高分子アクチュエーターは一般的に応答速度が遅く、変位量の制御が容易ではない。
また、出願人は、上述のような高分子アクチュエーターを使用する構造体を小型化すべく、湾曲によって電解質膜に生ずる電位（電位差）を検出するセンサーを電解質膜に設け、フィードバック制御を行うことによってアクチュエーターを所望の位置に動作させることを別途提案している。

しかしながら、電解質膜に設けられた駆動電極に印加される電圧（例えば、３ボルト）に比べてセンサーが検出する電圧（例えば、２ミリボルト）は低い。センサーを駆動電極に接近して配置すると、センサーは駆動電圧の影響を受けやすくなる。また、センサーを駆動電極から離間して配置するとセンサーへの駆動電圧の影響は減少するが、アクチュエーター全体の小型化の点で好ましくない。

本発明の一態様のアクチュエーターは、上記の変位量の制御を容易にするものである。
また、本発明の別の一態様においては駆動電極の影響を受けにくいセンサーを備えるアクチュエーターを提供するものである。

また、本発明の上記別の一態様においては駆動電極の影響を受けにくいセンサーを備える小型のアクチュエーターを提供するものである。

本発明の一態様のアクチュエーターは、電界を与えることにより変形する電解質を含む層とこの層を間に挟む第１及び第２の駆動電極と、上記電解質を含む層の上に形成されて該電解質を含む層の変形の方向及び湾曲量のうち少なくとも１つを検出するセンサーと、指令信号と上記センサーの出力との偏差に対応した駆動信号を出力端を介して上記第１及び第２の駆動電極に周期的に供給する駆動制御回路と、を備え、駆動制御回路は、上記駆動信号の１周期を駆動期間と上記駆動期間から時間軸上において分離されたセンシング期間とによって形成し、上記駆動期間には上記偏差に対応したデューティ比のＰＷＭ信号を供給し、上記センシング期間内において上記センサの出力を読み込む、ことを特徴とする。
参考例の一態様のアクチューターは、電界を与えることにより変形する電解質を含む層と、上記電解質に上記電界を与える第１の駆動電極、及び第２の駆動電極と、を備え、上記第１の駆動電極には第１の駆動電圧が供給され、上記第２の駆動電極には第２の駆動電圧が供給され、上記第１の駆動電圧及び上記第２の駆動電圧の少なくとも一方には周期的に電圧が印加され、上記周期的な電圧の度合により上記電解質を含む層の変位量が制御されることを特徴とする。
参考例の一態様のアクチュエーターは、電界を与えることにより変形する電解質を含む層と、上記電解質に上記電界を与える第１の駆動電極、及び第２の駆動電極と、を備え、上記第１の駆動電極には第１の駆動電圧が供給され、上記第２の駆動電極には第２の駆動電圧が供給され、上記第１の駆動電圧及び上記第２の駆動電圧の少なくとも一方は、ＰＷＭ変調され、上記ＰＷＭ変調の度合により上記電解質を含む層の変位量が制御されることを特徴とする。

ここで、電解質膜はイオンを通す性質の膜であり、電解質膜を挟む負極と正極が電気的にショートしないような性質も持つ膜である。もっともこれに限定されるものではなく、電圧の印加によって膜中のイオンが移動（あるいは偏倚）し当該膜の形状が変形するものであればよい。

かかる構成により、電解質を含む層の変位量の制御を容易とすることができる。アクチュエーターを電圧レベル（アナログ）で制御（駆動）する場合よりも振幅の大きいＰＷＭ信号で駆動することによってノイズの影響の少ない制御を行うことが可能となる。特に、アクチュエーターを低変位量で動かす場合に好適である。

好ましくは、上記アクチュエータが上記第１の駆動電圧及び上記第２の駆動電圧を供給する駆動制御回路をさらに備える。それにより、駆動制御回路と駆動電極が接近してパワーロスが減少する。また、ノイズの影響も減少する。

上記第１の駆動電極は上記電解質を含む層の第１面に配置され、上記第２の駆動電極は上記電解質を含む層の上記第１面に対向する第２面に配置されることが望ましい。それにより、電解質を含む層の厚さ方向に電界を形成することが出来る。

上記電解質を含む層の上に形成されて該電解質を含む層の変形の方向及び湾曲量のうちの少なくとも１つを検出するセンサーをさらに備え、上記駆動制御回路は、指令信号と上記センサーの検出出力との偏差に対応したデューティ比のＰＷＭ駆動電圧を上記第１の駆動電極と上記第２の駆動電極との間に印加することが望ましい。それにより、アクチュエーターの曲がり加減が指令信号に対応するようにフィードバック制御される。

上記駆動制御回路は、上記指令信号と上記センサーの検出出力との偏差の極性に対応して上記ＰＷＭ駆動電圧を上記第１又は第２の駆動電極に供給することが望ましい。それにより、アクチュエーターの湾曲（曲がり）方向を制御することができる。

上記センサーが上記電解質を含む層の表面に形成されることが望ましい。それにより、アクチュエーターに簡単にセンサーを追加することができる。アクチュエーター構造体を小型に構成することができる。

上記駆動制御回路は、上記ＰＷＭ駆動電圧を上記第１及び第２の駆動電極に周期的に供給し、上記ＰＷＭ駆動電圧の一周期はＰＷＭ駆動期間と上記センサーの検出期間とによって構成され、上記ＰＷＭ駆動期間の内において上記ＰＷＭ駆動電圧のデューティ比が設定され、上記センサーの検出期間の内において上記検出出力が出力されることが望ましい。それにより、時間軸上においてアクチュエーターの駆動電圧とセンサーの検出出力が分離され、相対的にレベルの高い駆動電圧が検出出力に漏れるクロストークが回避される。

上記センサーの検出期間において上記駆動制御回路の駆動出力端と上記第１の駆動電極との間及び上記駆動出力端と上記第２の駆動電極との間が遮断される。それにより、センシング期間中アクチュエーターの駆動電極と駆動制御回路とが分離され、センサーからより正確な検出出力を得ることが可能となる。

上記センサーの検出期間において上記駆動制御回路の駆動出力端が高インピーダンス状態に設定されることが望ましい。それにより、センシング期間中アクチュエーターの駆動電極から駆動制御回路に電流が流入することを防止することができる。センサーからより正確な検出出力を得ることが可能となる。

上記駆動制御回路はＩＣチップとして形成され、上記センサーはセンサー電極や圧電素子（感圧素子）等として形成されて共に上記電解質を含む層の表面（層上）に配置されることが望ましい。それにより、アクチュエーター構造体全体を小型化することが瀬可能となる。

なお、上述した構成は適宜に組み合わせることができる。

本願のアクチュエーターは、ＰＷＭ電圧でアクチュエーターを駆動するので電圧レベルでアクチュエーターを制御する場合よりもノイズの影響の少ない制御を行うことが可能となる。特に、アクチュエーターを低変位量で動かす場合に好適である。また、アクチュエーター（電解質膜）にコントローラーなどの電気回路チップを実装するので小型のアクチュエーター構造体を構成することができる。

本発明のセンサー電極層を備えるアクチュエーターの例を説明する斜視図である。図１に示されたアクチュエーターの動作例を説明する説明図である。アクチュエーターの駆動制御系を説明するブロック図である。アクチュエーターの駆動電極に印加される駆動信号を説明する説明図である。駆動回路３３の構成例（平衡回路）を説明する説明図である。図５に示す駆動回路３３の入出力信号を説明するタイミングチャートである。駆動回路３３の他の構成例（不平衡回路）を説明する説明図である。図７に示す駆動回路３３の入出力信号を説明するタイミングチャートである。アクチュエーターへの印加電圧とアクチュエーターの変位量を説明する説明図である。電圧レベル制御とＰＷＭ制御との対応を説明する説明図である。駆動回路３３の他の構成例（ＰＷＭ電圧駆動）を説明する説明図である。ＰＷＭ駆動制御を行う場合の駆動時間とセンシング時間の分離を説明する説明図である。ＰＷＭ駆動制御と、ＰＷＭ駆動とセンシングのタイミング分離と、を組み合わせた動作を行う駆動回路の構成例を説明する説明図である。

本発明のアクチュエーターは電界が与えられる変形する電解質膜、例えば、イオン導電性の高分子電解質膜を使用する。電圧の印加によって電解質膜が変形する理由は正確に解明されているわけではないが、概略、次のように説明することができる。

電解質膜の表裏にそれぞれ電極を形成し、表裏の電極に直流電源によって電位差を生ぜしめると、印加電界によって電解質膜中のイオンがその極性に対応する電極側に移動する。このイオンに伴って水分子（溶媒）も移動するので電解質膜の正電極側と負電極側とでは、電解質膜中の水分（溶媒）量に差が生じる。電解質膜中の水分量が増えた側では電解質膜が膨らみ、水分量が減った側では電解質膜が収縮する。その結果、電解質膜が湾曲する。

電解質膜としては、例えば、パーフルオロスルホン酸膜（商品名「ナフィオン」、デュポン（株）登録商標）、パーフルオロカルボン酸膜（商品名「フレミオン」、旭化成（株）登録商標）等、イオン液をゲル化したもの等を使用することが可能である。
電解質膜は、電圧を印加すると曲がり、印加しないと元に戻る特徴を持っている。
電解質膜の材質は、例えば、ゴムのような感触であり、電圧を印加していないときはやわらかい。

本願では、この電解質膜に外部から力（外的応力）を加えると電解質膜に電圧（電位差）が発生することに着目している。これは、電解質膜を湾曲すると、電解質膜中に水分（溶媒）の偏りが発生し、これに伴って電解質膜の伸張側と伸縮側との間でイオン密度に差異が生じることによると考えられる。発生した電圧は電解質膜の湾曲（曲がり加減）に関係している。
この電圧をセンサー電極層で検出し、電解質膜上に設けた電気回路チップ（制御回路）によって信号処理する。センサー電極層の検出電圧は駆動電圧に比べてレベルが低いが（例えば、１／１５００）、センサー電極の近傍で信号処理することによって信号劣化を最小限に抑えることができ、Ｓ／Ｎを向上することができる。

（実施例１）
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
図１乃至図３は、本願のアクチュエーターの動作を説明する図であり、図１はアクチュエーター全体の概略を示す斜視図、図２は図１に示すアクチュエーターの湾曲（曲がり）動作例を説明する説明図である。図３はアクチュエーターの動作を制御するコントローラーの構成例を示すブロック回路図である。

図１に示すように、アクチュエーター１は、電解質膜１０の一方の面に形成された第１の駆動電極層としての駆動電極１１（電極Ａ）及びセンサー電極１３と、他方の面全体に形成された第２の駆動電極層としての駆動電極１２（電極Ｂ）とを備えている。駆動電極１１とセンサー電極１３とは、電気的絶縁のために所定距離、例えば、０．５〜１．０ｍｍ程度離間している。

電解質膜１０は、例えば、フッ素樹脂系イオン交換膜を使用することができるが、これに限定されるものではない。イオン交換膜としては、陽イオン交換膜、陰イオン交換膜のいずれも使用可能である。例えば、陽イオン交換膜としては、パーフルオロスルホン酸膜、パーフルオロカルボン酸膜を挙げることができる。

駆動電極１１及び１２，センサー電極１３は、金、白金、イリジウム、パラジウム、ルテニウム、カーボンナノチューブなどを使用することが出来るが、これ等に限定されるものではない。電極の電解質膜への接合には化学メッキ、電気メッキ、真空蒸着、スパッタリング、塗布、圧着、溶着などが適宜に使用される。

例えば、実施例では、電解質膜１０としてパーフルオロスルホン酸膜（商品名「ナフィオン」、デュポン社登録商標）が使用され、その形状は、短辺が２ｃｍ、長辺が５ｃｍ、厚さが２００μｍ〜１ｍｍ程度の長方形に形成されている。上述したセンサー電極１３の形状は、例えば、（電解質膜１０の）短辺方向における長さ（幅）は２ｍｍ、長辺方向における長さは５ｃｍである。もっともこの形状に限定されるものではなく、電解質膜１０あるいはアクチュエーターの形状は自由に選定することができる。

実施例では、駆動電極１１、１２、センサー電極１３は電解質膜１０に金メッキを施すことによって形成された。電解質膜１０への金メッキは、塩化ジクロロフェナントロリン金（III）［Ａｕ(phen)Ｃｌ₂］Ｃｌ水溶液に浸潤し，イオン交換反応で金錯イオンを吸着
させる。吸着させた膜を亜硫酸ナトリウム（Ｎａ₂ＳＯ₃）水溶液に浸漬して、還元して膜の内部に取り込まれた金イオンを外側に析出する。これによって膜の両面に金めっきを施すことが可能となる。メッキされる金の量は、一回のメッキ工程でメッキできる金の量は片面１〜２ｍｇ/ｃｍ²である。これを繰り返して所要の電極膜厚とする。例えば、４回〜８回程度メッキを繰り返すと、片面１０ｍｇ/ｃｍ²程度の金が析出する。この場合、金層（電極層）の膜厚はおおよそ１〜５μｍ程度である。

このようにして電解質膜の片面に形成された金電極層をレーザーによって、電気的絶縁に必要な０．５〜１ｍｍの幅で直線状にカットすることにより、駆動電極と１１とセンサー電極１３が分離される。センサー電極１３は電解質膜１０の長手方向に延在し、アクチュエーターの湾曲動作によって湾曲面に発生する電極層１２と１３間の電位差（電圧）を検出する。なお、センサー電極１３は電解質膜１０の表面及び裏面のいずれに形成しても良い。

図２は、アクチュエーター１の動作例を説明する説明図である。同図において、図１対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。

同図に示すように、アクチュエーター１の駆動電極層１１及び１２に直流電源からそれぞれ負電圧及び正電圧が印加されると、電解質膜１０中の陰イオンは駆動電極層１２側に移動する。それに伴って、駆動電極層１１側の水分が相対的に減少し、駆動電極１２側の水分が相対的に増大し、図２の左図に示すように、アクチュエーター１は左側に湾曲して曲がる。同様に、駆動電極層１１及び１２に直流電源からそれぞれ正電圧及び負電圧が印加されると、電解質膜１０中の陰イオンは駆動電極層１１側に移動する。駆動電極層１２側の水分が相対的に減少し、駆動電極１１側の水分が相対的に増大し、図２の右図に示すように、アクチュエーター１は右側に湾曲して曲がる。

図３は、上述したアクチュエーター１を駆動する制御系（コントローラー）３０を説明するブロック図である。制御系（コントローラー）３０は、集積回路（ＩＣ）チップによって構成することができる。この集積回路チップをアクチュエーター１上に配置することができる。

同図に示されるように、センサー電極１３の検出電圧が増幅器３１によってレベル増幅されて比較器（差動増幅器）３２の逆相入力に入力される。比較器３２には現時点のアクチュエーター１の位置に対応した電圧が供給される。後述するように、センサー電極１３の検出電圧が間欠的に検出される場合には、ゲート信号Ｇによって動作するサンプルホールド回路３４を増幅器３１と比較器３２との間に設けるのが好ましい。比較器３２の正相入力にはアクチュエーター１の動作量の目標値が電圧値として入力されている。比較器３２はセンサー電極の電圧と目標値との偏差を出力する。駆動回路３３はこの偏差出力の極性（正又は負）に応じてアクチュエーター１の動き方向を決定し、出力電圧の極性を決定する。また、偏差出力の絶対値に応じてどの程度アクチュエーター１を湾曲させるかを決定して出力電圧のレベルを設定する。
なお、制御系３０は１チップマイクロコンピュータやFPGA(Field Programmable Gate Array)等によってソフトウェア処理あるいは機能ブロックの組み合わせ等によって構成することが可能である。

駆動回路３３の出力電圧はアクチュエーター１の駆動電極１１及び１２に供給される。アクチュエーター１は、駆動回路３３の出力電圧の極性に対応した方向に湾曲し（曲がり）、出力電圧のレベルに対応した湾曲量（曲がり量）となる。アクチュエーター１が駆動電極１１及び１２によって湾曲すると、センサー電極１３の領域の電解質膜では湾曲により水分が移動してイオン密度に差が生じ、センサー電極１３の電圧が変化する。この値が比較器３２にフィードバックされ、目標値との差分を偏差として出力し補正を行う。このような動作を繰り返すフィードバック制御ループによってアクチュエーター１は設定された目標値に対応する位置に移動し安定する。

本実施例では上述のような制御を行うに際して駆動電極によるアクチュエーター１の駆動時期とセンサー電極による検出時期とを時間軸上において分け、重複しないようにている。それにより、センサー電極による発生電圧の検出中は駆動電圧の供給を停止し、駆動電圧による検出電圧への影響（クロストーク）を回避している。

図４は、アクチュエーター１を駆動する駆動信号を説明するタイミングチャートである。同図（Ａ）は駆動回路３３から駆動電極に１１及び１２に供給される駆動信号の構成を示している。同図（Ｂ）は駆動回路３３の出力端子Ａ，Ｂから出力される出力電圧（駆動信号）の状態を示している。

図４（Ａ）に示すように、駆動信号の時間軸はアクチュエーター１に電圧を印加している駆動時間（駆動期間）とセンサー電極１３から出力電圧を読み込むときに出力を停止するセンシング時間（センシング期間）によって構成される。駆動期間におけ電圧レベル（アナログ）はアクチュエーター１を湾曲させるべき量に対応する。センシング時間においては駆動回路３３の出力端はハイインピーダンス状態ＨｉＺに設定され、駆動回路３３がセンサー電極１３の検出出力に影響しないようになされる。

センシング時間との組み合わせにより制御の１サイクルが設定される。
なお、１サイクル中における駆動時間とセンシング時間の順番はどちらが先きでも良い。１サイクルにおけるセンシング時間の割合を極力小さくした方が駆動効率が良くなる。また、１サイクルの時間を伸縮しても良い。
上述のように、アクチュエーター１に駆動電圧を印加する期間とセンシング期間とが重複しないように時間軸上において分けることにより、駆動電極からセンサー電極へのクロストークを回避することができる。

図５は、平衡回路でセンサー電極１３、増幅器３１及び駆動回路３３を構成した場合の構成例（一部）を示している。同図において、駆動回路３３に供給される方向制御信号及びアナログ信号は図３に示される比較器３２の出力の偏差の極性及び偏差の絶対値（駆動電圧）に対応している。方向制御信号によってスイッチ１及び２の選択を切り換えて制御し、アナログ信号の極性を設定する。ゲート信号Ｇは前述した駆動時間及びセンシング時間に対応してスイッチ３及び４の開閉を制御し、アナログ信号（駆動電圧）をＡ端子及びＢ端子からそれぞれアクチュエーター１の駆動電極１１及び１２に供給する。各スイッチはトランジスタなどによって構成される。アクチュエーター１に設けられたセンサー電極１３は２つの対向する電極によって構成されて平衡出力を発生する。この検出出力は差動増幅器で構成された増幅器３によって増幅されて比較器３２に供給される。
なお、ゲート信号Ｇによってサンプルホールド回路３４のレベル保持タイミングを設定することができる。

図６は、図５に示す駆動回路における信号のタイミングチャートである。同図に示す例では、ゲート信号のＤ１期間（駆動期間）において、スイッチ２及び４は導通し、外部から３ボルトの駆動電圧（アナログ入力）が供給されている。方向制御信号が低レベルであることによってスイッチ１及び２が図示のような選択設定となり、Ａ出力端子に３ボルトが導出され、Ｂ出力端子に０ボルトが導出される。その後ゲート信号はセンシング期間ＨＺとなり、スイッチ３及び４を開放し、Ａ出力端子及びＢ出力端子をハイインピーダンス状態とする。センシング期間ＨＺでは、センサー電極の出力電圧が検出されてアナログ入力にフィードバックされる。サンプルホールド回路３４を使用することによって次回検出まで検出値を保持することがてきる。間欠的なサンプリングであってもフィードバック制御を行うことができる。

ゲート信号の次のＤ２期間において、スイッチ２及び４は導通し、外部から−３ボルトの駆動電圧（アナログ入力）が供給されている。方向制御信号が高レベルであることによってスイッチ１及び２が図示とは逆の選択設定となり、Ａ出力端子に０ボルトが導出され、Ｂ出力端子に−３ボルトが導出される。その後ゲート信号はセンシング期間ＨＺとなり、スイッチ３及び４を開放し、Ａ出力端子及びＢ出力端子をハイインピーダンス状態とする。センシング期間ＨＺでは、センサー電極の出力電圧が検出されてアナログ入力にフィードバックされる。
ゲート信号の後続のＤ３期間以降において同様に制御が行われる。

図７は、不平衡回路でセンサー電極１３、増幅器３１及び駆動回路３３を構成した場合の構成例（一部）を示している。各回路で接地電位を共有することによって平衡回路（図５）に比べて回路構成がより簡単になっている。
図８は、図７に示す駆動回路における信号のタイミングチャートである。不平衡回路構成とすることにより、Ｂ出力端子が接地電位となっている。Ａ出力端子及びＢ出力端子間に得られる駆動電圧は図６の場合と同じである。

上述したように、アクチュエーターに直接センサーを搭載すると、駆動電極からのクロストークが問題となるが、本実施例のように駆動時間とセンシング時間とを分けることによりクロストークが回避されてセンシングが良好に行われる。センサーを設けたアクチュエーターによってフィードバック制御をを使用することによってより小型の構造体を構成することができる。

（実施例２）
次に、アクチュエーターのＰＷＭ（Pulse Wide Modulation）制御について説明する。
図９に示すように、アクチュエーター１の湾曲量（変位量）は駆動電極への印加電圧レベルに応じて変化する。図では、印加電圧を０〜３ボルトに変化したときのアクチュエーター１の変化を概略的に示している。

図１０は、アクチュエーター１の駆動電圧のレベル制御（アナログ駆動）から駆動電圧のＰＷＭ制御（パルス電圧の印加時間比率制御）への置き換えを説明する図である。

同図（Ａ）は、例えば、３ボルトのパルス電圧のデューティ比とアクチュエーターの変位量との関係を示すグラフの例である。ここで、デューティ比はパルスのＨレベルの時間ｔとパルス周期の１サイクルの時間Ｔとの比であり、duty＝（ｔ／Ｔ）×１００％で表される。パルス電圧（駆動電圧）のデューティ比を制御することでアクチュエーターの湾曲（変位）を制御することができる。

同図（Ｂ）は、アクチュエーターへの印加電圧レベルとアクチュエーターの変位量の関係を示すグラフの例である。両図からアナログ駆動における変位量と同じ変位量を与えるＰＷＭ駆動を行えば、駆動電圧のレベル制御（アナログ駆動）を駆動電圧のＰＷＭ制御に置換できることがわかる。

例えば、アクチュエーターの変位量を５０パーセントに設定したい場合には、レベル制御では、１．５ボルトの電圧を印加しているが（図１０（Ｂ）参照）、ＰＷＭ制御ではデューティ比が５０パーセントの駆動電圧パルスとすればよいことが分かる。

図１１は、駆動回路３３をＰＷＭ駆動回路で構成した場合の構成例を示している。ＰＷＭ駆動回路には、ＰＷＭ変調回路３６によってアナログ入力から変換されたＰＷＭ信号とアクチュエーター１の湾曲方向を設定する方向制御信号が入力される。

図１１（Ａ）に示すように、ＰＷＭ駆動回路は、２入力アンドゲートＧ１及びＧ２、インバータＩＮ１によって構成されている。アンドゲートＧ１の一方の入力端には方向制御信号が供給され、他端にはＰＷＭ信号が入力され、出力端はＢ出力端子に接続されている。アンドゲートＧ２の一方の入力端には方向制御信号がインバータＩＮ１を介して供給され、他端にはＰＷＭ信号が入力され、出力端はＡ出力端子に接続されている。

ＰＷＭ駆動回路は、同図（Ｂ）に示すように、方向制御信号がＬレベルの場合にＰＷＭ信号をＡ出力端子に導出する。また、Ｈレベルの場合にＰＷＭ信号をＢ出力端子に導出する。アクチュエーター１はＰＷＭ信号が供給される電極に対応して湾曲方向が定まり、ＰＷＭ信号のデューティ比に対応して湾曲量（変位量）が設定される。

上述したＰＷＭ駆動制御によれば、例えば、電圧レベル制御の場合、印加電圧が０．５ボルト変動するとアクチュエーターに１６．６パーセントの変位量を発生させる。これは細かな制御を行う場合に大きな誤差要因となる。また、電圧レベル制御の場合、印加電圧が低いと電解質膜の反応が遅くなり、ノイズ電圧に接近してノイズの影響を受けやすくなる。これに対してＰＷＭ駆動であれば振幅はＨレベルで一定しており、精度の良い（水晶）発振器によってＰＷＭの時間軸が安定しているのでノイズの影響を受けにくい。
また、電圧レベル制御で電解質膜に低電圧を長時間印加する場合よりも、Ｈレベルの信号を短時間印加した方が電解質膜の劣化が少ない。
このように、デジタル駆動（ＰＷＭ）にすると、アナログ駆動（レベル制御）の場合よりもノイズの影響を受けにくくなる。細かな変位量を制御できて具合がよい。
（実施例３）
ＰＷＭ駆動制御においても上述した駆動時間とセンシング時間の分離（図４参照）を行うことが望ましい。それにより、センサー電極による発生電圧の検出中は駆動電圧の供給を停止し、駆動電圧パルスによる検出電圧への影響（クロストーク）を回避することができる。

図１２は、アクチュエーター１を駆動する駆動信号を説明するタイミングチャートである。同図（Ａ）はＰＷＭ駆動回路３３から駆動電極に１１及び１２に供給される駆動信号の構成を示している。同図（Ｂ）は駆動回路３３の出力端子Ａ，Ｂから出力される出力電圧（ＰＷＭ駆動信号）の状態を示している。図中の「＋」は正極性電圧パルスの振幅（あるいはＨレベル）、「−」は負極性電圧バルスの振幅（あるいはＬレベル）、「Ｚ」は出力端子のハイインピーダンス状態を示す。

図１２（Ａ）に示すように、駆動信号の時間軸はアクチュエーター１に電圧を印加している駆動時間（ＰＷＭ駆動期間Ｄ）とセンサー電極１３から出力電圧を読み込むときに出力を停止するセンシング時間（ハイインピーダンス期間ＨＺに相当する。）によって構成される。駆動期間におけ電圧パルス幅（デューティ比）はアクチュエーター１を湾曲させるべき量に対応する。後述するように、センシング時間においては駆動回路３３の出力端はハイインピーダンス状態ＨｉＺに設定され、駆動回路３３がセンサー電極１３の検出出力に影響しないようになされる。

この実施例においても駆動時間とセンシング時間との組み合わせにより制御の１サイクルが設定される。なお、１サイクル中における駆動時間とセンシング時間の順番はどちらが先きでも良い。１サイクルにおけるセンシング時間の割合を極力小さくした方が駆動効率が良くなる。また、１サイクルの時間を伸縮しても良い。
上述のように、アクチュエーター１に駆動電圧を印加する期間とセンシング期間とが重複しないように時間軸上において分けることにより、駆動電極からセンサー電極へのクロストークを回避することができる。

図１３（Ａ）に示すように、ＰＷＭ駆動回路３３は、２入力アンドゲートＧ１及びＧ２、インバータＩＮ１、３ステートゲートＧ３及びＧ４によって構成されている。３ステートゲートは、Ｈレベル、Ｌレベル、ハイインピーダンスの３つの動作モードを持つ。アンドゲートＧ１の一方の入力端には方向制御信号が供給され、他端にはＰＷＭ信号が入力され、出力端はゲートＧ３介してＢ出力端子に接続されている。

アンドゲートＧ２の一方の入力端には方向制御信号がインバータＩＮ１を介して供給され、他端にはＰＷＭ信号が入力され、出力端はゲートＧ４を介してＡ出力端子に接続されている。
ゲートＧ３及びＧ４にはゲート信号Ｇが供給される。ゲート信号は上述したセンシング期間中、ＰＷＭ信号の出力端子への中継を遮断し、各出力端子（Ａ，Ｂ）をハイインピーダンス状態とする。それにより、センサー電極１３側から駆動回路３３側への電流の流れ込みを防止し、センサーの検出精度を向上させる。

図１３（Ｂ）は、上述したＰＷＭ駆動回路３３における信号のタイミングチャートである。なお、同図ではＡ及びＢ出力端子のレベル状態は、終段の３ステートゲートＧ３及びＧ４の出力の状態（Ｈレベルを「＋」、Ｌレベルを「−」、ハイインピーダンスを「Ｚ」）により表示している。同図に示す例では、ゲート信号ＧのＤ１期間（駆動期間）において、ゲートＧ３及びＧ４は導通し、ゲートＧ１及びＧ２の出力を出力端子に導出する。方向制御信号が低レベルであるとゲートＧ１が非導通、ゲートＧ２が導通となる。ＰＷＭ信号がＡ出力端子に導出され、Ｂ出力端子には−レベル（例えば、０ボルト）が導出される。その後ゲート信号はセンシング期間ＨＺとなり、ゲートＧ３及びＧ４の出力端をハイインピーダンス状態とし、Ａ出力端子及びＢ出力端子をハイインピーダンス状態とする。センシング期間ＨＺでは、センサー電極の出力電圧が検出されてＰＷＭ信号にフィードバックされる。

ゲート信号Ｇの次のＤ２期間において、ゲートＧ３及びＧ４は導通し、ＰＷＭ信号が供給されている。方向制御信号が高レベルであることによってゲートＧ１が導通し、ゲートＧ２が非導通となる。Ａ出力端子には−レベルが設定され、Ｂ出力端子にはＰＷＭ信号が導出される。その後ゲート信号はセンシング期間ＨＺとなり、ゲートＧ３及びＧ４を開放し、Ａ出力端子及びＢ出力端子をハイインピーダンス状態とする。センシング期間ＨＺでは、センサー電極の出力電圧が検出されてアナログ入力にフィードバックされる。ゲート信号の後続のＤ３期間以降においても同様に制御が行われる。
なお、後段の３ステートゲートＧ３及びＧ４を＋３ボルト出力（Ｈ）、−３ボルト出力（Ｌ）、ハイインピーダンスダンス（Ｚ）の３つの状態を出力する構成とすることによって平衡回路構成とし、２つの駆動電極への印加電圧の極性の反転を行うことが可能である。

上述したアクチュエーターは、ロボットなどの人工筋肉に用いて都合がよい。また、上述したアクチュエーターと光センサーと組み合わせて自動的に遮光するシステム、例えば、ブラインド（遮光カーテン）、人工虹彩、カメラの絞り機構などに応用するなど、種々の用途に使用することが出来る。

以上説明したように、本発明の実施例によれば高分子アクチュエーターにセンサーを搭載した場合に問題となるクロストークを、駆動電極への駆動電圧の供給時期（期間）とセンシング時期（期間）時間とを分けたので解消することができる。また、センサーを搭載することにより小型化したアクチュエーターを使用したフィードバック制御システムを構成することができる。

また、アクチュエーターの駆動電極の駆動電圧としてＰＷＭ駆動信号を使用することによって低駆動信号レベルでも動作し、また、ノイズに強いフィードバック制御システムを構成することができる。

また、上述したフィードバック制御系の電気回路をＩＣチップとし、これをアクチュエーターに搭載することによってアクチュエーター構造体の小型化を図ることができる。

なお、上記実施例では、センサー電極は一方向に延在し、この方向におけるアクチュエーターの湾曲（曲がり）に対応した一つの出力を発生するが、これに限定されない。
また、印加圧力に応じた電圧を発生するＰＺＴ等の圧電素子や歪みゲージなどの抵抗値変化素子をセンサー電極の代わりに電解質膜上に使用しても同様の効果を期待可能である。

１アクチュエーター、１０電解質膜、１１，１２駆動電極、１３センサー電極、３０駆動制御系、３１増幅器、３２比較器、３３駆動回路、３４サンプルホールド回路、３６ＰＷＭ変調器、Ｇ１〜Ｇ４ゲート、ＩＮ１インバータ、ＳＷ（トランジスタ）スイッチ

Claims

電界を与えることにより変形する電解質を含む層とこの層を間に挟む第１及び第２の駆動電極と、
前記電解質を含む層の上に形成されて該電解質を含む層の変形の方向及び湾曲量のうち少なくとも１つを検出するセンサーと、
指令信号と前記センサーの出力との偏差に対応した駆動信号を出力端を介して前記第１及び第２の駆動電極に周期的に供給する駆動制御回路と、を備え、
駆動制御回路は、前記駆動信号の１周期を駆動期間と前記駆動期間から時間軸上において分離されたセンシング期間とによって形成し、前記駆動期間には前記偏差に対応したデューティ比のＰＷＭ信号を供給し、前記センシング期間内において前記センサの出力を読み込む、ことを特徴とするアクチュエーター。
前記駆動制御回路は、前記指令信号と前記センサーの出力との偏差の極性に対応して前記ＰＷＭ駆動電圧を前記第１又は第２の駆動電極に供給することを特徴とする請求項１に記載のアクチュエーター。
前記センサーが前記電解質を含む層の表面に形成された電極であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアクチュエーター。
前記センシング期間において前記駆動制御回路の出力端と前記第１の駆動電極との間及び前記駆動出力端と前記第２の駆動電極との間が遮断される、請求項１乃至３のいずれかに記載のアクチュエーター。
前記センシング期間において前記駆動制御回路の出力端が高インピーダンス状態に設定される、請求項１乃至３のいずれかに記載のアクチュエーター。