(57)【要約】【課題】高速応答が可能で、長期に渡り残留変形を維持できるＩＰＭＣアクチュエータを提供する。【解決手段】本発明は、ＩＰＭＣに金属メッキを施したアクチュエータであって、内部のｐＨを６以上にしたアクチュエータ、またこのアクチュエータの変位量を制御する制御装置を特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＰＭＣに金属メッキを施したアクチュエータであって、内部のｐＨを６以上にしたことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
ＩＰＭＣに金属メッキを施したアクチュエータであって、内部のｐＨを６以上にしたアクチュエータと、
前記アクチュエータの変位を計測する変位計測計と、
前記アクチュエータに所定の周波数の電場を印加するドライバと、
前記変位計測計の計測する変位量が所定量になるように前記ドライバの出力する電場の強度を制御する制御器とを備えたことを特徴とするアクチュエータ制御装置。
【請求項３】
前記制御器は、前記アクチュエータを積分制御に代表される印加電場の極性反転を起こしにくいものであることを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータ制御装置。
【請求項４】
ＩＰＭＣをアルカリ溶液中で位置決め制御することを特徴とするＩＰＭＣの制御方法。
【請求項５】
前記ＩＰＭＣを０．０８％〜０．１２％のＮａＯＨ水溶液中で位置決め制御することを特徴とする請求項４に記載のＩＰＭＣの制御方法。
【請求項６】
前記ＩＰＭＣを０．００５％〜２％のＮａ２ＣＯ３水溶液もしくはＬｉ２ＣＯ３水溶液中で位置決め制御することを特徴とする請求項４に記載のＩＰＭＣの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＰＭＣに金属メッキを施したアクチュエータ、そのアクチュエータを制御するアクチュエータ制御装置、またＩＰＭＣをアルカリ溶液中で位置決め制御するＩＰＭＣの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、イオン伝導性高分子膜に金属メッキを施した構造のＩＰＭＣ（Ｉｏｎｉｃ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｍｅｔａｌ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）アクチュエータが、高速応答性、大変形の発生、素材の柔軟性などの理由から軟体型アクチュエータとして注目を集めている（非特許文献１、２）。ＩＰＭＣアクチュエータの特性として、大変形は得られるが、すぐに減衰するため、位置決め制御を行なうことは大変難しいとされていた（非特許文献３）。
【０００３】
これまでの研究で、Ｄｕｐｏｎｔ社製のＮａｆｉｏｎ（商品名）の膜に金メッキを施した場合、Ｎａｆｉｏｎ膜厚により特性は変化し、Ｎ１１７（膜厚１８３μｍ）を用いたＩＰＭＣでは初期変位と同じ方向に残留変位が得られるので実は積分制御を用いることにより、容易に位置決め制御ができることがわかっている（非特許文献４、５）。
【０００４】
また、ＮＦ１１２（膜厚５１μｍ）を用いたＩＰＭＣについては、初期変位とは逆方向に残留変位が発生するが、この残留変位の量が印加電圧に応じて変化するので、印加電圧の変化速度に制限をかけ、初期変位が発生しないような条件を作れば、ＮＦ１１２でも、積分制御により位置決め制御が可能になる。その場合、電圧に応じた変位の増加方向は、Ａｕ−Ｎ１１７とＡｕ−ＮＦ１１２では逆向きとなる。また、白金メッキを施したＰｔ−Ｎ１１７はＡｕ−ＮＦ１１２と同じ挙動を示すことが分かっている（非特許文献４、５）。ステップ状の電圧印加に対する発生変位の変化挙動の一例を図１に示す。
【０００５】
ＩＰＭＣの変形メカニズムについては多くの仮説があるが、詳細についてはわかっておらず、とくに位置決め制御との関係はほとんどわかっていないのが現状である。
【０００６】
本願発明者らの研究では、最初にＮ１１７とＮＦ１１２の中間の厚みを持つＮＦ１１５（膜厚１２７μｍ）を用いたＡｕ−ＮＦ１１５ＩＰＭＣの変形特性および位置決め制御特性を詳細に調べ、Ａｕ−Ｎ１１７ＩＰＭＣやＡｕ−ＮＦ１１２ＩＰＭＣと比較した。その結果、残留変位の発生方向や位置決め制御特性が、内部に導入する稼動イオンと深く関係しており、Ａｕ−Ｎ１１７ＩＰＭＣやＡｕ−ＮＦ１１５ＩＰＭＣのように残留変形が初期変形と同じ方向に発生するタイプのＩＰＭＣ（以下、「同方向タイプ」と称する。）でも、長時間の使用により残留変形が初期変形と逆方向に発生するＡｕ−ＮＦ１１２ＩＰＭＣやＰｔ−Ｎ１１７ＩＰＭＣのような挙動（以下、「逆方向タイプ」と称する。）を示すこと、さらに再度稼動イオンの導入処理を行うことで、逆方向タイプを示していたＡｕ−ＮＦ１１５ＩＰＭＣが同方向タイプの変形に戻ることが明らかになった（非特許文献６、７）。
【０００７】
ＩＰＭＣの位置決め制御を実用化するには、高速応答が可能な同方向タイプの変形挙動が望ましい。しかし、初期状態では同方向タイプのＩＰＭＣであっても、精製水中で駆動を続けると、稼動イオンのＩＰＭＣ内部からの流出に伴い、逆方向タイプに変化してしまう。そこで、この稼動イオンの流出防止策について、次に検討した。
【０００８】
その検討の過程で、稼動イオンとしての陽イオンや、導入液の陰イオンを変化させたＩＰＭＣの特性調査を行った結果から、実は稼動イオンとして導入される陽イオンではなく、導入液に存在する陰イオンのｐＨが残留変形の方向に関係していることを突き止めた（非特許文献８）。
【非特許文献１】K. Oguro, et.al., J. Micromachine Soc., 5, pp. 27-30, (1992)
【非特許文献２】Y. Bar-Cohen, Robotics2000 and Space2000, pp. 188-196 (2000)
【非特許文献３】Sugano, et.al., 74th Annual meetings of the Japan Society of Mechanical Engineers, IV, pp. 329-330, (1996)
【非特許文献４】船木、伊賀、伊東、日本機械学会ロボティックス・メカトロニクス講演会ＲｏｂｏＭｅｃ‘０３  講演論文集２Ａ１−２Ｆ−Ｆ１、（２００３）
【非特許文献５】A. Itoh, T. Amari and T. Tanaka, SPIE Optic East 2006, Proc. SPIE 6374, 637403 (2006)
【非特許文献６】甘利、伊東、日本機械学会ロボティックス・メカトロニクス講演会ＲｏｂｏＭｅｃ‘０５  講演論文集１Ｐ２−Ｓ−０８３、（２００５）
【非特許文献７】伊東、甘利、日本機械学会ロボティックス・メカトロニクス講演会ＲｏｂｏＭｅｃ‘０６  講演論文集１Ａ１−Ｃ２４、（２００６）
【非特許文献８】田中、伊東、日本機械学会ロボティックス・メカトロニクス講演会ＲｏｂｏＭｅｃ‘０７  講演論文集１Ａ２−Ｄ０３、（２００７）
【非特許文献９】大矢、丹羽、”高機能分離膜”、共立出版、８章、ＩＳＢＮ１３−９７８−４３２００４２３０８、（１９８８）
【非特許文献１０】K. Asaka, “Soft Actuators” NTS Books ISBN4-86043-063-8 C3050, Section2, p 83. (2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明によれば、以上の実験結果を基に、高速応答が可能で、長期に渡り残留変形を維持できるＩＰＭＣのアクチュエータ、またそのアクチュエータを位置決め制御するアクチュエータ制御装置及びＩＰＭＣの制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の発明は、ＩＰＭＣに金属メッキを施したアクチュエータであって、内部のｐＨを６以上にしたアクチュエータを特徴とする。
【００１１】
請求項２の発明は、ＩＰＭＣに金属メッキを施したアクチュエータであって、内部のｐＨを６以上にしたアクチュエータと、前記アクチュエータの変位を計測する変位計測計と、前記アクチュエータに所定の周波数の電場を印加するドライバと、前記変位計測計の計測する変位量が所定量になるように前記ドライバの出力する電場の強度を制御する制御器とを備えたアクチュエータ制御装置を特徴とする。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項２のアクチュエータ制御装置において、前記制御器は、前記アクチュエータを積分制御に代表される印加電場の極性反転を起こしにくいものとしたことを特徴とする。
【００１３】
請求項４の発明は、ＩＰＭＣをアルカリ溶液中で位置決め制御するＩＰＭＣの制御方法を特徴とする。
【００１４】
請求項５の発明は、請求項４のＩＰＭＣの制御方法において、前記ＩＰＭＣを０．０８％〜０．１２％のＮａＯＨ水溶液中で位置決め制御することを特徴とする。
【００１５】
請求項６の発明は、請求項４のＩＰＭＣの制御方法において、前記ＩＰＭＣを０．００５％〜２％のＮａ２ＣＯ３水溶液もしくはＬｉ２ＣＯ３水溶液中で位置決め制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、高速応答が可能で、長期に渡り残留変形を維持できるＩＰＭＣのアクチュエータを提供でき、またそのようなアクチュエータを位置制御するアクチュエータ制御装置及びＩＰＭＣの制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。
【００１８】
［実験方法］
実験装置の構成を示す概略を図２に示す。この実験装置では、水槽１内にＩＰＭＣ２を浸漬し、ＩＰＭＣ２の変形量を測定するレーザ変位計３を水槽１の外に設置している。そして、ＩＰＭＣ２に電圧を掛けるドライバ４を電極５に接続し、制御装置６によりレーザ変位計３が計測する変位量をドライバ４が掛ける電圧の加減により制御するようにしている。
【００１９】
実験方法は、ＩＰＭＣ２を２×２０ｍｍの短冊状に切断し、上部５ｍｍを導電クリップの電極５で挟んだ状態でＩＰＭＣ２を水槽１内の精製水中に設置し、その状態で、特記しない場合は金属メッキ層に±２Ｖの矩形パルスをＤｕｔｙ比を１／１０から９／１０に変化させた電圧をドライバ４にて印加し、その時の発生変位をレーザ変位計３で非接触計測するものである。
【００２０】
Ｄｕｔｙ比１／１０が−１．８Ｖ、９／１０が１．８Ｖの直流電圧に相当する。パルス印加では直流電圧の印加よりも特にＤｕｔｙ比の中間領域で若干発生変位が大きくなるが、変形特性は大きく見るとあまり変わらないことは、過去の研究で確認済みである。
【００２１】
［Ａｕ−ＮＦ１１５の位置決め制御試験］
最初に、これまで主に実験を行ってきた、Ａｕ−Ｎ１１７ＩＰＭＣとＡｕ−ＮＦ１１２ＩＰＭＣの中間の膜厚を持つ、Ａｕ−ＮＦ１１５のＩＰＭＣの変形特性、および位置決め制御特性について調べた。
【００２２】
ＩＰＭＣの製造方法は複雑で、安定した性能のものを製造することは難しい。Ａｕ−ＮＦ１１５ＩＰＭＣはこれまでの実験で、基本的には同方向タイプの変形特性を示すことがわかっていたが、研究当初に、Ａｕ−ＮＦ１１５ＩＰＭＣを以前と同様の製造工程で試作したところ、残留変位が初期変位と同方向に発生するもの以外に、Ａｕ−ＮＦ１１２タイプのように初期変位と逆方向に残留変位が発生するものも現れた。すなわち、Ａｕ−ＮＦ１１５の場合、Ｎ１１７とＮＦ１１２の中間的な特性を示し、製造時のわずかな違いにより特性が大きく変化する。
【００２３】
位置制御に関しては、制御が高速に行える、残留変位が初期変位と同方向に現れるサンプルを使って、位置決め制御特性を調べた。制御目標値を±０．５ｍｍの振幅を持つ正弦波とし、周波数を変えて、平均制御偏差を求めた。図３に各周波数について制御偏差をまとめたものを示す。
【００２４】
結果より、０．５Ｈｚ前後までは位置決め制御ができていることがわかる。これは、Ａｕ−ＮＦ１１２の位置決め周波数限界が約２．０×１０−４Ｈｚ前後であることと比較して３桁も大きな数字である。よって、位置決め制御を行なう場合は、残留変位が初期変位と同方向に現れるタイプのＩＰＭＣの利用が圧倒的に有利であることが実験的に確認できている。
【００２５】
［残留変位の方向に影響を与える稼動イオン］
実用化に向けては、発生変位の大きな薄いＩＰＭＣでの位置決め制御の実現が重要となる。しかし、Ａｕ−ＮＦ１１２のように残留変位が初期変位と逆方向に発生するものは、位置決め制御は可能ではあるが、極めてゆっくりとした動きしか得ることができない。そこで、残留変位の発生方向を決めるメカニズムについて検討を行なった。
【００２６】
Ａｕ−ＮＦ１１５を用いた実験の中で、残留変位が初期変位と同方向に発生するものでも何度も実験に使用したＡｕ−ＮＦ１１５は図４に示すように残留変位が逆方向に発生するようになることを見出した。図４（ａ）は１回目の実験でのステップ応答−変位特性を示し、図４（ｂ）は長時間使用した後の実験でのステップ応答−変位特性を示している。
【００２７】
ＩＰＭＣは、Ｎａｆｉｏｎ膜に金属メッキを施した後、稼動イオン（本実験ではＮａ＋イオン）を内部に導入するためにＮａＯＨ溶液に浸漬して作製する。長時間使用した後のＡｕ−ＮＦ１１５の残留変位の逆転は、稼動イオンの外部への流出が影響をしているのではないかと考え、以下の実験を行なった。
【００２８】
最初に、Ａｕ−ＮＦ１１２の作成時にＮａ＋イオンを稼動イオンとしてＩＰＭＣ内部に導入する際のイオン交換液の濃度を倍にしてＩＰＭＣを作製し、電圧のステップ入力に対する変位の発生挙動を調べた。その結果、通常よりも高濃度の稼動イオンを持つこの試験片は、初期発生変位と同じ方向に残留変位が発生した。
【００２９】
結果を見ると、最初に行ったＤｕｔｙ比１／１０の実験では残留変位が１分にわたり保持されているのに対し、次に行ったＤｕｔｙ比９／１０の実験では、変位の減衰が観察された。これは、試験中も常にＩＰＭＣ内部のイオンが流出しているためと考えられる。さらに、このＩＰＭＣに対し再度実験を行ったところ、前回とは異なり逆方向への残留変位を示した。また、稼動イオン導入後精製水中で放置したものも同様に初期変位とは逆方向に残留変位を示した。これらは、導入イオンがＩＰＭＣから流出することでＩＰＭＣ内部のイオン濃度が低下したためと考えられる。
【００３０】
以上の実験とは逆に、常に残留変位を安定して初期変位と同方向に発生させることのできるＡｕ−Ｎ１１７については通常イオン交換後にステップ応答試験を行なっていたが、それでは逆方向への変位が発生しなかったため、Ａｕ−Ｎ１１７については長時間実験に使用した後の試験片を用いてステップ応答実験を行なった。その結果、Ａｕ−Ｎ１１７においても最終的には逆方向に残留変位を示すようになり、初期変位と逆方向に残留変位が生じる現象はタイムスケールが異なるだけでＩＰＭＣに見られる共通の現象であることが分かった。よって残留変位の発生方向は、素材の厚さによるものではなく、稼動イオンの濃度に関係し、長時間の実験により外部にイオンが流出してイオン濃度が低下すると、残留変位の発生方向が逆転する。
【００３１】
また、長時間実験に使用し、残留変位が逆方向に発生するようになったＡｕ−ＮＦ１１５について、Ｎａ＋イオンを再導入し、再度ステップ応答特性を計測した。その結果、初期変位と同方向に残留変位が発生することを確認した。
【００３２】
［残留変位量と初期発生変位量の経時変化］
以上の結果より、稼動イオン濃度と残留変位の発生方向の深い関連性が明らかになった。
【００３３】
一方で、初期変形に関しては、ステップ応答の実験からは、イオン濃度の低下に従い増大しているように見受けられるが、その詳細はわかっていない。そこで、ステップ応答実験を長時間にわたり繰り返して行うことで、初期変形および残留変形の発生変位の経時変化を調べた。
【００３４】
実験方法は、同方向の電場印加を繰り返すことを考えて、印加電圧±１．７５Ｖとし、Ｄｕｔｙ比を１／１０と９／１０のパルス電場（直流電場でそれぞれ−１．４Ｖ、＋１．４Ｖに相当）を６０秒印加し、１５秒休ませる印加条件の実験を１０００回ずつ行なった際の初期変位、残留変位の発生量の変化を観察した。結果を図５に示す。
【００３５】
結果として、初期変位については試験開始直後から発生量が増加し、５０回前後を過ぎた後緩やかに減少していくことがわかった。しかしながら、１０００回繰り返した後も、初期変位の発生は確認できる。一方の残留変位は、試験開始後急激に減少し、３０回前後で変位の発生方向が逆転し、最終的に２２０回前後からほとんど変位が発生しなくなることがわかった。
【００３６】
さらに、これまでのＩＰＭＣ製作で稼動イオン導入の際には４％のＮａＯＨ水溶液をイオン交換液として用いていたが、このイオン交換液の濃度を変化させて実験を行った。実験より、最初の実験で残留変位が逆転する濃度が０．００１％以下の領域であることがわかった。さらに、イオン交換液の濃度を０．１％以上に濃くしてもいずれも３０回前後で残留変位が逆転し、高濃度のＮａ＋イオンの導入はあまり意味がないことがあきらかになった。
【００３７】
［長時間の位置決め制御試験］
以上の基礎特性だけではなく、位置決め制御にＩＰＭＣを用いたときにどの程度の時間、通常の高速型の位置決め制御が可能かを見極めるために、位置決め制御を長時間続けたときの特性変化を調べた。実験は、制御目標変位をｓｉｎ波状に変化させ、周波数と振幅を変化させながら行った。得られた結果から平均制御偏差を求め、位置決め制御性能の評価指標とする。
【００３８】
時間経過に対する平均制御偏差の推移をプロットしたものが図６である。目標値の正弦波の振幅は１ｍｍである。実験した全ての周波数で、実験開始後３０分経過した時点から、制御偏差が急に増加していることがわかる。位置決め制御実験の生データを確認すると、位置決め制御ができなくなってきた中期、後期の結果より、ある範囲では位置決め制御ができており、実験開始後３０分で単純に位置決めできない特性になっているのではなく、制御可能な変位の範囲が移動していっていることが明らかになった。
【００３９】
以上の長時間の位置決め制御実験では３０分経過後平均制御偏差が急激に悪化したが、これは位置決めが不能になっていることを示しているのではなく、位置決めできるエリアが移動してしまったことを示している可能性が高い。よって、位置決め制御する目標値が制御可能エリアに入っているようにつねに調節すれば、さらに長期間ｓｉｎ波にあわせた位置決め制御が可能になるかもしれない。そこで、ＩＰＭＣの位置決め可能エリアの移動にあわせてｓｉｎ波の目標位置の変動エリアを変化・調節するプログラムを作成し、それにより位置決め制御可能な限界を把握することにした。
【００４０】
ＩＰＭＣの制御可能エリアから目標値がはずれた場合は、デジタル出力が最大値あるいは最小値で振り切った形となる。よって、これが発生しないように、ｓｉｎ波１周期の制御時に印加した電圧出力の平均が０Ｖになるように、ずれ幅に比例係数をかけて目標値の変動エリアを移動させる実験プログラムを作成した。
【００４１】
この実験プログラムによる結果をまとめた結果より、位置決め目標を振幅１ｍｍ、周波数０．５Ｈｚで変動させたときは、初期変形成分がＩＰＭＣの動作成分の主体となるため、８０分経過後から徐々に平均制御偏差の増大は見られるが、２４時間連続して実験を行った後も位置決め制御ができる。しかし同じ振幅でも残留変形が主体となる周波数０．０５Ｈｚのときは、補正を行なった場合でも４５分経過後から制御が不能となることが明らかになった。
【００４２】
［稼動イオンの流出防止策］
以上のような長時間使用時の変形特性の変化は、導入した稼動イオンの流出と関係しているものと考えられる。ＩＰＭＣの位置決め制御を実用化するために、この稼動イオンの流出を防止する方策を検討した。
【００４３】
イオン流出防止策として考えられる方法として、主に以下の三つが挙げられる。
【００４４】
一つ目は、稼動イオンを導入したＩＰＭＣの表面をコーティングすることで、ＩＰＭＣ内部の稼動イオンが外部に流出しない構造を構成する方法である。この方法について実験した結果、コーティングにより水分子の出入りも制限されてしまうため、ＩＰＭＣの発生変位量自体が小さくなってしまうことが分かった。
【００４５】
二つ目の方法としては、稼動イオンの種類を変更してＩＰＭＣ内部から流出しにくいイオンを見つけ出す方法である。
【００４６】
そして三つ目は、作動環境に稼動イオンを存在させ、ＩＰＭＣが駆動中に流出した稼動イオンを、作動溶液から流入する稼動イオンで補うという方法である。
【００４７】
本実験では、二つ目と三つ目の作動環境に稼動イオンを存在させる方法について、詳細な調査を行った。
【００４８】
［各種濃度のＮａＯＨ溶液内での動作実験］
最初に、動作環境を精製水からＮａＯＨ水溶液に変えることでＮａ＋イオンのＩＰＭＣ外部への流出を低減する可能性を調べた。
【００４９】
［適正濃度の調査］
通常のＩＰＭＣの試作工程においては、４％のＮａＯＨ水溶液により稼動イオンの導入を行う。そこで、４％以下の濃度のＮａＯＨ水溶液内でＩＰＭＣを駆動したときの動作特性について、長時間のステップ応答を測定することで調査した。
【００５０】
図７に、動作環境内のＮａＯＨ濃度と、長時間ステップ応答実験における残留変位が逆転するまでの時間をまとめて示す。なお、実験は４時間で打ち切っている。その結果、ＮａＯＨ濃度が０．３％以上の場合、残留変位が逆転するまでの時間が、精製水中で駆動する場合（約３０分）よりも短くなってしまうが、０．３％以下では長くなること、特に０．１％±０．０２％という狭い範囲の濃度でのみ、残留変位の方向が逆転するまでの時間が著しく長くなり、実験によりばらつくが、３０時間に渡って残留変位を初期変形側に保持できることを実験的に確認した。すなわち、稼動イオンの流出防止策として、０．１％のＮａＯＨ水溶液内でＩＰＭＣを駆動させることは、極めて有効である。
【００５１】
［繰り返しステップ応答試験］
以上の０．１％濃度のＮａＯＨ水溶液環境が、ステップ応答を繰り返した場合にも同様の効果を持つかどうかを確認した。実験方法としては、Ｄｕｔｙ比を１／１０（＋１．６Ｖ相当）と９／１０（−１．６Ｖ相当）を６０秒間ずつ交互に印加し、その６０秒間の変位をそれぞれ１００回測定した。その際の各実験における初期変形のピーク値と６０秒後の残留変形量を記録して整理した結果、初期変位は２０回（約３０分）ほどで増減を繰り返しながら増大する傾向を見せること、残留変位は量が減少していく傾向が見られるが、１００回（１６０分）の連続的なステップ応答実験を繰り返しても逆変位を示さないことがわかった。
【００５２】
［ｓｉｎ波追従試験］
次に、０．１％ＮａＯＨ水溶液環境が実際の位置決め制御に与える影響を調べた。実験は、振幅±０．５ｍｍのｓｉｎ波を目標値として積分制御により位置決め制御を行ったものである。目標軌道は振幅を１ｍｍとし、変動周波数は０．０５Ｈｚと０．５Ｈｚの２種類について行った。これを２５時間連続して行い、制御結果としてのＩＰＭＣの変位を計測し、５分置きに一周期あたりの平均偏差を求めた。結果を図８にまとめて示す。
【００５３】
周波数０．０５Ｈｚでは、通常の位置決め制御を行う場合、精製水中の場合（３０〜４０分）より長時間（６時間程度）位置決め制御が可能になった。長時間の位置決め制御では、変位の発生範囲がずれ、元々の制御可能範囲の位置へ変位を発生できなくなることが制御不能に陥る主因である。０．１％ＮａＯＨ溶液内でもこの制御可能範囲の移動は起きるが、それが起きるまでの時間が大幅に長くなる。また、制御目標であるｓｉｎ波の位置を、ＩＰＭＣの制御可能範囲に合わせて補正して移動させる実験で比較すると、制御可能範囲の縮小に伴う振幅の頭打ちや、残留変形方向の逆転に伴ない最終的に位置決め制御不可能になるまでの時間が大幅に延びることが明らかになった。すなわち、０．１％ＮａＯＨ溶液内での動作は、位置決め制御時においても有効である。
【００５４】
周波数０．５Ｈｚの実験においても、０．０５Ｈｚの場合と同様に制御可能時間を延ばす効果は見られたが、位置決め制御可能時間は０．０５Ｈｚの場合よりも短かった。
【００５５】
［稼動イオンの種類を変更したＩＰＭＣの動作試験］
・稼動陽イオンの変更
以上の実験において用いてきたＩＰＭＣは全てＮａ＋イオンを稼動イオンとしたものである。最近の報告で、イオン半径の大きなテトラブチルアンモニウムイオン（Ｃ４Ｈ９）４Ｎ＋を稼動イオンに用いて、ＩＰＭＣの変形量を拡大したとの報告がある。そこで、様々な稼動イオンのＩＰＭＣを作製し、稼動イオンの変更によって、発生変位の拡大、同方向側残留変位の発生時間の延長などの特性改善の可能性を調べた。
【００５６】
イオン導入液としては、ＫＯＨ、ＣａＣｌ２、ＬｉＯＨ、（Ｃ４Ｈ９）４Ｎ・ＨＳＯ４の４種類を用いてＩＰＭＣを作製し、最大の初期変位を出す導入液濃度を調査した上で、その濃度での結果をＮａＯＨでの結果と比較した。図９に結果を示す。初期変形量について、導入した稼動イオンのイオン半径との関連を調べたが、イオン半径の小さなＬｉ＋イオンが大きな変位を出している。そこで、各イオンが水和した状態でのストークス半径（水和イオン半径）との関係にまとめなおした。その結果、図１０に示すように、初期変位の量は、水和イオン半径との相関が見られることがわかった。以上より、初期変形で大きな変形量を得るには、ストークス半径の大きな陽イオンをスルホン酸基の対イオンとして導入すればよいことがわかった。
【００５７】
一方でステップ応答６０秒後の残留変位については、図１１に示すように、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＬｉＯＨが同方向の変位を発生したのに対し、ＣａＣｌ２ではほとんど残留変位が発生せず、（Ｃ４Ｈ９）４Ｎ・ＨＳＯ４では逆方向の変位を発生している。すなわち残留変位はストークス半径はきれいに整理されない。問題は、導入液として用いた化学物質の陰イオンが異なることである。強アルカリ性のＯＨ−イオンは全て同方向、弱酸性のＣｌ−イオンは変位が発生せず、強酸性のＨＳＯ４−イオンで逆変位を発生している。
【００５８】
非特許文献９に記載されているように、一般に陽イオン交換樹脂であるＮａｆｉｏｎ膜内には陰イオンは入り込まないと言われているが、以上の結果より陰イオンの効果について検証しておく必要性があることがわかった。
【００５９】
［陰イオンの種類を変更した時の動作特性］
以上をもとに、稼動イオンの導入液として、ＮａＣｌ、ＮａＮＯ３、ＣＨ３ＣＯＯＮａ、Ｎａ２ＣＯ３、ＮａＨＳＯ４を用意し、それぞれ最大変位を発生する濃度を調査した上で、その濃度でのＩＰＭＣの変形特性を調べた。精製水中での６０秒間のステップ応答実験を行った結果の変形特性の変化を図１２と図１３に示す。横軸は、各導入液が示すｐＨである。結果として、陰イオンにより動作特性が変化すること、初期変形は導入液が酸性であるほど大きいこと、残留変形は、ｐＨ５．５〜６．０で特性が逆転し、酸性側（ＮａＮＯ３、ＮａＣｌ、ＮａＨＳＯ４）で逆方向タイプ、アルカリ側（ＣＨ３ＣＯＯＮａ、Ｎａ２ＣＯ３、ＮａＯＨ）で同方向タイプの変形を示すことが明らかになった。
【００６０】
一般に、Ｎａｆｉｏｎ膜は、陽イオン交換膜であり、スルホン酸基に結合したＨ＋イオンがＮａ＋イオンに交換されると、Ｎａ＋イオンはＨ＋イオンに再交換されないとされている。また、Ｎａｆｉｏｎ膜の構造は、疎水性のテフロン高分子（テフロンは商品名）を骨格として、側鎖に親水性のスルホン酸基がくっついた構造となっている。これが水中で、スルホン酸基と水がクラスター状の構造を作り、テフロン高分子鎖の部分とスルホン酸基に囲まれた水の水路がともに網目状に入り組んだ二相構造となるとされている。その際に、水の相には、スルホン酸基と結合する陽イオンのみが内部に入り、陰イオンは内部に入り込まないとされてきた（非特許文献１０）。
【００６１】
しかしながら、上述の結果より、明らかにイオン導入時の陰イオンが変形特性に影響を与えている。Ｎａｆｉｏｎ膜は水中でゲル化しテフロン骨格と水の二相構造となるが、水中に漬け続けた状態では、水の相の比率が大きくなるとされている。水分率の増大に伴い、Ｎａｆｉｏｎ膜と結合しない陽イオンや陰イオンが水の相に混入してくるのではないかと考えられる。この、導入時にＮａｆｉｏｎ膜内に取り込まれた陰イオンの効果により、残留変形の方向が決定されるのであろう。また、スルホン酸基により電気的に固定されている稼動イオンとは異なり、自由な形で存在する陰イオンは、駆動中に膜外へ流出しやすい。陰イオンの流出により残留変位が逆方向に発生するようになるのは、基本的にＮａｆｉｏｎ内部はスルホン酸基により強酸性に保たれるからであろう。上述のＮａＯＨ０．１％溶液による同方向タイプ変形の長時間化は、流出するＯＨ−イオンを外部から供給することで成立していたものと考えられる。すなわち、これまで考えてきた、稼動イオンが駆動中にＩＰＭＣ外部へ流出するという仮定は誤りで、流出するのは陰イオンであることが明らかになった。
【００６２】
以上の結果は、Ｐｔ−Ｎ１１７ＩＰＭＣが逆方向タイプの変形特性を示す理由も説明する。Ｎａｆｉｏｎ膜に白金メッキを施す場合は、メッキ処理にフッ酸を用いる。そのため、ＮａＯＨ溶液に浸漬後も内部がＡｕ−Ｎ１１７ＩＰＭＣよりも酸性に保たれると考えれば、上述の陰イオンの影響として説明できる。
【００６３】
また、同方向タイプの残留変形を保持するには、動作環境をアルカリ性に保つ様な陰イオンを存在させればよいことになる。ＯＨ−イオン以外の候補として、ＣＯ３２−イオンが挙げられることがわかった。
【００６４】
［動作環境内に炭酸イオンを存在させた駆動試験］
上述のように、ＮａＯＨ溶液内で動作させることにより、ＩＰＭＣの長時間駆動及びに位置決め制御が可能になることがわかった。しかしながら、適正な濃度域が０．１％±０．０２％と極めて狭い、特に高濃度のＮａＯＨ溶液内でＩＰＭＣを動作させると、ＩＰＭＣに劣化が見られる。そこで、よりよい陰イオンの候補として、炭酸イオンの可能性を検討した。
【００６５】
最初に、Ｎａ２ＣＯ３について調査を行った。Ｎａ２ＣＯ３を用いてＩＰＭＣの稼動イオン交換を行った場合、変位が最も大きくなる適正濃度が８％であることが上述の試験で確認されている。そこで、以下の実験ではこの８％のＮａ２ＣＯ３溶液で稼動イオン交換を行ったＩＰＭＣを駆動試験に使用する。
【００６６】
まず、様々な濃度のＮａ２ＣＯ３溶液内で、ＩＰＭＣの長時間ステップ応答試験を行い、初期変形および特に残留変形の変化過程を調査した。その結果、精製水中での実験で残留変位が逆転するまでの時間は、約８０分であった。しかし、Ｎａ２ＣＯ３の濃度が０．００５％〜２％の範囲では、４時間以上の実験時間を通して残留変位が逆転しなかった。よって、ＮａＯＨと比較すると、精製水中で残留変位が逆転するまでの時間が約３０分から約８０分に延び、さらに、４時間以上残留変位が逆転しなかった濃度範囲が、ＮａＯＨでは０．０８％〜０．１２％であったのを、Ｎａ２ＣＯ３では、０．００５％〜２％と、非常に幅広いことがわかった。よって、残留変形を同方向タイプにとどめるための陰イオンとしては、炭酸イオンの方が適している。
【００６７】
次に、積分制御を用いて、振幅が１．０ｍｍ、周波数を０．０５Ｈｚに設定したｓｉｎ波に対して追従させる位置決め制御実験を長時間行い、平均制御偏差などの経時変化を求めた。１周期あたりの制御偏差の合計を時間で割って求めた平均制御偏差を５分ごとに計算した結果から、平均制御偏差が急増するまでの時間をまとめたものを、図１４に示す。図より、精製水中の場合では約７５分、最長で濃度０．２％のとき約８２５分位置決め制御が可能であると思われる。昨年度のＮａＯＨは、精製水中で３０〜４０分、濃度０．１％で約４８０分位置決め制御が可能であった。よって、制御行う上でも、陰イオンとしてＣＯ３２−を使用した方が、長時間の位置決め制御が可能になると思われる。
【００６８】
［高変位かつ長時間駆動ＩＰＭＣ用イオンの選択］
以上のように、ＩＰＭＣで位置決め制御を長時間行うには、陽イオンとしては大変位を発生する（Ｃ４Ｈ９）４Ｎ＋イオンが、陰イオンとしてはＣＯ３２−イオンが有力な候補であることがわかった。しかしながら、（（Ｃ４Ｈ９）４Ｎ）２・ＣＯ３などという試薬は販売されていない。そこで以下の実験よりこの組み合わせの実現を検討した。
【００６９】
［稼動イオン交換液と動作環境の陰イオンを変えた実験］
最初に、稼動イオン交換液の陰イオンと作動環境の陰イオンの種類を変えた場合、ＩＰＭＣの変形特性にどちらが影響を与えるのかを調べた。使用した試薬は、ＮａＯＨ（ｐＨ：１２〜１３）とＮａＨＳＯ４（ｐＨ：１〜２）である。実験方法は、Ｄｕｔｙ比１／１０（１．６Ｖ相当）とＤｕｔｙ比１／１０（−１．６Ｖ相当）の電圧を印加したステップ応答試験を６０秒間行う実験を１００回ずつ繰り返して行うものである。初期変位と６０秒後の残留変位を調査した結果、稼動イオン交換液にどちらの試薬を用いた場合でも、動作環境内にある陰イオンがＩＰＭＣの動作特性を支配し、アルカリ性のＮａＯＨ内で動作させた場合は全て同方向の残留変位を、酸性のＮａＨＳＯ４内で動作させた場合もほとんどの場合で逆方向の残留変位を示すことがわかった。すなわち、ＩＰＭＣの動作特性に影響を与えるのは動作環境の陰イオンであり、稼動イオン導入時の陰イオンの影響はほとんどない。
【００７０】
［大変位かつ長時間駆動用のイオンの最適化］
以上の実験結果を総合すると、ＩＰＭＣを材料設計する上では、大きな変位を発生させるにはストークス半径の大きな陽イオンを、残留変形を同方向に維持するには強アルカリ性の陰イオンを利用するのが良い。また陰イオンとしては、水酸イオンよりも炭酸イオンの方が適している。そこで、最も大きな初期変位を発生する（Ｃ４Ｈ９）４Ｎ・ＨＳＯ４を稼動イオン交換液に用い、Ｎａ２ＣＯ３溶液内で動作させるＩＰＭＣを作製し、実験を行うことにした。（Ｃ４Ｈ９）４Ｎ＋イオンはＮａ＋イオンより強酸性陽イオン交換樹脂のイオン選択性が強いので、陽イオンは交換されることはない。
【００７１】
次に、ｓｉｎ波追従試験において、周波数を０．０５Ｈｚ、振幅幅を今までの２倍である２ｍｍに設定して実験を行い、Ｎａ２ＣＯ３の結果と比較した。その結果、Ｎａ２ＣＯ３を用いた場合では、約５分程度した後にｓｉｎ波の頂点部分が欠け始め、制御エリア全域にわたって位置決め制御できなくなる現象が発生し始めた。しかし炭酸ナトリウムの場合は、その後４時間経過した後も、制御可能エリアはあまり変化せず、平均制御偏差もあまり変化しない。
【００７２】
一方（Ｃ４Ｈ９）４Ｎ・ＨＳＯ４を用いた場合は、約１２０分程度は、制御エリア全域に対して連続的に目標位置に追従して位置決め制御可能であることがわかった。しかしながら、制御不可能なエリアが発生した後の制御可能エリアの移動は、炭酸ナトリウムより大きい傾向があった。
【００７３】
以上のように、特に大変位の位置決め制御を行う場合、大きな初期変形を出す陽イオンを導入し、残留変位を同方向に止める陰イオンを動作環境内に存在させることで、制御可能な変形領域を広げられることが確認できた。
【００７４】
［実験結果を基にしたＩＰＭＣの動作メカニズム］
以上の一連の実験結果を説明する動作メカニズムは次の通りである。これまでの実験で、初期変形と残留変形では異なったメカニズムにより変位が発生していることが明らかになった。
【００７５】
・初期変形の発生メカニズム
初期変形ついては、網目状高分子から出た側鎖部分に付いているスルホン酸基は、側鎖の長さだけ稼動でき、スルホン酸基に電気的に結合した対イオンとしての稼動陽イオンは、これまでの定説のように陰極に集まってくるのではなく、側鎖の動ける範囲でのみ陰極方向へ動く。この際の動きにより押された水が陰極方向へ移動し、体積変化により陽極方向への屈曲が発生する。これにより、変位の急激な発生とその後の急激な変形力の減衰が説明できる。
【００７６】
・残留変形の発生メカニズム
残留変位については、稼動イオン導入溶液の陰イオンが示すｐＨにより変位の発生方向が変わる。酸性、アルカリ性、それぞれの場合を考えてみる。
【００７７】
導入液がＮａＨＳＯ４の場合を考えると、直流電場の印加により、Ｎａ＋イオンが陰極側へ引き寄せられるが、上述の理由で高分子側鎖に動きを阻害されるため、陽極の近くにもＮａ＋イオンが豊富に存在する状態に止まる。また、稼動イオン導入時にＮａｆｉｏｎ内部に含水とともに混入したＨＳＯ４−イオンは、陽極近傍に引き寄せられる。それにより、陽極近傍のｐＨが陰極近傍のｐＨよりも低くなる。これにより陽極近傍のＨ＋イオン濃度が陰極側よりも高くなり、Ｎａｆｉｏｎの側鎖につながったＮａ＋と電気的に相互反発する。この力を原動力に、陽極側のＮａｆｉｏｎが膨張し、陰極側への屈曲が生じる。
【００７８】
導入液がＮａＣＯ３の場合を考えると、直流電場の印加により陽極近傍に集まったＣＯ３２−イオンにより、今度は陽極側のｐＨが陰極側よりも高くなる。これにより、Ｎａｆｉｏｎ側鎖のＮａ＋イオンと水中のＨ＋イオンの相互反発力は陰極側で大きくなり、陰極側のＮａｆｉｏｎが膨張し、陽極側への屈曲が生じる。
【００７９】
なお、陰イオンは陽イオンのようにＮａｆｉｏｎによる拘束を受けていないため、容易に外部に流出して濃度が変化し、変形特性が経時変化する。それを防ぐためには陰イオンを動作環境内に存在させることが有効となる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】従来の同方向タイプ、逆方向タイプそれぞれのＩＰＭＣの印加電圧−変位量特性のグラフ。
【図２】本発明の１つの実施の形態のアクチュエータ制御装置のブロック図。
【図３】Ａｕ−ＮＦ１１５のＩＰＭＣアクチュエータの位置決め制御特性（各周波数についての制御偏差）のグラフ。
【図４】Ａｕ−ＮＦ１１５のＩＰＭＣアクチュエータの残留変位の初期変位特性（同図（ａ））と長時間使用後の変位特性（同図（ｂ））のグラフ。
【図５】Ａｕ−ＮＦ１１５のＩＰＭＣアクチュエータのステップ応答試験の結果であって、同図（ａ）は初期変位について電場印加の繰り返し回数との対応を示すグラフ、同図（ｂ）は残留変位について電場印加の繰り返し回数との対応を示すグラフ。
【図６】Ａｕ−ＮＦ１１５のＩＰＭＣアクチュエータの長時間位置決め制御実験による時間経過に対する平均制御偏差の推移を示すグラフ。
【図７】Ａｕ−ＮＦ１１５のＩＰＭＣアクチュエータに対する動作環境内のＮａＯＨ濃度と長時間ステップ応答実験における残留変位の方向が逆転するまでの時間を計測した結果のグラフ。
【図８】Ａｕ−ＮＦ１１５のＩＰＭＣアクチュエータに対してＮａＯＨ水溶液中、精製水中それぞれで、周波数０．０５Ｈｚのｓｉｎ波で位置決め制御をしたときの平均位置偏差の時間に対する変化を示すグラフ。
【図９】Ａｕ−ＮＦ１１５のＩＰＭＣアクチュエータに対する稼動陽イオンの半径と初期変位との関係を示すグラフ。
【図１０】Ａｕ−ＮＦ１１５のＩＰＭＣアクチュエータに対する稼動陽イオンのストークス半径と初期変位との関係を示すグラフ。
【図１１】Ａｕ−ＮＦ１１５のＩＰＭＣアクチュエータに対する稼動陽イオンのストークス半径と残留変位との関係を示すグラフ。
【図１２】Ａｕ−ＮＦ１１５のＩＰＭＣアクチュエータに対する稼動陰イオンの各導入液とそれぞれ最大初期変位を発生するｐＨとの関係を示すグラフ。
【図１３】Ａｕ−ＮＦ１１５のＩＰＭＣアクチュエータに対する稼動陰イオンの各導入液とそれぞれ最大残留変位を発生するｐＨとの関係を示すグラフ。
【図１４】Ａｕ−ＮＦ１１５のＩＰＭＣアクチュエータに対し、Ｎａ２ＣＯ３水溶液中で積分制御を用いて振幅が１．０ｍｍ、周波数を０．０５Ｈｚに設定したｓｉｎ波に対して追従させる位置決め制御実験を長時間行い、平均制御偏差が急増するまでの時間を濃度ごとにまとめたグラフ。
【符号の説明】
【００８１】
１  水槽
２  ＩＰＭＣ
３  レーザ変位計
４  ドライバ
５  電極
６  制御器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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