(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、低電圧側巻線と高電圧側巻線とを有する変圧器と、容量性負荷となる作動部と、前記直流電源と前記変圧器の低電圧側巻線とを極性を選択して接続する第１のスイッチ手段と、前記作動部と前記変圧器の高電圧側巻線とを極性を選択して接続する第２のスイッチ手段と、この第１および第２のスイッチ手段の接続極性とオン・オフとを制御するスイッチ制御手段を備え、このスイッチ制御手段は前記第１および第２のスイッチ手段を用いて前記変圧器の低電圧側巻線と高電圧側巻線の一方が通電しているときは他方を遮断し、かつ低電圧側巻線と高電圧側巻線を交互に通電させ、前記変圧器に磁気センサを設け、前記スイッチ制御手段は前記磁気センサの出力に基づいて、前記第１および第２のスイッチ手段を制御し、前記作動部は複数の相をもつ電極を有し、この電極の各相の電圧から各相に与えられる電圧指令値を差し引いた電圧差を求める手段を設け、前記第２のスイッチ手段は、前記変圧器の高電圧側巻線からこの電圧差が最小の相に向けて電流を流すとともに、電圧差が最大の相から変圧器の高電圧側巻線に向けて電流を流すように動作することを特徴とする静電アクチュエータ。
【請求項２】
直流電源と、低電圧側巻線と高電圧側巻線とを有する変圧器と、容量性負荷となる作動部と、前記直流電源と前記変圧器の低電圧側巻線とを極性を選択して接続する第１のスイッチ手段と、前記作動部と前記変圧器の高電圧側巻線とを極性を選択して接続する第２のスイッチ手段と、この第１および第２のスイッチ手段を制御するスイッチ制御手段とを備え、このスイッチ制御手段は、前記第１および第２のスイッチ手段を用いて前記変圧器の低電圧側巻線と高電圧側巻線の一方が通電しているときは他方を遮断し、かつ低電圧側巻線と高電圧側巻線の極性を選択し、さらに低電圧側巻線と高電圧側巻線を交互に通電させ、前記変圧器に磁気センサを設け、前記スイッチ制御手段は前記磁気センサの出力に基づいて、前記第１および第２のスイッチ手段を制御し、前記作動部は複数の相をもつ電極を有し、この電極の各相の電圧から各相に与えられる電圧指令値を差し引いた電圧差を求める手段を設け、前記第２のスイッチ手段は、前記変圧器の高電圧側巻線からこの電圧差が最小の相に向けて電流を流すとともに、電圧差が最大の相から変圧器の高電圧側巻線に向けて電流を流すように動作することを特徴とする静電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、静電アクチュエータ駆動装置およびそれを利用した介助装置に関する。
背景技術
従来、高齢者や障害者のための介助装置の駆動には、電磁式モータを用いたリニアアクチュエータが使用されてきたが、アクチュエータの装置重量に対する発生出力（力）、すなわちパワー重量比が小さいため、小さなパワーしか発生できず、介助動作は低い一定速度の動作に限られていた。このような装置としては、例えば、特開平３−１７０１５４号公報に記載されたものがある。
そこで、パワー重量比の大きい静電アクチュエータを用いることにより、使用者の状態に柔軟に適応できる歩行補助装置が特開平７−１８４９６６号公報にて提案されている。しかしこの公報では、静電アクチュエータをこの装置に用いるにあたって、小形軽量、高出力かつ省電力という自由に移動するための条件については十分に検討されていない。また、静電アクチュエータを使用する場合、その駆動には高電圧を必要とするため、この高電圧に対する安全対策も必要となる。
一方、従来の静電アクチュエータとしては、特開平４−２７１２８４号公報に記載のものがある。この静電アクチュエータでは、直流電源にスイッチ手段（要素）が接続されており、このスイッチ手段がオン（投入）されるとき、電極に直流電源が直接接続される構成になっている。しかしこのような回路は、静電アクチュエータの電極の有する静電容量に対して突入電流が発生する回路構成になっている。このような回路構成ではエネルギー損失が大きくなることが知られており、出力を大きくしようとするとさらにエネルギー損失が大きくなる。このため、静電アクチュエータから得られる出力は限られていた。
また、変圧器により交流電源の電圧を昇圧し、直接に電極に印加することにより効率を高めた静電アクチュエータが、特開平６−７８５６６号公報に示されている。しかし、このような装置では、一般に、変圧器の寸法・重量が大きくなり、また交流電源を必用とすることから、移動する装置あるいは機器に搭載するには不便であった。
発明の開示
そこで、本発明の第１の目的は、直流電源を用いて駆動され、静電アクチュエータの作動部に蓄積されたエネルギーを直流電源側に戻すことが可能な静電アクチュエータを提供することにある。
また、本発明の第２の目的は、外部電源の供給を受けずに長時間使用可能で、自由に移動できる介助装置であって、強い力を発生することができる介助装置を提供することにある。
上記第１の目的を達成するために、本発明の静電アクチュエータでは、誘導性の回路要素に対して、直流電源と容量性の負荷となる静電アクチュエータの作動部すなわち電極とを、電気的に交互に接続する。
このとき、誘導性の回路要素としては、コイルまたは変圧器（トランス）が考えられる。
また、本発明の第２の目的を達成するために、支持部と、この支持部に作用する使用者の力を検出する手段と、検出した力に基づいて前記支持部を駆動する駆動手段とを備える介助装置に、上記の静電アクチュエータを備えて支持部を駆動する。
誘導性の回路要素には、高い周波数で脈動する電圧が印加されるため、誘導性の回路要素、すなわちコイルまたは変圧器を小型化することができる。このとき、直流電源と作動部とが、５０μｓ以下の時間間隔で、交互に、それぞれ変圧器の低電圧側巻線と高電圧側巻線に接続されるようにすることが好ましい。
上記誘導性の回路要素は、直流電源から電気エネルギーを蓄積した後、その電気エネルギーを静電アクチュエータの作動部に渡し、または、静電アクチュエータの作動部から電気エネルギーを蓄積した後、その電気エネルギーを直流電源に渡すよう作用する。このように、静電アクチュエータの作動部から電気エネルギーを直流電源に戻す動作を回生動作と呼ぶ。また、このように動作させることにより、容量性の負荷となる静電アクチュエータ作動部（電極）への突入電流を防止することができる。
以下、本発明に係る静電アクチュエータの好ましい態様を列挙する。
（ａ）静電アクチュエータが、直流電源と、低電圧側巻線と高電圧側巻線とを有する変圧器と、容量性負荷となる作動部と、前記直流電源と前記変圧器の低電圧側巻線とを極性を選択して接続する第１のスイッチ手段と、前記作動部と前記変圧器の高電圧側巻線とを極性を選択して接続する第２のスイッチ手段と、この第１および第２のスイッチ手段の接続極性とオン・オフとを制御するスイッチ制御手段を備え、このスイッチ制御手段は前記第１および第２のスイッチ手段を用いて前記変圧器の低電圧側巻線と高電圧側巻線の一方が通電しているときは他方を遮断し、かつ低電圧側巻線と高電圧側巻線を交互に通電させる。
（ｂ）静電アクチュエータが、直流電源と、低電圧側巻線と高電圧側巻線とを有する変圧器と、容量性負荷となる作動部と、前記直流電源と前記変圧器の低電圧側巻線とを極性を選択して接続する第１のスイッチ手段と、前記作動部と前記変圧器の高電圧側巻線とを極性を選択して接続する第２のスイッチ手段と、この第１および第２のスイッチ手段を制御するスイッチ制御手段とを備え、このスイッチ制御手段は、前記第１および第２のスイッチ手段を用いて前記変圧器の低電圧側巻線と高電圧側巻線の一方が通電しているときは他方を遮断し、かつ低電圧側巻線と高電圧側巻線の極性を選択し、さらに低電圧側巻線と高電圧側巻線を交互に通電させる。
（ｃ）上記特徴において、変圧器に磁気センサを設け、前記スイッチ制御手段は前記磁気センサの出力に基づいて、前記第１および第２のスイッチ手段を制御するのが好ましく、作動部は複数の相をもつ電極を有し、この電極の各相の電圧から各相に与えられる電圧指令値を差し引いた電圧差を求める手段を設け、前記第２のスイッチ手段は、前記変圧器の高電圧側巻線からこの電圧差が最小の相に向けて電流を流すとともに、電圧差が最大の相から変圧器の高電圧側巻線に向けて電流を流すように動作する。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の静電アクチュエータ駆動装置の第１の実施例を示す回路図である。
第２図は、静電アクチュエータの構造および動作原理を説明する断面図である。
第３図は、積層形静電アクチュエータの構造を説明する斜視図である。
第４図は、２相の場合の静電アクチュエータ駆動装置の動作を説明する回路図である。
第５図は、２相の場合の静電アクチュエータ駆動装置の動作フロー図である。
第６図は、電流・電圧・変圧器蓄積エネルギーの変化の例を示すグラフである。
第７図は、３相以上の場合の静電アクチュエータ駆動装置の動作を説明する回路図である。
第８図は、３相以上の場合の静電アクチュエータ駆動装置の動作フロー図である。
第９図は、本発明の介助装置の例を示す図である。
第１０図は、感電に対する安全性を高める構造を説明する断面図である。
第１１図は、電力平滑装置を備える静電アクチュエータの構成を示すブロック図である。
第１２図は、複数の作動部を備える静電アクチュエータの第１の構成を示すブロック図である。
第１３図は、本発明の静電アクチュエータ駆動装置の第２の実施例を示す部分回路図である。
発明を実施するための最良の形態
図１は、本発明の静電アクチュエータ駆動装置の第１の実施例を示す回路図である。静電アクチュエータ駆動装置１は、電圧源３からエネルギーの供給を受け、静電アクチュエータ作動部２の備えるｎ個の相Ｐ１〜Ｐｎに対して駆動電圧を供給する。
変圧器４の低電圧巻線５は、第１スイッチ群７を介して電圧源３に接続されており、高電圧巻線６は、第２スイッチ群８を介して静電アクチュエータ作動部２のｎ個の相Ｐ１〜Ｐｎに接続されている。高電圧巻線６の巻数は低電圧巻線５の巻数よりも大きい。第１スイッチ群７は、ブリッジ接続された電気的に制御可能なスイッチング素子Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２を備えており、スイッチング素子を選択的にＯＮ・ＯＦＦすることにより、電圧源３を低電圧巻線５に任意の極性で接続し、あるいは切断できる。第２スイッチ群８は、２×ｎ個のスイッチング素子Ｃ１〜Ｃｎ、Ｄ１〜Ｄｎを備えており、スイッチング素子を選択的にＯＮ・ＯＦＦすることにより、相Ｐ１〜Ｐｎのうち任意の２つを選択して任意の極性で高電圧巻線６に接続し、あるいは全ての相を切断できる。
電圧比較装置１１は、電圧検出器１２により得られた相Ｐ１〜Ｐｎの電圧と電圧指令１０を比較し、電流を印加する相および方向を決定する。
スイッチ制御装置９は、蓄積エネルギー検出器１６により検出された変圧器４の蓄積エネルギーと、電圧比較装置１１により決定された電流を印加する相に基づいて、スイッチング素子Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２、Ｃ１〜Ｃｎ、Ｄ１〜Ｄｎを導通・遮断させるタイミングを決定する。
スイッチング素子Ａ１、Ａ２、Ｂ１〜Ｂ２、Ｃ１〜Ｃｎ、Ｄ１〜Ｄｎとしては、例えば、トランジスタ、サイリスタ、ＭＯＳ−ＦＥＴ、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子が利用できる。さらに好ましくは、スイッチング素子とスイッチング素子ドライブ回路が集積されたインテリジェントパワーモジュールを使用することが望ましい。また、スイッチング素子の保護の為に、スイッチング素子と直列または並列にコイル、コンデンサ、ダーオード等からなる保護回路を挿入してもよい。変圧器４にはコイルを用いた変圧器の代わりに、圧電式変圧器（圧電トランス）を用いることもできる。蓄積エネルギー検出器１６の実現法としては、ホール素子等の磁気センサにより変圧器内の磁界を測定する方法や、変圧器の巻線電流から求める方法がある。
図２は静電アクチュエータの構造および動作原理を説明する断面図である。静電アクチュエータ作動部２は、固定子２０１および可動子２０２を備えている。固定子２０１は、絶縁性の基部２０３に複数の電極２０５を備えており、可動子２０２は、絶縁性の基部２０４に複数の電極２０６を備えている。複数の電極２０５および２０６はｎ個の相Ｐ１〜Ｐｎに電気的に接続されている。図２の例ではｎ＝６である。静電アクチュエータ駆動装置１により交流電圧を発生し、相Ｐ１〜Ｐｎに供給すると、電極２０５および２０４の間に静電吸引力あるいは反発力が発生し、固定子２０１と可動子２０２の間に推力２０８が発生する。推力２０８により、固定子２０１に対して可動子２０２が相対的に動く。
図３は積層形静電アクチュエータの作動部の構造を説明する斜視図である。静電アクチュエータ作動部２は、交互に積層された複数の固定子２０１および複数の可動子２０２を備えており、固定子２０１は連結部２１０に、可動子２０２は連結部２１１に固定されている。また、複数の固定子２０１および可動子２０２に備えられた複数の電極２０５、２０６は、ｎ個の相Ｐ１〜Ｐｎに電気的に接続されている。静電アクチュエータ駆動装置１により、相Ｐ１〜Ｐｎに駆動電圧を供給することにより、隣接する各々の固定子２０１および可動子２０２の間に推力を発生させ、各々の推力を連結部２１０および２１１にて加え合わせることにより、連結部２１０と２１１の間に大きな推力２０８を発生する。
なお、固定子電極２０５に接続された相と、可動子電極２０６に接続された相を、逆の順序で駆動装置１の共通の出力端子に接続することにより、駆動装置１の出力相数を減らすこともできる。すなわち、図２の例の場合、相Ｐ１〜Ｐ３と相Ｐ６〜Ｐ４を接続することにより、駆動装置１の相数を３にすることもできる。
本実施例の静電アクチュエータ駆動装置の動作を、まず相数が２の場合について図４および図５を参照して詳細に説明する。図４は、２相の場合の駆動装置の説明図、図５はスイッチ制御装置９の動作フロー図である。複数の相に接続された静電アクチュエータ作動部の電極は、駆動装置に対して容量性負荷として働くため、ここでは容量Ｃのコンデンサ負荷２０によって表す。変圧器４の低電圧巻線５の巻数をｎ１、自己インダクタンスをＬ１、高電圧巻線の巻数をｎ２、自己インダクタンスをＬ２とする。変圧器を磁束漏れのない理想変圧器であるとすると、次の関係がある。
Ｌ２＝（ｎ２／ｎ１）2Ｌ１                          （数１）
また、低電圧巻線および高電圧巻線に流れる電流をそれぞれＩ１、Ｉ２とすると、変圧器に磁界エネルギーとして蓄積されるエネルギーＵＴと電流の間には次の関係がある。
ＵＴ＝（１／２）Ｌ１／Ｉ１2＋（１／２）Ｌ２・Ｉ２2
＋（Ｌ１／Ｌ２）1/2Ｉ１・Ｉ２            （数２）
負荷電圧ＶＬは電圧検出器１２および差分演算器２１により検出する。なお、以下ではＶＬ≧０の場合を説明するが、ＶＬ＜０の場合は、ＶＬを−ＶＬ，ＩＬを−ＩＬ、ＶＲを−ＶＲと読み換え、スイッチング素子Ｃ１・Ｃ２をＤ１・Ｄ２と相互に読み換えれば同様である。本駆動装置は以下のように動作する。
（１）変圧器エネルギー蓄積・回生    蓄積エネルギー検出器１６により、変圧器４の蓄積エネルギーＵＴを検出し、所定の基準値ＵＴ０と比較する（手順１００）。ここで所定の基準値ＵＴ０は、変圧器に蓄積できるエネルギー量はトランスの大きさで決るので、例えば、このときのエネルギー量の５０％程度にすればよいであろう。
ＵＴ＜ＵＴ０の場合は、スイッチング素子Ａ１・Ｂ２をＯＮ・他をＯＦＦにして（手順１０１）、高電圧巻線６の電流を遮断し、低電圧巻線５に電圧源３の電圧ＶＳを印加する。このとき、低電圧巻線５に蓄積されているエネルギーによって電流Ｉ１が流れるが、この電流Ｉ１を増加させる向きに電圧源３が接続されるため、Ｉ１は増加する。また、電圧源３に流れる電流ＩＳはＩＳ＝Ｉ１となる。Ｉ１の増加に従ってＵＴが増加しＵＴ０に近づく。すなわち、電圧源３から変圧器４へエネルギーが蓄積される。
一方、ＵＴ＞ＵＴ０の場合は、スイッチング素子Ａ２・Ｂ１をＯＮ、他をＯＦＦにして（手順１０２）、高電圧巻線６の電流を遮断し、低電圧巻線５に電圧−ＶＳを印加する。このとき、低電圧巻線５に蓄積されているエネルギーによって電流Ｉ１が流れるが、この電流Ｉ１を減少させる向きに電圧源２が接続されるため、Ｉ１が減少してＵＴが減少しＵＴ０に近づく。また電圧源２にはＩＳ＝−Ｉ１の電流が流れる。すなわち、変圧器４から電圧源３にエネルギーが回生される。
ＵＴとＵＴ０の偏差の絶対値が所定の許容偏差εに納まるまで待つ（手順１０３）。この許容偏差εは適宜決められるものであるが、１０％以下に設定すればよいであろう。この待ち時間τはＵＴの初期値により変化し、ＵＴの初期値から計算により求めることができる。あるいは、ＵＴを逐次検出しＵＴ０と比較することにより、τを定めることもできる。次いでスイッチング素子Ａ１・Ｂ１をＯＮ、他をＯＦＦにし（手順１０４）、低電圧巻線５を短絡する。これにより、低電圧巻線５の電流は保存され、変圧器４の蓄積エネルギーＵＴはＵＴ０に近い値に保持される。
次に、所定の時間ｔ１に対し（ｔ１−τ）の時間待つ（手順１０５）。すなわち、（１）の動作開始から所定の時間ｔ１が経過した時点で、次の動作に移る。このとき、所定の時間ｔ１は、変圧器のインダクタンスと容量性負荷の容量とで決まる時定数から定められるが、この時定数よりも短い時間に設定するとよい。
（２）電流出力    負荷電圧ＶＬから指令電圧ＶＲを引いた偏差ＶＥを差分演算器２２により求め、所定の許容偏差δと比較する（手順１０６、１０７）。この許容偏差δは適宜決められるものであるが、１０％以下に設定すればよいであろう。
ＶＥ＜−δの場合は、スイッチング素子Ｃ１・Ｄ２をＯＮ、他をＯＦＦにして（手順１０８）、低電圧巻線５の電流を遮断し、高電圧巻線を負荷２０に接続する。
これにより、高電圧巻線６に電流Ｉ２が励起され、負荷２０に対し電流ＩＬ＝Ｉ２が供給されるので、負荷電圧ＶＬは増加し、電圧指令ＶＲに近づく。また、高電圧巻線６に電流と逆方向の電圧が印加されるので、電流Ｉ２は減少し、変圧器４の蓄積エネルギーＵＴが減少する。すなわち、変圧器４から負荷２０にエネルギーが供給される。
一方、ＶＥ＞δの場合は、スイッチング素子Ｃ２・Ｄ１をＯＮ、他をＯＦＦにして（手順１０９）、低電圧巻線５の電流を遮断し、高電圧巻線６を負荷２０に逆極性に接続する。これにより、高電圧巻線６に電流Ｉ２が励起され、負荷２０に対し電流ＩＬ＝−Ｉ２が供給されるので、負荷電圧ＶＬは減少し、電圧指令ＶＲに近づく。また、高電圧巻線６に電流と同じ方向の電圧が印加されるので、電流Ｉ２は増加し、変圧器４の蓄積エネルギーＵＴが増加する。すなわち、負荷２０から変圧器４にエネルギー回生される。
また一方、｜ＶＥ｜≦δの場合には、スイッチング素子は変化させず、低電圧巻線を短絡したままにする。これにより、負荷電圧ＶＬは電圧指令ＶＲに近いままに保たれる。また、変圧器４のエネルギーは保持される。
次に、所定の時間ｔ２が経過するまで待つ（手順１１０）。ｔ２は、高電圧巻線６の自己インダクタンスＬ２と負荷２０の静電容量Ｃの共振周期Ｔよりも十分短くする。ここで、
Ｔ＝２π（Ｌ２・Ｃ）1/2                    （数３）
である。次に、最初の動作（手順１００）に戻る。
これ以降上記の（１）と（２）の動作を周期ｔｃ＝ｔ１＋ｔ２にて繰り返す。
図６は例として、電圧指令ＶＲに三角波を与えた場合の各部電流および、ＵＴ、ＶＬの変化のグラフおよびスイッチング素子の状態変化を示す図である。なお、Ｉ２はＩ１よりもスケールをｎ２／ｎ１倍に拡大して描かれている。
初めの２周期は、ＶＬ＜ＶＲであるため、スイッチング素子Ｃ１・Ｄ２およびＡ１・Ｂ２の対を交互にＯＮにし、電圧源から変圧器を介して負荷にエネルギーを移動させている。次の２周期は、ＶＬ＞ＶＲであるため、Ｃ２・Ｄ１およびＡ２・Ｂ１の対を交互にＯＮにし、電圧源から変圧器を介して負荷にエネルギーを移動させている。これにより、ＶＬはＶＲに追随するように制御されている。全過程に渡って、Ｉ１・Ｉ２は交互に励起され、ＵＴは連続的に変化している。
なお、説明のため図６では三角波の１周期に対して４周期のみのスイッチング動作を行っているが、実際には電圧指令の変化に対して十分に高速にスイッチング動作を行い、滑らかな出力波形を得る。
次に、負荷である静電アクチュエータ作動部の相数が３以上の場合の本発明の静電アクチュエータ駆動装置の動作を図７および図８を参照して詳細に説明する。図７は３相以上の場合の駆動装置の説明図、図８はスイッチ制御装置９の動作のフロー図である。負荷２０は複数の相Ｐ１〜Ｐｎを備える。この場合も、上記の相数が２の場合の（１）の動作（手順１００〜１０５）は同様に行う。上記の（２）の動作（手順１０６〜１１０）は、下記（２’）のように拡張される。
（２’）電流出力    電圧検出器１２により検出した各相Ｐｉの電圧ＶＬｉから電圧指令ＶＲｉを引いた偏差ＶＥｉを差分演算器２３により求める。最大最小検出器２４は、偏差ＶＥｉを符号付きで比較し、ＶＥｉが最小の相Ｐｊと最大の挿入Ｐｋを検出する。また、ＶＥ＝ＶＥｊ−ＶＥｋを求める。ここで、ＶＲ＝ＶＲｊ−ＶＲｋ、ＶＬ＝ＶＬｊ−ＶＬｋとおくと、ＶＥ＝ＶＬ−ＶＲが成り立つ。
ＶＥを所定の許容偏差δと比較し（手順１２０）、｜ＶＥ｜＜δの場合には、スイッチング素子Ｃｊ・ＤｋをＯＮ、他をＯＦＦにして（手順１２１）、低電圧巻線５の電流を遮断し、高電圧巻線６を負荷２０の相Ｐｊ、Ｐｋに接続する。これにより、高電圧巻線６に電流Ｉ２が励起され、負荷２０の相Ｐｊから相Ｐｋに向けて電流Ｉ２が供給されるので、相Ｐｋに対する相Ｐｊの電圧差ＶＬは増加し、ＶＬは、相Ｐｋに対する相Ｐｊの電圧指令の電圧差ＶＲに近づく。また、ＶＬ≦０の場合は、高電圧巻線６に電流と逆方向の電圧が印加されるので、電流Ｉ２は減少し、変圧器４の蓄積エネルギーＵＴが減少する。すなわち、変圧器４から負荷２０にエネルギーが供給される。ＶＬ＜０の場合は、高電圧巻線６に電流と同方向の電圧が印加されるので、電流Ｉ２は増加し、変圧器４の蓄積エネルギーＵＴが増加する。すなわち、負荷２０から変圧器４にエネルギーが回生される。
一方、｜ＶＥ｜≦δの場合には、スイッチング素子は変化させず、低電圧巻線を短絡したままにする。これにより、相Ｐｋに対する相Ｐｊの電位差ＶＬは、相Ｐｋに対する相Ｐｊの電圧指令の電位差ＶＲに近いままに保たれる。また、変圧器４のエネルギーは保持される。
次に、所定の時間ｔ２が経過するまで待つ（手順１２２）。ｔ２は、高電圧巻線６の自己インダクタンスＬ２と負荷２０の静電容量の共振周期よりも十分に短くする。次に、初め（手順１００）の動作に戻る。
上記の動作を高速に繰り返すことにより、任意の電圧指令１０に対し、全ての相Ｐ１〜Ｐｎの電位差を電圧指令１０の電位差に高速に追随させることができる。静電アクチュエータ作動部の発生する推力は相間電位差により定まるため、電圧指令１０によって推力の制御が可能となる。なお、平均対地電位を０に近づけるために、高抵抗を介して各々の相を接地してもよい。
なお、上記の説明では、回路に所望の電流を流すために最低限必要なスイッチング素子のみをＯＮにし、他をＯＦＦにしたが、回路を流れる電流に影響しない場合には、スイッチング素子の動作時間に余裕を持たせるために、スイッチング素子を必要な時点よりも早くＯＮにしたり、ＯＦＦにするのを遅らせてもよい。
また、上記において、変圧器蓄積エネルギーを保持するために、Ａ１・Ｂ１の上下１対のスイッチング素子をＯＮにし低電圧巻線５を短絡したが、代わりに他の上下の１対のスイッチング素子をＯＮにしてもよく、高電圧巻線６を短絡してもよい。
本駆動装置では、常に変圧器の２つの巻線の一方のみに電流が流れるようにスイッチング素子を制御しているため、巻線はインダクタンスと等価になり、電流源として作用し、電圧源および容量性負荷に対し大きな突入電流が発生しない。また、変圧器の両方の巻線の電流が遮断されることがないため、大きなサージ電圧が発生しない。スイッチング素子をＯＮまたはＯＦＦで使用しており、かつ大きな突入電流およびサージ電圧が無いため、回路内の損失が小さく、大きな放熱板を用いずに大電力を発生できる。
また、高速に繰り返しスイッチを操作することにより、少量ずつエネルギーを移動させているため、変圧器蓄積エネルギーは負荷に蓄積される最大エネルギーに比べて小さくでき、小形軽量の変圧器を用いて大電力を発生できる。
また、変圧器は昇圧機能を備えているため、低電圧源を用いて高電圧を発生できる。一つの変圧器が電圧源から電流源へのエネルギー変換機能と、低電圧から高電圧への電圧変換機能を兼ね備えているため、回路構成が単純であり、小形軽量かつ安価に構成できる。
さらに、容量性負荷を駆動する際に生じる無効電力や、アクチュエータが外部の力により駆動された場合に発生する電力は、変圧器を介して電圧源に回生されるため、電圧源のエネルギー消費を低減できる。余剰電力を消費する回生抵抗と放熱板が不要なため、装置を小形軽量化できる。
また、各相の電圧から各相に対する電圧指令を減算した偏差が最小の相から最大の相に向けて電流を印加しているため、任意の電圧指令に対して、各相の電位差を電圧指令の電位差に高速に追随させることができる。
上記のように、本発明の静電アクチュエータ駆動装置は小形軽量、高効率、大出力であり、低電圧電源を使用でき、高電圧の任意波形電圧を発生できる。高効率であり、低電圧電源を利用できるため、小形の電池による長時間運転が可能となる。また、高電圧・大出力を発生できるため、静電アクチュエータ作動部に大推力・大出力を発生させることができる。
また、静電アクチュエータ作動部に単純な正弦波電圧に与えて駆動すると、力あるいは速度に大きな脈動を発生するが、静電アクチュエータ作動部の変位を参照して電圧指令を生成すれば、脈動を低減し、滑らかに動作させることができる。さらに、相数が多いほど静電アクチュエータ作動部を滑らかに動作させることができるが、本発明の静電アクチュエータ駆動装置は、任意の相数に拡張可能であるので、小形軽量低コストの回路で多相駆動を実現できる。
なお、変圧器の小形軽量化及び電圧指令に対する応答性の向上のため、繰り返し周期ｔｃは１００μｓ以下、さらに好ましくは２０μｓ〜１μｓであることが望ましい。また、発生可能な相間電位差の最大値をＶＬｍａｘとすると、静電アクチュエータ作動部に十分な推力を発生させるために、ＶＬｍａｘは３００Ｖ〜３０００Ｖであることが望ましい。このため、スイッチング素子は、スイッチング時間２μｓ以下、耐圧３００Ｖ〜３０００Ｖであることが望ましい。
また、変圧器の巻線比ｎ２／ｎ１を、ＶＬｍａｘ／ＶＳに近くすることが望ましく、さらに好ましくは、（ｎ２／ｎ１）／（ＶＬｍａｘ／ＶＳ）が０．２〜５であることが望ましい。この条件下では、上記（１）における変圧器へのエネルギー蓄積・回生に要する時間τが、（２）における負荷への電流印加時環ｔ１と近くなり、第１スイッチ群と、第２スイッチ群のスイッチング素子に要求される動作速度が近くなるので、スイッチング素子の性能を最大限活用して繰り返し周期ｔｃを短縮することができ、変圧器の小形軽量化に寄与する。
また、（２）における負荷への電圧印加中に十分な電流を維持し、かつ変圧器を小形軽量化するために、高電圧巻線と負荷容量の共振周期Ｔが電流印加時間ｔ１の４倍から４０倍の範囲になるように高電圧巻線の自己インダクタンスＬ２を設定することが望ましい。また、変圧器に蓄積するエネルギーの基準値ＵＴ０は、（２）において時間ｔ２の間に移動する最大エネルギー量の１倍から１０倍であることが望ましい。
図１３は、本発明の静電アクチュエータ駆動装置の第２の実施例を示す部分回路図である。本実施例では、図１に示した第１の実施例の電圧源３の代わりに高圧電源６０を設けており、また、トランス４の代わりにコイル６１を設けており、低電圧巻線５と高電圧巻線６の代わりに共通のコイル６１が回路に接続されている。図示されていないが、スイッチ制御装置９、電圧比較装置１１、電圧検出器１２は同様に備えており、本駆動装置は第１実施例と同様に動作する。
本駆動装置では、スイッチング素子Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２に流れる電流が低減されるので、スイッチング素子を小型化できる。高圧電源６０は、共振形スイッチング電源等の回路を用いることにより、小形軽量高効率にすることができる。特に、複数の静電アクチュエータ作動部２を設けた場合、高圧電源６０を共通に使用することができるため、全体の装置が小形軽量化される。
図９（ａ）は、本発明の静電アクチュエータ駆動装置を利用した本発明の介助装置の実施例を示す構成図である。介助装置３０は、アーム３１に設けられた支持部３２と、アーム３１を駆動するリニア形の静電アクチュエータ作動部２と、本発明の静電アクチュエータ駆動装置１を備えており、電圧源３として電池を搭載している。アーム３１は、支柱３４に設けられた支点３３により回転可能に取り付けられており、静電アクチュエータ作動部２は、一端が支柱３４に他端がアーム３１に支点３５、３６により回転可能に取り付けられている。
また、介助装置３０は、支持部３２から使用者３７に働く作用力４１を検出する作用力検出器３８と、静電アクチュエータ駆動装置１に与える電圧指令を生成する介助制御装置３９とを備えており、使用者３７の脚力の障害に応じて体重の一部を支持することができる。
また、介助装置３０は車輪４０を備えており、移動が可能に構成されている。
本介助装置の動作を以下に説明する。図９（ｂ）は介助装置３０の制御ブロック図である。支持部３２から使用者３７に働く作用力４１を作用力検出器３８により検出する。ここで、上向きの作用力を正とする。介助制御装置３９において、減算器４５により作用力４１と作用力目標値４２との偏差を求め、乗算器４６によりゲインＫＶを乗じて、静電アクチュエータ作動部２に対する速度指令４３を生成する。ゲインＫＶの符号は，作用力４１が作用力目標値４２よりも小さい場合に、支持部３２を上向きに動かすように定める。さらに、乗算器４７により、速度指令４３に静電アクチュエータ作動部２の電極の配置により定まる定数ＫＦを乗じて、静電アクチュエータ作動部２を速度指令４３に従って動作させるための周波数指令４４を生成する。交流発生器４８は周波数指令４４に従って交流波形を生成し、電圧指令１０として静電アクチュエータ駆動装置１に供給する。これにより，静電アクチュエータ作動部２が速度指令４３に従って動作し、連動してアーム３１および支持部３２が動く。
上記の制御により、作用力４１が作用力目標値４２よりも小さい場合には支持部３２が上向きに動き、作用力４１が作用力目標値４２よりも大きい場合には支持部３２が下向きに動くので、作用力４１が作用力目標値４２に接近し、使用者３７を作用力目標値４２の力により支持することができる。
作用力目標値４２は使用者３７の脚力の障害の程度に応じて、体重の一部を支えるように定める。これにより、使用者３７の脚に加わる負担を軽減して、楽に歩行させることができ、同時に脚力の低下を防止できる。
静電アクチュエータ作動部２としては、小形軽量で大出力を発生可能な図３に示した積層形の構成を用いる。体重１００ｋｇまでの使用者３７の介助に対応するためには、最大１ｋＮの介助力が必要であるが、機構をコンパクトに構成するために、アームのてこ比は０．５から１０であることが望ましいので、静電アクチュエータ作動部の発生する最大推力は５００Ｎ〜１０ｋＮ以下であることが望ましい。
また、電圧源３に使用する電池としては、エネルギー密度の高い充放電可能な電池を使用することが望ましく、例えば鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などが使用できる。
本発明に係る介助装置のアクチュエータは、静電アクチュエータを使用しているので、パワー重量比（装置重量に対する出力）が大きく、小形軽量である。特に、リニア形の静電アクチュエータ作動部を用いてアームを回転駆動しているので、機構がコンパクトに構成される。
また、静電アクチュエータ駆動装置は、本発明の静電アクチュエータ駆動装置を利用しているので、小形軽量、省電力、高出力である。特に、立ち上がり立ち下がりや歩行の動作には、上下方向の往復運動が含まれるが、下向きに移動する際には電力が回生されるため、さらに省電力となる。またさらに、本発明の静電アクチュエータ駆動装置は、昇圧機能を備えているので、低電圧電源により動作する。効率が高く電力消費が小さく、電源電圧が低いため、電源に小形軽量の電池を用いて長時間使用できる。
上記のように、介助力発生のために必要な、アクチュエータ作動部、アクチュエータ駆動装置、電源の３要素がみな小形軽量化されるため、装置全体を小形軽量に構成できる。装置が小形軽量であり、電池を用いて外部電源の供給を受けずに長時間使用できるため、家庭内のような狭い場所や広い屋外など、多様な環境において自由に移動することが可能となる。
図１０は感電に対する安全性を高める構造を説明する断面図である。複数の固定子２０３および可動子２０４を備える積層形の静電アクチュエータ作動部２と静電アクチュエータ駆動装置１は共通の絶縁ケース５０に納められており、電圧源３に接続されている。静電アクチュエータ駆動装置１は、電圧源３から電力を供給され、静電アクチュエータ作動部２に駆動のための高電圧を印加する。
本発明に係る静電アクチュエータ駆動装置は昇圧機能を備えているため、電圧源３の電圧は低電圧にすることができ、高電圧印加部分が絶縁ケース内の最小限の範囲に納められているので、感電に対する高い安全性が得られる。本発明の静電アクチュエータ駆動装置は小形軽量であるため、本構成においても静電アクチュエータの小形軽量性は損なわれない。
なお、安全性のために電圧源３の電圧はＪＩＳ−Ｔ１００１に規定されている安全特別低電圧である直流６０Ｖ以下であることが望ましく、かつ電流消費を制限するために１２Ｖ以上であることが望ましい。
図１１は、電力平滑装置を備える静電アクチュエータのブロック図である。静電アクチュエータ作動部２に接続された静電アクチュエータ駆動装置１と電圧源３との間に、平滑コンデンサ５２と充放電制御装置５３を備える電力平滑装置５１が挿入されている。充放電制御装置５３は、平滑コンデンサ５２の電圧が所定の範囲に納まるように、電圧源３から平滑コンデンサ５２へ電力を供給し、あるいは平滑コンデンサ５２から電圧源３に電力を回生する。静電アクチュエータ駆動装置１は、電圧源の代わりに平滑コンデンサ５２から電力の供給を受け、余剰電力を平滑コンデンサ５２に回生する。
充放電制御装置５３は、例えば図４に示した２相の静電アクチュエータ駆動装置と同様の回路構成を利用し、負荷２０として平滑コンデンサ５２を接続することにより実現される。平滑コンデンサ５２としては、容量の大きい電解コンデンサや電気二重層コンデンサを使用することが望ましい。
電力平滑装置を挿入することにより、電圧源に流れる電流の最大値が減少するため、電圧源の負担が軽減される。また、電圧源に使用される電池に対する充放電の頻度が減少するためメモリー効果が防止され、電池の寿命が長くなる。また、高周波電流が減少し、電磁ノイズの発生が抑制されるため、周囲の電子回路の誤動作が防止され、安全性が高まる。
図１２は、複数の作動部を備える静電アクチュエータの２種類の構成の説明図である。図１２に示す構成では、複数の静電アクチュエータ作動部２に対し各々接続された複数の静電アクチュエータ駆動装置１が、複数の電力平滑装置５１に各々接続されており、それらは共通の電圧源３に接続されている。この構成では、高周波電流の流れる部分を最小の範囲に納めることができ、電磁ノイズの発生が低減される。一方、共通の電力平滑装置５１を設け、複数の静電アクチュエータ作動部２に対し各々接続された複数の静電アクチュエータ駆動装置１が、この共通の電力平滑装置５１に接続されるようにしてもよい。このような構成にすれば、電力平滑装置５１が１個で済むため、小形低コストの装置により、電圧源３の負担を軽減できる。
なお、本発明に係る静電アクチュエータ駆動装置は、静電アクチュエータ作動部の代わりに例えば圧電素子、超音波モータ等の容量性負荷に接続し、それらの駆動に適用することもできる。また、本発明の介助装置の構成は、例えばロボット、マニピュレータ等の機械装置へ適用することも可能である。
本発明に係る静電アクチュエータは、スイッチ群を制御することにより、変圧器の低電圧巻線と電圧源、あるいは高電圧巻線と静電アクチュエータ作動部を交互に電気的に接続しているので、容量性負荷である静電アクチュエータ作動部を高効率で駆動でき、同時に電圧を昇圧し高電圧を発生できる。また、静電アクチュエータ作動部に発生した余剰エネルギーを電圧源に回生でき、省電力である。スイッチング手段を高速に切り替えているので、小さい変圧器を用いて大電力を発生できる。変圧器が小さく、また大きな放熱板が不要なため、小形軽量でる。
静電アクチュエータ作動部の複数の相の電圧とそれに対応する電圧指令の偏差が最小の相から最大の相に向けて電流を印加しているので、静電アクチュエータ作動部の複数の相の電位差を電圧指令の電位差に高速に追随させることができる。
低電圧電源を用いており、駆動装置を静電アクチュエータ作動部と共通の絶縁ケースに納めているので、感電の危険性が低く安全である。
【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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