(57)【要約】  導電性高分子膜部（１０１，１５０１）と電極（１０４，１５０４）と電解質部（１０２，１５０２，１５１２）とを備えるアクチュエータ（８９）と、導電性高分子膜部と電極の間に電圧を印加したときに流れる電流の波形を検出することによりアクチュエータの変位量を検出し、検出した変位量に基づいて導電性高分子膜部に電圧を印加してアクチュエータの変位量を調整する。
2010023875.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性高分子膜部と、前記導電性高分子膜部に接する位置にある電解質部と、前記電解質部に接する位置にある電極とでアクチュエータ動作部を構成する導電性高分子アクチュエータにおいて、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で電圧を開放した後の所定のタイミングに、前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加するとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を取得し、取得した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を取得する変位量取得手段と、
前記変位量取得手段により取得された前記アクチュエータ動作部の変位量に基づいて、前記アクチュエータ動作部の前記変位量を調整する変位量調整手段とを備える、導電性高分子アクチュエータの制御装置。
【請求項２】
前記変位量取得手段は、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で電圧の印加を開始する場合に、ある波形の電圧を前記導電性高分子膜部と前記電極との間に印加したとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段で検出した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を算出する変位量算出部とを備える、請求項１に記載の導電性高分子アクチュエータの制御装置。
【請求項３】
前記変位量取得手段は、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で電圧を開放しているときに、ある一定時間ごとに、ある波形の電圧を前記導電性高分子膜部と前記電極との間に印加したとき前記導電性高分子膜部に流れる電流値を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段で検出した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を算出する変位量算出部とを備える、請求項１に記載の導電性高分子アクチュエータの制御装置。
【請求項４】
前記変位量取得手段は、電圧開放状態の継続時間が一定時間を越えたときに、その後の所定のタイミングで、前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加して、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を検出し、検出した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を取得する、請求項１に記載の導電性高分子アクチュエータの制御装置。
【請求項５】
導電性高分子膜部と、前記導電性高分子膜部に接する位置の電解質部と、前記電解質部に接する位置の電極とでアクチュエータ動作部を構成する導電性高分子アクチュエータと、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で電圧が開放された状態の時間を計測する開放時間計測部と、
前記開放時間計測部の計測時間が一定時間を越えた場合に、所定のタイミングで前記電圧印加手段が前記導電性高分子膜部と前記電極との間に、ある波形の電圧を印加するとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を取得し、取得した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を取得する変位量取得手段と、
前記変位量取得手段により取得された前記アクチュエータ動作部の変位量に基づいて前記アクチュエータ動作部の前記変位量を調整する変位量調整手段を備える、導電性高分子アクチュエータデバイス。
【請求項６】
前記変位量調整手段は、
前記変位量取得手段により取得された電流値を基に、電流値変位量変換テーブルに予め記憶されている変位量電荷量換算値を参照して前記アクチュエータの変位量を推定する変位量推定部と、
前記変位量推定部で推定された変位量と前記変位量の目標値との差を計算し、前記計算された変位量の差から目標電荷量を計算する目標電荷量計算部と、
前記目標電荷量計算部で計算した目標電荷量に基づき電圧を前記電圧印加装置により印加するように制御して前記アクチュエータの前記変位量を調整する印加制御部とを備える、請求項５に記載の導電性高分子アクチュエータデバイス。
【請求項７】
前記変位量推定部の前記目標電荷量計算部は、前記変位量取得手段により取得された電流値を積分することによって電荷量を計算する、請求項５に記載の導電性高分子アクチュエータデバイス。
【請求項８】
導電性高分子膜部と、前記導電性高分子膜部に接する位置にある電解質部と、前記電解質部に接する位置にある電極とでアクチュエータ動作部を構成する導電性高分子アクチュエータにおいて、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で電圧を開放した後の所定のタイミングに、前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加するとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を取得し、取得した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を変位量取得手段で取得し、
前記取得された前記アクチュエータ動作部の変位量と変位量の目標値との差を求めて、その差に基づく電圧を前記導電性高分子膜部と前記電極との間に印加して、前記アクチュエータの前記変位量を変位量調整手段で調整することを備える、導電性高分子アクチュエータの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気信号によって動作を行い、人工筋肉又は電子部品などに用いることのできる導電性高分子アクチュエータデバイス、導電性高分子アクチュエータの制御装置及び制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子を素材としたアクチュエータは、軽量、柔軟性、動作音がしないなどの特徴を有しており、人工筋肉又はマイクロデバイスの動作機構のデバイスとして期待されている。その中で、ポリピロール又はポリアニリンなどの導電性高分子を駆動材料として用いた電気化学的な伸縮によるデバイスは、生体の筋肉よりも発生エネルギーが大きくなる可能性があり、実用的なデバイス動作が可能な高分子アクチュエータデバイスとして提案されている。【０００３】
導電性高分子で構成されるアクチュエータの動作は、導電性高分子に電圧又は電流を印加することによって電解質からイオンを導電性高分子へドーピングしたり脱ドーピングしたりして導電性高分子を伸縮させてデバイスを駆動する変位を生じさせることにより行われる。【０００４】
このようなメカニズムで動作する導電性高分子で構成されるアクチュエータの特徴の１つとして、変位のメモリ性がある。すなわち、電圧印加によってイオンが導電性高分子に入り、伸縮による変位を生じた状態が電圧を切っても保持されている。この現象は、電位を印加しなければイオンは動きにくいため、逆バイアスの電位を加えないと導電性高分子内にあるイオンが導電性高分子の中から出ないからである。この特徴によって、アクチュエータの変位を保持するのにエネルギーが要らなくなり、省エネルギーの動作が可能になる。なお、電源とアクチュエータとで構成される回路の配線のいずれかの点を切断することを「電圧を切る」と表現するものとする。【０００５】
ここで、導電性高分子アクチュエータの制御精度を高めるためには、導電性高分子の変位状態すなわち長さの状態を正確に検知することが不可欠である。すなわち、導電性高分子の伸縮変化に伴う長さの変化を検出し、駆動部分の位置情報（変位）を検知しながら制御する必要がある。ところで、導電性高分子で構成されるアクチュエータは、制御電極に電圧を印加して上述のように変位を生じたときにメモリ性を有するという特徴がある。しかしながら、導電性高分子内に存在するイオンは抜けにくいが、若干量のイオンは導電性高分子内から抜けて緩和する傾向がある。そこで、駆動する印加電圧のみによって制御していると、変位量はその位置情報がずれるために、制御性の精度が低くなる。以上から、導電性高分子のアクチュエータを高精度に制御するためには、駆動する印加電圧以外の信号によって、導電性高分子の状態を検出する必要がある。【０００６】
この検出に関して、従来、導電性高分子の電気伝導度を検出することによって導電性高分子膜の長さを検出して制御を行っているものがある（特許文献１参照）。【０００７】
図２０は、特許文献１に記載される導電性高分子アクチュエータの構成を示す。
図２０において、導電性高分子で構成される導電性高分子膜部２４０１と対向電極部２４０４を高分子固体電解質層で構成される電解質部２４０２を介して対向したデバイス構成であり、導電性高分子膜部２４０１に接して内界検知電極２４０５を形成することによって、その導電性高分子膜部２４０１による変位状態の計測を行っている。【０００８】
制御電極２４０３と対向電極２４０４との間に電圧を印加することによってこのアクチュエータを動作させる。導電性高分子膜部２４０１と電解質部２４０２とは面接触している。すなわち、導電性高分子膜部２４０１が電解質部２４０２上に積層されている。【０００９】
図２０において、高分子アクチュエータデバイスは、制御電極２４０３と対向電極２４０４との間に駆動電気信号を印加することによって、電解質部２４０２に存在する可動性マイナスイオンが、導電性高分子膜部２４０１の導電性高分子膜に入って電気化学的に酸化反応することにより導電性高分子膜部２４０１を伸長させ、これによりアクチュエータを湾曲することができ、この変位によってアクチュエータが動作する。この際に、導電性高分子層で構成される導電性高分子膜部２４０１は、可動性イオンが酸化反応してドーピングされるため、電子伝導性が高くなる。この際に、導電性高分子の電気伝導度の変化を、一対の内界検知電極２４０５によって計測することで、電気的にアクチュエータ全体の変位状態をモニタする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−１２９５４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前記したように、導電性高分子で構成されるアクチュエータの制御の精度を高めるためには、アクチュエータの変位状態又は位置情報などを正確に検知することが不可欠である。すなわち、導電性高分子の伸縮状態による変位を検出し、駆動部分の変化量の情報を検知しながら制御する必要がある。導電性高分子で構成されるアクチュエータは、上述のように、導電性高分子に電圧を印加して変位を生じたあと、電圧を切っても導電性高分子内に存在するイオンは抜けにくく変位がほぼ一定に保たれるという特徴がある（メモリ性）。しかしながら、電圧を切った状態では若干量のイオンは導電性高分子内から抜けていくために、位置が少しずつ変化する傾向がある。このような場合には、駆動する印加電圧のみによって制御していると、変位量はその位置情報がずれるために、制御性の精度が低くなってしまうという課題がある。特に、導電性高分子アクチュエータにおいて、駆動電圧をオフした状態で長時間放置した後に、駆動電圧の印加を再開する場合には、駆動電圧をオフする前とは大きく異なる位置からアクチュエータの動作が再開されるので正確な制御が難しい。ここで、電源とアクチュエータとで構成される回路の配線のいずれかの点を切断することを「電圧をオフする」もしくは「電圧を切る」もしくは「電圧を開放する」と表現するものとする。【００１２】
特許文献１の構成においては、導電性高分子の長さの変化に伴う電気伝導度の変化を検出することにより、導電性高分子の長さと、それによるアクチュエータの駆動位置の変化とを検出する。しかしながら、この方法においては、内界検知電極を設ける必要があって、構成が複雑であるという問題がある。【００１３】
また、一部の導電性高分子においては、長さが変化した場合でも電気伝導度がほぼ一定に保たれるため、特許文献１の方法は適用できない。具体的には、プラスイオン（カチオン）が出入りすることによって導電性高分子が伸縮動作を行うアクチュエータ（以下、カチオン駆動型の導電性高分子アクチュエータ）においては、イオンの出入りによって導電性高分子の電気伝導度がほとんど変化しないものがある。このような場合、特許文献１の方法を適用できない。【００１４】
また、アニオン駆動型の導電性高分子アクチュエータにおいては、長さの変化に伴って電気伝導度が変化するので特許文献１の方法を適用可能であるが、イオンが導電性高分子から出たとき（脱ドープされたとき）に導電性高分子の抵抗が大きくなる。このため、導電性高分子におけるジュール熱によるエネルギーロスが大きい。導電性高分子におけるジュール熱を減少させるために特許文献１に示されるように金属からなる制御電極を設けることも可能であるが、構成が複雑であるという問題がある。【００１５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、導電性高分子アクチュエータを用いた電子デバイスにおいて、構成が簡単で制御性に優れた導電性高分子アクチュエータデバイス、導電性高分子アクチュエータの制御装置及び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】
【００１６】
前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。【００１７】
本発明の第１態様によれば、導電性高分子膜部と、前記導電性高分子膜部に接する位置にある電解質部と、前記電解質部に接する位置にある電極とでアクチュエータ動作部を構成する導電性高分子アクチュエータにおいて、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で電圧を開放した後の所定のタイミングに、前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加するとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を取得し、取得した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を取得する変位量取得手段と、
前記変位量取得手段により取得された前記アクチュエータ動作部の変位量に基づいて、前記アクチュエータ動作部の前記変位量を調整する変位量調整手段とを備える、導電性高分子アクチュエータの制御装置を提供する。【００１８】
本発明の第５態様によれば、導電性高分子膜部と、前記導電性高分子膜部に接する位置の電解質部と、前記電解質部に接する位置の電極とでアクチュエータ動作部を構成する導電性高分子アクチュエータと、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で電圧が開放された状態の時間を計測する開放時間計測部と、
前記開放時間計測部の計測時間が一定時間を越えた場合に、所定のタイミングで前記電圧印加手段が前記導電性高分子膜部と前記電極との間に、ある波形の電圧を印加するとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を取得し、取得した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を取得する変位量取得手段と、
前記変位量取得手段により取得された前記アクチュエータ動作部の変位量に基づいて前記アクチュエータ動作部の前記変位量を調整する変位量調整手段とを備える、導電性高分子アクチュエータデバイスを提供する。【００１９】
本発明の第８態様によれば、導電性高分子膜部と、前記導電性高分子膜部に接する位置にある電解質部と、前記電解質部に接する位置にある電極とでアクチュエータ動作部を構成する導電性高分子アクチュエータにおいて、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で電圧を開放した後の所定のタイミングに、前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加するとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を取得し、取得した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を変位量取得手段で取得し、
前記取得された前記アクチュエータ動作部の変位量と変位量の目標値との差を求めて、その差に基づく電圧を前記導電性高分子膜部と前記電極との間に印加して、前記アクチュエータの前記変位量を変位量調整手段で調整することを備える、導電性高分子アクチュエータの制御方法を提供する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の導電性高分子アクチュエータ、導電性高分子アクチュエータデバイス、及び制御方法においては、簡易な構成で導電性高分子アクチュエータの変位を検出して、その結果を用いて変位を目標値に正確に調整することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
【図１】図１は、本発明の第１実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータの断面模式図を含む導電性高分子アクチュエータデバイスの図であり、
【図２Ａ】図２Ａは、前記第１実施形態にかかる前記導電性高分子アクチュエータの動作原理を示す図であり、
【図２Ｂ】図２Ｂは、前記第１実施形態にかかる前記導電性高分子アクチュエータの動作原理を示す図であり、
【図３】図３は、前記第１実施形態にかかる前記導電性高分子アクチュエータデバイスの動作特性を示す図であり、
【図４Ａ】図４Ａは、前記第１実施形態にかかる前記導電性高分子アクチュエータにおいて、駆動電圧と、アクチュエータの変位量と、電流と、電流平均値とのそれぞれと、時間との関係を模式的に示した図であり、
【図４Ｂ】図４Ｂは、前記第１実施形態にかかる前記導電性高分子アクチュエータにおいて、伸縮の中心位置と時間との関係を模式的に示した図であり、
【図５】図５は、導電性高分子アクチュエータを伸縮させるときの、伸縮の中心位置と電流平均値とのおおよその関係を模式的に示した図であり、
【図６Ａ】図６Ａは、導電性高分子アクチュエータが伸縮動作を繰り返すときに徐々に伸張方向に変位する場合の動作例を示す図であり、
【図６Ｂ】図６Ｂは、導電性高分子アクチュエータが伸縮動作を繰り返すときに徐々に伸張方向に変位する場合の動作例を示す図であり、
【図７】図７は、駆動電圧波形の例として、矩形波において正の電圧を印加する時間を長くした場合を示す図であり、
【図８Ａ】図８Ａは、導電性高分子アクチュエータが伸縮動作を繰り返すときに徐々に収縮方向に変位する場合の動作例を示す図であり、
【図８Ｂ】図８Ｂは、導電性高分子アクチュエータが伸縮動作を繰り返すときに徐々に収縮方向に変位する場合の動作例を示す図であり、
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の前記第１実施形態における導電性高分子アクチュエータの制御方法の例を示すフローチャートであり、
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明の前記第１実施形態における導電性高分子アクチュエータの制御部の詳細な構成を示す図であり、
【図１０】図１０は、前記第１実施形態における、駆動電圧と、アクチュエータの変位量と、電流値との時間的変化の例を示す図であり、
【図１１】図１１は、本発明の前記第１実施形態において制御電極に印加する信号波形の電圧と時間との関係の例を示す図であり、
【図１２】図１２は、本発明の前記第１実施形態においてアクチュエータの変位を目標値に保つために一定時間ごとに第１ステップＳ１から第７ステップＳ７の方法を行う方法の例を示す図であり、
【図１３】図１３は、導電性高分子アクチュエータにおいて、電圧を開放したときの変位の時間的変化の様子を示す図であり、
【図１４】図１４は、導電性高分子アクチュエータにおいて、流れる電荷量とアクチュエータの変位と電流とのそれぞれと、時間との関係を模式的に示した図であり、
【図１５】図１５は、導電性高分子アクチュエータにおいて、変位変化ｒ（ｔ）と電荷量Ｑ（ｔ）との関係の概要を示す図であり、
【図１６Ａ】図１６Ａは、本発明の第２実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータの制御方法において直動方向に動作を行う導電性高分子アクチュエータデバイスの１つの例の構成図であり、
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、本発明の前記第２実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータの制御方法において直動方向に動作を行う導電性高分子アクチュエータデバイスの別の例の構成図であり、
【図１６Ｃ】図１６Ｃは、本発明の前記第２実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータの制御方法において直動方向に動作を行う導電性高分子アクチュエータデバイスのさらに別の例の構成図であり、
【図１７】図１７は、本発明の前記第２実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータデバイスの制御部の詳細な構成を示す図であり、
【図１８】図１８は、直動型の導電性高分子アクチュエータの基本実験を行う装置の構成を示す図であり、
【図１９】図１９は、カチオン駆動型のアクチュエータにおける駆動電圧と変位と電流と電流平均値とのそれぞれと、時間との関係を示す図であり、
【図２０】図２０は、従来技術における導電性高分子アクチュエータの構成を示す図であり、
【図２１Ａ】図２１Ａは、本発明の一実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータの構成例を簡略に示した図であり、
【図２１Ｂ】図２１Ｂは、図２１Ａの本発明の前記実施形態にかかる前記導電性高分子アクチュエータの構成例において、スイッチを開放した状態での簡略図であり、
【図２２Ａ】図２２Ａは、本発明の一実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータの構成例を簡略に示した図であり、
【図２２Ｂ】図２２Ｂは、図２２Ａの本発明の前記実施形態にかかる前記導電性高分子アクチュエータの構成例において、２つのスイッチを切り替えた状態での簡略図であり、
【図２３】図２３は、本発明の別の実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータの構成例を簡略に示した図であり、
【図２４】図２４は、本発明の別の実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータにおいて、開放時間計測部を利用する別の制御方法を行う場合のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２３】
以下、図面を参照して本発明における実施形態を詳細に説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。
【００２４】
本発明の第１態様によれば、導電性高分子膜部と、前記導電性高分子膜部に接する位置にある電解質部と、前記電解質部に接する位置にある電極とでアクチュエータ動作部を構成する導電性高分子アクチュエータにおいて、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で電圧を開放した後の所定のタイミングに、前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加するとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を取得し、取得した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を取得する変位量取得手段と、
前記変位量取得手段により取得された前記アクチュエータ動作部の変位量に基づいて、前記アクチュエータ動作部の前記変位量を調整する変位量調整手段とを備える、導電性高分子アクチュエータの制御装置を提供する。
【００２５】
本発明の第２態様によれば、前記変位量取得手段は、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で電圧の印加を開始する場合に、ある波形の電圧を前記導電性高分子膜部と前記電極との間に印加したとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段で検出した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を算出する変位量算出部とを備える、第１の態様に記載の導電性高分子アクチュエータの制御装置を提供する。
【００２６】
本発明の第３態様によれば、前記変位量取得手段は、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で電圧を開放しているときに、ある一定時間ごとに、ある波形の電圧を前記導電性高分子膜部と前記電極との間に印加したとき前記導電性高分子膜部に流れる電流値を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段で検出した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を算出する変位量算出部とを備える、第１の態様に記載の導電性高分子アクチュエータの制御装置を提供する。
【００２７】
本発明の第４態様によれば、前記変位量取得手段は、電圧開放状態の継続時間が一定時間を越えたときに、その後の所定のタイミングで、前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加して、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を検出し、検出した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を取得する、第１の態様に記載の導電性高分子アクチュエータの制御装置を提供する。
【００２８】
本発明の第５態様によれば、導電性高分子膜部と、前記導電性高分子膜部に接する位置の電解質部と、前記電解質部に接する位置の電極とでアクチュエータ動作部を構成する導電性高分子アクチュエータと、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で電圧が開放された状態の時間を計測する開放時間計測部と、
前記開放時間計測部の計測時間が一定時間を越えた場合に、所定のタイミングで前記電圧印加手段が前記導電性高分子膜部と前記電極との間に、ある波形の電圧を印加するとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を取得し、取得した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を取得する変位量取得手段と、
前記変位量取得手段により取得された前記アクチュエータ動作部の変位量に基づいて前記アクチュエータ動作部の前記変位量を調整する変位量調整手段とを備える、導電性高分子アクチュエータデバイスを提供する。
【００２９】
本発明の第６態様によれば、前記変位量調整手段は、
前記変位量取得手段により取得された電流値を基に、電流値変位量変換テーブルに予め記憶されている変位量電荷量換算値を参照して前記アクチュエータの変位量を推定する変位量推定部と、
前記変位量推定部で推定された変位量と前記変位量の目標値との差を計算し、前記計算された変位量の差から目標電荷量を計算する目標電荷量計算部と、
前記目標電荷量計算部で計算した目標電荷量に基づき電圧を前記電圧印加装置により印加するように制御して前記アクチュエータの前記変位量を調整する印加制御部とを備える、第５の態様に記載の導電性高分子アクチュエータデバイスを提供する。
【００３０】
本発明の第７態様によれば、前記変位量推定部の前記目標電荷量計算部は、前記変位量取得手段により取得された電流値を積分することによって電荷量を計算する、第５の態様に記載の導電性高分子アクチュエータデバイス。
【００３１】
本発明の第８態様によれば、導電性高分子膜部と、前記導電性高分子膜部に接する位置にある電解質部と、前記電解質部に接する位置にある電極とでアクチュエータ動作部を構成する導電性高分子アクチュエータにおいて、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で電圧を開放した後の所定のタイミングに、前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加するとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を取得し、取得した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を変位量取得手段で取得し、
前記取得された前記アクチュエータ動作部の変位量と変位量の目標値との差を求めて、その差に基づく電圧を前記導電性高分子膜部と前記電極との間に印加して、前記アクチュエータの前記変位量を変位量調整手段で調整することを備える、導電性高分子アクチュエータの制御方法を提供する。
【００３２】
以下、図を用いて説明するが、本願発明はこれらの実施様態に限定されるものではない。
【００３３】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータデバイス及び導電性高分子アクチュエータの制御方法について説明する。
【００３４】
＜アクチュエータの全体構成＞
図１は、本発明の第１実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータの制御方法を行うアクチュエータデバイスの図であって、前記アクチュエータの断面模式図を含んでいる。
【００３５】
図１のアクチュエータデバイスは、導電性高分子膜部１０１と、電解質部１０２と、制御電極１０３と、対向電極部１０４と、電流測定部９１と、制御部９２と、電圧印加手段の一例としての電源９３とを備えている。制御電極１０３と、導電性高分子膜部１０１と、電解質部１０２と、対向電極部１０４とが、この順に積層されてアクチュエータ動作部９０を構成している。すなわち、アクチュエータデバイスは、導電性高分子膜部１０１と対向電極部１０４とを、高分子固体電解質層で構成される電解質部１０２を介して対向した構成を含む。一般的に、導電性高分子を用いたアクチュエータは、導電性高分子と接触する電解質と、電解質と接する電極とを含んだ構成であり、導電性高分子と電極との間で電圧を印加して導電性高分子に対するイオンの出入りを発生させることによって動作を行う。図１の例では、導電性高分子膜と対向電極との間で電圧を印加することによって動作を行うが、後で説明するように、対向電極及び参照電極を配置して、導電性高分子と参照電極との間で電圧を印加する方法もある。また、対向電極を複数配置する方法も考えられる。さらに、図１の例では、導電性高分子膜に接する位置に制御電極を配置するが、導電性高分子の導電率が充分に高い場合には、制御電極を配置しない構成も考えられる。
【００３６】
また、図２３に示したように、アクチュエータ動作部９０Ａ内に、動作電極として機能する導電性高分子膜部１０１と、対向電極部１０４と、参照電極１１９とを配置して、ポテンショスタット装置（図においてはＰ．Ｓ．と表示）９３Ｄに接続して、アクチュエータを動作させることも可能である。動作電極（導電性高分子膜部１０１）と参照電極１１９と対向電極１０４とのいずれの電極も、電解質部１０２と接する位置に配置する。動作電極（導電性高分子膜部１０１）と参照電極１１９と対向電極１０４とを用いる構成は、電気化学の分野で一般的に使用される構成であり、詳しい説明は省略する。動作電極（導電性高分子膜部１０１）と参照電極１１９と対向電極１０４とを用いる構成においては、動作電極（導電性高分子膜部１０１）と参照電極１１９との間にポテンショスタット装置９３Ｄにより電圧を印加することによってアクチュエータを動作させることが可能である。
【００３７】
電流測定部９１は、電源９３と制御電極１０３との間に流れる電流を計測する。
制御部９２は、電流測定部９１の測定結果に基づき、電源９３の電圧を制御する。
【００３８】
電流測定部９１と制御部９２との働きは、後で詳しく説明する。
【００３９】
導電性高分子膜部１０１と電解質部１０２と制御電極１０３と対向電極部１０４とからアクチュエータ動作部９０が構成され、後述するように、導電性高分子膜部１０１と対向電極部１０４との間に電圧を印加することによって、このアクチュエータ動作部９０を動作させる。図１から明らかなように、導電性高分子膜部１０１と電解質部１０２とは面接触している。すなわち、導電性高分子膜部１０１が電解質部１０２上に積層されている。また、図１の例では、導電性高分子膜部１０１は制御電極１０３と接しており、制御電極１０３と対向電極部１０４との間に電圧を印加することにより、間接的に、導電性高分子膜部１０１と対向電極部１０４との間に電圧を印加する。上述のように、制御電極１０３を省略した構成も考えることができて、この場合には、導電性高分子膜部１０１と対向電極部１０４との間に直接、電圧を印加することが可能である。
【００４０】
＜アクチュエータ動作部９０を構成する各部の材料構成＞
導電性高分子膜部１０１は、例えば、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリン及びその誘導体、又は、それらの共重合体を含む材料の導電性高分子膜で形成される。導電性高分子膜部１０１としては、特に、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリＮ−メチルピロール、ポリ３−メチルチオフェン、ポリ３−メトキシチオフェン、及び、ポリ３，４−エチレンジオキシチオフェン、又は、これらから選ばれる１種類又は２種類で構成される（共）重合体の導電性高分子膜が好ましい。
【００４１】
これらの導電性高分子膜は、例えば六フッ化リン酸イオン（ＰＦ６−）、ｐ−フェノールスルホン酸イオン（ＰＰＳ）、ドデシルベンゼンスルホン酸イオン（ＤＢＳ）、又は、ポリスチレンスルホン酸イオン（ＰＳＳ）などの負イオン（アニオン）をドーピングした状態で使用する。
【００４２】
例えば、導電性高分子膜部１０１は、電解重合されたポリピロール層（約５μｍ厚さ）で構成され、電解質部１０２は、ヘキサフルオロリン酸ナトリウムを１０重量％溶解したポリエチレンオキシドを主成分とした高分子固体電解質層（約１０μｍ厚さ）で構成され、制御電極１０３及び対向電極部１０４はそれぞれ金電極で構成され、アクチュエータ動作部９０はこれらの積層体で構成される。
【００４３】
導電性高分子膜部１０１の膜厚は、例えば約１μｍ〜約１００μmの範囲に含まれておればよく、特に約５μｍ〜約２０μｍの範囲が望ましい。これらの導電性高分子膜部１０１は、化学重合又は電解重合で合成した後、必要な場合、成型の処理を行うことによって作製可能である。導電性高分子膜部１０１の膜厚が１μｍより小さい場合は、膜の機械強度が小さいために、アクチュエータの組み立てを行うことが難しい。また、導電性高分子膜部１０１の膜厚が１００μｍより大きい場合は、膜の表面近傍でしかイオンの出入りが発生しないために、導電性高分子膜部１０１の電界伸縮量が小さいという問題がある。
【００４４】
＜導電性高分子アクチュエータの動作原理＞
一般的に、導電性高分子膜を用いたアクチュエータは、導電性高分子（導電性ポリマー）に対して、アニオン（陰イオン）若しくはカチオン（陽イオン）がドーピング又はアンドープされることに伴う膨脹収縮変形によって変形動作を行う。
【００４５】
例えば、導電性ポリマーとして、ポリフェノールスルホン酸（ＰＰＳ）水溶液中で電解重合したポリピロールを用い、これを六フッ化リン酸ナトリウムＮａ（ＮａＰＦ６）の水溶液中で動作させる場合などの、ある種の材料系では、アニオンのドープ、及び、脱ドープが主たる変形のメカニズムとされる。また、例えば、導電性ポリマーとして、六フッ化リン酸テトラブチルアンモニウム（ＴＢＡ・ＰＦ６）のプロピレンカーボネート（ＰＣ）溶液中で電解重合したポリピロールを用い、これをイオン性液体であるエチルメチルイミダゾリウム・トリフロロメタンスルフォニルイミド（ＥＭＩ・ＴＦＳＩ）中で動作させる場合などの、別の材料系では、カチオンのドープ、及び、脱ドープが主たる変形のメカニズムとされる。
【００４６】
アニオンのドープ、及び、脱ドープが主たる変形のメカニズムである場合、アニオンが脱ドープされた状態では導電性高分子膜の導電性が低下する。このため、導電性高分子アクチュエータを効率良く動作させるためには、特許文献１に示されているように導電性高分子膜に駆動電圧を印加する制御電極などを設ける必要がある。これに対して、カチオンのドープ、及び、脱ドープが主たる変形のメカニズムである場合、カチオンが脱ドープされた状態においても導電性高分子膜は比較的高い導電性を保つために、導電性高分子膜に駆動電圧を直接印加することが可能である。この第１実施形態においては、アニオンのドープ、及び、脱ドープが主たる変形のメカニズムである場合について以下に説明する。
【００４７】
まず、図１の導電性高分子アクチュエータの動作原理について、図２Ａ及び図２Ｂを用いて以下に説明する。
【００４８】
図２Ａに示すように、導電性高分子膜部１０１と対向電極部１０４との間に、制御部９２の制御の下に電源９３から正の値の駆動電圧を印加することによって、電解質部１０２に存在する可動性マイナスイオン（可動性アニオン）１５０が、導電性高分子膜部１０１の導電性高分子膜の外から中に入る方向に移動する。そして、可動性アニオン１５０と導電性高分子膜とが酸化反応することにより導電性高分子膜部１０１を伸張させ、これによりアクチュエータ動作部９０が湾曲する。
【００４９】
これとは逆に、図２Ｂに示すように、導電性高分子膜部１０１と制御電極１０３との間に、制御部９２の制御の下に電源９３から負の電圧を印加した場合には、電解質部１０２に存在する可動性マイナスイオン（可動性アニオン）１５０は、導電性高分子膜部１０１の導電性高分子膜の中から外に出てくる方向に移動する。そして、可動性アニオン１５０と導電性高分子膜が還元反応することにより導電性高分子膜部１０１を収縮させ、これによりアクチュエータ動作部９０はほぼ直線状態になる。
【００５０】
なお、前記説明において、駆動電気信号は、対向電極部１０４を基準としたときの導電性高分子膜部１０１に加える電圧を意味するものとする。導電性高分子膜が伸縮する理由としては、導電性高分子膜内へ嵩高いイオンが出入りするのが主な理由と考えられている。
【００５１】
＜導電性高分子アクチュエータの一般的な動作特性＞
図３に、図１の構成の導電性高分子アクチュエータの動作特性を示す。
【００５２】
図３では、制御電極１０３と対向電極部１０４との間に駆動電気信号として電圧を一定時間加えた場合における信号パターン（図３の（ａ）参照）と、アクチュエータ動作部９０の先端部の変位量をレーザ変位計を用いて計測した結果（図３の（ｂ）参照）を表している。また、図３の（ｃ）では、正の電圧印加前のアクチュエータ動作部９０の外形Ｉ、正の電圧印加停止直後で負の電圧印加前のアクチュエータ動作部９０の外形ＩＩ、負の電圧印加停止後のアクチュエータ動作部９０の外形ＩＩＩを模式的に示している。
【００５３】
導電性高分子アクチュエータにおいては一般的に、図３の（ｂ）及び（ｃ）のＩＩに示したように駆動電圧をオフしても変位量が保持される特性（メモリ性）を有する。しかし、時間と共に変位は少しずつ変化しており、駆動電圧だけでは変位量を正確に制御することができないことがわかる。例えば、周期的な駆動電圧を印加することによって繰り返し伸縮動作を行う場合には振幅と振動中心が時間とともに変化するので、加える駆動電圧だけから伸縮動作の振幅と振動中心を正確に制御することはできない。また、駆動電圧をオフした状態で長時間放置した後に駆動電圧の印加を再開する場合には、駆動電圧をオフする前とは大きく異なる位置から動作が再開されるので、この場合も加える駆動電圧だけから変位の制御を行うことは難しい。
【００５４】
ここで、電源とアクチュエータ動作部９０とで構成される回路の配線のいずれかの点を切断することを「電圧をオフする」もしくは「電圧を切る」もしくは「電圧を開放する」と表現するものとする。
【００５５】
図２１Ａ）は本発明の一実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータの構成例を簡略に示した図である。図２１Ａに示すように、導電性高分子膜部１０１と電解質部１０２と制御電極１０３と対向電極部１０４とから構成されるアクチュエータ動作部９０が可変電源９３Ａにスイッチ９３Ｂを介して接続されている。この状態で可変電源９３Ａの電源電圧を変化させることによってアクチュエータを動作させることができる。図２１Ｂの状態では、可変電源９３Ａとアクチュエータ動作部９０の間のスイッチ９３Ｂが開放されている。上記のように、この状態を、「電圧をオフする」もしくは「電圧を切る」もしくは「電圧を開放する」と表現するものとする。
【００５６】
また、図２２Ａは本発明の一実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータの別の構成例を簡略に示した図である。図２２Ａに示すように、アクチュエータ動作部９０が可変電源９３Ａにスイッチ９３Ｂを介して接続されており、さらに制御電極１０３と対向電極部１０４との間がスイッチ９３Ｃを持つ配線で接続されている。図２２Ａの状態では、アクチュエータ動作部９０と可変電源９３Ａの間のスイッチ９３Ｂは接続された状態であり、制御電極１０３と対向電極部１０４との間のスイッチ９３Ｃは開放された状態であり、この状態で可変電源９３Ａの電源電圧を変化させることによってアクチュエータを動作させることができる。図２２Ｂの状態では、可変電源９３Ａとアクチュエータ動作部９０の間のスイッチ９３Ｂが開放されており、さらに、制御電極１０３と対向電極部１０４との間のスイッチ９３Ｃは接続された状態であり、上記のように、この状態も、「電圧がオフである」もしくは「電圧が切られている」もしくは「電圧が開放されている」状態の一例と考えることができる。
【００５７】
なお、図２１Ａの状態でアクチュエータを動作させた後に図２１Ｂの状態に遷移させると、イオンの分布はしばらくの間はほぼ同じ保持されるために変位もほぼ一定に保たれるが、少量のリーク電流がアクチュエータ動作部９０内を流れることによって変位は徐々に変化する。
【００５８】
また、図２２Ａの状態でアクチュエータを動作させた後に図２２Ｂの状態に遷移させると、イオンの分布は変化して長時間経過すると一定の分布に安定する。これに伴い、時間ともにアクチュエータ動作部９０の変位も変化して長時間経過すると一定の変位の値で安定する。
【００５９】
＜新たに見い出した導電性高分子アクチュエータの動作特性＞
これに対して、本発明者は、導電性高分子アクチュエータを駆動するときの電流と変位との間に成り立つ関係を新たに見い出している。本発明は、この関係を用いて導電性高分子アクチュエータの変位の制御を行う。
【００６０】
図４Ａは、前記図1の導電性高分子アクチュエータにおいて、制御電極１０３に加える電圧（対向電極部１０４を電圧の基準とする。これを駆動電圧と呼ぶ。）と、アクチュエータ動作部９０の変位量と、制御電極１０３に流れる電流との関係を模式的に示した模式図である。ここで、図１に示したように電源に対して制御電極１０３と導電性高分子膜部１０１は直列に接続されているので、制御電極１０３に流れる電流は、導電性高分子膜部１０１に流れる電流に等しい。ここで、導電性高分子膜部１０１に流れる電流は、外部から見て導電性高分子膜部１０１を通過する電流を意味するものとする。この実験においては、±１．５Ｖの矩形波を０．５Ｈｚの周波数で制御電極１０３と対向電極１０４との間に印加した。図４Ａの（ｄ）は、ある一定時間ごとに電流値の絶対値の平均値を計算して、その値を滑らかにつないだものである。ここで、電流値の絶対値の平均値を求める方法としては、例えば、駆動電圧の周期時間である２秒ごとに平均値を求める方法が考えられる。ただし、図４Ａの時刻ｔ０においては、印加開始後、１０００回以上の伸縮動作をアクチュエータ動作部９０において行い、アクチュエータ動作部９０の伸縮動作が十分に安定している。この状態においては、振動の中心は正の位置にある。また、このとき、アクチュエータに流れる電流値の絶対値の平均値は約３０ｍＡであった。また、駆動電圧の１周期間における電流の最大値は約１００ｍＡであった。ここで、アクチュエータに流れる電流は、外部から見て導電性高分子膜部１０１を通過する電流を意味するものとする。時刻ｔ１においてアクチュエータに対する電圧の印加を停止して、時刻ｔ２において、再び電圧の印加をアクチュエータに行った。ここで、アクチュエータへの電圧の印加は、制御電極１０３と対向電極１０４との間に電圧を印加することを意味するものとする。ただし、制御電極と対向電極との間に電圧を印加した場合には、間接的に導電性高分子膜部と対向電極との間に電圧が印加される。このため、アクチュエータへの電圧の印加は、導電性高分子膜部と対向電極との間に電圧を印加することであると言い換えることができる。また、本発明のアクチュエータとしては、制御電極を含まない構成も考えることができて、この場合は、アクチュエータへの電圧印加は導電性高分子膜部と対向電極との間に電圧を印加することを意味するものとする。また、本発明のアクチュエータとして、参照電極を含む構成を考えることができて、この場合は、アクチュエータへの電圧印加は導電性高分子膜部と参照電極との間に電圧を印加することを意味するものとする。また、本発明のアクチュエータとして、参照電極と制御電極の両方を含む構成を考えることもできて、この場合は、アクチュエータへの電圧印加は制御電極と参照電極との間に電圧を印加することを意味するものとする。ただし、この場合には、制御電極と参照電極との間に電圧を印加したときには、間接的に導電性高分子膜部と参照電極との間に電圧が印加される。このため、参照電極と制御電極の両方を含む場合には、アクチュエータへの電圧の印加は、導電性高分子膜部と参照電極との間に電圧を印加することであると言い換えることができる。図４Ａの例においては、時刻ｔ１と時刻ｔ２との間の時間は１時間である。図４Ａから、アクチュエータへの電圧印加を停止した状態に比べて、アクチュエータへの電圧印加を再開したときには、アクチュエータ動作部９０が負の方向に変位していることがわかる。また、アクチュエータへの電圧印加を再開してから、アクチュエータ動作部９０の振幅は電圧印加停止前よりも減少しており、電流値の絶対値の平均値も約２５ｍＡと減少していた。また、駆動電圧の１周期間における電流の最大値は約８０ｍＡであった。この後、振幅は徐々に大きくなって振動の中心の位置は正の方向に徐々に移動する。このとき、アクチュエータに流れる電流は振幅の増加と共に大きくなり、時刻ｔ３において電流の絶対値の平均値は約３０ｍＡに回復した。また、時刻ｔ３における駆動電圧の１周期間における電流の最大値は約１００ｍＡであった。図４Ｂは、アクチュエータ動作部９０が伸縮動作をするときに伸縮の中心位置が時間と共にどのように変化するかを示した図である。また、図５は、図４Ａの（ｄ）と図４Ｂの関係から求めた、アクチュエータ動作部９０の伸縮の中心位置と電流平均値とのおおよその関係を模式的に示した図である。
【００６１】
図５に示されるように、アクチュエータ動作部９０が伸縮動作を行うときの伸縮の中心位置と電流平均値との間には、およそ１対１に対応する関係があることが本実験によって新たにわかった。すなわち、この第１実施形態の導電性高分子アクチュエータの例においては、アクチュエータ動作部９０が伸縮動作を行う場合、振動の中心の位置が正の方向に移動したときには、アクチュエータ動作部９０の伸縮動作の振幅は大きくなり、そのとき、アクチュエータに流れる電流も大きくなる関係がある。
【００６２】
前記の関係を用いれば、例えば矩形波などに代表される一定の波形を持つ電圧信号をアクチュエータに印加したときにアクチュエータに流れる電流値を計測することによって、アクチュエータ動作部９０の変位（アクチュエータ動作部９０の固定点からの絶対的な変位量）を検出することが可能である。また、この方法によって検出したアクチュエータの変位をフィードバックすれば、導電性高分子アクチュエータの変位を正確に制御できることがわかる。ここで、上記の一部の説明においては、アクチュエータ動作部９０の変位を単にアクチュエータの変位と表現した。
【００６３】
ただし、前記説明において、アクチュエータ動作部の変位について正の方向は導電性高分子膜部１０１が伸張する方向であるものと定義する。
【００６４】
＜導電性高分子アクチュエータにおける、変位と振幅と電流値との間の関係に関する考察＞
以下では、導電性高分子アクチュエータにおける、変位と、振幅の大きさと、電流値との間に前記の関係が成立する理由について図を用いて考察する。図６Ａ及び図６Ｂは、一般的な導電性高分子アクチュエータにおいて、導電性高分子膜部が伸縮動作を繰り返すときに、導電性高分子アクチュエータの導電性高分子膜部が伸張する方向に徐々に変位する場合の動作例を示す。
【００６５】
導電性高分子アクチュエータにおいては、一般的に、電解液１５０Ｂ（図１では電解質部１０２に相当。）から導電性高分子膜部１０１へのイオン１５０Ａの出入りによって伸縮動作が行われると考えられている。初期状態においては、図６Ａに示すように、導電性高分子膜部１０１の収縮状態において導電性高分子膜部１０１内に存在するイオン１５０Ａの数が比較的少ないが、導電性高分子アクチュエータが長時間伸縮を繰り返すと導電性高分子膜部１０１内にイオン１５０Ａが徐々に取り残されて、図６Ｂに示すように、導電性高分子膜部１０１の収縮状態において導電性高分子膜部１０１内に存在するイオン１５０Ａの数が比較的多くなると考えられる。この結果、導電性高分子アクチュエータが長時間伸縮を繰り返すと、導電性高分子膜部１０１が徐々に伸張する現象が生じると考えられる。さらに、図６Ｂの状態では、図６Ａの状態と比較して、導電性高分子膜部１０１が伸張した状態であるので、導電性高分子膜部１０１を形成する高分子鎖のネットワーク構造の隙間が大きくなっており、イオン１５０Ａの出入りが生じやすいものと考えられる。この結果、導電性高分子アクチュエータが長時間伸縮を繰り返すと、イオン１５０Ａの出入りの量が大きくなって、これに伴い、導電性高分子膜部１０１の伸縮動作の振幅及び電流値が大きくなるものと推察される。
【００６６】
なお、図６Ａ及び図６Ｂの説明ではカチオン（正イオン）１５０Ａが出入りを行うことによって伸縮動作が行われるカチオン駆動型の導電性高分子アクチュエータについて説明したが、アニオン駆動型の導電性高分子アクチュエータについても同様の考察が成り立つ。また、図６Ａ及び図６Ｂの説明においては、電源９３を開放して伸縮動作を停止した状態で長時間放置した状態を初期状態として伸縮動作を開始する場合を考えている。
【００６７】
図６Ａ及び図６Ｂにおいては、伸縮動作を繰り返すと、イオン１５０Ａが導電性高分子膜部１０１内に取り残されて徐々に伸張する場合を考えているが、駆動電圧の加え方を変えた場合又は他の材料を用いた場合においては、アクチュエータに伸縮動作を繰り返すと、導電性高分子膜部１０１が徐々に収縮する場合も考えられる。たとえば、駆動電圧波形の例として、図７に示すように、矩形波において正の電圧をアクチュエータに印加する時間を長くした場合を考えると、伸縮動作を繰り返すと、導電性高分子膜部１０１が徐々に収縮する。この場合、導電性高分子膜部１０１に正の電圧を長時間加えるので、導電性高分子膜部１０１から多量のカチオンが抜け出て導電性高分子膜部１０１の収縮量は大きくなり、導電性高分子膜部１０１に負の電圧を短時間しか加えないので、導電性高分子膜部１０１に少量のカチオンしか入り込まないので導電性高分子膜部１０１の伸張量が小さくなると考えられる。結果として、導電性高分子膜部１０１が伸縮動作を繰り返すと、導電性高分子膜部１０１が徐々に収縮すると考えられる。ただし、ここでは、カチオン駆動型の導電性高分子アクチュエータを考えている。
【００６８】
図８Ａ及び図８Ｂは、導電性高分子アクチュエータが伸縮動作を繰り返すときに導電性高分子膜部１０１が収縮方向に徐々に変位する場合の動作例を示す。初期状態においては、図８Ａの状態で伸縮を行うが、伸縮動作を長時間続けるとイオン１５０Ａが導電性高分子膜部１０１から抜け出ており、図８Ｂに示すような収縮状態及び伸張状態における導電性高分子膜部１０１内のイオン１５０Ａの数は、図８Ａに比べて、少なくなっていると考えられる。この結果、導電性高分子膜部１０１は収縮すると考えられる。この状態においては、導電性高分子膜部１０１を形成する高分子鎖のネットワーク構造の隙間が小さくなっており、イオン１５０Ａの出入りが生じにくくなるものと考えられる。この結果、長時間伸縮を繰り返すとイオン１５０Ａの出入りの量が小さくなって、これに伴い、導電性高分子膜部１０１の伸縮動作の振幅及び電流値が小さくなるものと推察される。
【００６９】
図６Ａ及び図６Ｂ、図８Ａ及び図８Ｂのいずれの場合においても、導電性高分子アクチュエータが伸縮動作を行うとき、振動の中心の位置が、基準となる状態よりも伸張方向にずれた位置にある場合には、基準となる状態よりも伸縮動作の振幅は大きくなり、そのときアクチュエータに流れる電流も、基準となる状態よりも大きくなる関係が成り立つと考えられる。また、逆に、図６Ａ及び図６Ｂ、図８Ａ及び図８Ｂのいずれの場合においても、導電性高分子アクチュエータが伸縮動作を行うとき、振動の中心の位置が、基準となる状態よりも収縮方向にずれた位置にある場合には、基準となる状態よりも伸縮動作の振幅は小さくなり、そのときアクチュエータに流れる電流も、基準となる状態よりも小さくなる関係が成り立つと考えられる。
【００７０】
前記説明においては、駆動電圧波形として周期的な波形を加えた場合を考えたが、周期的な波形でない場合にも同様の関係が成り立つものと考えられる。すなわち、アクチュエータの位置が、基準となる状態よりも伸張方向にずれた位置にある場合には、ある波形の電圧をアクチュエータに加えたときの動作の大きさが、基準となる状態よりも大きくなり、そのときアクチュエータに流れる電流も、基準となる状態よりも大きくなる関係が成り立つものと考えられる。
【００７１】
＜本発明の第１実施形態にかかるアクチュエータの制御方法＞
前記の考察から、矩形波などに代表される一定の波形を持つ電圧信号を印加したときに流れる電流値を計測すれば、アクチュエータの変位（アクチュエータの固定点からの絶対的な変位量）を検出することが可能である。この方法によって検出したアクチュエータの変位をフィードバックすれば、導電性高分子アクチュエータの変位を正確に制御できる。また、特許文献１の方法に比べてアクチュエータの構成が簡単であるというメリットがある。
【００７２】
ここで、アクチュエータの位置（変位）を検出するためにアクチュエータに印加する電圧は、周期波形である必要はなく、任意の形状の波形を考えることが可能である。電流値の計測方法としては、電流値の最大値、又は、前記の方法で計算した電流値の平均値、又は、同様の方法で計算することが可能である電流値の絶対値の積分値などが考えられる。
【００７３】
なお、説明においては、図１の例に示したような導電性高分子アクチュエータにおいて、導電性高分子膜が伸張又は収縮することによってアクチュエータ動作部９０が湾曲動作を行う場合に、単にアクチュエータが伸張又は収縮すると表現するものとする。また、導電性高分子膜が伸縮することによってアクチュエータ動作部９０が両方向に湾曲動作を行う場合には、単にアクチュエータが伸縮すると表現するものとする。また、アクチュエータ動作部９０の変位は、導電性高分子膜が伸びる方向の変位をプラスとする。また一部の説明において、アクチュエータ動作部９０の変位を単に、アクチュエータの変位と表現するものとする。
【００７４】
＜本発明の第１実施形態にかかるアクチュエータの制御方法の具体例＞
図９Ａは、本発明の第１実施形態にかかるアクチュエータの制御方法の例を示す図である。
【００７５】
図９Ｂは、制御部９２の詳細な構成を示す図である。
【００７６】
制御部９２は、ステップ制御部１５３０と、変位量推定部１５３１と、電流値変位量変換テーブル１５３２と、目標電荷量計算部１５３３とを備えている。
【００７７】
ここで、第１実施形態にかかるアクチュエータの制御方法を実施可能な制御装置としては、導電性高分子アクチュエータの導電性高分子膜部１０１に電極１０４を介して電圧を印加したときに導電性高分子膜部１０１に流れる電流値を取得し、取得した電流値により導電性高分子アクチュエータの変位量を取得する変位量取得手段と、変位量取得手段により取得された導電性高分子アクチュエータの変位量と変位量の目標値との差を求めて、その差に基づく電圧を導電性高分子膜部１０１に印加して、導電性高分子アクチュエータの変位量を調整する変位量調整手段とを備える。変位量取得手段は、一例として、具体的には、電流検出手段の一例としての電流測定部９１と、変位量推定部１５３１と、電流値変位量変換テーブル１５３２とで構成している。変位量推定部１５３１と電流値変位量変換テーブル１５３２とで変位量算出部の一例を構成している。変位量調整手段は、一例として、具体的には、目標電荷量計算部１５３３とステップ制御部１５３０と電流測定部９１とで構成している。
【００７８】
ステップ制御部１５３０は、所定のタイミングで、第１ステップ開始信号を可変電源９３と電流測定部９１とに対して発信する。
【００７９】
電源９３は例えば可変電源であり、ステップ制御部１５３０から第１ステップ開始信号を受信すると、所定の駆動電圧をアクチュエータの制御電極１０３に印加する。第１ステップ開始信号を発信する前記所定のタイミングは、下記の第１ステップＳ１を開始するタイミングであって、たとえば、電源９３がオフである状態から再び動作を開始するタイミングである。
【００８０】
電流測定部９１は、アクチュエータに流れる電流を測定する。すなわち、電流測定部９１は、ステップ制御部１５３０から第１ステップ開始信号を受信すると、アクチュエータに流れる電流を測定し、電流測定結果を、制御部９２の内部の変位量推定部１５３１に送信する。
【００８１】
電流値変位量変換テーブル１５１７には、電流測定部９１で計測される電流値とアクチュエータの変位量の関係を決める変位量電荷量換算値が予め記憶されている。
【００８２】
変位量推定部１５３１は、電流値変位量変換テーブル１５１７の変位量電荷量換算値を参照して、電流測定部９１で計測される電流値から変位量を推定する。すなわち、変位量推定部１５３１は、電流測定部９１から電流測定結果を受信すると、電流値変位量変換テーブル１５１７を参照して、測定された電流から変位量を推定して、その値を推定変位量として目標電荷量計算部１５３３に出力する。
【００８３】
目標電荷量計算部１５３３は、変位量推定部１５３１から推定変位量を受信すると、下の式１に従って目標電荷量を計算する。
【００８４】
目標電荷量＝（推定変位量―変位量の目標値）×変位電荷量換算値  ・・・・（式１）
ここで、変位量電荷量換算値は予め決められた値であって、目標電荷量計算部１５３３はこの値を保持している。目標電荷量計算部１５３３は目標電荷量を計算すると、その値を電流測定部９１とステップ制御部１５３０とに出力する。
【００８５】
ステップ制御部１５３０は、目標電荷量計算部１５３３から目標電荷量を受信すると、第４ステップ開始信号を電源９３に対して出力する。
【００８６】
電源９３は、第４ステップ開始信号を受信すると、アクチュエータへの予め決められた電圧の印加を開始する。
【００８７】
一方、電流測定部９１は、目標電荷量計算部１５３３から目標電荷量を受信すると、電流値の測定を開始する。そして、電流測定部９１は、電流値の積分を行って、その積分値が目標電荷量に等しくなったときに、第４ステップ終了信号をステップ制御部１５３０に対して出力する。ステップ制御部１５３０は、電流測定部９１から第４ステップ終了信号を受信すると、第４ステップ終了信号を電源９３に対して出力する。電源９３は、ステップ制御部１５３０から第４ステップ終了信号を受信すると、アクチュエータへの電圧の印加を終了する。
【００８８】
図１０は、図９Ａの制御方法を用いたときの、アクチュエータの制御電極１０３に加える電圧と、アクチュエータの変位量と、制御電極１０３と対向電極１０４との間に流れる電流との時間変化の例を示す。
【００８９】
この例においては、アクチュエータの変位量を、予め決められた目標値に調整する場合を考える。この場合、第１ステップＳ１〜第３ステップＳ３は変位量推定ステップ、第４ステップＳ４〜第７ステップＳ７は変位量調整ステップである。
【００９０】
まず、第１ステップＳ１として、ステップ制御部１５３０は、所定のタイミングで、第１ステップ開始信号を可変電源９３と電流測定部１５２１とに対して発信する。そして、電源９３は、ステップ制御部１５３０から第１ステップ開始信号を受信すると、ある信号波形の電圧を電源９３から制御電極１０３に印加する。制御電極１０３に印加する信号波形の例としては、図１１に示すように、周波数０．５Ｈｚで振幅が１．５Ｖで、振動の中心が０ｖの矩形波の１周期の波形を考えることができる。さらに、第１ステップＳ１において、電流測定部９１は、ステップ制御部１５３０から第１ステップ開始信号を受信すると、制御電極１０３と対向電極１０４との間に流れる電流を電流測定部９１で計測する。電流測定部９１による電流の計測方法としては、たとえば、電流の最大値を電流測定部９１で計測する方法がある。また、別の方法としては、電流値の絶対値の平均値を電流測定部９１で計測する方法がある。また、別の方法としては電流値の絶対値を積分した値を電流測定部９１で計測する方法がある。電流測定部９１は測定した電流測定結果を、制御部９２の内部の変位量推定部１５３１に送信する。
【００９１】
次いで、第２ステップＳ２において、電流値変位量変換テーブル１５３２に予め記憶されている変位量電荷量換算値を参照して、測定した電流値を変位量に変換して、この状態におけるアクチュエータの変位量を制御部９２の変位量推定部１５３１で推定する。ここで、電流値変位量変換テーブル１５３２に予め記憶されている変位量電荷量換算値は、第１ステップＳ１で計測される電流値とアクチュエータの変位量の関係を決めるものである。電流値変位量変換テーブル１５３２に予め記憶されている変位量電荷量換算値を作成するときには、たとえば、図５を用いて前記説明したような実験を行い、アクチュエータの伸縮の中心位置と電流平均値との関係を、変位量と電流値との関係として電流値変位量変換テーブル１５３２に記憶する。ここで、一部の説明においては、アクチュエータ動作部９０の伸縮を、単にアクチュエータの伸縮と表現するものとする。
【００９２】
次に、第３ステップＳ３において、第２ステップＳ２で推定された変位量と、変位量の目標値との差、すなわち、｛（変位量）−（変位量の目標値）｝を目標電荷量計算部１５３３で計算する。さらに、ここで計算された変位量の差から、目標電荷量を目標電荷量計算部１５３３で計算する。この目標電荷量は、例えば、計算された変位量の差に対して予め決められた一定の値である変位電荷量換算値を目標電荷量計算部１５３３でかけることによって計算される。
【００９３】
既に一般的に知られているように、導電性高分子アクチュエータに流れる電荷量と導電性高分子アクチュエータの変位変化はほぼ比例する｛たとえば、非特許文献１（A. Della Santa et al., Performance and work capacity of a polypyrrole conducting polymer linear actuator, Synthetic Metals 90(1997), pp. 93-100.）｝。本発明の第１実施形態では、この比例定数を変位電荷量換算値として用いる。変位電荷量換算値の具体的な決定方法は後述する。
【００９４】
次に、第４ステップＳ４において、目標電荷量計算部１５３３から目標電荷量をステップ制御部１５３０が受信すると、ステップ制御部１５３０は、第４ステップ開始信号を電圧印加手段の一例としての可変電源１５０７に対して出力し、電源９３は、第４ステップ開始信号を受信すると、アクチュエータへ予め決められた電圧の印加を開始する。すなわち、アクチュエータの変位を目標値に近づけるために所定の電圧を、制御部９２の制御の下に、電源９３からアクチュエータに印加する。ここで、本例においては、アクチュエータへの電圧の印加は、制御電極１０３と対向電極１０４との間に電圧を印加することを意味するものとする。たとえば、第３ステップＳ３において計算された変位量の差が正であるときには、電源９３によって、対向電極１０４を基準として−１．５Ｖの電圧を制御電極１０３に対して印加する。また、逆に第３ステップＳ３において計算された変位量の差が負であるときには、１．５Ｖの電圧を電源９３によって制御電極１０３に対して印加する。
【００９５】
次に、第５ステップＳ５において、第４ステップＳ４において、前記電圧を制御電極１０３に印加してからアクチュエータに流れる電荷量の大きさを電流計測部９１で計測する。
【００９６】
次に、第６ステップＳ６において、第５ステップＳ５で電流計測部９１により計測した電流値を積分することによって電荷量を電流計測部９１で計算し、計算した電荷量が目標電荷量に等しくなると電流計測部９１で判定されるまで、制御部９２の制御の下に、電源９３からアクチュエータへの電圧の印加を続ける。そして、計測する電荷量が目標電荷量に等しくなったと電流測定部９１で判定されれば、ステップＳ７において、制御部９２の制御の下に、電源９３からアクチュエータへの電圧の印加を停止する。すなわち、電流測定部９１が、測定された電流値の積分を行って、その積分値が目標電荷量に等しくなったと判定したとき（第６ステップＳ６）に、電流測定部９１は、第４ステップ終了信号をステップ制御部１５３０に対して出力する。ステップ制御部１５３０は、電流測定部９１から第４ステップ終了信号を受信すると、第４ステップ終了信号を電源９３に対して出力する。電源９３は、ステップ制御部１５３０から第４ステップ終了信号を受信すると、アクチュエータへの電圧の印加を終了する（第７ステップＳ７）。
【００９７】
なお、上の説明では、計測する電荷量はその大きさだけを計測したが、ある方向に流れる電荷量を「正」と定義して符号を付けた値で計測してもよい。たとえば、制御電極に正の電荷が流れ込むときに計測する電荷量の値を「正」であると定義する場合、第３ステップＳ３で使用する変位電荷量換算値は負の値となる。
【００９８】
前記第１ステップＳ１から第７ステップＳ７までを行うことによって、アクチュエータの変位を目標値に近づけることが可能である。ここでは、アクチュエータ動作部９０の変位を単にアクチュエータの変位と表現するものとする。
【００９９】
なお、前記の説明では、第４ステップＳ４において一定電圧を印加する場合を考えたが、電圧を時間と共に変化させることも可能である。また、計測した電荷量をフィードバックして、電圧を変化させることも可能である。
【０１００】
なお、図１０においては、正の電圧を印加したときに正の方向に変位を行うアニオン駆動型の導電性高分子アクチュエータを考えたが、正の電圧を印加したときに負の方向に変位を行うカチオン駆動型の導電性高分子アクチュエータについても同様の方法を適用することが可能である。ただし、カチオン駆動型の導電性高分子アクチュエータにおいては、制御電極１０３に正の電荷が流れ込むときに計測する電荷量の値を正であると定義する場合、第３ステップＳ３で使用する変位電荷量換算値は正の値となる。
【０１０１】
図１０においては、変位の目標値が１ｍｍである場合について示している。また、第２ステップＳ２及び第３ステップＳ３は非常に短時間で行われるために、図１０においては省略している。また、第４ステップＳ４〜第７ステップＳ７を終了した後、電圧の印加を中止した場合、変位が目標値から徐々にずれることがあるが、図１０においてはこの現象を無視した。
【０１０２】
なお、上記の例では、電流測定部９１は、電流測定を行う（ステップＳ１及びＳ５）とともに、測定された電荷量が目標電荷量に等しくなったか否か（ステップＳ６）も判定するため、変位量取得手段と変位量調整手段との両方にまたがる構成となっている。
【０１０３】
＜制御方法のバリエーション＞
図４Ａ及び図４Ｂを用いて説明したように、図１の電源９３をオフにしていて再び動作を開始するときの変位は、オフにしていた時間が長い場合（例えば、１分以上の場合）には電源９３をオフする前の変位と再び動作を開始するときの変位が大きく異なる場合がある。これに対して、図１の電源９３をオフにしていて、再び動作するときに前記の第１ステップＳ１から第７ステップＳ７の方法を行うことによって目標値に近づけることが可能である。また、電源９３をオフしていた時間を計測して、その時間がある一定の値を超えたとき（電圧開放状態の継続時間が一定時間を越えたとき）にのみ、再び動作するとき（その後の所定のタイミングで、再び動作するとき）に前記の第１ステップＳ１から第７ステップＳ７の方法を行うことによって目標値に近づけることも可能である。なお、前記所定のタイミングは、第１ステップＳ１を開始するタイミングであって、たとえば、電源９３がオフである状態から再び動作を開始するタイミングである。
【０１０４】
図２４は、上記制御方法を行う場合のブロック図である（ここでは、後述する図１７の構成例を基に記載している。）。開放時間計測部１６００で電源９３（又は１５０７）をオフしている時間を計測して、この結果に基づきステップ制御部１５３０がステップの遷移を決定して、制御を行う。電源９３（又は１５０７）をオフしていた時間が、ある一定の値を超えたときにのみ、再び動作するときに前記の第１ステップＳ１から第７ステップＳ７の方法を行う場合には、一定時間は任意に設定することが可能である。一定時間を短く設定するほど細かい制御が可能である。例えば、図１９に示した例においては、約１時間の電源オフによって約２ｍｍ変位が変化している。電源オフときの変位の変化の割合が一定であると仮定すると、３分間で約１００μｍの変化が生じる。このため、変位の制御を約１００μｍ以下の誤差で行いたい場合には、一定時間を約３分とすることが考えられる。
【０１０５】
また、図１２に示すように、アクチュエータの変位を目標値に保つために、一定時間ごとに第１ステップＳ１から第７ステップＳ７の方法を行う方法を用いてもよい。第２ステップＳ２、第３ステップＳ３の実行時間は非常に短いので、図１２においては表示を省略している。また、第１ステップＳ１〜第７ステップＳ７の実行時間以外の時間においては、電源電圧を開放する場合の例を示している。また、第１ステップ〜第７ステップＳ７の実行時間以外の時間における電流値は省略している。
【０１０６】
また、別の例として、一定時間ごとに第１ステップＳ１から第３ステップＳ３の処理を行い、推定される変位量と目標値との差の大きさがある一定の値よりも大きくなったときにのみ第４ステップＳ４〜第７ステップＳ７を行うことも可能である。
【０１０７】
一般的に、導電性高分子アクチュエータは、電圧を開放したときには変位状態がある程度維持されるが、電圧を開放した状態で長時間経過すると、変位が徐々に変化する。図１３はこの様子を示した図であり、時刻ｔ０において電圧を開放した場合を示す。時刻ｔ０において変位はＲ０であり、時刻ｔ０＋Δｔにおいて変位がＲ０−Δｒに変化している。今、Δｒ以下の誤差精度でアクチュエータの変位制御を行う方法の例としては、電圧を開放した状態で、時間Δｔが経過するごとに、第１ステップＳ１から第７ステップＳ７の処理を行うことによって、アクチュエータの変位を調整する方法が考えられる。また、図1の電源９３をオフにしていて再びアクチュエータの動作を開始する場合に、電源９３をオフしていた時間をステップ制御部１５３０で計測しておいて、その時間がΔｔより大きいとステップ制御部１５３０で判定された場合に前記の第１ステップＳ１から第７ステップＳ７の方法を行うことによって、アクチュエータの変位を目標値に近づける方法も考えられる。
【０１０８】
＜本発明の第１実施形態の導電性高分子アクチュエータの制御方法の特徴＞
前記の方法を採ることによって、簡易な構成で導電性高分子アクチュエータの変位状態（固定点からの絶対的な変位量）を検出して、その結果を用いて変位状態を目標値に調整することが可能である。
【０１０９】
上で説明したように、本発明者は、導電性高分子アクチュエータの位置（変位）が、基準となる状態よりも伸張方向にずれた位置にある場合には、ある波形の電圧を加えたときの動作の大きさが、基準となる状態よりも大きくなり、そのときに流れる電流も、基準となる状態よりも大きくなるという関係に新たに発見している。本発明の第１実施形態の導電性高分子アクチュエータの制御方法は、この関係を用いて導電性高分子アクチュエータの変位（固定点からの絶対的な変位量）を検出して、この検出した値をフィードバックすることによってアクチュエータの変位を正確に制御するものである。この方法を用いることで、簡易な構造でアクチュエータの変位を目標値に正確に調整することが可能となった。
【０１１０】
特に、導電性高分子アクチュエータが伸縮動作（振動動作）を行うとき、振動の中心の位置が、基準となる状態よりも伸張方向にずれた位置にある場合には、基準となる状態よりも伸縮動作の振幅は大きくなり、そのときに流れる電流も、基準となる状態よりも大きくなる関係が成り立つ。そこで、上で説明したように、導電性高分子アクチュエータを振動動作させたときの電流値を検出することによって導電性高分子アクチュエータの変位（固定点からの絶対的な変位量）を検出することが可能である。
【０１１１】
なお、振動の中心の位置と伸縮動作の振幅の大きさと流れる電流の大きさとの間に前記関係が成り立つ理由としては、図６Ａ及び図６Ｂと図８Ａ及び図８Ｂを用いて既に説明したように、導電性高分子アクチュエータが伸張している状態においては、導電性高分子膜を形成する高分子鎖のネットワーク構造の隙間が大きくイオンの出入りが生じやすいために、伸縮動作の振幅と流れる電流値が大きくなるものと考えられる。ここで導電性高分子膜部が伸張した状態を、単に導電性高分子アクチュエータが伸張していると表現するものとする。
【０１１２】
＜変位電荷量換算値の決定のための具体的方法＞
変位電荷量換算値を決める際には、以下のような実験を行う。
【０１１３】
ある電圧（たとえば＋１．５Ｖ）をアクチュエータに印加してアクチュエータの変位が安定している状態から、アクチュエータに対して負の電圧（例えば、―１．５Ｖ）を印加して、アクチュエータを負の方向に変位させる。ここで、導電性高分子膜部に電圧を印加することを単にアクチュエータに電圧を印加すると表現するものとする。図１４の（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ電圧、変位、電流の時間変化を示す。ただし、アクチュエータに対する負の電圧の印加を開始する時刻をｔ０と定義する。また、アクチュエータに対する負の電圧の印加を終了する時刻をｔ０＋Ｔと定義する。さらに、アクチュエータに対して負の電圧を印加開始して時刻ｔ０から時間ｔだけ経過するまでの間に流れる電流値の大きさを積分した値（電荷量）をＱ（ｔ）と定義する。また、負の電圧を印加開始して時刻ｔ０から時間ｔだけ経過するまでの間の変位の変化の大きさ（変位変化）をｒ（ｔ）と定義する。このとき、変位変化ｒ（ｔ）と電荷量Ｑ（ｔ）との関係はおよそ図１５のように示される。図１５からわかるように、一定電圧を印加したときのアクチュエータの変位変化は、このときに流れる電荷量とほぼ比例することがわかる。すなわち、アクチュエータに対して一定電圧を印加したときに、アクチュエータに流れる電荷量を計測することによって、そのときのアクチュエータの変位変化を検出することが可能である。図１４及び図１５においては、時刻ｔ０から時刻ｔ０＋Ｔの間の時間において、変位の変化の大きさは１ｍｍであり、流れる電荷量は０．０１Ｃである場合の例を示している。
【０１１４】
この第１実施形態においては、一例として、図１５のグラフの傾きを変位電荷量換算値として決定する。
【０１１５】
＜従来方法との比較＞
特許文献１の方法と比べて、本発明の第１実施形態の導電性高分子アクチュエータの制御方法においては、抵抗検知用電極を設ける必要がない。また、複数の抵抗検知用電極の間を絶縁する必要がないために、制御電極１０３と導電性高分子膜部１０１との間に絶縁体を設ける必要がない。これらの点から、本発明の第１実施形態の導電性高分子アクチュエータの制御方法は、特許文献１の方法と比べて、簡易な構成で実現可能である。
【０１１６】
また、特許文献２（特開２００６−８７１８２号公報）又は特許文献３（特開２００１−５４８９９号公報）の構成においては、センサ（渦電流式変位センサ又はレーザ変位計など）によって導電性高分子膜の長さを検出して制御を行っていたが、本発明の第１実施形態の導電性高分子アクチュエータの制御方法においては、このようなセンサを設置する必要がないため、これらに比べても、簡易な構成で実現可能である。
【０１１７】
以上のように、本発明の第１実施形態の導電性高分子アクチュエータの制御方法では、特許文献１又は特許文献２又は特許文献３などの従来方法と比べて、簡易な構成で導電性高分子アクチュエータの変位を正確に制御することが可能である。
【０１１８】
また、たとえば、前記した非特許文献１などでは、導電性高分子アクチュエータに対して電圧を印加して駆動するときに、ある期間に流れる電荷量とその期間における変位の変化量との関係に関する考察が行われている。すなわち、ある期間に流れる電荷量からその期間における変位の変化量が求められることを示唆している。しかし、長時間、導電性高分子アクチュエータを駆動する場合には、下記の理由から非特許文献１の方法で変位の変化量を正確に求めることはできない。
【０１１９】
一般的に知られているように、導電性高分子アクチュエータに流れる電荷量には２つの成分がある。１つ目の電荷量成分は、アクチュエータのコンデンサ成分に蓄積されてアクチュエータの変位を生む成分である。２つ目の電荷量成分は、アクチュエータの抵抗成分を流れてアクチュエータの変位には関係しない成分である。１つ目の電荷量成分を測定することによって、アクチュエータの相対的な変位量を求めることが可能であるが、測定で求められる電荷量には、２つ目の電荷量成分も含まれており、この値は相対的な変位量を求める際のノイズになる。また、このほかにも、一般的に測定又は計算においては色々なノイズ（誤差）が含まれる。そこで、長時間、導電性高分子アクチュエータを駆動する場合には、前記のノイズ（誤差）が長時間にわたって蓄積されるので、非特許文献１の方法で求めた変位の変化量には大きな誤差が含まれる。
【０１２０】
また、アクチュエータの電源をオフしているときに、常に電流を測定することは現実的でない。しかしながら、アクチュエータの電源をオフしているときも、導電性高分子膜は、イオンの拡散の効果によって変位量がわずかに変化する性質を持つ。そこで、非特許文献１の方法で、常に変位の変化量を測定することは、実際には不可能である。
【０１２１】
導電性高分子アクチュエータが純粋なコンデンサ成分のみから成り立っている場合には、アクチュエータ動作部の外部に流れる電流のみから、導電性高分子に蓄えられている電荷の増減を計測することが可能であり、導電性高分子に蓄えられている電荷からアクチュエータの変位を推定可能である。しかし、実際のアクチュエータにおいては、上記抵抗成分を流れるリーク電流が存在するために、アクチュエータ動作部の外部に流れる電流のみから、導電性高分子に蓄えられている電荷の増減を正確に計測することが不可能であり、これに伴い、アクチュエータの変位の正確な推定が不可能である。特に、特に電源を長時間オフする場合には、リーク電流による変位の変化が大きいので、非特許文献１の方法で、常に変位の変化量を測定することは、実際には不可能である。
【０１２２】
前記理由から、非特許文献１で考察されている方法によっては、長時間アクチュエータを使用したときの変位変化量を正確に求めること、及び、長時間電源をオフした場合に変位変化量を正確に求めることは不可能である。
【０１２３】
以上のように、本発明の第１実施形態の導電性高分子アクチュエータの制御方法では、非特許文献１の方法と比べて導電性高分子アクチュエータの変位を正確に制御することが可能である。
【０１２４】
（第２実施形態）
前記第１実施形態の説明では、主に、湾曲動作を行うアクチュエータについて説明したが、本発明の方法は直線動作を行うアクチュエータについても適用可能である。また前記説明では主にアニオン駆動型のアクチュエータを考えたが、カチオン駆動型のアクチュエータにも本発明の第２実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータの制御方法を適用可能である。
【０１２５】
図１６Ａ及び図１６Ｂ及び図１６Ｃは、カチオン駆動型であり直動方向に動作を行う導電性高分子アクチュエータの構成図である。
【０１２６】
図１６Ａは、電解質部の別の例としてのイオン液体１５０２中に導電性高分子膜部１５０１を配置した導電性高分子アクチュエータの構成である。
【０１２７】
図１６Ｂは、対向電極部１５０４と導電性高分子膜部１５０１の間に、電解質部のさらに別の例としての高分子ゲル１５１２を配置した導電性高分子アクチュエータの構成である。
【０１２８】
図１６Ｃは、導電性高分子膜部１５０１に適度な張力を加えるためにバネ部１５１５を備えた導電性高分子アクチュエータの構成である。
【０１２９】
以下で順に説明する。
【０１３０】
まず、図１６Ａの構成について説明する。
【０１３１】
前記のように図１６Ａは、イオン液体１５０２中に導電性高分子膜部１５０１を配置した構成である。
【０１３２】
図１６Ａのアクチュエータは、導電性高分子膜部１５０１と、イオン液体１５０２と、配線部１５０３と、対向電極部１５０４と、錘（おもり）１５０５と、滑車１５０６と、可変電源１５０７と、接続部材１５０８と、固定壁１５０９と、接続線部材の一例としての接続糸１５１０と、容器１５１１と、制御部１５２０と、電流検出手段の一例としての電流測定部１５２１と、第１信号線１５１６と、第２信号線１５１７とを備えている。第１信号線１５１６は、制御部１５２０と電流測定部１５２１とを接続している。第２信号線１５１７は、制御部１５２０と可変電源１５０７とを接続している。
【０１３３】
容器１５１１内に配置された導電性高分子膜部１５０１の両端は、接続部材１５０８で接続糸１５１０と接続されている。接続部材１５０８及び接続糸１５１０は絶縁体で構成される。図１６Ａにおいて、導電性高分子膜部１５０１の左側の端は接続糸１５１０に接続されており、その部分の接続糸１５１０は、固定壁１５０９に接続されている。図１６Ａにおいて、導電性高分子膜部の右側の端は接続糸１５１０に接続されており、その部分の接続糸１５１０は、滑車１５０６を介して錘１５０５に接続されている。容器１５１１には、イオン液体１５０２が満たされており、導電性高分子膜部１５０１はイオン液体１５０２中に配置されている。また、容器１５１１の底面には、対向電極１５０４が配置されている。対向電極１５０４は、例えば網目状の白金からなる。導電性高分子膜部１５０１の両端及び対向電極１５０４には図１６Ａに示したように、配線部１５０３が接続されている。また、配線部１５０３及び可変電源１５０７は、図１６Ａのように接続されて回路を形成する。すなわち、導電性高分子膜部１５０１の両端と対向電極１５０４との間に、電流測定部１５２１と可変電源１５０７とが配置されるように配線部１５０３で接続されている。
【０１３４】
導電性高分子膜部１５０１は、例えば、六フッ化リン酸テトラブチルアンモニウム（ＴＢＡ・ＰＦ６）のプロピレンカーボネート（ＰＣ）溶液中で電解重合した電解重合によって形成したポリピロール膜であり、その厚さは約１０μｍであり、その大きさは幅約５ｍｍで、長さが約３５ｍｍである。また、電解液としては、イオン液体であるＥＭＩ・ＴＦＳＩ（エチルメチルイミダゾリウム・トリフロロメタンスルフォニルイミド）を用いた場合を考える。この例では、既に説明したように、ＥＭＩイオン（カチオン）のドープ及び脱ドープがアクチュエータの主たる変形のメカニズムである。この場合、そしてＥＭＩイオン（カチオン）が脱ドープされた状態においても、比較的高い導電性が保たれる。これは、この状態においても、ポリピロール中には、六フッ化リン酸イオン（ＰＦ６−）が含まれているので、比較的高い導電性が保たれるものと考えられる。第１実施形態の例においては、アニオンが脱ドープされた状態においては、導電性高分子膜の導電性が低くなるために、導電性高分子膜に電圧を効率良く印加するために、その近くに制御電極を設ける必要があった。しかしながら、図１６Ａ及び後述する図１６Ｂの例のように、カチオン駆動のアクチュエータにおいては、常に導電性高分子膜の導電性が高く保たれるために、制御電極が不要であり、構成が簡単であるという特長を持つ。
【０１３５】
可変電源１５０７によって、導電性高分子膜部１５０１に正の電圧を印加した場合、カチオン（プラスイオン）が導電性高分子膜部１５０１の内部からイオン液体１５０２中に移動して、導電性高分子膜部１５０１は収縮する。逆に、導電性高分子膜部１５０１に負の電圧を印加した場合、カチオン（プラスイオン）がイオン液体１５０２中から導電性高分子膜部１５０１の内部に移動して、導電性高分子膜部１５０１は伸張する。
【０１３６】
図１７は、制御部１５２０の詳細な構成を示す図である。制御部１５２０は、ステップ制御部１５３０と、変位量推定部１５３１と、電流値変位量変換テーブル１５３２と、目標電荷量計算部１５３３とを備えている。
【０１３７】
ここで、第２実施形態にかかるアクチュエータの制御方法を実施可能な制御装置としては、導電性高分子アクチュエータ動作部９９の導電性高分子膜部１５０１に電極１５０４を介して電圧を印加したときに導電性高分子膜部１５０１に流れる電流値を取得し、取得した電流値により導電性高分子アクチュエータ動作部９９の変位量を取得する変位量取得手段と、変位量取得手段により取得された導電性高分子アクチュエータ動作部９９の変位量と変位量の目標値との差を求めて、その差に基づく電圧を導電性高分子膜部１５０１に印加して、導電性高分子アクチュエータ動作部９９の変位量を調整する変位量調整手段とを備える。変位量取得手段は、一例として、具体的には、電流測定部１５２１と変位量推定部１５３１と電流値変位量変換テーブル１５３２とで構成している。変位量調整手段は、一例として、具体的には、目標電荷量計算部１５３３とステップ制御部１５３０と電流測定部１５２１とで構成している。
【０１３８】
ステップ制御部１５３０は、所定のタイミングで、第１ステップ開始信号を可変電源１５０７と電流測定部１５２１とに対して発信する。
【０１３９】
可変電源１５０７は、ステップ制御部１５３０から第１ステップ開始信号を受信すると、所定の駆動電圧を導電性高分子膜部１５０１に印加する。第１ステップ開始信号を発信するタイミングは、前記第１実施形態で説明した第１ステップＳ１を開始するタイミングであって、たとえば、アクチュエータの可変電源１５０７がオフである状態から再び動作を開始するタイミングである。
【０１４０】
電流測定部１５２１は、ステップ制御部１５３０から第１ステップ開始信号を受信すると、導電性高分子膜部１５０１すなわち配線部１５０３に流れる電流を測定し、電流測定結果を、制御部１５２０の内部の変位量推定部１５３１に送信する。
【０１４１】
変位量推定部１５３１は、電流測定部１５２１から電流測定結果を受信すると、電流値変位量変換テーブル１５１７を参照して、測定された電流から変位量を推定して、その値を推定変位量として目標電荷量計算部１５３３に出力する。
【０１４２】
目標電荷量計算部１５３３は、変位量推定部１５３１から推定変位量を受信すると、下の式１（先の式１と同一の式）に従って目標電荷量を計算する。
【０１４３】
目標電荷量＝（推定変位量―変位量の目標値）×変位電荷量換算値  ・・・・（式１）
ここで、変位量電荷量換算値は、予め決められた値であって、目標電荷量計算部１５３３はこの値を保持している。目標電荷量計算部１５３３は目標電荷量を計算すると、その値を電流測定部１５２１とステップ制御部１５３０に出力する。
【０１４４】
ステップ制御部１５３０は、目標電荷量計算部１５３３から目標電荷量を受信すると、第４ステップ開始信号を可変電源１５０７に対して出力する。可変電源１５０７は、第４ステップ開始信号を受信すると、導電性高分子膜部１５０１への予め決められた電圧の印加を開始する。
【０１４５】
一方、電流測定部１５２１は、目標電荷量計算部１５３３から目標電荷量を受信すると、電流値の測定を開始する。そして、電流測定部１５２１は、電流値の積分を行って、その積分値が目標電荷量に等しくなったときに、第４ステップ終了信号をステップ制御部１５３０に対して出力する。ステップ制御部１５３０は、電流測定部１５２１から第４ステップ終了信号を受信すると、第４ステップ終了信号を可変電源１５０７に対して出力する。可変電源１５０７は、第４ステップ終了信号を受信すると、導電性高分子膜部１５０１への電圧の印加を終了する。
【０１４６】
このように、前記第２実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータにおいては、前記の制御方法を実施することによって、アクチュエータの変位を所定の値に正確に制御することが可能である。また、レーザー変位計などのセンサを設ける必要がないので、構成が簡単であるという特長を持つ。
【０１４７】
なお、電流値変位量変換テーブル１５３２の値は、前記第１実施形態と同様の方法で決定することができる。
【０１４８】
図１８は、直動型の導電性高分子アクチュエータの基本実験を行う装置である。
今、図１８の構成において、導電性高分子膜部１５０１に重さ約５ｇの錘（おもり）１５０５を接続して、接続部材１５０８の変位をレーザー変位計１５４０で測定する場合を考える。このとき、駆動電圧と電流と変位の関係の概要は図１９で与えられる。ただし、駆動する印加電圧の時間変化は、図４Ａ及び図４Ｂと同様である。すなわち、周波数０．５Ｈｚ、±１．５Ｖの矩形波形の駆動電圧を印加し、途中で１時間電源をオフして、再び同じ矩形波形の駆動電圧を印加した場合を考える。図に示すように、図１９の図１９結果は、図４Ａ及び図４Ｂとほぼ同様の傾向を示す。ただし、一般的に図１６Ａに示すような直動型のアクチュエータにおいては、図１に示すような湾曲型のアクチュエータに比べて、変位の幅はやや小さくなる傾向がある。図１９の結果を用いることによって、第１実施形態と同様の方法で、電流値変位量変換テーブル１５３２の値を決定することができる。
【０１４９】
図１６Ｂは、対向電極１５０４と導電性高分子膜部１５０１の間に高分子ゲル１５１２を配置した構成である。高分子ゲル１５１２は、例えば、ＥＭＩ・ＴＦＳＩなどのイオン液体をゲル化した材料である。
【０１５０】
このアクチュエータは、導電性高分子膜部１５０１と、配線部１５０３と、対向電極部１５０４と、錘（おもり）１５０５と、滑車１５０６と、可変電源１５０７と、接続部材１５０８と、固定壁１５０９と、接続糸１５１０と、高分子ゲル１５１２と、設置台１５１３と、制御部１５２０と、電流測定部１５２１と、第１信号線１５１６と、第２信号線１５１７とを備えている。
【０１５１】
導電性高分子膜部１５０１と、配線部１５０３と、対向電極部１５０４と、錘（おもり）１５０５と、滑車１５０６と、可変電源１５０７と、接続部材１５０８と、固定壁１５０９と、接続糸１５１０と、制御部１５２０と、電流測定部１５２１と、第１信号線１５１６と、第２信号線１５１７とは、図１６Ａのアクチュエータにおいてそれぞれ対応する部分と同様の働きをする。
【０１５２】
高分子ゲル１５１２には、イオンが含まれており、可変電源１５０７によって、導電性高分子膜部１５０１に正の電圧を印加した場合、カチオン（プラスイオン）が導電性高分子膜部１５０１の内部から高分子ゲル１５１２に移動して、導電性高分子膜部は収縮する。逆に、導電性高分子膜部１５０１に負の電圧を印加した場合、カチオン（プラスイオン）が高分子ゲル中から導電性高分子膜部１５０１の内部に移動して、導電性高分子膜部１５０１は伸張する。対向電極部１５０４は、設置台１５１３の上に置かれている。設置台１５１３は絶縁体で構成される。
【０１５３】
この構成においては、全体が固体化しているために、取り扱いが容易であるという特長を持つ。この構成においても、前記第１実施形態で示した制御方法を適用することが可能である。
【０１５４】
図１６Ｃは、導電性高分子膜部１５０１に適度な張力を加えるためにバネ部１５１５を備えた構成である。この例では、導電性高分子膜部の右側の端に接続糸１５１０で接続された、バネ部１５１５と可動物体１５１６とを備えている。すなわち、バネ部１５１５は、第２の固定壁１５０９Ｂと接続糸１５１０の端部との間に配置されている。可動物体１５１６は、導電性高分子膜部の右側の端とバネ部１５１５の端との間の接続糸１５１０に固定されている。よって、可変電源１５０７からの導電性高分子膜部１５０１への電圧印加により導電性高分子膜部１５０１が伸縮することによって、接続糸１５１０を介して、可動物体１５１６は左右に移動する。バネ部１５１６は、初期状態で、自然長よりも伸びた状態に保たれており、導電性高分子膜部１５０１に適度な張力を加える働きを持つ。
【０１５５】
この第２実施形態では直動型のアクチュエータについて説明したが、第１実施形態で説明したように湾曲型のアクチュエータについても制御部９２と電流測定部９１を設けて、前記第２実施形態と同様の機能を持たせることができる。また、これらのアクチュエータを含む任意の電子デバイスに適用可能である。１つの例としては、導電性高分子アクチュエータを、ダイアフラムを持つポンプとして使用することができる。また、他の例としては、導電性高分子アクチュエータによってレンズの位置を変化させるとともに位置決め保持を行うオートフォーカス機構、又は、導電性高分子アクチュエータによってカメラの撮像方向を変化させるとともに撮像方向位置の位置決め保持を行うパンチルト機構などを考えることができる。
【０１５６】
なお、上の例では、カチオン駆動型でありかつ直動型のアクチュエータを考えたが、上で説明したように、本発明の導電性高分子アクチュエータの制御方法は、カチオン駆動型の導電性アクチュエータとアニオン駆動型の導電性アクチュエータの両方に適用することが可能である。カチオン駆動型のアクチュエータにおいては、印加電圧によらず導電性高分子膜の抵抗を低く抑えることができるので、制御電極を備える必要がないので、簡易な構造とすることができる。
【０１５７】
なお、カチオン駆動型の導電性高分子アクチュエータにおいては、伸縮状態によらず導電性高分子の導電率がほぼ一定である場合がある。この場合には、特許文献１の方法は適用することができない。
【０１５８】
なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１５９】
本発明の導電性高分子アクチュエータデバイス、導電性高分子アクチュエータの制御装置及び制御方法は、人工筋肉又は電子部品を含む電子デバイス、その制御装置及び制御方法として好適に利用され得る。導電性高分子アクチュエータを含む電子デバイスとしては、たとえば導電性高分子膜をダイアフラムとして用いるポンプ又は小型カメラのレンズ駆動装置が考えられる。【０１６０】
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
【図１】
2010023875.tif 000003
【図２Ａ】
2010023875.tif 000004
【図２Ｂ】
2010023875.tif 000005
【図３】
2010023875.tif 000006
【図４Ａ】
2010023875.tif 000007
【図４Ｂ】
2010023875.tif 000008
【図５】
2010023875.tif 000009
【図６Ａ】
2010023875.tif 000010
【図６Ｂ】
2010023875.tif 000011
【図７】
2010023875.tif 000012
【図８Ａ】
2010023875.tif 000013
【図８Ｂ】
2010023875.tif 000014
【図９Ａ】
2010023875.tif 000015
【図９Ｂ】
2010023875.tif 000016
【図１０】
2010023875.tif 000017
【図１１】
2010023875.tif 000018
【図１２】
2010023875.tif 000019
【図１３】
2010023875.tif 000020
【図１４】
2010023875.tif 000021
【図１５】
2010023875.tif 000022
【図１６Ａ】
2010023875.tif 000023
【図１６Ｂ】
2010023875.tif 000024
【図１６Ｃ】
2010023875.tif 000025
【図１７】
2010023875.tif 000026
【図１８】
2010023875.tif 000027
【図１９】
2010023875.tif 000028
【図２０】
2010023875.tif 000029
【図２１Ａ】
2010023875.tif 000030
【図２１Ｂ】
2010023875.tif 000031
【図２２Ａ】
2010023875.tif 000032
【図２２Ｂ】
2010023875.tif 000033
【図２３】
2010023875.tif 000034
【図２４】
2010023875.tif 000035
【手続補正書】
【提出日】平成22年2月18日(2010.2.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性高分子膜部と、前記導電性高分子膜部に接する位置にある電解質部と、前記電解質部に接する位置にある電極とでアクチュエータ動作部を構成する導電性高分子アクチュエータにおいて、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で、印加した電圧を開放した後の所定のタイミングで、前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加するとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を取得し、取得した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を取得する変位量取得手段と、
前記変位量取得手段により取得された前記アクチュエータ動作部の変位量に基づいて、前記アクチュエータ動作部の前記変位量を調整する変位量調整手段とを備える、導電性高分子アクチュエータの制御装置。
【請求項２】
前記変位量取得手段は、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で電圧の印加を開始する場合に、ある波形の電圧を前記導電性高分子膜部と前記電極との間に印加したとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段で検出した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を算出する変位量算出部とを備える、請求項１に記載の導電性高分子アクチュエータの制御装置。
【請求項３】
前記変位量取得手段は、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で、印加した電圧を開放しているときに、ある一定時間ごとに、ある波形の電圧を前記導電性高分子膜部と前記電極との間に印加したとき前記導電性高分子膜部に流れる電流値を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段で検出した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を算出する変位量算出部とを備える、請求項１に記載の導電性高分子アクチュエータの制御装置。
【請求項４】
前記変位量取得手段は、電圧開放状態の継続時間が一定時間を越えたときに、その後の所定のタイミングで、前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加して、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を検出し、検出した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を取得する、請求項１に記載の導電性高分子アクチュエータの制御装置。
【請求項５】
導電性高分子膜部と、前記導電性高分子膜部に接する位置の電解質部と、前記電解質部に接する位置の電極とでアクチュエータ動作部を構成する導電性高分子アクチュエータと、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で、印加した電圧が開放された状態の時間を計測する開放時間計測部と、
前記開放時間計測部の計測時間が一定時間を越えた場合に、所定のタイミングで前記電圧印加手段が前記導電性高分子膜部と前記電極との間に、ある波形の電圧を印加するとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を取得し、取得した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を取得する変位量取得手段と、
前記変位量取得手段により取得された前記アクチュエータ動作部の変位量に基づいて前記アクチュエータ動作部の前記変位量を調整する変位量調整手段を備える、導電性高分子アクチュエータデバイス。
【請求項６】
前記変位量調整手段は、
前記変位量取得手段により取得された電流値を基に、電流値変位量変換テーブルに予め記憶されている変位量電荷量換算値を参照して前記アクチュエータの変位量を推定する変位量推定部と、
前記変位量推定部で推定された変位量と前記変位量の目標値との差を計算し、前記計算された変位量の差から目標電荷量を計算する目標電荷量計算部と、
前記目標電荷量計算部で計算した目標電荷量に基づき電圧を前記電圧印加装置により印加するように制御して前記アクチュエータの前記変位量を調整する印加制御部とを備える、請求項５に記載の導電性高分子アクチュエータデバイス。
【請求項７】
前記変位量推定部の前記目標電荷量計算部は、前記変位量取得手段により取得された電流値を積分することによって電荷量を計算する、請求項５に記載の導電性高分子アクチュエータデバイス。
【請求項８】
導電性高分子膜部と、前記導電性高分子膜部に接する位置にある電解質部と、前記電解質部に接する位置にある電極とでアクチュエータ動作部を構成する導電性高分子アクチュエータにおいて、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で、印加した電圧を開放した後の所定のタイミングで、前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加するとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を取得し、取得した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を変位量取得手段で取得し、
前記取得された前記アクチュエータ動作部の変位量と変位量の目標値との差を求めて、その差に基づく電圧を前記導電性高分子膜部と前記電極との間に印加して、前記アクチュエータの前記変位量を変位量調整手段で調整することを備える、導電性高分子アクチュエータの制御方法。
【手続補正書】
【提出日】平成22年7月28日(2010.7.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気信号によって動作を行い、人工筋肉又は電子部品などに用いることのできる導電性高分子アクチュエータデバイス、導電性高分子アクチュエータの制御装置及び制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子を素材としたアクチュエータは、軽量、柔軟性、動作音がしないなどの特徴を有しており、人工筋肉又はマイクロデバイスの動作機構のデバイスとして期待されている。その中で、ポリピロール又はポリアニリンなどの導電性高分子を駆動材料として用いた電気化学的な伸縮によるデバイスは、生体の筋肉よりも発生エネルギーが大きくなる可能性があり、実用的なデバイス動作が可能な高分子アクチュエータデバイスとして提案されている。
【０００３】
導電性高分子で構成されるアクチュエータの動作は、導電性高分子に電圧又は電流を印加することによって電解質からイオンを導電性高分子へドーピングしたり脱ドーピングしたりして導電性高分子を伸縮させてデバイスを駆動する変位を生じさせることにより行われる。
【０００４】
このようなメカニズムで動作する導電性高分子で構成されるアクチュエータの特徴の１つとして、変位のメモリ性がある。すなわち、電圧印加によってイオンが導電性高分子に入り、伸縮による変位を生じた状態が電圧を切っても保持されている。この現象は、電位を印加しなければイオンは動きにくいため、逆バイアスの電位を加えないと導電性高分子内にあるイオンが導電性高分子の中から出ないからである。この特徴によって、アクチュエータの変位を保持するのにエネルギーが要らなくなり、省エネルギーの動作が可能になる。なお、電源とアクチュエータとで構成される回路の配線のいずれかの点を切断することを「電圧を切る」と表現するものとする。
【０００５】
ここで、導電性高分子アクチュエータの制御精度を高めるためには、導電性高分子の変位状態すなわち長さの状態を正確に検知することが不可欠である。すなわち、導電性高分子の伸縮変化に伴う長さの変化を検出し、駆動部分の位置情報（変位）を検知しながら制御する必要がある。ところで、導電性高分子で構成されるアクチュエータは、制御電極に電圧を印加して上述のように変位を生じたときにメモリ性を有するという特徴がある。しかしながら、導電性高分子内に存在するイオンは抜けにくいが、若干量のイオンは導電性高分子内から抜けて緩和する傾向がある。そこで、駆動する印加電圧のみによって制御していると、変位量はその位置情報がずれるために、制御性の精度が低くなる。以上から、導電性高分子のアクチュエータを高精度に制御するためには、駆動する印加電圧以外の信号によって、導電性高分子の状態を検出する必要がある。
【０００６】
この検出に関して、従来、導電性高分子の電気伝導度を検出することによって導電性高分子膜の長さを検出して制御を行っているものがある（特許文献１参照）。
【０００７】
図２０は、特許文献１に記載される導電性高分子アクチュエータの構成を示す。
図２０において、導電性高分子で構成される導電性高分子膜部２４０１と対向電極部２４０４を高分子固体電解質層で構成される電解質部２４０２を介して対向したデバイス構成であり、導電性高分子膜部２４０１に接して内界検知電極２４０５を形成することによって、その導電性高分子膜部２４０１による変位状態の計測を行っている。
【０００８】
制御電極２４０３と対向電極２４０４との間に電圧を印加することによってこのアクチュエータを動作させる。導電性高分子膜部２４０１と電解質部２４０２とは面接触している。すなわち、導電性高分子膜部２４０１が電解質部２４０２上に積層されている。
【０００９】
図２０において、高分子アクチュエータデバイスは、制御電極２４０３と対向電極２４０４との間に駆動電気信号を印加することによって、電解質部２４０２に存在する可動性マイナスイオンが、導電性高分子膜部２４０１の導電性高分子膜に入って電気化学的に酸化反応することにより導電性高分子膜部２４０１を伸長させ、これによりアクチュエータを湾曲することができ、この変位によってアクチュエータが動作する。この際に、導電性高分子層で構成される導電性高分子膜部２４０１は、可動性イオンが酸化反応してドーピングされるため、電子伝導性が高くなる。この際に、導電性高分子の電気伝導度の変化を、一対の内界検知電極２４０５によって計測することで、電気的にアクチュエータ全体の変位状態をモニタする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−１２９５４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前記したように、導電性高分子で構成されるアクチュエータの制御の精度を高めるためには、アクチュエータの変位状態又は位置情報などを正確に検知することが不可欠である。すなわち、導電性高分子の伸縮状態による変位を検出し、駆動部分の変化量の情報を検知しながら制御する必要がある。導電性高分子で構成されるアクチュエータは、上述のように、導電性高分子に電圧を印加して変位を生じたあと、電圧を切っても導電性高分子内に存在するイオンは抜けにくく変位がほぼ一定に保たれるという特徴がある（メモリ性）。しかしながら、電圧を切った状態では若干量のイオンは導電性高分子内から抜けていくために、位置が少しずつ変化する傾向がある。このような場合には、駆動する印加電圧のみによって制御していると、変位量はその位置情報がずれるために、制御性の精度が低くなってしまうという課題がある。特に、導電性高分子アクチュエータにおいて、駆動電圧をオフした状態で長時間放置した後に、駆動電圧の印加を再開する場合には、駆動電圧をオフする前とは大きく異なる位置からアクチュエータの動作が再開されるので正確な制御が難しい。ここで、電源とアクチュエータとで構成される回路の配線のいずれかの点を切断することを「電圧をオフする」もしくは「電圧を切る」もしくは「電圧を開放する」と表現するものとする。
【００１２】
特許文献１の構成においては、導電性高分子の長さの変化に伴う電気伝導度の変化を検出することにより、導電性高分子の長さと、それによるアクチュエータの駆動位置の変化とを検出する。しかしながら、この方法においては、内界検知電極を設ける必要があって、構成が複雑であるという問題がある。
【００１３】
また、一部の導電性高分子においては、長さが変化した場合でも電気伝導度がほぼ一定に保たれるため、特許文献１の方法は適用できない。具体的には、プラスイオン（カチオン）が出入りすることによって導電性高分子が伸縮動作を行うアクチュエータ（以下、カチオン駆動型の導電性高分子アクチュエータ）においては、イオンの出入りによって導電性高分子の電気伝導度がほとんど変化しないものがある。このような場合、特許文献１の方法を適用できない。
【００１４】
また、アニオン駆動型の導電性高分子アクチュエータにおいては、長さの変化に伴って電気伝導度が変化するので特許文献１の方法を適用可能であるが、イオンが導電性高分子から出たとき（脱ドープされたとき）に導電性高分子の抵抗が大きくなる。このため、導電性高分子におけるジュール熱によるエネルギーロスが大きい。導電性高分子におけるジュール熱を減少させるために特許文献１に示されるように金属からなる制御電極を設けることも可能であるが、構成が複雑であるという問題がある。
【００１５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、導電性高分子アクチュエータを用いた電子デバイスにおいて、構成が簡単で制御性に優れた導電性高分子アクチュエータデバイス、導電性高分子アクチュエータの制御装置及び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】
【００１６】
前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【００１７】
本発明の第１態様によれば、導電性高分子膜部と、前記導電性高分子膜部に接する位置にある電解質部と、前記電解質部に接する位置にある電極とでアクチュエータ動作部を構成する導電性高分子アクチュエータにおいて、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で電圧を開放した後の所定のタイミングに、前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加するとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を取得し、取得した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を取得する変位量取得手段と、
前記変位量取得手段により取得された前記アクチュエータ動作部の変位量に基づいて、前記アクチュエータ動作部の前記変位量を調整する変位量調整手段とを備える、導電性高分子アクチュエータの制御装置を提供する。
【００１８】
本発明の第５態様によれば、導電性高分子膜部と、前記導電性高分子膜部に接する位置の電解質部と、前記電解質部に接する位置の電極とでアクチュエータ動作部を構成する導電性高分子アクチュエータと、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で電圧が開放された状態の時間を計測する開放時間計測部と、
前記開放時間計測部の計測時間が一定時間を越えた場合に、所定のタイミングで前記電圧印加手段が前記導電性高分子膜部と前記電極との間に、ある波形の電圧を印加するとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を取得し、取得した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を取得する変位量取得手段と、
前記変位量取得手段により取得された前記アクチュエータ動作部の変位量に基づいて前記アクチュエータ動作部の前記変位量を調整する変位量調整手段とを備える、導電性高分子アクチュエータデバイスを提供する。
【００１９】
本発明の第８態様によれば、導電性高分子膜部と、前記導電性高分子膜部に接する位置にある電解質部と、前記電解質部に接する位置にある電極とでアクチュエータ動作部を構成する導電性高分子アクチュエータにおいて、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で電圧を開放した後の所定のタイミングに、前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加するとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を取得し、取得した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を変位量取得手段で取得し、
前記取得された前記アクチュエータ動作部の変位量と変位量の目標値との差を求めて、その差に基づく電圧を前記導電性高分子膜部と前記電極との間に印加して、前記アクチュエータの前記変位量を変位量調整手段で調整することを備える、導電性高分子アクチュエータの制御方法を提供する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の導電性高分子アクチュエータ、導電性高分子アクチュエータデバイス、及び制御方法においては、簡易な構成で導電性高分子アクチュエータの変位を検出して、その結果を用いて変位を目標値に正確に調整することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
【図１】図１は、本発明の第１実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータの断面模式図を含む導電性高分子アクチュエータデバイスの図であり、
【図２Ａ】図２Ａは、前記第１実施形態にかかる前記導電性高分子アクチュエータの動作原理を示す図であり、
【図２Ｂ】図２Ｂは、前記第１実施形態にかかる前記導電性高分子アクチュエータの動作原理を示す図であり、
【図３】図３は、前記第１実施形態にかかる前記導電性高分子アクチュエータデバイスの動作特性を示す図であり、
【図４Ａ】図４Ａは、前記第１実施形態にかかる前記導電性高分子アクチュエータにおいて、駆動電圧と、アクチュエータの変位量と、電流と、電流平均値とのそれぞれと、時間との関係を模式的に示した図であり、
【図４Ｂ】図４Ｂは、前記第１実施形態にかかる前記導電性高分子アクチュエータにおいて、伸縮の中心位置と時間との関係を模式的に示した図であり、
【図５】図５は、導電性高分子アクチュエータを伸縮させるときの、伸縮の中心位置と電流平均値とのおおよその関係を模式的に示した図であり、
【図６Ａ】図６Ａは、導電性高分子アクチュエータが伸縮動作を繰り返すときに徐々に伸張方向に変位する場合の動作例を示す図であり、
【図６Ｂ】図６Ｂは、導電性高分子アクチュエータが伸縮動作を繰り返すときに徐々に伸張方向に変位する場合の動作例を示す図であり、
【図７】図７は、駆動電圧波形の例として、矩形波において正の電圧を印加する時間を長くした場合を示す図であり、
【図８Ａ】図８Ａは、導電性高分子アクチュエータが伸縮動作を繰り返すときに徐々に収縮方向に変位する場合の動作例を示す図であり、
【図８Ｂ】図８Ｂは、導電性高分子アクチュエータが伸縮動作を繰り返すときに徐々に収縮方向に変位する場合の動作例を示す図であり、
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の前記第１実施形態における導電性高分子アクチュエータの制御方法の例を示すフローチャートであり、
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明の前記第１実施形態における導電性高分子アクチュエータの制御部の詳細な構成を示す図であり、
【図１０】図１０は、前記第１実施形態における、駆動電圧と、アクチュエータの変位量と、電流値との時間的変化の例を示す図であり、
【図１１】図１１は、本発明の前記第１実施形態において制御電極に印加する信号波形の電圧と時間との関係の例を示す図であり、
【図１２】図１２は、本発明の前記第１実施形態においてアクチュエータの変位を目標値に保つために一定時間ごとに第１ステップＳ１から第７ステップＳ７の方法を行う方法の例を示す図であり、
【図１３】図１３は、導電性高分子アクチュエータにおいて、電圧を開放したときの変位の時間的変化の様子を示す図であり、
【図１４】図１４は、導電性高分子アクチュエータにおいて、流れる電荷量とアクチュエータの変位と電流とのそれぞれと、時間との関係を模式的に示した図であり、
【図１５】図１５は、導電性高分子アクチュエータにおいて、変位変化ｒ（ｔ）と電荷量Ｑ（ｔ）との関係の概要を示す図であり、
【図１６Ａ】図１６Ａは、本発明の第２実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータの制御方法において直動方向に動作を行う導電性高分子アクチュエータデバイスの１つの例の構成図であり、
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、本発明の前記第２実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータの制御方法において直動方向に動作を行う導電性高分子アクチュエータデバイスの別の例の構成図であり、
【図１６Ｃ】図１６Ｃは、本発明の前記第２実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータの制御方法において直動方向に動作を行う導電性高分子アクチュエータデバイスのさらに別の例の構成図であり、
【図１７】図１７は、本発明の前記第２実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータデバイスの制御部の詳細な構成を示す図であり、
【図１８】図１８は、直動型の導電性高分子アクチュエータの基本実験を行う装置の構成を示す図であり、
【図１９】図１９は、カチオン駆動型のアクチュエータにおける駆動電圧と変位と電流と電流平均値とのそれぞれと、時間との関係を示す図であり、
【図２０】図２０は、従来技術における導電性高分子アクチュエータの構成を示す図であり、
【図２１Ａ】図２１Ａは、本発明の一実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータの構成例を簡略に示した図であり、
【図２１Ｂ】図２１Ｂは、図２１Ａの本発明の前記実施形態にかかる前記導電性高分子アクチュエータの構成例において、スイッチを開放した状態での簡略図であり、
【図２２Ａ】図２２Ａは、本発明の一実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータの構成例を簡略に示した図であり、
【図２２Ｂ】図２２Ｂは、図２２Ａの本発明の前記実施形態にかかる前記導電性高分子アクチュエータの構成例において、２つのスイッチを切り替えた状態での簡略図であり、
【図２３】図２３は、本発明の別の実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータの構成例を簡略に示した図であり、
【図２４】図２４は、本発明の別の実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータにおいて、開放時間計測部を利用する別の制御方法を行う場合のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２３】
以下、図面を参照して本発明における実施形態を詳細に説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。
【００２４】
本発明の第１態様によれば、導電性高分子膜部と、前記導電性高分子膜部に接する位置にある電解質部と、前記電解質部に接する位置にある電極とでアクチュエータ動作部を構成する導電性高分子アクチュエータにおいて、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で電圧を開放した後の所定のタイミングに、前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加するとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を取得し、取得した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を取得する変位量取得手段と、
前記変位量取得手段により取得された前記アクチュエータ動作部の変位量に基づいて、前記アクチュエータ動作部の前記変位量を調整する変位量調整手段とを備える、導電性高分子アクチュエータの制御装置を提供する。
【００２５】
本発明の第２態様によれば、前記変位量取得手段は、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で電圧の印加を開始する場合に、ある波形の電圧を前記導電性高分子膜部と前記電極との間に印加したとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段で検出した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を算出する変位量算出部とを備える、第１の態様に記載の導電性高分子アクチュエータの制御装置を提供する。
【００２６】
本発明の第３態様によれば、前記変位量取得手段は、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で電圧を開放しているときに、ある一定時間ごとに、ある波形の電圧を前記導電性高分子膜部と前記電極との間に印加したとき前記導電性高分子膜部に流れる電流値を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段で検出した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を算出する変位量算出部とを備える、第１の態様に記載の導電性高分子アクチュエータの制御装置を提供する。
【００２７】
本発明の第４態様によれば、前記変位量取得手段は、電圧開放状態の継続時間が一定時間を越えたときに、その後の所定のタイミングで、前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加して、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を検出し、検出した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を取得する、第１の態様に記載の導電性高分子アクチュエータの制御装置を提供する。
【００２８】
本発明の第５態様によれば、導電性高分子膜部と、前記導電性高分子膜部に接する位置の電解質部と、前記電解質部に接する位置の電極とでアクチュエータ動作部を構成する導電性高分子アクチュエータと、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で電圧が開放された状態の時間を計測する開放時間計測部と、
前記開放時間計測部の計測時間が一定時間を越えた場合に、所定のタイミングで前記電圧印加手段が前記導電性高分子膜部と前記電極との間に、ある波形の電圧を印加するとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を取得し、取得した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を取得する変位量取得手段と、
前記変位量取得手段により取得された前記アクチュエータ動作部の変位量に基づいて前記アクチュエータ動作部の前記変位量を調整する変位量調整手段とを備える、導電性高分子アクチュエータデバイスを提供する。
【００２９】
本発明の第６態様によれば、前記変位量調整手段は、
前記変位量取得手段により取得された電流値を基に、電流値変位量変換テーブルに予め記憶されている変位量電荷量換算値を参照して前記アクチュエータの変位量を推定する変位量推定部と、
前記変位量推定部で推定された変位量と前記変位量の目標値との差を計算し、前記計算された変位量の差から目標電荷量を計算する目標電荷量計算部と、
前記目標電荷量計算部で計算した目標電荷量に基づき電圧を前記電圧印加装置により印加するように制御して前記アクチュエータの前記変位量を調整する印加制御部とを備える、第５の態様に記載の導電性高分子アクチュエータデバイスを提供する。
【００３０】
本発明の第７態様によれば、前記変位量推定部の前記目標電荷量計算部は、前記変位量取得手段により取得された電流値を積分することによって電荷量を計算する、第５の態様に記載の導電性高分子アクチュエータデバイス。
【００３１】
本発明の第８態様によれば、導電性高分子膜部と、前記導電性高分子膜部に接する位置にある電解質部と、前記電解質部に接する位置にある電極とでアクチュエータ動作部を構成する導電性高分子アクチュエータにおいて、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で電圧を開放した後の所定のタイミングに、前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加するとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を取得し、取得した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を変位量取得手段で取得し、
前記取得された前記アクチュエータ動作部の変位量と変位量の目標値との差を求めて、その差に基づく電圧を前記導電性高分子膜部と前記電極との間に印加して、前記アクチュエータの前記変位量を変位量調整手段で調整することを備える、導電性高分子アクチュエータの制御方法を提供する。
【００３２】
以下、図を用いて説明するが、本願発明はこれらの実施様態に限定されるものではない。
【００３３】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータデバイス及び導電性高分子アクチュエータの制御方法について説明する。
【００３４】
＜アクチュエータの全体構成＞
図１は、本発明の第１実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータの制御方法を行うアクチュエータデバイスの図であって、前記アクチュエータの断面模式図を含んでいる。
【００３５】
図１のアクチュエータデバイスは、導電性高分子膜部１０１と、電解質部１０２と、制御電極１０３と、対向電極部１０４と、電流測定部９１と、制御部９２と、電圧印加手段の一例としての電源９３とを備えている。制御電極１０３と、導電性高分子膜部１０１と、電解質部１０２と、対向電極部１０４とが、この順に積層されてアクチュエータ動作部９０を構成している。すなわち、アクチュエータデバイスは、導電性高分子膜部１０１と対向電極部１０４とを、高分子固体電解質層で構成される電解質部１０２を介して対向した構成を含む。一般的に、導電性高分子を用いたアクチュエータは、導電性高分子と接触する電解質と、電解質と接する電極とを含んだ構成であり、導電性高分子と電極との間で電圧を印加して導電性高分子に対するイオンの出入りを発生させることによって動作を行う。図１の例では、導電性高分子膜と対向電極との間で電圧を印加することによって動作を行うが、後で説明するように、対向電極及び参照電極を配置して、導電性高分子と参照電極との間で電圧を印加する方法もある。また、対向電極を複数配置する方法も考えられる。さらに、図１の例では、導電性高分子膜に接する位置に制御電極を配置するが、導電性高分子の導電率が充分に高い場合には、制御電極を配置しない構成も考えられる。
【００３６】
また、図２３に示したように、アクチュエータ動作部９０Ａ内に、動作電極として機能する導電性高分子膜部１０１と、対向電極部１０４と、参照電極１１９とを配置して、ポテンショスタット装置（図においてはＰ．Ｓ．と表示）９３Ｄに接続して、アクチュエータを動作させることも可能である。動作電極（導電性高分子膜部１０１）と参照電極１１９と対向電極１０４とのいずれの電極も、電解質部１０２と接する位置に配置する。動作電極（導電性高分子膜部１０１）と参照電極１１９と対向電極１０４とを用いる構成は、電気化学の分野で一般的に使用される構成であり、詳しい説明は省略する。動作電極（導電性高分子膜部１０１）と参照電極１１９と対向電極１０４とを用いる構成においては、動作電極（導電性高分子膜部１０１）と参照電極１１９との間にポテンショスタット装置９３Ｄにより電圧を印加することによってアクチュエータを動作させることが可能である。
【００３７】
電流測定部９１は、電源９３と制御電極１０３との間に流れる電流を計測する。
制御部９２は、電流測定部９１の測定結果に基づき、電源９３の電圧を制御する。
【００３８】
電流測定部９１と制御部９２との働きは、後で詳しく説明する。
【００３９】
導電性高分子膜部１０１と電解質部１０２と制御電極１０３と対向電極部１０４とからアクチュエータ動作部９０が構成され、後述するように、導電性高分子膜部１０１と対向電極部１０４との間に電圧を印加することによって、このアクチュエータ動作部９０を動作させる。図１から明らかなように、導電性高分子膜部１０１と電解質部１０２とは面接触している。すなわち、導電性高分子膜部１０１が電解質部１０２上に積層されている。また、図１の例では、導電性高分子膜部１０１は制御電極１０３と接しており、制御電極１０３と対向電極部１０４との間に電圧を印加することにより、間接的に、導電性高分子膜部１０１と対向電極部１０４との間に電圧を印加する。上述のように、制御電極１０３を省略した構成も考えることができて、この場合には、導電性高分子膜部１０１と対向電極部１０４との間に直接、電圧を印加することが可能である。
【００４０】
＜アクチュエータ動作部９０を構成する各部の材料構成＞
導電性高分子膜部１０１は、例えば、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリン及びその誘導体、又は、それらの共重合体を含む材料の導電性高分子膜で形成される。導電性高分子膜部１０１としては、特に、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリＮ−メチルピロール、ポリ３−メチルチオフェン、ポリ３−メトキシチオフェン、及び、ポリ３，４−エチレンジオキシチオフェン、又は、これらから選ばれる１種類又は２種類で構成される（共）重合体の導電性高分子膜が好ましい。
【００４１】
これらの導電性高分子膜は、例えば六フッ化リン酸イオン（ＰＦ６−）、ｐ−フェノールスルホン酸イオン（ＰＰＳ）、ドデシルベンゼンスルホン酸イオン（ＤＢＳ）、又は、ポリスチレンスルホン酸イオン（ＰＳＳ）などの負イオン（アニオン）をドーピングした状態で使用する。
【００４２】
例えば、導電性高分子膜部１０１は、電解重合されたポリピロール層（約５μｍ厚さ）で構成され、電解質部１０２は、ヘキサフルオロリン酸ナトリウムを１０重量％溶解したポリエチレンオキシドを主成分とした高分子固体電解質層（約１０μｍ厚さ）で構成され、制御電極１０３及び対向電極部１０４はそれぞれ金電極で構成され、アクチュエータ動作部９０はこれらの積層体で構成される。
【００４３】
導電性高分子膜部１０１の膜厚は、例えば約１μｍ〜約１００μmの範囲に含まれておればよく、特に約５μｍ〜約２０μｍの範囲が望ましい。これらの導電性高分子膜部１０１は、化学重合又は電解重合で合成した後、必要な場合、成型の処理を行うことによって作製可能である。導電性高分子膜部１０１の膜厚が１μｍより小さい場合は、膜の機械強度が小さいために、アクチュエータの組み立てを行うことが難しい。また、導電性高分子膜部１０１の膜厚が１００μｍより大きい場合は、膜の表面近傍でしかイオンの出入りが発生しないために、導電性高分子膜部１０１の電界伸縮量が小さいという問題がある。
【００４４】
＜導電性高分子アクチュエータの動作原理＞
一般的に、導電性高分子膜を用いたアクチュエータは、導電性高分子（導電性ポリマー）に対して、アニオン（陰イオン）若しくはカチオン（陽イオン）がドーピング又はアンドープされることに伴う膨脹収縮変形によって変形動作を行う。
【００４５】
例えば、導電性ポリマーとして、ポリフェノールスルホン酸（ＰＰＳ）水溶液中で電解重合したポリピロールを用い、これを六フッ化リン酸ナトリウムＮａ（ＮａＰＦ６）の水溶液中で動作させる場合などの、ある種の材料系では、アニオンのドープ、及び、脱ドープが主たる変形のメカニズムとされる。また、例えば、導電性ポリマーとして、六フッ化リン酸テトラブチルアンモニウム（ＴＢＡ・ＰＦ６）のプロピレンカーボネート（ＰＣ）溶液中で電解重合したポリピロールを用い、これをイオン性液体であるエチルメチルイミダゾリウム・トリフロロメタンスルフォニルイミド（ＥＭＩ・ＴＦＳＩ）中で動作させる場合などの、別の材料系では、カチオンのドープ、及び、脱ドープが主たる変形のメカニズムとされる。
【００４６】
アニオンのドープ、及び、脱ドープが主たる変形のメカニズムである場合、アニオンが脱ドープされた状態では導電性高分子膜の導電性が低下する。このため、導電性高分子アクチュエータを効率良く動作させるためには、特許文献１に示されているように導電性高分子膜に駆動電圧を印加する制御電極などを設ける必要がある。これに対して、カチオンのドープ、及び、脱ドープが主たる変形のメカニズムである場合、カチオンが脱ドープされた状態においても導電性高分子膜は比較的高い導電性を保つために、導電性高分子膜に駆動電圧を直接印加することが可能である。この第１実施形態においては、アニオンのドープ、及び、脱ドープが主たる変形のメカニズムである場合について以下に説明する。
【００４７】
まず、図１の導電性高分子アクチュエータの動作原理について、図２Ａ及び図２Ｂを用いて以下に説明する。
【００４８】
図２Ａに示すように、導電性高分子膜部１０１と対向電極部１０４との間に、制御部９２の制御の下に電源９３から正の値の駆動電圧を印加することによって、電解質部１０２に存在する可動性マイナスイオン（可動性アニオン）１５０が、導電性高分子膜部１０１の導電性高分子膜の外から中に入る方向に移動する。そして、可動性アニオン１５０と導電性高分子膜とが酸化反応することにより導電性高分子膜部１０１を伸張させ、これによりアクチュエータ動作部９０が湾曲する。
【００４９】
これとは逆に、図２Ｂに示すように、導電性高分子膜部１０１と制御電極１０３との間に、制御部９２の制御の下に電源９３から負の電圧を印加した場合には、電解質部１０２に存在する可動性マイナスイオン（可動性アニオン）１５０は、導電性高分子膜部１０１の導電性高分子膜の中から外に出てくる方向に移動する。そして、可動性アニオン１５０と導電性高分子膜が還元反応することにより導電性高分子膜部１０１を収縮させ、これによりアクチュエータ動作部９０はほぼ直線状態になる。
【００５０】
なお、前記説明において、駆動電気信号は、対向電極部１０４を基準としたときの導電性高分子膜部１０１に加える電圧を意味するものとする。導電性高分子膜が伸縮する理由としては、導電性高分子膜内へ嵩高いイオンが出入りするのが主な理由と考えられている。
【００５１】
＜導電性高分子アクチュエータの一般的な動作特性＞
図３に、図１の構成の導電性高分子アクチュエータの動作特性を示す。
【００５２】
図３では、制御電極１０３と対向電極部１０４との間に駆動電気信号として電圧を一定時間加えた場合における信号パターン（図３の（ａ）参照）と、アクチュエータ動作部９０の先端部の変位量をレーザ変位計を用いて計測した結果（図３の（ｂ）参照）を表している。また、図３の（ｃ）では、正の電圧印加前のアクチュエータ動作部９０の外形Ｉ、正の電圧印加停止直後で負の電圧印加前のアクチュエータ動作部９０の外形ＩＩ、負の電圧印加停止後のアクチュエータ動作部９０の外形ＩＩＩを模式的に示している。
【００５３】
導電性高分子アクチュエータにおいては一般的に、図３の（ｂ）及び（ｃ）のＩＩに示したように駆動電圧をオフしても変位量が保持される特性（メモリ性）を有する。しかし、時間と共に変位は少しずつ変化しており、駆動電圧だけでは変位量を正確に制御することができないことがわかる。例えば、周期的な駆動電圧を印加することによって繰り返し伸縮動作を行う場合には振幅と振動中心が時間とともに変化するので、加える駆動電圧だけから伸縮動作の振幅と振動中心を正確に制御することはできない。また、駆動電圧をオフした状態で長時間放置した後に駆動電圧の印加を再開する場合には、駆動電圧をオフする前とは大きく異なる位置から動作が再開されるので、この場合も加える駆動電圧だけから変位の制御を行うことは難しい。
【００５４】
ここで、電源とアクチュエータ動作部９０とで構成される回路の配線のいずれかの点を切断することを「電圧をオフする」もしくは「電圧を切る」もしくは「電圧を開放する」と表現するものとする。
【００５５】
図２１Ａ）は本発明の一実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータの構成例を簡略に示した図である。図２１Ａに示すように、導電性高分子膜部１０１と電解質部１０２と制御電極１０３と対向電極部１０４とから構成されるアクチュエータ動作部９０が可変電源９３Ａにスイッチ９３Ｂを介して接続されている。この状態で可変電源９３Ａの電源電圧を変化させることによってアクチュエータを動作させることができる。図２１Ｂの状態では、可変電源９３Ａとアクチュエータ動作部９０の間のスイッチ９３Ｂが開放されている。上記のように、この状態を、「電圧をオフする」もしくは「電圧を切る」もしくは「電圧を開放する」と表現するものとする。
【００５６】
また、図２２Ａは本発明の一実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータの別の構成例を簡略に示した図である。図２２Ａに示すように、アクチュエータ動作部９０が可変電源９３Ａにスイッチ９３Ｂを介して接続されており、さらに制御電極１０３と対向電極部１０４との間がスイッチ９３Ｃを持つ配線で接続されている。図２２Ａの状態では、アクチュエータ動作部９０と可変電源９３Ａの間のスイッチ９３Ｂは接続された状態であり、制御電極１０３と対向電極部１０４との間のスイッチ９３Ｃは開放された状態であり、この状態で可変電源９３Ａの電源電圧を変化させることによってアクチュエータを動作させることができる。図２２Ｂの状態では、可変電源９３Ａとアクチュエータ動作部９０の間のスイッチ９３Ｂが開放されており、さらに、制御電極１０３と対向電極部１０４との間のスイッチ９３Ｃは接続された状態であり、上記のように、この状態も、「電圧がオフである」もしくは「電圧が切られている」もしくは「電圧が開放されている」状態の一例と考えることができる。
【００５７】
なお、図２１Ａの状態でアクチュエータを動作させた後に図２１Ｂの状態に遷移させると、イオンの分布はしばらくの間はほぼ同じ保持されるために変位もほぼ一定に保たれるが、少量のリーク電流がアクチュエータ動作部９０内を流れることによって変位は徐々に変化する。
【００５８】
また、図２２Ａの状態でアクチュエータを動作させた後に図２２Ｂの状態に遷移させると、イオンの分布は変化して長時間経過すると一定の分布に安定する。これに伴い、時間ともにアクチュエータ動作部９０の変位も変化して長時間経過すると一定の変位の値で安定する。
【００５９】
＜新たに見い出した導電性高分子アクチュエータの動作特性＞
これに対して、本発明者は、導電性高分子アクチュエータを駆動するときの電流と変位との間に成り立つ関係を新たに見い出している。本発明は、この関係を用いて導電性高分子アクチュエータの変位の制御を行う。
【００６０】
図４Ａは、前記図1の導電性高分子アクチュエータにおいて、制御電極１０３に加える電圧（対向電極部１０４を電圧の基準とする。これを駆動電圧と呼ぶ。）と、アクチュエータ動作部９０の変位量と、制御電極１０３に流れる電流との関係を模式的に示した模式図である。ここで、図１に示したように電源に対して制御電極１０３と導電性高分子膜部１０１は直列に接続されているので、制御電極１０３に流れる電流は、導電性高分子膜部１０１に流れる電流に等しい。ここで、導電性高分子膜部１０１に流れる電流は、外部から見て導電性高分子膜部１０１を通過する電流を意味するものとする。この実験においては、±１．５Ｖの矩形波を０．５Ｈｚの周波数で制御電極１０３と対向電極１０４との間に印加した。図４Ａの（ｄ）は、ある一定時間ごとに電流値の絶対値の平均値を計算して、その値を滑らかにつないだものである。ここで、電流値の絶対値の平均値を求める方法としては、例えば、駆動電圧の周期時間である２秒ごとに平均値を求める方法が考えられる。ただし、図４Ａの時刻ｔ０においては、印加開始後、１０００回以上の伸縮動作をアクチュエータ動作部９０において行い、アクチュエータ動作部９０の伸縮動作が十分に安定している。この状態においては、振動の中心は正の位置にある。また、このとき、アクチュエータに流れる電流値の絶対値の平均値は約３０ｍＡであった。また、駆動電圧の１周期間における電流の最大値は約１００ｍＡであった。ここで、アクチュエータに流れる電流は、外部から見て導電性高分子膜部１０１を通過する電流を意味するものとする。時刻ｔ１においてアクチュエータに対する電圧の印加を停止して、時刻ｔ２において、再び電圧の印加をアクチュエータに行った。ここで、アクチュエータへの電圧の印加は、制御電極１０３と対向電極１０４との間に電圧を印加することを意味するものとする。ただし、制御電極と対向電極との間に電圧を印加した場合には、間接的に導電性高分子膜部と対向電極との間に電圧が印加される。このため、アクチュエータへの電圧の印加は、導電性高分子膜部と対向電極との間に電圧を印加することであると言い換えることができる。また、本発明のアクチュエータとしては、制御電極を含まない構成も考えることができて、この場合は、アクチュエータへの電圧印加は導電性高分子膜部と対向電極との間に電圧を印加することを意味するものとする。また、本発明のアクチュエータとして、参照電極を含む構成を考えることができて、この場合は、アクチュエータへの電圧印加は導電性高分子膜部と参照電極との間に電圧を印加することを意味するものとする。また、本発明のアクチュエータとして、参照電極と制御電極の両方を含む構成を考えることもできて、この場合は、アクチュエータへの電圧印加は制御電極と参照電極との間に電圧を印加することを意味するものとする。ただし、この場合には、制御電極と参照電極との間に電圧を印加したときには、間接的に導電性高分子膜部と参照電極との間に電圧が印加される。このため、参照電極と制御電極の両方を含む場合には、アクチュエータへの電圧の印加は、導電性高分子膜部と参照電極との間に電圧を印加することであると言い換えることができる。図４Ａの例においては、時刻ｔ１と時刻ｔ２との間の時間は１時間である。図４Ａから、アクチュエータへの電圧印加を停止した状態に比べて、アクチュエータへの電圧印加を再開したときには、アクチュエータ動作部９０が負の方向に変位していることがわかる。また、アクチュエータへの電圧印加を再開してから、アクチュエータ動作部９０の振幅は電圧印加停止前よりも減少しており、電流値の絶対値の平均値も約２５ｍＡと減少していた。また、駆動電圧の１周期間における電流の最大値は約８０ｍＡであった。この後、振幅は徐々に大きくなって振動の中心の位置は正の方向に徐々に移動する。このとき、アクチュエータに流れる電流は振幅の増加と共に大きくなり、時刻ｔ３において電流の絶対値の平均値は約３０ｍＡに回復した。また、時刻ｔ３における駆動電圧の１周期間における電流の最大値は約１００ｍＡであった。図４Ｂは、アクチュエータ動作部９０が伸縮動作をするときに伸縮の中心位置が時間と共にどのように変化するかを示した図である。また、図５は、図４Ａの（ｄ）と図４Ｂの関係から求めた、アクチュエータ動作部９０の伸縮の中心位置と電流平均値とのおおよその関係を模式的に示した図である。
【００６１】
図５に示されるように、アクチュエータ動作部９０が伸縮動作を行うときの伸縮の中心位置と電流平均値との間には、およそ１対１に対応する関係があることが本実験によって新たにわかった。すなわち、この第１実施形態の導電性高分子アクチュエータの例においては、アクチュエータ動作部９０が伸縮動作を行う場合、振動の中心の位置が正の方向に移動したときには、アクチュエータ動作部９０の伸縮動作の振幅は大きくなり、そのとき、アクチュエータに流れる電流も大きくなる関係がある。
【００６２】
前記の関係を用いれば、例えば矩形波などに代表される一定の波形を持つ電圧信号をアクチュエータに印加したときにアクチュエータに流れる電流値を計測することによって、アクチュエータ動作部９０の変位（アクチュエータ動作部９０の固定点からの絶対的な変位量）を検出することが可能である。また、この方法によって検出したアクチュエータの変位をフィードバックすれば、導電性高分子アクチュエータの変位を正確に制御できることがわかる。ここで、上記の一部の説明においては、アクチュエータ動作部９０の変位を単にアクチュエータの変位と表現した。
【００６３】
ただし、前記説明において、アクチュエータ動作部の変位について正の方向は導電性高分子膜部１０１が伸張する方向であるものと定義する。
【００６４】
＜導電性高分子アクチュエータにおける、変位と振幅と電流値との間の関係に関する考察＞
以下では、導電性高分子アクチュエータにおける、変位と、振幅の大きさと、電流値との間に前記の関係が成立する理由について図を用いて考察する。図６Ａ及び図６Ｂは、一般的な導電性高分子アクチュエータにおいて、導電性高分子膜部が伸縮動作を繰り返すときに、導電性高分子アクチュエータの導電性高分子膜部が伸張する方向に徐々に変位する場合の動作例を示す。
【００６５】
導電性高分子アクチュエータにおいては、一般的に、電解液１５０Ｂ（図１では電解質部１０２に相当。）から導電性高分子膜部１０１へのイオン１５０Ａの出入りによって伸縮動作が行われると考えられている。初期状態においては、図６Ａに示すように、導電性高分子膜部１０１の収縮状態において導電性高分子膜部１０１内に存在するイオン１５０Ａの数が比較的少ないが、導電性高分子アクチュエータが長時間伸縮を繰り返すと導電性高分子膜部１０１内にイオン１５０Ａが徐々に取り残されて、図６Ｂに示すように、導電性高分子膜部１０１の収縮状態において導電性高分子膜部１０１内に存在するイオン１５０Ａの数が比較的多くなると考えられる。この結果、導電性高分子アクチュエータが長時間伸縮を繰り返すと、導電性高分子膜部１０１が徐々に伸張する現象が生じると考えられる。さらに、図６Ｂの状態では、図６Ａの状態と比較して、導電性高分子膜部１０１が伸張した状態であるので、導電性高分子膜部１０１を形成する高分子鎖のネットワーク構造の隙間が大きくなっており、イオン１５０Ａの出入りが生じやすいものと考えられる。この結果、導電性高分子アクチュエータが長時間伸縮を繰り返すと、イオン１５０Ａの出入りの量が大きくなって、これに伴い、導電性高分子膜部１０１の伸縮動作の振幅及び電流値が大きくなるものと推察される。
【００６６】
なお、図６Ａ及び図６Ｂの説明ではカチオン（正イオン）１５０Ａが出入りを行うことによって伸縮動作が行われるカチオン駆動型の導電性高分子アクチュエータについて説明したが、アニオン駆動型の導電性高分子アクチュエータについても同様の考察が成り立つ。また、図６Ａ及び図６Ｂの説明においては、電源９３を開放して伸縮動作を停止した状態で長時間放置した状態を初期状態として伸縮動作を開始する場合を考えている。
【００６７】
図６Ａ及び図６Ｂにおいては、伸縮動作を繰り返すと、イオン１５０Ａが導電性高分子膜部１０１内に取り残されて徐々に伸張する場合を考えているが、駆動電圧の加え方を変えた場合又は他の材料を用いた場合においては、アクチュエータに伸縮動作を繰り返すと、導電性高分子膜部１０１が徐々に収縮する場合も考えられる。たとえば、駆動電圧波形の例として、図７に示すように、矩形波において正の電圧をアクチュエータに印加する時間を長くした場合を考えると、伸縮動作を繰り返すと、導電性高分子膜部１０１が徐々に収縮する。この場合、導電性高分子膜部１０１に正の電圧を長時間加えるので、導電性高分子膜部１０１から多量のカチオンが抜け出て導電性高分子膜部１０１の収縮量は大きくなり、導電性高分子膜部１０１に負の電圧を短時間しか加えないので、導電性高分子膜部１０１に少量のカチオンしか入り込まないので導電性高分子膜部１０１の伸張量が小さくなると考えられる。結果として、導電性高分子膜部１０１が伸縮動作を繰り返すと、導電性高分子膜部１０１が徐々に収縮すると考えられる。ただし、ここでは、カチオン駆動型の導電性高分子アクチュエータを考えている。
【００６８】
図８Ａ及び図８Ｂは、導電性高分子アクチュエータが伸縮動作を繰り返すときに導電性高分子膜部１０１が収縮方向に徐々に変位する場合の動作例を示す。初期状態においては、図８Ａの状態で伸縮を行うが、伸縮動作を長時間続けるとイオン１５０Ａが導電性高分子膜部１０１から抜け出ており、図８Ｂに示すような収縮状態及び伸張状態における導電性高分子膜部１０１内のイオン１５０Ａの数は、図８Ａに比べて、少なくなっていると考えられる。この結果、導電性高分子膜部１０１は収縮すると考えられる。この状態においては、導電性高分子膜部１０１を形成する高分子鎖のネットワーク構造の隙間が小さくなっており、イオン１５０Ａの出入りが生じにくくなるものと考えられる。この結果、長時間伸縮を繰り返すとイオン１５０Ａの出入りの量が小さくなって、これに伴い、導電性高分子膜部１０１の伸縮動作の振幅及び電流値が小さくなるものと推察される。
【００６９】
図６Ａ及び図６Ｂ、図８Ａ及び図８Ｂのいずれの場合においても、導電性高分子アクチュエータが伸縮動作を行うとき、振動の中心の位置が、基準となる状態よりも伸張方向にずれた位置にある場合には、基準となる状態よりも伸縮動作の振幅は大きくなり、そのときアクチュエータに流れる電流も、基準となる状態よりも大きくなる関係が成り立つと考えられる。また、逆に、図６Ａ及び図６Ｂ、図８Ａ及び図８Ｂのいずれの場合においても、導電性高分子アクチュエータが伸縮動作を行うとき、振動の中心の位置が、基準となる状態よりも収縮方向にずれた位置にある場合には、基準となる状態よりも伸縮動作の振幅は小さくなり、そのときアクチュエータに流れる電流も、基準となる状態よりも小さくなる関係が成り立つと考えられる。
【００７０】
前記説明においては、駆動電圧波形として周期的な波形を加えた場合を考えたが、周期的な波形でない場合にも同様の関係が成り立つものと考えられる。すなわち、アクチュエータの位置が、基準となる状態よりも伸張方向にずれた位置にある場合には、ある波形の電圧をアクチュエータに加えたときの動作の大きさが、基準となる状態よりも大きくなり、そのときアクチュエータに流れる電流も、基準となる状態よりも大きくなる関係が成り立つものと考えられる。
【００７１】
＜本発明の第１実施形態にかかるアクチュエータの制御方法＞
前記の考察から、矩形波などに代表される一定の波形を持つ電圧信号を印加したときに流れる電流値を計測すれば、アクチュエータの変位（アクチュエータの固定点からの絶対的な変位量）を検出することが可能である。この方法によって検出したアクチュエータの変位をフィードバックすれば、導電性高分子アクチュエータの変位を正確に制御できる。また、特許文献１の方法に比べてアクチュエータの構成が簡単であるというメリットがある。
【００７２】
ここで、アクチュエータの位置（変位）を検出するためにアクチュエータに印加する電圧は、周期波形である必要はなく、任意の形状の波形を考えることが可能である。電流値の計測方法としては、電流値の最大値、又は、前記の方法で計算した電流値の平均値、又は、同様の方法で計算することが可能である電流値の絶対値の積分値などが考えられる。
【００７３】
なお、説明においては、図１の例に示したような導電性高分子アクチュエータにおいて、導電性高分子膜が伸張又は収縮することによってアクチュエータ動作部９０が湾曲動作を行う場合に、単にアクチュエータが伸張又は収縮すると表現するものとする。また、導電性高分子膜が伸縮することによってアクチュエータ動作部９０が両方向に湾曲動作を行う場合には、単にアクチュエータが伸縮すると表現するものとする。また、アクチュエータ動作部９０の変位は、導電性高分子膜が伸びる方向の変位をプラスとする。また一部の説明において、アクチュエータ動作部９０の変位を単に、アクチュエータの変位と表現するものとする。
【００７４】
＜本発明の第１実施形態にかかるアクチュエータの制御方法の具体例＞
図９Ａは、本発明の第１実施形態にかかるアクチュエータの制御方法の例を示す図である。
【００７５】
図９Ｂは、制御部９２の詳細な構成を示す図である。
【００７６】
制御部９２は、ステップ制御部１５３０と、変位量推定部１５３１と、電流値変位量変換テーブル１５３２と、目標電荷量計算部１５３３とを備えている。
【００７７】
ここで、第１実施形態にかかるアクチュエータの制御方法を実施可能な制御装置としては、導電性高分子アクチュエータの導電性高分子膜部１０１に電極１０４を介して電圧を印加したときに導電性高分子膜部１０１に流れる電流値を取得し、取得した電流値により導電性高分子アクチュエータの変位量を取得する変位量取得手段と、変位量取得手段により取得された導電性高分子アクチュエータの変位量と変位量の目標値との差を求めて、その差に基づく電圧を導電性高分子膜部１０１に印加して、導電性高分子アクチュエータの変位量を調整する変位量調整手段とを備える。変位量取得手段は、一例として、具体的には、電流検出手段の一例としての電流測定部９１と、変位量推定部１５３１と、電流値変位量変換テーブル１５３２とで構成している。変位量推定部１５３１と電流値変位量変換テーブル１５３２とで変位量算出部の一例を構成している。変位量調整手段は、一例として、具体的には、目標電荷量計算部１５３３とステップ制御部１５３０と電流測定部９１とで構成している。
【００７８】
ステップ制御部１５３０は、所定のタイミングで、第１ステップ開始信号を可変電源９３と電流測定部９１とに対して発信する。
【００７９】
電源９３は例えば可変電源であり、ステップ制御部１５３０から第１ステップ開始信号を受信すると、所定の駆動電圧をアクチュエータの制御電極１０３に印加する。第１ステップ開始信号を発信する前記所定のタイミングは、下記の第１ステップＳ１を開始するタイミングであって、たとえば、電源９３がオフである状態から再び動作を開始するタイミングである。
【００８０】
電流測定部９１は、アクチュエータに流れる電流を測定する。すなわち、電流測定部９１は、ステップ制御部１５３０から第１ステップ開始信号を受信すると、アクチュエータに流れる電流を測定し、電流測定結果を、制御部９２の内部の変位量推定部１５３１に送信する。
【００８１】
電流値変位量変換テーブル１５１７には、電流測定部９１で計測される電流値とアクチュエータの変位量の関係を決める変位量電荷量換算値が予め記憶されている。
【００８２】
変位量推定部１５３１は、電流値変位量変換テーブル１５１７の変位量電荷量換算値を参照して、電流測定部９１で計測される電流値から変位量を推定する。すなわち、変位量推定部１５３１は、電流測定部９１から電流測定結果を受信すると、電流値変位量変換テーブル１５１７を参照して、測定された電流から変位量を推定して、その値を推定変位量として目標電荷量計算部１５３３に出力する。
【００８３】
目標電荷量計算部１５３３は、変位量推定部１５３１から推定変位量を受信すると、下の式１に従って目標電荷量を計算する。
【００８４】
目標電荷量＝（推定変位量―変位量の目標値）×変位電荷量換算値  ・・・・（式１）
ここで、変位量電荷量換算値は予め決められた値であって、目標電荷量計算部１５３３はこの値を保持している。目標電荷量計算部１５３３は目標電荷量を計算すると、その値を電流測定部９１とステップ制御部１５３０とに出力する。
【００８５】
ステップ制御部１５３０は、目標電荷量計算部１５３３から目標電荷量を受信すると、第４ステップ開始信号を電源９３に対して出力する。
【００８６】
電源９３は、第４ステップ開始信号を受信すると、アクチュエータへの予め決められた電圧の印加を開始する。
【００８７】
一方、電流測定部９１は、目標電荷量計算部１５３３から目標電荷量を受信すると、電流値の測定を開始する。そして、電流測定部９１は、電流値の積分を行って、その積分値が目標電荷量に等しくなったときに、第４ステップ終了信号をステップ制御部１５３０に対して出力する。ステップ制御部１５３０は、電流測定部９１から第４ステップ終了信号を受信すると、第４ステップ終了信号を電源９３に対して出力する。電源９３は、ステップ制御部１５３０から第４ステップ終了信号を受信すると、アクチュエータへの電圧の印加を終了する。
【００８８】
図１０は、図９Ａの制御方法を用いたときの、アクチュエータの制御電極１０３に加える電圧と、アクチュエータの変位量と、制御電極１０３と対向電極１０４との間に流れる電流との時間変化の例を示す。
【００８９】
この例においては、アクチュエータの変位量を、予め決められた目標値に調整する場合を考える。この場合、第１ステップＳ１〜第３ステップＳ３は変位量推定ステップ、第４ステップＳ４〜第７ステップＳ７は変位量調整ステップである。
【００９０】
まず、第１ステップＳ１として、ステップ制御部１５３０は、所定のタイミングで、第１ステップ開始信号を可変電源９３と電流測定部１５２１とに対して発信する。そして、電源９３は、ステップ制御部１５３０から第１ステップ開始信号を受信すると、ある信号波形の電圧を電源９３から制御電極１０３に印加する。制御電極１０３に印加する信号波形の例としては、図１１に示すように、周波数０．５Ｈｚで振幅が１．５Ｖで、振動の中心が０ｖの矩形波の１周期の波形を考えることができる。さらに、第１ステップＳ１において、電流測定部９１は、ステップ制御部１５３０から第１ステップ開始信号を受信すると、制御電極１０３と対向電極１０４との間に流れる電流を電流測定部９１で計測する。電流測定部９１による電流の計測方法としては、たとえば、電流の最大値を電流測定部９１で計測する方法がある。また、別の方法としては、電流値の絶対値の平均値を電流測定部９１で計測する方法がある。また、別の方法としては電流値の絶対値を積分した値を電流測定部９１で計測する方法がある。電流測定部９１は測定した電流測定結果を、制御部９２の内部の変位量推定部１５３１に送信する。
【００９１】
次いで、第２ステップＳ２において、電流値変位量変換テーブル１５３２に予め記憶されている変位量電荷量換算値を参照して、測定した電流値を変位量に変換して、この状態におけるアクチュエータの変位量を制御部９２の変位量推定部１５３１で推定する。ここで、電流値変位量変換テーブル１５３２に予め記憶されている変位量電荷量換算値は、第１ステップＳ１で計測される電流値とアクチュエータの変位量の関係を決めるものである。電流値変位量変換テーブル１５３２に予め記憶されている変位量電荷量換算値を作成するときには、たとえば、図５を用いて前記説明したような実験を行い、アクチュエータの伸縮の中心位置と電流平均値との関係を、変位量と電流値との関係として電流値変位量変換テーブル１５３２に記憶する。ここで、一部の説明においては、アクチュエータ動作部９０の伸縮を、単にアクチュエータの伸縮と表現するものとする。
【００９２】
次に、第３ステップＳ３において、第２ステップＳ２で推定された変位量と、変位量の目標値との差、すなわち、｛（変位量）−（変位量の目標値）｝を目標電荷量計算部１５３３で計算する。さらに、ここで計算された変位量の差から、目標電荷量を目標電荷量計算部１５３３で計算する。この目標電荷量は、例えば、計算された変位量の差に対して予め決められた一定の値である変位電荷量換算値を目標電荷量計算部１５３３でかけることによって計算される。
【００９３】
既に一般的に知られているように、導電性高分子アクチュエータに流れる電荷量と導電性高分子アクチュエータの変位変化はほぼ比例する｛たとえば、非特許文献１（A. Della Santa et al., Performance and work capacity of a polypyrrole conducting polymer linear actuator, Synthetic Metals 90(1997), pp. 93-100.）｝。本発明の第１実施形態では、この比例定数を変位電荷量換算値として用いる。変位電荷量換算値の具体的な決定方法は後述する。
【００９４】
次に、第４ステップＳ４において、目標電荷量計算部１５３３から目標電荷量をステップ制御部１５３０が受信すると、ステップ制御部１５３０は、第４ステップ開始信号を電圧印加手段の一例としての可変電源１５０７に対して出力し、電源９３は、第４ステップ開始信号を受信すると、アクチュエータへ予め決められた電圧の印加を開始する。すなわち、アクチュエータの変位を目標値に近づけるために所定の電圧を、制御部９２の制御の下に、電源９３からアクチュエータに印加する。ここで、本例においては、アクチュエータへの電圧の印加は、制御電極１０３と対向電極１０４との間に電圧を印加することを意味するものとする。たとえば、第３ステップＳ３において計算された変位量の差が正であるときには、電源９３によって、対向電極１０４を基準として−１．５Ｖの電圧を制御電極１０３に対して印加する。また、逆に第３ステップＳ３において計算された変位量の差が負であるときには、１．５Ｖの電圧を電源９３によって制御電極１０３に対して印加する。
【００９５】
次に、第５ステップＳ５において、第４ステップＳ４において、前記電圧を制御電極１０３に印加してからアクチュエータに流れる電荷量の大きさを電流計測部９１で計測する。
【００９６】
次に、第６ステップＳ６において、第５ステップＳ５で電流計測部９１により計測した電流値を積分することによって電荷量を電流計測部９１で計算し、計算した電荷量が目標電荷量に等しくなると電流計測部９１で判定されるまで、制御部９２の制御の下に、電源９３からアクチュエータへの電圧の印加を続ける。そして、計測する電荷量が目標電荷量に等しくなったと電流測定部９１で判定されれば、ステップＳ７において、制御部９２の制御の下に、電源９３からアクチュエータへの電圧の印加を停止する。すなわち、電流測定部９１が、測定された電流値の積分を行って、その積分値が目標電荷量に等しくなったと判定したとき（第６ステップＳ６）に、電流測定部９１は、第４ステップ終了信号をステップ制御部１５３０に対して出力する。ステップ制御部１５３０は、電流測定部９１から第４ステップ終了信号を受信すると、第４ステップ終了信号を電源９３に対して出力する。電源９３は、ステップ制御部１５３０から第４ステップ終了信号を受信すると、アクチュエータへの電圧の印加を終了する（第７ステップＳ７）。
【００９７】
なお、上の説明では、計測する電荷量はその大きさだけを計測したが、ある方向に流れる電荷量を「正」と定義して符号を付けた値で計測してもよい。たとえば、制御電極に正の電荷が流れ込むときに計測する電荷量の値を「正」であると定義する場合、第３ステップＳ３で使用する変位電荷量換算値は負の値となる。
【００９８】
前記第１ステップＳ１から第７ステップＳ７までを行うことによって、アクチュエータの変位を目標値に近づけることが可能である。ここでは、アクチュエータ動作部９０の変位を単にアクチュエータの変位と表現するものとする。
【００９９】
なお、前記の説明では、第４ステップＳ４において一定電圧を印加する場合を考えたが、電圧を時間と共に変化させることも可能である。また、計測した電荷量をフィードバックして、電圧を変化させることも可能である。
【０１００】
なお、図１０においては、正の電圧を印加したときに正の方向に変位を行うアニオン駆動型の導電性高分子アクチュエータを考えたが、正の電圧を印加したときに負の方向に変位を行うカチオン駆動型の導電性高分子アクチュエータについても同様の方法を適用することが可能である。ただし、カチオン駆動型の導電性高分子アクチュエータにおいては、制御電極１０３に正の電荷が流れ込むときに計測する電荷量の値を正であると定義する場合、第３ステップＳ３で使用する変位電荷量換算値は正の値となる。
【０１０１】
図１０においては、変位の目標値が１ｍｍである場合について示している。また、第２ステップＳ２及び第３ステップＳ３は非常に短時間で行われるために、図１０においては省略している。また、第４ステップＳ４〜第７ステップＳ７を終了した後、電圧の印加を中止した場合、変位が目標値から徐々にずれることがあるが、図１０においてはこの現象を無視した。
【０１０２】
なお、上記の例では、電流測定部９１は、電流測定を行う（ステップＳ１及びＳ５）とともに、測定された電荷量が目標電荷量に等しくなったか否か（ステップＳ６）も判定するため、変位量取得手段と変位量調整手段との両方にまたがる構成となっている。
【０１０３】
＜制御方法のバリエーション＞
図４Ａ及び図４Ｂを用いて説明したように、図１の電源９３をオフにしていて再び動作を開始するときの変位は、オフにしていた時間が長い場合（例えば、１分以上の場合）には電源９３をオフする前の変位と再び動作を開始するときの変位が大きく異なる場合がある。これに対して、図１の電源９３をオフにしていて、再び動作するときに前記の第１ステップＳ１から第７ステップＳ７の方法を行うことによって目標値に近づけることが可能である。また、電源９３をオフしていた時間を計測して、その時間がある一定の値を超えたとき（電圧開放状態の継続時間が一定時間を越えたとき）にのみ、再び動作するとき（その後の所定のタイミングで、再び動作するとき）に前記の第１ステップＳ１から第７ステップＳ７の方法を行うことによって目標値に近づけることも可能である。なお、前記所定のタイミングは、第１ステップＳ１を開始するタイミングであって、たとえば、電源９３がオフである状態から再び動作を開始するタイミングである。
【０１０４】
図２４は、上記制御方法を行う場合のブロック図である（ここでは、後述する図１７の構成例を基に記載している。）。開放時間計測部１６００で電源９３（又は１５０７）をオフしている時間を計測して、この結果に基づきステップ制御部１５３０がステップの遷移を決定して、制御を行う。電源９３（又は１５０７）をオフしていた時間が、ある一定の値を超えたときにのみ、再び動作するときに前記の第１ステップＳ１から第７ステップＳ７の方法を行う場合には、一定時間は任意に設定することが可能である。一定時間を短く設定するほど細かい制御が可能である。例えば、図１９に示した例においては、約１時間の電源オフによって約２ｍｍ変位が変化している。電源オフときの変位の変化の割合が一定であると仮定すると、３分間で約１００μｍの変化が生じる。このため、変位の制御を約１００μｍ以下の誤差で行いたい場合には、一定時間を約３分とすることが考えられる。
【０１０５】
また、図１２に示すように、アクチュエータの変位を目標値に保つために、一定時間ごとに第１ステップＳ１から第７ステップＳ７の方法を行う方法を用いてもよい。第２ステップＳ２、第３ステップＳ３の実行時間は非常に短いので、図１２においては表示を省略している。また、第１ステップＳ１〜第７ステップＳ７の実行時間以外の時間においては、電源電圧を開放する場合の例を示している。また、第１ステップ〜第７ステップＳ７の実行時間以外の時間における電流値は省略している。
【０１０６】
また、別の例として、一定時間ごとに第１ステップＳ１から第３ステップＳ３の処理を行い、推定される変位量と目標値との差の大きさがある一定の値よりも大きくなったときにのみ第４ステップＳ４〜第７ステップＳ７を行うことも可能である。
【０１０７】
一般的に、導電性高分子アクチュエータは、電圧を開放したときには変位状態がある程度維持されるが、電圧を開放した状態で長時間経過すると、変位が徐々に変化する。図１３はこの様子を示した図であり、時刻ｔ０において電圧を開放した場合を示す。時刻ｔ０において変位はＲ０であり、時刻ｔ０＋Δｔにおいて変位がＲ０−Δｒに変化している。今、Δｒ以下の誤差精度でアクチュエータの変位制御を行う方法の例としては、電圧を開放した状態で、時間Δｔが経過するごとに、第１ステップＳ１から第７ステップＳ７の処理を行うことによって、アクチュエータの変位を調整する方法が考えられる。また、図1の電源９３をオフにしていて再びアクチュエータの動作を開始する場合に、電源９３をオフしていた時間をステップ制御部１５３０で計測しておいて、その時間がΔｔより大きいとステップ制御部１５３０で判定された場合に前記の第１ステップＳ１から第７ステップＳ７の方法を行うことによって、アクチュエータの変位を目標値に近づける方法も考えられる。
【０１０８】
＜本発明の第１実施形態の導電性高分子アクチュエータの制御方法の特徴＞
前記の方法を採ることによって、簡易な構成で導電性高分子アクチュエータの変位状態（固定点からの絶対的な変位量）を検出して、その結果を用いて変位状態を目標値に調整することが可能である。
【０１０９】
上で説明したように、本発明者は、導電性高分子アクチュエータの位置（変位）が、基準となる状態よりも伸張方向にずれた位置にある場合には、ある波形の電圧を加えたときの動作の大きさが、基準となる状態よりも大きくなり、そのときに流れる電流も、基準となる状態よりも大きくなるという関係に新たに発見している。本発明の第１実施形態の導電性高分子アクチュエータの制御方法は、この関係を用いて導電性高分子アクチュエータの変位（固定点からの絶対的な変位量）を検出して、この検出した値をフィードバックすることによってアクチュエータの変位を正確に制御するものである。この方法を用いることで、簡易な構造でアクチュエータの変位を目標値に正確に調整することが可能となった。
【０１１０】
特に、導電性高分子アクチュエータが伸縮動作（振動動作）を行うとき、振動の中心の位置が、基準となる状態よりも伸張方向にずれた位置にある場合には、基準となる状態よりも伸縮動作の振幅は大きくなり、そのときに流れる電流も、基準となる状態よりも大きくなる関係が成り立つ。そこで、上で説明したように、導電性高分子アクチュエータを振動動作させたときの電流値を検出することによって導電性高分子アクチュエータの変位（固定点からの絶対的な変位量）を検出することが可能である。
【０１１１】
なお、振動の中心の位置と伸縮動作の振幅の大きさと流れる電流の大きさとの間に前記関係が成り立つ理由としては、図６Ａ及び図６Ｂと図８Ａ及び図８Ｂを用いて既に説明したように、導電性高分子アクチュエータが伸張している状態においては、導電性高分子膜を形成する高分子鎖のネットワーク構造の隙間が大きくイオンの出入りが生じやすいために、伸縮動作の振幅と流れる電流値が大きくなるものと考えられる。ここで導電性高分子膜部が伸張した状態を、単に導電性高分子アクチュエータが伸張していると表現するものとする。
【０１１２】
＜変位電荷量換算値の決定のための具体的方法＞
変位電荷量換算値を決める際には、以下のような実験を行う。
【０１１３】
ある電圧（たとえば＋１．５Ｖ）をアクチュエータに印加してアクチュエータの変位が安定している状態から、アクチュエータに対して負の電圧（例えば、―１．５Ｖ）を印加して、アクチュエータを負の方向に変位させる。ここで、導電性高分子膜部に電圧を印加することを単にアクチュエータに電圧を印加すると表現するものとする。図１４の（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ電圧、変位、電流の時間変化を示す。ただし、アクチュエータに対する負の電圧の印加を開始する時刻をｔ０と定義する。また、アクチュエータに対する負の電圧の印加を終了する時刻をｔ０＋Ｔと定義する。さらに、アクチュエータに対して負の電圧を印加開始して時刻ｔ０から時間ｔだけ経過するまでの間に流れる電流値の大きさを積分した値（電荷量）をＱ（ｔ）と定義する。また、負の電圧を印加開始して時刻ｔ０から時間ｔだけ経過するまでの間の変位の変化の大きさ（変位変化）をｒ（ｔ）と定義する。このとき、変位変化ｒ（ｔ）と電荷量Ｑ（ｔ）との関係はおよそ図１５のように示される。図１５からわかるように、一定電圧を印加したときのアクチュエータの変位変化は、このときに流れる電荷量とほぼ比例することがわかる。すなわち、アクチュエータに対して一定電圧を印加したときに、アクチュエータに流れる電荷量を計測することによって、そのときのアクチュエータの変位変化を検出することが可能である。図１４及び図１５においては、時刻ｔ０から時刻ｔ０＋Ｔの間の時間において、変位の変化の大きさは１ｍｍであり、流れる電荷量は０．０１Ｃである場合の例を示している。
【０１１４】
この第１実施形態においては、一例として、図１５のグラフの傾きを変位電荷量換算値として決定する。
【０１１５】
＜従来方法との比較＞
特許文献１の方法と比べて、本発明の第１実施形態の導電性高分子アクチュエータの制御方法においては、抵抗検知用電極を設ける必要がない。また、複数の抵抗検知用電極の間を絶縁する必要がないために、制御電極１０３と導電性高分子膜部１０１との間に絶縁体を設ける必要がない。これらの点から、本発明の第１実施形態の導電性高分子アクチュエータの制御方法は、特許文献１の方法と比べて、簡易な構成で実現可能である。
【０１１６】
また、特許文献２（特開２００６−８７１８２号公報）又は特許文献３（特開２００１−５４８９９号公報）の構成においては、センサ（渦電流式変位センサ又はレーザ変位計など）によって導電性高分子膜の長さを検出して制御を行っていたが、本発明の第１実施形態の導電性高分子アクチュエータの制御方法においては、このようなセンサを設置する必要がないため、これらに比べても、簡易な構成で実現可能である。
【０１１７】
以上のように、本発明の第１実施形態の導電性高分子アクチュエータの制御方法では、特許文献１又は特許文献２又は特許文献３などの従来方法と比べて、簡易な構成で導電性高分子アクチュエータの変位を正確に制御することが可能である。
【０１１８】
また、たとえば、前記した非特許文献１などでは、導電性高分子アクチュエータに対して電圧を印加して駆動するときに、ある期間に流れる電荷量とその期間における変位の変化量との関係に関する考察が行われている。すなわち、ある期間に流れる電荷量からその期間における変位の変化量が求められることを示唆している。しかし、長時間、導電性高分子アクチュエータを駆動する場合には、下記の理由から非特許文献１の方法で変位の変化量を正確に求めることはできない。
【０１１９】
一般的に知られているように、導電性高分子アクチュエータに流れる電荷量には２つの成分がある。１つ目の電荷量成分は、アクチュエータのコンデンサ成分に蓄積されてアクチュエータの変位を生む成分である。２つ目の電荷量成分は、アクチュエータの抵抗成分を流れてアクチュエータの変位には関係しない成分である。１つ目の電荷量成分を測定することによって、アクチュエータの相対的な変位量を求めることが可能であるが、測定で求められる電荷量には、２つ目の電荷量成分も含まれており、この値は相対的な変位量を求める際のノイズになる。また、このほかにも、一般的に測定又は計算においては色々なノイズ（誤差）が含まれる。そこで、長時間、導電性高分子アクチュエータを駆動する場合には、前記のノイズ（誤差）が長時間にわたって蓄積されるので、非特許文献１の方法で求めた変位の変化量には大きな誤差が含まれる。
【０１２０】
また、アクチュエータの電源をオフしているときに、常に電流を測定することは現実的でない。しかしながら、アクチュエータの電源をオフしているときも、導電性高分子膜は、イオンの拡散の効果によって変位量がわずかに変化する性質を持つ。そこで、非特許文献１の方法で、常に変位の変化量を測定することは、実際には不可能である。
【０１２１】
導電性高分子アクチュエータが純粋なコンデンサ成分のみから成り立っている場合には、アクチュエータ動作部の外部に流れる電流のみから、導電性高分子に蓄えられている電荷の増減を計測することが可能であり、導電性高分子に蓄えられている電荷からアクチュエータの変位を推定可能である。しかし、実際のアクチュエータにおいては、上記抵抗成分を流れるリーク電流が存在するために、アクチュエータ動作部の外部に流れる電流のみから、導電性高分子に蓄えられている電荷の増減を正確に計測することが不可能であり、これに伴い、アクチュエータの変位の正確な推定が不可能である。特に、特に電源を長時間オフする場合には、リーク電流による変位の変化が大きいので、非特許文献１の方法で、常に変位の変化量を測定することは、実際には不可能である。
【０１２２】
前記理由から、非特許文献１で考察されている方法によっては、長時間アクチュエータを使用したときの変位変化量を正確に求めること、及び、長時間電源をオフした場合に変位変化量を正確に求めることは不可能である。
【０１２３】
以上のように、本発明の第１実施形態の導電性高分子アクチュエータの制御方法では、非特許文献１の方法と比べて導電性高分子アクチュエータの変位を正確に制御することが可能である。
【０１２４】
（第２実施形態）
前記第１実施形態の説明では、主に、湾曲動作を行うアクチュエータについて説明したが、本発明の方法は直線動作を行うアクチュエータについても適用可能である。また前記説明では主にアニオン駆動型のアクチュエータを考えたが、カチオン駆動型のアクチュエータにも本発明の第２実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータの制御方法を適用可能である。
【０１２５】
図１６Ａ及び図１６Ｂ及び図１６Ｃは、カチオン駆動型であり直動方向に動作を行う導電性高分子アクチュエータの構成図である。
【０１２６】
図１６Ａは、電解質部の別の例としてのイオン液体１５０２中に導電性高分子膜部１５０１を配置した導電性高分子アクチュエータの構成である。
【０１２７】
図１６Ｂは、対向電極部１５０４と導電性高分子膜部１５０１の間に、電解質部のさらに別の例としての高分子ゲル１５１２を配置した導電性高分子アクチュエータの構成である。
【０１２８】
図１６Ｃは、導電性高分子膜部１５０１に適度な張力を加えるためにバネ部１５１５を備えた導電性高分子アクチュエータの構成である。
【０１２９】
以下で順に説明する。
【０１３０】
まず、図１６Ａの構成について説明する。
【０１３１】
前記のように図１６Ａは、イオン液体１５０２中に導電性高分子膜部１５０１を配置した構成である。
【０１３２】
図１６Ａのアクチュエータは、導電性高分子膜部１５０１と、イオン液体１５０２と、配線部１５０３と、対向電極部１５０４と、錘（おもり）１５０５と、滑車１５０６と、可変電源１５０７と、接続部材１５０８と、固定壁１５０９と、接続線部材の一例としての接続糸１５１０と、容器１５１１と、制御部１５２０と、電流検出手段の一例としての電流測定部１５２１と、第１信号線１５１６と、第２信号線１５１７とを備えている。第１信号線１５１６は、制御部１５２０と電流測定部１５２１とを接続している。第２信号線１５１７は、制御部１５２０と可変電源１５０７とを接続している。
【０１３３】
容器１５１１内に配置された導電性高分子膜部１５０１の両端は、接続部材１５０８で接続糸１５１０と接続されている。接続部材１５０８及び接続糸１５１０は絶縁体で構成される。図１６Ａにおいて、導電性高分子膜部１５０１の左側の端は接続糸１５１０に接続されており、その部分の接続糸１５１０は、固定壁１５０９に接続されている。図１６Ａにおいて、導電性高分子膜部の右側の端は接続糸１５１０に接続されており、その部分の接続糸１５１０は、滑車１５０６を介して錘１５０５に接続されている。容器１５１１には、イオン液体１５０２が満たされており、導電性高分子膜部１５０１はイオン液体１５０２中に配置されている。また、容器１５１１の底面には、対向電極１５０４が配置されている。対向電極１５０４は、例えば網目状の白金からなる。導電性高分子膜部１５０１の両端及び対向電極１５０４には図１６Ａに示したように、配線部１５０３が接続されている。また、配線部１５０３及び可変電源１５０７は、図１６Ａのように接続されて回路を形成する。すなわち、導電性高分子膜部１５０１の両端と対向電極１５０４との間に、電流測定部１５２１と可変電源１５０７とが配置されるように配線部１５０３で接続されている。
【０１３４】
導電性高分子膜部１５０１は、例えば、六フッ化リン酸テトラブチルアンモニウム（ＴＢＡ・ＰＦ６）のプロピレンカーボネート（ＰＣ）溶液中で電解重合した電解重合によって形成したポリピロール膜であり、その厚さは約１０μｍであり、その大きさは幅約５ｍｍで、長さが約３５ｍｍである。また、電解液としては、イオン液体であるＥＭＩ・ＴＦＳＩ（エチルメチルイミダゾリウム・トリフロロメタンスルフォニルイミド）を用いた場合を考える。この例では、既に説明したように、ＥＭＩイオン（カチオン）のドープ及び脱ドープがアクチュエータの主たる変形のメカニズムである。この場合、そしてＥＭＩイオン（カチオン）が脱ドープされた状態においても、比較的高い導電性が保たれる。これは、この状態においても、ポリピロール中には、六フッ化リン酸イオン（ＰＦ６−）が含まれているので、比較的高い導電性が保たれるものと考えられる。第１実施形態の例においては、アニオンが脱ドープされた状態においては、導電性高分子膜の導電性が低くなるために、導電性高分子膜に電圧を効率良く印加するために、その近くに制御電極を設ける必要があった。しかしながら、図１６Ａ及び後述する図１６Ｂの例のように、カチオン駆動のアクチュエータにおいては、常に導電性高分子膜の導電性が高く保たれるために、制御電極が不要であり、構成が簡単であるという特長を持つ。
【０１３５】
可変電源１５０７によって、導電性高分子膜部１５０１に正の電圧を印加した場合、カチオン（プラスイオン）が導電性高分子膜部１５０１の内部からイオン液体１５０２中に移動して、導電性高分子膜部１５０１は収縮する。逆に、導電性高分子膜部１５０１に負の電圧を印加した場合、カチオン（プラスイオン）がイオン液体１５０２中から導電性高分子膜部１５０１の内部に移動して、導電性高分子膜部１５０１は伸張する。
【０１３６】
図１７は、制御部１５２０の詳細な構成を示す図である。制御部１５２０は、ステップ制御部１５３０と、変位量推定部１５３１と、電流値変位量変換テーブル１５３２と、目標電荷量計算部１５３３とを備えている。
【０１３７】
ここで、第２実施形態にかかるアクチュエータの制御方法を実施可能な制御装置としては、導電性高分子アクチュエータ動作部９９の導電性高分子膜部１５０１に電極１５０４を介して電圧を印加したときに導電性高分子膜部１５０１に流れる電流値を取得し、取得した電流値により導電性高分子アクチュエータ動作部９９の変位量を取得する変位量取得手段と、変位量取得手段により取得された導電性高分子アクチュエータ動作部９９の変位量と変位量の目標値との差を求めて、その差に基づく電圧を導電性高分子膜部１５０１に印加して、導電性高分子アクチュエータ動作部９９の変位量を調整する変位量調整手段とを備える。変位量取得手段は、一例として、具体的には、電流測定部１５２１と変位量推定部１５３１と電流値変位量変換テーブル１５３２とで構成している。変位量調整手段は、一例として、具体的には、目標電荷量計算部１５３３とステップ制御部１５３０と電流測定部１５２１とで構成している。
【０１３８】
ステップ制御部１５３０は、所定のタイミングで、第１ステップ開始信号を可変電源１５０７と電流測定部１５２１とに対して発信する。
【０１３９】
可変電源１５０７は、ステップ制御部１５３０から第１ステップ開始信号を受信すると、所定の駆動電圧を導電性高分子膜部１５０１に印加する。第１ステップ開始信号を発信するタイミングは、前記第１実施形態で説明した第１ステップＳ１を開始するタイミングであって、たとえば、アクチュエータの可変電源１５０７がオフである状態から再び動作を開始するタイミングである。
【０１４０】
電流測定部１５２１は、ステップ制御部１５３０から第１ステップ開始信号を受信すると、導電性高分子膜部１５０１すなわち配線部１５０３に流れる電流を測定し、電流測定結果を、制御部１５２０の内部の変位量推定部１５３１に送信する。
【０１４１】
変位量推定部１５３１は、電流測定部１５２１から電流測定結果を受信すると、電流値変位量変換テーブル１５１７を参照して、測定された電流から変位量を推定して、その値を推定変位量として目標電荷量計算部１５３３に出力する。
【０１４２】
目標電荷量計算部１５３３は、変位量推定部１５３１から推定変位量を受信すると、下の式１（先の式１と同一の式）に従って目標電荷量を計算する。
【０１４３】
目標電荷量＝（推定変位量―変位量の目標値）×変位電荷量換算値  ・・・・（式１）
ここで、変位量電荷量換算値は、予め決められた値であって、目標電荷量計算部１５３３はこの値を保持している。目標電荷量計算部１５３３は目標電荷量を計算すると、その値を電流測定部１５２１とステップ制御部１５３０に出力する。
【０１４４】
ステップ制御部１５３０は、目標電荷量計算部１５３３から目標電荷量を受信すると、第４ステップ開始信号を可変電源１５０７に対して出力する。可変電源１５０７は、第４ステップ開始信号を受信すると、導電性高分子膜部１５０１への予め決められた電圧の印加を開始する。
【０１４５】
一方、電流測定部１５２１は、目標電荷量計算部１５３３から目標電荷量を受信すると、電流値の測定を開始する。そして、電流測定部１５２１は、電流値の積分を行って、その積分値が目標電荷量に等しくなったときに、第４ステップ終了信号をステップ制御部１５３０に対して出力する。ステップ制御部１５３０は、電流測定部１５２１から第４ステップ終了信号を受信すると、第４ステップ終了信号を可変電源１５０７に対して出力する。可変電源１５０７は、第４ステップ終了信号を受信すると、導電性高分子膜部１５０１への電圧の印加を終了する。
【０１４６】
このように、前記第２実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータにおいては、前記の制御方法を実施することによって、アクチュエータの変位を所定の値に正確に制御することが可能である。また、レーザー変位計などのセンサを設ける必要がないので、構成が簡単であるという特長を持つ。
【０１４７】
なお、電流値変位量変換テーブル１５３２の値は、前記第１実施形態と同様の方法で決定することができる。
【０１４８】
図１８は、直動型の導電性高分子アクチュエータの基本実験を行う装置である。
今、図１８の構成において、導電性高分子膜部１５０１に重さ約５ｇの錘（おもり）１５０５を接続して、接続部材１５０８の変位をレーザー変位計１５４０で測定する場合を考える。このとき、駆動電圧と電流と変位の関係の概要は図１９で与えられる。ただし、駆動する印加電圧の時間変化は、図４Ａ及び図４Ｂと同様である。すなわち、周波数０．５Ｈｚ、±１．５Ｖの矩形波形の駆動電圧を印加し、途中で１時間電源をオフして、再び同じ矩形波形の駆動電圧を印加した場合を考える。図に示すように、図１９の図１９結果は、図４Ａ及び図４Ｂとほぼ同様の傾向を示す。ただし、一般的に図１６Ａに示すような直動型のアクチュエータにおいては、図１に示すような湾曲型のアクチュエータに比べて、変位の幅はやや小さくなる傾向がある。図１９の結果を用いることによって、第１実施形態と同様の方法で、電流値変位量変換テーブル１５３２の値を決定することができる。
【０１４９】
図１６Ｂは、対向電極１５０４と導電性高分子膜部１５０１の間に高分子ゲル１５１２を配置した構成である。高分子ゲル１５１２は、例えば、ＥＭＩ・ＴＦＳＩなどのイオン液体をゲル化した材料である。
【０１５０】
このアクチュエータは、導電性高分子膜部１５０１と、配線部１５０３と、対向電極部１５０４と、錘（おもり）１５０５と、滑車１５０６と、可変電源１５０７と、接続部材１５０８と、固定壁１５０９と、接続糸１５１０と、高分子ゲル１５１２と、設置台１５１３と、制御部１５２０と、電流測定部１５２１と、第１信号線１５１６と、第２信号線１５１７とを備えている。
【０１５１】
導電性高分子膜部１５０１と、配線部１５０３と、対向電極部１５０４と、錘（おもり）１５０５と、滑車１５０６と、可変電源１５０７と、接続部材１５０８と、固定壁１５０９と、接続糸１５１０と、制御部１５２０と、電流測定部１５２１と、第１信号線１５１６と、第２信号線１５１７とは、図１６Ａのアクチュエータにおいてそれぞれ対応する部分と同様の働きをする。
【０１５２】
高分子ゲル１５１２には、イオンが含まれており、可変電源１５０７によって、導電性高分子膜部１５０１に正の電圧を印加した場合、カチオン（プラスイオン）が導電性高分子膜部１５０１の内部から高分子ゲル１５１２に移動して、導電性高分子膜部は収縮する。逆に、導電性高分子膜部１５０１に負の電圧を印加した場合、カチオン（プラスイオン）が高分子ゲル中から導電性高分子膜部１５０１の内部に移動して、導電性高分子膜部１５０１は伸張する。対向電極部１５０４は、設置台１５１３の上に置かれている。設置台１５１３は絶縁体で構成される。
【０１５３】
この構成においては、全体が固体化しているために、取り扱いが容易であるという特長を持つ。この構成においても、前記第１実施形態で示した制御方法を適用することが可能である。
【０１５４】
図１６Ｃは、導電性高分子膜部１５０１に適度な張力を加えるためにバネ部１５１５を備えた構成である。この例では、導電性高分子膜部の右側の端に接続糸１５１０で接続された、バネ部１５１５と可動物体１５１６とを備えている。すなわち、バネ部１５１５は、第２の固定壁１５０９Ｂと接続糸１５１０の端部との間に配置されている。可動物体１５１６は、導電性高分子膜部の右側の端とバネ部１５１５の端との間の接続糸１５１０に固定されている。よって、可変電源１５０７からの導電性高分子膜部１５０１への電圧印加により導電性高分子膜部１５０１が伸縮することによって、接続糸１５１０を介して、可動物体１５１６は左右に移動する。バネ部１５１６は、初期状態で、自然長よりも伸びた状態に保たれており、導電性高分子膜部１５０１に適度な張力を加える働きを持つ。
【０１５５】
この第２実施形態では直動型のアクチュエータについて説明したが、第１実施形態で説明したように湾曲型のアクチュエータについても制御部９２と電流測定部９１を設けて、前記第２実施形態と同様の機能を持たせることができる。また、これらのアクチュエータを含む任意の電子デバイスに適用可能である。１つの例としては、導電性高分子アクチュエータを、ダイアフラムを持つポンプとして使用することができる。また、他の例としては、導電性高分子アクチュエータによってレンズの位置を変化させるとともに位置決め保持を行うオートフォーカス機構、又は、導電性高分子アクチュエータによってカメラの撮像方向を変化させるとともに撮像方向位置の位置決め保持を行うパンチルト機構などを考えることができる。
【０１５６】
なお、上の例では、カチオン駆動型でありかつ直動型のアクチュエータを考えたが、上で説明したように、本発明の導電性高分子アクチュエータの制御方法は、カチオン駆動型の導電性アクチュエータとアニオン駆動型の導電性アクチュエータの両方に適用することが可能である。カチオン駆動型のアクチュエータにおいては、印加電圧によらず導電性高分子膜の抵抗を低く抑えることができるので、制御電極を備える必要がないので、簡易な構造とすることができる。
【０１５７】
なお、カチオン駆動型の導電性高分子アクチュエータにおいては、伸縮状態によらず導電性高分子の導電率がほぼ一定である場合がある。この場合には、特許文献１の方法は適用することができない。
【０１５８】
なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１５９】
本発明の導電性高分子アクチュエータデバイス、導電性高分子アクチュエータの制御装置及び制御方法は、人工筋肉又は電子部品を含む電子デバイス、その制御装置及び制御方法として好適に利用され得る。導電性高分子アクチュエータを含む電子デバイスとしては、たとえば導電性高分子膜をダイアフラムとして用いるポンプ又は小型カメラのレンズ駆動装置が考えられる。
【０１６０】
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性高分子膜部と、前記導電性高分子膜部に接する位置にある電解質部と、前記電解質部に接する位置にある電極とでアクチュエータ動作部を構成する導電性高分子アクチュエータにおいて、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で、印加した電圧を開放した後の所定のタイミングで、前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加するとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を取得し、取得した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を取得する変位量取得手段と、
前記変位量取得手段により取得された前記アクチュエータ動作部の変位量に基づいて、前記アクチュエータ動作部の前記変位量を調整する変位量調整手段とを備える、導電性高分子アクチュエータの制御装置。
【請求項２】
前記変位量取得手段は、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で電圧の印加を開始する場合に、ある波形の電圧を前記導電性高分子膜部と前記電極との間に印加したとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段で検出した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を算出する変位量算出部とを備える、請求項１に記載の導電性高分子アクチュエータの制御装置。
【請求項３】
前記変位量取得手段は、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で、印加した電圧を開放しているときに、ある一定時間ごとに、ある波形の電圧を前記導電性高分子膜部と前記電極との間に印加したとき前記導電性高分子膜部に流れる電流値を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段で検出した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を算出する変位量算出部とを備える、請求項１に記載の導電性高分子アクチュエータの制御装置。
【請求項４】
前記変位量取得手段は、電圧開放状態の継続時間が一定時間を越えたときに、その後の所定のタイミングで、前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加して、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を検出し、検出した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を取得する、請求項１に記載の導電性高分子アクチュエータの制御装置。
【請求項５】
導電性高分子膜部と、前記導電性高分子膜部に接する位置の電解質部と、前記電解質部に接する位置の電極とでアクチュエータ動作部を構成する導電性高分子アクチュエータと、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で、印加した電圧が開放された状態の時間を計測する開放時間計測部と、
前記開放時間計測部の計測時間が一定時間を越えた場合に、所定のタイミングで前記電圧印加手段が前記導電性高分子膜部と前記電極との間に、ある波形の電圧を印加するとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を取得し、取得した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を取得する変位量取得手段と、
前記変位量取得手段により取得された前記アクチュエータ動作部の変位量に基づいて前記アクチュエータ動作部の前記変位量を調整する変位量調整手段を備える、導電性高分子アクチュエータデバイス。
【請求項６】
前記変位量調整手段は、
前記変位量取得手段により取得された電流値を基に、電流値変位量変換テーブルに予め記憶されている変位量電荷量換算値を参照して前記アクチュエータの変位量を推定する変位量推定部と、
前記変位量推定部で推定された変位量と前記変位量の目標値との差を計算し、前記計算された変位量の差から目標電荷量を計算する目標電荷量計算部と、
前記目標電荷量計算部で計算した目標電荷量に基づき電圧を前記電圧印加装置により印加するように制御して前記アクチュエータの前記変位量を調整する印加制御部とを備える、請求項５に記載の導電性高分子アクチュエータデバイス。
【請求項７】
前記変位量推定部の前記目標電荷量計算部は、前記変位量取得手段により取得された電流値を積分することによって電荷量を計算する、請求項５に記載の導電性高分子アクチュエータデバイス。
【請求項８】
導電性高分子膜部と、前記導電性高分子膜部に接する位置にある電解質部と、前記電解質部に接する位置にある電極とでアクチュエータ動作部を構成する導電性高分子アクチュエータにおいて、
前記導電性高分子膜部と前記電極との間で、印加した電圧を開放した後の所定のタイミングで、前記導電性高分子膜部と前記電極との間に電圧を印加するとき、前記導電性高分子膜部に流れる電流値を取得し、取得した電流値により前記アクチュエータ動作部の変位量を変位量取得手段で取得し、
前記取得された前記アクチュエータ動作部の変位量と変位量の目標値との差を求めて、その差に基づく電圧を前記導電性高分子膜部と前記電極との間に印加して、前記アクチュエータの前記変位量を変位量調整手段で調整することを備える、導電性高分子アクチュエータの制御方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
2010023875.tif 000040
【図４Ｂ】
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【図５】
2010023875.tif 000042
【図６Ａ】
2010023875.tif 000043
【図６Ｂ】
2010023875.tif 000044
【図７】
2010023875.tif 000045
【図８Ａ】
2010023875.tif 000046
【図８Ｂ】
2010023875.tif 000047
【図９Ａ】
2010023875.tif 000048
【図９Ｂ】
2010023875.tif 000049
【図１０】
2010023875.tif 000050
【図１１】
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【図１２】
2010023875.tif 000052
【図１３】
2010023875.tif 000053
【図１４】
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【図１５】
2010023875.tif 000055
【図１６Ａ】
2010023875.tif 000056
【図１６Ｂ】
2010023875.tif 000057
【図１６Ｃ】
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【図１７】
2010023875.tif 000059
【図１８】
2010023875.tif 000060
【図１９】
2010023875.tif 000061
【図２０】
2010023875.tif 000062
【図２１Ａ】
2010023875.tif 000063
【図２１Ｂ】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２３】
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【図２４】
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【国際調査報告】
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