(57)【要約】【課題】変位を検出可能な高分子アクチュエーターを提供する。【解決手段】内部に移動可能なイオンを含む電解質膜と、上記電解質膜の両面にそれぞれ形成されて外部電圧により該電解質膜に電位差を与える第１及び第２の駆動電極層と、上記電解質膜の少なくとも一面に形成され該電解質膜の湾曲によって曲げられる方向に延在して該電解質膜の表面に発生する電圧を検出するセンサ電極層と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界が与えられることにより変形するアクチュエーター材料と、
前記アクチュエーター材料に前記電界を与えるための第１の駆動電極、及び第２の駆動電極と、
前記アクチュエーター材料の変形の方向及び程度のうちの少なくとも１つを検出するためのセンサー電極と、
を備えるアクチュエーター。
【請求項２】
前記アクチュエーター材料を含む層の第１面に前記第１の駆動電極及び前記センサー電極とが配置され、
前記アクチュエーター材料を含む層の前記第１面に対向する第２面に前記第２の駆動電極が配置される、請求項１に記載のアクチュエーター。
【請求項３】
前記センサー電極は電圧を検出する、請求項１または２に記載のアクチュエーター。
【請求項４】
前記アクチュエーター材料は前記電界が与えられることにより移動可能なイオンを含む電解質である、請求項１乃至３のいずれかに記載のアクチュエーター。
【請求項５】
前記センサー電極は前記アクチュエーター材料の上の一方向に延在して配置され、前記一方向における前記アクチュエーター材料の湾曲に対応した電圧を検出する、請求項１乃至４のいずれかに記載のアクチュエーター。
【請求項６】
前記第１の駆動電極及び第２の駆動電極と前記センサー電極とは離間して配置される、請求項１乃至５のいずれかに記載のアクチュエーター。
【請求項７】
前記センサー電極が前記第１の駆動電極及び第２の駆動電極のいずれかと対向するように配置された、請求項１乃至６のいずれかに記載のアクチュエーター。
【請求項８】
前記センサー電極が前記アクチュエーター材料を介して対向するように配置された第１のセンサー電極及び第２のセンサー電極を含む、請求項１乃至７のいずれかに記載のアクチュエーター。
【請求項９】
前記センサー電極は前記アクチュエーター材料の上の一方向に複数並べられた電極によって該一方向における前記アクチュエーター材料の湾曲に対応した電圧を検出する、請求項１乃至４のいずれかに記載のアクチュエーター。
【請求項１０】
前記センサー電極は前記第１の駆動電極または前記第２の駆動電極の領域内に配置される請求項１に記載のアクチュエーター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はアクチュエーターに関し、特に変位の方向や変位の程度を検出可能な構成等を備えたアクチュエーターに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アクチュエーターの種類の一つに高分子アクチュエーターがある。このアクチュエーターは、ゴムのような柔らかい材質であるが、電圧を加えると曲がり、加えていないときは元に戻る特徴を持っている。例えば、イオン交換膜の両側に電極を形成し、イオン交換膜に電位差を与えてイオン交換膜に変形を発生させる。このような高分子電解質膜形のアクチュエーターの例が特開平４−２７５０７８号公報や特開平１１−１６９３９３号公報に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平４−２７５０７８号公報
【特許文献２】特開平１１−１６９３９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のような高分子アクチュエーターをロボットアームのような機械的な構造体に応用する場合、アクチュエーターの曲がり（変形）加減を制御する必要がある。この制御を行うためカメラや角度センサー等が用いられる。センサー類はロボットアームに付加されたり、ロボットアームの外部に配置されてロボットアームの姿勢を観察（検出）する。例えば、ロボットアームの関節の軸にボリュウムを付加し角度を抵抗値に変換したり、また、カメラでロボットアームの全体をとらえ、画像認識によって位置情報を得ている。
【０００５】
しかしながら、これらのロボットアーム等の構造体はアクチュエーターの他にセンサー類を別途用意しなければならず、高分子アクチュエーター自体は比較的に簡単な構造で小型に構成できるにも拘わらず、アクチュエーターの構造体全体を小型に構成することは難しい。
【０００６】
本発明は小型のアクチュエーター構造体を構成し得るアクチュエーターを提供することを目的の１つとする。
【０００７】
また、本発明は自己の変位や変形を単体で検出可能なアクチュエーターを提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様のアクチュエーターは、電界が与えられることにより変形するアクチュエーター材料と、前記アクチュエーター材料に前記電界を与えるための第１の駆動電極、及び第２の駆動電極と、上記アクチュエーター材料の変形の方向及び程度のうちの少なくとも１つを検出するためのセンサー電極と、を備える。
【０００９】
かかる構成によれば、アクチュエーターの変形の方向及び程度のうちの少なくとも１つを検出するセンサーがアクチュエーターと一体化されるので、アクチュエーターの構造体全体を小型化することができる。
【００１０】
上記アクチュエーター材料を含む層の第１面に上記第１の駆動電極及び上記センサー電極とが配置され、上記アクチュエーター材料を含む層の上記第１面に対向する第２面に上記第２の駆動電極が配置されることが望ましい。それにより、アクチュエーター材料層の厚さ方向に電界を印加することができる。
【００１１】
上記センサー電極は電圧を検出することが望ましい。それにより、アクチュエーター材料層の変形の方向及び程度の少なくともいずれかを検出することが可能となる。
【００１２】
上記アクチュエーター材料は電界が与えられることにより移動可能なイオンを含む電解質であることが望ましい。それにより、電界の印加によって変形するアクチュエータを得ることができる。
【００１３】
ここで、電解質膜はイオンを通す性質の膜であり、電解質膜を挟む負極と正極が電気的にショートしないような性質も持つ膜である。もっともこれに限定されるものではなく、電圧の印加によって膜中のイオンが移動（あるいは偏倚）し当該膜の形状が変形するものであればよい。
【００１４】
かかる構成によれば、センサー電極層が電解質膜に設けられ、駆動電極層への電圧印加によってイオンが移動し湾曲する電解質膜の膜表面の電荷が検出される。この電荷は電解質膜の湾曲量に対応するのでセンサ電極層に発生する電圧でアクチュエーターの湾曲や曲がり加減（変形量）を知ることができる。変形量を検出するセンサーがアクチュエーターと一体化されるのでアクチュエーターの構造体全体を小型に構成することができる。
【００１５】
上記アクチュエーター材料は電界が与えられることにより変形する圧電材料であることが望ましい。電解質膜と同様に電圧の印加によって変形すれば良く、無機材料であっても良い。それにより、電界の印加によって変形するアクチュエータを得ることができる。
【００１６】
上記センサー電極は前記アクチュエーター材料の上の一方向に延在して配置され、上記一方向における上記アクチュエーター材料の湾曲に対応した電圧を検出することが望ましい。それにより、延在方向における湾曲（曲がり）程度に応じた電圧をセンサー電極層により検出することができる。
【００１７】
上記センサー電極層は上記電解質膜の湾曲によって曲げられる方向に延在することが望ましい。それにより、湾曲した電解質膜部分に発生した電圧をセンサー電極層により検出することができる。
【００１８】
上記第１の駆動電極及び第２の駆動電極と上記センサー電極とは離間して配置されることが望ましい。それにより、駆動電極層と上記センサー電極層との間の電気的絶縁を確保し、駆動電極層からセンサー電極層へのクロストーク（ノイズ）を減少する。
【００１９】
上記センサー電極が上記第１の駆動電極及び第２の駆動電極のいずれかと対向するように配置されることが望ましい。それにより、センサー電極層から不平衡出力を得ることができる。
【００２０】
上記センサー電極が上記アクチュエーター材料を介して対向するように配置された第１のセンサー電極及び第２のセンサー電極を含むことが望ましい。それにより、センサー電極層から平衡出力を得ることができる。
【００２１】
上記センサー電極は上記アクチュエーター材料の上の一方向に複数並べられた電極によって該一方向における上記アクチュエーター材料の湾曲に対応した電圧を検出することが望ましい。それにより、複数領域の電圧出力によってアクチュエーターの湾曲度を検出することが可能となる。
【００２２】
上記センサー電極は上記第１の駆動電極または上記第２の駆動電極の領域内に配置されることが望ましい。それにより、電解質膜端部にまで駆動電極層を配置してアクチュエーター端部まで力を発生することができる。
【００２３】
上記発明の課題を解決する本発明のアクチュエーターの形態の一つは、内部に移動可能なイオンを含む電解質膜と、上記電解質膜の両面にそれぞれ形成されて外部電圧により該電解質膜に電位差を与える第１及び第２の駆動電極層と、上記電解質膜の少なくとも一面に形成されて該電解質膜の表面に発生する電圧を検出するセンサー電極層と、を備える。
【００２４】
上記センサー電極に代えて、作用する力に対応する電気信号を発生する圧電素子を上記電解質膜の湾曲部分に設けても良い。
【００２５】
上述した構成は適宜に組み合わせることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本願のアクチュエーターは、アクチュエーター（電解質膜）にセンサー電極を追加することでアクチュエーター自体をセンサーとして利用するためアクチュエーターの構造体全体を小型化することができる。また、センサー追加による重量増加もほとんどない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明のアクチュエーターの例を説明する斜視図である。
【図２】図１に示されたセンサー電極の例（不平衡出力形）を説明する断面図である。
【図３】センサー電極の他の例（平衡出力形）を説明する断面図である。
【図４】アクチュエーターの動作例を説明する説明図である。
【図５】アクチュエーターの駆動制御系を説明するブロック図である。
【図６】他のアクチュエーターの構成例を説明する説明図である。
【図７】他のアクチュエーターの構成例を説明する説明図である。
【図８】他のアクチュエーターの構成例を説明する説明図である。
【図９】他のアクチュエーターの構成例を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明のアクチュエーターは電界が与えられて変形する電解質アクチュエーター材料、高分子アクチュエーター材料、圧電アクチュエーター材料、電歪アクチュエーター材料等を用いたアクチュエーターに適用可能である。本発明のアクチュエーターの実施の形態では、電界が与えられて変形する電解質膜をアクチュエーター材料の一例として使用するが、これに限定されるものではない。同じ技術が電界を与えると変形する他のアクチュエーター材料に適用可能である。
実施例では電界が印加されると変形するアクチュエーター材料として、例えば、イオン導電性の高分子電解質膜を使用する。電圧の印加によって電解質膜が変形する理由は正確に解明されているわけではないが、概略、次のように説明することができる。
【００２９】
電解質膜の表裏にそれぞれ電極を形成し、表裏の電極に直流電源によって電位差を生ぜしめると、印加電界によって電解質膜中のイオンがその極性に対応する電極側に移動する。このイオンに伴って水分子（溶媒）も移動するので電解質膜の正電極側と負電極側とでは、電解質膜中の水分（溶媒）量に差が生じる。電解質膜中の水分量が増えた側では電解質膜が膨らみ、水分量が減った側では電解質膜が収縮する。その結果、電解質膜が湾曲する。
【００３０】
電解質膜としては、例えば、パーフルオロスルホン酸膜（商品名「ナフィオン」、デュポン（株）登録商標）、パーフルオロカルボン酸膜（商品名「フレミオン」、旭化成（株）登録商標）等、イオン液をゲル化したもの等を使用することが可能である。
電解質膜は、電圧を印加すると曲がり、印加しないと元に戻る特徴を持っている。
電解質膜の材質は、例えば、ゴムのような感触であり、電圧を印加していないときはやわらかい。
【００３１】
本願では、この電解質膜に外部から力（外的応力）を加えると電解質膜に電圧が発生することに着目している。これは、電解質膜を湾曲すると、電解質膜中に水分の偏りが発生し、これに伴って電解質膜の伸張側と伸縮側との間でイオン密度に差異が生じることによると考えられる。
【実施例１】
【００３２】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
図１及び図２は本願のアクチュエーターの構成例を示しており、図１はアクチュエーター全体を示す斜視図、図２は図１に示すアクチュエーターの横方向における断面図である。各図に示すように、アクチュエーター１は、電解質膜１０の一方の面に形成された第１の駆動電極層としての駆動電極１１及びセンサー電極１３と、他方の面全体に形成された第２の駆動電極層としての駆動電極１２とを備えている。駆動電極１１とセンサー電極１３とは、電気的絶縁のために所定距離、例えば、０．５〜１．０ｍｍ程度離間している。
【００３３】
電解質膜１０は、例えば、フッ素樹脂系イオン交換膜を使用することができるが、これに限定されるものではない。イオン交換膜としては、陽イオン交換膜、陰イオン交換膜のいずれも使用可能である。例えば、陽イオン交換膜としては、パーフルオロスルホン酸膜、パーフルオロカルボン酸膜を挙げることができる。
【００３４】
駆動電極１１及び１２，センサー電極１３は、金、白金、イリジウム、パラジウム、ルテニウム、カーボンナノチューブなどを使用することが出来るが、これ等に限定されるものではない。電極の電解質膜への接合には化学メッキ、電気メッキ、真空蒸着、スパッタリング、塗布、圧着、溶着などが適宜に使用される。
【００３５】
例えば、実施例では、電解質膜１０としてパーフルオロスルホン酸膜（商品名「ナフィオン」、デュポン社登録商標）が使用され、その形状は、短辺が２ｃｍ、長辺が５ｃｍ、厚さが２００μｍ〜１ｍｍ程度の長方形に形成されている。上述したセンサー電極１３の形状は、例えば、（電解質膜１０の）短辺方向における長さ（幅）は２ｍｍ、長辺方向における長さは５ｃｍである。もっともこの形状に限定されるものではなく、電解質膜１０あるいはアクチュエーターの形状は自由に選定することができる。
【００３６】
実施例では、駆動電極１１、１２，センサー電極１３は電解質膜１０に金メッキを施すことによって形成された。電解質膜１０への金メッキは、塩化ジクロロフェナントロリン金（III）［Ａｕ(phen)Ｃｌ2］Ｃｌ水溶液に浸潤し，イオン交換反応で金錯イオンを吸着させる。吸着させた膜を亜硫酸ナトリウム（Ｎａ2ＳＯ3）水溶液に浸漬して、還元して膜の内部に取り込まれた金イオンを外側に析出する。これによって膜の両面に金めっきを施すことが可能となる。メッキされる金の量は、一回のメッキ工程でメッキできる金の量は片面１〜２ｍｇ/ｃｍ2である。これを繰り返して所要の電極膜厚とする。例えば、４回〜８回程度メッキを繰り返すと、片面１０ｍｇ/ｃｍ2程度の金が析出する。この場合、金層（電極層）の膜厚はおおよそ１〜５μｍ程度である。
【００３７】
このようにして電解質膜の片面に形成された金電極層をレーザーによって、電気的絶縁に必要な０．５〜１ｍｍの幅で直線状にカットすることにより、駆動電極と１１とセンサー電極１３が分離される。センサー電極１３は電解質膜１０の長手方向に延在し、アクチュエーターの湾曲動作によって湾曲面に発生する電極層１２と１３間の電位差（電圧）を検出する。なお、センサー電極１３は電解質膜１０の表面及び裏面のいずれに形成しても良い。
【００３８】
図３は、アクチュエーターの他の構成例を説明する断面図である。同図において、図２と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
【００３９】
この実施例では、センサー電極が一組の電極層１３及び１４によって構成されている。電極層１３及び１４は金メッキで形成され、電解質膜１０を挟持構成とする構成となっている。図２の構成のセンサー電極１３の検出出力は不平衡出力であるが、この実施例の構成によれば、センサー電極１３及び１４には平衡出力の検出出力が得られる。
【００４０】
図４は、アクチュエーター１の動作例を説明する説明図である。同図において、図１対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
【００４１】
同図に示すように、アクチュエーター１の駆動電極層１１及び１２に直流電源からそれぞれ負電圧及び正電圧が印加されると、電解質膜１０中の陰イオンは駆動電極層１２側に移動する。それに伴って、駆動電極層１１側の水分が相対的に減少し、駆動電極１２側の水分が相対的に増大し、図４に示すように、アクチュエーター１は左側に湾曲して曲がる。同様に、駆動電極層１１及び１２に直流電源からそれぞれ正電圧及び負電圧が印加されると、電解質膜１０中の陰イオンは駆動電極層１１側に移動する。駆動電極層１２側の水分が相対的に減少し、駆動電極１１側の水分が相対的に増大し、図４に示すように、アクチュエーター１は右側に湾曲して曲がる。
【００４２】
図５は、上述したアクチュエーター１を駆動する制御系３０を説明するブロック図である。同図に示されるように、センサー電極１３の検出電圧が増幅器３１によってレベル増幅されて比較器（差動増幅器）３２の逆相入力に入力される。比較器３２には現時点のアクチュエーター１の位置に対応した電圧が供給される。比較器３２の正相入力にはアクチュエーター１の動作量の目標値が電圧値として入力されている。比較器３２はセンサー電極の電圧と目標値との偏差を出力する。駆動回路３３はこの偏差出力の極性（正又は負）に応じてアクチュエーター１の動き方向を決定し、出力電圧の極性を決定する。また、偏差出力の絶対値に応じてどの程度アクチュエーター１を湾曲させるかを決定して出力電圧のレベルを設定する。
【００４３】
駆動回路３３の出力電圧はアクチュエーター１の駆動電極１１及び１２に供給される。アクチュエーター１は、駆動回路３３の出力電圧の極性に対応した方向に湾曲し（曲がり）、出力電圧のレベルに対応した湾曲量（曲がり量）となる。アクチュエーター１が湾曲しているとき、外部からアクチュエーター１に応力を受けるとセンサー電極１３の電圧が変化するため、その変化した値が比較器３２に３３にフィードバックされ、目標値との差分を偏差として出力し補正を行う。このフィードバツク制御ループによってアクチュエーター１は設定された目標値に対応する位置に移動し安定する。
【００４４】
図６及び図９は、アクチュエーター１の他の構成例を示している。各図において図１と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明を省略する。
これ等の例では複数の方向における湾曲（曲がり）あるいは変形を検出するようにセンサーが配置されている。
【００４５】
図６のアクチュエーター１においては、２つのアクチュエーターが図の縦方向に配置され、縦方向の中央部において駆動電極１１及び１２に給電が行われる。そして、アクチュエーター１は駆動信号を受けるとＵ字状、逆Ｕ字状に湾曲する。センサー電極１３は駆動電極１１に沿って電解質膜１０の延在方向に延在するように配置されている。
【００４６】
図７のアクチュエーター１においては、４つのアクチュエーターが図の縦（Ｙ）方向及び横（Ｘ）方向に配置されている。センサー電極もＸ方向及びＹ方向に配置されており、湾曲する面に沿って配置されている。中央部には既述制御回路３０等との接続を行う外部接続端子が設けられている。このアクチュエーターにおいては、十字形のアクチュエーターが開いたり、閉じたり、反り返ったりしてロボット（あるいは人間）の手のひらのように動作する。また、４つのアクチュエーターを個別に動作させることができる。
【００４７】
なお、特に図示しないが、アクチュエーター１をＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向（三次元的）に配置し、これに対応してセンサー電極１３をＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向にそれぞれ配置しても良い。それにより、三次元に動作するアクチュエーターを制御することができる。また、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向の各方向に対して斜めの方向にセンサー電極１３を配置しても良い。センサーの延在方向におけるアクチュエーターの湾曲度に応じた電圧を検出することができる。
【００４８】
上記実施例では、センサー電極は一方向に延在し、この方向におけるアクチュエーターの湾曲（曲がり）に対応した一つの出力を発生するが、これに限定されない。
例えば、図８に示すように駆動電極１１の延在方向に沿って四角形等の形状のセンサー電極１３を複数配置し、センサー電極１３の各出力に基づいてアクチュエーターの湾曲（曲がり）形状を判別するようにしても良い。この場合にも、図２あるいは図３に示すような、不平衡出力、平衡出力のセンサー電極構成とすることができる。また、図６あるいは図７のようなアクチュエーターを複数組み合わせた構造とすることができる。
【００４９】
図９は、更にアクチュエーターの他の実施例を示している。この例においては、駆動電極１１の領域中（の略中央の領域）に一方向に延在するセンサー電極１３が配置されている。このような構成とすれば、アクチュエーターの外周にセンサー電極を配置せずに済むので当該部分の駆動力低下を回避すること可能となって具合がよい。この場合にも、図２あるいは図３に示すような、不平衡出力、平衡出力のセンサー電極構成とすることができる。また、図６あるいは図７のようなアクチュエーターを複数組み合わせた構造とすることができる。
【００５０】
以上説明したように、本発明の実施例によれば高分子アクチュエーターにセンサー電極が設けられているので、この出力によって各アクチュエーターの動きあるいはその姿勢を検出することができる。このセンサー電極は駆動電極と同時に形成されるため、製造が容易であり、アクチュエーター内に収まるので小型である。センサーのコストも安くて済む。このセンサー電極が形成されたアクチュエーターを使用することによってロボットアームなどのアクチュエーター構造体を小型に構成し得る。
【００５１】
なお、印加圧力に応じた電圧を発生するＰＺＴ等の圧電素子や歪みゲージなどの抵抗値変化素子をセンサー電極の代わりに電解質膜上に使用しても同様の効果を期待可能である。
【００５２】
また、センサー（電極など）の出力から、アクチュエーターの振動数なども検出することができ、高分子アクチュエーターによる羽ばたきのような繰り返し周波数や周期を制御することも可能である。
また本発明は、本発明の主旨を逸脱しない範囲で広く適用が可能であり、電解質アクチュエーター材料、高分子アクチュエーター材料以外にも、圧電アクチュエーター材料、電歪アクチュエーター材料等を用いたアクチュエーターに適用可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１  アクチュエーター、１０  電解質膜、１１，１２  駆動電極、１３  センサー電極、３０  駆動制御系、３１  増幅器、３２  比較器、３３  駆動回路
【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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