(57)【要約】【課題】誘電体の充放電が高頻度に繰り返されても、消費電力を低く維持できる駆動装置を提供する。【解決手段】駆動装置は、アクチュエータと、電源部とを備える。アクチュエータは、誘電体を含んでいる。電源部は、アクチュエータに電圧を印加するように構成されている。電源部は、アクチュエータが放電した電力を蓄えるように構成された蓄電部を含んでいる。この駆動装置によれば、アクチュエータの放電が頻繁に行なわれたとしても、電力が蓄電部によって回収されるため、消費電力を低く維持することができる。【選択図】図１
2019030054.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体を含むアクチュエータと、
前記アクチュエータに電圧を印加するように構成された電源部とを備え、
前記電源部は、前記アクチュエータが放電した電力を蓄えるように構成された蓄電部を含む、駆動装置。
【請求項２】
前記アクチュエータは、前記誘電体と、前記誘電体上に設けられた第１及び第２電極とを含み、
前記電源部の出力端と前記第１電極との間に設けられた第１スイッチ回路と、
前記電源部の入力端と前記第１電極との間に設けられた第２スイッチ回路とをさらに備え、
前記第２電極は、グラウンドに接続されており、
前記第２スイッチ回路が開放されている場合に、前記第１スイッチ回路が閉成されると、前記電源部の電圧が前記アクチュエータに印加され、
前記第１スイッチ回路が開放されている場合に、前記第２スイッチ回路が閉成されると、前記アクチュエータによって放電された電力が前記蓄電部に蓄えられる、請求項１に記載の駆動装置。
【請求項３】
前記第２スイッチ回路と前記入力端との間に設けられた絶縁回路をさらに備える、請求項２に記載の駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２００３−１７４２０５号公報（特許文献１）は、誘電体アクチュエータを含む駆動装置を開示する。この駆動装置においては、誘電体の充放電のタイミングを制御することによって、誘電体アクチュエータによる所望の作動が実現される（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１７４２０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に開示されるような誘電体を有するアクチュエータは、スイッチの閉成及び開放直後の充放電時にのみ電力を消費し、電圧の印加を継続しなくても電荷を保持することができる。したがって、このようなアクチュエータにおいては、アクチュエータの電圧を維持する場合に、電圧の印加を継続する必要がないため、消費電力が低い。
【０００５】
しかしながら、たとえば、誘電体の充放電が高頻度で繰り返されると、頻繁にアクチュエータに電圧が印加されるため、必ずしも消費電力が低くなくなる。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、その目的は、誘電体の充放電が高頻度で繰り返されても、消費電力を低く維持できる駆動装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に従う駆動装置は、アクチュエータと、電源部とを備える。アクチュエータは、誘電体を含んでいる。電源部は、アクチュエータに電圧を印加するように構成されている。電源部は、アクチュエータが放電した電力を蓄えるように構成された蓄電部を含んでいる。
【０００８】
この駆動装置においては、アクチュエータが放電した電力が蓄電部に蓄えられる。したがって、この駆動装置によれば、アクチュエータの放電が頻繁に行なわれたとしても、電力が蓄電部によって回収されるため、消費電力を低く維持することができる。
【０００９】
好ましくは、駆動装置において、アクチュエータは、誘電体と、誘電体上に設けられた第１及び第２電極とを含んでいる。駆動装置は、第１及び第２スイッチ回路をさらに備える。第１スイッチ回路は、電源部の出力端と第１電極との間に設けられている。第２スイッチ回路は、電源部の入力端と第１電極との間に設けられている。第２電極は、グラウンドに接続されている。第２スイッチ回路が開放されている場合に、第１スイッチ回路が閉成されると、電源部の電圧がアクチュエータに印加される。第１スイッチ回路が開放されている場合に、第２スイッチ回路が閉成されると、アクチュエータによって放電された電力が蓄電部に蓄えられる。
【００１０】
この駆動装置においては、第２スイッチ回路が開放されている場合に第１スイッチ回路が閉成されると、電源部の電圧がアクチュエータに印加される一方、第１スイッチ回路が開放されている場合に第２スイッチ回路が閉成されると、アクチュエータによって放電された電力が蓄電部に蓄えられる。したがって、この駆動装置によれば、アクチュエータの放電が頻繁に行なわれたとしても、電力が蓄電部に回収されるため、消費電力を低く維持することができる。
【００１１】
さらに好ましくは、駆動装置は、絶縁回路をさらに備える。絶縁回路は、第２スイッチ回路と上記入力端との間に設けられている。
【００１２】
電源部の入力端と第２スイッチ回路とが直接接続されている場合に、第２スイッチ回路が閉成されていると、蓄電部の電圧がアクチュエータに印加されることとなる。この駆動装置においては、電源部の入力端と第２スイッチ回路との間に絶縁回路が設けられる。したがって、この駆動装置によれば、第２スイッチ回路が閉成された場合に、蓄電部の電圧がアクチュエータに印加されることを防止することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、誘電体の充放電が高頻度で繰り返されても、消費電力を低く維持できる駆動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態１に従う駆動装置の回路構成を示す図である。
【図２】駆動装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図３】実施の形態２に従う駆動装置の回路構成を示す図である。
【図４】第１変形例に従う駆動装置の回路構成を示す図である。
【図５】第２変形例に従う駆動装置の回路構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００１６】
［１．実施の形態１］
＜１−１．駆動装置の回路構成＞
図１は、本実施の形態１に従う駆動装置１０の回路構成を示す図である。図１に示されるように、駆動装置１０は、電源部４０と、アクチュエータ２２と、スイッチ回路Ｓ１，Ｄ１と、制御回路５０とを含んでいる。駆動装置１０においては、電源部４０から供給される電力を用いることによって、アクチュエータ２２が作動する。
【００１７】
電源部４０は、低圧電源４２と、コンデンサ４８と、昇圧コンバータ４６と、ダイオード４４，４５とを含んでいる。低圧電源４２は、たとえば数Ｖ〜数十Ｖの電源であり、昇圧コンバータ４６や制御回路５０に電力を供給するように構成されている。なお、図１において、低圧電源４２と制御回路５０とを接続する電力線の図示は省略されている。
【００１８】
低圧電源４２の正極はダイオード４４のアノードに電気的に接続され、ダイオード４４のカソードはノードＮ３を介して昇圧コンバータ４６に電気的に接続されている。低圧電源４２の負極は、グラウンドに電気的に接続されている。
【００１９】
コンデンサ４８は、昇圧コンバータ４６や制御回路５０に電力を供給するように構成されているとともに、アクチュエータ２２が放電する電力を蓄えるように構成されている。なお、図１において、コンデンサ４８と制御回路５０とを接続する電力線の図示は省略されている。また、アクチュエータ２２により放電された電力をコンデンサ４８が蓄えることを、以下では「電力回収」とも称する。電力回収については後程詳しく説明する。
【００２０】
コンデンサ４８の一端は、ノードＮ２を介してダイオード４５のカソードに電気的に接続されているとともに、ノードＮ２，Ｎ３を介してダイオード４４のカソード及び昇圧コンバータ４６に電気的に接続されている。コンデンサ４８の他端は、グラウンドに電気的に接続されている。
【００２１】
昇圧コンバータ４６は、出力電圧を入力電圧（数十Ｖ）以上に昇圧するように構成されている。たとえば、昇圧コンバータ４６の出力電圧は、数ｋＶ〜数十ｋＶである。昇圧コンバータ４６は、電源部４０の出力端Ｏ１を介してスイッチ回路Ｓ１に電気的に接続されている。
【００２２】
アクチュエータ２２は、誘電体２４と、電極２６，２８とを含んでいる。誘電体２４は、たとえば、アクリル、ウレタン、シリコーン等の柔軟性を有し、かつ、誘電率の高いエラストマー材料で構成されている。誘電体２４は、電圧が印加されると（充電されると）伸縮する。誘電体２４の伸縮を利用することによって、駆動装置１０は駆動対象を駆動させる。なお、誘電体２４のキャパシタンス（Ｃ）は、コンデンサ４８のキャパシタンスよりも低い。
【００２３】
電極２６，２８の各々は、伸縮性を有するとともに、誘電体２４の表面に設けられている。電極２６，２８は、誘電体２４を挟んで対向する位置に設けられている。電極２６は、ノードＮ１を介してスイッチ回路Ｓ１，Ｄ１に電気的に接続されている。電極２８は、グラウンドＧ１に電気的に接続されている。なお、電極２６，２８は、必ずしも誘電体２４を挟んで対向する位置に設けられる必要はない。電極２６，２８は、たとえば、誘電体２４の同一面上に設けられてもよい。すなわち、電極２６，２８は、誘電体２４上に設けられていればよい。
【００２４】
スイッチ回路Ｓ１，Ｄ１の各々は、電路を開閉するように構成された回路である。スイッチ回路Ｓ１，Ｄ１の各々は、たとえば、リードスイッチ、リードリレーやトランジスタ等の半導体スイッチで構成される。スイッチ回路Ｄ１は、電源部４０の入力端Ｉ１を介してダイオード４５のアノードに接続されている。
【００２５】
スイッチ回路Ｄ１が開放された状態でスイッチ回路Ｓ１が閉成されると、アクチュエータ２２に昇圧コンバータ４６の出力電圧が印加され、アクチュエータ２２が充電される。その後、スイッチ回路Ｄ１が開放された状態でスイッチ回路Ｓ１が開放されると、アクチュエータ２２の電圧（電極２６，２８間の電圧）が維持される。誘電体２４は、電圧の印加を継続しなくても電荷を保持することができるためである。そして、スイッチ回路Ｓ１が開放された状態でスイッチ回路Ｄ１が閉成されると、アクチュエータ２２に蓄えられた電荷が放電され、コンデンサ４８が充電される。すなわち、電力回収が行なわれる。
【００２６】
制御回路５０は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）及びメモリを内蔵し、当該メモリ（以下、「内部メモリ」とも称する。）に記憶されたプログラムや各センサ（不図示）からの情報に基づいて駆動装置１０の各回路等（たとえば、昇圧コンバータ４６、スイッチ回路Ｓ１，Ｄ１）を制御する。内部メモリに記憶されたプログラムは、アクチュエータ２２の作動を制御する制御プログラムといえる。
【００２７】
制御回路５０は、たとえば、昇圧コンバータ４６の出力電圧を変更するための指令値を昇圧コンバータ４６に送信するように構成されている。制御回路５０が昇圧コンバータ４６に送信する指令値は、たとえば、内部メモリに記憶されたプログラムに従って決定される。
【００２８】
また、制御回路５０は、たとえば、内部メモリに記憶されたプログラムに従い、スイッチ回路Ｓ１，Ｄ１の各々の開閉を個別に制御するように構成されている。たとえば、制御回路５０は、スイッチ回路Ｓ１が開放されている場合にスイッチ回路Ｄ１が閉成するようにスイッチ回路Ｄ１を制御することによって、アクチュエータ２２が放電する電力をコンデンサ４８に回収させている（電力回収）。
【００２９】
＜１−２．電力回収＞
次に、本実施の形態１に従う駆動装置１０において電力回収が行なわれる理由について説明する。たとえば、スイッチ回路Ｓ１，Ｄ１の開閉（アクチュエータ２２の充放電）が頻繁に行なわれない場合には、駆動装置１０における消費電力は低く維持される。アクチュエータ２２は継続的に電圧が印加されなくても電圧を維持することができるため、アクチュエータ２２への電圧印加は短時間しか行なわれないためである。
【００３０】
しかしながら、仮に電力回収が行なわれないとした場合に、スイッチ回路Ｓ１，Ｄ１の開閉が頻繁に行なわれると、アクチュエータ２２への充放電時の電力消費が頻繁に生じ、駆動装置１０における消費電力は必ずしも低くなくなってしまう。
【００３１】
本実施の形態１に従う駆動装置１０においては、スイッチ回路Ｓ１，Ｄ１の開閉が頻繁に行なわれたとしても、アクチュエータ２２により放電された電力がコンデンサ４８によって回収される。すなわち、駆動装置１０によれば、スイッチ回路Ｓ１，Ｄ１の開閉（アクチュエータ２２の充放電）が高頻度で繰り返されても、電力回収が行なわれるため、消費電力を低く維持することができる。
【００３２】
＜１−３．駆動装置の動作の一例＞
図２は、駆動装置１０の動作の一例を示すタイミングチャートである。図２を参照して、横軸は時間を示し、縦軸は、上方から、スイッチ回路Ｓ１の状態、スイッチ回路Ｄ１の状態、アクチュエータ２２の電圧及びコンデンサ４８の電圧を示す。
【００３３】
時刻ｔ０において、スイッチ回路Ｓ１，Ｄ１の両方は開放状態であり、アクチュエータ２２及びコンデンサ４８の電圧はそれぞれＶ０，Ｖ５０である。
【００３４】
時刻ｔ１において、制御回路５０の制御に従ってスイッチ回路Ｓ１が閉成されると、アクチュエータ２２に昇圧コンバータ４６の出力電圧（Ｖ１）が印加され、アクチュエータ２２の電圧はＶ１に上昇する。その後、スイッチ回路Ｓ１が短時間で開放されたとしても、アクチュエータ２２の電圧はＶ１に維持される。
【００３５】
時刻ｔ２において、制御回路５０の制御に従ってスイッチ回路Ｄ１が閉成されると、アクチュエータ２２は放電し、アクチュエータ２２の電圧は略Ｖ０（より詳細には、後述のコンデンサ４８の電圧Ｖ５１と同等の電圧）となる。そして、アクチュエータ２２により放電された電力がコンデンサ４８によって回収され、コンデンサ４８の電圧はＶ５１となる。上述のように、コンデンサ４８のキャパシタンスは、アクチュエータ２２（誘電体２４）のキャパシタンスよりも十分に大きいため、（Ｖ５１−Ｖ５０）＜＜（Ｖ１−Ｖ０）という関係が成立する。
【００３６】
時刻ｔ３において、スイッチ回路Ｄ１が開放されるとともに、スイッチ回路Ｓ１が閉成されると、コンデンサ４８から昇圧コンバータ４６に電力が供給されることによって、コンデンサ４８の電圧はＶ５０に低下する。そして、アクチュエータ２２の電圧は、Ｖ１に上昇する。
【００３７】
＜１−４．特徴＞
以上のように、本実施の形態１に従う駆動装置１０において、電源部４０は、アクチュエータ２２が放電した電力を蓄えるように構成されたコンデンサ４８を含んでいる。
【００３８】
したがって、駆動装置１０によれば、アクチュエータ２２の放電が頻繁に行なわれたとしても、電力がコンデンサ４８によって回収されるため、無駄な放電を防ぐことができ、消費電力を低く維持することができる。
【００３９】
［２．実施の形態２］
上記実施の形態１に従う駆動装置１０は、１つのアクチュエータ２２を含んでいた。しかしながら、駆動装置が含むアクチュエータの数は、１つには限定されない。本実施の形態２に従う駆動装置は、２つのアクチュエータを含む。なお、アクチュエータの数は、３つ以上であってもよい。以下では、上記実施の形態１と異なる点を中心に説明する。
【００４０】
図３は、本実施の形態２に従う駆動装置１０Ａの回路構成を示す図である。図３に示されるように、駆動装置１０Ａは、電源部４０と、アクチュエータ２２，３２と、スイッチ回路Ｓ１，Ｄ１，Ｓ２，Ｄ２と、制御回路５０Ａとを含んでいる。実施の形態１に従う駆動装置１０との主要な違いは、アクチュエータ３２とスイッチ回路Ｓ２，Ｄ２とが追加されている点である。なお、アクチュエータの数が３つ以上となる場合には、スイッチ回路の数も同様に増加する。
【００４１】
アクチュエータ３２は、アクチュエータ２２と同様の構成である。すなわち、誘電体３４及び電極３６，３８は、誘電体２４及び電極２６，２８（図１）とそれぞれ同様である。
【００４２】
電極３６はノードＮ５を介してスイッチ回路Ｓ２，Ｄ２に電気的に接続されており、電極３８はノードＮ７を介してグラウンドＧ１に電気的に接続されている。スイッチ回路Ｓ２は電源部４０の出力端Ｏ１を介して昇圧コンバータ４６に電気的に接続されており、スイッチ回路Ｄ２は電源部４０の入力端Ｉ１を介してコンデンサ４８に電気的に接続されている。
【００４３】
スイッチ回路Ｄ２が開放された状態で、スイッチ回路Ｓ２が閉成されると、昇圧コンバータ４６の出力電圧がアクチュエータ３２に印加される。スイッチ回路Ｓ２が開放された状態で、スイッチ回路Ｄ２が閉成されると、アクチュエータ３２に蓄えられた電力が放電され、コンデンサ４８が充電される。
【００４４】
制御回路５０Ａは、図示しないＣＰＵ及びメモリを内蔵し、内部メモリに記憶されたプログラムや各センサ（不図示）からの情報に基づいて駆動装置１０Ａの各回路等（たとえば、昇圧コンバータ４６、スイッチ回路Ｓ１，Ｄ１，Ｓ２，Ｄ２）を制御する。
【００４５】
スイッチ回路Ｓ２が開放された状態で、スイッチ回路Ｄ２が閉成するように制御回路５０Ａがスイッチ回路Ｄ２を制御すると、アクチュエータ３２に蓄えられた電力が放電され、コンデンサ４８が充電される。このように、駆動装置１０Ａにおいては、アクチュエータ２２，３２の各々が放電する電力がコンデンサ４８によって回収される。すなわち、駆動装置１０Ａによれば、アクチュエータ２２，３２の各々が放電する電力が回収されるため、アクチュエータの数が増えたとしても消費電力を低く維持することができる。
【００４６】
［３．変形例］
以上、実施の形態１，２について説明したが、本発明は、上記実施の形態１，２に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。以下、変形例について説明する。但し、以下の変形例は適宜組合せ可能である。
【００４７】
＜３−１＞
上記実施の形態１，２においては、各アクチュエータへの電力供給は、電源部４０によって行なわれた。電源部４０においては、昇圧コンバータ４６によって、出力電圧が低圧電源４２の電圧以上に昇圧された。しかしながら、各アクチュエータに電力供給を行なう電源は、電源部４０に限定されない。第１変形例においては、低圧電源、高電圧アンプ及び信号源を組み合わせた電源がアクチュエータに電力供給を行なう。
【００４８】
図４は、第１変形例に従う駆動装置１０Ｂの回路構成を示す図である。図４に示されるように、駆動装置１０Ｂは、電源部４０Ｂと、アクチュエータ２２と、スイッチ回路Ｓ１，Ｄ１と、制御回路５０Ｂとを含んでいる。
【００４９】
電源部４０Ｂは、低圧電源４２及びコンデンサ４８の他に、信号源５２及び高電圧アンプ５４を含んでいる。高電圧アンプ５４は、低圧電源４２からの入力電圧を増幅し、信号源５２からの入力信号の波形を示す高電圧を出力するように構成されている。
【００５０】
制御回路５０Ｂは、信号源５２の信号波形、高電圧アンプ５４の出力電圧、及びスイッチ回路Ｓ１，Ｄ１の開閉を制御するように構成されている。制御回路５０Ｂは、信号源５２及び高電圧アンプ５４を制御することによって、アクチュエータ２２に印加する電圧を応答性高く変更することができる。
【００５１】
以上のような駆動装置１０Ｂにおいても、制御回路５０Ｂは、スイッチ回路Ｓ１が開放されている場合に、スイッチ回路Ｄ１を閉成することによって、アクチュエータ２２が放電した電力をコンデンサ４８に回収させることができる。
【００５２】
＜３−２＞
上記実施の形態１，２においては、電源部４０の入力端Ｉ１とスイッチ回路Ｄ１とが直接接続された。しかしながら、電源部４０の入力端Ｉ１とスイッチ回路Ｄ１との間に、たとえば、絶縁回路が設けられてもよい。
【００５３】
図５は、第２変形例に従う駆動装置１０Ｃの回路構成を示す図である。図５に示されるように、電源部４０の入力端Ｉ１とスイッチ回路Ｄ１との間には絶縁回路６０が設けられている。絶縁回路６０は、たとえばトランスで構成されている。
【００５４】
入力端Ｉ１とスイッチ回路Ｄ１との間に絶縁回路６０が設けることによって、制御回路５０等の誤動作を防止することができる。
【００５５】
＜３−３＞
上記実施の形態１，２においては、電極２８，３８とグラウンドＧ１との間にスイッチ回路が設けられなかった。しかしながら、電極２８，３８とグラウンドＧ１との間にはスイッチ回路が設けられてもよい。
【００５６】
＜３−４＞
上記実施の形態１，２において、電源部４０には、蓄電部としてコンデンサ４８が含まれていた。しかしながら、電源部４０に含まれる蓄電部は、コンデンサ４８に限定されない。たとえば、電源部４０には、コンデンサ４８の代わりに、電気二重層キャパシタが含まれてもよい。電源部４０は、アクチュエータ２２により放電された電力を蓄えることができるデバイスを含んでいればよい。
【符号の説明】
【００５７】
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ  駆動装置、２２，３２  アクチュエータ、２４，３４  誘電体、２６，２８，３６，３８  電極、４０，４０Ｂ  電源部、４２  低圧電源、４４，４５  ダイオード、４６  昇圧コンバータ、４８  コンデンサ、５０，５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｄ  制御回路、６０  絶縁回路、Ｓ１，Ｓ２，Ｄ１，Ｄ２  スイッチ回路、Ｇ１  グラウンド、Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３，Ｎ４，Ｎ５，Ｎ６，Ｎ７，Ｎ８，Ｎ９  ノード、Ｉ１  入力端、Ｏ１  出力端。
【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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