特開 2022-90418 高分子繊維多機能アクチュエータ及び高分子繊維多機能アクチュエータユニット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022090418

(43)【公開日】2022-06-17

(54)【発明の名称】高分子繊維多機能アクチュエータ及び高分子繊維多機能アクチュエータユニット

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/353 20060101AFI20220610BHJP

   H02N 10/00 20060101ALI20220610BHJP

【ＦＩ】

G01D5/353 A

H02N10/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020202811

(22)【出願日】2020-12-07

(71)【出願人】

【識別番号】304021417

【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】100067736

【弁理士】

【氏名又は名称】小池 晃

(74)【代理人】

【識別番号】100192212

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 貴明

(74)【代理人】

【識別番号】100204032

【弁理士】

【氏名又は名称】村上 浩之

(74)【代理人】

【識別番号】100200001

【弁理士】

【氏名又は名称】北原 明彦

(72)【発明者】

【氏名】舛屋 賢

(72)【発明者】

【氏名】田原 健二

【テーマコード（参考）】

2F103

【Ｆターム（参考）】

2F103BA43

2F103BA44

2F103CA01

2F103CA06

2F103EB06

2F103EB11

2F103EC09

(57)【要約】

【課題】 熱により駆動されるソフトアクチュエータとしてのアクチュエータ機能とともに、温度変化に応答する温度センサ、長さ変化に応答する長さセンサ、加えられた力の変化に応答する力センサ等として機能する各種センサ機能を備える小型化した高分子繊維多機能アクチュエータ及び高分子繊維多機能アクチュエータユニットを提供する。
【解決手段】
センサ機能を担う中心の光ファイバ部１とアクチュエータ機能を担う周辺の高分子被膜部２とが一体化され、捻られた状態でコイル形状に成形してなる高分子被膜付き光ファイバ５と、上記高分子被膜付き光ファイバ５に巻き付けられた加熱用電線７とにより、上記光ファイバ部１を通過する光の光量変化として応答するセンサ機能と上記高分子被膜部２の熱により収縮するアクチュエータ機能と有する高分子繊維多機能アクチュエータ１０を構成する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

センサ機能を担う中心の光ファイバ部とアクチュエータ機能を担う周辺の高分子被膜部とが一体化され、捻られた状態でコイル形状に成形してなる高分子被膜付き光ファイバと、
上記高分子被膜付き光ファイバに巻き付けられた加熱用電線とからなり、
上記光ファイバ部を通過する光の光量変化として応答するセンサ機能と上記高分子被膜部の熱により収縮するアクチュエータ機能と有することを特徴とする高分子繊維多機能アクチュエータ。

【請求項2】

上記光ファイバ部は、通過する光の光量変化として温度変化に応答する温度センサとして機能することを特徴とする請求項１記載の高分子繊維多機能アクチュエータ。

【請求項3】

上記光ファイバ部は、通過する光の光量変化として長さ変化に応答する長さセンサとして機能する請求項１記載の高分子繊維多機能アクチュエータ。

【請求項4】

上記光ファイバ部は、通過する光量変化として加えられた力の変化に応答する力センサとして機能する請求項１記載の高分子繊維多機能アクチュエータ。

【請求項5】

請求項１乃至請求項４の何れか１項に係る高分子繊維多機能アクチュエータと、
高分子繊維多機能アクチュエータの光ファイバ部の一端に設けられた発光部と、
上記光ファイバ部の他端に設けられた受光部とからなり、
上記発光部から出射され上記光ファイバ部を通過した光の光量変化として応答するセンサ出力を上記受光部により得ることを特徴とする高分子繊維多機能アクチュエータユニット。

【請求項6】

等温条件下において、上記光ファイバ部を通過する光の光量変化として上記光ファイバ部の長さ変化に応答する長さセンサ出力を上記受光部により得ることを特徴とする請求項５記載の高分子繊維多機能アクチュエータユニット。

【請求項7】

等荷重条件下において、上記光ファイバ部を通過する光の光量変化として上記光ファイバ部の長さ変化に応答する長さセンサ出力を上記受光部により得ることを特徴とする請求項５記載の高分子繊維多機能アクチュエータユニット。

【請求項8】

等尺性条件下での駆動において、上記光ファイバ部を通過する光の光量変化として上記光ファイバ部の温度変化に応答する温度センサ出力を上記受光部により得ることを特徴とする請求項５記載の高分子繊維多機能アクチュエータユニット。

【請求項9】

等荷重条件下において、上記光ファイバ部を通過する光の光量変化として上記光ファイバ部の温度変化に応答する温度センサ出力を上記受光部により得ることを特徴とする請求項５記載の高分子繊維多機能アクチュエータユニット。

【請求項10】

等尺性条件下での駆動において、上記光ファイバ部を通過する光の光量変化として上記光ファイバ部に加えられた力の変化に応答する力センサ出力を上記受光部により得ることを特徴とする請求項５記載の高分子繊維多機能アクチュエータユニット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱により収縮する機能を有する高分子繊維多機能アクチュエータ及び高分子繊維多機能アクチュエータユニットに関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、熱による収縮を利用するソフトアクチュエータとして、高分子繊維アクチュエータ(TCPF：Twisted and Coiled Polymer Fiber)が知られている（例えば、非特許文献１参照）。

【0003】

TCPFは、ねじってコイル化した高分子繊維の加熱に伴う収縮を利用したソフトアクチュエータであり、高い比出力、大きなストロークを特徴とする。

【0004】

TCPFのロボティクス応用において，その応答の高速化がひとつの課題であり、これまでに液冷（例えば、非特許文献２、３参照）や空冷（例えば、非特許文献４、５参照）のような冷却システムと統合したアクチュエータユニットの開発が行われてきた。しかし、これまでのアクチュエータユニットでは、制御のために外部のセンサを用いており、ユニット単体での利用は難しい。

【0005】

また、よく用いられているTCPFの計測技術として、加熱用電線のインピーダンスを用いる方法（例えば、非特許文献６参照）や抵抗値に基づく方法（例えば、非特許文献７、８、９、１０参照）が知られている。

【0006】

しかし、電線のインピーダンスを用いる方法ではLCR メータが必要となり，結果的にユニットが大型化する。一方で，抵抗値を用いる方法は比較的小型にすることが可能であるが、方法上、計測用回路と制御用回路が一体化しており、制御入力のノイズが計測ノイズに影響する。回路を分離できる計測技術として、本件発明者等は光ファイバを用いた状態計測方法を提案し、これまでにコイル状光ファイバを用いた変位センサを開発している（例えば、非特許文献１１参照）。この変位センサは，コイル状光ファイバの長さ変化に伴う曲げ損失の変化に基づいており（例えば、非特許文献１２，１３参照）、比較的安価に製作できる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】C. S. Haines et al. :"Articial Muscles from Fishing Line and Sewing Thread," Science, vol. 343, no.6173, pp. 868-872 (2014)

【非特許文献2】L. Wu et al. : "Nylon-Muscle-Actuated Robotic Finger," Proc. of SPIE vol. 9431, 94310I (2015)

【非特許文献3】H. Song and Y. Hori : "Force control of twisted and coiled polymer actuators via active control of electrical heating and forced convective liquid cooling," Advanced Robotics, vol. 32, no. 14, pp. 736-749 (2018)

【非特許文献4】M. C. Yip and G. Niemeyer : "High-Performance Robotic Muscles from Conductive Nylon Sewing Thread," Proc. of the 2015 IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 2313-2318 (2015)

【非特許文献5】K. Takagi et al. : "Position control of Twisted and Coiled Polymer Actuator Using a Controlled Fan for Cooling," Proc. of SPIE, vol. 10163, 101632V (2017)

【非特許文献6】J. van der Weijde, et al. : "Self-Sensing of Deflection, Force, and Temperature for Joule-Heated Twisted and Coiled Polymer Muscles via Electrical Impedance," IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 22, no. 3, pp. 1268-1275 (2017)

【非特許文献7】A. Abbas and J. Zhao : "A Physics Based Model for Twisted and Coiled Actuator," Proc. of the 2017 IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp.6121-6126 (2017)

【非特許文献8】A. Abbas and J. Zhao : "Twisted and Coiled Sensor for Shape Estimation of Soft Robots," Proc. of the 2017 IEEE/RSJ Int.l Conf. on Intelligent Robots and Systems, pp. 482-487 (2017)

【非特許文献9】K. Tahara et al. : ＼Rotational Angle Control of a Twisted Polymeric Fiber Actuator by an Estimated Temperature Feedback," IEEE Robotics and Automation Letters, vol.4, no.3, pp.2447-2454, 2019.

【非特許文献10】R. Hayashi et al. : "Rotational Angle Trajectory Tracking of a Twisted Polymeric Fiber Actuator by the Combination of a Model-Based Feed-Forward and Estimated Temperature Feedback," IEEE Robotics and Automation Letters, vol.4, no.3,pp.2561-2567 (2019)

【非特許文献11】K. Masuya : "Low-Cost Coil-Shaped Optical Fiber Displacement Sensor for a Twisted and Coiled Polymer Fiber Actuator Unit," IEEE Robotics and Automation Letters, vol.5, no.4, pp.6497-6503 (2020)

【非特許文献12】S. Wakimoto et al. : "Proposal and prototype of a McKibben artificial muscle with an optical fiber for sensing displacement (in Japanese)," Proc of JSME annual Conf. on Robotics and Mechatronics, 1P1-G10 (2019)

【非特許文献13】L. Meng et al. : "An investigation in the influence of helical structure on bend loss of pavement optical fiber sensor," Optik, vol. 183, pp. 189-199 (2019)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、本件発明者等が先に開発したコイル状光ファイバを用いた変位センサでは、光ファイバへの温度の影響を避けるために、TCPFアクチュエータと光ファイバを離して配置しており，結果的にアクチュエータユニットが大型化していた。

【0009】

そこで、本発明の目的は、アクチュエータとして機能するTCPFと変位センサとして機能する光ファイバとを一体化することにより小型化した高分子繊維多機能アクチュエータ及び高分子繊維多機能アクチュエータユニットを提供することにある。

【0010】

本発明の他の目的は、TCPFの計測技術を提供し、TCPFアクチュエータユニットの利用性を向上することにある。

【0011】

また、本発明の他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明は、高分子繊維多機能アクチュエータであって、センサ機能を担う中心の光ファイバ部とアクチュエータ機能を担う周辺の高分子被膜部とが一体化され、捻られた状態でコイル形状に成形してなる高分子被膜付き光ファイバと、上記高分子被膜付き光ファイバに巻き付けられた加熱用電線とからなり、上記光ファイバ部を通過する光の光量変化として応答するセンサ機能と上記高分子被膜部の熱により収縮するアクチュエータ機能と有することを特徴とする。

【0013】

また、本発明に係る高分子繊維多機能アクチュエータにおいて、上記光ファイバ部は、通過する光の光量変化として温度変化に応答する温度センサとして機能するものとすることができる。

【0014】

また、本発明に係る高分子繊維多機能アクチュエータにおいて、上記光ファイバ部は、通過する光の光量変化として長さ変化に応答する長さセンサとして機能するものとすることができる。

【0015】

さらに、本発明に係る高分子繊維多機能アクチュエータにおいて、上記光ファイバ部は、通過する光量変化として加えられた力の変化に応答する力センサとして機能するものとすることができる。

【0016】

本発明は、高分子繊維多機能アクチュエータユニットであって、本発明に係る高分子繊維多機能アクチュエータと、高分子繊維多機能アクチュエータの光ファイバ部の一端に設けられた発光部と、上記光ファイバ部の他端に設けられた受光部とからなり、上記発光部から出射され上記光ファイバ部を通過した光の光量変化として応答するセンサ出力を上記受光部により得ることを特徴とする。

【0017】

本発明に係る高分子繊維多機能アクチュエータユニットは、等温条件下において、上記光ファイバ部を通過する光の光量変化として上記光ファイバ部の長さ変化に応答する長さセンサ出力を上記受光部により得るものとすることができる。

【0018】

また、本発明に係る高分子繊維多機能アクチュエータユニットは、等荷重条件下において、上記光ファイバ部を通過する光の光量変化として上記光ファイバ部の長さ変化に応答する長さセンサ出力を上記受光部により得るものとすることができる。

【0019】

また、本発明に係る高分子繊維多機能アクチュエータユニットは、等尺性条件下での駆動において、上記光ファイバ部を通過する光の光量変化として上記光ファイバ部の温度変化に応答する温度センサ出力を上記受光部により得るものとすることができる。

【0020】

また、本発明に係る高分子繊維多機能アクチュエータユニットは、等荷重条件下において、上記光ファイバ部を通過する光の光量変化として上記光ファイバ部の温度変化に応答する温度センサ出力を上記受光部により得るものとすることができる。

【0021】

さらに、本発明に係る高分子繊維多機能アクチュエータユニットは、等尺性条件下での駆動において、上記光ファイバ部を通過する光の光量変化として上記光ファイバ部に加えられた力の変化に応答する力センサ出力を上記受光部により得るものとすることができる。

【発明の効果】

【0022】

本発明によれば、アクチュエータとして機能するTCPFと変位センサとして機能する光ファイバとを一体化して小型化した高分子繊維多機能アクチュエータ及び高分子繊維多機能アクチュエータユニットを提供することができる。

【0023】

本発明では、通過する光の光量変化として応答するセンサ機能を中心の光ファイバ部が担い、温度変化に応答する温度センサ、長さ変化に応答する長さセンサ、加えられた力の変化に応答する力センサとして機能する各種センサ機能を備える高分子繊維多機能アクチュエータユニットを提供することができる。

【0024】

すなわち、本発明によれば、TCPFの計測技術を提供し、TCPFアクチュエータユニットの利用性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本発明の一実施形態に係る高分子繊維多機能アクチュエータの構成を示す図であり、（Ａ）は高分子繊維多機能アクチュエータの平面図、（Ｂ）は、高分子繊維多機能アクチュエータを構成している高分子被膜付き光ファイバの要部縦断側面である。

【図2】本発明の一実施形態に係る高分子繊維多機能アクチュエータユニットの構成を示す図であり、（Ａ）は高分子繊維多機能アクチュエータユニットの平面図、（Ｂ）は高分子被膜付き光ファイバユニットの発光部の構造を示す要部横断平面図、（Ｃ）は高分子被膜付き光ファイバユニットの受光部の構造を示す要部横断平面図である。

【図3】上記高分子繊維多機能アクチュエータユニットの発光部の構造を示す図であり、（Ａ）は発光部を分解した状態の要部横断平面図、（Ｂ）は発光部を組み立てた状態の要部横断平面図である。

【図4】上記高分子繊維多機能アクチュエータユニットのアクチュエータ機能とセンサ機能を確認するために用いた測定系の構成を示す模式図である。

【図5】上記測定系において３００ｇの錘を吊り下げで行った上記高分子繊維多機能アクチュエータユニットの等荷重実験の結果を示す特性図であり、（Ａ）は時間経過とともに変化する温度とセンサ出力の関係を示し、（Ｂ）は時間経過とともに変化する長さとセンサ出力の関係を示している。

【図6】上記センサ出力と長さ変化の関係をまとめて示した特性図である。

【図7】上記測定系において行った等温実験の結果の一例を示す特性図である。

【図8】高分子繊維多機能アクチュエータユニットの長さが１１５ｍｍとなるように固定して等尺性実験を行った実験結果の一例として得られた時間経過とともに変化する温度とセンサ出力の関係を示す特性図である。

【図9】上記実験結果の一例における温度とセンサ応答の関係を示す特性図であり、（Ａ）は高分子繊維多機能アクチュエータユニットに１００ｇ、２００ｇ、３００ｇの錘を吊り下げて等荷重条件を行って得られた各センサと温度の関係を示し、（Ｂ）は高分子繊維多機能アクチュエータユニットの長さが９５ｍｍ、１０５ｍｍ、１１５ｍｍとなるように固定して等尺性実験を行って得られた各センサと温度の関係を示している。

【図10】等尺条件下での高分子繊維多機能アクチュエータユニットの温度と力の関係を示す特性図である。

【図11】高分子繊維多機能アクチュエータユニットの長さが１１５ｍｍにおける温度・力推定実験の結果を示す特性図であり、（Ａ）は高分子繊維多機能アクチュエータユニットの温度の推定値を示し、（Ｂ）は高分子繊維多機能アクチュエータユニットの力の推定値を示している。

【図12】上記高分子繊維多機能アクチュエータの温度制御性能を検証するするために行った温度制御実験の結果を示す特性図である。

【図13】上記温度制御実験３回の二乗平均誤差を示した特性図である。

【図14】上記高分子繊維多機能アクチュエータの力制御性能を検証するために行った力制御実験の結果を示す特性図である。

【図15】上記力制御実験３回の二乗平均誤差を示した特性図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

【0027】

まず、本発明の一実施形態に係る高分子繊維多機能アクチュエータについて、図面を使用しながら説明する。

【0028】

図１は、本発明の一実施形態に係る高分子繊維多機能アクチュエータ１０の構成を示す図であり、（Ａ）は高分子繊維多機能アクチュエータ１０の平面図、（Ｂ）は、高分子被膜付き光ファイバ５高分子繊維多機能アクチュエータ１０を構成している高分子被膜付き光ファイバ５の要部縦断側面である。

【0029】

この高分子繊維多機能アクチュエータ１０は、図１の（Ｂ）に示すように、センサ機能を担う中心の光ファイバ部１とアクチュエータ機能を担う周辺の高分子被膜部２とが一体化されたポリマ－でコーティングした高分子被膜付き光ファイバ５を材料とする高分子繊維アクチュエータ(TCPOF：Twisted and Coiled Polymer-coated Optical Fiber)であり、図１の（Ａ）に示すように、上記高分子被膜付き光ファイバ５を捻られた状態でコイル形状に成形し、加熱用電線７を巻き付けたものである。

【0030】

ここで、上記高分子繊維多機能アクチュエータ１０は、高分子被膜付き光ファイバ５として、例えば、ナイロン被膜付きプラスチック光ファイバ（ＧＨＮ４００１，三菱ケミカル製，直径２．２ｍｍ）を用いたＴＣＰＯＦとして、次の手順で製作される。

【0031】

（１）長さ４７０ｍｍプラスチック光ファイバの一端を固定し、錘１ｋｇを取り付けた別端を捻る。
（２）捻った後、径が４ｍｍの芯棒に６０回巻き付けてコイル化する。ただし、アクチュエータユニットに固定するために両端から３０ｍｍはコイル化しないようにする。
（３）定温乾燥器により、被膜材料のナイロンおよび光ファイバ材料であるＰＭＭＡの両方の融点より低い温度である１４０°Ｃで１０分間、ＴＣＰＯＦを加熱する。
（４）コイル化した光ファイバに加熱用電線７として０．２ｍｍ径のニクロム線を巻き付ける。
（５）錘２００ｇを吊り下げて、ジュール熱で数回動かすことで熱処理を施す。

【0032】

この高分子繊維多機能アクチュエータ１０は、加熱用電線７に通電することにより、周辺の高分子被膜部２が加熱されると、捻ってコイル化した高分子被膜付き光ファイバ５が収縮するソフトアクチュエータであり、周辺の高分子被膜部２が熱により収縮するアクチュエータとして機能する。

【0033】

捻ってコイル化した高分子被膜付き光ファイバ５では、コイル長の変化が中心の光ファイバ部１を通過する光の光量に影響する。また、駆動のために高分子被膜部２が加熱されると、光ファイバ部１も加熱されるので、温度変化による光量変化も同時に発生する。

【0034】

この高分子繊維多機能アクチュエータ１０において、中心の光ファイバ部１は、通過する光の光量変化としてコイル長の変化や温度変化に応答するセンサとして機能する。

【0035】

すなわち、この高分子繊維多機能アクチュエータ１０は、センサ機能を担う中心の光ファイバ部１とアクチュエータ機能を担う周辺の高分子被膜部２とが一体化され、捻られた状態でコイル形状に成形してなる高分子被膜付き光ファイバ５と、上記高分子被膜付き光ファイバ５に巻き付けられた加熱用電線７とからなり、上記光ファイバ部１を通過する光の光量変化として応答するセンサ機能と上記高分子被膜部２の熱により収縮するアクチュエータ機能と有する。

【0036】

この高分子繊維多機能アクチュエータ１０において、上記光ファイバ部１は、通過する光の光量変化として温度変化に応答する温度センサとして機能する。

【0037】

この高分子繊維多機能アクチュエータ１０において、上記光ファイバ部１は、通過する光の光量変化として長さ変化に応答する長さセンサとして機能する。

【0038】

さらに、この高分子繊維多機能アクチュエータ１０において、上記光ファイバ部１は、通過する光の光量変化として加えられた力の変化に応答する力センサとして機能する。

【0039】

次に、本発明の一実施形態に係る高分子繊維多機能アクチュエータユニットについて、図面を使用しながら説明する。

【0040】

図２は、本発明の一実施形態に係る高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０の構成を示す図であり、（Ａ）は高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０の平面図、（Ｂ）は高分子被膜付き光ファイバユニット５０の発光部２０の構造を示す要部横断平面図、（Ｃ）は高分子被膜付き光ファイバユニット５０の受光部３０の構造を示す要部横断平面図である。

【0041】

この高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０は、図２の（Ａ）に示すように、高分子繊維多機能アクチュエータ１０と、上記高分子繊維多機能アクチュエータ１０の光ファイバ部１の一端に設けられた発光部２０と、上記光ファイバ部１の他端に設けられた受光部３０とからなる。

【0042】

すなわち、上記高分子繊維多機能アクチュエータ１０は、センサ機能を担う中心の光ファイバ部１とアクチュエータ機能を担う周辺の高分子被膜部２とが一体化され、捻られた状態でコイル形状に成形してなる高分子被膜付き光ファイバ５と、上記高分子被膜付き光ファイバ５に巻き付けられた加熱用電線７とからなり、上記光ファイバ部１を通過する光の光量変化として応答するセンサ機能と上記高分子被膜部２の熱により収縮するアクチュエータ機能と有するので、センサ機能を有するソフトアクチュエータを小型化することができ、発光部２０と受光部３０を設けることにより、小型化した高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０を構成することができる。

【0043】

ここで、図３は、上記高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０の発光部２０の構造を示す図であり、（Ａ）は発光部２０を分解した状態の要部横断平面図、（Ｂ）は発光部２０を組み立てた状態の要部横断平面図である。

【0044】

発光部２０は、図２の（Ｂ）及び図３に示すように、ＬＥＤ光の外部への漏れを防ぐためにゴムチューブ２２Ａで覆われた金属パイプ２３に挿入され、それぞれ熱収縮チューブで被覆された２本の接続線２１Ａ、２１Ｂがゴムカバー２４を介して外部に導出されたＬＥＤ(OSG58A3131A,OptoSupply)２１を備え、高分子被膜付き光ファイバ５の一端部が、径を合わせるためのゴムチューブ２２Ｂに挿入された後、上記金属パイプ２３へ挿入され、最終的に、金属パイプ２３と高分子被膜付き光ファイバ５がＡＢＳ樹脂製の固定用部品２５の上ハーフ２５Ａと下ハーフ２５Ｂで挟み込むことで固定された構造となっている。

【0045】

また、受光部３０は、図２の（Ｃ）に示すように、外部光の入射を防ぐためにゴムチューブ３２Ａで覆われた金属パイプ３３に挿入され、それぞれ熱収縮チューブで被覆された２本の接続線３１Ａ、３１Ｂがゴムカバー３４を介して外部に導出された照度センサ(NJL7502L, 新日本無線)３１を備え、高分子被膜付き光ファイバ５の他端部が、径を合わせるためのゴムチューブ３２Ｂに挿入された後、上記金属パイプ３３へ挿入され、最終的に、金属パイプ３３と高分子被膜付き光ファイバ５がＡＢＳ樹脂製の固定用部品３５の上ハーフ３５Ａと下ハーフ３５Ｂで挟み込むことで固定された構造となっている。

【0046】

このような構造の高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０は、センサ機能を担う中心の光ファイバ部１とアクチュエータ機能を担う周辺の高分子被膜部２とが一体化され、捻られた状態でコイル形状に成形してなる高分子被膜付き光ファイバ５と、上記高分子被膜付き光ファイバ５に巻き付けられた加熱用電線７とからなる高分子繊維多機能アクチュエータ１０を備えることにより、上記光ファイバ部１を通過する光の光量変化として応答するセンサ機能とともに、上記加熱用電線７に通電することにより駆動されるアクチュエータとしての機能すなわち上記高分子被膜部２の熱により収縮するアクチュエータ機能と有するものとなっている。

【0047】

この高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０では、高分子繊維多機能アクチュエータ１を構成している高分子被膜付き光ファイバ５の両端に設けられた発光部２０と受光部３０を備えているので、発光部２０から出射されたＬＥＤ光を高分子被膜付き光ファイバ５の光ファイバ部１を介してる受光部３０で受光することにより、上記光ファイバ部１を通過した光の光量変化に応じたセンサ出力が得られる。

【0048】

本件発明者等は、図４に示すような構成の測定系１００を用いて、強制対流条件下で上記高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０のアクチュエータ機能とセンサ機能を確認した。

【0049】

図４は上記高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０のアクチュエータ機能とセンサ機能を確認するために用いた測定系１００の構成を示す模式図である。

【0050】

この測定系１００では、高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０は、基盤１０１上で1方向に滑らかに移動可能に設けられたボールスライド１０２と、基盤１０１上に設けられた固定された力センサ（FGP-0.5，日本電産シンポ）１０３を備える。

【0051】

この測定系１００において、高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０は、一端が上記ボールスライド１０２に取り付けられ、他端が上記力センサ１０３に取り付けられることにより、上記ボールスライド１０２と上記力センサ１０３の間に水平に懸架されており、上記ボールスライド１０２により1方向に滑らかに移動可能な一端が１個の定滑車を介して垂下された錘１０４の自重により牽引され、荷重が掛けられるようになっている。

【0052】

また、この測定系１００は、電源１０５ に接続されたモータドライバ(DRI0017,DFRobot)１０６を備え、このモータドライバ１０６が上記高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０の加熱用電線７に接続されている。

【0053】

上記モータドライバ１０６は、コンピュータを用いた計測処理部１１０の第１のUSB端子１１１に接続されたArduino基板１０７を介して電圧指令値が与えられることにより、上記電圧指令値に応じたジュール熱を発生させて、上記高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０を加熱するために、上記電圧指令値に応じた駆動電圧を上記加熱用電線７に印加するようになっている。

【0054】

さらに、この測定系１００は、上記高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０の温度Ｔを計測するためにサーモグラフィカメラ(OP-TXI80LTF05T090,Optris)１０８と、上記高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０の長さＬを計測するためレーザ変位計(IL-300,KEYENCE)１０９を備える。

【0055】

上記サーモグラフィカメラ１０８は、上記計測処理１１０の第２のUSB端子１１２に接続されており、その温度計測値が１００ｍｓのサンプリング間隔で上記計測処理部１１０に取り込まれるようになっている。

【0056】

また、上記計測処理部１１０は、ＡＤ変換部１１３を備えており、上記力センサ１０３による計測出力や上記レーザ変位計１０９による計測出力とともに、上記高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０に備えられた上記発光部２０が発光して上記光ファイバ部１を通過した光を上記受光部３０により受光して得られるセンサ出力Ｓを、上記ＡＤ変換部１１３を介して１０ｍｓのサンプリング間隔で取り込むようになっている。

【0057】

このような構成の測定系１００において、計測処理部１１０は、レーザ変位計１０９による計測変位と初期長さから上記高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０の長さＬを算出する。

【0058】

ここで、上記測定系１００において、高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０についてアクチュエータ機能を確認するために、等荷重実験を行い、等荷重下でジュール熱を印加した際の上記高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０の挙動を調べた。

【0059】

この等荷重実験では、荷重として１００ｇ、２００ｇ、３００ｇの錘１０４を吊り下げ，電圧は次の式（１）にて示すステップ入力で与えた。

【数1】

【0060】

ただし，Ｖｒｅｆは参照電圧であり，Ｖｒｅｆ＝２４Ｖとした。実験は各錘１０４につき、３回行った。

【0061】

上記測定系１００において３００ｇの錘１０４を吊り下げで行った等荷重実験の結果として、上記高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０の受光部３０により得られるセンサ出力Ｓ、上記レーザ変位計１０９による計測結果として得られる上記高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０の長さＬ、上記サーモグラフィカメラ１０８による計測結果として得られる上記高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０の温度Ｔを図５の（Ａ）、（Ｂ）に示す。

【0062】

図５の（Ａ）は、横軸を時間［ｓ］、縦軸を温度［°Ｃ］、センサ出力［Ｖ］として、時間経過とともに変化する温度Ｔｔとセンサ出力Ｓｔの関係を示し、 図５の（Ｂ）は、横軸を時間［ｓ］、縦軸を長さ［ｍｍ］、センサ出力［Ｖ］として、時間経過とともに変化する長さＬｔとセンサ出力Ｓｔの関係を示している。

【0063】

上記高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０は、図５の（Ａ）、（Ｂ）に示すように、温度Ｔｔが上昇するにしたがって長さＬｔに変化が生じていることから、加熱により駆動することが確認できる．

【0064】

また，図５の（Ａ）、（Ｂ）に示すように、センサ応答は温度変化より後に生じ、長さ変化よりも先に生じているので、上記高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０のセンサ出力Ｓｔの変化は主に温度の影響によると考えられる。

【0065】

また、センサ出力と長さ変化の関係をまとめて図６に示すように、荷重の増加に伴って、初期長さと動作範囲が異なっていることが確認できる。

【0066】

次に、上記測定系１００において、高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０のセンサ機能のうち変位計測機能を確認するために、等温実験を行い、等温条件下で長さ変化を与えた際のセンサ応答を調べた。

【0067】

等温実験では、まず１００ｇの錘１０４を吊り下げ、後述する式（８）の電圧で挙動が安定するまで予備動作させた。安定後，荷重として１００ｇ、２００ｇ、３００ｇの錘１０４を吊り下げ，高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０を取り付けたボールスライド１０２を手で動かした際のセンサ応答を計測した。その後，予備動作の錘１０４を２００ｇ、３００ｇに変更し、同様の実験を行った。実験は、予備動作の錘１０４、実験時の錘１０４の各組につき３回、計２７回行った。

【0068】

ここで、高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０について、上記測定系１００において行った等温実験の結果の一例を図7の特性図に示す。また、等温実験の結果として得られた上記高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０の受光部３０によるセンサ出力と上記レーザ変位計１０９による計測結果に基づく上記高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０の長さ変化の関係を図６の特性図に示す。

【0069】

等温実験の結果において、センサ出力が変位に伴って変化しているものの、等荷重条件の場合と比較して出力範囲は狭い。

【0070】

これは、センサ出力に対する影響が、変位よりも温度のほうが大きいことを示している。

【0071】

長さが短くなるとセンサ出力が増減しているが、これは高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０に生じるたわみの影響と考えられる。逆に、長さが伸びる場合、センサ出力は実験時の錘１０４が１００ｇの場合を除いて、増加しており、長さが増加することにより、曲げ損失が低下することを示している。一方で，１００ｇの場合，センサ出力が一度減少している。この原因のひとつとして、製作時におけるトレーニング荷重の影響が考えられる。実際、トレーニング荷重とした２００ｇの結果は、１００ｇ、３００ｇの場合と比べて、極小値の近くにある。

【0072】

次に，初期長さ、すなわち高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０をばねとしたときの釣合い位置を見てみると、予備動作の錘１０４が同一の場合はおおよそ同じ値を示しているが、予備動作の錘１０４が異なる場合に大きく変化しており、荷重依存のヒステリシスによりセンサ出力が大きく変わっている。

【0073】

したがって、高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０の変位センシング機能は、光ファイバの温度変化が生じない場合、すなわち駆動しない等温条件下での利用に好適である。

【0074】

なお、高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０の変位センシング機能は、例えば等荷重条件で変位センサモデルを構築することにより、等尺性条件下で駆動する場合にも利用することができる。

【0075】

最後に、上記測定系１００において、等尺性条件のもとで温度変化を与える等尺性実験を行い、高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０の温度計測機能を検証した。

【0076】

等尺性実験では、高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０の長さが、９５ｍｍ、１０５ｍｍ、１１５ｍｍとなるように固定し、予備動作を行った後、等荷重実験と同じ電圧入力を与えて計測を行った。

【0077】

高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０の長さが１１５ｍｍとなるように固定して等尺性実験を行った実験結果の一例として、上記サーモグラフィカメラ１０８による計測結果として得られた上記高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０の温度Ｔｔと上記高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０の受光部３０により得られたセンサ出力Ｓｔの関係を図８の特性図に示し、温度とセンサ応答の関係を図９に示す。

【0078】

図９は、上記実験結果の一例における温度とセンサ応答の関係を示す特性図であり、（Ａ）は高分子繊維多機能アクチュエータユニットに１００ｇ、２００ｇ、３００ｇの錘を吊り下げて等荷重実験を行って得られた各センサと温度の関係を示し、（Ｂ）は高分子繊維多機能アクチュエータユニットの長さが９５ｍｍ、１０５ｍｍ、１１５ｍｍとなるように固定して等尺性実験を行って得られた各センサと温度の関係を示している。

【0079】

等尺性実験の結果、センサ出力範囲が等温実験の場合より大きいことから、温度の影響は変位の影響より大きいことが確認できた。また、等尺性条件下での温度とセンサ応答は、等荷重条件のものと同一の傾向を示すものの、変位の影響によりその大きさが異なっている。さらに、長さの違いによりセンサ出力の挙動が異なるものの、一定長さであれば類似の挙動を示している。

【0080】

したがって、高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０の温度計測機能は、等尺性条件下での高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０の駆動における利用に好適である。

【0081】

なお、高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０の温度計測機能は、例えば等荷重条件で温度センサモデルを構築することにより、等荷重条件で駆動する場合にも利用することができる。

【0082】

ここで、図１０は、上記測定系１００において、等尺性条件下で、サーモグラフィカメラ１０８による計測結果として得られた高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０の温度と、力センサ１０３により計測された高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０の力の関係を示す特性図である。

【0083】

図１０に示すように、温度と力の関係が比例関係とみなせるので、等尺条件下においては、高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０の温度計測機能を介して、力もまた推定できる。

【0084】

すなわち、等尺性条件下での計測実験の結果である図９の（Ｂ）より、センサ出力と温度の関係には非線形性と遅れが存在することが確認できたので、センサ出力と温度の関係を、静的な非線形関数と線形伝達関数で表されるHammersteinモデルを用いて式（２）に示すようにモデル化した。

【数2】

【0085】

ただし、ｖはセンサ出力、Ｔは温度である。また、η（Ｔ）とＧｖＴ（ｓ）はそれぞれHammersteinモデルにおける静的な非線形関数と線形伝達関数である。ここでは、簡単のため、η（Ｔ）とＧｖＴ（ｓ）をそれぞれ次の式（３）、式（４）にて設定した。

【数3】

【数4】

【0086】

ここで、ηｉ（ｉ＝０；１；２）はＴ^ｉの係数、τｖは時定数である。

【0087】

なお、式（２）の逆モデルを用いることでセンサ出力ｖから温度Ｔを求めることができるが、Ｇ^－１ＶＴ（ｓ）が非プロパとなる。

【0088】

そこで、次の式（５）、式（６）に示すように、ローパスフィルタを用いることで、全体の伝達関数をプロパにする。

【数5】

【数6】

【0089】

ただし、τd は目標時定数である。もしτd がτv と比べて大きすぎる場合、ηｅｓｔの遅れが大きくなり，結果的にＴｅｓｔ も遅れる。

【0090】

逆に，τd がτv と比べて小さすぎる場合、高周波数ノイズが増幅されてしまう。これらの点を踏まえて，ここでは、τd = ０．２０τv とした。一方で、YipとNiemeyerのモデルに基づくと、温度と力のモデルは次の式（７）のように表される。

【数7】

【0091】

ここで，ｃｉ（ｉ＝０，１）はＴ^ｉの係数である。式（７）に推定温度Ｔｅｓｔ を代入することで、力の推定値ｆｅｓｔを計算することができる。

【0092】

等尺性条件下での計測実験のデータを用いて、式（２）、式（７）のパラメータを最小二乗法で同定した結果は、次の表１、表２にそれぞれ示すように、適合度が９０％を超えていることから、このモデルは妥当なモデルであるといえる。

【0093】

【表1】

【0094】

【表2】

【0095】

そこで、推定器の性能を検証するために、上記測定系１００において、等尺性条件下での計測実験と同じ実験環境で、推定実験を行った。

【0096】

ここで、推定実験実験は３回行い，入力電圧は次の式（８）で与えた。

【数8】

【0097】

図１１は高分子繊維多機能アクチュエータユニットの長さが１１５ｍｍにおける温度・力推定実験の結果を示す特性図であり、（Ａ）は高分子繊維多機能アクチュエータユニットの温度の真値Ｔｔｒｕｔｈと推定値Ｔｅｓｔを示し、（Ｂ）は高分子繊維多機能アクチュエータユニットの力の真値Ｎｔｒｕｔｈと推定値Ｎｅｓｔ を示している。

【0098】

推定実験の結果を示す図１１において、温度・力の両方の推定値は、真値と同じ傾向を示している。

【0099】

また、それぞれの二乗平均誤差は、温度推定では０．８６９°Ｃ、力推定では０．０２０Ｎとなり，動作範囲に比べて十分小さいので、両推定器ともに精度よく推定できているといえる。

【0100】

上記測定系１００における各種実験結果からも明らかなように、上記高分子繊維多機能アクチュエータ１０に発光部２０と受光部３０を設けた高分子繊維多機能アクチュエータユニット５０は、温度変化に応答する温度センサ、長さ変化に応答する長さセンサ、加えられた力の変化に応答する力センサとして機能する各種センサ機能を有するものとなっている。

【0101】

次に、推定器による推定値を用いた上記高分子繊維多機能アクチュエータ１０の温度制御性能を検証するするために、上記測定系１００において等尺性条件下での計測実験と同じ実験環境で、温度制御実験を行った。ここで、温度制御実験を３回行い、温度制御のための入力電圧は次の式（９）、式（１０）、式（１１）で与えた。

【数9】

【数10】

【数11】

【0102】

ただし、Ｔ_ｄ は目標温度、Ｋ_Ｐ,Ｔ はそれぞれ比例ゲイン、Ｋ_Ｉ，Ｔ は積分ゲインである。サーモグラフィカメラ１０８の計測値を用いて制御を行った予備実験よりＫ_Ｐ,Ｔ ＝１．０×１０^４ Ｖ^２ ／°Ｃ、Ｋ_Ｉ，Ｔ ＝１．０×１０Ｖ^２ ／（ｓ°Ｃ）と設定した。

【0103】

式（９）で表される飽和要素において、最大電圧Ｖ_ｍａｘ は過熱による高分子繊維多機能アクチュエータ１０の溶融を防ぐためのものであり、２４Ｖに設定した。

【0104】

図１２は高分子繊維多機能アクチュエータユニット１０の長さが１１５ｍｍにおける温度制御実験の結果を示す特性図であり、温度の目標値、サーモグラフィカメラ１０８による真値、制御に用いた推定値を示している。

【0105】

温度制御実験の結果を示す図１２において、温度の推定値は真値と同じ傾向を示しており、目標値に近づいている。

【0106】

図１３は、実験３回の二乗平均誤差を示したものであり、推定値を用いて制御した際の目標値との二乗平均誤差，サーモグラフィカメラ１０８による真値を用いて制御した際の目標値との二乗平均誤差を示しており、グレーの領域は制御範囲の５％を示している。目標値への収束後において、推定値を用いた制御による二乗平均誤差は、おおよそ５％の範囲に入っており、制御範囲に比べて十分な制御性能を示している。

【0107】

さらに、推定器による推定値を用いた高分子繊維多機能アクチュエータユニット１０の力制御性能を検証するために、上記測定系１００において等尺性条件下での計測実験と同じ実験環境で、力制御実験を行った。

【0108】

ここで、力制御実験を３回行い、力制御のための入力電圧は式（９）および次の式（１２）、式（１３）で与えた。

【数12】

【数13】

【0109】

ただし、ｆ_ｄ は目標力、Ｋ_Ｐ；ｆ はそれぞれ比例ゲイン、Ｋ_Ｉ；ｆ は積分ゲインである。力センサ１０３の計測値を用いて制御を行った予備実験よりＫ_Ｐ ＝－１．０×１０^４ Ｖ^２ ／Ｎ、Ｋ_Ｉ ＝－１．０×１０Ｖ^２ ／（Ｎｓ）と設定した。

【0110】

図１４は高分子繊維多機能アクチュエータユニット１０の長さが１１５ｍｍにおける力制御実験の結果を示す特性図であり、力の目標値、力センサ１０３による真値、制御に用いた推定値を示している。力制御実験の結果を示す図１２において、力の推定値は真値と同じ傾向を示しており、目標値に近づいている。

【0111】

図１５は、実験３回の二乗平均誤差を示したものであり、推定値を用いて制御した際の目標値との二乗平均誤差、力センサ１０３による真値を用いて制御した際の目標値との二乗平均誤差を示しており、グレーの領域は制御範囲の５％を示している。目標値への収束後において，推定値を用いた制御による二乗平均誤差は、おおよそ５％の範囲に入っており、制御範囲に比べて十分な制御性能を示している。

【0112】

なお、上記のように本発明の各実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは、当業者には、容易に理解できるであろう。従って、このような変形例は、全て本発明の範囲に含まれるものとする。

【0113】

例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。

【符号の説明】

【0114】

１ 光ファイバ部、２ 高分子被膜部、 ５ 高分子被膜付き光ファイバ、７ 加熱用電線、１０ 高分子繊維多機能アクチュエータ、 ２０ 発光部、２１Ａ、２１Ｂ、３１Ａ、３１Ｂ 接続線 ２２Ａ、２２Ｂ、３２Ａ、３２Ｂ、ゴムチューブ、 ２３、３３ 金属パイプ、 ２５、３５ 固定用部品、２５Ａ、３５Ａ 上ハーフ、２５Ｂ、３５Ｂ 下ハーフ、３０ 受光部、５０ 高分子繊維多機能アクチュエータユニット、１００ 測定系、１０１ 基盤、１０２ ボールスライド、１０３ 力センサ、１０４ 錘、１０５ 電源、１０６ モータドライバ、１０７ Arduino基板、１０８ サーモグラフィカメラ、１０９ レーザ変位計、１１０ 計測処理部１１０、１１１ 第１のUSB端子、１１２ 第２のUSB端子、１１３ ＡＤ変換部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】