JP2008534843A - スマート記憶合金制御 - Google Patents

Abstract

本発明は臨界温度まで加熱された時に収縮するようになっている形状記憶合金ワイヤー（ＳＭＡ）等の材料の性能及び寿命を向上させる方法に関する。本発明方法には、活性化前に周囲温度を測定する工程、ＳＭＡワイヤーへ印加された電圧及び／またはＳＭＡワイヤー中を流れる電流を測定する工程、材料を周囲温度から臨界温度まで加熱するために要する電力及びエネルギーを算出する工程、及び算出された電力及びエネルギーを供給する工程が含まれる。
【選択図】図１

Description

本発明は形状記憶合金材料、特に形状記憶合金ワイヤーに関する。

形状記憶合金は公知であり、通常その大部分あるいはすべてはチタンあるいはニッケルから成っている。これら形状記憶合金には他の材料、例えばアルミニウム、亜鉛、銅なども含まれる。形状記憶合金は所定の転移温度以下で第一形状をとり（マルテンサイト転移）、かつその温度が転移温度を超えると第二形状へと変化する（オーステナイト転移）ことができる。逆に、形状記憶合金が転移温度以下まで冷却されると、再び第一形状をとることが可能である。本発明の種々観点との関連において、形状記憶合金は現場で加熱されると収縮する。Ｎｉｔｉｎｏｌの名称で販売されているもの等の現在入手可能な形状記憶合金は、加熱によって活性化されると約３％程度まで収縮可能である。

Ｎｉｔｉｎｏｌ等の形状記憶合金（ＳＭＡ）の活性化は好ましくは電気抵抗加熱を通して得られる。

形状記憶合金ワイヤーは、そのワイヤーの性能及び寿命に影響を及ぼす多数の作用特性を示すことが知られている。

本発明はＳＭＡの性能及び寿命を最大化することを目的とする。

疲労は性能や寿命の要因となることが観察されている。反復サイクル用途に用いられるＳＭＡ素子の寿命は、結果的に初期故障を避ける限度内になければならないピークＳＭＡストレスと密接に相関することが観察されている。寿命は使用回復後の歪みによっても影響される。歪みはＳＭＡワイヤーが活性化された時の長さの変化として考えることができる。歪みの割合が大きければ大きいほどワイヤーに対する影響は有害となり、ワイヤーの寿命はより短くなる。ＳＭＡストレス及び歪みを最小限に抑えることによりＳＭＡの使用可能期間は増大する。

ＳＭＡワイヤーが加熱されてオーステナイトからマルテンサイトへと転移するピーク温度は、ＳＭＡの作動可能期間の短縮を避けるため、安全作動限界内に制限されなければならない。

まず電圧について考慮すべきである。例えば、航空機及び自動車装置の場合、供給電圧変化は通常２０％以上であり、これによって生ずる一定の加電圧特性をもつＳＭＡ素子におけるエネルギー変化は４５％以上にも達することがある。理想的には、操作を最適化させるため、供給電圧変化は電力供給電圧レベルに関わらず一貫した電力供給が確保されるように補正されるべきである。例えばパルス幅変調（ｐｗｍ）制御用いて供給電圧を測定してＳＭＡへの電力供給を調節することによって、広範囲に及ぶ供給電圧変化に対しても一貫した電力供給を行うことが可能である。

また、周囲温度も考慮されなければならない。上記述べたように、マルテンサイト状態（低温、長い）からオーステンサイト状態（高温、短い）への転移はＳＭＡ素子を９０℃等の臨界転移温度まで加熱することによって達成される。加熱は、典型例としてＳＭＡ素子中へ電流を通すことによって実施される。電力供給を一定とした場合、ＳＭＡ素子温度を臨界転移温度まで上昇させるために要する時間は開始温度あるいは周囲温度に依存して異なる。例えば、温度が比較的低い場合、形状記憶合金を所望の温度まで加熱するためには大量のエネルギーを形状記憶合金ワイヤーへ供給する必要がある。逆に温度が高い場合、形状記憶合金ワイヤーを収縮させるために形状記憶合金ワイヤーへ供給されるべきエネルギー量は少なくて済む。堅実な操作を得るためには、ＳＭＡ素子へ供給される電力及びエネルギーが、ＳＭＡ素子の周囲温度と近似するであろうＳＭＡの開始時温度に従って調整されなければならない。

他に考慮すべき要因として老化がある。反復周期的に用いる場合、周期数が増加するにつれてＳＭＡ素子の特性が変化する場合がある。特にオーステナイト状態の長さは周期数の増加につれて減じられ、相当なストレス下において数万サイクル後には０．５〜１．０％減じられることがある。さらに、冷却後に長さの伸びたマルテンサイト状態へＳＭＡ素子を再度バイアスさせる応力が必要とされるため、マルテンサイト状態からオーステンサイト状態への変換を行うために必要なエネルギー量及び／または温度増加も周期数と共に増加する可能性がある。

本発明に係る締結装置の好ましい実施態様においては、締結装置には形状記憶合金ワイヤーの温度を感知するための温度センサがさらに備えられる。この温度センサにより、種々条件を考慮した上で、形状記憶合金ワイヤーへ与えられるエネルギー量を感知温度に基づいて調節することが可能である。温度センサはフィードバック機能をもつため、この機能によって電力供給調節を行うことが可能である。

本発明では、これら要因のいくつか、あるいは（任意的に）すべてが考慮される。従って、本発明によって臨界温度まで加熱された時に収縮するようになっている材料の性能及び寿命を向上させる方法が提供される。本発明方法は、
ｉ）活性化前に周囲温度を測定する工程、
ｉｉ）材料へ加えられる電圧及び該材料中を流れる電流を測定する工程、
ｉｉｉ）周囲温度から臨界温度まで材料を加熱するために必要とされる電力及びエネルギーを算出する工程、及び
ｉｖ）算出された電力及びエネルギーを供給する工程から構成される。

活性化された時に収縮するようになっている材料としては好ましくはＳＭＡワイヤーが用いられる。好ましくは、ＳＭＡの活性化に先立ってＳＭＡ素子の周囲温度が測定され、周囲温度と臨界温度との差を用いて特定の活性化時間内にＳＭＡの温度を臨界温度まで上昇させるために供給されるべき電力及びエネルギーが算出される。

前記周囲温度の測定はいずれか適当な方法によって実施可能である。

前記工程ｉｉ)において、材料へ加えられた電圧が測定され、また該材料中へ流れる電流が測定される。一実施態様として、電圧と電流の双方が測定される構成もある。かかる実施態様においては、現場でＳＭＡワイヤーの抵抗を算出することが可能である。特にＳＭＡ抵抗が既知である場合には、ＳＭＡワイヤーが付勢あるいは活性化される際に生ずる電流は計算によって得ることができるので、好ましくは電圧だけが測定される。さらに別の実施態様において、ＳＭＡ抵抗が分かっている場合には、好ましくはＳＭＡワイヤー中を流れる電流だけが測定される。

電圧及び／または電流の測定、及び材料を周囲温度から臨界温度まで加熱するために必要とされる電力及びエネルギーの計算はいずれか適当な方法によって実施される。

本発明方法がマイクロプロセッサを備える装置との関連において用いられる場合、そのマイクロプロセッサによって好ましくは温度依存アルゴリズムを用いてＳＭＡワイヤーへのエネルギー供給を制御することが可能である。このマイクロプロセッサによってその装置の状態やそれが連動しているかどうかを感知することも可能である。マイクロプロセッサはこのような情報を二次的情報と共に該装置が一部を成すネットワークへレポートすることができる。かかるシステムとしては、例えば締結装置を挙げることができる。

さらに好ましくは、ＳＭＡ供給電圧がＳＭＡの活性化開始時に一定負荷の下で測定され、またＳＭＡ電力供給特性が例えばｐｗｍ制御によって調節されて特定の電力及びエネルギーが確実に供与される。

好ましくは、センサによって締結装置あるいは他の装置における機械装置の作動が本発明方法を用いてモニターされる。センサにより、装置内の移動部品の位置を検知することが可能である。典型例として、センサを装備して装置の移動を完全に検知し、その時にＳＭＡ素子からエネルギーを取り除くことが可能である。ＳＭＡ素子への電力供給の開始から装置の完全移動完了までの経過時間を測定して目標値と比較することもできる。

センサは、それぞれの活性化が実際に為されているかを感知するためにも重要である。センサを用いてＳＭＡ素子の歪み程度や長さの変化を測定することも可能である。このようなセンサからのフィードバックは、性能を最適化するため、あるいは結果を得るために必要なエネルギーを最小限にしてＳＭＡ素子の寿命を最大化させるために必要な補正を指示するために有用である。

必要であれば、各サイクルの開始時点における電力及びエネルギー供給を調整して後続サイクルに所望されるターゲットを得ることが可能である。このような方法により、ＳＭＡ素子における何らかの変化及び機械装置特性に適応した操作を行って常に一貫した操作を維持することが可能である。駆動パラメータが変更される都度、それらパラメータを例えば非揮発性フラッシュメモリ中に記憶して、電力サイクルを通して保存することが可能である。

ＳＭＡワイヤー中におけるエネルギー変化は電圧の２乗値にほぼ比例して生ずるため、電圧変化の補正が重要であることが理解されるべきである。

電圧補正を可能な限り正確に行うため、電圧供給はその負荷時に測定されなければならない。従って、機械装置中にＳＭＡワイヤーが含まれる場合、負荷される電力供給を測定できるように、好ましくはＳＭＡワイヤーへ短時間の通電が行われる。かかる測定により、締結装置がダイオード、フューズ、フィルター等の接続ワイヤー及び安全装置におけるすべての電圧降下を考慮することが可能となる。

好ましくは、電圧は下記式に従って補正される。
補正ＰＷＭ＝公称ＰＷＭ×（公称電圧）^２／（負荷電圧）^２
式中、公称電圧は特性の公称電力供給電圧値、ＰＷＭはパルス幅変調を表す。

上記式を用いて電力印加特性を補正することも可能である。

温度によるＳＭＡ抵抗変化等の他の影響を考慮した、さらに複雑な式を用いることも可能である。

各ＳＭＡ活性化前、好ましくは周囲温度が測定され、下記式における補正が電力供給特性へ適用される。
補正ＰＷＭ＝公称ＰＷＭ×（活性化温度−周囲温度）／（活性化温度−公称温度）
式中、公称温度は特性の公称温度を表し、２５℃に設定される。活性化温度はＳＭＡの活性化温度を表し、９５℃に設定される。ＰＷＭはパルス幅変調を表す。

本発明に従った補正を実施することにより、性能の最適化、設計、寿命の最大化、及び予防的維持の決定等の多数の利益を得ることが可能である。

ＳＭＡ素子が用いられ、かつ本発明方法が適用される機械装置によればその全作動期間を通して特定された全作動温度範囲及び電圧範囲に亘って作動性能目標を達成することが可能である。

老化に伴う作動行程の変化を補正することにより、機械装置を過剰な初期移動を行うように設計する必要がなくなり、機械装置の前記作動期間に亘って機械装置が正確に作動するように確保することが可能となる。ＳＭＡ活性化を短縮化するためにセンサが設けられる場合、機械装置が作動するや否やセンサがそれを感知して機械装置の初期における過剰移動を防止することが可能である。

発明を実施するための手段

以下において、添付図面に示された本発明の非限定的実施態様により本発明について詳細に説明する。

図１には、ＳＭＡワイヤーへ供給されるエネルギー量を最適化してワイヤーを効率的に活性化させる構成を示したフローチャートである。エネルギーは外部条件及びＳＭＡの老化に基づいて算出される。ＳＭＡワイヤーは、例えば国際特許出願ＷＯ２００５／０４７７１４に開示された作動手段の適当な例であると言うことができ、この出願の内容は引例として本願に包含されている。この引例の図５〜１３、１７〜３３、あるいは４１〜４６に示された締結装置の変形例は適当な例である。公称温度は２５℃に選定され、ＳＭＡに対する典型的な活性化温度は９５℃である。

典型的な締結装置用途に用いる場合、公称ＰＷＭは２０％であるが、この値は供給電圧及びＳＭＡワイヤーの長さ、つまり抵抗に依存して変動する。公称ＰＷＭから下記式を用いて補正ＰＷＭが算出される。
補正ＰＷＭ＝公称ＰＷＭ×（活性化温度−周囲温度）／（活性化温度−公称温度）
式中、公称温度は特性の公称温度を表し、２５℃に設定される。活性化温度はＳＭＡの活性化温度を表し、９５℃に設定される。ＰＷＭはパルス幅変調を表す。

典型的な測定作動温度である３０℃において、補正ＰＷＭ値を算出すると以下の通りである。
ＰＷＭ＝２０％×（９５−３０）／（９５−２５）＝１８．６％

さらに、機械装置におけるすべての電圧降下及び補正ＰＷＭを考慮するため、負荷電力供給が約１５マイクロ秒間の通電後にＳＭＡを通して測定される。補正ＰＷＭは下記式に従って算出される。
補正ＰＷＭ＝公称ＰＷＭ×（公称電圧）^２／（負荷電圧）^２
式中、公称電圧は特性の公称電力供給電圧値を表し、ＰＷＭはパルス幅変調を表す。

電力供給電圧は、例えばマイクロコントローラに内蔵されたアナログからデジタルへの変換器を用いて測定可能である。また、電力供給電圧を測定する別法として、ＳＭＡ電流を例えばアナログからデジタルへの変換器を用いて測定してＳＭＡワイヤーに直列に接続されたセンサレジスタを通して電圧降下を測定することも可能である。これらのパラメータはオームの法則を用いてＳＭＡワイヤーの抵抗と相関付けられている。ＳＭＡ中で放散される電力が前記補正方法の実施が可能な多種多様な方法によって測定可能なことは当業者の認識するところである。

ＳＭＡ素子が作動に必要な最小限の電力のみで駆動されれば、ＳＭＡ素子が受けるストレス、温度上昇、及び性能目標へ到達するために必要とされるマルテンサイトからオーステンサイトへの変換率は最小となる。これら各パラメータの最小化はＳＭＡ素子のライフサイクルにとって有利な影響を及ぼすため、機械装置によって達成可能な作動サイクル数を最大化させることが可能となる。

特定の目標を達成するために必要なＳＭＡパラメータ設定が比較された場合、これらパラメータの所定の限界を超えた偏差は、ＳＭＡ素子あるいは機械装置の生じ得る欠陥を予測するために使用できる。選定された限界を超える逸脱を将来の整備活動のスケジュール化の基礎として活用することも可能である。

本発明の精神及び範囲を限定することなく、上記実施態様へ種々変形を加えることも可能なことが理解されよう。

種々分野の当業者によって理解されるように、本願において開示された発明は上記例に限定されるものではなく、種々分野への広範囲に亘って適用可能であり、かつ適用分野に重要な進歩をもたらすものである。特に、本発明により、従来技術による締結装置に比べて格段に精巧化され、最新技術の適用が可能とされた締結装置が提供される。

本発明の一実施態様を示したフローチャートである。

Claims (9)

1. (ｉ)活性化前に周囲温度を測定する工程、
   (ｉｉ)材料へ印加される電圧及び／または材料中を流れる電流を測定する工程、
   (ｉｉｉ)材料を周囲温度から臨界温度まで加熱するために要する電力及びエネルギーを算出する工程、及び
   (ｉｖ)算出された電力及びエネルギーを供給する工程を含んで構成される、臨界温度まで加熱された時に収縮するようになっている材料の性能及び寿命の改善方法。
2. 前記材料が形状記憶合金ワイヤーであることを特徴とする請求項１項記載の方法。
3. 前記工程(ｉｉｉ)において、電力が式；
   補正ＰＷＭ＝公称ＰＷＭ×（公称電圧）^２／（負荷電圧）^２
   式中、公称電圧は特性の公称電力供給電圧値を表し、ＰＷＭはパルス幅変調を表す、に従って算出されることを特徴とする請求項２項記載の方法。
4. 前記工程(ｉｉｉ)において、エネルギーが式；
   補正ＰＷＭ＝公称ＰＷＭ×（活性化温度−周囲温度）／（活性化温度−公称温度）
   式中、公称温度は特性の公称温度を表して２５℃に設定され、活性化温度はＳＭＡの活性化温度を表して９５℃に設定され、ＰＷＭはパルス幅変調を表す、に従って算出されることを特徴とする請求項２項記載の方法。
5. 締結装置に用いられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の方法。
6. 前記締結装置にマイクロプロセッサが内蔵され、該マイクロプロセッサによって材料へのエネルギー供給が温度依存アルゴリズムを用いて制御されることを特徴とする請求項５項記載の方法。
7. 前記マイクロプロセッサによって締結装置の状態が感知及び／または報告されることを特徴とする請求項６項記載の方法。
8. 前記締結装置に締結装置における機械装置作動をモニターするセンサが少なくとも１個含まれることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項記載の方法。
9. 実質的に添付された図１のフローチャートに記載された構成から成る請求項１項記載の方法。

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