JP2010119172A

JP2010119172A - アクチュエータ装置

Info

Publication number: JP2010119172A
Application number: JP2008289186A
Authority: JP
Inventors: Kenko Sugawara; 建功菅原
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2008-11-11
Filing date: 2008-11-11
Publication date: 2010-05-27

Abstract

【課題】動作速度に優れ作業性の良いアクチュエータ装置を提供することを目的とする。
【解決手段】形状記憶材料と弾性体とから構成され、前記形状記憶材料の抵抗値制御を行うアクチュエータ装置であって、可動物体である移動体を有し、前記形状記憶材料の形状変化によって動作するアクチュエータ部と、前記形状記憶材料を通電加熱させる印加部と、前記形状記憶材料の形状変化に伴い変化する前記形状記憶材料の物性値を検出する検出部と、少なくとも取得した物性値情報を格納する記憶部と、取得した物性値に基づいた演算処理を行う演算部と、前記印加部、前記検出部、前記記憶部、前記演算部を制御する制御部と、前記制御部と通信できる操作部と、物性値情報によるアクチュエータ部の変化量と時間との関係に基づいて、アクチュエータ部の可動範囲内において、アクチュエータ部の使用範囲を決定する調整部と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、形状記憶材料を用いて抵抗値制御を行うアクチュエータ装置に関するものである。

形状記憶材料を利用したアクチュエータ装置は、従来から良く知られている。例えば、特許文献１に記載のアクチュエータ装置は、形状記憶材料の形状変化を利用するとともに、形状記憶材料の物性値をフィードバック制御することによって、アクチュエータの動作を制御することが図られている。

特公昭６３−４３７６５号公報

このような装置においては、アクチュエータ動作を行うために、形状記憶材料の加熱や冷却を行うことによる形状記憶材料の形状変化を利用している。しかしながら、従来の装置においては、動作速度の遅い場合があり、作業性の悪いアクチュエータ装置となってしまっていた。

すなわち、従来のアクチュエータ装置では、形状記憶材料が、温度変化に対する形状変化が小さい領域と、大きい領域とを備え、アクチュエータ動作を行うために形状記憶材料のどの形状変化領域を利用するかによって、アクチュエータ装置の動作速度は大きな影響を受ける、という事情を考慮していない。このため、動作が遅いアクチュエータとなっていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、動作速度に優れたアクチュエータ装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、形状記憶材料と弾性体とから構成され、前記形状記憶材料の抵抗値制御を行うアクチュエータ装置であって、可動物体である移動体を有し、前記形状記憶材料の形状変化によって動作するアクチュエータ部と、前記形状記憶材料を通電加熱させる印加部と、前記形状記憶材料の形状変化に伴い変化する前記形状記憶材料の物性値を検出する検出部と、少なくとも取得した物性値情報を格納する記憶部と、取得した物性値に基づいた演算処理を行う演算部と、前記印加部、前記検出部、前記記憶部、前記演算部を制御する制御部と、前記制御部と通信できる操作部と、物性値情報によるアクチュエータ部の変化量と時間との関係に基づいて、アクチュエータ部の可動範囲内において、アクチュエータ部の使用範囲を決定する調整部と、を有することを特徴とする。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記アクチュエータ部の変化量と時間との関係は、前記検出部により取得され前記記憶部に格納されることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記アクチュエータ部の変化量と時間との関係は、予め取得され前記記憶部に格納されていることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記記憶部には、前記形状記憶材料の物性値と前記移動体の変位量との変換情報を有する格納部が備えられていることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記最大変位量および前記最小変位量は、前記形状記憶材料の物性値の変化速度に基づいて、前記調整部にて算出されることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記最大変位量および前記最小変位量は、前記形状記憶材料の物性値の変化速度と、アクチュエータ動作に必要な前記形状記憶材料の変化量である必要変位量と、に基づいて前記調整部にて算出されることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記形状記憶材料の物性値の変化速度は、前記形状記憶材料へ通電した後に、前記形状記憶材料の温度が降下する際の、時間変化量に対する前記形状記憶材料の物性値の変化量で定義されることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記形状記憶材料の物性値の変化速度は、前記形状記憶材料に通電した際の時間変化量に対する前記形状記憶材料の物性値の変化量で定義されることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記最大変位量および最小変位量が、あらかじめ前記記憶部に格納されていることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記物性値が前記形状記憶材料の抵抗値であることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記弾性体が、コイルばねであることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記最大変位量および前記最小変位量が、アクチュエータ装置の電源投入毎に、自動的に取得されることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記最大変位量および最小変位量が、前記操作部からの命令により取得されることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記形状記憶材料が対向するように配置されることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記形状記憶材料が、アクチュエータ部の軸方向に沿って配置されることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記弾性体が、アクチュエータ部の軸方向に沿って配置されることが望ましい。

本発明にかかるアクチュエータ装置は、必要とする変位量を確保しつつも、意図的に動作速度の良好な領域における動作を選択できる。このため、動作速度の速いアクチュエータ装置を実現することができる、という効果を奏する。

以下に、本発明にかかるアクチュエータ装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

（構成）
図１、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、図３に基づき、本実施形態のアクチュエータ装置１００の構成の一例を説明する。図１は、本実施形態のアクチュエータ装置１００の一例の構成を示すブロック図である。図２（ａ）、（ｂ）は本実施形態のアクチュエータ部２の正面外観構成及び側面外観構成を示す図であり、図２（ｃ）は本実施形態のアクチュエータ部２の断面構成を示す図である。図３は、縦軸を歪み量、横軸を温度とした形状記憶材料１０の形状変化特性を示すグラフである。

本装置１００は、操作部１、アクチュエータ部２、印加部３、検出部４、記憶部５、格納部６、演算部７、調整部８、制御部９から構成されている。操作部１から、アクチュエータ部２を操作できる。アクチュエータ部２は、図２（ｃ）に示すように形状記憶材料１０やコイルばねなどの弾性体１１、可動体である移動体１３とから構成され、形状記憶材料１０の形状変化によって動作を行う。

印加部３は、形状記憶材料１０を形状変化させるために形状記憶材料１０を加熱する。加熱の手段は、配線１２を介して形状記憶材料１０に電圧を印加することなどで容易に行うことができる。検出部４は、形状記憶材料１０の形状変化に伴い変化する形状記憶材料１０の物性値を検出する。検出部４は、抵抗を用いて容易に構成することが可能である。記憶部５は、検出部４で取得した形状記憶材料１０の物性値情報や、演算部７で取得した演算結果などを格納する。なお、記憶部５は、形状記憶材料１０の物性値と移動体１３の変位量との変換情報があらかじめ格納されている格納部６を備えている。

演算部７は、各種演算を行う。例えば、取得した物性値に基づき計算を行い形状記憶材料１０への通電の量を決定する。なお、演算部７には、調整部８が備えられている。検出部４で取得した形状記憶材料１０の物性値と、演算部７が取得した時間変化量との関係に基づき、形状記憶材料１０の物性値の変化する速度を表す物性値変化速度１９を算出する。さらに、調整部８は、物性値変化速度１９に基づきアクチュエータ部２の温度変化に対する作動追従性のよい領域である可動範囲を規定する最大可動量４４および最小可動量４５（後述する図９参照。）を取得し、その可動範囲内にある最大変位量１４および最小変位量１５により規定されるアクチュエータ部２の使用範囲を決定する。

（作用）
はじめに、使用範囲を規定する最大変位量１４、最小変位量１５の算出について説明する。形状記憶材料１０は、図３に示すように温度変化に対して歪み量変化が小さい領域３１ａ、３２ａと、大きい（物性値変化速度が急峻となる）領域３１ｂ、３２ｂとが存在する形状変化特性１６を有する。このために、アクチュエータ部２に備えられている移動体１３の動作速度が遅い領域と、速い領域とが存在する。すなわちアクチュエータ動作速度の遅い領域と速い領域とが存在する。

形状記憶材料１０を加熱する際には、通電制御を柔軟に行うことにより、温度変化に対して歪み量変化が小さい領域においても、動作速度を改善することが可能である。しかし、冷却時においては自然冷却としているために、アクチュエータ動作速度は前述の形状変化特性１６に大きく依存してしまうため、遅かった。そこで本実施形態では、アクチュエータ動作に形状記憶材料１０の時間変化量に対する歪み量変化の大きい領域を選択的かつ積極的に利用する。

図４、図５、図６、図７、図８に基づき、最大変位量１４および最小変位量１５を利用したアクチュエータ装置１００の動作手順を説明する。図４は、本実施形態のアクチュエータ部２の動作手順の一例を示すフローチャートである。図５は、初期変位状態のアクチュエータ部２を断面構成で示す図である。図６は、縦軸を電圧、横軸を時間とした印加電圧パターンを示すグラフである。図７は、縦軸を形状記憶材料１０の抵抗値、横軸を時間とした形状記憶材料１０の物性値変化速度を示すグラフである。図８は、縦軸をアクチュエータ部２の変位量、横軸を時間とした形状記憶材料１０の変位量変化速度を示すグラフである。

図４に戻って説明を続ける。Ｓ１０１において、本動作を開始する。Ｓ１０２において、形状記憶材料１０の変位量を初期化、すなわち形状記憶材料１０の初期の変位量を揃える。これは、移動体１３が、あらかじめ決められた初期変位量１７を有するように、形状記憶材料１０を変位させておけば良い。この状態を表しているのが、図５である。すなわち、最大変位量１４および最小変位量１５を取得する度に動作開始点が異ならないようにする。

Ｓ１０３において、形状記憶材料１０を加熱するとともに、変化する形状記憶材料１０の物性値を取得する。形状記憶材料１０を加熱するには、印加部３が形状記憶材料１０に電圧を印加（通電）すれば良い。印加する印加電圧パターン１８を図６のようにするならば、電圧の立ち下がっている期間に検出部４において形状記憶材料１０の物性値を取得すれば良い。なお、このとき形状記憶材料は、図３の１６ａの経路に沿って変形する。

Ｓ１０４において、ひとつ前の取得した形状記憶材料１０の物性値と、今回取得した形状記憶材料１０の物性値との差分値をもとに演算部７にて判定を行う。判断条件は、差分値が閾値１以下となった連続回数がＸ１（閾値２）以上であることとする。式で表すと次のようになる。
（差分値１）＝（ひとつ前の形状記憶材料の物性値）−（今回の形状記憶材料の物性値）・・・（式１）
（差分値１）≦（閾値１）・・・（式２）
（式２の成立した連続した回数）≧Ｘ１（閾値２）・・・（式３）
（式３）が成立すると、Ｓ１０５へ移行する。

すなわち、ある回数Ｘ１（閾値２）だけ連続して差分値が閾値１以下となると、Ｓ１０５へ移行する。Ｓ１０５において、Ｓ１０３で開始した形状記憶材料１０への通電を停止する。通電を停止することにより、形状記憶材料１０の温度は降下を始める。同時に変化する形状記憶材料１０の物性値とともに、時間情報の取得を行う。なお、このとき形状記憶材料は、図３の１６ｂの経路に沿って変形する。

Ｓ１０６において、今回取得した形状記憶材料１０の物性値と、ひとつ前の取得した形状記憶材料１０の物性値との差分値をもとに演算部７にて判定を行う。判断条件は、差分値が閾値３以下となった連続回数がＸ２（閾値４）以上であることとする。式で表すと次のようになる。
（差分値２）＝（今回の形状記憶材料の物性値） − （ひとつ前の形状記憶材料の物性値）・・・（式４）
（差分値２） ≦ （閾値３）・・・（式５）
（式５の成立した連続した回数） ≧ Ｘ２（閾値４）・・・（式６）
（式６）が成立すると、Ｓ１０７へ移行する。

すなわち、ある回数Ｘ２（閾値４）だけ連続して差分値が閾値３以下となると、Ｓ１０７へ移行する。Ｓ１０７においては、はじめに形状記憶材料１０の物性値取得と、時間情報の取得とを停止する。続いて、取得した形状記憶材料１０の物性値と、時間情報とをもとに、形状記憶材料１０の物性値の物性値変化速度１９を算出する。本実施形態においては、物性値を形状記憶材料１０の抵抗値としている。

物性値変化速度１９を図示すると、図７のようになる。また、形状記憶材料１０の物性値と、移動体１３の変位量との変換情報が、記憶部５が備える格納部６にあらかじめ格納されており、これを利用することで、図７のグラフは、図８のグラフに変換される。

なお、形状記憶材料１０の物性値と、変位量との間には相関性と再現性があることは、一般的によく知られている。これにより、形状記憶材料１０の物性値と、移動体１３の変位量と、変位量変化速度２０とが互いに結びつく。Ｓ１０８において、記憶部５に記憶されている所望のアクチュエータ動作を実現するために必要となる移動体１３の必要変位量２１と、変位量変化速度２０を利用して、最大変位量１４および最小変位量１５を決定（算出）する。

最大変位量１４および最小変位量１５の理解を容易にするために、図９、図１０、図１１、図１２、図１３、図１４、図１５を用いて説明する。図９は、縦軸を移動体１３の変位量、横軸を時間とし、本実施形態のアクチュエータ動作における必要変位量２１と所要時間２２との関係を示すグラフである。図１０は、縦軸を移動体１３の変位量、横軸を時間とし、本願を利用しない場合の必要変位量２１と所要時間２２との関係を示すグラフである。図１１は、最小変位状態のアクチュエータ部２を断面構成で示す図である。図１２は、最大変位状態のアクチュエータ部２を断面構成で示す図である。図１３は、本実施形態のアクチュエータ動作を利用した場合の必要変位量２１を示すためのアクチュエータ部２を断面構成で示す図である。図１４は、本実施形態のアクチュエータ動作を利用しない場合の最小変位状態のアクチュエータ部２を断面構成で示す図である。図１５は、本実施形態のアクチュエータ動作を利用しない場合のアクチュエータ部２の最大変位状態を断面構成で示す図である。

図９のグラフ上で、必要変位量２１を確保しつつ、変位量変化速度２０が大きい領域（すなわち、温度変化に対する作動追従性のよい、最大可動量４４及び最小可動量４５に規定される可動範囲内）を選択するように、最大変位量１４、最小変位量１５を算出すれば良い。本実施形態のアクチュエータ動作を利用しない場合を表す図１０に比べ、同量の必要変位量２１に対する所要時間２２は大きく異なる。

なお、図９における点Ａは、最小変位量１５だけ移動体１３を変位させた最小変位状態であり、これを表したのが図１１である。点Ｂは、最大変位量１４だけ移動体１３を変位させた最大変位状態であり、これを表したのが図１２である。アクチュエータ部２の動作期間においては、移動体１３は最大変位量１４と最小変位量１５との間を移動することになる。すなわち、所望のアクチュエータ動作を実現するために必要となる移動体１３の移動量である必要変位量２１を確保しながら、移動体１３の最大変位状態（最大変位量１４）と、最小変位状態（最小変位量１５）とを決定する。

また、最大変位量１４、最小変位量１５、アクチュエータ部２の使用範囲となる必要変位量２１の関係を示したのが、図１３である。図１０の点Ｃは、本実施形態のアクチュエータ動作を使用しない場合における変位していない最小変位状態であり、これを表したのが図１４である。点Ｄは、本実施形態のアクチュエータ動作を使用しない場合における最大変位状態であり、これを表したのが図１５である。

したがって、本実施形態のアクチュエータ動作を使用しない場合は、図１４に示す状態と図１５に示す状態との間を移動することになる。以上のとおり、本実施形態のアクチュエータ動作を使用した場合と、本実施形態のアクチュエータ動作を使用しない場合の変位量は等しいが、変位に要する所要時間２２は、大きく異なる。これは、本実施形態では、アクチュエータ動作に形状記憶材料１０の時間変化量に対する歪み量変化の大きい領域（図３の３１ｂ、３２ｂ参照。）を選択的かつ積極的に利用しているためである。

Ｓ１０９においては、アクチュエータ部２の動作待機状態となる。この動作待機期間から、最小変位量１５だけ変位させておく。もちろん省電力を考慮してスリープモードを有しておいたほうが良い。Ｓ１１０は、アクチュエータ部２の動作期間となる。この期間においては、アクチュエータ動作として移動体１３の移動は、最大変位量１４を表す図１２の状態と、最小変位量１５を表す図１１の状態との間を行き来することになる。

本実施形態のアクチュエータ装置の構成の一例を示すブロック図である。本実施形態のアクチュエータ部の構成の一例の正面外観構成及び側面外観構成、断面構成を示す図である。形状記憶材料の形状変化特性を示すグラフである。本実施形態のアクチュエータ部の動作手順の一例を示すフローチャートである。初期変位状態のアクチュエータ部を断面構成で示す図である。印加電圧パターンを示すグラフである。形状記憶材料の物性値変化速度を示すグラフである。形状記憶材料の変位量変化速度を示すグラフである。本実施形態のアクチュエータ動作を利用した場合の移動体の変位量と所要時間との関係を示すグラフである。本実施形態のアクチュエータ動作を利用しない場合の移動体の変位量と所要時間との関係を示すグラフである。最小変位状態のアクチュエータ部を断面構成で示す図である。最大変位状態のアクチュエータ部を断面構成で示す図である。本実施形態のアクチュエータ動作を利用した場合の必要変位量を示すためのアクチュエータ部を断面構成で示す図である。本実施形態のアクチュエータ動作を利用しない場合の最小変位状態のアクチュエータ部を断面構成で示す図である。本実施形態のアクチュエータ動作を利用しない場合のアクチュエータ部の最大変位状態を断面構成で示す図である。

符号の説明

１操作部
２アクチュエータ部
３印加部
４検出部
５記憶部
６格納部
７演算部
８調整部
９制御部
１０形状記憶材料
１１弾性体
１２配線部
１３移動体
１４最大変位量
１５最小変位量
１６形状変化特性
１７初期変位量
１８印加電圧パターン
１９物性値変化速度
２０変位量変化速度
２１必要変位量
２２所要時間

Claims

形状記憶材料と弾性体とから構成され、前記形状記憶材料の抵抗値制御を行うアクチュエータ装置であって、
可動物体である移動体を有し、前記形状記憶材料の形状変化によって動作するアクチュエータ部と、
前記形状記憶材料を通電加熱させる印加部と、前記形状記憶材料の形状変化に伴い変化する前記形状記憶材料の物性値を検出する検出部と、
少なくとも取得した物性値情報を格納する記憶部と、
取得した物性値に基づいた演算処理を行う演算部と、
前記印加部、前記検出部、前記記憶部、前記演算部を制御する制御部と、
前記制御部と通信できる操作部と、物性値情報によるアクチュエータ部の変化量と時間との関係に基づいて、アクチュエータ部の可動範囲内において、アクチュエータ部の使用範囲を決定する調整部と、を有することを特徴とするアクチュエータ装置。
前記アクチュエータ部の変化量と時間との関係は、前記検出部により取得され前記記憶部に格納されることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ装置。
前記アクチュエータ部の変化量と時間との関係は、予め取得され前記記憶部に格納されていることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ装置。
前記記憶部には、前記形状記憶材料の物性値と前記移動体の変位量との変換情報を有する格納部が備えられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置。
前記最大変位量および前記最小変位量は、前記形状記憶材料の物性値の変化速度に基づいて、前記調整部にて算出されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置。
前記最大変位量および前記最小変位量は、前記形状記憶材料の物性値の変化速度と、アクチュエータ動作に必要な前記形状記憶材料の変化量である必要変位量と、に基づいて前記調整部にて算出されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置。
前記形状記憶材料の物性値の変化速度は、前記形状記憶材料へ通電した後に、前記形状記憶材料の温度が降下する際の、時間変化量に対する前記形状記憶材料の物性値の変化量で定義されることを特徴とする請求項５又は６に記載のアクチュエータ装置。
前記形状記憶材料の物性値の変化速度は、前記形状記憶材料に通電した際の時間変化量に対する前記形状記憶材料の物性値の変化量で定義されることを特徴とする請求項５又は６に記載のアクチュエータ装置。
前記最大変位量および最小変位量が、あらかじめ前記記憶部に格納されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置。
前記物性値が前記形状記憶材料の抵抗値であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置。
前記弾性体が、コイルばねであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置。
前記最大変位量および前記最小変位量が、アクチュエータ装置の電源投入毎に、自動的に取得されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置。
前記最大変位量および最小変位量が、前記操作部からの命令により取得されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置。
前記形状記憶材料が対向するように配置されることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置。
前記形状記憶材料が、アクチュエータ部の軸方向に沿って配置されることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置。
前記弾性体が、アクチュエータ部の軸方向に沿って配置されることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置。