JP2011017287A

JP2011017287A - 形状記憶合金アクチュエータシステム

Info

Publication number: JP2011017287A
Application number: JP2009162609A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Matsuki; 薫松木
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2009-07-09
Filing date: 2009-07-09
Publication date: 2011-01-27

Abstract

【課題】形状記憶合金アクチュエータの変位や、温度の差異に拘わらず応答速度を一定に制御できる、応答性や制御性に優れた形状記憶合金アクチュエータシステムを提供する。
【解決手段】温度変化により、その長さが伸縮する形状記憶合金ワイヤに取り付けられた移動体を、規制部材によってその移動範囲が決められた形状記憶合金アクチュエータと、伸縮時の形状記憶合金ワイヤの抵抗値を検出する検出部と、検出部から得られた出力信号を指令部より入力された信号と比較演算を行い検出された抵抗値に応じた印加電流値を算出する演算部と、印加電流値を形状記憶合金アクチュエータへ出力する出力部と、検出部，演算部，出力部を制御する制御部とを有する抵抗フィードバック回路とを備える形状記憶合金アクチュエータシステムにおいて、抵抗フィードバック回路は、さらに、指令部から出力された指令値に基づいてフィードバックゲインを設定するゲイン設定部を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、形状記憶合金アクチュエータの伸縮を自在に制御する形状記憶合金アクチュエータシステムに関するものである。

従来より、通電させることにより形状記憶合金（ＳＭＡ）アクチュエータの形状を変化させ、その形状変化に伴って変化する電気抵抗値を検出しつつ、形状記憶合金アクチュエータの伸縮を自在に制御する形状記憶合金アクチュエータシステムが利用されている。形状記憶合金アクチュエータシステムは、形状記憶合金アクチュエータの伸縮度を精密に制御することができるため、装置の小型化に非常に適した特徴を持っている。

形状記憶合金アクチュエータの変態温度域内で抵抗フィードバック制御を行う従来の形状記憶合金アクチュエータシステムについて図５乃至図７を参照しつつ説明する。図５は、従来の形状記憶合金アクチュエータシステムの構成を示す図である。図６は、図５の形状記憶合金アクチュエータシステムにおける抵抗値制御系のブロック図である。図７（ａ）は、抵抗値制御を示すフローチャートである。図７（ｂ）は、電流の時間的変化を示す波形図である。

図５に示す通り、形状記憶合金アクチュエータシステムのスイッチ１０６はオン、スイッチ１０７はオフのとき、スイッチ切り替え器１１０はＰＷＭ（パルス幅変調）駆動信号発生器１０３へ最大電圧を出力するようスイッチ１０９を切り替える。これより形状記憶合金アクチュエータ１０１は通電加熱され縮み始める。

そして、スイッチ１０６、スイッチ１０７は共にオフになり、スイッチ切り替え器１１０は、ＰＩＤコントローラ１０８からの入力をＰＷＭ駆動信号発生器１０３へ出力するようにスイッチ１０９を切り替える。このとき形状記憶合金アクチュエータ１０１の温度は変態温度域に入っているため、ＰＩＤ（ＰｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）コントローラ１０８によって指令抵抗値に制御される。これより形状記憶合金アクチュエータ１０１の変位を決定し、マニピュレータ関節部１１１の駆動を制御する。

変態温度域内で抵抗フィードバック制御をする形状記憶合金アクチュエータシステムの制御フローを図７（ａ）を用いて説明する。図６の抵抗検出器１０４は、形状記憶合金アクチュエータ１０１の直流抵抗成分（検出抵抗値）を検出し（ステップＳ１１）、ＰＩＤコントローラ１０８を構成する比較部１０８ａへ出力する。

さらに、目標抵抗値指令（目標抵抗値）が比較部１０８ａに入力される（ステップＳ１２）。次に、目標抵抗値指令（目標抵抗値）と検出抵抗値と目標抵抗値とが比較部１０８ａにより比較され、その差分に基づき出力電流値がＰＩＤコントローラ１０８を構成する演算部１０８ｂにより演算される（ステップＳ１３）。

出力電流値が入力されたＰＷＭ駆動信号発生器１０３であるヒート回路１０３は、形状記憶合金アクチュエータを加熱する（ステップＳ１４）。また、制御フローの各工程における電流変化が図７（ｂ）に示されている。

特開平７−２７４５６１号公報

しかしながら、形状記憶合金アクチュエータへの通電量の操作をＰＷＭのようなフィードバック制御で行う場合、フィードバックゲインの値は形状記憶合金アクチュエータの応答に強く影響する。１つのフィードパックゲインの値を使うと１ループ前の抵抗値指令と現在の抵抗値指令の差分の大きさによって形状記憶合金アクチュエータの応答速度が変わってしまう。

すなわち、形状記憶合金アクチュエータが図４に示す温度−変位特性を持っている。このため、形状記憶合金アクチュエータの変位や温度の差異に拘わらず、同じゲインにしてしまうと、ステップ幅ごとにフィードバックするゲインが結果的に異なってしまう。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、固有の温度−変位特性を有する形状記憶合金アクチュエータを作動させるにあたり、形状記憶合金アクチュエータの変位や温度の差異に拘わらず応答速度を一定に制御できる、応答性や制御性に優れた形状記憶合金アクチュエータシステムを提供することにある。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、温度変化により、その長さが伸縮する形状記憶合金ワイヤに取り付けられた移動体を、規制部材によってその移動範囲が決められた形状記憶合金アクチュエータと、
前記形状記憶合金アクチュエータの収縮および延伸する際の前記形状記憶合金ワイヤの抵抗値を検出する検出部と、前記検出部から得られた出力信号を指令部より入力された信号と比較演算を行い検出された抵抗値に応じた印加電流値を算出する演算部と、前記演算部から出力された前記印加電流値を前記形状記憶合金アクチュエータへ出力する出力部と、前記検出部，演算部，出力部を制御する制御部と、を有する抵抗フィードバック回路と、
を備える形状記憶合金アクチュエータシステムにおいて、前記抵抗フィードバック回路は、さらに、前記指令部から出力された指令値に基づいてフィードバックゲインを設定するゲイン設定部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、前記ゲイン設定部には、前記指令部からの出力に対応したフィードバックゲインが記憶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、前記ゲイン設定部は、前記指令部からの出力と１ループ前に出力された前記指令部からの出力との差分の大きさに対応したフィードバックゲインを設定することが望ましい。

本発明にかかる形状記憶合金アクチュエータシステムは、形状記憶合金アクチュエータのストローク全域において、システムのフィードバックゲインが同じになるため、応答性や制御性を改善することができるという効果を奏する。

実施形態の形状記憶合金アクチュエータシステムの構成を示すブロック図である。図１の演算部を構成する要素のブロック図である。形状記憶合金アクチュエータシステムの制御を示すフローチャートである。形状記憶合金アクチュエータの温度−変位特性を示すグラフである。従来の形状記憶合金アクチュエータシステムの構成を示す図である。図５の形状記憶合金アクチュエータシステムにおける抵抗値制御系のブロック図である。（ａ）は、抵抗値制御を示すフローチャートであり、（ｂ）は、電流の時間的変化を示す波形図である。

以下に、本発明にかかる形状記憶合金アクチュエータシステム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。

図１は、本発明の実施形態の形状記憶合金アクチュエータシステム１の構成を示すブロック図であり、図２は、図１の演算部９を構成する要素のブロック図であり、図３は、形状記憶合金アクチュエータシステム１の制御を示すフローチャートであり、図４は、形状記憶合金アクチュエータ３の温度−変位特性を示すグラフである。

形状記憶合金アクチュエータシステム１は形状記憶合金アクチュエータ３と、抵抗フィードバック回路と、を備える。抵抗フィードバック回路は、形状記憶合金ワイヤ（不図示）の長さ変化に対して変化する抵抗値を検出する検出部５と、検出した抵抗値と指示部７から入力された抵抗値との差を計算し制御するための電流値を計算する演算部９と、演算された電流値を形状記憶合金アクチュエータ３に印加する出力部１１と、指示部７、演算部９、検出部５、及び出力部１１を制御する制御部１３と、を有する。

本実施形態の抵抗フィードバック回路は、更にゲイン設定部１５を有し、ゲイン設定部１５は、指示部７から出力された指令値の大きさを基に出力電流を計算するためのゲインを決定する。なお、ゲイン設定部１５にはあらかじめ指令値に対応したゲインが格納されている。

典型的な例（形状記憶合金アクチュエータを収縮させる方向へ変位させる場合）を挙げると、形状記憶合金は図４に示すような温度−変位特性を有するものであり、図４の微小変位領域（低温側）では、温度に対する変位量が小さい。形状記憶合合金アクチュエータシステムとしてのゲインは小さくなる為、この微小変位領域においては、ゲイン設定部１５が与えるゲインを大きくする。一方、図４に示される温度に対する変位量が大きい領域で使用する場合、形状記憶合合金アクチュエータシステムとしてのゲインは大きくなる為、ゲイン設定部で与えるゲインが大きいとオーバーシュートが起きる場合があるので、ゲイン設定部１５で与えるゲインを小さくする必要がある。
このように、目標値に応じたゲインを設定することによって、目標位置までの応答時間の向上、応答時間を一定に維持できる。

図２に示されるように、演算部９は、指示部７から出力された指令値と検出部５から出力された検出値を比較する（差分をとる）比較部１７と、比較部１７から出力された計算値を基に出力電流値を計算する出力値演算部１９と、を有している。ゲイン設定部１５は、指示部７から出力された指令値に基づきゲインを設定し、出力値演算部１９は、設定されたゲインを用いて出力電流値を算出している。

図３を用いて、形状記憶合金アクチュエータシステム３の制御フローを説明する。まず、形状記憶合金アクチュエータ３の形状記憶合金ワイヤの抵抗値が検出部５により検出される（ステップＳ１）。

次に、使用者により指示部７から目標指令値が演算部９に入力されると（ステップＳ２）、その目標指令値に応じてゲインがゲイン設定部１５により設定され（ステップＳ３）。さらに、目標指令値（目標抵抗値）と検出された抵抗値とから、差分が演算部９の比較部１７により演算される（ステップＳ４）。

目標指令値と抵抗値との差分と、設定されたゲインと、から出力値演算部１９が出力電流値を計算し（ステップＳ５）、出力部１１が出力電流値を形状記憶合金アクチュエータ３へ印加する（ステップＳ６）。上記説明した制御フローを繰り返すことにより、形状記憶合金アクチュエータ３は、所定の変位で維持される。

上記実施形態では、指令値の大きさを基にゲインを設定していたが、これに限らず、１ループ前の指令値と現在の指令値との差分を演算し、その差分の大きさに対応するゲインをゲイン設定部１５に格納しておいても良い。

指令値の大きさそのものではなく、現在の指令値と１ループ前の指令値との差分に応じたゲインテーブルを有し、ゲイン設定できれば、形状記憶合金アクチュエータごとの個体ばらつきがあったとしても、その個体間ばらつきに対する応答の差を解消できる。なお先に説明した、指令値の大きさと上述した差分とゲインとを組み合わせたテーブルをゲイン設定部１５に格納しておいても良い。

１形状記憶合金アクチュエータシステム
３形状記憶合金アクチュエータ
５検出部
７指示部
９演算部
１１出力部
１３制御部
１５ゲイン設定部
１７比較部
１９出力値演算部

Claims

温度変化により、その長さが伸縮する形状記憶合金ワイヤに取り付けられた移動体を、規制部材によってその移動範囲が決められた形状記憶合金アクチュエータと、
前記形状記憶合金アクチュエータの収縮および延伸する際の前記形状記憶合金ワイヤの抵抗値を検出する検出部と、
前記検出部から得られた出力信号を指令部より入力された信号と比較演算を行い検出された抵抗値に応じた印加電流値を算出する演算部と、
前記演算部から出力された前記印加電流値を前記形状記憶合金アクチュエータへ出力する出力部と、
前記検出部，演算部，出力部を制御する制御部と、を有する抵抗フィードバック回路と、を備える形状記憶合金アクチュエータシステムにおいて、
前記抵抗フィードバック回路は、さらに、前記指令部から出力された指令値に基づいてフィードバックゲインを設定するゲイン設定部を有することを特徴とする形状記憶合金アクチュエータシステム。
前記ゲイン設定部には、前記指令部からの出力に対応したフィードバックゲインが記憶されていることを特徴とする請求項１に記載の形状記憶合金アクチュエータシステム。
前記ゲイン設定部は、前記指令部からの出力と１ループ前に出力された前記指令部からの出力との差分の大きさに対応したフィードバックゲインを設定することを特徴とする請求項１に記載の形状記憶合金アクチュエータシステム。