JP2017096144A - 形状記憶合金アクチュエータ、形状記憶合金アクチュエータ制御装置、及びその方法 - Google Patents

形状記憶合金アクチュエータ、形状記憶合金アクチュエータ制御装置、及びその方法 Download PDF

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Abstract

【課題】形状記憶合金アクチュエータが拘束された場合にも形状記憶合金部材が破損するおそれが低い形状記憶合金アクチュエータ制御装置を提供する。【解決手段】形状記憶合金アクチュエータ制御装置1は、形状記憶合金部材3の抵抗値を測定する抵抗値測定部40と、形状記憶合金部材3に電流を供給する電流供給時間の経過に応じて減少するように目標抵抗値を設定する目標抵抗値設定部533と、抵抗値測定部40が測定した測定抵抗値と目標抵抗値との間の差を示す抵抗値差を演算する抵抗値差演算部534と、抵抗値差に応じた電流を形状記憶合金部材に供給する電流供給部30と、を有し、目標抵抗値設定部533は、抵抗値差が所定のしきい値よりも大きいと判定したときに、目標抵抗値を、現在の目標抵抗値よりも大きい所望の値に変更する。【選択図】図2

Description

本発明は、形状記憶合金アクチュエータ、形状記憶合金アクチュエータ制御装置、及びその方法に関する。
Ti−Ni系合金、Ti−Zr−Ni系合金、Ti−Ni−Cu合金、Ti−Ni−Zn合金及びTi−Ni−Al合金等により形成された形状記憶合金(Shape Memory Alloy、SMA)部材を介して可動部を可動する形状記憶合金アクチュエータが知られる。形状記憶合金アクチュエータは、10mW程度と消費電力が非常に小さいこと、機械的ノイズ及び電気的ノイズが小さいこと、小型化及び軽量化が可能なこと、及び簡便な操作が可能であること等の多くの利点を有する。形状記憶合金アクチュエータは、機械,電気,自動車,宇宙航空,医療など多くの分野での実用化が期待される。例えば、形状記憶合金アクチュエータは、任意の位置に撮像部を配置可能な能動内視鏡に応用可能である。
形状記憶合金部材の抵抗値を使用して、形状記憶合金部材の長さを制御する形状記憶合金アクチュエータ制御装置が知られる。
特許文献1には、単位時間変化に対する抵抗変化の割合が第1の割合から第1の割合と異なる第2の割合に変化する第1抵抗値を算出し、形状記憶合金ワイヤを弛緩させる場合には第1抵抗値で位置制御することが記載される。
特許文献2には、形状記憶合金部材における単位温度変化に対する抵抗変化の割合が第1割合から第1割合と異なる第2割合に変化する第1変化点を与える第1抵抗値を基準に可動部材の位置を制御することが記載される。
特許文献3には、SMAアクチュエータをその変態点にまでPWMで加熱し、デューティーサイクルにおけるオフタイムに対するオンタイムのパーセンテージが変化するときに、SMAに発生された出力の総量を制御することが記載される。
特開2011−157923号公報 特開2008−276750号公報 特表2003−507625号公報
形状記憶合金部材の抵抗値を使用して、形状記憶合金部材の長さを制御することにより、高精度の位置制御が可能になる。
しかしながら、形状記憶合金部材の抵抗値を使用して、形状記憶合金部材の長さを制御するときに形状記憶合金アクチュエータが障害物等により拘束された場合、形状記憶合金アクチュエータは、形状記憶合金部材の長さを抵抗値に応じた長さにする制御を継続する。障害物等により拘束されたにもかかわらず、形状記憶合金部材の長さを抵抗値に応じた長さにする制御を継続することにより、形状記憶合金部材に過電流が流れると共に過剰な応力が発生するために、形状記憶合金部材が破損するおそれがある。
本発明は、形状記憶合金アクチュエータが障害物等により拘束された場合にも形状記憶合金部材が破損するおそれが低い形状記憶合金アクチュエータ制御装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置は、形状記憶合金部材の抵抗値を測定する抵抗値測定部と、形状記憶合金部材に電流を供給する電流供給時間の経過に応じて減少するように目標抵抗値を設定する目標抵抗値設定部と、抵抗値測定部が測定した測定抵抗値と目標抵抗値との間の差を示す抵抗値差を演算する抵抗値差演算部と、抵抗値差に応じた電流を形状記憶合金部材に供給する電流供給部と、を有し、目標抵抗値設定部は、抵抗値差が所定のしきい値よりも大きいと判定したときに、目標抵抗値を、現在の目標抵抗値よりも大きい所望の値に変更する、ことを特徴とする。
さらに、本発明に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置では、目標抵抗値設定部は、抵抗値差がしきい値よりも大きいと判定したときに、目標抵抗値を、所望の値に固定することが好ましい。
さらに、本発明に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置は、目標抵抗値設定部が抵抗値差がしきい値よりも大きいと判定したときに、電流供給部に供給停止指示を出力する供給停止指示部を更に有し、電流供給部は、供給停止指示に応じて形状記憶合金部材への電流の供給を停止することが好ましい。
また、本発明に係る形状記憶合金アクチュエータ制御方法は、形状記憶合金部材の抵抗値を測定し、形状記憶合金部材に電流を供給する電流供給時間の経過に応じて減少するように目標抵抗値を設定し、測定された測定抵抗値と目標抵抗値との間の差を示す抵抗値差を演算し、抵抗値差に応じた電流を形状記憶合金部材に供給し、抵抗値差が所定のしきい値よりも大きいと判定したときに、目標抵抗値を、現在の目標抵抗値よりも大きい所望の値に変更する、ことを有することを特徴とする。
また、本発明に係る形状記憶合金アクチュエータは、形状記憶合金部材と、形状記憶合金部材に電気的に接続された形状記憶合金アクチュエータ制御装置とを有し、形状記憶合金アクチュエータ制御装置は、形状記憶合金部材の抵抗値を測定する抵抗値測定部と、形状記憶合金部材に電流を供給する電流供給時間の経過に応じて減少するように目標抵抗値を設定する目標抵抗値設定部と、抵抗値測定部が測定した測定抵抗値と目標抵抗値との間の差を示す抵抗値差を演算する抵抗値差演算部と、抵抗値差に応じた電流を形状記憶合金部材に供給する電流供給部と、を有し、目標抵抗値設定部は、抵抗値差が所定のしきい値よりも大きいと判定したときに、目標抵抗値を、現在の目標抵抗値よりも大きい所望の値に変更する、ことを特徴とする。
本発明では、形状記憶合金アクチュエータが障害物等により拘束された場合にも形状記憶合金部材が破損するおそれが低い形状記憶合金アクチュエータ制御装置を提供することが可能になった。
(a)は第1実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータを示す図であり、(b)は(a)に示す形状記憶合金部材の形状変化を示す図である。 第1実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置の回路図である。 図2に示す形状記憶合金部材の長さと抵抗値との関係を示す図である。 (a)は形状記憶合金部材に電流が供給されてからの時間と形状記憶合金部材の抵抗値との関係を示す図であり、(b)は図2に示す抵抗値経時変化テーブルを示す図である。 図2に示す形状記憶合金アクチュエータ制御装置の位置制御動作を示すフローチャートである。 (a)は形状記憶合金部材が拘束されないときの形状記憶合金部材の抵抗値の変化を示す図であり、(b)は形状記憶合金部材が拘束されるときの形状記憶合金部材の抵抗値の変化を示す図である。 (a)は形状記憶合金部材が拘束されないときの実施例の形状記憶合金部材の長さ、目標抵抗値、及び測定抵抗値の関係を示す図であり、(b)は測定抵抗値と、形状記憶合金部材が拘束されないときの実施例の形状記憶合金部材に供給される電流との関係を示す図である。 (a)は形状記憶合金部材が拘束されたときの比較例の形状記憶合金部材の長さ、目標抵抗値、及び測定抵抗値の関係を示す図であり、(b)は形状記憶合金部材が拘束されたときの比較例の形状記憶合金部材に供給される電流、目標抵抗値、及び測定抵抗値の関係を示す図であり、(c)は形状記憶合金部材が拘束されたときの比較例の形状記憶合金部材に発生する応力、目標抵抗値、及び測定抵抗値の関係を示す図である。 (a)は形状記憶合金部材が拘束されたときの実施例の形状記憶合金部材の長さ、目標抵抗値及び測定抵抗値の関係を示す図であり、(b)は形状記憶合金部材が拘束されたときの実施例の形状記憶合金部材に供給される電流、目標抵抗値及び測定抵抗値の関係を示す図であり、(c)は形状記憶合金部材が拘束されたときの実施例の形状記憶合金部材に発生する応力、目標抵抗値及び測定抵抗値の関係を示す図である。 第2実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置の回路図である。 図10に示す形状記憶合金アクチュエータ制御装置の位置制御動作を示すフローチャートである。 図10に示す形状記憶合金アクチュエータ制御装置の位置制御動作による形状記憶合金部材の抵抗値の変化を示す図である。
以下図面を参照して、本発明に係る形状記憶合金アクチュエータ、形状記憶合金アクチュエータ制御装置、及びその方法について説明する。但し、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明との均等物に及ぶ点に留意されたい。
(実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置の概要)
実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置は、形状記憶合金部材の測定抵抗値と、形状記憶合金部材に電流を供給する電流供給時間の経過に応じて減少する目標抵抗値との間の抵抗値差がしきい値よりも大きいときに、目標抵抗値を増加する。実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置は、測定抵抗値と目標抵抗値の間の抵抗値差が大きいときに目標抵抗値を増加することで、目標抵抗値と測定抵抗値の間の抵抗値差を小さくして形状記憶合金部材に流れる電流を抑制する。実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置は、形状記憶合金部材が障害物等により拘束されたときに、目標抵抗値と測定抵抗値の間の抵抗値差を小さくすることで、形状記憶合金部材が破損するおそれを低減する。
(第1実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータの構成及び機能)
図1(a)は第1実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータを示す図であり、図1(b)は図1(a)に示す形状記憶合金部材の形状変化を示す図である。
形状記憶合金アクチュエータ100は、形状記憶合金アクチュエータ制御装置1と、一端が固定された形状記憶合金部材3と、一端が形状記憶合金部材3に接続され且つ他端が固定された弾性部材110とを有する。形状記憶合金アクチュエータ制御装置1と、固定された形状記憶合金部材3の両端とは電気的に接続される。形状記憶合金アクチュエータ制御装置1は、形状記憶合金部材3に電流を供給して通電加熱することにより、形状記憶合金部材3の長さを収縮する。また、形状記憶合金アクチュエータ制御装置1は、形状記憶合金部材3への電流の供給を停止して冷却すると共に、弾性部材110の弾性力を形状記憶合金部材3に印加することにより、形状記憶合金部材3の長さを伸張する。
(第1実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置の構成及び機能)
図2は、第1実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置1の回路図である。
形状記憶合金アクチュエータ制御装置1は、指示抵抗値設定部10と、抵抗値フィードバック部20と、電流供給部30と、抵抗値測定部40と、制御部50とを有する。形状記憶合金アクチュエータ制御装置1は、電流供給部30及び抵抗値測定部40が形状記憶合金部材3の両端に接続される。電流供給部30は形状記憶合金部材3に電流を供給し、抵抗値測定部40は形状記憶合金部材3の抵抗値を測定する。抵抗値フィードバック部20は、制御部40から入力される目標抵抗値、及び抵抗測定部40が測定した測定抵抗値に基づいて、抵抗値形状記憶合金部材3の長さをフィードバック制御する。
指示抵抗値設定部10は、第1ポテンショメータ11と、第2ポテンショメータ12と、第3ポテンショメータ13とを有し、形状記憶合金部材3の所望の長さに対応する指示抵抗値を設定する。
図3は、形状記憶合金部材3の長さDと、形状記憶合金部材3の抵抗値Rsmaとの関係を示す図である。図3において、横軸は形状記憶合金部材3の長さDを示し、縦軸は形状記憶合金部材3の抵抗値Rsmaを示す。
形状記憶合金部材3の抵抗値Rsmaは、形状記憶合金部材3の長さDが長くなるに従って単調減少するため、形状記憶合金部材3の抵抗値Rsmaと長さDとは一対一で対応する。形状記憶合金部材3の抵抗値Rsmaと長さDとが一対一で対応するので、形状記憶合金アクチュエータ制御装置1が抵抗値Rsmaを指示抵抗値Raimに制御することにより、形状記憶合金部材3の長さDを所望の長さDaimに制御することができる。
第1ポテンショメータ11は指示抵抗値Raimの上限値を規定し、第2ポテンショメータ12は指示抵抗値Raimの下限値を規定する。第3ポテンショメータ13は、第1ポテンショメータ11が規定する指示抵抗値Raimの上限値と第2ポテンショメータ12が規定する指示抵抗値Raimの下限値との間で、指示抵抗値Raimを規定する。
抵抗値フィードバック部20は、測定抵抗値反転回路21と、目標抵抗値比較回路22とを有する。測定抵抗値反転回路21は、抵抗値測定部40から入力される測定抵抗値を示す測定抵抗値信号V7を反転して目標抵抗値比較回路22に出力する。目標抵抗値比較回路22は、制御部50から入力される目標抵抗値を示す目標抵抗値信号V1と測定抵抗値信号V7の反転信号−V7を加算し、すなわち目標抵抗値信号V1から測定抵抗値信号V7を減算する。目標抵抗値比較回路22は、目標抵抗値信号V1から測定抵抗値信号V7を減算した信号の反転信号である抵抗差信号V2を出力する。抵抗差信号V2は、目標抵抗値と測定抵抗値との間の抵抗値差を示す信号の反転信号である。抵抗差信号V2は、目標抵抗値比較回路22が有するキャパシタの容量値及び可変抵抗の抵抗値に応じて遅延して出力される。
電流供給部30は、電流供給スイッチ31と、フォトダイオード32と、フォトトランジスタ33と、電流供給トランジスタ34とを有する。電流供給スイッチ31は、制御部50から入力される電流供給指示及び供給停止指示に応じてオンオフする。電流供給スイッチ31は、制御部50から電流供給指示が入力されるときオンし、制御部50から供給停止指示が入力されるときオフする。フォトダイオード32は、アノードが電源電圧VDDに接続され、カソードが電流供給スイッチ31に接続される。フォトダイオード32は、制御部50から電流供給指示が入力されて電流供給スイッチ31がオンするときに導通して発光する。フォトトランジスタ33は、コレクタが目標抵抗値比較回路22に接続され、エミッタが電流供給トランジスタ34のベースに接続される。フォトトランジスタ33は、フォトダイオード32から光を受光したときに、目標抵抗値信号V1と測定抵抗値信号V7との間の抵抗差に応じて、電流供給トランジスタ34のベースにベース電流を供給する。電流供給トランジスタ34は、コレクタが電源電圧VDDに接続され、エミッタが形状記憶合金部材3の一端に接続される。電流供給トランジスタ34は、制御部50から電流供給指示が入力されて電流供給スイッチ31がオンするときに、形状記憶合金部材3にエミッタ電流を供給する。なお、電流供給トランジスタ34は、電流供給スイッチ31がオフする間、微小電流を形状記憶合金部材3に供給する。電流供給トランジスタ34が電流供給スイッチ31がオフする間、微小電流を形状記憶合金部材3に供給することで、形状記憶合金部材3の両端に電圧が印加される。
抵抗値測定部40は、基準抵抗41と、基準抵抗出力回路42と、形状記憶合金抵抗出力回路43と、測定抵抗値信号生成回路44とを有する。基準抵抗41は、基準抵抗値Rcrtを有し、一端が形状記憶合金部材3に接続され、他端が接地される。基準抵抗出力回路42は、基準抵抗41に印加される基準電圧V4が入力され、基準抵抗41の抵抗値を示す基準抵抗信号V5を出力する。形状記憶合金抵抗出力回路43は、形状記憶合金部材3の一端の電圧V3から形状記憶合金部材3の他端の電圧に相当する基準電圧V4を減算して、形状記憶合金部材3の抵抗値Rsmaを示す形状記憶合金抵抗信号V6を出力する。測定抵抗値信号生成回路44は、入力される基準抵抗信号V5及び形状記憶合金抵抗信号V6、並びに不図示の記憶部に記憶される基準抵抗41の抵抗値である基準抵抗値Rcrtから、測定抵抗値を示す測定抵抗値信号V7を生成し、出力する。測定抵抗値信号生成回路44は、V6×Rcrt/V5の演算を実行することにより、測定抵抗値信号V7を生成する。
制御部50は、マイクロプロセッサ等の制御回路であり、入出力部51と、記憶部52と、処理部53とを有する。入出力部51は、指示抵抗値設定部10及び抵抗値測定部40から入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換して記憶部52及び処理部53に出力する。また、入出力部51は、記憶部52及び処理部53から入力されたデジタル信号をアナログ信号に変換して抵抗値フィードバック部20及び電流供給部30に出力する。
記憶部52は、ROM(Read Only Memory)及びRAM(Random Access Memory)を含み、処理部53での処理に用いられるオペレーティングシステムプログラム、ドライバプログラム、アプリケーションプログラム、データ等を記憶する。記憶部52は、アプリケーションプログラムとして、形状記憶合金アクチュエータ制御処理を、処理部53に実行させるための形状記憶合金アクチュエータ制御プログラムを記憶する。
また、記憶部52は、形状記憶合金部材3に電流が供給されてからの時間と形状記憶合金部材3の抵抗値との関係を示す抵抗値経時変化テーブル521を記憶する。
図4(a)は形状記憶合金部材3に電流が供給されてからの時間tと形状記憶合金部材3の抵抗値Rsmaとの関係を示す図であり、図4(b)は抵抗値経時変化テーブル521を示す図である。図4(a)において、横軸は時間を示し、縦軸は形状記憶合金部材3の抵抗値Rsmaを示す。
形状記憶合金部材3の抵抗値Rsmaは、時間t0ではRsma0であり、時間t1ではRsma0より小さいRsma1であり、時間t2ではRsma1より小さいRsma2であり、Rsman-1より小さい時間tnではRsmanである。
処理部53は記憶部52に記憶されているプログラム(ドライバプログラム、オペレーティングシステムプログラム、アプリケーションプログラム等)に基づいて処理を実行する。また、処理部53は、複数のプログラム(アプリケーションプログラム等)を並列に実行できる。
処理部53は、供給開始指示部531と、測定抵抗値取得部532と、目標抵抗値設定部533と、抵抗値差演算部534とを有する。これらの各部は、処理部53で実行されるプログラムにより実現される機能モジュールである。
(第1実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置の位置制御動作)
図5は形状記憶合金アクチュエータ制御装置1の位置制御動作を示すフローチャートであり、図6は形状記憶合金アクチュエータ制御装置1の位置制御動作による形状記憶合金部材3の抵抗値Rsmaの変化を示す図である。図6(a)は形状記憶合金部材3が拘束されないときの形状記憶合金部材3の抵抗値Rsmaの変化を示し、図6(b)は形状記憶合金部材3が拘束されるときの形状記憶合金部材3の抵抗値Rsmaの変化を示す。図6(a)及び6(b)において、横軸は時間tを示し、縦軸は形状記憶合金部材3の抵抗値Rsmaを示す。図6(a)において、線101は目標抵抗値を示し、図6(b)において、線201は形状記憶合金部材3が拘束される前の目標抵抗値を示し、線202は形状記憶合金部材3が拘束された後の目標抵抗値を示し、白丸は測定抵抗値を示す。
まず、形状記憶合金部材3が拘束されないときについて説明する。図6(a)の矢印Aで示される時間tn1において、供給開始指示部531は、不図示の上位制御装置から制御開始指示を取得する(S101)。
次いで、供給開始指示部531は、電流供給部30に電流供給指示を示す電流供給指示信号を出力する(S102)。電流供給部30に電流供給指示を示す電流供給指示信号が入力されると、電流供給スイッチ31がオンする。電流供給スイッチ31がオンすると、フォトダイオード32は、導通して発光する。フォトダイオード32が導通して発光すると、フォトトランジスタ33は、目標抵抗値信号V1と測定抵抗値信号V7との差に応じて、電流供給トランジスタ34のベースにベース電流を供給する。フォトトランジスタ33が電流供給トランジスタ34のベースにベース電流を供給すると、電流供給トランジスタ34は、形状記憶合金部材3へのエミッタ電流の供給を開始する。
次いで、供給開始指示部531は、指示抵抗値設定部10に設定された指示抵抗値を取得する(S103)。次いで、測定抵抗値取得部532は、抵抗値測定部40から出力される測定抵抗値信号V7に対応する測定抵抗値を入出力部51を介して取得する(S104)。次いで、目標抵抗値設定部533は、形状記憶合金部材3に電流を供給した電流供給時間及び抵抗値経時変化テーブル521から現在の抵抗値の設定値である目標抵抗値を設定する(S105)。抵抗値経時変化テーブル521では、目標抵抗値は、形状記憶合金部材に電流を供給する電流供給時間の経過に応じて徐々に減少するように規定される。目標抵抗値設定部533は、電流供給時間及び抵抗値経時変化テーブル521から目標抵抗値を設定することにより、形状記憶合金部材3に電流を供給する電流供給時間の経過に応じて徐々に減少するように目標抵抗値を設定する。目標抵抗値設定部533は、設定した目標抵抗値を示す目標抵抗値信号V7を抵抗値フィードバック部20に出力する。次いで、抵抗値差演算部534は、測定抵抗値取得部532が取得した測定抵抗値と、目標抵抗値設定部533が設定した目標抵抗値との差を示す抵抗値差を演算する(S106)。
次いで、目標抵抗値設定部533は、抵抗値差演算部534が演算した抵抗値差が所定のしきい値よりも大きいか否かを判定する(S107)。形状記憶合金部材3は拘束されておらず、測定抵抗値と目標抵抗値との差を示す抵抗値差は、しきい値以下であり、処理はS108に進む。目標抵抗値設定部533は、目標抵抗値は指示抵抗値と一致しないと判定し(S108)、処理はS103に戻る。形状記憶合金部材3が拘束されて抵抗値差がしきい値よりも大きくなる、又は目標抵抗値が指示抵抗値に一致するまで、S103〜S108の処理は繰り返される。
そして、図6(a)の矢印Bで示される時間tnnにおいて、目標抵抗値設定部533が目標抵抗値は指示抵抗値と一致すると判定する(S108)と、処理はS109に進み、目標抵抗値設定部533は、目標抵抗値を現在の値に固定する(S109)。
次に、形状記憶合金部材3が拘束されるときについて説明する。図6(b)の矢印Aで示される時間tb1において、供給開始指示部531は、不図示の上位制御装置から制御開始指示を取得する(S101)。形状記憶合金部材3が拘束されるまでのS102〜S108の処理は、先に説明した処理と同様なので、詳細な説明は省略する。
図6(b)の矢印Bで示される時間tbnにおいて、形状記憶合金部材3が拘束されると、形状記憶合金部材3の抵抗値Rsmaは、電流が供給されるにもかかわらず、一定値となり、抵抗値測定部40が測定する測定抵抗値は一定値になる。一方、線201で示される目標抵抗値は、電流が供給されてからの時間と形状記憶合金部材3の抵抗値との関係を示す抵抗値経時変化テーブル521を使用して設定されるので、形状記憶合金部材3が拘束される間も、電流が供給されてからの時間に応じて減少する。
形状記憶合金部材3が拘束されて測定抵抗値は一定値になり、且つ目標抵抗値が減少して、測定抵抗値と目標抵抗値との差である抵抗値差がしきい値よりも大きくなると、目標抵抗値設定部533は、抵抗値差がしきい値よりも大きいと判定する(S107)。次いで、目標抵抗値設定部533は、図6(b)において矢印Cで示すように、目標抵抗値設定部533は、目標抵抗値を、現在の目標抵抗値よりも大きい拘束抵抗値に変更した(S110)後に、目標抵抗値を拘束抵抗値に固定する(S111)。拘束抵抗値は、測定抵抗値との間の抵抗値差がしきい値よりも小さい所望の値である。
(形状記憶合金部材3が拘束されないときの制御動作の一例)
図7(a)は、形状記憶合金部材3が拘束されないときの実施例の形状記憶合金部材3の長さD、目標抵抗値、及び測定抵抗値の関係を示す図である。図7(b)は、測定抵抗値と、形状記憶合金部材3が拘束されないときの実施例の形状記憶合金部材3に供給される電流との関係を示す図である。図7(a)において、横軸は形状記憶合金部材3に電流が供給されてからの時間を秒単位で示し、左側縦軸は抵抗値を示し、右側縦軸は形状記憶合金部材3の長さを示す。また、図7(a)において、実線は目標抵抗値を示し、黒丸は測定抵抗値を示し、破線は形状記憶合金部材3の長さDを示す。図7(b)において、横軸は形状記憶合金部材3に電流が供給されてからの時間を秒単位で示し、左側縦軸は抵抗値を示し、右側縦軸は形状記憶合金部材3に供給される電流値を示す。また、図7(b)において、実線は測定抵抗値を示し、白抜き四角は形状記憶合金部材3に供給される電流値を示す。
測定抵抗値は目標抵抗値の減少に追従して減少し、形状記憶合金部材3の長さDは目標抵抗値の減少に追従して増加する。形状記憶合金アクチュエータ制御装置が位置制御動作を実行する間、形状記憶合金部材3に供給される電流値は、最大値0.28A以下で変動する。形状記憶合金アクチュエータ制御装置が位置制御動作が終了した後、形状記憶合金部材3に供給される電流値は、0.21Aで安定する。
(形状記憶合金部材3が拘束されたときの比較例の動作の一例)
図8(a)は、形状記憶合金部材3が拘束されたときの比較例の形状記憶合金部材3の長さD、目標抵抗値、及び測定抵抗値の関係を示す図である。図8(b)は、形状記憶合金部材3が拘束されたときの比較例の形状記憶合金部材3に供給される電流、目標抵抗値、及び測定抵抗値の関係を示す図である。図8(c)は、形状記憶合金部材3が拘束されたときの比較例の形状記憶合金部材3に発生する応力、目標抵抗値、及び測定抵抗値の関係を示す図である。図8(a)において、横軸は形状記憶合金部材3に電流が供給されてからの時間を秒単位で示し、左側縦軸は抵抗値を示し、右側縦軸は形状記憶合金部材3の長さを示す。また、図8(a)において、実線は目標抵抗値を示し、黒丸は測定抵抗値を示し、白丸は形状記憶合金部材3の長さDを示す。図8(b)において、横軸は形状記憶合金部材3に電流が供給されてからの時間を秒単位で示し、左側縦軸は抵抗値を示し、右側縦軸は形状記憶合金部材3に供給される電流値を示す。また、図8(b)において、実線は目標抵抗値を示し、黒丸は測定抵抗値を示し、白丸は形状記憶合金部材3に供給される電流値を示す。図8(c)において、横軸は形状記憶合金部材3に電流が供給されてからの時間を秒単位で示し、左側縦軸は抵抗値を示し、右側縦軸は形状記憶合金部材3に発生する応力を示す。また、図8(c)において、実線は目標抵抗値を示し、黒丸は測定抵抗値を示し、黒三角は形状記憶合金部材3に発生する応力を示す。図8に示す例において、形状記憶合金部材3は、長さDが4mmのときに拘束される。また、図8に示す例において、形状記憶合金部材3の最大許容応力は113MPaである。
形状記憶合金部材3が拘束される前では、測定抵抗値は目標抵抗値の減少に追従して減少するが、形状記憶合金部材3が拘束された後では、測定抵抗値は目標抵抗値の減少に追従して減少せずに、徐々に増加する。形状記憶合金部材3が拘束された後に目標抵抗値が減少する一方、測定抵抗値が増加することにより、目標抵抗値と測定抵抗値との間の抵抗差は、増大する。形状記憶合金部材3が拘束される前では、形状記憶合金部材3に供給される電流は0.26A程度であるが、形状記憶合金部材3が拘束された直後に急増し、形状記憶合金部材3が拘束された後の形状記憶合金部材3に供給される最大電流は0.59Aである。形状記憶合金部材3が拘束される前では、形状記憶合金部材3に発生する応力は、形状記憶合金部材3が拘束された直後に急増し、形状記憶合金部材3が拘束された後の最大応力は562MPaであり、最大許容応力である113MPaの5倍程度の応力が発生する。
(形状記憶合金部材3が拘束されたときの実施例の動作の一例)
図9(a)は、形状記憶合金部材3が拘束されたときの実施例の形状記憶合金部材3の長さD、目標抵抗値、及び測定抵抗値の関係を示す図である。図9(b)は、形状記憶合金部材3が拘束されたときの実施例の形状記憶合金部材3に供給される電流、目標抵抗値、及び測定抵抗値の関係を示す図である。図9(c)は、形状記憶合金部材3が拘束されたときの実施例の形状記憶合金部材3に発生する応力、目標抵抗値、及び測定抵抗値の関係を示す図である。図9(a)において、横軸は形状記憶合金部材3に電流が供給されてからの時間を秒単位で示し、左側縦軸は抵抗値を示し、右側縦軸は形状記憶合金部材3の長さを示す。また、図9(a)において、実線は目標抵抗値を示し、黒丸は測定抵抗値を示し、白丸は形状記憶合金部材3の長さDを示す。図9(b)において、横軸は形状記憶合金部材3に電流が供給されてからの時間を秒単位で示し、左側縦軸は抵抗値を示し、右側縦軸は形状記憶合金部材3に供給される電流値を示す。また、図9(b)において、実線は目標抵抗値を示し、黒丸は測定抵抗値を示し、白丸は形状記憶合金部材3に発生する応力を示す。図9(c)において、横軸は形状記憶合金部材3に電流が供給されてからの時間を秒単位で示し、左側縦軸は抵抗値を示し、右側縦軸は形状記憶合金部材3に発生する応力を示す。また、図9(c)において、実線は目標抵抗値を示し、黒丸は測定抵抗値を示し、白抜き四角は形状記憶合金部材3が拘束されないときの目標抵抗値を示し、黒三角は形状記憶合金部材3に発生する応力を示す。図9に示す例において、形状記憶合金部材3は、長さDが4mmのときに拘束される。また、図9に示す例において、形状記憶合金部材3の最大許容応力は113MPaである。
形状記憶合金部材3が拘束される前では、測定抵抗値は目標抵抗値の減少に追従して減少するが、形状記憶合金部材3が拘束された後では、測定抵抗値は目標抵抗値の減少に追従して減少せずに、一定値になる。形状記憶合金部材3が拘束された後に目標抵抗値が減少する一方、測定抵抗値が一定値になることにより、目標抵抗値と測定抵抗値との間の抵抗差は、増大する。抵抗値差がしきい値よりも大きくなると、目標抵抗値設定部533は、目標抵抗値を現在の目標抵抗値よりも大きい所望の値である拘束抵抗値に変更した後、目標抵抗値を拘束抵抗値に固定する。測定抵抗値及び目標抵抗値は一定値を維持する。形状記憶合金部材3が拘束されると、形状記憶合金部材3に供給される電流は0.41Aまで上昇するものの、測定抵抗値と目標抵抗値との間の抵抗値差が減少することにより、形状記憶合金部材3に供給される電流は0.19Aで一定となる。形状記憶合金部材3に発生する応力は、形状記憶合金部材3が拘束された直後に94MPaまで増加するが、形状記憶合金部材3に供給される電流の減少に従って、緩やかに減少する。実施例の形状記憶合金部材3では、形状記憶合金部材3が拘束されたときに、測定抵抗値と目標抵抗値との間の抵抗値差を減少させることにより、形状記憶合金部材3に発生する応力を最大許容応力である113MPa以下に抑制することができる。
(第2実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置の構成及び機能)
図10は、第2実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置の回路図である。
形状記憶合金アクチュエータ制御装置2は、処理部53の代わりに処理部63を有する制御部60が制御部50の代わりに配置されることが、形状記憶合金アクチュエータ制御装置1と相違する。処理部63以外の形状記憶合金アクチュエータ制御装置2の構成要素は、同一符号が付された形状記憶合金アクチュエータ制御装置1の構成要素と同一の機能及び構成を有するので、ここでは詳細な説明を省略する。
処理部63は記憶部52に記憶されているプログラムに基づいて処理を実行する。また、処理部63は、複数のプログラムを並列に実行できる。
処理部63は、供給開始指示部631と、測定抵抗値取得部632と、目標抵抗値設定部633と、抵抗値差演算部634と、供給停止指示部635とを有する。これらの各部は、処理部63で実行されるプログラムにより実現される機能モジュールである。
(実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置の位置制御動作)
図11は形状記憶合金アクチュエータ制御装置2の位置制御動作を示すフローチャートであり、図12は形状記憶合金アクチュエータ制御装置2の位置制御動作による形状記憶合金部材3の抵抗値Rsmaの変化を示す図である。図12において、横軸は時間tを示し、縦軸は形状記憶合金部材3の抵抗値Rsmaを示す。図12において、線301は形状記憶合金部材3が拘束される前の目標抵抗値を示し、線302は形状記憶合金部材3が拘束中の目標抵抗値を示し、線301は形状記憶合金部材3が解放された後の目標抵抗値を示す。また、白丸は測定抵抗値を示す。
図12の矢印Aで示される時間tb1において、供給開始指示部631は、不図示の上位制御装置から制御開始指示を取得する(S201)。次いで、供給開始指示部631は、電流供給部30に電流供給指示を示す電流供給指示信号を出力する(S202)。次いで、供給開始指示部631は、指示抵抗値設定部10に設定された指示抵抗値を取得する(S203)。次いで、測定抵抗値取得部632は、抵抗値測定部40から出力される測定抵抗値信号V7に対応する測定抵抗値を入出力部51を介して取得する(S204)。次いで、目標抵抗値設定部633は、電流供給時間、及び抵抗値経時変化テーブル521から目標抵抗値を設定し、設定した目標抵抗値を示す目標抵抗値信号V7を抵抗値フィードバック部20に出力する(S205)。次いで、抵抗値差演算部634は、目標抵抗値設定部633が取得した測定抵抗値と、目標抵抗値設定部633が設定した目標抵抗値との差を示す抵抗値差を演算する(S206)。
次いで、目標抵抗値設定部633は、目標抵抗値設定部533が演算した抵抗値差が所定のしきい値よりも大きいか否かを判定する(S207)。形状記憶合金部材3は拘束されておらず、測定抵抗値と目標抵抗値との差を示す抵抗値差は、しきい値以下であり、処理はS208に進む。供給停止指示部535は、電流供給部30が形状記憶合金部材3に電流を供給中であると判定し(S208)、且つ目標抵抗値は指示抵抗値と一致しないと判定し(S209)、処理はS203に戻る。形状記憶合金部材3が拘束されるまで、S203〜S209の処理は繰り返される。
図12の矢印Bで示される時間において、形状記憶合金部材3が拘束されると、形状記憶合金部材3の抵抗値Rsmaは、電流が供給されるにもかかわらず、一定値となり、測定抵抗値は一定値になる。一方、線301で示される目標抵抗値は、電流が供給されてからの時間と形状記憶合金部材3の抵抗値との関係を示す抵抗値経時変化テーブル521を使用して設定されるので、形状記憶合金部材3が拘束される間も、電流が供給されてからの時間に応じて減少する。
形状記憶合金部材3が拘束されて測定抵抗値は一定値になり、且つ目標抵抗値が減少して、測定抵抗値と目標抵抗値との差である抵抗値差がしきい値よりも大きくなると、目標抵抗値設定部633は、抵抗値差がしきい値よりも大きいと判定する(S207)。次いで、供給停止指示部635は、電流供給部30が形状記憶合金部材3に電流を供給中であると判定し(S210)、供給停止指示を電流供給部30に出力する(S211)。電流供給部30では、供給停止指示が入力されると、電流供給スイッチ31がオフし、フォトダイオード32が通電しなくなり、発光を停止し、フォトトランジスタ33から電流供給トランジスタ34へのベース電流の供給が停止する。フォトトランジスタ33から電流供給トランジスタ34へのベース電流の供給が停止することで、電流供給トランジスタ34は、形状記憶合金部材3への電流の供給を停止する。
処理はS203に戻り、S203〜S207の処理が実行される。目標抵抗値設定部633が抵抗値差がしきい値より大きいと判定すると(S207)、供給停止指示部635は、形状記憶合金部材3への電流の供給が停止中であると判定する(S210)。次いで、図12において矢印Cで示すように、目標抵抗値設定部633は、目標抵抗値を増加して(S212)、処理はS203に戻り、S203〜S207の処理が実行される。
S212において目標抵抗値が増加されることにより、抵抗値差がしきい値以下であると判定され(S207)、供給停止指示部635は、形状記憶合金部材3への電流の供給が停止中であると判定し(S208)、処理はS202に戻る。S202において、供給開始指示部631が電流供給部30に電流供給指示信号を出力し、電流供給部30は、形状記憶合金部材3への電流の供給を再開する。次いで、S203〜S207の処理が実行される。S205において目標抵抗値設定部633が抵抗値経時変化テーブル521から形状記憶合金部材3への電流供給が再開されてからの時間に応じて目標抵抗値を設定すると、図12の矢印Dで示されるように、抵抗値差がしきい値よりも大きくなる。抵抗値差がしきい値よりも大きくなるので、目標抵抗値設定部633が抵抗値差が所定のしきい値よりも大きいと判定し(S207)、且つ供給停止指示部635が形状記憶合金部材3に電流を供給中であると判定する(S210)。供給停止指示部635は、供給停止指示を電流供給部30に出力する(S211)。
形状記憶合金部材3が拘束される間、形状記憶合金部材3に電流を供給中にS207において、抵抗値差が所定のしきい値よりも大きいと判定されると、形状記憶合金部材3への電流の供給が停止される(S211)。形状記憶合金部材3への電流の供給を停止中にS207において抵抗値差が所定のしきい値よりも大きいと判定されると、目標抵抗値が増加される(S212)。また、形状記憶合金部材3への電流の供給を停止中にS207において、抵抗値差が所定のしきい値以下と判定されると、形状記憶合金部材3への電流の供給が再開される(S202)。形状記憶合金アクチュエータ制御装置2は、形状記憶合金部材3が拘束される間、S202〜S212の処理を繰り返すことにより、測定抵抗値と、目標抵抗値との間の偏差が一定の範囲内に収まるように制御する。
図12の矢印Eで示される時間ta1において、形状記憶合金部材3が拘束から解放されると、図12の矢印Bで示される時間において形状記憶合金部材3が拘束される前と同様に、S203〜S209の処理は繰り返される。図12の矢印Fで示される時間tanにおいて、供給停止指示部635は、指示抵抗値設定部10に設定された指示抵抗値と、目標抵抗値設定部633が設定した目標抵抗値とが一致したと判定する(S209)。そして、目標抵抗値設定部633は、目標抵抗値を現在の目標抵抗値に固定する(S213)。
(実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置の作用効果)
実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置は、形状記憶合金部材が拘束されたときに、測定抵抗値と目標抵抗値との間の差である抵抗値差がしきい値よりも大きいと判定して、目標抵抗値を増加して、抵抗値差を小さくする。実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置は、測定抵抗値と目標抵抗値との間の差である抵抗値差がしきい値よりも大きいと判定したときに抵抗値差を小さくすることで、形状記憶合金部材に流れる電流、及び形状記憶合金部材に発生する応力を抑制する。実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置は、形状記憶合金部材が拘束されたときに、形状記憶合金部材に流れる電流、及び形状記憶合金部材に発生する応力を抑制することで、形状記憶合金部材が破損するおそれを低減する。
(実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置の変形例)
形状記憶合金アクチュエータ制御装置1及び2では、目標抵抗値と指示抵抗値とが一致したときに形状記憶合金部材3が所望の長さになったと判定するが、測定抵抗値と指示抵抗値とが一致したときに形状記憶合金部材3が所望の長さになったと判定してもよい。
また、指示抵抗値設定部10、抵抗値フィードバック部20、電流供給部30及び抵抗値測定部40の少なくとも一部は、制御部50又は制御部60に組み込まれてもよい。また、処理部53又は処理部63で実行されるプログラムにより実現される機能モジュールの少なくとも一部は、ハードウェアにより実現されてもよい。
また、形状記憶合金アクチュエータ制御装置1は、形状記憶合金部材3が拘束されて、目標抵抗値が拘束抵抗値に固定されてから所定の時間が経過したとき、形状記憶合金部材3が拘束されたことを示す警報信号を出力してもよい。また、形状記憶合金アクチュエータ制御装置2は、形状記憶合金部材3が拘束されてから抵抗値差としきい値とを比較するS207の処理を所定の回数に亘って実行したとき、形状記憶合金部材3が拘束されたことを示す警報信号を出力してもよい。
(他の実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置)
なお、別の見方をすると、実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置は、
SMAに流れる電流値から抵抗値を検出する抵抗値検出部と、
SMAの変位量との関係で対応する抵抗値から電流値を設定する抵抗値設定部と、
前記抵抗値検出部からの検出抵抗値及び前記指抵抗値設定部からの指令抵抗値に基づいてSMAに電圧を印加して加熱することによって、SMAの抵抗値を予め決定された変位量に対応する抵抗値に設定してSMAを伸縮させる駆動部とを有する形状記憶合金アクチュエータ制御装置において、
前記抵抗値検出部からの検出抵抗値と抵抗値設定部から目標抵抗値とを逐次比較し、その偏差が所定の範囲以上になった時に目標抵抗値を増加する、すなわちSMAに印加される電圧を低減させて、検出抵抗値と目標抵抗値の偏差を一定に保持することを特徴とするSMAの過負荷を防ぐ「SMAの位置+トルク」制御システムということになる。
1、2 形状記憶合金アクチュエータ制御装置
3 形状記憶合金部材
10 指示抵抗値設定部
20 抵抗値フィードバック部
30 電流供給部
40 抵抗値測定部
50 制御部
100 形状記憶合金アクチュエータ
531、631 供給開始指示部
532、632 測定抵抗値取得部
533、633 目標抵抗値設定部
534、634 抵抗値差演算部
635 供給停止指示部

Claims (5)

  1. 形状記憶合金部材の抵抗値を測定する抵抗値測定部と、
    前記形状記憶合金部材に電流を供給する電流供給時間の経過に応じて減少するように目標抵抗値を設定する目標抵抗値設定部と、
    前記抵抗値測定部が測定した測定抵抗値と前記目標抵抗値との間の差を示す抵抗値差を演算する抵抗値差演算部と、
    前記抵抗値差に応じた電流を前記形状記憶合金部材に供給する電流供給部と、を有し、
    前記目標抵抗値設定部は、前記抵抗値差が所定のしきい値よりも大きいと判定したときに、前記目標抵抗値を、現在の目標抵抗値よりも大きい所望の値に変更する、ことを特徴とする形状記憶合金アクチュエータ制御装置。
  2. 前記目標抵抗値設定部は、前記抵抗値差が前記しきい値よりも大きいと判定したときに、前記目標抵抗値を、前記所望の値に固定する、請求項1に記載の形状記憶合金アクチュエータ制御装置。
  3. 前記目標抵抗値設定部が抵抗値差が前記しきい値よりも大きいと判定したときに、前記電流供給部に供給停止指示を出力する供給停止指示部を更に有し、
    前記電流供給部は、前記供給停止指示に応じて前記形状記憶合金部材への電流の供給を停止する、請求項1に記載の形状記憶合金アクチュエータ制御装置。
  4. 形状記憶合金部材の抵抗値を測定し、
    前記形状記憶合金部材に電流を供給する電流供給時間の経過に応じて減少するように目標抵抗値を設定し、
    測定された測定抵抗値と前記目標抵抗値との間の差を示す抵抗値差を演算し、
    前記抵抗値差に応じた電流を前記形状記憶合金部材に供給し、
    前記抵抗値差が所定のしきい値よりも大きいと判定したときに、前記目標抵抗値を、現在の目標抵抗値よりも大きい所望の値に変更する、
    こと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制御方法。
  5. 形状記憶合金部材と、
    前記形状記憶合金部材に電気的に接続された形状記憶合金アクチュエータ制御装置とを有し、前記形状記憶合金アクチュエータ制御装置は、
    前記形状記憶合金部材の抵抗値を測定する抵抗値測定部と、
    前記形状記憶合金部材に電流を供給する電流供給時間の経過に応じて減少するように目標抵抗値を設定する目標抵抗値設定部と、
    前記抵抗値測定部が測定した測定抵抗値と前記目標抵抗値との間の差を示す抵抗値差を演算する抵抗値差演算部と、
    前記抵抗値差に応じた電流を前記形状記憶合金部材に供給する電流供給部と、を有し、
    前記目標抵抗値設定部は、前記抵抗値差が所定のしきい値よりも大きいと判定したときに、前記目標抵抗値を、現在の目標抵抗値よりも大きい所望の値に変更する、ことを特徴とする形状記憶合金アクチュエータ。
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