JP2672110B2 - 形状記憶アクチュエータ - Google Patents
形状記憶アクチュエータInfo
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- JP2672110B2 JP2672110B2 JP63091094A JP9109488A JP2672110B2 JP 2672110 B2 JP2672110 B2 JP 2672110B2 JP 63091094 A JP63091094 A JP 63091094A JP 9109488 A JP9109488 A JP 9109488A JP 2672110 B2 JP2672110 B2 JP 2672110B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は形状記憶合金の形状回復動作を利用して、
負荷を駆動する形状記憶アクチュエータに関する。
負荷を駆動する形状記憶アクチュエータに関する。
従来の形状記憶合金（Shape Memory Alloy:以下SMAと
称する）は、形状回復を行わせる時のみ加熱していたの
で、SMAに加えられる熱サイクルの最低温度は環境温度
（室温）であった。ここで、Ti−Ni合金のようにAs′点
が高い場合には、熱サイクルの最高温度と最低温度との
差が大きくなり、最低温度がMs点以下になってしまい、
SMAの疲労寿命が短くなってしまう欠点がある。
称する）は、形状回復を行わせる時のみ加熱していたの
で、SMAに加えられる熱サイクルの最低温度は環境温度
（室温）であった。ここで、Ti−Ni合金のようにAs′点
が高い場合には、熱サイクルの最高温度と最低温度との
差が大きくなり、最低温度がMs点以下になってしまい、
SMAの疲労寿命が短くなってしまう欠点がある。
この欠点を解決するために、特開昭61−46475号に記
載の形状記憶合金装置においては、SMAをAs′点より低
く、かつMs点より高い温度に熱バイアスすることにより
疲労寿命を長くしていた。具体的には、形状回復を行わ
なせない時、SMAに第10図（ａ）に示すような一定のバ
イアス電流を通電している。このバイアス電流の値はバ
イアス電流のみが通電される状態ではSMAがAs′点の直
下に維持される値に定められている。そして、バイアス
電流に第10図（ｂ）に示すパルス電流を重畳した第10図
（ｃ）に示すような電流を通電すると、SMAがAs′点以
上に加熱され記憶形状に回復動作する。
載の形状記憶合金装置においては、SMAをAs′点より低
く、かつMs点より高い温度に熱バイアスすることにより
疲労寿命を長くしていた。具体的には、形状回復を行わ
なせない時、SMAに第10図（ａ）に示すような一定のバ
イアス電流を通電している。このバイアス電流の値はバ
イアス電流のみが通電される状態ではSMAがAs′点の直
下に維持される値に定められている。そして、バイアス
電流に第10図（ｂ）に示すパルス電流を重畳した第10図
（ｃ）に示すような電流を通電すると、SMAがAs′点以
上に加熱され記憶形状に回復動作する。
しかし、この従来例では、一定のバイアス電流を加え
れば、SMAがAs′点の直下に維持されることを前提とし
ているが、実際には環境温度（室温）の影響を受けるた
め、一定のバイアス電流を加えてもSMAが常にAs′点直
下に維持されるとは限らない。
れば、SMAがAs′点の直下に維持されることを前提とし
ているが、実際には環境温度（室温）の影響を受けるた
め、一定のバイアス電流を加えてもSMAが常にAs′点直
下に維持されるとは限らない。
このように従来では、SMAの環境温度を考慮していな
いので、応答性が悪化したり、精度が低下することがあ
った。例えば、通常の動作範囲より低い温度では、環境
温度が低下しても抵抗値が変わらないため、抵抗値によ
るフィードバック制御のみでは応答速度は遅くなる。ま
た、環境温度が変化すると、SMAの温度対変位量の特性
も変化し、所望の変位が得られないことがあった。
いので、応答性が悪化したり、精度が低下することがあ
った。例えば、通常の動作範囲より低い温度では、環境
温度が低下しても抵抗値が変わらないため、抵抗値によ
るフィードバック制御のみでは応答速度は遅くなる。ま
た、環境温度が変化すると、SMAの温度対変位量の特性
も変化し、所望の変位が得られないことがあった。
そこで、この発明の目的は、環境温度が変化しても応
答性が悪化することのない形状記憶アクチュエータを提
供することである。
答性が悪化することのない形状記憶アクチュエータを提
供することである。
この発明の概略を第１図に示す。SMAを有する形状記
憶アクチュエータ１は駆動回路２により加熱されること
により、形状回復動作を行い所望の変位をし、冷却され
ると、もとの形状に戻る。形状記憶アクチュエータ１の
近傍には温度センサ４が設けられ、形状記憶アクチュエ
ータ１の環境温度を検出する。また第３図に示すよう
に、形状記憶アクチュエータ１には抵抗値検出回路５が
接続され、形状記憶アクチュエータ１の電気抵抗値を検
出する。制御回路３は、これら検出した環境温度および
電気抵抗値に応じて、駆動回路２の駆動量、すなわちSM
Aの加熱、冷却量を調整する。
憶アクチュエータ１は駆動回路２により加熱されること
により、形状回復動作を行い所望の変位をし、冷却され
ると、もとの形状に戻る。形状記憶アクチュエータ１の
近傍には温度センサ４が設けられ、形状記憶アクチュエ
ータ１の環境温度を検出する。また第３図に示すよう
に、形状記憶アクチュエータ１には抵抗値検出回路５が
接続され、形状記憶アクチュエータ１の電気抵抗値を検
出する。制御回路３は、これら検出した環境温度および
電気抵抗値に応じて、駆動回路２の駆動量、すなわちSM
Aの加熱、冷却量を調整する。
SMAは所定の加熱量が供給された場合、第２図に示す
温度Taとなり、この温度Taの時に形状記憶アクチュエー
タ１は所望の変位量が得られるとする。ただし、この時
の環境温度はToとする。
温度Taとなり、この温度Taの時に形状記憶アクチュエー
タ１は所望の変位量が得られるとする。ただし、この時
の環境温度はToとする。
ここで、環境温度がToからΔT1だけ変化した場合に
は、同じ加熱量流を供給しても、SMAの温度はTaとはな
らず、TaからΔT2だけ変化した温度（Ta＋ΔT2）とな
る。このことは、所望の変位を得ようとして駆動回路２
により加熱量を制御しても所望の変位が得られないこと
を示す。
は、同じ加熱量流を供給しても、SMAの温度はTaとはな
らず、TaからΔT2だけ変化した温度（Ta＋ΔT2）とな
る。このことは、所望の変位を得ようとして駆動回路２
により加熱量を制御しても所望の変位が得られないこと
を示す。
この発明によれば、温度センサ４により環境温度を検
出し、制御回路３はこの検出温度と環境落度Toとの差に
応じて加熱量または冷却量を制御する。また抵抗値検出
回路５によりSMAの抵抗値を検出し、所望の変位に対応
する抵抗値と検出値との差に応じて加熱量または冷却量
を制御する。
出し、制御回路３はこの検出温度と環境落度Toとの差に
応じて加熱量または冷却量を制御する。また抵抗値検出
回路５によりSMAの抵抗値を検出し、所望の変位に対応
する抵抗値と検出値との差に応じて加熱量または冷却量
を制御する。
これにより、環境温度およびSMAのばらつきにかかわ
らず正確にSMAに対する加熱量または冷却量を決定で
き、常に所望の変位を得ることができる。
らず正確にSMAに対する加熱量または冷却量を決定で
き、常に所望の変位を得ることができる。
また、この発明によれば、温度センサ４により環境温
度を検出し、制御回路３はこの検出温度に応じて加熱速
度を高速化することにより、応答性を向上できる。
度を検出し、制御回路３はこの検出温度に応じて加熱速
度を高速化することにより、応答性を向上できる。
第３図にこの発明による形状記憶アクチュエータの第
１実施例のブロック図を示す。第１実施例は外乱の影響
（負荷等）を受けずに精度良く制御を行うために、環境
温度以外にSMAの抵抗値も検出し、所望の変位に対応す
る抵抗値と検出値との差も制御回路３に入力される。
１実施例のブロック図を示す。第１実施例は外乱の影響
（負荷等）を受けずに精度良く制御を行うために、環境
温度以外にSMAの抵抗値も検出し、所望の変位に対応す
る抵抗値と検出値との差も制御回路３に入力される。
形状記憶アクチュエータ１にSMAの抵抗値を検出する
抵抗値検出回路５が接続される。形状記憶アクチュエー
タ１の変位量はこの検出した抵抗値によりフィートバッ
ク制御される。すなわち、SMAの抵抗値と変位量は一定
の関係があるので、所望の変位量を得る抵抗値（目標
値）と検出した抵抗値が一致するように駆動回路２を制
御する。
抵抗値検出回路５が接続される。形状記憶アクチュエー
タ１の変位量はこの検出した抵抗値によりフィートバッ
ク制御される。すなわち、SMAの抵抗値と変位量は一定
の関係があるので、所望の変位量を得る抵抗値（目標
値）と検出した抵抗値が一致するように駆動回路２を制
御する。
この抵抗値に基づく変位量制御の長所は実際の変位量
を検出するセンサが不要であり、小型化が可能であるこ
とである。また、抵抗値制御によると、拮抗型アクチュ
エータの使用により温度Ｔ対抵抗値Ｒ間のヒステリシス
を小さくできることが知られている。このヒステリシス
は熱処理等の工夫にさらに小さくできる。この結果、第
４図に示したように従来例に比べて、ヒステリシスを大
幅に軽減でき、その結果、第５図に示すような特性にな
る。
を検出するセンサが不要であり、小型化が可能であるこ
とである。また、抵抗値制御によると、拮抗型アクチュ
エータの使用により温度Ｔ対抵抗値Ｒ間のヒステリシス
を小さくできることが知られている。このヒステリシス
は熱処理等の工夫にさらに小さくできる。この結果、第
４図に示したように従来例に比べて、ヒステリシスを大
幅に軽減でき、その結果、第５図に示すような特性にな
る。
さらに、第５図に示した温度と抵抗値（変位量）との
特性が線形な範囲（ΔTw）でのみ形状記憶アクチュエー
タ１を駆動することにより、変位量の制御精度をさらに
向上することが可能である。
特性が線形な範囲（ΔTw）でのみ形状記憶アクチュエー
タ１を駆動することにより、変位量の制御精度をさらに
向上することが可能である。
なお、第１実施例でも温度センサ４により環境温度を
検出し、第１図の場合と同様に制御する。第４図に示す
ように、環境落度がTo、（To−ΔＴ）であり、SMAの駆
動前の温度がそれぞれ環境温度To、（To−ΔＴ）に等し
い時、各温度でのSMAの抵抗値RoとR1には差がない。そ
のため、アクチュエータ１の初期駆動時の環境温度がT
o、（To−ΔＴ）では、その応答性の差が顕著に現れ
る。すなわち、SMAの抵抗値をフィードバック制御して
いる場合には、環境温度を検出し、これにより加熱速度
を制御することによる応答性の向上の効果が大である。
検出し、第１図の場合と同様に制御する。第４図に示す
ように、環境落度がTo、（To−ΔＴ）であり、SMAの駆
動前の温度がそれぞれ環境温度To、（To−ΔＴ）に等し
い時、各温度でのSMAの抵抗値RoとR1には差がない。そ
のため、アクチュエータ１の初期駆動時の環境温度がT
o、（To−ΔＴ）では、その応答性の差が顕著に現れ
る。すなわち、SMAの抵抗値をフィードバック制御して
いる場合には、環境温度を検出し、これにより加熱速度
を制御することによる応答性の向上の効果が大である。
第６図は内視鏡に応用した第２実施例のブロック図で
ある。内視鏡12の先端にある湾曲部13内部に上下に一対
のSMA6を設け、各SMA6に通電加熱することにより、図面
上で上下方向に湾曲される。SMA6には加熱装置７、冷却
装置８、抵抗値検出回路５が接続される。湾曲部13の先
端付近に温度センサ４が設けられる。温度センサ４の出
力が環境温度検出回路９に供給される。抵抗値検出回路
５、環境温度検出回路９の出力が制御回路３に供給さ
れ、制御回路３により加熱装置７、冷却装置８が制御さ
れる。
ある。内視鏡12の先端にある湾曲部13内部に上下に一対
のSMA6を設け、各SMA6に通電加熱することにより、図面
上で上下方向に湾曲される。SMA6には加熱装置７、冷却
装置８、抵抗値検出回路５が接続される。湾曲部13の先
端付近に温度センサ４が設けられる。温度センサ４の出
力が環境温度検出回路９に供給される。抵抗値検出回路
５、環境温度検出回路９の出力が制御回路３に供給さ
れ、制御回路３により加熱装置７、冷却装置８が制御さ
れる。
SMA6は加熱装置７により通電加熱される。通電はパル
ス的に行われ、上下のSMAに第７図（ａ）に示すように
デューティ比がそれぞれd1＝t1/T,d2＝t2/Tの通電パル
スを供給することにより、湾曲部13は上（アップ）方向
に湾曲する。ただし、加熱防止のため、デューティ比は
最大で0.33としている。
ス的に行われ、上下のSMAに第７図（ａ）に示すように
デューティ比がそれぞれd1＝t1/T,d2＝t2/Tの通電パル
スを供給することにより、湾曲部13は上（アップ）方向
に湾曲する。ただし、加熱防止のため、デューティ比は
最大で0.33としている。
さらに、通電パルスがオフの期間に抵抗値検出回路５
により各SMA6の抵抗値を測定し、測定値が制御回路３に
送られる。
により各SMA6の抵抗値を測定し、測定値が制御回路３に
送られる。
ここで、記憶形状からもとの形状に戻すのに自然放熱
では応答性が悪いため、冷却装置８が設けられる。冷却
装置８は図示しない送気チャンネルより冷風を送りSMA6
を空冷する。
では応答性が悪いため、冷却装置８が設けられる。冷却
装置８は図示しない送気チャンネルより冷風を送りSMA6
を空冷する。
第１実施例で示したように環境温度によりSMA6の湾曲
動作の応答性が悪化することがあるため、温度センサ４
により環境温度を測定する。測定した環境温度は制御回
路３に入力され、環境温度に応じて通電量（デューティ
比）を制御するか、あるいは冷却量を変化させる。
動作の応答性が悪化することがあるため、温度センサ４
により環境温度を測定する。測定した環境温度は制御回
路３に入力され、環境温度に応じて通電量（デューティ
比）を制御するか、あるいは冷却量を変化させる。
すなわち、第５図の動作範囲ΔTwよりも低い環境温度
の場合、SMA6を加熱する際は、第７図（ｂ）に示すよう
に通電パルスのデューティ比を大きくし、応答性を向上
させる。また、その逆に動作範囲ΔTwよりも高い環境温
度の場合、SMA6を冷却するために第７図（ｃ）に示すよ
うに通電パルスのデューティ比を０とし、通電加熱はせ
ずに冷却のみを行う。なお、冷却装置８から送る冷風の
量を変化させても応答性を向上できることは明白であ
る。
の場合、SMA6を加熱する際は、第７図（ｂ）に示すよう
に通電パルスのデューティ比を大きくし、応答性を向上
させる。また、その逆に動作範囲ΔTwよりも高い環境温
度の場合、SMA6を冷却するために第７図（ｃ）に示すよ
うに通電パルスのデューティ比を０とし、通電加熱はせ
ずに冷却のみを行う。なお、冷却装置８から送る冷風の
量を変化させても応答性を向上できることは明白であ
る。
第８図に第３実施例を示す。内視鏡12に設けられたチ
ャンネル10に挿通される鉗子11の先端に温度センサ４を
設け、環境温度を測定し、SMA6の変位を制御するもので
ある。この実施例によれば、初期駆動時のみ環境温度を
測定し制御することにより応答性を向上させ、第５図に
示す動作範囲内にSMA6が入った後は、温度センサ４の付
いた鉗子11は取除きチャンネル10内は他の用途に使用す
ることができる。
ャンネル10に挿通される鉗子11の先端に温度センサ４を
設け、環境温度を測定し、SMA6の変位を制御するもので
ある。この実施例によれば、初期駆動時のみ環境温度を
測定し制御することにより応答性を向上させ、第５図に
示す動作範囲内にSMA6が入った後は、温度センサ４の付
いた鉗子11は取除きチャンネル10内は他の用途に使用す
ることができる。
第９図に第４実施例を示す。内視鏡12の先端にヒータ
20を内蔵し、SMA6の環境温度を常に第５図に示す動作範
囲内に設定する。これによっても、応答性を向上でき
る。
20を内蔵し、SMA6の環境温度を常に第５図に示す動作範
囲内に設定する。これによっても、応答性を向上でき
る。
この発明は上述した実施例に限定されずに、種々変形
可能である。例えば、加熱方法としては通電加熱を説明
したが、ヒータ等の熱により直接加熱する方法も可能で
ある。また、冷却方法としても、冷却空気に限らず、冷
却液体等を利用する方法も可能である。
可能である。例えば、加熱方法としては通電加熱を説明
したが、ヒータ等の熱により直接加熱する方法も可能で
ある。また、冷却方法としても、冷却空気に限らず、冷
却液体等を利用する方法も可能である。
この発明の形状記憶アクチュエータによれば、形状記
憶アクチュエータの動作環境の温度および電気抵抗値を
検出し、検出温度および検出抵抗値に応じてSMAの加熱
量、冷却量を制御することにより、常に正確な変位量を
得ることができ、精度が向上するとともに、応答性を向
上させることができる。
憶アクチュエータの動作環境の温度および電気抵抗値を
検出し、検出温度および検出抵抗値に応じてSMAの加熱
量、冷却量を制御することにより、常に正確な変位量を
得ることができ、精度が向上するとともに、応答性を向
上させることができる。
第１図はこの発明による形状記憶アクチュエータの概略
を示す図、第２図は第１図の形状記憶合金の特性を示す
図、第３図はこの発明による形状記憶アクチュエータの
第１実施例のブロック図、第４図は比較のために示した
従来例の形状記憶合金の特性を示す図、第５図は第１実
施例の形状記憶合金の特性を示す図、第６図は内視鏡に
応用したこの発明の第２実施例のブロック図、第７図
（ａ）〜（ｃ）は第２実施例の通電パルスの波形図、第
８図はこの発明の第３実施例の主要部を示す図、第９図
はこの発明の第４実施例の主要部を示す図、第10図
（ａ）〜（ｃ）は従来例の通電制御を示す波形図であ
る。 １……形状記憶アクチュエータ、２……駆動回路、３…
…制御回路、４……温度センサ、５……抵抗値検出回
路、６……形状記憶合金、７……加熱装置、８……冷却
装置、９……環境温度検出回路、10……チャンネル、11
……鉗子、12……内視鏡、13……湾曲部、20……ヒータ
を示す図、第２図は第１図の形状記憶合金の特性を示す
図、第３図はこの発明による形状記憶アクチュエータの
第１実施例のブロック図、第４図は比較のために示した
従来例の形状記憶合金の特性を示す図、第５図は第１実
施例の形状記憶合金の特性を示す図、第６図は内視鏡に
応用したこの発明の第２実施例のブロック図、第７図
（ａ）〜（ｃ）は第２実施例の通電パルスの波形図、第
８図はこの発明の第３実施例の主要部を示す図、第９図
はこの発明の第４実施例の主要部を示す図、第10図
（ａ）〜（ｃ）は従来例の通電制御を示す波形図であ
る。 １……形状記憶アクチュエータ、２……駆動回路、３…
…制御回路、４……温度センサ、５……抵抗値検出回
路、６……形状記憶合金、７……加熱装置、８……冷却
装置、９……環境温度検出回路、10……チャンネル、11
……鉗子、12……内視鏡、13……湾曲部、20……ヒータ
Claims (1)
- 【請求項１】形状記憶合金を用いた形状記憶アクチュエ
ータにおいて、 前記形状記憶合金の環境温度を検出する環境温度検出手
段と、 前記形状記憶合金の電気抵抗値を検出する抵抗値検出手
段と、 前記形状記憶合金を加熱する加熱手段及び該形状記憶合
金を冷却する冷却手段と、 前記環境温度検出手段及び抵抗値検出手段の検出結果に
基づいて、前記加熱手段または冷却手段の形状記憶合金
に対する加熱量または冷却量を制御する制御手段と、 を具備することを特徴とする形状記憶アクチュエータ。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63091094A JP2672110B2 (ja) | 1988-04-13 | 1988-04-13 | 形状記憶アクチュエータ |
| US07/291,242 US4930494A (en) | 1988-03-09 | 1988-12-28 | Apparatus for bending an insertion section of an endoscope using a shape memory alloy |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63091094A JP2672110B2 (ja) | 1988-04-13 | 1988-04-13 | 形状記憶アクチュエータ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01262373A JPH01262373A (ja) | 1989-10-19 |
| JP2672110B2 true JP2672110B2 (ja) | 1997-11-05 |
Family
ID=14016931
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63091094A Expired - Fee Related JP2672110B2 (ja) | 1988-03-09 | 1988-04-13 | 形状記憶アクチュエータ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2672110B2 (ja) |
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| WO2009042306A1 (en) * | 2007-09-24 | 2009-04-02 | Rockwell Collins, Inc. | Shape memory alloy and actuator |
| JP2011506813A (ja) * | 2007-12-03 | 2011-03-03 | ケンブリッジ メカトロニクス リミテッド | 形状記憶合金作動構造の制御 |
| US8220259B1 (en) | 2007-12-21 | 2012-07-17 | Rockwell Collins, Inc. | Shape-memory alloy actuator |
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| DE102021106252A1 (de) * | 2021-03-15 | 2022-09-15 | Alfmeier Präzision SE | Schaltungsanordnung, Steuerverfahren, Ventil, Ventilanordnung und System für eine Sitzkomfortfunktion |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPS62117014A (ja) * | 1985-11-18 | 1987-05-28 | Toshiba Corp | アクチユエ−タ |
-
1988
- 1988-04-13 JP JP63091094A patent/JP2672110B2/ja not_active Expired - Fee Related
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