JP4918021B2

JP4918021B2 - 形状記憶合金アクチュエータおよびそれを備える電子機器

Info

Publication number: JP4918021B2
Application number: JP2007305333A
Authority: JP
Inventors: 彩子井上; 哲也野邉
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2007-11-27
Filing date: 2007-11-27
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2027-11-27
Also published as: JP2009127578A

Description

本発明は、形状記憶合金アクチュエータおよびそれを備える電子機器に関する。

従来、例えば、カメラや携帯電話などの電子機器において、小型のアクチュエータとして、形状記憶合金を使用した形状記憶合金アクチュエータが種々提案されている。
形状記憶合金は変態温度以上の熱を加えると変形していても元の形状に戻る性質があり、形状記憶合金アクチュエータはこの性質を利用して被駆動体を駆動するものである。
例えば、形状記憶合金ワイヤの電気抵抗値は、変態開始温度から変態終了温度までの範囲ではワイヤ長に略比例することから、抵抗値フィードバック制御を行うことで、形状記憶合金ワイヤ長を変化させて、比較的容易に被駆動体の位置制御を行うことができる。
特許文献１には、形状記憶合金材の電気抵抗値を検出し、変位量に変換してフィードバック制御を行う手段を具備する形状記憶合金アクチュエータが記載されている。
また、特許文献２には、形状記憶合金の線材の長さが線材の抵抗値に比例することを利用して、線材の通電時の電気抵抗を検出し、電気抵抗が所定値となるように、通電時間を制御するようにしたアクチュエータが記載されている。
特開昭６２−１５７２８０号公報特開２００６−１８３５６４号公報

しかしながら、上記のような従来の形状記憶合金アクチュエータおよびそれを備える電子機器には、以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術では、形状記憶合金材の初期的な電気抵抗値が経時的な特性変化や温度環境の影響により変化する場合には、良好な位置制御を行うことができなくなるという問題がある。
このため、特許文献２に記載の技術では、形状記憶合金の線材の常温における電気抵抗値を電源投入時に検出し、電気抵抗値が変化している場合に補正することができるようにしている。この場合、線材の特性の経年変化や外部環境の温度変化に応じて発生する電気抵抗値の変化は補正することができるが、例えば、落下時の衝撃力などを受けて線材が伸長される場合など、初期的な電気抵抗値が変化している場合には、適切な補正を行うことができないという問題がある。
すなわち、形状記憶合金の線材が衝撃力などを受けて伸長された場合、その電気抵抗値を基にして電気抵抗値を補正すると、駆動位置の誤差が発生してしまうおそれがある。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、例えば衝撃力などの外力によって形状記憶合金部材に伸び変形が発生した場合でも、良好な駆動を行うことができる形状記憶合金アクチュエータおよびそれを備える電子機器を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、支持体に設置された形状記憶合金部材に対して、被駆動体を付勢状態に係止し、通電によるジュール熱によって前記形状記憶合金部材を収縮変形させることで、前記被駆動体を一定の基準位置から目標位置に移動させる形状記憶合金アクチュエータであって、前記形状記憶合金部材の電気抵抗を検出する抵抗検出部と、前記被駆動体の移動を制御するため、前記形状記憶合金部材の電気抵抗の目標値である抵抗指令値を変化させる抵抗指令値制御部と、前記抵抗検出部で検出された前記形状記憶合金部材の電気抵抗が前記抵抗指令値制御部で生成された前記抵抗指令値に一致するように、前記形状記憶合金部材への通電量を変化させる通電制御部とを備え、前記抵抗指令値制御部は、前記被駆動体を前記目標位置に移動させる前に、前記形状記憶合金部材に対する通電量を制御して、前記形状記憶合金部材を収縮させてから伸長させるプリドライブを少なくとも１回行うようにするとともに、前記抵抗指令値制御部は、前記目標位置に移動を開始する前に、前記形状記憶合金部材の電気抵抗を初期抵抗値として前記抵抗検出部から取得する初期抵抗値取得部と、該初期抵抗値取得部が取得した前記初期抵抗値を記憶する初期抵抗値記憶部とを備え、前記初期抵抗値取得部によって取得された最新の初期抵抗値が、前記初期抵抗値記憶部にすでに記憶された初期抵抗値から一定値以上変化している場合に、前記プリドライブを行うようにした構成とする。
この発明によれば、抵抗指令値制御部によって抵抗指令値を変化させ、抵抗検出部によって形状記憶合金部材の電気抵抗を検出し、通電制御部によって形状記憶合金部材の電気抵抗の検出値が抵抗指令値に一致するように制御することで、被駆動体を目標位置まで移動させる前に、少なくとも１回プリドライブを行って形状記憶合金部材を収縮させてから伸長させるので、プリドライブ前の形状記憶合金部材が、例えば衝撃力などによって伸長されていても、形状記憶合金部材の長さを初期化してから、被駆動体の目標位置への移動を行うことができる。そして、抵抗指令値制御部が、初期抵抗値取得部、初期抵抗値記憶部を備え、最新の初期抵抗値がすでに記憶された初期抵抗値から一定値以上変化している場合に、プリドライブを行うので、初期抵抗値から形状記憶合金部材に何らかの変化が発生していると判定される場合にのみ、プリドライブを行って形状記憶合金部材の長さの初期化を行うことができる。そのため、プリドライブの回数を低減しつつ、良好な移動精度を得ることができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の形状記憶合金アクチュエータにおいて、前記プリドライブでの最小の抵抗指令値は、前記基準位置に対応する抵抗指令値より小さい値である構成とする。
この発明によれば、プリドライブでの最小の抵抗指令値が、基準位置に対応する抵抗指令値より小さい値であるため、確実に基準位置を超えた状態まで、形状記憶合金部材が収縮されるので、被駆動体の基準位置での形状記憶合金部材の長さが初期化されるので、被駆動体の移動開始位置の位置精度が向上される。

請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の形状記憶合金アクチュエータにおいて、前記プリドライブでの最小の抵抗指令値は、前記形状記憶合金部材の加熱時の変態終了温度に対応する変態終了抵抗値に等しい構成とする。
この発明によれば、プリドライブでの最小の抵抗指令値が、形状記憶合金部材の加熱時の変態終了温度に対応する変態終了抵抗値に等しいので、形状記憶合金部材のすべての変態領域内で伸縮される。そのため、例えば衝撃力による変形などの影響が確実に除去される。

請求項４に記載の発明では、電子機器において、請求項１〜３のいずれかに記載の形状記憶合金アクチュエータを備える構成とする。
この発明によれば、請求項１〜３のいずれかに記載の形状記憶合金アクチュエータを備えるので、請求項１〜３のいずれかに記載の発明と同様の作用効果を備える。

請求項５に記載の発明では、請求項４に記載の電子機器において、少なくとも電源投入時には、前記形状記憶合金アクチュエータの前記抵抗指令値制御部によって前記プリドライブが行われるようにした構成とする。
この発明によれば、少なくとも電源投入時には、前記形状記憶合金アクチュエータの前記抵抗指令値制御部によって前記プリドライブが行われるようにしたので、電源オフ時に形状記憶合金アクチュエータに衝撃力などが加わって、形状記憶合金部材が伸長した場合でも、電源投入とともに、形状記憶合金アクチュエータの状態を確実に初期化することができる。

本発明の形状記憶合金アクチュエータ、およびそれを備える電子機器によれば、被駆動体を目標位置まで移動させる前にプリドライブを行って形状記憶合金部材の長さを初期化してから、被駆動体を目標位置に移動させることができるので、例えば衝撃力などの外力によって形状記憶合金部材に伸び変形が発生した場合でも、良好な駆動を行うことができるという効果を奏する。

以下では、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータについて、それを備えた電子機器とともに説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータを備える電子機器の概略構成を示す模式的な構成図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータの概略構成を示す模式的な正面図である。図３（ａ）は、形状記憶合金ワイヤの温度変化に伴う長さと電気抵抗の関係について説明する模式的なグラフである。横軸は形状記憶合金ワイヤの長さ、縦軸は形状記憶合金ワイヤの電気抵抗を示す。図３（ｂ）は、形状記憶合金ワイヤの温度変化に伴う電気抵抗の変化を示す模式的なグラフである。横軸は形状記憶合金ワイヤの温度、縦軸は形状記憶合金の電気抵抗を示す。図４は、本発明の第１の実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータの駆動制御部の機能ブロック図である。

本実施形態のカメラ１００（電子機器）は、例えば、デジタルスチルカメラ、ビデオカメラや、携帯電話、ＰＤＡ(Personal Digital Assistants、個人用携帯端末）といったカメラ付情報機器などの撮像装置として好適となるものである。
カメラ１００の概略構成は、図１に示すように、カメラ筐体２０に、撮像レンズユニット３（被駆動体）、撮像素子２１、液晶モニタ２２、リリーススイッチ２３、撮像制御部２４、目標位置設定部２５、および形状記憶合金（Shape Memory Alloy、以下、ＳＭＡと略称する）アクチュエータ１などが配置されてなる。ＳＭＡアクチュエータ１は、駆動機構部であるアクチュエータ本体１０とアクチュエータ本体１０の動作を制御する駆動制御部１１とからなる。

撮像レンズユニット３は、被写体の像を撮像面に結像するもので、レンズ鏡筒に収められたレンズもしくはレンズ群からなる。本実施形態では、このレンズ鏡筒の中心軸Ｏが、撮像レンズユニット３の光軸に一致され、ＳＭＡアクチュエータ１によって、撮像系の光軸方向に沿って移動可能に保持されている。
撮像レンズユニット３のレンズ鏡筒の形状は、適宜の形状を採用することができるが、本実施形態では、図２に示すように、一例として、側面３ａが、駆動方向に一致する上下方向に延ばされた、例えば円筒面からなり、側面３ａの径方向外側に、撮像レンズユニット３の駆動方向の中心軸Ｏ回りの回転を規制するガイド突起３ｂが突出された形状の例で説明する。

撮像素子２１は、撮像レンズユニット３を通して結像される光の像を光電変換するもので、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどを採用することができる。
液晶モニタ２２は、撮像素子２１で光電変換された画像データや、カメラ１００の操作や設定を行う操作画面などを表示する表示部である。
リリーススイッチ２３は、不図示のシャッタを開放するための操作スイッチであり、撮像制御部２４に電気的に接続されている。
また、リリーススイッチ２３は、半押し操作によってオートフォーカス（以下、ＡＦと略称する）動作を開始する制御信号を撮像制御部２４に送出する。

撮像制御部２４は、カメラ１００の装置動作全般を制御するもので、例えば、不図示のボタン、ダイヤル、スイッチなどの各種操作部の操作入力を受け付ける。そして、それらに基づいて撮像動作を制御し、液晶モニタ２２への表示制御を行う。また、リリーススイッチ２３からの操作入力を検出して、目標位置設定部２５およびＳＭＡアクチュエータ１からなるＡＦ機構のＡＦ動作を開始する制御を行う。
本実施形態のＡＦ動作は、通称フライバック方式と言われる方式を採用している。すなわち、撮像レンズユニット３を、予め設定された駆動パターンにしたがって、フォーカス位置を含む範囲で一定の基準位置から光軸方向の一方向に移動させるようなスキャン駆動を行い、このスキャン駆動において、少なくともフォーカス位置の近傍で、フォーカス位置の前後にわたって画像を取得し、各画像の高調波成分の変化を解析し、最も高調波成分が強くなる位置をフォーカス位置と判定し、撮像レンズユニット３を基準位置に戻してから、このフォーカス位置に移動させるような目標位置駆動を行う位置決め制御方式を採用している。
また、本実施形態では、一定の基準位置は、無限遠が焦点となる位置に設定している。このため、この基準位置から撮像レンズユニット３を被写体側に繰り出すように移動させることで、近距離側にピントが合うようになっている。
以下では、簡単のため、光軸上において、基準位置から被写体側の位置を前側の位置、撮像素子２１側の位置を後側の位置と称する場合がある。

目標位置設定部２５は、撮像制御部２４および駆動制御部１１に電気的に接続されており、撮像制御部２４からの制御信号に応じて、駆動制御部１１にＡＦ動作を開始する制御信号を送出し、ＳＭＡアクチュエータ１によって撮像レンズユニット３をスキャン駆動し、撮像制御部２４が撮像素子２１から取得する画像を、周知のアルゴリズムによって順次画像解析し、評価値として各画像に含まれる高調波成分の強度等を算出し、これらの評価値を比較してフォーカス位置を決定するものである。ここで決定されたフォーカス位置は、ＡＦ動作における制御目標位置を確定するものである。
この確定されたフォーカス位置の情報は、目標位置設定部２５によって駆動制御部１１に通知される。

本実施形態のアクチュエータ本体１０は、図２に示すように、柱状または筒状の撮像レンズユニット３を、駆動制御部１１によって制御される通電量に応じて伸縮するＳＭＡワイヤ５（形状記憶合金部材）を用いて１軸方向に沿って往復駆動できるようにしたものである。
アクチュエータ本体１０の概略構成は、支持体２、ＳＭＡワイヤ５、保持端子４Ａ、４Ｂ、および付勢手段６からなる。なお、図２は、全体の概略構成を説明する模式図であり、細部の形状は、省略されたり誇張されたりしている。
また、アクチュエータ本体１０の配置姿勢は、図示の態様に限定されるものではないが、以下では、説明の便宜上、図示のように、撮像レンズユニット３がアクチュエータ本体１０の上端側に設けられ、図示上下方向を駆動方向とする場合の例で説明する。

支持体２は、平面視略矩形状の函体であり、上面側の中央部には、撮像レンズユニット３の側面３ａを摺動可能に内嵌する平面視略円筒状のガイド面２ａが設けられている。ガイド面２ａには、撮像レンズユニット３のガイド突起３ｂを、支持体２の側面２ｂ側に突出させるとともに駆動方向にガイドする、正面視Ｕ字状のガイド溝２ｅが径方向に貫通して設けられている。
支持体２の図示正面側の外周面である側面２ｂには、ＳＭＡワイヤ５の端部をそれぞれ保持して、張架するための保持端子４Ａ、４Ｂが、撮像レンズユニット３の中心軸Ｏとガイド突起３ｂの中心を含む面（図示上下方向に延びる紙面垂直面）に対して、面対称に位置決めして取り付けられている。

支持体２の底面部２ｈには、底面部２ｈと対向する撮像レンズユニット３の下端部と底面部２ｈとの間に、駆動方向に沿った引張弾性力を付勢する付勢手段６が設けられている。

ＳＭＡワイヤ５は、温度に応じて伸縮方向の長さが記憶された導電性の形状記憶合金からなるワイヤであり、その両端部が、保持端子４Ａ、４Ｂにそれぞれかしめられて、支持体２に固定されるとともに、保持端子４Ａ、４Ｂ間に張架されたＳＭＡワイヤ５の中間部が、ガイド突起３ｂに下方側から係止されている。保持端子４Ａ、４Ｂ間のＳＭＡワイヤ５の長さは、このカシメ時の温度で所定長さとなるように調整されている。

ここで、図３（ａ）、（ｂ）を参照して、ＳＭＡワイヤ５に通電した場合の伸縮変化および温度変化について説明する。グラフ上の点ｑ_j（ｊ＝0，１，…，４）におけるＳＭＡワイヤ５の温度、長さ、電気抵抗をそれぞれＴ_j、Ｌ_j、ｒ_jで表す。
ＳＭＡワイヤ５に通電されていないときは、例えば室温などの基準温度Ｔ₀とすると、点ｑ₀に示すように、ＳＭＡワイヤ５の長さ、電気抵抗は、それぞれＬ₀、ｒ₀である。この長さＬ₀で決まる撮像レンズユニット３の光軸方向の位置を基準位置と称する。
ＳＭＡワイヤ５に通電を開始するとＳＭＡワイヤ５の電気抵抗に応じてジュール熱が発生し、温度上昇とともにＳＭＡワイヤ５の電気抵抗が増加し、点ｑ₁において、変態開始温度Ｔ₁に到達する。さらに通電を続けると、ＳＭＡワイヤ５は変態して収縮し、点ｑ₂を通る略直線状の曲線にしたがって長さ、電気抵抗が変化する。そのため、長さに略比例して電気抵抗が増大する。点ｑ₃を超えると変態が終了するため、通電とともに電気抵抗は増大していく。変態が終了する温度Ｔ₃（ただし、Ｔ₃＞Ｔ₀）に到達した点ｑ₃で、通電を停止するとＳＭＡワイヤ５は放熱により冷却され、点ｑ₄を通る加熱時と異なる曲線に沿って長さが増大していく。
このとき、ＳＭＡワイヤ５の温度と、電気抵抗は、図３（ｂ）に示すような温度ヒステリシス特性を有するものの、加熱時、冷却時、それぞれにおいて比例する領域を備えるため、ＳＭＡワイヤ５の電気抵抗を制御することによって、ＳＭＡワイヤ５の温度を制御し、長さを変化させることができる。

駆動制御部１１の概略構成は、図４に示すように、通電制御部１３、抵抗検出部１４、および抵抗指令値制御部１２からなる。

通電制御部１３は、保持端子４Ａ、４Ｂを介してＳＭＡワイヤ５の両端部に電気的に接続され、抵抗指令値制御部１２から送出される抵抗指令値に基づいて、ＳＭＡワイヤ５の電気抵抗が抵抗指令値に一致するように、ＳＭＡワイヤ５に電力を供給するものである。
そのため、通電制御部１３とＳＭＡワイヤ５との間には、ＳＭＡワイヤ５の抵抗を検出する抵抗検出部１４が設けられ、通電制御部１３にＳＭＡワイヤ５の電気抵抗が通電制御部１３にフィードバックされるようになっている。
通電制御部１３には、供給電力が制御可能な適宜の電源を採用することができるが、本実施形態では、パルス駆動によって、電力を可変するパルス電源を採用している。

抵抗検出部１４は、ＳＭＡワイヤ５の電気抵抗を検出する適宜の抵抗測定回路を採用することができる。抵抗検出部１４は、通電制御部１３および抵抗指令値制御部１２に電気的に接続されており、抵抗検出部１４で検出された電気抵抗の検出値は、通電制御部１３および抵抗指令値制御部１２に送出される。

抵抗指令値制御部１２は、撮像レンズユニット３の移動を制御するため、ＳＭＡワイヤ５の電気抵抗の目標値である抵抗指令値を変化させるもので、駆動モード設定部１２ａ、抵抗指令値生成手段１２ｂ、初期抵抗値取得部１２ｃ、初期抵抗値記憶部１２ｄ、および抵抗ピーク検出部１２ｅからなる。

駆動モード設定部１２ａは、目標位置設定部２５からＡＦ動作を開始する制御信号を受信し、撮像レンズユニット３を移動させる前にプリドライブを行うかどうか判断して、プリドライブを行ってから撮像レンズユニット３の位置決め制御を行う第１駆動モードと、プリドライブを行うことなく撮像レンズユニット３の位置決め制御を行う第２駆動モードのいずれかを、抵抗指令値生成手段１２ｂに対して設定するとともに、目標位置設定部２５からフォーカス位置が送出された場合には、フォーカス位置の情報を目標抵抗指令値に変換して、抵抗指令値生成手段１２ｂに送出するものである。
プリドライブを行うかどうかは、本実施形態では、初期抵抗値取得部１２ｃにより、移動開始前のＳＭＡワイヤ５の電気抵抗である初期抵抗値を抵抗検出部１４から取得せしめ、その初期抵抗値の大きさによって判定するようにしている。
ただし、電源投入後に最初に移動する場合、および初期抵抗値記憶部１２ｄに過去の初期抵抗値がまったく記憶されていない場合には、必ず第１駆動モードを選択する。
また、駆動モード設定部１２ａは、電源投入時には必ずプリドライブを１回行って、撮像レンズユニット３の位置を初期化する。

初期抵抗値取得部１２ｃは、駆動モード設定部１２ａから送出される制御信号のタイミングで、抵抗検出部１４からＳＭＡワイヤ５の電気抵抗の検出値を取得し、取得された電気抵抗の検出値を初期抵抗値として、初期抵抗値記憶部１２ｄに記憶するものである。
初期抵抗値記憶部１２ｄは、初期抵抗値取得部１２ｃから送出される初期抵抗値を時系列に沿って記憶するものである。

抵抗指令値生成手段１２ｂは、駆動モード設定部１２ａにより設定された駆動モードや目標抵抗指令値に基づいて、通電制御部１３に送出する抵抗指令値データを生成するものである。
プリドライブにおける抵抗指令値データは、通電開始時に最初に設定する抵抗指令値もしくは通電状態の現在の抵抗指令値から、予め設定されたプリドライブ抵抗指令値まで抵抗指令値を減少させ、その状態から通電停止、もしくは抵抗指令値の増大を行ってＳＭＡワイヤ５が変態開始温度Ｔ₁以下になるように設定する。
なお、プリドライブ抵抗指令値まで抵抗指令値を減少させるには、通電開始時に、ただちにプリドライブ抵抗指令値を送出してもよいし、プリドライブ抵抗指令値に到るまで、時間とともに減少させるようにしてもよい。
プリドライブ抵抗指令値の大きさとしては、撮像レンズユニット３が基準位置に位置づけられるようなＳＭＡワイヤ５の長さに応じた抵抗指令値（基準位置抵抗指令値と称する）よりも小さく、ＳＭＡワイヤ５の加熱時の変態終了温度Ｔ₃に対応する変態終了抵抗値ｒ₃（図３（ｂ）参照）以上となるように設定する。
なお、基準位置抵抗指令値は、加熱時の変態開始温度Ｔ₁に対応する変態開始抵抗値ｒ₁より小さい設定とされる。

また、位置決め制御における抵抗指令値データは、抵抗指令値生成手段１２ｂに、ＳＭＡワイヤ５の材料特性によって決まる目標移動位置に対応する電気抵抗値と変態開始抵抗値ｒ₁との差分値の形で記憶されている。
抵抗指令値生成手段１２ｂでは、通電開始から一定時間内に、抵抗ピーク検出部１２ｅによって電気抵抗変化の極大値（抵抗ピーク値）を検出し、この抵抗ピーク値を変態開始抵抗値ｒ₁とみなして、記憶された差分値を加算することで、任意位置への移動を行うための抵抗指令値データが生成されるようになっている。
これにより個々のＳＭＡワイヤ５による変態開始抵抗値のバラツキが補正され、ＳＭＡアクチュエータ１の装置間の移動量のバラツキを低減することができる。また、同一装置でのＳＭＡワイヤ５の経時劣化に伴う変態開始抵抗値のバラツキによる移動量のバラツキを低減することができる。
なお、この抵抗ピーク値は、抵抗指令値生成手段１２ｂに記憶され、次に抵抗ピーク検出を行うまでの間、抵抗指令値を生成するために再利用される。

抵抗ピーク検出部１２ｅは、通電開始から一定時間、抵抗検出部１４からＳＭＡワイヤ５の電気抵抗の検出値を取得し、電気抵抗の最大値を検出し、抵抗指令値生成手段１２ｂに送出するものである。

このような駆動制御部１１の装置構成は、上記に説明した各機能に対応する専用のハードウエアから構成してもよいし、ＣＰＵ、メモリ、外部記憶装置、適宜の入出力インターフェースなどを備えたコンピュータに各機能を実現するプログラムを実行させることによって実現してもよい。
なお、撮像制御部２４あるいは目標位置設定部２５をコンピュータで構成する場合には、撮像制御部２４あるいは目標位置設定部２５に用いるコンピュータを駆動制御部１１に兼用してもよい。

次に、カメラ１００の動作について、ＳＭＡアクチュエータ１の動作を中心に説明する。
図５は、本発明の第１の実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータの動作の第１駆動モードの動作を説明するフローチャートである。図６は、形状記憶合金ワイヤが伸び変形を起こした場合の加熱時の電気抵抗の変化を示す模式的なグラフである。横軸は形状記憶合金ワイヤの温度、縦軸は形状記憶合金ワイヤの電気抵抗を示す。図７は、形状記憶合金ワイヤの伸び変形を起こした場合の異常動作の例を説明する模式的なグラフである。横軸は時間、縦軸は被駆動体の位置を示す。図８は、本発明の第１の実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータの動作の一例を示す模式的なグラフである。横軸は時間、縦軸は被駆動体の位置を示す。

本実施形態のカメラ１００では、まず電源投入時には、種々の装置初期化が行われる。駆動制御部１１では、抵抗指令値制御部１２によって、プリドライブを１回行って、撮像レンズユニット３の位置を基準位置に初期化する。
そして、電源投入後、撮影者がリリーススイッチ２３を半押しすると撮像制御部２４によって目標位置設定部２５に制御信号が送出され、ＡＦ動作が開始される。
目標位置設定部２５は、駆動制御部１１の抵抗指令値制御部１２に対してＳＭＡアクチュエータ１を駆動開始する制御信号を送出する。
この制御信号を受けて、抵抗指令値制御部１２の駆動モード設定部１２ａでは、初期抵抗値取得部１２ｃを介して、抵抗検出部１４から現在のＳＭＡワイヤ５の電気抵抗である初期抵抗値を取得させる。初期抵抗値取得部１２ｃが取得した初期抵抗値は、初期抵抗値記憶部１２ｄに記憶する。
駆動モード設定部１２ａは、初期抵抗値記憶部１２ｄから過去の初期抵抗値を取得し、現在の初期抵抗値が過去の初期抵抗値から一定閾値以上変化した場合、ＳＭＡワイヤ５に何らかの異常が発生したと判断して、プリドライブを行う第１駆動モードを選択する。
また、初期抵抗値記憶部１２ｄに過去の初期抵抗値が記憶されていなかった場合、および電源投入後の最初の駆動である場合には、第１駆動モードを選択する。
これ以外の場合で、現在の初期抵抗値と過去の初期抵抗値との差が閾値よりも小さい場合には、第２駆動モードを選択する。
なお、現在の初期抵抗値は、必要に応じて、過去の１つ以上の初期抵抗値と比較すれば十分であり、初期抵抗値記憶部１２ｄは、比較する初期抵抗値のみを格納する容量を備えていればよい。

第１駆動モードは、図５に示すフローにしたがって、プリドライブを行うステップＳ１、抵抗ピーク検出を行うステップＳ２、位置決め制御を行うステップＳ３を順次実行するものである。

ＳＭＡは変態開始温度以下では双晶変形を起こすため、ＳＭＡワイヤ５に対して、付勢手段６以外に、例えば衝撃力などの外力が加わった場合には容易に変形され、ＳＭＡワイヤ５の伸びに相当する変形が発生する場合がある。この場合、付勢手段６とＳＭＡワイヤ５との力のつりあいが変化し、無通電状態で撮像レンズユニット３は正常位置に対して後側に移動することになる。
このとき、ＳＭＡワイヤ５の電気抵抗は増大し、加熱時の温度特性は、図３（ｂ）に示す特性から変化してしまう。図６に、電気抵抗の正常な温度特性を曲線２０１で、伸び変形が生じた場合の電気抵抗の温度特性の例を曲線２０２、２０３で示した。

曲線２０２は、ＳＭＡワイヤ５の伸長、変形が軽微な場合の例であり、加熱前の基準温度Ｔ₀での電気抵抗ｒ₀’は曲線２０１の値ｒ₀に比べて大きくなる（ｒ₀’＞ｒ₀）。そして、温度上昇につれて電気抵抗は上昇し、変態開始温度を超えると、ＳＭＡワイヤ５の収縮が始まり、電気抵抗は、抵抗ピーク値ｒ₁’（ただし、ｒ₁’＞ｒ₁）から下降に転ずる。そして、変形がすべて元に戻ると、曲線２０１と同じ曲線に沿って電気抵抗が変化する。
一方、曲線２０３は、ＳＭＡワイヤ５の伸長、変形が顕著な場合の例であり、加熱前の基準温度Ｔ₀での電気抵抗ｒ₀’’は、ｒ₀’’＞ｒ₀’＞ｒ₀である。この場合、変態開始による明瞭な抵抗ピーク値は見られず、加熱とともに、徐々に電気抵抗が低下し、変形がすべて元に戻ると、曲線２０１と同じ曲線に沿って電気抵抗が変化する。

まず、曲線２０３のような場合、通電を開始しても電気抵抗が徐々に低下するため、抵抗ピーク値を検出することができない。したがって、抵抗ピーク値による補正を行うことができず、撮像レンズユニット３を駆動できなくなる。

また、曲線２０２のような場合、抵抗ピーク値ｒ₁’は検出されるものの、変態開始抵抗値ｒ₁よりも大きな値が検出されるため、この差に対応した位置誤差が生じる。
すなわち、抵抗指令値は、正常位置Ｐ_Nから移動目標位置Ｐ_Bに移動させるための差分値が、抵抗ピーク値ｒ₁’に加算されるが、ｒ₁’＞ｒ₁であるから、図７に曲線２０５として示すように、移動開始位置Ｐ_Aが正常位置Ｐ_Nに対して後側となる。そして、抵抗指令値データの抵抗指令値が最小値となっても、撮像レンズユニット３は、移動目標位置Ｐ_Bよりも後側の位置Ｐ_Cまでしか移動されないことになり位置誤差が発生する。
位置Ｐ_Cで通電を停止し、ＳＭＡワイヤ５が冷却されると、ＳＭＡワイヤ５は、基準温度Ｔ₀での長さに戻り、撮像レンズユニット３は、正常位置Ｐ_Nに復帰する。
この状態から２度目の駆動を行う場合、ＳＭＡワイヤ５の伸長や変形は解消されているため、移動は、正常位置Ｐ_Nから開始されるが、前回の駆動時に求めた抵抗ピーク値を使って駆動を行う場合は、正常位置Ｐ_NにおけるＳＭＡワイヤ５の電気抵抗が移動初期に低くなっているため、移動開始までに時間がかかり、図７に示す曲線２０５ａのように、正常な動作である曲線２０５ｂと異なると共に位置Ｐ_Cまでしか移動しない動作不良となる。

そこで、本実施形態では、プリドライブを行うことにより、このような位置ずれや動作不良が起こらないようにしている。
ステップＳ１では、抵抗指令値生成手段１２ｂは、通電開始後最初に設定する初期抵抗指令値、もしくは通電状態の現在の抵抗指令値から、予め設定されたプリドライブ抵抗指令値Ｒ_pまで抵抗指令値を減少させ、その状態から通電停止、もしくは抵抗指令値の増大を行ってＳＭＡワイヤ５が変態開始温度Ｔ₁以下になるような抵抗指令値データを通電制御部１３に送出する。通電制御部１３は、このような抵抗指令値データに基づいて、ＳＭＡワイヤ５への通電制御を行う。
これにより、図８に示すように、例えば、ＳＭＡワイヤ５に伸び変形があり撮像レンズユニット３が時刻ｔ₀で正常位置Ｐ_Nより後側の位置Ｐ_Aに位置している状態から、時刻ｔ₁でプリドライブ位置Ｐ_pに到達し、その後、ＳＭＡワイヤ５が放熱冷却されて、時刻ｔ₂で正常位置Ｐ_Nに戻る。なお、以下では、時刻ｔ_iの添字ｉの大小は、例えば、ｔ₁＜ｔ₂のように、時間の前後関係を表すものとする。
以上でステップＳ１が終了する。

本実施形態では、プリドライブ抵抗指令値Ｒ_pは、図６に示すように、撮像レンズユニット３の基準位置Ｐ₀における基準位置抵抗指令値Ｒ₀よりも小さく、変態終了抵抗値ｒ₃よりも大きい値に設定されている。
そのため、ＳＭＡワイヤ５の伸び変形により、ＳＭＡワイヤ５の電気抵抗の温度特性に、図６の曲線２０２、２０３のような異常が生じていた場合でも、少なくとも、プリドライブ後、基準位置Ｐ₀において、ＳＭＡワイヤ５の長さが正常な長さとなり、付勢手段６との釣り合いが正常となり、基準位置Ｐ₀に対する撮像レンズユニット３の位置ずれが解消される。
なお、プリドライブ抵抗指令値Ｒ_pの基準位置抵抗指令値Ｒ₀からの偏差は、ＳＭＡワイヤ５の特性バラツキを考慮して、撮像レンズユニット３が確実に基準位置Ｐ₀よりも前側に移動されるような大きさに設定することが好ましい。

次に、ステップＳ２では、ステップＳ１終了後、通電を開始し、抵抗ピーク検出部１２ｅによって、抵抗ピーク値を検出する。この抵抗ピーク値は、プリドライブによって、ＳＭＡワイヤ５の伸び変形が解消されているため、変態開始抵抗値ｒ₁と見なせるものである。
抵抗ピーク値が時刻ｔ₃で検出されると、抵抗ピーク検出部１２ｅは、抵抗指令値生成手段１２ｂに抵抗ピーク値を通知する。
以上で、ステップＳ２が終了する。

ステップＳ３では、本実施形態では、基準位置移動、スキャン駆動、目標位置駆動を順次行うことにより、撮像レンズユニット３の位置決め制御を行う。
抵抗指令値生成手段１２ｂは、時刻ｔ₃で抵抗ピーク検出部１２ｅから抵抗ピーク値を受信すると、所定の差分値を加算して、基準位置抵抗指令値Ｒ₀を求めて、通電制御部１３に送出し、撮像レンズユニット３を基準位置Ｐ₀に位置づける。
次に、同様にして撮像レンズユニット３の前側の最大移動位置Ｐ_bに対応する抵抗指令値を求め、この抵抗指令値まで、連続的またはステップ状に減少させ、その後、通電を停止する抵抗指令データを生成して、通電制御部１３に送出する。
これにより、図８に示すように、時刻ｔ₃〜ｔ₄で、撮像レンズユニット３が、位置Ｐ_Nから基準位置Ｐ₀を経て、位置Ｐ_bに移動し、時刻ｔ₄〜ｔ₅で、撮像レンズユニット３が位置Ｐ_Nに戻されるスキャン駆動が行われる。

このスキャン駆動の間で、目標位置設定部２５では、フォーカス位置の情報が取得され、駆動モード設定部１２ａに通知される。駆動モード設定部１２ａでは、このフォーカス位置の情報から、撮像レンズユニット３をフォーカス位置Ｐ_fに移動するための抵抗指令値Ｒ_fを算出して抵抗指令値生成手段１２ｂに送出する。
抵抗指令値生成手段１２ｂでは、時刻ｔ₅〜ｔ₆までの間ＳＭＡワイヤ５を放熱冷却し、時刻ｔ₆から抵抗指令値Ｒ_fまで減少する抵抗指令値データを生成し、通電制御部１３に送出する。
これにより、時刻ｔ₇において、撮像レンズユニット３がフォーカス位置Ｐ_fに移動され、ＡＦ動作が完了する。
そして、必要な時間だけフォーカス位置Ｐ_fにとどまった後、抵抗指令値を増大させるか、通電を停止するかして、撮像レンズユニット３を基準位置Ｐ₀または正常位置Ｐ_Nに戻す。
以上で、ステップＳ３が終了する。

第２駆動モードは、第１駆動モードからプリドライブを除いたものなので、説明は省略する。なお、本実施形態では、第２駆動モードは、ＳＭＡワイヤ５の初期抵抗値の変化が許容範囲内であり、したがって、ＳＭＡワイヤ５に伸び変形が生じたり、経時劣化が生じたりしない場合のみ行われるので、プリドライブを行うことなく、良好な移動精度が得られる。

このように、本実施形態のＳＭＡアクチュエータ１によれば、撮像レンズユニット３を目標位置まで移動させる前にプリドライブを行ってＳＭＡワイヤ５の長さを初期化してから、撮像レンズユニット３を目標位置に移動させることができるので、例えば衝撃力などの外力によってＳＭＡワイヤ５に伸び変形が発生した場合でも、良好な駆動を行うことができる。
このようなＳＭＡアクチュエータ１を備えるカメラ１００では、携帯時に種々の衝撃力や振動を受けても、良好なＡＦ精度を保つことができる。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータについて説明する。
図９は、本発明の第２の実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータの機能ブロック図である。

本実施形態のＳＭＡアクチュエータ１Ａは、図１、２に示すように、カメラ１００のＡＦ機構に用いることができるもので、上記第１の実施形態のＳＭＡアクチュエータ１の駆動制御部１１に代えて、駆動制御部１１Ａを備える。
駆動制御部１１Ａは、図９に示すように、上記第１の実施形態の駆動制御部１１の抵抗指令値制御部１２に代えて抵抗指令値制御部１２Ａを備えるものである。
抵抗指令値制御部１２Ａは、上記第１の実施形態の抵抗指令値制御部１２の初期抵抗値記憶部１２ｄ、初期抵抗値取得部１２ｃを削除したものである。
以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。

ＳＭＡアクチュエータ１Ａでは、図５と同様のフローによって、撮像レンズユニット３の駆動を行うことができるが、電源投入後、最初の駆動の場合のみ第１駆動モードを選択する。あるいは、前回の駆動から一定時間経過した場合のみ第１駆動モードを選択し、他の場合は第２駆動モードを選択する。あるいは、すべての駆動に対して第１駆動モードを選択する。

本実施形態のＳＭＡアクチュエータ１Ａによれば、初期抵抗値を判定しないため、装置構成を簡素化することができる。

なお、上記の説明では、プリドライブ抵抗指令値を、基準位置抵抗指令値よりも低い値に設定することにより、被駆動体を、少なくとも基準位置を超える位置まで移動させる場合の例で説明したが、プリドライブ抵抗指令値は、被駆動体の最大移動位置に対応した抵抗指令値や、変態終了抵抗値に一致させてもよい。これらの場合、ＳＭＡワイヤは、被駆動体の移動範囲全体、あるいはＳＭＡワイヤ自身の伸縮可能範囲全体で、プリドライブが行われるので、ＳＭＡワイヤの変形が使用可能な全範囲で確実に初期化されるため、より好ましい。

また、上記の説明では、プリドライブ後の位置決め制御は、高精度の位置決めを行うために、スキャン駆動、目標位置駆動を順次行う場合の例で説明したが、スキャン駆動は省略してもよい。例えば、抵抗ピーク値を検出して、変態開始抵抗値のバラツキを補正するだけで、必要な移動精度が満足される場合には、スキャン駆動を省略することで、移動時間を短縮することができる。
また、被駆動体の位置を、位置センサなどを用いて検出し、この位置センサ出力に応じて、抵抗指令値を変化させる制御を行うようにしてもよい。

また、上記の説明では、ＳＭＡアクチュエータは、カメラのＡＦ機構に用いる場合の例で説明したが、ＡＦ機構に限らず、被駆動体を移動させる適宜のアクチュエータとして他の部分に用いてもよい。また、ＳＭＡアクチュエータの用途は、カメラには限定されず、例えば、情報読取記憶装置やプリンタなどの電子機器において、被駆動体を目標位置に移動させるアクチュエータとしても用いることができる。

また、上記に説明した各実施形態の構成要素は、技術的に可能であれば、本発明の技術的思想の範囲で適宜組み合わせて実施することができる。

本発明の第１の実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータを備える電子機器の概略構成を示す模式的な構成図である。本発明の第１の実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータの概略構成を示す模式的な正面図である。形状記憶合金ワイヤの温度変化に伴う長さと電気抵抗の関係について説明する模式的なグラフ、および形状記憶合金ワイヤの温度変化に伴う電気抵抗の変化について説明する模式的なグラフである。本発明の第１の実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータの駆動制御部の機能ブロック図である。本発明の第１の実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータの動作の第１駆動モードの動作を説明するフローチャートである。形状記憶合金ワイヤが伸び変形を起こした場合の加熱時の電気抵抗の変化を示す模式的なグラフである形状記憶合金ワイヤの伸び変形を起こした場合の異常動作の例を説明する模式的なグラフである。本発明の第１の実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータの動作の一例を示す模式的なグラフである。本発明の第２の実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータの機能ブロック図である。

符号の説明

１、１Ａ形状記憶合金（ＳＭＡ）アクチュエータ
２支持体
３撮像レンズユニット（被駆動体）
５ＳＭＡワイヤ（形状記憶合金部材）
１０アクチュエータ本体
１１、１１Ａ駆動制御部
１２、１２Ａ抵抗指令値制御部
１２ａ駆動モード設定部
１２ｂ抵抗指令値生成手段
１２ｃ初期抵抗値取得部
１２ｄ初期抵抗値記憶部
１３通電制御部
１４抵抗検出部
２４撮像制御部
２５目標位置設定部
１００カメラ（電子機器）

Claims

支持体に設置された形状記憶合金部材に対して、被駆動体を付勢状態に係止し、通電によるジュール熱によって前記形状記憶合金部材を収縮変形させることで、前記被駆動体を一定の基準位置から目標位置に移動させる形状記憶合金アクチュエータであって、
前記形状記憶合金部材の電気抵抗を検出する抵抗検出部と、
前記被駆動体の移動を制御するため、前記形状記憶合金部材の電気抵抗の目標値である抵抗指令値を変化させる抵抗指令値制御部と、
前記抵抗検出部で検出された前記形状記憶合金部材の電気抵抗が前記抵抗指令値制御部で生成された前記抵抗指令値に一致するように、前記形状記憶合金部材への通電量を変化させる通電制御部とを備え、
前記抵抗指令値制御部は、
前記被駆動体を前記目標位置に移動させる前に、前記形状記憶合金部材に対する通電量を制御して、前記形状記憶合金部材を収縮させてから伸長させるプリドライブを少なくとも１回行うようにするとともに、
前記抵抗指令値制御部は、
前記目標位置に移動を開始する前に、前記形状記憶合金部材の電気抵抗を初期抵抗値として前記抵抗検出部から取得する初期抵抗値取得部と、
該初期抵抗値取得部が取得した前記初期抵抗値を記憶する初期抵抗値記憶部とを備え、
前記初期抵抗値取得部によって取得された最新の初期抵抗値が、前記初期抵抗値記憶部にすでに記憶された初期抵抗値から一定値以上変化している場合に、前記プリドライブを行うようにしたことを特徴とする形状記憶合金アクチュエータ。
前記プリドライブでの最小の抵抗指令値は、
前記基準位置に対応する抵抗指令値より小さい値であ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。
前記プリドライブでの最小の抵抗指令値は、
前記形状記憶合金部材の加熱時の変態終了温度に対応する変態終了抵抗値に等しいことを特徴とする請求項２に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
請求項１〜３のいずれかに記載の形状記憶合金アクチュエータを備えることを特徴とする電子機器。
少なくとも電源投入時に、前記形状記憶合金アクチュエータの前記抵抗指令値制御部によって前記プリドライブが行われるようにしたことを特徴とする請求項４に記載の電子機器。