JP4972795B2 - 形状記憶合金の応力調整装置 - Google Patents

Description

本発明は、形状記憶合金の応力調整装置に関し、特に形状記憶合金の架設時の応力調整装置に関する。

近年、様々な駆動装置の駆動源として形状記憶合金（以下、ＳＭＡとも記する）を用いることが試みられている。ＳＭＡは、チタンとニッケルの合金等に代表され、変態温度以下で変形しても、変態温度以上に加熱されると、マルテンサイト変態によって記憶された元の形状に回復する性質を持った合金である。通常、ＳＭＡはワイヤ状の形態に形成され、通電加熱制御により長さ方向に伸縮させることで、アクチュエータとしての動作をさせることができる。

このようなＳＭＡは、その線径が数１０μｍと細いことから、駆動装置の小型化を図ることができ、種々の駆動装置の駆動源としての利用が検討され、その用途は拡大しつつある。

ところで、このようなＳＭＡの温度と歪（伸び）との関係は、ＳＭＡに付与される応力によって左右され、架設時に該応力にばらつき（応力変動）が生じると駆動対象物の初期位置がずれ、駆動性能を低下させるという問題がある。この為、ＳＭＡを駆動源とする駆動装置を製造する際には、架設時のＳＭＡに付与する応力を高い精度で所望の値に調整する必要がある。

そこで、このような課題に対応する為、初期応力の調整に関し、種々の検討がなされている。

例えば、最初に、ＳＭＡに対して張力が付与されていない状態で、ＳＭＡを結晶組織がオーステナイトとなる温度域（オーステナイト温度域）まで通電加熱することで、ＳＭＡの長さを記憶長さに調整し、架設時に生じたＳＭＡにおける残留応力のばらつき（応力変動）を解消する。次に、ＳＭＡの両端をクランプするクランプ部材が当接する加重センサをモニタしながら、クランプ部材を引っ張り、張力を与えることで、ＳＭＡに所望の応力（基準応力）を付与するように制御する方法が知られている（特許文献１参照）。
特開２００７−１６２６１２号公報

ところで、このようなＳＭＡは、直線記憶された形状記憶合金線であり、この場合の応力σと張力（発生力）Ｆとの関係は、下記（式１）で表される。ここで、Ｋは、ＳＭＡの断面積を示す定数とする。
σ＝Ｋ・Ｆ （式１）
すなわち、応力σは、張力Ｆと断面積Ｋ（線径Ｄ）によって決定されるものである。しかしながら、特許文献１に記載の方法は、ＳＭＡの線径に係わらず、所定の張力を付与することで、所望の応力（基準応力）が付与されたものとしている。この為、ＳＭＡの個体差等により線径にばらつきが生じた場合、応力にばらつきが生じ、駆動対象物の初期位置がずれ、駆動性能を低下させるという問題がある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、形状記憶合金の架設時の応力を高い精度で調整することが可能な形状記憶合金の応力調整装置を提供することを目的とする。

上記目的は、下記の１乃至４のいずれか１項に記載の発明によって達成される。

１．駆動対象物に架設された形状記憶合金の応力調整装置であって、
前記駆動対象物に架設された前記形状記憶合金に張力を付与する張力付与手段と、
前記駆動対象物に架設された前記形状記憶合金の張力を検出する張力検出手段と、
前記駆動対象物に架設される前記形状記憶合金の線径を検出する線径検出手段と、
前記張力付与手段の動作を制御する制御手段と、を有し、
前記制御手段は、
前記形状記憶合金に付与すべき基準応力と前記線径検出手段によって検出された前記線径に基づき、前記形状記憶合金に付与すべき張力を算出し、
前記張力検出手段で検出される前記張力が算出した前記付与すべき張力になるように、前記張力付与手段の動作を制御することを特徴とする形状記憶合金の応力調整装置。

２．前記形状記憶合金を収容する収容手段を有し、
前記線径検出手段は、前記収容手段と前記駆動対象物との間の架設経路上に配されていることを特徴とする前記１に記載の形状記憶合金の応力調整装置。

３．前記収容手段から前記架設経路上に送り出される前記形状記憶合金の送り出し量を検知する送り出し量検知手段を有し、
前記制御手段は、
前記線径検出手段で検出された前記線径と該線径が検出された時点の前記送り出し量検知手段による前記送り出し量との対応付けを作成し、
前記形状記憶合金が前記駆動対象物に架設される時点の該形状記憶合金の線径を前記対応付けより読み出し、前記形状記憶合金に付与すべき基準応力と前記対応付けより読み出した前記線径に基づき、前記形状記憶合金に付与すべき張力を算出することを特徴とする前記２に記載の形状記憶合金の応力調整装置。

４．前記線径検出手段は、前記形状記憶合金の線径を非接触で検出することを特徴とする前記１乃至３のいずれか１項に記載の形状記憶合金の応力調整装置。

本発明によれば、ＳＭＡに付与すべき基準応力と線径検出手段によって検出された線径に基づき、ＳＭＡに付与すべき張力を算出し、張力検出手段で検出される張力が算出した付与すべき張力になるように、張力付与手段の動作を制御する構成とした。すなわち、ＳＭＡの線径に応じてＳＭＡに付与する張力を調整することでＳＭＡに付与すべき基準応力を調整するようにした。これにより、ＳＭＡの線径にばらつきが生じた場合においても、高い精度で所望の基準応力をＳＭＡに付与することができ、安定した駆動性能を得ることができる。

以下図面に基づいて、本発明に係る形状記憶合金の応力調整装置（以下、単に応力調整装置とも記する）の実施の形態を説明する。尚、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限られない。

最初に、本発明における駆動対象物の一例に該当する撮像レンズユニットの構成を図１を用いて説明する。図１（ａ）は、撮像レンズユニット１００の外観を示す平面模式図、図１（ｂ）は、ＳＭＡ１０が通電されていない時の態様を示す正面模式図、図１（ｃ）は、ＳＭＡ１０が通電されている時の態様を示す正面模式図である。

撮像レンズユニット１００の要部は、図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、ベース部材１０１、ヒンジ１０２、駆動レバー１０３、コイルばね１０５、板ばね１０６、レンズ鏡筒１１１、レンズ１１２、及びＳＭＡ１０等から構成される。

ＳＭＡ１０は、例えば、線径が数１０μｍ程度のワイヤ形状であり、図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、駆動レバー１０３の係止部１０３ａに引っ掛けられ、その両端がベース部材１０１に設けられた電極を兼ねた固定端子１０４ａ、１０４ｂにそれぞれ取り付け固定されて架設されている。

駆動レバー１０３は、ベース部材１０１に設けられたヒンジ１０２により、該ヒンジ１０２を支点として矢印Ｐ方向に回動自在に支持されている。

レンズ１１２を備えたレンズ鏡筒１１１は、該レンズ鏡筒１１１に設けられた２つの当接部材１１３ａ、１１３ｂで駆動レバー１０３の先端部１０３ｂ、１０３ｃにより保持されている。レンズ鏡筒１１１の底部には、レンズ１１２によって結像された被写体光学像を光電変換し画像信号を生成する、例えば、図示しないＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳセンサ等の撮像素子が設けられている。また、レンズ鏡筒１１１は、その上下の面に設けられた板ばね１０６により平行が保たれている。

コイルばね１０５は、その一端が筐体のカバー１０７に固定され、他端がレンズ鏡筒１１１の上面に当接し、レンズ鏡筒１１１を矢印Ｙ２方向に付勢することで、ＳＭＡ１０に、駆動レバー１０３を介して矢印Ｘ２方向に張力を付与している。一方ＳＭＡ１０には、架設時に矢印Ｘ１方向に所望の基準となる応力（以下、基準応力とも記する）が付与されている。そして、レンズ鏡筒１１１は、非動作時には、ＳＭＡ１０に対して付与される該基準応力とコイルばね１０５による張力とが釣り合う位置（初期位置）で停止している。

図１（ｂ）の状態において、固定端子１０４ａから固定端子１０４ｂにかけてＳＭＡ１０に電流を流すと、ＳＭＡ１０は、自身の持つ抵抗値によってジュール熱を発生する。そして、発生した熱によりＳＭＡ１０が相変態を起こし、弾性係数が比較的高い状態になり、記憶された長さの状態（元の状態）に戻ろうとして、矢印Ｘ１方向に収縮する。このとき、ＳＭＡ１０が縮もうとする力が、ＳＭＡ１０に対して駆動レバー１０３を介してコイルばね１０５が与えている所定の張力に打ち勝つ。その結果、レンズ鏡筒１１１が矢印Ｙ１に向かって駆動される。図１（ｃ）は、レンズ鏡筒１１１が矢印Ｙ１方向に向かって駆動された後の状態を示している。

また図１（ｃ）の状態で、ＳＭＡ１０に流していた電流を遮断すると、ＳＭＡ１０は放熱による冷却によって相変態を起こし、弾性係数が比較的低い状態になる。すると、ＳＭＡ１０に対して駆動レバー１０３を介してコイルばね１０５から所定の張力が掛かり、ＳＭＡ１０が伸張する状態となる。その結果、レンズ鏡筒１１１が矢印Ｙ２に向かって駆動され、図１（ｂ）の状態に戻る。このようにして、加熱冷却によるＳＭＡ１０の伸縮により、レンズ鏡筒１１１を矢印Ｙ１、Ｙ２方向へ駆動させる動作を適宜繰り返すことができる。

次に、本発明の実施形態に係わる応力調整装置の構成を図２を用いて説明する。図２（ａ）は、応力調整装置１の概略構成を示す模式図である。

応力調整装置１は、図２（ａ）に示すように、供給ユニット３、線径測定ユニット５、及び架設・搬送ユニット７等から構成される。応力調整装置１は、架設・搬送ユニット７に設けられた搬送パレット７０２に、ＳＭＡ１０が架設されていない状態の撮像レンズユニット１００が載置されると、供給ユニット３から供給されたＳＭＡ１０を架設し、架設された該ＳＭＡ１０に基準応力を付与するように調整するものである。以下に、各ユニットの詳細を説明する。

供給ユニット３は、制御部３０１、リール３０２、リールモータ３０３、ガイドローラ３０４、３０５、３０６、ロードセル３０７、及びエンコーダ３０８等から構成される。

リール３０２は、ＳＭＡ１０が巻き付けられて、供給ユニット３の本体に対して回動自在に構成されている。リール３０２がリールモータ３０３により回動されることで、リール３０２に収容されたＳＭＡ１０が送り出される。また、リール３０２がリールモータ３０３により逆方向に回動されることで、リール３０２にＳＭＡ１０が巻き取られ、撮像レンズユニット１００に架設されたＳＭＡ１０に張力を付与する。このように、リール３０２、及びリールモータ３０３は、本発明における張力付与手段として機能する。また、リール３０２は、本発明における収容手段として機能する。

リール３０２から送り出されたＳＭＡ１０は、ガイドローラ３０４、３０５、３０６の順に引っ掛けられた状態で巻き付けられ、線径測定ユニット５へ導かれる。尚、ガイドローラ３０５は、供給ユニット３の本体に対して上下に移動自在に構成され、ＳＭＡ１０に付与される張力により移動される。

ロードセル３０７は、本発明における張力検出手段として機能し、ガイドローラ３０５に当接し、ＳＭＡ１０に付与される張力を検出する加重センサである。

エンコーダ３０８は、本発明における送り出し量検知手段として機能し、リール３０３から送り出されるＳＭＡ１０の送り出し量を検知する、例えば、光学式エンコーダである。

制御部３０１は、図示しない各制御プログラム等を記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、演算処理や制御処理等のデータを一時的に格納するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、及び制御プログラム等をＲＯＭから読み出して実行するＣＰＵ（中央演算処理装置）等から構成され、応力調整装置１で行われる各種動作を統括的に制御する。

また、制御部３０１は、ロードセル３０７で検出されたＳＭＡ１０に付与された張力、及び後述の線径測定ユニット５で検出されたＳＭＡ１０の線径等に基づき、リールモータ３０３の動作を制御し、ＳＭＡ１０に付与すべき基準応力を調整する。

具体的には、制御部３０１は、線径測定ユニット５で検出されたＳＭＡ１０の線径と該線径が検出された時点のエンコーダ３０８によるＳＭＡ１０送り出し量との対応付けを作成する。そして、ＳＭＡ１０が撮像レンズユニット１００に架設される時点の該ＳＭＡ１０の線径を作成した対応付けより読み出し、読み出した該線径とロードセル３０７で検出されたＳＭＡ１０に付与された張力に基づき、リールモータ３０３の動作を制御し、ＳＭＡ１０に付与すべき基準応力を調整する。このように、制御部３０１は、本発明における制御手段として機能する。尚、制御部３０１で行われるＳＭＡ１０に付与すべき基準応力の調整フローの詳細は後述する。

線径測定ユニット５は、本発明における線径検出手段として機能し、供給ユニット３と後述の架設・搬送ユニット７との間の架設経路上に配され、供給ユニット３から送り出されたＳＭＡ１０の線径を測定する。

ここで、線径測定ユニット５の概略構成を図３を用いて説明する。図３は、線径測定ユニット５の概略構成を示す模式図である。

線径測定ユニット５は、図３に示すように、レーザ光源５０１、平面ミラー５０２、ポリゴンミラー５０３、コリメータレンズ５０４、集光レンズ５０５、撮像素子５０６、増幅器５０７、Ａ／Ｄ変換器５０８、及び画像処理部５０９等から構成される。

レーザ光源５０１より出射された光線は、平面ミラー５０２で反射されポリゴンミラー５０３へ入射する。ポリゴンミラー５０３に入射した光線は、高速回転するその多面ミラーにより反射され、コリメータレンズ５０４で平行光となり被測定物であるＳＭＡ１０を走査することによりＳＭＡ１０の像光を生成する。生成された像光は、集光レンズ５０５で集光され撮像素子５０６に結像する。撮像素子５０５に結像された像光は、画像信号に光電変換され、増幅器５０７で増幅された後、Ａ／Ｄ変換器５０８でデジタル画像信号に変換され、画像処理部５０９に入力される。画像処理部５０９は、入力されたデジタル画像信号、及びポリゴンミラー５０３により走査される光線の単位時間当たりの走査長等に基づき、ＳＭＡ１０の線径Ｄを算出する。

図２（ａ）に戻って、架設・搬送ユニット７は、架設台７０１、搬送パレット７０２、ガイドローラ７０３、及び図示しない搬送パレット駆動機構等から構成される。ここで図２（ｂ）は、架設開始位置ＳＴにおける、撮像レンズユニット１００の平面模式図、図２（ｃ）は、架設終了位置ＳＰにおける、撮像レンズユニット１００の平面模式図である。

搬送パレット７０２は、ＳＭＡ１０が架設される撮像レンズユニット１００が載置される。供給ユニット３から送り出されたＳＭＡ１０は、架設経路を移動し架設・搬送ユニット７に設けられたガイドローラ７０３を介して搬送パレット７０２に載置された撮像レンズユニット１００に導かれる。そして、架設開始位置ＳＴで撮像レンズユニット１００の固定端子１０４ｂにＳＭＡ１０の一端が取り付けられて固定される（図２（ｂ））。次に、搬送パレット７０２は、図示しない搬送パレット駆動機構により、時計回りに回転されながら矢印Ｘ１方向に移動され、架設終了位置ＳＰで停止する（図２（ｃ））。このように、搬送パレット７０２が回転・移動することにより、一端が固定端子１０４ｂに固定されたＳＭＡ１０は、駆動レバー１０３の係止部１０３ａに引っ掛けられ、他端が固定端子１０４ａに引っ掛けられる。そしてこの状態で、ＳＭＡ１０に付与すべき基準応力の調整が行われた後、他端が固定端子１０４ａに取り付け固定されて、ＳＭＡ１０は架設される。

次に、応力調整装置１で行われるＳＭＡ１０に付与すべき基準応力の調整の流れを、図２、及び図４を用いて説明する。図４は、応力調整の流れを示すフローチャートである。

最初に、撮像レンズユニット１００を架設開始位置ＳＴに位置する搬送パレット７０２に載置すると（ステップＳ１）、制御部３０１は、リールモータ３０３を駆動し、リール３０２に収容されているＳＭＡ１０を送り出す（ステップＳ２）。

次に、送り出されたＳＭＡ１０が供給ユニットから架設経路に導かれ線径測定ユニット５に達すると、線径測定ユニット５は、所定の間隔（所定の送り出し長さ）毎にＳＭＡ１０の線径Ｄを順次検出をする、と同時にエンコーダ３０８は、線径測定ユニット５で線径Ｄが順次検出された時点の、ＳＭＡ１０送り出し量（送り出し長さ）Ｌを検知する（ステップＳ３）。そして、制御部３０１は、線径測定ユニット５で順次検出された線径Ｄとエンコーダ３０７で同時に検出された送り出し量（送り出し長さ）Ｌとの対応を示す対応付けを作成する（ステップＳ４）。

次にＳＭＡ１０が架設・搬送ユニット７に到達すると、架設開始位置ＳＴで搬送パレット７０２に載置されている撮像レンズユニット１００の固定端子１０４ｂにＳＭＡ１０の一端が取り付けられて固定される（ステップＳ５）。続いて、搬送パレット７０２は、搬送パレット駆動機構により、時計回りに回転されながら図２中矢印Ｘ１方向に移動され、架設終了位置ＳＰで停止する（ステップＳ６）。この時点で、一端が固定端子１０４ｂに固定されたＳＭＡ１０は、駆動レバー１０３の係止部１０３ａに引っ掛けられ、他端が固定端子１０４ａに引っ掛けられる。

次に、制御部３０１は、架設終了位置ＳＰでのエンコーダ３０８によるＳＭＡ１０送り出し量に基づき、ステップＳ４で予め作成しておいた対応付けを参照し、撮像レンズユニット１００に架設中のＳＭＡ１０の線径Ｄを読み出す（ステップＳ７）。続いて、制御部３０１は、予め設定しておいたＳＭＡ１０に付与すべき基準応力σ_０とステップＳ７で読み出した線径Ｄに基づき、ＳＭＡ１０に付与すべき張力Ｆ_０を前述の（式１）より算出する（ステップＳ８）。

次に、制御部３０１は、ロードセル３０７で検出される張力Ｆが算出した付与すべき張力Ｆ_０になるように、リールモータ３０３の回転を制御する。これにより、ＳＭＡ１０に付与すべき基準応力σ_０が調整される（ステップＳ９）。

このようにして基準応力σ_０が調整された後、ＳＭＡ１０の他端が固定端子１０４ａに取り付け固定されて、ＳＭＡ１０は架設される（ステップＳ１０）。

このように本発明の実施形態に係わる応力調整装置１においては、ＳＭＡ１０に付与すべき基準応力σ_０と線径測定ユニット５によって検出された線径Ｄに基づき、ＳＭＡ１０に付与すべき張力Ｆ_０を算出し、ロードセル３０７で検出される張力Ｆが算出した付与すべき張力Ｆ_０になるように、リールモータ３０３の動作を制御する構成とした。すなわち、ＳＭＡ１０の線径Ｄに応じてＳＭＡ１０に付与する張力Ｆを調整することでＳＭＡ１０に付与すべき基準応力σ_０を調整するようにした。これにより、ＳＭＡ１０の線径Ｄにばらつきが生じた場合においても、高い精度で所望の基準応力σ_０をＳＭＡ１０に付与することができ、安定した駆動性能を得ることができる。

また、前述のステップＳ１乃至Ｓ１０の一連の動作を、順次搬送パレット７０２に載置される撮像レンズユニット１００に対して繰り返し行うことにより、生産性を高めることができる。

本発明の実施形態に係わる撮像レンズユニットの概略構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係わる応力調整装置の概略構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係わる線径測定ユニットの概略構成を示す模式図である。 応力調整動作の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１ 応力調整装置
１０ ＳＭＡ
１００ 撮像レンズユニット
１０１ ベース部材
１０２ ヒンジ
１０３ 駆動レバー
１０４ａ、１０４ｂ 固定端子
１０５ コイルばね
１０６ 板ばね
１０７ カバー
１１１ レンズ鏡筒
１１２ レンズ
１１３ａ、１１３ｂ 当接部材
３ 供給ユニット
３０１ 制御部
３０２ リール
３０３ リールモータ
３０４、３０５、３０６、７０３ ガイドローラ
３０７ ロードセル
３０８ エンコーダ
５ 線径測定ユニット
５０１ レーザ光源
５０２ 平面ミラー
５０３ ポリゴンミラー
５０４ コリメータレンズ
５０５ 集光レンズ
５０６ 撮像素子
５０７ 増幅器
５０８ Ａ／Ｄ変換器
５０９ 画像処理部
７ 架設・搬送ユニット
７０１ 架設台
７０２ 搬送パレット

Claims (4)

1. 駆動対象物に架設された形状記憶合金の応力調整装置であって、
   前記駆動対象物に架設された前記形状記憶合金に張力を付与する張力付与手段と、
   前記駆動対象物に架設された前記形状記憶合金の張力を検出する張力検出手段と、
   前記駆動対象物に架設される前記形状記憶合金の線径を検出する線径検出手段と、
   前記張力付与手段の動作を制御する制御手段と、を有し、
   前記制御手段は、
   前記形状記憶合金に付与すべき基準応力と前記線径検出手段によって検出された前記線径に基づき、前記形状記憶合金に付与すべき張力を算出し、
   前記張力検出手段で検出される前記張力が算出した前記付与すべき張力になるように、前記張力付与手段の動作を制御することを特徴とする形状記憶合金の応力調整装置。
2. 前記形状記憶合金を収容する収容手段を有し、
   前記線径検出手段は、前記収容手段と前記駆動対象物との間の架設経路上に配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の応力調整装置。
3. 前記収容手段から前記架設経路上に送り出される前記形状記憶合金の送り出し量を検知する送り出し量検知手段を有し、
   前記制御手段は、
   前記線径検出手段で検出された前記線径と該線径が検出された時点の前記送り出し量検知手段による前記送り出し量との対応付けを作成し、
   前記形状記憶合金が前記駆動対象物に架設される時点の該形状記憶合金の線径を前記対応付けより読み出し、前記形状記憶合金に付与すべき基準応力と前記対応付けより読み出した前記線径に基づき、前記形状記憶合金に付与すべき張力を算出することを特徴とする請求項２に記載の形状記憶合金の応力調整装置。
4. 前記線径検出手段は、前記形状記憶合金の線径を非接触で検出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の形状記憶合金の応力調整装置。

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