JP5429939B2 - 形状記憶合金アクチュエータシステム - Google Patents

Description

本発明は、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。

形状記憶合金には、オーステナイト相とマルテンサイト相の状態が存在し、温度が低いときはマルテンサイト相に、高いときはオーステナイト相に変化する。そして特にマルテンサイトからオーステナイトに遷移（逆変態）するとき、わずかな温度差で大きな歪回復力を生じる。形状記憶合金アクチユエータは、この歪回復力を利用したものである。
この形状記憶合金の形状変化を利用したアクチュエータは、アクチュエータの小型化、軽量性などにおいて優れた特性を持っている。また、形状記憶合金ワイヤはその長さが抵抗値に対応するため、抵抗値をフィードバックすることによって位置を制御することが行われている。

例えば、特開２００８−２７６７５０では、バイアスばね付与方式で形状記憶合金部材を用いて可動部材を移動する形状記憶合金アクチュエータが示されている。そこでは、形状記憶合金部材の温度変化に応じた抵抗値の変化を用いて、可動部材の位置制御を行っている。
可動部材の位置を制御する際、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Ａが、第１割合Ａ１から、第１割合Ａ１と異なる第２割合Ａ２に変化する第１変化点Ｘ１を見つけ、第１変化点Ｘ１を与える第１抵抗値Ｒ１を基準に、可動部材の位置を制御するというものである。

特開２００８−２７６７５０号公報

従来の方法では、温度変化を与え、単位温度変化あたりの抵抗値変化によって変化点を探索している。温度と抵抗値との関係から変化点を見つける方法では、温度が安定するまでに時間がかかる。変化点の探索を短時間で行おうとすると、抵抗値が安定しないので、温度と抵抗値の関係の精度が悪くなる。すなわち、変化点の探索を短時間で行おうとすると、正確な変化点を見つけることは出来ないという問題が生じている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、短時間でかつ正確に抵抗値の変化点の探索を行い、移動体の基準位置決定を行う形状記憶合金アクチュエータシステムを提供することを目的とするものである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、通電加熱により収縮し、冷却により延伸することにより、その長さが変化する形状記憶合金ワイヤと、長さが変化する方向に移動可能な移動体と、形状記憶合金ワイヤが延伸する方向に外力が負荷される弾性部材と、移動体の移動範囲を伸長側に規制する第１の規制部材と、移動体の移動範囲を収縮側に規制する第２の規制部材とを有する形状記憶合金アクチュエータと、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、検出部から得られた出力信号と指令部より入力された信号との比較演算を行い、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、演算部から出力された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制御回路により、形状記憶合金アクチュエータの位置制御を行う形状記憶合金アクチュエータシステムにおいて、抵抗制御回路は、基準抵抗値演算部を有し、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を特徴とする。

また、他の側面において本発明に従う形状記憶合金アクチュエータシステムにあっては、通電加熱により収縮し、冷却により延伸することにより、その長さが変化する形状記憶合金ワイヤと、形状記憶合金ワイヤが収縮する方向に外力が負荷される第１の弾性部材に当接され、形状記憶合金ワイヤの長さが変化する方向に移動可能な第１の移動体と、形状記憶合金ワイヤが延伸する方向に外力が負荷される第２の弾性部材に当接されるとともに、形状記憶合金ワイヤに接続され、形状記憶合金ワイヤの長さが変化する方向に移動可能な第２の移動体と、第１の移動体の移動範囲を伸長側に規制する第１の規制部材と、第１の移動体の移動範囲を収縮側に規制する第２の規制部材と、第２の移動体の収縮側に、その移動を規制する第３の規制部材とを有する形状記憶合金アクチュエータと、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と指令部より入力された信号との比較演算を行い、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、演算部から出力された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制御回路により、形状記憶合金アクチュエータの位置制御を行う形状記憶合金アクチュエータシステムにおいて、抵抗制御回路は、基準抵抗値演算部を有し、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抵抗値と、第２の割合から第２の割合と異なる第３の割合に変化する第２抵抗値とを算出し、形状記憶合金ワイヤを弛緩させる場合には第１抵抗値で位置制御を行い、形状記憶合金ワイヤを収縮させるときには第２抵抗値、および第２抵抗値と抵抗値の変化が一定になった抵抗値との間の任意の抵抗値で位置制御することを特徴とする。

本発明の好ましい別の態様にあっては、第１変化点を与える第１抵抗値の算出に関しては、第１抵抗値を測定する要求を制御部が受信した時に、出力部から一定電流を印加し、電流を印加している間、検出部で抵抗値の検出を行い、記憶部に格納し、単位時間変化に対する抵抗変化の割合が一定抵抗値になった後に、検出部で取得した抵抗値を記憶部から読み出し、第１抵抗値を算出することを特徴とする。

本発明の好ましい別の態様にあっては、第１抵抗値を測定する要求を制御部が受信するタイミングは、形状記憶合金アクチュエータシステムの電源が投入されるタイミングであることを特徴とする。

本発明の好ましい別の態様にあっては、第１低抗値を測定する要求を制御部が受信するタイミングは、形状記憶合金アクチュエータシステムの電源が投入された後、外部からの測定要求が制御部へ入力されたタイミングであることを特徴とする。

本発明は、短時間でかつ正確に抵抗値の変化点の探索を行い、移動体の基準位置決定を行う形状記憶合金アクチュエータシステムを提供することができるという効果を奏する。

本発明の第１の実施例の形状記憶合金アクチュエータを示す図である。 本発明の第１の実施例の形状記憶合金アクチュエータシステムを示す図である。 本発明の第１の実施例の演算部の構成を示す図である。 本発明の第１の実施例の流れを説明する図である。 本発明の第１の実施例の抵抗値と時間の関係を説明する図である。 本発明の第２の実施例の構成を説明する図である。 本発明の第２の実施例の抵抗値と時間の関係を説明する図である。

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例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１〜図５は本発明の第１の実施例にかかる形状記憶合金アクチュエータシステムを示すものである。
図１は形状記憶合金アクチュエータの概略構成である。形状記憶合金ワイヤ１０は一端が固定され、他端は移動体１１に接続されている。形状記憶合金ワイヤ１０は、その両端に電流を流すことによって加熱され収縮し、電流印加を停止すると外気によって冷やされ伸長する。

移動体１１は、形状記憶合金ワイヤ１０の収縮に応じて移動可能になっている。移動体１１には第１の弾性部材（ばね）１２が接続されている。弾性部材１２は形状記憶合金ワイヤ１０が伸長する方向に外力を生じるように形成されている。

また、移動体１１の移動範囲を規制する第１の規制部材１５と第２の規制部材１６とが設けられている。形状記憶ワイヤ１０は、移動体１１が第１の規制部材１５に当接して停止している状態のときには、わずかにたるみがあるように構成されている。

図２は形状記憶合金アクチュエータシステムのブロック構成を示している。形状記憶合金アクチュエータ１００に電流を印加する出力部２０と、形状記憶合金ワイヤ１０の収縮により変化する抵抗値を検出する検出部２１と、移動体１１の制御位置を指令する指示部２２と、指示部２２から送られてきた指示位置を抵抗値換算して指示抵抗値を取得し、この指示抵抗値と検出部２１から検出されてきた抵抗値との差分から指示抵抗値に移動体を移動させるための電流量を演算し、出力部２０に出力する演算部２３と、検出された複数の抵抗値を一時的に格納しておく記憶部２４と、出力部２０、検出部２１、指示部２２、演算部２３、記憶部２４の動作を制御する制御部２５とで構成されている。

図３は、演算部２３の機能ブロックを更に詳細に示したものである。演算部２３は、指示部２２から入力された指示位置を抵抗値に換算する指示値演算部３２と、指示値演算部３２から出力された指示抵抗値と検出部２１から入力された抵抗値とを比較する比較部３１と、指示抵抗値に移動体１１を移動させるための電流量を計算する出力値演算部３３と、基準抵抗値演算部３４とを有している。

次に、本実施形態における動作を説明しながら、基準抵抗値演算部３４の働きを説明する。図４は、第１抵抗値を演算するためのフローチャートを示したものである。図５は、一定電流を印加した場合の時間経過と抵抗値変化の関係を示す図である。

第１抵抗値の演算フローは、第１抵抗値を演算する要求指令が入力されることにより開始される。
ステップＳ２０１において、出力部２０は、形状記憶合金ワイヤ１０に一定電流を印加する。通電加熱により形状記憶合金ワイヤ１０が収縮し始める。
ステップＳ２０２において、検出部２１は、形状記憶合金ワイヤ１０の抵抗値の検出、取得を行う。
ステップＳ２０３において、記憶部２４は、検出部２１で検出された抵抗値を格納する。
ステップＳ２０４において、抵抗値が一定になったか否かを判定する。

弾性部材（ばね）１２の外力が形状記憶合金ワイヤ１０に作用するまでは、形状記憶合金ワイヤ１０は無負荷である。このため、単位時間あたりの抵抗値変化は大きくなる。さらに形状記憶合金ワイヤ１０が収縮し、移動体１１が第１の規制部材１５から離れようとするときに、弾性部材１２の負荷が伸長側へ働く。形状記憶合金ワイヤ１０の収縮力が、この負荷よりも大きくなったとき、移動体１１は、第１の規制部材１５から離れ、移動する。

したがって、単位時間当たりの抵抗値の変化の割合は、たるみが有り第１の規制部材１５に当接している場合と、第１の規制部材１５から離れた場合では異なる。すなわち、第１の規制部材１５に当接している場合より、第１の規制部材１５から離れてからのほうが、単位時間当たりの抵抗値の変化の割合が緩やかになる。更に、収縮が進み移動体１１が第２の規制部材１６に接触し移動が規制されると、これ以上形状記憶合金ワイヤ１０は縮むことが出来ない。このため、検出される抵抗値は一定になる。

ステップＳ２０４において、判定が肯定判定（ＹＥＳ）であれば、移動体１１が第２の規制部材１６で停止したと判定し、処理をステップＳ２０５へ移行する。
否定判定（ＮＯ）であれば、移動体１１が第２の規制部材１６に達していないと判定し、ステップＳ２０１へ移行し、抵抗値の検出格納の処理を継続する。
ステップＳ２０５において、記憶部２４に格納されている形状記憶合金ワイヤ１０の時間経過に対応する複数の抵抗値を呼び出す。

ステップＳ２０６において、基準抵抗値演算部３４は、格納された抵抗値から第１の変化の割合から第２の変化の割合に変化する第１抵抗値を演算する。第１抵抗値は、抵抗値の単位時間あたりの変化割合の変化点である。すなわち、第１抵抗値は、移動体１１が第１の規制部材１５と当接している位置を示す。

ステップＳ２０７において、第１抵抗値は記憶部２４に格納され、処理は終了する。
格納された第１抵抗値は、形状記憶合金ワイヤ１０を伸長した際の指示抵抗値として使われ、位置制御を行う。

このように、本実施形態では、単位時間当たりの抵抗値変化が、規制部材１５、１６と弾性部材１２の作用によって生じるように構成されるので、第１の規制部材１５および第２の規制部材１６の位置での抵抗値、すなわち、形状記憶合金ワイヤ１０の長さに対する抵抗値が正確に演算できる。このため、制御性の向上を図ることが可能になる。

電流を可変した場合、すなわち温度を変化させた場合には、形状記憶合金ワイヤ１０が変化するまでに時間を要する。このため、第１の規制部材１５の位置における抵抗変化量が捕らえにくく、また正確に算出するには形状記憶合金ワイヤ１０が変化するまで待機する必要があるため、第１抵抗値を早く見つけることが出来ない。本実施例では、一定電流を印加することによって、抵抗値の変化が早くなるため、短時間で第１抵抗値を算出することが出来る。

第１抵抗値を算出するタイミングは、電源投入時が望ましい。形状記憶合金アクチュエータを駆動する最初の段階で第１抵抗値を算出することによって、経年変化等があった場合に、その状況に対応した正確な第１抵抗値を算出することが可能になる。

また、他のタイミングとしては、形状記憶合金アクチュエータシステムを使用している人が第１抵抗値の測定要求をしたタイミングで行うことでもよい。こうすれば、アクチュエータを使う直前にも第１抵抗値を算出することが可能であり、より正確な制御が可能になる。

図６および７は本発明の第２の実施例の形状記憶合金アクチュエータシステムを示すものである。図６は形状記憶合金アクチュエータの構成を示しており、図７はその動作を示したものである。

アクチュエータの構成は、形状記憶合金ワイヤ５０の収縮方向に負荷が働く第１の弾性部材５３に移動体５１が接続されている。移動体５１は形状記憶合金アクチュエータの収縮方向に移動可能になっている。

また、移動体５２が設けられている。移動体５２は形状記憶合金ワイヤ５０の伸長方向に負荷が働く第２の弾性部材５４を介して形状記憶合金ワイヤ５０に接続され、その収縮方向に移動可能になっている。

移動体５１の移動は、第１の規制部材５５と第２の規制部材５６とで規制され、これらの規制部材の間で移動可能になっている。移動体５２は形状記憶合金ワイヤ５０が伸長時は移動体５１を押し付け、移動体５１が規制された位置で移動体５１に当接し、その移動が規制されている。形状記憶合金ワイヤ５０の収縮時は、移動体５２は第３の規制部材５７に当接し、その移動が規制されるように構成されている。

図７は一定電流を印加したときの時間と抵抗値との関係を示している。電流印加開始すると、第１の実施形態と同様に、第１の弾性部材５３と第２の弾性部材５４との合成負荷が作用し始める。すなわち、移動体５１が第１の規制部材５５から離れようとするまでの間は単位時間当たりの抵抗変化量が大きくなる。この間の変化割合が第１の割合となる。なお、典型的には第１の弾性部材５３の負荷＜＜第２の弾性部材５４の負荷の関係にある。

第１の規制部材５５から移動体５１が離れると、第１の弾性部材５３と第２の弾性部材５４との合成負荷に抗するように、形状記憶合金ワイヤ５０の収縮力が必要になるため単位時間当たりの抵抗値変化量が緩やかになる。この変化割合が変わる点が、第１抵抗値となる。更に、第２の規制部材５６で移動体５１の移動が規制される。このため、第２の規制部材５６から第３の規制部材５７までの間は第２の弾性部材５４の負荷のみになる。このため、更に形状記憶合金ワイヤ５０にかかる負荷が大きくなり、更に単位時間当たりの抵抗値変化量が緩やかになる。この変化割合の変わる点が、第２抵抗値となる。

上述した単位時間当たりの抵抗値の変化割合が変化する第１抵抗値と第２抵抗値とは、それぞれが第１の規制部材５５、第２の規制部材５６の位置に相当するため、この間で位置制御を行うことになる。通常、第３の規制部材５７に移動体５２が当接した場合は、これ以上形状記憶合金ワイヤ５０が変化できない。このため、更に加熱を行うと過剰な負荷が形状記憶合金ワイヤ５０に働くことになる。しかしながら、本実施形態の構成にすることによって、第１の規制部材５５と第２の規制部材５６との間で形状記憶合金ワイヤ５０の長さを制御することができるので、上記のような過加熱による過剰な負荷を与えることは無くなる。したがって、位置制御が正確になるだけでなく、形状記憶合金ワイヤ５０の寿命を延ばすことも可能になる。

制御位置としては、第１の規制部材５５と第２の規制部材５６との間で制御を行っているが、これに限らず、第１の規制部材５５と、第３の規制部材５７に接触しない、第２の規制部材５６と第３の規制部材５７との間の抵抗値で制御してもかまわない。このようにすれば移動体５１は第１の規制部材５５と第２の規制部材５６との２点で位置決めが出来るために、更に位置制御性が向上する。
尚、形状記憶合金アクチュエータシステムの構成および第１抵抗値、第２抵抗値を演算するタイミングは第１の実施例と同様である。

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、単位時間あたりの抵抗値の変化が第１の割合から第２の割合に変化する部分が、第１の規制部材の位置に相当する抵抗値になる。温度に応じた抵抗値を用いる場合には、温度が安定するまで待つ必要があった。しかしながら、本実施形態では、温度に依存しない時間経過に応じた抵抗値から位置決めすることができる。このため、安定するまで待つ必要がない。したがって、短時間でかつ正確に抵抗値の変化点の探索を行い、移動体の基準位置決定を行うことができるので、制御性が向上するという効果を奏する。

以上のように、バイアスばね付与方式の形状記憶合金アクチュエータシステムに有用であり、特に、制御性の向上が求められる形状記憶合金アクチュエータシステムに適している。

１０、５０ 形状記憶合金ワイヤ
１１、５１、５２ 移動体
１２、５３、５４ 弾性材料
１５、１６、５５、５６、５７ 規制部材
２０ 出力部
２１ 検出部
２２ 指示部
２３ 演算部
２４ 記憶部
２５ 制御部
１００ 形状記憶合金アクチュエータ

Claims (5)

1. 通電加熱により収縮し、冷却により延伸することにより、その長さが変化する形状記憶合金ワイヤと、
   前記長さが変化する方向に移動可能な移動体と、
   前記形状記憶合金ワイヤが延伸する方向に外力が負荷される弾性部材と、
   前記移動体の移動範囲を伸長側に規制する第１の規制部材と、
   前記移動体の移動範囲を収縮側に規制する第２の規制部材と、
   を有する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と指令部より入力された信号との比較演算を行い、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、前記演算部、前記出力部を制御する制御部と、
   を有する抵抗制御回路により、前記形状記憶合金アクチュエータの位置制御を行う形状記憶合金アクチュエータシステムにおいて、
   前記抵抗制御回路は、基準抵抗値演算部を有し、単位時間変化に対する抵抗変化の割合が第１の割合から前記第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、前記形状記憶合金ワイヤを弛緩させる場合には前記第１抵抗値で位置制御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。
2. 通電加熱により収縮し、冷却により延伸することにより、その長さが変化する形状記憶合金ワイヤと、
   前記形状記憶合金ワイヤが収縮する方向に外力が負荷される第１の弾性部材に当接され、前記形状記憶合金ワイヤの長さが変化する方向に移動可能な第１の移動体と、
   前記形状記憶合金ワイヤが延伸する方向に外力が負荷される第２の弾性部材に当接されるとともに、前記形状記憶合金ワイヤに接続され、前記形状記憶合金ワイヤの長さが変化する方向に移動可能な第２の移動体と、
   前記第１の移動体の移動範囲を伸長側に規制する第１の規制部材と、
   前記第１の移動体の移動範囲を収縮側に規制する第２の規制部材と、
   前記第２の移動体の収縮側に、その移動を規制する第３の規制部材と、
   を有する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と指令部より入力された信号との比較演算を行い、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、前記演算部、前記出力部を制御する制御部と、
   を有する抵抗制御回路により、前記形状記憶合金アクチュエータの位置制御を行う形状記憶合金アクチュエータシステムにおいて、
   前記抵抗制御回路は、基準抵抗値演算部を有し、単位時間変化に対する抵抗変化の割合が第１の割合から前記第１の割合と異なる第２の割合に変化する第１抵抗値と、第２の割合から前記第２の割合と異なる第３の割合に変化する第２抵抗値とを算出し、前記形状記憶合金ワイヤを弛緩させる場合には前記第１抵抗値で位置制御を行い、前記形状記憶合金ワイヤを収縮させるときには前記第２抵抗値、および前記第２抵抗値と抵抗値の変化が一定になった抵抗値との間の任意の抵抗値で位置制御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。
3. 第１変化点を与える第１抵抗値の算出に関しては、前記第１抵抗値を測定する要求を制御部が受信した時に、前記出力部から一定電流を印加し、前記電流を印加している間、前記検出部で検出された抵抗値を前記記憶部に格納しておき、単位時間変化に対する抵抗変化の割合が一定抵抗値になったことを検出した後に、前記検出部で取得した抵抗値を前記記憶部から読み出し、前記第１抵抗値を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の形状記憶合金アクチュエータシステム。
4. 前記第１抵抗値を測定する要求を前記制御部が受信するタイミングは、前記形状記憶合金アクチュエータシステムの電源が投入されるタイミングであることを特徴とする請求項３に記載の形状記憶合金アクチュエータシステム。
5. 前記第１低抗値を測定する要求を前記制御部が受信するタイミングは、前記形状記憶合金アクチュエータシステムの電源が投入された後、外部からの測定要求が制御部へ入力されたタイミングであることを特徴とする請求項３に記載の形状記憶合金アクチュエータシステム。
   

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