JPH02280679A - 形状記憶アクチェータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、形状記憶合金体の温度変化による形状回復動
作を利用して負荷を駆動する形状記憶アクチェータに関
する。

［従来の技術］ 従来、形状記憶合金体を用いたアクチェータの制御には
、アクチェータにポテンションメータなどの位置検出装
置や力検出装置などを設けることにより、アクチェータ
の位置情報やアクチェータに加わる力情報によりアクチ
ェータを制御する方法が知られている。

また、本願出願人による特願昭６３− ９１０９１号には、形状記憶合金体の温度を検出し、正
常な動作範囲内か否かを判定することにより、正常な動
作範囲を超えた場合に形状記憶合金体の加熱を中断する
ようにした技術が開示されている。

【発明が解決しようとする課題］ 従来のアクチェータの位置や力を検出する方法では、ア
クチェータの状態は把握できるが、駆動源である形状記
・憶合金体の状態、すなわち形状記憶合金体の温度が把
握できないため、形状記憶合金体が正常な動作範囲にあ
るか否かを判断できなかった。

また、形状記憶合金体の温度を検出する方法では、サー
ミスタなどの温度センサを用いることになるが、温度セ
ンサを形状記憶合金体に密着させることが困難であり、
正確に形状記憶合金体の温度を検出できるとは限らない
。

したがって、これら従来技術では、形状記憶合金体が過
加熱されて記憶した形状回復動作が劣化するおそれがあ
り、過加熱が更に進むと記憶した形状を失うとともに、
アクチェータを構成する他の部品に損傷を与えることが
ある。また、形状記憶合金体の過冷却によっても、形状
記憶合金体の疲労が大きくなり、特性の劣化（寿命低下
など）をまねくおそれがある。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、
その目的とするところは、形状記憶合金体が正常な動作
範囲から外れた場合、形状記憶合金体の加熱あるいは冷
却を中断または減少し、形状記憶合金体の過加熱および
過冷却を防止して、形状記憶合金体の性能劣化あるいは
破屓などを防止できる形状記憶アクチェータを提供する
ことにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の形状記憶アクチェータは、形状記憶合金体の変
位に基づいて動作するアクチェータと、前記形状記憶合
金体を加熱および冷却する駆動手段と、前記アクチェー
タの変位と変位の目標値との偏差に基づき前記駆動手段
を作動させる第１比較手段と、前記形状記憶合金体の抵
抗値を検出する抵抗検出手段と、この抵抗検出手段で検
出された抵抗値とあらかじめ設定される前記形状記憶合
金体が高温であることを示す第１抵抗値および前記形状
記憶合金体が低温であることを示す第２抵抗値とを比較
する第２比較手段と、この第２比較手段の比較結果に基
づき前記駆動手段を制御する制御手段とを具備している
。

［作　用］ 本発明の形状記憶アクチェータによれば、形状記憶合金
体の状態をその抵抗値により検出し、形状記憶合金体が
過加熱あるいは過冷却になると、形状記憶合金体の駆動
手段を制御することにより、形状記憶合金体の加熱ある
いは冷却を中断または減少させるので、形状記憶合金体
の過加熱および過冷却を確実に防止できる。したがって
、形状記憶合金体の記憶形状を喪失したり、形状回復特
性を劣化するのを防止することができる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は本発明の第１実施例を示すものである。

すなわち、アクチェータ１は、たとえばＮｌ　−ＴＩな
どの形状記憶合金体（ＳＭＡ）２からなる。

抵抗検出部（抵抗検出手段）３は形状記憶合金体２に電
気的に接続され、形状記憶合金体２の抵抗値Ｒを検出し
、抵抗値信号ｖＲを出力する。

比較７Ｓ（比較手段）４は、抵抗検出部３から出力され
る抵抗値信号ｖＲと操作部５から出力される参照信号ｖ
ｏとを比較することにより、それらの偏差信号ΔＶを出
力する。

コントローラ６は、比較器４から出力される偏差信号Δ
Ｖを受入れ、その偏差信号Δ■に応じてた制御信号を出
力する。駆動部（駆動手段）７は、コントローラ６から
出力される制御信号を受入れ、その制御信号に比例した
電流によって形状記憶合金体２を通電加熱することによ
り、アクチェータ１を駆動する。

アクチェータ１が駆動されると、形状記憶合金体２の抵
抗値が変化し、抵抗検出部３から出力される抵抗値信号
ＶＲは参照信号■ｏに近い値に移行し、比較器４から出
力される偏差信号ΔＶは充分に小さくなる。その結果、
アクチェータ１は参照信号ｖｏに比例して動作する。

また、抵抗検出部３から出力される抵抗値信号ｖＲは制
御部８に入力され、形状記憶合金体２が過加熱あるいは
過冷却されたときに、コントローラ６に制御信号を出力
するようになっている。

ここに、形状記憶合金体２の温度と抵抗値との関係を第
４図に示す。通常、形状記憶合金体２は、Ｔ　＠ｉｎか
らＴ　ＩＭａＸの温度範囲において用いられ、そのとき
に形状記憶合金体２の抵抗値はＲｆｆ１ａＸからＲｆｆ
１ｉｎの範囲で変化する。形状記憶合金体２が温度Ｔ　
ｗａｘを超えて長時間加熱（過加熱）されると、形状記
憶合金体２は記憶形状を失ってしまう。

また、形状記憶合金体２が温度Ｔ　ｗｉｎを超えて長時
間加熱（過冷却）されると、形状記憶合金体２は疲労特
性が劣化し、寿命が短くなってしまう。

そこで、本実施例では、形状記憶合金体２の抵抗値を用
いた制御を行なっているので、その抵抗値を用いて制御
部８で形状記憶合金体２の過加熱あるいは過冷却を判断
し、コントローラ６によって駆動部７を制御する。

以下、制御部８について第２図および第３図を参照して
詳細に説明する。抵抗検出部３から出力される抵抗値信
号ｖＲは、比較器９１．９２の各一方の入力端にそれぞ
れ入力される。比較器９、。

９２の各他方の入力端には、基僧電圧として形状記憶合
金体２の抵抗値Ｒ，，Ｒ２に対応してた電圧Ｖ１．Ｖ２
が供給されている。抵抗値Ｒ１は第４図に示すようにＲ
ｍａｘよりも若干小さい値であり、抵抗値Ｒ２は第４図
に示すようにＲｍｉｎよりも若干大きい値であり、いず
れの値も安全性を考慮して決定すればよい。

比較器９．．９２の各出力ａ、ｂは、モノステーブルマ
ルチバイブレータ回路（以後、単にＭ　Ｍ回路と略称す
る）１０．．１０２およびアンド回路１１．．１１２の
各一方の入力端にそれぞれ入力される。ＭＭ回路１．０
．．１０２の各出力ｃｄは、アンド回路１１１，１１２
の各他方の入力端にそれぞれ入力される。そして、アン
ド回路１１、．１１２の各出力はオアロ路ヱ２にそれぞ
れ入力され、このオア回路１２の出力ｅが制御信号とし
てコントローラ６に送られるようになっている。

このような構成において、形状記憶合金体２が加熱され
ると、その抵抗値Ｒは減少し、それに伴って抵抗検出部
３から出力される抵抗値信号ＶＲは第３図に示すように
減少する。そして、さらに加熱を継続すると、抵抗値信
号ＶＲは電圧Ｖ２よりも小さくなる。このとき、比較器
９□の出力すは、第３図に示すようにロウレベルからハ
イレベルに変化する。この信号すの立上りでＭ　Ｍ回路
１０２がトリガされ、第３図に示すように所定パルス幅
τ２のパルスｄを発生する。なお、上記パルス幅τ２は
、この時間継続して加熱されても形状記憶合金体２の記
憶形状が失われない最長の時間に設定しておく。

そして、アンド回路１１２で信号す、ｄの論理積をとり
、電圧Ｖ２よりも抵抗値信号ｖＲが低くなっている時間
（過加熱の状態）が上記パルス幅τ２よりも長いと、ア
ンド回路１１２はパルスを出力する。このパルスは、オ
ア回路１２を通って制御信号ｅとなり、コントローラ６
に入力されることにより、駆動部７の加熱動作を停止す
るように働く。

駆動部７の加熱動作が停止されると、形状記憶合金体２
が冷却されるので、抵抗値信号ｖ８は第３図に示すよう
に上昇し始め、さらに冷却が行なわれると抵抗値信号ｖ
Ｒは電圧ｖ１を超える。この場合も、前記と同様の動作
を行なうことにより、形状記憶合金体２の冷却を停止し
、抵抗値信号ｖＲが電圧ｖｌ〜ｖ２の範囲内になるよう
に制御される。

以上の一連の動作により、形状記憶合金体２の過加熱あ
るいは過冷却を確実に防止することができる。

なお、上記実施例では、形状記憶合金体２の加熱として
通電加熱を用いたが、たとえばヒータや光などを用いて
行なってもよい。

また、形状記憶合金体２の冷却は、送気あるいは送水に
よってもよいし、ペルチェ素子を用いて加熱および冷却
を行なってもよいことは明白である。

また、所定パルス幅のパルスを得るのにＭ　Ｍ回路を用
いたが、たとえばタイマ回路などを用いてもよい。

さらに、コントローラ６として、いわゆるＰＩＤコント
ローラを用いることにより、形状記憶合金体２の抵抗値
の最大値および最小値を求める際の応答から、パラメー
タ（比例利得、積分時間、微分時間）をオートチューニ
ングしてもよい。

第５図は本発明の第２実施例を示すものである。

なお、制御部８以外は第１実施例と同様であるので、他
は省略しである。この実施例は、第１実施例の変形例で
あり、オア回路１２を省略してアンド回路１１１．１１
２の出力を直接コントローラ６に入力するようにしたも
のである。この場合、アンド回路１１２の出力信号で駆
動部７の加熱動作を停止し、アンド回路１１１の出力信
号で駆動部７の冷却動作を停止するようにする。

第５図は本発明の第３実施例を示すものである。

なお、制御部８以外は第１実施例と同様であるので、他
は省略しである。制御部８において、抵抗検出部３から
出力される抵抗値信号ｖＲは、比較Ｗ１３＋、１３２の
各一方の入力端にそれぞれ入力される。比較器１３．．
１３２の各他方の入力端には、それぞれ基準電圧Ｖ１．
Ｖ２が供給されている。これにより、比較器１３１．１
３２の各出力からは、抵抗値信号Ｖｎの値により第７図
に示すようなパルスｆ１ｇが得られる。

ここで得られたパルスｆ２ｇと発振器１４から出力され
る周波数Ｆ（Ｔｌｚ）のパルスｈとの各論理積をそれぞ
れアンド回路１５１．１５゜でとり、その各出力をオア
回路１６に入力することにより、その出力から第７図に
示すような信号ｉが得られる。

ダウンカウンタ１７は、あらかじめ設定された数値ｎが
ロードされており、オア回路１６から出力されるパルス
ｌをダウンカウントしていく。このとき、ダウンカウン
タ１７は、比較器１３、。

１３２の各出力ｆ２ｇの論理和をとるオア回路１８の出
力によってカウント動作が制御される。

そして、ダウンカウンタ１７のカウント内容が数値ｎを
超えると、ダウンカウンタ１７は制御信号ｊを出力する
。この制御信号ｊがコントローラ６に送られることによ
り、第１実施例と同様に駆動部７が制御される。

ここに、ダウンカウンタ１７に設定する数値ｎは、たと
えば次のように設定される。継続加熱しても形状記憶合
金体２の記憶形状が失わない最長の時間をＴとして、発
振器１４の発信周波数Ｆから、［ｎ−ＴｘＦコにすれば
よい。

第８図は本発明の第４実施例を示すものである。

この実施例は、抵抗検出部３を抵抗ブリッジ回路１８、
増幅器１９およびサンプリング・ホールド回路（Ｓ／Ｈ
）２０によって構成するとともに、駆動部７をＰＷＭ（
パルス幅変調）回路２１およびスイッチング回路２２に
よって構成し、そのＰＷＭ回路２１で用いているパルス
を第６図の第３実施例における制御部８内の発振器１４
の出力りの代わりに用いるようにしたものである。

すなわち、形状記憶合金体２は、スイッチング回路２２
から出力される駆動パルスによってパルス駆動され、変
形動作する。形状記憶合金体２は、ブリッジ回路１８に
電気的に接続されていて、このブリッジ回路１８から形
状記憶合金体２の抵抗値に応じた信号が出力される。ブ
リッジ回路１８の出力信号は、増幅器１９で増幅された
後、サンプリング・ホールド回路２０に送られる。サン
プリング・ホールド回路２０は、ＰＷＭ回路２１から駆
動パルスのオフの期間に出力されるサンプリングパルス
によって、増幅器１９の出力信号をサンプルホールドす
る。サンプルホールドされた信号は抵抗値信号ｖＲとし
て比較器４に人力され、さらに比較器４で偏差信号ΔＶ
が算出され、コントローラ６にフィードバックされる。

そして、コントローラ６からの信号はＰＷＭ回路２１に
入力され、このＰＷＭ回路２１によってスイッチング回
路２２を制御することにより、偏差信号ΔＶを小さくす
る方向へ駆動パルスのパルス幅が可変制御され、スイッ
チング回路２２によって形状記憶合金体２が駆動される
。

また、ＰＷＭ回路２１からは所定周波数のパルスが出力
され、このパルスが第６図に示す制御部８のアンド回路
１５．．１５２に入力される。この場合、上記パルスの
周波数をＦ′とすれば、ダウンカウンタ１７に設定する
数値ｎ′は、［ｎ′−ＴＸＦ’　］　となる。

上記第４実施例によれば、発振器１４を格別に設ける必
要がないので、制御部８の回路構成が簡単になるという
効果が得られる。

第９図は本発明の第５実施例を示すものである。

この実施例は、たとえば内視鏡に応用した場合を示して
いる。すなわち、内視鏡３１の挿入部３２の先端には湾
曲部３３があり、この湾曲部３３内には一対の形状記憶
合金体３４．．３４２が設けられている。形状記憶合金
体３４１．３４２にはリード線３５が接続されており、
このリード線３５は操作部３６およびユニバーサルコー
ド３７内を挿通され、コネクタ３８を介して光源装置３
つに導かれている。光源装置３９内には、駆動部４０お
よび抵抗検出部４１など、第１１図に示す各部と同等の
ものが設けられている。

湾曲部３３内の構造は、たとえば第１０図に示すように
、複数のフランジ４２．・・・に一対の形状記憶合金体
３４１１　３４２が固定されているとともに、複数のフ
ランジ４２．・・・の中心部にはバイアスばね４３が軸
方向に沿って設けられている。

また、冷却用チューブ４４が中心軸上に設けられており
、この冷却用チューブ４４から空気を送り込むことによ
り、形状記憶合金体３４１．３４２の冷却を行なうよう
になっている。

第１１図は第９図に示した内視鏡３１のブロック図を示
すものである。すなわち、アクチェータ４１（内視鏡３
１の湾１曲部３３に相当）は、たとえばＮｉ−Ｔｌなど
の形状記憶合金体３４．３４２と、これらを結合する結
合部４２とで構成されている。第１１図では、形状記憶
合金体３４１は高温の状態で、形状記憶合金体３４２は
低温の状態を示す。逆に、形状記憶合金体３４１が低温
で、形状記憶合金体３４２が高温の場合に１よ破線で示
す状態となる。

抵抗検出部４３．．４３２は、それぞれ形状記憶合金体
３４１　ｒ　　３４２に電気的に接続され、形状記憶合
金体３４．．３４２の抵抗値Ｒａ、Ｒｂを検出し、抵抗
値信号を出力する。

変位算出部４４は、抵抗検出部４３１，４３２から出力
される抵抗値信号を受入れ、その各抵抗値信号に基づき
アクチェータ４１の変位Ｘを算出して、その変位信号λ
Ｐ１．　　λＰ２を出力する。

比較器４５．．４５２は、変位算出部４４から出力され
る変位信号λＰ１＋　　λＰ２と参照信号λ１．λ２と
をそれぞれ比較することにより、それらの偏差信号Δλ
１．Δλ２をそれぞれ算出する。

駆動部４６□、４６２は、比較器４５゜４５２から出力
される偏差信号Δλ７．Δλ２を受入れ、その偏差信号
Δλ０．Δλ２に比例した電流１１．１２によって形状
記憶合金体３４１゜３４□をそれぞれ通電加熱すること
により、アクチェータ４１を駆動する。

アクチェータ４１が駆動されると、変位算出部４４から
出力される変位信号λＰｌ＋　　λ、２は、それぞれ参
照信号λ７．λ２に近い値に移行し、比較器４５□、４
５２から出力される偏差信号Δλ１．Δλ２は充分に小
さくなる。その結果、アクチェータ４１の変位Ｘは参照
信号λ１．λ２の値に比例して保持される。

また、制御部４７には、記憶部４８から形状記憶合金体
’３４１．３４２の抵抗値の最大値Ｒｍａｘおよび最小
値Ｒ１ｎが入力されるとともに、変位算出部４４から形
状記憶合金体３４１．３４□の各抵抗値が人力される。

これにより、制御部４７は、その各入力データに基づき
駆動部４６１４６２を停止させる制御信号を出力するよ
うになっている。

さて、正規化抵抗値λは、金相中に占める母相の割合を
示しており、また、正規化１氏抗値λと発生力あるいは
変位との間には、はぼ線形な関係にあることが報告され
ている。したがって、正規化抵抗値λを目標値とするこ
とにより、アクチェータ４１の変位（位置）を制御する
ことができる。

ところが、一般に、形状記憶合金体の抵抗値は、環境や
疲労などによって変化するものであるため、従来から行
なわれているような、あらかじめ形状記憶合金体の抵抗
値の最大値Ｒｆｆ１ａＸおよび最小値Ｒｆｆ１ｉｎを求
めておき、この最大値Ｒｍａｘおよび最小値Ｒｍｉｎを
基に、正規化抵抗値λに換算することは、正確に母相の
割合を示しているとは言えず、さらに変位（位置）を精
度よく制御できるものではない。

そこで、本実施例においては、アクチェータ４１を駆動
する直前に、形状記憶合金体３４１゜３４２の各抵抗値
Ｒａ、Ｒｂの最大値Ｒｗａｘおよび最小値Ｒｓｉｎをそ
れぞれ検出して、それを記憶部４８に記憶できるように
している。

すなわち、たとえば駆動部４６．．４６２で通電加熱す
る前に、形状記憶合金体３４１．３４２を充分に冷却し
ておき、そのときの形状記憶合金体３４１．３４２の各
抵抗値を抵抗検出部４３、。

４３２で検出し、この検出した値を最大値Ｒ腐ａＸとす
る。次に、形状記憶合金体３４．．３４２が変形動作す
るのに充分な電流Ｉ、、Ｉ２を駆動部４６．．４６２か
ら供給し、変形動作を終了するのに充分な時間経過の後
に、形状記憶合金体３４１．３４２の各抵抗値を」二足
同様に検出し、この検出した値を最小値Ｒ１ｎとする。

こうして求めた最大値ＲＩａＸおよび最小値Ｒｍｌｎを
、変位算出部４４を介して記憶部４８に記憶しておき、
これらの各位を基に変位算出部４４で正規化抵抗値λを
求めることにより、正確な母相の割合を示し、アクチェ
ータ４１の変位（位置）を精度よく制御できる。

また、制御部４７は、記憶部４８から抵抗値の最大値Ｒ
ｍａｗおよび最小値Ｒ１ｎを読出し、それらの各位に基
づき抵抗値Ｒ１，Ｒ２を算出し、第１実施例の制御部８
と同様の動作を行なうことにより、形状記憶合金体３４
．、　３４２の過加熱や過冷却を防止できる。この場合
、制御部４７の基準電圧は形状記憶合金体３４．．３４
２の抵抗値変化範囲（Ｒｍａｘ　、　Ｒｍｌｎ　）を正
確に反映しているため、より精度よく確実に過加熱およ
び過冷却を防止することができる。

従来の内視鏡では、所望の湾曲を正確かつ容易に得るこ
とは非常に困難であったが、本実施例においては、形状
記憶合金体３４．．３４２の抵抗値を検出し、それをフ
ィードバックすることにより、所望の湾曲を正確かつ容
易に得ることができる。

内視鏡に応用した場合には小形化が必要で、位置センサ
などを用いることが困難であり、形状記憶合金体の抵抗
値を用いた位置制御が適している。

なお、上記実施例において、形状記憶合金体３４、．３
４２はコイルばね状、線状あるいは板状であってもよい
ことは明白である。

また、変位算出部４４、制御部４７および記憶部４８は
、たとえばマイクロコンピュータによるソフトウェアで
構成されていてもよいことは明白である。

また、形状記憶合金体３４１．３４２は、端部のフラン
ジ４２で折返して一往復させであるが、特に−往復であ
る必要はなく、発生力や寸法などに応じて決定すればよ
い。

また、形状記憶合金体は一対だけ設け、２方向湾曲タイ
プの内視鏡３１としたが、たとえば形状記憶合金体を２
対設けることにより、４方向湾曲タイプの内視鏡３１と
してもよい。

また、第９図に示した湾曲部３３を直列に複数設けるこ
とにより、多関節の内視鏡３１も実現可能である。

また、内視鏡３１は医療用および工業用の両方に利用が
できる。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明の形状記憶アクチェータによ
れば、形状記憶合金体の状態をその抵抗値により検出し
、形状記憶合金体が過加熱あるいは過冷却になると、形
状記憶合金体の駆動手段を制御することにより、形状記
憶合金体の加熱あるいは冷却を中断または減少させるの
で、形状記憶合金体の過加熱および過冷却を確実に防止
できる。

したがって、形状記憶合金体の記憶形状を喪失したり、
形状回復特性を劣化するのを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の詳細な説明するためのもので、第１図は第
１実施例を示す構成図、第２図は第１実施例における制
御部の構成図、第３図は第２図の動作を説明する要部信
号波形図、第４図は形状記憶合金体の温度と抵抗値との
関係を示す図、第５図は第２実施例における制御部の構
成図、第６図は第３実施例における制御部の構成図、第
７図は第６図の動作を説明する要部信号波形図、第８図
は第４実施例における抵抗検出部および駆動部の構成図
、第９図は第５実施例を示す構成図、第１０図は第９図
における湾曲部内の構造を説明する斜視図、第１１図は
第９図における内視鏡のブロック図である。 １・・・アクチェータ、２・・・形状記憶合金体、３・
・・抵抗検出部（抵抗検出手段）、４・・・比較器（比
較手段）、６・・・コントローラ、７・・・駆動部（駆
動手段）、８・・・制御部、９１．９２，１３１゜１３
２・・・比較器（比較手段）。 出願人代理人　弁理士　坪井　　淳 笥４図 第 図 第 図 空気／ 第１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　形状記憶合金体の変位に基づいて動作するアクチェー
   タと、 前記形状記憶合金体を加熱および冷却する駆動手段と、 前記アクチェータの変位と変位の目標値との偏差に基づ
   き前記駆動手段を作動させる第１比較手段と、 前記形状記憶合金体の抵抗値を検出する抵抗検出手段と
   、 この抵抗検出手段で検出された抵抗値とあらかじめ設定
   される前記形状記憶合金体が高温であることを示す第１
   抵抗値および前記形状記憶合金体が低温であることを示
   す第２抵抗値とを比較する第２比較手段と、 この第２比較手段の比較結果に基づき前記駆動手段を制
   御する制御手段と を具備したことを特徴とする形状記憶アクチェータ。