JPH0526032B2 - - Google Patents

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JPH0526032B2
JPH0526032B2 JP58141034A JP14103483A JPH0526032B2 JP H0526032 B2 JPH0526032 B2 JP H0526032B2 JP 58141034 A JP58141034 A JP 58141034A JP 14103483 A JP14103483 A JP 14103483A JP H0526032 B2 JPH0526032 B2 JP H0526032B2
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shape memory
memory alloy
alloy body
force
displacement
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Juji Hosoda
Masakatsu Fuje
Kazuo Pponma
Taro Iwamoto
Koji Kameshima
Yoshio Kojima
Yoshuki Nakano
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Hitachi Ltd
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Priority to EP84109111A priority patent/EP0133543B1/en
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Publication of JPH0526032B2 publication Critical patent/JPH0526032B2/ja
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    • G—PHYSICS
    • G12—INSTRUMENT DETAILS
    • G12B—CONSTRUCTIONAL DETAILS OF INSTRUMENTS, OR COMPARABLE DETAILS OF OTHER APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G12B1/00—Sensitive elements capable of producing movement or displacement for purposes not limited to measurement; Associated transmission mechanisms therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/02—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/005—Measuring force or stress, in general by electrical means and not provided for in G01L1/06 - G01L1/22
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0061—Force sensors associated with industrial machines or actuators

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Control Of Position Or Direction (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は駆動装置に係り、特にアクチユエータ
となる形状記憶合金体の力制御に好適な駆動装置
に関するものである。
〔発明の背景〕
負荷を駆動する駆動系は、一般的な負荷とこの
負荷を駆動部に連結する伝達系と駆動部とで構成
されている。この種の駆動系においては駆動部に
作用するオーバーロードに対する保護等の目的
で、駆動部に作用する力を検出する手段を備えて
いる。この検出はロードセル等の力センサにより
行われている。この場合、力センサを伝達系の一
部に組込む必要がある。そのため、伝達系の構造
が複雑になり、駆動装置の小形、軽量化が難しか
つた。特に形状記憶合金体を用た駆動装置におい
てはさらにその小形、軽量化が難しいものであ
る。
また、力は、力センサに直接加わる張力、歪応
力等で検出している。このため、大きな力を検出
する場合には、力センサ自体の構造強度を十分高
くする必要があり、力センサが大形化する傾向に
あつた。また、力センサの構造強度が高くなる
と、力検出感度が低下するという問題が生じてい
た。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、形状記憶合金体によるアクチ
ユエータの力制御を可能とした小形、軽量な駆動
装置を提供することにある。
〔発明の概要〕
本発明は、形状記憶合金体が発生する力が、形
状記憶合金体の温度もしくは抵抗と変位とにより
変化する点に着目し、アクチユエータを構成する
形状記憶合金体の温度もしくは抵抗とアクチユエ
ータの変位との情報より、アクチユエータの出力
に関する力情報を検出することを特徴とするもの
である。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。
第１図は本発明の装置の一実施例の構成を示す
もので、この図において９は負荷を示す。この負
荷９は伝達系８を介してNiTi等の形状記憶合金
体６からなるアクチユエータ７に連結している。
１５は形状記憶合金体６に接続する加熱冷却手段
である。
この形状記憶合金体６は加熱冷却手段１５が発
生する電流Ｉにより通電加熱され収縮し、伝達系
８を介して負荷９を駆動する。
アクチユエータ７の変位ｘは、伝達系８に接続
されたポテンシヨメータ等からなる変位検出部１
０により変位信号Vxとして検出される。また、
形状記憶合金体６の温度Ｔは温度検出部１３によ
り温度信号Vtとして検出される。
温度検出部１３は形状記憶合金体１６に接触し
て設けられた熱電対、サーミスタ等の温度センサ
１１と、温度センサ１１の出力を温度信号Vtに
変換する処理回路１２から構成されている。力算
出部１４は、変位信号Vx及び温度信号Vtにより
アクチユエータ７に加わる力Feを算出し、力Fe
に比例した力信号Vfを出力する。
つぎに、上述した本発明の駆動装置の一実施例
の動作を説明する。
第２図は、形状記憶合金体６の変位−力特性を
示したものである。この図において、横軸は形状
記憶合金体６の変位ｘ、縦軸は形状記憶合金体６
が発生する力Fanである。形状記憶合金体６は、
結晶がマルテンサイト相となる低温状態では、図
中の破線Tlで示すように剛性が低く、結晶がオー
ステナイト相になる高温状態では、図中の実線
Thで示すように剛性が高い。したがつて、図中
の負荷曲線Ｔに示すような外力が、負荷９より形
状記憶合金体６に加わると、低温Thではその変
位はｘはxlとなり、高温Thへと温度が上昇するに
伴い、形状記憶合金体６の変位ｘはxhへと収縮す
る。
すなわち、第１図に示すアクチユエータ７、負
荷９、変位検出部１０において、実線で示すのは
高温状態、破線で示す低温状態である。
以上のことから、第２図の特性より、力Fanは
(1)式で示すように変位ｘと温度Ｔの関数として記
述できる。
Fan＝Ｆ（ｘ，Ｔ） ……(1) さらに、第１図に示す構成においては、伝達系
８における力のロスが無視できるとすれば、外力
はFeは、(2)式で記述できる。
Fe＝Fan ……(2) したがつて、(1)式及び(2)式より(3)式が得られ
る。
Fe＝Ｇ（ｘ，Ｔ） ……(3) この(3)式より、力Feは変位ｘ及び温度Ｔによ
り算出することができる。
力算出部１２は、(3)式に基づく(4)式の演算を実
行する。
Vf＝Ｇ（Vx，Vt） ……(4) つぎに、第１図で示す実施例の力算出部１４の
構成例で詳述する。
第３図は力算出部１４の一構成例を示すもの
で、アドレス変換部１６により変位信号Vx及び
温度信号VtによりアドレスＡを決定し、テーブ
ル回路１７によりアドレスＡに基づきデータＤを
選択して、出力部１８によりデータＤに基づく力
信号Vfを出力するように構成されている。テー
ブル回路１７は、たとえばROM等により構成さ
れ、アドレスＡのデータＤとして、アドレスＡに
対応する変位信号Vx及び温度信号Vtの値より(4)
式を用いて計算して得たVtの値を記憶している。
第４図は力算出部１４の他の構成例を示すもの
で、この構成例は(4)式の演算を、(5)式ら近似した
場合のものである。
Vf＝P1（Vt−P0）n・Vx rn ……(5) この例は演算器１９，２０および乗算器２１で
構成されており、演算器１９は温度信号Vtと定
数P0の差のｎ乗の値を算出する。演算器２０は
変位信号Vxのｍ乗の値を算出する。
さらに、演算器１９と演算器２０の出力の積は
乗算器２１で演算され力出力Vfを得る。
なお、ｎ＝１，ｍ＝１の場合は、演算器１９は
減算器で構成され、演算器２０は必要とせず、変
位信号Vxは直接乗算器２１の入力ｂに入力され
る。
上述した実施例によれば、形状記憶合金体の温
度によりアクチユエータ７の出力を検出すること
が可能であり、アクチユエータ自体に力センサ機
能を付加した駆動装置を構成することができる。
なお、この実施例では、位置検出部１０を伝達
系８に接続しているが、アクチユエータ７に接続
してもよいことは明白である。また、位置検出部
１０は、非接触にアクチユエータの変位を計測で
きるものでもよいことは明白である。
また、この実施例では温度検出部１３の温度セ
ンサ１１は、形状記憶合金体６に接触して設ける
としているが、赤外線センサ等の非接触の温度セ
ンサを用いてもよいことは明白である。
また、変位信号１０、温度検出部１３及び力算
出部１４の出力は、アナログ信号でもデイジタル
信号でもよいことは明白である。
また、変位検出部１０、温度検出部１３及び力
検出部１４がアナログ回路、デイジタル回路、ア
ナログとデイジタルの混成回路もしくは、マイク
ロコンピユータによるソフトウエアで構成されて
もよいことは明白である。
また、アクチユエータ７を構成する形状記憶合
金体６は、線状，つる巻ばね状，板状等のように
形状がどのようなものでもよいことは明白であ
る。
また、加熱冷却手段１５による形状記憶合金体
６の加熱は、通電過熱だけでなく、誘導加熱、レ
ーザ照射等の電磁波による加熱、化学反応による
加熱等でもよいことは明白である。
つぎに、本発明を構成するアクチユエータとそ
の温度検出部との他の実施例を説明する。
第５図はアクチユエータと温度検出部との他の
例を示すもので、アクチユエータ２２は、形状記
憶合金体２３とその両端部Ａ，Ｂにて接合され、
かつ形状記憶合金体２３とは異なる導電材２４及
び２５とより構成されている。接合点Ｂには接合
点Ｂの温度を一定温度T0に保つペルチエ素子等
からなる恒温度２６が設けられている。導電材２
４及び２５のそれぞれには同一材質のリード線２
４ａ及び２５ａが続されている。リード線２４
ａ，２２５ａ間には、結合点Ａの温度Ｔによる熱
起電圧Etと結合点Ｂの温度T0による熱起電圧−
Et0が加算された電位差Eioが生じる。温度検出部
２７は電位差Eioを入力し、温度Ｔに比例した値
の温度信号Vtを算出し出力する。
この実施例によれば、形状記憶合金体２３の熱
起電力効果により温度を検出できるので、特にア
クチユエータに温度センサを設ける必要がない。
第６図は、アクチユエータと温度検出部とのさ
らに他の例を示すもので、アクチユエータ２８
は、形状記憶合金体２９により構成されている。
形状記憶合金体２９には同一の材質からなるリー
ド線３０及び形状記憶合金体２９とは異質の導電
材からなるリード線３１が接合されている。温度
検出部３２はリード線３０とリード線３１と同一
の材料からなるリード線３３との結合点B′に設
けられ結合点B′の温度を一定温T0に保つ恒温部
３４と、リード線３１とリード線３３の間に発生
する結合点A′及び結合点B′の熱起電圧の合計で
ある位差Eioを入力し、温度Ｔに比例した温度出
力Vtを算出し出力する処理回路３５とから構成
される。
この実施例によれば、第５図に示す例と同様
に、アクチユエータに温度センサの機能を付加す
ることが可能であり、さらに、アクチユエータに
恒温部を設ける必要がなく、アクチユエータの小
形化、構造の簡素化が容易になる。
第７図は、第６図に示す実施例の変形例を示す
もので、この図において第６図と同じ番号を記し
た部分は同様のものを表わす。温度検出部３６は
結合点B′の温度T0を検出するために、結合点
B′に接合された温度センサ３７と、温度センサ
３７の出力に基づきリード線３１とリード線３３
との間の電位差Eioを補正し、第５図で示す結合
点A′の温度Ｔに比例した温度出力Vtを算出し出
力する処理回路３８より構成されている。
この変形例によれば、温度検出部に、恒温部を
設ける必要がなく、温度検出部の小形化、簡素化
が容易になる。
第８図は第６図に示す実施例のさらに他の変形
例を示すもので、この図において第６図と同じ番
号を記した部分は同様のものを表わす。
アクチユエータ３９は、形状記憶合金体２９か
らなり、形状記憶合金体２９には第６図で示すリ
ード線３０と同質のリード線３０１〜３０ｎと第
６図で示すリード線３１と同質のリード線３１１
〜３１ｎが交互に接合されている。隣接するリー
ド線３０１〜３０ｎとリード線３１１〜３１ｎの
対は、それぞれ第６図で示す温度検出部３２と同
じ構成の温度検出部３２１〜３２ｎに接続されて
いる。結合点A1〜Aoの温度T1〜Toに比例した処
理３２１〜３２ｎからの温度出力Vt1〜Vtoは、演
算器４０に入力される。演算器４０は温度出力
Vt1〜Vtoの平均値に比例した温度出力Vtを出力す
る。
この変形例によれば、形状記憶合金体の平均温
度を検出することが可能で、温度検出部に接続す
る処理の信頼性，精度を向上させることができ
る。
次に、本発明の装置の他の実施例を第９図及び
第１０図を用いて説明する。
第９図は本発明の装置の他の実施例の構成図を
示すもので、この図において第１図と同じ番号を
記した部分は同様のものを表わす。アクチユエー
タ４１は、形状記憶合金体６とバネ等の弾性材４
２とを結合部４４を介して結合して構成されてい
る。アクチユエータ４１は、結合部４４に接続さ
れた伝達系４３を介して負荷を駆動する。変位検
出部１０は結合部４４に接続されている。力算出
部４５は、変位信号Vx及び温度信号Vtによりア
クチユエータ４１に加わる力Feを算出し、力Fe
に比例した力信号Vfを出力する。
つぎに、上述した本発明の装置の他の実施例の
動作を説明する。
第１０図は、第２図と同様に形状記憶合金体６
の変位−力特性を示したものである。図中一点鎖
線で示したのが、形状記憶合金体６に加わる力を
表わす負荷曲線TAである。弾性材４２は、あら
かじめ初期変位x0の歪を与えられて形状記憶合金
体６と結合しているため、弾性力Fapにて形状記
憶合金体６を引張つている。さらに、伝達系４３
を介して力Feを加えた場合、形状記憶合金体６
は、弾性力Fapと力Feの合力で引張られる。
このことから、力Fan，弾性力Fap及び力Feと
の間には(6)式が成立する。
Fan＝Fap＋Fe ……(6) すなわち、第１０図を参照すれば分かるよう
に、低温Tlではアクチユエータの変位ｘはxlにお
ちつき、高温Thへと温度が上昇するに伴い、Fan
が大きくなり変位はxhへと移行する。
弾性体４２の弾性力Fapは、たとえば、(7)式に
示すように、変位ｘの関数として記述できる。
Fap＝ｋ（x0−ｘ） ……(7) ここで、ｋはばね定数を表わす。
また、力Fanは(1)式で示すように変位ｘと温度
Ｔの関数として記述できる。したがつて、(6)式よ
り力Feは(8)式に示すような変位ｘと温度Ｔの関
数として記述できる。
Fe＝Ｈ（ｘ，Ｔ） ……(8) 力算出部４５は、(8)式に基づく(9)式の演算を実
行し、力出力Vfを算出するよう構成されている。
Vf＝H′（Vx，Vt） ……(9) この実施例は、形状記憶材料６の力Fanと弾性
材４２の弾性力Fanとのつり合いにより変位ｘを
決定するように構成しているため、負荷による力
Feの減少に伴い変位ｘを増加させることが可能
であり、アクチユエータ４１の変位を減少，増加
の双方向に変化できる。
この実施例において、変位検出部１０は結合部
４４のみならず、形状記憶合金体６及び伝達系４
３のいずれに接続してもよいことは明白である。
また、形状記憶合金体６は直接弾性材４２に接続
してもよいことは明白である。また、弾性材４２
は、伝達系４３に析続してもよいことは明白であ
る。また、弾性材４２はつる巻ばね，板ばね，空
気ばね等の変位に対して弾性力を発生するもので
あればどのような材質，形式のものでもよいこと
は明白である。また、この実施例の構成において
は、形状記憶合金体６と弾性材４２の張力を拮抗
させているが、相互の押圧力、曲げモーメント及
びねじりモーメント等を拮抗させる構成にしても
よいことは明白である。
次に、本発明の駆動装置のさらに他の実施例を
第１１図及び第１２図を用いて説明する。
第１１図は本発明の駆動装置のさらに他の実施
例の構成を示すもので、この図において第９図と
同じ番号を記した部分は同様のものを表わす。ア
クチユエータ４９は、形状記憶合金体６と形状記
憶合金体４７とを結合部４６を介して結合して構
成されている。アクチユエータ４９は、結合部４
５に接続された伝達系４８を介して負荷を駆動す
る。変位検出部１０は、結合部４６に接続されて
いる。
加熱冷却手段１５及び５０は、それぞれ形状記
憶合金体６及び形状記憶合金体４７に電流I1及び
I2を流し通電加熱する。
ここで、加熱冷却手段１５及び５０は、電流I1
を増加する場合、電流I2を減少し、電流I1を減少
する場合、電流I2を増加するよう制御される。
温度検出部１３は、形状記憶合金体６の温度
T1に比例した抵抗信号Vt1を出力する。温度検出
部１１と同様の構成を持つ温度検出部５１は、形
状記憶合金体４７の温度T2に比例した温度信号
Vt2を出力する。力算出部５２は、変位信号Vx及
び温度信号Vt1により形状記憶合金体６が発生す
る力Fan1を算出し、力Fan1に比例した力出力Vf1
を出力する。力算出部５３は、変位信号Vx及び
温度信号Vt2により形状記憶合金体４７が発生す
る力Fan2を計算し、、力Fan2に比例した力出力Vf2
を出力する。減算器５４は、力出力Vf1と力出力
Vf2との差に比例した力出力Vfを出力する。
つぎに、第１２図により、上述した本発明の装
置の他の実施例の動作を説明する。
第１２図は第２図と同様に形状記憶合金体６の
変位−力特性を示したものである。この図中、一
点鎖線及び二点鎖線で示したのが、形状記憶合金
体６に加わる力を表わす負荷曲線T1，T2である。
形状記憶合金体４７は、あらかじめ初期変位x0の
歪を与えられて形状記憶合金体６と結合してい
る。そのため、形状記憶合金体６及び形状記憶合
金体４７は、それぞれの温度に応じた剛性により
引張り合う。さらに、伝達系４８を介して力Fe
を加えた場合、形状記憶合金体６は、形状記憶合
金体４７の力Fan2と力Feの合力で引張られる。
このことから、力Fan1，力Fan2及び力Feとの間
には、(10)式が成立する。
Fan1＝Fan2＋Fe ……(10) すなわち、第１１図を参照すれば分かるよう
に、形状記憶合金体６が低温Tl1で形状記憶合金
体４７が高温Th2の場合、変位ｘはxlにおちつき、
形状記憶合金体６の温度が高温Th1へまた同時に
形状記憶合金体４７の温度が低温Tl2へと移行す
るに伴い、変位はxhへ移行する。
力Fan2は(1)式を適用して、(1)式として記述でき
る。
Fan2＝Ｆ（x0−ｘ，Ｔ）＝F′（ｘ，Ｔ） ……(11) 力Fan1については、(1)式をそのまま適用でき
る。
Fan1＝Ｆ（ｘ，Ｔ） ……(12) 以上から、(10)式，(11)式及び(12)式より力Feは、 Fe＝Fan1−Fan2＝Ｆ（ｘ，Ｔ）−F′（ｘ，Ｔ）
……(13) と記述することができる。
力算出部５２は(12)式に基づく(14)式の演算を実行
し、また力算出部５３は(11)式に基づく(15)式の演算
を実行し、力出力Vfを算出するように構成され
ている。
Vf1＝F″（Vx1，Vt1） ……(14) Vf2＝Ｆ（Vx2，Vt2） ……(15) さらに、(13)式に基づき、力出力Vf1とVf2との差
を減算器５４により演算し、力Feに比例する力
出力Vfを出力する。
この実施例は、形状記憶合金体６の力Fan1と形
状記憶合金体４７の力Fan2とのつり合いにより変
位ｘを決定するように構成しているため、アクチ
ユエータ４９の変位を減少、増加の双方向に変化
できる。
また、形状記憶合金体６と形状記憶合金体４７
の変位−力特性を等価するように構成すれば、ア
クチユエータの変位の双方向に対して等質の出力
特性が得られる。
この実施例において、変位検出部１０は、結合
部４６のみならず、形状記憶合金体６及び伝達系
４８のいずれに接続してもよいことは明白であ
る。また、形状記憶合金体６と形状記憶合金体４
７は直接接続してもよいことは明白である。ま
た、形状記憶合金体４７は伝達系４８に接続して
もよいことは明白である。また、形状記憶合金体
６と形状記憶合金体４７の形状及び材質は互いに
異なるものでもよいことは明白である。また、こ
の実施例の構成においては、形状記憶合金体６と
形状記憶合金体４７の引張り力を拮抗させている
が、相互の押圧力、曲げモーメント及びねじりモ
ーメント等を拮抗させる構成にしてもよいことは
明白である。また以上述べた一実施例及び他の実
施例において、温度検出部は、形状記憶合金体の
温度により変化する物理量、例えば電気抵抗、帯
磁率等に基づき形状記憶合金体の温度を検出する
よう構成してもよいことは明白である。
以上述べた実施例は形状記憶合金体の温度とそ
の変位とにより、その情報を検出するようにした
ものであるが、形状記憶合金体の抵抗値とその変
位とにより、その力情報を検出する場合を以下に
説明する。
第１３図は本発明の装置の一実施例を示すもの
で、第１図と同符号のもは同一部分である。この
実施例において、第１図に示す実施例と異なる点
は、形状記憶合金体６の抵抗Ｒを抵抗信号Vrと
して検出する抵抗検出部５５および変位信号Vx
及び抵抗信号Vrよりアクチユエータ７に加わる
Feを算出し、力Feに比例した力信号Vfを出力す
る力算出部５６を備えたものである。
つぎに、上述した本発明の装置の一実施例の動
作を説明する。
第１４図は、形状記憶合金体６の変位−力特性
を示すもので、第２図と同様であるので、その詳
細な説明は省略する。
第１５図は、第１４図の変位−力特性に対応す
る形状記憶合金体６の変位−抵抗特性を示したも
のである。この図における横軸は形状記憶合金体
６の変位ｘ、縦軸は形状記憶合金体６の抵抗Ｒで
ある。この図中、実線及び破線で示す特性は、第
１４図の高温Th、低温Tlに対応する特性である。
この図より、抵抗Ｒは変位ｘに対して単調増加特
性を示す。また、変位−抵抗特性の勾配は温度Ｔ
が高いほど大きくなる。すなわち、抵抗Ｒは温度
Ｔに対しても単調増加特性を示す。
以上のことから、第１４図の特性により、力
Fanは、(16)式で示すように変位ｘと温度Ｔの関数
として記述できる。
Fan＝Ｆ（ｘ，Ｔ） ……(16) また、第１５図の特性により、抵抗Ｒも、(17)式
で示すように変位ｘと温度Ｔの関数として記述で
きる。
Ｒ＝Ｇ（ｘ，Ｔ） ……(17) ここで、(16)式及び(17)式中の温度Ｔを共通パラメ
ータとして消去し整理すれば、(18)式が得られる。
Fan＝Ｈ（ｘ，Ｒ） ……(18) すなわち、力Fanは、変位ｘと抵抗Ｒとの関数
として記述できる。
さらに、第１３図の構成においては、伝達系８
における力のロスが無視できるとすれば、外力
Feは、(19)式で記述できる。
Fe＝Fan ……(19) したがつて、(18)式及び(19)式より次の(20)式が得ら
れ、 Fe＝Ｈ（ｘ，Ｒ） ……(20) この(20)式より、力Feは変位ｘ及び抵抗Ｒによ
り算出できる。
力算出部５６は、(20)式に基づく（21）式の演算
を実行する。
Vf＝H′（Vx，Vr） ……(21) つぎに、第１３図で示す実施例の構成要素につ
いて詳述する。
第１６図，第１７図及び第１８図は、抵抗検出
部５６の構成例を示したものである。
第１６図はその一構成例を示すもので、この例
は電源５７により電力を供給される定電流回路５
８により、形状記憶合金体６に定電流Irを流し、
形状記憶合金体６の抵抗Ｒによる電圧降下Erを、
増幅器５９にて増幅し、抵抗信号Vrを出力する。
電葦降下Erは、（22）式より抵抗Ｒに比例してい
る。
Er＝Ir・Ｒ ……(22) このため、増幅器５９の特性が線形であれば、
増幅器５９は抵抗Ｒに比例した抵抗信号Vrを得
ることができる。
第１７図はその他の構成例を示すもので、この
例は定電圧源６０により形状記憶合金体６に電流
Idを流し、形状記憶合金体６の抵抗Ｒによる電圧
降下Erを一定に保ち、さらに抵抗Rdに電流Idを流
し、その電圧降下Edを演算器６１に入力し、抵
抗出力Vrを得る。電流Idは（23）式により得ら
れ、また電圧降下Edは（23）式を用い（24）式
より得られる。
Id＝Er／Ｒ ……(23) Ed＝Rd・Id＝Rd・Er・１／Ｒ ……(24) 演算器６１は、電圧降下Edの逆数を抵抗出力
Vrとして出力するよう構成されており、（24）式
より求まる次の（25）式に示すように、抵抗Ｒに
比例した抵抗出力Vrを得ることができる。
Vr＝１／Ed＝１／Rd・Er・Ｒ ……(25) 第１８図はさらに他の構成例を示すもので、容
量Ｃと、形状記憶合金体６の抵抗Ｒにより構成さ
れる直列接合回路に定電圧源６２により定電圧を
印加し、容量Ｃの電圧降下Erの経時的変化を時定
数回路６３により検出し抵抗信号Vfを出力する。
たとえば、時定数回路６３をモノマルチバイブレ
ータで構成すれば、抵抗信号Vfは、容量Ｃ及び
抵抗Ｒによる時定数で決まるパルス幅として得ら
れる。
つぎに、第１９図，第２０図及び第２１図を用
いて、力算出部５６の構成例を説明する。
第１９図はその一構成例を示すもので、アドレ
ス変換部６４により、変位信号Vx及び抵抗信号
VrよりアドレスＡを決定し、テーブル回路６５
によりアドレスＡに基づきデータＤを選択して、
出力部６６によりデータＤに基づく力信号Vfを
出力する。テーブル回路６５は、たとえばROM
等により構成され、アドレスＡのデータＤとし
て、アドレスＡに対応する変位信号Vx及び抵抗
信号Vrの値より前述の（21）式を用いて計算し
て得た力信号Vfの値を記憶させておく。
第２０図はその他の構成例を示すもので、（21）
式の演算を、次の（26）式に近似した場合のもの
である。
Vf＝P2（Vr−P1）Vx ……(26) すなわち、抵信号Vrと係数器５７により得ら
れた定数値−P1は、加算器６８により加算され、
加算器６８の出力Vr−P1と変位信号Vxは、乗算
器６９により乗算され力出力Vfとなる。
第２１図はそのさらに他の構成例を示すもの
で、この例は（21）の演算を次の（27）式に近似
した場合のものである。
Vf＝P3Vr＋P4Vx−P5 ……(27) すなわち、係数器７０によりP3を乗じた抵抗
信号Vr、係数器７１によりP4を乗じた変位信号
Vx及び係数器７２により得られた定数値−P5は、
加算器７３により加算され力信号Vfとなる。
上述の実施例は、以上のような構成としたの
で、形状記憶合金体６の抵抗値よりアクチユエー
タの出力を検出することが可能である。その結
果、アクチユエータ自体に力センサ機能を付加し
た駆動装置を構成することができる。
なお、上述の実施例では、位置検出部１０を伝
達系８に接続しているが、アクチユエータ７に接
続してもよいことは明白である。また、位置検出
部１０は、非接触にアクチユエータの変位を計測
できるものでもよいことは明白である。また、変
位検出部１０、抵抗検出部５５及び力算出部５６
の出力は、アナログ信号でもデイジタル信号でも
よいことは明白である。また、変位検出部１０、
抵抗検出部５５及び力検出部５６がアナログ回
路、デイジタル回路、アナログとデイジタルの混
成回路もしくは、マイクロコンピユータによるソ
フトウエアで構成されてもよいことは明白であ
る。また、アクチユエータ７を構成する形状記憶
合金体６は、線状，つる巻ばね状，板状等の形状
がどのようなものでもよいことは明白である。ま
た、加熱冷却手段１５による形状記憶合金体６の
加熱は、通常過熱だけでなく、誘導加熱，レーザ
照射等の電磁波による加熱、化学反応による加熱
等でもよいことは明白である。
つぎに、本発明の装置の他の実施例を第２２図
及び第２３図を用いて説明する。
第２２図は本発明の装置の他の実施例の構成を
示すもので、この図において第９図と同じ番号を
記した部分は、同様のものを表わす。
この実施例は第９図に示す実施例との比較にお
いて、第１３図に示す抵抗検出部５５と同様な抵
抗検出部７４および第１３図に示す力算出部５６
と同様な力算出部７５を備えたものである。力算
出部７５は、変位信号Vx及び抵抗信号Vrよりア
クチユエータ４１に加わるFeを算出し、力Feに
比例した力信号Vfを出力する。
つぎに、第２３図により、上述した本発明の装
置の他の実施例の動作を説明する。
第２３図は、第１０図と同様に形状記憶合金体
６の変位−力特性を示したものである。この図
中、一点鎖線で示したのが、形状記憶合金体６に
加わる力を表わす負荷曲線TAである。
弾性体４２は、あらかじめ初期変位x0の歪を与
えられて形状記憶合金体６と結合しているため、
弾性力Fapにて形状記憶合金体６を引張つている。
さらに、伝達系４３を介して力Feをアクチユ
エータ４１に加えた場合、形状記憶合金体６は弾
性体４２の力Fapと力Feとの合力で引張られる。
このことから、力Fan，弾性力Fap及び力Feと
の間には(12)式が成立する。
Fan＝Fap＋Fe ……(28) すなわち、第２３図を参照して述べると、低温
Tlでは形状記憶合金体６の変位ｘはxlにおちつ
き、高温Thへと温度が上昇するに伴い、Fanが大
きくなり変位はxhへと移行する。
弾性体４２の弾性力Fapは、たとえば、（29）式
に示すように、変位ｘの関数として記述できる。
Fap＝ｋ（x0−ｘ） ……(29) ここで、ｋはばね定数を表わす。
また、力Fanは、(18)式で示すように変位ｘと抵
抗Ｒの関数として記述できる。
したがつて、（28）式より力Feは次の（30）式
に示すような変位ｘと抵抗Ｒの関数として記述で
きる。
Fe＝Ｋ（ｘ，Ｒ） ……(30) これにより、力算出部７５は、（30）式に基づ
く次の（31）式の演算を実行し、力出力Vfを算
出する。
Vf＝K′（Vx，Vr） ……(31) この実施例は、形状記憶合金体６の力Fanと弾
性体４１の弾性力Fapとのつり合いにより変位ｘ
を決定するように構成しているため、負荷による
力Feの減少に伴い変位ｘを増加させることが可
能であり、アクチユエータ４１の変位を減少，増
加の双方向に変化できる。
この実施例において、変位検出部１０は、結合
部４４のみならず、形状記憶合金体６及び伝達系
４３のいずれに接続してもよいことは明白であ
る。また、形状記憶合金体６は直接弾性体４２に
接続してもよいことは明白である。また、弾性体
４２は、伝達系４３に接続してもよいことは明白
である。また、弾性体４２は、つる巻ばね，板ば
ね，空気ばね等の変位に対して弾性力を発生する
ものであればどのような材質、形式のものでもよ
いことは明白である。また、この実施例の構成に
おいては、形状記憶合金体６と弾性体４２の張力
を拮抗させているが、相互の押圧力，曲げモーメ
ント及びねじりモーメント等を拮抗させる構成に
してもよいことは明白である。
つぎに本発明の装置のさらに他の実施例を第２
４図及び第２５図を用いて説明する。
第２４図は本発明の装置のさらに他の実施例の
構成を示すもので、この図において第２２図と同
じ番号を記した部分は、同様のものを表わす。
この実施例においてはアクチユエータ４１は、
形状記憶合金体６と形状記憶合金体７６とを結合
部７６を介して結合して構成される。アクチユエ
ータ４１は、結合部７７に接続された伝達系７８
を介して負荷を駆動する。変位検出部１０は、結
合部７７に接続されている。加熱冷却手段１５及
び７９は、それぞれ形状記憶合金体６及び形状記
憶合金体７６に電流I1及びI2を流し通電加熱する
ように形状記憶合金体１５，７９にそれぞれ接続
している。
ここで、加熱冷却手段１５，７９は電流I1を増
加する場合、電流I2を減少し、また電流I1を減少
する場合、電流I2を増加するよう制御される。形
状記憶合金体６に接続した抵抗検出部８０は、形
状記憶合金体６の抵抗R1に比例した抵抗信号Vr1
を出力する。抵抗検出部８０と同様の構成を持
ち、かつ形状記憶合金体７６に接続した抵抗検出
部８１は、形状記憶合金体７６の抵抗R2に比例
した抵抗信号Vr2を出力する。力算出部８２に、
変位信号Vx及び抵抗信号Vf1より形状記憶合金体
６が発生する力Fan1を算出し、力Fan1に比例した
力出力Vf1を出力する。また力算出部８３は、変
位信号Vx及び抵抗信号Vr2より形状記憶合金体７
６が発生する力Fan2を計算し、力Fan2に比例した
力出力Vf2を出力する。減算器８４は、力出力Vf1
と力出力Vf2との差に比例した力出力Vfを出力す
る。
つぎに、第２５図により、上述した本発明の装
置のさらに他の実施例の動作を説明する。
第２５図は、前述した第１２図と同様に形状記
憶合金体６の変位−力特性を示したものである。
この図中、一点鎖線及び二点鎖線で示したのが、
形状記憶合金体６に加わる力を表わす負荷曲線
T1，T2である。形状記憶合金体７６は、あらか
じめ初期変位x0の歪を与えられて形状記憶合金体
６を結合している。そのため、形状記憶合金体６
及び形状記憶合金体７６は、それぞれの温度に応
じた剛性により引張り合う。
さらに、伝達系７８を介してFeを加えた場合、
形状記憶合金体６は、形状記憶合金体７６の力
Fan2と力Feとの合力で引張られる。
このことから、力Fan1，力Fan2及び力Feとの間
には、（32）式が成立する。
Fan1＝Fan2＋Fe ……(32) すなわち、第２５図を参照すれば、形状記憶合
金体６が低温Tl1で形状記憶合金体７６が高温Th2
の場合、アクチユエータ４１の変位ｘはxlにおち
つき、形状記憶合金体６の温度が高温Th1へ、ま
た同時に形状記憶合金体７６の温度が低温Tl2へ
移行するに伴い、変位ｘはxhへ移行する。
力Fan2は、(16)式を適用して、（33）式として記
述できる。
Fan2＝Ｆ（x0−ｘ，Ｔ）＝F′（ｘ，Ｔ）
……(33) 同様にして、抵抗R2は、(17)式を適用して（34）
式として記述できる。
R2＝Ｒ（x0−ｘ，Ｔ）＝R′（ｘ，Ｔ） ……(34) したがつて、（33）式及び（34）式より力Fan2
は、次の（35）式に示すように変位ｘと抵抗Ｒの
関数として記述できる。
Fan2＝Ｌ（ｘ，Ｒ） ……(35) 力Fan1については、(18)式をそのまま適用でき
る。
Fan1＝Ｈ（ｘ，Ｒ） ……(36) 以上から、（32）式，（35）式及び（36）式より
力Feは、 Fe＝Fan1−Fan2＝Ｈ（ｘ，Ｒ）−Ｌ（ｘ，Ｒ）
……(37) と記述することができる。
力算出部８２は、（36）式に基づく次の（38）
式により、また力算出部８３は（35）式に基づく
次の（39）式の演算を実行し、力出力Vfを算出
する。
Vf1＝H′（Vx1，Vr1） ……(38) Vf2＝L′（Vx2，Vr1） ……(39) さらに、（37）式に基づき、減算器８４は力出
力Vf1とVf2との差を演算し、力Feに比例する力出
力Vfを出力する。
この実施例は、形状記憶合金体６の力Fan1と形
状記憶合金体７６の力Fan2とのつり合いによりア
クチユエータ４１の変位ｘを決定するように構成
しているため、アクチユエータ４１の変位を減
少，増加の双方向に変化できる。
また、形状記憶合金体６と形状記憶合金体７６
の変位−力特性を等価にするように構成すれば、
アクチユエータ４１の変位の双方向に対して等質
の出力特性が得られる。
この実施例において、変位検出部１０は、結合
部７７のみならず、形状記憶合金体６及び伝達系
７８のいずれに接続してもよいことは明白であ
る。また、形状記憶合金体６と形状記憶合金体７
６とは直接接続してもよいことは明白である。ま
た、形状記憶合金体７６は伝達系７８に接続して
もよいことは明白である。また、形状記憶合金体
６と形状記憶合金体７６の形状及び材質は互いに
異なるものでもよいことは明白である。また、こ
の実施例の構成においては、形状記憶合金体６と
形状記憶合金体７６との引張り力を拮抗させてい
るが、相互の押圧力、曲げモーメント及びねじり
モーメント等を拮抗させる構成にしてもよいこと
は明白である。
〔発明の効果〕
以上述べたように、本発明によれば、アクチユ
エータに力センサの機能を付加することができる
ため、動力伝達系に独立に力センサを組込むこと
なしに、負荷による外力の検出が可能な駆動装置
を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の装置の一実施例の構成を示す
図、第２図は第１図に示す実施例に用いられる形
状記憶合金体の変位−力特性図、第３図および第
４図は第１図に示す本発明の装置を構成する力算
出部の各構成例を示す図、第５図〜第８図は第１
図に示す本発明の装置を構成するアクチユエータ
と温度検出部との他の例を示す図、第９図は本発
明の装置の他の実施例の構成を示す図、第１０図
は第９図に示す実施例に用いられる形状記憶合金
体の変位−力特性図、第１１図は本発明の装置の
さらに他の実施例の構成を示す図、第１２図は第
１１図に示す実施例に用いられる形状記憶合金体
の変位−力特性図、第１３図は本発明の装置の一
実施例の構成を示す図、第１４図は第１３図に示
す実施例に用いられる形状記憶合金体の変位−力
特性図、第１５図はこれに関連する変位−力特性
図、第１６図〜第１８図は第１３図に示す実施例
に用いられるアクチユエータと抵抗検出部との他
の例を示す図、第１９図〜第２１図は第１３図に
示す実施例に用いられる力算出部の各構成例を示
す図、第２２図は本発明の装置の他の実施例の構
成を示す図、第２３図は第22の実施例における形
状記憶合金体の変位−力特性図、第２４図は本発
明の装置のさらに他の実施例の構成を示す図、第
２５図は第２４図の実施例における形状記憶合金
体の変位−力特性図である。 ６……形状記憶合金体、７……アクチユエー
タ、８……連結系、９……負荷、１０……変位検
出器、１３……温度検出部、１４……力算出部、
４２……弾性体、４３……伝達系、４５……力算
出部、４７……形状記憶合金体、５１……温度検
出部、５５……抵抗検出部、５６……力算出部、
７４……温度検出部、７５……力算出部、７６…
…形状記憶合金体、８０，８１……抵抗検出部。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 形状記憶合金体からなるアクチユエータとこ
    れを加熱冷却する加熱冷却手段とを備え、形状記
    憶合金体に連結し、負荷を動作させる駆動装置に
    おいて、前記形状記憶合金体の温度あるいは温度
    相当の信号を検出する温度検出部と、前記形状記
    憶合金体の変位を検出する変位検出部と、前記温
    度検出部と前記変位検出部との出力信号により前
    記アクチユエータが発生する力の大きさを算出す
    る力算出部とを具備したことを特徴とする駆動装
    置。 ２ アクチユエータは形状記憶合金体と変形歪を
    加えた弾性材を結合して構成したことを特徴とし
    た特許請求の範囲第１項記載の駆動装置。 ３ アクチユエータを第１の形状記憶合金体と変
    形歪を加えた第２の形状記憶合金体とを結合して
    構成し、前記第２の形状記憶合金体の温度を検出
    する第２の温度検出部と、前記変位検出部と前記
    温度検出部との出力信号から前記形状記憶合金体
    が発生する力の大きさを算出する第１の力算出部
    と、前記変位検出部と前記第２の温度検出部との
    出力信号から前記第２の形状記憶合金体が発生す
    る力の大きさを算出する第２の力算出部と、前記
    第１の力算出部と前記第２の力算出部との出力信
    号の差により前記アクチユエータが発生する力の
    大きさを算出する減算器とを具備したことを特徴
    とする特許請求の範囲第１項記載の駆動装置。 ４ 力算出部は温度検出部と変位検出部の出力と
    によりアドレスを発生するアドレス変換部と、前
    記アドレスに対応する計算結果を記憶したテーブ
    ル回路と、前記テーブル回路に記憶されている計
    算結果を出力する出力部とで構成したことを特徴
    とする特許請求の範囲第１項記載の駆動装置。 ５ 力算出部は温度検出部の出力のべき乗値と変
    位検出部の出力のべき乗値との積を計算する演算
    器で構成したことを特徴とする特許請求の範囲第
    １項記載の駆動装置。 ６ 温度検出部は前記形状記憶合金体に、前記形
    状記憶合金体とは異なる材質の導電材を結合し、
    前記形状記憶合金体と前記導電材との接合部に生
    じる熱起電力より前記接合部の温度に比例した出
    力信号を演算することを特徴とする特許請求の範
    囲第１項〜第５項のいずれかに記載の駆動装置。 ７ 温度検出部は、前記形状記憶合金体の電気抵
    抗に基づき、前記形状記憶材料の温度に比例した
    出力信号を演算することを特徴とする特許請求の
    範囲第１項〜第５項のいずれかに記載の駆動装
    置。 ８ 温度検出部は、前記形状記憶合金体の帯磁率
    に基づき、前記形状記憶合金体の温度に比例した
    出力信号を演算することを特徴とする特許請求の
    範囲第１項〜第５項のいずれかに記載の駆動装
    置。 ９ 形状記憶合金体からなるアクチユエータとこ
    れを加熱冷却する加熱冷却手段とを備え、形状記
    憶合金体に連結し、この変位に基づいて負荷を動
    作させる駆動装置において、前記形状記憶合金体
    の抵抗を検出する抵抗検出部と、前記形状記憶合
    金体の変位を検出する変位検出部と、前記抵抗検
    出部と前記変位検出部との出力信号により前記ア
    クチユエータが発生する力の大きさを算出する力
    算出部とを具備したことを特徴とする駆動装置。 １０ アクチユエータは形状記憶合金体と変形歪
    を加えた弾性材とを結合して構成したことを特徴
    とした特許請求の範囲第９項記載の駆動装置。 １１ アクチユエータを第１の形状記憶合金体と
    変形歪を加えた第２の形状記憶合金体を結合して
    アクチユエータを構成し、前記第２の形状記憶合
    金体の抵抗を検出する第２の抵抗検出部と、前記
    変位検出部と前記抵抗検出部の出力信号から前記
    形状記憶合金体が発生する力の大きさを算出する
    第１の力算出部と、前記変位検出部と前記第２の
    抵抗検出部との出力信号から前記第２の形状記憶
    材料が発生する力の大きさを算出する第２の力算
    出部と、前記第１の力算出部と前記第２の力算出
    部との出力信号の差より前記アクチユエータが発
    生する力の大きさを算出する減算器とを具備した
    ことを特徴とする特許請求の範囲第９項記載の駆
    動装置。 １２ 抵抗検出部は形状記憶合金体に定電流を供
    給する定電流源と、前記形状記憶合金体の電圧降
    下を検出する増幅器とから構成したことを特徴と
    する特許請求の範囲第９項〜第１１項のいずれか
    に記載の駆動装置。 １３ 抵抗検出部は形状記憶合金体に定電圧を印
    加する定電流源と、前記形状記憶合金体に流れる
    電流値より前記形状記憶合金体の抵抗値を算出す
    る演算器とより構成したことを特徴とする特許請
    求の範囲第９項〜第１１項のいずれかに記載の駆
    動装置。 １４ 抵抗検出部は形状記憶合金体の抵抗と前記
    形状記憶合金体に直列結合した容量により決定さ
    れる時定数により前記形状記憶合金体の抵抗を検
    出する時定数回路から構成したことを特徴とする
    特許請求の範囲第９項〜第１１項のいずれかに記
    載の駆動装置。 １５ 力算出部は前記抵抗検出部と前記変位検出
    部との出力によりアドレスを発生するアドレス変
    換部と、前記アドレスに対応する計算結果を記憶
    したテーブル回路と、前記テーブル回路に記憶さ
    れている前記計算結果を出力する出力部とから構
    成したことを特徴とする特許請求の範囲第９項〜
    第１４項のいずれかに記載の駆動装置。 １６ 力算出部は前記抵抗検出部と前記変位検出
    部との出力の積を計算する乗算器で構成したこと
    を特徴とする特許請求の範囲第９項〜第１４項の
    いずれかに記載の駆動装置。 １７ 力算出部は前記抵抗検出部と前記変位検出
    部との出力を加算する加算器で構成したことを特
    徴とする特許請求の範囲第９項〜第１４項のいず
    れかに記載の駆動装置。
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