JPS6343765B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、形状記憶材料の変位に基いて動作す
るアクチユエータを用いたサーボアクチユエータ
装置に関する。

第１図は従来のサーボモータを示す。１は比較
部であり、入力信号ａとセンサ２からフイードバ
ツクされるフイードバツク信号ｂとを比較し、そ
の比較結果を制御偏差信号ｃとして出力する。３
は増幅器であり制御偏差信号ｃを増幅して増幅器
出力ｄとする。

４はモータであり、増幅器出力ｄによつて駆動
される。前記センサ２は、ポテンシヨメータ等か
らなり、モータ４の回転位置、速度等を検出し、
これをフイードバツク信号ｂとして比較部１へフ
イードバツクする。

しかし、このような従来のサーボモータでは、
モータ４とセンサ２とがそれぞれ別々に必要であ
るので、構成が複雑になるとともに、超小型化を
図ることは極めて困難であるという欠点があつ
こ。

また、従来、モータに代えて、形状記憶合金を
利用したアクチユエータを用いるサーボアクチユ
エータ装置もわずかではあるが存在した。しか
し、これらの装置においては、単に形状記憶合金
の変位に基いて動作するアクチユエータを前記モ
ータ４に置き換えただけであり、同形状記憶合金
の変位を検出し、比較部へフイードバツクするセ
ンサが形状記憶合金とは別個に設けられていた。
したがつて、前記従来のサーボモータと同一の欠
点を、程度の差はあれ、依然として有していた。

本発明は、前記従来の欠点を解消するべくなさ
れたもので、構成が非常に簡単であり、超小型化
を図ることができるサーボアクチユエータ装置を
提供することを目的とする。

すなわち、本発明によるサーボアクチユエータ
装置は、形状記憶材料の変位に基いて動作するア
クチユエータを用い、かつ前記形状記憶材料に、
同材料の変位を検出するセンサとしての機能をも
果たさせることにより、前記目的を達成するもの
である。

次に、本発明をより容易に理解できるようにす
るため、まず第３図において形状記憶材料の変位
に基いて動作するアクチユエータの具体例を説明
する。

円筒状のケース５の一方の端面５ａには、ばね
受挿通孔６が設けられ、このばね受挿通孔６に
は、ばね受７の脚部７ａがケース５の軸方向に移
動自在に嵌合されている。前記ケース５内に侵入
されたばね受の脚部７ａの先端部とケース５の他
方の端面５ｂとの間には、Ti−Ni合金等からな
るコイルばね状の形状記憶合金８が介装されてい
る。

この形状記憶合金８からなるばねは、ケースの
両端面５ａ，５ｂ間の距離にほぼ等しい長さｌに
まで伸びた形状を記憶させられている。前記ばね
受７のケース５外の部分の中心部およびケースの
端面５ａの中心部には、それぞれロツド挿通孔
９，１０が設けられ、これらの孔９，１０にはロ
ツド１１がケース５の軸方向に移動自在に嵌合さ
れている。前記ロツド１１のケース５外側の端部
には、ロツド挿通孔９より径が大きい頭部１１ａ
が設けられている。また、前記ロツド１１のケー
ス５内側の端部にはネジ部１１ｂが設けられ、こ
のネジ部１１ｂには補正用ナツト１２が螺合され
ている。

前記補正用ナツト１２とケースの端面５ａとの
間には非形状記憶合金からなるコイル状のバイア
スばね１３が介装され、このバイアスばね１３は
補正用ナツト１２、ロツド１１およびばね受７を
介して形状記憶合金８を圧縮する方向に付勢して
いる（なお、このバイアスばね１３のばね力は補
正用ナツトを回転することにより調整することが
できる）。

したがつて、ある温度以下では、第２図に示さ
れるように形状記憶合金８はバイアスばね１３の
力により圧縮変形されており、これに伴つてロツ
ド１１は第３図実線位置で示されるようにケース
５内に最も引込んだ状態となつている。

また他方、形状記憶合金８がある温度以上に加
熱されると、バイアスばね１３に抗して、同合金
８は記憶している形状、すなわち伸びた状態に復
帰して行き、ばね受７を介してロツドの頭部１１
ａを押し、同頭部１１ａをケース５から、一点鎖
線位置で示すように、より大きく突出させる。

ここで、前記加熱時の形状記憶合金８の長さの
変化、すなわちロツド１の変位ｘは、形状記憶合
金８を構成するTi−Ni合金のマルテンサイト相
とオーステナイト相との間における相変態の進行
状況に対応する。

また、前記相変態の進行状況に応じて、形状記
憶合金８の電気抵抗値および帯磁率等の物性値は
変化する。例えば、第３図はTi−Ni合金の電気
抵抗値−温度特性曲線の一例を示す。

したがつて、ロツド１１の変位ｘは形状記憶合
金８の物性値の変化に対応することになる。

本発明はこのことに着目してなされたもので、
Ti−Ni合金等の形状記憶材料の変位を同材料の
物性値の変化を通じて検出し、この検出値に応じ
て形状記憶材料に加える熱エネルギ（または奪う
熱エネルギ）を変化させることにより、形状記憶
材料の変位、ひいてはアクチユエータの動作を制
御するものである。すなわち、前述のように本発
明においては、アクチユエータを構成する形状記
憶材料自体に、同材料の変位を検出するセンサの
機能をも果たさせるものである。

第４図は本発明における制御系統の基本的な構
成を示すブロツク図である。１４は変換部であ
り、アクチユエータを構成する形状記憶材料３０
の電気抵抗値等の物性値を、アクチユエータの動
作目標値を示す入力信号ｅと比較可能な形のフイ
ードバツク信号ｆに変換する。

１５は比較部であり、入力信号ｅとフイードバ
ツク信号ｆとを比較し、その比較結果ｇを出力す
る。

１６は制御部であり、比較結果ｇに応じた大き
さの操作量（通電加熱用の電流等）ｈを形状記憶
材料３０に加え、同材料３０を加熱する。

これにより、従来のサーボアクチユエータ装置
のようにアクチユエータと別個にセンサを設けな
くても、アクチユエータの動作を目標値に一致さ
せようとする訂正動作を自動的に行わせることが
できる。

次に、本発明を実施例に基いてさらに詳しく説
明する。

第５図は本発明の一実施例における制御系統の
ブロツク図を示し、第６図は同制御系統のタイミ
ングチヤートを示す。

なお、本実施例では、アクチユエータとしては
第２図のアクチユエータを使用するものとする。
また、形状記憶合金８の加熱は、直接通電加熱で
行うこととするとともに、形状記憶合金８の物性
値としては電気抵抗値を検出するものとしてい
る。

そして、通電加熱を行つている最中に形状記憶
合金８からその電気抵抗値を検出することは困難
であるので、前記直接通電加熱は形状記憶合金８
にパルスを印加することにより行うこととし、こ
れらのパルスとパルスの間の空き時間に、形状記
憶合金８に同合金８の動作に影響を与えない程度
の微弱な電流を流し、同合金８の電気抵抗値を検
出するものとしている。さらに、形状記憶合金８
に印加するパルスは、パルス幅変調方式によりそ
の電力を変化させるものとしている。

第５図において、１７は基準クロツク発生部で
あり、基準クロツクｉを比較演算部１８、比較偏
差一時記憶部１９および電力増幅部２０および変
換部１４に供給する。前記比較演算部１８は、電
圧比較器等からなり、入力信号ｅと変換部１４か
らフイードバツク信号されるフイードバツク信号
ｊとを、基準クロツクｉの立ち上りのタイミング
で比較し、その比較偏差を比較偏差信号ｋとして
出力する。

１６は制御部であり、前記比較偏差一時記憶部
１９と電力増幅部２０とからなる。前記比較偏差
一時記憶部１９は、基準クロツクｉの立ち上りの
タイミングで比較偏差信号ｋを一時記憶する。前
記電力増幅部２０は、比較偏差一時記憶部に記憶
された比較偏差信号ｋに対応するデユーテイ比の
パルスｍを基準クロツクｉの立ち下りのタイミン
グで形状記憶合金８に印加開始する。すなわち、
第６図において前記パルスｍの周期は基準クロツ
クｉの周期Ｔと同一であり、パルス幅Ｗは比較偏
差信号ｋに対応して変化される。なお、パルスｍ
の振幅は一定である。

また、前記電力増幅部２０は、１つのパルスｍ
を送出を終了すると抵抗値検出開始信号ｏを変換
部１４へ送出する。

この変換部１４は、信号ｏを入力とすると、形
状記憶合金８に微弱な抵抗値検出用電流を流し、
同合金８の電気抵抗値を電圧に変換し、これをフ
イードバツク信号ｊとして比較演算部１８にフイ
ードバツクする。そして、次の基準クロツクｉの
立ち下りで、前記形状合金８に対する抵抗値検出
用電流の通電を終了する。したがつて、前記抵抗
値検出動作は、第６図の斜線を施した区間で行わ
れることになる。

本実施例は以上のような構成となつているの
で、パルスｍにより形状記憶合金８に印加される
クロツクｉの周期Ｔ当たりの電力は、同パルスｍ
のデユーテイ比が変化されることにより、比較偏
差信号ｋに対応して変化される。したがつて、形
状記憶合金８の変位、すなわち前記ロツド１１の
変位ｘを入力信号ｅに対応した値にさせようとす
る訂正動作が自動的に行われることになり、前記
変位ｘが正確に制御される。

なお、前記実施例では、直接通電加熱により形
状記憶合金８を加熱しているが、レーザー光線や
通常光線を照射する等の他の方法により形状記憶
合金を加熱するようにしてもよいことは言うまで
もない。

また、直接通電加熱を行う場合においても、前
記実施例のようにパルス幅変調方式によらず、パ
ルス振幅変調等の他の変調方式により変調された
パルスを形状記憶合金に印加してもよいし、パル
スによらない通電加熱を行つてもよいことは言う
までもない。

また、前記実施例では、形状記憶合金８の電気
抵抗値を通して同合金８の変位を検出している
が、帯磁率等の他の物性値を通して同合金８の変
位を検出してもよいことは言うまでもない。

また、前記実施例では、アクチユエータを構成
する形状記憶合金８がコイル状とされているが形
状記憶合金の形状は任意とすることができること
も言うまでもない。

また、第２図のアクチユエータでは、冷却時
に、形状記憶合金８を記憶させた形状から変形さ
せるために、バイアスばね１３を設けている。し
かし、形状記憶合金８が可逆形状記憶効果を示す
場合は、ばね３がなくても、冷却時に、同合金８
は、記憶させられた形状から変形形状に自ら戻ろ
うとするので、ばね３は必ずしも必要でない（可
逆形状記憶効果とは、ある温度条件で形状記憶材
料にある形状を記憶させた後、変形させ、次に加
熱すると、前記記憶させた形状に戻り、しかる後
に冷却すると、再び変形した形状に戻ろうとする
現象をいう）。

さらに、前記実施例では形状記憶材料にTi−
Ni合金を使用しているが、本発明における形状
記憶材料としては、その他Cu−Zn、Cu−Zn−
Al、Cu−Zn−Ga、Cu−Zn−Sn、Cu−Zn−Si、
Cu−Al−Ni、Cu−Au−Zn、Cu−Sn、Au−Cd、
Ag−Cd、Ni−Ti−Ｘ（Ｘは第三元素）、Ni−Al、
Fe−Pt等の合金やプラスチツク等のあらゆる形
状記憶材料が使用可能なことも言うまでもない。

以上のように本発明によるサーボアクチユエー
タ装置は、形状記憶材料の変化に基いて動作する
アクチユエータを用い、かつ前記形状記憶材料に
同材料の変位を検出するセンサとしても機能をも
果たさせることにより、構成を極めて単純化する
ことができ、超小型化も容易となるという優れた
効果を得られるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のサーボアクチユエータ装置の制
御系統の基本構成を示すブロツク図、第２図は形
状記憶材料の変位に基いて動作するアクチユエー
タの一例を示す断面図、第３図はTi−Ni合金の
電気抵抗値−温度特性曲線の一例を示す特性図、
第４図は本発明によるサーボアクチユエータ装置
の制御系統の基本的な構成を示すブロツク図、第
５図は本発明によるサーボアクチユエータ装置の
一実施例における制御系統を示すブロツク図、第
６図は第５図の制御系統のタイミングチヤートで
ある。 ８……形状記憶合金、１４……変換部、１５…
…比較部、１６……制御部、１８……比較演算
部、１９……比較偏差一時記憶部、２０……電力
増幅部、３０……形状記憶材料、ｅ……入力信
号、ｆ……フイードバツク信号、ｇ……比較結
果、ｈ…比較偏差、ｊ……フイードバツク信号、
ｋ……比較偏差信号、ｍ……パルス。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 形状記憶材料の変位に基いて動作するアクチ
   ユエータと、前記形状記憶材料の物性値を、前記
   アクチユエータの動作の目標値を示す入力信号と
   比較可能な形のフイードバツク信号に変換する変
   換部と、前記入力信号と前記フイードバツク信号
   とを比較し、その比較結果を出力する比較部と、
   前記比較結果に応じた操作量を前記形状記憶材料
   に加え、同材料を加熱または冷却する制御部とを
   有してなるサーボアクチユエータ装置。 ２ 物性値は電気抵抗値である特許請求の範囲第
   １項記載のサーボアクチユエータ装置。 ３ 物性値は帯磁率である特許請求の範囲第１項
   記載のサーボアクチユエータ装置。