WO2013147558A1 - 형상기억합금 코일 액추에이터의 변위 검출 방법과 이를 이용한 구동장치 및 구동 시스템 - Google Patents

형상기억합금 코일 액추에이터의 변위 검출 방법과 이를 이용한 구동장치 및 구동 시스템 Download PDF

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coil actuator
sma coil
displacement
sma
detecting
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조규진
하정익
김홍집
한용수
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서울대학교산학협력단
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    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G—PHYSICS
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    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/20—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature
    • G01D5/2006—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the self-induction of one or more coils

Definitions

  • the present invention relates to a shape memory alloy coil actuator, and more particularly, to detect the displacement of the shape memory alloy coil actuator using the inductance value of the shape memory alloy coil actuator and to control the driving of the shape memory alloy coil actuator. And a displacement detection method of a shape memory alloy coil actuator, and a driving device and a driving system using the same.
  • Actuator refers to a device that uses mechanical energy using energy. Recently, SMA actuators using a shape memory alloy (“SMA”) are widely used in the field of small devices. For operation of a robot in a biomimetic robot such as a driving force system or an insect robot, for example, to focus or zoom in a camera lens element employed in a portable electronic device such as a mobile phone, mobile digital data processing and / or transmission device. SMA actuators are used in drive systems that provide driving force.
  • SMA shape memory alloy
  • SMA actuator is used SMA coil actuator formed by using the SMA in the form of a wire or coiled coil, SMA coil actuator has an advantage that can provide a large stroke with a large force to provide weight.
  • the SMA actuator displacement control technique previously studied is a technique for detecting the displacement of the SMA actuator based on the resistance value of the SMA actuator that changes during displacement of the SMA actuator.
  • a technique for detecting displacement by resistance can be referred to K Ikuta's "Shape memory alloy servo actuator system with electric resistance feedback and application for active endoscope.” Micro / Miniature Shape memory alloy actuator ".
  • the stiffness of SMA actuators can also be detected based on resistance.
  • the displacement control technology of SMA actuators currently used in the field of small devices is based on measuring the resistance value of the SMA actuator.
  • the displacement control technique of the SMA actuator based on the resistance value has difficulty in precise control in a dynamic system in which the external load changes, because the resistance-displacement relationship changes when the external load applied to the SMA coil is changed.
  • the present invention has been made to solve the above problems, the displacement detection of the shape memory alloy coil actuator capable of detecting the inductance value of the SMA coil actuator in the SMA coil actuator, based on the displacement of the SMA coil actuator It is an object of the present invention to provide a method and a drive system and a drive system using the same.
  • the present invention includes the steps of: (a) detecting the steady state voltage (V steady ) and the steady state current (I steady ) of the SMA coil actuator to which the PWM voltage signal is applied; (b) analyzing the transient response of the current flowing through the SMA coil actuator to detect a time t n ⁇ at which a current value corresponding to n ⁇ is reached ( ⁇ is a time constant, n is any number); (c) detecting the inductance L of the SMA coil actuator using the detected V steady , I steady , t n ⁇ values; And (d) detecting a displacement of the SMA coil actuator using a prestored inductance and displacement correspondence of the SMA coil actuator and an inductance (L) value of the SMA coil actuator. .
  • the step (c) The inductance of the SMA coil actuator is detected by the equation.
  • the displacement detection method of the SMA coil actuator the step of detecting the rigidity by measuring the resistance value of the SMA coil actuator, and using the displacement information and the detected rigidity detected in the step (d) SMA Detecting the acting force acting by the coil actuator.
  • the present invention SMA coil actuator; A displacement control device for detecting a displacement of the SMA coil actuator or detecting and controlling the displacement, the displacement control device comprising: a signal generator for generating a PWM voltage signal applied to the SMA coil actuator; A V ⁇ I detector for detecting a steady state voltage (V steady ) and a steady state current (I steady ) of the SMA coil actuator; A time constant detector for analyzing a transient response of the current flowing through the SMA coil actuator to detect a time t n ⁇ of reaching a current value corresponding to n ⁇ ; An inductance detector for detecting an inductance L of the SMA coil actuator using the input V steady , I steady , and t n ⁇ values; A displacement detector for detecting a displacement of the SMA coil actuator using a prestored inductance and displacement correspondence of the SMA coil actuator and an inductance L value of the SMA coil actuator; It provides an SMA coil actuator drive device including a controller for outputting a control signal to the signal
  • the time constant detection unit in the voltage waveform of the PWM voltage signal input from the signal generator to the SMA coil actuator, the actual voltage applied to the SMA coil actuator is a reference voltage (reference voltage)
  • a voltage comparator capable of knowing the starting time point of the time measurement set to the point where X XVV steady , where X is any number
  • a current corresponding to a reference current n ⁇ in which a real current flowing through the SMA coil actuator is set, is A current comparator capable of knowing a finishing time point of the time measurement set to a time constant, n being an arbitrary number)
  • a logic circuit comparing the output waveform of the voltage comparator with the output waveform of the current comparator and outputting a time interval between the starting time point and the finishing time point as a pulse signal
  • the time constant detection unit comprises: Detects t n ⁇ from the signal.
  • the displacement detection unit the displacement detection unit
  • the inductance of the SMA coil actuator is detected by the equation.
  • the displacement control device comprises: a stiffness detector for detecting the stiffness of the SMA coil actuator from a correspondence relationship between the resistance detected in the SMA coil actuator and the resistance and stiffness that are stored in advance; And an action force detector for detecting an action force generated in the SMA coil actuator using the displacement information detected by the displacement detector and the stiffness information detected by the stiffness detector.
  • the present invention also provides a drive system comprising an SMA coil actuator drive.
  • the drive system adjusts the focusing or zooming of the camera lens.
  • the invention makes it possible to detect the inductance value of the SMA coil actuator in the SMA coil actuator and to detect the displacement of the SMA coil actuator based on this.
  • the SMA coil actuator may be controlled to be deformed into a target displacement based on the detected displacement of the SMA coil actuator.
  • the present invention makes it possible to detect the acting force exerted by the SMA coil actuator, thereby controlling the acting force exerted by the SMA coil actuator.
  • the displacement control technique of the SMA actuator according to the invention enables precise control of the dynamic system in which the external load is changed since it is not affected by the change of the external load on the SMA coil.
  • FIG. 1 is a view showing an embodiment of a drive system to which the SMA coil actuator according to the present invention is applied.
  • FIG. 2 is a view for explaining a displacement detection method of the SMA coil actuator according to the present invention.
  • FIG. 3 is a configuration diagram of an SMA coil actuator drive device according to the present invention.
  • 5 is a view showing the behavior of the current waveform when the PWM voltage is applied in the SMA coil actuator.
  • FIG. 6 shows a circuit capable of operating an SMA coil actuator and measuring inductance.
  • FIG. 7 is a view for explaining an example of the configuration of the time constant detection unit according to the present invention.
  • FIG. 8 is a view showing another embodiment of a drive system to which the SMA coil actuator according to the present invention is applied.
  • FIG. 9 is a configuration diagram showing another embodiment of the SMA coil actuator drive device according to the present invention.
  • FIG. 1 is a view showing an embodiment of a drive system to which a shape memory alloy (hereinafter referred to as SMA) coil actuator according to the present invention is applied, and shows an example in which the drive system is applied as a focusing or zooming device of a camera lens.
  • SMA shape memory alloy
  • the drive system includes a support 1, a movable body 2 movably coupled to the support 1, and an SMA coil actuator having one end coupled to the support and the other end coupled to the movable body ( 10), the displacement control device 100 for detecting the displacement of the SMA coil actuator or detect the displacement.
  • the SMA coil actuator 10 is heated when the power is supplied and moves the moving body 2 while deforming by the shape memory effect. Since the movable body 2 includes the lens 3 or the lens 3 fixed part, the SMA coil actuator 10 moves the movable body 2 including the lens 3. Accordingly, the moving object moves from the state (a) to the state (b) of FIG. 1 to perform focusing or zooming.
  • the SMA coil actuator 10 and the displacement control device 100 form an SMA coil actuator drive device.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a displacement detection method of an SMA coil actuator according to the present invention
  • FIG. 3 is a configuration diagram of an SMA coil actuator driving device according to the present invention.
  • the method for detecting displacement of an SMA coil actuator includes detecting a steady state voltage (V steady ) and a steady state current (I steady ) of an SMA coil actuator to which a PWM voltage signal is applied (S10).
  • the SMA coil actuator driving apparatus includes an SMA coil actuator 10 and a displacement control device 100 of the SMA coil actuator for detecting or controlling displacement of the SMA coil actuator.
  • the displacement detection method of the SMA coil actuator according to the present invention is performed by the displacement control apparatus 100.
  • the displacement control device 100 detects a signal generator 110 for generating a PWM voltage signal and a steady state voltage V steady and a steady state current I steady of the SMA coil actuator.
  • the time constant detector 130 analyzes the transient response of the current flowing through the V and I detector 120 (Voltage and Current Measurement Section) and the SMA coil actuator to detect a time t n ⁇ that reaches a current value corresponding to n ⁇ .
  • Inductance detection section 140 for detecting the inductance (L) of the SMA coil actuator using the time constant measurement section), the input V steady , I steady , and t n ⁇ values, and the inductance of the pre-stored SMA coil actuator.
  • Displacement measurement section 150 for detecting displacement of the SMA coil actuator using the displacement correspondence and the inductance (L) value of the SMA coil actuator and the operation of each part. It includes a controller 160 for controlling.
  • the SMA coil actuator is heated and deformed by the shape memory effect when the power is applied.
  • the SMA coil actuator has a coil shape and thus has an inductance value.
  • the inventors have found that the inductance of the SMA coil actuator is substantially independent of the externally applied load, while the inductance of the SMA coil actuator is dependent on the geometry and displacement of the SMA coil actuator.
  • the geometry and the material of the SMA coil actuator are preset and manufactured at the time of manufacture of the SMA coil actuator, the inductance of the SMA coil actuator can be defined as a value depending on the displacement. It was found that the inductance and displacement in the coil actuator have a constant relationship.
  • the diameters of the SMA coil actuators used in the experiments related to the graph shown in FIG. 4 are 6 mm, 5 mm, 4 mm and 3 mm ((a) to (d) of FIG. 4, respectively), and spring indexes are 11.7, respectively. 9.8, 7.9, and 5.9. Coil turns has been made of the same, and the commercial NiTi wire having a diameter of 508 ⁇ m (s A -90 °C, Dynalloy., USA) to 100. The wire was wound to have the coil diameter described above and annealed at 350 ° C. for 1 hour so that the coil shape was memorized.
  • the inductance value of the SMA coil actuator is substantially dependent on the displacement, and other conditions such as temperature are negligible.
  • the inductance depends on the displacement and a constant correspondence is established.
  • the inductance can be measured on an SMA coil actuator that knows the correspondence between inductance and displacement, then the current displacement of the SMA coil actuator can be known.
  • the correspondence between the inductance and the displacement of the SMA coil actuator can be determined experimentally.
  • the method of measuring the corresponding relationship between inductance and displacement in the SMA coil actuator consists of measuring the inductance at the displacement using the displacement as a condition value.
  • the function between inductance and displacement is a nonlinear function and how to formulate it is known. See, for example, "Inductance calculation for helical conductors" by T Tominaka.
  • the corresponding relationship between the inductance and the displacement of the SMA coil actuator is provided in a table or functioned to the displacement control device.
  • An SMA coil actuator can be represented by an equivalent circuit with a resistor and an inductor in series and parasitic capacitance in parallel. However, since the capacitance value is negligible when the frequency is below MHz, the SMA coil actuator can be modeled as a simple R-L circuit.
  • the RL circuit is modeled and solved as a first-order differential equation for current, the current waveform rises later than the voltage waveform when the voltage waveform is applied, and the transient behavior of the current is expressed by the following equation (1). It can be represented as
  • the inductance (L) can be calculated if time constant ⁇ can be detected. Since the SMA coil actuator has a very short rise time, it is relatively advantageous to measure the time t n ⁇ at which n ⁇ (n is any number) instead of ⁇ .
  • the inductance of the SMA coil actuator can be calculated from the following equations (2) and (3).
  • the transient response of steady state voltage (V steady ), steady state current (I steady ), and current flowing through the SMA coil actuator is analyzed to reach a current value corresponding to n ⁇ (t n ⁇ ). If can be detected, the inductance (L) of the SMA coil actuator can be determined.
  • FIG. 5 is a view showing the behavior of the current waveform when the PWM voltage is applied in the SMA coil actuator.
  • Fig. 5 (a) is a graph illustrating the waveform
  • Fig. 5 (b) is a graph showing actual waveform behavior, and it can be seen that the behavior of the current waveform can be represented by the formula (1). Therefore, it can be seen that the modeling of the SMA coil actuator described above is valid.
  • the current becomes I steady after having a settling time. Since the current waveform of the SMA coil actuator has a transient behavior according to equation (1), the current flowing through the SMA coil actuator is By analyzing the transient response of, we detect the time (t n ⁇ ) to reach the current value corresponding to n ⁇ and find the inductance value of the SMA coil actuator by the equation (3).
  • the value of ⁇ can be known by detecting the time when the current value reaches approximately 0.63I steady
  • the inductance L of the SMA coil actuator is calculated by introducing the detected n ⁇ value into the equation (3).
  • the SMA coil actuator current displacement can be obtained by introducing the inductance (L) of the SMA coil actuator detected in the inductance and displacement correspondence. Can be detected.
  • the displacement detection method of the SMA coil actuator includes detecting the steady state voltage V steady and the steady state current I steady of the SMA coil actuator to which the PWM voltage signal is applied (S10).
  • the PWM voltage signal is input to the SMA coil actuator from the signal generator under control of the controller, and the detection of the steady state voltage (V steady ) and the steady state current (I steady ) of the SMA coil actuator is transmitted to the V ⁇ I detector 120. Is performed.
  • the SMA coil actuator When the PWM voltage is applied, the SMA coil actuator shows a voltage and current waveform in a steady state in approximately 1 kHz, and the V-I detection unit 120 detects the value.
  • the transient response of the current flowing through the SMA coil actuator is analyzed to detect a time t n ⁇ at which a current value corresponding to n ⁇ is reached ( ⁇ is a time constant, n is an arbitrary number) (S20).
  • the step of detecting t n ⁇ is performed by the time constant detector 130.
  • the detection of the t n ⁇ value is for detecting the time constant ⁇ for inductance test.
  • the PWM voltage is applied to the SMA coil actuator, the current passes through a certain rise time and is in a steady state. It becomes a current.
  • a time corresponding to ⁇ may be measured by detecting a time of reaching 63% I steady state , or a time corresponding to 2 ⁇ may be measured by detecting a time of reaching 86% Isteady.
  • FIG. 6 illustrates a circuit that can operate an SMA coil actuator and measure inductance in an embodiment of the invention.
  • MOSFETs were used to apply pulses of various widths to the SMA coil actuators while maintaining a constant voltage.
  • the steady state voltage and steady-state current of the SMA coil actuator are measured with differential amplifiers and current sensing resistors.
  • the time constant detector 130 includes a voltage comparator 131, a current comparator 132, and an RS flip-flop 133 as a logic circuit.
  • the voltage comparator 131 is for analyzing a voltage waveform due to a PWM voltage signal input from the signal generator 110 to the SMA coil actuator.
  • the voltage comparator 131 includes a real voltage and a reference voltage applied to the SMA coil actuator. voltage) is entered and compared.
  • the reference voltage is set to X% of the steady state voltage, which can be arbitrarily set because the voltage settling time is very short compared to the current settling time. It is preferable to set X% to 50% or more.
  • the voltage comparator 131 outputs a high signal nVHIGH when the reference voltage is greater than the actual voltage, and outputs a low signal 0 when the actual voltage is greater than the reference voltage.
  • the voltage comparator functions to set the start point of the settling time.
  • the current comparator 132 is for analyzing the current waveform by the PWM voltage signal input from the signal generator 110 to the SMA coil actuator, and the current and reference current flowing through the SMA coil actuator. current) is input and compared, the reference current is set to Y% of the steady-state current, the Y value is determined by the time constant n ⁇ to be measured as described above, in order to measure the time corresponding to the ⁇ value Y is 0.63, that is, 63% I steady is the reference current, and Y is 0.86, or 86% I steady , to measure the time corresponding to the 2 ⁇ value.
  • the current comparator 132 outputs a high signal nCHIGH when the reference current is greater than the actual current, and outputs a low signal 0 when the actual current is greater than the reference current.
  • the current comparator 132 functions to set a completion time for measuring the settling time.
  • the RS flip-flop 133 which is a logic circuit, compares signals obtained from voltage and current comparator elements and outputs a high signal (nVCPluse) when the signals input from the two comparators 131 and 132 are both high. do. Therefore, a pulse signal corresponding to a time corresponding to n ⁇ is output.
  • the start time is the time when the actual voltage reaches the reference voltage in the voltage comparator device
  • the completion time is the time when the actual current reaches the reference current in the current comparator device.
  • the interval between both time points corresponds to n ⁇ .
  • the settling time is detected from the output signal of the RS flip-flop 133 of the time constant detector 130.
  • the use of the voltage comparator 131, the current comparator 132, and the RS flip-flop 133 as a logic circuit illustrated in FIG. 7 illustrates an example of the time constant detection unit 130.
  • a voltage comparator that allows setting the starting time point of the time measurement and comparing the current and output waveforms of the voltage comparator and the current comparator, which compares the reference current with the actual current to set the finishing time point of the time measurement.
  • a logic circuit for outputting a time interval between the starting time point and the finishing time point as a pulse signal it can be variously implemented. Also other detection circuitry for time constant detection can be used.
  • Step S30 is performed.
  • the inductance detector 140 receives a steady state voltage value and a steady state current value from the V ⁇ I detector 120 and receives a time t n ⁇ for reaching the current value corresponding to n ⁇ from the time constant detector 130.
  • the inductance of the SMA coil actuator is calculated and detected by the equation (3).
  • a step (S40) of detecting the displacement of the SMA coil actuator using the inductance and displacement correspondence relationship of the prestored SMA coil actuator and the inductance L value of the SMA coil actuator is performed.
  • the displacement detector 150 may detect a current displacement of the SMA coil actuator by using a prestored inductance and displacement correspondence of the SMA coil actuator and a detected inductance L value.
  • the displacement detector 150 may output the detected displacement to the other portion that needs information on the displacement of the SMA coil actuator.
  • the sensor functions to measure the displacement of the SMA coil actuator.
  • the controller may provide a PWM voltage only for a predetermined short time to detect the displacement of the SMA coil actuator.
  • the displacement detector 150 may output the detected displacement to the other portion that needs information about the displacement of the SMA coil actuator.
  • the sensor functions to measure the displacement of the SMA coil actuator.
  • the SMA coil actuator displacement control apparatus includes a controller 160.
  • the detected displacement of the SMA coil actuator is input to the controller 160 in real time.
  • the displacement detection method of the present invention may further include detecting an action force acting on the SMA coil actuator. This will be described with reference to FIG. 9.
  • the controller 160 may adjust the power by adjusting the duty ratio of the PWM voltage output from the signal generator 110.
  • the SMA coil actuator is feedback controlled by the displacement control device.
  • the controller 160 receives the SMA coil actuator with information about the target displacement, outputs a control signal to apply the PWM voltage driving signal set to the signal generator, and compares the PWM with the actual displacement information input from the displacement detector 150. Adjust the duty ratio of the voltage.
  • the controller 160 may store the experimentally determined displacement-voltage relationship information, and thereby determine the duty ratio of the PWM voltage output to the signal generator 110 at the initial stage of operation. Through this feedback control, the movement of the movable body can be controlled so that the SMA coil actuator reaches the target displacement, that is, the movable body moves to the target position.
  • FIG. 8 is a view showing another embodiment of a drive system to which the SMA coil actuator according to the present invention is applied, showing an example in which the drive system is applied as a gripping device of a gripping robot.
  • 9 is a view showing another embodiment of the displacement control device of the SMA coil actuator applied to the drive system shown in FIG.
  • the drive system includes a support 11 disposed upwardly, a movable body 12 disposed downwardly, a gripper 13 disposed between the support 11 and the movable body 12, and a support 11. And the joint 15 connected between one end of the gripper 13 and the other end of the movable body 12 and the gripper 13, the SMA coil actuator 10 and the displacement control device installed between the support 11 and the movable body 12, respectively. 100.
  • the SMA coil actuator 10 and the displacement control device 100 form an SMA coil actuator drive device.
  • the driving system of the gripping robot is for gripping the object 16.
  • the gripper 13 is as shown in FIG. 8B.
  • the gripper leg 14 moves to grip the object 16.
  • the gripper is configured to grip the object with a set gripping force in the state of FIG. 8C through feedback control. can do.
  • the displacement control device of the present invention further includes a stiffness detector 170 and an action force detector 180.
  • the displacement detection method of the present invention may further include detecting an action force acting on the SMA coil actuator performed by the stiffness detector 170 and the action force detector 180.
  • a method of detecting the stiffness of an SMA actuator is a known method. See, for example, K Ikuta, "Micro / Miniature Shape memory alloy actuator". According to K Ikuta, the stiffness of the SMA actuator has a constant relationship with the resistance and can be detected using the resistance.
  • the stiffness detector 170 measures the resistance of the SMA coil actuator and detects the stiffness from the relationship between the stiffness and the resistance.
  • the displacement control device 100 detects the displacement of the SMA coil actuator 10 and at the same time detects the rigidity, and the detected information is input to the action force detector 180.
  • the action force detector 180 may receive displacement related information through the controller 160 or directly from the displacement detector 150.
  • the controller 160 may receive an input related to the target action force by the SMA coil actuator and feedback control the SMA coil actuator.
  • the controller 160 receives information on the target action force, outputs a control signal to apply the PWM voltage driving signal set to the signal generator 110, receives actual action force information input from the action force detector 180, and receives an actual action force. Feedback control is performed to match this target force. Therefore, as shown in FIG. 8, even when the actual action force is 6N when the target action force is set to 5N (state (b) of FIG. 8), it is possible to control the actual action force to match the target action force through feedback control ( (C) state of FIG. 8).
  • the gripping robot having the driving system according to the embodiment of the present invention can grip the object with a set action force.

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Abstract

본 발명은 (a) PWM 전압 신호가 인가된 SMA 코일 액추에이터의 정상 상태 전압(Vsteady) 및 정상 상태 전류(Isteady)를 검출하는 단계; (b) SMA 코일 액추에이터에 흐르는 전류의 과도 응답을 분석하여 nτ에 대응되는 전류 값에 도달하는 시간(tnτ)을 검출하는 단계(τ는 시정수, n은 임의의 수); (c) 검출된 Vsteady, Isteady, tnτ값을 이용하여 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스(L)를 검출하는 단계; 및 (d) 미리 저장된 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스와 변위 대응 관계와 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스(L) 값을 이용하여 SMA 코일 액추에이터의 변위를 검출하는 단계를 포함하는 코일 액추에이터의 변위 검출 방법과 이를 이용한 구동장치 및 구동 시스템을 제공한다.

Description

형상기억합금 코일 액추에이터의 변위 검출 방법과 이를 이용한 구동장치 및 구동 시스템
본 발명은 형상기억합금 코일 액추에이터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 형상기억합금 코일 액추에이터의 인덕턴스 값을 이용하여 형상기억합금 코일 액추에이터의 변위를 검출하고 형상기억합금 코일 액추에이터의 구동을 제어할 수 있게 하는, 형상기억합금 코일 액추에이터의 변위 검출 방법과 이를 이용한 구동장치 및 구동 시스템에 관한 것이다.
액추에이터는 에너지를 사용하여 기계적인 일을 하는 장치를 의미하는 것으로, 근래에는 소형 기기 분야에서 형상기억합금(Shape Memory Alloy, 이하 "SMA")을 이용한 SMA 액추에이터가 널리 사용되고 있다. 예컨대, 이동 전화기, 이동 디지털 데이터 처리 및/또는 전송 장치와 같은 휴대용 전자 장치에 채용된 카메라 렌즈 소자에서 포커싱 또는 줌을 행하기 위해 구동력 시스템 또는 곤충 로봇 등과 같은 생체 모방형 로봇에서 로봇의 동작을 위한 구동력을 제공하는 구동 시스템에서 SMA 액추에이터가 사용되고 있다.
SMA 액추에이터는 SMA를 와이어 형태로 사용하거나 코일형으로 감아 형성된 SMA 코일 액추에이터가 사용되고 있는 데, SMA 코일 액추에이터는 중량 대비 제공하는 힘이 크고 큰 스트로크를 제공할 수 있는 장점이 있다.
일반적으로 액추에이터를 이용하여 움직임을 발생시키는 장치에서 움직임을 연속적으로 제어하기 위해서는, 액추에이터에 의한 움직임 즉, 변위를 측정할 수 있는 센서를 필요로 한다. 그러나 센서는 매우 작은 형태라도 할지라도 시스템을 복잡하게 하며, 특히 SMA 액추에이터가 사용되는 소형 기기 분야에서는 설치 공간의 협소성 등의 이유로 센서의 설치가 어렵거나 장치의 크기를 증가시키는 요인이 된다.
이러한 단점을 해결하기 위하여 SMA 액추에이터의 변위를 별도로 부가되는 센서 없이 측정하고 이를 제어하기 위한 센서리스 기술에 대한 연구가 그동안 진행되어 왔다. 기존에 연구된 SMA 액추에이터 변위 제어 기술은, SMA 액추에이터의 변위시 변화하는 SMA 액추에이터의 저항값에 근거해서 SMA 액추에이터의 변위를 검출하는 기술이다. 예컨대, 저항으로 변위를 검출하는 기술은 K Ikuta의 " Shape memory alloy servo actuator system with electric resistance feedback and application for active endoscope"을 참조할 수 있고, 저항으로 강성을 검출하는 기술은, K Ikuta의 , "Micro/Miniature Shape memory alloy actuator"를 참조할 수 있다. 상기 문헌들에 개시된 바와 같이, SMA 액추에어터의 강성(stiffness)도 저항에 근거하여 검출할 수 있다.
현재 소형 기기 분야에서 사용되는 SMA 액추에이터의 변위 제어 기술은 SMA 액추에이터의 저항 값을 측정에 근거한 기술이다. 그러나, 저항값에 근거한 SMA 액추에이터의 변위 제어 기술은, SMA 코일에 걸리는 외부 하중이 달라지면 저항-변위 관계가 변화하는 이유로, 외부 하중이 바뀌는 동적 시스템에서는 정밀 제어의 어려움이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, SMA 코일 액추에이터에서 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스 값을 검출하고, 이에 근거하여 SMA 코일 액추에이터의 변위를 검출할 수 있는 형상기억합금 코일 액추에이터의 변위 검출 방법과 이를 이용한 구동장치 및 구동 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 상기 목적을 달성하기 위해, (a) PWM 전압 신호가 인가된 SMA 코일 액추에이터의 정상 상태 전압(Vsteady) 및 정상 상태 전류(Isteady)를 검출하는 단계; (b) SMA 코일 액추에이터에 흐르는 전류의 과도 응답을 분석하여 nτ에 대응되는 전류 값에 도달하는 시간(tnτ)을 검출하는 단계(τ는 시정수, n은 임의의 수); (c) 검출된 Vsteady, Isteady, tnτ값을 이용하여 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스(L)를 검출하는 단계; 및 (d) 미리 저장된 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스와 변위 대응 관계와 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스(L) 값을 이용하여 SMA 코일 액추에이터의 변위를 검출하는 단계를 포함하는 SMA 코일 액추에이터의 변위 검출 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 상기 (c) 단계는,
Figure PCTKR2013002655-appb-I000001
식에 통해 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스를 검출한다.
본 발명에 의하면, 상기 SMA 코일 액추에이터의 변위 검출 방법은, 상기 SMA 코일 액추에이터의 저항 값을 측정하여 강성을 검출하는 단계와, 상기 (d) 단계에 검출된 변위 정보와 검출된 강성을 이용하여 SMA 코일 액추에이터가 작용하는 작용력을 검출하는 단계를 더 포함한다.
또한, 본 발명은, SMA 코일 액추에이터; SMA 코일 액추에이터의 변위를 검출 또는 변위를 검출하고 제어하는 변위 제어 장치를 포함하며, 상기 변위 제어 장치는, 상기 SMA 코일 액추에이터에 인가되는 PWM 전압 신호를 발생하는 신호 발생부; SMA 코일 액추에이터의 정상 상태 전압(Vsteady) 및 정상 상태 전류(Isteady)를 검출하는 V·I 검출부; 상기 SMA 코일 액추에이터에 흐르는 전류의 과도 응답을 분석하여 nτ에 대응되는 전류 값에 도달하는 시간(tnτ)을 검출하는 시정수 검출부; 입력된 Vsteady, Isteady, tnτ값을 이용하여 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스(L)를 검출하는 인덕턴스 검출부; 미리 저장된 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스와 변위 대응 관계와 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스(L) 값을 이용하여 SMA 코일 액추에이터의 변위를 검출하는 변위 검출부; 상기 신호 발생부에 제어신호를 출력하여 SMA 코일 액추에이터로 입력되는 PWM 전압 신호를 제어하는 컨트롤러를 포함하는 SMA 코일 액추에이터 구동 장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 상기 시정수 검출부는, 상기 신호 발생부로부터 상기 SMA 코일 액추에이터로 입력된 PWM 전압 신호에 의한 전압 파형에서, 상기 SMA 코일 액추에이터에 걸리는 실제 전압(real voltage)이 기준 전압(reference voltage)(X%Vsteady, 여기서 X는 임의의 수)에 도달하는 시점으로 설정된 시간 측정의 starting time point를 알 수 있는 하는 전압 비교기; 상기 신호 발생부로부터 상기 SMA 코일 액추에이터로 입력된 PWM 전압 신호에 의한 전류 파형에서, 상기 SMA 코일 액추에이터에 흐르는 실제 전류(real current)가 설정된 기준 전류(reference current)(nτ에 대응되는 전류, τ는 시정수, n은 임의의 수)에 도달하는 시점으로 설정된 시간 측정의 finishing time point를 알 수 있는 하는 전류 비교기; 및 상기 전압 비교기의 출력 파형과, 상기 전류 비교기의 출력 파형을 비교하여, 상기 starting time point와 finishing time point 간의 시간 간격을 펄스 신호로 출력하는 논리 회로를 포함하며, 상기 시정수 검출부는, 상기 펄스 신호로 부터 tnτ을 검출한다.
본 발명에 의하면, 상기 변위 검출부는,
Figure PCTKR2013002655-appb-I000002
식에 통해 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스를 검출한다.
본 발명에 의하면, 상기 변위 제어 장치는 상기 SMA 코일 액추에이터에서 검출되는 저항과 미리 저장되는 있는 저항과 강성간의 대응 관계로부터 상기 SMA 코일 액추에이터의 강성을 검출하는 강성 검출부; 및 상기 변위 검출부에서 검출된 변위 정보와, 상기 강성 검출부에서 검출된 강성 정보를 이용하여 상기 SMA 코일 액추에이터에 일으키는 작용력을 검출하는 작용력 검출부를 더 포함한다.
또한, 본 발명은, SMA 코일 액추에이터 구동장치를 포함하는 구동 시스템을제공한다. 본 발명의 실시예에 의하면, 구동시스템은 카메라 렌즈의 포커싱 또는 줌을 조절한다.
본 발명은, SMA 코일 액추에이터에서 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스 값을 검출하고, 이에 근거하여 SMA 코일 액추에이터의 변위를 검출할 수 있게 한다. 또한, 검출된 SMA 코일 액추에이터의 변위에 근거하여 SMA 코일 액추에이터가 타겟 변위로 변형되도록 제어할 수 있다.
또한, 본 발명은 SMA 코일 액추에이터가 발휘하는 작용력을 검출할 수 있게 하며, 이에 근거하여 SMA 코일 액추에이터의 발휘하는 작용력을 제어할 수 있게 한다.
본 발명에 따른 SMA 액추에이터의 변위 제어 기술은, SMA 코일에 걸리는 외부 하중의 변화에 영향 받지 않지 않으므로 외부 하중이 바뀌는 동적 시스템의 정밀 제어를 가능하게 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 SMA 코일 액추에이터가 적용된 구동 시스템의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 2 는 본 발명에 따른 SMA 코일 액추에이터의 변위 검출 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 은 본 발명에 따른 SMA 코일 액추에이터 구동 장치의 구성도이다.
도 4 는 SMA 코일 액추에이터에서 여러 조건의 변화에 따른 인덕턴스와 변위와의 관계 그래프이다.
도 5 은 SMA 코일 액추에이터에서 PWM 전압이 인가되었을 때 전류 파형의 거동을 나타낸 도면이다.
도 6 은 SMA 코일 액추에이터를 작동시키고 인덕턴스를 측정할 수 있는 회로를 도시한 도면이다.
도 7 은 본 발명에 따른 시정수 검출부 구성의 일예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8 은 본 발명에 따른 SMA 코일 액추에이터가 적용된 구동 시스템의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 9 은 본 발명에 따른 SMA 코일 액추에이터 구동 장치의 다른 실시예를 보인 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1 은 본 발명에 따른 형상기억합금(이하, SMA) 코일 액추에이터가 적용된 구동 시스템의 일 실시예를 도시한 도면으로, 구동 시스템이 카메라 렌즈의 포커싱 또는 줌 장치로 응용된 예를 도시하고 있다.
도면을 참조하면, 구동 시스템은 지지체(1), 상기 지지체(1)에 대하여 움직임이 가능하게 결합된 이동체(2)와, 일단이 상기 지지체에 결합되고 타단이 상기 이동체에 결합된 SMA 코일 액추에이터(10), 상기 SMA 코일 액추에이터의 변위를 검출하거나 변위를 검출 제어하는 변위 제어 장치(100)를 포함한다.
SMA 코일 액추에이터(10)는 전원이 공급되면 가열되고 이에 따른 형상기억효과에 의해 변형하면서 이동체(2)를 움직인다. 이동체(2)는 렌즈(3) 또는 렌즈(3) 고정부를 포함하므로 SMA 코일 액추에이터(10)는 렌즈(3)를 포함한 이동체(2)를 움직인다. 따라서 도 1의 (a) 상태에서 (b) 상태로 이동체가 이동하여 포커싱 또는 줌이 이루어진다.
구동 시스템에서 SMA 코일 액추에이터(10)와, 변위 제어 장치(100)는 SMA 코일 액추에이터 구동 장치를 이룬다.
도 2 는 본 발명에 따른 SMA 코일 액추에이터의 변위 검출 방법을 설명하기 위한 블록도이고, 도 3 은 본 발명에 따른 SMA 코일 액추에이터 구동 장치의 구성도이다.
도 2 를 참조하면, 본 발명에 따른 SMA 코일 액추에이터의 변위 검출 방법은, PWM 전압 신호가 인가된 SMA 코일 액추에이터의 정상 상태 전압(Vsteady) 및 정상 상태 전류(Isteady)를 검출하는 단계(S10); SMA 코일 액추에이터에 흐르는 전류의 과도 응답을 분석하여 nτ에 대응되는 전류 값에 도달하는 시간(tnτ)을 검출하는 단계(τ는 시정수, n은 임의의 수)(S20); 검출된 Vsteady, Isteady, tnτ값을 이용하여 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스(L)를 검출하는 단계(S30); 미리 저장된 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스와 변위 대응 관계와 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스(L) 값을 이용하여 SMA 코일 액추에이터의 변위를 검출하는 단계(S40)를 포함한다.
도 3 을 참조하면, 본 발명에 따른 SMA 코일 액추에이터 구동 장치는 SMA 코일 액추에이터(10)와, SMA 코일 액추에이터의 변위를 검출하거나 변위를 검출 제어하기 위한 SMA 코일 액추에이터의 변위 제어 장치(100)를 포함하며, 본 발명에 따른 SMA 코일 액추에이터의 변위 검출 방법은, 변위 제어 장치(100)에 의해 수행된다.
본 발명에 따르면 변위 제어 장치(100)는, PWM 전압 신호를 발생하는 신호 발생부(110, signal generator)와, SMA 코일 액추에이터의 정상 상태 전압(Vsteady) 및 정상 상태 전류(Isteady)를 검출하는 V·I 검출부(120, Voltage and Current Measurement Section), SMA 코일 액추에이터에 흐르는 전류의 과도 응답을 분석하여 nτ에 대응되는 전류 값에 도달하는 시간(tnτ)을 검출하는 시정수 검출부(130, Time Constant Measurement Section), 입력된 Vsteady, Isteady, tnτ값을 이용하여 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스(L)를 검출하는 인덕턴스 검출부(140, Inductance Calculation Section)와, 미리 저장된 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스와 변위 대응 관계와 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스(L) 값을 이용하여 SMA 코일 액추에이터의 변위를 검출하는 변위 검출부(150, Displacement Measurement Section) 및 각 부분의 동작을 제어하는 컨트롤러(160, Controller)를 포함한다.
이하에서 먼저, 본 발명에 따른 SMA 코일 액추에이터의 변위 검출 방법의 이론적 배경을 설명한다.
SMA 코일 액추에이터는 전원이 인가되면 가열되어 형상기억효과에 의해 변형되는 데, SMA 코일 액추에이터는 코일 형상이므로 인덕턴스 값을 가지게 된다. 본 발명자의 연구에 의하면 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스는 SMA 코일 액추에이터의 기하학적 형상과 변위에 의존하는 특성을 가짐에 반하여, 외부에서 인가되는 하중에 실질적으로 영향 받지 않음을 발견하였다. 그런데 SMA 코일 액추에이터의 기하학적 형상과 소재는 SMA 코일 액추에이터의 제조 당시 미리 설정되어 제조되는 것이므로, 결국 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스는 변위에 의존하는 값으로 정의할 수 있는데, 본 발명자의 연구에 의하면, 각 SMA 코일 액추에이터에서 인덕턴스와 변위는 일정한 관계를 가진다는 것을 발견하였다.
도 4 는 SMA 코일 액추에이터에서 여러 조건의 변화에 따른 인덕턴스와 변위와의 관계 그래프이다.
도 4 의 도시된 그래프에 관계된 실험에 사용된 SMA 코일 액추에이터의 직경은 6mm, 5mm, 4mm, 3mm (각각 도 4의 (a) 내지 (d))이며, 스프링 지수(spring index)는 각각 11.7, 9.8, 7.9, 5.9 이다. 코일 권선수는 100으로 동일하며, 508㎛의 직경을 갖는 상업적인 NiTi 와이어(As-90℃, Dynalloy., USA)로 제조되었다. 와이어는 상기한 코일 직경을 갖도록 권선되며 코일 형상이 메모라이즈되도록 350℃에서 1 시간 동안 어닐링(annealing) 되었다. SMA의 변형은 어닐링 온도에 의존하므로, SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스와 변위 관계 곡선에서 온도가 미치는 영향을 확인하기 위해 실험은 여러 온도에서 실시되어 있다. 실험에서 사용된 온도 조건은, 상온, 60℃, 65℃, 70℃, 75℃, 90℃ 및 105℃ 이다.
도 4 의 그래프를 참조하면, 코일 직경을 서로 달리하는 각각의 SMA 코일 액추에이터에서 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스 값은 실질적으로 변위에 의존하고, 온도 등의 다른 조건은 무시할 수 있는 정도임을 알 수 있다. 즉, SMA 코일 액추에이터는 인덕턴스는 변위에 의존하며 일정한 대응 관계가 성립함을 알 수 있다.
따라서 인덕턴스와 변위 간의 대응 관계를 알고 있는 SMA 코일 액추에이터에서 인덕턴스를 측정할 수 있다면, SMA 코일 액추에이터의 현재 변위를 알 수 있게 되는 것이다.
SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스와 변위의 대응 관계는 실험적으로 결정할 수 있다. SMA 코일 액추에이터에서 인덕턴스와 변위 간의 대응 관계를 측정하는 방식은 변위를 조건 값으로 하여 해당 변위에서의 인덕턴스를 측정하는 것으로 이루어진다. 인덕턴스와 변위 간의 함수는 비선형 함수이며 이를 공식화하는 방법이 알려져 있다. 예컨대, T Tominaka의 "Inductance calculation for helical conductors" 등을 참조할 수 있다. SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스와 변위의 대응 관계는 테이블 또는 함수화되어 변위 제어 장치에 제공된다.
이하에서는 SMA 코일 액추에이터에서 인덕턴스를 검출하는 원리를 설명한다.
SMA 코일 액추에이터는 저항과 인덕터가 직렬로 달려있고 기생 축전기(parasitic capacitance)가 병렬로 달려있는 등가회로로 나타낼 수 있다. 그러나 주파수가 MHz 이하일 때 축전용량 값은 무시할 수 있는 값이므로 SMA 코일 액추에이터는 간략한 R-L회로로 모델링될 수 있다. R-L 회로를 전류에 관한 1계 미분방정식으로 모델링해서 풀게 되면 전압 파형을 인가했을 때 전류 파형이 전압 파형보다 늦게 올라오는 형태로 나오게 되며, 전류의 과도 거동(transient behavior)은 다음의 (1)식으로 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2013002655-appb-I000003
Figure PCTKR2013002655-appb-I000004
(1)
(1) 식에서 시정수(time constant) τ=L/R 인데, R=Vsteady/Isteady 이므로, 시정수 τ를 검출할 수 있다면 인덕턴스(L)를 연산할 수 있다. SMA 코일 액추에이터는 매우 짧은 상승시간을 가지므로, 이때 τ 대신에 nτ(n은 임의의 수)에 도달하는 시간(tnτ)측정하는 것이 상대적으로 유리하다.
따라서 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스는 다음의 (2) 및 (3) 식으로부터 연산될 수 있다.
Figure PCTKR2013002655-appb-I000005
(2)
Figure PCTKR2013002655-appb-I000006
(3)
따라서, SMA 코일 액추에이터 구동 시스템에서 정상 상태 전압(Vsteady), 정상 상태 전류(Isteady) 및 SMA 코일 액추에이터에 흐르는 전류의 과도 응답을 분석하여 nτ에 대응되는 전류 값에 도달하는 시간(tnτ)을 검출할 수 있다면, SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스(L)를 결정할 수 있다.
도 5 은 SMA 코일 액추에이터에서 PWM 전압이 인가되었을 때 전류 파형의 거동을 나타낸 도면이다. 도 5 (a) 파형을 도식화한 그래프이고, 도 5 의 (b)는 실제 파형 거동을 나타내는 그래프인데, 전류 파형의 거동이 (1) 식으로 나타낼 수 있음을 알 수 있다. 따라서 위에서 설명한 SMA 코일 액추에이터의 모델링이 타당함을 알 수 있다.
PWM 전압이 인가되었을 때, 전류는 정착 시간(settling time)을 가진 후 Isteady 상태가 되는 데, SMA 코일 액추에이터의 전류 파형은 (1) 식에 의한 과도 거동을 가지므로, SMA 코일 액추에이터에 흐르는 전류의 과도 응답을 분석하여 nτ에 대응되는 전류 값에 도달하는 시간(tnτ)을 검출하며 (3) 식에 의해 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스 값을 알아낼 수 있다.
t=nτ 에 해당하는 에 대응되는 전류 값을 (1)으로 도출된다. 예컨대, t=τ 일 때의 전류 값은 0.63Isteady 이므로, 전류 값이 대략 0.63Isteady에 도달하는 시간을 검출하면 τ 값을 알 수 있고, t=2τ 일 때의 전류 값은 대략 0.86Isteady 이므로, 전류 값이 0.86Isteady에 도달하는 시간을 검출하면 2τ 값을 알 수 있다. 검출된 nτ 값을 (3) 식에 도입하여 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스(L)를 계산한다.
변위 검출 또는 제어의 대상이 되는 SMA 코일 액추에이터에서 인덕턴스와 변위 대응 관계는 실험적으로 측정하여 미리 알고 있으므로, 인덕턴스와 변위 대응 관계에 검출된 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스(L)를 도입하면 SMA 코일 액추에이터 현재 변위를 검출할 수 있게 된다.
다시 도 2 및 도 3 을 참조하여 본 발명에 따른 SMA 코일 액추에이터의 변위 검출 방법 및 변위 제어 장치를 설명한다.
SMA 코일 액추에이터의 변위 검출 방법은, PWM 전압 신호가 인가된 SMA 코일 액추에이터의 정상 상태 전압(Vsteady) 및 정상 상태 전류(Isteady)를 검출하는 단계(S10)를 포함한다. PWM 전압 신호는 컨트롤러의 제어에 의해 신호 발생부에서 SMA 코일 액추에이터로 입력되고, SMA 코일 액추에이터의 정상 상태 전압(Vsteady) 및 정상 상태 전류(Isteady)의 검출은 V·I 검출부(120)에 수행된다.
PWM 전압이 인가되면 SMA 코일 액추에이터에서는 대략적으로 1㎲안에 정상 상태의 전압 및 전류 파형이 나타나고 V·I 검출부(120)는 그 값을 검출한다.
이어서 SMA 코일 액추에이터에 흐르는 전류의 과도 응답을 분석하여 nτ에 대응되는 전류 값에 도달하는 시간(tnτ)을 검출하는 단계(τ는 시정수, n은 임의의 수)(S20)가 수행된다. tnτ을 검출하는 단계는 시정수 검출부(130)에서 수행된다. 상술한 바와 같이, tnτ 값의 검출은, 인덕턴스 검정을 위한 시정수(τ)를 검출하기 위한 것으로, 상술한 바와 같이 SMA 코일 액추에이터에 PWM 전압이 인가되면 전류는 얼마간의 상승시간을 거쳐 정상 상태 전류가 된다. 따라서 전류의 과도 응답을 분석하면 t=nτ 일때의 대응 전류 값에 도달하는 시간 tnτ를 검출할 수 있다. 예컨대, 63%Isteady에 도달하는 시간을 검출하여 τ에 대응되는 시간을 측정하거나, 86% Isteady에 도달하는 시간을 검출하여 2τ에 대응되는 시간을 측정할 수 있다.
도 6 은 본 발명의 실시예에서 SMA 코일 액추에이터를 작동시키고 인덕턴스를 측정할 수 있는 회로를 도시한 도면이다. SMA 코일 액추에이터에 일정 전압을 유지하면서 다양한 너비를 가진 펄스를 가해주기 위해 MOSFET 이 사용되었다. SMA 코일 액추에이터의 정산 상태 전압과 정상 상태 전류는 차동 증폭기와 전류 센싱용 저항으로 측정된다.
도 7 은 본 발명의 실시예에서, tnτ 검출을 위한 시정수 검출부(130) 구성의 일 예를 설명하기 위한 도면이다. SMA 코일 액추에이터에서 정착 시간이 매우 짧기 때문에 전류 과도 거동뿐만 아니라 전압 과도 거동을 함께 분석하는 것이 tnτ에 보다 용이하다. 본 발명에 실시예에 따르면, 시정수 검출부(130)는 전압 비교기(131), 전류 비교기(132), 및 논리 회로로서 RS 플립플롭(RS flip-flop)(133)을 포함한다.
이상적인 경우에 PWM 전압이 인가되면 전압은 상승시간(rise time) 없이 정상 상태 전압(steady state voltage, Vsteady)이 되지만 실제 회로에서는 수십 ns 정도의 아주 짧은 상승시간을 가진다. 전압 비교기(131)는 상기 신호 발생부(110)로부터 상기 SMA 코일 액추에이터로 입력된 PWM 전압 신호에 의한 전압 파형을 분석하기 위한 것으로, SMA 코일 액추에이터에 걸리는 실제 전압(real voltage)과 기준 전압(reference voltage)이 입력되어 비교된다. 기준 전압은 정상 상태 전압의 X%로 설정되는 데, 전압 정착 시간이 전류 정착 시간에 비교하여 매우 짧기 때문에 임의적으로 설정할 수 있다. X%는 50% 이상으로 설정하는 것이 바람직하다. 전압 비교기(131)는 기준 전압이 실제 전압보다 크면 하이 신호(high signal, nVHIGH)를 출력하고, 실제 전압이 기준 전압 보다 크면 로우 신호(low signal, 0)를 출력한다. 전압 비교기는 정착 시간의 시작 시점을 설정하는 기능을 한다.
전류 비교기(132)는 상기 신호 발생부(110)로부터 상기 SMA 코일 액추에이터로 입력된 PWM 전압 신호에 의한 전류 파형을 분석하기 위한 것으로, SMA 코일 액추에이터에 흐르는 실제 전류(real current)와 기준 전류(reference current)가 입력되어 비교된다, 기준 전류는 정상 상태 전류의 Y%로 설정되는 데, Y 값은 상술한 바와 같이 측정하고자 하는 시간 상수 nτ 에 의해 결정된다, τ 값에 대응되는 시간을 측정하기 위해서는 Y는 0.63 즉, 63% Isteady가 기준 전류가 되며, 2τ 값에 대응되는 시간을 측정하기 위해서는 Y는 0.86 즉, 86% Isteady가 된다. 전류 비교기(132)는 기준 전류가 실제 전류보다 크면 하이 신호(high signal, nCHIGH)를 출력하고, 실제 전류가 기준 전류 보다 크면 로우 신호(low signal, 0)를 출력한다. 전류 비교기(132)는 정착 시간을 측정을 위한 완료 시점을 설정하는 기능을 한다.
논리회로인 RS 플립플롭(133)은 전압 및 전류 비교기 소자들에서 얻어진 신호를 비교하여 두 비교기(131, 132) 소자에서 입력된 신호가 모두 하이인 경우에 하이 신호(high signal, nVCPluse)를 출력한다. 따라서 nτ에 대응되는 시간에 해당하는 펄스 신호가 출력된다. RS 플립플롭(133)의 출력 신호를 살펴보면, 시작 시점은 전압 비교기 소자에서 실제 전압이 기준 전압에 도달하는 시점이 되고, 완료 시점은 전류 비교기 소자에서 실제 전류가 기준 전류에 도달하는 시점이 된다. 양 시점 간의 간격이 nτ에 대응된다. 시정수 검출부(130)의 RS 플립플롭(133)의 출력 신호로부터 정착시간을 검출한다.
도 7 에 도시된 전압 비교기(131), 전류 비교기(132), 및 논리 회로로서의 RS 플립플롭(133)의 사용은 시정수 검출부(130)의 일 예를 도시한 것으로, 기준 전압과 실제 전압을 비교하여 시간 측정의 starting time point를 설정할 수 있게 하는 전압 비교기, 기준 전류와 실제 전류를 비교하여 시간 측정의 finishing time point을 설정할 수 있게 하는 전류 비교기 및 상기 전압 비교기 및 전류 비교기의 출력 파형을 비교하여 starting time point와 finishing time point 간의 시간 간격을 펄스 신호로 출력하는 논리 회로로서 다양하게 구현가능하다. 또한 시정수 검출을 위한 다른 검출 회로가 사용될 수 있다.
nτ에 대응되는 전류 값에 도달하는 시간(tnτ)이 검출된 후, 인덕턴스 검출부(140)에서 검출된 Vsteady, Isteady, tnτ값을 이용하여 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스(L)를 검출하는 단계(S30)단계가 수행된다. 인덕턴스 검출부(140)는 V·I 검출부(120)로부터 정상 상태 전압 값과 정상 상태 전류 값을 입력받고 시정수 검출부(130)로부터 nτ에 대응되는 전류 값에 도달하는 시간(tnτ)을 입력받아 (3) 식에 의하여 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스를 연산하여 검출한다.
인덕턴스 값이 도출된 후, 미리 저장된 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스와 변위 대응 관계와 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스(L) 값을 이용하여 SMA 코일 액추에이터의 변위를 검출하는 단계(S40)가 수행된다. 변위 검출부(150)는 미리 저장된 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스와 변위 대응 관계와 검출된 인덕턴스(L) 값을 이용하여 SMA 코일 액추에이터의 현재 변위를 검출할 수 있다.
본 발명에 따른 SMA 코일 액추에이터의 변위 검출 방법에 의하면, 변위 검출부(150)는 검출된 변위를 SMA 코일 액추에이터의 변위를 정보를 필요로 하는 다른 부분에 출력할 수 있다. 이 경우 SMA 코일 액추에이터의 변위를 측정하는 센서 기능을 하게 된다.
본 발명에 따른 SMA 코일 액추에이터의 변위 검출 방법 또는 변위 제어 장치가 변위만을 검출하고자 하는 경우 컨트롤러는 PWM 전압을 설정된 짧은 시간 동안만 제공하여, SMA 코일 액추에이터의 변위를 검출할 수 있다. 이 때, 변위 검출부(150)는 검출된 변위를 SMA 코일 액추에이터의 변위를 정보를 필요로 하는 다른 부분에 출력할 수 있다. 이 경우 SMA 코일 액추에이터의 변위를 측정하는 센서 기능을 하게 된다.
본 발명에 따른 SMA 코일 액추에이터 변위 제어 장치는 컨트롤러(160)를 포함한다. 검출된 SMA 코일 액추에이터의 변위는 실시간으로 컨트롤러(160)에 입력된다.
본 발명의 변위 검출 방법은, SMA 코일 액추에이터에 작용하는 작용력을 검출하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이에 관해서는 도 9 를 참조하여 설명한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 컨트롤러(160)는 신호 발생부(110)에서 출력되는 PWM 전압의 듀티비를 조절하여 파워를 조절할 수 있다.
본 발명의 실시예 의하면, SMA 코일 액추에이터는 변위 제어 장치에 의해 피드백 제어 된다. 컨트롤러(160)는 SMA 코일 액추에이터를 타겟 변위에 관한 정보를 입력받고 신호 발생부에 설정된 PWM 전압 구동 신호를 인가하도록 제어 신호를 출력하고, 변위 검출부(150)로부터 입력되는 실제 변위 정보와 대비하여 PWM 전압의 듀티비를 조절한다. 이때 컨트롤러(160)에는 실험적으로 결정된 변위-전압 관계 정보가 저장될 수 있고 이를 통해 신호 발생부(110)에 동작 초기에 출력되는 PWM 전압의 듀티비를 결정할 수 있다. 이러한 피드백 제어를 통해 SMA 코일 액추에어터가 타겟 변위에 도달하도록 즉, 이동체가 타겟 위치로 이동하도록 이동체의 움직임을 제어할 수 있다.
도 8 은 본 발명에 따른 SMA 코일 액추에이터가 적용된 구동 시스템의 다른 실시예를 도시한 도면으로, 구동 시스템이 그립핑 로봇의 그립핑 장치로 응용된 예를 도시하고 있다. 도 9 는 도 8 에 도시된 구동 시스템에 적용되는 SMA 코일 액추에이터의 변위 제어 장치의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 8 을 참조하면, 구동 시스템은, 상부로 배치된 지지체(11), 하부로 배치된 이동체(12), 지지체(11) 및 이동체(12) 사이에 배치된 그립퍼(13), 지지체(11)와 그립퍼(13)의 일단 및 이동체(12)와 그립퍼(13)의 타단 사이에 각각 연결된 조인트(15), 지지체(11)와 이동체(12) 사이에 설치된 SMA 코일 액추에이터(10) 및 변위 제어 장치(100)를 포함한다. SMA 코일 액추에이터(10)와, 변위 제어 장치(100)는 SMA 코일 액추에이터 구동 장치를 이룬다.
그립핑 로봇의 구동 시스템은, 대상물(16)을 그립핑 하기 위한 것으로, 도 8 의 (a) 상태에서 SMA 코일 액추에이터(10)가 수축 변위하면 도 8 의 (b) 상태와 같이 그립퍼(13)가 움직여 그립퍼 레그(14)가 대상물(16)을 그립핑한다. 이때 대상물(16)이 소정 이상의 힘이 가해지는 경우 깨지거나 변형되기 쉬운 취약한 물체인 경우 피드백 제어를 통해 도 8 의 (c) 상태로 그립퍼가 설정된 그립핑 력(gripping force)으로 대상물을 그립핑하도록 할 수 있다.
이와 같이 구동 시스템이 작용력을 제어하도록 설정된 경우 도 9 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 변위 제어 장치는 강성 검출부(170) 및 작용력 검출부(180)를 더 포함한다. 본 발명의 변위 검출 방법은 강성 검출부(170) 및 작용력 검출부(180)에 의해 수행되는 SMA 코일 액추에이터에 작용하는 작용력을 검출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
SMA 액추에이터의 강성(stiffness)을 검출하는 방법은 공지되어 있는 방법이다. 예를 들어 K Ikuta 의, "Micro/Miniature Shape memory alloy actuator"를 참조할 수 있다. K Ikuta 에 의하면 SMA 액추에이터의 강성은 저항과 일정한 관계를 가지며, 저항을 이용하여 검출할 수 있다. 강성 검출부(170)는 SMA 코일 액추에이터의 저항을 측정하고 강성과 저항의 대응 관계로 부터 통해 강성을 검출한다.
변위 제어 장치(100)는 SMA 코일 액추에이터(10)의 변위를 검출함과 동시에 강성을 검출하고, 검출된 정보는 작용력 검출부(180)로 입력된다. 작용력 검출부(180)는 변위 관련 정보를 컨트롤러(160)를 통해 입력받거나 변위 검출부(150)로부터 직접 입력받을 수 있다.
작용력 검출부는 변위 검출부(150)에서 입력된 변위 값과 강성 검출부(170)에서 입력된 강성 값을 이용하여 강성을 이용하여 SMA 코일 액추에이터에 의해 현재 작용되는 작용력(F=k·d, k: stiffness, d: displacement)을 검출할 수 있다.
컨트롤러(160)는 SMA 코일 액추에이터에 의한 타겟 작용력에 관한 입력받아 SMA 코일 액추에이터를 피드백 제어할 수 있다. 컨트롤러(160)는 타겟 작용력에 관한 정보를 입력받고 신호 발생부(110)에 설정된 PWM 전압 구동 신호를 인가하도록 제어 신호를 출력하고, 작용력 검출부(180)로부터 입력되는 실제 작용력 정보를 입력받아 실제 작용력이 타겟 작용력과 일치하도록 피드백 제어를 한다. 따라서 도 8 에 도시된 바와 같이, 타겟 작용력이 5N 으로 설정된 경우에 실제 작용력이 6N 이 되더라도(도 8 의 (b) 상태) 피드백 제어를 통해 실제 작용력이 타겟 작용력과 일치하도록 제어하는 것이 가능하다(도 8 의 (c) 상태).
따라서 본 발명의 실시예에 따른 구동 시스템을 가진 그리핑 로봇은, 대상물을 설정된 작용력으로 그립핑 할 수 있게 된다.

Claims (9)

  1. (a) PWM 전압 신호가 인가된 SMA 코일 액추에이터의 정상 상태 전압(Vsteady) 및 정상 상태 전류(Isteady)를 검출하는 단계(S10);
    (b) SMA 코일 액추에이터에 흐르는 전류의 과도 응답을 분석하여 nτ에 대응되는 전류 값에 도달하는 시간(tnτ)을 검출하는 단계(τ는 시정수, n은 임의의 수)(S20);
    (c) 검출된 Vsteady, Isteady, tnτ값을 이용하여 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스(L)를 검출하는 단계(S30); 및
    (d) 미리 저장된 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스와 변위 대응 관계와 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스(L) 값을 이용하여 SMA 코일 액추에이터의 변위를 검출하는 단계(S40)를 포함하는 것을 특징으로 하는 SMA 코일 액추에이터의 변위 검출 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    Figure PCTKR2013002655-appb-I000007
    식에 통해 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스를 검출하는 것을 특징으로 하는 SMA 코일 액추에이터의 변위 검출 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 SMA 코일 액추에이터의 변위 검출 방법은,
    상기 SMA 코일 액추에이터의 저항 값을 측정하여 강성을 검출하는 단계를 더 포함하고,
    상기 (d) 단계에 검출된 변위 정보와 검출된 강성을 이용하여 SMA 코일 액추에이터가 작용하는 작용력을 검출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 SMA 코일 액추에이터의 변위 검출 방법.
  4. SMA 코일 액추에이터;
    SMA 코일 액추에이터의 변위를 검출 또는 변위를 검출하고 제어하는 변위 제어 장치를 포함하며,
    상기 변위 제어 장치는, 상기 SMA 코일 액추에이터에 인가되는 PWM 전압 신호를 발생하는 신호 발생부;
    SMA 코일 액추에이터의 정상 상태 전압(Vsteady) 및 정상 상태 전류(Isteady)를 검출하는 V·I 검출부;
    상기 SMA 코일 액추에이터에 흐르는 전류의 과도 응답을 분석하여 nτ(τ는 시정수, n은 임의의 수)에 대응되는 전류 값에 도달하는 시간(tnτ)을 검출하는 시정수 검출부;
    입력된 Vsteady, Isteady, tnτ값을 이용하여 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스(L)를 검출하는 인덕턴스 검출부;
    미리 저장된 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스와 변위 대응 관계와 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스(L) 값을 이용하여 SMA 코일 액추에이터의 변위를 검출하는 변위 검출부;
    상기 신호 발생부에 제어신호를 출력하여 SMA 코일 액추에이터로 입력되는 PWM 전압 신호를 제어하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 SMA 코일 액추에이터 구동 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 시정수 검출부는,
    상기 신호 발생부로부터 상기 SMA 코일 액추에이터로 입력된 PWM 전압 신호에 의한 전압 파형에서, 상기 SMA 코일 액추에이터에 걸리는 실제 전압(real voltage)이 기준 전압(reference voltage)(X%Vsteady, 여기서 X는 임의의 수)에 도달하는 시점으로 설정된 시간 측정의 starting time point를 알 수 있는 하는 전압 비교기;
    상기 신호 발생부로부터 상기 SMA 코일 액추에이터로 입력된 PWM 전압 신호에 의한 전류 파형에서, 상기 SMA 코일 액추에이터에 흐르는 실제 전류(real current)가 설정된 기준 전류(reference current)(nτ에 대응되는 전류, τ는 시정수, n은 임의의 수)에 도달하는 시점으로 설정된 시간 측정의 finishing time point를 알 수 있는 하는 전류 비교기; 및
    상기 전압 비교기의 출력 파형과, 상기 전류 비교기의 출력 파형을 비교하여, 상기 starting time point와 finishing time point 간의 시간 간격을 펄스 신호로 출력하는 논리 회로를 포함하며,
    상기 시정수 검출부는, 상기 펄스 신호로 부터 tnτ을 검출하는 것을 특징으로 하는 SMA 코일 액추에이터 구동 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 변위 검출부는,
    Figure PCTKR2013002655-appb-I000008
    식에 통해 SMA 코일 액추에이터의 인덕턴스를 검출하는 것을 특징으로 하는 SMA 코일 액추에이터 구동 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 변위 제어 장치는 상기 SMA 코일 액추에이터에서 검출되는 저항과 미리 저장되는 있는 저항과 강성간의 대응 관계로부터 상기 SMA 코일 액추에이터의 강성을 검출하는 강성 검출부; 및
    상기 변위 검출부에서 검출된 변위 정보와, 상기 강성 검출부에서 검출된 강성 정보를 이용하여 상기 SMA 코일 액추에이터에 의한 작용력을 검출하는 작용력 검출부(180)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 SMA 코일 액추에이터 구동 장치.
  8. 제 4 항 내지 제 7 항 어느 하나의 항에 따른 SMA 코일 액추에이터 구동장치를 포함하는 구동 시스템으로서,
    지지체;
    상기 지지체에 대하여 움직임이 가능하게 결합된 이동체;
    일단이 상기 지지체에 결합되고 타단이 상기 이동체에 결합된 상기 SMA 코일 액추에이터; 및 상기 변위 제어 장치를 포함하는 SMA 코일 액추에이터의 구동 장치를 포함하는 구동 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 이동체는 렌즈를 포함하고, 상기 구동시스템은 카메라 렌즈의 포커싱 또는 줌을 조절하는 것을 특징으로 하는 구동 시스템.
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