(57)【要約】【課題】規制部材によって移動体の移動距離があらかじめ決められている形状記憶合金アクチュエータシステムの形状記憶合金ワイヤの過加熱を防止する。【解決手段】抵抗フィードバック回路が、収縮及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を指令部より入力された信号と比較演算を行い、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、及び出力部を制御する制御部と、あらかじめ測定された抵抗値の最大抵抗値及び最小抵抗値を記憶する記憶部と、記憶部で記憶された抵抗値を基に指令部から出力された信号を補正する指令補正部と、を有し、指令補正部から出力される指令信号は、最小抵抗値より補正値分大きい抵抗値に設定される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度変化により、その長さが伸縮する形状記憶合金ワイヤに取り付けられた移動体の移動範囲が、規制部材によって決められた形状記憶合金アクチュエータと、
抵抗フィードバック回路と、
を備えた形状記憶合金アクチュエータシステムにおいて、
前記抵抗フィードバック回路は、
前記形状記憶合金アクチュエータの収縮及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を指令部より入力された信号と比較演算を行い、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、
少なくとも前記検出部、演算部、及び出力部を制御する制御部と、
あらかじめ測定された抵抗値の最大抵抗値及び最小抵抗値を記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された抵抗値を基に前記指令部から出力された信号を補正する指令補正部と、
を有し、
前記指令補正部から出力される指令信号は、前記最小抵抗値より補正値分大きい抵抗値に設定され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。
【請求項２】
前記補正値は検出ノイズ値よりも大きい請求項１に記載の形状記憶合金アクチュエータシステム。
【請求項３】
前記最大抵抗値及び前記最小抵抗値の取得は、電源投入時にされることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の形状記憶合金アクチュエータシステム。
【請求項４】
前記最大抵抗値及び前記最小抵抗値の取得は、所定の時間が経過するごとに行われることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の形状記憶合金アクチュエータシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
形状記憶合金は、通電させることにより形状記憶合金の形状を変化させ、その形状変化に伴って変化する電気抵抗値を検出しつつ、形状記憶合金の伸縮を自在に制御することによって、形状記憶合金の伸縮度を精密に制御することができるため、装置の小型化に非常に適した特徴を持っている。
【０００３】
しかし、形状記憶合金は加熱されすぎると、形状記憶合金としての特性が好適に発揮されなくなる。製品寿命、安全面、省電力などの面からみても、このような形状記憶合金の過熱状態は好ましくない。また、動作環境や経年変化に対応して形状記憶合金を最適制御するための措置も必要である。
【０００４】
形状記憶合金を用いた従来のアクチュエータとしては、例えば特許文献１記載のアクチュエータがある。以下、図８から図１０を参照して、その内容を説明する。図８に示すアクチュエータは、通電制御回路６００と線材制御回路６５０とを備える。通電制御回路６００は、図９に示すように、状態検出部６１０、作用部６２０、指示検出部６３０、制御部６４０を備える。さらに、作用部６２０は、図１０に示すように、時間特定部６２２、作用通電部６２４、リミット判定部６２６、及びリミット制御部６２８を備える。ここで、図８は、従来のアクチュエータの回路構成を示す図である。図９は、図８に示すアクチュエータの通電制御装置６００の構成を示すブロック図である。図１０は、図９に示す作用部６２０の構成を示すブロック図である。
【０００５】
このアクチュエータでは、通電制御装置６００が第１トランジスタＴｒ１をオンすると、第１抵抗Ｒ１、線材７００、第２抵抗Ｒ２、第３抵抗Ｒ３が通電される。このとき、線材７００と第１抵抗Ｒ１をつなぐ点の電位Ｖ１と、第２抵抗Ｒ２と第３抵抗Ｒ３をつなぐ点の電位Ｖ３と、の差は、差動増幅器６６０によって増幅される。通電制御装置６００は、その増幅された差分値に基づいて線材７００の伸縮を制御する。抵抗を有する線材７００は、外部に位置センサを取り付けることなく長さを制御することが可能なため、アクチュエータを小型化することが可能である。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１８３５６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、このアクチュエータでは、線材７００の変位量を観測しているわけではない。これにもかかわらず、規制部材によってアクチュエータが移動できない状態であっても制御しようとすると、線材７００を加熱しすぎて、その性能を劣化させてしまう。
【０００８】
このとき、通電制御装置６００は、線材７００の過熱を防止するために、制御時に得られた予め定められたリミット条件の判定を実行し、リミット条件が成立したときには、線材７００への通電を抑制する。上記従来例におけるリミット判定には、抵抗値が一定時間変化しない場合や供給される電力量が一定期間で限界値を超えた場合というものがあり、リミットを越えたときに通電量を制御するというものであるが、リミット条件が判定されたあとに通電量を制御した場合に形状記憶合金が過剰に冷却されることがあるために、変形してその形状を維持できなくなり、アクチュエータの位置を保持できなくなる。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、規制部材によって移動体の移動距離があらかじめ決められている形状記憶合金アクチュエータシステムにおいて形状記憶合金ワイヤの過加熱を防止可能とするものである。具体的には、抵抗制御を行う前に規制部材によって決められている移動範囲における抵抗値を取得しておき、取得した抵抗値を基に指令できる抵抗値を算出、記憶しておき、それ以上の抵抗値を指令できないようにすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る形状記憶合金アクチュエータシステムは、温度変化により、その長さが伸縮する形状記憶合金ワイヤに取り付けられた移動体の移動範囲が、規制部材によって決められた形状記憶合金アクチュエータと、抵抗フィードバック回路と、を備えた形状記憶合金アクチュエータシステムであって、抵抗フィードバック回路は、形状記憶合金アクチュエータの収縮及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を指令部より入力された信号と比較演算を行い、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、少なくとも検出部、演算部、及び出力部を制御する制御部と、あらかじめ測定された抵抗値の最大抵抗値及び最小抵抗値を記憶する記憶部と、記憶部で記憶された抵抗値を基に指令部から出力された信号を補正する指令補正部と、を有し、指令補正部から出力される指令信号は、最小抵抗値より補正値分大きい抵抗値に設定されることを特徴としている。
【００１１】
本発明に係る形状記憶合金アクチュエータシステムにおいて、補正値は検出ノイズ値よりも大きいことが好ましい。
【００１２】
本発明に係る形状記憶合金アクチュエータシステムにおいて、抵抗値の最大値、最小値の取得は、電源投入時にされるとよい。
【００１３】
本発明に係る形状記憶合金アクチュエータシステムにおいて、抵抗値の最大値、最小値の取得は、所定の時間が経過するごとに行われることが実際的である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る形状記憶合金アクチュエータシステムは、抵抗制御を行う前に規制部材によって決められている移動範囲における抵抗値を取得しておき、取得した抵抗値を基に指令できる抵抗値を算出、記憶しておき、それ以上の抵抗値を指令できないようにする、という効果を奏する。これにより、形状記憶合金ワイヤの過熱を防止することができるため、耐久性を向上させることができるとともに、経時変化を抑えることができることから安定性及び信頼性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明に係る形状記憶合金アクチュエータシステムの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１６】
図１は、本発明の実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータシステム１００の構成を示すブロック図である。図１に示すように、形状記憶合金アクチュエータシステム１００は、形状記憶合金アクチュエータ１１０と、抵抗フィードバック回路１２０と、を備える。
【００１７】
図２は、形状記憶合金アクチュエータ１１０の概略構成を示すとともに、形状記憶合金ワイヤ１１２が延伸した状態を示す図である。図３は、形状記憶合金アクチュエータ１１０の概略構成を示す図であって、形状記憶合金ワイヤ１１２が加熱されて収縮するとともに抵抗フィードバック回路１２０を用いて制御されている状態を示す図である。
【００１８】
形状記憶合金アクチュエータ１１０は、図２、図３に示すように、移動体１１１と、一端が移動体１１１に接続された形状記憶合金ワイヤ１１２と、形状記憶合金ワイヤ１１２の他端が接続された固定端１１６と、内部に形状記憶合金ワイヤ１１２が挿通された筒状部材１１５と、移動体１１１と筒状部材１１５を互いに離間させるような弾性力を備えたバイアスばね１１３と、形状記憶合金ワイヤ１１２の動作時に移動体１１１の移動範囲を規制する規制部材１１４と、を備える。この形状記憶合金アクチュエータ１１０では、温度変化により、その長さが伸縮する形状記憶合金ワイヤ１１２に取り付けられた移動体１１１の移動範囲が規制部材１１４によって決められている。
【００１９】
抵抗フィードバック回路１２０は、検出部１３０、演算部１４０、出力部１５０、記憶部１６０、指令補正部１７０、及び制御部１８０を備える。
検出部１３０は、形状記憶合金ワイヤ１１２の収縮及び延伸の長さ変化に対して変化する抵抗値を検出する。演算部１４０は、検出部１３０が検出から得られた出力信号としての抵抗値と、抵抗フィードバック回路１２０の外部の指令部２１０から入力された抵抗値（指令抵抗値）と、の差を計算し制御するための電流値を計算する。出力部１５０は、演算部１４０で演算された電流値を形状記憶合金アクチュエータ１１０に印加する。記憶部１６０には、あらかじめ行ったキャリブレーションによって得られた、最大抵抗値及び最小抵抗値が記憶されている。指令補正部１７０は、記憶部１６０に記憶された、最大抵抗値及び最小抵抗値に、指令補正部１７０から入力された設定値を掛け合わせて、指令部１９０から入力された信号に補正をする。また、検出部１３０、演算部１４０、及び出力部１５０は制御部１８０によって制御される。
【００２０】
つづいて、図２から図５を用いて本実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータシステム１００の動作について説明する。図４は、移動体１１１の移動可能範囲と形状記憶合金ワイヤ１１２の抵抗値の関係を示すグラフである。図５は、形状記憶合金ワイヤ１１２の制御目標抵抗値と移動体１１１の位置との関係を示すグラフである。
【００２１】
形状記憶合金ワイヤ１１２は、通電加熱すると、固定端１１６を基準に図２、図３の紙面右方向へ縮む。すると、形状記憶合金ワイヤ１１２へ通電加熱する前には位置Ａ（図２）にあった移動体１１１は、位置Ｂまで移動する。ここで、形状記憶合金ワイヤ１１２は、位置Ｂにある規制部材１１４よりも右側へ収縮可能であるが、移動体１１１は、規制部材１１４によって位置Ｂに位置決めされる。
【００２２】
さらに、移動体１１１は、位置Ａ−Ｂ間で、検出部１３０による形状記憶合金ワイヤ１１２の抵抗値を、指令部２１０から入力された指令抵抗値と比較することによって位置制御されている。ここで、検出部１３０によって検出された抵抗値は形状記憶合金ワイヤ１１２が縮むと抵抗値が小さくなる。しかしながら、位置Ｂには規制部材１１４があるため、抵抗値のばらつきなどによって、位置Ｂより右に指令抵抗値が設定されることがあるため、この場合は規制部材１１４により抵抗値が指令抵抗値に達しないため、常に加熱され続け過加熱になってしまう。
【００２３】
そこで、本実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータシステム１００では、あらかじめキャリブレーションにより位置Ａ−Ｂ間における最小抵抗値を取得しておき、位置Ｂの指令（最小抵抗値）を与える場合、指令補正部１７０において、位置Ｂに対応する抵抗値ではなく、取得した最小抵抗値に補正をかけて、補正指令値として指令を行う。したがって、図４のように位置Ａ、Ｂにそれぞれ対応する抵抗値ＲＡ、ＲＢを指令抵抗値の範囲とするのではなく、図５のように位置Ｂに対応する抵抗値ＲＢに補正を加えてＲＢ−αとする。すなわち、指令抵抗値の範囲を、抵抗値ＲＡと、抵抗値ＲＢより補正値α分だけ大きい抵抗値ＲＢ−αと、で規定している。ここでαは正数である。このとき、移動体１１１の移動範囲は、位置Ａに一致する位置Ｃと、位置Ｂよりも位置Ａ側の位置Ｄと、の間となる。このような補正を指令抵抗値に施すことによって、位置Ｂに突き当てない、すなわち過加熱が起こらない状態にすることができる。したがって、過加熱することなく制御した位置を維持することが可能になる。
【００２４】
なお、以上の説明では、位置Ｂに対応する抵抗値から補正値αを引くことによって補正をしているが、補正はこれに限られない。例えば、補正量を位置ＡＢ間の抵抗値に対する比率で算出してもよい。位置ＡＢ間の抵抗値で算出しておけば、形状記憶合金ワイヤ１１２の長さのばらつき、位置Ａ−Ｂ間の組立のばらつきが生じても、位置Ｄは常に位置Ｂから所望の指定した割合の位置になる。また、補正量としては、１３０の検出感度にもよるが、位置ＡＢ間の抵抗値の差に対して１％程度でよい。
【００２５】
また、補正値αは検出ノイズ値よりも大きいことが望ましい。具体的には、補正値は、位置Ａ−Ｂ間のストロークの１０％以上が好ましい。ここで、検出ノイズ値とは、検出部１３０における検出にともなうノイズ値に限らず、フィードバック回路１２０内で発生しうるノイズ値を含んでも良い。このように補正値を設定すると、検出ノイズによって、移動体１１１の移動範囲にばらつきが生じたとしても、移動体１１１が位置Ｂに至ることがないため、過熱を防ぐことができる。
【００２６】
つづいて、図６、図７を参照して、最大抵抗値及び最小抵抗値を取得するキャリブレーション並びに補正値を用いた演算のタイミングについて説明する。図６は、キャリブレーション及び補正値演算を、形状記憶合金アクチュエータシステム１００の電源投入時、すなわち制御開始前に行う場合の流れを示すフローチャートである。図７は、キャリブレーション及び補正値演算を、形状記憶合金アクチュエータシステム１００の電源投入後、すなわち制御開始後、所定時間ごとに行う場合の流れを示すにフローチャートである。
【００２７】
まず、図６を参照して、電源投入時にキャリブレーション及び補正値演算を行う場合の処理の流れについて説明する。図６に示す場合では、電源投入（ステップＳ１００）後、まず、キャリブレーション（ステップＳ１０１）及び補正値演算（ステップＳ１０２）を順に行い、その後に、形状記憶合金ワイヤ１１２の抵抗値制御（ステップＳ１０３からＳ１０５）に移行する。
【００２８】
抵抗値制御を行うことが選択された場合（ステップＳ１０３でＹＥＳ）は、抵抗値制御を実行（ステップＳ１０４）した後に、再度制御を終了するか否かが判断される（ステップＳ１０５）。再度制御を行うことが選択されると（ステップＳ１０５でＮＯ）、再び抵抗値制御を実行する（ステップＳ１０４）。このように抵抗値制御が実行されるたびに、抵抗値制御を継続するかどうかが選択され（ステップＳ１０５）、制御を終了することが選択されると（ステップＳ１０５でＹＥＳ）、処理は終了する。
また、キャリブレーション及び補正値演算のみを行って抵抗値制御を行わない場合（ステップＳ１０３でＮＯ）も処理を終了する。
【００２９】
ここで、キャリブレーション（ステップＳ１０１）及び補正値演算（ステップＳ１０２）の結果は記憶部１６０に記憶される。次回の電源投入時には、キャリブレーション及び補正値演算を行わずに、記憶部１６０に記憶された演算結果を利用して、抵抗値制御（ステップＳ１０３からＳ１０５）を行う。このように電源投入時にキャリブレーション及び補正値演算を行っておけば、一旦、電源をＯＦＦしても、次回制御を行うときにはその時点での抵抗値を参照して制御することができる。
【００３０】
これに対して、抵抗値制御を行うたびに、キャリブレーション及び補正値演算を行っても良い。これにより、形状記憶合金ワイヤ１１２に経年変化があったとしても安定して制御をすることが可能である。
【００３１】
つづいて、図７を参照して、電源投入後の所定時間ごとに、キャリブレーション及び補正値演算を行う場合の処理の流れについて説明する。図７に示す場合では、電源投入（ステップＳ２００）後、キャリブレーション及び補正値演算を行う前に、抵抗値制御を行うか否かが選択される（ステップＳ２０１）。
【００３２】
抵抗値制御を行うことが選択された場合（ステップＳ２０１でＹＥＳ）は、抵抗値制御を実行（ステップＳ２０４）した後に、制御開始から所定時間が経過したか否かが判断される（ステップＳ２０３）。所定時間が経過していた場合（ステップＳ２０３でＹＥＳ）は、キャリブレーション（ステップＳ２０４）及び補正値演算（ステップＳ２０５）を順に実行する。キャリブレーション及び補正値演算の結果は記憶部１６０に記憶される。
【００３３】
上記ステップＳ２０３で所定時間が経過していなかった場合（ステップＳ２０３でＮＯ）、並びに、キャリブレーション（ステップＳ２０４）及び補正値演算（ステップＳ２０５）が実行された後、再度制御を終了するか否かが判断される（ステップＳ２０６）。
【００３４】
再度制御を行うことが選択されると（ステップＳ２０６でＮＯ）、再び抵抗値制御を実行する（ステップＳ２０４）。以上のように抵抗値制御が実行されるたびに、前回のキャリブレーション及び補正値演算から所定時間が経過したかどうかが判断され（ステップＳ２０３）、所定時間経過ごとにキャリブレーション（ステップＳ２０４）及び補正値演算（ステップＳ２０５）が実行され、その後、制御を終了することが選択されると（ステップＳ２０６でＹＥＳ）、処理は終了する。ここで、記憶部１６０には、最新のキャリブレーション結果及び補正値演算結果が記憶される。
また、キャリブレーション及び補正値演算のみを行って抵抗値制御を行わない場合（ステップＳ２０３でＮＯ）も処理を終了する。
【００３５】
このように所定時間ごとにキャリブレーション及び補正値演算を行っておけば、長時間の連続運転をするような場合における形状記憶合金ワイヤ１１２の特性変化に対応することが可能になる。
【００３６】
なお、図７においてキャリブレーション及び補正値演算を行う間隔である所定時間は、形状記憶合金ワイヤ１１２の仕様その他の条件に応じて任意に設定することができる。また、キャリブレーション及び補正値演算は、図６に示す形状記憶合金アクチュエータシステム１００の電源投入時、及び、図７に示す制御開始後の両方において行うこともできる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
以上のように、本発明に係る形状記憶合金アクチュエータシステムは、小型の移動体を精度良く移動させることが必要な小型機器に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータのシステムを示すブロック図である。
【図２】形状記憶合金アクチュエータの概略構成を示すとともに、形状記憶合金ワイヤが延伸した状態を示す図である。
【図３】形状記憶合金アクチュエータの概略構成を示す図であって、形状記憶合金ワイヤが加熱されて収縮するとともに抵抗フィードバック回路を用いて制御されている状態を示す図である。
【図４】移動体の移動可能範囲と形状記憶合金ワイヤの抵抗値の関係を示すグラフである。
【図５】形状記憶合金ワイヤの制御目標抵抗値と移動体の位置との関係を示すグラフである。
【図６】キャリブレーション及び補正値演算を、形状記憶合金アクチュエータシステムの電源投入時、すなわち制御開始前に行う場合の流れを示すフローチャートである。
【図７】キャリブレーション及び補正値演算を、形状記憶合金アクチュエータシステムの電源投入後、すなわち制御開始後、所定時間ごとに行う場合の流れを示すにフローチャートである。
【図８】従来のアクチュエータの回路構成を示す図である。
【図９】図８に示すアクチュエータの通電制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】図９に示す作用部の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３９】
１００  形状記憶合金アクチュエータシステム
１１０  形状記憶合金アクチュエータ
１１１  移動体
１１２  形状記憶合金ワイヤ
１１３  バイアスばね
１１４  規制部材
１１５  筒状部材
１１６  固定端
１２０  抵抗フィードバック回路
１３０  検出部
１４０  演算部
１５０  出力部
１６０  記憶部
１７０  指令補正部
１８０  制御部
２１０  指令部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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