(57)【要約】  SMAアクチュエータ（2）用の制御器（44）は、SMA素子（8）を通る電流を印加する電源（46）と、素子（8）の電気抵抗変化を検出するセンサ（48）と、印加電流を制御する調整器（50）と、を有する。調整器（50）は、電気抵抗に選択された変化が検出されるまで、素子（8）の安全限界電流を超える第1の電流を印加し、前記変化が検出された後に、第1の電流よりも小さな第2の電流を印加する。
2007522373.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
SMAアクチュエータ用の制御器であって、
前記SMAアクチュエータは、少なくとも一つのSMA素子を有し、
当該制御器は、
SMA素子を通る電流を印加する電力源と、
SMA素子の電気抵抗変化を検出するセンサと、
印加電流を制御する調整器と、
を有し、
前記調整器は、前記電気抵抗において、選択された変化が検出されるまで、前記SMA素子の安全限界電流を超える第1の電流を印加し、前記変化が検出された後に、前記第1の電流よりも小さな第2の電流を印加することを特徴とする制御器。
【請求項２】
前記選択された変化は、前記SMA素子に熱損傷が生じないような温度以下の、前記SMA素子の温度範囲に対応することを特徴とする請求項1に記載の制御器。
【請求項３】
前記選択された変化は、安全率またはマージンを含むことを特徴とする請求項1または2に記載の制御器。
【請求項４】
前記安全率またはマージンは、歪みによって生じる前記SMA素子の抵抗変化を含むことを特徴とする請求項3に記載の制御器。
【請求項５】
当該制御器は、検出された電気抵抗の関数として、前記SMA素子に印加された第1の電流を連続的に低下させることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一つに記載の制御器。
【請求項６】
当該制御器は、検出された電気抵抗の関数として、前記SMA素子に印加された第1の電流を実質的に滑らかに低下させることを特徴とする請求項5に記載の制御器。
【請求項７】
前記第1の電流の低下は、前記選択された変化の境界に隣接した、前記選択された変化内の電気抵抗の範囲で生じることを特徴とする請求項5または6に記載の制御器。
【請求項８】
前記SMA素子に印加される電流は、実質的に定常直流電流であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一つに記載の制御器。
【請求項９】
前記SMA素子に印加される電流は、断続的な直流電流であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一つに記載の制御器。
【請求項１０】
前記SMA素子に印加される電流は、交流電流であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一つに記載の制御器。
【請求項１１】
前記SMA素子の電気抵抗の変化は、前記SMA素子の電気抵抗の測定によって検出されることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか一つに記載の制御器。
【請求項１２】
前記SMA素子の電気抵抗の変化は、前記SMA素子のインピーダンス測定によって、または前記SMA素子の電気抵抗の指標となる他の特性の測定によって検出されることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか一つに記載の制御器。
【請求項１３】
前記SMA素子の電気抵抗は、実質的に連続的に検出されることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか一つに記載の制御器。
【請求項１４】
前記SMA素子の電気抵抗は、実質的に選択されたインターバルで検出されることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか一つに記載の制御器。
【請求項１５】
前記SMA素子は、実質的に直線状のワイヤであることを特徴とする請求項1乃至14のいずれか一つに記載の制御器。
【請求項１６】
前記SMA素子は、実質的に螺旋状に巻回されたワイヤであることを特徴とする請求項1乃至14のいずれか一つに記載の制御器。
【請求項１７】
前記SMAアクチュエータは、2以上の同時に作動するSMA素子を有することを特徴とする請求項15または16に記載の制御器。
【請求項１８】
当該制御器は、通常の作動モードに加えて、初期化または較正モードを有し、前記初期化または較正モードでは、前記SMA素子の高温および／もしくは低温での電気抵抗が測定され、記録されることを特徴とする請求項1乃至17のいずれか一つに記載の制御器。
【請求項１９】
当該制御器は、前記SMAアクチュエータの電源がオンになった際に、自動的に、前記初期化または較正モードに入ることを特徴とする請求項18に記載の制御器。
【請求項２０】
当該制御器は、コマンドによって、自動的に、前記初期化または較正モードに入ることを特徴とする請求項19に記載の制御器。
【請求項２１】
初期化または較正動作は、前記SMA素子に少なくとも一つの試験電流を印加する工程と、前記試験電流に対する電気抵抗を測定する工程と、測定抵抗から前記選択された変化を定める工程とを有することを特徴とする請求項19または20に記載の制御器。
【請求項２２】
前記SMAアクチュエータの出力素子の所望の動作または位置と、前記出力素子の検出された実際の動作または位置の間の差異の関数として、前記アクチュエータの動作の所望の段階を計算する、動作制御システムを有することを特徴とする請求項1乃至21のいずれか一つに記載の制御器。
【請求項２３】
前記動作制御システムのゲインは、微小の位置エラーから、前記SMA素子の安全限界電流を超える、正しい信号が得られるように、高く設定されていることを特徴とする請求項1乃至22のいずれか一つに記載の制御器。
【請求項２４】
前記電流調整器は、前記SMA素子をオーステナイト相状態に維持する第3の電流を印加することができ、前記第3の電流は、前記安全限界電流よりも十分に小さいことを特徴とする請求項1乃至23のいずれか一つに記載の制御器。
【請求項２５】
前記SMA素子の測定抵抗が、選択された作動上限を超えた場合、または選択された作動下限を下回った場合、当該制御器は、前記アクチュエータが適正に機能していないことを示す故障信号もしくはエラー信号を発生することを特徴とする請求項1乃至24のいずれか一つに記載の制御器。
【請求項２６】
少なくとも第1のSMA素子と、
該SMA素子と関連して動作する出力素子であって、前記SMA素子の動作に応じて可動する出力素子と、
前記SMA素子の動作を制御する、請求項1乃至25のいずれか一つに記載の制御器と、
を有するSMAアクチュエータ。
【請求項２７】
第2のSMA素子を有し、
前記両SMA素子は、前記SMA素子の一つに収縮が生じると、前記SMA素子の他方に、相補的に、引張力が生じるように配置されることを特徴とする請求項26に記載のSMAアクチュエータ。
【請求項２８】
SMAアクチュエータの少なくとも一つのSMA素子を加熱する方法であって、
前記SMA素子を流れる電流を印加するステップと、
前記SMA素子の電気抵抗の変化を検出するステップと、
を有し、
前記SMA素子には、前記電気抵抗において、選択された変化が検出されるまで、安全限界電流を超える第1の電流が印加され、前記変化が検出された後、前記第1の電流よりも小さな第2の電流が印加されることを特徴とする方法。
【請求項２９】
前記選択された変化は、前記SMA素子に熱損傷が生じないような温度以下の、前記SMA素子の温度範囲に対応することを特徴とする請求項28に記載の方法。
【請求項３０】
前記選択された変化は、安全率またはマージンを含むことを特徴とする請求項28または29に記載の方法。
【請求項３１】
前記安全率またはマージンは、歪みによって生じる前記SMA素子の抵抗変化を含むことを特徴とする請求項30に記載の方法。
【請求項３２】
検出された電気抵抗の関数として、前記SMA素子に印加された第1の電流を連続的に低下させるステップを有することを特徴とする請求項28乃至31のいずれか一つに記載の方法。
【請求項３３】
検出された電気抵抗の関数として、前記SMA素子に印加された第1の電流を実質的に滑らかに低下させるステップを有することを特徴とする請求項32に記載の方法。
【請求項３４】
前記第1の電流の低下は、前記選択された変化の境界に隣接した、前記選択された変化内の電気抵抗の範囲で生じることを特徴とする請求項32または33に記載の方法。
【請求項３５】
前記SMA素子に印加される電流は、実質的に定常直流電流であることを特徴とする請求項28乃至34のいずれか一つに記載の方法。
【請求項３６】
前記SMA素子に印加される電流は、断続的な直流電流であることを特徴とする請求項28乃至34のいずれか一つに記載の方法。
【請求項３７】
前記SMA素子に印加される電流は、交流電流であることを特徴とする請求項28乃至34のいずれか一つに記載の方法。
【請求項３８】
前記SMA素子の電気抵抗を測定することにより、前記SMA素子の電気抵抗の変化を検出するステップを有することを特徴とする請求項28乃至37のいずれか一つに記載の方法。
【請求項３９】
前記SMA素子のインピーダンス測定によって、または前記SMA素子の電気抵抗の指標となる他の特性の測定によって、前記SMA素子の電気抵抗の変化を検出するステップを有することを特徴とする請求項28乃至37のいずれか一つに記載の方法。
【請求項４０】
前記SMA素子の電気抵抗を、実質的に連続的に検出するステップを有することを特徴とする請求項28乃至39のいずれか一つに記載の方法。
【請求項４１】
前記SMA素子の電気抵抗を、実質的に選択されたインターバルで検出するステップを有することを特徴とする請求項28乃至39のいずれか一つに記載の方法。
【請求項４２】
前記SMA素子は、実質的に直線状のワイヤであることを特徴とする請求項28乃至41のいずれか一つに記載の方法。
【請求項４３】
前記SMA素子は、実質的に螺旋状に巻回されたワイヤであることを特徴とする請求項28乃至41のいずれか一つに記載の方法。
【請求項４４】
前記SMAアクチュエータは、2以上の同時に作動するSMA素子を有することを特徴とする請求項42または43に記載の方法。
【請求項４５】
初期化または較正動作の一部として、前記SMA素子の高温および／もしくは低温での電気抵抗を測定し、記録するステップを有することを特徴とする請求項28乃至44のいずれか一つに記載の方法。
【請求項４６】
前記初期化または較正動作は、前記SMAアクチュエータの電源がオンになった際に、自動的に行われることを特徴とする請求項45に記載の方法。
【請求項４７】
前記初期化または較正動作は、コマンドによって、自動的に行われることを特徴とする請求項45に記載の方法。
【請求項４８】
初期化または較正動作の一部として、前記SMA素子に少なくとも一つの試験電流を印加するステップと、前記試験電流に対する電気抵抗を測定するステップと、測定抵抗から前記選択された変化を定めるステップとを有することを特徴とする請求項45乃至47のいずれか一つに記載の方法。
【請求項４９】
前記SMAアクチュエータの出力素子の所望の動作または位置と、前記出力素子の検出された実際の動作または位置の間の差異の関数として、前記アクチュエータの動作の所望の段階を計算するステップを有することを特徴とする請求項28乃至48のいずれか一つに記載の方法。
【請求項５０】
前記SMA素子をオーステナイト相状態に維持する第3の電流を印加するステップを有し、前記第3の電流は、前記安全限界電流よりも十分に小さいことを特徴とする請求項28乃至49のいずれか一つに記載の方法。
【請求項５１】
前記SMA素子の測定抵抗が、選択された作動上限を超えた場合、または選択された作動下限を下回った場合、前記アクチュエータが適正に機能していないことを示す故障信号もしくはエラー信号を発生するステップを有することを特徴とする請求項28乃至50のいずれか一つに記載の方法。
【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に関し、特に形状記憶合金アクチュエータの制御器に関する。
【背景技術】
【０００２】
形状記憶合金（以降「SMA」という）は、特定の物理的性質を共有する導電性材料の特定の群である。固体状態では、これらの合金は、2種類の異なる結晶状態または相を有し、低温相はマルテンサイトと呼ばれ、高温相は、オーステナイトと呼ばれている。
【０００３】
一般に、SMAで構成され、大部分がマルテンサイト相である材料は、降伏応力が低く、比較的小さな応力によって、大きな歪みが生じ、塑性変形が生じる。その後、変形した材料が加熱され、大部分がオーステナイト相に復元されると、材料は、元来の形状に戻る。SMAの形状回復の際には、これに付随して、かなりの機械的仕事を行うことができる程の大きな力が生じる。SMAのこの特性は、SMAアクチュエータによって利用され、電気的または熱的エネルギーが機械的エネルギーに変換される。
【０００４】
マルテンサイト相状態にあるSMAに歪みを負荷した場合、これを、加熱により完全に回復させることには、限界がある。この歪みの限界は、合金毎に異なる。SMAアクチュエータとして最も普遍的に使用される合金である、例えば、ニチノールとして知られるニッケルチタンSMAの場合、その限界値は、約8％である。しかしながら、ニチノール素子を用いたアクチュエータは、通常、約4％を超える歪みを加えることはできない。これ以上の歪みを加えると、急速な疲労が生じるからである。通常、大部分がオーステナイト相からなるSMAは、そのような大きな歪みに耐えることはできない。
【０００５】
一般にSMAアクチュエータは、大部分がマルテンサイト相からなる、通常、直線ワイヤ状またはコイル状の少なくとも一つのSMA素子または部分に、比較的低温で外力を負荷し、これを引き延ばすことにより作動する。外力は、例えば、バネ、重錘または別のアクチュエータによって供給されても良い。次に、ワイヤまたはコイルが加熱されると、素子が実質的にオーステナイト相に変態する際に、かなりの力によって、元来の形状に収縮されるため、この力を利用して、機械的な仕事をすることが可能となる。ワイヤまたはコイルが、十分に冷却されると、これは、実質的にマルテンサイト相に戻り、バネ、重錘または別のアクチュエータ等の外力の負荷によって、再度引き延ばされ、塑性的変形が生じる。
【０００６】
前述の記載から、アクチュエータのワイヤまたはコイルが収縮され、延伸される速度、さらにはアクチュエータの作動速度が、ワイヤまたはコイルの冷却及び加熱速度の双方によって制限されることは、明らかであろう。ワイヤまたはコイルが冷却される速度は、例えば水冷または強制空冷を用いることによって、あるいは単に、より薄いワイヤまたはコイルを使用することによって増大する。しかしながら、一般に、実際のSMAは、ワイヤまたはコイルを加熱するときの速度によって制限を受ける。
【０００７】
一般に、ワイヤまたはコイルの加熱にはジュール熱が使用される。すなわち、ワイヤまたはコイルを介して電流が印加され、ワイヤまたはコイルの抵抗率によって熱が発生する。ワイヤまたはコイルの加熱速度を増大するための一つの方法は、大きな電流を印加することであるが、この方法では、ワイヤまたはコイルが過昇温され、SMAが恒久的に損傷を受けるおそれがあるため、通常、この方法は、現実的に使用することはできない。このため、通常SMAデータシートには、SMAを過昇温させずに、SMA素子またはSMA部分に流すことの可能な「安全限界電流」（ワイヤの単位長さ当たりの安全電圧と等価である）が記載されており、通常、SMAアクチュエータのSMA素子またはSMA部分の加熱用の電気加熱システムは、この安全限界電流を超えないように設計される。しかしながら、安全限界電流を超える電流によるSMA素子またはSMA部分の加熱自体によって、SMAが損傷を受けることはないことは、明らかであろう。すなわち、ワイヤまたはコイルの温度が、あるレベルを超えないようにすることが重要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の好適実施例では、加熱速度を増大させることにより、SMAアクチュエータの作動速度が向上された制御器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のある態様では、SMAアクチュエータ用の制御器であって、
前記SMAアクチュエータは、少なくとも一つのSMA素子を有し、
当該制御器は、
SMA素子を通る電流を印加する電力源と、
SMA素子の電気抵抗変化を検出するセンサと、
印加電流を制御する調整器と、
を有し、
前記調整器は、前記電気抵抗において、選択された変化が検出されるまで、前記SMA素子の安全限界電流を超える第1の電流を印加し、前記変化が検出された後に、前記第1の電流よりも小さな第2の電流を印加することを特徴とする制御器が提供される。
【００１０】
前記選択された変化は、前記SMA素子に熱損傷が生じないような温度以下の、前記SMA素子の温度範囲に対応することが好ましい。
【００１１】
SMA素子の電気抵抗の変化は、SMA素子の電気抵抗を測定することにより、検出されることが好ましい。あるいは、SMA素子の電気抵抗の変化は、インピーダンス、またはSMA素子の電気抵抗の指標となる他の特性、例えば電気的な共振周波数を測定することにより検出されても良い。
【００１２】
SMA素子の電気抵抗は、実質上連続的にまたは、選択されたインターバルで検出されることが好ましい。
【００１３】
本発明のある態様では、少なくとも一つのSMA素子は、例えば、1または2以上の直線ワイヤで構成されても良い。ただし、少なくとも一つのSMA素子は、他の形態であっても良い。例えば、SMA素子は、自己支持コイルまたはその他の形状のような、1または2以上の螺旋状巻回ワイヤであっても良い。
【００１４】
ワイヤが冷却され、実質的に100％のマルテンサイト相が形成されると、ワイヤは、比較的小さな力によって、比較的容易に歪み、または塑性変形される。その後歪んだワイヤは、ワイヤ内を流れる電流の印加によって加熱され、ワイヤにおいて、マルテンサイト相からオーステナイト相への相変化が助長され、ワイヤは、収縮して、その元来の形状に戻る。ワイヤが十分に加熱されると、ワイヤは、実質的に100％オーステナイト相になる。ただし、SMAの損傷を回避するため、温度は、SMAに熱損傷が生じる温度に対応した値以下に維持される。熱損傷が生じる温度以下の値に温度を維持した状態で、ワイヤの加熱を最適化するため、本発明の実施例では、測定されたワイヤの電気抵抗を用いて、ワイヤの温度範囲が定められる。
【００１５】
通常SMA相の抵抗は、合金組成によって著しく変化する。例えばSMAニチノールで構成され、「フレキシノール（Flexinol）（登録商標）」の名称で市販されている、マルテンサイト相状態でのSMAの抵抗率は、オーステナイト相での抵抗率に比べて、約15％から20％高い。ただし、これは、全てのSMAにおいて成立するわけではなく、この差異は、組成の異なる合金間で大きく変動することは明らかであろう。マルテンサイト相が、オーステナイト相よりも低い抵抗を示すような合金も存在し得ると考えられる。いずれにしても、本発明は、相が高い抵抗を示す場合に限定されるものではない。むしろ、本発明の実施例では、相の抵抗が異なっており、この差が十分に大きい場合の方が、SMAの温度測定に有利である。
【００１６】
通常SMAは、比較的大きな熱ヒステリシスを示し、昇温時に、マルテンサイト相がオーステナイト相に変化し始める温度は、冷却時に、オーステナイト相がマルテンサイト相に変化し始める時の温度よりも高い。一般にヒステリシスの大きさは、合金種によって変化するが、通常の場合、その範囲は、約10℃から50℃の範囲である。これは、SMAの正確な温度を直接把握するために、電気抵抗を使用することはできないことを意味するが、所与の電気抵抗に対応する温度範囲を同定することは可能である。すなわち、所与の電気抵抗に対して、上限と下限を定めることができる。これにより、上限温度の一つに対応する「安全抵抗」が同定される。同定された安全抵抗から、好ましくは安全率またはマージンを取り入れることにより、素子の昇温時の安全抵抗範囲を定めることができる。
【００１７】
同定された安全抵抗は、この安全抵抗範囲の有効な上限または下限となる。例えば、SMAオーステナイト相が、マルテンサイト相よりも低い抵抗を示す場合、素子が過昇温されない場合に相当する電気抵抗は、素子が過昇温された場合または過昇温されるおそれがある場合に対応する電気抵抗よりも大きくなり、同定された安全抵抗、あるいは好ましくはこれに安全率またはマージンが加算された値は、安全抵抗範囲の下限を定める。逆に、オーステナイト相が、マルテンサイト相よりも高い電気抵抗を示す場合、素子が過昇温されていないときに対応する電気抵抗は、素子が過昇温され、あるいは過昇温されるおそれのあるときに対応する電気抵抗よりも小さくなり、同定された安全抵抗、あるいはこれに安全率またはマージンが減算された値は、安全抵抗範囲の上限を定めることになる。
【００１８】
本発明による実施例の最終目標は、過去の制御方式と比べた際の、SMAアクチュエータの迅速な作動である。本発明の実施例による制御器は、SMA素子の測定された電気抵抗を利用して、素子が過昇温されているかどうかを把握することができ、測定された電気抵抗が素子の安全抵抗範囲から外れた場合には、電流が、SMA素子の安全限界電流以下に制限される。本発明の実施例による制御器に、SMA素子の安全限界電流を超える電流を印加することにより、迅速な加熱が可能となり、これに伴い、素子内の迅速な相変化および駆動力の迅速な発現が可能になる。電流が安全限界電流を超える場合であっても、素子の抵抗が安全抵抗範囲から逸脱しない限り、SMA素子に大きな電流を印加し、素子を速やかに加熱することは、安全に行える。ただし、一旦素子の電気抵抗が安全抵抗範囲から逸脱すると、制御器は、もはやSMA素子が過昇温されたか否かを把握することはできない。その場合には、安全なレベルまで、あるいはSMAが過昇温されないレベルまで、電流を抑制する必要がある。
【００１９】
素子が加熱される場合、制御器は、電気抵抗の変化に対応して電流を急激に変化させるのではなく、測定電気抵抗の関数として、SMA素子に印加される電流を徐々に抑制することが好ましい。また制御器は、SMA素子に印加される電流を、測定電気抵抗の関数として、滑らかに抑制することがさらに好ましい。電流の低下は、例えば、安全抵抗の範囲内の電気抵抗の範囲で生じる。電流の急激な変化を回避し、印加電流を連続的にまたは滑らかに減少させる方法は、本発明の実施例において、実際に、動作の追従精度を高めるために使用される。
【００２０】
しばしば、SMAの「作動温度範囲」（マルテンサイト相とオーステナイト相の間の相変態が生じる温度範囲）の上限と、熱損傷が生じる温度の間に、大きな差異が生じる。例えば、SMAニチロールで構成された素子の場合、作動温度範囲の上限は、約100℃であるが、この合金は、熱損傷を受けずに、200℃を超える温度に耐えることができる。本発明の実施例では、測定電気抵抗が同定された安全抵抗範囲から逸脱したときに、電流が、安全限界電流を超えないように制限される限り、加熱システムがSMA素子に電流を供給し続けても、素子の加熱中に、作動温度範囲を超える温度にまで、SMA素子を昇温することができる。
【００２１】
通常、特定のSMA相の抵抗率は、相の電気抵抗の予測値が記載されたデータシートから算定される。一般に、これらの抵抗は、SMA素子の製造時の代表的なサンプルのバッチ毎の経験的な試験結果によって定められる。電気抵抗を定める際の、そのようなデータシートは、特定のバッチにおいて、または特定の設計において、製作された全てのアクチュエータが同じであるとの仮定の下で使用される。
【００２２】
SMAアクチュエータのSMA素子の相の抵抗率は、初期化または較正モードと、通常作動モードとを有する制御器を用いて、各素子を評価することによって得られることが好ましい。初期化あるいは較正モードでは、SMA素子の高温および／または低温での電気抵抗が測定され、これが記録される。制御器が、作動状態にあるSMAアクチュエータに指令を発することにより、あるいは自動的に、そのような初期化または較正動作が実施される。初期化または較正動作は、少なくとも一つの試験電流をSMA素子に印加するステップと、試験電流に対する電気抵抗を測定するステップと、測定抵抗から選択された変化を判断するステップとを有しても良い。
【００２３】
較正測定の初期化が可能な制御器では、高温で（オーステナイト相）の抵抗を測定する際に、アクチュエータを加熱する必要はないが、これにより何らかの動きが生じる場合には、これが好ましくない場合がある。例えば、本発明の実施例による制御器が、雑然とした環境において作動するロボットの制御に使用された場合、ロボットは、支持された動きのみを行うことが重要となる。他の動きは、激突および損傷につながるためである。高温で（オーステナイト相）の抵抗が、既知の低温で（マルテンサイト相）の抵抗のスカラー倍数に基づいており、制御器で低温測定だけが行われる場合、代わりに、低温抵抗を測定し、これを記録することが好ましい。
【００２４】
別の実施例では、素子を導入する前に、またはSMA作動装置もしくはシステムを試運転する間に、アクチュエータのSMA素子の関連特性を測定することが可能である。
【００２５】
また、通常のSMAアクチュエータの一部として構成された、相互に延伸し収縮するSMAワイヤの場合、金属部の抵抗は、寸法によって変化する。延伸したワイヤは、その長さのため、高い抵抗を有する。SMA（関心領域）が高温の場合、SMA素子の歪み（例えば、約1％）は、比較的小さく、これに伴って誘起される歪み変化も、比較的小さくなる。従って、対応する相変化温度のため、通常、大部分がオーステナイト相からなるSMAの抵抗に対する歪み誘起効果は、全体の抵抗変化に比べて極めて小さい。歪みにより誘起される変化については、さらに検討する必要があるものの、これらの変化が、測定電気抵抗からSMA素子の温度の実際の範囲を定めることが難しくなる程、高温（オーステナイト）SMAの抵抗に影響を及ぼすことはない。
【００２６】
ある好適実施例では、制御器は、さらに、前記SMAアクチュエータの出力素子の所望の動作または位置と、前記出力素子の検出された実際の動作または位置の間の差異の関数として、前記アクチュエータの動作の所望の段階を計算する、動作制御システムを有する。通常の場合、そのような動作制御システムは、制御下にある機械システムの各種部分の位置を表す他のセンサデータにアクセスする。そのようなシステムのゲインは、十分に高く設定されることが好ましく、これにより、小さな部分のエラーが、ゲインによって増幅され、安全限界電流を超える較正信号が得られる。各SMA素子の測定抵抗が安全抵抗の範囲内にある場合、すなわち素子が過昇温されていないことが示唆される場合、素子に印加される電流は、較正または指令信号によって定められた値よりも小さくなり、さらに、電源によって供給される最大電流よりも小さくなる。
【００２７】
本発明による好適実施例では、SMA素子は、高温状態（すなわち、大部分がオーステナイト相の状態）に維持されるが、このためには、安全限界電流未満の十分に低い別の電流が必要となる。別の電流は、SMAのデータシートに記載の、またはこれから推定される安全限界電流よりも十分に低いが、SMAを高温状態に維持することができる。データシートの値を下回る低い電流を選定することにより、急激な動きが要求されない時の、SMAアクチュエータの平均消費電力を抑制することができる。
【００２８】
素子の加熱時に測定される、アクチュエータのSMA素子の電気抵抗は、アクチュエータが通常動作を行う際に、許容可能な抵抗の最大および最小を示した所定の値と比較される。素子の測定抵抗が所定の作動上限を超えた場合、または所定の作動下限を下回った場合、制御器は、アクチュエータが適正に作動されていないことを示す異常信号またはエラー信号を発生する。
【００２９】
本発明の別の態様では、
少なくとも第1のSMA素子と、
該SMA素子と関連して動作する出力素子であって、前記SMA素子の動作に応じて可動する出力素子と、
前記SMA素子の動作を制御する前述の制御器と、
を有するSMAアクチュエータが提供される。
【００３０】
SMAアクチュエータは、第2のSMA素子を有し、前記両SMA素子は、前記SMA素子の一つに収縮が生じると、前記SMA素子の他方に、相補的に、引張力が生じるように配置されることが好ましい。本発明のある態様では、SMA素子は、一組のSMA素子で構成され、SMA素子組の一方の、大部分がマルテンサイト相からなる最初に引き延ばされた方の素子は、加熱によって収縮した際に、大部分がマルテンサイト相からなる、低温の他方の素子に、引張力を負荷する。従って、素子の一方が収縮すると、これに伴って、素子の他方が歪みを受け、組成変形が生じる。素子を交互に加熱することにより、実質的にアクチュエータの連続動作が可能となり、素子を引き延ばすための別の外部機構を設ける必要がなくなる。
【００３１】
本発明の別の態様では、SMAアクチュエータの少なくとも一つのSMA素子を加熱する方法であって、
前記SMA素子を流れる電流を印加するステップと、
前記SMA素子の電気抵抗の変化を検出するステップと、
を有し、
前記SMA素子には、前記電気抵抗において、選択された変化が検出されるまで、安全限界電流を超える第1の電流が印加され、前記変化が検出された後、前記第1の電流よりも小さな第2の電流が印加されることを特徴とする方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、添付図面を参照して、本発明について説明する。添付図面は、一例に過ぎず、本発明を限定するものではない。
【００３３】
図1には、ワイヤ8、10の形状の、SMA素子4、6の補完的対向組によって構成されたSMAアクチュエータ2が示されている。ワイヤは、アンカー点16、18、20、22に接続され、ループワイヤ8、10の各端部が小穴12、14を通るように、環状に構成されている。アンカー点16、18は、いずれも、ワイヤ8をアクチュエータ2の第1の支持24に機械的に固定し、以下に示すように、電源（図1には示されていない）から、ワイヤ8を介して電流を印加するための電気的な接触が得られる。一方、アンカー点20、22は、同様に固定されており、ワイヤ10に電気的接触が提供される。小穴12、14は、弦26の両端部に接続され、この弦は、滑車28の周囲を動作可能な状態で通されており、滑車は、機械的仕事が可能となるように、出力素子またはシャフト30に接続されている。滑車28およびシャフト30は、ブラケット32に回転可能に取り付けられ、このブラケットは、アクチュエータ2の第2の支持34に取り付けられている。滑車28および出力シャフト30は、矢印36に示すいずれかの方向に回転することができる。実際には、出力シャフト30は、カメラのパン機構もしくはチルト機構が作動するように使用され、あるいは例えば、小型軽量のロボットもしくはロボットハンドの指が作動するように使用される。
【００３４】
以下、出力シャフト30の相互方向の回転動作を参照して、SMAアクチュエータ2を説明するが、出力素子の直線的な動作によって、機械的な仕事を実施するアクチュエータのような、本発明の別の実施例が適用できることは明らかであろう。
【００３５】
アクチュエータ2の通常動作では、以下に詳細を示すように、通常ワイヤ8、10は、ガード38、40、42によってピンと張った状態にされており、これにより導電ワイヤ8、10は絶縁されている。SMA素子4、6のいずれかが機械的に大きな負荷を受けたり、素子4、6の動作および加熱を制御する制御器がオフになったりして、ワイヤ8、10のいずれかが弛んだ状態になった場合、ガード38、40、42は、ワイヤ8、10が相互に接触して、短絡が生じることを防止する。
【００３６】
図2には、SMA素子4、6のいずれかの制御および加熱に適した制御器44が示されており、この動作のうち、最初に素子4の加熱について示す。
【００３７】
制御器44は、ワイヤ8に電流を印加するための電源46の形状の電力源と、ワイヤ8の電気抵抗の変化を検出する抵抗センサ48と、ワイヤ8に印加される電流量を調整する電流調整器50と、出力素子またはシャフト30の位置、あるいは出力素子もしくはシャフト30に結合された機械的部品の位置を検出する位置センサ52と、信号プロセッサ54と、を有する。抵抗センサ48は、ワイヤ8の電圧を検出する電圧センサ56と、ワイヤ8を通る電流を検出する電流センサ58とを有する。
【００３８】
制御器44がワイヤ8を加熱する動作の際、制御器44の信号プロセッサ54は、外部源（図示されていない）から出力素子30の位置コマンド信号60を受信し、位置センサ52から出力素子30の測定位置信号62を受信し、電圧センサ56からワイヤ8の検出電圧信号64を受信し、電流センサ58からワイヤ8の検出電流信号66を受信する。位置コマンド信号60および測定位置信号62の間の差異に応じて、制御器44は、以下に示すように、ワイヤ8の測定電気抵抗に対応する、ワイヤ8の急速加熱用の安全最大加熱電流を定める。
【００３９】
ワイヤ8に印加される電流は、交流であっても直流であっても良い。直流の場合、これは、定常電流であっても、切り替えモード調整器または電力源によって形成されるような断続的な電流であっても良い。交流または直流のいずれかの場合も、印加電流の値は、ピーク値または平均値ではなく、RMS（二乗平均平方根）値で表されることが好ましく、これにより、電流によってどの程度の熱が生じるかが大まかに予測できる。交流よりも直流の方が、制御が容易であり、正確な抵抗測定が可能となるため、直流が好ましい。
【００４０】
図1に示すように、アクチュエータ2のワイヤ8を迅速に加熱するため、一つの制御器44を選択的に使用しても良い。また、分離式制御器を用いて、ワイヤ10に対して選択的に急激な加熱を行ってから、ワイヤ8、10を交互に加熱し、出力シャフト30が交互に、軸に対して回転するようにしても良い。分離式制御器44を各素子4、6に提供することによって、複数の素子4、6を同時に制御することも可能であるが、この場合、各素子4、6の制御器44は、いくつかの部品が共有されるように適合されることが好ましい。特に、制御器44は、単一の信号プロセッサ54を共有して、あるいはサブシステム毎に一つの信号プロセッサ54を使用して、システム内の素子4、6の全てを制御することが好ましい。この場合、制御器44は、単一のまたは少数の電源46を用いて、全ての素子4、6に電力を供給する。単一の信号プロセッサ54は、アクチュエータ2の素子4、6の対向する各ワイヤ8、10に印加される電流の両方を定めるために使用され、例えば、対向組用に特に設計された動作制御法が使用されても良い。
【００４１】
図1には、各ワイヤ8、10が、各ワイヤ8、10の歪み動作において、最小と最大の間の中間な段階に引き延ばされた状態が示されている。シャフト30の位置に対する位置コマンド信号60と測定位置信号62の間の差異に応じて、ワイヤ8への電流印加により、ワイヤ8が加熱されると、ワイヤ8は、（図1に示すように）弦26に接続された小穴12を支点として、下方に引き寄せられ、これにより、時計回り方向に（図1に示すように）、滑車28（および出力素子またはシャフト30）が回転し、低温側のワイヤ10が対応する量だけ引き延ばされ、歪みを受ける。その後、ワイヤ8が冷却され、別の位置コマンド信号60に応じて、ワイヤ10への電流印加により、ワイヤ10が加熱されると、ワイヤ10は、収縮して、（図1に示すように）反時計回り方向に、滑車28および出力シャフト30が回転され、これによりワイヤ8が引き延ばされ、歪みを受ける。ワイヤ8、10の交互の加熱によって、電気エネルギーまたは熱エネルギーを用いて、シャフト30の相互方向の回転という機械的な仕事が行われる。制御器44は、ワイヤ8、10を迅速に加熱することができ、これにより、過昇温されずに、出力シャフト30の急速な作動が可能になり、ワイヤ8、10を流れる安全最大加熱電流が定められ、これにより、以下に示すように、ワイヤ8、10の恒久的な損傷が回避される。
【００４２】
本発明の実施例では、SMAワイヤ8、10を過昇温する大きな電流が、ワイヤ8、10に、選択的に長時間印加された場合にも、測定抵抗は、制御器44によって定められた所定の安全抵抗範囲に維持される。抵抗センサ48によって検出されたワイヤ8、10のいずれかの測定抵抗が、ワイヤ8、10に対して定められた安全抵抗範囲から外れた場合、電流は、ワイヤ8、10の安全限界電流以下に抑制される。電源46および電流調整器50は、実質的に、SMAワイヤ8、10の安全限界電流を超える電流を供給することができることが好ましい。コマンドおよび出力シャフト30の実際の動きまたは位置に基づいて、制御器44の信号プロセッサ54は、実質的に一定の、または選択されたインターバルで、各ワイヤ8、10の一時的なもしくは暫定的なコマンド電流を計算するが、これを安全限界電流と比較する代わりに、信号プロセッサ54は、（抵抗センサ48の測定電圧信号64および電流信号66から）SMAの抵抗を算出し、抵抗の関数として、各ワイヤ8、10の安全最大加熱電流を算定する。各ワイヤ8、10の実際の電流コマンド信号66は、一時的なまたは暫定的なコマンド電流よりも小さく、ワイヤ8、10の電気抵抗から算定された安全最大加熱電流よりも小さい。
【００４３】
アクチュエータ2のSMAで形成されたワイヤ8、10を急速加熱する場合の、安全最大加熱電流を定める方法の一例は、以下に示されている。この場合、マルテンサイトからオーステナイト相への材料変態により、抵抗が低下する。
【００４４】
最初に、各ワイヤ8、10に対して、加熱電流を定める際に使用される、閾値抵抗Rthreshの形の安全抵抗が定められる。Rthreshは、ゼロに近いがゼロとは異なるマルテンサイト割合（オーステナイト相に対するマルテンサイト相の比）に対応する。作動の際の寸法変化に伴うワイヤ8、10の抵抗変化が許容されるように、各ワイヤ8、10の閾値抵抗は、安全率またはマージンを含むことが好ましい。各ワイヤ8、10の閾値抵抗は、ワイヤ8、10が安全作動温度にある場合の抵抗値と、それ以外の抵抗値の間の境界閾値の目印に使用される。ニチノールの場合、閾値抵抗以上の抵抗が安全抵抗となる。これ以上の抵抗では、SMAが過昇温されないためである。抵抗が閾値抵抗を下回る場合、これは、必ずしも安全ではないとはいえないものの、SMAが過昇温されている可能性がある。
【００４５】
初期段階の一部として、閾値抵抗を得るための一つの方法は、安全限界電流を速やかに印加してから、測定抵抗値が安定するまで待つことである。この値に、所望の安全率またはマージンを加えて調整することにより得られた値を、閾値抵抗として使用することができる。
【００４６】
第1の加熱方式では、ワイヤ8、10を特定の時間加熱する際の安全最大加熱電流Imaxは、次式により、実質的に連続的なまたは選択されたインターバルで、各ワイヤ8、10において個別に計算される：
【００４７】
【数１】
2007522373.tif 000003
ここで、Imaxは、ワイヤ8、10のいずれかに、特定の時間だけ印加される安全最大加熱電流であり、Rthreshは、ワイヤ8、10の閾値抵抗、Rmeasは、ワイヤ8、10の測定電気抵抗、Isafeは、SMAを加熱するために必要な電流であって、SMAを過昇温させないような電流（例えば、安全限界電流）、Ihighは、十分に長いと過昇温されるおそれがある、SMAワイヤ8、10を迅速に加熱するための最大電流である。
【００４８】
Ihighの値は、実際には、電源46の最大電流以下となるように選定される。ワイヤ8、10の加熱に使用される実際の加熱電流は、これが常時、最大電流Imax以下となるように制御される。
【００４９】
ワイヤ8、10を加熱する電流を定めるための別の第2の方法では、Isafe
およびIhighがRthreshから選定抵抗Rrampにわたって、連続的にまたは滑らかに変化するように、Imaxの計算方法が修正される。選定されたRramp値は、システムの挙動に影響を及ぼすが、Rthreshの安全側以外の値は、特に影響を受けない。Rrampの選定は、アクチュエータの緩やかな変化と動作速度の間での二律背反を含む。例えば、動作制御方式には、正確な軌道への追従のため、緩やかな変化が必要となるが、これは、Rthershとは比較的異なるRrampを選定することにより可能となる。これに対して、動作制御方式に、急速な加熱および動作が必要となる場合、Rrampには、Rthreshに近い値が選定される。あまりに突然の動作がなされる場合（RrampがRthreshに近すぎる場合）、大まかな変化により、軌道の正確な追従ができなくなり、緩慢な変化にすると（RrampがRthreshから離れすぎる場合）、加熱速度の低下および動作速度の低下につながることは、明らかである。
【００５０】
例えば、安全最大加熱電流Imaxが、RrampとRthreshの2つの抵抗間で、直線的に変化する場合、各ワイヤ8、10を加熱するための安全最大加熱電流は、以下のように、実質的に連続的に、または選定された周期的なインターバルで、各ワイヤ8、10に対して個別に計算される：
【００５１】
【数２】
2007522373.tif 000004
ここでImaxは、ワイヤ8、10のいずれかに、特定の時間で印加される安全最大加熱電流であり、Rthreshは、ワイヤ8、10の閾値抵抗、Rrampは、Rthreshの安全側の所定の抵抗、Rmeasは、ワイヤ8、10の測定抵抗、Isafeは、SMAを加熱するために必要な電流であって、SMAが過昇温されない程度の電流（例えば、安全限界電流）、Ihighは、SMAワイヤ8、10を急速に加熱するための最大電流であって、ワイヤが過昇温されるおそれのある最大電流である。
【００５２】
実験に使用される実際の代替例では、RthreshとRrampの間で、直線出力傾斜が使用され、これは非直線電流傾斜となる。
【００５３】
アクチュエータ2の動作の際、SMAワイヤ8は、例えば、最初に加熱され、ワイヤ8に、計算された安全最大加熱電流Imaxを印加することにより、（図1に示すように）時計周り方向に出力シャフト30が回転する。ワイヤ8は、加熱されると、ワイヤ10の延伸または引き延ばしに対応して、初期の長さもしくは形状に回復または収縮する。第2の加熱方式では、ワイヤ8の加熱の際、ワイヤ8に印加される安全最大加熱電流が、緩やかに変化することは明らかである。十分な加熱によって、ワイヤ8が実質的に100％オーステナイト相になった後、ワイヤ8が冷却され、それが一定の長さで、実質的に100％のマルテンサイト相を有するように復元される。ワイヤ8の冷却の迅速性は、使用合金の特性およびワイヤ8の形状に依存するが、ワイヤ8の表面の水冷または強制空冷により、これを改善することができる。
【００５４】
次に、引き延ばされたワイヤ10に、ワイヤ10に対して定められた、安全最大加熱電流Imaxの大きさの電流が印加されると、ワイヤ10が加熱される。これにより、同様の結果が生じ、ワイヤ10が復元し、あるいは初期の長さもしくは形状に収縮し、これにより、シャフトが反時計回り方向に回転し、ワイヤ8が延伸し、あるいは引き延ばされる。また、前述のように、ワイヤ10の安全最大加熱電流Imaxが、ワイヤ10の加熱中に変化することは明らかである。選択された最大安全加熱電流を印加する、ワイヤ8、10の別の加熱によって、SMA素子4、6の対向組で構成されたSMAアクチュエータ2は、出力シャフト30に急速な相対する回転を提供し、機械的な仕事が行われる。
【００５５】
あるいは、延伸したワイヤ10が加熱される間、収縮ワイヤ8が熱いまま冷却され、ワイヤ10が完全に加熱されるまでに、ワイヤ8が十分に冷却されるようにしても良い。同様に、延伸したワイヤ8を加熱するとともに、収縮したワイヤ10を熱いまま冷却しても良い。
【００５６】
各ワイヤ8、10の安全抵抗または閾値抵抗Rthreshは、組み立て時に、経験的に定めることができるが、これは、例えば、アクチュエータ2の始動タイミング毎に、自動で、またはコマンドにより計算することが好ましい。これは、動作指示を実施する前に、ワイヤ8、10の高温および低温の抵抗を計算することにより行われる。これにより、制御器44によって補正されるSMAワイヤ8、10の抵抗レベルを、いかなる状態に変化することも可能になる。
【００５７】
不正確な電流調整器50に対して、実際の電流がコマンド電流と近似的に等しくなるように、制御器44が設計されることが好ましい。各電流センサ58によって構成され、各ワイヤ8、10のフィードバックループを有する信号プロセッサ54は、調整された電流コマンド信号68を比較して、これを電流調整器50に伝達することにより、調整器50のいかなる誤差も補正し、ワイヤ8、10には、正確な電流が印加される。
【実施例】
【００５８】
以下、実施例により、本発明をさらに説明する。実施例は、本発明を限定するものではない。
【００５９】
図3には、図1に示すワイヤ8のような（あるいは、例えばワイヤ10のような）、ニチノールで構成された、直径約0.1mmで全長約1mのSMAワイヤの電気抵抗の、ワイヤ8の加熱および冷却時の加熱用入力電力に対するグラフを示す。ワイヤ8には、0Wから始まる極めてゆっくりとした出力が印加されるが、ワイヤ8は、この時点では、実質的にマルテンサイト相である。出力（または印加電流）が増大して、0.1W／秒に達すると、図3のグラフには収まらない4.8Wの出力が生じ、ワイヤ8は、実質的にオーステナイト相となる。次に、出力は、0.1W／秒乃至ゼロに低下し、ワイヤ8は、再度実質的にマルテンサイト相となる。出力がゆっくりと変化するような低速度では、ワイヤ8は、印加出力レベルに対して、常時、平衡温度近傍にある。従って、例えば、昇温過程または出力を高める過程で、出力が2Wに達した際のワイヤ8の温度（参照符号70）は、冷却過程または出力を弱める過程で、出力が2Wに達したときのワイヤ8の温度（参照符号72）とほぼ等しくなる。ワイヤ8の温度の直接測定は、入力電力の測定に比べて、比較的難しいため、実験では、後者を使用した。
【００６０】
図3のグラフから、このSMAあるいは他の同様のSMAについて、2つの特性が認められる：
（1）SMA材料内での相変化によって、抵抗変化が生じること、および
（2）相変化の熱ヒステリシス
である。
【００６１】
ワイヤ8の冷却を開始すると、大部分がマルテンサイト相となり、ワイヤの抵抗は、116Ωとなる。ワイヤ8が加熱されると（曲線70）、出力レベルが1.7Wに達した段階で、抵抗が低下し始める。これは、この材料が、マルテンサイト相材料がオーステナイトに変化し始める温度に達したことを示唆している。これは、一般に文献上、オーステナイト化開始温度（またはAs）として知られている。出力レベルが上昇し続けると、鋭い抵抗低下が生じ、約4Wでは、約101Ωの最低値に達する。なお約3.5Wで、抵抗は既に最低となっている。この点（すなわち、約3.5W）では、ワイヤ8は、オーステナイト化完了温度（Af）に達しており、マルテンサイトからオーステナイトへの変態は、実質的に完了している。
【００６２】
冷却過程（曲線72）では、抵抗は、約3Wから、出力レベルの低下とともに上昇し始め、約0.3Wの出力レベルで、約119Ωの最大値となる。ゼロに近い出力レベルに対する抵抗測定結果は、これらの値の精度が悪いため、除去している。最初と最後の冷却抵抗の差異は、ワイヤ8が、出力印加の前後で、同じ物理的状態にはないことを示していることは、明らかである。しかしながら、ワイヤ8の試験は、大部分がマルテンサイトの状態で始まり、この状態で完了している。
【００６３】
前述のように、通常のSMAに対応した熱ヒステリシスは、抵抗からワイヤ8の温度変化を正確に推定することを妨害するが、測定抵抗と対応する温度範囲を同定することは可能である。例えば、抵抗測定が110Ωである場合、温度は、加熱時の1.4Wでの平衡温度（特定の電力または電流レベルで長時間加熱された場合の、実質的に安定となったワイヤの温度）と、加熱時の2.5Wでの平衡温度の間にある。従って、抵抗が110Ω以上の場合、ワイヤ8の温度は、加熱時の2.5Wでの平衡温度以下である。
【００６４】
ワイヤ8に対する安全限界電流のデータシート値は、約3.5Wの出力レベルで評価したものである。特定の実施例は、この安全限界電流を超えるが、顕著な熱損傷が生じるほどではない。従って、3.5Wでの平衡状態を下回るいかなる温度も、安全であると見なすことができる。
【００６５】
本発明の実施例では、安全抵抗は、過昇温の可能性のある抵抗を除き、対応する抵抗に、所望の安全率またはマージンを有するようにして、定められる。図3に示す抵抗特性を有するワイヤ8の場合、過昇温のワイヤ8の抵抗は、101Ωを超えることはない。従って、閾値抵抗Rthreshの選定された値は、これよりも大きな値であり、これに所望の安全率またはマージンを加えることが好ましい。安全率は、抵抗測定の際のノイズおよび誤差を考慮するとともに、ワイヤ8の抵抗の歪みによって誘起される変化を考慮して、定める必要がある。実験では、安全率は約4％としており、安全抵抗（≧105）と不安全抵抗（＜105）の間の閾値として、105Ω（101Ωよりも4％大きい）の値が使用される。
【００６６】
実験では、歪みによって誘起される抵抗の変化は、相当温度での歪みによって誘起される抵抗変化の大きさの上部境界（アクチュエータを設計する場合）を計算することにより得ることができ、閾値抵抗Rthreshの場合、これに安全率またはマージンが加えられる。あるいは、位置センサ52からのデータを用いて、少なくとも近似的に実際の歪みを計算しても良く、これにより歪みによる抵抗変化が計算される。この場合、測定抵抗値から、この値を減ずることにより、歪み補正抵抗測定値を得ることができる。
【００６７】
図4には、振幅が30゜の1Hzの正弦波からなる位置コマンド信号60に対する、図1に示したSMAアクチュエータ2の出力シャフト30の追随応答性のグラフを示す。この位置コマンド信号60は、参照符号74の破線で示されており、実線76は、この位置コマンド信号60に対応する、出力シャフト30の角度を示している。まず始めに、SMA素子4、6を制御および加熱する制御器44は、使用SMAの種類（ニチノール）に対応したデータシートから特定された、安全限界電流内に加熱電流を制限する。過去に提案された加熱方法では、この安全限界電流は、0.18Aである。
【００６８】
30秒後、制御器は、本発明の実施例による方法に、加熱方法を切り替える。この場合、測定抵抗が、105Ω（すなわち、101Ω＋4％）以下のとき、加熱電流は、常に0.18Aに制限され、測定抵抗が118Ωを超える場合には、常に、約0.42A（これにより、ワイヤ8、10に、約20Wのジュール熱が生じる）の大きな値に制限される。これらの2つの抵抗値の間では、最大加熱電流は、0.18Aから0.42Aの間で変化し、加熱出力は、抵抗に対して直線的に変化する（すなわち、制御器は、105Ωでの3.5Wから、118Ωでの20Wまでの直線出力を提供する）。
【００６９】
図4に示すように、アクチュエータ2は、30秒後以降、より迅速に動作し（応答勾配が急になっていることから明らかである）、これは、本発明の実施例による迅速な加熱方法によって、動作の最大速度が向上したことを示している。
【００７０】
前述の記載には、本発明の一態様についてしか示されていないが、本発明の観念および範囲から逸脱しないで、修正および変更が可能であることは明らかである。また、図面は、一例に過ぎないことは明らかである。
【００７１】
本発明の実施例によるSMAアクチュエータは、多くの態様で製作することができることは明らかである。あるいは、例えば、アクチュエータは、単一の素子を有しても、相互に作動する複数の対向組を有しても良い。さらに、SMA素子は、ワイヤである必要はなく、いかなる適当な形状であっても良い。
【００７２】
さらに別の態様では、本発明の実施例によるSMAは、並列および／または直列に設置され、同時に加熱される多くの素子を有し、実質的に一方向の素子の形状回復の際の、出力素子の動作によって、機械的な仕事が提供され、アクチュエータによって、大きな力が提供される。また、素子が比較的低温で、マルテンサイト相が100％に近いときに、素子を引き延ばすために提供される外力は、SMAアクチュエータを分離することにより、別の形態で提供されても良く、あるいは、冷却の後に、例えば、素子を引き延ばす1または2以上のバネもしくは重錘によって、大部分がオーステナイトの相から大部分がマルテンサイトの相となるように変化させても良いことは、明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】SMAアクチュエータの図である。
【図２】SMAアクチュエータの制御器の概略図である。
【図３】ワイヤの加熱および冷却サイクルの間の、ニチノールで構成されたワイヤの電力に対する電気抵抗を示すグラフである。
【図４】入力コマンド位置と、作動SMAアクチュエータの出力素子の応答位置を示すグラフである。
【図１】
2007522373.tif 000005
【図２】
2007522373.tif 000006
【図３】
2007522373.tif 000007
【図４】
2007522373.tif 000008
【国際調査報告】
2007522373.tif 000009
2007522373.tif 000010
2007522373.tif 000011