(57)【要約】【課題】指令値に対して任意の位置決めと位置決めされた位置を長時間保持する事が可能なアクチュエータのモデルを製作しその制御方法を提供する。【解決手段】SMAアクチュエータにおいて、温度に対するSMAワイヤーの抵抗値は、相変態に伴う抵抗値の変化を位置と力の変化として捉え、その抵抗値を検知して通電加熱のON時間と通電OFF時間の制御は、所望の位置に相当する抵抗値を検出すると同時に通電をOFFし、再通電までの休止時間を抵抗値の変化帯域を複数に分け通電OFF時間を変えると共に、再通電時に相変態前の抵抗値を検出しなく、電流の立ち上がり時の抵抗値を検出しないブランキング時間を設けたことを特徴とする形状記憶合金アクチュエータの制御方法。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
SMAアクチュエータにおいて、SMAワイヤーの相変態及び温度変化に伴う抵抗値の変化を位置と力の変化として捉え、その抵抗値を検知して通電加熱のON時間と通電OFF時間の制御は、所望の位置に相当する抵抗値を検出すると同時に通電をOFFし、再通電までの休止時間を複数に分けた抵抗値の変化帯域に応じて通電OFF時間を変えると共に、再通電時に相変態前の抵抗値を検出しなく、電流の立ち上がり時の抵抗値を検出しないブランキング時間を設けたことを特徴とする形状記憶合金アクチュエータの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状記憶合金(SMA）アクチュエータの制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
形状記憶合金(以下SMAという)の相変態による形状回復時の「力」と「ひずみ」は、SMAアクチュエータのパワーレシオが大きく、また電気的、機械的にノイズレスであることから様々な用途開発が行われている。しかしその多くは2点間の固定された位置の往復動作の利用であり、SMAアクチュエータを任意の位置に長時間保持し、位置決めする方法は確立していない。
位置センサー（ポテンションメーター、エンコーダ等）の位置信号をフィードバックすれば容易にSMAアクチュエータの位置制御は可能であるが、外部に位置センサーを設ける制御システムは機構的に複雑になりSMAアクチュエータの優位性が失われる。また、SMAワイヤーの相変態及び温度変化に伴う抵抗値の変化をフィードバックしPID制御で位置制御を行う方法が提案されているが、SMAワイヤーは非可逆であり、ヒステリシスを持つ非線形な挙動をするため電動モータのようなサーボループでは制御できない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、指令値に対して任意の位置決めと位置決めされた位置を長時間保持することを可能とするSMAアクチュエータの制御方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は上記問題を解決するためになされたものでありその特徴とするところは、次の（1）にある。
【０００５】
(1)． SMAアクチュエータにおいて、SMAワイヤーの相変態及び温度変化に伴う抵抗値の変化を位置と力の変化として捉え、その抵抗値を検知して通電加熱のON時間と通電OFF時間の制御は、所望の位置に相当する抵抗値を検出すると同時に通電をOFFし、再通電までの休止時間を複数に分けた抵抗値の変化帯域に応じて通電OFF時間を変えると共に、再通電時に相変態前の抵抗値を検出しなく、電流の立ち上がり時の抵抗値を検出しないブランキング時間を設けたことを特徴とする形状記憶合金アクチュエータの制御方法。
【発明の効果】
【０００６】
本発明は、SMAアクチュエータにおいて、抵抗値の変化帯域を複数に分け通電OFF時間を変え且つ電流の立ち上がり時の抵抗値を検出しないブランキング時間を設けた制御構成により、指令値に対し任意の位置決めと位置決めされた位置を長時間安定保持するものであり、高精度なSMAアクチュエータの位置決め制御を可能にしたものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の前記特徴の実施形態は、各種の変形例が存在するが、次の実施例と共にその変形例等について詳細に説明するが主な技術条件の技術的意義について次に記載する。
本発明において、SMAワイヤーの所望の位置に相当する抵抗値を検出する意義は、外部位置センサーの代わりに通電加熱によるSMAの抵抗値の変化を位置のセンサーとしてとらえるために抵抗値を検出し、所望の抵抗値と常に一致するように制御すれば位置の制御が可能となる。
本発明において、SMAワイヤーを通電加熱のON時間と通電OFF時間を制御する意義は、SMAアクチュエータは通電加熱による形状回復ひずみを発生するが通電でひずみを解消することはできない非可逆なアクチュエータである。そのため所望の抵抗値に一致した時点で通電加熱を停止し再通電するまでの休止時間を制御する方法が位置決め精度の重要なポイントとなる。ON時間は所望の抵抗値に一致するまでの時間であり定められた時間ではない。
本発明において、SMAワイヤーへの通電をOFFし、再通電までの休止時間を複数に分け通電OFF時間を変える意義は、SMAの温度−抵抗特性はヒステリシスを有しヒステリシス幅は温度領域によって異なる。OFF時間を長くすると再通電時に一致した抵抗値は所望の抵抗値とは別の抵抗値を検知することになり位置ずれが生じる。これを解決するためにヒステリシスの幅に対応したOFF時間を設定している。
本発明において、再通電時に相変態前の抵抗値を検出しなく、電流の立ち上がり時の抵抗値を検出しないブランキング時間を設ける意義は、SMAは加熱すると非鉄金属と同様に温度があがると抵抗値は減少する負抵抗特性を有する。従って通電印加時の立ち上がりの抵抗値を無視すると同時に相変態した後の抵抗値を検知するために必須である。この無視する時間がないと制御系は暴走し位置決めはできない。
【実施例１】
【０００８】
本発明の実施例１を図１〜図５と共に説明する。
図１は、SMAワイヤーの温度−比抵抗線図である。図２は、本発明の１実施例におけるSMAワイヤーの位置制御機構例を示す斜視説明図である。図３は、図２のSMAワイヤーの位置制御機構の制御システムを示すブロック線図である。図４は、本発明の１実施例において抵抗変化領域を3区分し、各領域に対応した比較器による通電時間のON/OFFタイミング図である。図５は、本発明の１実施例において、休止時間が固定の場合と抵抗変化領域に応じて2種、3種と可変した場合の位置決め安定度を動作角度と変動率との関係で示すグラフである。
図１には、TiNiCuの組成からなるSMAワイヤー（線形φ0.15×400L）の温度と抵抗値の特性を示すものであり、同図１で明確なようにSMAワイヤーは、温度が上昇すると抵抗値が小さくなる負抵抗特性であり,昇温⇒降温でヒステリシスを有する。
SMAワイヤーを通電加熱で位置制御をする場合、問題点が２つある。1つは負抵抗特性とヒステリシスをもつ非線形な挙動であり、もう一つはSMAワイヤーは、通電加熱によりマルテンサイトからオーステナイトに逆変態できても通電で変態（オーステナイト→マルテンサイト）はできない。即ち通電でひずみは発生しても通電でひずみを除去することのできない非可逆なアクチュエータである。
この2つの問題点を回避してSMAワイヤーの位置の制御をする方法を図２のモデル及びモデリングをする為に図３の制御システムを構築した。
【０００９】
図２においてSMAワイヤー１は、６角形状に３段に配置した小口径プーリ2（計13個）に2.5ターンで巻付けてある。SMAワイヤー１の固定端は固定具12に、作動端13は、テグス線8に接続されそのテグス線はプーリ3に巻かれている。
一方、バイアスばね７に接続されたテグス線14は、プーリ4に巻きつけられている。通電端5，6に通電し加熱すると→方向にSMAワイヤー１は収縮し回転軸10はCW方向に回転する。通電をOFFする形状回復は失われ→方向にバイアスばね7で戻される。従って回転軸10はCCWに回る。
指針9は、回転状況を目視できるように回転軸10に取りつけてある。
ポテンションメータ11は、位置制御の精度を測定するために回転軸10と直結させている。このモデルにおいて指令した所望の角度に移動してその位置を保持する位置決め制御のモデリングとして図３の制御システムを考案した。
図３の制御システムにおいて、SMAワイヤー40に直列に接続した電流検知抵抗50によりSMAワイヤー40に定電流源20から供給する。電流値は可変抵抗器30で調整する。指令抵抗値設定用の抵抗器110からの設定抵抗値とSMAワイヤー40のリアルタイムの抵抗値とを比較器80,90,100で比較し、一致した時に単安定発信器70をトリガし、アナログスイッチ140をOFFにする。このパルス期間が通電休止時間になりSMAワイヤー40は自然空冷される。  
休止時間終了後、再通電されSMAワイヤー40は再加熱される。ここで重要なことはSMAワイヤー40は負抵抗のため通電立ち上がりの抵抗値を検知しないために比較器80,90,100が比較作動しない期間つまりブランキング時間をブランキング時間発生器60により設ける必要がある。ブランキング時間発生器60は比較器80,90,100の入力を禁止するための発振器である。抵抗値の変化はヒステリシスを有しているためブランキング時間を出来るだけ短縮し、ヒステリシスの影響を低減する必要が有る。ブランキング時間はヒステリシスの領域に応じて変える必要がある。
可変抵抗器による抵抗値の変化領域を図４のON/OFFタイミング図のR1,R2,R3の３区分にわけ各抵抗域に対応したOFF時間を決定している。
本モデリングでは３区域にわけたが、領域は多いほうが良いと考えるが、本実験では３区分で充分な精度が得られている。可変抵抗器110，120，130でR1,R2,R3の領域を設定している。
図５は、前記抵抗値の変化領域に対応させて休止時間を1種類、２種類、３種類の場合の位置の変動率を示す。（ここにおける変動率とは最大動作角に対する位置決め時の変動角度の％表示である）休止時間が１種類の場合３.5%もあるが、3種類のブランキング時間を設けると0.12%の微小変動に押えることが出来る。以上のモデルとモデリングにより高精度なSMAアクチュエータの位置決め制御が可能であることを立証した。
【産業上の利用可能性】
【００１０】
本発明は前記の如く、任意の位置に安定した長時間の位置保持を行うことが出来るため、高精度なSMAアクチュエータの位置決め制御が可能である等の優れた効果を有するものである。このためSMAアクチュエータを使用する工業では広く活用されるもので、この種産業に寄与すること多大なものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の１実施例で使用するSMAワイヤーの温度−比抵抗線図である。
【図２】本発明の１実施例におけるSMAワイヤーの位置制御機構例を示す斜視説明図である。
【図３】図２のSMAワイヤーの位置制御機構の制御システムを示すブロック線図である。
【図４】本発明の１実施例において可変抵抗器による抵抗値のON/OFFタイミング図である。
【図５】本発明の１実施例において、休止時間を可変による位置決め安定度を動作角度と変動率との関係で示すグラフである。
【符号の説明】
【００１２】
1            SMAワイヤー
2            小口径プーリ
3            駆動プーリ
4            戻しプーリ
7            バイアスばね
5，6         通電端
8,14         テグス線
9            指針
10           回転軸
11           ポテンションメータ
12           固定支柱
13           作動端
20           定電流源
30           可変抵抗器
40           SMAワイヤー
50           電流検知抵抗
60           ブランキング時間発生器
70           単安定発信器
80,90,100    比較器
110          指令抵抗値設定用及びR1領域検知の可変抵抗器
120          R2領域検知用可変抵抗器
130          R3領域検知用可変抵抗器
140          アナログスイッチ
150          定電圧電源
R1,R2,R3     可変抵抗器による抵抗値の変化領域
【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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