(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
通電加熱による相変態で形状記憶合金の伸縮に伴う抵抗値に基づき、前記形状記憶合金の長さを所定の長さに制御することによって、前記形状記憶合金に設置された移動体の位置を制御する形状記憶合金アクチュエータの位置制御方法において、
前記所定の長さに相当する指令抵抗値を設定する指令抵抗値設定ステップと、
前記形状記憶合金の伸縮に伴う抵抗値を検出する抵抗値検出ステップと、
前記指令抵抗値設定ステップで設定された前記指令抵抗値と、前記抵抗値検出ステップで検出された抵抗値とを比較する抵抗値比較ステップと、
前記抵抗値比較ステップで得られた比較結果に基づいて、前記指令抵抗値まで第１のゲインにより前記形状記憶合金の長さを制御する第１の制御ステップと、
前記第１の制御ステップにおいて、前記第１の制御ステップの終了条件を判定する終了判定ステップと、
前記終了判定ステップの終了判定に伴い、前記比較結果に基づいて、前記第１のゲインよりも小さい第２のゲインにより前記形状記憶合金の長さを保持することによって前記移動体を静止させる第２の制御ステップとを有し、
再度、指令抵抗値が設定されるまで前記第２の制御ステップを継続することによって前記移動体の位置制御を行うことを特徴とする形状記憶合金アクチュエータの位置制御方法。
【請求項２】
前記終了判定ステップにおける終了判定条件は、前記抵抗値比較ステップにおいて、前記指令抵抗値と前記検出抵抗値とが一致した場合であることを特徴とする請求項１に記載の形状記憶合金アクチュエータの位置制御方法。
【請求項３】
前記終了判定ステップにおける終了判定条件は、前記指令抵抗値が設定された後の所定の経過時間で設定されていることを特徴とする請求項１に記載の形状記憶合金アクチュエータの位置制御方法。
【請求項４】
前記第２のゲインは０であることを特徴とする請求項１に記載の形状記憶合金アクチュエータの位置制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状記憶合金アクチュエータの位置制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、形状記憶合金を用いるアクチュエータの制御には、形状記憶合金の変形に伴い変化する形状記憶合金そのものの抵抗値をフィードバックした制御が行われている。形状記憶合金の変形に伴う抵抗の変化は、例えば、形状記憶合金ワイヤではワイヤの長さと略一致している。そこで、形状記憶合金ワイヤの抵抗値でフィードバック制御を行うことで間接的な位置（長さ）を制御する。
【０００３】
形状記憶合金の抵抗値フィードバック制御を行うものが、例えば特許文献１に開示されている。図７は、従来の抵抗値フィードバック制御を説明する図である。形状記憶合金アクチュエータ１０１は、形状記憶合金の温度変化による形状回復動作を利用して負荷を駆動するものである。形状記憶合金の温度を変化させる（上昇させる）手段としてＰＷＭ駆動信号発生器１０３を設け、そこから出力されるＰＷＭ駆動信号により、通電過熱され変位が制御される。ＰＷＭ駆動信号発生器１０３は、コントローラ１０５から上記形状記憶合金アクチュエータ１０１へ通電するための信号を受け取る。
【０００４】
コントローラ１０５は、ＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ）コントローラ１０８を備える。ＰＩＤコントローラ１０８は、抵抗指令値と、形状記憶合金アクチュエータ１０１のインピーダンス直流抵抗成分とを取り込み、形状記憶合金アクチュエータ１０１へ通電するための信号を出力する。抵抗検出器１０４は、形状記憶合金アクチュエータ１０１のインピーダンス直流抵抗成分を検出し、コントローラ１０５内のＰＩＤコントローラ１０８へ出力する。
【０００５】
なお、上記抵抗検出器１０４は、形状記憶合金アクチュエータ１０１を含めてブリッジ回路を構成し、ＰＷＭ駆動信号の出力がオフ時、すなわち形状記憶合金アクチュエータ１０１へのＰＷＭ駆動信号の出力パルスが停止しているときに働くように構成されている。そして、ＰＩＤコントローラ１０８は、外部より与えられる抵抗指令値と上記抵抗検出器１０４によって検出されるインピーダンス直流抵抗成分とを取り込み、ＰＷＭ駆動信号発生器１０３へ信号を出力する。
【０００６】
抵抗指令値は、形状記憶合金アクチュエータ１０１の変位量に相当する指令抵抗値を示している。コントローラ１０５は、入力される指令抵抗値に応じて形状記憶合金アクチュエータ１０１の変位を決定し制御する。
【０００７】
【特許文献１】特開平７−２７４５６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、一般に、形状記憶合金は通電加熱される温度と発生する変位との関係にヒステリシスを有している。ヒステリシスを有するアクチュエータは、そのヒステリシス性が示すとおり非線形な制御対象である。従来技術に係るアクチュエータの制御装置では、この非線形な制御対象に対して線形制御手法のＰＩＤフィードバック等を用いて制御を行っている。現状では、全ての制御領域において良好な制御性が得られる汎用なＰＩＤゲイン決定方法がない。
【０００９】
例えば、一律に一定のゲインで制御する方法では、制御目標値によっては、良好に制御できる場合もあるが、振動してしまう場合もある。このように、位置決め精度の向上に限界があるという問題が起きている。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ヒステリシスを持つ形状記憶合金アクチュエータを制御するゲインに２つの異なるゲインを設定することによって、位置決めまでの応答を確保しつつ、アクチュエータの位置決め精度を向上させる形状記憶合金アクチュエータの位置制御方法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】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、通電加熱による相変態で形状記憶合金の伸縮に伴う抵抗値に基づき、形状記憶合金の長さを所定の長さに制御することによって、形状記憶合金に設置された移動体の位置を制御する形状記憶合金アクチュエータの位置制御方法において、所定の長さに相当する指令抵抗値を設定する指令抵抗値設定ステップと、形状記憶合金の伸縮に伴う抵抗値を検出する抵抗値検出ステップと、指令抵抗値設定ステップで設定された指令抵抗値と、抵抗値検出ステップで検出された抵抗値とを比較する抵抗値比較ステップと、抵抗値比較ステップで得られた比較結果に基づいて、指令抵抗値まで第１のゲインにより形状記憶合金の長さを制御する第１の制御ステップと、第１の制御ステップにおいて、第１の制御ステップの終了条件を判定する終了判定ステップと、終了判定ステップの終了判定に伴い、比較結果に基づいて、第１のゲインよりも小さい第２のゲインにより形状記憶合金の長さを保持することによって移動体を静止させる第２の制御ステップとを有し、再度、指令抵抗値が設定されるまで第２の制御ステップを継続することによって移動体の位置制御を行うことを特徴とする形状記憶合金アクチュエータの位置制御方法を提供できる。
【００１２】
また、本発明の好ましい態様によれば、終了判定ステップにおける終了判定条件は、抵抗値比較ステップにおいて、指令抵抗値と検出抵抗値とが一致した場合であることが望ましい。
【００１３】
また、本発明の好ましい態様によれば、終了判定ステップにおける終了判定条件は、指令抵抗値が設定された後の所定の経過時間で設定されていることが望ましい。
【００１５】
また、本発明の好ましい態様によれば、第２のゲインは０であることが望ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明にかかる形状記憶合金アクチュエータの位置制御方法は、ヒステリシスを持つ形状記憶合金アクチュエータを制御するゲインに２つの異なるゲインを設定することによって、位置決めまでの応答を確保しつつ、アクチュエータの位置決め精度を向上させるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明にかかる形状記憶合金アクチュエータの位置制御方法の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【００１８】
図１から図５を用いて、本発明の実施例１について説明する。図１は本実施例に適用される形状記憶合金アクチュエータ１の制御に関わる構成例を示している。
【００１９】
形状記憶合金アクチュエータ１は、通電加熱により収縮する形状記憶合金ワイヤ１１と、形状記憶合金ワイヤ１１の収縮に対して抗力をもつバイアスばね１２と、形状記憶合金ワイヤ１１の伸縮に伴い移動する移動体１３と、抵抗値制御装置２とで構成される。
【００２０】
抵抗値制御装置２は、形状記憶合金ワイヤ１１に通電加熱するとともに、その伸縮に伴う抵抗値を検出し、抵抗値を用いてフィードバックすることによって形状記憶合金ワイヤ１１の長さを制御する。図１に示すように、本実施例の形状記憶合金アクチュエータ１は、形状記憶合金ワイヤ１１の長さを制御することによって、移動体１３に取り付けられているレンズ３の位置を制御するものである。
【００２１】
図２は抵抗制御装置２の内部を示している。抵抗制御装置２は、形状記憶合金アクチュエータ１の抵抗値を検出する抵抗値検出部２１と、形状記憶合金ワイヤ１１を所定の長さにするための指令抵抗値を設定する抵抗値指令部２２と、抵抗値検出部２１から得られた抵抗値と抵抗値指令部２２より設定された指令抵抗値とを比較して形状記憶合金ワイヤ１１への通電量を演算するコントローラ２３と、演算された通電量を形状記憶合金ワイヤ１１へ出力する信号発生部２４とで構成される。
【００２２】
図３は、形状記憶合金アクチュエータ１の制御ブロックを指している。ここでは、コントローラ２３内部における制御アルゴリズムについて説明する。抵抗値検出部２１より得られた抵抗値と指令抵抗値との比較は、例えば差分（△Ｒ）などで行う。この比較結果は、コントローラ２３内の線形補償部２３１にて演算処理される。線形補償部２３１では、比較結果に対してＰＩＤのような比例・積分・微分の演算が行われ、演算された結果が信号発生部２４へ出力される。
【００２３】
図４は、駆動および抵抗検出のタイミングを示している。タイミングＴ１において、抵抗値検出部２１からの出力される検出された抵抗値（実抵抗値）を読み込む。また、タイミングＴ２において、信号発生部２４から出力される駆動信号を形状記憶合金アクチュエータ１に印加する。
【００２４】
図４に示すように、形状記憶合金アクチュエータ１を変形させるときには抵抗値の検出を行わない。これに対して、駆動信号印加する前後のタイミングＴ１において、抵抗値の検出を行うことを繰り返している。
また、駆動信号レベルは、取り込んだ抵抗値を基に線形補償を加えて変化させている。
【００２５】
図４において、各タイミングの高さの変化は、駆動信号レベルの変化に対応している。例えば、検出された抵抗値（実抵抗値）を読み込んだ後、指令抵抗値が実抵抗値よりも小さい場合は、駆動電圧を形状記憶合金アクチュエータ１に印加する。ここで、実抵抗値と指令抵抗値との差分に基づいて駆動信号のレベルは変化する。また、指令抵抗値が実抵抗値以上の場合は、駆動電圧をＯＦＦにする。
【００２６】
図５は、本発明の形状記憶合金アクチュエータ１における位置制御方法のフローチャートを示している。まず、形状記憶合金アクチュエータ１の変位の長さに相当する指令抵抗値を設定する。制御を開始すると、ステップＳ５０１において、コントローラ２３は、抵抗値指令部２２から指令抵抗値を読み込む。
【００２７】
ステップＳ５０２において、指令抵抗値が変更されたか否かが判断される。ステップＳ５０２の判断結果が真（Ｙｅｓ）のとき、ステップＳ５０３へ進む。ステップＳ５０３において、フラグがクリアされ、ステップＳ５０４へ進む。ステップＳ５０２の判断結果が偽（Ｎｏ）のとき、ステップＳ５０４へ進む。
【００２８】
ステップＳ５０４において、抵抗値検出部２１が形状記憶合金アクチュエータ１の抵抗値を検出する。ステップＳ５０５において、指令抵抗値と検出された抵抗値（実抵抗値）との比較を行う。ここでは指令抵抗値と検出抵抗値との差分を演算する。
【００２９】
ステップＳ５０６において、フラグが立っているかが判断される。ステップＳ５０６の判断結果が真のとき、ステップＳ５１０へ進む。ステップＳ５０６の判断結果が偽のとき、ステップＳ５０７へ進む。
【００３０】
ステップＳ５０７において、第１のゲインによって、形状記憶合金アクチュエータへ印加する駆動信号レベルを演算し、形状記憶合金アクチュエータへ印加して変形させる。ここで、第１のゲインは、第２のゲインよりも大きい値に設定されている。
【００３１】
ステップＳ５０８において、指令抵抗値が設定された制御開始から所定の時間が経過したこと、または検出抵抗値が指令抵抗値に達したことが判断される。ステップＳ５０８の判断結果が真のとき、ステップＳ５０９へ進む。ステップＳ５０８の判断結果が偽のとき、ステップＳ５０１へ戻る。
【００３２】
ステップＳ５０９において、フラグを立てて、ステップＳ５１０へ進む。ステップＳ５１０において、第２のゲインで形状記憶合金を駆動し、ステップＳ５０１へ戻る。ステップＳ５０１から同様の動作が繰り返される。
【００３３】
このような制御により、指令抵抗値が設定された制御開始から所定の時間が経過するか、あるいは検出抵抗値が指令抵抗値に達するまでの間は、第１のゲインを用いた抵抗値制御となる。２つの抵抗値の比較は、例えば検出抵抗値と指令抵抗値との差分を取って行う。
【００３４】
上述したように、第１のゲインは、第２のゲインよりも、大きく設定し、変位量を大きくする。これにより、指令抵抗値に達するまでの応答速度が速くなる。第１のゲインの特徴は、形状記憶合金アクチュエータ１の応答速度を重視した設定となっている。なお、第１のゲインは、応答速度は速いが、指令抵抗値に達した際の位置制御性は低いものとなる。
【００３５】
本実施例では、所定の時間経過後あるいは指令抵抗値に達した際には、第１のゲインで制御する代わりに、これのほかに設定してある第２のゲインを用いて形状記憶合金アクチュエータ１の制御を行う。
【００３６】
第２のゲインは、第１のゲインよりも小さく設定し、変位量を小さくする。応答速度が遅くなるが、振動はしない。第２のゲインの特徴は、応答速度が低い反面、指令抵抗値に達した際の位置制御の安定性が高いことである。
【００３７】
応答に関しては環境変化などのドリフトに応答できるものである。すなわち、第２のゲインが追従できる応答速度は使用している周囲の温度の温度変化による形状記憶合金の変位量の変化に応答できる程度であれば良い。このように、第１のゲインにより指令抵抗値までの応答時間を短縮できる。第２のゲインによって、指令抵抗値すなわち目標長さでの位置を安定に保持することができる。このように、２つの異なるゲインを設定することによって、位置決めまでの応答を確保しつつ、アクチュエータの位置決め精度を向上させることができる。
【００３８】
第２のゲインでの制御は、指令抵抗値が変化するまでの間とする。指令抵抗値が変化した際には、第１のゲインを用いた制御が再開される。本実施例のフローチャートでは、フラグを立てることによって第１のゲインでの制御にするか、第２のゲインでの制御にするかを判断している。フラグを立てる判定条件としては、例えば、検出抵抗値が指令抵抗値に達した場合にフラグをたてる、あるいは、指令抵抗値が設定または変更されて制御が開始されてから所定の時間後にフラグを立てるというような判定条件を用いている。
【実施例２】
【００３９】
図６は、本発明にかかる形状記憶合金アクチュエータの位置制御方法の実施例２のコントローラの構成を示す図である。実施例１と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４０】
図６に示すように、実施例２では、コントローラ２３内に線形補償部２３１と非線形補償部２３２とを設け、演算処理を行う。
【００４１】
非線形補償部２３２においては、例えば、形状記憶合金アクチュエータ１のヒステリシス（非線形特性）を次式（１）で近似する。
【００４２】
【数１】
0004822358.tif 000002
ここで、Ｘは抵抗値指令部２２の出力、Ｘ０は抵抗値検出部２１の出力である。また、Ｃ０、Ｃｋはあらかじめ決められた定数、例えば非線形ゲインである。
【００４３】
これは、形状記憶合金の加熱温度に対する変形に対して、傾きが緩やかなところではゲインが高いため速く指令抵抗値に達し、傾きが急なところではゲインを低くして安定させる補正になる。このように、コントローラ２３での演算に非線形補償を追加すれば、形状記憶合金アクチュエータ１の応答時間および位置制御性が更に向上する。非線形のゲインについても線形のゲイン同様、第１のゲインと第２のゲインを持たせることになる。
【００４４】
また、第２のゲインについては、第１のゲインより小さければよい。動作環境が安定している状況であれば、第２のゲインを０にしてもかまわない。この場合は、常に、一定の駆動信号が形状記憶合金アクチュエータ１に投入され、その位置に固定されることになる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
以上のように、本発明にかかる形状記憶合金アクチュエータの位置制御方法は、ヒステリシスを持つ形状記憶合金アクチュエータに有用であり、特に、アクチュエータの応答速度と位置決め精度とが要求される形状記憶合金アクチュエータの位置制御方法に適している。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施例１の形状記憶合金アクチュエータの制御に関わる構成を示す図である。
【図２】実施例１の抵抗制御装置の構成を示す図である。
【図３】実施例１の形状記憶合金アクチュエータの制御ブロックダイアグラムである。
【図４】実施例１の駆動信号と抵抗検出とのタイミングを説明する図である。
【図５】実施例１の位置制御方法のフローチャートである。
【図６】実施例２のコントローラの構成を説明する図である。
【図７】従来の構成を説明する図である。
【符号の説明】
【００４７】
１、１０１  形状記憶合金アクチュエータ
２  抵抗制御装置
３  レンズ
１１  形状記憶合金ワイヤ
１２  バイアスばね
１３  移動体
２１  抵抗値検出部
２２  抵抗値指令部
２３、１０５  コントローラ
２４  信号発生部
２３１  線形補償部
２３２  非線形補償部
１０３  ＰＷＭ駆動信号発生部
１０４  抵抗検出器
１０６、１０７、１０９  スイッチ
１０８  ＰＩＤコントローラ
１１０  スイッチ切り替え部
１１１  マニピュレータ演算部
【図１】
0004822358.tif 000003
【図２】
0004822358.tif 000004
【図３】
0004822358.tif 000005
【図４】
0004822358.tif 000006
【図５】
0004822358.tif 000007
【図６】
0004822358.tif 000008
【図７】
0004822358.tif 000009