(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱時は通電加熱により形状記憶合金ワイヤを収縮させ、冷却時は前記収縮方向に抗するように付勢された付勢部材によりに延伸することによって、前記形状記憶合金ワイヤに取り付けられた移動体を移動させる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、
前記抵抗フィードバック回路が、
前記形状記憶合金アクチュエータの収縮およ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抵抗値を指令部より入力された抵抗値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、
前記検出部、前記演算部、前記出力部を制御する制御部と、
を有する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、更に、あらかじめ算出したフィードバックゲインおよび前記検出部から得た抵抗値および前記抵抗値を取得した時間を記憶する記憶部を有し、
前記演算部は、前記記憶部で記憶された抵抗値と時間とから所定の時間内での抵抗値の変化量を算出すると共に、前記算出された抵抗値の変化を基にフィードバックゲインを算出し、前記あらかじめ算出したフィードバックゲインを差し替えるゲイン設定部を有す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】
前記あらかじめ算出されたフィードバックゲインとは、前記形状記憶合金アクチュエータシステム製作時に取得した前記所定時間内の抵抗値の変化を基に算出されていることを特徴とする請求項１に記載の形状記憶アクチュエータシステム。
【請求項３】
前記ゲイン設定部が、前記形状記憶合金アクチュエータの電源投入時に取得した前記所定時間内の抵抗値の変化を基に、前記フィードバックゲインを算出す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】
前記フィードバックゲイン設定部が、前記形状記憶合金アクチュエータの電源投入後、所定時間間隔で、前記フィードバックゲインを設定す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５】
前記形状記憶合金アクチュエータの周囲温度を検出するセンサ部を備え、前記センサ部が、電源投入後、所定時間間隔で検出した温度変化分が所定の温度範囲を越えたとき、前記フィードバックゲイン設定部が、フィードバックゲインを算出す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。
【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を備えた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】
形状記憶合金は温度変化により、相転移し形状変化する。この形状記憶合金の形状変化を利用したアクチュエータは、アクチュエータの小型化、軽量性などにおいて優れた特性を持っている。形状記憶合金を用いたアクチュエータの従来例としては、例えば特許文献１（特開平７−２７４５６１号公報）記載のものがある。特許文献１記載のアクチュエータでは、形状記憶合金への通電を調節することによって、形状記憶合金の加熱、冷却を調節し、形状を変化させている。また、その形状変化に伴って変化する抵抗値を利用し、フィードバック制御することにより、形状記憶合金の形状変化を制御している。特許文献１においては、抵抗フィードバック制御をすることにより、アクチュエータ自体がセンサとしての機能も果たす技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２７４５６１号公報
【０００４】
しかしながら、形状記憶合金アクチュエータにおいて、フィードバック制御によって形状記憶合金への通電量の操作をしてアクチュエータの移動体の制御を行う場合、フィードバックゲインの値は形状記憶合金に連結された移動体の応答速度、位置制御性に強く影響される。さらに、アクチュエータの使用環境が変化すると、アクチュエータ周囲の外部温度の変化、構成部材の磨耗などによって、最適なフィードバックゲインが使用毎に変化する可能性がある。そのため、毎回、安定した制御を行うためには、使用毎に最適なフィードバックゲインで制御を行うことが望ましいが、特許文献１記載のアクチュエータでは、この点に対応することができない。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、形状記憶合金に連結された移動体の応答速度、位置制御性その他の特性、及び、アクチュエータの使用環境の変化に対応することのできる形状記憶合金アクチュエータシステムを提供することを目的とする。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、加熱時は通電加熱により形状記憶合金ワイヤを収縮させ、冷却時は収縮方向に抗するように付勢された付勢部材によりに延伸することによって、形状記憶合金ワイヤに取り付けられた移動体を移動させる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、抵抗フィードバック回路が、形状記憶合金アクチュエータの収縮およ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抵抗値を指令部より入力された抵抗値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、出力部を制御する制御部と、を有する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、更に、あらかじめ算出したフィードバックゲインおよび検出部から得た抵抗値および抵抗値を取得した時間を記憶する記憶部を有し、演算部は、記憶部で記憶された抵抗値と時間とから所定の時間内での抵抗値の変化量を算出すると共に、算出された抵抗値の変化を基にフィードバックゲインを算出し、あらかじめ算出したフィードバックゲインを差し替えるゲイン設定部を有することを特徴とする。
【０００７】
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、あらかじめ算出されたフィードバックゲインとは、形状記憶合金アクチュエータシステム製作時に取得した所定時間内の抵抗値の変化を基に算出されていることが好ましい。
【０００８】
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、ゲイン設定部は、形状記憶合金アクチュエータの電源投入時に取得した所定時間内の抵抗値の変化を基に、フィードバックゲインを算出することができる。
【０００９】
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、フィードバックゲイン設定部は、形状記憶合金アクチュエータの電源投入後、所定時間間隔で、フィードバックゲインを設定するとよい。
【００１０】
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、形状記憶合金アクチュエータの周囲温度を検出するセンサ部を備え、センサ部が、電源投入後、所定時間間隔で検出した温度変化分が所定の温度範囲を越えたとき、フィードバックゲイン設定部が、フィードバックゲインを算出することが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明にかかる形状記憶合金アクチュエータシステムは、抵抗フィードバック回路は、更に、あらかじめ算出したフィードバックゲインおよび検出部から得た抵抗値および抵抗値を取得した時間を記憶する記憶部を有し、演算部は、記憶部で記憶された抵抗値と時間とから所定の時間内での抵抗値の変化量を算出すると共に、算出された抵抗値の変化を基にフィードバックゲインを算出し、あらかじめ算出したフィードバックゲインを差し替えるゲイン設定部を有する構成により、形状記憶合金に連結された移動体の応答速度、位置制御性その他の特性やアクチュエータの使用環境の変化に対応した最適なフィードバックゲインを用いることができ、これにより、形状記憶合金アクチュエータの制御を常に適切なものとすることができる、という効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、本発明にかかる形状記憶合金アクチュエータシステム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。
図１は、本実施例で用いるＳＭＡワイヤ１６（形状記憶合金ワイヤ）（図２）を一定電力で加熱しているときの、時間（横軸）と抵抗値（縦軸）を示したグラフである。時間ｔ１時でのＳＭＡワイヤ１６の両端間の抵抗をＲ１、同様に時間ｔ２時での抵抗をＲ２としている。グラフはＳＭＡワイヤ１６を加熱している状態であって、ＳＭＡワイヤ１６の相変態により長さが収縮し、時間の経過につれて抵抗値が減少していることを示している。
【００１３】
図２は、図１で示したＳＭＡワイヤ１６を用いた形状記憶合金アクチュエータシステム１００の一実施例を示す一部断面図である。図２（ａ）は図１で示したｔ１時におけるＳＭＡワイヤの状態を、図２（ｂ）はｔ２時におけるＳＭＡワイヤ１６の状態を、それぞれ示している。
【００１４】
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１０と抵抗フィードバック回路２０とを備える。形状記憶合金アクチュエータ１０の筒１１内に配置されたＳＭＡワイヤ１６は、抵抗フィードバック回路２０に繋がれており、抵抗フィードバック回路２０より一定電力が供給される。筒１１内には、移動体１２の下部と、バイアスばね１３（付勢部材）、ＳＭＡワイヤ１６が配置されている。
【００１５】
バイアスばね１３及びＳＭＡワイヤは、筒１１の軸方向に延びるように配置されるとともに、一方の端部が移動体１２に、他方の端部が筒１１の底壁１７に、それぞれ固定されている。固定は、例えば接着によって行う。バイアスばね１３は、ＳＭＡワイヤ１６が収縮した状態（図２（ｂ）の状態）においては、その弾性力によって、移動体１２を元の位置（図２（ａ）の状態）、すなわち第１の規制部材４１に当接するように付勢する。形状記憶合金アクチュエータシステム１００では、抵抗フィードバック回路２０からＳＭＡワイヤに対して一定電力が供給されると、通電加熱によってＳＭＡワイヤ１６が収縮する。これによって、バイアスばね１３の弾性力に抗して移動体１２が移動し、第２の規制部材４２に当接して停止する（図２の右方向）。
【００１６】
形状記憶合金アクチュエータ１０又は形状記憶合金アクチュエータシステム１００の周囲の環境温度や、移動体１２と筒１１との摩擦等の使用環境により、移動体１２の移動量が変化し、ｔ２時の移動体１２の位置は変化する可能性がある。一定時間間隔で一定電力を供給したときの移動体１２の移動量が異なる場合、その移動量の差は、その系に必要なゲイン値の差を反映するため、抵抗フィードバック回路２０で抵抗フィードバック制御をした場合、最適なフィードバックゲインも異なるといえる。
【００１７】
次に、図３を用いて、抵抗フィードバック回路２０が行う抵抗フィードバックゲイン算出記憶の手順について説明する。ここで、図３は、図２で示した抵抗フィードバック回路２０が行う抵抗フィードバックゲイン算出記憶の手順を示すフローチャートである。この手順は、後述の図４に示す抵抗フィードバックゲイン算出記憶（ステップＳ１００）の手順を示している。なお、抵抗フィードバック回路２０内の構成については後述する（図６〜図８）。
【００１８】
図２で示した形状記憶合金アクチュエータシステム１００の構成で、使用をはじめる際、ＳＭＡワイヤ１６に一定電力の通電を開始する（ステップＳ１）、次に、タイマのカウントを開始し（ステップＳ２）、タイマの開始をｔ＝ｔ１とする（ステップＳ３）。ｔ＝ｔ１時のＳＭＡワイヤ１６の抵抗値を検出し（ステップＳ４）、検出した抵抗値をＲ１として記憶する（ステップＳ５）。タイマのｔがｔ２以上になっているかを判定し（ステップＳ６）、ｔ２以上であると判定した場合（ステップＳ６でＹＥＳ）、次のステップ（ステップＳ７）へとすすむ。一方、ｔがｔ２未満である場合（ステップＳ６でＮＯ）は、ｔがｔ２以上になるまでｔとｔ２との比較判断（ステップＳ６）を繰り返す。
【００１９】
ｔがｔ２以上であると判定された場合（ステップＳ６でＹＥＳ）は、ＳＭＡワイヤ１６の抵抗値を検出し（ステップＳ７）、検出した抵抗値をＲ２として記憶し（ステップＳ８）、ＳＭＡワイヤ１６への一定電力の供給を停止する（ステップＳ９）。次にΔＲとして、Ｒ２−Ｒ１を算出（ステップＳ１０）し、Δｔとして、ｔ２−ｔ１を算出する（ステップＳ１１）。フィードバックゲインを決める因子としてＰ＝ΔＲ／Δｔを算出（ステップＳ１２）し、値Ｐより最適フィードバックゲインを演算し（ステップＳ１３）、記憶する（ステップＳ１４）。
【００２０】
一定時間Δｔ間隔において、一定電力で加熱した際の、抵抗の変化量ΔＲを算出することにより、ΔＲは、図２に示す移動体１２のΔｔ間隔での移動量を反映するため、外部温度環境や、移動体１２と筒１１の摩擦等が考慮された最適なフィードバックゲインを算出する因子となりえる。図４で示すように、毎駆動時に抵抗フィードバックゲイン算出記憶（ステップＳ１００）を行い、算出された抵抗フィードバックゲインで、抵抗フィードバック制御駆動（ステップＳ１０１）を行うことによって、安定した駆動を行うことが可能となる。
【００２１】
つづいて、図４を用いて、抵抗フィードバック回路２０が行う第１の制御方法の手順について説明する。ここで、図４は、本実施例に係る形状記憶合金アクチュエータシステム１００において、使用をはじめる際、抵抗フィードバック回路２０が行う、第１の制御方法の手順を説明するフローチャートである。
【００２２】
本実施例に係る形状記憶合金アクチュエータシステム１００では、電源投入時に、上述の抵抗フィードバックゲイン算出記憶（図３のステップＳ１〜Ｓ１４）（図４のステップＳ１００）を開始する。最適な抵抗フィードバックゲインを算出、記憶し、記憶した抵抗フィードバックゲインを、次のステップ抵抗フィードバック制御駆動（ステップＳ１０１）に用いて抵抗フィードバック制御駆動を行う。これにより、ステップＳ１０１で駆動している際は、駆動直前で算出されたフィードバックゲインを用いて駆動を行っているため、安定した駆動が可能となる。
【００２３】
図５は、図３、図４で示した抵抗フィードバックゲイン算出記憶のタイミングチャートである。横軸は時間、縦軸は図２で示したＳＭＡワイヤ１６に投入する電圧値を示している。図３で示したタイマをｔ＝ｔ１としたとき（ステップＳ３）を原点としている。ＳＭＡワイヤ１６に投入する電圧は、加熱のための電圧パルスと、抵抗を検出するための電圧パルスと分かれている。本実施例では、加熱のための電圧パルスは、抵抗を検出するための電圧パルスよりも大きい値で示している。図５中にタイマを開始した直後の加熱のあと、ＳＭＡワイヤ１６の抵抗値をＲ１として検出したこと（図３のステップＳ４、Ｓ５）を示している。時間がｔがｔ２以上となったときに、ＳＭＡワイヤ１６の抵抗値をＲ２として検出する（図３のステップＳ７、Ｓ８）。抵抗を検出後、加熱を終了（図３のステップＳ９）する。その後、図５には記載していないが、ｔ１、ｔ２、Ｒ１、Ｒ２を用いた演算が行われる（図３のステップＳ１０〜Ｓ１４）。
【００２４】
図６は、図２で示した形状記憶合金アクチュエータシステム１００の構成と、駆動を制御する抵抗フィードバック回路２０内を示した機能ブロック図を示している。形状記憶合金アクチュエータ１０内のＳＭＡワイヤ１６の抵抗を検出する検出部２１と形状記憶合金アクチュエータ１０内のＳＭＡワイヤ１６に電力を投入する出力部２２に、形状記憶合金アクチュエータ１０は繋がれている。指令部２３は、指令目標値を演算部２５に出力し、演算部２５は検出部２１が検出したＳＭＡワイヤ１６の抵抗値と指令目標値を比較し、最適な電力を投入する抵抗フィードバック制御を行う。
【００２５】
また、制御部２４が検出部２１、出力部２２、演算部２５に抵抗フィードバックゲイン算出記憶を行う命令を出力した場合、演算部２５は、抵抗フィードバック制御を一旦停止し、抵抗フィードバックゲイン算出記憶のために、図３で示したようにＲ１、Ｒ２の検出値からΔＲの算出、Δｔの算出等を後述の演算部２５内のゲイン設定部３６にて行い、ΔＲとΔｔを出力する。ゲイン設定部３６は入力されたΔＲとΔｔより、両者の比である値Ｐを算出し、Ｐから最適フィードバックゲインを見積もり、最適フィードバックゲインを記憶部２７へ出力する。記憶部２７は、入力された最適フィードバックゲインを記憶し、演算部２５に出力する。演算部２５は入力された最適フィードバックゲインを用いて、抵抗フィードバック制御駆動を行う。
【００２６】
図７は、図６で示した形状記憶合金アクチュエータシステム１００の構成に、熱センサ２８（センサ部）を加えた、変形例に係る形状記憶合金アクチュエータ２００の構成を示す機能ブロック図であり、図９に示すフローチャートで示した実施例の機能ブロック図である。熱センサ２８は形状記憶合金アクチュエータシステム１０又は形状記憶合金アクチュエータシステム１００の周囲温度を検出し、制御部２４に出力する。制御部２４は熱センサ２８より検出された周囲温度が急激に変化していることを感知したときに、制御部２４は演算部２５に、抵抗フィードバックゲイン算出記憶を行う命令を出す。
【００２７】
図８は図６で示した本実施例に係る形状記憶合金アクチュエータシステム１００における演算部２５について示したブロック図の一例である。演算部２５は指令部２３から指令抵抗値が入力され、検出部２１よりＳＭＡワイヤ１６の抵抗値が入力される。入力された、指令抵抗値とＳＭＡワイヤ１６の抵抗値は判定演算回路３１に入力され、指令抵抗値とＳＭＡワイヤ１６の抵抗値を比較し、ＳＭＡワイヤ１６の抵抗値が指令抵抗値になるように最適な通電電力量を演算し、出力部２２に通電電力量を出力し、出力部２２から形状記憶合金アクチュエータシステム１００内のＳＭＡワイヤ１６に通電する。制御部２４より、最適フィードバックゲインを見積もるように演算部２５が命令された場合は、検出部２１から入力されるＳＭＡワイヤ１６の抵抗値について、ゲイン設定部３６に入力する。
【００２８】
ゲイン設定部３６は前述のＲ１、Ｒ２とＲ１とＲ２を取得した時間であるｔ１、ｔ２をそれぞれ記憶部２７に記憶させ、ゲイン設定部３６は、記憶部２７より記憶されているＲ１、Ｒ２、ｔ１、ｔ２を用いて、ΔＲ＝Ｒ２−Ｒ１、Δｔ＝ｔ２−ｔ１の演算を行い、ΔＲとΔｔより最適フィードバックゲインを見積もり、記憶部２７に出力する。記憶部２７は入力された最適フィードバックゲインを判定演算回路３１に入力し、判定演算回路３１は、抵抗フィードバック制御を、制御部２４から最適フィードバックゲインを見積もるように命令したときの状態での最適なフィードバックゲインで行うことが出来るため、安定した駆動が可能となる。
【００２９】
図９は、図７に示す本実施例の変形例に係る形状記憶合金アクチュエータ２００において、使用をはじめる際、抵抗フィードバック回路２０が行う、第２の制御方法の手順を説明するフローチャートである。電源投入時に、図３で示す抵抗フィードバックゲイン算出記憶（ステップＳ２００）を開始、最適な抵抗フィードバックゲインを算出、記憶し、記憶した抵抗フィードバックゲインを、次のステップ抵抗フィードバック制御駆動（ステップＳ２０１）に用いて抵抗フィードバック制御駆動を行う。これにより、抵抗フィードバック制御駆動（ステップＳ２０１）で駆動している際は、駆動直前で算出されたフィードバックゲインを用いて駆動を行っているため、安定した駆動が可能となる。
【００３０】
図７で示す熱センサ２８が、形状記憶合金アクチュエータ１０又は形状記憶合金アクチュエータシステム２００の外部環境温度（周囲温度）の急激な温度変化を感知した場合（ステップＳ２０２）、抵抗フィードバック制御駆動（ステップ２０１）に割り込んで、抵抗フィードバックゲイン算出記憶（ステップＳ２０３）を開始し、再度最適な抵抗フィードバックゲインを算出、記憶し、記憶した抵抗フィードバックゲインを用いて、抵抗フィードバック制御駆動（ステップＳ２０４）を行う。これによって、形状記憶合金アクチュエータ１０又は形状記憶合金アクチュエータシステム２００の周囲温度が急激に変化しても、そのときの最適なフィードバックゲインを算出し、制御駆動を行うため、安定した駆動が可能となる。
【００３１】
なお、図６に示す形状記憶合金アクチュエータシステム１００では、抵抗フィードバックゲイン算出記憶の割り込み（図４のステップＳ１００）が一度だけだが、熱センサ２８が急激な温度変化を感知した場合は、毎回割り込んで行ってもよい。また、熱センサ２８がなくとも、例えば、所定の時間間隔で割り込んで抵抗フィードバックゲイン算出記憶を行っても同様の効果を得ることが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
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は、アクチュエータの小型化、軽量化に有用であり、これにより、アクチュエータを用いる内視鏡、携帯電話、カメラその他の電子機器の小型化、軽量化に適している。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施例に係るＳＭＡワイヤの抵抗特性を示すグラフである。
【図２】本発明の実施例に係る形状記憶合金アクチュエータシステムの構成を示す一部断面図であり、（ａ）は図１の時間ｔ１における状態を示す図であり、（ｂ）は図１の時間ｔ２における状態を示す図である。
【図３】本実施例に係る抵抗フィードバック回路が行う抵抗フィードバックゲイン算出記憶の手順を示すフローチャートである。
【図４】本実施例に係る形状記憶合金アクチュエータシステムにおいて、使用をはじめる際に抵抗フィードバック回路が行う第１の制御方法の手順を説明するフローチャートである。
【図５】図３、図４で示した抵抗フィードバックゲイン算出記憶のタイミングチャートである。
【図６】本発明の実施例に係る形状記憶合金アクチュエータシステムの構成を示すブロック図であり、抵抗フィードバック回路の構成を詳細に示した図である。
【図７】本発明の実施例の変形例に係る形状記憶合金アクチュエータシステムの構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の実施例に係る抵抗フィードバック回路の構成を示すブロック図であり、演算部の構成を詳細に示した図である。
【図９】本実施例の変形例に係る形状記憶合金アクチュエータにおいて、使用をはじめる際に抵抗フィードバック回路が行う第２の制御方法の手順を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００３４】
１０    形状記憶合金アクチュエータ
１１    筒
１２    移動体
１３    バイアスばね（付勢部材）
１６    ＳＭＡワイヤ（形状記憶合金ワイヤ）
２０    抵抗フィードバック回路
２１    検出部
２２    出力部
２３    指令部
２４    制御部
２５    演算部
２７    記憶部
２８    熱センサ（センサ部）
３１    判定演算回路
３６    ゲイン設定部
１００  形状記憶合金アクチュエータシステム
２００  形状記憶合金アクチュエータシステム
【図１】
0004913096.tif 000002
【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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