(57)【要約】【課題】大型化を招くことなく、動作速度に優れたアクチュエータ装置を提供する。【解決手段】複数の形状記憶材料、及び、形状記憶材料の形状変化に抗するように付勢する付勢部を備え、形状記憶材料の形状変化によって動作するアクチュエータ部と、形状記憶材料を通電加熱させる印加部と、形状記憶材料の形状変化に伴い変化する形状記憶材料の物性値を検出する検出部と、検出部によって検出した物性値に基づいた演算処理を行う演算部と、を有するアクチュエータ装置であって、検出部において取得した各々の形状記憶材料の物性値に基づき、残りの形状記憶材料への通電加熱量を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の形状記憶材料、及び、前記形状記憶材料の形状変化に抗するように付勢する付勢部を備え、前記形状記憶材料の形状変化によって動作するアクチュエータ部と、
前記形状記憶材料を通電加熱させる印加部と、
前記形状記憶材料の形状変化に伴い変化する前記形状記憶材料の物性値を検出する検出部と、
前記検出部によって検出した物性値に基づいた演算処理を行う演算部と、
を有するアクチュエータ装置において、
前記検出部において取得した各々の形状記憶材料の物性値に基づき、残りの形状記憶材料への通電加熱量を制御することを特徴とするアクチュエータ装置。
【請求項２】
前記各々の形状記憶材料の物性値と、指令値と、に基づき、残りの形状記憶材料への通電加熱量を制御することを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ装置。
【請求項３】
前記アクチュエータ部を操作する操作部を有し、
前記操作部は、前記各々の形状記憶材料の物性値と、前記操作部からの前記指令値と、に基づき、前記残りの形状記憶材料を加熱するとともに、前記アクチュエータ部の動作モードを選択する切替部を備えることを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータ装置。
【請求項４】
前記付勢部はバイアスばねであって、前記動作モードは、前記アクチュエータ部を動作させる際、前記バイアスばねを一時的に縮めてから、アクチュエータ部を目標状態へと移行させるものを含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のアクチュエータ装置。
【請求項５】
前記演算部における演算が、ＰＩＤ制御処理であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のアクチュエータ装置。
【請求項６】
前記演算部における演算が、ファジィ制御処理であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のアクチュエータ装置。
【請求項７】
前記物性値は、前記形状記憶材料の抵抗値であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のアクチュエータ装置。
【請求項８】
前記操作部が、装置本体と着脱可能であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のアクチュエータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の形状記憶材料を利用したアクチュエータ装置としては、例えば、特許文献１記載の可撓管装置がある。この可撓管装置では、形状記憶材料の物性値をフィードバック制御することによって、アクチュエータの動作制御を図っている。また、従来から、複数の形状記憶材料を使用した湾曲機能を持つ装置は、湾曲動作を行うために、形状記憶材料を加熱や冷却することによる形状記憶材料の形状変化を利用している。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−４２０９９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、一般的に知られる形状記憶材料の性質として、加熱した形状記憶材料を冷却する際に自然冷却に任せた場合は、加熱する際に比べ、形状変化の速度は非常に遅くなってしまうことが知られている。しかしながら、従来のアクチュエータ装置では、このような形状記憶材料の応答性への対策が考慮されておらず、装置の応答が非常に遅かった。これに対して、応答性を改善するために、流水を用いた冷却機構を用いたものも提案されたが、十分な冷却効果を得るためには冷却機構を大型化せざるを得ないため、小型化が望まれるアクチュエータ装置には適用が困難であった。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、大型化を招くことなく、動作速度に優れたアクチュエータ装置を提供することを目的としている。
【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、本発明に係るアクチュエータ装置は、複数の形状記憶材料、及び、形状記憶材料の形状変化に抗するように付勢する付勢部を備え、形状記憶材料の形状変化によって動作するアクチュエータ部と、形状記憶材料を通電加熱させる印加部と、形状記憶材料の形状変化に伴い変化する形状記憶材料の物性値を検出する検出部と、検出部によって検出した物性値に基づいた演算処理を行う演算部と、を有するアクチュエータ装置であって、検出部において取得した各々の形状記憶材料の物性値に基づき、残りの形状記憶材料への通電加熱量を制御することを特徴としている。
【０００７】
本発明に係るアクチュエータ装置は、各々の形状記憶材料の物性値と、指令値と、に基づき、残りの形状記憶材料への通電加熱量を制御することが好ましい。
【０００８】
本発明に係るアクチュエータ装置において、アクチュエータ部を操作する操作部を有し、操作部は、各々の形状記憶材料の物性値と、操作部からの指令値と、に基づき、残りの形状記憶材料を加熱するとともに、アクチュエータ部の動作モードを選択する切替部を備えるとよい。
【０００９】
本発明に係るアクチュエータ装置において、付勢部はバイアスばねであって、動作モードは、アクチュエータ部を動作させる際、バイアスばねを一時的に縮めてから、アクチュエータ部を目標状態へと移行させるものを含むことができる。
【００１０】
本発明に係るアクチュエータ装置において、演算部における演算が、ＰＩＤ制御処理であることが好ましい。
【００１１】
本発明に係るアクチュエータ装置において、演算部における演算は、ファジィ制御処理とすることができる。
【００１２】
本発明に係るアクチュエータ装置において、物性値は、形状記憶材料の抵抗値であることが好ましい。
【００１３】
本発明に係るアクチュエータ装置において、操作部は、装置本体と着脱可能であるとよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係るアクチュエータ装置は、大型化を招くことなく、動作速度に優れている、という効果を奏する。また、湾曲動作において、複数の形状記憶材料のうち、一方の形状記憶材料の形状に応じて他方の形状記憶材料を加熱することで、湾曲動作の速度を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明に係るアクチュエータ装置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。図１は、本発明の一実施形態に係るアクチュエータ装置の構成を示すブロック図である。図２（ａ）は、本実施形態に係るアクチュエータ部２０の構成を示す側面図、（ｂ）は（ａ）に示すアクチュエータ部２０の先端部の構成を示す正面図である。
【００１６】
図１、図２に示すように、本実施形態に係るアクチュエータ装置は、操作部１０、アクチュエータ部２０、演算部３０、印加部４０、及び検出部５０を備える。
【００１７】
操作部１０は、アクチュエータ部２０を湾曲、伸縮させるように操作することができる。また、操作部１０は、演算部３０に対して、アクチュエータ部２０を構成する各形状記憶材料の形状を指定するための指令値１、２、３、４を出力する。さらに、操作部１０は、アクチュエータ部２０の動作モードを切り替える切り替え部として機能する。
【００１８】
演算部３０（制御手段）は、アクチュエータ部２０の各形状記憶材料に対応する演算部３１、３４、３６、３８と、フィードバック制御のために、演算部３１、３４、３６、３８にそれぞれ対応するように配置された演算部３２、３３、３５、３７と、を備える。各演算部に対する操作部１０からの指令値１、２、３、４は、基本的には異なるものであるが、湾曲動作方法によっては、等しくなることもある。演算部３２、３４、３６、３８は、与えられる入力値に対して、あらかじめプログラム等で設定された演算処理等を行う。また、演算部３２、３４、３６、３８は、互いに演算処理法が異なっても良い。また、指令値１、２、３、４は異なっていても、同じでもよく、ゼロである場合も含む。  
【００１９】
アクチュエータ部２０は、複数の形状記憶材料２１、２２、２３、２４と、バイアスばね６０と、を有する。本実施形態では、バイアスばね６０は中空円筒状をなし、その内面において、バイアスばね６０の軸に関して等角度間隔に形状記憶材料２１、２２、２３、２４が配置されている。バイアスばね６０は、操作部１０の操作に基づいて、複数の形状記憶材料が形状変化すると、その形状変化に抗するように付勢しつつ、湾曲及び伸縮する。
【００２０】
印加部４０は、演算部３１、３４、３６、３８に対応するように接続された、複数の印加部４１、４２、４３、４４を備える。これらの印加部４１、４２、４３、４４は、アクチュエータ部２０の形状記憶材料２１、２２、２３、２４にそれぞれ接続されている。印加部４１、４２、４３、４４は、接続された各演算部からの信号に基づいて、対応する形状記憶材料を形状変化させるために、各形状記憶材料を加熱する。加熱は、形状記憶材料２１、２２、２３、２４に電圧を印加することなどで容易に行うことができる。
【００２１】
検出部５０は、形状記憶材料２１、２２、２３、２４にそれぞれ接続された複数の検出部５１、５２、５３、５４を備える。検出部５１、５２、５３、５４は、対応する形状記憶材料の物性値を検出する。検出する物性値としては、抵抗を用いることができ、周知の手段により容易に構成することが可能である。
【００２２】
本実施形態に係るアクチュエータ装置では、バイアスばね６０の湾曲動作において所望の湾曲角度を得るために、形状記憶材料２１、２２、２３、２４を冷却する手段を新たに設ける必要がない。すなわち自然冷却で足りるため、アクチュエータ装置の小型化を阻害することがない。さらに、自然冷却でありながら、応答性に優れたアクチュエータ装置を実現することができる。
【００２３】
以上の構成のアクチュエータ装置の動作について、図３から図９を参照しつつ説明する。この説明は、理解を容易にするために、演算部３０、印加部４０、及びアクチュエータ部２０を構成する部材を半分にした場合にした場合を例にとって説明する。ここで、図３は、本発明の実施形態に係るアクチュエータ装置の構成を示すブロック図である。図４（ａ）は、アクチュエータ部２０の構成を示す側面図であって、湾曲していない状態を示す図、（ｂ）は（ａ）に示すアクチュエータ部２０の先端部の構成を示す正面図である。図５（ａ）は、アクチュエータ部２０の構成を示す側面図であって、湾曲した状態を示す図、（ｂ）は（ａ）に示すアクチュエータ部２０の先端部の構成を示す正面図である。図６（ａ）は、図５（ａ）に示すアクチュエータ部２０を自然冷却して湾曲していない状態にもどったところを示す側面図、（ｂ）は（ａ）に示すアクチュエータ部２０の先端部の構成を示す正面図である。
【００２４】
例えば、互いに対向するように配置された二つの形状記憶材料２１、２３のうち、一方の形状記憶材料２１を加熱すると、アクチュエータ部２０の先端部は、図４に示す、湾曲していない初期状態から湾曲を始め、形状記憶材料２１の加熱量に応じた湾曲角度を得る（図５）。
【００２５】
図５に示す湾曲状態から、初期状態に復帰させるためには、従来は、形状記憶材料２１に対する加熱を止め、自然冷却していた。しかしながら、自然冷却だけでは、一方の形状記憶材料２１が初期状態にもどるための形状変化速度が物性的に遅いため、アクチュエータ部２０の動作速度も遅くなってしまう（図６）。
【００２６】
これに対して、本実施形態に係るアクチュエータ装置においては、湾曲した形状記憶材料２１に接続された検出部５１で得られた形状記憶材料２１の物性値と、操作部１０からの指令値１、２と、の偏差値に基づいて、他方の形状記憶材料２３を加熱する。偏差値の算出は演算部３２において行い、演算部３２からの出力は、演算部３４からの通常の出力とともに印加部４３に入力され、印加部４３は、入力されたこれらの信号に基づいて形状記憶材料２３を駆動する。
【００２７】
ここで、形状記憶材料２１の物性値と、操作部１０からの指令値と、の偏差値は、例えば、次式（１）のとおり定義する。
（偏差値）＝（形状記憶材料２１の物性値）−（指令値）  ・・・（１）
ここで、指令値および形状記憶材料２１の物性値を、抵抗値とすれば、偏差値は次式（２）のようになる。
（偏差値）＝（形状記憶材料２１の抵抗値）−（指令値）  ・・・（２）
すなわち、偏差値は、抵抗値をパラメータとした式で表される。
また、形状記憶材料２１の性質から、湾曲状態から初期状態への戻り始めにおいては、次式（３）の関係になる。
（偏差値）＜  ０  ・・・（３）
【００２８】
したがって、上の式（３）の条件下において、演算部３２において、偏差値に基づいた加熱命令値を算出し、他方の形状記憶材料２３を加熱する印加部４３の入力に加える。ここで、加熱命令値は、演算処理に例えばＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｔｅｇｒａｌ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御法を用いるのであれば、演算部３２において、偏差値に対し、比例制御則、微分制御則、積分制御則に基づいた処理を行い、これらの処理結果を用いれば良い。また、演算部における演算処理としては、ＰＩＤ制御法のほか、ファジイ制御法を用いることもできる。
【００２９】
図７（ａ）は、アクチュエータ部２０の構成を示す側面図であって、一方の形状記憶材料を加熱して湾曲した状態を示す図、（ｂ）は（ａ）に示すアクチュエータ部２０の先端部の構成を示す正面図である。図８（ａ）は、図７（ａ）の状態において他方の形状記憶材料を加熱して湾曲していない状態としたときの側面図、（ｂ）は（ａ）に示すアクチュエータ部２０の先端部の構成を示す正面図である。図９（ａ）は、図８（ａ）の状態において形状記憶材料を自然冷却して初期状態にもどしたときの側面図、（ｂ）は（ａ）に示すアクチュエータ部２０の先端部の構成を示す正面図である。
【００３０】
以上のような操作により算出された加熱命令値が入力された印加部４３を用いて、図７に示す湾曲状態において、一方の形状記憶材料２１の状態に応じて、他方の形状記憶材料２３を加熱すると、図８に示すように、バイアスばね６０が一時的に収縮し、かつ、湾曲していない状態となる。この状態において、形状記憶材料２１及び形状記憶材料２３を自然冷却すると、図９に示すように、バイアスばね６０はＡからＢへ伸張して、初期状態にもどる。
【００３１】
このように、本実施形態に係るアクチュエータ装置によれば、一方の形状記憶材料２１の状態に応じて、他方の形状記憶材料２３を適切に加熱することが可能となる。例えば、アクチュエータ部２０に撮像機能を持たせるのであれば、図８に示す非湾曲状態にもどったところで撮像動作が可能となるため、従来の動作モードよりも、短時間で被写体を映し出すことも可能となる。この場合には、レンズ駆動機構を設けておくことが望ましい。
【００３２】
形状記憶材料は、加熱による変形の方が、自然冷却により変形よりもはるかに応答時間が短い。したがって、以上のような構成によれば、形状記憶材料２１及び形状記憶材料２３の冷却が自然冷却であっても、所望の湾曲角度を得るための応答性に優れたアクチュエータ装置を実現することができる。さらに、一方の形状記憶材料２１に応じて他方の形状記憶材料２３を適切に加熱することができるため、所望の湾曲角度を得るための応答性を向上することができる。また、形状記憶材料の特性である復元力変化を他方の形状記憶材料により補うこととなるため、さらに応答性を高めることができる。
【００３３】
図７から図９に示すように、バイアスばね６０を一時的に縮めてから、アクチュエータ部２０を目標状態へと移行させるという挙動は、本実施形態のアクチュエータ装置による動作モードの一例である。
【００３４】
以上の作用、効果は、アクチュエータ部２０を構成する形状記憶材料の数を増やした場合であっても、同様に考えることができる。例えば、形状記憶材料が３本であれば、図１０のような構成であっても良いし、形状記憶材料の本数が４本であれば、図１のような構成をとることができる。また、形状記憶材料が５本以上であってもよい。ここで、図１０は、本発明の実施形態に係るアクチュエータ装置の構成を示すブロック図であって、アクチュエータ部２０が３つの形状記憶材料を備える場合を示す図である。
【００３５】
図７から図９に示す例では、形状記憶材料が２本であったが、図１のように形状記憶材料が４本の場合の動作モードとしては、例えば以下に挙げるようなものがある。
（１）物性値を測定した１本の形状記憶材料以外の残りの３本の形状記憶材料のすべてを、物性値と指令値に基づいて同時に加熱する。
（２）物性値を測定した１本の形状記憶材料以外の残りの３本の形状記憶材料のうちの２本を、物性値と指令値に基づいて同時に加熱する。
（３）物性値を測定した１本の形状記憶材料以外の残りの３本の形状記憶材料のうちの１本を、物性値と指令値に基づいて加熱する。
（４）物性値を測定した複数の形状記憶材料以外の残りの形状記憶材料のすべてを、物性値と指令値に基づいて同時に加熱する。
（５）物性値を測定した複数の形状記憶材料以外の残りの形状記憶材料のうちの一部を、物性値と指令値に基づいて同時に加熱する。
このような動作モードは、形状記憶材料が３本の場合や５本以上の場合にも適用可能である。
また、動作モードは、切り替え部としての操作部１０の操作によって選択される。
【００３６】
つづいて、図１１を参照しつつ、本実施形態に係るアクチュエータ装置の動作の流れの一例を説明する。また、図１１は、本実施形態に係るアクチュエータ装置の動作の流れを示すフローチャートである。ここでは、図３に示すアクチュエータ装置を例にとって説明する。
【００３７】
まず、演算部３２において、検出部５１で得られた一方の形状記憶材料２１の物性値と、操作部１０からの指令値と、の偏差値を取得する（ステップＳ１）。次に、演算部３２において、偏差値が負であるか否かについての判断を行う（ステップＳ２）。偏差値が負である場合（ステップＳ２でＹＥＳ）は、ＰＩＤ制御法等を用いた演算処理が行われ、処理結果である加熱命令値が他方の形状記憶材料２３を加熱する印加部４２の入力に加算される（ステップＳ３）。したがって、一方の形状記憶材料２１の形状に応じて他方の形状記憶材料２３を加熱することが可能になる。
【００３８】
一方、ステップＳ２において、偏差値が負でない場合は、例えば、加熱命令値を０として、他方の形状記憶材料２３の印加部４３に与える（ステップＳ４）。これにより、不要に他方の形状記憶材料２３を加熱することのないようにすることができる。また、必要に応じて、アクチュエータ部２０を安定させるために、０でない値を与えても良い。
【００３９】
本実施形態に係るアクチュエータ装置によると、湾曲動作において、複数の形状記憶材料のうち、一方の形状記憶材料の形状に応じて、他方の形状記憶材料を加熱することで、形状記憶材料の冷却法として自然冷却を用いた場合であっても、所望の湾曲角度を得るための応答性、すなわち湾曲動作の応答性に優れたアクチュエータ装置を実現することができる。
【００４０】
なお、操作部１０は、アクチュエータ装置の本体（装置本体）と着脱可能とすることができる。図１２は、装置本体と着脱可能とした操作部７０の構成を示す図である。図１２に示すように、操作部７０は、操作キー７３、操作ダイヤル７４、アンテナ７５、及び、表示部７６を備える。アクチュエータ部２０の操作は、表示部７６を見ながら、操作キー７３、操作ダイヤル７４により行える。また、装置本体との通信は、アンテナ７５と、装置本体に設けたアンテナ（不図示）を使用しての無線通信であっても良いし、通信ケーブルを使用しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
以上のように、本発明に係るアクチュエータ装置は、小型機器に有用であり、特に、内視鏡に適している。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施形態に係るアクチュエータ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】（ａ）は、本実施形態に係るアクチュエータ部の構成を示す側面図、（ｂ）は（ａ）に示すアクチュエータ部の先端部の構成を示す正面図である。
【図３】本発明の実施形態に係るアクチュエータ装置の構成を示すブロック図である。
【図４】（ａ）は、アクチュエータ部の構成を示す側面図であって、湾曲していない状態を示す図、（ｂ）は（ａ）に示すアクチュエータ部の先端部の構成を示す正面図である。
【図５】（ａ）は、アクチュエータ部の構成を示す側面図であって、湾曲した状態を示す図、（ｂ）は（ａ）に示すアクチュエータ部の先端部の構成を示す正面図である。
【図６】（ａ）は、図５（ａ）に示すアクチュエータ部を自然冷却して湾曲していない状態にもどったところを示す側面図、（ｂ）は（ａ）に示すアクチュエータ部の先端部の構成を示す正面図である。
【図７】（ａ）は、アクチュエータ部の構成を示す側面図であって、一方の形状記憶材料を加熱して湾曲した状態を示す図、（ｂ）は（ａ）に示すアクチュエータ部の先端部の構成を示す正面図である。
【図８】（ａ）は、図７（ａ）の状態において他方の形状記憶材料を加熱して湾曲していない状態としたときの側面図、（ｂ）は（ａ）に示すアクチュエータ部の先端部の構成を示す正面図である。
【図９】（ａ）は、図８（ａ）の状態において形状記憶材料を自然冷却して初期状態にもどしたときの側面図、（ｂ）は（ａ）に示すアクチュエータ部の先端部の構成を示す正面図である。
【図１０】本発明の実施形態に係るアクチュエータ装置の構成を示すブロック図であって、アクチュエータ部が３つの形状記憶材料を備える場合を示す図である。
【図１１】本実施形態に係るアクチュエータ装置の動作の流れを示すフローチャートである。
【図１２】装置本体と着脱可能とした操作部の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０    操作部
２０    アクチュエータ部
２１、２２、２３、２４  形状記憶材料
３０    演算部
３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８  演算部
４０    印加部
４１、４２、４３、４４  演算部
５０    検出部
５１、５２、５３、５４  検出部
６０    バイアスばね
７０    操作部
７３    操作キー
７４    操作ダイヤル
７５    アンテナ
７６    表示部
【図１】
2009273223.tif 000003
【図２】
2009273223.tif 000004
【図３】
2009273223.tif 000005
【図４】
2009273223.tif 000006
【図５】
2009273223.tif 000007
【図６】
2009273223.tif 000008
【図７】
2009273223.tif 000009
【図８】
2009273223.tif 000010
【図９】
2009273223.tif 000011
【図１０】
2009273223.tif 000012
【図１１】
2009273223.tif 000013
【図１２】
2009273223.tif 000014