(57)【要約】【課題】電源電圧に対してごく微小な抵抗値を有する抵抗負荷を、好適な動作環境と高い安全性の元、簡単、低コストな回路構成で通電加熱する。【解決手段】連続的なＯＮ、ＯＦＦ信号を通電制御部１００から断続素子１０に入力することで、コンデンサ５０に定電圧直流電源４０の電流を電流制限抵抗３０を介して繰り返し充放電することによって抵抗負荷２０へと所定の電力を供給する回路を構成する。抵抗負荷２０が電源電圧に対してごく微小な抵抗値を有する場合でも、電源に対する回路の入力インピーダンスは電流制限抵抗３０の値によって決まるため効率的に電力が供給できる。また、通電制御部の不具合等で断続素子１０がＯＮ状態のまま停止したり、抵抗負荷２０が短絡したりしても抵抗負荷２０へ過電流が流れ込むことを防止できる。【選択図】図３
2009277408.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源と、
前記電源の電圧に対し極小さな電気的な抵抗値を有する抵抗負荷と、
前記抵抗負荷と断続素子とを直列に接続した回路Aと、
前記電源と、電流制限抵抗と、コンデンサとを直列に接続した回路Bと、
前記回路A、Bを、コンデンサの陽極、もしくは、負極を岐点に並列に接続し、
通電制御部によって連続したONとOFFのパルス入力を前記断続素子に加え、前記電流制限抵抗によって制限された電流と、前記コンデンサに溜めた電荷とを前記抵抗負荷に供給する回路を構成することによって、
前記抵抗負荷が電源に対して見かけ上適正な抵抗値を持ち、電源から適正な電流を取り出すことを特徴とし、
かつ、
前記通電制御部の暴走等によって前記断続素子が通電状態で停止した際、もしくは、前記抵抗負荷の短絡等により抵抗値が著しく減少した際に、前記コンデンサが放電状態を維持し、前記抵抗負荷へと過大な電流が流れ続ける状態を防止することを特徴とする、前記抵抗負荷の通電加熱方法。
【請求項２】
前記抵抗負荷として、
加熱による形状回復に伴い抵抗値が減少する特性を有する形状記憶合金を用いることによって、
なんらセンサ系を備えないオープンループの回路でありながら、形状記憶合金にとって最も負荷となりやすい収縮後期において発熱量の増加を自動的に抑えオーバーヒートを防止することを特徴とし、
かつ、
前記形状記憶合金が電源に対して見かけ上適正な抵抗値を持ち、電源から適正な電流を取り出すことを特徴とし、
かつ、
前記通電制御部の暴走等によって前記断続素子が通電状態で停止した際、もしくは、前記形状記憶合金の変形に伴い短絡等により抵抗値が著しく減少した際に、前記コンデンサが放電状態を維持し、前記形状記憶合金へと過大な電流が流れ続ける状態を防止することを特徴とする、請求項１の通電加熱方法。
【請求項３】
請求項２の通電加熱方法において、
前記形状記憶合金へと供給される電力量を、
前記形状記憶合金が形状回復に向かい始める温度（Ｔa）から、
前記形状記憶合金の形状回復が終了する温度（Ｔb）までの範囲を充足する発熱量を引き出す電力量とすることによって、
前記回路の電流制限抵抗の値と、コンデンサの電荷容量と、PWM波形におけるON時間と
を算出する通電過熱方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかの通電加熱方法によって、実施されたことを特徴とする通電加熱装置。
【請求項５】
請求項４の通電加熱装置を備えたことを特徴とする駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通電加熱において、電源電圧に対して極微小な抵抗値を有する抵抗負荷や形状記憶合金へ過電流が流れ続ける状態を防止し、安全に、かつ、効率よく電力を供給する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
抵抗負荷の抵抗値が電源電圧に対して極微小な値である抵抗負荷として、形状記憶合金がある。形状記憶合金は通常の金属とは異なり、マルテンサイト相とオースティナイト相という二つの金属結晶の状態を取りうる合金であり、常温時にはマルテンサイト相をなし、加熱されるとオースティナイト相へと相変態を起こす。オースティナイト相は硬化した状態であり、所定の形状を維持する。マルテンサイト相はオースティナイト相に比べ軟化した状態であり、外力によって変形が可能である。つまり、形状記憶合金は、常温では変形が可能な合金であるが、加熱すると所定の形状に回復するという、形状記憶効果を有する金属である。このような形状記憶合金を例えば線状で精製し、変形状態から加熱して形状回復に向かう際に生じる力を利用すると、小型で軽量、静寂な駆動装置（アクチュエータ）を構成することができる。
【非特許文献１】石川昇治  木梨貞夫  三輪学編著    「図解・最新特許にみる形状記憶合金応用アイデア集」工業調査会  １９８７年
【０００３】
このような形状記憶合金を駆動する手段としてもっとも簡単で低コストな構成は、電池やバッテリーなどの定電圧電源のプラス、マイナス間に、直列につないだ形状記憶合金とFETやトランジスタなどの断続素子（スイッチング素子）を置き、断続素子の入力に電気的入力を加えることで通電、非通電を切り替え加熱の制御を行う構成である。また駆動力を可変制御するには可変抵抗を介して接続する方法がある。これを効率的に行うには、通電制御部を設け、周期的にFETの通電と非通電状態を高速で繰り返すよう、ON時間とOFF時間の割合（デューティ比）を調節するPWM方式によって、投入電力量を制御する方法がとられる。
【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、上記回路構成においては、抵抗負荷の発熱に必要な電力に対して、電流値を調整する抵抗による電力消費が大きくなり効率が悪くなる。そのため、回路のインピーダンスを変換し電源を効率的に使用する回路設計が必要となる。
【０００５】
さらに、上記回路構成においては、通電制御部が暴走した場合、最終段の断続素子が通電状態のまま停止すると抵抗負荷に大きな電流が流れ続けるため、発熱や発火につながる危険性がある。特に、電池等の電源を使った機器において、通電制御部にワンチップマイコン等の複雑なロジック処理を行う回路を備える場合は、短時間でも電池の放電容量を超える異常な通電状態が発生すると、電源電圧が低下して通電制御の暴走をさらに助長する大きな問題がある。このようなロジック回路の暴走を招く電圧の低下は、正常な電池の消耗であっても起こりうる。また、外部からのノイズの影響を受けやすく、通電制御部のロジック処理に不具合が起こる可能性も高い。
【０００６】
また、抵抗負荷として形状記憶合金を用いている場合、駆動に伴う大きな形状の変化は、短絡する状況におかれる可能性が高く、短絡した場合にも過電流が流れ発熱や発火につながる危険性がある。その上、形状記憶合金は加熱されて形状回復が進むと電気的な抵抗が減少する特性を有する。そのため、定電圧電源の特性から、形状回復が進んだ加熱後期においてさらに発熱量が増加しオーバーヒートが促進されることが頻繁に起こる。形状記憶合金はこのような形状回復後にも加熱が続くというオーバーヒート状態にさらされた場合、金属組織が変質し、著しい動作寿命の低下や形状記憶合金自体の破損を引き起こす。これは形状記憶合金が、スペース的、コスト的に優れたアクチュエータの駆動素子となる利点を持ちながら、状態管理を含めた設計が必要で、回路が複雑化する問題があることを示している。
【０００７】
これらの安全面の問題に対し従来は、温度を管理するセンサを設けフィードバックをかける方法や、回路の異常に備えてヒューズ等を設ける手段がとられるが、コスト的、スペース的に不利をもたらす。またヒューズの場合は、回路が正常に戻っても装置全体は復帰できないこともある。
【０００８】
以上の電源電圧に対して小さな抵抗値を有する抵抗負荷への通電加熱回路の設計の難しさや、不具合時の安全に関する問題は、形状記憶合金の産業上の利用を敬遠する一つの大きな要因となっている。
【０００９】
本発明はこのような状況を鑑みなされたものであり、安価で簡素な構成により、抵抗値の低い抵抗負荷や形状記憶合金を安全で効率よく通電加熱するための方法と装置を、提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明における通電加熱方法は、断続素子（スイッチング素子）と抵抗負荷を直列につないだ回路Ａと、電源と、電流制限抵抗と、コンデンサとを直列につないだ回路Ｂの二つの回路を、コンデンサの陽極、もしくは、負極を岐点に並列につなぐ構成をとる。この回路構成においては、断続素子が非通電状態にあるときに電流制限抵抗を介してコンデンサに電荷が充電され、断続素子が通電状態にあるときには電流制限抵抗を介した電流と、コンデンサからの電荷の放電による電流が抵抗負荷に流れ込むという様態を示す。そして、断続素子の通電、非通電を切り替える入力を発生する通電制御部から、一定周期の上で、単位周期よりも短い時間、通電状態に切り替えるパルス入力を連続的に加えることにより、コンデンサが充放電を繰り返す様態を示す。したがって当該通電加熱方法では、コンデンサの容量を１単位とした電力が抵抗負荷に連続して流入することになり、定電圧電源とは異なり抵抗負荷の抵抗値に左右されずに一定の電力を供給することが実現される。
【００１１】
上記のような通電加熱方法によれば、回路が正常に動作している場合、電源から直接電流が流れるのは電流制限抵抗とコンデンサのみである。電流制限抵抗を介して抵抗負荷に電流が流れる場合は、先述した不具合発生時と、コンデンサの放電が始まりコンデンサの電圧が下がってきた場合であるが、どちらの場合も抵抗負荷の抵抗値に対しては小さな電流値であり、コンデンサからの放電量による発熱に比較して無視することができる。すなわち、抵抗負荷への電流の供給はコンデンサからのみと見なせることから、電源の出力インピーダンスに対する回路の入力インピーダンスは電流制限抵抗の値に依存することとなり、容易にインピーダンスの整合を図ることができる。
【００１２】
さらに、断続素子の通電と非通電の状態変化とコンデンサの放電と充電が一対一に対応するため、断続素子が通電状態のまま停止した際に、コンデンサの充電が行われず、放電状態が維持される。したがって、通電制御部が何らかの故障をきたし、断続素子が通電状態のまま停止した場合でも、抵抗負荷に大電流が流れ続ける状態を回避することができる。
【００１３】
さらに、抵抗負荷が形状記憶合金のような物理的に変形を伴うものである場合、形状の変化によって他の導通物体と接触し短絡状態に陥る可能性がある。そのような短絡が起こった際には、電流制限抵抗によって制限された一定の電流が流れるので過度の加熱は回避することができる。
【００１４】
また、形状記憶合金素子は一般に、加熱による形状回復に伴って電気的な抵抗値が減少する特性を持っている。それゆえ、当該回路構成における加熱対象を形状記憶合金とすることによって、加熱後期において発熱量が増加する定電圧電源から直接加熱する場合とは異なり、加熱後期においても流入する電力量を自動的に維持し発熱量を抑えることができる。すなわち、本発明における通電加熱方法は、形状記憶合金をオーバーヒートしにくい状態で駆動させることができる。
【００１５】
本発明における通電加熱方法は次のように設計することができる。回路により供給する電力量を、おおよそ形状記憶合金がマルテンサイト相からオースティナイト相へと変態し始める温度に至らしめる熱量を引き出す電力量から、形状記憶合金の組織が全てオースティナイト相へと変態が終了する温度には達する程度の電力量として規定する。そして、その電力量を充足するための電流制限抵抗の値と、コンデンサの電荷容量と、PWM波形におけるON時間とを決定するという方法で設計が可能である。そして、このような範囲で電力が供給される形状記憶合金の通電過熱装置においては、形状回復に対して抵抗値が減少していくため、なんら温度の管理をしないオープンループでありながら、形状記憶合金を著しく劣化させるオーバーヒートを回避しながら駆動することが可能となる。形状記憶合金として伸張方向にも形状回復効果を有する二方向性形状記憶合金を用いる場合も同様の効果を得ることができる。
【００１６】
以上のような通電加熱方法は、抵抗負荷と通電制御部の他は、乾電池やバッテリー、コンデンサ、抵抗といった安価で手に入りやすい電子部品によって容易に実施することができる。
【００１７】
以上のような通電加熱方法によって通電加熱装置を構成し形状記憶合金を動作させることによって、例えば、バネ性を有する素材によって付勢されたロッドなどの付勢力のロックを外し、ロッドを動作させるアクチュエータを構成することが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、簡単、低コストで、好適な動作環境と高い安全性をもたらす抵抗負荷や形状記憶合金の通電加熱装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１はもっとも単純に抵抗負荷へ電力を供給する回路構成図であり、図２は図１の構成に通電制御部を加えた一般的なＰＷＭ制御回路の構成図である。図３は、本発明の第一の実施例を示す回路構成図である。図４は、本発明の第二の実施例を示す回路構成図である。図５は、本発明の第一の実施例における入力信号と出力電力を説明する模式図である。図６は、一般的な形状記憶合金と二方向性形状記憶合金における温度と抵抗値の関係を表す模式図である。図７は、本発明の通電過熱装置を備えたアクチュエータの摸式図である。
【００２０】
本発明の第一の実施例は、断続素子としてNチャンネルのFETや、トランジスタを用いる場合に適用できる。図３に示される回路は、図１、図２とは異なり、断続素子１０とそれに直列につながれた抵抗負荷２０と、電流制限抵抗３０を介して定電圧直流電源４０につながれたコンデンサ５０が並列に配置されたことを特徴とする通電回路１００と、断続素子１０の通電、非通電を切り替える通電制御部２００から構成される。PチャンネルのFETでは図４に示した第二の実施例のように、断続素子１０を電源の陽極に接続し、電流制限抵抗３０とコンデンサ５０の順序を入れ替えることで等価な回路が構成できる。
【００２１】
以上の二つの実施例では断続素子１０の入力をONにすると、コンデンサ５０に蓄えられた電荷が抵抗負荷２０に放電されるが、放電が終わると電流制限抵抗３０を介した小さな電流しか抵抗負荷２０に流れないため、ほとんど加熱されることがない。しかし、図５のように一定周期のタイミングでON時間とOFF時間からなるパルス信号（PWM信号）を通電制御部２００から加えた場合、断続素子１０のOFF時間に電流制限抵抗３０を介してコンデンサ５０に十分な電荷が蓄えられるので、周期的に電荷を放出する動作を繰り返すことができ、巨視的には制限された平均電力を抵抗負荷２０に供給することが可能となる。
【００２２】
電圧が高い場合でもPWMのOFF時間を長くし、デューティ比を小さくすれば、単位時間毎の放電電荷量が減るため、効率よく平均電力を小さくすることが可能となる。
【００２３】
当然パルス信号のON時間が短く、一回のON時間にコンデンサ５０の放電を十分に行えない場合でも、入力がON状態のままパルスが止まるような状態になると、コンデンサ５０の放電が終わった後は電流制限抵抗３０を通った小さな電流しか流れない。
【００２４】
また通電制御部２００が正常なまま、万一、抵抗負荷２０側が途中で短絡して電気抵抗が激減するような場合でも、電流制限抵抗３０によって制限された一定の電流が流入するのみであり過度の過熱は回避され安全な状態を保つことができる。
【００２５】
すなわち、本発明における回路構成においては、単位時間あたりの放電電荷が一定になるので巨視的には、定電力特性を持つことなる。
【００２６】
このように本発明における回路と図２のような一般的なPWM回路との違いは、管理された一定の電荷を単位にして抵抗負荷２０を加熱することができる点にあり、電源電圧に対して小さな抵抗値を持ちうる形状記憶合金を駆動する回路として有利に使用することができる。
【００２７】
形状記憶合金は、過熱装置による過熱によって収縮が完了した後も引き続き加熱されると、変質し運動特性が劣化しやすいという特性がある。さらに形状記憶合金はアクチュエータとして適した量では、一般的な電源電圧に対して十分な電気抵抗を持てないことから過電流が流れ込みうまく制御できないことが多い。そのため、形状記憶合金とは別に電力を消費する部分を設け回路全体の入力インピーダンスを高め、形状記憶合金にとって適正な電流を流す手段がとられることもある。しかしながら電源から見ると形状記憶合金の駆動に必要な電力以上の電力を供給し、それが形状記憶合金の駆動以外で消費されていることになり非常に効率が悪い。これに対し、本発明の図３、図４に示す実施例における回路構成の抵抗負荷２０を形状記憶合金とすれば、回路が正常に動作している場合、定電圧直流電源４０から電流制限抵抗３０を介してコンデンサ５０のみに直接電流が流れ、抵抗負荷２０へは電源から直接電流が流れることがないと見なすことができる。そのため、電源から見た電力消費の効率が良い。また、このことは使用する電源の出力インピーダンスに対する回路の入力インピーダンスが電流制限抵抗３０の値に依存することを意味しており、入出力のインピーダンスを電流制限抵抗３０の値を変えることで容易に合わせることができる。
【００２８】
当該回路では、電流制限抵抗３０を介して抵抗負荷２０に電流が流れるのは、コンデンサ５０の放電が始まり電圧が下がってきた場合である。しかし、抵抗負荷２０の抵抗値に対しては小さな電流値であり、コンデンサ５０からの放電量による発熱に比較して無視することができる。
【００２９】
したがって、本発明における通電加熱方法においては、電気抵抗値の低い抵抗負荷と見なせる形状記憶合金でも電源側から見れば電流的に余裕を持って必要な電力を効率よく供給することが可能となる。それゆえ、電圧が比較的高く、電流容量の小さな乾電池などを使用して、電気抵抗の小さな短めの形状記憶合金を駆動する用途に特に向いている。リチウム電池などを使う場合には、過電流や過放電による電池自体の発熱発火事故を防ぐことも可能となる。
【００３０】
以上のような通電加熱方法により形状記憶合金の駆動装置を構成するには、形状記憶合金の動作温度範囲から逸脱しないような電力量を供給する必要がある。それは、おおよそ形状記憶合金がマルテンサイト相からオースティナイト相へと変態し始める温度に至らしめる熱量を引き出す電力量から、形状記憶合金の組織が全てオースティナイト相へと変態が終了する温度には達する程度の電力量である。以下に、本発明における通電加熱方法の実際の実施例として、電源電圧が２４Vで、線径１００μｍの二方向性形状記憶合金を長さ５０ｍｍで使用し、PWM方式の信号入力で通電駆動する場合を想定して説明する。図６に示したのは、一般的な形状記憶合金と二方向性形状記憶合金における温度と抵抗値の関係を表す模式図である。実線が二方向性形状記憶合金であり、破線が一般的な形状記憶合金である。横軸は温度、縦軸は抵抗値を示している。
【００３１】
このような長さ５０ｍｍの線径１００μｍの二方向性形状記憶合金の抵抗Rｔは常温で約６．７Ωであり、マルテンサイト相を形成している。これを通電により加熱すると、図６に示した温度Ｔａに達したときに、マルテンサイト相からオースティナイト相に相変態を開始する。温度Ｔａは６０℃程度であり、温度Ｔａから更に通電加熱すると、オースティナイト相への変態が始まり、線材の断面積は膨張し長さは短く、硬くなり始める。断面積が大きくなることと全長が縮まることにより、抵抗値が低下し始める。温度Ｔｂにおいて、オースティナイト相への変態が完了する。温度Ｔｂは７０℃程度である。同図実線で示すように相変態が完了すると、それ以上線材の長さは収縮しないため、抵抗値も一定になる。すなわち、適正な動作温度範囲は温度Ｔａ（６０℃）〜Ｔｂ（７０℃）と考えることができる。
【００３２】
動作温度範囲は、一般的な形状記憶合金でもおおよそ同様な値である。これを超えて加熱すると形状記憶合金、および、二方向性形状記憶合金が形状記憶効果の特性を失うおそれがありそのような事態は回避する必要がある。そのため、温度Ｔｂは通電加熱する際の限界温度となる。温度Ｔｂは、図６に示したようにオースティナイト相への相変態が完了するときの温度、もしくは、形状記憶合金にかかる負荷によって、加熱しても収縮できないときの温度として規定される。
【００３３】
したがって本発明における通電加熱装置では、Ｔａを越えＴｂを越えない発熱量をもたらす電力を供給することが設計の指針となる。それには、通電加熱による発熱量と電力との関係を表す比熱を求めることが必要である。しかしながら、形状記憶合金のような温度と共に内部の金属組織と、断面積と、全長が変化する物体においてはそれらの変化に伴って比熱も変化する。さらに、形状記憶合金にかかる負荷や、それによる形状変化によって組織の状態分布も変化することが予想され、比熱を求めることは困難である。しかしながら、上記の直径１００μｍの二方向性形状記憶合金では実験的に２００ｍＡを印可することで全長に対して４％の収縮が得られることが明らかになっている。この電流値は標準駆動電流と呼ばれる。常温の環境においてこの電流値を流している間は、無負荷でも、何らかの負荷がかかって変形が抑制されていてもＴａからＴｂの温度範囲にあり安全に駆動できることが分かっている。
【００３４】
このときに必要な電力Ｗｔは、標準駆動電流をＩｔとすると、Ｗｔ＝Ｉｔ２×Ｒｔの関係から０．２７Ｗと概算される。
【００３５】
したがって、仮に２４Ｖの電源に直接つないだとすると、Ｉ＝Ｖ／Ｒｔの関係から約３．５８Ａの電流が流れることから、これを制限して０．２７Ｗの電力を供給するよう抑えることが必要となる。
【００３６】
これを満たすよう電流制限抵抗Ｒｓとコンデンサの容量ＣｓとON時間などを算出するには、PWM信号の周波数を決めることが必要である。その際、二方向性形状記憶合金を駆動するPWMの周波数は、比較的自由に決めることが可能であるが、あまり低い周波数だとパルスに応答して振動したり、一発のパルスの通電時間内に過熱状態になったりするおそれもある。周波数が高ければＣｓを小さくできるが、高い周波数の場合は、制御回路やスイッチング素子の性能に関わると共に、EMIノイズの発生源となる恐れもある。したがって通常は数十Hz〜数キロHzの範囲にすることが多い。
【００３７】
ここでは１ＫＨｚと想定した場合を示す。この場合、コンデンサに溜めた電気エネルギーEが周期的に１秒間に１０００回放出されることになる。コンデンサの電気エネルギーEが、
Ｅ＝ＣｓＶ２／２…（１）
で表されることから、等価電力Wｓは、
Ｗｓ＝１０００Ｅ＝０．２７Ｗ…（２）
と考えることができる。これらからコンデンサの容量Ｃｓの目安は、以下のように算出される。
Ｃｓ＝２Ｅ／Ｖ２＝２×０．２７×１０−３／２４２＝約１μＦ…（３）
コンデンサに蓄えられる大半の電荷を放出する目安になる時間ｔｄは、
ｔｄ＝ＲｔＣｓ＝６．７×１×１０−６＝６．７μｓ…（４）
となる。ＰＷＭの１周期が１０００μｓであるからOFF時間は１０００−６．７＝約９９３μｓとなる。この時間内に電荷を充電するための電流制限抵抗値Ｒｓは、
Ｒｓ＝ｔｄ／Ｃｓ＝９９３／１＝約９９３Ω…（５）
となる。
このＲｓの値は、最大の値でありこれよりも少なく設定し、より短時間で充電を完了させることができる。しかし、短絡時やスイッチング素子がＯＮ状態で固定したときには、この抵抗と電源電圧によって求められる電流が二方向性形状記憶合金に流れ込む。したがって、この抵抗の適正な抵抗値は、駆動しようとする二方向性形状記憶合金の標準駆動電流から概算することができる。想定している直径１００μｍの二方向性形状記憶合金の標準駆動電流は上記のように２００ｍＡなので、半分程度の１００ｍＡまでを連続で流しても安全と考えることができる。したがって、この安全率を見越した電流値をＩｆとすると、電流制限抵抗Ｒｓのとりうる抵抗値は、Ｒｓ＝Ｖ／Ｉｆの関係から、２４０Ωまで下げることができる。
【００３８】
仮に電流制限抵抗をこの値にすると、スイッチング素子のON状態が保持された場合、二方向性形状記憶合金には、
Ｉｔ１＝Ｖ／（Ｒｔ＋Ｒｓ）＝２４／（６．７＋２４０）＝約９７mＡ…（６）
しか流れない。短絡した場合でも
Ｉｔ２＝Ｖ／Ｒｓ＝２４／２４０＝１００mＡ…（７）
となり発熱や発火の心配はほとんどない。
【００３９】
以上によって求められた値から構成される通電加熱装置における電源の消費電力Ｗｓ０は、コンデンサへの１回の充電で式（１）からＷｓ０＝１×１０−６×２４２／２＝２８８×１０−６Ｊであるから、１秒間では１０００回充電され０．２８８Ｗである。このとき電流制限抵抗による発熱分も考慮するとこの約２倍程度の熱量が消費される。また、抵抗負荷への電流の印加はコンデンサの放電によってまかなわれるが、厳密にはコンデンサの電位が下がると電流制限抵抗を介しても抵抗負荷へと電流が流れる。その値は最大でもＩｔ１の値が一周期の中でコンデンサのON時間分流れると考え、
Ｗｓ１＝Ｖ×Iｔ１×６．７×１０−６×１０００＝約０．０１５Ｗ
となる。これらからおおよそ最大でも０．５９Ｗ程度の電力が消費されることになる。
これに対して、単純に２４Ｖの電源から６．７Ωの抵抗負荷へと電流制限抵抗を使用して２００ｍＡの電流を流す場合、約４．８Ｗの電力消費があり、本発明における通電加熱装置が効率よく電流を供給できることが示される。
【００４０】
またPWMのON時間を変化させ運動制御を行うことは、上記で計算した等価電力０．２７Ｗを上限として、それ以下の電力の部分で利用することで可能となる。
【００４１】
コンデンサの容量や電流制限抵抗値はここで説明した方法に限らず、かなり大まかでも効果は充分得られる。式（３）、（５）に従いコンデンサの容量Ｃｓを増やし電流制限抵抗Ｒｓを小さくして、図５（ｂ）にあるように、通常はPWM信号のON時間内に不完全な放電を繰り返すような使い方で、感覚的には普通のPWMに近い制御が可能となる。この場合も、最低限、短絡や制御回路の暴走など異常事態を考慮し、式（５）、（６）、（７）に従って安全な範囲で抵抗値を決めればよい。
【００４２】
この抵抗値が適正かどうかを判断する基準は、式（６）、（７）で得られる値が、使用する二方向性形状記憶合金の標準駆動電流の範囲に納まるかどうかである。
【００４３】
以上の計算式にしたがって本発明は簡易に設計し実施することが可能である。また、使用する二方向形状記憶合金が同じ太さで長さが変化する場合、長さとコンデンサの容量Ｃｓは、ほぼ比例関係にあるため算出が容易である。また、二方向形状記憶合金を細くする場合、必要な電力が減少するためＣｓを小さくすることが可能である。
【００４４】
以上の設計とは別にコンデンサの容量Ｃｓを先に決め、その容量に応じて電流制限抵抗Ｒｓの抵抗値と、ＰＷＭの周波数とON時間の算出を行ってもよい。その際にも、式（６）、（７）で得られる値が、使用する二方向性形状記憶合金の標準駆動電流の範囲に納まるかどうかで適正値かどうかを判断することができる。
【００４５】
また、二方向性形状記憶合金を含む形状記憶合金全般において図６に示すように、収縮すると電気抵抗値が小さくなるという特性が得られる。これは、長さが縮み断面積が増えるという寸法変化によるものと素材の相変態によるものが合成されて得られる特性である。線状の二方向性形状記憶合金を用いる場合は、通電加熱されて収縮すると約２０％の電気抵抗の減少が見られる。線材の変形量が少ない曲げや巻き線状で利用する場合は、寸法変化が少ないため１０%前後の減少になる。
【００４６】
仮に定電圧電源に、図１、２に示したような従来の回路構成で線状の二方向性形状記憶合金をつないだ場合を想定し、電源投入直後と完全に収縮した状態での電力を比較すると、電源につないだ直後の発熱量Wは、電流をI、当初の抵抗をRとすると、Ｗ＝V２／Ｒの関係にある。加熱を続け、二方向性形状記憶合金が完全に収縮した状態では、抵抗が２０％減少するのでこのときの発熱量は、Ｗ＝Ｖ２／Ｒの関係から１／０．８倍つまり１．２５倍の発熱量を持つようになる。
これに対し、本発明における回路では抵抗値が変化しても一定の電力が供給されるため、発熱量の上昇を抑えることができる。すなわち、本回路はなんらセンサ系を備えないオープンループの回路でありながら、二方向性形状記憶合金にとって最も負荷となりやすい収縮後期において発熱量の増加を抑えることが自動的に行われると見なすことができる。このような特性は、オーバーヒートによる二方向性形状記憶合金の劣化を防ぐ有効な機能となる。
【００４７】
図７は本発明による通電駆動装置３００を筐体９０内に収め、形状記憶合金２１に通電過熱して収縮することで、弾性を有する素材６０によって付勢されたロッド７０への付勢力を抑制するロック部材８０を二点鎖線の状態に駆動し、同図下のようにロッド７０を付勢力によって動作させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】もっとも単純に形状記憶合金へ電力を供給する回路構成図である。
【図２】図１の構成に通電制御部を加えた一般的なＰＷＭ制御回路の構成図である。
【図３】本発明の第一の実施例を示す回路構成図である。
【図４】本発明の第二の実施例を示す回路構成図である。
【図５】ＰＷＭの入力信号とコンデンサの電圧の変化と出力を説明する模式図である。図５（ａ）はコンデンサが完全に放電される場合の模式図である。図５（ｂ）はコンデンサの放電が十分に行われない場合の模式図である。
【図６】一般の形状記憶合金と二方向性形状記憶合金の温度と抵抗値の関係を説明する模式図である。
【図７】本発明の通電過熱装置を備えたアクチュエータの摸式図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０…断続素子
２０…抵抗負荷
２１…形状記憶合金
３０…電流制限抵抗
４０…定電圧直流電源
５０…コンデンサ
６０…弾性を有する素材
７０…ロッド
８０…ロック部材
９０…筐体
１００…通電回路
２００…通電制御部
３００…通電加熱装置
【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（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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【図６】
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【図７】
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