JP5771375B2 - 形状記憶合金ワイヤアクチュエータの制御方法及び制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、通電加熱により収縮し冷却により延伸する形状記憶合金ワイヤを用いた形状記憶合金ワイヤアクチュエータの制御技術に関するものである。

従来より、形状記憶合金を備える形状記憶合金アクチユエータが利用されている。
形状記憶合金はオーステナイト相とマルテンサイト相の状態が存在し、温度が低いときはマルテンサイト相に、高いときはオーステナイト相に変化する。そして特にマルテンサイトからオーステナイトに遷移（逆変態）するとき、わずかな温度差で大きな歪回復力を生じる。形状記憶合金アクチユエータはこの歪回復力を利用したものである。
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。

ここで、例えば、特許文献１には、形状記憶合金ワイヤアクチュエータの一例として、図５に示すような形状記憶合金ワイヤを用いた先行例が記載されている。

特許文献１に記載されている形状記憶合金ワイヤアクチュエータは、図５に示したように、非伸縮性で可撓性を有するガイドチユーブ部材１１１内に形状記憶合金ワイヤ１１２を挿通し、その形状記憶合金ワイヤ１１２の一端側を固定端とし、他端側を可動端とし、バイアスばね１２１による応力と、形状記憶合金１１２の線材への通電加熱による温度変化で形状記憶合金１１２の線材の長さが変化したときに発生する収縮力によって、可動端に取り付けられた移動体１１９が移動されるようになっている。

なお、形状記憶合金アクチュエータは通電加熱による形状記憶合金１１２の温度変化によって、そのひずみ量（移動体１１９の移動量）を制御するが、制御の方法については、例えば、目標電流を所定に与えたときに取得される抵抗値と、基準値と、を比較してキャリブレーションを行い、そのキャリブレーション結果に基づいて実際の抵抗値（或いは目標電流量）に補正などを施すことで、補正後の抵抗値（目標電流量を補正する場合には実際に取得される抵抗値）が目標抵抗値（目標ひずみ量相当）となるようにフィードフォワード制御或いはフィードバック制御を行うといった方法などがある（例えば特許文献２等参照）。

特公平５−８７６７７号公報 特開昭６３−４３７６５号公報

しかしながら、従来の制御方法においては、目標電流を所定に与えたときに実際に取得される抵抗値と、目標電流を所定に与えたときに得られるであろう抵抗値（基準値）と、に基づいて、キャリブレーションを行うものであるが、実際に使用している形状記憶合金アクチュエータ（形状記憶合金ワイヤ１２）の製造時の個体差（長さ・太さ等）にバラツキがあるため、前記基準値と、実際に取得された抵抗値と、を比較してキャリブレーションを行うと、そのバラツキ分を含んだ補正後の抵抗値に基づいて目標抵抗値（目標ひずみ量相当）を達成するようにフィードフォワード制御或いはフィードバック制御を行うことになるため、例えば形状記憶合金ワイヤ１２の収縮不足や、移動体１９がこれ以上移動できない状態でも必要以上に過熱してしまうといったおそれが生じ得る。

また、周囲温度や、湾曲した際の摩擦の増加に伴い、抵抗値により制御された形状記憶合金ワイヤの伸縮量と実際に移動する移動体の移動量とが異なる状態なども想定されるが、かかる場合には、より一層顕著に、形状記憶合金ワイヤ１１２の収縮不足や、収縮し過ぎによる過負荷が発生してしまうおそれがある。

本発明は、上述した実情に鑑みなされたものであって、簡単かつ低コストでありながら、実際に使用している形状記憶合金アクチュエータの特性（形状記憶合金ワイヤの収縮特性、湾曲度合い、形状記憶合金ワイヤとガイドチューブ部材との間の摩擦抵抗など）に応じた高精度な駆動制御等の実現に貢献することができる形状記憶合金アクチュエータの制御装置及び制御方法を提供することを目的とする。

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ワイヤアクチュエータの制御方法は、
通電加熱により収縮し、冷却により延伸する形状記憶合金ワイヤを用いた形状記憶合金アクチュエータの制御方法であって、
形状記憶合金ワイヤに通電する駆動ステップと、
形状記憶合金ワイヤの抵抗値を検出する検出ステップと、
検出ステップにおいて検出された抵抗値が、形状記憶合金ワイヤに変位が発生しない状態において形状記憶合金ワイヤに発生した熱抵抗に起因する上昇を示したときに、形状記憶合金ワイヤが収縮限界に到達したと判定する判定ステップとを有し、
駆動ステップは、判定ステップで判定した収縮限界を、形状記憶合金ワイヤの収縮側の最大変位とする駆動範囲にて駆動を行うことを特徴とする。

また、本発明の好ましい態様によれば、判定ステップが熱抵抗を検出した後、駆動ステップにおける通電電流を低下させることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、判定ステップにおける熱抵抗の検出は、所定期間の平均値を使用することが望ましい。

また、本発明に係る形状記憶合金ワイヤアクチュエータの制御装置は、通電加熱により収縮し、冷却により延伸する形状記憶合金ワイヤを用いた形状記憶合金アクチュエータの制御装置であって、
形状記憶合金ワイヤに通電する駆動部と、
形状記憶合金ワイヤの抵抗値を検出する検出部と、
検出部において検出された抵抗値が、形状記憶合金ワイヤに変位が発生しない状態において形状記憶合金ワイヤに発生した熱抵抗に起因する上昇を示したときに、形状記憶合金ワイヤが収縮限界に到達したと判定する判定部とを有し、
駆動部は、判定部で判定した収縮限界を、形状記憶合金ワイヤの収縮側の最大変位とする駆動範囲にて駆動を行うことを特徴とする。

本発明によれば、簡単かつ低コストでありながら、実際に使用している形状記憶合金アクチュエータの特性（形状記憶合金ワイヤの収縮特性、湾曲度合い、形状記憶合金ワイヤとガイドチューブ部材との間の摩擦抵抗など）に応じた高精度な駆動制御等の実現に貢献することができる形状記憶合金アクチュエータの制御方法及び制御装置を提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る形状記憶合金アクチュエータの制御システムを説明するブロック図である。 同上実施の形態に係る形状記憶合金アクチュエータの制御システムにおいて判定部が行う判定制御を説明するためのフローチャートである。 図２のフローチャートにおいて判定部が実行する判定方法の一例を説明するためのタイミングチャートである。 同上実施の形態に係る形状記憶合金アクチュエータの湾曲度合いの相違を例示した形状記憶合金アクチュエータの断面図である。 従来の形状記憶合金アクチュエータの全体的な構造例を説明するための一部断面図である。

以下に、本発明に係る実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

図１に、本実施の形態に係る形状記憶合金アクチュエータ制御システムのブロック構成を示す。

本実施の形態に係る形状記憶合金アクチュエータの制御システムは、図１に示すように、形状記憶合金アクチュエータの形状記憶合金ワイヤ１２（図４）に電流を印加する駆動部２０と、形状記憶合金ワイヤ１２の収縮により変化する抵抗値を検出する検出部３０と、前記検出部３０において検出された抵抗値が収縮限界か否か前記形状記憶合金ワイヤ１２の熱抵抗にて判定する判定部４０と、判定部４０からの結果を基に形状記憶合合金ワイヤ１２へ電流を印加する通電量を制御すると共に形状記憶合金ワイヤ１２の抵抗値検出を行う抵抗値検出期間を制御する制御部１０と、を含んで構成されている。

図２に、本実施の形態に係る判定部４０において、形状記憶合金ワイヤ１２の収縮限界か否かを判定する制御のフローチャートを示す。なお、形状記憶合金ワイヤ１２の収縮（ひずみ）量は、形状記憶合金ワイヤ１２の可動端に取り付けられた移動体１９の移動（変位）量に相当する。

また、図４に形状記憶合金アクチュエータの断面図を示すように、非伸縮性で可撓性を有するガイドチユーブ部材１１内に形状記憶合金ワイヤ１２を挿通している。そして、形状記憶合金ワイヤ１２の一端側を固定端とし、他端側を可動端とし、バイアスばね２１による応力と、形状記憶合金１２の線材への通電加熱による温度変化で形状記憶合金１２の線材の長さが変化したときに発生する収縮力によって、可動端に取り付けられた移動体１９が移動されるようになっている。

図２へ戻って説明を続ける。図２に示した抵抗値の判定フローは、抵抗値を判定する要求指令が入力されることにより開始される。

ステップＳ２０１において、駆動部２０は、形状記憶合金アクチュエータの形状記憶合金ワイヤ１２に一定電流を印加する。通電加熱により形状記憶合金ワイヤ１２が収縮し始める。

ステップＳ２０２において、検出部３０は、形状記憶合金ワイヤ１２の抵抗値の検出、取得を行う。

ステップＳ２０３において、判定部４０の記憶部は、ステップＳ２０２において検出部３０で検出された抵抗値を格納すると共に、判定部４０では、抵抗値が一定になったか否かを判定する。

ここにおいて、判定部４０が、ステップＳ２０３において行う判定方法の詳細について、図３を用いて説明する。

図３のＡ時点で、形状記憶合金アクチュエータに変位する指令がなされ、駆動ステップ（図２のＳ２０１）により、形状記憶合金ワイヤ１２へ通電を開始する。通電を開始したら、形状記憶合金ワイヤ１２の抵抗値を検出ステップ（図２のＳ２０２）にて検出する。

Ａ〜Ｂの区間では、通電により形状記憶合金ワイヤ１２は発熱し、収縮を開始する。形状記憶合金ワイヤ１２が収縮したことにより、図３（Ｂ）に示すように、形状記憶合金ワイヤ１２の抵抗値が低下する。

Ｂ時点では、形状記憶合金ワイヤ１２が収縮限界に達したことにより、図３（Ｃ）に示すように、それ以上の変位は発生しない。なお、図３（Ｃ）の変位は、形状記憶合金ワイヤ１２の収縮（ひずみ）量や形状記憶合金ワイヤ１２の可動端（移動体１９）の変位（移動）量を示している。

Ｂ〜Ｃの区間は、変位が発生しない状態にて、形状記憶合金ワイヤ１２に発熱するほど電流を通電し続けている状態を示しており、かかる状態においては、図３（Ｂ）に示されるように、形状記憶合金ワイヤ１２の熱抵抗により、抵抗値が上昇する。

なお、変位が発生しない状態とは、形状記憶合金ワイヤ１２自体が収縮限界となっている状態の他にも、移動体１９がストッパ等に突き当たってそれ以上変位できない状態となっている場合などを含んで考えることができる。すなわち、一定以上通電を継続しても、それ以上変位することなく、通電による電気エネルギが発熱エネルギに変換される結果過熱を起こして形状記憶合金ワイヤ１２の抵抗値が上昇するような状態であれば、変位が発生しない状態として含んで考えることができる。

Ｃ時点では、抵抗値が上昇したことにより熱抵抗が発生したと検出し、判定ステップ（図２のＳ２０３）では、当該現象の発生を確認することにより、形状記憶合金ワイヤ１２が収縮限界に達したと判定する。

このような形状記憶合金ワイヤ１２の熱抵抗の発生度合いに基づいて形状記憶合金ワイヤ１２が収縮限界に達したか否かを判定するといった判定方法を採用したことにより、形状記憶合金ワイヤ１２の個体間バラツキ、周囲温度変化、湾曲度合いなどの影響に係わらず、実際に使用している形状記憶合金ワイヤ１２の収縮限界を精度良く判定することができる。

このため、与えた電流量（強さ×時間など）に応じて得られる抵抗値（変位量）と、予め定められた基準値と、の比較により、変位に対する抵抗値のキャリブレーションを行う従来の制御システムに比べて、本実施の形態では、変位に対する抵抗値のキャリブレーションが不要であり、形状記憶合金ワイヤ１２の個体間バラツキ、周囲温度変化、湾曲度合いなどの影響を受けない。

従って、本実施の形態では、直前に取得される抵抗値に対するその抵抗値変化を検出し、抵抗値が目標抵抗値（目標ひずみ量相当）となるようにフィードフォワード制御或いはフィードバック制御する事で、実際に使用している形状記憶合金ワイヤ１２の物性や周囲温度や湾曲度合い（摩擦抵抗度合い）に応じて過不足なく、形状記憶合金ワイヤ１２を収縮限界（最大変位）まで引ききることができ、且つ、収縮限界（最大変位）を超えて過剰に電流を付与してしまうなどの過負荷を形状記憶合金ワイヤ１２に与えることもない。

なお、形状記憶合金アクチュエータが直線的に用いられる場合と比較して、形状記憶合金アクチュエータが湾曲されて用いられることで、ガイドチューブ部材１１の内周と、形状記憶合金ワイヤ１２の外周と、の摩擦力が増加するような用いられ方が想定されるが（湾曲度合い違いの一例を図４（Ａ）〜（Ｃ）に示しておく）、本実施の形態では、形状記憶合金ワイヤ１２の抵抗値に基づいて変位量をフィードフォワード制御或いはフィードバック制御する際に、図４（Ａ）〜（Ｃ）に示したような形状記憶合金アクチュエータの湾曲度合い（摩擦力の大きさ）の相違に係わらず、形状記憶合金ワイヤ１２の収縮限界まで精度良く引ききることが可能となるため、形状記憶合金アクチュエータの有している性能（最大ストローク）を効率良く最大限に引き出すことなどが可能となる。

更には、形状記憶合金ワイヤ１２の外径と、その周りを覆うガイドチューブ部材１１の内径に、サイズ的な差がある場合、湾曲することにより収縮限界の抵抗値が変化するが、そのような場合でも、本実施の形態によれば、実際の使用状態に応じた精度の高いキャリブレーションが行われることになるため、キャリブレーション以降、補正された抵抗値に基づく目標変位量を達成するためのフィードフォワード制御或いはフィードバック制御を精度の高いものとすることができるため、形状記憶合金アクチュエータの動作に悪影響を及ぼさないようにすることができ、以って形状記憶合金ワイヤ１２の収縮限界まで過不足なくそのストロークを精度良く制御することができる（形状記憶合金アクチュエータの有している性能（最大ストローク）を効率良く最大限に引き出すことなどが可能となる）。

なお、本実施の形態では、判定ステップ（図２のＳ２０３）にて収縮限界（最大変位）と判定されたら（図３（Ａ）のＣ時点）、図３（Ａ）に示すように、通電電流を低下させる。これは、形状記憶合金ワイヤ１２に過負荷を与えないようにするためである。また、形状記憶合金ワイヤ１２には、通電電流と変位量にヒステリシスがあるため、通電電流を低下させても、収縮限界へ留まることが可能となる。

更に、本実施の形態においては、判定ステップ（図２のＳ２０３）での抵抗値変化に基づく収縮限界（最大変位）判定において、一定期間の抵抗値変化の平均値にて、収縮限界（最大変位）状態であるか否かを判定することが望ましい。このように平均値を用いる構成とすれば、ノイズなどによる誤検出を排除して、より精度良く収縮限界を判定することが可能となる。

以上で説明した実施の形態は、本発明を説明するための例示に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは可能である。

以上のように、本発明に係る形状記憶合金アクチュエータの制御方法よれば、簡単かつ低コストでありながら、実際に使用している形状記憶合金アクチュエータの特性に応じた高精度な駆動制御等の実現に貢献することができ有用である。

１０ 制御部
２０ 駆動部
３０ 検出部
４０ 判定部
１１ ガイドチューブ部材
１２ 形状記憶合金ワイヤ
１９ 移動体
２１ バイアスばね
１１１ ガイドチューブ部材
１１２ 形状記憶合金ワイヤ
１１９ 移動体
１２１ バイアスばね

Claims (4)

1. 通電加熱により収縮し、冷却により延伸する形状記憶合金ワイヤを用いた形状記憶合金アクチュエータの制御方法であって、
   前記形状記憶合金ワイヤに通電する駆動ステップと、
   前記形状記憶合金ワイヤの抵抗値を検出する検出ステップと、
   前記検出ステップにおいて検出された抵抗値が、前記形状記憶合金ワイヤに変位が発生しない状態において前記形状記憶合金ワイヤに発生した熱抵抗に起因する上昇を示したときに、前記形状記憶合金ワイヤが収縮限界に到達したと判定する判定ステップとを有し、
   前記駆動ステップは、前記判定ステップで判定した収縮限界を、前記形状記憶合金ワイヤの収縮側の最大変位とする駆動範囲にて駆動を行うことを特徴とする形状記憶合金ワイヤアクチュエータの制御方法。
2. 前記判定ステップが熱抵抗を検出した後、前記駆動ステップにおける通電電流を低下させることを特徴とする請求項１に記載の形状記憶合金ワイヤアクチュエータの制御方法。
3. 前記判定ステップにおける熱抵抗の検出は、所定期間の平均値を使用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ワイヤアクチュエータの制御方法。
4. 通電加熱により収縮し、冷却により延伸する形状記憶合金ワイヤを用いた形状記憶合金
   アクチュエータの制御装置であって、
   前記形状記憶合金ワイヤに通電する駆動部と、
   前記形状記憶合金ワイヤの抵抗値を検出する検出部と、
   前記検出部において検出された抵抗値が、前記形状記憶合金ワイヤに変位が発生しない状態において前記形状記憶合金ワイヤに発生した熱抵抗に起因する上昇を示したときに、前記形状記憶合金ワイヤが収縮限界に到達したと判定する判定部とを有し、
   前記駆動部は、前記判定部で判定した収縮限界を、前記形状記憶合金ワイヤの収縮側の最大変位とする駆動範囲にて駆動を行うことを特徴とする形状記憶合金ワイヤアクチュエータの制御装置。

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