JP2003507625A

JP2003507625A - 形状記憶合金アクチュエータおよび制御方法

Info

Publication number: JP2003507625A
Application number: JP2001517052A
Authority: JP
Inventors: ロデリック・マグレガー
Original assignee: NanoMuscle Inc
Current assignee: NanoMuscle Inc
Priority date: 1999-08-12
Filing date: 2000-08-11
Publication date: 2003-02-25
Also published as: CN1369038A; HK1047306B; MXPA02001452A; CA2391746A1; EP1203156A1; WO2001012985A1; EP1203156B1; HK1047306A1; US20040261411A1; DE60031687T2; KR20020021809A; DE60031687D1; ATE344388T1; AU772107B2; NZ516970A; AU6639000A; US6574958B1

Abstract

(57)【要約】本発明は、顕著な力低下なしにストローク増大化を与え、容易にミニチュア化可能であり、高速作動であるストローク増大化形状記憶合金アクチュエータおよび電気機械的能動性材料を用いる他のアクチュエータ（本出願において、集合的にＳＭＡアクチュエータという）、およびそれらのデザインおよび使用；低電力消費、抵抗／障害／負荷感知および正確な位置制御用の（従来の形状記憶合金アクチュエータならびに本発明のストローク増大化アクチュエータを含む）形状記憶合金アクチュエータについての経済的、効率的な制御および感知メカニズム；およびこれらのアクチュエータを含有するデバイス、および制御および感知メカニズムを提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】発明の背景（ａ）発明の分野本発明は、形状記憶合金（ＳＭＡ）アクチュエータおよび電気機械的能動性材
料を用いる他のアクチュエータ（本出願において、集合的にＳＭＡアクチュエー
タという）、およびそれらの制御方法に関する。特に、本発明は、高速（サブ秒
）応答を達成するためのミニチュア化可能なＳＭＡアクチュエータおよび、一般
的にＳＭＡアクチュエータ、特に、低電力消費、抵抗／障害感知、および位置制
御用の本発明のミニチュア化ＳＭＡアクチュエータについての制御方法に関する
。

【０００２】（ｂ）関連技術の説明形状記憶効果として知られるものを発揮する分類の材料が１９５０年代に発見
された。例えば、［K. Otsuka, C.M. Wayman, "Shape Memory Materials", Camb
ridge University Press, Cambridge, England, 1998, ISBN 0-521-44487X］を
参照せよ。これらの材料は熱弾性マルテンサイト変態を示す；すなわち、それら
は、ある変態点以下で可撓性である。なぜならば、該材料はマルテンサイト相に
あり、容易に変形し得るからである。それらの温度が該変態点以上に上昇した場
合、該材料はそのオーステナイト相およびその以前の形状に戻り、そうなるとき
に大きな力を発生する。そのような材料の例は、およそ５０：５０原子パーセン
トのチタン−ニッケル（ＴｉＮｉ）合金であり、所望により、増進された安定性
を与えるために、または、該マルテンサイト−オーステンサイト変態点を変化さ
せるために、少量の他の金属を含有させ；これらを配合し、処理して形状記憶効
果を発揮させる。他のそのような合金は、Ｃｕ／Ａｌ／Ｎｉ、Ｃｕ／Ａｌ／Ｚｎ
合金を含み、時々、β−黄銅として知られている。そのような合金は、一般的に
、形状記憶合金（ＳＭＡ）といい、多数の出所から３７μｍの細さから１ｍｍを
超える直径のワイヤー形態で商業的に入手可能である。例えば、［Dynalloy Cor
p., "Technical Characteristics of Flexinol Actuator Wires", Technical In
formation Pamphlet, Dynalloy Corp., 18662 MacArthur Boulevard, Suite 103
, Irvine CA 92715 USA］を参照せよ。

【０００３】ＳＭＡワイヤーは、形状記憶合金のワイヤーであって、それらはマルテンサイ
ト相にある間、それらの長軸方向に容易に引き伸ばし得るように処理され、かく
して、それらの原子結晶構造は再配列される。一旦、引き伸ばされれば、それら
は、該結晶構造がその元来の（記憶された）オーステナイト配置に復元される温
度であるオーステナイト変態点以上に加熱されるまでそのままの状態を保つ。こ
の逆転は該ワイヤーをその元の長さに戻すだけではなく、それは、該合金および
その処理に依存して、典型的には、５０ｋｇｆ／ｍｍ^２断面積のオーダーである
大きな力も発生する。断面積あたりの大きな利用可能な力のため、通常、ＳＭＡ
ワイヤーは小径で製造される。例えば、１００μｍ直径ワイヤーは約２５０ｇの
力を発生し得る。より大きな力を得るために、より太いワイヤーまたは複数のワ
イヤーを必要とする。

【０００４】ＳＭＡは１９５１年から知られているが、それらは、形状記憶特性を生じる物
理的プロセスにおけるいくつかの固有の限界のため、商業的アクチュエータアプ
リケーションは限定されている。商業的アプリケーションのこの欠如は以下の要
因の組合せによる：（１）限定された変位ＴｉＮｉＳＭＡワイヤーは、熱弾性型マルテンサイトからオーステナイトへ
の変態の間、その長さの最大８％収縮し得る。しかしながら、それが衰えるまで
に、この歪レベルにて数回しか耐えない。妥当なサイクル寿命に対しては、最大
歪は３〜５％の範囲である。例えば、妥当なサイクル寿命のアクチュエータに対
して、１ｃｍの動作を生じるのに２５ｃｍを超えるＳＭＡワイヤーが必要である
。（２）最小曲げ半径長いＳＭＡを小空間に押し込めることに対する明らかな解決法は、ある種のプ
ーリーシステムを用いることである。残念ながら、ＳＭＡワイヤーは、鋭角に巻
かれると、損傷し得る。典型的に、ＳＭＡワイヤーは、該ワイヤー径の５０倍未
満の半径周りで曲げるべきではない。例えば、２５０μｍ直径のワイヤーは１．
２５ｃｍの最小曲げ半径を有する。本明細書で用いるとき、「最小曲げ半径」な
る語は、ＳＭＡワイヤーを屈曲し得、なおも、損傷せずに繰返しオーステナイト
−マルテンサイトサイクルが可能である範囲の最小半径を意味することは特記す
べきである。多数の小プーリーの付加は、当該システムを機械的に複雑にし、初
めての場所にＳＭＡを用いる魅力の一つを排除する。また、該最小曲げ半径要求
は、より低い限界をアクチュエータサイズにおく。（３）サイクル時間通常、ＳＭＡワイヤーは、それに電流を流すことによって、抵抗加熱する。次
いで、該ワイヤーは、それが引き伸ばされて、その開始位置に戻る前に、その変
態点以下に冷却すべきである。この冷却を慣例通り静止空気中で達成するならば
、該アクチュエータが再び使用し得るまで、何秒もかかる。上記した２５０μｍ
ワイヤーは約５秒以上の最善のサイクル時間を有する。かくして、例として、ス
ティキート(Stiquito)、ＳＭＡ動力歩行昆虫［J.M. Conrad, J, W. Mills, "Sti
quito: Advanced Experiments with a Simple and Inexpensive Robot", IEEE C
omputer Society Press, Los Alamitos CA, USA, ISBN 0-8186-7408-3］は、た
った３〜１０ｃｍ／分の歩行速度しか達成しない。冷却速度は、該ワイヤーの表
面積のその体積に対する比に依存するので、ワイヤー径の変化は劇的にサイクル
時間に影響する。

【０００５】これらの限界を克服するために、ＳＭＡを基礎とするアクチュエータの設計者
らは、典型的に、長い真っ直ぐなワイヤーまたはコイルを用いてきた。例えば、
［M. Hashimoto, M. Takeda, H. Sagawa, I. Chiba, K. Sato, "Application of
Shape Memory alloy to Robotic Actuators", J. Robotic Systems, 2(1), 3-2
5 (1985); K. Kuribayashi, "A New Actuator of a Joint Mechanism using TiN
i Alloy Wire", Int. J. Robotics, 4(4), 47-58 (1986); K. Ikuta, "Micro/Mi
niature Shape Memory Alloy Actuator", IEEE Robotics and Automation, 3, 2
151-2161 (1990); and K. Ikuta, M. Tsukamoto, S. Hirose, "Shape Memory Al
loy Servo Actuator with Electrical Resistance Feedback and Application f
or Active Endoscope", Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Information,
427-430 (1988)］を参照せよ。明らかに、多くのアプリケーションにおいて、
特にミニチュア化が所望される場合、長い直線ワイヤーを用いることは実用的で
ない。コイルは、発生したストロークを大いに増大させるが、利用可能な力を著
しく減少させ；および力の低下を補償するためにより太いワイヤーを用い、それ
は得られたアクチュエータの応答性を低減し、多くのアプリケーションにおいて
それを不適当にする。

【０００６】［D. Grant, V. Hayward, "Variable Control Structure of Shape Memory Al
loy Actuators", IEEE Control Systems, 17(3), 80-88 (1997)］および米国特
許第４,８０６,８１５号に開示されたもののごとき、該得られる変位を機械的に
増幅するのに通常用いられるメカニズムは、利用可能な力に対して同一の限界を
受け、ここでも、より太いワイヤーの必要性およびサイクル時間に付随する問題
をもたらす。

【０００７】上記のごとく、ＳＭＡ材料をアクチュエータの動力として使用し得（例えば、
［T. Waram, "Actuator Design Using Shape Memory Alloys", 1993, ISBN 0-96
99428-0-X］を参照せよ。）、該合金の電気抵抗をモニターすることによって、
その位置を制御し得る。例えば、上記の［K. Ikuta, M. Tsukamoto, S. Hirose,
"Shape Memory Alloy Servo Actuator with Electrical Resistance Feedback
and Application for Active Endoscape"］を参照せよ。ＳＭＡアクチュエータをその変態点にまで加熱する普通の方法はパルス幅変調
（ＰＷＭ）である。このスキームにおいて、固定電圧を予め設定されたピリオド
のパーセンテージの間負荷する。単一ピリオド（デューティーサイクルという）
におけるオフタイムに対するオンタイムのパーセンテージが変化するとき、該Ｓ
ＭＡに発生された出力の総量を制御し得る。このスキームは、それを単一のトラ
ンジスタがアクチュエータを駆動するのに必要な全てであるデジタルシステムで
実行し得、デジタル−アナログ変換および関連する増幅器の必要を排除する容易
さのため、一般的である。

【０００８】この単純な例において、ＰＷＭジェネレータはＰＷＭパルスをデューティーサ
イクル中に該ＳＭＡエレメントに供給し、ピリオドはデジタルコントローラーに
より特定される。該ＰＷＭパルスのオフピリオドの間、抵抗測定システムは、サ
ンプリングされ、次いで、サンプル・アンド・ホールドシステムに保持された該
ＳＭＡの抵抗を測定する。この測定はオフサイクル中になされる。何故ならば、
該ＰＷＭパルスは非常に短く、該コントローラーは、該パルスがオンのときには
該ＳＭＡをサンプリングしないであろうからである。最後に、該サンプル・アン
ド・ホールドシステム中のアナログ信号はアナログ−デジタル（Ａ−Ｄ）コンバ
ータによりデジタル形態に変換され、次いで、それは該コントローラーから読み
出し得る。次いで、この値をコントローラー中のアルゴリズムにより用いて、該
ＰＷＭジェネレータのデューティーサイクルを変化させて、該ＳＭＡエレメント
の所望する位置を達成する。１を超えるＳＭＡエレメントを持つシステムにおい
て、該コントローラー以外の全てのシステムは、各ＳＭＡエレメントにつき反復
する必要があり、それは大きくて複雑で高価な制御システムをもたらす。この反復を回避するためのいくつかのスキームが提案されている。最もありふ
れたものは、Ａ−Ｄコンバータを多数のサンプル・アンド・ホールド回路にわた
って多重化することであり、かくして、一つのＡ−Ｄコンバータしか要しない。
もう一つのスキームは、米国特許第５,７６３,９７９号に記載され、行列配列さ
れた電子スイッチを用いて、単一ＳＭＡを孤立させ、ＰＷＭパルスを順々に各エ
レメントに印加する。これは、抵抗測定、サンプル・アンド・ホールドおよびＡ
−Ｄコンバータサブシステムが全てのアクチュエータにわたり共有されることを
許容し、および、当該デバイスを接続するのに必要なワイヤー数を削減するとい
る利点も有する。残念ながら、該スキームは高電流スイッチングデバイス数を２
倍にもする。何故ならば、各アクチュエータは、従来のスキームにおいてただ一
つであるのに反して、そのようなチャネルを２つ必要とするからである。通常、
これらのスイッチは、それらの高電流操作による相当な熱を散逸させる必要があ
るため、そのような制御システムのなかでも物理的に最も大きな構成要素である
。それで、このスキームはワイヤー数を削減するが、それは、実際には、該コン
トローラーサブシステムのサイズおよび複雑性を増大する。

【０００９】ＳＭＡにおけるマルテンサイト（低温）相からオーステナイト（高温）相への
変態は特異的温度にて瞬時に起こらないが、ある温度範囲にわたって増分的に進
行する。図１は変位と温度との間の関係を示し、該オーステナイトはＡ_ｓで開始
し、Ａ_ｆ温度にて終了し、ならびに、該マルテンサイトは、それぞれ、温度Ｍ_ｓおよびＭ_ｆで開始および終了することを示す。ΔＴで示される温度範囲において
、該合金はオーステナイトとマルテンサイトとの混合物からなる。観察されるよ
うに、該ＳＭＡを加熱したとき、Ａ_ｓより下では実質的に長さに変化はなく、Ａ _ｆより上では実質的に長さにさらなる変化はない。同様に、冷却時、Ｍ_ｓより上
では、実施的に長さに変化はなく、Ｍ_ｆより下では実質的に長さにさらなる変化
はない；しかしながら、典型的に、長さ−温度曲線には実質的なヒステリシスが
ある。上記の［K. Ikuta, M. Tsukamoto, S. Hirose, "Shape Memory Alloy Ser
vo Actuator with Electrical Resistance Feedback and Application for Acti
ve Endoscope］および米国特許第４,９７７,８８６号で論ぜられるように、ＳＭ
Ａ成分の電気抵抗とその温度との間には関係があり、それは、室温を超えるＭ_ｆを有するＳＭＡについて示される図２に示される。観察されるように、Ｒ_ｍｉｎとＲ_ｍａｘとの間の斜線領域において、該抵抗を該ＳＭＡ温度の類似物として用
い得、それゆえ、温度を直接測定せずに完全に抵抗値に基づき、二相間のパーセ
ンテージ変態を推定することが可能である。何故ならば、該抵抗−温度曲線は顕
著なヒステリシスを示さないからである。しかしながら、図１に例示される大き
な位置−温度ヒステリシスのため、温度の知見だけでは位置を推定するには充分
ではない。

【００１０】しかしながら、２つのアクチュエータを対立するように配列すれば、多数のス
キームを用いて該ヒステリシスを補償し得る。［Dynalloy Corp., "Technical C
haracteristics of Flexinol Actuator Wires"］および米国特許第４,９７７,８
８６号に記載された共通のスキームは、両方のアクチュエータの組合せからの規
格化抵抗を用いて、該ヒステリシスを補償する。これらの位置制御スキームの全
ては、Ｒ_ｍａｘおよびＲ_ｍｉｎの演繹的知見を頼みにする（図２を参照）。これ
らの値は、該合金が衰える時間を通して、また、環境因子でも変化するので、有
用な位置制御のために、各使用前に該システムを再キャリブレーションするべき
である。キャリブレーションは、既知の最大および最小変位にてのＲ_ｍａｘおよ
びＲ_ｍｉｎを算定するための外部センサーを付けるか、または米国特許第４,９
７７,８８６号にあるごとく、温度がＡ_ｆを超えるまで充分に大きく充分に長く
電流を印加し、直面する最小およびピーク抵抗を記録するかのいずれかによって
、達成する。前者のキャリブレーションスキームは、連続、低コスト操作が必要
とされる多くのシステムで実用的ではない。後者のスキームは、該ＳＭＡエレメ
ントの物理的寸法、および、その電流環境および状態（例えば、オーステナイト
またはマルテンサイト）の知見を頼みにし、それで該キャリブレーションパルス
の強度および持続時間を計算し得る。

【００１１】ＳＭＡワイヤーを含むＳＭＡアクチュエータであって、該アクチュエータ長の
ＳＭＡワイヤーにより達成されるものより大きなストローク（収縮）を達成しつ
つ、実質的にＳＭＡワイヤーの全ての力を与えることが可能なＳＭＡアクチュエ
ータ（顕著な力低下のないストローク増大化）；ミニチュア化可能な高速作動の
ＳＭＡアクチュエータ；および低出力消費、抵抗／障害／負荷感知、および正確
な位置制御用の（従来の形状記憶合金アクチュエータならびに本発明のストロー
ク増大化ＳＭＡアクチュエータを含む）ＳＭＡアクチュエータのための経済的、
効率的な制御および検出メカニズムを開発することが所望される。

【００１２】発明の概要本発明は、顕著な力低下なしにストローク増大化を与え、容易にミニチュア化
可能であり、高速作動であるストローク増大化形状記憶合金アクチュエータおよ
び電気機械的能動性材料を用いる他のアクチュエータ（本出願において、集合的
にＳＭＡアクチュエータという）、およびそれらのデザインおよび使用；低電力
消費、抵抗／障害／負荷感知および正確な位置制御用の（従来の形状記憶合金ア
クチュエータならびに本発明のストローク増大化アクチュエータを含む）形状記
憶合金アクチュエータについての経済的、効率的な制御および感知メカニズム；
およびこれらのアクチュエータを含有するデバイス、および制御および感知メカ
ニズムを提供する。

【００１３】第１の局面において、本発明はストローク増大化形状記憶合金アクチュエータ
を提供する。本発明の第１の局面の具体例において、該アクチュエータは複数の
剛直部材および形状記憶合金ワイヤーを含む。第２の局面において、本発明は単一の形状記憶合金ワイヤーを含むストローク
増大化形状記憶合金アクチュエータを提供する。第３の局面において、本発明は、形状記憶アクチュエータについての多動化制
御および感知メカニズムを提供する。第４の局面において、本発明は、該アクチュエータが電圧印加されたときの該
アクチュエータの抵抗の時間変化を用いて、該アクチュエータについての制御情
報を作成する抵抗フィードバックを用いて、形状記憶合金アクチュエータを制御
するための制御および感知メカニズムおよび方法を提供する。これらの制御およ
び感知メカニズムおよび方法は、アクチュエータのキャリブレーション、位置制
御機能の発揮、アクチュエータに与えられた負荷の測定、およびアクチュエータ
が直面する衝突もしくは機械的障害またはアクチュエータ中のシステム故障を検
出するのに用いる。好ましい制御メカニズムにおいて、該アクチュエータに並列
接続されているキャパシタの放電時間の測定を用いて該アクチュエータの抵抗を
測定する。

【００１４】発明の詳細な記載定義および一般的パラメータ「形状記憶合金」または「ＳＭＡ」は、熱弾性型マルテンサイト変態を示し、
マルテンサイト相にある間は変形し得、オーステナイト相にあるときは当該変形
が回復するような合金である。本発明の室温アプリケーションに適したＳＭＡは
、予測される周囲温度よりも若干高いオーステナイト−マルテンサイト変態範囲
、すなわち、３０〜５０℃のマルテンサイト終了温度を有し、該ＳＭＡは、加熱
なしでは、そのマルテンサイト相に留まり、また、普通のエンジニアリングプラ
スチックスに適合するのに充分に低いオーステナイト終了温度、すなわち、８０
〜１００℃のオーステナイト終了温度を有して、該マルテンサイト−オーステナ
イト変態を完了するのに要する熱量（例えば、該ＳＭＡに入力される電気エネル
ギー）を最小限化する。そのような合金は容易に商業的に入手可能である。他の
変態点範囲の合金は下降した（例えば、０℃以下）または上昇した（例えば、１
００℃以上）の温度環境にて操作するように設計されたアクチュエータに対して
選択することができ、当該分野における通常の技術を持つ者は、その技術および
この開示を考慮して、所望する目的に適したＳＭＡを選ぶのに何ら困難を有しな
いであろう。ＳＭＡワイヤーのごときＳＭＡエレメントをそのＭ_ｆ温度より下の
復元可能範囲内の歪で変形させ、次いで、Ａ_ｆ温度を超えて加熱したとき、それ
が、その元来の未変形形状に戻ることはよく知られている。しかしながら、該Ｍ
ｆ温度より下に該エレメントを再冷却しても、自発的に元来の変形形状への回復
を再び引き起こさない−形状記憶効果は一方向効果である。かくして、該ＳＭＡ
エレメントが、該Ｍ_ｆ温度より下に再冷却されたときに該変形形状に戻るために
は、ストレス、すなわちバイアスを該ＳＭＡエレメントに与える必要がある。本
発明のＳＭＡアクチュエータに関して、そのことは以下に一般的には論じないが
、該アクチュエータのＳＭＡエレメントをＭ_ｆ温度より下に冷却したとき、該ア
クチュエータが変形したマルテンサイト状態への復元を生じるようにバイアスを
与え、または与え得ると考えるべきである。このバイアスは、バネ（一定のバイ
アス負荷、該アクチュエータは、加熱されたときに該バネの力に打ち勝って該ア
クチュエータの運動を引き起こさなければならない）によるか；または対向アク
チュエータ（典型的に、一方を加熱し、他方は加熱しないが、精密制御のため、
各々を異なる程度に加熱することができる）よるかのいずれかで与えることがで
きる。バネバイアスが経済的であるが、該アクチュエータ力の一部が該バネによ
り吸収されるという不利な点を有し、該アクチュエータを外部荷重に適用する利
用可能性は低いままであり；該対向アクチュエータは、加熱されないときに動く
のにほとんど力を要しないので、より大きな力利用可能性を与え、および、制御
の複雑性および増加した電力消費の犠牲の下で、両方が異なって電力印加される
とき、より高い位置感知性を与える。これは当該分野でよく知られ；本発明のＳ
ＭＡアクチュエータはいずれの態様でも用いることができる。

【００１５】本出願で用いるＳＭＡ「ワイヤー」は、その長軸に沿って収縮／伸長が可能な
伸長形態のＳＭＡ材料をいう。かくして、「ワイヤー」なる語は、典型的な断面
であっても円形断面を暗示しないが、楕円、正方形、長方形等を含む。ＳＭＡアクチュエータの「ストローク」は、該アクチュエータの完全伸長長と
完全収縮長との間の距離の変化である。該アクチュエータが、該アクチュエータ
の収縮および/または伸長のいずれかを制限する停止機構を含有するならば、該
「ストローク」は、該停止機構間の距離であって、それは停止機構が存在しなか
ったときの「ストローク」よりも短いであろう。「ストローク増大化」ＳＭＡアクチュエータは、該アクチュエータのストロー
クが、その伸長または収縮方向に、該アクチュエータの外部長であるＳＭＡワイ
ヤーの収縮または伸長よりも大きいＳＭＡアクチュエータである。

【００１６】第一の局面において、本発明はストローク増大化ＳＭＡアクチュエータ、すな
わち、該アクチュエータ長のＳＭＡワイヤー（「長」は該ＳＭＡワイヤーの軸方
向の該アクチュエータの長さと定義する）により達成されるよりも大きなストロ
ークを達成し、それによって、顕著な力低下のないストローク増大化を達成しつ
つ、それらを含むＳＭＡワイヤーの完全なる力を実質的に与えることが可能なＳ
ＭＡアクチュエータを提供する。この著しい力低下のないストローク増大化は細
いＳＭＡワイヤーを用いることを可能にし、ワイヤー冷却速度のワイヤー直径へ
の非線形依存性のため、非常に増大した反応性をもたらす。ＳＭＡアクチュエー
タ分野でよく知られているように、単位長あたり、冷却すべきワイヤー質量は該
ワイヤーの断面積に比例し（該ワイヤー直径の２乗の関数）、一方、該冷却速度
は該ワイヤーの表面積に比例する（該直径の関数）。事実、この比率は、該ワイ
ヤー自体の熱伝導率によりさらに複雑化されるが、そのＡ_ｆ温度からそのＭ_ｆ温
度までのＳＭＡワイヤーの冷却の速度は、実質的にワイヤー直径の減少に伴って
減少する。これはＳＭＡアクチュエータのサイクル時間を減少させる。何故なら
ば、該Ｍ_ｆ温度から該Ａ_ｆ温度までの加熱時間は、高速加熱速度を達成するため
に充分な出力が与えられることを条件に、常に、冷却時間よりも実質的に短いか
らである。例えば、２５０μｍ直径のワイヤーは６〜７秒を超えるサイクル時間
を有するが、５０μｍ直径のワイヤーは１秒未満のサイクル時間を有し、３７μ
ｍ直径のワイヤーは約０．４秒のサイクル時間を有する。

【００１７】該ストローク増大化アクチュエータの基本設計は、互いにスライドが自由で、
それぞれが、該アクチュエータのストロークが該個々のＳＭＡワイヤーのストロ
ークの合計と実質的に等しくなるようにＳＭＡワイヤーで連結されている複数の
（同心上配列を含む）平行な、剛直（すなわち、非ＳＭＡ）部材を含む。

【００１８】第１の具体例において、図３に示すごとく、概略的に３０にて示されるアクチ
ュエータの、ポイント３２１および３３１、３２２および３３２、３２３および
３３３に各々取り付けられたスライド可能な剛直部材３０１,３０２,３０３およ
びＳＭＡワイヤー３１１,３１２,３１３は、該ＳＭＡワイヤー３１１,３１２,３
１３が収縮したとき、各々が、剛直部材の一端を引張り、その他端は次のワイヤ
ーに取り付けられる。このように、１のワイヤーの変位が、次々と、次のワイヤ
ーに加わっていく。剛直部材３０１の一端３４１はいずれかの適当な手段でポイ
ントに取り付けることができ、ワイヤー３１３の末端３３３は別のポイントに取
り付けることができ、該２つのポイントは、両方とも可動であるか、またはより
普通には、一つが可動であって、他方が固定されて、該ポイント間の距離は該ワ
イヤー３１１,３１２,３１３が収縮したときに減少するかのいずれかである。両
矢印Ａは、該ＳＭＡワイヤーの収縮がポイント３２１と３３３との間の距離の収
縮を引き起こす運動方向を示す。任意数のワイヤーおよび部材を組み合わせて、
いずれの所望の変位を達成し得る。例えば、部材３０１が基材に剛直にしっかりと固定され、部材３０２および３
０３を互いにおよび部材３０１に対してスライド可能であれば、該ＳＭＡワイヤ
ーが加熱され収縮し、各々が約３％収縮したとき、該取付けポイント３４１から
取付けポイント３３３までの該アッセンブリーの最大収縮は約９％であり、これ
は、該アクチュエータ内の僅かな摩擦損失を除けば、発揮される力の減衰のない
約３倍の変位増大を表す。かくして、該設計は、利用可能な力を低下させること
なく、長い直線ワイヤーであるが、よりコンパクトな形態で利点をもたらす。さ
らに、全てのワイヤーが直線であるという事実は、該ＳＭＡワイヤーの最小曲げ
半径の問題をなくし、該アッセンブリーを数センチメートルのスケール、例えば
、１ｃｍ以下にまで、可能性としては微視的なスケールにまでミニチュア化する
ことを可能にする。

【００１９】該ワイヤーが収縮したときに該アクチュエータがたわまないように、各部材の
剛直性は充分である必要があるが、該アクチュエータは該部材のたわみを防止す
るケーシング（そのようなケーシングをＰＴＦＥまたはフルオロポリマーのごと
き適当な低摩擦ポリマー材料で形成するかそれで被覆すれば、該剛直部材のスラ
イドに対して低摩擦環境も与える）に内包し得るので、異常な強度は必要ない。
このタイプのアクチュエータ（サイドバイサイド配列）は、図から明らかなよう
に、その長さおよび幅に比べて浅く形成し得、制限された平坦な空間の状況にお
いて特に有用にする。

【００２０】該ＳＭＡワイヤー３１１,３１２,３１３への電力供給は、各ワイヤーに個別で
あってよく、運動の最大限の制御およびピーク出力引張りの広がりを許容する（
該ワイヤーに連続的に電圧印加されるならば、ワイヤーをそのＡ_ｆ温度にまで加
熱するのに必要な電流は、一旦、そのＡ_ｆ温度に達した後にその温度に維持する
のに必要な電流よりも大きいからである）。これは、バッテリー寿命がある程度
電流ドレインのレートに依存するバッテリー駆動デバイスにおいては重要な検討
であるが；数多くのリード線と増大する制御容量の必要性において犠牲がある。
電力供給は、より普通には、該アクチュエータの一端から他端まで一回の操作で
あってもよく、たった２本のリード線しか必要とせず、該制御は簡素化される。
この状況において、部材３０２上のポイント３３１および３３２、および部材３
０３上のポイント３３２および３２３は、ポイント３２１からポイント３３３に
電流が流れるように、電気接続されている必要があり、これによって、電圧がポ
イント３２１および３３３に印加されたとき、３つ全てのワイヤー３１１,３１
２,３１３の同時収縮を引き起こす。該剛直部材３０１,３０２,３０３が非導電
性であれば、適当な電気経路（ジャンパーワイヤー）を与えて、必要な電機接続
をしなければならない。該剛直部材自体が導電性であり、それらに該ＳＭＡワイ
ヤーが電気的導電的に固定されれば該剛直部材自体がジャンパーとして機能する
が、該ＳＭＡワイヤー自体は、取付けポイント３２２,３２３,３３１,３３２を
除いて、該剛直部材から電気的に絶縁するか、またはそれらから空間的に離して
、電流が完全に該ＳＭＡワイヤーを通ることを保証する必要がある。

【００２１】第２の具体例において、該アクチュエータの空間的必要条件をさらに最小限化
するために、図４Ａおよび４Ｂに示すごとく、該剛直部材を同心円チューブとし
て配列し、該ＳＭＡワイヤーを当該チューブの外部に搭載し得る。図４Ａにおい
て、概略的に４０にて示されるアクチュエータは、２つのチューブ（または、外
側チューブおよび内側ロッド）を含み、外側チューブ４０１はある適当な構造（
図示せず）に固定され、ＳＭＡワイヤー４１１の末端４１２は腱のように作用す
べき荷重（図示せず）に連結されている。内側チューブ／ロッド４０２は外側チ
ューブ４０１内部でスライドする。ワイヤー４１１の他端は内側チューブ／ロッ
ドの一端にある取付けポイント４１３に取り付けられ、一方、第２のワイヤー４
２１は取付けポイント４２２にて内側チューブ／ロッドの他端に取り付けられ、
外側チューブ４０１に剛直に連結される取付けポイント４２３にも取付けられる
。典型的に、該内側チューブ／ロッド４０２は導電性であり、それによって、両
方のＳＭＡワイヤーを通じて、ポイント４１２からポイント４２３まで直列で電
気経路を完成し、該電力リード線をポイント４１２およびポイント４２３に連結
する。該外側チューブは非導電性であってよいが；それが導電性であれば、該内
側チューブから絶縁するか、または電気的に離さなければならない。図４Ｂにお
いて、概略的に４３にて示されるアクチュエータは、外側チューブ３１および一
対の対向する内側チューブ／ロッド４３２Ａ,４３２Ｂからなり、各々はそれら
の間で力を発揮するために異なる構造（図示せず）に連結される。ＳＭＡワイヤ
ー４４１Ａの末端は、外側チューブ４３１に対して取付けポイント４４２Ａに連
結され、他端は内側チューブ／ロッド４３２Ａの露出端に対して取付けポイント
４４３Ａに連結される。かくして、ワイヤー４４１Ａの収縮は、内側チューブ／
ロッド４３２Ａを外側チューブ４３１内に追い込む。同様に、ワイヤー４４１Ｂ
の収縮は、内側チューブ／ロッド４３２Ｂを外側チューブ４３１内に反対方向か
ら追い込む。これは対向アクチュエータを形成し、内側末端４３３Ａおよび４３
３Ｂが、外側チューブ４３１の開口部を通して、動かすべき構造（図示せず）に
連結されていれば、ワイヤー４４１Ａおよび４４１Ｂの一端または他端に力を負
荷することによって、該外側チューブ４３１の軸に沿って、ある方向または逆方
向にその構造を移動し得る。この配置は、該アクチュエータ４３のハーフエレメ
ントの各々につき、概略的に図４Ａに示されるタイプのアクチュエータによりス
トローク増大化ＳＭＡアクチュエータに改良し得る。

【００２２】明らかに、これらの同心円チューブアクチュエータの両方の配置は、該装置に
さらなる同心円チューブを加えることによって延長して、より大きな変位を達成
し得る。発生した利用可能な力を増加させるために、サイクル時間にいかなる損
失もなく、複数の平行ＳＭＡワイヤーを同じフレームワークで用い得る。

【００２３】プロトタイプセットのアクチュエータが６本脚スティキート様歩行ロボットを
実行するのに適したスケールにて構築されている。得られた装置はおよそ１ｃｍ
／秒のスピードで歩行し、スティキートの３〜１０ｃｍ／分と比べると非常に好
適である。この具体例において、これらアクチュエータに用いる同心チューブは
アルミニウムで作製する。該外側チューブは４ｃｍの長さ、２．４ｍｍの外径を
有し、該アクチュエータは少なくとも３．２ｍｍのストロークを発生した。該Ｓ
ＭＡワイヤーは、サイズ００〜９０の小さな黄銅製ナットおよびボルトを用いて
、該アルミニウムチューブに固定した。用いたＳＭＡは直径５０μｍのFlexinol
ＴｉＮｉ合金（Dyalloy, Inc.）であり、３５ｇの力を生じた。該ＳＭＡは、６
Ｖの振幅にて最大１１０ｍＡを発生する１ＫＨｚのＰＷＭシグナルを用いて加熱
した。該アクチュエータのうちいくつかは（該ロボットの重量を支える役割のも
の）は該チューブに取り付けられた２つの平行ＳＭＡワイヤーを有して、７０ｇ
の力を発生した。両タイプのアクチュエータについてのサイクル時間は約０．７
秒であった。

【００２４】より好ましい第３の具体例において、該アクチュエータは、互いに電気的絶縁
され、ＳＭＡワイヤーで結合されている一組の積層平行プレートからなる。その
ようなアクチュエータの構成を図５ないし８に示す。図５は、概略的に５０にて示されるそのような積層平行プレートアクチュエー
タを概念的に示し、それは、２本のＳＭＡワイヤー５２１および５２２で連結さ
れた３枚の剛直な導電性プレート５１１ないし５１３を含む。ワイヤー５２１は
、プレート５１１に対して取付けポイント５２１Ａにて連結され、プレート５１
２に対して取付けポイント５２１Ｂにて連結され、一方、ワイヤー５２２は、プ
レート５１２に対して取付けポイント５２２Ａにて連結され、プレート５１３に
対して取付けポイント５２２Ｂにて連結される。プレート５２１ないし５２３は
、低摩擦ポリマー材料（例えば、ＰＴＦＥもしくは他のフッ素化ポリマー、また
はナイロンもしくはカプトンのごときポリアミド）のシートをそれらの間に挟む
か、または低摩擦ポリマー材料の被膜を該プレートに施すかによるごとく、空間
を空け、互いに電気的に絶縁して、該プレートが互いに容易にスライドし易くす
ることができる。プレート５１１には、ワイヤー取付けポイント５２１Ａに近接
する末端に開口部５１１１として示される外部取付けポイントが施され、一方、
プレート５１３には、ワイヤー取付けポイント５２２Ｂに近接する末端に開口部
５１３１として示される外部取付けポイントが施される。プレート５１１および
５１３上のポイント間でアクチュエータに電力が印加されたとき、該ＳＭＡワイ
ヤー５２１および５２２は加熱され収縮し、それによって、外部取付けポイント
５１１１と５１３１とを互いに近付けるように動かす。該アクチュエータのスト
ロークは、だいたい、ワイヤー５２１と５２２との合計であり、したがって、各
ワイヤー別個の約２倍の収縮であるが、発生する力は、各ワイヤーにより発生す
る力よりも実質的に低くはない。該アクチュエータにつき増大したストロークは
、単純に、プレートおよびワイヤーの数を増やすことによって得られることを証
拠付ける。

【００２５】図５に示したアクチュエータの変形を図６、７、８Ａおよび８Ｂに示す。図６は、このアクチュエータ用の「Ｉビーム」または「ドッグボーン」形状プ
レートを示す。概略的に６０にて示されるプレートは、細長いシャフト６１およ
びエンド６２および６３を有する。外部取付けポイント６２Ａおよび６３Ａは、
例えば、外部腱をその中に連結することができる開口部であってよく、該プレー
トの一端または両端に存在させることができる。典型的には、最上層プレートの
一端および最下層プレートの他端のみを外部連結して、該アクチュエータの力を
外部荷重に伝達するが、全てのプレートを同じようにするのが簡便であろう。ワ
イヤー取付けポイント６２Ｂおよび６３Ｂもエンド６２および６３に存在させる
。これらは、簡便のため、エンドの側面に見られるが、簡便ならばどこにでも取
付けることができる。同様のワイヤー取付けポイントをエンドの他の側面に存在
させることができ、それによって、２本のワイヤーを各対のプレート間で連結し
、該アクチュエータから利用できる力を２倍にすることを許容する。

【００２６】図７は、概略的に７０にて示され、６枚の積層プレート７１ないし７６および
５本のＳＭＡワイヤー７１１ないし７１５を有するアクチュエータを示す斜視図
である。この図において、該ワイヤーはたわんで示され、該アクチュエータは伸
長した位置で示される。該プレート７１ないし７６は、黄銅のごとき導電性材料
で作製され、該プレートを平行に動かすように制限するケース７７中で、絶縁層
（図示せず）により空間的に離されて保持される。該ケース７７は、典型的に、
ポリカーボネート、ポリスチレン等のごとき熱可塑性ポリマー材料で作製される
。（ワイヤー７１１がプレート７１に取付けられる）ポイント７１１Ａおよび（
ワイヤー７１５がプレート７６に取付けられる）ポイント７１５Ａの間で、また
は、該プレートが導電性なので、プレート７１１および７１５のいずれの場所に
て該アクチュエータに電力を印加し、全ての６枚のプレートおよび５本のワイヤ
ーを通して回路を完成させる。

【００２７】図８Ａおよび８Ｂは、同様のアクチュエータの側面図であり、図８Ａは（図７
と同様に）、伸長位置のアクチュエータを示し、図８Ｂは、収縮位置のアクチュ
エータを示し、太い矢印は収縮の方向を示す。ここで、収縮は該プレートが整列
するように対称的に示されているが、必要ではない。このアクチュエータのスト
ロークは、だいたい、いずれのワイヤー個別の５倍の収縮であり、一方、該アク
チュエータにより発生され得る力はいずれのワイヤーにより発生される力よりも
実質的に低くはない。

【００２８】（本発明の全てのＳＭＡアクチュエータのように）該アクチュエータは、ＳＭ
Ａワイヤーが加熱されたときのその収縮により作動し、該アクチュエータは、図
８Ｂに示すごとく、その長さを減少させるが、当業者は、プレート７６のごとき
、プレートの一つを、該プレートの取付けポイント７１５Ｂを有する末端から反
対末端にてのエクステンション７１６で伸長することが可能であることを容易に
理解するであろう。図８Ａおよび８Ｂの取付けポイント７１１Ａとエクステンシ
ョン７６１との相対位置を比較することによって、該アクチュエータが収縮した
とき、エクステンション７６１が充分に伸長して、取付けポイント７１１Ａを越
えることが分る。かくして、最も外側のプレートのうちの一つの適当な伸長およ
び他の最も外側のプレートの固定により、収縮に基づくアクチュエータは押し引
きするであろう。

【００２９】図６ないし８Ｂのこの変形において、上記したごとく、該ＳＭＡワイヤーは該
エンドの一側面にしか示されていないが、第２の組のワイヤーを該エンドの他の
側面に有して、該駆動力を２倍にすることが可能である。また、前記したごとく
、該アクチュエータのストロークを増大させることを所望するときは、プレート
およびワイヤーの数を増加させることができる。

【００３０】プレート数を増やしたとき、複数プレートアクチュエータを駆動するのに必要
な全電圧を最小限化するのに利用可能な特徴は、奇数プレート（偶数ＳＭＡワイ
ヤー）を使用することであり、最も外側のプレート間に電力を印加する（ここで
、該プレート抵抗がワイヤー抵抗より著しく低いと仮定して、該アクチュエータ
の抵抗が、全てのワイヤーの抵抗の合計である）代りに、該最も外側のプレート
を電気的に連結し、これらの２つの最も外側のプレートと中間プレートとの間に
電力を印加することである（ここで、該アクチュエータの抵抗は、かくして、全
ワイヤーの抵抗の合計の半分である）。これはより低い供給電力の使用を可能に
するが、電流ドローは２倍になる。

【００３１】第２の局面において、本発明は、実質的に力低減がなく、機械的に複雑な溶液
様プーリー(solution like pulley)または利用可能な力を低減する機構に頼るこ
とのない単一ワイヤーストローク増大化ＳＭＡアクチュエータを提供する。本発明のこの局面の基本設計は、図９に図式的に示されるように、２つの平行
な中空低摩擦非導電性チューブまたはロッド９０１および９０２を、それらがあ
たかもプーリーであるかのようにそれらに巻きつくＳＭＡワイヤー９１０と共に
含む。該チューブ／ロッドは、該ＳＭＡワイヤーの最小曲げ半径を超える半径を
有し（前記したごとく、反復オーステナイト−マルテンサイト変態のためのこの
最小曲げ半径は該ワイヤー直径の約５０倍である）、加熱されたとき該ＳＭＡワ
イヤーの温度に耐えることが可能である低摩擦ポリマー材料で作製されるか、ま
たはそれで被覆される。該チューブ／ロッドは、図中、外チューブ／ロッドが一
定の距離に離して保持されるように剛直な一対のプレート９２１および９２２と
して示されるフレームに搭載される。該ＳＭＡワイヤーを（例えば、それに電流
を通すことによって）加熱すると、それは収縮し、該低摩擦チューブ／ロッド状
をスライドし、矢印の方向への該ワイヤー末端の移動を引き起こす。該チューブ
／ロッドの本質である低摩擦のため、該ＳＭＡワイヤーは、利用可能な力のかな
り大きな損失なくしてその上をスライドし、それは、より細いＳＭＡワイヤーを
使用することを可能にし、ワイヤー直径への冷却速度の非線形依存性のための非
常に増大した応答性をもたらす。該チューブ／ロッドまたはその被覆に適当なポ
リマーはＰＴＦＥおよび他のフッ素化ポリマーである。これらは、高温に耐える
だけではなく、また、熱を効率的に伝達し、該チューブ／ロッドも該ＳＭＡワイ
ヤーのヒートシンクとして働き、さらに、得られたアクチュエータの応答性を向
上する。その結果は、従来方法を用いて達成されるよりも小さく、より一層応答
性のアクチュエータであるが、それはプーリーの機械的複雑性を回避する。

【００３２】この局面に対する変形は、ＰＴＦＥまたは他のフルオロポリマーのごときポリ
マーで作製されるか、またはそれで内部被覆され、該ＳＭＡワイヤーの直径より
も僅かに大きな内径を有する狭いゲージ管９３１,９３２を用いて、図１０に例
示するように（該アクチュエータの一端しか示さないが、他端の同様である）、
該ワイヤーが該チューブ／ロッド９０１上を通るようにそれを内包することであ
る。この配列は該管のヒートシンク効果を増進し、導電性チューブ／ロッドの使
用を許容する。小径ＳＭＡワイヤーにつき、該ＳＭＡワイヤーにより管９３１に
与えられる力が小さい場合、図１１に示されるように、該チューブ／ロッドを省
略し得、この図は、丁度、該ＳＭＡワイヤー中の単一の曲げについてこれを例示
する（該ＳＭＡワイヤー中の他の曲げは同様に処理し得ることは明らかである）
。

【００３３】そのようなアクチュエータがいかに実行され得るかの例を図式的に図１２に示
す。ここでは、４つのアクチュエータを対向配置で用いて、ロボット股関節に用
いることができるような２自由度継手を実行する。ＳＭＡワイヤー１２０１,１
２０２,１２０３、および（この図中、リム１２２１で隠されているため図示し
ない）１２０４は、それぞれ、プレート１２００上に搭載される低摩擦チューブ
／ロッド１２１１,１２１２,１２１３,１２１４上を通過する。同様のプレート
およびロッドのセットが該アクチュエータの「裏面」を形成する（図示するが番
号付けせず）。該チューブ／ロッドを越えて該アクチュエータの「前面」から伸
びるワイヤー末端のみを示して、複雑性を最小限化し、図の理解を簡素化するが
、各ＳＭＡワイヤーの配列は、図９により完全に示されるものと同じである。該
ＳＭＡワイヤーに電力供給することによって、リム１２２１の遠位末端は、該リ
ムの末端の矢印により示されるように上下左右に動かし得、ここに、リムは玉継
手のごとき継手１２２２により該プレート１２００から連結される。組み合わせ
て、該ＳＭＡワイヤーに電力供給することにより、いかなる所望の対角線または
曲線運動を生じ得る。

【００３４】小空間中に多くのアクチュエータが必要とされる場合、例えば、対向するアク
チュエータ対を同一ロッド上で動かすが、該ＳＭＡワイヤーは対向側のフレーム
ワークから引き出すことによって、フレームワークおよび管を複数のアクチュエ
ータで共有し得る。そのような場合、該アクチュエータは独立したワイヤーであ
り得、それらを独立して活性化し、それによって、対になったアクチュエータシ
ステムのサイズを縮小する。そのような配置において一対のアクチュエータに単
一ワイヤーを用いることも可能であり、該ワイヤーはその中心に固定される。そ
の中心が電気接続であれば、該ワイヤーの半分の各々に独立して電力供給するこ
とができ、対になっているが、独立したデュアルアクチュエータシステムをもた
らす（しかし、もちろん、両方のアクチュエータを同時に活性化し得る）。その
中心を電気接続として用いず、または該ワイヤーの両末端を電気的に連結し、い
ずれかの場合において、全ワイヤーに電力供給すれば、移動し、２つの対向点に
収縮力を発生する単一アクチュエータをもたらす。そのような配置は、昆虫、ク
モ、またはムカデのごとき多肢歩行ロボットの対向面の一対の脚のごとき、対称
的デバイスに特に有用であり；対になったアクチュエータは、対向する脚が同時
に一方向、例えば、両方が一度に前方、または反対方向、例えば、一方が前方、
他方が後方に動くように配列し得る。そのような特別の使用において、ここにま
たは本出願のいずれかの箇所に記載されているように、対になったアクチュエー
タの使用により、アクチュエータ数および当該操作回路の複雑性を低減し得る。

【００３５】第３の局面において、本発明は、ＰＷＭスキームを用いて加熱され、フィード
バック機構として抵抗を使用するＳＭＡアクチュエータのアレイ用の非常にコン
パクトで簡素なコントローラ機構を提供する（当該分野でよく知られた技術であ
り、図１３に図式的に例示する）。図１３において、該ＰＷＭジェネレータ１３
０２は、デューティーサイクルおよび該コントローラーにより特定されるピリオ
ドにてＰＷＭパルスをＳＭＡエレメント１３０３に供給する。該ＰＷＭパルスの
オフピリオド中、抵抗測定システム１３０６は該ＳＭＡエレメントの抵抗を測定
し、それはサンプリングされ、サンプル・アンド・ホールドシステム１３０５に
保持される。このオフピリオドサンプリングは短いオンピリオド中の潜在的なミ
スサンプリングの危険性を回避する。該サンプル・アンド・ホールドシステムの
アナログ信号はＡ−Ｄコンバータ１３０４を通し、デジタル形態に変換し、ここ
で、それは該コントローラ１３０１により読取られる。次いで、この情報を該コ
ントローラにより用いて、該ＰＷＭジェネレータのデューティーサイクルを変化
させて該ＳＭＡエレメントの所望の位置を達成する。１を超えるＳＭＡエレメン
トを有するシステムにおいて、図１３中の破線四角内にある全てのシステムは各
アクチュエータにつき反復する必要があり、それらを含むデバイスのコストおよ
び複雑性に実質的に加わる。該コントローラを多数のサンプル・アンド・ホール
ドシステムに渡って多重化し、それによって、要求されるＡ−Ｄコンバータの数
をたった一つに低減することが知られている。

【００３６】本発明は、上記した米国特許第５,７６３,９７９号に開示されたものおよび図
１３に例示されるもののごとき方法により要求される高電流スイッチの重複を回
避し、タイミング制御を用いてサンプル・アンド・ホールドシステムの必要を排
除する。該抵抗測定システムも、複雑性において大いに低減される。本発明のこの局面において、図１４に図式的に例示されるように、全ＳＭＡア
クチュエータは同期化デューティーサイクルを有する。該ＰＷＭドライバー１４
０２から該ＳＭＡエレメント１４０３への「パワーオン」の各サイクルの始めに
該ＰＷＭコントローラ１４０１において、割込みを発生し、該コントローラは該
Ａ−Ｄコンバータでアナログ−デジタル変換を開始する。このようにして、該Ｐ
ＷＭパルスを加熱および抵抗測定電圧の両方に用いる。最小限デューティーサイ
クルは単一のＡ−Ｄ変換を実行するのにかかる時間プラス割込み待ち時間の許容
よりも長く計算される。

【００３７】従来の設計からの２つ目の変更は、該抵抗測定システム１４０５への入力を多
重化して、該抵抗測定システムおよびＡ−Ｄコンバータを全てのアクチュエータ
の間で共有することである。このように、該ＰＷＭドライバー１４０２のみが、
（破線四角で示されるように）各ＳＭＡエレメント１４０３に反復される。新た
なＡ−Ｄ変換の開始を引き起こす割込みも該マルチプレキサー１４０７をプログ
ラミングすることによって、次にサンプリングされるべき次のアクチュエータを
選択する。したがって、各ＰＷＭピリオドの間、正確に一つのアクチュエータを
サンプリングし、該コントローラが変換を開始したとき、該ＰＷＭ信号は「オン
」であることが確実である。さらに、該抵抗測定システムは、該パルスが高い場
合にのみスイッチされるマルチプレクサの後方にあるので、それは非常に簡素で
あり得る。例えば、それに単一抵抗のみを含ませることができる。好都合に、こ
れは、上記した［K. Ikuta, M. Tsukamoto, S. Hirose, "Shape Memory Alloy S
ervo Actuator with Electrical Resistance Feedback and Application for Ac
tive Endoscope"］に用いられ、該ＰＷＭパルスのオフピリオドの間に抵抗を測
定する複雑な電流源およびブリッジ回路と比較する。該システムは、アクチュエ
ータにつき一つの高電流スイッチを排除するので、上記した米国特許第５,７６
３,９７９号に記載されたものよりもより一層コンパクトであり、ほとんどの場
合、これらのスイッチが該コントローラの中で最も大きく最も高価な部分である
ので、著しい空間的およびコスト的節約を実現する。

【００３８】該マルチプレクサは、ラウンドロビン様式(round robin fashion)で連続的サ
ンプリングすべきアクチュエータを選択する一方、代替のサンプリングスキーム
は、該システムの電流使用を考慮して、サンプリングすべき次のアクチュエータ
に対して、該マルチプレクサを増分する。例えば、０％デューティーサイクル（
すなわち、オフ）のアクチュエータを省略する。多くのアプリケーションにおい
て、制限された数の利用可能なアクチュエータのみを特定の時刻にて能動的に加
熱し、それで、このアプローチは、能動的制御されるそれらのアクチュエータの
サンプル割合を著しく増加し得る。

【００３９】ＰＷＭ制御は特に魅力的である。何故ならば、多くの商業的マイクロコントロ
ーラはＰＷＭ信号を発生するために内臓ハードウェアを含有し、該コントローラ
についてのコンピュータ操作の総費用を削減し；また、ＰＷＭ出力を（「しゃべ
る」挨拶状等に用いられるもののごとき）サウンドチップに安価なＤ−Ａ変換機
構としてしばしば用いて、これらの低コストチップを本発明のＳＭＡアクチュエ
ータ用のコントローラとして適当なものにするからである。例えば、２チャンネ
ルサウンドチップを用いて、低コストコンパクトモジュールにおいて音声および
動作の両方を発生し得る。いくつかのアプリケーションにおいて、完全ＰＷＭコ
ントロールは必要とされず、安価なタイマーチップを用いて、要求されるデジタ
ル信号を発生する。また、ＰＷＭ制御は、温度信号（実際には、Ｒ_ｓｍａ信号）
が利用可能な場合、電流ドローを低減する。何故ならば、該ＳＭＡエレメントを
過熱することを防止するのに電流制限抵抗が必要でないからである。また、ＳＭ
Ａワイヤー中の電流フローは、（全ての固体導体と共に）該ワイヤーの表面に集
中する傾向があるので、「ホットスポット」および不均一な熱分布の危険性があ
り、該ワイヤーの寿命を短縮する。該活性電圧をパルス発生することは、該ＳＭ
Ａワイヤーにおける熱伝導がより均一な熱分布をもたらすようにする。さらに、
従来のＤＣ制御システムにおいて、該ＳＭＡ電流は効率的に一定で、比較的低い
。何故ならば、電流制限抵抗により決定されるからであり、その値は、一度、該
ＳＭＡエレメントが完全に収縮したときに、該ＳＭＡの過熱を回避するように選
ばれる。ＰＷＭまたは抵抗フィードバックを有するパルス化スキームにおいて、
高デューティーサイクルを用いて、最初に該ＳＭＡエレメントを加熱し、高速初
期動作をもたらす。該デューティーサイクルは、該ＳＭＡエレメントが所望の位
置に達したときに減少し得、該ＳＭＡエレメントを所望する状態に維持するのに
充分な電力のみを供給する。

【００４０】さらなる局面において、本発明は、位置制御および瞬時またはピーク抵抗値へ
のキャリブレーションに対する決定に基づくよりも、むしろ、低コスト埋込みマ
イクロコントローラのメモリおよびプロセシング出力を用いて、長時間にわたる
抵抗挙動を解析する。このアプローチは、キャリブレーションおよび位置制御に
よりよい性能をもたらし、また、以前は入手できなかった情報を引き出せるよう
にする。特に、該システムは、広い操作範囲内で、自動的にＳＭＡ配置に適合し
得、連続的キャリブレーションおよび位置制御を実行し得、該アクチュエータに
負荷された荷重を検出し得、および該アクチュエータとある外部物質との間の衝
突の機械的障害も検出し得る。

【００４１】自動キャリブレーション図１５は、Ａ_ｓ以下からＡ_ｆ以上まで加熱したアクチュエータのコンダクタン
スと位置との間の関係を示す。位置（収縮の程度）の変化を電圧印加開始からの
時間に対して正数として実線でプロットし；一方、コンダクタンスを時間に対し
て破線でプロットする。位置とコンダクタンスの目盛は、曲線の類似性が最も簡
単に分るように選び、位置の類似物としてのコンダクタンスの使用を例示する。
典型的なアクチュエータに対する加熱時間は約０．３〜１秒である。該コンダク
タンスはセンス抵抗を横切る電圧降下を測定することによって（図１６に例示す
るごとく）測定することができる。該ＳＭＡエレメントに印加される一定印加電
圧Ｖ_ｓｍａについて、（抵抗Ｒ_{ｓｅｎｓｅ}を有する）センス抵抗を横切る電圧降
下は該ＳＭＡエレメントおよびセンス抵抗を通る電流フローに直接比例する。し
たがって、該ＳＭＡエレメントのコンダクタンス（１／Ｒ_ｓｍａ）は、該電流か
ら、および、それゆえ、該Ａ−Ｄコンバータ１６０２により測定される電圧から
容易に計算し得る。このデジタル電圧信号は、該コントローラ／ＰＷＭジェネレ
ータ１６０１に使用するのに特別に適合される。初期加熱の間、コンダクタンス
（１／抵抗）は減少し、次いで、ある時間後に方向を変え、増加し始める。コン
ダクタンスの変化が逆転するまでは動作は起らない。この時点がＣ_ｍｉｎ（Ｒ_ｍ _ａｘ）であり、Ａ_ｓに対応する。通常、Ａ_ｓ以下のこの領域の情報は無用とみな
され、位置制御スキームから除外される。しかしながら、解析および実験は、こ
の逆転の深さおよび持続時間が該アクチュエータに負荷される荷重に比例するこ
とを示す。かくして、該抵抗−位置曲線を横切る水平線をＣ_{ｓｔａｒｔ}（伸長の
ないコンダクタンス）から電気的に「引き」、該コンダクタンス／時間曲線とそ
の線間の面積（図１５中斜線で示される）を計算し、次いで、（実験的に決定さ
れた）適当なスケール因子を掛けることによって、該アクチュエータが作動する
のに抵抗して負荷された荷重を計算し得る。これらの測定は、たった数ミリメー
ターのストロークを有するアクチュエータで、負荷された荷重として１枚と２枚
の１セントコインの差が分る程の正確度でなし得る。

【００４２】次に、図１５において、位置とコンダクタンスとの間の比較的直線関係の領域
に引続き、コンダクタンス変化に別の逆転が見られる。コンダクタンスピークの
頂点はＲ_ｍｉｎに対応しない。何故ならば、見られるように、該アクチュエータ
の位置は、その時点では、依然として変化しているからであり、Ａ_ｆにはまだ達
していないことを示す。かくして、Ｒ_ｍｉｎに単純なピーク検出器を用いるシス
テムは、Ｒ_ｍｉｎを過大評価する。より良い性能は、該コンダクタンスがプラト
ーに達する値を記録することによって達成される。この時点で、該合金の温度は
Ａ_ｆかままたはそれ以上であり、最大変位が達成される。

【００４３】Ｒ_ｍｉｎおよびＲ_ｍａｘの検出は、その絶対値よりも抵抗の時間変化に完全に
依存するので、該システムは異なる長さのＳＭＡ構成部品に動的に適合し得る。
支持し得る長さへの束縛は：（１）該ＳＭＡを加熱するのに用いる電源は該ＳＭ
ＡをＡ_ｆ温度に達成させることが可能であるべきであり、および（２）該ＳＭＡ
の抵抗は充分に大きくて、該ＳＭＡは、該制御システムが反応し得るよりもより
も速く、Ａ_ｆに達して過熱するべきではない。実際には、これは、広い範囲のサ
イズにおいて同一の制御システムが自動的に適合することを可能にし；それは、
多くのアプリケーションにおいて、該制御システムが同時に異なる長さの多数の
アクチュエータを同時に制御であろうから、特に魅力的である。

【００４４】抵抗フィードバック制御図１６は、第１の抵抗測定（抵抗フィードバック）技術を例示する。コントロ
ーラ／ＰＷＭジェネレータはＰＷＭ論理パルスをＰＷＭ出力１６０１Ａから（Ｆ
ＥＴまたはバイポーラトランジスタのごとき）電力スイッチトランジスタ１６０
３に送り、それは、電力が該ＳＭＡエレメントを流れるようにする。ＳＭＡエレ
メントのオーステナイト相とマルテンサイト相との間の抵抗変化は小さく、典型
的に、該ＳＭＡエレメントの抵抗のたった約１０％であることを考えれば、測定
の感度が要求される。図１６において、できるだけ小さな値、例えば、１Ωを有
するＲ_{ｓｅｎｓｅ}抵抗を選んで、最大電流が該ＳＭＡエレメントＲ_ｓｍａを加熱
するのに利用可能にする。今度は、これはＲ_{ｓｅｎｓｅ}を横切る電圧変化が小さ
く、該コントローラ／ＰＷＭジェネレータ１６０１のＡ−Ｄピンに与えられる前
に増幅器１６０２により増幅されるべきであることを意味する。印加電圧Ｖ_ｓｍ _ａの最も実用的な値に関して、該Ａ−Ｄコンバータピンにての電圧は、該ＰＷＭ
信号が低い場合、最大許容電圧（典型的に約５Ｖ）を超えるであろう。しかしな
がら、この伝統的に設計された回路は、該コントローラ１６０１がＡ−Ｄ変換能
力を有すること（またはＡ−Ｄコンバータの追加）のみならず、該回路がセンス
抵抗および増幅器１６０２を含むことも要求する。

【００４５】図１７に図式的に例示される改良されたセンシング回路において、該センス抵
抗および該増幅器の両方が排除され、該コントローラはＡ−Ｄ変換能力を要求し
ない。該コントローラ／ＰＷＭジェネレータ１７０１の出力１７０１ＡにてのＰ
ＷＭ信号はロジック「１」（「オン」）にあり、該スイッチングトランジスタ１
７０３はＲ_ｓｍａで表記されるＳＭＡエレメントを通る電流フローを許容し；該
コントローラ上の入力位置１７０３Ｂにての電圧は該スイッチングトランジスタ
１７０３を横切る電圧降下未満のＶ_ｓｍａである。同一の電圧がキャパシターＣ
１の非接地ターミナルにて観察される。該入力位置１７０１Ｂは入力ピンであり
、それゆえ、高インピーダンスであるので、該ＳＭＡエレメントを通る電流フロ
ーを妨害しない。

【００４６】位置１７０１ＡからのＰＷＭ信号がロジック「０」（該デューティーサイクル
の「オフ」パートの間）に行くとき、該スイッチングトランジスタ１７０３は該
ＳＭＡエレメントを通る電流フローを切り、キャパシターＣ１は即座に該ＳＭＡ
エレメントを通じて放電を開始する。結局、位置１７０１Ｂにての電圧はその入
力の切換え閾値以下にまで降下し、該入力はロジック「１」からロジック「０」
に切り換わる。該キャパシタＣ１が放電し、一旦、該ＰＷＭ信号がロジック「０
」に行くのにかかる時間を測定することによって、Ｒ_ｓｍａＣ１に対するＲＣ
定数を決定し得る。Ｃ１は一定なので、Ｒ_ｓｍａの値を決定し得；前記したよう
に、この値は該マルテンサイト−オーステナイト変態の間に変化する。同様の方
法は、該スイッチングトランジスタ１７０３とグラウンドとの間の代りに、該ト
ランジスタ１７０３とＶｓｍａとの間で並列であるＳＭＡエレメントおよびキャ
パシタを含み、キャパシタの放電時間よりもむしろ充電時間を測定し、それを用
いてＲｓｍａの値を決定する。ＲＣ時定数測定を含む他の同様の方法は、本開示
を考慮して、当業者に明らかであろう。

【００４７】位置センシング加熱および冷却の最初の数サイクルの間に上記手段によりＲ_ｍｉｎおよびＲ_ｍ _ａｘを同定してしまえば、該制御システムは、該ワイヤーが加熱の初期段階、直
線セクションまたは最上部プラトーにあるかどうかを知る単純な状態機器(state
machine)の出力に基づき、正確に位置を報告し得る。

【００４８】力検出加熱および冷却の数サイクル後、該制御システムは初期抵抗逆転の大きさおよ
び持続時間を学習し、これが無負荷状態であるとみなす。この先のサイクルにお
いて、該システムは、該初期荷重の倍数または分数として荷重を報告し得る。

【００４９】衝突検出加熱および冷却の数サイクル後、該制御システムはどこに上部プラトーが出現
するかの「予測」を開発する。該プラトーが予測よりも高い抵抗値にて出現する
ならば、該アクチュエータは機械的に妨害されているか、または熱的環境が変化
してしまっているかのいずれかであり、該電源はもはやＡ_ｆに達するまでの充分
な出力を提供し得ない（例えば、該ＳＭＡワイヤーが冷媒と熱的接触により冷却
されているかもしれないし、または冷却空気流がその上にあたっているかもしれ
ない）。多くのアプリケーションカテゴリーにおいて、熱的環境条件が変化する
可能性は低く、それで、該システムは機械的障害とみなし得る。事実、該システ
ムは、当該曲線の直線部分のどこに該プラトーが出現するかに基づき、該障害が
該ストロークに沿ってどれくらい離れているかを推定さえし得る。

【００５０】システム故障検出最後に、加熱中の電圧の突然のスパイクまたは電圧の不存在は、当該ソフトウ
ェアにより開放回路または短絡回路状態のいずれかとして解釈され得、適切な工
程をとって、該システムの安全および命令による遮断を保証する。細いＳＭＡワ
イヤーは、実質的に過熱されると焼け、可燃性環境において着火源となり得る。いくつかの先行技術ＳＭＡデバイスは単一のアクチュエータで位置または荷重
を決定しているが、本発明の魅力的な特徴は、対向アクチュエータを用いた場合
（洗練されたアプリケーションには一般的である）、測定は活性化されたアクチ
ュエータのみを用いて行うことができる。加熱収縮しているＳＭＡのみの測定は
、該ＳＭＡ変態の固有ヒステリシスの取扱いを回避し、対向しているが電圧印加
されていないアクチュエータの非加熱ワイヤーは純粋に低力定数バネ力として機
能するので、正確な位置および荷重測定、および位置制御を可能にする。該ソフトウェアにより認識される特徴の全ては単純であるので、（いくらかの
基本的フィルタリングの後）非常に少ない計算しか要しない。これは、該システ
ムは、アプリケーション専用集積回路としてのハードウェアで、または低コスト
の埋込みマイクロコントローラ上のソフトウェアで完全に実行し得ることを意味
する。

【００５１】マイクロコントローラ特徴フィードバックのないシステムに関して、アクチュエータあたりたった１本の
マイクロコントローラピンしか必要ではないが；いくつかのアクチュエータを同
時に駆動する必要があるならば（６本脚歩行おもちゃの３本脚のごとき）、単一
出力ピンを用いていくつかのスイッチングトランジスタを駆動し、それゆえ、い
くつかのアクチュエータを制御し得る。バネバイアスを用いるとき、アクチュエ
ータ数は低減し；それゆえ、バネバイアスを持つ６本脚歩行物体は４本程度の少
ない出力ピン−２組の脚の各々に対して各２つ（「持上げ」および「前方移動」
）を必要とする。フィードバックのあるシステムに関して、アクチュエータあた
り２本のピン−１本はＰＷＭ出力のため、他方は位置センシング入力のため必要
であり；キャパシタセンシングスキームを用いるならば、アクチュエータあたり
タイマー入力ピンも必要である。入力ピン数を減少させることが必要であれば、
もちろん、マルチプレクサを用いることができる。出力ピン数はＡｌｌｅｇｒｏ
ＵＤＮ５８３１のごときマルチチャンネルドライバーチップを用いることによっ
ても減少させることができ、それは３２個の高電流出力ドライバーおよびシリア
ルペリフェラルインターフェースを含有し、その上では、シリアルビットを該ド
ライバーに送り、保存する。多くのＳＭＡアクチュエータを持つシステムにおい
て、該アクチュエータを制御するコンピュータ操作の総費用は相当なものになる
であろう。該コントローラのはるかに最上のコンピュータ操作上強力な活動は、
多くのチャネルに対するＰＷＭ信号の発生および当該センサーフィードバック値
について割込みを提供することである。該ＰＷＭ信号を完全にソフトウェアで発
生するならば（チップ上にはＰＷＭハードウェアがない）、８ＭＨｚ Motorola
HC08マイクロコントローラが約１２個のアクチュエータを同時に駆動し得るだけ
である。しかしながら、ＰＷＭジェネレータはハードウェアで容易に実行し得、
マルチプレクサ、ＰＷＭジェネレータ、およびセンシングピンを含有するカスタ
ムチップを開発し得、これは、シリアルペリフェラルインターフェースを用いて
該マイクロコントローラと通信し、かくして、制御し得るアクチュエータの数を
増加させ得る。

【００５２】実施例−ミニチュアストローク増大化アクチュエータ図１８は、概略的に１８１にて示されるこの具体例のプレートおよびワイヤー
のアッセンブリーを展開図で示す。これらのプレートは、プレート１８１１を最
も下にして、続けて、プレート１８５１２から１８１５まで連続し、プレート１
８１６を最上部にして平行アレイに積重ねる。各プレートは剛直であるが、該Ｓ
ＭＡワイヤー１８２１ないし１８２５上にそれぞれクリンプ継手１８２１Ａおよ
び１８２１Ｂないし１８２５Ａおよび１８２５Ｂにて、該ワイヤーを損傷するこ
となく当該材料をクリンプすることを許容する材料で作製する（該ＳＭＡワイヤ
ーの過剰収縮は脆性および変態特性に変化を与える）。該プレートに適当な材料
はハーフハードカートリッジ黄銅(half hard cartridge brass)である。該ワイ
ヤーを取り付ける他の方法を用いることができるが、クリンピングが簡便で、経
済的であって、組み立てられたアクチュエータのサイズを増大しない魅力的な方
法である。最も下のプレート１８１１は、最も上のプレート１８１６と比較して
、最も大きく移動するアクチュエータのプレートであり、該アクチュエータによ
り動かされる目的のため外部接続用の取付けポイント１８１１１が備えられ、典
型的に、該ＳＭＡワイヤーの伸長および収縮の間のその移動を制限するためのス
トップと噛み合うための突出部１８１１２および電力リード線（図示せず）を取
り付けるための開口部１８１１３として示される取付けポイントが備えられる。
最も上のプレート１８１６は、刻み目または開口部１８１６１が備えられてケー
ス（この図では図示せず）に対する配置を可能にし、他の出力リード線（図示せ
ず）と取り付けるための開口部１８１６２として示される取付けポイントが備え
られる。

【００５３】図１９はケース１８３０中の組み立てられたアクチュエータの側面図を示す。
該プレート１８１１ないし８１６の各々およびクリンプ継手１８２１Ａないし１
８２５Ｂを示すが、明確性のため、ＳＭＡワイヤー１８２５のみを示す。該プレ
ートは０．２ｍｍ厚のハーフハードカートリッジ黄銅（ＣＡ２６０）で作製され
、損傷なくして該ＳＭＡワイヤーの適当なクリンピングを許容し、依然として、
該プレートに充分な剛性を与える。０．０８ｍｍカプトンポリイミドフィルム、
タイプＨＮの絶縁層（図示せず）を該プレートの裏面に適用するか、または同様
の材料のシートを該プレート間に挟むことができ、該プレート間の電気的分離を
保証し、低摩擦スライディング表面を与える。該ワイヤーは９０℃変態点を持つ
５０μｍＤｙｎａｌｌｏｙＦｌｅｘｉｎｏｌであり、１０ｇプレ荷重張力下で
取り付けて、そうしなければ該アクチュエータに動作損失を生じるたるみを回避
する。該ケースに適当な材料は、ポリカーボネートまたは相当物のごときエンジ
ニアリング熱可塑性プラスチックである。得られたアクチュエータは４ｍｍの高
さ、３ｍｍの幅、３０ｍｍの伸長長、および２６ｍｍの収縮長を有し、４ｍｍス
トローク（１３％ストローク／長さ比）を与える。完成アクチュエータはたった
０．７ｇの重さである。該アクチュエータは３５ｇの収縮力、４ｇの復元力、お
よび１Ｋｇの限界力と共に、０．５秒間の収縮時間および０．７秒間の冷却時間
を有する。６．０Ｖにて、平均電流は５０ｍＡで１１０ｍＡのピーク電流であっ
た。

【００５４】図２０Ａおよび２０Ｂはアクチュエータの停止機構を図示的に例示し、最も先
まで動いたプレートのみをケース内の断面で示す。内部でプレート２０１０がス
ライドするケース２００１は、使用環境に対して該アクチュエータボディに取り
付けるための取付けポイント２００２が備えられ、ストップ２００３で示される
開口末端を有する。プレート２０１０は、使用環境に対して接続するための取付
けポイント２０１１、内側突起部２０１２および外側突起部２０１３（「内側」
および「外側」なる語は、該ケース２００１に対して規定される）が備えられる
。図２０Ａに示すように、該アクチュエータがその完全伸長位置にあるとき、プ
レート２０１０上の内側突起部２０１２がストップ２００３と噛み合わさって該
アクチュエータのさらなる伸長を防止する。図２０Ｂに示すように、該アクチュ
エータがその完全収縮位置にあるとき、外側突起部２０１３がストップ２００３
と噛み合わさって収縮を制限する。このように、（１）（該アクチュエータによ
り発揮される力よりもはるかに大きな）過剰な外部伸長の付与が該ＳＭＡエレメ
ントに過剰ストレスを与えることも、（２）該アクチュエータがその能力の限界
まで収縮することもなく、かくして、該ＳＭＡエレメントが衰え、復元力を失っ
たときでさえ、ＳＭＡエレメントにつきよく知られているように−該アクチュエ
ータは、該停止機構間で完全なる範囲で依然として動く。

【００５５】実施例−歩行昆虫本発明のアクチュエータの多くの可能性のあるアプリケーションのうちの一つ
は小さな移動ロボットまたはロボットおもちゃにある。作製されている一つのお
もちゃは６本脚ロボット歩行昆虫である。ＳＭＡを用いて、生きているような生
気と運動性を与える。図２１は、概略的に２１００にて示されるMotorola MC68H
C08MP16マイクロコントローラおよび９Ｖバッテリーを含有する内部本体フレー
ム２１１０（１１ｃｍ×３ｃｍ）の上に見えるように搭載された６つのＳＭＡア
クチュエータ２１０１ないし２１０６（脚あたり一つ）を持つ６本脚おもちゃ昆
虫を示す。６つの同様のアクチュエータ２１２１ないし２１２６（この図中、末
端のみ見える）は、該内部フレームの下に搭載される。各アクチュエータは該お
もちゃの対応脚に連結される（アクチュエータ２１０１および２１２１は脚２１
１１に連結される、等）。アクチュエータ２１０１ないし２１０６は該フレーム
２１１０に関してそれらの対応する脚の末端を持上げるように作動し、一方、ア
クチュエータ２１２１ないし２１２６は、図２２ないし２４に関して説明するご
とく、該フレーム２１１０に関して該脚の末端を後方に動かすように作動する。
さらなるアクチュエータ２１０７および２１０８は、それぞれ、触覚２１１７お
よび２１１８に連結され、該触覚を閉じるように作動する。これらのアクチュエ
ータの各々は、番号付けされていないバイアススプリングにより対抗され、それ
は各脚の末端を前方および後方に引っ張り、触覚を開くこととなる。図２２、２
３および２４は、いかに２つのＳＭＡアクチュエータが該おもちゃの各脚に取り
付けられるかを示す。該昆虫の脚および本体は、熱可塑性プラスチック、例えば
、Ｌｅｘａｎのごときポリカーボネートのごときいずれの適当な軽い剛直な材料
でも作製し得る。

【００５６】図２２は、該昆虫本体フレームの上方および左側の図を示し、代表的な例とし
て、該昆虫の左後ろ脚２１１２を例示する。２つのアクチュエータ２１０２およ
び２１２２は、該脚２１１２がフレーム２１１０に結合する場所である破線２１
３２および（図２３において）２１４２で示される回転軸で２自由度継手に連結
される。両方のアクチュエータが弛緩（伸長）するとき、バネ２１５２は、該バ
ネ２１５２近くのアーチ状の矢印に示されるように、該フレームに関して該脚２
１１２の末端を押し下げ、該昆虫の体重を支えて、電力を消費せずに立てるよう
にする。該フレーム２１１０の上部に搭載されたアクチュエータ２１０２が収縮
するとき、該アクチュエータ２１０２近傍の矢印により示されるように、それは
レバー２１６２上の（番号付けしない）腱により引張って、該脚を水平軸２１３
２周りに回転させ、該脚を持上げる。該アクチュエータ２１０２が弛緩するとき
、該バネ２１５２は該脚をその元の位置に戻す。該アクチュエータ２１０２の収
縮量を制御することによって、該脚２１１２を特定量持上げ得る。該レバー２１
６２の長さおよび該バネ２１５２の力を変化させることによって、さまざまなス
テップ高および体重を適合し得る。該アクチュエータ２１２２が弛緩するとき該
脚２１１２は該バネ２１７２により前方に保持される。該アクチュエータ２１２
２が収縮するとき、該アクチュエータ２１２２近傍の矢印により示されるように
、それは、該脚のＬ−型エクステンション２１８２を引張り、それを軸２１４２
周りに回転させ、該脚２１１２をアーチ状に後方にスイングさせる。該アクチュ
エータ２１２２が弛緩するとき、該バネ２１７２は、バネ２１７２に近接する矢
印により示されるように、該脚をその元の位置に戻す。該脚に連結される２つのアクチュエータの各々の収縮度合を制御することによ
って、該脚の足を該アクチュエータの動く範囲により規定される長方形内のいず
れの任意の経路をも描けるように作製し得る。図２３は、該フレームの後ろから見た同一の脚を示し、より明確に、アクチュ
エータ２１０２の動作およびその対抗バネ２１５２を例示し；一方、図２４は両
方の自由度を例示する。

【００５７】残りの５本の脚は同じように取り付けられ、２本の触覚も（図２１に示すよう
に、それらは、水平アーチの動きのためのみにヒンジで取り付けられているので
、これらは触覚あたりたった一つのアクチュエータを必要とするが）同様である
。該昆虫が歩くとき、その足のうち３つはどの時点でも地面上にあり、それで、
それは自身をたった３本の脚で支え得るべきである。したがって、バネは、それ
ぞれ、該昆虫の全重量の少なくとも３分の１を支えることが可能であるべきであ
る。今度は、これは、該脚を持上げるのに使用される本体上部のアクチュエータ
はこれらのバネに打ち勝つほど充分強くあるべきことを意味する。該レバーの長
さを選んで、それが該水平軸周りに回転したときに、該継手および該脚とで形成
されるモーメントアームと同じになるようにすれば、該足は該アクチュエータ収
縮と同一の距離だけ上げることが可能である。かくして、額面７０グラムの力を
発生し、４ｍｍ収縮するアクチュエータは、約２００ｇの重さの昆虫を支え、そ
の足を地面から４ｍｍ持上げることが可能である。実際には、所望される足の持
上げ量は、普通、荒れた地形上の歩行に適合するようにもっと大きく、それで、
足モーメントアームに対するレバーの比率を低下させて、より高い足持上げ量で
あるがより低い荷重運搬能をもたらす。

【００５８】上記したMotorola MC68HC08MP16のごとき、安価な８ビットマイクロコントロ
ーラを用いて、必要なＰＷＭ信号を発生させ、用いる１４個のアクチュエータの
抵抗値変化を測定することができる。次いで、ソフトウェアは、該６本脚のおの
おのに特定の位置まで移動することおよびいつその位置が達成されるかを決定す
ることを命令する。このように、文献に広く記載されている３本脚歩行のごとき
歩行アルゴリズム（例えば、［C. Ferrell, A Comparison of Three Insect Ins
pired Locomotion Controllers, Massachusetts Institute of Technology Arti
ficial Intelligence Laboratory Memorandum, Cambridge MA. USA; and M. Bin
nard, Design of a Small Pneumatic Walking Robot, Massachusetts Institute
of Technology, Cambridge MA. MS Thesis, 1995］を参照せよ。）は、容易に
実行し得；該触覚は開閉するように作製することができる。

【００５９】そのようなロボットまたはおもちゃに対して、例えば、単一のアクチュエータ
を両方の触覚を閉じるために用いる、バネ対抗アクチュエータよりも対向する対
のアクチュエータを用いる等、設計および所望される工学精巧性のレベルに依存
する数多くの修飾を行うことができることは当業者に明白であろう。同様の設計
技術を用いて、ＳＭＡアクチュエータが有用であろう多くの作業のいずれも達成
することができ、ＳＭＡアクチュエータの分野における通常の技術の設計者／製
造者およびそれらの使用は、過度な実験なくして、ＳＭＡアクチュエータおよび
それらを含有するデバイスを設計／製造することが可能である。本発明のセンシ
ングおよび制御の局面は一般に全てのＳＭＡアクチュエータおよびそれらを含有
するデバイスに利用可能であり、それらの使用は本発明の第１および第２の局面
のストローク増大化ＳＭＡアクチュエータに限定されないことも明らかであろう
。かくして、本発明のセンシングおよび制御の局面は、従来の直線ワイヤー、コ
イルワイヤー、または、既に当業者に知られ、例えば、当該分野の知識を代表す
るものとして、本出願で引用された文書に記載されるもののごとき他のＳＭＡア
クチュエータを用いることもできる。

【００６０】本発明のＳＭＡアクチュエータのための、センシングおよび制御機能を含む様
々な機能を実行するのに必要なソフトウェアは、ＳＭＡアクチュエータの当業者
により、ならびに、彼らの技術および、本出願で引用される文書および本明細書
の開示を含むそのような人が入手可能な情報を考慮すれば、それらの使用により
容易に完成されるであろう。

【００６１】発明の概要で論じられたように、本発明は、電気機械的能動材料（通常、広い
温度範囲にわたり温度と直線関係のあるタイプの熱的伸長収縮の通常プロセスに
よる以外で、電流通過または電圧負荷で伸長または収縮する材料）を用いる他の
アクチュエータを含む。そのような材料は、例えば、ピエゾエレクトリック材料
またはある種の電気能動ポリマーを含む。典型的に、これらの材料は、電気的に
活性化されたとき、非常に制限された伸長または収縮しか示さず、アクチュエー
タとしてそれらを用いるデバイスは、典型的に、形状記憶合金エレメントを含む
アクチュエータにつき本出願で詳細に論じられたタイプのストローク増大化に適
合させる。また、制御およびセンシング技術はそのような他のアクチュエータに
等しく適切である。かくして、本明細書で「ＳＭＡアクチュエータ」なる語を用
いるとき、それが形状記憶合金エレメントを含むアクチュエータのみをいうこと
が文意から明らかでない限り、電気機械的能動材料、特に形状記憶合金エレメン
トを含むエレメントを使用するアクチュエータを含むものと解釈されるべきであ
る。

【００６２】本明細書の種々の修飾および変形は当業者に明らかであり、本発明の範疇およ
び精神から逸脱しない。本明細書は特別の好ましい具体例に結び付けて説明され
てきたが、特許請求され発明はそのような特別の具体例に過度に制限しないもの
と理解されるべきである。実際、本発明を実施するための記載された態様の様々
な修飾は、当業者に明白であり、特許請求の範囲の範囲内であることが意図され
ている。

【図面の簡単な説明】

【図１】典型的なＳＭＡエレメントについての長さ対温度グラフを示す。

【図２】典型的なＳＭＡエレメントについての抵抗対温度グラフを示す。

【図３】本発明のＳＭＡアクチュエータの第１の具体例を示す。

【図４Ａ】本発明のＳＭＡアクチュエータの第２の具体例を示す。

【図４】本発明のＳＭＡアクチュエータの代替の第２の具体例を示す。

【図５】本発明のＳＭＡアクチュエータの第３の具体例を示す。

【図６】本発明のＳＭＡアクチュエータの代替の第３の具体例のための剛直
エレメントを示す。

【図７】図６の剛直エレメントを使用するＳＭＡアクチュエータの代替の第
３の具体例の斜視図である。

【図８Ａ】図７のアクチュエータの伸長配置の側面図を示す。

【図８Ｂ】図８Ａのアクチュエータの収縮配置の側面図を示す。

【図９】単一ＳＭＡワイヤーの使用を例示する本発明の第２の局面のＳＭＡ
アクチュエータを図示的に示す。

【図１０】図９のアクチュエータのＳＭＡワイヤーを導くための低摩擦チュ
ーブの使用を示す。

【図１１】ガイドチューブの単独使用を示す。

【図１２】本発明の第２の局面の４−アクチュエータアッセンブリーを示す
。

【図１３】ＳＭＡアクチュエータ用の従来型のＰＷＭコントローラーを示す
。

【図１４】多動化ＰＷＭコントローラーを示す。

【図１５】加熱されたＳＭＡエレメントにおけるコンダクタンスおよび位置
の時間変化を示すグラフである。

【図１６】ＳＭＡアクチュエータ用の従来型の抵抗フィードバック制御を示
す。

【図１７】ＳＭＡアクチュエータ用の抵抗フィードバック制御のためのキャ
パシタ感知回路を示す。

【図１８】本発明のＳＭＡアクチュエータの第４の具体例の剛直部材および
ＳＭＡワイヤーを示す。

【図１９】図１８の部材／ワイヤーアッセンブリーを用いて組み立てられた
アクチュエータを示す側面図である。

【図２０Ａ】ＳＭＡアクチュエータの完全伸長配置における停止機構の使用
を示す。

【図２０Ｂ】図２０ＡのＳＭＡアクチュエータの完全収縮配置における停止
機構の使用を示す。

【図２１】本発明のＳＭＡアクチュエータを含有する歩行昆虫モデルを示す
。

【図２２】図２１の昆虫モデルの１の脚の操作を示す側面および上面図であ
る。

【図２３】図２２の脚の操作を示す背面図である。

【図２４】図２２の脚の操作を示す斜視図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号６０／１４８，５１６ (32)優先日平成11年８月12日(1999．8．12) (33)優先権主張国米国（ＵＳ） (31)優先権主張番号６０／１４８，５１７ (32)優先日平成11年８月12日(1999．8．12) (33)優先権主張国米国（ＵＳ） (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ストローク増大化形状記憶合金アクチュエータ。
【請求項２】互いにスライド可能な複数の平行剛直部材を含み、各々は、
複数の形状記憶合金ワイヤーによりお互いに連結され、該アクチュエータのスト
ロークが該個々の形状記憶合金ワイヤーのストロークの合計と実質的に等しいこ
とを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項３】該剛直部材が一連の同心円チューブである請求項１または２
に記載のアクチュエータ。
【請求項４】該剛直部材が一組の平行プレートである請求項１または２に
記載にアクチュエータ。
【請求項５】該形状記憶合金ワイヤーは、該アクチュエータの増分ストロ
ークを達成するために独立して電圧印加が可能である請求項１ないし４いずれか
１記載のアクチュエータ。
【請求項６】該形状記憶合金ワイヤーは、ピーク電力消費を最小限化する
ために順々に電圧印加が可能である請求項５記載のアクチュエータ。
【請求項７】当該形状記憶合金ワイヤーの最小曲げ半径より大きな半径を
有し、剛直構造により平行に離れて保持される一対の低摩擦非導電性ロッドまた
はチューブに包まれている形状記憶合金ワイヤーを含む請求項１記載のアクチュ
エータ。
【請求項８】該非導電性ロッドまたはチューブがＰＴＦＥのごときフッ素
化ポリマーで作製されるか、または被覆される請求項７記載のアクチュエータ。
【請求項９】剛直構造により離れて保持される対向する一対の非導電性チ
ューブを通すことによって当該形状記憶合金ワイヤーの最小曲げ半径より大きな
湾曲周りに導かれた形状記憶合金ワイヤーを含む請求項１記載のアクチュエータ
。
【請求項１０】該非導電性チューブがＰＴＦＥのごときフッ素化ポリマー
で作製されるか、または被覆される請求項９記載のアクチュエータ。
【請求項１１】当該フレームワークおよびロッドまたはチューブが複数の
アクチュエータで共有される請求項７ないし１０いずれか１記載のアクチュエー
タ。
【請求項１２】パルス幅変調電源および該パルス幅変調電源からのパルス
幅変調信号を用いて抵抗加熱される複数の形状記憶合金アクチュエータ、ならび
に抵抗測定回路およびアナログ−デジタルコンバータを含んで、各アクチュエー
タの抵抗を用いてそのアクチュエータを制御し、ここに、該抵抗測定回路および
アナログ−デジタルコンバータはマルチプレクサにより該複数の形状記憶合金ア
クチュエータに接続されているデバイス。
【請求項１３】抵抗測定およびアナログ−デジタル変換のための該マルチ
プレクサによる該複数の形状記憶アクチュエータの各々の選択がラウンドロビン
様式(round robin fashion)で連続的に行われることを特徴とする請求項１２記
載のデバイス。
【請求項１４】抵抗測定およびアナログ−デジタル変換のための該マルチ
プレクサによる該複数の形状記憶アクチュエータの各々の選択が、電圧印加され
ていないアクチュエータを選択しないことによるごとき、ラウンドロビン様式(r
ound robin fashion)以外で行われることを特徴とする請求項１２記載のデバイ
ス。
【請求項１５】形状記憶合金アクチュエータの制御方法であって、該アク
チュエータが電圧印加されたとき、アクチュエータの抵抗の時間変化を測定し、
該抵抗の時間変化から該アクチュエータの制御情報を与えることを特徴とする該
方法。
【請求項１６】該アクチュエータをキャリブレーションするための制御情
報を与えることを特徴とし、ここに、該アクチュエータの物理的パラメータは前
もって知られていない請求項１５記載の方法。
【請求項１７】抵抗をフィードバック変数として用いる位置制御機能を実
行することによって該アクチュエータの制御情報を与えることを特徴とする請求
項１５記載の方法。
【請求項１８】形状記憶合金アクチュエータに負荷された荷重の測定方法
であって、該アクチュエータが電圧印加されたとき、該アクチュエータの抵抗の
時間変化を測定し、次いで、該抵抗の時間変化から該アクチュエータに負荷され
た荷重を決定することを特徴とする該方法。
【請求項１９】形状記憶合金アクチュエータが直面する衝突または機械的
障害を検出する方法であって、該アクチュエータが電圧印加されたときに該アク
チュエータの抵抗の時間変化を測定し、次いで、該抵抗の時間変化から該アクチ
ュエータが直面する衝突または機械的障害を検出することを特徴とする該方法。
【請求項２０】形状記憶合金アクチュエータにおけるシステム故障を検出
する方法であって、該アクチュエータが電圧印加されたとき、該アクチュエータ
の抵抗の時間変化を測定し、次いで、該抵抗の時間変化から該システム故障を検
出することを特徴とする該方法。
【請求項２１】形状記憶合金アクチュエータに並列接続されるキャパシタ
および、当該制御システム内に該キャパシタの充電時間または放電時間を測定す
るための時間測定回路を含み、それによって、該キャパシタの充電時間または放
電時間から該アクチュエータの抵抗を決定することを特徴とする形状記憶合金ア
クチュエータの抵抗フィードバック制御システム。
【請求項２２】さらに少なくとも１の停止機構を含み、過剰な外力の負荷
による該アクチュエータの過剰伸長を防止するか、該アクチュエータのストロー
クをその利用可能なストローク未満に制限するか、または両方を行うことを特徴
とする請求項１ないし１１いずれか１記載のアクチュエータ。