JP3956613B2

JP3956613B2 - ＮｉＴｉＣｕ形状記憶合金通電アクチュエータ素子

Info

Publication number: JP3956613B2
Application number: JP2000375117A
Authority: JP
Inventors: 豊延田中; 宏堀川; 敬三岩崎; 賢悟水戸瀬
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.; Furukawa Techno Material Co Ltd
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.; Furukawa Techno Material Co Ltd
Priority date: 2000-12-08
Filing date: 2000-12-08
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2020-12-08
Also published as: JP2002180951A; US20020112788A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、形状回復歪みの劣化率が小さく、応答速度の速いＮｉＴｉＣｕ形状記憶合金通電アクチュエータ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
形状記憶合金アクチュエータ素子は、例えば、長さを記憶させた直線状ワイヤであり、荷重負荷状態で、室温で歪みを生じ、Ａ_ｆ以上の温度で元の記憶長さに戻る二方向動作を繰り返す素子である。
【０００３】
ところで、前記従来の形状記憶合金にはＮｉＴｉ形状記憶合金ワイヤが用いられているが、前記の二方向動作を多数回繰り返すと永久歪みが生じて、室温での歪みが大きくなり、Ａ_ｆ以上の温度で元の記憶長さに戻らなくなる（以下、いずれも形状回復歪みの劣化率が大きくなると表現する）という問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このようなことから、形状回復歪みの劣化率の小さい合金ワイヤが探索され、その結果ＮｉＴｉＣｕ形状記憶合金ワイヤが提案された（特開平２−１１６７８６号公報）。しかし、この合金ワイヤも形状回復歪みの劣化率を十分には小さくできず、しかもこのワイヤを用いたアクチュエータ素子は形状回復のための加熱を水や空気などを介して行うため応答速度が遅いという問題があった。本発明は、形状回復歪みの劣化率が十分小さく、応答速度の速いＮｉＴｉＣｕ形状記憶合金通電アクチュエータ素子の提供を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、通電加熱により形状回復させる、Ｔｉを４９．０〜５１．０ａｔ％、Ｃｕを５．０〜１２．０ａｔ％含有し残部がＮｉからなり、４００〜６００℃の温度範囲で形状記憶熱処理された線径０．５ｍｍ以下のＮｉＴｉＣｕ形状記憶合金ワイヤに、その破断荷重の１０〜３０％の荷重を負荷しながらＡｆ以上の温度に加熱し、次いでＭｆ以下の温度に冷却するサイクル処理を繰り返し施したアクチュエータ素子であって、形状回復動作を所望回繰り返したときの形状回復歪みの劣化率が０．２％以下であることを特徴とするＮｉＴｉＣｕ形状記憶合金通電アクチュエータ素子である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明のアクチュエータ素子はＮｉＴｉＣｕ形状記憶合金からなり、合金元素のＣｕは形状回復歪みの劣化率を小さくし、かつ応答速度を速める働きがある。Ｃｕの含有量を５．０〜１２．０at％に規定する理由は、５．０at％未満ではその効果が十分に得られず、１２．０at％を超えると加工性が悪化し、また形状回復歪み率（荷重負荷状態での加熱時と冷却時の歪み率の差）が小さくなるためである。形状回復歪み率が大きく、かつ安定して回復するためには、Ｃｕの含有量は６．０〜８．０at％が特に望ましい。Ｔｉの含有量を４９．０〜５１．０at％に規定する理由は、Ｔｉの含有量がこの範囲外では加工性が悪化するためである。
【０００７】
本発明において、形状回復のための加熱を通電加熱により行う理由は、通電加熱は、加熱速度が速い（応答速度が速い）、加熱操作が簡単、通電電流を変えることで加熱速度を自由に制御できる、などのためである。一方、通電加熱は、加熱速度が速いため温度分布が不均一になってワイヤに疲労が生じ易いが、本発明ではこの欠点をワイヤの線径を０．５ｍｍ以下に細くすることで解消した。線径を０．５ｍｍ以下に細くすると形状記憶合金ワイヤの加熱冷却速度が速まるため形状回復歪みの劣化率の低減および応答速度の短縮が図れる。
【０００８】
本発明のアクチュエータ素子に用いられるＮｉＴｉＣｕ形状記憶合金ワイヤは、直線状の他、コイル状など任意の形状にして用いられる。直線状アクチュエータ素子は、形状が簡素なため通電加熱時の電流密度、温度分布、応力分布などが均一となり易く、アクチュエータの設計が容易に行える。本発明のアクチュエータ素子は、弾性域に近い狭い歪み幅（温度ヒステリシス幅が狭い）で動作させ、これを増幅して使用することで形状回復歪みの劣化率をより小さくでき、寿命延長と動作の再現性向上が図れる。前記動作の増幅はコイル形状のアクチュエータ素子などにより達成される。
【０００９】
本発明で用いるＮｉＴｉＣｕ形状記憶合金ワイヤは、ＮｉＴｉＣｕ形状記憶合金鋳塊に熱間加工、冷間伸線加工、形状付与、形状記憶熱処理をこの順に施す常法により製造することができる。前記冷間伸線加工では適宜中間焼鈍を施すが、最終の冷間伸線加工率は１５〜６０％で、形状回復歪み率が大きくなり推奨される。前記形状記憶熱処理時の温度は４００℃未満でも６００℃を超えても十分な形状回復歪み率が得られなくなるので４００〜６００℃の温度範囲が望ましい。
【００１０】
前記製造方法により作製したＮｉＴｉＣｕ合金アクチュエータ素子の形状回復歪みは、その初期の劣化率が大きいものであった。そこで、本発明は、この初期の大きい劣化率を、前記ＮｉＴｉＣｕ形状記憶合金ワイヤに「荷重を負荷しながらＡ_ｆ以上の温度に加熱し、次いでＭ_ｆ以下の温度に冷却する操作を繰り返す」予備処理を施して、予め除去することで改善し、使用時における形状回復歪み劣化率を０．２％以下に改善したアクチュエータ素子である。前記予備処理における負荷荷重は、ワイヤが塑性変形するほど大きいとワイヤに与えるダメージが大きくなって形状回復歪み率が減少し、荷重が小さすぎると前記予備処理による効果が十分に得られなくなる。従って、前記負荷荷重はワイヤの破断荷重の１０〜３０％、特には１５〜２５％が適当である。
【００１１】
前記予備処理におけるＡ_ｆ以上の加熱は、通電加熱、炉中加熱等任意の方法により行うことができる。加熱温度は、あまり高いとワイヤに与えるダメージが大きくなり形状回復歪み率が小さくなる。〔Ａ_ｆ＋１０〜５０〕℃が望ましい。前記Ｍ_ｆ以下の冷却は線径が細いので自然冷却（放冷）で十分であるが、空気を吹き付けるなどして強制冷却しても良い。
【００１２】
【実施例】
以下に、本発明を実施例により詳細に説明する。
（実施例１）
Ｔｉ５０．５ａｔ％、Ｃｕ７．０ａｔ％含み、残部ＮｉからなるＮｉＴｉＣｕ合金鋳塊に熱間加工を施し、次に適宜中間焼鈍を入れつつ冷間で伸線加工を施して、最終冷間加工率４０％で、線径０．２０ｍｍのＮｉＴｉＣｕ合金ワイヤを製造した。製造したＮｉＴｉＣｕ合金ワイヤに５００℃、０．５分保持の形状記憶熱処理を施して長さを記憶させたのち、通電加熱疲労試験機を用いて負荷荷重１７５ＭＰａ、０．５Ａ、５秒通電、１５秒放冷の条件による通電加熱−室温放冷のサイクル試験を行い、通電加熱時の歪みの劣化率αおよび放冷時の歪みの劣化率βを測定した。また初期の形状回復歪み率γも測定した。
その結果は、α＝０．４５％、β＝０．３３％、γ＝４．３２％であった。
【００１３】
前記劣化率αは１０００サイクル後の通電加熱時の歪み率、前記劣化率βは１０００サイクル後の放冷時の歪み率から初期の放冷時の歪み率を差し引いた値、前記形状回復歪み率γは初期の放冷時の歪み率である（図２参照）。なお、前記劣化率α、βはいずれも１０００サイクル目でほぼ飽和した。
【００１４】
前記通電加熱疲労試験機１は、図１に示すように形状記憶合金ワイヤ（アクチュエータ素子）２の両端をそれぞれ圧着端子３により把持し、一方の圧着端子３を保持部４を介してＳＵＳ製摺動軸５に連結し、この摺動軸５をバイアスばね６で形状記憶合金ワイヤ２に張力を負荷する構造からなる。形状記憶合金ワイヤ２は、Ａｆ以上の温度に加熱されると、図１（イ）に示すようにバイアスばね６の張力に抗して元の記憶長さに戻り、Ｍｆ以下の温度に冷却されると図１（ロ）に示すように強度が低下してバイアスばね６の張力に屈して歪みを生じる（延伸する）。形状記憶合金ワイヤ２は図示しない通電装置により通電加熱される。
【００１５】
（実施例２）
次に、実施例１で用いたＮｉＴｉＣｕ合金ワイヤに、３００ＭＰａの荷重（破断荷重の２２％）を負荷しながら１１０℃（Ａ_ｆ＋２５℃）の炉の中に５秒入れて加熱し、次いで室温で５秒放冷するサイクルを１０回繰り返す予備処理を施し、その後、実施例１と同じ通電加熱疲労試験を行い、同様に通電加熱時の歪みの劣化率α、放冷時の歪みの劣化率βを測定した。
その結果、α＝０．１１％（実施例１では０．４５％）、β＝０．０２％（実施例１では０．３３％）と、いずれの形状回復歪み率も大幅に改善されているのがわかる。
【００１６】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明のアクチュエータ素子は、通電加熱により形状回復させる、線径の細い、ＮｉＴｉＣｕ形状記憶合金ワイヤからなるため、形状回復歪みの劣化率が小さくかつ応答速度が速い。前記本発明のアクチュエータ素子はＣｕの含有量を６．０〜８．０at％に規定し、形状記憶熱処理温度を４００〜６００℃に規定し、更にその破断荷重の１０〜３０％の荷重を負荷しながらＡ_ｆ以上の温度とＭ_ｆ以下の温度間を複数回往復させる予備処理を施すことにより、形状回復歪みの劣化率をより小さくできる。依って、工業上顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】通電加熱疲労試験機の説明図で、（イ）は通電加熱時の状態、（ロ）は放冷時の状態である。
【図２】形状回復歪みの劣化率α、βと形状回復歪み率γの説明図である。
【符号の説明】
１通電加熱疲労試験機
２形状記憶合金ワイヤ
３圧着端子
４圧着端子保持部
５ＳＵＳ製摺動軸
６バイアスばね

Claims

通電加熱により形状回復させる、Ｔｉを４９．０〜５１．０at％、Ｃｕを５．０〜１２．０at％含有し残部がＮｉからなり、４００〜６００℃の温度範囲で形状記憶熱処理された線径０．５ｍｍ以下のＮｉＴｉＣｕ形状記憶合金ワイヤに、その破断荷重の１０〜３０％の荷重を負荷しながらＡ_ｆ以上の温度に加熱し、次いでＭ_ｆ以下の温度に冷却するサイクル処理を繰り返し施したアクチュエータ素子であって、形状回復動作を所望回繰り返したときの形状回復歪みの劣化率が０．２％以下であることを特徴とするＮｉＴｉＣｕ形状記憶合金通電アクチュエータ素子。