JP4532543B2 - 形状記憶合金ワイヤの連続的品質制御の方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、形状記憶合金（shape memory alloy：以下「ＳＭＡ」と記す）で作られたワイヤの連続的な品質制御の方法および装置に関する。ただし、以下において、最も重要な用途と考えられるワイヤについて説明するが、本発明の方法は、他の同様な形状すなわち一方向の寸法が極めて大きく、他の二方向の寸法が極めて小さい、テープなどの形状についても適用できる。

形状記憶現象は、この現象を発現する合金で作られた機械部品が温度変化に応じて、製造時に予め定められた２種類の形状の間を中間の平衡的な状態なしに非常に短時間で変転することで知られている。この現象はいわゆる「一方向」型で起きることがあり、その場合は機械部品は温度変化の結果として、例えば形状Ｂから形状Ａへ、単一の向きにのみ変形することができ、ＡからＢへの逆向きの変転には機械的な力が必要になる。これに対していわゆる「二方向」型は、どちらの向きの変転も温度変化で起き得る。

このような材料は、低温で安定なマルテンサイトと呼ばれる組織形態から高温で安定なオーステナイトと呼ばれる組織形態へ、あるいはその逆向きに、ミクロ組織が変態する。２つの形状間の変態は、温度−伸び線図上で４つの温度で特徴付けられるヒステレシスサイクルに沿っておきる。マルテンサイト相が安定な低温から出発して加熱してゆく過程で、オーステナイト相への変態が開始する第１の温度Ａｓに達し、次に、オーステナイト相への変態が終了する第２の温度Ａｆに達する。オーステナイト相が安定な温度域から出発して冷却してゆく過程で、マルテンサイト相への変態が開始する第３の温度Ｍｓに達し、次に、この変態が終了する第４の温度Ｍｆに達する。このようなヒステレシスサイクルの線図は例えばアメリカ合衆国特許第4,896,955号およびヨーロッパ特許公報０８０７２７６に開示されている。

上記各々の変態が起きる実際の温度は材料の種類と製造過程に依存するが、材料によらず各変態温度の序列はＭｆ＜Ｍｓ、Ａｓ＜Ａｆであり、Ｍｓ＜Ａｆあるいはその逆になるかどうかは生ずる２相間の遷移の速度に依存している。形状記憶合金の実例はアメリカ合衆国特許第6,309,184号に開示されており、代表例はＮｉ−Ｔｉ合金であり、特にＮｉが５４〜５５．５wt％で残部がチタンの組成である（微量の他成分は許容される）。

実用上は、ＳＭＡワイヤは、特定の試験で評価される幾つかの機能上および技術上の特徴を持たねばならない。ＳＭＡワイヤの特性を調べるための代表的な試験方法は下記の４種類である。

１．疲労強度
ワイヤのサンプル（例えば長さ１０ｃｍの試験片）を炉内に入れ、一方の端部を吊り、他方の自由端部に錘を下げる。錘はワイヤの直径に応じて選択し、実際の使用時の耐久荷重とほぼ同等にする。サンプルを繰返し加熱および冷却すると、連続的な伸び縮みサイクルが起きた後に破断する。

２．永久歪
上記の試験と同一条件の試験で破断が起きる繰返し数よりも少ない繰り返し数（例えば破断が起きる繰返し数の７５％あるいは９０％）で試験したサンプルの正味の永久歪を測定する。

３．ヒステレシスサイクル
サンプルの組成について予想される各温度で伸び縮み遷移が実際に起きることを確認するために用いる。この試験も上記１の試験と同一条件で行なう。

４．変形量（ストローク）
遷移過程におけるサンプルの伸び縮みのパーセントを測定する。この最後の試験も上記１の試験と同一条件および同一実験装置で行なう。

上記４種類の試験は全て抜き取り試験であり、例えばワイヤ１ｋｍ程度毎に１サンプルについて行なえばよいが、試験１、２は破壊試験であり必ず複数本のサンプルで試験することになるのに対して、試験３、４を連続的に行なえることが望ましい。実際には、試験３、４を抜き取り試験のように行なうことは欠点がある。

まず一つの欠点として、ワイヤ全長に対して抜き取り頻度が非常に低いのでワイヤの特性に不均質性があっても検出されない可能性がある。更にその上、現在の操業方式では、これらの試験は製造プロセスと並行して行われるため、製造ラインからサンプルを採取してオフライン試験を行なうのに時間とコストが増大する。最後に、工業生産上はワイヤはできるだけ長い方が良いが、前述のサンプル試験を行なうにはワイヤを分断する必要がある。

そこで本発明の目的は、上記の欠点を克服する方法および装置を提供することである。

この目的は、本発明の第１の観点による方法として、形状記憶合金ワイヤまたは類似物を連続的に品質制御する方法であって、下記の工程：
ａ）ワイヤを装置内に供給し、該ワイヤの材料に特有の各遷移温度を含む範囲をカバーする温度遍歴を該装置内で該ワイヤにさせる工程、
ｂ）種々の既知温度に対応する該装置の各所定箇所で、該ワイヤの長さ変化を直接または間接にインラインで測定する工程、
ｃ）温度と長さ変化のデータを用いて、箇所毎に、温度−伸び線図における上記材料のヒステレシス曲線を求める工程、
を含む方法によって達成される。

本発明の方法および装置の主たる利点として、ワイヤの特性検査を抜き取りではなく連続的に行なえることであり、それにより製造全体について製品の品質制御ができる。

もう一つの顕著な利点として、品質制御をオンラインで行なうので、サンプル採取およびオフライン試験のための時間と費用を節約できる。

本発明の方法および装置のこれらおよびその他の利点および特徴は、以下に述べる一実施形態についての詳細な説明により当業者に明瞭に理解されるであろう。

図１に、本発明の方法を行なうための装置の模式的な正面図を示し、図２に、図１の装置の模式的な上面図を示す。

本発明の方法の基本的な考え方は、ワイヤを測定装置内を連続的に通過させ、上述した特有の各遷移温度を包含する範囲に亘る温度遍歴を該測定装置内で該ワイヤにさせ、該温度遍歴中の該ワイヤの長さ変化をインライン測定することである。望ましくは、測定装置への入出時のワイヤ温度は室温とし、該装置の少なくとも１領域においてＡｆ以上（望ましくはＡｆより高い）の温度にワイヤを加熱する。該装置内に、連続または不連続（階段状）の温度プロファイルを設定できる。

本発明の方法の第１実施形態においては、例えばワイヤに該装置の支持箇所を滑らせてワイヤの伸びを直接測定することが可能であり、ワイヤの長さ変化により上記支持箇所間の沈下量を増減させ、この沈下量を測定することにより、支持箇所間で生ずる長さ変化を求めることが可能であり、ひとたび各箇所での温度および長さ変化が知れれば、ワイヤのヒステレシス曲線を求めることが可能である。

しかし、伸びは小さいため直接に測定することは困難である上、直接測定にはワイヤに張力を影響させないように精密光学機器を用いる必要もある。

したがって、本発明の望ましい実施形態においては、装置内の種々の温度の領域間を通過するワイヤの速度変化を測定する。長さ変化は初期長さに対するパーセントで表示できることを考えると、ある温度から別の温度へ通過する際の長さ変化は、長さの時間による一次微分すなわち速度として測定できる。より正確には、本発明の方法においては、装置内を走行するワイヤが通る異なる温度の数箇所の間でのワイヤの速度差を求める。言い換えると、種々の温度の一連の複数領域の中にワイヤを既知の速度と適当な一定の張力で供給し、各温度におけるワイヤの速度を測定することにより、ある温度から別の温度へ通過したときに生ずる伸び（または縮み）の量を求めることが可能である。そして、速度変化を積分することにより、各箇所毎に温度−伸び線図でのヒステレシス曲線を求め、２つの温度間の遷移での変形量を算出することも可能である。

この測定方法は、上述の沈下量による方法で行う伸びまたは縮みの直接測定に比べてワイヤ速度の測定が簡便である。

本発明の第２の観点は、本発明の方法を行うための装置に関する。

速度変化を測定できる装置の一例は前記の図に示してあり、同図に示すようにワイヤＦは入側解き出し機Ｂで解き出され、出側巻き取り機Ｂ’で巻き取られる。ワイヤＦの張力は、入側解き出し機Ｂの下流にあり２つの駆動ローラＲを備えたユニットＶで制御され、そこでワイヤは数回巻き付き、ユニットＶのルーズアームＣでワイヤの張力を検出する。アームＣで張力を測定する目的は、ローラＲに作用して張力を一定に保つことであり、場合によっては、ワイヤの速度を制御し出側巻き取り機Ｂ’の上流にあるユニットＶ’のローラＲ’にも作用する。ユニットＶとユニットＶ’は相互にフィードバックするために接続されている。

２つのユニットＶとＶ’との間には、一連の複数の恒温槽Ｔがあり、各恒温槽Ｔ内では公知の調節器によって所定温度が一定に保たれており、それにより、特定の温度プロファイルを不連続な形態で生成する。図示した実施例においては、温度が階段状に変化すなわち隣接槽の温度差２０℃で先ず上昇した後に下降する１３個のチャンバＴを配列して、温度プロファイルとして４０−６０−８０−１００−１２０−１４０−１６０−１２０−１００−８０−６０−４０℃を設定する。

各チャンバＴにアイドルプーリＭを配置してチャンバ温度に保持し、プーリＭにワイヤＦを滑らせずに巻きつけ、プーリＭの回転速度を高分解能エンコーダで精密に検出することでワイヤＦの速度を測定する。これらのチャンバＴ群の上流側および下流側にそれぞれエンコーダを備えた２個のプーリＭを配置して、通常２０℃である室温でのワイヤ速度を検出する。

各温度に保持された各チャンバＴでのワイヤＦの速度が分かり、プーリＭ間のピッチが既知であるから、ワイヤの温度と伸びとの関係を求めることが可能である。適当な既知の手段で各パラメータ測定値を連続的にリアルタイムで記録し、パラメータ測定値が許容範囲を外れたときに自動的に起動するワイヤマーキング手段も配備することが望ましい。

別の実施形態として、ユニットＶとユニットＶ'との間に単一の両端開口型の加熱チャンバを配置し、このチャンバの長手軸に沿って各プーリＭを移動させることができる。チャンバの中心領域を着目範囲の最高温度（上記の例では１６０℃）にすると、このチャンバの開口両端での温度拡散により「ベル形」の温度プロファイルがこの単一チャンバの長手軸に沿って形成され、中央が最高温度となり、両端に向かって規則的に温度低下する。チャンバの温度プロファイルが分かったら、チャンバ内の各所望温度（例えば、前述の実施形態の１３個のチャンバの各温度）の位置まで各プーリＭを移動させる。チャンバの温度プロファイルは、チャンバの長手軸に沿って複数箇所の温度を測定することによって分かる。これは例えば熱電対や光学式パイロメータなどの適当の機器によって行なう。上記複数箇所の温度測定は、適当なキャリブレーション試験（較正試験）の際に行なえるし、実際のワイヤ検査試験の際に連続的に行なってもよい。望ましくは、チャンバ長手軸に沿って配列した各温度測定箇所は各プーリＭの配置箇所に対応させる。

上記にて図解を含めて説明した本発明の方法および装置の実施形態は、もちろん単なる例であり種々の変更が可能である。特に、構造上および操作上の幾つかのパラメータ、例えばチャンバＴの個数、チャンバ間の温度差、ワイヤの解き出し、巻き取り、供給の各ユニットなどを変更できる。隣接プーリＭ間のピッチも分かっている限り一定でなくともよい。また、装置の長手軸に沿って階段状の温度プロファイルを設ける実施形態においては、チャンバＴを用いずにジュール効果（少なくとも温度上昇については）でワイヤを加熱し、その際にワイヤが接触する複数箇所（すべて同一の複数のプーリＭでよい）に種々の電圧を印加し、ワイヤの各部分毎に所定の電圧降下を設定し、ワイヤの抵抗が分かれば各部分で既知の温度を予め設定できる。

同様に、速度を上記エンコーダ付きプーリとは異なる手段で測定することができる。すなわち、例えば、ワイヤ表面に一定間隔で配置したマークの通過を光学機器で検出してもよいし、あるいは、レーザ読み取り式光学機器を用いればワイヤ表面のマークは不要であり、ドップラー効果によって速度を測定する。

本発明の装置は、種々の実施形態において、更にワイヤマーキング手段を備えることができ、これにより、パラメータの測定値が許容範囲を外れたワイヤ部分にマーキングを施すことができる。このワイヤマーキング手段は一般に、あるワイヤ部分が規格を外れたことを装置が検知したら自動的に起動される。

ＳＭＡ合金で作られたワイヤ全長の１００％について所要特性を有することを保証できるのは本発明の装置および方法のみである。しかし、要求水準がもっと低い用途について、本発明の方法および装置はワイヤ全長より少ない、ワイヤ全長の７５％のチェックを行なうために用いることができる。それには、例えばワイヤ全長の一部を本発明の装置に通してもよいし、あるいは、装置で測定されるデータを一部の時間について記録しなくてもよい。この時間内は、入側解き出し機Ｂから出側巻き取り機Ｂ'までワイヤの走行速度を速くして、合計操業時間を短縮することができる。この操業方式により、低品質でよい用途においては、低コストで、十分な信頼性を得ることが可能である。

本発明の方法を行なうための装置の模式的な正面図である。 図１の装置の模式的な上面図である。

Claims (12)

1. 形状記憶合金のワイヤ（Ｆ）を連続的に品質制御する装置であって、下記：
   ａ）該ワイヤに特有の遷移温度を包含する範囲内の既知の温度プロファイルを、該ワイヤ（Ｆ）の長手方向に沿って設定するのに適した手段、
   ｂ）上記種々の温度の個々において該ワイヤ（Ｆ）の長さ変化を直接または間接的に測定するのに適した手段、および
   ｃ）ワイヤ（Ｆ）供給ユニット（Ｂ、Ｂ’、Ｖ、Ｖ’）、
   を含む装置。
2. 請求項１において、上記ワイヤの長さ変化を、種々の温度に設定された種々の支持箇所の間で生ずる沈下量の光学手段での測定により直接測定することを特徴とする装置。
3. 請求項１において、上記供給ユニット（Ｂ、Ｂ’、Ｖ、Ｖ’）が上記ワイヤ（Ｆ）の張力および供給速度を調節するのに適しており、該ワイヤの長さ変化を、種々の温度に設定された種々の箇所での該ワイヤの速度を測定するのに適した手段で間接的に測定することを特徴とする装置。
4. 請求項１において、上記ワイヤの長手方向に沿って既知の温度プロファイルを設定するのに適した上記手段が、種々の電気抵抗値に設定されたワイヤの接触点を備えていることを特徴とする装置。
5. 請求項１において、上記ワイヤの長手方向に沿って既知の温度プロファイルを設定するのに適した上記手段が、１個以上の恒温槽（Ｔ）を含むことを特徴とする装置。
6. 請求項１において、複数の恒温槽（Ｔ）を備え、個々の恒温槽（Ｔ）は自動調節システムによって所定温度に維持されており、上記ワイヤの長さ変化を直接または間接的に測定するのに適した手段が、個々の恒温槽（Ｔ）内に配置されていることを特徴とする装置。
7. 請求項１において、単一の恒温槽（Ｔ）の中心領域が、上記範囲内の連続的な温度プロファイルを生成するように加熱されており、上記ワイヤの長さ変化を直接または間接的に測定するのに適した手段が、該恒温槽（Ｔ）内の長手方向に沿った所定箇所に配置されていることを特徴とする装置。
8. 請求項７において、上記単一の恒温槽（Ｔ）の長手方向に沿った所定箇所に温度監視手段を更に備えていることを特徴とする装置。
9. 請求項７において、上記所定の温度監視箇所が、上記ワイヤの長さ変化を直接または間接的に測定する手段の配置されている箇所と一致していることを特徴とする装置。
10. 請求項１に記載の装置を用いて、形状記憶合金ワイヤを連続的に品質制御する方法であって、下記の工程：
    ａ）ワイヤを装置内に供給し、該ワイヤの材料に特有の各遷移温度を含む範囲をカバーする温度遍歴を該装置内で該ワイヤにさせる工程、
    ｂ）種々の既知温度に対応する該装置の各所定箇所で、該ワイヤの長さ変化を直接または間接にインラインで測定する工程、
    ｃ）温度と長さ変化のデータを用いて、箇所毎に、温度−伸び線図における上記材料のヒステレシス曲線を求める工程、
    を含む方法。
11. 請求項１０において、上記ワイヤを既知の速度と一定の張力で供給し、上記長さ変化の測定を、上記装置の長手方向に沿った種々の保持箇所の間での沈下量に基づいて行なうことを特徴とする方法。
12. 請求項１０において、上記ワイヤを既知の速度と一定の張力で供給し、上記長さ変化の測定を、上記装置の種々の箇所の間でのワイヤの速度変化を測定することによって行なうことを特徴とする方法。

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