JPH01118739A - 形状記憶合金コイルばね特性測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は形状記憶合金コイルばねの測定装置に係り、特
に、バイアスばねなと他の部品と組み合わせた二方向動
作をする形状記憶合金アクチュエータの特性を測定でき
る形状記憶合金コイルばね測定装置に関する。

［発明の概要］ この発明は、形状記憶合金コイルばねをバイアスばねな
と他の部品と組み合わせた二方向動作をするアクチュエ
ータに用いる際、この形状記憶合金コイルばねの温度変
化による発生力を検出するロードセルをモータ等で直線
的に動かし、その動き量から擬似的にバイアスばね力を
求め、ロードセルの値がバイアスばね力を考慮した値に
なるようにモータを制御することにより、バイアスばね
なと他の部品を使用せずにアクチュエータとしての特性
を評価できるようにしたものである。

［従来の技術］ 一般に、形状記憶合金は形状記憶処理、変形、形状回復
のための加熱の組み合わせにより母相状態で記憶してい
た形状に回復するという特異な性質を有することから、
各種アクチュエータとして利用されている。形状記憶合
金をアクチュエータとして使用するに際しては、小さな
歪で大きな動作範囲が得られることから、これをコイル
ばね状にするのが一般的である。

また、アクチュエータとしては変形と形状回復をくり返
すことが必要であるが、大抵の形状記憶合金は一度形状
を回復すると合金自身では再び変形状態には戻らない。

従って、繰返し動作をさせるためには、マルテンサイト
状態で外部の力で変形させてやる必要があり、通常この
外部の力としてはコイル状あるいは板状のバイアスばね
を利用している。

形状記憶合金コイルばねとバイアスばねを組み合わせた
形状記憶合金アクチュエータの製作は、一般に形状記憶
合金コイルばねの実測データをもとに、変形時および形
状回復時夫々のたわみと荷重の選定、バイアスばね定数
の選定、さらに動作特性、ヒステリシス現象、疲労特性
、取り付はスペースなどから判断して最適ばね諸元（線
径、コイル径、巻数など）を選定して形状記憶合金コイ
ルばねを製作した後、バイアスばねと組み合わせてアク
チュエータとしての動作確認し、設計に合わない場合は
形状記憶合金コイルばねやバイアスばねを製作し直し、
再度組み合わせて動作させることをくり返して行ってい
る。

従来、かかる形状記憶合金コイルばね自体の特性を測定
する装置としては、恒温槽内で形状記憶合金コイルばね
の引張試験を行い、そのときの温度、たわみ、発生力、
電気抵抗を測定するものが知られている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、かかる従来の形状記憶合金コイルばね特
性測定装置にあっては、形状記憶合金コイルばね自体の
特性しか測定できないため、形状記憶合金コイルばねを
アクチュエータとして使用する場合には、その非線形性
やヒステリシスを考慮して、まず、形状記憶合金コイル
ばねの設計・製作を行い、次いでバイアスばねな机上設
計で求め、それの製作、そしてそれらを組み合わせての
動作確認という手順をくり返して仕様に合う形状記憶合
金アクチュエータを製作せざるを得ないものであった。

そのため、形状記憶合金アクチュエータの製作には多く
の時間と労力を要していた。

本発明の目的は、形状記憶合金コイルばね自体の静特性
が測定できるほか、バイアスばねを使用せずに形状記憶
合金コイルばねのアクチエエータとしての特性を測定で
きると共に、最適バイアスばねをも実験的に設計できる
ようにした形状記憶合金コイルばね特性測定装置を提供
することにある。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明は、一端が固定され
た形状記憶合金コイルばねの他端が固定されるロードセ
ルと、ロードセルを形状記憶合金コイルばねの伸縮方向
に移動させる移動手段と、形状記憶合金を加熱する手段
と、ロードセルの穆動変位を検出する変位検出手段と、
形状記憶合金コイルばねの温度を検出する温度検出手段
と、ロードセルの出力値を検出する荷重検出手段と、変
位検出手段と荷重検出手段の検出値に応じ°て移動手段
を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。

［作　用］ 本発明によれば、形状記憶合金コイルばねの一端を固定
部に固定し、他端をロードセルに固定した後、加熱手段
によって加熱しつつ、その温度、変位、荷重を夫々温度
検出手段、変位検出手段、荷重検出手段によって測定す
ることができる。

静特性の測定にあっては、定温特性は移動手段によって
変位を与え荷重を測定する。定荷重特性は加熱手段によ
り温度を変化させて荷重検出手段での荷重が一定となる
よう移動手段によって移動し、そのときの変位を測定す
る。定たわみ特性は移動手段により一定の変位を与えて
おき加熱手段により温度を変化させて荷重を測定して得
られる。

また、動特性の測定は移動手段により擬似的にバイアス
ばね力を発生させ、変位検出手段と荷重検出手段の検出
値に応じて制御手段により移動手段を制御することで行
なわれる。

従って、形状記憶合金コイルばね自体の静特性が測定で
きるほか、バイアスばねを用いることなく動特性を測定
できるのである。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を添附図面を参照しつつ説明する
。

第１図は本発明の実施の一形態を示すブロック構成図で
ある。

同図において、Ａは一端が固定された形状記憶合金コイ
ルばね、Ｂは該コイルばねＡの他端が固定されるロード
セル、Ｃは該ロードセルＢを形状記憶合金コイルばねの
伸縮方向に移動させる移動手段である。Ｄは形状記憶合
金コイルばねＡを加熱する加熱手段、ＥはロードセルＢ
の移動変位を検出する変位検出手段、Ｆは形状記憶合金
コイルばねＡの温度を検出する温度検出手段、Ｇはロー
ドセルＢの出力値を検出する荷重検出手段、Ｈは変位検
出手段Ｅおよび荷重検出手段Ｇの検出値に応じて８動手
段Ｃを制御する制御手段である。

次に、本発明の一実施例にかかる形状記憶合金コイルば
ね特性測定装置の概略構成を第２図に示し、その機構部
の正面図および側面図を夫々、第３図および第４図に示
す０図において、１は移動手段であるリニアモータ、２
はロードセル、３はリニアスケール、４はロードセル２
が取付けられるスライドベアリングであり、リニアモー
タｌの可動コイルと接続されロードセル２が移動される
。

ロードセル２の移動量はスライドベアリング４に固定し
たリニアスケール３で検出している。

ロードセル２の出力は温度・荷重測定器７を介して制御
回路であるコンビエータ８に取り込まれる。また、リニ
アスケール３の出力はモータドライバ・コントローラ６
を介して移動量としてコンピュータ８に取り込まれる。

リニアモータ１の制御指令は測定条件によりコンピュー
タ８で決定して、モータドライバ・コントローラ６に送
り、リニアモータ１を駆動する。

形状記憶合金コイルばね５の取付けは、その取替えが容
易なようにチャック１２および１３で行なわれ、一端は
支持板１４に固定され、他端は剛性が高く、全長が異な
る形状記憶合金コイルばねに対応できるように長さ調節
ができる支持棒１５を介してロードセル２に接続されて
いる。また、チャック１ｚおよび１３は通電加熱が行え
るようにテフロン材を介して支持板１４や支持棒１５と
絶縁されている。

形状記憶合金コイルばねを定温状態にするには恒温槽９
を用いて行う、２０はヒータであり、２１は冷却水用配
管である。ヒータ２０の替りに形状記憶合金コイルばね
５に直接通電し加熱するようにしてもよい、加熱媒体と
しては、フッ素系不活性液体１１を使用し、温度計測は
熱電対ｌＯで行ワている。熱電対１０の出力は温度・荷
重測定器７を介してコンピュータ８に取り込まれる。

本実施例は恒温槽９内での形状記憶合金コイルばね５の
発生力を忠実に検出するため、リニアモータ１、スライ
ドベアリング４、リニアスケール３を取りつけた固定板
１６を恒温槽９上部に縦に配置している。そのため、リ
ニアモータ１は上下に動くことになるので、ｍ力の影響
を受けることになる。そこで、ｍ力の影響をできるだけ
少なくするため、固定板１６の裏側にカウンタバランス
１９をつけたスライドベアリング１８を設け、スライド
ベアリング４およびスライドベアリング１８同志をプー
リー１７を介してローブで連結する。これにより、形状
記憶合金コイルばね５の動きに追随できる速度を容易に
得ることができる。

尚、本例では、リニアモータを使用しているが、形状記
憶合金コイルばねの変形の速さに追随してロードセルを
動かす手段としては、スライドベアリングをラックに固
定し、これをとニオンを介して、回転型モータで駆動し
て行うこともできる。

上記構成になる本実施例により、形状記憶合金コイルば
ね自身の定温、定たわみ、および定荷重のそれぞれの場
合の静特性の測定法を以下、制御手順の一例として示す
フローチャートに基づき説明する。

そこで、定温状態におけるたわみと荷重の関係は恒温槽
９で形状記憶合金コイルばね５を定温に保った状ｆｉで
リニアモータ１を動かして形状記憶合金コイルばね５に
変位を与え、その時のリニアスケール３とロードセル２
の値を測定することにより得る。

すなわち、所定の温度状態で測定が開始すると、先ずス
テップＳｔにおいて形状記憶合金コイルばね５の全長に
応じてロードセル２の最大移動変位ｆｆ１ｘ＋ａ□を設
定し、次にステップＳ２において形状記憶合金コイルば
ね５の測定したい変位量毎にリニアモータ１をステップ
的に駆動する値であるステップ移動変位量ΔＸを設定す
る。

そこで、ステップＳ３においてロードセル２の値をイニ
シャライズし、ステップＳ４において移動変位ｆｆ１ｘ
をＯにセットする。

次に、ステップＳ５で、このときの温度Ｔを測定する。

そして、この温度Ｔの下で、ステップＳ６およびステッ
プＳ７においてロードセル２の値すなわち荷重Ｆ、およ
び移動変位量Ｘを読み込む。

次いで、ステップＳ８に進み移動変位量ＸがＸ□８と等
しいか否か判断し、等しくないときにはステップＳ９に
進み、リニアモータ１をステップ移動変位量ΔＸだけ駆
動する。そして、再度ステップＳ６に戻り形状記憶合金
コイルばね５がΔＸ変位した状態での荷＠Ｆを読み込む
。

上述のステップＳ６ないしステップＳ９のルーチンを形
状記憶合金コイルばね５の最大変位量Ｘ□８まで繰返す
、！大変位置ｘ　、、、になったら、ステップＳｌＯに
進み今度はりニアモータ１を移動変位量−ΔＸだけ駆動
してもどす、そしてステップＳｌｌおよびステップＳ１
２において移動変位量ｘ１およびロードセル値Ｆを読み
込む。次いでステップＳ１３に進み、ロードセル値Ｆが
Ｏと等しいか又はＯ以下か否かを判断しＯより大きいと
きには、ステップ５１０に戻りリニアモータ１を移動変
位量−Δ×だけ駆動する。

上述のステップＳ１０ないしステップＳ１３のルーチン
をロードセル値ＦがＯに等しいかＯ以下まで繰り返した
のち、ステップ５１４において各ΔＸの測定点ごとに得
たロードセル値Ｆに基づきｘ−Ｆ特性曲線すなわち、た
わみ−荷重特性曲線を作成する。なお、本フローチャー
トでは示さなかったが各測定値はコンピュータ８におけ
る所定のメモリ内に一時的に格納されており、この値に
基づき特性曲線は作成される。

上記手順を各温度毎に繰返すことにより、全動作温度範
囲におけるたわみ一荷ｍ特性が測定されるのである。

次に、定たわみ状態における温度と荷重の関係は、リニ
アモータ１を動かして形状記憶合金コイルばね５に一定
の変位ｘ、を与えた状態で、恒温槽の温度を上下させた
時の温度と荷重を測定することにより得る。

すなわち、第６図に示すフローチャートにおいて、ステ
ップ５２１において最大温度Ｔ　、、Ｘおよび最終温度
Ｔ、を設定し、ステップＳ２２でロードセル２をイニシ
ャライズする。

そして、ステップＳ２３で一旦移動変位蚕ｘを９にセッ
トした後、ステップＳ２４で定たわみ量としての移動変
位量ｘ１を設定する。

そこで、ステップＳ２５．５２６．およびＳ２７のルー
チンでリニアモータ１を駆動し形状記憶合金コイルばね
５に定たわみｆｆｉ　Ｘ　＋を与えるようスライドベア
リング４、すなわちロードセル２を移動する。

この定たわみｆｆ１Ｘ＋を与えた状態で、ステップ５２
８に進みヒータ２０で加熱を行い形状記憶合金コイルば
ね５の昇温を開始する。

そして、ステップＳ２９でロードセル値Ｆを、およびス
テップ５３０で温度Ｔを、夫々読み込む。

この動作を、ステップ５３１において温度Ｔが最大温度
Ｔ　＋＊ａｘに至ったと判断される迄行う。最大温度Ｔ
、１８に至ったと判断されたときステップＳ３２に進み
ヒータ２０を切り、冷却水用配管２１に冷却水を流し形
状記憶合金コイルばね５の降温を開始する。そしてステ
ップ５３３でロードセル値Ｆを、ステップＳ３４で温度
Ｔをそれぞれ読み込む。

この動作をステップＳ３５において温度Ｔが最終温度Ｔ
、に至ったと判断される迄行い、最終温度Ｔ６に至った
とぎにはステップ５３６に進み、定たわみ量Ｘ、におけ
るＴ−Ｆ特性曲線すなわち、温度−荷重特性曲線を前述
の例と同様に作成する。

上記手順を各たわみ量毎に繰返すことにより全たわみ範
囲における温度−荷重特性が測定される。

さらに、定荷重状態における温度とたわみの関係は恒温
槽９の温度を上下させた場合に、ロードセル２の値が常
に一定になるようにリニアモータ１を駆動し、そのとき
の温度とリニアスケール３の値を測定することにより得
られる。

すなわち、第７図に示すフローチャートにおいて、ステ
ップＳ４１において最大温度Ｔ　ｍａｗおよび最終温度
Ｔ、を設定し、ステップＳ４２でロードセル２をイニシ
ャライズする。

そして、ステップＳ４３で移動変位ｆｆ１ｘをＯにセッ
トした後、ステップＳ４４で定荷重値としての測定ロー
ドセル値Ｆ１を設定する。

そこで、ヒータ２０で加熱を行い形状記憶合金コ。

イルばね５の昇温を開始する。

そして、ステップＳ４６．　Ｓ４７およびＳ４８のルー
チンにおいて、ロードセル２に定荷重値Ｆ１を与えるよ
うリニアモータ１を駆動する。

この定荷重値Ｆ１を与えた状態で、ステップＳ４９に進
み形状記憶合金コイルばねのたわみ量である移動変位ｉ
ｘを読み込み、且つステップ５５０において、このとき
の温度Ｔを読み込む。

次いで、ステップＳ５１で温度Ｔが最大温度Ｔ□８に達
したか否か判断し、達していなければ再度ステップ５４
８に戻り、以下ステップＳ５１迄のルーチンを繰返す。

かくて、昇温時の各温度状態におけるたわみ量が得られ
ることになる。

最大温度Ｔ□８に達したときには、ステップＳ５２に進
み、ヒータ２０を切り、冷却水用配管２１に冷却水を流
し形状記憶合金コイルばね５の降温を開始する。そして
、ステップＳ５３ないしステップ５５８までのルーチン
で昇温時と同様に定荷重Ｆ１を与えた状態での各温度状
態におけるたわみ量が最終温度Ｔ、に達するまで得られ
る。

最終温度Ｔ、に達したときには、ステップ５５９に進み
定荷重値Ｆ１状態におけるＴ−ｘ特性曲線すなわち、温
度−たわみ特性曲線を前述の例と同様に作成する。

上記手順を各荷重状態毎に縁返すことにより全荷重範囲
における温度−たわみ特性が測定される。

次に、バイアスばね力を考慮した形状記憶合金アクチュ
エータとしての動特性の測定法を第８図に示す制御手順
の一例としてのフローチャートに基づき説明する。尚、
本例では形状記憶合金コイルばねの加熱法としてヒータ
２０の替りに直接形状記憶合金コイルばね５に通電する
ことにより行う。これは応答性にすぐれており、この場
合形状記憶合金コイルばね５の温度を直接測定すること
が好ましい。恒温槽内の媒体はすぐれた電気絶縁性を持
つフッ素系不活性液体を使用しているため、恒温槽内で
通電可能であり、また、媒体が形状記憶合金コイルばね
を冷却する役目を果たすことができる。

先ず、ステップＳ６１において仮想バイアスばねの特性
（自然状態における長さ、ばね定数等）を考慮しつつ形
状記憶合金コイルばね５が低温状態において、このバイ
アスばねと釣合っていると想定される荷重値として、初
期ロードセル値Ｆ０およびバイアスばね定数Ｋを入力す
る。

そして、ステップＳ６２．　Ｓ６３および５６４のルー
チンでこの初期ロードセル値Ｆ０となるようにリニアモ
ータｌを駆動し形状記憶合金コイルばね５に変位を与え
る。

かかる状態が低温状態における形状記憶合金コイルばね
５の初期状態であり、この初期ロードセル値ＦＯが仮想
バイアスばね力でマルテンサイト相状態にある形状記憶
合金コイルばね５に変形を与えていることになる。この
状態で、ステップ５６５において形状記憶合金コイルば
ね５の移動変位′ｍｘを０とセットする。

そこで、ステップ５６６に進み形状記憶合金コイルばね
５に通電して加熱を開始する。同時に、ステップＳ６７
にてタイマｔをスタートする。

次いで、ステップ５６Ｂにて加熱開始後のロードセル値
Ｆを読み込む。ステップ５６９において、この値が初期
ロードセル値Ｆｏと等しいか否か判断する。等しいとい
うことは温度上昇がなく、形状記憶合金コイルばね５の
発生力が変化していないことを意味する。

通電加熱により形状記憶合金コイルばね５の温度が上昇
すると、発生力Ｆが増大する。すると、ステップ５７０
に進みリニアモータ１はこの発生力を減する方向、すな
わち一定（Ｆ−ＦＯ）になるように瞬時駆動され始める
。

そして、ステップ５７１においてこの駆動によって生じ
た移動変位量Ｘを読み込み、またそのときの温度Ｔをス
テップ５７２で読み込む、さらに、ステップ５７３にお
いて移動変位量Ｘによって増大した仮想バイアスばね力
としての新ロードセル値Ｆ、を ＦＮ＝Ｆｏ＋に−Ｘ から演算する。

次いで、ステップＳ７４に進みロードセル値Ｆを読み込
み、ステップ５７５にて１、この値Ｆが新ロードセル値
ＦＨと等しいか否か判断し、等しくないときにはステッ
プ５７６にてリニアモータｌを駆動しステップ５７１に
戻る。

以下、このステップ５７１ないしステップＳ７６のルー
チンを繰返すことで、バイアスばね力の増加に応じた新
ロードセル値ＦＭにロードセルの読みがなるようにリニ
アモータを駆動し続ける。かくて形状記憶合金コイルば
ね５の温度変化過程におけるフィードバック制御により
、これらの手順を繰返してバイアスばね力を考慮した動
特性を測定する。

しかして、ステップ５７５においてＦ−ＦＭとなった場
合、すなわち温度変化をしても形状記憶合金コイルばね
５の発生力に変化が現われなくなったときには、ステッ
プ５７７、５１Ｂおよび５７Ｂにおいて、夫々上述した
ルーチンの各過程における記憶データをもとにｔ−Ｔ特
性曲線すなわち時間−温度特性曲線、ｔ−ｘ特性曲線す
なわち時間−たわみ特性曲線および形状記憶合金コイル
ばね５の速度変化特性曲線を作成し終了する。

かくて、上記各特性曲線を基く形状記憶合金コイルばね
と仮想バイアスばねとの組合せによるアクチュエータと
しての評価ができるのである。

尚、仮想バイアスばねをその特性を変えて入力すること
により種々の組合せ評価が可能となるものである。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、形状
記憶合金コイルばね自身の静特性も容易に測定できるほ
か、これまで形状記憶合金アクチュエータの性能を評価
する場合、バイアスばねを製作した上で形状記憶合金コ
イルばねと組み合わせて行なわざるを得なかったのに対
し、バイアスばねを製作せずに総合的な特性（応答性や
位置決′め精度など）を評価できる。

モータを動かして擬似的にバイアスばね力を発生させて
いるため、制御装置の入力データ等の変更で簡単にバイ
アスばねのばね定数等を変えることができるため最適バ
イアスばねを実験的に設計できる。また、ばね定数を非
線形にも設定することができるため、形状記憶合金コイ
ルばね同志のアクチュエータの特性も評価できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施の一形態を示すブロック構成図、 第２図は、本発明の一実施例の概略構成図、第３図はそ
の機構部の正面図、 第４図は同じく側面図、 第５図は定温状態でたわみ一荷重特性を測定する制御手
順の一例を示すフローチャート、第６図は定たわみ状態
で温度−荷重特性を測定する制御手順の一例を示すフロ
ーチャート、第７図は定荷重状態で温度−たわみ特性を
測定する制御手順の一例を示すフローチャート、第８図
は動特性を測定する制御手順の一例を示すフローチャー
トである。 Ａ・・・形状記憶合金コイルばね、 Ｂ・・・ロードセ゛ル、 Ｃ・・・移動手段、 Ｄ・・・加熱手段、 Ｅ・・・変位検出手段、 Ｆ・・・温度検出手段、 Ｇ・・・荷重検出手段、 Ｈ・・・制御手段、 １・・・リニアモータ、 ２・・・ロードセル、 ３・・・リニアスケール、 ４・・・スライドベアリング、 ５・・・形状記憶合金コイルばね、 ６・・・モータドライバコントローラ、７・・・温度・
荷重測定器、 ８…コンピユータ、 ９・・・恒温槽、 ＩＯ・・・熱電対。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）一端が固定された形状記憶合金コイルばねの他端
   が固定されるロードセルと、 該ロードセルを前記形状記憶合金コイルばねの伸縮方向
   に移動させる移動手段と、 前記形状記憶合金を加熱する手段と、 前記ロードセルの移動変位を検出する変位検出手段と、 前記形状記憶合金コイルばねの温度を検出する温度検出
   手段と、 前記ロードセルの出力値を検出する荷重検出手段と、 前記変位検出手段と荷重検出手段の検出値に応じて前記
   移動手段を制御する制御手段と を備えたことを特徴とする形状記憶合金コイルばね特性
   測定装置。
2. （２）前記制御手段は、 バイアスばね特性を入力設定するバイアスばね特性入力
   設定手段と、 所定温度で初期荷重値になるよう前記ロードセルを移動
   し形状記憶合金コイルばねに変位を与える変位付与手段
   と、 温度変化に伴う検出荷重値の変化に応じ前記移動手段に
   移動指示を与える移動指示手段と、前記変位検出手段の
   出力値に基づき前記入力設定されたバイアスばねの擬似
   ばね力を演算設定する擬似ばね力設定手段と、 前記荷重検出手段による検出値が該擬似ばね力設定手段
   による設定値に等しくなるよう前記移動手段を制御する
   移動制御手段とを含むことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の形状記憶合金コイルばね特性測定装置。