JPH0254914B2 - - Google Patents
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- JPH0254914B2 JPH0254914B2 JP58105174A JP10517483A JPH0254914B2 JP H0254914 B2 JPH0254914 B2 JP H0254914B2 JP 58105174 A JP58105174 A JP 58105174A JP 10517483 A JP10517483 A JP 10517483A JP H0254914 B2 JPH0254914 B2 JP H0254914B2
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- sma
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- memory alloy
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
- C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
- C22F1/006—Resulting in heat recoverable alloys with a memory effect
-
- G—PHYSICS
- G12—INSTRUMENT DETAILS
- G12B—CONSTRUCTIONAL DETAILS OF INSTRUMENTS, OR COMPARABLE DETAILS OF OTHER APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G12B1/00—Sensitive elements capable of producing movement or displacement for purposes not limited to measurement; Associated transmission mechanisms therefor
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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を利用した熱感応装置に
関するものである。
関するものである。
従来例の構成とその問題点
近年、形状記憶合金（以下、SMA（Shape
memory alloyの略）と呼ぶ）の工業的応用研究
が盛んである。SMAとしては多くの合金が知ら
れているが、現在、実用的にはCuZnAl合金と
NiTi合金が使用されている。
memory alloyの略）と呼ぶ）の工業的応用研究
が盛んである。SMAとしては多くの合金が知ら
れているが、現在、実用的にはCuZnAl合金と
NiTi合金が使用されている。
熱感応装置への応用を考えた場合、加熱時と冷
却時にSMAが可逆的に変形する二方向性動作を
示し、かつ、加熱時の変形温度と冷却時の変形温
度との差（いわゆるヒステリシス）が小く、さら
に、加熱、冷却のくり返しによる寿命劣化の少な
いことが望まれる。
却時にSMAが可逆的に変形する二方向性動作を
示し、かつ、加熱時の変形温度と冷却時の変形温
度との差（いわゆるヒステリシス）が小く、さら
に、加熱、冷却のくり返しによる寿命劣化の少な
いことが望まれる。
CuZnAl合金を主とするCu合金は、合金自身が
二方向性の性質を持ち、ヒステリシスも約10℃程
度の小さい値を示すが、くり返し寿命の劣化が大
きい。一方、NiTi合金は加熱時にのみ変形する
一方向動作のSMAであるが、合金の性質上、疲
労寿命はCu合金に比べ極めて優れている。
二方向性の性質を持ち、ヒステリシスも約10℃程
度の小さい値を示すが、くり返し寿命の劣化が大
きい。一方、NiTi合金は加熱時にのみ変形する
一方向動作のSMAであるが、合金の性質上、疲
労寿命はCu合金に比べ極めて優れている。
このため、合金単独では一方向性動作しか示さ
ないNiTi合金を二方向動作に使う工夫がなされ
ている。例えば、第１図に示すように、高温で密
着巻き状態にして形状記憶処理したNiTi合金線
のコイルばね１をつくり、これに重錘２を吊り下
げる構成が知られている。形状記憶により形状変
化を示す温度（変態温度）以下ではNiTi合金の
性質として弾性係数や降伏応力等の強度が低く、
重錘２がかけられると、荷重によつて変態が促進
されるいわゆる応力誘起変態による変形がおこり
NiTi合金コイルばね１は伸びるが、これを加熱
すると、変態温度は形状記憶により元の形状に戻
ろうとする大きな復元力が発生し、また、変態温
度以上ではNiTi合金の性質として弾性係数や降
伏応力等の強度は高いので、NiTi合金線のコイ
ルばね１は縮み、重錘２は持ち上げられる。従つ
て、変態温度以下ではNiTi合金線のコイルばね
１は伸び、変態温度以上では縮み、動作範囲Ｄの
二方向動作となる。
ないNiTi合金を二方向動作に使う工夫がなされ
ている。例えば、第１図に示すように、高温で密
着巻き状態にして形状記憶処理したNiTi合金線
のコイルばね１をつくり、これに重錘２を吊り下
げる構成が知られている。形状記憶により形状変
化を示す温度（変態温度）以下ではNiTi合金の
性質として弾性係数や降伏応力等の強度が低く、
重錘２がかけられると、荷重によつて変態が促進
されるいわゆる応力誘起変態による変形がおこり
NiTi合金コイルばね１は伸びるが、これを加熱
すると、変態温度は形状記憶により元の形状に戻
ろうとする大きな復元力が発生し、また、変態温
度以上ではNiTi合金の性質として弾性係数や降
伏応力等の強度は高いので、NiTi合金線のコイ
ルばね１は縮み、重錘２は持ち上げられる。従つ
て、変態温度以下ではNiTi合金線のコイルばね
１は伸び、変態温度以上では縮み、動作範囲Ｄの
二方向動作となる。
また、重錘２の代りに第２図に示す如く、本体
３の支点４を中心に回転動作する可動棒５の先端
６と本体上の係止点７，８との間に、一方には
SMAコイルばね９、他方には通常の材料よりな
る引張りコイルばね１０を取りつけた構成にする
と、変態温度以下ではSMAコイルばね９は実線
に示すように、変態温度以上ではSMAコイルば
ね９は点線に示すように動作範囲Ｄの二方向動作
をする。
３の支点４を中心に回転動作する可動棒５の先端
６と本体上の係止点７，８との間に、一方には
SMAコイルばね９、他方には通常の材料よりな
る引張りコイルばね１０を取りつけた構成にする
と、変態温度以下ではSMAコイルばね９は実線
に示すように、変態温度以上ではSMAコイルば
ね９は点線に示すように動作範囲Ｄの二方向動作
をする。
かかる、SMAに重錘や通常コイルばね等の対
抗バイアス荷重を組合せた二方向動作の熱感応装
置において、変態温度は動作温度となるが、温度
Ｔと変位Ｓ（SMAの伸び）の関係は第３図に示す
如くなり、加熱時の動作温度と冷却時の動作温度
とはずれて、いわゆるヒステリシス現象が生ず
る。従来のNiTi合金使用の熱感応装置にあつて
は、ヒステリシスの温度巾ΔTは10〜30℃であつ
た。かかるヒステリシス巾では精度よく温度制御
したり、物体を動かしたりする熱感応装置として
の使用に適せず、くり返し寿命特性の良いNiTi
合金の工業的応用に対し、大きな妨げとなつてい
た。
抗バイアス荷重を組合せた二方向動作の熱感応装
置において、変態温度は動作温度となるが、温度
Ｔと変位Ｓ（SMAの伸び）の関係は第３図に示す
如くなり、加熱時の動作温度と冷却時の動作温度
とはずれて、いわゆるヒステリシス現象が生ず
る。従来のNiTi合金使用の熱感応装置にあつて
は、ヒステリシスの温度巾ΔTは10〜30℃であつ
た。かかるヒステリシス巾では精度よく温度制御
したり、物体を動かしたりする熱感応装置として
の使用に適せず、くり返し寿命特性の良いNiTi
合金の工業的応用に対し、大きな妨げとなつてい
た。
発明の目的
本発明はこのような問題を解決するもので、ヒ
ステリシス巾の極めて小さい熱感応装置を得るこ
とを目的とする。
ステリシス巾の極めて小さい熱感応装置を得るこ
とを目的とする。
発明の構成
本発明は、SMAの二方向動作について、SMA
の変位、いいかえると変形によるせん断歪量の小
さい領域での変形挙動を多くの条件をもつて詳し
く検討した結果なされたものである。すなわち、
第１図に例を示した構成におけるSMAの２方向
動作は、合金の形状記憶処理あるいはバイアス荷
重によつては、従来公知の第３図に示す冷却時１
段、加熱時１段の単純な変形挙動を示すものでは
なく、第６図に一部破線で示す温度−変位曲線と
なることを見い出した。ここで、SMAは密着形
状で形状記憶処理したコイルばねである。
の変位、いいかえると変形によるせん断歪量の小
さい領域での変形挙動を多くの条件をもつて詳し
く検討した結果なされたものである。すなわち、
第１図に例を示した構成におけるSMAの２方向
動作は、合金の形状記憶処理あるいはバイアス荷
重によつては、従来公知の第３図に示す冷却時１
段、加熱時１段の単純な変形挙動を示すものでは
なく、第６図に一部破線で示す温度−変位曲線と
なることを見い出した。ここで、SMAは密着形
状で形状記憶処理したコイルばねである。
まず、バイアス荷重をかけたSMAを温度T2と
T1の温度範囲で冷却・加熱した場合を説明する。
温度T2の高温状態から冷却すると、SMAは応力
誘起変態で始まる最初の急激な変位ｃ（これを以
後、第１の強制変形過程と呼ぶ）が起こりB2点
に至り、以後順次、第２の変位ｄ（これを以後、
第２の強制変形過程と呼ぶ）で変形を続けて
SMAは伸びて温度T1のD1点に至る。次に、温度
T1から加熱すると、第１の急激な形状復元ａ（こ
れを以後、形状復元の第１の過程と呼ぶ）と第２
の形状復元ｂ（これを以後、形状復元の第２の過
程と呼ぶ）よりなる２段階の変態を示してSMA
は縮む。
T1の温度範囲で冷却・加熱した場合を説明する。
温度T2の高温状態から冷却すると、SMAは応力
誘起変態で始まる最初の急激な変位ｃ（これを以
後、第１の強制変形過程と呼ぶ）が起こりB2点
に至り、以後順次、第２の変位ｄ（これを以後、
第２の強制変形過程と呼ぶ）で変形を続けて
SMAは伸びて温度T1のD1点に至る。次に、温度
T1から加熱すると、第１の急激な形状復元ａ（こ
れを以後、形状復元の第１の過程と呼ぶ）と第２
の形状復元ｂ（これを以後、形状復元の第２の過
程と呼ぶ）よりなる２段階の変態を示してSMA
は縮む。
一方、温度T2と温度T1aの温度範囲で冷却・加
熱した場合には、T2から冷却するとSMAは第１
の強制変形過程によつてB2まで伸び、さらに第
２の強制変形過程によつてわずかに伸びて温度
T1aのD1a点に至る、そこから加熱するとSMAは
形状復元の第１の過程でA3点まで縮み、その後、
形状復元の第２の過程を経て温度T2の状態へ縮
む。
熱した場合には、T2から冷却するとSMAは第１
の強制変形過程によつてB2まで伸び、さらに第
２の強制変形過程によつてわずかに伸びて温度
T1aのD1a点に至る、そこから加熱するとSMAは
形状復元の第１の過程でA3点まで縮み、その後、
形状復元の第２の過程を経て温度T2の状態へ縮
む。
すなわち、T2とT1の温度範囲で冷却・加熱し
た場合には、一部破線で示した大きなヒステリシ
スの温度−変位曲線になるのに対し、T2とT1aの
温度範囲で冷却・加熱した場合には実線で示す小
さなヒステリシスの温度−変位曲線になる。
た場合には、一部破線で示した大きなヒステリシ
スの温度−変位曲線になるのに対し、T2とT1aの
温度範囲で冷却・加熱した場合には実線で示す小
さなヒステリシスの温度−変位曲線になる。
本発明はかかる新規に見い出された現象に基づ
いてなされたものであり以下の構成とするもので
ある。
いてなされたものであり以下の構成とするもので
ある。
(A) 使用温度範囲をT1a〜T2とすることによつ
て、第６図の実線で示すヒステリシスの小い温
度−変位曲線となるようにする。
て、第６図の実線で示すヒステリシスの小い温
度−変位曲線となるようにする。
(B) 実線の温度−変位曲線においてはSMA冷却
時の第１の強制変形過程の終点B2における
SMAの変形量をせん断歪量で表してγBとし、
加熱時の形状復元の第１の過程ａの終点A3に
おける変形量をせん断歪量で表してγAとした場
合、γA＜γBの関係が成立している。
時の第１の強制変形過程の終点B2における
SMAの変形量をせん断歪量で表してγBとし、
加熱時の形状復元の第１の過程ａの終点A3に
おける変形量をせん断歪量で表してγAとした場
合、γA＜γBの関係が成立している。
(C) 規制手段（ストツパー）により、SMAの変
形範囲をせん断歪量として、γAとγBの間にある
ように限定する。
形範囲をせん断歪量として、γAとγBの間にある
ように限定する。
なお、第６図においてせん断歪量が０というの
は、高温時における無負荷の時のSMAの形状で
ある。すなわち、密着コイル状に形状記憶処理し
たSMAコイルばねにあつては縮みきつた密着状
態を指すものである。
は、高温時における無負荷の時のSMAの形状で
ある。すなわち、密着コイル状に形状記憶処理し
たSMAコイルばねにあつては縮みきつた密着状
態を指すものである。
かかる限定(A)〜(C)により、本発明はSMAの冷
却時と加熱時の間で発生するヒステリシスを３℃
以下とすることを可能とした。
却時と加熱時の間で発生するヒステリシスを３℃
以下とすることを可能とした。
実施例の説明
以下、本発明をその実施例により説明する。
SMAはNiTi合金で、動作温度が30〜50℃の間
にある（動作温度は合金組成が同一でも、熱処
理、あるいはバイアス荷重により変る）同一組成
の直径0.75mmの線材を素材とした。この線材をコ
イル平均直径5.6mmの密着コイル状に巻き形状記
憶熱処理を行つた。形状記憶熱処理温度は、425
℃、450℃、475℃および500℃とし加熱時間は30
分とした。記憶熱処理後、有効巻数16ターンのコ
イルばねとした。
にある（動作温度は合金組成が同一でも、熱処
理、あるいはバイアス荷重により変る）同一組成
の直径0.75mmの線材を素材とした。この線材をコ
イル平均直径5.6mmの密着コイル状に巻き形状記
憶熱処理を行つた。形状記憶熱処理温度は、425
℃、450℃、475℃および500℃とし加熱時間は30
分とした。記憶熱処理後、有効巻数16ターンのコ
イルばねとした。
かかる、SMAコイルばねについて第１図のバ
イアス荷重を重錘とした方法で、種々の荷重にお
いて、水中で加熱・冷却し、温度と変位（SMA
コイルばねの伸び）の関係を求めた。その結果の
一例を第５図および第６図に示す。
イアス荷重を重錘とした方法で、種々の荷重にお
いて、水中で加熱・冷却し、温度と変位（SMA
コイルばねの伸び）の関係を求めた。その結果の
一例を第５図および第６図に示す。
なお、SMAコイルばねの変位すなわち伸びδ
と、その伸びによるSMAコイル線材のせん断歪
γとの間には次の関係式がある。
と、その伸びによるSMAコイル線材のせん断歪
γとの間には次の関係式がある。
γ＝Ｋｄ×δ／π×ｎ×D2
（ここで、ｄは線材の直径、Ｄはコイル平均直
径、ｎは有効巻数、Ｋは応力修正係数で、ここで
は Ｋ＝（4D／ｄ−１）÷（4D／ｄ−４）＋0.615d／Ｄ を用いた。） 従つて、実施例としてはｄ＝0.75φmm、Ｄ＝
5.6φmm、ｎ＝16ターンとしたが、第５図および第
６図は、温度−せん断歪の関係でみれば、線材の
直径ｄ、コイル平均直径Ｄあるいは有効巻数ｎが
異なつたサンプルについても同じ結果となる。
径、ｎは有効巻数、Ｋは応力修正係数で、ここで
は Ｋ＝（4D／ｄ−１）÷（4D／ｄ−４）＋0.615d／Ｄ を用いた。） 従つて、実施例としてはｄ＝0.75φmm、Ｄ＝
5.6φmm、ｎ＝16ターンとしたが、第５図および第
６図は、温度−せん断歪の関係でみれば、線材の
直径ｄ、コイル平均直径Ｄあるいは有効巻数ｎが
異なつたサンプルについても同じ結果となる。
第５図は形状記憶熱処理温度450℃のSMAコイ
ルばねに、バイアス荷重130ｇを組合せた例であ
る。実線は30℃と70℃の間での加熱、冷却におけ
る温度−変位曲線、で形状復元の第２の過程は出
現せず、第１の過程は位置A1で終る。点線（一
部は30℃−70℃の曲線と重複する）は５℃と70℃
の間での加熱冷却における温度−変位曲線で、形
状復元の第１の過程は位置A2で終り、第２の過
程をへて70℃に達する。両者において、冷却過程
は同じ曲線をたどり、強制変形過程は位置B1で
終る。ここで、加熱時の形状復元の第１の過程と
冷却時の強制変形過程の温度差つまりヒステリシ
スは約1.5℃という極めて小さい値となる。
ルばねに、バイアス荷重130ｇを組合せた例であ
る。実線は30℃と70℃の間での加熱、冷却におけ
る温度−変位曲線、で形状復元の第２の過程は出
現せず、第１の過程は位置A1で終る。点線（一
部は30℃−70℃の曲線と重複する）は５℃と70℃
の間での加熱冷却における温度−変位曲線で、形
状復元の第１の過程は位置A2で終り、第２の過
程をへて70℃に達する。両者において、冷却過程
は同じ曲線をたどり、強制変形過程は位置B1で
終る。ここで、加熱時の形状復元の第１の過程と
冷却時の強制変形過程の温度差つまりヒステリシ
スは約1.5℃という極めて小さい値となる。
第６図は、形状記憶熱処理温度500℃のSMAコ
イルばねにバイアス荷重85ｇを組合せた例であ
る。実線は25℃と70℃の間での加熱冷却における
温度−変位曲線で、形状復元の第１の過程は位置
A3で終り、第２の過程をへて70℃に達する。点
線（一部は25℃−70℃の曲線と重複する）は19℃
と70℃の間での加熱冷却における温度−変位曲線
で、形状復元の第１の過程はA4点で終り、第２
の過程をへて70℃に達する。両者において、冷却
過程は同じ曲線をたどり、第１の強制変形過程は
位置B2で終わり、引続き第２の強制変形過程を
経て19℃の変位（約30mmに至る。ここで、25℃〜
70℃間の曲線で、加熱時の形状復元の第１と冷却
時の第１の強制変形過程の温度差すなわちヒステ
リシスは約2.5℃である。形状記憶熱処理温度425
℃、475℃のSMAコイルばねについても類似の結
果を得た。
イルばねにバイアス荷重85ｇを組合せた例であ
る。実線は25℃と70℃の間での加熱冷却における
温度−変位曲線で、形状復元の第１の過程は位置
A3で終り、第２の過程をへて70℃に達する。点
線（一部は25℃−70℃の曲線と重複する）は19℃
と70℃の間での加熱冷却における温度−変位曲線
で、形状復元の第１の過程はA4点で終り、第２
の過程をへて70℃に達する。両者において、冷却
過程は同じ曲線をたどり、第１の強制変形過程は
位置B2で終わり、引続き第２の強制変形過程を
経て19℃の変位（約30mmに至る。ここで、25℃〜
70℃間の曲線で、加熱時の形状復元の第１と冷却
時の第１の強制変形過程の温度差すなわちヒステ
リシスは約2.5℃である。形状記憶熱処理温度425
℃、475℃のSMAコイルばねについても類似の結
果を得た。
これらの結果から、SMAとバイアス荷重を組
合せた二方向動作において、冷却時の温度−変位
関係は使用最低温度に関係なく同じ経路をたどる
が、加熱時の温度−変位関係は使用最低温度によ
つて異なることが判明した。すなわち、形状復元
の第１の過程でうけもつ変位量は使用最低温度の
影響をあまり受けないが、第２の過程がうけもつ
変位量は、使用最低温度が低いほど大きくなる。
そして形状復元の第２の過程は第１の過程より高
温で起るため、第２の過程と冷却時の強制変形過
程との温度差は非常に大きなものとなる。
合せた二方向動作において、冷却時の温度−変位
関係は使用最低温度に関係なく同じ経路をたどる
が、加熱時の温度−変位関係は使用最低温度によ
つて異なることが判明した。すなわち、形状復元
の第１の過程でうけもつ変位量は使用最低温度の
影響をあまり受けないが、第２の過程がうけもつ
変位量は、使用最低温度が低いほど大きくなる。
そして形状復元の第２の過程は第１の過程より高
温で起るため、第２の過程と冷却時の強制変形過
程との温度差は非常に大きなものとなる。
かかる現象が、実際の熱感応装置においていか
なる状況で現われるかを次に説明する。
なる状況で現われるかを次に説明する。
いま、第６図の特性を示すSMAコイルばねと
バイアス荷重を組合せた装置を考える。実際の熱
感応装置において、動作範囲、すなわちSMAコ
イルばねの伸び範囲をせん断歪量でγA3＝0.55％
とγB2＝0.90％の間にあるようストツパーで規制
する。このような装置の温度−変位曲線は第７図
に示すようになる。すなわち、最低温度25℃の範
囲で使用すれば第７図イとなり、ヒステリシスは
2.5℃である。しかるに、最低温度19℃の範囲で
使用すれば第７図ロとなり、ヒステリシスは約18
℃となる。
バイアス荷重を組合せた装置を考える。実際の熱
感応装置において、動作範囲、すなわちSMAコ
イルばねの伸び範囲をせん断歪量でγA3＝0.55％
とγB2＝0.90％の間にあるようストツパーで規制
する。このような装置の温度−変位曲線は第７図
に示すようになる。すなわち、最低温度25℃の範
囲で使用すれば第７図イとなり、ヒステリシスは
2.5℃である。しかるに、最低温度19℃の範囲で
使用すれば第７図ロとなり、ヒステリシスは約18
℃となる。
すなわち、第６図において、せん断歪量0.55％
と0.90％の間のヒステリシスに対応したヒステリ
シスを示す。
と0.90％の間のヒステリシスに対応したヒステリ
シスを示す。
以上の如く、SMAとバイアス荷重を組合せた
二方向動作の熱感応装置について、ヒステリシス
の極めて小さい状態を得るには、荷重および最低
使用温度との関係において、SMAコイルばねの
伸び範囲を規制することが重要である。すなわち
SMAに対抗する荷重について使用温度範囲での
温度−変位（SMAコイルばねのせん断歪量）の
関係を第６図の実線で示した閉ループを模式的に
示した第４図の如く求め、加熱時の形状復元の第
１の過程の終点Ａに対応するせん断歪量γAが冷却
時の強制変形過程の終点Ｂに対応するせん断歪量
γBより小さい値とし、両者のせん断歪量の差を動
作範囲とすれば、３℃以下のヒステリシスの熱感
応装置を得ることが出来る。
二方向動作の熱感応装置について、ヒステリシス
の極めて小さい状態を得るには、荷重および最低
使用温度との関係において、SMAコイルばねの
伸び範囲を規制することが重要である。すなわち
SMAに対抗する荷重について使用温度範囲での
温度−変位（SMAコイルばねのせん断歪量）の
関係を第６図の実線で示した閉ループを模式的に
示した第４図の如く求め、加熱時の形状復元の第
１の過程の終点Ａに対応するせん断歪量γAが冷却
時の強制変形過程の終点Ｂに対応するせん断歪量
γBより小さい値とし、両者のせん断歪量の差を動
作範囲とすれば、３℃以下のヒステリシスの熱感
応装置を得ることが出来る。
第８図イ，ロ，ハおよびニは各々、形状記憶熱
処理温度、425℃、450℃、475℃および500℃の
NiTi合金コイルばねについて、バイアス荷重と、
最低使用温度をパラメータとしてせん断歪量γAと
γBの関係を示したものである。せん断歪量γAの右
に記した温度が使用最低温度である。
処理温度、425℃、450℃、475℃および500℃の
NiTi合金コイルばねについて、バイアス荷重と、
最低使用温度をパラメータとしてせん断歪量γAと
γBの関係を示したものである。せん断歪量γAの右
に記した温度が使用最低温度である。
この第８図において、せん断歪量γAがγBより小
さく、かつせん断歪量γAγBに囲まれる範囲で、
SMAコイルばねを使用すれば、ヒステリシス３
℃以下の熱感応装置が得られる。いま、例えば、
475℃で形状記憶熱処理したSMA（第８図ハ）を
例にとると、このSMAを最低温度20℃で使用す
るときにはバイアス荷重はγA20℃とγBの交点より
270ｇ以下とし、かつ、動作歪範囲をγA20℃とγB
で囲まれる範囲で動作範囲を規定すればヒステリ
シスが３℃以下の熱感応装置が得られるし、例え
ば、使用最低温度が30℃の場合には、バイアス荷
重はγA30℃とγBの交点より400ｇ以下とし、かつ、
動作歪範囲をγA30℃とγBで囲まれる範囲にすれば
ヒステリシスが３℃以下の熱感応装置が得られ
る。図から明らかなように、バイアス荷重が大き
いほど、また、使用最低温度が低いほど、ヒステ
リシス３℃以下の動作を示すSMAのせん断歪の
巾は狭くなる。また、形状記憶熱処理温度が500
℃以上になると、実用上、ヒステリシスが３℃以
下の動作を示す範囲はほとんどなくなる。従つ
て、形状記憶熱処理温度は500℃以下とする必要
がある。
さく、かつせん断歪量γAγBに囲まれる範囲で、
SMAコイルばねを使用すれば、ヒステリシス３
℃以下の熱感応装置が得られる。いま、例えば、
475℃で形状記憶熱処理したSMA（第８図ハ）を
例にとると、このSMAを最低温度20℃で使用す
るときにはバイアス荷重はγA20℃とγBの交点より
270ｇ以下とし、かつ、動作歪範囲をγA20℃とγB
で囲まれる範囲で動作範囲を規定すればヒステリ
シスが３℃以下の熱感応装置が得られるし、例え
ば、使用最低温度が30℃の場合には、バイアス荷
重はγA30℃とγBの交点より400ｇ以下とし、かつ、
動作歪範囲をγA30℃とγBで囲まれる範囲にすれば
ヒステリシスが３℃以下の熱感応装置が得られ
る。図から明らかなように、バイアス荷重が大き
いほど、また、使用最低温度が低いほど、ヒステ
リシス３℃以下の動作を示すSMAのせん断歪の
巾は狭くなる。また、形状記憶熱処理温度が500
℃以上になると、実用上、ヒステリシスが３℃以
下の動作を示す範囲はほとんどなくなる。従つ
て、形状記憶熱処理温度は500℃以下とする必要
がある。
本発明による熱感応装置は、上述の条件を満足
するよう動作範囲を限定したもので、この動作範
囲の規制方法として具体例を次に示す。
するよう動作範囲を限定したもので、この動作範
囲の規制方法として具体例を次に示す。
第９図はハウジング１１に上下移動可能な可動
体１２を組み込み、上部フツクをハウジング１１
に係止し下部フツクを可動体１２に係止した
SMAコイルばね１３を配置し、可動体１２には
重錘１４を組み込み、さらに、可動体１２の動作
範囲をストツパー１５，１６で規制し、SMAコ
イルばね１３の伸び範囲を規制するものである。
体１２を組み込み、上部フツクをハウジング１１
に係止し下部フツクを可動体１２に係止した
SMAコイルばね１３を配置し、可動体１２には
重錘１４を組み込み、さらに、可動体１２の動作
範囲をストツパー１５，１６で規制し、SMAコ
イルばね１３の伸び範囲を規制するものである。
第１０図は第２図と同様に本体３の支点４を中
心に回転動作する可動棒５の先端６と本体３上の
係止点７，８との間に、一方にはSMAコイルば
ね９、他方には通常のコイルばね１０を取りつけ
る構成において、可動棒５の動作範囲をストツパ
ー１７で規制すれば良い。
心に回転動作する可動棒５の先端６と本体３上の
係止点７，８との間に、一方にはSMAコイルば
ね９、他方には通常のコイルばね１０を取りつけ
る構成において、可動棒５の動作範囲をストツパ
ー１７で規制すれば良い。
第９図と第１０図の構成について、その動作を
第１１図に示すせん断歪範囲図から説明する。第
９図は静的荷重であるから、使用目的のバイアス
荷重WSに対し、垂直線をひき、γA線とγB線との
交点を求めれば、γBS−γASが許容動作範囲とな
る。
第１１図に示すせん断歪範囲図から説明する。第
９図は静的荷重であるから、使用目的のバイアス
荷重WSに対し、垂直線をひき、γA線とγB線との
交点を求めれば、γBS−γASが許容動作範囲とな
る。
第１０図の場合は、可動棒の回転に伴ない、通
常のコイルばね（バイアスばね）によるトルクが
変化する。従つて、低温でSMAコイルが伸びた
時にはバイアスばねによるトルクは大きくなり、
高温でSMAコイルが縮んだ時には、バイアスば
ねによるトルクが小さくなるよう、バイアスばね
のばね係数と、バイアスばね係止位置を設定でき
る。第１０図はバイアスばねが伸びた時に、バイ
アスばねの縮もうとする力は大きくても、バイア
スばねの伸長方向中心線と可動棒の回転中心との
間隔を短くしてトルクとしては小さい値とするた
め、支点４に対し本体３を曲げている。このよう
に設定すると、SMAコイルばねを伸ばそうとす
る力は、低温時すなわち、SMAコイルばねが伸
びる時に大きく（仮にWSとする）、高温時すなわ
ちSMAコイルばねが縮む時に小さく（仮にWLと
する）なる。従つて、第１１図において、低温時
の荷重をWSとし高温時の荷重をWLとした場合で
あり、許容動作範囲はγBS−γALとなり、第９図の
方式に比べ動作範囲が大きくとれる。
常のコイルばね（バイアスばね）によるトルクが
変化する。従つて、低温でSMAコイルが伸びた
時にはバイアスばねによるトルクは大きくなり、
高温でSMAコイルが縮んだ時には、バイアスば
ねによるトルクが小さくなるよう、バイアスばね
のばね係数と、バイアスばね係止位置を設定でき
る。第１０図はバイアスばねが伸びた時に、バイ
アスばねの縮もうとする力は大きくても、バイア
スばねの伸長方向中心線と可動棒の回転中心との
間隔を短くしてトルクとしては小さい値とするた
め、支点４に対し本体３を曲げている。このよう
に設定すると、SMAコイルばねを伸ばそうとす
る力は、低温時すなわち、SMAコイルばねが伸
びる時に大きく（仮にWSとする）、高温時すなわ
ちSMAコイルばねが縮む時に小さく（仮にWLと
する）なる。従つて、第１１図において、低温時
の荷重をWSとし高温時の荷重をWLとした場合で
あり、許容動作範囲はγBS−γALとなり、第９図の
方式に比べ動作範囲が大きくとれる。
発明の効果
従来の熱感応装置にあつては、SMAの特徴と
する大きな形状復元量や大きな形状復元力に着目
していたため、SMAのせん断歪量を大きくして
使用されていた。このため、形状復元の第１の過
程よりも第２の過程が形状復元量の大半を受けも
つていたため、あるいは、第６図と第７図の対応
に示されるように、せん断歪量が同じでも、
SMAの特性にあつた使用温度でなかつたため、
ヒステリシス巾が10℃以上の大きな値となつてい
た。
する大きな形状復元量や大きな形状復元力に着目
していたため、SMAのせん断歪量を大きくして
使用されていた。このため、形状復元の第１の過
程よりも第２の過程が形状復元量の大半を受けも
つていたため、あるいは、第６図と第７図の対応
に示されるように、せん断歪量が同じでも、
SMAの特性にあつた使用温度でなかつたため、
ヒステリシス巾が10℃以上の大きな値となつてい
た。
これに対し、本発明の熱感応装置は、動作範囲
をSMAのせん断歪量として規定することによつ
て、ヒステリシス巾は３℃以下の極めて小さい値
となる。実用上はバイアス荷重はSMAの形状復
元方向に逆方向に加わる力の総計となり、SMA
はバイアス荷重に相当する動作力は発揮できるこ
とであり、くり返し動作のアクチユエータとして
利用できる。このため、従来はSME合金では精
度上制御が困難であつた各種制御機器、例えば恒
温槽の温度設定器、流体径路の感熱弁、空調器の
風向変更機構などへの応用が可能となり、熱感応
装置として優れた効果を奏するものである。
をSMAのせん断歪量として規定することによつ
て、ヒステリシス巾は３℃以下の極めて小さい値
となる。実用上はバイアス荷重はSMAの形状復
元方向に逆方向に加わる力の総計となり、SMA
はバイアス荷重に相当する動作力は発揮できるこ
とであり、くり返し動作のアクチユエータとして
利用できる。このため、従来はSME合金では精
度上制御が困難であつた各種制御機器、例えば恒
温槽の温度設定器、流体径路の感熱弁、空調器の
風向変更機構などへの応用が可能となり、熱感応
装置として優れた効果を奏するものである。
第１図および第２図は形状記憶合金と対抗バイ
アス荷重を組合せた二方向動作熱感応装置の説明
図、第３図は従来の二方向動作熱感応装置の動作
を説明する温度と変位の関係図、第４図は本発明
の二方向動作熱感応装置の動作を説明する温度と
変位の関係図、第５図および第６図は、第４図に
対応する実測関係図、第７図は本発明の二方向動
作熱感応装置と従来の二方向動作熱感応装置の特
性比較図、第８図は本発明の熱感応装置の動作範
囲説明図、第９図および第１０図はそれぞれ本発
明の実施例を示す熱感応装置の基本構成図、第１
１図は第９図および第１０図に示す熱感応装置の
動作説明図である。 ９，１３……SMAコイルばね（形状記憶効果
合金）、２，１４……重錘（バイアス荷重）、３…
…本体、４……支点、５……可動棒、６……先
端、７，８……係止部、１０……コイルばね（バ
イアス荷重）、１１……ハウジング、１２……可
動体、１５，１６，１７……ストツパー。
アス荷重を組合せた二方向動作熱感応装置の説明
図、第３図は従来の二方向動作熱感応装置の動作
を説明する温度と変位の関係図、第４図は本発明
の二方向動作熱感応装置の動作を説明する温度と
変位の関係図、第５図および第６図は、第４図に
対応する実測関係図、第７図は本発明の二方向動
作熱感応装置と従来の二方向動作熱感応装置の特
性比較図、第８図は本発明の熱感応装置の動作範
囲説明図、第９図および第１０図はそれぞれ本発
明の実施例を示す熱感応装置の基本構成図、第１
１図は第９図および第１０図に示す熱感応装置の
動作説明図である。 ９，１３……SMAコイルばね（形状記憶効果
合金）、２，１４……重錘（バイアス荷重）、３…
…本体、４……支点、５……可動棒、６……先
端、７，８……係止部、１０……コイルばね（バ
イアス荷重）、１１……ハウジング、１２……可
動体、１５，１６，１７……ストツパー。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 形状記憶合金に対抗バイアス荷重を組合わせ
て二方向動作の構成とし、使用温度範囲での温度
−変位関係において、前記形状記憶合金冷却時
の、前記対抗バイアス荷重による第１の強制変形
過程の終点に対応する前記形状記憶合金の第１の
せん断歪量を、前記形状記憶合金加熱時におけ
る、形状復元の第１の過程の終点に対応する前記
形状記憶合金の第２のせん断歪量より大きい値と
なるようにし、かつ、前記形状記憶合金の動作歪
の範囲を前記第１のせん断歪量と第２のせん断歪
量の間で規制した熱感応装置。 ２ 形状記憶合金がNiTi合金コイルばねであり、
その形状記憶熱処理温度が425℃以上500℃以下で
ある特許請求の範囲第１項記載の熱感応装置。
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58105174A JPS59230189A (ja) | 1983-06-13 | 1983-06-13 | 熱感応装置 |
| DE19843421623 DE3421623A1 (de) | 1983-06-13 | 1984-06-09 | Thermisch betaetigte vorrichtung mit einer memory-legierung |
| KR1019840003246A KR850000676A (ko) | 1983-06-13 | 1984-06-09 | 열 감응장치 |
| US06/619,272 US4531988A (en) | 1983-06-13 | 1984-06-11 | Thermally actuated devices |
| GB08414821A GB2142724B (en) | 1983-06-13 | 1984-06-11 | Shape memory effect devices |
| AU29348/84A AU569521B2 (en) | 1983-06-13 | 1984-06-13 | Thermally actuated device using shape memory alloy |
| KR2019890010353U KR900006405Y1 (ko) | 1983-06-13 | 1989-07-14 | 열감응장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58105174A JPS59230189A (ja) | 1983-06-13 | 1983-06-13 | 熱感応装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS59230189A JPS59230189A (ja) | 1984-12-24 |
| JPH0254914B2 true JPH0254914B2 (ja) | 1990-11-22 |
Family
ID=14400311
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58105174A Granted JPS59230189A (ja) | 1983-06-13 | 1983-06-13 | 熱感応装置 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4531988A (ja) |
| JP (1) | JPS59230189A (ja) |
| KR (1) | KR850000676A (ja) |
| AU (1) | AU569521B2 (ja) |
| DE (1) | DE3421623A1 (ja) |
| GB (1) | GB2142724B (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0430309U (ja) * | 1990-07-04 | 1992-03-11 | ||
| JP2004518510A (ja) * | 2001-03-08 | 2004-06-24 | バルサミアン，フィリップ | 小さな温度変化で形状が変化する形状記憶装置 |
Families Citing this family (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60186779A (ja) * | 1984-03-05 | 1985-09-24 | 古河電気工業株式会社 | クランク揺動装置 |
| US4790624A (en) * | 1986-10-31 | 1988-12-13 | Identechs Corporation | Method and apparatus for spatially orienting movable members using shape memory effect alloy actuator |
| US4836496A (en) * | 1987-08-27 | 1989-06-06 | Johnson Service Company | SMF actuator |
| JPH01110303A (ja) * | 1987-10-23 | 1989-04-27 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 装身具とその製造方法 |
| US5160917A (en) * | 1990-06-14 | 1992-11-03 | Iowa State University Research Foundation, Inc. | Energy beam position detector |
| US5344506A (en) * | 1991-10-23 | 1994-09-06 | Martin Marietta Corporation | Shape memory metal actuator and cable cutter |
| US5312152A (en) * | 1991-10-23 | 1994-05-17 | Martin Marietta Corporation | Shape memory metal actuated separation device |
| US5419788A (en) * | 1993-12-10 | 1995-05-30 | Johnson Service Company | Extended life SMA actuator |
| US5684846A (en) * | 1995-09-21 | 1997-11-04 | Westinghouse Electric Corporation | Nuclear reactor plant having containment isolation |
| US6149742A (en) * | 1998-05-26 | 2000-11-21 | Lockheed Martin Corporation | Process for conditioning shape memory alloys |
| KR20010087231A (ko) * | 2000-03-03 | 2001-09-15 | 레비스 스테픈 이 | 형상 기억 합금 번들 및 액추에이터 |
| KR100936183B1 (ko) * | 2007-01-19 | 2010-01-11 | 한국과학기술연구원 | 이 방향 형상기억효과를 갖는 코일 스프링 및 그 제조방법과, 이를 이용한 단열 제품 |
| CN106402133A (zh) * | 2016-11-10 | 2017-02-15 | 无锡市明盛强力风机有限公司 | 一种缸盖螺栓自动均载方法 |
| DE102017217416A1 (de) * | 2017-09-29 | 2019-04-04 | E.G.O. Elektro-Gerätebau GmbH | Federeinrichtung zur federnden Lagerung einer Funktionseinheit eines Elektrogeräts und Verfahren zur Beeinflussung einer solchen Federeinrichtung |
Citations (1)
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| JPS59120985A (ja) * | 1982-12-28 | 1984-07-12 | 株式会社 鷺宮製作所 | サ−マルアクチユエ−タ− |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AU490656B2 (en) * | 1974-01-10 | 1975-07-10 | The Foxboro Company | Preconditioned element |
| US3948688A (en) * | 1975-02-28 | 1976-04-06 | Texas Instruments Incorporated | Martensitic alloy conditioning |
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| EP0062365B1 (de) * | 1981-03-23 | 1984-12-27 | BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie. | Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer Titanlegierung sowie Bauteil und Verwendung des Bauteils |
| CH659481A5 (de) * | 1982-02-05 | 1987-01-30 | Bbc Brown Boveri & Cie | Verfahren zur erzeugung eines reversiblen zweiweg-gedaechtniseffekts in einem bauteil aus einer einen einwegeffekt zeigenden legierung. |
| JPS58151445A (ja) * | 1982-02-27 | 1983-09-08 | Tohoku Metal Ind Ltd | 可逆形状記憶効果を有するチタンニツケル合金およびその製造方法 |
-
1983
- 1983-06-13 JP JP58105174A patent/JPS59230189A/ja active Granted
-
1984
- 1984-06-09 DE DE19843421623 patent/DE3421623A1/de active Granted
- 1984-06-09 KR KR1019840003246A patent/KR850000676A/ko not_active Application Discontinuation
- 1984-06-11 US US06/619,272 patent/US4531988A/en not_active Expired - Lifetime
- 1984-06-11 GB GB08414821A patent/GB2142724B/en not_active Expired
- 1984-06-13 AU AU29348/84A patent/AU569521B2/en not_active Ceased
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS59120985A (ja) * | 1982-12-28 | 1984-07-12 | 株式会社 鷺宮製作所 | サ−マルアクチユエ−タ− |
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|---|---|---|---|---|
| JPH0430309U (ja) * | 1990-07-04 | 1992-03-11 | ||
| JP2004518510A (ja) * | 2001-03-08 | 2004-06-24 | バルサミアン，フィリップ | 小さな温度変化で形状が変化する形状記憶装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| GB8414821D0 (en) | 1984-07-18 |
| JPS59230189A (ja) | 1984-12-24 |
| DE3421623C2 (ja) | 1987-01-02 |
| AU569521B2 (en) | 1988-02-04 |
| GB2142724A (en) | 1985-01-23 |
| KR850000676A (ko) | 1985-02-28 |
| US4531988A (en) | 1985-07-30 |
| GB2142724B (en) | 1986-11-12 |
| DE3421623A1 (de) | 1984-12-13 |
| AU2934884A (en) | 1984-12-20 |
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