JPH02199334A - 形状記憶合金製トーションバー - 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〕 本発明は回転式の窓や扉などの駆動装置等として繰り返
し利用出来るところの、材料に形状記憶合金を用いたト
ーションバーに関するものである。

〔従来の技術〕

トーションバーとは金属などの剛体から成る棒状部材（
バー）の弾性的な捻り変形に対する復元力を利用したス
プリングのことであり、自動車の懸架装置用スタビライ
ザなどに広く用いられている。

一方、形状記憶合金は塑性変形を加えても所定の温度以
上に加熱すると変形前の形状に復元する性質を持つ合金
で、Ｔｉ−Ｎｉ　、　Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｊ、　Ｃｕ−ＡＪ
−Ｎｉなどの熱弾性型マルテンサイト変態を利用したも
の（以後、熱弾性型と略す）と、Ｆｅ−Ｍｎ−５ｉなど
の非熱弾性型マルテンサイト変態を利用したもの（以後
、非熱弾性型と略す）とが知られており、種々の利用方
法が提案されている。

ところで、形状記憶合金をトーションバーの棒状部材に
用いると、通常のスプリングとしての利用の他に、回転
式の窓や扉などを駆動するための駆動源として利用が可
能となる。すなわち、バーを捻って塑性変形させ、元の
状態に復元させたい時にバーを加熱し、形状記憶合金の
形状回復を起こさせてバーの捻れが除かれる向きの動き
を引き出し、その際の復元力を利用すれば、バーを軸と
してその円周方向に物体を駆動することが出来るわけで
ある。

このような形状記憶合金製トーションバーの利用方法は
これまで殆ど報告されていない。わずかに類似の利用法
として特開昭５９−７３３２５号公報が開示されている
のみである。これは、自動車の製造工程におけるバラン
ススプリングの取り付けが、スプリング自身のバネ力の
ために煩雑な作業となり、またその組立精度を向上させ
るのに手間がかかるという問題点をかかえていることに
対して、スプリング部材を形状記憶合金で構成すること
によってそうした問題点を解決しようと試みたものであ
る。しかし、この場合には、本来スプリングとして使用
するトーションバーの取り付けを容易にするために形状
記憶合金を用いたに過ぎず、形状記憶効果の発現も一回
のみであり、形状回復時の復元力を利用して外部に対し
、て仕事をなすような概念は含まれていない。またどの
ような形状記憶合金を用いるべきかについて具体的に何
らの検討もされていない。

形状記憶合金のトーションバーへの利用はこのように新
しい技術であり、検討すべき問題も存在するが、そのう
ち最も重要なものは、種類の豊富な形状記憶合金の中か
らどのような形状記憶合金を選んで使用すべきかという
ものである。

形状記憶合金の形状記憶効果を発現させるには、塑性変
形と加熱の二つの操作を合金に施さなければならない。

そのうち特に塑性変形は用いる形状記憶合金に固有の適
切な温度範囲内でなされないと形状記憶効果を発現させ
ることが出来ない。この温度範囲は形状記憶効果の起源
である合金のマルテンサイト変態の変態温度によって決
められるが、逆に、塑性変形を行う温度に制限を設けた
場合には形状記憶効果の発現を可能にするような変態温
度を有する合金を選ばねばならない。これが形状記憶合
金の選択が重要である理由である。

ではトーションバー用の形状記憶合金に要求される変態
温度はどのようなものであろうか。トーションバーの利
用が室温（ＲＴ）である場合について考えてみる。

現在世の中に出回っている代表的な形状記憶合金である
Ｔｉ−Ｎｉなとの熱弾性型の場合には、始めの塑性変形
を、材料全体がマルテンサイト相になっている状態で行
うことが必要である。一般に、合金の温度を下げていっ
た時に、マルテンサイト変態が開始する温度をＭ８、終
了する温度をＭ。

と表示するので、この表現を使えば、合金の塑性変形を
室温で行うにはＭ、は次式で表わされる範囲でなければ
ならないことになる。

ＲＴ　＜　Ｍ　ｔ　　　　　　（１） 一方、この合金を使ったトーションバーが加熱による形
状回復をした後、その形状を維持し、あるいはスプリン
グとして機能するためには、母相中にマルテンサイト相
が含まれていてはならないので、次の条件も満たされて
いる必要がある。

Ｍ　、　＜　ＲＴ　　　　　　（２） すなわち、ＲＴ＜ＭｆかつＭ、＜ＲＴでなければならな
い。

しかしながら、Ｍ、はＭよより必ず低温側に存在するも
のであるから（１）、（２）弐を同時に満たす合金は存
在しない。

ところが、実際には、マルテンサイト変態の変態温度は
冷却時と加熱時とで異なっているので、合金を一旦Ｍ、
以下まで冷却してマルテンサイト′相にしてしまうと、
それを加熱して元の母相に逆変態させるには（母相への
逆変態の開始温度をＡ３とする）、Ｍ８より高い温度ま
での加熱が必要になる。そこでこのことを利用すれば、
Ｍ、以下まで冷却された合金については、Ｍ、以上の温
度においても、それがＡ、以下である場合に限り、Ｍ。

以下におけるのと同様に塑性変形を加えることが可能と
なる。つまり一旦Ｍ、以下に冷却してマルテンサイト相
に変態させた後にＡ、が室温以上の合金を選べば、始め
の塑性変形を室温で行うことが出来ることになる。以上
のことをまとめると、熱弾性型形状記憶合金をトーショ
ンバーとして利用する場合、始めの塑性変形を室温で行
い、加熱回復後室温において形状を維持し、あるいはス
プリング機能を発揮するためには次の条件を満たす合金
を選んで使用する必要があることになる。

Ｍ、＜ＲＴ＜Ａ、　　　　　（３） 必要条件は明らかになったが、実際にこの条件を満たす
熱弾性型形状記憶合金を容易に得ることが出来るかとい
うと必ずしもそうではない。合金の相変態温度は合金組
成の調整や熱処理によっである程度制御可能である。し
かし、ＭｌとＡ１を独立に制御することは極めて困難で
あり、両者の温度差は狭く、その差は大きくとも２０℃
程度であるのが普通であるから、室温の変動範囲を考慮
すると、常に（３）式の条件を満足出来る合金を得るこ
とは極めて難しいと言わなければならない。

〔発明が解決しようとする課題〕

このように、最も一般的な形状記憶合金である熱弾性型
マルテンサイト変態を利用する合金は、トーションバー
として使用するためには変態温度に厳しい制約が存在し
て合金の成分設計が難しいうえ、温度変動に対する適応
力が低く、塑性変形は室温で実施出来るとしても、変形
の前に一旦低温度に冷却することが必要となり、実用に
は不向きと言わねばならない。

そこで本発明では、合金設計が容易、冷却工程が不要、
かつ広い温度範囲で利用可能である実用性に優れた形状
記憶合金製のトーションバーの提供を目的として詳細な
検討を行った。

〔課題を解決するための手段〕

すなわち、本発明は、非熱弾性型マルテンサイト変態を
利用した形状記憶合金のうちマルテンサイト変態開始温
度（Ｍｓ）が−１０℃以上５０℃以下にあるものを用い
、棒状部材の円周方向に形状記憶効果を発現するように
したことを特徴とする形状記憶合金製トーションバー および 非熱弾性型マルテンサイト変態を利用した形状記憶合金
で、かつ、磁気変態の影響を受けて冷却してもマルテン
サイト変態が起こらずＭ、が認められないもののうち、
磁気変態温度が一１０℃以上４０℃以下にあるものを用
い、棒状部材の円周方向に形状記憶効果を発現するよう
にしたことを特徴とする形状記憶合金製トーションバー を要旨とするものである。

本発明のごとくトーションバーとして、非熱弾性型形状
記憶合金を用いれば、熱弾性型形状記憶合金を用いた場
合の問題点を解決することが出来る。

形状記憶合金には熱弾性型の他に非熱弾性型のあること
を既に説明した。

非熱弾性型形状記憶合金の形状記憶効果は、応力誘起マ
ルテンサイト変態と呼ばれる相変態とその逆変態を利用
するものである。応力誘起マルテンサイト変態とは母相
状態の合金を変形して応力を負荷した時に、マルテンサ
イト相が誘起される相変態のことである。トーションバ
ーにおける始めの塑性変形もマルテンサイト相を誘起さ
せるための変形に当たるから、良好な形状記憶効果を発
現させるには変形による応力負荷によってマルテンサイ
ト変態が容易に引き起こされるような温度範囲を選択し
て変形を加えればよいことになる。

そのような変形に適した温度範囲とは、（１）冷却する
ことによってマルテンサイト変態を起こす合金の場合に
は、Ｍ、近傍の温度、（２）磁気変態の影響を受けて、
冷却してもマルテンサイト変態が起こらず、Ｍ、が認め
られない合金の場合には、磁気変態温度の近傍の温度、
を指す。

一方、このトーションバーは室温付近で使用することを
前提としているので、これらの変形に適した温度範囲が
室温と一致することが非熱弾性型合金の具備すべき必要
条件となる。

これに対して、形状回復のためには合金をＡ。

以上、好ましくはＡｔＣマルテンサイト和から母相への
変態完了温度）以上に加熱する必要があるが、始めの変
形で誘起されたマルテンサイト相は、この加熱によって
形状回復すると同時に母相に戻る。そして、母相、ある
いは母相中に若干マルテンサイト相が含まれている状態
なら回復した形状の維持、スプリングとしての機能およ
び再び捻り変形して形状記憶効果を発現させることのい
ずれについても支障はないから、上記の必要条件はその
まま十分条件でもあることがわかる。

これらを総合すると、実用性に優れた形状記憶合金製ト
ーションバーとしては、 （１）非熱弾性型マルテンサイト変態を利用した形状記
憶合金のうち、マルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ）が
−１０℃以上５０’Ｃ以下にあるものを用い、棒状部材
の円周方向に形状記憶効果を発現するようにしたことを
特徴とする形状記憶合金製トーションバー および （２）非熱弾性型マルテンサイト変態を利用した形状記
憶合金で、かつ、磁気変態の影響を受けて冷却してもマ
ルテンサイト変態が起こらずＭ３が認められないものの
うち、磁気変態温度が一１０℃以上４０℃以下にあるも
のを用い、棒状部材の円周方向に形状記憶効果を発現す
るようにしたことを特徴とする形状記憶合金製トーショ
ンバーが最も望ましい。

Ｍ３を一１０℃以上５０℃以下としたのは、Ｍ。

が−１０℃より低温側にあると、マルテンサイト相を誘
起する応力が高くなって、始めの塑性変形が容易でなく
なりトーションバーの汎用性が損なわれるからであり、
また、Ｍ、が５０℃より高いと冷却により生成されるマ
ルテンサイト相の、形状記憶効果への影響が無視出来な
くなるからである。

一方、磁気変態の影響を受けて冷却してもマルテンサイ
ト変態が起こらず、Ｍｌが認められないものに対して磁
気変態温度に制限を設けたのは、磁気変態温度が一１０
℃より低温側にあるとマルテンサイト相を誘起する応力
が高くなって、始めの塑性変形が容易でなくなりトーシ
ョンバーの汎用性が損なわれるからであり、４０℃より
高温側の合金では変形時に結晶中にすべりが導入されて
形状記憶効果を劣化させるからである。

本発明に用いる形状記憶合金としては、例えば、Ｆｅ−
３２Ｍｎ−６Ｓｉ合金やＦｅ−２８Ｍｎ−６Ｓｉ−５Ｃ
ｒ合金などが望ましい。これらの合金は、室温において
塑性変形した時に最も優れた形状記憶効果を発揮し、形
状回復後は室温において再び塑性変形が可能で、繰り返
し形状記憶合金製トーションバーとして機能させること
が出来る。

〔作　用〕

本発明の非熱弾性型マルテンサイト変態を利用した形状
記憶合金を用いたトーションバーは、室温で捻り変形を
加えると応力誘起マルテンサイト変態が起こり、それに
より塑性的に変形することが出来る。次に、Ａ、以上の
適当な温度に加熱すると、誘起されたマルテンサイトが
母相に復元し、トーションバーとしての基準位置までバ
ーの捻れが回復する。この時復元力が発生し、バーを軸
としたその回りの回転運動の駆動力として外部に対して
仕事をすることが出来る。形状回復後は始めの形状を維
持し、任意の時期に再び捻り変形を加えることによって
駆動装置等として繰り返し使用出来る。また、−旦基準
位置まで捻れが回復した後は一般的なスプリング機能も
有する。

〔実施例〕

非熱弾性型マルテンサイト変態を利用した形状記憶合金
製トーションバーと、熱弾性型マルテンサイト変態を利
用した形状記憶合金製トーションバーを各々作成し、比
較試験を行った。用いた形状記憶合金サンプルはすべて
長さ２００ｍｍ、直径４ｍｍφの丸棒とした。試験は第
１図のようなトーションバー試験用治具を用いて行なっ
た。形状記憶合金サンプル１は一端を固定端２に固定さ
れ、他端を軸受け３の外側でアーム４に固定されており
、捻り変形はアームに取り付けられた分銅皿５に分銅を
乗せることにより行った。治具全体を恒温漕に沈めるこ
とによって試験温度を変え、８℃２１５℃、２５℃、４
０℃の四つの温度で最初の塑性変形の可否と、加熱して
形状回復させた後のスプリング性能（弾性変形に対する
復元性能）について調べ、性能を評価した。熱弾性型形
状記憶合金のＭ、以下への冷却には液体窒素を、また全
サンプルの形状回復のためには熱風加熱装置を用い約２
００℃に加熱した。塑性変形の可否は５ｋｇの分銅で変
形し、分銅を取り除いた後に、角度３０度以上の完全に
形状回復可能な捻り変形を残すことが出来た時塑性変形
可（○印）、そうでない時不可（×印）とした。一方、
スプリング性能は１廟の分銅による変形を弾性変形のみ
によってまかなえるかどうかを調べ、完全に初期状態に
復元すれば良好（○印）、捻りが残留した場合には不良
（×印）とした。そして、性能評価は、塑性変形とスプ
リング性能のいずれもが「Ｏ」の時その温度においては
トーションバーとして適切（Ｏ印）、いずれかが「×」
の時その温度では不適切（×印）とした。

結果を第１表に示す。

第１表 形状記憶合金製トーションバーの性能比較試験Ｎｏ３．
４　　ｂｕ）−ＣＸＩＩ）＋＋ｌｎ　六本ホ睨＆人ｎす
“１９９大　Ｘ８４ＮゴＶノ この結果より熱弾性型を利用したものでは要求される機
能を発揮出来る温度範囲が極めて狭く、Ｍ、以下への冷
却も必要であるのに対して、本発明の非熱弾性型を使っ
たものでは広い温度範囲で有効に機能し、特別な冷却も
不要であるなど形状記憶合金製トーションバーとしての
実用性に優れていることがわかる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、材料の選択が容易で、特別な冷却を必
要とせず、広い温度範囲で有効に機能する形状記憶合金
製トーションバーを得ることが出来る。

本発明は特別な冷却が不要であるから、繰り返し使用す
る用途に適しているが、スプリングとして利用する目的
で製品に組み込むような場合にも熱弾性型形状記憶合金
と同様に容易に取り付けられ、かつ冷却する工程が省略
出来るという利点を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は形状記憶合金トーションバー試験治具の概略図
である。 １　形状記憶合金サンプル ２　固定端 ３　軸受け ４　アーム ５　分銅皿

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）非熱弾性型マルテンサイト変態を利用した形状記
   憶合金のうち、マルテンサイト変態開始温度（Ｍ＿ｓ）
   が−１０℃以上５０℃以下にあるものを用い、棒状部材
   の円周方向に形状記憶効果を発現するようにしたことを
   特徴とする形状記憶合金製トーションバー。
2. （２）非熱弾性型マルテンサイト変態を利用した形状記
   憶合金で、かつ、磁気変態の影響を受けて冷却してもマ
   ルテンサイト変態が起こらずＭ＿ｓが認められないもの
   のうち、磁気変態温度が−１０℃以上４０℃以下にある
   ものを用い、棒状部材の円周方向に形状記憶効果を発現
   するようにしたことを特徴とする形状記憶合金製トーシ
   ョンバー。