形状記憶合金素線をセンサーとした三次元変位システムの開発

形状記憶合金素線をセンサーとした三次元変位システムの開発
1． 目的
埋立地の地中変動，地中層での地すべり，大型施設
下の地下変動，軟弱地区での埋設管の変形などは一般
的には外部から発見することは困難である．これらの
変位，変動はそれぞれ固有の方法で対応しているが，
いずれも小変位量しか測定できず，変形量がある程度
大きくなると対応できなくなる．たとえば，地すべり
の場合，現在の測定方法は地中にガイドパイプを鉛直
に挿入しておき，この中に傾斜計装置を吊り下げて測
定する．この方法では機構的に変形量の測定範囲が狭
く，６゜程度の傾斜で測定不能になる．再度その周辺
に新しくガイドパイプを設置して計測を繰り返してい
る．このように地下変動の計測は現在のところ小変形
にしか対応できないのが現状であり，一回の設置で大
変位まで測定できる装置の開発が切望されている．
そこで，変位センサー本体，加熱装置，形状呼び戻
し及びその変形状態計測装置により構成される三次元
変位測定システムの開発を試みた．変位センサー本体
に Ti-Ni 形状記憶合金（以後素線）を用い，埋設管等
の測定対象物に挿入し形状を記憶させ，計測室でその
記憶形状の復元を行い評価する．
本研究開発は平成 13 年度即効型地域新生コンソー
シアム事業であり，大学，企業との協力体制で取組み
課題を分担し，変位計測システムの開発に向け研究を
行った．当センターでは変位センサーとなる素線の形
状記憶特性，加工特性について検討した．
2． 実験方法
2-1 形状記憶合金素線の形状復元特性について
変位センサーとなる素線は一辺 3mm 角の Ti-Ni 系
を採用し，形状記憶は 400∼500℃の温度範囲で所定
の形に拘束し，数分間熱処理を行った．また，復元温
度（Af 点）は約 80℃である．素線は冷間加工により
素線内に析出物が生じ，熱処理を施すことで転位が並
び析出物を保持することにより形状記憶が行われる．
一般的には記憶処理は一度とされているが，開発する
素線センサーとしては，最初に直線記憶処理を施した
後，所定の形状を記憶するため，熱処理を 2 回以上行
うことになる．また，素線はひずみ量により記憶特性
が変化する．そこで，素線を図 1 に示す金型に拘束保
持し，熱処理状態の変化による記憶特性について検討
した．拘束用金型には曲率半径 50mm の 1/4 円溝を設
けており，素線に与えるひずみは外周部で 3％となる．
図 1 素線形状拘束用金型
2-2 形状記憶合金素線の加工特性について
素線の温度上昇は電流を流し，抵抗加熱させる方式
を採用した．素線端の結線方法を検討するために加工
特性について検討した．
3． 実験結果
3-1 形状記憶合金素線の形状復元特性について
図 2 に 400℃
の処理温度で記
憶させ，マルテ
ンサイト変態後
形状を復元させ
た場合の状態を
示す．2 辺の角
θ
度は 91°であ
った．なお，処
理温度が 430℃，
図 2 形状復元状態（400℃）
460℃の場合で
は，ほぼ 90°に復元できることが明らかとなった．
3-2 形状記憶合金素線の加工特性について
図 3 は素線に切削加工（ハイスドリル）と放電加工
（ワイヤ）を行った後の状態である．素線は高硬度で
あり，切削加工は困難であったが，放電加工では安定
して加工が進んだ．また，TIG 溶接も可能であり，作
業の効率性から素線の結線には TIG 溶接を採用した．
図 3 素線の機械加工の状態
電子機械課
○小川
仁，野々村
俊夫，香川
敏昌