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