JP2001234846A - 全方位屈曲型の形状記憶合金薄膜アクチュエータ単位体とその製造方法および光ファイバー - Google Patents
全方位屈曲型の形状記憶合金薄膜アクチュエータ単位体とその製造方法および光ファイバーInfo
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- G02B6/3548—1xN switch, i.e. one input and a selectable single output of N possible outputs
Abstract
(57)【要約】
【課題】 形状記憶合金アクチュエータにおいて、機械
的な信頼性を向上し、従来の形状記憶合金のコイルによ
る全方位屈曲型アクチュエータに比べて小型、安価に大
量にかつ短時間に作製することができる形状記憶合金薄
膜アクチュエータ単位体を提供する。 【解決手段】 中実細線あるいは中空細管の外周に形状
記憶合金薄膜を蒸着して細線あるいは細管と一体化させ
た後、複数個に分割した個々の駆動要素を形成すること
によって形状記憶合金薄膜アクチュエータ単位体を作製
し、アクチュエータ単位体の全方位の屈曲を可能とす
る。
的な信頼性を向上し、従来の形状記憶合金のコイルによ
る全方位屈曲型アクチュエータに比べて小型、安価に大
量にかつ短時間に作製することができる形状記憶合金薄
膜アクチュエータ単位体を提供する。 【解決手段】 中実細線あるいは中空細管の外周に形状
記憶合金薄膜を蒸着して細線あるいは細管と一体化させ
た後、複数個に分割した個々の駆動要素を形成すること
によって形状記憶合金薄膜アクチュエータ単位体を作製
し、アクチュエータ単位体の全方位の屈曲を可能とす
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この出願の発明は、全方位屈
曲型の形状記憶合金薄膜アクチュエータ単位体の構造と
その製造方法および光ファイバーに関するものであり、
さらに詳しくは、細線あるいは細管の外周に形状記憶合
金薄膜を成膜し、配線することにより、従来よりも構造
を簡素化し小型化でき、且つ、製造の簡便化が図ること
のできるものとした、軸中心に対して全方位屈曲型の形
状記憶合金薄膜アクチュエータ単位体の構造とその製造
方法および光ファイバーに関するものである。
曲型の形状記憶合金薄膜アクチュエータ単位体の構造と
その製造方法および光ファイバーに関するものであり、
さらに詳しくは、細線あるいは細管の外周に形状記憶合
金薄膜を成膜し、配線することにより、従来よりも構造
を簡素化し小型化でき、且つ、製造の簡便化が図ること
のできるものとした、軸中心に対して全方位屈曲型の形
状記憶合金薄膜アクチュエータ単位体の構造とその製造
方法および光ファイバーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】従来より、形状記憶合金を利
用した屈曲型のアクチュエータが提案されており、たと
えば全方位に屈曲可能としたものとして図６に示したも
のが知られてもいる。この全方位屈曲型の形状記憶合金
アクチュエータでは、軸方向に延びる複数個の形状記憶
合金のコイルを細管の周囲に取り付けて、個々のコイル
を加熱することにより独立に収縮させて細管を全方位に
動かす機構が採用されている。具体的には、柔軟ジョイ
ントＦは、その両端にフランジＢ１、Ｂ２が一体に固定
され、フランジＢ１、Ｂ２間には、例示的に３本の形状
記憶合金のコイルＳ１，Ｓ２、Ｓ３が取り付けられてい
る。柔軟ジョイントＦは、個々の形状記憶合金のコイル
の加熱収縮を独立的に制御することにより、フランジＢ
１、Ｂ２間における捩じれ角（φ）、曲げ角（θ）等が
制御され、全方位の屈曲が可能とされている。
用した屈曲型のアクチュエータが提案されており、たと
えば全方位に屈曲可能としたものとして図６に示したも
のが知られてもいる。この全方位屈曲型の形状記憶合金
アクチュエータでは、軸方向に延びる複数個の形状記憶
合金のコイルを細管の周囲に取り付けて、個々のコイル
を加熱することにより独立に収縮させて細管を全方位に
動かす機構が採用されている。具体的には、柔軟ジョイ
ントＦは、その両端にフランジＢ１、Ｂ２が一体に固定
され、フランジＢ１、Ｂ２間には、例示的に３本の形状
記憶合金のコイルＳ１，Ｓ２、Ｓ３が取り付けられてい
る。柔軟ジョイントＦは、個々の形状記憶合金のコイル
の加熱収縮を独立的に制御することにより、フランジＢ
１、Ｂ２間における捩じれ角（φ）、曲げ角（θ）等が
制御され、全方位の屈曲が可能とされている。
【０００３】上記のような構造の従来の全方位屈曲型形
状記憶合金アクチュエータは、たとえば、能動内視鏡に
おける屈曲機構の駆動用アクチュエータとして、応用可
能であると考えられている。ＴｉＮｉ合金のコイルばね
を有し、Ｒ相変態による形状記憶効果特性を利用するこ
の内視鏡用アクチュエータは、胃カメラ等の内視鏡の挿
入全長にわたり能動的屈曲能力を与え、その挿入・操作
性を改善し、患者の苦痛を軽減することができると考え
られている。
状記憶合金アクチュエータは、たとえば、能動内視鏡に
おける屈曲機構の駆動用アクチュエータとして、応用可
能であると考えられている。ＴｉＮｉ合金のコイルばね
を有し、Ｒ相変態による形状記憶効果特性を利用するこ
の内視鏡用アクチュエータは、胃カメラ等の内視鏡の挿
入全長にわたり能動的屈曲能力を与え、その挿入・操作
性を改善し、患者の苦痛を軽減することができると考え
られている。
【０００４】しかしながら、より実際的に検討すると、
このような提案されている構造では、形状記憶合金のコ
イルの部分がどうしても大きなものとなり、アクチュエ
ータ全体の小型化には限界があり、また応力集中が厳し
く、構造強度、駆動にともなう変形応力への耐久性には
問題があった。さらに、従来提案されている全方位屈曲
型形状記憶合金アクチュエータでは、形状記憶合金コイ
ルの製造とともに、形状記憶合金のコイルの取り付けと
調整に手間の掛かるものであった。
このような提案されている構造では、形状記憶合金のコ
イルの部分がどうしても大きなものとなり、アクチュエ
ータ全体の小型化には限界があり、また応力集中が厳し
く、構造強度、駆動にともなう変形応力への耐久性には
問題があった。さらに、従来提案されている全方位屈曲
型形状記憶合金アクチュエータでは、形状記憶合金コイ
ルの製造とともに、形状記憶合金のコイルの取り付けと
調整に手間の掛かるものであった。
【０００５】そこで、この出願の発明は、上記の事情に
鑑みなされたものであって、構造強度、耐久性ともに良
好で、構造の簡素化と小型化が可能であって、その製造
の簡便化を図ることのできる、軸中心に対して全方位屈
曲型の形状記憶合金を利用した新しいアクチュエータ手
段を提供することを課題としている。
鑑みなされたものであって、構造強度、耐久性ともに良
好で、構造の簡素化と小型化が可能であって、その製造
の簡便化を図ることのできる、軸中心に対して全方位屈
曲型の形状記憶合金を利用した新しいアクチュエータ手
段を提供することを課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記の通りの課題を解決
するものとして、この出願の発明は、第１には、全方位
屈曲型形状記憶合金アクチュエータ単位体の構造とし
て、中実細線または中空細管の外周に、複数個に分割さ
れ、且つ一体化して成膜された形状記憶合金薄膜を備え
ると共に、分割された形状記憶合金薄膜に配線を施した
複数の駆動要素を具備し、個々の駆動要素により軸中心
に対し全方位の屈曲を可能とした形状記憶合金薄膜アク
チュエータ単位体を提供し、第２には、アクチュエータ
単位体の構成材料を特定して、中実細線または中空細管
がシリカガラスであって、形状記憶合金薄膜がＴｉＮｉ
合金もしくはこれを主とするものである全方位屈曲型形
状記憶合金薄膜アクチュエータ単位体を提供する。
するものとして、この出願の発明は、第１には、全方位
屈曲型形状記憶合金アクチュエータ単位体の構造とし
て、中実細線または中空細管の外周に、複数個に分割さ
れ、且つ一体化して成膜された形状記憶合金薄膜を備え
ると共に、分割された形状記憶合金薄膜に配線を施した
複数の駆動要素を具備し、個々の駆動要素により軸中心
に対し全方位の屈曲を可能とした形状記憶合金薄膜アク
チュエータ単位体を提供し、第２には、アクチュエータ
単位体の構成材料を特定して、中実細線または中空細管
がシリカガラスであって、形状記憶合金薄膜がＴｉＮｉ
合金もしくはこれを主とするものである全方位屈曲型形
状記憶合金薄膜アクチュエータ単位体を提供する。
【０００７】さらに、第３には、全方位屈曲型形状記憶
合金薄膜アクチュエータ単位体の製造方法として、中実
細線あるいは中空細管の外周に形状記憶合金薄膜を成膜
する工程と研削、研磨あるいはエッチング溝切りによっ
て形状記憶合金成膜を長手方向に溝切り除去して分割し
た形状記憶合金成膜を得る工程と、分割した形状記憶合
金薄膜に配線を施して複数の駆動要素を作製する工程と
を有することを特徴とする軸中心に対し全方位屈曲型の
形状記憶合金薄膜アクチュエータ単位体の製造方法を、
また第４には、中空細線あるいは中空細管の外周の全周
にマスキングまたは遮蔽板を介することによって長手方
向に分割された複数の成膜を形成するか、あるいは成膜
した後にエッチングによって長手方向に分割された複数
の成膜を形成する工程と、分割した形状記憶合金薄膜に
溝切りと配線を施して複数の駆動要素を作製する工程と
を有することを特徴とする多関節型形状記憶合金薄膜ア
クチュエータの製造法を提供する。
合金薄膜アクチュエータ単位体の製造方法として、中実
細線あるいは中空細管の外周に形状記憶合金薄膜を成膜
する工程と研削、研磨あるいはエッチング溝切りによっ
て形状記憶合金成膜を長手方向に溝切り除去して分割し
た形状記憶合金成膜を得る工程と、分割した形状記憶合
金薄膜に配線を施して複数の駆動要素を作製する工程と
を有することを特徴とする軸中心に対し全方位屈曲型の
形状記憶合金薄膜アクチュエータ単位体の製造方法を、
また第４には、中空細線あるいは中空細管の外周の全周
にマスキングまたは遮蔽板を介することによって長手方
向に分割された複数の成膜を形成するか、あるいは成膜
した後にエッチングによって長手方向に分割された複数
の成膜を形成する工程と、分割した形状記憶合金薄膜に
溝切りと配線を施して複数の駆動要素を作製する工程と
を有することを特徴とする多関節型形状記憶合金薄膜ア
クチュエータの製造法を提供する。
【０００８】さらにまた、形状記憶合金薄膜アクチュエ
ータの応用として、第５には、上記いずれかの形状記憶
合金薄膜アクチュエータ単位体を備える光ファイバー
を、第６には、形状記憶合金薄膜アクチュエータ単位体
を備え、多位置切替可能に作動する光ファイバーをも提
供する。細管の周囲に厚さ数ミクロンの形状記憶合金薄
膜を蒸着するだけでよく、形状記憶合金を細管と一体化
させることにより飛躍的な小型化が可能になる。
ータの応用として、第５には、上記いずれかの形状記憶
合金薄膜アクチュエータ単位体を備える光ファイバー
を、第６には、形状記憶合金薄膜アクチュエータ単位体
を備え、多位置切替可能に作動する光ファイバーをも提
供する。細管の周囲に厚さ数ミクロンの形状記憶合金薄
膜を蒸着するだけでよく、形状記憶合金を細管と一体化
させることにより飛躍的な小型化が可能になる。
【０００９】さらに、この出願の発明によれば、細管を
回転させながら蒸着するだけで、形状記憶合金の作製か
ら組立までを簡便に行うので、大幅な省力化とコストダ
ウンが期待できる。
回転させながら蒸着するだけで、形状記憶合金の作製か
ら組立までを簡便に行うので、大幅な省力化とコストダ
ウンが期待できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】この出願の発明は、上記のとおり
の特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態につ
いて説明する。この出願の第１の発明のアクチュエータ
要素単位体は、基本的には、中実細線あるいは中空細管
の外周に形状記憶合金薄膜を蒸着等によって中実細線あ
るいは中空細管と一体化させた後、この薄膜を複数個に
分画、分割し、その個々のものに駆動要素を形成しこれ
より軸中心に対して全方位の屈曲を可能とした形状記憶
合金薄膜アクチュエータ要素単位体である。
の特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態につ
いて説明する。この出願の第１の発明のアクチュエータ
要素単位体は、基本的には、中実細線あるいは中空細管
の外周に形状記憶合金薄膜を蒸着等によって中実細線あ
るいは中空細管と一体化させた後、この薄膜を複数個に
分画、分割し、その個々のものに駆動要素を形成しこれ
より軸中心に対して全方位の屈曲を可能とした形状記憶
合金薄膜アクチュエータ要素単位体である。
【００１１】具体的には、たとえば図１に、この出願の
発明による全方位屈曲型形状記憶合金薄膜アクチュエー
タ単位体の構造が製造工程として例示される。 たとえば、まず、中実細線あるいは中空細管を回転さ
せながら、中実細線あるいは中空細管の外周に形状記憶
合金薄膜をスパッタ成膜し、細線あるいは細管と一体化
させる。この場合、中実の細線あるいは中空の細管は、
必ずしも円柱あるいは円筒状である必要はない。外形は
多角（多面）状でもよいし、断面楕円形等であってもよ
い。ただ、軸中心に対し全方位屈曲を円滑に可能とし、
耐久性、強度等のバランスを良くするためには円柱ある
いは円筒状のものが好ましい。
発明による全方位屈曲型形状記憶合金薄膜アクチュエー
タ単位体の構造が製造工程として例示される。 たとえば、まず、中実細線あるいは中空細管を回転さ
せながら、中実細線あるいは中空細管の外周に形状記憶
合金薄膜をスパッタ成膜し、細線あるいは細管と一体化
させる。この場合、中実の細線あるいは中空の細管は、
必ずしも円柱あるいは円筒状である必要はない。外形は
多角（多面）状でもよいし、断面楕円形等であってもよ
い。ただ、軸中心に対し全方位屈曲を円滑に可能とし、
耐久性、強度等のバランスを良くするためには円柱ある
いは円筒状のものが好ましい。
【００１２】外周に配設一体化する形状記憶合金の薄膜
は、スパッタ手段だけでなく、イオンビーム、イオンプ
レーティング等の各種の気相蒸着手段によって形成する
ことができる。場合によっては気相蒸着の手段でなくと
もよい。薄膜は、アクチュエータとしての用途によっ
て、外周全体に対して均一でもよいし、あるいは変化さ
れていてもよい。
は、スパッタ手段だけでなく、イオンビーム、イオンプ
レーティング等の各種の気相蒸着手段によって形成する
ことができる。場合によっては気相蒸着の手段でなくと
もよい。薄膜は、アクチュエータとしての用途によっ
て、外周全体に対して均一でもよいし、あるいは変化さ
れていてもよい。
【００１３】気相蒸着においては、前記の細線または細
管は連続的もしくは断続的に回転させてもよいし、ある
いは回転に代わる方法であってもよい。 その後、研削、研磨またはエッチングなどの溝切りを
行い、不用部分を除去し、中実細線あるいは中空細管の
表面に、たとえば、図１のように軸方向（長手方向）に
走る溝を切る。この溝切りは、研削や研磨などの機械的
手段で行われてもよいし、あるいはイオンビーム、プラ
ズマ等による気相エッチング手段、あるいは液相エッチ
ング剤による手段であってもよい。これらの場合、適宜
にマスキング等の手段が採用されてよいことは言うまで
もない。
管は連続的もしくは断続的に回転させてもよいし、ある
いは回転に代わる方法であってもよい。 その後、研削、研磨またはエッチングなどの溝切りを
行い、不用部分を除去し、中実細線あるいは中空細管の
表面に、たとえば、図１のように軸方向（長手方向）に
走る溝を切る。この溝切りは、研削や研磨などの機械的
手段で行われてもよいし、あるいはイオンビーム、プラ
ズマ等による気相エッチング手段、あるいは液相エッチ
ング剤による手段であってもよい。これらの場合、適宜
にマスキング等の手段が採用されてよいことは言うまで
もない。
【００１４】次いで、配線を施し、これによって成膜
を複数個に分割した領域とし、その個々に駆動要素を形
成する。このように作製された形状記憶合金薄膜アクチ
ュエータ単位体について個々の駆動要素を温度制御する
ことにより軸中心に対して全方位の屈曲が可能とされ
る。配線は、通電によって、分割された形状記憶合金の
領域毎の温度コントロールを可能とするためのものであ
る。配線方式やその手段は適宜であってよい。
を複数個に分割した領域とし、その個々に駆動要素を形
成する。このように作製された形状記憶合金薄膜アクチ
ュエータ単位体について個々の駆動要素を温度制御する
ことにより軸中心に対して全方位の屈曲が可能とされ
る。配線は、通電によって、分割された形状記憶合金の
領域毎の温度コントロールを可能とするためのものであ
る。配線方式やその手段は適宜であってよい。
【００１５】通電をコントロールすることによって、図
１に示したように、軸中心（Ａ）に対し、全方位（Ｂ、
Ｃ，Ｄ………）への屈曲が可能とされるのである。溝の
形状を上記のような直線以外にも例えば螺旋状とした
り、溝の幅を一定以外の例えば等差級数的に変化するも
のとすること等も任意に選択可能である。たとえば以上
のように例示されるアクチュエータ単位体については、
中実の細線または中空の細管は、その素材として、金
属、合金、セラミックス、ガラス、プラスチックスをは
じめ、ＦＲＰ等のそれらの複合材の各種のものであって
よい。一般的には、細線または細管としては耐熱性が良
好で、熱膨係数やヤング率が比較的小さいものが考慮さ
れることになる。また、薄膜を構成する形状記憶合金も
各種であってよい。Ｎｉ−Ｔｉ系の合金をはじめ、Ｎｉ
−Ｔｉ−Ｃｕ系合金、Ｎｉ−Ｔｉ−Ｐｄ系合金、Ｃｕ−
Ａｌ−Ｎｉ系合金等が例示される。薄膜は形状記憶合金
としてのバイアス力を与えるために通常は４５０°Ｃ以
上の温度で熱処理することになる。たとえば後述の実施
例では、熱処理温度５５０°Ｃで１時間処理している。
ただし、同程度のバイアス力を熱処理ではなく、成膜中
に発生する残留応力によって与えることも可能である。
１に示したように、軸中心（Ａ）に対し、全方位（Ｂ、
Ｃ，Ｄ………）への屈曲が可能とされるのである。溝の
形状を上記のような直線以外にも例えば螺旋状とした
り、溝の幅を一定以外の例えば等差級数的に変化するも
のとすること等も任意に選択可能である。たとえば以上
のように例示されるアクチュエータ単位体については、
中実の細線または中空の細管は、その素材として、金
属、合金、セラミックス、ガラス、プラスチックスをは
じめ、ＦＲＰ等のそれらの複合材の各種のものであって
よい。一般的には、細線または細管としては耐熱性が良
好で、熱膨係数やヤング率が比較的小さいものが考慮さ
れることになる。また、薄膜を構成する形状記憶合金も
各種であってよい。Ｎｉ−Ｔｉ系の合金をはじめ、Ｎｉ
−Ｔｉ−Ｃｕ系合金、Ｎｉ−Ｔｉ−Ｐｄ系合金、Ｃｕ−
Ａｌ−Ｎｉ系合金等が例示される。薄膜は形状記憶合金
としてのバイアス力を与えるために通常は４５０°Ｃ以
上の温度で熱処理することになる。たとえば後述の実施
例では、熱処理温度５５０°Ｃで１時間処理している。
ただし、同程度のバイアス力を熱処理ではなく、成膜中
に発生する残留応力によって与えることも可能である。
【００１６】図２はこの発明の別の例を示したものであ
る。図１に示した全方位屈曲型形状記憶合金薄膜アクチ
ュエータ単位体を長手方向に複数個作製することによっ
て複数の可動部を持つ多関節型アクチュエータが形成さ
れる。この複数の可動部をもつアクチュエータ単位体
は、たとえば次の工程に従って作製される。
る。図１に示した全方位屈曲型形状記憶合金薄膜アクチ
ュエータ単位体を長手方向に複数個作製することによっ
て複数の可動部を持つ多関節型アクチュエータが形成さ
れる。この複数の可動部をもつアクチュエータ単位体
は、たとえば次の工程に従って作製される。
【００１７】中実細線あるいは中空細管を回転させな
がら、中実細線あるいは中空細管の外周に形状記憶合金
薄膜を成膜し、細線あるいは細管と一体化させる。この
場合、成膜時にマスキングまたは遮蔽板などを用いるこ
とにより、マスキング等を施した場所以外の細線または
細管の軸方向に間隔を置いた複数の所定の場所に部分的
に成膜するか、あるいは、マスキング等を用いない場合
には、成膜後にエッチッグなどによって部分的に形状記
憶合金薄膜を取り除く。
がら、中実細線あるいは中空細管の外周に形状記憶合金
薄膜を成膜し、細線あるいは細管と一体化させる。この
場合、成膜時にマスキングまたは遮蔽板などを用いるこ
とにより、マスキング等を施した場所以外の細線または
細管の軸方向に間隔を置いた複数の所定の場所に部分的
に成膜するか、あるいは、マスキング等を用いない場合
には、成膜後にエッチッグなどによって部分的に形状記
憶合金薄膜を取り除く。
【００１８】次いで、分割された個々の薄膜について
図１に示した方法により溝切り、配線を施す。これによ
り複数の全方位屈曲型形状記憶合金薄膜アクチュエータ
単位体を形成する。このように、長手方向に複数の全方
位屈曲型形状記憶合金薄膜を配することにより、複数の
可動部を有する多関節型形状記憶合金薄膜アクチュエー
タが作製できる。
図１に示した方法により溝切り、配線を施す。これによ
り複数の全方位屈曲型形状記憶合金薄膜アクチュエータ
単位体を形成する。このように、長手方向に複数の全方
位屈曲型形状記憶合金薄膜を配することにより、複数の
可動部を有する多関節型形状記憶合金薄膜アクチュエー
タが作製できる。
【００１９】図３は、この出願の発明による、たとえば
前記のとおりの全方位屈曲型の形状記憶合金薄膜アクチ
ュエータ単位体の応用例を示したものであって、それぞ
れ（ａ）物品を把持する多関節マニピュレータ、（ｂ）
カテーテル挿入位置における曲げ方向を制御可能な能動
カテーテル、（ｃ）接続位置を切替可能な光通信ケーブ
ルジャンクションあるいは光ファイバの切替え位置合わ
せ用アクチュエータをそれぞれ示している。
前記のとおりの全方位屈曲型の形状記憶合金薄膜アクチ
ュエータ単位体の応用例を示したものであって、それぞ
れ（ａ）物品を把持する多関節マニピュレータ、（ｂ）
カテーテル挿入位置における曲げ方向を制御可能な能動
カテーテル、（ｃ）接続位置を切替可能な光通信ケーブ
ルジャンクションあるいは光ファイバの切替え位置合わ
せ用アクチュエータをそれぞれ示している。
【００２０】これらの例だけでなく、マイクロバルブや
マイクロポンプ等への応用や、光通信、医療マイクロロ
ボット等への応用が期待される。たとえば、マイクロバ
ルブなどにみられるバイモルフ構造の変位型アクチュエ
ータではなく、ファイバの全方向への自由な屈曲を考慮
した新しい形態のマイクロアクチュエータが望まれてい
るが、この出願の発明はこのような新しい形状記憶合金
薄膜アクチュエータ単位体の最も基本的な構造とその製
造方法を提案するものでもある。
マイクロポンプ等への応用や、光通信、医療マイクロロ
ボット等への応用が期待される。たとえば、マイクロバ
ルブなどにみられるバイモルフ構造の変位型アクチュエ
ータではなく、ファイバの全方向への自由な屈曲を考慮
した新しい形態のマイクロアクチュエータが望まれてい
るが、この出願の発明はこのような新しい形状記憶合金
薄膜アクチュエータ単位体の最も基本的な構造とその製
造方法を提案するものでもある。
【００２１】そこで以下にこの発明の全方位屈曲型形状
記憶合金薄膜アクチュエータ単位体について、さらに詳
細に説明する。
記憶合金薄膜アクチュエータ単位体について、さらに詳
細に説明する。
【００２２】
【実施例】図４は、前出の図１に対応した、シリカガラ
スとＴｉＮｉ薄膜とによるこの発明の全方位屈曲型形状
記憶合金薄膜アクチュエータ単位体の構成断面を、また
図５は、図４に示された形状記憶合金薄膜アクチュエー
タでの屈曲にともなう曲率半径と形状記憶合金薄膜にか
かる最大応力を、それぞれ示している。
スとＴｉＮｉ薄膜とによるこの発明の全方位屈曲型形状
記憶合金薄膜アクチュエータ単位体の構成断面を、また
図５は、図４に示された形状記憶合金薄膜アクチュエー
タでの屈曲にともなう曲率半径と形状記憶合金薄膜にか
かる最大応力を、それぞれ示している。
【００２３】中実細線としてシリカガラス、形状記憶合
金薄膜としてＴｉＮｉ合金薄膜を用い、それぞれの直径
Ｄと厚さｄを変えて検討を行った。形状記憶合金薄膜に
与えるバイアス力は、熱処理温度（５５０℃）から室温
（２５℃）まで冷却したときの温度差（ΔＴ）によって
生じる熱歪みによって与えることにした。具体的には５
５０°Ｃの温度で１時間熱処理した。これによって、室
温では、ＴｉＮｉ薄膜はマルテンサイト相であり、バリ
アントの再配列によってその形状は容易にシリカガラス
の形状に追随する。ここで、上側のＴｉＮｉ層のみを逆
変態温度（７０℃程度）以上に加熱すると、上側のＴｉ
Ｎｉ薄膜は母相に逆変態して、ＴｉＮｉ薄膜本来の形状
を主張することになる。即ち、シリカガラスとＴｉＮｉ
層との間には熱歪みに起因する応力が働くことになる。
金薄膜としてＴｉＮｉ合金薄膜を用い、それぞれの直径
Ｄと厚さｄを変えて検討を行った。形状記憶合金薄膜に
与えるバイアス力は、熱処理温度（５５０℃）から室温
（２５℃）まで冷却したときの温度差（ΔＴ）によって
生じる熱歪みによって与えることにした。具体的には５
５０°Ｃの温度で１時間熱処理した。これによって、室
温では、ＴｉＮｉ薄膜はマルテンサイト相であり、バリ
アントの再配列によってその形状は容易にシリカガラス
の形状に追随する。ここで、上側のＴｉＮｉ層のみを逆
変態温度（７０℃程度）以上に加熱すると、上側のＴｉ
Ｎｉ薄膜は母相に逆変態して、ＴｉＮｉ薄膜本来の形状
を主張することになる。即ち、シリカガラスとＴｉＮｉ
層との間には熱歪みに起因する応力が働くことになる。
【００２４】このような状態におけるシリカガラスの反
りの曲率半径Ｒは、繊維方向の力の釣り合いとの回転モ
ーメントの力の釣り合いを満足する条件式から、ＴｉＮ
ｉおよびシリカガラスの弾性定数、ポアソン比、熱膨張
係数をそれぞれ、Ｅｆ、νｆ、αｆおよびＥｓ、νｓ、
αｓとしｔ＝ｄ／Ｄ、ｅ＝Ｅｆ（１−νｓ）／Ｅｓ（１
−νｆ）とすると次の式で得られた。 Ｒ＝Ｄ（１＋４ｅｔ3 ＋４ｅｔ＋６ｅｔ2 ＋ｅ2 ｔ4 ）
／６（αｆ−αｓ）ΔＴ（ｅｔ2 ＋ｅｔ） また、形状記憶合金薄膜に対する最大引張応力Ｓは、シ
リカガラスとの界面で働き、同様な材料力学的な考察に
よって、次式で決まるものであった。 Ｓ＝｛Ｅｆ（αｆ−αｓ）ΔＴ／（ｅｔ＋１）｝＋
｛（ｔ−（ｅｄ2 ＋Ｄ2 ＋２Ｄｄ）／２（ｅｄ＋Ｄ））
／Ｒ｝ 図５は、シリカガラスの曲率と形状記憶合金薄膜にかか
る最大応力が、形状記憶合金薄膜の厚さ（ｄ）と中実細
線の直径（Ｄ）を変えることによってどのように変化す
るかが示されているが、シリカガラスの曲率半径（Ｒ）
は、１ｍｍ〜５０ｍｍまで変化し、実用上、十分な屈曲
が得られることがわかった。また形状記憶合金薄膜にか
かる最大応力は、形状記憶合金薄膜が実用的に十分な性
能を発揮する４００〜８００ＭＰａの範囲に収まること
が確認できた。（同程度の応力は成膜時の残留応力によ
っても負荷することが可能である。）
りの曲率半径Ｒは、繊維方向の力の釣り合いとの回転モ
ーメントの力の釣り合いを満足する条件式から、ＴｉＮ
ｉおよびシリカガラスの弾性定数、ポアソン比、熱膨張
係数をそれぞれ、Ｅｆ、νｆ、αｆおよびＥｓ、νｓ、
αｓとしｔ＝ｄ／Ｄ、ｅ＝Ｅｆ（１−νｓ）／Ｅｓ（１
−νｆ）とすると次の式で得られた。 Ｒ＝Ｄ（１＋４ｅｔ3 ＋４ｅｔ＋６ｅｔ2 ＋ｅ2 ｔ4 ）
／６（αｆ−αｓ）ΔＴ（ｅｔ2 ＋ｅｔ） また、形状記憶合金薄膜に対する最大引張応力Ｓは、シ
リカガラスとの界面で働き、同様な材料力学的な考察に
よって、次式で決まるものであった。 Ｓ＝｛Ｅｆ（αｆ−αｓ）ΔＴ／（ｅｔ＋１）｝＋
｛（ｔ−（ｅｄ2 ＋Ｄ2 ＋２Ｄｄ）／２（ｅｄ＋Ｄ））
／Ｒ｝ 図５は、シリカガラスの曲率と形状記憶合金薄膜にかか
る最大応力が、形状記憶合金薄膜の厚さ（ｄ）と中実細
線の直径（Ｄ）を変えることによってどのように変化す
るかが示されているが、シリカガラスの曲率半径（Ｒ）
は、１ｍｍ〜５０ｍｍまで変化し、実用上、十分な屈曲
が得られることがわかった。また形状記憶合金薄膜にか
かる最大応力は、形状記憶合金薄膜が実用的に十分な性
能を発揮する４００〜８００ＭＰａの範囲に収まること
が確認できた。（同程度の応力は成膜時の残留応力によ
っても負荷することが可能である。）
【００２５】
【発明の効果】以上詳しく説明したとおり、この出願の
発明によって、従来の形状記憶合金膜を用いたアクチュ
エータに比べて全方位屈曲型のアクチュエータとしては
飛躍的に小型化（例えば１／１０００）することができ
る。その結果、能動型マイクロカテーテル、多関節マイ
クロマニピュレータ、光ファイバーのケーブルジャンク
ションまたは位置決め機構などの作製が可能になる。
発明によって、従来の形状記憶合金膜を用いたアクチュ
エータに比べて全方位屈曲型のアクチュエータとしては
飛躍的に小型化（例えば１／１０００）することができ
る。その結果、能動型マイクロカテーテル、多関節マイ
クロマニピュレータ、光ファイバーのケーブルジャンク
ションまたは位置決め機構などの作製が可能になる。
【００２６】また、従来の全方位屈曲型の形状記憶合金
アクチュエータでは形状記憶合金のコイルの支持点に力
が集中するのに対して、この出願の発明による形状記憶
合金薄膜アクチュエータ単位体では細線と一体化してお
り、湾曲した部分に力が均等に働くために、細線の機械
的な信頼性の向上が可能となる。また、この発明によれ
ば、従来の全方位屈曲型アクチュエータに比べて、安価
に大量にかつ短時間に効率的に作製することができる。
アクチュエータでは形状記憶合金のコイルの支持点に力
が集中するのに対して、この出願の発明による形状記憶
合金薄膜アクチュエータ単位体では細線と一体化してお
り、湾曲した部分に力が均等に働くために、細線の機械
的な信頼性の向上が可能となる。また、この発明によれ
ば、従来の全方位屈曲型アクチュエータに比べて、安価
に大量にかつ短時間に効率的に作製することができる。
【図１】全方位屈曲型形状記憶合金薄膜アクチュエータ
単位体の作製と構造の例を示した図である。
単位体の作製と構造の例を示した図である。
【図２】多関節形状記憶合金薄膜アクチュエータ単位体
の作製工程を例示した図である。
の作製工程を例示した図である。
【図３】全方位屈曲型形状記憶合金薄膜アクチュエータ
単位体の応用例を示した図である。
単位体の応用例を示した図である。
【図４】シリカガラスとＴｉＮｉ薄膜との全方位屈曲型
形状記憶合金アクチュエータの構成を例示した図であ
る。
形状記憶合金アクチュエータの構成を例示した図であ
る。
【図５】図４に示された形状記憶合金薄膜アクチュエー
タ単位体で得られるシリカガラスの反りの曲率半径と形
状記憶合金薄膜にかかる最大応力を例示した図である。
タ単位体で得られるシリカガラスの反りの曲率半径と形
状記憶合金薄膜にかかる最大応力を例示した図である。
【図６】従来の全方位屈曲型形状記憶合金薄膜アクチュ
エータを示した図である。
エータを示した図である。
Claims (6)
- 【請求項１】 中実細線または中空細管の外周に、複数
個に分割され、且つ一体化して成膜された形状記憶合金
薄膜を備えると共に、分割された形状記憶合金薄膜に配
線が施された複数の駆動要素を具備し、個々の駆動要素
により軸中心に対し全方位の屈曲が可能とされているこ
とを特徴とする全方位屈曲型の形状記憶合金薄膜アクチ
ュエータ単位体。 - 【請求項２】 請求項１において、中実細線または中空
細管がシリカガラスであって、その外周に一体に成膜さ
れた形状記憶合金薄膜がＴｉＮｉ合金もしくはこれを主
とするものであることを特徴とする全方位屈曲型の形状
記憶合金薄膜アクチュエータ単位体。 - 【請求項３】 中実細線または中空細管の外周に、形状
記憶合金薄膜を成膜する工程と、研削、研磨あるいはエ
ッチングによって形状記憶合金成膜を長手方向に溝切り
除去して分割した形状記憶合金成膜を得る工程と、分割
した形状記憶合金薄膜に配線を施して複数の駆動要素を
作製する工程とを有することを特徴とする軸中心に対し
全方位屈曲型の形状記憶合金薄膜アクチュエータ単位体
の製造方法。 - 【請求項４】 中実細線または中空細管の外周に、マス
キングまたは遮蔽板を介することによって長手方向に分
割された複数の成膜を形成するか、あるいは成膜した後
にエッチングによって長手方向に分割された複数の成膜
を形成する工程と、分割した形状記憶合金膜に溝切りと
配線を施して複数の駆動要素を作製する工程とを有する
ことを特徴とする多関節型形状記憶合金薄膜アクチュエ
ータの製造方法。 - 【請求項５】 請求項１または２の形状記憶合金薄膜ア
クチュエータ単位体を備えることを特徴とする光ファイ
バー。 - 【請求項６】 多位置切替可能に作動する請求項５の光
ファイバー。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000048270A JP2001234846A (ja) | 2000-02-24 | 2000-02-24 | 全方位屈曲型の形状記憶合金薄膜アクチュエータ単位体とその製造方法および光ファイバー |
| US09/789,809 US20010021290A1 (en) | 2000-02-24 | 2001-02-22 | Omnidirectional flex-type shape memory alloy film actuator individual, process for producing the same, and optical fiber |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000048270A JP2001234846A (ja) | 2000-02-24 | 2000-02-24 | 全方位屈曲型の形状記憶合金薄膜アクチュエータ単位体とその製造方法および光ファイバー |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001234846A true JP2001234846A (ja) | 2001-08-31 |
Family
ID=18570387
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000048270A Withdrawn JP2001234846A (ja) | 2000-02-24 | 2000-02-24 | 全方位屈曲型の形状記憶合金薄膜アクチュエータ単位体とその製造方法および光ファイバー |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20010021290A1 (ja) |
| JP (1) | JP2001234846A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006527825A (ja) * | 2003-06-16 | 2006-12-07 | ビオメリュー | 電動開放式マイクロ流体用バルブ |
| WO2008142980A1 (ja) * | 2007-05-11 | 2008-11-27 | National Institute For Materials Science | ２方向性形状記憶合金薄膜アクチュエータとそれに使用される形状記憶合金薄膜の製造方法 |
| CN112031989A (zh) * | 2020-07-21 | 2020-12-04 | 宁波工程学院 | 一种利用毛细作用进行集水发电的装置及方法 |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2845167B1 (fr) * | 2002-09-30 | 2004-12-17 | Commissariat Energie Atomique | Connecteur pour fibres optiques, a memoire de forme |
| WO2004092581A1 (en) * | 2003-04-15 | 2004-10-28 | Board Of Trustees Operating Michigan State University | Prestrained thin-film shape memory actuator using polymeric substrates |
| JP5757518B2 (ja) * | 2011-01-13 | 2015-07-29 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 | 薄膜アクチュエータの製造方法 |
| US9339950B2 (en) | 2013-05-07 | 2016-05-17 | Shane Allen | Reprogrammable shape change sheet, uses of the sheet and method of producing a shaped surface |
-
2000
- 2000-02-24 JP JP2000048270A patent/JP2001234846A/ja not_active Withdrawn
-
2001
- 2001-02-22 US US09/789,809 patent/US20010021290A1/en not_active Abandoned
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006527825A (ja) * | 2003-06-16 | 2006-12-07 | ビオメリュー | 電動開放式マイクロ流体用バルブ |
| JP4707660B2 (ja) * | 2003-06-16 | 2011-06-22 | ビオメリュー | 電動開放式マイクロ流体用バルブ |
| WO2008142980A1 (ja) * | 2007-05-11 | 2008-11-27 | National Institute For Materials Science | ２方向性形状記憶合金薄膜アクチュエータとそれに使用される形状記憶合金薄膜の製造方法 |
| CN112031989A (zh) * | 2020-07-21 | 2020-12-04 | 宁波工程学院 | 一种利用毛细作用进行集水发电的装置及方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20010021290A1 (en) | 2001-09-13 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050222 |
|
| A761 | Written withdrawal of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20050425 |