JP3359710B2 - Actuator using an element that converts heat into mechanical force - Google Patents

Actuator using an element that converts heat into mechanical force

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JP3359710B2
JP3359710B2 JP23111693A JP23111693A JP3359710B2 JP 3359710 B2 JP3359710 B2 JP 3359710B2 JP 23111693 A JP23111693 A JP 23111693A JP 23111693 A JP23111693 A JP 23111693A JP 3359710 B2 JP3359710 B2 JP 3359710B2
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新二 金子
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明はアクチュエーター、特に
マイクロアクチュエーターに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an actuator, particularly to a microactuator.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、マイクロマシン技術に関心が集ま
っており、医療用マイクロロボットなどが期待されてい
る。これにはマイクロアクチュエーターの実現が必須で
ある。これに関連して、例えば形状記憶合金を利用した
多関節マニピュレーターが特開昭63−136014に
開示されている。形状記憶合金アクチュエーターは変位
量と単位体積当たりの発生力量が大きく、マイクロアク
チュエーターとして有望である。この中には、温度に依
存して変化する形状記憶合金の抵抗値特性に基づいて各
アクチュエーターを独立にフィードバック制御する方法
が示されている。
2. Description of the Related Art In recent years, attention has been focused on micromachine technology, and medical microrobots and the like are expected. This requires the realization of a microactuator. In this connection, for example, an articulated manipulator using a shape memory alloy is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-136014. Shape memory alloy actuators have a large amount of displacement and generated force per unit volume, and are promising as microactuators. This discloses a method of independently performing feedback control of each actuator based on a resistance value characteristic of a shape memory alloy that changes depending on temperature.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】このような多関節マニ
ピュレーターにはアクチュエーターの高精度な制御が要
求される。このため、アクチュエーターとして機能する
形状記憶合金の他に、供給される電力を熱に変換する電
熱変換素子や、フィードバック用のセンサーが必要にな
る。これらの微小な構成要素を個別に作製して組み立て
ることは小型化の大きな障害である。
In such an articulated manipulator, highly accurate control of the actuator is required. Therefore, in addition to the shape memory alloy functioning as an actuator, an electrothermal conversion element for converting supplied electric power to heat and a feedback sensor are required. Fabricating and assembling these minute components individually is a major obstacle to miniaturization.

【0004】マニピュレーターのように高精度の位置制
御が要求される場合、フィードバック用のセンサーには
位置と応力(負荷)を検知する機能が望まれる。この両
者を形状記憶合金の抵抗値のみから求めることはできな
い。このため、さらに別のセンサーが必要となるが、こ
れを駆動エネルギーの供給デバイスである電熱変換素子
や熱を機械的な力に変換する素子に実装することは小型
化にとっては大きな妨げとなる。
When high-precision position control is required as in a manipulator, a function for detecting position and stress (load) is desired for a feedback sensor. These two cannot be obtained from only the resistance value of the shape memory alloy. For this reason, another sensor is required. However, mounting the sensor on an electrothermal conversion element that is a drive energy supply device or an element that converts heat into mechanical force is a great obstacle to miniaturization.

【0005】本発明は、非常に小型で、しかも変位と応
力による高精度なフィードバック制御が可能な、熱を機
械的な力に変換する素子を用いたアクチュエーターを提
供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an actuator using an element that converts heat into a mechanical force, which is extremely small and capable of highly accurate feedback control based on displacement and stress.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明のアクチュエータ
ーは、熱を機械的力に変換する素子と、通電される電流
によってジュール熱を発生させ、前記熱を機械的力に変
換する素子を加熱する第1の電熱変換素子と、通電され
る電流によってジュール熱を発生させ、前記熱を機械的
力に変換する素子を加熱するとともに、前記第1の電熱
変換素子の素材に対して少なくともゲージ率または抵抗
の温度係数のいずれか一方が異なる素材からなる第2の
電熱変換素子とを有し、前記第1及び第2の電熱変換素
子は、当該第1及び第2各素子の抵抗値がモニタリング
できるように構成されている。アクチュエーターは、よ
り好ましくは、前記第1及び第2の電熱変換素子の各々
の抵抗値が測定できる電気的接続用の部位を有してい
る。本発明の別のアクチュエーターは、熱を機械的力に
変換する素子と、通電される電流によってジュール熱を
発生させ、前記熱を機械的力に変換する素子を加熱する
第1の電熱変換素子と、通電される電流によってジュー
ル熱を発生させ、前記熱を機械的力に変換する素子を加
熱するとともに、前記第1の電熱変換素子の素材に対し
て少なくともゲージ率または抵抗の温度係数のいずれか
一方が異なる素材からなる第2の電熱変換素子とを有
し、前記第1及び第2の電熱変換素子は、当該第1及び
第2各素子に印加される電圧及び電流がモニタリングで
きるように構成されている。アクチュエーターは、より
好ましくは、前記第1及び第2の電熱変換素子の各々に
印加される電圧及び電流の測定ができる電気的接続用の
部位を有している。
According to the present invention, an actuator for converting heat into a mechanical force and an element for generating Joule heat by a supplied electric current to heat the element for converting the heat into a mechanical force. The first electrothermal conversion element and the element that generates Joule heat by the supplied current and heats the element that converts the heat into mechanical force, and at least the gauge factor or the material of the first electrothermal conversion element A second electrothermal conversion element made of a material having one of different temperature coefficients of resistance; and the first and second electrothermal conversion elements can monitor resistance values of the first and second elements. It is configured as follows. The actuator more preferably has a portion for electrical connection from which the resistance value of each of the first and second electrothermal conversion elements can be measured. Another actuator of the present invention is an element that converts heat into mechanical force, a first electrothermal conversion element that generates Joule heat by an applied current, and heats the element that converts the heat into mechanical force. Generating an Joule heat by an electric current supplied thereto, and heating an element for converting the heat into a mechanical force, and at least one of a gauge coefficient or a temperature coefficient of resistance with respect to a material of the first electrothermal conversion element. A second electrothermal conversion element, one of which is made of a different material, wherein the first and second electrothermal conversion elements are configured to monitor a voltage and a current applied to each of the first and second elements. Have been. More preferably, the actuator has a portion for electrical connection that can measure a voltage and a current applied to each of the first and second electrothermal conversion elements.

【0007】[0007]

【作用】電熱変換素子は、ゲージ率または抵抗値の温度
係数が異なっている二種類の素材からつくられている。
従って、各素材の抵抗値をモニタリングすることによ
り、温度と歪を検知することができる。この二つのパラ
メーターを知ることによって、熱を機械的力に変換する
素子の温度・変位関係の応力依存性から変位と応力を求
めることができる。電熱変換素子と二つのセンサーが一
体化しているので、非常に小型に構成することができ
る。
The electrothermal conversion element is made of two types of materials having different gauge factors or different temperature coefficients of resistance.
Therefore, by monitoring the resistance value of each material, temperature and strain can be detected. By knowing these two parameters, the displacement and stress can be obtained from the stress dependence of the temperature-displacement relationship of the element that converts heat into mechanical force. Since the electrothermal conversion element and the two sensors are integrated, the configuration can be made very small.

【0008】[0008]

【実施例】次に本発明の実施例について図面を参照しな
がら説明する。まず、第一実施例のアクチュエーターの
構成について、図1〜図3を参照しながら説明する。図
1は、本実施例のアクチュエーターの上面図、図2は、
図1のアクチュエーターのII−II断面図、図3は、
図1のアクチュエーターの側面図で、(A)は初期の状
態、(B)は湾曲した状態を示している。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the configuration of the actuator of the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a top view of the actuator of this embodiment, and FIG.
II-II sectional view of the actuator of FIG. 1, FIG.
1A shows an initial state, and FIG. 1B shows a curved state.

【0009】平板状の形状記憶合金1は予め屈曲形状の
二方向形状記憶処理が施されている。形状記憶合金1
は、全面が絶縁膜であるポリイミド膜2で被覆されてい
る。その主面に、白金(Pt)薄膜パターン3とチタン
(Ti)薄膜パターン4が設けられている。Pt薄膜パ
ターン3とTi薄膜パターン4の接続部5にはリード線
6が、Pt薄膜パターン3の端部にはリード線7が、T
i薄膜パターン4の端部にはリード線8が接続されてい
る。リード線7とリード線8は可変電圧電源(図示せ
ず)に接続される。各リード線6と7と8は、電位測定
装置(図示せず)に接続される。
The flat shape memory alloy 1 has been subjected to a two-way shape memory processing of a bent shape in advance. Shape memory alloy 1
Is entirely covered with a polyimide film 2 which is an insulating film. On its main surface, a platinum (Pt) thin film pattern 3 and a titanium (Ti) thin film pattern 4 are provided. A lead wire 6 is connected to the connecting portion 5 between the Pt thin film pattern 3 and the Ti thin film pattern 4, a lead wire 7 is connected to an end of the Pt thin film pattern 3,
A lead wire 8 is connected to an end of the i thin film pattern 4. Leads 7 and 8 are connected to a variable voltage power supply (not shown). Each of the leads 6, 7 and 8 is connected to a potential measuring device (not shown).

【0010】二本のリード線7と8の間に電圧が印加さ
れると、薄膜パターン3と4に電流が流れ、ジュール熱
が発生する。ジュール熱は、ポリイミド膜2を介して形
状記憶合金1を加熱する。形状記憶合金1は、温度上昇
に伴ない、図3の(A)の状態から(B)の状態へと変
化する。このときの湾曲量の制御は、薄膜パターン3と
4に流す電流を加減して形状記憶合金1の温度を調整す
ることにより行なわれる。
When a voltage is applied between the two lead wires 7 and 8, a current flows through the thin film patterns 3 and 4, and Joule heat is generated. Joule heat heats the shape memory alloy 1 via the polyimide film 2. The shape memory alloy 1 changes from the state shown in FIG. 3A to the state shown in FIG. 3B as the temperature rises. At this time, the amount of bending is controlled by adjusting the temperature of the shape memory alloy 1 by adjusting the current flowing through the thin film patterns 3 and 4.

【0011】Pt薄膜パターン3とTi薄膜パターン4
の抵抗値は、リード線7(またはリード線8)に流れる
電流値と、リード線6とリード線7とリード線8の電位
を計測することによって求められる。
Pt thin film pattern 3 and Ti thin film pattern 4
Is determined by measuring the value of the current flowing through the lead wire 7 (or the lead wire 8) and the potentials of the lead wire 6, the lead wire 7 and the lead wire 8.

【0012】一般に金属薄膜の抵抗値は温度と歪みによ
って変化し、例えば300Kで歪みが0の場合の抵抗値
をRとすると、歪みεで温度TにおけるRに対する抵抗
値の変化量ΔRは、ゲージ率Kと抵抗値の温度係数Aを
用いて ΔR=R{Kε+A(T−300)} で与えられる。ここでゲージ率Kと抵抗値の温度係数A
は材質に依存した係数であり、その値は白金とチタンで
それぞれ異なっている。そこで、Pt薄膜パターン3と
Ti薄膜パターン4について、例えば300Kで歪みが
0の場合の抵抗値を予め測定しておき、これと実際に測
定した抵抗値を比較することで、歪みεと温度Tを計算
により求めることができる。ただし、ここで計算により
求めた歪みεと温度Tは薄膜パターン3と4の値である
から、予め求めておいた校正データに基づいて補正する
必要がある。
In general, the resistance value of a metal thin film changes with temperature and strain. For example, if the resistance value at 300 K and no strain is R, the change ΔR in resistance value with respect to R at temperature T with strain ε is Using the rate K and the temperature coefficient A of the resistance value, it is given by ΔR = R {Kε + A (T−300)}. Here, gauge factor K and temperature coefficient A of resistance value
Is a coefficient depending on the material, and its value differs between platinum and titanium. Therefore, for the Pt thin film pattern 3 and the Ti thin film pattern 4, for example, the resistance value when the strain is 0 at 300K is measured in advance, and the measured resistance value is compared with the strain ε and the temperature T. Can be obtained by calculation. However, since the strain ε and the temperature T calculated here are the values of the thin film patterns 3 and 4, it is necessary to correct them based on calibration data obtained in advance.

【0013】アクチュエーターの変位は計算で求めた歪
みから直ちに得られる。また応力は、変位と、予め求め
ておいた形状記憶合金の温度・変位関係の応力依存性か
ら求めるられる。このようにして求めた変位と応力に基
づいて薄膜パターン3と4に流れる電流値をフィードバ
ック制御することで、マニピュレーター等への応用にも
適合する高精度のアクチュエーターの制御が可能とな
る。また、形状記憶合金の加熱用の電熱変換素子と二種
類のセンサーが形状記憶合金に一体形成されるので、非
常に小さいアクチュエーターを得ることができる。
The displacement of the actuator is immediately obtained from the calculated strain. The stress is obtained from the displacement and the stress dependency of the temperature-displacement relationship of the shape memory alloy obtained in advance. By performing feedback control of the value of the current flowing through the thin film patterns 3 and 4 based on the displacement and stress obtained in this way, it is possible to control a highly accurate actuator that is suitable for application to a manipulator or the like. Also, since the electrothermal conversion element for heating the shape memory alloy and the two types of sensors are integrally formed in the shape memory alloy, a very small actuator can be obtained.

【0014】このようなアクチュエーターを、例えば湾
曲管に組み込むことにより、マニピュレーターとして機
能させることができる。このようなマニピュレーター
は、例えば内視鏡の湾曲部分に配置することによって先
端部の湾曲に利用することができる。
By incorporating such an actuator into a curved tube, for example, it can function as a manipulator. Such a manipulator can be used for bending of a distal end portion, for example, by disposing it at a curved portion of an endoscope.

【0015】続いて、第一実施例のアクチュエーターの
製造方法について図4〜図11を参照して説明する。予
め形状記憶処理を施した形状記憶合金板101の全面に
ポリイミド膜102を形成する(図4)。その表面(主
面)にスパッタ法によりPt薄膜103を形成した後、
その上にスピンコーターによって半導体用のフォトレジ
スト104を形成する(図5)。コンタクトアライナー
などを用いて所定のパターンを露光した後で現像し、レ
ジストパターン104’を形成する(図6)。イオンミ
リング等の方法を用いてレジストパターン104’の形
成されていない領域のPt薄膜を除去してPtパターン
103’を形成した後、有機溶剤等を用いてレジストパ
ターン104’を除去する(図7)。スパッタ法によっ
てTi薄膜105を形成し、その上にスピンコーターに
よって半導体用のフォトレジスト106を形成する(図
8)。コンタクトアライナーなどを用いて所定のパター
ンを露光した後で現像し、レジストパターン106’を
形成する(図9)。希釈したフッ酸と硝酸の混合溶液を
用いてレジストパターン106’の形成されていない領
域のTi薄膜を除去してTi薄膜パターン105’を形
成した後、有機溶剤を用いてレジストパターン106’
を除去する(図10)。このエッチングの際、Pt薄膜
パターン103’はエッチングされない。この結果、接
続部107で電気的に接続されたPt薄膜パターン10
3’とTi薄膜パターン105’よりなる電気抵抗パタ
ーンが構成される。この電気抵抗パターンの発熱を均一
にするため、Ti薄膜パターン105’をPt薄膜パタ
ーン103’よりも厚く形成して、Ti薄膜パターン1
05’の抵抗値とPt薄膜パターン103’の抵抗値を
等しくする。これにより二つの薄膜パターンの単位面積
当たりの発熱量が等しくなり、形状記憶合金1が均一に
加熱されるようになる。接続部107にリード線108
を、Ti薄膜パターン103’の端部109にリード線
110を、Pt薄膜パターン105’の端部111にリ
ード線112を接続する(図11)。このようにして図
1〜図3に示したアクチュエーターが完成する。
Next, a method of manufacturing the actuator according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. A polyimide film 102 is formed on the entire surface of the shape memory alloy plate 101 which has been subjected to a shape memory process in advance (FIG. 4). After forming a Pt thin film 103 on the surface (main surface) by a sputtering method,
A semiconductor photoresist 104 is formed thereon by a spin coater (FIG. 5). After exposing a predetermined pattern using a contact aligner or the like, development is performed to form a resist pattern 104 '(FIG. 6). After removing the Pt thin film in a region where the resist pattern 104 'is not formed by using a method such as ion milling to form a Pt pattern 103', the resist pattern 104 'is removed using an organic solvent or the like (FIG. 7). ). A Ti thin film 105 is formed by a sputtering method, and a photoresist 106 for a semiconductor is formed thereon by a spin coater (FIG. 8). After exposing a predetermined pattern using a contact aligner or the like, development is performed to form a resist pattern 106 ′ (FIG. 9). After removing the Ti thin film in the region where the resist pattern 106 'is not formed using a diluted mixed solution of hydrofluoric acid and nitric acid to form a Ti thin film pattern 105', the resist pattern 106 'is formed using an organic solvent.
Is removed (FIG. 10). During this etching, the Pt thin film pattern 103 'is not etched. As a result, the Pt thin film pattern 10 electrically connected at the connection 107
An electric resistance pattern composed of 3 ′ and the Ti thin film pattern 105 ′ is formed. In order to make heat generation of the electric resistance pattern uniform, the Ti thin film pattern 105 ′ is formed thicker than the Pt thin film pattern 103 ′, and the Ti thin film pattern 1 is formed.
The resistance value of 05 ′ and the resistance value of Pt thin film pattern 103 ′ are made equal. As a result, the calorific value per unit area of the two thin film patterns becomes equal, and the shape memory alloy 1 is uniformly heated. Lead wire 108 to connection 107
The lead wire 110 is connected to the end 109 of the Ti thin film pattern 103 ', and the lead wire 112 is connected to the end 111 of the Pt thin film pattern 105' (FIG. 11). Thus, the actuator shown in FIGS. 1 to 3 is completed.

【0016】上述の実施例では、均一な発熱を得るため
に二種類の薄膜パターンの抵抗値が等しくなるようにそ
の膜厚を調節したが、電気抵抗パターンのレイアウトを
図12に示すようにPt薄膜パターン114とTi薄膜
パターン115が入り組んだ形状にすることで対処する
こともできる。この場合、膜厚を調整する必要がないの
で、そのぶん製造が容易になる。
In the above-described embodiment, in order to obtain uniform heat generation, the film thickness is adjusted so that the resistance values of the two types of thin film patterns are equal. However, the layout of the electric resistance pattern is Pt as shown in FIG. This can be dealt with by forming a complicated shape of the thin film pattern 114 and the Ti thin film pattern 115. In this case, since it is not necessary to adjust the film thickness, the manufacture becomes easier.

【0017】本発明の第二実施例のアクチュエーターの
構成について図13〜図15を参照して説明する。図1
3は第二実施例のアクチュエーターの上面図、図14
は、図13のアクチュエーターの電気抵抗パターンのレ
イアウトを示すため、形状記憶合金を設ける前の上面
図、図15は、図14の構造体のXV−XV断面図であ
る。
The structure of the actuator according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG.
3 is a top view of the actuator of the second embodiment, FIG.
13 is a top view showing a layout of an electric resistance pattern of the actuator of FIG. 13 before providing a shape memory alloy, and FIG. 15 is a cross-sectional view of the structure of FIG. 14 taken along the line XV-XV.

【0018】ポリイミドのように柔軟な絶縁性の薄膜2
00の上にアルミよりなる配線204、206、20
8、210、212が設けられている。その上にはポリ
イミドよりなる層間絶縁膜214が設けられている。層
間絶縁膜214の上には二つの電気抵抗パターン218
と232が設けられている。電気抵抗パターン218は
Ti薄膜パターン220とPt薄膜パターン222から
なり、両者は接続部224において電気的に接続されて
いる。接続部224は、Pt薄膜パターン228によ
り、層間絶縁膜214に設けた開口部216を介して、
配線204に接続されている。Pt薄膜パターン222
の他方の端部は、Pt薄膜パターン226により開口部
216を介して配線202に接続されている。Ti薄膜
パターン220の他方の端部は、Ti薄膜パターン23
0により開口部216を介して配線206に接続されて
いる。
A flexible insulating thin film 2 such as polyimide
Wirings 204, 206, 20 made of aluminum on
8, 210, 212 are provided. An interlayer insulating film 214 made of polyimide is provided thereon. Two electric resistance patterns 218 are formed on the interlayer insulating film 214.
And 232 are provided. The electric resistance pattern 218 includes a Ti thin film pattern 220 and a Pt thin film pattern 222, and both are electrically connected at a connection portion 224. The connection portion 224 is formed by the Pt thin film pattern 228 through an opening 216 provided in the interlayer insulating film 214.
It is connected to the wiring 204. Pt thin film pattern 222
Is connected to the wiring 202 through the opening 216 by a Pt thin film pattern 226. The other end of the Ti thin film pattern 220 is
0 is connected to the wiring 206 through the opening 216.

【0019】同様に、電気抵抗パターン232はTi薄
膜パターン234とPt薄膜パターン236からなり、
両者は接続部238において電気的に接続されている。
接続部238は、Pt薄膜パターン242により開口部
216を介して配線210に接続されている。Pt薄膜
パターン236の他方の端部は、Pt薄膜パターン24
0により開口部216を介して配線208に接続されて
いる。Ti薄膜パターン234の他方の端部は、Ti薄
膜パターン244により開口部216を介して配線21
2に接続されている。
Similarly, the electric resistance pattern 232 comprises a Ti thin film pattern 234 and a Pt thin film pattern 236,
Both are electrically connected at a connection portion 238.
The connection portion 238 is connected to the wiring 210 via the opening 216 by a Pt thin film pattern 242. The other end of the Pt thin film pattern 236 is
0 is connected to the wiring 208 through the opening 216. The other end of the Ti thin film pattern 234 is connected to the wiring 21 through the opening 216 by the Ti thin film pattern 244.
2 are connected.

【0020】これらの薄膜パターンの上にはポリイミド
膜246が設けられている。ポリイミド膜246と層間
絶縁膜214にはこれを貫通して配線まで達する開口部
248が設けられており、各配線202、204、20
6、208、210、212には開口部248を介して
リード線250、252、254、256、258、2
60がそれぞれ接続されている。
A polyimide film 246 is provided on these thin film patterns. The polyimide film 246 and the interlayer insulating film 214 are provided with openings 248 penetrating therethrough and reaching the wiring.
6, 208, 210, 212 lead wires 250, 252, 254, 256, 258, 2
60 are connected respectively.

【0021】ポリイミド膜246の上には、電気抵抗パ
ターン218と232の上部に当たる位置にそれぞれ、
予め屈曲形状を二方向形状記憶処理された平板状の形状
記憶合金262と264が張り付けられている。
On the polyimide film 246, at positions corresponding to the upper portions of the electric resistance patterns 218 and 232, respectively.
Plate-shaped shape memory alloys 262 and 264 in which a bent shape is subjected to two-way shape memory processing in advance are attached.

【0022】形状記憶合金262は、リード線250と
リード線254の間に電圧を印加し、電気抵抗パターン
218に電流を流してジュール熱を発生させることによ
り加熱される。冷却は、通電を止めることによる放熱に
よってなされる。同様に、形状記憶合金264は、リー
ド線256とリード線258の間に電圧を印加し、電気
抵抗パターン232に電流を流してジュール熱を発生さ
せることにより加熱される。冷却は、通電を止めること
による放熱によってなされる。
The shape memory alloy 262 is heated by applying a voltage between the lead wire 250 and the lead wire 254 and flowing a current through the electric resistance pattern 218 to generate Joule heat. Cooling is performed by heat dissipation by stopping power supply. Similarly, the shape memory alloy 264 is heated by applying a voltage between the lead wire 256 and the lead wire 258 and flowing a current through the electric resistance pattern 232 to generate Joule heat. Cooling is performed by heat dissipation by stopping power supply.

【0023】これら二つの形状記憶合金の加熱は別々の
リード線を用いて行なわれるので、二つのアクチュエー
ターを独立に駆動することができる。また、通電時に各
リード線の電位を計測することで、第一実施例と同様の
手法によって、変位と応力によるフィードバック制御を
二つのアクチュエーターについて独立に行なうことがで
きる。
Since the heating of these two shape memory alloys is performed using separate leads, the two actuators can be driven independently. Further, by measuring the potential of each lead wire during energization, feedback control based on displacement and stress can be independently performed for the two actuators in the same manner as in the first embodiment.

【0024】このように形成したアクチュエーターは、
形状記憶合金の領域以外は薄いポリイミド膜と金属薄膜
によって構成されているので非常に柔軟であり、例えば
内視鏡の湾曲間に組み込むことによって、二関節のマニ
ピュレーターとして機能させることができる。本実施例
では二関節の例について示したが、三関節以上であって
も同様に実現できることは言うまでもない。
The actuator thus formed is
Since the region other than the shape memory alloy region is constituted by a thin polyimide film and a metal thin film, it is very flexible. For example, it can be made to function as a two-joint manipulator by being incorporated between the curves of an endoscope. In the present embodiment, an example of two joints has been described, but it is needless to say that the same can be realized with three or more joints.

【0025】次に第二実施例のアクチュエーターの製造
方法について図16〜図20を用いて説明する。シリコ
ン基板301にシリコン窒化膜302と第一のポリイミ
ド膜303とスパッタによるAl薄膜304を順次形成
する(図16)。通常の半導体プロセスのフォトリソグ
ラフィー工程を用いてAlをパターニングし、配線とな
るAlパターン304’を形成し、更に感光性の第二の
ポリイミド膜305を形成し、これにフォトリソグラフ
ィー工程で形成したコンタクト孔306を所定領域に形
成する(図17)。スパッタによるPt薄膜306及び
フォトレジスト307を順次形成する(図18)。図6
から図10に示したのと同様の方法で、TiとPtより
なる複数の複合抵抗パターン308を形成する(図1
9)。これは図示されているように、コンタクト孔を介
してAl配線パターンと電気的に接続されている。絶縁
膜となる第三のポリイミド膜を形成した後で、予め所定
の形状記憶処理を施した形状記憶合金309を各複合抵
抗パターンの部位に張り付ける(図20)。この後で、
基板の全てをエッチングによって選択的に除去して、不
要な部分のポリイミドを切り取って、更に適当な関節部
を有する湾曲管に実装することによって、多関節のマニ
ピュレーターを構成する。この方法ではフォトリソグラ
フィー技術によって組立工程を経ることなく、複数のセ
ンサーが組み込まれた複数のアクチュエーターが一体形
成されているので、多関節マニピュレーターとして高精
度の制御を行なうことができる。これによって従来にな
い小型で高精度のアクチュエーターを得ることができ
る。
Next, a method of manufacturing the actuator of the second embodiment will be described with reference to FIGS. A silicon nitride film 302, a first polyimide film 303, and an Al thin film 304 are sequentially formed on a silicon substrate 301 by sputtering (FIG. 16). Al is patterned using a photolithography process of a normal semiconductor process, an Al pattern 304 ′ serving as a wiring is formed, a photosensitive second polyimide film 305 is further formed, and a contact formed in the photolithography process is formed thereon. A hole 306 is formed in a predetermined area (FIG. 17). A Pt thin film 306 and a photoresist 307 are sequentially formed by sputtering (FIG. 18). FIG.
A plurality of composite resistor patterns 308 made of Ti and Pt are formed in the same manner as shown in FIG.
9). This is electrically connected to an Al wiring pattern via a contact hole as shown. After the formation of the third polyimide film serving as an insulating film, a shape memory alloy 309 that has been subjected to a predetermined shape memory process is pasted to each composite resistance pattern (FIG. 20). After this,
An articulated manipulator is constructed by selectively removing all of the substrate by etching, cutting out unnecessary portions of the polyimide, and mounting it on a curved tube having an appropriate joint. In this method, since a plurality of actuators incorporating a plurality of sensors are integrally formed without performing an assembling process by photolithography technology, highly accurate control can be performed as an articulated manipulator. This makes it possible to obtain an unprecedented compact and high-precision actuator.

【0026】ところで、第二実施例においては、二関節
の例について示したが、これを三関節以上に拡張するこ
とは当然可能である。しかしながら第二実施例の方法で
は、関節数が多くなると必要な配線の数が多くなるとい
う不都合がある。これを回避するため、アクチュエータ
ーが半導体基板上に形成されることを利用して、各関節
に制御用電子回路を組み込む方法が考えられる。この手
法について図21を用いて説明する。ここでは、ポリイ
ミドのような柔軟な材料で覆われた配線材401によっ
て相互に接続された半導体電子回路領域402と、図1
3に示したのと同様なTi薄膜とPt薄膜よりなる電熱
ヒーターをそれに張り付けられた形状記憶合金403で
多関節マニピュレーターが構成されている。ここで配線
は、電源線、接地線、制御信号線、同期信号線、ヒータ
ー用電位計測線などよりなり、制御用電子回路は所定開
口部で各配線と接続されており、制御信号に基づき各関
節の加熱やセンシングを所定のタイミングで行なう機能
を有する。センシングされた信号は外部のコントローラ
ーに送られ、必要な作業を行なうために各アクチュエー
ターをフィードバック制御する。この方法では関節数が
増えた場合であっても配線数が増えることはない。制御
用電子回路は、第二実施例の製造方法の説明における半
導体基板の所定領域に通常の集積回路製造技術を用いて
予め形成しておき、この半導体基板を除去する工程にお
いて、回路を形成した領域を選択的に残存させることに
よって得られる。
By the way, in the second embodiment, an example of two joints has been described, but it is naturally possible to extend this to three or more joints. However, the method of the second embodiment has a disadvantage that the number of necessary wirings increases as the number of joints increases. In order to avoid this, a method of incorporating a control electronic circuit in each joint by utilizing the fact that the actuator is formed on a semiconductor substrate is conceivable. This method will be described with reference to FIG. Here, a semiconductor electronic circuit region 402 interconnected by a wiring member 401 covered with a flexible material such as polyimide, and FIG.
An articulated manipulator is constituted by a shape memory alloy 403 having an electric heater made of the same Ti thin film and Pt thin film as shown in FIG. Here, the wiring is composed of a power supply line, a ground line, a control signal line, a synchronization signal line, a potential measurement line for a heater, and the like. It has a function of heating and sensing joints at a predetermined timing. The sensed signal is sent to an external controller, which performs feedback control of each actuator to perform a required operation. In this method, the number of wires does not increase even when the number of joints increases. The control electronic circuit was previously formed in a predetermined region of the semiconductor substrate in the description of the manufacturing method of the second embodiment by using a normal integrated circuit manufacturing technique, and the circuit was formed in the step of removing the semiconductor substrate. It is obtained by selectively leaving a region.

【0027】[0027]

【発明の効果】本発明によれば微小で高精度の制御が可
能なアクチュエーターを得ることができる。
According to the present invention, it is possible to obtain an actuator that can be minutely controlled with high accuracy.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第一実施例のアクチュエーターの上面
図である。
FIG. 1 is a top view of an actuator according to a first embodiment of the present invention.

【図2】図1のアクチュエーターをII−II線で破断
した断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the actuator of FIG. 1 taken along line II-II.

【図3】図1のアクチュエーターの側面図であり、
(A)は加熱前の初期状態、(B)は加熱後の湾曲状態
を示す。
FIG. 3 is a side view of the actuator of FIG. 1,
(A) shows an initial state before heating, and (B) shows a curved state after heating.

【図4】図1〜図3に示した第一実施例のアクチュエー
ターの製造における最初の工程を示す図である。
FIG. 4 is a view showing a first step in manufacturing the actuator of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 3;

【図5】第一実施例のアクチュエーターの製造における
第二の工程を示す図である。
FIG. 5 is a view showing a second step in manufacturing the actuator of the first embodiment.

【図6】第一実施例のアクチュエーターの製造における
第三の工程を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a third step in manufacturing the actuator of the first embodiment.

【図7】第一実施例のアクチュエーターの製造における
第四の工程を示す図である。
FIG. 7 is a view showing a fourth step in manufacturing the actuator of the first embodiment.

【図8】第一実施例のアクチュエーターの製造における
第五の工程を示す図である。
FIG. 8 is a view showing a fifth step in manufacturing the actuator of the first embodiment.

【図9】第一実施例のアクチュエーターの製造における
第六の工程を示す図である。
FIG. 9 is a view showing a sixth step in manufacturing the actuator of the first embodiment.

【図10】第一実施例のアクチュエーターの製造におけ
る第七の工程を示す図である。
FIG. 10 is a view showing a seventh step in manufacturing the actuator of the first embodiment.

【図11】第一実施例のアクチュエーターの製造におけ
る最後の工程を示す図である。
FIG. 11 is a view showing a final step in manufacturing the actuator of the first embodiment.

【図12】図1の電気抵抗パターンに代わる別の電気抵
抗パターンを示す図である。
FIG. 12 is a diagram showing another electric resistance pattern instead of the electric resistance pattern of FIG. 1;

【図13】本発明の第二実施例のアクチュエーターの上
面図である。
FIG. 13 is a top view of the actuator according to the second embodiment of the present invention.

【図14】形状記憶合金を設ける以前の図13のアクチ
ュエーターの上面図で、電気抵抗パターンのレイアウト
を示している。
14 is a top view of the actuator of FIG. 13 before providing a shape memory alloy, showing a layout of an electric resistance pattern.

【図15】図14の構造体をXV−XV線で破断した断
面図である。
15 is a cross-sectional view of the structure of FIG. 14 taken along line XV-XV.

【図16】図13に示した第二実施例のアクチュエータ
ーの製造における最初の工程を示す図である。
FIG. 16 is a view showing a first step in manufacturing the actuator of the second embodiment shown in FIG. 13;

【図17】第二実施例のアクチュエーターの製造におけ
る第二の工程を示す図である。
FIG. 17 is a view showing a second step in manufacturing the actuator of the second embodiment.

【図18】第二実施例のアクチュエーターの製造におけ
る第三の工程を示す図である。
FIG. 18 is a view showing a third step in manufacturing the actuator of the second embodiment.

【図19】第二実施例のアクチュエーターの製造におけ
る第四の工程を示す図である。
FIG. 19 is a view showing a fourth step in manufacturing the actuator of the second embodiment.

【図20】第二実施例のアクチュエーターの製造におけ
る最後の工程を示す図である。
FIG. 20 is a view showing a final step in manufacturing the actuator of the second embodiment.

【図21】各関節毎に制御用電子回路を併せて設けたア
クチュエーターを示す図である。
FIG. 21 is a diagram showing an actuator provided with a control electronic circuit for each joint.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…形状記憶合金、2…ポリイミド膜、3…Pt薄膜パ
ターン、4…Ti薄膜パターン。
1. Shape memory alloy, 2. Polyimide film, 3. Pt thin film pattern, 4. Ti thin film pattern.

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】熱を機械的力に変換する素子と、 通電される電流によってジュール熱を発生させ、前記熱
を機械的力に変換する素子を加熱する第1の電熱変換素
子と、 通電される電流によってジュール熱を発生させ、前記熱
を機械的力に変換する素子を加熱するとともに、前記第
1の電熱変換素子の素材に対して少なくともゲージ率ま
たは抵抗の温度係数のいずれか一方が異なる素材からな
る第2の電熱変換素子とを有し、 前記第1及び第2の電熱変換素子は、当該第1及び第2
各素子の抵抗値がモニタリングできるように構成されて
いることを特徴とする熱を機械的力に変換する素子を用
いたアクチュエーター。
1. An element for converting heat to mechanical force, a first electrothermal conversion element for generating Joule heat by an applied current and heating the element for converting the heat to mechanical force, And heat the element that converts the heat to mechanical force, and at least one of the gauge coefficient or the temperature coefficient of resistance differs from the material of the first electrothermal conversion element. A second electrothermal conversion element made of a material, wherein the first and second electrothermal conversion elements are the first and second electrothermal conversion elements.
An actuator using an element that converts heat into a mechanical force, wherein the actuator is configured to monitor a resistance value of each element.
【請求項2】前記第1及び第2の電熱変換素子の各々の
抵抗値が測定できる電気的接続用の部位を有することを
特徴とする請求項1に記載の熱を機械的力に変換する素
子を用いたアクチュエーター。
2. The heat converting device according to claim 1, further comprising an electrical connection portion capable of measuring a resistance value of each of said first and second electrothermal converting elements. Actuator using element.
【請求項3】熱を機械的力に変換する素子と、 通電される電流によってジュール熱を発生させ、前記熱
を機械的力に変換する素子を加熱する第1の電熱変換素
子と、 通電される電流によってジュール熱を発生させ、前記熱
を機械的力に変換する素子を加熱するとともに、前記第
1の電熱変換素子の素材に対して少なくともゲージ率ま
たは抵抗の温度係数のいずれか一方が異なる素材からな
る第2の電熱変換素子とを有し、 前記第1及び第2の電熱変換素子は、当該第1及び第2
各素子に印加される電圧及び電流がモニタリングできる
ように構成されていることを特徴とする熱を機械的力に
変換する素子を用いたアクチュエーター。
3. An element for converting heat to a mechanical force, a first electrothermal conversion element for generating Joule heat by an applied current and heating the element for converting the heat to a mechanical force, And heat the element that converts the heat to mechanical force, and at least one of the gauge coefficient or the temperature coefficient of resistance differs from the material of the first electrothermal conversion element. A second electrothermal conversion element made of a material, wherein the first and second electrothermal conversion elements are the first and second electrothermal conversion elements.
An actuator using an element for converting heat into a mechanical force, wherein the actuator is configured to monitor a voltage and a current applied to each element.
【請求項4】前記第1及び第2の電熱変換素子の各々に
印加される電圧及び電流の測定ができる電気的接続用の
部位を有することを特徴とする請求項3に記載の熱を機
械的力に変換する素子を用いたアクチュエーター。
4. The heat-to-mechanical machine according to claim 3, further comprising an electric connection portion for measuring a voltage and a current applied to each of the first and second electrothermal conversion elements. Actuator using an element that converts the force into a force.
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