JPH08296682A - マイクロバネ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 負荷荷重によらないでバネ形を制御できて遠
隔操作が可能であり、発生力に優れてバネとして実用た
りうる外径が５００μm以下の形状記憶金属製のマイク
ロバネの開発。 【構成】 形状記憶金属からなる直径１００μm以下の
素線の複数（１，２，３）が多重螺旋状態に配列してな
り、又は形状記憶金属からなる厚さが１００μm以下で
幅が厚さの２倍以上である素線を螺旋状に成形してな
り、外径が５００μm以下であるマイクロバネ。 【効果】 遠隔操作等にて異なる状態で使用でき、形状
回復に基づく発生力に優れて実用たりうるバネ弾性を発
揮するコンパクトで応答性に優れるマイクロバネが効率
よく得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、バネの外径を大きくす
ることなく発生力を向上させた形状記憶金属製のマイク
ロバネに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、極細のステンレス素線を螺旋状に
成形してなる外径が５００μm以下のマイクロバネが知
られていた。しかしながら、負荷荷重に応じて伸縮動を
するだけの通常のバネ動作をするだけであり、負荷荷重
によらずにバネ形を制御できない問題点があった。負荷
荷重によらないバネ形の制御は、血管挿入用のマイクロ
マシンや多機能カテーテル等における遠隔操作を実現す
るために強く求められている。

【０００３】一方、負荷荷重によらないバネ形の制御を
行いうるバネとして、形状記憶合金からなるものが提案
されている。これは、通電加熱方式等によりバネを伸長
又は縮小させる遠隔操作を可能としたものである。しか
しながら、通常サイズのバネが提案されているだけで、
それに準じて上記の如き外径が５００μm以下のマイク
ロバネとした場合、発生力に極めて乏しくバネとして実
用に供することが困難な問題点があった。また動作速度
が遅くて高速応答性に乏しい問題点もあった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、負荷荷重に
よらないでバネ形を制御できて遠隔操作が可能であり、
発生力に優れてバネとして実用たりうる外径が５００μ
m以下の形状記憶金属製のマイクロバネの開発を課題と
する。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、形状記憶金属
からなる直径１００μm以下の素線の複数が多重螺旋状
態に配列してなり、又は形状記憶金属からなる厚さが１
００μm以下で幅が厚さの２倍以上である素線を螺旋状
に成形してなり、外径が５００μm以下であることを特
徴とするマイクロバネを提供するものである。

【０００６】

【作用】上記の構成により、バネを温度制御すること
で、従って負荷荷重によらないでバネを伸長又は縮小さ
せることができ、通電加熱方式等により遠隔操作をする
ことができる。またバネの外径を大きくすることなく発
生力を向上させることができ、バネとして充分に実用で
きる外径が５００μm以下の形状記憶金属製のマイクロ
バネを得ることができる。

【０００７】

【実施例】本発明のマイクロバネは、形状記憶金属から
なる直径１００μm以下の素線の複数が多重螺旋状態に
配列してなり、外径が５００μm以下のものである。ま
た本発明の他のマイクロバネは、形状記憶金属からなる
厚さが１００μm以下で幅が厚さの２倍以上である素線
を螺旋状に成形してなり、外径が５００μm以下のもの
である。

【０００８】図１に多重螺旋状態に配列したタイプの例
を示した。また図２に扁平な素線を用いたタイプの例を
示し、図３に扁平な素線の他の断面形態を例示した。
１，２，３，４，５，６，７が形状記憶金属からなる素
線である。

【０００９】図１に例示の如き多重螺旋状態に配列した
タイプのマイクロバネの形成には、形状記憶金属からな
る直径が１００μm以下の素線が用いられる。その素線
径が１００μmを超えると外径５００μm以下のバネの形
成が困難となり、熱容量が大きくなって加熱又は冷却の
速度、特に冷却速度が低下してバネ形制御時における応
答速度が低下しやすい。高速応答性等の点より好ましい
素線径は、１０〜８０μm、就中２０〜７０μmである。

【００１０】多重螺旋状態に配列したタイプのマイクロ
バネの形成は、例えば複数の素線を並列させてそれをバ
ックテンションの付与下に、所定径（外径が５００μm
以下）の芯線にそれを回転させながらその回転力で巻付
けて規準となるバネ形を形成し、そのバネを必要に応じ
てより長寸又は短寸の状態に設定して加熱処理下に形状
記憶を施す方法などの適宜な方法で行うことができる。
加熱処理は、形状記憶金属の種類等に応じて行われる。
ちなみにその加熱処理は、Ｔi・Ｎi系合金からなる素線
の場合で約３５０℃にて１時間程度のものである。

【００１１】多重螺旋状態に配列させる素線の本数は、
目的とするバネ定数などに応じて２本以上の任意な数と
することができる。一般には、５０本以下、就中３０本
以下、特に２〜１０本とされる。ちなみに、１本の素線
で形成した巻数ｎのバネと全体として同じ巻数のバネを
Ｎ本の素線を用いて多重螺旋方式で形成した場合、各素
線の巻数をｎ／Ｎとすることで目的を達成でき、これは
１本素線のバネと同量の撓みを与えた場合、Ｎ倍の形状
回復力が発生することを意味する。

【００１２】従って前記の点は、発生力では多重螺旋バ
ネを形成するＮ本のバネを並列配置したものと同じであ
るものの、バネ全体の大きさでは素線のピッチ間に他の
素線が収容されて頗るコンパクトなものとなり、その結
果、実用的なバネ特性を示すマイクロバネの形成が可能
となる。

【００１３】高速応答性やバネ特性等に優れる多重螺旋
バネを形成する点よりは、各素線の螺旋ピッチを素線径
の１０倍以下、就中８倍以下、特に６倍以下とすること
が好ましい。この螺旋ピッチは、バネの長寸状態に基づ
く。すなわち形状記憶金属からなるバネでは、その形状
記憶により長寸又は短寸のバネ長状態に変化させて使用
できるため前記の螺旋ピッチはその長寸状態に基づくも
のである。その長寸状態は、形状記憶させた状態とそう
でない状態（この場合には短寸状態を記憶形状とす
る。）のいずれであってもよい。

【００１４】なお螺旋ピッチは、バネの縮小可能範囲に
関係することから、その範囲を考慮すると前記した螺旋
ピッチで形成しうる多重螺旋バネは、螺旋ピッチが素線
径の１０倍以下の場合でその素線数が２〜９本、就中２
〜７本、特に２〜５本、素線径の８倍以下の場合で２〜
７本、就中２〜５本、特に２〜４本、素線径の６倍以下
の場合で２〜５本、就中２〜４本、特に２〜３本のもの
である。

【００１５】一方、各素線よりなるバネのバネ指数（バ
ネの平均径／素線径）については１．５〜１０、就中
１．７〜１０、特に２〜６に設定することが高速応答性
やバネ特性等の点より好ましい。そのバネ指数が１．５
未満では機械的剛性が高くなって温度制御による形状回
復力が阻害されるため、また１０を超えると形状回復時
にバネ形状に歪が生じやすくていずれの場合にも応答速
度が低下しやすい。

【００１６】上記した素線数や素線径、螺旋ピッチやバ
ネ指数等を考慮した、多重螺旋バネの高速応答性やバネ
特性等の点より好ましいバネの外径は、４５０μm以
下、就中５０〜３００μm、特に８０〜２００μmであ
る。

【００１７】本発明の他の形態のマイクロバネは、図２
に例示のごとく形状記憶金属からなる扁平な素線を螺旋
状に５００μm以下の外径に成形したものである。その
形成は、例えば上記した多重螺旋バネの形成方法におい
てその並列素線に代えて扁平素線を用いることにより行
いうる。

【００１８】扁平な素線としては、厚さが１００μm以
下で、幅が厚さの２倍以上のものが用いられる。素線の
厚さが１００μmを超えると外径５００μm以下のバネの
形成が困難となり、熱容量が大きくなってバネ形制御時
における応答速度が低下しやすい。高速応答性等の点よ
り好ましい素線の厚さは、１０〜８０μm、就中２０〜
７０μmである。

【００１９】また扁平な素線を用いることで、素線の配
列化に準じた作用効果を得て上記した多重螺旋バネに準
じ形状回復力に優れるコンパクトなマイクロバネを得る
ものである。従って扁平な素線の幅は、目的とするバネ
定数などに応じて厚さの２倍以上の任意な幅とすること
ができる。一般には、厚さの５０倍以下、就中３０倍以
下、特に２〜１０倍の幅とされる。

【００２０】扁平素線からなる高速応答性やバネ特性等
に優れるバネを形成する点よりは、螺旋ピッチを素線の
厚さに基づいて１０倍以下、就中８倍以下、特に６倍以
下とすることが好ましい。この螺旋ピッチは、上記した
多重螺旋バネの場合と同様にバネの長寸状態に基づき、
その長寸状態は、形状記憶させた状態とそうでない状態
のいずれであってもよい。

【００２１】従ってバネの縮小可能範囲を考慮した場
合、前記の螺旋ピッチが１０倍以下では扁平度（幅／厚
さ）が２〜９、就中２〜７、特に２〜５、８倍以下では
２〜７、就中２〜５、特に２〜４、６倍以下では２〜
５、就中２〜４、特に２〜３の素線を用いてバネを形成
することが好ましい。

【００２２】一方、バネ指数については上記の多重螺旋
バネの場合と同様に、１．５〜１０、就中１．７〜１
０、特に２〜６に設定することが高速応答性やバネ特性
等の点より好ましい。ただしこの場合には、バネ指数は
バネの平均径を扁平な素線の平均厚さで除した値で定義
される。従って扁平素線使用のバネにおいても、上記し
た素線の扁平度や螺旋ピッチ、バネ指数等を考慮したバ
ネの高速応答性やバネ特性等の点より好ましいバネの外
径は、４５０μm以下、就中５０〜３００μm、特に８０
〜２００μmである。

【００２３】なお、扁平な素線の断面形態は任意であ
り、図２や図３（ａ），（ｂ），（ｃ）に例示した如く
半円縁平角形４や平角形５、楕円形６や三角縁平角形７
などの適宜な扁平形の素線を用いることができる。

【００２４】本発明のバネにおいて、素線を形成するた
めの形状記憶金属についてはその温度特性等に応じて適
宜なものを用いてよい。その例としては、Ｔi・Ｎi系合
金、Ｔi・Ｎi・Ｃu系合金、Ｔi・Ｎi・Ｆe系合金、Ｎi
・Ａl系合金、Ａg・Ｃd系合金、Ａu・Ｃd系合金、Ｃu・
Ａl・Ｎi系合金、Ｃu・Ａu・Ｚn系合金、Ｃu・Ｓn系合
金、Ｃu・Ｚn系合金、Ｃu・Ｚn・Ａl系合金、Ｉn・Ｔl
系合金、Ｉn・Ｃd系合金などがあげられる。

【００２５】バネ特性や低熱容量による高速応答性など
の点より好ましく用いうる形状記憶金属としては、例え
ばＴi：４９〜５１ａｔ％、Ｎi：５１〜４９ａｔ％組成
のＴi・Ｎi系合金、Ｃu：１０〜３０ａｔ％、Ｚn：３〜
１０ａｔ％、残部Ａl組成のＣu・Ｚn・Ａl系合金などが
あげられる。

【００２６】バネの長さは、使用目的等に応じて適宜に
決定しうる。短尺では伸縮動作の幅が狭すぎる場合があ
り、長尺では応答速度が低下する場合があるため、一般
には３〜１０００mm、就中５〜１００mmの長さとするこ
とが好ましい。マイクロマシンやカテーテルへの組込み
性などの点よりは、７〜３０mm程度が好ましい。

【００２７】本発明によるバネの遠隔操作は、例えば光
ファイバを介してレーザ光を照射し、その照射熱を介し
バネを縮小又は伸長の形状記憶状態とし、他方、照射を
停止して伸長又は縮小させる方式、あるいはバネへの通
電・停止を介した加熱・冷却により当該伸縮動を制御す
る方式などの適宜な方式で行うことができる。

【００２８】本発明のマイクロバネは、医療用等のマイ
クロマシン、例えば内視鏡の首振り機構や、挿入部の形
状に合わせて変形してスムースな挿入を可能にする能動
カテーテルなどを形成するためのアクチュエータ、ある
いはその他の小型機械用や感温式のアクチュエータ、例
えばサーモスタットや各種の制御器などとして種々の目
的に好ましく用いうる。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、形状記憶金属からなる
素線の多重螺旋方式又は扁平化方式でバネを形成したの
で、遠隔操作にてもバネ形を制御して異なる状態で使用
でき、形状回復に基づく発生力に優れて実用たりうるバ
ネ弾性を発揮するバネを外径５００μm以下のコンパク
トで応答性に優れるマイクロバネとして効率よく得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】多重螺旋状態に配列したタイプの実施例の説明
断面図

【図２】扁平な素線を用いたタイプの実施例の説明断面
図

【図３】扁平な素線の他の断面形態を例示した断面図

【符号の説明】

１，２，３：形状記憶金属からなる断面円形の素線 ４，５，６，７：形状記憶金属からなる扁平な素線

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 形状記憶金属からなる直径１００μm以
   下の素線の複数が多重螺旋状態に配列してなり、外径が
   ５００μm以下であることを特徴とするマイクロバネ。
2. 【請求項２】 形状記憶金属からなる厚さが１００μm
   以下で幅が厚さの２倍以上である素線を螺旋状に成形し
   てなり、外径が５００μm以下であることを特徴とする
   マイクロバネ。