JPH0893634A

JPH0893634A - 形状記憶合金アクチュエータ

Info

Publication number: JPH0893634A
Application number: JP23344494A
Authority: JP
Inventors: Shigehiro Wakazono; 繁博若園
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1994-09-28
Filing date: 1994-09-28
Publication date: 1996-04-09

Abstract

(57)【要約】【目的】この発明は、屈曲するように形状記憶された形
状記憶合金の、屈曲変形時の歪みが小さく、かつ発生力
量が大きいことを主要な目的とする。【構成】膜厚又は薄膜形状記憶合金と、この形状記憶合
金を加熱する加熱手段とを具備した形状記憶合金アクチ
ュエータにおいて、前記厚幕又は薄膜形状記憶合金が層
間に空隙を介して積層された構造を有することを特徴と
する形状記憶合金アクチュエータ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、形状記憶合金アクチ
ュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、本出願人が既に出願した特開平６
−９１５８２号「多関節マニピュレータ及びその製造方
法とアクチュエータ」が知られている。この公報の目的
は、発生力量や変位量が大きく、小型化が可能で、組立
工数が削減でき、またフィードバック制御用のセンサー
を一体形成して内蔵することができる多関節マニピュレ
ータを得ることにある。

【０００３】構成としては、図１４（Ａ），（Ｂ）に示
されるようにＭＩＭ（Ｍetal Ｉnjection Ｍold ）に
よって作成された多関節構造体140 に駆動機構体を取り
付けた構造を有している。駆動機構体は、形状記憶合金
薄膜パターン141 、電子回路142 及び電気配線143 〜14
6 によって構成されている。多関節構造体140 は、その
接続部147 を介して連結されている。また、駆動機構体
の電子回路142 部分とこれの両端に設けられた一対の形
状記憶合金薄膜パターン141 は、多関節構造体140 のそ
の接続部147 に対応するように設けられている。接続部
147 に設けられた一対の形状記憶合金薄膜パターン141
は、変態点以上の温度に加熱された時に接続部147 をそ
れぞれ逆方向に曲げる力を発生する。従って、一対の形
状記憶合金薄膜パターン141 の一方を加熱することによ
って、それに対応した接続部147をどちらの方向にも曲
げることができる。

【０００４】また、別な従来例として、特開平３−１３
５５１号「二方向形状記憶コイルバネの製造方法」が知
られている。この公報の目的は、比較的簡単な方法によ
り形状記憶コイルバネに自発形状変量が大きく、かつ記
憶特性の優れた二方向形状記憶コイルバネを得ることに
ある。

【０００５】以下に、構成を説明する。図１６に示すよ
うに、形状記憶合金線からなる伸びた状態のコイルバネ
161 に心棒162 を通して、その一端を固定端子により固
定し、もう一端を心棒163 の固定端子164 に固定した
後、心棒163 を矢印方向に回転して心棒162 のコイルバ
ネ161 を心棒163 に密着状態のコイルバネ165 に巻替え
る。これにより、高温ではもとの形状に戻ろうとするの
で密着力の強い密着バネが得られる。なお、図中の符号
166 は回転端子を示す。その後、図１７に示すように心
棒171 にコイルバネ172 を巻き付け、一端を固定端子17
3 により固定し、コイルバネの別の一端を矢印方向に引
っ張って一定の形状に固定した状態のコイルバネに加熱
冷却を繰り返すトレーニングを施す。これにより、高温
で縮み、低温で伸びる二方向性のコイルバネを得ること
ができる。

【０００６】次に、上記の高温で縮むように形成された
コイルバネについて、図１８に示すように伸びたコイル
バネ181 に心棒182 を通して、一端を固定端子183 によ
り固定し、心棒184 に密着状態にしたコイルバネ185 に
巻替えを行う。これにより、高温で伸び、低温で縮む二
方向性コイルバネが得られる。なお、図中の符号186は
回転端子を示す。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】形状記憶合金の変形時
の歪みが大きい場合（具体的には、大体６％以上）、そ
の歪みが小さい場合に比べて、繰り返し動作による寿命
が短くなる。具体的には、形状記憶特性が薄れてくるな
ど、徐々にアクチュエータとしての機能に支障をきた
す。

【０００８】厚膜又は薄形状記憶合金を屈曲するように
形状記憶を行う場合、膜厚をｄ、屈曲時の曲率半径をｒ
とした時、形状記憶合金の屈曲部表面の歪み量は、ｄ／
２ｒ×１００（％）で与えられる。必要以上に膜厚を厚
くすると、上述の式から形状記憶合金の屈曲時の歪みが
大きくなりすぎ、形状記憶合金の寿命を縮めることにな
る。

【０００９】従来例では、数十μｍ厚の形状記憶合金厚
膜を利用したアクチュエータが提案されているが、該ア
クチュエータが屈曲している時に、外部から大きな負荷
がかかった場合、形状記憶合金は屈曲状態を保つことが
できない。屈曲時の力量を大きくするためには、膜厚を
厚くすればよいが、前記の理由により寿命が短くなるの
で膜厚にも限界がある。つまり、厚膜又は薄膜形状記憶
合金の、屈曲時の歪み量と寿命とから計算される最大膜
厚より膜厚を厚くすることができない。

【００１０】また、コイルバネのコイル径をＤ、コイル
バネを形成している素線太さをｄ、変位をｘとしたと
き、コイルバネの伸縮時の発生力量は、Ｆ＝ａｄ⁴ ／Ｄ
³ ｘ（ａは比例定数でａ＝Ｇ／８ｎ；Ｇは横弾性係数、
ｎは巻数）で与えられる。そのため、同じ太さの素線を
用いた場合、伸縮時の発生力量を大きくするためには素
線を密に巻き、コイル径Ｄと素線径ｄの比Ｄ／ｄをでき
るだけ小さくすればよい。

【００１１】また、Ｄ／ｄによる比は、コイルバネの構
造上コイル径Ｄが素線径ｄを越えることはないので、必
ず１以上となる。従来例による形状記憶合金素線をもと
にしてコイルバネを形成する方法では、コイル径Ｄと素
線径ｄの比Ｄ／ｄは最小で４〜５が限度であり、それ以
下の比率を達成することができない。従って、大きな力
量を発生する形状記憶合金コイルバネを作製することが
できなかった。

【００１２】また、従来例では、形状記憶合金を利用し
たアクチュエータの屈曲時の力量を十分に得るために、
数十μｍの形状記憶合金厚膜を形成していた。しかし、
スパッタ法で数十μｍの厚膜を形成するには、非常に多
くの時間（具体的に、５０μｍの厚膜を形成するのに約
５００分間）を要する。更に、形状記憶合金厚膜を形成
後、所望の形状を得るために、リソフラフィィー工程に
より形状記憶合金厚膜のパターニングを行なわなければ
ならなかった。

【００１３】この発明はこうした事情を考慮してなされ
たもので、第一に、屈曲するように形状記憶された形状
記憶合金の、屈曲変形時の歪みが小さく、かつ、発生力
量の大きな形状記憶合金アクチュエータを提供するこ
と、第二に、形状記憶合金コイルバネのＤ／ｄを１〜２
にすることで、伸縮時に大きな力量を発生する形状形状
記憶合金コイルバネを提供すること、第三に、短時間で
パターニングされた厚膜又は薄膜形状記憶合金を形成す
る方法を提供すること及び形状記憶合金による膜だけで
なく、構造体をも形成する方法を提供することを目的と
する。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この発明の手段の説明に
先立ち、ジェットプリンティング法について、図１２，
図１３を用いて説明する。ジェットプリンティング法
は、ノズルから基板に向かい超微粒子を噴射し堆積させ
ることにより、所望の形状の膜及び構造体を作製する方
法であり、特公昭６３−５４０７５で開示されている。
上記手法は超微粒子生成室121 で生成又は準備した超微
粒子122 を搬送管123を通じて、搬送ガス124 により成
膜室に導き、高速でノズル125 から基板126 上に噴射さ
せることにより、ノズル出射端形状に対応したパターン
を有した厚さ数μｍ〜数十μｍの膜127 を、直接的に高
精度で成膜するという手法である。

【００１５】この手法の特徴としては、多元素の混合均
一膜が得られる、マスクを使用せずにパターン形成が可
能である、膜形成速度が大きい、膜密度制御が可能であ
る、低温膜形成が可能である、ということが挙げられ
る。また、形成された膜の強度及び基板への付着強度は
高く、緻密な形成体を得られることが報告されている。

【００１６】ジェットプリンティング法で金属膜を形成
する時は、金属超微粒子生成室131で、抵抗加熱法、誘
導加熱法、アーク加熱法、誘導プラズマ加熱法、レーザ
加熱法等で金属材料132 を加熱して蒸発させ、これと不
活性ガス原子との衝突で超微粒子133 を生成し、搬送管
に不活性ガスである搬送ガスと共に導入しノズルから基
板に向けて噴射する。この手法においては、超微粒子は
金属、ガラス、セラミックス、プラスチックのいずれで
もよく、また基板についても同様の性質が利用できる。
更に、この手法ではノズルを複数準備すれば異種の材料
の薄膜又は厚膜積層を一挙に実施できるという特徴を有
している。また、基板をＸ−Ｙ面内でスキャンさせるこ
とで、線状の膜だけではなく、広がりを持った膜を形成
することや、スキャンスピードと堆積速度を調節するこ
とで構造体も形成することができる。

【００１７】本願第１の発明は、厚膜又は薄膜形状記憶
合金と、この形状記憶合金を加熱する加熱手段とを具備
した形状記憶合金アクチュエータにおいて、前記厚膜又
は薄膜形状記憶合金が層間に空隙を介して積層された構
造を有することを特徴とする形状記憶合金アクチュエー
タである。

【００１８】本願第２の発明は、厚膜又は薄膜形状記憶
合金と、この形状記憶合金を加熱する加熱手段とを具備
した形状記憶合金アクチュエータにおいて、前記厚膜又
は薄膜形状記憶合金がコイルバネ形状に形成され、かつ
該コイルバネ径Ｄと該コイルバネを形成する素線の太さ
ｄとの比Ｄ／ｄが１より大きく２以下であることを特徴
とする形状記憶合金アクチュエータである。

【００１９】本願第３の発明は、厚膜又は薄膜形状記憶
合金と、この形状記憶合金を加熱する加熱手段とを具備
した形状記憶合金アクチュエータにおいて、前記厚膜又
は薄膜形状記憶合金をジェットプリンティング法を用い
て形成することを特徴とする形状記憶合金アクチュエー
タである。

【００２０】第１の発明において、厚膜又は薄膜形状記
憶合金としては、実施例の図６，図７における符号41，
44が該当する。夫々の膜厚は、必要とする厚膜又は薄膜
形状記憶合金の屈曲量と寿命とから計算される最大の膜
厚である。層間の空隙は符号45が該当する。厚膜又は薄
膜形状記憶合金は、更に空隙を介して積層させることで
３層以上に積層させることができる。

【００２１】第２の発明において、形状記憶合金コイル
バネとしては、実施例の図８の符号81が該当する。この
形状記憶合金コイルバネのコイル径Ｄと、コイルバネを
構成している素線の太さｄの比Ｄ／ｄは１より大きく２
以下である。第３の発明において、図３，図４〜６，図
10，図11の実施例が該当する。

【００２２】

【作用】第１の発明において、厚膜又は薄膜形状記憶合
金を空隙を介して積層させると、必要とする屈曲量と寿
命とから計算される最大の膜厚からなる厚膜又は薄膜形
状記憶合金を１層だけ積層させた時よりも、大きな屈曲
力量を発生させることができる。つまり、屈曲時の歪み
は小さく、積層させることで厚い膜厚の場合と同様に大
きな屈曲力量を発生させることができる。第１の発明に
よれば、空隙を介して厚膜又は薄膜形状記憶合金を重ね
ることにより、屈曲時の歪み量は小さく、かつ屈曲力量
の大きな形状記憶合金アクチュエータを実現できる。

【００２３】第２の発明において、コイルバネの伸縮時
の発生力量は、Ｆ＝ａｄ⁴ ／Ｄ³ ｘ（ａは比例定数）で
表されることにより、Ｄ／ｄが小さいほど伸縮時の発生
力量が大きくなる。以上より、コイルバネのＤ／ｄを１
より大きく２以下とすることにより、伸縮時に大きな力
量を発生する。第２の発明によれば、大きな力量を発生
する形状記憶合金コイルバネを得ることができる。

【００２４】第３の発明において、ジェットプリンティ
ング法では、大きな成膜レートで、局所的に膜を形成す
ることができるので、短時間で厚膜又は薄膜形状記憶合
金を形成することができる。第３の発明によれば、ジェ
ットプリンティング法でパターニングしながら膜形成を
行うことで、厚膜又は薄膜形状記憶合金を短時間で形成
することができる。また、厚膜又は薄膜形状記憶合金を
積層させることで、任意形状の厚膜又は薄膜形状記憶合
金による構造体を形成することができる。

【００２５】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面を参照して説
明する。（実施例１）図１（Ａ），（Ｂ）、図２（Ａ），（Ｂ）
及び図３を用いて、多関節マニピュレータの構成要素で
ある、ＴｉＮｉ厚膜アクチュエータを含めた、駆動機構
体を説明する。図３において、符号１はジェットプリン
ティングによって形成されたＴｉＮｉ厚膜、符号２は形
状記憶合金屈曲制御用電子回路、符号３はＡｌによる電
源配線、符号４はＡｌによるＧＮＤ配線、符号５はＡｌ
による同期信号配線、符号６はＡｌによる制御配線、符
号７はＴｉ電熱線ヒータ８の加熱を行うための電熱配
線、符号９はＡｌ配線と形状記憶合金屈曲制御用電子回
路２の電極とを接続するために配設されたコンタクト孔
である。

【００２６】以下に、本構成の駆動機構体の動作を説明
する。複数のＴｉＮｉ厚膜アクチュエータの内、目的の
ＴｉＮｉアクチュエータを選択するために、制御配線６
に制御信号を送ると、制御信号に基づいて目的の制御回
路が動作し、目的のＴｉ電熱線ヒータ８を加熱する。こ
の加熱によって、Ｔｉ電熱線ヒータ８とポリイミド層間
絶縁膜を介して密着載置したＴｉＮｉ厚膜１が加熱され
る。次に、前記ＴｉＮｉ厚膜１は、オーステナイト相へ
の変態温度以上になり、記憶させておいた形状に屈曲す
る。

【００２７】次に、図３に示した駆動機構体に至るまで
の製造方法について記述する。図１（Ａ）は、前記駆動
機構体の製造工程の内、ポリイミド絶縁層の形成前の状
態を表している。図１（Ｂ）は図１（Ａ）までの工程終
了後、ポリイミド絶縁層形成した状態でのＸ−Ｘ線に沿
う断面図を表す。図２（Ａ）は、ポリイミド絶縁層を形
成した後、ＴｉＮｉ厚膜を形成した状態を表す。図２
（Ｂ）は図２のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。以下、図
１（Ａ）に示す工程後から説明する。

【００２８】図１（Ａ）では、Ｓｉ基板11中に作り込ん
だ屈曲制御用電子回路２、Ｔｉ電熱線ヒータ８、また屈
曲制御用電子回路２の上部に設けたＡｌによる電源配線
３、ＧＮＤ配線４、同期信号配線５、制御配線６、また
Ｔｉ電熱線ヒータ８の加熱を行うための電熱配線７を設
けた状態までを示している。図１（Ａ）の状態までの工
程を終了後、図１（Ｂ）に示すようにポリイミドを塗布
し絶縁層12を形成する。但し、符号13、符号14は、基板
11上に順次形成されたシリコン酸化膜による層間絶縁
膜、ポリイミドによる層間絶縁膜である。次に、ジェッ
トプリンティングのノズルをＸ−Ｙ平面上でスキャンさ
せながらＴｉＮｉ合金超微粒子と搬送ガスであるＨｅガ
スをノズルから噴射し、Ｔｉ電熱線ヒータ８の上部のポ
リイミド膜を介してＴｉＮｉ膜が重なるように、ポリイ
ミド膜上に吹き付け、厚み５０μｍのＴｉＮｉ膜15を形
成する。ＴｉＮｉ膜15を形成する際、ＴｉとＮｉの組成
比はＴｉ−４７〜５３at％Ｎｉであるのが望ましい。更
に、ポリイミドを塗布しリソグラフィー工程等によりポ
リイミド膜16を得る。

【００２９】次に、これまで述べた電子回路、配線、Ｔ
ｉＮｉ膜15を形成した以外の領域の絶縁膜12及び層間絶
縁膜14をリソグラフィー工程によってエッチング除去し
た後、基板のＴｉＮｉ膜を形成した側の面を保護膜によ
って保護しＥＣＥ（Ｅlectrochemical Ｃontrolled Ｅ
tching）処理によって電子回路領域以外の半導体基板を
エッチング除去する。この後、フッ酸溶液等によって前
記層間絶縁膜13の電子回路領域以外の露出した領域をエ
ッチング除去してから表面保護膜を除去する。以上の処
理により、柔軟なポリイミドによって覆われた配線及び
Ｔｉ電熱線パターン８と、その下部に部分的に残存した
電子回路を構成する半導体領域と上部に形成されたＴｉ
Ｎｉ膜による駆動機構体が得られる。次に、ＴｉＮｉ膜
15を結晶化するために５００℃、２０分の熱処理を行
い、その後所望の屈曲形状を記憶させるためＴｉＮｉ膜
15及びＴｉ電熱線パターン８の部分を屈曲状態に保ち５
００℃で２時間の形状記憶処理を行なう。

【００３０】（実施例２）図４（Ａ），（Ｂ）、図５
（Ａ），（Ｂ）、図６及び図７を参照して説明する。こ
れらの図は、この発明の実施例２に係る多関節マニピュ
レータの構成要素である駆動機構体を示す。この実施例
２は、実施例１のＴｉＮｉ厚膜アクチュエエータに、形
状の変形を加えたものである。以下、実施例１と異なる
点を説明する。

【００３１】図４（Ｂ）、図５（Ｂ）は夫々図４
（Ａ）、図５（Ａ）の断面図で、図４（Ａ）はＴｉＮｉ
厚膜の表面にポリエチレン中間物を形成した状態を、図
５は更にその上にＴｉＮｉ厚膜を形成した状態を示して
いる。図６は、図５の状態からポリエチレン中間物を取
り除いた状態を、図７は図６の状態の空隙を介して積層
した厚膜を屈曲形状に記憶した状態を示す。

【００３２】実施例１でポリイミド膜上にＴｉＮｉ厚膜
15を形成したのと同様に、ジェットプリンティング法に
より、ポリイミド膜上に膜厚５０μｍのＴｉＮｉ厚膜41
を形成する。但し、図中ではポリイミド膜を省略してあ
る。次に、ＴｉＮｉ膜41の上部に、ジェットプリンティ
ングのノズル42よりポリエチレン微粒子とＨｅガスを噴
射することにより、低分解温度のポリエチレン中間物43
を堆積させる。その際、中間物43の中央部分が盛り上が
るように作製する。その後図５に示すように中間物43の
上に膜厚５０μｍのＴｉＮｉ厚膜44をノズル42よりＴｉ
Ｎｉ超微粒子とＨｅガスを噴射することにより形成す
る。このとき、ＴｉＮｉ厚膜41とＴｉＮｉ厚膜44の膜幅
は同じである。その後、前記中間物43を熱分解させ取り
除くためＡｒ等の不活性ガス雰囲気中で、４００℃、３
０分間の熱処理を行う。以上の処理により、図６に示す
ような空隙45を介してＴｉＮｉ厚膜44が積層された構造
体が得られる。更に、この後、実施例１に示したのと同
様な工程を進める。最後に、図７に示すように屈曲する
ように形状記憶するため、５００℃で２時間の形状記憶
処理を行う。これにより、歪みの大きさは１枚のＴｉＮ
ｉ厚膜の時と同じでかつ大きな力量を発生する、ＴｉＮ
ｉ厚膜アクチュエータがえら得る。

【００３３】なお、実施例２では、中間物として低分解
温度のポリエチレン微粒子を用いたが、特にポリエチレ
ン微粒子に限定されるものではなく、容易に取り除くこ
とができるプラスチック材料であるならどのようなもの
でも良い。また、実施例２ではＴｉＮｉ厚膜は２層だけ
であるが、ＴｉＮｉ膜を更に重ねれば、３層以上にする
こともできる。

【００３４】（実施例３）この実施例３に係る形状記憶
合金コイルバネについて、図８（Ａ），（Ｂ）を参照し
て説明する。ここで、図８（Ａ）は全体図、図８（Ｂ）
は図８（Ａ）のコイルバネの平面図である。図中の符号
81は形状記憶合金コイルバネ、符号82は形状記憶合金コ
イルバネ81の加熱用ヒータ、符号83はヒータの電流源で
ある。ここで、前記コイルバネ81において、コイル径Ｄ
は３０μｍ、素線径ｄは２０μｍでＤ／ｄは１．５であ
る。この実施例３に示す形状記憶合金コイルバネは二方
向に形状記憶されており、温度の上昇下降により可逆的
に伸縮する。

【００３５】以下に、形状記憶合金コイルバネの動作を
説明する。図８では、加熱用ヒータ82は加熱されていな
い状態であり、形状記憶合金コイルバネ81は縮んだ状態
である。次に、加熱用ヒータ82に通電してヒータを加熱
し、その熱により形状記憶合金コイルバネ81を加熱する
と、形状記憶合金コイルバネ81はオーステナイト相への
変態温度以上になり、図９に示すように予め形状記憶さ
れていた伸びた状態へと変化する。この後、ヒータへの
通電を停止すると、ヒータ温度が下がり、形状記憶合金
コイルバネ81の温度も下がる。形状記憶合金コイルバネ
81の温度が下がると、二方向に形状記憶してあるため、
図８に示すように縮んだ状態へと変化する。

【００３６】次に、形状記憶合金コイルバネの製造方法
について図１０（Ａ），（Ｂ）を参照して説明する。こ
こで、図10（Ａ）は回転している基板上にＴｉＮｉ超微
粒子とＣｕ超微粒子を噴射し、それぞれ３層づつＴｉＮ
ｉ堆積物とＣｕ堆積物を積層させた図である。図10
（Ｂ）は図10（Ａ）のａ−ａ線に沿う断面図である。ま
ず、ポリエチレン基板101 を、ＴｉＮｉ超微粒子噴射用
ノズル102 及びＣｕ超微粒子噴射用ノズル103 を中点Ｏ
を回転中心として回転させながら、ＴｉＮｉ超微粒子を
ノズル102 より、Ｃｕ超微粒子をノズル103 より同時に
噴射させる。これにより、円弧状のＴｉＮｉ堆積物104
及び円弧状のＣｕ堆積物105 を設けることができる。こ
の状態でさらに基板を回転させながら噴射を続けると、
図10（Ｂ）に示すようにＴｉＮｉ堆積物104 とＣｕ堆積
物105 が交互に積み重なった構造物が得られる。次に、
上記の処理で作成した構造物の内、Ｃｕ堆積物105 の部
分を取り除くために濃硝酸によってエッチングを行う。
これにより、ＴｉＮｉ堆積物104 だけがコイルバネ形状
に残る。つづいて、不活性雰囲気中で、５００℃で１時
間の結晶化処理を行い、その後二方向性に形状記憶する
ように、トレーニングや熱処理を行うことにより形状記
憶合金コイルバネを作製することができる。

【００３７】本実施例３では金属超微粒子としてＣｕを
使用しているが、Ｃｕだけに限定されるものではなく、
ＴｉとＮｉが浸されることなく選択的にエッチングされ
る金属であるならばどのようなものでも良い。例えば、
Ｃｕ超微粒子の代わりにＡｌ超微粒子を使うこともでき
る。但し、この場合、エッチングはＫＯＨ等で行うのが
望ましい。また、金属超微粒子以外では、プラスチック
を使うこともできる。プラスチック超微粒子、例えば分
解温度の低いポリエチレンを用いて図10（Ｂ）に示す構
造体を作る。ポリエチレン超微粒子を用いた場合、構造
体作製後、５００℃で１時間加熱することにより、ポリ
エチレンは熱分解してＴｉＮｉ堆積物だけがコイルバネ
形状に残る。また、この時、同時にＴｉＮｉ堆積物は結
晶化される。

【００３８】（実施例４）実施例３とは別の、形状記憶
合金コイルバネの製造方法を図１１を参照して説明す
る。図11は、ポリエチレン棒に、ＴｉＮｉ超微粒子によ
る堆積物がコイル状に付着した様子を示す。この実施例
４で得られる形状記憶合金コイルバネ、構造、動作とも
に、実施例３で示したものと同様である。図11で、符号
111 はＴｉＮｉ超微粒子を噴射するためのノズル、符号
112 は１００μｍ径のプラスチック製の棒、例えば分解
温度の低いポリエチレン棒である。まず、ポリエチレン
棒112 を矢印Ｘ方向へ移動させながらｂ−ｂ軸を中心と
して図に示す向きに回転させ、ノズル111 よりＴｉＮｉ
超微粒子とＨｅガスを噴射する。これにより、図11に示
すようにポリエチレン棒112 にＴｉＮｉ堆積物113 が巻
き付いた構造体が得られる。但し、ＴｉＮｉ堆積物113
の厚みは２００μｍとなるように行う。次に、不活性ガ
ス雰囲気中で、５００℃、１時間の熱処理を行うと、Ｔ
ｉＮｉ堆積物113 の結晶化ができると同時にポリエチレ
ン棒112 の熱分解が行なわれ、ＴｉＮｉコイルバネのみ
を取り出すことができる。その後、二方向に形状記憶す
るためのトレーニングや熱処理を行えば、Ｄ／ｄ＝１．
５の形状記憶合金コイルバネが得られる。

【００３９】以上、各実施例について述べたが、この発
明は以下の内容も包含する。１．厚膜又は薄膜形状記憶合金と、この形状記憶合金を
加熱する加熱手段とを具備した形状記憶合金アクチュエ
ータにおいて、前記厚膜又は薄膜形状記憶合金が層間に
空隙を介して積層された構造を有することを特徴とする
形状記憶合金アクチュエータ。

【００４０】（構成）厚膜又は薄膜形状記憶合金として
は、実施例の図６，図７における符号41，44が該当す
る。夫々の膜厚は、必要とする厚膜又は薄膜形状記憶合
金の屈曲量と寿命とから計算される最大の膜厚である。
層間の空隙は符号45が該当する。厚膜又は薄膜形状記憶
合金は、更に空隙を介して積層させることで３層以上に
積層させることができる。（作用）厚膜又は薄膜形状記憶合金を空隙を介して積層
させると、必要とする屈曲量と寿命とから計算される最
大の膜厚からなる厚膜又は薄膜形状記憶合金を１層だけ
積層させた時よりも、大きな屈曲力量を発生させること
ができる。つまり、屈曲時の歪みは小さく、積層させる
ことで厚い膜厚の場合と同様に大きな屈曲力量を発生さ
せることができる。（効果）空隙を介して厚膜又は薄膜形状記憶合金を重ね
ることにより、屈曲時の歪み量は小さく、かつ屈曲力量
の大きな形状記憶合金アクチュエータを実現できる。

【００４１】２．厚膜又は薄膜形状記憶合金と、この形
状記憶合金を加熱する加熱手段とを具備した形状記憶合
金アクチュエータにおいて、前記厚膜又は薄膜形状記憶
合金がコイルバネ形状に形成され、かつ該コイルバネ径
Ｄと該コイルバネを形成する素線の太さｄとの比Ｄ／ｄ
が１より大きく２以下であることを特徴とする形状記憶
合金アクチュエータ。

【００４２】（構成）形状記憶合金コイルバネとして
は、実施例の図８の符号81が該当する。この形状記憶合
金コイルバネのコイル径Ｄと、コイルバネを構成してい
る素線の太さｄの比Ｄ／ｄは１より大きく２以下であ
る。

【００４３】（作用）コイルバネの伸縮時の発生力量
は、Ｆ＝ａｄ⁴ ／Ｄ³ ｘ（ａは比例定数）で表されるこ
とにより、Ｄ／ｄが小さいほど伸縮時の発生力量が大き
くなる。以上より、コイルバネのＤ／ｄを１より大きく
２以下とすることにより、伸縮時に大きな力量を発生す
る。（効果）大きな力量を発生する形状記憶合金コイルバネ
を得ることができる。

【００４４】３．厚膜又は薄膜形状記憶合金と、この形
状記憶合金を加熱する加熱手段とを具備した形状記憶合
金アクチュエータにおいて、前記厚膜又は薄膜形状記憶
合金をジェットプリンティング法を用いて形成すること
を特徴とする形状記憶合金アクチュエータ。（構成）図３，図４〜６，図10，図11の実施例が該当す
る。（作用）ジェットプリンティング法では、大きな成膜レ
ートで、局所的に膜を形成することができるので、短時
間で厚膜又は薄膜形状記憶合金を形成することができ
る。（効果）ジェットプリンティング法でパターニングしな
がら膜形成を行うことで、厚膜又は薄膜形状記憶合金を
短時間で形成することができる。また、厚膜又は薄膜形
状記憶合金を積層させることで、任意形状の厚膜又は薄
膜形状記憶合金による構造体を形成することができる。

【００４５】４．前記第３項に記載した形状記憶合金ア
クチュエータの製造方法において、厚膜又は薄膜形状記
憶合金の形成方法が、耐熱性、絶縁性、柔軟性を有した
基板上に、形状記憶合金材料からなる超微粒子を、ジェ
ットプリンティングのノズルから噴射し、形状記憶合金
材料からなる厚膜又は薄膜を形成し、しかる後、結晶化
処理と形状記憶処理を施すことを特徴とした形状記憶合
金アクチュエータの製造方法。（構成）図３に示す実施例が該当する。（作用）ジェットプリンティング法では、大きな成膜レ
ートで、局所的に膜を形成することができるので、短時
間で厚膜又は薄膜形状記憶合金を形成する事ができる。

【００４６】（効果）ジェットプリンティング法で、パ
ターニングしながら膜形成を行うことで、厚膜又は薄膜
形状記憶合金を短時間で形成することができる。

【００４７】５．前記第３項に記載した形状記憶合金ア
クチュエータの製造方法において、前記形状記憶合金材
料からなる第１の厚膜又は薄膜の表面の一部に、該第１
の厚膜又は薄膜の表面を上部から見た時、その形状が、
平行な向かい合う二辺を少なくとも一組持つ多角形であ
り、かつ、該平行な向かい合う二辺に対して垂直方向に
切断した時の断面形状が、どの位置でも同一の形状であ
る、形状記憶合金以外の材料からなる堆積物を形成する
工程と、ジェットプリンティング法のノズルより形状記
憶合金材料からなる超微粒子を噴射し、第２の形状記憶
合金材料からなる厚膜又は薄膜を、該堆積物の平行な向
かい合う二辺を越え、該第１の厚膜又は薄膜と密着する
状態に、かつ、該堆積物の平行な向かい合う二辺以外の
残りの辺は越えることなく、該堆積物上に形成する工程
と、該堆積物を除去する工程と、前記処理により残存し
た該第１の厚膜又は薄膜に結晶化処理と形状記憶処理を
行う工程とを有する事を特徴とした形状記憶合金アクチ
ュエータの製造方法。

【００４８】（構成）図４〜図６に示す実施例が該当す
る。（作用）ジェットプリンティング法では、大きな成膜レ
ートで、局所的に膜を形成することができるので、短時
間で形状記憶合金材料よりなる厚膜又は薄膜を形成する
事ができる。その後、形状記憶合金以外の材料からなる
堆積物を除去することにより層間に空隙を得ることがで
きる。（効果）屈曲時の歪み量は小さく、かつ屈曲力量の大き
な形状記憶合金アクチュエータを実現することができ
る。

【００４９】６．前記第５項に記載した形状記憶合金ア
クチュエータの製造方法において、前記形状記憶合金以
外の材料からなる堆積物を形成する工程と、前記第２の
厚膜又は薄膜を形成する工程を終了した後、形状記憶合
金以外の材料からなる堆積物を形成する前記工程と、形
状記憶合金材料からなる厚膜又は薄膜を形成する前記工
程とを繰り返し行い、前記第２の厚膜又は薄膜の表面に
形状記憶合金以外の材料からなる堆積物と、記憶合金以
外の材料からなる厚膜又は薄膜を多層に形成する工程と
を具備することを特徴とする形状記憶合金アクチュエー
タの製造方法。

【００５０】（構成）図４〜図６に示す実施例で、第２
の形状記憶合金材料からなる厚膜又は薄膜は符号44に該
当する。第２の形状記憶合金材料からなる厚膜又は薄膜
を形成した後、第２の形状記憶合金材料からなる厚膜又
は薄膜の表面に、形状記憶合金以外の材料からなる堆積
物を形成する前記工程と、形状記憶合金材料からなる厚
膜又は薄膜を形成する前記工程とを繰り返し行い、前記
第２の厚膜又は薄膜の表面に記憶合金以外の材料からな
る堆積物と、形状記憶合金以外の材料からなる厚膜又は
薄膜を多層に形成する。（作用）ジェットプリンティング法では、大きな成膜レ
ートで、局所的に膜を形成することができるので、短時
間で形状記憶合金材料よりなる厚膜又は薄膜を多層に形
成する事ができる。（効果）屈曲時の歪み量は小さ
く、かつ屈曲力量の大きな形状記憶合金アクチュエータ
を実現することができる。

【００５１】７．前記第５項に記載した形状記憶合金ア
クチュエータの製造方法において、前記形状記憶合金以
外の材料からなる堆積物を、ジェットプリンティング法
により形成したことを特徴とする形状記憶合金アクチュ
エータの製造方法。（構成）図４〜図６に示す実施例が該当する。（作用）ジェットプリンティング法では、大きな成膜レ
ートで、局所的に膜を形成することができるので、短時
間で形状記憶合金以外の材料からなる堆積物を形成する
事ができる。（効果）短時間で形状記憶合金以外の材料からなる堆積
物を形成することができる。

【００５２】８．前記第３項に記載した形状記憶合金ア
クチュエータの製造方法において、ジェットプリンティ
ングの、超微粒子を噴射し堆積させるための基板と、第
１のノズルに平行でその噴射口を通る線分が、該基板と
交差する第１の交点と、第２のノズルに平行でその噴射
口を通る線分が、該基板と交差する第２の交点とを結ぶ
線分の中点を、回転中心として回転している該基板上
に、第１のノズルから形状記憶合金材料からなる超微粒
子と第２のノズルから形状記憶合金以外の材料からなる
超微粒子を噴射し、形状記憶合金材料からなる堆積物と
形状記憶合金以外の材料からなる堆積物を交互にコイル
状に積層した後、該基板と該形状記憶合金以外の材料か
らなる堆積物を除去し、残った該形状記憶合金材料より
なるコイル状の堆積物に結晶化処理と形状記憶処理を施
すことを特徴とする形状記憶合金アクチュエータの製造
方法。（構成）図１０に示す実施例が該当する。（作用）ジェットプリンティングの、超微粒子を噴射し
堆積させるための基板と、第１のノズルに平行でその噴
射口を通る線分が、該基板と交差する第１の交点と、第
２のノズルに平行でその噴射口を通る線分が、該基板と
交差する第２の交点とを結ぶ線分の中点を、回転中心と
して回転している該基板上に、第１のノズルから形状記
憶合金材料からなる超微粒子と第２のノズルから形状記
憶合金以外の材料からなる超微粒子を噴射すると、形状
記憶合金材料からなる堆積物と形状記憶合金以外の材料
からなる堆積物を交互に、コイル状に積層した堆積物が
得られる。

【００５３】次に、該基板と該形状記憶合金以外の材料
からなる堆積物を除去すると、形状記憶合金材料からな
るコイルバネが得られる。最後に、該形状記憶合金材料
よりなるコイル状の堆積物に結晶化処理と形状記憶処理
を施すことにより、形状記憶合金からなるコイルバネが
得られる。（効果）Ｄ／ｄが小さいことで、伸縮時に大きな力量を
発生する、形状記憶合金コイルバネが得られる。

【００５４】９．前記第８項に記載した形状記憶合金ア
クチュエータの製造方法において、前記形状記憶合金材
料からなるコイル状の堆積物の径Ｄと、形状記憶合金材
料からなるコイル状の堆積物を構成する、形状記憶合金
材料からなる厚膜又は薄膜の太さｄの比Ｄ／ｄが、１よ
り大きく２以下であることを特徴とする形状記憶合金ア
クチュエータの製造方法。（構成）図10に示す実施例が該当する。（作用）形状記憶合金材料からなるコイル状の堆積物の
径Ｄと、形状記憶合金材料からなるコイル状の堆積物を
構成する、形状記憶合金材料からなる厚膜又は薄膜の太
さｄの比Ｄ／ｄが、１より大きく２以下である。（効果）Ｄ／ｄが１より大きく２以下であることで、伸
縮時に大きな力量を発生する、形状記憶合金材料コイル
バネが得られる。

【００５５】１０．前記第３項に記載した形状記憶合金
アクチュエータの製造方法において、形状記憶合金以外
の材料からなる円柱棒を、該円柱棒の底面の中心を回転
中心として回転させると共に回転軸に沿った方向へ移動
させながら、形状記憶合金材料からなる超微粒子を該円
柱棒の側面にノズルより噴射し、形状記憶合金材料から
なるコイル状の堆積物を該円柱棒の側面に形成し、その
後該円柱棒を除去し、結晶化処理と形状記憶処理を行う
ことを特徴とした形状記憶合金アクチュエータの製造方
法。（構成）図11に示す実施例が該当する。（作用）回転している回転棒を回転軸に沿って移動させ
ながら、ジェットプリンティングのノズルから形状記憶
合金材料からなる超微粒子を円柱棒の側面に噴射する
と、円柱棒の表面に、コイル状の形状記憶合金材料の堆
積物を得ることができる。その後、円柱棒を除去する
と、所望のＤ／ｄの大きさを持つ形状記憶合金コイルバ
ネを得ることができる。（効果）Ｄ／ｄが小さいことで伸縮時に大きな力量を発
生する、形状記憶合金コイルバネを得られる。

【００５６】１１．前記第10項に記載した形状記憶合金
アクチュエータの製造方法において、形状記憶合金材料
からなるコイル状の堆積物の径Ｄと、前記コイル状の堆
積物を構成する形状記憶合金材料からなる厚膜又は薄膜
の太さｄの比Ｄ／ｄが１より大きく２以下であることを
特徴とする形状記憶合金アクチュエータの製造方法。

【００５７】（構成）図11に示す実施例が該当する。（作用）形状記憶合金材料からなるコイル状の堆積物の
径Ｄと、前記コイル状の堆積物を構成する形状記憶合金
材料からなる厚膜又は薄膜の太さｄの比Ｄ／ｄが１より
大きく２以下である。

【００５８】（効果）Ｄ／ｄが１より大きく２以下であ
ることで、伸縮時に大きな力量を発生する形状記憶合金
コイルバネを得られる。

【００５９】

【発明の効果】以上詳述したようにこの発明によれば、
屈曲するように形状記憶された形状記憶合金の、屈曲変
形時の歪みが小さく、かつ発生力量が大きな形状記憶合
金アクチュエータ及びその製造方法、形状記憶合金コイ
ルバネのＤ／ｄを１より大きく２以下にすることで、伸
縮時に大きな力量を発生する形状記憶合金コイルバネで
あることを特徴とする形状記憶合金アクチュエータ及び
その製造方法、ジェットプリンティング法を行うこと
で、短時間でパターニングされた厚膜又は薄膜形状記憶
合金を形成する方法を提供すること、及び、形状記憶合
金による膜だけでなはなく構造体をも形成する方法を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１に係る駆動機構体の説明図
であり、図１（Ａ）は駆動機構体の製造工程の内、ポリ
イミド絶縁層の形成前の状態の平面図、図１（Ｂ）は図
１（Ａ）までの工程終了後、ポリイミド絶縁層を形成し
た状態でのＸ−Ｘ線に沿う断面図。

【図２】この発明の実施例１に係る駆動機構体の説明図
であり、図２（Ａ）はポリイミド絶縁層を形成した後Ｔ
ｉＮｉ厚膜を形成した状態の平面図、図２（Ｂ）は図２
（Ａ）のＸ−Ｘ線に沿う断面図。

【図３】この発明の実施例１に係る駆動機構体の平面
図。

【図４】この発明の実施例２に係る多関節マニピュレー
タの構成要素である駆動機構体に関しＴｉＮｉ厚膜の表
面にポリエチレン中間物を形成した状態の説明図で、図
４（Ａ）は平面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＸ−Ｘ線
に沿う断面図。

【図５】この発明の実施例２に係る多関節マニピュレー
タの構成要素である駆動機構体に関しポリエチレン中間
物上にさらにＴｉＮｉ厚膜を形成した状態の説明図で、
図５（Ａ）は平面図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）のＸ−Ｘ
線に沿う断面図。

【図６】図５の状態からポリエチレン中間物を取り除い
た状態の説明図。

【図７】図６の状態の空隙を介して積層した厚膜を屈曲
形状に記憶した状態の説明図。

【図８】この発明の実施例３に係る形状記憶合金コイル
バネの説明図で、図８（Ａ）は全体図、図８（Ｂ）は図
８（Ａ）のコイルバネの平面図。

【図９】図８の形状記憶合金コイルバネが加熱されて予
め形状記憶されていた伸びた状態へと変化した状態の説
明図。

【図１０】図８の形状記憶合金コイルバネの製造方法の
説明図であり、図10（Ａ）は概略斜視図、図10（Ｂ）は
図10（Ａ）のａ−ａ線に沿う断面図。

【図１１】この発明の実施例４に係る形状記憶合金コイ
ルバネの説明図。

【図１２】ジェットプリンティング法の説明図。

【図１３】ジェットプリンティング法の説明図。

【図１４】ＭＩＭによって作製された多関節構造体に駆
動機構体を取り付けた説明図であり、図14（Ａ）は平面
図、図14（Ｂ）は図14（Ａ）の側面図。

【図１５】二方向形状記憶バネの製造工程中のコイルバ
ネの巻き線工程を示す側面図。

【図１６】二方向形状記憶コイルバネの製造工程中のコ
イルバネの引っ張り加工法を示す側面図。

【図１７】二方向形状記憶コイルバネの製造工程中のコ
イルバネの再巻き換え方法を示す側面図。

【符号の説明】

１，15，41，44…ＴｉＮｉ厚膜、２…形状記憶合金
屈曲制御用電子回路、３…電源配線、４…ＧＮ
Ｄ配線、５…同期信号配線、６…制御配線、
７…電熱配線、８…Ｔｉ電熱線ヒー
タ、９…コンタクト孔、 11…Ｓｉ基板、
12…絶縁層、13，14…層間絶縁膜、 16…ポリイミド
膜、 42，102 ，103 …ノズル、43…ポリエチレン
中間物、 81…形状記憶合金コイルバ
ネ、82…加熱用ヒータ、 83…
加熱用ヒータの電流源、104 …ＴｉＮｉ堆積物、 105
…Ｃｕ堆積物。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】厚膜又は薄膜形状記憶合金と、この形状
記憶合金を加熱する加熱手段とを具備した形状記憶合金
アクチュエータにおいて、前記厚膜又は薄膜形状記憶合
金が層間に空隙を介して積層された構造を有することを
特徴とする形状記憶合金アクチュエータ。
【請求項２】厚膜又は薄膜形状記憶合金と、この形状
記憶合金を加熱する加熱手段とを具備した形状記憶合金
アクチュエータにおいて、前記厚膜又は薄膜形状記憶合
金がコイルバネ形状に形成され、かつ該コイルバネ径Ｄ
と該コイルバネを形成する素線の太さｄとの比Ｄ／ｄが
１より大きく２以下であることを特徴とする形状記憶合
金アクチュエータ。
【請求項３】厚膜又は薄膜形状記憶合金と、この形状
記憶合金を加熱する加熱手段とを具備した形状記憶合金
アクチュエータにおいて、前記厚膜又は薄膜形状記憶合
金をジェットプリンティング法を用いて形成することを
特徴とする形状記憶合金アクチュエータ。