JPH11515073A

JPH11515073A - 二次元の形状記憶合金のための分布型活性体

Info

Publication number: JPH11515073A
Application number: JP10512810A
Authority: JP
Inventors: ロナルドエスメイナード
Original assignee: マイクロドメインインコーポレイテッド
Priority date: 1996-09-05
Filing date: 1997-09-03
Publication date: 1999-12-21
Also published as: EP0858558B1; DE69737410T2; WO1998010190A1; DE69737410D1; US6133547A; US6278084B1; CA2236522C; AU725617B2; CA2236522A1; EP0858558A1; AU4245997A

Abstract

(57)【要約】分布型の活性化手段は、横方向の熱流を制限するに充分な小さな区分を有する形状記憶合金（ＳＭＡ）シートを含む。この分布型アクチュエータアレーは、シートに配置されて、シートの隣接部分を局部的に加熱するための１つ以上のヒータ素子であって、上記隣接部分が、そのスレッシュホールド温度へと活性化されたときに、所定の形状をとるようにさせるヒータ素子を含む。シートと１つ以上のヒータ素子との間に電気絶縁体が配置されて、各々のヒータ素子をシートから電気的に絶縁する。１つ以上のヒータ素子に電流を選択的に通過させ、局部的加熱によりシートが所望の形状をとるようにさせる制御手段が設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】二次元の形状記憶合金のための分布型活性体発明の分野本発明は、一般に、形状記憶合金（ＳＭＡ）のアクチュエータ及びこれらの合金より成る素子に係る。より詳細には、本発明は、ＳＭＡシートの局部形状及びそり力を制御可能に変更するための空間分布された活性化手段に係る。先行技術の説明外部の物理的なパラメータに応答して形状を変化する材料が多数の技術分野で知られておりそして認められている。例えば、圧電結晶の形状は、電界によって変化する。同様に、ＳＭＡの巨視的形状は、温度に敏感である。ＳＭＡ材料は、低温のマルテンサイト相から高温のオーステナイト相へのマイクロ構造遷移を受ける。マルテンサイト相即ち低温相にあるときは、ＳＭＡは、低いスチフネスを示し、その記憶特性に悪影響を及ぼすことなく任意の方向に８％の全歪まで容易に変形し得る。その活性化温度まで加熱されると、ＳＭＡは、そのオーステナイト状態に近づくにつれてスチフネスが２ないし３倍になる。更に、それより高い温度では、ＳＭＡは、既に刻印された即ち「記憶」された形状を受け入れるために原子的レベルでそれ自身を再編成するよう試みる。ＳＭＡ素子がその既に記憶された形状へ動くよう試みるときに、ＳＭＡ素子から有用な運動及び力を抽出することができる。冷却することが許される場合には、ＳＭＡは、その柔軟なマルテンサイト状態に復帰する。ＳＭＡをその活性化温度を充分に越えてそのアニール温度へと加熱し、そしてそこにある時間保持することにより、ＳＭＡに形状が「躾け」られる。ＴｉＮｉのＳＭＡ系の場合には、アニールプログラムは、試料を幾何学的に拘束しそしてそれを約５１０℃に１５分間加熱することより成る。ほとんどの場合に、アニールサイクルを省略することによりある量の冷間作用に放置することによって機能性が向上される。ＳＭＡが活性化状態となる点は、材料の固有の特性であり、化学量論的組成に依存する。ＴｉＮｉ（４９：５１）のような典型的な形状記憶合金の場合には、合金比が１％変化すると、２００℃の遷移温度のずれを生じる。ＴｉＮｉのような二元のＳＭＡ（ニチノールと称することもある）は、広い範囲の遷移温度をもつことができる。ニチノールの場合、１００℃程度に高い及び−２０℃以上に低い相遷移に対して原子組成を調整することができる。ゼロより低い遷移材料は、超弾力性の振る舞いを示す。即ち、それらは、室温において非常に大きな歪に可逆に耐えることができる。医学界においては、ニチノールの超弾力性生成物は、「操向可能」なガイドワイヤに一般に使用される。超弾力性ＳＭＡの受動的特性とは対照的に、その環境において作用を遂行しなければならないアクチュエータは、熱エネルギーの所与の入力に対して有用な力及び運動を発生することのできるＳＭＡを必要とする。ほとんどの熱的デバイスは、その廃熱を、ほとんどの場合に室温に近い周囲環境へ放出しなければならないので、遷移点の高いＳＭＡが能動的なアクチュエータ素子として最も一般的に使用される。相変化中に、ＳＭＡは、３５トン／平方インチ以上の回復力を発生しながら、８％までの最大の回復可能な歪を示す。カテーテルのような従来の操向可能な素子にＳＭＡアクチュエータを使用することが知られている。米国特許第４，５４３，０９０号に開示された１つのこのような用途は、ＳＭＡを制御素子として使用する従来の操向可能で且つ照準可能なカテーテルを含む。この装置、及びＳＭＡ素子を用いた他の従来の操向可能な装置は、器用さが甚だ制限される。運動は、単一平面に限定される。冷却の際に、ＳＭＡ素子は、必ずしもその予めの活性化形状に復帰しない。従って、可逆運動を達成するために、非活性なＳＭＡ素子を、その躾けられた形状以外の形状へ復帰させるための手段を設けなければならない。これは、能動的又は受動的な成分で達成することができる。受動的な構成においては、ＳＭＡ素子をそのマルテンサイト状態に完全にそらせるに足るだけの強さをもつ復帰スプリングが設けられる。ＳＭＡ素子は、活性化されると、この復帰スプリングに打ち勝つに充分な力を有し、そしてその記憶された状態に近づくときに環境において作用を遂行する。能動的な即ち反対の構成においては、各ＳＭＡ素子は、少なくとも１つの他のＳＭＡ素子に接続されねばならない。１つのＳＭＡ素子が活性化スレッシュホールドまで加熱されると、非活性なアクチュエータを所望の方向にそらせるに充分な力を与える。逆の運動は、活性化の順序を逆転することにより行われる。ＳＭＡ材料で作られた継手を用いた収縮−膨張機構がコマツ氏等により米国特許第５，３３５，４９８号に開示されている。そこに説明された機構は、多数の継手をもつアクチュエータストリップである。ジュール加熱素子又は形状制御ヒータが、アクチュエータの成分継手に一体的に取り付けられる。ヒータに充分な電流を通すと、ストリップは、継手においてベロー状の形態で収縮する。このようなアクチュエータの幾何学的に適した構成により物体に三次元の運動を与えることができる。不都合なことに、この膨張−収縮機構にも制約がある。各ストリップは、一方向にしか収縮及び膨張しない。物体に三次元の運動を与えるためのＳＭＡストリップの従来の構成は、その構造体が不当に大きく且つ扱い難いために実用的でない。これは、このような構造体が局部的に制御できず、そしてその動作に大量のエネルギーを必要とするからである。本出願人の米国特許第５，４０５，３３７号は、ＳＭＡアクチュエータ素子、及びそれに関連した制御及び駆動回路を含む柔軟なＶＬＳＩフィルムを教示している。このフィルムは、柔軟な中空管やカテーテル等の屈曲可能な素子のまわりに巻き付けられる。従って、ＳＭＡアクチュエータ素子は、屈曲可能な素子の周囲に空間的に分布される。この発明の１つの特徴において、ＳＭＡ合金をスパッタリングし、そして材料の個々の島部を反応性イオンエッチング（ＲＥＩ）、プラズマ助成型エッチング、リフトオフ等によりパターン化することにより、柔軟な絶縁フィルム上に分布型のＳＭＡアレーが設けられる。個々のＳＭＡアクチュエータは、電流で直接加熱することもできるし（導電性ＳＭＡ）、又は隣接する熱源との接触により加熱することもできる（非導電性ＳＭＡ）。ＳＭＡアクチュエータフィルムは、柔軟な管の周りに巻き付けられるので、ＳＭＡフィルムを活性化すると、三次元の運動が達成される。この解決策は有効であるが、それに関連した製造コストは、高いものである。従来のＶＬＳＩ方法を用いてＳＭＡフィルムをパターン化するには、経費が高くなると共に、約１０ミクロン以上の厚みのスパッタリングされたＳＭＡフィルムは、現時点では製造が困難である。この厚み以上のスパッタリングされたフィルム内にストレスが蓄積されると、通常は、フィルムに亀裂が生じる。しかしながら、加熱された基体のスパッタリングを含む現在の努力は、これらのダメージを生じる内部ストレスを軽減することができる。スパッタリングされたＳＭＡ材料に伴う第２の問題は、スパッタリングされたフィルムの原子組成及び形態が、親ターゲットと若干相違することである。例えば、５０／５０のＴｉＮｉのような二元のＳＭＡの場合には、スパッタリングイオンがターゲットの表面に当たりそしてＴｉ及びＮｉの個々の原子を遊離させるときに、これら２つの元素間の蒸気圧の相違が蒸気相及びその後の付着相において５０／５０の組成に大きな変化を生じさせる。更に、付着したフィルムの粒子構造は、効率的なＳＭＡ作動のために入念に制御されねばならない。従って、ＶＬＳＩパターン化及びスパッタリング技術に著しく依存しない分布型ＳＭＡアクチュエータアレーの低コストの製造方法が要望される。特に、塊、線又は板状素材から、粒子構造又は組成を不利に変更せずにＳＭＡ材料のシートを直接得ることができるのが好都合である。次いで、アドレス可能なヒータ及びそれに関連した電子回路の分布アレーをＳＭＡフィルム上に直接パターン化することができる。又、経済的効果のために、自動鋸、研磨剤ウオータジェット、レーザカッター、電子放電加工等を使用できるように、ＳＭＡフィルムに作られるカットの数を制限することも有益である。発明の要旨ＳＭＡ材料より成る二次元シートを使用し、ＳＭＡ材料を加熱するための分布型活性化手段をシート上に取り付けるようにして、ＳＭＡ素子を効率的に且つ低コストで形成できることが分かった。この二次元シートは、横方向の熱流を制限するに充分な小さな厚みを有する。ＳＭＡ材料の形式に基づき、ＳＭＡ素子は、導電性にすることもできるし、又は電気絶縁性にすることもできる。分布型活性化手段は、二次元のＳＭＡシートに配置された少なくとも１つのヒータ素子であって、二次元シートの隣接部分に分配され、この部分を局部的に加熱するためのヒータ素子を備えている。付与された活性化エネルギーに応答して、二次元シートの活性化部分は、所定の形状をとる。導電性のＳＭＡ材料の場合には、二次元シートとヒータ素子との間に電気絶縁体が配置される。この電気絶縁体は、ヒータにより発生された熱が二次元シートに存在するＳＭＡへと伝達されるよう確保するに充分なほど薄いものである。好ましくは、電気絶縁体は、絶縁有機ポリマー、無機絶縁体、酸化シリコン、窒化シリコン、二酸化シリコン、炭化シリコン又は同様のもの、例えば、ポリテトラフルオロエチレンより成るグループから選択される。それ自体電気絶縁体であるＳＭＡ材料の場合には、付加的な電気絶縁体は、必要とされない。ヒータ素子の組合体を経て電流を通流するための制御ユニットが設けられる。このように、組合体に属する各ヒータ素子は、二次元シートの隣接部分を加熱しそしてその部分が所定の形状をとるようにさせる。その結果、二次元シートは、所定の形状をとる。ＳＭＡシートは、ヒータをパターン化する前又はヒータが形成された後に特定の形状をとるように予め躾けることができる。好ましくは、ヒータ素子及び電気絶縁体は、当業者に良く知られたＶＬＳＩ又はマイクロ加工技術に基づいて形成される。制御機構は、好ましくは、電流発生器と、ヒータ素子の所望の組合せを選択する制御ユニットとを含む。更に、歪計のような１つ以上の歪曲センサが二次元シート上に取り付けられ、局部的な歪曲状態を指示する。これらのセンサは、二次元シートの合成形状を表す情報を搬送するのに使用できる。本発明の１つの特徴は、二次元シートに追加の保護層を付着することである。このような保護層は、機械的な安定化のために、又は制御された度合いで熱的に分離するために使用できる。本発明の別の特徴は、ペルチェ素子、冷却ファン等のアレーを含ませることにより熱伝達性能を向上させることである。本発明の別の特徴においては、開及び閉ループ制御の既知の方法が、ＳＭＡシートに取り付けられた１つ以上の熱センサを含ませることにより改善される。熱センサは、好都合にも、最大動作温度を越えることなくＳＭＡアクチュエータの迅速なサイクルを達成する。又、本発明の特徴は、ＳＭＡを含む二次元シートを選択的に活性化するための方法も含む。この方法は、導電性及び電気絶縁性ＳＭＡ材料に適用できる。１つの特徴において、ＳＭＡは、二次元シートを完成する前に所定の形状をとるように予め躾けられる。或いは又、ＳＭＡは、ヒータアレーが製造された後に予め躾けることもできる。更に、二次元ＳＭＡシートを接合して三次元構造体を形成することもできる。これにより得られる構造体は、三次元において非制限運動を行うことができる。２つ以上のＳＭＡ活性体シートを柔軟な基板に固定することにより、平面的な又は完全に三次元の運動を与えることもできる。本発明の詳細は、添付図面を参照した以下の説明において明らかとなろう。図面の簡単な説明図１は、本発明による非活性化状態の二次元シートを示す斜視図である。図２は、図１の二次元シートを活性化状態で示す斜視図である。図３は、図１の二次元シートの一部分の斜視図である。図４Ａは、図３の二次元シートの部分の断面図である。図４Ｂは、図４Ａの部分の温度分布を示すグラフである。図５は、マルテンサイト状態とオーステナイト状態との間の遷移を温度の関数として示すグラフである。図６は、絶縁層及び被覆層をもつ二次元シートの断面図である。図７は、ポイント的に付着された絶縁層及び被覆層をもつ二次元シートの断面図である。図８は、被覆層をもつ二次元シートの断面図である。図９は、本発明による二次元シート及び活性化素子の組立体を示す分解図である。図１０は、活性化機構の等価回路を示す図である。図１１は、本発明による二次元シートのそりを示す側面図である。図１２は、本発明の特徴によるシートの複雑な予め躾けられた形状を示す斜視図である。図１３は、歪曲センサを用いた実施形態の等価回路を示す図である。図１４は、歪曲センサをもつ二次元シートの断面図である。図１５は、歪曲センサがヒータ素子に隣接して取り付けられた二次元シートの断面図である。図１６は、温度センサをもつ二次元シートの断面図である。図１７は、ヒータ素子の上に保護被覆が付着された二次元シートの断面図である。図１８は、放熱のための翼を使用した二次元シートの断面図である。図１９は、放熱のための送水管を使用した二次元シートの断面図である。好ましい実施形態の詳細な説明本発明の特徴による二次元シート１０の簡単な実施形態を図１に示す。ここに述べる基本的な概念は、以下に説明する実際の例に直接適用することができる。この場合に、シート１０は、導電性材料のグループから選択されたＳＭＡで全体的に形成される。最も一般的な例は、ＴｉＮｉ合金及びＣｕＺｎＡｌ合金を含むものである。他の合金も使用できる。好ましくは、シート１０の厚みと、ヒータ素子１２の横方向の長さとの比をできるだけ小さくする一方、シート１０の一体性を維持できねばならない。ＳＭＡシート１０は、線又は薄板状の素材から薄いホイルを圧延したり、棒状素材から薄いウェハを切断したりといった種々の一般的な加工方法により形成される。現在のところは、棒状素材から薄いウェハを切断するのが好ましい。ＳＭＡ材料のウェハは、従来の帯状鋸、冷間鋸、環状ダイヤモンドの湿式鋸又は放電加工（ＥＤＭ）等の方法を用いて棒状素材からスライスすることができる。これにより得られたウェハは、平らな状態へと熱処理し、そして所望の厚みへと正確に研磨することができる。材料が塊から直接得られるので、ＳＭＡの体積特性が確保される。シート１０に含まれるＳＭＡ材料は、組立の前に予め躾けることもできるし、又は躾けない状態にしておくこともできる。その選択は、最終的な用途に依存する。ＳＭＡシート１０の上には複数のヒータ素子１２が配置され、これらのヒータ素子は、電気絶縁層１４によってシート１０から絶縁される。シート１０に電気絶縁層１４を積層するか又は他の仕方で付着するのが最も便利である。電気絶縁層１４は、ヒータ素子１２と導電性シート１０との間に電流が漏れるのを防止する。又、電気絶縁層１４は、良熱伝導体でもあるのが好ましい。好ましい絶縁材は、ポリイミド又は窒化シリコンＳｉ_xＮ_yを含む。電気絶縁層１４の厚みは、その横方向長さに対して小さくなければならない。例えば、電気絶縁層１４は、充分な熱的結合を確保すると共に、ヒータ素子１２とシート１０との間の熱伝導性を確保するために、２０００Åの窒化シリコン層である。図１の簡単な実施形態においては、ヒータ素子１２は、薄膜抵抗器の形態である。最も好ましくは、ヒータ素子１２は、電流を熱エネルギーに変換することのできるオーミックヒータ又は他の同様の装置である。それらは、ＴｉＷ又はＴａＯのような従来の抵抗性材料で構成することができる。この抵抗性材料は、良く知られたＶＬＳＩ又はマイクロ加工技術により、先ず、層１４上に付着しそしてパターン化するのが便利である。次いで、ヒータ素子１２が、良く知られた技術に基づいてパターン化され、又は他の仕方で形成される。図３において、シートＳＭＡ１０の厚みがＳで示されている。本発明の詳細を明瞭に説明するために、特定のヒータ素子１２Ｘが選択されている。このヒータ素子１２Ｘには、ＳＭＡシート１０の隣接部分１６Ｘが関連している。又、図示されたように、ヒータ素子１２Ｘには、電気絶縁層１４の区分１８Ｘも関連している。部分１６Ｘは、ヒータ素子１２Ｘの真下に配置されている。部分１６Ｘの巾は、Ｄで示されている。図示されたように、ヒータ素子１２Ｘは、部分１６Ｘに専用に熱を与える。熱は、区分１８Ｘを経て、ＳＭＡシート１０の局部を表す部分１６Ｘへと伝播する。この簡単な実施形態の動作は、図１と２を比較することにより最も良く理解される。この場合に、ＳＭＡ材料は、活性化スレッシュホールド温度へ熱的に活性化されたときに所定の形状をとるように予め躾けられている。図１において、ＳＭＡシート１０は、非活性状態で示されている。図２は、１２Ａ−１２Ｆと示された６個のヒータ素子１２が熱を発生する特定のケースを示す。従って、熱は、絶縁層１４の区分１８Ａ−１８Ｆを横断して、ＳＭＡシート１０の隣接部分１６Ａ−１６Ｆが活性化スレッシュホールドに到達するようにさせる。その結果、部分１６Ａ−１６Ｆは、充分に定められた形状をとり、そしてそのプロセスにおいて、有用な活性化力を与える。図示されたように、局部的な変形は、上方に凸状である。部分１６Ａ−１６Ｆがそれらの形状をとると、これらの部分を取り巻くシート１０の領域は、所定の記憶特性に基づいて変形する。実際に、全シート１０は、その幾何学形状で示される局部的な変化により生じる形状をとる。図２の簡単なケースにおいては、シート１０の他部分は、フラットな状態を保か、さもなくば、その中性の形状に復帰し、中性とは、その非活性の状態を意味する。更に複雑な合成形状は、以下の実施形態において説明する。加熱プロセスの後ろにある原理、及び隣接部分１６によりとられる形状は、図４Ａに最も良く示されている。１つのヒータ素子１２Ｘについて考える。明瞭化のため、加熱の際に隣接部分１６Ｘがとる所定の形状は、示されていない。巾がＷで示された素子１２Ｘにより発生された熱は、矢印に沿って絶縁層１４を通過する。特に、熱エネルギーは、層１４の区分１８Ｘを横断する。層１４は、横方向寸法に比して比例的に非常に薄く、従って、区分１８Ｘは、シート１０へ容易に熱を伝達する。シート１０において、熱は、隣接部分１６Ｘを完全に通過して伝播する。図４Ｂは、ヒータ１２Ｘの下の任意の固定深さにおける温度分布を示すグラフである。図４Ｂのグラフは、部分１６Ｘ内の横方向即ちＸ方向における温度分布を示す。素子１２Ｘの真下では、温度は、−Ｗ／２から＋Ｗ／２までの平坦な曲線部分で示された最大値に保たれる。換言すれば、部分１６Ｘに送られる熱は、他の部分１６、例えば、部分１６Ｙへは伝播しない。むしろ、熱は、他の部分１６に到達する前に、矢印Ｒに沿ってシート１０から放出する。既に述べたように、隣接部分１６の形状は、それらの領域におけるＳＡＭ即ちシート１０の予め躾けられた形状に依存する。又、この形状は、部分１６に維持される温度にも依存する。部分１６の温度が、ＳＡＭ材料がオーステナイト状態に到達する臨界温度以上であるときに、予め躾けられた形状への完全な合致が達成される。これは、図５のグラフに最も良く示されている。Ｔ１より低い温度においては、ＳＭＡ材料は、マルテンサイト特性で示されるように従順さを保つ。それ故、Ｔ１又はそれ以下に維持された部分１６は、その周囲によりそれらに与えられる形状に合致する。オーステナイト状態への移行は、温度Ｔ１とＴ２との間で生じる。部分１６は、この温度範囲内に保たれると、弛緩した形態と、予め躾けられた形態との間の中間の形状をとる。従って、入念に熱調整すると、シート１０の部分１６の形状を連続的に変化させることができる。ヒータ素子１２がシート１０上に直接取り付けられ、それらの間に層１４のみが介在するようなシート１０の全構造体は、非常に簡単である。その組立プロセスは、単純であって且つ低コストである。本発明の別の実施形態が図６に示されている。ここでは、ＳＭＡ材料の二次元シート２０が被覆層２２の上に配置される。この場合には、層２２は、機械的な安定性を与えるに充分なほど厚い。シート２０の上には薄い絶縁層２４が配置され、ヒータ素子２６とシート２０との間に電気的絶縁を与える。層２４は、ヒータ素子２６からシート２０へ熱が自由に流れ得るに充分なほど薄く且つそれに適した熱的特性を有する。この実施形態では、シート２０のＳＭＡ材料も、導電性である（例えば、ＴｉＮｉ合金、又はＣｕＺｎＡｌ合金）。この実施形態の動作は、第１の実施形態の動作と同様である。被覆層２２の追加安定性は、シート２０の全ての部分がマルテンサイト状態にあるときに充分に画成された形状に合致するよう確保する。図７の実施形態は、被覆層３０が基板として働く導電性ＳＭＡのシート２０を示す。この場合、層３０は、シート２０を悪影響から保護するために、化学的に不活性で且つ安定した材料から選択される。ヒータ素子２６とシート２０との間の電気絶縁は、素子２６の下にポイント的に配置された電気絶縁区分２８によって与えられる。このような構造体は、絶縁材料の層及びヒータ材料の層を最初に付着することにより形成できる。次いで、素子２６及び対応する電気絶縁区分２８は、エッチング又は別の良く知られたプロセスにより形成される。好ましくは、良く知られたＶＬＳＩ技術又はマイクロ加工技術がこの目的で使用される。図８は、二次元シート３２が電気絶縁性のＳＭＡ材料で形成された更に別の実施形態を示す。この構成では、絶縁が必要とされない。従って、ヒータ素子２６は、シート３２に直接取り付けられる。この場合も、機械的な安定性及び抵抗性を与えるために、基板として働く被覆層３０が設けられる。又、シート３２からの放熱を助成するために、層３０は、良熱伝導体でもあるのが好ましい。図６から８の実施形態は、全て、上記のように動作する。導入される変形は、１組の技術的な要求が与えられたときに適当な構造を選択する上で当業者の助けとなる。好ましい実施形態が図９に示されている。導電性のＳＭＡ材料、好ましくは、ＮｉＴｉ合金の二次元シート３４に、絶縁層３６が被覆される。好ましくは、層３６は、Ｓｉ_xＮ_y又はポリイミドで形成され、容易に熱を伝達するに充分なほど薄い。パターン化されたヒータ素子３８が層３６に配置される。ヒータ素子３８は、層３６の上にＴｉＷ又はＴａＯを最初にスパッタリングしそしてパターン化段階を実行することによって得られる。ヒータ素子３８は、非常に高い抵抗値を与える。好ましい実施形態では、素子３８は、ジグザグ形状をもつ。これは、シート３４が活性であるときに素子３８がシート３４に良好な熱分布を確保できるようにする。ヒータ素子３８及び層３６の上に第２の絶縁層４０が設けられる。この層４０は、素子３８及び層３６の上にスピンコーティングすることのできるポリイミドのような柔軟な電気絶縁体で形成されるのが好ましい。素子３８と電気的接触できるように層４０には多数のスルーホール４６が開けられる。これらホール４６は、素子３８の端子部分と確実に整列される。１組の導通ライン４２が層４０の上にパターン化される。これらの導通ライン４２は、金のような柔軟で且つ高導電性の材料で作られるのが好ましい。ライン４２は、パターン化又は他の適当な技術により形成することができる。共通の戻りライン４２Ａは、全ての素子３８の左側端子と電気的接触するように敷設される。戻りライン４２Ａは、層４０上の表面積を節約し、全ての素子３８が連続的に同時にアドレスされない限り望ましいものである。連続的な活性化が必要とされる場合には、付加的な全巾層が戻り経路に専用のものとされる。他のライン４２Ｂ−４２Ｅは、素子３８の右側端子に各々電気的接触される。ライン４２Ａ−４２Ｅに対応する接点パッド４４Ａ−４４Ｅに外部電気接続がなされる。この目的で、パッド４４Ａ−４４Ｅは、ライン４２Ａ−４２Ｅよりも相当厚く構成される。実際の電気的接続は、ワイヤボンディング又は同様に手段で行われる。シート３４上の全構造体が組み立てられると、ＳＭＡは、良く知られた方法を用いてシート３４に強制的に合成形状をとらせることにより「躾け」られる。例えば、シート３４は、マンドレルの上に形成され、そしてクランプで位置固定される。次いで、この固定具全体がアニール炉に入れられ、好ましくは、約４５０ ℃の不活性ガスで約３０分間パージされる。冷却した際に、フィルムがマンドレルから取り外される。このとき、シート３４は、動作の準備ができる。好ましい実施形態の電気的接続を示す電気回路が図１０に見られる。制御ユニット４８は、電流源５０に接続される。好ましくは、制御ユニット４８及び電流源５０の両方がシート３４から離れて配置される。ユニット４８は、素子３８の所望の組合せを選択することのできるマイクロプロセッサであるのが好ましい。電流源５０は、素子３８の選択された組合せに電流を供給することのできる調整可能な電源であるのが好ましい。ライン４２Ａ−４２Ｅは、電流源５０に直結される。素子３８Ａ−３８Ｄは、抵抗器として示されている。戻りライン４２Ａは接地される。動作中に、制御ユニット４８は、活性化されるべき素子３８の組合せを選択する。次いで、それに対応するコマンドを電流源５０に送る。電流源５０は、それに応答して、選択された組合せの素子３８に電流を供給する。例えば、素子３８Ａ及び３８Ｄが選択される。これら素子３８Ａ及び３８Ｄに電流が付与され、そしてそれに対応する隣接部分３９Ａ及び３９Ｄが良好に画成された形状をとる。電流が充分に大きく、そして隣接部分３９Ａ及び３９Ｄに維持される温度がＴ２（図５）より高い場合には、部分３９Ａ及び３９Ｄは、それらの予め躾けられた形状をとる。温度がＴ１とＴ２との間である場合は、部分３９Ａ及び３９Ｄは、その中間の形状をとる。電流源５０は調整可能であるから、動作中に適切な電流を選択し、そして経験的なベースで調整することができる。その結果、部分３９Ａ及び３９Ｄの形状を必要に応じて変化させることができる。図１１は、隣接部分３９Ｃ及び３９Ｄを選択したときのシート３４の合成形状を示す。ＳＭＡは、その全長に沿って上方にカーブするように予め躾けられている。従って、部分３９Ｃ及び３９Ｄが一緒にそれると、全体で相当に大きなそりを生じるように貢献する。図１２は、区分３９Ｂ−３９Ｄが加熱されそしてＳＭＡがＳ字形状をとるように予め躾けられたときの層３４の別の考えられる合成形状を示す。この説明全体を通じて、シート３４のＳＭＡは、組立の前又は後に躾けることができることを理解されたい。ＳＭＡと一緒に躾ける場合に、例えば、高いアニール温度によりダメージを受けることのある材料と共に作用するときには、組立前に躾けるのが好ましい。好ましい実施形態と同様の別の実施形態において、シート３４は、図１４に示すように被覆層５４を有する。良好に理解するために、シート３４のそりが示されている。歪曲センサ５６が層５４に配置される。センサ５４は、角度的な歪曲センサ、歪計のような伸びの歪曲センサ、又は曲げセンサのいずれでもよい。曲げセンサは、曲げ歪、ひいては、角度的なそりを測定するように配置された歪計である。これら装置は、全て、この技術で良く知られている。この場合、センサ５６は、素子３８に対応する位置に配置される。幾何学形状及び用途によっては異なる配置が好ましい。センサ５６を伴う電気回路が図１３に示されている。破線は、シート３４に取り付けられる素子を表す。素子３８Ａ−３８Ｄへの接続は、同じままであるが、全てのセンサ５６Ａ−５６Ｄは、ライン５８Ａ−５８Ｄを各々経て制御ユニット４８に配線される。このように、ユニット４８は、センサ５６Ａ−５６Ｄの各々から局部のそりを表す信号を個々に受信することができる。形状メモリ６０がユニット４８に接続される。このメモリは、センサ５６から送られる情報に基づいてシート３４の合成形状をマッピングすることができる。メモリ６０は、素子３８の既知の組合せにより形成される合成形状の目録を有するのが好ましい。換言すれば、メモリ６０は、マップされた合成形状の位置を取り消しそして新たなものを記憶することができる。最も好ましい実施形態においては、メモリ６０は、隣接部分の中間形状に対応する実際の電流値を記憶することもできる。これは、動作中に、形状を任意に取り消したり記憶したりできることを意味する。従って、この組合せは、例えば、カテーテルをガイドするような種々の用途に対し非常に多様性があり且つ実用的である。図１５は、センサ５６が素子３８間に配置されたという点のみが上記と異なる更に別の実施形態を示す。図１６は、温度センサ６２が素子３８間に取り付けられた別の変形を示す。これは、シート３４の温度を監視するのに効果的である。特定の好ましい実施形態では、このデータがメモリ６０に記憶される。動作中にセンサ６２からの温度をチェックすることにより、過熱及び他の関連する機能不良を防止することができる。もちろん、２つ以上の熱センサ６２を設けることもできる。理想的には、多数のこのようなセンサ６２を設けることができる。又、理想的には、多数のこのようなセンサ６２がシート３４上に最適に配置される。図１７は、上部の被覆層６４でカプセル化された図１４の実施形態をマルテンサイト状態で示している。層６４は、特に、ダメージを及ぼす環境ファクタ、例えば、腐食性環境から電気的接続及び素子３８を保護するために付与される。図１８及び１９は、ＳＭＡの二次元シート７０を冷却することのできる２つの方法を示す。簡単化のために、ヒータ素子７４以外の他の全ての素子は、省略されている。図１８においては、冷却素子は、シート７０に直接接触した１組のフィン７２である。この構成体は、効率的な熱伝達及び放熱を確保する。同様に、図１９の構造体は、管７８（１つしか示されていない）をもつ基板層７６を用いて効率的に放熱する。管７８は、廃熱エネルギーを吸収して運び去る例えば水のような冷却材を搬送する。最も実際的な好ましい実施形態と現在考えられるものについて本発明を以上に説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲の精神及び範囲内に包含される種々の変更及び等価な構成も網羅することを理解されたい。例えば、ペルチェ装置も、放熱に対して同等の解決策を与えることができる。それ故、当業者であれば、このような全ての等価構造は、請求の範囲内に包含されるものであることが理解されよう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims

【特許請求の範囲】１．横方向の熱流を制限するに充分な小さな区分を有する形状記憶合金（ＳＭＡ）シートを備えた分布型活性化手段において、この分布型アクチュエータアレーは、ａ）上記シートに配置され、シートの隣接部分を局部的に加熱するための１つ以上のヒータ素子であって、上記隣接部分が、そのスレッシュホールド温度へと活性化されたときに、所定の形状をとるようにさせるヒータ素子と、ｂ）上記シートと上記１つ以上のヒータ素子との間に配置され、各々のヒータ素子を上記シートから電気的に絶縁するための電気絶縁体と、ｃ）上記１つ以上のヒータ素子に電流を選択的に通過させ、それにより得られる局部的加熱によりシートが所望の形状をとるようにさせる制御手段と、を備えたことを特徴とする分布型活性化手段。２．上記二次元シートの局部的なそり状態を指示するために上記二次元シートに取り付けられた複数の歪曲センサを更に備えた請求項１に記載の分布型活性化手段。３．上記制御手段は、上記歪曲センサに接続され、上記二次元シートの局部的なそり状態が上記制御手段に通信されて、上記制御手段が上記合成形状を計算するようにした請求項２に記載の分布型活性化手段。４．上記制御手段は、更に、位置マッピングすると共に上記合成形状及び上記ヒータ素子の上記組合せを記憶するための形状メモリ手段を備えた請求項３に記載の分布型活性化手段。５．上記歪曲センサは、角度的な歪曲センサ、伸びの歪曲センサ及び曲げセンサより成るグループから選択される請求項４に記載の分布型活性化手段。６．上記シートの温度を測定するために上記シートに取り付けられた熱センサを更に備えた請求項１に記載の分布型活性化手段。７．上記ＳＭＡシートは、製造の前に躾けられる請求項１に記載の分布型活性化手段。８．上記形状記憶合金は、ＴｉＮｉ合金及びＣｕＺｎＡｌ合金より成るグループから選択される請求項１に記載の分布型活性化手段。９．上記隣接部分に蓄積する熱を放出するために上記二次元シートに付着された基板層を更に備えている請求項１に記載の分布型活性化手段。 10．上記隣接部分がとる上記所定の形状は、予め躾けられた形状である請求項７に記載の分布型活性化手段。 11．上記隣接部分がとる上記所定の形状は、中間形状である請求項７に記載の分布型活性化手段。 12．上記基板層は、ペルチェ素子、冷却フィン及び水チャンネルより成るグループから選択された冷却手段を含む請求項７に記載の分布型活性化手段。 13．ＳＭＡより成る二次元シートのための分布型活性化手段において、上記二次元シートは、横方向の熱流を制限するに充分な小さな区分を有し、そして電気絶縁体であり、上記分布型活性化手段は、ａ）上記二次元シートに配置され、そして上記二次元シートの隣接部分に指定されて、その隣接部分を局部的に加熱し、その隣接部分が所定の形状をとるようにする少なくとも１つのヒータ素子と、ｂ）上記ヒータ素子の組合体に電流を選択的に通過させ、上記組合体に属する上記ヒータ素子の各々が上記隣接部分を加熱し、そして上記隣接部分が上記所定の形状をとり、これにより、上記二次元シートが合成形状をとるようにする制御手段と、を備えたことを特徴とする分布型活性化手段。 14．上記ＳＭＡは、予め躾けられる請求項13に記載の分布型活性化手段。 15．上記隣接部分がとる上記所定の形状は、予め躾けられた形状である請求項 13に記載の分布型活性化手段。 16．上記隣接部分がとる上記所定の形状は、中間形状である請求項13に記載の分布型活性化手段。 17．上記ヒータ素子及び上記ＳＭＡは、躾けされない請求項13に記載の分布型活性化手段。 18．上記ヒータ素子は、ＶＬＳＩ及びマイクロ加工より成るグループから選択された技術で形成される請求項13に記載の分布型活性化手段。 19．上記制御手段は、電流発生器と、上記ヒータ素子の上記組合体を選択するための制御ユニットとを含む請求項13に記載の分布型活性化手段。 20．上記二次元シートの局部的なそり状態を指示するために上記二次元シートに取り付けられた複数の歪曲センサを更に備えた請求項13に記載の分布型活性化手段。 21．上記二次元シートに付着された被覆層を更に含む請求項13に記載の分布型活性化手段。 22．上記隣接部分に蓄積する熱を放出するために上記二次元シートに付着された基板層を更に含む請求項13に記載の分布型活性化手段。 23．上記二次元シートの温度を測定するために上記二次元シートに取り付けられた熱センサを更に含む請求項13に記載の分布型活性化手段。 24．上記制御手段は、上記歪曲センサに接続され、上記二次元シートの局部的なそり状態が上記制御手段に通信されて、上記制御手段が上記合成形状を計算するようにした請求項20に記載の分布型活性化手段。 25．上記歪曲センサは、角度的な歪曲センサ、伸びの歪曲センサ及び曲げセンサより成るグループから選択される請求項20に記載の分布型活性化手段。 26．上記制御手段は、更に、位置マッピングすると共に上記合成形状及び上記ヒータ素子の上記組合体を記憶するための形状メモリ手段を備えた請求項24に記載の分布型活性化手段。 27．上記基板層は、ペルチェ素子、冷却フィン及び水チャンネルより成るグループから選択された冷却手段を含む請求項26に記載の分布型活性化手段。 28．ＳＭＡより成る二次元シートを選択的に活性化する方法であって、上記二次元シートは、横方向の熱流を制限するに充分な小さな区分を有し、そして導電性であり、上記方法は、ａ）上記二次元シートに少なくとも１つのヒータ素子を配置し、これらヒータ素子の各々が上記二次元シートの隣接部分に指定されて、その隣接部分を局部的に加熱し、上記隣接部分が所定の形状をとるようにし、ｂ）上記二次元シートを上記ヒータ素子の各々から電気的に絶縁し、ｃ）上記ヒータ素子の各々とその指定の隣接部分との間に熱伝導路を設け、そしてｄ）上記ヒータ素子の組合体に電流を通流して、その組合体に属する上記ヒータ素子の各々が上記隣接部分を加熱すると共に、上記隣接部分が上記所定の形状をとり、これにより、上記二次元シートが合成形状をとるようにする、という段階を備えたことを特徴とする方法。 29．予め躾けられた形状をとるように上記ＳＭＡを予め躾ける段階を更に含む請求項28に記載の方法。 30．上記予め躾ける段階は、上記二次元シートを組み立てる前に行う請求項28 に記載の方法。 31．上記予め躾ける段階は、上記二次元シートを組み立てた後に行う請求項28 に記載の方法。 32．多数の上記二次元シートを組み合わせて、三次元構造体を形成する段階を更に備えた請求項28に記載の方法。 33．多数の上記二次元シートを組み合わせて、三次元構造体を形成する段階を更に備えた請求項28に記載の方法。