JPH0784646A - 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 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】変位と応力による高精度なフィードバック制御
が可能な非常に小型のアクチュエーターを提供する。 【構成】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（Ｔ
ｉ）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、Ｔｉ
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。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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、これを駆動する
ための電熱変換素子を有し、電熱変換素子はゲージ率と
抵抗値の温度係数の少なくとも一方が異なる二種類の素
材で構成されている。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図１５】図１４の構造体をＸＶ−ＸＶ線で破断した断
面図である。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【符号の説明】

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。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱を機械的力に変換する素子と、これを
   駆動するための電熱変換素子とを有し、電熱変換素子は
   ゲージ率と抵抗値の温度係数の少なくとも一方が異なる
   二種類の素材で構成されている、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。