JPH09126116A - アクチュエータおよび蠕動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型でかつ体格に比して高い発生力を得るこ
とが可能なアクチュエータを得ること。 【解決手段】 形状記憶合金からなる動作素子１３へ通
電素子１６により通電することで、動作素子１３の自己
発熱により、熱エネルギー供給がなされ、動作素子１３
は、ばね部材１７と共に薄膜形状に形成された積層構造
からなるアクチュエータ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はアクチュエータ、特
に医療用に用いられるマイクロアクチュエータに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】産業各分野では非破壊、省エネルギー、
精密作業などの観点から、医療分野では特に低侵襲の観
点から、「マイクロマシン」と呼ばれるセンサ・アクチ
ュエータや、それらデバイスをシステム化したマイクロ
マシン・システムが望まれている。

【０００３】これまでマイクロアクチュエータについて
は、マイクロモータのような回転運動を得るデバイス
と、直線的な運動を得るリニア・アクチュエータが各種
提案されている。本発明に関わるリニア・アクチュエー
タについては、たとえばY. Gianchandani and K. Najaf
i，”Micron-sized，High Aspect Ratio Bulk SiliconM
icromechanical Devices”，Proc. IEEE Micro Electro
Mechanical Systems，pp.208-213(1992)に示されるよ
うな、動作原理として静電引力を利用したものが多数提
案されている。

【０００４】一方、ピエゾ効果を利用したアクチュエー
タとしては、ＰＺＴ等のピエゾ素子の体積変化や特開平
７−８３１５９号に示されるようなメカノケミカル材料
の変形を利用した、リニア・アクチュエータについても
提案されており、さらに複雑な構造のアクチュエータと
しては、特開平７−８４６４６号に示されるような形状
記憶合金と発熱素子、温度検出素子を一体化したアクチ
ュエータについても提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、静電引力を利
用したアクチュエータでは、発生力は互いに引き合う電
極の距離の２乗に反比例して減少してしまうため、必然
的に動作量が少ないアクチュエータしか得ることができ
ない。また、同様の理由で、最も電極間距離の離れる動
作開始時において、発生力が最低となるため、アクチュ
エータの特性としては不利である。

【０００６】また、ピエゾアクチュエータは体積変化量
が非常に小さいため、ミリサイズのアクチュエータ体格
でもミクロン単位の変位量しか得ることができない。

【０００７】また、メカノケミカル材料は電解液内とい
う限られた環境でなければ利用できない。

【０００８】また、特開平７−８４６４６号に示される
アクチュエータにおいては、形状記憶合金を変形させる
ための発熱用ヒータや温度検出素子を内蔵させているた
め、内蔵させたヒータや素子なども屈曲・変形させるこ
ととなり、内部損失が増加してしまうため、アクチュエ
ータから得られる発生力が減衰してしまう。

【０００９】本発明は、気体や液体内のより広範な動作
環境で直線運動を得るリニア・アクチュエータにおい
て、非常に小型で、かつアクチュエータ体格に対する高
い発生力と、大きな変位量を同時に実現すると共に、そ
れらアクチュエータが協調して蠕動運動するデバイスを
提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明のうちで請求項１記載の発明は、形状記
憶合金からなる動作素子と、該動作素子の変形方向に対
して有効な弾性力を持つばね部材を有し、前記動作素子
への熱エネルギー供給が前記動作素子への通電による自
己発熱によってなされ、前記動作素子と前記ばね部材が
薄膜形状に形成された積層構造からなることを特徴とす
るアクチュエータである。

【００１１】このうち、ばね部材が動作素子の変形方向
に対して有効な弾性力を持つとは、ばね部材が変形した
動作素子を原形に戻すよう作用するものと、動作素子の
変形がばね部材の弾性力によってなされるよう作用する
ものとが考えられる。

【００１２】また、請求項２記載の発明は、請求項１記
載のアクチュエータを格子状に配列し、同列および/又
は同行毎に同期させて動作させることにより蠕動運動を
行うことを特徴とする蠕動アクチュエータである。

【００１３】本発明のアクチュエータは、特にマイクロ
アクチュエータに関するものであるが、ここで、マイク
ロアクチュエータとは、その駆動部全長が１ｍｍ以下程
度の、人体の体腔内への挿入が可能な程度のアクチュエ
ータのことを指す。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して具体的に説明する。なお、以下の実施例は、
本発明を説明するためのものであり、本発明がこの実施
例のみに限定されるものではない。

【００１５】（実施例１）図１乃至図８は、実施例１に
係るマイクロアクチュエータの製造過程を説明するため
の図である。以下、図１乃至図８に沿って製造過程を説
明する。

【００１６】まず、マイクロアクチュエータを積層構造
で作成するために、平坦な支持台１１を準備する。この
とき用いられる支持台は、アクチュエータを積層構造で
作製するために用いるので、平坦であればどの様なもの
でも良く、ここでは、耐熱性が高く加工の容易な材質と
して厚さ４００μｍの研磨したシリコン基板（単結晶シ
リコン）を用いている。この支持台１１に、図１に示す
ように、下地層１２として、シリコンオキシナイトライ
ド（ＳｉＯｘＮｙ）をＣＶＤ法で厚さ１μｍ程度成膜
し、成膜後に反応性ドライエッチングを用いてパターン
形成を行う。このパターン形成は緩衝フッ酸溶液によっ
ても可能である。

【００１７】ついで、図２に示すように、スパッタ法に
より形状記憶合金薄膜１３としてＮｉ−Ｔｉ合金を成
膜、パターン形成する。成膜に用いるスパッタ装置はＲ
Ｆ、マグネトロン、ＥＣＲなどの何れでも良く、また、
用いるターゲットは、スパッタ率を考慮した合金組成の
合金ターゲット、ＮｉとＴｉがモザイク状に配置された
ターゲット、Ｎｉ、Ｔｉそれぞれ単体のターゲットを時
間分割して徐々に積層していく手法の何れでも用いるこ
とができる。また、スパッタ法以外にもＮｉ、Ｔｉを電
子ビーム蒸着法で同時に蒸着することによっても薄膜は
作製できる。このとき合金の比率は室温での使用を考え
た場合、Ｎｉが５２ａｔ．％以下が良い。合金の膜厚
は、スパッタ法を用いた場合１〜５０μｍ程度が適当で
ある。成膜の後にフッ酸と硝酸の混酸溶液でパターン形
成を行う。

【００１８】次に、図３に示すように、中間保護層１４
としてシリコンオキシナイトライドを下地層１２と同様
の手法で厚さ１μｍ程度成膜、パターン形成する。次い
で、アモルファス状態の形状記憶合金薄膜１３を結晶化
し、形状記憶処理を行うため、不活性雰囲気下で加熱処
理をする。加熱処理は５００℃〜９００℃で１時間以上
行う。

【００１９】次に、図４に示すように、中間保護層１４
に、形状記憶合金薄膜１３への電気的接続のためのビア
ホール１５を形成する。

【００２０】次に、図５に示すように、電気配線１６を
成膜、パターン形成する。電気配線１６は、電子ビーム
蒸着によってチタン（Ｔｉ）を２００ｎｍ程度、続いて
銅（Ｃｕ）を大気に曝さず連続に成膜し、硝酸溶液でパ
ターン形成する。電極材料は抵抗が低く、シリコンオキ
シナイトライドやＴｉ−Ｎｉ合金と密着性が良好であれ
ば良く、例えばアルミニウム（Ａｌ）等も利用可能であ
る。

【００２１】次に、図６に示すように、ばね部材として
バイアスばね１７を形成するために、感光性ポリイミド
をスピンコート法により成膜、紫外線露光によりパター
ン形成し、１００℃程度から徐々に昇温し４００℃程度
まで加熱して焼成処理を行い、最終的な膜厚が１〜２０
μｍ程度になるようにする。バイアスばねとしては、感
光性ポリイミド以外にも、加熱等の処理によって膜内に
強く残留応力が発生する弾性体であれば良く、酸化シリ
コン、窒化シリコン、シリコーンゴムなども利用でき
る。

【００２２】次に、図７に示すように、保護層１８とし
てシリコンオキシナイトライドを下地層１２と同様の手
法で成膜、パターン形成する。

【００２３】最後に、作製したマイクロアクチュエータ
を固定している支持台１１より分離するため、図８に示
すように、シリコン基板を裏面よりアルカリ溶液でエッ
チングし、表面まで貫通させる。これにより、作製した
マイクロアクチュエータは片持ち梁状に解放され、バイ
アスばね１７の残留応力により、マイクロアクチュエー
タ先端で約５００μｍ反りあがった形となった。

【００２４】作製したマイクロアクチュエータに電気配
線を通じて通電加熱を行い、Ｎｉ−Ｔｉ近傍が１３０℃
に加熱された状態で、ほぼ形状記憶処理を行った支持台
表面の位置まで変形し、通電を停止すると瞬時に加熱前
の形状に回復した。

【００２５】図９は、完成した状態のマイクロアクチュ
エータの上面図である。図９に示すように、電気配線１
６と形状記憶合金薄膜１３は、対になるように形成され
るのが望ましい。

【００２６】（実施例２）実施例１で示したマイクロア
クチュエータ作製工程と同様の工程を用いて、図１０に
示すような、片持ち梁の長さ１ｍｍ、巾０．５ｍｍのマ
イクロアクチュエータ２１が（３＋２）列×１０行の格
子状に配列した蠕動アクチュエータを作製した。

【００２７】マイクロアクチュエータは行毎に同期して
動作するように制御し、図１１に示すような動作パタン
で動作させたところ、３ｍｍ×３ｍｍ×０．３ｍｍのシ
リコン片を順送りに移動させることが確認できた。

【００２８】本発明のマイクロアクチュエータは、動力
源として形状記憶合金薄膜を用いることにより、高い発
生力と、アクチュエータ体格に対する大きな変位量を同
時に実現する。ここで述べる形状記憶合金薄膜とは好適
には５０μｍ以下の膜厚のものを言う。用いる形状記憶
合金としては発生力が大きく疲労に対する耐久性が高い
Ｎｉ−Ｔｉ合金、Ｎｉ−Ｔｉ−Ｃｕ合金などが実用的で
好ましい。また、室温付近での動作を考えた場合、特段
の冷却機構を必要としないＲｓ点、もしくはＭｓ点が室
温以上の物が好ましいが、そのような観点からも前述の
合金は適している。

【００２９】また、該動作素子の変形方向に対して有効
な弾性力を持つバイアスばねを用いることにより、形状
記憶合金は発生力の小さな２方向性の動作モードを使用
せずに繰り返し動作が可能となる。

【００３０】また、動作素子への熱エネルギー供給を動
作素子への通電による自己発熱によることにより、薄膜
ヒータ等アクチュエータの発生力を要素を使用すること
なくマイクロアクチュエータを動作させることが可能と
なる。

【００３１】また、マイクロアクチュエータの構造を動
作素子とバイアスばねの薄膜形状に形成された積層構造
とする事により、動作素子の体積に対する表面積の比が
大きくなり、加熱によって作動させた形状記憶合金薄膜
の冷却効率が上昇し、高速動作が可能となる。

【００３２】また、得られたマイクロアクチュエータを
格子状に配列し、同列且つ／又は同行毎に同期させて動
作させることにより、単独では単純な屈曲運動を協調動
作させることにより蠕動運動を行う蠕動アクチュエータ
を得ることができる。

【００３３】

【発明の効果】以上、詳述したように、本発明は、動作
素子として形状記憶合金を用いるため、体格に対して大
きな発生力が得られ、該動作素子の変形方向に対して有
効な弾性力を持つバイアスばねを用いることにより、形
状記憶合金への処理が簡素化され、動作素子への熱エネ
ルギー供給が動作素子への通電による自己発熱によって
なされることにより、特別な加熱機構をマイクロアクチ
ュエータ内へ組み込む必要がなく、構造が簡素化される
と共に、出力効率の向上が計れ、また、マイクロアクチ
ュエータを薄膜形状に形成された積層構造とすることに
より、バッチ加工で一度に多数個のマイクロアクチュエ
ータを一括作成することが可能となり、特性の揃った多
数個のマイクロアクチュエータを得ることができるもの
である。

【００３４】また、バッチ加工で一度に多数個のマイク
ロアクチュエータを一括作成することが可能となること
により、特性の揃った多数個のマイクロアクチュエータ
を格子状に配列し、同列且つ／又は同行毎に同期させて
動作させることが可能となり、これにより蠕動運動を行
う蠕動アクチュエータが得られ、固形物等を運搬するデ
バイスが得られるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例１に係わるマイクロアクチュ
エータの作製工程１を説明するための工程図である。

【図２】 本発明の実施例１に係わるマイクロアクチュ
エータの作製工程２を説明するための工程図である。

【図３】 本発明の実施例１に係わるマイクロアクチュ
エータの作製工程３を説明するための工程図である。

【図４】 本発明の実施例１に係わるマイクロアクチュ
エータの作製工程４を説明するための工程図である。

【図５】 本発明の実施例１に係わるマイクロアクチュ
エータの作製工程５を説明するための工程図である。

【図６】 本発明の実施例１に係わるマイクロアクチュ
エータの作製工程６を説明するための工程図である。

【図７】 本発明の実施例１に係わるマイクロアクチュ
エータの作製工程７を説明するための工程図である。

【図８】 本発明の実施例１に係わるマイクロアクチュ
エータの作製工程８を説明するための工程図である。

【図９】 本発明の実施例１に係わるマイクロアクチュ
エータの上面図である。

【図１０】 本発明の実施例２に係わる蠕動アクチュエ
ータを示す上面図である。

【図１１】 本発明の実施例２の蠕動アクチュエータの
動作タイミングチャートである。

【符号の説明】

１１ 支持台 １２ 下地層 １３ 形状記憶合金薄膜 １４ 中間保護層 １５ ビアホール １６ 電気配線 １７ バイアスばね １８ 保護層 ２１ マイクロアクチュエータ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 形状記憶合金からなる動作素子と、該動
   作素子の変形方向に対して有効な弾性力を持つばね部材
   を有し、前記動作素子への熱エネルギー供給が前記動作
   素子への通電による自己発熱によってなされ、前記動作
   素子と前記ばね部材が薄膜形状に形成された積層構造か
   らなることを特徴とするアクチュエータ。
2. 【請求項２】 前記アクチュエータを格子状に配列し、
   同列および／又は同行毎に同期させて動作させることに
   より蠕動運動を行うことを特徴とする蠕動アクチュエー
   タ。