(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、この基板上に形成された超伝導現象を用いた形状記憶材料からなる薄膜とを具備し、前記形状記憶材料が、磁場中に配置して温度により形状が変化する材料であることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記形状記憶材料が、金属ＮｂもしくはＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘであることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超伝導現象を用いた形状記憶材料及びアクチュエータに関する。本発明の形状記憶材料は、宇宙空間でのアンテナなどの可動骨材、強力なサーボモータの代わりとして適用可能である。また、本発明のアクチュエータは、航空宇宙用強力アクチュエータとして適用可能である。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、形状記憶材料は温度により形状が変化し、宇宙空間でのアンテナなどの可動骨材、深海ロボットのアクチュエータや人工弁等の医療用材料に応用されている。
【０００３】
しかしながら、形状記憶材料は力が弱く、大きさのかさむサーボモータの代わりや航空宇宙用強力アクチュエータ等への応用が困難である。また、高度な技術を要する大型航空機や宇宙船等の機器やシステムでは、部品点数の多量化、それに伴う複雑化、工数増大、コスト上昇などの大きな技術上、産業上の問題点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこうした事情を考慮してなされたもので、基板と、この基板上に形成された超伝導現象を用いた形状記憶材料からなる薄膜とを具備し、前記形状記憶材料が、磁場中に配置して温度により形状が変化する材料とすることにより、大型航空機や宇宙船などの機器やシステムの小型化、部品点数の少量化、工数減少、コスト低減等を図れる可能性が高いアクチュエータ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】
本発明は、基板と、この基板上に形成された超伝導現象を用いた形状記憶材料からなる薄膜とを具備し、前記形状記憶材料が、磁場中に配置して温度により形状が変化する材料であることを特徴とするアクチュエータである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について更に詳細に説明する。
超伝導誘起形状記憶材料の特徴は、次の点にある。
１）一般に形状記憶材料は温度などの単位な刺激により形状が変化する。本発明では、温度、磁場、電流量、特定の波長の光、力学的応力などの多様な刺激により形状変化が発現する。
２）低温で形状記憶効果を発現する場合が多い。この結果、外部に作用する力が高出力である場合が多い。
【０００９】
本発明において、前記超伝導材料としては例えば金属Ｎｂ，ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘが挙げられる。その他、ＮｂＴｉ合金やＮｂ３Ｓｎ、Ｖ３Ｓｉに代表されるＡ１５型化合物は実験から形状記憶効果を示すことが確認されている。また、セラミックスを含めて各種超伝導体も同様に形状記憶効果を示す材料が挙げられる。
【００１０】
本発明において、前記形状記憶材料は、温度、磁場、電流値、特定の波長光、力学的応力などの環境の多様な刺激により形状が変化する。ここで、「多様な刺激」とは上述の温度、磁場、電流値、特定の波長光、力学的応力を意味する。
【００１１】
本発明において、アクチュエータは基板上に前記形状記憶材料からなる薄膜を形成しても構成されるが、基板上に薄膜を形成する場合は、例えば図１に示すようなマグネトロンスパッタリング装置が使用される。図１において、符番１は反応容器を示す。この反応容器１内には、上部にターゲット２が配置され、下部に基板３を支持するホルダー４が配置され、両者間にシャッター５が配置されている。ここで、シャッター５は安定してから開けられる。前記反応容器１の下部、側部にはバルブ６ａ，６ｂを介して真空装置（ＴＰ）７ａ、真空装置（ＲＰ）７ｂが夫々接続されている。両真空装置７ａ，７ｂ間もバルブ６ｃを介装した配管８により接続されている。前記反応容器１には、夫々Ｈ２ガスを収容したボンベ９、Ａｒガスを収容したボンベ１０が接続されている。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の一実施例について図２を参照して説明する。
図２は、本発明に係る形状記憶合金アクチュエータの断面図を示す。図２において、符番２１は基板を示す。このＳｉ基板２１上には、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘあるいは金属Ｎｂらなる薄膜２２が形成されている。前記ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘや金属Ｎｂ、温度、磁場、電流値、特定の波長光、力学的応力などの環境の多様な刺激により形状が変化する性質を有している。
【００１３】
次に、こうした構成のアクチュエータ２３の製造方法について説明する。
まず、図１のマグネトロンスパッタリング装置を用いて、ホルダー４上にＳｉ基板２１をセットする。つづいて、真空装置７ａ，７ｂを用いて反応容器１内を真空にした後、シャッター５を開け、Ｈ２ガスとＡｒガスを同時に反応容器１内に送り、直流プレーナマグネトロン型のスパッタガンを用いて、Ｓｉ基板２１上に厚さ約２μｍの薄膜２２を成膜した。成膜条件は、到達真空度：３．９×１０−５Ｐａ、リークレイト（ガスの漏れ）：５．０×１０−７Ｐａ・ｍ３／ｓ、Ａｒ分圧：６．０×１０−２Ｐａ、スパッタリングガス：Ａｒ、ターゲット投入電力：２００Ｗ、スパッタ時間：３６００ｓ、基板材料：Ｓｉ（１００）面、基板温度：３００Ｋ（室温）とした。
【００１４】
上記実施例に係る形状記憶合金アクチュエータは、Ｓｉ基板２１と、この基板２１上に形成された、温度により形状変化するＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘあるいは金属Ｎｂらなる薄膜２２とから構成されているため、機器やシステムの小型化、部品点数の少量化、工数減少、コスト低減などの効果が得られる。
【００１５】
図３は、純Ｎｂ超伝導材料の温度変化に伴う一軸引張り線膨張計を用いた線膨張変化を示している。なお、図３において、Ｔｃは超伝導遷移温度を示し、Ｌｏａｄは引張り荷重を示す。図３から、超伝導材料としてＮｂ線を用いた場合、超伝導遷移温度直上で軟化・膨張現象が見られることが確認できた。
【００１６】
図４は、上記超伝導材料（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ焼結材）における温度と過剰歪の関係を示す図である。なお、図４において、圧縮応力は４．６ＭＰａである。図４より、９０Ｋから１４５Ｋ、及び１４５Ｋから１５５Ｋの間で過剰歪が見られることが確認できた。ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ焼結材の場合も、Ｎｂ同様、形状記憶現象が発現されることを確認した。
【００１７】
図５は、磁場中の上記超伝導材料（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ急冷凝固（ＱＭＧ）材）における温度と歪の関係を示す図である。図５から、磁場中で超伝導遷移温度以下まで冷却し昇温させると、昇温時に非常に大きい過剰歪みが見出された。これは、超伝導体に磁束がピンニングされたことによる。即ち、ピンニングされた磁束を中心とした超伝導体中の渦電流の領域同士が反発し合うことにより、急激な過剰歪が発生する。これは、変形量や力が大きな形状記憶現象を発現することを意味する。
【００１８】
この材料の電気抵抗において明確な超伝導遷移は、８０Ｋから１００Ｋで見られる。なお、図６（Ａ），（Ｂ）から、この材料における電気抵抗の温度依存性が室温から１６０〜１８０Ｋ付近まで金属と類似の固有の関係にある（参考文献：Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，８（１９８９）ｐｐ．７００−７０２）。
【００１９】
１６０〜１８０Ｋ以下でこの関係から外れ、超伝導遷移現象が開始され、軟化・膨張が生じる。この体積変化が形状記憶現象を誘起する。現在、軟化は一般に超伝導遷移の前駆現象と見られているが、すでに開始していると考えることもできうる。既存の形状記憶効果は室温付近のマルテンサイト変態が主流であるため、体積変化はそれほど大きくなく、大きな応力が期待できない。ところが、図４、図５に示すＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ超伝導材料の場合は、低温領域で見られる過剰歪と、低温における大きな原子間力（凝集力）により、大きな作用力を伴う形状記憶材料となり得る。
【００２０】
なお、上記実施例では、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ，金属Ｎｂを用いた場合について述べたが、これに限らず、他の超伝導材料を用いても良い。
【００２１】
また、上記実施例では、温度と磁場により形状が変化する超伝導材料を用いる場合について述べたが、これに限らず、他の刺激例えば電流量、特定の光波長、力学的応力により形状が変化する。
【００２２】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、基板と、この基板上に形成された超伝導現象を用いた形状記憶材料からなる薄膜とを具備し、前記形状記憶材料が、磁場中に配置して温度により形状が変化する材料であること構成とすることにより、大型航空機や宇宙船などの機器やシステムの小型化、部品点数の少量化、工数減少、コスト低減等を図れる可能性が高いアクチュエータを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るマグネトロンスパッタリング装置の説明図。
【図２】本発明の一実施例に係る形状記憶合金アクチュエータの断面図。
【図３】純Ｎｂ超伝導材料の温度変化に伴う一軸引張り線膨張計を用いた線膨張変化を示す図。
【図４】超伝導材料（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ焼結材）における温度と過剰歪の関係を示す図。
【図５】磁場中の超伝導材料（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ急冷凝固（ＱＭＧ）材）における温度と歪の関係を示す図。
【図６】ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ超伝導材料における電気抵抗と温度との関係を示す状態図。
【符号の説明】
１…反応容器、
２…ターゲット、
３…基板、
４…ホルダー、
５…シャッター、
６ａ，６ｂ…バルブ、
７ａ，７ｂ…真空装置、
８…配管、
９，１０…ボンベ、
２１…Ｓｉ基板、
２２…薄膜、
２３…アクチュエータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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