(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性合金により形成されたマイクロマシンであって、印加された外部交流磁場に基づき液体が充填された管内を移動可能な駆動部を備え、該強磁性合金は薄帯形状を有し、該駆動部は後部に設けられると共に中央部に対して所定の角度のひねり形状を有することを特徴とするマイクロマシン。
【請求項２】
請求項１記載のマイクロマシンにおいて、前記駆動部は所定の温度の熱処理を施されたことを特徴とするマイクロマシン。
【請求項３】
請求項１又は２記載のマイクロマシンにおいて、前記駆動部は印加される外部交流磁場の周波数に応じて前後にマイクロマシンを移動させることを特徴とするマイクロマシン。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載のマイクロマシンにおいて、前記駆動部は印加される外部交流磁場の周波数に応じてマイクロマシンの移動速度を調整することを特徴とするマイクロマシン。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載のマイクロマシンにおいて、前記強磁性合金は形状記憶機能を有する強磁性形状記憶合金であり、外部からの加熱又は冷却に応じて作業可能な作業部を前部にさらに備えたことを特徴とするマイクロマシン。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載のマイクロマシンにおいて、前記強磁性合金又は前記強磁性形状記憶合金は急冷凝固のＦｅＰｄ材であることを特徴とするマイクロマシン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強磁性形状記憶合金により形成されたマイクロマシンに関し、特に、患者の肉体的精神的苦痛を軽減する低侵襲型治療、各種産業設備またはプラント等における高度メンテナンス技術の非破壊検査可能な自走式マイクロマシン等に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、マイクロマシンは、工業、医療および宇宙・航空分野等において、次世代の産業技術として注目されている。多くの研究がなされているマイクロマシンまたはマイクロマシン技術（Micro electromechanical System : ＭＥＭＳ）は、静電力、圧電力等を駆動力とし複数の部品の組み合わせにより構成されている。特に、液体で満たされた管（パイプ）内を泳動するタイプのマイクロマシンでは、移動体本体部分の両側に設けられた交流電場中または交番磁場中に、それらの電場または磁場により運動するアクチュエータを設置してマイクロマシン本体を駆動させている。その際、アクチュエータとしてヒレ交互運動によりパイプの内壁をけり、その際の摩擦反動力を利用してマイクロマシン本体の移動への推進力としている。
【０００３】
上述のタイプのマイクロマシンの中で交流電場を利用するものは、例えば非特許文献１に記載されている。図１３は非特許文献１に記載された、圧電バイモルフ型の管内移動機械（マイクロマシン）が管内に置かれた状態の側面図を示す。図１３において、符号５０は管、８０は管５０内に置かれたマイクロマシン、８２は圧電素子（不図示）を２枚貼り合わせたマイクロマシン８０の圧電バイモルフ、８４ａ、８４ｂ、８４ｃおよび８４ｄは各々マイクロマシン８０に設けられた弾性板、８６はマイクロマシン８０に接続され上記圧電素子に交流電圧を印加するためのリード線である。各部の寸法は、図１３に示されるように、管５０の内径は２０ｍｍ、圧電バイモルフ８２の厚さは０．５ｍｍ、圧電バイモルフ８２の管５０の長手方向の長さは３８ｍｍ、圧電バイモルフ８２の先端部ａから最初の弾性板８４ｃの圧電バイモルフ８２への接続部ｂまでの長さは８ｍｍ、最初の弾性板８４ｃの接続部ｂから先端部ｃまでの管５０の長手方向の長さは１５ｍｍ、２番目の弾性板８４ｄの圧電バイモルフ８２への接続部ｄから圧電バイモルフ８２への後部ｅまでの長さは８ｍｍである。図１４は、マイクロマシン８０の管５０における移動原理を示す。図１４で図１３と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。マイクロマシン８０の圧電素子にリード線８６（図１４では省略）により交流電圧を印加すると、図１４に示されるようなたわみ振動（図１４上でマイクロマシン８０が下方へたわんだ場合を点線、上方へたわんだ場合を一点鎖線で示す。）を生じる。このたわみ振動により、圧電バイモルフ８２の先端部ａはｆ方向に振動し、弾性板８４ａの先端部ｃ１、弾性板８４ｂの先端部ｃ２は管５０路の長手方向に振動する。ｕ１ないしｕ４は各々４枚の弾性板８４ａないし８４ｄの変位である。このとき、弾性板８４と管５０路との間の等価動摩擦係数は滑り方向により異なり、弾性板８４の先端部ｃ１、ｃ２が左方へ滑る場合の方が右方へ滑る場合より小さくなるため、マイクロマシン８０は左方向へ移動する。
【０００４】
一方、上述のタイプのマイクロマシンの中で交番磁場を利用するものは、例えば非特許文献２または特許文献１に記載されている。図１５は非特許文献２に記載された、永久磁石を用いたマイクロマシン９０を示す。図１５において、符号９２はＮｄＦｅＢ磁石、９４はＮｄＦｅＢ磁石９２に接続されたフィルムシート、９６はＮｄＦｅＢ磁石９２およびフィルムシート９４の一部を覆う発泡スチロールである。各部の寸法は、図１５に示されるように、ＮｄＦｅＢ磁石９２の直径は１２ｍｍで厚さは４ｍｍ、フィルムシート９４の厚さは１００μｍである。図１６は、マイクロマシン９０の管５０における移動原理を示す。図１６で図１５と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。管５０の直径方向に交流磁界（交番磁場）Ｈを印加すると、可動子としてのＮｄＦｅＢ磁石９２は磁気トルクＴを受けて首振り運動を行い、フィルムシート９４が揺動する。この結果、推進力Ｇが生じてマイクロマシン９０は図１６上の左方向へ移動する。
【０００５】
特許文献１には、マイクロマシンに磁石が搭載され、外部からの磁界によりマイクロマシン本体が回転し、ドリル部の螺旋構造により推力となり、マイクロマシン本体が移動する点が記載されている。
【０００６】
【非特許文献１】内野研二編集幹事、「精密制御用ニューアクチュエータ便覧」、第２９節、「管内移動機械」、７８７頁〜７９６頁、日本工業技術振興協会固体アクチュエータ研究部会およびフジ・テクノシステム編、１９９５年４月２０日発行。
【非特許文献２】本田  宗著、「マイクロマシンの中で活躍する永久磁石」、電気学会誌、１２４巻、１１号、７０３頁〜７０６頁、２００４年発行。
【特許文献１】特開２００２−１８７１００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した従来のマイクロマシン（泳動型マイクロマシン）１０等の移動微小機械本体は複数部品の組み合わせであるため、その構造は複雑化している。さらに小型化させた場合、アクチュエータ側の寸法精度が厳密になり、本体との寸法比率でみてもヒレ動作距離への誤差が許されなくなる。この結果、数ミリ以下のパイプ内に適用できる移動微小機械は設計および製作が技術的に困難となるという問題があった。
【０００８】
さらに、上述した従来のマイクロマシン（泳動型マイクロマシン）は、移動するだけで作業できないものが多く、目標場所まで移動し且つそこで局所的な作業動作が可能な微小機械の研究例はほとんどないのが実状であるという問題があった。
【０００９】
マイクロマシンおよびＭＥＭＳ等の多くの管内移動機構は静電力または圧電力を駆動力とする駆動方式を用いている。これらの駆動方式では、外部からのエネルギー供給ケーブルが必要になるため、特にパイプ内または生体内部血管等における長距離移動に適さないという問題があった。
【００１０】
さらにその駆動方式はパイプの内壁と弾性板１４との摩擦力を利用するため、小さい内径のパイプになればなるほど、安定的な泳動のためにヒレ運動部での一サイクル毎のアクチュエータ駆動量の高精度が要求されることになる。この結果、ＭＥＭＳ製作時の許容製作誤差が少なくなるため、上述した設計および製作の技術的困難性という問題と同様に、より小さい内径のパイプ内に適用できる移動微小機械は設計および製作が技術的に困難となるという問題があった。
【００１１】
上記の設計および製作の技術的困難性という問題を克服するために、永久磁石を用いて外部磁場とマシン本体のＳＮ極との吸引・反発力を利用した泳動型マイクロマシンの研究がある。しかし、これらの泳動型マイクロマシンでは必ず磁石を用いる必要があるという制限が生じてしまうことになるため、小型化には限界があった。この結果、上述した移動するだけで作業ができないという問題に加えて、磁石を用いた泳動型マイクロマシンでは、泳動以外の作業動作等の多機能化はさらに困難になるという問題があった。
【００１２】
一般的に、移動および作業という多機能マイクロマシンを実現させるためには、１つ１つの機能の集積化構造が必要になり、小型化への信頼性および各構成部品の機能への信頼性が低下することになるため、実現は困難になるという問題があった。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、上記問題を解決するためになされたものであり、数ｍｍ以下のパイプ内に適用することができ、技術的困難性を伴うことなく設計および製作することができるマイクロマシンであって、且つ永久磁石を用いないマイクロマシンを提供することにある。
【００１４】
本発明の第二の目的は、目標場所まで移動し且つそこで局所的な作業動作が可能でありマイクロマシンであって、且つ小型化への信頼性等を低下させることのないマイクロマシンを提供することにある。
【００１５】
本発明の第三の目的は、外部からのエネルギー供給ケーブルを必要とせずに、パイプ内または生体内部血管等における長距離移動を行うことができるマイクロマシンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
この発明のマイクロマシンは、強磁性合金により形成されたマイクロマシンであって、印加された外部交流磁場に基づき液体が充填された管内を移動可能な駆動部を備え、該強磁性合金は薄帯形状を有し、該駆動部は後部に設けられると共に中央部に対して所定の角度のひねり形状を有することを特徴とする。
【００１８】
ここで、この発明のマイクロマシンにおいて、前記駆動部は所定の温度の熱処理を施されたものとすることができる。
【００１９】
ここで、この発明のマイクロマシンにおいて、前記駆動部は印加される外部交流磁場の周波数に応じて前後にマイクロマシンを移動させることができる。
【００２０】
ここで、この発明のマイクロマシンにおいて、前記駆動部は印加される外部交流磁場の周波数に応じてマイクロマシンの移動速度を調整することができる。
【００２１】
ここで、この発明のマイクロマシンにおいて、前記強磁性合金は形状記憶機能を有する強磁性形状記憶合金であり、外部からの加熱又は冷却に応じて作業可能な作業部を前部にさらに備えることができる。
【００２２】
ここで、この発明のマイクロマシンにおいて、前記強磁性形状記憶合金は急冷凝固のＦｅＰｄ材とすることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のマイクロマシンによれば、マイクロマシン本体に薄帯状の強磁性形状記憶合金(ＦＳＭＡ。好適にはＦｅＰｄ材)を用い、このＦＳＭＡの熱および磁場応答機能（磁場駆動による高応答速度等）に着目してマイクロマシン本体を駆動させるワイヤレス多機能マイクロマシンを実現することができる。すなわち、従来技術のように、永久磁石、エネルギー供給ケーブル等を用いずにマイクロマシン本体を駆動させることができる。さらに、マイクロマシン本体が薄帯状の強磁性形状記憶合金(ＦＳＭＡ)であるため、小型化可能な単体構造である。ヒレ部にひねり加工を施すことにより、ヒレ部の反磁場係数の変化と液体中で運動する際の抗力の変化とを引き起こし、外部交流磁場を駆動力にすることが可能となる。さらにヒレ部（またはヒレ部の一部）に所定の温度の熱処理を施すことにより、当該部位と他の部分との間で磁気的特性の変化を持たせて、外部交流磁場を駆動力にすることが可能となる。外部交流磁場の周波数に応じてマイクロマシンを前進または後進させるというコントロールが可能になり、さらに移動速度の調節も可能になっている。この結果、数ｍｍ以下の管内に適用することができ、技術的困難性を伴うことなく設計および製作することができるマイクロマシンであって、且つ永久磁石を用いないマイクロマシンを提供することができる。さらに、外部からのエネルギー供給ケーブルを必要とせずに、管内または生体内部血管等における長距離移動を行うことができるマイクロマシンを提供することができるという効果がある。
【００２４】
加温・冷却に対して二方向動作（開放・把持）が可能な急冷凝固ＦｅＰｄ強磁性形状記憶合金をマイクロマシンに使用することより、上述の管内で移動（泳動）できるという効果に加えて、さらに外部からの加熱または冷却に応じて、対象物（生体血管内血栓、管内汚れまたは錆等の付着物）を把持・放出（グリップ）する作業を行なうことができる。すなわち、目標場所まで移動し且つそこで局所的な作業動作が可能でありマイクロマシンであって、且つ小型化への信頼性等を低下させることのないマイクロマシンを提供することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、各実施例について図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００２６】
図１は本発明のマイクロマシン１０（試作例）の全体画像を示し、図２はマイクロマシン１０の模式図を示す。図１および図２で、符号１２はマイクロマシン１０の前部に設けられたグリップ機構（作業部）、１４はマイクロマシン１０の中央部、１６はマイクロマシン１０の後部に設けられた泳動用のヒレ機構（駆動部）である。図２に示されるように、マイクロマシン１０は、全長３．８ｍｍ、幅０．６２ｍｍ、厚さ６０μｍの薄帯状の形状を有している。グリップ機構１２の寸法は直径１．０ｍｍ、ヒレ機構１６は中央部１４に対してヒネリ加工角度θ１（所定の角度）のヒネリ形状を有している。以上の寸法は一試作例としての寸法であり、本発明のマイクロマシン１０の寸法はこれらの寸法に限定されるものではない。
【００２７】
本発明のマイクロマシン１０は、マイクロマシン１０本体に薄帯状の強磁性形状記憶合金(Ferromagnetic shape memory alloy: ＦＳＭＡ。好適にはＦｅＰｄ材)を用いており、このＦＳＭＡの熱および磁場応答機能（磁場駆動による高応答速度等）に着目してマイクロマシン１０本体を駆動させるワイヤレス多機能マイクロマシンである。すなわち、従来技術のように、永久磁石、エネルギー供給ケーブル等を用いずにマイクロマシン１０本体を駆動させることができる。さらに、マイクロマシン１０本体が薄帯状の強磁性形状記憶合金(ＦＳＭＡ)であるため、小型化可能な単体構造である。図２に示されるように、マイクロマシン１０に外部交流磁場Ｈを印加することにより強磁性体としての磁場応答性（発生磁気力）が起こる。この発生磁気力を駆動力としてヒレ機構１６がｙ方向に点線で示すように角度θ２で振動（磁場駆動）するため、液体が充填された細い管内をｘ方向へ移動することが可能となる。
【００２８】
急冷凝固ＦｅＰｄ薄帯という材料は高温と低温との両方の形状を記憶しているという二方向形状記憶効果（Two-way shape memory effect : ＴＷＳＭＥ）を有している。このため、本発明のマイクロマシン１０本体の材料として急冷凝固ＦｅＰｄ薄帯を適用した場合、外部から加熱／冷却する手段をとることにより加熱時／冷却時にグリップ機構１２の形状が変化する。図１に示されるようにグリップ機構１２の形状は加熱時に点線で示されるように変化し、冷却時に元の形状に戻るため、マイクロマシン１０本体自身で繰り返しアクチュエータ動作を行うことが可能となる。グリップ機構１２については実施例２で詳細に説明する。
【００２９】
次に、上記急冷凝固薄帯のＦｅＰｄ材を作製方法について説明する。始めに合金インゴットをアーク炉を用いるアーク溶解法により混合・溶製し作製した。アーク溶解により作製した母合金を用い、単ロール型液体急冷凝固法で急冷凝固薄帯（リボン）を作製した。図３は、単ロール型液体急冷凝固装置４０の基本構成を示す。図３において、符号４１は石英ノズル、４２は石英ノズル４３に加えられるアルゴンガス圧、４３は電磁コイル、４５は溶解した金属、４７は急冷凝固されたリボン（薄帯）、４９は急速回転する凝固ロールである。液体急冷凝固法とは、図３に示されるように、石英ノズル４１に入れた合金を電磁コイル４３により高周波で溶解し、アルゴンガス圧４２を用いて石英ノズル４１から噴射し、高速回転している凝固ロール４９に吹きつけて溶融合金を急冷し、リボン（薄帯）４７を作製する方法である。符号４４は溶解した金属４５（ランダム方向をもつ結晶粒子（random crystallization））の状態の説明図、４６はリボン（薄帯）４７（柱状組織をもつ微結晶粒（columnar grain））の状態の説明図である。
【００３０】
図４（Ａ）および（Ｂ）は開度（Shape Recovery Ratio : ％）を説明するための図である。図４（Ａ）に示される急冷凝固磁性形状記憶ＦｅＰｄ合金薄帯４７は丸まった形状であり、丸まった部分の直径がΦτの状態である。一方、図４（Ｂ）に示される急冷凝固磁性形状記憶ＦｅＰｄ合金薄帯４７は全開した形状であり、直径がΦ０の状態である。開度はΦτ／Φ０×１００（％）と定義され、全開した形状（図４（Ｂ））で１００％となる。
【００３１】
図５は、単ロール型液体急冷凝固法を用いて作製された急冷凝固磁性形状記憶ＦｅＰｄ合金薄帯４７の温度変化（加温・冷却）に伴う磁歪と形状回復効果との特性を示すグラフである。図５で、横軸は温度（℃）、左側縦軸は急冷凝固磁性形状記憶ＦｅＰｄ合金薄帯の開度であり、黒丸印(●)は加熱時の開度、白四角印（□）は冷却時の開度を示し、右側縦軸は磁歪（Magnetostriction : ｐｐｍ）、すなわち急冷凝固磁性形状記憶ＦｅＰｄ合金薄帯４７の変態進行状況（黒三角印（▲））を示す。黒四角印（■）は、温度１４０℃付近のものが溶解した金属４５（ランダム方向をもつ結晶粒子）の状態における開度、温度３０℃前後付近のものがリボン（薄帯）４７（柱状組織をもつ微結晶粒）の状態における開度を示す。図５に示されるように、温度が約１３０℃で全開、すなわち開度１００％となり、冷却すると開度は１００％から下がっていき、丸まって元の形状に戻る。磁歪は温度が約１００℃でピーク値となり、この時の温度が変態点となる。理論上は変態点より左側の低い温度において、丸まって元の形状に戻る現象が冷却時に始まる。
【００３２】
ヒレ機構．
上述のように、本発明のマイクロマシン１０の後部にあるヒレ機構（またはヒレ部）１６は、中央部１４に対してヒネリ加工角度θ１（所定の角度）のヒネリ形状を有している。このように、ヒレ部１６にひねり加工を施すことにより、ヒレ部１６の反磁場係数の変化と液体中で運動する際の抗力の変化とを引き起こし、外部交流磁場を駆動力にすることが可能となる。
【００３３】
さらにヒレ部１６（またはヒレ部１６の一部１６ａ）に所定の温度の熱処理を施すことにより、当該部位１６（または１６ａ）と他の部分との間で磁気的特性の変化を持たせて、外部交流磁場を駆動力にすることが可能となる。
【００３４】
上記の二つの加工（ヒレ部１６へのひねり加工およびヒレ部１６（または１６ａ）に施す所定の温度の熱処理）によって、移動機構を向上させることが可能となる。
【００３５】
図６は、上記二つの加工を施す前と、ヒレ部１６へのひねり加工後と、ヒレ部１６へのひねり加工および熱処理後とにおけるヒレ部１６の磁気的特性変化を示す表である。図６で、Ｈはマイクロマシン１０に印加される外部交流磁場（Ｏｅ）、ＭおよびＭｓはヒレ部１６における磁化の強さ（ｅｍｕ／ｇ）である。いずれも単位はＣＧＳ単位である。磁気的特性変化は、応答反応であるローレンツ力を検出し、数学的に理論式から算出する振動試料型磁力計(Vibrating Sample Magnetometer : ＶＳＭ)を使用した。ＶＳＭは、発生させた磁界中に設置した試料を一定振幅、一定周波数で振動させ、試料の磁化の強さを検出コイルの誘起起電力の大きさから測定する装置である。図６に示されるように、外部交流磁場Ｈが１７（Ｏｅ）の場合、ヒレ部１６の磁化の強さＭは、上記二つの加工を施す前は９．４４（ｅｍｕ／ｇ）、ヒレ部１６へのひねり加工後は６．６９（ｅｍｕ／ｇ）、ヒレ部１６へのひねり加工および熱処理後は６．４（ｅｍｕ／ｇ）とその磁気特性が変化していることがわかる。外部交流磁場Ｈが５００（Ｏｅ）の場合も同様に、ヒレ部１６の磁化の強さＭは、上記二つの加工を施す前は９３．１（ｅｍｕ／ｇ）、ヒレ部１６へのひねり加工後は８８．１７（ｅｍｕ／ｇ）、ヒレ部１６へのひねり加工および熱処理後は７５．７４（ｅｍｕ／ｇ）とその磁気特性が変化していることがわかる。以上より、ヒレ部１６へ施すひねり加工および熱処理により、ヒレ部１６（または１６ａ）と他の部分との間で磁気的特性が変化し、外部交流磁場を駆動力にすることが可能となる。
【００３６】
管内移動試験．
上述した本発明のマイクロマシン１０が液体を満たし管内（内径３ｍｍ）を移動できるかどうかを検証するため、外部交流磁場Ｈの周波数を変化させた場合の速度変化を計測した。
【００３７】
図７（Ａ）は、管内移動試験を行うための実験システムの構成を示す。図７（Ａ）において、符号５５は液体（水）を充填した管（直径は数ｍｍ以下）、５２は管５５に外部交流磁場Ｈを加えるためのコイル、５４はコイル５２に印加するための電源、５６は電源５４とコイル５２との間に接続されたアンプである。図７（Ｂ）はコイル５２の周りに設置された管５５の一部５５ａの拡大図であり、管５５に外部交流磁場Ｈが印加されている様子が示されている。管５５の中に試作したマイクロマシン１０を入れて、外部交流磁場Ｈを印加して泳動させる。外部交流磁場Ｈの周波数を変化させた場合のマイクロマシン１０の移動速度の変化を測定した。
【００３８】
図８は、外部交流磁場Ｈの周波数を変化させた場合のマイクロマシン１０の移動速度の変化を示すグラフである。図８において、横軸は外部交流磁場Ｈの周波数（Ｈｚ）、縦軸はマイクロマシン１０の移動速度（ｍｍ／ｓ）であり、移動速度が正の場合は前進、負の場合は後進を示す。図８に示されるように、周波数が０〜約８（Ｈｚ）の場合（点線ＢＷで示す。）、後進する。例えば、周波数５Ｈｚの場合、１．５（ｍｍ／ｓ）で後進する。一方、周波数が約８〜３０（Ｈｚ）の場合（一部の点線ＦＷで示す。）、前進する。例えば、周波数２０Ｈｚの場合、６．２５（ｍｍ／ｓ）で前進する。マイクロマシン１０の全長は３．８ｍｍであるため、これは毎秒全長の約１．５倍前進する速度である。以上より、外部交流磁場Ｈの周波数に応じてマイクロマシン１０を前進または後進させるというコントロールが可能になり、さらに移動速度の調節も可能になっている。管５５ではなく、生体内部血管等においても長距離移動を行うことができる。
【００３９】
図９（Ａ）および（Ｂ）は、マイクロマシン１０の移動メカニズムを説明するための図である。図９（Ａ）および（Ｂ）で図１および図７と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。マイクロマシン１０に印加される外部交流磁場Ｈの周波数が高い場合（図７に示されるように、約８〜３０（Ｈｚ）の場合）、図９（Ａ）に示されるように、マイクロマシン１０の振動（点線で示される振幅ＡＭＰ１）は速く小刻みとなる。この結果、マイクロマシン１０は舟の櫂で漕ぐような形で前進する。一方、マイクロマシン１０に印加される外部交流磁場Ｈの周波数が低い場合（図７に示されるように、約０〜約８（Ｈｚ）の場合）、図９（Ｂ）に示されるように、マイクロマシン１０の振動（点線で示される振幅ＡＭＰ２）は遅く（長周期）大きくなる。この結果、管５５の壁に液体を押し付ける効果の反作用として後進することになる。
【００４０】
以上より、本発明の実施例１によれば、マイクロマシン１０本体に薄帯状の強磁性形状記憶合金(ＦＳＭＡ。好適にはＦｅＰｄ材)を用い、このＦＳＭＡの熱および磁場応答機能（磁場駆動による高応答速度等）に着目してマイクロマシン１０本体を駆動させるワイヤレス多機能マイクロマシンを実現することができる。すなわち、従来技術のように、永久磁石、エネルギー供給ケーブル等を用いずにマイクロマシン１０本体を駆動させることができる。さらに、マイクロマシン１０本体が薄帯状の強磁性形状記憶合金(ＦＳＭＡ)であるため、小型化可能な単体構造である。本発明のマイクロマシン１０の後部にあるヒレ機構（またはヒレ部）１６は、中央部１４に対してヒネリ加工角度θ１（所定の角度）のヒネリ形状を有している。このように、ヒレ部１６にひねり加工を施すことにより、ヒレ部１６の反磁場係数の変化と液体中で運動する際の抗力の変化とを引き起こし、外部交流磁場を駆動力にすることが可能となる。さらにヒレ部１６（またはヒレ部１６の一部１６ａ）に所定の温度の熱処理を施すことにより、当該部位１６（または１６ａ）と他の部分との間で磁気的特性の変化を持たせて、外部交流磁場を駆動力にすることが可能となる。外部交流磁場Ｈの周波数に応じてマイクロマシン１０を前進または後進させるというコントロールが可能になり、さらに移動速度の調節も可能になっている。以上より、数ｍｍ以下の管５５内に適用することができ、技術的困難性を伴うことなく設計および製作することができるマイクロマシン１０であって、且つ永久磁石を用いないマイクロマシン１０を提供することができる。さらに、外部からのエネルギー供給ケーブルを必要とせずに、管１０内または生体内部血管等における長距離移動を行うことができるマイクロマシン１０を提供することができる。
【実施例２】
【００４１】
実施例２では、本発明のマイクロマシン１０に備えられたグリップ機構（作業部）１２について詳細に説明する。実施例１でもふれたように、急冷凝固ＦｅＰｄ薄帯という材料は高温と低温との両方の形状を記憶しているという二方向形状記憶効果（ＴＷＳＭＥ）を発現できる。形状記憶効果（Shape memory effect : ＳＭＥ）の発現原理は、マルテンサイト変態終了温度（Ｍｆ）以下の低い温度において形状記憶合金(Shape memory alloy : ＳＭＡ)はヤング率が小さく、かつ臨界降伏応力も低いため、変形が容易なマルテンサイト（Martensite）相状態になっている。常温における一般金属の塑性変形（plastic deformation）は、転位の導入による「すべり変形」に起因するため、残留ひずみは永久変形となり元の形状には戻らない。すなわち、金属原子は隣の原子との結合を切り離して次の原子と結合しながら変形していくため、元の形状に戻そうとしても戻らない。一方、ＳＭＡの変形は、結晶構造は同じであるが結晶方位の異なるバリアントとよばれる兄弟晶間の「双晶変形機構」によって進行する。すなわち、金属原子の結合は切り離さずに他の原子と共に位置を少しずつずらして変形していく。ＳＭＡは母相である高温のオーステナイト（Austenite）相から冷却してマルテンサイト変態開始温度Ｍｓを通過すると、低温のマルテンサイト相へ変化する。このマルテンサイト相状態で外部から力を加え、変形した後、除荷すると残留ひずみ状態になる。その後昇温（加熱）するにつれＳＭＡは、母相のオーステナイト変態開始温度Ａｓ以上で元の結晶構造の母相に（逆相）変態しながら、ひずみを解放し始め、オーステナイト変態終了温度Ａｆで完全に元の記憶形状に回復するという動作を示す。
【００４２】
図１０（Ａ）ないし（Ｃ）は、二方向形状記憶効果発現条件とその原子相変態とを示す模式図である。図１０（Ａ）および（Ｂ）はマルテンサイト相、（Ｃ）はオーステナイト相であり、白丸印（○）は原子を示し、一点鎖線は双晶界面を示す。図面の都合上、原子間の結合の手は省略する。図１０（Ａ）に示されるマルテンサイト相のＳＭＡに（双晶）変形を加えると、図１０（Ｂ）に示されるようにマルテンサイト相で双晶界面に変形量ＤＥＦが生じる。ここで加熱すると、二方向形状記憶効果（ＴＷＳＭＥ）は一方向形状記憶効果と異なり、図１０（Ｃ）に示されるようにマルテンサイト相の変態開始温度Ｍｓ以下でオーステナイト相へ逆相変態しながら、双晶変形前の記憶形状に回復する。一方、図１０（Ｃ）に示されるオーステナイト相で冷却すると、図１０（Ｂ）に示されるマルテンサイト相の形状に変形する。
【００４３】
上述の現象は、急冷凝固したままでのＦｅＰｄ薄帯で加熱・冷却過程に伴い現れた。これは急冷凝固時に導入された内部応力（バックストレス）が存在し、それが回復現象をある程度抑制することで現れたものと考えられる。
【００４４】
図１１（Ａ）ないし（Ｃ）は、二方向形状記憶効果（ＴＷＳＭＥ）を利用したグリップ機構１２を示す。図１１（Ａ）ないし（Ｃ）で図１と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。図１１（Ａ）はマルテンサイト相においてグリップ機構１２が丸まっており薬剤等７０を把持している状態を示している。この状態で熱を加えることにより、マルテンサイト相からオーステナイト相に逆相変態させて、グリップ機構１２が把持している薬剤等７０を放出（開放）し、血管６０の患部７２へ付与することができる。図１１（Ｂ）に示されるオーステナイト相におけるグリップ機構１２を冷却することにより、図１１（Ｃ）に示されるマルテンサイト相へ変態させて、血管６０の血栓等の異物７４を掴むことができる。血管５５の替わりに管５５の場合、異物７４は錆等となる。以上のように、二方向形状記憶効果（ＴＷＳＭＥ）を利用したグリップ機構１２とすることにより、把持から開放の動作をドラッグデリバリーシステム（Drug Delivery System : ＤＤＳ）等に応用し、開放から把持の動作を管内の異物取り込み方法に応用することが可能である。
【００４５】
上述の図１１（Ａ）では、マルテンサイト相においてグリップ機構１２は丸まっている状態であったが、マイクロマシン１０を８００℃で１０分保持し、その後焼入れ（水冷）の熱処理を行うことにより、グリップ機構１２を開いた状態とすることもできる。すなわち、熱を加えることにより、グリップ機構１２が開いたマルテンサイト相から丸まったオーステナイト相に逆相変態させて、薬剤等７０を掴むことも可能である。
【００４６】
以上のように、二方向形状記憶効果を最大限生かして加熱・冷却の両過程を行えば、繰り返しアクチュエータ機能を実現することができ、マイクロマシン１０の作業工程を増加させ、多機能化することができる。
【００４７】
グリップ動作試験．
試作したマイクロマシン１０に発泡スチロール７８（直径１．１ｍｍ）を掴ませて、液体の満たされた管５５内に入れ、ワイヤレス加熱した。図１２（Ａ）および（Ｂ）は、二方向形状記憶効果（ＴＷＳＭＥ）を用いたグリップ機構１２の動作試験を示す。図１２（Ａ）は、グリップ機構１２による発泡スチロール７８のグリップ動作後の状態を示す。図１２（Ａ）に示されるように、グリップ機構１２が発泡スチロール７８を掴んでいる状態でマイクロマシン１０が浮いていることが確認できた。図１２（Ｂ）は、ワイヤレスで加温できるマイクロ波加温装置を使用した後の状態を示す。加温したことによりクリップ機構１２が作動し、発泡スチロール７８を開放したことが確認できた。以上より、グリップ機構１２が正常に作用することを確認することができた。
【００４８】
以上より、本発明の実施例２によれば、加温・冷却に対して二方向動作（開放・把持）が可能な急冷凝固ＦｅＰｄ強磁性形状記憶合金をマイクロマシン１０に使用することより、実施例１に示される管５５内で移動（泳動）できるという効果に加えて、さらに外部からの加熱または冷却に応じて、対象物７４（生体血管６０内血栓、管５５内汚れまたは錆等の付着物）を把持・放出（グリップ）する作業を行なうことができる。すなわち、目標場所まで移動し且つそこで局所的な作業動作が可能でありマイクロマシン１０であって、且つ小型化への信頼性等を低下させることのないマイクロマシン１０を提供することができる。
【００４９】
熱と磁場とに応答可能な磁性形状記憶合金単体からなる本発明のマイクロマシン１０は、まず、外部からの交流磁場Ｈを受けて移動機械１０自身を形成する材料自体への磁気力により連続的で交互の自己変形によるヒレ運動を行い、それを駆動力にして液体に満たされた管５５内をワイヤレスで自己泳動することができる。
【００５０】
上述の水泳動および把持機能を有する材料単体からなる本発明のマイクロマシン１０は、従来のアクチュエータ材料・泳動機構組み合わせ部品よりもさらに設計・構造がシンプル化されているため、大幅に小型軽量化することができる。このため、生体医療分野（ＤＤＳ、血栓除去、細い血管内低侵襲治療等）または工業産業用パイプ内部の点検および補修機能を有する多機能化マイクロマシンとしての応用が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の活用例として、生体医療分野（ＤＤＳ、血栓除去、細い血管内低侵襲治療等）または工業産業用パイプ内部の点検および補修機能を有する多機能化マイクロマシンに対して適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明のマイクロマシン１０（試作例）の全体画像を示す図である。
【図２】マイクロマシン１０の模式図である。
【図３】単ロール型液体急冷凝固装置４０の基本構成を示す図である。
【図４】開度を説明するための図である。
【図５】単ロール型液体急冷凝固法を用いて作製された急冷凝固磁性形状記憶ＦｅＰｄ合金薄帯４７の温度変化（加温・冷却）に伴う磁歪と形状回復効果との特性を示すグラフである。
【図６】上記二つの加工を施す前と、ヒレ部１６へのひねり加工後と、ヒレ部１６へのひねり加工および熱処理後とにおける磁気的特性変化を示す表である。
【図７】管内移動試験を行うための実験システムの構成を示す図である。
【図８】外部交流磁場Ｈの周波数を変化させた場合のマイクロマシン１０の移動速度の変化を示すグラフである図である。
【図９】マイクロマシン１０の移動メカニズムを説明するための図である。
【図１０】二方向形状記憶効果発現条件とその原子相変態とを示す模式図である。
【図１１】二方向形状記憶効果（ＴＷＳＭＥ）を利用したグリップ機構１２を示す図である。
【図１２】二方向形状記憶効果（ＴＷＳＭＥ）を用いたグリップ機構１２の動作試験を示す図である。
【図１３】非特許文献１に記載された、圧電バイモルフ型の管内移動機械（マイクロマシン）が管内に置かれた状態の側面図である。
【図１４】マイクロマシン８０の管５０における移動原理を示す図である。
【図１５】非特許文献２に記載された、永久磁石を用いたマイクロマシン９０を示す図である。
【図１６】マイクロマシン９０の管５０における移動原理を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０  本発明のマイクロマシン、  １２  グリップ機構（作業部）、  １４  中央部、  １６、１６ａ  ヒレ機構（駆動部）、  ４０  単ロール型液体急冷凝固装置、  ４１  石英ノズル、  ４２  アルゴンガス圧、  ４３  電磁コイル、  ４４、４６  説明図、  不規則な結晶、  ４５  溶解した金属、  ４７  急冷凝固されたリボン（薄帯）、  ４９  凝固ロール、  ５０、５５  管、  ６０  血管、  ７０  薬剤等、  ７２  患部、  ７４  異物、  ７８、９６  発泡スチロール、  ８０、９０  従来のマイクロマシン、８２  圧電バイモルフ、  ８４ａ、８４ｂ、８４ｃ、８４ｄ  弾性板、  ８６  リード線、  ９２  ＮｄＦｅＢ磁石、  ９４  フィルムシート。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１】
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【図１２】
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