平成9革度 研究報告 衷曾県産業科学技補センタ山

TまⅣま形状記憶合金薄膜アタチエエ山タの駆動特性
池田 哲㌧小幡睦憲診秋本恭喜由小関由知＊串桜井大輔＊申藤本公三＊蓼仲田周次＊
機械電子部昏大阪大学工学部＊、、、、．、‥．・．；∴、、・i●・・・・．・∴・・∵・・・・・−− −−・∴∴−；こ∴・・・・：さ・ むノ、こゝ1こ、．・、 ．・・・．・、：、 ‥・・・、：、 ．・・ ・・・・ミ、．・・・、・、 −・■．・−；・ 、．∴：、・
Mech親1ics＆E！ectrori皇csDi、ノTisまon亨FacuihOぎEmg主調ee㌻1n島OsakaUn皇写7erS互tき「不要旨本研究では，スパッタリング法と真空熱処理により製作されるT呈出5i。ぬt．％N去形状記憶合金薄膜アクチエェ…夕に，印加電力1．65私 印加時間0．05s，冷却時間0．卵sの加熱【冷却サイクルを旦0000回与えた際の，駆動安定性を発生九 角変位，動作温度の観点から評価し，発生力0．04±0．006deg′ぬS，角変位29＝0．5風致作温度±9Kの非常に安定した結果を得た・さらに
TiN且薄膜アクチエエ山タに負荷を加えたまま，10000回の加熱冷却サイクルを与え，実際に仕事をさせた際の駆動安定性を評価し，最大発生力6。0×拍づNタ発生力＝0．1ide釘盲ⅥS，角変位±2風 教作温度±旦0監の安定した結果を得たふ 以上から，著者らはサ TiNi形状記憶合金薄膜アクチュエータの実用性を確認できた．

1．緒言形成され，硝酸によるCuホイル基板溶解後，取り出される．次形状記憶合金は動作と発生力が大きく，単純な機構であるにTINl薄膜は1旗6mmサイズのコの字型に切り出され仁真ん中かので，形状記憶合金をマイクロ化できれば亨 形状記憶合金をマら30C に折れ曲がった形のまま，真空熱処理され，形状記憶効イクロアクチュエータに応用したマイクロマニピュレータ等の果を得て，TまNl形状記憶合金薄膜アクチュエータとなる．2）マイクロシステムを製作することが可能りとなる．アクチエエ

2．2TiN岳薄膜アタチエエ仙タの動悸条件
TiNi薄膜アクチュエータは，コの字型の両端から通勧口熱さ劇タとしてのTINl薄膜アクチュエータ楓 一定温度で一定形状を記憶し，鵬定カで駆動する必要がある．そこで本研究で楓れ，下方べ∋0蜜折れ曲がることにより動作する．その概略図が，TiNi薄膜アクチュエータの発生力，角変位夕 動作温度の駆動特Fまg。1である一 この通電加熱条件を決定するパラメータは，Tl㍉1性を，無負荷時および負荷時の2通りの状態で評価する

薄膜アクチエニ山タの表面温度と動作速度の関係である．TINi
薄膜アクチュエータの表面温度は 熱画像繚像装置によるアク

1・−、一二∴や二・ご、∴．−‥ ∴！：・・・トー∴∴1一ゴミ‥‥・チュエータ駆動部のIi50×675〃mの平均温度測定により評価され，供給電力を0．i5〜l．63Ⅵ▼まで変化させて測定した結果が，Fig．2

ま11㌧狛薄膜アタチエエ叫タの作製プロセスである．例えばラ 供給電力が0．3恥′▼の時 TiNi薄膜アクチエェー

TiNl薄膜アクチュエータの作製プロセスをも 以下の通りである．Ti】51．8at．qらNま薄膜は，スパッタリング法でCuホイル上に

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AsニR∈＼′er派m誠e盲1Siticぬ′1Sぬm釦ion犯武てemper動reル−111−1平成9年度 研究報告 大分県産業科学技術センター
タの表面温度は，通電開始から0．1s後に巨駆動開始温度である

マ送りデ…タにより測定・算出され，その画像1コマの角度測

逆マルテンサイト変態開始点（Ås）を越え，通電開始から0．4s

定誤差は約±0．5度であり，そこから動作速度，角加速度は出後に，駆動終了温度である逆マルテンサイト変態終了点（A￠されるため，大きな誤差が生じることが予想される．そこで本を越えることがわかる．この結果から，供給電力が大きくなる研究では，角速度算出の際に各値の近接3点の平均値を用い，に従って，温度上昇速度は大きくなり，TiNi薄膜アクチュエー

さらに最小二乗法により6次式に近似することにより，角速度タの駆動時間は，小さくなると判断される．のばらつきを減少させている．
以上の方法により，求められる角加速度とアクチュエータ質

一方，TINl薄膜アクチュエータの動作速度の測定方法は，F土g．1であり，その動作速度は，通電加熱によるアクチュエー量から算出されるT糾i薄膜アクチュエータの発生力は，Fig。5

タ動作を側面から高速ビデオにて撮影されるコマ送り（1コマレ／である．この結果よりT削i薄膜アクチュエータの発生力は，動500秒）データにより測定される．供給電力を変化させて，ア作開始から41m付近で約i．5×10￣3Nで最大となり，その後減少クチュエータの動作開始から動作終了までの時間を測定した結し，0になる．最大発生力は，温度上昇速度が大きくなるほど果が，Flg．3である．この結果から，本研究で用いた試料の限最大発生力は大きくなるが，その際の発生力の時間的推移の傾界動作時間は，約0．03sであるといえる．Fig．2とFlg．3の比較

向は変わらず，ピーク点の高さだけが大きくなる3）．
TiNi薄膜アクチュエータの発生力の安定性は，動作角度を動により，TiNl薄膜アクチュエータの動作速度は，その表面温度作時間で除した通電動作時の平均角速度で評価され，その結果上昇と対応していると判断できる．

は，Fig．6である。繰り返し回数2（X治回程度までは，繰り返しここでアクチュエータの応答性目標を約10Hz程度とすると，TiNi薄膜アクチュエータ表面温度がA￡点をこえる時間は，約0．05

回数が大きくなるに従って，平均角速度 つまり発生力は，大秒以下である必要があり，本研究での¶Ni薄摸アクチュエータきくなっているが，その後発生力は，ばらついている．しかしに対する供給電力として，1．65Ⅵ「，0．05s程度が適しているといながら，繰り返し回数i0000回を通して，平均角速度は，約0．糾える．またTINl薄膜アクチュエータへの冷却方法は∴液体窒素±0．（髄deg／msの精度である．実際の動作時間は5仇ns程度でを用いておこなわれ，本研究での¶Ni形状記憶合金薄膜アクチあるので，無負荷時のTiNi薄膜アクチュエータの発生力は，安ュエータへの通電加熱一冷却サイクルは，Fig．4の通りとなり，340

供給電力1．65W，通電時間0．05s，通電サイクル1sとする．

皇330

21000、2の様に，通電サイクルによるアクチュエータ動作を撮影したコ

0．40．60．8

1Ti「ne【s】

Fig．4 Heat−COOIcycleconditionofTNi翫in創mactuaior．

001

30

冒こ警扇芯名賀賀指

2200002000
3︻s一む∈苛賢焉コ︸0＜

140．001

E巨ectricpowe「い机0F疫．3 Actu叙mgtlmeOrⅥNi亀山貢血adu叙OratVadousel∝班c51015丁重me【ms】匹）Ⅵ er・

Fig．5 Gene王髄ive触∝OfT錮ithまn創mactu慮Or・【112】

20一＜一︶∪聖﹂⊃U8り求められる．そのTiNi薄膜アクチュエータの角速度は，F土g。1∩︶つ﹂

薄膜アクチュエータの角加速度は，角速度を微分することによ

9つ﹂エータ質量は，真空熱処理後に測定され，7．Omgである。またTINl3動作時の角加速度を乗算することにより求められる，アクチュ

003

TiNi薄膜アクチュエータの発生力は，アクチュエータ質量と01
33．1無負荷時のTiNi薄膜アクチュエータの発生力

023

聖⊃le﹂巴∈望むじ口t⊃S3。琴負荷時のTiNi薄膜アクチュエータの駆動年朝生平成9年度 研究報告 大分県産業科学技術センター
定していると判断できる．

取り込んだ画像上のレーザ位置を同定するための誤差が，約±1pixelあり，測定誤差は，角度で±0．2度程度となる。

3．2 無負荷時のTiNi薄膜アクチュエータの角変位

以上の方法により得られる，30度の角度に折り曲がる状態を無負荷時のTINl薄膜アクチュエータの角変位は，通電サイ記憶しているT糾i薄膜アクチュエータの角変位の安定性結果は，クルによるアクチュエータの繰り返し動作時の半導体レーザがFig．8である。この図より，角変位はま0000回の繰り返し動作中，アクチュエータ先端あたる部分をCCDカメラに取り込み，そ29±0．5度の範囲内に収まっており，その安定性は30度の角変の位置情報により算出され，その角度変化により評価される。

位に対して約3．3％以内の精度を示している．つまり角変位に対まず角度の測定方法について述べる．その概略図と座標系の位置関係は，Fig．7（a）である．この図において，8Ⅰはmi薄膜ア
おnヽ∞ndLjdor

クチュエータの折れ曲がる角度 また∂2はCCDカメラと水平CCD
Ca「ne「aL△5ER方向のなす角度である．用いたレンズの焦点距離はf＝50mm，前側焦点からレンズのエッジ前端までの距離，およびエッジ後端から後側焦点までの距離は，それぞれa＝卯m，b＝40mであり，取り込む画像の解像度は，1pixel≒23．3〟mである．ス
テージがY軸方向へ1mm移動する際の，画面上のレーザ位置P「oJeCモedしaさer】mage
X−y−Z St∈柑eの移動量∠4rはFigて匝）に示すように，しa〕』y＝t弧81×00S∂2（1）で近似され，またステージがZ軸方向にimm移動する際の，画面上のレーザ位置の移動量』zはFig．7（C）に示すように，∠z＝∞S∂2（2）で近似される．以上の鞘i），（2）より，¶Ni薄膜アクチュエータの角変位∂1は求められる．なお測定誤差は，薄膜を固定した際の傾き，たわみ，位置のずれ，及びⅥNi薄膜アクチュエータ自体の形状∂寸法等が考えられ，約＝2度である．
（b）

次に，¶Ni薄膜アクチュエータの角変位の安定性評価方法について述べる．通電サイクルによるアクチュエータの繰り返し動作時の角度は，その度に取り込まれる画像上のレーザ位置と，上記の方法で角度を求めた際の，画面上のレーザ位置のずれから算出される．このずれを∠dとすると7 求める角度∂は，次式より求められる，▲
0＝tan−i4cosOl（C）

Fig．7 Schem叙icillus加ゎnofmea5urementmethdo∬h鱒ememOr〉′
飾gleofⅥNithin重1ma瓜ユ威Or

43OU

004∩︶

032082

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rs∈︑訝p；−で旦聖二至っぎご○む訝﹂警＜02000 4000 6000 8000 10000

0 2000 4000 6000 800010000

Repetition numberN

Repetit岳onnumber【N】

Fig．6 StめiH隼′Ofavemgean糾1訂、rel∝iり70fT糾ithin軌¶鑑知慮Or

Fig・8 Repe叙ab主1加0∬h叩ememO町弧gleofⅥNi仇加点h弧u叙Or・¶113【平成9年度 研究報告 大分県産業科学技術センタ…
に対する繰り返し回数による影響は，顕著にはなく，無負荷時動特性をき その発生力，角変位∴動作温度の観点から評価する．のTiNi薄膜アクチエェ山タの角変位は，安定していると考えら

TiNi薄膜アクチュエータへの加負荷方法，油量薄冒莫アクチエエ

れる一…タの発生九角変位の測定方法は，Fig．10である．まずて削皇
薄膜アクチュエータの先端部に取り付けられた0．3まエm径のタングステンワイヤーに負荷が与えられ、通電サイクルにより，3．3 無負荷時の¶㈲薄膜アタチエエ血タの動作温度
丁郎i薄膜アクチュエータの動作温度は，通電サイクルにより，T主Ni薄膜アクチュエータが負荷を持ち上げる．その際に高速カアクチュエータ動作を繰り返しおこなう際の変態温度をDSC

メラで側面から撮影されアクチエェ山夕動作より撃 丁鋸i薄膜ア（示差走査熱量計）を用いて測定することにより評価される．

クチュエータの発生九 角変位は測定される．負荷時のT加i薄その結果はFig．9である．i洲回の繰り返し動作鼠マル

膜アクチユニ叫夕の角変位は，F主g．iOに示すように∴ほ琉薄膜アクチュエータの駆動部位である，折れ曲がる部分における接線テンサイト変態点（M呈＊）9 R相変態点（M2＊），逆マルテンサイト変態点（Å1＊）のいずれも，＝9Kの温度範囲内で推移する。と水平面の角度とする．アクチエエ山夕先端部のたわみにより，TiNi薄膜アクチュエータは，通電加熱により短時間に動作するアクチュエータ駆動吉田立の角変位の測定誤差は，約＝ト度程度ので，±9Kという温度範囲はラ アクチエエーダ駆動に対してとなる．

アクチュエータ先端部の負荷が0．05〜0。50gまで変化する際ほとんど影響がないといえる．従って。TiNi薄瞑アクチュエー

TiNi薄膜アクチュエ】タの角変位の時間変化は，F隠且旦である．

タの動作温度は，非常に安定していると判断できる。

TiN呈薄膜アクチュエータは，0．05〜0．50gまで負荷が変化してしかしながら，最初のi00回と，最後のi㈱回動作後の変態点が，他の変態点よりやや大きくなっていることがわかるウ

も，すべて負荷において，形状記憶させた角度である30度まニれは，DSCが破壊測定方法であるため，繰り返し回数毎の測でほぼ動作している．以上より9 負荷時の¶Ni薄膜アクチエエ

定試料は，完全同一試料でなく，スパッタリング，真空熱処理時の薄膜としての試料誤差が影響していることが考えられる。
その後，教匡の測定結果において，100回目付近でTiNi薄膜アクチュエータの変態点が大きくなることが確認されており，本研究で用いたT糾i薄膜アクチュエータは，「バルク材のT削i合金の変態点はヲ 旦00回程度のトレーニング後 安定する傾向がある4〉」ことと，同様の傾向を示していると推察される。
丁凧＝卜巾†再「；C†こj2きOr

4．負荷疇蘭郡緋薄膜アタチエエ皿タの駆動緒性
4．1T∃Ni薄膜アクチュエルタへの負荷条件
本研究では予 実際に耶Ni薄膜アクチュエータの先端部に負荷を与え，¶Ni薄隙アクチュエータが，仕事をおこなう際の駆F隠見O Schemぉiciiiu5好感ionoでme鮎u陀mentme蛮ぬ0ぎgene磁i、′e

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F料iiAcはIngangieoぎT皇Ni鮎n員三mac短慮Or、Ⅴ撤〜′誠ousioad…、−1ユ4

平成9革度 研究報告 東館県産業科学妓繍センタ血一夕の駆動特性を評価するための負荷条件はぎ 負荷によるたわ生カの安定性結果は，F料且3である．これよ勘㌻嚢荷が大きくみが少なくプ アクチエエーー一夕先端部でも30度付近まで動作すなるに従って，平均動作速度が遅くなっていることがわかる．

る0．i晦負荷と，アクチユニ伽叫夕先端部が，負荷により大きく

またキ0．iO，0．50gの負荷が与えられたT郎i薄膜アクチユニ｝タ

たわむ0。50g負荷の2種類とする．の発生力の安定性挽 いずれも無負荷時に比べて，ばらつきが−●ことを考慮しても，負荷時の耶Ni薄膜アクチュエータの発生カ

軋2 負荷時のT墓相ぎ薄膜アクテユヱ仙タの発生力

負荷時でのm主薄膜アクチュエータの発生力は，通電サイはヲ負荷に関わらず，約±0。ildeg′ノmsの精度で安定してい嵐

クルにより，T錮i薄膜アクチュエータが負荷を持ち上げる際の角加速度とアクチュエータ質量を乗ずることによりき またその軋3 飽覇時のhア盲摘i薄膜アタチエエ叫タの角変位発生力の安定性楓 平均角速度にて評価される。

負荷時のT封i薄膜アクチュエータの角変位は 通電サイクル

0，0．iO∋ 0，50gの負荷に対して，それぞれ算出される墨N主薄により，アクチュエータが負荷を持ち上げる際の角度を測定す

按アクチュエータの発生力結果は，Fig。呈2である。これより，T呈Niることにより評価される・アクチュエータの角変位は重複蘭

薄膜アクチエエ…タの発生力は，負荷に問わらず動作開始からに示すようにアクチエェ山タの駆動部位である，折れ曲がる部5ms付近で最大となった後 減少し，やがて0となるが，T削i分における接線と水平面の角度とする。

薄膜アクチュエー タの発生力が最大となる時間は，負荷が大き0，0，10，0．5晦の負荷に対して，mi薄膜アクチュエータのくなるに従って，遅くなる傾向がみられる．またその最大発生角変位の安定性結果は，Fig一拍である。負荷時のT主Ni薄膜アク力は，負荷が大きくなるに従って大きくなり，払0。10，0．50g

チエェ鵬タの角変位は，繰り返し回数朝）00回程度の動作後まの負荷に対しき 董。5×呈0￣加工掴×iO■3N，6．0×iO￣3Nとなる．

で楓負荷が0．喚で28．8＝0．8度ち0．50gで28．8±0．5度の範囲

0、0．ま0，0．50gの負荷に対する罰Ni薄膜アクチュエータの発内に収まりタ 非常に安定しているが，それ以降になると無負荷時に比べて，ばらつきが大きくなり，例えば，負荷が0。10gの場合では，2乳8＝2度程度までばらついているさ これは9 無負が異なっており，その測定誤差が，無負荷時は約±0．2風 食

4
ハリハ∪

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荷時は約±l度程度であることが影響している可能性がある。
ハU

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︵∪ご﹂：・二∴∴十∴∵∵∵⁚⁚﹂

荷時と負荷時では∋ 罰Ni薄膜アクチュエータの角変位測定方法

4．卑 負荷時のT音N巨薄膜アタチエエ剛タの動作温度
負荷時のT桝i薄膜アクチュエータの動作湿度は，通電サイ

爪U

クルにより，アクチュエータが負荷を持ち上げる動作を繰り返しおこなう際の変態湿度をりSC（示差走査熱量計）を用いて測C

51〔亨1520定することにより評価される．

0。0．苫0チ0。50gの負荷に対してヲT獅i薄膜アクチュエータの∴・一t：・． −1
F主g】12 Gener麗i〜′e氏）rCeOfT主N主蘭n貢呈mac餌麗Or兢瓶Ⅴ感0潰皇oad

動作湿度の安定性結果は，Fig。旦5であるh乳4】．＊，M2率，A呈＊のい．ハ叫︑3︻㌧り︺︷﹂し一⁚卜︶

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平成9年度 研究報告 大分県産業科学技術センター
ご一心﹂﹁烏﹂むd∈ g U O 焉 U J J O 芯 u e ﹂ ト

最大発生力を有し，その発生力は，柑000匡の繰り返し動作を通して，0．銅＝0．（紅梅d喝／msと安定している．
負荷時のm主薄膜アクチュエータは，負荷が重くなるに従い，動作速度は遅くなるが，負荷晦で1．5×1け3N，0．10gで4．4×10づN，0．50gで6．0×10￣3Nの最大発生力を有し，その発生力は，10000回の繰り返し動作を通し，負荷に関わらず，約二0．11deg／mと安定している．
2．Tがi薄膜アクチュエータの角変位
200

無負荷時における，30度に折れ曲がった状態を形状記憶
2000 4000 6000 8000 10000

した苅Ni薄膜アクチュエータの角変位は，1（沿α）回の繰り返

Repet岳tionnumbe「＝里し動作を通して，29±0．5度の精度であり，その安定性は30Fig．15 Stめiiit〉′OF厩msR〉m叙iontempe血eof¶N用血虻血度の角変位に対して約3．3％である。

actuatorwi血v甜iousioad．

負荷時における，T郎i薄膜アクチュエータの角変位の安M＊：M加e鮎idc洩弧Sfbm癒iontemper奴汀e定性は，4∝府回程度の動作後までは，負荷0．10gで28．8±0．8Å＊：Re＼7erSema珪ensiticbans蝕ma扇ontemperamre度，0．50gで28．8±0．5度の精度であり，非常に安定しているが，それ以降になると，ばらつきが大きくなり，負荷0．10g

ずれの変態点も，0．10gの負荷下では±5K，また，0．50gの負荷では，28．8±2度まで精度が低下する．

下では±10K，の温度範囲内に収まっているが，無負荷時での動3．mi薄膜アクチュエータの動作温度

作温度と同様，i00回と，10000回動作後の変態点が他の変態¶Ni薄膜アクチュエータの動作温鹿島 線り返し動作の点より上がっていることがわかる．また，負荷によるmi薄膜影響，および負荷の影響はみられず，マルテンサイト変態息アクチュエータの動作温度への影響は，0．10gと負荷の小さい

R相変態点，逆マルテンサイト変態点のいずれも，1（沿Ⅸ）回方が，負荷の大きな0．5gに対して，変態温度のばらつきは小さの繰り返し動作を通して，約＝iOK以内の温度精度で安定しいが，無負荷時のばらつきが＝9Kであり，このばらつきが，ている．

負荷の影響であるとは一概には言えず，これも，3．3項で述べたように、同一の試料を用いていないための試料によるばらつ

参考文献

きであるのか，ⅥNi薄膜アクチュエータの固有する特性なのか今後検討する必要がある．いずれにせよ，負荷時の¶Ni薄膜アi）生田章七藤田博之，池田満昭，山下慎次： 形状記憶合金マクチュエータの動作温度は，±10Kの温度範囲で安定しておりヲ

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通電加熱による短時間通電ということを考慮すれば，アクチュ

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1．T郎i薄膜アクチュエータの発生力
無負荷時のⅥNi薄膜アクチュエータは予 約l。5×10《3Nの】116