平成10年度 研究部告 大分県産業科学技術センター

TiNま形状記憶合金薄膜アクチエエ山タを用いたマイクロシステムの試作
池田 哲＊・秋本恭喜＊。奥根充弘＊＊・藤本公三＊＊q

仲田周次＊＊＊機械電子部・＊＊大阪大学工学部

MicroElectroMech弧icalSystemUsingT皇NiShapeMemoⅣA1loyT昆nFiimAc板紙）rS
取ts㍑IKEDA＊・YAKユMOTO＊。M．OKmE＊＊・K．FUJIMOTO＊＊9S．NÅⅩÅrÅ＊＊＊Mechanics＆ElectronicsDivision・＊＊FacultvofEngineenng，OsakaUnivers卸
要旨

本研究では，TiNi形状記憶合金薄膜アクチュエータを複数組み合わせた，1自由度往復運動機構を有するマイクロシステ

ムを提案し，理論計算により，最大68・3【deg】の理想駆動角度を有する往復動作可能な機構であることを擾示することができた・その後，実際にそのマイクロシステムの設計。試作から駆動特性評価までおこない，マイクロシステムの駆動範囲は理論値である47・33［degはり若干小さく，正方向に45A9Edeg］，負方向に。43．37［degjであり，また20回の繰り返し動作による安定性は，平均駆動角に対する誤差が正方向，負方向ともに±2・5Edeg］以内と，高い安定性を示すことを確認した。以上から，
著者らは，TiNi形状記憶合金薄膜アクチュエータを複数組み合わせたマイクロシステムの実厨性を確認できた．

1．緒言

で節Ⅹ，Y，Zが従勤する・なお，対偶01は右回り，対偶02は形状記憶合金は動作と発生力が大きく，単純な機構であるの左回りの一方向性の動力源で，想定する駆動角は中性時に対しで，形状記憶合金をマイクロ化できれば，形状記憶合金をマイ30Peg】までである．各節の長さの比は，Ⅹ：Y：Z：W＝3：3：1：2である．

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マ

この機構は，節Zが次のユニットの節Wになるようにいくつかつイクロシステムを製作することが可能1）となる．アクチュエーなぎ合わせることも可能で，そうすることによって多自由度マニ

タとしてのmi薄膜アクチュエータは 一定温度で一定形状をピュレータにも応用できるため，往復軌作の基本ユニットとして記憶し，一定力で駆動する必要があり，筆者らは，既にmi形使用可能な機構である．

状記憶合金制莫アクチュエータの発生九 角変低動作温度の駆動特性の安定性を確認2）3）している。本研究では，複数のmi2．2マイクロシステムの構造形状記憶合金和英アクチュエータを組み合わせたマイクロシス

前項で示した動作機構に具体値を与え，構造体としたものをテムを提案し，その理論的検討をおこない，′実際に設計・試作し，その特性を評価する．

SMA

SMA

2．1自由度往復運動機構を有するマイクロシステムの提案
2．11自由度往復運勤機構の提案
TiN呈形状記憶合金薄膜の特徴を生かし，実用化を目指すべく，本研究では複数のTiNi形状記憶合金薄膜アクチュエータを用いたマイクロシステムとして一つの基本ユニットとなる機構を提案する．
形状記憶合金は一般に加熱時の一方向形状記憶効果しか示さないものが多く，繰り返し動作を行うにはバイアスばね寄付らかの外力によって加熱前の状態に戻す必要がある．F疫．1は，TiNi形状記憶合金薄膜アクチュエータを二つ用いて往復動作を可能にし，さらにTiNi薄膜アクチュエータの動作角度を増幅する機構を考案したものである．この機本科も四つの節（一一つは固定節）と四つの対偶（まわり対偶）からなる四節拘束連鎖で，一Fig・】Ac触感血gmech弧ismoFmic和e！∝☆om∈Chaぬ00j野鹿m

定の運動軌跡を描く．ぎig．1においては，節Wが固定節で，対偶

lドiIlき11＼i山【1仙11こl山u瓜、lさ．

01，02がT糾i形状記憶合金薄膜を用いた動力源で，この動力下−∴￣・l

平成10年度 研究離告 大分県産業科学技術センター

Fig．2に示す。この構造体はアルミニウム製の節X，Y，Z，W3．2前の剛体としての仮定とその妥当性の検討を，対偶01，02ではTNi形状記憶合金薄膜と接合し，対偶03，構造体の各節は剛体であると仮定して，その軌作について検04ではポリイミド製のフイルムで接合したものである．なお，討をおこなうため，まずその仮定の妥当性について述べる．

T郎i形状記憶合金薄膜の加熱は通電により行うので，電気絶縁T糾i形状記憶合金薄膜アクチュエータの発生力を直接受け，のため対偶0．，02ではmi薄膜と節との間にポリイミド製のフかつ一番長くてたわみやすい節Ⅹ（もしくは節Y）におけるたイルムを挟んでいる。

わみを考える．Fig．3に示すように，節の幅をJ，厚さをb（∽J＜ズ＜／），b，（0＜ズ＜ガ3J），厚さを力としたとき，材料力学に基づくたわみ間接を解くと，歪は，以下の通りである。

3．マイクロシステムの動作特性の理論的検討
3．1理論的険討における前提条件と計算パラメ】タi）三才＜ Jのとき g＝空車

本章において，T錮i形状記憶合金薄膜アクチュエータの動作2且J3を検討するにあたり，以下のような仮定を設けた．

P．Y／7P．l・力ii）0＜ 呈／のとき g＝＝＿【＿＿＝Ⅶ
2且J′ 且J。T糾i形状記憶合金薄膜の中性面は，厚さ方向に対して中心に3ある面とする．

従って，節における最大歪㍉随は，ズ＝ガ3／のときで，】mi形状記憶合金は完全弾塑性材料である．

2P′力

どmaxニ。マルテンサイトーオーステナイト間の変態は脚寺に完了する．

（3）

3且J

ここで，この構造体において，想定最大荷重Pふ＝1、219×・各節仏パ艶仁は剛体とする．

10￣判（8血＝−17．590のとき），J＝9×1呵m】，カ＝2×1が［m】，占また，mi形状記憶合金薄膜アクチュエータの動作を検討する際のパラメータ（媒介変数）は以下のとおりである。

＝2×10JH，∂ ＝1×i呵m】，〟（労．5％剋）のヤング率E＝6．鮎

力：mi薄膜の厚さ［m］×1010palであるので，（3）式より，節の最大歪∈豚は0．016％となかmi薄膜断面の幅［m］る．これは耐力とされる0．2％を大きく下回る．また，節先端でp：mi薄膜駆動部の曲率半径［m］のたわみγ皿は，4．i98×10j匝】となる．これは節の長さJ（9×ガ：mi薄膜駆動部の中性面長さ［m］

10￣3回）に対して十分′トさい．
以上より，本章では各節を剛体と見なすことを妥当とし，こ∂：ズ；βに対する中心角［deg］の仮定のもとでマイクロシステムの駆動特性の検討をおこなう．

g。：中性面から距離アの面の長さ［m〕
ル㌘1和構薄膜断面の中性馳周りのモーメント，発生トルク［撤］

3．3マイクロシステムの挙動と駆動範囲

形状記憶合金アクチュエータを用いて往復動作をするマイクロシステム（2方向性アクチュエータ）を構築する場合，通常
では形状記憶合金は1方向性なので，形状回復した形状記憶合金を再び変形させる何らかの外力が必要であり，その外力は，形状記憶合金の回復力よりは小さく，低温（マルテンサイト）時の変形に要する力よりは大きな力（このような力をバイアス

Fig．3 S加Ctt舵mdei鮎rcdcu王血onofdefl∝donw地坪mmeぬ柑．

Fig．2 S机王C加℃0弛emic和e王∝仕OmeCh弧icd町或emtー60−平成10年度 研究部告 大分県産業科学技術センター

力という）でなければならない．本研究で検討するマイクロシ

また，ステムは，二つの形状記憶合金を用いて2方向性アクチュエー

β＝（β＋600）＋α−γ（8）

ここで，対偶OzにおけるSMÅ2の発生トルクを」呪として，タとし，それぞれが他方をバイアスばねとして利用した構造であり，その駆動範囲は，形状記憶合金の発生力とバイアスカとい．＝′∴■の力の釣り合いによって決まる．また，バイアスカの特性を変（9）えることによって駆動範囲を制御することも可能である．
この構造において駆動範囲を考える場合，F晦．4において，対偶01に作用するSMAlから受ける力旭，S眠から対偶0．

よって，坐旦〟・＝・〟αに作用するバイアスカ鬼才を用いて釣り合い点を算出し，節Zが節Ⅳに対してなす角度ノで評価をおこなう．Fig．4に示すように，

（10）

Sinγ

対偶0．，0ユ，03，04のなす角をそれぞれ8＋醐0，α，γ，β

なお，鳩は8の関数である」礪こおける∂＋00○をαに置換したとし，02，04の距離をエ，03において駆動方向に作用する荷重ものである．また，マイクロアクチュエータの駆動角ノはをア ，04において駆動方向に作用する荷重をP とすると，

ぎ＝γ−α

α＝1800−（β＋600ト（d＋β）（‖）

対偶0．に作用するSMAlから受ける九嘱S眠から対偶（4）0．に作用するバイアスカ〝とβの関係がFig．5である．実線がただし，凡才破線がAグであり，1往復の挙動においてこのアクチュエー
92＋エ2−3
月＝Co∫￣l（cos月）＝Co∫￣l

タが釣り合う箇所がA，B，A，，B，の四ケ所ある。この各箇

22・9・エ所におけるマイクロシステムの挙動状態がFig．6である．まず，
β＝Co∫￣1（cosβ）＝C ￣l92＋エ2−6（5SMAlを加熱してオーステナイトとした場合卜朗ほAl醜Aグ

2はM2の特性曲線に従い，その交点である点Aで釣り合い，マイ62＋9ユー2心9cos（∂＋600）

クロシステムは静止する．次にSMAlを冷却すると，〟はMlの特性曲線に移行し，」げは塑性変形後の除荷状態にあるためMz，曲線に移行して，その交点Bで静止する・その後逆にSMA2を加熱冷却する過程で同様に点A ，点B，で静止する．この点＝62＋92−2■6・9cos（β＋600）

Aでの駆動角が，マイクロシステムの駆動範囲となる．

（6）
（三；

＝32＋92−2・3・9cosγ

本研究では，マイクロシステムの駆動範囲は，点Aにおける駆動角ノで評価することとし，この構造では，Fig．5の結果と式

これより，（11）より，計算すると，理論上パま亜．3【deg］を示す．
しTI

γ＝Coヰos（∂・600）−…〉1S裾（2）

引j O0X▲媚■川l■■．■■■−■■蝕w

SMÅ（1）

5M∈Z︼むコbし0巨−10 0 10 2∈〉 30
An9Ee∂Edeg】
04

Fig．5 Reladonと℃佃昭一ぬr∝弧d肌gieof血e血00eledm

Fig．4 Schem癒cdi喝mOfぬ陀e肌dangiet光軸e飢e鉱hlim恕・m∝h肌icd野或em．

ー61−平成10年度 研究報告 大分県産業科学技術センター
SMA川5SMA（2） SMA（1）05 0
6 5 5 4

SMA（1〉

SMA（2）

0 5
7 6SMA（2）

葡畳ご些ず冠浮扁喜題

SMA（1）

SMA（2）√ミししき云二iてJ

耶涙雨恰閑凍が呵
Fig・8 Rei叙ionヒ杷抽 弧1匹1y皇血de負加血ches5飢dac旭mg飢gie
Oぎ蝕emiαOelec恕Om∝h弧主c山野或e軌（Cdcui血on）（Bきき丘ア ブ坤JFigd6 Schem感cdi轡認mOfb如雛∝野m短0蝕e血00e王eぬO

β3 1800・ズ

mecha昆cd町鹿m・（（A）血野）∞関野OndぬFig。5）

些 ＿＿＿（ま3）・ −さ∴−・

そうすると，対偶03と04を結ぷ節Zに作用するモーメント明は，正面左回りを正として方（γ−β）揖（i4）−− −−●1800・ズ

この礪が，瑚プげの変化分として作用する．凡才」材の増分
0こ〜

こj．：ミ、をそれぞれム礪■ 血相とすると，血相＝−3⊥柑zcosβ＝w

F主g・7 Schen嘘icillu5地ionofp由rO3狛dO40蝕emiαOe呈ecけO

3方（γ−β）揖cosβ1800・ズ

生壁
蛸7＝・3」柑zcosγ＝m∝畳1弧主c滋野S短mw血p餌▲amete柑．

Si11I（15）sinβ3方（γ−β）揖cosγ
Sinγ1800・ズ

ここで，実際に用いる対偶部材としてポリイミド製のフイル3．4駆動範囲に及ぼす対偶部樹質の影響
これまでの計算は，SMÅiに対して，S眠から受けるバイムを想定する．ポリイミドはg＝3×109阿で，ズを2×且呵mj

アスカのみを考慮してきた。しかし，実際は外力として対偶03，としたときの，マイクロシステムの駆動範囲ノとポリイミドの0ヰで生じる対偶部材の変形抵抗が無視できない。以下に，駆動厚さの関係をFig．8に示す．変形抵抗は式（14）より断面2次モー範囲に及ぼす対偶部材の変形抵抗による影響について検討する．

メント′に比鶴 すなわち，厚さの3乗に比例して増加するの対偶部材は薄いフイルム状のもので，節Ⅹ（Y）と節ZをF垣．？

で9Fig．8からもわかるように，ポリイミドの変形抵抗を無視しに示すように対偶部材の変形部の長さがgになるように接合すた場合（ポリイミドの厚さが0）から，さらにポリイミドの厚さる．対偶03，04の変形部の曲率半径をそれぞれβ3，P4とする

が，5×10彗m】から20×呈Od［m］へと，厚さが増すにつれて，マイと，クロシステムの駆動範囲は急激に減少する．
一方ポリイミドの厚さを5×腑廟としたときの，マイクロシステムの駆動範囲ノとポリイミドの変形部長さズの関係を（呈2）

Fig射こ示す．ポリイミドの変形部長さ∬が，i5×ま0％】から200‡；葦×且0ネ匝1へと変化すると，変形抵抗は式（14）よりgに反比例する
変形部材のヤング率をg，断面2次モーメントを∫として，式ので，長さの減少に伴い駆動範囲は減少するが，厚さの違いに（1i）より，対偶03，0ヰにそれぞれ作用する曲げモーメント喝，よる変化に比べればヲ その変化は穏やかである．

り」∴」

以上のことから，対偶部材の変形抵抗が駆動範囲に及ぼす影

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075665∩︶5450膏羞恥豊賢蒜義男歪5 0100200Fig，iiA押辺ran∝0弛e血αOei∝廿0三Ⅵ∝h弧ic扇町鹿m。

し・手・湖中卜呵
Fig．9 Rel慮onb加圧n匹1y血ide爵hleng蝕郡da改題血gangleof
血e血melec打Om∝h肌icd野Stem．（Ca呈cul慮on）

Fig・12 Schemaとicdi喝mOぎme拡unngmぬ感0ぎ血g弧g呈eof
血emimel∝恕OmeCh血cd野或emの安定性を評価する。Fig．凰0は，マイクロシステムの各構成部品とその接合箇所について示すものである．各節や対偶部材の材料及び寸法は前章で想定したものを用い，その接合にはエポキ
シ系接着剤を用いた．用いたT嗣皇形状記憶合金薄膵アクチュエータは期degjの拘束変位下で時効熱処理して形状を記憶したものであるが，実際の記憶角が2各．2仁deg］であった9 また，通電加熱用の電極として摘録m系の銅ワイヤを用い，導電性接着斉りに
Fig．呈O Schema血i呈i張紙ionoぎ00m野n釧臨0蝕emicroe呈∝普OmechむIicdsv或em．

より接合した。なお，対偶部材として用いるポリイミドの厚さは7．5×呈0竜［−Ⅵ愕イ乍成後の対偶部材曲率部の長さは8。5×1呵m］である．従って，前章における理論的検討方法による∴試作す

響について，構造上 対偶部材の厚さが大きく影響することがるマイクロシステムの駆動角メの酬直は，47。33［deg］となる。

予測できる．対偶部材はマイクロシステムの強度を考慮した場

Fまg。l旦は，紺乍したマイクロシステムの外観写真である・合には重要な要素であり，要求される強度と駆動範囲の実現には，対偶部材の材質，形状の選定が重要な設計要素となること

4、2マイクロシステムの評価方法
マイクロシステムの駆動特性の評価は前章で述べたように，がいえる．

節Zと節Wとがなす角度g【でもっておこなう．マイクロシステ
ムの駆動角は，Fig一旦2に示すように，マイクロシステムが定電圧

4￠ マイクロシステムの試作とその動作特性

電源㈱言機製：SP餓1R2）から電力を供給され巨駆動する一41マイクロシステムの試作

これまでに提案しヲ理論的検討をおこなったマイクロシステ

際の駆動状態を真横方向からディジタルビデオカメラ（松下電ムを実際に試作し，その動作梓性を確認し9 また繰り返し動作器産業製：NV出DL亘）で撮像され，そのビデオ画像上で測定8評

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0604定性は，20回の繰り返し駆動実験において，平均駆軌角に対す02る誤差がSMAl駆動時（正方向）に±2．5［deg］以内，SMA2駆動時（負方向）も±2．5【deg】以内と，ともに高い安定性を示してお0り，このマイクロシステムの実用性を確認できた．
5．緒言

0

本研究では複数のT糾i形状記憶合金割算アクチュエータを︻40−0つ﹂組み合わせたマイクロシステムを提案し，その理論的検討をお■こない，検討結果に基づいた設計・試作をおこない，その駆動

6︻研むP︼︑遡 ∽ u 沌 ロ u 莞 ヨ 1 0 く

一方繰り返し動作によるマイクロシステムの駆動角ノの安特性を評価した．以下に本研究で得られた結論を示す。

5 10 15 20

1．T糾i形状記憶合金亨御莫アクチュエータを用いたマイクロシ

R革感旨tionnumbぎ N

ステムの設計に当たり，角対偶部発生力の相互の影響を検討
Fig．13 糎慮ili伊Ofactu血g狐g呈eor血e血melec仕O

し，加熱・冷却サイクルにおける力の釣り合い点の移り変わ

mech肌ic山野飴m．

りを理論計算することにより，最大級3［deg］の理想駆動角度を有する，往復動作可能な機構を製作可能であることが示さ価する。

れた．

使用したmi形状記憶合金薄膜は抵抗率が6劇×10￣7［Qm】

2．曲げに必要な曲げモーメントが，対偶部材の厚さの3乗にで前述の寸法からその抵抗イ直は0．個7［n］である．なお，mi形比例し，変形部長さの1乗に反比例する点から，対偶部材厚状記憶合金薄膜を含む回路の全抵抗は，接触抵抗等によりさが，マイクロシステムの駆軌範囲に大きな影響を与えるこ

3．8【njであった．mi薄膜の過熱を抑えるためにmi潮莫べのとが判明し，従って，対偶部材の材質，形状の選定は，マイ供給電力は0．2Ⅳ】とし，約旦［s］の通電をおこなった．繰り返し駆クロシステムの重要な設計要素であることが示された．

動実験は，一方のT糾i薄膜の通電加熱後に液体窒素によりMf

3．試作したマイクロシステムの駆動範囲は，計算理論イ直であ点以下まで十分冷却し，その後，他方のT郎i薄膜の通電加熱をる47．珂degjより若干′j薄く，正方向に45．49［由g］，負方向おこなう，という操作を繰り返すことによりおこなった．に司3．37［deg】であり，その原因として実験環境と作製精度が影響するものと考察される．

4．3マイクロシステムの動作特性

4．試作したマイクロシステムの20回の繰り返し動作による安前述の実験条件のもとで，マイクロシステムの駆動角ノとそ定性は，平均駆動角に対する誤差が正方向負方向ともに±の繰り返し動作の安定性について計測をおこなった．計測は20

2．即deg】以内と，高い安定性を示した．

回の繰り返し駆動における，SMAi力滴無寺の駆動角と，SⅣ払2
加寿禅寺の駆動角についておこない，その結果がFig．13である．
実際のマイクロシステムの駆動角ノと計算駒直との比較をお参考文献

こなうと，20回の平均駆動角が，SMAl駆動時（正方向）に45A9こdeg］，SMA2駆動時（負方向）に・43．37［deg3であり，双方

1）生田幸士，藤田博之，池田滴昭，山下慎次： 形状記憶合金マイ
クロアクチュエータの基礎的研究 ，日本機械学会第2回バイともmi形状記憶合金薄膜アクチュエータの記憶角が24．2こdegj

オエンジニアリング部門学術講演論文集（1脱）），p。79の落合の理論値である47．33［deg】よりも絶対値で若干′j、さい値

2）池田哲松枝弘愚太田薦宏藤本公三仲田周次： 7郎i薄膜を示している．その原因として，以下のことが考察される．の形状記憶特性に対するスパッタリング条件依存性⊥耶輪形状1）実験環境が約295粁】と，本研究で用いたm皇形状記憶合金

記憶合金薄膜によるマイクロアクチュエータの創成（第1報）−

薄膀フ）心点e92．7捌）を若干上回っており，加熱されて溶接学会全国大会講演概要集No．00，（i舛7）ガ1跡161

いないT錮i形状記憶合金薄膜アクチュエータが，理論値以3）池田哲ノト関由観桜井大輔，藤本公三仲田周次‥ ¶Ni薄膜上に加熱される他方のmi形状記憶合飼葉アクチュエ

アクチュエータの動特性−T糾i形状記憶合金薄膜によるマイータの駆動に影響を及ぼした．

クロアクチェコ一夕の創成（第2報）一 ，溶接学会全国大会講2）作製精度の問題

演概要集No．甜，（1努7），P162−163

・接合部におけるmi形状記憶合金薄漠の変形拘束（重なり，接着剤のにじみ）・変形部以外の変形（重なり部分の不足，接着材の剥離）ー64∬