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形状記憶合金薄膜アクチュエータの簡単な作製技術を開発
平成１９年 ７月 ４日 独立行政法人物質・材料研究機構 概 要 １．独立行政法人物質・材料研究機構（理事長：岸輝雄）、センサ材料センター（センター 長：羽田肇）アクチュエータ機能グループの石田 章グループリーダは、形状記憶合金 薄膜アクチュエータを簡単に作製する手法を開発した。 ２．従来の形状記憶合金薄膜製法ではスパッタリングによりアモルファス膜を作成し、そ の後に高真空中で 500℃以上の結晶化熱処理を行う必要があったが、高温を用いること から基板として使えるのは Si ウエハ等に限られ、用途もマイクロファブリケーション技 術によって作られる微小な機械のアクチュエータに限られていた。 また、このように作成された形状記憶合金薄膜は、高温側の形状のみを記憶している 一方向性形状記憶効果を示すために、アクチュエータの様に可逆的な動きを必要とする 場合、低温側で形状を変化させるためには外力を加える必要があった。 ３．今回開発した手法は、300℃程度に加熱した基板に Ti-Ni-Cu 三元系合金薄膜をスパッ タ蒸着するだけで可逆的なアクチュエータを簡単に作製する技術である。Cu の添加によ り結晶化温度が下がることが特徴であり、この特徴により比較的低温でも結晶性の薄膜 を得ることが可能になった。ポリミドフィルムや家庭用 Al 箔などへの形状記憶合金薄膜 の作成も可能となる。 ４．作製した薄膜は、室温以上の変態温度を示すだけでなく、膜自体が二方向性の形状記 憶特性を有しているために、例えばポリミド樹脂はフレキシブルな基板として使用可能 となり、Al のような金属箔の基板は容易に加工して形状を変えることができる等、従来 の Si 基板での平面的な使用だけではなく、立体的な配置が出来る等、様々な用途が考え られる。 ５．本成果により、成膜後の熱処理を必要とせずいろいろな基板上に作製できることから、 例えばポリミドでできたダイアフラムに成膜することによって簡単な駆動源として用い たり、アクチュエータを立体的に配置することによって空間を自由に移動するロボット の手足や、作製した薄膜を湾曲部に貼り付けることによって可動する関節のような使い 方も可能になると考えられる。薄膜の厚さは数μｍ程度なので、大きな部品を動かすこ とは難しいが、軽くて小さい部品を動かす駆動源として使うことができ、何よりも薄膜 を基板に蒸着してハサミで切り抜き、両端を電池に繋ぐだけで簡単にアクチュエータが できるので、用途の拡大と製造コストの削減が期待できる。2 研究の背景 スパッタリング法で作製した厚さ数ミクロンの形状記憶合金薄膜は、従来の圧電素子に 比べて発生力で 15 倍以上、変位量で 50 倍以上の性能を示すことから、数ミリ程度の大き さの微小機械を動かすための強力なアクチュエータとして注目されている。従来の形状記 憶合金薄膜の製法ではスパッタリングによってアモルファス膜を作成し、その後、高真空 中で 500℃以上の結晶化熱処理を行う。そのため、基板として使えるのは Si ウエハ等に限 られており、用途も Si 基板上でマイクロファブリケーション技術によって作られる微小な 機械のアクチュエータに限られていた。さらに、このようにして得られた形状記憶合金薄 膜は基本的に高温側の形状のみを覚えている一方向性形状記憶効果を示すために、アクチ ュエータのような可逆的な動きを必要とする場合には、低温側で形状を変化させるための 外力（バイアス力）をスプリングや基板からの熱応力によって与える必要があった。その ため、アクチュエータを簡単に作ることは難しかった。 研究成果の内容 300℃程度に加熱した基板に Ti-Ni-Cu 三元系合金薄膜をスパッタ蒸着するだけで、アク チュエータを簡単に作製する技術を開発した。本発明では、Cu の添加により結晶化温度が 下がることを見出した結果、比較的低温でも結晶性の薄膜を得ることが可能になり、ポリ ミドフィルムや家庭用 Al 箔などへの結晶性の形状記憶合金薄膜の作製が可能になった。作 製した薄膜は、室温以上の変態温度を示すだけでなく、膜自体が二方向性の形状記憶特性 を有しているために、そのままハサミで切って両端に乾電池を繋ぐとスイッチの ON/OFF で 動く簡単なアクチュエータができる。また、ポリミド樹脂はフレキシブルな基板として使 うことができ、一方、Al のような金属箔の基板は容易に加工して形状を変えることができ るため、従来のような Si 基板上での平面的な使い方だけでなく、アクチュエータを立体的 に配置して使えるようになった。 波及効果と今後の展開 形状記憶合金薄膜アクチュエータは、大変位強力アクチュエータとして期待されており、 数～数十ミクロンの大きさの細胞を掴むマニピュレータ、微細な神経や血管を挟むグリッ パ、能動型内視鏡やカテーテルを動かすマイクロアクチュエータ、微小血管用ステント、 0.1～数ミリの大きさのマイクロバルブやポンプなどへの応用開発が進められている。今回、 開発した合金と製造技術を使えば、成膜後の熱処理を必要とせず、いろいろな基板上に作 製できることから応用できる用途がさらに拡がることが期待される。例えば、ポリミドで できたダイアフラムに成膜することによって簡単な駆動源として用いたり、アクチュエー タを立体的に配置することによって空間を自由に移動するロボットの手足や作製した薄膜 を湾曲部に貼り付けることによって可動する関節のような使い方も可能になると考えられ る。薄膜の厚さは数μｍ程度なので、大きな部品を動かすことは難しいが、軽くて小さい 部品を動かす駆動源として使うことができ、何よりも薄膜を基板に蒸着してハサミで切り 抜き、両端を電池に繋ぐだけで簡単にアクチュエータができるので、用途の拡大と製造コ
ストの削減が期待できる。なお、本研究成果は７月２５～２７日、東京ビッグサイトにて 開催されるマイクロマシン／ＭＥＭＳ展にて紹介する。 問い合わせ先： 〒305-0047 茨城県つくば市千現１－２－１ 独立行政法人物質・材料研究機構 広報室 TEL:029-859-2026 研究内容に関すること： 独立行政法人物質・材料研究機構 センサ材料センター アクチュエータ機能グループ グループリーダ 石田 章 TEL:029-859-2417 E-mail: [email protected]
4 【用語解説】 １）スパッタリング法： 薄膜作製法の一つ。真空引きしたチャンバー内にアルゴンガスなどの気体分子を導入 し、高電圧によってイオン化させると同時に加速して材料に衝突させる。材料から叩き 出された原子は対向して置かれた Si などの基板上に堆積して薄膜を形成する。 ２）ステント： 心筋梗塞などの患者の狭くなった血管に挿入して血管の再狭さくを防ぐ網状の金属製 の筒。 ３）一方向性形状記憶効果と二方向性形状記憶効果 形状記憶合金は、低温で変形させても加熱すると元の形状に戻る性質（形状記憶効果） をもっているが、通常は高温の形状しか覚えていない一方向性の形状記憶効果である。 そのため、可逆的な形状変化が必要な場合には、低温側で変形させるための外力（バイ アス力）を必要とする。本発明によって得られる薄膜には成膜過程で発生する内部応力 が残留しており、この内部応力がバイアス力として働く結果、加熱・冷却のいずれの方 向においても自発的な形状変化を示す二方向性形状記憶効果を有する。
図１ リード線をつけたポリミドフィルム／形状記憶合金薄膜アクチュエータ． （左：電源 OFF 時、右：電源 ON 時）
図２ 図１のポリミドフィルム／形状記憶合金薄膜アクチュエータで羽を動かすトンボの おもちゃ（右は真上から見た写真）．
図３ 家庭用 Al 箔に成膜した形状記憶合金薄膜．
上から、成膜直後の形状、加工の様子、加工後の薄膜の室温形状と加熱時の形状． （加工によってアクチュエータの形状を変えることができる）
