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Ti-Ni形状記憶合金スパッタ薄膜を用いた強力大変位マイクロアクチュエータの作製

研究課題

研究課題/領域番号 14205099
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
研究分野 構造・機能材料
研究機関筑波大学

研究代表者

宮崎 修一  筑波大学, 大学院・数理物質科学研究科, 教授 (50133038)

研究分担者 金 照榮 (金 煕榮 / 金 熙榮)  筑波大学, 大学院・数理物質科学研究科, 講師 (20333841)
山本 篤史郎  筑波大学, 物質工学系, 助手 (40334049)
研究期間 (年度) 2002 – 2004
研究課題ステータス 完了 (2004年度)
配分額 *注記
55,380千円 (直接経費: 42,600千円、間接経費: 12,780千円)
2004年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円)
2003年度: 15,730千円 (直接経費: 12,100千円、間接経費: 3,630千円)
2002年度: 34,060千円 (直接経費: 26,200千円、間接経費: 7,860千円)
キーワード形状記憶合金 / マイクロアクチュエータ / Ti-Ni / Ti-Ni-Pd / Ti-Ni-Cu / マルテンサイト変態 / R相変態 / スパッタ法 / スパッタ薄膜 / Ni-Ti / 微細加工 / 形状記憶効果
研究概要

本研究では、形状記憶合金の中で最もアクチュエータ特性の優れたTi-・Ni合金を、Si基板上に作製し、Siにフォトリソグラフィ法を適用して微細加工を施すことによりマイクロアクチュエータ構造を製作し実用化技術の確立を目指した。解決すべき重要な問題としては、以下の課題を取り上げた。(1)Ti-Ni合金薄膜を含めたSiの微細加工の技術を確立する。(2)Si基板とTi-Ni合金薄膜の間の化学反応を抑えて、安定性のある形状記憶特性を付与するための熱処理法を確立する。(3)熱処理中の化学反応を抑えた条件でTi-Ni合金薄膜とSi基板との接着力を高める技術を確立する。(4)微細構造体に組み込まれたTi-Ni合金薄膜のアクチュエータ特性の定量的評価を行う。(5)これらの技術を確立することによりマイクロアクチュエータのプロトタイプを作製し、実用化の可能性を提案する。
まず、Si基板とTi-Ni薄膜の間の化学反応を抑えて薄膜の特性を落とさず、接着力も持たせることのできる熱処理条件を確立した。さらに、Ti-Ni形状記憶合金薄膜を用いて、微細加工法によりマイクロアクチュエータを作製し、以下のような特性評価を行った。冷却過程では340K付近からアクチュエータは上昇し始め、室温では十分な高さになっていた。過熱をすると、330K付近から下降し始め、360K付近で完全に平坦になる。温度ヒステリシスは約30Kである。変態温度がアクチュエータの常用温度の室温(293K)よりも約50K高いため、自然冷却効果が期待でき、数十Hzで動くことが観察できた。一方、変態温度の高いTi-Ni-Pd薄膜を用いたアクチュエータは、さらに高温側で駆動した。変態温度がTi-Niより80K高く、効率の良い冷却効果が実現するため、 Ti-Ni二元合金より高い100Hz近い応答性が実現できた。次に、Ti-Ni合金では1-2Kと小さい変態温度ヒステリシスを示すR相変態を利用すると、高い応答性が期待され、作製したアクチュエータでは100Hzを超えても1Hzの時と同様の駆動量を示した。R相変態の欠点は、変位量が小さいことであるが、Ti-Ni-Cu合金薄膜のマルテンサイト変態の温度ヒステリシスは10Kと小さいため、駆動量が大きく、応答性も100Hzと高いアクチュエータの作製が可能になった。Ti-NiのR相変態、 Ti-Ni-PdとTi-Ni-Cuのマルテンサイト変態により、100Hzでも十分な変位が現れ、形状記憶合金薄膜に期待されていた応答性がクリアされた。以上の成果により、Ti-Ni系スパッタ薄膜の特性は既に実用レベルに到達した。

報告書

(4件)
  • 2004 実績報告書   研究成果報告書概要
  • 2003 実績報告書
  • 2002 実績報告書
  • 研究成果

    (28件)

すべて 2005 2004 2003 2002 その他

すべて 雑誌論文 (15件) 産業財産権 (1件) 文献書誌 (12件)

  • [雑誌論文] Effect of Nano-scaled Precipitates on Shape Memory Behavior of Ti-50.9at%Ni Alloy2005

    • 著者名/発表者名
      J.I.Kim, S.Miyazaki
    • 雑誌名

      Acta Materialia 53

      ページ: 4545-4554

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2004 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Aging-induced Two-stage R-phase Transformation in Ti-50.9at%Ni2005

    • 著者名/発表者名
      J.I.Kim, Y.Liu, S.Miyazaki
    • 雑誌名

      Acta Materialia 52

      ページ: 487-499

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2004 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Fabrication and Characterization of Ti-Ni Shape Memory Thin Film Using Ti/Ni Multilayer Technique2005

    • 著者名/発表者名
      H.Cho, H.Y.Kim, S.Miyazaki
    • 雑誌名

      Science and Technology of Advanced Materials 6

      ページ: 678-683

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2004 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Characterization of High-Speed Microactuator Utilizing Shape Memory Alloy Thin Films2005

    • 著者名/発表者名
      M.Tomozawa, K.Okutsu, H.Y.Kim, S.Miyazaki
    • 雑誌名

      Materials Science Forum 475-479

      ページ: 2037-2042

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2004 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] A TiNiPd Thibn Film Microvalve for High Temperature Applications2004

    • 著者名/発表者名
      Y.Liu, M.Kohl, K.Okutsu, S.Miyazaki
    • 雑誌名

      Materials Science and Engineering, A 378

      ページ: 205-209

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2004 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Thermodynamic Analysis of Aging-induced Multiple-stage Transformation Behavior of NiTi2004

    • 著者名/発表者名
      Y.Liu, J.I.Kim, S.Miyazaki
    • 雑誌名

      Philosophical Magazine A 84

      ページ: 2083-2102

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2004 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Thermodynamic Analysis of Ageing-induced Multiple-stage Transformation Behavior of NiTi2004

    • 著者名/発表者名
      Y.Liu, J.I.Kim, S.Miyazaki
    • 雑誌名

      Phil.Mag.A 84

      ページ: 2083-2102

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2004 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Ageing-inducede Two-stage R-phase Transformation in Ti-50.9at%Ni2004

    • 著者名/発表者名
      J.I.Kim, Y.Liu, S.Miyazaki
    • 雑誌名

      Acta Materialia 52

      ページ: 487-499

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2004 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Ageing-inducede Two-stage R-phase Transformation in Ti-50.9at%Ni2004

    • 著者名/発表者名
      J.I.Kim, S.Miyazaki 他1名
    • 雑誌名

      Acta Materialia 52

      ページ: 487-499

    • 関連する報告書
      2004 実績報告書
  • [雑誌論文] Thermodynamic Analysisi of Ageing-induced Multiple-stage Transformation Behavior of NiTi2004

    • 著者名/発表者名
      Y.Liu, J.I.Kim, S.Miyazaki
    • 雑誌名

      Phil.Mag.A 84

      ページ: 2083-2102

    • 関連する報告書
      2004 実績報告書
  • [雑誌論文] Stress-induced FCC-HCP Martensitic Transformation in CoNi2004

    • 著者名/発表者名
      Y.Liu, S.Miyazaki 他4名
    • 雑誌名

      J.of Alloys and Compounds 368

      ページ: 157-163

    • 関連する報告書
      2004 実績報告書
  • [雑誌論文] Characterization of High-Speed Microactuator Utilizing Shape Memory Alloy Thin Films2004

    • 著者名/発表者名
      M.Tomozawa, S.Miyazaki 他2名
    • 雑誌名

      Materials Science Forum 475-479

      ページ: 2037-2042

    • 関連する報告書
      2004 実績報告書
  • [雑誌論文] Mechanical Properties and Shape Memory Behavior of Ti-Mo-Ga Alloys2004

    • 著者名/発表者名
      H.Y.Kim, S.Miyazaki 他2名
    • 雑誌名

      Materials Transactions 45

      ページ: 1090-1095

    • 関連する報告書
      2004 実績報告書
  • [雑誌論文] 形状記憶合金のしくみ2004

    • 著者名/発表者名
      宮崎修一
    • 雑誌名

      パリティー 19

      ページ: 11-16

    • 関連する報告書
      2004 実績報告書
  • [雑誌論文] 形状記憶合金薄膜マイクロアクチュエータ2003

    • 著者名/発表者名
      宮崎修一
    • 雑誌名

      未来材料 3

      ページ: 2-5

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2004 研究成果報告書概要
  • [産業財産権] Ti-Ni-Cu系形状記憶合金2002

    • 発明者名
      宮崎修一, 他4
    • 権利者名
      科学技術振興事業団
    • 公開番号
      2002-294371
    • 出願年月日
      2002
    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2004 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] J.I.Kim et al.: "Aging-induced two-stage R-phase transformation in Ti-50.9at%Ni"Acta Materialia. 52. 487-499 (2004)

    • 関連する報告書
      2003 実績報告書
  • [文献書誌] J.I.Kim, S.Miyazaki: "Shape memory behavior associated with a two-stage R-phase transformation in Ti-50.9at%Ni alloy"Journal de Physique. 112. 697-700 (2003)

    • 関連する報告書
      2003 実績報告書
  • [文献書誌] L.Pavel et al.: "Crystal structure of Orthorhombic martensite in TiNiCu and TiNiPd Intermetallics"Journal de Physique. 112. 727-730 (2003)

    • 関連する報告書
      2003 実績報告書
  • [文献書誌] H.Cho et al.: "Crystallization of sputter-deposited Ti-Ni amorphous thin films"Trans.of MRS of Japan. 28. 651-654 (2003)

    • 関連する報告書
      2003 実績報告書
  • [文献書誌] 宮崎修一: "形状記憶合金薄膜マイクロアクチュエータ"未来材料. 3. 2-5 (2003)

    • 関連する報告書
      2003 実績報告書
  • [文献書誌] 金熙榮 他: "Ti-Ni基およびNi-Al基高温形状記憶合金の変態挙動"金属学会会報-まてりあ. 42. 655-661 (2003)

    • 関連する報告書
      2003 実績報告書
  • [文献書誌] J.I.Kim, S.Miyazaki: "Effect of Low Temperature Aging on the R-phase Transformation of a Ti-50,9at%Ni Allog"Materials Science Forum. 394-395. 225-228 (2002)

    • 関連する報告書
      2002 実績報告書
  • [文献書誌] S.Miyazaki et al.: "Dynamic Characteristics of Diaphragm Microactuators Utilizing Sputter-deposited TiNi Shape Memory Alloy Tin Films"Materials Science Forum. 394-395. 467-474 (2002)

    • 関連する報告書
      2002 実績報告書
  • [文献書誌] A.Khantachawana, S.Miyazaki: "Effect of Heat-treatment on the Properties of Ti-Ni-Cu SMA Melt-spun Ribbons"Materials Science Forum. 394-395. 495-498 (2002)

    • 関連する報告書
      2002 実績報告書
  • [文献書誌] H.Hosoda et al.: "Hardness and Aging of Ni-Mu-Ga Flerromagnetic Shape Memory Alloys"Materials Transactions. 43. 852-855 (2002)

    • 関連する報告書
      2002 実績報告書
  • [文献書誌] 細木真保 他3名: "Ti-Ni-Cu形状記憶合金の変態過程変化に及ぼす冷間加工および形状記憶処理の影響に対する確率論的矛側"材料. 51. 48-53 (2002)

    • 関連する報告書
      2002 実績報告書
  • [文献書誌] 細木真保 他3名: "Ti-Ni-Cu形状記憶合金の熱・加工サイクル条件での機能および強度劣化の確率論的信頼性評価"材料. 51. 293-298 (2002)

    • 関連する報告書
      2002 実績報告書

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公開日: 2002-04-01   更新日: 2016-04-21  

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