JP2005517536A - 力強化マイクロアクチュエータ - Google Patents

Abstract

容量変動層（１）及び該容量変動層（１）を支持している担体基質層（２）からなるマイクロアクチュエータであって、該マイクロアクチュエータは偏在している屈曲剛性を有する強化構造（３）を含み、該強化構造（３）は層（１）、（２）のいずれかの上に広がって、該マイクロアクチュエータの動作を制御する。

Description

本発明は、容量変動層及び担体基質層からなるマイクロアクチュエータに関する。

マイクロアクチュエータは、外部の刺激によって力を発揮したり又は動作を実行することができる装置である。いくつかは導電性のポリマー及び、例えば金属又はポリマーなどの担体基質の二層から作られる。これらの装置はマイクロメーターからセンチメーターまでの範囲の側面寸法と、ナノメーターからミリメーターの範囲内の層厚さを有することがある。

そのようなマイクロアクチュエータに電流をかけると、これによって層の間に相対的な容量変化をもたらす。層の間のこの相対的な容量の変化はマイクロアクチュエータの屈曲運動をもたらす。最小の容量変化を有する材料と連結した最大の容量変化を有する材料から生じる力は、屈曲動作を引き起こす。

その様なマイクロアクチュエータの機能は、例えばE. Smela, O. Inganas, I. Lundstromの“Controlled Folding of Micrometer-Size Structures”, Science, Vol. 268, p1735-1738において開示されている。

マイクロアクチュエータの開発は、例えば電子工学や侵襲が最小の手術など、広範囲の新たな適用の可能性を開いた。

上記の構成により達成された屈曲動作は、制御する事が困難であることが見出された。そこで動作をより良く制御するための構造が必要とされていた。

（発明の概要）
そこで本発明の目的は動作の制御における上記の問題を解決することである。

本発明のマイクロアクチュエータは偏在している屈曲剛性を有する強化構造を含み、その強化構造がいずれかの層にわたって広がっている故に、該マイクロアクチュエータを本発明に従って構築する事によりこの問題は解決される。いずれかの層にわたる強化構造の広がりは、該構造をいずれかの層の上端に配置する事のみならず、該構造をいずれかの層の内部に設置する事を含む。

本発明の意味におけるマイクロアクチュエータは、二つの顕著により大きい寸法であるXとY（X寸法は幅であり、Y寸法はマイクロアクチュエータの長さである）、及び顕著により小さな寸法であるZ（Z寸法はマイクロアクチュエータの厚さである）を有する層状の構造体である。強化構造はX-Y寸法の中に広がっている。

マイクロアクチュエータという用語には、センチメーター規模およびそれ以下の寸法を有する構造物が含まれる。本発明のマイクロアクチュエータは、例えば、センチメーターからマイクロメーター規模のX-及び／又はY-寸法と、ミリメーターからナノメーター規模のZ-寸法又は厚さを有することがある。

下記において、より小さな相対容量変化を有する層を担体基質層と称し、より大きな相対容量変化を有する材料を容量変動層と称する。

本発明における容量変動層とは、担体基質材料と比較して相対的に異なった容量変化を作る材料を言う。相対的な容量変化がなくては、マイクロアクチュエータは望んだように作動することはないであろう。担体基質層及び容量変動層として作用することができる材料の例が述べられるであろう。

下記に与えられた例において容量変化は電気科学に駆動され；刺激は加えられた電位である。しかし本発明によれば、電位以外の刺激を使用した熱膨張又は溶媒誘導膨潤など、電気科学以外の他の化学的又は物理的な原理により容量変化がもたらされても良い。

容量変動層は、例えばピロール、アニリン、チオフェン、パラ−フェニレン、ビニレン及びフェニレンポリマーを含む導電性ポリマー、及び異なったモノマーの置換された形を含むコポリマーからなる。

本発明によれば、マイクロアクチュエータにおいて強化構造は異なった様式とすることができる。強化構造は好ましくは、マイクロアクチュエータの作動方向と交差するように、又は横断するように配置された、それらの最大寸法を有する細長い要素（element）として配置される。例えば細長い要素は、はり状の形状（beam-shaped）又は棒状の形状（rod-shaped）でもよい。即ち、細長い要素の横断面は四角形又は円形である。強化構造は延伸フィルムの形態とすることもできる。延伸フィルムは、フィルムの異なる側面方向において異なる屈曲剛性を有する。そこで、これは強化構造を構築するフィルムの配光特性である。

本発明のいくつかの態様によれば、強化構造を、上記いずれかの層の内側に又はこれらの層の外側に、部分的に又は完全に配置することができる。強化構造は上記の層のいずれかによって、完全に囲まれているか又はその中に収容することもできる。それは強化構造が、それがその中に配置されている層とのみ接触しているからである。強化構造は、共に層をなしている２つの層の間に配置され、そこでその強化層をとり囲んでいることもある。強化構造が、容量変動層及び担体基質層の材料とは別個の材料から作られている場合は、強化構造は、例えばエポキシ又はポリウレタンポリマー若しくはそのコポリマー又は置換ポリマーなどの、架橋したポリマー材料を含んでも良い。強化構造は金、白金、チタニウム、ステンレス鋼などの金属、又はニッケルとチタニウムの合金：ニチノールのような合金も含んでも良い。（T.Duerig, A.Pelton, D.Stockel, “An overview of nitinol medical applications”, Materials Science and Engineering A 273-275 (1999) 149-160の中に、ニチノールの機械的な特性が記載されている。）

本発明の更なる態様によると、強化構造は担体基質層と同じ材料から作製されていても良い。本発明のこの態様における強化効果は、基質の異なった部分において材料の厚さが異なっていることにより達成される。本発明の目的を達成する他の途には、異なった部分において担体基質層に異なった波形をつけることがあり、あるいは他の途として、曲げ強度の性質を変えてそれによって層の間でそれを変えることである。

強化構造が別個の材料から作られている態様においては、それは、容量変動層と担体基質層の両者から別個の一片の材料から作られている。

強化構造が別個の材料から作られ、層として配置されている態様では、変化した曲げ強度は担体基質と関連して上で述べたのと同じ様式で達成することが可能であり、即ち強化構造は、変化する厚さを有する層を提供することにより、又は層の間で曲げ強度が異なるように層を配置するという他の方法により作製することができる。

本発明の範囲内で、第２の強化構造を含むように異なった態様を組み合わせることが可能である。例えば、別個の層として配置された第１の強化構造と、容量変動層又は担体基質層の中に配置した第２の強化構造である。本発明によれば、マイクロアクチュエータは幾つかの強化構造を含む事も可能である。

（発明の詳細な説明）
下記の記述において、電気的に刺激されたマイクロアクチュエータが記載されている。しかし本発明は、電気的に刺激されたマイクロアクチュエータに限定されるものではない。

これらの実施例においては述べられていないが、このマイクロアクチュエータは２つ以上の層から作られることができる。

図１は本発明の一つの態様を開示する。図１ａ−ｂはマイクロアクチュエータの断面図を示す。マイクロアクチュエータは、層１の中に配置された容量変動材料を含む。この容量変動材料は、例えばポリピロール、ポリアニリン、又はポリチオフェンなどの導電性ポリマーであっても良い。容量変動層１は担体基質層２と層をなしている。担体基質層２は、金属又はポリマーで作られていても良い。強化構造３が容量変動層１の一方の上に配置されている。強化構造は、例えばエポキシ又はポリウレタンなどのポリマー、若しくは金のような金属から作ることができる。マイクロアクチュエータの異なった成分として与えられた材料の例を全ての態様に適用する。本態様による強化構造は、はり状の形状（beam-shaped）の要素（element）であって、マイクロアクチュエータの動作方向に関して横断的に配置されたものである。

図１ａは電圧をかけた状態でのマイクロアクチュエータを示す。かけられる正常な電圧は、ポリピロールについては通常は−１Ｖ付近である。電圧が除去されると、容量変動層１は収縮してマイクロアクチュエータは屈曲する。強化構造３のために屈曲は所定の方向に制御されるであろう。

図２−６に示された更なる態様は、上記で図１において電気により活性化された材料について述べたのと同様に、電圧がかけられた時の状態と（図の中のａ）、電圧がかけられていない時の状態（図の中のｂ）におけるマイクロアクチュエータも示す。そこで、それらの収縮に関してのみ図を更に記載するであろう。

図２ａ−ｂは、本発明の第２の態様によるマイクロアクチュエータを示す。マイクロアクチュエータは容量変動層１、担体基質層２及び強化構造３を含む。強化構造３は容量変動層１の中に入っており、担体基質層２とは接触していない。この中で強化構造３は、はり状の形状（beam-shaped）の要素の形態を有する。

図３ａ−ｂは、本発明の第３の態様によるマイクロアクチュエータを示す。マイクロアクチュエータは容量変動層１、担体基質層２及び強化構造３を含む。強化構造３は容量変動層１と担体基質層２の間に配置されている。この中で強化構造３は、はり状の形状（beam-shaped）の要素の形態を有する。

図４ａ−ｂは、本発明の第４の態様によるマイクロアクチュエータを示す。マイクロアクチュエータは容量変動層１、担体基質層２及び強化構造３を含む。強化構造３は担体基質層２の中に入っており、容量変動層１とは接触していない。はり状の形状（beam-shaped）の要素の形態を有する。

図５ａ−ｂは、本発明の第５の態様によるマイクロアクチュエータを示す。マイクロアクチュエータは容量変動層１、担体基質層２及び強化構造３を含む。強化構造３は担体基質層２の外側に配置され、容量変動層１とは接触していない。はり状の形状（beam-shaped）の要素の形態を有する。

図６ａ−ｂは、本発明の第６の態様によるマイクロアクチュエータを示す。マイクロアクチュエータは容量変動層１及び担体基質層２を含む。強化構造３は担体基質２を構築することによって配置され、よってそれは基質の異なった部分で変動する厚さを有する。そこでこの態様においては、強化構造３は別個の材料の断片で作られているのではない。

図７−９はマイクロアクチュエータの群の平面図を模式的に示す。図のａにおいて、電圧をかけた時の膨張した状態で上側から見たマイクロアクチュエータを示す。黒い領域は屈曲領域の上側の容量変動層１をマークし、それは、その上でマイクロアクチュエータが屈曲するであろう領域である。白い領域は強化構造３の配置を示す。一例としてマイクロアクチュエータは細長い長方形として形成され、担体基質２の上に容量変動層１と強化構造３を有し（図ａには示されていない）、図１ａ−ｂに示したように構築されている。図ｂは電圧が除去され、マイクロアクチュエータが収縮した状態にある時のマイクロアクチュエータを示す。灰色の領域は、マイクロアクチュエータが屈曲して離れて行く方の側である担体基質層２の下側を示す。強化構造の配置が動作を決定する。容量変動層１は、強化構造３を作り上げる個々の要素の縦軸に沿って屈曲するであろう。

図７ａ−ｂは、本発明の態様に従って平行に配置した３つのマイクロアクチュエータを示す。図７ａに示された強化構造３の立体配置は、図７ｂの屈曲パターンに至るであろう。マイクロアクチュエータの中央において、強化要素の縦軸はマイクロアクチュエータの縦軸に対して垂直に配置されていることが、図７ａにおいて見られる。そのような配置により、図７ｂに見られるような収縮した状態におけるマイクロアクチュエータの結果として生じる構造は円筒（roll）であろう。図７ａにおいて、マイクロアクチュエータ外側上の強化構造は、その強化要素の縦軸が、マイクロアクチュエータの縦軸との関連で約４５度の角度となるように配置されている。これにより、図７ｂに示した螺旋状の立体構造がもたらされる。

図８ａ−ｂで、一群のマイクロアクチュエータは、平行に配置された８つのマイクロアクチュエータからなる。強化構造３は分布し、それ故に、強化要素の縦軸とマイクロアクチュエータの縦軸の間の角度は、一つのマイクロアクチュエータから次へと変化する。図８ａにおいて角度は左から右へ減少する。マイクロアクチュエータの縦軸に対して、左の図における角度は９０度（垂直）であり、ずっと右では約２０度である。これは、図８ｂで示される収縮した状態の立体配置をもたらす。

図９ａ−ｂは、マイクロアクチュエータ上で、強化構造３の配置が異なっている要素（element）を組み合わせることにより、複雑な動きを作れることを示す。図９ａ−ｂは、平行に配置した２つのマイクロアクチュエータからなる一群のマイクロアクチュエータを示す。ここで強化要素は、マイクロアクチュエータの縦軸に対して異なった角度で配置されている。図９ｂにおいて、結果として生じる収縮した立体配置を示す。図９ｂのマイクロアクチュエータは、その収縮した状態は結ばれた形状（knot shape）である事を示す。

上記で与えられた実施例は本発明を実行する方法を示したのみであり、本発明の範囲を制限するものではない。示された態様は本発明に従って異なった様に結びつける事が可能である。

即ち、図１と図２の態様を互いに組み合わせて、容量変動層の外側に配置された強化構造と、容量変動層の内側に配置された強化構造を有する態様を作ることも可能である。同様に、もしそれが必要であるならば、示した他の全ての態様を互いに組み合わせて、より強い強化構造を作ることができる。図に示されたいずれの態様も、延伸フィルムの形態で強化構造と組み合わせることもできる。本発明に従って、上記の強化構造を構築する２つ以上の方法を組み合わせることも可能である。

各々の層と構造に適した材料について与えられた全ての例を、互いに組み合わせることができる。即ち容量変動層がポリピロールであって、担体基質層が金属、且つ強化構造がポリウレタンであることもできる。あるいは容量変動層がポリチオフェンであって、担体基質層はポリマー、且つ強化構造は金属であることもある。以下同様。強化構造は担体基質層の中に含まれ、分離した材料から作られるものではないこともある。

図1ａ−ｂは、本発明の１態様におけるマイクロアクチュエータの横断面の模式図である。 図２ａ−ｂは、本発明の第２の態様におけるマイクロアクチュエータの横断面の模式図である。 図３ａ−ｂは、本発明の第３の態様におけるマイクロアクチュエータの横断面の模式図である。 図４ａ−ｂは、本発明の第４の態様におけるマイクロアクチュエータの横断面の模式図である。 図５ａ−ｂは、本発明の第５の態様におけるマイクロアクチュエータの横断面の模式図である。 図６ａ−ｂは、本発明の第６の態様におけるマイクロアクチュエータの横断面の模式図である。 図７ａ−ｂは、膨張した状態と収縮した状態における、上から見た１態様の本発明におけるマイクロアクチュエータを示す。 図８ａ−ｂは、膨張した状態と収縮した状態における、上から見た１態様の本発明におけるマイクロアクチュエータを示す。 図９ａ−ｂは、膨張した状態と収縮した状態における、上から見た１態様の本発明におけるマイクロアクチュエータを示す。

符号の説明

１ 容量変動層 ２ 担体基質層 ３ 強化構造

Claims (14)

1. 容量変動層（１）及び該容量変動層（１）を支持している担体基質層（２）からなるマイクロアクチュエータであって、該マイクロアクチュエータは偏在している屈曲剛性を有する強化構造（３）を含み、該強化構造（３）は層（１）、（２）のいずれかの上に広がって該マイクロアクチュエータの動作を制御することを特徴とする前記マイクロアクチュエータ。
2. 前記強化構造（３）が別個の材料から作られていることを特徴とする請求項１記載のマイクロアクチュエータ。
3. 前記容量変動層（１）、又は前記担体基質層（２）のいずれかの側の上に配置された前記強化構造（３）を特徴とする請求項２記載のマイクロアクチュエータ。
4. 前記強化構造（３）は、前記容量変動層（１）の中に、又は前記担体基質層（２）の中に配置されていることを特徴とする請求項２記載のマイクロアクチュエータ。
5. 前記強化構造（３）は前記担体基質層（２）の一部であることを特徴とする請求項１記載のマイクロアクチュエータ。
6. 前記強化構造（３）は細長い要素の形に配置された請求項１から請求項５のいずれか一つの請求項記載のマイクロアクチュエータ。
7. 前記細長い要素（３）はマイクロアクチュエータの動作の方向に関して横断的に配置されていることを特徴とする請求項６記載のマイクロアクチュエータ。
8. 前記強化構造（３）が、担体基質層（２）のいずれかの側又は両側の上に、その一部に加えられた厚みの形で配置されていることを特徴とする請求項５記載のマイクロアクチュエータ。
9. 前記強化構造（３）が、厚さが変動する層として配置されていることを特徴とする請求項２記載のマイクロアクチュエータ。
10. 前記強化構造（３）が延伸フィルムを含むことを特徴とする請求項１記載のマイクロアクチュエータ。
11. 前記強化構造（３）が、エポキシ又はポリウレタンポリマー、又はそのコポリマー又は置換ポリマーを含むポリマー、あるいは金、白金、チタニウム、ステンレス鋼、及びニッケル−チタニウム合金を含む金属からなる強化構造を特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか一つの請求項記載のマイクロアクチュエータ。
12. 前記容量変動層（１）が、ポリマー、又はピロール、アニリン、チオフェン、パラ−フェニレン、ビニレン及びフェニレンポリマーを含む導電性ポリマー、及び異なったモノマーの置換された形を含むそのコポリマーからなる事を特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか一つの請求項記載のマイクロアクチュエータ。
13. 前記担体基質層（２）が、エポキシ又はポリウレタンポリマーを含むポリマー、又はそのコポリマー又は置換されたポリマー、あるいは金、白金、チタニウム、ステンレス鋼、及びニッケル−チタニウム合金を含む金属からなる事を特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか一つの請求項記載のマイクロアクチュエータ。
14. 前記マイクロアクチュエータがセンチメートルからマイクロメートル規模の側面寸法と、ミリメートルからナノメートル規模の厚さを有する事を特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか一つの請求項記載のマイクロアクチュエータ。

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