JPH04134185A - 熱操作によるアクチュエータ - Google Patents

熱操作によるアクチュエータ

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JPH04134185A
JPH04134185A JP2256400A JP25640090A JPH04134185A JP H04134185 A JPH04134185 A JP H04134185A JP 2256400 A JP2256400 A JP 2256400A JP 25640090 A JP25640090 A JP 25640090A JP H04134185 A JPH04134185 A JP H04134185A
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中島 直正
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成瀬 好廣
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充宏 安藤
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 (産業上の利用分野) 本発明は、機械的に物を操作するアクチュエータに関し
、特に、医療、バイオ、その他の産業の分野で、生体組
織9機械要素等比較的に小型のもの、例えば内視鏡、カ
テーテル、細胞操作マニピュレータ、狭所作業用ロボッ
トのマニュピユレータ、を操作するためのアクチュエー
タに関する。
(従来の技術) 三次元モードの運動を自由に生成するアクチユエータと
してエアー駆動のアクチュエータが提案され(「マイク
ロマニピュレータの開発(1)」、鈴森等、第6回日本
ロボット学会学術講演会予稿集、PP 275,276
、昭和63年10月)、また形状記憶合金を利用したア
クチュエータが提案されている(「形状記憶合金アクチ
ュエータの開発」、広瀬1日本ロボット学会誌、Vol
、5、PP 3〜17.1987年)。
前者は横断面に3つの圧力室を持っFRRの成形品に、
3−本のチューブを通じて各圧力室にエアーを給、排す
ることで圧力を加減し作動させるアクチュエータであり
、各圧力室の内圧制御をすることにより3次元モードの
運動を自由に生成することができる。
後者は立体的に配置された複数個の形状記憶合金にそれ
ぞれ独立に電気を流すことにより発熱。
変形させ作動させるアクチュエータであり、各々の形状
記憶合金に流す電流を制御することにより3次元モード
の運動を自由に生成することが可能である。例として内
視鏡に適用した例が説明されている。
(発明が解決しようとする課題) 前者はしかし、アクチュエータを微小化した場合、各圧
力室内にエアーを供給するチューブ内では慣性力よりも
粘性力が支配的になり、粘性抵抗により各圧力室内にエ
アーを供給することが困難となりアクチュエータが作動
しなくなる。したがって超小型化は無理である。
後者は、それを実際に生体内に使用した場合、アクチュ
エータより電気が漏れると生体に障害をもたらし安全性
に問題があることが考えられる。
以上の外に、細胞操作用の微小マニピュレータとして静
電気利用型のものと圧電素子利用型の物が考えられてい
る。しかし両者とも漏電による細胞破壊の問題が派生す
る。
本発明は、電気配線を要せず、比較的に小型に形成しう
るアクチュエータを提供することを目的とする。
〔発明の構成〕
(課題を解決するための手段) 本発明のアクチュエータは、少くとも一部分が内部の圧
力上昇に伴って膨らむ隔壁(7)で囲まれた内空間(1
5)と、該内空間(15)内に封入された熱膨張性流体
(気体)と、該内空間(15)内にある光−熱変換手段
(6)と、該内空間(15)内に光を導入する光導体(
2)と、を備える。
なお、カッコ内に記号は、図面を参照して後述する実施
例の対応要素を示す。
(作用) 光導体(2)が内空間(15)に光を与えると、光−熱
変換手段(6)が発熱し、これにより内空間(15)の
流体(気体)が膨張する。すると内空間(15)の圧力
が上昇して隔壁(7)が膨らむ。この膨らみによるアク
チュエータの変形で、物(5)をある方向に操作するこ
とができる。光導体(2)の光が速断えると、光−熱変
換手段(6)の発熱が停止し、アクチュエータが放熱に
より冷えるに従がって内空間(15)の内圧が低下しこ
れに伴って隔壁(7)が収縮する。この収縮により物(
5)が前記ある方向とは逆の方向に戻る。
このようにアクチュエータは光照射(光オン)/非照射
(光オフ)で動作するので、アクチュエータには電気配
線はなく、光ファイバなどの光導体を配線すればよい。
したがって、上述の電気配線によるトラブルは生じない
し、アクチュエータ自身また光導体を、マイクロオーダ
などの極微小体に形成しうる。
本発明の他の目的および特徴は、図面を参照した以下の
実施例の説明より明らかになろう。
(実施例) 第1図に本発明の一実施例の外観を示す。第1図に示す
アクチュエータ3がこの発明の一実施例であり、このア
クチュエータ3に光ファイバ2を介して、光源およびコ
ントローラを内蔵する制御装置1が、光を与える。
第2図にアクチュエータ3を拡大して示し、第3図にそ
の一部を破断して内部を示し、第4図に縦断面図を示す
。これらの図面を参照すると、アクチュエータ3は、微
小な対象物をつかむための二本のレバー5.レバー5を
開(二点鎖線位置)/閉(実線位W)するためのダイア
フラム4およびダイアフラム4の内部に光を照射するた
めの光ファイバ2で構成されている。アクチュエータ3
の内部空間15に切欠部16を通して光ファイバ2の先
端が挿入されている。内部空間15には、光−熱変換を
効率よく行うため光−熱変換物質(カーボンファイバ)
6が封入されている。ダイアフラム4の膨張膜7は二酸
化シリコン(Si02 )である。膨張膜7とレバー5
の間には微細な空隙がある。光ファイバ2とダイアフラ
ム4の間の空隙はシール材8で埋めである。
制御装fllの内部の光源を点灯すると光ファイバ2を
通してアクチュエータ3の内部空°間15に光が照射さ
れる。この光の大部分が光−熱変換物質6により熱に変
換され光−熱変換物質6の温度が上昇しこれに伴って内
部空間15のガスが膨張し、内部空間15の圧力が上昇
して、膨張膜7が外方に膨らむ(第4図の2点鎖線)。
膨張膜7がレバー5を外方に押すのでレバー5の右端が
開く(2点鎖線)。制御装置1が光源を消灯すると、自
然冷却により内部空間15の温度が低下しガスが収縮し
これに伴って膨張膜7の膨出が縮退し、レバー5が初期
位置(実線位N)に戻る。
微小物をつかむときには、制御装置IIの光源を点灯し
てレバー5を開き(2点鎖線)、レバー5間に微小物を
置いて光源を消灯する。これにより微小物はレバー5間
に挟まれる。微小物を離すときには制御装置1の光源を
点灯する。
次に、上述のアクチュエータ3の製造法を説明する。
(1)まず、第5a図に示すように、シリコン基板10
の表面にSi○2薄膜7を形成する。
(2)次にフォトリソグラフィにより第5b図に示すよ
うに、ダイアフラムチップ(4)を分離するための窓1
7を形成する。
(3)次にダイアフラム4とレバー5の間の空隙を形成
するための犠牲層11を真空蒸着により形成する(第5
c図)。
(4)更に犠牲層11の一部にレバー5の根元とダイア
フラム4とを接合するための窓18をフォトリングラフ
ィにより形成する(第5d図)。
(5)その上にレバー5の材料(例えばN1Cr) 1
2をスパッタリングにより形成する(第5e図)。
(6)次いでフォトリソグラフィによりレバー5を形成
する(第5f図)。
(7)裏面にエツチングのマスク材となる薄膜(Si0
2)1−3を形成する(第5g図)。
(8)続いて裏面のパターンとの位置合せを行った後、
裏面のパターン(分離パターン)をフォトリソグラフィ
により窓開けする(第5h図)。
(9)次に異方性エツチングにより切欠部14゜15及
び16を形成する(第51図、第5j図)。
以上により、−個のレバー5を装着したダイアフラム4
の半体が出来上る。
(10)以上のように製造したダイアフラム半体2個を
、それらの間にカーボンファイバ6を入れかつ光ファイ
バ2の先端を挟み、シール材8で接合する(第5に図、
第512図)。
なお、内部空間15に封入するガス条件(種類。
圧力等)は、上述の(10)の工程で設定する。
以上に説明した実施例では、膨張膜7が5102である
が、膨張膜7は、5i02の代りに、あるいはそれと共
に、金属又は合成樹脂膜としてもよい。
本発明のもう1つの実施例では、ダイアフラム半体を第
6c図に示すように、5i02膜7に、レバー5と同じ
材質の金属(NiCr)膜51をスパッタリングして、
膨張膜を5i02薄膜と金属膜51の複合膜としている
。第6c図に示すダイアフラム半体2つで、第5に図に
示す工程を経て、上述の第1実施例と同様な形状のアク
チュエータが組立てられる。この製造工程を次に説明す
る。
(1a)まず、第5a図に示すように、シリコン基板1
0の表面に5i02薄膜7を形成する。
(lb) S i○2薄膜7の表面に、金属薄膜51の
材料(NiCr)51をスパッタリングにより形成する
(第6a図)。
(2)次にフォトリソグラフィにより第6b図に示すよ
うに、ダイアフラムチップ(4)を分離するための窓1
7を形成する。
(3)次にダイアフラム4とレバー5の間の空隙を形成
するための犠牲層11を真空蒸着により形成する(第5
c図)。
(4)更に犠牲層11の一部にレバー5の根元とダイア
フラム4とを接合するための窓18をフォトリングラフ
ィにより形成する(第5d図)。
(5)その上にレバー5の材料(NiCr)12を真空
蒸着により形成する(第5e図)6 (6)次いでフォトリングラフィによりレバー5を形成
する(第5f図)。
(7)裏面にエツチングのマスク材となる薄膜(Si0
2 ) l 3を形成する(第5g図)。
(8)続いて裏面のパターンとの位置合せを行った後、
裏面のパターン(分離パターン)をフォトリソグラフィ
により窓開けする(第5h図)。
(9)次に異方性エツチングにより切欠部14゜15及
び16を形成する(第51図、第6c図)。
以上により、−個のレバー5を装着したダイアフラム4
の半体が出来上る。
(10)以上のように製造したダイアフラム半体2個を
、それらの間ににカーボンファイバ6を入れかつ光ファ
イバ2の先端を挟み、シール材8で接合する(第5に図
、第51図)。
なお、内部空間15に封入するガス条件(種類。
圧力等)は、上述の(10)の工程で設定する。
この第2実施例では、S i O2膜7は極く薄いもの
で良い。
本発明のもう1つの実施例を第7a’図に示す。
この第3実施例は、基礎板23と作用子となる上板24
との間に、多数のダイアフラム素子22を3次元に配設
したものであり、各ダイアプラム素子には、制御装置1
19より、光フアイバケーブル20の各光ファイバを通
して、個別に光が与えら九る。
第7b図に、−個のダイアフラム素子22ijkの拡大
縦断面を示す。2個のシリコン(Si)リング41と4
2の間に光ファイバ2が挾まれ、リング41の上開口は
可撓性が高い合成樹脂膜71で閉じられ、リング42の
下開口も可撓性が高い合成樹脂膜71で閉じられている
。リング41と42とは接合されており、それらの内部
空間にカボンファイバ6が収納されている。
合成樹脂膜71の中心部には、ダイアフラム素子22i
jkの上に位置するもう1つのダイアフラム素子22i
j(k+1)の下底である合成樹脂膜の中心部が接合さ
れており、合成樹脂膜72の中心部には、ダイアフラム
素子22ユJkの下に位置するもう1つのダイアフラム
素子22ij(k−1)の上蓋である合成樹脂膜の中心
部が接合されている。このようにして複数個のダイアフ
ラム素子を茶筒状に結合したダイアフラム素子列は、そ
れぞれの素子に光が与えられると伸張し、光が速断える
と収縮する。
このようなダイアフラム素子列の複数個(9個)が、第
7a図においては2次元方向に配列されている。
9個のダイアフラム素子列のそれぞれへの光供給/非供
給の組合せにより、基礎板23に対して上板24が、上
昇/降下ならびに色々な方向に傾斜もしくは傾倒するこ
とになり、上板24を可撓性板とすると、上板24を色
々な形状に屈曲させることができる。
〔発明の効果〕
以上の通り本発明によれば、アクチュエータは光照射(
光オン)/非照射(光オフ)で動作するので、アクチュ
エータには電気配線はなく、光ファイバなどの光導体を
配線すればよい。したがって、電気配線によるトラブル
は生じないし、アクチュエータ自身また光導体を、マイ
クロオーダなどの極微小体に形成しろる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の一実施例の外観を示す斜視図である
。 第2図は、第1図に示すアクチュエータ3の拡大斜視図
である。 第3図は、第1図に示すアクチュエータ3の、一部分を
破断して示す拡大斜視図である。 第4図は、第2図に示すアクチュエータ3の縦断面図で
ある。 第5a図、第5b図、第5c図、第5d図、第5e図、
第5f図、第5g図、第5h図、第51図、第5j図、
第5に図、第51図、第6a図。 第6b図および第6c図は、アクチュエータ3の製造工
程各段階におけるアクチュエータ基材の拡大縦断面図で
ある。 第7a図は、本発明のもう1つの実施例の外観を示す斜
視図である。 第7b図は、第7a図に示すダイアフラム素子22の1
つの拡大縦断面図である。 1:制御装置      2:光ファイバ3:アクチュ
エータ   4:ダイアフラム5ニレバー 6:カーボンファイバ(光−熱変換手段)7:膨張膜(
隔壁)     8:シール材10:シリコン基板  
 11:犠牲層12ニレバー5の材料 13:マスク材となる薄膜 14:切欠部     】5:内部空間(内空間)16
:切欠部     17:窓 18:窓       19:制御装置20:光フアイ
バケーブル 22:ダイアフラム素子 二基礎板 24:上板 41゜ 42:シリコンリング :金属膜 (隔壁) 1 。 72:合成樹脂膜

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1.  少くとも一部分が内部の圧力上昇に伴って膨らむ隔壁
    で囲まれた内空間と、該内空間内に封入された熱膨張性
    流体と、該内空間内にある光−熱変換手段と、該内空間
    内に光を導入する光導体と、を備える熱操作によるアク
    チュエータ。
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