JPH05346105A

JPH05346105A - マイクロアクチュエータ

Info

Publication number: JPH05346105A
Application number: JP15203992A
Authority: JP
Inventors: Tomokimi Mizuno; 野智公水; Yoshihiro Naruse; 瀬好廣成; Mitsuhiro Ando; 藤充宏安; Naomasa Nakajima; 島尚正中
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1992-06-11
Filing date: 1992-06-11
Publication date: 1993-12-27

Abstract

(57)【要約】【目的】ピストン−シリンダー機構をマイクロ化す
る。【構成】一端が密閉されたシリンダー２と、シリンダ
ー内を往復動可能に配置されたロッド３を備え、ロッド
の外周面の一部を流体に対してぬれ性を高く形成し、他
の部分を流体に対してぬれ性を低く形成し、シリンダー
とロッド間に流体１を注入し、密閉された側のシリンダ
ーの空間の圧力を増減する圧力調整手段４，５を設けた
マイクロアクチュエータ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はマイクロアクチュエータ
に関し、医療用マイクロインフュージョンポンプ、マイ
クロバルブ、化学分析用マイクロポンプ、半導体プロセ
ス装置用マイクロバルブ等に用いるマイクロマシンや、
マイクログリッパ用アクチュエータ、メカトロ部品用往
復動アクチュエータ、メカトロ部品用ダンパー等に用い
られるマイクロアクチュエータに利用できる。

【０００２】

【従来の技術】従来より、シリンダー内に封入された作
動流体に圧力変化を加えピストンを往復運動させて外部
に力を取り出す、所謂ピストン・シリンダー機構を用い
たアクチュエータが数多く存在する。このピストン・シ
リンダー機構を小型化する場合、作動流体のシールの役
割をなすピストンリングを作り込むことが製作上困難に
なる。

【０００３】この問題を解決するものとして、従来よ
り、ピストン自体を固体潤滑材とした構造のピストン・
シリンダー機構がある。ピストン自体がカーボングラフ
ァイト等の固体潤滑材であるので、構造が簡単であり小
型化が可能である。この技術は、例えば、Ａｉｒｐｏｔ
社製のエアーダンパーとして製品化されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の技術に
おいては、摺動抵抗による損失は、慣性力に比べ、小型
化するにつれ相対的に大きくなる。このため、ピストン
−シリンダー機構をマイクロ化する場合、ピストン自体
を固体潤滑材とした場合においても、摺動抵抗による損
失が大きくなり、実現上困難である。

【０００５】また、ピストン−シリンダー機構をマイク
ロ化した場合、アクチュエータの大きさに比べ表面の粗
さが大きくなるため、より滑らかな面を作る必要があ
る。例えば、ピストンの外径が１０ｍｍの大きさの場
合、摺動面の表面粗さが外径の１／１０００の１０μｍ
程度であると滑らかであるといえるが、１００μｍの大
きさのピストンを作成する場合、同様に滑らかな面を実
現しようとすると、摺動面の表面粗さを１／１０００の
１００ｎｍにする必要があり、加工が容易でない。

【０００６】また、摺動摩擦を低減するためには、ピス
トンとシリンダーの間のギャップを広げればよいが、こ
の場合、作動流体のシールが困難となる。

【０００７】そこで、本発明においては、ピストン−シ
リンダー機構をマイクロ化することを技術的課題とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明において用いた手段は、一端が密閉されたシリ
ンダーと、シリンダー内を往復動可能に配置されたロッ
ドを備え、ロッドの外周面の一部を流体に対してぬれ性
を高く形成し、他の部分を流体に対してぬれ性を低く形
成し、シリンダーとロッド間に流体を注入し、密閉され
た側のシリンダーの空間の圧力を増減する圧力調整手段
を設けたことである。

【０００９】

【作用】上記手段によれば、流体の表面張力によりロッ
ドの外周面の一部とシリンダーの内面に流体が付着す
る。ロッドの他の部分はぬれ性が低いので流体は付着し
ない。よって、流体がピストンヘッドの役割をはたす。
ここで、圧力調整手段が密閉された側のシリンダーの空
間の圧力を増加させると、流体およびロッドが押されて
移動する。ロッドから出力を得ることでアクチュエータ
として作用する。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
ながら説明する。

【００１１】図１は本発明の第１実施例のマイクロアク
チュエータである。このマイクロアクチュエータは、流
体ピストンヘッド１、円筒状のシリンダー２，ロッド
３，光ファイバー５を備える。光ファイバー５はシリン
ダー２の一端に差し込まれ、シーラント６によりシール
される。シリンダー２の一端は光ファイバー５により密
閉される。この一端と流体ピストンヘッド１の間の密閉
された室２ａには作動流体４が充填される。流体ピスト
ンヘッド１の材質としては、表面張力が比較的大きい流
体、例えば水銀を用いるのがよい。また、この流体ピス
トンヘッド１に用いる流体は作動流体４に対して不溶で
ある流体が適する。ロッド３は出力の取り出し軸であ
る。ロッド３は、外周面の１部を流体ピストンヘッド１
に用いた流体に対してぬれ性を高く、また、外周面の他
の部分を流体に対してぬれ性を低く形成しておく。この
形成方法は、例えば、ロッド３自体をぬれ性の低い材質
で加工し、１部をぬれ性の高い材質でコーティングすれ
ばよい。また、逆に、ロッド３自体をぬれ性の高い材質
で加工し、１部をぬれ性の低い材質でコーティングして
もよい。図２はロッド３のコーティング例を示す。ここ
ではロッド３として流体に対してぬれ性の高く塑性の大
きい金属、例えば銅、を用い、ロッド先端のＡ部を残
し、それ以外のＢ部にコーティングを施す。コーティン
グは流体に対してぬれ性の低い材料、例えばテフロン、
を用いる。このロッド３をシリンダー２に挿入し、シリ
ンダー２の内部に流体を入れると、流体はロッド３のう
ち、ぬれ性の高いＡ部に位置するようになる。ロッド３
をシリンダー２に対して往復動させるとき、流体は常に
ロッド３のＡ部に付着する。流体はロッド３のピストン
ヘッド１として機能する。したがって、図１において、
シリンダー２の１室２ａ内の圧力を高めると、ロッド３
が流体ピストンヘッド１とともに図示右方向へ移動す
る。作動流体４には、熱を与えると膨張する材質を用い
る。このような性質を持つ作動流体として、低沸点のも
のを用いるとよい。例えば、フロン１１３やトリクロロ
トリフルオロエタンＣＣｌ₂Ｆ−ＣＣｌＦ₂は常温で液
状化しており、熱を加えると気化し、膨張する。光ファ
イバー５から室２ａに光を照射すると、作動流体４が温
められ、膨張する。これにより、流体ピストンヘッド１
が押されて、ロッド３とともに移動する。光ファイバー
５へ与える光を遮断すると、作動流体４が冷えて収縮
し、流体ピストンヘッド１およびロッド２が元の位置ま
で戻る。

【００１２】尚、光ファイバー５により作動流体４を加
熱する場合、ロッド３の動作速度を速めるには、光を効
率良く熱に変換する必要がある。このために、作動流体
４に光−熱変換物質を混ぜてもよい。光−熱変換物質と
してはカーボンファイバーが適している。

【００１３】第１実施例において、シリンダー２の内径
を２００μｍ程度、ロッド３の直径を１００μｍ程度と
し、流体に水銀を用いた場合、０．１Ｋｇ／ｃｍ²程度
の圧力を加えても流体は外れない。

【００１４】流体ピストンヘッド１とロッド３間の結合
力、および、流体ピストンヘッド１とシリンダー２間の
結合力は流体の表面張力により得られる。よって、特
に、シリンダー２とロッド３間に機械的結合を行わなく
ても、アクチュエータが構成される。尚、流体の表面張
力が高いほど強固な結合力が得られる。

【００１５】ここで、シリンダー２の内面のぬれ性を流
体に対して低くしておくと、図３（ａ）に示すように、
流体ピストンヘッド１の形状が角をとった円柱状にな
る。この場合、流体ピストンヘッド１の図示左側と右側
の間で作動流体４が移動し易くなり、十分なシールが得
られない。これに対し、シリンダー２の内面のぬれ性を
流体に対して高くしておくと、図３（ｂ）に示すよう
に、流体がシリンダー２の内面に十分に付着し、ロッド
３とシリンダー２間の結合力が強固になり、作動流体４
のシールが確実になる。

【００１６】図４において、（Ａ）のように、シリンダ
ー２を円柱状に作成し、ロッド３を円筒状に作成し、流
体ピストンヘッド１に用いる流体として表面張力ｆが
０．４８２（Ｎ／ｍ）の水銀を使用した場合を仮定す
る。シリンダー２の内径をＤ（ｍ）、シリンダー２の内
周の断面積をＳ（ｍ²）、ロッド３の外径をｄ（ｍ）、
ロッド３の外周の長さをｌ（ｍ）、ロッド３の外周の断
面積をｓ（ｍ²）とし、図示のようにシリンダー２内に
圧力Ｐ（Ｐａ）をかけたとき、圧力による力Ｆ１は、

【００１７】

【数１】Ｆ１＝Ｓ・Ｐ＝π／４・Ｄ²・Ｐとなる。また、表面張力による結合力Ｆ２は、

【００１８】

【数２】Ｆ２＝ｆ・ｌ＝ｆ・π・ｄとなる。ここで、圧力による力Ｆ１が表面張力による結
合力Ｆ２よりも大きいと、ロッド３と流体が分離してし
まい、流体ピストンヘッド１が成り立たなくなる。そこ
で、この構成が成立する条件は、

【００１９】

【数３】Ｆ１＜Ｆ２Ｓ・Ｐ＜ｆ・ｌ１／４・Ｄ²・Ｐ＜ｆ・ｄでなければならない。また、シリンダー２の内周の断面
積はロッド３の外周の断面積よりも大きく、シリンダー
２の内径はロッド３の外径よりも大きいので、

【００２０】

【数４】Ｓ＞ｓＤ＞ｄとなる。シリンダー２内の圧力は１０ＫＰａ以上ないと
実用的でないので、Ｐ＝１０ＫＰａとし、数式３および
４をグラフに表すと図９（Ａ）のようになる。図示Ａの
領域で（Ｂ）の構成が成立する。このように、比較的表
面張力が大きい水銀を使用した場合でも、１０ＫＰａの
力をピストンに与えるには、シリンダー２の内径Ｄは約
２００μｍ以下でなければならない。また、より高い圧
力を（Ｂ）の構成に加えるには、シリンダー２の内径Ｄ
をより小さくする必要がある。上記数式３，４が成立す
るようにシリンダー外径Ｄ、ロッド内径ｄ、流体の材
質、必要な圧力Ｐを選択すればよい。尚、（Ｂ）の構成
において、シリンダー２およびロッド３を円筒、円柱状
としたが、他の形状にしても同様にして計算すればよ
い。

【００２１】図５は本発明の第２実施例である。ここで
は、第１実施例のロッド３の代わりにロッド束１２を用
いる。ロッド束１２は、図６に示すように細径のロッド
を多数本束ねた構造となっており、各ロッドの図示Ｃ部
およびＤ部に流体ピストンヘッド１０ａ，１０ｂとして
用いる流体に対してぬれ性を高くし、その他の部分はぬ
れ性を低くするよう表面処理を施してある。流体ピスト
ンヘッド１０ａ，１０ｂを構成する流体は、ロッドとロ
ッドの間、およびロッドとシリンダー８の間を表面張力
により結合し、シールを行う。ロッド束１２は端部でメ
インロッド１３と接続されており、出力はメインロッド
１３から得られる。流体ピストンヘッド１０ａ，１０ｂ
はロッド束１２の複数個所で連結し、流体ピストンヘッ
ド１０ａ，１０ｂとロッド束１２の結合力を強くする構
造としている。光ファイバー７から光を当てると作動流
体９が膨張し、流体ピストンヘッド１０ａが押されて移
動する。尚、光ファイバー７はシーラント１４によりシ
リンダー８に固定されている。流体ピストンヘッド１０
ａ，１０ｂとロッド束１２の結合力が強くなった分、大
きな出力を取り出すことが可能になる。または、形状を
大型化することができる。尚、図５，図６の第２実施例
ではロッドのＣ部とＤ部の２か所に流体ピストンヘッド
１０ａ，１０ｂを配置したが、ロッド束１２の長さ方向
において３か所以上の複数箇所にぬれ性の高い部分を配
置しても構わない。

【００２２】図７は本発明の第３実施例である。ここで
は、第１実施例（図１）の流体リニアアクチュエータを
チューブ１６内で複数本束ね、各アクチュエータのロッ
ド１７の束をメインロッド１８に接続し、出力を取り出
すようにしている。各アクチュエータの光ファイバー１
５に同時に光を点滅させることにより、各アクチュエー
タのロッド１７が同時に作動し、メインロッド１８が移
動する。本実施例では複数本のアクチュエータを束ねた
ことにより大きな力を取り出すことができる。

【００２３】図８は本発明の第４実施例である。ここで
は、流体ピストンヘッド２２として用いる流体に対し、
不溶の磁性流体２３を封入し、シリンダー２０まわりに
磁力を発する磁石を配置している。この構造において
は、流体ピストンヘッド２２が直接外部環境に曝される
ことがなく、また、作動流体２１が膨張することにより
変位した流体ピストンヘッド２２が戻るようにバイアス
効果が働く。これにより、流体ピストンヘッド２２に表
面張力の大きな水銀を用いても、水銀がアクチュエータ
外に漏れ出ることがなく、アクチュエータを生体内にお
いても安全に使用できる。また、光ファイバー１９の光
をオフにした場合、磁力によるバイアス効果により、流
体ピストンヘッド２２が直ちに初期位置に戻ることがで
きる。

【００２４】図９は本発明の第５実施例である。この実
施例ではマイクロアクチュエータを平面構造としてい
る。ロッド３２は平板状をしている。シリンダー２８は
一端が光ファイバー２７により閉じられており、流体ピ
ストンヘッド３１ａとの間に空間を形成している。この
空間内に作動流体３０が充満されている。ロッド３２
は、図１０に示すように、図示Ａ部において流体ピスト
ンヘッド３１として用いる流体に対してぬれ性を高く
し、その他の部分はぬれ性を低くするよう表面処理を施
している。また、Ａ部は図７のＢ−Ｂ断面図に示すよう
に、エッチングにより表面を凹凸構造とし、ぬれ面積を
大きくしている。Ａ部のぬれ面積を大きくすることで、
流体ピストンヘッド３１とロッド３２の結合力を強くし
ている。この第５実施例においてはマイクロアクチュエ
ータは平面構造であるため、半導体プロセスを利用した
製造が可能である。半導体プロセスを利用することでマ
イクロメカニズムを容易に作成できる。

【００２５】図１１は第５実施例のマイクロアクチュエ
ータを集積化して、アクチュエータの発生力を大きくす
る第６実施例である。ロッド３４は櫛状をしている。複
数の光ファイバー２７を同時にオン／オフしロッド３４
を駆動する。尚、この例では、複数の光ファイバー２７
の内１つの駆動機構が不良となってもロッド３４の往復
動にあまり影響しない。

【００２６】図１２はロッド３２の先端にアーム３５を
付け、マイクログリッパを構成した第７実施例である。
光ファイバー２７から光を供給すると、作動流体３０が
膨張しロッド３２が図示矢印方向に変位して、対になっ
たアーム３５が閉じる。

【００２７】図１３は本発明の第８実施例である。これ
は、シリンダー３７とロッド４１をカーブして形成した
例である。シリンダー３７の端部はシーラント３８によ
り光ファイバー３６に結合されている。光ファイバー３
６から光を供給し、作動流体３９を膨張させることによ
り流体ピストンヘッド４０が図示右上方向に移動し、ロ
ッド４１が図示反時計方向に移動する。このように、本
実施例においては簡単な構造で物体を回転駆動すること
ができる。

【００２８】図１４は本発明の第９実施例である。ロッ
ド４７の内、流体ピストンヘッド４６に対してぬれ性を
高くした部分の図示右側をＢ−Ｂ断面に示す如く、エッ
チングにより表面を凹凸構造としてぬれ面積を大きくし
ている。ロッド４７の内、流体ピストンヘッド４６に対
してぬれ性を高くした部分の図示左側は、Ａ−Ａ断面に
示す如く、表面は滑らかで、ぬれ面積は右側の部分に比
べ小さい。これにより、ロッド４７の流体ピストンヘッ
ド４６に対してぬれ性を高くした部分において、流体ピ
ストンヘッド４６に対する表面張力が右側と左側でアン
バランスとなり、図示右側での表面張力が大きくなっ
て、図示矢印方向に流体ピストンヘッド４６を引っ張る
力が働く。これにより、光ファイバー４２から光を供給
すると、作動流体４５が膨張し、流体ピストンヘッド４
６およびロッド４７が図示左方向に移動するが、光ファ
イバー４２からの光供給を遮断したとき、流体ピストン
ヘッド４６自体が図示右方向に移動して初期の位置に復
帰しようとする。このように、本実施例においてはバイ
アス効果を有しており、ロッドの移動が速やかになる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、シリンダーとロッド間に、特に機械的結合を要さ
ず、ピストンヘッドが流体により形成されるため、摺動
摩擦が少ない。また、シリンダーやロッドの表面粗さが
滑らかでなくても摺動摩擦を増加させることがない。し
たがって、マイクロアクチュエータが実現できる。

【００３０】尚、シリンダーの内面を、流体に対してぬ
れ性を高く形成すれば、よりシール性のよいマイクロア
クチュエータとなる。

【００３１】また、流体を表面張力の高い流体とするこ
とで、ピストンヘッドとロッドおよびピストンヘッドと
シリンダー間の結合力を増すことができる。結合力が強
いとより大きな力を伝達できる。

【００３２】更に、ロッドを、外周面の一部が流体に対
してぬれ性を高く形成され他の部分が流体に対してぬれ
性を低く形成された複数の線材から構成することで、結
合力を増すことができる。

【００３３】また、ロッドの外周面の１部を凹凸構造と
し、ぬれ面積を広くすることでも結合力を増すことがで
きる。

【００３４】また、流体に磁性物質を混入し、シリンダ
ー外周に磁力発生手段を配置すれば、流体に有害物質を
使用しても外部に漏れる心配が少なくなる。また、ロッ
ドを元の位置に復帰させようとするバイアス効果も得ら
れる。

【００３５】また、ロッドの濡れ性を高めた部分の一側
を凹凸構造とすると、表面張力にアンバランスが生じ、
ロッドを元の位置に復帰させようとするバイアス効果が
得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例のマイクロアクチュエータ
の断面図

【図２】図１の第１実施例のロッドの断面図

【図３】図１の第１実施例における説明図

【図４】本発明のモデルの説明図

【図５】本発明の第２実施例のマイクロアクチュエータ
の斜視部分断面図

【図６】図５の第２実施例のロッド束の斜視図

【図７】本発明の第３実施例のマイクロアクチュエータ
の斜視図

【図８】本発明の第４実施例のマイクロアクチュエータ
の斜視部分断面図

【図９】本発明の第５実施例のマイクロアクチュエータ
の斜視図

【図１０】図９の第５実施例のロッドの平面図および断
面図

【図１１】本発明の第６実施例のマイクロアクチュエー
タの断面図

【図１２】本発明の第７実施例のマイクログリッパとし
て機能するマイクロアクチュエータの断面図

【図１３】本発明の第８実施例のマイクロアクチュエー
タの断面図

【図１４】本発明の第９実施例のマイクロアクチュエー
タの断面図

【符号の説明】

１，１０ａ，１０ｂ，３１，４０，４６流体ピストン
ヘッド２，８，２０，２８，３７シリンダー２ａ室３，１７，３２，３４，３７，４１，４７ロッド４，９，２１，３０，３９，４５作動流体５，７，１５，１９，２７，３６，４２光ファイバー６，１４，３８シーラント１２ロッド束１３，１８メインロッド１６チューブ２２流体ピストンヘッド２３磁性流体３５アーム

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一端が密閉されたシリンダー、シリンダー内を往復動可能に配置されたロッド、シリンダーとロッド間に注入された流体、前記密閉された側の空間圧力を増減する圧力調整手段、
を備え、前記ロッドは、その外周面の一部が流体に対し
て濡れ性を高く形成され、他の部分が流体に対して濡れ
性を低く形成されたことを特徴とするマイクロアクチュ
エータ。
【請求項２】前記シリンダーの内面は、前記流体に対
して濡れ性を高く形成された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。
【請求項３】前記流体は表面張力の高い流体であるこ
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。
【請求項４】前記ロッドは、外周面の一部が流体に対
して濡れ性を高く形成され他の部分が流体に対して濡れ
性を低く形成された複数の線材から構成されたことを特
徴とする請求項１記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項５】前記ロッドの外周面の１部を凹凸構造と
し、濡れ面積を広くした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。
【請求項６】前記圧力調整手段は、密閉されたシリン
ダー内の空間に封入された熱膨張率の高い作動流体と、
該作動流体に熱量を与える熱供給手段を備えることを特
徴とする請求項１記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項７】前記圧力調整手段は、密閉されたシリン
ダー内の空間に封入された熱膨張率の高い作動流体と、
作動流体内に配された光−熱変換物質と、該光−熱変換
物質に光を与える発光手段を備え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。
【請求項８】前記流体は前記作動流体に対し不溶であ
ることを特徴とする請求項６または７記載のマイクロア
クチュエータ。
【請求項９】前記流体に磁性物質を混入し、シリンダ
ー外周に磁力発生手段を配置した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。
【請求項１０】前記ロッドの濡れ性を高めた部分の一
側を凹凸構造とした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。
【請求項１１】前記流体の表面張力をｆ（Ｎ／ｍ）、
シリンダーの内周の断面積をＳ（ｍ²）、ロッドの外周
の長さをｌ（ｍ）、ロッドの外周の断面積をｓ
（ｍ²）、必要圧力をＰ（Ｐａ）としたとき、Ｓ・Ｐ＜ｆ・ｌかつ、Ｓ＞ｓとした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。