JP2010172112A - 磁性光硬化樹脂で作成した回転構造体およびそれを使用した磁気駆動マイクロアクチュエータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】磁気駆動マイクロアクチュエータは、磁性光硬化樹脂を用いて光造形法によって実際に作製された回転子と、この回転子の周りに配置した電磁コイル対とから構成され、電磁コイル対で回転磁場を印加することにより回転子を回転させることを特徴としている。このアクチュエータによれば、微小流量を連続流で送液可能なマイクロスクリューポンプおよび狭所空間を移動する泳動マクロマシン等を達成することができる。
【選択図】図2
Description
引用文献1のものは微粒子を均一に分散する上で難点があるのに対し、本発明で使用する磁性光硬化樹脂は増粘剤混合により光硬化樹脂を高粘度化(流動性を悪く)することで微粒子の凝集・沈殿を抑制し、均一分散を実現しており、この樹脂は攪拌を継続的に行わなくても、均一分散を長時間維持可能である。
引用文献2のものは、磁性物体は光造形中に不規則運動させることを前提とし、補強材を攪拌することを目的としているが、本発明において使用する磁性光硬化樹脂は磁性微粒子を造形中に運動させず、完成した立体構造物自体に磁性を持たせることができる。
引用文献3のものは光硬化樹脂のはじきを改善するために磁性微粒子を混ぜているが、本発明は所定量(例えば50wt%)の磁性微粒子を混合させて構成した樹脂であり、磁性アクチュエータやセンサなどに応用することができる。
引用文献4のものは、光硬化樹脂に粉体を混ぜ剛性を増加させることで、作製時にサポートの形成を不要とすることを目的としているが、本発明は完成した立体構造物を磁性アクチュエータやセンサなどに応用するために磁性微粒子を混ぜた樹脂である。
一方で、磁性マイクロ部品を組み立てて立体マイクロマシンを作製した例はあるが、この方法は高度な技術を要するため、構造が小型化・複雑化するにつれて作製が困難になる。
本発明はこの磁性光硬化樹脂で作成した回転構造体およびそれを使用した磁気駆動マイクロアクチュエータを提供せんとするものであり、本発明によれば、作製方法にマイクロ光造形法を用いることにより、従来よりも小型でかつ精度の良い磁気駆動アクチュエータ(スクリュー型アクチュエータや泳動マイクロマシン等)を提供することができる。
磁性光硬化樹脂で作製された回転子と、この回転子を駆動させるための電磁コイルとから構成される磁気駆動マイクロアクチュエータである。
また、前記に記載の磁性光硬化樹脂は,硬磁性を有する磁性光硬化樹脂であることを特徴とする磁気駆動マイクロアクチュエータである。
また、前記に記載の磁性光硬化樹脂は,基材となる材料がアクリル系,エポキシ系,オキセタン系,ウレタン系,シリコン系等の光硬化樹脂のいずれかであり,添加される磁性微粒子が希土類微粒子,フェライト微粒子等のいずれかであり,添加される増粘剤がヒュームドシリカ,炭酸カルシウムのいずれかである磁性光硬化樹脂であることを特徴とする磁気駆動マイクロアクチュエータである。
また、前記回転子が光造形法によって作製されたことを特徴とする磁気駆動マイクロアクチュエータである。
また、前記回転子に電磁コイルによって 回転磁場を印加し、前記回転子を回転駆動させることを特徴とする磁気駆動マイクロアクチュエータである。
また、前記回転子がスクリュー形状をしていることを特徴とする磁気駆動マイクロアクチュエータである。
また、前記に記載の磁気駆動マイクロアクチュエータを用いたことを特徴とするマイクロスクリューポンプである。
また、前記マイクロスクリューポンプは、磁性光硬化樹脂を用いて光造形法によって作成されたスクリューと、このスクリューを挿入するマイクロ流路と、マイクロ流路の周囲の半径方向に配置した電磁コイル対とから構成され、電磁コイル対で回転磁場を印加することによりスクリューを回転させることを特徴とするマイクロスクリューポンプである。
また、前記記載の磁気駆動マイクロアクチュエータを用いたことを特徴とする泳動マイクロマシンである。
また、前記泳動マイクロマシンは、磁性光硬化樹脂を用いて光造形法によって作製されたスクリューと、このスクリューの周りに配置した電磁コイルとから構成され、電磁コイル対で回転磁場を印加することによりスクリューを回転させることを特徴とする泳動マイクロマシンである。
磁性光硬化樹脂と光造形法を用いて磁気駆動スクリュー型アクチュエータを作製することで,従来よりも小型なマイクロスクリューポンプを提供できる。
このマイクロスクリューポンプは以下のユニークな特徴を持っている.
1)微小流量の連続流送液
2)周波数に対する線形応答
3)粘度に依存しない流量効率
この特徴はマイクロ流体デバイスで大いに活かすことができる.例えば,精密分析用のマイクロポンプとしての利用が期待される.
磁性光硬化樹脂と光造形法を用いて磁気駆動スクリュー型マイクロ回転子を作製し、外部電磁コイルで生成した回転磁場によって回転子を駆動させることで、配線なしで駆動可能であり、かつ従来よりも小型化された泳動マイクロマシンを提供できる。このマイクロマシンは、血管の中を通って狭所空間の患部へ到達して治療する将来のマイクロサージェリロボットとして有効である。
光硬化樹脂の主成分はポリマーであるので、強磁性を示さない。磁性と光硬化性を両立した磁性光硬化樹脂は通常の光硬化性樹脂に磁性微粒子を添加することにより実現される。従来からSU−8に磁性微粒子を添加することによる感光性磁性材料はすでに開発されているが、SU−8は溶剤を使用しているため光造形法に適用することはできない。
具体的には、光硬化樹脂に所定量の磁性微粒子及び所定量の増粘材を混入し攪拌して構成したことを特徴とする磁性光硬化樹脂であり、前記光硬化樹脂は、エポキシ系樹脂であり、前記磁性微粒子は、フェライト微粒子であることを特徴とする磁性光硬化樹脂であり、さらに前記増粘剤はヒュームドシリカ、炭酸カルシウムのいずれかである磁性光硬化樹脂である。
この光硬化樹脂の粘度の増加により、微粒子は大きな粘性抵抗を受ける。この粘性抵抗は磁力による引力の抗力となるため、磁性微粒子の凝集を抑制する役割を果たす。しかも、光硬化樹脂は増粘剤を混ぜると塑性流体性を示すため,分散状態を長期間維持することもできる。
なお、この「磁性光硬化樹脂」についての詳細は本出願人が出願している特願2008−331701に記載されており、本発明はこの磁性光硬化樹脂について発明の要旨があるのではないので樹脂についてのさらなる詳細な説明は省略する。
第1実施例(スクリューポンプ)
マイクロポンプは小型で、流体を微小流量で送り出すことができる特徴から、マイクロ流体デバイス用のポンプとして用いられている。マイクロポンプには、マイクロダイアフラムポンプに代表される機械的なポンプから電気浸透流マイクロポンプのような非機械ポンプなど、その駆動原理や特徴は様々である。
作製方法に光造形法を用いることで、今までよりも小型でかつ精度の良いスクリュー型マイクロ回転子を実現可能であり、回転子と流路の壁のギャップを数十μmまで狭くすることができる。光造形法は構造物をスケーラブルに作製することが容易であり、様々な大きさのスクリュー型マイクロ回転子を作製でき、さらに形状も自由に作製できる。
図1は磁性光硬化樹脂および光造形法を用いて作成された直径0.5mm のスクリュー型マイクロ回転子の写真であり、図2は磁気駆動スクリュー型マイクロアクチュエータをもちいたマイクロスクリューポンプの駆動原理説明図であり、図3はマイクロスクリューポンプの流量特性図である。
スクリュー型マイクロ回転子3は、フェライト微粒子が50wt%添加された磁性光硬化樹脂を用いて光造形法によって実際に作製された。なお光造形法は従来公知であり、本発明の特徴でもないため詳細な説明は省略する。
以下図面を参照して第2実施例について具体的構成を説明する。
図4は磁性光硬化樹脂および光造形法を用いて作成された直径0.1mm のスクリュー型マイクロ回転子の写真、図5は泳動マイクロマシンの駆動原理説明図、図6は泳動マイクロマシンの泳動特性を示すグラフである。
図5において、5はキャピラリ、6はキャピラリ内に満たされた流体、7はスクリュー型マイクロ回転子、8はキャピラリ周囲に配置したヘルムホルツコイル対である。
このワイヤレス駆動マイクロマシンの駆動原理は様々があるが、その中で、磁力は真空中、気中、液中の様々な環境下で利用可能であり、不透明体で囲われた閉所空間でも遠隔的にエネルギー供給・制御可能である優れた特徴を持っている。
2つ目は、電磁コイルによって生成された振動もしくは回転磁場によってマイクロマシンを振動・回転させ、この振動・回転運動を機械的に推進力に変換して利用する方法である。この方法は、制御システムが複雑化するが、振動・回転運動を機械的に推進力に変換することで、比較的弱い磁場でも駆動可能であるマイクロマシンを実現できる。
本発明者等は従来よりも小型化された泳動マイクロマシンの実現を目的として、磁性光硬化樹脂および光造形法を用いて作製された磁気駆動スクリュー型マイクロ回転子と電磁コイルから成る泳動マイクロマシンの開発に成功した。
図6は、実験から得られた泳動マイクロマシンの泳動特性である。図6から、泳動マイクロマシンの速度は磁場の回転数に対して線形的に比例することが確認できる。また、磁場の回転の向きを反転させれば、反対方向へ泳動させることができる。図6より、そのときの速度は順方向のときと変わらない。
上記実施例では磁性粒子としてフェライトのみを添加しているが、当然ながら希土類微粒子も適用可能である。したがって、要求される磁化特性に合わせて微粒子を選定することができる。最終的に、この材料を光造形法に適用し、従来技術では作り得ない複雑な立体磁性構造体の作製に成功した。
なお、回転子の形状は実施例のようなスクリュー形状に限定されることはない。回転子の作製手法である光造形法は多様な立体形状を作製することができるため、マイクロスクリューポンプや泳動マイクロマシンの用途以外の磁気駆動マイクロアクチュエータも実現することができる。またスクリュー型マイクロ回転子も実施例の大きさ及び形状に限定されることはなく、要求仕様に合わせて大きさおよび形状を変えることができる。
また本発明はその精神また主要な特徴から逸脱することなく、他の色々な形で実施することができる。そのため前述の実施例は単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。更に特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。
2 流体
3 回転子
4 電磁コイル対
5 キャピラリ
6 流体
7 回転子
8 ヘルムホルツコイル対
Claims (10)
- 磁性光硬化樹脂で作製された回転子と、この回転子を駆動させるための電磁コイルとから構成される磁気駆動マイクロアクチュエータ。
- 請求項1に記載の磁性光硬化樹脂は,硬磁性を有する磁性光硬化樹脂であることを特徴とする磁気駆動マイクロアクチュエータ。
- 請求項1若しくは2に記載の磁性光硬化樹脂は,基材となる材料がアクリル系,エポキシ系,オキセタン系,ウレタン系,シリコン系等の光硬化樹脂のいずれかであり,添加される磁性微粒子が希土類微粒子,フェライト微粒子等のいずれかであり,添加される増粘剤がヒュームドシリカ,炭酸カルシウムのいずれかである磁性光硬化樹脂であることを特徴とする磁気駆動マイクロアクチュエータ。
- 前記回転子が光造形法によって作製されたことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の磁気駆動マイクロアクチュエータ。
- 前記回転子に電磁コイルによって 回転磁場を印加し、前記回転子を回転駆動させることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の磁気駆動マイクロアクチュエータ。
- 前記回転子がスクリュー形状をしていることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の磁気駆動マイクロアクチュエータ。
- 前記請求項6に記載の磁気駆動マイクロアクチュエータを用いたことを特徴とするマイクロスクリューポンプ。
- 前記マイクロスクリューポンプは、磁性光硬化樹脂を用いて光造形法によって作成されたスクリューと、このスクリューを挿入するマイクロ流路と、マイクロ流路の周囲の半径方向に配置した電磁コイル対とから構成され、電磁コイル対で回転磁場を印加することによりスクリューを回転させることを特徴とする請求項7に記載のマイクロスクリューポンプ。
- 請求項6に記載の磁気駆動マイクロアクチュエータを用いたことを特徴とする泳動マイクロマシン。
- 前記泳動マイクロマシンは、磁性光硬化樹脂を用いて光造形法によって作製されたスクリューと、このスクリューの周りに配置した電磁コイルとから構成され、電磁コイル対で回転磁場を印加することによりスクリューを回転させることを特徴とする請求項9に記載の泳動マイクロマシン。
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