JP6528553B2

JP6528553B2 - 流体制御装置

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Publication number: JP6528553B2
Application number: JP2015121813A
Authority: JP
Inventors: 村田　香苗; 香苗村田; 敬一島岡
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2015-06-17
Filing date: 2015-06-17
Publication date: 2019-06-12
Anticipated expiration: 2035-06-17
Also published as: JP2017008960A

Description

本明細書は、流体の挙動を制御する流体制御装置に関する。

特許文献１に、弾性棒材に弾性板材を接着固定した羽ばたき翼を備える羽ばたき飛行機が開示されている。この羽ばたき飛行機は、羽ばたき翼を共振周波数で強制振動させることで、流体から揚力を得て飛行する。

特開２００８−２５４７１４号公報

羽ばたき翼を共振周波数で振動させる場合、羽ばたきの周波数は共振周波数の近傍で固定する必要があり、大幅に変更ができない。また、羽ばたきの振幅は、共振を利用しているため、所望の振幅に調整することが困難である。さらに、羽ばたきの周波数を変化させると、羽ばたきの振幅も同時に変化してしまう。このため、上記のような羽ばたき翼において、流体から受ける揚力を細かく制御することは難しい。複数の羽ばたき翼を用いて飛行する場合、製造ばらつきにより、共振周波数が揃わなかったり、振幅が揃わなかったりする場合がある。このような場合に、上記のような羽ばたき翼では、それぞれの羽ばたき翼の揚力を細かく制御することが難しいため、安定した飛行を実現することが困難である。羽ばたき翼の周りの流体の挙動を制御することができれば、それぞれの羽ばたき翼が流体から受ける揚力を細かく調整することが可能となり、安定した飛行を実現することが可能となる。

本明細書では、上記の課題を解決する。本明細書では、流体の挙動を制御することが可能な技術を提供する。

本明細書は、流体の挙動を制御する流体制御装置を開示する。その流体制御装置は、複数のビームと、前記複数のビームの間隔を調整するビーム間隔調整機構を備えている。

流体の挙動は、レイノルズ数に応じて変化する。そこで、上記の流体制御装置では、ビームの間隔を変化させることで、ビームの周りを流れる流体のレイノルズ数を変化させて、それによってビームの周りを流れる流体の挙動を制御する。例えば、ビームの間隔を小さくすると、ビームの周りを流れる流体のレイノルズ数は小さくなる。レイノルズ数が１０以下になると、あたかもビームの間に膜が張られているかのように、流体はビームの間を通り抜けることができなくなる。逆に、ビームの間隔を大きくすると、ビームの周りを流れる流体のレイノルズ数は大きくなる。レイノルズ数が１００以上になると、流体はビームの間を通り抜けることが可能となる。流体のレイノルズ数Ｒ_ｅは、ビームに対する流体の相対速度をＶ、ビームの間隔をＬ_Ｇ、流体の動粘性係数をνとしたときに、Ｒ_ｅ＝Ｖ×Ｌ_Ｇ／νで与えられる。例えば、ビームに対する流体の相対速度をＶ＝３．１ｍ／ｓ、流体の動粘性係数をν＝１．５×１０^−５ｍ^２／ｓと仮定すると、ビームの間隔を４８μｍ〜４８０μｍの範囲で変化させることで、レイノルズ数を１０〜１００の範囲で変化させることができる。このように、上記の流体制御装置では、ビームの間隔を変化させることで、ビームの周りを流れる流体のレイノルズ数を変化させて、それによってビームの周りを流れる流体の挙動を制御する。

上記の流体制御装置は、例えば羽ばたき翼に適用することができる。複数のビームを羽ばたき翼として利用する場合、羽ばたき翼の周りを流れる流体の挙動を制御することで、羽ばたき翼が流体から受ける力を高精度に制御することが可能となる。これによって、羽ばたき翼による安定した飛行が可能となる。また、高度な飛行制御を実現することができる。

あるいは、上記の流体制御装置は、例えばプロペラ翼に適用することができる。複数のビームをプロペラ翼として利用する場合、プロペラ翼の周りを流れる流体の挙動を制御することで、プロペラ翼の回転数を変化させずに、プロペラ翼が流体から受ける力を調整することができる。

あるいは、上記の流体制御装置は、例えば流体が流れる流路の弁に適用することができる。複数のビームを弁体として使用する場合、弁体の周りを流れる流体の挙動を制御することで、流体の流路の開閉を制御することができる。

上記の流体制御装置は、前記複数のビームが、基準面に沿って配置されており、前記ビーム間隔調整機構が、前記複数のビームを前記基準面に沿う方向に相対変位させることで、前記複数のビームの間隔を調整するように構成することができる。

あるいは、上記の流体制御装置は、前記複数のビームが、基準面に沿って配置されており、前記ビーム間隔調整機構が、前記複数のビームを前記基準面に垂直な方向に相対変位させることで、前記複数のビームの間隔を調整するように構成することができる。

実施例１の流体制御装置２の概略の構成を示す斜視図である。実施例１の流体制御装置２の概略の構成を示す上面図である。実施例１の流体制御装置２の動作の例を示す上面図である。実施例１の流体制御装置２の動作の別の例を示す上面図である。実施例１の流体制御装置２の製造プロセスを説明する断面図である。実施例１の流体制御装置２の製造プロセスを説明する断面図である。実施例１の流体制御装置２の製造プロセスを説明する断面図である。実施例１の流体制御装置２の製造プロセスを説明する断面図である。実施例１の流体制御装置２の製造プロセスを説明する断面図である。実施例１の流体制御装置２の製造プロセスを説明する断面図である。実施例１の流体制御装置２の製造プロセスを説明する断面図である。実施例２の流体制御装置２２の概略の構成を示す上面図である。実施例２の流体制御装置２２の製造プロセスを説明する断面図である。実施例２の流体制御装置２２の製造プロセスを説明する断面図である。実施例２の流体制御装置２２の製造プロセスを説明する断面図である。実施例２の流体制御装置２２の製造プロセスを説明する断面図である。実施例２の流体制御装置２２の製造プロセスを説明する断面図である。実施例２の流体制御装置２２の製造プロセスを説明する断面図である。実施例２の流体制御装置２２の製造プロセスを説明する断面図である。実施例３の流体制御装置３２の概略の構成を示す上面図である。変形例のビーム４の概略の構成を示す斜視図である。変形例のビーム４ａ、４ｂの配置の例を示す上面図である。変形例のビーム４ａ、４ｂの配置の別の例を示す上面図である。変形例のビーム４ａ、４ｂの配置のさらに別の例を示す上面図である。変形例のビーム間隔調整機構４４の概略の構成を示す斜視図である。変形例のビーム間隔調整機構４４におけるビーム４の一部４’の動作の例を示す側面図である。変形例のビーム間隔調整機構４４におけるビーム４の一部４’の動作の別の例を示す側面図である。

（実施例１）
図１は、本実施例の流体制御装置２の構成を模式的に示している。流体制御装置２は、複数のビーム４と、ビーム間隔調整機構６を備えている。本実施例の流体制御装置２は、ＭＥＭＳ製造技術を利用して製造される。

複数のビーム４は、例えばレジストなどの樹脂や、シリコンや、金属などで形成することができる。本実施例では、複数のビーム４は、基準面内で互いに平行に伸びている。本実施例では、複数のビーム４は、それぞれ同じ形状を有しており、長さは１ｍｍであり、幅および厚さは５μｍである。また、本実施例では、通常時の複数のビーム４の中心軸間の間隔は、５００μｍである。本実施例では、複数のビーム４の本数は５本である。しかしながら、複数のビーム４の本数は、５本に限定されない。

ビーム間隔調整機構６は、複数の導電剛性部８と、複数の絶縁弾性部１０を備えている。複数の導電剛性部８は、導電性を有しており、絶縁弾性部１０に比べて高い剛性を備えている。複数の導電剛性部８は、例えば金属で構成されていてもよいし、周囲を金属で覆われた樹脂等の絶縁体で構成されていてもよい。本実施例では、複数の導電剛性部８は、複数のビーム４の一端の周囲を金属で覆うことによって形成されている。複数の導電剛性部８は、複数のビーム４に対応して設けられている。本実施例では、複数のビーム４のそれぞれは、対応する導電剛性部８によって片持ち支持されている。複数の絶縁弾性部１０は、絶縁性であって、導電剛性部８に比べて低い剛性を備えている。複数の絶縁弾性部１０は、例えばＰＤＭＳ、ポリイミド等のレジストといった樹脂によって構成されている。絶縁弾性部１０は、隣接する導電剛性部８の間に配置されており、隣接する導電剛性部８を機械的に接続している。絶縁弾性部１０が介在することによって、隣接する導電剛性部８は互いに絶縁されている。図１に示すように、導電剛性部８と絶縁弾性部１０は交互に配置されている。

図２に示すように、複数の導電剛性部８には、対応する電圧生成部１２がそれぞれ接続されている。それぞれの電圧生成部１２は、対応する導電剛性部８に、電圧を印加する。それぞれの電圧生成部１２が対応する導電剛性部８に電圧を印加し、隣接する導電剛性部８の間に電位差を生じさせることによって、隣接する導電剛性部８の間に静電引力が作用する。その結果、図３、図４に示すように、隣接する導電剛性部８の間に介在する絶縁弾性部１０が弾性圧縮して、基準面内でビーム４が互いに相対変位し、ビーム４の間隔が変化する。図３に示す例では、図の左から１つめのビーム４と２つめのビーム４の間隔と、図の左から２つめのビーム４と３つめのビーム４の間隔を狭くした状態を示している。図４に示す例では、図の左から１つめのビーム４と２つめのビーム４の間隔と、図の左から３つめのビーム４と４つめのビーム４の間隔を狭くした状態を示している。このように、本実施例の流体制御装置２では、ビーム４の間隔を、個別に調整することができる。

本実施例の流体制御装置２は、ビーム４の間隔を変化させることで、ビーム４の周りを流れる流体のレイノルズ数を変化させて、それによってビーム４の周りを流れる流体の挙動を制御する。例えば、ビーム４の間隔を小さくすると、ビーム４の周りを流れる流体のレイノルズ数は小さくなる。レイノルズ数が１０以下になると、あたかもビーム４の間に膜が張られているかのように、流体はビーム４の間を通り抜けることができなくなる。逆に、ビーム４の間隔を大きくすると、ビーム４の周りを流れる流体のレイノルズ数は大きくなる。レイノルズ数が１００以上になると、流体はビーム４の間を通り抜けることが可能となる。流体のレイノルズ数Ｒ_ｅは、ビーム４に対する流体の相対速度をＶ、ビーム４の間隔をＬ_Ｇ、流体の動粘性係数をνとしたときに、Ｒ_ｅ＝Ｖ×Ｌ_Ｇ／νで与えられる。そこで、本実施例の流体制御装置２では、ビーム４に対する流体の相対速度をＶ＝３．１ｍ／ｓ、流体の動粘性係数をν＝１．５×１０^−５ｍ^２／ｓと仮定して、ビーム４の間隔を４８μｍ〜４８０μｍの範囲で変化させることで、レイノルズ数を１０〜１００の範囲で変化させて、周りを流れる流体の挙動を制御することができる。

例えば、流体制御装置２は、羽ばたき翼に適用することができる。複数のビーム４を羽ばたき翼として利用する場合、羽ばたき翼の周りを流れる流体の挙動を制御することで、羽ばたき翼が流体から受ける力を高精度に制御することが可能となる。これによって、羽ばたき翼による安定した飛行が可能となる。また、高度な飛行制御を実現することができる。

あるいは、流体制御装置２は、プロペラ翼に適用することができる。複数のビーム４をプロペラ翼として利用する場合、プロペラ翼の周りを流れる流体の挙動を制御することで、プロペラ翼の回転数を変化させずに、プロペラ翼が流体から受ける力を調整することができる。

あるいは、流体制御装置２は、流体が流れる流路の弁に適用することができる。複数のビーム４を弁体として使用する場合、弁体の周りを流れる流体の挙動を制御することで、流体の流路の開閉を制御することができる。

以下では図５−図１１を参照しながら、流体制御装置２の製造方法について説明する。なお、図５−図１１の断面図は、ビーム間隔調整機構６の長手方向に沿う断面に相当する。

まず、図５に示すように、支持用のシリコンウェハ１００の表面に、ビーム４を構成する材料であるレジスト１０２を塗布する。

次いで、図６に示すように、フォトリソグラフィによって、シリコンウェハ１００の表面のレジスト１０２を選択的に除去する。これによって、ビーム４が形成される。

次いで、図７に示すように、シリコンウェハ１００の表面に、金属膜１０４を蒸着させる。これによって、ビーム４の一端が金属膜１０４で覆われる。

次いで、図８に示すように、シリコンウェハ１００の表面の金属膜１０４をパターニングする。これによって、導電剛性部８が形成される。

次いで、図９に示すように、シリコンウェハ１００の表面に、絶縁弾性部１０を構成する材料であるレジスト１０６を塗布する。

次いで、図１０に示すように、シリコンウェハ１００の表面のレジスト１０６をパターニングして、研磨する。これによって、絶縁弾性部１０が形成される。

次いで、図１１に示すように、シリコンウェハ１００からリリースすることで、流体制御装置２を得ることができる。

（実施例２）
図１２に示すように、本実施例の流体制御装置２２は、実施例１の流体制御装置２とほぼ同様の構成を備えている。本実施例の流体制御装置２２では、隣接する導電剛性部８の間に、絶縁弾性部１０の代わりに、圧電素子部２４が配置されている。圧電素子部２４は、圧電素子から構成されている。

本実施例の流体制御装置２２では、それぞれの電圧生成部１２が対応する導電剛性部８に電圧を印加し、隣接する導電剛性部８の間に電位差を生じさせることによって、圧電素子部２４が伸縮する。その結果、基準面内でビーム４が互いに相対変位して、ビーム４の間隔を個別に調整することができる。

以下では図１３−図１９を参照しながら、流体制御装置２の製造方法について説明する。なお、図１３−図１９の断面図は、ビーム間隔調整機構６の長手方向に沿う断面に相当する。

まず、図１３に示すように、支持用のシリコンウェハ１００の表面に、ビーム４を構成する材料であるレジスト１０２を塗布する。

次いで、図１４に示すように、フォトリソグラフィによって、シリコンウェハ１００の表面のレジスト１０２を選択的に除去する。これによって、ビーム４が形成される。

次いで、図１５に示すように、シリコンウェハ１００の表面に、金属膜１０４を蒸着させる。これによって、ビーム４の一端が金属膜１０４で覆われる。

次いで、図１６に示すように、シリコンウェハ１００の表面の金属膜１０４をパターニングする。これによって、導電剛性部８が形成される。

次いで、図１７に示すように、シリコンウェハ１００の表面に、圧電素子部２４を構成する材料である圧電膜１１０を塗布する。

次いで、図１８に示すように、シリコンウェハ１００の表面の圧電膜１１０をパターニングして、研磨する。これによって、圧電素子部２４が形成される。

次いで、図１９に示すように、シリコンウェハ１００からリリースすることで、流体制御装置２２を得ることができる。

（実施例３）
図２０に示すように、本実施例の流体制御装置３２は、複数のビーム４と、ビーム間隔調整機構３４を備えている。

複数のビーム４については、実施例１の流体制御装置２や、実施例２の流体制御装置２２と同様のため、説明を省略する。

ビーム間隔調整機構３４は、複数の電極部３６と、複数の支持部３８と、基部４０を備えている。複数の電極部３６は、導電性を有している。複数の電極部３６は、例えば金属で構成されていてもよいし、周囲を金属で覆われた樹脂等の絶縁体で構成されていてもよい。本実施例では、複数の電極部３６は、複数のビーム４の中間の部分の周囲を金属で覆うことによって形成されている。複数の電極部３６は、複数のビーム４に対応して設けられている。複数の支持部３８は、絶縁性である。複数の支持部３８は、例えば樹脂等によって構成されている。複数の支持部３８は、複数の電極部３６と基部４０の間を機械的に接続している。基部４０は、例えば金属で構成されていてもよいし、樹脂で構成されていてもよい。

複数の電極部３６には、対応する電圧生成部１２がそれぞれ接続されている。それぞれの電圧生成部１２は、対応する電極部３６に、電圧を印加する。それぞれの電圧生成部１２が対応する電極部３６に電圧を印加し、隣接する電極部３６の間に電位差を生じさせることによって、隣接する電極部３６の間に静電引力が作用する。その結果、電極部３６と基部４０の間に介在する支持部３８が撓んで、基準面内でビーム４が互いに相対変位して、ビーム４の間隔が変化する。このように、本実施例の流体制御装置３２では、ビーム４の間隔を、個別に調整することができる。

（実施例１−３の変形例）
上記の各実施例において、複数のビーム４に、図２１に示すようなリブ４２を形成することができる。このような構成とすることによって、それぞれのビーム４の剛性を高めて、流体から受ける力によってビーム４が撓んで、ビーム４の間隔が変化してしまうことを防ぐことができる。

上記の各実施例において、複数のビーム４は、種々の態様で配置させることができる。例えば、図２２に示すように、実施例１と同様の流体制御装置２ａ、２ｂを、複数のビーム４ａ、４ｂが逆方向に向けて伸びるように配置してもよい。この場合、複数のビーム４ａの基準面と、複数のビーム４ｂの基準面は、同一の面となってもよいし、平行な２つの面となってもよい。複数のビーム４ａ、４ｂは、それぞれ間隔を個別に調整することができる。なお、複数のビーム４ａは均一な間隔としてもよいし、不均一な間隔としてもよい。同様に、複数のビーム４ｂは均一な間隔としてもよいし、不均一な間隔としてもよい。

あるいは、図２３に示すように、実施例１と同様の流体制御装置２ａ、２ｂを、複数のビーム４ａ、４ｂが互いに交差するように配置してもよい。この場合、複数のビーム４ａの基準面と、複数のビーム４ｂの基準面は、同一の面となってもよいし、平行な２つの面となってもよい。複数のビーム４ａ、４ｂは、それぞれ間隔を個別に調整することができる。なお、複数のビーム４ａは均一な間隔としてもよいし、不均一な間隔としてもよい。同様に、複数のビーム４ｂは均一な間隔としてもよいし、不均一な間隔としてもよい。

あるいは、図２４に示すように、実施例１と同様の流体制御装置２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを配置してもよい。図２４に示す例では、流体制御装置２ａ、２ｂは、複数のビーム４ａ、４ｂが互いに交差するように配置されている。また、流体制御装置２ａ、２ｃは、複数のビーム４ａ、４ｃが逆方向に向けて伸びるように配置されている。さらに、流体制御装置２ｂ、２ｄは、複数のビーム４ｂ、４ｄが逆方向に向けて伸びるように配置されている。この場合、複数のビーム４ａの基準面と、複数のビーム４ｂの基準面と、複数のビーム４ｃの基準面と、複数のビーム４ｄの基準面は、同一の面となってもよいし、平行な異なる面となってもよい。複数のビーム４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは、それぞれ間隔を個別に調整することができる。なお、複数のビーム４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは、それぞれ、均一な間隔としてもよいし、不均一な間隔としてもよい。

上記の各実施例では、複数のビーム４が互いに基準面内で相対変位することによって、複数のビーム４の間隔を調整する構成について説明した。これとは異なり、例えば図２５に示すように、複数のビーム４の一部４’が複数のビーム４の残部４’’に対して、基準面外に相対変位することによって、複数のビーム４の間隔を調整する構成としてもよい。図２５に示す構成では、複数のビーム４の一部４’と、複数のビーム４の残部４’’は、交互に隣接して配置されている。

図２５の構成においては、ビーム間隔調整機構４４は、複数の電極部４６と、複数の圧電素子部４８と、基部５０を備えている。複数の電極部４６は、導電性を有している。複数の電極部４６は、例えば金属で構成されていてもよいし、周囲を金属で覆われた樹脂等の絶縁体で構成されていてもよい。本実施例では、複数の電極部４６は、複数のビーム４の一端の周囲を金属で覆うことによって形成されている。複数の電極部４６は、複数のビーム４に対応して設けられている。本実施例では、複数のビーム４のそれぞれは、対応する電極部４６によって片持ち支持されている。複数の圧電素子部４８は、圧電素子から構成されている。複数の圧電素子部４８は、複数のビーム４の一部４’の電極部４６に対応して設けられている。基部５０は、導電性を有している。基部５０は、例えば金属で構成されていてもよいし、周囲を金属で覆われた樹脂等の絶縁体で構成されていてもよい。複数のビーム４の一部４’のそれぞれの電極部４６は、圧電素子部４８を介して、基部５０に支持されている。複数のビーム４の残部４’’のそれぞれの電極部４６は、基部５０に直接的に支持されている。複数のビーム４の残部４’’の電極部４６は、基部５０と同電位に保たれる。

図２６、図２７に示すように、複数のビーム４の一部４’のそれぞれの電極部４６には、対応する電圧生成部５２がそれぞれ接続されている。それぞれの電圧生成部５２が対応する電極部４６に電圧を印加し、基部５０と電極部４６の間で電位差を生じさせることによって、圧電素子部４８が変形する。その結果、複数のビーム４の一部４’が複数のビーム４の残部４’’に対して、基準面外に相対変位して、複数のビーム４の間隔を個別に調整することができる。図２６では、圧電素子部４８の変形によって、複数のビーム４の一部４’が複数のビーム４の残部４’’に対して平行な姿勢を維持したまま、基準面外に相対変位する場合を示している。図２７では、圧電素子部４８の変形によって、複数のビーム４の一部４’が複数のビーム４の残部４’’に対して異なる角度の姿勢となって、基準面外に相対変位する場合を示している。いずれの場合についても、複数のビーム４の間隔を、個別に調整することができる。

なお、図２５では、複数のビーム４の一部４’と複数のビーム４の残部４’’が、１本ずつ交互に配置されている構成を図示しているが、複数のビーム４の一部４’と複数のビーム４の残部４’’が、異なる本数で交互に配置されていてもよい。例えば、複数のビーム４の一部４’の２本と、複数のビーム４の残部４’’の１本が、交互に配置されていてもよい。あるいは、複数のビーム４の一部４’と複数のビーム４の残部４’’は、必ずしも交互に配置されていなくてもよい。例えば、複数のビーム４の一部４’と複数のビーム４の残部４’’を、不規則に配置してもよいし、複数のビーム４の一部４’（または複数のビーム４の残部４’’）を部分的に集中して配置してもよい。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：流体制御装置
２ａ：流体制御装置
２ｂ：流体制御装置
２ｃ：流体制御装置
２ｄ：流体制御装置
４：ビーム
４ａ：ビーム
４ｂ：ビーム
４ｃ：ビーム
４ｄ：ビーム
４’ ：ビームの一部
４’’ ：ビームの残部
６：ビーム間隔調整機構
８：導電剛性部
１０：絶縁弾性部
１２：電圧生成部
２２：流体制御装置
２４：圧電素子部
３２：流体制御装置
３４：ビーム間隔調整機構
３６：電極部
３８：支持部
４０：基部
４２：リブ
４４：ビーム間隔調整機構４４
４６：電極部
４８：圧電素子部
５０：基部
５２：電圧生成部
１００：シリコンウェハ
１０２：レジスト
１０４：金属膜
１０６：レジスト
１１０：圧電膜

Claims

流体の挙動を制御する流体制御装置であって、
複数のビームと、
前記複数のビームの間隔を調整するビーム間隔調整機構を備えており、
前記複数のビームの間隔を変化させることで、前記流体が前記複数のビームの間を通り抜けることができる状態と、前記流体が前記複数のビームの間を通り抜けることができない状態の間で切り替え可能である、流体制御装置。
前記複数のビームが、基準面に沿って配置されており、
前記ビーム間隔調整機構が、前記複数のビームを前記基準面に沿う方向に相対変位させ
ることで、前記複数のビームの間隔を調整する、請求項１の流体制御装置。
前記複数のビームが、基準面に沿って配置されており、
前記ビーム間隔調整機構が、前記複数のビームを前記基準面に垂直な方向に相対変位さ
せることで、前記複数のビームの間隔を調整する、請求項１または２の流体制御装置。