JPH03173372A - Movable mechanical micromechanism and driving method thereof - Google Patents

Movable mechanical micromechanism and driving method thereof

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JPH03173372A
JPH03173372A JP31233489A JP31233489A JPH03173372A JP H03173372 A JPH03173372 A JP H03173372A JP 31233489 A JP31233489 A JP 31233489A JP 31233489 A JP31233489 A JP 31233489A JP H03173372 A JPH03173372 A JP H03173372A
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Abstract

PURPOSE:To make a motion control precise and efficient by moving a movable mechanical microelement with an applied force and controlling a fluidic flow with a fluidic control device. CONSTITUTION:A movable mechanically configured micromechanism comprises a fluidic control device 100 and a movable mechanical microelement provided with a shaft 2 having as cap 4 and a rotor 1. The rotor 1 rotates around the shaft 2 via the fluidic control device 100 according to the fluidic flow flowing into the movable mechanical micromechanism. The fluidic control device 100 controls the fluidic flow and amplifies the differential pressure between output tubes 15 and 16 of a final stage in comparison with the one between input tubes 13 and 14 of an initial stage. Also, it is possible to integrate the fluidic control device 100 on a semiconductor substrate and control a fluid, and then the movable mechanical microelement can be controlled efficiently.

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は微小可動機械機構に関し、特に医療用のロボッ
トのアクチュエータに利用されるとき、細胞等の微小な
物体を分離融合除去するのに用いられる。
Detailed Description of the Invention (Field of Industrial Application) The present invention relates to a micro movable mechanical mechanism, and particularly when used as an actuator for a medical robot, it is used to separate, fuse and remove microscopic objects such as cells. It will be done.

(従来の技術) 近年、医療の分野で患者の生体内部に器具を直接差し込
んで患部の検査をしたり治療をしたりする方法が研究さ
れている。このとき、生体の寸法が小さいため挿入する
器具を小さくすることと細胞の大きさと同程度の精度で
挿入器具を動かすことが必要である。近年の半導体セン
サの急激な発展により、医療用の微小なセンサの作製が
可能になりつつある一方で、挿入器具を動かす精密なア
クチュエータの微小化が遅れており、これが医療の進歩
を阻害していた。しかし、二手はど前にシリコンの表面
マイクロマシーニング技術を利用してシリコン基板表面
上に可動機械部品を互いに結合するジヨイントが作れる
ことが発表されて以来、ポリシリコンから成る歯車、バ
ネ、スライダーおよびマイクロ鋏等の可動機械要素が試
作された。
(Prior Art) In recent years, research has been conducted in the medical field on methods of directly inserting instruments into the living body of a patient to examine and treat affected areas. At this time, since the size of the living body is small, it is necessary to make the inserted instrument small and to move the insertion instrument with precision comparable to the size of the cell. While the rapid development of semiconductor sensors in recent years has made it possible to create microscopic sensors for medical use, the miniaturization of precise actuators that move insertion instruments has lagged behind, and this is hindering medical progress. Ta. However, since it was announced that silicon surface micromachining technology could be used to create joints for joining moving mechanical parts together on the surface of silicon substrates, gears, springs, sliders, and Movable mechanical elements such as micro-scissors were prototyped.

特にインターナショナルエレクトロンデバイスミーティ
ング予稿集(Technical Dijest of
International Electron De
vices Meeting ’88 (IEDM”8
8))の666頁から669頁に記載されたエル・ニス
・ファン(L、 S、 Fan)等によるr IC−P
rocessed ElectrostaticMic
ro−motors Jにおいて、10011m程度の
直径とlpm程度の厚さを持つ微小なポリシリコンマイ
クロステップモータの試作が記述され、現実に静電力に
より500rpm程度の速さで回転することが確かめら
れたことは注目に値する。この結果、医療用の微小な精
密アクチュエータの開発がマイクロモータを含む前述の
可動機械要素を利用して前進するのではないかと期待さ
れるようになった。
In particular, the International Electron Device Meeting Proceedings (Technical Digest of
International Electron De
vices Meeting '88 (IEDM"8
r IC-P by L, S, Fan et al., described on pages 666 to 669 of 8))
rocessed ElectrostaticMic
In ro-motors J, a prototype of a tiny polysilicon microstep motor with a diameter of about 10011 m and a thickness of about lpm was described, and it was confirmed that it actually rotated at a speed of about 500 rpm due to electrostatic force. is noteworthy. As a result, it is expected that the development of minute precision actuators for medical use will advance by utilizing the aforementioned movable mechanical elements, including micromotors.

第4図(a)および(b)に先に引用したり、 S、 
Fan等が試作したポリシリコンステップモータの上面
図と断面図を示す。このマイクロモータは回転するロー
タ1とロータ1が外れることを防ぐためにロータ1の中
心側を上面から覆うキャップ4をもつシャフト2とロー
タ1の外部に位置してロータ1に静電力を印加するステ
ータ3の3つの要素から構成される。同図に明らかなよ
うに、シャフト2とステータ3が絶縁膜5を介してシリ
コン基板6に固定されているのに対して、ロータ1はシ
リコン基板6から自由であり、シャフト2のまわりに回
転することができる。ロータ1とステータ3の間にお互
いに反対符号の電圧を加えるとき、静電力によりロータ
1がステータ3E9き付けられる。互いに180度反対
側に位置する二つのステータに同位相の電圧を印加し、
同図に示すように、の1.■2.の3と順次位相を回転
させるとき、ロータ1もそれに従って回転する。なお、
ステータに印加する位相の回転の向きを反対にすること
によりロータlの回転を反対にすることができる。
As previously cited in Figures 4(a) and (b),
A top view and a cross-sectional view of a polysilicon step motor prototyped by Fan et al. are shown. This micromotor consists of a rotating rotor 1, a shaft 2 with a cap 4 that covers the center side of the rotor 1 from above to prevent the rotor 1 from coming off, and a stator that is located outside the rotor 1 and applies electrostatic force to the rotor 1. It is composed of three elements. As is clear from the figure, the shaft 2 and stator 3 are fixed to the silicon substrate 6 via the insulating film 5, whereas the rotor 1 is free from the silicon substrate 6 and rotates around the shaft 2. can do. When voltages of opposite signs are applied between the rotor 1 and the stator 3, the rotor 1 is attracted to the stator 3E9 by electrostatic force. Applying voltages of the same phase to two stators located 180 degrees opposite each other,
As shown in the figure, 1. ■2. 3, the rotor 1 also rotates accordingly. In addition,
The rotation of the rotor l can be reversed by reversing the direction of rotation of the phase applied to the stator.

ポリシリコン可動機械要素はシリコンICプロセスで作
製することが可能であるため、同一シリコ基板上に形の
異なる機械要素をフォトリソグラフィを用いて一度に作
製することができ、さらに個々の部品を既に組み立てた
形で作製することにより従来の機械部品のように組み立
て工数を必要としないという長所が付加され、今後の発
展が期待される。
Since polysilicon movable mechanical elements can be fabricated using a silicon IC process, mechanical elements with different shapes can be fabricated at the same time on the same silicon substrate using photolithography, and individual parts can be already assembled. By manufacturing it in this way, it has the added advantage of not requiring assembly man-hours like conventional mechanical parts, and is expected to develop in the future.

(発明が解決しようとする課題) しかし、これら微小可動機械要素は、先のマイクロステ
ップモータに例示したように従来静電力のみで駆動して
いたために、以下の問題点が生じた。
(Problems to be Solved by the Invention) However, since these minute movable mechanical elements have conventionally been driven only by electrostatic force as exemplified by the microstep motor described above, the following problems have arisen.

(1)静電力は、クーロンの法則として良く知られてい
るように作用する物体の距離の二乗に逆比例する。この
ため、距離が小さくなるに従ってますます静電力が大き
くなる。一方、外部から互いに符号の異なる電圧を印加
することによって生じた静電力はただ引き合う方向にの
み作用するから、もし静電力以外に力がない場合可動機
械要素の固定されていない部分(マイクロモータの場合
ロータ)は固定されている部分(ステータ)にくっつい
てしまうことが起こる。運動する物体が固定した物体と
接触しながら運動する状態は接触面での摩擦が大きいた
め機械の損傷が生じたりエネルギーの効率が悪くなるこ
と等から避けなければいけない。しかし、先に述べたよ
うに静電力だけでは互いに作用する物体に接触しないで
運動を続けることは力学的にとても不安定であり、力学
的平衡をとりながらなお摩擦を小さくする工夫を必要と
した。
(1) Electrostatic force is inversely proportional to the square of the distance between the objects acting on it, as is well known as Coulomb's law. Therefore, as the distance becomes smaller, the electrostatic force becomes larger. On the other hand, since the electrostatic force generated by applying voltages of different signs from the outside acts only in the direction of attraction, if there is no force other than the electrostatic force, the unfixed part of the movable mechanical element (micromotor) In some cases, the rotor) may stick to a fixed part (stator). A situation in which a moving object moves while in contact with a fixed object must be avoided because the friction on the contact surface is large, causing damage to the machine and poor energy efficiency. However, as mentioned earlier, it is mechanically very unstable to continue moving without contacting objects that interact with each other using electrostatic force alone, so it was necessary to find a way to reduce friction while maintaining mechanical equilibrium. .

(2)さらに、静電力は互いに作用する物体の電荷量の
積に比例する。外部から電圧を印加するときにはこの電
荷量は物体の互いに対抗する面の断面積に比例する。第
4図の場合には、同図(b)に示すロータ1とステータ
3の対抗する面の断面積に対応する。この例に明らかな
ように、ポリシリコンの膜の厚さが薄いため(lpm程
度)、非常に小さな断面積となっている。従って、充分
な静電力を得るために大きな電圧を加える必要があった
。事実、先の例では、マイクロモータを動かすのに20
0Vから350Vもの電圧が必要であったことが報告さ
れている。この電圧は、通常のICで用いられているI
OV程度の電圧に比べて非常に大きく、もしこのモータ
を駆動しようとするとき通常の電源の他に外電用のコイ
ルを必要とするため全体の装置が大きくなるという欠点
があった。
(2) Furthermore, electrostatic force is proportional to the product of the charges of objects that interact with each other. When a voltage is applied from the outside, the amount of charge is proportional to the cross-sectional area of opposing surfaces of the object. In the case of FIG. 4, this corresponds to the cross-sectional area of the opposing surfaces of the rotor 1 and stator 3 shown in FIG. 4(b). As is clear from this example, since the polysilicon film is thin (about lpm), the cross-sectional area is extremely small. Therefore, it was necessary to apply a large voltage to obtain sufficient electrostatic force. In fact, in the previous example, it takes 20
It has been reported that voltages ranging from 0V to 350V were required. This voltage is I
This is very large compared to the voltage of about OV, and if you try to drive this motor, you will need an external power coil in addition to the normal power supply, which has the disadvantage that the entire device will be large.

(3)電圧が印加されるロータやステータ等の機構部品
はシリコン基板上に作製され、通常第4図に示すように
絶縁膜5によりシリコン基板6から電気的に絶縁されて
いる。しかし、実際にはシリコン基板および絶縁膜は抵
抗が無限大ではなく有限であることに注意しなければい
けない。その結果、微小可動機械機構内の力学的平衡を
支配する電気力線がデバイス全体の構造に依存して複雑
なものとなり、機械機構の運動の解析が複雑になる。さ
らに、絶縁膜は大きな誘電率をもっているため、使用す
る絶縁膜の種類および構造により電気力線が変化するこ
ともこのデバイスの構造の最適化を困難にする要素であ
る。
(3) Mechanical parts such as a rotor and a stator to which a voltage is applied are fabricated on a silicon substrate, and are usually electrically insulated from the silicon substrate 6 by an insulating film 5 as shown in FIG. However, it must be noted that in reality, the resistance of the silicon substrate and the insulating film is not infinite but finite. As a result, the lines of electric force that govern the mechanical equilibrium within the micro-movable mechanical mechanism become complex depending on the structure of the entire device, making analysis of the motion of the mechanical mechanism complicated. Furthermore, since the insulating film has a large dielectric constant, the lines of electric force change depending on the type and structure of the insulating film used, which is another factor that makes it difficult to optimize the structure of this device.

以上の困難はいずれも静電力のみにより微小可動機械機
構の運動を制御しようとすることから来る問題であり、
これを解決する新しいデバイスの構造及び駆動方法が切
に望まれていた。
All of the above-mentioned difficulties arise from trying to control the motion of minute movable mechanical mechanisms only by electrostatic force.
A new device structure and driving method that solves this problem has been desperately desired.

本発明の目的は、上記従来技術の欠点を除去し、半導体
基板に作製された微小可動機械要素を精密に効率良く運
動制御する新しい構造と駆動方法とを提供することにあ
る。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to eliminate the drawbacks of the prior art described above and to provide a new structure and driving method for precisely and efficiently controlling the movement of minute movable mechanical elements fabricated on a semiconductor substrate.

(課題を解決するための手段) 本願第1の発明の微小可動機械機構は、印加された力の
作用により動くことのできる微小可動機械要素と、当該
微小可動機械要素に作用する力の少なくとも一部分を媒
介する流体の流れを制御するフルデイック素子とを備え
たこと特徴としている。
(Means for Solving the Problems) The micro-movable mechanical mechanism of the first invention of the present application includes a micro-movable mechanical element that can be moved by the action of an applied force, and at least a portion of the force that acts on the micro-movable mechanical element. It is characterized by being equipped with a full-deck element that controls the flow of fluid that mediates the flow of fluid.

本願第2の発明の微小可動機械機構の駆動方法は、基板
上に集積化された微小可動機械要素に作用する力の少な
くとも一部分を流体の流れによる作用力を利用して運動
制御し、当該流体の流れをフルイデイク素子により制御
する事ができるようにしたことを特徴としている。
A method for driving a micro movable mechanical mechanism according to the second invention of the present application controls the motion of at least a portion of the force acting on micro movable mechanical elements integrated on a substrate by using the force exerted by a fluid flow, and The feature is that the flow of water can be controlled by a fluidic element.

(作用) 本発明の微小可動機械機構は、基板上で運動する微小可
動機械要素に作用する力の少なくとも一部に流体による
力を利用して力学的平衡を実現したことを特徴としてお
り、さらに、フルイデイク素子と従来呼ばれている素子
と似た機能をもつ機構を半導体のプロセス技術により半
導体基板上に集積化し、この流体の運動制御を行なうこ
とを可能としたものである。
(Function) The micro-movable mechanical mechanism of the present invention is characterized in that it achieves mechanical equilibrium by using fluid force for at least part of the force acting on the micro-movable mechanical element moving on the substrate, and further , a mechanism with functions similar to those conventionally called fluidic elements is integrated on a semiconductor substrate using semiconductor process technology, making it possible to control the movement of this fluid.

(実施例) 次に、本題第一の発明について図面を参照して説明する
(Example) Next, the first invention will be described with reference to the drawings.

第1図は、本願第一の説明の実施例の上面図を示したも
のである。同図において第4図の構成要素と同じ番号は
同じ構成要素を示している。この微小可動機械機構は、
フルイデイク素子100と、キャップ4をもつシャフト
2とロータ1からなる微小可動要素から構成されており
、フルイデイク素子100を介して微小可動機械機構に
流入した流体の流れに従ってロータ1がシャフト2のま
わりに回転するものである。フルイデイク素子100は
、流体の流れを制御するための構成要素であり、従来、
金属やプラスチック材料からなる管状のパイプを組み立
てて作製されていた。なお、フルイデイク素子を微小可
動機械要素に作用する流体の制御に用いることが本発明
によるものであることに注意する必要がある。このフル
イデイク素子の従来の構成や原理応用について[計測と
制御」(第9巻第3号(昭和45年3月))に特集が組
まれているのでこの知識を利用することができる。第1
図に記載のフルイデイク素子100は、同文献225頁
に略述された増幅回路と同様の構成からなり、入力管1
2より流入する流体の圧力Psがこの入力管12と別の
入力管13と14から流入する流体の圧力P1とP2に
より制御され出力管15と16から流出するとき、圧力
PとPとなって微小4 可動機械要素に流入する。このP3とP4との差圧はP
lとP2との差圧の関数でフルイデイク素子100の幾
何学的構造により比例常数が決まる。同図に記載のフル
イデイク素子100を4個直列にならべ初段の出力管1
5.16を次段のフルデイッ素子入力管13゜14につ
なげた構成を持つフルイデイク素子が最終段の出力管1
5と16の差圧を初段の入力管13と14の差圧の10
0倍に増幅した例が先の文献の同頁に示されている。さ
らに、PlとP2の圧力差の符号を反対にすることによ
りP3とP4の圧力差を容易に逆にすることができる。
FIG. 1 shows a top view of the first embodiment of the present application. In this figure, the same numbers as the constituent elements in FIG. 4 indicate the same constituent elements. This minute movable mechanical mechanism is
It is composed of a micro movable element consisting of a fluidic element 100, a shaft 2 with a cap 4, and a rotor 1, and the rotor 1 moves around the shaft 2 according to the flow of fluid that flows into the micro movable mechanical mechanism via the fluidic element 100. It rotates. The fluidic element 100 is a component for controlling the flow of fluid, and conventionally,
It was made by assembling tubular pipes made of metal and plastic materials. It should be noted that it is in accordance with the present invention that the fluidic element is used to control the fluid acting on the micro-movable mechanical element. You can make use of this knowledge as there is a special feature in "Measurement and Control" (Vol. 9, No. 3 (March 1972)) about the conventional configuration and principle applications of this fluidic element. 1st
The fluidic element 100 shown in the figure has the same configuration as the amplifier circuit outlined on page 225 of the same document, and has an input tube 1.
When the pressure Ps of the fluid flowing in from the input pipe 12 and the other input pipes 13 and 14 is controlled by the pressure P1 and P2 of the fluid flowing in from the output pipes 15 and 16, the pressure Ps becomes P and P. Microscopic 4 Flows into the moving mechanical element. The differential pressure between P3 and P4 is P
A constant of proportionality is determined by the geometry of the fluidic element 100 as a function of the differential pressure between l and P2. Four fluidic elements 100 shown in the same figure are arranged in series, and the output tube 1 of the first stage is
5.16 is connected to the next stage full-day element input tube 13゜14, and the fluidic element is the final stage output tube 1.
The differential pressure between 5 and 16 is 10
An example of 0-fold amplification is shown on the same page of the previous document. Furthermore, by reversing the sign of the pressure difference between Pl and P2, the pressure difference between P3 and P4 can be easily reversed.

従って、フルイデイク素子は二つの入力管13.14と
入力に比例した信号を生ずる二つの出力管15.16と
を持つ電気的四端子回路になぞられる事ができ、フルイ
デイク素子を組み合せることにより電気回路の論理回路
やアナログ回路に相当する機能を流体の流れに対して作
ることが可能である。その結果、フルイデイク素子を用
いて流体を制御することが可能となった。
Therefore, a fluidic element can be likened to an electrical four-terminal circuit with two input tubes 13.14 and two output tubes 15.16 producing a signal proportional to the input, and by combining fluidic elements, an electrical It is possible to create a function corresponding to a logic circuit or an analog circuit for fluid flow. As a result, it has become possible to control fluids using fluidic elements.

一方微小可動要素は、ステータ3(第4図)を除いて従
来例とおなじ構成要素からなり、フルイデイク素子10
0から流入した流体がロータ1の羽に作用する力により
ロータ1がシャフト2のまわりに回転する。管16から
流入する流体の圧力P3の方が管15より流入する流体
の圧力P4よりも大きいとき図の微小可動要素はP3と
P4との差圧に応じた回転数で時計とおなし方向に回転
する。P4がP3よりも大きいときには、時計と反対の
方向に回転する。このように、フルイデイク素子を用い
て微小可動機械要素の運動を制御することが可能である
。なお、フィードバック管11は、PlとP2の差圧が
Psの20%をこえるときフルイデイク素子100内の
流体の流れが不安定になるのでこれを防ぐために設けて
いる。
On the other hand, the minute movable element consists of the same components as the conventional example except for the stator 3 (FIG. 4), and the fluidic element 10
The rotor 1 rotates around the shaft 2 due to the force exerted by the fluid flowing in from the rotor 1 on the blades of the rotor 1. When the pressure P3 of the fluid flowing in from the pipe 16 is greater than the pressure P4 of the fluid flowing in from the pipe 15, the micro movable element shown in the figure rotates clockwise at a rotation speed corresponding to the differential pressure between P3 and P4. do. When P4 is greater than P3, it rotates counterclockwise. In this way, it is possible to control the movement of micro-movable mechanical elements using fluidic elements. The feedback tube 11 is provided to prevent the fluid flow within the fluidic element 100 from becoming unstable when the differential pressure between Pl and P2 exceeds 20% of Ps.

さらに、この導通管10は、余分の流体の出口で半導体
基板を貫通して外界に通じている。この導通管を通して
流れる流体の圧力とフルイデイク素子に流入する流体の
圧力Psとの差を一定にすることによりフルイデイク素
子の動作を更に安定することができる。
Furthermore, this conduction tube 10 passes through the semiconductor substrate at an outlet for excess fluid and communicates with the outside world. By keeping constant the difference between the pressure of the fluid flowing through the conduction pipe and the pressure Ps of the fluid flowing into the fluidic element, the operation of the fluidic element can be further stabilized.

同図に示したフルイデイク素子を半導体ICプロセス技
術を用いて半導体基板上に作製することが可能である。
The fluidic element shown in the figure can be manufactured on a semiconductor substrate using semiconductor IC process technology.

半導体基板上に堆積したポリシリコン等の絶縁薄膜にリ
ソグラフィーによりフルイデイク素子の形状を型どりド
ライエツチング等のエツチング技術により薄膜の中にフ
ルイデイク素子の穴を作製することができる。あるいは
、半導体基板をFDP等の異方性のエツチング液により
エツチングすることによってもこれを作製することが可
能である。これらのプロセスは微小可動機械要素の作製
に使われるプロセスと互換性があり、薄膜中にフルイデ
イク素子を作製する構成のとき微小可動機械要素のプロ
セスと同時に作製することができ余分な工程を必要とし
ないという利点がある。フルイデイク素子と微小可動機
械要素を半導体基板上に作製した後、流体を半導体表面
に沿って流すためガラス基板を機械機構を覆うようにし
て半導体基板と接着して流体の通路を形成する。
The shape of a fluidic element can be molded by lithography into an insulating thin film such as polysilicon deposited on a semiconductor substrate, and a hole for a fluidic element can be formed in the thin film by an etching technique such as dry etching. Alternatively, it can also be produced by etching the semiconductor substrate with an anisotropic etching solution such as FDP. These processes are compatible with the processes used to fabricate micro-movable mechanical elements, and when configured to fabricate fluidic elements in thin films, they can be fabricated simultaneously with the process for micro-movable mechanical elements without the need for extra steps. The advantage is that it doesn't. After the fluidic element and the micro movable mechanical element are fabricated on the semiconductor substrate, a glass substrate is bonded to the semiconductor substrate so as to cover the mechanical mechanism so that the fluid flows along the semiconductor surface to form a fluid passage.

第2図は、本発明の他の実施例を示したものである。図
中、第1図と同じ番号を持つ構成要素はこれと同じ構成
要素を示す。この実施例は第1図の実施例と微小可動機
械要素のロータ20の歯車の形のみが異なっている。流
体の流れの中に置いた表面形状が凸状のとき流体の速度
が速くなるのに対して、凹の形状のときには流体の速度
が遅くなる。
FIG. 2 shows another embodiment of the invention. In the figure, components having the same numbers as in FIG. 1 indicate the same components. This embodiment differs from the embodiment shown in FIG. 1 only in the shape of the gear of the rotor 20, which is a minute movable mechanical element. When the surface shape placed in the fluid flow is convex, the fluid speed increases, whereas when the surface shape is concave, the fluid speed slows down.

この流体の速度差により速度の小さい場所から速度の大
きな場所の方向に力が生じる。この実施例では、時計と
おなし方向に微小可動機械要素が回転し易くなる。ここ
でもP3とP4の流体の圧力により微小可動機械要素の
回転を調節できることは明らかである。
This difference in velocity of the fluid generates a force in the direction from a location of low velocity to a location of high velocity. In this embodiment, the minute movable mechanical element is more likely to rotate in the clockwise direction. It is clear that the rotation of the minute movable mechanical element can also be adjusted here by the pressure of the fluids P3 and P4.

以上のように流体の流れにより微小可動機械要素の運動
を制御することができることがわかったが、非常に高速
にこれを運動制御することが望まれるとき、流体の流れ
よりも物体中の電子の流れの方が遥かに速いため、静電
力による運動制御の方法が応答特性に優っているという
ことが生ずる。第3図は、本発明の他の実施例を示した
ものであり、図中、第1図と同じ番号を持つ構成要素は
これと同じ構成要素を示す。この実施例は第1図の実施
例の微小可動機械要素にステータ30を追加したことの
みが異なっている。このステータ30に交流電圧を加え
ることによりロータ1の運動を制御することは従来例の
通りである。しかし、第3図の場合にはロータ1の運動
は主に流体の作用力により行ない、静電力による制御は
ロータ1の微妙な運動の制御のみに分離することが可能
であり、その結果、大きな電圧を印加する必要がない。
As mentioned above, we have found that the motion of minute movable mechanical elements can be controlled by the flow of fluid, but when it is desired to control the motion of microscopic mechanical elements at very high speeds, it is possible to Since the flow is much faster, it occurs that the method of motion control using electrostatic force has superior response characteristics. FIG. 3 shows another embodiment of the present invention, in which components having the same numbers as in FIG. 1 indicate the same components. This embodiment differs from the embodiment shown in FIG. 1 only in that a stator 30 is added to the minute movable mechanical elements. The movement of the rotor 1 is controlled by applying an alternating current voltage to the stator 30, as in the conventional example. However, in the case of Fig. 3, the movement of the rotor 1 is mainly performed by the acting force of the fluid, and the control by electrostatic force can be separated only into control of the delicate movement of the rotor 1. There is no need to apply voltage.

しかもステータ30による静電力制御を追加した結果、
第1図の方法よりも短い時間で可動機械要素の運動を制
御することができるようになった。なお、第3図の例で
は、ステータ30に電圧を加えて静電力による制御を流
体による制御に加えたが、これとは別にステータ30を
コイルあるいは磁石として電磁力による制御を流体によ
る制御に加えても上とおなし効果が得られるため、この
方法も本発明に含まれる。
Moreover, as a result of adding electrostatic force control by the stator 30,
The movement of the movable mechanical element can now be controlled in a shorter time than the method shown in FIG. In the example shown in Fig. 3, control by electrostatic force is added to control by fluid by applying voltage to the stator 30, but it is also possible to add control by electromagnetic force to control by fluid by using the stator 30 as a coil or magnet. This method is also included in the present invention because it can achieve the effect of lifting and softening even if it is used.

以上例を上げて説明した第1〜第3図の実施例では、い
ずれもフルイデイク素子と微小可動機械要素が同一半導
体基板上に集積化されていたが、本発明はこの構造に限
定されることなく、フルイデイク素子を機械要素と別の
基板上に作り管により両者をつなぐ等の例のようにフル
イデイク素子による流体の制御により可動機械要素を運
動制御する方法一般に対しても本発明に含まれるもので
ある。
In the embodiments shown in FIGS. 1 to 3 described above, the fluidic element and the micro movable mechanical element are integrated on the same semiconductor substrate, but the present invention is not limited to this structure. The present invention also covers general methods of controlling the movement of movable mechanical elements by controlling fluids using fluidic elements, such as forming a fluidic element on a substrate separate from the mechanical element and connecting the two with a tube. It is.

さらに、微小可動機械要素は、本発明に示した回転する
ロータのみに限定されるものでなく直線運動をするスラ
イダーや直線運動を回転運動に変換するクランク、さら
にばね等の機械構成要素やこれらを組み合わせた構成要
素全てが含まれる。
Furthermore, the minute movable mechanical elements are not limited to the rotating rotor shown in the present invention, but also include mechanical components such as sliders that move linearly, cranks that convert linear movement into rotational movement, and mechanical components such as springs. Includes all combined components.

(発明の効果) 本発明の微小可動機械機構は流体を主な動力源として使
っているため、先に述べた静電力によるトラブルの影響
を著しく減少させることができる。即ち、流体の圧力差
による力は、静電力のように互いに引き合う力ではない
ため物体に接触することなく安定に力学的平衡状態を作
ることが可能である。次に、先の実施例に述べたように
フルイデイク素子の構造を加えることにより流体の圧力
差を制御することが可能であり、従来例のように電圧を
昇竜する手間を必要としない。最後に、流体は、その流
れる通路の幾何学的構造に依存し通路以外の全体の構造
に依存しない。さらに、通路の材質にも影響されないこ
とから、異なる材料を用いて機械構造を作製してもその
違いを考慮する必要がなく、その結果、機械構造の設計
が容易になる。流体による力は、静電力や電磁力と相互
作用しないためこれらの力を独立に解析することが可能
なことも本方法の大きな利点である。さらに、フルイデ
イク素子を微小可動機械要素と同一の半導体基板上に作
製するとき構造の微小化と微小部品の組み立てという煩
差な工程を必要としないという長所が付加される。これ
らの効果は著しいものであり、本発明は有効なものであ
る。
(Effects of the Invention) Since the micro movable mechanical mechanism of the present invention uses fluid as the main power source, it is possible to significantly reduce the influence of troubles caused by the electrostatic force described above. That is, the force due to the pressure difference between the fluids is not a force that attracts each other like electrostatic force, so it is possible to stably create a dynamic equilibrium state without contacting an object. Next, as described in the previous embodiment, it is possible to control the pressure difference of the fluid by adding the structure of the fluidic element, and there is no need to increase the voltage as in the conventional example. Finally, the fluid depends on the geometry of the passageway through which it flows and not on the overall structure other than the passageway. Furthermore, since it is not affected by the material of the passage, there is no need to consider the difference even if the mechanical structure is made using different materials, and as a result, the design of the mechanical structure becomes easier. Another great advantage of this method is that the fluid force does not interact with electrostatic force or electromagnetic force, so these forces can be analyzed independently. A further advantage is that when the fluidic element is manufactured on the same semiconductor substrate as the micro movable mechanical element, the complicated steps of miniaturizing the structure and assembling micro parts are not required. These effects are remarkable and the present invention is effective.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本願第1及び第2の発明の一実施例の上面図、
第2図は他の実施例の上面図、第3図は本特許請求の範
囲第三および第四に記述の一実施例の上面図、第4図(
a)、 (b)は従来の構造の上面図および断面図を示
す。 図において、1・・・ロータ、2・・・シャフト、3・
・・ステータ、4・・・キャップ、5・・・絶縁膜、6
・・・シリコン基板、101.・導通穴、11・・・フ
ィードバック管、12.13゜14・・・入力管、15
.16・・・出力管、20・・・ロータ、30・・・ス
テータ、100・・・フルイデイク素子。
FIG. 1 is a top view of an embodiment of the first and second inventions of the present application;
FIG. 2 is a top view of another embodiment, FIG. 3 is a top view of one embodiment described in the third and fourth claims of the present invention, and FIG.
a), (b) show a top view and a sectional view of a conventional structure. In the figure, 1...rotor, 2...shaft, 3...
... Stator, 4... Cap, 5... Insulating film, 6
...Silicon substrate, 101.・Conduction hole, 11... Feedback tube, 12.13° 14... Input tube, 15
.. 16... Output tube, 20... Rotor, 30... Stator, 100... Fluidic element.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)印加された力の作用により動くことのできる微小
可動機械要素と、当該微小可動機械要素に作用する力の
少なくとも一部を媒介する流体の流れを制御するフルイ
デイク素子とを備えたことを特徴とする微小可動機械機
構。
(1) A micro-movable mechanical element that can be moved by the action of an applied force, and a fluidic element that controls the flow of a fluid that mediates at least a portion of the force that acts on the micro-movable mechanical element. Features a microscopic movable mechanical mechanism.
(2)基板上に集積化された微小可動機械要素に作用す
る力の少なくとも一部分を流体の流れによる作用力を利
用して運動制御し、当該流体の流れをフルイデイク素子
により制御する微小可動機械機構の駆動方法。
(2) A micro-movable mechanical mechanism that controls the movement of at least a portion of the force acting on micro-movable mechanical elements integrated on a substrate by using the force exerted by a fluid flow, and controls the flow of the fluid using a fluidic element. driving method.
(3)請求項2に記載の微小可動機械機構の駆動方法に
おいて、当該微小可動機械機構に作用する力として静電
力と流体の力との合力を利用した駆動方法。
(3) A method for driving a micro-movable mechanical mechanism according to claim 2, which utilizes the resultant force of electrostatic force and fluid force as the force acting on the micro-movable mechanical mechanism.
(4)請求項2に記載の微小可動機械機構の駆動方法に
おいて、当該微小可動機械機構に作用する力として電磁
力と流体の力との合力を利用した駆動方法。
(4) A method for driving a micro movable mechanical mechanism according to claim 2, which utilizes the resultant force of electromagnetic force and fluid force as the force acting on the micro movable mechanical mechanism.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1997045644A1 (en) * 1996-05-31 1997-12-04 The University Of Washington Valveless liquid microswitch
JP2008196481A (en) * 2007-01-17 2008-08-28 Yokohama National Univ Micro-pump

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