JPH05280500A

JPH05280500A - 流体制御機構及び流体を用いた駆動機構

Info

Publication number: JPH05280500A
Application number: JP4071911A
Authority: JP
Inventors: Tomoki Kato; 知己加藤; Takeshi Takemoto; 武竹本; Mitsuru Shingyouchi; 充新行内; Motomi Ozaki; 元美尾崎; Yasuyuki Okada; 康之岡田; Shunichi Ando; 俊一安藤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1992-03-30
Filing date: 1992-03-30
Publication date: 1993-10-26
Anticipated expiration: 2017-04-15
Also published as: JP3274488B2

Abstract

(57)【要約】【目的】小型化に適した簡単な構造の流体制御機構、
及び小型化に適した簡単な構造の流体を用いた駆動機構
を提供することを目的とする。【構成】流路２内に下流側より加えられる流体５の圧
力により屈曲変形して前記流路２を閉塞する流路抵抗３
を設け、この流路抵抗３の近傍下流位置で前記流体５の
膨張あるいは液体から気体への相変化によって前記流体
５に圧力変化を発生させる発熱手段４を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マイクロバルブ、マイ
クロポンプ及びマイクロアクチュエータ等の流体制御機
構及び流体を用いた駆動機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、小型アクチュエータの開発が盛ん
に行われている。日刊工業新聞１９９１．１０．１９に
示されたイオン駆動微小モータは、正負のイオンになり
やすい流体を用い、この流体に電圧を印加することでイ
オンの流れを作り出し、イオンの流れる方向に加速され
る流体の流れに合わせてロータを回転し得るようにした
ものである。このイオン駆動微小モータは回転軸が非接
触であるなどの特徴を有している。

【０００３】また、日経メカニカル１９８９．３．２０
に示されたＦＲＲアクチュエータは、弾性率に異方性の
あるＦＲＲ（強化繊維ゴム）チューブ内に外部より水ま
たは空気等を出し入れして、チューブを弾性変形させる
ことを基本原理としており、チューブを形成する繊維の
方向を変えたり、複数のチューブを用いることにより、
伸縮、屈曲、ねじれ運動を行い得るようにしたものであ
る。このＦＲＲアクチュエータは製造が容易なだけでな
く摺動部がないので滑らかな動作が可能であり、しか
も、柔軟性が有るため衝撃を吸収しやすいといった特徴
を有しており、特に、マニプレーター等への応用に適す
るものとされている。

【０００４】さらに、特開平０３−０７０４８２号公報
に示された駆動機構は、弾性壁を有する容器内に充填さ
れた液体、あるいは、熱膨張部材の熱膨張を周期的に起
こし、これにより得られる弾性壁の振動を楕円運動に変
換し、この楕円運動をしている部分に接触させた移動部
材に駆動力を与えるようにしたものである。

【０００５】これらの小型アクチュエータに流体を用い
た方式は、小型アクチュエータで問題になる摺動部の摩
擦及び部品の製造方法などにおいて優れた特徴を有して
いる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、第一の従来例
では流体の流れを作るためのイオン化に高い電圧を必要
とし、さらに使用する流体に大きな制限がある。また、
第二の従来例ではアクチュエータに水または空気等を外
部から出し入れせねばならずコンパクトに装置をまとめ
られない。さらに、第三の従来例では屈曲運動やねじれ
運動などの多様な動きを要求されるマイクロアクチュエ
ータなどに適用するにはさらに考慮する部分が有るなど
の問題を有している。

【０００７】本発明は、小型化に適した簡単な構造の流
体制御機構及び小型化に適した簡単な構造の流体を用い
た駆動機構を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、流路内に下流側より加えられる流体の圧力により屈
曲変形して前記流路を閉塞する流路抵抗を設け、この流
路抵抗の近傍下流位置で前記流体の膨張あるいは液体か
ら気体への相変化によって前記流体に圧力変化を発生さ
せる発熱手段を設けた。

【０００９】請求項２記載の発明では、流路内に下流側
より加えられる流体の圧力により屈曲して前記流路を閉
塞する流路抵抗を複数設け、各流路抵抗間の上流側流路
抵抗近傍で前記流体の膨張あるいは液体から気体への相
変化によって前記流体に圧力変化を発生させる発熱手段
を設けた。

【００１０】請求項３記載の発明では、各々流体が閉じ
込められた複数の液室を有する弾性容器を設け、前記液
室間の流体の移動を制御する請求項２記載の流体制御機
構を備えた流路を各液室間に設けた。

【００１１】請求項４記載の発明では、弾性容器の変位
を検出して流体制御機構にフィードバックを掛ける変位
検出手段を設けた。

【００１２】

【作用】請求項１記載の発明では、流路抵抗の下流近傍
に有る発熱手段の発熱により発熱手段付近の流体が膨張
し又は沸騰による気泡が発生し流路抵抗下流近傍の流体
の圧力が急激に上昇する。流路抵抗はその圧力により屈
曲し流路を閉塞する。このようにバルブとしての流体制
御機構となる。

【００１３】請求項２記載の発明では、上流側の流路抵
抗近傍に有る発熱手段の発熱により発熱手段付近の流体
が膨張し又は沸騰による気泡が発生し上流側の流路抵抗
下流近傍の流体の圧力が急激に上昇する。上流側の流路
抵抗はその圧力により屈曲し流路を閉塞する。そのまま
流体の膨張や気泡の成長が続くと流路抵抗間に存在する
流体は液体の膨張や気泡の成長に押しやられ下流側の流
路抵抗を押しのけ流れ出していく。つぎに、発熱手段の
発熱をやめると、発熱手段付近の膨張した流体又は沸騰
により発生した気泡は周辺の流体により冷されて急激に
収縮し、流路抵抗間の流体は相対的に負圧となり上流側
の流路抵抗からは流体が流れ込む。しかし、相対的に高
圧となった下流の流体の圧力により下流側の流路抵抗は
すぐに屈曲し流路を閉塞するため下流側の流路抵抗から
の流体の流れ込みは少ない。このサイクルを繰り返して
流体を次々と下流に送ることができる。このようにポン
プとしての流体制御機構となると共に上流側の流路抵抗
と発熱手段の構成が請求項１記載の発明と同一なため、
バルブとしての機能も持つ。

【００１４】請求項３記載の発明では、液室間に設けら
れた流路内の流体制御機構により液室内の流体を他の液
室に移動すると、流体を送り込まれた液室は拡大し、流
体を送り出した液室は縮小し弾性容器全体が変形する。

【００１５】請求項４記載の発明では、弾性容器の変形
を変位検出手段で検出し流体制御機構にフィードバック
を掛け変形を正確に制御する。

【００１６】

【実施例】本発明の第一の実施例を図１に基づいて説明
する。ここに、流路形成体１により流路２が形成され、
この流路２内に流路抵抗となる弾性板３、発熱手段とな
る発熱体４が配設されている。図に示すように、前記弾
性板３は前記流路形成体１と一体で形成され、一端は自
由端とされ、この自由端を流体５の流れる方向（矢印Ａ
方向）にして全体的に傾けられている。また、前記弾性
板３の自由端下流近傍に前記発熱体４が設けられてい
る。この発熱体４は、通電により発熱する抵抗体でもよ
いし、外部から照射される光によって発熱する材料を用
いてもよい。また、前記流体５の光の吸収率が高い場合
は、前記流体５自身の光を照射された部分が前記発熱体
４になるようにしてもよい。発熱する抵抗体の材料とし
て有用なものには、例えば、タンタルーＳｉＯ₂の混合
物、窒化タンタル、ニクロム、銀−パラジウム合金、シ
リコン半導体、あるいはハフニウム、ランタン、ジルコ
ニウム、チタン、タンタル、タングステン、モリブデ
ン、ニオブ、クロム、バナジウム等の金属の硼化物が挙
げられる。その中でも最も特性の優れているのが、硼化
ハフニウムであり、次いで、硼化ジルコニウム、硼化ラ
ンタン、硼化タンタル、硼化バナジウム、硼化ニオブの
順となっている。

【００１７】このような構成において、発熱体４が発熱
していないとき、流体５は弾性板３を押しのけ下流側に
屈曲させ流れている（図１（ｂ）矢印Ｂ）。つぎに、弾
性板３の自由端下流近傍に設けられている発熱体４を図
示しない駆動手段により駆動し発熱させると、発熱体４
付近の流体５が液体から気体へ相変化し急激に気泡６と
共に大きな圧力を発生する。その結果、弾性板３はすば
やく上流側に屈曲され流路２を閉塞し流れを堰き止める
（図１（ｃ））。このとき、発熱体４を複数設け、位相
をずらして駆動すれば、圧力を連続的に発生することが
でき長時間堰き止めることもできる。また、発熱体４の
駆動周波数を変えることで流量をコントロールすること
もできる。

【００１８】このように部品点数が少なく極めてシンプ
ルな構成で動作も単純なため、超小型にしやすくローコ
ストであり応答性も良く信頼性も高いものとなる。ま
た、液体の相変化の大圧力を利用するため、大きな力で
流体５を堰き止めることができる。

【００１９】つづいて、本発明の第二の実施例を図２に
基づいて説明する。ここに、流路形成体７により流路８
が形成され、この流路８内に流路抵抗となる上流側の弾
性板９、下流側の弾性板１０、発熱手段となる発熱体１
１が配設されている。図に示すように、前記弾性板９，
１０は前記流路形成体７と一体で形成され、一端は自由
端とされ、この自由端を流体１２を流す方向（矢印Ｃ方
向）にして全体的に傾けられている。また、上流側の前
記弾性板９の自由端下流近傍に前記発熱体１１が設けら
れている。この発熱体１１は、通電により発熱する抵抗
体でもよいし、外部から照射される光によって発熱する
材料を用いてもよい。また、前記流体１２の光の吸収率
が高い場合は、前記流体１２自身の光を照射された部分
が前記発熱体１１になるようにしてもよい。

【００２０】このような構成において、図示しない駆動
手段により発熱体１１を駆動し発熱させると、発熱体１
１付近の流体１２が液体から気体へ相変化し急激に気泡
１３と共に大きな圧力を発生する。その結果、上流側の
弾性板９はすばやく上流側に屈曲され流路８を閉塞する
（図２（ｂ））。そのまま気泡１３が成長しつづける
と、弾性板９，１０の間に存在する流体１２は、気泡１
３に押しやられ下流側の弾性板１０を押しのけ下流に流
れ出ていく（図２（ｃ））。つぎに、発熱体１１の駆動
をやめると、気泡１３は周辺の流体１２により冷されて
急激に収縮し、弾性板９，１０の間に存在する流体１２
は相対的に負圧となり上流側の弾性板９からは流体１２
が流れ込む。しかし、下流側の弾性板１０からは、弾性
板１０が相対的に高圧となった弾性板１０下流の流体１
２の圧力によりすぐに屈曲し流路８を閉塞するため流体
１２の流れ込みは少ない（図２（ｄ），図２（ｅ））。
このサイクルを繰り返して、流体１２を次々と下流に送
ることができる。また、上流側の弾性板９と発熱体１１
の関係は、前記実施例と同一なため流体１２を堰き止め
たり流量をコントロールすることもできる。

【００２１】このように部品点数が少なく極めてシンプ
ルな構成で動作も単純なため、超小型にしやすくローコ
ストであり応答性も良く信頼性も高いものとなる。しか
も、液体の相変化の大圧力を利用するため、大きな吐出
力を得ることができる。

【００２２】つづいて、本発明の第三の実施例を図３な
いし図４に基づいて説明する。ここに、図３矢印Ｈ方向
に伸縮する弾性容器１４があり、この弾性容器１４の内
部には液室１５ａ，１５ｂが壁１６により仕切られて形
成され、これら液室１５ａ，１５ｂの外側面には、それ
ぞれ圧電フィルム１７が貼付けられている。また、前記
実施例の流体制御機構となるポンプ１８ａ，１８ｂが設
けられ、前記ポンプ１８ａが前記液室１５ｂの中の液体
を前記液室１５ａに吐出する方向にして前記壁１６を貫
通して取り付けられ、前記ポンプ１８ｂが吐出方向を逆
にして取り付けられている。

【００２３】このような構成において、ポンプ１８ａを
駆動し流体を液室１５ｂから液室１５ａに送ると同時
に、ポンプ１８ｂ内では気泡１９を絶え間なく発生させ
ポンプ１８ｂをバルブとして流体の液室１５ｂへの逆流
を止めると、液室１５ａの内圧は高まり液室１５ｂの内
圧は減少する。そのため、液室１５ａは伸び液室１５ｂ
は縮み、弾性容器１４が屈曲する（図４）。この弾性容
器１４の変形量は液室１５ａ，１５ｂの外側面に貼付け
てある圧電フィルム１７が電圧に変換して検出するた
め、圧電フィルム１７の出力電圧をモニタしながらポン
プ１８ａ，１８ｂを駆動することで弾性容器１４の変形
を正確に制御できる。また、ポンプ１８ａをバルブとし
てポンプ１８ｂをポンプとして作動させれば、逆方向の
屈曲を得ることができる。

【００２４】このように弾性容器１４内で流体を移動さ
せるだけでよいので、従来のように流体を液室に外部か
ら出し入れせずに済み、大幅に小型化できる。しかも、
小型にすることにより応答速度も上げることができる。

【００２５】また、図５に示すものは変形例で、弾性容
器１４内の液室の数を増やし、例えば３個の液室１５
ａ，１５ｂ，１５ｃとしたものである。

【００２６】このような構成において、それぞれの液室
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ間で流体を様々に移動すること
により弾性容器１４は多様で複雑な変形をすることがで
きる。

【００２７】さらに、図６に示すものは応用例で、
（ａ）は複数の弾性容器１４がいろいろな向きで積層さ
れ、さらに、両端を固定されている。（ｂ）は複数の弾
性容器１４がいろいろな向きで積層されている。

【００２８】このような構成において、多様で複雑な動
き、大変位を実現できる。しかも、多数の弾性容器１４
を集積することによって故障に対しても強いものとな
る。

【００２９】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、流路内に
流路抵抗と発熱手段を設けただけの極めて部品点数が少
なくシンプルな構成で、かつ、加熱による流体の圧力変
化によって流路抵抗を屈曲させるだけの極めて単純な動
作で流路を閉塞することができる。よって小型にしやす
くローコストで、かつ、応答性も良く信頼性も高く、し
かも、液体の相変化の大圧力を利用できるので、大きな
力で流体を堰き止めることが可能なバルブとしての作用
を持つ流体制御機構を提供できる。

【００３０】請求項２記載の発明によれば、流路内に複
数の流路抵抗と発熱手段を設けただけの極めて部品点数
が少なくシンプルな構成で、かつ、加熱による流体の圧
力変化によって流路抵抗を屈曲させることを繰り返すだ
けの極めて単純な動作で流体を一方向に搬送できる。よ
って小型にしやすくローコストで、かつ、応答性も良く
信頼性も高く、しかも、液体の相変化の大圧力を利用で
きるので、大きな吐出力を得ることが可能なポンプとし
ての作用を持つと同時に、バルブとしての作用も持つ流
体制御機構を提供できる。

【００３１】請求項３記載の発明によれば、液室間に設
けられた流路内の流体制御機構により、液室内の流体を
他の液室に移動すると、流体を送り込まれた液室は拡大
し、流体を送り出した液室は縮小し、弾性容器全体を変
形することができる。このように容器内で流体を移動さ
せるだけでよいので、従来のように流体を液室に外部か
ら出し入れせずに済み、大幅に小型化できる。しかも、
小型にすることにより応答速度も上げることができる。
さらに、弾性容器単体が小型なため、多くの弾性容器を
適宜に集積して大きな変位や多自由度の複雑な動きを実
現することができ、集積により故障に対しても強いもの
となる。

【００３２】請求項４記載の発明によれば、弾性容器の
変形を変位検出手段で検出し流体制御機構にフィードバ
ックを掛け変形を正確に制御することができるようにな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例の動作を順に示す縦断側
面図である。

【図２】本発明の第二の実施例の動作を順に示す縦断側
面図である。

【図３】本発明の第三の実施例を示すもので、（ａ）は
縦断側面図、（ｂ）は水平断面図である。

【図４】弾性容器の変形を示す縦断側面図である。

【図５】変形例を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）
は水平断面図である。

【図６】応用例を示すもので、（ａ）は積層して両端を
固定したものの斜視図、（ｂ）は積層したものの斜視図
である。

【符号の説明】

２，８流路３，９，１０流路抵抗４，１１発熱手段５，１２流体１４弾性容器１５ａ，１５ｂ，１５ｃ液室１７変位検出手段１８ａ，１８ｂ流体制御機構

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者尾崎元美東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内 (72)発明者岡田康之東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内 (72)発明者安藤俊一東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流路内に下流側より加えられる流体の圧
力により屈曲変形して前記流路を閉塞する流路抵抗を設
け、この流路抵抗の近傍下流位置で前記流体の膨張ある
いは液体から気体への相変化によって前記流体に圧力変
化を発生させる発熱手段を設けたことを特徴とする流体
制御機構。
【請求項２】流路内に下流側より加えられる流体の圧
力により屈曲して前記流路を閉塞する流路抵抗を複数設
け、各流路抵抗間の上流側流路抵抗近傍で前記流体の膨
張あるいは液体から気体への相変化によって前記流体に
圧力変化を発生させる発熱手段を設けたことを特徴とす
る流体制御機構。
【請求項３】各々流体が閉じ込められた複数の液室を
有する弾性容器を設け、前記液室間の流体の移動を制御
する請求項２記載の流体制御機構を備えた流路を各液室
間に設けたことを特徴とする駆動機構。
【請求項４】弾性容器の変位を検出して流体制御機構
にフィードバックを掛ける変位検出手段を設けたことを
特徴とする請求項３記載の駆動機構。