JPH116403A - 膜沸騰気泡膨張モーターエンジン及び膜沸騰気泡膨張モーターエンジンを用いた医学治療器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 マイクロマシーニング技術を用いた微小なア
クチエータの駆動に液体の膜沸騰による気泡を用いて爆
発的エネルギーを作り出す事を目的とする。 【解決手段】 空洞内に液体を充填し液に接する面にヒ
ーター２を設け、液体３０を介して他方にスライダー３
を配設し、ヒーター２に電流を通す事で発熱し膜沸騰に
て発泡させ、電流を切る事により消泡せしめる。スライ
ダー３は膨張する気泡に押された空洞内液体が出口方向
に押しやられる力を受けて出口方向へ移動し、消泡の過
程にては外部気室７に蓄えられた発泡過程で生じた圧力
により空洞内に押し戻される。このスライダーの繰り返
し往復動をスライダーに接続された往復運動−回転運動
変換器５，６によって回転運動に変換し、動力を外部に
伝達させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はマイクロマシーニン
グ技術を用いた微小なアクチエータの駆動方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】マイクロマシーニング技術を用いた微小
なアクチエータの駆動には静電気力、磁気力、圧電効果
等が考案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、静電気
力は引き合う力の到達範囲が狭いためアクチエートスト
ロークが短く、また引力を増す為に大型化してしまう欠
点がある。磁気力による磁片アクチエータは外からの強
磁界でアクチエートストロークを大きく出来るが、磁片
を支持する弾性材によって用途、性能が決まってしま
う。ＰＺＴを用いた圧電アクチエータは大駆動力を持つ
が変位量は微小で、梃子（てこ）を使ってアクチエート
ストロークを大きく稼ぐと大型化してしまう。また、従
来より各方法により実現できたアクチエータの駆動力は
微小であった。本発明は、上記の問題点を解決するため
になされたもので、内燃機関のパワーの源である爆発的
エネルギーを液体のヒーター加熱による膜沸騰にて作り
出す超小型モーターエンジンを提供するものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】空洞内に発泡液体を充填
し、液に接する面に電流を通す事で発熱し膜沸騰にて気
泡を発生、電流を切る事により消泡せしめるヒーター
と、前記ヒーターと液体を介して他方の位置に配置され
た、膨張する気泡に押された空洞内液体が出口方向に押
しやられる力を受けて出口方向へ移動するスライダー
と、発泡過程で生じた圧力を蓄え、消泡の過程にては蓄
えた圧力でスライダーを空洞内に押し戻す助力となす外
部気室と、往復動を繰り返す前記スライダーに接続され
た往復運動−回転運動変換手段とを備える。

【０００５】請求項２においては圧力の蓄積だけでな
く、浮力としても用いられる様に空間容量を考慮して装
備し該エンジンのみならず、該エンジンを搭載した移動
体の液体中でのフロー（浮き袋）とする能力を有する前
記気室を備える。

【０００６】請求項３においてはエンジン稼働中、およ
びアイドリング中の発熱を外部へ伝達させ、摂氏７０度
以上の熱にて生体内の不良細胞を壊死させる能力を有す
るヒーターを備える。

【０００７】

【作用】本発明に係る第一の発明は、液体を充填した空
洞内に、ヒーターとスライダーを配置し、ヒーターオン
／オフで膜沸騰の気泡を発生、消泡せしめ、スライダー
が膨張する気泡に押された空洞内液体によって出口方向
に押しやられる力を受けて出口方向へ移動し、消泡の過
程にては外部気室に蓄えられた圧力により空洞内に押し
戻されるスライダーの繰り返し往復動をスライダーに接
続された往復運動−回転運動変換器によって、動力を外
部に伝達させ得るものである。

【０００８】本発明に係る第二の発明は、第一の発明に
おいて、気室を浮力として用い該エンジンのみならず、
該エンジンを搭載した移動体の液体中でのフロート（浮
き袋）として、水中作業を可能とさせるものである。

【０００９】本発明に係る第三の発明は、第一、第二の
発明において、エンジン稼働中の熱で生体内の不良細胞
を壊死させる医学治療器として活用できるものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて図２、図３を参照しながら説明する。基材１０１
は、単結晶、或るいは多結晶、アモルファス形態のシリ
コンやアルミナ基板等によりつくられる。この基材１０
１のすぐ上にＳｉＯ₂層や他に酸化ジルコニウム、酸化
タンタル、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム等の金
属酸化物に代表される無機質材料である、基材１０１へ
の熱伝導を妨げる蓄熱層１０２が形成される。そして、
この蓄熱層１０２の上に４０ｕｍｘ８０ｕｍの発熱抵抗
体１０３が形成される。

【００１１】発熱抵抗体１０３は、例えばＺｒＢ₂等ほ
う素含有化合物、Ｔａ₂Ｎ，Ｗ，Ｎｉ−Ｃｒ，ＳｎＯ₂，
或るいはＰｄ−Ａｇを主成分にしたものやＲｕを主成分
としたもの、更にはＳｉ拡散抵抗体、半導体のＰＮ接合
体等から成り、これ等の発熱抵抗体は例えば蒸着、スパ
ッタリング等の方法で形成される。

【００１２】この他にも、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、或るいはハフニウ
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
の金属のほう化物等も使用される。中でも最も特性の優
れているのが、ほう化ハフニウムであり、次いでほう化
ジルコニウム、ほう化ランタン、ほう化タンタル、ほう
化バナジウム、ほう化ニオブの順である。又、その成膜
技術としては、電子ビーム蒸着法、スパッタ法を利用す
ることができる。層厚は単位時間当たりの発熱量が所望
通りとなる様に、その面積、材質および熱作用部の形状
及び大きさ、更には実際面での消費電力等に従って決定
されるものだが通常の場合０．００１ｕｍ〜５ｕｍ、好
適には０．０１〜１ｕｍとされる。

【００１３】次いで発熱抵抗体１０３の前後に電極１０
４ｆ，１０４ｂおよび配線を形成する。電極１０４や配
線材料としてはＡｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｃｕ等の金属
が挙げられこれ等を使用して蒸着等の手法で所定の位置
に所定の大きさ、形状、厚さで設けられる。発熱抵抗体
１０３の中心線延長上に後述の、クランク板５の回転軸
８とその隣にギヤ６の回転軸９を取り付ける。取り付け
手段として、多結晶シリコンのブランケット溶着を用い
た。これらの上を保護層で覆うに際し、保護層と電極１
０４ｂとの密着性をより強める為にアンカーコート処理
を施すことが望ましい。アンカーコート剤としてはアル
ミニウムアルコラート系や、所謂シランカップリング剤
が挙げられる。

【００１４】シランカップリング剤には、信越化学製の
ＫＡ１００３…ビニルトリクロロシラン、ＫＢＥ１００
３…ビニルトリエトキシシラン、ＫＢＣ１００３…ビニ
ルトリス（ベータメトキシエトキシ）シラン、ＫＢＭ３
０３３…ベータ３、４−エポキシシクロヘキシル（エチ
ルトリメトキシシラン）、ＫＢＭ４０３…ガンマグリシ
ドオキシプロピルトリメキシシラン、ＫＢＭ５０３…ガ
ンマメタアクリルオキシプロピルトリメトキシシラン、
ＫＢＭ６０２…ｎ−（ジメトキシメチルシリルプロピ
ル）エチレンジアミン、ＫＢＭ６０３…ｎ−（トリメト
キシシリルプロピル）エチレンジアミン等が好適なもの
として、挙げられる。

【００１５】さて、前部の電極１０４ｆ上には、第一種
保護層１０６の上部表面を金属等の比較的粘りがあって
下部層に密着性と接着性があり、機械的強度のある無機
質材料で構成することによって、熱作用面において、液
体吐出の際に生じるキャビテーション作用からのショッ
クを充分吸収することができる。材質としては、電気熱
交換体の寿命を格段に延ばす効果があるＴａ等が使用さ
れる。

【００１６】第一種の保護層１０６を構成する材料とし
ては、ＳｉＯ₂等の無機酸化物やＳｉ₃Ｎ₄等の無機窒化
物等の比較的電気絶縁性、熱伝導性、及び耐熱性に優れ
た無機質材料の他に酸化チタン、酸化バナジウム、酸化
ニオブ、酸化モリブテン、酸化タンタル、酸化タングス
テン、酸化クロム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウ
ム、酸化ランタン、酸化イットリウム、酸化マンガン、
等の遷移金属酸化物、更に酸化アルミニウム、酸化カル
シウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化シリ
コン、等の金属酸化物及びそれらの複合体、窒化シリコ
ン、窒化アルミニウム、窒化ボロン、窒化タンタル等高
抵抗窒化物及びこれらの酸化物、窒化物の複合体、更に
アモルファスシリコン、アモルファスセレン等の半導体
などバルクでは低抵抗であってもスパッタリング法、Ｃ
ＶＤ法、蒸着法、気相反応法、液体コーティング法等の
製造過程で高抵抗化し得る薄膜材料を挙げることができ
る。その層厚としては一般に０．１ｕｍ〜５ｕｍ、好ま
しくは０．２〜３ｕｍとされるのが望ましい。

【００１７】液浸透防止と耐液作用を有する第二種保護
層１０５は、有機材料で構成される。具体的には、
（１）成膜性が良いこと、（２）緻密な構造でかつピン
ホールが少ないこと、（３）使用インクに対し膨潤、溶
解しないこと、（４）成膜したとき絶縁性がよいこと、
（５）耐熱性が高い事等の物性を具備していることが望
ましい。

【００１８】その様な有機質材料としては以下の樹脂、
例えばシリコーン樹脂、フッソ樹脂、芳香族ポリアミ
ド、付加重合型ポリイミド、ポリベンズイミダール、金
属キレート重合体、チタン酸エステル、エポキシ樹脂、
フタル酸樹脂、熱硬化性フェノール樹脂、Ｐ−ビニルフ
ェノール樹脂、ザイロック樹脂、トリアジン樹脂、ＢＴ
樹脂（トリアジン樹脂とビスマレイミド付加重合樹脂）
等が挙げられる。

【００１９】更に後部の電極１０４ｂ上においては、第
二種保護層１０５として、種々の有機化合物モノマー、
例えばチオウレア、チオアセトアミド、ビニルフェロセ
ン、１、３、５−トリクロロベンゼン、クロロベンゼ
ン、スチレン、フェロセン、ピロリン、ナフタレン、ペ
ンタメチルベンゼン、ニトロトルエン、アクリロニトリ
ル、ジフェニルセレナイド、Ｐ−トルイジン、Ｐ−キシ
レン、Ｎ、Ｎ−ジメチル−Ｐ−トルイジン、トルエン、
アニン、ジフェニルマーキュリー、ヘキサメチルベンゼ
ン、マロノニトリル、テトラシアノエチレン、チオフェ
ン、ベンゼンセレノール、テトラフルオロエチレン、エ
チレン、Ｎ−ニトロソジフェニルアミン、アセチレン、
１、２、４−トリクロロベンゼン、プロパン、等を使用
してプラズマ重合法によって成膜させて形成することも
できる。

【００２０】また、ポリイミドイソインドロキナゾリン
ジオン（商品名ＰＩＱ：日立化成）、ポリイミド樹脂
（商品名ＰＹＲＡＬＩＮ：デュポン）、環化ポリブタジ
エン（ＪＳＲ−ＣＢＲ：日本合成ゴム）も好ましい。

【００２１】スライダー３、ロッド４、クランク板５、
ギヤ６の形成において、別途用意した基材にＳｉＯ₂の
犠牲層を堆積させておく。クランク板５とギヤ６におい
ては滑り摩擦を軽減させるブッシング用の環状溝をエッ
チングした後、その上に多結晶シリコンをブランケット
溶着し、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）で中心穴あ
き円盤（歯車）を形成する。さらにロッド結合軸をクラ
ンク板５に、動力軸をギヤ６に接合させる。スライダー
３、ロッド４は平らな所で多結晶シリコンをブランケッ
ト溶着、それぞれの形状にエッチングされる。これらを
一緒にフッ化水素酸にてＳｉＯ₂犠牲層を除去すると、
必要な部品が基材から分離できる。更にこれらの部品は
前述の第一種保護層１０６を全体に施して、熱や液体に
耐える事を可能にしておく。

【００２２】図１を参照して、モーターエンジンの組立
を説明する。図３で説明した基材１０１を含む基板１上
に形成した回転軸８にクランク板５を合わせ込み、回転
させて上死点位置にロッド結合軸５１をもって来る。ロ
ッド結合軸５１にロッド４を結合させ、スライダー３も
ロッド４に繋げる。ギヤ６をクランク板５に噛み合せて
回転軸９に収める。スライダー３、ロッド４が発熱抵抗
体２から一直線上に並んだ所へ、シリンダ溝２１とクラ
ンク室２２、外部気室７を備えたケース１０を接合す
る。ケース材はガラス、セラミック、耐熱プラスチック
等を用いる。動力軸を気密性のあるジョイントに結合し
てケース１０外へ動力を伝えられる様にする。

【００２３】図示しない注入口からシリンダとクランク
室に発泡液体３０を満たした後、全体を封止する。発泡
液体３０は水、エタノール等のアルコール、或るいはト
ルエン等を例とする主溶媒に、エチレングリコール等を
例とする湿潤剤、界面活性剤を溶解或るいは分散させて
作製される。電極１０４に８Ｖ１０マイクロ秒のパルス
印加を与えると回転を始める。スライダー３がシリンダ
に比べて若干小さいので壁との隙間には液体が浸透し往
復動時の潤滑剤としても有効である。クランク板５も円
盤なので液体中での抵抗も比較的少ない。

【００２４】次に、第２の実施例としては、本エンジン
が天地が逆転する回転運動しても、気室から空気がクラ
ンク室や、最悪にはシリンダへ漏れないように気室とク
ランク室の壁穴を微小にしておき、気泡の表面張力にて
穴から抜け出ない様に、或るいは又、クランク室との壁
穴側に撥水処理を施すと本エンジン搭載の移動体は液体
中での移動を可能にできる。

【００２５】また、第３の実施例としては、膜沸騰時に
ヒーター表面温度は摂氏３００度位になる。現状では、
スライダーストロークの後半でクランク室の液がスライ
ダーとシリンダの隙間から少し流れ込みシリンダ内の温
度も若干下げられるが、膜沸騰を起こさないハーフパル
ス引加ではシリンダ内の液体の交換もなくシリンダ内液
温が上昇する。共に基材も温度上昇するので、制御系の
集積回路の動作のために基材は摂氏７０度以内でなけれ
ばならぬが、ヒーター電極配線からの放熱を上手く設計
して本エンジン搭載の移動体の外郭表面に導くと、摂氏
７０度を越える熱衝撃を外界に加える事ができて病巣部
の細胞を壊死させることができる。

【００２６】図１の如く電極１０４ｂから太パターンで
配線して熱伝導を良くし第一、二種保護層を施すと熱漏
れも少なくエンジンの外まで引き出せ、これを外郭まで
保温させて導く。医学治療器は例えばセンサー、制御
部、電源部、本エンジン、熱衝撃触刺、スクリュープロ
ペラもしくは鞭毛を持ち、流線型または卵型形状の外郭
を持つのが望ましい。センサーは投光器と画像読取素子
で構成される。制御部はセンサー信号の処理、移動時の
姿勢／推進制御、外部との通信を司る。電源部は付属電
池と磁束コイルトランスを持ち、外界の磁束変動を受け
て発電し電池を充電して蓄積でき、センサー／制御／エ
ンジン部へ電力供給する。触刺は進行方向の外郭先端に
配置される。患部付近への注射や血管内の血流に乗って
患部まで大移動し、目的地ではセンサーによる病巣部画
像を、又ある種の試薬反応による燐光／発色等を外部へ
通信伝送する。外部で画像認識してもらい、許可信号を
受信した後に不良細胞を識別して接近し、触刺を不良細
胞に突き当て熱衝撃を加える。壊死相当の印加時間後に
後退し次の不良細胞を捜す。以後、治療を繰り返し、外
部との通信により患部治療終了を見極めて撤退する。治
療器は回収信号（電波や磁波）を発信しながら血管内を
移動し外部のレーダー、ＳＱＵＩＤ、ＮＭＲ−ＣＴに位
置を補足される。採血し易い所まで来たら注射器で回収
される。

【００２７】図３は、図１に示すクランク５、ロッド
４、ギヤ６等の製作方法の工程の概要を示す説明図であ
る。図の（ａ）は、基板２００上にＳ_iＯ₂による犠牲層
２１０を形成する工程、（ｂ）は犠牲層２１０にブッシ
ング用の溝２２０を形成する工程、（ｃ）はブランケッ
ト２３０を溶着する工程、（ｄ）はレジスト膜層２４０
を形成する工程、（ｅ）はエッチング溝２５０を形成す
る工程、（ｆ）は犠牲層を除去してクランク等の部材を
得る工程を示す。

【００２８】

【発明の効果】以上述べたように、発明に係る第一の発
明によれば、マイクロマシーニング技術を駆使して駆動
力の大きい微小なモーターエンジンを供給できるので幅
広い分野で活用され得る。また第二の発明によれば、液
体中での移動に適しているので更に用途が増える。そし
て第三の発明によれば、熱によって生体内の不良細胞を
壊死させる事ができ、薬剤などの治療に比べて副作用の
心配を大きく減すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係るモーターエンジンの一実施形態
を示す図である。

【図２】 図１に示したヒーター部を表す図である（ａ
ヒーターパターン、ｂ Ａ−Ａ´の断面図）。

【図３】 図１に示したクランク、ロッド、ギヤ製作方
法の概略説明図。

【符号の説明】 １，１０１ 基材、 ２ ヒーター、 ３ スライダ
ー、 ４ ロッド、 ５クランク板、 ６ ギヤ、 ７
気室、 ８ クランク回転軸、 ９ ギヤ回転軸、
１０ ケース、 １０２ 蓄熱層、 １０３ 発熱抵抗
体、 １０４電極，配線パターン、 １０５ 第二種保
護層、 １０６ 第一種保護層。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダ室、クランク室及び気室を含む
   空洞と、空洞内に充填される発泡液体と、シリンダ室の
   端部に配設される電気ヒータと、電気ヒータに対して発
   泡液体を介して対向するスライダーと、スライダーに接
   続されてスライダーの往復運動を回転運動に変換する変
   換手段とを備え、 電気ヒータのオン・オフによる膜沸騰気泡の発泡と消泡
   エネルギーによりスライダーを駆動する膜沸騰気泡膨張
   モーターエンジン。
2. 【請求項２】 前記気室を浮力として用い該エンジン及
   び、該エンジンを搭載した移動体の液体中でのフロート
   （浮き袋）とする事を特徴とする請求項１記載の膜沸騰
   気泡膨張モーターエンジン。
3. 【請求項３】 エンジン稼働中の熱で生体内の不良細胞
   を壊死させる事を特徴とする請求項１又は請求項２に記
   載の膜沸騰気泡膨張モーターエンジンを用いた医学治療
   器。