JP2008264959A - Deformable micro nano structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は変形可能なマイクロ・ナノ構造体に関し、詳しくは、外部磁場により変形可能なマイクロ・ナノ構造体及びその駆動方法に関する。 The present invention relates to a deformable micro / nano structure, and more particularly to a micro / nano structure deformable by an external magnetic field and a driving method thereof.
従来、外部磁場を加えて駆動するマイクロ構造体が提案されている。 Conventionally, a microstructure that is driven by applying an external magnetic field has been proposed.
例えば、図２６に示すように、マイクロポストの中にマイクロワイヤを埋め込み、外部磁場を加えてマイクロポストを変位させる構成が開示されている（非特許文献１参照）。 For example, as shown in FIG. 26, a configuration is disclosed in which a microwire is embedded in a micropost and the micropost is displaced by applying an external magnetic field (see Non-Patent Document 1).
また、図２７に示すように、シリコンエラストマーのメンブレン中にパーマロイのフラップを埋め込み、外部磁場を加えてフラップにトルクを作用させ、メンブレンを変形させるアクチュエータが開示されている（非特許文献２参照）。
しかし、弾性体のマイクロポストやメンブレン中に、１個の剛体であるマイクロワイヤやフラップを埋め込む構造は、作製することが難しい。また、従来のマイクロレベル（１μｍ以上の寸法レベル）のマイクロ構造体を、そのまま、ナノレベル（１μｍ未満の寸法レベル）まで小さく作ることは困難である。 However, it is difficult to produce a structure in which a microwire or flap, which is a single rigid body, is embedded in an elastic micropost or membrane. In addition, it is difficult to make a conventional micro structure (dimensional level of 1 μm or more) as small as possible to the nano level (dimensional level of less than 1 μm).
また、マイクロワイヤやフラップの単体に外部磁場により直接作用する力を利用して駆動する構成の場合には、全体構成のスケールをｎ倍にすると、外部磁場によって単体に直接作用する力はｎ３に比例し、単体の変位はｎ２倍に比例する。そのため、小型化するほど、相対的に変位が小さくなる。外部磁場によって単体に直接作用する力は、外部磁場を強くしても、磁気飽和により、ある程度までしか大きくすることができない。そのため、ナノレベルまで小型化すれば駆動させることが難しくなる。 Further, in the case of a configuration in which the force directly acting on the single unit of the microwire or the flap is utilized by using an external magnetic field, when the scale of the entire configuration is increased by n times, the force directly acting on the single unit by the external magnetic field is n 3. The displacement of a single unit is proportional to n 2 times. Therefore, the smaller the size, the smaller the displacement. The force directly acting on the single body by the external magnetic field can be increased only to a certain extent by magnetic saturation even if the external magnetic field is strengthened. Therefore, it becomes difficult to drive if it is downsized to the nano level.
本発明は、かかる実情に鑑み、容易に作製することができ、小型化しても駆動が容易である、マイクロ・ナノ構造体を提供しようとするものである。 In view of such circumstances, the present invention is intended to provide a micro / nano structure that can be easily manufactured and can be easily driven even if it is downsized.
本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成したマイクロ・ナノ構造体を提供する。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a micro / nano structure configured as follows.
マイクロ・ナノ構造体は、ベース部材と、前記ベース部材の主面に立設された複数の突起とを備える。前記突起は、弾性材料の基材と、前記基材に保持された磁性材料とを含み、外部磁場の印加によって弾性変形する。 The micro / nano structure includes a base member and a plurality of protrusions erected on the main surface of the base member. The protrusion includes a base material made of an elastic material and a magnetic material held on the base material, and is elastically deformed by application of an external magnetic field.
上記構成において、外部磁場の印加により磁性材料に力が作用し、磁性材料を保持している基材が弾性変形する。 In the above configuration, a force acts on the magnetic material by applying an external magnetic field, and the base material holding the magnetic material is elastically deformed.
上記構成によれば、複数の突起が弾性変形し、複数の突起が組み合わさって所望の機能を発揮するように、外部から突起の形状を操作できる。 According to the above configuration, the shape of the protrusion can be manipulated from the outside so that the plurality of protrusions are elastically deformed and the plurality of protrusions combine to exhibit a desired function.
好ましくは、前記突起の表面に、前記磁性材料が露出している。 Preferably, the magnetic material is exposed on the surface of the protrusion.
この場合、外部磁場により磁性材料に作用する力は、突起の内部に磁性材料が保持されている場合よりも大きくなるため、効率的に突起を変形させることができる。 In this case, since the force acting on the magnetic material by the external magnetic field is larger than that in the case where the magnetic material is held inside the protrusion, the protrusion can be efficiently deformed.
好ましくは、前記磁性材料は、前記突起の前記ベース部材に近い側よりも、前記突起の前記ベース部材から遠い側に多く配置されている。 Preferably, the magnetic material is disposed more on the side of the projection farther from the base member than on the side of the projection closer to the base member.
上記構成は、磁性材料が突起のベース部材から遠い側のみに配置され、突起のベース部材に近い側には磁性材料が全く配置されていない場合も含む。 The above configuration also includes a case where the magnetic material is disposed only on the side of the protrusion far from the base member and no magnetic material is disposed on the side of the protrusion close to the base member.
上記構成において、例えば磁力線の方向が突起の延在方向に対して直角となるように外部磁場を加えると、突起中の磁性材料が分極し、隣接する突起の先端側（ベース部材から遠い側）が接離する。磁性材料が先端側に多く配置されていれば、外部磁場により突起の先端側に作用する力が大きくなり、突起の変形量が大きくなるので、効率的に突起を変形させることができる。 In the above configuration, for example, when an external magnetic field is applied so that the direction of the lines of magnetic force is perpendicular to the extending direction of the protrusion, the magnetic material in the protrusion is polarized, and the tip side of the adjacent protrusion (the side far from the base member) Come and go. If a large amount of magnetic material is arranged on the tip side, the force acting on the tip side of the projection by the external magnetic field increases, and the amount of deformation of the projection increases, so that the projection can be efficiently deformed.
また、隣接する突起の磁性材料間の相互作用を利用して変形させる場合、スケールをｎ倍にすると変位がｎ倍に比例するように構成できるので、スケールをｎ倍にすると変位がｎ２倍に比例する従来例と比べると、小型化しても駆動させることが容易である。 Further, when the deformation is made by utilizing the interaction between the magnetic materials of the adjacent protrusions, the displacement can be configured to be proportional to n times when the scale is increased by n times, so that the displacement is increased by n 2 times when the scale is increased by n times. Compared to the conventional example proportional to the above, it is easy to drive even if it is downsized.
好ましくは、前記磁性材料が磁性粒子である。 Preferably, the magnetic material is a magnetic particle.
上記構成によれば、弾性体中に剛体のマイクロワイヤやフラップなどの単体を所定の姿勢となるように所定の位置に埋め込む場合よりも、作製が容易である。磁性粒子を微細化することによって、容易に小型化することができる。 According to the above-described configuration, it is easier to manufacture than a case where a single body such as a rigid microwire or a flap is embedded in a predetermined position in an elastic body. By miniaturizing the magnetic particles, the size can be easily reduced.
マイクロ・ナノ構造体は、具体的には、以下のように種々の態様で構成することができる。 Specifically, the micro / nano structure can be configured in various manners as follows.
一つの態様として、前記突起の全体に前記磁性粒子が分散されている。 In one embodiment, the magnetic particles are dispersed throughout the protrusion.
この場合、例えば突起の延在方向に対して磁力線が斜めに交差するように外部磁場を加えると、突起が磁力線に沿って変形しようとするため、突起を湾曲させることができる。 In this case, for example, when an external magnetic field is applied so that the magnetic lines of force intersect obliquely with respect to the extending direction of the protrusions, the protrusions tend to deform along the magnetic lines of force, so that the protrusions can be curved.
他の態様として、前記突起の一部分に前記磁性粒子が配置されている。 As another aspect, the magnetic particles are disposed on a part of the protrusion.
この場合、磁性粒子を配置する部分を変えることで外部磁場による力が作用する位置を調整し、磁性粒子の量で外部磁場による力の大きさを調整することができる。したがって、外部磁場によって、突起を所望形状に弾性変形させることができる。 In this case, the position where the force by the external magnetic field acts can be adjusted by changing the portion where the magnetic particles are arranged, and the magnitude of the force by the external magnetic field can be adjusted by the amount of the magnetic particles. Therefore, the protrusion can be elastically deformed into a desired shape by the external magnetic field.
好ましくは、前記突起の先端部のみに前記磁性粒子が配置されている。 Preferably, the magnetic particles are disposed only at the tip of the protrusion.
この場合、例えば磁力線の方向が突起の延在方向に対して直角になるように外部磁場を加えると、突起の先端部の磁性粒子が分極し、隣接する突起の先端部間に相互作用によって、隣接する突起の先端部を接離させることができる。 In this case, for example, when an external magnetic field is applied so that the direction of the lines of magnetic force is perpendicular to the extending direction of the protrusion, the magnetic particles at the tip of the protrusion are polarized, and interaction between the tips of adjacent protrusions causes The tip portions of adjacent protrusions can be brought into contact with or separated from each other.
一般に片持ち梁の先端のたわみは、先端に集中荷重が作用した場合の方が、合計荷重が同じとなる分布荷重が作用した場合よりも大きい。よって、突起の先端部のみに磁性粒子を分散すると、突起全体に同量の磁性粒子を分散させた場合よりも、突起の先端部の変位量が大きくなるため、効率的に駆動することができる。 In general, the deflection at the tip of the cantilever is greater when a concentrated load is applied to the tip than when a distributed load having the same total load is applied. Therefore, if the magnetic particles are dispersed only at the tip of the protrusion, the amount of displacement of the tip of the protrusion becomes larger than when the same amount of magnetic particles is dispersed throughout the protrusion, so that the drive can be efficiently performed. .
好ましくは、前記突起の前記基材が樹脂である。 Preferably, the base material of the protrusion is a resin.
この場合、突起の形成が容易である。 In this case, it is easy to form a protrusion.
好ましくは、前記突起が円柱形状である。 Preferably, the protrusion has a cylindrical shape.
この場合、角柱形状や板形状などに比べると形状が簡単であるため、突起の形成が容易である。また、突起の延在方向に直角となるどの方向にも均一に突起を弾性変形させることができる。 In this case, since the shape is simple compared to a prismatic shape, a plate shape, or the like, it is easy to form a protrusion. Further, the protrusion can be elastically deformed uniformly in any direction perpendicular to the extending direction of the protrusion.
好ましくは、前記突起が配置されているパターンは、１又は２以上の前記突起による基本パターンが周期的に配置されている。 Preferably, in the pattern in which the protrusions are arranged, basic patterns of one or more of the protrusions are periodically arranged.
この場合、１又は２以上の突起を配置する基本パターンについてモデル化し、外部磁場による突起の変形挙動を解析した結果から、基本パターンを周期的に配置した場合の突起の変形挙動を容易に予測することができ、設計が容易である。また、大面積のものを作ることも容易である。 In this case, the basic pattern in which one or more protrusions are arranged is modeled, and the deformation behavior of the protrusion when the basic pattern is periodically arranged is easily predicted from the result of analyzing the deformation behavior of the protrusion due to the external magnetic field. Can be designed easily. It is also easy to make a large area.
好ましくは、前記突起のアスペクト比が３以上である。 Preferably, the aspect ratio of the protrusion is 3 or more.
この場合、外部磁場を加えて突起を変形させることできるマイクロ・ナノ構造体を、容易に作製することができる。 In this case, a micro / nano structure capable of deforming the protrusion by applying an external magnetic field can be easily produced.
また、本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成したマイクロ・ナノ構造体の駆動方法を提供する。 In order to solve the above problems, the present invention provides a method for driving a micro / nano structure configured as follows.
マイクロ・ナノ構造体の駆動方法は、ベース部材と、前記ベース部材の主面に立設された複数の突起とを備え、前記突起が弾性材料の基材と前記基材に保持された磁性材料とを含む、マイクロ・ナノ構造体の駆動方法である。外部磁場を印加して前記突起を弾性変形させることにより、前記突起を動かす。 A driving method of a micro / nano structure includes a base member and a plurality of protrusions erected on a main surface of the base member, and the protrusions are a base material made of an elastic material and a magnetic material held by the base material And a method for driving a micro / nano structure. The protrusion is moved by applying an external magnetic field to elastically deform the protrusion.
上記方法によれば、印加する外部磁場の状態を変えることにより、突起の弾性変形形状が変わることを利用して、突起の形状を外部から制御し、突起を動かすことができる。マイクロ・ナノ構造体は、容易に作製することができ、小型化しても駆動が容易である。 According to the above method, by utilizing the fact that the elastic deformation shape of the protrusion changes by changing the state of the applied external magnetic field, it is possible to control the shape of the protrusion from the outside and move the protrusion. The micro / nano structure can be easily manufactured and can be driven easily even if it is downsized.
具体的には、以下のように種々の態様で突起を駆動することができる。 Specifically, the protrusions can be driven in various ways as follows.
一つの態様として、磁力線が前記ベース部材の前記主面を貫通するように外部磁場を加えて、前記突起を湾曲させる。 As one aspect, an external magnetic field is applied so that the magnetic lines of force penetrate the main surface of the base member, and the protrusion is curved.
この場合、突起に外部磁場が加わると、突起中の磁性材料に力が作用する。突起の基材が弾性材料であるので、突起は弾性変形する。突起は磁力線に沿って変形しようとするため、突起を湾曲させることができる。 In this case, when an external magnetic field is applied to the protrusion, a force acts on the magnetic material in the protrusion. Since the base material of the protrusion is an elastic material, the protrusion is elastically deformed. Since the protrusion tends to deform along the lines of magnetic force, the protrusion can be curved.
他の態様として、外部磁場の印加によって、前記突起の延在方向に対して直角方向に前記突起中の前記磁性材料を分極させ、隣接する前記突起の前記磁性材料同士の相互作用によって、隣接する前記突起の先端側を接離させる。 As another aspect, the magnetic material in the protrusion is polarized in a direction perpendicular to the extending direction of the protrusion by applying an external magnetic field, and adjacent to each other by the interaction between the magnetic materials of the adjacent protrusions. The tip end side of the projection is brought into contact with and separated from.
この場合、隣接する突起は、それぞれの突起中の磁性材料の相互作用を利用して変形させる。マイクロ・ナノ構造体は、スケールをｎ倍にすると変位がｎ倍に比例するように構成できるので、スケールをｎ倍にすると変位がｎ２倍に比例する従来例と比べると、小型化しても駆動させることが容易である。 In this case, the adjacent protrusions are deformed by utilizing the interaction of the magnetic material in each protrusion. Micro-nano structures, the displacement and the scale factor of n can be configured to be proportional to n times, the displacement to the scale to n times is compared with the conventional example which is proportional to twice n, even when the size of It is easy to drive.
好ましくは、前記磁性材料は、前記突起の前記ベース部材に近い側よりも、前記突起の前記ベース部材から遠い側に多く配置されている。 Preferably, the magnetic material is disposed more on the side of the projection farther from the base member than on the side of the projection closer to the base member.
磁性材料が突起の先端側（ベース部材から遠い側）に多く配置されていれば、外部磁場により突起の先端側に作用する力が大きくなり、突起の変形量が大きくなるので、効率的に突起を変形させることができる。 If a large amount of magnetic material is arranged on the tip side of the projection (the side far from the base member), the force acting on the tip side of the projection due to the external magnetic field increases, and the amount of deformation of the projection increases. Can be deformed.
特に、前記突起のベース部材から遠い側のみに、前記磁性材料が配置されている場合には、磁性材料の配置を集中することで、同量の磁性粒子を突起内に分散して配置する場合よりも、突起の先端側の変位量が大きくなり、効率的に駆動することができる。 In particular, when the magnetic material is disposed only on the side of the protrusion far from the base member, the same amount of magnetic particles is dispersed and disposed in the protrusion by concentrating the magnetic material. As a result, the amount of displacement on the tip end side of the protrusion is increased, and the projection can be efficiently driven.
好ましくは、前記磁性材料が磁性粒子である。 Preferably, the magnetic material is a magnetic particle.
上記構成によれば、弾性体中に剛体のマイクロワイヤやフラップなどの単体を所定の姿勢になるように所定の位置に埋め込む場合よりも、作製が容易である。磁性粒子を微細化することによって、容易に小型化することができる。 According to the above configuration, it is easier to manufacture than the case where a single body such as a rigid microwire or a flap is embedded in a predetermined position in an elastic body in a predetermined posture. By miniaturizing the magnetic particles, the size can be easily reduced.
本発明によれば、マイクロ・ナノ構造体を容易に作製することができ、小型化しても駆動が容易である。 According to the present invention, a micro / nano structure can be easily manufactured, and can be easily driven even if it is downsized.
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図２５を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
＜実施例１＞ 図１〜図１２を参照しながら、実施例１のマイクロ構造体１０について説明する。 Example 1 A microstructure 10 of Example 1 will be described with reference to FIGS.
図１の斜視図に模式的に示すように、マイクロ構造体１０は、ベース部材１２の主面である上面１２ａに、複数の突起１４が立設されている。突起１４は円柱形状であり、正方格子状に配列されている。 As schematically shown in the perspective view of FIG. 1, the microstructure 10 has a plurality of protrusions 14 erected on an upper surface 12 a that is a main surface of the base member 12. The protrusions 14 have a cylindrical shape and are arranged in a square lattice shape.
突起１４は、図２の断面図に模式的に示すように、弾性材料の基材中に磁性粒子１５が分散されている。磁性粒子１５がＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉやこれらの合金などの強磁性体である場合、外部磁場がない場合は全体として観察される磁化は零であるが、外部磁場が加えられると全体として強い磁性を帯びるようになり、外部磁場によって磁性粒子１５にモーメントが作用する。そのため、例えば矢印１８で示すように、突起１４の延在方向に対して斜め方向に外部磁場を加えると、突起１４内の各磁性粒子１５内において磁力線の方向に分極し、突起１４内の各磁性粒子１５に外部磁場によるモーメントが作用し、突起１４は、先端１４ｋ側が矢印１７で示す方向に傾いて湾曲し、外部磁場の磁力線にある程度沿う形状に弾性変形する。 As schematically shown in the cross-sectional view of FIG. 2, the protrusion 14 has magnetic particles 15 dispersed in a base material made of an elastic material. When the magnetic particle 15 is a ferromagnetic material such as Fe, Co, Ni, or an alloy thereof, the magnetization observed as a whole is zero in the absence of an external magnetic field, but the magnetic strength as a whole is strong when an external magnetic field is applied. The moment acts on the magnetic particle 15 by the external magnetic field. Therefore, for example, as shown by an arrow 18, when an external magnetic field is applied in an oblique direction with respect to the extending direction of the protrusion 14, each magnetic particle 15 in the protrusion 14 is polarized in the direction of the lines of magnetic force and A moment due to an external magnetic field acts on the magnetic particles 15, and the protrusions 14 are bent with the tip 14 k side inclined in the direction indicated by the arrow 17, and elastically deformed to a shape along the magnetic field lines of the external magnetic field to some extent.
磁性粒子１５に強磁性体の材料を用いると、突起中に磁性粒子１５を分散させることが容易であるため好ましいが、磁性粒子１５に永久磁石などのフェリ磁性体を用いてもよい。この場合も、外部磁場によって磁性粒子１５にモーメントが作用するので、突起１４を変形させることが可能である。 Although it is preferable to use a ferromagnetic material for the magnetic particles 15 because it is easy to disperse the magnetic particles 15 in the protrusions, a ferrimagnetic material such as a permanent magnet may be used for the magnetic particles 15. Also in this case, since the moment acts on the magnetic particles 15 by the external magnetic field, the protrusions 14 can be deformed.
突起１４の寸法・形状や配列、外部磁場を加える態様などを適宜に選択することにより、配線なしに、また接触することなしに、突起１４の変形態様を外部から制御することができる。 By appropriately selecting the size / shape and arrangement of the projections 14 and the manner in which an external magnetic field is applied, the deformation mode of the projections 14 can be controlled from the outside without wiring and without contact.
次に、マイクロ構造体１０の作製例について、図３〜図７を参照しながら説明する。 Next, an example of manufacturing the microstructure 10 will be described with reference to FIGS.
図３は、マイクロ構造体１０の製造工程を示す断面図である。 FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the microstructure 10.
図３（ａ）に示すように、マイクロ構造体の突起に対応する穴４１が形成された鋳型４０に、磁性粒子１５が分散された弾性材料４２として、平均粒径が０．８１μｍの鉄粉が分散されたＰＤＭＳ（polydimethylsiloxane）樹脂を流し込み、鋳型４０の上面４０ａをすり切り、鋳型４０の穴４１のみに充填する。硬化前のＰＤＭＳ樹脂は粘性が高いため、トルエンで希釈して流動性を高める。 As shown in FIG. 3A, an iron powder having an average particle diameter of 0.81 μm is formed as an elastic material 42 in which magnetic particles 15 are dispersed in a mold 40 in which holes 41 corresponding to the protrusions of the microstructure are formed. A PDMS (polydimethylsiloxane) resin in which is dispersed is poured, and the upper surface 40a of the mold 40 is ground and filled only in the holes 41 of the mold 40. Since the PDMS resin before curing is highly viscous, it is diluted with toluene to increase fluidity.
次いで、図３（ｂ）に示すように、ベース部材１２となる材料４４として、ＰＤＭＳ樹脂のみを鋳型４０の上面４０ａに流し込む。このときも、硬化前のＰＤＭＳ樹脂は、トルエンで希釈して流動性を高める。 Next, as shown in FIG. 3B, only the PDMS resin is poured into the upper surface 40 a of the mold 40 as the material 44 to be the base member 12. Also at this time, the PDMS resin before curing is diluted with toluene to improve fluidity.
次いで、ＰＤＭＳ樹脂４２，４４を加熱硬化させた後、図３（ｃ）に示すように、鋳型４０を分離する。 Next, after the PDMS resins 42 and 44 are cured by heating, the mold 40 is separated as shown in FIG.
鋳型４０には、機械加工により穴４１を加工した金型を用いる。あるいは、リソグラフィにより作製した鋳型を用いる。 As the mold 40, a mold in which the hole 41 is machined is used. Alternatively, a template produced by lithography is used.
鋳型４０をリソグラフィにより作製する方法について、図４の断面図及び図５の平面図を参照しながら説明する。 A method for producing the mold 40 by lithography will be described with reference to the cross-sectional view of FIG. 4 and the plan view of FIG.
図４（ａ）に示すように、ガラス基板２０にアルミ２１を蒸着した上に、感光性硬化性樹脂２２、例えばエポキシ系ネガ型厚膜レジストであるＳＵ−８をスピンコートする。 As shown in FIG. 4A, after depositing aluminum 21 on a glass substrate 20, a photosensitive curable resin 22, for example, SU-8, which is an epoxy negative thick film resist, is spin-coated.
次いで、図４（ｂ）に示すように、下面３２に遮光パターン３４が形成されたマスク３０を通して、矢印３６で示すように紫外線を照射し、感光性硬化性樹脂２２を露光する。遮光パターン３４は、図５に模式的に示すように、突起の配列に対応して形成されている。 Next, as shown in FIG. 4B, the photosensitive curable resin 22 is exposed by irradiating ultraviolet rays as indicated by an arrow 36 through a mask 30 having a light shielding pattern 34 formed on the lower surface 32. As schematically shown in FIG. 5, the light shielding pattern 34 is formed corresponding to the arrangement of the protrusions.
次いで、現像処理を行い、感光性硬化性樹脂２２の未露光部分２４を除去することにより、図４（ｃ）に示すように、穴２６が形成された鋳型が完成する。 Next, development processing is performed to remove the unexposed portion 24 of the photosensitive curable resin 22, thereby completing the mold in which the holes 26 are formed as shown in FIG.
図６は、ＳＵ−８鋳型を用いて作製したマイクロ構造体の突起を、共焦点レーザー顕微鏡で観察した写真である。このマイクロ構造体には、直径４９．２μｍ、高さ１５１μｍ、アスペクト比３の柱状の突起が形成されている。このアスペクト比３の突起は、後述するように外部磁場を加えて変形させることできる。 FIG. 6 is a photograph of the protrusions of the microstructure manufactured using the SU-8 template observed with a confocal laser microscope. Columnar protrusions having a diameter of 49.2 μm, a height of 151 μm, and an aspect ratio of 3 are formed on this microstructure. The protrusion having an aspect ratio of 3 can be deformed by applying an external magnetic field as will be described later.
図７は、機械加工の金型を鋳型に用いて作製したマイクロ構造体の写真である。このマイクロ構造体には、直径５０μｍ、深さ３００μｍの穴を機械加工した金型を用いて、比較的アスペクト比が大きい突起が形成されている。この突起は、後述するように外部磁場を加えて変形させることできる。 FIG. 7 is a photograph of a microstructure produced using a machined mold as a mold. In this microstructure, a protrusion having a relatively large aspect ratio is formed using a mold in which a hole having a diameter of 50 μm and a depth of 300 μm is machined. This protrusion can be deformed by applying an external magnetic field, as will be described later.
次に、マイクロ構造体の突起の変形について、図８〜図１２を参照しながら説明する。 Next, deformation of the protrusions of the microstructure will be described with reference to FIGS.
図８に、マイクロ構造体の突起の弾性変形を観察するためのシステムの構成図を示す。図８に示すように、シリコーンオイル６２を満たした容器６０中に、突起１４が垂直方向上向きに延在するようにマイクロ構造体１０を配置し、マイクロ構造体１０全体がシリコーンオイル６２に浸るようにする。容器６０の下方に磁石５０を配置し、矢印５２で示すように、磁石５０を水平方向に移動させる。容器６０の上方には、顕微鏡（図示せず）を配置し、顕微鏡で突起を観察した画像をＣＣＤカメラ６４で撮像し、撮像信号をコンピュータ６６で処理して出力する。具体的には、磁石５０は表面磁束密度が０．４ＴのＮｄＦｅＢであり、容器６０と磁石５０との間の距離Ｇは２．６ｍｍである。 FIG. 8 shows a configuration diagram of a system for observing the elastic deformation of the protrusions of the microstructure. As shown in FIG. 8, the microstructure 10 is arranged in a container 60 filled with silicone oil 62 so that the protrusions 14 extend vertically upward, so that the entire microstructure 10 is immersed in the silicone oil 62. To. The magnet 50 is disposed below the container 60, and the magnet 50 is moved in the horizontal direction as indicated by an arrow 52. A microscope (not shown) is disposed above the container 60, an image obtained by observing the protrusions with the microscope is picked up by the CCD camera 64, and an image pickup signal is processed by the computer 66 and output. Specifically, the magnet 50 is NdFeB having a surface magnetic flux density of 0.4 T, and the distance G between the container 60 and the magnet 50 is 2.6 mm.
図９の要部拡大断面図に示すように、突起１４の真下から、磁石５０が水平方向に移動すると、突起１４には、斜めに磁力線５４が作用する。線Ａ−Ａ'で示した断面における磁場の強さＢ（Ｔ）と、磁石５０の水平移動距離Ｌ（ｍｍ）と、磁力線５４の接線５６と突起１４の中心線１４ｙとの角度θ（°）との間には、図１０のグラフに示す関係がある。すなわち、磁石５０が中心位置から離れるにつれて、磁力線の傾きが大きくなり、磁場は弱くなる。 As shown in the enlarged cross-sectional view of the main part of FIG. 9, when the magnet 50 moves in the horizontal direction from directly below the protrusion 14, the magnetic force lines 54 act on the protrusion 14 obliquely. The magnetic field strength B (T) in the cross section indicated by the line AA ′, the horizontal movement distance L (mm) of the magnet 50, the angle θ (°) between the tangent line 56 of the magnetic force line 54 and the center line 14 y of the protrusion 14. ) And the relationship shown in the graph of FIG. That is, as the magnet 50 moves away from the center position, the gradient of the magnetic field lines increases and the magnetic field becomes weaker.
図１１のグラフは、磁石５０の水平方向移動距離Ｌと突起１４の先端の水平方向変位量δとの関係を示す。磁石５０の移動距離Ｌが一定範囲内であれば、磁石５０の移動距離Ｌが大きくなるにつれて、突起先端の変位量δが大きくなる。 The graph of FIG. 11 shows the relationship between the horizontal movement distance L of the magnet 50 and the horizontal displacement amount δ of the tip of the protrusion 14. If the moving distance L of the magnet 50 is within a certain range, the displacement amount δ of the protrusion tip increases as the moving distance L of the magnet 50 increases.
図１２は、鋳型に流し込むときの磁性粒子（鉄粉）の濃度と、突起のアスペクト比とを変えた場合について、突起先端の変位量δを示すグラフである。磁性粒子の濃度は１．１４ｖｏｌ％、２．２６ｖｏｌ％、４．４２ｖｏｌ％である。サンプルＡ（■）は、直径５０μｍ、高さ５００μｍ、アスペクト比１０の突起が形成されている。サンプルＢ（●）は、直径５０μｍ、高さ２００μｍ、アスペクト比４の突起が形成されている。外部磁場を加える条件は、両サンプルとも同じである。 FIG. 12 is a graph showing the displacement δ of the protrusion tip when the concentration of magnetic particles (iron powder) and the aspect ratio of the protrusion are changed when poured into the mold. The density | concentration of a magnetic particle is 1.14 vol%, 2.26 vol%, 4.42 vol%. Sample A (■) has protrusions with a diameter of 50 μm, a height of 500 μm, and an aspect ratio of 10. Sample B (●) has protrusions with a diameter of 50 μm, a height of 200 μm, and an aspect ratio of 4. The conditions for applying the external magnetic field are the same for both samples.
図１２から、アスペクト比が大きくなると、また磁性粒子濃度が高くなると、突起先端の変位量が急激に増すことが分かる。具体的には、アスペクト比が５以上になると、また磁性粒子濃度が２ｖｏｌ％以上になると、突起先端の最大変位量が急激に増す。 From FIG. 12, it can be seen that as the aspect ratio increases and the magnetic particle concentration increases, the amount of displacement of the protrusion tip increases rapidly. Specifically, when the aspect ratio is 5 or more, and when the magnetic particle concentration is 2 vol% or more, the maximum displacement amount of the protrusion tip increases rapidly.
＜実施例２＞ 実施例２のマイクロ構造体１０ｘについて、図１３〜図１９を参照しながら説明する。 <Example 2> The microstructure 10x of Example 2 will be described with reference to FIGS.
実施例２のマイクロ構造体１０ｘは、実施例１と略同様に構成されている。以下では、相違点を中心に説明し、同様の構成部分には同じ符号を用いる。 The microstructure 10x of the second embodiment is configured in substantially the same manner as the first embodiment. Below, it demonstrates centering around difference and the same code | symbol is used for the same component.
図１３の斜視図、図１４の断面図に模式的に示すように、実施例２のマイクロ構造体１０ｘは、実施例１のマイクロ構造体１０と同様に、ベース部材１２の主面である上面１２ａに、複数の突起１４ｘが立設されている。 As schematically shown in the perspective view of FIG. 13 and the cross-sectional view of FIG. 14, the microstructure 10x of the second embodiment is an upper surface that is the main surface of the base member 12, like the microstructure 10 of the first embodiment. A plurality of protrusions 14x are erected on 12a.
実施例１と異なり、突起１４ｘのうち、先端部１４ａのみに弾性材料の基材中に磁性粒子１５が分散されている。すなわち、突起１４ｘの基端部１４ｂの弾性材料の基材中には、磁性粒子１５は含まれていない。磁性粒子１５には、強磁性体の材料を用いる。 Unlike Example 1, the magnetic particles 15 are dispersed in the base material made of an elastic material only in the tip portion 14a of the protrusion 14x. That is, the magnetic particles 15 are not included in the base material of the elastic material at the base end portion 14b of the protrusion 14x. The magnetic particles 15 are made of a ferromagnetic material.
突起１４ｘは、例えば矢印１８で示すように突起１４ｘの延在方向に対して直角方向の成分を有する外部磁場が加えられると、それぞれの突起１４ｘの先端部１４ａの磁性粒子１５は外部磁場の方向に分極する。この分極により、隣接する突起１４ｘの先端部１４ａは、矢印１９で示すように引き合い、あるいは反発する。このような相互作用によって、突起１４ｘは、隣接する突起１４ｘの先端部１４ａが接離するように弾性変形する。 When an external magnetic field having a component perpendicular to the extending direction of the protrusion 14x is applied to the protrusion 14x, for example, as indicated by an arrow 18, the magnetic particles 15 at the tip 14a of each protrusion 14x are in the direction of the external magnetic field. Polarize to. Due to this polarization, the tip portion 14 a of the adjacent protrusion 14 x attracts or repels as indicated by an arrow 19. Due to such an interaction, the protrusion 14x is elastically deformed so that the tip end portion 14a of the adjacent protrusion 14x contacts and separates.
突起１４ｘの寸法・形状や配列、外部磁場を加える態様などを適宜に選択することにより、配線なしに、また接触することなしに、突起１４ｘが変形し先端部１４ａが接離する態様を外部から制御することができる。 By appropriately selecting the size / shape and arrangement of the projections 14x, the manner in which an external magnetic field is applied, etc., the manner in which the projection 14x is deformed and the tip end portion 14a is brought into contact with or separated from the outside without any wiring or contact Can be controlled.
次に、マイクロ構造体の作製例について、図１５〜図１７を参照しながら説明する。 Next, an example of manufacturing a microstructure will be described with reference to FIGS.
図１５は、マイクロ構造体の作製工程を示す断面図である。図１５（ａ）に示すように、マイクロ構造体の突起に対応する穴４１が形成された鋳型４０に、磁性粒子１５が分散された弾性材料４２として、平均粒径が０．８１μｍの鉄粉が分散されたＰＤＭＳ樹脂を流し込み、鋳型４０の上面４０ａをすり切り、鋳型４０の穴４１のみに充填する。硬化前のＰＤＭＳ樹脂は粘性が高いため、トルエンで希釈して流動性を高める。 FIG. 15 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a microstructure. As shown in FIG. 15A, an iron powder having an average particle diameter of 0.81 μm is formed as an elastic material 42 in which magnetic particles 15 are dispersed in a mold 40 in which holes 41 corresponding to the protrusions of the microstructure are formed. Is poured, and the upper surface 40a of the mold 40 is ground to fill only the holes 41 of the mold 40. Since the PDMS resin before curing is highly viscous, it is diluted with toluene to increase fluidity.
次いで、図１５（ｂ）に示すように、遠心分離により、矢印４８で示す方向に遠心力を作用させ、ＰＤＭＳ樹脂４２中の磁性粒子１５を鋳型４０の穴４１の底部に集中させ、ＰＤＭＳ樹脂４２の下部４２ａのみに磁性粒子１５が含まれ、上部４２ｂには磁性粒子１５が含まれないようにする。 Next, as shown in FIG. 15 (b), centrifugal force is applied in the direction indicated by the arrow 48 by centrifugation, and the magnetic particles 15 in the PDMS resin 42 are concentrated at the bottom of the hole 41 of the mold 40, and the PDMS resin The magnetic particles 15 are included only in the lower part 42a of 42, and the magnetic particles 15 are not included in the upper part 42b.
次いで、図１５（ｃ）に示すように、ベース部材１２となる材料４４として、ＰＤＭＳ樹脂のみを鋳型４０の上面４０ａに流し込む。このときも、硬化前のＰＤＭＳ樹脂は、トルエンで希釈して流動性を高める。 Next, as shown in FIG. 15C, only the PDMS resin is poured into the upper surface 40 a of the mold 40 as the material 44 to be the base member 12. Also at this time, the PDMS resin before curing is diluted with toluene to improve fluidity.
次いで、ＰＤＭＳ樹脂４２，４４を加熱硬化させた後、図１５（ｄ）に示すように、鋳型４０を分離する。 Next, after the PDMS resins 42 and 44 are cured by heating, the mold 40 is separated as shown in FIG.
図１６は、遠心分離前のＰＤＭＳ樹脂中に含まれる磁性粒子（鉄粉）１５の体積率と、突起１４全体に対して、磁性粒子１５を含む先端部１４ａが占める体積率との関係を示すグラフである。遠心分離前のＰＤＭＳ樹脂中に含まれる磁性粒子の体積率を変えることによって、突起１４全体に占める先端部１４ａの割合を調節することができる。 FIG. 16 shows the relationship between the volume ratio of the magnetic particles (iron powder) 15 contained in the PDMS resin before centrifugation and the volume ratio occupied by the tip portion 14 a including the magnetic particles 15 with respect to the entire protrusion 14. It is a graph. By changing the volume ratio of the magnetic particles contained in the PDMS resin before centrifugation, the ratio of the tip portion 14a in the entire protrusion 14 can be adjusted.
図１７の写真は、作製したマイクロ構造体の一例を示す。黒く見えるのは突起の先端部であり、ＰＤＭＳ樹脂中に磁性粒子が分散している。 The photograph in FIG. 17 shows an example of the manufactured microstructure. The tip of the protrusion appears black, and the magnetic particles are dispersed in the PDMS resin.
次に、マイクロ構造体の突起の変形について、図１８及び図１９を参照しながら説明する。 Next, deformation of the protrusions of the microstructure will be described with reference to FIGS.
図１８に、マイクロ構造体の突起の弾性変形を観察するためのシステムの構成図を示す。図１８に示すように、シリコーンオイル６２を満たした容器６０ｘ内のスペーサ上に、突起１４ｘが垂直方向上向きに延在するようにマイクロ構造体１０ｘを配置し、マイクロ構造体１０ｘ全体がシリコーンオイル６２に浸るようにする。さらに、容器６０ｘ内に磁石５０ｘを配置し、矢印５２ｘで示すように水平方向に移動させ、マイクロ構造体１０ｘに対して接離させる。このとき、磁力線５４ｘは、隣接する突起１４ｘの先端部１４ａを貫通する。容器６０ｘの上方には、顕微鏡（図示せず）を配置し、顕微鏡で突起を観察した画像をＣＣＤカメラ６４で撮像し、撮像信号をコンピュータ６６で処理して出力する。 FIG. 18 shows a configuration diagram of a system for observing the elastic deformation of the protrusions of the microstructure. As shown in FIG. 18, the microstructure 10x is arranged on the spacer in the container 60x filled with the silicone oil 62 so that the protrusion 14x extends vertically upward, and the entire microstructure 10x is entirely covered with the silicone oil 62. Soak in. Further, the magnet 50x is disposed in the container 60x, moved in the horizontal direction as indicated by the arrow 52x, and brought into contact with and separated from the microstructure 10x. At this time, the magnetic force line 54x penetrates the tip end portion 14a of the adjacent protrusion 14x. A microscope (not shown) is arranged above the container 60x, an image obtained by observing the protrusions with the microscope is picked up by the CCD camera 64, and the picked-up image signal is processed by the computer 66 and output.
図１９は、磁石５０ｘを水平方向に移動させたときに隣接する突起１４ｘの先端部１４ａが接離する様子を示す写真である。突起は、直径５０μｍ、高さ３００μｍ、先端部の長さが１００μｍであり、１０×１０本が１００μｍピッチで正方格子状に配置されている。磁石５０ｘは、図においてマイクロ構造体の下辺側に配置されており、磁力線の向きは、矢印５８で示すように、図において上下方向となっている。 FIG. 19 is a photograph showing a state in which the tip portion 14a of the adjacent protrusion 14x comes in contact with and separates when the magnet 50x is moved in the horizontal direction. The protrusions have a diameter of 50 μm, a height of 300 μm, and a tip portion length of 100 μm, and 10 × 10 pieces are arranged in a square lattice at a pitch of 100 μm. The magnet 50x is arranged on the lower side of the microstructure in the drawing, and the direction of the magnetic lines of force is in the vertical direction in the drawing as indicated by the arrow 58.
磁石がマイクロ構造体から十分に遠いときには、図１９（ａ）に示すように、それぞれの突起はベース部材に対して略真っ直ぐに立っている。 When the magnet is sufficiently far from the microstructure, each protrusion stands substantially straight with respect to the base member as shown in FIG.
磁石をマイクロ構造体に近づけると、図１９（ｂ）に示すように、図において上下方向の各列において、隣接する２本ずつの突起の先端部同士が互いに他方側に移動して接する。このとき、突起の先端部同士が接してしている部分は、図において左右方向に見ると互い違いにずれていて、千鳥状となっている。 When the magnet is brought close to the microstructure, as shown in FIG. 19 (b), in each row in the vertical direction in the figure, the tips of two adjacent projections move to the other side and come into contact with each other. At this time, the portions where the tips of the protrusions are in contact with each other are staggered when viewed in the left-right direction in the figure.
さらに磁石をマイクロ構造体に近づけると、図１９（ｃ）に示すように、２本ずつの突起の接している先端部が図において左右に移動し、隣り合う２列の突起の先端部が接して一列に並ぶようになる。 Further, when the magnet is brought closer to the microstructure, as shown in FIG. 19 (c), the tip portions where the two projections are in contact move left and right in the figure, and the tip portions of the adjacent two rows of projections are in contact. Will be lined up in a row.
実施例２のように相互作用を利用して突起を変形させる場合、磁場の変化により、突起の先端部同士が接し合う態様を段階的に切り替えることができる。また、マイクロ構造体に対して磁石を接離させる方向に応じて、突起の先端部が移動する方向が変わる。突起の寸法・形状を適宜に選択すれば、外部磁場によって、突起の先端部が接することなく弾性変形するようにすることもできる。 When the protrusions are deformed using the interaction as in the second embodiment, the manner in which the tip portions of the protrusions are in contact with each other can be switched in a step-by-step manner due to the change in the magnetic field. In addition, the direction in which the tip of the protrusion moves changes according to the direction in which the magnet is moved toward and away from the microstructure. If the dimensions and shape of the protrusions are appropriately selected, the protrusions can be elastically deformed by the external magnetic field without contacting the tip portions of the protrusions.
実施例２のように相互作用を利用して突起を変形させる場合、マイクロ構造体全体の寸法をｎ倍に相似設計したとき、先端部の体積はｎ３になるが、隣接する先端部間の距離がｎ倍になるため、磁場の強度が同じであれば、隣接する先端部間に作用する力Ｆはｎ２倍になる。 When the projection is deformed by utilizing the interaction as in the second embodiment, when the size of the entire microstructure is designed to be similar to n times, the volume of the tip is n 3 , but between the adjacent tips. Since the distance is n times, the force F acting between the adjacent tip portions is n 2 times if the strength of the magnetic field is the same.
片持ちはりの自由端に荷重Ｆが作用したときの、自由端のたわみδは、
δ＝Ｆｈ３／（３ＥＩ） ・・・（１）
ｈ：はりの長さ
Ｅ：縦弾性係数
Ｉ：断面２次モーメント
であり、直径ｄの円形断面では、
Ｉ＝（π／６４）・ｄ４ ・・・（２）
である。
When the load F is applied to the free end of the cantilever, the deflection δ of the free end is
δ = Fh 3 / (3EI) (1)
h: length of the beam E: longitudinal elastic modulus I: secondary moment of section, in a circular section of diameter d,
I = (π / 64) · d 4 (2)
It is.
式（１）及び（２）から、ｈ及びｄがｎ倍、Ｆがｎ２倍になると、δはｎに比例する。 From equations (1) and (2), when h and d are n times and F is n 2 times, δ is proportional to n.
つまり、相互作用を用いる場合、小型化すると、それに比例して変位も小さくなるだけであり、小型化しても駆動は容易である。 In other words, in the case of using the interaction, if the size is reduced, the displacement is only reduced in proportion thereto, and the driving is easy even if the size is reduced.
これに対して、従来例のように、相互作用を利用せずに、外部磁場によって磁性体に直接作用する力Ｆ'を用いる場合、力Ｆ'は磁性体の体積に比例するので、構造の寸法がｎ倍になると、力Ｆ'はｎ３倍になり、変位量はｎ２に比例する。そのため、小型化すれば、変位量が極端に小さくなるため、小型化すると駆動が困難となる。 On the other hand, when a force F ′ acting directly on the magnetic body by an external magnetic field is used without using an interaction as in the conventional example, the force F ′ is proportional to the volume of the magnetic body, When the dimension is increased by n times, the force F ′ is increased by n 3 times, and the displacement is proportional to n 2 . For this reason, if the size is reduced, the amount of displacement becomes extremely small. Therefore, if the size is reduced, driving becomes difficult.
＜実施例３＞ 実施例３について、図２０〜図２２を参照しながら説明する。図２１〜図２２は、突起先端を模式的に図示した平面図である。 <Example 3> Example 3 will be described with reference to FIGS. 21 to 22 are plan views schematically showing the protrusion tips.
実施例２では突起が正方格子状に配置されていたが、実施例３では、突起の初期位置を正方格子からずらしたパターンに配置されている。 In the second embodiment, the protrusions are arranged in a square lattice shape, but in the third embodiment, the initial positions of the protrusions are arranged in a pattern shifted from the square lattice.
図２０は、正方格子の辺の方向に突起の初期位置をずらした場合の例である。 FIG. 20 shows an example in which the initial position of the protrusion is shifted in the direction of the side of the square lattice.
図２０（ａ）に示すように、点線で示した正方格子状の位置から図において上方に初期位置がずれている突起７０と、下方に初期位置がずれている突起７２とが、図において上下方向にも左右方向にも、交互に配置されている。すなわち、突起７０，７２は、２つずつの突起７０，７２が２×２に配列された基本パターンを繰り返すように配置されている。 As shown in FIG. 20A, the projection 70 whose initial position is shifted upward in the drawing from the square lattice-shaped position indicated by the dotted line and the projection 72 whose initial position is shifted downward are vertically They are alternately arranged in both directions and left and right directions. That is, the protrusions 70 and 72 are arranged so as to repeat a basic pattern in which two protrusions 70 and 72 are arranged in 2 × 2.
図２０（ｂ）において矢印７１で示すように、図において上下方向の磁場が加わると、図において上下方向に隣接する突起７０，７２は、初期位置が互いに近いもの同士が対となり、それぞれの先端同士が互いに接近する。一方、初期位置が互いに遠いもの同士の対については、それぞれの先端が互いに離反する。 As shown by an arrow 71 in FIG. 20B, when a magnetic field in the vertical direction is applied in the figure, the protrusions 70 and 72 adjacent in the vertical direction in the figure are paired with ones whose initial positions are close to each other. They approach each other. On the other hand, with respect to a pair whose initial positions are far from each other, the respective tips are separated from each other.
図２１は、正方格子の対角方向に突起の初期位置をずらした場合の例である。 FIG. 21 shows an example in which the initial position of the protrusion is shifted in the diagonal direction of the square lattice.
図２１（ａ）に示すように、点線で示した正方格子状の位置から図において右下方に初期位置がずれている突起７４と、左上方に初期位置がずれている突起７６とが、図において上下方向にも左右方向にも、交互に配置されている。すなわち、２つずつの突起７４，７６が２×２に配列された基本パターンを繰り返すように配置されている。 As shown in FIG. 21A, a projection 74 whose initial position is shifted to the lower right in the drawing from a square lattice-like position indicated by a dotted line and a projection 76 whose initial position is shifted to the upper left are shown in the figure. Are alternately arranged in the vertical and horizontal directions. That is, two protrusions 74 and 76 are arranged so as to repeat a basic pattern in which 2 × 2 are arranged.
突起７４，７６が接離する態様は、磁場の向きによって異なる。 The manner in which the protrusions 74 and 76 contact and separate differs depending on the direction of the magnetic field.
すなわち、図２１（ｂ）において矢印７３で示すように、図において上下方向に磁場が加わると、図において上下方向に隣接する突起７４，７６は、初期位置が互いに近いもの同士が対となり、互いに接近する。一方、初期位置が互いに遠いもの同士の対については、それれぞれの先端が互いに離反する。 That is, as indicated by an arrow 73 in FIG. 21B, when a magnetic field is applied in the vertical direction in the drawing, the protrusions 74 and 76 adjacent in the vertical direction in the drawing are paired with ones whose initial positions are close to each other. approach. On the other hand, in the pair of those whose initial positions are far from each other, the respective tips are separated from each other.
図２１（ｃ）において矢印７５で示すように、図において左右方向に磁場がかかると、図において左右方向に隣接する突起７４，７６は、初期位置が互いに近いもの同士が対となり、それぞれの先端同士が互いに接近する。一方、初期位置が互いに遠いものの対については、それぞれの先端が互いに離反する。 As shown by an arrow 75 in FIG. 21C, when a magnetic field is applied in the left-right direction in the figure, the protrusions 74, 76 adjacent in the left-right direction in the figure are paired with ones whose initial positions are close to each other. They approach each other. On the other hand, for the pair whose initial positions are far from each other, the respective tips are separated from each other.
図２２の平面図は、突起の列の間を広くするとともに、各列の突起は、列の方向に対して直角に交互にずらして配置した場合の例である。 The plan view of FIG. 22 is an example in which the space between the rows of protrusions is widened, and the protrusions in each row are alternately shifted at right angles to the direction of the rows.
図２２（ａ）に示すように、列の方向に対して図において左に初期位置がずれている突起７７と、右に初期位置がずれている突起７８とが、図において上下方向に交互に配置されている。突起７７，７８は、図において左右方向の間隔が、図において上下方向の間隔よりも大きい。 As shown in FIG. 22A, protrusions 77 whose initial positions are shifted to the left in the drawing and protrusions 78 whose initial positions are shifted to the right are alternately arranged in the vertical direction in the drawing. Has been placed. The protrusions 77 and 78 have a larger distance in the left-right direction than the distance in the vertical direction in the figure.
図２２（ｂ）において矢印７９で示すように、図において上下方向に磁場が加わると、図において左右方向に初期位置がずれていた突起７７，７８は、それぞれの先端７７ａ，７８ａが図において上下方向に略一列に並ぶ。 As shown by an arrow 79 in FIG. 22B, when a magnetic field is applied in the vertical direction in the figure, the projections 77 and 78 whose initial positions are shifted in the horizontal direction in the figure have their tips 77a and 78a vertically in the figure. Line up in a row in the direction.
＜実施例４＞ 実施例４について、図２３を参照しながら説明する。 <Example 4> Example 4 will be described with reference to FIG.
図２３（ａ）の要部拡大断面図に示した突起１１４は、ベース部材１１２から突起１１４が突出している方向（図において上下方向）に、磁性材料を含まない基材層１１４ｐ，１１４ｑ，１１４ｒ，１１４ｓと、磁性材料を含む磁性層１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃとが交互に積層されている。突起１１４は、柱状であっても板状であってもよい。 23A is a base material layer 114p, 114q, 114r that does not include a magnetic material in the direction in which the protrusion 114 protrudes from the base member 112 (vertical direction in the drawing). , 114s and magnetic layers 114a, 114b, 114c containing a magnetic material are alternately stacked. The protrusion 114 may be columnar or plate-shaped.
突起１１４は、適宜な方法で作製することができる。例えば、突起１１４の先端の基材層１１４ｐを作製した後、実施例２と同様に樹脂中に分散させた磁性粒子を遠心分離して、磁性層１１４ａと基材層１１４ｑとを作製する。同様に、磁性層１１４ｂと基材層１１４ｒとを作製し、さらに、磁性層１１４ｃと基材層１１４ｓとを作製する。後述する磁場をかけて磁性粒子を並べる方法でも作製することができる。 The protrusion 114 can be manufactured by an appropriate method. For example, after the base material layer 114p at the tip of the protrusion 114 is produced, the magnetic particles dispersed in the resin are centrifuged as in Example 2 to produce the magnetic layer 114a and the base material layer 114q. Similarly, the magnetic layer 114b and the base material layer 114r are produced, and further, the magnetic layer 114c and the base material layer 114s are produced. It can also be produced by a method of arranging magnetic particles by applying a magnetic field to be described later.
あるいは、蒸着やエッチング、インクジェット等の方法によって、適宜な材料を積層していくことによって作製してもよい。 Or you may produce by laminating | stacking an appropriate material by methods, such as vapor deposition, an etching, and an inkjet.
図２３（ｂ）の要部拡大断面図に示した突起２１４は、ベース部材２１２から突起１１４が突出している方向に対し直角方向（図において左右方向）に間隔を設けて、磁性材料を含む磁性層２１４ａ、２１４ｂが形成されている。突起２１４は、柱状であっても板状であってもよい。磁性層２１４ａ、２１４ｂは、ベース部材２１２から突起１１４が突出している方向に延在している。 The protrusion 214 shown in the enlarged cross-sectional view of the main part of FIG. 23B is spaced apart in the direction perpendicular to the direction in which the protrusion 114 protrudes from the base member 212 (left and right in the figure), and includes a magnetic material containing a magnetic material. Layers 214a and 214b are formed. The protrusion 214 may be columnar or plate-shaped. The magnetic layers 214 a and 214 b extend in the direction in which the protrusions 114 protrude from the base member 212.
突起２１４は、適宜な方法で作製することができる。前述と同様な手法で作製できるが、他の作製方法としては、例えば、未硬化の樹脂中に磁性粒子を分散させた状態で、磁性層２１４ａ、２１４ｂとなるべき部分を磁力線が通るように外部から磁場を加え、磁力線に沿って磁性粒子を鎖状に並べた後、樹脂を硬化させる。 The protrusion 214 can be manufactured by an appropriate method. Although it can be manufactured by the same method as described above, other manufacturing methods include, for example, an external configuration in which magnetic lines are passed through portions to be the magnetic layers 214a and 214b in a state where magnetic particles are dispersed in an uncured resin. After applying a magnetic field, the magnetic particles are arranged in a chain along the lines of magnetic force, and then the resin is cured.
＜実施例５＞ 実施例５について、図２４を参照しながら説明する。 <Example 5> Example 5 will be described with reference to FIG.
図２４（ａ）の要部拡大断面図に示すように、ベース部材３１２から突出している突起３１４の先端に、磁性材料を含む磁性層３１５が形成されている。 As shown in the enlarged cross-sectional view of the main part of FIG. 24A, a magnetic layer 315 containing a magnetic material is formed at the tip of the protrusion 314 protruding from the base member 312.
図２４（ｂ）の要部拡大断面図に示す突起３１６のように、磁性層３１７が突起３１６の外周面３１６ｂまで延在していてもよい。 The magnetic layer 317 may extend to the outer peripheral surface 316b of the protrusion 316 like the protrusion 316 shown in the enlarged cross-sectional view of the main part in FIG.
突起３１４，３１６は、公知の従来技術を適用して、高さが１μｍ未満、例えば高さ５００ｎｍのものを容易に形成することができる。例えば、突起本体３１４ａ，３１６ａは、フォトレジストを用いたり、ナノインプリントの手法で作製する。磁性層３１５，３１７は、磁性材料の蒸着、スパッタリング、エッチングなどの手法によって形成する。磁性層３１５，３１７は２層以上で構成されてもよい。その場合には、層間に、磁性材料を含まない非磁性層が配置されていてもよい。 The protrusions 314 and 316 can be easily formed by applying a known conventional technique and having a height of less than 1 μm, for example, a height of 500 nm. For example, the protrusion bodies 314a and 316a are manufactured using a photoresist or a nanoimprint technique. The magnetic layers 315 and 317 are formed by a technique such as vapor deposition, sputtering, or etching of a magnetic material. The magnetic layers 315 and 317 may be composed of two or more layers. In that case, a nonmagnetic layer containing no magnetic material may be disposed between the layers.
突起３１４，３１６は、実施例２と同様に、ベース部材３１２に略平行な磁場を外部から加えることによって、隣接する突起の磁性層間の相互作用によって、変形させることができる。 As in the second embodiment, the protrusions 314 and 316 can be deformed by the interaction between the magnetic layers of adjacent protrusions by applying a magnetic field substantially parallel to the base member 312 from the outside.
磁性層３１５，３１７が突起３１４，３１６の表面に露出しているので、外部磁場により磁性層３１５，３１７に作用する力は、突起の内部に磁性層が配置されている場合よりも大きくなる。そのため、効率的に突起３１５，３１７を変形させることができる。 Since the magnetic layers 315 and 317 are exposed on the surfaces of the protrusions 314 and 316, the force acting on the magnetic layers 315 and 317 by the external magnetic field is larger than when the magnetic layer is disposed inside the protrusions. Therefore, the protrusions 315 and 317 can be efficiently deformed.
＜実施例６＞ 実施例６について、図２５を参照しながら説明する。 <Example 6> Example 6 will be described with reference to FIG.
図２５の要部拡大断面図に示すように、ベース部材４１２から突出している突起４１４は、実施例２と同様に、磁性粒子を含む先端部４１５を有する。 As shown in the enlarged cross-sectional view of the main part of FIG. 25, the protrusion 414 protruding from the base member 412 has a tip 415 containing magnetic particles, as in the second embodiment.
実施例２とは異なり、ベース部材４１２には、隣接する突起４１４の間に、磁性材料を含む磁束集中部４１０が配置されている。磁束集中部４１０は、蒸着等によって形成することができる。 Unlike the second embodiment, the magnetic flux concentrating portion 410 containing a magnetic material is disposed between the adjacent protrusions 414 on the base member 412. The magnetic flux concentration part 410 can be formed by vapor deposition or the like.
磁束集中部４１０は、外部からの磁束を収束させるので、平行な外部磁場を加えても、磁力線４１１が、磁束集中部４１０から隣接するそれぞの突起４１４の先端側に向けて広がる。そのため、隣接する突起４１４の先端は、矢印４１６で示すように、互いに接近する。 Since the magnetic flux concentrating portion 410 converges the magnetic flux from the outside, even if a parallel external magnetic field is applied, the magnetic field lines 411 spread from the magnetic flux concentrating portion 410 toward the tip end of each adjacent projection 414. Therefore, the tips of adjacent protrusions 414 approach each other as indicated by arrow 416.
このように、磁束集中部４１０を設けると、外部磁場を作用させることにより突起４１４の先端を開閉させ、例えば対象物を把持することができる。また、実施例２のような相互作用による駆動方法を組み合わせることによって、磁束集中部に隣接する特定の突起を他の突起とは異なる態様で変形させるなど、突起を複雑に変形させることができる。 Thus, when the magnetic flux concentrating portion 410 is provided, the tip of the projection 414 can be opened and closed by applying an external magnetic field, and for example, the object can be gripped. In addition, by combining the driving methods based on the interaction as in the second embodiment, the specific protrusion adjacent to the magnetic flux concentrating portion can be deformed in a manner different from other protrusions, and the protrusion can be complicatedly deformed.
＜まとめ＞ 以上に説明したように、弾性材料中に磁性粒子が分散された突起は、外部磁場を加えることにより、弾性変形させることができ、外部磁場を加える状態を変化させることにより、突起の変形態様（例えば、曲がる向きや曲がる量）を変えることができる。 <Summary> As described above, the protrusion in which the magnetic particles are dispersed in the elastic material can be elastically deformed by applying an external magnetic field, and the protrusion of the protrusion can be changed by changing the state of applying the external magnetic field. The deformation mode (for example, the direction of bending or the amount of bending) can be changed.
弾性材料中に磁性粒子を分散させた突起は、弾性体中に剛体のマイクロワイヤやフラップなどの単体を埋め込む場合よりも、容易に作製することができる。また、ナノレベルの微細な磁性粒子を用いて、ナノレベルまで構造を小型化することが容易である。 The protrusion in which the magnetic particles are dispersed in the elastic material can be more easily produced than the case where a single body such as a rigid microwire or a flap is embedded in the elastic body. In addition, it is easy to downsize the structure to the nano level using fine magnetic particles at the nano level.
また、実施例２のように相互作用を利用して駆動するようにすれば、全体のスケールをｎ倍にすると変位がｎ倍になるように構成することができ、全体のスケールをｎ倍にすると変位がｎ２倍になる場合と比べると、ナノレベルまで小型化しても駆動させることが容易である。 Further, if the driving is performed by using the interaction as in the second embodiment, the displacement can be increased by n times when the entire scale is increased by n times, and the entire scale is increased by n times. Then, compared to the case where the displacement becomes n 2 times, it is easy to drive even if it is downsized to the nano level.
また、実施例１〜４のように突起を周期的に配置すると、例えば２×２の突起による基本パターンについて外部磁場による突起の変形挙動を解析した結果から、基本パターンを繰り返すように突起を配置した場合の突起の変形挙動を容易に予測することができる。したがって、突起が周期的に配置されていると、設計が容易である。また、基本パターンの繰り返しにより、大面積のものを容易に作ることができる。 In addition, when the protrusions are periodically arranged as in the first to fourth embodiments, the protrusions are arranged so as to repeat the basic pattern, for example, from the result of analyzing the deformation behavior of the protrusion due to the external magnetic field for the basic pattern by the 2 × 2 protrusions. In this case, the deformation behavior of the protrusion can be easily predicted. Therefore, when the protrusions are periodically arranged, the design is easy. Also, a large area can be easily made by repeating the basic pattern.
なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、種々変更を加えて実施することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented with various modifications.
例えば、突起の形状が円柱形状の場合を例示しているが、突起の形状はこれに限るものではなく、用途に応じて適宜な形状を任意に選択することができる。例えば、角柱形状などの他の柱状形状、柱状形状以外の板状などの単純な形状のほか、先端側が丸い形状、先端側が細い形状、基端側が細い形状、中間部分が細い形状、初期形状が湾曲したり折れ曲がった形状など、複雑な形状とすることも可能である。また、突起の配列が正方格子状の場合を例示しているが、これに限るものではない。例えば、突起を千鳥状などに規則的に配列しても、さらには不規則に配列してもよい。 For example, although the case where the shape of the protrusion is a cylindrical shape is illustrated, the shape of the protrusion is not limited to this, and an appropriate shape can be arbitrarily selected according to the application. For example, other columnar shapes such as prismatic shapes, simple shapes such as plate shapes other than columnar shapes, round shape at the tip side, thin shape at the tip side, thin shape at the base end side, thin shape at the intermediate part, initial shape A complicated shape such as a curved shape or a bent shape is also possible. Moreover, although the case where the arrangement | sequence of protrusion is a square lattice form is illustrated, it does not restrict to this. For example, the protrusions may be regularly arranged in a zigzag shape or may be irregularly arranged.
突起の基材には任意の弾性材料を用いることができる。例えばアクリル系の弾性材料を用いれば、剛性が高くなるため、突起のアスペクト比を大きくすることが容易である。 Any elastic material can be used for the base material of the protrusion. For example, when an acrylic elastic material is used, the rigidity becomes high, so that it is easy to increase the aspect ratio of the protrusion.
磁性粒子は、複数の粒子が集合した複合体粒子や膜で覆われていたりしてもよい。また、磁性を有しない材料を含んでいても構わない。 The magnetic particles may be covered with composite particles or films in which a plurality of particles are aggregated. Moreover, you may include the material which does not have magnetism.
突起を液中で駆動する場合を例示したが、突起を乾式で駆動することも可能である。この場合、突起表面を撥水加工することにより、空気中の水分等が突起の接離に悪影響を及ぼさないようにすることが好ましい。 Although the case where the protrusion is driven in the liquid has been illustrated, it is also possible to drive the protrusion dry. In this case, it is preferable that water in the air does not adversely affect the contact / separation of the protrusions by subjecting the protrusion surface to a water repellent finish.
本発明のマイクロ・ナノ構造体は、アクチュエータ、スイッチ、流体ポンプ、アンテナ、ポンプなどに応用することができる。 The micro / nano structure of the present invention can be applied to actuators, switches, fluid pumps, antennas, pumps, and the like.
例えば、突起先端の変位を利用して、突起先端で支持した被搬送物を所望の方向に移動させたり向きを変えたりするアクチュエータを提供することができる。また、隣接する突起の先端部の接離を利用して開閉するスイッチを提供することができる。また、隣接する突起の先端部の接離の態様を外部磁場によって変化させることによって特性が変わるアンテナを提供することができる。あるいは、突起の変形態様を変えることにより流路抵抗を変化させて、流体を所望の方向に移動させるポンプを提供することができる。 For example, it is possible to provide an actuator that uses the displacement of the protrusion tip to move or change the direction of the object to be conveyed supported by the protrusion tip. In addition, a switch that opens and closes using the contact / separation of the tips of adjacent protrusions can be provided. Further, it is possible to provide an antenna whose characteristics are changed by changing the manner of contact / separation between the tips of adjacent protrusions by an external magnetic field. Alternatively, it is possible to provide a pump that moves the fluid in a desired direction by changing the flow path resistance by changing the deformation mode of the protrusion.
１０，１０ｘ マイクロ構造体
１２ ベース部材
１２ａ 上面（主面）
１４，１４ｘ 突起
１４ａ 先端部
１４ｂ 基端部
１５ 磁性粒子
10, 10x microstructure 12 base member 12a upper surface (main surface)
14, 14x protrusion 14a tip part 14b base end part 15 magnetic particle
Claims (17)
前記ベース部材の主面に立設された複数の突起と、
を備え、
前記突起は、
弾性材料の基材と、前記基材に保持された磁性材料とを含み、
外部磁場の印加によって弾性変形することを特徴とする、マイクロ・ナノ構造体。 A base member;
A plurality of protrusions erected on the main surface of the base member;
With
The protrusion is
A base material made of an elastic material, and a magnetic material held on the base material,
A micro / nano structure characterized by elastic deformation by application of an external magnetic field.
外部磁場を印加して前記突起を弾性変形させることにより、前記突起を動かすことを特徴とする、マイクロ・ナノ構造体の駆動方法。 A micro / nano structure comprising: a base member; and a plurality of protrusions erected on a main surface of the base member, wherein the protrusions include a base material made of an elastic material and a magnetic material held on the base material. A driving method comprising:
A method for driving a micro-nano structure, wherein the protrusion is moved by applying an external magnetic field to elastically deform the protrusion.
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