JPH05106615A - バブルアクチユエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明はマイクロマシンに使用される小型アク
チュエータに係り、特に内部に発生する気泡の圧力によ
りアクチュエータを低電圧で高速駆動し、変換効率の優
れたバブルアクチュエータを提供することを目的とす
る。 【構成】駆動回路１０から電極６ａ、６ｂを介して抵抗
発熱体４にパルス信号を供給することにより抵抗発熱体
４を加熱し、抵抗発熱体４上の密封容器３内に膜沸騰に
基づく蒸気気泡を急激に形成すると共に、密封容器３内
に封入される作動液体５で冷却して収縮させ密封容器３
の可動部３’を矢印方向へ駆動しマイクロマシンの駆動
力とするものであり、低電圧で高速駆動可能な小型アク
チュエータを提供するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はマイクロマシンに使用さ
れる小型アクチュエータに係り、特に内部に発生する気
泡の圧力により駆動するバブルアクチュエータに関す
る。

【０００２】

【従来技術とその問題点】近年の電子技術やメカトロニ
クスの発達により、マイクロマシンはマイクロマニュピ
ュレータ、プリントパターンの欠陥検査、微小で高速駆
動を必要とする液体噴射器等の広い産業分野で利用され
ている。この様なマイクロマシンはその用途に従って回
転駆動や直線駆動、押圧駆動等を行う為、ミクロン単位
の大きさの歯車などの機構部品をはじめ、微小モータ、
小型アクチュエータ、センサ等を組み合わせて構成され
ている。

【０００３】この中、小型アクチュエータは機構部品に
押圧力を与える目的で使用されるものであり、従来この
小型アクチュエータの駆動方法には各種の方法が提案さ
れている。例えば形状記憶合金による駆動、静電力によ
る駆動、圧電逆効果による駆動、超音波モータ駆動、等
である。例えば形状記憶合金による駆動は特定温度で変
形する合金を作成し、これに電流を流し発生するジュー
ル熱により変形温度まで加熱し、その形状記憶合金が変
形する時の力を加圧力として利用するものである。

【０００４】このような小型アクチュエータは上述のよ
うな用途に使用される為、いずれの方式においても低電
圧で高速応答が必要であり、且つ高い変換効率と簡易な
構造など様々な特性が要求される。しかしながら、従来
の小型アクチュエータはいずれの方式においても上記各
種機能を充分満足するものではなかった。

【０００５】

【発明の目的】本発明は上記従来の問題点に鑑み、低電
圧で高速駆動し、変換効率の優れたバブルアクチュエー
タを提供することを目的とする。

【０００６】

【発明の要点】上記目的は本発明によれば、少なくとも
その一部を可逆的に変形可能に構成した密封容器と、該
密封容器に封入された液体と、該液体の一部に接し該液
体の一部を加熱する加熱手段とを有し、該加熱手段によ
る加熱作用により前記液体の一部に膜沸騰部位を発生さ
せることにより気泡を発生させ、該気泡の圧力により前
記密封容器の一部を突出変位させることを特徴とするバ
ブルアクチュエータを提供することにより達成される。

【０００７】

【実 施 例】以下、本発明の一実施例について図面を
参照しながら説明する。図２は本実施例のバブルアクチ
ュエータの斜視図である。同図において、バブルアクチ
ュエータ１はシリコンウェハーやガラス／セラミック基
板、ポリイミド等の耐熱性フィルムより成る基板２と、
この基板２上に設けられた密封容器３と、この密封容器
３内に配設された加熱手段としての抵抗発熱体４で構成
されている。また、基板２と密封容器３との間には作動
液体５が封入され、密封容器３の上面に設けられた可動
部３’が作動液体５の後述する内圧変化に従って矢印方
向に駆動する構成である。したがって、この構成とする
為密封容器３本体は、変形しにくい例えばガラス、ニッ
ケル、銅等で構成され、可動部３’はシリコン、エポキ
シ樹脂、シリコンゴム等の弾性部材で構成されている。
また、密封容器３内に封入される作動液体５は壁面や、
抵抗発熱体４の上面に形成される保護膜等と化学反応を
起こさず、変質や変色しない材料で構成されている。例
えば、作動液体５として純水、エタノール等の各種アル
コール類、ペンタン等の各種炭化水素類が使用されてい
る。

【０００８】また、抵抗発熱体４は両端を電極６ａ、６
ｂに接続され、この電極６ａ、６ｂの各々の他端はバブ
ルアクチュエータ１の外部まで延設されている。この抵
抗発熱体４と電極６ａ、６ｂ等の詳しい配設構成を示す
図が図１である。尚、図１は上記図２のＡ−Ａ断面図で
ある。同図に示す様に、抵抗発熱体４及び電極６ａ、６
ｂは基板２上に直接配設されることなく、その間に蓄熱
層７が配設されている。また、抵抗発熱体４及び電極６
ａ、６ｂ上には絶縁層８が形成され、さらにその絶縁層
８の上に保護膜９が形成されている。抵抗発熱体４は電
気／熱変換効率の優れた、例えばプラチナ、チタン、タ
ングステン、タンタル等の材料で構成され、電極６ａ、
６ｂは一般的な導電材料であるアルミニューム、銅等で
構成されている。

【０００９】蓄熱層７は抵抗発熱体４で発生するジュー
ル熱が作動液体５と基板２側へバランスよく伝達される
よう調整するものであり、例えば酸化シリコン、酸化ジ
ルコニウム、酸化マグネシウム等の材料で構成されてい
る。また、絶縁層８は電極６ａ、６ｂ間の漏れ電流を防
ぎ、漏電による電気化学反応を防止するものであり、例
えば炭化けい素、酸化けい素、酸化アルミニューム等で
構成されている。さらに、保護膜９は後述する蒸気気泡
の消滅に伴うキャビテーションによる抵抗発熱体４及び
電極６ａ、６ｂに損傷を与えないようにする為のもので
あり、例えばタンタル、ポリイミド等の材料で構成され
ている。尚、基板２上への蓄熱層７、抵抗発熱体４、電
極６ａ、６ｂ、絶縁層８、保護膜９の形成は、半導体装
置を作成する際使用する公知の真空蒸着法、気相成長法
等の方法で形成されている。

【００１０】一方、バブルアクチュエータ１の外部に延
設された電極６ａ、６ｂは信号線を介してバブルアクチ
ュエータ１を駆動する駆動回路１０に接続されている。
抵抗発熱体４にはこの駆動回路１０から電極６ａ、６ｂ
を介してパルス信号が出力され、抵抗発熱体４はこのパ
ルス信号の出力に従ってジュール熱を発生し発熱する構
成である。

【００１１】以上の構成のバブルアクチュエータ１にお
いて、図３はその動作を説明する図である。先ず、同図
に示す（１）はバブルアクチュエータ１の初期状態であ
る。この時、上記駆動回路１０からパルス信号が出力さ
れておらず、抵抗発熱体４は発熱していない。次に、駆
動回路１０から電極６ａ、６ｂを介してパルス信号が抵
抗発熱体４に供給されると、このパルス信号の供給に基
づいて抵抗発熱体４に電流が流れ抵抗発熱体４の抵抗損
に従ったジュール熱が発生する。この時発生するジュー
ル熱により抵抗発熱体４の直上に位置する保護膜９の表
面に蒸気膜１１ａが形成される。この時、バブルアクチ
ュエータ１は図３の（２）に示す状態である。この蒸気
膜１１ａは抵抗発熱体４の上部を覆って形成され、その
厚さは作動液体５が例えば純水の場合数μｍ程度で形成
される。この為、抵抗発熱体４と作動液体５の間はこの
蒸気膜１１ａにより断熱され、その後抵抗発熱体４が時
間ｔの間発熱するがこの発熱は蒸気膜１１ａにより作動
液体５にほとんど伝達されず、主として蒸気膜１１ａに
作用してこれを急速に高温、高圧の状態にする。

【００１２】この関係を示す図が図４である。すなわ
ち、同図において横軸を抵抗発熱体４と作動液体５の温
度差Ｔとし、縦軸を抵抗発熱体４から作動液体５への熱
エネルギー伝達量Ｅとすると、とを結ぶ直線は発熱
体と液体との温度差に基づく通常の熱エネルギー伝達特
性である。しかし、抵抗発熱体４の表面温度を急激に上
昇させ、例えば抵抗発熱体４と作動液体５の間の温度差
を１００°ｃ以上とすると所謂膜沸騰状態となる。この
時には上述の蒸気膜１１ａが上記の如く断熱材として働
き、蒸気膜１１ａを高温、高圧状態にする。抵抗発熱体
４上に形成された蒸気膜１１ａは一瞬にして〜の過
程を経て、大きく成長し蒸気気泡１１ｂとなる。この
為、密封容器３内の作動液体５は蒸気気泡１１ｂから圧
力を受け、変形し易い可動部３’が作動液体５の内圧に
押されて矢印方向に突出する。この状態を示す図が図３
の（３）である。この可動部３’の突出力を、バブルア
クチュエータ１の押圧力として使用することができる。

【００１３】その後、蒸気気泡１１ｂが完全に成長する
とその内圧は下がり、しかも低温の作動液体５に接触す
る表面積が広くなる為冷却効果も加わって蒸気気泡１１
ｂは急激に収縮を始めその体積を小さくする。そして図
３の（４）に示す如く小さな気泡１１ｃとなり、この時
可動部３’は負圧によって矢印方向に逆に駆動され、バ
ブルアクチュエータ１の変位は小さくなり、最終的に気
泡１１ｃが収縮を終了すると、バブルアクチュエータ１
は初期状態である同図の（１）に戻る。

【００１４】以上説明した１パルスに基づくバブルアク
チュエータ１の動作速度は、例えば作動液体５として純
水を使用し通電時間が数μｓ程度である場合、数１０μ
ｓであり充分な高速駆動が可能である。このバブルアク
チュエータ１の駆動は駆動回路１０から出力されるパル
ス信号に従って行われる為、駆動回路１０から出力する
パルス信号の周波数によりバブルアクチュエータ１の押
圧回数を制御することができる。また、抵抗発熱体４に
供給するパルス信号の電圧レベルにより蒸気気泡１１ｂ
の大きさを変え、可動部３’の押圧力を可変する制御も
できる。

【００１５】尚、図５に示す様に密封容器３の可動部
３’の径（Ｌ）を小さくしてバブルアクチュエータ１を
構成しても良い。この様に構成することにより、バブル
アクチュエータ１は上述と同じ大きさの蒸気気泡１１ｂ
が形成されたとしても上方に突出する可動部３’の大き
さはさらに大きなものとなる。したがって、例えば可動
部３’の径を変えることによりバブルアクチュエータ１
の押圧力を増すことができる。

【００１６】次に、本発明のバブルアクチュエータをポ
ンプに適用した例を図６に示す。同図において、ポンプ
１２は基材１３上に配設されたポンプ室１４、吸い込み
管１５、吐き出し管１６、及び上記ポンプ室１４内の水
を揚程するバブルアクチュエータ１７で構成されてい
る。吸い込み管１５に続く流路１８とポンプ室１４間に
は吸い込み弁１４ａが配設され、ポンプ室１４と吐き出
し管１６間には吐き出し弁１４ｂが配設されている。こ
の吸い込み弁１４ａ及び吐き出し弁１４ｂは共に一方向
弁であり、吸い込み弁１４ａは流路１８から例えば水を
ポンプ室１４へ流し、吐き出し弁１４ｂはポンプ室１４
から水を吐き出し管１６へ流す。

【００１７】バブルアクチュエータ１７は前述の構成と
基本的に同じであり、基板１７ａ上に蓄熱層１７ｂを介
して抵抗発熱体１７ｃが配設され、この抵抗発熱体１７
ｃの両端に電極１７ｄ、１７ｅが接続されている。ま
た、抵抗発熱体１７ｃ及び電極１７ｄ、１７ｅ上は前述
と同様絶縁層と保護膜で被覆されている。バブルアクチ
ュエータ１７は密封容器１７ｆで覆われ、内部には作動
液体１７ｇが封入されている。また、ポンプ室１４とバ
ブルアクチュエータ１７間の壁面１９はシリコンゴム等
の可動性のある材料で構成されている。

【００１８】上述のような構成のポンプ１２において、
抵抗発熱体１７ｃには電極１７ｄ、１７ｅを介して不図
示の駆動回路からパルス信号が供給され、抵抗発熱体１
７ｃはジュール熱を発生する。この為前述の実施例と同
様、抵抗発熱体１７ｃ上には蒸気膜が形成され、この蒸
気膜による膜沸騰により急激に体積を増し、蒸気気泡を
形成することによりバブルアクチュエータ１７内の内圧
は大きくなる。ここで、上記密封容器１７ｆは強固な材
料でできている為蒸気気泡による内圧で変形することは
ないが、ポンプ室１４との境界に設けられた壁面１９は
上述の如く変形し易い為、壁面１９がポンプ室１４に突
出する。この為、ポンプ室１４内の水は吐き出し弁１４
ｂを押し上げ、吐き出し管１６方向へ流れる。

【００１９】その後、抵抗発熱体１７ｃ上に形成された
蒸気気泡が収縮するとバブルアクチュエータ１７の内圧
が低下し、壁面１９は元の状態に戻る。この時ポンプ室
１４の内圧は逆に低下し、吸い込み弁１４ａを押し上げ
吸い込み管１５から水をポンプ室１４内へ吸入する。し
たがって、バブルアクチュエータ１７が上述の動作を繰
り返すことにより壁面１９が矢印で示す如く駆動し、吸
い込み管１５からの水をポンプ室１４へ吸引し、ポンプ
室１４の水を吐き出し管１６へ排出する所謂揚程動作を
繰り返す。

【００２０】以上の如く駆動させることにより、ポンプ
１２は吸い込み管１５に配設された例えば水槽の水を吐
き出し管１６に接続された上部の水槽に揚程することが
できる。また、駆動回路から出力されるパルス信号の出
力レベル又は周波数を可変することでポンプ１２の揚程
量を制御できる。

【００２１】尚、本実施例では抵抗発熱体４（１７ｃ）
や蓄熱層７（１７ｂ）等に使用する材料を具体的に示し
たが、これらの材料に限定されるわけではない。また、
蓄熱層７等の材料や膜圧を適当に選ぶことにより効果的
に膜沸騰を生じさせ、効率良く蒸気気泡を作成すること
ができる。

【００２２】また、本実施例では発熱手段を抵抗発熱体
４（１７ｃ）で構成したが他の発熱素子を用いて構成し
ても良い。

【００２３】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば発熱手段をパルス駆動し、断続的に熱エネルギーを
与えて封入液体の一部に瞬時に膜沸騰を起こし、この時
の密封容器の内圧変化により密封容器に設けられた変形
可動部を駆動するので、高速応答が可能なバブルアクチ
ュエータを実現することができる。

【００２４】また、低電圧で駆動でき、構造が簡単であ
り摺動摩擦する部分がないので極めて寿命の長いバブル
アクチュエータを提供することができる。さらに、パル
ス信号の出力周波数を可変し、又は出力レベルを可変す
ることによる希望する駆動回数、又は押圧力のアクチュ
エータを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例のバブルアクチュエータの断面図であ
る。

【図２】一実施例のバブルアクチュエータの斜視図であ
る。

【図３】一実施例のバブルアクチュエータの動作を説明
する図である。

【図４】膜沸騰の原理を説明する特性図である。

【図５】バブルアクチュエータの変形例を示す図であ
る。

【図６】一実施例のバブルアクチュエータをポンプに適
用した例を示す構成図である。

【符号の説明】

１、１７ バブルアクチュエータ ２、１７ａ 基板 ３、１７ｆ 密封容器 ４、１７ｃ 抵抗発熱体 ５、１７ｇ 作動液体 ６ａ、６ｂ、１７ｄ、１７ｅ 電極 ７、１７ｂ 蓄熱層 ８ 絶縁層 ９ 保護膜 １０ 駆動回路 １１ａ 蒸気膜 １１ｂ 蒸気気泡 １１ｃ 気泡 １２ ポンプ １３ 基材 １４ ポンプ室 １４ａ 吸い込み弁 １４ｂ 吐き出し弁 １５ 吸い込み管 １６ 吐き出し管 １８ 流路 １９ 壁面

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくともその一部を可逆的に変形可能
   に構成した密封容器と、該密封容器に封入された液体
   と、該液体の一部に接し該液体の一部を加熱する加熱手
   段とを有し、該加熱手段による加熱作用により前記液体
   の一部に膜沸騰部位を発生させることにより気泡を発生
   させ、該気泡の圧力により前記密封容器の一部を突出変
   位させることを特徴とするバブルアクチュエータ。
2. 【請求項２】 前記加熱作用を停止した後前記気泡を収
   縮させ、前記突出変位を復帰させる請求項１記載のバブ
   ルアクチュエータ。