(57)【要約】  【課題】  マイクロマシンの駆動装置として使用可能である回転アクチュエータおよび当該回転アクチュエータを用いたポンプを提供する。  【解決手段】  回転アクチュエータ１は、炭素を主たる成分とし長手方向を有する回転子１１と、ケース１３と、印磁装置１５と、を備えている。ケース１３は、回転子１１がその長手方向と交差する方向の回転軸Ａを中心に回転可能なスペースを有しており、そのスペースにて回転子１１を保持する。印磁装置１５はケース１３の外に配置され、回転子１１に交番磁界を印磁する。回転子１１は、印磁装置１５から印加された交番磁界によって回転する。【選択図】図１
2014090576.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素を主たる成分とし、長手方向を有する回転子（１１、７１）と、
前記回転子が当該回転子の前記長手方向と交差する方向の回転軸を中心として回転可能な状態で前記回転子を保持する保持部材（１３、１３ａ、７５）と、
前記回転子に交番磁界を印加することにより前記回転子を回転させる印磁手段（１５、７７）と、を備える
ことを特徴とする回転アクチュエータ。
【請求項２】
前記回転子は、カーボンナノチューブ、フラーレン、グラフェン、不定形炭素、からなる群から選ばれる一種以上の微粒子または凝集体を主たる成分とする
ことを特徴とする請求項１に記載の回転アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の回転アクチュエータを用いたポンプ（３、５１）であって、
前記保持部材は中空のケース（１３ａ）であって、内部に前記回転子が収容されると共に液体を充填可能であり、前記回転子の回転に伴って流れる液体を吐出する吐出口（３５）と、前記吐出口よりも前記回転子の回転軸に近い位置に配置され、当該ケースに液体を吸入する吸入口（３１）と、が形成されている
ことを特徴とするポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロマシンへの適用が可能であり、回転子が回転動作する回転アクチュエータと、当該回転アクチュエータを用いたポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マイクロマシンに使用できる小型のアクチュエータが提案されている（特許文献１−５参照）。これらのアクチュエータを用いると、単に装置全体としての小型化が図れるというだけではなく、従来のアクチュエータは配置できなかった場所へのアクチュエータの配置が可能となるため、医療など様々な分野での利用が期待される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−１２９３４０号公報
【特許文献２】特開平４−３３１４８７号公報
【特許文献３】特開平３−２２８８５号公報
【特許文献４】特開２０１１−２０５７５１号公報
【特許文献５】特開２０１１−１２５０９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来提案されていたアクチュエータはいずれも往復運動あるいは開閉動作を行うものである。マイクロマシンなどの小型装置の駆動装置、または微小な流体の移送や循環のポンプとして用いるためには、往復運動などよりも回転運動を行う装置の方が有利な場面がある。しかしながら、従来そのような装置は提案されていなかった。
【０００５】
本発明の目的は、マイクロマシンの駆動装置として使用可能である回転アクチュエータおよび当該回転アクチュエータを用いたポンプを提案することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した問題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、回転駆動力を得ることができる回転アクチュエータであって、炭素を主たる成分とし、長手方向を有する回転子（１１、７１）と、当該回転子の長手方向と交差する方向の回転軸を中心として回転子が回転可能な状態で上記回転子を保持する保持部材（１３、１３ａ、７５）と、回転子に交番磁界を印加することにより回転子を回転させる印磁手段（１５、７７）と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
このように構成された回転アクチュエータは、回転子の回転力を駆動力として使用することができる。この回転子は非常に小さく形成しても回転動作させることができるため、本発明の回転アクチュエータは小型化が可能であり、その回転力を駆動力とするマイクロマシンの駆動装置として用いることができる。回転子は、例えば５μｍ程度のサイズまで小型化して用いることができる。
【０００８】
なお回転子が回転する原理は、上述したように交番磁界を印加することで回転子内部に誘導電流が流れ、この誘導電流と印加する交番磁界の作用によって回転力が発生するためであると考えられる。
【０００９】
回転子は炭素を主たる成分とするものであるが、炭素成分のみで構成されるものであってもよいし、他の成分が混合していてもよい。なお炭素を含有していても、炭素単体における高い電気伝導度や熱伝導率といった特性を得られない樹脂のようなものは、本発明の回転子として適当ではない。また、回転子自体が長手方向を有していれば、回転子を樹脂でコートするなどして全体として長手方向を有さない形状になっていてもよい。
【００１０】
回転子としてはカーボンナノチューブ、フラーレン、グラフェン、不定形炭素、からなる群から選ばれる一種以上の微粒子または凝集体を主たる成分とする材料を使用することができる。
【００１１】
また請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の回転アクチュエータを用いたポンプである。このポンプにおいて、保持部材は中空のケース（１３ａ）であって、内部に回転子が収容されると共に液体を充填可能である。またこのケースには、回転子の回転に伴って流れる液体を吐出する吐出口（３５）と、吐出口よりも回転子の回転軸に近い位置に配置され、当該ケースに液体を吸入する吸入口（３１）と、が形成されている。
【００１２】
このように構成されたポンプは非常に小型に形成することができるため、従来ポンプを配置することが困難であった狭小スペースにポンプを配置させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態の回転アクチュエータを示す斜視図である。
【図２】（Ａ）が実施例１のポンプを示す斜視図であり、（Ｂ）がそのポンプを用いた体内埋め込み型血液循環ポンプを示す斜視図である。
【図３】実施例２のモータを示す斜視図である。
【図４】実施例３のモータを示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。図１〜図４は、いずれも実施形態を模式的に示すものであって、その大きさや形状は実際のものとは相違する場合がある。
図１に、実施形態の一例である回転アクチュエータ１を示す。回転アクチュエータ１は回転子１１と、ケース１３と、印磁装置１５とを備えている。
【００１５】
回転子１１は炭素を主たる成分とする。このような回転子１１は、回転子を銅やアルミニウムなどの金属で形成する場合と比較して酸化による劣化が生じ難く都合がよい。また軽量であり小さな交番磁界でも大きな駆動力を得やすいという利点がある。
【００１６】
回転子１１は、例えば、カーボンナノチューブ、フラーレン、グラフェン、不定形炭素からなる群から選ばれる一種以上を凝集させた凝集体、またはそれらの材料の微粒子を主な成分とすることができる。これらは大きなバルクカーボンを細分化したものよりも密度が小さく軽いため応答性がよい。凝集体等の製造方法は公知であるため説明を省略する。
【００１７】
なお、電気伝導度や熱伝導率などの炭素の性質を一定以上満たすものであれば、上記の材料には限定されず様々なものを用いることができる。また回転子１１は炭素のみで形成されていてもよいが、形状を保持するためのバインダなど、炭素以外の成分が含まれていてもよい。
【００１８】
また回転子１１は長手方向を有するものである。図１においては回転子１１として円柱形状であるものを例示しているが、角柱状や平板状、繭型、プロペラ型等であってもよく、一方に長さを有する様々な形状とすることができる。
【００１９】
ケース１３は、回転子１１がその長手方向と交差する方向の回転軸Ａを中心に回転可能なスペースを有しており、そのスペースにて回転子１１を保持する。なお図１〜４においては回転子等の形状や配置の理解を容易にするために、厚さを有さず内部が透視できるケースを図示しているが、実際にはケースはその形状を保持するために必要な厚さを有している。また、ケースの透過性は特に制限されず、透過性のない素材を用いてもよい。
【００２０】
ケース１３は、対向する底板２１および天板２３と、底板２１と天板２３とを連結する側板２５と、を有する。
底板２１と天板２３との間隔は、回転子１１の長手方向の長さよりも短くなるように形成してもよい。ケース１３を上記のように形成することで回転子１１のケース１３内での移動範囲が制限されるため、ケース１３を立てて配置するような場合にも回転子１１がケース１３内で回転が可能な状態を保つことができ、適切に回転動作を行わせることができるようになる。
【００２１】
側板２５は回転軸Ａに沿う軸を有する筒状に形成することで、回転子１１が回転中に接触して引っ掛かってしまう箇所を少なくできるため、回転子１１の回転をスムーズに行わせることができる。
【００２２】
なお、図４に示すように回転子７１が回転軸Ａに沿う軸部材（駆動軸７５）に固定されている場合には、回転子７１を回転可能な状態で保持する部材としてのケースは必須ではないが、回転子７１を保護する目的でケースを用いることはできる。なお、図１のケース１３および図４の駆動軸７５が、本発明における保持部材の一例である。
【００２３】
印磁装置１５は回転子１１に交番磁界を印磁する装置である（図中矢印方向）。印磁装置１５は交番磁界を形成できるものであればその具体的な構成は特に限定されず、磁石をモータで回転させる方式で交番磁界を形成するものや、コイルに交流を通電することで交番磁界を形成するものなどを用いることができる。
【００２４】
印磁装置は図１に示すように２つ設ける構成には限られず、１つや３つ以上であってもよいが、コイルに交流を通電することにより交番磁界を形成する場合には、回転子１１を間に配置するように２つ設けることによって安定した磁界を形成できる。
【００２５】
また回転アクチュエータ１において、印磁装置１５は必ずしもそれ単体で設けられている必要はなく、交番磁界を発生する他の装置に回転子１１を配置して、当該他の装置を印磁手段として利用するものであってもよい。
【００２６】
印加される交番磁界の方向は回転子１１の長手方向と交差する方向であればよい。
回転子１１は、印磁装置１５から印加された交番磁界を受けて回転する。回転子１１の回転とは、回転子１１自身が回転する動作である。よって、その回転の回転軸は回転子１１の重心位置付近となりやすい。
【００２７】
このような回転アクチュエータ１は、回転子１１の長手方向と交差する方向に交番磁界を印加すると回転子１１が回転するため、この回転力を利用した装置の一部として使用することができる。この回転アクチュエータ１は回転子１１を非常に小さく形成しても回転動作をさせることができるため、回転アクチュエータ１は小型化が可能であり、マイクロマシンの駆動装置として用いることができる。
【００２８】
以下に、回転アクチュエータ１を用いた装置の実施例を述べる。
［実施例１］
本実施例では、回転アクチュエータの一例としてポンプ３を例示する。ポンプ３を図２（Ａ）に示す。
【００２９】
回転子１１はカーボンナノチューブ凝集体であって、円柱形状である。この回転子１１はケース１３ａに収容されている。
ケース１３ａは中空の円板形状、換言すると軸方向の長さが短く上下が閉じられた円筒形状であり、回転子１１が回転軸Ａを中心に回転可能な大きさを有している。ケース１３ａの底板２１ａと天板２３ａは互いに平行であり、その間隔は回転子１１の長手方向の長さよりも短くなるように形成されている。このケース１３ａは液体を充填可能に構成されている。
【００３０】
ケース１３ａの底板２１ａの中心部分には開口３１が形成されており、配管３３と連結されている。またケース１３の側板２５ａには開口３５が形成されており、配管３７と連結されている。
【００３１】
印磁装置１５は上下に一対配置されており、各印磁装置１５は対向し、かつ間にケース１３ａを挟む位置関係で配置されている。
本実施例のポンプ３は、ケース１３ａ内部および配管３３，３７に液体が充填された状態で用いられる。印磁装置１５によりケース１３ａに交番磁界を印加すると、回転子１１が回転する。ケース１３ａ内部の液体は回転子１１に付勢されて回転軸Ａを中心に回転し、遠心力により開口３５から液体を配管３７に吐出すると共に、開口３１からケース１３ａ内に向けて配管３３内の液体を吸引する。
【００３２】
即ち、回転子１１が回転する回転軸Ａに相対的に近い位置にある開口３１がポンプの吸入口として機能し、相対的に遠い位置にある開口３５がポンプの吐出口として機能する。
ポンプ３の具体的な使用形態を図２（Ｂ）に示す。図２（Ｂ）は、ポンプ３を体内埋め込み型血液循環ポンプとして使用した場合の図である。ポンプ３が送出する液体は血液である。配管３３は静脈に連結されており、血液をポンプ３で配管３７に送り出す。配管３７の先にはバイオチップ３９が設けられており、そこで各種生化学測定をした後、配管４１にて静脈に血液を戻す。
【００３３】
本実施例のポンプ３は小型に形成することができるため、体内への埋め込みが容易に行えるようになる。また回転子１１として用いられるカーボンナノチューブは生体不活性な材料であるため、血液と接触しても無害である。よって、回転子１１が磨耗してその一部が流出した際に生体に悪影響を与えるリスクを低減できる。
【００３４】
なお回転子１１をカーボンナノチューブ凝集体以外の構成としてもよいが、実質的に炭素のみで形成されるものを回転子１１として採用することで、上述したように生体に悪影響を与えるリスクを低減できる。
【００３５】
ポンプ３により血液が送出される先はバイオチップに限られず、例えばバイオセンサ、血糖値測定器、薬剤投入装置、人工透析器などに血液を送出することができる。
［実施例２］
本実施例では作動媒体の流動により回転するモータであって、回転アクチュエータをポンプの駆動力として利用したモータを例示する。
【００３６】
モータ５は、図３に示すように、ポンプ部５１と駆動部５３と、を有している。ポンプ部５１は図２（Ａ）のポンプ３と基本的に同じ構成であるため、同一部分については同一の符号を用いて説明を省略する。
【００３７】
駆動部５３は円筒形状のケース５５とタービン５７とを有している。タービン５７は羽５９とタービン軸６１とを有しており、タービン軸６１を中心に回転可能となっている。ケース１３ａとケース５５とは液体の作動媒体が充填され、配管３３および配管３７で連結されている。
【００３８】
ポンプ部５１は、回転子１１に交番磁界を印加して回転子１１を回転させることで、開口３５から作動媒体を吐出すると共に開口３１から作動媒体を吸入する。
ポンプ部５１の動作により、駆動部５３では配管３７と連結する開口６３から作動媒体が流入し、配管３３と連結する開口６５から作動媒体が排出される。このときケース５５内を流れる作動媒体と羽５９とが接触することによってタービン軸６１が回転する。
【００３９】
このように構成されたモータ５では、駆動部５３をポンプ部５１から離れた位置に配置することができる。即ち駆動部５３と印磁装置１５との間隔を大きくすることができるため、印磁装置１５による磁界の影響が駆動部５３近傍では小さくなる。
【００４０】
よって、外部磁場を嫌う装置内またはそのような装置近傍において用いるデバイスに対して回転駆動力を与えることができる。例えば、磁気センサや電子顕微鏡の電子光学系などの装置内で用いられる移動デバイスに対して、磁界の影響を抑制しつつ、当該デバイスが移動するための駆動力を与えることができる。
【００４１】
［実施例３］
本実施例では回転アクチュエータを用いたモータ７を例示する。モータ７は、図４に示すように、回転子７１、ケース７３、駆動軸７５、磁界印加用コイル７７を有している。
【００４２】
回転子７１は駆動軸７５に固定されている。ケース７３は回転子７１を覆っており、上下端部から駆動軸７５が突出している。駆動軸７５はその軸心を中心として回転可能であって、回転子７１の回転と連動して回転する。磁界印加用コイル７７はケース７３の上下に配置されている。
【００４３】
磁界印加用コイル７７に交流電流を流すと交番電界が形成され、回転子７１が回転する。その回転に伴って駆動軸７５が回転する。
このように構成されたモータ７は、回転子７１に交番磁界を与えることで駆動するため、小型化が容易であり、マイクロマシンの駆動用モータなどのミクロンオーダーのモータとして用いることができる。
【００４４】
＜動作確認試験＞
０．５ｇのカーボンナノチューブを凝集させた凝集体に対して交番磁界を印加する試験を行った。
【００４５】
使用したカーボンナノチューブは、保土ヶ谷化学工業製ＮＴ−７Ｋ（Φ６ｎｍ×６μｍ）であり、凝集体の形状は不定形、即ち、いずれかの方向に長さを有する形状となっていた。凝集体を配置した平面の下方からＳｍＣｏ磁石をモータで回転させて形成した約５０Ｈｚの交番磁界を印加したところ、凝集体は回転した。
【００４６】
この操作により、長手方向を有するカーボンナノチューブ凝集体に交番磁界を印加することで凝集体が回転することが確認できた。
【符号の説明】
【００４７】
１…回転アクチュエータ、３…ポンプ、５…モータ、７…モータ、１１…回転子、１３，１３ａ…ケース、１５…印磁装置、２１，２１ａ…底板、２３，２３ａ…天板、２５，２５ａ…側板、３１…開口、３３…配管、３５…開口、３７…配管、３９…バイオチップ、４１…配管、５１…ポンプ部、５３…駆動部、５５…ケース、５７…タービン、５９…羽、６１…タービン軸、６３…開口、６５…開口、７１…回転子、７３…ケース、７５…駆動軸、７７…磁界印加用コイル
【図１】
2014090576.tif 000003
【図２】
2014090576.tif 000004
【図３】
2014090576.tif 000005
【図４】
2014090576.tif 000006