(57)【要約】【課題】  マイクロマシン本体の動作を高精度で制御することが出来るマイクロマシンを実現する。【解決手段】  本発明のマイクロマシンは、交流磁場を動力源として動作するマイクロマシン本体を正弦波により制御する制御部を備えている。この制御部が、正弦波のバイアスや振幅を調整することにより、マイクロマシン本体の方向性や速度を高精度で制御することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流磁場を動力源として動作するマイクロマシン本体と、マイクロマシン本体の動作を制御する制御手段とを備えたマイクロマシンにおいて、
上記制御手段は、マイクロマシン本体を制御するための正弦波の波形調整を行う正弦波調整手段を備えていることを特徴とするマイクロマシン。
【請求項２】
磁石、および、当該磁石の振動を推進力に変換する変換部材を含み、時間的に変動する変動磁場による上記磁石の振動によって上記変換部材を移動および／または変形させて推進するアクチュエータと、
時間的に変動する第１制御信号に応じた上記変動磁場を発生させる第１磁場発生装置に対して、上記第１制御信号を供給する制御手段とを備え、
上記制御手段は、上記第１制御信号の波形調整によって、上記アクチュエータの動作を制御することを特徴とするアクチュエータシステム。
【請求項３】
上記変換部材は、弾性体であり、
上記アクチュエータは、時間的に変動する変動磁場による上記磁石の振動によって上記弾性体を振動させて推進することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータシステム。
【請求項４】
上記制御手段は、上記第１制御信号として、波形調整された正弦波信号を生成することを特徴とする請求項２または３記載のアクチュエータシステム。
【請求項５】
上記制御手段は、上記正弦波信号のバイアスを変更することによって、上記アクチュエータの進行方向を変化させることを特徴とする請求項４記載のアクチュエータシステム。
【請求項６】
上記制御手段は、上記正弦波信号の正負の時間比または振幅比を変更することによって、上記アクチュエータの進行方向を変化させることを特徴とする請求項４記載のアクチュエータシステム。
【請求項７】
上記制御手段は、上記正弦波信号の振幅を変更することによって、上記アクチュエータの速度を制御することを特徴とする請求項２、３、４または５記載のアクチュエータシステム。
【請求項８】
上記制御手段は、上記第１磁場発生装置と、上記アクチュエータを内包し、その内部でアクチュエータを移動させる収容物との少なくとも一方を移動させる移動手段を備えていることを特徴とする請求項２〜７のいずれか一項に記載のアクチュエータシステム。
【請求項９】
上記制御手段は、上記第１磁場発生装置とは異なる方向の磁界を形成可能な第２磁場発生装置による磁場形成を制御して、上記アクチュエータの進行方向を変化させることを特徴とする請求項２〜８のいずれか一項に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１０】
上記制御手段は、上記第２磁場発生装置としての磁石と、上記アクチュエータを内包し、その内部でアクチュエータを移動させる収容物との少なくとも一方を移動させて、上記第２磁場発生装置による磁場形成を制御することを特徴とする請求項９記載のアクチュエータシステム。
【請求項１１】
上記制御手段は、上記第２磁場発生装置としての電磁石のコイルへ直流電流を供給するか否かによって、上記第２磁場発生装置による磁場形成を制御することを特徴とする請求項９記載のアクチュエータシステム。
【請求項１２】
上記制御手段は、上記第２磁場発生装置としての電磁石のコイルへ供給する第２制御電流を制御することによって、上記磁場発生装置による磁場形成を制御することを特徴とする請求項９記載のアクチュエータシステム。
【請求項１３】
上記制御手段は、上記第２制御電流の波形を調整することによって、上記磁場発生装置による磁場形成を制御することを特徴とする請求項１２記載のアクチュエータシステム。
【請求項１４】
上記制御手段は、上記第１磁場発生装置としての電磁石のコイルへ第１制御信号として供給する第１制御電流と、上記第１磁場発生装置とは異なる方向の磁界を形成可能な第２磁場発生装置としての電磁石のコイルへ供給する第２制御電流との位相差、および／または、振幅比を調整することによって、上記アクチュエータの進行方向を変化させることを特徴とする請求項２〜１３のいずれか一項に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１５】
上記第１磁場発生装置は、リング状または矩形枠状の鉄心の４方向から中心方向へ突出する磁極のうちの互いに対向する１対の磁極と、当該磁極の対に巻きつけられた導線とを含むものであり、
上記第２磁場発生装置は、上記鉄心の残余の磁極の対と、当該磁極の対に巻きつけられた導線とを含むものであって、
上記制御手段は、上記第１磁場発生装置の導線へ上記第１制御信号として供給する第１制御電流と、上記第２磁場発生装置の導線へ上記第２制御信号として供給する第２制御電流との位相差、および／または、振幅比を調整することによって、上記アクチュエータの進行方向を変化させることを特徴とする請求項２〜１３のいずれか一項に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１６】
上記第１磁場発生装置は、リング状または矩形枠状の鉄心の３以上の方向から中心方向へ突出する磁極の１つと、当該磁極に巻きつけられた導線とを含むものであり、
上記第２磁場発生装置は、上記鉄心の磁極の残余にそれぞれ対応する電磁石を備え、当該各電磁石には、それぞれの磁極に巻きつけられた導線が含まれているものであって、
上記制御手段は、上記第１磁場発生装置の導線へ上記第１制御信号として供給する第１制御電流と、上記第２磁場発生装置の各電磁石の導線へ上記第２制御信号として供給する第２制御電流のそれぞれとの位相差、および／または、振幅比を調整することによって、上記アクチュエータの進行方向を変化させることを特徴とする請求項２〜１３のいずれか一項に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１７】
上記第１磁場発生装置は、複数の鉄心に巻きつけられたコイルを含み、
上記複数の鉄心のうち、隣り合う２つの鉄心は、各鉄心に巻きつけられたコイルの位置が互いにズレるように、各鉄心の高さが互いに異なっていることを特徴とする請求項２〜７のいずれか一項に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１８】
上記移動手段は、回転可能なゴンドラを含み、
当該ゴンドラには、上記第１磁場発生装置が固定されていると共に、
当該ゴンドラには、スリップリングによって電流を供給することを特徴とする請求項８記載のアクチュエータシステム。
【請求項１９】
時間的に変動する変動磁場を動力源として動作するアクチュエータに対して変動磁場を与えることによって、当該アクチュエータを駆動するアクチュエータシステムであって、
時間的に変動する第１制御信号に応じて、時間的に変動する変動磁場を発生させる第１磁場発生装置と、
時間的に変動する第２制御信号に応じて、上記第１磁場発生装置とは異なる方向で、しかも、時間的に変動する磁界を形成可能な第２磁場発生装置と、
上記第１および第２磁場発生装置に対して与える第１および第２制御信号を制御する制御手段とを備えていることを特徴とするアクチュエータシステム。
【請求項２０】
上記アクチュエータは、磁石、並びに、当該磁石の回転を推進力に変換する変換部材を含み、上記両磁場発生装置によって形成される変動磁場による上記磁石の回転によって上記変換部材を移動および／または変形させて推進するアクチュエータであって、
上記制御手段は、上記両制御信号として、位相差の互いに異なる信号を生成することにより、上記変動磁場の磁束密度ベクトルの方向を周期的に回転させることを特徴とする請求項１９記載のアクチュエータシステム。
【請求項２１】
上記制御手段は、上記両制御信号の振幅比を制御して、上記アクチュエータの進行方向を制御することを特徴とする請求項２０記載のアクチュエータシステム。
【請求項２２】
上記アクチュエータは、マイクロマシンであることを特徴とする請求項２〜２１のいずれか一項に記載のアクチュエータシステム。
【請求項２３】
時間的に変動する第１制御信号に応じた変動磁場を生成する第１磁場発生装置へ与える第１制御信号を生成可能なコンピュータのプログラムであって、
磁石、および、当該磁石の振動を推進力に変換する変換部材を含むアクチュエータであって、時間的に変動する変動磁場による上記磁石の振動によって上記変換部材を移動および／または変形させて推進するアクチュエータの動作を、上記第１制御信号の波形調整により制御する制御手段として、上記コンピュータを動作させるプログラム。
【請求項２４】
請求項２３記載のプログラムが記録された記録媒体。
【請求項２５】
磁石と弾性体とを含み、時間的に変動する変動磁場による上記磁石の振動によって上記弾性体を振動させて推進するアクチュエータであって、
上記弾性体の断面形状は、互いに直交する２軸を中心に線対称な形状であることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２６】
磁石と弾性体とを含み、時間的に変動する変動磁場による上記磁石の振動によって上記弾性体を振動させて推進するアクチュエータであって、
上記磁石は、アクチュエータの重心位置に設けられていることを特徴とするアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロマシン本体の動作を高精度で制御することが出来るマイクロマシン、アクチュエータの動作を制御可能なアクチュエータシステム、そのプログラムおよび記録媒体、並びに、アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マイクロマシンは様々な分野での活躍が考えられている。また、マイクロマシンの製造過程、用いられる技術も応用が期待されている。医療分野もマイクロマシンの活躍が期待されている分野の一つである。例えばガンの治療において、抗がん剤は治療法の手段の一つとして用いられているが副作用が存在する。これは治療の際にガン細胞への直接の投与を行うのではなく、静脈への注射など体の全身にまわる投与をしているからである。このガン治療における投与でガン細胞への直接投与を可能にさせようと考えられたのが薬剤運搬システム（ドラッグ・デリバリー・システム：ＤＤＳ）である。このＤＤＳが、マイクロマシンを用いて実現できないかと考えられている。この方法が可能になることにより、副作用の心配もなく少量の薬で大きな成果をあげることができる。
【０００３】
このようにマイクロマシンは医療分野を含めた広い範囲での応用を期待されており、研究開発が求められている。一例として、後述の非特許文献１では、ヒレ型のマイクロマシンが開示されている。
【非特許文献１】日本応用磁気学会誌  ２０，５４１−５４４（１９９６）
【非特許文献２】大塚他  ４名，日本機械学会、第２回ロボティクスシンポジア講演論文集，ｐ７−１２，１９９７年８月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の構成は、ヒレ型のマイクロマシンの動作を制御するための構成を有しておらず、例えば、医療用途をはじめ、マイクロマシンの制御を必要とする用途には、そのまま使用することができないという問題を生じる。
【０００５】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、マイクロマシン本体の動作を高精度で制御することが出来るマイクロマシン、アクチュエータの動作を制御可能なアクチュエータシステム、そのプログラムおよび記録媒体、並びに、アクチュエータを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るマイクロマシンは、上記課題を解決するために、交流磁場を動力源として動作するマイクロマシン本体と、マイクロマシン本体の動作を制御する制御手段とを備えたマイクロマシンにおいて、上記制御手段は、マイクロマシン本体を制御するための正弦波の波形調整を行う正弦波調整手段を備えていることを特徴としている。
【０００７】
ここで、上記マイクロマシン本体の動作は、交流磁場によって制御されるが、例えば、電磁石のコイルへ供給する電流を制御することによって交流磁場を制御する構成をはじめ、一般の交流磁場の発生装置は、交流磁場を制御するために当該装置へ入力される制御信号を急峻に変化させたとしても、それに応じて発生される交流磁場は、それよりも鈍って変化することが多く、また、その鈍り方を正確かつ簡単に予測することが難しいことが多い。したがって、例えば、三角波のように、急峻に変化する制御信号のバイアスを調整して、マイクロマシン本体の動作を制御しようとしても、高精度に動作を制御することが難しい。
【０００８】
これに対して、上記構成では、上記制御手段が、例えば、正弦波のバイアスや振幅を調整するなどして、正弦波の波形調整を行うことによって、マイクロマシン本体の方向や速度を制御する。したがって、上記一般の発生装置を用いて交流磁場を発生させたとしても、上記三角波のように急峻に変化する信号の波形を調整する場合と比較して、マイクロマシン本体の方向性や速度をより高精度に制御できる。
【０００９】
このように、本発明のマイクロマシンは、交流磁場を動力源として動作するマイクロマシン本体を正弦波により制御する制御部を備えている。この制御部が、正弦波のバイアスや振幅を調整することにより、マイクロマシン本体の方向性や速度を高精度で制御することができる。
【００１０】
また、本発明に係るアクチュエータシステムは、上記課題を解決するために、磁石、および、当該磁石の振動を推進力に変換する変換部材を含み、時間的に変動する変動磁場による上記磁石の振動によって上記変換部材を移動および／または変形させて推進するアクチュエータと、時間的に変動する第１制御信号に応じて上記変動磁場を発生させる第１磁場発生装置に対して、上記第１制御信号を供給する制御手段とを備え、上記制御手段は、上記第１制御信号の波形調整によって、上記アクチュエータの動作を制御することを特徴としている。また、当該構成に加えて、上記変換部材は、弾性体であり、上記アクチュエータは、時間的に変動する変動磁場による上記磁石の振動によって上記弾性体を振動させて推進してもよい。なお、上記制御手段は、例えば、上記第１の磁場発生装置としての電磁石のコイルへ、上記第１制御信号としての電流信号を供給するなどして、上記第１磁場発生装置に変動磁場を形成させることができる。また、上記構成に加えて、上記アクチュエータは、マイクロマシンであってもよい。
【００１１】
上記構成において、制御手段が第１制御信号を第１磁場発生装置へ供給すると、第１磁場発生装置によって、時間的に変動する変動磁場が形成される。一方、アクチュエータにおいて、磁石は、当該変動磁場によって振動し、上記変換部材は、当該振動に応じて、移動および／または変形して、当該磁石の振動を推進力に変換する。これにより、アクチュエータが推進する。なお、上記変換部材が弾性体の場合は、上記磁石の振動が弾性体へ伝えられると、弾性体が振動して、アクチュエータを推進させる。
【００１２】
また、上記制御手段が第１制御信号の波形を調整すると、それに応じて変動磁場が変化して、上記アクチュエータの磁石の振動状態が変更される。この結果、上記アクチュエータの変換部材の移動およびまたは変形状態をも変更させることができ、アクチュエータの動作を制御できる。なお、上記変換部材が弾性体の場合、磁石の振動状態の変更に伴なって、上記アクチュエータの弾性体の振動状態が変更される。
【００１３】
一例として、第１制御信号のバイアスや、正負の時間比や振幅比を変更することによって、上記アクチュエータの磁石をある方向へ移動させようとする力よりも、それとは逆の方向へ移動させようとする力の方を大きくすることができる。この結果、上記アクチュエータの変換部材を非対称に移動および／または変形させることができ、アクチュエータの進行方向を変更できる。なお、上記変換部材が弾性体の場合、第１制御信号の波形調整によって、アクチュエータの弾性体を非対称に振れさせることができる。さらに、他の例として、第１制御信号の振幅を変更することによって、上記アクチュエータの磁石の振れ幅の速度を変更できるので、アクチュエータの推進速度を変更できる。
【００１４】
また、上記構成に加えて、上記制御手段は、上記第１制御信号として、波形調整された正弦波信号を生成してもよい。当該構成では、第１制御信号として、波形調整された正弦波信号を生成する。したがって、上記マイクロマシンと同様に、一般の発生装置を用いて交流磁場を発生させたとしても、上記三角波のように急峻に変化する信号の波形を調整する場合と比較して、アクチュエータの方向性や速度をより高精度に制御できる。
【００１５】
さらに、上記構成に加えて、上記制御手段は、上記正弦波信号のバイアスを変更することによって、上記アクチュエータの進行方向を変化させてもよい。また、上記制御手段は、上記正弦波信号の正負の時間比または振幅比を変更することによって、上記アクチュエータの進行方向を変化させてもよい。
【００１６】
これらの構成では、正弦波信号のバイアス等を変更して変動磁場を制御することによって、アクチュエータの磁石を非対称に振れさせることができ、アクチュエータの変換部材を非対称に移動および／または変形させることができる。この結果、アクチュエータの進行方向を変更できる。例えば、上記変換部材が弾性体の場合、アクチュエータの弾性体を非対称に振れさせることができる。
【００１７】
また、上記構成に加えて、上記制御手段は、上記正弦波信号の振幅を変更することによって、上記アクチュエータの速度を制御してもよい。
【００１８】
ここで、上記アクチュエータの振れ幅は、正弦波信号の周波数を変更することによって変化するため、上記アクチュエータの速度は、正弦波信号の周波数を変更することによっても、ある程度変更できる。ただし、上記アクチュエータは、磁石の振動を、弾性体などの変換部材へ伝えることによって、アクチュエータを推進させており、正弦波信号の周波数を最適な値から大きく変更すると、アクチュエータの安定性が大きく低下してしまい、例えば、アクチュエータが移動せず、その場で回転してしまったり、直進しなかったりする。
【００１９】
これに対して、上記構成では、正弦波信号の振幅を変更することによって、上記アクチュエータの磁石の振れ幅の速度を変更できるので、周波数で制御する場合よりも安定性を損なうことなく、アクチュエータの推進速度を変更できる。
【００２０】
さらに、上記構成に加えて、上記制御手段は、上記第１磁場発生装置と、上記アクチュエータを内包し、その内部でアクチュエータを移動させる収容物との少なくとも一方を移動させる移動手段を備えていてもよい。
【００２１】
上記構成において、移動手段は、例えば、第１磁場発生装置を移動させたり、例えば、水槽や人体などの収容物を移動させたりして、両者の相対的な位置関係を変更する。この結果、上記第１制御信号によって制御可能なアクチュエータの進行方向の範囲を、移動の前後で互いに異ならせることができる。したがって、例えば、アクチュエータの三次元での方向制御が可能なアクチュエータシステムやアクチュエータを反転させたり、静止させたり、微動させることが可能なアクチュエータシステムを実現できる。
【００２２】
また、上記構成に加えて、上記制御手段は、上記第１磁場発生装置とは異なる方向の磁界を形成可能な第２磁場発生装置による磁場形成を制御して、上記アクチュエータの進行方向を変化させてもよい。
【００２３】
さらに、上記構成に加えて、上記制御手段は、上記第２磁場発生装置としての磁石と、上記アクチュエータを内包し、その内部でアクチュエータを移動させる収容物との少なくとも一方を移動させて、上記第２磁場発生装置による磁場形成を制御してもよい。
【００２４】
また、上記構成に加えて、上記制御手段は、上記第２磁場発生装置としての電磁石のコイルへ直流電流を供給するか否かによって、上記第２磁場発生装置による磁場形成を制御してもよい。当該構成の一例としては、例えば、外周にコイルを巻いた円筒形の電磁石を上記第２磁場発生装置として用い、当該第２磁場発生装置内に上記第１磁場発生装置による変動磁場空間を設置する構成、あるいは、当該変動磁場空間の軸方向に配置された電磁石を上記第２磁場発生装置として用いる構成などが挙げられる。
【００２５】
また、上記構成に加えて、上記制御手段は、上記第２磁場発生装置としての電磁石のコイルへ供給する第２制御電流を制御することによって、上記磁場発生装置による磁場形成を制御してもよい。加えて、上記制御手段は、上記第２制御電流の波形を調整することによって、上記磁場発生装置による磁場形成を制御してもよい。
【００２６】
これらの構成において、制御手段は、例えば、第２磁場発生装置と収納物との相対位置を変更したり、第２磁場発生装置を動作させるか否かを切り換えたり、第２磁場発生装置への第２制御信号の波形を調整したりして、第２磁場発生装置による磁場形成を制御する。ここで、上記第２磁場発生装置によって形成可能な磁界の向きは、第１磁場発生装置によって形成可能な磁界の向きと異なっている。したがって、第２磁場発生装置による磁場形成の制御によって、上記第１制御信号にて制御可能なアクチュエータの進行方向とは異なる方向に、上記アクチュエータの進行方向を変更できる。この結果、例えば、アクチュエータの三次元での方向制御が可能なアクチュエータシステムやアクチュエータを反転させたり、静止させたり、微動させることが可能なアクチュエータシステムを実現できる。
【００２７】
また、上記構成に加え、上記制御手段は、上記第１磁場発生装置としての電磁石のコイルへ第１制御信号として供給する第１制御電流と、上記第１磁場発生装置とは異なる方向の磁界を形成可能な第２磁場発生装置としての電磁石のコイルへ供給する第２制御電流との位相差、および／または、振幅比を調整することによって、上記アクチュエータの進行方向を変化させてもよい。
【００２８】
さらに、上記第１磁場発生装置が、リング状または矩形枠状の鉄心の４方向から中心方向へ突出する磁極のうちの互いに対向する１対の磁極と、当該磁極の対に巻きつけられた導線とを含むものであり、上記第２磁場発生装置が、上記鉄心の残余の磁極の対と、当該磁極の対に巻きつけられた導線とを含むものである場合、上記制御手段は、上記第１磁場発生装置の導線へ上記第１制御信号として供給する第１制御電流と、上記第２磁場発生装置の導線へ上記第２制御信号として供給する第２制御電流との位相差、および／または、振幅比を調整することによって、上記アクチュエータの進行方向を変化させてもよい。
【００２９】
また、上記第１磁場発生装置が、リング状または矩形枠状の鉄心の３以上の方向から中心方向へ突出する磁極の１つと、当該磁極に巻きつけられた導線とを含むものであり、
上記第２磁場発生装置が、上記鉄心の磁極の残余にそれぞれ対応する電磁石を備え、当該各電磁石には、それぞれの磁極に巻きつけられた導線が含まれているものである場合、上記制御手段は、上記第１磁場発生装置の導線へ上記第１制御信号として供給する第１制御電流と、上記第２磁場発生装置の各電磁石の導線へ上記第２制御信号として供給する第２制御電流のそれぞれとの位相差、および／または、振幅比を調整することによって、上記アクチュエータの進行方向を変化させてもよい。
【００３０】
これらの構成でも、上記第２磁場発生装置のみによって形成可能な磁界の向きは、第１磁場発生装置のみによって形成可能な磁界の向きと異なっている。したがって、制御手段が上記第１および第２制御電流の位相差、および／または、振幅比を調整することによって、上記第１制御信号のみにて制御可能なアクチュエータの進行方向とは異なる方向に、上記アクチュエータの進行方向を変更できる。この結果、例えば、アクチュエータの三次元での方向制御が可能なアクチュエータシステムやアクチュエータを反転させたり、静止させたり、微動させることが可能なアクチュエータシステムを実現できる。
【００３１】
さらに、上記構成に加えて、上記第１磁場発生装置は、複数の鉄心に巻きつけられたコイルを含み、上記複数の鉄心のうち、隣り合う２つの鉄心は、各鉄心に巻きつけられたコイルの位置が互いにズレるように、各鉄心の高さが互いに異なっていてもよい。
【００３２】
当該構成では、互いに高さが同じ鉄心を並べる構成と比較して、隣り合うコイルの距離を短く設定でき、第１磁場磁場発生装置の発生する磁束密度を向上できる。
【００３３】
また、上記構成に加えて、上記移動手段は、回転可能なゴンドラを含み、当該ゴンドラには、上記第１磁場発生装置が固定されていると共に、当該ゴンドラには、スリップリングによって電流を供給してもよい。
【００３４】
当該構成では、導線によってゴンドラに電流を流す構成とは異なり、ゴンドラの回転の際に、電流を流す導線が絡まるという問題の発生を防止できる。したがって、電流を供給できるにも拘わらず、ゴンドラを任意の方向に回転させ続けることができる。
【００３５】
また、本発明に係るアクチュエータシステムは、上記課題を解決するために、時間的に変動する変動磁場を動力源として動作するアクチュエータに対して変動磁場を与えることによって、当該アクチュエータを駆動するアクチュエータシステムであって、時間的に変動する第１制御信号に応じて、時間的に変動する変動磁場を発生させる第１磁場発生装置と、時間的に変動する第２制御信号に応じて、上記第１磁場発生装置とは異なる方向で、しかも、時間的に変動する磁界を形成可能な第２磁場発生装置と、上記第１および第２磁場発生装置に対して与える第１および第２制御信号を制御する制御手段とを備えていることを特徴としている。なお、上記第１および第２磁場発生装置としては、例えば、上述した鉄心を有する構成などが挙げられる。
【００３６】
ここで、第１磁場発生装置しか持たない構成では、当該第１磁場発生装置の形成する変動磁場では移動できない方向へアクチュエータを移動させたり、アクチュエータを回転させたりするために、当該第１磁場発生装置自体を機械的に移動させたり、アクチュエータを収容する収容物を機械的に移動させたりして、両者の相対的な位置関係を変更しようとすると、機械的に移動させるための部材の速度の制限によって、アクチュエータへ与える変動磁場の方向の変更速度が制限されてしまう。
【００３７】
これに対して、上記構成では、互いに異なる方向の変動磁場を形成可能な第１および第２磁場発生装置を備え、上記両制御信号によって、それぞれが生成する変動磁場を制御してアクチュエータを駆動している。この結果、第１および第２磁場発生装置を機械的に移動させなくても、当該第１磁場発生装置の形成する変動磁場では移動できない方向へアクチュエータを移動させたり、アクチュエータを回転させたりすることができる。この結果、上記変更速度の制限を受けることなく、高速にアクチュエータを制御できる。
【００３８】
また、上記構成に加えて、上記アクチュエータは、磁石、並びに、当該磁石の回転を推進力に変換する変換部材を含み、上記両磁場発生装置によって形成される変動磁場による上記磁石の回転によって上記変換部材を移動および／または変形させて推進するアクチュエータであって、上記制御手段は、上記両制御信号として、位相差の互いに異なる信号を生成することにより、上記変動磁場の磁束密度ベクトルの方向を周期的に回転させてもよい。
【００３９】
当該構成では、上記両制御信号として、位相差の互いに異なる信号を生成することにより、上記変動磁場の磁束密度ベクトルの方向を周期的に回転させることができる。この結果、上記アクチュエータを回転させて推進させることができる。
【００４０】
また、上記構成に加えて、上記制御手段は、上記両制御信号の振幅比を制御して、上記アクチュエータの進行方向を制御してもよい。
【００４１】
当該構成では、両制御信号の振幅比を制御することによって、上記アクチュエータが回転する際の軌跡を、略円形の形状から歪ませることができるので、上記回転駆動型のアクチュエータを周方向にも方向制御できる。
【００４２】
また、本発明に係るプログラムは、上記課題を解決するために、時間的に変動する第１制御信号に応じた変動磁場を生成する第１磁場発生装置へ与える第１制御信号を生成可能なコンピュータのプログラムであって、磁石、および、当該磁石の振動を推進力に変換する変換部材を含むアクチュエータであって、時間的に変動する変動磁場による上記磁石の振動によって上記変換部材を移動および／または変形させて推進するアクチュエータの動作を、上記第１制御信号の波形調整により制御する制御手段として、上記コンピュータを動作させるプログラムであることを特徴としている。さらに、本発明に係る記録媒体には、当該プログラムが記録されている。
【００４３】
上記プログラムが上記コンピュータによって実行されると、当該コンピュータは、上述のアクチュエータシステムの制御手段として動作する。したがって、上記アクチュエータシステムと同様に、上記アクチュエータの動作を制御することができる。
【００４４】
さらに、本発明に係るアクチュエータは、上記課題を解決するために、磁石と弾性体とを含み、時間的に変動する変動磁場による上記磁石の振動によって上記弾性体を振動させて推進するアクチュエータであって、上記弾性体の断面形状は、互いに直交する２軸を中心に線対称な形状であることを特徴としている。
【００４５】
本願発明者は、上記構成のアクチュエータの動作をより高精度に制御すべく、鋭意努力した結果、例えば、弾性体の形状が上下左右に対称な形状である場合など、弾性体の断面形状が互いに直交する２軸を中心に線対称な形状であると、当該アクチュエータの直進安定性が向上することを見い出し、本願発明を完成させるに至った。
【００４６】
当該構成では、アクチュエータの弾性体の断面形状が上記のような形状なので、アクチュエータの直進安定性を向上できる。この結果、変動磁場によって、動作をより高精度に制御可能なアクチュエータを実現できる。
【００４７】
また、本発明に係るアクチュエータは、上記課題を解決するために、磁石と弾性体とを含み、時間的に変動する変動磁場による上記磁石の振動によって上記弾性体を振動させて推進するアクチュエータであって、上記磁石は、アクチュエータの重心位置に設けられていることを特徴としている。
【００４８】
本願発明者は、上記構成のアクチュエータの動作をより高精度に制御すべく、鋭意努力した結果、アクチュエータの磁石がアクチュエータの重心位置に設けられていると、当該アクチュエータの直進安定性が向上することを見い出し本願発明を完成させるに至った。
【００４９】
当該構成では、アクチュエータの磁石が上記の位置に設けられているので、アクチュエータの直進安定性を向上できる。この結果、変動磁場によって、動作をより高精度に制御可能なアクチュエータを実現できる。
【発明の効果】
【００５０】
本発明に係るマイクロマシン、アクチュエータシステムおよびアクチュエータによれば、マイクロマシン本体あるいはアクチュエータの動作を制御できるので、医療分野をはじめとして、種々の分野で利用されるマイクロマシンおよびアクチュエータシステムとして好適に使用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
〔実施の形態１〕
本実施形態に係るマイクロマシンの駆動システム１は、マイクロマシン（アクチュエータ）２の進行方向を二次元だけではなく、三次元に変更可能なシステムであって、図２４５、図１および図７に示すように、収容物の一例としての水槽２内のマイクロマシン３に対して、交流磁場を与える交流磁場発生装置４と、上記交流磁場発生装置４を回転させて、上記交流磁場発生装置４が水槽２内のマイクロマシン３へ与える磁界の向きを変更する回転装置５と、交流磁場発生装置４による交流磁場の発生および上記回転装置５による交流磁場発生装置４の回転を制御する制御装置６とを備えている。なお、上記制御装置６のコンピュータ６１、アンプ６２（いずれも後述）、交流磁場発生装置４、水槽２およびマイクロマシン３が、図１中の丸１〜丸５にそれぞれ対応する。また、本実施形態および後述の各実施形態では、一例として、収容物が水槽２である場合について説明するが、収容物は、上記マイクロマシン２を内包し、その内部でマイクロマシン２を移動させるものであれば、例えば、他の液体を入れた液層、あるいは、人体など、他の収容物であってもよい。なお、人体の場合、マイクロマシン２の周囲環境（後述）は、血液などの体液、または、消化管内に嚥下または注入された液体になる。また、他の液体を入れた液槽の場合、周囲環境は、液体にあり、水面は、液面になる。
【００５２】
上記マイクロマシン３は、図２４６および図１５１に示すように、磁石３１ａを含む頭部３１と、頭部３１から延設されたヒレ３２とを備えている。当該ヒレ３２は、弾性体としてのシリコーンによって形成されており、上記磁石３１ａが上記交流磁場発生装置５によって与えられる交流磁場によって振動すると、当該磁石３１ａの振動によって振動して、マイクロマシン３を推進させることができる。
【００５３】
また、本実施形態に係るマイクロマシン３には、当該マイクロマシン３の比重をマイクロマシン３の動作する周囲環境に近い値にして、マイクロマシン３へ与えられる重力の影響を軽減するために、頭部３１にフロート３１ｂが設けられている。本実施形態では、マイクロマシン３を水槽２内の水中または水面で動作させているため、上記フロート３１ｂの大きさおよび比重は、マイクロマシン３の比重が水とほぼ同一になるように設定されている。
【００５４】
一方、上記交流磁場発生装置４は、鉄心４１に巻きつけられた導線からなるコイル４２を備えており、当該コイル４２へ上記制御装置６からの交流電流が流されると、当該コイル４２は、電磁石として動作して、交流電流に応じた交流磁場を発生することができる。上記鉄心４１は、図２４７および図４に示すように、略コの字型（より詳細には、ギャップを備えた矩形枠状）に形成されており、磁極間（ギャップ間）に配される水槽２内のマイクロマシン３へ、交流磁場を与えることができる。
【００５５】
本実施形態では、図８に示すように、複数の電磁石をまとめて、１つの電磁石として使用している。より詳細には、本実施形態に係る交流磁場発生装置４には、高さが互いに異なる、２種類の鉄心４１が用いられている。なお、高さは、ギャップが形成されている辺の向きに直交する方向の長さである。また、各鉄心４１の各辺のうち、ギャップが形成されている辺に対向する辺に、導線を巻きつけてコイル４２が形成されている。さらに、各鉄心４１は、隣り合う２つの鉄心４１の高さ同士が互いに異なるように配置されている。これにより、互いに高さが同じ鉄心４１を並べる構成と比較して、隣り合うコイル４２の距離を短く設定でき、交流磁場発生装置４の発生する磁束密度を向上できる。また、鉄心４１の数を調整することによって、磁束密度を調整できるので、磁場発生領域の長さを比較的自由に設定できる。なお、磁場発生領域の長さは、鉄心４１においてギャップが設けられている辺に沿った方向の長さ（鉄心４１の高さ方向に直交する方向の長さ）である。
【００５６】
また、上記回転装置５は、図２４５および図３に示すように、上記交流磁場発生装置４を支持するゴンドラ５１と、ゴンドラ５１を回転させるモータ５２とを備えており、上記制御装置６の指示に応じてモータ５２を回転させることによって、上記交流磁場発生装置４を回転させることができる。なお、本実施形態では、モータ５２の回転軸は、その延長線が上記磁極間の中央を通るように設定されており、上記水槽２は、モータ５２によってゴンドラ５１が回転しても、図示しない支持部材によって回転しないように支持されている。
【００５７】
また、上記回転装置５において、上記ゴンドラ５１を支持する軸の両端部のうちの一方または両方には、図示しないスリップリングが設けられており、制御装置６は、当該スリップリングを介して、ゴンドラ５１に支持される交流磁場発生装置４へ電流を供給できる。これにより、交流磁場発生装置４と制御装置６とに接続された導線を介して電流を供給する構成とは異なり、導線が絡まることを防止でき、制御装置６は、ゴンドラ５１の回転、回転数に依存せず、常に電流を供給できる。
【００５８】
さらに、上記制御装置６は、図２４５、図１および図７に示すように、ユーザの指示に応じた波形の制御信号を生成するコンピュータ６１と、コンピュータ６１からの制御信号を増幅して、制御信号と同じ波形の交流電流を上記交流磁場発生装置４のコイル４２へ与えるアンプ６２とを備えている。
【００５９】
本実施形態に係るコンピュータ６１は、上記制御信号として、波形調整された正弦波を出力できるように構成されており、当該正弦波の波形を、ユーザの指示に応じて調整できる。より詳細には、コンピュータ６１は、マイクロマシン３の推進速度を制御するために、正弦波の振幅をユーザの指示に応じて調整できる。また、コンピュータ６１は、マイクロマシン３の進行方向を制御するために、正弦波のバイアス、正負の時間比または振幅比を、ユーザの指示に応じて調整できる。
【００６０】
また、上記コンピュータ６１は、図示しないモータコントローラボードなどによって、ユーザの指示に応じて、上記回転装置５のモータ５２の回転を制御できるように構成されている。
【００６１】
さらに、本実施形態に係る制御装置６は、ユーザの指示を受け付けるためのコントローラ６３を備えており、上記コンピュータ６１は、コントローラ６３の受け付けたユーザの操作に応じて、上記制御信号の波形をリアルタイムに調整できる。
【００６２】
より詳細には、本実施形態では、コントローラ６３として、ジョイスティック６３ａおよびダイアル６３ｂが設けられており、コンピュータ６１は、ジョイスティック６３ａの上下の変化に応じて、上記制御信号の波形の振幅と、バイアス、正負の時間比または振幅比とのいずれか一方を変化させることができる。また、コンピュータ６１は、ジョイスティック６３ａの左右の変化に応じて、他方を変更できる。さらに、コンピュータ６１は、ダイアル６３ｂを回した角度だけ、上記モータ５２の角度を回転させることができ、ダイアル６３ｂの回転に、上記交流磁場発生装置４の回転を追従させることができる。
【００６３】
なお、上記では、上記コントローラ６３による入力（この例では、ジョイスティック６３ａの上下、左右、および、ダイアル６３ｂの角度）と、制御対象（交流磁場発生装置４の回転角度、制御信号の波形の振幅、あるいは、バイアス、正負の時間比または振幅比）とを上述のように対応付けた場合を例にして説明したが、コントローラ６３の入力に応じて、上記各制御対象をリアルタイムに制御できれば、他の対応付けを採用してもよい。また、本実施形態に係るコンピュータ６１は、上記コントローラ６３による入力（ジョイスティック６３ａの上下、左右、および、ダイアル６３ｂの角度）と、制御対象（交流磁場発生装置４の回転角度、制御信号の波形の振幅、あるいは、バイアス、正負の時間比または振幅比）との対応関係を、ユーザの指示に応じて変更できるように構成されている。
【００６４】
上記構成において、上記制御装置６が、波形調整された正弦波を制御信号として上記交流磁場発生装置４へ供給すると、交流磁場発生装置４は、当該制御信号に応じた変動磁場を水槽２内のマイクロマシン３へ与える。これにより、マイクロマシン３の磁石３１ａが揺動する。当該揺動運動は、ヒレ３２へ伝えられる。この結果、ヒレ３２が撓み変形して、マイクロマシン３に推進力を与えることができる。
【００６５】
このように、マイクロマシン３は、磁石３１ａの振動をヒレ３２へ伝え、ヒレ３２を振動させることによって、推進している。したがって、制御装置６が上記制御信号の波形を調整して、交流磁場発生装置４の発生する交流磁場を変化させることによって、マイクロマシン３の磁石３１ａおよびヒレ３２の振動状態を変更でき、マイクロマシン３の運動を変更できる。
【００６６】
当該構成では、小型、単純構造のマイクロマシン３を、非接触による動力供給を行いつつ、遠隔操作できるので、医療分野、人が入り込めない細い配管の中を非破壊に検査したり作業したりする分野、および、玩具の分野をはじめ、広い分野で好適に使用できる。
【００６７】
波形調整の一例として、制御装置６が、制御信号のバイアス値、正負の時間比または正負の振幅比を変更して、制御信号の正の部分の値の積分値と負の部分の値の積分値との比率を変更することによって、マイクロマシン３の磁石３１ａを非対称に振れさせることができる。この結果、ヒレ３２も非対称に振れさせることができ、マイクロマシン３の進行方向を、直進方向からズレた方向へ変更できる。
【００６８】
また、制御装置６が、制御信号の振幅を大きくすると、上記マイクロマシン３の磁石３１ａの振れ幅の速度を大きくできるので、マイクロマシン３の推進速度を上昇させることができる。これとは逆に、制御信号の振幅を小さくすると、上記マイクロマシン３の磁石３１ａの振れ幅の速度を小さくでき、マイクロマシン３の推進速度を低下させることができる。
【００６９】
ここで、上記マイクロマシン３の振れ幅は、正弦波の周波数を変更することによって変化するため、上記マイクロマシン３の推進速度は、制御信号の周波数を変更することによっても、ある程度変更できる。ただし、上記マイクロマシン３は、磁石３１ａの振動をヒレ３２へ伝えることによって、マイクロマシン３を推進させており、制御信号の周波数を最適な値（センチ単位のマイクロマシン３では６［Ｈｚ］程度）から大きく変更すると、マイクロマシン３の安定性が大きく低下してしまい、例えば、マイクロマシン３が移動せず、その場で回転してしまったり、直進しなかったりする。
【００７０】
これに対して、上記構成では、制御信号の振幅を変更することによって、上記マイクロマシン３の磁石の振れ幅の速度を変更できるので、周波数で制御する場合よりも安定性を損なうことなく、マイクロマシン３の推進速度を変更できる。
【００７１】
さらに、本実施形態では、上記制御装置６の出力する制御信号は、正弦波に対して、振幅変更、バイアス変更、正負の時間比変更、正負の振幅比変更などの波形調整を行って生成したものである。
【００７２】
ここで、上記マイクロマシン３の動作は、交流磁場発生装置４の発生する交流磁場によって制御されるが、当該交流磁場発生装置４では、コイル４２に交流電流を流して交流磁場を発生させている。したがって、コイル４２にノコギリ波のように急峻に変化する交流電流を入力して、交流磁場を急峻に変化させようとしても、コイル４２のＬ成分によって、交流磁場発生装置４における磁化率には、交流電流に対して遅れが発生し、入力した交流信号の波形通りに交流磁場が変化せず、入力した交流電流の波形よりも鈍って変化する。さらに、当該鈍り方は、交流信号が急峻であればある程、交流電流の波形だけではなく、交流磁場発生装置４の特性のバラツキの影響も受けるので、正確かつ簡単に予測することが難しい。したがって、例えば、ノコギリ波のように、急峻に変化する制御信号のバイアス等を調整して、マイクロマシン３の動作を制御しようとしても、高精度に動作を制御することが難しい。
【００７３】
これに対して、本実施形態に係る制御装置６は、正弦波に対して、振幅変更、バイアス変更、正負の時間比変更または正負の振幅比変更などの波形調整を行って生成した制御信号を出力している。したがって、ノコギリ波を出力する場合と比較して、制御信号とマイクロマシン３の動作との対応関係にバラツキが少なく、しかも、両者の対応関係が、より線形に近くなるので、より高精度にマイクロマシン３の動作を制御できる。
【００７４】
さらに、本実施形態に係る交流磁場発生装置４は、回転装置５によって回転して、水槽２内のマイクロマシン３へ与える磁界の向きを変更する。したがって、コンピュータ６１の出力する制御信号によって制御可能なマイクロマシン３の進行方向の範囲を、回転の前後で互いに異ならせることができる。
【００７５】
この結果、例えば、マイクロマシン３の三次元での方向制御が可能なマイクロマシンの駆動システム１やマイクロマシン３を反転させたり、静止させたり、微動させることが可能なマイクロマシンの駆動システム１を実現できる。
【００７６】
例えば、図２４８の（ａ）および図２のFig.３．２−１に示すように、鉄心４１のギャップの設けられた辺が水平に保たれている状態では、交流磁場発生装置４の発生する交流磁界の向きは、主として上記辺に沿った方向、すなわち、水平方向になる。したがって、制御装置６が交流磁場発生装置４へ供給する交流電流の波形を調整して、バイアス、正負の時間比または正負の振幅比を変更することによって、マイクロマシン３の進行方向を水平方向（左右）に変更できる。
【００７７】
一方、図２４８の（ｂ）および図２のFig.３．２−１に示すように、鉄心４１のギャップの設けられた辺が鉛直に保たれている状態では、交流磁場発生装置４の発生する磁界の向きは、主として鉛直方向になる。したがって、制御装置６が交流磁場発生装置４へ供給する交流電流の波形を調整して、バイアス、正負の時間比または正負の振幅比を変更することによって、マイクロマシン３の進行方向を鉛直方向（上下）に変更できる。
【００７８】
また、図示しないが、水平でも鉛直でもない斜め方向に交流磁場発生装置４を回転させると共に、制御装置６が上記制御信号の波形を調整することによって、上記鉄心４１のギャップの設けられた辺に沿った方向に、マイクロマシン３の方向を変更させることができる。
【００７９】
なお、上記では、制御装置６がコントローラ６３への操作に応じて、制御信号の波形をリアルタイムに調整する構成について説明したが、制御信号の波形を調整できれば、例えば、波形の指示を受け付けた制御装置６が、指示に応じた波形の制御信号の各時点におけるレベルを示すデータを予め生成しておき、生成されたデータを順次読み出して、各データの示すレベルの制御信号を生成してもよい。
【００８０】
ただし、本実施形態のように、制御装置６がコントローラ６３への操作に応じて制御信号の波形をリアルタイムに調整する構成では、上記制御装置６が予めデータを用意しておく構成とは異なり、マイクロマシン３のこれまでの動作に応じて、マイクロマシン３の動作を制御することができる。なお、上記正弦波の波形調整は、ノコギリ波の波形調整に比べて容易なので、本実施形態のように、制御装置６が波形調整された正弦波を制御信号として出力する場合は、少ない演算能力しか持たない制御装置６であっても、何ら支障なく、リアルタイムに制御信号の波形を調整できる。
【００８１】
なお、上記では、制御装置６が回転装置５による交流磁場発生装置４の回転を制御することによって、水槽２内のマイクロマシン３へ与える磁界の向きを変更する構成について説明したが、これに限るものではない。例えば、交流磁場発生装置４を手動で回転させてもよい。また、交流磁場発生装置４ではなく、水槽２を移動させて、交流磁場発生装置４が水槽２内のマイクロマシン３へ与える磁界の向きを変更してもよい。
【００８２】
いずれの場合であっても、交流磁場発生装置４と、マイクロマシン３を収納する収納物（この例では、水槽２）との少なくとも一方を移動させて、両者の相対的な位置関係を変更することによって、交流磁場発生装置４がマイクロマシン３へ与える磁界の向きを変更できれば、略同様の効果が得られる。
【００８３】
〔実施の形態２〕
上記実施の形態１では、交流磁場発生装置４を回転させて、水槽２内のマイクロマシン３へ与える磁界の向きを変更することによって、マイクロマシン３の三次元での方向制御が可能なマイクロマシンの駆動システム１やマイクロマシン３を反転等させることが可能なマイクロマシンの駆動システム１を実現する構成について説明した。
【００８４】
これに対して、本実施形態では、複数の電磁石を設けることによって、マイクロマシン３の三次元での方向制御や反転等が可能なマイクロマシンの駆動システムについて説明する。すなわち、本実施形態に係るマイクロマシンの駆動システム１ａは、図２４９および図１９９に示すように、上記図２４５に示すマイクロマシンの駆動システム１と略同様の構成であるが、回転装置５が省略されている。また、図２４５に示す交流磁場発生装置４に代えて設けられた交流磁場発生装置４ａには、図２４６に示す鉄心４１に代えて、図２５０に示す鉄心４３が設けられている。なお、制御装置６のコンピュータ６１、アンプ６２、交流磁場発生装置４ａ、水槽２およびマイクロマシン３が、図１中の丸１〜丸５にそれぞれ対応する。
【００８５】
より詳細には、上記鉄心４３は、図２５０および図２０１に示すように、矩形枠状の本体４３ａと、当該本体４３ａの各辺から中心方向へ突出する突部４３ｂ…とを備えている。また、各突部４３ｂのそれぞれには、導線が巻きつけられていると共に、これらの導線のうち、互いに対向する突部４３ｂ・４３ｂに巻きつけられた導線同士が接続されて、２つのコイル４４ａ・４４ｂを形成している。なお、上記４つの突部４３ｂ…のうち、一対の互いに対向する突部４３ｂ・４３ｂに巻きつけられた導線からなるコイル４４ａが、特許請求の範囲に記載の第１磁場発生装置のコイルに対応し、残余の突部４３ｂ・４３ｂに巻きつけられた導線からなるコイル４４ｂが第２磁場発生装置のコイルに対応する。また、図２５０では、説明の便宜上、コイル４４ａのみを図示している。
【００８６】
一方、制御装置６のコンピュータ６１は、上記コイル４２への制御信号と同様に、例えば、コントローラ６３への操作などに応じて、各コイル４４ａ・４４ｂへの制御信号の波形を調整できる。また、制御装置６のコンピュータ６１は、例えば、コントローラ６３への操作などに応じて、両制御信号間の位相差を制御できる。さらに、アンプ６２は、それぞれへの制御信号を増幅して、各コイル４４ａ・４４ｂへ交流電流を供給できる。
【００８７】
上記構成では、制御装置６は、実施の形態１と同様に各コイル４４ａ・４４ｂへの制御信号の振幅を変更して、マイクロマシン３の速度を変更する。また、制御装置６は、実施の形態１と同様に、各コイル４４ａ・４４ｂへの制御信号のバイアス、正負の時間比または振幅比を調整して、マイクロマシン３の進行方向を平面内で制御できる。さらに、本実施形態に係る制御装置６は、交流磁場発生装置４を回転させる代わりに、交流磁場発生装置４ａの各コイル４４ａ・４４ｂへの制御信号間の位相差を制御して、上記バイアス、正負の時間比または振幅比の調整によって変更可能なマイクロマシン３の進行方向の属する平面を回転させることができる。
【００８８】
また、上記制御装置６による上記両制御信号の調整方法の他の例として、制御装置６のコンピュータ６１は、上記両制御信号の振幅比を制御することによって、上記各コイル４４ａ・４４ｂに印加される変動電圧（交流電圧）の振幅同士の比率を変更してもよい。
【００８９】
この場合、水槽２の任意の地点における磁束密度ベクトルを、長手方向（図２５０の例では、上記各突部４３ｂ…のいずれにも垂直な方向）に垂直な断面上に写像したときの方向（以下では、断面内磁束ベクトル方向と称する）は、上記両制御信号の振幅比の変化に応じて変化する。
【００９０】
一例として、上記両制御信号の振幅比を１：１に設定した場合、上記断面内磁束ベクトル方向は、図２６０のようになるのに対して、１：３1/2 に設定した場合は、図２６１に示すようになり、双方の断面内磁束ベクトル方向は、互いに異なっている。なお、図２６１は、上記各コイル４４ａ・４４ｂのうち、水平方向に突出した突部４３ｂ・４３ｂに巻きつけられたコイル（例えば、コイル４４ｂ）に流れる電流の振幅を１としたとき、垂直方向に突出した突部４３ｂ・４３ｂに巻きつけられたコイル（図２５０の例では、コイル４４ａ）に流れる電流の振幅を３1/2 に設定した場合を例示している。
【００９１】
ここで、マイクロマシン３の進行方向を上記断面に投影したときの方向は、上記磁束密度ベクトルを上記断面に投影したときの方向と一致し、上記両コイル４４ａ・４４ｂが生成する磁場ベクトルを合成したベクトルの方向とも一致する。
【００９２】
したがって、上記制御装置６のコンピュータ６１が上記振幅比を制御することによって、上記磁束密度ベクトルを上記断面に投影したときの方向を、上記断面上の任意の方向（半径方向）のうちの所望の方向に変更できる。これにより、マイクロマシン３の進行方向を上記断面に投影したときの方向を、半径方向の任意の方向に変更でき、マイクロマシン３の進行方向を三次元に制御できる。
【００９３】
このように、本実施形態に係る交流磁場発生装置（静置磁場発生装置）４において、水平方向の電磁石と垂直方向の電磁石のコイルに流す変動（交流）電圧の振幅の比を変えた場合は、装置内の長手方向に垂直な断面内で任意の半径方向の磁束密度ベクトルの方向を任意方向に変えることによって、その磁場中においた磁石を内包したひれ型マイクロマシンの進行方向を任意の三次元方向に制御することが可能となる。このとき磁場の中心から進行するマイクロマシン進行方向の半径方向に投影した方向は、水平方向および垂直方向の電磁石が発生する水平および垂直方向の磁場ベクトルを合成したベクトルの方向と一致する。
【００９４】
いずれの場合であっても、制御装置６のコンピュータ６１が上記両制御信号を制御することによって、交流磁場発生装置４ａが形成する磁場の方向を三次元に変更できる。
【００９５】
この結果、交流磁場発生装置４ａと水槽２との位置関係を変更していないにも拘らず、例えば、マイクロマシン３の三次元での方向制御が可能なマイクロマシンの駆動システム１やマイクロマシン３を反転させたり、静止させたり、微動させることが可能なマイクロマシンの駆動システム１を実現できる。
【００９６】
また、上記構成では、実施の形態１に係るマイクロマシンの駆動システム１とは異なり、機械的に移動する部材（交流磁場発生装置４）が存在しないので、応答速度の上限をより高いレベルに保つことができる。
【００９７】
なお、上記では、一例として、互いに対向する突部４３ｂ・４３ｂに巻きつけられた導線同士を接続した場合を例にして説明したが、これに限るものではない。制御装置６は、各突部に巻きつけられた導線へ、それぞれ別の制御信号を供給してもよい。また、突部の数も、これに限るものではなく、例えば、図２５１に示すように、矩形枠状あるいはリング枠状の鉄心４５の本体４５ａの３方、あるいは、それ以上の方向から、中心へ向かって突部４５ｂを設け、制御装置６は、それぞれに巻きつけた導線からなるコイルへ、制御信号を供給してもよい。なお、図２５１では、３つの突部４５ｂを設けた構成を例示している。
【００９８】
いずれの場合であっても、ある方向への磁界を発生可能な磁場発生装置とは異なる方向の磁界を形成可能な磁場発生装置を備えていれば、それぞれへの制御信号の波形を調整したり、それぞれへの制御信号の位相を調整することによって、制御装置６は、各磁場発生装置による磁場の発生を制御でき、ある方向への磁界を発生可能な磁場発生装置のみを有する構成と比較して、マイクロマシン３の進行方向をより自由に制御できる。したがって、例えば、マイクロマシン３の三次元での方向制御が可能なマイクロマシンの駆動システム１やマイクロマシン３を反転させたり、静止させたり、微動させることが可能なマイクロマシンの駆動システム１を実現できる。
【００９９】
また、上記では、双方が交流磁場を形成可能な場合を例にして説明したが、一方（第１磁場発生装置）が交流磁場を形成可能であれば、他方（第２磁場発生装置）は、磁石や直流電流が供給されるコイルなどによって、静磁場を形成してもよい。この場合は、磁石および収納物の少なくとも一方を移動させて、両者の相対的な位置関係を変更したり、コイルへ直流電流を印加するか否かによって、第２磁場発生装置によってマイクロマシン３へ印加される磁場を制御できる。
【０１００】
この場合であっても、第１磁場発生装置の発生した交流磁場によって、マイクロマシン３の磁石３１ａが振動して、マイクロマシン３へ推進力を与えることができる。さらに、第２磁場発生装置による磁場形成を制御することによって、マイクロマシン３の進行方向を、第１磁場発生装置によって制御可能な方向とは異なる方向へ制御できる。したがって、この場合であっても、例えば、マイクロマシン３の三次元での方向制御が可能なマイクロマシンの駆動システム１やマイクロマシン３を反転等させることが可能なマイクロマシンの駆動システム１を実現できる。
【０１０１】
上記の一例として、外周にコイルを巻いた円筒型電磁石内に、上記実施の形態１の交流磁場発生装置４による変動磁場空間を設置したり、当該変動磁場空間の軸方向に電磁石を設置したりする構成が挙げられる。この構成では、当該電磁石に直流の電流を流すことによって、変動磁場空間の軸方向に沿った磁場を発生させることができる。したがって、例えば、マイクロマシン３の三次元での方向制御が可能なマイクロマシンの駆動システム１やマイクロマシン３を反転等させることが可能なマイクロマシンの駆動システム１を実現できる。
【０１０２】
また、上記各実施形態では、コンピュータ６１のアプリケーションプログラムによって、制御信号の波形を調整する場合、すなわち、ＣＰＵなどの演算手段（図示）がＲＯＭやＲＡＭなどの記録媒体に格納されたプログラムコードを実行し、必要に応じて周辺回路（ＤＡ変換ボードなど）を制御することによって、波形調整された制御する場合について説明したが、同様の処理を行うハードウェアで実現してもよい。また、処理の一部を行うハードウェアと、当該ハードウェアの制御や残余の処理を行うプログラムコードを実行する上記演算手段とを組み合わせても実現することもできる。さらに、上記各部材のうち、ハードウェアとして説明した部材であっても、処理の一部を行うハードウェアと、当該ハードウェアの制御や残余の処理を行うプログラムコードを実行する上記演算手段とを組み合わせても実現することもできる。なお、上記演算手段は、単体であってもよいし、装置内部のバスや種々の通信路を介して接続された複数の演算手段が共同してプログラムコードを実行してもよい。
【０１０３】
上記演算手段によって直接実行可能なプログラムコード自体、または、後述する解凍などの処理によってプログラムコードを生成可能なデータとしてのプログラムは、当該プログラム（プログラムコードまたは上記データ）を記録媒体に格納し、当該記録媒体を配付したり、あるいは、上記プログラムを、有線または無線の通信路を介して伝送するための通信手段で送信したりして配付され、上記演算手段で実行される。
【０１０４】
なお、通信路を介して伝送する場合、通信路を構成する各伝送媒体が、プログラムを示す信号列を伝搬し合うことによって、当該通信路を介して、上記プログラムが伝送される。また、信号列を伝送する際、送信装置が、プログラムを示す信号列により搬送波を変調することによって、上記信号列を搬送波に重畳してもよい。この場合、受信装置が搬送波を復調することによって信号列が復元される。一方、上記信号列を伝送する際、送信装置が、デジタルデータ列としての信号列をパケット分割して伝送してもよい。この場合、受信装置は、受信したパケット群を連結して、上記信号列を復元する。また、送信装置が、信号列を送信する際、時分割／周波数分割／符号分割などの方法で、信号列を他の信号列と多重化して伝送してもよい。この場合、受信装置は、多重化された信号列から、個々の信号列を抽出して復元する。いずれの場合であっても、通信路を介してプログラムを伝送できれば、同様の効果が得られる。
【０１０５】
ここで、プログラムを配付する際の記録媒体は、取外し可能である方が好ましいが、プログラムを配付した後の記録媒体は、取外し可能か否かを問わない。また、上記記録媒体は、プログラムが記憶されていれば、書換え（書き込み）可能か否か、揮発性か否か、記録方法および形状を問わない。記録媒体の一例として、磁気テープやカセットテープなどのテープ、あるいは、フロッピー（登録商標）ディスクやハードディスクなどの磁気ディスク、または、ＣＤ−ＲＯＭや光磁気ディスク（ＭＯ）、ミニディスク（ＭＤ）やデジタルビデオディスク（ＤＶＤ）などのディスクが挙げられる。また、記録媒体は、ＩＣカードや光カードのようなカード、あるいは、マスクＲＯＭやＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭまたはフラッシュＲＯＭなどのような半導体メモリであってもよい。あるいは、ＣＰＵなどの演算手段内に形成されたメモリであってもよい。
【０１０６】
なお、上記プログラムコードは、上記各処理の全手順を上記演算手段へ指示するコードであってもよいし、所定の手順で呼び出すことで、上記各処理の一部または全部を実行可能な基本プログラム（例えば、オペレーティングシステムやライブラリなど）が既に存在していれば、当該基本プログラムの呼び出しを上記演算手段へ指示するコードやポインタなどで、上記全手順の一部または全部を置き換えてもよい。
【０１０７】
また、上記記録媒体にプログラムを格納する際の形式は、例えば、実メモリに配置した状態のように、演算手段がアクセスして実行可能な格納形式であってもよいし、実メモリに配置する前で、演算手段が常時アクセス可能なローカルな記録媒体（例えば、実メモリやハードディスクなど）にインストールした後の格納形式、あるいは、ネットワークや搬送可能な記録媒体などから上記ローカルな記録媒体にインストールする前の格納形式などであってもよい。また、プログラムは、コンパイル後のオブジェクトコードに限るものではなく、ソースコードや、インタプリトまたはコンパイルの途中で生成される中間コードとして格納されていてもよい。いずれの場合であっても、圧縮された情報の解凍、符号化された情報の復号、インタプリト、コンパイル、リンク、または、実メモリへの配置などの処理、あるいは、各処理の組み合わせによって、上記演算手段が実行可能な形式に変換可能であれば、プログラムを記録媒体に格納する際の形式に拘わらず、同様の効果を得ることができる。
【０１０８】
〔実施の形態３〕
本実施形態では、図２５２ないし図２５９を参照しながら、上記実施の形態１および２に記載のマイクロマシン３の製造方法について説明する。まず、比較例として、マイクロマシン３のヒレ３２の材料にバスフィッシング用のルアー（ゴム状）を利用し、当該ルアーを長さ３０［ｍｍ］、幅１［ｍｍ］、高さ１［ｍｍ］に切断し、それらの間に磁石３１ａを収めて張り合わせる構成では、張り合わせる際に用いた接着剤が、ヒレ３２の剛性を不均一なものにするため、ヒレ３２の機能に極端なバラツキが生じてしまう。この結果、マイクロマシン３の動作にもバラツキが出てしまう。
【０１０９】
これに対して、本実施形態では、接着剤を用いずに作成でき、同一の素材によって頭部３１とヒレ３２とを一体に形成可能な方法として、素材を型に流し込んでマイクロマシン３を形成する方法を採用している。
【０１１０】
さらに、素材としては、型に流し込むことによって形成可能で、自由に形を変えることができ、マイクロマシン３の周囲環境（この例では、水）に近い比重（密度）を有する素材として、シリコーンシーラント（シリコン混和物）を用いた。なお、型の素材としては、石膏を用いている。
【０１１１】
より詳細には、まず最初に、マイクロマシン３の雄型（形のもとになるもの）を生成する。当該雄型は、図２５２に示すように、アクリル板と、魚釣り用のおもりとから作成した。当該アクリル板は、アクリサンデー株式会社の厚さ１［ｍｍ］のアクリル樹脂板を用い、縦７０［ｍｍ］、横１００［ｍｍ］の短冊状に切断した。ここで、縦の長さは、マイクロマシン３のヒレ３２の長さより長い値として設定した。また、本実施形態では、複数のマイクロマシン３を同時に（横に並べて）作成しており、横の長さは、後述する金属の枠（石膏の型を収める枠）と同じ長さとして設定した。なお、これは、図２５４において、雄型の端に入り込む石膏を少なくするためである。また、同図では、後述する頭部３１の雄型（この例では割ビシ）の上下に線が引いてあるが、これは、マイクロマシン３のヒレ３２の幅であり、これを目安にして、各マイクロマシン３を切断・分離する。
【０１１２】
さらに、切り取ったアクリル板に、マイクロマシン３の頭部３１の雄型が入るだけの大きさの穴をあけた。本実施形態では、頭部３１の雄型として、魚釣り用の割ビシを採用しており、上記穴として、半楕円状の穴を形成する。また、上記穴に頭部３１の雄型（この例では、割ビシ）を入れて、アクリル板を挟ませる。
【０１１３】
一方、マイクロマシン３の型を形成するために、石膏を液状にする。本実施形態では、石膏と水の割合を、０．０９［ｋｇ］：７５［ｍｌ］に設定した。ここで、石膏は、水と混ざらず、下の方に分離しているので、よくかき混ぜた上、最後に、テーブルなどにコンコンと軽く当てるなどして、振動を与えて、液状の石膏の中にある気泡を浮かび上がらせて取り除く。さらに、よくかき混ぜた液状の石膏を金属の枠に流し込んで液面を平らにする。なお、液状の石膏は、液面の高さがマイクロマシン３のヒレ３２の長さ以上になるように流し込まれる。
【０１１４】
さらに、上記で作成したマイクロマシン３の雄型を上記液状の石膏の中に入れ、マイクロマシン３の雄型が金属の枠の底面に対して垂直な状態のまま、石膏が固まるのを待つ。
【０１１５】
石膏が固まると、金属の枠を外して、中の石膏を取り出し、図２５３に示すように、マイクロマシン３の雄型を境目にして、石膏でできた雌型を、雄型の上の部分（雄型の一方の面側の部分）と下の部分（他方の面側の部分）とに分ける。
【０１１６】
なお、上述したように、雄型の幅（横の長さ）は、金属の枠と同じ長さに設定されているが、金属の枠と雄型との隙間に入り込んだ石膏が、図２５４に示すように、雌型の端の部分に残ってしまう。したがって、図２５５に示すように、端に残った石膏を取り除く。また、雌型において、頭部３１の辺りに石膏の欠けた部分がある場合は、例えば、欠けた部分を埋めるなどして、その部分を滑らかにしておく。
【０１１７】
さらに、後述のように、シリコーンを流し込んでマイクロマシン３を作成する際には、余分なシリコーンが存在するので、雌型には、そのたまり場として、図２５６に示すように、深さ２［ｍｍ］、幅５［ｍｍ］程度の溝を形成する。一例として、本実施形態では、Ｕ字型彫刻刀などで、掘って溝を形成した。また、溝は、ヒレ３２の長さ方向に沿った方向で、位置が、頭部３１同士の間にくるように形成する。
【０１１８】
次に、以下のようにして、一方の雌型にシリコーンを流し込む。すなわち、第１に、磁石３１ａの位置がズレるのを防ぐために、雌型の一方の頭部に対応する部分にシリコーンを入れて平らにした後、その上に、磁石３１ａを置く（図２５７参照）。なお、フロート３１ｂを付けた磁石３１ａの場合は、平らにしたシリコーンの中に、半分程度埋め込み、ヒレ３２の厚みの中心に磁石３１ａがくるように調節する。
【０１１９】
この状態で、半乾きの状態になるまで待つ（本実施形態では、約１時間程度待つ）。これにより、他方の雌型を合わせても磁石３１ａの位置がズレないように固定される。さらに、磁石３１ａを固定した雌型に、ヒレ３２となる部分までシリコーンを加え、ヘラなどによって、表面を平らにする。なお、このとき、シリコーンに気泡が混ざらないように注意する。
【０１２０】
また、他方の雌型（磁石３１ａを固定していない雌型）にも、頭部３１になる部分と、ヒレ３２になる部分とにシリコーンを流し込み、ヘラなどで、表面を平らにする。なお、このときも、シリコーンに気泡が混じらないように注意して作業を進める。
【０１２１】
さらに、２つの雌型を合わせる。このとき、図２５８に示すように、両雌型の間に、プラスチックの板を鋏み込む。これにより、ヒレ３２の厚みが、プラスチックの板の厚みに調整される。
【０１２２】
図２５８の状態で、シリコーンが固まると、雌型を外して、マイクロマシン３を取り出す。ここで、上述したように、雄型および雌型は、複数のマイクロマシン３用のものであり、取り出されたマイクロマシン３には、余分なシリコーンがついたままになっているので、図２５９に示すように、余分な部分をカッターナイフなどでカットすると共に、マイクロマシン３の全体形状、ヒレの幅などを必要な形状、値になるように調整する。
【０１２３】
なお、雌型を２つに分けて、マイクロマシン３を雌型から取り出す際、シリコーンを固まらせる時間が長すぎると、シリコーンが雌型に張り付いてしまい、ヒレ３２のヒビ割れの原因になる。本実施形態では、上述したマイクロマシン３の形状、寸法、製造条件では、シリコーンを固まらせるために適切な時間として、３時間程度を採用した。なお、上述したように、雌型から、同じマイクロマシン３を複数個作成することが可能になるが、３回以上マイクロマシン３を作成すると、シリコーンが石膏に付着するようになり、型として使えなくなるので、この場合は、再度、型の作成から繰り返す。
【０１２４】
また、フロート３１ｂを備えたマイクロマシン３を作成する場合は、発泡シモリを発泡スチロール用カッターなどで２つに割り、その間に、磁石３１ａを入れて接着剤で接着した後、上述の図２５７に示すように、雌型に埋め込む。なお、フロート３１ｂを備えたマイクロマシン３を作成する場合、上記雌型の頭部３１に対応する部分の大きさは、フロート３１ｂとしての発泡シモリよりも大きく設定する必要があるので、マイクロマシン３の頭部３１の雄型（この例では、割ビシ）を発泡シモリよりも大きくする。このように、マイクロマシン３にフロート３１ｂを設けることによって、周囲環境（例えば、水）よりも比重の大きな磁石３１ａが設けられているにも拘わらず、マイクロマシン３が沈み込むことを防止でき、例えば、マイクロマシン３を水面に浮かべたり、水中に浮遊させたりすることが可能になる。
【０１２５】
〔実施の形態４〕
本実施形態では、図１ないし図９４を参照しながら、上記実施の形態１に記載のマイクロマシンの駆動システム１（特に、電磁石回転装置４）と、当該マイクロマシンの駆動システム１を構築するにいたった経緯とを詳細に説明する。
【０１２６】
（１．緒言）
マイクロマシンとは、大きさ数μｍから数ｍｍの機械やロボットのことを意味する。しかし、実際には数ｃｍの機械もマイクロマシンといわれており、小型の機械の総称として幅広く用いられている。マイクロマシンは小型であることが特徴で、様々な分野での活躍が期待されている。例えば人が入り込めない細い配管の中を非破壊に検査することや、人の体の中に入り、胃や腸の検査、腫瘍への処置、血管の中を移動して患部に直接薬を投与、などが考えられている。また、マイクロマシンを作成する技術、制御するシステムも他分野での活躍が期待されている。
【０１２７】
本実施形態では前述した胃や腸の検査、腫瘍への処置といった医療分野での活躍を考えたマイクロマシンの開発を目的としている。ゆえに次のことがアクチュエータとして必要であると考えられる。すなわち、
１．小型で単純構造
２．非接触による動力供給
３．遠隔操作
である。
【０１２８】
１．は小型であるため構造がより単純であることが望ましい。２．は体内での活動を目的としているので動力の供給は非接触が望ましい。３．も体内での活動を目的としているので遠隔操作である必要がある。本実施形態では、これらを満たすものとして磁気の力に着目し動力源として用いた。
【０１２９】
これまでの研究でヒレ型マイクロマシンを左右に動かすことが可能となった。しかし、交流磁場の発生している範囲が縦３００［ｍｍ］、幅１１０［ｍｍ］と狭いため十分な結果は得られなかった。よって本実施形態では、より広く安定した交流磁場を発生させる装置を開発し、電磁石に流す交流電圧の影響をより詳しく考察していった。また、これまでの研究は、前後左右の二次元的な制御であったので、これに上下を加えて三次元的な制御を考えに含めて行った。
【０１３０】
（２．研究の背景）
マイクロマシンの研究は１９８０年代後半から始まった。アメリカのカリフォルニア大学で直径約１００［μｍ］のモータが作成されたことが発端で、日本でも１９９１年に通産省によるマイクロマシン開発のプロジェクトが推進された。
【０１３１】
マイクロマシンは様々な分野での活躍が考えられている。また、マイクロマシンの製造過程、用いられる技術も応用が期待されている。医療分野もマイクロマシンの活躍が期待されている分野の一つである。例えばガンの治療において、抗がん剤は治療法の手段の一つとして用いられているが副作用が存在する。これは治療の際にガン細胞への直接の投与を行うのではなく、静脈への注射など体の全身にまわる投与をしているからである。このガン治療における投与でガン細胞への直接投与を可能にさせようと考えられたのが薬剤運搬システム（ドラッグ・デリバリー・システム：ＤＤＳ）である。このＤＤＳが、マイクロマシンを用いて実現できないかと考えられている。この方法が可能になることにより、副作用の心配もなく少量の薬で大きな成果をあげることができる。
【０１３２】
このようにマイクロマシンは医療分野を含めた広い範囲での応用を期待されており、研究開発が求められている。
【０１３３】
（３．原理と理論）
３．１  マイクロマシンの駆動システム
図１のFig.３．１−１  に交流磁場発生装置の概略図を示す。はじめにＣ言語でプログラムを作成し、Ｄ／Ａ変換ボードを通して電圧波形を出力させる。次に発生させた電圧を増幅器に通して電磁石に送り、交流磁場を発生させる。この交流磁場の影響に追従してマイクロマシンについている磁石が振動し、その振動をヒレに伝えて推進力を得る。
装置の各構成要素は以下のとおりである。
＜  電磁石の鉄心  ＞
電磁鋼板    ５０ＲＭ３１０    透磁率  ２４００［Ｈ／ｍ］    加工：珪鋼商事株式会社
＜  アクリル液層  ＞
厚さ５［ｍｍ］のアクリル板を用いた幅１６０［ｍｍ］、高さ１６０［ｍｍ］、奥行き５００［ｍｍ］の液層
＜  Ｄ／Ａ変換ボード  ＞
Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ社製  ＰＣＩ−３３２５
ＯＳ  ：Windows(登録商標) XP、Windows(登録商標)2000、Windows(登録商標) NT、
Windows(登録商標) ME
出力チャンネル数    ：４
出力電圧範囲        ：バイポーラ  -５［Ｖ］〜＋５［Ｖ］
ユニポーラ  ０［Ｖ］〜＋１０［Ｖ］
セントリングタイム  ：バイポーラ、ユニポーラ共に１０［μｓ］
外部電源出力        ：＋５［Ｖ］（出力電流１００［ｍＡ］以下）
＋１５［Ｖ］、−１５［Ｖ］（出力電流１０［ｍＡ］以下）
電源仕様            ：ＤＣ  ＋５［Ｖ］、１．２［Ａ］
ドライバ            ：cp3325.sys(Windows(登録商標)XP、2000用)
対応言語            ：Microsoft Visual C++ Ver.5.0、6.0
Microsoft Visual Basic Ver.5.0、6.0
＜  電力増幅器  ＞
株式会社ＮＦ回路設計ブロック製
図１のTable ３．１−１、Table ３．１−２に入出力時の仕様を示す。
【０１３４】
３．２  電磁石回転装置
これまでの研究では、二次元的な空間内での左右の制御が主な課題であった。本実施形態では三次元的な空間内での動きを実現すべく、その制御方法に取り組んだ。その方法の一つとして電磁石を回転させる電磁石回転装置を考案した。
【０１３５】
具体的には、電磁石回転装置は、電磁石の磁極間の中央の点を中心として電磁石を回転できるように構成されている。例えば、電磁石を、図２のFig.３．２−１の状態から、図２のFig.３．２−２の状態に示すように、Fig.３．２−１の状態から９０度回転させる。これにより、上記電磁石を含む交流磁場発生装置は、Fig.３．２−１の状態において制御可能であったマイクロマシンの方向（左右方向）だけではなく、上下方向にも、マイクロマシンの進行方向を制御できる。また、電磁石の回転角度を変化させることにより、交流磁場発生装置は、上下左右だけでなく斜め方向にも制御できる。なお、電磁石回転装置の写真をFig.３．２−３に示す。また、電磁石回転装置の図面を付録１に載せておく。
【０１３６】
Fig.３．２−３のゴンドラの中に交流磁場発生装置を入れてボルトとアンカーで固定する。この状態でゴンドラを回転させ、Fig.３．２−１、Fig.３．２−２の電磁石の位置に回転させることが可能となる。
【０１３７】
ゴンドラの制御はモータで行っており、減速ギアを通してゴンドラを回転させている。ギア比は５８対１でゴンドラが一回転するのに約４秒を要する。
【０１３８】
回転の際に電流を流す導線が絡まるという問題が発生したがスリップリング（協栄電気株式会社製）を用いることで解決した。スリップリングを用いる利点は導線が必要ないので、ゴンドラが任意の方向に回転し続けられることである。
【０１３９】
１２０［ｋｇ］の電磁石を回転させるので危険が伴う虞れがある。したがって、本実施形態に係る電磁石回転装置には、Fig.３．２−３に示すように、モータに流れる前の電流を止める緊急停止ボタンが取り付けられている。これにより、電源を切るのと同様に、モータを停止させることができる。
【０１４０】
３．３  磁束密度の計算式
３．３．１  インダクタンスの計算式
インダクタンスの計算式
インダクタンスを求めるとき必要になるのが透磁率、断面積、経路の値である。これは磁場を通す物質の数だけ各々必要となる。インダクタンス計算の過程で必要となる透磁率、断面積、経路を図４のFig.３．３−１に示す。
インダクタンスの計算は以下のようにして行う。
【０１４１】
はじめに空気についてのパーミアンスＰg を求める。これは透磁率μg 、経路ｌg 、断面積Ｓg を使って表すと、
Ｐg   ＝  Ｓg μg ／ｌg                                     （３．３．１）
同様に電磁石の鉄心についてのパーミアンスＰm も求める。透磁率μm 、経路ｌm 、断面積Ｓm を使って表すと、
Ｐm   ＝Ｓm μm ／ｌm                                         （３．３．２）
この二つを用いて合成パーミアンスＰs を次のようにして求める。
【０１４２】
１／Ｐs ＝１／Ｐs ＋１／Ｐm                                   （３．３．３）
Ｐs ＝Ｓg Ｓm μg μm ／（Ｓm μm ｌg ＋Ｓg μg ｌm ）        （３．３．４）
インダクタンスＬは合成パーミアンスＰs とコイルの巻数Ｎを用いて次式で求められる。
【０１４３】
Ｌ＝Ｎ2 Ｐs                                                   （３．３．５）
＝Ｎ2 Ｓg Ｓm μg μm ／（Ｓm μm ｌg ＋Ｓg μg ｌm ）    （３．３．６）
・ただし断面積Ｓg は磁束が通る空気の断面積である。
【０１４４】
３．３．２  コイルに流れる電流の計算式
コイルに流れる電流の計算式を求める。コイルにはインダクタンスＬと抵抗Ｒが存在しており、これに交流電圧を与えて交流電流を流す。Ｉ0 を電流の最大値、Ｖ0 を電圧の最大値としてこの回路図を図４のFig.２−１に示す。
【０１４５】
インダクタンスＬにより逆起電力ＶL が発生する。交流電流Ｉ（ｔ）とインダクタンスＬを使ってあらわすと
Ｖ（ｔ）＝−ＬｄＩ（ｔ）／ｄｔ                                  （３．３．７）
よってこの回路の方程式は次のようになる。
【０１４６】
Ｖ（ｔ）＝Ｖ（ｔ）Ｌ＋Ｉ（ｔ）Ｒ                                （３．３．８）
＝−ＬｄＩ（ｔ）／ｄｔ＋Ｉ（ｔ）Ｒ                      （３．３．９）
この一階微分方程式のＣを積分定数として、またω＝２πｆｔとしてＩ（ｔ）について解くと
【０１４７】
【数１】
2006062071.tif 000003
【０１４８】
【数２】
2006062071.tif 000004
【０１４９】
この式より流れる電流が計算される。
【０１５０】
３．３．３  電流から磁束密度を求める式
電流の値から磁束密度Ｂを求める。真空の透磁率μ0 、鉄心の透磁率μr 、コイルの巻き数Ｎ、電流Ｉ、鉄心の磁場経路ｌ、磁場発生域経路ｌ0 、より、
Ｂ＝μ0 ＮＩ／（ｌ／μr ＋ｌ0 ）                            （３．３．１２）
となる。これにより、電流に対しての磁束密度が求められる。
【０１５１】
３．４  ホール素子
３．４．１  ホール素子の最大定格
これまでの研究と同様に本実施形態でもホール素子を用いて磁場の強さ、変化を測定した。ホール素子はＶＨＥ−２１２Ｓ（日本ビクター株式会社製）を使用し、限界の値を示した最大定格を図５のTable ３．３−１に、５００［Ｇ］を基準にしたときの入力電流と出力電圧の基本特性を図５のFig.３．３−１に示す。
【０１５２】
Fig.３．３−１からも読み取れるように、電流１０［ｍＡ］の時に磁束密度５００［Ｇ］をホール素子にかけるとホール効果により電圧５３０［ｍＶ］を出力する。ゆえにホール素子に電流１０［ｍＡ］を流した状態にしておけば電圧と磁束密度の関係は５３０：５００となり、電圧の値から磁束密度［Ｇ］が算出できる。ホール素子に１０［ｍＡ］の電流と流すために図５のFig.３．３−２の回路を組んだ。
【０１５３】
３．４．２  ホール素子に流れる電流の計算
ここでホール素子に流れる電流をＩ［Ａ］として、図５に記載の数値、すなわち、電源＝４．８２［Ｖ］、固定抵抗の抵抗値Ｒ１＝１３０［Ω］、可変抵抗の抵抗値Ｒ２＝２５．８［Ω］およびホール素子の抵抗値Ｒ３＝３２６［Ω］を用いてオームの法則Ｉ＝Ｖ／Ｒに代入すると、
Ｉ＝Ｖ／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）＝４．８２／（３２６＋１３０＋２５．８）
＝０．０１［Ａ］                  （３．４．１）
となり、式（３．４．１）よりホール素子に１０［ｍＡ］が流れたことになる。
【０１５４】
３．５  波形と回転装置の制御
３．５．１  一定波形の制御
波形を出力させるためにインターフェイス社のＤ／Ａ変換ボードＰＣＩ−３３２５を使い、このボードの付属の波形作成ソフトを利用して正弦波、三角波、波形を組み合わせた合成波を作成した。これらの波形の周波数、振幅、バイアスを変化させることによりマイクロマシンの制御を行おうと考えた。Ｄ／Ａ変換ボードに関しての資料は３．１に載せておく。
【０１５５】
回転装置の制御は手動で行っており、回転角度の調整は現在のところ目視で行っている。
【０１５６】
３．５．２  ジョイスティックとダイアル
図６の３．５．１の一定波形に対して次のことを行った。電圧波形をリアルタイムに制御する方法としてジョイスティックを使い、電磁石回転装置を制御する方法としてダイアルを使うことを考案した。Fig.３．５−１がその写真で、右がジョイスティック、左がダイアルになっている。
【０１５７】
実際の制御は、ジョイスティックの上下の変化を波形の周波数、振幅、バイアスの内のどれか一つの変化と対応させることができる。左右もこれと同じである。この設定は波形制御ソフトにより決定する。例えば、ジョイスティックの上下の変化を振幅の変化と、左右の変化をバイアスの変化と、それぞれ対応させるように設定されている場合、ジョイスティックを上下に変化させることによって、マイクロマシンの速度を変化させることができると共に、左右に変化させることによって、マイクロマシンの進行方向を変化させることができる。
【０１５８】
電磁石回転装置はダイアルを回した角度だけ回り、追従する形になっている。回転する速度は波形制御ソフトにより設定が可能で、最大回転速度は０．２５［回転／ｓ］である。したがって、ダイアルの回転と、ジョイスティックの変化（上記の例では、ジョイスティックの左右の変化）とを組み合わせることによって、マイクロマシンの三次元の進行方向制御が可能になる。
【０１５９】
なお、ジョイスティックの変化およびダイアルの回転と、制御との関係は、上記の例に限るものではなく、例えば、ジョイステックの傾斜方向（方向変化）と電磁石回転装置の回転角度とを対応させ、ジョイスティックの傾斜角度とバイアス値とを対応付けてもよい。この場合、例えば、ジョイスティックを右→上→左→下に変化させたとき、電磁石回転装置の回転角度は、水平→左９０度→逆水平→右９０度に回転するように制御され、ジョイスティックの傾斜角度の絶対値に対応するように、正のバイアス値が制御される。
【０１６０】
また、図７のFig.３．５−２にジョイスティックによる電圧波形制御の流れを、図７のFig.３．５−３にダイアルによる回転制御の流れを示す。
３．６  水槽
新しい交流磁場発生装置にあわせて水槽を作成した。ここでは交流磁場発生装置と水槽とを、寸法を載せて図８のFig.３．６−１に示す。また、水槽にマイクロマシンの進行方向と半径方向の向きを示す。半径方向と名づけた由来は、電磁石を回転させるところから来ており、実際は、マイクロマシンの左右（装置を回転した場合は上下）の方向となる。
【０１６１】
４．１  新しい交流磁場発生装置の設計
４．１．１  目的
新しく作成した交流磁場発生装置には、旧型の交流磁場発生装置よりも電磁石の磁極間が広い物を用いている。よって磁極間の中央での磁束密度の低下が考えられる。これまでの研究により、２［ｍＴ］以上の磁束密度があればマイクロマシンに用いる磁石が振動するという結果が出ている。ゆえに新しく作成した交流磁場発生装置に用いるコの字型コイルの磁極間の中央では、２［ｍＴ］以上の磁束密度の発生が必要となる。このことを下記の条件を満たした状態で、作成が可能かどうかを検討することを目的とする。
【０１６２】
（ア）コの字型コイルの磁極間は小動物による実験を考えて１７０［ｍｍ］は必要である。
【０１６３】
（イ）回転装置により回転させるのでコの字型コイルの磁極間の中心から半径８５［ｍｍ］以内は空けておく必要がある。
【０１６４】
（ウ）新しく作成した交流磁場発生装置は回転装置により回転させることを考えているので総質量が１２０［ｋｇ］以下である必要がある。
【０１６５】
４．１．２  コの字型コイルの設計
装置に使うコの字型コイルは、鉄心の高さが違うものを二種類用意し、図８のFig.４．１−１に示すようにして隣り合う二つのコの字型コイルが離れるのを防いだ。
（ア）〜（ウ）の条件を満たすコの字型コイルを設計する。設計の手順は次のように行った。
【０１６６】
手順１  寸法
新しい交流磁場発生装置に用いるコの字型コイルは、先ほどの条件（ア）、（イ）を満たすものでなければならない。よって、これまでの研究で使われていた交流磁場発生装置のコの字型コイルの鉄心部分（図９のFig.４．１−２、Fig.４．１−３）を参考に（図９のFig.４．１−４、Fig.４．１−５）を考えた。
【０１６７】
重量のことを考え、コの字型コイルの鉄心の幅を５０［ｍｍ］から３０［ｍｍ］に変更した。また、回転のことも考えコの字型コイルの高さを２０［ｍｍ］から１００［ｍｍ］に変更した。
【０１６８】
手順２  コイルの巻き数
上記参考例に係る交流磁場発生装置のコの字型コイルに巻かれているコイルの巻き数を下記に示す。ここでは鉄心に触れているコイルの巻き回数を１条として、コイルが重なるたびに２条３条と呼ぶこととする。すなわち、参考例の交流磁場発生装置のコイルの巻き数は、
１条  ＝  １００巻き
３条巻き
である。
【０１６９】
参考例と同様に、この巻き数でコの字型コイルから発生する磁束密度を計算した結果、鉄心Ａでは９．５６［ｍＴ］、鉄心Ｂでは９．５６［ｍＴ］が発生することが求められた。ここで新しい交流磁場発生装置のコの字型コイルを考えてみると、磁極間の長さが１１０［ｍｍ］から１７０［ｍｍ］に変更しているので磁束密度の低下が考えられる。そこでコイルの巻き数を次のように変えて同様の計算を行った。すなわち、
１条  ＝  １４０巻き
６条巻き
のように変えて同様の計算を行った。
【０１７０】
この条件で計算を行った結果、鉄心Ａでは５．６８［ｍＴ］、鉄心Ｂでは５．６８［ｍＴ］という値が求められた。マイクロマシンの磁石を動かすために必要な磁束密度は２［ｍＴ］であるから十分な値であると考えられる。
【０１７１】
手順３  重量の計算
新しい交流磁場発生装置は、回転装置により回転させるので、重量を１２０［ｋｇ］以下にする必要がある。以下では、この装置の重量を計算によって確認する。
【０１７２】
Ｉ．  鉄心の重量について
鉄心Ａの面積は、
２×（０．０３×０．０３＋０．０３×０．１６）＋０．０３×０．２３＝０．０１８３［ｍ2 ］
である。また、鉄心Ａの厚みは、０．０５［ｍ］で、装置にはこの字型コイルを５つ使う。したがって、体積は、
０．０１８３×０．２５＝４．５８×１０-3［ｍ3 ］
になる。ここで、材料の密度が７６５０［ｋｇ／ｍ3 ］であるから、重量は、
４．５８×１０-3×７６５０＝３５．００
となり、３５［ｋｇ］となる。
【０１７３】
一方、鉄心Ｂの面積は、
２×（０．０３×０．０３＋０．０３×０．２４）＋０．０３×０．２３＝０．０２３１［ｍ2 ］
である。また、鉄心Ｂの厚みは０．０５［ｍ］で、装置にはこの字型コイルを５つ使う。したがって、体積は、
０．０２３１×０．２５＝５．７８×１０-3［ｍ3 ］
になる。ここで、材料の密度が７６５０［ｋｇ／ｍ3 ］であるから重量は、
５．７８×１０-3×７６５０＝４４．２
となり、４５［ｋｇ］となる。
【０１７４】
ＩＩ．コイルの重量について
コイルの厚みが０．０５［ｍ］、幅が０．０３［ｍ］であるから鉄心をぐるりとまわした長さは、
２×（０．０３＋０．０５）＝０．１６［ｍ］
である。これが１条を１４０回巻きにして５条分あるから、１条巻く度の厚みを考慮して計算すると、コの字型コイル一つ分の銅線の長さは、
１４０×１６０×１０-3＋１４０×（１６０＋８×１．６）×１０-3
＋１４０×（１６０＋２×８×１．６）×１０-3
＋１４０×（１６０＋３×８×１．６）×１０-3
＋１４０×（１６０＋４×８×１．６）×１０-3
＋１４０×（１６０＋５×８×１．６）×１０-3
＝  １６１
となる。ここで、装置に使うコの字型コイルは合計１０個だから、コの字型コイル全体の銅線の長さは、
１６１×１０＝１６１０［ｍ］
となる。ここで、銅線の直径が１．６×１０-3であるので、体積は、
１６１０×０．８×０．８×１０-6／π＝３．２６×１０-3［ｍ3 ］
となる。さらに、銅の密度が８９６０［ｋｇ／ｍ3 ］であるから、重量は
３．２６×１０-3×８９６０＝２９．２［ｋｇ］
となる。
【０１７５】
ＩＩＩ．  総重量
上記各部分の計算結果を合計すると、
３５＋４５＋３０＝１１０
より、１１０［ｋｇ］となる。よって、計算結果より重量は、１１０［ｋｇ］であり、上記回転装置によって支障なく回転できると考えられる。
【０１７６】
４．１．２．１  有限要素法の解析方法
これらの手順１〜３を行ったが、より詳しい磁束密度の分布を考えるために有限要素法を用いた解析を行った。（有限要素解析ソフトＣＯＳＭＯＳ／Ｍ）解析の方法としては、図９に示すFig.４．１−３、Fig.４．１−５  のコの字型コイルに対してモデルを作成し、二次元の有限要素解析を行った。そのときの解析条件を以下に示す。
【０１７７】
電磁鋼板５０ＲＭ１３００    透磁率  ：  １８６０          ［Ｈ／ｍ］
電磁鋼板５０ＲＭ３１０      透磁率  ：  ２４００          ［Ｈ／ｍ］
空気              透磁率  ：  １．２６×１０-6            ［Ｈ／ｍ］
電流密度  ：  ±１．０×１０-6            ［Ａ／ｍ2 ］
＊この電流密度を設定すると２［Ａ］の電流をコイルに流したことになる。
【０１７８】
先ほどの手順２からもわかるとおり、コの字型コイルにおいて鉄心の長いほうが磁束密度が低下するので、解析は鉄心Ｂを用いたコの字型コイルのみとする。
【０１７９】
４．１．２．２  解析結果１
図１０のFig.４．１−６に旧装置に用いたコの字型コイルの解析結果を示す。このFig.４．１−６の白い線Ｌ１上の磁束密度分布を表したものを、図１０のFig.４．１−７  に示す。横軸は、磁極間の距離を表しており、軸線上の１は、１１０［ｍｍ］に対応している。縦軸は、磁束密度を表しており、単位は［Ｔ］である。このFig.４．１−７から磁極間の中央（Fig.４．１−７の位置０．５）で磁束密度が６［ｍＴ］発生していることが読み取れる。
【０１８０】
４．１．２．３  解析結果２
図１１のFig.４．１−８に新装置に用いたコの字型コイルの解析結果を示す。このFig.４．１−８の白い線Ｌ２上の磁束密度分布を表したものを、図１１のFig.４．１−９に示す。横軸は、磁極間の距離を表しており、軸線上の１は、１７０［ｍｍ］に対応している。縦軸は、磁束密度を表しており、単位は［Ｔ］である。このFig.４．１−９から磁極間の中央（Fig.４．１−９の位置０．５）で磁束密度が９．９［ｍＴ］発生していることが読み取れる。
【０１８１】
４．１．３  旧装置のホール素子による測定結果
図１２のTable ４．１−１は、ホール素子で磁束密度を測定したときに出力される電圧の値である。この測定時の条件や方法、測定位置は、後述する４．２．１．１と同じである。このTable ４．１−１の結果を基に計算を行い、磁束密度を求めたものを、図１２のTable ４．１−２に示す。さらにこのTable ４．１−２をグラフに表すと、図１２のFig.４．１−１０となる。
【０１８２】
Fig.４．１−１０をみると、ａ１、ａ３、ｅ１、ｅ３で他よりも高い磁束密度が発生していることが読み取れる。また、ａ２、ｅ２では逆で、他よりも低い磁束密度が発生していることが読み取れる。
【０１８３】
４．１．４  考察
新しい交流磁場発生装置を作成する上で必要な条件（ア）〜（ウ）を検討する。まず、条件（ア）（イ）についてだが、これはFig.４．１−４、Fig.４．１−５から解るように磁極間は１７０［ｍｍ］、回転させるために必要な磁極間の中心から半径８５［ｍｍ］以内には、鉄心およびコイルがないようになっている。次に条件（ウ）についてだが、これは手順３の計算結果より新しい交流磁場発生装置の重量は１１０［ｋｇ］であると出ているので、１２０［ｋｇ］以内と言う条件を満たしていると考えられる。
【０１８４】
磁極間の中央での磁束密度についてであるが、マイクロマシンを動かすために必要な値は２［ｍＴ］であるとこれまでの研究で求められている。この結果より、コの字型コイルの磁極間で最も磁束密度が低下する中央部分での値が２［ｍＴ］以上必要であることがわかる。このことを踏まえて今回の結果を検討してみる。まず、これまでの研究と同様に求めた磁束密度について検討してみる。
【０１８５】
２の手順２に書いたように旧装置の計算結果は鉄心Ａが９．５６［ｍＴ］、鉄心Ｂが９．５６［ｍＴ］である。また、新装置の計算結果は鉄心Ａが５．６８［ｍＴ］、鉄心Ｂが５．６８［ｍＴ］である。計算結果より、旧装置の鉄心Ａ、Ｂのコの字型コイルにおいて、磁束密度の値はさほど変わらないと考えられる。これは新装置の鉄心Ａ、Ｂのコの字型コイルにおいてもいえることである。磁束密度を計算した結果は、新装置の値は旧装置の値の半分程度になっている。しかしその値は５［ｍＴ］以上あるのでマイクロマシンを動かすのに必要な２［ｍＴ］を満たしている。
【０１８６】
有限要素解析の結果が実際の測定値とどの程度近い値かを考察する。Fig.４．１−６から旧装置のコの字型コイルは、磁極間の中央部分で発生している磁束密度が６［ｍＴ］であると読み取れる。これと比較してTable ４．１−２、Fig.４．１−１０を見ると測定位置ａ２、ｅ２では解析結果とほぼ同じ６［ｍＴ］を出している。また、測定位置ｂ２、ｃ２、ｄ２では少し上回る７［ｍＴ］を出している。この結果より、ＣＯＳＭＯＳ／Ｍによる有限要素解析は実際の測定値とほぼ同じ値を解析結果として出すことが確認できたので、新しい交流磁場発生装置の解析結果も実際の測定値とほぼ同じ値であると考えて設計を行った。
【０１８７】
コの字型コイルの磁極間の磁束密度分布を詳しく調べるために行った有限要素解析の結果を見ると、Fig.４．１−９から新装置のコの字型コイルは、磁極間の中央部分で発生している磁束密度が１０［ｍＴ］であると読み取れる。よって解析結果からもFig.４．１−５のモデルはマイクロマシンを動かすのに必要な磁束密度２［ｍＴ］を発生させることが可能であると考えられる。
【０１８８】
これらの結果をもとに新しい交流磁場発生装置を作成した。
４．２  新しい交流磁場発生装置の評価
４．２．１  直流を流した時の磁束密度
４．２．１．１  測定方法
ホール素子での測定位置は、高さを６５［ｍｍ］、幅を７０［ｍｍ］、奥行きを１２５［ｍｍ］ごとに位置を決め、高さをＡＢＣ、幅を１２３、奥行きをａｂｃｄｅと図１３のFig.４．２−１のように決めた。Fig.４．２−２にあるとおり、高さはコの字型コイルの磁極の中心から上下に６５［ｍｍ］で、幅はコの字型コイルの磁極間の中央から左右に７０［ｍｍ］である。
【０１８９】
有限要素解析の結果と比較するため、定位置Ｂの高さでの磁束密度をホール素子で測定し、ホール素子から出力された電圧をもとに式３．４．１を用いて磁束密度を算出した。測定のときのコの字型コイルに流した電流は有限要素解析の条件と同じ２［Ａ］である。
【０１９０】
４．２．１．２  測定結果
以下の図１３のTable ４．２−１はホール素子で磁束密度を測ったとき、ホール素子から出力される電圧を表にまとめたものである。
【０１９１】
４．２．１．３  有限要素法による解析結果との比較
先ず図１３のFig.４．２−２の測定結果を考える。測定位置ａ１、ａ３、ｅ１、ｅ３で他の測定位置よりも高い磁束密度が発生している結果であるが、これは測定位置が交流磁場発生装置の端であるため角の部分に磁束密度が集中したためと考えられる。また、測定位置ａ２、ｅ２が他の測定位置よりも低い磁束密度が発生している結果であるが、これは測定位置ａ  、ｅ  よりも外側にコの字型コイルがないため他の測定位置よりも磁束密度の漏れが激しいと考えられる。
【０１９２】
有限要素法による解析結果はFig.４．１−９に示してある。Fig.４．１−９より磁極間の磁束密度分布は、両端で２０［ｍＴ］、中央部分で１０［ｍＴ］と読み取れる。測定位置はコの字型コイルの磁極から１５［ｍｍ］ほど間があいているので、両端から少し中央よりの解析結果と比較すると、Table ４．２−２の測定位置ａ、ｅの列では、測定値は解析結果よりも少し高く、また中央部分では少し低い値が出ている。次に残りの測定位置ｂ、ｃ、ｄの列の測定位置１、２、３は三つとも近い値が出ている。これらと解析結果を比較すると、解析結果、測定結果共に測定位置１、３では磁束密度が１８［ｍＴ］、測定位置２では磁束密度が１０［ｍＴ］である。これにより解析結果は実際の測定結果とほぼ同じ磁束密度が発生していると考えられ、設計したとおり、マイクロマシンを動かすのに十分なアクチュエータであることがわかった。
【０１９３】
４．２．２  交流を流したときの磁束密度
交流磁場発生装置で交流磁場を発生させるには交流電流を流す必要がある。しかし、設計の段階でおこなった解析結果と測定値は直流電流によるものである。ゆえに交流電流を流した時の磁束密度の分布を調べる必要がある。
【０１９４】
４．２．２．１  交流電流を流した時の磁束密度の測定結果
これまでの研究より、マイクロマシンを動かすための基本となる波形は、正弦波（周波数６［Ｈｚ］、振幅４９［％］、バイアス０［‰］）であると考えているので、この波形を用いてホール素子による磁束密度の測定を行った。測定した結果は一波形分を抜きとり付録に示す。図１４のFig.４．２−３、Fig.４．２−４、図１５のFig.４．２−５は測定した波形の最大値を、それぞれ測定位置Ａ、Ｂ、Ｃでの高さの平面でまとめた結果である。
【０１９５】
４．２．２．２  考察
Fig.４．２−３とFig.４．２−５を比較すると磁束密度の値がFig.４．２−３では全体的に低く、Fig.４．２−５では高い結果になっている。これは測定位置Ｃがコの字型コイルの内側であるため、測定位置Ａに比べて磁束密度の漏れが少ないと考えられる。
【０１９６】
Fig.４．２−３、Fig.４．２−４、Fig.４．２−５に共通して、磁束密度が５［ｍＴ］以上出ていることが読み取れる。このことからマイクロマシンを動かすのに必要な磁束密度２［ｍＴ］を十分満たしているといえる。よって測定位置Ａ、Ｂ、Ｃのいずれの高さでもマイクロマシンを動かすことができると考えられる。また、測定位置ａ、ｅで磁束密度が低下している。これは測定位置ａ、ｅが最も外側であるため磁束密度の漏れが激しいと考えられる。
【０１９７】
４．３  マイクロマシンと波形の関係
これまでの研究で周波数はマイクロマシンの速度に関係しており、５、６、７［Ｈｚ］が最も動きがよいという結果が出ている。また、バイアスにより方向制御が可能であるという結果も出ている。これらの結果より、本実施形態に係る交流磁場発生装置を用いて周波数を６［Ｈｚ］に固定して、バイアスの強さと角度との関係、振幅の影響についてより詳しく調べることを目的として実験を行った。ここでの実験に用いたマイクロマシンはＭＭ−４７である。付録２にマイクロマシンの詳細を載せておく。
【０１９８】
４．３．１  Ｂｉａｓの実験
４．３．１．１  測定方法と手順
水槽の底に半径方向をＹ軸、進行方向をＸ軸とおき、（０，０）の点からマイクロマシンを放し、その到達した座標を記録した。図１５のFig.４．３−１は水槽の中央で放したときの座標系で、図１５のFig.４．３−２は左端、図１５のFig.４．３−３は右端で放したときの座標系である。測定座標をもとに始点と終点までの直線とＸ軸との角度を計算した。これらの実験は二次元で行い、測定位置の高さは４．２．１．１のFig.４．２−１にある高さＢの位置で測定したものである。
【０１９９】
実験の手順は、正弦波（周波数６［Ｈｚ］、振幅２４．４［Ｖ］）を用いて、Fig.４．３−１の座標系でＢｉａｓの値を±０．７３［Ｖ］、±０．４９［Ｖ］、±０．２４［Ｖ］、±０．２２［Ｖ］、±０．２０［Ｖ］、±０．１７［Ｖ］、±０．１５［Ｖ］、±０．１２［Ｖ］、±０．１０［Ｖ］、±０．０７［Ｖ］、±０．０５［Ｖ］、±０．０２［Ｖ］の順に変化させ、各々のＢｉａｓの値で実験を１０回ずつ行い、座標を測定した。これらの測定結果より三角法を用いてＸ軸との角度を算出した。さらに角度の平均値を求め、グラフを作成した。
【０２００】
Fig.４．３−２、Fig.４．３−３の座標系での測定は±０．１５［Ｖ］、±０．１２［Ｖ］、±０．１０［Ｖ］、±０．０７［Ｖ］、±０．０５［Ｖ］、±０．０２［Ｖ］の順に変化させ、先ほどと同様に各々のＢｉａｓの値で実験を１０回ずつ行い、座標を測定した。これらの測定結果より三角法を用いてＸ軸との角度を算出した。さらに角度の平均値を求め、グラフを作成した。バイアスの実験で用いた波形を付録３に乗せておく。
【０２０１】
４．３．１．２  測定結果
図１６のFig.４．３−４にマイクロマシンを中央から放し、Fig.４．３−１の座標系で測定した角度の平均値をまとめたグラフを示す。また、このグラフの元となった測定データを付録４に示す。図１６のFig.４．３−５にはマイクロマシンを左端、右端から放し、Fig.４．３−２、Fig.４．３−３の座標系で測定した結果の平均値をまとめたグラフを示す。また、これらのグラフの元となった測定データを付録４に示す。
【０２０２】
Fig.４．３−４から絶対値が同じバイアスは、ほぼ同じ角度の値が出ている。バイアス±０．２２［Ｖ］までは急激に角度が増えていき、それを過ぎると９０［°］に近似してゆく。ばらつきは１０［°］程度が多く、極端なものは少ない。
Fig.４．３−５を見ると、バイアス０．０２５［Ｖ］の角度の値はずれているが、他の角度の値は、ほぼ同じである。また、バイアスが増えると角度も増えるという関係がこのグラフより読み取れる。
【０２０３】
４．３．１．３  考察
Fig.４．３−４から、絶対値が同じバイアスの場合、その角度の絶対値も同じ値になっている。このことから中央で放した場合、符号を入れ替えれば逆の向きに同じ角度だけ進行方向を変えることができると考えられる。
【０２０４】
Fig.４．３−４でバイアス±０．７３［Ｖ］、±０．４９［Ｖ］、±０．２４［Ｖ］あたりは進むというより引き寄せられるといった印象が強い。よって進行方向の角度的に考えてもマイクロマシンの制御に用いることができるのは比較的比例関係が成り立っている。バイアス±０．０〜±０．２４［Ｖ］までの間であると考える。
【０２０５】
Fig.４．３−５を見ると左端でも右端でも絶対値が同じバイアスであればその角度の絶対値もほぼ同じ値になっている。このことから左端と右端において、符号を入れ替えれば逆端で、逆の向きにほぼ同じ角度だけ進行方向を変えることができると考えられる。
【０２０６】
Fig.４．３−５から左端でも右端でも角度の値が出ている。これはマイクロマシンが磁極に近づいた位置からも角度を付けて進行方向を制御できることを意味する。また、Fig.４．３−４と比較してみると、平均的に少しだけ高い結果となっているが、似た角度の値が読み取れる。よって磁極に近寄った位置からでも、中央からマイクロマシンを放した場合と同じバイアスで、同じ角度だけ進行方向を変えることが可能であると考えられる。
【０２０７】
これらの結果と考察をまとめると、この実験の範囲内ではマイクロマシンを放す位置にかかわらず、バイアスと角度には比例した関係が見られ、バイアス０〜０．２４［Ｖ］でマイクロマシンの進行方向角度０〜７０［°］の間を制御できると考えられる。
【０２０８】
４．３．２  振幅の実験
４．３．２．１  測定方法と手順
バイアスの実験と同じくFig.４．３−１と同じ位置と座標系でマイクロマシンを放し、振幅と角度の影響を調べた。また、マイクロマシンが、放してから水槽に突き当たるまでの時間も同時に測定した。これらの実験は二次元で行い、測定位置の高さは４．２．１．１のFig.４．２−１にある高さＢの位置で測定したものである。
【０２０９】
実験の手順は、正弦波（周波数６［Ｈｚ］、バイアス０［Ｖ］）を用いて、Fig.４．３−１の座標系で振幅の値を１．２２［Ｖ］、１．４６［Ｖ］、１．７１［Ｖ］、１．９５［Ｖ］、２．２０［Ｖ］、２．４４［Ｖ］、２．６９［Ｖ］、２．９３［Ｖ］、３．１７［Ｖ］、３．４２［Ｖ］、３．６６［Ｖ］の順に変化させ、各々の振幅の値で実験を１０回ずつ行い、座標を測定した。これらの測定結果より三角法を用いてＸ軸との角度を算出した。さらに角度の平均値を求め、グラフを作成した。またこの時、先ほど述べた時間も測定した。
【０２１０】
振幅の実験で用いた波形を付録５に乗せておく。
【０２１１】
４．３．２．２  測定結果
図１７のFig.４．３−６に測定した角度と振幅の関係のグラフを示す。また、図１７のFig.４．３−７に振幅と速度の関係のグラフを示す。このFig.４．３−６の元となった測定データを付録６に、Fig.４．３−７の元となった測定データを付録６に示す。平均値を見ると角度０［°］付近に集まっており、ばらつきを含めても８［°］以上の値は測定できていない。２．５［Ｖ］をはさんで左では正の値が、右では負の値が多く見られる。
【０２１２】
Fig.４．３−７から、振幅３．０［Ｖ］  をはさんで左側では振幅に比例して速度が増しているように読み取れ、右側では速度の値に大きな変化は見られず、２０［ｃｍ／ｓ］で飽和（近似）しているように読み取れる。大きなばらつきはさほど見られない。
【０２１３】
４．３．２．３  考察
Fig.４．３−６を見ると平均値は±４［°］以内に収まっており、ばらつきを含めてどの振幅の値を見ても１０［°］を越えるものは測定されていない。Fig.４．３−４と比較して見ると、ばらつきはFig.４．３−６の方が少ない。また、Fig.４．３−６の方が電圧の差が大きいにもかかわらず、角度の値は０［°］付近に集まっている。このことより、振幅はマイクロマシンの方向制御には影響を及ぼさないと考えられる。
【０２１４】
Fig.４．３−７を見ると振幅０〜３［Ｖ］までの間に振幅と速度の間に比例関係があると考えられる。３［Ｖ］をはさんで右側を見ると、左側ほどの変化は見られない。このことから一定の値（２０［ｃｍ／ｓ］）に飽和（近似）していくのではないかと考えられる。また、大きなばらつきが少ないことから誤差範囲の少ない速度制御が可能であると考えられる。
【０２１５】
これらの結果と考察より、振幅はマイクロマシンの方向制御に影響を及ぼすことなく速度だけを制御することができる。その速度は振幅０〜３［Ｖ］までで、速度０〜２０［ｃｍ／ｓ］までの間を制御できると考えられる。また、その速度制御は誤差範囲は少ないと考えられる。
【０２１６】
これまでの研究の目標の一つに、将来的に血管などの中に入り、薬を投与するということが挙げられていたが、今回の振幅の実験で制御できる最大の速度は２０［ｃｍ／ｓ］であると考えられる。血液の速度は静脈で１５［ｃｍ／ｓ］であるので速度の目標は十分に満たしていると考える。
【０２１７】
４．４  マイクロマシンの制御
先ほどの４．４で正弦波の振幅とバイアスでマイクロマシンの速度と方向が制御できるという実験結果が出た。これをもとにマイクロマシンの動作制御を行うことを考え、波形を組み合わせたときどうなるか、どのような軌跡を描くのかを調べることを目的に次のような正弦波の組み合わせで実験を行った。
【０２１８】
４．４．１  測定方法
正弦波（周波数６［Ｈｚ］、振幅２．４４［Ｖ］）を用いて、バイアスの異なる波形を組み合わせ、波形を出力すると同時にマイクロマシンを放した。このときの測定位置の座標系は４．３のFig.４．３−１で行った。また、測定位置の高さは、４．２のFig.４．２−２のＢである。
【０２１９】
ここでは、実験の様子からマイクロマシンがＸ軸の０〜４５［ｃｍ］まで到達するのに約四秒間であることから前半の２秒と後半の２秒に分け、二つのバイアスの異なった正弦波による制御を試みた。この正弦波の組み合わせをTable ４．４−１に示す。一番右の欄に、組み合わせた波形の図を付録に載せてあるので、そのグラフの番号を示す。測定方法は一秒ごとにマイクロマシンの位置を測定し、その座標を記録した。これを各組み合わせにおいて１０回ずつ行い、その平均値をグラフ上にプロットした。
【０２２０】
４．４．２  測定結果
組み合わせ１〜６までの測定結果を図１８のFig.４．４−１に、７〜１２までの測定結果をFig.４．４−２に示す。また、これらのグラフに使われた測定データを付録に載せておく。
【０２２１】
（５．結言）
電磁石の磁極間の中心で２［ｍＴ］以上の磁束密度を発生させることができ、磁極間が１７０［ｍｍ］ある交流磁場発生装置の開発に成功した。
【０２２２】
マイクロマシンの三次元的な動きを可能にするために交流磁場発生装置を回転させる電磁石回転装置を考案した。また、リング状または矩形枠状の鉄心の３以上の方向から中心方向へ突出する磁極の１つと、当該磁極に巻きつけられた導線とを含む回転磁場発生装置も考案した。
【０２２３】
マイクロマシンを動かすための電圧波形を自由に変化させるためのジョイスティックを考案した。また、簡単に波形を作成するためのソフトや電磁石回転装置を手動で制御するためのダイアルも考案した。
【０２２４】
電圧波形のバイアスを変えることによりマイクロマシンを左右に制御することが可能となった。また、電圧波形の振幅を変えることによりマイクロマシンの速度を制御することが可能となった。
【０２２５】
（付録）
１．  電磁石回転装置の設計図
２．  マイクロマシンの詳細
マイクロマシンの詳細を以下で説明する。
【０２２６】
２．１  磁石の設置位置
図１８のFig.２−１にあるように、縦方向に上、中、下、横方向に１、２、３と位置を決め，大まかではあるが磁石がどの方向に偏っているか、場所を記した。場所は磁石の縦方向、横方向の中心点を表している。
【０２２７】
２．２  頭部の形状
マイクロマシンの頭部の形状は釣具の丸びしを用いて型を作成した。丸びしの写真を図１９のFig.２−２に示す。左から特大、大大、大である。
【０２２８】
２．３  ヒレ先の形状
ヒレ先の形状は図１９のFig.２−３の５種類を考案した。これは生物のヒレの形状に習ったもの、極端にしたものを取り上げた。ＭＭ−４７のマイクロマシンの詳細を図２０に示す。
【０２２９】
３．  バイアス実験で用いた波形
図２１〜図２５にバイアス実験で使用した波形を示す。右端から放した場合で座標系は図１５のFig.４．３−３を用いて測定を行った。その測定結果を図２６および図２７に示す。左端から放した場合で座標系は図１５のFig.４．３−２を用いて測定を行った。その測定結果を図２８および２９に示す。
【０２３０】
４．  バイアス実験の測定データ
中央から放した場合で座標系は図１５のFig.４．３−１を用いて測定を行った。測定結果を図３０〜図３４に示す。
【０２３１】
５．  振幅実験で用いた波形
振幅実験で用いた波形を図３５に示す。
【０２３２】
６．  振幅実験の測定データ
振幅実験の測定データを図３６〜図３９に示す。
【０２３３】
７．  有限要素解析
７．１    解析に使うコイルの断面積の計算（旧電磁石）
コイルの断面図１を図４０のFig.Ａ．７−１に示す。磁極間距離１１０［ｍｍ］の電磁石は１００回巻きを一条として三条巻きにしてある。銅線の直径は１．６［ｍｍ］である。
【０２３４】
これらのことより、以下のようにして、片方のコイルの断面積を求める。
まず、一本の銅線の断面積は、
Ｓ1 ＝π×０．８×０．８
＝０．６４×π［ｍｍ2 ］
である。
【０２３５】
よって、総面積は、
Ｓ合＝０．６４×π×１００×３
＝６０３［ｍｍ2 ］
となる。
【０２３６】
ここで、ＣＯＳＭＯＳ／Ｍで表現する際に一辺が１７０［ｍｍ］であるから高さは、
ｈ  ＝  ６０３  ÷  １７０
＝  ３．５５
より、３．５５［ｍｍ］となる。
【０２３７】
また、電流密度は、
Ｉ／Ａ＝２／（π×０．８×０．８×１０−３×１０-3）
＝０．９９５  ×  １０6 
より、１．０×１０6 ［Ａ／ｍ2 ］となる。
【０２３８】
７．２    解析に使うコイルの断面積の計算（新電磁石）
コイルの断面図２を図３９のFig.Ａ．７−２に示す。磁極間距離１７０［ｍｍ］の電磁石は１４０回巻きを一条として六条巻きにしてある。銅線の直径は１．６［ｍｍ］である。これらのことより、以下のようにして、片方のコイルの断面積を求める。
【０２３９】
まず、一本の銅線の断面積は、
Ｓ1 ＝π×０．８×０．８
＝０．６４×π［ｍｍ2 ］
となる。よって総面積は、
Ｓ合＝０．６４×π×１４０×６
＝１６９０［ｍｍ2 ］
となる。
【０２４０】
また、ＣＯＳＭＯＳ／Ｍで表現する際に一辺が２３０［ｍｍ］であるから高さは、
ｈ＝１６９０÷２３０
＝７．３４
より、７．３［ｍｍ］となる。
【０２４１】
また、電流密度は、
Ｉ／Ａ＝２／（π×０．８×０．８×１０-3×１０-3）
＝０．９９５×１０6 
より、１．０×１０6 ［Ａ／ｍ2 ］となる。
【０２４２】
７．３  有限要素解析プログラム
電磁石１１０［ｍｍ］Ｔｙｐｅ  Ｂの解析プログラムを図４１〜図４５に示す。電磁石１７０［ｍｍ］Ｔｙｐｅ  Ｂの解析プログラムを図４６〜図４８に示す。
【０２４３】
８．  交流磁場発生装置の設計図
９．  波形プログラム
波形プログラムを図４９〜図８５に示す。
【０２４４】
１０．  波形制御ソフト
１０．１  ｊｏｂの選択
初めに図８６のFig.１０−１の画面が現れる。ここで制御方式の選択か、値を含めた新規波形の作成を選択する。
【０２４５】
１０．２  値を含めた新規波形の作成
Fig.１０−１で「値を含めた新規波形の作成」を選択した場合、図８６のFig.１０−２の画面が現れる。ここでは正弦波、ノコギリ波、合成波のいずれかの作成を選択する。
【０２４６】
１０．３  正弦波
Fig.１０−２の画面で正弦波を選択した場合、図８７のFig.１０−３の画面が現れる。この画面のイベントは次のようになっている。
【０２４７】
・  保存波形選択：保存した波形を選択する。
【０２４８】
・  周波数    ：周波数を入力する
・  振幅      ：振幅の最大値は５［Ｖ］で、これが１００％に相当する。
【０２４９】
・  バイアス  ：波形を、プラスで上に、マイナスで下に移動させる。バイ
アスの最大値は５［Ｖ］で、これが１０００‰に相当する。
【０２５０】
・  波形保存  ：このボタンを押すとここで設定された波形を保存すること
ができる。保存した波形はコンボボックスで選択し、保存
波形出力などで出力できる。
＊左の四角形には周波数、振幅、バイアスを決めた波形が現れる。
＊波の振幅とバイアスを加算して１００％以上になるときは無効となる。警告が表示されるようにする。
【０２５１】
１０．４  ノコギリ波
Fig.１０−２の画面でノコギリ波を選択した場合、図８７のFig.１０−４の画面が現れる。この画面のイベントは次のようになっている。
【０２５２】
・  保存波形選択：保存した波形を選択する。
【０２５３】
・  周波数    ：周波数を入力する
・  時間比    ：左下の図に書いてあるａ  ：  ｂの比を入力してください。
【０２５４】
・  振幅      ：振幅の最大値は５［Ｖ］で、これが１００％に相当する。
【０２５５】
・  バイアス  ：波形を、プラスで上に、マイナスで下に移動させる。バイ
アスの最大値は５［Ｖ］で、これが１０００‰に相当する。
【０２５６】
・  波形保存  ：このボタンを押すとここで設定された波形を保存すること
ができる。保存した波形はコンボボックスで選択し、保存
波形出力などで出力できる。
＊左の四角形には周波数、振幅、バイアスを決めた波形が現れる。
＊波の振幅とバイアスを加算して１００％以上になるときは無効となる。警告が表示されるようにする。
【０２５７】
１０．５  合成波
Fig.１０−２の画面で合成波を選択した場合、図８８のFig.１０−５の画面が現れる。この画面のイベントは次のとおりである。
【０２５８】
・  正弦波        ：このボタンを押すとFig.１０−６が現れ、合成波に使う
正弦波の選択ができる。
【０２５９】
・  直線          ：このボタンを押すとFig.１０−７が現れ、合成波に使う
直線の選択ができる。
【０２６０】
・  四角形        ：四角形の中には合成した波形が現れる。これにより今
【０２６１】
作成している波形が解る。波形の縦軸は振幅となって
おり±１００％で表される。横軸は点の数をあらわし、
１００点で構成されている。
【０２６２】
・  保存波形選択  ：保存した波形を選択する。
【０２６３】
・  元に戻す      ：今書いた波形の一部が消える。波形選択で選んだもの
では、最後に書いた波形から消えていく。（Ｗｏｒｄの
「元に戻す」と同じ。四角にマークを入れる。）
・  やり直し      ：今消した波形の一部が修復される。（Ｗｏｒｄの「やり
直し」と同じ。四角にマークを入れる。）
１０．６  合成波２  正弦波
Fig.１０−４の画面で正弦波を選択した場合、図８８のFig.１０−６の画面が現れる。この画面のイベントは以下のとおりである。
【０２６４】
・  前回の枠          ：前回の枠の中には、現在作成している合成波
において、一つ前に使った「合成波のひと分
割の波形」の情報が示される。
【０２６５】
・  分割目            ：現在が何分割目かを示している。
【０２６６】
・  四つの四角ボタン  ：ここには四分割された正弦波が描かれていて、
正弦波のどの部分を使い、合成波のひと分割
の波形とするかを決める。（正確には別紙の
「合成波２  正弦波」にて説明。）
・  始点（絶対入力）  ：前回の終了点を入力する。このときの縦座標
値にはパーセントを入力する。
【０２６７】
・  終点（絶対入力）  ：何点目で終了するかを入力する。このときの
縦座標値にはパーセントを入力する。
＊一分割目の時だけ始点の入力が可能で、それ以降の分割のときは自動的に前回の終点か始点となる。つまり始点のボックスが消えてしまうようにする。
【０２６８】
１０．７  合成波３  直線
Fig.１０−４の画面で直線を選択した場合、図８９のFig.１０−７の画面が現れる。この画面のイベントは以下のとおりである。
【０２６９】
・  前回の枠          ：前回の枠の中には、現在作成している合成波
において、一つ前に使った「合成波のひと分
割の波形」の情報が示される。
【０２７０】
・  始点（絶対入力）  ：前回の終了点を入力する。このときの縦座標
値にはパーセントを入力する。
【０２７１】
・  終点（絶対入力）  ：何点目で終了するかを入力する。このときの
縦座標値にはパーセントを入力する。
【０２７２】
・  分割目            ：現在が何分割目かを示している。
＊一分割目の時だけ始点の入力が可能で、それ以降の分割のときは自動的に前回の終点か始点となる。つまり始点のボックスが消えてしまうようにする。
【０２７３】
１０．８  合成波４
Fig.１０−４の画面で次へを選択した場合、図８９のFig.１０−８の画面が現れる。この画面のイベントは次のとおりである。
【０２７４】
・  保存波形選択：保存した波形を選択する。
【０２７５】
・  周波数    ：周波数を入力する
・  振幅      ：振幅の最大値は５［Ｖ］で、これが１００％に相当する。
【０２７６】
・  バイアス  ：波形を、プラスで上に、マイナスで下に移動させる。バイ
アスの最大値は５［Ｖ］で、これが１０００‰に相当する。
【０２７７】
・  四角形（右）：安全のランプでスタートボタンがＯＮのときのみ、赤く点灯する。
【０２７８】
・  波形保存  ：このボタンを押すとここで設定された波形を保存すること
ができる。保存した波形はコンボボックスで選択し、保存
波形出力などで出力できる。
＊左の四角形には周波数、振幅、バイアスを決めた波形が現れる。
＊波の振幅とバイアスを加算して１００％以上になるときは無効となる。警告が表示されるようにする。
【０２７９】
１０．９  制御方式の選択
Fig.１０−１で「制御方式の選択」を選択した場合、図９０のFig.１０−９の画面が現れる。この画面では固定波形制御か、ジョイスティック制御かを選択する。
【０２８０】
１０．１０  固定波形制御
Fig.１０−９で「固定波形制御」を選択した場合、図９０のFig.１０−１０の画面が現れる。この画面では固定波形の出力を行う。
【０２８１】
・  保存波形        ：保存波形１，２，３，４、のコンボボックスから保存した
波形を選択する。
【０２８２】
・  継続時間        ：左のナンバーの波形を何秒流すかを決める。
【０２８３】
・  出力パターン保存：このときの出力波形のパターンを保存する。
【０２８４】
・  出力パターン選択：波形出力パターン保存ボタンで保存した波形パター
ンを選択できる。
【０２８５】
・  波形データの出力：このボタンを押すとスタートしてからストップを押
すまでの波形がＥｘｅｌに記憶される。
【０２８６】
・  四角形          ：安全のランプでスタートボタンがＯＮのときのみ、
赤く点灯する。
【０２８７】
・  スタート        ：このボタンを押すと電流が流れ始め、ストップを押
さない限り流れつづける。
【０２８８】
・  ストップ        ：流れている電流を停止する。
＊左の四角形には周波数、振幅、バイアスを決めた波形が現れる。
＊ここでは時間によるパターンの保存と、波形１，２，３，４スタートボタンによる手動のパターンとがある。波形出力パターン保存は両方のパターンを保存できる。手動のパターンを保存する場合は１，２，３，４のうちのどれかのスタートボタンを押したときからストップボタンを押したときまでを保存する。出力するときは選択をして一番上にあるスタートを押すとそのパターンが行われる。固定波形制御の例を図９１に示す。
【０２８９】
１０．１１  ジョイスティック制御１
Fig.１０−９の画面でジョイスティック制御を選択した場合、図９２のFig.１０−１１の画面が現れる。ここでは以下の操作を行う。
【０２９０】
１０．１２  ジョイスティック制御２
Fig.１０−１１の画面で次へを押すと図９２のFig.１０−１２の画面が現れる。
【０２９１】
・  周波数    ：周波数の値が現れる。
【０２９２】
・  振幅      ：振幅の値が現れる。
【０２９３】
・  バイアス  ：バイアスの値が現れる。
【０２９４】
・  四角形    ：安全のランプで準備完了ボタンがＯＮのときのみ、赤く点
灯する。
【０２９５】
・  準備完了  ：このボタンを押すことによってスティックとパソコンが
つながる。
【０２９６】
・  解除      ：このボタンを押すことによってスティックとパソコンの
つながりが解除されます。
＊左の四角形には周波数、振幅、バイアスを決めた波形が現れる。
＊ジョイスティックにスタートボタンをつける。（ジョイスティックのスイッチのこと）
ジョイスティック制御を図９３に示す。
【０２９７】
１１．    ジョイスティックとダイアル
電圧波形をリアルタイムに制御する方法としてジョイスティックを使い、電磁石回転装置を制御する方法としてダイアルを使うことを考案した。図９４のFig.１１−１がその写真で、右がジョイスティック、左がダイアルになっている。
【０２９８】
ジョイスティックの上下の変化を波形の周波数、振幅、バイアスの内のどれか一つの変化と対応させることができる。左右もこれと同じである。この設定は波形制御ソフトにより決定する。
【０２９９】
電磁石回転装置はダイアルを回した角度だけ回り、追従する形になっている。回転する速度は波形制御ソフトにより設定が可能で、最大回転速度は０．２５［回転／ｓ］である。
【０３００】
〔実施の形態５〕
本実施形態では、図９５ないし図１４２を参照しながら、上記実施の形態１に記載のマイクロマシンの駆動システム１（特に、制御装置６の生成する電流波形）と、当該マイクロマシンの駆動システム１を構築するにいたった経緯とを詳細に説明する。
【０３０１】
（１．緒言）
マイクロマシンとはその名前が表すように、大きさ数百ミクロンから数ミリの機械やロボットの総称である。しかし、実際には数センチの物も多くあり、一般的に小型の機械という意味で幅広く用いられている。実際にマイクロマシンの大きさを定義するのは難しく、これらは各研究者が独自の判断で使用しているのが現状である。
【０３０２】
マイクロマシンはその小型という特性を生かすことで化学プラントなど人が入りこめないところに入って、非破壊的に保守点検、補修などを行うことができる。また医療分野において口から飲み込んだり、血管内に注射したりすることで患部に誘導することができ、患者の体を傷つけることなく体内の検査及び治療を行うことができる。またマイクロマシンを使って薬剤を運び直接患部に投与するＤＤＳ（Drug Delivery System）と言われるシステムを利用すれば、ガン患部に直接薬剤を投与することで副作用をなくし、患者の人体への負担を減らすことができる。
【０３０３】
本実施形態では、人体の胃や腸などに入って、検査や薬剤投与、治療などができる医療用マイクロマシンの開発を目標に、そのアクチュエータを患部に誘導するための制御方法を提供することを目的としている。
【０３０４】
アクチュエータに要求される要素として以下の３つが挙げられる。
【０３０５】
（１）  小型で単純構造
（２）  非接触による動力供給
（３）  遠隔操作
以上のような条件を満たすことのできる動力源として、磁気、光波、音波、マイクロ発電などがある。本実施形態では磁気を動力源として利用した。磁気を利用している理由としては近年のＭＲＩの普及とともに医療現場においても、磁気に関する知識が広まっている。そのために、磁気の医療技術への応用は医療現場に受け入れられやすい状況になりつつある。
【０３０６】
（２．研究の背景）
２．１  マイクロマシンの現状
マイクロマシンは次世代の産業技術の基盤として１９８０年代後半から研究が活発化してきた。そして、９１年度より旧通産省の産業科学技術研究開発制度による１０ヵ年に及ぶ研究プロジェクトの後押しにより数多くの大学や民間企業において技術開発が活発に行われている。例えば、この１０年の研究の成果として、東芝と日本電装がスネークレスキューと呼ばれる１センチのパイプの中を自立走行し、映像を送るマシンを開発している。このスネークレスキューは電力と映像を無線で送っているのが特徴である。このように、マイクロマシン技術は年々進歩し、大きな期待がかけられている。
【０３０７】
２．２  マイクロマシンとは
マイクロマシンとはその名の通りμｍつまり、１ミリの１，０００分の１という単位で計られる微小機械のことである。また、マイクロマシン技術はメカニクス（機械工学）、エレクトロニクス（電子工学）、をはじめとして科学、物理学、光学、生物学、医学など広範囲な分野からなる技術系である。また、（財）マイクロマシンセンターではマイクロマシンを「微小で複雑な作業を行うために、大きさ数ｍｍ以下の高度な機能要素から構成された微小な機械」と定義している。図９５のFig.２．２−１にマイクロマシンを他のものと比べたスケールを示す。
【０３０８】
２．３  マイクロマシン技術の実用化と今後について
マイクロマシンの実用化には２つの段階がある。第１は、製品そのものはマイクロマシンと呼べないが、その製作過程において、マイクロマシンに関連した材料、加工、デバイス製作などが用いられているものである。第２は、製品そのものがマイクロマシンと呼べるものであり、国による研究開発プロジェクトが対象としている分野である医療用マイクロマシン、メンテナンス用マイクロマシンなどが該当する。マイクロマシン技術は幅広い分野において活用されている。その代表例がインクジェットプリンタのヘッド部、自動車のエンジン制御圧力センサー、エアバックやＤＮＡチップなどがある。このようにマイクロマシン技術は情報通信分野、バイオテクノロジー分野において実用化されており、更なる応用が期待されている。
【０３０９】
さらに、マイクロマシン技術は２１世紀の科学技術として注目されているナノテクノロジーとも密接に関係している。本実施形態では胃や腸を対象にしているが、血管内を患部まで動くマシンを作るには１００〜２００ナノの大きさが望ましいと言われている。
【０３１０】
（３．磁場の生体への影響）
３．１  磁場の生体への影響について
本実施形態においてマイクロマシンのエネルギー供給源として磁場を使用しているが、実用にむけて磁場の生体への影響については考えなければならない。磁場の生体への影響については、まだはっきりしたことが解明されていないのが現状である。最近の携帯電話の普及により、携帯電話の出す電磁波がペースメーカーなどに影響を及ぼすことがあるために、電車の車内放送で電源を切るように促すアナウンスがあり、磁場の生体などへの影響については関心がたかまっている。
【０３１１】
３．２  定常磁場
静磁場に関する安全基準として初期のものは大型加速器の基準で、アメリカと旧ソ連のものがあり下の図９５Table ３．２−１に示す。
また、加速器周辺で働く人の長時間（８時間／日）全身曝露は２０〜３０［ｍＴ］以下と地磁気（３０〜７０［μＴ］）の千倍程度を限界としている。なお、旧ソ連では空間的な磁場勾配を配慮している。次に最近の安全基準の例として、病院等でよく利用されているＭＲＩの安全基準を図９６Table ３．２−２に示す。
表から分かるとおり被験者は強い磁場がかかっていることが明らかである。また、オペレータの長時間被爆は２０［ｍＴ］以下と昔の基準が引き継がれている。
【０３１２】
３．３  非定常磁場
時間的に急変する磁場は、組織に磁場を誘起させ、筋、神経、の興奮を引き起こす。これは、生体組織や体液が電導性を持つため、交流磁場やパルス磁場中に曝露されると電磁誘導により生体内に渦電流が生ずるためである。次に時間的に変動する磁場でのＭＲＩの安全基準を図９６Table ３．２−３に示す。
【０３１３】
また、病院におけるＭＲＩ室の設計上の注意を記載したイギリスの例では公衆の曝露限度を０．５ｍＴ程度、スタッフの曝露限度は１０［ｍＴ］としている。アメリカのＦＤＡ(Food and Drug Administration)では０．５［ｍＴ］を心ペースメーカーの立ち入り禁止区域としている。近年では生体よりも体内人工素材の方に問題が多いのが現状である。
【０３１４】
（４．方向制御の理論）
本実施形態に係るヒレ型マイクロマシンはアクチュエータのアクチュエータの磁石に交流磁場を与えることによりヒレが振動し、左右に振れることによって推進力を得ている。入力波形に正弦波や三角波のような上下対称な波形を与えてやるとヒレも左右対称に振れることからマイクロマシンは直進する。比較例としてノコギリ波を用いて電圧上昇時と下降時のヒレの動きを左右非対称にすることで方向制御を行うことを試みたが、磁場発生装置に磁化率と電流の遅れが生じるため入力した波形どおりの出力が得られないことがわかった。そこで今回は入力波形を図９６Fig.４．１−１のようなプラス側とマイナス側で振幅の異なる正弦波を組み合わせた合成波と図９６Fig.４．２−２のようなプラス側とマイナス側で周期の異なる正弦波を組み合わせた合成波を作成した。これによりヒレが左右に振れるときの振れ幅と振れる時間が変化するため、その動きが左右非対称になり、方向制御を行うことができる。
【０３１５】
（５．実験装置）
５．１  アクチュエータの駆動システム
図９７Fig.５．１−１に本実験に利用した交流磁場装置の概略図を示す。１のコンピュータから交流信号を発生させ、その信号を２のアンプで増幅して電磁石に送り、交流磁場を発生させる。実験装置の交流磁場に追従して、アクチュエータに取り付けてある磁石が振動し、その振動がアクチュエータのヒレに伝わることにより推進力をえる。
【０３１６】
１  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ
入力信号に従って、任意の変動波形を作り、Ｄ／Ａ変換ボードを介してアナログ信号を出力する。
【０３１７】
２  Ｐｏｗｅｒ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ
コンピュータから出力した信号を増幅して電磁石に送る。
【０３１８】
３  Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔ
マイクロマシンを駆動させるための交流磁場を発生する。
【０３１９】
４  Ａｃｒｙｌｉｃ  ｒｅｓｉｎ  ｐｉｐｅ  ｏｒ  ｌｉｑｕｉｄ  ｔａｎｋ
マイクロマシンを泳動させるために水を入れるアクリル製のタンク。
【０３２０】
５  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ
フロート、磁石、ヒレから成り交流磁場により磁石が振動し推進力を得る。
【０３２１】
５．２  装置の構成要素
●  電磁石の鉄心
川崎製鉄株式会社  電磁鋼板５０ＲＭ３１０
透磁率２４００Ｈ／ｍ（平均値）
加工：珪鋼商事株式会社
●  液層
厚さ：５ｍｍ  アクリル板の幅：１４０ｍｍ、高さ：２００ｍｍ、長さ：５２０ｍｍ
●  ＤＡ変換ボード（ＰＣＩボード）
Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ社製  ＰＣＩ−３３２５
ＯＳ：  Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）  ２０００
出力チャンネル数：４チャンネル
出力レンジ：バイポーラ  ±５Ｖ
ユニポーラ  ０〜５Ｖ
セトリングタイム：１０μｓｅｃ（１チャンネルあたりのハードウェアが要する時間）
外部電源出力：＋５Ｖ（出力電流１００ｍＡ以下）
＋１５Ｖ、−１５Ｖ（出力電流１０ｍＡ以下）
ジャンパで設定
使用電圧：ＤＣ＋５Ｖ、０．５ｍＡ
ＤＣ＋１２Ｖ、５０ｍＡ
ＤＣ−１２Ｖ、２０ｍＡ
ドライバ：Microsoft Visual C++ Ver.4.2,5.0,6.0
Microsoft Visual Basic Ver4.0(32ヒ゛ット版)5.0,6.0
Borland C++ Builder Ver.1.0,3.0,4.0,5.0
Borland C++ Delphi Ver3.0,3.1,4.0,5.0,6.0
●  ターミナル
Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  社製  ＴＲＭ−８１０１
●  電力増幅器
株式会社ネヌエフ回路設計ブロック社製
４５０５  ＰＲＥＣＩＳＩＯＮ  ＰＯＷＥＲ  ＡＭＰＬＩＦＥＲ
●  アクチュエータの磁石
下西製作所製  ネオジウム磁石
直径  ２９ｍｍ  高さ  １０ｍｍ
加工：（株）神戸工業試験場
●  電力増幅器
株式会社エヌエフ回路設計ブロック製  ４５１０
入出力時の仕様を以下の図９７のTable ５．２−１  、図９７のTable ５．２−２に示す。
●  オシロスコープ
日置電気株式会社製
８８５５  メモリハイコーダ
●  交流磁場発生装置
本実施形態で使用した交流磁場発生装置のモデル図を図９８Fig.５．２−１に示す。またコイルの全体図を図９８のFig.５．２−２に示す。
磁束密度Ｂは次式で求められる。（参考文献：電気磁気学、筑弛武彦著）
Ｂ＝Φ／Ｓr   ＝（μo ＮＩ）／｛（Ｌ／μr ）＋Ｌo ｝
＝｛μo Ｎ（Ｖ／Ｒ）｝／｛（Ｌ／μr ）＋Ｌo ｝
＝｛μo Ｎ（Ｖ／ＬＲo ）｝／｛（Ｌ／μr ）＋Ｌo ｝
５．３  ホール素子
本実施形態では、磁場の強さ及び波形を測定するのにホール素子を使用した。これまで使用していたＴＨＳ−１１９より感度がよいＶＨＥ−２１２Ｓ（日本ビクター株式会社製）を使用した。ホール素子が壊れてしまう最大定格を図９９Table ５．３−１に示す。また、５００［Ｇ］を基準としたときの入力電流Ｉと出力電圧Ｖの基本特性を図９９Fig.５．３−１に示す。
【０３２２】
ホール素子に１０［ｍＡ］の電流を流すことによって、ホール素子からの出力電圧と交流磁場の関係は、５３０［ｍＶ］＝５００［Ｇ］となる。ホール素子に１０［ｍＡ］の電流を流す為に簡単な回路を組んだ。その回路図を図９９Fig.５．３−２および図９９Fig.５．３−３に示す。
【０３２３】
１  電源  Ｖ＝４．５３０［Ｖ］
（単三電池三本を用いた。）
２  固定抵抗  Ｒ１＝１３０［Ω］
（１００［Ω］と３０［Ω］の二つを用いた。）
３  可変抵抗  Ｒ２＝２５．４［Ω］
（５０［Ω］まで変化させることの出来るものを用いた。）
４  ホール素子  Ｒ３＝３２６［Ω］
（内部抵抗が３２６［Ω］となっている。）
以上の１２３４の値をオームの法則Ｉ＝Ｖ／Ｒに代入すると
Ｉ  ＝  Ｖ／Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＝  ４．８２／３２６＋１３０＋２５．８
＝０．０１［Ａ］                …（４．３．１）
となり、式（４．３．１）よりホール素子に１０［ｍＡ］流れたことになる。
【０３２４】
５．４  波形作成プログラム
５．４．１  プログラムの改良点
マイクロマシンの方向制御を行うためにMicrosoft Visual C++ Ver.6.0を用いて交流磁場発生装置に入力する波形をパソコンから出力させるためのプログラムを作成した。当該プログラムでは、これまでには無かった合成波を出力させるためのプログラムが追加されている。このプログラムではバイポーラ±５［Ｖ］、分解能１２ビットなので１０Ｖを４０９６分割していることになる。
【０３２５】
５．４．２  正弦波
正弦波の出力プログラムの一部を以下図１００（ａ）に示す。このプログラムでは１周期２πを縦軸ｎＣｏｕｎｔで割り、ｎＣｏｕｎｔをｆｏｒ文で回してｓｉｎの値を１周期分変化させている。そこにｓｉｎｐｕｋｕを掛けているため、ｓｉｎｐｕｋｕの値を正弦波が出力される。またｂｉａｓに任意の値を入れることで出力される正弦波にバイアスを掛けることができる。このプログラムではｓｉｎｐｕｋｕ  ＝  １０００，  ｂｉａｓ  ＝  ０なので振幅が約２．４４［Ｖ］、バイアス０［Ｖ］となる。
【０３２６】
５．４．３  ノコギリ波
ノコギリ波のプログラムの一部を以下図１００（ｂ）に示す。
【０３２７】
当初、比較例のようにノコギリ波を使って方向制御を行うことを考えていたが、ノコギリ波を出力してホール素子で発生磁場を測定すると図１０１のFig.５．４−１のように与えた電圧どおりの磁場は発生していないことがわかる。これはコの字型コイルに電圧をかけた際に磁化するまでの時間的遅れが生じているためだと考えられる。またプラス側とマイナス側で磁場のピークが異なるのは電圧の急激な下降に磁化がついていけず、磁場が下降する途中で電圧が上昇してしまうためである。比較例では上昇時と下降時の勾配の比を大きくして磁化の遅れを修正していたが、完全なノコギリ波を発生することはできていなかった。そこで今回は磁化の遅れの影響が少ない正弦波を利用した合成波を作成し、意図的に波形のプラス側とマイナス側の振幅および周期を変化させ、マイクロマシンに左右非対称な動きをさせることを考えた
５．４．４  合成波１（振幅比制御）
まず正弦波のプラス側とマイナス側の振幅を変えた正弦波を組み合わせた合成波を作成した。以下図１０１（ａ）にプログラムの一部を示す。作成した波形はプラス側の振幅をｓｉｎｐｕｋｕ、マイナス側の振幅をｓｉｎｎｐｕｋｕ２に対応させそれぞれ異なる振幅の正弦波を組み合わせた合成波を出力する。このプログラムではプラス側の振幅が約２．４４［Ｖ］、マイナス側の振幅が約１．２２［Ｖ］となるような合成波を出力する。図１０２Fig.５．４−２にこのプログラムの出力波形を示す。
【０３２８】
５．４．５  合成波２（時間比制御）
次に正弦波のプラス側とマイナス側で周期の異なる正弦波を組み合わせた合成波を作成した。以下図１０２（ａ）にプログラムの一部を示す
このプログラムは出力波形の１周期をｎＣｏｕｎｔで分割されていることを利用し、まずプラス側に任意の周期の波形を出力し残りの部分にマイナス側の波形を出力する。このプログラムでは位置周期の波形でプラス側の正弦波とマイナス側の正弦波の時間比が３：１になるような合成波を出力する。図１０３Fig.５．４−３にこのプログラムの出力波形を示す。
【０３２９】
（６．実験方法）
６．１  ホール素子による磁場の測定
本実施形態に係る交流磁場発生装置では三次元での方向制御を行うことを目的としている。水槽内の磁場が均一かどうか調べるためにホール素子を用いて出力電圧をオシロスコープで確認し、出力波形を比較した。
【０３３０】
実験方法は以下のとおり
１）パソコンからの出力波形プログラムを作成する。
【０３３１】
２）パソコンと電力増幅器と交流磁場発生装置を接続する。
【０３３２】
３）電力増幅器のＺＥＲＯ点設定を行う。
【０３３３】
４）作成した波形を出力する。
【０３３４】
５）ホール素子を使って各点で磁場の強さを測定する。
ここで、出力波形は振幅２．４４［Ｖ］、周波数６［Ｈｚ］、ｂｉａｓ  ０［Ｖ］の正弦波を用いる。測定位置は図１０３Fig.６．１−１に示すように水槽のｘ軸方向にａ〜ｅの５点、ｙ軸方向にＡ〜Ｃの３点、ｚ軸方向に１〜３の３点をとり、ａＡ１、ａＡ２のようにそれらを組み合わせた計４５点について測定を行った。
【０３３５】
６．２合成波による方向制御実験
作成した合成波を使ってマイクロマシンの方向制御ができるか確認するために合成波を出力し、交流磁場発生装置ないの水槽にマイクロマシンを射出してどのような動きになるか調べた。図１０４Fig.６．２−１に示すようにマイクロマシンを位置Ｏより射出し、水槽の壁面に到達したときのｘ座標とｙ座標を読み取り、マイクロマシンの進行方向の角度θを求めた。
【０３３６】
また使用する波形の振幅および周期をFig.図１０４６．２−２のように定義する。
出力する波形の各パラメータを図１０５Table.６．２−１および図１０５Table.６．２−２に示す。
【０３３７】
実験方法は以下のとおり
１）出力する合成波のプログラムを作成する。
【０３３８】
２）各プログラムを出力し水槽内の位置Ｏからマイクロマシンを射出する
３）マイクロマシンが水槽に到達した時のｘ座標とｙ座標を読み取り進行方向の角度θを求める。
【０３３９】
４）  ３）の操作を各波形につき１０回繰り返す。
【０３４０】
５）得られたデータから進行方向の角度θの平均値を算出する。
【０３４１】
（７．実験結果）
７．１ホール素子による磁場の測定
周波数６［Ｈｚ］、振幅２．４４［Ｖ］、バイアス０［Ｖ］の正弦波を出力したときに交流磁場発生装置内に置いた水槽の各位置において発生磁場の波形をホール素子を用いて測定した。結果を図１０６のFig.７．１−１から図１１０のFig.７．１−１５にそれぞれ示す。また各位置ａＡ、ａＢ、ａＣからｅＡ、ｅＢ、ｅＣに関してそれぞれ１，２，３の位置におけるホール素子で測定した電圧のピーク値の比較を図１１１のFig.７．１−１６から図１１２のFig.７．１−２０に示す。
【０３４２】
７．２合成波による方向制御実験
７．２．１  振幅比変化
振幅比の異なる４つの波形の比較を図１１３Table ７．２−１に示す。また各波形の振幅比と進行方向の角θとの関係を図１１３Fig.７．２−１に示す。
【０３４３】
７．２．２  時間比変化
時間比の異なる４つの波形の比較を図１１４Table ７．２−２に示す。また各波形の時間比と進行方向の角θとの関係を図１１４Fig.７．２−２に示す。
【０３４４】
（８．考察）
８．１  ホール素子による磁場の測定結果について
結果を比較すると水槽のｙ軸方向の中心である２の位置では磁場のピーク値が若干まわりより弱くなっていることがわかった。しかし、Fig.６．１−１のそれぞれの位置でテスラメーターを用いて磁束密度を測定したところどの位置でも２ｍＴ以上発生しているので三次元方向においてもマイクロマシンは駆動可能であることがわかった。
【０３４５】
８．２  マイクロマシンの方向制御について
８．２．１  ノコギリ波による方向制御について
比較例ではマイクロマシンの方向制御方法としてノコギリ波を使用している。ノコギリ波による方向制御の原理は図１１５Fig.８．２−１のようなノコギリ波を出力させた場合を考えると電圧の上昇時の時間ａと下降時の時間ｂが異なるためマイクロマシンが左側に振れる速度と右側に振れる速度が電圧上昇時はゆっくりと、電圧下降時はすばやく振れるためにマイクロマシンの進行方向が変化する。
【０３４６】
ここでノコギリ波による方向制御の問題点を挙げると、
１．  の字型コイルに電圧をかけた際に磁化するまでの時間的遅れが生じているため交流磁場発生装置内では与えた電圧どおりの磁場が発生していない。
２．  プラス側とマイナス側で磁場のピークが異なるのは電圧の急激な下降に磁化がついていけず、磁場が下降する途中で電圧が上昇してしまう。
【０３４７】
これらの問題点を解決するために上昇時と下降時の勾配の比を大きくして遅れを修正するという方法をとっていたが完全なノコギリ波を発生させることは現段階では非常に困難であると思われる。
【０３４８】
８．２．２  合成波による方向制御について
今回新たな制御方法として振幅の異なる２つの正弦波を組み合わせた合成波と周期の異なる二つの正弦波を組み合わせた合成波を作成した。これらの波形を用いて方向制御実験を行った結果マイクロマシンは振幅比および時間比が増加するにつれ進行方向の角θは大きくなっていることがわかった。ここで振幅比、時間比の変化がマイクロマシンの動きにどのように影響しているのかを考える。
【０３４９】
これまでの研究でのマイクロマシンに関する実験結果より、振幅の変化はマイクロマシンの頭部が振動する速度に影響していると思われる。したがってプラス側とマイナス側で振幅の異なる合成波を出力した場合、マイクロマシンの頭部が振動する速度は振幅の値が大きい方が速く、小さいが方遅くなるため、左右非対称になる。そのためマイクロマシンの進行方向が変化していると思われる。また時間比の変化はマイクロマシンの振れ角に影響していると思われる、したがってプラス側とマイナス側で周期の異なる合成波を出力した場合、マイクロマシンの頭部の振れ角が左右非対称になるため、マイクロマシンの進行方向が変化していると思われる。
【０３５０】
これら二つの要素がマイクロマシンの方向制御に影響していると考えると図１１５のFig.８．２−２のような正弦波にバイアスをかけて意図的に作られた非対称な波形はプラス側の振幅ａおよび周期ｃが大きくなり、マイナス側の振幅ｂおよび周期ｄは小さくなる。これによってマイクロマシンの頭部が振動する速度と振れ角の両方が左右非対称になる。これは今回作成した二つの合成波を組み合わせたことになり。現段階で方向制御を行うために最も効率のよい波形であると考えられる。
【０３５１】
（９．結言）
・交流磁場発生装置内の三次元での磁場はマイクロマシンの進行方向に対してほぼ均一であることが確認できた。
【０３５２】
・ノコギリ波によるマイクロマシンの方向制御は、
１．「交流磁場発生装置の磁化の遅れが生じるため与えた電圧どおり磁場が発生しない」
２．「プラス側とマイナス側で磁場のピークが異なるのは電圧の急激な下降に磁化がついていけず、磁場が下降する途中で電圧が上昇してしまう」
という問題と、プログラムで遅れを修正しても完全なノコギリ波を出力するのは難しいということから現時点では方向制御の方法としては適さないことがわかった。
【０３５３】
・作成した合成波は振幅比を変えることでマイクロマシンの頭部が左右に振れる速度が左右非対称になり、進行方向が変化することがわかった。また時間比を変えることでマイクロマシンの頭部の振れ角が左右非対称になり、進行方向が変化することがわかった。
【０３５４】
・正弦波にバイアスを与えてやると振幅比と時間比を同時に変化させることになり頭部が左右に振れる速度と振れ幅が左右非対称になり、効率よく方向制御が行うことができる。
【０３５５】
〔実施の形態６〕
本実施形態では、図１４３ないし図１９１を参照しながら、上記実施の形態１に記載のマイクロマシンの駆動システム１（特に、制御装置６の生成する電流波形とマイクロマシン３の形状との関係）と、当該マイクロマシンの駆動システム１を構築するにいたった経緯とを詳細に説明する。
【０３５６】
（２．  研究の背景）
２．１  マイクロマシン
マイクロマシンとはその名が示すようにμｍから数ｃｍ単位の小型の機械のことである。また、マイクロマシン技術はメカニクス（機械工学）、エレクトロニクス（電子工学）、をはじめとして科学、物理学、光学、生物学、医学など広範囲な分野からなる技術系である。
【０３５７】
マイクロマシンはそのサイズをいかし、化学プラントの配管など人間が入れない所に入って、非破壊的に保守点検などを行うことができる。また、医療分野においても、マイクロマシンを使うことによって、人体にほとんど傷をつけずに、胃や腸に入り、患部に直接必要な処置を行え、薬などを直接投与することができる。
【０３５８】
特に医療の分野においては革命的な進化が得られると言われている。例えば、ガン治療において難問の一つに、抗がん剤による副作用がある。もし、抗がん剤を入れたカプセルと一体化したマイクロマシンが体内を移動して患部へ直行し、ガン細胞を狙い撃ちするように抗がん剤を放出するような薬剤運搬システム（ドラッグ・デリバリー・システム：ＤＤＳ）が実現すれば、副作用の心配もなく大きな治療効果が期待でき、投与する薬の量も当然少なくて済む。日本の医療は薬漬けの要素が強く、国民医療費は国の財政負担を増加させている。患部を直撃するＤＤＳが本格的に実用化すると、医薬品の消費量を大幅に削減でき、財政負担を軽減するという二次的効果も期待できる。このように、医療用マイクロマシンの研究開発が早急に求められている。
【０３５９】
また、（財）マイクロマシンセンターではマイクロマシンを「微小で複雑な作業を行うために、大きさ数ｍｍ以下の高度な機能要素から構成された微小な機械」と定義している。図１４３のFig.２．１−１にマイクロマシンを他のものと比べたスケールを示す。
【０３６０】
２．２  マイクロマシンの現状と今後
マイクロマシンは次世代の産業技術の基盤として１９８０年代後半から研究が活発化している。そして、１９９１年度より旧通産省の産業科学技術研究開発制度による１０ヵ年に及ぶ研究プロジェクトの後押しにより数多くの大学や民間企業において技術開発が活発に行われている。例えば、この１０年の研究の成果として、東芝と日本電装がスネークレスキューと呼ばれる１センチのパイプの中を自立走行し、映像を送るマシンを開発している。このスネークレスキューは電力と映像を無線で送っているのが特徴である。
【０３６１】
また、このようにマイクロマシン技術は年々進歩し、大きな期待がかけられている。
【０３６２】
マイクロマシン技術は幅広い分野において活用されている。その代表例がインクジェットプリンタのヘッド部、自動車のエンジン制御圧力センサー、エアバックやＤＮＡチップなどがある。このようにマイクロマシン技術は情報通信分野、バイオテクノロジー分野において実用化されており、更なる応用が期待されている。
【０３６３】
さらに、マイクロマシン技術は２１世紀の科学技術として注目されているナノテクノロジーとも密接に関係している。本実施形態では胃や腸を対象にしているが、血管内を患部まで動くマシンを作るには１００〜２００［ｎｍ］の大きさが望ましいと言われている。
【０３６４】
（３．  磁場の生体への影響）
３．１  磁場の生体への影響について
近年、磁場の生体への影響が問題視されている。例えば、電車内など公共施設では携帯電話の電源を切らなければならない。その理由は、携帯電話が出す電磁波が心ペースメーカーなどに動作影響を及ぼすことがある為である。本実施形態は交流磁場を動力源としたマイクロマシンの開発を行っている為、磁場の生体への影響は無視できるものではない。また、マイクロマシンシステムの実用化を考えたとき、生体への影響については考えなければならない。しかし現状は、磁場の生体への影響についてまだはっきりしたことが解明されていない。
【０３６５】
３．２  非定磁場に関する安全基準
マイクロマシンは交流磁場を動力源にしているため、その安全性について知る必要がある。比較的マイクロマシンの磁場発生装置に近い変動磁場を発生させるＭＲＩの安全基準について図１４３のTable.３．２−１に示す。交流磁場のような時間的に急変する磁場は組織に磁場を誘起させ、筋、神経、の興奮を引き起こす。これは、生体組織や体液が電導性を持つため、交流磁場やパルス磁場中に曝露されると電磁誘導により生体内に渦電流が生ずるためである。
【０３６６】
また、病院におけるＭＲＩ室の設計上の注意を記載したイギリスの例では公衆の被爆限度を０．５ｍＴ程度、スタッフの被爆限度は１０［ｍＴ］としている。アメリカのＦＤＡ(Food and Drug Administration)では０．５［ｍＴ］を心ペースメーカーの立ち入り禁止区域としている。近年では生体よりも体内人工素材の方に問題が多いのが現状である。
【０３６７】
（４．  実験装置とマイクロマシン）
４．１  マイクロマシンの動作原理
図１４４のFig.４．１−１のようにＰＣから出力させた電圧の波形をアンプに介して増幅させ、電磁石に交流電流を流し、交流変動磁場を発生させ、装置内でマイクロマシンの中の磁石を振動させ、その振動でヒレを動かし、ヒレの推進力を利用してマイクロマシンを連動させる。
【０３６８】
１  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ
入力信号に従って、正弦波などの任意の変動波形を作り、Ｄ／Ａ変換ボードを介してアナ  ログ信号を出力する。
【０３６９】
２  Ｐｏｗｅｒ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ
コンピュータから出力した電圧波形を増幅して電磁石に送る。
【０３７０】
３  Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔ
交流電流を流し、交流変動磁場を発生させる。
【０３７１】
４  Ａｃｒｙｌｉｃ  ｒｅｓｉｎ  ｐｉｐｅ  ｏｒ  ｌｉｑｕｉｄ  ｔａｎｋ
生物の体内を想定したアクリル素材の水槽。
【０３７２】
５  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ
磁石、ヒレ、うきなどから成り、交流変動磁場によりマイクロマシン内の磁石が振動しヒレを駆動させる。
【０３７３】
４．２  装置の構成要素
◆電磁石の鉄心
川崎製鉄株式会社  電磁鋼板５０ＲＭ３１０
透磁率２４００［Ｈ／ｍ］（平均値）
加工：珪鋼商事株式会社
◆水層
厚さ：５［ｍｍ］  アクリル板の幅：１４０［ｍｍ］、高さ：２００［ｍｍ］、
長さ：５２０［ｍｍ］
◆ＤＡ変換ボード（ＰＣＩボード）
Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ社製  ＰＣＩ−３３２５
ＯＳ：  Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）２０００
出力チャンネル数：４チャンネル
出力レンジ：バイポーラ  ±［５Ｖ］
ユニポーラ  ０〜５［Ｖ］
セトリングタイム：１０［μｓｅｃ］
（１チャンネルあたりのハードウェアが要する時間）
外部電源出力：＋５［Ｖ］（出力電流１００［ｍＡ］以下）
＋１５［Ｖ］、−１５［Ｖ］（出力電流１０［ｍＡ］以下）
ジャンパで設定
使用電圧：ＤＣ＋５［Ｖ］、０．５［ｍＡ］
ＤＣ＋１２［Ｖ］、５０［ｍＡ］
ＤＣ−１２［Ｖ］、２０［ｍＡ］
ドライバ：Microsoft Visual C++ Ver4.2、5.0、6.0
Microsoft Visual Basic Ver4.0(32ヒ゛ット版)5.0,6.0
Borland C++ Builder Ver5.0
Borland C++ Delphi Ver5.0、6.0
◆ターミナル
Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  社製  ＴＲＭ−８１０１
◆電力増幅器
株式会社ネヌエフ回路設計ブロック社製
４５１０  ＰＲＥＣＩＳＩＯＮ  ＰＯＷＥＲ  ＡＭＰＬＩＦＥＲ
以下図１４４のTable.４．２−１に電力増幅器の出力仕様を、図１４４のTable ４．２−２に電力増幅器の入力仕様をそれぞれ示す。
◆アクチュエータの磁石
下西製作所製  ネオジウム磁石
直径  ２９［ｍｍ］  高さ  １０［ｍｍ］
加工：（株）神戸工業試験場
◆オシロスコープ
日置電機株式会社製
ＨＩＯＫＩ  ８８５５メモリハイコーダ
４．３  交流磁場発生装置
本実施形態で使用した交流磁場発生装置のモデル図を図１４５のFig.４．３−１に示す。また、Fig.４．３−２に交流磁場発生装置の全体図を示す。
【０３７４】
１  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ
入力信号に従って、正弦波などの任意の変動波形を作り、Ｄ／Ａ変換ボードを介してアナログ信号を出力する。
【０３７５】
２  Ｐｏｗｅｒ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ
コンピュータから出力した電圧波形を増幅して電磁石に送る。
【０３７６】
３  Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔ
交流電流を流し、交流変動磁場を発生させる。
【０３７７】
４  Ａｃｒｙｌｉｃ  ｒｅｓｉｎ  ｐｉｐｅ  ｏｒ  ｌｉｑｕｉｄ  ｔａｎｋ
生物の体内を想定したアクリル素材の水槽。
【０３７８】
５  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ
磁石、ヒレ、うきなどから成り、交流変動磁場によりマイクロマシン内の磁石が振動しヒレを駆動させる。
【０３７９】
４．２  装置の構成要素
◆電磁石の鉄心
川崎製鉄株式会社  電磁鋼板５０ＲＭ３１０
透磁率２４００［Ｈ／ｍ］（平均値）
加工：珪鋼商事株式会社
◆水層
厚さ：５［ｍｍ］  アクリル板の幅：１４０［ｍｍ］、高さ：２００［ｍｍ］、
長さ：５２０［ｍｍ］
◆ＤＡ変換ボード（ＰＣＩボード）
Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ社製  ＰＣＩ−３３２５
ＯＳ：  Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）２０００
出力チャンネル数：４チャンネル
出力レンジ：バイポーラ  ±５［Ｖ］
ユニポーラ  ０〜５［Ｖ］
セトリングタイム：１０［μｓｅｃ］
（１チャンネルあたりのハードウェアが要する時間）
外部電源出力：＋５［Ｖ］（出力電流１００［ｍＡ］以下）
＋１５［Ｖ］、−１５［Ｖ］（出力電流１０［ｍＡ］以下）
ジャンパで設定
使用電圧：ＤＣ＋５［Ｖ］、０．５［ｍＡ］
ＤＣ＋１２［Ｖ］、５０［ｍＡ］
ＤＣ−１２［Ｖ］、２０［ｍＡ］
ドライバ：Microsoft Visual C++ Ver4.2、5.0、6.0
Microsoft Visual Basic Ver4.0(３２ビット版)5.0,6.0
Borland C++ Builder Ver5.0
Borland C++ Delphi Ver5.0、6.0
◆ターミナル
Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  社製  ＴＲＭ−８１０１
◆電力増幅器
株式会社ネヌエフ回路設計ブロック社製
４５１０  ＰＲＥＣＩＳＩＯＮ  ＰＯＷＥＲ  ＡＭＰＬＩＦＥＲ
以下Table.４．２−１に電力増幅器の出力仕様を、Table ４．２−２に電力増幅器の入力仕様をそれぞれ示す。
◆アクチュエータの磁石
下西製作所製  ネオジウム磁石
直径  ２９［ｍｍ］  高さ  １０［ｍｍ］
加工：（株）神戸工業試験場
◆オシロスコープ
日置電機株式会社製
ＨＩＯＫＩ  ８８５５メモリハイコーダ
４．３  交流磁場発生装置
本実施形態で使用した交流磁場発生装置のモデル図を図１４５のFig.４．３−１に示す。また、Fig.４．３−２に交流磁場発生装置の全体図を示す。
コイルの出力磁場の計算を以下に示す。
【０３８０】
磁束密度Ｂは次式で求められる。（参考文献：電気磁気学、筑弛武彦著）
Ｂ＝Φ／Ｓr ＝（μo ＮＩ）／｛（Ｌ／μr ）＋Ｌo ｝
＝｛μo Ｎ（Ｖ／Ｒ）｝／｛（Ｌ／μr ）＋Ｌo ｝
＝｛μo Ｎ（Ｖ／ＬＲo ）｝／｛（Ｌ／μr ）＋Ｌo ｝
４．４  マイクロマシンの製造方法
マイクロマシンはネオジウム磁石（図１４５のFig.４．４−１）とシリコーンから作成される。
【０３８１】
マイクロマシンの作成方法を以下に記す。
【０３８２】
◆マイクロマシン作成方法
（１）  プラスティックの板や釣具用のワリビシ等を使用し、図１４５のFig.４．４−２のようなマイクロマシンの型を作る。
（２）  マイクロマシンの型に石膏を流し込み型を作る（図１４５のFig.４．４−３）。
（３）  石膏の型にシリコーンを流し込み、磁石（ネオジウム）を任意の位置に埋め込む（図１４５のFig.４．４−４）。
（４）  （３）の状態で３時間程度放置した後、シリコーンが固れば石膏の型からシリコーンを取り出す。（図１４６のFig.４．４−５）
（５）  シリコーンを任意の形にカッティングする。（図１４６のFig.４．４−６）
４．５  ネオジウムの磁束密度
マイクロマシンに用いるネオジウム磁石（Fig.４．４−１）は存在する最も強力な磁石の一つである。図１４６のTable.４．５にネオジウム磁石の大きさと磁束密度の関係を示す。
【０３８３】
４．６  シリコーンのヤング率
シリコーンのヤング率はその状態によって違う。シリコーンゴムの場合、高温に対して他のゴムよりも耐えられる。しかし、物性値は他のゴムと変わらず、またゴムは使用温度、歪み量、形状、使用時間などによってかなりまちまちの値が出る特性がある。
（１）  参考文献  野口・中村「機械材料工学」、工学図書
マイクロマシンは頭部に埋め込まれた磁石を振動させ、その振動のエネルギーをヒレに伝達させヒレを振らしている。ヒレの剛性が強すぎるとヒレが振れなくなり、また弱すぎるとヒレが触れすぎてマイクロマシン自体が回転してしまう。
【０３８４】
これら事例から安定したヒレの振れ幅を求めなければいけない。その為にはヒレの素材、つまりシリコーンのヤング率を求めなければいけない。
【０３８５】
ヤング率を求める方法として引っ張り試験を付録１に示す手順に従い行う。
図１６４から図１６７の付録１より、シリコーンのヤング率Ｅ＝２１．２８  ［ＭＰａ］となった。
【０３８６】
（５．  結果）
５．１  交流磁場発生装置の磁場測定結果について
（１）  磁場測定とその方法
マイクロマシンの運動は外から与える磁場の強さによって変わる。また、当研究室の過去の研究でマイクロマシンを動かす為には２［ｍＴ］以上の磁束密度が必要である。これらを確認する為にも実験装置が発生する磁場の強さを知る必要がある。
６Ｈｚの正弦波の交流磁場を与えた時の装置内（図１４６のFig.５．１−１）の磁場測定結果を以下に示す。
【０３８７】
測定場所は図１４７のFig.５．１−２に示すように、ｚ軸をＡ，Ｂ，Ｃ、ｘ軸をａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ、ｙ軸を１，２，３とし、その組み合わせを測定場所として、４５点についてそれぞれ磁束密度を測定した。水槽寸法の単位は全てｍｍである。
【０３８８】
（２）  測定結果
交流磁場装置内の磁束密度の値を以下図１４７のFig.５．１−３〜図１４９のFig.５．１−７に示す。ここでＡａ〜ＣｅはFig.５．１−２で示す測定断面を示す。
【０３８９】
測定結果より、装置内の磁束密度は中心部で、８［ｍＴ］以上、また水槽のどの場所でもマイクロマシンが駆動できる最低値である、２［ｍＴ］以上となった。
【０３９０】
５．２  マイクロマシンの安定性改良
５．２．１  マイクロマシンを構成する要素の動作影響
マイクロマシンは駆動源となる磁石とシリコーンのヒレから構成される単純構造ではあるが、磁石にも寸法、向き、形、重さ・・・、マイクロマシン全体をみても頭部の形・ヒレ先の形、長さ・・・とマイクロマシンは多大な要素から成り立っている事がわかる。
その要素の一つ一つを変更してもマイクロマシンの動きにどう利いてくるかは微細なところで、誤差の範囲となる可能性もある。
このような微細な要素の存在がマイクロマシンの直進動作を困難にしているといえる。
【０３９１】
５．２．２  比較例のマイクロマシンの欠点と安定性改良
比較例のマイクロマシンは上下で非対称の為、安定性が悪かった。安定性が悪いマイクロマシンというのは、例えば１０回マイクロマシンを水槽で動かしたとき、１回直進したとしても９回左右にばらつくようなマイクロマシンの事である。このばらつきの幅を小さくすることが安定性改良になる。
【０３９２】
また、比較例のマイクロマシンでは水槽の底に沈んでしまう欠点がある。二次元で制御する為には三次元方向で安定する必要がある。
図１５０のFig.５．２−１に比較例のマイクロマシンのモデル図を示す。
【０３９３】
５．２．３  マイクロマシンの安定性改良（その１）
マイクロマシンの安定性を上げる為に図１５０のFig.５．２−２のようなマイクロマシンを考えた。上下で対称、左右でも対称にし、ヒレを大きくすることで磁石の振動をスムーズにヒレに伝わるように安定性を持たせた設計が特徴である。Fig.５．２−２の上のマイクロマシンが側面から見た図、下が上方から見た図である。また、実際に作製したマイクロマシンを図１５０のFig.５．２−３に示す。また、図１８９から図１９１の付録１０．７に作成したマイクロマシンの失敗例を示す。
【０３９４】
５．２．４  マイクロマシンの安定性改良（その２）
Fig.５．２−３のマイクロマシンは直進しようとはするが、どうしてもすぐに発射後沈んでしまう。そこで三次元方向を固定する（沈ませない）為にマイクロマシンに発泡スチロールのウキ（図１５１のFig.５．２−５）を加えることによって水面で安定させた。
【０３９５】
以下図１５１のFig.５．２−４に作製したマイクロマシンのモデル図を、図１５２のFig.５．２−６に実際に作製したマイクロマシンの図を示す。
【０３９６】
５．３  出力電圧の波形によるマイクロマシンの制御
マイクロマシンはＰＣから出力される電圧の波形によって制御される。
電圧の波形には正弦波、ノコギリ波、三角波、矩形波、合成波などさまざまな波形がある。今回は正弦波について実験する。
正弦波を形成する要素に周波数、振幅、Ｂｉａｓの３つがある。以下に波形を形成する要素とマイクロマシンの動作影響との関係を述べる。
【０３９７】
５．３．１  最適な周波数の決定
（１）  最適な周波数の決定
マイクロマシンを動かす周波数の範囲は、マイクロマシンの剛性によって変化する。
６０［ｍｍ］〜１．５［ｍｍ］のセンチ単位のマイクロマシンを動作させる為の周波数は１［Ｈｚ］〜３０［Ｈｚ］の範囲の中に存在すると考えられる。
典型的なFig.５．２−６のようなセンチ単位のマイクロマシンを動作させる為に必要な周波数を求める必要がある。
【０３９８】
（２）  実験方法
３Ｈｚから９Ｈｚまで変化させていった時のマイクロマシンの動きを求め、最適値を求める。実験条件は出力電圧の波形を正弦波とし、振幅＝２．２４［Ｖ］、Ｂｉａｓ＝０［Ｖ］で、コイルと同じ高さの水面でマイクロマシンを発射させ、距離１０［ｃｍ］の区間のマイクロマシンの動きをビデオカメラで録画し、得られた動画からマイクロマシンの頭の動きを０．０２［ｓ］毎に点にプロットし、線で結んだ。
【０３９９】
（３）  実験結果と周波数の決定
周波数３［Ｈｚ］、６［Ｈｚ］、９［Ｈｚ］の出力電圧の波形をそれぞれ図１５３のFig.５．３−１ａ〜図１５４のFig.５．３−３ａに示し、マイクロマシンの移動軌跡を図１５３のFig.５．３−１ｂ〜図１５４のFig.５．３−３ｂに示す。Fig.５．３−１ｂ〜３ｂの横軸は水槽内のｘ座標、縦軸は水槽内のｙ座標を表し、マイクロマシンの移動軌跡を線で結んだ。
【０４００】
下記の結果より、周波数３［Ｈｚ］ではマイクロマシンの動きの幅が大きく、動作が不安定になることが確認できた。
【０４０１】
周波数６［Ｈｚ］はマイクロマシンの動きの幅がバランスよく、動作に安定性があった。
【０４０２】
周波数９［Ｈｚ］ではマイクロマシンの動きの幅が狭く、小刻みな動きとなり、不安定であった。
【０４０３】
上記の結果よりセンチ単位のマイクロマシンを動かす最適な周波数の値は６［Ｈｚ］であることが分かった。
【０４０４】
これより以下の実験では周波数＝６［Ｈｚ］を固定とする。
【０４０５】
５．３．２  Ｂｉａｓの変更によるマイクロマシンの方向制御
（１）  Ｂｉａｓの変更によるマイクロマシンの動作影響
正弦波を構成する要素には５．３の冒頭で述べた通り、周波数（周期）、Ｂｉａｓ、振幅の３種類があり、Ｂｉａｓはマイクロマシンの動作にどのような影響を与えているか不明である。
Ｂｉａｓとマイクロマシンの動作の関係を解明する為、Ｂｉａｓを変化させていった時のマイクロマシンの動きを解析する。以下（２）に実験方法と手順を、（３）に実験結果をそれぞれ示す。
【０４０６】
（２）  実験方法と手順
（ａ）  実験方法
正弦波で周波数＝６［Ｈｚ］、振幅＝２．４４［Ｖ］を不変にし、Ｂｉａｓのみを変化させ、Ｂｉａｓを０．７３２から−０．７３２まで変化させた時のマイクロマシンの移動軌跡角度θを調べる。移動軌跡角度θについては図１５５のFig.５．３−４に示す。
【０４０７】
以下に実験条件を示す。
(i)    実験に用いるマイクロマシン
今回の実験ではFig.５．２−６のうき付マイクロマシン（全長５０［ｍｍ］、磁石サイズ４−２−１［ｍｍ］）を用いる。
(ii)   マイクロマシンの発射位置
マイクロマシンを発射する水面（液面）の高さはコの字型コイルと同じ高さにする。
(iii)  波形条件
正弦波、振幅＝２．４４［Ｖ］、周波数＝６［Ｈｚ］
Ｂｉａｓのみ０．７３２［Ｖ］から−０．７３２［Ｖ］まで変更する。
【０４０８】
（ｂ）  実験手順
(i)    ＰＣで図１６８から図１７５の付録１０．３のプログラム中のｂｉａｓ値を変更しＢｉａｓを設定する。
(ii)   オシロスコープを用いて形を観測する。
(iii)  マイクロマシンをコイルの高さの位置（水面；液面）で発射させ水槽の壁に接地した座標（ｙ、ｘ）を読み取る。これを１０回測定する。（Fig.５．３−４）
(iv)   読み取った値からマイクロマシン移動軌跡角度θを求める。
【０４０９】
Ｔａｎθ＝ｂ／ｃ  ⇔  θ＝Ｔａｎ-1（ｂ／ｃ）
(v)    (iv)の結果をグラフにまとめる。
【０４１０】
（３）  実験結果とＢｉａｓの影響
オシロスコープで測定したＰＣからの出力波形を図１７６から図１８０の付録１０．４のFig.１０．４−１〜Fig.１０．４−１４に示す。
【０４１１】
マイクロマシンの到達地点の座標とＭＭ移動軌跡角度θの測定データを図１８１から図１８６の付録１０．５に示す。また測定データから得られたグラフを図１５５のFig.５．３−５と図１５６のFig.５．３−６に示す。Fig.５．３−５はＢｉａｓが正の時、Fig.５．３−６はＢｉａｓが負の時である。図１５のFig.５．３−７に示すグラフはFig.５．３−５とFig.５．３−６を重ねたものである。グラフにプロットした点は１０回の測定の平均値である。バラツキを表す為、最大値と最小値も共に記す。
【０４１２】
Fig.５．３−７のグラフからＢｉａｓがマイクロマシンの進行方向制御に利いているという事が証明された。
【０４１３】
また、Ｂｉａｓの絶対値が同じ値でも正の値と負の値でマイクロマシンが傾く角度が反対になることも証明された。
【０４１４】
Ｂｉａｓ＝０［Ｖ］については、ＭＭ移動軌跡角度θ＝−０．８９［°］となった。
この結果からFig.５．２−６のマイクロマシンがＢｉａｓをかけないときはほぼ直進する事が証明できた。
【０４１５】
５．３．３  振幅の変更によるマイクロマシンの速度制御
（１）  振幅の変更によるマイクロマシンの動作影響
振幅［Ｖ］がマイクロマシンの動作にどのような影響を与えているかは不明である。振幅とマイクロマシンの動作の関係を解明する為、振幅を変化させていったときのマイクロマシンの動きを解析する。以下（２）に実験方法と手順を、（３）で実験結果をそれぞれ示す。
【０４１６】
（２）  実験方法と手順
（ａ）  実験方法
正弦波で周波数＝６［Ｈｚ］、Ｂｉａｓ＝０［Ｖ］を不変にし、振幅の値のみを変化させ、振幅を１．２２［Ｖ］から３．６６［Ｖ］まで０．２４［Ｖ］ずつ上げていった時のマイクロマシンの動作影響を調べる。また、振幅がマイクロマシンの方向制御に影響を与えているか５．３．２と同様に移動軌跡角度θも調べる。移動軌跡角度θについてはFig.５．３−４に示している。
【０４１７】
以下に実験条件を示す。
(i)    実験に用いるマイクロマシン
今回の実験ではFig.５．２−６のうき付マイクロマシン（全長５０［ｍｍ］、磁石サイズ４−２−１［ｍｍ］）を用いる。
(ii)   マイクロマシンの発射位置
マイクロマシンを発射する水面の高さはコの字型コイルと同じ高さにする。
(iii)  波形条件
正弦波、周波数＝６［Ｈｚ］、Ｂｉａｓ＝０［Ｖ］
振幅の値のみ１．２２［Ｖ］から３．６６［Ｖ］まで０．２４［Ｖ］刻みで変更する。
【０４１８】
（ｂ）  実験手順
(i)    ＰＣで付録１０．３のプログラム中のｓｈｉｎｐｕｋｕの値を変更し振幅を設定する。
(ii)   オシロスコープでＰＣからの出力波形を観測する。
(iii)  マイクロマシンをコイルの高さの位置（水面）で発射させ水槽の壁に接地した座標（ｙ，ｘ）を読み取る。これを１０回測定する。
(iv)   (iii)と平行して発射位置（０［ｃｍ］）から４５ｃｍ後までの到達時間をストップウォッチで測定する。これも１０回測定する。
(v)    読み取った値からマイクロマシン軌跡角度θ（ＭＭ軌跡角度）を求める。
(vi)   読み取った値からマイクロマシンの推進速度を求める。
(vii)  (v) 、(vi)の結果をグラフにまとめる。
【０４１９】
（３）  実験結果と振幅の影響
測定データを図１８７から図１８８の付録１０．６に示す。ＰＣから出力された出力波形を図１５７のFig.５．３−８に、ホール素子を用いて磁場内で測定した出力波形を図１５７のFig.５．３−９に示す。ホール素子については図１６７、１６８の付録１０．２に示す。
【０４２０】
振幅を変化させたときのＭＭ移動軌跡角度θおよび速度ｖの変化を図１５８のFig.５．３−１０と図１５８のFig.５．３−１１に示す。図中のプロット点は１０回の測定の平均値である。バラツキを示す為、最大値と最小値も共に記す。
Fig.５．３−８とFig.５．３−９の波形を比較すると、交流磁場発生装置内で測定されたFig.５．３−９の正弦波はＰＣから出力されたFig.５．３−８の正弦波より約０．０３［ｓ］遅れが生じていた。
【０４２１】
Fig.５．３−１０から振幅がマイクロマシンの半径方向制御に与える影響が少ない事が解明された。
【０４２２】
また、図１５８のFig.５．３−１１から振幅の値を上げるごとにマイクロマシンの推進速度が上昇する事が解明された。
【０４２３】
マイクロマシンの最低速度と最高速度はそれぞれ、最低速度＝５．１７［ｃｍ／ｓ］、最高速度＝２２．８２［ｃｍ／ｓ］とそれぞれなった。
【０４２４】
５．３．４  振幅とマイクロマシンの動きの関係
振幅を変化させるとマイクロマシンの速度が変化する事が５．３．４で解明された。しかし、マイクロマシンの速度が変化するといっても、単純にヒレの振動速度が早くなるのか、それともヒレの振動振幅の幅が大きくなり速度が変化しているのか分からない。そこで理由を解明する必要がある。以下（１）に実験方法を、（２）に実験結果を示す。
【０４２５】
（１）  実験方法
周波数＝６［Ｈｚ］、Ｂｉａｓ＝０［Ｖ］の条件の正弦波で振幅の値を１．２２［Ｖ］、２．４４［Ｖ］、３．６６［Ｖ］と変化させていった時のマイクロマシンの動きを求める。実験方法は５．３．１と同様で、距離１０［ｃｍ］の区間のマイクロマシンの動きをビデオカメラで録画し、得られた動画からマイクロマシンの頭の動きを０．０２［ｓ］毎に点にプロットし、線で結んだ。
【０４２６】
（２）  実験結果
図１５９のFig.５．３−１２に交流磁場発生装置内で測定した出力波形を示し、図１５９のFig.５．３−１３、図１６０のFig.５．３−１４、図１６０のFig.５．３−１５に振幅とマイクロマシンの動きの関係を示す。Fig.５．３−１３〜１５の横軸は水槽内のｘ座標、縦軸は水槽内のｙ座標を表し、マイクロマシンの移動軌跡を線で結んだ。
【０４２７】
結果から交流電圧の振幅値の変更がマイクロマシンの推進速度に影響を与えている事が５．３．３と同様に証明された。
【０４２８】
また、交流電圧の振幅値が小さくなればマイクロマシン本体自身の振動の振幅が小さくなる事も解明された。
【０４２９】
５．４  マイクロマシンの小型化改良
マイクロマシンはその用途から、小型化が必須である。現在のマイクロマシンは５０［ｍｍ］程度で、人体で用いる為にはやや大きな大きさである。しかし、単純に小型にすればよいというものでもない。マイクロマシンを小さくすればするほど、マイクロマシン自体に安定性がなくなっていき、まともに動作しなくなってしまう。そこでマイクロマシンの安定性を保ちつつ、小型化する必要がある。Fig.５．２−６のマイクロマシンをベースに２通りの小型化例を以下に示す。
【０４３０】
５．４．１  マイクロマシンの小型化（その１）
Fig.５．２−６のマイクロマシンをベースに小型化を進める。小型化といっても２種類方法があり。１つは元のマイクロマシンの縮尺をそのまま相似形に小さくしていく方法である。もう１つは一部の寸法をそのままにしておいて他の寸法を短くする方法である。
【０４３１】
５．４．１では前者の方法を採用する。以下（１）に作成するマイクロマシンのモデル図と実際に製作したマイクロマシンを示す。また、（２）でその性能試験と結果を示す。
【０４３２】
（１）  相似縮尺型マイクロマシン
Fig.５．２−６のマイクロマシンを０．４２％に縮尺したモデル図を図１６１のFig.５．４−１に示す。また、実際に作成したマイクロマシンの側面図を図１６１のFig.５．４−２ａに、上面図を図１９のFig.５．４−２ｂにそれぞれ示す。
【０４３３】
（２）  性能試験と結果
性能試験はマイクロマシンの安定性を判定する方法である、マイクロマシン移動軌跡角度θを調べる。マイクロマシン移動軌跡角度θの測定方法については５．３．２に記す。
Fig.５．４−２のマイクロマシンの性能試験の行った結果、このマイクロマシンは直進動作せず、不規則に回転した。したがって、マイクロマシン移動軌跡角度θは測定不能である。
【０４３４】
５．４．２  マイクロマシンの小型化（その２）
Fig.５．２−６のマイクロマシンをベースに、マイクロマシンの頭部寸法とヒレ幅寸法は変えず、ヒレの長さと厚さを変える事によりマイクロマシンを小型化する。ヒレの剛性は変えず、ヒレの厚さを薄くする事により、マイクロマシンを小型化する方法である。
【０４３５】
マイクロマシンの頭とヒレを図１９のFig.５．４−３のような片持ち梁とみなし、先端集中荷重のたわみ｜ｖ｜max を求める。
【０４３６】
｜ｖ｜max   ＝  Ｗｌ3 ／３ＥＩ
長方形の断面二次モーメント  Ｉ＝ｂｈ3 ／１２より、｜ｖ｜max   ＝  ４Ｗ  ｌ3   ／Ｅｂ  ｈ3   となる。
【０４３７】
Fig.５．２−６のマイクロマシンの｜Ｖ｜max は、以下の条件より、
シリコーンのヤング率Ｅ＝２１．３［ＭＰａ］
ヒレの長さｌ＝４．３１［ｃｍ］＝４．３１×１０-2［ｍ］
ヒレの幅ｂ＝０．９０５［ｃｍ］＝９．０５×１０-3［ｍ］
ヒレの厚さｈ＝１．２２［ｍｍ］＝１．２２×１０-3［ｍ］
｜ｖ｜max ＝  Ｗｌ3／３ＥＩ＝４Ｗ  ｌ3／Ｅｂ  ｈ3
＝４×Ｗ（４．３１×１０-2）3 
／（２１．３×１０6 ×９．０５×１０-3
×（１．２２×１０-3）3 ）
＝０．９２０Ｗ
となる。ヒレの長さｌを２．３［ｃｍ］のマイクロマシンを作成する為に最適なヒレ厚さｈは、
｜ｖ｜max   ＝  Ｗｌ3 ／３ＥＩ＝４Ｗ  ｌ3   ／Ｅｂ  ｈ3 
０．９２０Ｗ＝  ４Ｗ（２．３×１０-2）3  
／（２１．３×１０6 ×９．０５×１０-3×ｈ3 ）
ｈ＝５．６５×１０-4［ｍ］
となった。以上の結果より、以下（１）に作成するマイクロマシンのモデル図と実際に製作したマイクロマシンを示す。また、（２）でその性能試験と結果を示す。
【０４３８】
（１）  部分的縮小型マイクロマシン
図１６２のFig.５．４−４に作成するマイクロマシンのモデル図を示し、図１６２のFig.５．４−５ａに作成したマイクロマシンの側面図を、Fig.５．４−５ｂに作成したマイクロマシンの上面図をそれぞれ示す。
【０４３９】
（２）  性能試験と結果
性能試験方法は５．４．１と同様で、マイクロマシン移動軌跡角度θについて調べる。Fig.５．４−５のマイクロマシンの性能試験の行った結果、このマイクロマシンは直進動作を安定して行えなかった。したがって、マイクロマシン移動軌跡角度θは測定不能である。
【０４４０】
（６．考察）
６．１  マイクロマシンの安定化改良
マイクロマシンの形状は付録１０．７を見ても分かるように無限の組み合わせが考えられる。その中で最適な形状を見つけだすのは砂漠に隠した小石を発見するくらい困難である。今回私が提案したマイクロマシンの形状はあくまで現時点での最適であり、まともに交流磁場装置内で動作出来る最低限の性能しか持ち合わせていない。
【０４４１】
比較例のマイクロマシンの安定性はマイクロマシン移動軌跡角度θ（５．３参照）で判定すると測定不能であり、水中で発射させるとそのまま沈んでしまい、まともに直進しなかった。また、動作したとしても、水槽の底を擦って推進していたので、摩擦などの要素から動作の信頼性が無かった。今年提案したFig.５．２−４のマイクロマシンは沈むことなく、直進動作することができ、また、マイクロマシン移動軌跡角度θは−０．８９［°］で動作の安定性の面でバージョンアップ出来た。
【０４４２】
以下、図１６３のFig.６．１−１とFig.６．１−２に比較例のマイクロマシンと本実施形態のマイクロマシンの比較をする。
【０４４３】
今後の課題としては、安定性を保ったままの小型化が考えられる。５．４でマイクロマシンの小型化の試みを行ったが、満足の行くマイクロマシンの開発には至らなかった。
【０４４４】
今後の方向性としては、現在のマイクロマシン全体の尺度を相似的に縮小していくやり方と剛性を考慮したヒレの縮小が考えられるが、ヒレの縮小には限界があり、本来の目的である微細な医療用マイクロマシンの開発を考えると、これから進む方向としては全体を相似的に縮尺していく方が良いと考えられる。具体的にマイクロマシンを縮小してく方法としては、現在は表面が荒い石膏の型から製作しているので、製作手段に精度の高い金型を使用する事も視野に入れなければいけない。金型を作るには技術が必要なので、外注する必要もある。
【０４４５】
また、現在のマイクロマシンは二次元上を移動する事を前提に作られているので、近未来的に考えている三次元方向の制御には形状上不向きな可能性が高い。したがって、三次元の方向制御に用いる事の出来るマイクロマシンの形状の変更も考えられる。この三次元の方向制御が実現すると仮定すると、現在のマイクロマシンの頭部に用いているうきが問題になる可能性がある。現在はうきを用いる事によって上下方向（ｚ軸方向）の安定性を確保しているが、上下方向の制御が可能になればうきの必要性が薄くなる。したがって、うき無しでも安定した動作が出来るマイクロマシンを開発する事も視野に入れておかなければいけない。またうきを入れることによって発生する問題がある。医療用として使用する場合、現在うきを仕込んでいるマイクロマシン頭部に薬剤やカメラを仕込む必要がある。その為、頭部が重くなり、沈んでしまう問題がある。この問題は現在の装置の上下に静磁場発生させるコイルを用い、静磁場を発生させ上方向にマイクロマシンを引きつける事によってあるいは解決出来るかも知れない。
【０４４６】
マイクロマシンの動作は大きく分けて３パターンあるといえる。
（１）  適度なヒレの振幅から、真っ直ぐに直進する動作。
（２）  ヒレの振幅が大きすぎ、マイクロマシン自身が回転する動作。
（３）  ヒレの振幅が小さすぎ、マイクロマシンが微動する動作。
【０４４７】
この３パターンの違いは剛性によるところが大きいと考えられる。具体的にはデータが少ないので確実とは言えないが、５．４でも用いた、たわみの式｜ｖ｜max ＝４Ｗ  ｌ3 ／Ｅｂ  ｈ3 から荷重Ｗ（マイクロマシンがコイルから引きつけられる力と考えられる。つまり波形条件が同じであればよい）とシリコーンのヤング率Ｅが同じ条件だと仮定して、４ｌ3 ／ｂ  ｈ3 のみ抜き出した場合の比較を考えると、
ヒレの長さ  ｌ＝４．３１［ｃｍ］＝４．３１×１０-2  ［ｍ］
ヒレの幅  ｂ＝０．９０５［ｃｍ］＝９．０５×１０-3［ｍ］
ヒレの厚さｈ＝１．２２［ｍｍ］＝１．２２×１０-3［ｍ］
４＊（４．３１×１０-2）3   ／  （９．０５×１０-3  ＊（１．２２×１０-3）3）＝１．９６×１０7 ［−］
から４ｌ3／ｂ  ｈ3 が１．９６×１０7 より極端に大きい値の場合マイクロマシンが微動し、極端に小さい場合は回転すると考えられる。１．９６×１０7 の値に近い場合のみマイクロマシンが直進する。
【０４４８】
６．２  正弦波によるマイクロマシンの制御
直進できるマイクロマシンの完成は次のステップである半径方向の制御を可能にした。マイクロマシンは電圧の波形によって制御することが出来る。５．３．１で周波数のマイクロマシンに及ぼす影響を、５．３．２でＢｉａｓのマイクロマシンに及ぼす影響を、５．３．３で振幅のマイクロマシンに及ぼす影響をそれぞれ解明した。以下にそれぞれの関係を詳しく説明する。
【０４４９】
周波数がマイクロマシンに及ぼす影響は、マイクロマシンの振れ幅θであると考えられる。５．３．１から、周波数とマイクロマシンの振れ幅の関係について考えると、
Fig.５．３−１ｂより、周波数が３［Ｈｚ］のマイクロマシンの振れ幅＝２５［ｍｍ］、
Fig.５．３−２ｂより、周波数が６［Ｈｚ］のマイクロマシンの振れ幅＝１０［ｍｍ］
Fig.５．３−３ｂより、周波数が９［Ｈｚ］のマイクロマシンの振れ幅＝４［ｍｍ］となり、周波数が大きくなるにつれ、マイクロマシンの振れ幅が小さくなるのが分かる。
【０４５０】
よって、この結果より、周波数がマイクロマシンに及ぼす関係がマイクロマシンの振れ幅であると証明出来る。マイクロマシンの振れ幅はマイクロマシンを制御するにあたって、動作の安定性を確保する要素であると考えると、今回の結果より数センチ単位のマイクロマシンを制御する最適値な周波数６［Ｈｚ］であるといえる。
【０４５１】
Ｂｉａｓがマイクロマシンに及ぼす影響はマイクロマシンの振れ幅θの位相であると考えられる。５．３．２から、Ｂｉａｓとマイクロマシンの振れ幅の位相の関係を考えると、Fig.５．３−７から、Ｂｉａｓを正にかけると、マイクロマシンの進行方向が右（ｙ座標の正方向）に傾いていくのが分かる。また、Ｂｉａｓを負にかけると、マイクロマシンの進行方向が左（ｙ座標の負方向）に傾いていくのが分かる。このことから、Ｂｉａｓがマイクロマシンの半径方向の制御に影響を与えているのが証明出来た。
【０４５２】
振幅がマイクロマシンに及ぼす影響はマイクロマシンの振れ幅θの速度であると考えられる。５．３．３から、振幅とマイクロマシンの振れ幅の速度の関係を考えられると、Fig.５．３−１１より、マイクロマシンの速度を読み取ると、
振幅１．２２［Ｖ］のときのマイクロマシンの速度＝    ６．０［ｃｍ／ｓ］
振幅２．４４［Ｖ］のときのマイクロマシンの速度＝  １３．５［ｃｍ／ｓ］
振幅３．６６［Ｖ］のときのマイクロマシンの速度＝  ２０．０［ｃｍ／ｓ］
となり、振幅が大きくなるにつれ、マイクロマシンの速度が速くなるのが分かる。よって、この結果より、振幅がマイクロマシンに及ぼす関係がマイクロマシンの振れ幅の速度、すなわちマイクロマシンの速度であると証明出来た。
【０４５３】
この３要素をまとめると、それぞれ下の図１６３のFig.６．２−１に対応する、
周波数→磁石の振れ幅→マイクロマシンの振れ幅θ
Ｂｉａｓ  →磁石の振れ幅の範囲→マイクロマシンの振れ幅θの位相
振幅  →磁石の振れ幅の速さ→マイクロマシンの振れ幅θの振れる速度
にまとめられる。つまり、
周波数→最適な振れ幅の値を求めて固定
Ｂｉａｓ  →マイクロマシンの半径方向制御
振幅  →マイクロマシンの速度制御
の関係が成り立つ。
【０４５４】
今後の課題としては、三次元方向の制御が考えられる。現在は二次元方向でしか制御出来ないが、胃など体内で使用するにあたり三次元制御も視野に入れなければいけない。３次元制御をするにあたって、６．１でも述べた通り、マイクロマシンの形状の変更も考えられる。また、三次元で上下方向を制御するにあたって、重力の概念も視野に入れなければいけないかも知れない。具体的にはマイクロマシンを水面に浮かべると沈んでしまうので、常に上方向から静磁場で引きつける必要があるかも知れない。
【０４５５】
（７．  結言）
・  マイクロマシンを二次元で方向制御することが可能になった。
【０４５６】
・  安定した直進動作を可能にするうき付マイクロマシンの開発に成功した。
【０４５７】
・  出力電圧の波形（正弦波）のＢｉａｓ値を変更する事によってマイクロマシンの半径方向の制御が可能になった。
【０４５８】
・  出力電圧の波形（正弦波）の振幅値を変更する事によってマイクロマシンの速度制御が可能になった。
【０４５９】
・  周波数の値がマイクロマシンの触れ幅に関係している事が解明された。
【０４６０】
（付録）
１０．１    シリコーンのヤング率
１０．２    ホール素子
１０．３    正弦波を出力するプログラム
１０．４    Ｂｉａｓの変更と電圧の波形の変化
１０．５    Ｂｉａｓを変更した時のＭＭ移動軌跡角度θの測定データ
１０．６  振幅を変更した時のＭＭ移動軌跡角度θと速度の測定データ
１０．７  マイクロマシンの失敗例
〔実施の形態７〕
本実施形態では、図１９２ないし図２４４を参照しながら、上記実施の形態２に記載のマイクロマシンの駆動システム１ａと、当該マイクロマシンの駆動システム１ａを構築するにいたった経緯とを詳細に説明する。
【０４６１】
（１．緒言）
マイクロマシンとはその名の通り、その機械要素がμｍ単位で表されるものであり、非常に小さな機械の事である。この特性を利用して、様々な活用法が挙げられる。例えば、化学プラントの配管など人間が入れない所に入って、非破壊的に保守点検、補修等を行うことができる。また、医療分野において、マイクロマシンを口から飲み込んだり、血管の中に注射して患部まで誘導し、必要な処置をしたり、直接薬を投与したりすることができる。
【０４６２】
本実施形態では、前述したような人体の胃や腸などに入って、検査や薬剤投与、治療などができる医療用のマイクロマシンの開発を目標に、そのアクチュエータの駆動システムを開発し、最適なアクチュエータの構造を提供する。
【０４６３】
アクチュエータに要求される要素を以下に示す。
【０４６４】
１）  小型で単純構造であること
２）  非接触による動力供給ができること
３）  遠隔操作ができること
以上の条件を満たすことのできる動力源として磁気を利用した。
また、マイクロマシンを駆動するには変動磁場を発生させることができる磁場発生装置が必要であるが、既存の装置ではマイクロマシンの三次元制御を行うためには磁場発生装置自体に回転機構を取り付けなくてはならず、制御が難しく、またコストも高くなってしまう。そこで本実施形態では、磁場発生装置の形状を変更することによって実験装置自体を簡素化し、三次元制御の簡易化、及びコストの削減を計ることを目的としている。
【０４６５】
（２．  研究背景）
２．１  マイクロマシンの現状
マイクロマシンというのは、８０年代後半に米カリフォルニア大学バークレー校などで、シリコン基盤上約１００ミクロンのモーターを作成したのが研究の始まりである。８０年代の後半から日本でも研究が始まり、１９９１年には通産省によるマイクロマシン開発の大型プロジェクトが推進される。
【０４６６】
マイクロマシンとしては、様々な分野で必要性が問われるが、特に医療の分野においては革命的な進化が得られると言われている。
【０４６７】
例えば、がん治療において難関の一つに、抗がん剤による副作用がある。もし、抗がん剤を入れたカプセルと一体化したマイクロマシンが体内を移動して幹部に直行し、がん細胞を狙い撃ちするように抗がん剤を放出するような薬剤運搬システム（ドラッグ・デリバリー・システム：ＤＤＳ）が実現すれば、副作用の心配もなく大きな治療効果が期待でき、投与する薬の量も当然少なくて済む。日本の医療は薬漬けの要素が強く、国民医療費は国の財政負担を増加させている。患部を直撃するＤＤＳが本格的に実用化すると、医薬品の消費量を大幅に削減でき、財政負担を軽減するといる二次元効果を期待できる。このように、医療用マイクロマシンの研究開発が早急に求められている。
【０４６８】
２．２  マイクロマシンとは
マイクロマシンとはその名の通りμｍつまり、１ミリの１，０００分の１という単位で計られる微小機械のことである。また、マイクロマシン技術はメカニクス（機械工学）、エレクトロニクス（電子工学）、をはじめとして科学、物理学、光学、生物学、医学など広範囲な分野からなる技術系である。また、（財）マイクロマシンセンターではマイクロマシンを「微小で複雑な作業を行うために、大きさ数ｍｍ以下の高度な機能要素から構成された微小な機械」と定義している。
【０４６９】
２．３  マイクロマシン技術の実用化と今後について
マイクロマシンの実用化には２つの段階がある。第１は、製品そのものはマイクロマシンと呼べないが、その製作過程において、マイクロマシンに関連した材料、加工、デバイス製作などが用いられているものである。第２は、製品そのものがマイクロマシンと呼べるものであり、国による研究開発プロジェクトが対象としている分野である医療用マイクロマシン、メンテナンス用マイクロマシンなどが該当する。マイクロマシン技術は幅広い分野において活用されている。その代表例がインクジェットプリンタのヘッド部、自動車のエンジン制御圧力センサー、エアバックやＤＮＡチップなどがある。このようにマイクロマシン技術は情報通信分野、バイオテクノロジー分野において実用化されており、更なる応用が期待されている。
【０４７０】
さらに、マイクロマシン技術は２１世紀の科学技術として注目されているナノテクノロジーとも密接に関係している。本実施形態では胃や腸を対象にしているが、血管内を患部まで動くマシンを作るには１００〜２００ナノの大きさが望ましいと言われている。
【０４７１】
３  磁場の生体への影響
３．１  磁場の生体への影響について
本実施形態においてマイクロマシンのエネルギー供給源として磁場を使用しているが、実用にむけて磁場の生体への影響については考えなければならない。磁場の生体への影響については、まだはっきりしたことが解明されていないのが現状である。最近の携帯電話の普及により、携帯電話の出す電磁波がペースメーカーなどに影響を及ぼすことがあるために、電車の車内放送で電源を切るように促すアナウンスがあり、磁場の生体などへの影響については関心がたかまっている。
【０４７２】
３．２  定常磁場
静磁場に関する安全基準として初期のものは大型加速器の基準で、アメリカと旧ソ連のものがあり下の図１９２のTable ３．２−１に示す。
また、加速器周辺で働く人の長時間（８時間／日）全身曝露は２０〜３０［ｍＴ］以下と地磁気（３０〜７０［μＴ］）の千倍程度を限界としている。なお、旧ソ連では空間的な磁場勾配を配慮している。次に最近の安全基準の例として、病院等でよく利用されているＭＲＩの安全基準を図１９２のTable.３．２−２に示す。
表から分かるとおり被験者は強い磁場がかかっていることが明らかである。また、オペレータの長時間被爆は２０［ｍＴ］以下と昔の基準が引き継がれている。
【０４７３】
３．３  非定常磁場
時間的に急変する磁場は組織に磁場を誘起させ、筋、神経、の興奮を引き起こす。これは、生体組織や体液が電導性を持つため、交流磁場やパルス磁場中に曝露されると電磁誘導により生体内に渦電流が生ずるためである。次に時間的に変動する磁場でのＭＲＩの安全基準を図１９２のTable.３．２−３に示す。
【０４７４】
また、病院におけるＭＲＩ室の設計上の注意を記載したイギリスの例では公衆の曝露限度を０．５［ｍＴ］程度、スタッフの曝露限度は１０［ｍＴ］としている。アメリカのＦＤＡ(Food and Drug Administration)では０．５［ｍＴ］を心ペースメーカーの立ち入り禁止区域としている。近年では生体よりも体内人工素材の方に問題が多いのが現状である。
【０４７５】
４．実験装置
４．１  既存の磁場発生装置
図１９３にFig.４．１−１  既存コイルの出力磁場の計算を示す。
【０４７６】
４．１．１  既存コイルの出力磁場の計算
磁束密度Ｂは次式で求められる。（参考文献：電気磁気学、筑弛武彦著）
Ｂ＝Φ／Ｓｒ＝（μo ＮＩ）／｛（Ｌ／μr ）＋Ｌｏ｝            （４−１−１）
＝｛μo Ｎ（Ｖ／Ｒ）｝／｛（Ｌ／μr ）＋Ｌｏ｝              （４−１−２）
＝｛μo Ｎ（Ｖ／Ｌc Ｒo ）｝／｛（Ｌ／μr ）＋Ｌｏ｝        （４−１−３）
４．１．２  材料の選定
必要な条件としては磁場発生域の中央で２ｍＴ以上の磁束密度が発生できることが必要である。
【０４７７】
銅線の径ｄによる内部抵抗Ｒの値をTable.３．３−１に示す。そして、銅線の径ｄ、巻数ｎ、及び鉄心の面積Ｓ及び磁場経路Ｌにより得られる磁束密度Ｂの値をTable.３．３−３に示す。
【０４７８】
これらの表より、材料を選定する。また、磁場発生経路Ｌｏを１１０ｍｍとして設計してある磁場装置を図１９２のFig.３．３−２に示す。
【０４７９】
４．１．２
（１）コイルに流れる電流値を求める。
【０４８０】
まず、鉄心断面の外周が２００［ｍｍ］（縦５０［ｍｍ］、横５０［ｍｍ］）の場合についての長さが、コイル一巻２００［ｍｍ］として、電圧２［Ｖ］を与えたときの１条（層）あたりの巻数ｎと電流値Ｉの関係を以下の各式を用いて計算した。既存のコイルの巻数ｎは７２、コイル（銅線）の直径ｄは、１．６［ｍｍ］である。ただし、条（層）とは鉄心にコイルを重ねて巻くときの重なり数の数を表す。
【０４８１】
１条巻の場合は、
Ｒ＝  （ｎ×２００×１０-3）×１０-3×Ｒ                      （４−１−４）
Ｉ  ＝  ２／Ｒ                                                （４−１−５）
となる。
【０４８２】
また、２条巻の場合は、
Ｒ  ＝  ｛ｎ×２００×１０-3  ＋ｎ×（２００＋８×ｒ）×１０-3｝
×１０-3×Ｒ                                        （４−１−６）
Ｉ  ＝２／Ｒ                                                  （４−１−７）
となる。
【０４８３】
同様に３条巻きは、
Ｒ  ＝｛ｎ×２００×１０-3＋ｎ×（２００＋８×ｒ）×１０-3
＋（２００＋８×ｒ）×１０-3｝×１０-3×Ｒ              （４−１−８）
となる。
【０４８４】
さらに、（４−１−８）式にそれぞれの値を代入すると、
Ｉ  ＝３．６８［Ａ］                                          （４−１−９）
となる。
【０４８５】
４．１．２．２  出力される磁束密度を求める。
【０４８６】
鉄心の経路Ｌｒ、磁場発生距離Ｌｏ、巻数ｎ、電流Ｉが与えられた時、式（４−１−３）を用いて磁束密度Ｂが求められる。これより図１９３のFig.４．１．２の１、２の磁場発生経路Ｌｏが１１０［ｍｍ］のときの磁束密度Ｂを求める。
【０４８７】
１の時は、
Ｂ＝｛μo Ｎ（Ｖ／Ｌc Ｒo ）｝／｛（Ｌ／μr ）＋Ｌo ｝
＝６．８４［ｍＴ］                                          （４−１−１０）
となる。
【０４８８】
また、２の時は、
Ｂ＝６．８３［ｍＴ］                                          （４−１−１１）
となる。
【０４８９】
以下に本実施形態で新しく提案した磁場発生装置の開発にあたり参考にした、従来の電磁石の加工指示書を示す。図１９４のFig.４．１−２は磁場発生経路Ｌｏが１１０［ｍｍ］として設計された電磁石の正面図と側面図である。実際にはFig.４．３−３に示すように、薄い板状の電磁鋼板を互い違いに重ね合わせてひとつの電磁石を構成している。Fig.４．１−２図中に図番１と２のように寸法の異なる２種類の鉄心を用いたのは、図１９５のFig.４．３−４に示すように、電磁石を６台並べた時に、コイル部が干渉して隣の鉄心同志を隙間なく重ね合わせることができなくなるのを防ぐために、コイル部位置がずれるようにしたためである。
【０４９０】
４．１．３  有限要素法解析（ＣＯＳＭＯＳ／Ｍ）での磁束密度解析
Fig.４．１−２の２の電磁石の方が１の電磁石より磁場経路Ｌが長い分、磁束密度の値が低くなる。よって２の電磁石が条件を満たしていれば１も条件を満たすことになる。有限要素法解析（ＣＯＳＭＯＳ／Ｍ）で磁束密度解析を行った。その解析結果を次の図１９６のFig.４．１−５に、矢印間の磁束密度の値をグラフにしたものを図１９６のFig.４．１−６に示す。電磁石の両端では約０．０９［Ｔ］、つまり９［ｍＴ］の磁束密度が発生していることがわかる。また、矢印のFig.４．１−５の矢印中央付近でも６［ｍＴ］とマイクロマシンを駆動させることが可能な、磁束密度が発生していることが読み取れる。
【０４９１】
４．１．４  従来の磁場発生装置に発生した磁束密度
実際に旧磁場発生装置に発生した磁束密度を、テスラメータを用いて測定した。測定したポイントを図１９７のFig.４．３−７に、測定した結果Table.４．３−１、それをグラフ化したものを図１９７のFig.４．３−８に示す。
【０４９２】
図１９８のTable.４．１−２、Fig.４．１−８より従来の磁場発生のそれぞれの場所による磁束密度の値が読み取れる。今回行った有限要素方解法は、平面的な解析ではあったが実測値とほぼ変わらない解析結果を得ることができた。また磁場発生装置の中央付近、２−ｂ，２−ｃ，２−ｄは、２−ａ，２−ｅに比べて比較的高い値となっている。これは磁場が周囲に広がることができず、磁場が装置内にこもっているからであると考えられる。
【０４９３】
４．２  新型アクチュエータの駆動システム
Fig.４．２−１に直交磁場発生装置の概要を示す図を図１９８に示す。
１  Ｐａｒｓｏｎａｌ    Ｃｏｍｐｕｔｅｒ
プログラムを用いて電圧の波形を作り、Ｄ／Ａ変換ボードを介してアナログ信号を出力する。
２  Ｐｏｗｅｒ    Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ
パソコンからの電圧出力を増幅し、磁場発生装置に送る。
３  Ｅｌｅｃｔｏｒｏｍａｇｎｅｔ
アクチュエータを駆動させるための交流磁場を発生させる。
４  Ａｃｒｙｌｉｃ    ｒｅｓｉｎ    ｌｉｑｕｉｄ    ｔａｎｋ
アクチュエータを挿入して泳動させるためのアクリル製液層。
５  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ
フロート、磁石、ヒレから成り、交流磁場により磁石が振動することで推進力を得る。
【０４９４】
４．３装置の構成要素
装置の各構成要素は以下の通り
○電磁石の鉄心
川崎製鉄株式会社製  電磁鋼板５０ＲＭ１３００
透磁率  １８６０（平均値）
加工：珪鋼商事株式会社
詳細形状・寸法をFig.３．３．２、Fig.３．３．３、に示す。
○  アクリルパイプ
長さ５０［ｍｍ］  外形４０［ｍｍ］  内径３６［ｍｍ］
○  液槽
厚さ３［ｍｍ］  アクリル板製の幅１００［ｍｍ］、高さ５５［ｍｍ］、
長さ３２８［ｍｍ］の液槽。
○  ＤＡ変換ボード（ＰＣＩボード）
Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ社製  ＰＣＩ−３３２９
ＯＳ：  Windows(登録商標)98・Windows(登録商標)95・Windows(登録商標)
出力チャンネル数：８チャンネル
出力レンジ：±５［Ｖ］、０〜５［Ｖ］
セトリングタイム：１０［μｓｅｃ］（１チャンネルあたり）
外部電源出力：＋［５Ｖ］（負荷電流１００［ｍＡ］以下）
＋１２［Ｖ］、−１２［Ｖ］（負荷電流１０［ｍＡ］以下）
電源仕様：ＤＣ＋５［Ｖ］、０．５［ｍＡ］
ＤＣ＋１２［Ｖ］、５０［ｍＡ］
ＤＣ−１２［Ｖ］、２０［ｍＡ］
ドライバ：CP3329.VxD(Windows(登録商標)95、98)
CP3329.SYS(Windows(登録商標)NT)
（ともに付属されている。）
対応言語：Microsoft Visual C++ Ver4.2,5.0,6.0
Microsoft Visual Basic Ver4.0(32ヒ゛ット版)5.0,6.0
Borland C++ Ver5.0
Borland C++Builder   Ver5.0
Borland C++ Delphi   Ver5.0
○  ターミナル
Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ社製  ＴＲＭ−８０００
○  電力増幅器
ａ  株式会社エヌエフ回路設計ブロック製  ＴＡ−２５０
ｂ  株式会社エヌエフ回路設計ブロック製  ４５０５
ａとｂは当初２チャンネルで制御をする予定で、２台購入したが、本研究ではリレー方式まで開発できなかったので、実験では主にａを用いた。
【０４９５】
以下に入出力時の仕様を示す。
【０４９６】
図２００は、Fig.４．３−１の電力増幅器の入力仕様、および、Fig.４．３−２の電力増幅器の入力仕様を示す。
【０４９７】
４．４  直交磁場発生装置
４．４．１  直交磁場発生装置の設計
設計するにあたって次のことを目標とした。
１  磁極の間隔は１８０［ｍｍ］とする。
２  中心スペースの長さを５００［ｍｍ］とする。
３  磁極間中央で２［ｍＴ］以上の磁束密度を得る。
【０４９８】
４．３．２．２、  ４．３．３、４．３．４より、計算で磁束密度を求めるより有限要素法  （ＣＯＳＭＯＳ／Ｍ）で磁束密度解析をした方が、コイルに発生している磁束密度を正確に測定でき、また計算では分からない場所の磁束密度を計測できることがわかった。これは、図１９９のFig.４．３−１の磁場発生域経路断面積Ｓｏから磁場発生域経路Ｌｏにかけて磁場が周囲に広がっているからであると考えられる。このことから新型磁場発生装置は、既存の実験装置と有限要素法解析（ＣＯＳＭＯＳ／Ｍ）での解析をもとに開発設計した。
【０４９９】
また、既存の装置ではマイクロマシンの三次元制御を行うためには磁場発生装置自に回転機構を取り付けなくてはならず、制御が難しく、またコストも高くなってしまう。そこで本実施形態では、磁場発生装置の形状を変更することによって実験装置自体を簡素化し、三次元制御の簡易化、及びコストの削減を計ることを目的とした。本研究室が新たに提案した磁場発生装置を図２０１のFig.４．４−１から図２０２のFig.４．４−３に示す。
【０５００】
ひとつの灰色の部分には１．６［ｍｍ］被覆銅線が、６０回捲で５条巻いてある。図２０１のFig.４．４．１に示していないが、縦方向にも同じように銅線が巻いてある。
【０５０１】
完成した直交磁場発生装置をFig.４．４−４からFig.４．４−７に示す。
【０５０２】
４．４．２  有限要素法解析（ＣＯＳＭＯＳ／Ｍ）での磁束密度解析
Fig.４．４−１で２（Ａ）の定電流を横方向のみと縦横同時にかけた場合の磁束密度分布求めるため、有限要素法を用いて解析を行った。その時の解析条件は、以下に示すように、
電磁鋼板５０ＲＭ１３００  透磁率      ：  １８６０          ［Ｈ／ｍ］
電磁鋼板５０ＲＭ３１０    透磁率      ：  ２４００          ［Ｈ／ｍ］
空気                透磁率    ：  １．２６×１０−６      ［Ｈ／ｍ］
電流密度  ：  ±１．０×１０−６      ［Ｈ／ｍ］
である。
【０５０３】
図２０３のFig.４．４−４からFig.４．４−７までは、装置の写真を示す。図２０４のFig.４．４−８には横方向にのみ定電流を流した時の解析結果と、その上部、中部、下部矢印間の磁束密度の分布図を図２０４のFig.４．４−９、図２０５のFig.４．４−１０、Fig.４．４−１１に示す。図２０５のFig.４．４−１２に縦横方向同時に定電流を流した時の解析結果、図２０６のFig.４．４−１３は電流を流したときの極の向きを表した図で、図２０６のFig.４．４−１４からFig.４．４−１６までは、Fig.４．４−１２で示す上部、中部、下部矢印の間の磁束密度分布を示したものである。縦軸の単位はテスラ［Ｔ］である。Fig.４．４−１２で示す上部、中部、下部矢印の間の磁束密度分布を示したものである。
【０５０４】
５．  実験方法及び実験結果
５．１実験装置内での磁束密度解析
直交磁場発生装置を設計するにあたって有限要素法解析を用いた。マイクロマシンを駆動させることができだけの磁束密度は４．４．２の解析結果で得られたが、テスラメータなどを用いて、実際実験装置で発生している磁束密度をそれぞれの場所で測定した。
【０５０５】
５．１．１実験方法
１）実験装置と定電流電源を接続する。
２）横方向にのみ２［Ａ］の電流を流す。
３）Fig.５．１−１に示したそれぞれの場所の磁束密度をテスラメータで３回計測しその平均値を算出しグラフ化する。
４）有限要素法を用い解析した結果、Fig.４．４−９と図２０７のFig.５．１−１の中段Ｂ面の測定結果を比較し、解析結果通りマイクロマシンが駆動する２［ｍＴ］以上の磁束密度が発生しているか確認する。ただし、Ａ、Ｂ、Ｃ面のそれぞれの１、２、３のポイントにはａからｅまでの奥行きがあるため１、２、３はａからｅまでの平均した値を使う。Ａ面をFig.５．１−５にＢ面をFig.５．１−６に、Ｃ面をFig.５．５−７に、グラフにして示す。縦横方向同時に２［Ａ］流した時の１、２、３の平均値のグラフも同様にFig.５．１−１１、Fig.５．１−１２、Fig.５．１−１３に示す。
５）縦横方向同時にFig.４．４−１３のような磁極の向きになるように電流２［Ａ］の電流を流し、上記のことを繰り返す。
【０５０６】
５．１．２実験結果
１）横方向にのみ２［Ａ］の電流を流したときの磁束密度の値をFig.５．１―１の高さＡ、Ｂ、Ｃと、それぞれにわけてグラフ化する。上段Ａ面を図２０８のFig.５．１−２に示し、図２０８のFig.５．１−３に中段Ｂ面を、図２０９のFig.５．１−４に下段Ｃを同じように示す。
【０５０７】
図２０８のFig.５．１−２  、Fig.５．１−３、図２０９のFig.５．１−４より共通してわかることは、磁束密度の値は中央１より磁極に近い両端２、３の方が大きくなっていることである。特に磁極に近いＢ面の両端の値は１２［ｍＴ］という大きなものになっている。また、磁極から遠いＡ、Ｂ面の中央２付近でも６［ｍＴ］、３［ｍＴ］と、どちらもマイクロマシンを駆動させることのできる値を得ることができた。
【０５０８】
有限要素法を用いて解析したFig.４．４−９からFig.４．４−１１のグラフと、実際に測定して平均をとった図２０９のFig.５．１−５からFig.５．１−７を比較すると、多少は磁束密度の値に差があるとはいえ、極から離れていて、磁束密度の値が低下すると予想される中央Ａでは３［ｍＴ］、６［ｍＴ］、３．４［ｍＴ］と実際に計測した値と、有限要素法で解析した値がほぼ一致した。
【０５０９】
２）縦横方向同時に２［Ａ］の電流を流したときの磁束密度の値をFig.５．１−１の高さＡ、Ｂ、Ｃと、わけてグラフ化する。図２１１のFig.５．１−８に上段Ａをまとめ、図２１１のFig.５．１−９に中段Ｂを、図２１２のFig.５．１−１０を下段Ｃとして示す。図２１３は、Fig.５．１−１２、１３を示す。
【０５１０】
縦横方向に２［Ａ］の電流を流し、実験装置内で実際発生している磁束密度と、有限要素法で解析した結果の比較をしたが今回も先の実験同様、測定した値と解析した値がほぼ同じ結果となり目標とする結果を得ることができたといえる。
【０５１１】
５．２  実験装置内での電流と磁束の向きの関係
５．１の実験より直流電流２［Ａ］を流した時、実験装置内では有限要素法によって、得ていた値とほぼ同じ結果になり、マイクロマシンが駆動することがわかった。次に、マイクロマシンの方向を制御するために必要である装置内の磁束の向きを、縦方向、横方向の電流の大きさを変えることに任意の向きに変えることができるか実験した。ここでは、マイクロマシンをリリースする場所として最も多く使われるであろう中心Fig.５．１−１，Ｂ面２の箇所の、磁束の向きを電流値を変えながらデジタルテスラメータで測定した。
【０５１２】
５．２．１  実験方法
１）  装置に定電流計を接続する。
２）  横方向に２［Ａ］の電流を流しながら、縦方向に０［Ａ］から２．０［Ａ］まで０．２［Ａ］ずつ電流を増しながら、デジタルテスラメータでそのときの横方向、縦方向の磁束密度の値をコンピュータにとりこむ。このときFig.５．２−１に示すように横方向にＸ軸、縦方向をＹ軸とし、その間の角度、つまり磁束の向きをθ［°］とする
３）  図２１４は、Fig.５．２−１からFig.５．２−３を示す。縦方向つまりＹ軸方向に２．０［Ａ］まで電流を流したら、今度はＹ軸方向２．０［Ａ］を固定し、Ｘ軸方向の電流を２．０［Ａ］から０［Ａ］まで０．２［Ａ］ずつ電流を減らしながら、デジタルテスラメータで、そのときのＸ軸Ｙ軸方向の、磁束密度の値をコンピュータにとりこむ。
４）  コンピュータにとりこんだ、Ｘ成分Ｙ成分の値を、三角関数を用い、Ｘ軸からの角度θ［°］でグラフに示した。Ｘ軸方向を２［Ａ］と固定しＹ軸方向の値を増加させていったときの磁束の向きθ［°］を図２１４のFig.５．２−２に、それとは反対にＹ軸方向を２［Ａ］と固定しＸ軸方向の値を減ら減少させていったときの磁束の向きθ［°］を図２１４のFig.５．２−３に示す。
【０５１３】
５．２．２  実験結果
結果を図２１５のFig.５．２−２と、Fig.５．２−３に示す。
【０５１４】
Fig.５．５−２より、今回の条件の下Ｘ軸を固定しＹ軸方向の電流の値を変化させていくと０°から−４３°また、Fig.５．５−３よりＹ軸を固定しＸ軸方向の電流の値を変化させていく−４１°から−８６°と、２方向の電流の値を変化させていくことによって約０°から−９０°の範囲で磁束密度の向きを変えることができた。
【０５１５】
５．３  交流電流を流したときの装置内の波形と磁束密度
５．１、５．２の実験より直流電流を流した装置内では、解析結果通りマイクロマシンを駆動させるだけの磁場を測定することができた。次に、実際マイクロマシンを駆動させることになる、交流電流を流したときの装置内での波形と磁束密度を測定し、マイクロマシンが直進できるかを実験した。
【０５１６】
本実施形態では、交流電流を流したときの装置内の波形を測定するのにホール素子を使用した。ＶＨＥ−２１２Ｓ（日本ビクター株式会社製）を使用した。ホール素子が壊れてしまう最大定格を図２１５のTable ５．３−１に示す。また、５００［Ｇ］を基準としたときの入力電流Ｉと出力電圧Ｖの基本特性を図２１５のFig.５．３−１に示す。
ホール素子に１０［ｍＡ］の電流を流すことによって、ホール素子からの出力電圧と交流磁場の関係は、５３０［ｍＶ］＝５００［Ｇ］となる。ホール素子に１０［ｍＡ］の電流を流す為に簡単な回路を組んだ。それの回路図を図２１５のFig.５．３−２およびFig.５．３−３に示す。
【０５１７】
１  電源  Ｖ＝４．５３０［Ｖ］
（単三電池三本を用いた。）
２  固定抵抗  Ｒ１＝１３０［Ω］
（１００［Ω］と３０［Ω］の二つを用いた。
【０５１８】
３  可変抵抗  Ｒ２＝２５．４［Ω］
（５０（Ω）まで変化させることの出来るものを用いた。）
４  ホール素子  Ｒ３＝３２６［Ω］
（内部抵抗が３２６［Ω］となっている。）
以上の１２３４の値をオームの法則Ｉ＝Ｖ／Ｒに代入すると
【０５１９】
【数３】
2006062071.tif 000005
【０５２０】
となり、式（５．３．１）よりホール素子に１０［ｍＡ］流れたことになる。
【０５２１】
５．３．１  実験方法
１）  コンピュータ、電力増幅器、オシロスコープをつなぐ。
２）  付録２のプログラミングより正弦波を出力し、増幅器から出力されている波をオシロスコープを介し、正弦波であるか確認する。
３）  コンピュータ、電力増幅器、直交磁場発生装置をつなぎ、付録２のプログラミングより正弦波を出力し、ホール素子で装置内の波形を確認する。
４）  縦方向、又は横方向のみ交流電流を流しデジタルハイテスター、テスラメータを用い、装置内の中心での直交方向の磁束密度と、その時の電力増幅器から増幅されている交流電圧を測る。
５）  縦横同じ大きさの交流電流を流しデジタルハイテスター、テスラメータを用い装置内の中心での直交方向の磁束密度と、その時の電力増幅器から増幅されている交流電圧を測る。
【０５２２】
５．３．２  実験結果
増幅器から出力された横方向の波形を図２１６のFig.５．３−３、ホール素子でとった波形を図２１６のFig.５．３−４に、増幅器から出力された縦方向の波形を図２１６のFig.５．３−５、ホール素子で取った波形を図２１６のFig.５．３−６に示す。なお、ホール素子は波形の形、周波数は、みることはできるが縦軸の電圧［Ｖ］は正確な値をとることができない。よって、その時の装置内の磁束密度はテスラメータを用いて測定した。
【０５２３】
Fig.５．３−４、Fig.５．３−６はホール素子で測定した装置内の波形である。多少のノイズはあるものの、増幅器を介した直後の波形Fig.５．３−３、Fig.５．３−５との波形の形、周期は同じものとなった。このことから実際に装置内で発生している波形は、コンピュータから出力した波形と同じく、正弦波となる。
【０５２４】
装置内で発生している直交方向の磁束密度の値をテスラメータで測り、その時の交流電圧をデジタルハイテスターで測った。そのときの交流電圧［Ｖ］の値と磁束密度［ｍＴ］の関係を図２１５のTable.５．３−２、図２１６のFig.５．３−７に示す。色部６［Ｖ］はマイクロマシンが駆動する最低電圧で、５１［Ｖ］は電力増幅器の最大増幅電圧である。
【０５２５】
交流電圧と磁束密度（直交方向）は比例の関係にあることがFig.５．３−７より読み取れる。マイクロマシンを駆動することのできる最低磁束密度２［ｍＴ］は６［Ｖ］で、電力増幅器の最大増幅電圧である５１［Ｖ］で１２．６［ｍＴ］出力させることができた。
【０５２６】
次に縦横同時に同じ値の交流電圧を、直交方向の時と同じく０［Ｖ］から５１［Ｖ］の範囲で変化させていった。この時の磁極の向きと磁束の向きの関係は図２１７のFig.５．３−８のようになり、交流なので次の瞬間には、磁極と磁束の向きの関係は図２１７のＦFig.５．３−９のようになる。楕円の斜線部は磁束密度の値が特に大きい所である。
【０５２７】
しかしこのままの磁極の関係では、磁束は常に一方向にしか傾けられないので、付録に示すプログラムの縦方向の位相をπずらすと、Fig.５．３−１０のように反対方向に磁束を傾けることができた。図２１８のTable.５．３−３は、図２１８のFig.５．３−１０の磁極の中心での矢印方向の磁束密度の値を表したものでFig.５．３−１１はその結果をグラフとして表したものである。
【０５２８】
直交方向より４５°の傾きのときに、約１．４倍という最も大きな値を得ることができた。位相をずらし反対方向の場合も図２１８のFig.５．３−１１とほぼ同じ結果となった。
【０５２９】
６．  考察
６．１  装置内に発生する磁場についての考察
先の実験で２［Ａ］の電流をFig.４．４−１３のような極を持つように流すと、解析結果Fig.４．４−１２のような磁場が発生した。縦方向、横方向と違うコイルで巻いてあるが、向かい合った互いの極間より、違う銅線であっても近くの磁極と引付けあったり、または反発しあうことがわかった。
【０５３０】
このことから、上述した５．１．２―２）の実験結果Fig.５．１−１１の位置１付近、つまり、Fig.４．４−１３の両Ｎ間は磁場が反発しあい、磁束密度はごく小さい値となり、反対にFig.５．１−１１の位置２，３付近、Fig.４．４−１３縦方向のＮと横方向Ｓとの間の磁場は互いに引付けあっているので磁束密度は高い値となっている。
【０５３１】
次に５．１．２―２）の実験結果Fig.５．１−１２のグラフより、縦横両方向から磁場をかけると左右非対称なグラフとなった。これは図２１９のFig.６．１−１に示すように磁束はＮから出てＳに入る。１の測定箇所では左のＮから発生している磁束のみの大きさを測っているが、２の測定箇所では左のＮからだけではなく上のＮからの磁束も入ってくるので、磁束密度の値は１より２の測定箇所の方が大きくなると考えられる。では、同様に３と４も同じことが言え、３より４の測定箇所の方の値が大きくなると考え、Fig.５．１−１１とFig.５．１−１３を比較したがそうはならなかった。測定時の手のぶれを考え、有限要素法による解析のグラフFig.４．４―１４と、Fig.４．４―１６を比較したがこちらは両グラフともほぼ同じ値となった。原因として考えられるのは、解析をする際エレメントを大きめにとってしまったことか、プロットがずれてしまったことが考えられる。
【０５３２】
６．２  実験装置内での電流と磁束の向きの関係についての考察
Fig.５．２−２、Fig.５．２−３の結果により０［°］から−９０［°］まで磁束の向きを変えれることがわかった。装置の中心で残りの０［°］から２７０［°］の向きも変えれるようにするには、磁極の向きを変える、つまり電流を流す方向を変えてやればよいと考えられる。初期の状態から横方向に流れる電流の向きはそのままに、縦方向の電流を反対に流すと０［°］から９０［°］方向までの方向に向けることができると考えられる。この要領で他の向きにも自由に変えられる。
６．３  変動磁場内でのマイクロマシンの方向制御についての考察
５．２の実験より直流電流による静磁場内での方向制御は可能だということがわかった。この結果をもとに変動磁場内でも方向制御は可能であると考え、付録２に示すようなＣ言語によるプログラムを作った。マイクロマシンは様々なパラメータによって制御され駆動するが、変動磁場内でのマイクロマシンの向きは、縦横方向の電圧比によるものの他に、縦横方向の位相によるものも重要であると考えられる。６．２の考察にも述べたが、向きを変えるには磁極の向きを変える必要がある。これは常にコンピュータから出力される正弦波により、ＮＳが入れ代わっている変動磁場内でも同じことが言えた。本実施形態では縦横同じ値の交流電流を流したので、磁束の傾きは４５°となり、磁束密度の値も直交方向時より約１．４倍程大きな値となった。この結果より、交流磁場内でも静磁場内と同じように縦横の電圧比を変えることによって向きを制御できると考えられる。しかし、静磁場と違うことは常に磁場が変動していることでマイクロマシンを任意の方向に傾けて静止させることは難しいと考えられる。
【０５３３】
７．  結言
本実施形態によって、所期の目的であった直交磁場発生装置を開発することができた。そして実際この装置にマイクロマシンを駆動させることの可能な磁束密度を発生させれることを確認した。マイクロマシンを三次元制御するための第一歩を踏み出すことができたと言える。
【０５３４】
（付録）
１．  Fig.４．４−８の解析プログラム
Fig.４．４−８の矢印間の解析プログラムを図２２０から図２３０に示す。
２．  装置中央９箇所の電流と磁束の向きの関係
図２３１のFig.Ａ−１に示すＡからＩの箇所の電流と磁束の向きの関係を図２３２のTable.Ａ−１から図２３６のTable.Ａ−１８に示す。
３．  三次元用プログラム
三次元制御用に改良したプログラムを図２３７から図２４４に示す。
【０５３５】
〔実施の形態８〕
ところで、上記では、交流磁場を動力源として動作するマイクロマシン（アクチュエータ）の例として、ヒレ型のマイクロマシンについて説明した。
【０５３６】
これに対して、以下では、交流磁場を動力源として動作するマイクロマシン、より詳細には、磁石と当該磁石の振動を駆動力に変換する部材とを有するマイクロマシンの他の例として、面上の移動（例えば、壁面や床面などの移動）に好適な車輪型のマイクロマシンを例にして説明する。なお、当該マイクロマシンを駆動する交流磁場発生装置（４・４ａ）は、上述した各実施の形態と同様のものを使用しているため、ここでは、その説明を省略し、マイクロマシンの構造と動作とについて説明する。また、マイクロマシンの収容物が水槽２などの容器である場合、当該マイクロマシンは、当該容器の壁面または底面上を移動し、収容物が人体の場合は、例えば、血管の壁面上あるいは消化器内の壁面などを移動する。
【０５３７】
すなわち、図２６２に示すように、当該マイクロマシン３ａは、複数のユニット３３…と、各ユニット３３を互いに連結する、略糸状の連結部３４とを備えている。上記各ユニット３３には、当該ユニット３３の予め定められた進行方向に当該ユニット３３を進行させるために、当該進行方向に垂直な軸を中心に回転可能な車輪３５が形成されている。さらに、上記互いに連結されたユニット３３の一端となるユニット３３には、上述した各実施の形態と同様に、磁石３６が形成されており、頭部３３ａとして動作できる。
【０５３８】
なお、図２６２の例では、上記各ユニット３３…が略直方体状に形成されており、上記ユニットの進行方向が、当該ユニット３３の長手方向に設定されている場合を例示している。また、図２６２では、各ユニット３３に、４つずつの車輪３５…が形成されている場合を例示しているが車輪の数は３つ以上であれば任意でよい。
【０５３９】
上記構成において、上記交流磁場発生装置の形成した交流磁場によって、上記磁石３６が振動すると、図２６３に示すように、上記マイクロマシン３ａの頭部３３ａとなるユニット３３は、磁石３６の移動に伴なって、上記進行方向を向いて右または左を向くように向きを変えようとする。なお、図２６３では、振動方向を、Ａと表示している。
【０５４０】
ところが、当該マイクロマシン３ａの各ユニット３３ａには、車輪３５が形成されており、当該ユニット３３ａは、当該ユニット３３ａの進行方向に移動しやすくなっている。この結果、当該マイクロマシン３ａは、赤子がハイハイ歩きをするように、右の車輪３５を前に出す動作と、左の車輪３５を前に出す動作とを繰り返し、マイクロマシン３ａは、振動方向Ａに略垂直な方向Ｂへと進行する。
【０５４１】
当該構成であっても、ヒレ型のマイクロマシンと同様、マイクロマシン３ａは、磁石の振動を当該磁石の振動を推進力に変換する変換部材（本実施形態の場合は、頭部３３ａ以外のユニット３３あるいは車輪３５）を含み、上記変換部材を移動および／または変形させて駆動力に変換して移動する。したがって、上記ヒレ型のマイクロマシンの場合と同様、交流磁場発生装置（４・４ａ）の生成する磁場を制御することによって、非接触による動力供給を行いつつ、マイクロマシンの動作を高精度に遠隔制御できる。
【０５４２】
〔実施の形態９〕
ところで、上述した実施の形態２および７では、マイクロマシンの駆動システム１ａが、ヒレ型のマイクロマシンを駆動する場合について説明した。
【０５４３】
これに対して、以下では、当該マイクロマシンの駆動システム１ａが、べん毛型（回転型）のマイクロマシンを駆動する場合について説明する。なお、当該マイクロマシンを駆動する交流磁場発生装置４ａは、上述した各実施の形態と同様のものを使用しているため、ここでは、その説明を省略し、マイクロマシンの構造と動作とについて説明する。また、上述したように、マイクロマシンの駆動システム１ａが、ある方向への磁界を発生可能な磁場発生装置とは異なる方向の磁界を形成可能な磁場発生装置を備えていれば、図２５１に示すような構成でもよいが、以下では、一例として、図２５０に示すように、コイル４４ａ・４４ｂ（図では、便宜上４４ｂを不図示）を備え、互いに直交した磁場を形成可能な交流磁場発生装置４ａについて説明する。
【０５４４】
すなわち、図２６４に示すように、本実施の形態に係るマイクロマシン３ｂは、上記各実施の形態と同様に、磁石を含む頭部３７を有している。さらに、当該頭部３７には、コイル状（ラセン状）のべん毛３８が付加されている。
【０５４５】
一方、本実施の形態では、上記交流磁場発生装置４ａの制御装置６に設けられたコンピュータ６１（図２４９参照）は、各コイル４４ａ・４４ｂへの制御信号を制御して、コイル４４ａに流れる電流とコイル４４ｂに流れる電流とが、予め定められた位相差を持つように制御できる。これにより、制御装置６は、交流磁場発生装置４ａの生成する交流磁場を回転させることができる。
【０５４６】
一例として、両者の位相差が９０°の場合、図２６５に示すように、水槽２の殆どの部分（４隅を除いた部分）において、磁束密度ベクトルを長手方向に垂直な断面上に写像したときの方向（断面内磁束ベクトル方向）が時間と共に変化して、当該断面内磁束ベクトル方向が上記両電流の周期に応じた周期で１回転する。
【０５４７】
このように、交流磁場発生装置４ａの生成する交流磁場が回転すると、上記マイクロマシン３ｂの頭部３７も、その回転に従って回転し、頭部３７に付加されたラセン状のべん毛３８も回転する。この結果、マイクロマシン３ｂは、回転の軸に沿い、しかも、ラセンの向きによって決まる方向に進行することができる。
【０５４８】
特に、上記のように、両者の位相差が９０°の場合、断面内磁束密度ベクトル方向の角度θは、時間と共に直線的に変化しており、この磁束密度ベクトルの方向が一定速度で回転している。したがって、この磁束密度ベクトルの方向の回転速度を一定に維持することが望まれる場合は、上記位相差を９０°に設定することが好ましい。
【０５４９】
また、本実施の形態に係る上記コンピュータ６１は、上記各制御信号を制御することによって、上記両電流の振幅比を変更できる。これにより、上記頭部３７が回転する際の軌跡を進行方向に垂直な断面に投影した図形を、略円状から歪ませることができ、当該軌跡は、概ね、楕円状、より詳細には、長径と短径との比率が上記両電流の振幅比に応じた比率となる楕円状となる。この結果、両電流の振幅比を変更することによって、マイクロマシン３ｂの進行方向を３次元方向に制御することができる。
【０５５０】
さらに、上記コンピュータ６１は、上記各制御信号を制御することによって、上記両電流の周期を変更できる。ここで、上記頭部３７の回転速度は、上記両電流の周期に応じて変化するので、コンピュータ６１は、両電流の周期を変更することによって、マイクロマシン３ｂの進行速度も制御できる。
【０５５１】
なお、上記では、振幅比を制御することによって、進行方向を制御することによって、マイクロマシン３ｂの進行方向を制御する場合について説明したが、上述した各実施の形態と同様に、上記各電流のバイアス、あるいは、各電流の正負の時間比または振幅比を調整してもよい。この場合であっても、上記マイクロマシン３ｂの頭部３７が回転する際の軌跡を進行方向に垂直な断面に投影した図形を制御して、歪ませることができるので、マイクロマシン３ｂの進行方向を３次元方向に制御することができる。
【０５５２】
また、上記では、ラセン状（コイル状）のべん毛３８によって、頭部３７の回転を駆動力（推進力）に変換する構成について説明したが、頭部３７の回転を駆動力に変換する部材を備えた回転型のマイクロマシンであれば、例えば、ラセン状（コイル）状のべん毛３８に代えて、スクリューやラセン状の溝が形成されたマイクロマシンであっても、同様の効果が得られる。
【０５５３】
このように、本実施形態に係る交流磁場発生装置（静置磁場発生装置）４ａでは、水平方向の電磁石と垂直方向の電磁石とのコイルに流す変動（交流）電圧の位相差を与えることによって、装置内の長手方向に垂直な断面内に回転磁場を発生させている。これにより、その磁場中においた磁石を内包したべん毛型（回転型）のマイクロマシンを駆動することが可能となる。なお、２つの電磁石の位相差が９０度の場合は装置内の回転磁場の速度が一定になり、変動磁場が１周期与えられるとき磁場は丁度１回転することから、変動磁場の周期を変えることにより回転駆動型マイクロマシンの速度が制御される。
【０５５４】
さらに、本実施形態に係る交流磁場発生装置４ａは、上記構成に加えて、べん毛型（回転型）のマイクロマシンを駆動する際に、２組の電磁石のコイルに流す変動（交流）電圧の振幅の比を変えることによって、回転駆動型マイクロマシンの周方向への方向も制御している。
【産業上の利用可能性】
【０５５５】
本発明に係るマイクロマシン、アクチュエータシステムおよびアクチュエータによれば、マイクロマシン本体あるいはアクチュエータの動作を制御できるので、医療分野をはじめとして、種々の分野で利用されるマイクロマシンおよびアクチュエータシステムとして好適に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【０５５６】
【図１】Fig.３．１−１は、交流磁場発生装置の概要、Table ３．１−１は、電力増幅器の出力仕様、Table ３．１−２は、電力増幅器の入力仕様を示す図面である。
【図２】Fig.３．２−１は、電磁石の位置の回転前、Fig.３．２−２は、電磁石の位置の回転後を示す図面である。
【図３】Fig.３．２−３は、電磁石回転装置の写真である。
【図４】Fig.３．３−１は、インダクタンス計算に必要な要素を示す図であり、Fig.３．３−２は、コイルの回路図である。
【図５】Table ３．３−１は、ホール素子の最大定格、Fig.３．３−１は、ホール素子の基本特性、Fig.３．３−２は、ホール素子回路を示す図面である。
【図６】Fig.３．５−１は、ジョイスティックとダイアルとを示す図面である。
【図７】Fig.３．５−２は、ジョイスティック制御の流れ、Fig.３．５−３は、ダイアル制御の流れを示す図面である。
【図８】Fig.３．６−１は、交流磁場発生装置と水槽とを示し、Fig.４．１−１は、コイルの巻く位置がずらされていることを示す図面である。。
【図９】Fig.４．１−２は、旧装置の鉄心Ａの正面図であり、Fig.４．１−３は、旧装置の鉄心Ｂの正面図であり、Fig.４．１−４は、新装置の鉄心Ａの正面図であり、Fig.４．１−５は、新装置の鉄心Ｂの正面図である。
【図１０】Fig.４．１−６は、旧装置に用いたコの字型コイルの解析結果を示し、Fig.４．１−７は、Fig.４．１−６の白線上の磁束密度分布を示す図面である。
【図１１】Fig.４．１−８は、新装置に用いたコの字型コイルの解析結果を示し、Fig.４．１−９は、Fig.４．１−８の白線上の磁束密度分布を示す図面である。
【図１２】Table ４．１−１は、ホール素子からの出力電圧［ｍＶ］、Table ４．１−２は、電圧から求めた磁束密度［ｍＴ］、Fig.４．１−１０は、ホール素子で測定した磁束密度分布を示す図面である。
【図１３】Fig.４．２−１は、ホール素子の測定位置、Fig.４．２−２は、正面から見た測定位置、Table ４．２−１は、ホール素子からの出力電圧［ｍＶ］、Fig.４．２−２は、ホール素子で測定した磁束密度分布を示す図面である。
【図１４】Fig.４．２−３は、測定位置Ａでの磁束密度分布、Fig.４．２−４は、測定位置Ｂでの磁束密度分布を示す図面である。
【図１５】Fig.４．２−５は、測定位置Ｃでの磁束密度分布、Fig.４．３−１は、座標系１、Fig.４．３−２は、座標系２、Fig.４．３−３は、座標系３を示す図面である。
【図１６】Fig.４．３−４は、中央から放したときのバイアスと角度の関係、Fig.４．３−５は、左端、右端から放したときのバイアスと角度の関係を示す図面である。
【図１７】Fig.４．３−６は、振幅と角度の関係、Fig.４．３−７は、振幅と速度の関係を示す図面である。
【図１８】Table ４．４−１は、正弦波の組み合わせ、Fig.２−１は、磁石の設定位置を示す図面である。
【図１９】Fig.２−２は、丸びし、Fig.２−３は、ヒレ先の形状を示す図面である。
【図２０】ＭＭ−４７のマイクロマシンの実験結果、ＭＭ−４７の側面図および上面図の写真を示す図面である。
【図２１】バイアス実験で用いた波形を示す図面である。
【図２２】バイアス実験で用いた波形を示す図面である。
【図２３】バイアス実験で用いた波形を示す図面である。
【図２４】バイアス実験で用いた波形を示す図面である。
【図２５】バイアス実験で用いた波形を示す図面である。
【図２６】右端から放した場合の角度を示すものであり、Table Ａ．４−２４は、ｂｉａｓ０．１５［Ｖ］での角度、Table Ａ．４−２５は、ｂｉａｓ０．１２［Ｖ］での角度、Table Ａ．４−２６は、ｂｉａｓ０．１０［Ｖ］での角度、Table Ａ．４−２７は、ｂｉａｓ０．０７［Ｖ］での角度、Table Ａ．４−２８は、ｂｉａｓ０．０５［Ｖ］での角度、Table Ａ．４−２９は、ｂｉａｓ０．０２［Ｖ］での角度を示す図面である。
【図２７】右端から放した場合の角度を示すものであり、Table Ａ．４−３０は、ｂｉａｓ０［Ｖ］での角度を示す図面である。
【図２８】左端から放した場合の角度を示すものであり、Table Ａ．４−３１は、ｂｉａｓ−０．１５［Ｖ］での角度、Table Ａ．４−３２は、ｂｉａｓ−０．１２［Ｖ］での角度、Table Ａ．４−３３は、ｂｉａｓ−０．１０［Ｖ］での角度、Table Ａ．４−３４は、ｂｉａｓ−０．０７［Ｖ］での角度、Table Ａ．４−３５は、ｂｉａｓ−０．０５［Ｖ］での角度、Table Ａ．４−３６は、ｂｉａｓ−０．０２［Ｖ］での角度を示す図面である。
【図２９】左端から放した場合の角度を示すものであり、Table Ａ．４−３７は、ｂｉａｓ０［Ｖ］での角度を示す図面である。
【図３０】中央から放した場合の角度を示すものであり、Table Ａ．４−１は、ｂｉａｓ０．７３［Ｖ］での角度、Table Ａ．４−２は、ｂｉａｓ−０．７３［Ｖ］での角度、Table Ａ．４−３は、ｂｉａｓ０．４９［Ｖ］での角度、Table Ａ．４−４は、ｂｉａｓ−０．４９［Ｖ］での角度、Table Ａ．４−５は、ｂｉａｓ０．２４［Ｖ］での角度、Table Ａ．４−６は、ｂｉａｓ−０．２４［Ｖ］での角度を示す図面である。
【図３１】中央から放した場合の角度を示すものであり、Table Ａ．４−７は、ｂｉａｓ０．２２［Ｖ］での角度、Table Ａ．４−８は、ｂｉａｓ−０．２２［Ｖ］での角度、Table Ａ．４−９は、ｂｉａｓ０．２０［Ｖ］での角度、Table Ａ．４−１０は、ｂｉａｓ−０．２０［Ｖ］での角度、Table Ａ．４−１１は、ｂｉａｓ０．１７［Ｖ］での角度、Table Ａ．４−１２は、ｂｉａｓ−０．１７［Ｖ］での角度を示す図面である。
【図３２】中央から放した場合の角度を示すものであり、Table Ａ．４−１３は、ｂｉａｓ０．１５［Ｖ］での角度、Table Ａ．４−１４は、ｂｉａｓ−０．１５［Ｖ］での角度、Table Ａ．４−１５は、ｂｉａｓ０．１２［Ｖ］での角度、Table Ａ．４−１６は、ｂｉａｓ−０．１２［Ｖ］での角度、Table Ａ．４−１７は、ｂｉａｓ０．１０［Ｖ］での角度、Table Ａ．４−１８は、ｂｉａｓ−０．１０［Ｖ］での角度を示す図面である。
【図３３】中央から放した場合の角度を示すものであり、Table Ａ．４−１９は、ｂｉａｓ０．０７［Ｖ］での角度、Table Ａ．４−２０は、ｂｉａｓ−０．０７［Ｖ］での角度、Table Ａ．４−２１は、ｂｉａｓ０．０５［Ｖ］での角度、Table Ａ．４−２２は、ｂｉａｓ−０．０５［Ｖ］での角度、Table Ａ．４−２３は、ｂｉａｓ０．０２［Ｖ］での角度、Table Ａ．４−２４は、ｂｉａｓ−０．０２［Ｖ］での角度を示す図面である。
【図３４】中央から放した場合の角度を示すものであり、Table Ａ．４−２５は、ｂｉａｓ０［Ｖ］での角度を示す図面である。
【図３５】Fig.Ａ．５−１は、振幅実験で用いた波形を示す図面である。
【図３６】Table Ａ．６−１は、振幅１．２２［Ｖ］によるＭＭの変化、Table Ａ．６−２は、振幅１．４６［Ｖ］によるＭＭの変化、Table Ａ．６−３は、振幅１．７１［Ｖ］によるＭＭの変化を示す図面である。
【図３７】Table Ａ．６−４は、振幅１．９５［Ｖ］によるＭＭの変化、Table Ａ．６−５は、振幅２．２０［Ｖ］によるＭＭの変化、Table Ａ．６−６は、振幅２．４４［Ｖ］によるＭＭの変化を示す図面である。
【図３８】Table Ａ．６−７は、振幅２．６９［Ｖ］によるＭＭの変化、Table Ａ．６−８は、振幅２．９３［Ｖ］によるＭＭの変化、Table Ａ．６−９は、振幅３．１７［Ｖ］によるＭＭの変化を示す図面である。
【図３９】Table Ａ．６−１０は、振幅３．４２［Ｖ］によるＭＭの変化、Table Ａ．６−１１は、振幅３．６６［Ｖ］によるＭＭの変化を示す図面である。
【図４０】Fig.Ａ．７−１は、コイルの断面図１、Fig.Ａ．７−２は、コイルの断面図２を示す図面である。
【図４１】電磁石１１０［ｍｍ］Ｔｙｐｅ  Ｂの解析プログラムを示す図面である。
【図４２】電磁石１１０［ｍｍ］Ｔｙｐｅ  Ｂの解析プログラムを示す図面である。
【図４３】電磁石１１０［ｍｍ］Ｔｙｐｅ  Ｂの解析プログラムを示す図面である。
【図４４】電磁石１１０［ｍｍ］Ｔｙｐｅ  Ｂの解析プログラムを示す図面である。
【図４５】電磁石１１０［ｍｍ］Ｔｙｐｅ  Ｂの解析プログラムを示す図面である。
【図４６】電磁石１７０［ｍｍ］Ｔｙｐｅ  Ｂの解析プログラムを示す図面である。
【図４７】電磁石１７０［ｍｍ］Ｔｙｐｅ  Ｂの解析プログラムを示す図面である。
【図４８】電磁石１７０［ｍｍ］Ｔｙｐｅ  Ｂの解析プログラムを示す図面である。
【図４９】波形プログラムを示す図面である。
【図５０】波形プログラムを示す図面である。
【図５１】波形プログラムを示す図面である。
【図５２】波形プログラムを示す図面である。
【図５３】波形プログラムを示す図面である。
【図５４】波形プログラムを示す図面である。
【図５５】波形プログラムを示す図面である。
【図５６】波形プログラムを示す図面である。
【図５７】波形プログラムを示す図面である。
【図５８】波形プログラムを示す図面である。
【図５９】波形プログラムを示す図面である。
【図６０】波形プログラムを示す図面である。
【図６１】波形プログラムを示す図面である。
【図６２】波形プログラムを示す図面である。
【図６３】波形プログラムを示す図面である。
【図６４】波形プログラムを示す図面である。
【図６５】波形プログラムを示す図面である。
【図６６】波形プログラムを示す図面である。
【図６７】波形プログラムを示す図面である。
【図６８】波形プログラムを示す図面である。
【図６９】波形プログラムを示す図面である。
【図７０】波形プログラムを示す図面である。
【図７１】波形プログラムを示す図面である。
【図７２】波形プログラムを示す図面である。
【図７３】波形プログラムを示す図面である。
【図７４】波形プログラムを示す図面である。
【図７５】波形プログラムを示す図面である。
【図７６】波形プログラムを示す図面である。
【図７７】波形プログラムを示す図面である。
【図７８】波形プログラムを示す図面である。
【図７９】波形プログラムを示す図面である。
【図８０】波形プログラムを示す図面である。
【図８１】波形プログラムを示す図面である。
【図８２】波形プログラムを示す図面である。
【図８３】波形プログラムを示す図面である。
【図８４】波形プログラムを示す図面である。
【図８５】波形プログラムを示す図面である。
【図８６】Fig.１０−１は、ｊｏｂの選択、Fig.１０−２は、値を含めた新規波形の作成を示す図面である。
【図８７】Fig.１０−３は、正弦波、Fig.１０−４は、ノコギリ波を示す図面である。
【図８８】Fig.１０−５は、合成波１、Fig.１０−６は、合成波２の正弦波を示す図面である。
【図８９】Fig.１０−７は、合成波３の直線、Fig.１０−８は、合成波４を示す図面である。
【図９０】Fig.１０−９は、制御方式の選択、Fig.１０−１０は、固定波形制御を示す図面である。
【図９１】固定派形制御の例を示す図面である。
【図９２】Fig.１０−１１は、ジョイスティック制御１０、Fig.１０−１２は、ジョイスティック制御２を示す図面である。
【図９３】ジョイスティック制御
【図９４】Fig.１１−１は、ジョイスティックとダイアルを示す図面である。
【図９５】Fig.２．２−１は、マイクロマシンのスケール、Table ３．２−１は、定常磁場の安全基準を示す図面である。
【図９６】Table ３．２−２は、定常磁場でのＭＲＩの安全基準（１９８３英国）、Table ３．２−３は、変動磁場でのＭＲＩの安全基準（１９８３英国）、Fig.４．１−１は、振幅比の異なる合成波、Fig.４．１−２は、時間比の異なる合成波を示す図面である。
【図９７】Fig.５．１−１は、交流磁場発生装置の概要、Table ５．２−１電力増幅器の出力仕様、Table ５．２−２は、電力増幅器の入力仕様を示す図面である。
【図９８】Fig.５．２．１は、交流磁場発生装置のモデル図、Fig.５．２．２は、交流磁場発生装置を示す図面である。
【図９９】Table ５．３−１は、ホール素子の最大定格、Fig.５．３−１は、ホール素子の基本特性、Fig.５．３−２は、ホール素子回路図、Fig.５．３−３は、ホール素子接続図を示す図面である。
【図１００】（ａ）は、正弦波の出力プログラムの一部を示し、（ｂ）は、ノコギリ波のプログラムの一部を示す図面である。
【図１０１】Fig.５．４−１は、１０：０ノコギリ波の出力電圧と発生磁場の関係を示し、（ａ）は、正弦波のプラス側とマイナス側の振幅を変えた正弦波を組み合わせた合成波のプログラムの一部を示す図面である。
【図１０２】（ａ）は、正弦波のプラス側とマイナス側で周期の異なる正弦波を組み合わせた合成波のプログラムの一部、Fig.５．４−２は、出力波形を示す図面である。
【図１０３】Fig.５．４−３は、出力波形、Fig.６．１−１は、水槽内の測定位置を示す図面である。
【図１０４】Fig.６．２−１は、θの算出方法、Fig.６．２−２は、振幅比および時間比の定義を示す図面である。
【図１０５】Table ６．２−１は、出力波形の各パラメータ、Table ６．２−２は、出力波形の各パラメータを示す図面である。
【図１０６】Fig.７．１−１は、位置ａＡでのホール素子による電圧の測定値、Fig.７．１−２は、位置ａＢでのホール素子による電圧の測定値、Fig.７．１−３は、位置ａＣでのホール素子による電圧の測定値を示す図面である。
【図１０７】Fig.７．１−４は、位置ｂＡでのホール素子による電圧の測定値、Fig.７．１−５は、位置ｂＢでのホール素子による電圧の測定値、Fig.７．１−６は、位置ｂＣでのホール素子による電圧の測定値を示す図面である。
【図１０８】Fig.７．１−７は、位置ｃＡでのホール素子による電圧の測定値、Fig.７．１−８は、位置ｃＢでのホール素子による電圧の測定値、Fig.７．１−９は、位置ｃＣでのホール素子による電圧の測定値を示す図面である。
【図１０９】Fig.７．１−１０は、位置ｄＡでのホール素子による電圧の測定値、Fig.７．１−１１は、位置ｄＢでのホール素子による電圧の測定値、Fig.７．１−１２は、位置ｄＣでのホール素子による電圧の測定値を示す図面である。
【図１１０】Fig.７．１−１３は、位置ｅＡでのホール素子による電圧の測定値、Fig.７．１−１４は、位置ｅＢでのホール素子による電圧の測定値、Fig.７．１−１５は、位置ｅＣでのホール素子による電流の測定値を示す図面である。
【図１１１】Fig.７．１−１６は、位置ａＡ，ａＢ，ａＣにおけるホール素子で測定された磁場のピーク値、Fig.７．１−１７は、位置ｂＡ，ｂＢ，ｂＣにおけるホール素子で測定された磁場のピーク値、Fig.７．１−１８は、位置ｃＡ，ｃＢ，ｃＣにおけるホール素子で測定された磁場のピーク値を示す図面である。
【図１１２】Fig.７．１−１９は、位置ｄＡ，ｄＢ，ｄＣにおけるホール素子で測定された磁場のピーク値、Fig.７．１−２０は、位置ｅＡ，ｅＢ，ｅＣにおけるホール素子で測定された磁場のピーク値を示す図面である。
【図１１３】Table.７．２−１は、各波形の比較、Fig.７．２−１は、各波形の振幅比と進行方向の角度θの関係を示す図面である。
【図１１４】Table.７．２−２は、各波形の比較、Fig.７．２−２は、各波形の時間比と進行方向の角度θの関係を示す図面である。
【図１１５】Fig.８．２−１は、ノコギリ波、Fig.８．２−２は、正弦波にバイアスをかけた波形を示す図面である。
【図１１６】作成したプログラムを示す図面である。
【図１１７】作成したプログラムを示す図面である。
【図１１８】作成したプログラムを示す図面である。
【図１１９】作成したプログラムを示す図面である。
【図１２０】作成したプログラムを示す図面である。
【図１２１】作成したプログラムを示す図面である。
【図１２２】作成したプログラムを示す図面である。
【図１２３】作成したプログラムを示す図面である。
【図１２４】作成したプログラムを示す図面である。
【図１２５】作成したプログラムを示す図面である。
【図１２６】作成したプログラムを示す図面である。
【図１２７】作成したプログラムを示す図面である。
【図１２８】作成したプログラムを示す図面である。
【図１２９】作成したプログラムを示す図面である。
【図１３０】作成したプログラムを示す図面である。
【図１３１】作成したプログラムを示す図面である。
【図１３２】作成したプログラムを示す図面である。
【図１３３】作成したプログラムを示す図面である。
【図１３４】作成したプログラムを示す図面である。
【図１３５】作成したプログラムを示す図面である。
【図１３６】作成したプログラムを示す図面である。
【図１３７】作成したプログラムを示す図面である。
【図１３８】作成したプログラムを示す図面である。
【図１３９】作成したプログラムを示す図面である。
【図１４０】作成したプログラムを示す図面である。
【図１４１】作成したプログラムを示す図面である。
【図１４２】作成したプログラムを示す図面である。
【図１４３】Fig.２．１−１は、マイクロマシンのスケール、Table.３．２−１は、変動磁場でのＭＲＩの安全基準（１９８３英国）を示す図面である。
【図１４４】Fig.４．１−１は、交流磁場発生装置の概要、Table.４．２−１電力増幅器の出力仕様、Table.４．２−２電力増幅器の入力仕様を示す図面である。
【図１４５】Fig.４．３−１は、交流磁場発生装置のモデル図、Fig.４．４−１は、ネオジウム磁石、Fig.４．４−２は、マイクロマシンの型、Fig.４．４−３は、石膏の型、Fig.４．４−４は、シリコーンを流し込んだ型を示す図面である。
【図１４６】Fig.４．４−５は、シリコーンを挟んだ型、Fig.４．４−６は、カット前のマイクロマシン、Table.４．５は、磁石から５ｍｍ上の磁石の大きさと磁束密度の関係、Fig.５．１−１は、交流磁場発生装置の上面図を示す図面である。
【図１４７】Fig.５．１−２は、交流磁場内の水槽の寸法と測定位置、Fig.５．１−３は、磁束密度と水槽の位置Ａａ、Ｂａ、Ｃａを示す図面である。
【図１４８】Fig.５．１−４は、磁束密度と水槽の位置Ａｂ、Ｂｂ、Ｃｂ、Fig.５．１−５は、磁束密度と水槽の位置Ａｃ、Ｂｃ、Ｃｃを示す図面である。
【図１４９】Fig.５．１−６は、磁束密度と水槽の位置Ａｄ、Ｂｄ、Ｃｄ、Fig.５．１−７は、磁束密度と水槽の位置Ａｅ、Ｂｅ、Ｃｅを示す図面である。
【図１５０】Fig.５．２−１は、比較例のマイクロマシンのモデル図、Fig.５．２−２は、安定型マイクロマシンのモデル図、Fig.５．２−３ａ  改良型マイクロマシンの側面図、Fig.５．２−３ｂ  改良型マイクロマシンの上面図を示す図面である。
【図１５１】Fig.５．２−４は、うき付マイクロマシンのモデル図、Fig.５．２−５は、うき付マイクロマシンに用いるうきを示す図面である。
【図１５２】Fig.５．２−６ａは、うき付マイクロマシンの側面図、Fig.５．２−６ｂは、うき付マイクロマシンの上面図を示す図面である。
【図１５３】Fig.５．３−１ａは、３Ｈｚ，振幅２．４４Ｖの時のＰＣからの出力波形、Fig.５．３−１ｂは、３Ｈｚ，振幅２．４４Ｖの時のマイクロマシンの動き、Fig.５．３−３ａは、９Ｈｚ，振幅２．４４Ｖの時のＰＣからの出力波形を示す図面である。
【図１５４】Fig.５．３−１ｂは、６Ｈｚ，振幅２．４４Ｖの時のマイクロマシンの動き、Fig.５．３−３ａは、９Ｈｚ，振幅２．４４Ｖの時のＰＣからの出力波形、Fig.５．３−３ｂは、９Ｈｚ，振幅２．４４Ｖの時のマイクロマシンの動きを示す図面である。
【図１５５】Fig.５．３−４は、水槽のモデル図、Fig.５．３−５は、ＭＭ発射軌跡角度とＢｉａｓの関係を示す図面である。
【図１５６】Fig.５．３−６は、ＭＭ発射軌跡角度とＢｉａｓの関係、Fig.５．３−７は、ＭＭ発射軌跡角度とＢｉａｓの関係を示す図面である。
【図１５７】Fig.５．３−８は、ＰＣから出力された振幅の変化による電圧の波形、Fig.５．３−９は、ホール素子で測定した交流磁場発生装置内の振幅の変化による電圧の波形を示す図面である。
【図１５８】Fig.５．３−１０は、ＭＭ移動軌跡角度と振幅の関係、Fig.５．３−１１マイクロマシンの推進速度と振幅の関係を示す図面である。
【図１５９】Fig.５．３−１２は、周波数６［Ｈｚ］の交流磁場発生装置内を測定した電圧の波形、Fig.５．３−１３は、周波数＝６［Ｈｚ］、振幅＝１．２２［Ｖ］の時のマイクロマシンの動きを示す図面である。
【図１６０】Fig.５．３−１４は、周波数＝６［Ｈｚ］、振幅＝２．４４［Ｖ］の時のマイクロマシンの動き、Fig.５．３−１５は、周波数＝６［Ｈｚ］、振幅＝３．６６［Ｖ］の時のマイクロマシンの動きを示す図面である。
【図１６１】Fig.５．４−１は、Fig.５．２−６を０．４２％に小型化したマイクロマシンのモデル図、Fig.５．４−２ａは、０．４２％マイクロマシンの側面図、Fig.５．４−２ｂは、０．４２％マイクロマシンの断面図、Fig.５．４−３は、片持ち梁の例を示す図面である。
【図１６２】Fig.５．４−４は、Fig.５．２−６のヒレ長さを変更したマイクロマシンのモデル、Fig.５．４−５ａは、ヒレ長さを変更したマイクロマシンの側面、Fig.５．４−５ｂは、ヒレ長さを変更したマイクロマシンの断面を示す図面である。
【図１６３】Fig.６．１−２は、比較例のマイクロマシンのモデル、Fig.６．１−２は、本実施形態のマイクロマシンのモデル、Fig.６．２−１は、正弦波を与えた時のマイクロマシンのモデル図を示す図面である。
【図１６４】付録１０．１は、ヤング率を求める手順、Fig.１０．１−１は、ヒレ材料の標点間距離、Fig.１０．１−２は、Ｆｉｎ２の形状を示す図面である。
【図１６５】付録１０．１は、ヤング率を求める手順、Fig.１０．１−３は、片持ち梁の例を示す図面である。
【図１６６】付録１０．１は、ヤング率を求める手順、Table.１０．１−１は、ヒレの寸法を示す図面である。
【図１６７】付録１０．１は、ヤング率を求める手順、Table.１０．１−２は、試験結果、付録１０．２は、ホール素子；Table.１０．２−１は、ホール素子の最大定格、Table.１０．２−１は、ホール素子の最大定格を示す図面である。
【図１６８】付録１０．２は、ホール素子；Fig.１０．２−２は、ホール素子回路図、Fig.１０．２−３は、ホール素子組立図、付録１０．３は、正弦波を出力するプログラムを示す図面である。
【図１６９】付録１０．３は、正弦波を出力するプログラムを示す図面である。
【図１７０】付録１０．３は、正弦波を出力するプログラムを示す図面である。
【図１７１】付録１０．３は、正弦波を出力するプログラムを示す図面である。
【図１７２】付録１０．３は、正弦波を出力するプログラムを示す図面である。
【図１７３】付録１０．３は、正弦波を出力するプログラムを示す図面である。
【図１７４】付録１０．３は、正弦波を出力するプログラムを示す図面である。
【図１７５】付録１０．３：正弦波を出力するプログラムを示す図面である。
【図１７６】付録１０．３は、正弦波を出力するプログラム、付録１０．４は、ｂｉａｓの変更と電圧の波形の変化、Fig.１０．４−１は、ｂｉａｓ＝０［Ｖ］における電圧と時間の関係、Fig.１０．４−２は、ｂｉａｓ＝±０．０２４４［Ｖ］における電圧と時間の関係を示す図面である。
【図１７７】付録１０．４は、ｂｉａｓの変更と電圧の波形の変化、Fig.１０．４−３は、ｂｉａｓ＝±０．０４８８［Ｖ］における電圧と時間の関係、Fig.１０．４−４は、ｂｉａｓ＝±０．０７３２［Ｖ］における電圧と時間の関係、Fig.１０．４−５は、ｂｉａｓ＝±０．０９７７［Ｖ］における電圧と時間の関係を示す図面である。
【図１７８】付録１０．４は、ｂｉａｓの変更と電圧の波形の変化、Fig.１０．４−６は、ｂｉａｓ＝±０．１２２１［Ｖ］における電圧と時間の関係、Fig.１０．４−７は、ｂｉａｓ＝±０．１４６５［Ｖ］における電圧と時間の関係、Fig.１０．４−８は、ｂｉａｓ＝±０．１７０９［Ｖ］における電圧と時間の関係を示す図面である。
【図１７９】付録１０．４は、ｂｉａｓの変更と電圧の波形の変化、Fig.１０．４−９は、ｂｉａｓ＝±０．１９５３［Ｖ］における電圧と時間の関係、Fig.１０．４−１０は、ｂｉａｓ＝±０．２１９７［Ｖ］における電圧と時間の関係、Fig.１０．４−１１は、ｂｉａｓ＝±０．２４４１［Ｖ］における電圧と時間の関係を示す図面である。
【図１８０】付録１０．４は、ｂｉａｓの変更と電圧の波形の変化、Fig.１０．４−１２は、ｂｉａｓ＝±０．３６６２［Ｖ］における電圧と時間の関係、Fig.１０．４−１３は、ｂｉａｓ＝±０．４８８３［Ｖ］における電圧と時間の関係、Fig.１０．４−１４は、ｂｉａｓ＝±０．７３２４［Ｖ］における電圧と時間の関係、付録１０．５は、ｂｉａｓを変更した時のＭＭ移動軌跡角度θの測定データを示す図面である。
【図１８１】付録１０．５は、Ｂｉａｓを変更した時のＭＭ移動軌跡角度θの測定データ、Table.１０．５−１は、ｂｉａｓ３００のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table １０．５−２は、ｂｉａｓ−３００のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−３は、ｂｉａｓ２００のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−４は、ｂｉａｓ−２００のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−５は、ｂｉａｓ１５０のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−６は、ｂｉａｓ−１５０のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−７は、ｂｉａｓ１００のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−８は、ｂｉａｓ−１００のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−９は、ｂｉａｓ９０のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−１０は、ｂｉａｓ−９０のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係を示す図面である。
【図１８２】付録１０．５は、Ｂｉａｓを変更した時のＭＭ移動軌跡角度θの測定データ、Table.１０．５−１１は、ｂｉａｓ８０のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−１２は、ｂｉａｓ−８０のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−１３は、ｂｉａｓ７０のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−１４は、ｂｉａｓ−７０のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−１５は、ｂｉａｓ６０のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−１６は、ｂｉａｓ−６０のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−１７は、ｂｉａｓ５０のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−１８は、ｂｉａｓ−５０のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−１９は、ｂｉａｓ４５のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−２０は、ｂｉａｓ−４５のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係を示す図面である。
【図１８３】付録１０．５は、Ｂｉａｓを変更した時のＭＭ移動軌跡角度θの測定データ、Table.１０．５−２１は、ｂｉａｓ４０のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−２２は、ｂｉａｓ−４０のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−２３は、ｂｉａｓ３５のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−２４は、ｂｉａｓ−３５のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−２５は、ｂｉａｓ３０のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−２６は、ｂｉａｓ−３０のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−２７は、ｂｉａｓ２８のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−２８は、ｂｉａｓ−２８のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−２９は、ｂｉａｓ２６のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−３０は、ｂｉａｓ−２６のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係を示す図面である。
【図１８４】付録１０．５は、Ｂｉａｓを変更した時のＭＭ移動軌跡角度θの測定データ、Table.１０．５−３１は、ｂｉａｓ２４のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−３２は、ｂｉａｓ−２４のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−３３は、ｂｉａｓ２２のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−３４は、ｂｉａｓ−２２のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−３５は、ｂｉａｓ２０のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−３６は、ｂｉａｓ−２０のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−３７は、ｂｉａｓ１８のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−３８は、ｂｉａｓ−１８のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−３９は、ｂｉａｓ１６のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−４０は、ｂｉａｓ−１６のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係を示す図面である。
【図１８５】付録１０．５は、Ｂｉａｓを変更した時のＭＭ移動軌跡角度θの測定データ、Table.１０．５−４１は、ｂｉａｓ１４のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−４２は、ｂｉａｓ−１４のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−４３は、ｂｉａｓ１２のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−４４は、ｂｉａｓ−１２のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−４５は、ｂｉａｓ１０のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−４６は、ｂｉａｓ−１０のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−４７は、ｂｉａｓ８のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−４８は、ｂｉａｓ−８のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−４９は、ｂｉａｓ６のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−５０は、ｂｉａｓ−６のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係を示す図面である。
【図１８６】付録１０．５は、Ｂｉａｓを変更した時のＭＭ移動軌跡角度θの測定データ、Table.１０．５−５１は、ｂｉａｓ４のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−５２は、ｂｉａｓ−４のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−５３は、ｂｉａｓ２のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−５４は、ｂｉａｓ−２のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係、Table.１０．５−５５は、ｂｉａｓ０のｘ，ｙ座標と到達軌跡角度の関係を示す図面である。
【図１８７】付録１０．６は、振幅を変更した時のＭＭ移動軌跡角度θと速度の測定データ、Table.６．１−１は、振幅１．２２［Ｖ］によるＭＭの変化、Table.６．１−２は、振幅１．４７［Ｖ］によるＭＭの変化、Table.６．１−３は、振幅１．７１［Ｖ］によるＭＭの変化、Table.６．１−４は、振幅１．９６［Ｖ］によるＭＭの変化、Table.６．１−５は、振幅２．２０［Ｖ］によるＭＭの変化、Table.６．１−６は、振幅２．４４［Ｖ］によるＭＭの変化、Table.６．１−７は、振幅２．６９［Ｖ］によるＭＭの変化、Table.６．１−８は、振幅２．９３［Ｖ］によるＭＭの変化を示す図面である。
【図１８８】付録１０．６は、振幅を変更した時のＭＭ移動軌跡角度θと速度の測定データ、Table.６．１−９は、振幅３．１８［Ｖ］によるＭＭの変化、Table.６．１−１０は、振幅３．４２［Ｖ］によるＭＭの変化、Table.６．１−１１は、振幅３．６６［Ｖ］によるＭＭの変化を示す図面である。
【図１８９】付録１０．７は、マイクロマシンの失敗例を示す図面である。
【図１９０】付録１０．７は、マイクロマシンの失敗例を示す図面である。
【図１９１】付録１０．７は、マイクロマシンの失敗例を示す図面である。
【図１９２】Table.３．２―１、Table.３．２−２、Table ３．２−３、Table.４．１−１を示すを示す図面である。
【図１９３】Fig.４．１−１を示す図面である。
【図１９４】Fig.３．３−３を示す図面である。
【図１９５】Fig.３．３−４、Fig.３．３−５を示す図面である。
【図１９６】Fig.４．１−５、Fig.４．１−６を示す図面である。
【図１９７】Fig.４．１−７を示す図面である。
【図１９８】Table.４．１−２、Table.４．１．２の三次元グラフを示す図面である。
【図１９９】Fig.４．２−１を示す図面である。
【図２００】Fig.４．３−１、Fig.４．３−１を示す図面である。
【図２０１】Fig.４．４−１、Fig.４．４−２を示す図面である。
【図２０２】Fig.４．４−３を示す図面である。
【図２０３】Fig.４．４―４、４．４―５、Fig.４．４―６、Fig.４．４―７を示す図面である。
【図２０４】Fig.４．４―８、Fig.４．４―９を示す図面である。
【図２０５】Fig.４．４―１０、Fig.４．４―１１、Fig.４．４―１２を示す図面である。
【図２０６】Fig.４．４―１３、Fig.４．４―１４、Fig.４．４―１５、Fig.４．４―１６を示す図面である。
【図２０７】Fig.５．１−１を示す図面である。
【図２０８】Fig.５．１−２、Fig.５．１−３を示す図面である。
【図２０９】Fig.５．３−４、５．３−５、５．３−６、を示す図面である。
【図２１０】Fig.５．３−７を示す図面である。
【図２１１】Fig.５．１−８、Fig.５．１−９を示す図面である。
【図２１２】Fig.５．１−１０、Fig.５．１−１１を示す図面である。
【図２１３】Fig.５．１−１２、Fig.５．１−１３を示す図面である。
【図２１４】Fig.５．２−１、Fig.５．２−２、Fig.５．２−３を示す図面である。
【図２１５】Fig.５．３−１、Fig.５．３−２、Fig.５．３−３、Fig.５．３−４、Table.５．３−１を示す図面である。
【図２１６】Fig.５．３−３、Fig.５．３−４、Fig.５．３−５、Fig.５．３−６、Table.５．３−２を示す図面である。
【図２１７】Fig.５．３−７、Fig.５．３−８、Fig.５．３−９を示す図面である。
【図２１８】Fig.５．３−１０、Table ５．３−３、Fig.５．３−１１を示す図面である。
【図２１９】Fig.６．１−１を示す図面である。
【図２２０】Fig.４．４−８の矢印間の解析プログラムを示す図面である。
【図２２１】Fig.４．４−８の矢印間の解析プログラムを示す図面である。
【図２２２】Fig.４．４−８の矢印間の解析プログラムを示す図面である。
【図２２３】Fig.４．４−８の矢印間の解析プログラムを示す図面である。
【図２２４】Fig.４．４−８の矢印間の解析プログラムを示す図面である。
【図２２５】Fig.４．４−８の矢印間の解析プログラムを示す図面である。
【図２２６】Fig.４．４−８の矢印間の解析プログラムを示す図面である。
【図２２７】Fig.４．４−８の矢印間の解析プログラムを示す図面である。
【図２２８】Fig.４．４−８の矢印間の解析プログラムを示す図面である。
【図２２９】Fig.４．４−８の矢印間の解析プログラムを示す図面である。
【図２３０】Fig.４．４−８の矢印間の解析プログラムを示す図面である。
【図２３１】Fig.Ａ−１は、測定した箇所を示す図面である。
【図２３２】Table.Ａ−１は、横方向を２Ａに固定、縦方向を変化させたときの電流と磁束の向きの関係、Table.Ａ−２は、縦方向を２Ａに固定、横方向を変化させたときの電流と磁束の向きの関係、Table.Ａ−３は、横方向を２Ａに固定、縦方向を変化させたときの電流と磁束の向きの関係、Table.Ａ−４は、縦方向を２Ａに固定、横方向を変化させたときの電流と磁束の向きの関係を示す図面である。
【図２３３】Table.Ａ−５は、横方向を２Ａに固定、縦方向を変化させたときの電流と磁束の向きの関係、Table.Ａ−６は、縦方向を２Ａに固定、横方向を変化させたときの電流と磁束の向きの関係、Table.Ａ−７は、横方向を２Ａに固定、縦方向を変化させたときの電流と磁束の向きの関係、Table.Ａ−８は、縦方向を２Ａに固定、横方向を変化させたときの電流と磁束の向きの関係を示す図面である。
【図２３４】Table.Ａ−９は、横方向を２Ａに固定、縦方向を変化させたときの電流と磁束の向きの関係、Table.Ａ−１０は、縦方向を２Ａに固定、横方向を変化させたときの電流と磁束の向きの関係、Table.Ａ−１１は、横方向を２Ａに固定、縦方向を変化させたときの電流と磁束の向きの関係、Table.Ａ−１２は、縦方向を２Ａに固定、横方向を変化させたときの電流と磁束の向きの関係を示す図面である。
【図２３５】Table.Ａ−１３は、横方向を２Ａに固定、縦方向を変化させたときの電流と磁束の向きの関係、Table.Ａ−１４は、縦方向を２Ａに固定、横方向を変化させたときの電流と磁束の向きの関係、Table.Ａ−１５は、横方向を２Ａに固定、縦方向を変化させたときの電流と磁束の向きの関係、Table.Ａ−１６は、縦方向を２Ａに固定、横方向を変化させたときの電流と磁束の向きの関係を示す図面である。
【図２３６】Table.Ａ−１７は、横方向を２Ａに固定、縦方向を変化させたときの電流と磁束の向きの関係、Table.Ａ−１８は、縦方向を２Ａに固定、横方向を変化させたときの電流と磁束の向きの関係を示す図面である。
【図２３７】三次元制御用に改良したプログラムを示す図面である。
【図２３８】三次元制御用に改良したプログラムを示す図面である。
【図２３９】三次元制御用に改良したプログラムを示す図面である。
【図２４０】三次元制御用に改良したプログラムを示す図面である。
【図２４１】三次元制御用に改良したプログラムを示す図面である。
【図２４２】三次元制御用に改良したプログラムを示す図面である。
【図２４３】三次元制御用に改良したプログラムを示す図面である。
【図２４４】三次元制御用に改良したプログラムを示す図面である。
【図２４５】本発明の実施の形態１を示すものであり、マイクロマシンの駆動システムの要部構成を示すブロック図である。
【図２４６】上記マイクロマシンの駆動システムにより駆動するマイクロマシンの形状を示す平面図である。
【図２４７】上記マイクロマシンの駆動システムに設けられた交流磁場発生装置の鉄心の形状を示す平面図である。
【図２４８】上記交流磁場発生装置の回転状態を示すものであり、（ａ）が上記鉄心のギャップが設けられた辺が水平に保たれている状態を示す図面であり、（ｂ）が当該辺が鉛直に保たれている状態を示す図面である。
【図２４９】本発明の実施の形態２を示すものであり、マイクロマシンの駆動システムの要部構成を示すブロック図である。
【図２５０】上記マイクロマシンの駆動システムに設けられた交流磁場発生装置の鉄心の形状を示す平面図である。
【図２５１】上記マイクロマシンの駆動システムに設けられた交流磁場発生装置の他の鉄心の形状を示す平面図である。
【図２５２】マイクロマシンの製造方法を示すものであり、マイクロマシンの雄型を示す図面である。
【図２５３】マイクロマシンの製造方法を示すものであり、マイクロマシンの雄型と雌型とを示す図面である。
【図２５４】上記マイクロマシンの雌型を示すものであり、隙間に石膏が入り込んでいる状態を示す図面である。
【図２５５】上記マイクロマシンの雌型を示すものであり、隙間に入り込んだ石膏を取り除いた状態を示す図面である。
【図２５６】上記マイクロマシンの雌型を示すものであり、余分なシリコーンのたまり場となる溝が形成された状態を示す図面である。
【図２５７】上記マイクロマシンの雌型を示すものであり、磁石が固定された状態を示す図面である。
【図２５８】上記マイクロマシンの雌型を示すものであり、２つの雌型が合わさった状態を示す図面である。
【図２５９】上記製造方法によって製造されたマイクロマシンを示す図面である。
【図２６０】本発明の実施の形態２に係る交流磁場発生装置が生成する磁場の断面内磁束ベクトル方向を示す図面である。
【図２６１】当該交流磁場発生装置が生成する断面内磁束ベクトル方向を示すものであり、振幅比を上記とは異なる値に設定した場合を示す図面である。
【図２６２】本発明の他の実施の形態を示すものであり、マイクロマシンの構造を示す模式図である。
【図２６３】上記マイクロマシンの動作を示す模式図である。
【図２６４】本発明のさらに他の実施の形態を示すものであり、マイクロマシンの構造を示す斜視図である。
【図２６５】上記マイクロマシンを駆動する際に形成される磁場の磁束ベクトルを示す図面である。
【図１】
2006062071.tif 000006
【図２】
2006062071.tif 000007
【図３】
2006062071.tif 000008
【図４】
2006062071.tif 000009
【図５】
2006062071.tif 000010
【図６】
2006062071.tif 000011
【図７】
2006062071.tif 000012
【図８】
2006062071.tif 000013
【図９】
2006062071.tif 000014
【図１０】
2006062071.tif 000015
【図１１】
2006062071.tif 000016
【図１２】
2006062071.tif 000017
【図１３】
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【図１４】
2006062071.tif 000019
【図１５】
2006062071.tif 000020
【図１６】
2006062071.tif 000021
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
2006062071.tif 000034
【図３０】
2006062071.tif 000035
【図３１】
2006062071.tif 000036
【図３２】
2006062071.tif 000037
【図３３】
2006062071.tif 000038
【図３４】
2006062071.tif 000039
【図３５】
2006062071.tif 000040
【図３６】
2006062071.tif 000041
【図３７】
2006062071.tif 000042
【図３８】
2006062071.tif 000043
【図３９】
2006062071.tif 000044
【図４０】
2006062071.tif 000045
【図４１】
2006062071.tif 000046
【図４２】
2006062071.tif 000047
【図４３】
2006062071.tif 000048
【図４４】
2006062071.tif 000049
【図４５】
2006062071.tif 000050
【図４６】
2006062071.tif 000051
【図４７】
2006062071.tif 000052
【図４８】
2006062071.tif 000053
【図４９】
2006062071.tif 000054
【図５０】
2006062071.tif 000055
【図５１】
2006062071.tif 000056
【図５２】
2006062071.tif 000057
【図５３】
2006062071.tif 000058
【図５４】
2006062071.tif 000059
【図５５】
2006062071.tif 000060
【図５６】
2006062071.tif 000061
【図５７】
2006062071.tif 000062
【図５８】
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【図５９】
2006062071.tif 000064
【図６０】
2006062071.tif 000065
【図６１】
2006062071.tif 000066
【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
2006062071.tif 000069
【図６５】
2006062071.tif 000070
【図６６】
2006062071.tif 000071
【図６７】
2006062071.tif 000072
【図６８】
2006062071.tif 000073
【図６９】
2006062071.tif 000074
【図７０】
2006062071.tif 000075
【図７１】
2006062071.tif 000076
【図７２】
2006062071.tif 000077
【図７３】
2006062071.tif 000078
【図７４】
2006062071.tif 000079
【図７５】
2006062071.tif 000080
【図７６】
2006062071.tif 000081
【図７７】
2006062071.tif 000082
【図７８】
2006062071.tif 000083
【図７９】
2006062071.tif 000084
【図８０】
2006062071.tif 000085
【図８１】
2006062071.tif 000086
【図８２】
2006062071.tif 000087
【図８３】
2006062071.tif 000088
【図８４】
2006062071.tif 000089
【図８５】
2006062071.tif 000090
【図８６】
2006062071.tif 000091
【図８７】
2006062071.tif 000092
【図８８】
2006062071.tif 000093
【図８９】
2006062071.tif 000094
【図９０】
2006062071.tif 000095
【図９１】
2006062071.tif 000096
【図９２】
2006062071.tif 000097
【図９３】
2006062071.tif 000098
【図９４】
2006062071.tif 000099
【図９５】
2006062071.tif 000100
【図９６】
2006062071.tif 000101
【図９７】
2006062071.tif 000102
【図９８】
2006062071.tif 000103
【図９９】
2006062071.tif 000104
【図１００】
2006062071.tif 000105
【図１０１】
2006062071.tif 000106
【図１０２】
2006062071.tif 000107
【図１０３】
2006062071.tif 000108
【図１０４】
2006062071.tif 000109
【図１０５】
2006062071.tif 000110
【図１０６】
2006062071.tif 000111
【図１０７】
2006062071.tif 000112
【図１０８】
2006062071.tif 000113
【図１０９】
2006062071.tif 000114
【図１１０】
2006062071.tif 000115
【図１１１】
2006062071.tif 000116
【図１１２】
2006062071.tif 000117
【図１１３】
2006062071.tif 000118
【図１１４】
2006062071.tif 000119
【図１１５】
2006062071.tif 000120
【図１１６】
2006062071.tif 000121
【図１１７】
2006062071.tif 000122
【図１１８】
2006062071.tif 000123
【図１１９】
2006062071.tif 000124
【図１２０】
2006062071.tif 000125
【図１２１】
2006062071.tif 000126
【図１２２】
2006062071.tif 000127
【図１２３】
2006062071.tif 000128
【図１２４】
2006062071.tif 000129
【図１２５】
2006062071.tif 000130
【図１２６】
2006062071.tif 000131
【図１２７】
2006062071.tif 000132
【図１２８】
2006062071.tif 000133
【図１２９】
2006062071.tif 000134
【図１３０】
2006062071.tif 000135
【図１３１】
2006062071.tif 000136
【図１３２】
2006062071.tif 000137
【図１３３】
2006062071.tif 000138
【図１３４】
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【図１３５】
2006062071.tif 000140
【図１３６】
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【図１３７】
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【図１３８】
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【図１３９】
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【図１４０】
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【図１４１】
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【図１４２】
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【図１４３】
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【図１４４】
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【図１４５】
2006062071.tif 000150
【図１４６】
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【図１４７】
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【図１４８】
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【図１４９】
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【図１５０】
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【図１５１】
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【図１５２】
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【図１５３】
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【図１５４】
2006062071.tif 000159
【図１５５】
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【図１５６】
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【図１５７】
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【図１５８】
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【図１５９】
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【図１６０】
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【図１６１】
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【図１６２】
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【図１６３】
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【図１６４】
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【図１６５】
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【図１６６】
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【図１６７】
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【図１６８】
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【図１６９】
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【図１７０】
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【図１７１】
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【図１７２】
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【図１７３】
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【図１７４】
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【図１７５】
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【図１７６】
2006062071.tif 000181
【図１７７】
2006062071.tif 000182
【図１７８】
2006062071.tif 000183
【図１７９】
2006062071.tif 000184
【図１８０】
2006062071.tif 000185
【図１８１】
2006062071.tif 000186
【図１８２】
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【図１８３】
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【図１８４】
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【図１８５】
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【図１８６】
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【図１８７】
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【図１８８】
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【図１８９】
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【図１９０】
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【図１９１】
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【図１９２】
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【図１９３】
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【図１９４】
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【図１９５】
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【図１９６】
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【図１９７】
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【図１９８】
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【図１９９】
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【図２００】
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【図２０１】
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【図２０２】
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【図２０３】
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【図２０４】
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【図２０５】
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【図２０６】
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【図２０７】
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【図２０８】
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【図２０９】
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【図２１０】
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【図２１１】
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【図２１２】
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【図２１３】
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【図２１４】
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【図２１５】
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【図２１６】
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【図２１７】
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【図２１８】
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【図２１９】
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【図２２０】
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【図２２１】
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【図２２２】
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【図２２３】
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【図２２４】
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【図２２５】
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【図２２６】
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【図２２７】
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【図２２８】
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【図２２９】
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【図２３０】
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【図２３１】
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【図２３２】
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【図２３３】
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【図２３４】
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【図２３５】
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【図２３６】
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【図２３７】
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【図２３８】
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【図２３９】
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【図２４０】
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【図２４１】
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【図２４２】
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【図２４３】
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【図２４４】
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【図２４５】
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【図２４６】
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【図２４７】
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【図２４８】
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【図２４９】
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【図２５０】
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【図２５１】
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【図２５２】
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【図２５３】
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【図２５４】
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【図２５５】
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【図２５６】
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【図２５７】
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【図２５８】
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【図２５９】
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【図２６０】
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【図２６１】
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【図２６２】
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【図２６３】
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【図２６４】
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【図２６５】
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