(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
塩化物イオンを含まないｐＨ１以下の強酸に強酸化剤を混合した混合溶液と、当該混合溶液中で移動可能に配置された移動水銀と、これら混合溶液及び移動水銀を収容する収容体と、前記収容体内に設けられ、前記移動水銀に接触するように配置された導線と、当該導線に接触することで、前記導線に沿った前記移動水銀の自律移動を可能にする金属製の接触体とを備えたことを特徴とする化学反応を用いたアクチュエータ。
【請求項２】
塩化物イオンを含まないｐＨ１以下の強酸に強酸化剤を混合した混合溶液と、当該混合溶液中で移動可能に配置された移動水銀と、前記混合溶液中の一定位置に配置された静置水銀と、これら混合溶液、移動水銀及び静置水銀を収容する収容体と、前記収容体内に設けられ、前記移動水銀及び前記静置水銀に接触するように配置された導線と、前記導線に沿って形成され、前記移動水銀が載るラチェットと、先端が移動不能に固定された金属製の接触体とを備え、
前記ラチェットは、前記導線の一端側から他端側に向かって次第に下方に傾斜する傾斜面を備え、
前記接触体は、前記静置水銀が酸化状態で当該静置水銀に接触可能に配置され、且つ、前記静置水銀が還元状態で当該静置水銀に離間可能に配置されていることを特徴とする化学反応を用いたアクチュエータ。
【請求項３】
前記強酸は、濃度が６．０Ｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の化学反応を用いたアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水銀の周期的な酸化還元反応を動力源として利用したアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水銀の周期的な酸化還元反応によって、激しく振動を繰り返すＭｅｒｃｕｒｙ  Ｂｅａｔｉｎｇ  Ｈｅａｒｔ現象（以下、「ＭＢＨ現象」と称する）が知られている（非特許文献１参照）。このＭＢＨ現象は、硫酸のような強酸性溶液とニクロム酸カリウムのような強酸化剤との混合溶液中に水銀を静置した状態で、当該水銀の表面に鉄製の棒を接触させると、水銀の表面張力が変化し、当該水銀がその場で上下方向に振動する現象である。
【０００３】
更に詳しく説明すると、図６に示されるように、硫酸及びニクロム酸カリウムの混合溶液５１中に球状の水銀５３を静置した状態で、当該水銀５３の近傍に鉄針５４を動かさずに配置すると、次の化学反応が発生する。
【０００４】
先ず、水銀５３が鉄針５４から離れている図６中実線の状態では、水銀５３の表面が混合溶液５１によって酸化され、当該表面に、硫化水銀からなる酸化膜５６が形成される。このときの化学反応式は、以下（１）、（２）で表される。
６Ｈｇ＋Ｃｒ２Ｏ７２−＋１４Ｈ＋→６Ｈｇ＋＋２Ｃｒ３＋＋７Ｈ２Ｏ    （１）
ＳＯ４２−＋２Ｈｇ＋→Ｈｇ２ＳＯ４（ｓ）                          （２）
すると、水銀５３は、酸化膜５６により表面張力が低下し、押し潰されて横方向に広がるように変形する（同図中破線参照）。そして、当該変形により水銀５３が鉄針５４に接触すると、当該接触によって水銀５３が還元される。このときの、化学反応式は、以下（３）で表される。
Ｆｅ＋Ｈｇ２ＳＯ４（ｓ）→Ｆｅ２＋＋２Ｈｇ＋ＳＯ４２−            （３）
このような還元反応が発生すると、水銀５３は、酸化膜５６が破壊されて表面張力が回復することになって、再び、鉄針５４から離れて同図中実線の状態に戻る。そして、水銀５３は、以上の動作が繰り返し行われることになり、その場で上下方向に周期的な振動が発生することになる。
【非特許文献１】Ｄ．Ａｖｎｉｒ、「Ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｐｕｌｓａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ：Ｔｈｅ  Ｍｅｒｃｕｒｙ  Ｂｅａｔｉｎｇ  Ｈｅａｒｔ」、Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｅｄｕｃ、６６、２１１−２１２、１９８９年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記ＭＢＨ現象は、混合溶液５１中の一定位置で水銀５３が上下方向に振動するが、当該ＭＢＨ現象を応用して水銀５３を所定方向に移動させ、当該移動をアクチュエータの動力源として利用するための研究は従来全く行われていない。そこで、本発明者らは、鋭意研究を行った結果、従来のＭＢＨ現象の発生要件の他に、所定の反応条件や構造条件を付加することにより、ＭＢＨ現象を応用して水銀５３を所定方向に自律移動を行えることを見出し、これを実験実証した。
【０００６】
本発明は、このような本発明者らの知見に基づいて案出されたものであり、その目的は、ＭＢＨ現象による化学反応を応用した水銀の自律移動を動力源とするアクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）前記目的を達成するため、本発明は、塩化物イオンを含まないｐＨ１以下の強酸に強酸化剤を混合した混合溶液と、当該混合溶液中で移動可能に配置された移動水銀と、これら混合溶液及び移動水銀を収容する収容体と、前記移動水銀に接触しながら前記収容体内で所定方向に延びる導電体と、当該導電体に接触することで前記移動水銀の自律移動を可能にする金属製の接触体とを備える、という構成を採っている。
【０００８】
（２）また、本発明は、塩化物イオンを含まないｐＨ１以下の強酸に強酸化剤を混合した混合溶液と、当該混合溶液中で移動可能に配置された移動水銀と、前記混合溶液中の一定位置に配置された静置水銀と、これら混合溶液、移動水銀及び静置水銀を収容する収容体と、前記移動水銀及び静置水銀に接触しながら前記収容体内で所定方向に延びる導電体と、前記導電体に沿って形成され、前記移動水銀が載るラチェットと、金属製の接触体とを備え、
前記ラチェットは、前記導電体の延出方向に傾斜する傾斜面を備え、
前記接触体は、前記静置水銀が酸化状態で当該静置水銀に接触可能に配置され、且つ、前記静置水銀が還元状態で当該静置水銀に離間可能に配置される、という構成をも採っている。
【０００９】
（３）以上において、前記強酸の濃度を６．０Ｍ以上とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
前記（１）の構成によれば、接触体が導電体に接触した状態では、移動水銀が導電体に沿って接触体と反対方向に自律移動することになり、当該自律移動をアクチュエータの動力源とすることができる。従って、化学反応から得たエネルギーから物理的な運動に変換させることができ、電気エネルギーや熱エネルギーを使わない新たな動力源のアクチュエータとして、地球温暖化対策に好適となる。
【００１１】
前記（２）の構成によれば、静置水銀は、従来のＭＢＨ現象によって、接触体への離間接触を繰り返しながら、酸化還元反応を繰り返し行い、上下方向に周期的な振動が発生する。このとき、静置水銀に対して導電体を介し繋がっている移動水銀は、静置水銀に同期して上下方向に周期的に振動することになり、当該振動に伴い、ラチェットの傾斜面の傾斜方向に沿って移動することになる。
【００１２】
前記（３）の構成によれば、移動水銀を一層確実に自律移動させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
（第１実施形態）
【００１４】
図１には、第１実施形態に係るアクチュエータとしてのマイクロポンプの概略斜視図が示されている。この図において、マイクロポンプ１０は、運搬対象物Ｍが移動する収容体としての移動路１１と、当該移動路１１内に充填された混合溶液１２と、移動路１１で運搬対象物Ｍを押しながら移動する半球状若しくはドーム状の移動水銀１４と、移動路１１の底部に設けられた導電体としての導線１６と、図１中下側の起点部分Ｓで導線１６に接触可能な接触体１７とを備えて構成されている。
【００１５】
前記移動路１１は、混合溶液１２、移動水銀１４及び運搬対象物Ｍを収容する内部空間が形成された角筒状のチューブによって構成されており、起点部分Ｓから第１〜第６の部分Ｐ１〜Ｐ６に分岐するように延びている。また、起点部分Ｓの近傍には、移動路１１の外側から運搬対象物Ｍを内部空間に挿入するための挿入チューブ１９が設けられている。この挿入チューブ１９から内部空間に挿入された運搬対象物Ｍは、図１に示されるように、移動水銀１４の初期位置の進行方向前端側に配置されることになる。このように配置された運搬対象物Ｍは、後述するように、混合溶液１２中での移動水銀１４の自律移動によって押されながら、第１〜第６の部分Ｐ１〜Ｐ６の何れかの部分に運搬されるようになっている。
【００１６】
前記混合溶液１２は、強酸と強酸化剤が混合されたものであって、本実施形態では、強酸として濃度が６．０Ｍとなる硫酸が用いられ、強酸化剤として濃度が１．０Ｍとなるニクロム酸カリウムが用いられている。なお、強酸としては、他に硝酸等を用いることができ、塩化物イオンを含まないｐＨ１以下となる酸であれば何でもよく、強酸の濃度は、６．０Ｍ以上が好ましい。また、強酸化剤としては、他に臭素酸ナトリウム等を用いることができ、要するに、移動水銀１４を自律移動させることができる限り、他の強酸化剤を用いることもできる。
【００１７】
前記導線１６は、起点部分Ｓから第１〜第６の部分Ｐ１〜Ｐ６に向ってそれぞれ一本ずつ延びるように、六本が相互に非接触に配置されている。また、導線１６は、その上に移動水銀１４が載った状態で当該移動水銀１４に接触しており、後述するように、移動水銀１４が六本の導線１６の何れかに沿って移動することになる。なお、導線１６は、ＭＢＨ現象に影響を受けない導電性の物質であれば何でも良く、本実施形態では純銀線が用いられているが、白金等に代替してもよい。
【００１８】
前記接触体１７は、棒状若しくは針状をなす鉄によって形成され、起点部分Ｓの六本の各導線１６に選択的に接触できるようになっている。なお、接触体１７としては、鉄に限らず、水銀よりもイオン化傾向の大きい金属であれば何でも良い。
【００１９】
以上のように構成されたマイクロポンプ１０は、接触体１７が何れかの導線１６に接触すると、移動水銀１４は、接触体１７が接触した導線１６上を当該接触体１７と反対方向に自律的に移動し、接触している導線１６が延びる第１〜第６の部分Ｐ１〜Ｐ６の何れかに向って、運搬対象物Ｍを押しながら運搬する。
【００２０】
以上のマイクロポンプ１０の動作とその原理は、本発明者らによる以下の実験によって実証された。
【００２１】
図２に示されるように、収容体としての水槽２１を用意する。この水槽２１は、同図中左右幅が約２００ｍｍ、同上下幅が約２５ｍｍ、同奥行幅が約５ｍｍとなるサイズのものを用いた。また、水槽２１の底面２１Ａには、同図中左右方向に延びるように純銀製の導線１６を取り付けた。そして、水槽２１に、濃度６．０Ｍの硫酸と濃度１．０Ｍのニクロム酸カリウムとの混合溶液１２を３０ｍｌ注入するとともに、移動水銀１４となる水銀を注入した。このとき、移動水銀１４を図２中左右方向に３ｍｍ程度の幅とし、移動水銀１４を導線１６上に接触させた。そして、室温程度となる温度２５℃で、水槽２１の同図中左端側に接触体となる鉄針１７の先端を接触させ、鉄針１７を定位置で動かさないようにした。すると、移動水銀１４は、鉄針１７と反対側に導線１６上を自律的に移動した。
【００２２】
また、混合溶液１２中の強酸として、硫酸の他、硝酸、塩酸及びｐＨ１以上の酸についても同様の実験を行ったところ、塩酸やｐＨ１以上の酸については、前述の移動水銀１４の自律移動が発生しなかったが、その他は、前記自律移動が発生した。また、当該強酸の濃度を変えて同様の実験を行ったところ、前記自律移動が発生した酸のうち、６Ｍ以上のものは、強酸化剤の濃度に拘らず前記自律移動を確実に発生させることができたが、６Ｍ未満のものは、強酸化剤の濃度に拘らず前記自律移動を確実に発生させられなかった。
【００２３】
一方、強酸化剤として、ニクロム酸カリウムの他、臭素酸ナトリウムについて同様の実験を行ったところ、前記自律移動が発生する強酸の各種条件下で、同様に前記自律移動が発生した。また、強酸化剤の濃度を０．１Ｍ、２Ｍとして同様の実験を行ったところ、前記自律移動が発生する強酸の各種条件下で、それぞれ同様に前記自律移動が発生した。このため、強酸化剤の濃度は、水銀の自律移動の発生に影響を及ぼさないと考えられる。また、以上の各実験は、温度１８℃でも行っており、温度２５℃の場合と同様の条件で、前記自律移動が発生することが確認された。
【００２４】
また、移動水銀１４の進行方向前側に、運搬対象物Ｍとして、１ｃｍ角のシリコンゴムを置いた上で、移動水銀１４を自律移動させたところ、運搬対象物Ｍが移動水銀１４の移動によって押されながら難なく運搬されたことが確認された。
【００２５】
また、本発明者らは、以上の実験時に、ビデオカメラや種々の測定機器を使い、移動水銀１４の状態を観察しながら、移動水銀１４の表面張力を測定したところ、次の原理で移動水銀１４が自律移動を行うことを解明した。
【００２６】
先ず、図３（Ａ）に示されるように、鉄針１７を導線１６に接触させる前の初期状態では、前記背景技術で説明した化学反応式（１）、（２）
６Ｈｇ＋Ｃｒ２Ｏ７２−＋１４Ｈ＋→６Ｈｇ＋＋２Ｃｒ３＋＋７Ｈ２Ｏ    （１）
ＳＯ４２−＋２Ｈｇ＋→Ｈｇ２ＳＯ４（ｓ）                          （２）
による反応、すなわち、混合溶液１２による移動水銀１４の酸化により、混合溶液１２に接する移動水銀１４の表面に硫化水銀からなる酸化膜２３が形成される。このときは、移動水銀１４の同図中左右両端側と水槽２１の底面２１Ａとの接触角θＬ，θＲは、同一であり、当該接触部分での表面張力の水平成分ＦＬ，ＦＲは同一の大きさで相互に釣り合った状態となる。
【００２７】
次に、図３（Ｂ）に示されるように、鉄針１７を導線１６に接触させると、鉄針１７と移動水銀１４とが導線１６を通じて導通することになり、前記背景技術で説明した化学反応式（３）
Ｆｅ＋Ｈｇ２ＳＯ４（ｓ）→Ｆｅ２＋＋２Ｈｇ＋ＳＯ４２−            （３）
による反応が発生する。すなわち、鉄の方が水銀よりもイオン化傾向が大きいため、酸化膜２３である硫化水銀中の水銀イオンが鉄の電子を奪い、水銀に還元する反応が発生する。このとき、移動水銀１４の表面に形成された酸化膜２３（硫化水銀）が全体的に同時に還元される訳ではなく、鉄針１７に近い移動水銀１４の同図中左端部分２５が還元される。すると、当該左端部分２５は、一時的に酸化膜２３を失った状態になるため、当該左端部分１４の表面張力が高くなって、図３（Ｃ）に示されるように、移動水銀１４の全体が左側に傾き、移動水銀１４内で同図中矢印方向となる時計方向の流れが発生する。このとき、当該流れに伴い、最初に作成された酸化膜２３のうち還元されていない部分は、図３（Ｃ）に示されるように鉄針１７の方向に移動する。そして、新たに表出した移動水銀１４の同図中右側の表面部分２８は、鉄針１７と反対側の部分であるため、電子が直ぐに供給され難いことから、前記化学反応式（１）、（２）による酸化反応が発生し、新たに酸化膜２３が形成される。ここで、図３（Ｃ）の状態で、移動水銀１４と底面２１Ａとの接触角θＬ，θＲをそれぞれ測定すると、同図中左側θＬが同右側θＲよりも大きくなり、これによって、当該各接触部分での表面張力の水平成分ＦＬ，ＦＲは、同図中左側ＦＬよりも右側ＦＲが大きくなり、力学的に移動水銀１４が同図中右側に移動することになる。
【００２８】
そして、鉄針１７を導線１６に接触し続けると、移動水銀１４の左側の酸化膜２３が還元され、同右側に酸化膜２３が形成されるという前述の化学反応が継続して発生し、移動水銀１４内の流れにより、鉄針１７と反対方向に移動水銀１４が導線１６に沿って継続的に自律移動することになる。
【００２９】
以上によれば、電気エネルギーや熱エネルギー等の外部エネルギーを与えなくても、化学反応を使って移動水銀１４を自律移動させることができ、当該自律移動は、アクチュエータ１０の新たな動力源として有効であることが実験実証された。
【００３０】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、前記第１実施形態と同一若しくは同等の構成部分については同一符号を用いるものとし、説明を省略若しくは簡略にする。
【００３１】
（第２実施形態）
また、第２実施形態に係るマイクロポンプは、第１実施形態での移動水銀１４と異なるメカニズムで移動路１１内を自律移動可能となっている。すなわち、図４に示されるように、本実施形態のマイクロポンプ３０では、移動路１１の底面３２に導線１６に沿ってラチェット３４を形成し、移動路１１の起点部分Ｓに、移動水銀１４とは別の静置水銀３６を導線１６上で接触するように配置し、当該静置水銀３６の近傍に接触体１７の先端を配置したところに特徴を有する。その他の構成は、第１実施形態の構成と実質的に同一である。
【００３２】
前記ラチェット３４は、移動水銀１４の進行方向となる図４中右方に向って傾斜する多数の突部３８によってほぼ鋸歯状に形成されている。この突部３８は、図５に示されるように、導線１６の延出方向である移動水銀１４の移動方向における後端３９から前端４０に向って次第に下方に傾斜する傾斜面４１と、後端３９から鉛直方向下側に配置された後端面４２と、同図中奥行方向のほぼ中央で上方が開放し、導線１６が内部に収容された溝部４３とを備えている。
【００３３】
前記接触体１７は、その先端が所定位置で移動できないように固定されている。すなわち、図４に示されるように、静置水銀３６が前記化学反応式（１）、（２）による酸化していないときには（同図中実線の還元状態）、接触体１７が静置水銀３６に離間する一方、静置水銀３６が酸化して表面張力が低下して横方向に押し潰されたときには（同図中破線の酸化状態）、接触体１７が静置水銀３６に接触するようになっている。
【００３４】
本実施形態におけるマイクロポンプ３０では、移動水銀１４が次のように動作する。
【００３５】
先ず、静置水銀３６は、混合溶液１２によって、前記化学反応式（１）、（２）による酸化反応が発生し、その表面に酸化膜が形成される。このとき、移動水銀１４も同様に表面に酸化膜が形成された状態となる。そして、当該酸化膜により、移動水銀１４及び静置水銀３６は、それぞれ表面張力が低下して押し潰され、横方向に広がるように変形する。
【００３６】
すると、静置水銀３６は、接触体１７に接触することになり、前記化学反応式（３）による還元反応が発生し、酸化膜が破壊されて、表面張力が元の状態に回復し、接触体１７から離れる。ここで、静置水銀３６が接触体１７に接触しているときは、接触体１７からの電子の一部は、静置水銀３６及び導線１６を介して移動水銀１４にも供給され、移動水銀１４も同様の還元反応が発生する。従って、移動水銀１４及び静置水銀３６は、静置水銀３６と接触体１７の離間接触の繰り返しにより、それぞれ同期して上下方向に振動することになる。このとき、傾斜面４１によって、隣り合う突部３８，３８間の谷間部分４５に移動した移動水銀１４は、上下方向に振動しながら、一部が隣の突部３８の後端３９に乗り、突部３８の傾斜面４１を使って次の谷間部分４５に移動し、当該動作を繰り返しながら、移動水銀１４が図４中右方に移動する。
【００３７】
以上の第２実施形態に関しても、第１実施形態と同様にして行われた本発明者らの実験によって、その動作とその原理が実証された。
【００３８】
なお、前記各実施形態のマイクロポンプ１０，３０は、混合溶液１２の性質等を考慮すると、生化学関係でないものに限定されるが、他のアクチュエータに対しても、同様の動作原理を採用することが可能である。
【００３９】
その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、ポンプの他、所定の物体を動作させるアクチュエータとして利用可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】第１実施形態に係るマイクロポンプの概略斜視図。
【図２】前記マイクロポンプの動作を実証するための実験装置を示す概略断面図。
【図３】（Ａ）〜（Ｃ）は、移動水銀の移動の過程を模式的に示した概略断面図である。
【図４】第２実施形態に係るマイクロポンプの移動路の要部概略断面図。
【図５】前記アクチュエータのラチェット部分の一部を示す概略拡大斜視図。
【図６】ＭＢＨ現象を説明するために模式的に示した概略断面図。
【符号の説明】
【００４２】
１０  マイクロポンプ（アクチュエータ）
１１  移動路（収容体）
１２  混合溶液
１４  移動水銀
１６  導線（導電体）
１７  接触体
２１  水槽（収容体）
３０  マイクロポンプ
３６  静置水銀
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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