(57)【要約】【課題】旧来形ベアリングがもつ諸問題を実質的に解決する流体ベアリングを提供すること。【解決手段】液滴が、複数のナノ構造体を有する第１の表面をナノ構造であってもなくともよい第２の表面から分離する流体ベアリングが開示されている。一実施形態では、液滴は、第１の表面上のナノ構造体と第２の表面とに、一方又は両方の表面が横方向又は回転方向に移動するとき第１の表面と第２の表面の間で摩擦が減ぜられるような手段で接触する。一例示的な実施形態では、ベアリングの第１の表面は、ジャイロスコープ内のハウジングの表面であり、第２の表面は、ハウジング内を回転するようになされたマスのナノ構造の表面である。このような位置にあって、回転するマスは非常に小さな摩擦で動き、例えば非常に小さな、高い角速度をもつ、高い精度のジャイロスコープの製作が可能になる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の表面と、
前記第１の表面の少なくとも第１の領域上に配設された複数のナノ構造体と、
第２の表面と、
前記第１の表面上の前記複数のナノ構造体及び前記第２の表面に接し、前記少なくとも第１のナノ構造化表面との間の摩擦を減少させるようになされた液滴とを備えることを特徴とする流体ベアリング。
【請求項２】
前記第１の表面が、前記第２の表面に関して横方向に移動するようになされた構成要素の表面であることを特徴とする請求項１に記載の流体ベアリング。
【請求項３】
前記第１の表面が、前記第２の表面に関して回転方向に移動するようになされた構成要素の表面であることを特徴とする請求項１に記載の流体ベアリング。
【請求項４】
前記液滴が、前記複数のナノ構造体において実質上前記ナノ構造体の端部上に浮遊するように配設されることを特徴とする請求項１に記載の流体ベアリング。
【請求項５】
前記第２の表面が複数のナノ構造体を備えることを特徴とする請求項１に記載の流体ベアリング。
【請求項６】
前記液滴が前記ナノ構造体の第１の部分に関して所望の位置を保つように前記複数のナノ構造体におけるナノ構造体の第１の部分の密度と前記複数のナノ構造体における前記ナノ構造体の第２の部分の密度とが相違することを特徴とする請求項１に記載の流体ベアリング。
【請求項７】
前記第１の表面及び前記第２の表面が微小電気機械システム・モータの表面であることを特徴とする請求項１に記載の流体ベアリング。
【請求項８】
前記第１の表面及び前記第２の表面が微小流体ポンプの表面であることを特徴とする請求項１に記載の流体ベアリング。
【請求項９】
ハウジングと、
第１のナノ構造化表面及び第２のナノ構造化表面を備えるマス（ｍａｓｓ）と、
前記マスが前記液体により前記ハウジングの第１の表面から分離されるように配設される液体の第１の小滴と、
前記マスが前記第２の液体により前記ハウジングの第２の表面から分離されるように配設される液体の第２の小滴と、
前記マスの少なくとも第１の０でない角速度を開始し保持するための手段と、
前記マスが、前記ハウジングの少なくとも第３の表面に関して位置を変えたかどうかを検出するための手段とを備えることを特徴とするジャイロスコープ。
【請求項１０】
第１の表面と第２の表面の間の摩擦を減少させる方法であって、前記第１の表面が複数のナノ構造体を備え，前記第１の表面が前記第２の表面に関して横方向に移動するようになされ、
液体の少なくとも第１の小滴を、前記小滴が、前記複数のナノ構造体におけるナノ構造体の少なくとも一部分に接触するように配設するステップを備え、
液体の前記少なくとも第１の小滴も、前記第２の表面が、前記少なくとも第１の小滴によりナノ構造体の少なくとも一部分から分離されるように前記第２の表面に接することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概してベアリングに関し、より詳細には、ナノ構造化表面を有する流体ベアリング（liquid bearing）に関する。
【背景技術】
【０００２】
ベアリングは、回転又は直線運動のために、２つの表面の間の摩擦を減じ、負荷を担持するための多くの変化に富んだ適用分野において有利であるとして極めて周知である。ある適用分野でのあるベアリング、例えばボール・ベアリング、ローラ・ベアリング、プレーン・ベアリング及びスリーブ・ベアリングは機械的構成要素（あるボール・ベアリングの場合では金属又はセラミックのボール）に依存して摩擦を減じかつ負荷を担持している。他のベアリング、例えば空気ベアリング及び流体ベアリングは、それぞれある量の空気又は液体を使用して表面間の摩擦を減じ、負荷を支えている。これら流体又は空気ベアリングでは、流体（例えば液体又はガス）の層を表面間に注入し、流体の中間層による利点をもつことなく接触する個体の表面間の摩擦に比べ、実質的に小さくなった摩擦を有するインターフェースをそれら表面間に生成する。
【０００３】
ベアリングの使用は多く、多様であるが、その１つはジャイロスコープなどの装置内でのものである。業界で周知の旧来形ジャイロスコープは、一般に、ベース上又はハウジング内に、その軸が１つ又は複数の方向で自由に回転することができ、ベース又はハウジングが移動してもその軸がその向きを保つように取り付けられたディスク又は車などの回転するマス（ｍａｓｓ）によって構成されている装置である。ベアリングは、このようなジャイロスコープ内で、ディスク／車が回転するとき、ディスク／車とベース又はハウジングの間の摩擦を減じるために頻繁に使用される。
【０００４】
しかし、旧来形ジャイロスコープの構成要素を使用すると、旧来形ベアリングを使用する小型の装置用にうまく合わない。具体的には、ベアリングを使用する装置が非常に小さくなると、さらに小さなベアリングが求められる。しかし、ベアリングが小さくなると、そのように小さな装置内で、摩擦を減ずる効果が小さくなる。その上、旧来形のジャイロスコープ内で使用されるような小さな回転するマスを使用すると、マスの回転運動量も対応して小さくなる。具体的には、ジャイロスコープは、角運動量保存の法則に従って動作する。この法則によれば、回転するマスは、その大きさがそのマスの角運動量に打ち勝つのに十分な外部トルクが与えられないと、その方向及び角運動量の大きさを保持する。角運動量（Ｌ）は、下記の式で定義される。
Ｌ＝Ｉ＊ｗ          式１
ここで、Ｉは慣性モーメント、ｗは角速度である。慣性モーメントは、下記の式で定義される。
Ｉ＝１／２ＭＲ２      式２
ここで、Ｍはディスクのマス、Ｒはディスクの半径である。したがって、非常に小さなマス及び半径のディスクでは、慣性モーメントも対応して小さい。したがって、旧来の回転速度では、このような小さなディスクの角運動量は十分に小さく、一般に、小さなトルクが与えられても簡単に負けてしまいジャイロスコープの動作を妨げる。角運動量を増加する一方法は、マスの角速度を増すことではあるが、従来技術によるベアリングがもたらす摩擦が速度の最大増分を限定する。したがって、このような小さな寸法を有する従来技術による回転式ジャイロスコープは、その有用性で限定される。
【特許文献１】米国特許第６，１８５，９６１号
【特許文献２】米国特許申請第１０／４０３１５９号
【非特許文献１】Ｃ．Ｊ．Ｋｉｍ「Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  ｆｏｒ  Ｄｒａｍａｔｉｃ  Ｒｅｄｃｕｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｆｌｏｗ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｉｎ  Ｄｒｏｐｌｅｔ−ｂａｓｅｄ  Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ」、ＩＥＥＥ  Ｃｏｎｆ．ＭＥＭＳ、Ｌａｓ  Ｖｅｇａｓ、ＮＶ、Ｊａｎ．２００２、ｐｐ．４７９〜４８２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
つい最近、小さなジャイロスコープの必要性に対処するために微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）式ジャイロスコープが開発され製作された。このようなジャイロスコープは、リトグラフィやエッチングなど周知の基板処理技術を使用して製作され、一般に回転するマスに依存しない。その代わり、ＭＥＭＳジャイロスコープは、一般に柔軟なテザーで基板に繋ぎとめられ、したがって２つの直交する方向に一定の周波数で振動することが可能な小さな振動するマス１つで構成されている。角回転が起きると、回転の角速度に比例した、測定可能な力が直交する１方向内に生成される。しかし、このような振動するジャイロスコープは、一般に回転するマスが達成できる高いマス速度を達成することができないという制限がある。その結果、これら振動するＭＥＭＳ式ジャイロスコープの精度は限定されてきた。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、従来技術によるベアリングがもつ前記の問題を実質的に解決する流体ベアリングを発明した。具体的には、本発明の原理によるベアリングは、液滴を使用して複数のナノ構造体を有する第１の表面をナノ構造であってもなくともよい第２の表面から分離する。一実施形態では、液滴は、第１の表面上のナノ構造体と第２の表面とに、一方又は両方の表面が横方向又は回転方向に移動するとき第１と第２の表面の間で摩擦が減ぜられるような手段で接触する。他の例示的な実施形態では、ベアリングの第１のハウジングは、ジャイロスコープ内のハウジングの表面であり、第２の表面は、ハウジング内を回転するようになされたマスのナノ構造の表面である。このような位置にあって、回転するマスは非常に小さな摩擦で動き、例えば非常に小さな、高い角速度をもつ高い精度のジャイロスコープの製作が可能になる。
【０００７】
他の例示的な実施形態では、ジャイロスコープのマス上の少なくとも第１のセグメントとハウジングの表面上の少なくとも第１のセグメントとの間の容量を計測する。マス上のセグメントと表面上のセグメントとの間の容量は、それらセグメント間の距離の関数として変化する。したがって、相対的又は絶対的な容量の変化を検出することによりジャイロスコープの動きが決定される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１Ａ〜１Ｅは、様々な方法を使用して生成されたいろいろな例示的超疎水性表面を示している。具体的にはこれらの図は、様々な直径及び規則正しさをもち、ナノポスト及び／又はマイクロポストとして知られている小さな柱を有する表面を示す。Ｔｏｎｕｃｃｉその他に対して２００１年２月１３日に発行された、「Ｎａｎｏｐｏｓｔ  ａｒｒａｙｓ  ａｎｄ  ｐｒｏｃｅｓｓ  ｆｏｒ  ｍａｋｉｎｇ  Ｓａｍｅ」と名付けられた米国特許第６、１８５，９６１に見出せるナノポスト（nanopost)及びマイクロポスト(micropost)製造のための例示的な方法の全体を本明細書に参照として組み込む。ナノポストは、ポスト形成のためのテンプレートの使用、リソグラフィの様々な手段、及びエッチングの様々な方法などの様々な方法により製造されてきた。
【０００９】
水のような液滴が、適切に設計されたナノ構造又はマイクロ構造の特徴パターンを有する表面に配置されると、その小滴による流動抵抗は、このようなナノ構造体又はマイクロ構造体を有しない表面上にある小滴に比べ劇的に少なくなる。このような適切に設計された特徴パターンを有する表面は、Ｊ．Ｋｉｍ及びＣ．Ｊ．Ｋｉｍ「Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  ｆｏｒ  Ｄｒａｍａｔｉｃ  Ｒｅｄｃｕｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｆｌｏｗ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｉｎ  Ｄｒｏｐｌｅｔ−ｂａｓｅｄ  Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ」、ＩＥＥＥ  Ｃｏｎｆ．ＭＥＭＳ、Ｌａｓ  Ｖｅｇａｓ、ＮＶ、Ｊａｎ．２００２、ｐｐ．４７９〜４８２の主題であり、この論文はその全部を、参照として本明細書に組み込まれる。所定のナノ構造特徴をもつ表面を用いることにより、その表面に接触する流体への流動抵抗をどのようにして大幅に減少させることができるかをこの参照が、全体的に説明している。具体的には、液体に接する表面を微細にパターン化し、かつ前述の液体の表面張力の原理を利用することによって、その表面上に配設された液滴は、図２に示すようにナノ構造のパターンの上に支持されることをＫｉｍによる参照が教示している。図２を参照すると、適切な液滴２０１により（表面構造に依存する）、小滴２０１が、小滴と下側にある固体表面の間の接触なしにナノポスト２０３の頂部上に支えられることを可能にしている。これが、小滴と表面２０２の間に非常に小さな接触面積（小滴だけが各ポスト２０３の頂部に接触している）と、したがって低い流動抵抗をもたらせている。
【００１０】
「ナノ構造」とは、一般に定義されているように、１マイクロメータより小さな寸法を少なくとも１つ有する予め定義された構造であり、「マイクロ構造」とは、１ミリメータより小さな寸法を少なくとも１つ有する予め定義された構造である。しかし、開示した実施形態では、ナノ構造体及びナノ構造の表面について言及しているが、当業者にも明らかであろうが、多くの場合マイクロ構造体は置換可能であるものとする。したがって、本発明者は、ナノ構造体を、１マイクロメータより小さな寸法を少なくとも１つ有する構造と、１ミリメータより少ない寸法を少なくとも１つ有する構造の両方を含む構造と定義する。「特徴パターン」という用語は、マイクロ構造のパターン又はナノ構造のパターンのいずれかを意味する。さらに、「液体」、「小滴」及び「液滴」は、本明細書では交換可能に使用されている。これらの用語は、それぞれ、小滴の形態であるなしに拘わらず液体又は液体の一部を表わす。
【００１１】
図３Ａ〜３Ｆは、非常に微細につくられたマイクロ構造及びナノ構造化表面のパターンが、その結果の表面と液滴の間にいかに種々の接触角度をもたらすかを示している。図３Ａ〜３Ｆに示すように、一般的に接触角が大きいと小滴による流動抵抗は小さくなる。図３Ａ及び３Ｂは、それぞれマイクロライン表面及びマイクロポスト表面を示す。図３Ａの各線３０１は、幅が大体３〜５マイクロメータであり、図３Ｂの各マイクロポスト３０２の直径は最も広い所で３〜５マイクロメータである。各表面上に配設されたある与えられた小滴に対するマイクロライン・パターンをマイクロポスト・パターンと比較すると、小滴のマイクロライン・パターンとの接触面積の方が、小滴のマイクロポスト・パターンとの接触面積より大きくなる。図３Ｄ及び３Ｅは、小滴の、それぞれ図３Ａに示すマイクロライン表面及び図３Ｂに示すマイクロポスト表面に対する接触角度を示す。マイクロライン・パターン上の小滴３０５の接触角３０３は、マイクロポスト・パターンでの小滴３０６の接触角３０４（〜１６０度）より小さい（〜１５０度）。上述のように、これは、マイクロライン・パターンが小滴に及ぼす流動抵抗は、マイクロポスト・パターンが及ぼすものより大きいということになる。
【００１２】
図３Ｃは、マイクロライン及びマイクロポスト・パターンのものよりさらに微細なパターンを示す。具体的には、図３Ｃは、各々が１マイクロメータより小さい直径を有するナノポスト３０９をもつナノポスト・パターンを示す。図３Ｃは、やや円錐形に形成されているナノポスト３０９を示すが、他の形や寸法を取ることもできる。実際に、各々が１０ナノメートルより少ない直径を有する円筒形のナノポストをもつナノポスト・アレイが製作された。具体的には、図３Ｆを参照すると、図３Ｃのナノポスト表面上に配設された小滴３０７は、ほぼ円形で、表面と小滴の間の接触角３０８は１７５度と１８０度の間に等しい。この表面上に配設された小滴３０７の流動抵抗はほぼ零である。
【００１３】
図４は、本発明の原理による、ベアリング４００の一例示的実施例である。具体的には、図４は、第１の表面４０４及び第２の表面４０５を有するベアリング４００を示す。表面４０４及び４０５は、ハウジングの表面を例示的に示している。構成要素４０３は、例えば表面４０４と４０５の間で、例えば構成部品４０３の表面４０３ａ及び４０３ｂに接触する水である液体の例示的な２滴の小滴４０１及び４０２によりそれぞれ支えられている。表面４０３ａ及び４０３ｂは、構成要素４０３に接触する小滴のその部分の流動抵抗を減少させるために、その上に配設された例えば複数のナノ構造体又はマイクロ構造体を有するナノ構造化表面を例示的に示している。したがって、上述のように当業者は構成要素４０３が、例えばｘ方向に横方向に、又はｙ軸の周りを回転方向に動くことができ、上述の理由によって非常に小さな寸法であっても極く低い程度の摩擦にしか遭わないことを理解するであろう。したがって、例示的なハウジング表面４０４と４０５の間で構成要素４０３を支えるのと同時にハウジングと構成要素４０３の間に発生するはずの摩擦を減少させるという点で、小滴４０１及び４０２はベアリングとして機能する。
【００１４】
前記摩擦の削減は、多くの適用分野で有利になりうる。例えば図５は、図４のベアリング４００と同様のベアリングをもつ、本発明の原理による例示的なジャイロスコープ装置５００を示している。具体的には、図５を参照すると、ジャイロスコープ５００は、例示的な上側表面５０２、下側表面５０５及び側面表面５０４をもつ例示的な円筒形ハウジング５０１を有する。例示的に導電性又は部分的に導電性であり、上側表面５０７ａ及び下側表面５０７ｂを有するディスクであるマス５０７は、例示的な、水の導電性小滴である液滴５０９及び５１０それぞれによって、上側表面５０２及び下側表面５０５から分離されている。マス５０７は、例示的に１０から１０００マイクロメートルの直径を有するディスクであるが、当業者は本明細書に開示する原理が、マスの寸法の広い範囲で、前記の直径範囲のより広い範囲と狭い範囲の両方に等しく適用可能であることを即座に理解されよう。当業者は、本明細書の教示に照らして、小滴５０９及び５１０として多様な液体を有利に使用できることを理解するであろう。
【００１５】
小滴５０９及び５１０は、５０７ａ及び５０７ｂの両面に配設された例えば複数のナノ構造体を有する領域５０８で、例示的にマス５０７に接触している。小滴５０９及び５１０は、例えば、表面５０７ａ及び５０７ｂ上のナノ構造体の密度を変えることによってマス５０７の両面上で領域５０８内の所定位置に保持される。図６Ａ及び６Ｂは、ここでは円錐形のナノポストであるナノ構造体の密度を替えて小滴が所望位置にとどまるようにするための、本発明の原理による一実施形態を示す。液滴をナノ構造体がより高い密度である位置に保持されるようにする、或いは小滴をこのような位置に移動させるようにすることは部分的に、「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｍｏｖｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ａ  Ｌｉｑｕｉｄ  ｏｎ  ａ  Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  ｏｒ  Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ」と題して２００３年３月３１日に出願された、同時係属の米国特許出願第１０／４０３１５９号の主題であり、この米国特許出願第１０／４０３１５９号は、その全体を参照として本明細書に組み込む。
【００１６】
図６Ａを参照すると、領域５０８内にある表面５０７ａ上のナノ構造体６０１は、小滴５０９が表面５０７ａ上で領域５０８に対して位置を保持するように配置されている。具体的には、ナノポスト６０１の密度が、領域５０８内の複数のナノポストの中心部６０２で領域５０８の外端部より高くなるように、ナノポスト６０１が配置されている。したがって、ナノポスト６０１の中心部６０２内のナノポストの領域での基準位置では小滴５０９の端部６０５及び６０６は、θ１＝θ２である接触角度を有する。しかし、図６Ｂを参照すると、小滴５０９が、例えば６０３の方向に移動させられた場合、小滴５０９の端部６０５は端部６０６よりも、ナノポストのより高い密度と接触するはずである。こうして密度が高くなり、小滴５０９の端部６０５での接触角度は、小滴５０９の端部６０６での接触角に比較して低くなる。端部６０５での接触角度が低くなり、小滴５０９に掛る６０３方向の力は、端部６０６での相対的により高い接触角度により６０４方向に生成される力に比べ低くなる。したがって、液滴５０９が平衡を達成しようとするにつれて小滴５０９は、６０４の方向でナノポスト６０２の密度がより高い領域に向かって「漂流」してゆく。したがって、表面５０７ａ上で、液滴５０９を位置させておくことが望ましい所にナノポストの最も高い密度を配置することにより、液滴はその位置から移動させられても、それは自発的にその最も密度の高い領域に向かって移動する。当業者は、小滴５０９を所望の位置に保持するようにする他の同じように有利な保持方法が、図６で提示した実施形態以外にも存在することを理解するであろう。例えば、上記で参照した米国特許申請第１０／４０３１５９号でも論じられているように、小滴を配置することが望ましいナノ構造体のその部分に電圧を与えてもよい。小滴がその位置から移動させられると、電圧が、前記で論じた様な変化を接触角度にもたらし、その結果小滴は、再度その所望の基準位置に漂流しながら戻ってゆく。本発明の教示は、小滴を、ナノ構造の表面上で所望の位置に戻すこのような方法を総て包含するものである。
【００１７】
再度図５を参照すると、小滴５０９及び５１０は、このように、例示的にマス５０７の回転軸に沿った位置である所望の位置に保たれている。動作時、ハウジング５０１の向きが変わったとき、マス５０７が軸ｘに沿ってその位置を保つ傾向になるように、マス５０７を回転させるようにする。必要な回転を達成するために、ハウジング５０１の側面５０４は、例示的に静電駆動システムの一部として動作することもある。具体的には、このような駆動システムを達成するために、マス５０７は、例示的な複数の導電ディスク・セグメント５０７ｃ〜５０７ｊに区分され、同様に側面５０４は、複数の導電ハウジング・セグメント５０４ａ〜５０４ｈに区分される。マスのセグメントの数は、図５に示すようにハウジングのセグメントの数に等しいが、当業者は本明細書の教示に照らして、同じように有利な結果を達成するための多くのハウジング及び／又はディスク・セグメントの構成が可能であることを理解するであろう。マス５０７の回転を開始し、保持するために、この例示的な例では、セグメント５０７ｄ及びセグメント５０７ｈに与えられた正の電荷のように、マスの対向するセグメントに電荷を与える。このような正の電荷は、電源から小滴５０９及び電気導線５１２を経由してセグメント５０７ｄ及び５０７ｈに電流を通すことによって与えられることもある。この例では、マスの回転は、例示的な負の電荷を、例えばセグメント５０４ｂ及び５０４ｆのような複数のハウジング・セグメントに与えることによって始められる。このような負の電荷が与えられると、正に帯電したマスのセグメントは、最も近くにある負の電荷を有するハウジング・セグメントの方向に引かれ、したがってこの例では、ディスクを５１１の方向に回転させ始める。負の電荷がハウジング・セグメント５０４ｂ及び５０４ｆ上に保持されると、マスのセグメント５０７ｄがハウジング・セグメント５０４ｂに重なり、マスのセグメント５０７ｈがハウジング・セグメント５０４ｆに重なってディスクは結局平衡に達する。したがって、マス５０７の回転速度が所望の値に達するように、ハウジング・セグメントに与えた負の電荷を１つのハウジング・セグメントからハウジングの対向する側にある次のセグメントへ次第に速度をあげて前進させる。例えば、マス５０７が一度動き出すと、ハウジング・セグメント５０４ｂ及び５０４ｆに与えられた電荷は除去され、それぞれハウジング・セグメント５０４ｃ及び５０４ｇへの負の電荷によって置き換えられる。次いで、これに続くのが、ハウジング内の各セグメントに順番に、マス５０７の回転速度が所望値に達するまで進行速度を増しながら負の電荷を与えることである。
【００１８】
ハウジング・セグメントに負の電荷を連続して与え、その進行速度を所望の進行周波数に保つことによってマスの回転速度を保つことができる。当業者は、本明細書の教示に照らし、先に論じた理由によりマス５０７のナノ構造化表面のインターフェースと小滴５０９及び５１０の間の摩擦が著しく減少している又は除去されていることを理解するであろう。したがって、ある例示的な実施形態でマス５０７の速度は、例示的に毎分６００，０００回転である。このような高速は、本明細書で説明した流体ベアリングからもたらされる低摩擦インターフェースによって可能になる。前述のように、このように高い角速度によって、回転ディスクの寸法及びマスがごく小さくとも、式１による計算のように比較的高い回転運動量がもたらされる。したがって、ディスクが外部トルクに遭遇しても、角運動量の原理が維持され、したがって装置が非常に精確なジャイロスコープとして動作することを可能にする。当業者は、ディスク５０７の回転を開始し維持するために、例えば１つ又はそれ以上の任意の数のディスク・セグメント及び／又はハウジング・セグメントに電荷を与えるなど、多くの構成を使用できることを理解するであろう。ハウジング５０１内のマス５０７の回転を開始する全ての方法は、本発明の教示に包含されるものとする。
【００１９】
図５に示すジャイロスコープ５００のようなジャイロスコープは、ジャイロスコープがその上に搭載されているプラットフォームが基準位置から移動したときを検出するのに有効である。図７は、ハウジング５０１のそのような動きを、そのハウジングがその基準位置から移動させられたときに如何にして検出するか示している。具体的には、ハウジング５０１が、例えば７０５及び７０６の方向に移動させられたとき（例えばハウジングが回転させられた）とき、マス５０７は、ｙ軸周りに沿ってその基準回転位置に向いてとどまる傾向にある。したがって、ハウジング５０１の向きが変わったときを検出する例示的な一方法は、マス５０７の外側端部と、表面５０２及び５０５の部分との間の距離を表わす距離７０１、７０３、７０２及び／又は７０４が変化するときを検出することである。図５を再度参照すると、このような変化を検出する一方法は、表面５０２および表面５０５を複数の、例えば導電セグメント５０２ａ〜５０２ｆに分割することである。図５には示さないが、表面５０５は、表面５０２のセグメント５０２ａ〜５０２ｆに対応するセグメント５０５ａ〜５０５ｆに例示的に分割され、、上から見ると、セグメント５０５ａがセグメント５０２ａの直下にあり、セグメント５０５ｂがセグメント５０２ｂの直下にある等々のようになされる。当業者は、図５の例示的な実施形態では６つのセグメントが示されているが、適切な任意の数のセグメントが同じように有利に使用できることを理解しよう。
【００２０】
再度図７を参照すると、ハウジング５０１が７０６及び７０５の方向に回転すると上記で論じたように、図５で、マス５０７の表面５０７ａ及び５０７ｂは、例えば表面５０２及び５０５の例示的なセグメント５０２ｄ、５０５ｄ、５０２ａ及び５０５ａそれぞれに対する距離を変える。上記で論じたように、ハウジングの表面５０２及びマス５０７の両方の、いくつかの又は全てのセグメントは、導電材料から製作してもよい。その場合、電流がディスク５０７の少なくともいくつかのセグメント（図５に示す前述のセグメント５０７ｄ及び５０７ｈのような）を通過するとき、図７に示すセグメント５０２ａと５０２ｄの間のように、表面５０７ａ上のセグメントと表面５０２上の各セグメントの間に測定可能な容量が生成される。同様に、図７に示すセグメント５０５ａと５０５ｄの間のように、表面５０７ｂ上のセグメントと表面５０５上の各セグメントの間に測定可能な容量が生成される。マス５０７上のセグメントが、表面５０２及び５０５のセグメントに近づいたり、それらから離れるとこれら測定可能な容量が変化する。具体的には、図７に示す例示的な実施形態で、ハウジング５０１が回転するにつれて表面５０７ａはセグメント５０２ｄからより離れ、セグメント５０２ａにより近い位置になり、一方表面５０７ｂはセグメント５０５ｄにより近くなり、セグメント５０５ａからより離れた位置になる。したがって、例えばセグメント５０２ｄから計測される容量は下がり、セグメント５０２ａから計測される容量は上がる。当業者は、容量測定を例えば表面５０２上の全セグメントで行った場合、ハウジング５０１の動作に対する比較的高い検知精度が達成できることを理解するであろう。
【００２１】
前記は、単に本発明の原理を例示しているにすぎない。したがって、当業者が、本明細書に明示的に説明されてはいないが、本発明の原理を体現しかつその精神と範囲内にある様々な装置を工夫できることが理解されよう。例えば、当業者は、本明細書の様々な実施形態の説明に照らして、本発明の原理が多岐にわたる異なった分野及び適用範囲に利用できることを理解しよう。例えば、本発明の流体ベアリングがどのように使用できるかを例示する一実施形態としてジャイロスコープが本明細書に提示されているが、当業者は、このようなベアリングが多くの適用分野で広範囲に使用される可能性があることを十分に理解するであろう。例えば、当業者は、本明細書で上記に説明した新規のベアリングを使用した例示的なジャイロスコープを、ＭＥＭＳモータとみなすこともできることを理解しよう。これまでのＭＥＭＳは、微小流体ポンプ又は微小化学反応器などの適用例で使用されてきた。しかし、これら装置は、一般に、互いに直接接触し合う動く機械部品を有することが特徴であった。したがって、このようなモータは、モータの１つ又はそれ以上の部品が、結局はモータが動作しなくなる点にまで劣化するので比較的信頼性に欠けていた。本明細書で説明した例示的な流体ベアリングでは、機械部品と機械部品とが接触しないので、これらベアリングに依存するＭＥＭＳモータの信頼性は飛躍的に改善される可能性がある。
【００２２】
さらに、本発明の原理によるベアリングを使用するＭＥＭＳモータは、例えば光スイッチのような光応用分野において有利に使用することができる。これらスイッチは、例えばねじりばねに取り付けられた鏡を動かすために、一般的に静電力によって向きを変えられる小さな鏡に頻繁に依存する。しかし、このような静電力を生成して例えば鏡のアレイ内の各鏡を正確に動かすためには一般に複雑なアルゴリズム及び制御論理を必要とした。段階状に動くことができる、流体ベアリングに基づくＭＥＭＳモータ（つまりステップ・モータ）が、鏡の新しい向きを確実に、すばやく達成するための高度に信頼でき、簡単化した機構として使用できる。このようなモータは、以前の静電式鏡システムに固有の制約を解決する筈である。
【００２３】
当業者は、本発明がもつ基本原理の多くの同じような使用を工夫することができようが、それらは全て本仕様書に包含されるものとする。本明細書に列挙した全ての例及び条件言語は、明確に、読者の本発明の原理の理解を助成するための教育的な目的にかぎり、このように具体的に列挙した例及び条件に限定されることはないとして解釈すべきものとする。さらに、本発明の態様及び実施形態を列挙する本明細書の全ての記述並びにその具体的な例証はその機能的な同等物を包含するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１Ａ乃至図１Ｅは、本発明での使用に適した、様々な、従来技術による予め定義された特徴パターンのナノ構造体の図である。
【図２】液滴がナノ構造の特徴パターン上に配設された、従来技術による例示的な装置の図である。
【図３】図３Ａは従来技術によるマイクロライン表面の図であり、図３Ｂは従来技術のよるマイクロポスト表面の図であり、図３Ｃは従来技術によるナノポスト表面の図であり、図３Ｄは図３Ａの従来技術による表面上に配設された液滴と対応して小滴と表面の間にもたらされた接触角度の図であり、図３Ｅは図３Ｂの従来技術による表面上に配設された液滴と対応して小滴と表面の間にもたらされた接触角度の図であり、図３Ｆは図３Ｃの従来技術による表面上に配設された液滴と対応して小滴と表面の間にもたらされた接触角度の図である。
【図４】本発明の原理によるベアリングの一例示的実施形態を示す図である。
【図５】本発明の原理によるベアリングを有するジャイロスコープの一例示的実施形態を示す図である。
【図６】ベアリング内の液滴をどのようにして本発明の原理による表面上の所望の位置に移動させかつ／又その位置を保たせるかを示す一例示的実施形態を示す図である。
【図７】図５のジャイロスコープのハウジングの移動を検知できる一例示的実施形態を示す図である。
【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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【図７】
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