(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体中に埋没して位置し一方向に延びる連続面を有する駆動基板と、
前記連続面に近接して位置し前記方向に移動可能な被駆動子と、
前記駆動基板と被駆動子の間隔を変化させる駆動装置とを備え、
前記駆動基板の連続面には、前記方向に所定のピッチで位置し、液体との界面エネルギーが前記方向に大きく反対方向に小さい複数の非対称パターンが設けられており、
これにより駆動基板と被駆動子の間隔を変化させて、非対称ポテンシャル状態と自由ブラウン運動状態の間を遷移させ、非対称ポテンシャル状態においてその間に発生するバブル形成により被駆動子を前記方向に移動させる、ことを特徴とする超小型バブルモータ。
【請求項２】
前記駆動装置は、前記液体中の電場、磁場、又は音波によって間隔を変化させる装置である、ことを特徴とする請求項１に記載の超小型バブルモータ。
【請求項３】
前記駆動基板は、連続面の背面に設けられた導電性膜と、連続面に設けられた疎水性の非対称パターンとを有し、
前記被駆動子は、疎水性であり且つ帯電しており、
前記駆動装置は、前記導電性膜に電圧を変化させて印加する電源装置である、ことを特徴とする請求項１に記載の超小型バブルモータ。
【請求項４】
前記駆動基板は、被駆動子を間隔を隔てて挟む第１駆動基板と第２駆動基板とからなり、
第１駆動基板と第２駆動基板の連続面には、前記方向に所定のピッチで位置し、液体との界面エネルギーが前記方向に大きく反対方向に小さい複数の非対称パターンがそれぞれ設けられており、
第１駆動基板と第２駆動基板の非対称パターンは、前記方向に位相が異なっており、
これにより、第１駆動基板および第２駆動基板と被駆動子の間隔を変化させて、交互に被駆動子を接近させ、被駆動子を前記方向に移動させる、ことを特徴とする請求項１に記載の超小型バブルモータ。
【請求項５】
前記駆動基板は、被駆動子を間隔を隔てて挟む第１駆動基板と第２駆動基板とからなり、
第１駆動基板の連続面には、前記方向に所定のピッチで位置し、液体との界面エネルギーが前記方向に大きく反対方向に小さい複数の非対称パターンが設けられており、
第２駆動基板の連続面には、第１駆動基板の非対称パターンと逆向きの複数の非対称パターンが設けられており、
これにより、第１駆動基板又は第２駆動基板と被駆動子の間隔を変化させて、第１駆動基板又は第２駆動基板に被駆動子を接近させ、被駆動子を前記方向又は反対方向に移動させる、ことを特徴とする請求項１に記載の超小型バブルモータ。
【請求項６】
前記駆動基板は、閉じた円環ベルト形状であり、
これにより、被駆動子を駆動基板に沿ってエンドレスに移動させる、ことを特徴とする請求項１に記載の超小型バブルモータ。
【請求項７】
前記駆動基板の複数の非対称パターンは、連続面からの高さが変化するパターンである、ことを特徴とする請求項１に記載の超小型バブルモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロスケール又はナノスケールの微小スケールで作動する超小型バブルモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱力学的ポテンシャルの空間的異方性によって、一様乱雑な微視的熱揺動から方向性のある運動を取出す分子機械モデルとして、サーマルラチェットモデルが、リチャード・ファインマンによって非特許文献１により提案されている。
また、このサーマルラチェットモデルの１例として、多数の微細電極を用いて鋸歯状の電場を溶液中に形成し、本来等方的な分子の熱運動による拡散を特定の方向への流れに変換できることが非特許文献２に開示されている。
さらに、本発明に関連する技術として、非特許文献３、４が既に開示されている。
【０００３】
【非特許文献１】小原  拓、「マイクロチップによるＤＮＡの分離解析」、Ｊｏｕｒ．ＨＴＳＪ，Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．１６５
【非特許文献２】Ｆｅｙｎｍａｎ  Ｌｅｃｔｕｒｅｓ  ｏｎ  Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ  ｂｙ  Ｒｉｃｈａｒｄ  Ｐ．  Ｆｅｙｎｍａｎ，  Ｒｏｂｉｎ  Ｗ．  Ａｌｌｅｎ，  Ｔｏｎｙ  Ｈｅｙ，    Ａｎｔｈｏｎｙ  Ｊ．  Ｇ．  Ｈｅｙ  “Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ  ｃａｎ  ｄｏ  ｌｏｔｓ  ｏｆ  ｔｈｉｎｇｓ．．．”．
【非特許文献３】Ｔ．  Ｋｏｉｓｈｉ，Ｔ．  Ｅｂｉｓｕｚａｋｉ  ｅｔ．ａｌ，“Ｎａｎｏｓｃａｌｅ  Ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ  Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｎａｎｏｂｕｂｂｌｅ  Ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ”，  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  Ｖｏｌ．９３，  Ｎｏ．１８，  ２９  Ｏｃｔｏｂｅｒ  ２００４．
【非特許文献４】Ｔ．  Ｋｏｉｓｈｉ，Ｔ．  Ｅｂｉｓｕｚａｋｉ  ｅｔ．ａｌ，“Ｌａｒｇｅ−ｓｃａｌｅ  ｍｏｌｅｃｕｌａｒ−ｄｙｎａｍｉｃｓ  ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｎａｎｏｓｃａｌｅ  ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ  ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｎａｎｏｂｕｂｂｌｅ  ｆｏｒｍａｔｉｏｎ”，  Ｔｈｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  １２４，  ２０４７０７  （２００５）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したように、サーマルラチェットモデルにより一様乱雑な微視的熱揺動から方向性のある運動を取出すことが原理的には可能である、しかし、これを具体的に実現することは、マイクロスケール又はナノスケールでの機械的なラチェットの微細化が困難であるため困難であった。
【０００５】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、サーマルラチェットモデルを実現し、マイクロスケール又はナノスケールの微小スケールで効率よく作動する超小型バブルモータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、液体中に埋没して位置し一方向に延びる連続面を有する駆動基板と、
前記連続面に近接して位置し前記方向に移動可能な被駆動子と、
前記駆動基板と被駆動子の間隔を変化させる駆動装置とを備え、
前記駆動基板の連続面には、前記方向に所定のピッチで位置し、液体との界面エネルギーが前記方向に大きく反対方向に小さい複数の非対称パターンが設けられており、
これにより駆動基板と被駆動子の間隔を変化させて、非対称ポテンシャル状態と自由ブラウン運動状態の間を遷移させ、非対称ポテンシャル状態においてその間に発生するバブル形成により被駆動子を前記方向に移動させる、ことを特徴とする超小型バブルモータが提供される。
【０００７】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記駆動装置は、前記液体中の電場、磁場、又は音波によって距離を変化させる装置である。
【０００８】
また、前記駆動基板は、連続面の背面に設けられた導電性膜と、連続面に設けられた疎水性の非対称パターンとを有し、
前記被駆動子は、疎水性であり且つ帯電しており、
前記駆動装置は、前記導電性膜に電圧を変化させて印加する電源装置である。
【０００９】
また、別の好ましい実施形態によれば、前記駆動基板は、被駆動子を間隔を隔てて挟む第１駆動基板と第２駆動基板とからなり、
第１駆動基板と第２駆動基板の連続面には、前記方向に所定のピッチで位置し、液体との界面エネルギーが前記方向に大きく反対方向に小さい複数の非対称パターンがそれぞれ設けられており、
第１駆動基板と第２駆動基板の非対称パターンは、前記方向に位相が異なっており、
これにより、第１駆動基板および第２駆動基板と被駆動子の間隔を変化させて、交互に被駆動子を接近させ、被駆動子を前記方向に移動させる。
【００１０】
また、別の好ましい実施形態によれば、前記駆動基板は、被駆動子を間隔を隔てて挟む第１駆動基板と第２駆動基板とからなり、
第１駆動基板の連続面には、前記方向に所定のピッチで位置し、液体との界面エネルギーが前記方向に大きく反対方向に小さい複数の非対称パターンが設けられており、
第２駆動基板の連続面には、第１駆動基板の非対称パターンと逆向きの複数の非対称パターンが設けられており、
これにより、第１駆動基板又は第２駆動基板と被駆動子の間隔を変化させて、第１駆動基板又は第２駆動基板に被駆動子を接近させ、被駆動子を前記方向又は反対方向に移動させる。
【００１１】
また、前記駆動基板は、閉じた円環ベルト形状であり、
これにより、被駆動子を駆動基板に沿ってエンドレスに移動させる。
【００１２】
前記駆動基板の複数の非対称パターンは、連続面からの高さが変化するパターンであってもよい。
【発明の効果】
【００１３】
非特許文献３、４により、２枚の疎水性平板の間隔が、水分子の１〜３層に相当する距離まで近付くと、その間にバブルが発生して真空状態になり、平板間に吸着力が発生することが明らかになっている。本発明はこの吸着力を、サーマルラチェットモデルの駆動力として利用するものである。
【００１４】
本発明の構成によれば、駆動基板の連続面に、前記方向に所定のピッチで位置し、液体との界面エネルギーが前記方向に大きく反対方向に小さい複数の非対称パターンが設けられており、駆動装置により駆動基板と被駆動子の間隔を変化させて、非対称ポテンシャル状態と自由ブラウン運動状態の間を遷移させるので、液体に対する界面エネルギーが異なる前記方向に非対称なパターン列によってラチェット機構と同等の機能を持たせることができる。
【００１５】
すなわち、駆動基板と被駆動子の間の距離の増減により、界面エネルギーが高い場所でバブルが消滅・発生し、分子モータの動作モデルであるサーマルラチェットモデルに必要な非対称ポテンシャル状態と自由ブラウン状態の間を遷移し、これにより被駆動子が一方向に駆動される。
本発明においては非対称パターン列を平面に印刷等で形成するだけでよく、極端な微細化が可能である。このため従来技術に比べて飛躍的な小型化が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【００１７】
本発明の作動原理は、いわゆる超音波モータに類似している。超音波モータは、バネなどの機械的なラチェット機構で被駆動子の可動方向を規制し超音波で振動させて一方向に駆動するものである。
【００１８】
図１は、本発明による超小型バブルモータの第１実施形態図であり、図２は図１の作動説明図である。
図１および図２において、本発明の超小型バブルモータ１０は、駆動基板１２、被駆動子１４、および駆動装置１６を備える。
【００１９】
図２において、（Ａ）は駆動基板１２の被駆動子１４に面する正面、（Ｂ）は被駆動子１４の駆動基板１２に面する面、（Ｃ）は駆動基板１２と被駆動子１４が所定の間隔以下に近付いた非対称ポテンシャル状態における非対称ポテンシャル、（Ｄ）はその間隔は所定の間隔を超えた自由ブラウン運動状態におけるポテンシャルを示している。
所定の間隔は、非特許文献３、４により、２枚の疎水性平板の間にバブルが発生して真空状態になる間隔であり、例えば水分子の１〜３層に相当する距離である。
【００２０】
駆動基板１２は、液体１中に埋没して位置し一方向２に延びる連続面１１を有する。連続面１１はこの図では直線状の平面であるが、同一平面上の曲線でも、閉じた円環ベルト形状であってもよい。
【００２１】
駆動基板１２の連続面１１には、複数の非対称パターン１３が設けられている。この非対称パターン１３は、前記方向２に所定のピッチで位置し、液体１との界面エネルギーが前記方向に大きく反対方向に小さい非対称に形成されている。
【００２２】
この例において、非対称パターン１３は、疎水性に形成されている。また、この駆動基板１２は、連続面１１の背面全面に設けられた導電性膜１５を有する。この疎水性パターンは、例えば疎水化剤を塗布するなどの印刷技術により容易に形成することができる。
なお、非対称パターン１３は、疎水性に限定されず、例えば連続面からの高さが変化するパターンにより、被駆動子１４との相互作用を非対称に形成してもよい。
【００２３】
液体１は、例えば純水であるが、本発明はこれに限定されず、血液、海水、アルコール類、油類、等であってもよい。なお、液体１が、アルコール類、油類、等の場合には、上述した疎水性パターンの代わりに、これらの液体との接触角（濡れ角）が小さい物質を用いるのがよい。
【００２４】
上述した一方向２は、駆動基板１２の連続面１１に沿っているかぎり、直線でも曲線でもよい。
【００２５】
被駆動子１４は、駆動基板１２の連続面１１に近接して位置し上述した一方向２に移動可能に構成されている。またこの例において、被駆動子１４は、疎水性であり且つ負に帯電している。
被駆動子１４の移動可能な構成は、単に連続面１１に近接して載せるだけでもよく、或いは連続面１１から所定距離以上離れないように適当なガイドを設けてもよい。
特に本発明のモータを駆動し続けさせるためには、駆動基板１２と被駆動子１４の位置関係を適切な状態にとどめておく機構を設けるのがよい。
【００２６】
駆動装置１６は、駆動基板１２と被駆動子１４の間隔を変化させるように構成されている。
この例において、駆動装置１６は、駆動基板１２の導電性膜１５に正電圧を変化させて印加する電源装置である。なお駆動装置１６はこの例に限定されず、例えば、液体１中の電場、磁場、又は音波によって距離を変化させる装置であればよい。
被駆動子１４の大きさは、この駆動装置１６で被駆動子１４との間隔が変化する限りで、任意である。しかし非対称ポテンシャル状態と自由ブラウン運動状態との間を容易に遷移するように、被駆動子１４は小さいほど好ましく、例えば最大寸法が１０ｎｍ〜１０μm程度であるのがよい。
【００２７】
上述した構成により、駆動装置１６により、駆動基板１２の導電性膜１５に電圧を変化させて印加することにより、駆動基板１２と被駆動子１４の間隔を変化させることができる。
【００２８】
駆動基板１２と被駆動子１４の間隔が、水分子の１〜３層に相当する距離まで近付くと、その間にバブル形成が発生して真空になり、相互間に吸着力が発生する。この状態をポテンシャル状態と呼ぶ。
ポテンシャル状態において、非対称パターン１３は、液体１との界面エネルギーが前記方向に大きく反対方向に小さい非対称に形成されているので、相互間に吸着力は全体として前記方向に作用する。
【００２９】
一方、駆動基板１２と被駆動子１４の間隔が、相互作用を及ぼさない距離まで離れると、それぞれ自由ブラウン運動をする。
従って、駆動装置１６により、非対称ポテンシャル状態と自由ブラウン運動状態の間を遷移させ、非対称ポテンシャル状態においてその間に発生するバブル形成により被駆動子を前記方向に移動させることができる。
【００３０】
上述した本発明の超小型バブルモータ１０は、生体の中で働く分子モータの動作モデルであるサーマルラチェットモデルを実現するものである。すなわち、被駆動子１４を、非対称ポテンシャル状態と自由ブラウン運動状態の二つの間に遷移を繰り返させることにより、一定方向の運動を実現することができる。
【００３１】
本発明の実施において、まず、液体中の細長い駆動基板１２に近接して、想定された向きに被駆動子１４を置く。両者はその間に界面エネルギーにより、液体がない真空状態（バブル）ができる限界近くの距離におく。
【００３２】
駆動基板１２には液体１との界面エネルギーが前記方向に大きく反対方向に小さい非対称に形成されている複数の非対称パターン１３が設けられている。駆動基板１２は、有限の長さの直線形でも、円形でも、もしくは適切な曲率を持った曲線形でもよい。なお、被駆動子１４を細長い基板に形成し、その表面に非対称パターンを設けてもよい。
【００３３】
次に、被駆動子１４に外場（音波、被駆動子が帯電している場合は電場、被駆動子が磁化している場合は磁場）を印可して両者の距離を変化させる。距離が近づいたときには両者の界面エネルギーが大なる面の部分で、液体分子が排除されてバブルが形成される。パターンの非対称性により、非対称なポテンシャルによる力が被駆動子に働く（非対称ポテンシャル状態）。
【００３４】
逆に、距離が遠い時には、両者の間に液体分子が戻って隙間を埋める。このとき、上記のような非対称な力は働かず、被駆動子は液体分子の衝突によるブラウン運動を行う（自由ブラウン運動状態）。
つまり、サーマルラチェットモデルに必要な、非対称ポテンシャル状態と自由ブラウン運動状態の遷移を実現する。この遷移の繰り返しにより、被駆動子は一定方向に駆動される。
【００３５】
図３は、本発明による超小型バブルモータの第２実施形態図である。この図において、（Ａ）は超小型バブルモータの全体斜視図、（Ｂ）は第１駆動基板１２Ａとの間の非対称ポテンシャル状態、（Ｃ）は第２駆動基板１２Ｂとの間の非対称ポテンシャル状態を示している。
【００３６】
この例において、駆動基板１２は、被駆動子１４を間隔を隔てて挟む第１駆動基板１２Ａと第２駆動基板１２Ｂとからなる。
第１駆動基板１２Ａと第２駆動基板１２Ｂの連続面１１には、前記方向２に所定のピッチで位置し、液体１との界面エネルギーが前記方向に大きく反対方向に小さい複数の非対称パターン１３がそれぞれ設けられている。
さらに第１駆動基板１２Ａと第２駆動基板１２Ｂの非対称パターンは、前記方向２に位相が異なっている。この位相の相違は、非対称ポテンシャルの高い位相と低い位相が対向するように設定する。
その他の構成は、図１、図２と同様である。
【００３７】
この構成により、第１駆動基板１２Ａおよび第２駆動基板１２Ｂと被駆動子１４の間隔を変化させて、交互に被駆動子１４を接近させ、被駆動子１４を両方の駆動基板１２Ａ，１２Ｂで交互に前記方向に移動させることができる。
【００３８】
図４は、本発明による超小型バブルモータの第３実施形態図である。この図において、（Ａ）は超小型バブルモータの全体斜視図、（Ｂ）は第１駆動基板１２Ａとの間の非対称ポテンシャル状態、（Ｃ）は第２駆動基板１２Ｂとの間の非対称ポテンシャル状態を示している。
【００３９】
この例において、駆動基板１２は、被駆動子１４を間隔を隔てて挟む第１駆動基板１２Ａと第２駆動基板１２Ｂとからなる。
第１駆動基板１２Ａの連続面１１には、前記方向２に所定のピッチで位置し、液体１との界面エネルギーが前記方向に大きく反対方向に小さい複数の非対称パターン１３が設けられている。
また、第２駆動基板１２Ｂの連続面１１には、第１駆動基板１２Ａの非対称パターン１３と逆向きの複数の非対称パターン１３が設けられている。
その他の構成は、図１、図２と同様である。
【００４０】
この構成により、第１駆動基板１２Ａ又は第２駆動基板１２Ｂと被駆動子１４の間隔を変化させて、第１駆動基板１２Ａ又は第２駆動基板１２Ｂに被駆動子１４を接近させ、被駆動子１４を前記方向２又は反対方向３に移動させることができる。
【００４１】
上述した本発明の構成によれば、駆動基板１２の連続面１１に、前記方向２に所定のピッチで位置し、液体１との界面エネルギーが前記方向に大きく反対方向に小さい複数の非対称パターン１３が設けられており、駆動装置１６により駆動基板１２と被駆動子１４の間隔を変化させて、非対称ポテンシャル状態と自由ブラウン運動状態の間を遷移させるので、液体に対する界面エネルギーが異なる前記方向に非対称なパターン列によってラチェット機構と同等の機能を持たせることができる。
【００４２】
すなわち、駆動基板１２と被駆動子１４の間の距離の増減により、界面エネルギーが高い場所でバブルが消滅・発生し、分子モータの動作モデルであるサーマルラチェットモデルに必要な非対称ポテンシャル状態と自由ブラウン状態の間を遷移し、これにより被駆動子１４が一方向に駆動される。
【００４３】
本発明においては非対称パターン列を平面に印刷等で形成するだけでよく、極端な微細化が可能である。このため従来技術に比べて飛躍的な小型化が可能である。また非対称ポテンシャル状態と自由ブラウン運動状態の界面エネルギーの相違を利用するため、被駆動子１４の大きさは小さいほど好ましく、例えば最大寸法が１０ｎｍ〜１０μｍ程度であるのがよい。
【００４４】
なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明による超小型バブルモータの第１実施形態図である。
【図２】図１の作動説明図である。
【図３】本発明による超小型バブルモータの第２実施形態図である。
【図４】本発明による超小型バブルモータの第３実施形態図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  液体、２  所定方向、３  反対方向、
１０  超小型バブルモータ、１１  連続面、１２  駆動基板、
１２Ａ  第１駆動基板、１２Ｂ  第２駆動基板、
１３  非対称パターン、１４  被駆動子、
１５  導電性膜、１６  駆動装置（電源装置）
【図１】
0005131835.tif 000002
【図２】
0005131835.tif 000003
【図３】
0005131835.tif 000004
【図４】
0005131835.tif 000005