(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性流体が封入された弾性チューブが、チューブ軸方向に平行な方向の弾性を有する細筒部と垂直な方向の弾性を有する膨張部とをチューブ軸方向に交互に有しており、これら細筒部および膨張部に対して順に移動する磁界に従って後退波を発生する蠕動運動を行うようになっているマイクロマシン。
【請求項２】
磁性体が封入された弾性チューブからなるマイクロマシンと、マイクロマシンに対して移動磁界を発生する磁界発生手段とを有しており、弾性チューブは、チューブ軸方向に平行な方向の弾性を有する細筒部と垂直な方向の弾性を有する膨張部とをチューブ軸方向に交互に有しており、これら細筒部および膨張部に対して順に移動する磁界を磁界発生手段が発生することにより、後退波を発生する蠕動運動を行うようになっているマイクロマシンシステム。
【請求項３】
磁界発生手段による移動磁界を制御することにより、マイクロマシンの進行方向を制御可能な請求項２のマイクロマシンシステム。
【請求項４】
磁界発生手段として、マイクロマシンの弾性チューブの細筒部および膨張部に対して順に移動する磁界を発生させる磁石が設けられている請求項２または３のマイクロマシンシステム。
【請求項５】
マイクロマシンのチューブ軸方向に沿って複数の磁石が配設されており、各磁石が順に通電されて、マイクロマシンの弾性チューブの細筒部および膨張部に対して順に移動する磁界を発生させる請求項４のマイクロマシンシステム。
【請求項６】
マイクロマシンのチューブ軸方向に沿って移動可能な磁石が設けられており、この磁石がチューブ軸方向に沿って移動して、弾性チューブの細筒部および膨張部に対して順に移動する磁界を発生させる請求項４のマイクロマシンシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、マイクロマシンに関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、マイクロカテーテルなどの医療用マイクロマシンや、原子力管内マイクロロボットや、地中内探索ロボットなどとして有用な、滑らかで自由度の高い蠕動移動が可能な、新しいマイクロマシンおよびマイクロマシンシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、蠕動運動により移動を行うマイクロマシンとしては、たとえば、真空圧駆動、圧電アクチュエータ、形状記憶合金などを利用した駆動方式のものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの従来方式のマイクロマシンには、以下のような問題点があった。
【０００４】
まず、いずれのマイクロマシンも、駆動機構に機械的摺動部分が多く、構造が複雑なため、大型であったり故障が発生しやすいといった問題があった。特に、圧電アクチュエータを用いたものは、アクチュエータの製作技術が高度かつ複雑であるため、小型化の実現が非常に困難であった。
【０００５】
また、いずれの駆動方式も直動式であるために方向制御が困難であったり、断続的な移動機構であるために体内等のデリケートな周辺環境では使用が困難であるといった問題もあった。
【０００６】
さらにまた、マイクロマシンと外部アクチュエータ源とのインターフェイスが有線である場合が多く、移動範囲が制限されるとともに、自律走行が不可能であるといった問題もあった。
【０００７】
この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、簡易な駆動機構によって滑らかで自由度の高い蠕動移動が可能な、新しいマイクロマシンおよびマイクロマシンシステムを提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、磁性流体が封入された弾性チューブが、チューブ軸方向に平行な方向の弾性を有する細筒部と垂直な方向の弾性を有する膨張部とをチューブ軸方向に交互に有しており、これら細筒部および膨張部に対して順に移動する磁界に従って後退波を発生する蠕動運動を行うようになっているマイクロマシン（請求項１）を提供する。
【０００９】
また、この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、磁性体が封入された弾性チューブからなるマイクロマシンと、マイクロマシンに対して移動磁界を発生する磁界発生手段とを有しており、弾性チューブは、チューブ軸方向に平行な方向の弾性を有する細筒部と垂直な方向の弾性を有する膨張部とをチューブ軸方向に交互に有しており、これら細筒部および膨張部に対して順に移動する磁界を磁界発生手段が発生することにより、後退波を発生する蠕動運動を行うようになっていることを特徴とするマイクロマシンシステム（請求項２）を提供し、このマイクロマシンシステムにおいて、磁界発生手段による移動磁界を制御することにより、マイクロマシンの進行方向を制御可能なこと（請求項３）や、磁界発生手段として、マイクロマシンの弾性チューブの細筒部および膨張部に対して順に移動する磁界を発生させる磁石が設けられていること（請求項４）や、マイクロマシンのチューブ軸方向に沿って複数の磁石が配設されており、各磁石が順に通電されて、マイクロマシンの弾性チューブの細筒部および膨張部に対して順に移動する磁界を発生させること（請求項５）や、マイクロマシンのチューブ軸方向に沿って移動可能な磁石が設けられており、この磁石がチューブ軸方向に沿って移動して、弾性チューブの細筒部および膨張部に対して順に移動する磁界を発生させること（請求項６）をその態様として提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
上記のとおり、この出願の発明のマイクロマシンは、磁性流体が封入された弾性チューブからなるものであって、移動磁界に従って後退波を発生する蠕動運動により移動することを特徴としており、これにより、小型化を容易に図ることのできる単純構造を持ち、滑らかで自由度の高い蠕動移動を実現している。
【００１１】
この場合さらに説明すると、まず、たとえば図１に例示したように、弾性チューブ（１０）は、チューブ軸方向に交互に連続した細筒部（１１）および膨張部（１２）からなるものとすることができ、その細筒部（１１）は、たとえば図２に例示したように、チューブ軸方向に平行な方向（図中、Ｘ方向）の弾性を有し、膨張部（１２）は、チューブ軸方向に垂直な方向（図中、Ｙ方向）の弾性を有している。
【００１２】
磁性流体（１３）は、これら細筒部（１１）および膨張部（１２）に充填されている。あるいは、細筒部（１１）および膨張部（１２）が互いに仕切られて、膨張部（１２）のみに充填されていてもよい。
【００１３】
そして、細筒部（１１）および膨張部（１２）に対して順に移動する磁界に従って、つまり細筒部（１１）および膨張部（１２）の並び順に磁界を発生することによって、弾性チューブ（１０）は後退波を発生する蠕動運動を行う。より具体的には、まず、図３▲１▼に例示したように、先頭の膨張部（１２ａ）に外部から磁界を印加すると、膨張部（１２ａ）は、その内部の磁性流体（１３）が磁界に引き寄せられて、Ｙ方向に膨張する。次いで、図３▲２▼に例示したように、膨張部（１２ａ）直後の細筒部（１１ａ）に磁界を移動させて印加すると、膨張部（１２ａ）内の磁性流体（１３）が細筒部（１１ａ）方向へ引き寄せられて、膨張部（１２ａ）が収縮するとともに、細筒部（１１ａ）がＸ方向に伸びる。これによって、膨張部（１２ａ）により進行方向とは逆方向の後退波（１４）が発生するとともに、この後退波（１４）を移動力として細筒部（１１ａ）により弾性チューブ（１）全体が進行方向へ前進させられる。そして、次の膨張部（１２ｂ）および細筒部（１１ｂ）へと順に磁界印加を続けると、同様にして、膨張部（１２ｂ）が発生する後退波（１４）を移動力として弾性チューブ（１０）は、つまりこのマイクロマシン（１）は進行方向へ蠕動移動するのである。
【００１４】
このように、この出願の発明のマイクロマシン（１）は、弾性チューブ（１０）および磁性流体（１３）を基本構成とし、移動磁界に従った磁性流体（１０）の流動に伴う弾性チューブ（１０）の伸縮により後退波（１４）を発生させ、この後退波（１４）を移動力とした蠕動運動により移動を行う。したがって、従来のマイクロマシンよりも構成品数が少なく、単純な構造を有しており、小型化を容易に図ることができ、もちろん故障等の発生も極力抑えることができる。また、形状変化が極めてフレキシブルな弾性体および流体により構成されており、且つ磁界を駆動源としているので、連続的で滑らかな蠕動運動を実現でき、デリケートな周辺環境でも使用可能となる。さらにまた、磁界を印加させるだけでよいので、磁界発生手段とマイクロマシン本体との非接触化を実現でき、移動範囲に制限がなく、自律走行が可能となる。
【００１５】
この出願の発明は、以上のとおりの特徴を有するものであるが、以下に、添付した図面に沿って実施例を示し、さらに詳しくこの発明の実施の形態について説明する。
【００１６】
【実施例】
［実施例１］
図４は、前記のマイクロマシン（１）とともに、それに対して移動磁界を発生する磁界発生手段（２）とからなるこの発明のマイクロマシンシステムの一実施例を示したものである。このマイクロマシンシステムは、磁界発生手段（２）により移動磁界を発生させて、マイクロマシン（１）を、移動磁界に従った磁性流体（１３）の流動に伴い後退波（１４）を発生する弾性チューブ（１０）の蠕動運動により移動させるようになっている。
【００１７】
図４に示した例では、磁界発生手段（２）として、マイクロマシン（１）のチューブ軸方向に沿って複数の磁石（２０）が配設されており、各磁石（２０）が順に通電されて、マイクロマシン（１）の弾性チューブ（１０）の細筒部（１１）および膨張（１２）に対して順に移動する磁界を発生させるようになっている。
【００１８】
この場合さらに説明すると、磁石（２０）は、マイクロマシン（１）を間にして相対向する一対の磁石（２０）となっており、それが複数対、マイクロマシン（１）のチューブ軸方向に沿って断続的に配設されている。言い換えると、各対の磁石（２０）間をマイクロマシン（１）が通っている。そして、各対の磁石（２０）は、マイクロマシン（１）の進行方向とは逆方向に順に（▲１▼→▲２▼→▲３▼→▲４▼→・・・）通電される。これにより、進行方向とは逆方向のリレー磁界が、弾性チューブ（１０）の細筒部（１１）および膨張部（１２）に対して順に発生することとなる。このとき、前述したように、移動磁界であるこのリレー磁界に従った磁性流体（１３）の流動に伴い、弾性チューブ（１０）が後退波（１４）を発生する蠕動運動を行う。
【００１９】
より具体的には、まず、たとえば図５（ａ）に例示したように、ある対の磁石（２０）が通電されると磁界（＝磁場）が発生し、その磁界に膨張部（１２）内の磁性流体（１３）が引き寄せられて、膨張部（１２）は、図５（ｂ）に例示したように磁石（２０）間へ移動し、図５（ｃ）に例示したように膨張する。その後、通電を次の対の磁石（２０）に移すと、膨張部（１２）は収縮し、後退波が発生する。これを繰り返すことにより、マイクロマシン（１）は、伸縮後退波を発生する蠕動運動を行い、進行方向へ移動することとなる。
【００２０】
実際に、図４の構成において、薄さ０．０５ｍｍの弾性チューブ（１０）に磁性流体（１３）を１０ｃｃ封入し、細筒部（１１）および膨張部（１２）をそれぞれ５個設けたマイクロマシン（１）を用意して、このマイクロマシン（１）を内径１２ｍｍ・外形１４ｍｍの円状の管（１００）に挿入した。さらに、磁石（２０）としてネオジウム鉄製の永久磁石を用い、複数対のその磁石（２０）を、１５ｍｍ間隔で管（１００）の外周を取り巻くように軸方向に沿って配置した。スイッチングにより各対の磁石（２０）を順に（▲１▼→▲２▼→▲３▼→▲４▼→・・・）１秒間断続的に通電して、ステップ状の移動磁界であるリレー磁界を発生させたとき、管（１００）内のマイクロマシン（１００）が蠕動運動により進行方向へ移動することを確認できた。もちろん、各種寸法や配置間隔、通電時間などがこれに限定されるものでないことは言うまでもない。
【００２１】
なお、図４および図５の例では、磁石（２０）は管（１００）の外に配設されて、管（１００）内のマイクロマシン（１）へ移動磁界を印加するようになっているが、この他にも、たとえば、マイクロマシン（１）自体に磁石（２０）を組み込み、磁石（２０）とともにマイクロマシン（１）を管内移動させるようにすることもできる。
【００２２】
［実施例２］
図６は、この発明のマイクロマシンシステムの別の一実施例を示したものである。この図６に示した例では、磁界発生手段（２）として、マイクロマシン（１）のチューブ軸方向に沿って移動可能な磁石（２０）が設けられており、この磁石（２０）がチューブ軸方向に沿って移動して、弾性チューブ（１０）の細筒部（１１）および膨張部（１２）に対して順に移動する磁界を発生させるようになっている。
【００２３】
この場合さらに説明すると、磁石（２０）は、マイクロマシン（１）を間にして相対向する一対の磁石（２０）となっており、マイクロマシン（１）のチューブ軸方向に沿って、且つマイクロマシン（１）の進行方向とは逆方向に移動するものとなっている。この磁石（２０）の移動によって、前述の実施例１と同様に、弾性チューブ（１０）の細筒部（１１）および膨張部（１２）に対して順に移動する磁界が発生され、その移動磁界の影響を受けた弾性チューブ（１０）内の磁性流体（１３）の流動に伴い、マイクロマシン（１）は、後退波（１４）を発生する蠕動運動により移動するようになる。
【００２４】
実際に、図６の構成において、薄さ０．０５ｍｍの弾性チューブ（１０）に磁性流体を１０ｃｃ封入し、細筒部（１１）および膨張部（１２）をそれぞれ５個設けたマイクロマシン（１）を用意して、このマイクロマシン（１）を内径１２ｍｍ・外形１４ｍｍの円状の管（１００）に挿入した。さらに、一対の磁石（２０）を、管（１００）の軸方向に沿って移動可能に設置した。この磁石（２０）としては、長さ２５ｍｍ×厚さ１５ｍｍのネオジウム鉄製の永久磁石を用いた。また、磁石（２０）の管側壁と管（１００）の外壁との距離は約５ｍｍ、一対の磁石（２０）間の距離は約２５ｍｍとした。磁石（２０）を進行方向とは逆方向に秒速３０ｍｍ／ｓで移動させて移動磁界を発生させたとき、管（１００）内のマイクロマシン（１００）が蠕動運動により進行方向へ移動することを確認できた。もちろん、各種寸法や配置間隔、通電時間などがこれに限定されるものでないことは言うまでもない。
【００２５】
［実施例３］
ところで、この出願の発明では、マイクロマシン（１）に対する移動磁界の制御によって、マイクロマシン（１）の進行方向を制御することができる。
【００２６】
たとえば、上述した実施例１および実施例２の構成では、磁石（２０）と管（１００）との距離、つまり磁石（２０）とマイクロマシン（１）との距離を調整することで、マイクロマシン（１）に対する移動磁界の強度を調整でき、これによってマイクロマシン（１）の進行方向を容易に変えることができる。より具体的には、一対の磁石（２０）の一方をマイクロマシン（１）に対して他方よりも近い距離で設置すれば、その磁石（２０）からの磁界に弾性チューブ（１０）内の磁性流体（１３）がより引き寄せられるため、マイクロマシン（１）の進行方向は近い方の磁石（２０）へ変わっていくのである。
【００２７】
また、各磁石（２０）の発生磁力自体を調整することでも、同様にしてマイクロマシン（１）の進行方向の制御が可能である。
【００２８】
［実施例４］
さらにまた、たとえば以下のようにしても、マイクロマシン（１）の進行方向を自在に制御することが可能である。
【００２９】
図７に示した例では、図８および図９に例示したようにリング状枠体（３０）とその内部に分散された複数（本実施例では４つ）の磁石（３１）とからなる磁界発生手段（３）が用いられており、各磁石（３１）への通電制御によってマイクロマシン（１）の方向制御が可能とされている。
【００３０】
より具体的には、４つの磁石（３１）はリング状枠体（３０）内において上下左右に均等間隔で配置されており、それぞれオン・オフおよび通電強弱を調節できるようになっている。この調節は、たとえばリレー回路装置（４）により行なわれる。リレー回路装置（４）は、各リング状枠体（３０）毎に、且つ各磁石（３１）毎に個別に通電制御することができ、各リング状枠体（３０）への順次通電により発生するリレー磁界の速度制御も当然に可能である。
【００３１】
この場合、まず、あるリング状枠体（３０）内の全ての磁石（３１）に通電すると、図８（ｂ）に例示したように、マイクロマシン（１）の弾性チューブ（１０）内の磁性流体（１３）は、同心円方向に引き寄せられ、弾性チューブ（１０）の膨張部（１２）の膨張を引き起こす。その通電を停止するとともに次のリング状枠体（３０）内の磁石（３１）への通電を開始すると、図８（ａ）に例示したように、膨張部（１２）は収縮して、後退波を発生し、マイクロマシン（１）は蠕動運動により移動する。このプロセスは既に述べた通りである。
【００３２】
ここで、たとえば図９（ｂ）に例示したように、リング状枠体（３０）内のいずれか一つの磁石（３１）のみを選択して通電すると、磁性流体（１３）が通電した磁石（３１）のみに引き寄せられて、マイクロマシン（１）はその磁石（３１）の方向へ進行するようになる。通電を停止すれば、図９（ａ）に例示したように真っ直ぐな進行となる。
【００３３】
もちろん、たとえば上下いずれかの磁石（３１）と左右いずれかの磁石（３１）とに対して（つまり図９（ｂ）において▲２▼と▲１▼、▲２▼と▲３▼、▲４▼と▲１▼、▲４▼と▲３▼）通電してもよく、この場合では、右上、左上、右下、左下の方向に磁性流体（１４）が引き寄せられるので、マイクロリング（１）を各斜め方向に進行させることができる。
【００３４】
このような各磁石（３１）への通電制御によって、マイクロマシン（１）の進行方向を自在に制御することができ、マイクロマシン（１）は、たとえば図１０に例示したように屈折した管（１００）内や図１１に例示したように分岐した管（１００）内をスムーズに方向変更して移動できるようになる。
【００３５】
なお、磁界発生手段（３）は、マイクロマシン（１）の磁性流体（１３）に対して磁界を発生できればよいので、図１１に例示したように分岐した管（１００）全体を取り囲むように設けられていても、あるいは分岐した管（１０）それぞれに個別に設けられていてもよい。いずれの場合でも、リング枠体（３０）内の各磁石（３１）の通電制御によって、進行方向の制御および経路選択が可能である。
【００３６】
この発明は以上の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。たとえば、図４や図７、図１０、図１１に示した例では、複数の磁界発生手段（２）（３）は、マイクロマシン（１）の軸方向に沿った断続配置となっているが、連続した配置としてもよい。また、図８および図９における磁界発生手段（３）は、円形のリング状枠体（３０）内に４つの磁石（３１）が配置されたものとなっているが、リング状枠体（３０）の形状や磁石（３１）の個数などは、この例に限定されるものでなく、たとえばマイクロマシン（１）の構成物質（磁性流体（１３）など）やマイクロマシン（１）の使用場所・使用状況などに応じて調整することが好ましい。磁界発生手段（２）（３）は、マイクロマシン（１）が蠕動移動するのに十分な、且つ適当な移動磁界を発生できればよいのである。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この出願の発明によって、小型化を容易に図ることのできる単純構造を持ち、自由度の高い蠕動移動が可能な、全く新しいマイクロマシンおよびマイクロマシンシステムが提供される。移動磁界を受けて蠕動運動するこのマイクロマシンは、管内だけでなく、平面板上や土中・水中など、様々な場所でスムーズな自律移動を行うことができ、移動範囲にも制限がなく、移動磁界の遠隔操作によって移動方向や速度をも容易に調整できるものであり、幅広い分野で活用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のマイクロマシンの一例を示した概略図である。
【図２】弾性チューブの弾性方向の一例を示した概略図である。
【図３】マイクロマシンの蠕動移動を説明するための図である。
【図４】この発明のマイクロマシンシステムの一実施例を示した概略図である。
【図５】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、各々、後退波の発生を説明するための図である。
【図６】この発明のマイクロマシンシステムの別の一実施例を示した概略図である。
【図７】この発明のマイクロマシンシステムの別の一実施例を示した概略図である。
【図８】（ａ）（ｂ）は、各々、マイクロマシンの弾性チューブの膨張を説明するための図である。
【図９】（ａ）（ｂ）は、各々、マイクロマシンの方向制御を説明するための図である。
【図１０】マイクロマシンの方向制御の一例を示した概略図である。
【図１１】マイクロマシンの方向制御の別の一例を示した概略図である。
【符号の説明】
１  マイクロマシン
１０  弾性チューブ
１１，１１ａ，１１ｂ  細筒部
１２，１２ａ，１２ｂ  膨張部
１３  磁性流体
１４  後退波
２  磁界発生手段
２０  磁石
３  磁界発生手段
３０  リング状枠体
３１  磁石
４  リレー回路装置
１００  管
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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