機械・航空宇宙工学序論
4月15日
本日の担当
• 伊藤伸太郎 マイクロ・ナノ機械理工学専攻・福澤研• shintaro.itoh@mae.nagoya-u.ac.jp

マイクロ・ナノ機械
h"ps://www.researchgate.net/ﬁgure/a-Schema5c-drawing-of-a-pressure-sensor-b-a-SEM-picture-of-the-central-part-of-the_ﬁg8_231097167
2023.2.10

加速度センサ

圧力センサ

圧力センサ
加速度センサジャイロスコープ
光スキャナ (ガルバノメータ)
AFM用カンチレバー
流路モジュール
デジタルミラーデバイス(DMD)
HDDのヘッド
DNAチップ光スイッチ
ボロメータ型赤外線撮像素子
波長可変レーザー
光変調器
etc…

©IC Mechanics

ジャイロ

デジタル・ミラー・デイバイス

ミクロな機械

h"ps://emb.macnica.co.jp/ar5cles/5757/ 2023.2.10h"ps://www.researchgate.net/ﬁgure/Image-of-the-DMD-mirrors-with-SEM-microscope-18_ﬁg37_315669635
2023.2.10

小型化
高機能化

IoT

internet of things

2020年には530億個のモノがネットに接続

情報集積＆解析

小型化
高機能化

人工知能
ビッグデータ解析

ナノレベルのものづくり

サイバーリアルESB Professional via shu6erstock

ナノ10-9 mh"ps://www.shu"erstock.com/ja/image-photo/nagoya-japan-city-skyline-tower-178258268 2023.5.2

最適化・効率化
少し先の未来を予測

h"ps://gigazine.net/news/20090709_markov_chain/ 2023.5.17

9m
91010 m

直径139万2000km
直径139万2000km

大きさで世界はどう変わるか？
大きさで世界はどう変わるか？

Wikipedia

610 mh"ps://www.eorc.jaxa.jp/earthview/2004/tp040428.html
2023.5.2

103 m

Google Map

10-3 mWikipedia

10-6 mMicrometer

Wikipedia

10-9 m Nanometer

Wikipedia

マイクロ・ナノメートルの世界
髪の毛の直径：約100 μm

マクロ毛細血管の直径：約10 μm

機械工学

異分野融合

人の赤血球の直径：約8 μm細胞のサイズ：1〜100 μm

マイクロ・ナノ機械

ウィルス：80〜120 nm

統一的に扱う学問はまだない

CNTの直径：数 nm
化学DNAの直径：約2 nm
酸素原子の直径：約0.3 nm

ミクロ

物理

材料科学

電子工学

光学顕微鏡でどこまで見えるのか？
髪の毛の直径：約100μm
毛細血管の直径：約10μm
人の赤血球の直径：約8μm細胞のサイズ：1〜100μm

nh"ps://www.material.t.u-tokyo.ac.jp/dl/pamphlet2021_pc.pdf 2023.5.17

ウィルス：80〜120nm

光の波長

CNTの直径：数nm

分解能 =DNAの直径：約2nm

屈折率

酸素原子の直径：約0.3 nm

θ分解能0.61l
n sin q光の入射角200nm程度

電子顕微鏡で見えるもの
h"ps://health.uct.ac.za/medical-virology/teaching/inﬂuenza-virus 2023.5.17

著作権の都合により画像を削除しました

Wikipedia

こちらもおすすめ☟https://youtu.be/GY9lfO-tVfE

http://endomoribu.shinshu-u.ac.jp/works1_2.html 2023.5.17

原子間力顕微鏡
Atomic Force Microscope

著作権の都合により画像を削除しましたü マイクロマシニング（微細加工技術）
ナノ加工 先端径：数 nm

著作権の都合により画像を削除しましたü 高精度な位置決め
ナノ制御（ピエゾアクチュエータ）
分解能：0.1 nm以下

ナノ計測 ü 高感度な変位センサ（光てこ法）
著作権の都合により画像を削除しました

プローブ変位（⇔表面の凹凸）

分解能：0.1 nm以下

送り量

情報社会を支える
マイクロ・ナノ機械• データストレージ（情報記録）• MEMS

デジタルユニバース
情報爆発時代の到来
IDC “The Digital Universe in 2020”

©EMC

1024
1021
1018
1015
1012
109
106
103
102
101100

ヨタ （yotta）
ゼタ (zetta)
エクサ (exa)
ペタ (peta) P
テラ (tera) T
ギガ (giga) G
メガ (mega)
キロ (kilo) k
ヘクト (hecto)
デカ (deca)

YZ
E

10-1
10-2
10-3
10-6
10-9
10-12
10-15
10-18
10-21
10-24

デシ （deci）
センチ (cen?)
ミリ (milli) m
マイクロ (micro)
ナノ (nano)
ピコ (pico) p
フェムト (femto)
アト (aBo) a
ゼプト (zepto)
ヨクト (yocto)dc

情報量は膨張し続ける（永久に？）M
hda

μnfzyデジタルデータ保存
電子の有 or 無（SSD）

磁石の向き（HDD)「０」 「１」

-

「０」

「１」

---- -------TDKホームページより転載
h"p://www.tdk.co.jp/techmag/knowledge/200603/ 2015.1.20

記録デバイスへの要求
・小型化
・大容量化

1ビットを保存する素子は約10 〜 100 nmまで微小化

ナノレベルのものづくり

磁気記録装置

Hard Disk Drive

全体構成

読み出し

h"ps://ocw.u-tokyo.ac.jp/lecture_ﬁles/gf_11/4/notes/ja/04iye.pdf 2023.5.17

書き込み

ヘッド・ディスク・インタフェース

平成13年度「教育用コンテンツ開発事業」 http://www.sugilab.net/jk/joho-kiki/index.html 2023.5.2

Micro Electrical Mechanical System(MEMS)h"ps://wps.prenhall.com/chet_lockhart_engineer_1/42/10875/2784049.cw/content/index.html 2023.5.2

h"ps://www.sandia.gov/app/uploads/sites/145/2021/11/4.jpg 2023.5.17©IC Mechanics

MEMSのアプリケーション
https://www.eeweb.com/smallest-location-placing-solution/ 2023.5.17h"ps://www.supercars.net/blog/2006-volkswagen-golf-r32/2006_volkswagen_golfr323/ 2023.5.17h"ps://av.watch.impress.co.jp/docs/20050802/plus.htm 2023.5.17©Nintendoh"ps://www.canondrivers.net/canon-pixma-ip3600-driver/ 2023.5.17
パナソニック LUMIX LX3 コンパクトデジタルカメラ

ü 加速度センサー
ü 圧力センサーü ジャイロセンサー
ü 光スイッチü 発振器など
h"ps://warwick.ac.uk/fac/sci/physics/current/postgraduate/regs/mpagswarwick/ex5/techniques/structural/afm/
2023.5.2

Xu and Vernick, 2006

©DB HiTek©テキサス・インスツルメンツ

こちらもおすすめ☟h#ps://youtu.be/iPGpoUN29zk

情報社会を支えるマイクロ・ナノ機械• データストレージ• MEMS

What’s next?

マクロ機械の性能をミクロで設計

Holmberg, 2012

image courtesy of ClearMechanic.com

Doig, M., Warrens, C.P., & Camp, P.J. (2014).
Structure and friction of stearic acid and oleic acid films adsorbed on iron oxide surfaces in squalane. Langmuir : the ACS journal of surfaces and colloids, 30 1, 186-95.

ナノマシンの可能性
筋肉

Wikipedia

Wikipedia
Wikipedia