マイクロマシニングによる超小型真空ポンプの開発

1993 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 03650220
• Research Institution: GIFU NATIONAL COLLEGE OF TECHNOLOGY
• Principal Investigator: 稲葉 成基 岐阜工業高等専門学校, 助教授 (30110183)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 羽根 一博 名古屋大学, 工学部・電子工学科, 助教授 (50164893)
• Keywords: マイクロマシニング / 超小型真空ポンプ / 光学式アクチュエータ / 形状記憶合金 / レーザダイオード / 光熱効果 / 超小型片持ばり / 水流ポンプ

Research Abstract

超小型真空ポンプの開発には、超微小領域の真空計測を含めた複合的な研究が必要である。本研究では以下の四点にしぼり基礎的な研究を行った。
1.超小型真空計の開発 真空ポンプを超小型化した場合、真空測定子も超小型化する必要がある。マイクロマシニングにより超小型の片持ち梁を製作し、これを用いた光学式振動形圧力センサーを開発した。理論的な検討を加え、よい一致をみた。気体以外にも液体の密度計に光熱効果を適用できるという新たな知見が得られた。
2.駆動機構の開発 非接触で駆動できるアクチュエータが開発できればマイクロメカトロニクスの分野に与える影響も大きいと考えられる。本研究では半導体レーザを用いた光学式アクチュエータを開発し、これをポンプの駆動に使用した。形状記憶合金の光熱変位を利用することによって、300mWのレーザ照射によって、3mmの変位、180gwの発生力が得られた。
3.マイクロマシニング アクチュエータの駆動部分およびポンプ本体にマイクロフォトリソグラフィにより金属の薄板を加工しこれを積み上げる方法を適用し、Siの異方性エッチングを利用したマイクロマシニングは真空計用の超小型振動子の製作のみに用いた。
4.ポンプの製作 ダイアフラム式ポンプを試作し、本研究で開発した光学式アクチュエータを用いて駆動した。レーザ出力300mWで1.5mの吐出圧力と、1mの揚水能力で流量が140mul/minの特性が得られた。逆止弁が気体には適していないので真空ポンプとしては動作しなかったが、ポンプの片側に気体を入れた部屋をつくりこれを封止しておけば、この空間を1000mm_2の圧力だけ140mul/min程度で気体を排気することができる。
マイクロマシニングによる超小型モーターが実用的なものになれば、ターボ分子ポンプの翼の部分等もマイクロマシニングで作ることによって1mm以下のスケールでの真空ポンプが可能であると考えられる。この場合は非接触での回転が必要であるので、例えばレーザマイクロマニピュレーション等の手法を取り入れることが有効であると考えられる。

Research Products

• [Publications] 羽根一博: "レーザ真空計のためのリソグラフィ加工した薄板の真空中ホトサーマル振動" 真空. 34. 378-380 (1991)
• [Publications] 稲葉成基: "真空中におけるホトサーマル振動周波数の励振入力依存性" 真空. 34. 381-383 (1991)
• [Publications] 稲葉成基: "周波数計測による低真空領域の光学式圧力センシング" 真空. 34. 894-898 (1991)
• [Publications] S.Inaba: "Resonance frequency shifts of a photothermal vibration in vacuum" J.Vac.Sci.Technol.A. 9. 2138-2139 (1991)
• [Publications] S.Inaba: "Resonance frequency of a photothermal vibration for a polyethylene thin place in medium vacuum region" J.Vac.Sci.Technol.A. 9. 3173-3174 (1991)
• [Publications] 稲葉成基: "光熱振動を用いた光学式融膜真空計の開発" 真空. 35. 140-142 (1992)
• [Publications] S.Inaba: "Photothermal vibration for a membrane in water" J.APPl.Phys.71. 3631-3632 (1992)
• [Publications] S.Inaba: "Pressure dependence of the resonance frequency for a photothermal vibration of a thin circular glass plate in vacuum" Vacuum. 43. 291-292 (1992)
• [Publications] S.Inaba: "Optical sensing for prossnre in medium vacuum resion by using the drum effect" Appl.Opt.31. 2969-2970 (1992)
• [Publications] K.Hane: "Frequency shift of the micromachined resonator excited photothermally in vacuum" Rev.Sci.Inserum. 63. 3781-3782 (1992)
• [Publications] S.Inaba: "Liquid density sensing by using a photothermal vibration" Sonsors & Aotnators A. 33. 163-166 (1992)
• [Publications] S.Inaba: "Application of a photothermal vibration to a diaphragm manometer for medium vacuum region" Jpn.J.Appl.Phys.31. 2644-2645 (1992)
• [Publications] S.Inaba: "Dependence of resonance frequency of a membrane vibrated photothermally on pressure and gelmetry in a low vacuum resion" Jpn.J.Appl.Phys.32. 1001-1004 (1993)
• [Publications] S.Inaba: "Analysis on the resonance characteristics for a cantilever vibrated photothermally in liquid" J.Appl.Phys.73. 2654-2657 (1993)
• [Publications] S.Inaba: "Photothermal vibration for a cantilevor placed near a planer wall in low-vacuum region" Vacuum. 44. 599-601 (1993)
• [Publications] S.Inaba: "Miniature actnator driven photothermally using a shape-memory alloy" Rev.Sci.lnstrum.64. 1633-1635 (1993)
• [Publications] 稲葉成基: "光熱振動における共振の鋭さQの圧力依存性" 真空. 36. 316-318 (1993)
• [Publications] 稲葉成基: "光学式アクチュエータのための形状記憶合金の真空中光熱変位" 真空. 37(印刷中). (1994)