2012 Fiscal Year Annual Research Report
機能性流体ＥＣＦを用いた高出力パワー密度マイクロ液圧源
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24246030
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
横田 眞一 東京工業大学, 精密工学研究所, 教授 (10092579)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉田 和弘 東京工業大学, 精密工学研究所, 准教授 (00220632)
嚴 祥仁 東京工業大学, 精密工学研究所, 助教 (20551576)
金 俊完 東京工業大学, 精密工学研究所, 助教 (40401517)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 電界共役流体 / マイクロ液圧源 / MEMS |
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| Research Abstract |
本研究課題では，ECFマイクロ液圧源の出力パワー密度の向上を目的として，(a)三角柱－スリット形電極対(TPSE)からなるECFポンプチップを積層するデバイス積層化(MDS)と，(b) TPSE自体の高アスペクト比化(HAR)の二種類の三次元集積方法を提案した．MDSとして，MEMS技術で製作したECFポンプチップを超精密機械加工によるスルーホールで連結させて，高さ0.5mmのTPSEを直列10対×並列3対×2層集積することに成功した．HARを具現する方法として，一層目の鋳型と電極構造体を研削により平坦化し，その上に二層目を積層するMEMSプロセスを用いて，アスペクト比を高くした高さ0.88mmのTPSEを直列10対×並列3対集積した．製作した三次元集積ECFマイクロポンプ(HAR)の最大出力パワー密度は，3.0kV印加時に233kW/m3であり，出力パワー密度が向上することを確認した．
また，ECFマイクロ液圧源の応用として，駆動源を一体化したバルーン形マイクロアクチュエータ(ECF-BMA)を提案，試作した．蛇行流路にTPSEを20対直列に配置することで可能な限り小形で高い最大発生圧力が得られる構造とした．このECF-BMAの寸法は，ポンプ部分の体積が441(14.6×12.1×2.5)mm3，駆動部にあたるバルーン部の体積が5.3mm3であり，バルーン部を含めた全長は22.6mmであった．このECF-BMAでは，印加電圧3.5kV時に発生圧力76kPaで，最大無負荷屈曲変位6.0mm，最大発生力0.9mNが得られた．ステップ応答は，印加電圧3.5kV時，立ち上がり時間2.4s，立ち下り時間1.5sであった．このECF-BMAのプロトタイプ2個により構成されるECFマイクログリッパを試作し，印加電圧2.5kVにおいてグリッパの開閉動作と把持動作を確認した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
電界共役流体(ECF)を用いたマイクロ液圧源の高性能化のために，三角柱－スリット形電極対(TPSE)の三次元集積化を提案し，多層化プロセスで製作した高アスペクト比TPSEを用いたECFマイクロ液圧源の性能を実験的に明らかにすることで，高出力パワー密度化が可能であることを明確にした．また，ECFジェットの流動メカニズムの解明については，完全ではないが，関連分野の徹底的な文献調査を行ない，内容の検討を行なっているところである．
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| Strategy for Future Research Activity |
1)歩留まりの向上
三角柱－スリット形電極対の高アスペクト比化による三次元集積化に成功したものの，まだ100%の歩留まりで多数の電極対を三次元集積できていない．この原因を明らかにして，最適なMEMS加工条件を確立する．
(2)電極対の密度を向上させる新たなMEMSプロセスの開発
電極高さを維持しながら平面に投影した電極面積を小さくすることで，単位面積当たりの電極対の数を増やすことができ，電極1対あたりの出力パワーは大きく変わらないと仮定すると，高密度電極対による高出力パワー密度のマイクロ液圧源が実現できる．厚膜レジストと電解メッキによるMEMSプロセスでは2~3程度のアスペクト比が製作の限界であるため，新たに工夫したMEMSプロセスを提案する．(a) 深堀反応性イオンエッチング（Deep RIE）を用いてシリコン電極対の作製する．アスペクト比100以上のものも原理的に可能であるため，電極対の密度を高めることができる．(b)厚膜レジストと電解メッキのMEMSプロセスで各層ごとの位置合わせが不要な新たな多層化プロセスを提案する．
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[Presentation] ECF マイクロシリンダ2012
Author(s)
嚴祥仁，増田弘樹，横田眞一，吉田和弘，枝村一弥
Organizer
第２４回「電磁力関連のダイナミクス」シンポジウム
Place of Presentation
富山大学（富山県）
Year and Date
20120517-20120517
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