博 士 論 文 概 要
8
0
0
全文
(2) 静 電 力 を 利 用 す る 機 械 は ，真 空 中 や 電 磁 環 境 に 対 す る 適 性 が 高 い こ と ，マ イ ク ロ化することによって磁気力などに比べて相対的に大きな力が得られることな ど の 利 点 が あ る ． こ の た め ， 半 導 体 製 造 プ ロ セ ス の 発 展 を 背 景 に ， 1970 年 頃 か ら 静 電 力 駆 動 の マ イ ク ロ マ シ ン /MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) に 関 す る 研 究 開 発 が 盛 ん に 行 わ れ て い る ．と く に マ イ ク ロ マ シ ン を セ ン サ や 情 報 機 器 ，医 学 ，バ イ オ テ ク ノ ロ ジ ー の 分 野 で 利 用 す る 場 合 ，圧 力 計 ・加 速 度 計 ，マ イ ク ロ 化 学 シ ス テ ム (µ-TAS) な ど の よ う に ， そ の マ イ ク ロ 化 が 第 一 に 重 要 で あ り，微細加工技術に関する膨大な研究がおこなわれている． い っ ぽ う ，駆 動 す る 媒 体 が 紙 葉 体 や シ リ コ ン ウ エ ハ ，粒 体 な ど の 場 合 に は ，駆 動 機 構 も 適 切 な 大 き さ で あ る こ と が 必 要 で あ り ，駆 動 機 構 の 大 き さ と 駆 動 距 離 共 に mm〜 cm オ ー ダ で 適 切 な 機 能 を 有 し た 静 電 駆 動 機 構 に 対 す る ニ ー ズ も 大 き い ． 本 研 究 で は こ の よ う な 観 点 か ら ，静 電 力 応 用 の 基 盤 と な る 静 電 場 ・ 放 電 場 に お け る力学とそれをマイクロ駆動機構へ応用することを狙いとした． とくにこれまでの静電力応用の研究は放電の生じない静電界におけるクーロ ン 力 を 利 用 す る も の に 限 ら れ て い た が ，本 研 究 で は 放 電 域 に お け る 力 学 作 用 を 研 究 し ，そ れ を 積 極 的 に 利 用 す る こ と も 行 っ た ．す な わ ち ，静 電 力 を 利 用 し よ う と す る 場 合 ，電 界 が 高 い ほ ど 高 出 力 が 得 ら れ る が ，あ る 限 界 電 圧 以 上 で 放 電 が 生 じ ， こ れ が 障 害 と な っ て 出 力 密 度 に 限 界 が 生 じ る ．こ の た め ，静 電 力 利 用 の 立 場 か ら は ，放 電 は 防 ぐ べ き も の で あ る と い う の が 一 般 的 な コ ン セ ン サ ス で あ っ た ．し か し 放 電 時 に は ，単 に 電 離 電 流 が 流 れ る だ け で な く 非 放 電 時 の 静 電 力 と は 異 な る 力 学 作 用 が 生 じ て い る こ と に 着 目 し ，そ の メ カ ニ ズ ム を 調 べ ，さ ら に そ れ を 駆 動 機 構に応用する研究を行った． す な わ ち 本 研 究 で は ，ま ず 静 電 場 ，コ ロ ナ 放 電 場 お よ び 火 花 放 電 場 に お け る 力 学特性を明らかにし，つぎに静電場を利用した駆動機構として静電マイクロ斜 毛 ・ 斜 板 駆 動 機 構 と 静 電 紙 送 り 機 構 を ，ま た 放 電 場 を 利 用 し た マ イ ク ロ 駆 動 機 構 と微小液滴吐出機構の開発を行った．以下に詳細を示す． 本 論 文 は ，第 1章 か ら 第 9章 ま で の 9章 か ら 構 成 さ れ て お り ，第 1章 で は 序 論 ，第 2章 か ら 第 8章 ま で で 本 論 ， 第 9章 で は 結 論 を 述 べ る ． 第 1章 の 序 論 で は ， 研 究 の 背 景 に 続 い て ， 静 電 駆 動 機 構 の 特 徴 と し て ， 磁 気 力 と 静 電 力 の 特 徴 の 比 較 ，マ イ ク ロ 化 に 際 し て 重 要 な 摩 擦 に 対 す る 工 夫 ，お よ び 放 電場における力学について概説し，最後に本論文の構成について述べた． 第 2章 〜 第 4章 で は ，静 電 場 ，コ ロ ナ 放 電 場 ，お よ び 火 花 放 電 場 に お け る 力 学 特 性の把握を行った． ま ず 第 2章 で は ， 静 電 場 ・ コ ロ ナ 放 電 場 に お け る 力 学 に 関 し て 述 べ た ． 周 知 の よ う に 静 電 場 で は ， 電 極 同 士 が 引 き 合 う 方 向 に 印 加 電 圧 の 2乗 に 比 例 す る 力 が 作 用 す る ．い っ ぽ う コ ロ ナ 放 電 場 で は ，放 電 特 性 に 関 し て は 多 く の 研 究 が 行 わ れ て き た が ，力 学 特 性 は 明 確 で は な か っ た ．そ こ で 針 対 平 板 電 極 系 を 対 象 に し て ，コ. 1.
(3) ロ ナ 放 電 特 性 に 関 す る 解 析 的 ・ 実 験 的 研 究 を 行 っ た ．具 体 的 に は ，ま ず コ ロ ナ 放 電 場 を 単 極 性 モ デ ル に よ っ て 解 析 し ，場 に お け る 電 位 分 布 と 電 荷 分 布 を 計 算 し た ． ま た こ れ ら が ，実 測 値 と よ く 一 致 す る こ と を 示 し た ．さ ら に ，静 電 域 に お け る ク ー ロ ン 力 の 計 算 値 も 実 験 値 に よ く 一 致 す る こ と を 示 し た ．い っ ぽ う コ ロ ナ 放 電 域 に お け る 力 学 特 性 は ，電 場 解 析 だ け で は 求 ま ら な い た め ，本 章 で は ま ず 実 験 的 な 特 徴 を 明 ら か に し ， つ ぎ の 第 3章 に お け る 流 れ 解 析 に つ な げ た ． 第 3章 で は ， コ ロ ナ 放 電 場 に お い て 力 が 発 生 す る 原 因 で あ る と 考 え ら れ る イ オ ン 風 に 関 す る 解 析 的 ・ 実 験 的 研 究 に つ い て 述 べ た ． 具 体 的 に は ， 第 2章 で 行 っ た 放電場解析から導出されるコロナ放電場の電荷密度と電界の積で表されるイオ ン の 泳 動 力 (体 積 力 ) を 駆 動 源 と す る 非 圧 縮 性 粘 性 流 体 に 関 す る ナ ビ エ ・ ス ト ー ク ス の 式 を 解 い て 流 速 と 圧 力 分 布 を 計 算 し ，こ れ ら が 実 験 結 果 と 一 致 す る こ と を 検 証 し た ．液 体 平 板 電 極 を 利 用 す る ユ ニ ー ク な 流 速 と 圧 力 分 布 の 測 定 方 法 に つ い ても報告した． 第 4章 で は ， 火 花 放 電 場 に お け る 力 学 に 関 し て 述 べ た ． コ ロ ナ 放 電 場 よ り も さ ら に 高 い 電 圧 を 印 加 す る と ，断 続 的 に 火 花 放 電 が 発 生 し ，同 時 に 放 電 音 や 光 が 発 生 す る が ， 3つ の 互 い に 独 立 な 方 法 で ， 火 花 放 電 場 で は 有 意 な 力 は 生 じ て い な い こ と を 実 証 し た ．火 花 放 電 域 に お け る 力 学 に 関 す る 研 究 は こ れ ま で 行 わ れ て お ら ず，これは新規な知見である． 以 上 の 第 2 章 〜 第 4 章 の 研 究 の ま と め と し て ，工 学 的 に 利 用 可 能 な 力 は ，静 電 場 におけるクーロン吸引力とコロナ放電域におけるイオン風の反力であることを 示した． 第 5章 ， 第 6章 で は ， 静 電 場 に お け る ク ー ロ ン 力 を 利 用 し た 機 器 を 提 案 し た ． 第 5 章 で は ，従 来 の 摩 擦 力 の 代 わ り に 静 電 力 を 利 用 し て ，用 紙 束 か ら 紙 1 枚 だ け を 分 離 し 搬 送 す る ま っ た く 新 し い 用 紙 の 分 離 ・ 搬 送 機 構 に 関 し て 述 べ た ．本 機 構 に よ っ て ，実 用 的 な 条 件 で 信 頼 性 の 高 い 紙 送 り 機 構 の 実 用 化 の め ど を 得 た こ と を 報告する． 第 6章 で は ， 交 番 的 な 静 電 力 に よ る 振 動 と 摩 擦 力 を 利 用 し た マ イ ク ロ 駆 動 機 構 に 関 し て 述 べ た ．摩 擦 係 数 に 異 方 性 が あ る シ ー ト 材 の 上 面 に 押 し 付 け 力 を 加 え る と 直 交 す る 方 向 の 駆 動 力 が 発 生 す る こ と を 利 用 し た 斜 毛・斜 板・斜 柱 駆 動 機 構 は ， こ れ ま で 振 動 源 と し て 油 圧 ，磁 気 力 ，圧 電 素 子 を 利 用 し た 例 が 報 告 さ れ て い る が ， いずれも外部に大きな動力源や複雑な構造が必要であった．そこで本研究では， 振 動 源 と し て 静 電 力 を 利 用 す る 方 式 を 提 案 し ，マ イ ク ロ 化 に 適 し た 数 種 の モ デ ル を 試 作 し て そ の 駆 動 特 性 を 解 析 と 実 験 の 両 面 か ら 明 ら か に し た ．一 方 向 直 進 だ け でなく後進や回転する機構，および給電リード線を不要とする機構も開発した． つ ぎ に ，第 7章 ，第 8章 で は ，コ ロ ナ 放 電 場 で 生 じ る 力 を 利 用 し た 機 器 を 提 案 し た． 第 7章 で は ， コ ロ ナ 放 電 場 に お け る イ オ ン 風 の 反 力 を 駆 動 源 と す る 新 し い リ ニ. 2.
(4) ア ・ 回 転 駆 動 機 構 を 提 案 し た ．こ れ ら の 駆 動 機 構 は ，従 来 の い わ ゆ る コ ロ ナ モ ー タ の 延 長 で は な く ，平 板 に 対 し て 傾 斜 し た 針 電 極 に は ，電 極 間 距 離 が 最 小 に な る 垂 直 方 向 で は な く ，傾 斜 し た 針 に 沿 う 方 向 の 反 力 が 生 じ る と の 新 し い 発 見 に も と づくものである． 第 8章 で は ， 別 の 放 電 場 応 用 と し て ， コ ロ ナ 放 電 場 に 生 じ る 力 を 利 用 し た 微 小 液 滴 吐 出 に 関 し て 述 べ た ．針 電 極 の 代 わ り に 液 体 を 満 た し た チ ュ ー ブ に 電 圧 を 印 加 す る と ，静 電 力 に よ っ て 液 滴 が 吐 出 す る 静 電 ス プ レ ー 現 象 が 生 じ る が ，こ の 現 象 そ の も の の 体 系 的 な 検 討 は 十 分 で は な い ．こ の 現 象 を 工 学 的 に 利 用 す る た め に は ，ま ず 現 象 の 基 礎 特 性 を 明 ら か に す る こ と が 重 要 で あ り ，液 滴 形 成 ・ 分 離 機 構 や そ の 特 徴 を 明 ら か に す る 実 験 を 行 っ た ．ま た こ れ ら の 知 見 を も と に ，本 機 構 が 印字技術に応用可能なことを実証した． 最 後 に 第 9章 で は ， 本 論 文 を 総 括 し ， さ ら に 今 後 の 課 題 に つ い て 言 及 し た ． 以 上 の と お り 本 研 究 で は ，静 電 力 応 用 の 観 点 か ら ，静 電 場 ・ 放 電 場 に お け る 力 学 を 解 明 し ，そ れ を 利 用 す る マ イ ク ロ 駆 動 機 構 の 開 発 を 行 っ た ．本 研 究 の 成 果 を 要 約 す れ ば 以 下 の と お り で あ る ．す な わ ち ，ま ず 静 電 場 ，コ ロ ナ 放 電 場 ，お よ び 火 花 放 電 場 に お け る 力 学 を 解 析 と 実 験 の 両 面 か ら 検 討 し ，工 学 的 に 利 用 可 能 な 力 は ，静 電 場 に お け る ク ー ロ ン 吸 引 力 と コ ロ ナ 放 電 域 に お け る イ オ ン 風 の 反 力 で あ る こ と を 示 し た ．さ ら に ，こ れ ら の 知 見 に も と づ い た 用 紙 の 静 電 分 離・搬 送 機 構 ， 静 電 力 と 摩 擦 を 組 み 合 わ せ た マ イ ク ロ 駆 動 機 構 ，コ ロ ナ 放 電 時 の イ オ ン 風 の 反 力 を利用したマイクロ駆動機構，および微小液滴吐出機構を開発した．. 3.
(5) 研. 究. 業. 績. 種類別 投稿論文. 著者，題名，発表･発行掲載誌名，発表･発行年 Kawamoto, H., Yasuda, H. and Umezu, S., Flow distribution and pressure of air due to ionic wind in pin-to-plate corona discharge system, J. Electrostatics (to be published).. ○投稿論文. 梅津信二郎, 白石潤平, 川本広行, 伊東圭昌, 静電力を利用したマイクロ斜毛・斜板駆動機 構, 機械学会論文集 C, 71, 706 (2005) 1884-1891.. ○投稿論文. 梅津信二郎, 白石潤平, 西村秀明, 川本広行, 静電力を利用した用紙の分離と搬送機構, 機 械学会論文集 C, 71, 704 (2005) 1361-1367.. 投稿論文. Kawamoto, H. and Umezu S., Electrohydrodynamic Deformation of Water Surface in a Metal Pin to Water Plate Corona Discharge System, J. Phys. D: Appl. Phys., 38 (2005) 887-894.. 投稿論文. Kawamoto, H., Umezu, S. and Koizumi, R., Fundamental Investigation on Electrostatic Inkjet Phenomena in Pin-to-Plate Discharge System, J. Imaging Sci.. Technol., 49, 1 (2005) 19-27. ○投稿論文. 梅津信二郎, 川本広行, 針対平板電極系放電場に生じる力を利用するマイクロ駆動機構, 機械学会論文集 C , 70, 699 (2004) 3260-3265.. ○投稿論文. 梅津信二郎, 曽我部広, 川本広行, 針対平板電極系放電場における火花放電時に働く力に ついて, 機械学会論文集 C, 70, 692 (2004) 1149-1154.. 投稿論文. 川本広行, 安田悠, 梅津信二郎, 針対平板電極系コロナ放電場におけるイオン風について, 機械学会論文集 C, 70, 689 (2004) 169-175.. 投稿論文. 川本広行, 梅津信二郎, 小泉竜太, 白石潤平, 針対平板電極系放電場における静電静水力 学効果について, 機械学会論文集 C, 69, 678 (2003) 328-334.. ○国際会議. Umezu, S., Hodaka, S. and Kawamoto, H., Droplet Formation and Dropping Position Control in Electrostatic Inkjet Phenomena, NIP21: Proc. of the 21th International. Conference on Digital Printing Technologies (2005) 283-286. ○国際会議. Umezu, S., Shiraishi, J. and Kawamoto, H., New Paper Feed Mechanism Utilizing Electrostatic Force, NIP20: Proc. of the 20th International Conference on Digital. Printing Technologies (2004) 194-197. ○国際会議. Umezu, S., Shiraishi, J. and Kawamoto, H., Micro Driving Mechanism Utilizing Pin-to-Plate Gas Discharge Field, Proc. of the 14th Conference on Information. Storage and Processing Systems ASME Information Storage and Processing Systems Division (2004).. 5.
(6) 種類別 ○国際会議. 著者，題名，発表･発行掲載誌名，発表･発行年 Umezu, S., Shiraishi, J. and Kawamoto, H., Micro Electrostatic Driving Mechanism utilizing a Slanted-Fibers Sheet, Proc. of the 14th Conference on Information Storage. and Processing Systems ASME Information Storage and Processing Systems Division (2004). ○国際会議. Umezu, S., Shiraishi, J., Nishimura, H., and Kawamoto, H., Paper Separation and Feed Mechanisms Utilizing Electrostatic Force, NIP19: Proc. of the 19th. International Conference on Digital Printing Technologies (2003) 559-532. 国際会議. Kawamoto, H., Umezu, S., and Shiraishi, J., Paper Separation and Feed Utilizing Electrostatic Force, Proc. of the JSME-IIP/ASME-ISPS Joint Conference on. Micromechatronics for Information and Precision Equipment (IIP/ISPS Joint MIPE) (2003) 329-330. 国際会議. Kawamoto, H., Arai, K., Koizumi, R. and Umezu, S., Electrostatic Inkjet Phenomena Utilizing Pin-to-Plate System, Proc. of the JSME-IIP/ASME-ISPS Joint Conference on. Micromechatronics for Information and Precision Equipment (IIP/ISPS Joint MIPE) (2003) 327-328. 国際会議. Kawamoto, H., Takasaki, K., Yasuda, H., Umezu, S., and Arai, K., Static and Dynamic Phenomena of Pin Electrode in Pin-to-Plate Discharge system, Proc. of the. 3rd IFToMM International Micromechanism Symposium (2001) 69-74. 講. 演. 梅津信二郎, 山村雄一, 安藤大樹, 増成幸数, 佐藤寛暢, 川本広行, 静電力を利用したリー ドレス斜柱駆動機構, 機械学会情報・知能・精密部門 (IIP 部門) 講演会 (2005) 140-142.. 講. 演. 鳥飼建宏, 梅津信二郎, 山村雄一, 福山明, 川本広行, コロナ放電場を利用したマイクロ送 風機構, 機械学会情報・知能・精密部門 (IIP 部門) 講演会 (2005) 136-139.. 講. 演. 岡田洋司, 梅津信二郎, 曽我部広, 黒宮直幸, 川本広行, 静電選別を利用した粒度分別, 機 械学会情報・知能・精密部門 (IIP 部門) 講演会 (2005) 133-135.. 講. 演. 鈴木穂高，梅津信二郎，川本広行，静電インクジェット現象における液滴の帯電，Japan Hard Copy 2004 Fall Meeting (2004) 37-40.. 講. 演. 川本広行, 白石潤平, 梅津信二郎, 伊東圭昌, 静電力を利用する斜毛駆動機構の運動解析, 2004 年度機械学会年次大会, 5 (2004) 375-376.. 講. 演. 梅津信二郎, 白石潤平, 岡田洋司, 川本広行, 静電力を利用する紙の搬送機構, 第 16 回「電 磁力関連のダイナミクス」シンポジウム講演論文集 (2004) 65-68.. 講. 演. 鈴木穂高, 梅津信二郎, 小泉竜太, 川本広行, 静電インクジェット現象における微小液滴 吐出, 機械学会情報・知能・精密部門 (IIP 部門) 講演会 (2004) 254-257.. 講. 演. 川本広行, 新井健治, 小泉竜太, 梅津信二郎, 針対平板電極系放電場における静電インク. 6.
(7) 種類別. 著者，題名，発表･発行掲載誌名，発表･発行年 ジェット現象, 電気学会放電研究会, ED-03-248 (2003) 51-58.. 講. 演. 山村雄一, 梅津信二郎, 川本広行, 村田明彦, 池尻徳貴, 吉沢正昭, 針対平板電極系放電場 におけるイオン風について, D&D2003 (2003) 94.. 講. 演. 梅津信二郎,白石潤平,川本広行,静電力を利用した紙の分離に関する研究, 2003 年度機械学 会年次大会, 5 (2003) 287-288.. 講. 演. 白石潤平, 梅津信二郎, 黒宮直幸, 川本広行, 斜毛シートを用いた静電駆動機構について, 2003 年度機械学会年次大会, 5 (2003) 285-286.. 講. 演. 梅津信二郎, 西村秀明, 川本広行, 静電力を利用する用紙剥離・搬送機構, Japan Hardcopy 2003 (2003) 73-76.. 講. 演. 西村秀明, 梅津信二郎, 白石潤平, 川本広行, 静電力を利用する紙の分離機構, 第 15 回 「電 磁力関連のダイナミクス」シンポジュウム講演論文集 (2003) 219-222.. 講. 演. 梅津信二郎, 安田悠, 曽我部広, 川本広行, 針対平板電極系放電場における火花放電時に 働く力について, 第 15 回「電磁力関連のダイナミクス」シンポジュウム講演論文集 (2003) 213-218.. 講. 演. 西村秀明, 梅津信二郎, 白石潤平, 川本広行, 静電力による紙の分離機構, 機械学会関東学 生会第 42 回学生員卒業研究発表講演会 (2003) 5-6.. 講. 演. 川本広行, 梅津信二郎, 小泉竜太, 白石潤平, 安田悠, 針対平板電極系放電場における静電 静水力学効果について, 電気学会放電研究会資料, ED-03-2, DEI-03-7 (2003) 7-13.. 講. 演. 梅津信二郎, 白石潤平, 川本広行, 静電力を利用するリニア駆動機構, 機械学会 D&D2002 (2002) 278.. 講. 演. 安田悠, 梅津信二郎, 小泉竜太, 白石潤平, 川本広行, 針対平板電極系放電場におけるイオ ン風について, 機械学会 D&D2002 (2002) 276.. 講. 演. 梅津信二郎, 白石潤平, 林怜史, 川本広行, 針対平板電極系放電場を利用する水上移動機 構について, 2002 年度機械学会年次大会, 7 (2002) 237-238.. 講. 演. 川本広行, 白石潤平, 梅津信二郎, 小泉竜太, 針対平板電極系放電場における静電モーゼ 効果, 第 14 回｢電磁力関連のダイナミクス｣シンポジウム講演論文集 (2002) 145-150.. 講. 演. 川本広行, 小泉竜太, 梅津信二郎, 白石潤平, 複数の針対平板電極系放電場における針電 極の干渉現象, 第 14 回｢電磁力関連のダイナミクス｣シンポジウム講演論文集 (2002) 141-144.. 特. 許. 川本広行, 梅津信二郎, シート分離機構, 特許出願番号: 2003-353060.. 受. 賞. 梅津信二郎, 白石潤平, 川本広行, 2003 年度機械学会年次大会,"情報・知能・精密機器部門 ベストプレゼンテーション表彰 (2004).. 7.
(8) 8.
(9)
関連したドキュメント
[4] Takako Ogawa, Tetsuyuki Harada, Hiroshi Ozaki and Kintake Sonoike (2013) Disruption of the ndhF1 gene affects chlorophyll fluorescence through state transition in the
[r]
Suhara, "Method and device for measuring surface potential distribution, method and device for measuring insulation resistance, electrostatic latent image measurement device,
T.Edura, M.Nakata, H.Takahashi, H.Onozato, J.Mizuno, K.Tsutsui, M.Haemori, K.Itaka, H.Koinuma, Y.Wada, “Single Grain and Single Grain Boundary Resistance of Pentacene Thin
Kobayashi, Different orientation of AgGaTe 2 and AgAlTe 2 layers grown on a-plane sapphire substrates by a closed space sublimation method, 41st Conference on the Physics and
[r]
“In vitro studies on the mechanistic details of adhesion and wound healing of epithelial cell sheet therapy”, JSPS A3 foresight international symposium on nano-biomaterials
Global circadian transcription rhythms without robust kai-gene cycling in the heterocyst-forming multicellular cyanobacterium, Anabaena sp.
