柔軟弾性体の座屈を利用した流体制御マイクロアクチュエータの開発

微細管内の流れを制御するアクチュエータの開発は,マイクロマシン技術の進展をもたらすのみならず,人体における血流の促進など,生体医用技術の高度化にも繋がる重要な課題である.本研究では,柔軟弾性体の座屈現象を利用した,機構的に単純かつ信頼性の高いアクチュエータを開発することを目的とする.具体的には,流体が流れる柔軟微細管の近傍に,両端を軸方向に圧縮することで得た座屈後はりを配置したモデルを考える.電磁力により,はりの横方向へ外力を一時的に作用させると,はりは動的に飛び移り,もう一つの安定な平衡状態へと移行する.この結果,管路の断面積が変化する.このアクチュエータは,単独で用いれば流量調節弁として機能する.また,複数個を並列で用いて開閉のタイミングを調節すれば,一定方向に流れを生じさせることもできる.本研究では,アクチュエータおよび流れの動的挙動を分析し,ポンプとしての最適設計条件を明らかにすることを目的として,流れ場とはりの運動,電磁場についての達成数値解析コードの開発を行った.前年度に制作した流体運動の移動境界問題の解析コードを基に,はりの運動ならびに電磁場との相互作用を考慮した解析コードを制作した.解析コードを基に,ポンプとして用いるアクチュエータの性能評価を行った.アクチュエータに与える電流の振幅と波形,アクチュエータコイルの巻数比,および,はりを座屈させる初期軸圧縮変位を変え,流量に与える影響を調べた.以上の計算結果を基に,前年度に試作を行ったポンプの動作条件を変更し,動作確認を行った.その結果,条件の変更による流量向上効果を確認し,計算結果との定性的な一致を確認した.

微細管内の流れを制御するアクチュエータの開発は,マイクロマシン技術の進展をもたらすのみならず,人体における血流の促進など,生体医用技術の高度化にも繋がる重要な課題である.本研究では,柔軟弾性体の座屈現象を利用した,機構的に単純かつ信頼性の高いアクチュエータを開発することを目的とする.具体的には,流体が流れる柔軟微細管の近傍に,両端を軸方向に圧縮することで得た座屈後はりを配置したモデルを考える.電磁力により,はりの横方向へ外力を一時的に作用させると,はりは動的に飛び移り,もう一つの安定な平衡状態へと移行する.この結果,管路の断面積が変化する.このアクチュエータは,単独で用いれば流量調節弁として機能する.また,複数個を並列で用いて開閉のタイミングを調節すれば,一定方向に流れを生じさせることもできる.本研究では,アクチュエータおよび流れの動的挙動を分析し,ポンプとしての最適設計条件を明らかにすることを目的として,流れ場とはりの運動,電磁場についての達成数値解析コードの開発を行った.前年度に制作した流体運動の移動境界問題の解析コードを基に,はりの運動ならびに電磁場との相互作用を考慮した解析コードを制作した.解析コードを基に,ポンプとして用いるアクチュエータの性能評価を行った.アクチュエータに与える電流の振幅と波形,アクチュエータコイルの巻数比,および,はりを座屈させる初期軸圧縮変位を変え,流量に与える影響を調べた.以上の計算結果を基に,前年度に試作を行ったポンプの動作条件を変更し,動作確認を行った.その結果,条件の変更による流量向上効果を確認し,計算結果との定性的な一致を確認した.