小型化といえば、ほとんどの設計エンジニアは “エレクトロニクス “を思い浮かべるのではないでしょうか。 確かに、過去には、製造技術や要件により、エレクトロニクスはますます小さなコンポーネントやシステムへと追いやられてきました。
小型化の推進力は、医療用アプリケーションから自動車および航空宇宙までのニーズによって加速されました。 設計者は、低侵襲技術によって身体へのアクセスを可能にするため、また、軽量化、携帯性、高価なデバイスの「不動産」の有効活用のために、与えられた容積に多くの機能を詰め込むために、より小さなシステムを考え出す必要に迫られています。 同社は、スイスの親会社が100年以上にわたって時計産業を担っており、小さな部品を製造してきました。 現在、ヒックス氏が「センサーからアクチュエーターまで」と呼ぶ、シリコンウエハーからギア、ベアリングに至る小型・微小機械部品を製造している。 これらの部品は、小型の分光計や流量計からピコリットルサイズの血液分析器まで、さまざまなシステムで使用されています。
「過去 25 年間、電子機器の小型化は規模の経済性によって推進されてきました」と Hicks は言います。 「より小型の電子パッケージが依然として大型のモジュールや機械システムを制御していたのです。 しかし、80年代半ばから、静脈採取やカテーテルを使った処置など、低侵襲の外科技術が開発され、より小型の機械装置が求められるようになったと、彼は指摘しています。 また、小型の機器は、体内で作業する外科医に光や視覚を提供するものでもありました。 「今日、このドライブに、接続、フォーカス、およびスイッチングを必要とするテレコムおよび光ファイバー機器に対する情報技術の需要が加わっています」と、彼は言います。 医療用アプリケーションも、純粋に機械的な小型デバイスの製造を加速しています。 たとえば、ALCの姉妹会社であるPrecipartが製造したAmerican Laubscher経食道プローブの例では、Micro Mo Electronics (Clearwater, FL) のさらに小さな直径のモーターで動く6mmのギアヘッドを使用しています。 このギアヘッドが超音波振動子を動かし、食道内からの撮影を行う。 モーター自体については、電力を小型化しようという動きは、医療、試験、および測定用途の多機能携帯機器に対する要望だけでなく、航空宇宙産業によっても促進されたと、Micro Mo Electronics の高度研究・計画担当副社長の Steve O’Neil は指摘しています。 航空・宇宙産業では、「重量が重要だ」と言う。 モーターなどの部品を含む車両の重量が増加すると、ペイロードが減少し、打ち上げコストが高くなります。 医療分野では、画像診断のような低コストでポータブルなシステムは、医師のオフィスやモバイル診断センターで処置ができるため、医療費の削減につながります。 また、機器にかかる費用をより多くの患者に分散させることができます。 オニール氏は、イメージングや検査用の光学系位置決めから、精密なダイシングなどのシリコンウエハ製造工程に使用される同社のモーター、ドライブ、コントローラーを挙げています。 ポータブル・システムは、柔軟性に欠ける大型の固定資産を持つよりも、工場で必要とされる場所に機能をもたらすことができます。
マイクロモータを可能にした最大の要因は、ワイヤーや磁石からハウジングに至るまで、材料の進歩だったと O’Neil は言います。 「コアとなるモーター技術は変わっていません」と彼は指摘します。 「
ワイヤーでは、絶縁体の高効率化とヒートシンクを組み込む設計変更により、パッケージの小型化が可能になりました。
マグネットでは、過去 10 年ほどの間に、セラミックからサマリウム コバルト、そして現在はネオジム鉄ボロンへと進化し、磁束密度が飛躍的に向上しました。
ハウジングでは、射出成形プラスチックがステンレス鋼に取って代わりました。 実際、材料と製造プロセスが小型化のカギを握っている。 たとえば、アメリカのラウブシャー社は、さまざまな微小電気機械システム（MEMS）用のマイクロモールドを製造するために、マイクロサーキットの製造に使用されるフォトリソグラフィーを改良しました。 それ以前は、このような部品は金属から製造されていたため、生産速度が遅く、製造コストや材料コストが高くなっていました。 LIGA（lithographic galvanic manu-facturingのドイツ語の頭文字）と呼ばれるこのプロセスでは、液晶ポリマー（LCP）などの材料を数ミクロンの公差で射出成形できるマイクロモールドを製造する（サイドバーを参照）。 例えば、光ファイバーのフェルール（コネクター）は、以前は金属から精密なマイクロマシンで加工されていた。 この部品は現在、LCPからLIGAで作られており、開口部、外径、エントリーポート（位置と直径）の公差を含めて、合成誤差は6ミクロンである。 LIGA の金型は、オングストローム単位の部品表面仕上げ公差を可能にするほど正確に作ることができると、Hicks は言います。
彼は、以前の製造方法は「減法」であり、完成部品を形成するために材料を除去することを含んでいると指摘します。 ガルバニック成形ダイは、Hicks 氏が言うように、「処理される材料の機械的特性は、材料を除去するために使用される力をサポートしないため、減法法が踏み込めないサイズと公差の下限であるガラス床を回避することができる」のです。 言い換えれば、部品は切断されるのではなく、剪断されたり欠けたりするのです」
LIGAで作られた他の製品には、精密燃料噴射装置やインクジェット式プリンター用の穴あき継ぎ手も含まれます。 これらのポート付きアプリケーションで使用される材料は、マイクロドリルやレーザーでは、亀裂やその他の望ましくない影響を与えずに穴を開けることができないことがよくあります」
Hicks氏はさらに、「材料やプロセスだけでなく、両方がどう組み合わされるかが重要です。 また、「材料やプロセスだけでなく、その両方がどのように組み合わされるかが重要です。 材料と精度が一緒になっている良い例は、薬理試験や診断アッセイなどの医療用LIGAアプリケーションにあります。 後者では、例えば全血液を微量分析用に素早く正確に分離するために、流体の動きを最大化する滑らかなチャネルと精密なモールドポケットが必要とされます。 血液親和性のある適切な材料を正確に成形し、一滴の血液を分析装置に流すと、ヘモグロビン（赤血球）が血漿から分離され、数十ピコリットルという正確な量が分析用に流れ、検査結果を狂わせる酸素が混入することはないのだ。 このようなデバイスを成形することにより、使い捨てにできるほど安価になり、再利用時の汚染に関する懸念を回避できます。
費用対効果の高い精密部品により、携帯型の診断および器具は、最終製品での電子機器、センサー、低電力源およびモーターとの組み合わせに依存しています。 したがって、機械部品の設計者は、デバイスの部分をさらに小さくするように圧力をかけられていると、Hicks は言います。
最後に、Hicks は、Digital AngelTM (Digital Angel, Hauppauge, NY) という注目すべき興味深い MEMS 開発に注目しています。 ここでは、設計者は、皮膚の下、または個人の持ち物や芸術品に柔軟な MEMS 回路を埋め込み、その物や人を GPS 衛星で監視および追跡できるようにすることを目指しています (図参照)。 人間への応用としては、患者、子供、または軍人の医療モニタリングや追跡が考えられます。
Chief Scientist の Peter Zhou は、キーテクノロジーは小型の埋め込み型無線周波数識別 (RFID) チップ、充電式電池、センサー、および 1 インチ未満のマイクロ波アンテナだと述べています。 装着者、プログラムされたアラーム、あるいは遠隔地の施設がこの装置を作動させることができる。 日常的なアプリケーションでは、医療データは携帯電話や PC モデム リンクによって中央ロケーションにダウンロードされます。
エレクトロニクスと機械的な開発の間のこのような相互作用は継続し、さらに相乗的な結果が得られると考えられます。 強度を持つために「過剰な」質量は必要ありません。 質量に対する負荷応力は、ある閾値を超えると、アリの重量に対する大きな強度に似た効果を生み出します。 401>
2 品質や検査の測定方法がより専門的になる。
3 機械的に小さくなればなるほど、部品やデバイスを電子機器と同じように扱うようになります。 それらは直接触れるには小さすぎるため、潜在的な汚染を避けるために、射出成形金型の中ですぐに部品を組み立てるなど、迅速に行う必要があります。 エレクトロニクスと同様に、生産テープの組み立ては、包装や取り扱いを容易にするために使用できます。
4 流体の表面張力は、マクロの世界とは大きく異なっています。 流体の質量に対する利用可能な表面の比率は、非常に高く偏っている。 マイクロ表面の濡れ特性が重要です。
5 清潔であることは当然と考えられています。 作っているものに比べれば、埃は大きく見える。 歯車には最小限のレベルが必要ですが (人体内の医療用を除く)、光学製品のほこりは性能に大きく影響します。
6 マクロデザインのコンセプトは、いくつかの技術を適用することで、かなりの頻度でマイクロデザインに変換できます。 設計者は、その分野の専門知識を活用することができます。 その方法には、プラスチックや金属の射出成形のためのリソグラフィーベースだけでなく、金型を形成するために材料を除去するワイヤー放電加工 (EDM)、レーザーアブレーション、イオン蒸着やガルバニック蒸着が含まれます。
Micro injection-mold fabrication
Galvanically formed LIGA molds will be plastic parts with tolerances down to 60.0001 inch (2 microns).これは、ガルバノンで形成された LIGA 金型の公差です。 名前は、リソグラフィー・ガルバニック（めっき）製造のドイツ語に由来しています。 半導体マイクロチップの製造とは異なり、プラスチック部品用のLIGA形成射出成形金型は、まず厚いフォトレジストマスクでレイアウトされる。 そして、マスクを外したレジスト（シリコンやプラスチックなど）に、X線までの短い波長を照射し、より高度に平行化する。 次に、露光された構造を溶剤やイオンエッチングで「現像」（還元）し、この不要な物質を除去する。 次に、残ったレジストにニッケルやニッケルコバルトをメッキし、さらに溶媒や物理的なクラックで除去し、最終的な射出成形金型が完成します。 この金型を使って、生産用の部品が作られます。
シールドの必要性
小型化したアプリケーションでは、電子部品の距離が近くなり、電磁干渉（EMI）に対抗する必要性が高まります。 したがって、追加のシールドが必要になるかもしれないと、シールドを含む金属電子部品のベンダーである Boldt Metronics International (イリノイ州パラタイン) の販売ディレクター、Jack Black は述べています。 また、パッケージが小さくなると、デバイスから熱を除去する必要性が高まりますが、それには熱伝導性 EMI シールド、より多くのファン、より効果的なヒートシンクを使用します。
Black は、回路基板の空き領域が少なくなると、EMI シールドガスケットの使用がより困難になる可能性があると指摘し、有効に機能するには広いフットプリント領域が必要だと述べています。 したがって、特に両面基板を使用する場合は、表面実装の金属製 EMI シールドが必要になるかもしれません。
また、小型化する際に部品を試作する必要性が高まることも強調しています。 「サイズが小さいため、再設計のオプションが制限されます」と、Black 氏は指摘します。 “多くの場合、基板のレイアウトは非常に複雑で、以前よりも層が多くなっています。 そのため、開発段階での単純な修正では済まされない。 試作段階で潜在的な問題を設計することで、市場への参入を早めることができます」
最後に、周波数が高いため、高速コンポーネントは、小型コンポーネントであろうとなかろうと、シールドの必要性を高めると、Black は指摘します。 したがって、デバイスが小さくなればなるほど、より多くの高速コンポーネントをより小さな領域に配置できるため、クロストークの可能性を減らすために、シールドの必要性が高くなります。
5 considerations for miniature systems and motors
一般に小型化および特にマイクロ モーターから恩恵を受ける可能性があるシステムの要件を設定する場合、マイクロ モーエレクトロニクス社副社長の Steve O’Neil が考慮に入れるべき 5 つの要素を提案します。 多くの人は、何かがより小さいなら、それはより安価であるべきだと考えています。 小型化された製品コンポーネントを製造するには、高価な技術が必要になる場合があります。 小さなサイズでは、マクロの世界の鏡像ではなく、異なる現象に遭遇します。 例えば、材料が互いにどのようにくっつくか（粘着性を克服すること）、潤滑油の挙動などです。 マクロの世界では、潤滑油や過剰なパワーは当然のこととして扱われています。 ミクロの世界では、潤滑剤は接着剤として作用し、粒子の大きさが問題を引き起こす可能性があります
3 Inefficies:
3 非効率性: 小型デバイスには大きな電力マージンがないため、コンポーネントの効率についてよく理解する必要があります。 有能なサプライヤーに相談する。
5正当化：小型化装置を専門に扱う企業の設計ノウハウを活用し、実践的な批評を行う。 ビジネス上の理由がないのに、なぜ小型化するのか？ 目的を明確にするために市場の意見を聞く
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