(57)【要約】【課題】  試料が把持されたか否かを確実にかつ容易に確認することができ、試料を適切な状態で把持することができるナノグリッパ装置の提供。【解決手段】  駆動部６には各アーム３を駆動するめの固定電極および可動電極が設けられている。固定電極６０ａおよび可動電極６１ａは左側のアーム３を駆動するものであり、可動電極６１ａは支持部６２により台座７に弾性支持されている。同様にアーム３も支持部６３により台座７に弾性支持されている。電極６０ａ，６１ａ間に電圧を印加すると、クーロン力により可動電極６１ａが右側に移動しアーム３を閉駆動する。検出回路９１Ａ，９１Ｂにより検出される電極６０ａ，６１ａ間の静電容量および電極６０ｂ，６１ｂ間の静電容量の変化に基づいて、試料が把持されたか否かを判断する。【選択図】        図６
2006026826.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開閉自在な一対のアームと、
前記一対のアームを開閉駆動する駆動機構と、
前記一対のアームにより前記試料を把持したことを検出する把持検出部とを備えたことを特徴とするナノグリッパ装置。
【請求項２】
開閉自在な一対のアームと、
前記一対のアームを開閉駆動する静電アクチュエータと、
前記静電アクチュエータの静電容量を検出する静電容量検出部と、
前記アームの閉時に、前記静電容量検出部により検出される静電容量の変化の変曲点を求めて前記一対のアームにより前記試料を把持したことを検出する把持検出部とを備えたことを特徴とするナノグリッパ装置。
【請求項３】
請求項２に記載のナノグリッパ装置において、
前記一対のアームの間隔と前記静電アクチュエータの静電容量との第１の相関、および前記静電アクチュエータの印加電圧と静電容量との第２の相関が予め記憶される記憶部と、
前記静電アクチュエータに印加されている電圧および前記静電容量検出部で検出される静電容量と前記第１および第２の相関とに基づいて、前記試料を把持している前記一対のアームの把持力を演算する演算部とを備えたことを特徴とするナノグリッパ装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載のナノグリッパ装置において、
前記一対のアーム、前記静電アクチュエータおよび前記静電容量検出部を半導体シリコンプロセス技術により半導体基板に形成したことを特徴とするナノグリッパ装置。
【請求項５】
請求項４に記載のナノグリッパ装置において、
前記一対のアームと前記静電アクチュエータとは絶縁層を介して連結されていることを特徴とするナノグリッパ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小なワークをハンドリングするためのナノグリッパ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体プロセス技術を応用したマイクロマシニング技術の発展により、微小機械の研究開発が盛んに行われている。そして、そのようなミクロンオーダーの微小機械を取り扱うために、微小なピンセット（以下ではナノグリッパと称する）が考案されている（例えば、特許文献１参照）。ナノグリッパの開閉を行わせるためのアクチュエータとしては、静電方式、熱方式、圧電方式など種々のものが提案されている。
【０００３】
例えば、静電方式のアクチュエータとしては、櫛歯電極を用いる方式のものが知られており、電極に印加される電圧をオン・オフ制御することによりアームを開閉させている。さらに、特許文献１に記載の装置では、往復運動する搬送子を用いてアームを所定量ずつ開閉させるようにしている。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−５２０７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述したナノグリッパでは、ミクロンオーダーの試料を把持する場合には、ナノグリッパのアームが試料を把持したか否かは顕微鏡で観察して目視により判断するしかなかった。そのため、確実に把持したか否かの判断が難しく、不確実なまま搬送動作に移行してしまうおそれがあった。
【０００６】
また、把持確認が難しいために、試料を把持したにもかかわらず閉動作が継続されてしまう場合もあり、その場合には試料に過大な応力が加わることになる。特に、生物試料のような場合には、閉動作が継続されるとアームの把持力によって試料が過大に変形してしまうおそれがあった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明によるナノグリッパ装置は、開閉自在な一対のアームと、一対のアームを開閉駆動する駆動機構と、一対のアームにより試料を把持したことを検出する把持検出部とを備えたことを特徴とする。
請求項２の発明によるナノグリッパ装置は、開閉自在な一対のアームと、一対のアームを開閉駆動する静電アクチュエータと、静電アクチュエータの静電容量を検出する静電容量検出部と、アームの閉時に、静電容量検出部により検出される静電容量の変化の変曲点を求めて一対のアームにより試料を把持したことを検出する把持検出部とを備えたことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項２に記載のナノグリッパ装置において、一対のアームの間隔と静電アクチュエータの静電容量との第１の相関、および静電アクチュエータの印加電圧と静電容量との第２の相関が予め記憶される記憶部と、静電アクチュエータに印加されている電圧および静電容量検出部で検出される静電容量と第１および第２の相関とに基づいて、試料を把持している一対のアームの把持力を演算する演算部とを備えたものである。
請求項４の発明は、請求項２または３に記載のナノグリッパ装置において、一対のアーム、静電アクチュエータおよび静電容量検出部を半導体シリコンプロセス技術により半導体基板に形成したものである。
請求項５の発明は、請求項４に記載のナノグリッパ装置において、一対のアームと静電アクチュエータとは絶縁層を介して連結されている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、試料が把持されたか否かを確実にかつ容易に確認することができ、試料を適切な状態で把持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明によるナノグリッパ装置２の概略構成を示す斜視図である。図１に示すナノグリッパ装置２は、半導体プロセス技術を応用したマイクロマシニング技術を利用して半導体基板上に形成されるものであり、ナノグリッパ装置２にはアーム３を保護するガード４が連結部５を介して設けられている。
グリッパ本体２とグリッパ本体２に設けられたアーム３を保護するガード４とを備えている。
【００１０】
ナノグリッパ装置２を使用する際には、連結部５の部分を折って、ガード４をナノグリッパ装置２から外して用いる。アーム３は、駆動部６によって矢印Ｒで示すように図示左右方向に開閉する。ミクロンオーダーの試料は、アーム３の先端に形成されたグリップ部３ａによって把持される。９は回路部であり、後述するように検出回路や演算回路が形成されている。ナノグリッパ装置２は、後述するようにシリコン基板上に半導体プロセス技術を用いて形成される。
【００１１】
図２はグリップ部３ａの詳細を示す拡大図であり、アーム３の先端部分の厚さを階段状に薄くすることによってグリップ部３ａが形成される。ミクロンオーダーの試料を把持するグリップ部３ａの幅Ｗおよび厚さｔは、Ｗ＝１〜３０μｍ、ｔ＝１〜２５μｍのように試料と同程度の寸法に設定される。アーム３による把持作業は顕微鏡視野内で行われるので、試料観察や試料へのアプローチがしやすいように、グリップ部３ａの長さＬは１００μｍ程度と試料よりもやや長く設定される。アーム３には、上面側を階段状に削除してグリップ部３ａが形成される。通常、平坦なステージ上に載置された試料をアーム３により把持するので、アーム３の下面側は平面状とされる。
【００１２】
図３はナノグリッパ装置２の詳細を示す平面図である。ナノグリッパ装置２はＸＹＺステージ等の移動機構に装着して用いられる。そして、ナノグリッパ装置２を移動機構に装着した後にガード４を連絡部５の部分から折り、図３に示すようにガード４をナノグリッパ装置２から取り外してから用いる。
【００１３】
図３に示すように、台座７上に形成された駆動部６は静電アクチュエータを構成しており、左側のアーム３を駆動するための固定電極６０ａおよび可動電極６１ａと、右側のアーム３を駆動するための固定電極６０ｂおよび可動電極６１ｂとを有している。図示上下方向に延在する固定電極６０ａ，６０ｂと可動電極６１ａ，６１ｂとの各対向面は櫛歯形状となっている。可動電極６１ａ，６１ｂは、それぞれ支持部６２によって台座７に弾性的に固定されている。
【００１４】
固定電極６０ａの電極端子８０と可動電極６１ａの電極端子８１との間に電圧を印加すると、クーロン力によって可動電極６１ａが図示右方向に移動する。一方、固定電極６０ｂの電極端子８２と可動電極６１ｂの電極端子８３との間に電圧を印加すると、可動電極６１ｂが図示左方向に移動する。
【００１５】
アーム３は支持部６３を介して台座７に弾性的に固定されている。アーム３には支持部６３を介して電極端子８４が接続されており、電極端子８４を利用してアーム３に電気的な操作を加えたり、電気的な測定を行うことができる。左側のアーム３は、アーム３の下部に設けられた連結部材８によって左側の可動電極６１ａに連結されている。同様に、右側のアーム３は、連結部材８によって右側の可動電極６１ｂに連結されている。
【００１６】
図４はアーム３と可動電極６１ａとの連結部分を示す拡大図であり、アーム３は連結部材８を介して可動電極６１ａに連結されている。なお、アーム３と連結部材８との間、および可動電極６１ａと連結部材８との間にはそれぞれ絶縁層１０２が形成されている。可動電極６１ａがクーロン力により図示右側に移動すると、その動きに同期してアーム３も右側に移動する。
【００１７】
一方、図３に示した右側のアーム３、固定電極６０ｂ、可動電極６１ｂに関しても左右反転している以外は全く同様の構造となっている。そのため、電極端子８２，８３に電圧を印加して電極６０ｂ、６１ｂ間に電位差を与えると、右側のアーム３が図示左方向に移動する。その結果、左右のアーム３が閉じて、グリップ部３ａにより試料が把持される。
【００１８】
図３において、台座７のアーム３が配設されている領域には溝状の貫通孔７ａが形成されており、駆動部６が配設されている領域には矩形状の貫通孔７ｂが形成されている。アーム３および駆動部６はこれら貫通孔７ａ，７ｂ上に架け渡されるように支持されている。図５はナノグリッパ装置２の断面形状を説明する図であり、図３のＡ−Ａ’断面，Ｂ−Ｂ’断面，Ｃ−Ｃ’断面およびＤ−Ｄ’断面を示したものである。
【００１９】
Ａ−Ａ’断面に示すように、台座７のアーム３の下方には貫通孔７ａが形成されている。駆動部６は絶縁層１０２を介して台座７上に形成されている。同様に、連結部材８により連結されたアーム３および駆動部６（可動電極６１ａ，６１ｂ）も絶縁層１０２を介して台座７上に形成されている。Ｄ−Ｄ’断面は図３の電極端子８０〜８４の部分を断面したものであり、電極端子８０〜８４も絶縁層１０２を介して台座７上に形成されている。
【００２０】
このように、ナノグリッパ装置２は絶縁層を挟んだ上下２つのシリコン層からなる３層構造の基板、例えばＳＯＩ(silicon on insulator)基板に形成される。そして、アーム３，駆動部６および電極端子８０〜８４は同一シリコン層を用いて形成される。なお、ナノグリッパ装置２の製造方法については後述する。
【００２１】
《動作説明》
図６は駆動部６を制御する回路部９を示すブロック図であり、駆動部６については図３の左側のアーム３を駆動するための固定電極６０ａおよび可動電極６１ａの一部を示した。電極６０ａ，６１ａは静電アクチュエータを構成しており、図３に示した電極端子８０，８１に電圧を印加して可動電極６１ａを駆動する。上述したように、可動電極６１ａは支持部６２により台座７に弾性的に固定されている。
【００２２】
回路部９には電極６０ａ，６１ａに関する検出回路９１Ａ、電極６０ｂ，６１ｂに関する検出回路９１Ｂ、演算回路９２および記憶回路９３が設けられている。電極６０ａ，６１ａには検出回路９１Ａを介して外部のＤＣ電源１０Ａが接続されており、電極６０ｂ，６１ｂには検出回路９１Ｂを介してＤＣ電源１０Ｂが接続されている。
【００２３】
後述するように、検出回路９１Ａは電極６０ａ，６１ａ間の静電容量を検出し、検出回路９１Ｂは電極６０ｂ，６１ｂ間の静電容量を検出する。演算回路９２は、各検出回路９１Ａ，９１Ｂで検出された静電容量に基づいてアーム３の間隔やアーム３の把持力を算出し、その算出結果はデータとして出力される。演算回路９２の演算に必要なデータは記憶回路９３に記憶されている。また、演算回路９２からはＤＣ電源１０Ａ，１０Ｂの出力電圧を制御する制御信号が各々出力され、左右のアーム３は独立して制御される。
【００２４】
本実施の形態では、固定電極６０ａと可動電極６１ａとの対向部は櫛歯形状になっている。そのため、電極同士の間隔を狭くできるとともに、かつその間隔を維持しつつ移動距離を確保することができる。その結果、駆動電圧を下げることが可能となる。また、上下方向の力については上下対称に働くので相殺され、可動電極６１ａには左右方向の力のみが作用する。一方、単なる平行平板の場合には、間隔が狭い範囲でしか十分なクーロン力を得ることができず、移動距離を大きくして間隔が広くなるとクーロン力が弱くなり、高い電圧が必要とされる。固定電極６０ａに形成された櫛歯６００と可動電極６１ａに形成された櫛歯６１０とは、互い違いに相手方に入り込んでいる。電極６０ａ，６１ａ同士のギャップを１〜数μｍオーダーとすることで十分な駆動力を得ることができる。
【００２５】
ここで、櫛歯６００，６１０の具体的な設定の一例を記す。アーム３の開閉幅を１０μｍとした場合、櫛歯６００，６１０の幅が各々３μｍ、櫛歯６００，６１０間の図示上下方向のギャップ寸法が３μｍ、櫛歯６００，６１０の長さが１５μｍで、電極６０ａ，６１ａ間の距離は１８μｍから２８μｍの間で変化する。アーム３の開閉幅は、原理的には数十μｍ程度まで可能である。
【００２６】
例えば、固定電極６０ａに直流電源６２１のプラス側を接続し、可動電極６１ａにマイナス側を接続すると、固定電極６０ａはプラスに帯電し可動電極６１ａはマイナスに帯電する。そして、マイナス電荷とプラス電荷とのクーロン力により電極６０ａ，６１ａ間に吸引力が働き、支持部６２の弾性力に抗して可動電極６１ａが図示右方向に移動する。その結果、左側のアーム３が図示右方向に駆動される。右側のアーム３に関する動作も左右反転している点を除いて全く同様であり、電極６０ｂ，６１ｂに電圧が印加されると右側のアーム３が図示左方向に駆動される。その結果、一対のアーム３が閉じられることになる。
【００２７】
図７は、電極６０ａ，６１ａに印加される電圧Ｖとアーム３の間隔Ｄとの関係を定性的に示す図であり、電圧Ｖ＝０の初期状態におけるアーム３の間隔をＤ０とする。電極６０ａ，６１ａの櫛歯部分の各寸法を図２７のように設定すると、静電容量Ｃｃｏｍｂ(x)は可動電極６１ａの移動距離ｘの関数として次式（１）で与えられる。なお、式（１）において、ε０は真空の誘電率、ｗは各櫛歯の幅、ｌ０は櫛歯先端と対向する電極の壁面との初期間隔、ｌは櫛歯の長さ、ｇは櫛歯間のギャップ、ｂは櫛歯の厚み、Ｖは印加電圧、Ｎは櫛歯の本数である。
【数１】
2006026826.tif 000003
【００２８】
このとき、電極６０ａ，６１ａ間に蓄えられるエネルギーはＣｃｏｍｂ(x)Ｖ２／２（ジュール）なので、電極６０ａ，６１ａ間に発生するクーロン力Ｆｃｏｍｂ(x)は次式（２）により与えられる。
【数２】
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【００２９】
可動電極６１ａおよびアーム３はそれぞれ支持部６２および６３により弾性的に支持されているので、電圧Ｖを印加すると、式（２）のクーロン力Ｆｃｏｍｂ(x)と支持部６２，６３の変形による弾性力とが釣り合う位置まで可動電極６１ａは移動する。すなわち、図７の曲線Ｌ１のように、印加電圧Ｖの大きさに応じてアーム３の間隔Ｄが変化する。
【００３０】
アーム３により試料を把持する際には、顕微鏡視野下において図８（ａ）に示すようにアーム３の間に試料Ｓが位置するようにグリッパ本体２（不図示）を移動機構により移動する。その後、印加電圧ＶをＶ１，Ｖ２の順に大きくすると、図８の（ｂ），（ｃ）に示すようにアーム３の間隔は図７に示すＤ１，Ｄ２のように減少する。そして、印加電圧Ｖ３、アーム間隔Ｄ３となったときに、試料Ｓに各アーム３が接触して把持状態となる。
【００３１】
《試料把持の検出》
ところで、電極６０ａ，６１ａの静電容量Ｃｃｏｍｂ(x)は上述した式（１）で表される。静電容量Ｃｃｏｍｂ(x)の移動距離ｘをアーム３の間隔Ｄで置き換えると、静電容量Ｃは概略では図９の曲線Ｌ２のように変化する。間隔がＤ１，Ｄ２，Ｄ３と順に小さくなると、静電容量ＣはＣ１，Ｃ２，Ｃ３と大きくなる。印加電圧Ｖを増加してアーム３を閉じると静電容量Ｃが増加するので、印加電圧Ｖと静電容量Ｃとの関係は図１０に示す曲線Ｌ３のようになる。すなわち、電圧Ｖを印加すると、その値Ｖの大きさに応じてアーム３の間隔Ｄと電極６０ａ，６１ａの静電容量Ｃが定まる。
【００３２】
印加電圧をＶ３にすると、図８（ｄ）のようにアーム３が試料Ｓに接触する。ところで、試料Ｓが剛体であると仮定すれば、アーム３が試料Ｓを把持した後にさらに印加電圧Ｖを大きくしても、アーム３は閉じる方向に移動できず間隔Ｄは変化しない。そのため、静電容量Ｃは図１１の破線Ｌ４のように値Ｃ３で一定となる。一方、生物試料のように変形可能な試料の場合には、印加電圧ＶがＶ３よりも大きくなって把持力が大きくなると、アーム３の接触圧によって試料が変形し曲線Ｌ５のように静電容量がＣ３よりも僅かに増加する。いずれの場合にも、曲線Ｌ３が曲線Ｌ４や曲線Ｌ５のように変化する変曲点Ｐを検出することにより、アーム３が試料Ｓを把持したか否かを検出することができる。
【００３３】
《静電容量Ｃの検出方法》
次に、検出部６２３における静電容量Ｃの検出方法について説明する。ここでは、時定数から求める方法と、発振周波数から求める方法について説明する。最初に、図１２を参照して時定数から求める方法について説明する。図１２（ａ）は検出回路を示す図であり、Ｃは電極６０ａ，６１ａによるキャパシタである。このキャパシタＣと直列に抵抗Ｒ１を接続し、電源２０により図１２（ｂ）に示すような矩形波形の電圧Ｖinを印加する。そして、キャパシタＣの両端の電圧変化を電圧計２１によって計測する。
【００３４】
図１２（ａ）の回路はＲＣ回路を構成しているので、電圧計２１で観測される電圧値Ｖoutは次式（３）で表される。すなわち、電圧計２１には図１２（ｃ）に示すような電圧波形が計測される。そして、計測された電圧波形から式（３）のＣの値が推定される。抵抗値Ｒは予め分かっているので、算出値ＣＲから静電容量Ｃが求まる。
Ｖout＝Vin｛１−exp（ｔ／ＣＲ）｝      …（３）
【００３５】
図１３は発振周波数から求める方法を説明する図であり、発振回路を示す図である。回路には、コイル２２と位相反転増幅器２３が並列接続されており、静電アクチュエータの静電容量が発振回路のパラメータの一部になるように構成する。コイル２２の代わりに水晶振動子を用いてもよい。例えば、符号Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３で示す位置のいずれかに電極６０ａ，６１ａによるキャパシタＣが接続される。Ｃ２の場合には位相反転増幅器２３の入力とグランド間にキャパシタＣが接続され、Ｃ３の場合には位相反転増幅器２３の出力とグランド間にキャパシタＣが接続される。
【００３６】
発振回路から出力される交流信号の周波数、すなわち発振周波数の周波数Ｆoscは、次式（４）で算出される。そして、検出された周波数と式（４）とを用いることに静電容量Ｃが算出される。電圧Ｖを変えてアーム開閉を行う際に、周波数Ｆoscを所定時間間隔で逐次検出してそれぞれの静電容量Ｃを算出することにより、図１１に示すような曲線Ｌ３が得られる。点Ｐの位置で試料Ｓを把持すると、その後に算出される静電容量Ｃは曲線Ｌ４や曲線Ｌ５のように変化する。すなわち、周波数Ｆoscから静電容量Ｃを逐次求めることにより、変曲点Ｐを検出することができる。
Ｆosc（Hz）＝１／２π（ＬＣ）１／２      …（４）
【００３７】
《発振回路を用いた場合》
図２３は、検出回路９１Ａ，９１Ｂとして図１３の発振回路を用いた場合の回路部９を示す図である。ＤＣ電源１０は交流的にはインピーダンスが０Ωに近い値になるため、アクチュエータである固定電極６０ａ，６０ｂと可動電極６１ａ，６１ｂとが短絡され発振回路が動作できなくなる。そこで、ＤＣ電源１０Ａ，１０Ｂと直列に抵抗Ｒ１を設ける。このようにすると、アクチュエータのインピーダンスは抵抗Ｒ１の値で決まり、Ｒ１を１（ＭΩ）以上の値に選ぶことで、発振回路を動作させることができる。
【００３８】
また、アーム３に外力が作用して固定電極６０ａ，６０ｂと可動電極６１ａ，６１ｂとが接触した場合には、ＤＣ電源１０Ａ，１０Ｂが短絡されて電極が溶断したり溶接されたりするのが、抵抗Ｒ１を設け電流を制限することによってそれらを防止することができる。さらに、発振回路とＤＣ電源１０Ａ，１０Ｂとの間には直流遮断用のコンデンサＣｐが設けられている。コンデンサＣｐによりＤＣ電源１０Ａ，１０Ｂから発振回路に直流電流が流れ込んだり、逆に発振回路からＤＣ電源１０Ａ，１０Ｂに直流電流が流れ込んだりするのを防止することができる。そのため、コンデンサＣｐの静電容量は、駆動部６の静電容量よりも十分大きな値に設定される。
【００３９】
上述したように、固定電極６０ａ，６０ｂと可動電極６１ａ，６１ｂとの間の静電容量は発振回路の回路定数の一部をそれぞれ構成している。そのため、各検出回路９１Ａ，９１Ｂから出力される交流信号（発振周波数出力）の周波数Ｆ１，Ｆ２は、固定電極６０ａ，６０ｂと可動電極６１ａ，６１ｂとの間の静電容量の変化に応じて変化する。この交流信号はそれぞれ演算回路９２の計数回路９２０に入力される。
【００４０】
駆動部６の固定電極６０ａ，６０ｂおよび可動電極６１ａ，６１ｂに電圧を印加してアーム３を閉じる動作をさせる場合には、図２４（ａ）に示すようにステップ状に電圧を増加させる。タイミングコントロール回路９２１は時間Δｔ毎にトリガ信号をＤＣ電源１０Ａ，１０Ｂに出力し、ＤＣ電源１０Ａ，１０Ｂはトリガ信号を受信する毎に電圧をΔＶだけ上昇させる。Ｖ３は、試料を把持したときの電圧である。
【００４１】
図２４（ａ）のようにステップ状に印加電圧が上昇すると、固定電極６０ａ，６０ｂと可動電極６１ａ，６１ｂとの間隔もステップ状に減少し、各静電容量もステップ状に増加する。その結果、検出回路９１Ａ，９１Ｂから出力される信号の周波数Ｆ１，Ｆ２は、図２４（ｂ）に示すように時間間隔Δｔでステップ状に変化する。タイミングコントロール回路９２１は、計数回路９２０による計数のタイミングを図２４（ｂ）の時間間隔Δｔと同期させるようにトリガ信号を計数回路９２０に出力する。
【００４２】
計数回路９２０で計数された計数値Fa（図２４（ｃ）参照）はいったん記憶回路９３に記憶され、次のトリガで計数される計数値Fbと比較判定回路９２２で比較される。比較判定回路９２２では、計数値Fbと計数値Faの差分（Fb−Fa）を求め、その差分（Fb−Fa）が所定の閾値より小さいか否かを判定する。そして、閾値よりも小さいと判定されると、試料が把持されたことを示すデータを出力する。ここで、アーム３の移動が停止すると静電容量は一定となるので、原理的には差分（Fb−Fa）はゼロとなるので、ドリフト等を考慮しても値閾値はゼロに近い値となる。
【００４３】
従来、ナノグリッパのように微小試料を把持するものでは、目視でしか把持状態を確認することができなかった。しかしながら、本実施の形態では、静電アクチュエータを構成する駆動部６の静電容量Ｃを検出することによって、試料Ｓを把持したか否かを確認することができる。さらに、把持を確認した後に、後述するように印加電圧を所定の値に設定することにより過剰な把持力が試料に加わるのを防止することができる。
【００４４】
《把持力Ｇについて》
次に、把持力の算出方法について説明する。ここでは、クーロン力Ｆｃｏｍｂ(x)の式（２）を用いることにより、アーム３による把持力Ｇを求める。式（２）はクーロン力を移動距離ｘで表したものであるが、電圧を印加しない場合のアーム３の間隔は図８に示すようにＤ０であってＤ＝Ｄ０−２ｘの関係があるので、クーロン力Ｆを間隔Ｄを用いて表すと次式（５）のようになる。
【数３】
2006026826.tif 000005
【００４５】
クーロン力Ｆは印加電圧Ｖと間隔Ｄとの関数Ｆ(V,D)となっている。印加電圧Ｖと間隔Ｄとの関係はクーロン力Ｆと支持部６２，６３の弾性力とに依存しており、定性的には図７に示すような関係がある。印加電圧をＶ３としたときの間隔をＤ３とすると、そのときのクーロン力Ｆ(V3,D3)は支持部６２，６３の弾性力と釣り合っていることになる。すなわち、間隔Ｄ３のときの弾性力はＦ(V3,D3)に等しく、同様に、間隔Ｄ１，Ｄ２のときの弾性力はＦ(V1,D1)、Ｆ(V2,V2)に等しい。把持力Ｇは次式（６）で表され、図８（ｄ）の状態で印加電圧がＶ３である場合にはＧ＝０である。
（把持力Ｇ）＝（クーロン力Ｆ）−（弾性力）      …（６）
【００４６】
（試料Ｓが変形しない場合）
変形しない試料Ｓの場合、印加電圧を図７のＶ４に増加すると図１１の点Ｐ４の状態となる。すなわち、間隔はＤ３が維持されるので静電容量もＣ３から変化しない。このときのクーロン力はＦ(V4,D3)で、弾性力はＦ(V3,D3)である。式（５）からＦ(V4,D3)＞Ｆ(V3,D3)であり、そのときの把持力をＧ(V4,D3)とすると、式（６）から「Ｇ(V4,D3)＝Ｆ(V4,D3)−Ｆ(V3,D3)」となる。
【００４７】
よって、印加電圧ＶがＶ＞Ｖ３のときの把持力Ｇ(V,D3)は、変曲点Ｐ（間隔Ｄ３）における弾性力Ｆ(V3,D3)を用いて次式（７）のように表される。なお、Ｆ(V3,D3)における間隔Ｄ３は、図１１の変曲点Ｐが検出されたときの静電容量Ｃ３と図９の相関とから求めることができ、Ｖ３は静電容量Ｃ３と図１０の相関とから求めることができる。これらの相関は予め記憶部６２５に記憶されている。
Ｇ(V,D3)＝Ｆ(V,D3)−Ｆ(V3,D3)      …（７）
【００４８】
（試料Ｓが変形する場合）
図１１の曲線Ｌ５で示すように、アーム３で把持した際に試料Ｓが変形した場合、印加電圧Ｖ４では点Ｐ５の状態となる。このときに検出される静電容量Ｃ５と図９の相関とから、点Ｐ５における間隔Ｄ５を求めることができる。図１１ではＣ３＜Ｃ５＜Ｃ４となっているので、Ｄ３＜Ｄ５＜Ｄ４である。間隔がＤ５のときの支持部６２，６３の弾性力はＦ(V5,D5)であり、間隔Ｄ５および印加電圧Ｖ４のときのクーロン力はＦ(V4,D5)である。Ｖ５＜Ｖ４であるから、式（５）からＦ(V5,D5)＜Ｆ(V4,D5)であることが分かる。このときの把持力はクーロン力と弾性力との差＝Ｆ(V4,D5)−Ｆ(V5,D5)で表される。
【００４９】
よって、変形する試料Ｓにおける把持力Ｇ(V,D5)は、点Ｐ５（間隔Ｄ５）における弾性力Ｆ(V5,D5)を用いて次式（８）のように表される。なお、Ｖ５は静電容量Ｃ５と図１０の相関とから求めることができる。
Ｇ(V,D5)＝Ｆ(V,D5)−Ｆ(V5,D5)      …（８）
【００５０】
実際に把持力を求める場合には、試料Ｓの変形の有無にかかわらず次のような手順で求める。最初に静電容量を検出し、その静電容量と図９，１０の相関から間隔Ｄおよび電圧Ｖを求め、求まったＤ，Ｖと式（５）とから弾性力を算出する。また、実際の印加電圧Ｖおよび静電容量から得られる間隔を用いて、実際に作用しているクーロン力を算出する。最後に、クーロン力と弾性力との差を取って把持力を求める。
【００５１】
変形が無い場合には静電容量はＣ３なので弾性力はＦ(V3,D3)で、実際に作用しているクーロン力はＦ(V,D3)となり、把持力は式（７）のようになる。一方、変形がある場合には静電容量はＣ５なので弾性力はＦ(V5,D5)で、実際に作用しているクーロン力はＦ(V,D5)となり、把持力は式（８）のようになる。
【００５２】
このように、本実施の形態のナノグリッパでは把持力を知ることができるため、試料Ｓに応じた把持力で作業することができる。このことは、特に生物試料に対しては効果的であり、把持力が過剰となって生物試料を損傷してしまうようなことを防止することができる。
【００５３】
図２３に示した回路を図２５のように変更することにより、把持力を算出するようにする。カウンタ９２５は、ＤＣ電源１０Ａ，１０Ｂに出力されたトリガの回数をカウントし、そのカウント数はレジスタ９２４に格納される。例えば、図２６（ａ）に示すように、印加電圧＝０の状態からトリガを９回出力した時点で試料Ｓがアーム３によって把持される。トリガが出力されるたびに印加電圧はΔＶだけ増加される。
【００５４】
電圧と駆動部６の変位とにリニアな関係が成り立つ領域では、各ΔＶによる移動量をΔｄとしたとき、把持するまでのアーム３の移動量は９Δｄで算出される（図２６（ｂ）参照）。リニアでない場合には、それぞれの和Δｄ１＋Δｄ２＋…＋Δｄが移動量となる。把持後もさらにトリガ信号を発して印加電圧を増加させると、増加後のカウント数をｍとすれば、（ｍ−９）ΔＶが把持以後の電圧増分である。この電圧増分から、上述したように把持力を算出することができる。逆に、外部から予め把持力を設定しておき、その設定された把持力となったところで、トリガ出力を停止して把持後の印加電圧の増加を停止するようにしても良い。
【００５５】
《ナノグリッパ装置２の製造工程の説明》
次に、ＳＯＩ(silicon on insulator)基板を用いてナノグリッパ装置２を形成する場合の、製造方法について説明する。なお、以下ではアーム３や駆動部６の部分の形成方法について説明し、回路部９については説明および図示を省略する。回路部９はアーム３や駆動６を構成するものと同一のシリコン層に半導体プロセス技術によって造り込んでも良いし、別に作成した回路素子を台座７上に配置するようにしても良い。ナノグリッパ装置２の形成に用いる基板１００としては、図１４（ａ）に示すように＜１１０＞方位の単結晶シリコンから成るベース層１０１、酸化シリコンから成る絶縁層１０２、＜１１０＞方位の単結晶シリコンから成るシリコン層１０３が順に積層されたシリコン基板が用いられる。
【００５６】
シリコン基板１００には、ＳＯＩ基板だけでなく、ガラス基板上に単結晶シリコン層を有する基板や、アモルファスシリコン基板やポリシリコン基板上にＳＯＩ層を有する基板なども用いることができる。すなわち、最上層が＜１１０＞方位を有するシリコン層１０３であって、このシリコン層１０３の下層に絶縁層１０２が形成されているような層構造を有するシリコン基板であれば、ベース層１０１を多層構造としてもかまわない。
【００５７】
シリコン基板１００の各層の厚さの一例を述べると、シリコン層１０３は２５μｍ、絶縁層１０２は１μｍ、ベース層１０１は３００μｍである。また、シリコン基板１００上における１つのグリッパを形成する領域は縦、横ともに数mmの矩形状をしている。図１４（ａ）に示す工程では、スパッタリング法や真空蒸着法などにより、厚さ約５０nmのアルミ層１０４をシリコン層１０３の表面に形成する。
【００５８】
次に、図１４（ｂ）のようにアルミ層１０４の表面にレジスト１０５を約２μｍの厚さで形成し、フォトリソグラフィによりレジスト１０５を露光・現像することにより、図１４（ｃ）に示すレジストパターン１０５ａを形成する。図１７はシリコン基板１００の斜視図であり、アルミ層１０４の上面に、アーム３，ガード４，駆動部６等に対応するレジストパターン１０５ａが形成されている。なお、図１４（ｃ）は図７のＦ−Ｆ’断面を示したものである。
【００５９】
そして、図１４（ｄ）に示すように、このレジストパターン１０５ａをマスクとして混酸液によりアルミ層１０４をエッチングし、シリコン層１０３を露出させる。その後、ＩＣＰ−ＲＩＥ（Inductively Coupled Plasma - Reactive Ion Etching）によりシリコン層１０３を垂直方向に異方性エッチングする。このエッチングは絶縁層１０２が露出するまで行われ、エッチング終了後、硫酸・過酸化水素混合液によりレジストパターン１０５ａおよびアルミ層１０４を除去する（図１５（ａ）参照）。
【００６０】
図１８は、レジストパターン１０５ａおよびアルミ層１０４を除去した後の基板１００を示す斜視図である。絶縁層１０２上には、同一シリコン層１０３により立体構造体が形成される。その立体構造体は、アーム３を構成する部分１０３ａと、駆動部６を構成する部分１０３ｂと、電極端子８０〜８４を構成する部分１０３ｃと、ガード４を構成する部分１０３ｄとから成る。
【００６１】
次いで、露出した絶縁層１０２およびシリコン層１０３（１０３ａ〜１０３ｄ）を覆うようにレジスト１０６を塗布する（図１５（ｂ）参照）。レジスト１０６の塗布厚さは１０μｍ程度とする。その後、フォトリソグラフィによりレジスト１０６にマスクパターンを転写して現像することにより、図１９に示すようにアーム構成部１０３ａの先端部分におけるレジスト１０６が矩形状に除去されたレジストパターン１０６ａを形成する。そして、レジストパターン１０６ａをマスクとしてＩＣＰ−ＲＩＥや通常のＲＩＥなどを行い、アーム構成部１０３ａの先端部分をグリッパの把持対象に合わせた形状および大きさに加工する。
【００６２】
次に、図１５（ｃ）に示すように基板１００を表裏反転させて、スパッタリング法や真空蒸着法によりベース層１０１の表面にアルミ層１０７を形成する。アルミ層１０７の厚さは、約５０nmとする。そして、アルミ層１０７の上にレジスト１０８を約２μｍの厚さに形成した後にフォトリソグラフィによりレジストパターンを形成し、そのレジスト１０８をマスクに用いてアルミ層１０７を混酸液によりエッチングする（図１６（ａ）参照）。
【００６３】
図２０は、レジスト１０８およびアルミ層１０７の形状を示す斜視図である。図１６（ａ）は図２０のＧ−Ｇ’断面を示したものであり、絶縁層１０２の図示下側（表面側）にはシリコン層１０３によるアーム部１０３ａの断面が図示されている。図２０から判るように、レジスト１０８は、図１に示したガード４に対応する部分Ｒ１、連結部５に対応する部分Ｒ２、台座７に対応する部分Ｒ３および図５の連結部材８に対応する部分Ｒ４が残っており、逆に図５に示した貫通孔７ａ，７ｂに対応する部分が除去されてベース層１０１が露出している。
【００６４】
その後、ベース層１０１の上に形成されたレジスト１０８およびアルミ層１０７をマスクとして、ベース層１０１をＩＣＰ−ＲＩＥによりエッチングする。ベース層１０１は異方性エッチングにより垂直方向にエッチングされ、エッチングは絶縁層１０２が露出するまで行われる。エッチング終了後に、硫酸・過酸化水素混液によりレジスト１０８，１０６およびアルミ層１０７を除去する（図１６（ｂ）参照）。
【００６５】
図２１は、図１６（ｂ）に示すベース層１０１の裏面側を示す図である。エッチングにより、ベース層１０１には貫通孔７ａ，７ｂを有する台座７やガード４，連絡部５および連結部材８が形成される。通常は、基板１００上にはガード４が形成されたナノグリッパ装置２が複数形成されるが、このエッチングの工程において、各ナノグリッパ装置２毎に分割されることになる。次いで、台座上に露出している酸化シリコンから成る絶縁層１０２を、緩衝フッ化水素溶液を用いてエッチングする。その結果、シリコン層１０３とベース層１０１とで挟まれた領域を除いて、絶縁層１０２が除去される（図１６（ｃ）参照）。
【００６６】
図２２はベース層１０１の表面側を示す斜視図であり、図１６（ｃ）は図２２のＨ−Ｈ’断面を示したものである。電極部１０３とベース部１０１との間には絶縁層１０２が介在している。その後、図１６（ｄ）に示すように、露出しているベース層１０１の上および各構造体を構成するシリコン層１０３の上に、真空蒸着法等によりアルミ等からなる導体膜１０９を形成する。導体膜１０９の厚さは５００nm以下とする。このようにして、図１に示すナノグリッパ装置２が完成するが、把持対象によってはＦＩＢなどの加工装置によりグリップ部３ａを追加工しても良い。
【００６７】
上述した実施の形態では静電アクチュエータである駆動機構６の静電容量Ｃを検出して、試料Ｓをグリップしたことを検出したり、試料Ｓの寸法を計測したが、アーム３に形成された導電膜１０９に直流電源６２１の電圧を印加して、アーム３の静電容量の変化により上述した把持検出や把持力の測定を行うようにしても良い。この場合、駆動部６は静電アクチュエータでなくても良く、例えば、圧電素子や熱膨張を利用した駆動機構であっても良い。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【００６８】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、駆動部６は駆動機構および静電アクチュエータを、検出回路９１および演算回路９２は静電容量検出部を、演算回路９２は把持検出部をそれぞれ構成する。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明によるナノグリッパ装置２の概略構成を示す斜視図である。
【図２】グリップ部３ａの詳細を示す拡大図である。
【図３】グリッパ本体２の詳細を示す平面図である。
【図４】アーム３と可動電極６１ａとの連結部分を示す図である。
【図５】図３のＡ−Ａ’断面，Ｂ−Ｂ’断面，Ｃ−Ｃ’断面およびＤ−Ｄ’断面をそれぞれ示す図である。
【図６】ナノグリッパ装置２の動作を説明する図である。
【図７】印加電圧Ｖとアーム３の間隔Ｄとの関係を定性的に示す図である。
【図８】把持動作時における試料Ｓとアーム３との位置関係を示す図であり、（ａ）〜（ｄ）の順に推移する。
【図９】アーム３の間隔Ｄと静電容量Ｃとの関係を示す図である。
【図１０】印加電圧Ｖと静電容量Ｃとの関係を示す図である。
【図１１】変曲点Ｐを示す図である。
【図１２】時定数から静電容量Ｃを求める方法を説明する図であり、（ａ）は検出回路、（ｂ）は入力電圧波形Ｖin、（ｃ）は観測電圧波形Ｖoutをそれぞれ示す。
【図１３】発振回路を示す図である。
【図１４】ナノグリッパ装置２の製造手順を説明する図であり、（ａ）〜（ｄ）の順に工程が進む。
【図１５】図１４の工程に続く工程を示す図であり、（ａ）〜（ｃ）の順に工程が進む。
【図１６】図１５の工程に続く工程を示す図であり、（ａ）〜（ｄ）の順に工程が進む。
【図１７】図１４（ｃ）のシリコン基板１００の斜視図である。
【図１８】レジストパターン１０５ａおよびアルミ層１０４を除去した後の基板１００を示す斜視図である。
【図１９】レジストパターン１０６ａを示す斜視図である。
【図２０】図１６（ａ）のレジスト１０８およびアルミ層１０７の形状を示す斜視図である。
【図２１】図１６（ｂ）に示すベース層１０１の裏面側を示す図である。
【図２２】図１６（ｃ）のベース層１０１の表面側を示す斜視図である。
【図２３】検出回路９１Ａ，９１Ｂに発振回路を用いた場合の回路部９を示す図である。
【図２４】アーム３を閉じる動作のときの、（ａ）印加電圧の変化、（ｂ）発振周波数の変化、（ｃ）計数値の変化をそれぞれ示す図である。
【図２５】把持力検出時の演算回路９２の構成を示す図である。
【図２６】（ａ）は把持時のアーム３の動作を示す図であり、（ｂ）はそのときの移動量の変化を示す図である。
【図２７】電極６０ａ，６１ａの櫛歯部分の寸法を示す図である。
【符号の説明】
【００７０】
２  ナノグリッパ装置
３  アーム
３ａ  グリップ部
４  ガード
５  連結部
６  駆動部
７  台座
８  連結部材
９  回路部
１０Ａ，１０Ｂ  ＤＣ電源
６０ａ，６０ｂ  固定電極
６１ａ，６１ｂ  可動電極
６２，６３  支持部
８０〜８４  電極端子
９１Ａ，９１Ｂ  検出回路
９２  演算回路
９３  記憶回路
６００，６１０  櫛歯
Ｐ  変曲点
Ｓ  試料
【図１】
2006026826.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2006026826.tif 000022
【図１８】
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【図１９】
2006026826.tif 000024
【図２０】
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【図２１】
2006026826.tif 000026
【図２２】
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【図２３】
2006026826.tif 000028
【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
2006026826.tif 000031
【図２７】
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