(57)【要約】【課題】本発明は、マイクロメートルオーダーの微小物体を掴んで操作するために使用されるグリッパを提供する。【解決手段】物体を挟んで支持する把持部１１を備えた一対のアーム１０，１０と、一対のアーム１０，１０の把持部１１を接近離間させる駆動機構２０を備えたグリッパ１であって、一対のアーム１０，１０の把持部１１が、対向する互いに平行な把持面11sをそれぞれ備えており、駆動機構２０が、把持面11s同士を平行に保ったまま、一対のアーム１０，１０の把持部１１を接近離間させるものである。一対のアーム１０，１０の把持部の把持面同士が平行を保った状態で物体を把持することができるから、物体が球形をしたものなどであっても、確実に把持することができ、把持する物体の大きさにかかわらず、常に、把持面11s同士が平行を保った状態で物体を把持することができる。【選択図】図１
2006026811.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体を挟んで支持する把持部を備えた一対のアームと、該一対のアームの把持部を接近離間させる駆動機構を備えたグリッパであって、
前記一対のアームの把持部が、対向する互いに平行な把持面をそれぞれ備えており、
前記駆動機構が、前記把持面同士を平行に保ったまま、前記一対のアームの把持部を接近離間させるものである
ことを特徴とするグリッパ。
【請求項２】
前記駆動機構が、
前記一対のアームのうち、一方のアームを作動させるアーム駆動部を備えており、
該アーム駆動部が、
前記一方のアームに取り付けられた可動部材と、
該可動部材を、前記一方のアームの把持部に設けられている把持面の法線方向に沿って移動可能に保持する保持部材と、
前記可動部材に対して、前記一方のアームの把持部に設けられている把持面の法線方向に沿って、該一方のアームが他方のアームに接近する方向に力を加える動力源とからなり、
前記保持部材が、前記一方のアームの把持面の法線方向に対して直交する軸を有する梁状部材である
ことを特徴とする請求項１記載のグリッパ。
【請求項３】
前記動力源が、
前記可動部材に設けられた可動電極と、該可動電極と前記一方のアームとの間に設けられグリッパのベースに移動が固定された固定電極とからなる電極部を備えており、
前記可動電極が、
前記保持部材と平行な軸を有する可動電極側軸部と、該可動電極側軸部部における前記固定電極側の側面に設けられた複数の可動歯とを備えた櫛状電極であって、
前記固定電極が、
前記可動電極側軸部の軸方向と平行かつ該可動電極側軸部の軸と同一平面上に配設された軸を有する固定電極側軸部と、該固定電極側軸部部における前記可動電極側の側面に設けられた複数の固定歯とを備えた櫛状電極であり、
前記可動電極の複数の可動歯が、前記固定電極の隣接する固定歯同士の間に配設されている
ことを特徴とする請求項２記載のグリッパ。
【請求項４】
前記可動部材が、
前記一方のアームの把持面の法線方向と平行な軸を有する軸状部材であり、
中心軸が、前記一方のアームの軸と同一平面状に位置するように設けられており、
前記動力源が、
一対の前記電極部を備えており、
該一対の電極部が、前記可動部材の軸に対して対称かつ同一平面上に位置するように配設されている
ことを特徴とする請求項２記載のグリッパ。
【請求項５】
前記駆動機構が、
前記一方のアームに取り付けられた前記アーム駆動部と実質同様の構成を有する、他方のアームに取り付けられたアーム駆動部を備えており、
該他方のアームに取り付けられたアーム駆動部の保持部材が、その軸が、前記アーム駆動部の保持部材の軸と平行となるように配設されている
ことを特徴とする請求項２記載のグリッパ。
【請求項６】
前記一対のアーム、前記アーム駆動部の可動部材、保持部材、および電極部が、全て一枚の板状部材から形成されている
ことを特徴とする請求項２記載のグリッパ。
【請求項７】
前記一方のアームと前記アーム駆動部の可動部材が、絶縁材料を介して連結されている
ことを特徴とする請求項２記載のグリッパ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、グリッパに関する。近年、技術の進歩によりマイクロメートルオーダーの微小試料や半導体・ディスプレイの加工工程中に生じる微小ゴミや、細胞などの生物試料などの微小物体を掴んで操作する必要性が高まっており、そのためのグリッパも開発されている。マイクロメートルオーダーの微小物体を把持するためには、グリッパにおいて、微小物体を把持する部材もマイクロメートルオーダーの精度で加工しなければならず、また、微小物体を把持する部材をマイクロメートルオーダーで作動させなければならない。
本発明は、マイクロメートルオーダーの微小物体を掴んで操作するために使用されるグリッパに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロメートルオーダーの微小物体を把持するために使用されるグリッパにおいて、微小物体を把持する部材（以下、アームという）を作動させる機構として、通電したときの材料の自己発熱による膨張を利用してアームを移動させるアクチュエータ（以下、熱膨張アクチュエータという）や、一対の電極間に発生する静電力を利用してアームを移動させるアクチュエータ（以下、静電アクチュエータという）が使用される（例えば、特許文献１、２）。
【０００３】
図１３（Ａ）は熱膨張アクチュエータによって駆動されるグリッパ100の一例を示した図であり、（Ｂ）が静電アクチュエータによって駆動されるグリッパ110の一例を示した図であり、（Ｃ）は従来のグリッパによって微小物体Ｍを把持した状態の説明図である。
図１３（Ａ）に示すように、熱膨張アクチュエータによって駆動されるグリッパ100は、先端に把持部106を備えた一対のアーム105，105を備えている。この一対のアーム105，105には、その外端に連結された高膨張部102とその内端と連結された低膨張部103とを備えており、この高膨張部102と低膨張部103が熱膨張アクチュエータを構成している。
このため、一対の電極104，104間に電圧を印加すると、高膨張部102および低膨張部103がいずれも自己発熱して膨張するが、低膨張部103は、高膨張部102に比べてその長さが短く、また、高膨張部102に比べてアーム105への熱拡散が生じやすいので、高膨張部102よりもその膨張量が小さくなる。すると、一対のアーム105，105には、その先端部が外から内に向って押されるように力が加わり、把持部106同士が互いに接近するように低膨張部103を支点として屈曲するので、一対の把持部106，106の間に微小物体を挟んで保持することができる。
また、図１３（Ｂ）に示すように、静電アクチュエータによって駆動されるグリッパ110の場合には、一対のアーム105，105の基端同士をバネ部111を介して連結しておき、一対のアーム105，105の基端部間の互いに対向する面に櫛歯形電極116，117をそれぞれ設けておく。すると、櫛歯形電極116，117間に電圧を印加すれば、櫛歯形電極116，117間に発生する静電力によって櫛歯形電極116，117を互いに接近させることができ、一対のアーム105，105を、バネ部111を支点としてその把持部106が互いに接近するように揺動させることができるから、一対の把持部106，106の間に微小物体を挟んで保持することができる。
【０００４】
ところで、微小物体は様々な形状・材質のものがあり、その形状によってグリッパによる掴み易さがことなる。柔らかい材質のものや平面部分が多い物体は比較的掴みやすいが、近年注目されている、例えばシリコン球やシリカ微粒子、カーボンナノチューブ等のように比較的球形や円筒形に近似した形状を有する微小物体は非常に掴みづらい。その理由を以下に説明する。
図１３（Ｃ）に示すように、一対の把持部Ｇ，Ｇによって微小物体Ｍを把持したときに、一対の把持部Ｇ，Ｇの各把持面Ｓから微小物体Ｍ加わる力Ｆが同一直線上にない場合、言い換えれば、一対の把持部Ｇ，Ｇの把持面Ｓが互いに平行でない場合には、把持面Ｓ方向の力Ｆ１が発生する。この力Ｆ１が把持部Ｇの把持面Ｓと微小物体Ｍとの間に発生する摩擦力よりも大きくなれば、微小物体Ｍは把持部Ｇの把持面Ｓの上を滑って移動してしまう。そして、微小物体Ｍが球形の場合には、把持面Ｓと微小物体Ｍとの接触面積が非常に小さく摩擦力が小さくなる。すると、把持面Ｓ同士が互いに平行でなければ微小物体Ｍが把持部Ｇの把持面Ｓの上を滑って移動してしまうので、球形等の微小物体は非常に掴みづらいのである。
したがって、球形や円筒形の微小物体を確実に把持するためには、微小物体と把持部が接触した状態において、把持部の把持面同士が平行となるようなグリッパが必要である。
【０００５】
しかるに、前述したグリッパ100，110の場合、アーム105が揺動するため、微小物体Ｍを掴んだ状態において把持部106の把持面Ｓ同士を平行することはほとんど不可能である。把持部の把持面同士を平行にした状態で微小物体と把持部を接触させるには、一対のアームの把持部の把持面同士を平行に保ったままアームを移動させることが最も確実な方法であり、かかる構成を有するグリッパが必要とされている。
【０００６】
【特許文献１】特開平８−５２６７３号
【特許文献２】特許第２７３９０２８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記事情に鑑み、駆動機構を大型化することなく、正確にアームを移動させることができ、マイクロオーダーの微小物体であっても確実に把持することができるグリッパを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１発明のグリッパは、物体を挟んで支持する把持部を備えた一対のアームと、該一対のアームの把持部を接近離間させる駆動機構を備えたグリッパであって、前記一対のアームの把持部が、対向する互いに平行な把持面をそれぞれ備えており、前記駆動機構が、前記把持面同士を平行に保ったまま、前記一対のアームの把持部を接近離間させるものであることを特徴とする。
第２発明のグリッパは、第１発明において、前記駆動機構が、前記一対のアームのうち、一方のアームを作動させるアーム駆動部を備えており、該アーム駆動部が、前記一方のアームに取り付けられた可動部材と、該可動部材を、前記一方のアームの把持部に設けられている把持面の法線方向に沿って移動可能に保持する保持部材と、前記可動部材に対して、前記一方のアームの把持部に設けられている把持面の法線方向に沿って、該一方のアームが他方のアームに接近する方向に力を加える動力源とからなり、前記保持部材が、前記一方のアームの把持面の法線方向に対して直交する軸を有する梁状部材であることを特徴とする。
第３発明のグリッパは、第２発明において、前記動力源が、前記可動部材に設けられた可動電極と、該可動電極と前記一方のアームとの間に設けられグリッパのベースに移動が固定された固定電極とからなる電極部を備えており、前記可動電極が、前記保持部材と平行な軸を有する可動電極側軸部と、該可動電極側軸部部における前記固定電極側の側面に設けられた複数の可動歯とを備えた櫛状電極であって、前記固定電極が、前記可動電極側軸部の軸方向と平行かつ該可動電極側軸部の軸と同一平面上に配設された軸を有する固定電極側軸部と、該固定電極側軸部部における前記可動電極側の側面に設けられた複数の固定歯とを備えた櫛状電極であり、前記可動電極の複数の可動歯が、前記固定電極の隣接する固定歯同士の間に配設されていることを特徴とする。
第４発明のグリッパは、第２発明において、前記可動部材が、前記一方のアームの把持面の法線方向と平行な軸を有する軸状部材であり、中心軸が、前記一方のアームの軸と同一平面状に位置するように設けられており、前記動力源が、一対の前記電極部を備えており、該一対の電極部が、前記可動部材の軸に対して対称となるように配設されている
ことを特徴とする。
第５発明のグリッパは、第２発明において、前記駆動機構が、前記一方のアームに取り付けられた前記アーム駆動部と実質同様の構成を有する、他方のアームに取り付けられたアーム駆動部を備えており、該他方のアームに取り付けられたアーム駆動部の保持部材が、その軸が、前記アーム駆動部の保持部材の軸と平行となるように配設されていることを特徴とする。
第６発明のグリッパは、第２発明において、前記一対のアーム、前記アーム駆動部の可動部材、保持部材、および電極部が、全て一枚の板状部材から形成されていることを特徴とする。
第７発明のグリッパは、第２発明において、前記一方のアームと前記アーム駆動部の可動部材が、絶縁材料を介して連結されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
第１発明によれば、一対のアームの把持部の把持面同士が平行を保った状態で物体を把持することができる。すると、物体を把持したときに、物体と把持面との間に把持面と平行な方向の成分を有する力が発生しないので、物体が球形をしたものなどであっても、確実に把持することができる。また、駆動機構が、把持面同士を平行に保ったまま把持部同士を接近させるので、把持する物体の大きさにかかわらず、常に、把持面同士が平行を保った状態で物体を把持することができる。
第２発明によれば、保持部材が梁状部材であるから、可動部材に対して動力源から力が加われば、保持部材が一方のアーム側に撓むので、可動部材を一方のアームに向って移動させることができる。すると、一方のアームが他方のアームに向って付勢されるので、一方のアームを他方のアームに向って移動させることができ、一方のアームの把持部を他方のアームの把持部に接近させることができる。そして、動力源からの力がなくなれば、保持部材の復元力によって、可動部材が一方のアームと逆向きに移動される。すると、一方のアームは他方のアームから離れる方向に付勢され他方のアームから離間するように移動されるから、一方のアームの把持部を他方のアームの把持部から離間させることができる。そして、保持部材が、一方のアームの把持面の法線方向に対して直交する軸を有しているから、可動部材の移動は、一方のアームの把持面の法線方向に拘束される。よって、一方のアームが他方のアームに対して接近離間しても、常に、把持面同士が平行を保っておくことができる。
第３発明によれば、固定電極と可動電極との間に電圧を印加すれば、両電極間に互いに引きつけ合う静電力が発生するから、この静電力によって、可動部材に、可動電極が固定電極に向って移動する方向、つまり、一方のアームに向う方向の付勢力を加えることができる。しかも、各電極にはそれぞれ複数の歯が設けられており、保持部材の軸方向に沿って、固定電極と可動電極の歯が互い違いに並ぶように配置されている。すると、固定電極と可動電極の隣接する歯同士の距離を短くしても、可動電極の移動距離を大きくすることができる。よって、両電極間に発生する静電力を大きくして可動部材に加わる付勢力を大きくすることができ、しかも、可動部材の移動距離を長くすることができる。また、可動歯が隣接する固定歯間に位置しており、可動歯には可動部材の軸方向の静電力だけが働くから、可動部材をその軸方向にのみ付勢することができる。
第４発明によれば、可動部材に対して、一の電極部から保持部材の軸方向の力が発生しても、他の電極部によってその力を相殺することができるから、可動部材に対してその軸方向、つまり、一方のアームの把持面の法線方向にのみ力を加えることができるから、より確実に把持面同士が平行を保ったまま一方のアームを他方のアームに対して接近させることができる。
第５発明によれば、一対のアームをそれぞれ移動させることができるので、一対のアームの把持部同士が取りうる間隔の範囲を広くすることができる。すると、把持できる微小物体の大きさの範囲を広くすることができるから、グリッパの汎用性を高めることができる。
第６発明によれば、全ての部材を同一平面上に確実に配置することができ、アームや可動部材等を全て同一平面上で確実に移動させることができる。よって、把持部が接近離間するときに、その把持部の厚さ方向のズレが生じることを抑えることができるので、微小物体をより確実に把持部間に把持することができる。
第７発明によれば、電極に印加した電圧が一対のアームに加わることを防ぐことができるから、絶縁した状態で操作しなければならない微小物体であっても操作できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明のグリッパは、マイクロオーダーのシリコン試料や生物試料等の微小物体を把持するために使用されるものであり、挟んで保持することが難しい物体、例えば、外形が円筒状や球状などの曲面を有する微小物体であっても確実に把持できるように構成したことに特徴を有するものである。
【００１１】
つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１は本実施形態のグリッパ１の概略平面図である。図２は図１の各位置における本実施形態のグリッパ１の概略断面図である。図３は本実施形態のグリッパ１の要部概略拡大図である。
【００１２】
図１において、符号１０は、物体を把持する一対のアームを示している。この一対のアーム１０，１０は、実質同様の形状を有する軸状の部材であり、その軸方向が互いに平行となるように、所定の間隔（例えば１０μｍ）だけ離れた状態で配設されている。各アーム１０は、自重や上記のごとき微小物体を保持した状態においても撓みが発生しないか、または、撓みが発生してもその撓み量が微小物体の把持に影響が出ない程度となる強度に形成されている。例えば、素材がシリコン単結晶であってアーム１０の長さが３ｍｍあれば、その厚さが約１０〜４０μｍ、その幅が約１０〜５０μｍ程度となるように構成されている。なお、アーム１０の寸法は上記の寸法に限られるものではなく、アーム１０の素材に応じて、適宜、アーム１０に撓みが発生しない寸法に設計されるのはいうまでもない。
【００１３】
この各アーム１０の先端には、アーム１０の他の部分よりも厚さが薄くなった把持部１１が形成されている。そして、一対のアーム１０，１０の把持部１１において、互いに対向する面には、一対のアーム１０，１０同士が所定の間隔だけ離れた状態において、互いに平行となる把持面11sが形成されている。
【００１４】
一方、前記一対のアーム１０，１０の基端部は、駆動機構２０の一対のアーム駆動部２１，２１によってそれぞれ保持されており、この一対のアーム駆動部２１，２１を介してベース２に取り付けられている。
この一対のアーム駆動部２１，２１は、一対のアーム１０，１０の把持部１１の把持面11s同士を互いに平行に保ったままで、一対のアーム１０，１０、言い換えれば、一対のアーム１０，１０の把持部１１を互いに接近離間させるものであるが、詳細は後述する。
【００１５】
本実施形態のグリッパ１は上記のごとき構成を有しているから、一対のアーム１０，１０の把持部１１の把持面11s同士の間に微小物体を配置し、その状態で駆動機構２０の一対のアーム駆動部２１，２１を作動させれば、把持面11s同士が互いに平行に保たれたまま把持部１１を互いに接近させることができる。このため、把持部１１の把持面11sを、把持面11s同士が平行に保たれた状態で微小物体に接触させることができるから、微小物体を、各把持部１１の把持面11sから把持面11sと垂直な方向の力のみを加えた状態で把持することができる。すると、微小物体が球形や円筒形の場合、各把持部１１の把持面11sから加わる力をいずれも把持面11sと垂直であって微小物体の中心を通る線上に位置させることができる。すると、微小物体と把持面11sとの間に、把持面11sと平行な方向の成分を有する力が発生しないので、球形や円筒形をした微小物体であっても、確実に把持することができる。
また、一対のアーム１０，１０は、その把持部１１の把持面11s同士が常に平行に保たれた状態で接近するから、把持する物体の大きさにかかわらず、常に、把持面11s同士が平行に保たれた状態で物体を把持することができる。
【００１６】
しかも、各アーム１０が自重等によって撓まないか、撓みが発生してもその撓み量が微小物体の把持に影響が出ない程度となる強度に形成されているから、アーム１０の厚さ方向における把持面11s同士の位置がずれることによって、微小物体が把持できない状態となることを防ぐことができる。
【００１７】
さらに、一対のアーム１０，１０がそれぞれアーム駆動部２１に取り付けられているから、一対のアーム１０，１０が移動できる範囲を、一つのアーム１０のみを移動させる場合に比べて長くすることができ、一対のアーム１０，１０の把持部１１同士が取りうる間隔の範囲を広くすることができる。すると、把持できる微小物体の大きさの範囲を広くすることができるから、グリッパ１の汎用性を高めることができる。
なお、一方のアーム１０をベース２に固定して移動させないようにしてもよく、この場合には、駆動機構２０は他方のアーム１０を駆動するアーム駆動部２１のみを備えていればよい。
【００１８】
つぎに、駆動機構２０の一対のアーム駆動部２１，２１を説明する。なお、一対のアーム駆動部２１，２１は、実質同様の構成を有するので、以下では、左方のアーム駆動部２１を代表として説明する。
【００１９】
図１〜図３に示すように、アーム１０の基端には、アーム駆動部２１の可動部材２２の一端が取り付けられている。この可動部材２２は、軸状の部材であり、その軸方向がアーム１０の把持部１１の把持面11sの法線方向と平行、かつ、アーム１０の軸を含む平面状に位置するように配設されている。
なお、可動部材２２は、その軸方向がアーム１０の把持部１１の把持面11sの法線方向と平行であれば、必ずしもアーム１０の軸を含む平面状に位置していなくてもよいが、アーム１０の軸を含む平面状に位置すれば、より確実にアーム１０を平行移動させることができる。
さらになお、アーム１０と可動部材２２とは直接取り付けなくてもよく、絶縁部材22aを介して取り付けてもよい。この場合、後述するように動力源が電極部２５であっても、電極部２５に印加した電圧がアーム１０に加わることを防ぐことができるから、絶縁した状態で操作しなければならない微小物体であっても操作することが可能となる。
【００２０】
図１〜図３において、符号２３は、前記可動部材２２を、ベース２に対して移動可能に保持する一対の保持部材を示している。この一対の保持部材２３，２３は、互いに平行な梁状の部材であって、前記可動部材２２の軸方向の両端部が、一対の保持部材２３，２３の軸方向の中央部に取り付けられている。
この一対の保持部材２３，２３は、その軸方向が、アーム１０の把持部１１の把持面11sの法線と直交するように配設されており、その軸方向の両端でのみベース２に取り付けられている。しかも、一対の保持部２３，２３は、同一平面上に位置しており、その平面が、アーム１０の軸およびアーム１０の把持部１１の把持面11sの法線を含む平面となるように配設されている。
このため、可動部材２２に対してその軸方向に力が加わると、一対の保持部２３，２３がその方向、言い換えれば、アーム１０の把持部１１の把持面11sの法線方向に沿って撓むから、可動部材２２をその軸方向にのみ移動させることができるのである。
【００２１】
また、一対の保持部材２３，２３は、可動部材２２、アーム１０の重量、およびアーム１０が支持した微小物体の重量を支持しなければならず、また、可動部材２２をその軸方向にのみ移動させ、かつ、アーム１０の厚さ方向における把持面11s同士の位置がずれることを防ぐために、前記重量が加わっても可動部材２２の軸方向と直交する方向に撓みが発生しないか、または、撓みが発生してもその撓み量が微小物体の把持に影響が出ない程度となるように形成されている。例えば、保持部材２３の素材がシリコン単結晶であってその長さが１．５ｍｍあれば、その厚さが約１０〜４０μｍ、その幅が約１０〜２０μｍ程度となるように構成される。なお、保持部材２３の寸法は上記の寸法に限られるものではなく、保持部材２３の素材に応じて、適宜、保持部材２３に撓みが発生しない寸法に設計されるのはいうまでもない。
【００２２】
なお、一対の保持部２３，２３が配置される平面は、上記のごときアーム１０の軸およびアーム１０の把持部１１の把持面11sの法線を含む平面でなくてもよく、アーム１０の把持部１１の把持面11sの法線と平行な平面であればよい。つまり、一対の保持部材２３，２３が把持面11sの法線方向に沿って撓むことができるように配設されていればよいのである。
さらになお、可動部材２２を、その軸方向がアーム１０の把持部１１の把持面11sの法線方向と平行であって、かつ、その軸方向にのみ移動できるように保持することができるのであれば、一対の保持部材２３，２３に対する可動部材２２の両端部の取り付け位置は、一対の保持部材２３，２３の軸方向の中央部に限られない。例えば、保持部材２３の軸径や形状をその軸方向に沿って変化させれば（図４参照）、保持部材２３におけるいずれかの軸方向端部に偏った位置に可動部材２２の端部を取り付けても、可動部材２２を、その軸方向がアーム１０の把持部１１の把持面11sの法線方向と平行であって、かつ、その軸方向にのみ移動できるように保持することができる。
さらになお、保持部材２３は可動部材２２をその軸方向にのみ移動させることができるのであれば、一本でもよく、また、可動部材２２の軸方向と直交する方向に撓みが発生しないのであれば、片持ち梁構造としてもよい。
【００２３】
図１〜図３に示すように、前記一対の保持部材２３，２３の間において、ベース２と可動部材２２との間には、可動部材２２の軸に対して対称かつ同一平面上に位置する一対の電極部２５が設けられている。各電極部２５は、ベース２に固定された固定電極２６と、可動部材２２に取り付けられた可動電極２７とから構成されており、可動電極２７は、アーム１０との間に固定電極２６を挟む位置に配設されている。言い換えれば、可動電極２７は、固定電極２６をアーム１０側に位置する保持部材２３との間に挟む位置に配設されている。なお、各電極は、配線Ｌを介して図示しない電源に接続されている。
【００２４】
固定電極２６は、一端がベース２に取り付けられ保持部材２６と平行な軸を有する固定電極側軸部26aと、この固定電極側軸部26aにおける前記可動電極２７側の側面に設けられた複数の固定歯26bとを備えた櫛状電極である。この固定電極２６の複数の固定歯26bは、その軸方向が可動部材２２の軸方向と平行になるように配設されている。
可動電極２７は、一端が可動部材２２に固定された可動電極側軸部27aと、この可動電極側軸部27aにおける固定電極２６側の側面に設けられた複数の可動歯27bとを備えた櫛状電極である。この可動電極２７の複数の可動歯27bも、固定歯26bと同様に、その軸方向が可動部材２２の軸方向と平行になるように配設されている。そして、この可動電極２７は、その複数の可動歯27bが、固定電極２６の隣接する固定歯26b同士の間に位置するように配設されている。
【００２５】
このため、固定電極２６と可動電極２７との間に電圧を印加すれば、両電極間に互いに引きつけ合う静電力が発生する。すると、固定電極２６はベース２に固定されており、また、可動電極２７は、アーム１０側に位置する保持部材２３との間に固定電極２６を挟むように配設されているので、静電力によって可動電極２７が固定電極２６に向って移動するように付勢される。つまり、可動電極２７がアーム１０に向って移動するように付勢されるから、可動電極２７の一端が取り付けられている可動部材２２に、アーム１０に向う方向の付勢力が加わるのである。
しかも、固定電極２６と可動電極２７はいずれも櫛歯電極であり、複数の可動歯27bが、固定電極２６の隣接する固定歯26b同士の間に位置するように配設されている。言い換えれば、保持部材２３の軸方向に沿って、固定電極２６と可動電極２７の歯が互い違いに並ぶように配置されているため、可動電極２７の移動方向は可動歯27bの軸方向と平行になる。このため、電圧を印加していない状態における固定電極２６の側面と可動電極２７の可動歯27bとの距離Ｌ１を長くしておけば、可動歯27bと隣接する固定歯26bとの距離Ｗ１を短くしても、可動電極２７の移動距離を大きくすることができる。よって、可動歯27bと隣接する固定歯26bとの距離Ｗ１を短くすることによって両電極間に発生する静電力を大きくして可動部材２２に加わる付勢力を大きくすることができ、しかも、可動電極２７の移動距離を長くすることができる。
さらに、可動歯27bが、隣接する一対の固定歯26b間に位置するので、可動歯27bの軸方向と直交する方向の静電力は相殺される。すると、可動歯27bにはその軸方向の静電力だけが働くから、可動電極２７を可動歯27bの軸方向に沿ってのみ移動させることができる。よって、可動歯27bの軸方向は可動部材２２の軸方向と平行であるから、可動部材２２を、その軸方向にのみ付勢することができるのである。
上記の電極部２５が、特許請求の範囲にいう動力源である。
【００２６】
なお、電極部２５は、上記のごとき固定電極２６と可動電極２７の対を、可動部材２２の軸方向に沿って複数設けてもよく、この場合には、可動部材２２に加わる付勢力をさらに大きくすることができる。
そして、本実施形態のグリッパ１では、上記のごとく電極部２５を構成することによって、両電極間に発生する静電力を大きくするとともに可動部材２２に加わる付勢力を大きくすることができる。すると、アーム１０や保持部材２３を撓みが発生しないように形成して、アーム１０等の重量が重くなったり、保持部材２３の強度が強くなっても、後述するように保持部材２３を撓ませて可動部材２２およびアーム１０を移動させるのに十分なた付勢力を可動部材２２に加わえることができる。
【００２７】
なお、動力源は、上記のごとき静電力を利用する、いわゆる静電アクチュエータに限られず、圧電アクチュエータや電磁アクチュエータなどでもよく、可動部材２２の軸方向にのみ力を加えることができるように構成されていればよい。
【００２８】
本実施形態のグリッパ１は、上記のごとき構成を有しているから、以下のように作動して、微小物体の把持解放をすることができる。
微小物体を把持するときには、アーム駆動部２０の固定電極２６と可動電極２７との間に電圧を印加する。すると、可動部材２２が、その軸方向に沿って、その一端が取り付けられているアーム１０に向って付勢され、一対の保持部材２３も、可動部材２２を介して、その軸方向と直交する方向から付勢される。保持部材２３は梁状部材であるから、可動部材２２を介して加わる付勢力に応じて、アーム１０の把持部１１の把持面11sの法線方向に沿って撓むので、可動部材２２をその軸方向に沿って、アーム１０に向って移動させることができる。すると、アーム１０を可動部材２２とともに移動させることができるから、一方のアーム１０を他方のアーム１０に向って移動させることができ、一方のアーム１０の把持部１１を他方のアーム１０の把持部１１に接近させることができる。
しかも、可動部材２２は、その軸方向がアーム１０の把持部１１の把持面11sの法線方向と平行、かつ、アーム１０の軸を含む平面状に位置するように配設されているから、アーム１０の把持部１１の把持面11sは、その法線方向に沿って移動する。よって、一対のアーム１０の把持面11s同士を互いに平行に保ったまま接近させることができるのである。
【００２９】
なお、一対のアーム駆動部２０を作動させて一方のアーム１０の把持部１１同士を接近させる場合には、一対のアーム駆動部２０の可動部材２２の軸方向が互いに平行であれば一対のアーム１０の把持面11s同士を互いに平行に保ったまま接近させることができる。この要件は、上記のごとくアーム駆動部２０を構成すれば満たされるが、より確実に一対のアーム１０の把持面11s同士を互いに平行に保ったまま接近させ、かつ、その把持部１１の厚さ方向のズレが生じることをより確実に抑えるには、一対のアーム駆動部２０の保持部材２３の軸方向が平行となるように配設したり、可動部材２２の軸方向を同軸状に配置したりすればよい。
そして、一対のアーム１０，１０、一対のアーム駆動部２０の可動部材２２、一対の保持部材２３，２３、および電極部２５が全て同一平面上に位置するように配設すれば、一対のアーム１０，１０や一対のアーム駆動部２０の可動部材２２等を全て同一平面上で確実に移動させることができるから、一対のアーム１０，１０の把持部１１同士が接近離間するときに、その把持部１１の厚さ方向のズレが生じることをより一層確実に抑えることができ、微小物体をより確実に把持部間に把持することができる。
【００３０】
また、電圧を印加を停止すれば、保持部材２３を付勢する力がなくなるので、保持部材２３は、自己の復元力によって元の状態に復帰し、保持部材２３の復帰に伴って可動部材２２は、電圧を印加したときと逆向き、つまり、アーム１０から離れる方向に移動される。すると、可動部材２３とともに一方のアーム１０は他方のアーム１０から離間するように移動されるから、一方のアーム１０の把持部１１を他方のアーム１０の把持部１１から離間させることができる。
【００３１】
また、図１に示すように、可動部材２２の軸に対して対称となるように一対の電極部２５を設けておけば、可動部材２２に対して、一方の電極部２５から保持部材２３の軸方向の力が発生しても、他方の電極部２５によってその力を相殺することができる。よって、可動部材２２に対してその軸方向、つまり、アーム１０の把持部１１の把持面11sの法線方向にのみ力を加えることができるから、より確実に把持面11s同士を平行を保ったまま一対のアーム１０，１０を接近させることができる。
【００３２】
そして、一対のアーム１０，１０、一対のアーム駆動部２０の可動部材２２、一対の保持部材２３，２３、および電極部２５が全て同一平面上に位置するように配設されていれば、一対のアーム１０，１０や一対のアーム駆動部２０の可動部材２２等を全て同一平面上で確実に移動させることができるから、一対のアーム１０，１０の把持部１１同士が接近離間するときに、その把持部１１の厚さ方向のズレが生じることを抑えることができ、微小物体をより確実に把持部間に把持することができる。
【００３３】
本実施形態のグリッパ１は、別個独立に形成された複数の軸状部材等を組み合わせて製造してもよいが、以下のようにして製造すれば、各部材の平行度や配置を非常に精度良く合わせることができるので好適である。
【００３４】
図５〜図１０は本実施形態のグリッパ１の製造工程を示した図である。図１１および図１２は本実施形態のグリッパ１の製造工程のフローチャートである。
まず、本実施形態のグリッパ１の基礎材料となるシリコン基板５０を説明する。
図５（Ａ）において、符号５０は、本実施形態のグリッパ１の基礎材料となるシリコン基板を示している。このシリコン基板５０は、ベース層５１、絶縁層５２およびシリコン層５３が順に積層されたものである。
【００３５】
シリコン基板５０のベース層５１の素材は、例えば、Ｓｉ(100 )基板やＳｉ(111 )基板、Ｓｉ(110 )基板、ポリシリコン等のシリコンであり、その厚さが、100 〜1000μｍに形成されたものである。
なお、ベース層５１の素材はシリコンに限られず、ガラス等でもよく、ドライ異方性エッチングもしくはウェット異方性エッチングにより加工可能であるという性質を有する素材であれば、とくに限定はない。また、ベース層５１の厚さも上記の範囲に限られず、グリッパ１の用途に応じて適宜設計すればよい。例えばシリコン試料や生物試料等の微小物体の操作に使用するグリッパ１であれば、５０〜５００μｍ程度であればよい。
【００３６】
シリコン基板５０の絶縁層５２の素材は、酸化シリコンであり、その厚さが、0.1 〜５μｍに形成されたものである。
なお、絶縁層５２の素材は酸化シリコンに限られず、ベース層５１とシリコン層５３との間を電気的に絶縁できる素材によって形成されていればよい。
【００３７】
シリコン基板５０のシリコン層５３の素材は、シリコンであり、その厚さが、約５〜５０μｍに形成されたものである。このシリコン層５３は、グリッパ１のアーム１０等となるため、例えばシリコン試料や生物試料等の操作に使用するグリッパ１であれば、約１０〜４０μｍが好適である。
なお、シリコン層５３の素材となるシリコンの性質に特に限定はないが、その表面の面方位等によってグリッパ１のアーム１０等の弾性等が変化するので、グリッパ１の使用目的に応じて最適なシリコンを選択すればよい。
【００３８】
上記のごときシリコン基板５０としては、例えば、上下一対のシリコン層の間に、中間層として酸化シリコン層が形成された、いわゆるＳＯＩ基板（Silicon On Insulator）等が好適であるが、ガラス基板上に単結晶シリコン層を有する基板や、アモルファスやポリシリコン基板上にＳＯＩ層を有する基板であってもよい。また、シリコン層５３が絶縁層５２によって、絶縁層５２よりも下層の部分と電気的に絶縁されていれば、シリコン基板５０は３層構造に限られず、４層以上であってもよい。
【００３９】
つぎに、シリコン基板５０からグリッパ１を製造する方法を説明する。
図５および図１１に示すように、前記シリコン基板５０のシリコン層５３の表面に、まず、スパッタリングや真空蒸着法等の公知の成膜方法によって、アルミニウムや窒化シリコン等を素材とするマスク膜５４を形成する（Ｓ１１）。
つぎに、図５（Ｂ）に示すように、スピンコーター等によって、マスク膜５４の表面にフォトリソグラフィ用のレジスト膜５５を形成する（Ｓ１２）。
【００４０】
つぎに、図示しないが、製造すべきグリッパ１の形状、つまり、グリッパ１の一対のアーム１０および一対のアーム駆動部２１の形状（図１参照）をしたフォトリソグラフィ用マスクをレジスト膜５５の表面に載せる。このフォトリソグラフィ用マスクを作るには、マスクの外形線をＣＡＤソフトで描いておき、マスク作製用の装置でこの図形をマスクシートに描きこめばよい。
そして、レジスト膜５５の表面にフォトリソグラフィ用マスクを載せた状態で、フォトリソグラフィ装置により紫外線を照射する（Ｓ１３）とフォトリソグラフィ用マスク上の図形が、前記レジスト膜５５の表面に転写され、マスク膜５４の表面に、製造すべきグリッパ１とほぼ同じ形状のレジスト５６が形成され、レジスト５６で覆われていない部分には、マスク膜５４が露出する（図６（Ａ））。
ついで、レジスト５６で覆われていない部分のマスク膜５４を、例えば、混酸液によってエッチングすれば（Ｓ１４）、シリコン層５３が露出する（図６（Ｂ））。
【００４１】
つぎに、露出しているシリコン層５３を、深堀りＲＩＥと呼ばれるＩＣＰ−ＲＩＥ（Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching）等によって、シリコン層５３の表面と垂直な方向に異方性エッチングをおこない（Ｓ１５）、絶縁層５２を露出させる。
そして、例えば、硫酸・過酸化水素混合液等のレジスト剥離液によって、レジスト５６およびマスク膜５４を除去すると（Ｓ１６）、絶縁層５２の表面に、グリッパ１の形状に加工されたシリコン層５３が露出する（図７（Ａ））。
【００４２】
つぎに、グリッパ１の形状に加工されたシリコン層５３および絶縁層５２の表面に、スピンコーター等によってレジスト膜５７を形成する（Ｓ１７、図７（Ｂ））。そして、レジスト膜５７において、加工されたシリコン層５３におけるグリッパ１のアーム１０の先端部、つまり、把持部１１に相当する位置を覆っている部分以外の部分に、フォトリソグラフィ装置により紫外線を照射すると（Ｓ１８）、把持部１１に相当する位置を覆っている部分のレジスト膜５７が除去され、加工されたシリコン層５３における把持部１１に相当する部分が露出する（図８（Ａ））。この状態で、把持部１１に相当する部分をＩＣＰ−ＲＩＥ等によって、把持する対象に合わせた形状やサイズに加工すれば、シリコン層５３の加工が終了する。
【００４３】
図８（Ｂ）および図１２に示すように、シリコン層５３の加工が終了すると、シリコン基板５０を反転して、シリコン基板５０の裏面、言い換えれば、ベース層５１の裏面を上面に向けて、スパッタリングや真空蒸着法等の公知の成膜方法によって、アルミニウムや窒化シリコン等を素材とするマスク膜６１を形成し（Ｓ２１）、スピンコーター等によってマスク膜６１の表面にフォトリソグラフィ用のレジスト膜６２を形成する（Ｓ２２）。
【００４４】
つぎに、図示しないが、製造すべきグリッパ１のベース２の形状と絶縁部材２２ａの形状（図１参照）をしたフォトリソグラフィ用マスクをレジスト膜６２の表面に載せて、フォトリソグラフィ装置により紫外線を照射する（Ｓ２３）。すると、とフォトリソグラフィ用マスクの図形が、前記レジスト膜６２に転写され、レジスト膜６１の表面に、ベース２の形状と絶縁部材２２ａの形状をしたレジスト６３が形成され、レジスト６３で覆われていない部分には、マスク膜６１が露出する。そして、レジスト６３で覆われていない部分のマスク膜６１を、例えば、混酸液によってエッチングすれば（Ｓ２４）、ベース層５１の裏面が露出する（図９（Ａ））。
【００４５】
つぎに、露出しているベース層５１を、ＩＣＰ−ＲＩＥ等によって、ベース層５１の裏面と垂直な方向に異方性エッチングをおこない（Ｓ２５）、絶縁層５２の裏面を露出させる。
そして、例えば、硫酸・過酸化水素混合液等のレジスト剥離液によって、レジスト膜５７、マスク膜６１、レジスト６３を全て除去し（Ｓ２６）、緩衝フッ化水素水溶液によって、ベース層５１とシリコン層５３によって挟まれている部分以外の絶縁層５２が除去さする（Ｓ２７、図９（Ｂ）、図１０（Ａ））。
【００４６】
最後に、加工されたシリコン層５３において、アーム１０およびアーム駆動部２１に該当する部分の表面に、金やアルミニウム等の導体膜６４を形成すれば（Ｓ２８）、本実施形態のグリッパ１を製造することができる。
【００４７】
上記のごとき方法によって本実施形態のグリッパ１を製造すれば、一対のアーム１０、アーム駆動部２１の可動部材２２、保持部材２３、および電極部２５は、全て一枚のシリコン層５３によって形成することができるから、各部材の厚さ方向の精度を非常に高く一致させることができる。また、各部材の相対的な位置、とくに、電極部２５の固定電極２６および可動電極２７の相対的な位置の精度が非常に高くなるので、一対のアーム１０の把持部１１の把持面11s同士を確実に平行に保ったまま接近離間させることができる。
【００４８】
なお、図１０に示すように、シリコン基板５０を加工するときに、保護部７０も同時に形成するようにしておけば、保護部７０に相当する部分によって加工中にシリコン層５３におけるアーム１０に該当する部分が破損することを防ぐことができるので、好適である。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明のグリッパは、半導体・ディスプレイの加工工程中に生じる微小ゴミや、細胞などの生物試料などを操作する装置に適しており、とくに、シリコン球やシリカ微粒子、カーボンナノチューブ等のように比較的球形や円筒形に近似した形状を有する非常に掴みづらい微小物体を操作する装置として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本実施形態のグリッパ１の概略平面図である。
【図２】図１の各位置における本実施形態のグリッパ１の概略断面図である。
【図３】本実施形態のグリッパ１の要部概略拡大図である。
【図４】他の実施形態のグリッパ１の概略平面図である。
【図５】本実施形態のグリッパ１の製造工程を示した図である。
【図６】本実施形態のグリッパ１の製造工程を示した図である。
【図７】本実施形態のグリッパ１の製造工程を示した図である。
【図８】本実施形態のグリッパ１の製造工程を示した図である。
【図９】本実施形態のグリッパ１の製造工程を示した図である。
【図１０】本実施形態のグリッパ１の製造工程を示した図である。
【図１１】本実施形態のグリッパ１の製造工程のフローチャートである。
【図１２】本実施形態のグリッパ１の製造工程のフローチャートである。
【図１３】（Ａ）は熱膨張アクチュエータによって駆動されるグリッパ100の一例を示した図であり、（Ｂ）が静電アクチュエータによって駆動されるグリッパ110の一例を示した図であり、（Ｃ）は従来のグリッパによって微小物体Ｍを把持した状態の説明図である。
【符号の説明】
【００５１】
１        グリッパ
２        ベース
１０      アーム
１１      把持部
１１ｓ    把持面
２０      駆動機構
２１      アーム駆動部
２２      可動部材
２３      保持部材
２５      電極部
２６      固定電極
２６ａ    固定電極側軸部部
２６ｂ    固定歯
２７      可動電極
２７ａ    可動電極側軸部部
２７ｂ    可動歯
【図１】
2006026811.tif 000003
【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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