(57)【要約】【課題】変形可能な微小な測定対象の変形量やバネ定数などの物理量を精度良く測定する。【解決手段】微小物理量測定器は、測定対象に当接する第１当接部を片持ち梁状に支持する第１支持部と、当接面に当接する第２当接部を片持ち梁状に支持する第２支持部と、第１支持部と第２支持部とを連結する連結部と、所定力を作用させたときの第１支持部の変形による連結部に対する変位を検出する第１変位検出部と、所定力を作用させたときの第２支持部の変形による連結部に対する変位を検出する第２変位検出部と、を備える。作用させた力と第１支持部のバネ定数と第１支持部の変形による連結部に対する変位と第２支持部の変形による連結部に対する変位とを用いて測定対象の変形量と測定対象のバネ定数を計算する。【選択図】図１
2018115983.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変形可能な微小な測定対象に作用させた力に対する前記測定対象の物理量を測定する微小物理量測定器であって、
前記測定対象に当接する第１当接部を片持ち梁状に支持する第１支持部と、
当接面に当接する第２当接部を片持ち梁状に支持する第２支持部と、
前記第１支持部と前記第２支持部とを連結する連結部と、
所定力を作用させたときの前記第１支持部の変形による前記連結部に対する変位を検出する第１変位検出部と、
前記所定力を作用させたときの前記第２支持部の変形による前記連結部に対する変位を検出する第２変位検出部と、
を備える微小物理量測定器。
【請求項２】
請求項１記載の微小物理量測定器であって、
前記第１支持部と前記第２支持部と前記連結部は、半導体製造技術を用いて形成されている、
微小物理量測定器。
【請求項３】
請求項２記載の微小物理量測定器であって、
前記第１変位検出部と前記第２変位検出部は、前記第１支持部と前記第２支持部と前記連結部と共に半導体製造技術を用いて形成されている、
微小物理量測定器。
【請求項４】
請求項３記載の微小物理量測定器であって、
前記第１変位検出部および前記第２変位検出部は、前記連結部に対する変位に基づく歪みに対応する抵抗変化を発生する素子である、
微小物理量測定器。
【請求項５】
請求項１ないし４のうちのいずれか１つの請求項に記載の微小物理量測定器であって、
前記第１支持部と前記第２支持部は、平行に配置されており、
前記第２支持部の前記第２当接部は、前記第１支持部の前記第１当接部と同一方向に配置されていると共に、前記測定対象に前記第１当接部を当接させたときに前記測定対象とは異なる変形不能な面に当接するよう配置されており、
前記所定力は、前記第１当接部と前記測定対象との当接面に対して垂直な方向に作用する力である、
微小物理量測定器。
【請求項６】
請求項５記載の微小物理量測定器であって、
前記第１支持部と前記第２支持部と前記連結部と前記第１変位検出部と前記第２変位検出部とからなる第１測定部と、
前記第１支持部と前記第２支持部と前記連結部と前記第１変位検出部と前記第２変位検出部とからなる第２測定部と、
を有し、
前記第１測定部と前記第２測定部は、前記第１測定部の前記第１当接部と前記第２測定部の前記第１当接部とにより前記測定対象を挟持したときに前記第１測定部の第２当接部と前記第２測定部の第２当接部とが当接するように配置されている、
微小物理量測定器。
【請求項７】
請求項１ないし４のうちのいずれか１つの請求項に記載の微小物理量測定器であって、
前記第２支持部は、前記第１支持部に対して所定の鋭角をもって前記連結部に連結されており、
前記第１支持部と前記第２支持部は、前記第１当接部と前記第２当接部とにより前記測定対象を挟持可能に前記第１当接部と前記第２当接部が配置されており、
前記第１変位検出部および前記第２変位検出部は、前記連結部に対する変位角を検出するセンサであり、
前記所定力は、前記第１支持部と前記第２支持部により前記測定対象を挟持する方向の力である、
微小物理量測定器。
【請求項８】
請求項１ないし４のうちのいずれか１つの請求項に記載の微小物理量測定器であって、
前記第１支持部と前記第２支持部は、平行に配置されており、
前記第２支持部の前記第２当接部は、前記第１当接部を前記測定対象に当接させたときに前記測定対象とは異なるすべらない面に当接するよう配置されており、
前記所定力は、前記第１当接部と前記測定対象との当接面に対して水平な方向に作用する力である、
微小物理量測定器。
【請求項９】
請求項１ないし４のうちのいずれか１つの請求項に記載の微小物理量測定器であって、
前記第１支持部の前記第１当接部は、回転軸の中心で前記測定対象と当接するように配置されており、
前記第２支持部の前記第２当接部は、前記回転軸上に配置されていると共に前記第１当接部を前記測定対象に当接させたときに前記測定対象とは異なるすべらない面に当接するよう配置されており、
前記所定力は、前記第１当接部を前記回転軸で回転させる力である、
微小物理量測定器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小物理量測定器に関し、詳しくは、変形可能な微小な測定対象に作用させた力に対する測定対象の物理量を測定する微小物理量測定器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の微小物理量測定器としては、センサ台に配置した極めて小さい微小力センサに微小滴を載置し、微小滴に振動を与え、微小滴の振動を微小力センサにより検出し、微小滴の振動の減衰に対する検出信号に基づいて減衰比を計算し、減衰比と微小滴の密度と微小滴の質量とにより微小滴の粘度を計算するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、試料ホルダに取り付けられた板バネ状の試料に圧子を押し当て、圧子の移動量を試料の変形量として測定し、測定した変形量と圧子に加えた負荷との関係から試料のバネ定数を求めるものも提案されている（例えば特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１３０７１６号公報
【特許文献２】特開平１１−２３０８７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の微小滴の粘度を計測する装置のように、極めて小さい試料、特に細胞などのように比較的軟らかくて微小な試料の変形量やバネ定数などの物理量を計測するのは非常に困難であり、その開発が望まれている。特許文献２のバネ定数の測定装置では、試料の形状が板バネ状であるものに限定されると共に、装置が大きいために５０〜２００μｍ程度の微小な試料の計測は不向きである。
【０００６】
本発明の微小物理量測定器は、変形可能な微小な測定対象の変形量やバネ定数などの物理量を精度良く測定することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の微小物理量測定器は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
【０００８】
本発明の微小物理量測定器は、
変形可能な微小な測定対象に作用させた力に対する前記測定対象の物理量を測定する微小物理量測定器であって、
前記測定対象に当接する第１当接部を片持ち梁状に支持する第１支持部と、
当接面に当接する第２当接部を片持ち梁状に支持する第２支持部と、
前記第１支持部と前記第２支持部とを連結する連結部と、
所定力を作用させたときの前記第１支持部の変形による前記連結部に対する変位を検出する第１変位検出部と、
前記所定力を作用させたときの前記第２支持部の変形による前記連結部に対する変位を検出する第２変位検出部と、
を備えることを要旨とする。
【０００９】
この本発明の微小物理量測定器では、測定対象に当接する第１当接部を片持ち梁状に支持する第１支持部と、当接面に当接する第２当接部を片持ち梁状に支持する第２支持部とを連結部で連結し、所定力を作用させたときの第１支持部の変形による連結部に対する変位と第２支持部の変形による連結部に対する変位とを検出する。作用させた力と第１支持部のバネ定数と第１支持部の変形による連結部に対する変位と第２支持部の変形による連結部に対する変位とを用いて測定対象の変形量と測定対象のバネ定数を計算することができる。この結果、変形可能な微小な測定対象の変形量やバネ定数などの物理量を精度良く測定することができる。
【００１０】
こうした本発明の微小物理量測定器において、前記第１支持部と前記第２支持部と前記連結部は、半導体製造技術を用いて形成されているものとしてもよい。このように半導体製造技術を用いて形成すれば、極めて小さく、且つ、極めて精密なものとすることができる。この結果、変形可能な微小な測定対象の変形量やバネ定数などの物理量を精度良く測定することができる。この場合、前記第１変位検出部と前記第２変位検出部は、前記第１支持部と前記第２支持部と前記連結部と共に半導体製造技術を用いて形成されているものとしてもよい。更にこの場合、前記第１変位検出部および前記第２変位検出部は、前記連結部に対する変位に基づく歪みに対応する抵抗変化を発生する素子であるものとしてもよい。こうすれば、微小物理量測定器を極めて小さく、且つ、極めて精密なものとすることができる。
【００１１】
本発明の微小物理量測定器において、前記第１支持部と前記第２支持部は平行に配置されており、前記第２支持部の前記第２当接部は、前記第１支持部の前記第１当接部と同一方向に配置されていると共に、前記測定対象に前記第１当接部を当接させたときに前記測定対象とは異なる変形不能な面に当接するよう配置されており、前記所定力は、前記第１当接部と前記測定対象との当接面に対して垂直な方向に作用する力であるものとしてもよい。こうすれば、第１当接部を測定対象に当接させると共に第２当接部を変形不能な面に当接させた状態として、第１当接部と測定対象との当接面に対して垂直な方向に所定力を作用させるだけで物理量を精度良く測定することができる。この場合、前記第１支持部と前記第２支持部と前記連結部と前記第１変位検出部と前記第２変位検出部とからなる第１測定部と、前記第１支持部と前記第２支持部と前記連結部と前記第１変位検出部と前記第２変位検出部とからなる第２測定部と、を有し、前記第１測定部と前記第２測定部は、前記第１測定部の前記第１当接部と前記第２測定部の前記第１当接部とにより前記測定対象を挟持したときに前記第１測定部の第２当接部と前記第２測定部の第２当接部とが当接するように配置されているものとしてもよい。この場合、第１測定部と第２測定部とが対称に配置され、第１測定部の第１当接部と第２測定部の第１当接部で測定対象を挟持すると共に第１測定部の第２当接部と第２測定部の第２当接部とを当接させた状態で第１当接部と測定対象との当接面に対して垂直な方向に所定力を作用させ、第１測定部により検出される２つの変位または第２測定部により検出される２つの変位に基づいて測定対象の変形量やバネ定数などの物理量を精度良く測定することができる。なお、この場合、第１測定部の第２当接部が当接する変形不能な面は第２測定部の第２当接部となり、逆に第２測定部の第２当接部が当接する変形不能な面は第１測定部の第２当接部となる。
【００１２】
本発明の微小物理量測定器において、前記第２支持部は、前記第１支持部に対して所定の鋭角をもって前記連結部に連結されており、前記第１支持部と前記第２支持部は、前記第１当接部と前記第２当接部とにより前記測定対象を挟持可能に前記第１当接部と前記第２当接部が配置されており、前記第１変位検出部および前記第２変位検出部は、前記連結部に対する変位角を検出するセンサであり、前記所定力は、前記第１支持部と前記第２支持部により前記測定対象を挟持する方向の力であるものとしてもよい。
【００１３】
本発明の微小物理量測定器において、前記第１支持部と前記第２支持部は、平行に配置されており、前記第２支持部の前記第２当接部は、前記第１当接部を前記測定対象に当接させたときに前記測定対象とは異なるすべらない面に当接するよう配置されており、前記所定力は、前記第１当接部と前記測定対象との当接面に対して水平な方向に作用する力であるものとしてもよい。こうすれば、測定対象の剪断力に対する変形量や、測定対象の剪断力に対するバネ定数を測定することができる。
【００１４】
本発明の微小物理量測定器において、前記第１支持部の前記第１当接部は、回転軸の中心で前記測定対象と当接するように配置されており、前記第２支持部の前記第２当接部は、前記回転軸上に配置されていると共に前記第１当接部を前記測定対象に当接させたときに前記測定対象とは異なるすべらない面に当接するよう配置されており、前記所定力は、前記第１当接部を前記回転軸で回転させる力であるものとしてもよい。こうすれば、測定対象のねじれ力（トルク）に対する変形量や、測定対象のねじれ力（トルク）に対するバネ定数を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施例の微小物理量測定器２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】図１の微小物理量測定器２０のＡ−Ｂ断面を示す断面図である。
【図３】図１の微小物理量測定器２０のＣ−Ｄ断面を示す断面図である。
【図４】第１実施例の微小物理量測定器２０を製造する様子の一例を示す説明図である。
【図５】第１実施例の微小物理量測定器２０により測定対象１０の物理量を測定している様子を説明する説明図である。
【図６】測定対象１０と第１支持部３０とを直列に接続した二つのバネとしたモデルを例示する説明図である。
【図７】力Ｆと第１変位検出部３４のピエゾ層６６の抵抗変化率（ΔＲ1／Ｒ1）の実測値を示すグラフである。
【図８】変位Ｘと第２変位検出部４４のピエゾ層６６の抵抗変化率（ΔＲ2／Ｒ2）の実測値を示すグラフである。
【図９】第１実施例の微小物理量測定器２０を２つ用いる際の構成の概略を示す構成図である。
【図１０】変形例の微小物理量測定器１２０の構成の概略を示す構成図である。
【図１１】第２実施例の微小物理量測定器２２０の構成の概略を示す構成図である。
【図１２】変形例の微小物理量測定器３２０の構成の概略を示す構成図である。
【図１３】第３実施例の微小物理量測定器４２０の構成の概略を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は本発明の第１実施例の微小物理量測定器２０の構成の概略を示す構成図であり、図２は図１の微小物理量測定器２０のＡ−Ｂ断面を示す断面図であり、図３は図１の微小物理量測定器２０のＣ−Ｄ断面を示す断面図である。
【００１８】
第１実施例の微小物理量測定器２０は、直径が１０００μｍ以下の微小な測定対象１０のバネ定数ｋを測定する測定器として構成されており、測定対象１０に当接する第１当接部３２を片持ち梁状に支持する第１支持部３０と、壁面１２に当接する第２当接部４２を片持ち梁状に支持する第２支持部４０と、第１支持部３０と第２支持部４０とを連結する連結部５０と、を備える。第１支持部３０の連結部５０側の端部には第１支持部３０の変形による連結部５０に対する変位を検出する第１変位検出部３４が形成されており、第２支持部４０の連結部５０側の端部には第２支持部４０の変形による連結部５０に対する変位を検出する第２変位検出部４４が形成されている。
【００１９】
第１実施例の微小物理量測定器２０は、半導体製造技術を用いて形成されており、シリコン基板６０の上に、図２中下側から順に、二酸化ケイ素層６２、シリコン層６４、ピエゾ層６６、クロム・金層６８を形成し、必要に応じてエッチングなどにより、上面からクロム・金層６８やピエゾ層６６、シリコン層６４を除去したり、下面からシリコン基板６０や二酸化ケイ素層６２を除去したりして形成する。図４は、第１実施例の微小物理量測定器２０を製造する様子の一例を示す説明図である。図中のＡ〜Ｄは、図中の破断点を示している。第１実施例の微小物理量測定器２０の製造では、まず、シリコン基板６０の上に二酸化ケイ素層６２とシリコン層６４とピエゾ層６６とを形成する（図４（ａ）参照）。次に、パターニングによりクロム・金層６８を蒸着などにより形成し（図４（ｂ））、クロム・金層６８が形成されていない部分をエッチングなどによりピエゾ層６６とシリコン層６４とを除去する（図４（ｃ））。そして、下面からエッチングなどによりパターニングによりシリコン基板６０と二酸化ケイ素層６２を除去して（図４（ｄ））、微小物理量測定器２０を完成する。なお、第１実施例の微小物理量測定器２０では、第１支持部３０の長さが３０００μｍ、第２支持部４０の長さが４７００μｍ、第１当接部３２の幅が１００μｍ、第２当接部４２の幅が５０μｍ、第１当接部３２と第２当接部４４との段差（測定対象１０の直径に相当）が１００μｍとなるように形成した。
【００２０】
こうした形成により、第１支持部３０の第１当接部３２と第１変位検出部３４は、シリコン層６４とピエゾ層６６により形成されており、第１支持部３０のその他の部位は、シリコン層６４とピエゾ層６６に加えてクロム・金層６８により形成される。
【００２１】
第２支持部４０は、第１支持部３０と同様に、第２当接部４２と第２変位検出部４４は、シリコン層６４とピエゾ層６６により形成されており、第２支持部４０のその他の部位は、シリコン層６４とピエゾ層６６に加えてクロム・金層６８により形成される。
【００２２】
連結部５０は、図１中ハッチングされた二酸化ケイ素層６２まで取り除かれた２つの部分により、図１中左側の第１部５２、中央の中央部５４、右側の第２部５６の３つの部分に分けられており、第１部５２と中央部５４と第２部５６部は、シリコン基板６０、二酸化ケイ素層６２、シリコン層６４、ピエゾ層６６、クロム・金層６８により形成される。
【００２３】
第１変位検出部３４のピエゾ層６６は、図１に示すように、連結部５０の第１部５２のクロム・金層６８と接触していると共に、第１支持部３０のクロム・金層６８を介して連結部５０の中央部５４のクロム・金層６８に接触している。したがって、第１支持部３０に変形が生じると、第１支持部３０の連結部５０に対する変位に基づいて第１変位検出部３４に歪みが生じ、この歪みに基づいて第１変位検出部３４のピエゾ層６６の抵抗変化が生じる。この抵抗変化は、連結部５０の第１部５２と中央部５４との抵抗変化率（ΔＲ1／Ｒ2）として検出することができる。
【００２４】
第２変位検出部４４のピエゾ層６６は、図１に示すように、連結部５０の中央部５４のクロム・金層６８と接触していると共に、第２支持部４０のクロム・金層６８を介して連結部５０の第２部５６のクロム・金層６８に接触している。したがって、第２支持部４０に変形が生じると、第２支持部４０の連結部５０に対する変位に基づいて第２変位検出部４４に歪みが生じ、この歪みに基づいて第２変位検出部４４のピエゾ層６６の抵抗変化が生じる。この抵抗変化は、連結部５０の中央部５４と第２部５４との抵抗変化率（ΔＲ1／Ｒ2）として検出することができる。
【００２５】
次に、第１実施例の微小物理量測定器２０により測定対象１０の変形量や測定対象１０のバネ定数を測定する原理について説明する。図５は、第１実施例の微小物理量測定器２０により測定対象１０の物理量を測定している様子を説明する説明図である。測定は、微小物理量測定器２０の第１当接部３２を壁面１２に載置された測定対象１０に当接すると共に第２当接部４２を壁面１２に当接した状態で測定器に壁面１２に対して垂直方向の力Ｆを作用させることにより行なう。
【００２６】
力Ｆの作用により第１支持部３０の連結部５０に対する変位をＸ−Ｘ０とし、第２支持部４０の連結部５０に対する変位をＸとすると、測定対象１０の変形量は、変位Ｘから変位Ｘ−Ｘ０を減じてＸ０として計算することができる。測定対象１０のバネ定数をｋとし、第１支持部３０のバネ定数をｋ０とすると、測定対象１０と第１支持部３０は、図６に示すように、直列に接続した二つのバネに対して力Ｆを作用させたときにＸ−Ｘ０だけ変形するモデルとして考えることができる。図６のモデルから、測定対象１０のバネ定数ｋ０は次式（１）の関係を有することが解る。
【００２７】
【数１】
2018115983.tif 000003
【００２８】
第１支持部３０の連結部５０に対する変位Ｘ−Ｘ０は、第１変位検出部３４のピエゾ層６６の歪みに対応する抵抗変化により一義的に求めることができる。また、第２支持部４０の連結部５０に対する変位Ｘは、第２変位検出部４４のピエゾ層６６の歪みに対応する抵抗変化により一義的に求めることができる。図７は、力Ｆと第１変位検出部３４のピエゾ層６６の抵抗比率（ΔＲ1／Ｒ1）の実測値を示すグラフであり、図８は、変位Ｘと第２変位検出部４４のピエゾ層６６の抵抗比率（ΔＲ2／Ｒ2）の実測値を示すグラフである。Ｒ1は第１変位検出部３４のピエゾ層６６の抵抗であり、Ｒ2は第２変位検出部４４のピエゾ層６６の抵抗である。図示するように、第１変位検出部３４のピエゾ層６６の抵抗比率（ΔＲ1／Ｒ1）は力Ｆが大きくなるに従って直線的に大きくなり、第２変位検出部４４のピエゾ層６６の抵抗比率（ΔＲ2／Ｒ2）は変位Ｘが大きくなるに従って直線的に大きくなる。これらのことから、力Ｆと第１変位検出部３４のピエゾ層６６の歪みに対応する抵抗変化との関係や、変位Ｘと第２変位検出部４４のピエゾ層６６の歪みに対応する抵抗変化との関係が一義的であることが解る。また、第１支持部３０のバネ定数ｋ０は、予め測定しておくことができる。したがって、式（１）に力Ｆと上述した第１変位検出部３４のピエゾ層６６の歪みに対応する抵抗変化により定まる変位Ｘ−Ｘ０および第２変位検出部４４のピエゾ層６６の歪みに対応する抵抗変化により定まる変位Ｘを適用することにより、測定対象１０のバネ定数ｋを求めることができる。
【００２９】
以上説明した第１実施例の微小物理量測定器２０では、連結部５０に連結された第１支持部３０に片持ち梁状に支持された第１当接部３２を測定対象１０に当接し、連結部５０に連結された第２支持部４０に片持ち梁状に支持された第２当接部４２を壁面１２に当接した状態で、第１当接部３２から測定対象１０に向かう力Ｆを連結部５０に作用させる。そして、第１支持部３０の変形による連結部５０に対する変位Ｘ−Ｘ０と第２支持部４０の変形による連結部５０に対する変位Ｘとを検出する。こうして検出した変位Ｘ−Ｘ０と変位Ｘとによって測定対象１０の変形量Ｘ０を計算することができる。また、式（１）に力Ｆと第１変位検出部３４のピエゾ層６６の歪みに対応する抵抗変化により定まる変位Ｘ−Ｘ０および第２変位検出部４４のピエゾ層６６の歪みに対応する抵抗変化により定まる変位Ｘを適用することにより、測定対象１０のバネ定数ｋを求めることができる。この結果、変形可能な微小な測定対象１０の変形量Ｘ０やバネ定数ｋなどの物理量を精度良く測定することができる。しかも、第１実施例の微小物理量測定器２０は、半導体製造技術を用いて形成するから、極めて小さく、且つ、極めて精密なものとすることができる。
【００３０】
第１実施例の微小物理量測定器２０では、第１当接部３２と第２当接部４２との段差（図１における測定対象１０の直径に相当）が１００μｍとなるように形成したが、半導体製造技術を用いて形成するから、第１当接部３２と第２当接部４２との段差は１μｍオーダーで変更することができるから、第１当接部３２と第２当接部４２との段差は１００μｍに限定されるものではなく、数μｍ〜１０００μｍとすることができる。従って、第１実施例の微小物理量測定器２０では、第１当接部３２と第２当接部４２との段差を調整することにより、１０００μｍ以下の直径の測定対象の物理量を測定することができる。
【００３１】
第１実施例の微小物理量測定器２０では、直径が１００μｍより小さい測定対象に対しても有効である。この場合、第１支持部３０の連結部５０に対する変位がない状態で第１当接部３２が測定対象に当接しているときの力Ｆ１と第２支持部４０の連結部５０に対する変位Ｘ１を測定しておき、力Ｆ１＋Ｆを作用させたときの第１支持部３０の連結部５０に対する変位Ｘ−Ｘ０と第２支持部４０の連結部５０に対する変位Ｘ１＋Ｘを検出し、変位Ｘ１、力Ｆ１、変位Ｘ−Ｘ０、変位Ｘ１＋Ｘ、力Ｆ１＋Ｆ、第１支持部３０のバネ定数ｋ０、式（１）、を用いて測定対象の変形量Ｘ０および測定対象のバネ定数ｋを求めることができる。
【００３２】
第１実施例の微小物理量測定器２０では、ピエゾ層６６の歪みに応じた抵抗変化を用いる第１変位検出部３４により第１支持部３０の連結部５０に対する変位Ｘ−Ｘ０を検出し、ピエゾ層６６の歪みに応じた抵抗変化を用いる第２変位検出部４４により第２支持部４０の連結部５０に対する変位Ｘを検出した。しかし、第１支持部３０の連結部５０に対する変位Ｘ−Ｘ０と第２支持部４０の連結部５０に対する変位Ｘを検出すればよいから、これらを検出する第１変位検出部３４と第２変位検出部４４はピエゾ層６６の歪みに応じた抵抗変化を用いるものに限られるものではない。例えば光を用いて変位を検出する変位検出器を用いるものとしてもよい。
【００３３】
第１実施例の微小物理量測定器２０では、壁面１２に当接している測定対象１０を計測するものとしたが、図９に例示するように、２つの微小物理量測定器２０を向き合わせ、２つの第２当接部４２を互いに当接させると共に２つの第１当接部３２により測定対象１０を挟持するように当接させた状態で力Ｆを作用させることによっても測定対象１０の変形量Ｘ０および測定対象１０のバネ定数ｋを求めることができる。この場合、２つの微小物理量測定器２０におけるそれぞれの第１変位検出部３４と第２変位検出部４４とにより２組の変位Ｘ−Ｘ０、変位Ｘを検出するが、２つの微小物理量測定器２０が高精度に同一に形成されているから、一方の第１変位検出部３４と第２変位検出部４４とにより検出された変位Ｘ−Ｘ０、変位Ｘを用いて測定対象１０の変形量Ｘ０および測定対象１０のバネ定数ｋを求めることができる。
【００３４】
第１実施例の微小物理量測定器２０では、１つの第１支持部３０と１つの第２支持部４０とを連結部５０により連結したものとしたが、複数の第１支持部３０と１つまたは複数の第２支持部４０とを連結部５０に連結したものとしてもよい。この場合、複数の第１支持部３０を縦横に配列したアレイとしてもよい。こうすれば、面における各部の変形量やバネ定数を測定することができる。
【００３５】
測定対象１０の変形量Ｘ０および測定対象１０のバネ定数ｋを求めることができる測定器としては、図１０に例示する微小物理量測定器１２０のように構成してもよい。変形例の微小物理量測定器１２０は、測定対象１０に当接する第１当接部１３２を片持ち梁状に支持する第１支持部１３０と、測定対象１０に当接する第２当接部１４２を片持ち梁状に支持する第２支持部１４０と、第１支持部１３０と第２支持部１４０とを連結する連結部１５０とを備える。第１支持部１３０には、連結部１５０に対する変位角を検出する第１変位検出部１３４が形成されており、第２支持部１４０には、連結部１５０に対する変位角を検出する第２変位検出部１４４が形成されている。第１変位検出部１３４は、第１支持部１３０の連結部１５０に対する角度変化量に基づく歪みに対応する抵抗変化を出力するようピエゾ層６６により構成されており、第２変位検出部１４４も、第２支持部１４０の連結部１５０に対する角度変化量に基づく歪みに対応する抵抗変化を出力するようピエゾ層６６により構成されている。第１支持部１３０の連結部１５０に対する変位角は、第１支持部１３０の測定対象１０との当接点までの長さを考慮すれば、第１支持部１３０の連結部１５０に対する変位に置き換えることができ、第２支持部１４０の連結部１５０に対する変位角は、第２支持部１４０の測定対象１０との当接点までの長さを考慮すれば、第２支持部１４０の連結部１５０に対する変位に置き換えることができる。従って、変形例の微小物理量測定器１２０は、第１実施例の微小物理量測定器２０と同様に、測定対象１０の変形量と測定対象１０のバネ定数を測定することができる。
【実施例２】
【００３６】
図１１は、第２実施例の微小物理量測定器２２０の構成の概略を示す構成図である。第２実施例の微小物理量測定器２２０は、直径が１０００μｍ以下の微小な測定対象１０の剪断力に対するバネ定数ｋを測定する測定器として構成されており、壁面２１２に載置された測定対象１０に壁面２１２と平行な面で当接する第１当接部２３２を片持ち梁状に支持する第１支持部２３０と、壁面２１２に当接する第２当接部２４２を片持ち梁状に支持する第２支持部２４０と、第１支持部２３０と第２支持部２４０とを連結する連結部２５０と、を備える。第１支持部２３０の連結部２５０側の端部には第１支持部２３０の変形による連結部２５０に対する変位を検出する第１変位検出部２３４が形成されており、第２支持部２４０の連結部２５０側の端部には第２支持部２４０の変形による連結部２５０に対する変位を検出する第２変位検出部２４４が形成されている。第１変位検出部２３４は、第１支持部１３０の連結部１５０に対する変位に基づく歪みに対応する抵抗変化を出力するようピエゾ層６６により構成されており、第２変位検出部２４４も、第２支持部２４０の連結部２５０に対する変位に基づく歪みに対応する抵抗変化を出力するようピエゾ層６６により構成されている。
【００３７】
第２実施例の微小物理量測定器２２０では、第１当接部２３２を壁面２１２に載置された測定対象１０に当接させると共に第２当接部２４２を壁面２１２に当接させた状態で、測定対象１０が壁面２１２に対して滑らないように、第１当接部２３２が測定対象１０に対して滑らないように、更に、第２当接部２４２が壁面２１２に対して滑らないように、壁面２１２に対して平行な方向に力Ｆを作用させる。このとき、力Ｆの方向の第１変位検出部２３４の連結部２５０に対する変位Ｘ−Ｘ０と第２変位検出部２４４の連結部２５０に対する変位Ｘとを検出し、式（１）を用いて、剪断力に対する測定対象１０の変形量と剪断力に対する測定対象１０のバネ定数ｋを計算する。
【００３８】
以上説明した第２実施例の微小物理量測定器２２０では、連結部２５０に連結された第１支持部２３０に片持ち梁状に支持された第１当接部２３２を測定対象１０に当接し、連結部２５０に連結された第２支持部２４０に片持ち梁状に支持された第２当接部２４２を壁面２１２に当接した状態で、当接面ですべりが生じないように、壁面２１２に対して平行な方向に力Ｆを作用させる。そして、第１支持部２３０の変形による連結部２５０に対する変位Ｘ−Ｘ０と第２支持部２４０の変形による連結部２５０に対する変位Ｘとを検出する。こうして検出した変位Ｘ−Ｘ０と変位Ｘとにより、剪断力による測定対象１０の変形量Ｘ０を計算することができる。また、式（１）に力Ｆと第１変位検出部２３４のピエゾ層６６の歪みに対応する抵抗変化により定まる変位Ｘ−Ｘ０および第２変位検出部２４４のピエゾ層６６の歪みに対応する抵抗変化により定まる変位Ｘを適用することにより、剪断力に対する測定対象１０のバネ定数ｋを求めることができる。この結果、変形可能な微小な測定対象１０の剪断力による変形量Ｘ０や剪断力に対するバネ定数ｋなどの物理量を精度良く測定することができる。しかも、第２実施例の微小物理量測定器２２０は、第１実施例の微小物理量測定器２０と同様に、半導体製造技術を用いて形成することができるから、極めて小さく、且つ、極めて精密なものとすることができる。
【００３９】
測定対象１０の剪断力による変形量Ｘ０および測定対象１０の剪断力に対するバネ定数ｋを求めることができる測定器としは、図１２に例示する微小物理量測定器３２０のように構成してもよい。変形例の微小物理量測定器３２０は、壁面３１２に載置された測定対象１０に壁面３１２と平行な面で当接する第１当接部３３２を片持ち梁状に支持する第１支持部３３０と、壁面３１２と垂直な壁面３１４に軸方向に当接する第２当接部３４２を片持ち梁状に支持する第２支持部３４０と、第１支持部３３０と第２支持部３４０とを連結する連結部３５０とを備える。第１支持部３３０には、連結部３５０に対する変位を検出する第１変位検出部３３４が形成されており、第２支持部３４０には、連結部３５０に対する変位を検出する第２変位検出部３４４が形成されている。第１変位検出部３３４は、第１支持部３３０の連結部１５０に対する引っ張り側の変位に基づく歪みに対応する抵抗変化を出力するようピエゾ層６６により構成されており、第２変位検出部２４４は、第２支持部２４０の連結部２５０に対する圧縮側の変位に基づく歪みに対応する抵抗変化を出力するようピエゾ層６６により構成されている。当接面ですべりが生じないように壁面３１２に平行な方向の力Ｆを連結部３５０に作用させて、第１変位検出部３３４の連結部２５０に対する引っ張り方向の変位Ｘ−Ｘ０と第２変位検出部２４４の連結部２５０に対する圧縮方向の変位Ｘとを検出し、式（１）を用いて、剪断力に対する測定対象１０の変形量と剪断力に対する測定対象１０のバネ定数を計算する。このように、引っ張り方向や圧縮方向の変位を用いても剪断力に対する測定対象１０の変形量と剪断力に対する測定対象１０のバネ定数ｋを求めることができる。
【実施例３】
【００４０】
図１３は、第３実施例の微小物理量測定器４２０の構成の概略を示す構成図である。第３実施例の微小物理量測定器４２０は、直径が１０００μｍ以下の微小な測定対象１０のねじり力（トルク）に対するバネ定数ｋを測定する測定器として構成されており、壁面４１２に載置された測定対象１０に壁面４１２に平行な面で当接する第１当接部４３２を片持ち梁状に支持する第１支持部４３０と、壁面４１２に対向する壁面４１４に当接する第２当接部４４２を片持ち梁状に支持すると共に第１支持部４３０と同軸上に配置された第２支持部４４０と、第１支持部４３０と第２支持部４４０とを連結する連結部４５０と、を備える。第１支持部４３０の連結部４５０側の端部には第１支持部４３０のねじれ変形による連結部４５０に対する変位角を検出する第１変位検出部４３４が形成されており、第２支持部４４０の連結部４５０側の端部には第２支持部４４０のねじれ変形による連結部４５０に対する変位角を検出する第２変位検出部４４４が形成されている。第１変位検出部４３４は、第１支持部４３０の連結部１５０に対する変位角に基づく歪みに対応する抵抗変化を出力するようピエゾ層６６により構成されており、第２変位検出部４４４も、第２支持部４４０の連結部４５０に対する変位角に基づく歪みに対応する抵抗変化を出力するようピエゾ層６６により構成されている。
【００４１】
第３実施例の微小物理量測定器４２０では、第１当接部４３２を壁面４１２に載置された測定対象１０に当接させると共に第２当接部４４２を壁面４１４に当接させた状態で、測定対象１０が壁面４１２に対して滑らないように、第１当接部４３２が測定対象１０に対して滑らないように、更に、第２当接部４４２が壁面４１４に対して滑らないように、連結部４５０にねじり力（トルク）Ｍを作用させる。このとき、第１変位検出部４３４の連結部４５０に対する変位角θＸ−θＸ０と第２変位検出部４４４の連結部４５０に対する変位角θＸとを検出し、式（１）の力Ｆをねじり力（トルク）Ｍに、変位Ｘ−Ｘ０を変位角θＸ−θＸ０に、変位Ｘを変位角θＸに、置き換えることにより、ねじり力（トルク）Ｍに対する測定対象１０の変形量（ねじれ角）とねじり力（トルク）Ｍに対する測定対象１０のバネ定数ｋを計算する。
【００４２】
以上説明した第３実施例の微小物理量測定器４２０では、連結部４５０に連結された第１支持部４３０に片持ち梁状に支持された第１当接部４３２を壁面４１２に載置された測定対象１０に壁面４１２と平行な面で軸方向に当接し、第１支持部４３０と同軸で連結部４５０に連結された第２支持部４４０に片持ち梁状に支持された第２当接部４４２を壁面４１２に対向する壁面４１４に軸方向に当接した状態で、当接面ですべりが生じないように、第１支持部４３０および第２支持部４４０の軸周りに連結部４５０にねじり力（トルク）Ｍを作用させる。そして、第１支持部４３０のねじれ変形による連結部４５０に対する変位角θＸ−θＸ０と第２支持部４４０のねじれ変形による連結部４５０に対する変位角θＸとを検出する。こうして検出した変位θＸ−θＸ０と変位θＸとにより、ねじり力（トルク）による測定対象１０の変形量（ねじれ角）を計算することができる。また、式（１）の力Ｆをねじり力（トルク）Ｍに、変位Ｘ−Ｘ０を変位角θＸ−θＸ０に、変位Ｘを変位角θＸに、置き換えることにより、ねじり力（トルク）Ｍに対する測定対象１０のバネ定数ｋを計算することができる。しかも、第３実施例の微小物理量測定器４２０は、第１実施例の微小物理量測定器２０と同様に、半導体製造技術を用いて形成することができるから、極めて小さく、且つ、極めて精密なものとすることができる。
【００４３】
第３実施例の微小物理量測定器４２０では、第２当接部４４２を測定対象１０が載置された壁面４１２と対向する壁面４１４に当接するものとしたが、第２当接部４４２を測定対象１０が載置された壁面４１２に当接するものとしてもよい。この場合、第２支持部を中空管として第１支持部を内側に収納するように配置すると共に第２当接部を測定対象１０を囲む環状形状とすればよい。
【００４４】
以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、微小物理量測定器の製造産業などに利用可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１０  測定対象、１２，２１２，３１２，３１４，４１２，４１４  壁面、２０，１２０，２２０，３２０，４２０  微小物理量測定器、３０，１３０，２３０，３３０，４３０  第１支持部、３２，１３２，２３２，３３２，４３２  第１当接部、３４，１３４，２３４，３３４，４３４  第１変位検出部、４０，１４０，２４０，３４０，４４０  第２支持部、４２，１４２，２４２，３４２，４４２  第２当接部、４４，１４４，２４４，３４４，４４４  第２変位検出部、５０，１５０，２５０，３５０，４５０  連結部、５２  第１部、５４  中央部、５６  第２部、６０  シリコン基板、６２  二酸化ケイ素層、６４  シリコン層、６６  ピエゾ層、６８  クロム・金層。
【図１】
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【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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