(57)【要約】【課題】容易に作製することができ、小型化しても駆動が容易である、マイクロ・ナノ構造体を提供する。【解決手段】マイクロ・ナノ構造体１０は、ベース部材１２と、ベース部材１２の主面１２ａに立設された複数の突起１４とを備える。突起１４は、基材部と、磁性材料を含む磁性部とを含み、外部磁場によって少なくとも基材部が弾性変形する。例えば、弾性材料の基材中に磁性粒子１５が分散されている突起１４の場合、突起１４は磁力線の方向１６に沿って湾曲する。【選択図】図２
2008264959.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース部材と、
前記ベース部材の主面に立設された複数の突起と、
を備え、
前記突起は、
弾性材料の基材と、前記基材に保持された磁性材料とを含み、
外部磁場の印加によって弾性変形することを特徴とする、マイクロ・ナノ構造体。
【請求項２】
前記突起の表面に、前記磁性材料が露出していることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ・ナノ構造体。
【請求項３】
前記磁性材料は、前記突起の前記ベース部材に近い側よりも、前記突起の前記ベース部材から遠い側に多く配置されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のマイクロ・ナノ構造体。
【請求項４】
前記磁性材料が磁性粒子であることを特徴とする、請求項１、２又は３に記載のマイクロ・ナノ構造体。
【請求項５】
前記突起の全体に前記磁性粒子が分散されていることを特徴とする、請求項４に記載のマイクロ・ナノ構造体。
【請求項６】
前記突起の一部分に前記磁性粒子が配置されていることを特徴とする、請求項４に記載のマイクロ・ナノ構造体。
【請求項７】
前記突起の先端部のみに前記磁性粒子が配置されていることを特徴とする、請求項６に記載のマイクロ・ナノ構造体。
【請求項８】
前記突起の前記基材が樹脂であることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれか一つに記載のマイクロ・ナノ構造体。
【請求項９】
前記突起が円柱形状であることを特徴とする、請求項１ないし８のいずれか一つに記載のマイクロ・ナノ構造体。
【請求項１０】
前記突起が配置されているパターンは、１又は２以上の前記突起による基本パターンが周期的に配置されていることを特徴とする、請求項１ないし９のいずれか一つに記載のマイクロ・ナノ構造体。
【請求項１１】
前記突起のアスペクト比が３以上であることを特徴とする、請求項１ないし１０のいずれか一つに記載のマイクロ・ナノ構造体。
【請求項１２】
ベース部材と、前記ベース部材の主面に立設された複数の突起とを備え、前記突起が弾性材料の基材と前記基材に保持された磁性材料とを含む、マイクロ・ナノ構造体の駆動方法であって、
外部磁場を印加して前記突起を弾性変形させることにより、前記突起を動かすことを特徴とする、マイクロ・ナノ構造体の駆動方法。
【請求項１３】
磁力線が前記ベース部材の前記主面を貫通するように外部磁場を加えて、前記突起を湾曲させることを特徴とする、請求項１２に記載のマイクロ・ナノ構造体の駆動方法。
【請求項１４】
外部磁場の印加によって、前記突起の延在方向に対して直角方向に前記突起中の前記磁性材料を分極させ、隣接する前記突起の前記磁性材料同士の相互作用によって、隣接する前記突起の先端側を接離させることを特徴とする、請求項１２に記載のマイクロ・ナノ構造体の駆動方法。
【請求項１５】
前記磁性材料は、前記突起の前記ベース部材に近い側よりも、前記突起の前記ベース部材から遠い側に多く配置されていることを特徴とする、請求項１４に記載のマイクロ・ナノ構造体の駆動方法。
【請求項１６】
前記突起の前記ベース部材から遠い側のみに、前記磁性材料が配置されていることを特徴とする、請求項１４又は１５に記載のマイクロ・ナノ構造体の駆動方法。
【請求項１７】
前記磁性材料が磁性粒子であることを特徴とする、請求項１４又は１５に記載のマイクロ・ナノ構造体の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は変形可能なマイクロ・ナノ構造体に関し、詳しくは、外部磁場により変形可能なマイクロ・ナノ構造体及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、外部磁場を加えて駆動するマイクロ構造体が提案されている。
【０００３】
例えば、図２６に示すように、マイクロポストの中にマイクロワイヤを埋め込み、外部磁場を加えてマイクロポストを変位させる構成が開示されている（非特許文献１参照）。
【０００４】
また、図２７に示すように、シリコンエラストマーのメンブレン中にパーマロイのフラップを埋め込み、外部磁場を加えてフラップにトルクを作用させ、メンブレンを変形させるアクチュエータが開示されている（非特許文献２参照）。
【非特許文献１】Nathan J. Smiadecki、外４名、「5th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences, October 9-13, 2005, Boston, Massachusetts, USA」予稿集、第509-511頁（Figure 1.）
【非特許文献２】Melvin Khoo、外１名、Sensors and Actuators A、８９巻、２００１年、第259-266頁（Fig. 2.）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、弾性体のマイクロポストやメンブレン中に、１個の剛体であるマイクロワイヤやフラップを埋め込む構造は、作製することが難しい。また、従来のマイクロレベル（１μｍ以上の寸法レベル）のマイクロ構造体を、そのまま、ナノレベル（１μｍ未満の寸法レベル）まで小さく作ることは困難である。
【０００６】
また、マイクロワイヤやフラップの単体に外部磁場により直接作用する力を利用して駆動する構成の場合には、全体構成のスケールをｎ倍にすると、外部磁場によって単体に直接作用する力はｎ３に比例し、単体の変位はｎ２倍に比例する。そのため、小型化するほど、相対的に変位が小さくなる。外部磁場によって単体に直接作用する力は、外部磁場を強くしても、磁気飽和により、ある程度までしか大きくすることができない。そのため、ナノレベルまで小型化すれば駆動させることが難しくなる。
【０００７】
本発明は、かかる実情に鑑み、容易に作製することができ、小型化しても駆動が容易である、マイクロ・ナノ構造体を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成したマイクロ・ナノ構造体を提供する。
【０００９】
マイクロ・ナノ構造体は、ベース部材と、前記ベース部材の主面に立設された複数の突起とを備える。前記突起は、弾性材料の基材と、前記基材に保持された磁性材料とを含み、外部磁場の印加によって弾性変形する。
【００１０】
上記構成において、外部磁場の印加により磁性材料に力が作用し、磁性材料を保持している基材が弾性変形する。
【００１１】
上記構成によれば、複数の突起が弾性変形し、複数の突起が組み合わさって所望の機能を発揮するように、外部から突起の形状を操作できる。
【００１２】
好ましくは、前記突起の表面に、前記磁性材料が露出している。
【００１３】
この場合、外部磁場により磁性材料に作用する力は、突起の内部に磁性材料が保持されている場合よりも大きくなるため、効率的に突起を変形させることができる。
【００１４】
好ましくは、前記磁性材料は、前記突起の前記ベース部材に近い側よりも、前記突起の前記ベース部材から遠い側に多く配置されている。
【００１５】
上記構成は、磁性材料が突起のベース部材から遠い側のみに配置され、突起のベース部材に近い側には磁性材料が全く配置されていない場合も含む。
【００１６】
上記構成において、例えば磁力線の方向が突起の延在方向に対して直角となるように外部磁場を加えると、突起中の磁性材料が分極し、隣接する突起の先端側（ベース部材から遠い側）が接離する。磁性材料が先端側に多く配置されていれば、外部磁場により突起の先端側に作用する力が大きくなり、突起の変形量が大きくなるので、効率的に突起を変形させることができる。
【００１７】
また、隣接する突起の磁性材料間の相互作用を利用して変形させる場合、スケールをｎ倍にすると変位がｎ倍に比例するように構成できるので、スケールをｎ倍にすると変位がｎ２倍に比例する従来例と比べると、小型化しても駆動させることが容易である。
【００１８】
好ましくは、前記磁性材料が磁性粒子である。
【００１９】
上記構成によれば、弾性体中に剛体のマイクロワイヤやフラップなどの単体を所定の姿勢となるように所定の位置に埋め込む場合よりも、作製が容易である。磁性粒子を微細化することによって、容易に小型化することができる。
【００２０】
マイクロ・ナノ構造体は、具体的には、以下のように種々の態様で構成することができる。
【００２１】
一つの態様として、前記突起の全体に前記磁性粒子が分散されている。
【００２２】
この場合、例えば突起の延在方向に対して磁力線が斜めに交差するように外部磁場を加えると、突起が磁力線に沿って変形しようとするため、突起を湾曲させることができる。
【００２３】
他の態様として、前記突起の一部分に前記磁性粒子が配置されている。
【００２４】
この場合、磁性粒子を配置する部分を変えることで外部磁場による力が作用する位置を調整し、磁性粒子の量で外部磁場による力の大きさを調整することができる。したがって、外部磁場によって、突起を所望形状に弾性変形させることができる。
【００２５】
好ましくは、前記突起の先端部のみに前記磁性粒子が配置されている。
【００２６】
この場合、例えば磁力線の方向が突起の延在方向に対して直角になるように外部磁場を加えると、突起の先端部の磁性粒子が分極し、隣接する突起の先端部間に相互作用によって、隣接する突起の先端部を接離させることができる。
【００２７】
一般に片持ち梁の先端のたわみは、先端に集中荷重が作用した場合の方が、合計荷重が同じとなる分布荷重が作用した場合よりも大きい。よって、突起の先端部のみに磁性粒子を分散すると、突起全体に同量の磁性粒子を分散させた場合よりも、突起の先端部の変位量が大きくなるため、効率的に駆動することができる。
【００２８】
好ましくは、前記突起の前記基材が樹脂である。
【００２９】
この場合、突起の形成が容易である。
【００３０】
好ましくは、前記突起が円柱形状である。
【００３１】
この場合、角柱形状や板形状などに比べると形状が簡単であるため、突起の形成が容易である。また、突起の延在方向に直角となるどの方向にも均一に突起を弾性変形させることができる。
【００３２】
好ましくは、前記突起が配置されているパターンは、１又は２以上の前記突起による基本パターンが周期的に配置されている。
【００３３】
この場合、１又は２以上の突起を配置する基本パターンについてモデル化し、外部磁場による突起の変形挙動を解析した結果から、基本パターンを周期的に配置した場合の突起の変形挙動を容易に予測することができ、設計が容易である。また、大面積のものを作ることも容易である。
【００３４】
好ましくは、前記突起のアスペクト比が３以上である。
【００３５】
この場合、外部磁場を加えて突起を変形させることできるマイクロ・ナノ構造体を、容易に作製することができる。
【００３６】
また、本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成したマイクロ・ナノ構造体の駆動方法を提供する。
【００３７】
マイクロ・ナノ構造体の駆動方法は、ベース部材と、前記ベース部材の主面に立設された複数の突起とを備え、前記突起が弾性材料の基材と前記基材に保持された磁性材料とを含む、マイクロ・ナノ構造体の駆動方法である。外部磁場を印加して前記突起を弾性変形させることにより、前記突起を動かす。
【００３８】
上記方法によれば、印加する外部磁場の状態を変えることにより、突起の弾性変形形状が変わることを利用して、突起の形状を外部から制御し、突起を動かすことができる。マイクロ・ナノ構造体は、容易に作製することができ、小型化しても駆動が容易である。
【００３９】
具体的には、以下のように種々の態様で突起を駆動することができる。
【００４０】
一つの態様として、磁力線が前記ベース部材の前記主面を貫通するように外部磁場を加えて、前記突起を湾曲させる。
【００４１】
この場合、突起に外部磁場が加わると、突起中の磁性材料に力が作用する。突起の基材が弾性材料であるので、突起は弾性変形する。突起は磁力線に沿って変形しようとするため、突起を湾曲させることができる。
【００４２】
他の態様として、外部磁場の印加によって、前記突起の延在方向に対して直角方向に前記突起中の前記磁性材料を分極させ、隣接する前記突起の前記磁性材料同士の相互作用によって、隣接する前記突起の先端側を接離させる。
【００４３】
この場合、隣接する突起は、それぞれの突起中の磁性材料の相互作用を利用して変形させる。マイクロ・ナノ構造体は、スケールをｎ倍にすると変位がｎ倍に比例するように構成できるので、スケールをｎ倍にすると変位がｎ２倍に比例する従来例と比べると、小型化しても駆動させることが容易である。
【００４４】
好ましくは、前記磁性材料は、前記突起の前記ベース部材に近い側よりも、前記突起の前記ベース部材から遠い側に多く配置されている。
【００４５】
磁性材料が突起の先端側（ベース部材から遠い側）に多く配置されていれば、外部磁場により突起の先端側に作用する力が大きくなり、突起の変形量が大きくなるので、効率的に突起を変形させることができる。
【００４６】
特に、前記突起のベース部材から遠い側のみに、前記磁性材料が配置されている場合には、磁性材料の配置を集中することで、同量の磁性粒子を突起内に分散して配置する場合よりも、突起の先端側の変位量が大きくなり、効率的に駆動することができる。
【００４７】
好ましくは、前記磁性材料が磁性粒子である。
【００４８】
上記構成によれば、弾性体中に剛体のマイクロワイヤやフラップなどの単体を所定の姿勢になるように所定の位置に埋め込む場合よりも、作製が容易である。磁性粒子を微細化することによって、容易に小型化することができる。
【発明の効果】
【００４９】
本発明によれば、マイクロ・ナノ構造体を容易に作製することができ、小型化しても駆動が容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図２５を参照しながら説明する。
【００５１】
＜実施例１＞  図１〜図１２を参照しながら、実施例１のマイクロ構造体１０について説明する。
【００５２】
図１の斜視図に模式的に示すように、マイクロ構造体１０は、ベース部材１２の主面である上面１２ａに、複数の突起１４が立設されている。突起１４は円柱形状であり、正方格子状に配列されている。
【００５３】
突起１４は、図２の断面図に模式的に示すように、弾性材料の基材中に磁性粒子１５が分散されている。磁性粒子１５がＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉやこれらの合金などの強磁性体である場合、外部磁場がない場合は全体として観察される磁化は零であるが、外部磁場が加えられると全体として強い磁性を帯びるようになり、外部磁場によって磁性粒子１５にモーメントが作用する。そのため、例えば矢印１８で示すように、突起１４の延在方向に対して斜め方向に外部磁場を加えると、突起１４内の各磁性粒子１５内において磁力線の方向に分極し、突起１４内の各磁性粒子１５に外部磁場によるモーメントが作用し、突起１４は、先端１４ｋ側が矢印１７で示す方向に傾いて湾曲し、外部磁場の磁力線にある程度沿う形状に弾性変形する。
【００５４】
磁性粒子１５に強磁性体の材料を用いると、突起中に磁性粒子１５を分散させることが容易であるため好ましいが、磁性粒子１５に永久磁石などのフェリ磁性体を用いてもよい。この場合も、外部磁場によって磁性粒子１５にモーメントが作用するので、突起１４を変形させることが可能である。
【００５５】
突起１４の寸法・形状や配列、外部磁場を加える態様などを適宜に選択することにより、配線なしに、また接触することなしに、突起１４の変形態様を外部から制御することができる。
【００５６】
次に、マイクロ構造体１０の作製例について、図３〜図７を参照しながら説明する。
【００５７】
図３は、マイクロ構造体１０の製造工程を示す断面図である。
【００５８】
図３（ａ）に示すように、マイクロ構造体の突起に対応する穴４１が形成された鋳型４０に、磁性粒子１５が分散された弾性材料４２として、平均粒径が０．８１μｍの鉄粉が分散されたＰＤＭＳ（polydimethylsiloxane）樹脂を流し込み、鋳型４０の上面４０ａをすり切り、鋳型４０の穴４１のみに充填する。硬化前のＰＤＭＳ樹脂は粘性が高いため、トルエンで希釈して流動性を高める。
【００５９】
次いで、図３（ｂ）に示すように、ベース部材１２となる材料４４として、ＰＤＭＳ樹脂のみを鋳型４０の上面４０ａに流し込む。このときも、硬化前のＰＤＭＳ樹脂は、トルエンで希釈して流動性を高める。
【００６０】
次いで、ＰＤＭＳ樹脂４２，４４を加熱硬化させた後、図３（ｃ）に示すように、鋳型４０を分離する。
【００６１】
鋳型４０には、機械加工により穴４１を加工した金型を用いる。あるいは、リソグラフィにより作製した鋳型を用いる。
【００６２】
鋳型４０をリソグラフィにより作製する方法について、図４の断面図及び図５の平面図を参照しながら説明する。
【００６３】
図４（ａ）に示すように、ガラス基板２０にアルミ２１を蒸着した上に、感光性硬化性樹脂２２、例えばエポキシ系ネガ型厚膜レジストであるＳＵ−８をスピンコートする。
【００６４】
次いで、図４（ｂ）に示すように、下面３２に遮光パターン３４が形成されたマスク３０を通して、矢印３６で示すように紫外線を照射し、感光性硬化性樹脂２２を露光する。遮光パターン３４は、図５に模式的に示すように、突起の配列に対応して形成されている。
【００６５】
次いで、現像処理を行い、感光性硬化性樹脂２２の未露光部分２４を除去することにより、図４（ｃ）に示すように、穴２６が形成された鋳型が完成する。
【００６６】
図６は、ＳＵ−８鋳型を用いて作製したマイクロ構造体の突起を、共焦点レーザー顕微鏡で観察した写真である。このマイクロ構造体には、直径４９．２μｍ、高さ１５１μｍ、アスペクト比３の柱状の突起が形成されている。このアスペクト比３の突起は、後述するように外部磁場を加えて変形させることできる。
【００６７】
図７は、機械加工の金型を鋳型に用いて作製したマイクロ構造体の写真である。このマイクロ構造体には、直径５０μｍ、深さ３００μｍの穴を機械加工した金型を用いて、比較的アスペクト比が大きい突起が形成されている。この突起は、後述するように外部磁場を加えて変形させることできる。
【００６８】
次に、マイクロ構造体の突起の変形について、図８〜図１２を参照しながら説明する。
【００６９】
図８に、マイクロ構造体の突起の弾性変形を観察するためのシステムの構成図を示す。図８に示すように、シリコーンオイル６２を満たした容器６０中に、突起１４が垂直方向上向きに延在するようにマイクロ構造体１０を配置し、マイクロ構造体１０全体がシリコーンオイル６２に浸るようにする。容器６０の下方に磁石５０を配置し、矢印５２で示すように、磁石５０を水平方向に移動させる。容器６０の上方には、顕微鏡（図示せず）を配置し、顕微鏡で突起を観察した画像をＣＣＤカメラ６４で撮像し、撮像信号をコンピュータ６６で処理して出力する。具体的には、磁石５０は表面磁束密度が０．４ＴのＮｄＦｅＢであり、容器６０と磁石５０との間の距離Ｇは２．６ｍｍである。
【００７０】
図９の要部拡大断面図に示すように、突起１４の真下から、磁石５０が水平方向に移動すると、突起１４には、斜めに磁力線５４が作用する。線Ａ−Ａ'で示した断面における磁場の強さＢ（Ｔ）と、磁石５０の水平移動距離Ｌ（ｍｍ）と、磁力線５４の接線５６と突起１４の中心線１４ｙとの角度θ（°）との間には、図１０のグラフに示す関係がある。すなわち、磁石５０が中心位置から離れるにつれて、磁力線の傾きが大きくなり、磁場は弱くなる。
【００７１】
図１１のグラフは、磁石５０の水平方向移動距離Ｌと突起１４の先端の水平方向変位量δとの関係を示す。磁石５０の移動距離Ｌが一定範囲内であれば、磁石５０の移動距離Ｌが大きくなるにつれて、突起先端の変位量δが大きくなる。
【００７２】
図１２は、鋳型に流し込むときの磁性粒子（鉄粉）の濃度と、突起のアスペクト比とを変えた場合について、突起先端の変位量δを示すグラフである。磁性粒子の濃度は１．１４ｖｏｌ％、２．２６ｖｏｌ％、４．４２ｖｏｌ％である。サンプルＡ（■）は、直径５０μｍ、高さ５００μｍ、アスペクト比１０の突起が形成されている。サンプルＢ（●）は、直径５０μｍ、高さ２００μｍ、アスペクト比４の突起が形成されている。外部磁場を加える条件は、両サンプルとも同じである。
【００７３】
図１２から、アスペクト比が大きくなると、また磁性粒子濃度が高くなると、突起先端の変位量が急激に増すことが分かる。具体的には、アスペクト比が５以上になると、また磁性粒子濃度が２ｖｏｌ％以上になると、突起先端の最大変位量が急激に増す。
【００７４】
＜実施例２＞  実施例２のマイクロ構造体１０ｘについて、図１３〜図１９を参照しながら説明する。
【００７５】
実施例２のマイクロ構造体１０ｘは、実施例１と略同様に構成されている。以下では、相違点を中心に説明し、同様の構成部分には同じ符号を用いる。
【００７６】
図１３の斜視図、図１４の断面図に模式的に示すように、実施例２のマイクロ構造体１０ｘは、実施例１のマイクロ構造体１０と同様に、ベース部材１２の主面である上面１２ａに、複数の突起１４ｘが立設されている。
【００７７】
実施例１と異なり、突起１４ｘのうち、先端部１４ａのみに弾性材料の基材中に磁性粒子１５が分散されている。すなわち、突起１４ｘの基端部１４ｂの弾性材料の基材中には、磁性粒子１５は含まれていない。磁性粒子１５には、強磁性体の材料を用いる。
【００７８】
突起１４ｘは、例えば矢印１８で示すように突起１４ｘの延在方向に対して直角方向の成分を有する外部磁場が加えられると、それぞれの突起１４ｘの先端部１４ａの磁性粒子１５は外部磁場の方向に分極する。この分極により、隣接する突起１４ｘの先端部１４ａは、矢印１９で示すように引き合い、あるいは反発する。このような相互作用によって、突起１４ｘは、隣接する突起１４ｘの先端部１４ａが接離するように弾性変形する。
【００７９】
突起１４ｘの寸法・形状や配列、外部磁場を加える態様などを適宜に選択することにより、配線なしに、また接触することなしに、突起１４ｘが変形し先端部１４ａが接離する態様を外部から制御することができる。
【００８０】
次に、マイクロ構造体の作製例について、図１５〜図１７を参照しながら説明する。
【００８１】
図１５は、マイクロ構造体の作製工程を示す断面図である。図１５（ａ）に示すように、マイクロ構造体の突起に対応する穴４１が形成された鋳型４０に、磁性粒子１５が分散された弾性材料４２として、平均粒径が０．８１μｍの鉄粉が分散されたＰＤＭＳ樹脂を流し込み、鋳型４０の上面４０ａをすり切り、鋳型４０の穴４１のみに充填する。硬化前のＰＤＭＳ樹脂は粘性が高いため、トルエンで希釈して流動性を高める。
【００８２】
次いで、図１５（ｂ）に示すように、遠心分離により、矢印４８で示す方向に遠心力を作用させ、ＰＤＭＳ樹脂４２中の磁性粒子１５を鋳型４０の穴４１の底部に集中させ、ＰＤＭＳ樹脂４２の下部４２ａのみに磁性粒子１５が含まれ、上部４２ｂには磁性粒子１５が含まれないようにする。
【００８３】
次いで、図１５（ｃ）に示すように、ベース部材１２となる材料４４として、ＰＤＭＳ樹脂のみを鋳型４０の上面４０ａに流し込む。このときも、硬化前のＰＤＭＳ樹脂は、トルエンで希釈して流動性を高める。
【００８４】
次いで、ＰＤＭＳ樹脂４２，４４を加熱硬化させた後、図１５（ｄ）に示すように、鋳型４０を分離する。
【００８５】
図１６は、遠心分離前のＰＤＭＳ樹脂中に含まれる磁性粒子（鉄粉）１５の体積率と、突起１４全体に対して、磁性粒子１５を含む先端部１４ａが占める体積率との関係を示すグラフである。遠心分離前のＰＤＭＳ樹脂中に含まれる磁性粒子の体積率を変えることによって、突起１４全体に占める先端部１４ａの割合を調節することができる。
【００８６】
図１７の写真は、作製したマイクロ構造体の一例を示す。黒く見えるのは突起の先端部であり、ＰＤＭＳ樹脂中に磁性粒子が分散している。
【００８７】
次に、マイクロ構造体の突起の変形について、図１８及び図１９を参照しながら説明する。
【００８８】
図１８に、マイクロ構造体の突起の弾性変形を観察するためのシステムの構成図を示す。図１８に示すように、シリコーンオイル６２を満たした容器６０ｘ内のスペーサ上に、突起１４ｘが垂直方向上向きに延在するようにマイクロ構造体１０ｘを配置し、マイクロ構造体１０ｘ全体がシリコーンオイル６２に浸るようにする。さらに、容器６０ｘ内に磁石５０ｘを配置し、矢印５２ｘで示すように水平方向に移動させ、マイクロ構造体１０ｘに対して接離させる。このとき、磁力線５４ｘは、隣接する突起１４ｘの先端部１４ａを貫通する。容器６０ｘの上方には、顕微鏡（図示せず）を配置し、顕微鏡で突起を観察した画像をＣＣＤカメラ６４で撮像し、撮像信号をコンピュータ６６で処理して出力する。
【００８９】
図１９は、磁石５０ｘを水平方向に移動させたときに隣接する突起１４ｘの先端部１４ａが接離する様子を示す写真である。突起は、直径５０μｍ、高さ３００μｍ、先端部の長さが１００μｍであり、１０×１０本が１００μｍピッチで正方格子状に配置されている。磁石５０ｘは、図においてマイクロ構造体の下辺側に配置されており、磁力線の向きは、矢印５８で示すように、図において上下方向となっている。
【００９０】
磁石がマイクロ構造体から十分に遠いときには、図１９（ａ）に示すように、それぞれの突起はベース部材に対して略真っ直ぐに立っている。
【００９１】
磁石をマイクロ構造体に近づけると、図１９（ｂ）に示すように、図において上下方向の各列において、隣接する２本ずつの突起の先端部同士が互いに他方側に移動して接する。このとき、突起の先端部同士が接してしている部分は、図において左右方向に見ると互い違いにずれていて、千鳥状となっている。
【００９２】
さらに磁石をマイクロ構造体に近づけると、図１９（ｃ）に示すように、２本ずつの突起の接している先端部が図において左右に移動し、隣り合う２列の突起の先端部が接して一列に並ぶようになる。
【００９３】
実施例２のように相互作用を利用して突起を変形させる場合、磁場の変化により、突起の先端部同士が接し合う態様を段階的に切り替えることができる。また、マイクロ構造体に対して磁石を接離させる方向に応じて、突起の先端部が移動する方向が変わる。突起の寸法・形状を適宜に選択すれば、外部磁場によって、突起の先端部が接することなく弾性変形するようにすることもできる。
【００９４】
実施例２のように相互作用を利用して突起を変形させる場合、マイクロ構造体全体の寸法をｎ倍に相似設計したとき、先端部の体積はｎ３になるが、隣接する先端部間の距離がｎ倍になるため、磁場の強度が同じであれば、隣接する先端部間に作用する力Ｆはｎ２倍になる。
【００９５】
片持ちはりの自由端に荷重Ｆが作用したときの、自由端のたわみδは、
δ＝Ｆｈ３／（３ＥＩ）  ・・・（１）
ｈ：はりの長さ
Ｅ：縦弾性係数
Ｉ：断面２次モーメント
であり、直径ｄの円形断面では、
Ｉ＝（π／６４）・ｄ４  ・・・（２）
である。
【００９６】
式（１）及び（２）から、ｈ及びｄがｎ倍、Ｆがｎ２倍になると、δはｎに比例する。
【００９７】
つまり、相互作用を用いる場合、小型化すると、それに比例して変位も小さくなるだけであり、小型化しても駆動は容易である。
【００９８】
これに対して、従来例のように、相互作用を利用せずに、外部磁場によって磁性体に直接作用する力Ｆ'を用いる場合、力Ｆ'は磁性体の体積に比例するので、構造の寸法がｎ倍になると、力Ｆ'はｎ３倍になり、変位量はｎ２に比例する。そのため、小型化すれば、変位量が極端に小さくなるため、小型化すると駆動が困難となる。
【００９９】
＜実施例３＞  実施例３について、図２０〜図２２を参照しながら説明する。図２１〜図２２は、突起先端を模式的に図示した平面図である。
【０１００】
実施例２では突起が正方格子状に配置されていたが、実施例３では、突起の初期位置を正方格子からずらしたパターンに配置されている。
【０１０１】
図２０は、正方格子の辺の方向に突起の初期位置をずらした場合の例である。
【０１０２】
図２０（ａ）に示すように、点線で示した正方格子状の位置から図において上方に初期位置がずれている突起７０と、下方に初期位置がずれている突起７２とが、図において上下方向にも左右方向にも、交互に配置されている。すなわち、突起７０，７２は、２つずつの突起７０，７２が２×２に配列された基本パターンを繰り返すように配置されている。
【０１０３】
図２０（ｂ）において矢印７１で示すように、図において上下方向の磁場が加わると、図において上下方向に隣接する突起７０，７２は、初期位置が互いに近いもの同士が対となり、それぞれの先端同士が互いに接近する。一方、初期位置が互いに遠いもの同士の対については、それぞれの先端が互いに離反する。
【０１０４】
図２１は、正方格子の対角方向に突起の初期位置をずらした場合の例である。
【０１０５】
図２１（ａ）に示すように、点線で示した正方格子状の位置から図において右下方に初期位置がずれている突起７４と、左上方に初期位置がずれている突起７６とが、図において上下方向にも左右方向にも、交互に配置されている。すなわち、２つずつの突起７４，７６が２×２に配列された基本パターンを繰り返すように配置されている。
【０１０６】
突起７４，７６が接離する態様は、磁場の向きによって異なる。
【０１０７】
すなわち、図２１（ｂ）において矢印７３で示すように、図において上下方向に磁場が加わると、図において上下方向に隣接する突起７４，７６は、初期位置が互いに近いもの同士が対となり、互いに接近する。一方、初期位置が互いに遠いもの同士の対については、それれぞれの先端が互いに離反する。
【０１０８】
図２１（ｃ）において矢印７５で示すように、図において左右方向に磁場がかかると、図において左右方向に隣接する突起７４，７６は、初期位置が互いに近いもの同士が対となり、それぞれの先端同士が互いに接近する。一方、初期位置が互いに遠いものの対については、それぞれの先端が互いに離反する。
【０１０９】
図２２の平面図は、突起の列の間を広くするとともに、各列の突起は、列の方向に対して直角に交互にずらして配置した場合の例である。
【０１１０】
図２２（ａ）に示すように、列の方向に対して図において左に初期位置がずれている突起７７と、右に初期位置がずれている突起７８とが、図において上下方向に交互に配置されている。突起７７，７８は、図において左右方向の間隔が、図において上下方向の間隔よりも大きい。
【０１１１】
図２２（ｂ）において矢印７９で示すように、図において上下方向に磁場が加わると、図において左右方向に初期位置がずれていた突起７７，７８は、それぞれの先端７７ａ，７８ａが図において上下方向に略一列に並ぶ。
【０１１２】
＜実施例４＞  実施例４について、図２３を参照しながら説明する。
【０１１３】
図２３（ａ）の要部拡大断面図に示した突起１１４は、ベース部材１１２から突起１１４が突出している方向（図において上下方向）に、磁性材料を含まない基材層１１４ｐ，１１４ｑ，１１４ｒ，１１４ｓと、磁性材料を含む磁性層１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃとが交互に積層されている。突起１１４は、柱状であっても板状であってもよい。
【０１１４】
突起１１４は、適宜な方法で作製することができる。例えば、突起１１４の先端の基材層１１４ｐを作製した後、実施例２と同様に樹脂中に分散させた磁性粒子を遠心分離して、磁性層１１４ａと基材層１１４ｑとを作製する。同様に、磁性層１１４ｂと基材層１１４ｒとを作製し、さらに、磁性層１１４ｃと基材層１１４ｓとを作製する。後述する磁場をかけて磁性粒子を並べる方法でも作製することができる。
【０１１５】
あるいは、蒸着やエッチング、インクジェット等の方法によって、適宜な材料を積層していくことによって作製してもよい。
【０１１６】
図２３（ｂ）の要部拡大断面図に示した突起２１４は、ベース部材２１２から突起１１４が突出している方向に対し直角方向（図において左右方向）に間隔を設けて、磁性材料を含む磁性層２１４ａ、２１４ｂが形成されている。突起２１４は、柱状であっても板状であってもよい。磁性層２１４ａ、２１４ｂは、ベース部材２１２から突起１１４が突出している方向に延在している。
【０１１７】
突起２１４は、適宜な方法で作製することができる。前述と同様な手法で作製できるが、他の作製方法としては、例えば、未硬化の樹脂中に磁性粒子を分散させた状態で、磁性層２１４ａ、２１４ｂとなるべき部分を磁力線が通るように外部から磁場を加え、磁力線に沿って磁性粒子を鎖状に並べた後、樹脂を硬化させる。
【０１１８】
＜実施例５＞  実施例５について、図２４を参照しながら説明する。
【０１１９】
図２４（ａ）の要部拡大断面図に示すように、ベース部材３１２から突出している突起３１４の先端に、磁性材料を含む磁性層３１５が形成されている。
【０１２０】
図２４（ｂ）の要部拡大断面図に示す突起３１６のように、磁性層３１７が突起３１６の外周面３１６ｂまで延在していてもよい。
【０１２１】
突起３１４，３１６は、公知の従来技術を適用して、高さが１μｍ未満、例えば高さ５００ｎｍのものを容易に形成することができる。例えば、突起本体３１４ａ，３１６ａは、フォトレジストを用いたり、ナノインプリントの手法で作製する。磁性層３１５，３１７は、磁性材料の蒸着、スパッタリング、エッチングなどの手法によって形成する。磁性層３１５，３１７は２層以上で構成されてもよい。その場合には、層間に、磁性材料を含まない非磁性層が配置されていてもよい。
【０１２２】
突起３１４，３１６は、実施例２と同様に、ベース部材３１２に略平行な磁場を外部から加えることによって、隣接する突起の磁性層間の相互作用によって、変形させることができる。
【０１２３】
磁性層３１５，３１７が突起３１４，３１６の表面に露出しているので、外部磁場により磁性層３１５，３１７に作用する力は、突起の内部に磁性層が配置されている場合よりも大きくなる。そのため、効率的に突起３１５，３１７を変形させることができる。
【０１２４】
＜実施例６＞  実施例６について、図２５を参照しながら説明する。
【０１２５】
図２５の要部拡大断面図に示すように、ベース部材４１２から突出している突起４１４は、実施例２と同様に、磁性粒子を含む先端部４１５を有する。
【０１２６】
実施例２とは異なり、ベース部材４１２には、隣接する突起４１４の間に、磁性材料を含む磁束集中部４１０が配置されている。磁束集中部４１０は、蒸着等によって形成することができる。
【０１２７】
磁束集中部４１０は、外部からの磁束を収束させるので、平行な外部磁場を加えても、磁力線４１１が、磁束集中部４１０から隣接するそれぞの突起４１４の先端側に向けて広がる。そのため、隣接する突起４１４の先端は、矢印４１６で示すように、互いに接近する。
【０１２８】
このように、磁束集中部４１０を設けると、外部磁場を作用させることにより突起４１４の先端を開閉させ、例えば対象物を把持することができる。また、実施例２のような相互作用による駆動方法を組み合わせることによって、磁束集中部に隣接する特定の突起を他の突起とは異なる態様で変形させるなど、突起を複雑に変形させることができる。
【０１２９】
＜まとめ＞  以上に説明したように、弾性材料中に磁性粒子が分散された突起は、外部磁場を加えることにより、弾性変形させることができ、外部磁場を加える状態を変化させることにより、突起の変形態様（例えば、曲がる向きや曲がる量）を変えることができる。
【０１３０】
弾性材料中に磁性粒子を分散させた突起は、弾性体中に剛体のマイクロワイヤやフラップなどの単体を埋め込む場合よりも、容易に作製することができる。また、ナノレベルの微細な磁性粒子を用いて、ナノレベルまで構造を小型化することが容易である。
【０１３１】
また、実施例２のように相互作用を利用して駆動するようにすれば、全体のスケールをｎ倍にすると変位がｎ倍になるように構成することができ、全体のスケールをｎ倍にすると変位がｎ２倍になる場合と比べると、ナノレベルまで小型化しても駆動させることが容易である。
【０１３２】
また、実施例１〜４のように突起を周期的に配置すると、例えば２×２の突起による基本パターンについて外部磁場による突起の変形挙動を解析した結果から、基本パターンを繰り返すように突起を配置した場合の突起の変形挙動を容易に予測することができる。したがって、突起が周期的に配置されていると、設計が容易である。また、基本パターンの繰り返しにより、大面積のものを容易に作ることができる。
【０１３３】
なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、種々変更を加えて実施することが可能である。
【０１３４】
例えば、突起の形状が円柱形状の場合を例示しているが、突起の形状はこれに限るものではなく、用途に応じて適宜な形状を任意に選択することができる。例えば、角柱形状などの他の柱状形状、柱状形状以外の板状などの単純な形状のほか、先端側が丸い形状、先端側が細い形状、基端側が細い形状、中間部分が細い形状、初期形状が湾曲したり折れ曲がった形状など、複雑な形状とすることも可能である。また、突起の配列が正方格子状の場合を例示しているが、これに限るものではない。例えば、突起を千鳥状などに規則的に配列しても、さらには不規則に配列してもよい。
【０１３５】
突起の基材には任意の弾性材料を用いることができる。例えばアクリル系の弾性材料を用いれば、剛性が高くなるため、突起のアスペクト比を大きくすることが容易である。
【０１３６】
磁性粒子は、複数の粒子が集合した複合体粒子や膜で覆われていたりしてもよい。また、磁性を有しない材料を含んでいても構わない。
【０１３７】
突起を液中で駆動する場合を例示したが、突起を乾式で駆動することも可能である。この場合、突起表面を撥水加工することにより、空気中の水分等が突起の接離に悪影響を及ぼさないようにすることが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【０１３８】
本発明のマイクロ・ナノ構造体は、アクチュエータ、スイッチ、流体ポンプ、アンテナ、ポンプなどに応用することができる。
【０１３９】
例えば、突起先端の変位を利用して、突起先端で支持した被搬送物を所望の方向に移動させたり向きを変えたりするアクチュエータを提供することができる。また、隣接する突起の先端部の接離を利用して開閉するスイッチを提供することができる。また、隣接する突起の先端部の接離の態様を外部磁場によって変化させることによって特性が変わるアンテナを提供することができる。あるいは、突起の変形態様を変えることにより流路抵抗を変化させて、流体を所望の方向に移動させるポンプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１４０】
【図１】マイクロ構造体の斜視図である。（実施例１）
【図２】マイクロ構造体の断面図である。（実施例１）
【図３】マイクロ構造体の製造工程を示す断面図である。（実施例１）
【図４】鋳型の製造工程を示す断面図である。（実施例１）
【図５】マスクの平面図である。（実施例１）
【図６】作製したマイクロ構造体の写真である。（実施例１）
【図７】作製したマイクロ構造体の写真である。（実施例１）
【図８】突起を観察するシステムの構成図である。（実施例１）
【図９】突起を観察するシステムの要部拡大断面図である。（実施例１）
【図１０】磁場の強さと、磁石の移動距離と、磁力線の角度との関係を示すグラフである。（実施例１）
【図１１】磁石の移動距離と突起先端の変位との関係を示すグラフである。（実施例１）
【図１２】磁性粒子の濃度と突起先端の変位との関係を示すグラフである。（実施例１）
【図１３】マイクロ構造体の斜視図である。（実施例２）
【図１４】マイクロ構造体の断面図である。（実施例２）
【図１５】マイクロ構造体の製造工程を示す断面図である。（実施例２）
【図１６】遠心分離前の磁性粒子の濃度と突起先端部の体積率との関係を示すグラフである。（実施例２）
【図１７】作製したマイクロ構造体の写真である。（実施例２）
【図１８】突起を観察するシステムの構成図である。（実施例２）
【図１９】磁石の移動に伴う突起先端の変位を示す写真である。（実施例２）
【図２０】突起の位置の平面図である。（実施例３）
【図２１】突起の位置の平面図である。（実施例３）
【図２２】突起の位置の平面図である。（実施例３）
【図２３】突起の要部拡大断面図である。（実施例４）
【図２４】突起の要部拡大断面図である。（実施例５）
【図２５】突起の要部拡大断面図である。（実施例６）
【図２６】マイクロポストの説明図である。（従来例１）
【図２７】メンブレンを駆動するアクチュエータの説明図である。（従来例２）
【符号の説明】
【０１４１】
１０，１０ｘ  マイクロ構造体
１２  ベース部材
１２ａ  上面（主面）
１４，１４ｘ  突起
１４ａ  先端部
１４ｂ  基端部
１５  磁性粒子
【図１】
2008264959.tif 000003
【図２】
2008264959.tif 000004
【図３】
2008264959.tif 000005
【図４】
2008264959.tif 000006
【図５】
2008264959.tif 000007
【図８】
2008264959.tif 000008
【図９】
2008264959.tif 000009
【図１０】
2008264959.tif 000010
【図１１】
2008264959.tif 000011
【図１２】
2008264959.tif 000012
【図１３】
2008264959.tif 000013
【図１４】
2008264959.tif 000014
【図１５】
2008264959.tif 000015
【図１６】
2008264959.tif 000016
【図１８】
2008264959.tif 000017
【図２０】
2008264959.tif 000018
【図２１】
2008264959.tif 000019
【図２２】
2008264959.tif 000020
【図２３】
2008264959.tif 000021
【図２４】
2008264959.tif 000022
【図２５】
2008264959.tif 000023
【図２６】
2008264959.tif 000024
【図２７】
2008264959.tif 000025
【図６】
2008264959.tif 000026
【図７】
2008264959.tif 000027
【図１７】
2008264959.tif 000028
【図１９】
2008264959.tif 000029