JPH04272481A - Micro-machine operating method and phot0-drive micro-machine - Google Patents
Micro-machine operating method and phot0-drive micro-machineInfo
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Abstract
Description
【０００１】0001
【産業上の利用分野】本発明は、マイクロマシーンの操
作方法及び光駆動マイクロマシーンに関するものである
。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of operating a micromachine and a light-driven micromachine.
【０００２】0002
【従来の技術とその問題点】半導体微細加工技術を用い
て、μｍオーダの電気機械システムを作るＳｉマイクロ
マシーニング技術が知られている。[Prior Art and Its Problems] A Si micromachining technique is known that uses semiconductor microfabrication technology to create an electromechanical system on the μm order.
【０００３】このマイクロファブリケーションにおいて
、片持ち梁（カレンチレバー）やダイヤフラム構造等の
可動部を静電気力で弾性変形させる受動的な駆動法から
進展して、最近では、能動的な駆動法の提案、すなわち
マイクロ静電モータを試作しこれの連続回転に成功した
との報告や、特別な工夫を施したマイクロリニアモータ
の提案がある（静電気学会誌、第１４巻、第３号（１９
９０）１９５−２０１）。[0003] Microfabrication has progressed from passive drive methods in which movable parts such as cantilever beams and diaphragm structures are elastically deformed by electrostatic force, and recently active drive methods have been proposed. In other words, there are reports of success in continuous rotation of a prototype micro-electrostatic motor, and proposals for micro-linear motors with special innovations (Journal of the Society of Electrostatics, Vol. 14, No. 3 (1999)).
90) 195-201).
【０００４】マイクロファブリケーションにおける、こ
れら静電モータやリニアモータは、従来例と同様、すべ
て、駆動源を静電気力としている。[0004] All of these electrostatic motors and linear motors used in microfabrication use electrostatic force as a driving source, as in the conventional example.
【０００５】マイクロ静電モータでは、直径数１０〜２
００μｍのロータが放射状にポールを有し、極微小ギャ
ップをおいて、放射状に分割されたステータのポールに
相対し、両ポール間に数百ボルトの電圧を印加し、ギャ
ップ間に生じた静電引力によってロータを回転駆動する
構造が典型的である。[0005] Micro electrostatic motors have a diameter of several tens to two
A 00μm rotor has poles radially, and faces the radially divided poles of the stator with an extremely small gap.A voltage of several hundred volts is applied between both poles, and the electrostatic charge generated between the gaps is A typical structure is one in which the rotor is rotationally driven by attractive force.
【０００６】ところが、上記マイクロ静電モータにおい
て、ロータには軸受けが必須である。そして、ステータ
のポールとロータのポール間の極微小ギャップ長を維持
するために、ロータと軸受け間の寸法は可能な限リ短く
されねばならず、このために、ロータと軸受けの接触摩
擦は避けられないという問題がある。また、ロータの下
側が基板と接触するので、ここでの摩擦も生じ、さらに
ロータが静電引力で基板側に引きつけられ、基板との摩
擦力が増大して回転を大きく阻害する問題もある。この
問題を解決するために、確かに、ロータと基板との接触
面積を可能な限り小さくする工夫あるいはロータの下に
空気を流して基板から少し浮かせるようにして摩擦力を
軽減したり、表面に窒化膜等を形成して潤滑性を良くし
摩擦力を軽減する工夫はなされてはいるが、摩擦、摩耗
の問題は依然として回避しえない。However, in the micro electrostatic motor mentioned above, a bearing is essential for the rotor. In order to maintain the extremely small gap length between the stator pole and the rotor pole, the dimension between the rotor and the bearing must be made as short as possible, and for this reason, contact friction between the rotor and the bearing must be avoided. The problem is that it cannot be done. Furthermore, since the lower side of the rotor comes into contact with the substrate, friction occurs here, and furthermore, the rotor is attracted to the substrate side by electrostatic attraction, increasing the frictional force with the substrate and causing a problem that rotation is significantly inhibited. In order to solve this problem, it is true that there are ways to reduce the contact area between the rotor and the substrate as much as possible, or to let air flow under the rotor and raise it slightly above the substrate to reduce the frictional force. Although efforts have been made to improve lubricity and reduce frictional force by forming nitride films, etc., problems of friction and wear still cannot be avoided.
【０００７】もう一つの問題は、この連続回転するマイ
クロ静電モータから、どのようにして動力を取り出すか
という問題である。ロータの周囲にはステータがあり、
ステータには配線が施こされる。マイクロファブリケー
ションは、基本的には、平面的な構造体であり、ロータ
の駆動にステータが必須である以上、ロータに係合して
動力を取り出す部品をロータの近傍に配備することは極
めて困難である。Another problem is how to extract power from this continuously rotating micro-electrostatic motor. There is a stator around the rotor.
Wiring is provided to the stator. Microfabrication is basically a flat structure, and since a stator is essential to drive the rotor, it is extremely difficult to place parts that engage with the rotor and extract power near the rotor. It is.
【０００８】他方、リニアモータでは、摺動面に埋め込
んだ静電駆動用の電極に電圧を印加してスライダを駆動
する。そして、スライダを摩擦の影響を受けずに動かす
ため、すなわち摺動面からスライダを浮かせるために、
提案されているリニアモータでは、多数の空気ノズル孔
から空気を吹き上げる空気軸受けの原理に基づく浮上を
利用したり（Ｐｉｓｔｅｒ，Ｋ．Ｓ．Ｊ．，Ｆｅｒｒｉ
ｎｇ，Ｒ．Ｓ．ａｎｄＨｏｗｅ，Ｒ．Ｔ．，”Ａ Ｐ
ｌａｎａｒＡｉｒ Ｌｅｖｉｔａｔｅｄ Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｓｔａｔｉｃ Ａｃｔｕａｔｏｒ Ｓｙｓｔ
ｅｍ”ＭＥＭＳ’９０，ｐｐ１５９−１６５，Ｆｅｂ．
１９９０）、高温超電導体のマイスナ効果を利用した磁
気浮上を用いたりしている（Ｋｉｍ，Ｙ−Ｋ．，Ｋａｔ
ｓｕｒａｉ，Ｍ．ａｎｄ Ｆｕｊｉｔａ，Ｈ．，”Ｆ
ａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｅｓｔｉｎｇ
ｏｆ ａ Ｍｉｃｒｏ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕ
ｃｔｉｎｇ Ａｃｔｕａｔｏｒ Ｕｓｉｎｇ Ｍ
ｅｉｓｓｎｅｒ Ｅｆｆｅｃｔ”同上，ｐｐ６１−６
６．）。しかしながら、これらの手法では、特別な工夫
が必要とされる上、駆動のための部材、部品が大型化せ
ざるを得ず装置それ自体が大型化する欠点を有しておリ
、マイクロマシーンのより微小化にはなじまないし、ま
た、構造上長い作動距離を安定して確保するという点で
も問題がある。On the other hand, in a linear motor, a slider is driven by applying a voltage to an electrostatic drive electrode embedded in a sliding surface. In order to move the slider without being affected by friction, in other words, to float the slider from the sliding surface,
The proposed linear motor utilizes levitation based on the principle of an air bearing that blows air from a large number of air nozzle holes (Pister, K. S. J., Ferri et al.
ng, R. S. and Howe, R. T. ,”A P
lanarAir Levitated Elec
trostatic actuator system
em"MEMS'90, pp159-165, Feb.
(1990) and magnetic levitation using the Meissner effect of high-temperature superconductors (Kim, Y-K., Kat.
Surai, M. and Fujita, H. ,”F
Abrication and Testing
of a Micro Supercondu
cting Actuator Using M
"Eissner Effect" ditto, pp61-6
6. ). However, these methods require special ingenuity, and have the disadvantage that the drive members and parts must be larger, making the device itself larger. It is not suitable for further miniaturization, and there are also problems in terms of stably securing a long working distance due to the structure.
【０００９】[0009]
【発明の課題及び発明が解決しようとする課題】本発明
は、マイクロマシーンの可動子を駆動するのに電極を必
要としない新規な操作方法、新規な駆動手法を提供する
こと、及び電極のない新規なマイクロマシーンを提供す
ること、そして従米の駆動手法で最大の問題である摩擦
の問題を解決することを課題とする。Problems to be Solved by the Invention and Problems to be Solved by the Invention The present invention provides a novel operating method that does not require electrodes to drive a movable element of a micromachine, and a novel driving method that does not require electrodes. Our goal is to provide a new micromachine and solve the problem of friction, which is the biggest problem with the drive method of Jubei.
【００１０】0010
【発明の構成】本発明は、マイクロマシーンの可動子に
、エネルギ密度の高い電磁波ビーム、レーザビームを受
け取らせ、その放射圧により可動子を浮上、静止、駆動
することを基本的な特徴とする。[Structure of the Invention] The basic feature of the present invention is that a movable element of a micromachine receives an electromagnetic wave beam or a laser beam with high energy density, and the movable element is levitated, stationary, and driven by the radiation pressure. .
【００１１】可動子には、エネルギ密度の高い電磁彼ビ
ーム、レーザビームを直接照射する、あるいはエバネッ
セント場を介して間接的に導入する。[0011] The movable element is directly irradiated with an electromagnetic beam or laser beam having high energy density, or is introduced indirectly through an evanescent field.
【００１２】基板に対し、エネルギ密度の高い電磁彼ビ
ーム、レーザビームを上方から照射する、あるいは基板
に光導波路を作り、基板の側方から入射する。[0012] The substrate is irradiated with an electromagnetic beam or a laser beam having high energy density from above, or an optical waveguide is formed in the substrate and the beam is irradiated from the side of the substrate.
【００１３】[0013]
【作用原理】光の放射圧は、光の持つ運動量あるいは角
運動量の物理量が物体による散乱や吸収・反射で変化し
た場合に、運動量保存則及び角運動量保存則の規範によ
って散乱物体に生じるものである。この放射圧は一般に
マクロな世界では小さく問題にならないが、電磁波、光
のエネルギー密度が高く散乱物体が微小な場合では、そ
の散乱物体を移動可能なほどの力を生じる。光の運動量
が変化した場合と角運動量が変化した場今とでは発生す
る力が異なる。運動量変化では並進力が発生し、角運動
量変化では回転力が発生する。これらの力によって、並
進力では散乱物体であるマイクロマシーンの可動子を非
接触に浮上あるいは静止（制止）、移動をさせることが
でき、また回転力では可動子を非接触に回転させること
ができる。[Principle of action] Radiation pressure of light is generated in a scattering object according to the law of conservation of momentum and law of conservation of angular momentum when the physical quantity of momentum or angular momentum of light changes due to scattering, absorption, or reflection by an object. be. This radiation pressure is generally small and not a problem in the macroscopic world, but when the energy density of electromagnetic waves and light is high and the scattering object is minute, it generates enough force to move the scattering object. The force generated is different when the momentum of light changes and when the angular momentum changes. A change in momentum generates a translational force, and a change in angular momentum generates a rotational force. With these forces, the translational force allows the movable element of the micromachine, which is a scattering object, to float, stand still (stop), or move without contact, and the rotational force allows the movable element to rotate without contact. .
【００１４】まず、光の運動量変化によって発生する並
進力の作用について説明する。光の運動量変化によって
発生する並進力には、可動子を光の進行方向に駆動する
力と、光の強度分布にしたがって駆動する光の勾配力と
がある。これらの駆動力の大きさは可動子での光の散乱
の状態によって異なる。First, the action of translational force generated by a change in the momentum of light will be explained. The translational force generated by a change in the momentum of light includes a force that drives the movable element in the direction in which the light travels, and a gradient force of light that drives the movable element in accordance with the intensity distribution of the light. The magnitude of these driving forces differs depending on the state of light scattering in the movable element.
【００１５】光の進行方向に駆動する力Ｆ［Ｎ］を散乱
が等方的に起こると仮定して求めると、Ｆ＝ｎＰ／ｃ
と表わされる。ここでＰ［Ｗ］は散乱される光のエネル
ギー、ｎは周囲の屈折率で、ｃは真空中の光速［ｍ／ｓ
］である。この光の進行方向に駆動する力で可動子を移
動、静止、浮上させることができる。When the force F[N] driving the light in the traveling direction is determined on the assumption that scattering occurs isotropically, it is expressed as F=nP/c. Here, P[W] is the energy of the scattered light, n is the surrounding refractive index, and c is the speed of light in vacuum [m/s
]. The movable element can be moved, stopped, or levitated by the force that drives the light in the direction of travel.
【００１６】光の勾配力は、散乱物体の可動子あるいは
屈折率分布を持つ可動子を入射光の強度分布の不均一さ
を用いて入射光のある位置に捕捉する力である。この力
によって可動子を捕促し、移動、静止、浮上させること
ができる。光の勾配力では回転する可動子の中心を捕捉
することも可能であるので、マイクロ回転モータの軸受
けの作用を代替することもできる。The light gradient force is a force that traps a movable element of a scattering object or a movable element having a refractive index distribution at a certain position of the incident light by using the non-uniformity of the intensity distribution of the incident light. This force allows the movable element to be captured, moved, stationary, and floated. Since the gradient force of light can also capture the center of a rotating movable element, it can also replace the action of a bearing in a micro rotary motor.
【００１７】図１（Ａ）はこれを概略的に示している。
レンズにより集光されたレーザービーム１が、微細加工
された基板２の可動子３に照射されると、レーザービー
ム１は例えば同図（Ｂ）に示されるようなガウス分布の
強度分布をもち、このレーザ光の強度分布の不均一さに
より可動子３にはｘｙ平面上で光軸１ａ上に可動子３を
動かそうとする力が生じる。同時に、レーザービーム１
の集光点との間にも強度分布の差が生じているため、可
動子３には集光点に向かう方向、すなわちｚ方向に力が
はたらく。この力が可動子３にはたらいている重力と光
の並進力との和よりも大きいと、基板２から離れて浮上
し、あるつり合いの位置で静止する。レーザービーム１
の強度を変えたり、ビームを振ると、それに追随して可
動子３は移動する。FIG. 1A schematically shows this. When the laser beam 1 focused by the lens is irradiated onto the movable element 3 of the microfabricated substrate 2, the laser beam 1 has a Gaussian intensity distribution as shown in FIG. Due to the non-uniform intensity distribution of the laser beam, a force is generated in the movable element 3 that tends to move the movable element 3 along the optical axis 1a on the xy plane. At the same time, laser beam 1
Since there is a difference in intensity distribution between the light converging point and the light converging point, a force acts on the movable element 3 in the direction toward the converging point, that is, in the z direction. If this force is larger than the sum of the gravitational force acting on the movable element 3 and the translational force of the light, it floats away from the substrate 2 and comes to rest at a certain balanced position. laser beam 1
When the intensity of the beam is changed or the beam is swung, the movable element 3 moves accordingly.
【００１８】光の運動量変化による作用は、空間を伝播
する光によつて発生するだけでなく、図２に示すように
、基板に設けた光導波路１０のコア部の外側のクラッド
部に存在するエバネッセント場１２によっても発生する
。クラッド部を気体あるいは真空にして光１１を伝播さ
せると、光導波路１０上部のエバネッセント場中に可動
１３，１４を置くことができる。エバネッセント場１２
は光導波路１０からの距離に対してエクスポーネンシャ
ルに減衰し、一般に、光の波長程度の距離の中に存在す
る。減衰の速さは、光導波路の構造、波長、導波モード
等に依存しており、これらを適当に選ぶことにより、減
衰の速さを制御可能である。光波結合いわゆるカップリ
ングをおこす物質でできた可動子１３，１４が、このエ
バネッセント場中に存在すれば可動子の位置で光が放射
され、この反作用で力が発生する。可動子１３，１４に
よる散乱光１５，１６の散乱が等方的に起こると仮定す
ると、図２（Ｂ）に示すように、光導被路１０中を伝播
してきた光の方向と同じ向きに力Ｆが発生する。つまり
、可動子に発生する光の放射圧は、可動子を光導波路中
の光の伝送方向に押すとともに、可動子を浮上させる力
も発生する。そのため可動子を波長程度の微小な高さに
浮上させた状態で駆動することができ、可動子と光導波
路との間に発生する摩擦の問題を解決することができる
。なお、臨界角θが９０゜であっても放射圧は発生する
。The effect due to the change in the momentum of light is not only caused by light propagating in space, but also exists in the cladding portion outside the core portion of the optical waveguide 10 provided on the substrate, as shown in FIG. It is also generated by the evanescent field 12. When the light 11 is propagated by making the cladding part a gas or a vacuum, the movable parts 13 and 14 can be placed in the evanescent field above the optical waveguide 10. Evanescent field 12
is exponentially attenuated with respect to the distance from the optical waveguide 10, and generally exists within a distance of about the wavelength of light. The speed of attenuation depends on the structure of the optical waveguide, wavelength, waveguide mode, etc., and by appropriately selecting these, the speed of attenuation can be controlled. If movable elements 13 and 14 made of a material that causes light wave coupling, so-called coupling, exist in this evanescent field, light is emitted at the position of the movable element, and a force is generated by this reaction. Assuming that the scattering of the scattered lights 15 and 16 by the movers 13 and 14 occurs isotropically, as shown in FIG. F occurs. In other words, the radiation pressure of the light generated in the movable element pushes the movable element in the direction of light transmission in the optical waveguide, and also generates a force that causes the movable element to levitate. Therefore, the movable element can be driven while floating at a height as small as the wavelength, and the problem of friction occurring between the movable element and the optical waveguide can be solved. Note that radiation pressure is generated even if the critical angle θ is 90°.
【００１９】また光導波路中を伝播する導波モードの光
は可動子の位置まで伝播し、そこで可動子によって散乱
されるため、光を低損失で伝送できる光導波路の特徴を
利用でき効率の良い駆動が可能となる。またエバネッセ
ント場は、光導波路から離れるに従って急激に減少して
、光導波路上部での一回の全反射で可動子に散乱され光
は、可動子が光導波路と離れるに従って少なくなる。
しかし、光は光導波路中を多重反射して進むため、可動
子の長さが充分であれば光導波路を伝播する総ての光を
可動子で吸収しこれを散乱させることができる。このた
め光の利用効率が非常に良くなる作用がある。Furthermore, the light in the waveguide mode that propagates in the optical waveguide propagates to the position of the movable element, where it is scattered by the movable element, so the characteristic of the optical waveguide that allows light to be transmitted with low loss can be utilized, resulting in high efficiency. Driving becomes possible. Further, the evanescent field rapidly decreases as it moves away from the optical waveguide, and the light that is scattered by the movable element by one total reflection at the top of the optical waveguide decreases as the movable element moves away from the optical waveguide. However, since light propagates through the optical waveguide through multiple reflections, if the length of the movable element is sufficient, the movable element can absorb all the light propagating through the optical waveguide and scatter it. This has the effect of greatly improving the efficiency of light use.
【００２０】次に光の角運動量変化によって発生する回
転力について説明する。円偏光光は、ｈ／２π（ｈはプ
ランクの定数）だけの角運動量を持つことが知られてい
るが、この角運動量を可動子に与えて可動子を回転させ
ることができる。これは次のように説明できる。すなわ
ち、まず円偏光のフォトンが可動子に吸収されるとフォ
トンのもつ角運動量は可動子に与えられる。その後ラン
ダムな偏光で再放出が起これば再放出による影響は相殺
され、吸収によってえた角運動量は可動子に残ることに
なる。この角運動量によって可動子は駆動力を得るもの
である。１Ｗのアルゴンレーザー（波長５１４．５ｎｍ
）のフォトンが全て同じ方向の円偏光になっていて、か
りにその１パーセントが可動子の駆動に使われたとすれ
ば、可動子がうるトルクは２．７２×１０−１８Ｎｍと
なる。しかし実際には可動子が円偏光の角運動量をどれ
だけ受け取るかは可動子の大きさや形状、それに入射す
るレーザー光のプロファイル等に依存しており、厳密な
理論は未だ得られてはいない。Next, the rotational force generated by the change in angular momentum of light will be explained. It is known that circularly polarized light has an angular momentum of h/2π (h is Planck's constant), and this angular momentum can be applied to the movable element to rotate the movable element. This can be explained as follows. That is, when a circularly polarized photon is first absorbed by the movable element, the angular momentum of the photon is given to the movable element. If re-emission then occurs with randomly polarized light, the effect of re-emission will be canceled out, and the angular momentum gained by absorption will remain in the movable element. The movable element obtains driving force from this angular momentum. 1W argon laser (wavelength 514.5nm)
) are all circularly polarized in the same direction, and if 1% of them are used to drive the mover, the torque produced by the mover is 2.72 x 10-18 Nm. However, in reality, how much angular momentum of circularly polarized light the movable element receives depends on the size and shape of the movable element, the profile of the laser beam incident on it, etc., and a strict theory has not yet been established.
【００２１】[0021]
【実施例】空間を伝播する光による放射圧で発生する並
進力で駆動されるレーザマイクロマシーンの実施例につ
いて説明する。レーザービームの入射方法としては、図
１に示したような可動子の上方から入射する方法と、光
導波路を用いて側方から導入する方法とがある。上方か
らレーザービームを与える方法は態様としてはほぼ限ら
れるので主として基板の側方からレーザービームを導入
する異なる態様を示す。[Embodiment] An embodiment of a laser micromachine driven by a translational force generated by radiation pressure due to light propagating in space will be described. The laser beam may be introduced from above the movable element as shown in FIG. 1, or from the side using an optical waveguide. Since the method of applying a laser beam from above is almost limited in terms of embodiments, a different embodiment in which the laser beam is introduced from the side of the substrate will be mainly shown.
【００２２】図３は、レーザー光３１，３２を分断した
２つの光導波路３３，３４を用いて基板３５の側方から
導入するマイクロリニアモータの概略構成を示し、可動
子３６をガイド溝３７内の基板上で直線的に移動し、ま
た静止させうる実施例を示している。FIG. 3 shows a schematic configuration of a micro-linear motor in which laser beams 31 and 32 are introduced from the side of a substrate 35 using two optical waveguides 33 and 34 in which they are separated, and a movable element 36 is inserted into a guide groove 37. An embodiment is shown in which the device can be moved linearly on a substrate and also can be stationary.
【００２３】図４は光導波路４１を用いてレーザービー
ム４２を横から導入し、光導波路４１の端面から射出し
た光を反射面４３で直角上方に反射し、可動子４４の下
方からビームを可動子４４に入射させて、可動子を浮上
、静止させる浮上モータの実施例を示している。微細加
工された基板４５には、エッチング等により可動子４４
の受け部４６や光の通路４７などが形成されている。In FIG. 4, a laser beam 42 is introduced from the side using an optical waveguide 41, the light emitted from the end face of the optical waveguide 41 is reflected upward at right angles by a reflecting surface 43, and the beam is moved from below a movable element 44. An embodiment of a levitation motor is shown in which the movable element is made to levitate and remain stationary by being incident on the movable element 44. A movable member 44 is formed on the finely processed substrate 45 by etching or the like.
A receiving portion 46, a light passage 47, etc. are formed.
【００２４】また図５はマイクロ回転モータの平面図で
あり、一つあるいは複数の光導波路５１，５２，…を用
いて光を微細加工された基板５３の側方から導入し、一
つあるいは複数の腕５４，…をもつ水車型の回転子５５
を駆動する回転モータの例を示している。もちろん、こ
の回転子５５に上方からレーザービームを照射し、若干
浮かせた状態で回転駆動するようにしてもよい。FIG. 5 is a plan view of the micro rotary motor, in which light is introduced from the side of a finely machined substrate 53 using one or more optical waveguides 51, 52, . A waterwheel-shaped rotor 55 with arms 54,...
An example of a rotary motor that drives the is shown. Of course, the rotor 55 may be irradiated with a laser beam from above and rotated in a slightly floating state.
【００２５】なお、実験により、上記の並進力による駆
動は確認している。後述の装置システムとほぼ同様の構
成で顕微鏡を用いたマイクロマシーンの駆動実験を行っ
た。光源はアルゴンイオンレーザ（波長５１４．５ｎｍ
）で落射顕微鏡を用いてレーザ光を集光する。そしてこ
のシステムにより基板ガラス上で横方向に２次元的操作
を行った場合、１μｍ〜十数μｍのポリスチレン製の可
動子を水中で１０〜１００μｍ／ｓの速さで移動できる
ことを確認し、また、顕微鏡対物レンズのＮＡ（開口数
）を大きくして縦方向にも３次元的操作を行ったとき、
１μｍ〜十数μｍのポリスチレン製の可動子を水中で光
軸方向に、１〜１０μｍ／ｓの速さで移動できることを
確認している。It should be noted that driving by the above-mentioned translational force has been confirmed through experiments. We conducted a micromachine drive experiment using a microscope with almost the same configuration as the device system described below. The light source is an argon ion laser (wavelength 514.5 nm)
) to focus the laser beam using an epi-illumination microscope. We also confirmed that this system can move a polystyrene mover of 1 μm to more than 10 μm in water at a speed of 10 to 100 μm/s when two-dimensional operations are performed in the lateral direction on a glass substrate. , when the NA (numerical aperture) of the microscope objective lens is increased and three-dimensional operation is performed in the vertical direction,
It has been confirmed that a polystyrene mover with a diameter of 1 μm to more than 10 μm can be moved in water in the optical axis direction at a speed of 1 to 10 μm/s.
【００２６】又、可動子を浮上させる場合、電磁波ない
しレーザ光のエネルギー密度と浮上力の大きさとの関係
を計算によって求めている。水玉にエネルギー密度１Ｗ
を適するとき、直径が１００μｍの水玉では５×１０−
９Ｎの力が生じ、直径が１０μｍの水玉では５×１０−
１２Ｎである。最近では、出力が１０Ｗの半導体レーザ
もあり、水の比重と可動子とすべき物質の比重を合わせ
考慮すると、可動子の大きさは、数μｍ〜１００μｍが
妥当である。When the movable element is levitated, the relationship between the energy density of electromagnetic waves or laser light and the magnitude of the levitation force is determined by calculation. Energy density 1W in polka dots
For a drop of water with a diameter of 100 μm, 5×10−
A force of 9 N is generated, and for a drop of water with a diameter of 10 μm, the force is 5 × 10 −
It is 12N. Recently, there are semiconductor lasers with an output of 10 W, and considering the specific gravity of water and the specific gravity of the substance to be used as the movable element, the appropriate size of the movable element is several μm to 100 μm.
【００２７】尚、光の勾配力を用いる場合には、可動子
は、適用する電磁波ないしレーザ光の波長に対しその透
明性を考慮することが必要である。When using the gradient force of light, it is necessary to consider the transparency of the movable element with respect to the wavelength of the applied electromagnetic wave or laser light.
【００２８】次に、光導波路のクラッド部のエバネッセ
ント場に存在する可動子を駆動するレーザマイクロマシ
ーンの実施例を説明する。Next, an embodiment of a laser micromachine for driving a movable element existing in an evanescent field of a cladding portion of an optical waveguide will be described.
【００２９】図６は、作動距離の長いマイクロリニアモ
ータの実施例である。基板６１上に形成した光導波路６
２を通してレーザ光を低損失で伝送し、可動子の位置に
存在するエバネッセント場から可動子６３は光の放射圧
を受け駆動力を得る。可動子６３が移動しても、光導波
路６２上であればどこにでもエバネッセント場が存在す
る状態にあるので、可動子６３の位置に関係なくこれを
駆動することができる。また同じ光導波路６２に２方向
から光を入射できるようにしてあるので、それぞれの光
強度を変化させることによって、可動子６３を光導波路
上を自由に移動、静止させることができる。可動子６３
の形状は、球、半球、縦おきの円柱、横置き（ころがり
）の円柱、角柱等が用いられるが、効率よく駆動するた
めに、可動子に光を等方的に散乱する構造、例えば図示
のように上部に凹凸部６４を形成したものや、力Ｆの作
用する方向の光を反射する構造（可動子６３の内部に正
反射する構造）を設けるFIG. 6 shows an embodiment of a micro linear motor with a long working distance. Optical waveguide 6 formed on substrate 61
Laser light is transmitted through the movable element 2 with low loss, and the movable element 63 receives the radiation pressure of the light from the evanescent field existing at the position of the movable element and obtains a driving force. Even if the movable element 63 moves, the evanescent field exists anywhere on the optical waveguide 62, so the movable element 63 can be driven regardless of its position. Further, since light can be input into the same optical waveguide 62 from two directions, the movable element 63 can be freely moved and stopped on the optical waveguide by changing the respective light intensities. Mover 63
The shapes used include a sphere, a hemisphere, a vertically arranged cylinder, a horizontally placed (rolling) cylinder, a square cylinder, etc., but in order to drive efficiently, a structure that scatters light isotropically on the mover, such as the one shown in the figure, is used. A structure with a concavo-convex portion 64 formed on the upper part as shown in FIG.
【００３０】図７には光導波路からのエバネッセント場
によつて回転させる回転モータの実施例を示す。回転ロ
ータ７１の上部には光を散乱させるための構造７２があ
り、それぞれの光導波路７３〜７５からのエバネッセン
ト場よりの放射光を散乱させて回転駆動力を得る。この
例で明らかなように、回転ロータ７１には動力を取り出
すためのマイクロギア７７が設けてあり、これにかみ合
うように、回転ロータ７１に一部重なり合って、動力取
り出し用のマイクロギア７８が基板７９に形成されてい
る。FIG. 7 shows an embodiment of a rotary motor that is rotated by an evanescent field from an optical waveguide. There is a structure 72 for scattering light on the upper part of the rotating rotor 71, which scatters the emitted light from the evanescent field from each of the optical waveguides 73 to 75 to obtain rotational driving force. As is clear from this example, the rotating rotor 71 is provided with a micro-gear 77 for extracting power, and the micro-gear 78 for extracting power is partially overlapped with the rotating rotor 71 so as to mesh with the micro-gear 77 on the substrate. 79.
【００３１】図８には、光導波路からのエバネッセント
場によって回転させる可逆回転モータの実施例を示して
いる。光導波路８１、８２へ入射する光の組合わせて上
部に構造８３をもった回転子８４の回転方向を変えるこ
とが可能となっている。右回させる場合は、矢印ｃのよ
うにそれぞれの光導波路に光を入射し、左回転させる場
合は、矢印ａｃのようにそれぞれの光導波路に光を入射
する。なお、ギア８５は回転子８４に設けられており、
基板８６に立設された回転軸８７の回りを回る。軸８９
に支承されたマイクロギア８８にこのギア８５の動力が
伝達される。FIG. 8 shows an embodiment of a reversible rotary motor that is rotated by an evanescent field from an optical waveguide. By combining the light incident on the optical waveguides 81 and 82, it is possible to change the direction of rotation of a rotor 84 having a structure 83 thereon. When rotating clockwise, light is input into each optical waveguide as shown by arrow c, and when rotating counterclockwise, light is input into each optical waveguide as shown by arrow ac. Note that the gear 85 is provided on the rotor 84,
It rotates around a rotating shaft 87 erected on a substrate 86. axis 89
The power of this gear 85 is transmitted to a micro gear 88 supported by.
【００３２】なお、エバネッセント場に存在する可動子
を駆動する実証例は、次のようにして行った。すなわち
、全反射角以上の入射角で斜め下方よりレーザ光を入射
して、サファイアのシリンドリカルレンズ表面にエバネ
ッセント場を励起し、そこに存在する可動子を駆動した
。可動子の運動の様子をシリンドリカルレンズ上方にあ
る顕微鏡を用いて観察する。その結果、水中でポリスチ
レン製の可動子を臨界角以上の入射角の場合での、エバ
ネッセント場中で駆動できることを確認している。光導
波路上の可動子についてもこの実験の延長として考えて
何等差し支えがない。この実証例により光導波路のクラ
ッド部のエバネッセント場中の可動子の静止及び移動が
可能であることが分かる。A demonstration example of driving a mover existing in an evanescent field was conducted as follows. That is, laser light was incident obliquely from below at an incident angle greater than the total reflection angle to excite an evanescent field on the surface of the sapphire cylindrical lens and drive the movable element present there. The movement of the mover is observed using a microscope placed above the cylindrical lens. As a result, we confirmed that it is possible to drive a polystyrene mover underwater in an evanescent field at an incident angle greater than the critical angle. There is no problem in considering the movable element on the optical waveguide as an extension of this experiment. This demonstration example shows that it is possible to keep the movable element stationary and move in the evanescent field of the cladding part of the optical waveguide.
【００３３】また、上記に示した光導波路へは、レーザ
からの出力光を直接その端面に入射させる、あるいは光
ファイバで導光して入れる手法があるが、モードのミス
マッチで損失が大きいので、好ましくはプリズムを使い
エバネッセント場を励起して導入するのがよい。[0033]Also, there are methods to input the output light from the laser directly into the end face of the optical waveguide shown above, or to guide the light through an optical fiber, but since the loss is large due to mode mismatch, Preferably, a prism is used to excite and introduce the evanescent field.
【００３４】光導波路は、例えば基板がシリコンＳｉで
あれば、ＳｉＯ２装荷／Ｔｉ：ＬｉＮｂＯ３などの材質
とすることができる。作成については、光集積回路と同
様の手法をとることができる。エッチングによってもま
たスパッタリングによってでもよく、公知の各種手法が
採用できる。For example, if the substrate is silicon Si, the optical waveguide can be made of a material such as SiO2-loaded/Ti:LiNbO3. For creation, the same method as for optical integrated circuits can be used. Etching or sputtering may be used, and various known methods can be used.
【００３５】次に、円偏光の角運動量を利用した回転モ
ータの実証例を示す。図９はその実験システムの慨要を
示し、顕微鏡９６を用いてレーザ光を集光して可動子を
回転させることを試みた。レーザ９１はアルゴンイオン
レーザ（波長５１４．５ｎｍ）で上下動可能なｘｙステ
ージに乗せた試料９８付近のレーザ光強度は約５ｍＷで
ある。可動子は、ポリスチレン製で径７μｍの半球形を
しており、ガラス基板上に存在させている。まわりの媒
質は水である。この可動子を円偏光の角運動量で１回転
あたり、５０秒の速さで回転させることができた。直線
偏光の状態では回転が起こらず、これより円偏光の角運
動量で回転していると結諭できる。Next, a demonstration example of a rotary motor using the angular momentum of circularly polarized light will be shown. FIG. 9 shows the outline of the experimental system, in which an attempt was made to focus laser light using a microscope 96 and rotate the movable element. The laser 91 is an argon ion laser (wavelength: 514.5 nm), and the laser beam intensity near the sample 98 placed on an xy stage that can move up and down is about 5 mW. The mover is made of polystyrene and has a hemispherical shape with a diameter of 7 μm, and is placed on a glass substrate. The surrounding medium is water. This mover could be rotated at a speed of 50 seconds per revolution using the angular momentum of circularly polarized light. In the state of linearly polarized light, no rotation occurs, and from this we can conclude that rotation occurs due to the angular momentum of circularly polarized light.
【００３６】また、別の長径７μｍの回転だ円体形をし
たポリスチレン製の回転子について実験したところ、円
偏光の回転方向を逆にすれば逆回転することを確認した
。この回転子は、ガラス基板上に存在しまわりは水であ
る。右回転は１回転約９０秒で回転し、左回転は１回転
９００秒で回転した。右回りと左回りとで回転速度が異
なるのは左回転の途中で可動子が基板ガラスに吸着され
ていたものと考えている。この実証例により円偏光を用
いた回転モータの実現性が示される。[0036] Furthermore, when we conducted an experiment on another polystyrene rotator in the shape of a rotating ellipsoid with a major axis of 7 μm, we confirmed that if the direction of rotation of circularly polarized light was reversed, the rotor would rotate in the opposite direction. This rotor exists on a glass substrate and is surrounded by water. One rotation to the right took about 90 seconds, and one rotation to the left took 900 seconds. We believe that the difference in rotational speed between clockwise and counterclockwise rotations is because the mover was attracted to the substrate glass during counterclockwise rotation. This demonstration example demonstrates the feasibility of a rotary motor using circularly polarized light.
【００３７】この駆動法の特徴として、入射する電磁場
が光の周波数で振動するので、回転子の回転速度が速く
なってもトルクを与え続けることが可能であること、構
造が非常に簡単化去れること、ロータの角度によるトル
クの変動が原理的に存在しないことが挙げられる。また
、強度分布を持つビームを用いると、光の勾配力により
回転子を捕捉して回転させることも可能であるので、軸
受けを単純化することができる特徴をもっている。The characteristics of this driving method are that since the incident electromagnetic field oscillates at the frequency of light, it is possible to continue applying torque even when the rotation speed of the rotor increases, and the structure is extremely simple. In principle, there is no variation in torque due to the angle of the rotor. Furthermore, when a beam with an intensity distribution is used, it is possible to capture and rotate the rotor by the gradient force of the light, which has the feature that the bearing can be simplified.
【００３８】以下に円偏光の角運動量を用いて駆動する
マイクロマシーンの実施例を示す。図１０は、徴細加工
した基板１０７に設けた回転子１０５に集光させた円偏
光のレーザービーム１０６を基板１０７の上方から照射
する例である。レーザービーム１０６の勾配力により回
転子１０５を基板１０７から浮き上がらせている。同時
に円偏光の角運動量により回転子１０５は回転する。An example of a micromachine driven using the angular momentum of circularly polarized light will be shown below. FIG. 10 shows an example in which a circularly polarized laser beam 106 focused on a rotator 105 provided on a finely processed substrate 107 is irradiated from above the substrate 107 . The rotor 105 is lifted off the substrate 107 by the gradient force of the laser beam 106. At the same time, the rotator 105 rotates due to the angular momentum of the circularly polarized light.
【００３９】図１１は基板１１５に形成した光導波路１
１１を用い反射面１１３によって回転子１１４の下方か
らこれを照射して回転子１１４を回転駆動する実施例を
示している。回転子１１４の中央部分に円偏光のレーザ
ービームを照射し、かつこのレーザ光の光勾配力で回転
子１１４の回転軸線に捕捉している。そのため、回転子
を回転軸に保持するための軸受けがいらなくなる。また
、回転子１１４にλ／４の位相遅れをあたえることので
きる複屈折性結晶を用いると効果的に駆動することが可
能となる。これは、複屈折性結晶で円偏光が直線偏光に
なるため、入射する円偏光の持つ角運動量の総てを回転
子である複屈折性結晶に与えることができるためである
。これらの回転子は、入射する円偏光の回転方向を逆に
すると逆回転させることができる。FIG. 11 shows the optical waveguide 1 formed on the substrate 115.
11 is used to irradiate the rotor 114 from below through a reflective surface 113 to drive the rotor 114 in rotation. A circularly polarized laser beam is irradiated onto the central portion of the rotor 114, and the laser beam is captured on the rotation axis of the rotor 114 by the optical gradient force of the laser beam. Therefore, there is no need for a bearing to hold the rotor on the rotating shaft. Furthermore, if a birefringent crystal capable of imparting a phase delay of λ/4 to the rotor 114 is used, it becomes possible to drive the rotor 114 effectively. This is because circularly polarized light becomes linearly polarized light in a birefringent crystal, so that all of the angular momentum of the incident circularly polarized light can be imparted to the birefringent crystal, which is a rotator. These rotators can be rotated in the opposite direction by reversing the direction of rotation of the incident circularly polarized light.
【００４０】図１２に、回転子１２１に磁気光学効果を
おこす性質をもつ結晶体１２２を備えた回転モータの実
施例を示す。ＹＩＧ等の磁気光学効果を生じる性質をも
つ結晶は強い円偏光二色性をもっている。この円偏光二
色性によって結晶は一方向の回転の円偏光を良く吸収す
る。この性質を利用して、ＹＩＧ等の結晶体を回転子に
用いることにより、入射光を円偏光にすることなく簡単
に回転駆動することが可能である。これにより一方向回
転の回転モータを作ることができる。FIG. 12 shows an embodiment of a rotary motor in which a rotor 121 is provided with a crystal body 122 having a property of producing a magneto-optical effect. Crystals such as YIG that have the property of producing a magneto-optical effect have strong circular dichroism. Due to this circular dichroism, the crystal absorbs circularly polarized light of rotation in one direction well. By utilizing this property and using a crystal such as YIG as a rotator, it is possible to easily rotate the incident light without making it circularly polarized. This makes it possible to create a rotary motor that rotates in one direction.
【００４１】図１３に回転子１３１に複屈折性結晶体１
３２を用いた実施例を示す。λ／４の位相遅れを与える
ことのできる複屈折性結晶をこのように用い入射光を直
線偏光にすると、例えばＥＯモジュレータにより入射光
の偏光面を回転させ、それに追随して回転子１３１を回
転させることができる。これは、入射光の偏光方向と結
晶体１３２の位相遅れが生じる方向とが直交した場合、
偏光方向が回転すれば、それにつれて結晶体１３２にも
同じ方向の回転力が発生するためである。これによって
、偏光面の回転と同期したステッピングモータを構成す
ることができる。In FIG. 13, a birefringent crystal 1 is mounted on a rotor 131.
An example using No. 32 will be shown. When a birefringent crystal that can give a phase delay of λ/4 is used in this way to make the incident light into linearly polarized light, the polarization plane of the incident light is rotated by, for example, an EO modulator, and the rotator 131 is rotated accordingly. can be done. This means that when the polarization direction of the incident light and the direction in which the phase delay of the crystal body 132 occurs are perpendicular to each other,
This is because when the polarization direction rotates, a rotational force in the same direction is generated in the crystal body 132 as well. This makes it possible to configure a stepping motor that is synchronized with the rotation of the polarization plane.
【００４２】また、偏光面との角度によって著しく散乱
断面積が変化するような形状の回転子（例えば回転非対
称）を用いて、偏光面の回転と同じ回転を起こすステッ
ピングモータが構成できる。図１４はこの実施例を示す
もので、入射光１４４の偏光面を回転させると、ロータ
１４１の中央部１４２の散乱断面積が変化する。この散
乱断面積の変化が少なくなるようにロータ１４１は回転
する。そのためロータは偏光面の回転につれて回転する
。Furthermore, by using a rotator shaped so that the scattering cross section changes significantly depending on the angle with the plane of polarization (for example, rotationally asymmetric), a stepping motor that causes the same rotation as the rotation of the plane of polarization can be constructed. FIG. 14 shows this embodiment, and when the polarization plane of the incident light 144 is rotated, the scattering cross section of the central portion 142 of the rotor 141 changes. The rotor 141 rotates so that this change in scattering cross section is reduced. Therefore, the rotor rotates as the plane of polarization rotates.
【００４３】図１５、図１６、図１７は、応用例を示し
ている。FIGS. 15, 16, and 17 show examples of application.
【００４４】図１５は、微細加工したはばん１５１の光
導波路１５２にレーザ光を通し、その光強度によって、
上面に反射面１５３を形成した板状体１５４に波長程度
の上下動をさせるものである。この振動板１５４は、反
射面１５３に入射する光１５５に波長程度の光路長の変
化を与えて、反射光とする。例えば、干渉計に応用でき
るものである。FIG. 15 shows that a laser beam is passed through an optical waveguide 152 of a microfabricated bag 151, and depending on the light intensity,
A plate-like body 154 having a reflective surface 153 formed on its upper surface is moved up and down by about the wavelength. The diaphragm 154 changes the optical path length of the light 155 that is incident on the reflecting surface 153 by approximately the wavelength, and converts the light 155 into reflected light. For example, it can be applied to interferometers.
【００４５】図１６は基板１６１に２つの平行な光導波
路１６２，１６３を形成し、その上に中央を支持部材１
６４で支持したシーソ形式の板状体１６５を配置し、板
状体１６５の上面には反射面１６６を設けた構造である
。導波路１６２，１６３に通す光の強度差に応じて板状
体１６５は傾きを変え、反射面１６６への入射光の反射
方向を変える偏向器の作用をなす。In FIG. 16, two parallel optical waveguides 162 and 163 are formed on a substrate 161, and a support member 1 is placed on the center of the waveguides.
It has a structure in which a see-saw type plate-like body 165 supported by 64 is disposed, and a reflective surface 166 is provided on the upper surface of the plate-like body 165. The plate-shaped body 165 changes its inclination according to the difference in intensity of the light passing through the waveguides 162 and 163, and functions as a deflector that changes the direction of reflection of the incident light on the reflecting surface 166.
【００４６】図１７は、基板１７１に導波路１７２を形
成し、その端面から出た光を反射面１７３で上方へ導き
、基板１７１に作成したカレンチレバー１７４の中央に
照射する。カレンチレバー１７４の上面には反射面１７
５が形成してあり、ここに入社して来た光１７６はカレ
ンチレバー１７４の微小な弾性変形により、反射光１７
７を振る、ビーム偏向器を構成している。In FIG. 17, a waveguide 172 is formed on a substrate 171, and light emitted from its end face is guided upward by a reflecting surface 173 and irradiated onto the center of a cantilever lever 174 formed on the substrate 171. A reflective surface 17 is provided on the top surface of the calencil lever 174.
5 is formed, and the light 176 entering here is reflected by the reflected light 17 due to minute elastic deformation of the calent lever 174.
7, it constitutes a beam deflector.
【００４７】以上の三つの応用例は、共通して、光によ
って光を制御するという特徴を持っている。The above three application examples have in common the feature that light is controlled by light.
【００４８】図１８は、ワンチップ化したマイクロリニ
アモータを摸式的に示している。基板１８１に光導波路
１８２を形成し、中央部にスライダ１８３が往復動する
スライダ溝１８４を形成し、光導波路１８２の両端には
、発振したレーザ光を損失なく光導波路１８２に光導で
きるように光集積回路などに多用される光結合部を介し
てレーザダイオード１８５、１８６が設けられている。FIG. 18 schematically shows a one-chip micro linear motor. An optical waveguide 182 is formed on a substrate 181, a slider groove 184 in which a slider 183 reciprocates is formed in the center, and optical grooves are formed at both ends of the optical waveguide 182 so that the oscillated laser beam can be optically guided to the optical waveguide 182 without loss. Laser diodes 185 and 186 are provided via an optical coupling section that is often used in integrated circuits and the like.
【００４９】上記の実施例において、可動子は、基板の
微細加工により作成されるもののほか、外部で作って、
外部から基板に持ち込んだものであってもよい。外部か
ら持ち込むとき、レーザトラッピングにより微細加工さ
れた基板に据え置いたり、予め可動子用に作り付けた可
動子の保持部に据え付けるようにしてもよい。In the above embodiments, the mover may be made by microfabrication of the substrate or may be made externally.
It may be something brought into the board from outside. When brought in from the outside, it may be placed on a substrate that has been microfabricated by laser trapping, or it may be installed on a holder of a movable element that has been prepared for the movable element in advance.
【００５０】尚、実施例は、電磁波ビーム、レーザービ
ームによる可動子の駆動について説明したが、本発明は
、可動子の静電駆動と併用することを妨げるものではな
い。[0050] Although the embodiments have been described in terms of driving the movable element by an electromagnetic wave beam or a laser beam, the present invention does not preclude use in combination with electrostatic driving of the movable element.
【００５１】[0051]
【発明の効果】以上の説明のように、マイクロマシーン
の可動子にエネルギー密度の大きい電磁波ビーム、レー
ザービームを適用するだけで可動子に駆動力をはたらか
せることができ、マイクロマシーンの可動子を非接触、
非電力で駆動できるとともに、力を媒介するものがない
非媒質の場においても駆動することができる。これによ
って、従来手法では困難であった可動子を浮上させるこ
とや、浮上させた状態で駆動することができ、接触によ
る摩擦をなくすことが可能であるとともに、可動子の周
囲に可動子に直接係合する形で動力を取り出す部品、部
材を設けることができる。[Effects of the Invention] As explained above, a driving force can be applied to the movable element of a micromachine simply by applying an electromagnetic wave beam or a laser beam with high energy density to the movable element of the micromachine. contactless,
It can be driven without electric power, and it can also be driven in a non-medium field where there is no force mediating force. This makes it possible to levitate the movable element, which was difficult with conventional methods, and drive it in a floating state, eliminating friction caused by contact. It is possible to provide parts and members that extract power in an engaged manner.
【００５２】本発明のように、光導波路を通す光によっ
て可動子を駆動する構成においては、可動子を浮上させ
た状態での駆動が容易であり、可動子に光ビームを上方
から照射するものと比べればビーム対可動子の位置合わ
せや位置決めの煩雑さが一切回避できる利点もある。そ
して、このように光の伝送に光導波路を用いることによ
り可動子に対し効率良く光を使うことができ、また、光
導波路上のエバネッセント場中に可動子をおくことによ
りさらに光の利用効率を高めることができる。とくに、
光導波路上にスライダをおくマイクロリニアモータでは
、光導波路の利用によりスライダが安定して作動する作
動距離を長くすることができる。さらに、光導波路を設
けるものでは、半導体レーザと組合わせることができ、
マイクロマシーンのワンチップ化が可能である。In a structure in which the movable element is driven by light passing through an optical waveguide as in the present invention, it is easy to drive the movable element in a floating state, and the movable element is irradiated with a light beam from above. Compared to the above, there is also the advantage that the complexity of alignment and positioning of the beam versus the movable element can be completely avoided. By using an optical waveguide to transmit light in this way, the light can be used efficiently for the movable element, and by placing the movable element in the evanescent field on the optical waveguide, the efficiency of light utilization can be further improved. can be increased. especially,
In a microlinear motor in which a slider is placed on an optical waveguide, the operating distance over which the slider operates stably can be increased by using the optical waveguide. Furthermore, those provided with an optical waveguide can be combined with a semiconductor laser,
It is possible to integrate a micromachine into one chip.
【００５３】レーザビームにより、回転子を回転させる
構成においては、ロータに対するステータというものが
必要ではないので、その構造を非常に簡単化することが
でき、マイクロ回転モータのより一層の微小化が達成で
きる。加えて、光の勾配力を用いて回転子を回転軸線に
固定した状態で回転させることもできるので、軸受けを
廃すことが可能となり、これにより構造のさらなる簡単
化を図ることができ、そこでの摩擦の影響を除くことが
できる。In the configuration in which the rotor is rotated by a laser beam, there is no need for a stator for the rotor, so the structure can be greatly simplified, and further miniaturization of the micro rotary motor can be achieved. can. In addition, the gradient force of light can be used to rotate the rotor while it is fixed to the rotation axis, making it possible to eliminate bearings, which further simplifies the structure. The effect of friction can be removed.
【００５４】本発明のように、半導体レーザと光導波路
と可動部・駆動部とを基板に一体に形成したワンチップ
のマイクロマシーンによれば、例えば、医学や生物学、
細胞工学等における極めてミクロな操作をマクロな世界
で精密にかつそれを簡易に制御できるようになる利点が
あり、また、各種の装置、生体に組み込んで様々な機能
・作用を行わせることができる。A one-chip micromachine in which a semiconductor laser, an optical waveguide, and a movable part/driving part are integrally formed on a substrate as in the present invention can be used, for example, in medicine, biology,
It has the advantage of being able to precisely and easily control extremely micro operations in cell engineering, etc. in the macro world, and can also be incorporated into various devices and living organisms to perform various functions and actions. .
【図１】本発明の原理説明図である。FIG. 1 is a diagram explaining the principle of the present invention.
【図２】本発明のエバネッセント場を使う原理説明図で
ある。FIG. 2 is a diagram explaining the principle of using the evanescent field of the present invention.
【図３】光の放射圧を使う本発明の実施例の断面図であ
る。FIG. 3 is a cross-sectional view of an embodiment of the invention that uses optical radiation pressure.
【図４】光の放射圧を使う本発明の実施例の断面図であ
る。FIG. 4 is a cross-sectional view of an embodiment of the invention that uses optical radiation pressure.
【図５】応用例の平面図である。FIG. 5 is a plan view of an application example.
【図６】リニアモータの実施例の断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of an embodiment of a linear motor.
【図７】回転モータの実施例の平面図である。FIG. 7 is a plan view of an embodiment of a rotary motor.
【図８】回転モータの実施例を示す説明図である。FIG. 8 is an explanatory diagram showing an example of a rotary motor.
【図９】実験システムの概略構成図である。FIG. 9 is a schematic configuration diagram of an experimental system.
【図１０】他の回転モータの実施例の断面図である。FIG. 10 is a sectional view of another rotary motor embodiment.
【図１１】他の回転モータの実施例の断面図である。FIG. 11 is a sectional view of another rotary motor embodiment.
【図１２】また別の回転モータの実施例の断面図である
。FIG. 12 is a cross-sectional view of another embodiment of a rotary motor.
【図１３】また別の回転モータの実施例の断面図である
。FIG. 13 is a sectional view of another embodiment of a rotary motor.
【図１４】また別の回転モータの実施例の断面図である
。FIG. 14 is a sectional view of another embodiment of a rotary motor.
【図１５】応用例の断面図である。FIG. 15 is a sectional view of an application example.
【図１６】応用例の断面図である。FIG. 16 is a sectional view of an application example.
【図１７】応用例の断面図である。FIG. 17 is a sectional view of an application example.
【図１８】ワンチップ化したマイクロマシーンの模式的
外観図である。FIG. 18 is a schematic external view of a single-chip micromachine.
１ レーザービーム ２ 基板 ３ 可動子 １０ 光導波路 １１ レーザービーム １３、１４ 可動子。 1 Laser beam 2 Board 3 Movable element 10 Optical waveguide 11 Laser beam 13, 14 Mover.
Claims (23)
マシーンを操作する方法であって、前記可動子に、少な
くとも１つのエネルギー密度の高い電磁波ビームを受け
とらせ、これを浮上させることを特徴とするマイクロマ
シーンの操作方法。1. A method for operating a micromachine having a small movable element provided on a substrate, characterized in that the movable element receives at least one electromagnetic wave beam with high energy density to levitate the micromachine. How to operate the micromachine.
である、請求項１記載のマイクロマシーンの操作方法。2. The method of operating a micromachine according to claim 1, wherein the electromagnetic wave beam is a laser beam.
マシーンを操作する方法であって、前記可動子に、少な
くとも１つのエネルギー密度の高い電磁波ビームを受け
とらせ、これを静止させることを特徴とするマイクロマ
シーンの操作方法。3. A method for operating a micromachine having a minute movable element provided on a substrate, the method comprising causing the movable element to receive at least one electromagnetic wave beam with high energy density and making it stand still. How to operate the micromachine.
である、請求項３記載のマイクロマシーンの操作方法。4. The method of operating a micromachine according to claim 3, wherein the electromagnetic wave beam is a laser beam.
マシーンを操作する方法であって、前記可動子に、少な
くとも１つのエネルギー密度の高い電磁波ビームを受け
とらせ、これを駆動することを特徴とするマイクロマシ
ーンの操作方法。5. A method for operating a micromachine having a minute mover provided on a substrate, characterized in that the mover receives at least one high-energy-density electromagnetic wave beam to drive it. How to operate the micromachine.
である、請求項５記載のマイクロマシーンの操作方法。6. The method of operating a micromachine according to claim 5, wherein the electromagnetic wave beam is a laser beam.
方から前記可動子に照射されるものを含む、請求項６記
載のマイクロマシーンの操作方法。7. The micromachine operating method according to claim 6, wherein the laser beam includes one that is irradiated onto the movable element from above the substrate.
方から投入されるものを含む、請求項６記載のマイクロ
マシーンの操作方法。8. The method of operating a micromachine according to claim 6, wherein the laser beam includes one injected from the side of the substrate.
基板と平行に形成された光導波路を通されたものである
、請求項８記載のマイクロマシーンの操作方法。9. The laser beam may be applied to the substrate,
9. The method of operating a micromachine according to claim 8, wherein the micromachine is passed through an optical waveguide formed parallel to the substrate.
駆動する、請求項５、６、７、８、又は９記載のマイク
ロマシーンの操作方法。10. The method of operating a micromachine according to claim 5, 6, 7, 8, or 9, wherein the mover is driven up and down with respect to the substrate.
駆動する、請求項５、６、７、８、又は９記載のマイク
ロマシーンの操作方法。11. The micromachine operating method according to claim 5, 6, 7, 8, or 9, wherein the movable element is driven parallel to the substrate.
して回転駆動する、請求項５、６、７、８、又は９記載
のマイクロマシーンの操作方法。12. The method of operating a micromachine according to claim 5, 6, 7, 8, or 9, wherein the movable element is rotationally driven around an axis of the movable element.
ソグラフィーにより作製されたものである、請求項５、
６、７、８、９、１０、１１、又は１２記載のマイクロ
マシーンの操作方法。13. Claim 5, wherein the movable element is produced by photolithography together with the substrate.
6, 7, 8, 9, 10, 11, or 12.
ーにより作製された基板の所定の箇所に、外部から持ち
込まれ据え置かれた又は当該箇所に予め形成された保持
部に据え付けられたものである、請求項５、６、７、８
、９、１０、１１、又は１２記載のマイクロマシーンの
操作方法。14. The movable element is brought in from the outside and placed at a predetermined location on a substrate produced by photolithography, or is installed on a holding portion previously formed at the location. 5, 6, 7, 8
, 9, 10, 11, or 12.
転子と、この回転子を回転させるために該回転子に投射
されるレーザービームとを備えることを特徴とする光駆
動マイクロマシーン。15. A light-driven micromachine comprising a substrate, a minute rotor provided on the substrate, and a laser beam projected onto the rotor to rotate the rotor.
ものである、請求項１５記載の光駆動マイクロマシーン
。16. The optically driven micromachine according to claim 15, wherein the laser beam is circularly polarized.
遅れを与える複屈折性結晶体を有する、請求項１６記載
の光駆動マイクロマシーン。17. The optically driven micromachine according to claim 16, wherein the rotator has a birefringent crystal that provides a quarter wavelength phase delay.
を備えた結晶体を有し、この結晶体に一の円偏光光を吸
収させることにより回転子を一定の向きに回転させるよ
うにした、請求項１５記載の光駆動マイクロマシーン。18. The rotator has a crystal having circular dichroism properties, and the rotor is rotated in a fixed direction by absorbing one circularly polarized light into the crystal. 16. The optically driven micromachine according to claim 15.
記レーザービームは直線偏光したものであって、この回
転子による光散乱の異方性を用いて回転子をステップ的
に回転させるようにした、請求項１５記載の光駆動マイ
クロマシーン。19. The rotator is rotationally asymmetric, the laser beam is linearly polarized, and the rotor is rotated in steps using anisotropy of light scattering by the rotator. 16. The optically driven micromachine according to claim 15.
、光導波路を通した光を受けとる前記基板に設けた可動
子と、可動子を基板に対し脱離不自在に保持する手段と
を備えた光駆動マイクロマシーン。20. A method comprising: a substrate; an optical waveguide formed on the substrate; a movable element provided on the substrate for receiving light passing through the optical waveguide; and means for holding the movable element against the substrate in a non-detachable manner. light-driven micromachine.
線駆動されるものであって、その上部表面には受けとっ
た光を等方的に散乱する凹凸が設けられたものである、
請求項２０記載の光駆動マイクロマシーン。21. The movable element is linearly driven on the optical waveguide, and the upper surface thereof is provided with irregularities that scatter received light isotropically.
The optically driven micromachine according to claim 20.
の光反射面を設け、該光導波路を通した光を下方から前
記可動子に投射するようにした、請求項２０記載の光駆
動マイクロマシーン。22. The optically driven micro according to claim 20, wherein a light reflecting surface having an inclination angle of 45 degrees is provided at the end of the optical waveguide, and the light passing through the optical waveguide is projected onto the movable element from below. machine.
の光を通す光導波路と、光導波路を通る光を受けとる可
動子と、可動子を脱離不自在に保持する基板とを備え、
半導体レーザと光導波路とが前記基板に一体に形成され
てなることを特徴とする光駆動マイクロマシーン。23. A semiconductor laser, an optical waveguide that transmits light from the semiconductor laser, a movable element that receives the light that passes through the optical waveguide, and a substrate that irremovably holds the movable element,
A light-driven micromachine characterized in that a semiconductor laser and an optical waveguide are integrally formed on the substrate.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP41826190A JPH04272481A (en) | 1990-12-25 | 1990-12-25 | Micro-machine operating method and phot0-drive micro-machine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP41826190A JPH04272481A (en) | 1990-12-25 | 1990-12-25 | Micro-machine operating method and phot0-drive micro-machine |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04272481A true JPH04272481A (en) | 1992-09-29 |
Family
ID=18526158
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP41826190A Pending JPH04272481A (en) | 1990-12-25 | 1990-12-25 | Micro-machine operating method and phot0-drive micro-machine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04272481A (en) |
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-
1990
- 1990-12-25 JP JP41826190A patent/JPH04272481A/en active Pending
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