JPH06238578A

JPH06238578A - 微細物体操作装置

Info

Publication number: JPH06238578A
Application number: JP2271393A
Authority: JP
Inventors: Hideo Adachi; 日出夫安達
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1993-02-10
Filing date: 1993-02-10
Publication date: 1994-08-30

Abstract

(57)【要約】【目的】把持・離落ともに確実に行なえる微細物体操作
装置を提供する【構成】本体１はステンレス、アルミニウム、チタン等
の弾性金属で作られており、対向して延びる二本の挟持
脚１ａ、１ｂを有している。挟持脚１ａ、１ｂには一部
に極薄部１ａ’、１ｂ’が設けてあり、その先端部４
ａ、４ｂが接近・離反可能になっている。極薄部１
ａ’、１ｂ’の両側にはそれぞれ二枚の圧電素子２ａと
２ｂ、３ａと３ｂが取り付けてあり、圧電バイモルフ
２、３が構成されている。挟持脚１ａ、１ｂの先端部４
ａ、４ｂの内側には、それぞれ強誘電体素子５ａ、５ｂ
が取り付けてある。強誘電体素子５ａ、５ｂは、円板状
の強誘電体と、その両面に設けた電極とを備えている。
微細物体に接する側の電極には中央に開口が設けてあ
る。強誘電体素子５ａ、５ｂの表面には高分子樹脂層が
コーティングされている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、細胞や原核生物、マイ
クロアッセンブリーに用いる各種マイクロ構造部品、医
療分野におけるマイクロサージェリーでの微小生体構成
部位を挟持するのに用いる微細物体操作装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】本出願人は、特開昭６２−１９３７９、
特開昭６２−２４９７３、特開昭６２−１４０７７０、
特開昭６２−１５２６８０、特開昭６２−１５７７８９
において、細胞操作用の圧電ピンセットや微細物体操作
装置を開示している。その基本構造は、図１０に示すよ
うに、開閉可能な一対の挟持脚１０２を有する本体１０
０と、挟持脚１０２を開閉させる圧電アクチュエーター
（圧電バイモルフ）１０４とを有している。圧電アクチ
ュエーター１０４は、印加電圧に比例した屈曲変位を挟
持脚１０２に発生させ、その先端部で微小物体を把持す
る。また、図１１に示すように、挟持脚１０２を三本に
した構成のものも開示している。この構成によれば、挟
持が更に確実に行なえるようになるとともに、複雑な操
作も行なえるようなる。さらに、図１２に示すように、
圧電アクチュエーター１０４にトランスデューサーの機
能を持たせ、細胞の硬さ等の情報を得ることができるよ
うにした構成のものも開示している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】これらの装置は細胞操
作を目的としていたが、最近ではマイクロマシンの研究
が盛んになるにつれて、細胞以外の微小物体たとえばマ
イクロファブリケーション用マイクロ部品などを把持す
る必要性が生じてきた。また、マイクロサージェリーの
分野でも生体の微小構造部位を把持する必要性がでてき
ている。このため、触診を兼ねた把持・離落ともに容易
に操作できる微細物体操作装置が望まれている。

【０００４】上述の装置は、触診しながら把持する点に
関しては十分に機能を果たすが、把持したものをその種
類に関係なく再現性良く確実に離落させることが出来な
い。特に軽量で小さく粘着性の大きなものは離落が難し
く、微細物体が挟持脚にくっついたままになってしま
う。このように上述の装置をそのまま細胞操作分野ある
いはマイクロサージェリー分野で使用することを考える
と、把持については問題ないが、離落についてはかなり
問題がある。本発明は、把持・離落ともに容易に操作で
きる微細物体操作装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の微細物体操作装
置は、開閉可能な一対の挟持脚を有する本体と、挟持脚
を開閉させる圧電アクチュエーターと、挟持脚の先端部
の内側に設けた強誘電体素子と、強誘電体素子の分極状
態を変化させる手段とを有していることを特徴とする。

【０００６】

【作用】本発明の作用を説明するにあたり、まず把持し
た微細物体が離落しない理由について考えてみよう。

【０００７】微細物体の挟持脚への付着力・粘着力は、
挟持脚表面と微細物体との間の静電相互作用に深く関わ
っている。粘着力は両者の間に介在している粘液の挟持
脚表面や微細物体との濡れに関係し、濡れが良いほど離
落しにくい。この濡れ状態は挟持脚表面や微細物体表面
の電荷状態に依存する。もちろん周囲の状況たとえば温
度や湿度によっても離落のしやすさは変わるが、周囲の
状況が一定であれば離落のしやすさは表面電荷の状態に
大きく依存することに変わりない。固相の表面が負に帯
電している時の粘液の濡れ状態を示すモデル図を図４に
示す。（Ａ）は粘液が電解質溶液の場合、（Ｂ）は粘液
がイオンを含まない非電解質たとえば有機溶媒の場合を
示している。後者の場合、有機溶媒はイオンを含まない
双極子（永久双極子または誘起双極子）を含む。いずれ
にしても粘液の正電荷が表面の負の固定表面電荷によっ
て濡れを良くする。このように濡れの程度は、固体表面
電荷量と（負固定層と正固定層からなる）固定複層の誘
電率、つまり粘液の誘電率に影響される。

【０００８】このメカニズムを考慮すると、挟持脚の表
面の電荷状態を瞬時に強制的に反転させて正の帯電状態
にでき、しかもこのとき表面電荷の反転速度よりイオン
の拡散速度の方が遅ければ、その正電荷と吸着された粘
液側の正固定層との間に静電的な反発力が生じて粘液が
逃散されるため、濡れを低下させることができる。つま
り、挟持脚の表面の電荷状態を瞬時に強制的に反転させ
る手段を設ければ、微細物体の離落を容易に行なえるよ
うになる。本発明では、微細物体を挟持する部分に強誘
電体素子を設け、強誘電体の分極反転による表面電荷の
変化という現象を利用して、これを行なう。

【０００９】強誘電体の表面電荷状態は図５の様に表さ
れることが良く知られている。強誘電体の表面電荷は分
極電荷を中和するように発生するものであり、真電荷で
ある。この中和電荷は、結晶面における分極電荷によっ
て生じる電場を打ち消して、外部に電束密度が完全に洩
れないようにして静電エネルギーを減らす。従って、強
誘電体の分極状態を反転させれば、表面電荷状態（中和
電荷）を反転できる。

【００１０】分極状態の反転は、例えば強誘電体に電界
を印加して行なう。あるいは焦電効果や圧電効果を用い
て行なう。電界を印加して反転させる場合、強誘電体の
両面に電極を設けて強誘電体素子を構成し、電極に電圧
を印加することにより行なう。一方の電極には、強誘電
体の表面に発生した中和電荷を利用するため、図６に示
すように開口部が設けられている。図６において、
（Ａ）に示すように強誘電体に電界を印加すると内部に
分極が生じ、電極直下の分極反転は開口部にまで及んで
ゆき、（Ｂ）に示すように開口部表面に負電荷が現れ
る。これとは反対に、（Ｃ）に示すように逆向きの電界
を印加すると強誘電体内部には逆向きの分極が生じ、開
口部表面には（Ｄ）に示すようにそれまでとは逆極性の
正電荷が現れる。この逆極性の電荷の発生によって、そ
れまで開口部表面にあった粘液が逃散されるため、微細
物体は容易に離落されるようになる。

【００１１】

【実施例】次に図面を参照しながら実施例について説明
する。図１に示すように、本体１はステンレス、アルミ
ニウム、チタン等の弾性金属で作られており、対向して
延びる二本の挟持脚１ａ、１ｂを有している。挟持脚１
ａ、１ｂには一部に極薄部１ａ’、１ｂ’が設けてあ
り、その先端部４ａ、４ｂが接近・離反可能になってい
る。極薄部１ａ’の両側には二枚の圧電素子２ａと２ｂ
が、極薄部１ｂ’の両側には二枚の圧電素子３ａと３ｂ
が取り付けてあり、圧電バイモルフ２、３が構成されて
いる。挟持脚１ａ、１ｂの先端部４ａ、４ｂの内側に
は、それぞれ強誘電体素子５ａ、５ｂが取り付けてあ
る。強誘電体素子５ａ、５ｂは、図２に示すように、円
板状の強誘電体１４と、その両面に設けた電極１１と１
２とを備えている。挟持脚１ａ、１ｂの先端部４ａ、４
ｂに接する側の電極１２は円板状で、その反対側すなわ
ち微細物体に接する側の電極１１は中央に開口１３を有
する円環形状となっている。強誘電体素子５ａ、５ｂの
表面には、テフロン、ＰＦ（ポリフッ化ビニリデン）、
ウレタン等の高分子樹脂層２７がコーティングされてい
る。この高分子樹脂層２７は、電極間マイグレーション
等の環境による強誘電体分極特性の劣化防止、細胞物体
の把持性の向上、音響整合層の機能を兼ねている。ま
た、本体１は、接地された基板１９に保持具１８により
電気的接地状態になるように保持されている（図３参
照）。次に本実施例の微細物体操作装置の動作について
図３を参照しながら説明する。

【００１２】まず、信号処理回路２６で挟持応力設定と
挟持モードを設定する。ここで挟持モードとは、一対の
挟持脚の各々をどのようなバランスで屈曲させるかとい
う方法のことである。その一例としては、例えば挟持位
置と離落位置が圧電バイモルフの屈曲変位量以下の場合
に、挟持脚の両方を同方向に屈曲させた後に片方のみを
反対方向へ屈曲させる方法、他のモードとして、単純に
挟持脚を反対方向に屈曲させて開閉する方法、更に他の
モードとして、微小振動を重畳させながら互いに反対方
向に屈曲させ、トランスデューサーからの出力信号をロ
ックイン増幅する時の参照信号として用いる方法などが
ある。

【００１３】挟持モードを設定した後、信号処理回路２
６は把持駆動電圧出力命令を電源２０ａ、２０ｂに出力
し、電源２０ａ、２０ｂはこの命令に従って、設定した
挟持モードに対応した電圧波形を信号線６、７を介して
圧電バイモルフ２、３に供給する。これにより圧電バイ
モルフ２、３は挟持動作に入り、挟持脚の先端部を閉じ
て、強誘電体素子５ａ、５ｂの間に微細物体を挟む。こ
れと同時に圧電バイモルフ２、３に一体的に設けた屈曲
度検出センサー１５ａ、１５ｂが屈曲量と方向に応じた
屈曲検出信号を出力する。この屈曲検出信号は信号線１
６ａ、１６ｂを介してアンプ２１ａ、２１ｂに入力さ
れ、増幅後に二つに分けられ、一方は極性判別回路２２
ａ、２２ｂに入力され、他方は信号処理回路２６に入力
される。極性判別回路２２ａ、２２ｂは、入力信号の極
性を判別し、その極性に従ってスイッチ回路２３ａ、２
３ｂを切り替える。挟持動作時には、スイッチ回路２３
ａ、２３ｂを図示の状態に設定する。このような状態に
なった所で、信号処理回路２６がアンプ２１ａ、２１ｂ
の出力信号に応じて、動作開始命令をパルサーレシーバ
ー回路２４ａ、２４ｂに出力する。

【００１４】この命令を受けたパルサーレシーバー回路
２４ａ、２４ｂはパルス電圧を発生させ、信号線９、１
０を介して強誘電体素子５ａ、５ｂに供給する。このと
き強誘電体素子は圧電トランスデューサーとして機能す
る。この電気信号は、強誘電体素子すなわち圧電トラン
スデューサー５ａ、５ｂの逆圧電変換によって機械的振
動信号（超音波）に変換され、微細物体に超音波を送信
する。超音波は音響インピーダンス不連続部で反射し、
エコー信号として圧電トランスデューサー５ａ、５ｂに
入力される。この信号は、圧電トランスデューサー５
ａ、５ｂの圧電変換で電気信号に変換され、この電気信
号が信号処理回路２６に入力され、微細物体の音響学的
構造としての情報に信号加工される。

【００１５】このような挟持動作・診断操作を行なった
後、信号処理回路２６は離落動作制御信号を電源２０
ａ、２０ｂに出力し、この信号によって離落動作に対応
した屈曲動作を圧電バイモルフ２、３に与える。このと
き、圧電バイモルフ２、３のセンサー部１５ａ、１５ｂ
からは挟持動作時とは逆極性の電圧信号が出力される。
極性判別回路２２ａ、２２ｂが電圧信号の極性の変化を
検知してスイッチ回路２３ａ、２３ｂを切り替えるとと
もに、信号処理回路２６からの指令に従って電源２５
ａ、２５ｂから強誘電体素子５ａ、５ｂに電圧信号が供
給される。この電圧信号は強誘電体素子の残留分極状態
を反転するのに十分な極性・振幅を持ったもので、これ
により強誘電体素子５ａ、５ｂの強誘電体内の分極が反
転する。この分極反転は一回だけでも、複数回繰り返し
行なわれても構わない。この分極状態の反転により、強
誘電体の表面にはそれまでの中和電荷とは逆極性の電荷
が発生する。このように挟持脚が開くと同時に、強誘電
体の表面に新たに生じた逆極性の電荷により、それまで
開口部表面にあった粘液が逃散されるため、微細物体は
容易に離落される。

【００１６】本実施例では、把持した微細物体の観測に
超音波エコー法を用いたが、強誘電体素子５ａ、５ｂが
微細物体に触れることによるインピーダンス変化や位相
変化を検出することにより微細物体の観測を行なっても
良い。また、屈曲状態の検出センサーは把持・離落動作
駆動用圧電バイモルフと一体化していなくともよい。ま
た、屈曲状態検出センサーの出力が常に一定になるよう
に閉ループ制御で把持・離落動作駆動用圧電バイモルフ
に電圧印加し、把持力制御を容易に行なうことも可能で
ある。

【００１７】次に本発明の第二実施例について図７を参
照しながら説明する。本実施例の微細物体操作装置は、
微細物体把持用プローブで、光ファイバー２８と、その
先端に設けた強誘電体素子２９と、強誘電体素子２９に
電圧を印加するための光ファイバー２８の表面に設けた
配線４５、４６とを有している。強誘電体素子２９に
は、図８（Ａ）に示す平行球面板状のもの、図８（Ｂ）
に示す平行平板状のもの、いずれを使用してもよい。図
８（Ａ）に示した強誘電体素子２９は、光熱変換用黒化
膜を施した平行球面板状の強誘電体３０と、その両面に
設けた電極３１、３２とを有している。図８（Ｂ）に示
した強誘電体素子２９は、光熱変換用黒化膜を施した平
行平板状の強誘電体３３と、その両面に設けた電極３
４、３５とを有している。どちらの型の強誘電体素子２
９においても、微細物体に接する側の電極３２または３
５には中央部に開口が設けられている。ただし、本実施
例の様に焦電効果の作用を用いる場合、この開口は絶対
必要条件ではない。次に、図９を参照しながら本実施例
の動作について説明する。なお、図には平行平板状の強
誘電体素子２９を用いた微細物体操作装置を示してあ
る。

【００１８】電極３４の側が正、電極３５の側が負とな
るように電界を印加すると、強誘電体３３の内部に図９
（Ａ）に示すような残留分極３６が生じ、その分極電荷
を中和するように強誘電体３３の表面に電荷が発生す
る。強誘電体３３の下面には負電荷３９が発生し、この
負電荷３９が、正に帯電した微細物体４０の正電荷４１
を引きつけ、微細物体４０を吸着把持する。逆向きの電
界を印加すれば、負に帯電した微細物体を吸着把持す
る。

【００１９】このような、帯電した微細物体４０を吸着
把持している状態において、図９（Ｂ）に示すように、
光ファイバー２８に光を導光して強誘電体素子２９に光
を照射する。照射した光は黒化膜で熱に変換され、焦電
効果により分極電荷量が変化し（強誘電体３３の内部の
分極は符号４２で示すようになり）、中和電荷量とのバ
ランスが崩れ、強誘電体３３の下面に正電荷４３が現れ
る。この正電荷４３が、微細物体４０の正電荷４１と反
発するため、把持していた微細物体４０は離落する。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、微細物体に接している
強誘電体素子の表面電荷を変化させて反発させることに
より、微細物体の離落を確実に行なえる微細物体操作装
置が提供され、高精度の微細物体操作が行なえるように
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例の微細物体操作装置を示す
斜視図である。

【図２】図１の微細物体操作装置に用いる強誘電体素子
の斜視図（Ａ）と断面図（Ｂ）である。

【図３】図１の微細物体操作装置を駆動するための回路
ブロック図である。

【図４】固相の表面が負に帯電している時の粘液の濡れ
状態を示すモデル図である。

【図５】強誘電体の表面電荷状態を模式的に示す図であ
る。

【図６】強誘電体の分極の反転に伴って表面に現れる電
荷の極性が反転する様子を示す図である。

【図７】本発明の第二実施例の微細物体操作装置を示す
斜視図である。

【図８】図７の微細物体操作装置に適用可能な平行球面
板状（Ａ）と平行平板状（Ｂ）の強誘電体素子の断面図
である。

【図９】図７の微細物体操作装置が微細物体を吸着把持
する動作を説明するための図である。

【図１０】微細物体操作装置の従来例を示す斜視図であ
る。

【図１１】微細物体操作装置の別の従来例を示す斜視図
である。

【図１２】微細物体操作装置の更に別の従来例を示す斜
視図である。

【符号の説明】

１…本体、１ａ、１ｂ…挟持脚、２、３…圧電バイモル
フ、５ａ、５ｂ…強誘電体素子。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】開閉可能な一対の挟持脚を有する本体
と、挟持脚を開閉させる圧電アクチュエーターとを有し
ている微細物体操作装置において、挟持脚の先端部の内側に設けた強誘電体素子と、強誘電
体素子の分極状態を変化させる手段とを有していること
を特徴とする微細物体操作装置。