JP2972246B2 - Small in vivo movable machine - Google Patents

Small in vivo movable machine

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JP2972246B2
JP2972246B2 JP1315839A JP31583989A JP2972246B2 JP 2972246 B2 JP2972246 B2 JP 2972246B2 JP 1315839 A JP1315839 A JP 1315839A JP 31583989 A JP31583989 A JP 31583989A JP 2972246 B2 JP2972246 B2 JP 2972246B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、微小生体内可動機械に関し、特に医療用ロ
ボットとして生体内に侵入して、特殊な細胞の発見やこ
れの分離融合除去するのに用いられる。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION (Industrial Application Field) The present invention relates to a micro-in-vivo movable machine, and more particularly to a medical robot which invades a living body to find a special cell and to separate and fuse the cell. Used for

(従来の技術) 従来、生体内の細胞の変異を知るのに患部の切開手術
が多く使われてきた。しかし、この方法は患者に多大の
肉体的負担をかけるため既に肉体的に疲労した患者にこ
の手術を施すことができなかった。さらに、切開した後
に肉眼により観察するため患部が生体内に広く分布して
いるときや観察するのが困難な場所に存在するときにも
この方法を適用することが困難であった。このため、近
年、医療分野で患部を切開しないで患者の口や肛門から
生体内部に器具を差し込んで患部の検査をしたり治療を
したりする方法が研究されている。このとき、生体の寸
法が小さいため挿入する器具を小さくすることと細胞の
大きさと同程度の精度で挿入器具を動かすことが必要で
ある。近年の半導体センサの急激な発展により、医療用
の微小なセンサの作製が可能になりつつある一方で、挿
入器具を動かす精密なアクチュエータの微小化が遅れて
おり、これが医療の進歩を阻害していた。
(Prior Art) Conventionally, incision surgery of an affected part has been often used to know the mutation of cells in a living body. However, this method puts a great physical burden on the patient, so that the operation could not be performed on a patient who was already physically tired. Furthermore, it is difficult to apply this method even when the diseased part is widely distributed in the living body because it is observed with the naked eye after the incision, or when it is located in a place where observation is difficult. For this reason, in recent years, in the medical field, a method of examining and treating an affected part by inserting a device into a living body from the mouth or anus of a patient without incising the affected part has been studied. At this time, since the size of the living body is small, it is necessary to reduce the size of the insertion device and to move the insertion device with the same accuracy as the size of the cell. With the rapid development of semiconductor sensors in recent years, it has become possible to manufacture minute sensors for medical use, but the miniaturization of precision actuators that move insertion instruments has been delayed, which has hindered medical progress. Was.

一方、二年ほど前にシリコンの表面マイクロマシーニ
ング技術を利用してシリコン基板表面上に可動機械部品
を互いに結合するジョイントが作れることが発表されて
以来、ポリシリコンから成る歯車、バネ、スライダー、
およひマイクロ鋏等の可動機械要素が試作された。特
に、インターナショナルエレクトロンデバイスミーティ
ング予稿集(Technical Dijest of International Elec
tron Devices Meeting'88(IEDM'88))の666頁に記載
されたエル・エス・ファン(L.S.Fan)等による「IC−P
rocessed Electrostatic Micro−motors」において、10
0μm程度の直径と1μm程度の厚さを持つ微小なポリ
シリコンマイクロステップモータの試作が記述され、現
実に静電力により550rpm程度の速さで回転することが確
かめられたことは注目に価する。この寸法は細胞の大き
さとほぼ等しいものであり、この結果、医療用の微小な
精密アクチュエータの開発がマイクロモータを含む前述
の可動機械要素を利用して前進するのではないかと期待
されるようになった。
Meanwhile, since about two years ago it was announced that silicon surface micromachining technology could be used to create joints that connect moving mechanical parts to each other on the surface of a silicon substrate, gears, springs, sliders,
Movable mechanical elements such as micro scissors were prototyped. In particular, proceedings of the International Electron Device Meeting (Technical Dijest of International Elec
"IC-P" by LSFan (LSFan) and others described on page 666 of tron Devices Meeting'88 (IEDM'88).
rocessed Electrostatic Micro-motors
It is worth noting that prototypes of micro polysilicon micro-step motors having a diameter of about 0 μm and a thickness of about 1 μm have been described, and it has been confirmed that they actually rotate at a speed of about 550 rpm by electrostatic force. This dimension is almost equal to the size of the cell, so that it is expected that the development of micro precision actuators for medical use will advance using the aforementioned movable mechanical elements including micro motors. became.

第3図(a)および(b)に先に引用したL.S.Fan等
が試作したポリシリコンステップモータの上面図と断面
図を示す。このマイクロモータは回転するロータ1とロ
ータ1が外れることを防ぐためにロータ1の中心側を上
面から覆うキャップ4をもつシャフト2とロータ1の外
部に位置してロータ1に静電力を印加するステータ3の
3つの要素から構成される。同図に明らかなように、シ
ャフト2とステータ3が絶縁膜5を介してシリコン基板
6に固定されているのに対して、ロータ1はシリコン基
板6から自由であり、シャフト2のまわりに回転するこ
とができる。ロータ1とステータ3の間にお互いに反対
符号の電圧を加えるとき、静電力によりロータ1がステ
ータ3に引き付けられる。互いに180度反対側に位置す
る二つのステータに同位相の電圧を印加し、同図に示す
ように、Φ1、Φ2、Φ3と順次位相を回転させると
き、ロータ1もそれに従って回転する。なお、ステータ
に印加する位相の回転の向きを反対にすることによりロ
ータ1の回転を反対にすることができる。
FIGS. 3 (a) and 3 (b) show a top view and a sectional view of a polysilicon step motor prototyped by LSFan and the like cited above. This micromotor includes a rotating rotor 1 and a shaft 2 having a cap 4 for covering the center side of the rotor 1 from the upper surface in order to prevent the rotor 1 from coming off, and a stator positioned outside the rotor 1 to apply an electrostatic force to the rotor 1. 3 is composed of three elements. As is apparent from FIG. 2, while the shaft 2 and the stator 3 are fixed to the silicon substrate 6 via the insulating film 5, the rotor 1 is free from the silicon substrate 6 and rotates around the shaft 2. can do. When voltages of opposite signs are applied between the rotor 1 and the stator 3, the rotor 1 is attracted to the stator 3 by electrostatic force. When a voltage having the same phase is applied to two stators located 180 degrees opposite to each other, and the phases are sequentially rotated as shown in FIG. 1, Φ1, Φ2, and Φ3, the rotor 1 also rotates accordingly. The rotation of the rotor 1 can be reversed by reversing the direction of rotation of the phase applied to the stator.

ポリシリコン可動機械要素はシリコンICプロセスで作
製することが可能であるため、同一シリコン基板上に形
の異なる機械要素をフォトリソグラフィを用いて一度に
作製することができ、さらに個々の部品を既に組み立て
た形で作製することにより従来の機械部品のように組み
立て工数を必要としないという長所が付加され、今後の
発展が期待される。
Polysilicon movable mechanical elements can be manufactured by the silicon IC process, so that mechanical elements with different shapes can be manufactured at the same time using photolithography on the same silicon substrate, and individual parts have already been assembled The advantage of not requiring a man-hour for assembling, unlike conventional mechanical parts, is expected by the production in a different shape, and future development is expected.

(発明が解決しようとする課題) しかし、これら微小可動機械要素は、単にその部品の
作製方法が公表されたのみでいかにこれを組み合せて先
に述べた生体内を移動して検査治療する機械をつくるか
という機械の構成については何も公表されていない。さ
らに、これら微小可動機械要素は、先のマイクロステッ
プモータに例示したように従来外部より印加した静電力
のみで駆動しており、微小可動機械機構からのフィード
バックの機能がなかった。そのために、生体内に微小可
動機械機構を体内に侵入させても生体内の微妙な信号に
応じて動くことができず、その機能が限られたものとな
る欠点があった。そのほかに、駆動力として静電力を用
いることから、以下の問題点も生じた。
(Problems to be Solved by the Invention) However, as for these small movable mechanical elements, a method for examining and treating by moving in a living body as described above by combining the small movable mechanical elements is disclosed. Nothing is disclosed about the structure of the machine to make it. Furthermore, these small movable mechanical elements are conventionally driven only by externally applied electrostatic force, as exemplified in the above-mentioned micro step motor, and have no function of feedback from the small movable mechanical mechanism. For this reason, even if a minute movable mechanical mechanism is introduced into a living body, it cannot move in response to a delicate signal in the living body, and its function is limited. In addition, the use of electrostatic force as a driving force causes the following problems.

(1)静電力は、クローンの法則として良く知られてい
るように作用する物体の距離の二乗に逆比例する。この
ため、距離が小さくなるに従ってますます静電力が大き
くなる。一方、外部から互いに符号の異なる電圧を印加
することによって生じた静電力はただ引き合う方向にの
み作用するから、もし静電力以外に力がない場合可動機
械要素の固定されていない部分(マイクロモータの場合
ロータ)は固定されている部分(ステータ)にくっつい
てしまうことが起こる。運動する物体が固定した物体と
接触しながら運動する状態は接触面での摩擦が大きいた
め機械の損傷が生じたりエネルギーの効率が悪くなるこ
と等から避けなければならない。しかし、先に述べたよ
うに静電力だけでは互いに作用する物体に接触しないで
運動を続けることは力学的にとても不安定であり、力学
的平衡をとりながらなお摩擦を小さくする工夫を必要と
した。
(1) The electrostatic force is inversely proportional to the square of the distance of an object acting as is well known as the Clone's law. For this reason, the electrostatic force increases as the distance decreases. On the other hand, since the electrostatic force generated by applying voltages having different signs from the outside from the outside only acts in the attracting direction, if there is no force other than the electrostatic force, the unfixed portion of the movable mechanical element (micromotor In this case, the rotor may stick to the fixed portion (stator). A state in which a moving object moves while being in contact with a fixed object must be avoided because the friction at the contact surface is large, so that the machine is damaged or the energy efficiency is reduced. However, as described above, it is very unstable mechanically to continue moving without contacting the interacting objects only by electrostatic force, and it was necessary to devise a method to reduce the friction while maintaining the mechanical balance. .

(2)さらに、静電力は互いに作用する物体の電荷量の
積に比例する。外部から電圧を印加するときにはこの電
荷量は物体の互いに対向する面の断面積に比例する。第
3図の場合には、同図(b)に示すロータ1とステータ
3の対向する面の断面積に対応する。この例に明らかな
ように、ポリシリコンの膜の厚さが薄いため(1μm程
度)、非常に小さな断面積となっている。従って、充分
な静電力を得るために大きな電圧を加える必要があっ
た。事実、先の例では、マイクロモータを動かすのに20
0Vから350Vも電圧が必要であったことが報告されてい
る。この電圧は、通常のICで用いられている10V程度の
電圧に比べて非常に大きく、もしこのモータを駆動しよ
うとするとき通常の電源の他に昇電用のコイルを必要と
するため全体の装置が大きくなるという欠点があった。
(2) Further, the electrostatic force is proportional to the product of the electric charges of the objects acting on each other. When a voltage is applied from the outside, this charge amount is proportional to the cross-sectional area of the surfaces of the object facing each other. The case of FIG. 3 corresponds to the cross-sectional area of the opposing surfaces of the rotor 1 and the stator 3 shown in FIG. As is apparent from this example, since the thickness of the polysilicon film is small (about 1 μm), the cross-sectional area is very small. Therefore, it was necessary to apply a large voltage to obtain a sufficient electrostatic force. In fact, in the previous example, it would take
It was reported that voltages from 0V to 350V were required. This voltage is much higher than the voltage of about 10 V used in normal ICs, and if you want to drive this motor, you will need a coil for raising the voltage in addition to the normal power supply. There was a disadvantage that the device became large.

(3)電圧が印加されるロータやステータ等の機構部品
はシリコン基板上に作製され、通常、第3図に示すよう
に絶縁膜5によりシリコン基板6から電気的に絶縁され
ている。しかし、シリコン基板および絶縁膜の抵抗は無
限大ではなく、実際には有限の抵抗が存在することに注
意しなければいけない。その結果、微小可動機械機構内
の力学的平衡を支配する電気力線がデバイス全体の構造
に依存して複雑なものとなり、機械機構の運動の解析が
複雑になる。さらに、絶縁膜は大きな誘電率をもってい
るため、使用する絶縁膜の種類および構造により電気力
線が変化することもこのデバイスの構造の最適化を複雑
にする要素である。
(3) Mechanical components such as a rotor and a stator to which a voltage is applied are manufactured on a silicon substrate, and are usually electrically insulated from the silicon substrate 6 by an insulating film 5 as shown in FIG. However, it should be noted that the resistances of the silicon substrate and the insulating film are not infinite, and there are actually finite resistances. As a result, the electric lines of force governing the mechanical balance in the small movable mechanical mechanism become complicated depending on the structure of the entire device, and the analysis of the motion of the mechanical mechanism becomes complicated. Further, since the insulating film has a large dielectric constant, the fact that the lines of electric force vary depending on the type and structure of the insulating film used is also a factor complicating the optimization of the structure of this device.

(4)さらに、生体内に用いることによる特殊な問題と
して体内の液体が電界質を多く含んでいるため、電気力
線に影響を与えることと生体内にリークする電流により
生体が損傷する可能性がある。
(4) Further, as a special problem caused by use in a living body, since the liquid in the body contains a large amount of electric field, there is a possibility that the living body may be damaged by affecting electric lines of force and current leaking into the living body. There is.

本発明の目的は、上記従来技術の欠点を除去し、微小
可動機械要素を生体内で精密に効率良く運動制御し、生
体内の特殊な細胞に関する情報を得る手段とこれを治療
する手段とからなる新しい機械構造を提供することにあ
る。
An object of the present invention is to eliminate the above-mentioned disadvantages of the prior art, to precisely and efficiently control the movement of a micro movable mechanical element in a living body, to obtain information on special cells in the living body, and to treat the same. To provide a new mechanical structure.

(課題を解決するための手段) 本願第1の発明の微小運動機械機構は、印加された力
の作用により動くことのできる微小可動機械要素と、当
該微小可動機械要素に作用する力を制御する制動要素を
同一半導体基板に集積した微小可動機械で、生体内の特
殊な細胞を認識するセンサの信号により当該可動機械要
素の運動を制御することを特徴とする微小生体内可動機
械であることを特徴としている。
(Means for Solving the Problems) A micro-movement mechanical mechanism according to the first invention of the present application controls a micro-movable mechanical element that can move by the action of an applied force and a force acting on the micro-movable mechanical element. A micro movable machine in which a braking element is integrated on the same semiconductor substrate, wherein the movement of the movable mechanical element is controlled by a signal of a sensor recognizing a special cell in a living body. Features.

本願第2の発明の微小可動機械機構は、第1の発明に
加えて当該微小可動機械上にエネルギー発生体を設けて
生体内の特殊細胞を焼き殺すことを特徴とする微小生体
内可動機械であることを特徴としている。
The micro movable mechanical mechanism of the second invention of the present application is a micro in vivo movable machine characterized in that, in addition to the first invention, an energy generator is provided on the micro movable machine to burn out special cells in the living body. It is characterized by having.

(作用) 本発明の微小生体内可動機械は、半導体基板上で運動
する微小可動機械要素に作用する力を制御する制動要素
と生体内の特殊な細胞を認識するセンサを微小可動機械
要素と同一の半導体基板上に作製し、このセンサの信号
に従って微小可動機械要素の運動を制御することによ
り、生体内の細胞の寸法程度の微小な領域に侵入してそ
の異常を検知することを可能とするものである。さら
に、微小可動機械機構にエネルギー発生体であるヒータ
やレーザ等の機能を付加することにより、侵入した場所
の異常な細胞を一つ一つ死滅させることもできる。
(Function) The micro-in vivo movable machine of the present invention has a braking element for controlling the force acting on the micro-movable mechanical element moving on the semiconductor substrate and a sensor for recognizing special cells in the living body as the micro- movable mechanical element. By controlling the movement of the micro movable mechanical element according to the signal of this sensor, it is possible to detect the abnormality by invading a minute area about the size of a cell in a living body Things. Further, by adding a function such as a heater or a laser, which is an energy generator, to the micro movable mechanical mechanism, abnormal cells at the invading location can be killed one by one.

この他に、半導体基板上で運動する微小可動機械要素
に作用する力の少なくとも一部に流体による作用力を利
用して力学的平衡を実現し、従来例の静電力に付随する
問題を解決したことを特徴としている。
In addition, at least a part of the force acting on the micro movable mechanical element moving on the semiconductor substrate is realized by using a fluid acting force to achieve a mechanical balance, thereby solving the problem associated with the electrostatic force of the conventional example. It is characterized by:

(実施例) 次に、本願第一の発明について図面を参照して説明す
る。
(Example) Next, the first invention of the present application will be described with reference to the drawings.

第1図は、本願第一の発明の実施例の斜視図を示した
ものである。同図において第3図の構成要素と同じ番号
は同じ構成要素を示している。この微小可動機械機構
は、流体の流れを制御する制動要素、微小可動機械要
素、および生体内の細胞の振動を検知するセンサから構
成されている。フルイディック素子100を介して微小可
動機械要素に流入した流体の流れに従ってロータ1がシ
ャフト2のまわりに回転しそれをスライダー102で直線
運動に変換する。この微小可動機械機構はカテーテルに
実装する。制動要素は、フルイディック素子100とこれ
に流体を供給する流体源101からなる。フルイディック
素子100は、流体の流れを制御するための構成要素であ
り、従来、金属やプラスチック材料からなる管状のパイ
プを組み立てて作製されていた。このフルイディック素
子の従来の構成や原理応用について「計測と制御」(第
9巻第3号(昭和45年3月))に特集が組まれているの
でこの知識を利用することができる。第1図のフルイデ
ィック素子100は、同文献の225頁に略述された増幅回路
と同様の構成からなり、入力管12より流入する流体の圧
力PSがこの管12と別の入力管13と14から流入する流体の
圧力P1とP2により制御され出力管15と16から流出すると
き、管15では圧力P3、管16では圧力P4となって微小可動
機械要素に流入する。このP3とP4との差圧は、P1とP2
の差圧の関数でフルイディク素子100の幾何学的構造に
より比例常数が決まる。同図に記載のフルイディク素子
100を4個直別にならべ初段の出口管15、16を次段のフ
ルイディク素子入力管13、14につなげた構成を持つフル
イディク素子が最終段の出力管15と16の差圧を初段の入
力管13と14の差圧の100倍に増幅した例が先の文献の同
頁に示されている。さらに、P1とP2の圧力差の符号を反
対にすることによりP3とP4の圧力差を用意に逆にするこ
とができる。従って、フルイディク素子は二つの入力管
13、14と入力に比例した信号を生ずる二つの出力管15、
16とを持つ電気的四端子回路になぞらえる事が出来、フ
ルイディク素子を組み合せることにより電気回路の論理
回路やアナログ回路に相当する機能を流体の流れに対し
て作ることが可能である。流体源101にフローセンサや
弁等のアクチュエータを組み込むことによりフルイディ
ク素子に入力管12、13、14を介して流入する流体を制御
することができる。その結果、出力管15、16から出力す
る流体を流体源101から制御することが可能となった。
FIG. 1 shows a perspective view of an embodiment of the first invention of the present application. 3, the same reference numerals as those in FIG. 3 denote the same components. This micro movable mechanical mechanism includes a braking element for controlling the flow of a fluid, a micro movable mechanical element, and a sensor for detecting the vibration of cells in a living body. The rotor 1 rotates around the shaft 2 according to the flow of the fluid flowing into the micro movable mechanical element via the fluidic element 100, and the rotor 1 converts the rotation into linear motion by the slider 102. This micro movable mechanical mechanism is mounted on a catheter. The braking element comprises a fluidic element 100 and a fluid source 101 for supplying fluid thereto. The fluidic element 100 is a component for controlling the flow of a fluid, and has conventionally been manufactured by assembling a tubular pipe made of a metal or a plastic material. A special feature is set forth in "Measurement and Control" (Vol. 9, No. 3 (March, 1970)) on the conventional configuration and principle application of this fluidic element, and this knowledge can be used. Fluidic device 100 of FIG. 1 is made of the same configuration as the amplifier circuit outlined in page 225 of the document, the pressure P S of the fluid flowing from the input pipe 12 the pipe 12 and another input tube 13 when when 14 is controlled by the pressure P 1 and P 2 of the fluid flowing from flowing out from the output pipe 15 and 16, the tube 15, the pressure P 3, it is a pressure P 4 in the pipe 16 flows into the micro movable mechanical elements. The pressure difference between P 3 and P 4 are proportional constants are determined by the geometry of Furuidiku element 100 as a function of the pressure difference between P 1 and P 2. Fluidic element shown in the figure
The fluid element has a structure in which the first stage outlet pipes 15 and 16 are connected to the next stage fluid element input tubes 13 and 14, and the differential pressure between the final stage output tubes 15 and 16 is input to the first stage input tube. An example of amplification at 100 times the differential pressure between 13 and 14 is shown on the same page of the above literature. Furthermore, it is possible to reverse the prepared pressure difference between P 3 and P 4 by the sign of the pressure difference between P 1 and P 2 on the opposite. Therefore, the fluidic element has two input tubes.
13, 14 and two output tubes 15, which produce a signal proportional to the input,
It can be compared to an electric four-terminal circuit having 16 and the function corresponding to the logic circuit or the analog circuit of the electric circuit can be created for the flow of the fluid by combining the fluidic element. By incorporating an actuator such as a flow sensor or a valve in the fluid source 101, the fluid flowing into the fluid element via the input pipes 12, 13, 14 can be controlled. As a result, the fluid output from the output tubes 15 and 16 can be controlled from the fluid source 101.

一方、微小可動機械要素は、回転部分が第3図の従来
例からステータ3を除いた構成要素からなる。ロータ1
がフルイディク素子100の出力管15、16の出口に各々一
つずつ配置されており、フルイディック素子100から流
入した流体がロータ1の羽に作用する力に従ってロータ
1がシャフト2のまわりに回転する。このロータの回転
に応じてスライダー102が直線的に前後方向に動く。出
力管16から流入する流体の圧力P3の方が管15より流入す
る物体の圧力P4よりも大きいとき管16の出口に設けられ
たロータの駆動力の方が管15の出口に設けられたロータ
の駆動よりも大きくなり、その結果、第1図ではスライ
ダー102は、細胞103、106から離れる向きに運動する。
反対に、P4がP3よりも大きいときには、スライダー102
は、細胞に近づく向きに運動する。このように、ロータ
の回転に応じてスライダー102を直線的に前後に動かす
ことができ、スライダー102の先端部が生体内の細胞103
のなかを動く。
On the other hand, the micro movable mechanical element has a rotating part composed of components other than the conventional example shown in FIG. Rotor 1
Are disposed at the outlets of the output tubes 15 and 16 of the fluidic element 100, respectively. The rotor 1 rotates around the shaft 2 according to the force of the fluid flowing from the fluidic element 100 acting on the blades of the rotor 1. . The slider 102 linearly moves in the front-rear direction in accordance with the rotation of the rotor. Provided at the outlet of the rotor of the driving force towards the tube 15 provided at the outlet of the tube 16 when towards the pressure P 3 of the fluid flowing from the output pipe 16 is greater than the pressure P 4 of the object flowing from the tube 15 As a result, the slider 102 moves away from the cells 103 and 106 in FIG.
Conversely, when P 4 is larger than P 3 is a slider 102
Moves toward the cell. In this way, the slider 102 can be linearly moved back and forth according to the rotation of the rotor, and the tip of the slider 102 is
It moves inside.

本実施例では、スライダー102の先端に細胞の信号を
検知するセンサ104を搭載している。このセンサには例
えばISFET(on ensitive ield ffect ransis
tor)を用いることができる。ISFETのゲート絶縁膜とし
て酵素膜を形成しておき、生体内を移動する。正常な細
胞103ばかりが存在する場所と異常な細胞106が存在する
場所とではISFETの出力が異なると考えられるので、出
力を検知していればこのセンサ104が異常な細胞106の近
傍にきたときそれを知ることができ信号を発する。その
信号を流体源101にフィードバックして微小機械要素の
運動を制御する。なお、センサを複数設けそれぞれISFE
Tの酵素膜の種類を変えておけばそれに対応した複数の
種類の異常な細胞を検知できる。この微小な運動に応じ
て、微小可動機械を実装したカテーテルを通してセンサ
104の出力を外部に取り出すことができる。その結果、
生体内部の異常を細胞の単位で検査することができる。
この実装方法としてカテーテル以外にテレメトリーの技
術等を使用することも可能である。このようにセンサ10
4を可動機械機構に搭載することにより、例えばフルイ
ディク素子100を介して微小可動機械要素の運動を制御
することが可能である。なお、フィードバック管11は、
P1とP2の差圧がPSの20%をこえるときフルイディク素子
100内の流体の流れが不安定になるのでこれを防ぐため
に設けている。さらに、導通管10は、余分の流体の出口
で半導体基板を貫通して外界に通じている。この導通管
を通して流れる流体の圧力とフルイディク素子に流入す
る流体の圧力PSとの差を一定にすることによりフルイデ
ィク素子の動作を更に安定にすることができる。半導体
ICプロセス技術を用いると同図に例示したフルイディク
素子を半導体基板上に作製することが可能である。半導
体基板上に堆積したポリシリコンやSiO2等の薄膜にリソ
グラフィーによりフルイディク素子の形状を型どりドラ
イエッチング等のエッチング技術により薄膜の中にフル
イディク素子の穴を作製する。あるいは、半導体基板を
EDP(エチレンジアミンピロカテコール)等の異方性エ
ッチング液によりエッチングすることによってもこれを
作製することが可能である。これらのプロセスは微小可
動機械要素の作製に使われるプロセスと互換性があり、
薄膜中にフルイディク素子を作製する構成のとき微小可
動機械要素のプロセスと同時に作製することができ余分
な工程を必要としないという利点がある。フルイディク
素子と微小可動機械要素を半導体基板上に作製した後、
流体を半導体表面に沿って流すためガラス基板を機械機
構を覆うようにして半導体基板と接着して流体の通路を
形成する。
In the present embodiment, a sensor 104 for detecting a cell signal is mounted at the tip of the slider 102. This sensor, for example ISFET (I on S ensitive F ield E ffect T ransis
tor) can be used. An enzyme film is formed as a gate insulating film of the ISFET and moves in a living body. Since the output of the ISFET is considered to be different between the place where only the normal cells 103 are present and the place where the abnormal cells 106 are present, if the output is detected, when this sensor 104 comes close to the abnormal cells 106 You can know it and emit a signal. The signal is fed back to the fluid source 101 to control the movement of the micro mechanical element. Note that multiple sensors are provided and
If the type of T enzyme film is changed, a plurality of types of abnormal cells corresponding to the type can be detected. In response to this minute movement, the sensor is passed through a catheter equipped with a micro movable machine.
The output of 104 can be taken out. as a result,
Abnormalities inside the living body can be inspected on a cell-by-cell basis.
As this mounting method, it is also possible to use a telemetry technique other than the catheter. Thus the sensor 10
By mounting 4 on the movable mechanical mechanism, it is possible to control the movement of the minute movable mechanical element via the fluidic element 100, for example. The feedback tube 11 is
Furuidiku element when pressure difference P 1 and P 2 exceeds 20% of P S
This is provided to prevent the flow of the fluid in 100 from becoming unstable. Further, the conduit 10 penetrates the semiconductor substrate at the outlet of the extra fluid and communicates with the outside world. The operation of Furuidiku element by the difference between the pressure P S of the fluid flowing into the pressure and Furuidiku element of the fluid flowing through the conduit at a constant can be further stabilized. semiconductor
By using the IC process technology, it is possible to manufacture the fluidic device illustrated in FIG. 1 on a semiconductor substrate. The shape of the fluidic element is formed by lithography on a thin film of polysilicon or SiO 2 deposited on a semiconductor substrate, and a hole of the fluidic element is formed in the thin film by an etching technique such as dry etching. Alternatively, a semiconductor substrate
This can also be produced by etching with an anisotropic etching solution such as EDP (ethylenediamine pyrocatechol). These processes are compatible with the processes used to make micro-movable mechanical elements,
When a fluidic element is manufactured in a thin film, it can be manufactured simultaneously with the process of the micro movable mechanical element, and has an advantage that an extra step is not required. After fabricating a fluidic element and a micro movable mechanical element on a semiconductor substrate,
In order for the fluid to flow along the semiconductor surface, the glass substrate is bonded to the semiconductor substrate so as to cover the mechanical mechanism to form a fluid passage.

また微小可動機械要素のロータ1の歯車の羽の横に凹
凸を付けることによりロータの回転を制御することもで
きる。流体の流れの中に置いた物体の表面の形状が凸状
のとき流体の速度が速くなるのに対して、凹の形状のと
きには流体の速度が遅くなり、この流体の速度差により
速度の小さい場所から速度の大きな場所の方向に力が生
じるからである。
The rotation of the rotor can also be controlled by providing irregularities on the sides of the gear blades of the rotor 1 of the micro movable mechanical element. The velocity of the fluid increases when the surface of the object placed in the flow of the fluid is convex, whereas the velocity of the fluid decreases when the surface is concave, and the velocity is small due to the velocity difference of the fluid. This is because a force is generated in a direction from a place to a place with a high speed.

以上のように流体の流れにより微小可動機械要素の運
動を制御することができることがわかったが、非常に高
速にこれを運動制御することが望まれるとき、流体の流
れよりも物体中の電子の流れの方が遥かに速いため、静
電力による運動制御の方法の方が応答特性に優ってい
る。そのため外部よりロータの交流電圧を加えることに
よりロータ1の運動を制御することができることは従来
例の通りである。しかし、流体の力も同時に利用する構
造の場合にはロータ1の運動を主に流体の作用力により
行い、静電力による制御をロータ1の微妙な運動の制御
のみに分離するという利用方法が可能である。その結
果、大きな電圧を印加する必要がなくなった。なお電圧
を加えて静電力による制御を行うほかにコイルあるいは
磁石を用いて電磁力による制御を先の流体による制御に
加えても上とおなじ効果が得られるため、この方法も本
発明に含まれる。
As described above, it has been found that the movement of the micro movable mechanical element can be controlled by the flow of the fluid, but when it is desired to control the movement at a very high speed, the movement of the electrons in the object is more than the flow of the fluid. Since the flow is much faster, the method of motion control by electrostatic force has better response characteristics. Therefore, it is possible to control the movement of the rotor 1 by applying an AC voltage to the rotor from the outside, as in the conventional example. However, in the case of a structure in which the force of the fluid is also used at the same time, it is possible to use the method in which the movement of the rotor 1 is mainly performed by the acting force of the fluid, and the control by the electrostatic force is separated into only the control of the subtle movement of the rotor 1. is there. As a result, it is no longer necessary to apply a large voltage. It should be noted that, besides performing control by electrostatic force by applying a voltage, the same effect as above can be obtained by adding control by electromagnetic force using a coil or magnet to control by the above fluid, so this method is also included in the present invention. .

第2図は、本願第2の発明の一実施例の上面図を示し
たものである。同図において第1図の構成要素とおなじ
番号はおなじ構成要素を示している。この実施例は、第
1図の実施例にエネルギー発生体であるヒータ105を付
加したものである。スライダー102の先端が体内の異常
な細胞106に近づいたときこの細胞の信号をセンサ104に
より受けヒータ105に電流を流して灼熱させこの異常な
細胞106を焼き殺す機能を有している。ヒータの他にレ
ーザ等のエネルギーを出力するものを搭載してもこれと
おなじ効果がある。なお、微小可動機械要素は、本発明
に例示した回転するロータとスライダーの組み合わせの
みに限定されるものではなく直線運動をするスライダ
ー、直線運動を回転運動に変換するクランク、さらにば
ね等の機械構成要素を組み合わせた構成全てが含まれ
る。
FIG. 2 shows a top view of one embodiment of the second invention of the present application. In the figure, the same numbers as the components in FIG. 1 indicate the same components. This embodiment is obtained by adding a heater 105 as an energy generator to the embodiment shown in FIG. When the tip of the slider 102 approaches the abnormal cell 106 in the body, the signal of the cell is received by the sensor 104, an electric current is applied to the heater 105, and the heater 105 has a function of burning and burning the abnormal cell 106. The same effect can be obtained by mounting a device that outputs energy such as a laser in addition to the heater. The micro movable mechanical element is not limited to the combination of the rotating rotor and the slider exemplified in the present invention, but includes a slider that performs a linear motion, a crank that converts a linear motion into a rotary motion, and a mechanical configuration such as a spring. All configurations combining elements are included.

(発明の効果) 本発明の微小生体内可動機械は構成要素が小さいため
直接生体内に侵入することが可能である。さらに、セン
サと運動の制御系を自身に有しているため生体内の局所
的な信号をもとに自律的に動くことが可能である。さら
に、ヒータやレーザ等のエネルギーを発する機構を持つ
ことにより生体内の異常な細胞を一個ずつというレベル
で除去することが可能である。流体を動力源として主に
用いるとき、先に述べた静電力によるトラブルの影響を
著しく減少させることができる。即ち、流体の圧力差に
よる力は、静電力のように互いに引き合う力でないため
物体に接触することなく安定に力学的平衡状態を作るこ
とが可能である。次に、先の実施例に述べたようにフル
イディク素子の構造を変えることにより流体の圧力差を
制御することが可能であり、従来例のように電圧を昇電
する手間を必要としない。最後に、流体は、その流れる
通路の幾何学的構造に依存し通路以外の全体の構造に依
存しない。さらに、通路の材質にも影響されないことか
ら、異なる材質を用いて機械構造を作製してもその違い
を考慮する必要がなく、その結果、機械構造の設計が用
意になる。流体による力は、静電力や電磁力と相互作用
しないためこれらの力を独立に解析することが可能なこ
とも本方法の大きな利点である。さらに、フルイディク
素子を微小可動機械要素と同一の半導体基板上に作製す
るとき構造の微小化と微小部品の組立という煩差な工程
を必要としないという長所が付加される。これらの効果
は著しいものであり、本発明は有効なものである。
(Effects of the Invention) The small in-vivo movable machine of the present invention can directly invade a living body because of its small components. Furthermore, since it has its own sensor and motion control system, it can autonomously move based on local signals in the living body. Further, by having a mechanism for emitting energy such as a heater or a laser, it is possible to remove abnormal cells in a living body at a level of one by one. When a fluid is mainly used as a power source, the influence of the trouble caused by the electrostatic force described above can be significantly reduced. That is, since the force due to the pressure difference of the fluid is not a force that attracts each other like an electrostatic force, a dynamic equilibrium state can be stably formed without contacting an object. Next, as described in the previous embodiment, it is possible to control the pressure difference of the fluid by changing the structure of the fluidic element, and it is not necessary to increase the voltage as in the conventional example. Finally, the fluid depends on the geometry of its flowing passage and not on the overall structure other than the passage. Further, since it is not affected by the material of the passage, it is not necessary to consider the difference even if the mechanical structure is manufactured using different materials, and as a result, the design of the mechanical structure is prepared. It is also a great advantage of the method that fluid forces do not interact with electrostatic or electromagnetic forces and that these forces can be analyzed independently. Further, when the fluidic element is manufactured on the same semiconductor substrate as the micro movable mechanical element, there is an added advantage that the complicated steps of miniaturizing the structure and assembling the micro parts are not required. These effects are remarkable, and the present invention is effective.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本願第1の発明の一実施例の上面図、第2図は
本願第2の実施例の上面図、第3図(a)、(b)はそ
れぞれ従来の構造の上面図および断面図を示す。 1……ロータ、2……シャフト、3……ステータ、4…
…キャップ、5……絶縁膜、6……シリコン基板、10…
…導通穴、11……フィードバッグ管、12、13、14……入
力管、15、16……出力管、20……ロータ、30……ステー
タ、100……フルイディク素子、101……流体源、102…
…スライダー、103……生体内細胞、104……センサ、10
5……ヒータ、106……異常な細胞
FIG. 1 is a top view of one embodiment of the first invention of the present application, FIG. 2 is a top view of a second embodiment of the present invention, and FIGS. 3 (a) and (b) are top views of a conventional structure, respectively. FIG. 1 ... rotor, 2 ... shaft, 3 ... stator, 4 ...
... cap, 5 ... insulating film, 6 ... silicon substrate, 10 ...
... Conduction hole, 11 ... Feedback tube, 12, 13, 14 ... Input tube, 15, 16 ... Output tube, 20 ... Rotor, 30 ... Stator, 100 ... Fluidic element, 101 ... Fluid source , 102 ...
… Slider, 103… In vivo cells, 104… Sensor, 10
5 ... heater, 106 ... abnormal cells

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】印加された力の作用により動くことのでき
る微小可動機械要素と、当該微小可動機械要素に作用す
る力を制御する制動要素とを備えた微小可動機械で、生
体内の特殊な細胞を認識するセンサの信号により当該可
動機械要素の運動を制御し、かつ前記微小可動機械要
素、前記制動要素および前記センサが同一の半導体基板
上に形成されたものであることを特徴とする微小生体内
可動機械。
A micro movable machine having a micro movable mechanical element capable of moving by the action of an applied force and a braking element for controlling a force acting on the micro movable mechanical element. The movement of the movable mechanical element is controlled by a signal of a sensor that recognizes a cell, and the minute movable mechanical element, the braking element, and the sensor are formed on the same semiconductor substrate. In vivo movable machine.
【請求項2】請求項1に記載の微小生体内可動機械にお
いて、基板上に集積化された微小可動機械要素に作用す
る力の少なくとも一部分を流体の流れによる作用力を利
用して運動制御し、当該流体の流れをフルイディック素
子により制御する微小生体内可動機械。
2. The micro in-vivo movable machine according to claim 1, wherein at least a part of the force acting on the micro movable mechanical element integrated on the substrate is subjected to motion control by utilizing the acting force of a fluid flow. , A small in vivo movable machine that controls the flow of the fluid by a fluidic element.
【請求項3】前記センサは酵素膜をゲート絶縁膜に用い
たISFETであり、該ISFETは前記特殊な細胞が存在する場
所と正常な細胞のみが存在する場所とで出力が異なるも
のであることを特徴とする請求項1または2に記載の微
小生体内可動機械。
3. The sensor is an ISFET in which an enzyme film is used as a gate insulating film, and the ISFET has a different output between a place where the special cells are present and a place where only normal cells are present. The micro living body movable machine according to claim 1 or 2, characterized in that:
【請求項4】前記センサを複数有し、該複数のセンサは
互いに異なる酵素膜をゲート絶縁膜に用いた複数のISFE
Tであり、該複数のISFETはそれぞれ特定の細胞が存在す
る場所と正常な細胞のみが存在する場所とで出力が異な
るものであることを特徴とする請求項1または2に記載
の微小生体内可動機械。
4. A plurality of ISFEs having a plurality of sensors, wherein the plurality of sensors use different enzyme films for a gate insulating film.
3. The in vivo micro-organism according to claim 1 or 2, wherein the plurality of ISFETs have different outputs between a place where specific cells are present and a place where only normal cells are present. Moving machinery.
【請求項5】前記微小可動機械上にエネルギー発生体を
設けこれにより生体内の特殊細胞を焼き殺すことを特徴
とする請求項1から4のいずれかに記載の微小生体内可
動機械。
5. The small in vivo movable machine according to claim 1, wherein an energy generator is provided on the small movable machine to burn out special cells in the living body.
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