JP5360823B2

JP5360823B2 - 光電駆動マイクロマシン及び微小可動部材の駆動方法

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Publication number: JP5360823B2
Application number: JP2009212415A
Authority: JP
Inventors: 昭二丸尾; 直樹吉村
Original assignee: Yokohama National University NUC
Current assignee: Yokohama National University NUC
Priority date: 2009-09-14
Filing date: 2009-09-14
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2029-09-14
Also published as: JP2011056652A

Description

本発明は、光誘起性誘電駆動によって部材を駆動することにより動作する方式のマイクロマシン及び微小可動部材の駆動方法に関する。

光重合性樹脂原料にレーザー光を照射して三次元構造の光重合体を造形する光造形法が知られている。光重合性樹脂（ｐｈｏｔｏｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｂｌｅｒｅｓｉｎ）は、光照射するとモノマー分子が重合し高分子化することによって液体から固体へ変化する材料であり、一般に光硬化性樹脂（ｐｈｏｔｏｃｕｒａｂｌｅｒｅｓｉｎ）又はフォトポリマー（ｐｈｏｔｏｐｏｌｙｍｅｒ）とも呼ばれる高分子材料である。光重合性樹脂の光造形法を用いた微小構造体の製造方法が、例えば、特許文献１〜３等に開示されている。この光造形法においては、液状の光重合性樹脂原料にレーザー光が照射され、光重合体からなる三次元構造体が、液状の樹脂原料内に造形される。このような光造形法によれば、レーザー光の集光点及び２光子吸収を正確に制御することにより、比較的複雑な三次元構造を有する単ーマイクロギア等の微小構造体を光重合性樹脂原料によって成形することができる。

そして、光重合性樹脂の光造形法によって成形した微小構造体を駆動する方法として、レーザー光を微小構造体の可動部に照射し、可動部を光トラッピングした状態でレーザー光の集光点を移動させて可動部を駆動する微小構造体の駆動方法が特許文献４に開示されている。
また、特許文献５には、中心軸及び羽根部材と、光駆動可能なビーズとから構成される複合構造のロータが開示されている。羽根部材は、中心軸から放射状に延び、ビーズは、羽根部材に取付けられる。ビーズは、光トラッピングにより流路の所定位置に位置決めされるとともに、光ビームの移動によって移動する。ロータは、ビーズの移動により回転し、マイクロポンプのロータとして機能する。更に、光駆動の原理を利用した流体輸送方法として、液体中に浮遊した微粒子をレーザー光で遠隔操作し、微粒子の運動を利用してマイクロチップ内の液体を流動させる方法が、近年において提案されている。

特に、マイクロチップ又はバイオチップにおいては、ｎＬ／分（ナノリットル）以下の微少流量の流体を輸送する必要が生じる。しかも、マイクロチップ又はバイオチップに配設される回転体としては、最大直径１００μｍ以下の回転体が想定される。このような微小スケールの回転体をリソグラフィ技術等によって成形した場合、かなりの隙間が回転体の周囲に形成されるので、微少流量の流体を正確に制御し難い。しかも、このような微少流量且つ微小スケールの流体制御デバイスでは、慣性力に比べて粘性力の影響が顕著に顕れるので、流体に作用する遠心力又は揚力に依存して流体を輸送することは困難である。
従って、これらのような微少流量の流体を制御下に輸送する微小スケールの流体制御デバイスの登場が期待されている。

そこで本願発明者は、先に、マイクロチップ又はバイオチップの流路に配置される流体制御デバイスにおいて、光駆動可能な可動部と、該可動部を回転可能に支承する固定部とを有し、前記可動部は、レーザー光の照射による遠隔操作によって回転し、前記流路内の流体を輸送するように、近接する前記可動部と協働して流路の容積変化又は変形を生じさせる流体制御デバイスについて特許出願している。（特許文献６参照）

特開２００１−１５８０５０号公報特開平１１−１７０３７７号公報特開２０００−２０２９１６号公報特開２００３−０２５２９５号公報特開２００５−０２７４９５号公報国際公開第０７／０１１０５２号パンフレット

前記特許文献６に開示した可動部の駆動については、単一のレーザー光を可動部に選択的に照射して光トラッピングし、レーザー光の集光点の移動によって前記可動部を回転させる光ピンセットと称される技術が適用されている。
この光ピンセットとは、図２０に示す如くレンズ部材１００によって数Ｗ出力のレーザー光１０１を微粒子や細胞などの透明な微小物体１０２に集光すると、微小物体１０２の界面で光の運動量が変化するので、光の放射圧が発生し、微小物体１０２を焦点位置に捕捉することが可能となる技術として知られている。
ここで、図２０に示す如くレーザー光１０１のうち、位置Ａを通過するレーザー光が透明な微小物体１０２に入射し、微小物体１０２に所定の屈折率で入射して通過し、再度微小物体１０２から出射する場合に作用する力Ｆ_Ａと、位置Ｂを通過するレーザー光が透明な微小物体１０２に入射し、微小物体１０２に所定の屈折角で入射して通過し、再度微小物体１０２から出射する場合に作用する力Ｆ_Ｂとの合力Ｆが発生し、微小物体１０２の中心をレーザー光の集光位置１０１ａに近付けようとする方向に力を発生させる。
この原理を図２１に示す如く可動部１０３の駆動に利用すると、レーザー光１０１の集光位置１０１ａが可動部１０３から外れようとすると、合力Ｆが作用するので可動部１０３を捕らえてレーザー光１０１の移動方向に移動することができる。なお、この操作対象とする可動部１３の大きさは１００μｍから数μｍオーダーのマイクロマシン機械構造に適用されるものを対象として考慮する。

しかしながら、透明な微小物体１０２にレーザー光１０１による放射圧に起因する合力を発生させるためには、数１０μｍ程度の大きさのマイクロマシンの可動部１０３を駆動するためであってもレーザー光１０１の出力として数Ｗ程度の高出力レーザーが必要であり、更に、高開口数の大型の対物レンズが必要になるので、駆動装置が高価かつ大型となる問題があった。

また、上述の光ピンセットは透明な微小物体１０２には有効であるが、微小物体がレーザー光を吸収する場合には発熱が生じてしまい、バイオ研究に用いる場合に問題となっていた。

本発明は、このような従来の実情に鑑みてなされたものであり、従来の数Ｗではなく数ｍＷ出力程度の低出力レーザー光によって駆動が可能であり、低開口数の対物レンズを用いて微小物体である可動部材の駆動が出来るマイクロマシンの提供と微小可動部材の駆動方法の提供を目的とする。

本発明は、光誘起性誘電駆動によって誘電体からなる可動部材を操作するマイクロマシンであって、前記可動部材が支持部材により移動自在により支持される構造を有するとともに、操作するべき可動部材を囲む流体を保持するために構成された面と、前記流体に囲まれた可動部材に電場を印加する手段と、受けた光の近傍における、前記受けた光の局所電場への変換のために構成された、前記面上の少なくとも１つの光伝導性領域と、この光伝導性領域を介し流体内の可動部材近傍に光を集光照射し、誘起された局所電場に応じて、前記可動部材に生じる不均一誘電分極力による推進力を生じさせる光源を備えたことを特徴とする。

本発明において、前記可動部材を囲む面が少なくとも２つ対向配置され、各面に形成された電極が電源に接続されて前記可動部材の周囲に電場を印加できるように構成されてなることを特徴とする構成としても良い。
本発明において、前記可動部材を囲む面の少なくとも１つに形成される光導電性領域として光照射により導電率が変化する電場調整層が設けられていることを特徴とする構成としても良い。
本発明において、前記支持部材が前記可動部材を囲む面の少なくとも１つの面に形成された固定型の軸であり、前記可動部材が前記軸を中心に回転するアームまたは翼であることを特徴とする構成としても良い。
本発明において、前記光源がレーザー光の発光光源とレーザー光を集光するレンズ部材とを具備してなることを特徴とする構成としても良い。
本発明において、前記電源が交流電源であっても良い。

本発明の微小部材の駆動方法は、光誘起性誘電駆動によって誘電体からなる微小な可動部材を駆動する方法であって、支持部材により移動自在により支持された可動部材に対し、操作するべき可動部材を囲む流体を保持するために構成された面を介して前記流体に囲まれた可動部材に電場を印加し、受けた光の近傍における、前記受けた光の局所電場への変換のために構成された、前記面上の少なくとも１つの光伝導性領域を用い、この光伝導性領域を介して流体内の可動部材近傍に光を集光照射し、誘起された局所電場に応じて、前記可動部材に生じる不均一誘電分極力による推進力を生じさせて前記可動部材を駆動することを特徴とする。

本発明の微小部材の駆動方法は、前記可動部材を囲む面を少なくとも２つ対向配置し、各面に形成された電極に電源を接続して前記可動部材の周囲に電場を印加することを特徴とする。
本発明の微小部材の駆動方法は、前記可動部材を囲む面の少なくとも１つに光導電性領域として光照射により導電率が変化する電場調整層を設け、この電場調整層にレーザー光を照射して不均一電場を生成することを特徴とする。

本発明のマイクロマシンは、支持部材により移動自在により支持した可動部材に対し、電場を与えながら、電場調整層に光を集光照射して導電率を変化させて不均一電場を可動部材近傍に生成できるので、誘起された局所電場に応じて、前記可動部材に生じる不均一誘電分極力による推進力を生じさせることができ、これを推進力として可動部材を駆動することができる。

また、この発明のマイクロマシンは、均一電場を与えた領域の任意の位置に光を集光照射するならば、光の集光状態に応じて数１０μｍ〜数１００μｍの微細な可動部材に対して光を集光照射した位置から目的の任意の方向に光誘起性誘電駆動による駆動力を発生できるので、支持部材に支持されている可動部材を任意の方向に駆動することができる。
また、集光照射する光源としてレーザー光を利用することができ、従来の光ピンセットに使用されている数Ｗ規模のレーザーに対し、１０００分の一程度の微小出力のレーザー光であっても、微細な可動部材に対して十分な駆動力を与えることができる。
よって、本発明により、可動部材を任意の方向に低出力レーザーで安価に駆動できるマイクロマシンを提供できる。

本発明に係るマイクロマシンの第１実施形態を示す構成図。図１に示す実施形態のマイクロマシンにおける不均一電場による駆動原理を示す説明図。図１に示す実施形態のマイクロマシンにおける誘電分極に伴う駆動原理を示す説明図。図１に示すマイクロマシンに備えられた可動部材の第１の例とレーザー光の集光位置を示すもので、図４（Ａ）は斜視図、図４（Ｂ）〜図４（Ｅ）は回転駆動する際のレーザースポットと可動部材との位置関係を示す図。図１に示すマイクロマシンに備えられた可動部材の第１の例とレーザー光の集光位置の他の例を示す斜視図。図１に示すマイクロマシンに備えられた可動部材の第２の例とレーザー光の集光位置を示す斜視図。図１に示すマイクロマシンに備えられた可動部材の第３の例とレーザー光の集光位置を示す斜視図。本発明に係るマイクロマシンを複数備えたバイオチップの一例を示す構成図。本発明に係るマイクロマシンを複数備えたマイクロポンプの一例を示す構成図。本発明に係るマイクロマシンを備えたマイクロポンプの他の例を示す構成図。本発明に係るマイクロマシンの一例において、移動距離と時間の関係を示す図。本発明に係るマイクロマシンの一例において、速度と時間の関係を示す図。本発明に係るマイクロマシンの一例において、加速度と時間の関係を示す図。本発明に係るマイクロマシンの一例において、発生力と時間の関係を示す図。本発明に係るマイクロマシンの一例において、レーザーパワーと発生力と移動距離の関係を示す図。本発明に係るマイクロマシンの一例において、発生力と電圧と移動距離の関係を示す図。本発明に係るマイクロマシンの一例において、移動距離と周波数の関係を示す図。本発明に係るマイクロマシンの一例において、移動距離と電圧の関係を示す図。本発明に係るマイクロマシンの一例において、移動距離とレーザーパワーの関係を示す図。従来技術である光ピンセットのレーザー光による駆動力を説明するための説明図。従来技術である光ピンセットにより可動部材を駆動する場合の説明図であり、図２１（Ａ）は可動部材の中心部にレーザー光を集光した状態を示す図、図２１（Ｂ）は可動部材の端部側にレーザー光の集光位置を移動した状態を示す図。実施例において製造したマイクロアームのＳＥＭ写真。実施例において製造したマイクロアームの駆動状態の一例を示す図。実施例において製造したマイクロローターの駆動状態の一例を示す図。

以下、本発明に係るマイクロマシンの一実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態において説明する構造は本発明に係る例示であり、これらの構造に本発明が制約されるものではない。
図１は、本発明に係るマイクロマシンの一例構造を示し、図１に示す構造のマイクロマシンＡは、対向して平行に配置された上下の基板１、２と、それらの間に支持部材３によって回転自在に支持された可動部材（マイクロアーム）５と、基板１、２間にレーザー光６を集光照射するためのレンズ部材などの集光手段７と、レーザー光の発光光源８とを具備して構成されている。

このレーザー光の発光光源８はＨｅ−Ｎｅレーザービームなど、自然光に近い発色でできるだけ安価なレーザー光源を用いることが装置コストの面から好ましく、操作するべき対象物へのダメージを少なくする上で好ましい。しかし、本発明ではレーザーの種別について限定する訳ではなく、Ａｒレーザー、半導体レーザーなどの何れであっても良く、波長についても自然光領域以外に、近赤外光レーザーなどのレーザーを用いても良いのは勿論である。
なお、前記基板１、２は図の例では上下に離間配置されているが、基板１、２の配置は左右対になるように、あるいは斜め方向に対になる配置などを含む、いずれの方向の配置でも良いのは勿論である。この例では説明の容易化のために便宜的に上下に離間配置した例として説明する。
また、基板１，２は通常平面形状であるが、平面に限るものではない。

前記集光手段７としては光学ガラスレンズなどを１つあるいは複数組み合わせて使用することができ、倍率２０倍、開口数ＮＡ＝０．４程度の対物レンズを適用することができる。
また、図面では略しているが、集光手段７はガルバノミラーなどのレーザー光走査光学系によって集光手段７がレーザー光６を集光する位置を基板１、２の面方向の任意の位置に変更することができるようになっている。

前記上方（一方）の基板１は光透過率の高い基板、例えばガラス基板などの透明基板から構成され、その下面側にａ−Ｓｉなどからなる電場調整層（光導電性領域）９が形成されている。また、下方（他方）の基板２の上面側にはＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）などからなる透明の導電膜１０が形成されている。この電場調整層９は、例えば、ａ−Ｓｉの単層膜であっても良く、高濃度にドープされたａ−Ｓｉ：Ｈ（水素化アモルファスシリコン）からなる厚さ５０ｎｍ程度の層と無ドープのａ−Ｓｉ：Ｈからなる厚さ１μｍ程度の層と窒化シリコンからなる例えば厚さ２０ｎｍ程度の層の積層構造で構成されているものでも良い。
なお、電場調整層９の構成材料はこれらの材料の他に、銅フタロシアニンなどを用いた誘起導電薄膜あるいはＣｄＳなどの光電導膜などを用いても良い。

この実施形態の支持部材３は導電層１０の上に垂設された樹脂製の軸部材として構成され、その上端部に径の大きな頭部３ａが形成されていて、可動部材５の抜け止めをなしている。この実施形態において可動部材５は平面視涙滴型のアーム状（カム状）に形成され、可動部材５の基端部５ａ側に貫通形成された支持孔５ｂに前記支持部材３を挿通した状態において支持部材３の軸３ｂ周りに回転自在に支持されている。従って可動部材５の先端部５ｃは支持部材３の周方向に回転自在に支持されている。
これらの支持部材３と可動部材５はいずれも、本発明者らが先に特許出願している国際公開第０７／０１１０５２号パンフレットなどに記載されている光造形法により形成されたものである。
例えば、一例を示すと、基板上に塗布した光硬化性樹脂液にフェムト秒レーザー光を照射して２光子吸収現象を誘起し、レーザー光の焦点近傍の樹脂のみを重合して硬化させ、レーザー光を樹脂液の内部において走査し、所望の輪郭形状の光重合体を形成し、未重合の樹脂液を除去し、溶剤で洗浄すると、目的の形状の光重合体を得ることができる。光硬化性樹脂としては、エポキシ系光重合性樹脂（Ｄ−ＭＥＣ株式会社製商品名ＳＣＲ−７０１等）などを用いることができるが、ウレタンアクリレート系光重合性樹脂などを用いることもできる。

この光造形技術において、現状の分解能は約０．１μｍ程度になっているので、前述の軸型の支持部材３及びカム型の可動部材５として、最も細い部分のサイズが約０．１μｍ程度の大きさのものまで製造することができる。例えば可動部材５を回転体として見ると、厚さ３μｍ、長さが数１０μｍのサイズのものを確実に基板上に形成することができる。本願発明において、マイクロマシンなどのようにマイクロと称する部材については、この光造形技術において製造可能なサイズの部材を示す。従って、０．１μｍ程度の大きさの部分加工が可能な、１μｍ〜数１００μｍサイズの部材による構造体をマイクロマシンと称する。
支持部材３と可動部材５を光造形法により製造する場合、支持部材３の軸部分のみを最初に硬化させて形成し、その後で可動部材５を形成し、最後に頭部３ａを形成するなどの作り分けを行うと、２つの部品が組み合わされた複雑な形状の部材でも支障なく製造することができる。例えば、ギアやカムと軸などの複数の部品が関連配置された構造体であっても、ギアやカムと軸を順番に形成し、個々に作り分けるか、ギアやカムを軸上において離間した位置に形成し、硬化後に複数のギアやカムを軸に沿って移動させて係合し、全体構造として作り分けすることによりギアやカムが係合した複雑な構造体を造形することができる。

また、上方の基板１の電場調整層９と他方の基板２の導電層１０とに交流電源１１が電気的に接続されていて、基板１、２間に交流電場を印加できるように構成されている。この交流電源１１は数Ｖ程度、例えば３〜７Ｖ程度の電圧を印加できれば良く、周波数を数１０〜数１００ｋＨｚ程度に調整できるものが好ましい。
前記基板１、２の間には水溶液などの流体が満たされている。なお、図面では略しているが基板１，２の周辺部分には基板１、２の間隙を封止する封止部材が設けられていて基板１、２間に満たされた流体を封止している。基板１、２間に封入されている水溶液は、例えば、非イオン性界面活性剤として知られているＴｒｉｔｏｎＸ−１００（アルドリッチ社製商品名）の０．１質量％水溶液などを例示することができる。この水溶液は一例であってその他の流体、例えば、純水、細胞培養液、緩衝溶液などであっても良い。

次に、図１の構成のマイクロマシンＡについて、駆動原理を説明する。
図２は駆動原理の説明図であり、図１の基板１、２を上下逆にして示している。交流電源１から電場調整層９と導電層１０に交流を通電すると、基板１，２の間の流体には交流周波数に合わせて交番電場が作用する。この状態において、集光手段７によりレーザー光６を電場調整層９の任意の位置に集光照射すると、電場調整層９においてレーザー光照射部分の導電率が向上する結果、図２に示す不均一電場ａが生成する。ここで仮に、この不均一電場ａの領域に樹脂製の粒子１５が存在すると、この粒子１５が不均一電場ａの領域から脱離するように移動する。
この原理を更に詳しく説明すると、レーザー光が照射された電場調整層１０においては、レーザー光の照射により導電率が向上するが、対向する側の導電層１０は導電率が変化しないので、「粒子１５の分極率＜周辺溶媒（周辺流体）の分極率」の場合、図３に示す如く不均一電場が生じ、誘電分極によって生じた電荷に及ぼす力は、電場が強い側が大きく、電場が弱い側が小さいため、その結果として粒子は電場の弱い方へ移動する。
即ち、電場Ｅ中の電荷ｑはＦ＝ｑＥ（Ｆ：力、ｑ：電荷、Ｅ：電場）の式に従う力を生じるが、同じ電荷ｑで帯電していても、電場Ｅが大きい側で大きな力が発生し、結果として粒子は電場の弱い領域に移動することになる。即ち、負の誘電泳動力が生じて粒子１５が移動する。この現象を負の誘電泳動と称する。
また、「粒子１５の分極率＞周辺溶媒（周辺流体）の分極率」の場合、正の誘電泳動力を生じる。

これら正負のいずれかの誘電泳動現象を利用し、図１に示すマイクロマシンＡを駆動することができる。
即ち、交流電源１１から電場調整層９と導電層１０に交流通電するとともに、レーザー光６の集光照射位置を可動部材５の先端部５ｃの左右近傍（図１では先端部５ｃの幅方向右側）に位置するように電場調整層９に集光照射すると、このレーザー光６のスポット部分において電場調整層９の導電率が上昇するので、交流電源１１から基板１，２間に印加した電場に乱れを生じ、可動部材５の先端部５ｃの側方側に不均一電場を生成することができる。なお、交流電場を利用するのは、直流電場とすると水溶液などの流体を電気分解することとなり、水溶液の種類によっては好ましくないためである。

この電場制御により、誘電体である樹脂製の可動部材５の先端部５ｃには先に図２と図３を元に説明した誘電分極に起因する泳動力が作用するので、「可動部材５の分極率＜周辺流体の分極率」の場合、負の誘電泳動力が生じて図１矢印Ｎの方向に可動部材５の先端部５ｃが反発されて可動部材５は支持部材３を中心に左回り回転を始める。
この回転を更に持続させるために、可動部材５の回転方向に合わせてレーザー光６のスポット位置を可動部材５に沿って移動させることで、可動部材５の回転を永続することができる。
例えば、図４（Ａ）に示す状態から可動部材５を右回りに連続回転させるためには図４（Ｂ）〜図４（Ｅ）に示す如く可動部材５の先端部近くにレーザー光のスポット６ａが位置するようにレーザー光６を円方向に走査する円スキャンを行うことにより、即ち、可動部材５の後を追いかけるようにスポット６ａの位置を円スキャンすることにより、常に可動部材５に対して誘電泳動力による回転力を付与することができ、これにより可動部材５を連続回転駆動することができる。

また、可動部材５については、連続回転駆動する場合もあれば、所定の角度のみ間欠的に方向を変更させる場合もあるので、方向変更する場合は、１度のレーザー光照射で生じる誘電泳動力で可動部材５を処置の方向に方向変更するように使用しても良い。この場合において、例えば図４（Ａ）に示す如く可動部材５の先端部５ｃの左側方にレーザー光６を集光照射した場合、負の誘電泳動力を発生させると可動部材５は反発して矢印Ａ２方向に誘電泳動力の大きさに応じた角度回転し、逆に可動部材５の先端部５ｃの右側方にレーザー光６を集光照射した場合、負の誘電泳動力を発生させると可動部材５は反発して矢印Ａ１方向に誘電泳動力に応じた角度回転する。

また、可動部材５を高速回転駆動する場合は、図５に示す如く可動部材５の幅方向両側にレーザー光６のスポット６ａ、６ｂを高速で交互に照射する操作を行うことにより、可動部材５の左右交互高速駆動を行うことができる。この動作は例えば、高速で流体の流れの方向を切り替える動作などに応用することができる。

次に、可動部材５の他の例として図６に示す如く３本翼のプロペラ型の可動部材２０を光造形法により支持部材３の周囲に設けた構造を採用することができる。
この構造の可動部材２０を回転駆動するには、翼２１の先端部２１ａの側方位置にレーザー光６を集光照射するようにレーザー光６の集光手段７による集光照射を行えば良い。

次に、図７に示す如く、２基の可動部材２０を基板上に定間隔で形成し、各可動部材２０の翼２１の先端部近傍へのレーザー光６の集光照射位置を調節し、一方の各可動部材２０と他方の各可動部材２０とが互いに逆回りに回転するように駆動することもできる。図７の例では、左側の可動部材２０を右回転駆動し、右側の各可動部材２０を左回転駆動するので、左側の可動部材２０の翼２１においては、翼２１の先端部２１ａに対し回転方向手前側の位置にレーザー光６のスポット６ａを集光照射して負の誘電泳動力を発生させて反発移動させることで、右周り回転可能であり、右側の可動部材２０の翼２１においては、翼２１の先端部２１ａに対し回転方向手前側の位置にレーザー光６のスポット６ｂを集光照射して負の誘電泳動力を発生させて反発移動させることで、左周り回転可能となる。

図８は本発明に係るマイクロマシンの構造を複数組み込んでなるマイクロチップの一例構造を示す。
この例のマイクロチップは、サイズが異なるマイクロポンプ３０を備えたマイクロチップ３１として示されている。マイクロチップ３１は、例えば被覆層をガラス基板上に被覆した微小な平板構造を有する。被覆層は、所定位置に所定形態の中央流路３３を形成する。被覆層及びマイクロポンプ３０は、光造形法によって基板上に造形される。マイクロセパレータ３６、マイクロピンセット３７及びマイクロバルブ３８が、流路３３の所定位置に配置される。これらのマイクロマシンも又、被覆層及びマイクロポンプ３０とともに、光造形法によって流路３３内に造形されている。
平面視長方形状のマイクロチップ３１の一側端部（一方の短辺側）に、流路３３の流入端３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄが形成され、他側端（他方の短辺側）に流出端３３ｅが形成され、流入端３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄはマイクロチップ３１の内部において１つの中央流路３３に一体化されている。この中央流路３３の他側は、流出端３３ｅと密閉端部３３ｆとに分岐されている。

マイクロセパレータ３６は、中央流路３３から流出端３３ｅの分岐部分に形成され、支軸３６ａを中心に回動する可動弁体３６ｂを備える。マイクロピンセット３７は、密閉端３３ｆに設けられ、左右一対の支軸３７ａ及び可動把持部３７ｂから構成され、左右の可動把持部３７ｂは、支軸３７ａを中心に回動自在に構成されている。マイクロバルブ３８は、流入端３３ａが中央流路３３に接続する部分に形成され、支軸３８ａを中心に回動する可動弁体３８ｂを備える。流路３３、マイクロセパレータ３６、マイクロピンセット３７、マイクロバルブ３８及びマイクロポンプ３０は、図示略の分析装置に給送すべき流体を制御する流体回路を構成する。
また、本実施形態のマイクロチップ３１にあっては、流入端３３ａから中央流路３３に至る流路の途中にもマイクロポンプ３９が設けられ、流入端３３ｄから中央流路３３に至る流路の途中にもマイクロポンプ３９が設けられている。また、流入端３３ｂの内部にはバイオフィルタ４０が設置され、流出端３３ｅの流路内に円柱を複数整列形成したナノピラー４２が配置されている。

マイクロポンプ３０の一形態は、図８に示す如く星形の回転体でも良いが、図９に示す如く、流路の一部側壁４５を長円形状に膨出させて形成したポンプ室４６の内部に離間して対になる支持軸４７を形成し、これらの支持軸４７に軸支されるように平面視ひょうたん型の回転体４８を備えてなる構成のマイクロポンプ３０Ａとされていても良い。
この形態のマイクロポンプ３０Ａの回転体４８は、集光手段７によって集光照射されるレーザー光６によって先に説明したマイクロマシンと同様に光誘起性誘電駆動することができる。回転体４８が平面視長円形状のポンプ室４６の内部において互い違いに回転することにより図９の矢印４９に示す方向に送液力を得ることができる。
中央流路３３に設けたマイクロポンプ３０あるいはマイクロポンプ３０Ａの送液力により、中央流路３３の流体を付勢する。マイクロセパレータ３６及びマイクロバルブ３８は、レーザー光によって光誘起性誘電駆動され、流路３３の流体の流れを制御する。マイクロピンセット３７は、レーザー光によって光誘起性誘電駆動され、中央流路３３内の浮遊物質等を可動把持部３７ｂ、３７ｂによって把持することができる。

このように構成されたマイクロチップ３１によれば、マイクロポンプ３０あるいはマイクロポンプ３０Ａの回転体をレーザー光６によって回転させることにより、流入端３３ａ〜３３ｄ側から中央流路３３側への連続流が形成される。マイクロチップ３１は、外付けシリンジポンプ等の外部機器に依存することなく、流体を分析装置に給送することができる。
従って、外部機器（外付けシリンジポンプ等）とマイクロチップ３１との接続工程を省略し、外部機器接続に伴う液漏れや、気泡混入等の問題を回避することができる。
このようなマイクロチップ３１を使用した化学合成分析プロセスにおいては、試料又は試薬等を微量化し、分析プロセスに要するコストを低減するとともに、外部機器接続の手間をなくし、作業の効率化を図ることができる。
また、上記構成のマイクロチップ３１は、レーザー光６によって各マイクロマシンを遠隔駆動することができることから、ピエゾデバイスや静電アクチュエータ等の高価且つ精密な機器の使用や、これに伴う配線等を要しない。従って、このようなマイクロチップ３１の構成は、実用的に極めて有利な特長を有する。

図１０は本発明に係るマイクロマシンをシングルディスク型のマイクロポンプに適用した一実施形態を示すもので、この形態のマイクロポンプＰは、平面視Ｕ字形に構成した外壁部５０の内部に仕切壁５１を設けてＵ字形の流路５２が構成され、外壁部５０の奥部中央にリング状のローター５５が配置され、ローター５５の内側に３本の円柱状のトラップポイント５６が配置されて構成されている。
この実施形態のマイクロポンプＰは３本のトラップポイント５６の位置毎に順次レーザー光６を順序に繰り返し集光照射することで、ローター５５を光誘起性誘電駆動により回転駆動することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形又は変更が可能である。
また、上記実施形態では、マイクロチップ上のマイクロデバイス、流路及びポンプハウジング等の全構成要素を光重合性樹脂の光造形法によって成形しているが、射出成形法で成形した樹脂成形体の流路や、ガラスチップに形成した流路等の如く、他の素材で流路及びポンプハウジングを形成しても良い。この場合、光重合性樹脂原料が流路内に注入され、回転体及び固定軸等の構成要素が流路内に光造形される。

「実施例１」
レーザー光によって発生する光誘起性誘電駆動力を測定するため、波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザーを用い、レーザーパワー１ｍＷにおいて集光手段として２０倍、ＮＡ＝０．４の対物レンズを用いてレーザービームを集光照射できるように構成した。一方のガラス基板の一面に厚さ１μｍのａ−Ｓｉ層を形成し、他方のガラス基板に厚さ
１μｍのＩＴＯの透明導電層を形成した対になるガラス基板を用意し、ａ−Ｓｉ層と透明導電層を対向させてガラス基板間のギャップ３０μｍとして両者を対向させ、両ガラス基板間に溶媒を充填するとともにガラス基板を封止材により封止してセルを組み立てた。溶媒は、０．１質量％ＴｒｉｔｏｎＸ−１００（アルドリッチ社製商品名）の水溶液（導電率０．０１３Ｓ／ｃｍ）を用いた。また、セルを封止する際、その内部に直径１０μｍのポリスチレンの球状微粒子を投入した。

図２に示す如くａ−Ｓｉ層を形成した基板を下にしてセルを水平配置した状態において、交流電源から、電圧５Ｖｒｍｓ、周波数１００ｋＨｚの交流通電を行うとともに、上述のＨｅ−Ｎｅレーザーをポリスチレンの球状微粒子の近傍に集光照射し、その際に生じる光誘起性誘電駆動力によるポリスチレンの球状微粒子の移動距離と時間の関係を図１１に示す。なお、この測定結果には、高さ方向の距離は含んでいない。
図１１に示す結果から明らかなように、ポリスチレンの球状微粒子について２５μｍの距離を０．４秒程度で移動させる駆動力を発生させることができた。これは、従来の光ピンセット技術において必要とされる１Ｗのレーザーパワーの１０００分の一程度のレーザーパワーであり、極めて小さい出力のレーザー光により微細な樹脂製の粒子に光誘起性誘電駆動力を作用させることができた。

次に、図１２に上述の試験の際の速度（Velocity）と時間の関係を示し、図１３に加速度（Acceleration）と時間（Time）の関係を示し、図１４に発生力（Force）と時間の関係を示す。なお、発生力については、溶媒におけるストークス流れを仮定し、Ｆ_ＤＥＰ＝ｍａ＋６πμＲＵの計算式から概算した。なお、これらの測定結果には、高さ方向の距離は含んでいない。
この計算式において、ｍはポリスチレン微粒子の質量（＝５．５×１０^−１３ｋｇ）、ａは加速度（ｍ／ｓｅｃ^２）、μは粘度（ここでは１００．２×１０^−５Ｐａ・ｓｅｃ）、Ｒは半径（ここでは粒子直径１０μｍなので５×１０^−６ｍ）、Ｕは速度（ｍ／ｓｅｃ）を意味する。

これらの結果から、速度、加速度、発生力ともに、レーザー光の照射から０．１秒程度以内の時間で発生しており、このことから光誘起性誘電駆動力を微粒子に対し高速で印加することができることが判明した。このことから光誘起性誘電駆動力を利用して微粒子を高速に駆動できることも判明した。

次に、前述の試験に引き続き、発生力のレーザーパワー（Laser Power）依存性を試験した。上述のセルとレーザー光及び交流電源を用い、レーザーパワーのみを０．１ｍＷ、０．５ｍＷ、１ｍＷ、５ｍＷ、１０ｍＷに変更して発生力を測定した結果を図１５に示し、実際に微粒子が移動した距離を併記した。
また、レーザーパワーを１ｍＷに固定し、交流電源から印加する電圧の変動（２Ｖ、４Ｖ、６Ｖ）による発生力を求め、その結果を図１６に示し、実際に粒子が移動した距離を併記した。
これらの結果から、本測定範囲では、発生力と移動距離は相関関係があり、レーザーパワーの大きさに発生力、移動距離が比例すること、印加電圧（即ち、印加する電場強度）の大きさに発生力、移動距離が比例することを確認できた。
このことから、本発明構造を採用することで、樹脂製の誘電体からなる可動部材をレーザー光により駆動することができ、その場合に、０．１〜１０ｍＷ程度のレーザーパワーにより、印加電圧２〜６Ｖ程度の電圧印加により微細粒子を駆動できることが明らかになった。また、ここでは数１０ｐＮオーダーの発生力が得られたことが分かるので、マイクロマシンの駆動力として充分な発生力を得ることができた。

次に、レーザーパワーを０．８ｍＷ、電圧を７Ｖｒｍｓとした場合に交流電源からセルに印加する電圧の周波数を０．５ｋＨｚ〜１００ｋＨｚまで変更した場合の移動距離（Movement distance）の測定結果を図１７に示す。
この結果から、周波数が１０ｋＨｚの場合に移動量が最大値になることが判明した。また、図１７に示す結果から周波数として、２０μｍ以上の移動距離を得るためには、１ｋＨｚ以上、１００ｋＨｚ以下の範囲を選択することが望ましいと思われる。
次に、レーザーパワーを０．８ｍＷ、周波数を５０ｋＨｚとした場合に交流電源からセルに印加する電圧を１〜７Ｖｒｍｓまで変更した場合の移動距離（Movement distance）の測定結果を図１８に示す。
この結果から、電圧が３Ｖｒｍｓの場合に移動量が最大値になることが判明した。また、図１８に示す結果から電圧として、２０μｍ以上の移動距離を得るためには、２．５〜７Ｖｒｍｓの電圧を選択することが望ましいと思われる。なお、電圧は大きい方が駆動力が増大するが、大きな電圧とする程消費電力が増大するし、流体に対する負担も大きく、バイオチップなどの応用面から見ても流体内の生体に負荷が増加することとなる。
次に、交流電源からの印加電圧７Ｖｒｍｓ、周波数を１０ｋＨｚとした場合にレーザーパワーの大小による移動距離（Movement distance）の測定結果を図１９に示す。
この結果から、本測定範囲ではレーザーパワーが大きくなる程、比例して移動量も大きくなることが判明した。

「試験例２」
次に、ガラス基板上のＩＴＯ層の上に、光硬化性樹脂液を溶液の状態で形成し、フェムト秒パルスレーザー光を集光し、焦点近傍の樹脂を選択的に硬化させる２光子マイクロ光利用の光造形法により平面視涙滴型のカム状のマイクロアームを形成した。このマイクロアームの軸孔径を１０μｍ、アーム全長は３０μｍとして図４に示す形状の可動部材と支持部材を形成することができた。
そのカム状のマイクロアームのＳＥＭ写真を図２２に示す。
次に、このマイクロアームに対し、波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザーを用い、レーザーパワー０．８ｍＷにして集光手段として２０倍、ＮＡ＝０．４の対物レンズを用いてレーザービームを集光照射し、印加電圧４．５Ｖｒｍｓ、周波数１００ｋＨｚにてマイクロアームを移動させた状態を図２３（Ａ）と図２３（Ｂ）に示す。光誘起性誘電駆動力を利用してマイクロアームの向きを変更できたことが分かる。

次に、図２４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示す如く、６枚の風車状の翼を有するマイクロギアに対し、出力１６ｍＷの波長３７７ｎｍの半導体レーザーを用いて翼の近傍に集光照射してマイクロギアを右回りに回転することができた。
次に、図６に示す３本翼のマイクロアームを回転駆動する試験を行った。Ｈｅ−Ｎｅレーザーを用いて１ｍＷのレーザーパワーで電圧５Ｖｒｍｓ、周波数１００ｋＨｚにおいて試験したところ、回転数１３ｒｐｍの回転速度を得ることができた。
次に、図２２に示すマイクロアームを高速回転駆動する試験を行ったところ、Ｈｅ−Ｎｅレーザーを用いて２０ｍＷのレーザーパワーで電圧３Ｖｒｍｓ、周波数１００ｋＨｚにおいて試験したところ、回転数６０ｒｐｍの回転速度を得ることができた。
これらのような回転速度は、わずか数十ｍＷのレーザー強度のレーザーを用いた場合、従来の光放射圧を利用した光ピンセット技術を用いた駆動力では達成できない回転速度であり、本発明の優位性を示す。

本発明は、マイクロギアやマイクロアームなどの駆動を低出力のレーザー光により駆動制御することができ、バイオチップ向けのマイクロ流体制御素子、細胞操作用マイクロツール用のなどの各種のマイクロマシンを高性能かつ低コストで提供できる。

ａ…不均一電場、１、２…ガラス基板、３…支持部材（支持軸）、５…可動部材（マイクロアーム）、６…レーザー光、７…集光部材（レンズ部材）、８…光源、９…電場調整層（光導電性領域）、１０…透明導電膜、１１…交流電源、１５…粒子、２０…可動部材、２１…翼、３０…マイクロポンプ、３１…マイクロチップ、３３…中央流路、３６…マイクロセパレータ、３７…マイクロピンセット、３８…マイクロバルブ、３９…マイクロポンプ、４７…支持軸、４８…回転体、Ｐ…マイクロポンプ、５０…外壁部、５１…仕切壁、５２…流路、５５…ローター、５６…トラップポイント。

Claims

光誘起性誘電駆動によって誘電体からなる可動部材を操作するマイクロマシンであって、前記可動部材が支持部材により移動自在により支持される構造を有するとともに、操作するべき可動部材を囲む流体を保持するために構成された面と、前記流体に囲まれた可動部材に電場を印加する手段と、受けた光の近傍における、前記受けた光の局所電場への変換のために構成された、前記面上の少なくとも１つの光伝導性領域と、この光伝導性領域を介し流体内の可動部材近傍に光を集光照射し、誘起された局所電場に応じて、前記可動部材に生じる不均一誘電分極力による推進力を生じさせる光源を備えたことを特徴とするマイクロマシン。
前記可動部材を囲む面が少なくとも２つ対向配置され、各面に形成された電極が電源に接続されて前記可動部材の周囲に電場を印加できるように構成されてなることを特徴とする請求項１に記載のマイクロマシン。
前記可動部材を囲む面の少なくとも１つに形成される光導電性領域として光照射により導電率が変化する電場調整層が設けられてなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマイクロマシン。
前記支持部材が前記可動部材を囲む面の少なくとも１つの面に形成された固定型の軸であり、前記可動部材が前記軸を中心に回転するアーム又は翼であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロマシン。
前記光源がレーザー光の発光光源とレーザー光を集光するレンズ部材とを具備してなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のマイクロマシン。
前記電源が交流電源であることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載のマイクロマシン。
光誘起性誘電駆動によって誘電体からなる微小の可動部材を駆動する方法であって、支持部材により移動自在により支持された可動部材に対し、操作するべき可動部材を囲む流体を保持するために構成された面を介して前記流体に囲まれた可動部材に電場を印加し、受けた光の近傍における、前記受けた光の局所電場への変換のために構成された、前記面上の少なくとも１つの光伝導性領域を用い、この光伝導性領域を介して流体内の可動部材近傍に光を集光照射し、誘起された局所電場に応じて、前記可動部材に生じる不均一誘電分極力による推進力を生じさせて前記可動部材を駆動することを特徴とする微小可動部材の駆動方法。
前記可動部材を囲む面を少なくとも２つ対向配置し、各面に形成された電極に電源を接続して前記可動部材の周囲に電場を印加することを特徴とする請求項７に記載の微小可動部材の駆動方法。
前記可動部材を囲む面の少なくとも１つに光導電性領域として光照射により導電率が変化する電場調整層を設け、この電場調整層にレーザー光を照射して不均一電場を生成することを特徴とする請求項７または請求項８に記載の微小可動部材の駆動方法。