JPH03176032A

JPH03176032A - 微小生体内可動機械

Info

Publication number: JPH03176032A
Application number: JP1315839A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Suzuki; 健一郎鈴木
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1989-12-04
Filing date: 1989-12-04
Publication date: 1991-07-31
Anticipated expiration: 2014-11-08
Also published as: JP2972246B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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。

（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。

一方、二年は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
互いに結合するジヨ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
よび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　Ｉ
ｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖ
ｉｃｅｓＭｅｅｔｉｎｇ　’８８（ＩＥＤＭ’８８））
の６６６頁に記載されたエル・ニス・ファン（Ｌ、　Ｓ
、　Ｆａｎ）等によるｒ　ＩＣ−ＰｒｏｃｅｓｓｅｄＥ
ｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ　Ｍｉｃｒｏ−ｍｏｔｏｒｓ
　Ｊにおいて、１１００ｐ程度の直径とｌｐｍ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５００ｒｐｍ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値す
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。

第３図（ａ）および（ｂ’）に先に引用したり、　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ｌ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ｌ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、Φ
１、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ｌの回転
を反対にすることができる。

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。

（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、微小可動機械機構がらのフィードバ
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
ることがら、以下の問題点も生じた。

（１）静電力は、クーロ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いけない。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。

（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（ｌｐｍ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がら３５０■もの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Ｉ
ＯＶ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竜用のコイ
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。

（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。

（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。

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
。

（課題を解決するための手段）本願第１の発明の微小可動機械機構は、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。

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。

（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。

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。

（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
。

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Ｐ、がこの管１２と別の入力管１３と
１４が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がら流出するとき、管１５では圧力Ｐ
３、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、ＰｌとＰ２との差
圧の関数でフルイデイク素子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１
００を４個直列にならべ初段の出口管１５．１６を次段
のフルイデイク素子入力管１３．１４につなげた構成を
持つフルイデイ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、Ｐ□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
西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ｖ
１２．１３、工４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が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。

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ｌ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ｌ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がら流入する流体の圧力Ｐ
３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１
０３．１０６が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１０
３のながを動く。

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ｌ５ＦＥＴ（Ｉｏｎ　５ｅｎｓｉｔｉｖｅ￥１ｅ
ｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ工ｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いるこ
とができる。ｌ５ＦＥＴ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
が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ｌ５ＦＥＴ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１０
６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、センサを複数段けそれ
ぞれｌ５ＦＥＴ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チーチルを
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−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１０４を可動機械機構に搭載することによ
り、例えばフルイデイク素子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
ードバッグ管１１は、ＰｌとＰ２の差圧がＰＳの２０％
をこえるときフルイデイク素子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Ｐ、と
の差を一定にすることによりフルイデイク素子の動作を
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５ｉ０２等の薄膜にリソグラフィ
ーによリフルイディク素子の形状を型どりドライエツチ
ング等のエツ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ＦＤＰ（
エチレンジアミンピロカテコール）等の異方性エツチン
グ液によりエツ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。

また微小可動機械要素のロータｌ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（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。

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に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つ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。

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により受はヒータ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。

（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
たようにフルイデイ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
に電圧を昇竜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。

【図面の簡単な説明】

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、１０
０・・・フルイディク素子、１０１・・・流体源、１０
２・・・スライダー、１０３１．６生体内細胞、１０４・・・センサ、１０５・・・ヒータ、１０６０．・異常な細胞

Claims

【特許請求の範囲】

（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
要素の運動を制御することを特徴とする微小生体内可動
機械。
（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。
（３）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または２に記載の微小生体内可動機械。