JPH09131173A - マイクロマニピュレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】力の検出感度を良くするとともに、そのばらつ
きを抑えることが可能なマイクロマニピュレータを提供
する。 【解決手段】マニピュレータ１１を構成する支持部材１
２，１３の先端に、拡散歪みゲージ１７及び薄肉部１６
を形成した単結晶シリコンよりなる指部材１５を取着し
た。マニピュレータ１１によって対象物Ｗを挟んだ時
に、指部材１５は、薄肉部１６の部分で撓み、その撓み
による応力としてのマニピュレータ１１の力を拡散歪み
ゲージ１７が検知して撓みに応じた電気信号を検出信号
として出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は微小な対象物のハン
ドリングが可能なマイクロマニピュレータに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、図８に示すように、マイクロマシ
ンの組み立て等に使用されるマイクロマニピュレータ５
１には、その力を検知するためにバルクの歪みゲージ５
２が取着されている。歪みゲージ５２は、マイクロマニ
ピュレータ５１の一方（又は両方）に固着され、そのマ
ニピュレータ５１の撓みに応じた電気信号を検出信号と
して出力する。この歪みゲージから出力される検出信号
に基づいて、マニピュレータ５１の力を検知することが
できるようになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、バルクの歪
みゲージ５２は、固着する位置によっては検出感度が異
なる（検出信号の電圧が異なる）ので、先端から固着す
る場所までの位置精度が必要となる。しかしながら、歪
みゲージ５２を精度良く固着することは難しく、マニピ
ュレータ５１毎に検出感度のばらつきが生じるので、マ
ニピュレータ５１毎に検出感度を補正する必要があり面
倒である。

【０００４】また、微小な対象物Ｗを挟持しようとする
場合等においては、マニピュレータ５１の先端部分にお
ける撓みを検出する必要がある。しかしながら、歪みゲ
ージ５２を小型化するには限界があるので、先端部に固
着することができないという問題があった。

【０００５】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものであって、その目的は、力の検出感度を良くす
るとともに、そのばらつきを抑えることができるマイク
ロマニピュレータを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め、請求項１に記載の発明は、微小な対象物をハンドリ
ングするためのマイクロマニピュレータであって、前記
対象物をハンドリングする一対のアームと、前記一対の
アームのうち少なくとも一方の先端に、前記対象物を把
持し、その力を検知する力センサを備えたことを要旨と
する。

【０００７】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
のマイクロマニピュレータにおいて、前記力センサは、
対象物を把持する薄板状の指部材と、その指部材の一方
の側面から凹設されて形成された薄肉部と、他方の側面
の前記薄肉部に対応する位置に形成された拡散歪みゲー
ジとから構成されたことを要旨とする。

【０００８】請求項３に記載の発明は、請求項２に記載
のマイクロマニピュレータにおいて、前記指部材は、そ
の先端が斜めに成形されてハンドリング部が形成された
ことを要旨とする。

【０００９】請求項４に記載の発明は、請求項３に記載
のマイクロマニピュレータにおいて、前記ハンドリング
部は、シリコンウェハを機械的加工により側面に対して
直角を成すように形成されたことを要旨とする。

【００１０】従って、請求項１に記載の発明によれば、
対象物をハンドリングする一対のアームと、一対のアー
ムのうち少なくとも一方の先端に、対象物を把持し、そ
の力を検知する力センサが備えられる。

【００１１】請求項２に記載の発明によれば、力センサ
は、対象物を把持する薄板状の指部材と、その指部材の
一方の側面から凹設されて形成された薄肉部と、他方の
側面の薄肉部に対応する位置に形成された拡散歪みゲー
ジとから構成される。

【００１２】請求項３に記載の発明によれば、指部材の
先端には、斜めに成形されてハンドリング部が形成され
る。請求項４に記載の発明によれば、ハンドリング部
は、シリコンウェハを機械的加工により側面に対して直
角を成すように形成される。

【００１３】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）以下、本発明を具体化した第１の
実施の形態を図１及び図２に従って説明する。

【００１４】図２に示すように、マイクロマニピュレー
タ（以下、単にマニピュレータという）１１には、一対
のアームＡ１，Ａ２が設けられている。アームＡ１，Ａ
２にはそれぞれ支持部材１２，１３が設けられている。
支持部材１２，１３は、図示しないアクチュエータによ
って微小な対象物Ｗを挟む方向（図２の矢印方向）に駆
動操作されるようになっている。支持部材１２，１３の
先端には、対象物Ｗを把持する指部材１４，１５がそれ
ぞれ取着されている。指部材１４，１５は、面方位（１
００）の単結晶シリコンよりなり、それぞれ同一の薄板
状に形成されている。指部材１４は支持部材１２を構成
する部材１２ａ，１２ｂ間に挟み込まれて取着固定さ
れ、指部材１５は支持部材１３を構成する部材１３ａ，
１３ｂ間に挟み込まれて取着固定されている。

【００１５】図１（ａ）に示すように、一方の指部材１
５には、側面１５ａ側から異方性エッチング等の方法に
よって、面方位（１００）に対応する角度で凹設（エッ
チング）されて薄肉部１６が形成されている。薄肉部１
６は、マニピュレータ１１を駆動操作して対象物Ｗを挟
んだ場合に指部材１５が薄肉部１６から撓んで、マニピ
ュレータ１１の力を検知し易くするために形成されてい
る。

【００１６】また、図１（ｂ）に示すように、指部材１
５の側面１５ｂには、その先端から所定位置に拡散歪み
ゲージ１７が形成されている。拡散歪みゲージ１７は、
マニピュレータ１１の力によって指部材１５と共に撓
み、その撓みの応力に応じた電気信号を検出信号として
出力する。

【００１７】そして、指部材１５、薄肉部１６、及び、
拡散歪みゲージ１７によって、マニピュレータ１１の力
を検知する力センサが構成されている。即ち、指部材１
４，１５は、対象物Ｗを把持するとともに、その力を検
知するようになっている。

【００１８】拡散歪みゲージ１７は、指部材１５がマニ
ピュレータ１１の操作によって撓む場合に、その撓みの
最も大きい位置、即ち薄肉部１６と他の部分との境界部
分に形成されている。従って、拡散歪みゲージ１７は、
マニピュレータ１１の力を最も良く検出し、その力に応
じた電気信号を検出信号として出力する。また、拡散歪
みゲージ１７は方位＜１１０＞に形成されている。この
方位＜１１０＞に形成された拡散歪みゲージ１７は、出
力する電気信号がの電圧が最も大きくなる。従って、拡
散歪みゲージ１７は、指部材１５の撓みの応力、即ち、
マニピュレータ１１の力の検出感度が最も大きくなる。

【００１９】指部材１５を製造する場合、先ず、面方位
（１００）のシリコンウェハ（図示せず）を用意する。
そのシリコンウェハの表面側には拡散歪みゲージ１７を
形成し、裏面側からエッチングによって薄肉部１６を形
成する。次に、拡散歪みゲージ１７及び薄肉部１６を形
成したシリコンウェハを短冊状に機械的加工（ダイシン
グ）して指部材１５が形成される。

【００２０】従って、拡散歪みゲージ１７は、従来のバ
ルクの歪みゲージ５２のように指部材１５に取着する必
要がない。また、拡散歪みゲージ１７の位置は、指部材
１５の先端から一定の位置となり、精度良く形成するこ
とができる。従って、拡散歪みゲージ１７から出力され
る検出信号は、各指部材１５毎のばらつきがなくなる。

【００２１】また、拡散歪みゲージ１７は、従来のバル
クの歪みゲージ５２に比べて小さく形成することができ
るので、指部材１５の先端付近に形成することができ
る。また、指部材１５には、薄肉部１６を形成し、その
指部材１５の撓みによって拡散歪みゲージ１７が撓むよ
うにした。その結果、従来のバルクの歪みゲージ５２を
用いたマニピュレータ５１に比べて、その力の検出感度
を高めることができる。

【００２２】上記したように、本実施の形態によれば、
以下の効果を奏する。 （１）マニピュレータ１１を構成する支持部材１２，１
３の先端に、拡散歪みゲージ１７及び薄肉部１６を形成
した単結晶シリコンよりなる指部材１５を取着した。マ
ニピュレータ１１によって対象物Ｗを挟んだ時に、指部
材１５は、薄肉部１６の部分で撓み、その撓みによる応
力を拡散歪みゲージ１７が検知して撓みに応じた電気信
号を検出信号として出力するようにした。

【００２３】その結果、拡散歪みゲージ１７は、従来の
バルクの歪みゲージ５２のように指部材１５に取着する
必要がない。また、拡散歪みゲージ１７の位置は、指部
材１５の先端から一定の位置となり、精度良く形成する
ことができ、各指部材１５毎の検出信号のばらつきを防
ぐことができる。

【００２４】（２）拡散歪みゲージ１７は、従来のバル
クの歪みゲージ５２に比べて小さく形成することができ
るので、指部材１５の先端付近に形成することができ
る。また、指部材１５には、薄肉部１６を形成し、その
指部材１５の撓みによって拡散歪みゲージ１７が撓むよ
うにした。その結果、従来のバルクの歪みゲージ５２を
用いたマニピュレータ５１に比べて、その力の検出感度
を高めることができる。

【００２５】（第２の実施の形態）以下、本発明を具体
化した第２の実施の形態を図３〜図５に従って説明す
る。尚、本実施の形態において、第一の実施の形態と同
様の部材については同一の符号を付してその説明を省略
する。

【００２６】図４に示すように、マニピュレータ２１を
構成する一対の支持部材１２，１３の先端には、指部材
２２，２３がそれぞれ取着されている。指部材２２，２
３は、その先端が斜めに形成されてハンドリング部２
４，２５がそれぞれ形成されている。尚、指部材２２，
２３の材質は、第１の実施の形態と同じである。

【００２７】図３（ａ）に示すように、一方の指部材２
３には、側面２３ａ側からエッチングによって薄肉部１
６が形成されている。図３（ｂ）に示すように、指部材
２３の側面２３ｂには拡散歪みゲージ１７が形成されて
いる。そして、指部材２３、薄肉部１６、及び、拡散歪
みゲージ１７によって、マニピュレータ２１の力を検知
する力センサが構成されている。

【００２８】また、図３（ｂ）に示すように、指部材２
３は、第１の実施の形態と同様に、機械的加工（ダイシ
ング）によって、その先端が斜めの短冊状に形成されて
いる。そのため、図３（ａ）に示すように、ハンドリン
グ部２５は、側面２３ａ，２３ｂに対して直角を成して
形成されている。尚、指部材２２は、指部材２３と同一
形状に形成され、ハンドリング部２４は、指部材２２の
側面に対して直角を成して形成されている。

【００２９】図５に示すように、指部材２３を製造する
場合、面方位（１００）のシリコンウェハ３１を用意す
る。そのシリコンウェハ３１の表面側には拡散歪みゲー
ジ１７を形成し、裏面側からエッチングによって薄肉部
１６を形成する。次に、拡散歪みゲージ１７及び薄肉部
１６を形成したシリコンウェハ３１を短冊状に機械的加
工（ダイシング）する。即ち、縦方向のダイシングライ
ン３２に沿ってダイシングするとともに、横方向のダイ
シングライン３３にそってダイシングする。更に、シリ
コンウェハ３１を斜めのダイシングライン３４に沿って
ダイシングすることによって、その先端が斜めのハンド
リング部２５を有する指部材２３が形成される。尚、指
部材２２は、拡散歪みゲージ１７及び薄肉部１６を形成
する以外は、指部材２３と同じ工程で形成される。ま
た、図５においては、ダイシングライン３２〜３５を判
り易くするために、一部を拡大して示している。

【００３０】平面上に置かれた対象物Ｗをハンドリング
する場合、ハンドリング部２４，２５を平面と略平行と
なるようにマニピュレータ２１を斜めに支持することに
よって、ハンドリング部２４，２５のどの部分でも対象
物Ｗをハンドリングすることができる。一方、第１の実
施の形態のマニピュレータ１１では、その先端が直角で
あるので、上方又は側方からは対象物Ｗを挟みやすく、
斜めからは頂点でしか対象物Ｗを挟むことができない。
従って、本実施の形態のマニピュレータ２１では、第１
の実施の形態のマニピュレータ１１に比べて対象物Ｗを
ハンドリングする領域、所謂ハンドリング面積を大きく
することができる。

【００３１】ところで、指部材２２，２３はその厚さが
数百ミクロン程度であり、対象物Ｗは指部材２２，２３
の厚さに比べて小さく、数ミクロンから数十ミクロン程
度である。そのため、ハンドリング部２４，２５に突起
等があると、対象物Ｗを挟むことができない場合があ
る。しかし、ハンドリング部２４，２５は機械的加工に
よって形成されているので、それぞれ側面に対して垂直
になり、突起等は形成されない。そのため、マニピュレ
ータ２１は、指部材２２，２３によって平面上に置かれ
た対象物Ｗを確実に挟み込むことができる。

【００３２】上記したように、本実施の形態によれば、
以下の効果を奏する。 （１）第１の実施の形態の（１）及び（２）と同じ効果
を奏する。 （２）指部材２２，２３の先端を斜めに成形してハンド
リング部２４，２５を形成した。その結果、平面上に置
かれた対象物Ｗをハンドリング部２４，２５のどの場所
でも挟み込むことができるので、マニピュレータ２１の
ハンドリング面積を大きくすることができる。

【００３３】（３）ハンドリング部２４，２５は、機械
的加工によって指部材２２，２３の側面に対して直角に
形成され、突起等は形成されない。そのため、指部材２
２，２３の厚さに比べて小さな対象物Ｗと挟む場合に、
突起等によって阻害されることなく、確実に挟み込むこ
とができる。

【００３４】尚、本発明は以下のように変更してもよ
く、その場合にも同様の作用及び効果が得られる。 （１）上記各実施の形態では、ダイシングにより指部材
１４，１５，２２，２３を外形形状を成形したが、異方
性エッチング又は等方性エッチングにより外形形状を成
形するようにしてもよい。その際、異方性エッチングに
より外形形状を成形した場合、図６（ａ）に示すよう
に、先端部が斜めになる。また、等方性エッチングによ
り外形形状を成形した場合、図６（ｂ）に示すように、
中央部分が突出してしまう。これらの先端形状は、微小
な対象物Ｗを挟み込み難くなり、ハンドリング等に支障
が生じる。そのため、機械的研磨によって、指部材１
４，１５，２２，２３の先端部を、図６（ａ），（ｂ）
に点線で示す部分まで研磨して仕上げる工程を必要とす
る。

【００３５】（２）上記各実施の形態において、面方位
（１００）のシリコン基板を用いて指部材１５，２３を
形成したが、面方位（１１０）のシリコン基板を用いる
ことにより、薄肉部１６を形成する際に、側面から垂直
にエッチングすることができる。尚、面方位（１１０）
のシリコン基板を用いた場合、歪みゲージ１７を方位＜
１１１＞に沿って形成した場合に、同じ歪み量に対する
出力電圧が最も大きくなる。

【００３６】（３）上記各実施の形態では、指部材１
４，１５，２２，２３を単結晶シリコンにより形成し、
一方の指部材１５，２３に薄肉部１６及び拡散歪みゲー
ジ１７を形成してマニピュレータ１１，２１の力を検知
するようにしたが、他方の指部材１４，２２を同様に形
成し、一対の指部材１４，１５（２２，２３）の双方で
マニピュレータ１１（２２）の力を検知するようにして
もよい。

【００３７】（４）上記各実施の形態では、一対の指部
材１４，１５（２２，２３）の双方を単結晶シリコンに
より形成したが、薄肉部１６及び拡散歪みゲージ１７を
形成しない側の指部材１４，２２をステンレス等の金属
により形成してもよい。

【００３８】以上、この発明の各実施の形態について説
明したが、各実施の形態から把握できる請求項以外の技
術思想について、以下にそれらの効果とともに記載す
る。 （イ）前記力センサは、面方位（１００）のシリコンウ
ェハを用いて形成され、前記拡散歪みゲージは方位＜１
１０＞に沿って形成された請求項２〜４に記載のマイク
ロマニピュレータ。この構成によれば、拡散歪みゲージ
の出力を高めて、検出感度を高めることができる。

【００３９】（ロ）前記力センサは、面方位（１１０）
のシリコンウェハを用いて形成され、前記拡散歪みゲー
ジは方位＜１１１＞に沿って形成された請求項２〜４に
記載のマイクロマニピュレータ。この構成によれば、拡
散歪みゲージの出力を高めて、検出感度を高めることが
できる。

【００４０】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、力
の検出感度を良くするとともに、そのばらつきを抑える
ことができるマイクロマニピュレータを提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】(a) は第一の実施の形態のマニピュレータの平
面図、(b) は側面図。

【図２】第一の実施の形態のマニピュレータを示す斜視
図。

【図３】(a) は第二の実施の形態のマニピュレータの平
面図、(b) は側面図。

【図４】第二の実施の形態のマニピュレータを示す斜視
図。

【図５】製造工程を説明するためのシリコンウェハの平
面図。

【図６】(a),(b) は別の製造工程を説明するためのマニ
ピュレータの一部拡大図。

【図７】(a) は図３の別のマニピュレータを示す平面
図、(b) は側面図。

【図８】従来のマイクロマニピュレータを示す斜視図。

【符号の説明】

１２，１３…支持部材、１４，１５，２２，２３…指部
材、１６…薄肉部、１７…拡散歪みゲージ、２４，２５
…ハンドリング部、３１…シリコンウェハ、Ｗ…対象
物。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 微小な対象物（Ｗ）をハンドリングする
   ためのマイクロマニピュレータであって、 前記対象物（Ｗ）をハンドリングする一対のアーム（Ａ
   １，Ａ２）と、 前記一対のアーム（Ａ１，Ａ２）のうち少なくとも一方
   の先端に、前記対象物を把持し、その力を検知する力セ
   ンサを備えたマイクロマニピュレータ。
2. 【請求項２】 前記力センサは、対象物を把持する薄板
   状の指部材（１５，２３）と、 その指部材（１５，２３）の一方の側面から凹設されて
   形成された薄肉部（１６）と、 他方の側面の前記薄肉部（１６）に対応する位置に形成
   された拡散歪みゲージ（１７）とから構成された請求項
   １に記載のマイクロマニピュレータ。
3. 【請求項３】 前記指部材（１５，２３）は、その先端
   が斜めに成形されてハンドリング部（２５）が形成され
   た請求項２に記載のマイクロマニピュレータ。
4. 【請求項４】 前記ハンドリング部（２５）は、シリコ
   ンウェハを機械的加工により側面に対して直角を成すよ
   うに形成された請求項３に記載のマイクロマニピュレー
   タ。