JP2003062773A - マイクロマニピュレータ - Google Patents
マイクロマニピュレータInfo
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Abstract
ニュピレータのリンク機構を一枚板の折り曲げ、打抜き
構造で成形し、簡単で高精度な位置決めを行い得る3自
由度マイクロマニピュレータを提供する。 【解決手段】 ベース部材2とエンドエフェクタ3は、
三つのリンク機構6により連結される。三つのリンク機
構6は、可撓性を有する板材を折り曲げ及び打ち抜き加
工してなり、エンドエフェクタの軸周り方向に幅を有す
る板状のアーム部6′を有し、各アーム部6′の長手方
向の両端に回転対偶Rとなるヒンジ部6b,6fを形成
し、中間の位置にも回転対偶Rとなるヒンジ部6dを形
成する。また、アーム部6′の長手方向一端と中間部と
の間に並進対偶Pとなる平行四辺形リンク6cを形成す
る。
Description
ー、医学、半導体集積回路製造・検査など微細操作が必
要な産業分野に利用でき、特に微小対象物の位置決め、
移送、切断、接合などの微細操作を正確かつ容易に行
い、あるいは精密位置決め試料台機構などへの利用に適
したマイクロマニピュレータに関する。
ニピュレータとして、例えば、特開平10−13817
7号公報に記載された3自由度マイクロマニピュレータ
がある。
は、互いに直交する3軸方向の並進3自由度の動作が主
たる動作になるという点に着目して開発された3自由度
マイクロマニピュレータであり、ベース部材とエンドエ
フェクタを結ぶ三つのリンク機構により、エンドエフェ
クタの3自由度の精密位置決め制御を実現するものであ
る。
並進対偶を組合わせて(Rは回転対偶、Pは並進対
偶)、RRPP機構、RPRP機構、PRPR機構、R
PPR機構などの4自由度のリンク機構を三つパラレル
に配置して、エンドエフェクタに3自由度の動作を行な
わせるようにし、また、回転対偶のヒンジ部や並進対偶
の連結杆部の両端を薄肉形成して、回転対偶や並進対偶
を保証している。
イントなどを必要とせず、部品ひいては機構の簡略化を
図り得る利点がある。ただし、マイクロマニピュレータ
のリンク機構を構成する柔軟構造物を、どのように製作
して安価で且つ小形化を図れるかとか、その材質、およ
び、駆動させる機構としてのアクチュエータ配設の具体
的提案はされていない。各リンクの駆動機構としては、
ピエゾ圧電素子を用いることが提案されている。
対象物を掴んで微細作業を正確にかつ容易に行うことが
できる、あるいは精密位置決めステージ機構などに適用
して簡単で高精度な位置決めを行い得る3自由度マイク
ロマニピュレータを提供することにある。
タを3軸方向に並進3自由度制御し得るマイクロマニピ
ュレータにおいて、リンク機構をプレスなどの打ち抜
き,折り曲げ加工により実現でき、マイクロマニピュレ
ータを小形で安価に、しかも簡単に製作し得るようにす
ることにある。
決するために、基本的には、ベース部材とエンドエフェ
クタとを連結する三つのリンク機構を備え、並進3自由
度動作を行うマイクロマニピュレータにおいて、前記三
つのリンク機構は、可撓性を有する薄板を曲げ加工と打
ち抜き加工して一体成形したものを提案する。
連結する三つのリンク機構を備えたマイクロマニピュレ
ータにおいて、前記三つのリンク機構は、可撓性を有す
る板材を成形加工したものであり、前記エンドエフェク
タの軸周り方向に幅を有する板状のアーム部と、前記各
アーム部の長手方向の両端と中間の位置とにあって微小
変位内であれば回転対偶とみなすことができるヒンジ部
と、前記長手方向一端と中間部との間に位置し微小変位
内であれば並進対偶とみなすことができるリンク要素
(例えば平行四辺形リンク部)と、が形成されているマ
ニピュレータを提案する。
ク機構は、可撓性のある板材を成形加工して、微小変位
内では回転対偶Rとみなすことができるヒンジ部を三
つ、並進対偶Pとみなすことができる平行四辺形リンク
部を一つ有しているものを実現させることができる。
合わせた4自由度リンク機構を検討すると、三つのR対
偶と一つのP対偶を利用する構成、二つづつのP、Rジ
ョイントを利用する構成が考えられる。本発明は、例え
ば、これらの4自由度リンク機構を薄板を打ち抜き、折
り曲げて立体的に組み上げ、三つパラレル配置し、圧電
素子で押し上げることで、先端のプレートひいてはエン
ドエフェクタに3軸方向の3自由度の運動を実現させる
ことができる。特に回転対偶のヒンジ部と並進対偶のリ
ンク要素に用いるヒンジ部との向きを変える場合であっ
ても、板材を折り曲げることで簡単に実現することがで
きる。この点については、実施の形態の説明の項で図4
及び図5を用いて詳述する。
抜きと折り曲げで一体成形したり、或いは、上下に分け
て三つのリンク機構の上側と下側の部分をそれぞれ一体
成形し、この上下の成形板材を組み合せて構成すること
も可能である。この板金による一体化加工をツールとし
て、微細なリンク機構を形成することが可能になり、こ
のマニピュレータの微細作業を利用してマイクロマシン
の組立等を実現することもできる。また、最近のフォト
エッチング技術を利用した微細加工により本発明に係る
マイクロマニピュレータを製作することも可能である。
いて説明する。
マニピュレータの斜視図、図2は本実施例のマイクロマ
ニピュレータに用いるリンク機構の動作原理図、図3は
本実施例の用いる三つのリンク機構の展開図、図4は回
転対偶Rと並進対偶Pとの要素を示す原理図、図5は、
本実施例に係る回転対偶Rと並進対偶Pとの要素を示す
原理図、図6は、本実施例におけるリンク機構を駆動さ
せる駆動機構を示す断面図およびそのA矢視図(部分平
面図)である。
単数或いは複数或いは他の形態のマニピュレータ要素と
組み合わせて使用されるものであり、複数或いは他の形
態のマニピュレータ要素(ニードルを有するもの)と組
み合わせて使用する場合には、ニードル4が箸的な動作
を行うことができ、微小対象物を微細動作で摘んだり移
送することができる。
ータ(例えば図6に示すピアゾ圧電素子61)を内装し
た筒体によって構成されるベース部材2と、ニードル4
を有するエンドエフェクタ3と、ベース部材2とエンド
エフェクタ3とを連結する三つのリンク機構6を備えて
なる。
撓性を有する薄板(例えば燐青銅などのばね材)を成形
加工して一体成形される。リンク機構6は、エンドエフ
ェクタ3を取り付ける可動プレート部6aが頂部にあ
り、リンク要素の本体となる三つの板状のアーム部6′
が可動プレート部6aと一体となって、可動プレート部
6a(エンドエフェクタ4)の軸周りに120°間隔で
三方に向けて配設されている。
に示すような三方に展開する形状を呈しているが、組立
状態では、その中間位置6dでV字形に折り曲げられ、
その一端が可動プレート部6aにつながり、他端6g
は、ベース部材2の上面中央付近に固着されている。本
実施例では、三つのアーム部6′の端部6gは隙間無く
付き合わせることができるように、端部6g先端が12
0°の角度をなすようにしてある。
り曲げられてベース部材2に取り付けられるために、こ
の取付け状態では、図1に示すように、エンドエフェク
タ3(可動プレート部6a)及びベース部材2の位置か
ら三方に向けられている。また、アーム部6′は、板状
であり、エンドエフェクタ3(可動プレート部6a)の
軸周り方向に幅を有している。
偶Rと並進対偶Pの原理について、図4および図5を用
いて説明する。
19の間を薄肉部(くびれ部)23で連結することによ
り回転対偶Rを実現することができる。すなわち、図4
(a)で示す円弧ヒンジは、変位が微小であれば、1自
由度の回転対偶Rとみなすことができる。
行な対偶部材(上下辺)20の両端を一対の連結杆部
(左右辺)21によりそれぞれの薄肉部(くびれ部)2
2を介して連結すると、並進対偶Pを実現する柔軟構造
物(平行四辺形リンク)を形成することができる。すな
わち、図4(b)のような構造物は、変位が大きければ
底辺のヒンジ(薄肉部)22を中心とした円軌道を描く
が、微小変位内では1自由度の並進対偶Pとみなすこと
ができる。
ラレルメカニズムを設計する際、これらの対偶R,Pを
組み合わせることで並進3自由度動作を実現することが
できる。しかし、ヒンジの向きが最低でも2方向必要と
され、機構製作にあたっては、加工が困難となる。
にスリット25を打ち抜くことで、スリット25の両脇
にヒンジ(幅狭部)23が形成され、容易に回転対偶R
を構成できる。
板24に打ち抜きと曲げ加工を組み合わせることで、ヒ
ンジ(くびれ部)22の向きを変更させ、容易に図4
(b)に相当する並進対偶Pを実現させることができ
る。図5(b)においては、角孔30(コーナーに切り
込みスリット28が付いたもの)と小スリット29(ス
リット28と幅方向に並んでいる)を打ち抜き加工し、
及び側板部27を曲げ加工することにより、くびれ部2
2を形成しまたその向きを変えることができる。また、
一対の側板部27は、一対の対偶26(図4の一対の対
偶20に相当する)を連結する連結杆部(図4の連結杆
部21に相当する)となるものである。
ンク要素(回転対偶R、並進対偶P)を組み合わせてリ
ンク機構6を構成するもので、その展開図を図3に、組
立完成図を図1に示すものである。
三方に向けられた板状の各アーム部6′の長手方向の両
端に幅方向のスリット7,9を形成し、中間の位置にも
幅方向のスリット8を形成する。これらのスリット7,
8,9を形成することで、また、スリット位置7,8を
それぞれ折り曲げ形成する。これらのスリットにより実
質板幅の減らされた個所7′,8′,9′がヒンジ部6
b、6d、6fとなって、計3個所の回転対偶R(図5
(a)に相当するもの)が形成される。なお、スリット
の形態は種々考えられ、実施例のものに限定されるもの
ではない。
では、可動プレート部6aとの結合側一端)と中間部6
dとの間には、角穴10(角穴10はコーナーに幅方向
に延びる切り欠きスリット10′が付いている)とスリ
ット11とを形成する。切り欠き10′とスリット11
は、図5(b)の符号28,29で示すスリットに相当
し、スリット10′,スリット11間にヒンジ22で形
成される。
向の左右には側板部12が形成される。この側板部12
は、図3の破線Hの位置で折り曲げられ、図5(b)の
連結杆部27に相当するものである。切り欠きスリット
10′は、折り曲げ線Hと交差するように延設されてい
る。この側板部12の折り曲げによりヒンジ部22の向
きを変えることができる。
に相当するものである。すなわち、一対の側板部(連結
杆部)12および一対の対偶13により平行四辺形リン
ク6cを構成する。平行四辺形リンク6cは、微小変位
内でみれば並進対偶Pとみなすことができる。
性のある板材を成形加工して、三つの回転対偶Rと一つ
の並進対偶Pとを有することになる。図2には、本実施
例に係る回転対偶Rと並進対偶Pとを組み合わせた模式
図を示し、図2(a)が図1のリンク機構を側面からみ
た対偶メカニズム、図2(b)が正面からみた対偶メカ
ニズムである。
機構がRPRR機構を採用し、これを三つ採用すること
で、この機構の下部を圧電素子押し上げることで、先端
のプレート6aに3軸3自由度の運動を実現することが
できる。
構)の駆動機構を図6により説明する。
となるアクチェータ61は、例えばピエゾ圧電素子が用
いられる。ピエゾ圧電素子61は、リンク機構6の数に
合わせて3個用意される。ベース部材(筒体)2には、
軸周りに120°間隔でピエゾ圧電素子61が配設され
ている。
6′)の位置に対応してピエゾ圧電素子61が配設され
る。ベース部材2には、アーム部6′の裏側に位置する
ようにして軸方向に向けた孔2bが配設され、この孔2
bにピエゾ圧電素子61が内挿されている。また、図6
(b)に示すように、孔2bと併せてピエゾ圧電素子6
1のリード線引出し溝2cが形成されている。
がアーム部6′の底部6eの裏面60により受け止めら
れている。ピエゾ圧電素子61の他端(下端)は、ベー
スプレート2aで押えられ、かつ、ねじ31によりピエ
ゾ圧電素子61に与圧が掛けられ、圧電素子61と受け
面60との接触面に隙間を生じさせないような構造にな
っている。
り、その伸縮度合いを制御信号に応じて個別に変化させ
ることにより、リンク機構6の受け面60を押して各対
偶を駆動させることができるようになっている。
1の発熱による熱膨張が生じても熱平衡が保たれるよう
に、ピエゾ圧電素子61と略同じか近似する線膨張係数
の材質を使用することが好ましい。
図2のRPRR機構を構成するリンク機構6の三つを、
ベース部材2とエンドエフェクタ3との間において、中
心軸線の周りに120°の間隔で対称型に配置してい
る。ピエゾ圧電素子61は、例えば積層型のものが使用
される。
1に電圧を供給するリード線である。アクチュエータ6
1として用いるピエゾ圧電素子は、応答が速く、微小変
位と高出力が得られものの、ヒステリシスが非常に大き
く、駆動電圧のみによるオープンループ制御では、正確
な位置決めを行うことが困難である。このため、変位量
を測定してフィードバック制御することが望ましく、こ
の場合には、特に、コンパクトな変位測定手段とサーボ
駆動系が要求される。
ュエータ61の伸縮方向に歪みゲージを直接貼り付けて
(図示は省略してある)、それら圧電素子のサーボ系と
しては、符号33に示すように計算機を用いたソフトウ
エアサーボや演算増幅器を用いたアナログサーボ等を採
用することができる。
線32、32´を介してアクチュエータ(圧電素子)6
1に送られる。
ク機構6との接触部である受け面60を押し、エンドエ
フェクタ3を所定量可動させ微細操作をする。この微細
操作は、歪ゲージからの各アクチュエータ61の変位量
を検出し、この変位量からサーボ制御回路33がニード
ル(指片)5の現位置を算出し、これをフィードバック
して所定の位置決め指令値と比較し、その偏差量がなく
なるまでアクチュエータ61をサーボ駆動することによ
り行う。
エゾ素子自身が発熱し熱膨張するが、この発熱が筒形の
ベース部材2に流れ熱的に早く安定し熱膨張を抑えるの
で、熱ドリフトがニードル5に伝わりにくい。ニードル
5が振動、及び熱ドリフトの影響を受け難いので、マイ
クロマニピュレーションの技術がレベルアップされ、マ
イクロエレクトニクス、バイオテクノロジー、医療の分
野により貢献することが可能となる。
は、その一対により2本指状に構成したり、その任意数
を用いて、微小対象物の位置決め、ハンドリング、切
断、接合などの微細作業に適用し、あるいは精密位置決
めステージ機構などに利用することができる。
薄板を簡単なプレス打ち抜き及び曲げ加工により製作で
きるので、加工が容易であり、したがって、製作コスト
を安価にするとともに、小形成形を容易にし、マニピュ
レータの小形化を図ることができる。
をピエゾ圧電素子としたが、これに限定されるものでは
なく、その他にバイモルフ型の圧電素子などを用いるこ
とも可能である。例えば、アーム部6′の部材6eにバ
イモルフ型の圧電素子を張り付けてリンクを押し上げる
ことでも動作可能である。
ュレータのリンク機構6のみを示す斜視図である。な
お、リンク機構以外の構成は、図1の実施例同様である
ので、その説明及び図示を省略する。
1枚の板から打ち抜きと折り曲げで構成したが、本実施
例では、三つのリンク機構6は、上下に分けて成形した
板材40,41よりなる。この上板40,下板41とも
に中心から三方にアーム部6′が延びる形状をなし、上
板40が三つのリンク機構6の上半分になり、下板41
が三つのリンク機構6の下半分になる。この上板40,
下板41をアーム部6′の全体(上板と下板のアーム部
をトータルしたもの)の中間位置となる個所にねじ孔
(連結用孔)48を設けて、ねじ(図示省略)により結
合している。
材2(図示は省略してある)にねじ49で固定されてい
る。
構のアーム部6′をみると、各アーム部6′には、図1
の実施例と同様に、各アーム部6′の長手方向の両端
(符号43,45のある位置、換言すれば可動プレート
部6a側一端とベース部材2取付け側一端)と中間位置
(符号44のある位置)とに回転対偶Rとみなすことが
できるヒンジ部6b,6d,6fを形成する。また、長
手方向一端43と中間部44との間に並進対偶Pとみな
すことができる平行四辺形リンク6cを形成する。
ジ部6b,6d,6fを、図1のスリットに代わりアー
ム部6′の幅方向に延びる薄肉部(例えば断面Vの字
溝)43、44、45で構成する。
6cにおいては、一対の対偶13を連結杆部12でヒン
ジ部(くびれ部)46,47を介して連結している。
ニピュレータと同様な機能を有し、三つのリンク機構で
エンドエフェクタの3自由度の精密位置決め制御を実現
することができる。
構6の製作については、プレスによる打ち抜き,折り曲
げ加工のほかに、半導体を微細加工するエッチング(例
えばフォトエッチング)技術を導入することも可能であ
る。この場合には、リンク機構の材質はシリコンなどで
構成される。
マニピュレータによれば、微細作業では並進3自由度が
主たる動作になるという特性を有効に利用し、三つのリ
ンク機構でエンドエフェクタの3自由度の精密位置決め
制御を実現することができる。
めを行い得るマイクロマニピュレータを低コストで得る
ことができる。
製作費が安価な板金加工による一体化加工をツールとし
て、微細なリンク機構を形成することが可能となったの
で、マイクロマシンの組立等の実現を図ることができ
る。さらには、回転ジョイント、直動ジョイントの微小
変位機構としても応用することができる。
タの斜視図。
構の動作原理図。
の展開図。
図。
素を示す原理図。
機構を示す断面図およびそのA矢視図(部分平面図)。
ータのリンク機構を示す斜視図。
ンドエフェクタ、6…リンク機構、6a…可動プレート
部、6b,6d,6f…回転対偶R、6c…並進対偶P
(平行四辺形リンク)、7,8,9…スリット、7′,
8′,9′…ヒンジ部、10…打ち抜き孔、10′…切
り込みスリット、11…スリット、61…ピエゾ圧電素
子。
Claims (9)
- 【請求項1】 ベース部材とエンドエフェクタとを連結
する三つのリンク機構を備え、並進3自由度動作を行う
マイクロマニピュレータにおいて、 前記三つのリンク機構は、可撓性を有する薄板を曲げ加
工と打ち抜き加工して一体成形されていることを特徴と
するマイクロマニピュレータ。 - 【請求項2】 ベース部材とエンドエフェクタとを連結
する三つのリンク機構を備えたマイクロマニピュレータ
において、 前記三つのリンク機構は、可撓性を有する板材を成形加
工したものであり、前記エンドエフェクタの軸周り方向
に幅を有する板状のアーム部と、前記各アーム部の長手
方向の両端と中間の位置とにあって微小変位内であれば
回転対偶とみなすことができるヒンジ部と、前記長手方
向一端と中間部との間に位置し微小変位内であれば並進
対偶とみなすことができるリンク要素と、が形成されて
いることを特徴とするマイクロマニピュレータ。 - 【請求項3】 ベース部材とエンドエフェクタとを連結
する三つのリンク機構を備えたマイクロマニピュレータ
において、 前記各リンク機構は、可撓性のある板材を成形加工し
て、三つの回転対偶と一つの並進対偶とを有してなるこ
とを特徴とするマイクロマニピュレータ。 - 【請求項4】 前記回転対偶となるヒンジ部は、前記板
状アーム部の幅方向にスリット或いは薄肉部を設けて形
成され、前記並進対偶となるリンク要素は、平行四辺形
リンク部により構成されている請求項2記載のマイクロ
マニピュレータ。 - 【請求項5】 前記各リンク機構は、板材を打ち抜きと
折り曲げ加工することにより、或いはエッチングによる
微細加工により、前記回転対偶となるヒンジ部と前記並
進対偶となるリンク要素とが形成されている請求項2な
いし4のいずれか1項記載のマイクロマニピュレータ。 - 【請求項6】 前記三つのリンク機構は、1枚の板材を
打ち抜きと折り曲げ加工することにより一体成形してな
る請求項2ないし4のいずれか1項記載のマイクロマニ
ピュレータ。 - 【請求項7】 前記三つのリンク機構は、上下に分けて
成形した板材よりなり、この上板,下板ともに中心から
三方にアーム部が延びる形状をなし、前記上板が三つの
リンク機構の上半分になり、前記下板が三つのリンク機
構の下半分になり、この上板,下板を結合してなる請求
項2ないし5のいずれか1項記載のマイクロマニピュレ
ータ。 - 【請求項8】 前記三つのリンク機構に駆動力を付与す
るピエゾ圧電素子が前記ベース部材に配設されている請
求項1ないし7のいずれか1項記載のマイクロマニピュ
レータ。 - 【請求項9】 前記ピエゾ圧電素子は、与圧が掛けられ
前記三つのリンク機構との接触面に隙間を生じさせない
ように構成されている請求項8記載のマイクロマニピュ
レータ。
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