JP2003344149A - 接触センサ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 顕微鏡で観察しながら特定の微小物体を回収
したり，搬送したり，解剖操作する作業において有効と
なる作業ツール先端の接触情報を検出する方法を提供す
る。 【解決手段】 弾性金属の表面に強誘電体膜及び複数の
電極を形成し，接触を検知したい物体とともに接触セン
サを共振周波数付近で振動させ，その振動体の一部が他
の物体に接触したときの振動の変化から接触を検出す
る．ここで，弾性金属を円筒形状または中空形状とし，
接触を検出したい物体をこのセンサに挿入して固定す
る．電極は弾性金属における変形時の最大応力集中箇所
に対応した強誘電体膜上に配置する．また，接触を検出
したい物体にこのセンサをネジで固定する．所定の周波
数で発信信号を出力する発信回路と，前記発信信号に基
づく電圧信号を駆動用電極に印加する電気回路と，検出
用電極からの検出信号を処理して接触の状態を検出す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は，特定の微小物体を回
収したり，搬送したり，解剖操作する作業やその全部ま
たは一部を自動化する装置において有効となる接触情報
の検出を目的としており，このための接触センサ及び接
触の前後の状態変化を検出する機能を有する接触センサ
装置に関するものである．

【０００２】

【従来の技術】従来，ＤＮＡ分子や細胞や微生物等の特
定の微小物体をその他の微小物体と混在する中から回収
する方法として，セルソーターを用いる方法やマイクロ
ピペットを用いてシャーレ等に入っているターゲットを
光学顕微鏡下で観察しながら取り出す方法などがとられ
ている（日本機械学会論文集６７巻６３５号Ｃ編１４６
−１５３（平成１３年１月），Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒ
ｅｓｉｓ ２００１，２２，２８３−２８８）．しか
し，セルソーターを用いる方法はシステムが大掛かりと
なる欠点がある．また，マイクロピペットを用いる方法
では，顕微鏡下で微小な試料を高純度で選別し回収する
ためにはその作業に熟練した技術を要し，その実施に膨
大な時間を要している．この作業が困難な主因は，顕微
鏡下での作業では光軸方向の焦点深度が浅く，マイクロ
ピペットの先端が環境又は対象物に接触したことを認知
することが困難なためである．

【０００３】微生物を回収する場合では，微生物を寒天
培地に分散させ，マイクロピペットをターゲットに近づ
け，マイクロピペットを吸引してターゲットを取り出
す．しかし，マイクロピペット先端は壊れやすいため，
ターゲットへ近づける操作を誤ると，マイクロピペット
先端を壊してしまうことがある．マイクロピペットの操
作は慎重に行わなければならないため，作業に長時間を
要している．

【０００４】微小物体を把持して搬送したり，解剖操作
する場合でも，マイクロマニピュレータ先端の位置を制
御する必要があるが，対象物への接近操作を誤ると，マ
イクロマニピュレータ先端のツールを破壊したり，対象
物を傷つけたりする恐れがある．このため，マイクロマ
ニピュレータの操作は慎重に行わざるを得ず，作業に長
時間を要している．

【０００５】マイクロピペットやマイクロマニピュレー
タを操作する際の作業性を向上したり，その作業全部ま
たは一部を自動化するためには，それらの先端が環境や
対象物と接触したことを高感度に検出するセンサが必要
となる．これまで，接触検出方式としては抵抗線歪ゲー
ジや半導体歪ゲージを用いる場合や，接触に伴い電気回
路が接続される通電方式などが提案されている．抵抗線
歪ゲージや半導体歪ゲージを用いる場合は，高感度化の
ためにはセンサの剛性を下げる必要があり，これにより
センサの検出部分が壊れやすくなり扱いが難しくなると
いう欠点を有する．さらに，作業対象や作業内容を変更
した際に汚染が問題になるときには，ツールとともに接
触センサも交換する必要があるため，センサ本体もディ
スポーザブルにせざるを得ないため，コストの低減化が
困難である．また，マイクロピペットなどのようなガラ
ス製のツール先端には，接触に伴い電気回路が接続され
る通電方式は適用できない．

【０００６】本発明は，顕微鏡を用いて観察しながら特
定の微小物体を回収したり，搬送したり，解剖操作する
作業において有効となる作業ツール先端の接触情報を検
出する方法であって，下記のような課題を解決できる方
法を提供することを目的する． １．マイクロマニピュレータの先端に取り付けたツール
が環境や作業対象と接触したことを高感度に検出する． ２．接触状態の変化の検出において，作業ツールの剛性
を必要以上に低減することなく，接触状況を検出する． ３．接触を検出したいツールに接触センサを簡単に取り
付けることが可能で，観察や操作の際に邪魔にならない
ように小型化が可能で，取り外しが容易であり，汚染の
心配がない．

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに，請求項１に記載の発明は，弾性金属の表面に強誘
電体膜及び複数の電極を形成し，接触を検知したい物体
とともに接触センサを共振周波数付近で振動させ，その
振動体の一部が他の物体に接触したときの振動の変化か
ら接触を検出するセンサをその要旨とするものである．

【０００８】請求項２の発明は，請求項１において，弾
性金属を円筒形状または中空形状とし，接触を検出した
い物体をこのセンサに挿入して固定することを特徴とす
る接触センサを要旨とするものである．

【００１０】請求項３の発明は，請求項１または２にお
いて，前記第１電極及び第２電極は，弾性金属における
変形時の最大応力集中箇所に対応した強誘電体膜上に配
置されている接触センサを要旨とするものである．

【００１１】請求項４の発明は，請求項１〜３いづれか
一項に記載の接触センサにおいて，接触を検出したい物
体にこのセンサをネジで固定することを特徴とする接触
センサを要旨とするものである．

【００１２】請求項５は請求項１〜４いづれか一項に記
載の接触センサを備えた装置であって，所定の周波数で
発信信号を出力する発信回路と，前記発信信号に基づく
電圧信号を第１電極に印加する電気回路と，第２電極か
らの検出信号を処理して接触の状態を検出する電気回路
とを備えた接触センサ装置を要旨とするものである． （作用）請求項１に記載の発明によれば，接触センサの
駆動部となる電極と，検出部となる電極を設け，駆動部
の電極に逆極性の交番電圧を印加することにより，セン
サ及び接触を検出したい物体の振動を励起することが可
能となる．その物体の一部が環境又は対象物に接触する
ことで振動が変化し，この変化を検出部とした電極から
の信号の変化から読み取ることが可能となる．

【００１３】請求項２に記載の発明によれば，上記と同
様の作用が得られる．また，弾性金属を円筒形状又は中
空とすることにより，接触を検知したい物体をセンサの
中心軸付近に設置できる．このため，センサの小型化が
可能であり，センサを装着した場合でも観察や操作の邪
魔にならない．

【００１４】請求項３に記載の発明によれば，弾性金属
における変形時の最大応力集中箇所に対応した強誘電体
膜上に第１電極及び第２電極が配置されると，最大応力
集中箇所では得られる圧電電圧が大きなものとなる．

【００１５】請求項４に記載の発明によれば，接触を検
出したい物体にこのセンサをネジで固定することで，セ
ンサの着脱が容易に行えることになる．このため，マイ
クロピペットなどへ適用する場合には，作業ごとに必要
に応じて，接触センサを取りはずし，マイクロピペット
を交換することで，汚染の問題を簡単に解決できる．

【００１６】請求項５に記載の発明によれば，発信回路
は振動を励起するために必要な適当な周波数と電圧で発
信信号を出力する．この発信信号に基づく電圧信号は第
１電極に印加され，この結果，接触を検知したい物体は
センサとともに振動する．第２電極からの信号を電気回
路に通して振動の状態を知ることができ，接触前後での
状態の変化から接触を知ることができる．

【００１７】

【実施の形態】以下，本発明の実施形態を図１〜図３を
参照して説明する．図１は接触センサ装置の構成例の図
である．なお，上記図面を含む各図面に図示されている
寸法は説明の便宜上，実際のものより適宜拡大して図示
されている．

【００１８】図１，図２に示すように，接触センサの基
材は円筒形状とし，チタンから構成されている．基材の
外形は円形であることが好ましいが，必ずしも円形に限
定されるものではない．また，基材の材質はチタンであ
ることが好ましいが，必ずしもチタンに限定されるもの
ではない．

【００１９】基材の表面には厚さ１０μｍ前後のＰＺＴ
薄膜が形成されている．ＰＺＴ薄膜は強誘電体膜を構成
する．

【００２０】図１，２に示すように，ＰＺＴ薄膜上に
は，アルミニウムからなる厚さ数μｍ以下の第１電極
膜，第２電極膜が上下に一対形成されている．電極の材
質は必ずしもアルミニウムに限定されるものではない．

【００２１】接触センサの配線は，基材を接地し，第１
電極は発信回路へ接続し，第２電極は振動検出回路へ接
続する．

【００２２】ＰＺＴ薄膜及び電極を形成した基材は，固
定用リングを両端にしっかりとはめ込んで，必要に応じ
て接着剤などによってしっかりと固定する．この固定用
リングを介して固定用ネジによって，マイクロピペット
を固定する．接触センサのマイクロピペットへの固定方
法はネジにより上述した方法で固定することが好ましい
が，必ずしも限定されるものではなく，接触センサがマ
イクロピペットにしっかりと固定でき，必要に応じてマ
イクロピペットの取り外しが容易であればよい．

【００２３】次に，上記接触センサの製造方法を説明す
る．基材はチタンであり，押し出し成形や切削加工やエ
ッチングなどによって，加工できる．機材は同様な加工
方法で，ステンレスとしてもよいが，ＰＺＴ薄膜を後で
述べる水熱合成法によって成膜する場合には外形表面に
チタン薄膜を成膜しておく．チタン薄膜の成膜にはスパ
ッタリングや真空蒸着等の物理的成膜法にて成膜する．
なお，ＰＺＴ薄膜をスパッタリングやゾルゲル法などに
よって成膜する場合には基材の材質はチタンに限るもの
ではなく，弾性金属であればよい．

【００２４】次に，水熱合成法でチタン上にＰＺＴ薄膜
を形成する方法について説明する．この水熱合成法は２
つの段階からなっている． （第１段階）十分に洗浄したチタン製の基材，原材料と
してのオキシ塩化ジルコニウム（ＺｒＯＣｌ_２・８Ｈ_２
Ｏ）と硝酸鉛（Ｐｂ（ＮＯ_３）_２）の水溶液，四塩化チ
タン（ＴｉＣｌ_４）及びＫＯＨ（８Ｎ）溶液をテフロン
（登録商標）瓶（図示しない）に投入し，攪拌する．た
だし，必要に応じて，ＰＺＴ薄膜を成膜したくない部分
には予めマスキングをほどこす．なお，ＰＺＴ薄膜の圧
電性はＰＺＴ薄膜におけるチタン酸鉛，ジルコン酸鉛の
構成組成比によって決まるため，後にできあがるＰＺＴ
薄膜の圧電性に応じてオキシ塩化ジルコニウムと硝酸鉛
と四塩化チタンとのモル比を決めればよい．

【００２５】次に，図示しない圧力容器内において，基
材表面に溶液が十分にいきわたるようにかつ基材が衝突
しないように配置して固定し，オキシ塩化ジルコニウム
（ＺｒＯＣｌ_２・８Ｈ_２Ｏ）と硝酸鉛（Ｐｂ（ＮＯ_３）
_２）の水溶液，四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）及びＫＯＨ
（８Ｎ）溶液を攪拌しながら，加熱・加圧する．なお，
ここでいう加圧とは，加熱された溶液の蒸気圧による加
圧のことである．温度条件は１４０℃で，２４時間この
状態を継続する．なお，攪拌は８ｒｐｍで行う．

【００２６】この結果，過飽和状態で，基材の表面にＰ
ＺＴの種子結晶（核）が形成される．上記時間経過後，
基材を圧力容器から取り出し，水洗・乾燥する．

【００２７】（第２段階）次に，種子結晶が核付けされ
た基材，原材料としてのオキシ塩化ジルコニウム（Ｚｒ
ＯＣｌ_２・８Ｈ_２Ｏ）と硝酸鉛（Ｐｂ（ＮＯ_３）_２）の
水溶液，四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）及びＫＯＨ（４
Ｎ）溶液をテフロン瓶（図示しない）に投入し，攪拌す
る．なお，ＰＺＴ薄膜の圧電性は，後にできあがるＰＺ
Ｔ薄膜の圧電性に応じてオキシ塩化ジルコニウムと硝酸
鉛と四塩化チタンとのモル比を決めればよい．

【００２８】次に，図示しない圧力容器内において，基
材表面に溶液が十分にいきわたるようにかつ基材が衝突
しないように配置して固定し，オキシ塩化ジルコニウム
（ＺｒＯＣｌ_２・８Ｈ_２Ｏ）と硝酸鉛（Ｐｂ（ＮＯ_３）
_２）の水溶液，四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）及びＫＯＨ
（４Ｎ）溶液を攪拌しながら，加熱・加圧する．なお，
ここでいう加圧とは加熱された溶液の蒸気圧による加圧
のことである．温度条件は１２０℃で，２４時間この状
態を継続する．なお，攪拌は８ｒｐｍで行う．溶液を全
て入れ替え，第２段階のプロセスを同様の手順でもう一
度繰り返す．

【００２９】この結果，過飽和状態で，基材の表面にＰ
ＺＴ薄膜が所定の厚み（この実施形態では１０μｍ前
後）で形成される．上記プロセス終了後，基材を圧力容
器から取り出し，水洗・乾燥する．この後，必要に応じ
てマスクを除去する．

【００３０】そして，外表面のＰＺＴ薄膜面にアルミニ
ウムをスパッタリングや真空蒸着等の物理的成膜法によ
り形成する．ここで，電極１，２の形成には予めマスキ
ングする方法や電極を成膜後に不必要な部分をレーザ加
工などによって除去するなどして上下一対の電極膜を形
成できる．その後，電極膜上のパッド部分にリード線を
ハンダ付けし，チタン基材の接地用リード線をハンダ付
けする．

【００３１】次に，接触センサを採用した接触センサ装
置を説明する．接触センサ装置は発信回路を備えてい
る．同発信回路は所定の周波数の電圧信号を発信し，必
要に応じて増幅された駆動電圧を第１電極に印加する．

【００３２】なお，接触センサの基材は接地されてい
る．検出部からの信号は図３に示す電気回路によって，
必要に応じて増幅され，ＡＣ−ＤＣ変換回路によって直
流成分に変換される．

【００３３】直流成分は励起された振動の振幅を表現し
ているため，接触センサが環境や対象物に接触する前後
で出力の変化が現れる．この変化を表示したり，音で出
力したり音の周波数の変化で表現したり，マイクロマニ
ピュレータの位置制御系に組込んで位置決め制御したり
することで，作業効率を向上したり，作業を自動化する
ために利用する．

【発明の効果】

【００３４】以上，詳述したように，請求項１の発明に
よれば，接触センサを構築することが可能である．小型
化により共振周波数が向上し，センサとしての剛性を高
めることが可能である．このため，マイクロマニピュレ
ーションなどの作業の妨げにならない．

【００３５】請求項２の発明によれば，マイクロピペッ
トなどのツールの中心軸付近で振動を励起することがで
きる．センサの大きさを小型化できるため，センサを装
着した際において，観察やマイクロピペットなどのツー
ルの操作の妨げとならない．また，マイクロピペットな
どのツールの交換が容易に行える．

【００３６】請求項３の発明によれば，センサの出力を
向上し，検出感度を向上することができる．

【００３７】請求項４の発明によれば，センサの取替
え，着脱が容易に行えることになる．必要に応じてツー
ルを交換すれば，汚染の心配がなくなる．

【００３８】請求項５の発明によれば，接触情報を得る
ことができるため，高さ方向の動きがある作業において
作業性を改善することができる．また，このセンサを組
込んで，マイクロマニピュレータの位置制御を自動化す
ることも可能である．

【図面の簡単な説明】

【図１】接触センサ装置の構成例の図である．

【図２】接触センサの固定方法の図である．

【図３】所定の周波数と電圧で発信信号を出力する発信
回路と，センサの検出信号を増幅してＡＣ−ＤＣ変換に
よりアナログ電圧で検出する電気回路図である．

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福田 敏男 名古屋市東区矢田町２−66 名大矢田宿舎 122 (72)発明者 桂樹 徹 大阪府堺市鴨谷台３−３−２−803 Ｆターム(参考） 2G052 AA28 AA33 AA36 AD34 BA02 BA13 BA14 BA27 DA05 GA31 JA01 JA08 2G064 AB01 AB11 AB24 BD18 3C007 AS35 BS30 KS01 KS31 KV00 KW01

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弾性金属を備え，その表面に強誘電体膜
   が形成され，その強誘電体膜上に複数の電極が設けられ
   ていることを特徴とする接触センサであって，接触を検
   出したい物体にこのセンサを固定し，強誘電体をある振
   動数で駆動し，センサを固定した物体の一部が他の物体
   に接触したときの振動の変化を検出することで，接触状
   態の変化を検出する接触センサ．
2. 【請求項２】 円筒形状又は中空の弾性金属を備え，そ
   の弾性金属の表面に強誘電体膜が形成され，その円筒外
   側表面の強誘電体膜上に複数の電極が設けられているこ
   とを特徴とする接触センサであって，接触を検出したい
   物体をこのセンサに挿入して固定し，強誘電体をある振
   動数で駆動し，センサを固定した物体の一部が他の物体
   に接触したときの振動の変化を検出することで，接触状
   態の変化を検出する接触センサ．
3. 【請求項３】 前記強誘電体膜上に第１電極及び第２電
   極を有し，これらは接触センサにおける変形時の最大応
   力集中箇所に対応した強誘電体膜上に配置されているこ
   とを特徴とする請求項１または請求項２に記載の接触セ
   ンサ．
4. 【請求項４】 前記請求項１〜３いづれか一項に記載の
   接触センサであって，接触を検出したい物体にこのセン
   サをネジで固定することを特徴とする接触センサ．
5. 【請求項５】 前記請求項１〜４いづれか一項に記載の
   接触センサであって，所定の周波数で発信信号を出力す
   る発信回路と，前記発信信号に基づく電圧信号を第１電
   極に印加する電気回路と，第２電極からの検出信号を処
   理して接触の状態を検出する電気回路とを備えたことを
   特徴とする接触センサ装置．