JP2005342842A - Driving force transmission mechanism and micromanipulator - Google Patents

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Mikio Horie
三喜男 堀江
Daiki Kamiya
大揮 神谷
Naoto Mochizuki
直人 望月
Kindo Yoda
欽道 依田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a driving force transmission mechanism having a room for plastic deformation and having a high safety ratio for creep deformation. <P>SOLUTION: This driving force transmission mechanism 31 is provided with two pantographs each having an input end where a driving force from an X direction is input, an input end where a driving force from a Y direction is input, and an output end output by composing and expanding displacements by the driving forces input from the X direction and the Y direction, and formed by connecting four linear links 31d, 31e, 31f and 31g (31d', 31e', 31f' and 31g') to four connecting points A-D (A'-D') via elastic hinges; a link 31a connecting the X input ends to each other via elastic hinges; a link 31b connecting the Y input ends to each other via elastic hinges; and a link 31c connecting the output ends to each other via elastic hinges. The elastic hinge is composed of a polymer material, has a structure capable of swinging in both sides within a range of an elastic deformation and an approximate center of the region of the elastic deformation is defined as its home position. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は駆動力伝達機構及びマイクロマニュピュレータに係り、特に、高分子材料からなり弾性変形範囲で両振可能な構造を有する弾性ヒンジにより複数箇所で連結された複数本の略直線状のリンクを有する駆動力伝達機構及び該平行四節機構を有し把持指の先端部を近接させて微小な把持対象物を把持するマイクロマニュピュレータに関する。   The present invention relates to a driving force transmission mechanism and a micromanipulator, and in particular, includes a plurality of substantially linear links connected at a plurality of locations by an elastic hinge made of a polymer material and having a structure capable of swinging both within an elastic deformation range. The present invention relates to a driving force transmission mechanism that has a parallel four-bar mechanism and a micromanipulator that grips a minute gripping object by bringing the tip of a gripping finger into close proximity.

従来、駆動力伝達機構として、XYテーブル等、2方向での自由度を有する平面機構が知られている。XYテーブルは適正な価格で市場から調達可能であるが、1自由度駆動系に別の1自由度駆動系が重なるように配置されるため、全体構成が大きくかつ複雑で、動作負荷も大きくなる。   Conventionally, a planar mechanism having a degree of freedom in two directions, such as an XY table, is known as a driving force transmission mechanism. The XY table can be procured from the market at an appropriate price, but is arranged so that another one-degree-of-freedom drive system overlaps with one degree-of-freedom drive system, so that the overall configuration is large and complicated, and the operation load increases. .

この問題を解決するために、XZ2方向での自由度を有する平行四節(パンタグラフ)機構を用いた部品装着装置が開示されている(例えば、特許文献1参照)。この技術では、基板の移動方向に対してマウント対象の電子部品が各平行四節機構で支持され、基板の所定位置に配置されるため、基板の移動方向に沿って平行四節機構を多数配置することにより効率的に電子部品の配置を行うことができ、弾性ヒンジにポリプロピレン等の高分子材料が例示されている。   In order to solve this problem, a component mounting apparatus using a parallel four-bar (pantograph) mechanism having a degree of freedom in the XZ2 direction is disclosed (for example, see Patent Document 1). In this technology, the electronic components to be mounted are supported by each parallel four-bar mechanism in the movement direction of the substrate and are arranged at predetermined positions on the substrate. Therefore, a large number of parallel four-bar mechanism is arranged along the movement direction of the substrate. Thus, electronic components can be efficiently arranged, and a polymer material such as polypropylene is exemplified for the elastic hinge.

また、例えば、微小部品の組み立てや細胞操作等にマイクロマニュピュレータが用いられている。一般に、マイクロマニュピュレータは、微小な把持対象物を把持するために、複数本の把持指の先端部を互いに把持対象物に近接・離間させる機構(把持手段)を有しており(例えば、特許文献2参照)、把持対象物が微小なため、マイクロマニュピュレータによる作業は、肉眼による顕微鏡視野下や、顕微鏡に取り付けられたCCDカメラを介してディスプレイに出力された画像を参照して行われる(例えば、特許文献3参照)。   In addition, for example, a micromanipulator is used for assembling minute parts, operating cells, and the like. In general, a micromanipulator has a mechanism (gripping means) for moving the tip portions of a plurality of gripping fingers close to and away from each other to grasp a minute grasping object (for example, a patent) Since the object to be grasped is very small, the operation by the micromanipulator is performed under the microscope visual field by the naked eye or by referring to the image output to the display via the CCD camera attached to the microscope (see FIG. 2). For example, see Patent Document 3).

このようなマイクロマニュピュレータにおいても、把持指をXY方向に移動させるため、駆動力伝達機構が用いられており、上述したXYテーブルにおける問題を解決するため、いわゆる当業者において、把持指の移動に平行四節機構を用いた駆動力伝達機構を採用することも検討対象とされている。   Even in such a micromanipulator, a driving force transmission mechanism is used to move the gripping fingers in the XY directions. In order to solve the problems in the XY table described above, a so-called person skilled in the art can move the gripping fingers. Employing a driving force transmission mechanism using a parallel four-bar mechanism is also being studied.

特開2000−296486号公報JP 2000-296486 A 特開平8−168979号公報JP-A-8-168979 特開平4−303810号公報JP-A-4-303810

しかしながら、高分子材料の弾性ヒンジでも変形量が大きくなると、弾性変形範囲を越えて塑性変形に至る。また、変形による応力下で保存されると、クリープ変形が生じるという問題がある。弾性ヒンジを用いた平行四節機構では、弾性ヒンジに塑性変形やクリープ変形が生じると、所期の機構精度を得ることができなくなり、平行四節機構を有する駆動力伝達機構では、適正な駆動力伝達ができなくなる。とりわけ、このような駆動伝達機構を有するマイクロマニュピュレータでは、把持指の先端部を互いに近接させて微小な把持対象物を把持することが不能となる。   However, even with an elastic hinge made of a polymer material, if the amount of deformation increases, the elastic deformation range is exceeded and plastic deformation occurs. Further, there is a problem that creep deformation occurs when stored under stress due to deformation. With a parallel four-bar mechanism using an elastic hinge, if plastic deformation or creep deformation occurs in the elastic hinge, the desired mechanism accuracy cannot be obtained. With a driving force transmission mechanism having a parallel four-bar mechanism, an appropriate drive Force transmission becomes impossible. In particular, in a micromanipulator having such a drive transmission mechanism, it is impossible to grip a minute gripping object by bringing the tips of gripping fingers close to each other.

本発明は上記事案に鑑み、塑性変形に対して余裕がとれ、クリープ変形に対して安全率の高い駆動力伝達機構及び該駆動力伝達機構を備えたマイクロマニュピュレータを提供することを課題とする。   An object of the present invention is to provide a driving force transmission mechanism having a margin for plastic deformation and having a high safety factor against creep deformation, and a micromanipulator equipped with the driving force transmission mechanism. .

上記課題を解決するために、本発明の第1の態様は、高分子材料からなり弾性変形範囲で両振可能な構造を有する弾性ヒンジにより複数箇所で連結された複数本の略直線状のリンクを有する駆動力伝達機構であって、前記弾性ヒンジは前記弾性変形範囲の略中央がホームポジションとされたことを特徴とする。第1の態様では、弾性ヒンジが、高分子材料からなるため耐久性に優れ、弾性変形範囲で両振可能な構造を有し動作範囲の両端での変形を小さくできるため塑性変形に対して余裕がとれると共に、両振の平均応力がゼロの弾性変形範囲の略中央がホームポジションとされているため、ホームポジションに戻して保存することでクリープ変形に対して安全率を高めることができるので、使用を継続しても高い精度を維持可能な駆動力伝達機構を得ることができる。   In order to solve the above-mentioned problem, a first aspect of the present invention is a plurality of substantially linear links connected at a plurality of positions by an elastic hinge made of a polymer material and having a structure capable of swinging in an elastic deformation range. The elastic hinge is characterized in that a substantially center of the elastic deformation range is a home position. In the first aspect, since the elastic hinge is made of a polymer material, it has excellent durability, and has a structure capable of performing both vibrations in the elastic deformation range and can reduce deformation at both ends of the operation range, so that there is room for plastic deformation. As the home position is the approximate center of the elastic deformation range where the average stress of both vibrations is zero, the safety factor can be increased against creep deformation by storing it back to the home position. It is possible to obtain a driving force transmission mechanism that can maintain high accuracy even if the use is continued.

また、本発明の第2の態様は、高分子材料からなり弾性変形範囲で両振可能な構造を有する弾性ヒンジにより複数箇所で連結された複数本の略直線状のリンクを有する駆動力伝達機構であって、前記弾性ヒンジは、該弾性ヒンジのホームポジションにおいてモールド成形されたときの形状が維持されることを特徴とする。第2の態様では弾性ヒンジが、高分子材料からなるため耐久性に優れ、弾性変形範囲で両振可能な構造を有し動作範囲の両端での変形を小さくできるため塑性変形に対して余裕がとれると共に、モールド成形されたときの形状が弾性ヒンジのホームポジションの中央とされているため、ホームポジションに戻して保存することでクリープ変形に対して安全率を高めることができるので、使用を継続しても高い精度を維持可能な駆動力伝達機構を得ることができ、更に、駆動伝達機構を構成する弾性ヒンジ及びリンクがモールド成形で一体成形されるので、リンクと弾性ヒンジとの連結作業が不要となる。   Further, the second aspect of the present invention is a driving force transmission mechanism having a plurality of substantially linear links connected at a plurality of positions by an elastic hinge made of a polymer material and having a structure capable of swinging both within an elastic deformation range. The elastic hinge is characterized in that the shape when molded at the home position of the elastic hinge is maintained. In the second aspect, since the elastic hinge is made of a polymer material, it has excellent durability and has a structure capable of both vibrations in the elastic deformation range, and the deformation at both ends of the operation range can be reduced, so there is room for plastic deformation. In addition, since the shape when molded is the center of the home position of the elastic hinge, it is possible to increase the safety factor against creep deformation by storing it back to the home position, so use is continued However, the drive force transmission mechanism that can maintain high accuracy can be obtained, and the elastic hinge and the link constituting the drive transmission mechanism are integrally formed by molding. It becomes unnecessary.

更に、本発明の第3の態様は、駆動力伝達機構であって、第1の方向からの駆動力が入力される第1の入力端と、前記第1の方向に直角方向の第2の方向からの駆動力が入力される第2の入力端と、前記入力された駆動力による第1及び第2の方向の変位が合成され拡大乃至縮小されて出力される出力端とを有し、略直線状の第1乃至第4の4つのリンクが弾性ヒンジを介して4つの連結点でそれぞれ接続された2つの平行四節機構と、弾性ヒンジを介して前記第1の入力端同士を連結する第5のリンクと、弾性ヒンジを介して前記第2の入力端同士を連結する第6のリンクと、弾性ヒンジを介して前記出力端同士を連結する第7のリンクと、を備え、前記弾性ヒンジは、高分子材料からなると共に、弾性変形範囲で両振可能な構造を有し、該弾性変形範囲の略中央がホームポジションとされたことを特徴とする。   Furthermore, a third aspect of the present invention is a driving force transmission mechanism, a first input end to which a driving force from the first direction is input, and a second input perpendicular to the first direction. A second input end to which a driving force from the direction is input, and an output end to which the displacement in the first and second directions by the input driving force is combined and enlarged or reduced and output. Two parallel four-joint mechanisms in which four substantially linear first to fourth links are connected to each other at four connection points via elastic hinges, and the first input ends are connected to each other via elastic hinges. A fifth link that connects the second input ends via an elastic hinge, and a seventh link that connects the output ends via an elastic hinge, The elastic hinge is made of a polymer material and has a structure capable of both vibrations within an elastic deformation range. Substantially in the center of the elastic deformation range, characterized in that it is a home position.

第3の態様では、2つの平行四節機構の第1及び第2の入力端同士、出力端同士がそれぞれ弾性ヒンジを介して第5乃至第7のリンクで連結されているので、2つの平行四節機構の出力端同士に連結された第3のリンクは2つの出力端で支持されるため、安定した姿勢を保つことができると共に、弾性ヒンジが、高分子材料からなるため耐久性に優れ、弾性変形範囲で両振可能な構造を有し動作範囲の両端での変形を小さくできるため塑性変形に対して余裕がとれ、更に、両振の平均応力がゼロの弾性変形範囲の略中央がホームポジションとされているため、ホームポジションに戻して保存することでクリープ変形に対して安全率を高めることができるので、使用を継続しても高い精度を維持可能な駆動力伝達機構を得ることができる。   In the third aspect, the first and second input ends and the output ends of the two parallel four-joint mechanisms are connected by the fifth to seventh links via the elastic hinges, respectively. Since the third link connected to the output ends of the four-bar mechanism is supported by the two output ends, it is possible to maintain a stable posture, and since the elastic hinge is made of a polymer material, it has excellent durability. In addition, since it has a structure capable of both vibrations in the elastic deformation range and can reduce the deformation at both ends of the operating range, there is a margin for plastic deformation, and the approximate center of the elastic deformation range where the average stress of both vibrations is zero Since it is considered as the home position, it is possible to increase the safety factor against creep deformation by storing it back to the home position, thus obtaining a driving force transmission mechanism that can maintain high accuracy even if it is used continuously. Can do.

各平行四節機構は、例えば、第1のリンクの一端を第5のリンクに、第2及び第3のリンクの一端を第6のリンクに、第4のリンクの一端を第7のリンクに、第1のリンクの他端を第4のリンクの他端に、第2及び第3のリンクの他端を、第1のリンクの一端と第5のリンクとを接続する弾性ヒンジ、第4のリンクの一端と第7のリンクとを接続する弾性ヒンジ並びに第1及び第4のリンクの他端同士を接続する弾性ヒンジを頂点とする三角形と相似形となるように、第4及び第1のリンクに、それぞれ弾性ヒンジを介して接続して構成することができる。弾性ヒンジは、第1及び第2の入力端に駆動力が入力されない状態のときに、ホームポジションに位置することが好ましい。   Each parallel four-bar mechanism includes, for example, one end of the first link as the fifth link, one end of the second and third links as the sixth link, and one end of the fourth link as the seventh link. The other end of the first link is connected to the other end of the fourth link, the other ends of the second and third links are connected to one end of the first link and the fifth link; The fourth and first shapes are similar to the triangular shape having the elastic hinge connecting the one end of the link and the seventh link and the elastic hinge connecting the other ends of the first and fourth links. Each of the links can be connected via an elastic hinge. The elastic hinge is preferably located at the home position when no driving force is input to the first and second input ends.

そして、上記課題を解決するために、本発明の第4の態様は、マイクロマニュピュレータであって、把持指の先端部を近接させて微小な把持対象物を把持する把持手段と、第1の方向からの駆動力が入力される第1の入力端と、前記第1の方向に直角方向の第2の方向からの駆動力が入力される第2の入力端と、前記入力された駆動力による第1及び第2の方向の変位が合成され拡大乃至縮小されて出力される出力端とを有し、略直線状の第1乃至第4の4つのリンクが弾性ヒンジを介して4つの連結点でそれぞれ接続された2つの平行四節機構と、弾性ヒンジを介して前記第1の入力端同士を連結する第5のリンクと、弾性ヒンジを介して前記第2の入力端同士を連結する第6のリンクと、弾性ヒンジを介して前記出力端同士を連結する第7のリンクと、を具備し、前記把持手段を前記第1及び第2の方向に移動させる第1の移動手段と、前記把持手段を前記第1及び第2の方向と直交する第3の方向に移動させる第2の移動手段と、を備え、前記弾性ヒンジは、高分子材料からなると共に、弾性変形範囲で両振可能な構造を有し、該弾性変形範囲の略中央がホームポジションとされたことを特徴とする。   And in order to solve the above-mentioned subject, the 4th mode of the present invention is a micromanipulator, and it has a gripping means for gripping a minute gripping object by bringing the tip of the gripping finger close to it, A first input end to which a driving force from a direction is input, a second input end to which a driving force from a second direction perpendicular to the first direction is input, and the input driving force The first and fourth links are connected to each other via elastic hinges. The output ends of the first and second directions are combined and enlarged or reduced and output. Two parallel four-joint mechanisms respectively connected at points, a fifth link connecting the first input ends via an elastic hinge, and connecting the second input ends via an elastic hinge A sixth link and a second link connecting the output ends via an elastic hinge A first moving means for moving the gripping means in the first and second directions, and the gripping means in a third direction orthogonal to the first and second directions. A second moving means for moving the elastic hinge, wherein the elastic hinge is made of a polymer material and has a structure capable of swinging in an elastic deformation range, and the approximate center of the elastic deformation range is a home position. It is characterized by that.

第4の態様では、第1及び第2の入力端に駆動力を入力することで、第1の移動手段により、入力された駆動力が合成され拡大乃至縮小されて第3のリンクに出力され把持手段が第1及び第2の方向に移動され、第2の移動手段により、把持手段が第1及び第2の方向と直交する第3の方向に移動される。そして、把持手段により、把持指の先端部を近接させて微小な把持対象物が把持される。第2の態様によれば、第3のリンクが2つの出力端で支持されるため、安定した姿勢を保ち、第1及び第2の方向での把持手段の移動の精度を高めることができると共に、XYテーブルに代えて平行四節機構を用いたため、マイクロマニュピュレータのコンパクト化、軽量化を図ることができ、上述した弾性ヒンジにより、使用を継続しても高精度に把持指の先端部を互いに近接させて微小な把持対象物を把持することができる。   In the fourth aspect, by inputting the driving force to the first and second input ends, the input driving force is synthesized and enlarged or reduced by the first moving means and output to the third link. The gripping means is moved in the first and second directions, and the gripping means is moved in the third direction orthogonal to the first and second directions by the second moving means. Then, the gripping means grips the minute gripping object by bringing the tip of the gripping finger close to the gripping means. According to the second aspect, since the third link is supported by the two output ends, it is possible to maintain a stable posture and increase the accuracy of movement of the gripping means in the first and second directions. Because the parallel four-bar mechanism is used instead of the XY table, the micromanipulator can be made compact and lightweight, and the above-mentioned elastic hinge allows the tip of the gripping finger to be highly accurate even if it is used continuously. A minute object to be grasped can be grasped close to each other.

第4の態様において、第3のリンクに固設され第1及び第2の方向に移動可能な出力ステージを更に備え、第2の移動手段は出力ステージ上で把持手段を第3の方向に移動させるようにしてもよい。   In the fourth aspect, the apparatus further comprises an output stage fixed to the third link and movable in the first and second directions, and the second moving means moves the gripping means in the third direction on the output stage. You may make it make it.

本発明によれば、弾性ヒンジが、高分子材料からなるため耐久性に優れ、弾性変形範囲で両振可能な構造を有し動作範囲の両端での変形を小さくできるため塑性変形に対して余裕がとれると共に、両振の平均応力がゼロの弾性変形範囲の略中央がホームポジションとされているか、又は、モールド成形されたときの形状が弾性ヒンジのホームポジションの中央とされているため、ホームポジションに戻して保存することでクリープ変形に対して安全率を高めることができるので、使用を継続しても高い精度を維持可能な駆動力伝達機構乃至該駆動力伝達機構を備えたマイクロマニュピュレータを得ることができる、という効果を得ることができる。   According to the present invention, since the elastic hinge is made of a polymer material, it is excellent in durability and has a structure capable of both vibrations in the elastic deformation range, and can reduce deformation at both ends of the operation range, so that there is room for plastic deformation. The center position of the elastic deformation range where the average stress of both vibrations is zero is the home position, or the shape when molded is the center of the home position of the elastic hinge. Since the safety factor against creep deformation can be increased by returning to the position and storing it, a driving force transmission mechanism that can maintain high accuracy even if it is used continuously or a micromanipulator equipped with the driving force transmission mechanism The effect that can be obtained can be obtained.

以下、図面を参照して、本発明に係るマイクロマニュピュレータを、微小物体を取り扱うための微小物体ハンドリングシステムに適用した実施の形態について説明する。   Hereinafter, an embodiment in which a micromanipulator according to the present invention is applied to a minute object handling system for handling minute objects will be described with reference to the drawings.

図1に示すように、本実施形態の微小物体ハンドリングシステム200は、マイクロマニュピュレータ110、微小物体載置基台102及び顕微鏡101を有し厚板状の定盤106に固定された微小物体ハンドリング装置100と、パーソナルコンピュータ(以下、パソコンという。)202と、パソコン202のスレーブ(奴隷)コンピュータとしてマイクロマニュピュレータ110を制御するプログラマブル・ロジック・コントローラ(以下、PLCという。)204と、を備えている。   As shown in FIG. 1, a minute object handling system 200 of this embodiment includes a micromanipulator 110, a minute object placement base 102, and a microscope 101, and a minute object handling fixed to a thick plate-like surface plate 106. An apparatus 100, a personal computer (hereinafter referred to as a personal computer) 202, and a programmable logic controller (hereinafter referred to as a PLC) 204 that controls the micromanipulator 110 as a slave computer of the personal computer 202 are provided. Yes.

パソコン202には、液晶表示装置等のディスプレイ201及びマウス等の入力装置203が接続されている。また、顕微鏡101にはCCDカメラ107が装着されており、CCDカメラ107からの出力端子がパソコン202に接続されている。従って、微小物体ハンドリングシステム200のオペレータは、顕微鏡101の接眼レンズから直接、又は、ディスプレイ201を介して微小物体載置面17上に載置された微小物体を目視することができる。   A personal computer 202 is connected to a display 201 such as a liquid crystal display device and an input device 203 such as a mouse. The microscope 101 is equipped with a CCD camera 107, and an output terminal from the CCD camera 107 is connected to the personal computer 202. Therefore, the operator of the minute object handling system 200 can visually observe the minute object placed on the minute object placement surface 17 directly from the eyepiece of the microscope 101 or via the display 201.

また、パソコン202はインターフェースを介してPLC204に接続されており、PLC204は、マイクロマニュピュレータ110に配設された種々のアクチュエータの駆動制御を行う駆動制御部等をマウントした中継基板205に接続されている。中継基板205とマイクロマニュピュレータ110に配設された種々のアクチュエータとは、図示を省略したフレキシブル基板で接続されている。なお、PLC204は、CPU、ROM、RAMの他に、D/Aコンバータ、A/Dコンバータ等を有して構成されており、ROMに格納されたプログラム及びプログラムデータに従って、パソコン202から動作命令を受信すると共に、コンピュータ202にイーサネット(Ethernet)を介して後述するセンサで検出したデータや種々のアクチュエータのステータスを送信する。   Further, the personal computer 202 is connected to the PLC 204 via an interface, and the PLC 204 is connected to a relay board 205 mounted with a drive control unit and the like for performing drive control of various actuators arranged in the micromanipulator 110. Yes. The relay substrate 205 and various actuators disposed on the micromanipulator 110 are connected by a flexible substrate (not shown). The PLC 204 is configured to include a D / A converter, an A / D converter, etc. in addition to the CPU, ROM, and RAM. In accordance with a program and program data stored in the ROM, an operation command is sent from the personal computer 202. In addition to receiving the data, the computer 202 transmits data detected by a sensor, which will be described later, and statuses of various actuators to the computer 202 via Ethernet.

図2に示すように、定盤106には、板状の顕微鏡基台105及び受け台103が固定されている。顕微鏡基台105上には顕微鏡101を支持する支柱が立設されており、受け台103の上には板状で受け台103より面積の小さい微小物体/マニュピュレータ基台108が固定されている。また、微小物体/マニュピュレータ基台108上には、ブロック状の微小物体載置基台102及び4本の脚部を有しマイクロマニュピュレータ100を固設するためのマニュピュレータ載置架台104が固定されている。上述した中継基板205は、マニュピュレータ載置架台104の脚部に固定されている。   As shown in FIG. 2, a plate-like microscope base 105 and a receiving base 103 are fixed to the surface plate 106. A column for supporting the microscope 101 is erected on the microscope base 105, and a micro object / manipulator base 108 having a plate shape and a smaller area than the base 103 is fixed on the base 103. . On the minute object / manipulator base 108, a block-shaped minute object placement base 102 and a manipulator placement base 104 for fixing the micro manipulator 100 having four legs are provided. It is fixed. The above-described relay substrate 205 is fixed to the leg portion of the manipulator mounting base 104.

微小物体載置基台102は、その頂上部分に、略水平の微小物体載置面17を有しており、把持対象物は微小物体載置基台102上に載置される。一方、マニュピュレータ載置架台104は、2本の把持指とメータからなる把持指駆動用アクチュエータ1c(図10参照)とを有し2本の把持指の先端部(以下、エンドエフェクタという。)を互いに近接ないし離間させる把持手段としてのマイクログリッパ機構部1のエンドエフェクタが概ね微小物体載置面17の中央に位置するように脚部の長さや微小物体/マニュピュレータ基台108への固定位置が設定されている。また、顕微鏡101は、対物レンズが微小物体載置面17の略中央部に位置するように上述した支柱で顕微鏡基台105に支持されている。なお、2本の把持指はそれぞれ図示しないバネで付勢されており、把持指駆動用アクチュエータ1cが非通電の通常状態で、エンドエフェクタは離間しており開口(以下、エンドエフェクタ開口1aという。)が形成される(図10参照)。   The micro object mounting base 102 has a substantially horizontal micro object mounting surface 17 at the top portion thereof, and the object to be grasped is mounted on the micro object mounting base 102. On the other hand, the manipulator mounting base 104 has two gripping fingers and a gripping finger driving actuator 1c (see FIG. 10) including a meter, and the tip portions of the two gripping fingers (hereinafter referred to as end effectors). The length of the leg portion and the fixed position to the minute object / manipulator base 108 so that the end effector of the micro gripper mechanism portion 1 as a gripping means for moving the objects closer to or away from each other is positioned substantially at the center of the minute object placement surface 17. Is set. In addition, the microscope 101 is supported on the microscope base 105 by the above-described support so that the objective lens is positioned at a substantially central portion of the minute object placement surface 17. The two gripping fingers are each biased by a spring (not shown), the gripper finger driving actuator 1c is in a non-energized normal state, the end effector is separated, and the opening (hereinafter referred to as the end effector opening 1a). ) Is formed (see FIG. 10).

図2〜図4に示すように、マイクロマニュピュレータ100は、マイクログリッパ機構部1、エンドエフェクタを中心として円弧状に回動可能でありエンドエフェクタの姿勢方向をX、Y方向で同時に変更する姿勢変更機構部60、マイクログリッパ機構部1及び姿勢変更機構部60をXY方向に移動させる第1の移動手段としてのXY移動機構部30及びXY方向に交差するZ方向に移動させる第2の移動手段としてのZ移動機構部50を備えている。   As shown in FIGS. 2 to 4, the micromanipulator 100 can rotate in a circular arc shape around the micro gripper mechanism 1 and the end effector, and can change the posture direction of the end effector in the X and Y directions simultaneously. XY moving mechanism 30 as first moving means for moving changing mechanism section 60, micro gripper mechanism section 1 and posture changing mechanism section 60 in the XY direction, and second moving means for moving in the Z direction intersecting with XY direction The Z movement mechanism unit 50 is provided.

図3及び図4に示すように、XY移動機構部30は、X、Y方向からの駆動力による変位を合成して伝達ないし出力する駆動力伝達機構31を有している。駆動力伝達機構31は、11個のリンクとこれらを連結(接続)するポリプロピレン等の高分子材料からなる12個の弾性ヒンジとで構成されている。   As shown in FIG. 3 and FIG. 4, the XY movement mechanism unit 30 has a driving force transmission mechanism 31 that synthesizes and transmits or outputs displacement due to the driving force from the X and Y directions. The driving force transmission mechanism 31 includes eleven links and twelve elastic hinges made of a polymer material such as polypropylene for connecting (connecting) the links.

図5に示すように、駆動力伝達機構31は、2つのパンタグラフ(平行四節機構)を有している。一方のパンタグラフは、第1のリンクとしての直線状リンク31d、第4のリンクとしての直線状リンク31e、第2のリンクとしての直線状リンク31f、第3のリンクとしての直線状リンク31gの4つのリンクと4つの弾性ヒンジB、C、D、Fとで構成されており、他方のパンタグラフは、第1のリンクとしての直線状リンク31d’、第4のリンクとしての直線状リンク31e’、第2のリンクとしての直線状リンク31f’、第3のリンクとしての直線状リンク31g’の4つのリンクと4つの弾性ヒンジB、C、D、Fとで構成されている。   As shown in FIG. 5, the driving force transmission mechanism 31 has two pantographs (parallel four-bar mechanism). One pantograph is composed of a linear link 31d as a first link, a linear link 31e as a fourth link, a linear link 31f as a second link, and a linear link 31g as a third link. One link and four elastic hinges B, C, D, and F, and the other pantograph includes a linear link 31d ′ as a first link, a linear link 31e ′ as a fourth link, The linear link 31f ′ as the second link and the linear link 31g ′ as the third link and four elastic hinges B, C, D, and F are configured.

リンク31dの一端は、X方向からの駆動力が入力される第1の入力端とされており、第5のリンクとしての略コ字状リンク31aに弾性ヒンジAを介して連結(接続)されている。リンク31f及びリンク31gの一端は、X方向に直角方向のY方向からの駆動力が入力される第2の入力端とされており、第6のリンクとしての直線状リンク31bに弾性ヒンジFを介して連結されている。リンク31eの一端はX方向及びY方向から入力された駆動力による変位が合成され拡大乃至縮小されて出力される出力端とされており、第7のリンクとしての直線状リンク31cに弾性ヒンジEを介して連結されている。また、リンク31d及びリンク31eの他端同士は弾性ヒンジCを介して連結されている。   One end of the link 31d is a first input end to which driving force from the X direction is input, and is connected (connected) to the substantially U-shaped link 31a as the fifth link via the elastic hinge A. ing. One end of the link 31f and the link 31g is a second input end to which driving force from the Y direction perpendicular to the X direction is input, and the elastic hinge F is attached to the linear link 31b as the sixth link. Are connected through. One end of the link 31e is an output end from which displacement due to the driving force input from the X direction and the Y direction is combined and enlarged or reduced and output. The elastic hinge E is connected to the linear link 31c as the seventh link. It is connected through. The other ends of the link 31d and the link 31e are connected via an elastic hinge C.

更に、リンク31fの他端はリンク31eに弾性ヒンジDを介して連結されており、リンク31gの他端はリンク31dに弾性ヒンジBを介して連結されている。図8(a)に示すように、今、弾性ヒンジA〜Eの位置を、アルファベットの小文字a〜eで点として表すと、△abf、△fde及び△aceは互いに相似三角形を構成している。従って、リンク31f及びリンク31gの他端は、リンク31dの一端がリンク31aに弾性ヒンジAで接続(連結)された接続箇所a、リンク31eの一端がリンク31cに弾性ヒンジEで接続された接続箇所e、並びに、リンク31d及びリンク31eの他端同士が弾性ヒンジCで接続された接続箇所cの3箇所を頂点とする三角形と相似形となるように、それぞれ、リンク31e及びリンク31dに接続されている。   Further, the other end of the link 31f is connected to the link 31e via an elastic hinge D, and the other end of the link 31g is connected to the link 31d via an elastic hinge B. As shown in FIG. 8 (a), when the positions of the elastic hinges A to E are represented as dots by the lower case letters a to e of the alphabet, Δabf, Δfde, and Δace constitute a similar triangle. . Therefore, the other end of the link 31f and the link 31g is a connection point a in which one end of the link 31d is connected (linked) to the link 31a by the elastic hinge A, and one end of the link 31e is connected to the link 31c by the elastic hinge E. Connected to the link 31e and the link 31d, respectively, so as to be similar to the triangle having the apex at the connection point c where the other end of the link e and the link 31d and the link 31e are connected by the elastic hinge C. Has been.

一方、他方のパンタグラフも同様に構成されている。すなわち、リンク31d’の一端は、X方向からの駆動力が入力される第1の入力端とされており、リンク31aに弾性ヒンジA’を介して連結されている。リンク31f’及びリンク31g’の一端は、Y方向からの駆動力が入力される第2の入力端とされており、リンク31bに弾性ヒンジF’を介して連結されている。また、リンク31e’の一端はX方向及びY方向から入力された駆動力による変位が合成され拡大乃至縮小されて出力される出力端とされており、リンク31cに弾性ヒンジE’を介して連結されている。また、リンク31d’及びリンク31e’の他端同士は弾性ヒンジC’を介して連結されている。更に、リンク31f’及びリンク31g’の他端は、リンク31d’の一端がリンク31a’に弾性ヒンジA’で接続された接続箇所、リンク31e’の一端がリンク31c’に弾性ヒンジE’で接続された接続箇所、並びに、リンク31d’及びリンク31e’の他端同士が弾性ヒンジC’で接続された接続箇所の3箇所を頂点とする三角形と相似形となるように、それぞれ、リンク31e’及びリンク31d’に弾性ヒンジD’及び弾性ヒンジB’を介して接続されている。   On the other hand, the other pantograph is configured similarly. That is, one end of the link 31d 'is a first input end to which driving force from the X direction is input, and is connected to the link 31a via the elastic hinge A'. One end of the link 31f 'and the link 31g' is a second input end to which driving force from the Y direction is input, and is connected to the link 31b via an elastic hinge F '. Further, one end of the link 31e ′ is an output end that is output by combining and magnifying or reducing the displacement due to the driving force input from the X direction and the Y direction, and is connected to the link 31c via the elastic hinge E ′. Has been. The other ends of the link 31d 'and the link 31e' are connected via an elastic hinge C '. Further, the other end of the link 31f ′ and the link 31g ′ is a connection point where one end of the link 31d ′ is connected to the link 31a ′ by the elastic hinge A ′, and one end of the link 31e ′ is connected to the link 31c ′ by the elastic hinge E ′. Each of the links 31e has a similar shape to a triangle having apexes at the three connected points where the other ends of the connected points and the links 31d ′ and 31e ′ are connected by the elastic hinge C ′. 'And the link 31d' are connected via an elastic hinge D 'and an elastic hinge B'.

従って、リンク31aは弾性ヒンジA、A’を介して2つのパンタグラフのX方向の入力端(リンク31d、31d’の一端)同士を連結しており、リンク31bは弾性ヒンジF、F’を介して2つのパンタグラフのY方向の入力端(リンク31f、31g及びリンク31f’、31g’の一端)同士を連結しており、リンク31cは弾性ヒンジE、E’を介して2つのパンタグラフの出力端(リンク31e、31e’の一端)同士を連結している。また、2つのパンタフラフは、リンク31a、31b、31cのそれぞれの中点を結ぶ第1の仮想線として仮想線X−Xを中心線として対称配置されている。   Therefore, the link 31a connects the input ends (one end of the links 31d and 31d ′) of the two pantographs via the elastic hinges A and A ′, and the link 31b passes through the elastic hinges F and F ′. Input ends (one end of the links 31f and 31g and the links 31f 'and 31g') of the two pantographs are connected to each other, and the link 31c is connected to the output ends of the two pantographs via elastic hinges E and E '. (One end of link 31e, 31e ') is connected. In addition, the two pantographs are symmetrically arranged with a virtual line XX as a center line as a first virtual line connecting the midpoints of the links 31a, 31b, and 31c.

弾性ヒンジには、鈍角の端部を有する2つのリンクを連結する弾性ヒンジA〜E、A’〜E’のタイプのものと、鋭角の端部を有する3つのリンクを連結する弾性ヒンジF、F’のタイプのものとの2種類が使用されている。しかしながら、これらの2種類の弾性ヒンジは、図6(a)に示すように、弾性変形範囲の略中央がホームポジションとされており、図6(b)、(c)に示すように、弾性変形範囲内でホームポジションを中心として両側方向に変形可能な両振構造を有している点で共通している。なお、弾性ヒンジA〜F、A〜F’は、2つのパンタグラフのX方向及びY方向の入力端に駆動力が入力されない状態のときにホームポジションに位置している。   The elastic hinge includes a type of elastic hinges A to E and A ′ to E ′ that connect two links having an obtuse end, and an elastic hinge F that connects three links having an acute end, Two types of F 'type are used. However, in these two types of elastic hinges, as shown in FIG. 6A, the approximate center of the elastic deformation range is the home position, and as shown in FIGS. 6B and 6C, the elastic hinges are elastic. This is common in that it has a double vibration structure that can be deformed in both directions around the home position within the deformation range. The elastic hinges A to F and A to F ′ are located at the home positions when no driving force is input to the input ends of the two pantographs in the X and Y directions.

図3及び図4に示すように、XY移動機構部30は、駆動伝達機構31にX方向及びY方向への駆動力を入力するために、スライドテーブル32aとステータ部(固定子部)とを有するリニアステッピングモータからなるX方向アクチュエータ32と、同じくスライドテーブル33aとステータ部とを有するリニアステッピングモータからなるY方向アクチュエータ33とを有している。駆動伝達機構31のリンク31aはX方向アクチュエータ32のスライドテーブル32aに固着されており、駆動伝達機構31のリンク31bはY方向アクチュエータ33のスライドテーブル33aに固着されている。また、駆動伝達機構31のリンク31cはZ移動機構部50に固着(固設)されている。このため、X方向アクチュエータ32、Y方向アクチュエータ33からの直進駆動力がそれぞれリンク31a、31bに入力されると、当該直進駆動力により2つのパンタグラフが変位し、変位量がX、Y方向で合成・拡大されてリンク31cに出力される。   As shown in FIGS. 3 and 4, the XY movement mechanism unit 30 includes a slide table 32 a and a stator unit (stator portion) in order to input a driving force in the X direction and the Y direction to the drive transmission mechanism 31. And an X-direction actuator 32 made up of a linear stepping motor, and a Y-direction actuator 33 made up of a linear stepping motor that also has a slide table 33a and a stator portion. The link 31 a of the drive transmission mechanism 31 is fixed to the slide table 32 a of the X direction actuator 32, and the link 31 b of the drive transmission mechanism 31 is fixed to the slide table 33 a of the Y direction actuator 33. Further, the link 31 c of the drive transmission mechanism 31 is fixed (fixed) to the Z moving mechanism unit 50. For this reason, when the rectilinear driving force from the X direction actuator 32 and the Y direction actuator 33 is input to the links 31a and 31b, the two pantographs are displaced by the rectilinear driving force, and the displacement amounts are combined in the X and Y directions. -Enlarged and output to the link 31c.

Z移動機構部50は、出力ステージとしての平板状の底部フレーム53を有している。上述したリンク31cは、この底部フレーム53に固着されている。また、底部フレーム53の隅部には4つのマイクロキャスタ36が配設されている。このため、底部フレーム53は、固着したリンク31cからの出力に従って、マニュピュレータ載置架台104に固定された受け台34上をXY方向に移動可能に構成されている。また、Z移動機構部50は、底部フレーム53の上方に位置し底部フレーム53に対しZ方向に離間・近接可能な移動フレーム54を有している。移動フレーム54には、正逆転可能なステッピングモータを有するZ方向アクチュエータ51と、一端が底部フレーム53に支持されたシャフト52とを含む直動機構が収容されている。移動フレーム54は、Z方向アクチュエータ51が正転することで底部フレーム53から離間し、逆転することで底部フレーム53に近接するように構成されている。   The Z moving mechanism 50 has a flat bottom frame 53 as an output stage. The link 31c described above is fixed to the bottom frame 53. Further, four micro casters 36 are disposed at the corners of the bottom frame 53. Therefore, the bottom frame 53 is configured to be movable in the XY directions on the cradle 34 fixed to the manipulator mounting base 104 in accordance with the output from the fixed link 31c. Further, the Z moving mechanism unit 50 includes a moving frame 54 that is located above the bottom frame 53 and can be separated from and approached the bottom frame 53 in the Z direction. The moving frame 54 accommodates a linear motion mechanism including a Z-direction actuator 51 having a stepping motor capable of forward / reverse rotation and a shaft 52 supported at one end by a bottom frame 53. The moving frame 54 is configured to be separated from the bottom frame 53 when the Z-direction actuator 51 rotates in the forward direction and close to the bottom frame 53 by rotating in the reverse direction.

従って、移動フレーム54は底部フレーム53に対してZ方向に相対移動が可能なため、移動フレーム54は、X方向アクチュエータ32、Y方向アクチュエータ33、Z方向アクチュエータ51からの駆動力によりX、Y、Zの3次元方向への移動が許容されている。この移動フレーム54に、姿勢変更機構部60が固定されている。   Therefore, since the moving frame 54 can move relative to the bottom frame 53 in the Z direction, the moving frame 54 is driven by the driving force from the X direction actuator 32, the Y direction actuator 33, and the Z direction actuator 51. Movement of Z in the three-dimensional direction is allowed. The posture changing mechanism 60 is fixed to the moving frame 54.

図7に示すように、姿勢変更機構部60は、略扇状のベースフレーム2と、ベースフレーム2に対して移動可能な移動ユニット55とで構成されている。マイクログリッパ機構部1は、シャフト71より移動ユニット55の先端部に連結されている。   As shown in FIG. 7, the posture change mechanism unit 60 includes a substantially fan-shaped base frame 2 and a moving unit 55 that can move relative to the base frame 2. The micro gripper mechanism 1 is connected to the tip of the moving unit 55 through the shaft 71.

ベースフレーム2は、ベースフレーム2の中央部を構成し略扇状で略水平のスライド平面2a、スライド平面2aのエンドエフェクタ側に隣接し略扇状でテーパ状に略30°の角度で傾斜したスライド傾斜面2b、スライド平面2aの移動フレーム54側に隣接し表裏にエンドエフェクタを中心とする同心円の一部(円弧)を形成する曲壁2d、曲壁2dのスライド平面2a側に固着された歯付きベルト2c、エンドエフェクタを中心とする同心円の一部を形成し曲壁2dに対向する曲壁2e、曲壁2eの一側に固定された透過一体型センサ2f、及び、姿勢変更機構部60を移動フレーム54に連結(固定)するための連結部16(図11(a)参照)を有している。なお、曲壁2dと曲壁2eとの間には円弧状の溝2gが形成されている。   The base frame 2 forms a central portion of the base frame 2 and is a substantially fan-shaped and substantially horizontal slide plane 2a, and a slide slope that is adjacent to the end effector side of the slide plane 2a and is substantially fan-shaped and tapered at an angle of approximately 30 °. Surface 2b, curved wall 2d adjacent to the moving frame 54 side of the slide plane 2a and forming a part of a concentric circle (arc) centering on the end effector on the front and back, with teeth fixed to the slide plane 2a side of the curved wall 2d A belt 2c, a curved wall 2e that forms a part of a concentric circle centering on the end effector and faces the curved wall 2d, a transmission integrated sensor 2f that is fixed to one side of the curved wall 2e, and a posture changing mechanism 60 The connecting portion 16 (see FIG. 11A) for connecting (fixing) to the moving frame 54 is provided. An arcuate groove 2g is formed between the curved wall 2d and the curved wall 2e.

移動ユニット55には、正逆転可能なステッピングモータからなる姿勢変更アクチュエータ61が組み付けられている。姿勢変更アクチュエータ61のアクチュエータ軸には、プーリギアが嵌着されており、歯付き無端ベルトを介して姿勢変更アクチュエータ61からの回転駆動力が減速ギア66に伝達される。減速ギア66は回転軸に大径ギアと大径ギアの下方に配置された小径ギア(不図示)とが嵌着されて構成されている。なお、小径ギアは、移動ユニット55を貫通しベースフレーム2側に延出されている。また、移動ユニット55からはベースフレーム2側に向けて、2本の円柱状のスライダ(不図示)と、2本のシャフト(不図示)とが突設されている。これらのシャフトにはローラ70がそれぞれ回転可能に軸支されている。また、矩形板状の遮光板(不図示)がベースフレーム2側に向けて植設されている。なお、マイクログリッパ機構部1は、端部にリング状の接続部を有しており、この接続部をシャフト71が貫通することで移動ユニット55に固定されている。   The moving unit 55 is assembled with a posture changing actuator 61 composed of a stepping motor capable of forward and reverse rotation. A pulley gear is fitted to the actuator shaft of the posture changing actuator 61, and the rotational driving force from the posture changing actuator 61 is transmitted to the reduction gear 66 via a toothed endless belt. The reduction gear 66 is configured by fitting a large-diameter gear and a small-diameter gear (not shown) disposed below the large-diameter gear on a rotating shaft. The small-diameter gear extends through the moving unit 55 to the base frame 2 side. Further, two columnar sliders (not shown) and two shafts (not shown) project from the moving unit 55 toward the base frame 2 side. The rollers 70 are rotatably supported on these shafts. A rectangular plate-shaped light shielding plate (not shown) is planted toward the base frame 2 side. The micro gripper mechanism 1 has a ring-shaped connecting portion at the end, and is fixed to the moving unit 55 by the shaft 71 passing through the connecting portion.

移動ユニット55の小径ギアは、ベースフレーム2の歯付ベルト2cと噛合している。また、移動ユニット55のローラ70は、ベースフレーム2の溝2g内に配置されており、曲壁2dの曲面に当接している。なお、小径ギアが曲壁2dを押圧するようにバネ68が張架されている。更に、スライダ(不図示)の先端部はベースフレーム2のスライド平面2bに当接している。従って、移動ユニット55は、姿勢変更アクチュエータ61が駆動すると、その駆動力は歯付ベルト2bと噛合した小径ギアに伝達され、ベースフレーム2上を、エンドエフェクタを中心として円弧状に移動する構造が採られている。   The small diameter gear of the moving unit 55 meshes with the toothed belt 2 c of the base frame 2. The roller 70 of the moving unit 55 is disposed in the groove 2g of the base frame 2 and abuts against the curved surface of the curved wall 2d. A spring 68 is stretched so that the small-diameter gear presses the curved wall 2d. Further, the tip of the slider (not shown) is in contact with the slide plane 2 b of the base frame 2. Therefore, when the posture changing actuator 61 is driven, the moving unit 55 is transmitted to the small-diameter gear meshed with the toothed belt 2b, and moves on the base frame 2 in an arc shape around the end effector. It is taken.

マイクログリッパ機構部1は、シャフト71により移動ユニット55に固定される水平連結部を除き、エンドエフェクタが微小物体載置面17上に載置された微小物体を把持可能なように、下方に向けて略30°の角度で斜設されている。マイクログリッパ機構部1の水平連結部近傍の底面にはスライダ(不図示)が下方に向けて突設されている。スライダの先端部はベースフレーム2のスライド傾斜面2bに当接している。   The micro gripper mechanism unit 1 is directed downward so that the end effector can grip the minute object placed on the minute object placement surface 17 except for the horizontal coupling portion fixed to the moving unit 55 by the shaft 71. Are inclined at an angle of approximately 30 °. A slider (not shown) projects downward from the bottom surface of the micro gripper mechanism 1 in the vicinity of the horizontal connecting portion. The front end of the slider is in contact with the slide inclined surface 2 b of the base frame 2.

(動作)
次に、直方体状の微小チップ素子をプリント基板上のランドに載置するときの微小物体ハンドリングシステム200の動作について説明する。
(Operation)
Next, the operation of the minute object handling system 200 when placing a rectangular parallelepiped minute chip element on a land on a printed circuit board will be described.

パソコン202、マイクロマニュピュレータ110等微小物体ハンドリングシステムを構成する全ての構成部に電源が投入され、パソコン202でのアプリケーションソフトウエアの起動やマイクロマニュピュレータ110の初期設定処理が終了すると、PLC204(のCPU)はマイクロマニュピュレータ110側の種々のアクチュエータやセンサのステータスをパソコン202に送出する。   When power is turned on to all the components constituting the minute object handling system such as the personal computer 202 and the micromanipulator 110 and the application software is started on the personal computer 202 and the initial setting process of the micromanipulator 110 is completed, the PLC 204 ( CPU) sends the statuses of various actuators and sensors on the micromanipulator 110 side to the personal computer 202.

パソコン202は、プログラムデータを参照して受信したステータスに異常がないかを判断し、異常があるときは、ディスプレイ201に異常箇所及び異常の程度を表示させ、異常がないとき(又は異常の程度が低く回復可能なとき)は、エンドエフェクタが微小物体載置面17上の載置物(例えば、プリント基板)に不用意に接触しないように、エンドエフェクタを基準位置に位置させてよいか否かの問い合わせをディスプレイ201に表示させて、入力装置203から肯定的な入力があるまで待機する。入力装置203からの入力があると、パソコン202は、PLC204に対してエンドエフェクタを基準位置に位置させるように命令する。   The personal computer 202 refers to the program data to determine whether there is an abnormality in the received status. If there is an abnormality, the personal computer 202 displays the abnormality location and the degree of abnormality on the display 201, and if there is no abnormality (or the degree of abnormality). Whether or not the end effector may be positioned at the reference position so that the end effector does not inadvertently come into contact with a mounted object (for example, a printed circuit board) on the minute object mounting surface 17. Is displayed on the display 201 and waits until there is a positive input from the input device 203. When there is an input from the input device 203, the personal computer 202 instructs the PLC 204 to position the end effector at the reference position.

PLC204は、姿勢変更アクチュエータ61を駆動させ移動ユニット55をセンサ2f側に移動させると共に、センサ2fからの2値信号に変化があるかを判断する。移動ユニット55の底部に植設された不図示の遮光板がセンサ2fの発光を遮光すると、例えば、センサ2fからの信号はローレベル信号からハイレベル信号に変化する。これにより、PLC204は、移動ユニット55が基準位置に到達したことを知ることができる。換言すれば、PLC204は、X、Y方向でエンドエフェクタの基準となる姿勢座標を得ることができる。PLC204は、移動ユニット55が基準位置に到達すると、姿勢変更アクチュエータ61の駆動を停止させ、パソコン202に微小物体のハンドリングの準備が完了した旨を報知する。   The PLC 204 drives the attitude change actuator 61 to move the moving unit 55 to the sensor 2f side, and determines whether there is a change in the binary signal from the sensor 2f. When a light shielding plate (not shown) installed at the bottom of the moving unit 55 blocks light emitted from the sensor 2f, for example, the signal from the sensor 2f changes from a low level signal to a high level signal. Thereby, the PLC 204 can know that the moving unit 55 has reached the reference position. In other words, the PLC 204 can obtain posture coordinates serving as a reference for the end effector in the X and Y directions. When the moving unit 55 reaches the reference position, the PLC 204 stops driving the posture changing actuator 61 and informs the personal computer 202 that preparation for handling a minute object is completed.

パソコン202は、ディスプレイ201に微小物体(微小チップ素子)のハンドリングが可能な旨を小ウインドで表示させ、入力装置203からの入力があるまで待機する。オペレータは、ディスプレイ201で顕微鏡画像を参照しながら、チップ素子がエンドエフェクタ開口部1aに位置するように入力装置203で入力する。本実施形態では、このような入力操作はアプリケーションソフトウエアでサポートされており、マウスによるドラッグや左右クリックを使用して行うことが可能である。   The personal computer 202 displays on the display 201 that a minute object (minute chip element) can be handled with a small window, and waits for an input from the input device 203. The operator inputs with the input device 203 so that the chip element is positioned in the end effector opening 1a while referring to the microscope image on the display 201. In this embodiment, such an input operation is supported by application software, and can be performed by dragging with the mouse or by using a left-right click.

パソコン202は、入力装置203からの入力情報をX、Y、Z方向成分毎に変換してPLC204に送出する。PLC204は、パソコン202から送出されたX、Y、Z方向成分に応じて、XY移動機構部30のX方向アクチュエータ32、Y方向アクチュエータ33、及び、Z移動機構部50のZ方向アクチュエータ51を駆動して、チップ素子20がエンドエフェクタ開口部1aに位置するように移動させ(図11(A)に示す状態)、パソコン202からの命令があるまで待機する。   The personal computer 202 converts the input information from the input device 203 for each of the X, Y, and Z direction components and sends the converted information to the PLC 204. The PLC 204 drives the X direction actuator 32, the Y direction actuator 33 of the XY movement mechanism unit 30, and the Z direction actuator 51 of the Z movement mechanism unit 50 in accordance with the X, Y, and Z direction components sent from the personal computer 202. Then, the chip element 20 is moved so as to be positioned at the end effector opening 1a (the state shown in FIG. 11A), and waits until a command from the personal computer 202 is issued.

ここで、XY移動機構部30の駆動伝達機構31の動作について詳述する。まず、図8を参照して、一個のパンタグラフの動作原理について説明する。上述したように、△abf、△fde及び△aceは互いに相似である。一般に、点a、f、eが一直線上にある場合が多いが、同一直線上にない場合もある。パンタグラフの形状は、線分ab、係数k1(≡線分bcの長さ/線分abの長さ)及び係数k2(≡線分acの長さ/線分ceの長さ)によって定まる。   Here, the operation of the drive transmission mechanism 31 of the XY movement mechanism unit 30 will be described in detail. First, the operation principle of one pantograph will be described with reference to FIG. As described above, Δabf, Δfde, and Δace are similar to each other. In general, the points a, f, and e are often on a straight line, but may not be on the same straight line. The shape of the pantograph is determined by the line segment ab, the coefficient k1 (≡line segment bc length / line segment ab length) and the coefficient k2 (≡line segment ac length / line segment ce length).

点fを固定して点aを動かした場合、点aの変位はk1倍に拡大(又は縮小)されて点eの変位となる(図8(b)参照)。逆に、点aを固定して点fを動かした場合、点eの変位は点fの変位の(1+k1)倍となる。また、点eの運動方向は、点aの運動方向に対して180°傾き、点fの運動方向に対しては同方向となる(図8(c)参照)。   When the point a is moved while the point f is fixed, the displacement of the point a is enlarged (or reduced) by k1 times to become the displacement of the point e (see FIG. 8B). Conversely, when the point a is fixed and the point f is moved, the displacement of the point e is (1 + k1) times the displacement of the point f. Further, the movement direction of the point e is inclined by 180 ° with respect to the movement direction of the point a, and is the same direction as the movement direction of the point f (see FIG. 8C).

次に、図9を参照して、2つのパンタグラフがリンク31a、31b、31cで連結された本実施形態の駆動伝達機構31の動作について説明する。上述したように、点a〜点fで表される一方のパンタグラフと、点a’〜点f’で表される他方のパンタグラフは、リンク31a、31b、31cのそれぞれの中点を結ぶ仮想線X−Xを中心線として対称配置されている。△abf、△fde及び△aceは互いに相似であり、△a’b’f’、△f’d’e’及び△a’c’e’も互いに相似である。また、△abfと△a’b’f’、△fdeと△f’d’e’、及び、△aceと△a’c’e’は、それぞれ仮想線X−Xについて線対称であり、いわば光学的な鏡像の関係にある。   Next, the operation of the drive transmission mechanism 31 of this embodiment in which two pantographs are connected by links 31a, 31b, 31c will be described with reference to FIG. As described above, one pantograph represented by the points a to f and the other pantograph represented by the points a ′ to f ′ are virtual lines that connect the midpoints of the links 31a, 31b, and 31c. They are arranged symmetrically with XX as the center line. Δabf, Δfde, and Δace are similar to each other, and Δa′b′f ′, Δf′d′e ′, and Δa′c′e ′ are also similar to each other. Also, Δabf and Δa′b′f ′, Δfde and Δf′d′e ′, and Δace and Δa′c′e ′ are line symmetric with respect to the virtual line XX, respectively. In other words, it has an optical mirror image relationship.

点a〜点fで表される一方のパンタグラフは、上述したと1個のパンタグラフの場合と同様に、点fを固定して点aを動かした場合、点aの変位はk1倍に拡大(又は縮小)されて点eでの変位となる。逆に、点aを固定して点fを動かした場合、点eの変位は点fの変位の(1+k1)倍となる。また、点eの運動方向は、点aの運動方向に対して180°傾き、点fの運動方向に対しては同方向となる。一方、点a’〜点f’で表される他方のパンタグラフも同様に変位が拡大(又は縮小)される。   As in the case of one pantograph as described above, one pantograph represented by the points a to f has the displacement of the point a enlarged by k1 times when the point a is fixed and the point a is moved ( (Or reduced) to a displacement at point e. Conversely, when the point a is fixed and the point f is moved, the displacement of the point e is (1 + k1) times the displacement of the point f. Further, the movement direction of the point e is inclined by 180 ° with respect to the movement direction of the point a, and is the same direction as the movement direction of the point f. On the other hand, the displacement of the other pantograph represented by the points a 'to f' is similarly enlarged (or reduced).

従って、点fと点f’を固定して点aと点a’を同時に変位させると、点eと点e’はそのk1倍に拡大された同じ変位を生じ、また、点aと点a’を固定して点fと点f’を同時に変位させると、点eと点e’はその(1+k1)倍に拡大された同じ変位を生ずる。故に、線分aa’、ff’の姿勢を保って変位を与えると、線分ee’の姿勢は変位の前後で一定に保たれる。   Accordingly, when the points f and f ′ are fixed and the points a and a ′ are simultaneously displaced, the points e and e ′ are subjected to the same displacement enlarged by k1 times, and the points a and a are If 'is fixed and point f and point f' are displaced simultaneously, point e and point e 'will produce the same displacement magnified (1 + k1) times. Therefore, when the displacement is given while maintaining the postures of the line segments aa 'and ff', the posture of the line segment ee 'is kept constant before and after the displacement.

図10は、駆動伝達機構31の動作形態を模式的に示したものであり、図10(e)が駆動伝達機構31のホームポジションにあたる。ここに、ホームポジションとは、XY移動機構部30のX方向アクチュエータ32、Y方向アクチュエータ33からの駆動力が加えられる前の駆動伝達機構31の初期位置ないし保存位置をいう。2つのパンタグラフ及びリンク31a、31b、31cで構成される駆動伝達機構31は、このホームポジションから、PLC204によるX方向アクチュエータ32、Y方向アクチュエータ33の任意の駆動力制御により、図10(a)〜(f)の各形態に弾性ヒンジの変形を伴って変形する。   FIG. 10 schematically shows the operation form of the drive transmission mechanism 31, and FIG. 10E corresponds to the home position of the drive transmission mechanism 31. Here, the home position refers to an initial position or a storage position of the drive transmission mechanism 31 before the drive force from the X direction actuator 32 and the Y direction actuator 33 of the XY movement mechanism unit 30 is applied. The drive transmission mechanism 31 including two pantographs and links 31a, 31b, and 31c is controlled from the home position by arbitrary driving force control of the X-direction actuator 32 and the Y-direction actuator 33 by the PLC 204, as shown in FIG. Each form of (f) is deformed with the deformation of the elastic hinge.

図10(a)〜(f)に示すように、リンク31cは、どの形態に変位しても垂直方向(Y方向)で姿勢が維持される。つまり、リンク31a、31bにX方向アクチュエータ32及びY方向アクチュエータ33から駆動力が入力されたときに、リンク31a、31b、31cは、略平行状態を維持するように変位する。付言すれば、リンク31a、31bにX方向アクチュエータ32及びY方向アクチュエータ33から駆動力が入力されたときに、図9に示す一方のパンタグラフの点a、f、eを結ぶ仮想線、並びに、他方のパンタグラフの点a’、f’、e’を結ぶ仮想線が、仮想線X−Xと略平行状態を維持するように変位する。   As shown in FIGS. 10A to 10F, the link 31c maintains its posture in the vertical direction (Y direction) regardless of the shape of the link 31c. That is, when the driving force is input from the X-direction actuator 32 and the Y-direction actuator 33 to the links 31a and 31b, the links 31a, 31b, and 31c are displaced so as to maintain a substantially parallel state. In other words, when a driving force is input to the links 31a and 31b from the X-direction actuator 32 and the Y-direction actuator 33, an imaginary line connecting the points a, f, and e of one pantograph shown in FIG. The phantom lines connecting the points a ′, f ′ and e ′ of the pantograph are displaced so as to maintain a substantially parallel state with the phantom lines XX.

弾性ヒンジA〜F、A’〜F’は、X方向アクチュエータ32及びY方向アクチュエータ33からの駆動力に従って、図6(a)に示した弾性変形範囲の略中央のホームポジションから、図6(b)、(c)に示した弾性変形範囲内でホームポジションを中心として変形する。なお、駆動伝達機構31がホームポジションに位置するときに、弾性ヒンジA〜F、A’〜F’もまたホームポジションに位置する。   The elastic hinges A to F and A ′ to F ′ are arranged in accordance with the driving force from the X direction actuator 32 and the Y direction actuator 33 from the substantially central home position in the elastic deformation range shown in FIG. b) Deformation about the home position within the elastic deformation range shown in (c). When the drive transmission mechanism 31 is located at the home position, the elastic hinges A to F and A ′ to F ′ are also located at the home position.

従って、駆動伝達機構31は、X方向アクチュエータ32及びY方向アクチュエータ33からリンク31a、31bに駆動力が入力されると、弾性ヒンジA〜F、A’〜F’が変形して2つのパンタグラフよる所定の変位がリンク31cに出力され、マイクロキャスタ36を受け台34上でX、Y方向で移動させる(図4参照)。また、Z移動機構部50のZ方向アクチュエータ51を駆動することで、チップ素子20はエンドエフェクタ開口部1aに位置する。   Accordingly, when a driving force is input to the links 31a and 31b from the X direction actuator 32 and the Y direction actuator 33, the drive transmission mechanism 31 is deformed by the elastic hinges A to F and A ′ to F ′ and is based on two pantographs. A predetermined displacement is output to the link 31c and moved on the cradle 34 in the X and Y directions (see FIG. 4). Further, by driving the Z-direction actuator 51 of the Z movement mechanism unit 50, the chip element 20 is positioned in the end effector opening 1a.

エンドエフェクタの把持方向とチップ素子20の向きとが不整合の状態のため、オペレータは、エンドエフェクタのX、Y方向がチップ素子20を把持可能な方向となるように入力装置203で入力する。パソコン202は、入力装置203からの入力情報を変換してPLC204に送出する。PLC204は、姿勢変更アクチュエータ61を駆動させ、エンドエフェクタのX、Y方向がチップ素子20を把持可能な方向となるように、移動ユニット55をベースフレーム2に対してエンドエフェクタを中心として円弧状に回動させ(図11(B)に示す状態)、パソコン202の命令があるまで待機する。   Since the gripping direction of the end effector and the orientation of the chip element 20 are inconsistent, the operator inputs with the input device 203 so that the X and Y directions of the end effector are directions in which the chip element 20 can be gripped. The personal computer 202 converts the input information from the input device 203 and sends it to the PLC 204. The PLC 204 drives the posture changing actuator 61 so that the moving unit 55 is formed in an arc shape with the end effector as the center with respect to the base frame 2 so that the X and Y directions of the end effector are in the direction in which the chip element 20 can be gripped. Rotate (the state shown in FIG. 11B) and wait until a command from the personal computer 202 is received.

エンドエフェクタの把持方向とチップ素子20の向きとが整合したため、オペレータは、エンドエフェクタでチップ素子20を把持するために入力装置203で入力する。パソコン202は、入力装置203からの入力情報を変換してPLC204に送出する。PLC204は、把持指駆動用アクチュエータ1cを駆動させ、エンドエフェクタに把持対象物20を把持させ、パソコン202の命令があるまで待機する。   Since the gripping direction of the end effector and the orientation of the chip element 20 are matched, the operator inputs with the input device 203 in order to grip the chip element 20 with the end effector. The personal computer 202 converts the input information from the input device 203 and sends it to the PLC 204. The PLC 204 drives the gripping finger driving actuator 1c, causes the end effector to grip the gripping target object 20, and waits for a command from the personal computer 202.

オペレータは、チップ素子20を把持したままエンドエフェクタプリント基板のランド位置に位置するように入力装置203で入力する。パソコン202は、入力装置203からの入力情報を変換してPLC204に送出する。PLC204は、XYZ移動機構部40を駆動して、チップ素子20がランド位置に位置するように移動させ、パソコン202からの命令があるまで待機する。   The operator inputs with the input device 203 so as to be positioned at the land position of the end effector printed circuit board while holding the chip element 20. The personal computer 202 converts the input information from the input device 203 and sends it to the PLC 204. The PLC 204 drives the XYZ moving mechanism unit 40 to move the chip element 20 so as to be positioned at the land position, and waits for an instruction from the personal computer 202.

チップ素子20を把持したエンドエフェクタの把持方向とランド位置の向きとが不整合の状態のため、オペレータは、エンドエフェクタの方向がランド位置と同じ方向となるように入力装置203で入力する。パソコン202は、入力装置203からの入力情報を変換してPLC204に送出する。PLC204は、姿勢変更アクチュエータ61を駆動させ、エンドエフェクタの方向がランド位置と同じ方向となるように、移動ユニット55をベースフレーム2に対してエンドエフェクタを中心として円弧状に回動させ、パソコン202の命令があるまで待機する。   Since the gripping direction of the end effector that grips the chip element 20 and the direction of the land position are inconsistent, the operator inputs with the input device 203 so that the direction of the end effector is the same as the land position. The personal computer 202 converts the input information from the input device 203 and sends it to the PLC 204. The PLC 204 drives the attitude changing actuator 61 to rotate the moving unit 55 in an arc shape with respect to the end effector with respect to the base frame 2 so that the direction of the end effector is the same as the land position. Wait until there is an order.

オペレータは、エンドエフェクタを離間させるように入力装置203で入力する。パソコン202は、入力装置203からの入力情報を変換してPLC204に送出する。PLC204は、把持指駆動用アクチュエータ1cを駆動させ、エンドエフェクタを離間させる(エンドエフェクタ開口1cを形成し微小物体の把持を解放させる)。これにより、チップ素子20は、ランド位置21に載置される(図11(C)に示す状態)。   The operator inputs with the input device 203 so as to separate the end effector. The personal computer 202 converts the input information from the input device 203 and sends it to the PLC 204. The PLC 204 drives the gripping finger driving actuator 1c to separate the end effector (forms the end effector opening 1c to release gripping of the minute object). As a result, the chip element 20 is placed at the land position 21 (the state shown in FIG. 11C).

オペレータは、チップ素子20のランド位置21への載置を終了したので、駆動伝達機構31をホームポジションに復帰させる復帰命令を入力装置203で入力する。パソコン202は、入力装置203からの入力情報(復帰命令)をPLC204に送出する。PLC204は、X方向アクチュエータ32及びY方向アクチュエータ33を駆動させ、駆動伝達機構31を弾性ヒンジA〜F、A’〜F’が変形しないホームポジションに復帰させる。   Since the operator has finished placing the chip element 20 on the land position 21, the operator inputs a return command for returning the drive transmission mechanism 31 to the home position using the input device 203. The personal computer 202 sends the input information (return command) from the input device 203 to the PLC 204. The PLC 204 drives the X-direction actuator 32 and the Y-direction actuator 33 to return the drive transmission mechanism 31 to the home position where the elastic hinges A to F and A ′ to F ′ are not deformed.

(作用等)
次に、本実施形態の微小物体ハンドリングシステム200の作用等について、マイクロマニュピュレータ110の駆動伝達機構31の作用等を中心に説明する。
(Action etc.)
Next, the operation and the like of the minute object handling system 200 of the present embodiment will be described focusing on the operation and the like of the drive transmission mechanism 31 of the micromanipulator 110.

本実施形態のマイクロマニュピュレータ110は、駆動伝達機構31の2つのパンタグラフがリンク31a、31b、31cのそれぞれの中点を結ぶ仮想線X−Xを中心線として対称配置されており、X、Y方向の入力端(図9に示す点a、a’及び点f、f’)同士、出力端(図9に示す点e、e’)同士がそれぞれリンク31a、31b、31cで連結されている。リンク31cは、2つのパンタグラフのX、Y方向での変位に拘わらず、姿勢がリンク31a、31bと平行に維持され、かつ、リンク31cは2つの弾性ヒンジE、E’により両側で支持される。このため、リンク31cは安定した姿勢を保つことができ、駆動伝達機構31はX、Y方向の入力端から入力されたX方向アクチュエータ32、Y方向アクチュエータ33からの駆動力を合成し拡大乃至縮小して精度よくリンク31cに伝達することができる。従って、本実施形態によれば、リンク31cが2つの出力端で支持されるため、安定した姿勢を保ち、X方向及びY方向でのマイクログリッパ機構部1の移動の精度を高めることができると共に、XYテーブルに代えて2つのパンタグラフを有する駆動伝達機構31を用いたため、マイクロマニュピュレータ110のコンパクト化、軽量化を図ることができる。   In the micromanipulator 110 of the present embodiment, the two pantographs of the drive transmission mechanism 31 are arranged symmetrically about a virtual line XX connecting the midpoints of the links 31a, 31b, and 31c. The direction input ends (points a and a ′ and points f and f ′ shown in FIG. 9) and the output ends (points e and e ′ shown in FIG. 9) are connected by links 31a, 31b, and 31c, respectively. . The link 31c is maintained parallel to the links 31a and 31b regardless of the displacement of the two pantographs in the X and Y directions, and the link 31c is supported on both sides by two elastic hinges E and E ′. . Therefore, the link 31c can maintain a stable posture, and the drive transmission mechanism 31 synthesizes the driving force from the X-direction actuator 32 and the Y-direction actuator 33 input from the input ends in the X and Y directions to expand or contract. Thus, it can be accurately transmitted to the link 31c. Therefore, according to the present embodiment, since the link 31c is supported by the two output ends, it is possible to maintain a stable posture and improve the accuracy of movement of the micro gripper mechanism unit 1 in the X direction and the Y direction. Since the drive transmission mechanism 31 having two pantographs is used in place of the XY table, the micromanipulator 110 can be made compact and lightweight.

また、本実施形態のマイクロマニュピュレータ110は、駆動伝達機構31の弾性ヒンジA〜F、A’〜F’が、高分子材料からなるため耐久性に優れ、図6に示したように、弾性変形範囲で両振可能な構造を有し動作範囲の両端での変形を小さくできる。すなわち、図6(a)に示した状態をホームポジションとし、図6(b)、(c)に示す状態まで変形可能なため、図6(b)、(c)に示す状態まで変形する場合に、半分程度の変形で済むため応力が小さくなり、塑性変形に対して余裕がとれる。更に、両振の平均応力がゼロの弾性変形範囲の略中央がホームポジションとされているため、ホームポジションに復帰させて保存することで、クリープ変形に対しても安全率を高めることができる。従って、継続使用をしても高い精度を維持可能な駆動力伝達機構31を得ることができる。   Further, the micromanipulator 110 of the present embodiment is excellent in durability because the elastic hinges A to F and A ′ to F ′ of the drive transmission mechanism 31 are made of a polymer material, and as shown in FIG. It has a structure that can swing both in the deformation range, and can reduce deformation at both ends of the operation range. That is, when the state shown in FIG. 6A is used as the home position and the state shown in FIGS. 6B and 6C can be deformed, the state shown in FIGS. 6B and 6C is changed. In addition, since only about half of the deformation is required, the stress is reduced, and there is a margin for plastic deformation. Furthermore, since the approximate center of the elastic deformation range where the average stress of both vibrations is zero is the home position, the safety factor against creep deformation can be increased by returning to the home position and storing. Therefore, it is possible to obtain the driving force transmission mechanism 31 that can maintain high accuracy even if it is continuously used.

更に、本実施形態のマイクロマニュピュレータ110は、ベースフレーム2と移動ユニット55とで構成される姿勢変更機構部60を備えている。移動ユニット55は、ベースフレーム2に対しエンドエフェクタを中心として円弧状に回動可能であり、移動ユニット55に連結されたマイクログリッパ機構部1のエンドエフェクタは姿勢変更が可能である。従って、マイクロマニュピュレータ110は、チップ素子のような微小物体(把持対象物)の形状に特色があっても(把持方向が限定されていても)、1回の操作(接触)で微小物体をエンドエフェクタで確実に把持可能であり、かつ、微小物体(チップ素子)を適正な載置位置(ランド位置)に載置することができる。従って、微小物体が生体等の傷つき易い物体でも、1回の接触で生体を把持でき、生体把持のために試行錯誤を繰り返す必要がないので、生体に損傷を加えることもない。   Furthermore, the micromanipulator 110 according to the present embodiment includes an attitude changing mechanism unit 60 that includes the base frame 2 and the moving unit 55. The moving unit 55 can turn in an arc shape around the end effector with respect to the base frame 2, and the posture of the end effector of the micro gripper mechanism unit 1 connected to the moving unit 55 can be changed. Accordingly, the micromanipulator 110 can remove a minute object by one operation (contact) even if the shape of the minute object (object to be grasped) such as a chip element has a feature (even if the grasping direction is limited). The end effector can be securely gripped, and a minute object (chip element) can be placed at an appropriate placement position (land position). Therefore, even if the minute object is an easily fragile object such as a living body, the living body can be grasped by one contact, and it is not necessary to repeat trial and error for grasping the living body, so that the living body is not damaged.

また、本実施形態のマイクロマニュピュレータ110は、移動ユニット55がベースフレーム2に対しエンドエフェクタを中心として円弧状に回動するため、微小物体を把持するエンドエフェクタが回動動作の中心となる。従って、エンドエフェクタの姿勢方向を変えることによる位置変化を少なくすることができ、顕微鏡視野内でマイクロマニュピュレータ110の操作を行うことができる。   Further, in the micro manipulator 110 of the present embodiment, the moving unit 55 rotates in an arc shape around the end effector with respect to the base frame 2, so that the end effector that grips a minute object is the center of the rotation operation. Therefore, a change in position caused by changing the orientation direction of the end effector can be reduced, and the micromanipulator 110 can be operated within the microscope field of view.

更に、本実施形態のマイクロマニュピュレータ110は、移動ユニット55がベースフレーム2に当接する不図示のスライダを有しており、移動ユニット55がスライダ及びローラ70でベースフレーム2に複数箇所で当接するので、ベースフレーム2に対する移動ユニット55の安定な移動を確保することができる。また、本実施形態のマイクロマニュピュレータ110は、移動ユニット55がZ方向でベースフレーム2より上側に配置されており、マイクログリッパ機構部1がZ方向で傾斜するように移動ユニット55に支持されているので、微小物体載置基台102上に載置された微小物体を上方からエンドエフェクタで把持でき、顕微鏡視野内で観察しながら把持指先端部で把持することが容易となる。更にまた、マイクログリッパ機構部1のスライダ(不図示)はベースフレーム2のスライド傾斜面2bに当接しているので、マイクログリッパ機構部1が傾斜配置されていても、移動ユニット55の移動に伴ってマイクログリッパ機構部1の安定な移動を確保することができる。   Further, the micromanipulator 110 according to the present embodiment has a slider (not shown) in which the moving unit 55 comes into contact with the base frame 2, and the moving unit 55 comes into contact with the base frame 2 at a plurality of locations by the slider and the roller 70. Therefore, stable movement of the moving unit 55 relative to the base frame 2 can be ensured. Further, in the micro manipulator 110 of this embodiment, the moving unit 55 is disposed above the base frame 2 in the Z direction, and the micro gripper mechanism unit 1 is supported by the moving unit 55 so as to be inclined in the Z direction. Therefore, the minute object placed on the minute object placement base 102 can be grasped by the end effector from above, and can be easily grasped by the tip of the grasping finger while observing in the microscope visual field. Furthermore, since the slider (not shown) of the micro gripper mechanism portion 1 is in contact with the slide inclined surface 2b of the base frame 2, even if the micro gripper mechanism portion 1 is inclined, the movement unit 55 is moved. Thus, stable movement of the micro gripper mechanism 1 can be ensured.

また、本実施形態のマイクロマニュピュレータ110は、姿勢変更機構部60がベースフレーム2に配置されたセンサ2fと移動ユニット55に植設された遮光板(不図示)とを有しており、エンドエフェクタで微小物体を把持する前に、エンドエフェクタの姿勢(X、Y方向での位置)を検出するようにしたので、移動ユニット55が移動してもエンドエフェクタの姿勢を正確に把握することができる。   Further, the micromanipulator 110 of the present embodiment includes a sensor 2f in which the posture changing mechanism unit 60 is disposed in the base frame 2 and a light shielding plate (not shown) implanted in the moving unit 55. Since the end effector posture (position in the X and Y directions) is detected before the minute object is gripped by the effector, the end effector posture can be accurately grasped even if the moving unit 55 moves. it can.

なお、本実施形態では、リンク31aに略コ字状のものを例示したが、本発明はリンクの形状に限定されるものではなく、リンク31aに、リンク31cと同様に、直線状のものを使用するようにしてもよい。また、本実施形態では、姿勢変更機構部60を介してZ移動機構部50とマイクログリッパ機構部1とを連結する例を示したが、姿勢変形機構60を設けずZ移動機構部50に直接マイクログリッパ機構部1を連結するようにしてもよい。   In the present embodiment, the link 31a is illustrated as being substantially U-shaped, but the present invention is not limited to the shape of the link, and the link 31a may be a linear one as in the link 31c. It may be used. Further, in the present embodiment, an example in which the Z movement mechanism unit 50 and the micro gripper mechanism unit 1 are connected via the posture change mechanism unit 60 has been described, but the posture deformation mechanism 60 is not provided and the Z movement mechanism unit 50 is directly connected. The micro gripper mechanism 1 may be connected.

また、本実施形態では、11個のリンクと12個の弾性ヒンジとで構成された駆動力伝達機構31を例示したが、本発明はこれに制限されず、複数個のリンクと複数個のヒンジとを有する駆動伝達機構に適用可能である。更に、例えば、高分子材料でこれらのリンク及び弾性ヒンジをモールド成形等で一体成形するようにしてもよく、また、2つのパンタフラフのパンタグラフを一体成形し、上述した対称配置となるように、これらのパンタグラフの入力端及び出力端とリンク31a、31b、31cとを弾性ヒンジA、A’、F、F’、E、E’で連結するようにしてもよい。   Further, in the present embodiment, the driving force transmission mechanism 31 configured with 11 links and 12 elastic hinges is illustrated, but the present invention is not limited to this, and a plurality of links and a plurality of hinges are provided. It is applicable to a drive transmission mechanism having Further, for example, these links and elastic hinges may be integrally formed of a polymer material by molding or the like, and the two pantograph pantographs are integrally formed so that the above-described symmetrical arrangement is obtained. The input end and output end of the pantograph and the links 31a, 31b, 31c may be connected by elastic hinges A, A ′, F, F ′, E, E ′.

そして、本実施形態では、2本の把持指を有し、エンドエフェクタに略直線状の形状のものを例示したが、本発明はこれに制限されるものではなく、微小物体(把持対象物)の形状に応じて把持指の本数(複数本)や先端部の形状を変更可能なことは云うまでもない。更に、本実施形態では、把持指の双方を互いに近接させる例を示したが、一方の把持指のみを把持指駆動用アクチュエータ3で駆動(移動)させ、他方の把持指は固定されたままとするようにしてもよい。   In the present embodiment, the gripper has two gripping fingers and the end effector has a substantially linear shape. However, the present invention is not limited to this, and a minute object (grip target) It goes without saying that the number (multiple) of gripping fingers and the shape of the tip can be changed according to the shape of the finger. Furthermore, in the present embodiment, an example is shown in which both gripping fingers are brought close to each other. However, only one gripping finger is driven (moved) by the gripping finger driving actuator 3 and the other gripping finger remains fixed. You may make it do.

本発明は塑性変形に対して余裕がとれ、クリープ変形に対して安全率の高い駆動力伝達機構を提供するため、駆動力伝達機構及び該駆動力伝達機構を備えたマイクロマニュピュレータの製造・販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。   In order to provide a driving force transmission mechanism that can afford a plastic deformation and has a high safety factor against creep deformation, the present invention manufactures and sells a driving force transmission mechanism and a micromanipulator equipped with the driving force transmission mechanism. Therefore, it has industrial applicability.

本発明が適用可能な実施形態の微小物体ハンドリングシステムの概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a minute object handling system according to an embodiment to which the present invention is applicable. 実施形態の微小物体ハンドリングシステムのマイクロマニュピュレータの外観斜視図である。It is an appearance perspective view of a micromanipulator of a minute object handling system of an embodiment. マイクロマニュピュレータの平面図である。It is a top view of a micromanipulator. マイクロマニュピュレータの側面図である。It is a side view of a micromanipulator. マイクロマニュピュレータのXY移動機構部の駆動伝達機構の平面図である。It is a top view of the drive transmission mechanism of the XY movement mechanism part of a micromanipulator. 駆動伝達機構の弾性ヒンジC、Fの変形態様を示す部分拡大平面図であり、(a)はホームポジションでの態様を示し、(b)は弾性変形範囲の一方の変形極限での態様を示し、(c)は弾性変形範囲の他方の変形極限での態様を示す。It is a partial enlarged plan view which shows the deformation | transformation aspect of the elastic hinges C and F of a drive transmission mechanism, (a) shows the aspect in a home position, (b) shows the aspect in one deformation | transformation limit of the elastic deformation range. (C) shows the mode in the other deformation limit of the elastic deformation range. マイクロマニュピュレータのマイクログリッパ機構部及び姿勢変更機構部の外観斜視図である。It is an external appearance perspective view of the micro gripper mechanism part and attitude | position change mechanism part of a micro manipulator. 1個のパンタグラフを模式的に示す機構図であり、(a)は点a、fに入力がなされないホームポジションにある状態、(b)は点fを固定して点aを動かした状態、(c)は点aを固定して点fを動かした状態を示す。It is a mechanism diagram schematically showing one pantograph, (a) is in a home position where no input is made to points a and f, (b) is a state where point a is fixed and point a is moved, (C) shows a state in which the point a is fixed and the point f is moved. XY移動機構部の駆動伝達機構を模式的に示す機構図である。It is a mechanism figure which shows typically the drive transmission mechanism of an XY movement mechanism part. 駆動伝達機構の変位を模式的に示す機構図であり、(a)は変位状態その1、(b)は変位状態その2、(c)は変位状態その3、(d)は変位状態その4、(e)は変位のないホームポジションでの状態、(f)は変位状態その5、(g)は変位状態その6、(h)は変位状態その7、(i)は変位状態その8を示す。FIG. 4 is a mechanism diagram schematically showing displacement of a drive transmission mechanism, where (a) is a displacement state, (b) is a displacement state, (c) is a displacement state, and (d) is a displacement state, 4; (E) is the home position without displacement, (f) is the displacement state 5, (g) is the displacement state 6, (h) is the displacement state 7, (i) is the displacement state 8. Show. マイクログリッパ機構部及び姿勢変更機構部の動作状態の平面図であり、(a)は動作状態その1、(b)は動作状態その2、(c)は動作状態その3を示す。It is a top view of the operation state of a micro gripper mechanism part and an attitude | position change mechanism part, (a) shows the operation state 1, (b) shows the operation state 2, and (c) shows the operation state 3.

符号の説明Explanation of symbols

1 マイクログリッパ機構部(把持手段)
30 XY移動機構部(第1の移動手段)
31 駆動伝達機構
31a リンク(第5のリンク)
31b リンク(第6のリンク)
31c リンク(第7のリンク)
31d、31d’ リンク(第1のリンク)
31e、31e’ リンク(第4のリンク)
31f、31f’ リンク(第2のリンク)
31g、31g’ リンク(第3のリンク)
50 Z移動機構部(第2の移動手段)
54 底部フレーム(出力ステージ)
110 マイクロマニュピュレータ
A、B、C、D、E、F、A’、B’、C’、D’、E’、F’ 弾性ヒンジ
1 Micro gripper mechanism (gripping means)
30 XY moving mechanism (first moving means)
31 drive transmission mechanism 31a link (fifth link)
31b link (sixth link)
31c link (seventh link)
31d, 31d 'link (first link)
31e, 31e 'link (fourth link)
31f, 31f 'link (second link)
31g, 31g 'link (third link)
50 Z moving mechanism (second moving means)
54 Bottom frame (output stage)
110 Micromanipulator A, B, C, D, E, F, A ', B', C ', D', E ', F' Elastic hinge

Claims (9)

高分子材料からなり弾性変形範囲で両振可能な構造を有する弾性ヒンジにより複数箇所で連結された複数本の略直線状のリンクを有する駆動力伝達機構であって、前記弾性ヒンジは前記弾性変形範囲の略中央がホームポジションとされたことを特徴とする駆動力伝達機構。   A driving force transmission mechanism having a plurality of substantially linear links connected at a plurality of positions by an elastic hinge made of a polymer material and having a structure capable of swinging in an elastic deformation range, wherein the elastic hinge is the elastic deformation A driving force transmission mechanism characterized in that the approximate center of the range is the home position. 高分子材料からなり弾性変形範囲で両振可能な構造を有する弾性ヒンジにより複数箇所で連結された複数本の略直線状のリンクを有する駆動力伝達機構であって、前記弾性ヒンジは、該弾性ヒンジのホームポジションにおいてモールド成形されたときの形状が維持されることを特徴とする駆動力伝達機構。   A driving force transmission mechanism having a plurality of substantially linear links connected at a plurality of locations by an elastic hinge made of a polymer material and having a structure capable of both vibrations within an elastic deformation range, wherein the elastic hinge includes the elastic hinge A driving force transmission mechanism characterized in that the shape when molded at the home position of the hinge is maintained. 第1の方向からの駆動力が入力される第1の入力端と、前記第1の方向に直角方向の第2の方向からの駆動力が入力される第2の入力端と、前記入力された駆動力による第1及び第2の方向の変位が合成され拡大乃至縮小されて出力される出力端とを有し、略直線状の第1乃至第4の4つのリンクが弾性ヒンジを介して4つの連結点でそれぞれ接続された2つの平行四節機構と、
弾性ヒンジを介して前記第1の入力端同士を連結する第5のリンクと、
弾性ヒンジを介して前記第2の入力端同士を連結する第6のリンクと、
弾性ヒンジを介して前記出力端同士を連結する第7のリンクと、
を備え、前記弾性ヒンジは、高分子材料からなると共に、弾性変形範囲で両振可能な構造を有し、該弾性変形範囲の略中央がホームポジションとされたことを特徴とする駆動力伝達機構。
A first input end to which a driving force from a first direction is input, a second input end to which a driving force from a second direction perpendicular to the first direction is input, and the input. The first and fourth links having a substantially linear shape via the elastic hinges. Two parallel four-bar mechanisms connected respectively at four connecting points;
A fifth link connecting the first input ends via an elastic hinge;
A sixth link connecting the second input ends via an elastic hinge;
A seventh link connecting the output ends via an elastic hinge;
And the elastic hinge is made of a polymer material and has a structure capable of swinging in the elastic deformation range, and the approximate center of the elastic deformation range is the home position. .
前記2つの平行四節機構は、それぞれ、前記第1のリンクの一端が前記第5のリンクに、前記第2及び第3のリンクの一端が前記第6のリンクに、前記第4のリンクの一端が前記第7のリンクにそれぞれ前記弾性ヒンジを介して接続されており、前記第1及び第4のリンクの他端同士が前記弾性ヒンジを介して接続されており、前記第2及び第3のリンクの他端が、前記第1のリンクの一端と前記第5のリンクとを接続する前記弾性ヒンジ、前記第4のリンクの一端と前記第7のリンクとを接続する前記弾性ヒンジ並びに前記第1及び第4のリンクの他端同士を接続する前記弾性ヒンジを頂点とする三角形と相似形となるように、それぞれ、前記第4及び第1のリンクに前記弾性ヒンジを介して接続されていることを特徴とする請求項3に記載の駆動力伝達機構。   The two parallel four-joint mechanisms have one end of the first link as the fifth link, one end of the second and third links as the sixth link, and the fourth link, respectively. One end is connected to the seventh link via the elastic hinge, and the other ends of the first and fourth links are connected to each other via the elastic hinge, and the second and third The other end of the link includes the elastic hinge connecting the one end of the first link and the fifth link, the elastic hinge connecting the one end of the fourth link and the seventh link, and the The first and fourth links are connected to the fourth and first links via the elastic hinges, respectively, so as to be similar to a triangle having the elastic hinge as a vertex connecting the other ends of the first and fourth links. As described in claim 3, Of the driving force transmission mechanism. 前記弾性ヒンジは、前記第1及び第2の入力端に駆動力が入力されない状態のときに、前記ホームポジションに位置することを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の駆動力伝達機構。   5. The driving force transmission mechanism according to claim 3, wherein the elastic hinge is positioned at the home position when no driving force is input to the first and second input ends. 6. . 把持指の先端部を近接させて微小な把持対象物を把持する把持手段と、
第1の方向からの駆動力が入力される第1の入力端と、前記第1の方向に直角方向の第2の方向からの駆動力が入力される第2の入力端と、前記入力された駆動力による第1及び第2の方向の変位が合成され拡大乃至縮小されて出力される出力端とを有し、略直線状の第1乃至第4の4つのリンクが弾性ヒンジを介して4つの連結点でそれぞれ接続された2つの平行四節機構と、弾性ヒンジを介して前記第1の入力端同士を連結する第5のリンクと、弾性ヒンジを介して前記第2の入力端同士を連結する第6のリンクと、弾性ヒンジを介して前記出力端同士を連結する第7のリンクと、を具備し、前記把持手段を前記第1及び第2の方向に移動させる第1の移動手段と、
前記把持手段を前記第1及び第2の方向と直交する第3の方向に移動させる第2の移動手段と、
を備え、前記弾性ヒンジは、高分子材料からなると共に、弾性変形範囲で両振可能な構造を有し、該弾性変形範囲の略中央がホームポジションとされたことを特徴とするマイクロマニュピュレータ。
A gripping means for gripping a minute gripping object by bringing the tip of the gripping finger close to the gripping finger;
A first input end to which a driving force from a first direction is input, a second input end to which a driving force from a second direction perpendicular to the first direction is input, and the input. The first and fourth links having a substantially linear shape via the elastic hinges. Two parallel four-joint mechanisms respectively connected at four connecting points, a fifth link connecting the first input ends via an elastic hinge, and the second input ends via an elastic hinge A first link for moving the gripping means in the first and second directions, and a sixth link for connecting the output ends via an elastic hinge. Means,
Second moving means for moving the gripping means in a third direction orthogonal to the first and second directions;
The micromanipulator is characterized in that the elastic hinge is made of a polymer material and has a structure that can be vibrated both in the elastic deformation range, and the approximate center of the elastic deformation range is the home position.
前記2つの平行四節機構は、それぞれ、前記第1のリンクの一端が前記第5のリンクに、前記第2及び第3のリンクの一端が前記第6のリンクに、前記第4のリンクの一端が前記第7のリンクにそれぞれ前記弾性ヒンジを介して接続されており、前記第1及び第4のリンクの他端同士が前記弾性ヒンジを介して接続されており、前記第2及び第3のリンクの他端が、前記第1のリンクの一端と前記第5のリンクとを接続する前記弾性ヒンジ、前記第4のリンクの一端と前記第7のリンクとを接続する前記弾性ヒンジ並びに前記第1及び第4のリンクの他端同士を接続する前記弾性ヒンジを頂点とする三角形と相似形となるように、それぞれ、前記第4及び第1のリンクに前記弾性ヒンジを介して接続されていることを特徴とする請求項6に記載のマイクロマニュピュレータ。   The two parallel four-joint mechanisms have one end of the first link as the fifth link, one end of the second and third links as the sixth link, and the fourth link, respectively. One end is connected to the seventh link via the elastic hinge, and the other ends of the first and fourth links are connected to each other via the elastic hinge, and the second and third The other end of the link includes the elastic hinge connecting the one end of the first link and the fifth link, the elastic hinge connecting the one end of the fourth link and the seventh link, and the The first and fourth links are connected to the fourth and first links via the elastic hinges, respectively, so as to be similar to a triangle having the elastic hinge as a vertex connecting the other ends of the first and fourth links. It is described in claim 6 Of micro-manipulator. 前記弾性ヒンジは、前記第1及び第2の入力端に駆動力が入力されない状態のときに、前記ホームポジションに位置することを特徴とする請求項6又は請求項7に記載のマイクロマニュピュレータ。   The micromanipulator according to claim 6 or 7, wherein the elastic hinge is positioned at the home position when a driving force is not input to the first and second input ends. 前記第3のリンクに固設され前記第1及び第2の方向に移動可能な出力ステージを更に備え、前記第2の移動手段は前記出力ステージ上で前記把持手段を前記第3の方向に移動させることを特徴とする請求項6乃至請求項8のいずれか1項に記載のマイクロマニュピュレータ。   An output stage fixed to the third link and further movable in the first and second directions is further provided, and the second moving means moves the gripping means in the third direction on the output stage. The micromanipulator according to any one of claims 6 to 8, characterized in that:
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