JP2009511977A - 面内マニピュレータ - Google Patents

Abstract

オブジェクトホルダ４を変位させるためのマニピュレータ１であり、このマニピュレータ１は、ベース２、アクチュエータ５、トランスミッション７、ガイド１１及びオブジェクトホルダ４を有する。前記アクチュエータ５は、前記ベース３に接続され、このアクチュエータ５を動作させるとき、前記トランスミッション７を介して前記オブジェクトホルダ４を変位させる。前記ガイド１１は、前記ベース２及びオブジェクトホルダ４に接続され、前記ガイドがオブジェクトホルダ４を平行に誘導するように適合される。

Description

本発明は、オブジェクトホルダを変位させるためのマニピュレータに関する。このマニピュレータは、ベース、前記ベースに接続されるアクチュエータであり、このアクチュエータを動作させるとき、前記ベースに対して変位する動作部を持つアクチュエータ、前記アクチュエータの前記動作部に接続されると共に、この動作部の変位を既定の変位のラインに沿ったオブジェクトホルダの第１の接続部の変位に変換するための、このオブジェクトホルダの前記第１の接続部にも接続されるトランスミッション、並びに前記オブジェクトホルダを平行に誘導するために、前記ベース及び前記第１の接続部から離間したオブジェクトホルダの第２の接続部に接続されるガイド、を有する。

上記マニピュレータは、日本国特許出願公開番号；特開平７−３５９８７号から知られている。この従来技術文献は、台を変位させるための調節機構を備えるマニピュレータを開示している。この機構は、アクチュエータの水平方向の変位を前記台の垂直方向の変位に変換する一方、ガイド要素は、台が変位するとき、この台を誘導する。この機構は、マニピュレータの低い構造上の高さを提供する。既知のマニピュレータの欠点は、台の正確な垂直方向の変位が可能な比較的限られた範囲である。

本発明の目的は、広域な変位範囲にわたるオブジェクトホルダの変位を可能にするマニピュレータを提供することである。

この目的を達成するために、前記ガイドは、オブジェクトホルダの第２の接続部が前記第１の接続部と同期して、規定された変位のラインに略平行に変位させるのに適している。

第１の接続部及び第２の接続部は共に互いに平行に変位可能であり、それに同期して前記オブジェクトホルダは比較的簡単な方法で平行に変位可能である。その結果として、オブジェクトホルダの向きは、変位による影響はない。従って、比較的大きな変位の場合でさえも、オブジェクトホルダの正確な向きは維持される。それ故に、広域な変位範囲が可能となる。

前記トランスミッション及び前記ガイドが互いに平行に位置決めされる図２の実施例は、さらに簡略化した構造である。

図３の実施例はレバーを含んでいる。レバーを利用する利点は、マニピュレータが低い構造上の高さを持つように、ある方向への変位をそれに垂直な方向への変位に変換するのを可能にすることである。

前記ガイドの好ましい実施例は、例えば請求項４に記載されるような少なくとも２つのガイドアームからなる第１の組を少なくとも有する。２つのガイドアームからなる前記組は、前記オブジェクトホルダの第２の接続部及び前記ベースと一緒に、４本のロッドの結合体を形成し、ここでガイドアーム及びガイドアームヒンジ部は、前記４本のロッドの結合体が平行四辺形を形成するように配される。請求項４に記載のこの構造及び他の特徴は、オブジェクトホルダを平行に移動させることを保証する簡単な機械構造の利点を有する。

請求項５に記載の好ましい実施例において、ガイドアームの有効ラインが変位面に略平行な平面において延在するように配される。この構造は、前記変位面に垂直な方向における前記ガイドアームの間にあるモーメントアームを防止する。前記モーメントアームは、変位中又は変位後にオブジェクトホルダ又はガイドの変形へとつながる。

請求項６に記載の構造の利点は、前記変位面に垂直な方向に対する前記ガイドの剛性の向上である。

好ましい実施例が請求項７に規定されている。この実施例から結果生じる利点は、前記変位面に垂直な方向に対する前記ガイドの剛性のさらなる向上である。さらに、前記ガイドは、前記ガイドアームの有効ラインに平行なラインを中心に回転する方向に補強される。

前記マニピュレータの性能のさらなる向上は、請求項８による構造を用いて達成される。補償部材は、変位のラインに平行な方向に対する前記ガイドの剛性の結果として、レバーの有効ラインの周りにある前記ガイドの曲げモーメントを減少させるために、オブジェクトホルダの移動中及び移動後に前記オブジェクトホルダに補償する力を導入するのに役立つ。前記補償部材の適切な剛性を利用することは、前記オブジェクトホルダが傾くのを防ぐ。

請求項９に記載の実施例は、マニピュレータの低い構造上の高さに寄与する。

請求項１０によれば、アクチュエータは圧電素子を有する。この形式のアクチュエータは従来知られていて、作動部の長軸方向への変位となる電流により作動する。請求項１０の実施例による装置の結果として、前記オブジェクトホルダの第１の接続部は、前記作動部の変位に略垂直な方向に変位可能である。

請求項１１の実施例は、前記第１の接続部の変位は、前記作動部の変位に対して増幅されている利点を有する。これは、圧電素子の長さを減少させる可能性を提供する。

請求項１２によれば、圧電素子にわたるバネは好ましくは、略平坦なワイヤーバネである。このバネはさらにマニピュレータの構造上の高さも減少させる。

請求項１３による実施例の利点も前記マニピュレータの構造上の長さを低く保つことが可能なことである。

請求項１４による実施例の利点は、前記オブジェクトホルダが前記フレームに対し三次元に変位可能であるマニピュレータを提供することである。

本発明は、光学装置、光学記憶装置及び例えば生物医学分析のような顕微鏡分析の装置にも関する。本発明による装置は、本発明によるマニピュレータを備えている。

本発明のこれら及び他の態様並びに利点は、概略図を参照して以下の説明から明らかとなるであろう。

図１は、本発明によるマニピュレータ１の実施例を示す。このマニピュレータは装置の一部でもよい。本実施例は、光点をＸ，Ｙ方向に動かしたり、それら光点をＺ方向に集めたりするための例えば光学記憶装置のような装置に使用する面内マニピュレータを表す。他の利用分野は、この形式のマニピュレータを用いて正確な微小変位が達成されるような例えば生物医学的分析のための顕微鏡分析である。図１の実施例は、マニピュレータ１がＸ，Ｙ平面に平行に延在するプレート状の装置を形成するように、フラットフレーム３に搭載されるベース２を有する。このフレーム３は、装置の取り付け部５に固定される又は固定されてもよい。前記ベースは前記フレームに対しＸ，Ｙ方向に変位可能である。フレーム３の形式は従来知られ、遊びのないＸ，Ｙ方向への変位を正確に制御可能である利点を持つ。マニピュレータ１は、オブジェクトホルダ４を含み、このホルダはフレーム３に対してＸ，Ｙ，Ｚ方向に変位可能である。実際に前記オブジェクトホルダ４は、例えば顕微鏡により分析されるサンプルを載せている。図１の実施例におけるオブジェクトホルダ４は、平坦な上面を持つと共に、前記フレーム３と平行に置かれている。そのホルダ４は圧電素子５により前記ベース２に対しＺ方向に変位可能である。

一般的に、圧電素子は棒状である。この素子が電流により作動するとき、圧電素子の端部は、互いに前記棒の長軸方向に変位可能である。圧電素子は（それが帯電していないことを意味する）アイドル状態から単に伸長しただけである。２つの対向する長軸方向への変位を可能にするために、圧電素子は一般的に、これら圧電素子が基準長を持つとき、この圧電素子を押し縮めるプレロード(pre-load)を受け、電圧に耐えている。この基準長に対する伸長は前記電圧を増大させることにより達成され、基準長に対する短縮は電圧を減少させることにより達成される。

図１に示される実施例は、プレロードバネ６を含み、このバネは圧電素子５の上に置かれている。このプレロードバネ６は、マニピュレータ１のＺ方向における高さを最小にするために、平坦なワイヤーバネである。このバネ６は、好ましくは、UN-N1026/85により特定されるバネ鋼で作られる。

上述したように、圧電素子は単にその長軸方向に動かされるだけなので、圧電素子５はＹ方向に伸長し、レバー装置７が圧電素子５のＹ方向における長さの変化をオブジェクトホルダ４のＺ方向における変位に変換する。このレバー装置７は、３つの位置、レバー接続点８においてベース２に、圧電素子５の作動部９に、及びオブジェクトホルダ４の第１の接続部１０に固定されている。

マニピュレータ１はさらに、オブジェクトホルダ４が圧電素子５によってベース２に対し変位するとき、このオブジェクトホルダ４を平行に誘導するガイド１１も有する。従って、ガイド１１の片側は、ガイドコネクタ１２を用いてベース２に固定され、反対側は、オブジェクトホルダ４の第２の接続部１３に固定されている。

ベース２は、圧電素子１４、１５によってフレーム３に対しＸ，Ｙ方向に夫々変位可能である。プレロードバネ１６、１７は、コイル状バネであり、上述したように、圧電素子１４、１５の−Ｘ及び−Ｙ方向への変位を夫々可能にするために設けられる。

レバー装置７が図２に示されている。このレバー装置７は、第１の端部１９に隣接する第１のレバーヒンジ部１８、及び第２の端部２１に隣接する第２のレバーヒンジ部２０を有し、この第２の端部２１は第１の端部１９の反対側にある。第１の端部１９はベース２に固定されているのに対し、第２の端部２１は、オブジェクトホルダ４に固定されている（図１参照）。レバー２２は、第１及び第２のレバーヒンジ部１８、２０の間に延在している。レバー２２は作用点２３を備え、その作用点に向かい圧電素子５の作動部９は−Ｙ方向に力をかける。レバー２２はさらにプレロードバネ６を嵌合する穴２４も備える。先に圧電素子５に導入されていた電荷が減少する場合、プレロードバネ６は押し縮み、これにより穴２４に隣接するレバー２２の部分に＋Ｙ方向の力がかかる。

Ｚ方向から見ると、穴２４の上部及び作用点２３は第１のレバーヒンジ部１８よりも低い位置に置かれる。図２において、作用点２３は、圧電素子５の力が効果的に作用するＸ，Ｚ平面における点を表していることを確認する。これにより、圧電素子５を充電された状態から作動させる場合、電圧を増加又は減少させることにより、前記作用点２３は＋Ｙ又は−Ｙ方向に夫々変位する。第１のレバーヒンジ部１８の周りのレバー２２に作用する結果生じるモーメントは、このレバー２２を前記Ｙ，Ｚ平面内において第１のレバーヒンジ部１８の軸を中心に回転させる。

圧電素子５の作動部９は、＋Ｙ又は−Ｙ方向に移動、さらに前記レバーの移動の結果として＋Ｚ又は−Ｚ方向にも移動しなければならないので、圧電素子５は、ヒンジ２５により作用点２３及びベース２に回転可能な状態で接続される。

レバー装置７の第２の端部２１がオブジェクトホルダ４の第１の接続部分１０に固定されるので、第１の接続部１０も第１のレバーヒンジ部１８の軸を中心に回転可能であり、これにより、＋Ｚ及び−Ｚ方向への変位を可能にする。しかしながら、オブジェクトホルダ４をＸ，Ｙ平面に平行に保つことが望ましい。これにより、このオブジェクトホルダ４は、第２のレバーヒンジ部２０によりレバー２２に回転可能な状態で接続される。例えば、レバー２２が第１のレバーヒンジ部１８の軸を中心にある角度まで上向きに回転する場合、オブジェクトホルダ４は、このオブジェクトホルダ４のＺ方向への変位を可能にする一方、オブジェクトホルダ４は平行のままであるように、前記第２のレバーヒンジ部２０の軸を中心に同じ角度まで前記レバー２２に対して下向きに回転すべきである。この強制的なオブジェクトホルダ４の変位は、ガイド１１により達成される。

レバー２２の寸法は、オブジェクトホルダ４の第１の接続部１０の＋Ｚ又は−Ｚ方向への変位、及び作用点２３の−Ｙ又は＋Ｙ方向への変位夫々の間にある変換率に対して最適化される。この変換率は、前記レバー２２上のヒンジ２５と前記第１のレバーヒンジ部１８との間のＺ方向に対する距離を減少させる及び／又は前記レバー２２上のヒンジ２５と前記第１及び第２のレバーヒンジ部１８、２０との間のレバー２２の長さを増加させることにより増大することができる。高い変換率は、圧電素子５のＹ方向の長さが制限される利点を持つ。その場合、より高い力が必要とされるので、圧電素子５にもより高い電圧を必要とする。

図１に示されるようなマニピュレータ１の実施例のガイド１１及びオブジェクトホルダ４が図３にさらに詳細に示されている。図３の実施例において、前記ガイド１１及びオブジェクトホルダ４は一体化されている。前記ガイド１１は、４つのガイドアーム２６を備え、これらアームは互いに平行に延在し、Ｘ方向及びＺ方向に離間している。これらガイドアーム２６は、ベース２及びオブジェクトホルダ４の第２の接続部１３に接続されている。これらガイドアーム２６は対称的に位置決めされる、つまりＺ方向には２つのガイドアーム２６が互いの上にあり、Ｘ方向には２つのガイドアーム２６が隣同士にある。

前記ガイドアーム２６の各々は、２つのガイドアームヒンジ部２７を備える。前記ガイドアームヒンジ部２７の間にある各ガイドアーム２６の有効長は、前記第１及び第２のレバーヒンジ部１８、２０の間にあるレバー２２の有効長に等しい。前記ガイドアームヒンジ部２７まで延在しているガイド１１の有効ラインは、前記レバーヒンジ部１８、２０まで延在しているレバー２２の有効ラインに平行に延在する。オブジェクトホルダ４は、第２のレバーヒンジ部２０によりレバー２２に回転可能な状態で接続されるのと同じく、前記第２の接続部１３に隣接する前記ガイドアームヒンジ部２７により前記ガイドアーム２６に回転可能な状態で接続される。ガイドアーム２６及びレバー２２はさらに、前記ベース２に隣接するガイドアームヒンジ部２７及び前記第１のレバーヒンジ部１８夫々により前記ベース２に回転可能な状態で接続される。この構造の寸法及び向きの結果として、オブジェクトホルダ４がＺ方向に変位するとき、このホルダは平行なままでいる。もちろん、ガイドアーム２６により誘導されるオブジェクトホルダのＺ方向への変位はさらに、オブジェクトホルダ４の−Ｙ方向への変位につながる。しかしながら、これは、ベース２をフレーム３に対して＋Ｙ方向に変位することにより容易に補償される。

マニピュレータ１の代替実施例が図４に示されている。本実施例は、補償レバー２８を含み、このレバーはガイド１１の剛性を補償する。この補償レバー２８が無いと、ガイド１１及びレバー装置７は、オブジェクトホルダ４がＺ方向に変位する場合、このオブジェクトホルダ４の第１の接続部１０までＹ軸の周りに曲げモーメントを受ける。これはガイド１１の変形、従って傾いた向きのオブジェクトホルダへとつながる。前記曲げモーメントは、一方の端部がベース２に接続され、他方の端部はオブジェクトホルダ４に接続される補償レバー２８により補償される。補償レバー２８のＺ方向における剛性及びレバー２２と前記補償レバーがオブジェクトホルダ４に接続されるＸ方向における位置との間の距離は、ガイド１１及びレバー装置７上の曲げモーメントを減少させるのに最適である。これは、オブジェクトホルダ４が傾く危険性を減少させる。

図１及び図４によるマニピュレータ１の実施例は例えば以下の寸法、Ｘ，Ｙ方向に夫々約３５及び４２ｍｍの長さ及び幅、並びにＺ方向に約３ｍｍの高さを持つ。＋Ｚ及び−Ｚ方向におけるオブジェクトホルダ４の最大ストロークは、０．５μｍの誤差で約３０μｍであり、Ｘ，Ｙ方向における最小ストロークは５０ｎｍの誤差で１５μｍである。

ガイドアームヒンジ部２７及びレバーヒンジ部１８、２０は、放電加工により、又は接着剤若しくは溶接により互いに固定された異なる部品を組み立てることにより作成される。レバー装置７、ガイド１１、ベース２及びフレーム３は好ましくは、例えばステンレス鋼又はアルミニウムのような金属で作られる。これら構成要素は例えばレーザー溶接又は接着剤により一緒に固定されることが可能である。ワイヤーバネ６は、バネ鋼で作られることが可能である。

上述したことから、本発明は、フレーム３の平面に略垂直な方向に、オブジェクトホルダ４を平行に変位させることが可能である面内マニピュレータを供給することが明らかである。ガイド１１の機能により、広域にわたる変位が達成される。

本発明は、図面に示されるような上述した実施例に制限されず、これは特許請求の範囲から外れることなく幾つかの方法で変更されることができる。例えば、ガイドは、オブジェクトの第１及び第２の接続部を誘導する固定されたもの、例えば誘導トラックでもよい。ガイドアームは、４つの細いアームの代わりに、Ｚ方向において互いの上に置かれた２つの平行な幅広なアームとすることができる。示されるヒンジは、リビングヒンジ(living-hinge)のようなヒンジであるが、如何なる形式のヒンジ又は旋回軸も、何らかのヒンジ動作が得られる限り考えることができる。

一般的に、本出願において、"有する"と言う表現は他の要素を排除するものではなく、単数での表現がそれが複数あることを排除するものでもない。請求項にある参照符号がその請求項の範囲を制限するとは考えない。さらに、本発明は、特許請求の範囲に記載される特徴の全ての起こり得る組み合わせにも関する。

本発明によるマニピュレータの透視平面図。 本発明によるレバー装置の透視側面図。 本発明によるオブジェクトホルダ及びガイドの透視平面図。 本発明によるマニピュレータの代替実施例の透視平面図。

Claims (15)

1. オブジェクトホルダを変位させるためのマニピュレータであり、
   ベース、
   前記ベースに接続されるアクチュエータであり、前記アクチュエータを動作させるとき、前記ベースに対して変位する作動部を有するアクチュエータ、
   前記アクチュエータの前記作動部に接続されると共に、前記作動部の変位を既定の変位のラインに沿った前記オブジェクトホルダの第１の接続部の変位に変換する前記第１の接続部にも接続されるトランスミッション、並びに
   前記オブジェクトホルダを平行に誘導するために、前記第１の接続部から離間した前記オブジェクトホルダの第２の接続部及び前記ベースに接続されるガイド
   を有するマニピュレータにおいて、前記オブジェクトホルダの前記第２の接続部は、前記第１の接続部と同期して、前記変位のラインに略平行に変位させられるような前記ガイドが適しているマニピュレータ。
2. 前記トランスミッション及び前記ガイドは互いに平行に位置決めされている請求項１に記載のマニピュレータ。
3. 前記トランスミッションは、一方の端部が第１のレバーヒンジ部により前記ベースに回転可能な状態で接続され、他方の端部は第２のレバーヒンジ部により前記オブジェクトホルダの前記第１の接続部に回転可能な状態で接続されているレバーを含み、前記レバーは前記第１及び第２のレバーヒンジ部まで延在しているレバーの有効ラインを持つ一方、前記レバーは既定の変位面内において前記ベースに対し回転可能である請求項２に記載のマニピュレータ。
4. 前記ガイドは、少なくとも２つのガイドアームからなる第１の組を少なくとも有し、前記ガイドアームの各々は、ガイドアームヒンジ部により前記オブジェクトホルダの前記第２の接続部及び前記ベースに回転可能な状態で接続され、前記ガイドアームヒンジ部まで延在するガイドアームの有効ラインを持ち、前記ガイドアームの有効ラインは前記レバーの有効ラインに平行に延在する一方、前記ガイドアームヒンジ部の間にある前記ガイドアームの各々の長さは、前記第１及び第２のレバーヒンジ部の間にある前記レバーの長さに等しく、前記ガイドアームは、前記ガイドアームの有効ラインが前記変位面に平行な面内において前記ラインに垂直な方向に離間されるように配される請求項３に記載のマニピュレータ。
5. 前記ガイドアームの第１の組は、前記ガイドアームの有効ラインが前記変位面に略平行な平面に延在するように配される請求項４に記載のマニピュレータ。
6. ヒンジ軸を有する各ガイドアームヒンジ部は、前記ガイドアームを前記第２の端部に接続するか、又は前記ガイドアームを前記ヒンジ軸に沿った２つ以上の位置で前記ベースに接続している請求項４又は５に記載のマニピュレータ。
7. 前記ガイドは、少なくとも２つのガイドアームからなる第２の組を少なくとも有し、前記組は、前記ガイドアームの第１の組から前記変位面に垂直な方向に離間した平面に置かれている請求項４、５又は６に記載のマニピュレータ。
8. 請求項３乃至７の何れか一項に記載のマニピュレータにおいて、前記マニピュレータは、前記ベース及び前記オブジェクトホルダに弾性的に接続された補償部材を有し、前記補償部材は、前記変位のラインに沿った前記オブジェクトホルダの変位が前記オブジェクトホルダの変位方向とは逆向きであり、前記第１の接続部から前記変位面に垂直な方向に離れるように作用する、前記オブジェクトホルダにかかる前記補償部材の力の成分となるように適合される一方、前記変位のラインの方向における前記補償部材の剛性は、前記ホルダが平行に変位可能であるように適合されるマニピュレータ。
9. 前記補償部材は、少なくとも一部が前記レバーの有効ラインに略平行に延在しているレバーを有する請求項８に記載のマニピュレータ。
10. 前記アクチュエータは、前記作動部が前記レバー上の作用点に接続される圧電素子を有し、前記作用点は、前記第１のレバーヒンジ部から、前記変位面に平行な面内において前記レバーの有効ラインに垂直な方向に離間している請求項３乃至９の何れか一項に記載のマニピュレータ。
11. 前記作用点と前記レバーの有効ラインとの間の距離は、前記第１及び第２のレバーヒンジ部の間にある前記レバーの長さよりも短い請求項１０に記載のマニピュレータ。
12. プレロードバネは前記圧電素子の上に置かれると共に、前記ベース及び前記作動部に固定され、前記プレロードバネは好ましくは略平坦なワイヤーバネである請求項１０又は１１に記載のマニピュレータ。
13. 前記ベースはベース面に平行に延在し、前記オブジェクトホルダは、前記ベース面に垂直に見ると、前記ガイド及び／又は前記トランスミッション及び／又は前記アクチュエータに次いで取り付けられる請求項１乃至１２の何れか一項に記載のマニピュレータ。
14. 前記ベースは、フレームに接続され、少なくとも２つのアクチュエータを用いて前記ベース面に平行に変位可能である請求項１乃至１３の何れか一項に記載のマニピュレータ。
15. 請求項１乃至１４の何れか一項に記載のマニピュレータを備える装置。

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