JP2019217609A - 圧電アクチュエータ及びマニピュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】モータにより回転するとともに、圧電素子により軸方向に動く回転軸を有し、回転軸の回転力が圧電素子に伝わらず、かつモータにかかる軸方向の負荷を低減できる圧電アクチュエータ及びマニピュレータを提供する。【解決手段】圧電アクチュエータ５０は、先端部にツール１２０が設けられる回転軸５４と、回転軸５４を回転させるモータ７２と、回転軸５４を回転可能に支持する少なくとも２つの転がり軸受６０，６２と、転がり軸受の内輪６０ａ，６２ａの間に配置される内輪間座６４と、内輪６０ａ，６２ａと内輪間座６４とを、回転軸５４の軸方向に動かないように固定する固定部材５６と、外輪６２ｂに直接または間接的に当接する圧電素子６８と、モータの軸７２ａと回転軸５４とを接続するカップリング７４と、を備え、カップリング７４は、回転軸５４の軸方向への変位量を吸収可能にモータの軸７２ａと回転軸５４とを接続している。【選択図】図４

Description

本発明は、圧電アクチュエータ及びマニピュレータに関する。

従来から、マニピュレータ等の微細な作業を行う各種装置において、μｍ単位等の微細な位置決めを行うために、圧電素子を使用した圧電アクチュエータが使用されている。また、圧電アクチュエータは、微細加工を行う工作機械等で、超音波振動を発生させるのに使用されることもある。

このような圧電アクチュエータの一例として、例えば、特許文献１または特許文献２に記載の圧電アクチュエータ（超音波加工機、超音波ミリング装置）のように、圧電素子により軸（スピンドル、主軸）を軸方向に動かすとともに、モータにより軸（スピンドル、主軸）を回転させるものが知られている。

また、圧電アクチュエータの他の例として、例えば、特許文献３に記載のものが知られている。この圧電アクチュエータは、微小な操作対象物を操作するためのキャピラリを微動駆動するものであり、主には細胞等の微小な操作対象物を操作するのに用いられる。具体的には、例えば、細胞へのインジェクションを行うために用いられたりする。このため、軸（ピペット保持部材）は回転しないほうが望ましく、回り止め機構等により軸が回転しないように構成されている。このように回転しないように構成された軸については、モータ等により回転させることは通常考えにくい。換言すると、特許文献３に記載の圧電アクチュエータは、軸を回転させる本願発明の圧電アクチュエータとは、基本的な構成や生じる課題が全く異なるものである。

また、圧電アクチュエータの他の例として、例えば、特許文献４に記載のものが知られている。この圧電アクチュエータも、特許文献３に記載のものと同様に、微小な操作対象物を操作するためのキャピラリを微動駆動するものである。この圧電アクチュエータは、中空モータの回転を直線運動に変換して、圧電アクチュエータの先端部に設けられたキャピラリを軸方向に粗動させるとともに、圧電素子の力を利用してキャピラリを軸方向に微動させるものである。換言すると、操作対象物としての細胞等に実際に作用するキャピラリは回転しないようになっている。したがって、特許文献４に記載の圧電アクチュエータは、操作対象物に作用するツールを軸とともに回転させる本願発明の圧電アクチュエータとは、基本的な構成や生じる課題が全く異なるものである。

特開２００９−０２８８８２号公報 特開２００２−２１９６０６号公報 特開２０１３−２４０８７５号公報 特開２００９−２１１０２４号公報

ところで、特許文献１や２に記載の圧電アクチュエータにおいては、軸の回転に伴って、圧電素子も回転するようになっている。このため、圧電素子への給電には、スリップリングや給電ブラシを利用しなければならず、耐久性やノイズ等の不安があるという問題があった。

また、特許文献４に記載の圧電アクチュエータにおいては、軸の回転に中空モータが用いられている。これに対し、モータの選択の幅を広げるためには、回転する軸を有するモータを適用可能とすることが望ましい。しかし、モータの軸と回転させたい回転軸とを直結したり、一体に成形してしまったりすると、回転軸が軸方向に動いたときに、モータに軸方向の負荷がかかってしまうという問題があった。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、モータにより回転するとともに、圧電素子により軸方向に動く回転軸を有し、回転軸の回転力が圧電素子に伝わらず、かつモータにかかる軸方向の負荷を低減できる圧電アクチュエータ及びマニピュレータを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の圧電アクチュエータは、先端部に、操作対象物に作用するツールが設けられる回転軸と、前記回転軸を回転させるモータと、前記回転軸を回転可能に支持する少なくとも２つの転がり軸受と、隣り合う前記転がり軸受の内輪の間に配置される内輪間座と、前記内輪と前記内輪間座とを、前記回転軸の軸方向に動かないように固定する固定部材と、前記隣り合う転がり軸受のうちの一方の外輪に直接または間接的に当接されて、前記軸方向に伸縮可能な圧電素子と、前記モータの軸と前記回転軸とを接続するカップリングと、を備え、前記カップリングは、前記回転軸の前記軸方向への変位量を吸収可能に前記モータの軸と前記回転軸とを接続していることを特徴とする。

また、本発明のマニピュレータは、前記構成の圧電アクチュエータを備えることを特徴とする。

本発明によれば、圧電素子が伸縮すると、転がり軸受の外輪に加わる圧電素子からの押圧力の変化により転がり軸受が変形し、回転軸が軸方向に微動する。また、モータが回転すると、この回転力が回転軸を介してツールに伝わり、ツールが回転する。また、回転軸は、転がり軸受の内輪と固定されているので、回転軸が回転したときに、転がり軸受の外輪は回転しない。したがって、回転軸が回転しても、外輪を直接または間接的に押圧する圧電素子には、この回転力は伝わらない。

また、カップリングが、回転軸の軸方向への変位量を吸収可能に、モータの軸と回転軸とを接続しているので、回転軸が圧電素子の伸縮により軸方向に動いた場合に、モータにかかる軸方向の負荷が低減される。さらに、モータの軸と回転軸とをカップリングにより接続することにより、モータの選択の幅が広がる。

また、本発明の前記構成において、前記固定部材は、前記隣り合う転がり軸受の内輪及び前記内輪間座と、前記回転軸との間に介装され、前記回転軸を着脱可能に保持する軸ホルダーであってもよい。

このような構成によれば、回転軸は、カップリングによりモータと接続され、軸ホルダーに着脱可能に保持されているので、圧電アクチュエータから容易に取り外すことができる。したがって、圧電アクチュエータの用途に応じて回転軸を交換したり、回転軸の劣化に応じて回転軸を交換したりすることが容易となる。

また、本発明の前記構成において、前記回転軸は、前記先端部に、前記ツールが着脱可能に取り付けられるツール取付部を有し、前記ツールは、前記ツール取付部に着脱可能に設けられていてもよい。

このような構成によれば、ツールは、ツール取付部に着脱可能に設けられるので、回転軸から容易に取り外すことができる。したがって、圧電アクチュエータの用途に応じてツールを交換したり、ツールの劣化に応じてツールを交換したりすることが容易となる。

また、本発明の前記構成において、前記ツールは、前記回転軸と一体に設けられていてもよい。

このような構成によれば、ツールと回転軸とが一体となっているので、ツール及び回転軸の先端部分の耐久性を高めることができる。

本発明の圧電アクチュエータ及びマニピュレータによれば、モータにより回転するとともに、圧電素子により軸方向に動く回転軸を有し、回転軸の回転力が圧電素子に伝わらず、かつモータにかかる軸方向の負荷を低減できる。

第１の実施の形態に係るマニピュレータシステムの要部を示す斜視図である。 同、マニピュレータシステムの概略構成を示す図である。 同、圧電アクチュエータを示す斜視図である。 同、圧電アクチュエータを示す断面図である。 同、マニピュレータシステムの制御ブロック図である。 同、マニピュレータシステムによる操作対象物の操作の一例を示すもので、（ａ）はツールで異物を採取する前を示す図であり、（ｂ）はツールで異物を採取した後を示す図である。 第２の実施の形態に係る圧電アクチュエータを示す断面図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。

（第１の実施の形態）
図１及び図２は、本実施の形態に係るマニピュレータを使用したシステムを示す図である。マニピュレータシステム１０は、操作の対象となる対象物（以下、操作対象物という）に人工操作を施すためのシステムである。マニピュレータシステム１０は、顕微鏡ユニット１２と、第一マニピュレータ１４と、第二マニピュレータ１６と、マニピュレータシステム１０を制御するコントローラ１８と、を備えている。顕微鏡ユニット１２は、マニピュレータシステム１０の左右方向中央部に配置されており、第一マニピュレータ１４と第二マニピュレータ１６とは、顕微鏡ユニット１２を挟んで左右両側に分かれて配置されている。

顕微鏡ユニット１２は、操作対象物を支持するテーブル２０と、顕微鏡２２と、カメラ２４とを備えている。また、顕微鏡２２は、テーブル２０の直上に配置されている。また、カメラ２４は、顕微鏡２２と一体に設けられている。そして、テーブル２０の上に置かれた物体は、顕微鏡２２で拡大され、カメラ２４で撮影されるようになっている。

第一マニピュレータ１４は、顕微鏡ユニット１２の右側（図２における右側）に設けられたアーム状となっている。また、第一マニピュレータ１４は、圧電アクチュエータ５０と駆動装置３０とを備えている。また、第二マニピュレータ１６は、顕微鏡ユニット１２の左側（図２における左側）に設けられたアーム状となっている。また、第二マニピュレータ１６は、支持ツール３２と駆動装置３４とを備えている。

駆動装置３０，３４は、圧電アクチュエータ５０あるいは支持ツール３２を支持するとともに、圧電アクチュエータ５０あるいは支持ツール３２を、図１に示すＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に、３次元的に移動させるものである。駆動装置３０，３４は、コントローラ１８に接続されており、コントローラ１８からの制御信号を受けて、圧電アクチュエータ５０あるいは支持ツール３２を移動させる。また、圧電アクチュエータ５０は、コントローラ１８に接続されており、コントローラ１８からの制御信号を受けて、後述する回転軸５４を微動させたり回転させたりする。

また、圧電アクチュエータ５０と支持ツール３２とはそれぞれ、その基端部側が駆動装置３０，３４に接続され支持されている。また、圧電アクチュエータ５０と支持ツール３２とは、この接続された基端部側を中心として、先端側が上下に揺動可能となっている。この基端部側を中心とした揺動は、作業者により手動で行われるようになっているが、後述する情報入力部１４０への操作に基づくコントローラ１８からの制御信号により揺動するようになっていてもよい。

なお、本実施の形態においては、テーブル２０も後述する情報入力部１４０への操作に基づくコントローラ１８からの制御信号によってＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に３次元的に動くようになっているが、テーブル２０は固定式のものであってもよく、手動で動かすものであってもよい。

次に、図３及び図４を参照しながら、圧電アクチュエータ５０について説明する。なお、以下において、図４における左側（図３における左下側）を先端側（前側）といい、図４における右側（図３における右上側）を後端側（後側）という。
圧電アクチュエータ５０は、ハウジング５２と、回転軸５４と、軸ホルダー５６（中空部材）と、２つの転がり軸受６０，６２と、内輪間座６４と、スペーサ６６（カラー）と、圧電素子６８と、間座７０と、モータ７２と、カップリング７４と、を備えている。
なお、本実施の形態においては、モータ７２は、ステッピングモータとなっているが、回転軸５４を回転させることが可能であれば、その他のモータやその他の駆動源であってもよい。

ハウジング５２は、ハウジング本体８０と蓋８２とを備えている。また、ハウジング本体８０は、内周面が、円筒面状に形成されている。また、ハウジング本体８０は、先端側と後端側とが開口している。また、蓋８２は、ハウジング本体８０の前端側に、ネジ８４（締結具）によって取り付けられている。また、蓋８２は、ハウジング本体８０の内周面よりも径の小さい軸挿通孔８２ａを有している。

ハウジング本体８０には、２つの転がり軸受６０，６２が収容されている。転がり軸受６０，６２は、それぞれ内輪６０ａ，６２ａと、外輪６０ｂ，６２ｂと、内輪６０ａ，６２ａと外輪６０ｂ，６２ｂとの間に挿入されたボール６０ｃ，６２ｃと、を備えている。転がり軸受６０，６２は、各内輪６０ａ，６２ａが軸ホルダー５６を介して回転軸５４の外周面に嵌合され、各外輪６０ｂ，６２ｂがハウジング本体８０の内周面に嵌合され、回転軸５４をハウジング５２に対して回転自在に支持している。換言すると、回転軸５４は、転がり軸受６０，６２を介してハウジング５２に支持されている。

回転軸５４は、棒状（円柱状）となっている。なお、回転軸５４は、中実であってもよく、中空であってもよい。回転軸５４は、ハウジング５２に挿通されており、蓋８２の軸挿通孔８２ａを通って前方に延出した状態となっている。また、回転軸５４と、ハウジング本体８０の内周面と、軸挿通孔８２ａとは、同軸となっている。

軸ホルダー５６は、略円筒状の軸ホルダー本体９０と、クランピング９２と、ロックナット９４，９６と、を備えている。そして、軸ホルダー５６には、回転軸５４が挿通されている。

クランピング９２は、軸ホルダー本体９０の先端側に、軸ホルダー本体９０と一体に設けられている。クランピング９２は、軸ホルダー本体９０と同軸で、周方向の一部にスリット９２ａが形成された円筒状となっており、内側に回転軸５４が挿通されるようになっている。また、クランピング９２は締結具としてのネジ９８を有しており、ネジ９８が締められるとスリット９２ａ部分の隙間が小さくなり、クランピング９２の内径が狭まるようになっている。一方、ネジ９８が緩められるとスリット９２ａ部分の隙間が大きくなり、クランピング９２の内径が広まるようになっている。そして、クランピング９２のネジ９８が締められることで、軸ホルダー５６に回転軸５４が固定され、クランピング９２のネジ９８が緩められることで、軸ホルダー５６への回転軸５４の固定が解かれるようになっている。

軸ホルダー本体９０の外周面の先端側と後端側とには、ネジ加工が施されている。そして、先端側のネジ加工と後端側のネジ加工とに、ロックナット９４，９６がそれぞれ螺合している。また、ロックナット９４とロックナット９６との間には、転がり軸受６０の内輪６０ａ、内輪間座６４、転がり軸受６２の内輪６２ａが、先端側からこの順に配置されている。また、内輪６０ａと内輪間座６４と内輪６２ａとは、隣接する部材どうしが互いに当接した状態となっている。そして、２つのロックナット９４，９６によって、回転軸５４及び軸ホルダー５６に対して、内輪６０ａと内輪間座６４と内輪６２ａとが、回転軸５４の軸方向に動かないように固定されている。

なお、内輪６０ａ，６２ａと内輪間座６４との、回転軸５４への軸方向位置の固定は、軸ホルダー５６を介さずに行ってもよい。すなわち、例えば、回転軸５４の外周面にネジ加工を施し、このネジ加工にロックナット９４，９６を螺合させて内輪６０ａ，６２ａと内輪間座６４とを固定することとしてもよい。また、このような場合に、内輪６０ａ，６２ａ及び内輪間座６４と回転軸５４との間に、軸ホルダー５６のような中空部材を介在させてもよいし、介在させずに内輪６０ａ，６２ａ及び内輪間座６４を回転軸５４に直接嵌合させてもよい。すなわち、本実施の形態においては、内輪６０ａ，６２ａ及び内輪間座６４と回転軸５４との間に介装された軸ホルダー５６が、内輪６０ａ，６２ａ及び内輪間座６４を、回転軸５４に対して軸方向に動かないように固定する固定部材として機能しているが、例えば、ロックナット９４，９６のみを当該固定部材として使用する等してもよく、その他の方法により内輪６０ａ，６２ａと内輪間座６４とを、回転軸５４の軸方向に動かないように固定してもよい。

後側の転がり軸受６２の外輪６２ｂの軸方向後端側には、略円筒状のスペーサ６６が、転がり軸受６０，６２と同軸に配置されている。また、スペーサ６６は、ハウジング本体８０の内周面に正の隙間を持って嵌合している。また、スペーサ６６は、後端側の内径が、先端側の内径よりも小さくなっている。また、スペーサ６６の軸方向後端側には、略円筒状の圧電素子６８が、転がり軸受６０，６２及びスペーサ６６と同軸に配置されている。また、外輪６２ｂとスペーサ６６と圧電素子６８とは、隣接する部材どうしが互いに当接した状態となっている。換言すると、圧電素子６８は、スペーサ６６を介して間接的に外輪６２ｂと当接している。また、圧電素子６８の後端側には、間座７０が配置されている。

また、間座７０は、その中央部にモータ７２の軸７２ａが挿通される軸挿通孔７０ａを有している。また、間座７０は、ハウジング５２の蓋としても機能し、ハウジング本体８０の後端に、ハウジング本体８０の後側の開口を塞ぐようにして取り付けられている。具体的には、間座７０は、図示しないネジ（締結具）によりハウジング本体８０に固定されている。なお、間座７０は、ハウジング本体８０の軸方向後端側及び間座７０にねじ加工を施して、両者を螺合することにより固定しても良いが、この場合、圧電素子６８にねじりモーメントが生じる可能性がある。このため、間座７０は、ネジ等により締結固定されることが好ましい。

また、間座７０には、締結具としてのネジ１０２，１０２によって、モータ７２が取り付けられている。そして、これにより、モータ７２がハウジング５２に対して固定されている。また、モータ７２の軸７２ａは、間座７０の軸挿通孔７０ａに挿通されている。

カップリング７４は、略円筒状となっている。また、カップリング７４の先端側の内周面には、回転軸５４が嵌合しており、カップリング７４の後端側の内周面には、モータ７２の軸７２ａが嵌合している。そして、カップリング７４と、回転軸５４と、軸７２ａとは、同軸となっている。また、回転軸５４の後端面と、モータ７２の軸７２ａの先端面との間には、所定の隙間Ｇが形成されている。

モータ７２の軸７２ａの回転は、カップリング７４を介して回転軸５４に伝わるようになっており、軸７２ａが回転すると回転軸５４が回転する。また、回転軸５４は、後述するように軸方向に変位するが、カップリング７４は、この変位量を吸収可能に、モータ７２の軸７２ａと回転軸５４とを接続している。換言すると、カップリング７４は、回転軸５４が軸方向に変位した際に、モータ７２の軸７２ａが軸方向に動かないように、軸７２ａと回転軸５４とを接続している。

このような変位量の吸収は、軸方向に変形可能なカップリング７４を用いることで実現される。具体的には、例えば、軸方向への弾性を有するカップリング７４を用いることで実現される。このような構成によれば、回転軸５４がモータ７２側に向けて変位した際に、カップリング７４が縮むことで、回転軸５４の変位量がカップリング７４に吸収される。また、回転軸５４がモータ７２とは逆側に向けて変位した際に、カップリング７４が伸びることで、回転軸５４の変位量がカップリング７４に吸収される。
また、例えば、回転軸５４をカップリング７４に対して摺動可能にすることで軸方向への変位量を吸収してもよい。具体的には、例えば、回転軸５４の外周面及びカップリング７４の内周面の断面形状を互いに嵌合する多角形状等にすることで、回転軸５４にモータ７２の回転力を伝達しつつ、回転軸５４をカップリング７４に対して摺動可能とする等してもよい。
いずれの場合においても、回転軸５４の後端面と軸７２ａの先端面との間に隙間Ｇが形成されていることにより、回転軸５４の後端面と軸７２ａの先端面とが当接しないようにされている。換言すると、カップリング７４内には、回転軸５４の軸方向への移動量を吸収する空間が形成されている。
なお、モータ７２の軸７２ａの回転に対して、回転軸５４を精度よく回転させるためには、リジッドのカップリングで軸７２ａと回転軸５４とを接続するか、軸７２ａと回転軸５４とを一体的に成形してしまうことが望ましい。ただし、この場合、回転軸５４が軸方向に変位した際にモータ７２に軸方向の負荷がかかってしまう。したがって、この場合、軸７２ａが軸方向に変位可能なモータ７２を使うことが望ましい。

以上のように、ハウジング本体８０には、転がり軸受６０，６２、スペーサ６６、圧電素子６８が収容されており、ハウジング本体８０の両端は、蓋８２と間座７０とによって塞がれている。また、間座７０には、圧電素子６８の後端面が当接している。また、蓋８２には、転がり軸受６０の外輪６０ｂの前端面が当接している。また、蓋８２は、転がり軸受６０の内輪６０ａ、回転軸５４、軸ホルダー５６には接しないようになっている。

ハウジング本体８０への各部材の収容においては、後側から間座７０、圧電素子６８、スペーサ６６、転がり軸受６２、転がり軸受６０と並べられた状態で、転がり軸受６０の外輪６０ｂの前端面とハウジング本体８０の前端面との間に適切な差幅が生じるように各要素の軸方向寸法を設定することで、蓋８２を閉めたときに、転がり軸受６０と転がり軸受６２とに、軸方向に沿った押圧力として予圧が付与されるとともに、圧電素子６８にも予圧が付与される。これにより、転がり軸受６０，６２及び圧電素子６８に所定の予圧が付与され、外輪６０ｂと外輪６２ｂとの間に軸方向間の距離としての隙間Ｐが形成される。
なお、転がり軸受６０，６２に付与する予圧は、回転軸５４の回転を阻害しない程度の強さに設定されている。また、予圧（差幅）の調整は、例えば、スペーサ６６等の長さを調整することにより行ってもよく、適当な厚さのシムを挿入することにより行ってもよい。

このように、高剛性のばね要素である転がり軸受６０、６２で予圧を負荷できるため、圧電素子６８の予圧調整を容易に行うことができるとともに、高い応答性を達成できる。

また、圧電素子６８はスペーサ６６を介して転がり軸受６２の外輪６２ｂと接しているので、外輪６２ｂと同じ径の圧電素子や、所定の予圧を付与可能な寸法の圧電素子といった、特別な形状の圧電素子を用いる必要がない。すなわち、図２の例では略円筒状とした圧電素子６８を、棒状または角柱状としてスペーサ６６の周方向に略等配となるように並べても良く、回転軸５４を挿通する孔部を有した角筒状等としても良い。また、スペーサ６６の形状を高精度とすれば、ハウジング５２の内周面は転がり軸受６０、６２と嵌合する程度の精度で形成されているので、圧電素子６８の個体差がある場合にも、転がり軸受６２を均等に押圧することが可能となる。なお、圧電素子６８と、外輪６２ｂとは、スペーサ６６を介さずに直接当接していてもよい。
なお、以下で「圧電素子が（略）同軸である」とは、単に円環状の圧電素子がある軸と中心軸を共有する場合のみを示すのではなく、圧電素子がある軸を中心とした円周上に略均等に配置されている場合や、ある軸が角筒の圧電素子の中心を通る場合等を含む。

圧電素子６８は、リード線を介して制御回路としてのコントローラ１８に接続されており、コントローラ１８からの印加電圧に応じて回転軸５４の長手方向（軸方向）に沿って伸縮するように構成されている。すなわち、圧電素子６８は、コントローラ１８からの印加電圧に応答して、回転軸５４の軸方向に沿って伸縮し、回転軸５４をその軸方向に沿って微動あるいは振動させるようになっている。

圧電素子６８に印加する電圧の電圧波形としては、例えば、正弦波、矩形波、三角波などを用いることができる。また圧電素子６８に電圧を印加する方法としては、作業者が後述するボタン１４４を押している間、信号波形を連続して出力する等してもよいし、バースト波形を使用してもよい。

本実施の形態においては、転がり軸受６０、６２のうち転がり軸受６０の内輪６０ａと外輪６０ｂとの相対的な変位量であって、圧電素子６８の伸縮量の半分が回転軸５４の変位量に設定されているため、圧電素子６８には微動変位量の２倍の変位を与えるための制御電圧と初期設定電圧とを加算した微動用電圧を印加することになる。

例えば、圧電素子６８に２ｘの伸びが生じたときには、この伸びによる押圧力は微動制御を行う前の予圧荷重に加えて転がり軸受６２の外輪６２ｂを押圧し、転がり軸受６２の外輪６２ｂを軸方向に２ｘ移動させる。この際、外輪６０ｂ，６２ｂ間の隙間Ｐが２ｘ分狭くなって圧電素子６８の軸方向の伸びを吸収する。そして、この隙間Ｐの変位に伴って転がり軸受６０、６２が弾性変形し、転がり軸受６０の内輪６０ａが外輪６０ｂに対してｘ変位するとともに、転がり軸受６２の内輪６２ａが外輪６２ｂに対して−ｘ（マイナスｘ）変位する。

逆に、圧電素子６８が２ｘ縮む（−２ｘ変位する）と、転がり軸受６２の外輪６２ｂへの押圧力が減少し、転がり軸受６２の外輪６２ｂが−２ｘ変位する。この際、外輪６０ｂ，６２ｂ間の隙間Ｐが２ｘ分広くなる。そうすると、転がり軸受６０、６２の弾性変形がそれぞれｘずつ減少するように、内輪６０ａと内輪６２ａとが、外輪６０ｂと外輪６２ｂとのそれぞれに対して変位する。

このように、隙間Ｐの変位２ｘを転がり軸受６０、６２がｘずつ分けて吸収するので、転がり軸受６０、６２を互いに押圧する力がバランスしたときに、転がり軸受６０、６２の内輪６０ａ、６２ａは、回転軸５４とともに軸方向にｘ変位する。つまり、圧電素子６８の伸縮量２ｘの半分が回転軸５４の微動変位量ｘとなる。

なお、回転軸５４の微動変位量は、例えば、数μｍ〜数十μｍとすることが考えられるが、圧電アクチュエータ５０の用途に応じて圧電素子６８及び印加電圧を選択し、サブミクロンオーダー等で動かすようにしてもよい。
また、内輪間座６４を介して前後に配置される転がり軸受はそれぞれ、本実施の形態のように１つずつではなく、複数あってもよい。また、必ずしも同種の転がり軸受や、同じ剛性の転がり軸受のみを圧電アクチュエータ５０に用いなくてもよい。例えば、転がり軸受６０の剛性を転がり軸受６２の剛性よりも小さくすることで、圧電素子６８の伸縮量に対する回転軸５４の微動変位量を大きくすることができる。また、逆に、転がり軸受６０の剛性を転がり軸受６２の剛性よりも大きくすることで、圧電素子６８の伸縮量に対する回転軸５４の微動変位量を小さくすることができる。

回転軸５４の先端部には、ツール取付部５４ａが形成されている。そして、ツール取付部５４ａには、ツール１２０が取り付け可能になっている。ツール１２０は、操作の対象となる操作対象物に実際に作用する部材であり、例えば、刃や、針や、ドリル、砥石、フライス（エンドミル）等である。ツール１２０は、圧電アクチュエータ５０の用途に応じて選択される。また、本実施の形態においては、ツール１２０は、ツール取付部５４ａに着脱可能に取り付けられるようになっており、用途に応じて付け替えることが可能となっている。なお、ツール取付部５４ａへのツール１２０の取り付け機構については、各種の工具等において従来から用いられている機構から、用途に応じて適宜選択すればよい。
なお、ツール１２０と回転軸５４とは、一体に構成されていてもよい。このようにすることで、回転軸５４の先端部やツール１２０の耐久性を高めることができる。また、このような構成においても、回転軸５４は、軸ホルダー５６から取り外すことが可能となっているので、用途の変化や回転軸５４の劣化等に応じて回転軸５４を容易に交換することができる。

次に、コントローラ１８によるマニピュレータシステム１０の制御について図５を参照して説明する。図５は、マニピュレータシステムの制御系要部を示すブロック図である。

コントローラ１８は、演算手段としてのＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）及び記憶手段としてのハードディスク、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）などのハードウエア資源を備え、所定のプログラムに基づいて各種の演算を行い、演算結果に従って各種の制御を行うように駆動指令を出力する。すなわち、コントローラ１８は、第一マニピュレータ１４の駆動装置３０、圧電素子６８、モータ７２、第二マニピュレータ１６の駆動装置３４等を制御し、必要に応じて設けられたドライバやアンプ等を介してそれぞれに駆動指令を出力する。例えば、圧電素子６８は、コントローラ１８により制御される信号発生器１３０から発せられ、アンプ１３２で増幅された電圧信号により駆動される。

コントローラ１８には、情報入力部１４０としてのジョイスティック１４２、複数のボタン１４４、キーボード、マウス等が接続されている。情報入力部１４０は、マニピュレータシステム１０の各種装置を操作するためのもので、作業者によって操作されるものになっている。そして、情報入力部１４０は、作業者からの操作に応じた入力信号をコントローラ１８に入力し、コントローラ１８は、情報入力部１４０に対する作業者からの操作に応じた制御信号を、駆動装置３０、３４や圧電アクチュエータ５０に出力するようになっている。

ジョイスティック１４２には、公知のものを用いることができる。ジョイスティック１４２は、基台と、基台から直立するハンドルとを有する。また、ジョイスティック１４２は、第一マニピュレータ１４と第二マニピュレータ１６とのそれぞれに対して１つずつ設けられている。そして、ジョイスティック１４２のハンドルを傾斜させることで、駆動装置３０，３４を駆動させ、圧電アクチュエータ５０あるいは支持ツール３２をＸ−Ｙ軸方向に移動させることができるようになっている。また、ジョイスティック１４２のハンドルをねじることで駆動装置３０，３４を駆動させ、圧電アクチュエータ５０あるいは支持ツール３２をＺ軸方向に移動させることができるようになっている。また、ボタン１４４は、ジョイスティック１４２に複数設けられており、圧電素子６８の駆動に割り当てられたボタン１４４を押すことで圧電素子６８を伸縮させ、モータ７２の駆動に割り当てられたボタン１４４を押すことでモータ７２を回転させることができるようになっている。

また、コントローラ１８には液晶パネル等の表示部１４６が接続されている。また、表示部１４６には、カメラ２４で取得した顕微鏡画像や各種制御用画面等が表示されるようになっている。そして、作業者は、テーブル２０上に置かれた操作対象物を表示部１４６で観察しながら、作業を行うことができるようになっている。
なお、表示部１４６を介さず、顕微鏡２２で拡大された操作対象物を直接観察するようになっていてもよい。また、表示部１４６は、タッチパネルとなっており、情報入力部１４０としても機能するものであってもよい。

また、コントローラ１８は、第一マニピュレータ１４及び第二マニピュレータ１６を所定のシーケンスで自動的に駆動することも可能になっている。かかるシーケンス駆動は、所定のプログラムによるＣＰＵの演算結果に基づいてコントローラ１８が順次、それぞれに駆動指令を出力することで行われる。

また、圧電素子６８には、圧電素子６８の駆動のときにアンプ１３２から信号電圧が印加される一方、圧電素子６８で発生する電圧に関する情報はコントローラ１８に入力されるようになっている。

圧電素子は、ピエゾ素子ともいわれ、一般に、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する一方、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。すなわち、圧電素子は、電圧を加えることで伸縮する一方、圧力を加えることで電圧を発生する。

本実施の形態では、圧電素子６８は、ツール１２０の微動駆動のために設けられているが、ツール１２０が例えば後述するウェハ１５０に接触したとき、その接触による外力が圧電アクチュエータ５０の回転軸５４、転がり軸受６０、６２、スペーサ６６等を介して圧電素子６８に加わることにより発生する電圧に関する情報がコントローラ１８に送られるようになっている。そして、コントローラ１８は、圧電素子６８に発生した電圧が例えば所定のレベルや電圧差以上となったときに、警告ランプ（図示せず）を光らせたりスピーカー（図示せず）から警告音を発したりして作業者に報知したり、ツール１２０の駆動を停止するように制御したりする。

ここで、マニピュレータシステム１０の活用例として、マニピュレータシステム１０を異物のサンプリングに使用する場合について図６を参照して説明する。当該マニピュレータシステム１０は、半導体の製造工程において、ウェハ１５０（半導体ウェハ）上に発生した異物１５２（例えば、長さがμｍ単位の異物）を採取するために用いられる。また、当該マニピュレータシステム１０においては、回転軸５４のツール取付部５４ａには、ツール１２０としての刃１２０ａが取り付けられている。

採取を開始する前の準備として、まず、テーブル２０上にウェハ１５０を載置し、ウェハ１５０上の異物１５２が表示部１４６に表示されるように、ウェハ１５０の配置や顕微鏡ユニット１２の設定を調整する。また、圧電アクチュエータ５０及び支持ツール３２をその基端部を中心に揺動させ、ウェハ１５０に対する角度を調整する。

ウェハ１５０は、公知の手段により、テーブル２０に対して固定されるようになっている。例えば、ウェハ１５０を挟んで固定するクリップ等の固定手段がテーブル２０に設けられていてもよく、ウェハ１５０を吸着して固定する固定手段がテーブル２０に設けられていてもよい。

採取の準備が完了したら、操作対象物としての異物１５２の採取を開始する。作業者は、基本的に表示部１４６を見ながら採取を行うようになっており、図６は、このときの表示部１４６の表示を示すものである。
採取においては、まず、モータ７２を回転させることで回転軸５４の先端に設けられた刃１２０ａを（図６（ａ）に示すＲ方向へ）回転させ、刃１２０ａをウェハ１５０から異物１５２を剥がしとるのに適した角度に調整する。次いで、駆動装置３０を駆動させ、刃１２０ａが異物１５２の近傍に位置するように、圧電アクチュエータ５０を移動させる。次いで、圧電素子６８を微動させることで刃１２０ａを回転軸５４の軸方向（図６（ａ）に示すＳ方向）に微動させて異物１５２に刃１２０ａを当て、異物１５２を刃１２０ａに付着させる（図６（ｂ）参照）。次いで、駆動装置３０を駆動させ、ウェハ１５０から刃１２０ａを遠ざけ、刃１２０ａに付着した異物１５２を採取する。具体的には、例えば、ウェハ１５０から刃１２０ａを遠ざけた後、ウェハ１５０に替えて採取用のシートをテーブル２０に載せ、その後、当該シートに刃１２０ａを当てて、当該シートに異物１５２を付着させることで異物１５２を取得する。

前述の手順において、刃１２０ａを異物１５２に当てるだけでは刃１２０ａに異物１５２がうまく付着しない場合には、次のような手順で異物１５２の採取を行う。まず、駆動装置３４を駆動させて支持ツール３２を移動させ、支持ツール３２の先端で異物１５２を上方から押さえる。次いで、圧電素子６８を微動させることで、異物１５２をはぎ取るように刃１２０ａを動かし、異物１５２をウェハ１５０からはぎ取る。なお、この際に、モータ７２で刃１２０ａを回転させながら、圧電素子６８で刃１２０ａを微動させて、異物１５２をウェハ１５０からえぐり取るようにしてもよい。次いで、駆動装置３０を駆動させ、ウェハ１５０から刃１２０ａを遠ざけ、刃１２０ａに付着した異物１５２を採取する。

以上のように、駆動装置３０は、ツール１２０としての刃１２０ａを粗動させる粗動機構として機能しており、圧電アクチュエータ５０は、ツール１２０としての刃１２０ａを微動及び回転させる微動機構及び回転機構として機能している。

なお、本実施の形態のマニピュレータシステム１０においては、刃１２０ａの回転量や微動量は、作業者が表示部１４６を介して目で確認しながら、ボタン１４４等の情報入力部１４０を操作して適宜調整するようになっている。具体的には、例えば、作業者がボタン１４４を押下している間モータ７２が回転し、作業者がボタン１４４の押下をやめるとモータ７２の回転が停止するようになっている。しかし、例えば、刃１２０ａを所定角度回転させるためのプログラムや、刃１２０ａを所定長さ微動させるためのプログラムをコントローラ１８等に記憶しておき当該プログラムに基づいて刃１２０ａを動かすようになっていてもよい。

本実施の形態の圧電アクチュエータ５０によれば、圧電素子６８が伸縮すると、転がり軸受６２の外輪６２ｂに加わる圧電素子６８からの押圧力の変化により転がり軸受６０，６２が変形し、回転軸５４が軸方向に微動する。また、モータ７２が回転すると、この回転力が回転軸５４を介してツール１２０に伝わり、ツール１２０が回転する。また、回転軸５４は、転がり軸受６０，６２の内輪６０ａ，６２ａと固定されているので、回転軸５４が回転したときに、転がり軸受６０，６２の外輪６０ｂ，６２ｂは回転しない。したがって、外輪６２ｂにスペーサ６６を介して間接的に当接する圧電素子６８には、回転軸５４が回転してもこの回転力が伝わらない。

また、カップリング７４が、回転軸５４の軸方向への変位量を吸収可能に、モータ７２の軸７２ａと回転軸５４とを接続しているので、回転軸５４が圧電素子６８の伸縮により軸方向に動いた場合に、モータ７２に軸方向の負荷がかからない。さらに、モータ７２と回転軸５４とをカップリング７４により接続しているので、モータ７２や回転軸５４の選択の幅が広がる。

また、回転軸５４は、カップリング７４によりモータ７２と接続され、軸ホルダー５６に着脱可能に保持されているので、圧電アクチュエータ５０から容易に取り外すことができる。したがって、圧電アクチュエータ５０の用途に応じて回転軸５４を交換したり、回転軸５４の劣化に応じて回転軸５４を交換したりすることが容易となる。

また、ツール１２０は、ツール取付部５４ａに着脱可能に設けられるので、回転軸５４から容易に取り外すことができる。したがって、圧電アクチュエータ５０の用途に応じてツール１２０を交換したり、ツール１２０の劣化に応じてツール１２０を交換したりすることが容易となる。

なお、マニピュレータ及びマニピュレータシステムは、前述のものに限らず、主にはツール１２０を適宜選択することで他の用途に用いることが可能である。例えば、ツール１２０を砥石やフライスとし、操作対象物を研削したり切削したりするのに用いてもよい。また、ツール１２０をドリルとし、穴あけ加工に用いてもよい。また、ツール１２０を円板状のブレードとし、操作対象物の切断に用いてもよい。また、これらの場合に、圧電素子６８は、微細な位置調整に用いてもよく、超音波振動を与えながら超音波加工をするのに用いてもよい。また、ツール１２０をホーンとし、操作対象物のホーンが接する部分に圧電素子６８の振動による超音波振動を与え、超音波溶着をするのに用いてもよい。
すなわち、マニピュレータは、コントローラからの制御信号に基づいて圧電アクチュエータ５０を制御し、回転軸５４を軸方向に微動または振動させ、回転軸５４を回転させることができるものであればよい。また、回転軸５４の軸方向への微動または振動と、回転軸の回転とは、それぞれ独立して行われるようになっていてもよく、連動して行われるようになっていてもよい。

また、テーブル２０の形態や、顕微鏡２２の配置等は、マニピュレータ及びマニピュレータシステムの用途に応じて適宜選択すればよい。例えば、穴あけ加工に用いる場合には、圧電アクチュエータ５０の先端が下方を向くように配置し、顕微鏡が斜め下を向くように配置する等してもよい。

また、圧電アクチュエータ５０のＸ−Ｙ−Ｚ軸方向における可動範囲は、マニピュレータ及びマニピュレータシステムの用途に応じて適宜選択すればよい。

（第２の実施の形態）
本実施の形態のマニピュレータシステムが、第１の実施の形態のマニピュレータシステムと主に異なる点は、圧電アクチュエータ５０の回転軸５４と軸ホルダー５６とに係る部分なので、以下ではこの点について説明し、第１の実施の形態と同様の構成については、その説明を省略ないし簡略化する。

本実施の形態における圧電アクチュエータ５０においては、図７に示すように、第１の実施の形態の回転軸５４と軸ホルダー本体９０とが一体化されて回転軸２００が構成されている。そして、回転軸２００は、中空部材を介さずに、内輪６０ａ，６２ａ及び内輪間座６４に直接嵌合している。

また、回転軸２００の外周面の一部には、ネジ加工が施されている。なお、当該ネジ加工は、回転軸２００の先端部と後端部は避けて施されている。そして、このネジ加工部に、ロックナット９４，９６が螺合している。また、ロックナット９４とロックナット９６との間には、転がり軸受６０の内輪６０ａ、内輪間座６４、転がり軸受６２の内輪６２ａが、先端側からこの順に配置されている。また、内輪６０ａと内輪間座６４と内輪６２ａとは、隣接する部材どうしが互いに当接した状態となっている。そして、固定部材としての２つのロックナット９４，９６によって、回転軸２００に対して、内輪６０ａと内輪間座６４と内輪６２ａとが、回転軸２００の軸方向に動かないように固定されている。

また、回転軸２００の軸方向において、ロックナット９４、転がり軸受６０、内輪間座６４、転がり軸受６２及びロックナット９６が配置された部分は、回転軸のその他の部分に比べ径が大きく（太く）なっている。より具体的には、当該配置部分は、回転軸２００のカップリング７４に挿入される部分や、当該配置部分とツール取付部５４ａとを繋ぐ部分よりも太くなっている。
なお、当該配置部分は、他の部分と同じ太さになっていてもよく、他の部分よりも細くなっていてもよい。

回転軸２００の後端部は、カップリング７４の先端側の内周面に嵌合している。また、カップリング７４の後端側の内周面には、モータ７２の軸７２ａが嵌合している。そして、カップリング７４と、回転軸５４と、軸７２ａとは、同軸となっている。また、回転軸５４の後端面と、モータ７２の軸７２ａの先端面との間には、所定の隙間Ｇが形成されている。

ハウジング本体８０（圧電素子６８）と間座７０との間には第二間座２１０が設けられている。第二間座２１０は、筒状となっており、内周面が円筒面状となっている。そして、第二間座２１０の径方向中央部には、モータ７２の軸７２ａ、カップリング７４または／及び回転軸２００が挿通される軸挿通孔２１０ａが形成されている。また、第二間座２１０と、間座７０と、ハウジング本体８０とは、図示しないネジ（締結具）により互いに固定されている。

また、第二間座２１０には、その外周面から内周面まで貫通する孔２１０ｂが形成されている。また、第二間座２１０の径方向内側であって、孔２１０ｂが形成された部分の内側には、カップリング７４及びモータ７２の軸７２ａが配置されている。換言すると、孔２１０ｂの外側から内側を見た場合にカップリング７４の軸７２ａが挿入されている部分の外周面側が見えるようになっている。

孔２１０ｂは、カップリング７４をモータ７２の軸７２ａに固定する止めネジ（図示せず）を締めるためのものである。回転軸２００とともにカップリング７４を回転させることにより、当該止めネジの頭部が孔２１０ｂから見えるようになっている。そして、孔２１０ｂからドライバ等のネジを締める工具を挿入して、当該止めネジを締めることが可能となっている。そして、当該止めネジを締めることにより、カップリング７４がモータ７２の軸７２ａに対して固定される。このようにカップリング７４とモータ７２の軸７２ａまたは／及び回転軸２００（回転軸５４）とは、止めネジ等により固定されるものであってもよい。

第１の実施の形態の圧電アクチュエータ５０においては、回転軸５４は、ハウジング５２に対して軸ホルダー５６を介して固定されているため、軸ホルダー５６と転がり軸受６０，６２とを互いに固定し、これらをハウジング本体８０内に収容した後であっても、回転軸５４の軸ホルダー５６への固定を解くことにより、回転軸５４を軸方向に動かすことが可能となっている。したがって、ハウジング５２と軸ホルダー５６と転がり軸受６０，６２と圧電素子６８等とを一体化した後に、回転軸５４を軸方向に動かし、回転軸５４の後端部及びカップリング７４を圧電素子６８よりも後方へ突出させて、カップリング７４とモータ７２の軸７２ａとを固定する止めネジを締めることが可能となっている。
一方、第２の実施の形態の圧電アクチュエータ５０は、軸ホルダー５６を備えておらず、回転軸５４を軸ホルダー５６に対してずらすことができない。しかし、第２の実施の形態の圧電アクチュエータ５０においては、ハウジング５２と回転軸２００と転がり軸受６０，６２と圧電素子６８等とを一体化した状態において、カップリング７４のモータ７２の軸７２ａと接続される部分が、圧電素子６８よりも後方に突出するようになっている。さらに、当該接続部分に対応する位置に孔２１０ｂが設けられている。そして、この孔２１０ｂからドライバ等を挿入し、カップリング７４とモータ７２の軸７２ａとを固定する止めネジを締めることが可能となっている。

本実施の形態の圧電アクチュエータ５０によれば、回転軸２００が軸ホルダー５６と一体化され、回転軸２００が転がり軸受６０，６２に直接固定される。したがって、回転軸２００の先端の回転方向及び軸方向における動きの精度をより高めることができる。

なお、第二間座２１０は、間座７０と一体的に成形されていてもよい。また、カップリング７４をモータ７２の軸７２ａに固定する止めネジを締めるための孔２１０ｂは、ハウジング５２や間座７０に設けられていてもよい。

１４ 第一マニピュレータ
５０ 圧電アクチュエータ
５４ 回転軸
５４ａ ツール取付部
５６ 軸ホルダー（固定部材）
６０，６２ 転がり軸受
６０ａ，６２ａ 内輪
６０ｂ，６２ｂ 外輪
６４ 内輪間座
６６ スペーサ
６８ 圧電素子
７２ モータ
７２ａ 軸
７４ カップリング
９４，９６ ロックナット（固定部材）
１２０ ツール

Claims (5)

1. 先端部に、操作対象物に作用するツールが設けられる回転軸と、
   前記回転軸を回転させるモータと、
   前記回転軸を回転可能に支持する少なくとも２つの転がり軸受と、
   隣り合う前記転がり軸受の内輪の間に配置される内輪間座と、
   前記内輪と前記内輪間座とを、前記回転軸の軸方向に動かないように固定する固定部材と、
   前記隣り合う転がり軸受のうちの一方の外輪に直接または間接的に当接されて、前記軸方向に伸縮可能な圧電素子と、
   前記モータの軸と前記回転軸とを接続するカップリングと、
   を備え、
   前記カップリングは、前記回転軸の前記軸方向への変位量を吸収可能に前記モータの軸と前記回転軸とを接続していることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記固定部材は、前記隣り合う転がり軸受の内輪及び前記内輪間座と、前記回転軸との間に介装され、前記回転軸を着脱可能に保持する軸ホルダーであることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記回転軸は、前記先端部に、前記ツールが着脱可能に取り付けられるツール取付部を有し、
   前記ツールは、前記ツール取付部に着脱可能に設けられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記ツールは、前記回転軸と一体に設けられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータを備えるマニピュレータ。

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