JP3181778B2 - 多関節マニピュレータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は屈曲する通路を通して移
動させる多関節のマニピュレータに係り、特にその駆動
方式に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、形状記憶合金のような熱力学変
換素子は、素材自体がアクチュエータとして機能するの
で微小化の点で非常に有利であり、マイクロマシン用ア
クチュエータとして注目を集めている。

【０００３】この種のアクチュエータを内視鏡等に用い
られる多関節のマニピュレータに適用した例として、例
えば、特開昭６３−１３６０１４号公報には、各アクチ
ュエータを独立に制御し、フィードバック制御する方式
が記載されている。

【０００４】このような多関節のマニピュレータの微小
化を図るためには、センサやアクチュエータが必要とす
る配線数を削減することが必要であり、各関節に電子回
路を配置し、それらの制御信号線と電源線をそれぞれに
共通させることによって駆動されることが望ましい。

【０００５】しかし実際には、径や大きさが限定された
微小マニピュレータ内に配置するものとすると、形状記
憶合金を通電加熱できるようなインピーダンスの小さい
制御回路を構成することは不可能である。このため、比
較的インピーダンスの高い電熱ヒータを制御回路に接続
して形状記憶合金を加熱する方式が考えられる。

【０００６】このような電熱ヒータを利用して、各関節
に配置された電子回路によって、多関節マニピュレータ
を制御する方式について、制御回路と電熱ヒータを一体
形成する方式について、図３１乃至図３６を参照して説
明する。

【０００７】まず、図３１（ａ），（ｂ）に示すよう
に、面方位が〈１００〉のＰ型低濃度半導体基板１に、
リンのイオン注入及び熱拡散工程を用いて、接合深さ１
０μｍのＮ型低濃度領域２を複数形成する。

【０００８】次に図３２に示すように、各々のＮ型低濃
度領域２の、Ｐch ＭＯＳＦＥＴを形成するためのＮウ
ェル領域３を、Ｎch ＮＯＳＦＥＴを形成するためのＰ
ウェル領域４をそれぞれ形成し、通常のＣＭＯＳ半導体
デバイスの製造技術に従って、フィールド酸化膜５、ゲ
ート電極６、Ｐ型高濃度拡散層７、Ｎ型高濃度拡散層
８、シリコン酸化膜よりなる第１層間絶縁膜９、第１金
属配線層１０の形成工程を経て、各々のＮ型低濃度拡散
領域にＣＭＯＳ集積回路を形成し、更にポリイミドより
成る第２層間絶縁膜１１を形成する。

【０００９】ここで、Ｎ型低濃度領域２に形成されるＣ
ＭＯＳ集積回路は図３３に示すように、Ｄ型フリップフ
ロップ１２とスイッチング用トランジスタ１３を含み、
入力電源線の端子領域１４、入力ＧＮＤ線の端子領域１
５、入力同期信号線の端子領域１６、入力制御線の端子
領域１７、駆動線の端子領域１８、出力電源線の端子領
域１９、出力ＧＮＤ線の端子領域２０、出力同期信号線
の端子領域２１及び出力制御線の端子領域２２を有して
いる。ここで、スイッチング用トランジスタは、エンハ
ンスメント型Ｎch ＭＯＳＦＥＴを用いている。

【００１０】次に図３４に示すように、所定の位置に、
ポリイミドのような柔軟な絶縁素材によって覆われて、
各電子回路領域を相互接続するアルミニウム（Ａｌ）薄
膜による関節間配線２５とＴｉ薄膜による電熱線パター
ン２６をＴｉのスパッタリング及びリソグラフィ工程に
よって形成する。ここで、関節間配線は図３３で示し
た、各端子領域にコンタクト孔を介して接続されてお
り、Ｔｉ薄膜による電熱線パターンは駆動線の端子領域
に接続されている。

【００１１】次に図３５に示すように、図３４に示した
構成の上層に層間絶縁膜を形成し、さらに駆動体となる
厚さ５０μｍの形状記憶合金薄膜パターン２７を形成す
る。そして、前述した電子回路、配線、形状記憶合金を
形成した以外の領域の層間絶縁膜をリソグラフィ工程に
よって、エッチング除去した後、基板の形状記憶合金薄
膜等を形成した側の主面を保護膜によって保護した上
で、Ｎ型低濃度領域２に１Ｖの電圧を印加しながら、７
０℃の２０ｗ％のテトラメチルアンモニウムハイドロオ
キサイド溶液中で処理する電気化学エッチング処理によ
って、Ｎ型低濃度領域以外の領域の半導体基板を選択的
に除去する。

【００１２】一般的なＣＭＯＳ回路においては、電源線
がＮウェルに接続されており、電源配線をバイアスする
ことでＮ型低濃度領域がバイアスされる。その後、フッ
酸溶液等によってシリコン酸化膜の第１層間絶縁膜１０
のＮ型低濃度領域以外の露出した領域をエッチング除去
してから表面保護膜を除去する。

【００１３】この様にして、柔軟なポリイミドによって
覆われた配線及び電熱線パターンと、その下部に部分的
に残存した電子回路を構成する半導体領域と、上部に形
成された形状記憶合金が一体化された駆動機構が得られ
る。この駆動機構を別に用意されたリンク機構等を有す
る構造体に実装することによって、多関節マニピュレー
タとして機能させることができる。

【００１４】このように電熱ヒータ及び形状記憶合金と
一体化して形成された制御回路を用いた多関節マニピュ
レータを制御する方式について、図３６のタイムチャー
トを参照して説明する。ここで、多関節マニピュレータ
は、ｎ個の関節を有し、電子回路は全体としてｎビット
のシフトレジスタを構成しているものとする。

【００１５】このタイムチャートからわかるように、制
御における単位時間を第１、第２、第３の３つの時間領
域に分けて考える。第１時間領域においては、ｎ個の同
期信号パルスが出力され、その最初の立上り時に前段の
ビットの状態が転送される。従って、第１時間領域を通
じて、この図のように最初に１つだけ制御信号線にパル
スを与えると、順次各ビットが１つだけＨレベル状態と
なり、そのビットに対応した電熱ヒーターが通電され
る。電熱ヒーターの抵抗値は温度依存性を有するので、
この際の電流量をモニタすることで、各電熱ヒータの抵
抗値から温度を検出することができる。このように検出
された温度を基に通電すべき電熱ヒータを決定して、第
２時間領域で必要なパルスを入力して、所定の関節に対
応するＤＦＦをＨレベル状態にすることにより、必要な
アクチュエータを駆動し（図示したタイムチャートでは
１番目とｋ番目の関節が駆動される）、この状態を第３
時間領域で保持する。

【００１６】その後、このタイムチャートには図示して
いないが、制御信号線をＬレベル状態としたまま、同期
信号線にｎ個のパルスを出力して、各ＤＦＦをＬレベル
状態としてから第１時間領域の処理に戻る。このような
処理を充分に短い周期で行えば、きめ細かいフィードバ
ックによって各駆動体の形状記憶合金を所定の温度に維
持することができる。

【００１７】次に、前述した電熱ヒータと制御回路の基
本的な構成について、図３７に示す。この構成において
は、１つの駆動体には、１つのＤＦＦと１つのヒータが
対応している。

【００１８】以上説明したように、従来の方式では、電
熱ヒータが温度センサとしても機能し、各関節に配置さ
れた電子回路によって、多くの関節を有する場合にあっ
ても４本の配線によってフィードバック制御が可能で、
しかも各構成要素が一体形成されているために、非常に
微細な多関節マニピュレータを得ることができる。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述した従来
方式は、センサの読み出し時における積分時間が回路の
動作サイクルを制限する。即ち、前記センサの測定精度
を高めるためには、読み出し時の積分時間を長くする必
要があるが、これによって回路の動作サイクルが長くな
ってしまう。この場合は、ヒータがＯＦＦの状態のサイ
クルでの温度低下が大きくなるため、特に周囲温度が低
い場合には、温度振幅が大きくなり、アクチュエータの
安定した位置制御が難しくなる。

【００２０】一方、ヒータの状態がＯＮとＯＦＦの２状
態に設定されているため、回路の動作サイクルを十分に
短くしないと温度振幅が大きくなり、安定した位置制御
が難しくなる。

【００２１】また、前述したヒータの抵抗値の変化を検
出して、センサとして利用する方式においては、アクチ
ュエータの応答性を高めることを目的として、ヒータの
抵抗値を比較的小さく設定した場合にあっては、制御回
路のスイッチングトランジスタや配線抵抗に対するヒー
タの抵抗値の変化が相対的に小さくなるので、高精度の
計測が困難になり、アクチュエータの位置精度が低下す
る。

【００２２】また、前記した制御回路とヒータの一体形
成において、回路領域を選択的に残存させて基板を除去
することを目的として行う電気化学エッチング法は、エ
ッチング装置が複雑になり、また各基板に対してバイア
スを印加する必要があるので一度に大量の基板を処理す
ることができず、製造コストの増大につながる。

【００２３】また、前述したヒータによる間接加熱法
は、通電加熱法と比較すると熱効率が劣るので消費電力
が大きくなるという問題がある。そこで本発明は、周囲
温度に影響されず、且つ回路の動作サイクルが比較的長
い場合にあっても温度振幅が小さく安定した位置制御が
可能で、且つ応答性が高く、位置精度の高い多関節マニ
ピュレータを提供することを目的とする。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、複数の関節部を有し、各関節部に形状記憶
素子による駆動部を配した多関節マニピュレータにおい
て、前記形状記憶素子を駆動させるための第１の熱電変
換制御手段と、前記形状記憶素子を所望温度に保持させ
る予熱を与える第２の熱電変換制御手段とで構成される
多関節マニピュレータを提供する

【００２５】

【作用】以上のような構成の多関節マニピュレータは、
所望する際にＯＮ状態となっている予熱用の電熱ヒータ
によって、周囲温度が低く、駆動用の電熱ヒータがＯＦ
Ｆの状態にあっても温度低下が少なく、安定、且つ高応
答性の位置制御が可能になる。

【００２６】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。図１乃至図５には、本発明による第１実施
例としての多関節マニピュレータの一例を示し、構成及
び動作について説明する。

【００２７】まず図１に示すように、Ｐ型半導体基板３
１上に、各関節に配置する電子回路を形成する領域にＰ
型高濃度埋め込み層３２を形成し、基板表面にＮ型の低
濃度エピタキシャル層３３を形成する。

【００２８】次に図２に示すように、各々のＰ型高濃度
埋め込み層３２の上部に、Ｐch ＭＯＳＦＥＴを形成す
る領域にＮウェル３４をＮch ＭＯＳＦＥＴを形成する
領域にＰウェル３５をそれぞれ形成する。

【００２９】さらに、通常のＣＭＯＳ半導体デバイスの
製造技術を用いて、フィード酸化膜３６、ゲート電極３
７、Ｐ型高濃度拡散層３８、Ｎ型高濃度拡散層３９、シ
リコン酸化膜よりなる第１層間絶縁膜４０、第１金属配
線層４１をそれぞれ形成し、各々のＰ型高濃度埋め込み
層の上部のＮ型低濃度エピタキシャル層にＣＭＯＳ集積
回路を形成する。さらにポリイミドからなる第２層間絶
縁膜４２を形成する。

【００３０】そして各関節部に形成されるＣＭＯＳ集積
回路は、図３に示すように、Ｄ型フリップフロップ４３
とスイッチング用トランジスタ４４を含み、入力電源線
の端子領域４５、入力ＧＮＤ線の端子領域４６、入力同
期信号線の端子領域４７、入力制御線の端子領域４８、
駆動線の端子領域４９、予熱線の端子領域５０、出力電
源線の端子領域５１、出力ＧＮＤ線の端子領域５２、出
力同期信号線５３の端子領域５４及び出力制御線の端子
領域５５を有している。ここでスイッチング用トランジ
スタはエンハンスメント型Ｎch ＭＯＳＦＥＴである。

【００３１】次に図４に示すように、所定領域をポリイ
ミドのような柔軟な絶縁素材によって覆った後、各電子
回路領域を相互接続するＡｌ薄膜による関節間配線５５
と、Ｔｉ薄膜による駆動用電熱線パターン５６と予熱用
電熱線パターン５７をＴｉ薄膜によって形成する。

【００３２】ここで、関節間配線は図３で示した各端子
領域にコンタクト孔を介して接続されており、Ｔｉ薄膜
による駆動用電熱線パターン５６は駆動線の端子領域に
接続される。予熱用電熱線パターン５７は、予熱線の端
子領域に接続されている。但し予熱用電熱ヒータは駆動
用電熱ヒータと比較して、発熱量が充分に小さくなるよ
うに電気抵抗値が設定されている。

【００３３】次に図５に示すように、この上層に層間絶
縁膜を形成し、この層間絶縁膜を介して、駆動体となる
厚さ５０μｍの形状記憶合金薄膜パターン５８を形成す
る。前述した電子回路、配線、形状記憶合金を形成した
以外の領域の層間絶縁膜をリソグラフィ工程によって、
エッチング除去した後、基板の形状記憶合金薄膜等を形
成した側の主面を保護膜によって保護した上で、７０℃
の２０ｗ％のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサ
イド溶液中で処理する。

【００３４】この時、高濃度のＰ型埋め込み領域は、低
濃度領域と比較して、エッチングレートが非常に遅いた
め、エッチング時間を適切に制御することによって、制
御回路を形成したＰ型埋め込み層の上部領域を選択的に
残存させることができる。この手法は、先に述べた電気
化学エッチング工程が不要になるため、基板に電圧を印
加する必要がなく、単純なエッチング装置で、一度に多
量の基板を処理することができる。

【００３５】ここで、このアクチュエータの制御方式
は、基本的には、図３６に示した方式と同様であるが、
図３からわかるように電源ラインに電圧が印加されてい
る状態では、予熱用電熱ヒータが常に通電状態になって
いる。このため温度の測定精度を高めるために、計測時
の積分時間を長く設定し、動作サイクルが長く、しかも
周囲温度が低い場合にあっても、予熱用電熱ヒータの作
用で、駆動用電熱ヒータがＯＦＦの状態での温度低下が
抑制され、安定したアクチュエータの位置制御が可能と
なる。

【００３６】次に図６には、本発明による第２実施例と
しての多関節マニピュレータに用いられるＣＭＯＳ集積
回路の素子構造例を示し説明する。前述した第１実施例
は、ＣＭＯＳデバイスからなる制御回路を用いたもので
あったが、この第２実施例は、バイポーラデバイスを用
いた例である。

【００３７】この多関節マニピュレータにおいては、図
１と同様に、Ｐ型半導体基板３１上には、各関節に配置
する電子回路を形成する領域に、Ｐ型高濃度埋め込み層
３２を形成する。そして基板表面にＮ型の低濃度エピタ
キシャル層３３を形成した後に、Ｎ型高濃度埋め込み層
６１を形成し、Ｎ型高濃度埋め込み層６１を介して第２
のＮ型低濃度エピタキシャル層６２を形成する。

【００３８】さらに通常の製造工程に従い、コレクタ領
域６３、ベース領域６５、エミッタ領域６４、フィール
ド酸化膜６６を形成する。その後、シリコン酸化膜より
なる第１層間絶縁膜６７、第１金属配線層６８を形成し
て、各々のＰ型高濃度埋め込み層の上部のＮ型低濃度エ
ピタキシャル層にバイポーラ集積回路を形成する。

【００３９】以下、第１実施例に準じた製造工程で多関
節マニピュレータを構成する。但し、スイッチングトラ
ンジスタには、ＮＰＮバイポーラトランジスタを用い
る。この製造工程でも、高濃度Ｐ型埋め込み層によっ
て、電気化学エッチングを用いることなく回路領域を残
存させて基板をエッチングすることが可能である。一般
的にバイポーラデバイスは、ＣＭＯＳデバイスよりも駆
動能力が大きいので、電熱ヒータの発生熱量を大きくす
る上では有利である。

【００４０】次に図７には、本発明による第３実施例と
しての多関節マニピュレータに用いられる駆動制御部の
構成例を示し、説明する。この第３実施例は、従来で説
明した図３１乃至図３６で説明した方式の電熱ヒータ
と、図３７に示した制御回路の構成とは、基本的には同
じであるが、本実施例は、図７に示すように改善したも
のである。

【００４１】第３実施例は、１つの駆動体に対して、３
つのヒータと３つのＤＦＦが設けられている。この構成
は、入力される駆動パルスによって、駆動状態とする電
熱ヒータの数を規定することで形状記憶合金に与える熱
量を段階的に制御することができる。

【００４２】従って、きめ細かな温度制御が可能とな
り、温度振幅が小さく、安定したアクチュエータの制御
が可能となる。３つのヒータはレイアウトを工夫して入
り組んだ形とすることで、ヒータ領域での温度の均一性
を確保することができる。

【００４３】次に図８には、本発明による第４実施例と
しての多関節マニピュレータに用いられる駆動制御部の
構成を示し、説明する。この第４実施例は、１つの駆動
体に対して１つのヒータと３つのＤＦＦが設けられてい
る。この構成は、入力される駆動パルスによって、駆動
状態とするＤＦＦの数によって導通状態とする並列に接
続されたスイッチングトランジスタの数を規定すること
により、スイッチングトランジスタの全体としてのＯＮ
抵抗を制御することによって、ヒータの印加電圧を制御
し、形状記憶合金に与える熱量を段階的に制御すること
ができる。これによってきめ細かな温度制御が可能とな
り、温度振幅が小さく、安定してアクチュエータの制御
が可能となる。

【００４４】次に図９，１０には、本発明による第５実
施例としての多関節マニピュレータの構成例を示し、説
明する。図９に示すように、形状記憶合金ワイヤ７１を
ボンドに７２に巻き付けた状態で、イオン注入機を用い
て高加速度の酸素イオンをボビンの軸方向にのみスキャ
ンして注入する。このようにイオン注入すると、図１０
に示すようにワイヤを延ばしたときに、一定の間隔でイ
オン注入領域７３ができる。この領域では注入された酸
素によって抵抗値が大きくなるので、ワイヤの平均抵抗
率が大きくなる。通電時の発熱はイオン注入領域に集中
し、この領域はアモルファス化するので形状記憶効果を
示さないが、熱伝導によって注入されていない領域も加
熱されるので実際の動作には問題ない。

【００４５】このように形状記憶合金の抵抗率を大きく
することができるので、駆動能力の比較的小さい制御回
路でも、熱効率の高い通電加熱法で多関節マニピュレー
タを構成することができる。

【００４６】次に図１１，１２には、本発明による第６
実施例としての多関節マニピュレータに用いられる駆動
部材の構成を示し、説明する。この第６実施例は、形状
記憶合金平板７４に、通電すべき方向とは垂直に、帯状
で等間隔のイオン注入領域７５を形成する。効果は第５
実施例の場合と同様である。いずれの場合でもイオン注
入量を適当に制御することによって、抵抗値を制御系に
対して適当な値にすることができる。

【００４７】次に図１３には、本発明による第７実施例
としての多関節マニピュレータに用いられる駆動制御部
の構成例を示し、説明する。この第７実施例は、各駆動
体に２つのＤＦＦと低抵抗パターン７６と高抵抗パター
ン７７の２つで構成される電熱ヒータを配置する。それ
ぞれの抵抗パターンの一端は、スイッチングトランジス
タ７８を介して電源ライン１９に接続され、他端は、Ｇ
ＮＤライン８０に接続される。前記スイッチングトラン
ジスタ７８は、それぞれ２つのＤＦＦに駆動制御され
る。

【００４８】前記低抵抗パターン７６は、発熱量が大き
いため、形状記憶合金を高速で加熱でき、高抵抗パター
ン７７は、抵抗値が大きいため、高精度の温度センサと
して用いることができる。

【００４９】このような２つ抵抗値が異なる電熱ヒータ
パターンは同一の薄膜を用いて、線幅を変えてパターニ
ングすることで容易に得られる。制御に際しては駆動パ
ルスを適当に設定することで、センシング時は高抵抗パ
ターンを、駆動時には低抵抗パターンをそれぞれ使用す
る。このような構成にすることで、電熱ヒータの発熱量
が大きく、しかも高抵抗パターンによってセンシングさ
れるために、各種寄生抵抗の影響を受けることが少な
く、高精度の計測が可能で、結果として高精度の位置制
御を行うことができる。

【００５０】このような多関節マニピュレータによれ
ば、高精度の制御が可能で効率と生産性の高いアクチュ
エータを得ることができる。次に図１４乃至図１９に
は、本発明による第８実施例としての多関節マニピュレ
ータの構成例を示し、説明する。ここでは、第１〜７実
施例が電熱ヒータによる間接加熱をしているものである
のに対して、通電加熱の場合を示しておく。

【００５１】図１４には、多関節マニピュレータの外観
を示す。この多関節マニピュレータ９０は、断面形状と
して複数のルーメンを有しており、図１７に示すような
一端が平面で他端が球面状に凹となっている円環状の管
状体９２の２つを平面側を継合させる。その管状体９２
の両側の凹部と他の管状体９２の凹部との間に、ほぼ球
形で断面形状が図１６に示すような複数のルーメンを有
する球状体９３を挟む。この多関節マニピュレータは、
このような組み合わせを連続させて構成する関節部を複
数設けており、内部には長手方向に弾性体９４を配して
ある。

【００５２】前記弾性体９４には、図１５に示すよう
に、前記球状体９３が、ほぼ等間隔にさし込まれた状態
であり、それらの球状体９３の間に管状体９２が設けら
れている。

【００５３】そして、図１８に示すように多関節マニピ
ュレータ９０の各関節部には、加熱すると収縮し、冷却
すると伸びる形状記憶合金ワイヤ９５（以下ＳＭＡワイ
ヤと略す）が４本設けられており、ＳＭＡワイヤ９５の
端部は管状体９２に固定支持されている。その固定方式
は、図１８に示すように管状体９２の端部の切り欠き部
に図１９で示す形状の固定部材９６がはめ込まれてお
り、その固定部材９６の中に前記ＳＭＡワイヤ９５を入
れて端部を平たくつぶして引っかかりを設けている。Ｓ
ＭＡワイヤ９５の端部には、通電加熱をするための通電
線９７が溶接されている。こうして、１関節分の構造体
を連結的に長手方向に接着若しくは接合により結合され
たものが図１４に示される多関節マニピュレータ９０で
ある。

【００５４】なお、管状体９２および球状体９３のルー
メン内には内蔵物としてライトガイドケーブル通電線９
７、それに図示しない先端部に設けられた処置具（ドリ
ル、鉗子等）を動作させるための電力供給線数を配して
ある。

【００５５】また、前記ＳＭＡワイヤ９５の管状体９２
への固定方式の他の例を示す。その構造は、図２４
（ａ）に示すような構造であり、端部を変形させたＳＭ
Ａワイヤ９５の外側に内パイプ１１６と固定部材９６と
をはんだ付により接合してＳＭＡワイヤ９５と反対側か
ら通電線９７をはんだ付している。このときのＳＭＡワ
イヤ９５の端部形状は、図２５に示すようにＳＭＡワイ
ヤ９５の側面より治具１１７で押し付けて変形させたも
ので、端部が平らな形状断面である。

【００５６】そしてこのＳＭＡワイヤ９５の端部のサイ
ズは、まず内パイプ１１６の内径よりも大きく固定部材
９６の内径より小さいように加工されている。または固
定部材９６より多少大きくとも後で変形させて押し込ん
だものでもよい。

【００５７】また、前記ＳＭＡワイヤ９５の管状体９２
への固定方式は固定部材９６を管状体９２へはめ込む形
を取っているが、管状体９２を図２７に示す多孔とし
て、そのルーメン内に固定部材９６を図２８に示すよう
に引っかけてもよい。この場合には、固定部材９６の外
径をルーメンの内径より大きくしておき、図のように管
状体９２のＳＭＡワイヤ９５の配される部分の端部を固
定部材９６が入るように一段下げておく。

【００５８】このような場合には、例えばＳＭＡワイヤ
９５はルーメン１２０ｅ，ｆ，ｇ，ｈに入れることがで
き、残りのルーメンには内蔵物として図示しないライト
ガイドケーブル、イメージガイドケーブルや、ＳＭＡワ
イヤ９５を通電するための通電線を入れる。

【００５９】さらに、ＳＭＡワイヤ９５の管状体９２へ
の固定方式の他の例として、ＳＭＡワイヤと通電線の接
続方式の一例を示す。例えば、図２４（ｂ）のように、
固定部材９６に内パイプ１１６を圧入したり、または、
２つを焼はめする方式がある。または、同図（ｃ）のよ
うに、固定部材９６と内パイプ１１６とを接着剤により
接続する方式がある。

【００６０】さらにＳＭＡワイヤ９５の形状としては、
他にも、図２９（ａ）に示すようにＳＭＡワイヤ９５の
両端を治具１２１，１２２ではさみ込み、押し潰した形
状として同図（ｂ）のような断面形状に形成する。

【００６１】また、本実施例に用いることができるＳＭ
Ａワイヤの端部形状の他の処理例を示す。図３０（ａ）
は、ＳＭＡワイヤ９５の端部をレーザ等により溶融させ
て球状とした例であり、同図（ｂ）は、ＳＭＡワイヤ９
５の端部のみをスパッタリング技術等により金属を堆積
させて太径とした例である。

【００６２】この様に構成された第８実施例の多関節マ
ニピュレータの動作について説明する。まず、ユーザー
の手元側にある図示しない制御装置を動作させて、前記
ＳＭＡワイヤ９５を加熱すると、球状体９３の部分がジ
ョイントの役割を果たして、ＳＭＡワイヤ９５を加熱し
た方向に関節部が曲がる。加熱を止めると、弾性体９４
がバイアス力として働き、関節部を直線状にもどす。Ｓ
ＭＡワイヤ９５は、関節部にほぼ４等分して設けられて
いるので、全方向への湾曲が可能である。またＳＭＡワ
イヤの加熱の比率を変えることもできる。

【００６３】この多関節マニピュレータは構造がシンプ
ルで小型化可能である。次に図２０には、本発明による
第９実施例としての多関節マニピュレータを駆動する駆
動部材の構成を示し、説明する。

【００６４】この第９実施例は、第８実施例における弾
性体９４を図２０に示すような弾性パイプ９８として設
けたものであり、他の部材は基本的に第８実施例と同じ
である。なお、弾性パイプ９８は超弾性合金であっても
よい。

【００６５】この第９実施例は、第８実施例と同様に、
構造がシンプルであり、且つ小型化可能な多関節マニピ
ュレータである。次に図２１，図２２，図２６には、本
発明による第１０実施例としての多関節マニピュレータ
の構成例を示し、説明する。

【００６６】この第１０実施例の多関節マニピュレータ
は、図２１に示すように円環状の管状体１０１に切り欠
きを設けて、切り欠き部で曲がるようにしてあり、管状
体１０１の切り欠き部近傍に２つの円環１０２を設け、
円環１０２内部にＳＭＡワイヤ１０３を配して、端部を
円環１０２の端部に第８実施例と同様にして固定してあ
る。そして、前記管状体１０１と円環１０２のすき間の
部分には、図９のようにライトガイドケーブル（ＬＧ）
１０４、イメージガイドケーブル１０５、ＳＭＡワイヤ
１０３に接続されている通電線１０６が設けられてお
り、これらの内蔵物により円環１０２は管状体１０１内
部のほぼ中央に固定されている。この１関節分が長時間
に複数個、設けられており、それぞれの管状体１０１に
おけるＳＭＡワイヤ１０３の固定部は１８０°ないし９
０°づつずれている。

【００６７】この様に構成された多関節マニピュレータ
の動作は、ＳＭＡワイヤ１０３の両端部を管状体１０１
の端部に固定されている位置の方向と同じ方向に円環１
０２内にあるＳＭＡワイヤ１０３が加熱により移動する
ため、中心軸上からずれた方向に管状体１０１の切り欠
き部が曲がる。

【００６８】この第１０実施例は、湾曲角を大きくする
ことができる特徴がある。従来では、図２６に示すよう
に湾曲角を大きくするために、図２６（ａ）に示すよう
に１０３を中心軸近傍に設けたが、これを動作させる
と、同図（ｂ）のように湾曲とともにＳＭＡワイヤ１０
３が軸近傍から外側に移動してしまうため、大きい湾曲
角を得るには効率が悪い。従って、第１０実施例では、
大きい湾曲角に改善したものである。

【００６９】次に図２３を参照して、本発明による第１
１実施例としての多関節マニピュレータについて説明す
る。この第１１実施例は、円環１０２を予め中心軸から
ＳＭＡワイヤ固定方向と同じ方向にずらして設けた。こ
の円環１０２のサイズは第１０実施例よりも小さいもの
でＳＭＡワイヤ１０３を挿通でき、摺動可能な最小のサ
イズである。

【００７０】この第１１実施例は、円環１０２を予め中
心軸からＳＭＡワイヤ固定方向と同じ方向にずらして設
けた。この円環１０２のサイズは第１０実施例よりも小
さいものでＳＭＡワイヤ１０３を挿通でき、摺動可能な
最小のサイズである。この多関節マニピュレータの動作
は、ＳＭＡワイヤ１０３を加熱すると、円環１０２のず
れた方向へと管状体１０１の切り欠き部が曲がる。よっ
て、この多関節マニピュレータは、第１０実施例と比べ
て、円環が小さくでき、内蔵物を多く入れられる。な
お、第８〜１１実施例では、通電加熱について述べてい
るが第１〜７実施例のような方法で、電熱ヒータによる
間接加熱を行うことも可能である。この場合は、通電線
を取り外し、電熱ヒータを配置すればよい。

【００７１】以上説明したように、本実施例の多関節マ
ニピュレータは、１つのアクチュエータに発熱量の大き
い駆動用ヒータと発熱量の小さい予熱用ヒータを設ける
ことによって、回路サイクルがそれ程速くなく、周囲温
度が低い場合であっても安定した制御が可能な省線化制
御回路を提供できる。

【００７２】また、本実施例の多関節マニピュレータ
は、１つのアクチュエータに複数のシフトレジスタを割
り当て、それらのスイッチングトランジスタをヒータに
対して、並列に設けることによって、ＯＮ状態のシフト
レジスタの数によって、ＯＮ抵抗が変り、ヒータの発熱
量を制御することが容易にできる。同様に、１つのアク
チュエータに複数のシフトレジスタとヒータを割り当
て、各ヒータのＯＮ／ＯＦＦを制御することにより、発
熱量をコントロールすることができる。この発熱量のコ
ントロールによって、回路サイクルがそれ程速くなくて
も安定した制御が可能な省線化制御回路を提供できる。

【００７３】さらに、回路領域全面に高濃度埋め込み層
を形成して、その領域に到達するとレンチ分離領域が形
成される構造の制御回路を用いることにより、電気化学
エッチングを製造工程に含まずに駆動能力が大きいバイ
ポーラ構造の素子にも適用することができる。従って製
造工程の簡素化及び製造コストの低減が実現される。

【００７４】また、本実施例の多関節マニピュレータ
は、複数の関節部を有する多関節管状構造体であり、そ
れらの関節部が球体と弾性体を用いた球状関節構造を成
し、簡素な構造で小型化が容易に可能である。また本発
明は、前述した実施例に限定されるものではなく、他に
も発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形や応用が可
能であることは勿論である。

【００７５】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、周
囲温度に影響されず、且つ回路の動作サイクルが比較的
長い場合にあっても温度振幅が小さく安定した位置制御
が可能で、且つ応答性が高く、位置精度の高い多関節マ
ニピュレータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第１実施例としての多関節マニピ
ュレータに用いられるＣＭＯＳ回路領域を形成する基板
構造を示す図である。

【図２】第１実施例に用いられるＣＭＯＳ集積回路の素
子構造を示す断面図である。

【図３】図２に示したＣＭＯＳ集積回路の回路構成を示
す図である。

【図４】電熱線パターンを含む電子回路領域の接続構成
を示す図である。

【図５】図４に示した電子回路領域の電熱線パターン上
に形成された形状記憶合金薄膜パターンを含む電子回路
領域の接続構成を示す図である。

【図６】本発明による第２実施例としての多関節マニピ
ュレータに用いられるＣＭＯＳ集積回路の素子構造を示
す図である。

【図７】本発明による第３実施例としての多関節マニピ
ュレータに用いられる駆動制御部の構成を示す図であ
る。

【図８】本発明による第４実施例としての多関節マニピ
ュレータに用いられる駆動制御部の構成を示す図であ
る。

【図９】本発明による第５実施例としての多関節マニピ
ュレータに用いられる駆動部材の構成を示す図である。

【図１０】図９の駆動部を用いた駆動部材の構成例であ
る。

【図１１】本発明による第６実施例としての多関節マニ
ピュレータに用いられる駆動部材の概略を説明するため
の図である。

【図１２】本発明による第６実施例としての多関節マニ
ピュレータに用いられる駆動部材の構成を示す図であ
る。

【図１３】本発明による第７実施例としての多関節マニ
ピュレータに用いられる駆動制御部の構成を示す図であ
る。

【図１４】本発明による第８実施例としての多関節マニ
ピュレータの外観構成を示す図である。

【図１５】第８実施例における弾性体と球状体の接続構
成を示す図である。

【図１６】第８実施例の多関節マニピュレータに用いら
れる球状体の構造を示す図である。

【図１７】第８実施例の多関節マニピュレータに用いら
れる管状体の構造を示す図である。

【図１８】多関節マニピュレータの関節部の構造を示す
図である。

【図１９】第８実施例の多関節マニピュレータに用いら
れる固定部材の構造を示す図である。

【図２０】本発明による第９実施例としての多関節マニ
ピュレータを駆動する駆動部材の構成を示す図である。

【図２１】本発明による第１０実施例としての多関節マ
ニピュレータの外観構成を示す図である。

【図２２】第１０実施例の多関節マニピュレータの管状
体に挿入されたＳＭＡワイヤの配置を示す図である。

【図２３】第１１実施例としての多関節マニピュレータ
に用いられる管状体に挿入されたＳＭＡワイヤの配置を
示す図である。

【図２４】多関節マニピュレータに用いられるＳＭＡワ
イヤと管状体との固定方式の例を示す図である。

【図２５】ＳＭＡワイヤの端部形状を示す図である。

【図２６】湾曲した管状体に挿入されたＳＭＡワイヤの
位置関係を示す図である。固定部材９

【図２７】多孔を有する管状体の構造例を示す図であ
る。

【図２８】多関節マニピュレータに用いられるＳＭＡワ
イヤと管状体との固定方式の例を示す図である。

【図２９】ＳＭＡワイヤの端部形状を示す図である。

【図３０】ＳＭＡワイヤの端部形状の例を示す図であ
る。

【図３１】従来のＣＭＯＳ集積回路を形成する基板構造
を示す図である。

【図３２】従来のＣＭＯＳ集積回路の素子構造を示す断
面図である。

【図３３】従来のＣＭＯＳ集積回路の回路構成を示す図
である。

【図３４】従来の電熱線パターンを含む電子回路領域の
接続構成を示す図である。

【図３５】図３４に示した電子回路領域の電熱線パター
ン上に形成された形状記憶合金薄膜パターンを含む電子
回路領域の接続構成を示す図である。

【図３６】従来の多関節マニピュレータの制御方式を説
明するためのタイムチャートである。

【図３７】従来の多関節マニピュレータの電熱ヒータと
制御回路の基本的な構成を示す図である。

【符号の説明】

１…Ｐ型低濃度半導体基板、２…Ｎ型低濃度領域、３…
Ｎウェル領域、４…Ｐウェル領域、５，３６…フィール
ド酸化膜、６，３７…ゲート電極、７，３８…Ｐ型高濃
度拡散層、８，３９…Ｎ型高濃度拡散層、９，４０…第
１層間絶縁膜、１０…第１金属配線層、１１，４２…第
２層間絶縁膜、１２…Ｄ型フリップフロップ、１３…ス
イッチング用トランジスタ、１４，１５，１６，１７，
１８，１９，２０，２２，２４…端子領域、２１…出力
同期信号線、３１…Ｐ型半導体基板、３２…Ｐ型高濃度
埋め込み層、３３…Ｎ型の低濃度エピタキシャル層、４
３…Ｄ型フリップフロップ、４６…入力ＧＮＤ線の端子
領域、４７…入力同期信号線の端子領域、４８…入力制
御線の端子領域、４９…駆動線の端子領域、５０…予熱
線の端子領域、５１…出力電源線の端子領域、５２…出
力ＧＮＤ線の端子領域、５３…出力同期信号線、５４…
出力同期信号線の端子領域、５５…出力制御線の端子領
域。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−261078（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−46475（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−37629（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−54378（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−179083（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B25J 19/00 F03G 7/06

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の関節部を有し、各関節部に形状記
   憶素子による駆動部を配した多関節マニピュレータにお
   いて、 前記形状記憶素子を駆動させるための第１の熱電変換制
   御手段と、 前記形状記憶素子を所望温度に保持させる予熱を与える
   第２の熱電変換制御手段と、を具備することを特徴とす
   る多関節マニピュレータ。