JP3919095B2 - マイクロハンド - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バイオテクノロジー、医学、半導体集積回路の製造・検査など微細操作が必要な産業分野に利用でき、特に微小対象物の位置決め、移送、切断、接合などの微細操作を正確かつ容易に行い、あるいは精密位置決めを行う試料台機構などへの利用に適したマイクロハンドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
顕微鏡下の微細作業に適したマイクロマニピュレータとして１本の指片で微細操作を行う場合、例えば、特開平１０−１３８１７７号公報に記載された３自由度マイクロマニピュレータがある。
【０００３】
この従来技術は、顕微鏡下の微細作業では、互いに直交する３軸方向の並進３自由度の動作が主たる動作になるという点に着目して開発された３自由度マイクロマニピュレータであり、ベース部材とエンドエフェクタを結ぶ３つのリンク機構により、エンドエフェクタの３自由度の精密位置決め制御を実現するものである。
【０００４】
また、リンク機構については、回転対偶，並進対偶を組み合わせて（Ｒは回転対偶、Ｐは並進対偶）、ＲＲＰＰ機構、ＲＰＲＰ機構、ＰＲＰＲ機構、ＲＰＰＲ機構などの４自由度のリンク機構を３つパラレルに配置することにより、エンドエフェクタに３自由度の動作を行なわせるようにし、また、回転対偶のヒンジ部や並進対偶の連結杆部の両端を薄肉形成して、回転対偶や並進対偶を可能にしている。
【０００５】
この従来技術は、ヒンジ部等にボールジョイントなどを必要とせず、部品ひいては機構の簡略化を図り得る利点がある。ただし、マイクロマニピュレータのリンク機構を構成する柔軟構造物を、どのように製作して安価で且つ小形化を図れるかとか、その材質、および、駆動させる機構としてのアクチュエータ配設の具体的提案はされていない。
【０００６】
本発明者らは、先に、特開平８−１３２３６３号（特許番号第２５６０２６２号）等において、小型で指の機能を果たす箸状の２本の指片（手先片）を備えたマイクロハンド機構（マニピュレータ）を提案している。この箸状の指片を備えたマイクロハンド機構は、光学顕微鏡下では数μｍ程度の微小物体を把持、持ち上げ、回転、移動、開放することを実現している。
【０００７】
この従来技術は、６自由度の運動を制御する上部パラレルリンク機構と下部パラレルリンク機構とを２段に重ねて配置する。上部パラレルリンク機構は、２つの指片（第１指片、第２指片）のうちの一方を可動させて指片同士に微小な相対運動を生成させるものである。下部パラレルリンク機構は、第１指片と第２指片とを広い作業空間にある対象物に対して位置決めを行うものである。上部パラレルリンク機構は、それぞれの指片を有する２つのエンドエフェクタ（基体、支柱）を備える。このうち、一方のエンドエフェクタ（支柱）は他方のエンドエフェクタ（基体）に貫通状態で配置され、かつ中間ベースに固定されている。他方のエンドエフェクタ（基体）は、針先（指先）合わせ機構を有しかつ6本のリンク機構を介して中間ベースに接続される。各リンクには、ピエゾ圧電素子が組み込まれている。このピエゾ圧電素子により各リンクを伸縮可能とし、一方のエンドエフェクタ（基体）を微小変位させて、指片に箸的動作を行わせるものである。6本の各リンクに使用するピエゾ圧電素子は、１本指機構が三つであるのに対して、２本指機構では４倍の１２になっている。
【０００８】
ピエゾ圧電素子の数が多くなると制御するシステムが複雑になりコスト高となるので、さらに本発明者らは、特願２０００−３８８７００号において並進３自由度型の２本指マイクロハンド機構（マニピュレータ）を提案している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、微小対象物を掴んで微細作業を正確にかつ容易に行うことができる、あるいは精密位置決めステージ機構などに適用して簡単で高精度な位置決めを行い得る２本指のマイクロハンド機構を提供することにある。特に、エンドエフェクタ、リンク機構、ベース部材の集約化を図ることで、今までにはない、小形にして高精度の機能を発揮できるマイクロハンドを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、基本的には、次のように構成する。
（１）マイクロハンドは、それぞれ指片を有する一対の端部（エンドエフェクタ）を備える。一方のエンドエフェクタは、他方のエンドエフェクタの内側に貫通状態で配置される。前記エンドエフェクタのうち少なくとも一つが３つのリンク機構を介して柱状のベースに連結される。前記３つのリンク機構は、板金加工或いはエッチング加工により一体成形され且つ変位が微小である場合に回転対偶と並進対偶とを備えるとみなせる板状のリンク機構である。３つのリンク機構の中央（頂部）が対応のエンドエフェクタの下面と結合し、エンドエフェクタ中心から三方に広がり途中から先端までが前記ベースの外側面に沿って延びる形状をなす。前記柱状のベースには、板状アームがベース上面の中心から前記リンク機構の方角に広がり且つ途中から先端までが前記ベースの外周に沿ってベース軸方向に延びる形状をなす。この板状アームは、前記リンク機構と結合或いは一体成形されている。前記ベースには前記各板状アームに力を与えて前記リンク機構を作動させるアクチュエータが配設されている。
（２）上記した両方のエンドエフェクタ（第１、第２のエンドエフェクタ）をそれぞれ３つのリンク機構により作動させる場合には、いずれも上記した板金加工或いはエッチング加工した板状成形体によるリンク機構を用い、しかも、第１、第２のエンドエフェクタを、それぞれのリンク機構を介して共通のベースに連結する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
【００１２】
図１は、本発明の第１実施例に係るマイクロハンド機構の斜視図、図２は、その分解斜視図、図３は第1実施例の一部省略縦断面図である。
【００１３】
図１に示すマイクロハンド１は、単数或いは複数或いは他の形態のマイクロハンド（マニピュレータ要素）と組み合わせて使用されるものである。単数で使用する場合でも、以下に述べる構成によって、指片となるニードル４とニードル５が箸的な動作を行うことができ、微小対象物を微細動作で摘んだり移送することができる。
【００１４】
マイクロハンド１は、図２により容易に理解されるように、柱状のベース２と、ニードル４を有する第１のエンドエフェクタ（例えば円柱体）３と、ニードル５を有する第２のエンドエフェクタ（環状体）１４と、１組の３つのリンク機構６と、もう1組の３つのリンク機構７と、前記リンク機構６、７の一部となる６本の板状アーム８とを備える。
【００１５】
エンドエフェクタ１４は、内側にエンドエフェクタ３を貫通した状態で配置させるための穴１４０を有している。
【００１６】
リンク機構６は、エンドエフェクタ３の下面にねじ止めされ、リンク機構７はエンドエフェクタ１４の下面にねじ止めされる。板状アーム８はベース２の上面にねじ止めされる。
【００１７】
図５にリンク機構６単品の斜視図を、図８にその一部を省略した（３つのリンク機構のうち２つを省略した）展開図を示す。図６にリンク機構７単品の斜視図を、図９にその一部を省略した（３つのリンク機構のうち２つを省略した）展開図を示す。図１０に板状アーム８単品の一部を省略した展開図を示す。
【００１８】
リンク機構６、７及び板状アーム８は、可撓性を有する薄板（例えば燐青銅などのばね材）を成形加工している。
【００１９】
３つのリンク機構６は、一体成形され、図５に示すように頂部（可動プレート部）６ａの中央部６０から１２０度間隔で三方に広がり、途中から先端にかけた部分６ｂは、図５に示すように折曲げ角θが９０度より幾分大きい角度で折り曲げられ、組立時にはベース２の外側面に沿った形となる（図１、図３）。この３つのリンク機構６の頂部中心にねじ穴６１が設けられている。３つのリンク機構６は、ねじ穴６１及びエンドエフェクタ３の下面中央に設けたねじ穴４２（図３に示す）を介してねじ４２を締め付けることで、エンドエフェクタ３の下面に取り付けられる。
【００２０】
一方、もう１組の３つのリンク機構７は、一体成形され、図６に示すように、頂部（可動プレート部）７ａの中央部７０から１２０度間隔で三方に広がり、途中から先端にかけた部分７ｂは、上記同様に折曲げ角θが９０度より幾分大きい角度で折り曲げられ、組立時にはベース２の外側面に沿った形となる（図１、図３）。この３つのリンク機構７の頂部中央７０には、中心にエフェクタ３を貫通させるための穴７１が設けられている。また、リンク機構７は、貫通穴７１の近傍に取付け用のねじ穴７２が配設され、ねじ穴７２及びエンドエフェクタ１４の下面中央に設けたねじ穴４０（図３に示す）を介してねじ４１を締め付けることで、３つのリンク機構７がエンドエフェクタ１４の下面に取り付けられる。
【００２１】
６本の板状アーム８は、一体成形され、図２に示すように、頂部（可動プレート部）８ａの中央部８０から６０度間隔で６方に広がり、途中から先端にかけた部分８ｂは、折曲げ角θが９０度より幾分大きい角度で折り曲げられ、組立時にはベース２の外側面に沿った形となる（図１、図３）。板状アーム８の頂部中心にねじ穴８１が設けられている。６本の板状アーム８は、ねじ穴８１及びベース２の上面中央に設けたねじ穴８２を介してねじ８３を締め付けることで、ベース２の上面に取り付けられる。
【００２２】
マイクロハンド組立状態では、板状のリンク機構６、７の内側に板状アーム８が位置する。リンク機構６、７の一部（ベース２の外側面に沿った部分）６ｂ、７ｂの内側に板状アーム８の一部８ｂが重ね合わせられる。そして、リンク機構６，７の先端に設けたねじ穴６５、７５と、板状アーム８の先端に設けたねじ穴８５とにねじ９０を通すことで、リンク機構６、７のそれぞれが板状アーム８と末端位置で結合される。なお、リンク機構６、７と板状アーム８を一体成形してもよい。
【００２３】
この場合、リンク機構（上板）６と板状アーム（下板）８とは１２０°間隔で、リンク機構（上板）７と板状アーム（下板）８とは１２０°間隔で、かつリンク機構（上板）６と７とは６０°角度がずれた状態で、各リンク機構６及び７が板状アーム８に結合している。
【００２４】
このようにして、エンドエフェクタ３、１４は、リンク機構６、７及び板状アーム８を介してベース２の上面に連結される。また、リンク機構６，７は、それぞれ３つのリンク機構の上半分になり、板状アーム８が３つのリンク機構の下半分になる。
【００２５】
３つのリンク機構６、７は、いずれも回転対偶Ｒと並進対偶Ｐとを組み合わせた4自由度リンク機構で構成されており、このようにすることにより、それぞれのエンドエフェクタ３、１４には並進３自由度の動作を与えるようにしてある。
【００２６】
３つのリンク機構６、７は、展開状態では図８、図９に示すような３方に展開する形状を呈しているが、組立状態では、その中間位置６ｄでほぼ直角（９０度よりやや大きい角度）に折り曲げられる。また、６つの板状アーム８は、展開状態では図１０に示すような６方に展開する形状を呈している。組立状態では、その中間位置１８ｄで上記同様にほぼ直角に折り曲げられる。
【００２７】
板状アーム８については、図７に示すように、１２０度間隔で３本のアームを一体成形し、これを２組用いて、組同士を６０度ずらして前記ベース２の上端面に取り付けてもよい。
【００２８】
ここで、リンク機構６，７に形成される回転対偶Ｒと並進対偶Ｐの原理について、図１２および図１３を用いて説明する。
【００２９】
図１２（ａ）に示すように、一対の対偶部材１９の間を薄肉部（くびれ部）２３で連結することにより回転対偶Ｒを実現することができる。すなわち、図１２（ａ）で示す円弧ヒンジは、変位が微小であれば、１自由度の回転対偶Ｒとみなすことができる。
【００３０】
また、図１２（ｂ）に示すように、一対の平行な対偶部材（上下辺）２０の両端を一対の連結杆部（左右辺）２１によりそれぞれの薄肉部（くびれ部）２２を介して連結すると、並進対偶Ｐを実現する柔軟構造物（平行四辺形リンク）を形成することができる。すなわち、図１２（ｂ）のような構造物は、変位が大きければ底辺のヒンジ（薄肉部）２２を中心とした円軌道を描くが、微小変位内では１自由度の並進対偶Ｐとみなすことができる。
【００３１】
３つのリンク機構を使用して３自由度のパラレルメカニズムを設計する際、これらの対偶Ｒ，Ｐを組み合わせることで並進３自由度動作を実現することができる。しかし、ヒンジの向きが最低でも２方向必要とされ、機構製作にあたっては、加工が困難となる。
【００３２】
ここで、図１３（ａ）に示すように薄板２４にスリット２５を打ち抜くことで、スリット２５の両脇にヒンジ（幅狭部）２３が形成され、容易に回転対偶Ｒを構成できる。また、図１３（ｂ）に示すように、１枚の薄板２４に打ち抜きと曲げ加工を組み合わせることで、ヒンジ（くびれ部）２２の向きを変更させ、容易に図１２（ｂ）に相当する並進対偶Ｐを実現させることができる。図１３（ｂ）においては、角孔３０（コーナーに切り込みスリット２８が付いたもの）と小スリット２９（スリット２８と幅方向に並んでいる）を打ち抜き加工し、及び側板部２７を曲げ加工することにより、くびれ部２２を形成しまたその向きを変えることができる。また、一対の側板部２７は、一対の対偶２６（図１２の一対の対偶２０に相当する）を連結する連結杆部（図１２の連結杆部２１に相当する）となるものである。
【００３３】
本実施例では、図１３（ａ）（ｂ）に示すリンク要素（回転対偶Ｒ、並進対偶Ｐ）を組み合わせてリンク機構６、７を構成するものである。
【００３４】
図２、図５〜図９に示すように、リンク機構６，７の各リンクアーム部６ｂ，７ｂは、その長手方向の両端に幅方向のスリット１００，１０１を形成し、符号６ｄで示す位置で折り曲げられる。これらのスリットにより実質、板幅の減らされた個所１００´，１０１´がヒンジ部となって、計３個所の回転対偶Ｒ（図１３（ａ）に相当するもの）が形成される。
【００３５】
なお、スリットの形態は種々考えられ、実施例のものに限定されるものではない。
【００３６】
板状アーム８では、図１０に示すように６方に向けられた板状の各アーム部８′の長手方向の片端に幅方向のスリット１８を形成し、各アーム部８´は８ｄで示す位置で折り曲げ形成される。
【００３７】
リンク機構６と７では、リンクアーム部６ｂ、７ｂの先端と折曲部（中間部）６ｄ、７ｄとの間に、角穴１０（角穴１０はコーナーに幅方向に延びる切り欠きスリット１０′が付いている）とスリット１１とを形成する。切り欠き１０′とスリット１１は、図１３（ｂ）の符号２８，２９で示すスリットに相当し、スリット１０′，スリット１１間にヒンジ２２が形成される。
【００３８】
リンク機構６，７における、各リンクアーム部６ｂ、７ｂの幅方向の左右には側板部１２が形成される。この側板部１２は、図８、図９の破線Ｈの位置で折り曲げられ、図１２（ｂ）の連結杆部２７に相当するものである。切り欠きスリット１０′は、折り曲げ線Ｈと交差するように延設されている。この側板部１２の折り曲げによりヒンジ部２２の向きを変えることができる。
【００３９】
符号の１３は、図１３（ｂ）の一対の対偶２６に相当するものである。すなわち、一対の側板部（連結杆部）１２および一対の対偶１３により平行四辺形リンクを構成する。平行四辺形リンクは、微小変位内でみれば並進対偶Ｐとみなすことができる。
【００４０】
上記構成により、各リンク機構６、７は、可撓性のある板材を成形加工して、三つの回転対偶Ｒと一つの並進対偶Ｐとを有することになる。図１１には、本実施例に係る回転対偶Ｒと並進対偶Ｐとを組み合わせた模式図を示し、図１１（ａ）が本実施例におけるリンク機構を側面からみた対偶メカニズム、図１１（ｂ）が正面からみた対偶メカニズムである。
【００４１】
図２に示すように本実施例では、各リンク機構６，７が３つのＲＰＲＲ機構を採用する。この機構を板状アーム（下板）８を介してピエゾ圧電素子９０（図３）により押し上げることで、３つのリンク機構6，７の頂部（可動プレート）６ａ，７ａに３軸３自由度の運動を与えることができる。
【００４２】
次に本実施例の駆動機構を図８により説明する。
【００４３】
図３に示すように、マイクロハンドの駆動源となるアクチェータ９０は、例えばピエゾ圧電素子が用いられる。ピエゾ圧電素子９０は、リンク機構６、７の数に合わせて６個用意される。ベース（筒体）２には、軸周りに６０ー間隔でピエゾ圧電素子９０が配設されている。
【００４４】
すなわち、図２、図４に示すように、ベース２の外周面には各リンク機構６、７（リンクアーム６ｂ、７ｂ）の位置に対応して、アクチュエータの取付溝２ａがベース上端から下端にかけて6本形成され、この溝２ａにピエゾ圧電素子９０が装着される。
【００４５】
また、図４に示すように溝２ａと併せて溝２ａの奥の面とベース上面にかけてピエゾ圧電素子９０のリード線引出し溝２ｃが形成されている。
【００４６】
ピエゾ圧電素子９０は、図３に示すように、その一端（上端）がベース上面に臨み、板状アーム８の頂部（可動プレート）８ａの裏面に接触している。ピエゾ圧電素子９０の他端（下端）は、底板２ａに受け止められ、かつ、底板２ａに設けたねじ３１によりピエゾ圧電素子９０に予圧が掛けられている。このようにして、圧電素子９０の上端と板状アーム８の頂部８ａ裏面との接触面に、隙間を生じさせないような構造になっている。なお、ねじ３１は粗動の針先合わせを行う目的としても使用する。
【００４７】
すなわち、ニードル４とニードル５の針先の間隔を支持具３６と移動台３８で目測で合わせた後、次に光学顕微鏡下においてねじ３１を回転させて粗動の位置合わせを行う。
【００４８】
各組の３つリンク機構６、７に対応するそれぞれの３本のピエゾ圧電素子９０を伸縮させたり、その伸縮度合いを制御信号に応じて個別に変化させることにより、板状アーム８の受け面Ａを押して各対偶を駆動させることができるようになっている。
【００４９】
本実施例のマイクロハンド１において、図１１のＲＰＲＲ機構を構成する３つ（１組）のリンク機構６は、ベース２とエンドエフェクタ３との間において、中心軸線の周りに１２０ーの間隔で対称型に配置される。もう1組のリンク機構（３つのリンク機構）７は、ベース２とエンドエフェクタ１４との間において、中心軸線の周りに１２０ーの間隔で対称型に配置される。すなわち、計6個のリンク機構は、ベース２からみると中心線軸の周りに６０°の間隔で対称型に配置される。
ピエゾ圧電素子６１は、例えば積層型のものが使用される。
【００５０】
符号の３２，３２′は、アクチュエータ９０に電圧を供給するリード線である。アクチュエータ９０として用いるピエゾ圧電素子は、応答が速く、微小変位と高出力が得られるものの、ヒステリシスが非常に大きく、駆動電圧のみによるオープンループ制御では、正確な位置決めを行うことが困難である。このため、変位量を測定してフィードバック制御することが望ましく、この場合には、特に、コンパクトな変位測定手段とサーボ駆動系が要求される。
【００５１】
このような変位測定手段としては、アクチュエータ９０の伸縮方向に歪みゲージを直接貼り付けて（図示は省略してある）、それら圧電素子のサーボ系としては、符号３３に示すように計算機を用いたソフトウエアサーボや演算増幅器を用いたアナログサーボ等を採用することができる。
【００５２】
サーボ系制御回路３３の指令信号はリード線３２、３２′を介してアクチュエータ（圧電素子）９０に送られる。
【００５３】
リンク機構６，７に対応する各組の３つのアクチュエータ９０を駆動制御して、リンク機構６、７との接触部である板状アーム８の受け面Ａを押し、エンドエフェクタ３、４のいずれか一方或いは双方を必要に応じて所定量動作させることで、ニードル（指片４，５）を微細操作する。
【００５４】
この場合、板状アーム８をアクチュエータ９０により押し上げると、板状アーム８のてこ的な動作により該当のリンク機構６や７のリンクアーム６ｂ（７ｂ）が外開き動作を行う。
【００５５】
マイクロハンドの微細操作は、歪ゲージからの各アクチュエータ９０の変位量を検出し、この変位量からサーボ制御回路３３がニードル（指片）４、５の現位置を算出し、これをフィードバックして所定の位置決め指令値と比較し、その偏差量がなくなるまでアクチュエータ９０をサーボ駆動することにより行う。
【００５６】
本実施例におけるマイクロハンドは、ニードル４，５のうちいずれか一方（例えばニードル５）のみを人指し指片的な動作を与えて、もう一方は親指的動作を与えて箸動作を実現させることができる。この場合には、ニードル５は回転（ひねり）、開閉、進退の微細動作が与えられ、ニードル４については進退の微細動作が主に与えられる。
【００５７】
また、簡易な箸的動作を行う場合には、２組のリンク機構６，７のうち、一方の組のリンク機構だけをアクチュエータ９０により駆動させるようにしてもよい。図１４にその変形例（第２実施例）を示す。図１４の符号において、既述した実施例と同一符号は同一或いは共通する構成要素を示す。
【００５８】
図１４の実施例では、1組（一方）の３つのリンク機構（例えばエンドエフェクタ１４側のリンク機構７）のみを用いてエンドエフェクタ１４のみを並進3自由度動作させるようにしたものである。エンドエフェクタ３については、ベース２の上面に固定する構造とした。エンドエフェクタ１４の上面には、図示省略してあるが、図１に示すようなニードル５及び針合わせ調整機構３６、３７を有している。板状アーム８は、１２０度間隔で軸周りに3本配設したものを一体成形したものである。板状アーム８の頂部にはエンドエフェクタ３の貫通穴２００が形成され、その周囲に板状アーム８をベース２上面に固着するためのねじ穴（図示省略）が配設されている。
【００５９】
３つのリンク機構７と板状アーム８との結合態様は先に述べた実施例と同様の構成であるが、リンク機構７と板状アーム８をプレスにより一体成形することも可能である。
【００６０】
本実施例においても、ニードル４，５を用いて微細な箸的動作を行うマイクロハンドを実現させることができる。
【００６１】
なお、図１に示す３自由度のマイクロハンドは、一対（２本指）で構成したり、或いはその任意数を用いて、微小対象物の位置決め、ハンドリング、切断、接合などの微細作業に適用し、あるいは精密位置決めステージ機構などに利用することができる。
【００６２】
本実施例によれば、マイクロハンドのリンク機構を、薄板を簡単なプレス打ち抜き及び曲げ加工により製作できるので、加工が容易である。したがって、製作コストを安価にすることができる。
【００６３】
しかも、２つのエンドエフェクタは、中心を共有して内側と外側に配置することができ、且つ、エンドエフェクタとベースとを接続するリンク機構は、大部分がエンドエフェクタ下面に沿った部分と、ベースの外側面に沿った部分と、ベース上面に沿った部分とで構成できるので、部品の集約化を図り、従来のようにリンク機構の大部分がベース面上から上方に構築される構成を採用することがないので、高性能のマイクロハンドを小形化して実現することができる。
【００６４】
また、作業領域の拡大を図る場合、小形化を維持して実現する方法としてリンク機構のテコ比を拡大する際、リンクアームを水平に広げずベースの外周で折り曲げ、かつ外周面に沿って延びる形状とすることで可能となる。
【００６５】
したがって、本実施例によれば、小形化を維持しつつ作業領域の拡大を図ることで、顕微鏡などに容易に設置できるマイクロハンド機構を提供することができる。
【００６６】
なお、本実施例では、アクチュエータ９０をピエゾ圧電素子としたが、これに限定されるものではなく、その他にバイモルフ型の圧電素子などを用いることも可能である。例えば、リンクアーム６ｂ、７ｂにバイモルフ型の圧電素子を張り付けてリンクを押し上げることでも動作可能である。
【００６７】
図１５は、本発明の第３実施例に係るマイクロハンドを示す斜視図である。
【００６８】
本実施例は、マイクロハンドのモジュールを２段以上直列に接続する例である。ここでは、ハンドモジュール１１０と１１１とを２段直列に接続している。
【００６９】
ハンドモジュール１１０の構成は、図１に示すマイクロハンド１の構造と同一であるので、その説明を省略する。本実施例では、ハンドモジュール１１０のベース２に、さらに中間可動要素（中間エフェクタ）１４′が結合し、この中間エフェクタ１４′が前記同様の1組（３つ）のリンク機構７′及び板状アーム８を介して次のベース２′に連結されている。このようにすることで、直列に複数のハンドモジュールを結合することができる。
【００７０】
ハンドモジュール１１０は、指操作を行う手として機能し、次の段のハンドモジュール１１１は手首として機能し、さらにハンドモジュールを追加していけば肘的な機能もなすことができ、作業領域を拡大することができる。
【００７１】
下部のハンドモジュール１１１のベース２′には溝５１が設けられ、この溝に工具を通して図３のねじ３１を廻し指片であるニードル４，５の粗動の先端合わせが行えるようになっている。
【００７２】
図１６及び図１７は、本発明の第４実施例に係るマイクロハンドの上面図及びその部分正面図である。
【００７３】
本実施例においても、その基本的構成は前述した実施例と同様であり、さらに次のような構造を付加した。
【００７４】
一対のエンドエフェクタ３，１４のうち、外側に位置するエンドエフェクタ１４の一面に、複数のねじ式つまみ１７１を介して、傾きとその方向を任意に調整できる可動調整板１７２を取り付けた。
【００７５】
具体的には、エンドエフェクタ１４に１２０間隔で雄ねじ１７３を配設し、この雄ねじ１７３に環状の可動調整板１７２をスプリング１７４により支持されるようにして嵌合し、さらに各雄ねじ１７３に可動調整板１７１を押えるねじ式つまみ（雌ねじ）１７１を取付けた。このように構成すれば、各ねじ式つまみの操作量（移動量）により可動調整板１７２の傾きとその方向を任意に調整できる。
【００７６】
可動調整板１７２には、針先合わせ機構３６，３７を介してニードル５が取付けられている。
【００７７】
本実施例によれば、可動調整板１７２によってもニードル４，５の針先合わせを可能にする。
【００７８】
なお、上記した各実施例の場合には、リンク機構６、７の製作については、プレスによる打ち抜き，折り曲げ加工のほかに、半導体を微細加工するエッチング（例えばフォトエッチング）技術を導入することも可能である。この場合には、リンク機構の材質はシリコンなどで構成される。
【００７９】
本実施例の２本指機構の３自由度マイクロハンドによれば、微細作業では並進３自由度が主たる動作になるという特性を有効に利用し、３つのリンク機構でエンドエフェクタの３自由度の精密位置決め制御及び微小物体の把持、持ち上げ、回転、移動、開放を実現することができる。マイクロマシンの組立等の実現を図ることもできる。さらには、回転ジョイント、直動ジョイントの微小変位機構としても応用することができる。
【００８０】
【発明の効果】
本発明によれば、エンドエフェクタ、リンク機構、ベース部材の集約化を図ることで、小形、低コストにして高精度の機能を発揮できるマイクロハンドを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係るマイクロハンドの斜視図。
【図２】上記マイクロハンドの分解斜視図。
【図３】上記マイクロハンドの一部を省略した縦断面図。
【図４】上記マイクロハンドに用いるベースの斜視図。
【図５】上記マイクロハンドに用いる第１のリンク機構の斜視図。
【図６】上記マイクロハンドに用いる第２のリンク機構の斜視図。
【図７】上記マイクロハンドに用いる板状アームの変形例を示す斜視図。
【図８】上記第１のリンク機構の一部省略展開図。
【図９】上記第２のリンク機構の一部省略展開図。
【図１０】上記板状アームの一部省略展開図。
【図１１】上記リンク機構の動作原理を示す説明図。
【図１２】回転対偶Ｒと並進対偶Ｐとの要素を示す原理図。
【図１３】本実施例に応用される回転対偶Ｒと並進対偶Ｐとの要素を示す原理図。
【図１４】本発明の第２実施例に係るマイクロハンドの一部省略断面図。
【図１５】本発明の第３実施例に係るマイクロハンドの斜視図。
【図１６】本発明の第４実施例に係る上面図。
【図１７】本発明の第４実施例に係る一部正面図。
【符号の説明】
１…マイクロマニピュレータ、２…ベース、３…エンドエフェクタ、４，５…指片（ニードル）、６、７…リンク機構、８…板状アーム、９０…アクチュエータ。

Claims (10)

1. それぞれ指片を有するマイクロハンドの一対の端部（以下、「エンドエフェクタ」と称する）を備え、一方のエンドエフェクタが他方のエンドエフェクタの内側に貫通状態で配置され、前記エンドエフェクタのうち少なくとも一つが３つのリンク機構を介して柱状のベースに連結され、
   前記３つのリンク機構は、板金加工或いはエッチング加工により一体成形され且つ変位が微小である場合に回転対偶と並進対偶とを備えるとみなせる板状のリンク機構であり、その頂部が対応のエンドエフェクタの下面と結合し、エンドエフェクタ中心から三方に広がり途中から先端までが前記ベースの外側面に沿って延びる形状をなし、
   前記柱状のベースには、板状アームがベース上面の中心から前記リンク機構の方角に広がり且つ途中から先端までが前記ベースの外周に沿ってベース軸方向に延びる形状をなし、この板状アームは、前記リンク機構と結合或いは一体成形されており、前記ベースには、前記各板状アームに力を与えて前記リンク機構を作動させるアクチュエータが配設されていることを特徴とするマイクロハンド。
2. 前記リンク機構は、可撓性を有するプレートに少なくとも曲げ加工と打ち抜き加工、或いはエッチング加工を施すことにより回転対偶と並進対偶を形成してなる板状のリンク機構である請求項１記載のマイクロハンド。
3. 前記アクチュエータはピエゾ圧電素子よりなり、このピエゾ圧電素子が前記柱状ブロックに組み込まれている請求項１又は２記載のマイクロハンド。
4. 前記一対のエンドエフェクタは、いずれも前記３つのリンク機構及び前記板状アームを介して共通のベースに連結され、前記板状アームは、前記リンク機構の合計数と配置に対応して６０度間隔配置で計６本よりなり、これらの板状アームを一体成形して前記ベースの一端面に一括して取り付けられている請求項１記載のマイクロハンド。
5. 前記一対のエンドエフェクタは、いずれも前記３つのリンク機構及び前記板状アームを介して共通のベースに接続され、前記板状アームは、前記リンク機構の合計数と配置に対応して１２０度間隔で３本のアームを一体成形したものが２組用いられ、これらの組同士が６０度ずらして前記ベースの一端面に取り付けられている請求項１記載のマイクロハンド。
6. 前記指片はニードル形状をなし、少なくとも前記エンドエフェクタの一つに指片同士の粗動の針先合わせ操作する第１の針先合わせ機構と、微小の針先合わせ操作する第２の針先合わせ機構とを備えている請求項１又は２記載のマイクロハンド。
7. 前記ベースは柱状ブロックをなし、さらに前記ベースに中間可動要素（以下、「中間エフェクタ」と称する）が結合し、この中間エフェクタが前記同様の３つのリンク機構及び板状アームを介して次のベースに連結されている請求項１記載のマイクロハンド。
8. 前記各リンク機構は、可撓性を有する板材を成形加工したものであり、前記エンドエフェクタの軸周り方向に幅を有する板状のリンクアーム部と、前記各リンクアーム部の長手方向の両端と中間の位置とにあって微小変位内であれば回転対偶とみなすことができるヒンジ部と、前記長手方向一端と中間部との間に位置し微小変位内であれば並進対偶とみなすことができるリンク要素と、が形成され、前記回転対偶となるヒンジ部は、前記リンクアーム部の幅方向にスリット或いは薄肉部を設けて形成され、前記並進対偶となるリンク要素は、平行四辺形リンク部により構成されている請求項１又は２記載のマイクロハンド。
9. 前記アクチュエータは、ピエゾ圧電素子よりなり、このピエゾ圧電素子には予圧が掛けられ、この予圧が指片同士の粗動の針先合わせ操作する第１の針先合わせ機構を兼ねるように構成されている請求項１又は２記載のマイクロハンド。
10. 前記一対のエンドエフェクタのうち外側に位置するエンドエフェクタの一面に複数のねじ式つまみを介して傾きとその方向を任意に調整できる可動調整板が取り付けられ、この可動調整板に一方の指片が装着されている請求項１又は２記載のマイクロハンド。

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