JP4086690B2 - マニピュレータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学式顕微鏡、電子顕微鏡、走査型トンネル顕微鏡などの拡大観察装置を使用して、マイクロマシンの部品、ユニットなど微小物体を組み立てる微小部品組み立て装置、あるいは生体の微細組織、細胞、遺伝子などを物理的に操作して診断、治療、研究、生物生産などを行う小型マニピュレータ装置などのマニピュレータ、それを用いた微小物操作装置等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、通常の大きさの軸受けを使って通常の大きさのアームを回転させて操作部材（エンドエフェクタ）の姿勢を制御する技術、円弧状のガイドに沿ってアームや工具を回転させて作業装置で微小ワークに所要の処理を行う技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−２５６５７５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の如き従来装置において、エンドエフェクタの先端が軸受けや円弧状ガイドの回転軸上にないと姿勢制御動作によりエンドエフェクタの先端が顕微鏡の視野範囲外や焦点深度外に出てしまい、顕微鏡とエンドエフェクタの先端の位置を合わせ直す必要があった。この様に、微小物を操作するマニピュレータでは、先端のエンドエフェクタの姿勢を制御するとき、操作対象物が顕微鏡の視野内から外れてしまうことが多い。特に、回転３自由度をもつマニピュレータでは、従来、それぞれの自由度の回転軸が一致しておらず、またそれぞれの回転軸が１点で交わるような構造になっていないため、姿勢制御動作によりエンドエフェクタの先端が顕微鏡の視野範囲外や焦点深度外に出てしまうことが多かった。こうした場合、顕微鏡とエンドエフェクタの先端の位置を合わせ直す必要があり、作業に多大な時間を要していた。
【０００５】
本発明の目的は、上記問題点を解決した、微小対象物を操作する小型マニピュレータ装置などのマニピュレータ、それを用いた微小物操作装置等を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明のマニピュレータは、複数のモードで振動可能な振動体と、前記振動体に配置されたマグネットと、前記振動体に接触している球殻状移動体と、該球殻状移動体に一体的に設けられた操作部材と、を有し、前記球殻状移動体は、前記マグネットからの空間を介する吸引力によって前記振動体のみに一定の圧力で接触保持され、前記操作部材は前記球殻状移動体の球面の中心に配設された操作対象物を保持する操作先端部を有し、前記振動体に形成される３種類の振動のうち少なくとも２つの振動を組み合わせることによって、球殻状移動体は該球殻状移動体の中心回りに回転制御され、該操作対象物の姿勢を制御することを特徴とする。ここでは、マニピュレータが複数（典型的には３）の回転自由な全ての軸が１点で交わる機構を持ち、操作対象物を操作する操作部材（エンドエフェクタ）の先端部が該交点に配設されるので、振動体の振動を制御して球殻状移動体の回転をコントロールして、エンドエフェクタの姿勢を変えてもその先端部は顕微鏡の視野内に入れて置くことができる。
【０００９】
更に、上記目的を達成する本発明の微小物操作装置は、上記のマニピュレータ、前記操作対象物及び操作部材の操作先端部を拡大観察する為の拡大観察装置、マニピュレータを遠隔操作する為の遠隔操作装置からなることを特徴とする。ここでも、上記マニピュレータの利点が生かされる。例えば、マニピュレータが操作対象物の上側、前記拡大観察装置が操作対象物の下側に配置され得る。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、より具体的な本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１１】
（第１の実施の形態）
まず、本発明の第1の実施の形態を図１、図２に沿って説明する。本実施形態は回転３自由度の全ての軸が１点で交わる機構を用いるが、ここの方式では、特開平11-220891号公報に開示されている様な３自由度をもつ振動型アクチュエータの球状回転体の中心付近にエンドエフェクタの先端操作部の中心を配置する。このような振動型アクチュエータは回転軸が任意に設定可能であるが、全ての回転軸は球状回転体の中心を通るため、シンプルで剛性の高いシステムを構成できる。球状回転体の位置、速度をフィードバックするセンサは特開平10-65882号公報に開示されているような検出原理を使った２次元の位置センサが適している。これは、光学マウスのような方式で照射光源から発せられる光を球表面に照射し、それによって球表面の微小な形状に対応する高輝度領域および比較的低輝度の領域からなる照射パターンを形成し、球面とセンサとの相対移動によるその照射パターンの移動を利用して移動情報を得るものである
【００１２】
図１は本実施形態の主要部分の特徴を最も良く表す図で、２０−１、２０−２、２０−３は、夫々、多自由度振動型アクチュエータの第１の弾性体の振動子、第２の弾性体の振動子、第３の弾性体の振動子で、１−１、１−２はそれぞれ曲げ振動と縦振動を発生させる圧電セラミックスである。振動子２０は、圧電セラミックス用の電極板部から径方向に伸びた腕部（図６の１−２’参照）などで不図示のフレームに固定支持されている。多自由度振動型アクチュエータの駆動原理と構成の詳細は後述する。
【００１３】
また、２はその球面が振動子２０−１に接触する球殻状の移動体であり、本実施形態ではその一部のみが球面となっていて、その球面が振動子２０−１と接触する。駆動制御のメカニズムは後述する。３は球殻状移動体２の下部の取り付け部に一体的に取り付けられたマイクロハンドであり、細胞などの微小物体を掴んだり放したりの把持操作、あるいは穴を開けたり切断したりする加工操作などの操作機能をもつハンドである。マイクロハンド３は移動体２の球面の中心近傍に配置される。４は、細胞などの微小物体が収容される容器であり、ガラスなどの透明材料で出来ていて、生理食塩水などの液体が入っていることが多い。５はXYあるいはXYZステージであり、この上の容器４の位置を調整して、マイクロハンド３と操作対象物である微小物体との相対的な位置を調整することができる。６は顕微鏡などの拡大観察装置であり、操作対象物とマイクロハンド３の像を拡大して観測できる。図１では、拡大観察装置６はXYZステージ５の中心の穴を通し、透明容器４の下から観察している。７はマグネットであり、鉄製の移動体２を吸引して移動体２を保持すると共に、移動体２の球面を振動子２０−１に一定の圧力で接触させる機能を持つ。
【００１４】
多自由度振動型アクチュエータの詳細を説明する。図２はこの振動型アクチュエータの駆動原理を示し、単一の振動体としての円柱形状の弾性体３１間に、図２の（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に夫々示す変位を与える電気−機械エネルギー変換素子としての圧電素子３３が挟持固定されている。圧電素子としては、例えば単板の圧電素子板を複数枚重ね合わせ、必要に応じて圧電素子板の間に電極板を挟み込むようにして、必要とする圧電素子板に対して個々に駆動のための交番信号を印加できるようにしている。ここにおいて、圧電素子３３は、交番信号の印加により軸方向に伸縮変位を繰り返し、図２の（ｂ）に示すように、互いに直交するｘ、ｙ、ｚの３軸の内、ｚ軸方向の変位である縦振動を励起する第１の圧電素子と、図２の（ｃ）に示すように、ｚ−ｘ平面内で横（曲げ）振動を励起する第２の圧電素子と、図２の（ｄ）に示すように、ｚ−ｙ平面内で横（曲げ）振動を励起する第３の圧電素子を有している。上記の第１の圧電素子は、厚さ方向に一様に分極されている。また、第２、第３の圧電素子は、直径を挟んだ両側の部分で、厚さ方向に互いに逆極性を持つように分極されている。
【００１５】
ここで、前記第２の圧電素子と前記第３の圧電素子に対して例えば位相が９０°異なる交番信号を印加すると、振動体に対する２つの曲げ振動の合成で、振動体の表面上にはｚ軸回り（ｘ−ｙ平面内）の楕円運動が形成される。この場合、ｘ軸とｙ軸についての振動体の固有振動数は略一致するため、この固有振動数を駆動周波数とする交番信号を前記第２の圧電素子と前記第３の圧電素子に印加すれば上記した楕円振動が生成されることになる。
【００１６】
次に、前記第１の圧電素子に前記振動体のｚ軸方向における固有振動数と略一致する周波数の交番信号を印加すると、前記振動体は一定の周期で１次モードで縦振動を繰り返すことになる。その際、前記振動体が振動する縦振動の振動の１周期と一致（略一致）した１周期の振動で励振するように前記第２の圧電素子に交番信号を印加すると、前記振動体の表面上の点にはｘ−ｚ平面内の楕円運動が生成され、ｘ軸方向（ｙ軸回り）への駆動力が得られる。この場合、前記振動体のｚ軸方向における固有振動数とｘ−ｚ平面における曲げ振動の１次モードの固有振動数は異なるため、図２の（ｃ）に示すように、ここではｘ軸方向の曲げ振動に対する固有振動数の２次モードで前記第２の圧電素子を駆動し、縦振動の周期と曲げ振動の周期とを一致させるようにしている。
【００１７】
同様にして、前記振動体が振動する縦振動の振動の１周期と一致（略一致）した１周期の振動で励振するように前記第３の圧電素子に交番信号を印加すると、前記振動体の表面上の点にはｙ−ｚ平面内の楕円運動が生成され、ｙ軸方向（ｘ軸回り）への駆動力が得られる。この場合、前記振動体のｚ軸方向における固有振動数とｙ−ｚ平面における曲げ振動の固有振動数は異なるため、図２の（ｄ）に示すように、ここではｙ軸方向の曲げ振動に対する固有振動数の２次モードで前記第３の圧電素子を駆動することにより、縦振動の周期と曲げ振動の周期とを一致させるようにしている。すなわち、振動体１の固有振動数に近い周波数の交番信号、例えば交流電圧を第１の圧電素子、第２の圧電素子および第３の圧電素子に印加することにより、振動体に図２の（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）のような固有振動の縦振動あるいは横（曲げ）振動が励振される。そして、前記第１の圧電素子、第２の圧電素子及び第３の圧電素子の内のいずれか２つに選択的に交番信号を印加することにより、振動体１の縦振動と、互いに直交する方向の横（曲げ）振動の２つが組み合わさって、振動体１の表面上の点に楕円運動が生成される。例えば、（ｂ）と（ｃ）の組み合わせによってｘ−ｚ面内の楕円運動が生成される。あるいは（ｂ）と（ｄ）の組み合わせによってｙ−ｚ平面内の楕円運動が、（ｃ）と（ｄ）の組み合わせによってｘ−ｙ平面内の楕円運動が生成される。
【００１８】
従って、振動体の或る一部に移動体（図１の移動体２）を圧接すると、移動体を複数の方向に駆動することができる。ここでは、３相の圧電素子（第１の圧電素子、第２の圧電素子、第３の圧電素子）を組み合わせることにより、３軸回り（直交する３平面内）の楕円運動を形成することが可能となり、単一の振動体で直交する３平面内についての駆動が可能となるという振動型アクチュエータが実現できる。
【００１９】
図１の本実施形態の振動型アクチュエータにおける振動体の基本的な構成は、上記の形態と同様である。ここでは、内径部にめねじ部が形成された第１の弾性体の振動子２０−１と、中心部に穴が形成された第２の弾性体の振動子２０−２と第３の弾性体の振動子２０−３を有し、第１の弾性体の振動子２０−１と第２の弾性体の振動子２０−２の間及び第２の弾性体の振動子２０−２と第３の弾性体の振動子２０−３の間にそれぞれ圧電素子１−２、１−１を配置し、第３の弾性体の振動子２０−３側から挿入した中心軸部材をなす締結ボルト２２を第１の弾性体の振動子２０−１のめねじ部に螺着することにより、第１の弾性体の振動子２０−１と第２の弾性体の振動子２０−２との間及び第２の弾性体の振動子２０−２と第３の弾性体の振動子２０−３との間にそれぞれ圧電素子１−２、１−１を挟持して一体的に連結されて形成されている。
【００２０】
本実施形態において、第１の弾性体の振動子２０−１と第２の弾性体の振動子２０−２との間に配置される圧電素子１−２は、例えば、振動体に縦振動を励起する第１の圧電素子であり、また第２の弾性体の振動子２０−２と第３の弾性体の振動子２０−３との間に配置される圧電素子１−１は、例えば、ｘ−ｚ平面内での曲げ振動を形成する第２の圧電素子と、ｙ−ｚ平面内での曲げ振動を形成する第３の圧電素子であって、前記第２の圧電素子と前記第３の圧電素子は位置的に９０°の位相差を有して配置されている。
【００２１】
第１の弾性体の振動子２０−１の先端部には、例えば、球殻形状の移動体２と接触して軸線に対して斜めの内周面がテーパー面に形成されている。したがって、本実施形態において、振動体に形成される縦振動、２方向の曲げ振動のうち、２つの振動を組み合わせることによって、球殻形状の移動体２をｘ軸、ｙ軸、ｚ軸周りにそれぞれ回転させることができる。例えば、図２の（ｃ）と（ｄ）の組み合わせによってｚ軸周りに、（ｂ）と（ｃ）の組み合わせによってｙ軸周りに、（ｂ）と（ｄ）の組み合わせによってｘ軸周りに移動体２を回転させることができ、移動体２は、互いに直交する３軸周りに回転できる。こうして、振動子２０の振動を制御することにより、移動体２を任意の軸回りに回転制御させられる。この場合、マイクロハンド３はこの移動体２の球面の中心にあるので、常に同じ位置において姿勢が変わるだけである。従って、姿勢制御動作を行っても、マイクロハンド３の位置は変化しないので、操作対象物が顕微鏡６の視野から外れることがない。
【００２２】
また、マイクロハンド３の姿勢を制御する場合を述べたが、細胞などの操作対象物の姿勢を制御する場合は、マイクロハンド３で操作対象物を把持してからマイクロハンド３の姿勢を変えて、操作対象物を解放すればよい。この場合も操作対象物の位置は変わらないので顕微鏡６の視野から外れることはない。
【００２３】
本実施形態の装置では、操作対象物の相対位置に関してはXYZステージ５で調整し、その姿勢、向きに関しては、振動子２０−１〜２０−３の振動を制御することで調整できる。
【００２４】
図１では、棒状の振動子を示したが、図３あるいは図４に示すような振動子でも良い。図３の振動型アクチュエータの形態は単一の振動体２００として、円柱形状の弾性体２０１と円板状の弾性体２０２とを接合させたものである。弾性体２０１は実際には２分割されて、間に２枚の電気−機械エネルギ−変換素子としての圧電素子２０３、２０４を挟持している。円板状の弾性体２０２には表面に４つの電気−機械エネルギー変換素子としての圧電素子２０５ａ〜２０５ｄが設けられている。
【００２５】
圧電素子２０３は駆動部となる弾性体２０１を図３（ｃ）に示すようにｘ軸方向に変位させるためのものである。圧電素子２０４は弾性体２０１をｙ軸方向に変位させるためのものである。図３（ｂ）に示すように、圧電素子２０３と２０４とは分極位相を９０°ずらしている。一方、圧電素子２０５ａ〜ｄは全て同特性に分極されており、円板状の弾性体２０２を図３（ｄ）に示すように屈曲させることにより、駆動部となる弾性体２０１をｚ軸方向に変位させるものである。
【００２６】
駆動部となる弾性体２０１には球状の移動体２０６（図１の移動体２）が当接しており、圧電素子２０４と圧電素子２０５ａ〜ｄに交番信号を例えば９０°位相をずらして供給することにより、ｘ軸回りに移動体２０６を回転させることができる。圧電素子２０３と圧電素子２０５ａ〜ｄに交番信号を例えば９０°位相をずらして供給することにより、ｙ軸回りに移動体２０６を回転させることができる。一方、ｚ軸回りに移動体２０６を回転させる場合には、圧電素子２０３と２０４に交番信号を例えば９０°位相をずらして供給することになる。
【００２７】
図４の振動型アクチュエータの形態は単一の振動体３００として、円柱形状の弾性体３０１と円板状の弾性体３０２とを接合させたものである。弾性体３０１の内部には永久磁石（不図示）が組込まれており、磁性体で形成された移動体３０６（図１の移動体２）を常時、磁力により吸着して圧接力を得るようにしている。弾性体３０２には、表面に４つの電気−機械エネルギ−変換素子としての圧電素子（分極領域）３０３ａ〜ｄが設けられている。圧電素子３０３ａ〜ｄは選択的に交番信号が供給されることにより、図４（ｂ）〜（ｄ）に示したように、駆動部としての弾性体３０１をｘ軸方向に変位させ、ｙ軸方向に変位させ、もしくはｚ軸方向に変位させることができる。そして、移動体３０６をｘ軸回りに回転させる際には、ｙ軸方向の変位（図４（ｃ））とｚ軸方向に変位（図４（ｄ））を、例えば９０°位相差をもうけて与えればよく、ｙ軸回りの際にはｘ軸方向の変位（図４（ｂ）とｚ軸方向の変位（図４（ｄ））を、例えば９０°の位相差を設けて与える。更に、ｚ軸回りに回転させたい際には、ｘ軸方向に変位（図４（ｂ））とｙ軸方向の変位（図４（ｃ））を、例えば９０°の位相差を設けて与える。各圧電素子３０３ａ〜ｄへの交番信号の供給については、上述の図３の形態の場合と同じである。
【００２８】
また、特開２００２−２７２１４７号公報に示すような板状の振動子を使ってもよい。図５にそれを示す。ここでは、平板形状の振動体４０２の４辺のほぼ中央に接触突起部ＰＣ１〜ＰＣ４を一体に形成するとともに、中央部に移動体（図１の移動体２）吸着用の磁石４０５を有する突起部ＰＧ、４隅に突起部ＰＥ１〜ＰＥ４を形成し、振動体４０２に圧電素子４０３を接着固定したものを振動子４０１とし、圧電素子４０３を駆動して振動子４０１に３つの異なる固有振動モード励起させ、これらを組合わせることで直交する３軸回りの回転、或いは２方向と１軸回りの回転など、多自由度の駆動が行える。
【００２９】
図１において、移動体２の球の中心にはエンドエフェクタとして、マイクロハンド３を配置したが、これに限らず、操作対象物を切断したり穴を開けたりするマイクロ工具などでもよい。
【００３０】
（第２の実施の形態）
図６は本発明の第２の実施の形態を説明する図である。図６において、1から５、７、２０、２２は図１と同じなので説明を省く。6−１と6−２は拡大観察用の顕微鏡であり、この実施形態では上下２台の顕微鏡を使って視覚情報を多くして操作性を向上させたものである。この２台は同じ倍率でも良いが、例えば、下側の顕微鏡６−１の倍率を下げて広い視野を観察できるようにすると、拡大倍率は小さいが広い視野と視野は狭いが大きな拡大倍率の両方が同時に観察できる。
【００３１】
また、８−１と８−２は光学センサであり、振動子２０と移動体２との相対的な位置変化を検出するものである。上記の特開平10−65882号公報に開示されているような技術を使うことができる。センサ８−１と８−２は同じセンサであり、これら２箇所の球表面の移動情報から移動体２の回転軸と回転速度を得ることができる。センサ８−１と８−２は２次元の位置センサであれば、この方式に限るものではない。非接触光学式の例を図示したが、例えば、接触したボールの回転を２方向の軸周りの回転成分に分離して検出するボール式マウスのような方式のものでも良い。センサ８−１と８−２は固定フレーム９によりベース１０に取り付けられている。振動子２０は，圧電セラミックス１−２用の電極板部から径方向に伸びた腕部１−２’で固定フレーム９に取付けられている。その他の点は、第１の実施形態と同じである。
【００３２】
図７は多自由度振動型アクチュエータの軸を傾けた変形例を示す。図７はマイクロハンド３を２個使う場合などに有効である。移動体２の球殻がいろいろな向きに回転しても顕微鏡６やステージ５と干渉しないように制御すれば多自由度振動型アクチュエータの向きはいずれでも良いが、図１、図６のように顕微鏡６の光軸と多自由度振動型アクチュエータの軸を一致させた方が移動体２の可動範囲は広くなる。
【００３３】
（第３の実施の形態）
図８は第３の実施の形態を説明する図である。ここでの方式は、１自由度の回転軸３つを１点で交わるようにして、その交点近傍にエンドエフェクタの中心を配置している。各軸は通常の回転モータで駆動、制御されるが、超音波モータ、静電モータなどでも良い。位置、速度をフィードバックするセンサは、通常の回転型エンコーダ等でシステムを構成できる。
【００３４】
図８は、マイクロハンド３の姿勢を制御する機構のみを図示している。XYZステージ５や顕微鏡６は上記の実施形態と同様に配置されるが、図８では省略している。１１は通常の回転モータであり、エンコーダなどの位置センサを内蔵している。回転モータ１１は顕微鏡６（不図示）の光軸であるZ軸に沿って固定フレーム９に固定される。その回転軸１４にはアーム１５が取り付けられ、アーム１５の先端には回転モータ１１と同様な回転モータ１２が取り付けられている。回転モータ１１の軸Zと回転モータ１２の軸Yは直交している。回転モータ１２の回転軸１６にもアーム１７が取り付けられ、アーム１７の先端にはやはり同様な回転モータ１３が取り付けられている。回転モータ１２の軸Yと回転モータ１３の軸Xは直交している。回転モータ１３の回転軸１８の先端にマイクロハンド３が取り付けられる。各回転モータ１１、１２、１３の回転軸は、マイクロハンド３の先端部を通るようにしてある。このような機構でも、回転モータ１１、１２、１３がどのように回転してもマイクロハンド３の先端部の位置は変わらず、第１の実施形態と同様の機能を持っている。
【００３５】
X軸とY軸、Y軸とZ軸は直交するが、X軸とZ軸は必ずしも直交する必要はない。第１の実施形態の方がシンプルで剛性の高い機構であるが、制御が比較的複雑になる。反面、第３の実施形態は比較的機構が複雑で剛性が低いが、制御がシンプルである。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のマニピュレータでは、回転自由な複数の全ての軸が１点で交わる機構を持ち、操作対象物を操作する操作部材（エンドエフェクタ）の先端部が該交点近傍に配設されることにより、操作部材の姿勢を変えてもその先端部は移動しない。従って、顕微鏡などで観察しながら操作対象物を操作する場合において、それを視野内に常に入れておくことができる。よって、エンドエフェクタあるいは操作対象物（微小物体など）の姿勢を制御するたびに顕微鏡とエンドエフェクタの先端部の位置を合わせ直す必要がなく、極めて効率的な作業ができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の主要部を説明する図である。
【図２】第１の実施形態で用いられる多自由度振動型アクチュエータの駆動原理を説明する図である。
【図３】多自由度振動型アクチュエータの他の例を説明する図である。
【図４】多自由度振動型アクチュエータの他の例を説明する図である。
【図５】多自由度振動型アクチュエータの他の例を説明する図である。
【図６】第２の実施形態を説明する図である。
【図７】上記実施形態の変形例を示す図である。
【図８】第３の実施形態の主要部を説明する図である。
【符号の説明】
１−１、１−２：圧電セラミックス
２：移動体
３：マイクロハンド
４：透明容器
５：XYZステージ
６、６−１、６−２：顕微鏡などの拡大観察装置
７：マグネット
８−１、８−２：２次元位置センサあるいは２次元速度センサ
９：固定フレーム
１０：ベース
１１、１２、１３：位置センサ内蔵回転モータ
１４：回転モータ１１の回転軸
１５：回転軸１４に取り付けられたアーム
１６：回転モータ１２の回転軸
１７：回転軸１６に取り付けられたアーム
１８：回転モータ１３の回転軸
２０−１、２０−２、２０−３：多自由度振動型アクチュエータの振動子
２２：締結ボルト

Claims (1)

1. 複数のモードで振動可能な振動体と、前記振動体に配置されたマグネットと、前記振動体に接触している球殻状移動体と、該球殻状移動体に一体的に設けられた操作部材と、を有し、
   前記球殻状移動体は、前記マグネットからの空間を介する吸引力によって前記振動体のみに一定の圧力で接触保持され、
   前記操作部材は前記球殻状移動体の球面の中心に配設された操作対象物を保持する操作先端部を有し、
   前記振動体に形成される３種類の振動のうち少なくとも２つの振動を組み合わせることによって、球殻状移動体は該球殻状移動体の中心回りに回転制御され、該操作対象物の姿勢を制御することを特徴とするマニピュレータ。

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