JP4562782B2

JP4562782B2 - グリッパー及びその駆動方法

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Publication number: JP4562782B2
Application number: JP2008083396A
Authority: JP
Inventors: クァンブムパク; ジュンシクパク; ヒョデクパク
Original assignee: Korea Electronics Technology Institute
Current assignee: Korea Electronics Technology Institute
Priority date: 2008-02-11
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2028-03-27
Also published as: CN101508108A; US20090199651A1; US8065920B2; KR101014226B1; KR20090086853A; JP2009184100A

Description

本発明は、様々な大きさの微細物体がグリップできるグリッパー及びその駆動方法に関する。

最近、電子部品の小型化・軽量化により、半導体工程を用いて微細構造物及びマイクロセンサーやアクチュエーター(Actuator)に対する開発が行われつつある。
また、人体に対する関心が高まってバイオセル(Bio Cell)などを操作する新たな研究が行われている。
しかしながら、このような微細構造物やバイオセルなどのような物質を移動、固定及び組み合わせできる装備はない実情である。
したがって、前記微細構造物及びアクチュエーターなどのような微小電子部品及び生体用バイオセルなどのような物質の固定、移動及び組み合わせなどの動作を行うために精密に動かせるマイクログリッパー(Micro Gripper)に対する研究が必要である。

従来の小型グリッパーは、静電気力を用いる方式と熱膨張を用いる方式のものがある。
静電気力を用いる小型グリッパーは、グリッパーの腕を動作させるために、構造物に直接静電気力を発生させうる電極を形成し、駆動力を高めるために電極の間に高い電圧を印加してグリッパーを動作させる。
かかる静電気力を用いる小型グリッパーは十分な駆動力を得るために、電極間の間隔を縮め、電極の間に高い電圧を供給すべきなので、製造工程が複雑になる。これにより、高コストをもたらし、高い駆動電圧で操作する場合、細胞及び微生物などのような生きている物体に問題を起こすおそれがある。

また、熱膨張を用いる小型グリッパーは、数百度以上のジュール(Joule)熱を発生させるべきなので、温度を高めるのに必要な時間がかかり、動作速度が遅くなるという短所がある。
さらに、動作のために熱膨張を用いる小型グリッパーに高い熱を伝達すべきなので、熱に弱い細胞または微生物のような微細構造物を操作する場合、微細構造物が変形または破壊される場合が発生する。

したがって、本発明の目的は、様々な大きさの微細物体がグリップできるグリッパー及びその駆動方法を提供することである。

前記目的を達成するための本発明の好ましい様態は、固定台と、前記固定台の一側にそれぞれ連結された第１のアーム及び第２のアームと、前記第１のアーム及び第２のアームにそれぞれ連結された第１のニッパー及び第２のニッパーと、前記第１のアームと前記第１のニッパーとの間に連結された第１のリンクと、前記第２のアームと前記第２のニッパーとの間に連結された第２のリンクと、前記第１のリンクと前記第２のリンクとの間に位置して、印加された電圧により前記第１のリンク及び第２のリンクを引っ張るアクチュエーターと、を含むグリッパーを提供することである。

また、前記目的を達成するための本発明の他の好ましい様態は、第１のニッパー及び第２のニッパーにそれぞれ連結された第１のリンク及び第２のリンクと、前記第１のリンク及び第２のリンクにそれぞれ連結された第１のベンディング構造物及び第２のベンディング構造物と、前記第１のベンディング構造物の一側と前記第２のベンディング構造物の一側に連結された第１の接点部と、前記第１のベンディング構造物の他側と前記第２のベンディング構造物の他側に連結された第２の接点部と、前記第１の接点部に連結され、前記第２の接点部に連結されて、印加された電圧により前記第１の接点部と前記第２の接点部に膨張する圧電駆動部と、を含むグリッパーを用意するステップと、前記圧電駆動部に電圧を印加して、前記圧電駆動部を前記第１の接点部と前記第２の接点部に膨張させて、前記第１の接点部と前記第２の接点部に変位を発生させるステップと、前記第１の接点部で発生した変位により、前記第１のベンディング構造物を前記圧電駆動部の方向に収縮させ、前記第２の接点部の各々で発生した変位により、前記第２のベンディング構造物を前記圧電駆動部の方向に収縮させるステップと、前記第１及び第２のベンディング構造物の収縮により、前記第１及び第２のベンディング構造物に連結された前記第１及び第２のリンクを前記圧電駆動部の方向に引っ張るステップと、前記第１及び第２のリンクにそれぞれ連結された前記第１及び第２のニッパーの間隔を縮んで対象物をグリップするステップと、を含むグリッパーの駆動方法を提供することである。

上述したように、本発明によれば、アクチュエーターの駆動によりニッパーの間隔を縮めて微細物体をグリップすることができる。また、アクチュエーターを圧電駆動部とベンディング構造物との結合構造で構成して、圧電駆動部の変位方向と垂直な方向にニッパーの変位が発生することにより、前記ニッパーの変位を圧電駆動部の変位より増幅させることができる。さらにまた、アームに支持台を形成することにより、アーム及びニッパーが斜めに変形して、ニッパー間の間隔が縮んで変位を大きくすることができ、より様々な大きさの微細物体をグリップすることができる。

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明によるグリッパー(Gripper)の平面図である。示したように、グリッパーは、固定台１００と、前記固定台１００の一側にそれぞれ連結された第１のアーム(Arm)１１１及び第２のアーム１１２と、前記第１のアーム１１１及び第２のアーム１１２にそれぞれ連結された第１のニッパー１５１及び第２のニッパー１５２と、前記第１のアーム１１１と第１のニッパー１５１との間に連結された第１のリンク１３１と、前記第２のアーム１１２と第２のニッパー１５２との間に連結された第２のリンク１３２と、前記第１のリンク１３１と第２のリンク１３２との間に位置して、印加された電圧により前記第１のリンク１３１と第２のリンク１３２とを引っ張るアクチュエーター２００と、を含む。

したがって、本発明のグリッパーは、前記アクチュエーター２００に電圧を印加すると、前記第１のリンク１３１と第２のリンク１３２とを引っ張り、前記第１リンク１３１と第２のリンク１３２に連結された第１のニッパー１５１と第２のニッパー１５２との間隔を縮めて対象物をグリップすることができる。

また、本発明のグリッパーを超精密加工技術で微細に製作すると、数マイクロメートル〜数百マイクロメートルまでの細胞などの微細物体が把持できる。

図２は、本発明によるグリッパーの動作原理を説明するための概略図である。示したように、アクチュエーター２００に電圧を印加すると、アクチュエーターが収縮して第１及び第２のリンク１３１、１３２を引っ張ると、第１のニッパー１５１と第２のニッパー１５２との間隔が縮まる。

したがって、前記アクチュエーター２００に電圧を印加する前の状態の第１のニッパー１５１と第２のニッパー１５２との間隔（ｄ１）より、前記アクチュエーター２００に電圧を印加した後の状態の第１のニッパー１５１と第２のニッパー１５２との間隔（ｄ２）がもっと縮んで、前記第１及び第２のニッパー１５１、１５２の縮小した間隔で微細対象物をグリップすることができる。

この際、前記アクチュエーター２００に電圧を印加することを中断すると、前記第１及び第２のリンク１３１、１３２を引っ張る力が解除して、前記第１及び第２のリンク１３１、１３２はもとの状態に復元され、前記第１のニッパー１５１と第２のニッパー１５２との間隔はもっと大きくなって、グリップした対象物をグリッパーから離脱させることができる。
上述したように、本発明はアクチュエーターの駆動によりニッパーの間隔を縮めて微細物体がグリップできる。

図３は本発明の第１の実施形態によるグリッパーの平面図であって、第１の実施形態のグリッパーは、図１のグリッパーにあるアクチュエーターを圧電駆動可能に構成したものである。
すなわち、前記アクチュエーターは、第１のリンク１３１及び第２のリンク１３２にそれぞれ連結された第１のベンディング構造物２１０及び第２のベンディング構造物２２０と、前記第１のベンディング構造物２１０の一側と前記第２のベンディング構造物２２０の一側に連結された第１の接点部２３０と、前記第１のベンディング構造物２１０の他側と前記第２のベンディング構造物２２０の他側に連結された第２の接点部２４０と、前記第１の接点部２３０に連結され、前記第２の接点部２４０に連結されて、印加された電圧により前記第１の接点部２３０と前記第２の接点部２４０に膨張する圧電駆動部２５０と、を含んで構成される。

したがって、前記圧電駆動部２５０に電圧が印加されると、前記圧電駆動部は前記第１の接点部２３０と前記第２の接点部２４０に膨張して、前記第１の接点部２３０と前記第２の接点部２４０は変位が発生する。
その後、前記第１の接点部２３０と前記第２の接点部２４０で発生した変位により、前記第１及び第２のベンディング構造物２１０、２２０は前記圧電駆動部２５０の方向に収縮し、前記第１及び第２のベンディング構造物２１０、２２０に連結された第１及び第２のリンク１３１、１３２は前記圧電駆動部２５０の方向に引っ張られる。
このように、前記第１及び第２のリンク１３１、１３２が前記圧電駆動部２５０の方向に引っ張られる力により、第１及び第２のニッパー１５１、１５２の間隔が縮んで対象物がグリップされる。

すなわち、圧電駆動部に電圧が印加されると、図４（ａ）に示したように、前記圧電駆動部は膨張され、前記圧電駆動部に連結された第１及び第２の接点部２３０、２４０を押すことになり、前記第１及び第２の接点部２３０、２４０が押されて、前記ベンディング構造物２１０ａ、２２０ｂは下部に移動し、第１のリンク１３１に連結されている第１の連結部５０１はＡ方向に移動され、前記第１のリンク１３１を引っ張るようになる。

また、圧電駆動部に電圧の印加が中断すると、図４（ｂ）に示したように、前記圧電駆動部は収縮され、前記圧電駆動部に連結された第１及び第２の接点部２３０、２４０を引っ張る。前記第１及び第２の接点部２３０、２４０が引っ張られて前記ベンディング構造物２１０ａ、２２０ｂは上部に移動し、前記第１のリンク１３１に連結されている第１の連結部５０１はＢ方向に移動して、前記第１のリンク１３１はもとの位置に復元される。

上述した図４（ａ）及び図４（ｂ）において、第１のリンク１３１に連結された第１の連結部５０１の移動変位の大きさは、ベンディング構造物２１０ａ、２２０ｂがなしている角度θに応じて第１の連結部５０１の移動変位が増幅できる。
すなわち、圧電駆動部に連結された第１及び第２の接点部２３０、２４０の変位が、左、右の方向に１０μｍだけ収縮・膨張すると、角度θの変化に第１の連結部５０１の変位の大きさは、上、下に５０μｍ〜１００μｍ以上となることができる。

また、前記固定台１００、第１及び第２のアーム１１１、１１２、第１及び第２のニッパー１５１、１５２、第１及び第２のリンク１３１、１３２、第１及び第２のベンディング構造物２１０、２２０、及び第１及び第２の接点部２３０、２４０の材料は、Ｓｉ，Ｎｉ，ＮｉＣｒ及びポリマーのうち、いずれか一つであることが好ましい。
ここで、前記ポリマーでグリッパーを製作すると、生化学実験に適用することもできる。

図５は本発明の第１の実施形態によるグリッパーの動作を説明するための概念図であって、圧電駆動部（図示なし）が外部電圧により変位が増加すると、第１及び第２のリンク１３１、１３２を引っ張る。
したがって、前記第１及び第２のアーム１１１、１１２の左側は支持台１００に固定されており、前記第１及び第２のアーム１１１、１１２の右側は第１及び第２のリンク１３１、１３２に連結されているため、前記第１及び第２のリンク１３１、１３２に連結されている前記第１及び第２のアーム１１１、１１２は変形が発生する。
すなわち、図５を参照して前記第１のアーム１１１の変形を調べると、前記第１のアーム１１１のＡ，Ｂ，Ｃ区間はＳ字状の変形が発生する。
この際、Ｃ区間は緩やかな変形が発生し、このＣ区間の緩やかな変形は第１のニッパー１５１にそのまま伝えられて、前記第１のリンク１３１の変位に応じて前記第１のニッパー１５１も移動する。
つまり、上述した動作により、本発明の第１の実施形態によるグリッパーの第１及び第２のニッパー１５１、１５２の間隔は縮んでグリップ動作を行うことができる。

図６は本発明の第２の実施形態によるグリッパーの平面図である。示したように、第１の実施形態のグリッパーは、図３のグリッパーにある第１及び第２のアーム１１１、１１２に支持台１６１、１６２を形成したものである。
ここで、前記第１及び第２のアーム１１１、１１２に形成された前記支持台１６１、１６２は、図５に示したように、前記第１及び第２のアーム１１１、１１２のＳ字状の変形を防止し、第１及び第２のニッパー１５１、１５２の移動変位を大きくする役割を果たす。

図７は本発明の第２の実施形態によるグリッパーの動作を説明するための概念図であって、本発明の第２の実施形態によるグリッパーでは、第１及び第２のアーム１１１、１１２の各々の一部に第１及び第２の支持台１６１、１６２が形成されている。
したがって、外部電圧により圧電駆動部（図示なし）の変位が増加すると、第１のリンク１３１を引っ張り、前記第１のリンク１３１で引っ張る力が前記支持台１６１で緩衝されて前記第１のアーム１１１はＳ字状の変形が発生されず、単純な方向の曲げが発生して、図７のＥ区間及びＦ区間が斜めに変形する。

また、第１のニッパー１５１が存在するＦ区間もＥ区間及びＦ区間の傾斜角度で斜めに変形する。
つまり、本発明の第２の実施形態によるグリッパーは、第１及び第２のニッパーが斜めに変形することにより、第２の実施形態の第１及び第２のニッパーの間隔が第１の実施形態の第１及び第２のニッパーの間隔より縮んで、グリッパーの変位の大きさが大きくなる。
したがって、本発明はアームに支持台を形成することによって、アーム及びニッパーが斜めに変形して、ニッパー間の間隔が縮んで変位を大きくし、より様々な大きさの微細物体をグリップすることができる。

一方、前記第１及び第２の支持台１６１、１６２の各々の一側は、前記第１及び第２のアーム１１１、１１２の長さ（Ｌ）の１/２地点に位置し、前記第１及び第２の支持台１６１、１６２の各々の他側は、前記第１及び第２のリンク１３１、１３２と前記第１及び第２のアーム１１１、１１２とが会う地点を越えて第１及び第２のニッパー１５１、１５２の一部に位置することが好ましい。

図８は、本発明の第１及び第２の実施形態に適用されたアクチュエーターの動作を説明するための概念図である。ここで、アクチュエーターは、第１のリンク１３１及び第２のリンク１３２にそれぞれ連結された第１のベンディング構造物２１０及び第２のベンディング構造物２２０と、前記第１のベンディング構造物２１０の一側と前記第２のベンディング構造物２２０の一側に連結された第１の接点部２３０と、前記第１のベンディング構造物２１０の他側と前記第２のベンディング構造物２２０の他側に連結された第２の接点部２４０と、前記第１の接点部２３０に連結され、前記第２の接点部２４０に連結されて、印加された電圧により前記第１の接点部２３０と前記第２の接点部２４０に膨張する圧電駆動部２５０と、を含んで構成される。

この際、前記圧電駆動部２５０に電圧が印加されると、前記圧電駆動部は膨張して、図８のａ及びｂ方向に前記第１の接点部２３０及び第２の接点部２４０を押す。また、前記第１の接点部２３０及び第２の接点部２４０が押されて、前記第１及び第２のベンディング構造物２１０、２２０は、図８のｃ及びｄの方向に引っ張られることにより、前記第１及び第２のベンディング構造物２１０、２２０に連結されている第１のリンク１３１及び第２のリンク１３２も引っ張られる。
したがって、前記第１及び第２のリンク１３１、１３２を引っ張ってグリッパーの第１及び第２のニッパーの間隔は縮んでグリップ工程を行うことができる。
したがって、本発明はアクチュエーターを圧電駆動部とベンディング構造物との結合構造で構成して、圧電駆動部の変位方向と垂直な方向にニッパーの変位が発生して、前記ニッパーの変位は圧電駆動部の変位より増幅した変位が得られるという長所がある。

一方、本発明のグリッパーの駆動方法は、第１のニッパー及び第２のニッパーにそれぞれ連結された第１のリンク及び第２のリンクと、第１のリンク及び第２のリンクにそれぞれ連結された第１のベンディング構造物及び第２のベンディング構造物と、前記第１のベンディング構造物の一側と前記第２のベンディング構造物の一側に連結された第１の接点部と、前記第１のベンディング構造物の他側と前記第２のベンディング構造物の他側に連結された第２の接点部と、前記第１の接点部に連結され、前記第２の接点部に連結されて、印加された電圧により前記第１の接点部と前記第２の接点部に膨張する圧電駆動部とを含むグリッパーを用意するステップと、前記圧電駆動部に電圧を印加して、前記圧電駆動部を第１の接点部と第２の接点部に膨張させて、前記第１の接点部と前記第２の接点部に変位を発生させるステップと、前記第１の接点部で発生した変位により第１のベンディング構造物を前記圧電駆動部の方向に収縮させ、前記第２の接点部の各々で発生した変位により第２のベンディング構造物を前記圧電駆動部の方向に収縮させるステップと、前記第１及び第２のベンディング構造物の収縮により、前記第１及び第２のベンディング構造物に連結された第１及び第２のリンクを前記圧電駆動部の方向に引っ張るステップと、前記第１及び第２のリンクにそれぞれ連結された第１及び第２のニッパーの間隔を縮めて対象物をグリップするステップと、を含むことができる。

以上、本発明を具体的な例のみに対して説明してきたが、本発明の技術的な範囲内で様々な変形及び修正が可能なのは当業者には明らかであり、このような変形及び修正は添付した特許請求の範囲に属することも明らかである。

本発明によるグリッパーの平面図である。本発明によるグリッパーの動作原理を説明するための概略図である。本発明の第１の実施形態によるグリッパーの平面図である。（ａ）及び（ｂ）は、本発明によるグリッパーの動作を説明するための基本概念図である。本発明の第１の実施形態によるグリッパーの動作を説明するための概念図である。本発明の第２の実施形態によるグリッパーの平面図である。本発明の第２の実施形態によるグリッパーの動作を説明するための概念図である。本発明の第１及び第２の実施形態に適用したアクチュエーターの動作を説明するための概念図である。

符号の説明

１００固定台
１１１第１のアーム
１１２第２のアーム
１３１第１のリンク
１３２第２のリンク
１５１第１のニッパー
１５２第２のニッパー
１６１第１の支持台
１６２第２の支持台
２００アクチュエーター
２１０第１のベンディング構造物
２２０第２のベンディング構造物
２３０第１の接点部
２４０第２の接点部
２５０圧電駆動部
５０１第１の連結部

Claims

固定台と、
前記固定台の一側及び他側にそれぞれ連結された第１のアーム及び第２のアームと、
前記第１のアーム及び第２のアームにそれぞれ連結された第１のニッパー及び第２のニッパーと、
前記第１のアームと前記第１のニッパーとの連結部に一側が連結された第１のリンクと、
前記第２のアームと前記第２のニッパーとの連結部に一側が連結された第２のリンクと、
前記第１のリンクと前記第２のリンクとの間に位置して、印加された電圧により前記第１のリンク及び第２のリンクを引っ張るアクチュエーターと、を含むことを特徴とするグリッパー。
前記第１及び第２のアームの各々の一部に、前記第１及び第２のアームの長さ(Ｌ)の１/２地点から前記第１及び第２のニッパーの一部領域まで形成され、前記第１及び第２のアームのＳ字状の変形を防止する第１及び第２の支持台が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のグリッパー。
前記アクチュエーターは、
前記第１のリンク及び第２のリンクにそれぞれ連結された第１のベンディング構造物及び第２のベンディング構造物と、
前記第１のベンディング構造物の一側と前記第２のベンディング構造物の一側に連結された第１の接点部と、
前記第１のベンディング構造物の他側と前記第２のベンディング構造物の他側に連結された第２の接点部と、
前記第１の接点部に連結され、前記第２の接点部に連結されて、印加された電圧により前記第１の接点部と前記第２の接点部に膨張する圧電駆動部と、を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項２のうち、いずれか一項に記載のグリッパー。
前記固定台、前記第１及び第２のアーム、前記第１及び第２のニッパー、前記第１及び第２のリンク、前記第１及び第２のベンディング構造物及び前記第１及び第２の接点部は、Ｓｉ、Ｎｉ、ＮｉＣｒ及びポリマーのうち、いずれか一つで形成されていることを特徴とする請求項３に記載のグリッパー。
第１のニッパー及び第２のニッパーにそれぞれ連結された第１のリンク及び第２のリンクと、前記第１のリンク及び第２のリンクにそれぞれ連結された第１のベンディング構造物及び第２のベンディング構造物と、前記第１のベンディング構造物の一側と前記第２のベンディング構造物の一側に連結された第１の接点部と、前記第１のベンディング構造物の他側と前記第２のベンディング構造物の他側に連結された第２の接点部と、前記第１の接点部に連結され、前記第２の接点部に連結されて、印加された電圧により前記第１の接点部と前記第２の接点部に膨張する圧電駆動部と、を含むグリッパーを用意するステップと、
前記圧電駆動部に電圧を印加して、前記圧電駆動部を前記第１の接点部と前記第２の接点部に膨張させて、前記第１の接点部と前記第２の接点部に変位を発生させるステップと、
前記第１の接点部で発生した変位により、前記第１のベンディング構造物を前記圧電駆動部の方向に収縮させ、前記第２の接点部の各々で発生した変位により、前記第２のベンディング構造物を前記圧電駆動部の方向に収縮させるステップと、
前記第１及び第２のベンディング構造物の収縮により、前記第１及び第２のベンディング構造物に連結された前記第１及び第２のリンクを前記圧電駆動部の方向に引っ張るステップと、
前記第１及び第２のリンクにそれぞれ連結された前記第１及び第２のニッパーの間隔を縮んで対象物をグリップするステップと、を含むことを特徴とするグリッパーの駆動方法。