JPH03105306A - マイクロマニピュレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、例えば細胞操作や半導体の試験用のブロー
バの位置決め等に用いられるマイクロマニビュレータに
閏するものである。

［従来の技術］ 第６図は例えば、島津評論ＶＯＬ．　　４４　ＮＯ．Ｉ
（１９Ｂ７）に掲載されたマイクロマニビュレー夕の構
成図である。図において、（＋）は操作ボックス、（２
）は制御装置、（２０）はベースであり、顕ｒＸ！鏡（
２４）はべ一ス（２０）の上に固定されている。また、
（２ｌ）は同様にベース（２０）に固定ざれたマニビュ
レータ粗動部であり、その一端にはマニビュレータｗｌ
動部（２２）が結合され、マニビュレータ微動部（２２
）の他端にはマニピュレー夕先端（２３）が結合されて
いる。

次に動作について説明する。マニビュレータ先ｉ（２３
）カ顕ｖ＆鏡（２４）カラＩＩ　ｈ　タ状ｍでｒｍｍ鏡
（２０に試科（図示せず）を装着する。そして、操作ボ
ックス（１）からの指令を受けた制ｙｓ装置（２）によ
ってバルスモータ駆動のマニビュレータ粗動部（２ｌ）
が顕＠鏡（２４）の方向に移動させられ、マニビュレー
タ微動部（２２）を介して取り付けられているマニピュ
レー夕先端（２３）が顕微鏡（２４）の視野内まで移動
する。

この状態で、顕微鏡（２０で試料を観察しながら、操作
ボックス（１）から指令信号を入力し、それにもとづい
て制御装置（２）によって電磁駆動のマニビュレータ微
動部（２２）を駆動し、マニビュレータ微動部（２２）
の先端に取り付けられているマニビュレー夕先端（２３
）によって精密位置決めの必要な作業を実施する。

［発明が解決しようとする課Ｍ］ 従来のマイクロマニビュレー夕は以上のように構成され
ているため、ｌｌｉｆｆｉ鏡の視野中で作業するための
微動部の他に、顕微鏡の試料を取り替える場合などのた
めにマニビュレー夕先端をｌＩ微鏡から離すためのｉＩ
Ｉ．動部が必要であるので、装置の小型化が困這で、か
つ、操作性が悪いという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、例えば顕微鏡視野内で高精度位置決めが可能
なだけでなく、視野外で大きく移動可能な粗Ｖ＆動一体
型の小型のマイクロマニビュレー夕を得ることを目的と
する。

［課題を解決するための手段］ この発明のマイクロマニビュレータは、第１、第２の駆
動軸、固定台に対して回動自在に支持された第１、第２
の駆動軸をその半径方向に直動自在に支持する弾性体、
複数の圧電素子を有し、これら圧電素子を一定の順序、
組み合せで伸縮させることにより、第１、第２の駆動軸
をそれぞれ独立に回動、直動させる第ｌ、第２の圧電モ
ータ、及び第１、第２の駆動軸に固着され、第１、第２
の駆動軸により駆動されるリンク機構を備えたものであ
る。

［作用］ この発明におけるマイクロマニビュレー夕は、リンク機
構の駆動軸を圧電モータによって回転させることで、マ
ニビュレー夕先端を広い動作範囲にわたって移動させ、
駆動軸を半径方向に直動させることによって限定された
動作範囲内で高精度な位置決めを行う。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例を図について説明する．第１
図はこの発明の一実施例のマイクロマニビュレー夕を示
す全体構成図である。第１図において、（１）は操作ボ
ックス、（２）は制御装置、（４ａ）〜（４ｆ）はリン
ク（なお、（４ｅ）（４ｆ）は図示せず後記第３図にお
いて図示〉であり、これらで構成される機構全体を不等
速リンク機構と名付ける。（３）は不等速リンク機構の
２本の駆動軸、第１、第２の駆動軸を駆動するように設
けられた駆動部、（ｌ１）は第１、第２の駆動軸に各々
結合された角度検出器である．また、（ｌ２）は顕微鏡
（図示せず）のステージに固定ざれ、リンク（４ｄ）の
一点を検出点として設けられた非接触変位計である．　
　（１３）は機構を固定するための固定台である． 第２図は第ｌ図における駆動部（３）の詳細を示す断面
側面図である。第２図において、（５），（６）は不等
速リンク機構の第１、第２の駆動軸であり、軸受（９）
で各々独立に回転するように回転支持ざれている。（７
）は不等速リンク機構のリンク回転軸で、不等速リンク
機＊（（４ａ）のみ図示）はリンク固定軸（７）で回転
支持され、第１、第２の駆動軸（５），（６）を外部か
ら駆動することでマニビュレー夕先端を位置決めする。

（１０）は弾性体で第１、第２の駆動軸（５），（６）
およびリンク固定軸（７）およびそれらに回転支持ざれ
た不等速リンク機構を第１、第２の駆動軸（５），（６
）の半径方向に一定範囲内で直動自在に支持するように
設けられている。

（８ａ），（８ｂ）は複数の圧電素子を有し、これら圧
電素子を一定の順序、組み合せで伸縮させることにより
第１、第２の駆動軸（５），（６）をそれぞれ独立に回
動、直動させる第１、第２の圧電モータで、固定台（＋
３）に支持部を固定され、圧電素子の伸長によって圧電
素子の自由端が、各々、第１、第２の駆動＊　（５）　
，（６）に接触するようになっている。

（なお、この圧電モータについては特願平１−　３０２
５０号明ｍｓに記載の圧電モータおよびその駆動方法を
参！！！） 第３図は、第１図における不等速リンク機構の平面図で
ある．第３図において、（５），（６）は第１、第２の
駆！ＪＪ軸、（７）はリンク固定軸．（１４ａ）〜（１
４ｅ）はビンジョイントでリンク（４ａ）〜（４ｆ）は
、リンク固定軸（７）およびビンジョイント（１４ａ）
〜（１４ｅ）で回動自在に結合されている。

ここでは、一実施例の動作概略を第１図で示した後、駆
動部および不等速リンク機構の動作を詳細に説明する。

以下では、一実施例が従来例と同様の動作をする場合に
ついて述べる。

マニビュレー夕先端の顕微鏡から離れた点から顕微鏡の
視野内の目標点への移動は、操作ボツクウ（１）から指
令を受けた制御装置（２）が通常の産業用ロボットと同
様に、現在点と目標点の位置および不等速リンク機構の
座標変換式に従って、第２図に示した第１の駆動軸（５
）および第２の駆動軸（６）の回転角度を決定し、その
角度指令どおり、角度検出器（１１）で回転角度を検出
しながら、駆動部（３）によって第１、第２の駆動軸（
５），（６）を回転させることによって行われる。

そして、顕＠鏡視野内では、操作ボックス（１）から微
小移動の指令を受けた制御装置（２）が非接触変位計（
１２）で先端のリンク（４Ｃ）の変位を検出しながら、
駆動部（３）に直動の指令を与え、第１、第２の駆動軸
（５），（６）を平行移動させて、マニビュレー夕先端
の高精度位置決めを行う。

次に駆動部の動作の詳細について、第２図の第！、第２
の駆ｔ［（５），（６）　トｉ　ｌ、第２　（７）圧ｆ
ｆｉモータ（８ａ）、（８ｂ）の動作状態について、先
願の特願平１−　３０２５０号明ｍ書を例に上げて説明
する。第４図（ａ）〜（ｄ）は圧電モータの回転動作の
原理を示す説明図、第５図（ａ），（ｂ）は直動操作の
原理を示す説明図である。図において（８１ａ），（８
ｌｂ）は剛体部、（８２ａ）．（８２ｂ），（８２ｃ）
，（８２ｄ）はばね部、（８３ａ）　，　（８３ｂ）（
８３ｃ），（８３ｄ）は圧電素子、（５）は駆動軸、（
８４ａ）　，（８４ｂ）は固定ざれた支持部である。

次に動作について説明する．第４図（ａ）の状態では４
つの圧電素子（８３ａ），（８３ｂ），（８３ｃ）．（
８３ｄ）　ｔよ伸長しており、駆動軸（５）とは離れて
いるか軽く接触している。次に　圧電素子（８３ａ），
（８３ｃ）をイ申長すれば、剛体部（８１ａ），（８ｌ
ｂ）は圧電素子（８３ａ）　，（８３ｃ）の変位により
上下方向に移動するとともζこその発生力よりばね部（
８２ｂ），（８２ｄ）を伸ばして第４図（ｂ）に示す状
態となり、この時剛体部（８１ａ），（８ｌｂ）の変位
に伴って圧電素子（８３ｂ），（８３ｄ）は上下に変位
する。次に圧電素子（８３ｂ），（８３ｄ）を伸長して
Ｗｊ８勤軸（５）を拘束すれば第４図（ｃ）に示す状態
ζこなるが、この時圧Ｎ素子（８３ｂ）　．　（８３ｄ
）の駆動軸（５）上の円周面の位置は第４図（ａ）の状
態に比べて回転変位している。ここで圧電素子（８３ａ
）　，　（８３ｃ）を伸長すれば剛体部（８１ａ），（
８ｌｂ）の上下方向の拘束は解放され、ばね部（８２ｂ
）　，　（８２ｄ）が縮むとともに駆動軸（５）が矢印
の方向に回転して第４図（ｄ）の状態になる。こののち
圧電素子（８３ａ），（８３ｃ）を中立位置に戻すこと
によりｌサイクルが完了する。

以上の動作を繰り返すことにより大角度さらに多回転の
回転が可能であり、また以上の動作における圧電素子（
８３ａ），（８３ｃ）と（８３ｂ），（８３ｄ）をいれ
かえて動作させることにより逆方向に回転することもて
きる。

第５図（ａ）の状態では４つの圧電素子（８３ａ），（
８３ｂ）．（８３ｃ），（８３ｄ）は伸長しており、駆
動軸（５）とは離れているか、軽く接触している。次に
第５図（Ｉ））の状態のように、圧電素子（８３ａ）を
伸長すれば、駆動軸（５）の軸受（９）（第２図で図示
）は　弾性体（１０）（第２図で図示）によって支持ざ
れているため、駆動軸（５）は圧電素子（８３ａ）に押
されて下に移動ずる。同様に圧電素子（８３ｂ）．（８
３ｃ）．（８３ｄ）を伸長した場合もそれぞれの方向に
駆動軸（５）は移動するので、圧電素子（８３ａ），（
８３ｂ），（８３ｃ），（８３ｄ）を操作することによ
り駆動軸（５）の中心の位置を操作できる．なお、駆動
軸（５）が移動するときに傾かないようにするために、
圧電素子（８３ａ）　，　（８３ｂ）　，（８３ｃ），
（８３ｄ）が作用する力が二つの軸受に卑しく作用する
よう、軸受の位置と弾性支持棒のばね定数は調整してあ
る。

以上のような第１、第２の圧電モータ（８ａ）（８ｂ）
の動作により、第１、第２の駆動軸（５）（６）が独立
に回転駆動または直！ＪＪ駆動され、それに伴って不等
速リンク機構の先端は、顕微鏡のステージに平行な平面
内で粗動および微動する。また、直動微動時に、第１，
第２の圧電モータ（８ａ）（８ｂ）の対応する圧電素子
の伸縮を逆にすれば、　（例えば、第２の圧電モータの
圧電素子（８３ａ）を仲、（８３ｃ）を縮、第１の圧電
モータの圧電素子（８３ａ）を縮、（８３ｃ）を仲とす
れば）不等速リンク機構の先端をステージに垂直な方向
にｒ；＆勤させることもできる。

次に第３図によって前述のように駆動軸が回転する場合
の不等速リンク機構の動作を説明する。

第２の圧電モータによって第２の駆動軸（６）が回転さ
せられ、第ｌの駆動軸（５〉は固定されている場合、第
２の駆動軸（６）が等速で回転すれば、第２の駆動軸〈
６〉に固着されたリンク（４ｆ）のビンジョイン｝　（
＋４ｅ）の中心の軌跡は（Ａｔ）〜（Ａ４）点となる。

そして、それに対応したマニビュレー夕先端の軌跡は（
Ｂｌ）〜（Ｂ４）と移動する。このように先端の移ａｌ
ｌは、顕微鏡から離れた点（８ｌ）から、顕微鏡の視野
の中心近傍（Ｂ４〉に近づくに従って減少するので、高
精度位置決め領域と高速移動領域を両荻させることがで
きる。

なお、上記実施例では第１、第２の駆動軸（５）（６）
が同軸になった例を示したが、２本の軸が独立に弾性体
で支持される構成にしても同様の効果を奏する。

また、不等速リンク機構の代替として平行リンク機構と
すれば、回転駆動時にほとんどの動作範囲内で先端の位
置決め分解能がほぼ等しくなる。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、第１１　　第２の駆
動軸、固定台に対して回動自在に支持された第１、第２
の駆動軸をその半径方向に直動自在に支持する弾性体、
複数の圧電素子を有し、これら圧電素子を一定の順序、
組み合せで伸縮させろことにより、第１，第２の駆動軸
をそれぞれ独立に回動、直動させる第１、第２の圧電モ
ータ、及び第１、第２の駆動軸に固着され、第１、第２
の駆動軸により駆動されるリンク機構を備えたものにす
ることにより、ｆｆｌ！ＪＪ部と微動部が一体化した小
型のマイクロマニビュレー夕が得られ、また、部品点数
が減少したため省資源化できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるマイクロマニピュレ
ークの全体構成図、第２図は同駆動部の詳細を示す断面
側面図、第３図は同不等速リンク機構の動作を示す平面
図、第４図（ａ）〜（ｄ）、第５図（ａ）（ｂ）はこの
発明に係わる圧電モータの動作原理を示す説明図、第６
図は従来のマイクロマニビュレータの構成図である。 （３）は駆動部、（４ａ）〜（４ｆ）はリンク、（５）
、（６）は第１、第２の駆動軸、（７）はリンク固定軸
、（８ａ），（８ｂ）は第１、第２の圧電モータ、（９
）は軸受、（１０）は弾性体、（Ｉｆ）は角度検出器、
（ｌ２）は非接触変位計、（１３）は固定台、（ｌｌｌ
ａ）〜（＋４ｅ）はピンジョイントであり、リンク（４
ａ）〜（４ｆ）、リンク固定軸（７）、ビンジョイント
（１４ａ）〜（１４ｅ）で不等速リンク機構を構成して
いる。 なお、図中、同一符号は同一　叉は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 第１、第２の駆動軸、固定台に対して回動自在に支持さ
   れた第１、第２の駆動軸をその半径方向に直動自在に支
   持する弾性体、複数の圧電素子を有し、これら圧電素子
   を一定の順序、組み合せで伸縮させることにより、第１
   、第２の駆動軸をそれぞれ独立に回動、直動させる第１
   、第２の圧電モータ、及び第１、第２の駆動軸に固着さ
   れ、第１、第２の駆動軸により駆動されるリンク機構を
   備えたマイクロマニピュレータ。