JPH0732276A - 超小型グリッパー及び超小型グリッパー駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 把持状態を正確に検出する。 【構成】 ２つのフィンガー４と２つのフィンガー４を
間隔をおいて対向に支持する支持体５とからなる超小型
グリッパーにおいて、２つのフィンガー４にそれぞれ金
属プレート３を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超小型機械部品、生体
等の微小物体を掴むために用いられる超小型グリッパー
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体製造技術の発展に伴い、こ
れらの技術を用いて歯車、静電気モーター、マイクロポ
ンプ等の微小な機械要素或いは微小機械が得られるよう
になった。このような微小機械において、微小な物体
（把持対象物）を掴むために超小型グリッパーが用いら
れるようになった。

【０００３】このような超小型グリッパーは、２つのフ
ィンガーとフィンガーを支持する支持体とからなり、こ
の２つのフィンガーの間隔を変化させて把持対象物（微
小な物体）を把持していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のような超小型グ
リッパーは、２つのフィンガーと把持対象物（微小な物
体）との顕微鏡像またはテレビモニター等に映し出した
顕微鏡イメージ像を観察しながらフィンガーを動かして
作業を行っていた。従って、人間（オペレータ）が顕微
鏡像またはテレビモニター等に映し出された顕微鏡イメ
ージ像を観察するということから把持対象物（微小な物
体）を把持したか否かが判断されていた。

【０００５】そのため、２つのフィンガーがどれだけ近
づいているのか、または２つのフィンガーと把持対象物
（微小な物体）がどれだけ近づいたのか等（把持状態）
が正確に検知できないという問題点があった。また、こ
のことから把持対象物（微小な物体）を把持したか否か
が正確に判断することができないという問題点があっ
た。

【０００６】上記問題点を鑑みて、本発明は把持状態を
正確に検知することができ、把持対象物（微小な物体）
を把持したか否かを正確に判断することができる超小型
グリッパーを提供することを目的とする。

【０００７】

【問題点を解決するための手段】発明者は鋭意研究の結
果、２つのフィンガーにそれぞれ金属プレートを設け
て、この金属プレートの間の電気容量を検出し、この電
気容量の変化により把持状態等を検知できることを見い
だした。このことから、把持対象を把持したか否かを正
確に判断することができる。

【０００８】そこで、本発明は第１に、超小型グリッパ
ーを『２つのフィンガーと該２つのフィンガーを間隔を
おいて対向に支持する支持体とからなる超小型グリッパ
ーにおいて、前記２つのフィンガーにそれぞれ金属プレ
ートを設けたこと』から構成する（請求項１）。また、
発明者は金属プレートの代わりに、抵抗をフィンガーに
設けて、フィンガーの撓みによって変化する抵抗値を検
出して、この抵抗値の変化からも把持状態等を検知する
ことができることに気が付いた。そこで、第２に超小型
グリッパーを『２つのフィンガーと該２つのフィンガー
を間隔をおいて対向に支持する支持体とからなる超小型
グリッパーにおいて、前記２つのフィンガーは２つの可
撓性フィンガーであり、前記２つの可撓性フィンガーの
うち少なくとも１つの前記可撓性フィンガーに抵抗を設
けたこと』から構成する（請求項２）。

【０００９】また、第３に好ましくは、超小型グリッパ
ーを『前記２つのフィンガーは、前記２つのフィンガー
のうち、少なくとも１つの前記フィンガーに把持対象物
を捕獲するための凹状または凸状の捕獲用保持部を設け
たこと』から構成する（請求項３）。また、第４に超小
型グリッパー駆動装置を『請求項１または３記載の超小
型グリッパーと、前記超小型グリッパーを移動させる移
動手段と、前記２つのフィンガーを開閉させる開閉手段
と、前記金属プレート間の電気容量を検出する検出手段
と』から構成する（請求項４）。

【００１０】また、第５に超小型グリッパー駆動装置を
『請求項２または３記載の超小型グリッパーと、前記超
小型グリッパーを移動させる移動手段と、前記２つのフ
ィンガーを開閉させる開閉手段と、前記抵抗の抵抗値を
検出する検出手段と』から構成する（請求項５）また、
第６に超小型グリッパー駆動装置を『請求項４の超小型
グリッパー駆動装置において、前記金属プレート間の電
気容量に応じて超小型グリッパーの駆動信号を変化させ
る駆動信号制御手段を設けたこと』から構成する（請求
項６）また、第７に超小型グリッパー駆動装置を『請求
項５の超小型グリッパー駆動装置において、前記抵抗の
抵抗値に応じて超小型グリッパーの駆動信号を変化させ
る駆動信号制御手段を設けたこと』から構成する（請求
項７）

【００１１】

【作用】本発明の超小型グリッパー（請求項２）では、
２つのフィンガーの先端部に複数の突起またはへこみ
（捕獲用保持部）を設けることによって、把持した把持
対象物（微小な物体）が滑りにくくなる。また、本発明
では、超小型グリッパーの２つのフィンガーにそれぞれ
設けた１対の金属プレート間の電気容量を検出すること
により、２つのフィンガーの間隔またはフィンガーと把
持対象物（微小な物体）との状態等（把持状態）を検知
することができる。これは、金属プレート間の電気容量
が金属プレートの面積と超小型グリッパーの置かれる媒
質（金属プレート間の媒質）の誘電率に比例し、金属プ
レート間の距離ｄ、即ち２つのフィンガーの間隔に反比
例することから検知することができる。

【００１２】また、本発明では、フィンガーの開閉状態
に応じて変化する電気容量（信号）に応じてフィンガー
の駆動信号を変化させることができる。例えば、電気容
量（信号）が大きくなるにつれて（即ち、２つのフィン
ガーが近づくにつれて）駆動信号の増幅係数を小さくす
る等して、人間（オペレータ）が過度に閉信号（２つの
フィンガーを閉じる信号）を入力しても、駆動信号が過
度に大きい信号で超小型グリッパーに入力することを防
ぐことができるので、２つのフィンガーが互いに強くぶ
つかったり、把持対象物（微小な物体）を強く把持しす
ぎたりすることを防ぐことができる。

【００１３】また、本発明では、電気容量（信号）の大
きさに応じて、音声（例えばブザー音等でもよい）を周
波数、または振幅、または周波数と振幅の両方、を変化
させて発生させることができる。こうすると、超小型グ
リッパーのフィンガーの開閉状態に応じた音を聞きなが
ら把持作業ができるので、臨場感のある作業が実現で
き、正確に把持対象物（微小な物体）を把持したか否か
を判断することができる。

【００１４】さらに、この電気容量（信号）の大きさに
応じて、人間（オペレータ）が操作する開閉入力装置に
反力を発生させることができる。この開閉入力装置は、
フィンガーを開閉するためのものである。この反力は、
電磁ブレーキ或いはワイヤーブレーキ等の反力発生装置
を用いて、開閉入力装置の開閉運動に対する摩擦抵抗を
変化させることで発生させることができる。例えば、フ
ィンガーが把持対象物（微小な物体）を掴み込めば込む
ほど大きな反力を人間（オペレータ）が操作する開閉入
力装置に発生させることができる。このことは、あたか
も人間がミクロンオーダーの把持対象を直接把持してい
るような感覚を得ることができるので、従来にない臨場
感のあふれた作業が可能となり、正確に把持対象物（微
小な物体）を把持したか否かを判断することができる。

【００１５】また、フィンガーが可撓性のフィンガーで
ある場合には、金属プレートの代わりに抵抗を設けて、
可撓性フィンガーの撓みによって変化する抵抗値を検出
しても、電気容量を用いることと同じ作用を得ることが
できる。以下、実施例により本発明をより具体的に説明
するが、本発明はこれに限るものではない。

【００１６】

【実施例】発明者は、特願平４−５０７５６号におい
て、低電圧駆動で大きな駆動変位が得られる超小型グリ
ッパーを提案した。この超小型グリッパーのフィンガー
は、金属コイルを備えた可撓性プレートを１つの可撓性
フィンガーとし、２つの可撓性フィンガーを用いてい
た。この２つの可撓性フィンガーを外部磁場下に配置
し、可撓性フィンガーの金属コイルに電流を流すことに
よって、可撓性フィンガーはローレンツ力を受けて撓
む。２つの可撓性フィンガーは、この撓みによって開閉
動作をして、微小物体等（把持対象物）を把持してい
た。本実施例では、本発明をこの超小型グリッパーに用
いた。

【００１７】図１は、本発明の第１の実施例による超小
型グリッパーの概略斜視図である。支持体５から突出し
た可撓性プレート１上に金属コイル２及び金属プレート
３が設けられていて、この可撓性プレート１、金属コイ
ル２、金属プレート３から可撓性フィンガー４が構成さ
れる。金属コイル２は、可撓性フィンガー４を開閉させ
るため（開閉手段）に設けたが、別の開閉手段を用いる
場合は、金属コイル２はいらない。

【００１８】金属コイル２は、可撓性プレート１の外周
面に沿って形成されている。また、金属コイル２は駆動
信号線９を介して不図示の駆動信号電極に電気的に接続
されている。また、金属プレート３は電気容量検出信号
線８を介して電気容量検出電極６に接続されている。

【００１９】この金属コイル２、金属プレート３、電気
容量検出電極６、電気容量検出信号線８、駆動信号線９
は超小型グリッパーの外側の両側面に形成される。不図
示の駆動信号電極と電気容量検出電極６は、金属ワイヤ
ーを用いて外部の駆動電源、電気容量センサーに接続さ
れる。また、可撓性プレート１の先端部には、把持対象
物（微小な物体）を把持したときに滑りにくいように複
数の突起７（捕獲用保持部）が形成されている。この複
数の突起７（捕獲用保持部）は把持対象物（微小な物
体）に合わせた形状に形成すればよい。また、複数の突
起７（捕獲用保持部）はなくてもよい。

【００２０】次に、超小型グリッパーの作製方法につい
て説明する。以下にその作製方法を述べる。ここでは、
可撓性プレート１を窒化珪素膜から形成し、支持体５を
シリコンから形成した。３インチ直径、厚さ２５０μ
ｍ、（１００）面方位のｎ型シリコン基板に低圧気相成
長法によりジクロルシランとアンモニアガスを原料とし
て窒化珪素膜を２５０ｎｍ成膜する。

【００２１】次に、可撓性フィンガー４に捕獲用保持部
を形成するために、基板上の窒化珪素膜を部分的にフォ
トリソグラフィ法及びドライエッチング法により除去し
た。除去した形状は一辺が約５μｍから１０μｍの四角
形状で、５ないしは１５個の突起がフィンガー先端に設
けられるようにした。これらの突起の形状、大きさ、数
量は把持する対象に合わせて任意に設定する事が可能で
ある。その後、この基板を、水酸化カリウム（以下、Ｋ
ＯＨと呼ぶ）水溶液またはテトラメチルアンモニウムハ
イドロオキサイド（以下、ＴＭＡＨと呼ぶ）水溶液等の
シリコンのエッチング液に浸漬し、露出したシリコン部
分を四角錘状にエッチングして複数の凹溝を設けた。そ
の後、再び低圧気相成長法を用いて２５０ｎｍの窒化珪
素膜を基板全面に成膜する。窒化珪素膜は、シリコンが
凹溝の部分で凸形状になる。そのため、可撓性プレート
１に凸形状の捕獲用保持部（突起７）を形成することが
できる。これは、同様の方法を用いて、凹形状の捕獲用
保持部を形成することも可能である。

【００２２】この基板に対し、レジスト膜を保護層とし
たドライエッチング法により不要な窒化珪素膜を除去し
て、長さが６００μｍで幅が１２０μｍの中空形状であ
る可撓性フィンガー４の形状を形成した。このときの可
撓性フィンガー４の形状は、第１の実施例にしばられる
ものではなく、任意の形状に形成することが可能である
（中空形状にしなくてもよい）。

【００２３】次に、金属プレート３部、コイル２部、駆
動信号線４部、電気容量検出信号線８部、電気容量検出
電極６部及び不図示の駆動信号電極部に金属パターンを
形成する。まず、厚さ１μｍのレジスト膜をフォトリソ
グラフィ法を用いて成膜し、金属プレート３部、コイル
２部、駆動信号線４部、電気容量検出信号線８部、電気
容量検出電極６部及び不図示の駆動信号電極部の形状を
パターニングする。その後、真空蒸着法を用いて１ｎｍ
のＮｉＣｒを成膜し、次に４９ｎｍのＡｕを全面成膜し
た。ここで、２層の膜にしたのは、Ａｕが窒化珪素に対
して付着力が弱いため、窒化珪素に対して付着力の強い
ＮｉＣｒを最初に成膜した。また、第１の実施例では２
層の膜を用いたが１層の膜でも可能である。また、第１
の実施例に用いた膜に限定されるものではない。ここで
用いられる膜は、可撓性プレート１の材料（窒化珪素）
に対して付着力が強く、抵抗値が小さく、耐アルカリ性
が高い材質の膜が好ましい。これは、付着力が弱いと膜
が剥がれやすくなり、抵抗値が大きいと電気が流れにく
くなり、耐アルカリ性が低いと支持体５の材料（シリコ
ン）をエッチングするときに、一緒にエッチングされて
しまうためである。次に、この試料を超音波洗浄器中の
アセトンに浸漬し、不要なレジスト部、金属膜部を取り
去り必要な金属パターンを得た。

【００２４】これらの処理を施した基板の裏面部の窒化
珪素膜を部分的に（可撓性フィンガー４を形成する部
分）エッチング除去し、試料全体をＫＯＨ、ＴＭＡＨ等
のシリコン用エッチング液に浸漬させ、シリコンを部分
的に（可撓性フィンガー４を形成する部分）溶かし出
し、シリコンを支持体５とし１つの可撓性フィンガーを
有する構造体を得た。

【００２５】このような構造体を２つ作製し、２つの構
造体の金属パターン等を施していない面を互いに接着剤
或いは陽極接合法を用いて接合し、図１に示すようなフ
ィンガー先端部に金属プレート３を備えた超小型グリッ
パーが作製される。 第１の実施例では、可撓性プレー
ト１の材料に窒化珪素を用いて形成したが、これはどの
ような材料でもよく、例えばポリイミドをシリコン基板
上にスピンコート法を用いて成膜して、これを可撓性プ
レートにしても同様な超小型グリッパーを得ることがで
きる。

【００２６】また、基板はｎ型シリコンに限るものでは
なくｐ型シリコンでもよいし、シリコン以外の材料でも
可能である。このようにして、２つの可撓性フィンガー
４に金属プレート３を設けたので、可撓性フィンガー４
の状態に応じた金属プレート３間の電気容量を検出する
ことができる。また、金属プレート３の代わりに抵抗を
設けて、可撓性フィンガー４の撓み（可撓性フィンガー
４の状態）に応じて変化する抵抗値を検出することがで
きる。

【００２７】図２は、本発明の第２の実施例による超小
型グリッパーの駆動装置である。第１の実施例で用いら
れた超小型グリッパーを図２に示すようなシステム構成
のもとで用いた。即ち、超小型グリッパー２１は、ＣＣ
Ｄカメラを備えた顕微鏡からなる観察装置２４下に設置
され、ＣＣＤカメラで撮像した顕微鏡像はテレビモニタ
２８により観察するようにした。

【００２８】超小型グリッパー２１は、不図示の磁場発
生手段によって磁界が印加されるようになっている。こ
の磁場発生手段は、永久磁石または電気磁石のように磁
界を発生することができるものである。この磁場発生手
段とコイルと（開閉手段）を用いて可撓性フィンガーの
開閉を行う。

【００２９】また、超小型グリッパー２１は不図示の油
圧マニュピレータ（移動手段）に設置され、３次元に移
動可能となっている。超小型グリッパー２１の位置の移
動及び超小型グリッパー２１のフィンガーの開閉は、超
小型グリッパー２１を設置させた３次元の油圧マニピュ
レータ駆動用のジョイスティック２９ａとジョイスティ
ック２９ａと一体形成された開閉入力装置２９ｂからな
るマスタ入力装置２９を用いて行った。

【００３０】超小型グリッパーの２本のフィンガーの開
閉は、マスタ入力装置２９の開閉入力装置２９ｂを人間
（オペレーター）が操作することによって行われる。こ
の開閉操作を行うと、開閉入力装置２９ｂに備えたエン
コーダまたは差動トランス等の変位−電圧変換素子によ
って開閉操作に応じた電気信号が発生する。この電気信
号は、コンピュータ２６に入力され、このコンピュータ
２６で任意の増幅係数を掛ける等の信号処理が行われ
る。この信号処理された電気信号で駆動電源２５から発
生する駆動信号２２の信号の大きさを制御し、この駆動
信号２２を用いて超小型グリッパー２１の可撓性フィン
ガーの開閉を制御する。

【００３１】このような超小型グリッパーの駆動装置に
おいて、可撓性フィンガーの開閉状態または可撓性フィ
ンガーと把持対象物（微小な物体）との状態等（把持状
態）に応じて変化する電気容量信号２３は、電気容量セ
ンサ２７で検出され、コンピュータ２６に入力すること
ができる。このことは、電気容量信号２３が大きくなる
に応じて、即ち２本のフィンガーが近づくに応じて、コ
ンピュータ内で駆動信号２２の増幅係数を小さくする等
の調整をすることが可能となる。このようにすると、マ
スタ入力装置２９の開閉入力装置２９ｂで過度の閉信号
（可撓性フィンガーを閉じる信号）を出しても駆動電源
２５から発生する駆動信号２２の信号を適度な大きさの
信号にすることができ、把持対象物（微小な物体）を過
度な力で把持する等の不具合が発生することを防止でき
る。

【００３２】また、電気容量信号２３の大きさに応じ
て、周波数または振幅または周波数と振幅の両方を変化
させた音声信号をコンピュータ２６で発生させ、音声発
生装置２ａにより音声を発生させることにより、超小型
グリッパーのフィンガーの開閉状態に応じた音声を聞き
ながら把持作業ができ、臨場感のある作業が実現でき、
正確に把持対象物（微小な物体）を把持したか否かを判
断することができる。

【００３３】さらに、この電気容量信号２３の大きさに
応じて、開閉入力装置２９ｂの開閉運動に対する摩擦抵
抗の大きさ即ち反力を変化させる事により、把持対象を
掴み込めば込むほど大きな反力を人間（オペレータ）が
操作する開閉入力装置に発生させることができる。この
反力は、不図示の電磁ブレーキ或いはワイヤーブレーキ
等の反力発生装置を用いて変化させる。このことは、あ
たかも人間がミクロンオーダーの把持対象物（微小な物
体）を直接把持しているような感覚を得ることができる
ので、従来にない臨場感のあふれた作業が可能となり、
正確に把持対象物（微小な物体）を把持したか否かを判
断することができる。

【００３４】なお、実施例１と同様に金属プレート３の
代わりに抵抗を設けて、可撓性フィンガー４の撓みに応
じて変化する抵抗値を検出し、電気容量の代わりにこの
抵抗値を用いることでも同様なことがおこなえる。ま
た、第２の実施例では可撓性フィンガーの状態（把持状
態）を音や開閉入力装置２９ｂの反力に用いて、人間
（オペレータ）に把持状態を検知できるようにしたが、
本発明はこれに限るものではなく、どのような手段で検
知できるようにしてもよい。例えば、電気容量または抵
抗値に応じた値を画面に表示する等してもよい。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、２つのフィンガーに金
属プレートまたは抵抗を設けることによって、把持対象
物（微小な物体）を把持したか否かまたは２つのフィン
ガーの状態等（把持状態）を検知することができる。ま
た、把持状態に応じて超小型グリッパーを駆動する信号
を変化させることができるので、２つのフィンガーが互
いに強くぶつかったり、把持対象物（微小な物体）を強
く把持しすぎないようにすることができる。

【００３６】また、フィンガーに設けた金属プレート間
の電気容量や抵抗の抵抗値を検出することによって、把
持状態に応じた反力を可撓性フィンガー駆動用の開閉入
力装置に発生させたり、把持状態に応じた音声を発生さ
せる等して、あたかも人間が把持しているような臨場感
のある高度な作業性をもたらすことができるので、把持
状態を正確に検知することができ、把持対象物（微小な
物体）を把持したか否かを正確に判断することができる

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施例による超小型グリッパ
ーの概略斜視図である。

【図２】 本発明の第２の実施例による超小型グリッパ
ーを用いる駆動方式を提供するシステム構成図である。

【符号の説明】

１・・・可撓性プレート ２・・・コイル ３・・・金属プレート ４・・・可撓性フィンガー ５・・・支持体 ６・・・電気容量検出電極 ７・・・突起 ８・・・電気容量検出信号線 ９・・・駆動信号線 ２１・・・超小型グリッパー ２２・・・駆動信号 ２３・・・電気容量信号 ２４・・・観察装置 ２５・・・駆動電源 ２６・・・コンピュータ ２７・・・電気容量センサ ２８・・・テレビモニタ ２９・・・マスタ入力装置 ２９ａ・・・ジョイスティック ２９ｂ・・開閉入力装置 ２ａ・・・音声発生装置 ２ｂ・・・反力発生装置

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２つのフィンガーと該２つのフィンガー
   を間隔をおいて対向に支持する支持体とからなる超小型
   グリッパーにおいて、 前記２つのフィンガーにそれぞれ金属プレートを設けた
   ことを特徴とする超小型グリッパー。
2. 【請求項２】 ２つのフィンガーと該２つのフィンガー
   を間隔をおいて対向に支持する支持体とからなる超小型
   グリッパーにおいて、 前記２つのフィンガーは２つの可撓性フィンガーであ
   り、 前記２つの可撓性フィンガーのうち少なくとも１つの前
   記可撓性フィンガーに抵抗を設けたことを特徴とする超
   小型グリッパー。
3. 【請求項３】 前記２つのフィンガーは、前記２つのフ
   ィンガーのうち、少なくとも１つの前記フィンガーに把
   持対象物を捕獲するための凹状または凸状の捕獲用保持
   部を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の超
   小型グリッパー。
4. 【請求項４】 請求項１または３記載の超小型グリッパ
   ーと、 前記超小型グリッパーを移動させる移動手段と、 前記２つのフィンガーを開閉させる開閉手段と、 前記金属プレート間の電気容量を検出する検出手段と、 からなる超小型グリッパー駆動装置。
5. 【請求項５】 請求項２または３記載の超小型グリッパ
   ーと、 前記超小型グリッパーを移動させる移動手段と、 前記２つのフィンガーを開閉させる開閉手段と、 前記抵抗の抵抗値を検出する検出手段と、 からなる超小型グリッパー駆動装置。
6. 【請求項６】 請求項４の超小型グリッパー駆動装置に
   おいて、 前記金属プレート間の電気容量に応じて超小型グリッパ
   ーの駆動信号を変化させる駆動信号制御手段を設けたこ
   とを特徴とする超小型グリッパー駆動装置。
7. 【請求項７】 請求項５の超小型グリッパー駆動装置に
   おいて、 前記抵抗の抵抗値に応じて超小型グリッパーの駆動信号
   を変化させる駆動信号制御手段を設けたことを特徴とす
   る超小型グリッパー駆動装置。