JPH08318482A - 関節機構およびこれを用いたマイクロマニピュレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】微小動が可能であるとともに、粗動動作も可能
になる関節機構およびこれを用いたマイクロマニピュレ
ータを提供する。 【構成】電圧や圧力などのような駆動力が与えられた場
合に屈曲変形するアクチュエータを有する屈曲動作部１
０の一端に、移動体２１および支持体２２からなる関節
部２０を設けるとともに、他端に慣性体３０を設け、屈
曲動作部１０に緩やかな駆動力を与えて緩やかに屈曲運
動させた場合に慣性体３０を微小動作させるとともに、
屈曲動作部１０に急激な駆動力を与えて急激に屈曲運動
させた場合に前記関節部２０の移動体２１に衝撃力を与
えて上記移動体２１を支持体２２に対して移動させ、こ
れにより上記慣性体３０を粗動動作させるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マイクロメータまたは
ナノメータオーダの微小な動きを行う関節機構およびこ
れを用いてマイクロハンド等に適用して有効なマイクロ
マニピュレータに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、半導体製造装置におけるウエハ
の精密位置決めや、バイオテクノロジーおよび医療にお
ける細胞切断や細胞注入あるいは精密手術、衛星通信の
アンテナの精密位置決め作業などは、微小対象物をマイ
クロメータまたはナノメータのオーダで操作する必要が
あり、このような精密位置決め作業を行おうとするとマ
イクロハンドとそのエンドエフェクタである関節機構が
必要となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この種の精密操作を行
うための関節機構として、従来、特開平６−１７０７６
１号公報に提案されたものがある。この関節機構は、ピ
エゾ圧電素子の伸縮動作を利用した６本のリンクを用い
て６自由度パラレルリンク機構により関節機構の先端に
６自由度の移動機能を持たせたものである。

【０００４】しかし、上記関節機構に用いられるピエゾ
圧電素子からなるアクチュエータは、ミクロンオーダー
の変位が容易に得られるが、変位ストロークが微小量し
か得られないという問題がある。

【０００５】一方、関節機構の変位ストロークを大きく
する方法として、特開平２−１８０５７８号公報に提案
されているように、慣性体を急速に移動させることによ
って生じる衝撃力を用いて、関節に取付けられたアーム
を移動させるようにした関節機構が提案されている。

【０００６】しかしながら、このものはアームを多方向
に駆動するため、単一のアームに多数の慣性駆動機構を
設置しなければならず、構造が複雑で、大型化するなど
の問題がある。

【０００７】本発明は上記の問題点に鑑みなされたもの
で、微小なマニピュレーションが可能であるとともに、
傾斜や旋回などの動きにより粗動動作が可能になる関節
機構およびこれを用いたマイクロマニピュレータを提供
しようとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、電圧
や流体圧などのような駆動力が与えられた場合に屈曲変
形する屈曲型アクチュエータを有する屈曲動作部と；上
記屈曲動作部の一端に連結された移動体、およびこの移
動体を摩擦力により移動可能に支持する支持体を有する
関節部と；前記屈曲動作部の他端に設けられ、上記屈曲
動作部に急速な屈曲運動が生じた場合に慣性により前記
関節部の移動体に衝撃力を与える慣性体と；を具備し、
前記屈曲型アクチュエータに緩やかに変化する駆動力を
与えた場合に屈曲動作部が緩やかに屈曲運動して前記慣
性体が微小量移動されるとともに、前記屈曲型アクチュ
エータに急激に変化する駆動力を与えた場合に屈曲動作
部が急激に屈曲運動して前記関節部の移動体に衝撃力を
与え、この衝撃力で上記支持体の摩擦支持力に打ち勝っ
て移動体が支持体に対して移動され、これにより上記慣
性体が粗動動作されるようにしたことを特徴とする関節
機構である。

【０００９】請求項２の発明は、上記屈曲型アクチュエ
ータは、駆動力を与えた場合に屈曲変形および伸縮変形
を選択的におこなうことを特徴とする請求項１に記載の
関節機構である。

【００１０】請求項３の発明は、上記屈曲動作部が複数
の圧電素子を積層してなる１個の積層型アクチュエータ
からなり、上記圧電素子は、電極を分割することにより
素子が非軸対称に変形をする圧電バイモルフ素子または
圧電ユニモルフ素子により構成されていることを特徴と
する請求項１または請求項２に記載の関節機構である。

【００１１】請求項４の発明は、上記屈曲動作部は、電
圧が印加された場合に伸縮変形する少なくとも１個の積
層圧電型アクチュエータと、この積層圧電型アクチュエ
ータの伸縮変形を屈曲動作に変換するテコ機構とを有
し、上記積層圧電型アクチュエータは中心軸から偏心し
た位置に設置されていることを特徴とする請求項１に記
載の関節機構である。

【００１２】請求項５の発明は、上記関節部は、移動体
と支持体との間の摩擦力を調整するためのブレーキ機構
を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項４
のいずれか一に記載の関節機構である。

【００１３】請求項６の発明は、請求項１ないし請求項
５のいずれか一に記載の関節機構を中心線方向に沿って
複数段連結して構成されていることを特徴とする関節機
構である。

【００１４】請求項７の発明は、請求項１ないし請求項
５のいずれか一に記載の関節機構からなる指部と；この
指部の先端に設けられた指先部と；を具備したことを特
徴とするマイクロマニピュレータである。

【００１５】請求項８の発明は、請求項１ないし請求項
５のいずれか一に記載の関節機構からなる手首関節機構
と；この手首関節機構の先端に連結され、請求項１ない
し請求項５のいずれか一に記載の関節機構を有し、相互
に協調動作される複数の指部と；これら指部の先端に設
けられた指先部と；を具備したことを特徴とするマイク
ロマニピュレータである。

【００１６】

【作用】請求項１の発明によれば、屈曲型アクチュエー
タに緩やかに変化する電圧や流体圧などのような駆動力
を与えると、屈曲動作部が緩やかに屈曲運動し、このた
め関節部の移動体に衝撃力が与えられず、移動体が支持
体に対して変位しないから慣性体が微小量移動する。ま
た、屈曲型アクチュエータに急激に変化する電圧や流体
圧のような駆動力を与えると、屈曲動作部が急激に屈曲
運動して関節部の移動体に衝撃力を与え、この衝撃力で
移動体が支持体の摩擦力に打ち勝って支持体に対して変
位し、これにより慣性体が粗動動作されるようになる。

【００１７】請求項２の発明によれば、屈曲動作部は、
屈曲変形のほかに伸縮変形も可能であるから、慣性体の
移動の自由度が増す。請求項３の発明によれば、分割し
た電極に電圧を印加すると、圧電素子が非軸対称に変形
するから、積層型アクチュエータが屈曲変形する。この
場合、１個の積層型アクチュエータによって微動と粗動
の両方の動作が可能になり、屈曲動作部を小型軽量化す
ることができ、かつ積層圧電型アクチュエータを制御す
るための回路を大幅に減らすこともできる。

【００１８】請求項４の発明によれば、中心線から偏心
した位置に設置された少なくとも１個の積層圧電型アク
チュエータを伸縮動作させると、この伸縮動作をテコ機
構が方向変換することにより屈曲動作部が屈曲変形す
る。この場合、伸縮変形という単純な動きをする積層圧
電型アクチュエータを用いるから、積層圧電型アクチュ
エータの構造が簡単になる。そして、中心線から偏心し
た位置に複数の積層圧電型アクチュエータを設置すれ
ば、これら積層圧電型アクチュエータの協調動作により
屈曲動作部の屈曲変形を円滑に行わせることができる。

【００１９】請求項５の発明によれば、上記関節部が調
整可能なブレーキ機構を備えているから、衝撃力に対応
すべく移動体と支持体との間の摩擦力を調整することが
できる。

【００２０】請求項６の発明によれば、関節機構を軸方
向に複数段連結したから、最先端の慣性体の移動範囲を
増幅させることができる。なお、この場合、後段の関節
機構の慣性体は先段の関節機構によって兼用し、後段の
関節機構の慣性体を省略してもよい。

【００２１】請求項７の発明によれば、関節機構からな
る指部の先端に指先部を設けたので、指先部は微動およ
び粗動の両方の動作を行うことができ、ワークに対する
精密な位置決めが可能になる。

【００２２】請求項８の発明によれば、手首関節機構が
請求項１ないし請求項５のいずれか一に記載の関節機構
により構成されているから、回動や旋回運動が可能であ
り、かつこれらの微動および粗動の両方の動作を行うこ
とができる。このような手首関節機構の先端に、請求項
１ないし請求項５のいずれか一に記載の関節機構からな
る指部を連結したから、これら指部の向きが手首関節機
構により変更可能であることに加え、指部自身の先端も
回動や旋回運動が可能であり、しかも微動および粗動の
両方の動作を行うことができるので、指部の先端に設け
た指先部の移動の自由度および移動範囲がきわめて拡大
される。

【００２３】また、上記関節機構により指部が複数本構
成されているから、これら指部の先端に設けた指先部に
よってワークを把持するなどの作業が可能になり、ハン
ド作業の種類が拡大される。

【００２４】

【実施例】

［第１の実施例］図１ないし図８は本発明の第１の実施
例を示すものであり、図１は本実施例の関節機構１００
をマイクロマニピュレータに適用した場合の主要部の構
造を示す図、図２はマイクロマニピュレータの全体の構
造を示す図、図３ないし図５は積層型アクチュエータ１
１０の構成および作動を説明する図、図６ないし図８は
マイクロマニピュレータの作動を説明する図である。

【００２５】本実施例のマイクロマニピュレータは、図
２に示すように、指部１と、この指部１の先端に設けら
れた指先部２と、指部１の根元が支持された腕部３およ
びこの腕部３が支持軸４を介して回動可能に支持された
支柱５を備え、この支柱５は基台６に立設されている。
なお、基台６にはワーク７が載置されるようになってい
る。

【００２６】指部１は本発明の関節機構１００により構
成されており、この関節機構１００について説明する。
関節機構１００（＝指部１）は、屈曲動作部１０と、関
節部２０と、慣性体３０とを備えて構成されている。屈
曲動作部１０の一方の端に上記慣性体３０が連結されて
おり、この慣性体３０に上記指先部２が設けられてい
る。この指先部２は図示しないが、微小針または微小刃
具あるいはマイクロキャピラリなどのような、前記ワー
ク７に作用する工具である。

【００２７】関節部２０は、球状の接触面を持つ移動体
２１と、摩擦力によって移動体２１を保持する支持体２
２とを備えている。移動体２１は、球体２１ａと、剛性
を有する支持杆２１ｂと、同じく剛性を有するフランジ
２１ｃを結合した構成を有し、フランジ２１ｃには、上
記指部１の積層型アクチュエータ１１０の他端が連結さ
れている。

【００２８】支持体２２は、上記移動体２１の球体２１
ａを包容する摺接面２２ａと、上記球体２１ａを摺接面
２２ａに押し付けるブレーキ機構に該当する押圧体２２
ｂと、この押圧体２２ｂを押圧付勢する押圧バネ２２ｃ
を有し、上記球体２１ａは押圧バネ２２ｃの押圧力を受
けて摺接面２２ａに押し付けられることにより摩擦力が
発生されている。支持体２２には、調整ネジ２２ｄがね
じ係合されており、この調整ネジ２２ｄを前進または後
進させることにより、上記押圧バネ２２ｃのセット荷重
を調整して移動体２１に作用する押圧力、すなわち摩擦
保持力を調整することができる。

【００２９】移動体２１の球体２１ａは、支持体２２の
摺接面２２ａに摺接することにより回動可能である。な
お、本実施例では関節部２にｘ方向およびｙ方向の２自
由度を与えるため球体２１ａを用いたが、ｘあるいはｙ
の一方向の１自由度であれば、球体のかわりに円筒を用
いた摩擦支持の構造であっても可能である。

【００３０】屈曲動作部１０はマニピュレーションを行
う主要部分であり、本実施例では１個の積層型アクチュ
エータ１１０により構成されている。上記積層型アクチ
ュエータ１１０（＝屈曲動作部１０）の構造および動作
を図３ないし図５にもとづき説明する。積層型アクチュ
エータ１１０は、多数の圧電素子組体１１…を積層して
構成されている。これら各圧電素子組体１１は、圧電ユ
ニモルフ素子または圧電バイモルフ素子からなり、本実
施例の場合は圧電ユニモルフ素子を用いており、図３に
示すように、２つの圧電ユニモルフ素子１１１を向かい
合わせて結合して構成されている。

【００３１】圧電ユニモルフ素子１１１は、図４（Ａ）
に示すように、圧電素子１１ａと、この圧電素子１１ａ
の一方の面に張り合わされた金属板１１ｂと、上記圧電
素子１１ａの上記金属板１１ｂと反対の面に成膜された
電極１１ｃａ、１１ｃｂ、１１ｃｃとで構成されてい
る。電極１１ｃａ、１１ｃｂ、１１ｃｃは円周方向に、
例えば扇形状に三分割されており、電圧が印加される部
分が三か所に限定されている。

【００３２】このような圧電ユニモルフ素子１１１は、
金属板１１ｂと、少なくとも１つの電極１１ｃａ、１１
ｃｂ、１１ｃｃとの間に電位差を与えると、圧電素子１
１ａが半径方向に変位を生じる。したがって、金属板１
１ｂと例えば１つの電極１１ｃａとの間に電位差を与え
ると、圧電素子１１ａの電極１１ｃａに対向する部位が
半径方向に変位し、圧電ユニモルフ素子１１１全体は、
図４（Ｂ）に示すように非軸対称な形状に変形すること
になる。また、金属板１１ｂと、３つの電極１１ｃａ、
１１ｃｂおよび１１ｃｃとの間に同等の電位差を同時に
与えられると、圧電ユニモルフ素子１１１全体は中心部
と周辺部とが軸方向に位置ずれして対称形に弯曲するよ
うになる。

【００３３】このような圧電ユニモルフ素子１１１は２
枚一組となって上記圧電素子組体１１を構成している。
この圧電素子組体１１は上記２枚の圧電ユニモルフ素子
１１１を互いに向い合わせて結合してある。なお、これ
ら２枚の圧電ユニモルフ素子１１１、１１１は、絶縁体
からなる第１のスペーサ１１２…を介して連結されてい
る。

【００３４】このような圧電素子組体１１を多数個積層
することにより前記積層型アクチュエータ１１０が図５
（Ａ）に示すように構成されている。この場合、各圧電
ユニモルフ素子１１１における非軸対称な変形部分が軸
方向に揃うようにして積層されている。なお、多数の圧
電素子組体１１…間は絶縁性の第２のスペーサ１１３…
により連結されている。

【００３５】このような構成の積層型アクチュエータ１
１０は、各圧電ユニモルフ素子１１１…に電圧を印加し
ない場合はこれら圧電ユニモルフ素子１１１…が変形し
ないから、図５（Ａ）に示すように収縮した状態にあ
る。また、各圧電ユニモルフ素子１１１…の金属板１１
ｂとそれぞれいずれか１つの電極１１ｃａ、１１ｃｂま
たは１１ｃｃとの間に電位差を与えると、それぞれの圧
電ユニモルフ素子１１１…は上記電圧が加えられた電極
と対向する部位が半径方向に変位するため、積層圧電型
アクチュエータ１１０全体は、図５（Ｂ）に示すよう
に、ｘ方向またはｙ方向に屈曲変形する。さらに、各圧
電ユニモルフ素子１１１…の金属板１１ｂと全部の電極
１１ｃａ、１１ｃｂおよび１１ｃｃとの間に同等の電位
差を与えると、これら圧電ユニモルフ素子１１１…は対
称的に弯曲し、積層圧電型アクチュエータ１１０全体
は、図５（Ｃ）に示すように、ｚ方向に伸長変形するよ
うになる。

【００３６】このような積層型アクチュエータ１１０、
すなわち屈曲動作部１０を有する関節機構１００（指部
１）の作動を説明する。微小な動き、つまり微小なマニ
ピュレーションを行うときは、各圧電ユニモルフ素子１
１１に緩やかに変化する電圧を加えると、積層型アクチ
ュエータ１１０はゆっくり屈曲運動する。例えば、積層
型アクチュエータ１１０を図５（Ｂ）のように、緩やか
に屈曲変形させると、この屈曲運動はゆっくり行われる
から積層型アクチュエータ１１０の先端に取付けた慣性
体３０は積層型アクチュエータ１１０の先端の動きに追
従し、よって慣性体３０は図６（Ａ）に示すように、積
層型アクチュエータ１１０の軸方向（ｚ方向）と交差す
る方向、つまりｘ方向またはｙ方向に移動する。よっ
て、慣性体３０は積層型アクチュエータ１１０の屈曲許
容範囲内で微動される。

【００３７】また、積層型アクチュエータ１１０を図５
（Ｃ）のように伸長させると、この伸長動作に伴って慣
性体３０が積層型アクチュエータ１１０の軸方向（ｚ方
向）へ移動する。なお、この伸長および収縮動作は、ゆ
っくり行っても、または素早く行ってもよい。

【００３８】このような微小なマニピュレーションを行
うときは、関節部２における移動体２１と支持体２２の
相対的な位置変化は生じない。上記のようなゆっくりし
た動きによる慣性体３０の最大移動距離は、積層型アク
チュエータ１１０の屈曲限度の範囲である。したがっ
て、慣性体３０の先端はマイクロメータまたはナノメー
タのオーダで微動が可能になる。

【００３９】一方、慣性体３０をもっと大きく移動させ
たい、すなわち上記積層型アクチュエータ１１０の屈曲
による可動範囲を越える範囲まで粗動を行わせたい場合
は、以下のようにして行うことができる。各圧電ユニモ
ルフ素子１１１に、図７に示すように、一周期のなかで
立ち上がりと立ち下がりに時間差のある電圧を印加す
る。例えば、図８（Ａ）の状態を初期状態とし、立ち上
がり時間の短い電圧を各圧電ユニモルフ素子１１１に印
加して積層型アクチュエータ１１０を急激に図５（Ｂ）
のように屈曲変形させる。すると、この屈曲運動は急激
に発生するから積層型アクチュエータ１１０の先端に取
付けた慣性体３０はその慣性のために積層型アクチュエ
ータ１１０の先端の動きに追従できず、初期状態の位置
に止まろうとする。慣性体３０が移動せず、またはその
移動が少ないと、関節部２における移動体２１に衝撃が
加えられ、この衝撃力が支持体２２に対する摩擦抵抗力
に打ち勝った場合、球体２１ａが摺接部２２ａに対して
滑り、よって移動体２１が回動変位する。つまり、積層
型アクチュエータ１１０の根元の向きが変わることにな
る。

【００４０】次に上記印加電圧を緩やかに解除すると、
積層型アクチュエータ１１０は屈曲状態からゆっくり元
の真っ直ぐな姿勢に戻ろうとする。このとき、慣性体３
０は積層型アクチュエータ１１０の先端の動きに追従す
るから、移動体２１が支持体２２に対して回動移動する
ことなく、慣性体３０が積層型アクチュエータ１１０の
軸方向に沿う姿勢になる。またこの時には、すでに移動
体２１の球体２１ａおよび支持杆２１ｂの向きが元の向
きから変化しているので、真っ直ぐな姿勢に復帰した積
層型アクチュエータ１１０は元の向きから傾斜した向き
になる。このため慣性体３０の先端は、図８（Ａ）の初
期状態からｘ方向またはｙ方向に大きく移動することに
なる。

【００４１】よって慣性体３０の移動距離は、積層型ア
クチュエータ１１０の屈曲範囲を越えた粗動範囲とな
る。そして、このような粗動を複数回繰り返すことによ
り慣性体３０を大きく移動させることができ、所望の位
置まで粗動させることが可能になる。

【００４２】さらに、電圧を印加する順序を、圧電ユニ
モルフ素子１１１…の各電極１１ｃａ、１１ｃｂおよび
１１ｃｃの順にすれば、積層型アクチュエータ１１０が
首振り旋回運動するようになり、よって慣性体３０を旋
回移動させることができる。

【００４３】なお、一周期のなかで立ち上がりと立ち下
がりに時間差のある電圧を印加する場合、立ち上がりは
ゆっくり変化し、立ち下がりは急激に変化するパターン
であってもよい。また、１回の粗動で慣性体３０の先端
が移動する距離は、慣性体３０の先端と関節部２０との
距離、慣性体３０の振幅、慣性体３０の重量、関節部２
０における移動体２１と支持体２２との間に生じる摩擦
の状態などに依存するから、これらの条件を適宜選択し
て粗動距離を設定することができる。

【００４４】上記のような慣性体３０の先端に指先部２
を取付けて構成されたマイクロマニピュレータにおいて
は、指先部２は慣性体３０の動きと同じ動作をするか
ら、屈曲動作部１０（積層型アクチュエータ１１０）を
ゆっくり屈曲させると、指先部２が微動されるようにな
り、また屈曲動作部１０（積層型アクチュエータ１１
０）を急激に屈曲させると、指先部２は屈曲動作部１０
の屈曲範囲を越えた粗動範囲に動かされるようになる。

【００４５】よって、このようなマイクロマニピュレー
タであれば、指先部２を構成する微小針または微小刃具
あるいはマイクロキャピラリなどを、ワーク７に対して
高精度に位置決めさせることができる。

【００４６】このような第１実施例の場合、屈曲動作部
１０が１個の屈曲作動式の積層型アクチュエータ１１０
により構成されているから、積層型アクチュエータ１１
０の使用数が少なく、よって構成が簡単であり、小型
化、コンパクト化および軽量化が可能になる。また、積
層型アクチュエータ１１０を制御する回路の構造も簡素
化する。

【００４７】［第２の実施例］図９ないし図１１は、本
発明の第２の実施例のマイクロマニピュレータを示す。
本実施例では、伸縮動作のみしか行えない従来公知の積
層圧電型アクチュエータ１２０…を用いて屈曲動作部１
０を構成している、伸縮動作形の積層圧電型アクチュエ
ータ１２０…は図示しないが、板状の圧電材料の両面に
それぞれ電圧印加のための電極を設けて形成した素子を
複数枚積層して構成したものであり、前記電極に電圧を
印加すると前記圧電材料が板厚方向に伸縮するものであ
る。本実施例では、屈曲動作部１０が３個の積層圧電型
アクチュエータ１２０により形成されている。

【００４８】これら３個の積層圧電型アクチュエータ１
２０は、一端がそれぞれ弾性ヒンジ４１を介してテコ部
材４２に回動自在に連結されており、よってこれら３個
の積層圧電型アクチュエータ１２０はテコ部材４２に対
して傾斜可能となっている。また、これら３個の積層圧
電型アクチュエータ１２０は、他端がそれぞれ移動体２
１のフランジ２１ｃに結合されている。３個の積層圧電
型アクチュエータ１２０は上記テコ部材４２およびフラ
ンジ２１ｃに対し、これらの中心線から偏心した位置で
テコ部材４２およびフランジ２１ｃに連結されており、
上記テコ部材４２とフランジ２１ｃとの間には、これら
の中心線に位置して引張りバネ４３が掛け渡されてい
る。したがって、３個の積層圧電型アクチュエータ１２
０は引張りバネ４３の引張り力を受けてプリセット荷重
が加わるように付勢されている。

【００４９】上記テコ部材４２に慣性体３０が連結され
ており、したがって上記屈曲動作部１０と慣性体３０お
よび関節部２０とで関節機構１００（＝指部１）が構成
されている。

【００５０】そして、この慣性体３０に指先部３が取付
けられることによって、この指先部３と上記関節機構１
００（指部１）とでマイクロマニピュレータが構成され
ている。

【００５１】上記のように構成された関節機構１００
（指部１）は、３個のうちのいずれか１つまたは２つの
積層圧電型アクチュエータ１２０に電圧を印加すると、
この積層圧電型アクチュエータ１２０が伸長する。この
とき、残りの積層圧電型アクチュエータ１２０は伸長し
ないから、テコ部材４２の偏心した一か所または２か所
が押されるようになり、このためテコ部材４２が傾くこ
とになる。したがってテコ部材４２に連結されている慣
性体３０は、図１０（Ａ）の状態から図１０（Ｂ）の状
態へ、ｘ方向あるいはｙ方向へ微動する。

【００５２】上記積層圧電型アクチュエータ１２０の伸
縮量は通常数１０μｍであるため、弾性ヒンジ４１およ
びテコ部材４２による拡大機構を用いたとしても、慣性
体３０の移動幅はせいぜい数百μｍ程度である。よっ
て、上記１つまたは２つの積層圧電型アクチュエータ１
２０に電圧をゆっくり印加すると、この積層圧電型アク
チュエータ１２０は緩やかに伸長し、上記テコ部材４２
の作用により微小なマニピュレーションを行うことがで
きる。

【００５３】また、３個のうちのいずれか１つまたは２
つの積層圧電型アクチュエータ１２０に図７に示すよう
な波形の電圧を印加すると、この積層圧電型アクチュエ
ータ１２０が急激に伸長する。このとき、慣性体３０の
慣性によりテコ部材４２の傾きが抑制されるため、関節
部２における移動体２１に衝撃が加えられ、この衝撃力
が支持体２２に対する摩擦抵抗力に打ち勝って球体２１
ａが回動する。よって、屈曲作動部１０は図１１（Ａ）
の状態から図１１（Ｂ）の状態へ傾くようになる。

【００５４】そして、上記印加電圧を緩やかに解除する
と、伸長していた積層圧電型アクチュエータ１２０は収
縮し、このとき、慣性体３０は屈曲作動部１０の先端の
動きに追従するから、移動体２１が支持体２２に対して
回動移動することなく、図１１（Ｃ）に示すように、慣
性体３０が屈曲作動部１０の軸方向に沿う姿勢になる。
このため慣性体３０の先端は、初期状態からｘ方向また
はｙ方向へ大きく移動するようになる。

【００５５】よって、慣性体３０を屈曲作動部１０の屈
曲範囲を越えて粗動させることができる。そして、この
ような粗動を複数回繰り返すことにより慣性体３０を大
きく移動させることができ、所望の位置まで粗動させる
ことが可能になる。

【００５６】なお、電圧を印加する順序を、それぞれ３
個の積層圧電型アクチュエータ１２０の並びの順にすれ
ば、屈曲作動部１０は首振り旋回運動するようになり、
よって慣性体３０を旋回移動させることができる。

【００５７】また、３個の積層圧電型アクチュエータ１
２０に同時に電圧を印加すれば、これら３個の積層圧電
型アクチュエータ１２０が同時に伸長し、慣性体３０を
軸方向、つまりｚ方向へ移動させることができる。

【００５８】このような構成の屈曲作動部１０の先端
に、指先部２を設けて構成されたマイクロマニピュレー
タであれば、指先部２を選択的に微動および粗動させる
ことができる。

【００５９】ここで、本実施例ではｘ方向、ｙ方向の屈
曲動作と、ｚ方向の伸縮動作を可能にするため、積層圧
電型アクチュエータ１２０を３個使用したが、ｘ方向あ
るいはｙ方向の一方向の屈曲動作のみであれば積層圧電
型アクチュエータ１２０は１個であっても動作可能であ
り、また、ｘ方向あるいはｙの一方向の屈曲動作と、ｚ
方向の伸縮動作を行うのであれば、積層圧電型アクチュ
エータ１２０は２個であっても動作が可能である。ただ
し、この場合も、伸縮作動のみを行う積層圧電型アクチ
ュエータ１２０を使用するから、この積層圧電型アクチ
ュエータ１２０は中心から偏心した位置に配置されてテ
コ部材４２を傾斜させるように作用するものである。

【００６０】また、本実施例のような関節機構１００
は、屈曲作動部１０を第１の実施例で用いたような積層
型アクチュエータにより構成することもできる。この場
合の積層型アクチュエータは図示しないが、多数の圧電
素子組体１１…を積層して構成されており、これら各圧
電素子組体１１は、圧電ユニモルフ素子または圧電バイ
モルフ素子を積層して構成されている。但し、この場合
の圧電素子組体１１…は図５（Ｃ）に示すと同様に、軸
方向に沿って伸縮変形のみを行うようになっており、弯
曲変形しないようになっている。このため、本例の積層
型アクチュエータは図４に示す積層型アクチュエータ１
１０のように電極１１ｃを３つに分割する必要はなく、
積層型アクチュエータの構造が簡単になる。また、この
ような伸縮変形のみを行う積層型アクチュエータを用い
た場合は、プリセット荷重を加える必要がなく、引っ張
りばね４３は必要でなくなる。なお、上記第２の実施例
の場合、テコ部材４３と慣性体３０とを兼用してもよ
い。

【００６１】［第３の実施例］図１２は本発明の第３の
実施例のマイクロマニピュレータを示す。この第３の実
施例のマイクロマニピュレータは、図１に示された関節
機構を２個直列に連結して構成されたものである。すな
わち、先端部に設けられる第１段目の関節機構２００
は、図１の関節機構１００と同様な構造を有し、積層型
アクチュエータ１１０からなる屈曲動作部１０と関節部
２０と慣性体３０を備えている。後端部に設けられる第
２段目の関節機構３００は、積層型アクチュエータ１１
０からなる屈曲動作部１０と、関節部２０を備えてお
り、屈曲動作部１０の先端は第１段目の関節機構２００
の関節部２０に連結されている。

【００６２】このような構成の場合は、それぞれの関節
機構２００および３００が屈曲による微動と、回動およ
び旋回による粗動が可能であるから、先端部の慣性体２
０の移動範囲は、理論的には１個の関節機構を用いる場
合に比べてきわめて大きくなる。

【００６３】したがって、先端部の慣性体２０に指先部
２を取付ければ指先部２の移動範囲が大きくなり、精密
位置決めが可能になる。なお、この場合、２段目の関節
機構３００にも慣性体を取付けてもよいが、２段目の関
節機構３００は１段目の関節機構２００の慣性を利用す
ることができるから、２段目の関節機構３００の慣性体
を省略することができる。

【００６４】また、それぞれの関節機構２００および３
００は、回動運動および旋回運動が可能であるから、先
端部（１段目）の関節機構２００を指部とし、後端部
（２段目）の関節機構３００を手首関節機構とすること
もできる。

【００６５】［第４の実施例］図１３は本発明の第４の
実施例のマイクロマニピュレータを示す。第４の実施例
は、図１２に示す先端部（１段目）の関節機構１００を
複数個に並設し、これらにより複数本の指部１…を構成
したものである。すなわち、後端部（２段目）の関節機
構は図１２の場合と同様に、積層型アクチュエータ１１
０からなる屈曲動作部１０と関節部２０とを備え、マイ
クロマニピュレータの手首関節機構を構成している。こ
の手首関節機構３００は上記関節部２０が腕部３に連結
されている。この手首関節機構３００の先端部には複数
の指部１…が連結されている。これら指部１…はそれぞ
れ、図１に示す構造と同様な関節機構１００により構成
されている。つまり各指部を構成する関節機構１００
は、それぞれ積層型アクチュエータ１１０からなる屈曲
動作部１０と関節部２０と慣性体３０を備えている。各
指部１…の慣性体３０にはそれぞれ指先部２…が設けら
れている。したがって、このような構成のマイクロマニ
ピュレータは、手首関節機構３００と、複数の指部１…
と、それぞれの指部に設けた指先部２…とで構成されて
いる。

【００６６】なお、複数の指を構成する各関節機構１０
０…は、その関節部２０の支持体２２が共用されてい
る。前記手首関節機構３００は、第１の実施例に示した
関節機構と同様に、積層型アクチュエータ１１０からな
る屈曲動作部１０の作用により、微動および粗動が可能
であるばかりでなく回動および旋回が可能である。また
各指部１…も第１の実施例に示した関節機構と同様に、
積層型アクチュエータ１１０からなる屈曲動作部１０の
作用により、微動および粗動が可能であり、かつ回動お
よび旋回が可能である。

【００６７】したがって、このような構成のマイクロマ
ニピュレータは、手首関節機構３００および複数の指部
１…を協調動作させることにより、各関節機構の微動動
作および粗動動作を活かして指先部２を動かし、微小な
ワークのハンドリングや移動が可能になる。よって、マ
イクロハンドとして用いることもできる。

【００６８】［第５の実施例］図１４および図１５は本
発明の第５の実施例のマイクロマニピュレータを示す。
前記各実施例は、屈曲動作部１０が駆動エネルギーとし
て電圧を加えることにより変形される積層型アクチュエ
ータ１１０または積層圧電型アクチュエータ１２０によ
り構成された例を示したが、第５実施例の場合は、屈曲
動作部１０が、駆動エネルギーとしてガス圧または液体
圧を加えることにより変形されるフレキシブルアクチュ
エータ４００により構成された例を示す。フレキシブル
アクチュエータ４００は、図１５に分解して示すよう
に、シリコンゴムなどからなる可撓性チューブ４０１を
備えている。この可撓性チューブ４０１は図示しないが
内部に埋設した螺旋状のワイヤにより、軸方向の変形が
可能であるが径方向の変形つまり膨らみが規制されるよ
うになっており、この可撓性チューブ４０１内は、周方
向に沿って複数、例えば３つのチャンバー４０２，４０
３，４０４に区画されている。これらチャンバー４０
２，４０３，４０４は可撓性チューブ４０１の端部に取
着された端部キャップ４０５…、４０６…により閉塞さ
れている。基端側の端部キャップ４０６…にはそれぞれ
導通孔４０７…が形成されており、これら導通孔４０７
…にはそれぞれフレキシブルホース４０８…が連結され
ている。これらフレキシブルホース４０８…は図示しな
い圧力制御バルブに接続されている。これら圧力制御バ
ルブを制御して前記フレキシブルホース４０８…を通じ
て各チャンバー４０２，４０３，４０４のいずれか１つ
または２つの圧力を高くすると、これらチャンバーが軸
方向に伸びるので、可撓性チューブ４０１は伸びない方
のチャンバー側に弯曲する。

【００６９】したがって、このようなフレキシブルアク
チュエータ４００の先端に、図１５に示す通り、慣性体
３０および指先部２を取り付けるとともに、基端を関節
部２０に連結すれば、図１に示された第１の実施例の場
合と同様に、微小移動が可能になる。つまり、圧力を緩
やかに変化させるとフレキシブルアクチュエータ４００
が緩やかに弯曲するから指先部２が微動し、また圧力を
急激に変化させると関節部２０の作用により、フレキシ
ブルアクチュエータ４００が粗動するから指先部２の移
動範囲を大きくすることができる。よって、指先部２の
微動および粗動が可能であり、かつ回動および旋回が可
能である。

【００７０】

【発明の効果】以上説明したように請求項１の発明によ
れば、屈曲動作部が緩やかに屈曲運動する場合はマニピ
ュレータが微小量移動するとともに、屈曲動作部が急激
な屈曲運動する場合はマニピュレータが粗動動作するよ
うになり、マニピュレータの微動および粗動を選択する
ことができる。

【００７１】請求項２の発明によれば、屈曲動作部は屈
曲変形および伸縮変形が可能であるから、マニピュレー
タを直線運動させることもでき、マニピュレータの移動
の自由度が増す。

【００７２】請求項３の発明によれば、屈曲動作部は圧
電素子が非軸対称に変形する積層型アクチュエータにて
構成されているから、１個の積層型アクチュエータによ
り微動と粗動の両方の動作が可能となり、屈曲動作部を
小型軽量化することができ、またアクチュエータを制御
するための回路を大幅に減らすこともできる。

【００７３】請求項４の発明によれば、伸縮変形する少
なくとも１個の積層圧電型アクチュエータによっても微
動と粗動の両方の動作が可能になる。請求項５の発明に
よれば、上記関節部が調整可能なブレーキ機構を備えて
いるから、摩擦力を調整することができる。

【００７４】請求項６の発明によれば、関節機構を軸方
向に複数段連結したから、最先端の慣性体の移動範囲を
増幅させることができる。請求項７の発明によれば、関
節機構からなる指部の先端に指先部を設けたので、指先
部は微動および粗動の両方の動作を行うことができ、ワ
ークに対する精密な位置決めが可能になる。

【００７５】請求項８の発明によれば、関節機構により
構成された手首関節機構に、同じく関節機構により構成
された指部を連結したから、指部の先端に設けた指先部
の移動の自由度および移動範囲がきわめて拡大される。
また、指部が複数個形成されるから、これら指部の先端
にそれぞれ設けた指先部によりワークを把持するなどの
作業が可能になり、ハンド作業の種類が広くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示し、マイクロマニピ
ュレータの主要部の構成である指部（関節機構）および
指先部を示す斜視図。

【図２】同実施例のマイクロマニピュレータの全体の構
造を示す図。

【図３】同実施例の圧電ユニモルフ素子を用いた圧電素
子組体の構成を示す側面図。

【図４】同実施例の圧電ユニモルフ素子の構造と動作を
説明する図。

【図５】同実施例の屈曲作動部（積層型アクチュエー
タ）の構造と動作を説明する図。

【図６】同実施例のマイクロマニピュレータの微動動作
を説明する図。

【図７】同実施例のマイクロマニピュレータハンドの粗
動動作のために印加する電圧波形の一例を示す図。

【図８】同実施例のマイクロマニピュレータの粗動動作
を説明する図。

【図９】本発明の第２の実施例のマイクロマニピュレー
タの主要部の構成である屈曲作動部および指先部を示す
斜視図。

【図１０】同実施例のマイクロマニピュレータの微動動
作を説明する図。

【図１１】同実施例のマイクロマニピュレータの粗動動
作を説明する図。

【図１２】本発明の第３の実施例のマイクロマニピュレ
ータの主要部の構成を示す断面図。

【図１３】本発明の第４の実施例のマイクロマニピュレ
ータの全体の構成を示す断面図。

【図１４】本発明の第５の実施例のマイクロマニピュレ
ータの全体の構成を示す斜視図。

【図１５】同実施例のフレキシブルアクチュエータの構
成を示す分解した斜視図。

【符号の説明】

１…指部 ２…指先部 ３…腕部 ４…支持軸 ５…支柱 ６…基台 ７…ワーク １０…屈曲作動部 １１…圧電素子組体 １１１…圧電ユニモルフ素子 １１ａ…圧電素子 １１ｂ…金属板 １１ｃａ，１１ｃｂ，１１ｃｃ…電極 ２０…関節部 ２１…移動体 ２１ａ…球体 ２１ｂ…支持杆 ２１ｃ…フランジ ２２…支持体 ２２ａ…摺接面 ２２ｂ…押圧体（ブレーキ機構） ２２ｃ…押圧バネ（ブレーキ機構） ２２ｄ…調整ネジ（ブレーキ機構） ３０…慣性体 ４１…弾性ヒンジ ４２…テコ部材 ４３…引張りバネ １００…関節機構 １１０…積層型アクチュエータ １２０…積層圧電型アクチュエータ ２００…１段目の関節機構（指部） ３００…２段目の関節機構（手首関節機構） ４００…フレキシブルアクチュエータ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動力が与えられた場合に屈曲変形する
   屈曲型アクチュエータを有する屈曲動作部と；上記屈曲
   動作部の一端に連結された移動体、およびこの移動体を
   摩擦力により移動可能に支持する支持体を有する関節部
   と；前記屈曲動作部の他端に設けられ、上記屈曲動作部
   に急速な屈曲運動が生じた場合に慣性により前記関節部
   の移動体に衝撃力を与える慣性体と；を具備し、 前記屈曲型アクチュエータに緩やかに変化する駆動力を
   与えた場合に屈曲動作部が緩やかに屈曲運動して前記慣
   性体が微小量移動されるとともに、前記屈曲型アクチュ
   エータに急激に変化する駆動力を与えた場合に屈曲動作
   部が急激に屈曲運動して前記関節部の移動体に衝撃力を
   与え、この衝撃力で上記支持体の摩擦支持力に打ち勝っ
   て移動体が支持体に対して移動され、これにより上記慣
   性体が粗動動作されるようにしたことを特徴とする関節
   機構。
2. 【請求項２】 上記屈曲型アクチュエータは、駆動力を
   与えた場合に屈曲変形および伸縮変形を選択的におこな
   うことを特徴とする請求項１に記載の関節機構。
3. 【請求項３】 上記屈曲動作部は、複数の圧電素子を積
   層してなる１個の積層型アクチュエータからなり、上記
   圧電素子は、電極を分割することにより素子が非軸対称
   に変形をする圧電バイモルフ素子または圧電ユニモルフ
   素子により構成されていることを特徴とする請求項１ま
   たは請求項２に記載の関節機構。
4. 【請求項４】 上記屈曲動作部は、電圧が印加された場
   合に伸縮変形する少なくとも１個の積層圧電型アクチュ
   エータと、この積層圧電型アクチュエータの伸縮変形を
   屈曲動作に変換するテコ機構とを有し、上記積層圧電型
   アクチュエータは中心軸から偏心した位置に設置されて
   いることを特徴とする請求項１に記載の関節機構。
5. 【請求項５】 上記関節部は、移動体と支持体との間の
   摩擦力を調整するためのブレーキ機構を備えていること
   を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一に記
   載の関節機構。
6. 【請求項６】 請求項１ないし請求項５のいずれか一に
   記載の関節機構を中心線方向に沿って複数段連結して構
   成されていることを特徴とする関節機構。
7. 【請求項７】 請求項１ないし請求項５のいずれか一に
   記載の関節機構からなる指部と；この指部の先端に設け
   られた指先部と；を具備したことを特徴とするマイクロ
   マニピュレータ。
8. 【請求項８】 請求項１ないし請求項５のいずれか一に
   記載の関節機構からなる手首関節機構と；この手首関節
   機構の先端に連結され、請求項１ないし請求項５のいず
   れか一に記載の関節機構を有し、相互に協調動作される
   複数の指部と；これら指部の先端に設けられた指先部
   と；を具備したことを特徴とするマイクロマニピュレー
   タ。