JPH09267279A - マイクロマニピュレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 粗動と微動とのいずれも可能で、物体を把持
したまま所定の距離を移送することができ、いっそう小
型・軽量・低廉なマイクロマニピュレータを提供するこ
と。 【解決手段】 軸心に沿う連通孔をもち印荷電圧により
前後左右に曲げ変形する第１アクチュエータ１と、第１
アクチュエータ１の上端を曲げ変位可能に支持している
関節３と、第１アクチュエータ１の下端に固定されてい
る中間部材４と、中間部材４に上端が支持され曲げ変形
する三本の第２アクチュエータと、各第２アクチュエー
タの下端にそれぞれ接合されている指先部材５と、連通
孔内に配設され第２アクチュエータに印荷電圧を伝達す
る配線とを備える。第１アクチュエータ１により縦横上
下の微動と前後の粗動とができ、三本の指先部材５によ
り確実に物体９を把持して、粗動により前後に移動でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体を挟持して移
動したり、何らかの操作を物体に及ぼすマニピュレータ
の技術分野に属し、特にマイクロメートルやナノメート
ルのオーダにまで至る微細な作業を行うマイクロマニピ
ュレータの技術分野に属する。

【０００２】

【従来の技術】アクチュエータの急激な作動により慣性
力が支配的である運動と、アクチュエータの緩慢な作動
により摩擦力が支配的である運動とを、交互に繰り返す
ことによって所定の方向への移動もしくは運動を行う駆
動方法を、本明細書中ではインパクト駆動と呼ぶことに
する。

【０００３】所定の摩擦モーメントで支持されている関
節を有し、インパクト駆動によってアーム（腕状部材）
の軸方向を変え、軸回りに所定の回転変位を与えること
ができる装置が、特公平６−４３０４０号公報（従来技
術１）に開示されている。同装置は、腕部材が関節で所
定の摩擦モーメントで支持されており、この腕部材には
圧電アクチュエータを介して複数の質量体が接合されて
いる。同装置は、圧電アクチュエータの伸縮で質量体を
移動させ、その反力として得られる慣性力と関節の摩擦
力とを利用してインパクト駆動を行い、腕部を粗動させ
ることができる。

【０００４】しかし、同装置は、腕部とは別個に圧電ア
クチュエータおよび質量体とを有する構成であるから、
小型化・軽量化・低廉化のいずれも困難である。それだ
けではなく、腕部の全体の質量に比べてアクチュエータ
の先端の質量が小さいので、高速で傾動したり回動する
ことが困難であり、操作速度が遅いという問題も抱えて
いた。また、操作対象である物体を把持する機能も、従
来技術１には開示されていなかった。

【０００５】一方、特公平６−４３０４０号公報（従来
技術２）には、圧電素子からなるパラレルリンク機構に
よって一対の針状の指先部材を操作し、その先端で物体
を把持したり、把持した物体を圧電素子の変形範囲で移
動させたりすることができるマイクロマニピュレータが
開示されている。しかし、同マイクロマニピュレータで
は、圧電素子の可動範囲でしか指先部材が移動しないの
で、物体を把持したまま微小区間を越える長い区間を移
送する機能はなかった。ここで、仮に指先部材がそれぞ
れ関節によって傾動可能に支持されており、一対の指先
部材を同期振動させて先端で挟持している物体を移動さ
せるとしても、同期が微妙にずれたり振幅が同一でなか
ったりして、物体を取り落としやすいという短所が生じ
る。したがって、従来技術２のマイクロマニピュレータ
も、やはり物体の移送には不適当であろうと推測され
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記問題に鑑み、本願
発明者らは、二重の関節機構をもつマイクロマニピュレ
ータを発明し、特願平７−１２１３６５号（先願技術）
として出願した。同先願には、曲げ変形する第１圧電ア
クチュエータと、その一端を摩擦モーメントで支持して
いる第１関節と、第１圧電アクチュエータの他端に固定
されている複数の第２関節と、各第２関節に一端が支持
されている第２圧電アクチュエータと、その他端に接合
されている指先部材とからなるマイクロマニピュレータ
が記載されている。先願技術のマイクロマニピュレータ
によれば、インパクト駆動により関節を摺動させて十分
に大きな粗動が可能であり、各圧電アクチュエータの曲
げ変形により微動が可能である。それゆえ、従来技術２
と異なり、先願技術によれば物体を把持して所望の距離
を移送できるようになっている。また、従来技術１に比
べれば、先願技術のマイクロマニピュレータは、小型・
軽量・低廉であると言える。

【０００７】しかしながら、先願技術では、複数の第２
関節を有しており、構成が十分に簡素とは言いがたい点
もあって、小型化・軽量化・低廉化の点ではなお改善の
余地があった。そこで本発明は、粗動と微動とのいずれ
も可能で、物体を把持したまま所定の距離を移送するこ
とができ、いっそう小型・軽量・低廉なマイクロマニピ
ュレータを提供することを解決すべき課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
記課題を解決するために、発明者らは以下の手段を発明
した。 （第１手段）本発明の第１手段は、請求項１記載のマイ
クロマニピュレータである。本手段では、第１アクチュ
エータおよび第２アクチュエータは曲げ変形するので、
第１アクチュエータによっても、第２アクチュエータに
よっても、少なくとも一つの曲げ方向への微動が可能で
ある。また、第１アクチュエータのインパクト駆動によ
っても、第２アクチュエータのインパクト駆動によって
も、関節での曲げ変位を生じて粗動を行うことが可能で
ある。

【０００９】特に、複数の指先部材をそれぞれに支持し
ている第２アクチュエータを装備しているので、複数の
第２アクチュエータで曲げ変形を行い、指先部材の先端
を互いに近接させて作業対象の物体を挟持（把持）する
ことができる。このように物体を把持している場合、同
物体を把持している（第２アクチュエータの曲げ変形）
状態のまま、第１アクチュエータの曲げ変形によるイン
パクト駆動を行えば、同物体を取り落とす恐れ無しに、
確実に同物体を所望の位置へ移送することが可能であ
る。

【００１０】また、先端に固定されている慣性モーメン
トが大きいので、第１アクチュエータの曲げ変形により
粗動（関節の角度変位を伴う移動）を行う方が、第２ア
クチュエータにより粗動を行うよりも、より速く粗動を
行うことができる。もちろん、第１アクチュエータおよ
び第２アクチュエータを互いに同期させて曲げ変形した
場合には、さらに速い粗動の平均角速度が得られる。

【００１１】また、本手段は、関節が一か所であるから
構成も簡素で故障がしにくく、小型化が可能で、比較的
軽量かつ低廉でもある。さらに、各第２アクチュエータ
への配線が、第１アクチュエータの軸心の連通孔内を通
っているので、第１アクチュエータの外を通っている場
合に比べ、粗動に伴って配線が絡むことがない。また、
同様の理由で、粗動や微動に伴い、配線の一部の被覆が
破れて短絡したり信号が漏洩したりすることが防止さ
れ、かつ、断線も防止される。あわせて、配線が連通孔
に内蔵されているので、作業者が不用意に配線を引っか
ける事故の可能性も減少し、外見の美観も向上する。

【００１２】なお、信号を伝達する配線としてはリード
線（導線または被覆導線）が一般的であるが、リード線
に代えて光ファイバを構成要素とした場合にも、同様の
効果が得られる。したがって、本手段によれば、粗動と
微動とのいずれも可能で、確実に物体を把持したまま所
定の距離を移送することができる、いっそう小型・軽量
・低廉なマイクロマニピュレータを提供することができ
るという効果がある。

【００１３】（第２手段）本発明の第２手段は、請求項
２記載のマイクロマニピュレータである。本手段では、
すでに多くの技術が確立している圧電素子の応用である
圧電アクチュエータで、各アクチュエータが構成されて
いる。したがって本手段によれば、前述の第１手段の効
果に加えて、マイクロマニピュレータの開発が比較的容
易になるとともに、高い信頼性を保ちながら、価格を安
価に抑えることができるという効果がある。

【００１４】（第３手段）本発明の第３手段は、請求項
３記載のマイクロマニピュレータである。本手段では、
中間部材にも中間連通孔が形成されているので、第１ア
クチュエータの連通孔から連続する配線は、第２アクチ
ュエータの基部付近まで中間部材に覆われている。それ
ゆえ、第２アクチュエータへの配線が、中間部材の外を
通っている場合に比べ、粗動に伴って配線が絡むことが
ない。また、粗動や微動に伴い、配線の一部の被覆が破
れて短絡したり信号が漏洩したりすることがいっそう少
なくなり、断線の心配もより少なくなる。あわせて、配
線が露出する部分が減少するので、作業者が不用意に配
線を引っかける事故の可能性もさらに減少し、外見の美
観もなお向上する。

【００１５】したがって本手段によれば、前述の第１手
段の効果に加えて、配線に関連する信頼性や安全性、美
観が一層向上するという効果がある。 （第４手段）本発明の第４手段は、請求項４記載のマイ
クロマニピュレータである。本手段では、調整ウエイト
の着脱または位置調整により、中間部材の質量または関
節を中心とする中間部材の慣性モーメントを調整するこ
とができる。それゆえ、指先部材（エンドエフェクタ）
が交換されて質量や慣性モーメントが変わった場合や、
関節の摩擦モーメントが変化した場合、その他調整を要
する場合に、部品交換などの面倒な作業無しに粗動特性
を調整することができる。

【００１６】したがって本手段によれば、前述の第１手
段の効果に加えて、マイクロマニピュレータの粗動特性
の調整が容易になるという効果がある。 （第５手段）本発明の第５手段は、請求項５記載のマイ
クロマニピュレータである。本手段では、保持部材と摺
動部材との間の摺動により、関節が一方向へのみ角度変
位（回動または傾動）する。また、関節の構成が極めて
簡素であり、安価に提供することができるうえに、堅牢
で信頼性が高い。

【００１７】したがって本手段によれば、前述の第１手
段の効果に加えて、関節がいっそう簡素で安価かつ堅牢
であり、かつ、マイクロマニピュレータの粗動による傾
動方向を一方向に限定することができるという効果があ
る。 （第６手段）本発明の第６手段は、請求項６記載のマイ
クロマニピュレータである。

【００１８】本手段では、固定電極と摺接電極とが互い
に導通しているので、外部回路から保持部材までの配線
と、摺動部材から各圧電アクチュエータに導通している
配線とは、粗動すなわち関節の角度変位にともなって屈
伸することがない。したがって本手段によれば、前述の
第５手段の効果に加えて、繰り返しの粗動動作による関
節付近での配線の断線がなくなり、信頼性がさらに向上
するという効果がある。

【００１９】（第７手段）本発明の第７手段は、請求項
７記載のマイクロマニピュレータである。本手段では、
関節の要部がボールとソケットとから構成されているの
で、縦横への傾動（２自由度）と軸心回りの回動（１自
由度）との３自由度の角度変位が可能である。また、関
節の構成も簡素で製造しやすく、信頼性も高い。

【００２０】したがって本手段によれば、前述の第１手
段の効果に加えて、安価で信頼性の高い関節ながら、縦
横への傾動と軸心回りの回動との３自由度の角度変位が
可能になるという効果がある。 （第８手段）本発明の第８手段は、請求項８記載のマイ
クロマニピュレータである。

【００２１】本手段では、第２アクチュエータの軸心に
沿って配線を通すことが可能になる。その結果、第２ア
クチュエータがその先端までの各所への配線を要する場
合には、作業対象と近い第２アクチュエータの外側に配
線を露出させることがなく、配線は第２アクチュエータ
の連通孔内で保護される。また、指先部材（エンドエフ
ェクタ）に信号線等の配線が必要な場合にも、指先部材
が接合されている第２アクチュエータの先端付近まで同
配線は同様に保護される。

【００２２】ここで、本手段と前述の第３手段とが組み
合わされた構成を取るならば、配線は、第１アクチュエ
ータ、中間部材、第２アクチュエータの各連通孔内に順
に配設されて保護される。そして、配線は、その導通す
べき対象（圧電素子の電極やセンサ端子、光線照射対象
など）に最も近い位置の連通孔から接続されるので、配
線の露出を最低限に抑えることができる。

【００２３】その結果、本手段でも第３手段と同じく、
粗動に伴って配線が絡むことがなく、配線の一部の被覆
が破れて短絡したり信号が漏洩したりすることがいっそ
う少なくなり、断線の心配もより少なくなる。あわせ
て、配線が露出する部分が減少するので、作業者が不用
意に配線を引っかける事故の可能性もさらに減少し、外
見の美観もなお向上する。

【００２４】したがって本手段によれば、前述の第１手
段の効果に加えて、配線に関連する信頼性や安全性、美
観が一層向上するという効果がある。 （第９手段）本発明の第９手段は、請求項９記載のマイ
クロマニピュレータである。本手段では、第２アクチュ
エータとその先端に固定されている指先部材とが、３組
備わっており、略正三角形状に配設されている。それゆ
え、同正三角形の中央部に作業対象の物体が占位するよ
うに、粗動で指先部材の先端位置を調整し、しかるのち
各指先部材の先端を互いに寄せ合っていけば、物体を各
指先部材で三方から挟持し、確実に把持することができ
る。物体に当接する指先部材の先端部が、物体のやや下
方から当接する角度に配設されていれば、重力下での作
業では把持機能がより確実になる（物体を取り落とすこ
とがない）。

【００２５】ここで、第２アクチュエータと指先部材と
の数が３組以外でも把持機能は成り立つ場合が多いが、
確実に物体を把持している能力と、コスト（装置の価
格）との両面から評価して、本手段のように３組とする
のが、通常は最適である。仮に第２アクチュエータおよ
び指先部材を２組とした構成では、お箸で豆をつかむの
と同じことで、物体を把持するのに精密な操作を要する
上に、移送するあいだに粗動の振動がかかるので物体を
取り落としやすい。仮に４組とした構成では、前後左右
から物体を把持することができるので、把持機能の確実
性が改善される度合いに比べて、３組から４組に増やし
たことによる価格の増加などのペナルティの方が大きい
場合が多い。したがって、コスト／パフォーマンスの観
点から考えて、本手段の構成が通常の用途では最良であ
る。

【００２６】したがって本手段によれば、前述の第１手
段の効果に加えて、作業対象である物体の把持と、粗動
による把持した物体の移送とを確実に行える構成の中
で、最も簡素・安価・堅牢な構成のマイクロマニピュレ
ータを提供することができるという効果がある。 （第１０手段）本発明の第１０手段は、請求項１０記載
のマイクロマニピュレータである。

【００２７】本手段では、圧電バイモルフまたは圧電ユ
ニモルフ（以下「平面変形素子」と総称）において、複
数の区画に分割された電極に異なる電圧の印加電圧を与
えると、一部の区画と他の区画との伸縮量が異なる性質
を利用している。すなわち、積層された平面変形素子の
一方の側面だけを縮め、他方の側面を伸ばせば、積層型
圧電アクチュエータは一方に曲げ変形して傾く。区画の
数を３区画以上にしておけば、角度等間隔で配設されて
いる区画と同数の電極への印加電圧をそれぞれ制御する
ことにより、積層型圧電アクチュエータは全周囲への曲
げ変形が可能である。

【００２８】また、全区画の電極に同等の印加電圧を加
えれば、積層型圧電アクチュエータは曲げ変形せずに伸
縮変形する。それゆえ、印加電圧を適正に制御すること
により、積層型圧電アクチュエータは、所定の範囲で伸
縮変形と任意の方向の曲げ変形とを重畳して行うことが
できる。なお、かような積層型圧電アクチュエータにつ
いては、特願平７−１２１３６５号に詳しく記載されて
いる。

【００２９】本手段では、複数の平面変形素子が積層さ
れている積層型圧電アクチュエータの特性として、大き
な曲げ変位および伸縮変位が得られるので、第１アクチ
ュエータおよび第２アクチュエータによる微動の範囲が
大きく拡がる。また、各アクチュエータの（特に第１ア
クチュエータの）曲げ変形が大きくとれるので、関節で
角度変位を生じる粗動も、素早く行うことが可能にな
る。その際、物体を把持していて大きな振動（加速度お
よびその微分値）を嫌う状態でも、第１アクチュエータ
の曲げ変形が大きいので、大きなストロークで比較的長
い周期の振動が加わり、高速の振動は加わらないので物
体を取り落とす心配が少ない。

【００３０】したがって本手段によれば、前述の第２手
段の効果に加えて、伸縮も含めて微動の守備範囲が広
く、粗動も高速で行うことができ、さらに物体を把持し
て粗動で移送する際に物体の把持がより確実になるとい
う効果がある。 （第１１手段）本発明の第１１手段は、請求項１１記載
のマイクロマニピュレータである。

【００３１】本手段では、柱状圧電アクチュエータを採
用しており、それゆえに種々の特性を有する。第１に、
柱状圧電アクチュエータは、部品を組み立てる構成では
なく、ソリッドステートともいうべき簡素な構成をして
いる。それゆえ、極めて小型のものを製造することが可
能であり、マイクロマニピュレータの小型化に大きく貢
献することができる。具体的には、圧電ユニモルフや圧
電バイモルフは、最も小さいものでも直径が１ｃｍ程度
であるが、柱状圧電アクチュエータであれば、直径（差
し渡し）がｍｍオーダになる程度に小型化することは困
難ではない。

【００３２】マイクロマニピュレータの小型化に伴い、
軽量かつ安価になるという効果も付随して生ずる。ま
た、構成が簡素で組み立てに伴う接合部が少ないので、
堅牢さも増し、同様の理由で信頼性もよりいっそう向上
するという効果もある。第２に、柱状圧電アクチュエー
タであれば、曲げ変形の他に、捩じり変形と伸縮変形が
可能である。例えば、三角柱の柱状部材の各側面に二枚
ずつに区画された圧電素子が形成されている構成では、
三角の各頂点を挟んで斜めに対向している二つの圧電素
子に、逆符号の印加電圧をかけると柱状圧電アクチュエ
ータは捩じれ変形をする。また、柱状圧電アクチュエー
タは、すべての圧電素子に同一の印加電圧が加えられる
と伸縮変形し、各側面の圧電素子の均一でない印加電圧
が加えられると曲げ変形する。

【００３３】それゆえ、本手段では、第１アクチュエー
タが柱状圧電アクチュエータである場合には、その捩じ
り変形により、指先部材が物体に接近していく角度（ま
たは物体に周囲から当接する角度）をいくらか調整する
ことが可能である。また、第２アクチュエータが柱状圧
電アクチュエータである場合には、その捩じり変位によ
り、各指先部材の先端を個別にいくらか回転させるマニ
ピュレーション作業が可能になる。

【００３４】第３に、前述の第１０手段の積層型圧電ア
クチュエータと比較して、本手段の柱状圧電アクチュエ
ータは印加電圧の割に変位が小さい、換言すれば、印加
電圧の精度が粗くても十分に高い変位精度が得られると
いう特徴もある。それゆえ、所定の分解能の印加電圧を
もって、指先部材の先端の位置制御精度を極めて高く設
定することができる。これは、たとえば印加電圧の調整
精度（分解能）が粗い場合や、特に小さな物体を精密に
扱いたい場合などには、たいへん都合がよい特性であ
る。

【００３５】したがって本手段によれば、前述の第２手
段の効果に加えて、圧電アクチュエータの構成が簡素で
小型化が容易であり、軽量かつ安価になるという効果
と、堅牢で信頼性が向上するという効果もある。また、
柱状圧電アクチュエータは、曲げ変形と捩じり変形と伸
縮変形とができるから、捩じり動作も加えてマニピュレ
ーション作業を行うことができるという効果もある。さ
らに、柱状圧電アクチュエータは印加電圧の割に変位が
小さいので、指先部材の先端の位置制御精度が極めて高
くなるという効果もある。

【００３６】

〔実施例１〕

（実施例１としてのマイクロマニピュレータの構成）本
発明の実施例１としてのマイクロマニピュレータは、図
１に示すように、マイクロマニピュレータ本体Ｍと、マ
ニピュレーション対象物体９上に同本体Ｍを支持する支
持台８と、制御装置７とから構成されている。

【００３７】支持台８は、物体９を置く安定した基部８
０と、基部に支持されて上方へ延びている支柱８１と、
肱関節部８２を介して支柱８１に支持されている支持腕
８３とからなる。支持腕８３の先端には、マイクロマニ
ピュレータ本体Ｍの上端部の関節３の保持部材３３が接
合固定されており、マイクロマニピュレータ本体Ｍは、
物体９の直上に、前後（図中左方を前方とする）に傾動
可能に関節３で支持されている。

【００３８】制御装置７は、マイクロマニピュレータ本
体Ｍに供給する印加電圧の信号波形を生成する電子装置
であり、外部配線７０を介してマイクロマニピュレータ
本体Ｍの関節３に接続されている。マイクロマニピュレ
ータ本体Ｍ（以下、単にマイクロマニピュレータと呼
ぶ）は、上方から順に大きく分けて、関節３、第１アク
チュエータ１、中間部材４、三本の第２アクチュエータ
２および指先部材５から構成されている。

【００３９】ここで、関節３は、第１アクチュエータ１
の上端を曲げ変位（前後の傾動）可能に支持している。
第１アクチュエータ１には、軸心に沿って連通孔１０が
形成されており、その中をリード線（配線）６が通して
ある。第１アクチュエータ１は、対向して積層された多
数の圧電ユニモルフ組体１７と、上下両端部の端末部材
（接続用の強度部材）１８とから構成されている。第１
アクチュエータ１は、後述するように、区画された圧電
素子の電極に印加される信号電圧により、曲げ変形およ
び伸縮変形をする。

【００４０】第１アクチュエータ１の下端には、中間部
材４が接合固定されている。中間部材４は、上端が第１
アクチュエータ１に接合され外周に雄ねじが形成されて
いる雄ねじ部４１と、その雄ねじに内周面に形成されて
いる雌ねじで螺合している調整ウエイト４２と、雄ねじ
部４１の下端から周囲にフランジ状に拡がっているフラ
ンジ部４３とからなる。したがって、調整ウエイト４２
の位置を上下に調整することにより、本マイクロマニピ
ュレータの関節３から下の部分の慣性モーメントを微調
整することができる。

【００４１】なお、中間部材４にも中心軸に沿って上下
に連通している中間連通孔４０が形成されている。リー
ド線６は、第１アクチュエータ１の連通孔１０から連続
して中間連通孔４０内に配設され、中間部材４下端から
各第２アクチュエータ２に接続している。フランジ部４
３の下面には、三本の第２アクチュエータ２の上端部が
接合されて並列に配設されている。三本の第２アクチュ
エータ２は、フランジ部４３の下面の正三角形の各頂点
にあたる位置に接合されており、印加電圧が無い状態で
三本の中心軸線をそれぞれ互いに平行である。三本の第
２アクチュエータ２は、第１アクチュエータ１にかかる
印加電圧とは独立した印加電圧（信号電圧）により、上
記正三角形の中心方向へ同時に曲げ変形することができ
る。

【００４２】各第２アクチュエータ２の下端には、針状
の先端部５１をもつ指先部材５が、その上端の接合部５
０でそれぞれ接合されて、下方に置かれた物体９に向か
って延びている。印加電圧の無い状態では、各先端部５
１の先端も、水平面上で正三角形の各頂点にあたる位置
を占位している。本実施例のマイクロマニピュレータに
おいては、主要な配線はリード線６によっている。リー
ド線６は、第１アクチュエータ１の印加電圧用に三本、
第２アクチュエータ２の印加電圧用に一本の計四本であ
る。（その他に、図示しない接地線があり、これを電位
ゼロとして上記四本のリード線６は電位をもつ。）第２
アクチュエータ２用のリード線６の両端部を除く大部分
は、前述のように第１アクチュエータ１の連通孔１０と
中間部材４の中間連通孔４０との中に配設され、保護さ
れている。

【００４３】（実施例１の第１アクチュエータの構成お
よび作用）第１アクチュエータ１および第２アクチュエ
ータ２は、大きさ（図１参照）は異なるが基本構造は共
通の積層型圧電アクチュエータである。第１アクチュエ
ータ１では、図２に示すように、対向して重ねられた二
つの圧電ユニモルフ１６で構成されている圧電素子組体
１７を単位要素として、圧電素子組体１７が中心軸に沿
って同軸に五個積層されている。第１アクチュエータ１
は、上記五個の圧電素子組体１７と、その両端部に接合
されている端部部材１８（図１参照）とからなる。端部
部材１８には、中心に上下に連通する連通孔が形成され
ている。

【００４４】圧電素子組体１７は、薄膜電極１３を互い
に対向させて重ねられた一対の圧電ユニモルフ１６と、
両者の間を連結する外周連結部材１４と、隣接する他の
圧電素子組体１７との間を連結する組体連結部材１５と
から構成されている。外周連結部材１４および組体連結
部材１５は、ともに導電性のステンレス鋼からなり、両
者１４，１５の数は、一つの圧電素子組体１７あたり各
々３である。圧電ユニモルフ１６の中心には連通孔１０
が貫通しており、第１アクチュエータ１の両端の端部部
材１８の連通孔をも通じて上下に連通している。

【００４５】ここで、外周連結部材１４は、圧電ユニモ
ルフ１６の全外周縁に配設されていても良く、あるい
は、隣接する外周連結部材１４と適当な間隙を空けて部
分的に配設されていてもよい。圧電ユニモルフ１６は、
図３（ａ）〜（ｂ）に示すように、ステンレス鋼製の金
属円盤１１と、金属円盤１１の一側面に接合定着してい
る圧電材料（ＰＺＴ）１２と、圧電材料１２の表面に形
成されている薄膜電極１３とから構成されている。金属
円盤１１は、圧電材料１２を挟んで薄膜電極１３と反対
側にあり、圧電ユニモルフ１６の一方の電極としても作
用する。

【００４６】薄膜電極１３は、銀ペーストから形成され
た導電性の薄膜で、図示しない導線から印加電圧を受け
る。一つの圧電ユニモルフ１６について、薄膜電極１３
は分割されて三つあり、図３（ａ）に示すように、三つ
の薄膜電極１３は、扇状に区画されて中心から１２０°
ずつ角度等間隔に配設されている。それゆえ、図４
（ａ）に示すように、三つの薄膜電極１３のうち一つに
印加電圧Ｅが加えられると、圧電材料１２の圧電作用に
より、図４（ｂ）に示すように、電圧印加のある薄膜電
極１３の部分は弾性変形して曲率をもつ。

【００４７】したがって、印加電圧の無い状態では、図
５（ａ）に示すように、第１アクチュエータ１の要部は
直立しており、変形はない。しかし、各圧電ユニモルフ
１６において前述のように三つの薄膜電極１３のうち一
つに印加電圧がかかると、図４（ｂ）に示した圧電ユニ
モルフ１６の部分的な変形が、組体連結部材１５により
隣接する圧電素子組体１７に伝達される。

【００４８】ここで、三つに区画されている薄膜電極１
３は、全ての圧電ユニモルフ１６を通じて方位が合わせ
てあり、同一方位の薄膜電極１３は互いに導通していて
同一の印加電圧が加えられるように、第１アクチュエー
タ１内の回路は構成されている。一方、全ての金属円盤
１１は、外周連結部材１４および組体連結部材１５を介
して互いに導通している。それゆえ、全ての圧電ユニモ
ルフ１６は、同一の方位で同一の変位だけ変形するの
で、第１アクチュエータ１は、これらの変位の総和とし
ての変位を生じる。

【００４９】したがって、図５（ｂ）に示すように、一
方位（図中右側）の薄膜電極１３に印加電圧があると、
第１アクチュエータ１はＸの方向（図中左方）に曲げ変
形する。薄膜電極１３の選択を変えることにより、１２
０°ずつ離れた三つの方向へ第１アクチュエータ１を曲
げ変形させることが可能である。さらに、上記三つの方
向への変位を重畳することで、第１アクチュエータ１を
任意の方向へ曲げ変形させることができる。

【００５０】また、図５（ｃ）に示すように、三つの方
位の薄膜電極１３の全てに同一の印加電圧をかければ、
軸長方向（図中Ｚ方向または上下方向）に伸縮変形を生
じる。この伸縮変形と前述の曲げ変形とは概ね線型結合
することが可能であるから、第１アクチュエータ１は、
捩じれ変形を除く全ての変形（縦および横の曲げ変形と
伸縮変形）をすることが、所定範囲で可能である。

【００５１】（実施例１の第２アクチュエータ２の構成
および作用）三本の第２アクチュエータ２の構成は、第
１アクチュエータ１の構成と概ね同様であるが、各圧電
ユニモルフで三つに区画されている薄膜電極のうち、指
先部材５が中央に寄る方向に傾く方向の一区画の薄膜電
極にのみ配線されている。したがって、作用において
は、変形が一方向への曲げ変形のみに限定されているの
で、各第２アクチュエータ２の先端に装着されているそ
れぞれの指先部材５で物体９をつかむことに、第２アク
チュエータ２の機能は限定されている。すなわち、第２
アクチュエータ２および指先部材５の機能は、マニピュ
レーション対象の物体９を掴み、所望の時間把持したま
まの状態に保ち、所望に時刻に物体９を放すことに限定
されている。

【００５２】それゆえ、第２アクチュエータ２にも連通
孔が形成されているが、同連通孔の中に配設されている
リード線は一本だけであり、その分シンプルで断線の心
配が少ない。なお、第２アクチュエータ２の圧電ユニモ
ルフの金属円盤については、全ての金属円盤が各連結部
材を通して導通しており、中間部材４を介して第１アク
チュエータ１の各金属円盤１１にも導通して共通電極を
形成している。

【００５３】（実施例１の関節の構成および作用）本実
施例のマイクロマニピュレータの関節３は、再び図１に
示すように、接続部材３１と摺動部材３２と保持部材３
３と、バネ３４およびネジ３５とから構成され、保持部
材３３の側面で支持腕８３の先端に固定されている。接
続部材３１は、図１および図６に示すように、下端にフ
ランジ部をもつパイプ状のステンレス鋼製の部材であ
り、上端部では摺動部材３２に接合され、下端で第１ア
クチュエータ１の上端（端部部材１８）に接合してい
る。接続部材３１の軸心部には、連通孔３０が上下に貫
通して形成されており、上方で摺動部材３２の内部空間
３００に連通し、下方では第１アクチュエータ１の連通
孔１０に連通している。

【００５４】摺動部材３２は、全体の形状が中空円筒体
をしており、中心軸線が水平かつ前後への傾動方向（図
１中の左右方向）に直交するよう、中心軸線を左右方向
（図１中の前後方向）へ向けて保持部材３３内に保持さ
れている。摺動部材３２は、図６に示すように、四つの
円盤状の絶縁体３２５と、これらにより互いに絶縁され
ている中空円筒状でステンレス鋼製の摺接電極３２０〜
３２４とから構成されている。接続部材３１および摺接
電極３２０には、水平な軸心に沿って連通孔状の内部空
間３００が形成されている。中央の摺接電極３２０の外
周部の一方には、接続部材３１の上端部が接合してお
り、接続部材３１の連通孔３０は、摺接電極３２０内で
摺動部材３２の内部空間３００と連通している。

【００５５】各アクチュエータ１，２からのリード線６
は、接続部材３１の連通孔３０から内部空間３００に延
びて、各摺接電極３２０〜３２４の内周面にそれぞれ接
続されている。摺接電極３２０〜３２４のうち、中央の
摺接電極３２０は、リード線６を介することなく、接続
部材３１を介してアクチュエータ１，２の共通電極（金
属円盤１１等）に導通している。一方、摺接電極３２１
〜３２３は、三本のリード線６を通じ、それぞれ第１ア
クチュエータ１の各区画の薄膜電極１３に導通してい
る。また、摺接電極３２４は、第１アクチュエータ１の
連通孔１０を通る一本のリード線６により、第２アクチ
ュエータ２の単一の区画の薄膜電極に導通している。

【００５６】保持部材３３は、図７に示すように、摺動
部材３２を収容する溝ないし孔が形成されているブロッ
ク状の絶縁部材であり、その下端部では、対向する内側
面が円筒面に形成されて、前述の摺動部材３２の円筒状
の外周面としている。摺動部材３２は保持部材３３に挟
持されているとともに、上方からネジ３５により押圧力
調整可能なバネ３４によって、下方に押圧されている。
バネ３４は、その下端に接合されている絶縁性の当接部
材３６を介して、摺動部材３２の上端部に当接している
ので、バネ３４による短絡の心配はない。

【００５７】したがって、保持部材３３およびバネ３４
等により、摺動部材３２は所定の範囲で前後に回動可能
に支持されており、摺動部材３２の回動には、調整可能
なバネ３４により適当な摩擦力（摩擦モーメント）も与
えられている。すなわち、摺動部材３２および接続部材
３１以下の各アクチュエータ１，２、中間部材４および
指先部材５は、関節３で前後に傾動することができる。

【００５８】また、保持部材３３の下端部には、外側面
からリベット状で銅製の固定電極３３０〜３３４が五
本、並んで挿置されている。固定電極３３０〜３３４の
先端は、保持部材３３の一方の内側面にわずかに突出し
て、摺接電極３２０〜３２４の外周面にそれぞれ接触し
て導通している。したがって、制御装置７からの印加電
圧は、五本の外部配線７０を通じて各固定電極３３０〜
３３４に伝導され、それぞれ摺接電極３２０〜３２４を
通じて四本のリード線６および接続部材３１に導通して
いる。

【００５９】（実施例１としてのマイクロマニピュレー
タの作用効果）本実施例のマイクロマニピュレータは、
以上のように構成されているので、以下の作用効果を生
じる。第１に、第１アクチュエータ１は、印加電圧によ
り縦方向および横方向に曲げ変形するので、第１アクチ
ュエータ１によって縦横への微動が可能である。また、
第１アクチュエータ１のインパクト駆動によって、関節
３での曲げ変位を生じて前後方向に粗動を行うことが可
能である。

【００６０】第２に、三つの指先部材５をそれぞれに支
持している第２アクチュエータ２を装備しているので、
全ての第２アクチュエータ２で曲げ変形を行い、指先部
材５の先端を互いに近接させて、物体９を把持すること
ができる。そして、第２アクチュエータ２の曲げ変形に
より物体９を把持した状態のまま、第１アクチュエータ
１の前後の曲げ変形によるインパクト駆動を行えば、物
体９を取り落とす恐れ無しに、確実に同物体を所望の位
置へ移送することが可能である。

【００６１】その際、指先部材５および第２アクチュエ
ータ２は先端に近く、慣性モーメントが大きいので、第
１アクチュエータ１の曲げ変形による粗動（関節の角度
変位を伴う移動）が、速やかになるという効果がある。
また、指先部材５が三方向から均等な動作で物体９を把
持するので、把持動作が確実になり、かつ、構成も最も
簡素・安価・堅牢であるという効果もある。

【００６２】第３に、本実施例の関節３は一か所にしか
なく、その構成も簡素で堅牢であり、他に摺動する部分
がないので、高信頼性・小型・軽量・低廉でもある。ま
た、マイクロマニピュレータの粗動による傾動方向を、
前後方向のみに限定することができるという効果もあ
る。さらに、固定電極３３０〜３３４と摺接電極３２０
〜３２４とが導通しており、リード線６は粗動にともな
って屈伸することがないので、関節３付近での配線の断
線がなくなり、信頼性がさらに向上するという効果もあ
る。

【００６３】第４に、関節３から各アクチュエータ１，
２に至るまで、配線としての複数のリード線６が、接続
部材３１の連通孔３０や第１アクチュエータ１の連通孔
１０の中をを通っているので、粗動に伴ってリード線６
が絡むことがない。また、同様の理由で、粗動や微動に
伴い、リード線６の被覆が破れて短絡したり漏電したり
断線したりすることも防止される。あわせて、リード線
６の全長の大部分が連通孔３０，１０，４０内にあるの
で、作業者が不用意にリード線６を引っかける事故の可
能性も減少し、外見の美観も向上する。

【００６４】第５に、中間部材４の調整ウエイト４２の
位置調整により、関節３まわりの慣性モーメントを微調
整することができるので、部品交換などの面倒な作業無
しに粗動特性を調整することができるという効果があ
る。第６に、第１アクチュエータ１は積層型圧電アクチ
ュエータであり、大きな曲げ変位および伸縮変位が得ら
れるので、第１アクチュエータによる微動の範囲が大き
い。また、第１アクチュエータ１の曲げ変形が大きくと
れるので、関節３で角度変位を生じる粗動も、素早く行
うことが可能になる。その際、物体９を把持していて加
速度の急激な変化を嫌う状態でも、第１アクチュエータ
１の曲げ変形が大きいので、大きなストロークで加速度
の変動の周期が比較的長いので、物体９を取り落とす心
配が少ない。

【００６５】したがって本手段によれば、前述の第２手
段の効果に加えて、伸縮も含めて微動の守備範囲が広
く、粗動も高速で行うことができ、さらに物体を把持し
て粗動で移送する際に物体の把持がより確実になるとい
う効果がある。以上を総括すると、次のようになる。す
なわち、本実施例のマイクロマニピュレータによれば、
粗動と微動とのいずれも可能で、確実に物体を把持した
まま所定の距離を移送することができる。つまり、伸縮
も含めて微動の守備範囲が広くなり、粗動も高速で行う
ことができ、さらに物体９を把持して粗動で移送する際
に物体の把持がより確実になるという効果がある。ま
た、従来技術に比べて、いっそう小型・軽量・低廉なマ
イクロマニピュレータを提供することができるという効
果がある。

【００６６】（実施例１の変形態様１）前述の関節３の
接続部材３１および摺動部材３２に代えて、図８に示す
ように、接続部材３１に相当する部分３１’と摺動部材
３２に相当する部分３２’とが絶縁性の樹脂で一体に成
形されている一体部材３７を用いる変形態様が可能であ
る。一体部材３７の円筒状部３２’の外周面には、摺接
電極３２０〜３２４に相当する位置にプリント配線６’
で摺接電極部分６１が形成され、摺接電極３２０〜３２
４と同様の作用をしている。プリント配線６’は、摺接
電極部分６１から延びて配線部分６２を形成し、一体部
材３７の下端にまで達しており、下端付近で第１アクチ
ュエータ１の連通孔１０から延びているリード線６等に
接続している。

【００６７】本変形態様によれば、リード線６の全長が
短くなり、かつ、露出する部分も減るので、マイクロマ
ニピュレータにリード線６が絡むことがより確実に防止
され、信頼性が高まるという効果がある。また、樹脂の
一体部材３７の表面にプリント配線６’が形成されてい
るであるから、大量生産に好適で安価に製造できるとい
う利点もある。

【００６８】（実施例１の変形態様２）実施例のマイク
ロマニピュレータにおいて、各第２アクチュエータ２の
三方位の薄膜電極１３に導通するリード線６の数を増や
し、三本ある第２アクチュエータ２を各々独立して縦横
の曲げ変形および伸縮変形が可能とした変形態様もあり
うる。

【００６９】本変形態様では、第２アクチュエータ２も
それぞれに微動が可能であるほか、粗動を行う際も第１
アクチュエータ１と同期して曲げ変形すれば、より大き
な慣性力を生じて粗動速度を向上することができる。 （実施例１の変形態様３）実施例１の第１アクチュエー
タ１を構成する圧電ユニモルフ１６の薄膜電極１３は、
三つの区画に分割されていたが、関節３の曲げ方向と異
なる方向には微動も行わないとすれば、薄膜電極１３の
区画を１８０°ずつの二つ割りにした変形態様も可能で
ある。本変形態様によれば、マイクロマニピュレータの
価格がより安価になるという効果がある。

【００７０】また、同様に第２アクチュエータ２の圧電
ユニモルフの薄膜電極の区画を二つ割りにして、物体９
をつかむ動作と物体９を放して開く動作との一自由度の
みに第２アクチュエータ２の機能を絞ってもよい。薄膜
電極１３の二つの区画にそれぞれ正負の電圧を印加すれ
ば、実施例１よりも指先部材５の動く範囲が拡がり、か
つ、コストダウンにもなるという効果がある。

【００７１】（実施例１の変形態様４）実施例１の第２
アクチュエータ２に、積層型圧電アクチュエータに代え
て、金属板の表裏両面（片面でもよい）に薄膜電極付き
の圧電材料の層が形成されている板状圧電素子を用いた
変形態様も可能である。三枚の板状圧電素子は、把持動
作をすべき中心に向けて配設されていので、本変形態様
によれば、より長いストロークで指先部材５の先端を動
かすことができる。また、本変形態様にはコストダウン
の効果もある。

【００７２】（実施例１の変形態様５）以上の実施例１
およびその変形態様１〜４では、アクチュエータの構成
を二段にしていたが、三段以上の構成の変形態様も可能
である。その一例としては、実施例１の第１アクチュエ
ータ１を、上半部の上腕アクチュエータと下半分の下腕
アクチュエータとに分けて、独立して制御することがで
きるようにしたマイクロマニピュレータがあり得る。本
変形態様によれば、肱（上腕と下腕とを接続する関節）
を曲げることにより、指先部材５が物体９に接近する角
度を調整することも可能になる。

【００７３】（実施例１の変形態様６）前述の実施例１
の摺動部材３２において、接続部材３１の連通孔３０を
通って配置されていたリード線６は、内部空間３０を通
って外部に配設し、外部配線７０に接続している構成の
変形態様を取ってもよい。本変形態様では、摺動部材３
２は単なる円筒材として形成され、さらに摺動部材３２
および当接部材３６などの材料が絶縁材料に限定されず
に済む。したがって本変形態様によれば、関節３の構成
が簡素であり、関節３を構成する各部材の材料の選定も
より広範な範囲から選定することが可能になるので、関
節３をより安価かつ堅牢に構成することができるという
効果がある。

【００７４】また、本変形態様の上記リード線６に、前
述の共通電極に導通している接地線をも加えると、いっ
そう簡素な構成になり、関節３の材料の選択肢も拡がる
ので、いっそう安価かつ堅牢な関節３を構成することが
できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例１としてのマイクロマニピュレータの
構成を示す側面図

【図２】 実施例１の第１アクチュエータの積層単位の
構成を示す断面図

【図３】 実施例１の圧電ユニモルフの印加電圧のない
状態を示す組図 （ａ）平面図 （ｂ）側断面図

【図４】 実施例１の圧電ユニモルフの印加電圧のある
状態を示す組図 （ａ）平面図 （ｂ）側断面図

【図５】 実施例１の第１アクチュエータの変位作用を
示す組図 （ａ）変形のない状態を示す側端面図 （ｂ）曲げ変形状態を示す側端面図 （ｃ）伸縮変形状態を示す側端面図

【図６】 実施例１の関節の摺動部材および接続部材の
構成を示す断面図

【図７】 実施例１の関節の構成を示す断面図

【図８】 実施例１の変形態様１の関節の一体部材の構
成を示す背面図

【符号の説明】

１：第１アクチュエータ（積層型圧電アクチュエータ）
１０：連通孔 １１：金属円盤 １２：圧電材料（ＰＺＴ） １
３：薄膜電極（銀） １４：外周連結部材 １５：組体連結部材 １６：
圧電ユニモルフ １７：圧電素子組体 １８：端部部材 ２：第２アクチュエータ（積層型圧電アクチュエータ）
２０：連通孔 ３：関節（円筒型ジョイント） ３０：連通孔 ３
００：内部空間 ３１：接続部材 ３２：摺動部材（円筒形状） ３２０〜３２４：摺接電
極 ３２５：絶縁部材 ３３：保持部材 ３３０〜３３３：固定電極 ３４：バネ ３５：ネジ ３６：当接部材 ３
７：一体部材 ４：中間部材 ４０：中間連通孔 ４１：雄ねじ部 ４２：調整ウエイト ４３：フランジ部 ５：指先部材（エンドエフェクタ） ５１：先端部
５０：接合部 ６：リード線（配線） ６’：プリント配線 ７：制御装置（外部回路） ７０：外部配線 ８：支持台 ８０：基部 ８１：支柱 ８２：肱関節
部 ８３：支持腕 ９：物体（把持すべきマニピュレーション作業の対象
物） Ｍ：マイクロマニピュレータ本体 Ｘ，Ｙ：縦横の曲げ変位 Ｚ：伸縮変位

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軸心に沿って連通孔が形成されており、信
   号により曲げ変形する第１アクチュエータと、 該第１アクチュエータの一端を曲げ変位可能に支持して
   いる関節と、 該第１アクチュエータの他端に固定されている中間部材
   と、 該中間部材に一端が支持され、別の信号により曲げ変形
   する複数の第２アクチュエータと、 各該第２アクチュエータの他端にそれぞれ接合されてい
   る指先部材と、 少なくとも一部は該連通孔内に配設され、各該第２アク
   チュエータに信号を伝達する配線と、を備えていること
   を特徴とするマイクロマニピュレータ
2. 【請求項２】前記第１アクチュエータおよび前記第２ア
   クチュエータは、前記信号としての印加電圧による圧電
   材料の変形で作動する圧電アクチュエータであり、 前記配線は、導電性のリード線である請求項１記載のマ
   イクロマニピュレータ。
3. 【請求項３】前記中間部材には、前記第１アクチュエー
   タの前記連通孔と連通し、一端から他端へ連通している
   連通孔である中間連通孔が形成されており、 前記配線は、該第１アクチュエータの該連通孔から連続
   して該中間連通孔内にも配設されている請求項１記載の
   マイクロマニピュレータ。
4. 【請求項４】前記中間部材および指先部材のうち少なく
   とも一方は、着脱および位置調整のいずれかが可能であ
   る所定の質量の調整ウエイトを有する請求項１記載のマ
   イクロマニピュレータ。
5. 【請求項５】前記関節は、 一端で前記第１アクチュエータの前記一端に接合してい
   る接続部材と、 該接続部材の他端に接合されており、外周面のうち少な
   くとも一部は略円筒面である摺動部材と、 該摺動部材の該外周面の一部に当接し、所定の摩擦力で
   保持する保持部材と、を有し、 該保持部材により、該摺動部材は所定の範囲で回動可能
   に支持されている請求項１記載のマイクロマニピュレー
   タ。
6. 【請求項６】前記関節において、 前記保持部材は、内周面に表出している少なくとも一つ
   の固定電極を有し、 前記摺動部材は、外周面に表出して該固定電極にそれぞ
   れ摺接して導通している摺接電極を有しており、 各該固定電極は、前記印加電圧を与える外部回路に接続
   され、各該摺接電極は、前記配線と導通している請求項
   ５記載のマイクロマニピュレータ。
7. 【請求項７】前記関節は、 一端で前記第１アクチュエータの前記一端に接合してい
   る接続部材と、 該接続部材の他端に接合されており、外周面のうち少な
   くとも一部は略球面であるボールと、 該ボールの該外周面の一部に当接し、所定の摩擦力で保
   持するソケットと、を有し、 該ソケットにより、該ボールは所定の範囲で縦横に傾動
   可能かつ軸心回りに回動可能に支持されている請求項１
   記載のマイクロマニピュレータ。
8. 【請求項８】前記第２アクチュエータには、軸心に沿っ
   て連通孔が形成されている請求項１記載のマイクロマニ
   ピュレータ。
9. 【請求項９】前記第２アクチュエータは３本あり、前記
   中間部材に接合されている前記一端と前記指先部材の先
   端部とのうち、少なくとも一方が略正三角形状に配設さ
   れている請求項１記載のマイクロマニピュレータ。
10. 【請求項１０】前記第１アクチュエータおよび前記第２
    アクチュエータのうち少なくとも一方は、複数の区画に
    分割されている電極をもつ圧電バイモルフおよび圧電ユ
    ニモルフのうち、いずれかが複数個積層され、伸縮変形
    と曲げ変形とが可能な積層型圧電アクチュエータである
    請求項２記載のマイクロマニピュレータ。
11. 【請求項１１】前記第１アクチュエータおよび前記第２
    アクチュエータのうち少なくとも一方は、バネ弾性をも
    つ柱状部材と、該柱状部材の側面に形成されている複数
    の圧電素子とからなる柱状圧電アクチュエータである請
    求項２記載のマイクロマニピュレータ。