(57)【要約】【課題】微小な操作対象であっても、所期のマテリアルハンドリングを行い得る圧電アクチュエータおよびこれを備えるマニピュレータを提供する。【解決手段】この圧電アクチュエータ５０は、ハウジング５２と、ハウジング５２に回転自在に支持されるとともに操作対象Ｐを負圧で吸着する吸着ツール１２０が先端部に装着される回転軸５４と、ハウジング５２の後部に回転軸５４を回転可能に装着されるモータ７２と、回転軸５４を軸方向に微動ないし振動させるようにハウジング５２に内蔵される圧電素子６８と、回転軸５４が回転状態および停止状態のいずれのときでも吸着ツール１２０に負圧で吸引させるように設けられた負圧吸引機構１００と、を有する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、該ハウジングに回転自在に支持されるとともに操作対象を負圧で吸着する吸着用のツールが先端部に装着される回転軸と、前記ハウジングの後部に装着されて前記回転軸を回転させるモータと、前記ハウジングに内蔵されて前記回転軸を軸方向に微動ないし振動させる圧電素子と、前記回転軸が回転状態および停止状態のいずれのときでも前記ツールに負圧で吸引させるように設けられた負圧吸引機構と、を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記回転軸は、前記先端部に、前記ツールが着脱可能に取り付けられるツール取付部を有し、
前記ツールは、前記ツール取付部に着脱可能に設けられる請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記ツールは、前記回転軸と一体に設けられる請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記ハウジングは、前記回転軸を回転可能に支持する少なくとも２つの転がり軸受が内蔵されたハウジング本体と、該ハウジング本体の前端部に装着されて前記負圧吸引機構を構成するシールブロックと、を有し、
前記負圧吸引機構は、前記回転軸に軸線に沿って形成されて前記ツールの吸着部に連通する軸穴および該軸穴に連通する横穴と、前記シールブロックの内周面に前記回転軸の周囲を囲繞するように形成されるとともに前記横穴に連通する位置に形成された円環状空間と、前記シールブロックの内周面に前記回転軸の前後に離隔して前記円環状空間をシールするように設けられた２つの環状シールと、前記シールブロックに形成されて前記円環状空間に連通するとともに減圧用配管に接続される減圧路と、を有して構成されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】
前記回転軸が回転した際に前記ツール先端の振れ回りを補正する振れ回り補正手段を更に有する請求項４に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項６】
隣り合う前記転がり軸受の内輪の間に配置される内輪間座と、
前記内輪と前記内輪間座とを前記回転軸の軸方向に動かないように固定する固定部と、
前記隣り合う転がり軸受のうちの一方の外輪に直接または間接的に当接されて前記転がり軸受の外輪に軸方向変位を付与するように前記軸方向に伸縮可能な前記圧電素子と、
前記モータの軸と前記回転軸とを接続するカップリングと、
を備え、
前記カップリングは、前記回転軸の前記軸方向への変位量を吸収可能に前記モータの軸と前記回転軸とを接続している請求項４または５に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータを備えるマニピュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電アクチュエータ及びマニピュレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、μｍ単位等の微細なマテリアルハンドリングを行う装置として種々のマニピュレータが用いられている。例えば特許文献１には、負圧による吸着機構と回転機構とを組み合わせて微小部品を配置する技術が開示されている。
同文献記載の技術は、吸着ノズルと、吸着ノズルが先端に装着されるとともに軸受を介して回転駆動可能に支持された中空軸と、中空軸の側面に設けられて減圧源に接続される負圧吸引用のスイベルジョイント構造と、を有する。同文献記載の技術によれば、中空軸を回転させつつ、その先端の吸着ノズルによって微小で軽量な操作対象を吸着できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５７７３８３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、同文献記載の技術を用い、微小で軽量な操作対象を吸着した場合、操作対象が吸着ノズルの吸着部に嵌り込んだりして、負圧を切っても操作対象が吸着ノズルから外れないおそれがある。そして、操作対象を吸着ノズルから外すために正圧をかけると操作対象が飛散してしまうという問題がある。
また、静電気等により目標以外の対象が吸着ノズルや操作対象に貼り付いてしまうという問題もある。したがって、同文献記載の技術では、所期のマテリアルハンドリングを行う上で未だ解決すべき課題が残されている。
【０００５】
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、微小な操作対象であっても、所期のマテリアルハンドリングを行い得る圧電アクチュエータ及びマニピュレータを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る圧電アクチュエータは、ハウジングと、該ハウジングに回転自在に支持されるとともに操作対象を負圧で吸着する吸着用のツールが先端部に装着される回転軸と、前記ハウジングの後部に装着されて前記回転軸を回転させるモータと、前記ハウジングに内蔵されて前記回転軸を軸方向に微動ないし振動させる圧電素子と、前記回転軸が回転状態および停止状態のいずれのときでも前記ツールに負圧で吸引させるように設けられた負圧吸引機構と、を有することを特徴とする。
なお、本明細書において、「微動」とは、「少し動かす」ことであって、例えば操作対象の位置を微調整するような用途に用いることをいう。よって、「振動」とは用途が異なるので、これらの語を区別している。
【０００７】
また、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係るマニピュレータは、本発明の一態様に係る圧電アクチュエータを備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、圧電素子を伸縮させれば、回転軸に微小な軸方向変位を与えることができる。また、モータを回転させれば、その回転力により回転軸を介して吸着ツールを回転させることができる。
そして、本発明によれば、回転軸が回転状態および停止状態のいずれのときでも吸着ツールに負圧で吸引させるように負圧吸引機構が設けられている。そのため、回転軸先端の吸着用のツールは、負圧吸引により操作対象を吸着保持しつつ、圧電素子により軸方向に微動ないし振動できる。同時に、回転軸は、モータの駆動により回転して、操作対象を位置決めしたり、操作対象を連続して回転させたりすることができる。
よって、本発明によれば、吸着用のツールによる操作対象の吸着、及び、吸着用のツールの回転による操作対象の向きや姿勢の変更、並びに、圧電素子による微小な振動により操作対象の開放が可能になる。したがって、微小な操作対象であっても、所期のマテリアルハンドリングを行うことができる。
【０００９】
ここで、本発明の一態様に係る圧電アクチュエータにおいて、前記回転軸は、先端部に、前記ツールが着脱可能に取り付けられるツール取付部を有し、前記ツールは、前記ツール取付部に着脱可能に設けられることは好ましい。
このような構成によれば、吸着用のツールは、ツール取付部に着脱可能に設けられるので、回転軸から容易に取り外すことができる。したがって、圧電アクチュエータの用途に応じて吸着用のツールを他のツールに交換したり、吸着用のツールの劣化に応じてツールを交換したりすることが容易となる。
【００１０】
また、本発明の一態様に係る圧電アクチュエータにおいて、前記ハウジングは、前記回転軸を回転可能に支持する少なくとも２つの転がり軸受が内蔵されたハウジング本体と、該ハウジング本体の前端部に装着されて前記負圧吸引機構を構成するシールブロックと、を有し、前記負圧吸引機構は、前記回転軸に軸線に沿って形成されて前記ツールの吸着部に連通する軸穴および該軸穴に連通する横穴と、前記シールブロックの内周面に前記回転軸の周囲を囲繞するように形成されるとともに前記横穴に連通する位置に形成された円環状空間と、前記シールブロックの内周面に前記回転軸の前後に離隔して前記円環状空間をシールするように設けられた２つの環状シールと、前記シールブロックに形成されて前記円環状空間に連通するとともに減圧用配管に接続される減圧路と、を有して構成されていることは好ましい。
このような構成であれば、回転軸が回転状態および停止状態のいずれのときでもツールに負圧で吸引させる構成として好適である。
【００１１】
また、本発明の一態様に係る圧電アクチュエータにおいて、前記回転軸が回転した際に前記ツール先端の振れ回りを補正する振れ回り補正手段を更に有することは好ましい。
このような構成であれば、回転軸が回転した際に、ツール先端の振れ回りを補正できるので、微小な操作対象に、所期のマテリアルハンドリングを行う上でより好適である。
【００１２】
また、本発明の一態様に係る圧電アクチュエータにおいて、隣り合う前記転がり軸受の内輪の間に配置される内輪間座と、前記内輪と前記内輪間座とを前記回転軸の軸方向に動かないように固定する固定部と、前記隣り合う転がり軸受のうちの一方の外輪に直接または間接的に当接されて前記軸方向に伸縮可能な前記圧電素子と、前記モータの出力軸と前記回転軸とを接続するカップリングと、を備え、前記カップリングは、前記回転軸の前記軸方向への変位量を吸収可能に前記モータの軸と前記回転軸とを接続していることは好ましい。
【００１３】
このような構成であれば、カップリングが、回転軸の軸方向への変位量を吸収可能にモータの出力軸と回転軸とを接続するので、回転軸が圧電素子の伸縮により軸方向に動いたときに、モータにかかる軸方向の負荷が低減されるので好適である。さらに、モータの出力軸と回転軸の後端とをカップリングにより接続することにより、モータの選択幅が広がるので好適である。
【発明の効果】
【００１４】
上述したように、本発明によれば、微小な操作対象であっても、所期のマテリアルハンドリングを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係るマニピュレータシステムを示す斜視図である。
【図２】図１に示すマニピュレータシステムの概略構成を示す正面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るマニピュレータシステムに装備された圧電アクチュエータを示す斜視図である。
【図４】図３に示す圧電アクチュエータの正面図である。
【図５】図３に示す圧電アクチュエータを側面視にて軸線に沿った縦断面の図（ａ）および先端のツールを換装した例を示す図（ｂ）である。
【図６】本発明の一実施形態に係るマニピュレータシステムの制御ブロック図である。
【図７】本発明の一実施形態に係るマニピュレータシステムにより操作対象をハンドリングする一例を説明する図であり、同図は、ツールで操作対象を保持する前の状態を斜視図で示している。
【図８】本発明の一実施形態に係るマニピュレータシステムにより操作対象をハンドリングする一例を説明する模式図（（ａ）〜（ｃ））である。
【図９】本発明の一実施形態に係るマニピュレータシステムにより操作対象をハンドリングする一例を説明する模式図（（ａ）〜（ｅ））である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。なお、図面は模式的なものである。そのため、厚みと平面寸法との関係、比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記の実施形態に特定するものではない。
【００１７】
図１および図２に示すように、本実施形態のマニピュレータシステム１０は、微小な操作対象Ｐに人工操作を施すためのシステムである。
このマニピュレータシステム１０は、微小な操作対象Ｐが載置されるテーブル２０と、テーブル２０の上方中央に対向配置された顕微鏡ユニット１２と、テーブル２０の右上側方に配置された第一マニピュレータ１４と、テーブル２０の左上側方に配置された第二マニピュレータ１６と、を備える。図２に示すように、本実施形態のマニピュレータシステム１０は、コントローラ１８によって制御される。
【００１８】
顕微鏡ユニット１２は、図２に示すように、顕微鏡２２と、カメラ２４とを有する。顕微鏡２２は、テーブル２０の直上に配置されている。カメラ２４は、顕微鏡２２と一体に設けられている。テーブル２０の上に置かれた操作対象Ｐは、顕微鏡２２で拡大されるとともに、カメラ２４で撮影されるようになっている。
第一マニピュレータ１４は、顕微鏡ユニット１２の右側（図２における右側）に設けられた第一駆動装置３０と、アーム状の圧電アクチュエータ５０と、を有する。圧電アクチュエータ５０は、第一駆動装置３０に基端側が支持されて中央のテーブル２０の側に斜めに張り出すように設けられている。第一駆動装置３０は、コントローラ１８に接続され、コントローラ１８からの制御信号を受けて、圧電アクチュエータ５０を、図１に示すＸ、ＹおよびＺの各軸方向に３次元的に移動可能に構成されている。
【００１９】
圧電アクチュエータ５０は、第一駆動装置３０に接続された基端部側を中心として、先端側が上下に揺動可能となっている。圧電アクチュエータ５０の基端部側を中心とした揺動は作業者により手動で行われる。但し、これに限らず、後述する情報入力部１４０への操作に基づくコントローラ１８からの制御信号により揺動可能に構成してもよい。
また、圧電アクチュエータ５０は、コントローラ１８に接続され、コントローラ１８からの制御信号を受けて、後述する回転軸５４の微動ないし回転駆動、および、吸着ツール１２０による吸着およびその解放作動が可能に構成されている。
【００２０】
第二マニピュレータ１６は、顕微鏡ユニット１２の左側（図２における左側）に設けられた第二駆動装置３４と、アーム状の支持ツール３２と、を有する。支持ツール３２は、第二駆動装置３４に基端側が支持されて中央のテーブル２０の側に斜めに張り出すように設けられている。
第二駆動装置３４は、コントローラ１８に接続され、コントローラ１８からの制御信号を受けて、支持ツール３２を、図１に示すＸ、ＹおよびＺの各軸方向に３次元的に移動可能に構成されている。
【００２１】
支持ツール３２は、第二駆動装置３４に接続された基端部側を中心として、先端側が上下に揺動可能となっている。支持ツール３２の基端部側を中心とした揺動は作業者により手動で行われる。但し、これに限らず、後述する情報入力部１４０への操作に基づくコントローラ１８からの制御信号により揺動可能に構成してもよい。
なお、本実施形態においては、テーブル２０も後述する情報入力部１４０への操作に基づくコントローラ１８からの制御信号によってＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に３次元的に移動可能に構成される。但し、これに限らず、テーブル２０は固定式のものであってもよく、作業者により手動で動かすものであってもよい。
【００２２】
次に、上記圧電アクチュエータ５０について、図３から図５を適宜参照しつつ説明する。なお、以下において、図４および図５における左側（図３における左下側）を先端側（前側）といい、図４および図５における右側（図３における右上側）を後端側（後側）という。
本実施形態の圧電アクチュエータ５０は、略角柱状のハウジング５２を有する。ハウジング５２には、回転軸５４が回転自在に支持されている。ハウジング５２の内部には、図５に示すように圧電素子６８が内蔵され、回転軸５４を軸方向に微動ないし振動可能になっている。
【００２３】
回転軸５４は、その先端に吸着ツール１２０が装着される。ハウジング５２の後部には、回転軸５４を回転駆動するモータ７２が設けられる。本実施形態において、モータ７２はステッピングモータが用いられている。但し、これに限らず、回転軸５４を回転可能であれば、その他の構造によるモータやその他の駆動源であってもよい。
本実施形態のハウジング５２は、ハウジング本体８０と、ハウジング本体８０の前端側に設けられたシールブロック８２とを有して構成される。
シールブロック８２は、ハウジング本体８０の前端部に装着されて負圧吸引機構１００を構成する。負圧吸引機構１００は、微小な操作対象Ｐを吸着ツール１２０に負圧で吸引させるように設けられる。
【００２４】
以下、本実施形態の圧電アクチュエータ５０について図５を参照しつつ、より詳しく説明する。
ハウジング本体８０は、内周面が円筒面状に形成され、先端側と後端側とが開口しているブロック状部材である。図５に示すように、ハウジング本体８０には、２つの転がり軸受６０，６２が内蔵されている。回転軸５４は、２つの転がり軸受６０，６２を介してハウジング５２に回転自在に支持される。
【００２５】
シールブロック８２は、ハウジング本体８０の内周面よりも小径で軸保持部５６の外径よりも僅かに大径な軸挿通孔８２ａを有する。シールブロック８２は、ハウジング本体８０の前端側に、ネジ８４（締結具）によって取り付けられる（図３、図４参照）。
ハウジング本体８０は、先端側の開口部がシールブロック８２によって塞がれ、後端側の開口部が間座７０によって塞がれる。モータ７２は、ハウジング５２の後端側に間座７０を介して設けられる。
この際、転がり軸受６０の外輪端面とハウジング本体８０の端面との間に適切な差幅が生じるように、各要素の軸方向寸法を設定する。これにより、転がり軸受６０と転がり軸受６２に適切な予圧が付与される。
【００２６】
本実施形態では、各転がり軸受６０，６２は、内輪６０ａ，６２ａと、外輪６０ｂ，６２ｂと、内輪６０ａ，６２ａと外輪６０ｂ，６２ｂとの間に挿入された転動体６０ｃ，６２ｃと、をそれぞれ有する。
各転がり軸受６０，６２は、それぞれの内輪６０ａ，６２ａが、回転軸５４の基端側に設けられた軸保持部５６の外周面に嵌合される。また、各転がり軸受６０，６２は、それぞれの外輪６０ｂ，６２ｂが、ハウジング本体８０の内周面に嵌合され、回転軸５４をハウジング５２に対して回転自在に支持している。
【００２７】
回転軸５４は、先端側に設けられた小径中空円柱状の中空棒状部５８と、中空棒状部５８の後端部に一体且つ同軸に設けられた大径中実円柱状の軸保持部５６と、軸保持部５６の後端部に一体に設けられた二面幅部５９と、を有する。回転軸５４と、ハウジング本体８０の内周面と、軸挿通孔８２ａとは同軸となっている。
回転軸５４は、軸保持部５６および二面幅部５９がハウジング５２に挿通され、シールブロック８２が装着後に、ハウジング５２の先端側から中空棒状部５８が延出するように設けられる。
中空棒状部５８の先端の拡径部分には、吸着ツール１２０が着脱可能に装着されるツール取付部５４ａが形成されている。ツール取付部５４ａの内面には、軸穴５３と同軸に雌ねじ５４ｂが形成されている。
【００２８】
さらに、本実施形態の回転軸５４は、基端側に軸保持部５６を一体に有する。軸保持部５６の外周面の先端側と後端側とにはネジ加工が施されている。本実施形態の軸固定構造としてロックナット９０，９６が用いられている。
内輪６０ａ，６２ａと内輪間座６４との、回転軸５４への軸方向位置の固定は、回転軸５４の軸保持部５６の外周面先端側と後端側とにネジ加工を施し、この軸保持部５６のネジ加工にロックナット９０，９６を螺合させて内輪６０ａ，６２ａと内輪間座６４とが固定される。
【００２９】
つまり、回転軸５４は、ロックナット９０，９６により、転がり軸受６０，６２の内輪及び内輪間座６４を保持している。これにより、先端側のネジ加工と後端側のネジ加工とに、ロックナット９０，９６がそれぞれ螺合し、ロックナット９０とロックナット９６との間には、転がり軸受６０の内輪６０ａ、内輪間座６４、転がり軸受６２の内輪６２ａが、先端側からこの順に配置される。
内輪６０ａと内輪間座６４と内輪６２ａとは、隣接する部材同士が互いに当接した状態となっている。そして、２つのロックナット９０，９６によって、回転軸５４の軸保持部５６に対して、内輪６０ａと内輪間座６４と内輪６２ａとが、回転軸５４の軸方向に動かないように固定される。
【００３０】
なお、回転軸５４を固定する構造は、これに限定されない。例えば、内輪６０ａ，６２ａ及び内輪間座６４と回転軸５４との間に、回転軸５４に対して軸方向に動かないように固定する固定部材として、別箇の部品からなる中空円筒状の軸ホルダを介在させてもよい。
また、軸ホルダのような別箇の部品を介在させずに、内輪６０ａ，６２ａ及び内輪間座６４を回転軸５４に直接嵌合させてもよい。また、例えばロックナット９０，９６のみを固定部材として使用してもよく、その他の方法により内輪６０ａ，６２ａと内輪間座６４とを、回転軸５４の軸方向に動かないように固定してもよい。
【００３１】
後側の転がり軸受６２には、その外輪６２ｂの軸方向後端側に、略円筒状のスペーサカラー６６が転がり軸受６０，６２と同軸に配置されている。スペーサカラー６６は、ハウジング本体８０の内周面に正の隙間を持って嵌合している。また、スペーサカラー６６は、先端側の内径が後端側の内径よりも大きくなっており干渉が防止されている。
スペーサカラー６６の軸方向後端側には、転がり軸受６０，６２及びスペーサカラー６６と同軸に、略円筒状の圧電素子６８が配置されている。外輪６２ｂとスペーサカラー６６と圧電素子６８とは、隣接する部材同士が互いに当接した状態となっている。換言すると、圧電素子６８は、スペーサカラー６６を介して間接的に外輪６２ｂと当接している。圧電素子６８の後端側には、間座７０が配置されている。
【００３２】
本実施形態では、モータ７２は間座７０に取り付けられ、カップリング７４を介して回転軸５４に結合されている。モータ７２の出力軸７２ａの回転は、カップリング７４を介して回転軸５４に伝達される。出力軸７２ａが回転すると回転軸５４が回転する。
詳しくは、間座７０は、その中央部に、モータ７２の出力軸７２ａが挿通される軸挿通孔７０ａを有する。間座７０は、ハウジング５２の後端面側を覆う蓋としても機能し、ハウジング本体８０の後端に、ハウジング本体８０の後側の開口を塞ぐように取り付けられる。
【００３３】
本実施形態では、間座７０は、図３ないし図４に示すネジ（締結具）８５によりハウジング本体８０の後端面に固定される。なお、間座７０は、ハウジング本体８０の軸方向後端側及び間座７０にねじ加工を施して、両者を螺合することにより固定してもよい。この場合、圧電素子６８にねじりモーメントが生じる可能性がある。このため、間座７０は、ネジ等により締結固定されることが好ましい。
間座７０に対して、締結具としてのネジ１０２，１０２によって、モータ７２が取り付けられる。これにより、モータ７２がハウジング５２に固定される。モータ７２の出力軸７２ａは、間座７０の軸挿通孔７０ａに挿通される。
【００３４】
モータ７２の出力軸７２ａは、カップリング７４を介して回転軸５４の二面幅部５９に接続される。本実施形態では、カップリング７４は、例えばオルダムカップリングが用いられている。
カップリング７４の先端側の内面に、回転軸５４の二面幅部５９が軸方向にスライド移動可能に嵌合している。カップリング７４の後端側の内周面には、モータ７２の出力軸７２ａが嵌合している。回転軸５４の後端面と、モータ７２の出力軸７２ａの先端面との間には、所定の隙間Ｇが形成される。
【００３５】
これにより、カップリング７４と、回転軸５４と、出力軸７２ａとはオルダムカップリングの作用により軸心が調整された状態で回転力が伝達可能となる。また、カップリング７４は、圧電素子６８が伸びる際に伸びの１／２分、回転軸５４が反モータ側に移動する移動量を吸収してモータ７２に軸方向負荷を与えない効果がある。
つまり、回転軸５４は、後述するように軸方向に変位するところ、カップリング７４は、この変位量を吸収可能に、モータ７２の出力軸７２ａと回転軸５４とを接続している。
【００３６】
換言すれば、カップリング７４は、回転軸５４が軸方向に変位した際に、モータ７２の出力軸７２ａが軸方向に負荷を受けないように、出力軸７２ａと回転軸５４とを接続している。このような変位量の吸収は、オルダムカップリングに限定されず、軸方向に変形ないしスライド移動可能なカップリングを用いることで実現される。
具体的には、カップリング７４として、例えば、軸方向への弾性を有するカップリングを用いることで実現される。このような構成によれば、回転軸５４がモータ７２側およびモータ７２とは逆側に向けて変位した際に、カップリング７４が軸方向に弾性変形することにより、回転軸５４の変位量を吸収できる。
【００３７】
以上のように、ハウジング本体８０には、転がり軸受６０，６２、スペーサカラー６６、圧電素子６８が収容され、転がり軸受６０と転がり軸受６２の外輪は、ハウジング本体８０に保持されるとともに、スペーサカラー６６を介して圧電素子６８と接している。
ハウジング本体８０の両端は、シールブロック８２と間座７０とによって塞がれている。間座７０には、圧電素子６８の後端面が当接している。シールブロック８２には、転がり軸受６０の外輪６０ｂの前端面が当接している。また、シールブロック８２は、転がり軸受６０の内輪６０ａおよび回転軸５４の軸保持部５６には接しないようになっている。
【００３８】
ハウジング本体８０への各部材の収容においては、後側から間座７０、圧電素子６８、スペーサカラー６６、転がり軸受６２、転がり軸受６０と並べられた状態で、転がり軸受６０の外輪６０ｂの前端面とハウジング本体８０の前端面との間に適切な差幅が生じるように各要素の軸方向寸法を設定する。
これにより、シールブロック８２を固定したときに、転がり軸受６０と転がり軸受６２とに、軸方向に沿った押圧力として予圧が付与されるとともに、圧電素子６８にも予圧が付与される。そのため、転がり軸受６０，６２及び圧電素子６８に所定の予圧が付与され、外輪６０ｂと外輪６２ｂとの間に軸方向間の距離としての隙間Ｔが形成される。
【００３９】
なお、転がり軸受６０，６２に付与する予圧は、回転軸５４の回転を阻害しない程度の強さに設定される。予圧（差幅）の調整は、例えば、スペーサカラー６６等の長さを調整することにより行ってもよく、適当な厚さのシムを挿入することにより行ってもよい。
このように、本実施形態では、高剛性のばね要素である転がり軸受６０、６２で予圧を付与できるので、圧電素子６８の予圧調整が容易であり、高い応答性を達成できる。
また、本実施形態では、圧電素子６８は、スペーサカラー６６を介して転がり軸受６２の外輪６２ｂと接しているので、外輪６２ｂと同じ径の圧電素子や、所定の予圧を付与可能な寸法の圧電素子といった、特別な形状の圧電素子を用いる必要がない。
【００４０】
すなわち、図５の例では略円筒状とした圧電素子６８を、棒状または角柱状としてスペーサカラー６６の周方向に略等配となるように並べてもよく、回転軸５４を挿通する孔部を有した角筒状等としてもよい。
スペーサカラー６６の形状を高精度とすれば、ハウジング５２の内周面は、転がり軸受６０、６２と嵌合する程度の精度で形成されているので、圧電素子６８の個体差がある場合にも、転がり軸受６２を均等に押圧可能となる。なお、圧電素子６８と、外輪６２ｂとは、スペーサカラー６６を介さずに直接当接していてもよい。
【００４１】
次に、上記圧電素子６８の駆動による微動ないし振動作動について詳しく説明する。なお、以下で「圧電素子が（略）同軸である」とは、単に円環状の圧電素子がある軸と中心軸を共有する場合のみを示すのではなく、圧電素子がある軸を中心とした円周上に略均等に配置されている場合や、ある軸が角筒の圧電素子の中心を通る場合等を含む。
圧電素子は、ピエゾ素子ともいわれ、一般に、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する一方、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する。すなわち、圧電素子は、電圧を加えることで伸縮する一方、圧力を加えることで電圧を発生する。
【００４２】
本実施形態においては、圧電素子６８は、リード線を介して制御回路としてのコントローラ１８に接続され、コントローラ１８からの印加電圧に応じて回転軸５４の長手方向（軸方向）に沿って伸縮可能に構成されている。すなわち、圧電素子６８は、コントローラ１８からの印加電圧に応答して、回転軸５４の軸方向に沿って伸縮し、回転軸５４をその軸方向に沿って微動あるいは振動させるようになっている。
圧電素子６８に印加する電圧の電圧波形としては、例えば、正弦波、矩形波、三角波などを用いることができる。また圧電素子６８に電圧を印加する方法としては、作業者が後述する操作ボタン１４４を押している間、信号波形を連続して出力する等してもよいし、バースト波形を使用してもよい。
【００４３】
本実施形態においては、転がり軸受６０、６２のうち、転がり軸受６０の内輪６０ａと外輪６０ｂとの相対的な変位量であって、圧電素子６８の伸縮量の半分が回転軸５４の変位量に設定されている。そのため、圧電素子６８には変位量の２倍の変位を与えるための制御電圧と初期設定電圧とを加算した駆動用電圧を印加することになる。
例えば、圧電素子６８に２ｘの伸びが生じたときには、この伸びによる押圧力は微動ないし振動制御を行う前の予圧荷重に加えて転がり軸受６２の外輪６２ｂを押圧し、転がり軸受６２の外輪６２ｂを軸方向に２ｘだけ移動させる。
【００４４】
この際、外輪６０ｂ，６２ｂ間の隙間Ｔが２ｘ分狭くなって圧電素子６８の軸方向の伸びを吸収する。そして、この隙間Ｔの変位に伴って転がり軸受６０、６２が弾性変形し、転がり軸受６０の内輪６０ａが外輪６０ｂに対してｘだけ変位するとともに、転がり軸受６２の内輪６２ａが外輪６２ｂに対して−ｘ（マイナスｘ）だけ変位する。
逆に、圧電素子６８が２ｘ縮む（−２ｘ変位する）と、転がり軸受６２の外輪６２ｂへの押圧力が減少し、転がり軸受６２の外輪６２ｂが−２ｘだけ変位する。この際、外輪６０ｂ，６２ｂ間の隙間Ｔが２ｘ分広くなる。そうすると、転がり軸受６０、６２の弾性変形がそれぞれｘずつ減少するように、内輪６０ａと内輪６２ａとが、外輪６０ｂと外輪６２ｂとのそれぞれに対して変位する。
【００４５】
このように、隙間Ｔの変位２ｘを二つの転がり軸受６０、６２がｘずつ分けて吸収するので、転がり軸受６０、６２を互いに押圧する力がバランスしたときに、転がり軸受６０、６２の内輪６０ａ、６２ａは、回転軸５４とともに軸方向にｘ変位する。つまり、圧電素子６８の伸縮量２ｘの半分が回転軸５４の微動変位量ｘとなる。
なお、回転軸５４のわずかな変位量は、例えば、数μｍ〜数十μｍとすることが考えられるが、圧電アクチュエータ５０の用途に応じて圧電素子６８及び印加電圧を選択し、サブミクロンオーダー等で動かすようにしてもよい。
【００４６】
また、内輪間座６４を介して前後に配置される転がり軸受６０、６２は、それぞれ、本実施形態のように１つずつに限らず、複数であってもよい。また、必ずしも同種の転がり軸受や、同じ剛性の転がり軸受のみを圧電アクチュエータ５０に用いなくてもよい。
例えば、転がり軸受６０の剛性を転がり軸受６２の剛性よりも小さくすることで、圧電素子６８の伸縮量に対する回転軸５４のわずかな変位量を大きくできる。また、逆に、転がり軸受６０の剛性を転がり軸受６２の剛性よりも大きくすることで、圧電素子６８の伸縮量に対する回転軸５４のわずかな変位量を小さくできる。
【００４７】
次に、本実施形態の負圧吸引機構１００について詳しく説明する。
本実施形態では、回転軸５４には、回転軸５４の軸線に沿って軸穴５３が先端から途中部分まで形成されている。軸穴５３の先端は、吸着ツール１２０のノズル先端１２１ｓまで連通している。軸穴５３の基端部には、横穴５５が軸直方向に形成されている。
そして、シールブロック８２には、回転軸５４が回転状態および停止状態のいずれのときでも、吸着ツール１２０に負圧で吸引させるように、軸内の負圧用管路を吸引できるスイベルジョイント構造が設けられている。
【００４８】
詳しくは、シールブロック８２の内周面には、回転軸５４の外周面を囲繞するように円環状空間８３が形成されている。円環状空間８３は、回転軸５４の横穴５５に連通する位置に形成されている。
さらに、シールブロック８２には、継手７８を有する減圧用ホルダ７５が、シールブロック８２の厚肉部分に付設されている。シールブロック８２の厚肉部分と減圧用ホルダ７５には、円環状空間８３に連通する減圧路８６が形成されている。
また、シールブロック８２の内周面には、回転軸５４の前後に離隔して円環状空間８３をシールする２つの環状シール７７が、回転軸５４の外周面に摺接するように設けられている。本実施形態では、環状シール７７として、Ｏリングが介装されている。
【００４９】
２個の環状シール７７に挟まれて円環状空間８３が確実にシールされ、この円環状空間８３の内部が、継手７８に接続される減圧用配管（不図示）に減圧路８６を介して連通している。減圧用配管は減圧装置（図６の符号７６参照）に接続される。
これにより、後述する、図６に示すコントローラ１８の制御に応じて減圧装置７６が稼動されると、減圧用配管に連通する減圧路８６により円環状空間８３が減圧される。これにより、円環状空間８３に連通する横穴５５および軸穴５３を順に介し、吸着ツール１２０の先端に設けられた吸着ノズル１２１により、操作対象Ｐが負圧で吸引されるようになっている。
【００５０】
特に、本実施形態の負圧吸引機構１００では、回転軸５４の軸穴５３およびこれにつながる横穴５５と、シールブロック８２の内面に形成された円環状空間８３および２つの環状シール７７とが組み合わされて、スイベルジョイント構造が構成されている。これにより、この負圧吸引機構１００により、回転軸５４が回転状態および停止状態のいずれのときでも、吸着ツール１２０により負圧で吸引することができる。
また、本実施形態の負圧吸引機構１００であれば、回転軸５４の途中部分を囲繞する円環状空間８３と、円環状空間８３の両側をシールする２つの環状シール７７によりスイベルジョイント構造が構成されるので、極めて簡素に且つ安価にスイベルジョイント構造を設けることができる。
【００５１】
また、本実施形態の負圧吸引機構１００であれば、回転軸５４の途中部分にスイベルジョイント構造を設けているので、回転軸５４の後端にスイベルジョイント構造を設ける構成と比べて、回転軸５４の後端部分のレイアウトや設計自由度が向上する。そのため、モータの出力軸と回転軸の後端とをカップリングにより接続する上で、モータの選択幅が広がるのでより好適である。
さらに、本実施形態では、シールブロック８２を通った回転軸５４の軸保持部５６と中空棒状部５８とが繋がる部分を覆う位置に、円筒状の芯出しリング９２が取り付けられる。芯出しリング９２は、回転軸５４が回転した際に、吸着ツール１２０の先端が振れ回るのを補正する「振れ回り補正手段」として機能する。
【００５２】
本実施形態では、芯出しリング９２の装着は、まず、芯出しリング９２を装着しない状態で回転軸５４を回転させ、その時の振れ幅が最大となる位相を見つけて、適所に印を付ける。次いで、芯出しリング９２を仮装着し、回転軸５４を回転させた時の振れ幅が最大となる位相の反対方向に振れ幅補正ねじ９３を締め付ける。
これにより、回転軸５４を弾性変形させて振れ幅を小さくする効果がある。次いで、固定ねじ９５により芯出しリング９２の基端側を軸保持部５６の先端外周面に固定する。なお、固定ねじ９５は、周方向に９０°の位相に離隔した位置に２本設けられている。
この状態で、回転軸５４を再び回転させて振れの状態を確認する。振れ幅が許容以内であれば、振れ幅補正が完了したと判断して、止めねじ９４、固定ねじ９５を本締めすることで固定する。
【００５３】
次に、本実施形態の吸着ツール１２０の部分について詳しく説明する。
回転軸５４の先端部にはツール取付部５４ａが形成されている。本実施形態では、ツール取付部５４ａには、操作対象に対して負圧により直接吸着作用するツールとして、操作対象Ｐを負圧で吸着するための吸着ツール１２０が着脱可能に装着される。
吸着ツール１２０は、ツール本体部１２０ｈの基端側に、鍔部１２０ｂが設けられるとともに、鍔部１２０ｂから後方に延びる装着部１２０ａの外周面に雄ねじが形成されている。ツール本体部１２０ｈの先端側は円錐台状に徐々に縮径しており、その先端に中空円筒状の吸着ノズル１２１が同軸に設けられている。
【００５４】
吸着ノズル１２１は中空円筒状のノズルであり、その先端１２１ｓは、図７に拡大図示するように、４５°の角度で斜めにカットされて注射針状の吸着面１２１ｍが設けられている。但し、吸着ツール１２０およびその吸着ノズル１２１の形状は、これに限定されず、操作対象によってパット状やノズル状等、様々な形状とすることができる。これにより、微小な操作対象のピッキング，組立等が実現可能となる。
本実施形態の吸着ツール１２０は、拡径部となっているツール取付部５４ａの雌ねじ５４ｂに装着部１２０ａが締め込まれ、鍔部１２０ｂが中空棒状部５８の先端面に当接する位置で、回転軸５４の先端部に着脱可能に装着される。
【００５５】
なお、ツール取付部５４ａへの吸着ツール１２０の取り付け機構については、本実施形態のようにねじにて着脱可能に組みつけられる他、各種の工具等において従来から用いられている機構から、用途に応じて適宜選択できる。
また、吸着ツール１２０は、図５（ｂ）に示すように、吸着ツール１２０に替えて、加工ツール１２０Ｂに交換することにより、切削，切断等の用途にも使用できる。つまり、吸着ツール１２０は、吸着用としてのノズルの他、加工ツール１２０Ｂとして、例えば、刃や、針や、ドリル、砥石、フライス（エンドミル）等を換装できる。つまり、吸着ツール１２０や加工ツール１２０Ｂは、圧電アクチュエータ５０の用途に応じて適宜選択できる。
【００５６】
なお、吸着ツール１２０と回転軸５４とは、着脱可能な構成に限定されず、一体に構成されていてもよい。一体に構成することで、回転軸５４の先端部や吸着ツール１２０の耐久性を高めることができる。
また、このような構成においても、回転軸５４は、軸保持部５６から取り外し可能な構成を採用すれば、用途の変化や回転軸５４の劣化等に応じて回転軸５４を容易に交換できる。その際、回転軸５４についても種々の態様のものを用いることができる。例えば、図５（ｂ）に示す例では、回転軸５４についてもねじ径が大型なものを装着して、その大型のねじに対応する加工ツール１２０Ｂに換装した例を示している。
【００５７】
次に、コントローラ１８によるマニピュレータシステム１０の制御について図６を参照しつつ説明する。
コントローラ１８は、演算手段としてのＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）及び記憶手段としてのハードディスク、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）などのハードウエア資源を備え、所定のプログラムに基づいて各種の演算を行い、演算結果に従って各種の制御を行うように駆動指令を出力する。
【００５８】
コントローラ１８には、図６に示すように、情報入力部１４０として、ジョイスティック１４２、および、操作ボタン１４４を含むキーボード、マウス等が接続される。情報入力部１４０は、作業者からの操作に応じた入力信号をコントローラ１８に入力し、コントローラ１８は、情報入力部１４０に対する作業者からの操作に応じた制御信号を、駆動装置３０、３４や圧電アクチュエータ５０に出力する。
コントローラ１８は、第一マニピュレータ１４及び第二マニピュレータ１６を所定のシーケンスで自動的に駆動することも可能になっている。かかるシーケンス駆動は、コントローラ１８が、所定のプログラムによるＣＰＵの演算結果に基づいて、それぞれに駆動指令を順次に出力することで行われる。
【００５９】
情報入力部１４０は、マニピュレータシステム１０の各種装置を操作するためのもので、作業者によって操作される。例えば、ジョイスティック１４２は、第一マニピュレータ１４と第二マニピュレータ１６とのそれぞれに対して１つずつ設けられる。
また、ジョイスティック１４２に対応して、複数の操作ボタン１４４が設定される。例えば、圧電素子６８の駆動に割り当てられた操作ボタン１４４を押すことで圧電素子６８を伸縮させ、モータ７２の駆動に割り当てられた操作ボタン１４４を押すことでモータ７２を回転可能に構成される。
【００６０】
コントローラ１８は、第一マニピュレータ１４の第一駆動装置３０、圧電素子６８、モータ７２および減圧装置７６、並びに、第二マニピュレータ１６の第二駆動装置３４等を制御し、必要に応じて設けられたドライバやアンプ等を介してそれぞれに駆動指令を出力する。
例えば、圧電素子６８は、コントローラ１８により制御される信号発生器１３０から発せられてアンプ１３２で増幅された電圧信号により駆動される。圧電素子６８には、圧電素子６８の駆動時にアンプ１３２から信号電圧が印加される一方、圧電素子６８で発生する電圧に関する情報がコントローラ１８に入力されるようになっている。
【００６１】
本実施形態では、圧電素子６８は、吸着ツール１２０の微動ないし振動駆動のために設けられているが、吸着ツール１２０が、例えば後述する操作対象Ｐに接触したとき、その接触による外力が圧電アクチュエータ５０の回転軸５４、転がり軸受６０、６２、スペーサカラー６６等を介して圧電素子６８に加わることにより発生する電圧に関する情報がコントローラ１８に送られるようになっている。
そして、コントローラ１８は、圧電素子６８に発生した電圧が例えば所定のレベルや電圧差以上となったときに、警告ランプ（不図示）を光らせたりスピーカー（不図示）から警告音を発したりして作業者に報知したり、吸着ツール１２０の駆動を停止するように制御したりする。
【００６２】
また、コントローラ１８には、液晶パネル等の表示部１４６が接続されている。表示部１４６には、カメラ２４で取得した顕微鏡画像や各種制御用画面等が表示されるようになっている。
作業者は、テーブル２０上に置かれた操作対象を表示部１４６で観察しながら、所望するハンドリング作業を行うことができるようになっている。なお、表示部１４６を介さず、顕微鏡２２で拡大された操作対象を直接観察する構成としてもよい。また、表示部１４６をタッチパネルとし、情報入力部１４０としても機能する構成としてもよい。
【００６３】
なお、本実施の形態のマニピュレータシステム１０においては、吸着ツール１２０の回転量や微動量は、作業者が表示部１４６を介して目で確認しながら、ボタン等の情報入力部を操作して適宜調整するようになっている。
具体的には、例えば、作業者が操作ボタン１４４を押下している間、モータ７２が回転し、作業者が操作ボタン１４４の押下をやめるとモータ７２の回転が停止するようになっている。しかし、例えば、吸着ツール１２０を所定角度回転させるためのプログラムや、吸着ツール１２０を所定長さ微動させるためのプログラムをコントローラ１８等に記憶しておき当該プログラムに基づいて吸着ツール１２０を動かすように構成してもよい。
【００６４】
次に、マニピュレータシステム１０の活用例として、マニピュレータシステム１０を操作対象の姿勢調整に用いる場合について図７〜図９を参照して説明する。
本実施形態では、マニピュレータシステム１０においては、回転軸５４のツール取付部５４ａには、吸着用のツールとして吸着ツール１２０が取り付けられる。
準備として、まず、テーブル２０上に操作対象Ｐを載置し、操作対象Ｐが表示部１４６に表示されるように、操作対象Ｐの配置や顕微鏡ユニット１２の設定を調整する。また、圧電アクチュエータ５０及び支持ツール３２をその基端部を中心に揺動させ、操作対象Ｐに対する角度を調整する。準備が完了したら、操作対象Ｐへのハンドリングを開始する。作業者は、基本的に表示部１４６を見ながらハンドリング操作を行う。
【００６５】
本実施形態の例では、図７に示すように、操作対象Ｐは、微小な角柱形状をしておりテーブル２０の載置面上に載置される。吸着ツール１２０の先端が例えば４５°の角度でカットされている場合、載置面に対して、回転軸５４の先端に設けられた吸着ツール１２０の、吸着ノズル１２１の吸着面１２１ｍの角度も４５°となるように圧電アクチュエータ５０の角度を調整し、回転軸５４を回転させることで、吸着ツール１２０を操作対象Ｐを吸着するのに適した角度に調整する。これにより、吸着ツール１２０の先端１２１ｓの吸着面１２１ｍが載置面と平行にされる。
【００６６】
まず、この初期姿勢の状態から、図８（ａ）に矢印を示すように、マニピュレータシステム１０のＺ軸を下降させる。そして、同図（ｂ）に示すように、吸着ツール１２０の先端１２１ｓを操作対象Ｐの上面に密着させる。次いで、減圧装置７６の稼動により、エア吸引することで操作対象Ｐを吸着する。なお、吸着と解除が可能なツールであるならエア吸引方式に限定するものではない。
次いで、操作対象Ｐを吸着後に、図８（ｃ）に示すように、マニピュレータシステム１０のＺ軸を上昇させて、操作対象Ｐを吸着状態で上方に持ち上げることができる。所望の位置に移動後、減圧装置７６を停止し、操作対象を吸着ノズルから外すためにエア吸引を停止する。
【００６７】
ここで、微小で軽量な操作対象Ｐを吸着した場合、操作対象Ｐが吸着ノズルの吸着部に嵌り込んだりして、負圧を切っても操作対象Ｐが吸着ノズルから外れないおそれがある。そして、操作対象Ｐを吸着ノズルから外すために正圧をかけると操作対象が飛散してしまうという問題がある。また、静電気等により目標以外の対象が吸着ノズルや操作対象に貼り付いてしまうという問題もある。
これに対し、本実施形態の圧電アクチュエータ５０では、圧電素子６８を伸縮させ、回転軸５４に微小な軸方向変位を与えることができる。これにより、吸着ツール１２０は、負圧吸引により操作対象Ｐを吸着保持およびその解放が可能であり、さらに、圧電素子６８による軸方向変位により軸方向に微動ないし振動できる。
【００６８】
そのため、減圧装置７６を停止して負圧を切れば、正圧をかけることなく、操作対象Ｐが吸着ノズル１２１の吸着面１２１ｍから容易に外れる。また、静電気等により目標以外の対象が吸着ノズルや操作対象に貼り付いてしまうという問題も防止または抑制される。したがって、微小な操作対象Ｐであっても、所期のマテリアルハンドリングを行うことができる。
なお大抵は、負圧吸引を止めれば、操作対象Ｐは吸着ノズル１２１の吸着面１２１ｍから外れるので、毎回振動させて振り落とす必要はない。換言すれば、負圧吸引を止めても操作対象Ｐが吸着ノズル１２１の吸着面１２１ｍから外れない場合に限り、圧電素子６８を駆動させればよい。
【００６９】
以上のように、第一駆動装置３０は、吸着ツール１２０としての吸着ツール１２０を粗動させる粗動機構として機能し、また、圧電アクチュエータ５０は、吸着用のツールとしての吸着ツール１２０を微動及び回転させる微動機構及び回転機構として機能している。
さらに、通常、操作対象Ｐを９０°起き上がらせる必要がある場合、吸着ツール１２０ごと９０°傾けなければならないが、例えば特許文献１に記載の技術では、図７に示す初期姿勢からではそのような操作は困難である。
これに対し、本実施形態のマニピュレータシステム１０では、圧電アクチュエータ５０の特徴である回転機能を使い、操作対象Ｐを吸着後に、マニピュレータシステム１０のＺ軸を上昇させ、その後に、吸着ツール１２０を１８０°回転することで、所期の姿勢に操作対象Ｐの姿勢を変更することが実現可能となる。また、これを繰り返すことで操作対象Ｐの姿勢（位相）を９０°毎に変えることが容易に行える。
【００７０】
すなわち、図８（ｃ）に示した状態からモータ７２を駆動して、図９（ａ）〜（ｂ）〜（ｃ）に示すように、吸着ツール１２０を１８０°（図９（ａ）、（ｂ）に示すＲ方向へ）回転させる。これにより、回転軸５４の先端に設けられた吸着ツール１２０を１８０°回転させて姿勢を変更することができる。
次いで、第一駆動装置３０を駆動させ、吸着ノズル１２１の先端をテーブル２０側に移動して、操作対象Ｐの下面の極近傍にテーブル２０の載置面が位置するように、圧電アクチュエータ５０を下方に移動させる。
【００７１】
次いで、操作対象Ｐを吸着ノズル１２１の吸着面１２１ｍから外すために減圧装置７６によるエア吸引を停止する。負圧吸引を止めても操作対象Ｐが外れない場合には、圧電素子６８を駆動して、吸着ツール１２０を回転軸５４の軸方向（図９（ｄ）に示すＳ方向）に吸着面１２１ｍを振動させる。
次いで、第一駆動装置３０を駆動させ、図９（ｅ）に示すように、テーブル２０から吸着ツール１２０を遠ざける。これにより、操作対象Ｐが吸着ツール１２０から解放されて、操作対象Ｐを所期の姿勢にてテーブル２０の載置面上に載置させることができる（図９（ｄ）から（ｅ）参照）。
【００７２】
このように、本実施形態の圧電アクチュエータ５０によれば、モータ７２を回転させれば、その回転力により回転軸５４を介して吸着ツール１２０を回転させることができる。このとき、回転軸５４は転がり軸受６０，６２の内輪６０ａ，６２ａに固定されるので、回転軸５４が回転したときに転がり軸受６０，６２の外輪６０ｂ，６２ｂは回転しない。したがって、回転軸５４が回転しても、外輪６０ｂ，６２ｂを直接または間接的に押圧する圧電素子６８にはこの回転力は伝わらない。
また、本実施形態の圧電アクチュエータ５０によれば、圧電素子６８が伸縮すると、転がり軸受６２の外輪６２ｂに加わる圧電素子６８からの押圧力の変化により転がり軸受６０，６２が変形し、回転軸５４が軸方向にわずかに変位する。また、モータ７２が回転すると、この回転力が回転軸５４を介して吸着ツール１２０に伝わり、吸着ツール１２０を回転させることができる。
【００７３】
特に、本実施形態の圧電アクチュエータ５０によれば、回転軸５４は、転がり軸受６０，６２の内輪６０ａ，６２ａと固定されているので、回転軸５４が回転したときに、転がり軸受６０，６２の外輪６０ｂ，６２ｂは回転しない。したがって、外輪６２ｂにスペーサカラー６６を介して間接的に当接する圧電素子６８には、回転軸５４が回転してもこの回転力が伝わらない。
また、カップリング７４は、回転軸５４の軸方向への変位量を吸収可能に、モータ７２の出力軸７２ａと回転軸５４とを接続しているので、回転軸５４が圧電素子６８の伸縮により軸方向に動いた場合に、モータ７２に軸方向の負荷がかからない。さらに、モータ７２と回転軸５４とをカップリング７４により接続しているので、モータ７２や回転軸５４の選択の幅が広がる。
【００７４】
また、回転軸５４は、カップリング７４によりモータ７２と軸方向に挿抜可能に接続されているので、圧電アクチュエータ５０から容易に取り外すことができる。したがって、圧電アクチュエータ５０の用途に応じて回転軸５４を交換したり、回転軸５４の劣化に応じて回転軸５４を交換したりするメンテナンスが容易となる。
そして、本実施形態の圧電アクチュエータ５０によれば、回転軸５４が回転状態および停止状態のいずれのときでも吸着ツール１２０に負圧で吸引させるように負圧吸引構造が設けられているので、回転軸５４先端の吸着ツール１２０は、負圧吸引により操作対象を吸着保持しつつ、圧電素子６８による転がり軸受の軸方向変位により軸方向に微動ないし振動できる。同時に、回転軸５４は、モータ７２により回転して、操作対象Ｐを位置決めしたり、操作対象Ｐを連続して回転させたりすることができる。
【００７５】
よって、本実施形態の圧電アクチュエータ５０によれば、吸着ツール１２０による操作対象Ｐの吸着、及び、吸着ツール１２０の回転による操作対象Ｐの向きや姿勢の変更、並びに、微小振動による操作対象Ｐの開放が可能になる。したがって、微小な操作対象Ｐであっても、所期のマテリアルハンドリングを行うことができるのである。
また、吸着ツール１２０は、ツール取付部５４ａに着脱可能に設けられるので、回転軸５４から容易に取り外すことができる。したがって、圧電アクチュエータ５０の用途に応じて吸着ツール１２０を他のツールとして加工ツール１２０Ｂに交換したり、吸着ツール１２０の劣化に応じて吸着ツール１２０を交換したりすることが容易となる。
【００７６】
以上説明したように、本発明は、吸着ツール１２０を取付けるとともに圧電素子６８による微小振動を付与可能に回転軸５４を設け、さらに、回転軸５４の内部管路を負圧で吸引可能な負圧吸引機構１００をシールブロック８２の部分に装備しているので、圧電素子６８による微小振動を吸着ツール１２０に与えることができる。
つまり、回転軸５４は、吸着ツール１２０での負圧吸引により操作対象Ｐを吸着保持しつつ、圧電素子６８による転がり軸受６０，６２の軸方向変位により軸方向に微動ないし振動する。これと同時に、回転軸５４は、モータ７２により回転して、位置決めおよび連続回転が可能である。
【００７７】
これにより、吸着ツール１２０に貼り付いたり、吸着ツール１２０の吸着部に嵌り込んだりした操作対象Ｐをふるい落とすことができる。よって、微小な操作対象Ｐであっても、所期のマテリアルハンドリングを行うことができる。
なお、本発明に係る圧電アクチュエータおよびこれを備えるマニピュレータは、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能である。
例えば、マニピュレータ及びマニピュレータシステムは、上記実施形態の構成に限らず、主には吸着ツール１２０を適宜選択することで他の用途に用いることが可能である。
【００７８】
例えば、吸着ツール１２０に替えて、砥石やフライス等の加工ツール１２０Ｂを装着し、操作対象を研削したり切削したりする用途に用いてもよい。また、加工ツール１２０Ｂをドリルとし、穴あけ加工に用いてもよい。また、加工ツール１２０Ｂを円板状のブレードとし、操作対象の切断に用いてもよい。
また、これらの場合に、圧電素子６８は、微細な位置調整に用いてもよく、超音波振動を与えながら超音波加工をするのに用いてもよい。また、加工ツール１２０Ｂをホーンとし、操作対象のホーンが接する部分に圧電素子６８の振動による超音波振動を与え、超音波溶着をするのに用いてもよい。
【００７９】
すなわち、吸着ツール１２０を加工ツール１２０Ｂに換装した場合、マニピュレータは、コントローラ１８からの制御信号に基づいて圧電アクチュエータ５０を制御し、回転軸５４を軸方向に微動または振動させ、回転軸５４を回転させることができる。また、回転軸５４の軸方向への微動または振動と、回転軸５４の回転とは、それぞれ独立して行われるようになっていてもよく、連動して行われるようになっていてもよい。
また、テーブル２０の形態や、顕微鏡２２の配置等は、マニピュレータ及びマニピュレータシステムの用途に応じて適宜選択できる。例えば穴あけ加工に用いる加工ツール１２０Ｂを装着する場合には、圧電アクチュエータ５０の先端が下方を向くように配置し、顕微鏡が斜め下を向くように配置できる。また、圧電アクチュエータ５０のＸ−Ｙ−Ｚ軸方向における可動範囲は、マニピュレータ及びマニピュレータシステムの用途に応じて適宜選択できる。
【符号の説明】
【００８０】
１０    マニピュレータシステム
１２    顕微鏡ユニット
１４    第一マニピュレータ
１６    第二マニピュレータ
１８    コントローラ
２０    テーブル
２２    顕微鏡
２４    カメラ
３０    第一駆動装置
３２    支持ツール
３４    第二駆動装置
５０    圧電アクチュエータ
５２    ハウジング
５３    軸穴
５４    回転軸
５４ａ    ツール取付部
５５    横穴
５６    軸保持部
５８    中空棒状部
５９    二面幅部
６０，６２    転がり軸受
６０ａ，６２ａ    内輪
６０ｂ，６２ｂ    外輪
６０ｃ，６２ｃ    転動体
６４    内輪間座
６６    スペーサカラー
６８    圧電素子
７０    間座
７０ａ    軸挿通孔
７２    モータ
７２ａ    出力軸
７４    カップリング
７６    減圧装置
７７    環状シール
７８    継手
８０    ハウジング本体
８２    シールブロック
８２ａ    軸挿通孔
８３    円環状空間
８４、８５    ネジ
８６    減圧路
９２    芯出しリング
９０，９６    ロックナット
９４    止めねじ
１００    負圧吸引機構
１２０    吸着ツール
１２０Ｂ    加工ツール
１２０ａ    装着部
１２０ｂ    鍔部
１２０ｈ    ツール本体部
１２１    吸着ノズル
１２１ｓ    （吸着ノズルの）先端
１２１ｍ    （吸着ノズルの）吸着面
１３０    信号発生器
１３２    アンプ
１４０    情報入力部
１４２    ジョイスティック
１４４    操作ボタン
１４６    表示部
Ｇ    隙間
Ｔ    隙間
Ｐ    操作対象
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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