(57)【要約】  本発明は、微細操作装置に関し、微細操作装置に存在する電気アクチュエータ（２）を用いて、短軸または多軸の座標系、たとえばｘ軸、ｙ軸および／またはｚ軸の方向の動きを制御することによる、これと結合された操作器具（１）の位置決め／定位を対象とする。特に、微細操作装置を実質的に細長い構造とするために、操作器具（１）の位置決め／定位を可能とし、少なくとも１つの所望の方向の動きを供給する１つまたは複数のアクチュエータ（２；２’）は、圧電ベンダ（２'ａ）として実行される。
2005511333.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細操作装置であって、該微細操作装置に存在する電気的アクチュエータ（２）を用いて、単軸または多軸の座標系、たとえばｘ軸、ｙ軸および／またはｚ軸方向の動きを制御することによる、該微細装置と結合される操作器具（１）の位置決め／定位のためのものであって、特に、微細操作装置を実質的に細長い構造にするために、操作器具（１）の位置決め／定位を可能とする１つまたは複数のアクチュエータ（２；２’）が、少なくとも１つの所望の方向の動きを供給するために、圧電ベンダ（２’ａ）として実行される微細操作装置において、微細操作装置の軸方向の動き（ｘ）を生成するとともに、これと結合されるベンダ（２'ａ）と同一の長手軸（ｘ）上に位置するアクチュエータが、リニアモータ（２’ｂ）として実行されることを特徴とする微細操作装置。
【請求項２】
圧電ベンダは（２’ａ）は、バイモルフ、またはマルチモルフのカンチレバー構造を有することを特徴とする請求項１記載の微細操作装置。
【請求項３】
微細操作装置の少なくとも２つの方向の動き（ｙ、ｚ）に作用するアクチュエータ（２；２’）は、共通の長手軸（ｘ）上で互いに連続して結合され、かつ互いに垂直な平面にある圧電ベンダ（２’ａ）として実行されることを特徴とする請求項２記載の微細操作装置。
【請求項４】
微細操作装置の軸方向の動き（ｘ）に作用するアクチュエータ（２；２’）は、微細操作装置の長手軸（ｘ）に関して実質的に交差する方向（ｐ）に配置される圧電ベンダ（２’ａ）として実行されることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の微細操作装置。
【請求項５】
リニア電気モータ（２’ｂ）から伝達される軸方向の動きは、圧電積層アクチュエータ（２’ｃ）によって微調整されるように適合されることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の微細操作装置。
【請求項６】
たとえば小型ＤＣモータなどの回転運動に基づく直流電気モータ（２’ｂ）を有し、これに供給される電圧に対して線形的な軸方向の動き（ｘ）を生成することを特徴とする請求項５記載の微細操作装置。
【請求項７】
微細操作装置に含まれる各圧電ベンダ（２'ａ）は、特に、微細操作装置の連続的フィードバック制御を可能とするために、かつ／またはその類似の目的のために、問題のベンダの動きに関してフィードバックデータを得るために、追跡要素（３）、たとえば歪ゲージ（３ａ）またはその類似物を備えることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の微細操作装置。
【請求項８】
微細操作装置の２つの方向の動き（ｙ，ｚ）に作用するアクチュエータは、長手方向に連続する要素として実行され、これらの要素は、回転（ｗ’）を供給する直流電気モータ（２'ｄ）と、軸方向（ｘ）にその背後に結合される圧電ベンダ（２’ａ）とを含むことを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか１項に記載の微細操作装置。
【請求項９】
たとえば小型ＤＣモータなどの電気モータ（２'ｂ、２'ｄ）は、そこから伝達される軸方向の動き（ｘ）または回転（ｗ’）を、たとえばＬＶＤＴ−、ＰＳＤ−、光電子リニアもしくはロータリエンコーダ、ホールセンサなどの変位（３ｂ）または回転センサ、によって監視する追跡要素（３）を備えることを特徴とする請求項５、６または８記載の微細操作装置。
【請求項１０】
電気モータ（２'ｂ）によって供給される軸方向の動き（ｘ）を監視する追跡要素（３；３ｂ）は、実質的に共通の長手軸（ｘ）上に、かつ操作器具（１）に対して電気モータ（２'ｂ）の反対側に配置され、電気モータ（２'ｂ）は、軸方向（ｘ）の追跡要素（３；３ｂ）のセンササブフレーム（３ｂ１）に向かってモータフレーム（２’ｂ２）を通って延びるスライドバーアセンブリ（２’ｂ３）が操作器具（１）の反対側に取り付けられたシャフトディスク（２’ｂ１）を有することを特徴とする請求項９記載の微細操作装置。
【請求項１１】
微細操作装置に含まれ、微細操作装置によって生成される軸方向（ｘ）の動きの線形性および平坦性を特に向上させることを対象とする制御構造は、実質的に軸方向（ｘ）において配列された、転がり軸受を搭載したスライドアセンブリ（Ｌ）を含むことを特徴とする請求項１〜１０のうちいずれか１項に記載の微細操作装置。
【請求項１２】
電気モータ（２’ｂ）の軸方向（ｘ）のシャフトの端部（２’ｂｐ）と、積層アクチュエータ（２’ｃ）との間に、問題の要素間に存在する力のスポットコンタクト原理で制御された焦点合わせを行う焦点合わせ手段（ｋ）、たとえばボールまたはその類似物を少なくとも備えることを特徴とする請求項１１記載の微細操作装置。
【請求項１３】
微細操作装置の制御構造は、特に、慣性力、摩擦、クリアランスおよび／またはこれらの類似物の効果を除去するために、機械的な弾性部材（ｓ）、たとえば１つもしくは複数のばね、弾性ポリマー、シリコン衝撃吸収体および／またはこれらの類似物を含むことを特徴とする請求項１１または１２記載の微細操作装置。
【請求項１４】
転がり軸受を搭載したスライドアセンブリ（Ｌ）は、ボールベアリングスライドを備えたアキシャルベアリング（Ｌ１）によって実行されることを特徴とする請求項１１〜１３のうちいずれか１項に記載の微細操作装置。
【請求項１５】
転がり軸受を搭載したスライドアセンブリ（Ｌ）は、交差ローラベアリングを備えたアキシャルベアリング（Ｌ２）によって実行されることを特徴とする請求項１１〜１４のうちいずれか１項に記載の微細操作装置。
【請求項１６】
微細操作装置に含まれる電気モータ（２'ｂ）は、ステッピングまたはパルスモータを含むことを特徴とする請求項１〜１５のうちいずれか１項に記載の微細操作装置。
【請求項１７】
微細操作装置に含まれるモータは、たとえば圧電モータを含むことを特徴とする請求項１〜１５のうちいずれか１項に記載の微細操作装置。
【請求項１８】
微細操作装置に含まれるモータは、磁気形状記憶材料から作製されることを特徴とする請求項１〜１５のうちいずれか１項に記載の微細操作装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、微細操作装置に関し、微細操作装置に存在する電気アクチュエータを用いて、単軸または多軸の座標系、たとえば、ｘ軸、ｙ軸および／またはｚ軸方向における動きを制御することによる、この装置と結合される操作器具の位置決め／定位を対象とし、特に、微細操作装置を実質的に細長い構造とするために、操作器具の位置決め／定位が可能であり、少なくとも１つの所望の方向の動きを実行する１つまたは複数のアクチュエータは、圧電ベンダとして供給される。本発明の微細操作装置に関して好ましい適用環境または対象は、たとえば生物工学分野における生物細胞、および細胞培養もしくは組織の操作、または、たとえば、精密機械、電気、および／もしくは光学装置もしくは部品の操作、検査およびアセンブリを含む。
【０００２】
現在、前述のタイプの微細操作装置は、典型的には、たとえば顕微鏡の分野において用いられ、微細操作装置と結合される操作器具の所望の操作範囲は、典型的には、０．５μｍ〜１０ｍｍである。微細操作装置の全ての所望の方向の動きに関して、今日用いられる解決手段は、主として、液圧で、または電気モータを用いて実行される解決手段に基づく。このような解決手段の１つは、たとえば日本国特許公報第８３２３６５６号において開示され、ここにおいて、これに関連して適用される電気モータによって生成された線形の動きは、十分に高いピッチのラック・ピニオン構造を用いることによって、回転子の回転運動から伝達される。他方、先行技術の他の解決手段は、圧電モータを用い、これは、超音波周波数で操作するとともに、圧電材料の電気的活性化の結果として振動波を生成する。
【０００３】
たとえば前述の日本国特許公報第８３２３６５６号に記載され、かつ基本的に相当従来の技術に基づくこのタイプの解決手段は、数個の装置を操作する点において、十分に小型の一体的なユニットを提供することができないという不都合を有する。他方、後者のタイプの超音波周波数で操作する圧電モータにおける今日の不都合は、これによって生成される動きの十分に精密な制御に関与し、これは、特に、負荷の変化に関係する状況において、十分な信頼性をもってこの特定のタイプの解決手段を用いることが、極めて精密な手順においていまだ不可能である理由である。
【０００４】
現在の微細操作装置技術における相当未開発状態の当該技術の結果として、今日の状況は、実際のところ、特にたとえば、顕微鏡用途において、一般的に、操作対象の両側に位置決めされる、たった２つの微細操作装置をともに用いることができるにすぎない。したがって、種々の投入可能な媒体によって操作する工程において、または微細操作装置が種々の操作器具、たとえばピペットもしくは針を、異なる工程で備える場合において、１つの手順から別に切換えるとき、必要な場合はいつでも、各手順の次に必要な新しい媒体または操作器具と交換され得る前に追加的に清掃することによって、常に、基本装備の一部を分解する必要がある。結果として、微細操作装置の使用に基づく操作手順は、今日、利用可能な空間の問題に起因して、十分な数のともに操作可能な微細操作装置を利用することによって作業を実行することができないので、非常に困難であり、かつ不必要に非効率的である。
【０００５】
他方、日本国特開平９−２６７２７８号公報およびこれに対応する欧州特許出願第０９２６７２７８号明細書は、微細操作装置の構成を開示しており、ここにおいて、特に、微細操作装置の構造を実質的に細長くするために、操作器具の位置決め／定位を可能とし、少なくとも１つの所望の方向の動きに作用する１つまたは複数のアクチュエータが、圧電ベンダとして実行される。しかしながら、これに関連して開示された解決手段は、微細操作装置の可撓性を有する操作フレームの外面の上部に平行に接続される圧電ベンダに基づき、ここにおいて曲がりまたは撓みは、電位差に起因する、両側におけるベンダの回転／伸長の結果である。したがって、たとえば単一の方向にのみ生じる撓みが、所望の変位または動きを供給するために並列接続されたベンダ全てに同時の制御を必要とするので、解決手段は、極めて精密な数理モデルを要求する。他方、操作器具、たとえば注射針の先端は、全てのベンダが同じ電位差を備えることによって、軸方向の動きに作用するように適合され得る。この場合において、ベンダの構成は、さらに、そのアクチュエータに旋回軸上でさらに結合され、したがって、操作器具の所望の各位置を、信頼性のある、十分に精密な方法で実際上設定することは極めて難しい。したがって、相対的に小さい動きのみが、特に軸方向において、この特定のタイプの解決手段によって、信頼性を持って供給され得る。
【０００６】
本発明の目的は、前述の問題に関して決定的な改良を提供し、したがって既存の技術水準を本質的に向上させることである。この目的を満足させるために、本発明の微細操作装置は、主として、微細操作装置の軸方向の動きを生成するとともに、これと結合されるベンダと同一の長手軸上に位置するアクチュエータが、リニアモータとして実行されることを特徴とする。
【０００７】
本発明の微細操作装置によって得られる最も重要な利点は、操作原理、およびこれに適用可能な構成の容易さを含み、特に、本発明に用いられる１つまたは好ましくは数個の圧電ベンダに必要な最適に小さい空間によって、微細操作装置の軸方向の動きは、圧電ベンダと同じ長手軸に位置するリニアモータを用いることによって、十分な回転数または精度で特に実行可能である。本発明の微細操作装置において用いられる圧電ベンダは、最適な実施形態において、バイモルフまたはマルチモルフのカンチレバー構造を含み、これは、さらに、極めて単純な構成を可能とし、ここにおいて、各方向の動きは、共通の長手軸上で互いに連続して接続され、かつ互いに垂直な平面に位置するベンダによって実行可能である。したがって、本発明の細長い微細操作装置の構造によって、たとえば顕微鏡用途での使用のために十分な数の微細操作装置を供給することが可能であり、目下関連する工程において必要とされる全ての媒体および操作器具は、操作対象の半径方向に予め焦点を合わされた各微細操作装置の所定位置に事前に適合され、かつ準備される。したがって、この点に関して、全ての無駄な分解、清掃および再装備の操作を回避することによって、重大な改良が、問題のタイプの作業において第一に到達可能である。これは、作業の生産性における著しい改良を意味し、この結果、不必要な静止時間および遅延を回避することによって、包括的に最適な操作を確立するように、連続的に進行する操作を生じさせる。
【０００８】
本発明の微細操作装置によって得られる別の本質的な利益は、現在利用可能な解決手段と同じ程度に精密なマイクロメカニックスが必ずしも要求されないことに存在し、なぜなら、微細操作装置によって生成される動きの多くは、圧電材料を利用することによって達成可能であるからであり、これによって生成される回転または伸長は、微細操作装置の連続的フィードバック制御を可能とする方法で、本質的に利用可能な技術の応用によって監視することが可能となる。
【０００９】
本発明の微細操作装置の好適な実施形態は、本発明に従った従属請求項において述べられる。
【００１０】
本発明は、添付図面を参照して以下の説明において詳細に述べられる。
本発明は、微細操作装置に関し、これは、単軸または多軸の座標系、たとえばｘ軸、ｙ軸および／またはｚ軸における動きを、微細操作装置に存在する電気アクチュエータ２を用いて制御することによる、これと結合される操作器具１の位置決め／定位を対象とする。特に、微細操作装置を実質的に細長い構造とするために、理論レベルで、たとえば図１に示すように、操作器具１の位置決め／定位を可能とし、少なくとも１つの所望の方向の動きを供給する１つまたは複数のアクチュエータ２；２’は、圧電ベンダとして実行される。これに関連して、微細操作装置に軸方向の動きｘを供給するとともに、これと結合されるベンダ２’ａと同一の長手軸上に位置するアクチュエータ２；２’は、リニアモータ２’ｂとして実行される。
【００１１】
特に好適な応用例において、図１〜図５および図７ａ／図７ｂに示す実施形態を関して、これら全てにおける圧電ベンダは、バイモルフまたはマルチモルフのカンチレバー構造を含む。その後記載された応用例によって、このタイプの圧電ベンダは、多くの利益を提供し、たとえば、従来の技術と比べて、微細操作装置によって生成される動きに関し、卓越して優れた、実際には何十倍も優れた範囲および精度を提供する。
【００１２】
図１、図２、図３、図５、および図７ａ／図７ｂにおいて特に示す実施形態において、アクチュエータ２；２’は、微細操作装置の少なくとも２つの方向の動きｙ，ｚを作用し、共通の長手軸ｘ上で互いに連続的に結合され、かつ互いに垂直な平面にある圧電ベンダ２’ａとして実行される。したがって、たとえば、バイモルフカンチレバーベンダの使用は、明らかにたった１つのベンダによって各所望の方向の動きを実行可能とし、これによって、この特定方向の動きで生じる微細操作装置の位置決めは、１つのベンダ要素のみを制御することによって、作用することもできる。
【００１３】
図５の実施形態におけるさらに好適な応用例のように、アクチュエータ２；２’は、微細操作装置の軸方向の動きｘをも作用し、微細操作装置の長手軸ｘに対して実質的に交差する方向に配置される圧電ベンダ２’ａとして実行される。
【００１４】
前述に関しての代替的解決手段は、図１、図２、図３および図４に示すように、少なくとも１つの電気モータの使用を伴う微細操作装置によって提供される。これに関して好適な応用例として、アクチュエータとして機能するリニア電気モータ２’ｂから伝達される軸方向の動きは、図３および図４において示すように、圧電積層アクチュエータ２’ｃを用いることによって、微調整されるように、さらに適合される。これに関連して、微細操作装置は、回転運動に基づく直流電気モータ、たとえば小型ＤＣモータまたはその類似物を含み、これは、そこに含まれた伝達装置によって、そこに供給される電圧に線形的な軸方向の動きｘを生成する。
【００１５】
本発明の微細操作装置の別の好適な実施形態において、そこに含まれる各圧電ベンダ２’ａは、図３に示すように、特に、問題のベンダの動きに関するフィードバックデータを得るための、監視または追跡要素３、たとえば歪ゲージ３ａまたはその類似物を備える。他方、このフィードバックはまた、時間の関数としての圧電材料の電気特性の変化を除去可能であることによって、微細操作装置の連続的フィードバック制御を実現する。
【００１６】
特に、図４に示す実施形態において、微細操作装置は、少なくとも１つの電気モータを備え、微細操作装置の２つの方向の動きｙ，ｚに作用するアクチュエータは、長手方向に連続する要素として実行され、回転ｗ’を供給する直流電気モータ２’ｄと、軸方向ｘにその背後に結合される圧電ベンダ２’ａとを含む。したがって、３Ｄ空間における注射針１などの操作器具の先端の位置は、軸方向の変位ｘに基づく参照点、電気モータ２’ｄによって生成される回転ｗ’、およびベンダ２’ａの撓みｔに関して、正確に数学的に定めることができ、一方、他の代替的解決手段において、その定位は、軸方向の変位ｘに加えて、ｙ軸およびｚ軸の方向におけるベンダ２’ａの撓みに基づく。
【００１７】
好適な実施形態において、小型ＤＣモータまたはその類似物など電気モータ２’ｂ，２’ｄはまた、変位３ｂまたは回転センサ、たとえばＬＶＤＴ−、ＰＳＤ−、光電子リニアもしくはロータリエンコーダ、ホールセンサ、および／またはこれらの類似物を用いることによって、電気モータから伝達される軸方向の動きｘまたは回転ｗ’を監視する、監視または追跡要素３を備える。もちろん、本発明の微細操作装置は、対応の技術で操作するステッピングまたはパルスモータを備えることができる。
【００１８】
図２〜図４で特に示す好適な実施形態において、電気モータ２’ｂによって供給される軸方向の動きｘを監視する追跡要素３；３ｂが、実質的に共通の長手軸ｘ上に、かつ操作器具１に関して電気モータ２’ｂの反対側に配置される。したがって、特に図２に示すように、電気モータ２’ｂは、軸方向の追跡要素３；３ｂのセンササブフレーム３ｂ１に向かってモータフレーム２’ｂ２を通って延びるスライドバーアセンブリ２’ｂ３が操作器具１の反対側に取り付けられたシャフトディスク２’ｂ１を有する。微細操作装置に存在する追跡要素３によって、操作器具１の重要な点の各位置の定位を、確認することができるとともに、必要に応じて、適切なアクチュエータを電気的に制御することによって変更することができる。特に、圧電ベンダ２’ａに接続して用いられる歪ゲージ３ａによって、微細操作装置の連続的フィードバック制御を維持することも可能であり、これはまた、圧電材料に典型的なヒステレシス効果から生じる操作上の不正確の回避も可能とする。
【００１９】
これに関連して、特に前述のタイプの微細操作装置によって生成された軸方向の変位または動きの精度をさらに発展させる必要性が認識されており、これは、単に従来の動き制御機構および自動機構を適用することによって、前述の微細操作装置の制御下で満足に実行されることができない。したがって、本発明の微細操作装置は、特に微細操作装置によって生成された軸方向の動きｘの線形性および平坦性を向上させるように意図されるとともに、実質的に軸方向に配列された、転がり軸受を搭載したスライドアセンブリＬを含む制御構造を用いるように、さらに設計される。
【００２０】
このような制御構造によって得られる最も重要な利益は、微細操作装置の線形的な精度に関して、これによって供給される向上を特に含む。転がり軸受を搭載したスライドアセンブリ、たとえばボールベアリングまたはローラベアリングを搭載したアキシャルベアリングは、さらに、微細操作装置を好ましく細長い構造にすることが可能であり、ここにおいて、長手方向の動きは特に、いずれの既存の先行解決手段よりも高い精度で顕著に制御可能である。特に、圧電ベンダを用いて実行され、かつ従来の制御構造を利用する微細操作装置と、本発明の制御構造を備える対応物との比較は、たとえば図１０ａおよび図１０ｂに示す表に基づいて、軸方向の動きの精度が、現在開発された制御構造によって何倍も向上したことを明らかに示す。当初の構成と一致する微細操作装置において、動きの精度の偏差は、最大約６０μｍであり、その一方で、問題の制御構造は、最大約５μｍにまで減少させることができる。したがって、問題の制御構造は、微細操作装置に関して以前よりも精密な位置決めを実行する可能性を提供し、精密な操作を要求する手順において不可欠な重要性を有する。
【００２１】
本発明の好適な実施形態において、微細操作装置の軸方向の動きｘを生成し、かつ、たとえば図６に示す、微細操作装置と結合される圧電ベンダ２’ａと同一の長手軸に位置する、アクチュエータは、電気モータ２’ｂとして実行され、そこから伝達される軸方向の動きは、圧電積層アクチュエータ２’ｃによって好ましく調節されるように適合される。電気モータ２’ｂの軸方向ｘのシャフトの端部２’ｂｐと、積層アクチュエータ２’ｃとの間で、問題の要素間に存在する力のスポットコンタクト原理で制御された焦点合わせを行う焦点合わせ手段Ｋ、たとえばボールまたはその類似物が少なくとも備えられる。特に、図６に示す実施形態において、モータのシャフトの端部に接続し、軸方向のモータのシャフトの回転運動を、軸方向の動きに変換する中間フレームＶＲが備えられる。このタイプの解決手段において、前述のボールＫは、さらに好適な実施形態においてスポットコンタクトをシリコンプレートＳＬによって積層アクチュエータ２’ｃに伝達することを考慮して、そこに存在する反対側の面に配置される。
【００２２】
さらに、図６において参照符号ＳＨで表される要素は、特に、ばねＳの付属物を対象としている。また、参照符号ＭＨで表される構成要素は、電気モータ２’ｂのホルダであり、これらは、ねじジャッキ装置によって、互いに固定される。他方、参照符号ＳＰによって表される要素は、シリコンパネルであり、この目的は、中間フレームＶＲの動摩擦を低減することである。参照文字Ｒは、微細操作装置の基礎プレートを示し、参照文字ＢＨは、電気モータのシャフトのラジアルベアリングを所定位置に固定することによってこれと一体化されるブラケットを示す。要素ＴＲ１およびＴＲ２はそれぞれ、図７ａおよび図７ｂにおいて表されるタイプの解決手段に用いられる圧電ベンダ２’ａの付属物を対象とする搭載プレートを表す。
【００２３】
本発明の微細操作装置のさらに別の好適な実施形態において、その制御構造は、特に慣性力の効果を除去するために、機械的な弾性部材ｓ、たとえば１つもしくは複数のばね、弾性ポリマ、シリコン衝撃吸収体、および／またはこれらの類似物を含む。図６の実施形態において用いられるばね機構とは異なり、図７ａおよび図７ｂにおいて示すタイプの解決手段は、弾性ポリマの衝撃吸収体を用いることによって実行され、しかしながら、その位置は、図７ａおよび図７ｂにおいて明らかに視認することができない。図７ａおよび図７ｂの工程は、図６に示す実施形態とは他のいくつかの点で異なり、前者は、たとえば、軸方向の動きｘまたは電気モータのシャフトの回転を、たとえば変位または回転センサ、たとえばＬＶＤＴ、ＰＳＤ、光電子リニアもしくはロータリエンコーダ、ホールセンサおよび／またはこれらの類似物によって監視する追跡要素３を用いる。
【００２４】
特に好適な実施形態において、転がり軸受を搭載したスライドアセンブリＬは、図８ａにおいて例として示されるボールベアリングスライドを備えたアキシャルベアリングＬ１によって実行される。他方、転がり軸受を搭載したスライドアセンブリＬはまた、たとえば図８ｂにおいて示すように交差ローラベアリングを備えたアキシャルベアリングＬ２によっても実行可能である。
【００２５】
特に好適な実施形態において、微細操作装置に含まれる電気モータ２’ｂは、図６に特に示すように、微細操作装置の構成を単純化するために、ステッピングまたはパルスモータを含み、これは、いわゆるフィードバック位置センシングを必要としない。
【００２６】
制御構造と接続する別の選択肢は、微細操作装置のモータが、たとえば圧電モータ、あるいは更なる選択肢として、磁気形状記憶材料から製造されるモータを含むことである。前述のタイプのモータは、添付図面に示されない。
【００２７】
特に、たとえば図２に示す解決手段において、電気モータ２’ｂによって供給される軸方向の動きｘを監視する探知要素３；３ｂは、実質的に共通の長手軸ｘ上に、かつ操作器具１に関して電気モータ２’ｂの反対側に、配置される。したがって、電気モータ２’ｂは、操作器具１の反対側に、軸方向の探知要素３；３ｂのセンササブフレーム３ｂ１に向かってモータフレーム２’ｂ２を通って延びるスライドバーアセンブリ２’ｂ３が取り付けられたシャフトディスク２’ｂ１を有する。特に、図６、および図７ａ、図７ｂに示す制御構造を取り付けた微細操作装置と、図２に示す解決手段とを比較すると、本発明が、微細操作装置の軸方向の動きに関して安定性に極めて単純に影響することは明らかであり、これは、微細操作装置において一体的に含まれるフレーム要素と、含まれる可動構成要素との間で、対応する転がり軸受を搭載したスライドアセンブリを用いて実行される。
【００２８】
本発明が前述の応用例に限定されず、いずれの所定の要求および提供される応用例に適合させるように基本発明概念の範囲内で変更され得ることは明らかである。第一に、微細操作装置に接続可能な操作器具は、前述のような注射針の代わりに、特定の操作手順に適したあらゆる機械的アクチュエータ、たとえば、圧電ベンダの端部に適切な手段で取り付けられる、グリッパまたはその類似物としてもよい。いくつかの記載された実施形態において、全ての各構成要件間の結合は、中間サブフレームを用いて実行されるが、これに関連して、たとえば圧電ベンダが交換可能なように、部分的に分解可能な連結構造を当然に利用することもできる。関係する操作器具それぞれに関連して用いられるプロセス媒体は、従来の接触方法によって実現され、したがって、この局面は、それ自体無関係の問題であって、本願において検討されない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の細長い微細操作装置に関する１つの好適な基本構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示す実施形態に関連してさらに改良された１つの微細操作装置を示す斜視図である。
【図３】特に図２に示す実施形態に関連して、含まれる電気モータによってさらに完全にされた構成を示す。
【図４】特に図２および図３に示す実施形態の、特定の局面における代替的な解決手段を示す。
【図５】特に図２〜図４に示す実施形態の、特定の局面における代替的な微細操作装置をさらに示す。
【図６】本発明の好適な応用例としていわゆる制御構造を備える微細操作装置の１つの好適なサブアセンブリを示す分解図である。
【図７ａ】制御構造を備える、軸方向の極端位置における１つの好適な微細操作装置をさらに示す。
【図７ｂ】制御構造を備える、軸方向の極端位置における１つの好適な微細操作装置をさらに示す。
【図８ａ】微細操作装置の制御構造に含まれる、転がり軸受を搭載したスライドアセンブリに関する最適な実施形態を示す。
【図８ｂ】微細操作装置の制御構造に含まれる、転がり軸受を搭載したスライドアセンブリに関する最適な実施形態を示す。
【図９】ローラベアリングを搭載したスライドを備え、かつ微細操作装置の制御構造に適用可能な交差ローラベアリングの一般的な操作原理を示す。
【図１０ａ】制御構造を備えない微細操作装置の軸方向変位精度を示す。
【図１０ｂ】制御構造を備えた微細操作装置の軸方向変位精度を示す。
【図１】
2005511333.tif 000003
【図２】
2005511333.tif 000004
【図３】
2005511333.tif 000005
【図４】
2005511333.tif 000006
【図５】
2005511333.tif 000007
【図６】
2005511333.tif 000008
【図７ａ】
2005511333.tif 000009
【図７ｂ】
2005511333.tif 000010
【図８ａ】
2005511333.tif 000011
【図８ｂ】
2005511333.tif 000012
【図９】
2005511333.tif 000013
【図１０】
2005511333.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成15年6月13日(2003.6.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細操作装置であって、該微細操作装置に存在する電気的アクチュエータ（２）を用いて、単軸または多軸の座標系、たとえばｘ軸、ｙ軸および／またはｚ軸方向の動きを制御することによる、該微細装置と結合される操作器具（１）の位置決め／定位のためのものであって、特に、微細操作装置を実質的に細長い構造にするために、操作器具（１）の位置決め／定位を可能とする１つまたは複数のアクチュエータ（２；２’）が、少なくとも１つの所望の方向の運きを供給するために、圧電ベンダ（２’ａ）として実行される微細操作装置において、微細操作装置の軸方向の動き（ｘ）を生成するアクチュエータは、
リニアモータ（２’ｂ）として実行され、微細操作装置は、本質的に異なる平面にある少なくとも２つの圧電ベンダ（２‘ａ）を有し、該圧電ベンダは互いに連続して結合され、かつ共通の長手軸（ｘ）上でリニアモータ（２’ｂ）と結合されることを特徴とする極微操作装置。
【請求項２】
圧電ベンダは（２’ａ）は、バイモルフ、またはマルチモルフのカンチレバー構造を有することを特徴とする請求項１記載の微細操作装置。
【請求項３】
微細操作装置の少なくとも２つの方向の動き（ｙ、ｚ）に作用するアクチュエータ（２；２’）は、共通の長手軸（ｘ）上で互いに連続して結合され、かつ互いに垂直な平面にある圧電ベンダ（２’ａ）として実行されることを特徴とする請求項２記載の微細操作装置。
【請求項４】
微細操作装置の軸方向の動き（ｘ）に作用するアクチュエータ（２；２’）は、微細操作装置の長手軸（ｘ）に関して実質的に交差する方向（ｐ）に配置される圧電ベンダ（２’ａ）として実行されることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の微細操作装置。
【請求項５】
リニア電気モータ（２’ｂ）から伝達される軸方向の動きは、圧電積層アクチュエータ（２’ｃ）によって微調整されるように適合されることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の微細操作装置。
【請求項６】
たとえば小型ＤＣモータなどの回転運動に基づく直流電気モータ（２’ｂ）を有し、これに供給される電圧に対して線形的な軸方向の動き（ｘ）を生成することを特徴とする請求項５記載の微細操作装置。
【請求項７】
微細操作装置に含まれる各圧電ベンダ（２'ａ）は、特に、微細操作装置の連続的フィードバック制御を可能とするために、かつ／またはその類似の目的のために、問題のベンダの動きに関してフィードバックデータを得るために、追跡要素（３）、たとえば歪ゲージ（３ａ）またはその類似物を備えることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の微細操作装置。
【請求項８】
微細操作装置の２つの方向の動き（ｙ，ｚ）に作用するアクチュエータは、長手方向に連続する要素として実行され、これらの要素は、回転（ｗ’）を供給する直流電気モータ（２'ｄ）と、軸方向（ｘ）にその背後に結合される圧電ベンダ（２’ａ）とを含むことを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか１項に記載の微細操作装置。
【請求項９】
たとえば小型ＤＣモータなどの電気モータ（２'ｂ、２'ｄ）は、そこから伝達される軸方向の動き（ｘ）または回転（ｗ’）を、たとえばＬＶＤＴ−、ＰＳＤ−、光電子リニアもしくはロータリエンコーダ、ホールセンサなどの変位（３ｂ）または回転センサ、によって監視する追跡要素（３）を備えることを特徴とする請求項５、６または８記載の微細操作装置。
【請求項１０】
電気モータ（２'ｂ）によって供給される軸方向の動き（ｘ）を監視する追跡要素（３；３ｂ）は、実質的に共通の長手軸（ｘ）上に、かつ操作器具（１）に対して電気モータ（２'ｂ）の反対側に配置され、電気モータ（２'ｂ）は、軸方向（ｘ）の追跡要素（３；３ｂ）のセンササブフレーム（３ｂ１）に向かってモータフレーム（２’ｂ２）を通って延びるスライドバーアセンブリ（２’ｂ３）が操作器具（１）の反対側に取り付けられたシャフトディスク（２’ｂ１）を有することを特徴とする請求項９記載の微細操作装置。
【請求項１１】
微細操作装置に含まれ、微細操作装置によって生成される軸方向（ｘ）の動きの線形性および平坦性を特に向上させることを対象とする制御構造は、実質的に軸方向（ｘ）において配列された、転がり軸受を搭載したスライドアセンブリ（Ｌ）を含むことを特徴とする請求項１〜１０のうちいずれか１項に記載の微細操作装置。
【請求項１２】
電気モータ（２’ｂ）の軸方向（ｘ）のシャフトの端部（２’ｂｐ）と、積層アクチュエータ（２’ｃ）との間に、問題の要素間に存在する力のスポットコンタクト原理で制御された焦点合わせを行う焦点合わせ手段（ｋ）、たとえばボールまたはその類似物を少なくとも備えることを特徴とする請求項１１記載の微細操作装置。
【請求項１３】
微細操作装置の制御構造は、特に、慣性力、摩擦、クリアランスおよび／またはこれらの類似物の効果を除去するために、機械的な弾性部材（ｓ）、たとえば１つもしくは複数のばね、弾性ポリマー、シリコン衝撃吸収体および／またはこれらの類似物を含むことを特徴とする請求項１１または１２記載の微細操作装置。
【請求項１４】
転がり軸受を搭載したスライドアセンブリ（Ｌ）は、ボールベアリングスライドを備えたアキシャルベアリング（Ｌ１）によって実行されることを特徴とする請求項１１〜１３のうちいずれか１項に記載の微細操作装置。
【請求項１５】
転がり軸受を搭載したスライドアセンブリ（Ｌ）は、交差ローラベアリングを備えたアキシャルベアリング（Ｌ２）によって実行されることを特徴とする請求項１１〜１４のうちいずれか１項に記載の微細操作装置。
【請求項１６】
微細操作装置に含まれる電気モータ（２'ｂ）は、ステッピングまたはパルスモータを含むことを特徴とする請求項１〜１５のうちいずれか１項に記載の微細操作装置。
【請求項１７】
微細操作装置に含まれるモータは、たとえば圧電モータを含むことを特徴とする請求項１〜１５のうちいずれか１項に記載の微細操作装置。
【請求項１８】
微細操作装置に含まれるモータは、磁気形状記憶材料から作製されることを特徴とする請求項１〜１５のうちいずれか１項に記載の微細操作装置。
【国際調査報告】
2005511333.tif 000015
2005511333.tif 000016
2005511333.tif 000017