(57)【要約】【課題】誤差運動が発生し難く、微細で正確な動作が可能なマニピュレータを提供する。【解決手段】円筒形のマニピュレータ本体１０と、マニピュレータ本体１０に設けられたスタイラス支持手段１１と、スタイラス支持手段１１に略重心位置１２２を支持された棒状のスタイラス１２と、スタイラス１２を変位させる変位手段１３と、を備え、スタイラス支持手段１１は、弾性部材から形成される弾性支持膜１１１を備え、弾性支持膜１１１は、スタイラス１２を支持する中心部１１３と、マニピュレータ本体１０に固定された外周部１１４と、中心部１１３と外周部１１４との間に放射状に設けられ中心部１１３と外周部１１４とを連結する複数のリム１１５と、を備えるマニピュレータ１。【選択図】図１
2008114313.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マニピュレータ本体と、
前記マニピュレータ本体に設けられたスタイラス支持手段と、
一端に対象物と接触される接触部を有し前記スタイラス支持手段に支持される棒状のスタイラスと、
前記スタイラスを変位させる変位手段と、を備え、
前記スタイラスは、略重心位置において前記スタイラス支持手段に支持されることを特徴とするマニピュレータ。
【請求項２】
マニピュレータ本体と、
前記マニピュレータ本体に設けられたスタイラス支持手段と、
一端に対象物と接触される接触部を有し前記スタイラス支持手段に支持される棒状のスタイラスと、
前記スタイラスを変位させる変位手段と、を備え、
前記スタイラス支持手段は、弾性部材から形成され、外周部を前記マニピュレータ本体に固定され中心部に前記スタイラスを支持する弾性支持膜を有し、
前記スタイラスは、前記弾性支持膜に対して垂直に支持されることを特徴とするマニピュレータ。
【請求項３】
請求項２に記載のマニピュレータにおいて、
前記スタイラス支持手段は、前記マニピュレータ本体に外周部が固定された２枚の弾性支持膜を有し、
前記２枚の弾性支持膜は、弾性部材から形成され、外周部が、前記スタイラスの軸方向に厚みを持つスペーサリングを介して互いに結合され、中心部が、互いに結合されるとともに前記スタイラスを支持することを特徴とするマニピュレータ。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載のマニピュレータにおいて、
前記弾性支持膜は、
前記スタイラスを支持する中心部と、
前記マニピュレータ本体に固定された外周部と、
前記中心部と前記外周部との間に放射状に設けられ前記中心部と前記外周部とを連結する複数のリムと、を備えることを特徴とするマニピュレータ。
【請求項５】
請求項４に記載のマニピュレータにおいて、
前記リムは、前記弾性支持膜の周方向または径方向への折り返し構造を介して前記弾性支持膜の前記中心部と前記外周部とを連結することを特徴とするマニピュレータ。
【請求項６】
請求項２ないし請求項５のいずれかに記載のマニピュレータにおいて、
前記スタイラスは、略重心位置において前記弾性支持膜に対して垂直に支持されることを特徴とするマニピュレータ。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のマニピュレータにおいて、
前記変位手段は、
前記スタイラスを、前記スタイラスの軸方向に移動させるとともに、前記スタイラスの前記スタイラス支持手段に支持される部分である被支持部を中心として任意の方向に傾けさせることを特徴とするマニピュレータ。
【請求項８】
請求項７に記載のマニピュレータにおいて、
前記変位手段は、
前記スタイラスの前記接触部と逆側の端部に設けられ磁性体から形成された可動片と、前記マニピュレータ本体に前記可動片を覆うように設けられたコイルと、を含むソレノイドによって構成されることを特徴とするマニピュレータ。
【請求項９】
請求項７に記載のマニピュレータにおいて、
前記変位手段は、
前記スタイラスの前記接触部と逆側の端部に設けられた磁石片と、
前記マニピュレータ本体に設けられた駆動部と、を有し、
前記駆動部は、
前記磁石片と対向するように設けられた磁石子と、
前記磁石子の前記磁石片と逆側に係合されたピエゾ振動子と、を有することを特徴とするマニピュレータ。
【請求項１０】
請求項７に記載のマニピュレータにおいて、
前記変位手段は、
前記弾性支持膜の径方向の中間部を加熱し、前記弾性支持膜の前記中間部の熱膨張により前記弾性支持膜を変形させ、前記スタイラスを変位させる弾性支持膜加熱手段を有することを特徴とするマニピュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マニピュレータに関する。詳しくは、微細な動作が可能であり、微小な対象物を扱うことができるマニピュレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
マニピュレータは、対象物をつかむこと、動かすことなどを目的とする機械である。マニピュレータにおいては、スタイラスなどに設けられた対象物と接触される接触部を、ＸＹＺの三次元空間において任意の方向に移動させる機構が必要となる。
スタイラスの運動の自由度は６軸存在する。すなわち、Ｘ、Ｙ、Ｚの互いに直角方向の併進運動と、それらの軸を中心とする回転運動である。このような運動の６自由度のうち３自由度を固定しつつ、残りの３自由度を制御することで、スタイラスの好ましい運動性を得ることができる。
マニピュレータのうち微細な動作が可能なものは、マイクロマニピュレータと呼ばれ、微小な細胞や配線回路などの操作に使用される。マイクロマニピュレータには、微細で精度の高い動作が要求されるため、これを達成するための様々な提案がなされている。
【０００３】
たとえば、特許文献１には、移動プレートを単一の振動子によってＸＹＺの三次元方向へ駆動させることにより、精度の高い動作を実現したマイクロマニピュレータが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−３２３２０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来のマイクロマニピュレータにおいては、自由度の固定および制御が完全ではなく、意図した方向への運動と同時に、意図しない方向への誤差運動が発生するという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、誤差運動が発生し難く、微細で正確な動作が可能なマニピュレータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のマニピュレータは、マニピュレータ本体と、前記マニピュレータ本体に設けられたスタイラス支持手段と、一端に対象物と接触される接触部を有し前記スタイラス支持手段に支持される棒状のスタイラスと、前記スタイラスを変位させる変位手段と、を備え、前記スタイラスは、略重心位置において前記スタイラス支持手段に支持されることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、スタイラスは、略重心位置においてスタイラス支持手段に支持されるので、スタイラスを一方向に変位させた時、その方向以外の方向への誤差運動が発生しにくく、接触部の微細で正確な動作が可能である。
剛体の重心は、三本の慣性主軸が直交する交点であるから、剛体を重心において固定した場合、各軸方向の運動の独立性が高くなる。すなわち、スタイラスが略重心位置において支持されていれば、スタイラスに外から力が加わった場合に、スタイラスは、その力の方向のみに変位し、他の方向への変位、すなわち誤差運動は発生しにくい。したがって、本発明のマニピュレータは、スタイラスの誤差運動を排除して、意図する一方向に対する変位のみを独立して発生させることができるので、接触部の微細で正確な動作が可能である。
【０００９】
本発明の他のマニピュレータは、マニピュレータ本体と、前記マニピュレータ本体に設けられたスタイラス支持手段と、一端に対象物と接触される接触部を有し前記スタイラス支持手段に支持される棒状のスタイラスと、前記スタイラスを変位させる変位手段と、を備え、前記スタイラス支持手段は、弾性部材から形成され、外周部を前記マニピュレータ本体に固定され中心部に前記スタイラスを支持する弾性支持膜を有し、前記スタイラスは、前記弾性支持膜に対して垂直に支持されることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、スタイラスは、弾性部材から形成された弾性支持膜の中心部に支持されるので、接触部が対象物と接触されると、弾性支持膜を弾性変形させながら、スタイラスが変位する。ここで、スタイラスの変位は、軸方向への移動（Ｚ方向への平行運動）およびスタイラスのスタイラス支持手段に支持される部分である被支持部を中心にした傾き（ＸおよびＹ方向を中心とした回転運動）に限定される。他の運動、すなわち、スタイラスの軸方向に垂直な方向への平行運動（ＸおよびＹ方向への平行運動）および軸方向を中心にした回転運動（Ｚ方向を中心とした回転運動）は生じにくい。したがって、本発明のマニピュレータは、運動の６自由度のうち３自由度を固定しつつ、残りの３自由度を制御することができるから、接触部の微細で正確な動作が可能である。
また、弾性支持膜の径を小さくすれば、マニピュレータを容易に小型化することが可能である。したがって、本発明のマニピュレータは、小型でありながら、微細で正確な動作を行うことができる。
【００１１】
なお、スタイラスの材質は、特に限定されないが、金属であることが好ましく、タングステンカーバイトの粉末をコバルト中に分散させて焼結したものが、特に好適に用いられる。マイクロマニピュレータは、細胞などの微細な箇所を操作することを目的とするから、スタイラスは長く径小であることが必要である。タングステンカーバイトの粉末をコバルト中に分散させて焼結したものは、超硬と呼ばれる特質を有するので、これを用いてスタイラスを形成すれば、スタイラスの変形、破損が起こりにくくなるから、スタイラスを長く径小にすることができる。
【００１２】
本発明において、前記スタイラス支持手段は、前記マニピュレータ本体に外周部が固定された２枚の弾性支持膜を有し、前記２枚の弾性支持膜は、弾性部材から形成され、外周部が、前記スタイラスの軸方向に厚みを持つスペーサリングを介して互いに結合され、中心部が、互いに結合されるとともに前記スタイラスを支持することが好ましい。
このような構成によれば、弾性部材から形成された２枚の弾性支持膜は、外周部が、スタイラスの軸方向に厚みを持つスペーサリングを介して互いに結合され、中心部が、互いに結合されているので、２枚の弾性支持膜の中心部に互いにプロリードがかかり、２枚の弾性支持膜の中心部が元の位置へ復元する、すなわち位置の再現性がよくなる。したがって、スタイラス支持手段が、スタイラスを確実に支持することができる。
【００１３】
本発明において、前記弾性支持膜は、前記スタイラスを支持する中心部と、前記マニピュレータ本体に固定された外周部と、前記中心部と前記外周部との間に放射状に設けられ前記中心部と前記外周部とを連結する複数のリムと、を備えることが好ましい。
このような構成によれば、弾性支持膜は、スタイラスを支持する中心部と、マニピュレータ本体に固定された外周部と、中心部と外周部との間に放射状に設けられ中心部と外周部とを連結する複数のリムと、を備えるので、剛性の高い中心部がしっかりとスタイラスを支持し、剛性の低いリムが弾性変形してスタイラスの変位を許容することができる。
【００１４】
弾性支持膜として、たとえば、円形の金属箔の径方向の中間部に、エッチング等によって、金属箔の外周部と中心部とをつなぐリムを形成したものが使用できる。このような金属箔の中心部にスタイラスを固定すれば、金属箔の中心部が有する剛性により、スタイラスを確実に支持することができるとともに、リムの弾性変形により、スタイラスの軸方向への変位および被支持部を中心とした傾きが許容される。リムの剛性は低いので、変位手段により発生される力が弱いものであってもスタイラスを変位させることができる。小型で力の弱い変位手段を用いれば、マニピュレータのさらなる小型化が可能となる。
【００１５】
本発明において、前記リムは、前記弾性支持膜の周方向または径方向への折り返し構造を介して前記弾性支持膜の前記中心部と前記外周部とを連結することが好ましい。
このような構成によれば、弾性支持膜のリムが、弾性支持膜の周方向または径方向に折り返し構造を有するので、リムの剛性が低くなり、弱い力でリムが弾性変形を起こすことができる。これにより、スタイラスの変位が起こりやすくなり、より弱い力でマニピュレータの接触部を動作させることができる。
【００１６】
本発明において、前記スタイラスは、略重心位置において前記弾性支持膜に対して垂直に支持されることが好ましい。
このような構成によれば、スタイラスは、略重心位置を弾性支持膜に支持されるので、スタイラスの各方向への運動の独立性が高くなる。つまり、スタイラスは、変位手段により加えられた力の方向にのみ変位し、それ以外の方向への誤差運動は非常に発生しにくい。しかも、スタイラスは、弾性部材から形成された弾性支持膜の中心部に支持されるので、本発明のマニピュレータは、スタイラスの運動の６自由度のうち３自由度を固定しつつ、残りの３自由度を制御することができる。したがって、スタイラスの変位は、３自由度に限定されるとともに、その３自由度の独立性が高いものとなり、相互の干渉は非常に低いものとなる。このようなスタイラスの運動性はマニピュレータに最適のものであり、本発明のマニピュレータは、接触部の非常に微細で正確な動作が可能である。
【００１７】
本発明において、前記変位手段は、前記スタイラスを、前記スタイラスの軸方向に移動させるとともに、前記スタイラスの前記スタイラス支持手段に支持される部分である被支持部を中心として任意の方向に傾けさせることが好ましい。
このような構成によれば、変位手段が、スタイラスを、軸方向に移動させるとともに、被支持部を中心として任意の方向に傾けさせるので、変位手段によりスタイラスの運動の３自由度を制御することができ、空間の任意の位置へ接触部を微細かつ正確に移動させることができる。
【００１８】
本発明において、前記変位手段は、前記スタイラスの前記接触部と逆側の端部に設けられ磁性体から形成された可動片と、前記マニピュレータ本体に前記可動片を覆うように設けられたコイルと、を含むソレノイドによって構成されることが好ましい。
このような構成によれば、コイルに電流を流すことにより、コイルと可動片との間に引力または斥力を発生させることができ、発生する力の大きさを電流の大きさにより制御することができるので、スタイラスを任意の量だけ変位させることができる。したがって、接触部を微細かつ正確に移動させることができる。
【００１９】
本発明の他のマニピュレータは、前記変位手段は、前記スタイラスの前記接触部と逆側の端部に設けられた磁石片と、前記マニピュレータ本体に設けられた駆動部と、を有し、前記駆動部は、前記磁石片と対向するように設けられた磁石子と、前記磁石子の前記磁石片と逆側に係合されたピエゾ振動子と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、変位手段は、スタイラスの前記接触部と逆側の端部に設けられた磁石片と、マニピュレータ本体に設けられた駆動部と、を有し、駆動部は、磁石片と対向するように設けられた磁石子と、磁石子の磁石片と逆側に係合されたピエゾ振動子と、を有するので、ピエゾ振動子の振幅の量だけスタイラスを変位させることができる。ピエゾ振動子の振幅は、数μｍ程度であり、また、電圧の大きさにより制御することができるので、接触部をより微細かつ正確に移動させることができる。また、磁石子と磁石片とは、その極性が互いに引っ張り合う向きでも反発し合う向きでもどちらでもよい。ただし、その磁石の大きさは、弾性支持膜の復元力よりも小さくしておかなくてはならない。そうすれば、安定に、非接触でスタイラスを変位させることができる。
【００２０】
本発明の他のマニピュレータは、前記変位手段は、前記弾性支持膜の径方向の中間部を加熱し、前記弾性支持膜の前記中間部の熱膨張により前記弾性支持膜を変形させ、前記スタイラスを変位させる弾性支持膜加熱手段を有することを特徴とする。
本発明によれば、弾性支持膜の中間部の熱膨張によりスタイラスを変位させることができる。加熱の強さにより熱膨張量を制御することができ、物質の熱膨張量は非常に小さいものであるから、接触部をより微細かつ正確に移動させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
［第１実施形態］
図１に、第１実施形態のマニピュレータ１の斜視図を、図２に、第１実施形態のマニピュレータ１のスタイラス支持手段１１近傍の断面図を示す。
図１に示すように、マニピュレータ１は、円筒形のマニピュレータ本体１０と、マニピュレータ本体１０に設けられたスタイラス支持手段１１と、スタイラス支持手段１１に略重心位置１２２を支持された棒状のスタイラス１２と、スタイラス１２を変位させる変位手段１３と、スタイラス１２の軸方向への変位を検出する検出手段１４と、を備える。
【００２２】
スタイラス支持手段１１は、弾性部材から形成される弾性支持膜１１１と、補強板１１２と、を備える。
弾性支持膜１１１は、図１および図２に示すように、スタイラス１２を支持する中心部１１３と、マニピュレータ本体１０に固定された外周部１１４と、中心部１１３と外周部１１４との間に放射状に設けられ中心部１１３と外周部１１４とを連結する複数のリム１１５と、を備える。弾性支持膜１１１は、円形の金属箔の径方向の中間部に、エッチング等によって、金属箔の外周部１１４と中心部１１３とをつなぐリム１１５を形成したものである。
補強板１１２は、弾性支持膜１１１の中心部１１３に設けられ、弾性支持膜１１１の中心部１１３の剛性を補強し、中心部１１３とともにスタイラス１２を支持する樹脂製の円盤状部材である。
【００２３】
スタイラス１２は、図１に示すように、マニピュレータ本体１０と逆側の一端に設けられ対象物と接触される球状の接触部１２１と、他の一端に設けられ変位手段１３を構成する五つの可動片１３１と、を有する棒状の部材である。スタイラス１２は、五つの可動片１３１も含んだ全体の略重心位置１２２を、弾性支持膜１１１の中心部１１３に、スタイラス１２の軸が弾性支持膜１１１に垂直になるように支持されている。
なお、スタイラス１２は、タングステンカーバイトの粉末をコバルト中に分散させて焼結したものから形成される。
【００２４】
変位手段１３は、図１に示すように、スタイラス１２の接触部１２１と逆側の端部に設けられ磁性体から形成された五つの可動片１３１と、マニピュレータ本体１０に可動片１３１を覆うように設けられた五つのコイル１３２と、を含むソレノイド１３３によって構成される。
五つの可動片１３１のうちの一つである可動片１３１Ａは、スタイラス１２の接触部１２１と逆側の一端に設けられ、可動片１３１Ａを覆うように五つのコイル１３２のうちの一つであるコイル１３２Ａが設けられている。コイル１３２Ａは、図示しない支持手段によりマニピュレータ本体１０に支持されている。
他の四つの可動片１３１Ｂ〜Ｅは、可動片１３１Ａの下部に、スタイラス１２を貫通しスタイラス１２の軸に垂直かつ互いに垂直に設けられた２本の枝部１３４、１３５の先端部にそれぞれ固定されている。そして、マニピュレータ本体１０の内周面に四つの可動片１３１Ｂ〜Ｅを覆うように四つのコイル１３２Ｂ〜Ｅが設けられている。
【００２５】
ソレノイド１３３は、五つのコイル１３２に電流を流すことにより、五つのコイル１３２と可動片１３１との間に斥力を発生させるように構成されており、スタイラス１２を、スタイラス１２の軸方向に移動させるとともに、スタイラス１２のスタイラス支持手段１１に支持される部分である被支持部（すなわちスタイラス１２の略重心位置１２２）を中心として任意の方向に傾けさせることができる。
なお、図１において、２本の枝部１３４、１３５、スタイラス１２の軸方向は、マニピュレータ１の接触部１２１が移動されるＸ、Ｙ、Ｚ方向となる。
【００２６】
検出手段１４は、マニピュレータ本体１０内側の上端面に設けられたレーザ干渉計１４１と、変位手段１３の可動片１３１Ａの上端面に形成された鏡面１４２と、を有する。
レーザ干渉計１４１は、鏡面１４２にレーザ光を照射し、鏡面１４２に反射されたレーザ光を受光して、レーザ干渉計１４１から鏡面１４２までの距離を検出する。図１に示す直線１４１Ａは、レーザ干渉計１４１から照射されたレーザ光および鏡面１４２に反射されたレーザ光を表す。
【００２７】
このようなマニピュレータ１のスタイラス１２を変位させ、接触部１２１を移動させる時の手順を説明する。
図１において、接触部１２１をＸ方向に移動させるには、コイル１３２Ｃに電流を流し、コイル１３２Ｃと可動片１３１Ｃとの間に斥力を発生させる。これにより、スタイラス１２は、略重心位置１２２を中心として、コイル１３２Ｃと可動片１３１Ｃとが離れる方向に傾けられ、接触部１２１がＸ方向に移動される。なお、コイル１３２Ｂに電流を流せば、逆方向に接触部１２１を移動することができる。
接触部１２１をＹ方向に移動させるには、コイル１３２Ｅに電流を流し、コイル１３２Ｅと可動片１３１Ｅとの間に斥力を発生させる。これにより、スタイラス１２は、略重心位置１２２を中心として、コイル１３２Ｅと可動片１３１Ｅとが離れる方向に傾けられ、接触部１２１がＹ方向に移動される。なお、コイル１３２Ｄに電流を流せば、逆方向に接触部１２１を移動することができる。
【００２８】
接触部１２１をＺ方向に移動させるには、コイル１３２Ａに電流を流し、コイル１３２Ａと可動片１３１Ａとの間に斥力を発生させる。これにより、スタイラス１２は、軸方向下向きに移動され、接触部１２１がＺ方向に移動される。この時、レーザ干渉計１４１により、レーザ干渉計１４１から鏡面１４２までの距離が検出され、接触部１２１のＺ方向における位置を算出することができる。
そして、五つのコイル１３２Ａ〜Ｅのうち、コイル１３２Ａと、コイル１３２Ｂまたはコイル１３２Ｃと、コイル１３２Ｄまたはコイル１３２Ｅと、の三つのコイル１３２に適宜の電流を流すことで、空間の任意の位置へ接触部１２１を微細かつ正確に移動させることができる。
なお、コイル１３２への電流を止めれば、接触部１２１、スタイラス１２および弾性支持膜１１１は元の位置および形状にもどる。
【００２９】
本実施形態によれば、以下に示すような効果がある。
(１) スタイラス１２は、略重心位置１２２を弾性支持膜１１１に支持されるので、スタイラス１２の各方向への運動の独立性が高くなる。つまり、スタイラス１２は、変位手段１３により加えられた力の方向にのみ変位し、それ以外の方向への誤差運動は非常に発生しにくい。しかも、スタイラス１２は、弾性部材から形成された弾性支持膜１１１の中心部１１３に支持されるので、本発明のマニピュレータ１は、スタイラス１２の運動の６自由度のうち３自由度を固定しつつ、残りの３自由度を制御することができる。したがって、スタイラス１２の変位は、３自由度に限定されるとともに、その３自由度の独立性が高いものとなり、相互の干渉は非常に低いものとなる。このようなスタイラス１２の運動性はマニピュレータ１に最適のものであるから、接触部１２１の非常に微細かつ精度の高い動作が可能となる。
【００３０】
（２）弾性支持膜１１１は、スタイラス１２を支持する中心部１１３と、マニピュレータ本体１０に固定された外周部１１４と、中心部１１３と外周部１１４との間に放射状に設けられ中心部１１３と外周部１１４とを連結する複数のリム１１５と、を備えるので、中心部１１３がしっかりとスタイラス１２を支持し、剛性の低いリム１１５が弾性変形してスタイラス１２の変位を許容することができる。
（３）弾性支持膜１１１の径を小さくすれば、マニピュレータ１を容易に小型化することが可能である。
（４）弾性支持膜１１１の中心部１１３に設けられた補強板１１２が、中心部１１３の剛性を補強し、中心部１１３とともにスタイラス１２を支持するので、スタイラス１２の支持を確実なものとすることができる。また、樹脂製の補強板１１２は、軽量なので、スタイラス１２の変位を妨げることなく、弾性支持膜１１１の中心部１１３を補強することができる。
【００３１】
（５）変位手段１３が、スタイラス１２を、軸方向に移動させるとともに、スタイラス１２の略重心位置１２２を中心として任意の方向に傾けさせるので、変位手段１３によりスタイラス１２の運動の３自由度を制御することができ、空間の任意の位置へ接触部１２１を微細かつ正確に移動させることができる。
（６）スタイラス１２が、タングステンカーバイトの粉末をコバルト中に分散させて焼結したものから形成され、超硬と呼ばれる特質を有するので、スタイラス１２の変形、破損を防止することができ、スタイラス１２を長く径小にすることができる。
（７）たとえば、マニピュレータ１を顕微鏡と併用する場合、接触部１２１のＸＹ平面における位置は、目視で確認することができるが、Ｚ方向における位置は、目視では確認しにくい。このような場合においても、本実施形態のマニピュレータ１は、レーザ干渉計１４１により、レーザ干渉計１４１から鏡面１４２までの距離が検出されるので、接触部１２１のＺ方向における位置を算出することができる。
（８）変位手段１３が、ソレノイド１３３により構成されるので、コイル１３２に電流を流すことにより、コイル１３２と可動片１３１との間に斥力を発生させることができ、発生する力の大きさを電流の大きさにより制御することができるから、スタイラス１２を任意の量だけ変位させることができ、接触部１２１を微細かつ正確に移動させることができる。
【００３２】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態に係るマニピュレータ１のスタイラス支持手段１１の、分解図を図３に、断面図を図４に示す。
ここにおいて、本実施形態は、スタイラス支持手段１１の構成が、前述の第１実施形態と異なる。その他の構成および作用は同一であるから、同一符号を付してそれらの説明を省略する。
【００３３】
図３および図４に示すように、スタイラス支持手段１１は、マニピュレータ本体１０に外周部が固定された２枚の弾性支持膜１１１Ａ、１１１Ｂを有する。
２枚の弾性支持膜１１１Ａ、１１１Ｂは、外周部１１４が、スタイラス１２の軸方向に厚みを持つスペーサリング１１６を介して互いに結合され、中心部１１３が、互いに結合されるとともにスタイラス１２を支持する。弾性支持膜１１１Ａの中心部１１３の外面および弾性支持膜１１１Ｂの中心部１１３の外面には、補強板１１２が設けられている。
なお、２枚の弾性支持膜１１１Ａ、１１１Ｂおよび補強板１１２の形状および材質は、第１実施形態と同様である。ただし、弾性支持膜１１１Ａのリム１１５および弾性支持膜１１１Ｂのリム１１５の中心部１１３近傍は、互いに近接する方向に湾曲している。
【００３４】
上述のような本実施形態によれば、前述の第１実施形態の効果（１）ないし（８）に加えて、次のような効果がある。
（９）２枚の弾性支持膜１１１Ａ、１１１Ｂの、外周部１１４が、スタイラス１２の軸方向に厚みを持つスペーサリング１１６を介して互いに結合され、中心部１１３が、互いに結合されているので、図４に示すように、２枚の弾性支持膜１１１Ａ、１１１Ｂの中心部１１３に互いにプロリードがかかり、２枚の弾性支持膜１１１Ａ、１１１Ｂの中心部１１３が元の位置へ復元する、すなわち位置の再現性が良くなる。したがって、スタイラス支持手段１１が、スタイラス１２をより確実に支持することができる。また、変位手段１３からの力が解除されたときに、２枚の弾性支持膜１１１Ａ、１１１Ｂが、元の形状にもどりやすい。
【００３５】
［第３実施形態］
図５に、本発明の第３実施形態に係るマニピュレータ１のスタイラス１２および変位手段１３の斜視図を示す。
ここにおいて、本実施形態は、変位手段１３の構成が、前述の第１実施形態と異なる。その他の構成および作用は同一であるから、同一符号を付してそれらの説明を省略する。
【００３６】
図５に示すように、変位手段１３は、スタイラス１２の接触部１２１と逆側の端部に設けられた四つの磁石片１３６Ｂ〜Ｅと、マニピュレータ本体１０（図示省略）に設けられた四つの駆動部１３７と、可動片１３１Ａおよびコイル１３２Ａと、を有する。可動片１３１Ａおよびコイル１３２Ａの構成は前述の第１実施形態と同様である。
四つの駆動部１３７は、四つの磁石片１３６Ｂ〜Ｅと対向するように設けられた四つの磁石子１３８と、磁石子１３８の磁石片１３６Ｂ〜Ｅと逆側に係合された四つのピエゾ振動子１３９と、を有する。ここで、磁石子１３８と磁石片１３６Ｂ〜Ｅとは、同一の極を対向させている。
四つの磁石片１３６Ｂ〜Ｅは、前述の第１実施形態と同一の枝部１３４、１３５の先端部にそれぞれ固定されている。そして、マニピュレータ本体１０の内周面に四つの磁石片１３６Ｂ〜Ｅと磁石子１３８Ｂ〜Ｅとがそれぞれ対向するように四つの駆動部１３７が設けられている。
【００３７】
このようなマニピュレータ１のスタイラス１２を変位させ、接触部１２１を移動させる時の手順を説明する。
図５において、接触部１２１をＸ方向に移動させるには、ピエゾ振動子１３９Ｃに電圧をかけ、ピエゾ振動子１３９Ｃを伸張させる。これにより、スタイラス１２は、略重心位置１２２を中心として、磁石片１３６Ｃと磁石子１３８Ｃとが離れる方向に、ピエゾ振動子１３９Ｃの伸張の分だけ傾けられ、接触部１２１がＸ方向に移動される。なお、ピエゾ振動子１３９Ｂに電圧をかければ、逆方向に接触部１２１を移動することができる。
接触部１２１をＹ方向に移動させるには、ピエゾ振動子１３９Ｅに電圧をかけ、ピエゾ振動子１３９Ｅを伸張させる。これにより、スタイラス１２は、略重心位置１２２を中心として、磁石片１３６Ｅと磁石子１３８Ｅとが離れる方向に、ピエゾ振動子１３９Ｅの伸張の分だけ傾けられ、接触部１２１がＹ方向に移動される。なお、ピエゾ振動子１３９Ｄに電圧をかければ、逆方向に接触部１２１を移動することができる。
なお、ピエゾ振動子１３９への電圧を止めれば、接触部１２１、スタイラス１２および弾性支持膜１１１は元の位置および形状にもどる。
接触部１２１をＺ方向に移動させる手順は前述の第１実施形態と同様である。
【００３８】
上述のような本実施形態によれば、前述の第１実施形態の効果（１）ないし（７）に加えて、次のような効果がある。
（１０）ピエゾ振動子１３９の振幅は、非常に小さく、また、電圧の大きさにより制御することができるので、接触部１２１をより微細かつ正確に移動させることができる。
【００３９】
［第４実施形態］
図６に、本発明の第４実施形態に係るマニピュレータ１のスタイラス１２および変位手段１３の斜視図を示す。
ここにおいて、本実施形態は、変位手段１３の構成が、前述の第１実施形態と異なる。その他の構成および作用は同一であるから、同一符号を付してそれらの説明を省略する。
【００４０】
図６に示すように、変位手段１３は、弾性支持膜１１１の径方向の中間部（すなわちリム１１５）を加熱し、弾性支持膜１１１の中間部の熱膨張により弾性支持膜１１１を変形させ、スタイラス１２を変位させる弾性支持膜加熱手段１５と、可動片１３１Ａおよびコイル１３２Ａ（図示省略）と、を有する。可動片１３１Ａおよびコイル１３２Ａの構成は前述の第１実施形態と同様である。
弾性支持膜加熱手段１５は、弾性支持膜１１１のリム１１５に沿って設けられた４本の長手状のヒータ１５１によって構成される。ヒータ１５１Ｂおよび１５１Ｃと、ヒータ１５１Ｄおよびヒータ１５１Ｅとは、互いに垂直なＸ方向およびＹ方向に沿って、それぞれ配置されている。また、ヒータ１５１Ｂとヒータ１５１Ｃとは、スタイラス１２を挟んで対称に配置されている。ヒータ１５１Ｄとヒータ１５１Ｅとは、スタイラス１２を挟んで対称に配置されている。
【００４１】
このようなマニピュレータ１のスタイラス１２を変位させ、接触部１２１を移動させる時の手順を説明する。
図６において、接触部１２１をＸ方向に移動させるには、ヒータ１５１Ｃに電流を流し、リム１１５を膨張させる。これにより、弾性支持膜１１１が変形し、接触部１２１がＸ方向に移動される。なお、ヒータ１５１Ｂに電流を流せば、逆方向に接触部１２１を移動することができる。
接触部１２１をＹ方向に移動させるには、ヒータ１５１Ｅに電流を流し、リム１１５を膨張させる。これにより、弾性支持膜１１１が変形し、接触部１２１がＹ方向に移動される。なお、ヒータ１５１Ｄに電流を流せば、逆方向に接触部１２１を移動することができる。
なお、ヒータ１５１への電流を止めれば、リム１１５が周囲の空気により冷却されて収縮し、接触部１２１、スタイラス１２および弾性支持膜１１１は元の位置および形状にもどる。接触部１２１の元の位置への戻りが遅いときは、加熱に使用したヒータ１５１とスタイラス１２に対して反対側にあるヒータ１５１を短時間加熱することで、接触部１２１を強制的に元の位置に戻すことができる。
接触部１２１をＺ方向に移動させる手順は前述の第１実施形態と同様である。
【００４２】
上述のような本実施形態によれば、前述の第１実施形態の効果（１）ないし（７）に加えて、次のような効果がある。
（１１）弾性支持膜１１１の中間部の熱膨張によりスタイラス１２を変位させることができる。加熱の強さにより熱膨張量を制御することができ、物質の熱膨張量は非常に小さいものであるから、接触部１２１をより微細かつ正確に移動させることができる。
【００４３】
なお、本発明は、前述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。
（i）弾性支持膜１１１は、スタイラス１２の略重心位置１２２を支持する剛性と、スタイラス１２の軸方向への移動または略重心位置１２２を中心にした１方向への回転を許容する弾性を有するものであればよく、その形状および材質は前記各実施形態に限定されない。
たとえば、図７に示すように、リム１１５が、弾性支持膜１１１の径方向に折り返し構造を備えていてもよく（Ａ）、また、リム１１５が、弾性支持膜１１１の周方向に折り返し構造を備えていてもよい（Ｂ）。このような弾性支持膜１１１においては、リム１１５の剛性が低くなり、弱い力で弾性支持膜１１１が弾性変形を起こすことができる。これにより、スタイラス１２の変位が起こりやすくなり、より弱い力でマニピュレータ１の接触部１２１を動作させることができる。
【００４４】
（ii）前述の各実施形態において、スタイラス１２は、タングステンカーバイトの粉末をコバルト中に分散させて焼結したものから形成されるとしたが、これに限定されない。
たとえば、他の金属や樹脂等でもよく、接触部１２１の対象物に対する接触により変形を起こさない程度の剛性を有する材質からなるものであれば、問題なく利用することができる。
【００４５】
（iii）前述の各実施形態において、中心部１１３は樹脂製で円盤状の補強板１１２を有するが、補強板１１２はなくてもよい。たとえば、弾性支持膜１１１の中心部１１３を肉厚にすれば、補強板１１２を設けなくても、中心部１１３の剛性を高めることができる。
また、補強板１１２は、高い剛性を有し、弾性支持膜１１１の中心部１１３を補強することができるものであれば良く、樹脂製のものに限定されない。たとえば、補強板１１２は、金属やセラミックス等で形成されてもよい。
【００４６】
（iv）第１実施形態において、検出手段１４は、変位手段１３の可動片１３１Ａの上端面に形成された鏡面１４２を有するとしたが、鏡面１４２は、レーザ干渉計１４１から照射されたレーザ光を、レーザ干渉計１４１に対して反射できるものであればよく、第１実施形態の構成に限定されない。
たとえば、鏡面１４２は、図８に示すように、可動片１３１Ａの上端に軸部１４３を介して支持されている円盤状部材１４４の上面に形成されていてもよい。図８に矢印で示すように、鏡面１４２は、レーザ干渉計１４１から照射されたレーザ光を、レーザ干渉計１４１に対して反射できる。しかも、可動片１３１Ａの上端面に形成する場合と比較して、鏡面１４２が大きいので、可動片１３１Ａの位置が多少ずれてもレーザ光を適切に反射することができる。
また、マニピュレータ１は、検出手段１４を備えなくてもよい。この場合、接触部１２１のＺ方向における位置を正確に知ることができなくなるが、マニピュレータ１が接触部１２１を微細かつ正確に移動させることができる点に変わりはない。
【００４７】
（v）第４実施形態において、弾性支持膜加熱手段１５は、弾性支持膜１１１のリム１１５に沿って設けられた４本の長手状のヒータ１５１によって構成されるものとしたが、これに限定されない。
たとえば、図９に示すように、弾性支持膜加熱手段１５は、弾性支持膜１１１の上方に設けられ弾性支持膜１１１のリム１１５にレーザ光を照射する四つのレーザ照射機１５２から構成されていてもよい。図９において、レーザ照射機１５２はスタイラス１２の軸と平行に設けられている。レーザ照射機１５２Ｂとレーザ照射機１５２Ｃとは、ＸＺ平面に沿ってスタイラス１２を挟んで対称に配置されている。レーザ照射機１５２Ｄとレーザ照射機１５２Ｅとは、ＹＺ平面に沿ってスタイラス１２を挟んで対称に配置されている。
【００４８】
図９において、接触部１２１をＸ方向に移動させるには、レーザ照射機１５２Ｃによりリム１１５にレーザ光を照射し、リム１１５を加熱、膨張させる。これにより、弾性支持膜１１１が変形し、接触部１２１がＸ方向に移動される。なお、レーザ照射機１５２Ｂによりリム１１５にレーザ光を照射すれば、逆方向に接触部１２１を移動することができる。
接触部１２１をＹ方向に移動させるには、レーザ照射機１５２Ｅによりリム１１５にレーザ光を照射し、リム１１５を加熱、膨張させる。これにより、弾性支持膜１１１が変形し、接触部１２１がＹ方向に移動される。なお、レーザ照射機１５２Ｄによりリム１１５にレーザ光を照射すれば、逆方向に接触部１２１を移動することができる。
なお、レーザ光の照射を止めれば、リム１１５が周囲の空気により冷却されて収縮し、接触部１２１、スタイラス１２および弾性支持膜１１１は元の位置および形状にもどる。接触部１２１の元の位置への戻りが遅いときは、レーザ光照射に使用したレーザ照射機１５２とスタイラス１２を挟んで反対側にあるレーザ照射機１５２によりリム１１５を短時間加熱することで、接触部１２１を強制的に元の位置に戻すことができる。
【００４９】
（vi）前述の各実施形態においては、一つのマニピュレータ１について説明したが、複数のマニピュレータ１を組み合わせて使用することもできる。たとえば、図１０に示すように、二つのマニピュレータ１を組み合わせて使用すれば、二つの接触部１２１により対象物をつかむ動作などを行うことができる。
【００５０】
（vii）前述の各実施形態において、弾性支持膜１１１は、円形の金属箔の径方向の中間部に、エッチング等によって、金属箔の外周部１１４と中心部１１３とをつなぐリム１１５を形成したものとしたが、弾性支持膜１１１は、弾性部材から形成され、中心部１１３がスタイラス１２を支持し、径方向の中間部が弾性変形してスタイラス１２の変位を許容することができるものであればよく、これに限定されない。たとえば、弾性支持膜１１１は、リム１１５を備えないものであってもよく、一般にダイヤフラムと呼ばれる膜状部材であってもよい。
【００５１】
（viii）弾性支持膜１１１は、形状記憶合金によって形成されたものであってもよい。この場合、リム１１５に通電することで、リム１１５を収縮させることができる。したがって、リム１１５に通電させる簡単な通電機構を設けるだけでスタイラス１２を変位させることができ、複雑な変位手段１３を設ける必要がなく、コストを抑えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、微小な細胞や配線回路などの操作に使用されるマニピュレータとして利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１実施形態に係るマニピュレータの斜視図。
【図２】本発明の第１実施形態に係るマニピュレータのスタイラス支持手段の断面図。
【図３】本発明の第２実施形態に係るマニピュレータのスタイラス支持手段の分解図。
【図４】本発明の第２実施形態に係るマニピュレータのスタイラス支持手段の断面図。
【図５】本発明の第３実施形態に係るマニピュレータのスタイラスおよび変位手段の斜視図。
【図６】本発明の第４実施形態に係るマニピュレータのスタイラスおよび変位手段の斜視図。
【図７】本実施形態のマニピュレータの変形例の弾性支持膜を示す図。
【図８】本実施形態のマニピュレータの変形例の鏡面を示す図。
【図９】本実施形態のマニピュレータの変形例の弾性支持膜加熱手段を示す図。
【図１０】本実施形態のマニピュレータを二つ組み合わせて利用する場合の図。
【符号の説明】
【００５４】
１      マニピュレータ
１０      マニピュレータ本体
１１      スタイラス支持手段
１２      スタイラス
１３      変位手段
１５      弾性支持膜加熱手段
１１１      弾性支持膜
１１３      中心部
１１４      外周部
１１５      リム
１１６      スペーサリング
１２１      接触部
１２２      略重心位置
１３１      可動片
１３２      コイル
１３３      ソレノイド
１３６      磁石片
１３７      駆動部
１３８      磁石子
１３９      ピエゾ振動子
【図１】
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【図２】
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【図３】
2008114313.tif 000005
【図４】
2008114313.tif 000006
【図５】
2008114313.tif 000007
【図６】
2008114313.tif 000008
【図７】
2008114313.tif 000009
【図８】
2008114313.tif 000010
【図９】
2008114313.tif 000011
【図１０】
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