(57)【要約】【課題】  安価に製作でき、汎用性の高いマイクロマニピュレータを提供する。【解決手段】  直進体１２と、直進体１２を直動する直動アクチュエータ１３とを備える直進ユニット１１と、直進体１２と一体に直進する旋回体２１と、旋回体２１を回転する第１の超音波モータ２２と旋回体２１に支持された第２の超音波モータ２３とを備えた旋回ユニット２０とを備え、第２の超音波モータ２３の駆動軸２３ａに操作部材３０を連結し、直進系と旋回系の３自由度の操作を行う。従って、安価に製作でき、コストパフォーマンスに優れている。また、ユニットを種々組み合わせることができるため、微小な対象物に合わせて、最適な動作や動作範囲を得るように設定でき、応用範囲が広く、汎用で使用し易い。【選択図】  図１
2005103661.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直動アクチュエータにより直進方向に動作する直進ユニットと、
第１の回転アクチュエータにより回転方向に動作すると共に、第２の回転アクチュエータを支持する旋回ユニットとを組み合わせて構成され、
いずれかのユニットに設けた操作部材が、直進系と旋回系とを合わせて３自由度に動作可能であることを特徴とするマイクロマニピュレータ。
【請求項２】
直動アクチュエータにより直進方向に動作する直進ユニットと、
前記直進ユニットに組み合わせられ、第１の回転アクチュエータにより回転方向に動作すると共に、第２の回転アクチュエータを支持する旋回ユニットと、
前記第２の回転アクチュエータにより、回転方向に動作する操作部材と
を備えてなり、前記操作部材を、直進系と旋回系とを合わせて３自由度に動作可能に設けたことを特徴とするマイクロマニピュレータ。
【請求項３】
前記直動アクチュエータが駆動源としてステッピングモータを備えてなり、前記直進ユニットが、該ステッピングモータにより直進駆動する駆動軸により直進方向に動作する直進体を備えてなることを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロマニピュレータ。
【請求項４】
前記第１の回転アクチュエータが、前記直進体に支持され、
前記旋回ユニットが、前記第１の回転アクチュエータと共に直進体と一体に直進する旋回体を備えていることを特徴とする請求項３記載のマイクロマニピュレータ。
【請求項５】
前記第１の回転アクチュエータ及び第２の回転アクチュエータが、それぞれ駆動源として超音波モータを用いて構成されていることを特徴とする請求項１、２又は４記載のマイクロマニピュレータ。
【請求項６】
前記第１の回転アクチュエータ及び第２の回転アクチュエータの各超音波モータは、それぞれの駆動軸相互が略直交する位置関係で配置され、第２の回転アクチュエータを構成する超音波モータの駆動軸に設けた操作部材が、第１の回転アクチュエータを構成する超音波モータの駆動軸により回転する旋回体の回転面に対して略直交する面に沿って回転動作することを特徴とする請求項５記載のマイクロマニピュレータ。
【請求項７】
前記第１の回転アクチュエータ及び第２の回転アクチュエータの各超音波モータは、それぞれの駆動軸相互が略平行をなす位置関係で配置され、第２の回転アクチュエータを構成する超音波モータの駆動軸に設けた操作部材が、第１の回転アクチュエータを構成する超音波モータの駆動軸により回転する旋回体の回転面に対して略平行な面に沿って回転動作することを特徴とする請求項５記載のマイクロマニピュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体分野やバイオ分野等における微小部品の組立作業などにおいて、微小な対象物を任意の状態に操作するためのマイクロマニピュレータに関し、特に、直進系と旋回系のユニットを備えた３自由度の操作が可能なマイクロマニピュレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のマイクロマニピュレータとしては、従来、駆動機構が操作側と駆動側の２つのユニットに分離され、油圧によって操作側の動作が駆動側に伝達されて微小対象物の操作ができるように構成された三次元ジョイスティック型油圧マニピュレータや、圧電駆動技術を使用したリニアアクチュエータを３個使用し、ＸＹＺの３軸方向に組み合わせて、直進系の３自由度を実現するリニアアクチュエータ式マニピュレータ等がある。
【特許文献１】特開２０００−２９６４８５号公報
【非特許文献１】「マイクロマニピュレータシステム」、駿河精機株式会社、インターネット（ＵＲＬ：http：//www.surugaost.jp/manipi.html）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記した従来のマイクロマニピュレータは、操作対象物に合わせて、最適な動作や動作範囲を得るように設定されて製作された専用のものであって、専用に製作されているため、確かに高精度ではあるが、他の対象物に適用できず、応用範囲が狭いと共に、製作費用が高いため、コストパフォーマンスに劣り、汎用性に欠けるという欠点があった。
【０００４】
そこで、本発明では、上記した従来の問題点に鑑み、直動アクチュエータを備えた直進ユニットと、回転アクチュエータを備えた旋回ユニットとを組み合わせることにより、最適な動作や動作範囲を容易に得られ、しかも、コストパフォーマンスに優れ、汎用で使用し易いマイクロ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】
【０００５】
上記した課題を解決するため、請求項１記載の本発明では、直動アクチュエータにより直進方向に動作する直進ユニットと、
第１の回転アクチュエータにより回転方向に動作すると共に、第２の回転アクチュエータを支持する旋回ユニットとを組み合わせて構成され、
いずれかのユニットに設けた操作部材が、直進系と旋回系とを合わせて３自由度に動作可能であることを特徴とするマイクロマニピュレータを提供する。
請求項２記載の本発明では、直動アクチュエータにより直進方向に動作する直進ユニットと、
前記直進ユニットに組み合わせられ、第１の回転アクチュエータにより回転方向に動作すると共に、第２の回転アクチュエータを支持する旋回ユニットと、
前記第２の回転アクチュエータにより、回転方向に動作する操作部材と
を備えてなり、前記操作部材を、直進系と旋回系とを合わせて３自由度に動作可能に設けたことを特徴とするマイクロマニピュレータを提供する。
請求項３記載の本発明では、前記直動アクチュエータが駆動源としてステッピングモータを備えてなり、前記直進ユニットが、該ステッピングモータにより直進駆動する駆動軸により直進方向に動作する直進体を備えてなることを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロマニピュレータを提供する。
請求項４記載の本発明では、前記第１の回転アクチュエータが、前記直進体に支持され、
前記旋回ユニットが、前記第１の回転アクチュエータと共に直進体と一体に直進する旋回体を備えていることを特徴とする請求項３記載のマイクロマニピュレータを提供する。
請求項５記載の本発明では、前記第１の回転アクチュエータ及び第２の回転アクチュエータが、それぞれ駆動源として超音波モータを用いて構成されていることを特徴とする請求項１、２又は４記載のマイクロマニピュレータを提供する。
請求項６記載の本発明では、前記第１の回転アクチュエータ及び第２の回転アクチュエータの各超音波モータは、それぞれの駆動軸相互が略直交する位置関係で配置され、第２の回転アクチュエータを構成する超音波モータの駆動軸に設けた操作部材が、第１の回転アクチュエータを構成する超音波モータの駆動軸により回転する旋回体の回転面に対して略直交する面に沿って回転動作することを特徴とする請求項５記載のマイクロマニピュレータを提供する。
請求項７記載の本発明では、前記第１の回転アクチュエータ及び第２の回転アクチュエータの各超音波モータは、それぞれの駆動軸相互が略平行をなす位置関係で配置され、第２の回転アクチュエータを構成する超音波モータの駆動軸に設けた操作部材が、第１の回転アクチュエータを構成する超音波モータの駆動軸により回転する旋回体の回転面に対して略平行な面に沿って回転動作することを特徴とする請求項５記載のマイクロマニピュレータを提供する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明のマイクロマニピュレータによれば、直動アクチュエータを備えた直進ユニットと、２つの回転アクチュエータを備えた旋回ユニットとを組み合わせて構成され、操作部材が、直進系と旋回系とを合わせて３自由度に動作する。従って、各ユニット若しくは各アクチュエータを種々に組み合わせることにより、操作対象となる微小な対象物に合わせて、最適な動作や動作範囲を得るように容易に設定でき、応用範囲が広い。また、直動アクチュエータの駆動源としてステッピングモータを用い、回転アクチュエータの駆動源として超音波モータを用いることにより、安価に製作でき、コストパフォーマンスに優れている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図面に示した実施形態に基づいて本発明を更に詳しく説明する。
【０００８】
先ず、図１及び図２に基づき本発明の第１の実施形態に係るマイクロマニピュレータを説明する。このマイクロマニピュレータ１における直進ユニット１１は、直進体１２と、該直進体１２を直進方向に動作させる直動アクチュエータ１３とを備えて構成される。また、旋回ユニット２０は、直進体１１と一体に直進する旋回体２１と、該旋回体２１を回転させる第１の回転アクチュエータを構成する第１の超音波モータ２２と、旋回体２１に組み込まれて支持される第２の回転アクチュエータを構成する第２の超音波モータ２３とを備えて構成される。
【０００９】
より詳細には、直進ユニット１１は、ベース部材１４に支持されている。ベース部材１４は、略方形の支持板部１４ａと、支持板部１４ａの端部に立ち上げられた取付板部１４ｂとを備えており、直動アクチュエータ１３は、取付板部１４ｂにケーシングが固定され、駆動軸１３ａが該取付板部１４ｂを貫通して水平方向に突出するように取り付けられている。直進体１２は下面が開放された断面略コ字形に形成されており、一端部には下方に向かって延びるブラケット１２ａが固定取付されており、このブラケット１２ａに前記取付板部１４ｂを貫通して突出する直動アクチュエータ１３の駆動軸１３ａが連結されている。
【００１０】
ここで、直動アクチュエータ１３は、駆動源としてステッピングモータを用いることがコスト的に好ましい。そして、駆動軸１３ａを、その外部に回り止め機構を設けるなどしてステッピングモータに連結することにより、該駆動軸１３ａが直進駆動する。操作対象物の操作を行う操作部材３０の動作範囲及び動作精度を所定の範囲とし、あるいは、所定の応答性能を発揮させるために、直動アクチュエータ１３としては、最大速度２４ｍｍ／ｓ、最大推力３０Ｎ、最大保持力３０Ｎ、精度（分解能）０．２μｍ〜２μｍ、ストローク３０ｍｍの性能を備えることが好ましい。また、かかる直動アクチュエータ１３は、電源ＯＦＦのときに停止位置を保持する電磁ブレーキが付属していると共に、電源ＯＦＦのときに手動で位置の調整をする調整ノブ１３ｂが設けられていることが操作性の点から好ましい。
【００１１】
一方、旋回ユニット２０の旋回体２１は、両端部が半円形の容器状に形成されており、内部に第１の超音波モータ２２と第２の超音波モータ２３が並列して配設されている。第１の超音波モータ２２は、駆動軸２２ａが鉛直上方に向くように配設され、第１の超音波モータ２２本体が直進体１２に固定されると共に、駆動軸２２ａが旋回体２１の上壁に固定されている。第２の超音波モータ２３は、駆動軸２３ａが水平方向を向くように配設され、第２の超音波モータ２３本体が旋回体２１に固定されると共に、駆動軸２３ａが旋回体２１の側壁を貫通して水平方向に突出されている。すなわち、第１の超音波モータ２２と第２の超音波モータ２３は、それぞれの駆動軸２２ａ，２３ａ相互が直交するように配置されている。そして、旋回体２１の側壁を貫通して突出する第２の超音波モータ２３の駆動軸２３ａには、アーム状の操作部材３０が連結されており、該操作部材３０の先端部には、半導体分野やバイオ分野等における微小部品の組立作業などにおいて、微小な対象物を任意の状態に操作する治具等が取り付け可能となっている。
【００１２】
ここで、超音波モータ２２，２３は、例えば、圧電素子を接着した振動体（ステータ）に、２つの異なる位相の高周波を印加することにより、振動体に進行波が発生し、移動体（ロータ）に接着された摩擦材と、該摩擦材と接する振動体のくし歯部をなす面とが圧接されて回転駆動される。超音波モータ２２，２３は、上記直動アクチュエータ１３と同様に、操作対象物の操作を行う操作部材３０の動作範囲及び動作精度を所定の範囲とし、あるいは、所定の応答性能を発揮させるために、最大速度２０ｍｍ／ｓ、推力０．８Ｎ、保持力１．５Ｎ、精度（分解能）０．５μｍ〜１μｍの性能を備えることが好ましい。
【００１３】
かかるマイクロマニピュレータ１においては、直動アクチュエータ１３の駆動により、その駆動軸１３ａが前後に直動すると、直進体１２がブラケット１２ａを介して前後に直進動作し、これにより、直進体１２と一体に旋回体２１が前後に直進動作する。第１の超音波モータ２２の駆動により、その駆動軸２２ａが回転すると、旋回体２１が任意の直進位置において水平面に沿って旋回し、これに伴って第２の超音波モータ２３の水平位置が変化する。その位置で、さらに、第２の超音波モータ２３の駆動により、その駆動軸２３ａが回転すると、操作部材３０が第１の超音波モータ２２の駆動軸２２ａが回転する水平面に対して直交する鉛直面に沿って旋回して、操作部材３０の治具等が旋回する。この結果、操作部材３０の治具等が、直進方向、水平回転方向、鉛直回転方向の３自由度に微小に変化するため、半導体分野やバイオ分野等における微小部品の組立作業などにおいて、微小な対象物を任意の状態に操作できる。
【００１４】
次に、図３及び図４に基づき本発明の第２の実施形態に係るマイクロマニピュレータを説明する。このマイクロマニピュレータ４０においては、先の実施形態と同様の構成の第１の超音波モータ２２と第２の超音波モータ２３が、それぞれの駆動軸２２ａ，２３ａ相互が平行をなすように配置され、第２の超音波モータ２３の駆動軸２３ａに設けた操作アーム３０が第１の超音波モータ２２の駆動軸２２ａが回転する面に対して平行な面に沿って旋回する。
【００１５】
より詳細には、直進ユニット５０における直進体１２と直動アクチュエータ１３とベース１４とは、先の実施形態のものと同じ構造で、鉛直方向に向きを変えて設置したものである。また、横板部５１ａと縦板部５１ｂとからなる略Ｌ字形状の取付板５１が設けられており、この取付板５１の縦板部５１ｂは、直進体１２の開放された面と対向する側壁の上端部に固定されている。
【００１６】
一方、旋回ユニット２０の旋回体２１の内部に第１の超音波モータ２２と第２の超音波モータ２３が並列して配設されており、第１の超音波モータ２２は、その駆動軸２２ａが鉛直上方に向くように配設され、第１の超音波モータ２２本体が直進体１２に固定された取付板５１の横板部５１ａ上面に固定されると共に、駆動軸２２ａが旋回体２１に固定されている。第２の超音波モータ２３は、その駆動軸２３ａが鉛直上方に向くように配設され、第２の超音波モータ２３本体が旋回体２１に固定されると共に、駆動軸２３ａが旋回体２１の上壁を貫通して鉛直上方向に突出されている。そして、第２の超音波モータ２３の駆動軸２３ａには、操作部材３０が連結されており、該操作部材３０の先端部には、図示しない治具等が取り付けられている。
【００１７】
かかるマイクロマニピュレータ４０においては、直動アクチュエータ１３の駆動により、その駆動軸１３ａが上下に直動すると、直進体１２がブラケット１２ａを介して上下に直進動作し、これにより、直進体１２と一体に旋回体２１が上下に直進動作する。第１の超音波モータ２２の駆動により、駆動軸２２ａが回転すると、旋回体２１が水平面に沿って旋回する。また、第２の超音波モータ２３の駆動により、その駆動軸２３ａが回転すると、操作アーム３０が第１の超音波モータ２２の駆動軸２２ａが回転する水平面に対して平行な水平面に沿って旋回して、治具等が旋回する。この結果、直進方向、第１の超音波モータ２２による水平回転方向、第２の超音波モータ２２による水平回転方向の３自由度の動作が得られ、上記実施形態と同様に、半導体分野やバイオ分野等における微小部品の組立作業などにおいて、微小な対象物を任意の状態に操作できる。
【００１８】
なお、上記実施形態の２つのマイクロマニピュレータ１、４０は、手動、コンピュータ、ジョイスティックのいずれでも制御することができる。
【００１９】
かかる２つのマイクロマニピュレータ１、４０は、直進ユニット１１，５０と旋回ユニット２０とを備え、旋回ユニット２０における第２の超音波モータ２３の駆動軸２３ａに設けた操作部材３０により、直進系と旋回系の３自由度の操作が実行できる。すなわち、直進ユニット１１，５０に設けた直動アクチュエータ１３と、旋回ユニット２０に設けた２つの回転アクチュエータとの組み合わせにより、操作部材を３自由度に操作できる構成であるため、各アクチュエータとして、市販で入手可能な所定の分解能を備えたステッピングモータや超音波モータを用いるだけで、極めて安価なマニピュレータを提供することができる。
【００２０】
また、上記の実施形態では、旋回ユニット２０の旋回体２１を直進ユニット１１，５０の直進体１２と一体に直進する構成とし、旋回体２１に指示された第２の超音波モータ２３の駆動軸２３ａに設けた操作部材３０により、直進系と旋回系の３自由度の操作を実行するようにしたが、直進ユニット１１，５０と旋回ユニット２０との組合せ形態は任意であり、いずれかのユニットに操作部材を設けることにより、ユニットを種々の形態に組み合わせることができるため、操作する対象物に合わせて、最適な動作や動作範囲を得るように設定でき、応用範囲が広く、汎用で使用し易いと言う利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係るマイクロマニピュレータの斜視図である。
【図２】図２（ａ）は、上記第１の実施形態に係るマイクロマニピュレータの側面図であり、図２（ｂ）は、その平面図であり、図２（ｃ）は、その正面図である。
【図３】図３は、本発明の第２の実施形態に係るマイクロマニピュレータの斜視図である。
【図４】図４（ａ）は、上記第２の実施形態に係るマイクロマニピュレータの側面図であり、図４（ｂ）は、その平面図であり、図４（ｃ）は、その正面図である。
【符号の説明】
【００２２】
１  マイクロマニピュレータ
１１  直進ユニット
１２  直進体
１３  直動アクチュエータ
２０  旋回ユニット
２１  旋回体
２２  第１の超音波モータ
２３  第２の超音波モータ
３０  操作部材
４０  マイクロマニピュレータ
５０  直進ユニット
【図１】
2005103661.tif 000003
【図２】
2005103661.tif 000004
【図３】
2005103661.tif 000005
【図４】
2005103661.tif 000006