(57)【要約】【課題】微小移動を行う作動部を駆動するリンク機構の駆動手段として、圧電素子を用いることなく、小型で動作レンジの広い高精度位置決め装置を得る。【解決手段】受動ジョイント部材１は、使用時に変態温度以上となって超弾性を維持する形状記憶合金からなる薄板を用い、切り抜き曲げ加工してヒンジを形成した複数のアームを備える。駆動ジョイント部材２は形状記憶合金からなる薄板で形成した複数のアームを備える。受動ジョイント部材１を形成する形状記憶合金を、駆動ジョイント部材２を形成する形状記憶合金の変態温度より低い温度で変態する素材で形成し、前記駆動ジョイント部の複数のアームに加熱手段を備える。前記アームの任意の加熱手段を加熱することにより、形状記憶合金の変態によって、受動ジョイント部材を介して操作部の位置決めを行う。その際、受動ジョイント部材１は超弾性により容易に大きく変形し、元に戻る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄板を切り抜き曲げ加工してヒンジを形成した複数のアームからなる受動ジョイント部と、
形状記憶合金からなる薄板により形成した複数のアームからなる駆動ジョイント部とを備え、
前記駆動ジョイント部の複数のアームには加熱手段を備え、
前記アームの任意の加熱手段を加熱することにより、形状記憶合金の変態によって、受動ジョイント部を介して操作部の位置決めを行うことを特徴とする形状記憶合金による薄板ヒンジ位置決め装置。
【請求項２】
使用時に変態温度以上となって超弾性を維持する形状記憶合金からなる薄板を、切り抜き曲げ加工してヒンジを形成した複数のアームからなる受動ジョイント部と、
薄板により形成した複数のアームからなる駆動ジョイント部とを備え、
前記アームの任意のものを変形することによって、受動ジョイント部を介して操作部の位置決めを行うことを特徴とする形状記憶合金による薄板ヒンジ位置決め装置。
【請求項３】
使用時に変態温度以上となって超弾性を維持している形状記憶合金からなる薄板を、切り抜き曲げ加工してヒンジを形成した複数のアームからなる受動ジョイント部と、
形状記憶合金からなる薄板により形成した複数のアームからなる駆動ジョイント部とを備え、
前記受動ジョイント部を形成する形状記憶合金を、前記駆動ジョイント部を形成する形状記憶合金の変態温度より低い温度で変態する素材で形成し、
前記駆動ジョイント部の複数のアームに加熱手段を備え、
前記アームの任意の加熱手段を加熱することにより、形状記憶合金の変態によって、受動ジョイント部を介して操作部の位置決めを行うことを特徴とする形状記憶合金による薄板ヒンジ位置決め装置。
【請求項４】
前記加熱手段は複数のアームに別途設けた電熱装置であることを特徴とする請求項１または３に記載の形状記憶合金による薄板ヒンジ位置決め装置。
【請求項５】
前記加熱手段はアームの素材に通電加熱する電熱手段であることを特徴とする請求項１または３に記載の形状記憶合金による薄板ヒンジ位置決め装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状記憶合金による薄板ヒンジを用いて、高精度位置決め装置、マイクロマシン等の小型駆動システムや、手術用多自由度カテーテル等を正確に位置決めできるようにした形状記憶合金による薄板ヒンジ位置決め装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明者等は、例えば特開平８−１３２３６３号公報（特許番号第２５６０２６２号）等において、バイオテクノロジー、医学、及び微細操作が必要な産業分野等に適した、小型で指の機能を果たす箸状の２本の指片を備えたマイクロハンド機構を提案している。この箸状の指片を備えたマイクロハンド機構は、光学顕微鏡下では数μｍ程度の微小物体を把持、持ち上げ、回転、移動、開放等をすることができる。
【０００３】
この装置においては、６自由度の運動を制御する上部パラレルリンク機構と下部パラレルリンク機構とを２段に重ねて配置しており、一方のパラレルリンク機構は２つの指片を広い作業空間にある対象物に対して位置決めを行うものであり、他方のパラレルリンク機構は１つの指片の先端を他方の指片の先端に微小変位させ、両指片によって箸的動作を行わせて、６本の各リンクはピエゾ圧電素子により伸縮可能としている。
【０００４】
更に本発明者等は、特願２０００−３８８７００号（特開２００２−１８７０７９号公報）において、並進３自由度形の２本指マイクロハンド機構（マニピュレータ）を提案し、前記の６自由度の運動の機構をより簡素化して、ピエゾ圧電素子の数が少なくても微小対象物を掴んで微細作業を正確に行うことができるようにした。この装置を更に改良するため、本発明者等は特願２００２−２５３４５３号（特開２００４−９０１３６号公報）に開示しているマイクロハンドも提案している。
【０００５】
上記のような本発明者等が提案している、従来技術のマイクロハンド等で利用されている位置決め機構は、例えば図５に示すような構成をなし、この機構においては図６に示すように、各々薄板の打ち抜き、曲げ加工のみで成形した受動ジョイント部材５１と駆動ジョイント部材５２を組み合わせて位置決め機構５０を構成している。この位置決め機構５０においては、図５に示すように駆動ジョイント部材５２の背面側をピエゾ圧電素子の駆動装置５３により所定量押圧し、その押圧によって変形する駆動ジョイント部材によってリンク機構をなす受動部材が追従して変形し、トッププレーン５４の表面に固定した図中ニードル状に示している操作片５５の３自由度駆動を実現している。
【０００６】
受動ジョイント部材５１の基本パーツは、図７（ａ）に示すような薄板の打ち抜き部材を折り曲げて成形してなる、同図（ｂ）に示すような並進ジョイントとして機能する並進ジョイント部６１と、図７（ｃ）に示すような打ち抜きにより成形される回転ジョイントとして機能する回転ジョイント部６２のみで構成し、これを一体成形する等によって組み合わせて弾性ヒンジ機構を構成し、任意の形状で任意の作動を行う受動ジョイント部材を形成可能としている。
【０００７】
上記のような位置決め装置においては、アクチュエータとしてピエゾ圧電素子を使用していることから、動作レンジが微小なため、ヒンジ機構のような部材の弾性変形のみで変形するジョイントを使用することができる。加えて、この機構では薄板を用いたプレス加工のみで、並進ジョイント部６１や回転ジョイント部６２のような自由度の限定したヒンジ機構を構成できることから、小型化、低コスト化、大量生産化が容易である。
【０００８】
また、上記のような弾性ヒンジ機構は、各構成部材の変形をジョイント機構としているためガタがなく高精度位置決め装置に適している。また、圧電素子のような微小変形による駆動ではヒンジ機構部を微小変形内に押さえることができ、ヒンジの駆動角が弾性限界を超えることは無かった。
【特許文献１】特開平８−１３２３６３号公報
【特許文献２】特開２００２−１８７０７９号公報
【特許文献３】特開２００４−９０１３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記のような圧電素子を用いてリンク機構を作動させるものにおいては、モーター等で作動させるときのような、より広い動作レンジで作動させると、部材の塑性変形まで達するほどの変形量が発生するため、広い動作範囲を実現することは困難であった。そのため、機構全体を大きくすることでヒンジの変形量を押さえながら動作範囲を広げる必要があり、小型でかつ動作レンジの広い高精度位置決め装置の実現は困難であった。もしも小型で動作レンジの広い位置決め装置が可能であれば、多自由度手術用カテーテルのような小型機械システムが容易に実現できるのに対して、上記のような理由でその実現が困難であった。
【００１０】
したがって本発明は、微小移動を行う作動部を駆動するリンク機構の駆動手段として、圧電素子を用いることなく、小型で動作レンジの広い高精度位置決め装置を提供することを主たる目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による形状記憶合金による薄板ヒンジ位置決め装置は、薄板を切り抜き曲げ加工してヒンジを形成した複数のアームからなる受動ジョイント部と、形状記憶合金からなる薄板により形成した複数のアームからなる駆動ジョイント部とを備え、前記駆動ジョイント部の複数のアームには加熱手段を備え、前記アームの任意の加熱手段を加熱することにより、形状記憶合金の変態によって、受動ジョイント部を介して操作部の位置決めを行うことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明による他の形状記憶合金による薄板ヒンジ位置決め装置は、使用時に変態温度以上となって超弾性を維持する形状記憶合金からなる薄板を、切り抜き曲げ加工してヒンジを形成した複数のアームからなる受動ジョイント部と、薄板により形成した複数のアームからなる駆動ジョイント部とを備え、前記アームの任意のものを変形することによって、受動ジョイント部を介して操作部の位置決めを行うことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明による他の形状記憶合金による薄板ヒンジ位置決め装置は、使用時に変態温度以上となって超弾性を維持している形状記憶合金からなる薄板を、切り抜き曲げ加工してヒンジを形成した複数のアームからなる受動ジョイント部と、形状記憶合金からなる薄板により形成した複数のアームからなる駆動ジョイント部とを備え、前記受動ジョイント部を形成する形状記憶合金を、前記駆動ジョイント部を形成する形状記憶合金の変態温度より低い温度で変態する素材で形成し、前記駆動ジョイント部の複数のアームに加熱手段を備え、前記アームの任意の加熱手段を加熱することにより、形状記憶合金の変態によって、受動ジョイント部を介して操作部の位置決めを行うことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明による他の形状記憶合金による薄板ヒンジ位置決め装置は、前記形状記憶合金による薄板ヒンジ位置決め装置において、前記加熱手段は複数のアームに別途設けた電熱装置であることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明による他の形状記憶合金による薄板ヒンジ位置決め装置は、前記形状記憶合金による薄板ヒンジ位置決め装置において、前記加熱手段はアームの素材に通電加熱する電熱手段であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明において、駆動ジョイント部のみを所定温度以上で変態する形状記憶合金製として、その所定温度での変態によって受動ジョイント部を介して操作部の位置決めを行うようにしたものにおいては、変形量が大きく、且つ変形力が大きい作業空間を広く維持することができるようになり、長期間安定した作動を行う位置決め装置とすることができる。また、モータや圧電素子等の駆動装置を用いることがないので、小型の装置を容易に形成することができるようになる。
【００１７】
また、受動ジョイント部のみを、使用時に変態温度以上になっているような特定温度以上で変態する形状記憶合金製として、通常の使用状態では超弾性を維持することができるようにし、従来のものと同様の各種の駆動手段を用いて駆動ジョイント部を駆動するものにおいては、受動ジョイント部は超弾性によって容易に大きく変形し、所定の作動を行うことができると共に、変形が大きい場合でも塑性変形を生じることなく、各種駆動手段を用いて長期間確実に所定の作動を行うことができるようになる。
【００１８】
更に使用時に変態温度以上となって超弾性を維持している形状記憶合金からなる薄板で受動ジョイント部を形成し、この受動ジョイント部を形成する形状記憶合金の変態温度より高い温度で変態する形状記憶合金により駆動ジョイントを形成し、駆動ジョイント部に加熱手段を備え構成とするときには、上記の全ての効果を奏することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は、微小移動を行う作動部を駆動するリンク機構の駆動手段として、圧電素子を用いることなく、小型で動作レンジの広い高精度位置決め装置を提供するため、駆動ジョイント部のみを所定温度以上で変態する形状記憶合金製として、その所定温度での変態によって受動ジョイント部を介して操作部の位置決めを行うようにし、或いは受動ジョイント部のみを、使用時に変態温度以上になっているような特定温度以上で変態する形状記憶合金製として、通常の使用状態では超弾性を維持することができるようにし、更には、使用時に変態温度以上となって超弾性を維持している形状記憶合金からなる薄板で受動ジョイント部を形成し、この受動ジョイント部を形成する形状記憶合金の変態温度より高い温度で変態する形状記憶合金により駆動ジョイントを形成し、駆動ジョイント部を形状記憶合金製とするときにはその駆動ジョイント部に加熱手段を備えた構成とする。
【００２０】
また、受動ジョイント部のみを、使用時に変態温度以上になっているような特定温度以上で変態する形状記憶合金製として、通常の使用状態では超弾性を維持することができるようにし、従来のものと同様の各種の駆動手段を用いて駆動ジョイント部を駆動するものにおいては、受動ジョイント部は超弾性によって容易に大きく変形し、所定の作動を行うことができると共に、変形が大きい場合でも塑性変形を生じることなく、各種駆動手段を用いて長期間確実に所定の作動を行うことができるようになる。
【００２１】
更に使用時に変態温度以上となって超弾性を維持している形状記憶合金からなる薄板で受動ジョイント部を形成し、この受動ジョイント部を形成する形状記憶合金の変態温度より高い温度で変態する形状記憶合金により駆動ジョイントを形成し、駆動ジョイント部に加熱手段を備え、前記ジョイント部の任意の加熱手段を加熱することにより、形状記憶合金の変態によって、受動ジョイント部を介して操作部の位置決めを行うことにより実現する。
【実施例１】
【００２２】
本発明においては、前記図７に示すように従来のものと同様の、薄板を所定形状に成形すると共に適宜折り曲げ加工を行ってヒンジ機構を形成した、並進ジョイント部や回転ジョイント部を用いるものであり、このようなヒンジ機構を組み合わせれば、シリアル機構でもパラレル機構でも、様々な形状の機構が実現できるものであるが、以下には従来のものとの比較を容易にするため、前記従来の機構と同様の機構を用いた実施例について説明する。
【００２３】
図１には本発明の基本モジュールを示す。まず、後述するような特性を備えた形状記憶合金の板を用い、前記図７に示すものと同様に放電加工もしくはプレス加工によって各部材を形成するものであり、それにより図２（ａ）に示すような受動ジョイント部材１と図２（ｂ）に示すような駆動ジョイント部材２とを成形加工し、これを前記図２（ｃ）に示すように、従来のものと同様に組み合わせて位置決め装置３を構成する。
【００２４】
このうち、受動ジョイント部材１は常温を変態温度に設定し、図２（ａ）に示すような形状を記憶する。これにより、常温以上では常に変態温度であるため、超弾性体として機能し、この位置決め装置を常温下で使用する際には、受動ジョイント部材１は常に上記のような超弾性の特性を維持して受動ジョイント機能を行う。
【００２５】
図示実施例の上部ヒンジ機構としての受動ジョイント部材１は、トッププレーン４を中心に放射状に延びた３個のヒンジアーム５を全て上記のような形状記憶合金薄板で一体的に成形しており、個々のヒンジアーム５は上部回転ジョイント部６と並進ジョイント部７と受動側連結部８とからなり、図示実施例においては受動側連結部８に下部回転ジョイント部９を形成している。受動ジョイント部材１の受動側連結部８は、駆動ジョイント部材２における放射状に延びた３個の駆動アーム１０の先端に形成している駆動側連結部１１と、ボルトナット等の適宜の手段で連結固定することにより、図２（ｃ）に示すような位置決め装置３を構成する。
【００２６】
一方、下部ヒンジ機構としての駆動ジョイント部材２は、上記のように放射状に延びた３個の駆動アーム１０とその各先端に形成している駆動側連結部１１とを全て常温より高い温度に変態温度を設定した形状記憶合金の薄板を用いて一体成形して形成している。また、各駆動アーム１０には別個に加熱制御可能にヒータ１２を備えており、いずれかのヒータ、或いは全てのヒータを加熱することにより駆動アーム１０を変態温度以上に加熱し、例えば図３（ａ）に示す状態から同図（ｂ）に示す予め記憶した所定の形状に復帰させることができる。なお、上記ヒータ１２は各駆動アーム１０に付設する以外に、各駆動アームの素材自体に通電する電熱加熱手段を用いるようにしても良い。
【００２７】
それにより前記図５に示すように、従来の装置におけるピエゾ圧電素子によって各駆動アームの裏面を押圧して変形させる必要がなくなり、形状記憶合金による作動の特徴である変形量が大きく、且つ変形力が大きい作業空間を広くすることができ、しかもその変形時に塑性変形を生じることが無く、長期間その性能を維持する特性を有し、更に圧電素子のような別部材を必要とせず全体の構造を小型化可能な駆動ジョイント部材とすることができる。
【００２８】
受動ジョイント部材１の各ヒンジアーム５は前記のように常温を変態温度に設定し、通常使用領域である常温時には超弾性体として作用するものであるが、前記駆動ジョイント部材２の作動によって変形する作動自体は従来のものと同様であり、例えば上部回転ジョイント部６或いは下部回転ジョイント部９については図４（ａ）に示すように、打ち抜き加工或いは放電加工等によって矩形の板の中央部に矩形の切り抜き部１５を形成し、それにより切り抜き部１５の両側に剛性が弱くなった回転ヒンジとして作用する細い連結部１６、１６を形成する。このような構造の回転ジョイント部６は、切り抜き部１５の軸線を回転軸線１７として、図中矢印で示すように容易に回転可能となる。
【００２９】
また、受動ジョイント部材１の並進ジョイント部７は、上記のような特性を有する形状記憶合金の薄板を、前記図７（ａ）に示す従来のものと同様に形成し、その後図７（ｂ）及び図４（ｂ）に示すように折り曲げ成形する。このように成形した並進ジョイント部７は、矩形の中心切り抜き部２１のジョイント軸線方向における両端に第１横溝２２と第２横溝２３とを形成し、第１横溝２２の端部には、その横溝の端部に間隔をもって第１右側溝２４及び第１左側溝２５を形成し、第２横溝２３の端部には、その横溝の端部に間隔をもって第２右側溝２６及び第２左側溝２７を形成している。
【００３０】
それにより第１横溝２２と第１右側溝２４との間に、剛性が弱くなることにより軸線３０を中心に回転可能なヒンジとして作用する第１右側連結部３１が、また第１横溝２２と第１左側溝２５との間に、軸線３２を中心に回転可能なヒンジとして作用する第１左側連結部３３が形成される。また、同様に第２横溝２３と第２右側連結部２６との間に、軸線３４を中心に回転可能なヒンジとして作用する第２右側連結部３５が、また第２横溝２３と第２左側溝２７との間に、軸線３６を中心に回転可能なヒンジとして作用する第２左側連結部３７が形成される。これら４つの連結部からなるヒンジによって４関節の平行リンク機構ができ、外部からの変形力に応じて図４（ｂ）の矢印のように並進移動が可能な並進ジョイント部７が得られる。
【００３１】
上記のような図４（ａ）に示される回転ジョイント部を図２（ａ）の上部回転ジョイント部６として用い、図４（ｂ）に示される並進ジョイント部７の軸線方向端部に一体的に形成すると、図４（ｃ）に示されるような回転ジョイント部と並進ジョイント部とが組み合わされたジョイント構造が形成される。このようなジョイント構造は必要に応じて任意に組み合わせることができるものであるが、前記従来の構造と同様の図２（ａ）に示されるような受動ジョイント部材１も構成することができ、広い作業空間を持った並進３自由度機構が実現可能となる。
【００３２】
また、駆動ジョイント部のみを所定温度以上で変態する形状記憶合金製として、その所定温度での変態によって通常の薄板を成形した受動ジョイント部を介して操作部の位置決めを行うようにしても良い。このように駆動ジョイント部を所定温度以上で変態する形状記憶合金製とすることにより、前記のように、変形量が大きく、且つ変形力が大きい作業空間を広く維持することができるようになり、長期間安定した作動を行う位置決め装置とすることができる。
【００３３】
また、受動ジョイント部のみを、使用時に変態温度以上になっているような特定温度以上で変態する形状記憶合金製として、通常の使用状態では超弾性を維持することができるようにし、従来のものと同様の各種の駆動手段を用いて駆動ジョイント部を駆動するとき、受動ジョイント部は超弾性によって容易に変形し、所定の作動を行うことができると共に、変形が大きい場合でも塑性変形を生じることなく、長期間確実に所定の作動を行うことができる。
【００３４】
特に前記実施例のように、使用時に変態温度以上となって超弾性を維持している形状記憶合金からなる薄板で受動ジョイント部を形成し、この受動ジョイント部を形成する形状記憶合金の変態温度より高い温度で変態する形状記憶合金により駆動ジョイントを形成し、駆動ジョイント部に加熱手段を備えた構成とするときには、上記の全ての作用を行わせることができるようになる。
【００３５】
また、上記実施例においては、駆動ジョイント部材側に加熱手段を設けて、常温状態からの加熱により駆動ジョイント部材を変態変形させる例を示したが、形状記憶合金に変態を生じさせて変形させることができるならば変態温度を任意に設定することができる。また、受動ジョイント部材を形状記憶合金で成形する場合には、その形状記憶合金の変態温度は前記駆動ジョイント部材の変態温度以下において既に変態している特性を備えた形状記憶合金が選択されるならば、種々の形状記憶合金を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明による形状記憶合金による薄板ヒンジ位置決め装置は、マイクロマシン等の小型駆動システムや、手術用多自由度カテーテル等のように、正確に位置決めを行う必要がある、例えばバイオテクノロジー、医学等の広範囲の分野に有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明による形状記憶合金による薄板ヒンジ位置決め装置の実施例の全体を示す斜視図である。
【図２】同実施例における受動ジョイント部材と駆動ジョイント部材の分解状態及び組立状態を示す斜視図である。
【図３】同実施例における駆動ジョイント部材の作動を示す図であり、（ａ）は加熱手段によって加熱していない状態を示し、（ｂ）は加熱している状態を示す斜視図である。
【図４】同実施例の受動ジョイント部材における回転ジョイントと並進ジョイントの作動を示す図である。
【図５】従来の位置決め装置の斜視図である。
【図６】同従来の位置決め装置における受動ジョイント部材と駆動ジョイント部材の分解状態及び組立状態を示す斜視図である。
【図７】同従来の位置決め装置の受動ジョイントに用いられる回転ジョイントと並進ジョイントを示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  受動ジョイント部材
２  駆動ジョイント部材
３  位置決め装置
４  トッププレーン
５  ヒンジアーム
６  上部回転ジョイント部
７  並進ジョイント部
８  受動側連結部
９  回転ジョイント部
１０  駆動アーム
１１  駆動側連結部
１２  ヒータ
【図１】
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【図２】
2007118131.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2007118131.tif 000007
【図６】
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【図７】
2007118131.tif 000009