(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース部材とエンドエフェクタとを連結する三つのリンク機構を備えたマイクロマニピュレータにおいて、
前記三つのリンク機構は、可撓性を有する板材を成形加工したものであり、前記エンドエフェクタの軸周り方向に幅を有する板状のアーム部と、前記各アーム部の長手方向の両端と中間の位置とにあって微小変位内であれば回転対偶とみなすことができるヒンジ部と、前記長手方向一端と中間部との間に位置し微小変位内であれば並進対偶とみなすことができるリンク要素と、が形成されていることを特徴とするマイクロマニピュレータ。
【請求項２】
前記回転対偶となるヒンジ部は、前記板状アーム部の幅方向にスリット或いは薄肉部を設けて形成され、前記並進対偶となるリンク要素は、平行四辺形リンク部により構成されている請求項１記載のマイクロマニピュレータ。
【請求項３】
前記各リンク機構は、板材を打ち抜きと折り曲げ加工することにより、或いはエッチングによる微細加工により、前記回転対偶となるヒンジ部と前記並進対偶となるリンク要素とが形成されている請求項１又は２記載のマイクロマニピュレータ。
【請求項４】
前記三つのリンク機構は、1枚の板材を打ち抜きと折り曲げ加工することにより一体成形してなる請求項１ないし３のいずれか１項記載のマイクロマニピュレータ。
【請求項５】
前記三つのリンク機構は、上下に分けて成形した板材よりなり、この上板，下板ともに中心から三方にアーム部が延びる形状をなし、前記上板が三つのリンク機構の上半分になり、前記下板が三つのリンク機構の下半分になり、この上板，下板を結合してなる請求項１ないし４のいずれか１項記載のマイクロマニピュレータ。
【請求項６】
前記三つのリンク機構に駆動力を付与するピエゾ圧電素子が前記ベース部材に配設されている請求項１ないし５のいずれか１項記載のマイクロマニピュレータ。
【請求項７】
前記ピエゾ圧電素子は、与圧が掛けられ前記三つのリンク機構との接触面に隙間を生じさせないように構成されている請求項６記載のマイクロマニピュレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バイオテクノロジー、医学、半導体集積回路製造・検査など微細操作が必要な産業分野に利用でき、特に微小対象物の位置決め、移送、切断、接合などの微細操作を正確かつ容易に行い、あるいは精密位置決め試料台機構などへの利用に適したマイクロマニピュレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
顕微鏡下の微細作業に適したマイクロマニピュレータとして、例えば、特開平１０−１３８１７７号公報に記載された３自由度マイクロマニピュレータがある。
【０００３】
この従来技術は、顕微鏡下の微細作業では、互いに直交する３軸方向の並進３自由度の動作が主たる動作になるという点に着目して開発された３自由度マイクロマニピュレータであり、ベース部材とエンドエフェクタを結ぶ三つのリンク機構により、エンドエフェクタの３自由度の精密位置決め制御を実現するものである。
【０００４】
また、リンク機構については、回転対偶，並進対偶を組合わせて（Ｒは回転対偶、Ｐは並進対偶）、ＲＲＰＰ機構、ＲＰＲＰ機構、ＰＲＰＲ機構、ＲＰＰＲ機構などの４自由度のリンク機構を三つパラレルに配置して、エンドエフェクタに３自由度の動作を行なわせるようにし、また、回転対偶のヒンジ部や並進対偶の連結杆部の両端を薄肉形成して、回転対偶や並進対偶を保証している。
【０００５】
この従来技術は、ヒンジ部等にボールジョイントなどを必要とせず、部品ひいては機構の簡略化を図り得る利点がある。ただし、マイクロマニピュレータのリンク機構を構成する柔軟構造物を、どのように製作して安価で且つ小形化を図れるかとか、その材質、および、駆動させる機構としてのアクチュエータ配設の具体的提案はされていない。各リンクの駆動機構としては、ピエゾ圧電素子を用いることが提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、微小対象物を掴んで微細作業を正確にかつ容易に行うことができる、あるいは精密位置決めステージ機構などに適用して簡単で高精度な位置決めを行い得る３自由度マイクロマニピュレータを提供することにある。
【０００７】
また、三つのリンク機構でエンドエフェクタを３軸方向に並進３自由度制御し得るマイクロマニピュレータにおいて、リンク機構をプレスなどの打ち抜き，折り曲げ加工により実現でき、マイクロマニピュレータを小形で安価に、しかも簡単に製作し得るようにすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、基本的には、ベース部材とエンドエフェクタとを連結する三つのリンク機構を備え、並進３自由度動作を行うマイクロマニピュレータにおいて、
前記三つのリンク機構は、可撓性を有する薄板を曲げ加工と打ち抜き加工して一体成形したものを提案する。
【０００９】
また、ベース部材とエンドエフェクタとを連結する三つのリンク機構を備えたマイクロマニピュレータにおいて、
前記三つのリンク機構は、可撓性を有する板材を成形加工したものであり、前記エンドエフェクタの軸周り方向に幅を有する板状のアーム部と、前記各アーム部の長手方向の両端と中間の位置とにあって微小変位内であれば回転対偶とみなすことができるヒンジ部と、前記長手方向一端と中間部との間に位置し微小変位内であれば並進対偶とみなすことができるリンク要素（例えば平行四辺形リンク部）と、が形成されているマニピュレータを提案する。
【００１０】
上記のように構成すれば、例えば、各リンク機構は、可撓性のある板材を成形加工して、微小変位内では回転対偶Ｒとみなすことができるヒンジ部を三つ、並進対偶Ｐとみなすことができる平行四辺形リンク部を一つ有しているものを実現させることができる。
【００１１】
Ｐ，Ｒ対偶（並進対偶、回転対偶）を組み合わせた４自由度リンク機構を検討すると、三つのＲ対偶と一つのＰ対偶を利用する構成、二つづつのＰ、Ｒジョイントを利用する構成が考えられる。本発明は、例えば、これらの４自由度リンク機構を薄板を打ち抜き、折り曲げて立体的に組み上げ、三つパラレル配置し、圧電素子で押し上げることで、先端のプレートひいてはエンドエフェクタに３軸方向の３自由度の運動を実現させることができる。特に回転対偶のヒンジ部と並進対偶のリンク要素に用いるヒンジ部との向きを変える場合であっても、板材を折り曲げることで簡単に実現することができる。この点については、実施の形態の説明の項で図４及び図５を用いて詳述する。
【００１２】
前記三つのリンク機構は１枚の板から打ち抜きと折り曲げで一体成形したり、或いは、上下に分けて三つのリンク機構の上側と下側の部分をそれぞれ一体成形し、この上下の成形板材を組み合せて構成することも可能である。この板金による一体化加工をツールとして、微細なリンク機構を形成することが可能になり、このマニピュレータの微細作業を利用してマイクロマシンの組立等を実現することもできる。また、最近のフォトエッチング技術を利用した微細加工により本発明に係るマイクロマニピュレータを製作することも可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施例に係るマイクロマニピュレータの斜視図、図２は本実施例のマイクロマニピュレータに用いるリンク機構の動作原理図、図３は本実施例の用いる三つのリンク機構の展開図、図４は回転対偶Ｒと並進対偶Ｐとの要素を示す原理図、図５は、本実施例に係る回転対偶Ｒと並進対偶Ｐとの要素を示す原理図、図６は、本実施例におけるリンク機構を駆動させる駆動機構を示す断面図およびそのＡ矢視図（部分平面図）である。
【００１５】
図１に示すマイクロマニピュレータ１は、単数或いは複数或いは他の形態のマニピュレータ要素と組み合わせて使用されるものであり、複数或いは他の形態のマニピュレータ要素（ニードルを有するもの）と組み合わせて使用する場合には、ニードル４が箸的な動作を行うことができ、微小対象物を微細動作で摘んだり移送することができる。
【００１６】
マイクロマニピュレータ１は、アクチュエータ（例えば図６に示すピアゾ圧電素子６１）を内装した筒体によって構成されるベース部材２と、ニードル４を有するエンドエフェクタ３と、ベース部材２とエンドエフェクタ３とを連結する三つのリンク機構６を備えてなる。
【００１７】
本実施例に係る三つのリンク機構６は、可撓性を有する薄板（例えば燐青銅などのばね材）を成形加工して一体成形される。リンク機構６は、エンドエフェクタ３を取り付ける可動プレート部６ａが頂部にあり、リンク要素の本体となる三つの板状のアーム部６′が可動プレート部６ａと一体となって、可動プレート部６ａ（エンドエフェクタ４）の軸周りに１２０°間隔で三方に向けて配設されている。
【００１８】
三つのアーム部６′は、展開状態では図３に示すような三方に展開する形状を呈しているが、組立状態では、その中間位置６ｄでＶ字形に折り曲げられ、その一端が可動プレート部６ａにつながり、他端６ｇは、ベース部材２の上面中央付近に固着されている。本実施例では、三つのアーム部６′の端部６ｇは隙間無く付き合わせることができるように、端部６ｇ先端が１２０°の角度をなすようにしてある。
【００１９】
三つのアーム部６′は、中間位置６ｄで折り曲げられてベース部材２に取り付けられるために、この取付け状態では、図１に示すように、エンドエフェクタ３（可動プレート部６ａ）及びベース部材２の位置から三方に向けられている。また、アーム部６′は、板状であり、エンドエフェクタ３（可動プレート部６ａ）の軸周り方向に幅を有している。
【００２０】
ここで、アーム部６′に形成される回転対偶Ｒと並進対偶Ｐの原理について、図４および図５を用いて説明する。
【００２１】
図４（ａ）に示すように、一対の対偶部材１９の間を薄肉部（くびれ部）２３で連結することにより回転対偶Ｒを実現することができる。すなわち、図４（ａ）で示す円弧ヒンジは、変位が微小であれば、１自由度の回転対偶Ｒとみなすことができる。
【００２２】
また、図４（ｂ）に示すように、一対の平行な対偶部材（上下辺）２０の両端を一対の連結杆部（左右辺）２１によりそれぞれの薄肉部（くびれ部）２２を介して連結すると、並進対偶Ｐを実現する柔軟構造物（平行四辺形リンク）を形成することができる。すなわち、図４（ｂ）のような構造物は、変位が大きければ底辺のヒンジ（薄肉部）２２を中心とした円軌道を描くが、微小変位内では１自由度の並進対偶Ｐとみなすことができる。
【００２３】
三つのリンク機構を使用して３自由度のパラレルメカニズムを設計する際、これらの対偶Ｒ，Ｐを組み合わせることで並進３自由度動作を実現することができる。しかし、ヒンジの向きが最低でも２方向必要とされ、機構製作にあたっては、加工が困難となる。
【００２４】
ここで、図５（ａ）に示すように薄板２４にスリット２５を打ち抜くことで、スリット２５の両脇にヒンジ（幅狭部）２３が形成され、容易に回転対偶Ｒを構成できる。
【００２５】
また、図５（ｂ）に示すように、１枚の薄板２４に打ち抜きと曲げ加工を組み合わせることで、ヒンジ（くびれ部）２２の向きを変更させ、容易に図４（ｂ）に相当する並進対偶Ｐを実現させることができる。図５（ｂ）においては、角孔３０（コーナーに切り込みスリット２８が付いたもの）と小スリット２９（スリット２８と幅方向に並んでいる）を打ち抜き加工し、及び側板部２７を曲げ加工することにより、くびれ部２２を形成しまたその向きを変えることができる。また、一対の側板部２７は、一対の対偶２６（図４の一対の対偶２０に相当する）を連結する連結杆部（図４の連結杆部２１に相当する）となるものである。
【００２６】
本実施例では、図５（ａ）（ｂ）に示すリンク要素（回転対偶Ｒ、並進対偶Ｐ）を組み合わせてリンク機構６を構成するもので、その展開図を図３に、組立完成図を図１に示すものである。
【００２７】
本実施例では、図１，図３に示すように、三方に向けられた板状の各アーム部６′の長手方向の両端に幅方向のスリット７，９を形成し、中間の位置にも幅方向のスリット８を形成する。これらのスリット７，８，９を形成することで、また、スリット位置７，８をそれぞれ折り曲げ形成する。これらのスリットにより実質板幅の減らされた個所７′，８′，９′がヒンジ部６ｂ、６ｄ、６ｆとなって、計３個所の回転対偶Ｒ（図５（ａ）に相当するもの）が形成される。なお、スリットの形態は種々考えられ、実施例のものに限定されるものではない。
【００２８】
また、アーム部６′の長手方向一端（本例では、可動プレート部６ａとの結合側一端）と中間部６ｄとの間には、角穴１０（角穴１０はコーナーに幅方向に延びる切り欠きスリット１０′が付いている）とスリット１１とを形成する。切り欠き１０′とスリット１１は、図５（ｂ）の符号２８，２９で示すスリットに相当し、スリット１０′，スリット１１間にヒンジ２２で形成される。
【００２９】
図３に示すように、各アーム部６′の幅方向の左右には側板部１２が形成される。この側板部１２は、図３の破線Ｈの位置で折り曲げられ、図５（ｂ）の連結杆部２７に相当するものである。切り欠きスリット１０′は、折り曲げ線Ｈと交差するように延設されている。この側板部１２の折り曲げによりヒンジ部２２の向きを変えることができる。
【００３０】
符号の１３は図５（ｂ）の一対の対偶２６に相当するものである。すなわち、一対の側板部（連結杆部）１２および一対の対偶１３により平行四辺形リンク６ｃを構成する。平行四辺形リンク６ｃは、微小変位内でみれば並進対偶Ｐとみなすことができる。
【００３１】
上記構成により、各リンク機構６は、可撓性のある板材を成形加工して、三つの回転対偶Ｒと一つの並進対偶Ｐとを有することになる。図２には、本実施例に係る回転対偶Ｒと並進対偶Ｐとを組み合わせた模式図を示し、図２（ａ）が図１のリンク機構を側面からみた対偶メカニズム、図２（ｂ）が正面からみた対偶メカニズムである。
【００３２】
図２に示すように本実施例では、各リンク機構がＲＰＲＲ機構を採用し、これを三つ採用することで、この機構の下部を圧電素子押し上げることで、先端のプレート６ａに３軸３自由度の運動を実現することができる。
【００３３】
次に本実施例のマニピュレータ（リンク機構）の駆動機構を図６により説明する。
【００３４】
図６に示すようにマニピュレータの駆動源となるアクチェータ６１は、例えばピエゾ圧電素子が用いられる。ピエゾ圧電素子６１は、リンク機構６の数に合わせて３個用意される。ベース部材（筒体）２には、軸周りに１２０°間隔でピエゾ圧電素子６１が配設されている。
【００３５】
すなわち、各リンク機構６（アーム部６′）の位置に対応してピエゾ圧電素子６１が配設される。ベース部材２には、アーム部６′の裏側に位置するようにして軸方向に向けた孔２ｂが配設され、この孔２ｂにピエゾ圧電素子６１が内挿されている。また、図６（ｂ）に示すように、孔２ｂと併せてピエゾ圧電素子６１のリード線引出し溝２ｃが形成されている。
【００３６】
ピエゾ圧電素子２４は、その一端（上端）がアーム部６′の底部６ｅの裏面６０により受け止められている。ピエゾ圧電素子６１の他端（下端）は、ベースプレート２ａで押えられ、かつ、ねじ３１によりピエゾ圧電素子６１に与圧が掛けられ、圧電素子６１と受け面６０との接触面に隙間を生じさせないような構造になっている。
【００３７】
３本のピエゾ圧電素子６１を伸縮させたり、その伸縮度合いを制御信号に応じて個別に変化させることにより、リンク機構６の受け面６０を押して各対偶を駆動させることができるようになっている。
【００３８】
ベース部材２５の材質はピエゾ圧電素子６１の発熱による熱膨張が生じても熱平衡が保たれるように、ピエゾ圧電素子６１と略同じか近似する線膨張係数の材質を使用することが好ましい。
【００３９】
本実施例のマイクロマニピュレータ１は、図２のＲＰＲＲ機構を構成するリンク機構６の三つを、ベース部材２とエンドエフェクタ３との間において、中心軸線の周りに１２０°の間隔で対称型に配置している。ピエゾ圧電素子６１は、例えば積層型のものが使用される。
【００４０】
符号の３２，３２′は、アクチュエータ６１に電圧を供給するリード線である。アクチュエータ６１として用いるピエゾ圧電素子は、応答が速く、微小変位と高出力が得られものの、ヒステリシスが非常に大きく、駆動電圧のみによるオープンループ制御では、正確な位置決めを行うことが困難である。このため、変位量を測定してフィードバック制御することが望ましく、この場合には、特に、コンパクトな変位測定手段とサーボ駆動系が要求される。
【００４１】
このような変位測定手段としては、アクチュエータ６１の伸縮方向に歪みゲージを直接貼り付けて（図示は省略してある）、それら圧電素子のサーボ系としては、符号３３に示すように計算機を用いたソフトウエアサーボや演算増幅器を用いたアナログサーボ等を採用することができる。
【００４２】
サーボ系制御回路３３の指令信号はリード線３２、３２´を介してアクチュエータ（圧電素子）６１に送られる。
【００４３】
三つのアクチュエータ６１を駆動してリンク機構６との接触部である受け面６０を押し、エンドエフェクタ３を所定量可動させ微細操作をする。この微細操作は、歪ゲージからの各アクチュエータ６１の変位量を検出し、この変位量からサーボ制御回路３３がニードル（指片）５の現位置を算出し、これをフィードバックして所定の位置決め指令値と比較し、その偏差量がなくなるまでアクチュエータ６１をサーボ駆動することにより行う。
【００４４】
ピエゾ圧電素子６１に電圧を掛けたときピエゾ素子自身が発熱し熱膨張するが、この発熱が筒形のベース部材２に流れ熱的に早く安定し熱膨張を抑えるので、熱ドリフトがニードル５に伝わりにくい。ニードル５が振動、及び熱ドリフトの影響を受け難いので、マイクロマニピュレーションの技術がレベルアップされ、マイクロエレクトニクス、バイオテクノロジー、医療の分野により貢献することが可能となる。
【００４５】
なお、図１に示す３自由度マニピュレータは、その一対により２本指状に構成したり、その任意数を用いて、微小対象物の位置決め、ハンドリング、切断、接合などの微細作業に適用し、あるいは精密位置決めステージ機構などに利用することができる。
【００４６】
また、本実施例によればマニピュレータを薄板を簡単なプレス打ち抜き及び曲げ加工により製作できるので、加工が容易であり、したがって、製作コストを安価にするとともに、小形成形を容易にし、マニピュレータの小形化を図ることができる。
【００４７】
なお、本実施例では、アクチュエータ６１をピエゾ圧電素子としたが、これに限定されるものではなく、その他にバイモルフ型の圧電素子などを用いることも可能である。例えば、アーム部６′の部材６ｅにバイモルフ型の圧電素子を張り付けてリンクを押し上げることでも動作可能である。
【００４８】
図７は、本発明の他の実施例に係るマニピュレータのリンク機構６のみを示す斜視図である。なお、リンク機構以外の構成は、図１の実施例同様であるので、その説明及び図示を省略する。
【００４９】
先の実施例では三つのリンク機構６全体を１枚の板から打ち抜きと折り曲げで構成したが、本実施例では、三つのリンク機構６は、上下に分けて成形した板材４０，４１よりなる。この上板４０，下板４１ともに中心から三方にアーム部６′が延びる形状をなし、上板４０が三つのリンク機構６の上半分になり、下板４１が三つのリンク機構６の下半分になる。この上板４０，下板４１をアーム部６′の全体（上板と下板のアーム部をトータルしたもの）の中間位置となる個所にねじ孔（連結用孔）４８を設けて、ねじ（図示省略）により結合している。
【００５０】
本実施例では、リンク機構６は、ベース部材２（図示は省略してある）にねじ４９で固定されている。
【００５１】
上板４０，下板４１を結合して各リンク機構のアーム部６′をみると、各アーム部６′には、図１の実施例と同様に、各アーム部６′の長手方向の両端（符号４３，４５のある位置、換言すれば可動プレート部６ａ側一端とベース部材２取付け側一端）と中間位置（符号４４のある位置）とに回転対偶Ｒとみなすことができるヒンジ部６ｂ，６ｄ，６ｆを形成する。また、長手方向一端４３と中間部４４との間に並進対偶Ｐとみなすことができる平行四辺形リンク６ｃを形成する。
【００５２】
本実施例では、回転対偶Ｒを構成するヒンジ部６ｂ，６ｄ，６ｆを、図１のスリットに代わりアーム部６′の幅方向に延びる薄肉部（例えば断面Ｖの字溝）４３、４４、４５で構成する。
【００５３】
また、並進対偶Ｐとなる平行四辺形リンク６ｃにおいては、一対の対偶１３を連結杆部１２でヒンジ部（くびれ部）４６，４７を介して連結している。
【００５４】
上記構成によれば、図１に示すマイクロマニピュレータと同様な機能を有し、三つのリンク機構でエンドエフェクタの３自由度の精密位置決め制御を実現することができる。
【００５５】
なお、以上の実施例の場合には、リンク機構６の製作については、プレスによる打ち抜き，折り曲げ加工のほかに、半導体を微細加工するエッチング（例えばフォトエッチング）技術を導入することも可能である。この場合には、リンク機構の材質はシリコンなどで構成される。
【００５６】
【発明の効果】
以上のように本発明の３自由度マイクロマニピュレータによれば、微細作業では並進３自由度が主たる動作になるという特性を有効に利用し、三つのリンク機構でエンドエフェクタの３自由度の精密位置決め制御を実現することができる。
【００５７】
これにより、操作が容易で高精度な位置決めを行い得るマイクロマニピュレータを低コストで得ることができる。
【００５８】
また、本発明によれば、機械加工が容易で製作費が安価な板金加工による一体化加工をツールとして、微細なリンク機構を形成することが可能となったので、マイクロマシンの組立等の実現を図ることができる。さらには、回転ジョイント、直動ジョイントの微小変位機構としても応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るマイクロマニピュレータの斜視図。
【図２】上記マイクロマニピュレータに用いるリンク機構の動作原理図。
【図３】上記マニピュレータに用いる三つのリンク機構の展開図。
【図４】回転対偶Ｒと並進対偶Ｐとの要素を示す原理図。
【図５】本実施例に係る回転対偶Ｒと並進対偶Ｐとの要素を示す原理図。
【図６】本実施例におけるリンク機構を駆動させる駆動機構を示す断面図およびそのＡ矢視図（部分平面図）。
【図７】本発明の他の実施例に係るマイクロマニピュレータのリンク機構を示す斜視図。
【符号の説明】
１…マイクロマニピュレータ、２…ベース部材、３…エンドエフェクタ、６…リンク機構、６ａ…可動プレート部、６ｂ，６ｄ，６ｆ…回転対偶Ｒ、６ｃ…並進対偶Ｐ（平行四辺形リンク）、７，８，９…スリット、７′，８′，９′…ヒンジ部、１０…打ち抜き孔、１０′…切り込みスリット、１１…スリット、６１…ピエゾ圧電素子。
【図１】
0003748395.tif 000002
【図２】
0003748395.tif 000003
【図３】
0003748395.tif 000004
【図４】
0003748395.tif 000005
【図５】
0003748395.tif 000006
【図６】
0003748395.tif 000007
【図７】
0003748395.tif 000008