JP2000296485A

JP2000296485A - マイクロマニピュレータ

Info

Publication number: JP2000296485A
Application number: JP11108303A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Hata; 良彰秦; Hideaki Nakanishi; 秀明中西
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1999-04-15
Filing date: 1999-04-15
Publication date: 2000-10-24
Also published as: US6424077B1

Abstract

(57)【要約】【課題】比較的簡単な構成で回転系の動作に伴って発
生する対象物の位置移動を解消することができ、また、
各アクチュエータを最小限の構成で実現することで小型
化されたマイクロマニピュレータを提供すること。【解決手段】互いに直交させて順次に連結された複数
のリニアアクチュエータ１０，２０，３０によって複数
の直進自由度を有する直進手段が形成される。また、一
端側が最終段のリニアアクチュエータ３０に結合される
とともに他端側がエンドエフェクタ５０の基部側に結合
され、エンドエフェクタ５０の姿勢を変化させる姿勢変
化手段として回転系アクチュエータ４０が設けられる。
回転系アクチュエータ４０によってエンドエフェクタ５
０の姿勢を変化させる際に、当該姿勢変化に伴う対象物
の位置移動を打ち消すように各リニアアクチュエータ１
０〜３０を駆動制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、細胞微小操作や
微小部品の組立作業等において、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す
る。

【０００２】

【従来の技術】細胞微小操作等の技術分野においては顕
微鏡下で細胞レベルでの微小な操作を行うために、従来
より様々なマイクロマニピュレータが使用されていた。

【０００３】従来のマイクロマニピュレータには、駆動
機構が操作側と駆動側の二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、超音波リニアモータを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
度を実現する超音波リニアモータ式マニピュレータ等が
ある。

【０００４】また、多自由度のマイクロマニピュレータ
ではロール、ピッチ、ヨー等の回転系の動作を行う際
に、微小な対象物の位置が動かないように姿勢のみを変
化させることが望ましい。このような観点から特開平１
０−１３８１８４号公報に開示されているように、エン
ドエフェクタの姿勢制御の回転運動を回転系アクチュエ
ータで行い、位置決めのための直進運動（並進運動）を
直進アクチュエータで行う構成とし、どのアクチュエー
タの運動も他のアクチュエータの運動と干渉することが
ないように構成することも考えられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
マイクロマニピュレータは、操作の対象物が微小である
にもかかわらず、アクチュエータ自体が大きく、また、
油圧・水圧機構やリンク機構の動力伝達機構が大きいた
め、マニピュレータ自体が大型化し、実際に使用する際
の不便さを招いている。

【０００６】また、上記公報のようなマニピュレータの
構成とした場合、複雑な制御を行うことなくエンドエフ
ェクタの位置移動を解消することは可能であるが、この
場合もリンク機構を含む機構部分の構成が複雑化するの
で、マニピュレータが大型化し、顕微鏡下等での微小な
作業空間内での作業等に適用することが困難であるとい
う問題を有する。

【０００７】ここで、従来のマニピュレータが大型化す
るのは、マニピュレータの各駆動機構に必要な機能的手
段がそれぞれ別個の部材で構成されていることに起因す
る。例えば、直進アクチュエータに着目すると、駆動力
を発生させる駆動手段、直進方向に移動を規制するリニ
アガイド、駆動手段による動力を伝達する駆動伝達機
構、直進方向への移動自在な移動部材等のそれぞれが別
個に構成されている場合が多く、さらに他の方向に対す
る直進アクチュエータを設置するためにステージ等を配
置することもあり、これら別個の部材を組み立てるだけ
でも相当な大きさになるのである。

【０００８】そこで、この発明は、上記課題に鑑みてな
されたものであって、比較的簡単な構成で回転系の動作
に伴って発生する対象物の位置移動を解消することがで
き、また、各アクチュエータを最小限の構成で実現する
ことで小型化を可能にするマイクロマニピュレータを提
供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、微小な対象物に対してエ
ンドエフェクタによる所定の作業を行うマイクロマニピ
ュレータであって、互いに直交させて順次に連結された
複数のリニアアクチュエータによって構成された複数の
直進自由度を有する直進手段と、一端側が前記複数のリ
ニアアクチュエータのうちの最終段のリニアアクチュエ
ータに結合されるとともに他端側が前記エンドエフェク
タの基部側に結合され、前記エンドエフェクタの姿勢を
変化させる姿勢変化手段と、前記姿勢変化手段によって
前記エンドエフェクタの姿勢を変化させる際に、当該姿
勢変化に伴う前記対象物の位置移動を打ち消すように前
記直進手段を駆動制御する補償制御手段とを備えるもの
である。

【００１０】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
のマイクロマニピュレータにおいて、前記複数のリニア
アクチュエータのそれぞれが、直動機構を構成するガイ
ド軸と、前記ガイド軸上をスライド可能なスライダと、
前記スライダを前記ガイド軸に沿って移動させる駆動手
段とを備えており、前記複数のリニアアクチュエータの
うち各前段側のリニアアクチュエータのスライダに各次
段のリニアアクチュエータの一端が連結されてなること
を特徴とするものである。

【００１１】請求項３に記載の発明は、請求項２に記載
のマイクロマニピュレータにおいて、前記複数のリニア
アクチュエータのそれぞれの駆動手段が、圧電素子で構
成されるものである。

【００１２】請求項４に記載の発明は、請求項３に記載
のマイクロマニピュレータであって、前記複数のリニア
アクチュエータのそれぞれの前記圧電素子が、前記ガイ
ド軸の端面に結合され、当該ガイド軸を非対称な速度で
往復移動させることによって前記スライダを相対的に慣
性移動させることを特徴とするものである。

【００１３】請求項５に記載の発明は、請求項１ないし
請求項４のいずれかに記載のマイクロマニピュレータで
あって、前記直進手段の駆動を停止した状態で前記姿勢
変化手段を駆動させる姿勢単独制御手段と、前記姿勢変
化手段によって前記エンドエフェクタの姿勢を変化させ
る際に、前記補償制御手段と前記姿勢単独制御手段との
一方を選択的に能動化する選択能動化手段とをさらに備
えるものである。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
面を参照しつつ説明する。

【００１５】＜１．マイクロマニピュレータの構成＞図
１は、この発明の一実施形態であるマイクロマニピュレ
ータ１の概略構成図である。なお、図１においてＸ，
Ｙ，Ｚは互いに直交する３軸を示している。

【００１６】マイクロマニピュレータ１は第１リニアア
クチュエータ１０と第２リニアアクチュエータ２０と第
３リニアアクチュエータ３０と回転系アクチュエータ４
０とエンドエフェクタ５０とを備えている。

【００１７】第１ないし第３リニアアクチュエータ１０
〜３０は互いに直交するように順次に連結されており、
複数の直進自由度が実現された直進手段として機能す
る。また、回転系アクチュエータ４０はその先端部分に
結合されたエンドエフェクタ５０の姿勢を任意の角度に
変化させることにより、そのエンドエフェクタ５０で支
持される微小な対象物の姿勢を変化させる姿勢変化手段
として機能する。

【００１８】第１リニアアクチュエータ１０は圧電素子
１１とスプライン軸１２とスライダ１３とを備えてお
り、Ｘ軸方向に沿ってスライダ１３を移動させることが
できるように構成されている。

【００１９】圧電素子１１は積層圧電セラミックス等に
よって構成され、外部に設けられる駆動回路からの電圧
の印加によってＸ軸方向に沿って伸縮動作を行う。そし
て圧電素子１１の一端側は図中斜線で示す固定部９に固
着されており、他端側はスプライン軸１２の端面に固着
されている。したがって、スプライン軸１２は圧電素子
１１の伸縮動作に伴ってその長手方向であるＸ軸方向に
移動する。なお、固定部９は、マイクロマニピュレータ
１の設置対象となる装置（例えば、顕微鏡等）における
部材である。

【００２０】また、スライダ１３はスプライン軸１２に
嵌め込まれており、スライダ１３の内部に装着された弾
性部材がスライダ１３とスプライン軸１２との間に一定
の摩擦を生じさせることにより、通常はスライダ１３が
スプライン軸１２に対して位置固定された状態となる。
なお、スプライン軸１２に設けられた凸部１２ａとスラ
イダ１３の凹部１３ａとが嵌合することにより、スライ
ダ１３のスプライン軸１２の周方向への回転を抑制でき
ることは言うまでもない。

【００２１】第２リニアアクチュエータ２０も第１リニ
アアクチュエータ１０と同様に、圧電素子２１とスプラ
イン軸２２とスライダ２３とを備え、Ｙ軸方向に沿って
スライダ２３を移動させることができるように構成され
ている。圧電素子２１の一端側は第１リニアアクチュエ
ータ１０のスライダ１３の側面部に固着されており、他
端側はスプライン軸２２の端面に固着されている。した
がって、スプライン軸２２は圧電素子２１の伸縮動作に
伴ってその長手方向であるＹ軸方向に移動する。なお、
圧電素子２１とスプライン軸２２とスライダ２３との連
結および構成は第１リニアアクチュエータ１０と同様で
ある。

【００２２】第３リニアアクチュエータ３０も上記各リ
ニアアクチュエータと同様であり、圧電素子３１とスプ
ライン軸３２とスライダ３３とを備えてＺ軸方向に沿っ
てスライダ３３を移動させることができるように構成さ
れている。そして圧電素子３１の一端側は第２リニアア
クチュエータ２０のスライダ２３に固着されており、他
端側はスプライン軸３２の端面に固着されている。した
がって、スプライン軸３２は圧電素子３１の伸縮動作に
伴ってＺ軸方向に移動する。なお、圧電素子３１とスプ
ライン軸３２とスライダ３３との連結および構成は他の
リニアアクチュエータと同様である。

【００２３】そして、第３リニアアクチュエータ３０の
スライダ３３にはＸ軸方向に沿って回転系アクチュエー
タ４０が固着されている。回転系アクチュエータ４０は
ステッピングモータ４１と回転板４２とピッチヨーアク
チュエータ４３と傾斜板４４とを備えている。

【００２４】ステッピングモータ４１は本体が小径の円
筒状に構成され、直進手段の最終段に設けられた第３リ
ニアアクチュエータ３０のスライダ３３に固定されてい
る。ステッピングモータ４１に対して外部に設けられる
駆動回路から通電が行われることにより、ステッピング
モータ４１の内部に設けられるロータに連結された回転
板４２がステッピングモータ４１の回転軸周りに回転す
るように構成されている。なお、図１においてはステッ
ピングモータ４１の回転軸はＸ軸に平行なように設けら
れているが、これに限定されるものではない。このステ
ッピングモータ４１により回転系の動作のうちのＸ軸に
平行な回転軸を中心とする回転動作（ローリング）が可
能になる。

【００２５】回転板４２にはピッチヨーアクチュエータ
４３の一端側が着設されており、このピッチヨーアクチ
ュエータ４３は回転板４２の回転に伴ってステッピング
モータ４１の回転軸を中心に回転する。そして、ピッチ
ヨーアクチュエータ４２の他端側には傾斜板４４がピボ
ット軸受の構成で配設されており、ピッチヨーアクチュ
エータ４２が駆動されることによって傾斜板４４はＹＺ
平面に平行な状態から任意の方向および角度に傾斜する
ように構成されている。このピッチヨーアクチュエータ
４３により回転系の動作のうちのＺ軸に平行な回転軸を
中心とする回転動作（ピッチング）とＹ軸に平行な回転
軸を中心とする回転動作（ヨーイング）が可能になる。

【００２６】そして回転系アクチュエータ４０の先端部
には、このマイクロマニピュレータ１のエンドエフェク
タ５０の基部側が接続配置されている。エンドエフェク
タ５０は微小な対象物に対して所定の操作を行うために
適した機構のものが採用される。例えば、ハンド機構を
備えるマイクログリッパや、ニードル等がエンドエフェ
クタ５０として使用される。

【００２７】マイクロマニピュレータ１は上記のように
構成されており、第１から第３リニアアクチュエータ１
０〜３０はエンドエフェクタ５０の位置をＸ，Ｙ，Ｚの
３軸方向に直進移動させることができ、回転系アクチュ
エータ４０はエンドエフェクタ５０をロール・ピッチ・
ヨーの３方向に回転移動させることができる。つまり、
上記のような構成とすることにより、エンドエフェクタ
５０を直進運動させるための３自由度と回転運動させる
ための３自由度との合計６自由度が実現されている。な
お、回転系３自由度は、ステッピングモータ４１による
ロール角運動と、ピッチヨーアクチュエータ４３による
ピッチ角およびヨー角運動とで実現される。

【００２８】したがって、マイクロマニピュレータ１の
構成を上記のようにすることでエンドエフェクタ５０を
任意の位置に移動させることが可能になるとともに、エ
ンドエフェクタ５０を任意の姿勢に変化させることも可
能になる。

【００２９】＜２．リニアアクチュエータの構成＞次に
第１リニアアクチュエータ１０の詳細構成について説明
する。図２は第１リニアアクチュエータ１０の断面図で
ある。スライダ１３の内部には、磁気抵抗素子１５とピ
ン１６と弾性部材１７とが設けられており、スプライン
軸１２の凸部１２ａには着磁パターン形成部１４が設け
られている。

【００３０】弾性部材１７は板ばね状部材の一端側がピ
ン１６によってスライダ１３の内部側に固定され、他端
側がその表面をスプライン軸１２に対して押し付けられ
ることにより構成されている。この弾性部材１７によ
り、スライダ１３とスプライン軸１２との間に一定の摩
擦力を発生させている。なお、弾性部材１７はその作用
効果としてスライダ１３とスプライン軸１２との間に一
定の摩擦力を発生させるものであればよいため、板ばね
状部材で構成することに限られず、バネやその他の部材
を用いてもよい。

【００３１】このように第１リニアアクチュエータ１０
のスライダ１３は弾性部材１７による一定の摩擦力によ
ってスプライン軸１２に固定された状態となっており、
スライダ１３にその摩擦力以上の力が作用することでＸ
軸に沿った方向に摺動する。具体的に説明すると、Ｘ軸
方向に沿っての駆動手段となる圧電素子１１が停止また
は緩やかな伸縮動作を行う場合には、スライダ１３に対
して弾性部材１７による摩擦力以上の力が作用しないた
め、スプライン軸１２に対するスライダ１３の位置は変
化しない。これに対して、圧電素子１１が瞬時に伸縮動
作を行う場合には、スライダ１３に対して弾性部材１７
による摩擦力以上の慣性力が作用するのでスプライン軸
１２に対するスライダ１３の位置は圧電素子１１の伸縮
方向と逆方向に移動するのである。

【００３２】スプライン軸１２の凸部１２ａに形成され
た着磁パターン形成部１４にはＸ方向に沿ってほぼ等間
隔で磁気パターンが形成されており、スライダ１３の内
部側であって着磁パターン形成部１４に対向して配置さ
れた磁気抵抗素子１５が、その磁気パターンの移動を検
出するように構成されている。したがって、スライダ１
３がスプライン軸１２に沿って移動すれば、その移動量
に応じた磁気パターンが磁気抵抗素子１５の近傍を通過
するので、磁気抵抗素子１５からはスライダ１５の移動
量に応じたパルス波形が得られるのである。

【００３３】このように構成された第１リニアアクチュ
エータ１０の動作について説明する。図３は圧電素子１
１に印加する電圧波形の一例としてのこぎり波形のよう
な非対称な電圧波形を示す図である。そして図３（ａ）
はスライダ１３を＋Ｘ方向に移動させる場合の電圧波形
を示しており、図３（ｂ）はスライダ１３を−Ｘ方向に
移動させる場合の電圧波形を示している。

【００３４】この実施の形態では、圧電素子１１に対し
て負の電圧が印加されれば圧電素子１１が収縮し、逆
に、圧電素子１１に対して正の電圧が印加されれば圧電
素子１１が伸長する。そして、その伸縮量は印加電圧の
絶対値（すなわち、大きさ）によって可変させることが
できる。このため、圧電素子１１に対する印加電圧を制
御することによってその伸縮量を制御することができ、
その結果、スプライン軸１２のＸ軸に沿った移動を制御
することが可能になる。

【００３５】例えば、図３（ａ）の電圧波形は立ち上が
り部において緩やかな傾斜を示し、立ち下がり部におい
て急峻な傾斜を示している。このため、のこぎり波形の
緩やかな立ち上がり部ではスプライン軸１２とスライダ
１３との間の摩擦力により、スライダ１３がスプライン
軸１２と一体となって圧電素子１１の伸縮量に応じてＸ
軸に沿って移動する。

【００３６】一方、図３（ａ）ののこぎり波形の急峻な
立ち下がり部では圧電素子１１は急激に元の位置に戻ろ
うとするのに対して、スライダ１３には移動後の位置に
留まろうとする大きな慣性力が生じ、この慣性力が摩擦
力よりも大きくなり、それによってスライダ１３とスプ
ライン軸１２との間にすべりが生じる。この結果、スラ
イダ１３がスプライン軸１２に対してすべりを生じた距
離分だけ相対的に＋Ｘ方向側に移動することになる。

【００３７】そして、図３（ａ）に示すようなのこぎり
波形を繰り返し圧電素子１１に与えることにより、スラ
イダ１３はスプライン軸１２に沿って段階的に＋Ｘ方向
側に移動していくのである。

【００３８】また、図３（ｂ）の電圧波形は図３（ａ）
の波形に対して逆極性となっている。つまり、図３
（ｂ）の電圧波形は負の方向への立ち上がり部において
緩やかな傾斜を示し、立ち下がり部において急峻な傾斜
を示している。このため、のこぎり波形の緩やかな立ち
上がり部ではスプライン軸１２とスライダ１３との間の
摩擦力により、スライダ１３がスプライン軸１２と一体
となって圧電素子１１の伸縮量に応じてＸ軸に沿って移
動する。圧電素子１１は負の電圧が印加されることによ
って収縮するので、図３（ｂ）の緩やかな立ち上がり部
では圧電素子１１はゆっくりと収縮する。これに対し
て、図３（ｂ）の急峻な立ち下がり部では、圧電素子１
１は収縮した状態から急激に元の状態に戻ろうとするた
め、スライダ１３には大きな慣性力が生じ、この慣性力
が摩擦力よりも大きくなり、それによってスライダ１３
とスプライン軸１２との間にすべりが生じる。この結
果、スライダ１３がスプライン軸１２に対してすべりを
生じた距離分だけ相対的に−Ｘ方向側に移動することに
なる。

【００３９】そして、図３（ｂ）に示すようなのこぎり
波形を繰り返し圧電素子１１に与えることにより、スラ
イダ１３はスプライン軸１２に沿って段階的に−Ｘ方向
側に移動していくのである。

【００４０】このように第１リニアアクチュエータ１０
は、駆動手段となる圧電素子１１を非対称な速度で往復
移動させることによって圧電素子１１に結合されたスプ
ライン軸１２を往復移動させることができ、それによっ
てスライダ１３を相対的に慣性移動させることが可能に
なる。換言すれば、第１リニアアクチュエータ１０は、
弾性部材１７によりスプライン軸１２とスライダ１３と
の間に生じる摩擦力とスライダ１３に作用する慣性力と
を有効に利用することでスライダ１３とスプライン軸１
２との間に所定方向のすべりを生じさせることができ、
その結果スライダ１３がスプライン軸１２に対して移動
するというスティックスリップ機構による駆動機構が構
成されているのである。

【００４１】なお、弾性部材１７によって一定の摩擦力
を発生させているので、圧電素子１１を駆動する際の印
加電圧を厳密に制御すれば、１回のすべりによってスラ
イダ１３が移動する移動量をほぼ一定値に制御すること
が可能である。換言すれば、印加電圧の電圧レベルや波
形の傾斜を制御すれば、１回のすべりによってスライダ
１３が移動する移動量を可変させることもできるのであ
る。例えば、電圧レベルを高く、かつ、急峻な立ち下が
り部の傾斜をより急峻なものとすれば、１回のすべりに
よって移動する移動量が大きくなるので、エンドエフェ
クタ５０を高速で移動させることが可能になる。逆に、
電圧レベルを低く、かつ、急峻な立ち下がり部の傾斜を
若干緩やかなものとすれば、１回のすべりによって移動
する移動量が小さくなるので、エンドエフェクタ５０を
低速で微少量ずつ移動させることが可能になる。

【００４２】また、圧電素子１１に対して上記のような
のこぎり波形を連続的に印加すると、スライダ１３の動
作は段階的に移動する粗動となる。これに対し、圧電素
子１１に印可する電圧値を制御することで、圧電素子１
１はその電圧値に応じた伸縮量を示すので、スライダ１
３の動作は微小範囲を連続的に移動する微動となる。し
たがって、リニアアクチュエータの駆動手段として圧電
素子を使用することで、粗動および微動を使い分けるこ
とが可能となり、スライダ１３の位置精度を高めること
が可能になる。

【００４３】そしてスプライン軸１２の凸部１２ａに形
成された着磁パターン形成部１４とスライダ１３の内部
に設けられた磁気抵抗素子１５とが一体となってリニア
エンコーダ１８が構成されており、スライダ１３の移動
に伴って磁気抵抗素子１５から移動量に応じたパルス信
号が発生する。そして、このパルス信号に基づいて所定
の演算を行うことで、スプライン軸１２に対するスライ
ダ１３の位置を検出することができるのである。

【００４４】以上、第１リニアアクチュエータ１０の構
成および動作について説明したが、第２リニアアクチュ
エータ２０および第３リニアアクチュエータ３０につい
ても同様の構成および動作である。このため、第２リニ
アアクチュエータ２０および第３リニアアクチュエータ
３０については説明を省略する。

【００４５】これら第１ないし第３リニアアクチュエー
タ１０〜３０は、上述のように電気的エネルギーとして
電圧の印加によって駆動制御されるように構成されてい
るので油圧や水圧の伝達系を備える必要がない。したが
って、制御系の伝達機構における配線系統のサイズを縮
小化することができ、マイクロマニピュレータ１の小型
化を図ることができる。

【００４６】また、第１ないし第３リニアアクチュエー
タ１０〜３０においては、スプライン軸が直進方向に移
動を規制するリニアガイドと駆動手段による動力を伝達
する駆動伝達機構との双方の機能を合わせ持つように実
現されていることからも明らかなように、リニアアクチ
ュエータとして必要な機能的手段が最小限の部材点数で
構成されているため、マイクロマニピュレータ１のさら
なる小型化を図ることが可能となっている。

【００４７】＜３．回転系アクチュエータの構成＞次に
回転系アクチュエータ４０の詳細構成について説明す
る。既述のように回転系アクチュエータ４０は、ロール
角についての第１の回転系駆動手段となるステッピング
モータ４１と、ピッチ角およびヨー角についての第２の
回転系駆動手段となるピッチヨーアクチュエータ４３と
を備えている。

【００４８】まず、ステッピングモータ４１について説
明する。図４はステッピングモータ４１の断面図であ
る。このステッピングモータ４１は本体部分を構成する
筒状体４１ａを有し、その筒状体４１ａの一端側にはエ
ンコーダ部４１ｂが連結接続されている。また、筒状体
４１ａの他端側には回転板４２が設けられている。

【００４９】筒状体４１ａの内部にはロータ６１とロー
タ軸６３とステータコイル６２とが設けられている。ス
テータコイル６２は筒状体４１ａの内壁に固定されてお
り、ロータ軸６３は筒状体４１ａの中心を貫通するよう
に配設され、そのロータ軸６３に対してロータ６１が固
定されている。ロータ６１はステータコイル６２に対し
て非接触であり、後述する駆動回路によってステータコ
イル６２への通電が制御されることでロータ軸６３を中
心にロータ６１を必要な方向に必要な角度だけ回転させ
ることが可能になる。そして、このロータ６１の回転に
伴ってロータ軸６３が一体となって回転し、ロータ軸６
３に連結された回転板４２が回転するのである。

【００５０】また、エンコーダ部４１ｂにおいては筒状
体４１ａからのロータ軸６３の先端付近に回転角検出用
のロータリエンコーダ板６４が固定されている。このロ
ータリエンコーダ板６４には回転方向に沿って一定の角
度ごとに所定の磁気信号が記録、または、所定形状のス
リットが形成されている。エンコーダ部４１ｂの内壁部
分には磁気抵抗素子または光電検出器等によって構成さ
れる位置検出器６５が取り付けられており、ロータリエ
ンコーダ板６４がロータ軸６３と一体となって回転する
際に、その回転角度に応じて所定のパルス信号を発生さ
せる。このように、エンコーダ部４１ｂの内部に設けら
れたロータリエンコーダ板６４と位置検出器６５とは、
このステッピングモータ４１による回転方向および回転
角度（ロール角）を検出するためのロータリエンコーダ
４１ｃを構成している。

【００５１】次に、ピッチヨーアクチュエータ４３につ
いて説明する。図５はピッチヨーアクチュエータ４３の
構成を示す概略図である。なお、図５ではその内部構造
を理解しやすくするために、本体部分を構成する筒状体
４３ａと傾斜板４４とを点線で表示している。

【００５２】筒状体４３ａの一端側（図５では下端側）
には底板４３ｂが固定されており、この底板４３ｂの裏
面側にステッピングモータ４１によって回転駆動される
回転板４２が連結される。そして、底板４３ｂの中心位
置には支持柱６６が底板４３ｂの表面に垂直となるよう
に着設されている。この支持柱６６の長手方向の寸法は
筒状体４３ａの長手方向の寸法よりも大きく設計されて
いるため、図５に示すように支持柱６６の先端部分は筒
状体６６の端部側から突出するようになる。

【００５３】支持柱６６の先端部分はピボット６６ａと
して形成されており、このピボット６６ａで傾斜板４４
の裏面中心位置を支持するように構成される。また、傾
斜板４４の裏面側と底板４３ｂの表面側との間には形状
記憶合金で形成された少なくとも３本のワイヤ６８ａ、
６８ｂ、６８ｃが張り渡されている。ワイヤ６８ａ〜６
８ｃの一端側は、ピボット６６ａによって支持される傾
斜板４４の中心位置を基準に均等な角度ごとに設定さ
れ、かつ、その中心位置から周方向に等しい距離だけ離
れた位置に連結される。一方、各ワイヤ６８ａ〜６８ｃ
の他端側が底板４３ｂに連結される位置も、傾斜板４４
に連結される位置と同様に、支持柱６６の中心位置を基
準に均等な角度ごとに、かつ、その中心位置から周方向
に等しい距離だけ離れた位置である。

【００５４】また、各ワイヤ６８ａ〜６８ｃには等しい
張力が与えられた状態で傾斜板４４と底板４３ｂとの間
に設けられている。したがって、通常状態においては各
ワイヤ６８ａ〜６８ｃの張力が釣り合っており、傾斜板
４４は支持柱６６に対して垂直な状態となって静止す
る。

【００５５】そして筒状体４３ａの傾斜板４４に対向す
る端部側であって各ワイヤ６８ａ〜６８ｃの近傍位置に
は、その位置において傾斜板４４との距離を検出する手
段として距離センサ６７ａ、６７ｂ、６７ｃが設けられ
ている。

【００５６】形状記憶合金で形成されたワイヤ６８ａ〜
６８ｃは後述する駆動回路より個別に通電されることに
よって加熱され、その結果、各ワイヤが収縮する。各ワ
イヤの収縮量は通電の際の電流値を個別に制御すること
で任意に調整することが可能である。

【００５７】そしてワイヤ６８ａ〜６８ｃのうちの任意
のワイヤに通電が行われることにより各ワイヤの張力の
釣り合いが崩れることになり、傾斜板４４が収縮するワ
イヤの張力によって引っ張られて支持柱６６に垂直な状
態から傾斜することになる。

【００５８】図６はこのようなピッチヨーアクチュエー
タ４３の動作を示す概略図であり、１本のワイヤ６８ａ
を含む断面を示している。図６（ａ）は各ワイヤ６８ａ
〜６８ｃの張力が釣り合っている状態であり、図６
（ｂ）はワイヤ６８ａに通電されて傾斜板４４が傾斜し
た状態である。３本のワイヤ６８ａ〜６８ｃのうちの任
意の１本のワイヤに通電を行うと、そのワイヤの設置さ
れた方向側に傾斜板４４が傾斜する。また、３本のワイ
ヤ６８ａ〜６８ｃのうちの任意の２本のワイヤに等しく
通電を行うと、その２本のワイヤの設置位置の中心方向
側に傾斜板４４が傾斜する。そして、２本のワイヤへの
通電を個別に制御すれば任意の方向に傾斜板４４を傾斜
させることが可能になるとともに、その傾斜角度を任意
の角度に調整することもできる。

【００５９】そしてワイヤ６８ａの近傍位置に設置され
た距離センサ６７ａは、図６（ａ）に示すような張力の
釣り合い状態において傾斜板４４との距離ｄ１を検出
し、また、図６（ｂ）に示すような傾斜状態において傾
斜板４４との距離ｄ２を検出する。また、他の距離セン
サ６７ｂ、６７ｃについても同様である。したがって、
各距離センサ６７ａ〜６７ｃが傾斜板４４のどの位置に
対応して設置されているかは設計上既知であるため、各
距離センサ６７ａ〜６７ｃの検出結果に基づいて所定の
演算を行えば、傾斜板４４の傾斜方向および傾斜角度を
導くことが可能になる。

【００６０】ここで、距離センサ６７ａの構成について
説明する。図７はピッチヨーアクチュエータ４３の先端
部分の拡大図である。距離センサ６７ａは小型の三角測
距式の光センサとして構成されており、発光素子７１と
受光素子７２と基板７３とマイクロレンズ７４，７５と
を備える。発光素子７１と受光素子７２とは基板７３上
に実装されており、基板７３は距離センサ６７ａの内部
に固定される。そして発光素子７１からの光はマイクロ
レンズ７４によって傾斜板４４の裏面側４４ｂに照射さ
れ、傾斜板４４の裏面側４４ｂで拡散反射した反射光が
マイクロレンズ７５によって受光素子７３に投影され
る。

【００６１】受光素子７３の光検出面は、傾斜板４４の
傾斜角が変化するのに伴って反射光の光束が移動する方
向に２つの検出面を有するように２分割で構成され、分
割された各検出面はそれぞれに受光する反射光量を検出
することができるようになっている。そして、分割され
た各検出面からの出力比を参照することによって反射光
の光束の重心が２分割された検出面のいずれに位置する
かを識別することができる。この光束の重心位置は傾斜
板４４と距離センサ６７ａとの距離と相関関係があるた
め、２分割された各検出面からの出力比を求めることに
より、傾斜板４４との距離を導くことが可能になる。

【００６２】以上は距離センサ６７ａの構成であるが、
他の距離センサ６７ｂ、６７ｃについても同様の構成で
ある。

【００６３】そして、３つの距離センサ６７ａ〜６７ｃ
から得られる距離情報から所定の演算を行うことによ
り、傾斜板４４の傾斜方向および傾斜角度を求めること
が可能になるのである。

【００６４】傾斜板４４の傾斜角が変化すると、傾斜板
４４への発光素子７１からの光の入射角が変化するが、
各距離センサ６７ａ〜６７ｃでは傾斜板４４の裏面側４
４ｂでの拡散反射光を検出するように構成しているた
め、問題なく傾斜板４４との距離を測定することができ
るのである。また、この距離センサ６７ａ〜６７ｃは測
定する距離（傾斜板４４の裏面側４４ｂとマイクロレン
ズ７４との距離）が１ｍｍ前後であるため、三角測距の
基線長（マイクロレンズ７４，７５間の距離）が２００
〜３００μｍ程度であっても高精度の距離測定が可能で
あり、距離センサ自体を非常に小型に構成することがで
きる。

【００６５】なお、受光素子７２の検出面を２分割する
ことなく１つの検出面で構成し、傾斜板４４からの反射
光量を測定してその反射光量から傾斜板４４と各距離セ
ンサ６７ａ〜６７ｃとの距離を測定することも可能であ
る。

【００６６】ピッチヨーアクチュエータ４３は以上のよ
うに構成されており、各ワイヤ６８ａ〜６８ｃに対する
通電の制御を行うことによって傾斜板４４を任意の方向
および角度に傾斜させることができるとともに、距離セ
ンサ６７ａ〜６７ｃによって傾斜板４４の傾斜方向およ
び傾斜角度を検出することができるように構成されてい
る。

【００６７】そして、回転系アクチュエータ４０は、ス
テッピングモータ４１によりＸ軸に平行な回転軸を中心
としてロール角方向にエンドエフェクタ５０を回転駆動
させることができ、また、ピッチヨーアクチュエータ４
３によりＹ軸に平行な回転軸を中心としてピッチ角方向
と、Ｚ軸に平行な回転軸を中心としてヨー角方向とに対
してエンドエフェクタ５０を回転駆動させることができ
るのである。

【００６８】また、回転系アクチュエータ４０を構成す
るステッピングモータ４１およびピッチヨーアクチュエ
ータ４３は、上述のように電気的エネルギーとして通電
が行われることによって駆動制御されるように構成され
ているので油圧や水圧の伝達系を備える必要がなく、制
御系の伝達機構における配線系統のサイズを縮小化する
ことが可能になり、マイクロマニピュレータ１の小型化
を図ることができる。

【００６９】＜４．マイクロマニピュレータの動作＞次
に、マイクロマニピュレータ１の動作について説明す
る。図８はマイクロマニピュレータ１を上方から見た図
である。なお、図８では対象物５５を保持するエンドエ
フェクタ５０が水平面内（ＸＹ平面内）においてヨー角
方向に動作させた場合を例示している。

【００７０】図９は、図８における傾斜板４４、エンド
エフェクタ５０および対象物５５の拡大図である。図９
に示すようにピッチヨーアクチュエータ４３が駆動さ
れ、傾斜板４４がＺ軸に平行な鉛直方向の回転軸周りに
角度θだけ傾斜している。なお、図９には傾斜板４４を
傾斜させる前の状態を点線で示している。

【００７１】図９に示すように傾斜板４４が傾斜する際
の回転中心は対象物５５の外部に位置するため、ピッチ
ヨーアクチュエータ４３が動作することにより対象物５
５の姿勢が角度θに応じて変化するとともに、ＸＹ平面
内における位置も変化することになる。つまり、ピッチ
ヨーアクチュエータ４３の動作によって、対象物５５は
ヨー回転θの動作のみならず、ベクトルＨで示すように
水平方向への移動動作も同時に行うことになる。この水
平方向（ベクトルＨ）の移動はマイクロオペレーション
には必要のない動作である。

【００７２】そこで、この実施の形態では回転系アクチ
ュエータ４０を駆動することによる対象物５５の水平方
向の移動を打ち消すように第１ないし第３リニアアクチ
ュエータ１０〜３０を動作させることで回転系アクチュ
エータ４０を駆動した際に対象物５５が水平方向に移動
する問題を解消するのである。

【００７３】図１０は、第１および第２リニアアクチュ
エータ１０，２０を動作させて水平方向のベクトルＨを
相殺する動作を示す図である。

【００７４】まず、ピッチヨーアクチュエータ４３を駆
動してエンドエフェクタ５０に対してヨー動作（図９に
示す角度θの回転動作）を行わせる場合、実際のヨー動
作に先立って、対象物５５の姿勢を変化させるための角
度θに基づいてヨー動作のみを行う際の対象物５５の移
動軌跡であるベクトルＨを予測する。そして、そのベク
トルＨを第１リニアアクチュエータ１０の駆動方向であ
るＸ軸方向成分と第２リニアアクチュエータ２０の駆動
方向であるＹ軸方向成分とに分解する。

【００７５】そして、Ｘ軸方向成分とＹ軸方向成分とに
分解して得られた各ベクトルと逆方向のベクトルＣ１，
Ｃ２を求める（図１０参照）。このベクトルＣ１が第１
リニアアクチュエータ１０を駆動する際の駆動量であ
り、ベクトルＣ２が第２リニアアクチュエータ２０を駆
動する際の駆動量である。したがって、このようにして
求められたベクトルＣ１，Ｃ２に基づいて、実際にヨー
動作を行わせる際に、第１および第２リニアアクチュエ
ータ１０、２０を同時駆動すれば、エンドエフェクタ５
０に保持された対象物５５は水平方向の移動を伴うこと
なく、その姿勢のみを変化させることが可能になる。

【００７６】なお、上記の例では説明を簡単にするため
に、回転系アクチュエータ４０のヨー動作のみについて
説明したが、これに限定されるものではなく、他の回転
系動作や各回転系動作を組み合わせた動作にも適用する
ことができ、マイクロマニピュレーションに必要なロー
ル、ピッチ、ヨーの動作以外に発生する不必要な位置移
動ベクトルは、第１ないし第３リニアアクチュエータ１
０〜３０を個別に駆動して３軸方向の直進動作を組み合
わせることで打ち消す（補償する）ことが可能である。

【００７７】ここで、エンドエフェクタ５０の姿勢の変
化を打ち消すための直進動作量（上記のベクトルＣ１，
Ｃ２）を求める一例について概説する。なお、エンドエ
フェクタ５０の姿勢を定量的に表現する角度量として
は、上述のようなロール，ピッチ，ヨーからなる角度系
の他、天頂角、方位角等の任意の角度系を採用してもよ
いことは勿論であるが、ここでは理解を容易にするため
に、角座標軸への方向余弦を用いて説明する。任意の角
度系間における相互変換の原理は周知であるから、以下
の表現形式を他の角度系で表現するときにはその変換式
を適用すればよい。

【００７８】図１１はエンドエフェクタ５０とＸＹＺの
各軸との間の角度α，β，γを示す図である。角度αは
エンドエフェクタ５０とＸ軸との角度を示しており、角
度βはエンドエフェクタ５０とＹ軸との角度を示してお
り、さらに角度γはエンドエフェクタ５０とＺ軸との角
度を示している。また、エンドエフェクタ５０がローリ
ング等の回転動作を行う際の回転中心位置（この実施の
形態では傾斜板４４のピボット６６ａ）からエンドエフ
ェクタ５０の作業点（エンドエフェクタ５０が支持する
対象物５５の中心位置）までの揺動を行う有効長をＬと
する。

【００７９】姿勢変化前のエンドエフェクタ５０の作業
点のＸＹＺ軸への方向余弦をそれぞれ、ｃｏｓα0，ｃ
ｏｓβ0，ｃｏｓγ0と定義すると、この状態でのエンド
エフェクタ５０の作業点の座標（Ｘ0，Ｙ0，Ｚ0）は、
その回転中心位置を原点として、Ｘ0＝Ｌ・ｃｏｓα0 Ｙ0＝Ｌ・ｃｏｓβ0 Ｚ0＝Ｌ・ｃｏｓγ0 となる。一方、位置移動を打ち消すことなく、つまり補
償を行うことなくエンドエフェクタ５０の姿勢を変化さ
せたとき、この姿勢変化後のエンドエフェクタ５０の作
業点のＸＹＺ軸への方向余弦をそれぞれ、ｃｏｓα1，
ｃｏｓβ1，ｃｏγ1と定義すると、この状態でのエンド
エフェクタ５０の作業点の座標（Ｘ1，Ｙ1，Ｚ1）は、Ｘ1＝Ｌ・ｃｏｓα1 Ｙ1＝Ｌ・ｃｏｓβ1 Ｚ1＝Ｌ・ｃｏｓγ1 となる。

【００８０】したがって、姿勢変化に伴うエンドエフェ
クタ５０の作業点の各軸方向への位置移動量は、Ｘ1−Ｘ0＝Ｌ・（ｃｏｓα1−ｃｏｓα0）Ｙ1−Ｙ0＝Ｌ・（ｃｏｓβ1−ｃｏｓβ0）Ｚ1−Ｚ0＝Ｌ・（ｃｏｓγ1−ｃｏｓγ0）となり、これが上述したベクトルＨに相当する。そし
て、ＸＹＺ軸のそれぞれの方向につき、 −（Ｘ1−Ｘ0），−（Ｙ1−Ｙ0），−（Ｚ1−Ｚ0）だけエンドエフェクタ５０を直進駆動するようにすれ
ば、姿勢変化に伴う作業点の位置移動を打ち消して補償
することが可能になる。

【００８１】このような直進駆動は、姿勢変化の前後に
おいては適切に対象物の位置移動が補償されたものとな
るが、マイクロマニピュレーションにおいては、その姿
勢変化の途中においても対象物の位置移動を補償するこ
とがより好ましい。そこで、所定の微小間隔でこの姿勢
変化量および直進駆動量を補間しつつ互いに同期して駆
動制御を行えば、姿勢変化の途中においても対象物の位
置移動を補償することが可能になる。

【００８２】すなわち、角度α，β，γの微小変化量Δ
α，Δβ，Δγに対応するＸＹＺの各軸方向成分の微小
増加分ΔＸ，ΔＹ，ΔＺは、一般的な関係式Ｘ＝Ｌ・ｃｏｓα Ｙ＝Ｌ・ｃｏｓβ Ｚ＝Ｌ・ｃｏｓγ の微分形式として、 ΔＸ＝−Ｌ・ｓｉｎα・Δα ΔＹ＝−Ｌ・ｓｉｎβ・Δβ ΔＺ＝−Ｌ・ｓｉｎγ・Δγ のように表現されるから、エンドエフェクタ５０の姿勢
変化に応じて角度α，β，γが微小変化量Δα，Δβ，
Δγだけ変化するごとにＸＹＺの各軸方向にそれぞれ
（−ΔＸ），（−ΔＹ），（−ΔＺ）だけエンドエフェ
クタ５０を直進駆動させれば、姿勢変化の途中において
も対象物の位置移動を補償することができるのである。

【００８３】＜５．マイクロマニピュレータの制御機構
＞次に、上記のような動作を行わせるための制御手段と
なる制御機構について説明する。図１２および図１３は
マイクロマニピュレータ１の制御機構を示すブロック図
であり、図１２は第１の構成例を示しており、図１３は
第２の構成例を示している。

【００８４】まず、第１の構成例について説明する。図
１２に示すように、第１の制御機構は各アクチュエータ
を駆動させるために操作入力部８１とアクチュエータ駆
動量計算部８５とアクチュエータ駆動回路８６とピッチ
・ヨー角計算部８７と姿勢演算部８８とを備える。

【００８５】なお、図１２において一点鎖線で囲まれる
部分は上述したマイクロマニピュレータ１の各駆動機構
の構成部分を示している。圧電素子１１とリニアエンコ
ーダ１８とはそれぞれ第１リニアアクチュエータ１０に
設けられたＸ軸方向についての駆動手段と移動量検出手
段であり、圧電素子２１とリニアエンコーダ２８とはそ
れぞれ第２リニアアクチュエータ２０に設けられたＹ軸
方向についての駆動手段と移動量検出手段であり、さら
に、圧電素子３１とリニアエンコーダ３８とはそれぞれ
第３リニアアクチュエータ３０に設けられたＺ軸方向に
ついての駆動手段と移動量検出手段である。

【００８６】操作入力部８１は操作者が対象物５５やマ
イクロマニピュレータ１のエンドエフェクタ５０（また
は対象物５５）に行わしめる操作動作を設定入力するた
めのインタフェース部であり、キーボードやポインティ
ングデバイス等で構成される。この操作入力部８１で設
定入力される操作動作に関する情報を操作情報という。

【００８７】アクチュエータ駆動量計算部８５は、第１
ないし第３リニアアクチュエータ１０〜３０および回転
系アクチュエータ４０のステッピングモータ４１とピッ
チヨーアクチュエータ４３とによって実現される６自由
度の各自由度ごとにアクチュエータの駆動量を計算す
る。つまり、このアクチュエータ駆動量計算部８５は各
アクチュエータを駆動する際の駆動量決定手段として機
能するのである。

【００８８】アクチュエータ駆動回路８６は、アクチュ
エータ駆動量計算部８５で導かれる各アクチュエータご
との駆動量に基づいて、第１ないし第３リニアアクチュ
エータ１０〜３０、ステッピングモータ４１、ピッチヨ
ーアクチュエータ４３のそれぞれに対して個別に駆動制
御を行う駆動制御手段である。

【００８９】ピッチ・ヨー角計算部８７は、ピッチヨー
アクチュエータ４３に設けられた距離センサ６７ａ〜６
７ｃで検出される各距離センサと傾斜板４４との距離情
報からエンドエフェクタ５０のピッチ角およびヨー角を
計算する。

【００９０】姿勢演算部８８は、リニアエンコーダ１
８，２８，３８のそれぞれで検出されるＸ，Ｙ，Ｚの各
軸方向に沿った移動量と、ロータリエンコーダ４１ｃで
検出されるロール角と、ピッチ・ヨー角計算部８７で導
出されるピッチ角とヨー角とに基づいて所定の演算を行
うことによって、エンドエフェクタ５０（または対象物
５５）の姿勢および位置をリアルタイムに求める。した
がって、この姿勢演算部８８では、マイクロマニピュレ
ータ１の６自由度に関し、エンドエフェクタ５０（また
は対象物５５）が現在どのような姿勢であり、また、ど
のような位置に存在しているのかが導かれるのである。
そして、演算によって導かれた姿勢と位置とに関する情
報（姿勢位置情報）は、アクチュエータ駆動量計算部８
５にフィードバックされるように構成されている。

【００９１】そして、アクチュエータ駆動量計算部８５
では、操作入力部８１から入力されたエンドエフェクタ
５０に関する操作情報と姿勢演算部から得られる現在の
姿勢位置情報とに基づいて、随時に各アクチュエータを
どれだけ駆動する必要があるかを計算することで駆動量
を求める。ここでの計算には、回転系アクチュエータ４
０の動作に伴って発生する不必要な位置移動を補償する
ために必要となる第１〜第３リニアアクチュエータ１０
〜３０の駆動量の計算も含まれる。

【００９２】つまり、アクチュエータ駆動量計算部８５
は、操作情報から回転系アクチュエータ４０を駆動させ
る際の回転方向の駆動量を求め、その回転方向の駆動量
から各リニアアクチュエータを駆動させない場合におけ
る対象物５５の移動軌跡を求める。そして、その移動軌
跡をＸＹＺの各軸方向成分に分解することで各リニアア
クチュエータを駆動させる際の駆動量を求めるのであ
る。

【００９３】したがって、このアクチュエータ駆動量計
算部８５は、マイクロマニピュレータ１を動作させる際
に不必要な対象物５５の位置移動を補償する手段として
機能するのである。また、アクチュエータ駆動回路８６
は、アクチュエータ駆動量計算部８５から随時入力され
る各アクチュエータごとの駆動量に基づいて、個別に駆
動制御を行うのである。

【００９４】このように制御機構を構成することによっ
て、各アクチュエータが駆動された結果はリニアエンコ
ーダ１８，２８，３８とロータリエンコーダ４１ｃと距
離センサ６７ａ，６７ｂ，６７ｃとの出力に反映され、
これらの出力の変化に基づいて各アクチュエータをフィ
ードバック制御することが可能になる。そしてその結
果、操作入力部８１に設定入力された操作動作が正確に
対象物５５に与えられることになるのである。

【００９５】このような図１２に示す制御機構、すなわ
ち操作入力部８１とアクチュエータ駆動量計算部８５と
アクチュエータ駆動回路８６とピッチ・ヨー角計算部８
７と姿勢演算部８８とを備える制御機構は、回転系アク
チュエータ４０によってエンドエフェクタ５０の姿勢を
変化させる際に、その姿勢変化に伴う対象物の位置移動
を打ち消すように直進手段である各リニアアクチュエー
タの駆動制御を行う補償制御手段として作用するのであ
る。

【００９６】次に、第２の構成例について説明する。図
１３に示すように、第２の制御機構は、第１の構成例に
画像入力および画像解析の機能を組み込んだ構成であ
り、上述の構成に加えて、画像入力部８２と画像解析部
８３と表示部８４とを備える。

【００９７】なお、図１３においても一点鎖線で囲まれ
る部分は上述したマイクロマニピュレータ１の各駆動機
構の構成部分を示している。

【００９８】画像入力部８２はカメラ等によって構成さ
れ、マイクロマニピュレータ１のエンドエフェクタ５０
および対象物５５の状態を撮像することで画像入力を行
う。そして、入力する画像から、画像解析部８３に与え
る画像解析用の画像データと表示部８４に与える表示用
の画像データとを生成し、それらを画像解析部８３と表
示部８４とに供給する。画像データはその用途により２
次元画像データまたは３次元画像データとなる。

【００９９】画像解析部８３は画像入力部８２から画像
解析用として供給される２次元または３次元の画像デー
タを解析し、エンドエフェクタ５０（または対象物５
５）の現在の姿勢や位置を求める。また、画像解析部８
３には操作入力部８１から対象物５５についての操作情
報が入力される。そして、操作情報に示される姿勢およ
び位置が目標となる最終の状態であり、画像データから
得られる姿勢および位置が現在の状態であることから、
画像解析部８３においては操作情報に基づいて画像デー
タを解析することにより対象物５５の現在状態と目標状
態との差を求めることができる。そして、現在状態と目
標状態との差はアクチュエータ駆動量計算部８５に与え
られる。

【０１００】表示部８４はＣＲＴや液晶ディスプレイ等
の画像表示手段であり、操作者に対してエンドエフェク
タ５０（または対象物５５）の現状および操作入力部８
１から設定入力される内容を表示する機能を有する。し
たがって、操作者は対象物５５の現在の画像を目視しな
がらエンドエフェクタ５０をどのように駆動させるかを
容易に決定することができ、また、画面に表示されるカ
ーソル等を使っての設定入力やキーボードでの数値入力
を画面を確認しながら行うことが可能になる。

【０１０１】なお、操作入力部８１としてポインティン
グデバイスを使用する場合、画像データの種類に応じて
２次元用または３次元用のものを使い分ければよいが、
２次元用と３次元用との双方に使用可能なデバイスを使
用することも可能である。

【０１０２】そして、アクチュエータ駆動量計算部８５
では画像解析部８３から得られる現在状態と目標状態と
の差に基づいて各アクチュエータの必要な駆動量が計算
される。この計算結果はアクチュエータ駆動回路８６に
入力され、各アクチュエータが必要な駆動量だけ駆動さ
れる。各アクチュエータが駆動された結果はリニアエン
コーダ１８，２８，３８とロータリエンコーダ４１ｃと
距離センサ６７ａ，６７ｂ，６７ｃとの出力に反映さ
れ、これらの出力の変化に基づいて各アクチュエータを
フィードバック制御することが可能になる。そしてその
結果、操作入力部８１に設定入力された操作動作が正確
に対象物５５に与えられるのである。

【０１０３】このような構成によって行われる制御例は
いくつかのものが挙げられる。

【０１０４】例えば、第１の制御方法として、リニアエ
ンコーダ１８，２８，３８とロータリエンコーダ４１ｃ
と距離センサ６７ａ，６７ｂ，６７ｃとの出力から対象
物５５を操作するのに必要な移動量が検出された時点で
駆動を完了する制御方法が考えられる。また、第２の制
御方法として、対象物５５に与えられる操作動作の最終
段階において画像入力部８２がその時点での対象物５５
を撮像し、その最終段階の画像データに基づいて画像解
析部８３が対象物５５の最終段階の状態と目標状態との
残差を求めて、その残差に基づいて各アクチュエータに
対する駆動を行う制御方法が考えられる。さらに、第３
の制御方法として、画像入力部８２が常に対象物５５を
撮像し、画像解析部８３が対象物５５に対する操作の途
中の段階においても常に画像解析を行い、その画像解析
した結果をもとに各アクチュエータの駆動量を逐次計算
していくという制御方法も考えられる。第２および第３
の制御方法では、時間経過に応じて移動する対象物５５
を追跡して制御を行うというものであるため、操作入力
部８１から追跡の対象となる対象物５５を予め指定して
おけばよい。

【０１０５】そして、これらいずれの制御方法であって
も第１の構成例の場合と同様に、アクチュエータ駆動量
計算部８５では、各アクチュエータの駆動量を計算する
際に、回転系アクチュエータ４０の動作に伴って発生す
る不必要な位置移動を相殺するために必要となる第１〜
第３リニアアクチュエータ１０〜３０の駆動量も計算さ
れる。

【０１０６】なお、上記第１ないし第３の制御方法のう
ちのいずれの制御方法も適用可能であるが、対象物５５
に対する高精度な位置および姿勢の制御が望まれる場合
には、第２または第３の制御方法を採用することが望ま
しい。同種の作業を繰返し行う場合は、操作入力部８１
から作業プログラムを画像解析部８３に入力し、第２ま
たは第３の制御方法により自動運転を行うことも可能で
ある。

【０１０７】このように図１３に示す制御機構も、回転
系アクチュエータ４０によってエンドエフェクタ５０の
姿勢を変化させる際に、その姿勢変化に伴う対象物の位
置移動を打ち消すように直進手段である各リニアアクチ
ュエータの駆動制御を行う補償制御手段として作用する
のである。

【０１０８】以上、マイクロマニピュレータ１の制御機
構を示したが、第１の構成例と第２の構成例とのいずれ
を採用しても、フィードバック制御系が実現されている
ため、高精度にエンドエフェクタ５０の駆動を制御する
ことができる。また、上記のような各制御機構が補償制
御手段として機能することで、回転系アクチュエータ４
０の動作に伴って発生するエンドエフェクタ５０（また
は対象物５５）の不必要な位置移動を相殺することが可
能になる。

【０１０９】＜６．マイクロマニピュレータの小型化＞
この実施の形態で説明したマイクロマニピュレータ１
は、直進系の自由度と回転系の自由度とを組み合わせた
多自由度のマイクロマニピュレータであって、リニアア
クチュエータと回転系アクチュエータとの各動作が合成
された動作で、対象物５５に対して必要な動作のみを与
えるように構成されているので、個々のアクチュエータ
の動作が他のアクチュエータの動作に干渉することを防
止するための複雑な機構・構成が不要になる。したがっ
て、この実施形態においては最小限の構成でマイクロマ
ニピュレータ１を実現することが可能になり、多自由度
のマイクロマニピュレータ１を顕微鏡の載物台の上に自
由に設置することができる程度にまで容易に小型化を行
うことができる。このため、従来では場所的な制限や重
量による制限、他の機械装置との干渉が生じるためにマ
イクロマニピュレータを導入することが困難であったと
ころであっても、この実施の形態で説明したマイクロマ
ニピュレータ１を設置することができるのである。

【０１１０】また、マイクロマニピュレータ１は小型軽
量であることから組立ロボットの手先部分に装着するこ
とも容易であるので、微細部品の超精密組立への適用も
可能である。また、各機構の構成部品も小型化すること
ができ、マイクロマニピュレータ１全体の低コスト化や
省資源化をも行う実現できるとともに、さらに廃棄時の
環境に与える影響をも低減するという効果が得られる。

【０１１１】なお、この実施形態で示したマイクロマニ
ピュレータ１のように複数のリニアアクチュエータを直
列的に順次に結合接続する構成、すなわち、第１リニア
アクチュエータ１０のスライダ１３に対して第２リニア
アクチュエータ２０を連結し、第２リニアアクチュエー
タ２０のスライダ２３に対して第３リニアアクチュエー
タ３０を連結する構成は、一般的に機構設計上の精度確
保の困難さや機構全体としての剛性の低下等の観点から
は問題の多い構成と考えられるが、小型のマイクロマニ
ピュレータという分野に絞って考えると上記のような問
題は無視できる程度であると考えられる。

【０１１２】また、精度確保の面で考えると、第１ない
し第３リニアアクチュエータ１０，２０，３０の個々の
スライダ１３，２３，３３は、直進性が高く、がたつき
の少ないことが必要であるが、ＸＹＺのそれぞれの寸法
が例えば２０ｍｍ×２０ｍｍ×２０ｍｍ程度の微小な寸
法で実現されると、スライダとスプライン軸との摺動面
の平面性や形状精度を高度に保つべき領域が微小な領域
でよいので、高精度加工によって部品製作を行っても部
品コストを低く抑えることが可能である。

【０１１３】また、剛性の面で考えると、マイクロマニ
ピュレータの場合は操作対象となる対象物の質量や実際
の操作によって生じる動作負荷は極めて小さいので、マ
イクロマニピュレータの機構自体の剛性や質量が重要と
なる。そして、この実施の形態に示したマイクロマニピ
ュレータ１の場合、機構要素として最小限の構成で必要
な多自由度を実現しているので、部品点数が少なくて済
み、かつ、部品寸法も小さくすることができるため、軽
量化を図ることができるので、剛性の面からも優れたマ
イクロマニピュレータとなる。

【０１１４】さらに、第１ないし第３リニアアクチュエ
ータ１０，２０，３０における各スプライン軸１２，２
２，３２のたわみを考える。スプライン軸の曲げ剛性に
よるたわみ量δは、一般に、 δ＝ｍＷｌ³／ＥＩで表される。そして、一般に装置全体の寸法を１／２に
するとスプライン軸の曲げ剛性ＥＩ（Ｅはスプライン軸
材料のヤング率、Ｉはスプライン軸の断面２次モーメン
ト）は１／１６になる。また、スプライン軸のたわみ量
δはスプライン軸の長さの３乗に比例する。したがっ
て、荷重Ｗが一定であるとすると、寸法を１／２にした
場合にはスプライン軸のたわみ量δは２倍になる。とこ
ろが、寸法を１／２にした場合にはスプライン軸に設置
される他のアクチュエータを含めた体積は１／８にな
り、同種の材料を使用するならば質量も１／８になる。
このため寸法を１／２にした場合、実際には荷重Ｗが１
／８になるので、たわみ量δは１／４になるのである。
したがって、この実施の形態で示したようなマイクロマ
ニピュレータ１は微小な構成で実現されるので、各スプ
ライン軸のたわみ量も少なく精度の高いマニピュレーシ
ョンが可能になる。

【０１１５】このようにマイクロマニピュレータ１は、
装置全体を容易に小型化することができるような構成と
なっており、その構成によって低コスト化を図ることが
できるとともに、精度と剛性の確保についても有効なも
のとなっている。

【０１１６】＜７．モード選択＞上記においては、比較
的簡単な構成で回転系の動作に伴って発生する対象物の
位置移動を解消するとともに、各アクチュエータを最小
限の構成で実現したマイクロマニピュレータ１について
説明した。

【０１１７】しかしながら、マイクロマニピュレータ１
はその駆動制御によって回転系の動作に伴って発生する
対象物の位置移動を解消するものであるため、その制御
内容を変更すれば、対象物の位置移動をそのまま許容す
るような動作を行うことも当然に可能である。

【０１１８】したがって、上述の制御機構において、回
転系の動作に伴って発生する対象物の位置移動を解消す
るための第１の駆動制御モードと、対象物の位置移動を
そのまま許容するように直進手段の駆動を停止した状態
で回転系アクチュエータのみを駆動させる第２の駆動制
御モードとの２つの制御モードを用意しておけば、対象
物の位置移動を補償する動作と補償しない動作とを使い
分けることも可能である。

【０１１９】そしてこの場合、操作者がマイクロマニピ
ュレータ１を操作する際に、操作入力部８１からいずれ
かの制御モードを選択入力することによって、制御機構
が上述のいずれかの駆動制御モードに基づいて動作制御
を行うことになる。

【０１２０】具体的には、上述の制御機構が、上述の補
償制御手段としてだけでなく、第１ないし第３リニアア
クチュエータ１０〜３０からなる直進手段の駆動を停止
した状態で回転系アクチュエータ４０を駆動させる姿勢
単独制御手段としても機能するものであり、これらいず
れの手段が能動化されるかは、能動化手段としても機能
する操作入力部８１からの選択入力に基づいて決定され
るのである。

【０１２１】＜８．変形例＞以上、この発明の一実施形
態について説明したが、この発明は上記説明のものに限
定されるものではない。

【０１２２】例えば、上記説明においては互いに直交す
る３軸方向への駆動を実現するために、３つのリニアア
クチュエータを互いに直交させて順次に連結することに
よって直進手段を構成していた。しかしながら、マイク
ロマニピュレータ１に必要な直進自由度が２自由度でよ
い場合は２つのリニアアクチュエータを連結するだけで
よい。

【０１２３】また、上記説明においては、各リニアアク
チュエータにスライダを所定方向に案内するガイド軸と
してスプライン軸１２，２２，３２が設けられている例
について説明したが、これに限定されるものでもない。
つまり、上記の各リニアアクチュエータにおいてはスプ
ライン軸に設けられた凸部とスライダの凹部とが嵌合す
ることによってスライダのスプライン軸の周方向への回
転を抑制するのであるが、スライダの周方向への回転を
抑制することができるものであれば、直動機構を構成す
るものはスプライン軸に限定されることはないのであ
る。したがって、例えば角柱の軸等のような部材でガイ
ド軸を構成してもよいのである。

【０１２４】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に記載の
発明によれば、直進手段が互いに直交させて順次に連結
された複数のリニアアクチュエータによって複数の直進
自由度を有するように構成され、補償制御手段が姿勢変
化手段によってエンドエフェクタの姿勢を変化させる際
に、当該姿勢変化に伴う対象物の位置移動を打ち消すよ
うに直進手段を駆動制御するように構成されているた
め、比較的簡単な構成で回転系の動作に伴って発生する
対象物の位置移動を解消することができる。なお、複数
のリニアアクチュエータを互いに直交させて順次に連結
させることでリンク機構等の簡略化を実現している。

【０１２５】請求項２に記載の発明によれば、複数のリ
ニアアクチュエータのそれぞれは、直動機構を構成する
ガイド軸と、ガイド軸上をスライド可能なスライダと、
スライダをガイド軸に沿って移動させる駆動手段とを備
えており、複数のリニアアクチュエータのうち各前段側
のリニアアクチュエータのスライダに各次段のリニアア
クチュエータの一端が連結されて構成されるため、最小
限の部品点数で実現することができ、かつ、リンク機構
の簡略化を図ることができるので、マイクロマニピュレ
ータの小型化を行うことが可能になる。

【０１２６】請求項３に記載の発明によれば、複数のリ
ニアアクチュエータのそれぞれの駆動手段は圧電素子で
構成されるため、マイクロマニピュレータの粗動および
微動を行うことができ、位置精度を高めることが可能に
なる。

【０１２７】請求項４に記載の発明によれば、複数のリ
ニアアクチュエータのそれぞれの圧電素子は、ガイド軸
の端面に結合され、当該ガイド軸を非対称な速度で往復
移動させることによってスライダを相対的に慣性移動さ
せるため、簡単な構成でスライダを適切に直進駆動する
ことができる。

【０１２８】請求項５に記載の発明によれば、対象物の
位置移動を補償する動作と補償しない動作とを使い分け
ることが可能になり、必要に応じて選択的に対象物の位
置移動を補償する動作を行わしめることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態であるマイクロマニピュ
レータ１の概略構成図である。

【図２】第１リニアアクチュエータの断面図である。

【図３】圧電素子に印加する電圧波形の一例を示す図で
ある。

【図４】ステッピングモータの断面図である。

【図５】ピッチヨーアクチュエータの構成を示す概略図
である。

【図６】ピッチヨーアクチュエータの動作を示す概略図
である。

【図７】ピッチヨーアクチュエータの先端部分の拡大図
である。

【図８】マイクロマニピュレータを上方から見た図であ
る。

【図９】傾斜板、エンドエフェクタおよび対象物の拡大
図である。

【図１０】第１および第２リニアアクチュエータを動作
させて水平方向のベクトルＨを相殺する動作を示す図で
ある。

【図１１】エンドエフェクタとＸＹＺの各軸との間の角
度α，β，γを示す図である。

【図１２】マイクロマニピュレータの制御機構の第１の
構成例を示すブロック図である。

【図１３】マイクロマニピュレータの制御機構の第２の
構成例を示すブロック図である。

【符号の説明】

１０第１リニアアクチュエータ（直進手段）１１圧電素子（駆動手段）２０第２リニアアクチュエータ（直進手段）２１圧電素子（駆動手段）３０第３リニアアクチュエータ（直進手段）３１圧電素子（駆動手段）４０回転系アクチュエータ（姿勢変化手段）４１ステッピングモータ４２回転板４３ピッチヨーアクチュエータ４４傾斜板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０５Ｄ 3/00 Ｇ０５Ｄ 3/00 ＱＵ 3/12 3/12 ＥＨ０２Ｎ 2/00 Ｈ０２Ｎ 2/00 ＣＦターム(参考） 3F059 AA03 BA00 DA02 DA08 DB04 FB12 FB15 FB22 3F060 AA03 BA10 DA07 EB02 EB06 EC04 EC07 EC10 FA06 FA07 GA01 GA11 GA18 GD05 GD11 5H303 AA10 BB03 BB09 DD03 DD14 DD15 DD21 DD26 EE03 EE07 EE09 FF08 GG09 GG11 HH02 HH07 QQ09 5H680 AA19 BB13 BC10 DD01 DD23 DD53 DD73 EE22

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】微小な対象物に対してエンドエフェクタ
による所定の作業を行うマイクロマニピュレータであっ
て、互いに直交させて順次に連結された複数のリニアアクチ
ュエータによって構成された複数の直進自由度を有する
直進手段と、一端側が前記複数のリニアアクチュエータのうちの最終
段のリニアアクチュエータに結合されるとともに他端側
が前記エンドエフェクタの基部側に結合され、前記エン
ドエフェクタの姿勢を変化させる姿勢変化手段と、前記姿勢変化手段によって前記エンドエフェクタの姿勢
を変化させる際に、当該姿勢変化に伴う前記対象物の位
置移動を打ち消すように前記直進手段を駆動制御する補
償制御手段と、を備えることを特徴とするマイクロマニ
ピュレータ。
【請求項２】請求項１に記載のマイクロマニピュレー
タにおいて、前記複数のリニアアクチュエータのそれぞれは、直動機構を構成するガイド軸と、前記ガイド軸上をスライド可能なスライダと、前記スライダを前記ガイド軸に沿って移動させる駆動手
段と、を備えており、前記複数のリニアアクチュエータのうち各前段側のリニ
アアクチュエータのスライダに各次段のリニアアクチュ
エータの一端が連結されてなることを特徴とするマイク
ロマニピュレータ。
【請求項３】請求項２に記載のマイクロマニピュレー
タにおいて、前記複数のリニアアクチュエータのそれぞれの駆動手段
は、圧電素子で構成されることを特徴とするマイクロマ
ニピュレータ。
【請求項４】請求項３に記載のマイクロマニピュレー
タであって、前記複数のリニアアクチュエータのそれぞれの前記圧電
素子は、前記ガイド軸の端面に結合され、当該ガイド軸
を非対称な速度で往復移動させることによって前記スラ
イダを相対的に慣性移動させることを特徴とするマイク
ロマニピュレータ。
【請求項５】請求項１ないし請求項４のいずれかに記
載のマイクロマニピュレータであって、前記直進手段の駆動を停止した状態で前記姿勢変化手段
を駆動させる姿勢単独制御手段と、前記姿勢変化手段によって前記エンドエフェクタの姿勢
を変化させる際に、前記補償制御手段と前記姿勢単独制
御手段との一方を選択的に能動化する選択能動化手段
と、をさらに備えることを特徴とするマイクロマニピュ
レータ。