JP2000343500A

JP2000343500A - 揺動装置

Info

Publication number: JP2000343500A
Application number: JP11152157A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Nakanishi; 秀明中西
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1999-05-31
Filing date: 1999-05-31
Publication date: 2000-12-12

Abstract

(57)【要約】【課題】揺動装置１の可動部２０が揺動動作を行う際
の負荷を増大させることなく、確実に可動部２０の位置
検出を行うこと。【解決手段】揺動装置１は、形状記憶合金アクチュエ
ータ３３，３４が駆動されると、支持柱１２の上端部に
形成された所定の支点を中心に可動部２０を揺動させ
る。可動部２０の位置（揺動角）を特定するために、光
検出によって台座１１および支持柱１２からなる固定部
に対する可動部２０の相対位置を検出する位置検出手段
４０が配置されている。光検出で可動部２０の位置を検
出することは、非接触での位置検出となるので、可動部
２０が揺動動作を行う際の負荷を増大させることがな
い。

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、揺動装置に関
し、特に揺動装置における可動部の位置検出に関する。

【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る。

【０００３】そのようなマイクロマニピュレータではエ
ンドエフェクタに対する回転方向の自由度を与えるため
に揺動装置が必要である。また、マイクロマニピュレー
タではマニピュレータ自体の小型化・軽量化を行う必要
があることから、それに組み込まれる揺動装置も当然に
小型化・軽量化が要求される。

【０００４】また、マイクロマニピュレータにおいては
エンドエフェクタに対する高い位置精度が求められるた
め、それに組み込まれる揺動装置においても揺動を行う
可動部の位置検出を高い精度で行うことが望まれる。

【０００５】従来においては、特開昭６１−１９９８１
号公報に開示されているように小型化・軽量化の観点か
ら形状記憶合金を利用して可動部を揺動させる揺動装置
が提案されており、また、特開平７−２７４５６１号公
報に形状記憶合金を用いた揺動装置における位置検出方
法として、形状記憶合金自体のインピーダンスまたはイ
ンダクタンスから可動部の変位量を求める方法が提案さ
れている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、形状記
憶合金自体のインピーダンスやインダクタンスから変位
量を求める場合、形状回復時の変態温度域においては変
位検出を行うことができるが、それ以外の温度域では変
位検出を行うことができない。また、外乱等による負荷
変動があった場合や操作対象物の重量や硬さが不明な場
合、変位検出ができなくなる可能性がある。さらに、寿
命や経時変化による特性変化等を考慮すると、高精度な
位置制御が望まれる揺動装置では上記のような変位量検
出を適用することは妥当でない。

【０００７】また、別の位置検出方法として、エンコー
ダやポテンショメータを利用した位置検出も考えられる
が、エンコーダでは狭小な箇所への設置が困難であると
ともに、ポテンショメータでは摩擦力が生じるため、微
小機構においてはその摩擦力が大きな負荷となり問題と
なる。また、エンコーダやポテンショメータで位置検出
を行うように構成すると、揺動装置が複数の自由度を有
する場合には、その自由度ごとにエンコーダ等を設置す
る必要があるため、２自由度以上の検出となると大きさ
と負荷とがさらに増大する。

【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、可動部の位置が確実に特定でき、
かつ、揺動動作の際の負荷を増大させることなく位置検
出を行うことのできる揺動装置の提供を目的とする。

【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、固定部に形成された所定
の支点を中心に可動部を揺動させる揺動装置であって、
前記可動部を揺動駆動させる駆動手段と、光検出によっ
て前記固定部に対する前記可動部の位置を検出する位置
検出手段と、前記位置検出手段で検出される位置に基づ
いて前記駆動手段を制御する制御手段とを備えている。

【００１０】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の揺動装置において、前記位置検出手段は投光部と受光
部とを備えることを特徴としている。

【００１１】請求項３に記載の発明は、請求項２に記載
の揺動装置において、前記投光部と前記受光部とのうち
の一方が前記固定部に設けられ、他方が前記可動部に設
けられることを特徴としている。

【００１２】請求項４に記載の発明は、請求項３に記載
の揺動装置において、前記投光部は前記固定部に設けら
れ、前記受光部は前記可動部に設けられることを特徴と
している。

【００１３】請求項５に記載の発明は、請求項３に記載
の揺動装置において、前記投光部は前記可動部に設けら
れ、前記受光部は前記固定部に設けられることを特徴と
している。

【００１４】請求項６に記載の発明は、請求項３に記載
の揺動装置において、前記位置検出手段は、前記投光部
において発生する光を前記受光部に導く光ファイバをさ
らに備えている。

【００１５】請求項７に記載の発明は、請求項３ないし
請求項６のいずれかに記載の揺動装置において、前記受
光部は、受光面内における光束の重心位置を特定可能な
二次元位置検出素子を備えることを特徴としている。

【００１６】請求項８に記載の発明は、請求項２に記載
の揺動装置において、前記固定部と前記可動部とのうち
の一方に、前記投光部と前記受光部とが共に設けられる
ことを特徴としている。

【００１７】請求項９に記載の発明は、請求項１ないし
請求項８のいずれかに記載の揺動装置において、前記駆
動手段は、形状記憶合金を利用したアクチュエータであ
ることを特徴としている。

【００１８】

【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。

【００１９】＜１．揺動装置の駆動に関する構成＞図１
はこの発明の実施の形態である揺動装置１の構成を示す
斜視図である。図１では駆動に関する部位のみを示して
おり、後述する位置検出手段等は図示を省略している。

【００２０】揺動装置１は、固定部１０と可動部２０と
駆動手段３０とを備える。なお、図１では揺動装置１の
構造の理解を容易にするために可動部２０を点線で表現
している。

【００２１】固定部１０は、基台となる台座１１と可動
部２０を支持する支持柱１２とを備えて構成される。台
座１１の中心部に垂直に支持柱１２が設置されており、
支持柱１２の下端部が台座１１に固定されている。ま
た、支持柱１２の上端部は円錐状に形成されている。

【００２２】可動部２０は円盤状部材で構成され、その
下面側中央部には支持柱１２の先端部を受ける円錐形状
の凹部が形成されており、その頂角は可動部２０が支持
柱１２に対して所定の最大角度分傾くことが可能な角度
に設定されている。つまり、可動部２０は支持柱１２の
先端部を支点として揺動可能なように構成されているの
である。

【００２３】駆動手段３０は、複数の形状記憶合金アク
チュエータ３１，３２，３３，３４を備えて構成され
る。形状記憶合金アクチュエータ３１〜３４は、台座１
１と可動部２０との間に、支持柱１２を囲むように、か
つ、支持柱１２に略平行に張設されている。形状記憶合
金アクチュエータ３１と３３とは一対となって揺動装置
１における１つの自由度を実現しており、また、形状記
憶合金アクチュエータ３２と３４とは一対となって他の
１つの自由度を実現している。このため、形状記憶合金
アクチュエータ３１は３３と、また、３２は３４と、そ
れぞれ支持柱１２をはさんでほぼ等しい距離の直線上に
設置されている。また、各形状記憶合金アクチュエータ
３１〜３４が駆動状態にないときは、ほぼ等しい引張力
で力の釣り合いが保たれた状態となっている。さらに、
各形状記憶合金アクチュエータ３１〜３４は、可動部２
０の位置（揺動角）にかかわらず常に引張力を受けるよ
うに取り付けられている。

【００２４】形状記憶合金アクチュエータ３１〜３４
は、それぞれ熱処理により直線記憶処理がなされてお
り、変態温度以下で弾性域を超えて引張られると変形す
るが、変態温度以上に加熱することで母相に逆変態し、
元の形状（長さ）に戻る、という性質を有する。一般に
形状記憶合金は、変態温度以下での変態に要する力に比
べ、変態温度以上での変形状態からの回復力の方が大き
い。この実施の形態では、このような形状記憶合金の性
質を利用することで、可動部２０を揺動させる駆動手段
を構成している。つまり、形状記憶合金アクチュエータ
３１〜３４のうち、１本または複数本を選択的に加熱す
ることで、力の釣り合いが変わり、可動部２０が傾く。
このような可動部２０の揺動動作を通して可動部２０に
取り付けられる外部機構（エンドエフェクタ等）に対し
て仕事をすることが可能となる。

【００２５】形状記憶合金アクチュエータ３１〜３４の
加熱方法としては、通電加熱する方法が最も簡単であ
り、外部から電気的エネルギーを供給するだけで各形状
記憶合金アクチュエータ３１〜３４を個別に加熱するこ
とができるため、微小構造に適している。ただし、これ
に限定されるものではなく、ヒ−ター等の加熱装置や送
風による冷却装置等を用いてもよい。

【００２６】動作の一例として、図２は形状記憶合金ア
クチュエータ３１のみを加熱したときの状態を示してい
る。図２に示すように可動部２０が形状記憶合金アクチ
ュエータ３１に引張られて傾いている。そして、４本の
形状記憶合金アクチュエータ３１〜３４の温度、加熱時
間、タイミング等を各々個別に制御することで、可動部
２０の揺動角、方向および出力トルクを任意に調整する
ことが可能となる。

【００２７】このように、揺動装置１の駆動手段３０を
形状記憶合金アクチュエータ３１〜３４で構成すること
は、揺動装置１自体の小型化および軽量化に寄与する。
つまり、形状記憶合金アクチュエータ３１〜３４を個別
に駆動する際には、個別に通電加熱するだけでよいた
め、導電線の配線以外のその他の駆動伝達機構が必要で
なくなるので、部品点数の低減および設置スペースの省
スペース化が実現できるのである。したがって、この揺
動装置１をマイクロマニピュレータ等の揺動機構として
利用する場合には、上記のように駆動手段３０として形
状記憶合金アクチュエータ３１〜３４を用いることが好
ましい。

【００２８】なお、図１および図２においては駆動手段
３０として４本の形状記憶合金アクチュエータ３１〜３
４が張設された例を示しているが、揺動装置１の形状記
憶合金アクチュエータの数は４本に限定されるのではな
く、必要に応じて２本以上何本でもよい。

【００２９】また、形状記憶合金アクチュエータとバイ
アスばねの組み合わせとして、支持柱１２をはさんで、
一方を形状記憶合金アクチュエータ、他方をバイアスば
ねという構成にしてもよい。

【００３０】また、形状記憶合金アクチュエータは、直
線記憶線の代わりに、必要な発生力や伸縮率等に応じて
ばね形状に形状記憶処理が施された引張りばねとしても
よい。

【００３１】あるいは、揺動装置１の小型化等の要請が
少ない場合、駆動手段３０は、形状記憶合金アクチュエ
ータの代わりにワイヤを用い、一端側を上記と同様に可
動部２０に固定し、他端側を台座１１に貫通させて別に
設けられたシリンダやモータ等のアクチュエータに接続
し、そのアクチュエータによってワイヤを引張り・弛緩
可能とした構成としても、揺動装置としての所要の動作
は実現可能である。

【００３２】また、支持柱１２と可動部２０の接続部に
関しても、円錐形状に代えて球状とする構成、あるい
は、その他の軸と軸受けを組み合わせる構成等、揺動可
能に支持される構成であればいずれを採用してもよい。

【００３３】＜２．揺動装置における位置検出手段＞次
に、上記のような揺動装置１における可動部２０の位置
検出手段について説明する。この実施の形態において
は、揺動装置１の可動部２０の位置（揺動角）を検出す
る位置検出手段として光センサを用いる。光センサを用
いることにより、可動部２０の位置を直接的に検出する
ことができるため、外乱等による負荷変動があったとし
ても適切に位置検出を行うことができる。また、光セン
サを用いることで非接触による検出が可能となるため、
可動部２０が揺動する際の負荷の増大を招くことがなく
可動部２０の位置検出を行うことができるのである。

【００３４】以下、位置検出手段の具体的構成について
説明する。

【００３５】＜２−１．第１の構成例＞図３は揺動装置
１の第１の構成例を示す側面断面図である。また、図４
は図３のＡ−Ａ断面より見た揺動装置１の矢視図であ
る。この構成例において位置検出手段４０は、投光部４
１と受光部４２と光ファイバ４３とを備えて構成され
る。

【００３６】投光部４１は、レーザやＬＥＤ等の発光素
子、若しくはこれらとレンズとを組み合わせて構成され
ている。投光部４１には光ファイバ４３の入射端側が接
続配置されており、投光部４１の内部で発生する光は光
ファイバ４３に導かれる。この投光部４１は台座１１に
固定されていてもよいし、揺動装置１の外部側に設置し
てもよい。

【００３７】光ファイバ４３は形状記憶合金アクチュエ
ータ３１〜３４の障害とならない位置（図４参照）に所
定の保持部材１３によって固定配置されており、その出
射端側は可動部２０の揺動動作に干渉しないように可動
部２０の下面側から一定の距離を隔てた位置に固定され
る。このため、投光部４１において発生する光は、光フ
ァイバ４３によって可動部２０の下面側に向けて照射さ
れる。なお、保持部材１３を例えば図３に示すように支
持柱１２に形成すれば、光ファイバ４３の固定を行うこ
とができる。

【００３８】図５は、揺動装置１における受光部４２が
配置された部分の拡大図である。受光部４２は、受光素
子として、一定の受光面内で受光する光の位置を特定す
ることができる二次元位置検出素子４４を備えて構成さ
れており、可動部２０の下面側であって、光ファイバ４
３の出射端側に対向する位置に設けられている。つま
り、可動部２０がどのような位置（揺動角）にあるとき
であっても、受光部４２の受光面のうちのいずれかの部
分に光ファイバ４３からの出射光４９が常時入射するよ
うな位置に受光部４２が設置される。

【００３９】そして、投光部４１からの光は、光ファイ
バ４３を通して可動部２０に向けて投光され、受光部４
２で受光される。二次元位置検出素子４４における受光
面上の光束の重心位置（より正確には、入射する光の光
量の２次元的空間分布における光量極大位置）は可動部
２０の位置（揺動角）に応じて変化するため、その重心
位置を検出することにより、可動部２０の傾斜方向とそ
の揺動角とを算出することができ、それによって可動部
２０の現在位置を求めることができるのである。

【００４０】この構成例では、位置検出手段４０が投光
部４１と受光部４２と光ファイバ４３とを備えて構成さ
れる例について説明したが、このような構成とすること
で、揺動装置１の小型化を行う場合には投光部４１を揺
動装置１の外部側に設置することができる。すなわち、
揺動装置１側に投光部４１を設置するスペースを設ける
必要がないので、揺動装置１の小型化・軽量化に有利な
構成となっているのである。

【００４１】また、受光部４２が二次元位置検出素子４
４を備えて構成されているため、揺動装置１の揺動動作
が複数の自由度を有している場合であっても、受光する
光の重心位置を検出することにより、可動部２０の傾斜
方向とその揺動角とを算出することができるので、位置
検出手段４０で複数自由度の位置を検出することが可能
になっている。すなわち、受光部４２における受光手段
が二次元位置検出素子４４で構成されることによって任
意の方向に対する可動部２０の位置を検出することが可
能になるため、揺動装置１が複数自由度を有していても
その自由度ごとに位置検出手段４０を設置する必要がな
いのである。このため、揺動装置１に設置する位置検出
手段４０の数は１つでよいことになり、揺動装置１の小
型化・軽量化にさらに有利なものとなる。

【００４２】ここで、二次元位置検出素子４４として
は、例えば、二次元ＰＳＤ（Positionsensitive devic
e）やＣＣＤ、ＭＯＳ型固体撮像素子等が使用される。
また、受光部４２に入射する光の指向性を鋭くした場合
には、二次元位置検出素子４４として４分割フォトダイ
オード等のような受光面が４分割された受光素子を使用
してもよい。この場合、各受光面からの出力比より入射
光の重心位置を検出するように構成すれば、適切に可動
部２０の位置を特定することが可能になる。

【００４３】また、揺動装置１が可動部２０を１自由度
のみについて揺動させる場合には、受光素子が二次元位
置検出素子４４でなく、通常のフォトダイオードのよう
な入射光強度を検出するものであってもよい。可動部２
０が一定方向についてのみ揺動動作を行う際には、その
揺動動作に伴って受光素子に入射する光の強度が変化す
るため、その光強度の変化を測定することで、その方向
についての位置を検出することができるのである。

【００４４】なお、図３では、光ファイバ４３が支持柱
１２の外部に設けられており、支持柱１２の中心軸にほ
ぼ平行となるように設置している例を示しているが、支
持柱１２の内部側に光ファイバ４３が設けられてもよ
い。すなわち、支持柱１２と同軸として、支持柱１２中
に光ファイバ４３を通すとともに、受光部４２を可動部
２０の中心部近辺に埋設させるようにしてもよい。この
場合、光ファイバ４３を保持する保持部材１３を設ける
必要がなくなる一方、可動部２０において光が通過する
部分および支持柱１２の先端部分は、光ファイバ４３か
らの出射光を透過することの可能な材料で形成すること
が必要となる。

【００４５】＜２−２．第２の構成例＞図６は揺動装置
１の第２の構成例を示す側面断面図である。また、図７
は揺動装置１における位置検出手段４０が配置された部
分の拡大図である。なお、図６においては形状記憶合金
アクチュエータ３１〜３４の図示は省略している。

【００４６】この構成例において位置検出手段４０は、
投光部４１と受光部４２とを備えて構成される。

【００４７】投光部４１は、上記と同様に、レーザやＬ
ＥＤ等の発光素子、若しくはこれらとレンズとを組み合
わせて構成されている。この投光部４１は可動部２０の
下面側に設置されており、可動部２０の下面に対して垂
直な方向に発光素子からの光を照射するように構成され
ている。

【００４８】一方、受光部４２は、上記と同様に、受光
素子として二次元位置検出素子４４を備えており、支持
柱１２に一体的に形成された保持部材１３に固定されて
いる。また、受光部４２は、形状記憶合金アクチュエー
タ３１〜３４の障害とならない位置に配置されていると
ともに、可動部２０の揺動動作に干渉しないように可動
部２０の下面側から一定の距離を隔てた、投光部４１に
対向する位置に設けられる。そして、可動部２０がどの
ような位置にあるときであっても、受光部４２の受光面
のうちのいずれかの部分に投光部４１からの出射光４９
が常時入射するように受光部４２が設置される。

【００４９】そして、投光部４１から出射する出射光４
９の光軸方向は、可動部２０の揺動動作に応じて変化す
る。したがって、二次元位置検出素子４４における受光
面上の光束の重心位置は可動部２０の位置に応じて変化
するため、その重心位置を検出することにより、可動部
２０の傾斜方向とその揺動角とを算出することができ、
それによって可動部２０の現在位置を求めることができ
るのである。

【００５０】この構成例では、位置検出手段４０が投光
部４１と受光部４２とを備えて構成される例について説
明したが、このような構成とすることで、アクチュエー
タの駆動を行う際に外乱等による負荷変動があったとし
ても、そのような負荷変動に無関係に位置検出を行うこ
とができるため、適切な位置検出を行うことができる。
また、可動部２０が揺動する際の負荷の増大を招くこと
がなく可動部２０の位置検出を行うことができるのであ
る。

【００５１】また、位置検出手段４０が投光部４１と受
光部４３とを備えることで、この揺動装置１の周囲に外
部からの光が存在しない場合であっても適切に位置検出
を行うことが可能なのである。

【００５２】また、受光部４２が二次元位置検出素子４
４を備えて構成されているため、揺動装置１の揺動動作
が複数の自由度を有している場合であっても、適切に位
置検出を行うことができるので、自由度ごとにエンコー
ダ等を必要とする従来に比べて揺動装置１の小型化・軽
量化を図ることができるのである。

【００５３】さらに、この構成例では、投光部４１が可
動部２０側に設置され、受光部４２が固定部１０側（保
持部材１３）に設置されているため、可動部２０の揺動
角が微小なものであったとしても、その揺動角に応じて
出射光４９の光軸が変化するため、二次元位置検出素子
４４の受光面上ではその光束の重心位置の移動量は比較
的大きくなる。このため、可動部２０の微小な位置変化
をも高精度に検出することができるのである。

【００５４】＜２−３．第３の構成例＞図８は揺動装置
１の第３の構成例を示す側面断面図である。また、図９
は揺動装置１における位置検出手段４０が配置された部
分の拡大図である。なお、図８においても形状記憶合金
アクチュエータ３１〜３４の図示は省略している。

【００５５】この構成例において位置検出手段４０は、
三角測距方式の距離センサ４８で構成されており、距離
センサ４８は図９に示すように投光部４１と受光部４２
とを備えている。さらに、投光部４１はレーザやＬＥＤ
等の発光素子４１ａと投光レンズ４１ｂとを備えてお
り、受光部４２は一次元ＰＳＤ、ＣＣＤ若しくはＭＯＳ
型固体撮像素子等の受光素子４２ａと受光レンズ４２ｂ
とを備えている。このように構成された距離センサ４８
は、支持柱１２に一体的に形成された保持部材１３に固
定されている。

【００５６】発光素子４１ａからの光は投光レンズ４１
ｂにより光ビームとなって可動部２０の下面側に投射さ
れる。可動部２０は、少なくとも光ビームが投射される
近辺部分が拡散反射面として形成されており、投射光が
拡散反射された反射光の一部は受光レンズ４２ｂによっ
て集光され、受光素子４２ａに入射する。受光素子４２
ａではこの入射光の重心位置を検出することにより、投
光部４１から可動部２０の光照射位置までの距離を求め
ることが可能になる。

【００５７】このような三角測距方式の距離センサ４８
を用いると、１つの距離センサ４８で検出可能な自由度
は１自由度となる。

【００５８】ここで、駆動手段３０による揺動動作の自
由度が２自由度である場合、すなわち、形状記憶合金ア
クチュエータの数が３本以上である場合、可動部２０の
揺動方向およびその方向への揺動角を決定して可動部２
０の現在位置を適切に求めるためには、少なくとも可動
部２０の２点の位置を検出する必要があるため、上記の
距離センサ４８は最低２個必要となる。そして、その設
置場所は、例えば図９における距離センサ４８の位置
と、支持柱１２周りに回転した位置（１８０°回転した
位置を除く）であって形状記憶合金アクチュエータの妨
げにならないような位置とに設置すればよい。なお、１
８０°回転位置を除くのは、２個の距離センサ４８が同
一の揺動方向への検出（１自由度のみの検出）を行うこ
とになることを防止するためである。したがって、例え
ば、形状記憶合金アクチュエータが４本の場合は、距離
センサ４８は図９に示すような位置と、その位置から９
０度回転した位置とに２個設置すればよい。

【００５９】また逆に、駆動手段３０による揺動動作の
自由度が１自由度である場合、すなわち、形状記憶合金
アクチュエータの数が２本である場合は、距離センサ４
８は１個で十分である。

【００６０】また、発光素子４１ａから投射される光の
指向性を鈍くした場合、受光素子４２ａを２分割受光素
子（フォトダイオード、フォトトランジスタ等）として
もよい。この場合、分割された各受光面からの出力比よ
り光ビームの重心位置を検出することができる。さら
に、受光素子４２ａの受光面が２分割ではなく、１つの
受光面で形成されたものを用いてもよい。この場合は、
揺動角に応じて変化する入射光強度を測定することで、
可動部２０の位置を検出することになる。

【００６１】この構成例に示したような距離センサ４８
で位置検出手段４０を構成する場合には、投光部４１と
受光部４２とを可動部２０側と固定部２０側とに分離し
て設ける必要がないため、組み立ての際における光軸合
わせ等の作業を軽減することができる。すなわち、この
構成例では距離センサ４８を所定の位置に設置するだけ
でよいため、揺動装置１を小型化・軽量化する場合であ
っても微妙な光軸合わせ等は必要がないので、作業効率
の向上を図ることができるのである。

【００６２】また、可動部２０に光学素子を設置しない
構成であるため、重量による負荷及び配線配設による負
荷が生じないという利点もある。

【００６３】なお、図９では支持柱１２と一体的に形成
された保持部材１３に位置検出手段４０を設け、可動部
２０の下面側に拡散反射面を設けているが、逆に、可動
部２０の下面側に図９と同様の構成の距離センサ４８を
設置し、拡散反射面を有する部材を台座１１若しくは支
持柱１２に設けて、可動部２０が任意の位置にある時、
投光部から射出された光が拡散反射面で反射されて、受
光部に入射するような構成にしても、上記とほぼ同様の
効果を得ることができる。

【００６４】また、この構成例では位置検出手段４０を
三角測距方式の距離センサ４８で構成した例を示した
が、他の測距方式の距離センサを用いてもよい。例えば
公知の位相差検出方式の距離センサで構成する場合、位
置検出手段４０は、集光レンズ、一対のセパレータレン
ズ等のレンズ群と、一対の受光素子（ＣＣＤ等）とを備
えて構成される。そしてこの場合、レンズ群を通って各
受光素子に結像する像の位置によって、可動部２０まで
の距離を測定することができるのである。このような位
相差検出方式の距離センサで構成した場合には、外部か
らの光が存在すればそれによって距離測定を行うことが
できるため、投光部は不要となる。さらに、位相差検出
方式の距離センサの場合、可動部２０の下面側であって
位置検出対象となる箇所に一定のパターン若しくはマー
クを設ければ、各受光素子の受光面上に結像される像の
検出が容易かつ高精度になる。

【００６５】＜２−４．第４の構成例＞図１０は揺動装
置１の第４の構成例を示す側面断面図である。また、図
１１は揺動装置１における位置検出手段４０が配置され
た部分の拡大図である。なお、図１０においても形状記
憶合金アクチュエータ３１〜３４の図示は省略してい
る。

【００６６】この構成例において位置検出手段４０は、
投光部４１と受光部４２と透明体４５とを備えて構成さ
れる。投光部４１と受光部とは、固定部１０を構成する
支持柱１２に一体形成された断面がコの字状の保持部材
１４に設置されており、投光部４１は保持部材１４の上
部側に、受光部４２は下部側に配置されている。また、
透明体４５は一定の屈折率を有する部材で構成されてお
り、投光部４１からの出射光４９の光路中に位置するよ
うに可動部２０の一部として設けられている。

【００６７】投光部４１はレーザやＬＥＤ等の発光素
子、若しくはこれらとレンズとを組み合わせて構成され
ており、受光部４２は受光素子として二次元位置検出素
子４４を備えている。なお、投光部４１と受光部４２と
保持部材１４とは、それぞれ可動部２０の揺動動作に干
渉しないように配置されている。

【００６８】また、透明体４５は、少なくとも投光部４
１から照射される波長の光を透過可能であるとともに、
同波長の光を高屈折率にて透過させる。そして、可動部
２０が揺動する任意の位置において、投光部４１からの
出射光４９が、常に透明体４５を透過して受光部４２の
二次元位置検出素子４４に入射するように構成されてい
る。

【００６９】そして、投光部４１からの出射光４９は、
透明体４５により屈折され、その光束の位置が可動部２
０の揺動角に応じて変化し、受光部４２に入射する。二
次元位置検出素子４４がこの光束の重心位置を検出する
ことにより、可動部２０の揺動方向および揺動角を算出
することができるのである。

【００７０】すなわち、この構成例において透明体４５
は、可動部２０の揺動動作と一体となってその揺動方向
に傾斜する。このため、透明体４５に入射する出射光４
９の入射方向および入射角が揺動動作に応じて変化する
ことになり、この入射角の変化が二次元位置検出素子４
４に導く光の重心位置を変化させる。したがって、二次
元位置検出素子４４で検出される光の重心位置を検出す
れば、可動部２０の位置を求めることができるのであ
る。

【００７１】なお、この構成例では、可動部２０の揺動
動作に応じて出射光４９の入射角を変化させ、それによ
って透明体４５における屈折角を変化させることで二次
元位置検出素子４４での光の重心位置の変化を生じさせ
ている。したがって、この構成例では、可動部２０の最
大揺動角が比較的大きくなる場合であっても受光部４２
のサイズを大きくすることなく適切に位置検出を行うこ
とができる。このため、この構成例の位置検出手段４０
は、揺動装置１の小型化・軽量化に有利な構成となって
いるのである。

【００７２】また、可動部２０に光学素子を設置しない
構成であるため、重量による負荷及び配線配設による負
荷が生じないという利点がある。

【００７３】以上、位置検出手段４０としての構成例を
いくつか説明したが、上記のうちのいずれを採用するか
は、それぞれの利点を考慮し、可動部２０の最大揺動
角、その他各部の形状・大きさ等に基づいて最良のもの
を選択すればよい。

【００７４】＜３．揺動装置の制御機構＞次に、上記の
ような揺動装置１の制御機構について説明する。図１２
は、この実施の形態における揺動装置１の制御機構を示
すブロック図である。揺動装置１は、制御機構として、
上記のような駆動手段３０と位置検出手段４０とを有す
る揺動機構１ａの他、制御手段１ｂと目標位置データ入
力部１ｃとを備えている。また、制御手段１ｂは、目標
位置信号発生回路２とフィードバック制御回路３と検出
位置信号処理回路４と駆動回路５とを備えて構成されて
いる。

【００７５】以下、このような制御機構で行われる具体
的処理について説明する。

【００７６】駆動手段３０による可動部２０の動作に対
応して、位置検出手段４０より検出位置信号が出力され
る。この検出位置信号は、検出位置信号処理回路４にお
いて増幅され、現在位置信号として、次段のフィードバ
ック制御回路３に出力される。この検出位置信号処理回
路４には、必要に応じて微分回路、積分回路も付加さ
れ、その場合は、これらの回路を通過した信号もフィー
ドバック制御回路５３に入力される。

【００７７】一方、駆動手段３０により駆動される可動
部２０の目標位置（揺動角）に関するデータ（目標位置
データ）は、キーボードまたはプログラムで実現される
機能である目標位置データ入力部１ｃから制御手段１ｂ
に与えられ、目標位置信号発生回路２に入力される。目
標位置データは、目標位置信号発生回路２で位置検出手
段４０の出力信号に対応する目標位置信号に変換され、
フィードバック制御回路３に入力される。すなわち、目
標位置信号発生回路２は、可動部２０の目標位置に達し
た時に検出位置信号処理回路４から出力されるであろう
位置信号を、目標位置信号として出力するのである。

【００７８】その結果、フィードバック制御回路３に
は、検出位置信号処理回路４より現在位置信号、あるい
はそれに加えて、微分・積分回路からの信号が入力し、
また、目標位置信号発生回路２からは目標位置信号が入
力する。そして、フィードバック制御回路３は、これら
の入力信号を比較して、例えばＰＩＤ制御を行い、その
結果、制御信号を駆動回路５へ出力するのである。駆動
回路５は、この制御信号に基づき、例えばＰＷＭ制御に
より形状記憶合金アクチュエータ等で構成される駆動手
段３０を駆動する。この駆動に応じて可動部２０が揺動
することになり、位置検出手段４０での検出位置信号が
変化する。そして、上記の処理が繰り返されることによ
り、最終的に可動部２０が目標位置に到達するのであ
る。

【００７９】このように光センサで構成された位置検出
手段４０からの出力に基づいて駆動制御を行うことによ
って、外乱等による負荷変動の影響を受けることなく適
切に可動部２０の位置制御を行うことが可能となってい
る。

【００８０】＜４．マイクロマニピュレータの構成＞次
に、上記のような揺動装置１が組み込まれたマイクロマ
ニピュレータの一例について説明する。図１３は、マイ
クロマニピュレータ１００の概略構成図である。なお、
図１３においてＸ，Ｙ，Ｚは互いに直交する３軸を示し
ている。

【００８１】マイクロマニピュレータ１００は第１リニ
アアクチュエータ５０と第２リニアアクチュエータ６０
と第３リニアアクチュエータ７０と回転系アクチュエー
タ８０とエンドエフェクタ９０とを備えている。

【００８２】第１ないし第３リニアアクチュエータ５０
〜７０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８０はその先端部分に
結合されたエンドエフェクタ９０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９０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。

【００８３】第１リニアアクチュエータ５０は圧電素子
５１とスプライン軸５２とスライダ５３とを備えてお
り、Ｘ軸方向に沿ってスライダ５３を移動させることが
できるように構成されている。

【００８４】圧電素子５１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５１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５２の端面に固着
されている。したがって、スプライン軸５２は圧電素子
５１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
１００の設置対象となる装置（例えば、顕微鏡等）にお
ける設置箇所を示す部分である。

【００８５】また、スライダ５３はスプライン軸５２に
嵌め込まれており、スライダ５３の内部に装着された弾
性部材がスライダ５３とスプライン軸５２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５３が
スプライン軸５２に対して位置固定された状態となる。
一方、スライダ５３にその摩擦力以上の力が作用するこ
とによってスライダ５３はスプライン軸５２上をＸ軸に
沿って摺動する。リニアアクチュエータはこの原理を利
用してスライダ５３をＸ軸方向に沿って移動させるので
ある。

【００８６】具体的に説明すると、Ｘ軸方向に沿って、
圧電素子５１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５３に対して弾性部材による摩擦力以上
の力が作用しないため、スプライン軸５２に対するスラ
イダ５３の位置は変化しない。これに対して、圧電素子
５１が瞬時に伸縮動作を行う場合には、スライダ５３に
対して弾性部材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５２に対するスライダ５３の位置は圧電
素子５１の伸縮方向と逆方向に慣性移動するのである。

【００８７】なお、スプライン軸５２に設けられた凸部
５２ａとスライダ５３の凹部５３ａとが嵌合することに
より、スライダ５３のスプライン軸５２の周方向への回
転を抑制できることは言うまでもない。また、スプライ
ン軸５２の代わりに、角柱のような単なるガイド軸を用
いてもよい。

【００８８】第２リニアアクチュエータ６０も第１リニ
アアクチュエータ５０と同様に、圧電素子６１とスプラ
イン軸６２とスライダ６３とを備え、Ｙ軸方向に沿って
スライダ６３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６１の一端側は第１リニアアクチュエ
ータ５０のスライダ５３の側面部に固着されており、他
端側はスプライン軸６２の端面に固着されている。した
がって、スプライン軸６２は圧電素子６１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６１とスプライン軸６２とスライダ６３との連
結および構成は第１リニアアクチュエータ５０と同様で
ある。

【００８９】第３リニアアクチュエータ７０も上記各リ
ニアアクチュエータと同様であり、圧電素子７１とスプ
ライン軸７２とスライダ７３とを備えてＺ軸方向に沿っ
てスライダ７３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７１の一端側は第２リニアア
クチュエータ６０のスライダ６３に固着されており、他
端側はスプライン軸７２の端面に固着されている。した
がって、スプライン軸７２は圧電素子７１の伸縮動作に
伴ってＺ軸方向に移動する。なお、圧電素子７１とスプ
ライン軸７２とスライダ７３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。

【００９０】そして、第３リニアアクチュエータ７０の
スライダ７３にはＸ軸方向に沿って回転系アクチュエー
タ８０が固着されている。回転系アクチュエータ８０は
ステッピングモータ８１と上述の揺動装置１とを備えて
構成されている。

【００９１】ステッピングモータ８１は本体部８２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７０のスライダ７３に固定さ
れている。外部に設けられる駆動回路からステッピング
モータ８１に対して通電が行われることにより、本体部
８２内部のロータに連結された回転板８３がステッピン
グモータ８１の回転軸周りに回転するように構成されて
いる。このステッピングモータ８１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。なお、図１３においてはステ
ッピングモータ８１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。

【００９２】回転板８３には上述の揺動装置１の固定部
１０（より詳しくは、台座１１）が着設されており、こ
の揺動装置１は回転板８３の回転に伴ってステッピング
モータ８１の回転軸を中心に回転する。そして、揺動装
置１が駆動されることによって可動部２０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。この揺動装置１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。

【００９３】なお、揺動装置１における駆動手段には形
状記憶合金アクチュエータを用いる。これによってマイ
クロマニピュレータ１００の全体的な小型化および軽量
化を図ることが可能になる。

【００９４】そして揺動装置１の可動部２０には、この
マイクロマニピュレータ１００のエンドエフェクタ９０
の基部側が接続配置されている。エンドエフェクタ９０
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９
０として使用される。

【００９５】マイクロマニピュレータ１００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５０〜７０はエンドエフェクタ９０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８０はエンドエフェクタ９０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９０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８１
によるロール角運動と、揺動装置１によるピッチ角およ
びヨー角運動とで実現される。

【００９６】したがって、マイクロマニピュレータ１０
０を上記のように構成することでエンドエフェクタ９０
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９０を任意の姿勢に変化させることも
可能になる。

【００９７】また、マイクロマニピュレータ１００にお
ける回転系アクチュエータ８０に上述の揺動装置１を組
み込むことで、エンドエフェクタ９０の位置制御を常時
適切に行うことが可能になる。つまり、このマイクロマ
ニピュレータ１００は顕微鏡下での細胞レベルでの微小
操作や微少部品の組立等に使用されるが、そのような微
小操作の際に僅かな負荷変動が発生したとしても、その
ような負荷変動の影響を受けることなく確実にエンドエ
フェクタ９０を目標位置に移動させることが可能なので
ある。

【００９８】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
ないことは言うまでもない。

【００９９】

【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、駆動手段が可動部を揺動駆動させること
で変動する固定部に対する可動部の位置を、位置検出手
段が光検出によって検出し、その検出される位置に基づ
いて駆動手段を制御するように構成されているため、可
動部の位置を直接的に検出することができるので、外乱
等による負荷変動があったとしても適切に位置検出を行
うことができる。また、非接触による位置検出が可能と
なるので、可動部が揺動する際の負荷の増大を招くこと
がない。

【０１００】請求項２に記載の発明によれば、位置検出
手段は投光部と受光部とを備えているため、揺動装置の
周囲に外部からの光が存在しない場合であっても適切に
位置検出を行うことが可能になる。

【０１０１】請求項３に記載の発明によれば、投光部と
受光部とのうちの一方が固定部に設けられ、他方が可動
部に設けられるため、固定部に対する可動部の相対位置
を適切に検出することが可能になる。

【０１０２】請求項４に記載の発明によれば、投光部は
固定部に設けられ、受光部は可動部に設けられるため、
受光部においては可動部の位置に応じた光が検出される
ので、適切に可動部の位置を検出することができる。

【０１０３】請求項５に記載の発明によれば、投光部は
可動部に設けられ、受光部は固定部に設けられるため、
受光部においては可動部の位置に応じた光が検出される
ので、適切に可動部の位置を検出することができる。

【０１０４】請求項６に記載の発明によれば、位置検出
手段は、投光部において発生する光を受光部に導く光フ
ァイバをさらに備えるため、投光部を外部側に設置する
ことができるので装置自体の小型化および軽量化を図る
ことができる。

【０１０５】請求項７に記載の発明によれば、受光部
は、受光面内における光束の重心位置を特定可能な二次
元位置検出素子を備えるため、可動部が複数方向に揺動
動作を行う場合であっても適切な位置検出を行うことが
できる。

【０１０６】請求項８に記載の発明によれば、固定部と
可動部とのうちの一方に、投光部と受光部とが共に設け
られるため、装置の組立ての際の作業効率の向上を図る
ことができる。

【０１０７】請求項９に記載の発明によれば、駆動手段
は、形状記憶合金を利用したアクチュエータであるた
め、装置の小型化および軽量化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態である揺動装置の構成
（位置検出手段を除く。）を示す斜視図である。

【図２】図１の一の形状記憶合金アクチュエータのみを
加熱したときの状態を示す図である。

【図３】位置検出手段を含む揺動装置の第１の構成例を
示す側面断面図である。

【図４】図３のＡ−Ａ断面より見た揺動装置の矢視図で
ある。

【図５】第１の構成例の揺動装置における受光部の配置
される部分の拡大図である。

【図６】位置検出手段を含む揺動装置の第２の構成例を
示す側面断面図である。

【図７】第２の構成例の揺動装置における位置検出手段
の配置される部分の拡大図である。

【図８】位置検出手段を含む揺動装置の第３の構成例を
示す側面断面図である。

【図９】第３の構成例の揺動装置における位置検出手段
の配置される部分の拡大図である。

【図１０】位置検出手段を含む揺動装置の第４の構成例
を示す側面断面図である。

【図１１】第４の構成例の揺動装置における位置検出手
段の配置される部分の拡大図である。

【図１２】この発明の実施の形態における揺動装置の制
御機構を示すブロック図である。

【図１３】揺動装置が組み込まれたマイクロマニピュレ
ータの概略構成を示す図である。

【符号の説明】

１揺動装置１０固定部１１台座１２支持柱１３，１４保持部材２０可動部３０駆動手段３１〜３４形状記憶合金アクチュエータ４０位置検出手段４１投光部４２受光部４３光ファイバ４４二次元位置検出素子４５透明体４８距離センサ１００マイクロマニピュレータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F065 AA06 AA17 AA37 CC00 DD02 DD06 FF01 FF11 GG04 GG07 HH04 JJ03 JJ05 JJ16 JJ18 JJ23 JJ24 JJ26 LL02 QQ29 3F059 AA00 BA05 DA08 DC07 DD13 DE08 GA00 3F060 BA10 GA03 GA18 GB11 GD11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固定部に形成された所定の支点を中心に
可動部を揺動させる揺動装置であって、前記可動部を揺動駆動させる駆動手段と、光検出によって前記固定部に対する前記可動部の位置を
検出する位置検出手段と、前記位置検出手段で検出される位置に基づいて前記駆動
手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする
揺動装置。
【請求項２】請求項１に記載の揺動装置において、前記位置検出手段は投光部と受光部とを備えることを特
徴とする揺動装置。
【請求項３】請求項２に記載の揺動装置において、前記投光部と前記受光部とのうちの一方が前記固定部に
設けられ、他方が前記可動部に設けられることを特徴と
する揺動装置。
【請求項４】請求項３に記載の揺動装置において、前記投光部は前記固定部に設けられ、前記受光部は前記
可動部に設けられることを特徴とする揺動装置。
【請求項５】請求項３に記載の揺動装置において、前記投光部は前記可動部に設けられ、前記受光部は前記
固定部に設けられることを特徴とする揺動装置。
【請求項６】請求項３に記載の揺動装置において、前記位置検出手段は、前記投光部において発生する光を
前記受光部に導く光ファイバをさらに備えることを特徴
とする揺動装置。
【請求項７】請求項３ないし請求項６のいずれかに記
載の揺動装置において、前記受光部は、受光面内における光束の重心位置を特定
可能な二次元位置検出素子を備えることを特徴とする揺
動装置。
【請求項８】請求項２に記載の揺動装置において、前記固定部と前記可動部とのうちの一方に、前記投光部
と前記受光部とが共に設けられることを特徴とする揺動
装置。
【請求項９】請求項１ないし請求項８のいずれかに記
載の揺動装置において、前記駆動手段は、形状記憶合金を利用したアクチュエー
タであることを特徴とする揺動装置。