JPH0871978A

JPH0871978A - マニピュレータ

Info

Publication number: JPH0871978A
Application number: JP15930495A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Uchiyama; 秀紀内山
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1994-06-27
Filing date: 1995-06-26
Publication date: 1996-03-19

Abstract

(57)【要約】【目的】摩擦抵抗が小さく、小型で、形状記憶合金やケ
モメカニカルゲルなどの大きな歪み量を発生するアクチ
ュエータを用いながら高精度なセンサーを利用して高精
度な位置制御ができる。【構成】複数の硬性部１３と、隣合う硬性部間に設けら
れた可撓性を有する軟性部１４とからなる湾曲構造体１
１と、この軟性部を湾曲させるアクチュエータ１５と、
前記構造体に配置され、互いに電気的に接続された駆動
制御用歪みセンサー２２と制御回路２１とを有する。前
記駆動制御用歪みセンサーは、前記湾曲構造体の軟性部
に配置され、前記制御回路は、硬性部に配置されてお
り、これらセンサーと、制御回路とは配線２２により電
気的に接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば、内視鏡など
に用いられる、湾曲可能なマニピュレータに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、マイクロマシン技術に関心が集ま
ってきており特に、この技術を産業用及び医療用マイク
ロロボット等へ応用することが期待されている。このた
めには、グリッパ等を任意の部位にアクセスするための
マイクロマニピュレータの実現が必須である。これに関
しては、特に、ＬＳＩ製造技術を応用したシリコンマイ
クロマシニングについて様々な研究が報告されている。
そして、これらの中にはマイクロマニピュレータに関す
るものも多いが、駆動体としてシリコンを用いたアクチ
ュエータは、いずれも変形量と発生量において十分なも
のではなかった。

【０００３】一方、変位量と発生力量において優れてい
る形状記憶合金アクチュエータを用いたマイクロマニピ
ュレータとしては、例えば特開平６−９１５８２号公報
に開示されているものが知られている。この公知例に
は、リンク構造を有する多関節構造体の各関節に、アク
チュエータやアクチュエータに設けられた歪みセンサー
やそれを制御する制御回路が一体化されたマニピュレー
タが示されている。また、変形量において優れているケ
モメカニカルゲルアクチュエータを利用したマニピュレ
ータについても知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術に示されている構造のマニピュレータを更に小型化、
高効率化、高機能化するためには幾つかの問題点があ
る。例えば、特開平６−９１５８２号に示されているよ
うな、リンク構造を有する関節構造体を用いたマニピュ
レータの場合は、リンク部の摺動摩擦抵抗が問題とな
り、特に小型化に伴いマニピュレータで発生する力量に
対する摺動摩擦抵抗の割合が大きくなるために駆動の妨
げとなる恐れがある。また、形状記憶合金などの大きな
歪み量を発生するアクチュエータを用いたマニピュレー
タにおいては、アクチュエータに設けられた歪みセンサ
ーによって位置制御を行う場合、歪みセンサーにも大き
な歪みが加わるために、高感度なピエゾ抵抗素子や感圧
ダイオードなどの歪みセンサーは半導体の延性が小さい
ので適用は困難である。また、金属箔などの抵抗変化を
利用した金属歪みゲージではゲージ率が小さいので高精
度の歪み測定は困難である。

【０００５】したがって、この発明はこれらの問題を克
服し、摩擦抵抗が小さく、小型で、形状記憶合金やケモ
メカニカルゲルなどのような大きな歪み量を発生するア
クチュエータを用いながら高精度な半導体歪みセンサー
のような駆動制御用歪みセンサーを利用して高精度な位
置制御ができるマニピュレータを提供することを目的と
する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明に係わるマニピ
ュレータは、少なくとも２つの硬性部と、この硬性部間
に設けられた可撓性を有する軟性部とからなる湾曲構造
体と、この軟性部を湾曲させるアクチュエータと、前記
構造体に配置され、互いに電気的に接続された駆動制御
用歪みセンサーと制御回路とを有し、前記アクチュエー
タの駆動を制御するデバイスと、このアクチュエータに
駆動エネルギーを供給して前記軟性部を屈曲させるエネ
ルギー供給手段とを具備するマニピュレータにおいて、
前記駆動制御用歪みセンサーは、前記湾曲構造体の軟性
部に配置され、前記制御回路は、硬性部に配置されてい
ることを特徴とする。

【０００７】

【作用】この発明に係わるマニピュレータにいおいて、
アクチュエータにエネルギーを供給することにより、ア
クチュエータは湾曲構造体を軟性部の所で湾曲させる。
そして、この湾曲度合は駆動制御用歪みセンサーによっ
て検出され、この検出信号に応じた信号が制御回路に送
られ、この制御回路によりアクチュエータに供給される
エネルギーが制御される。このようにして、アクチュエ
ータをフイードバック制御することにより、湾曲構造体
は所定の度合に湾曲される。

【０００８】

【実施例】次に、図１ないし図３を参照してこの発明の
第１実施例に係わるマニピュレータを説明する。このマ
ニピュレータは、軸方向に貫通した透孔を有する細長い
円筒状の湾曲構造体１１を有する。この湾曲構造体１１
は、夫々円形空腔１２を有する硬性部１３と軟性部１４
とを軸方向に沿って同軸的に交互に配置させた構成を持
つ。即ち、隣り合う２つの硬性部１３間に１つの軟性部
１４が接続されている。このような湾曲構造体１１とし
ては、軟性部１４は伸縮性を有するプラスチックなど高
分子材料から構成されているが、軟性部１４に一部分硬
性部の部材を補強材として延在させた構造としても良
い。特に、軟性部１４として、円周方向には伸縮量が小
さく水平方向に伸縮しやすい異方性伸縮材料などを用い
ることが望ましい。このような異方性伸縮材料として
は、例えば、ゴム状高分子材料にコイルバネを埋設した
ような複合材料などが使用される。また、硬性部１３
は、金属射出成形などの方法で形成される金属構造体
や、熱により軟化しにくい樹脂、例えば、熱硬化性樹脂
などの材料からなる構造体が用いられる。また、この構
造体１１は、硬性部を剛性の高い樹脂で、光造形法で形
成した後、樹脂を入れ替えて剛性の低い樹脂を用いて軟
性部を光造形法で形成する、複合光造形法を用いて製作
することができる。なお、この複合光造形法について
は、例えば、特開平７−６０８４３に詳細に開示されて
いる。

【０００９】前記湾曲構造体１１の外面には、少なくと
も１つ（図１に示す実施例では２つ）のアクチュエータ
１５が構造体１１の長手方向に沿って延出するように配
設されている。このアクチュエータ１５は、ＴｉＮｉ合
金などからなる形状記憶合金でできたストリップ形状を
なし、この両端が軟性部１４の両端から、硬性部１３に
向かって延出するように中央部が軟性部１４に設けられ
ている。この形状記憶合金には、温度変化により２方向
性の屈曲変形をする全方向形状記憶処理が予め施されて
いる。そして、このアクチュエータ１５の両端部は、硬
性部１３の外面に設けられた支持部材１６により支持さ
れている。この支持部材１６は、支持部材１６と硬性部
１３の外面との間にアクチュエータ１５の一端部が挿入
されるように中央が硬性部１３の表面から離間した板状
に形成されている。尚、このアクチュエータ１５の端部
は、少なくとも一方が支持部材１６に対して長手方向に
移動可能なように、支持部材１６に支持されている。こ
の支持部材は、湾曲構造体とは別体のものをこれに取着
することにより形成しても、構造体の一部を変形するこ
とにより形成しても良い。

【００１０】このようにアクチュエータとして形状記憶
合金を使用すると、アクチュエータの変形量及び変形力
を大きく設定することができるので、湾曲変形量及び変
形力の大きいマニピュレータを制御することができる。

【００１１】前記湾曲構造体１１の外表面には、テバイ
ス１７が接着又は熱溶着などにより取着されている。こ
のデバイス１７は、所定の形状にパターン化された可撓
性薄膜の内部または表面に形成された制御回路２１、駆
動制御用歪みセンサー２２、電熱変換素子２５、マニピ
ュレータを動作させる外部のコントローラに接続するた
めの電極パッド２６、並びに、これらを電気的に接続す
る配線２４により構成されている。このデバイス１７
は、例えば、以下のようなプロセスによって形成され
る。

【００１２】まず、Ｐ型で（１００）の面方位を有する
単結晶シリコン基板の所定の領域に、電子回路を形成す
る深いＮ型拡散層と半導体歪みセンサーとして機能させ
る浅いＮ型拡散層とを形成し、次に、この深いＮ型拡散
層の領域に通常の半導体製造技術を用いてＣＭＯＳ構成
の電子回路を形成する。この深いＮ型拡散層と浅いＮ型
拡散層とは、図２における電子回路２１と歪みセンサー
２２とにそれぞれ該当する。

【００１３】続いて、シリコン異方性エッチングのエッ
チングストッパー層であるシリコン窒化膜を成膜し、こ
の膜の制御回路２１及び駆動制御用歪みセンサー２２に
対応する箇所にリソグラフィ方法によりコンタクトホー
ルを形成する。

【００１４】次に、この上に膜厚２μｍのポリイミドを
成膜し、そして必要な箇所にリソグラフィ方法によりコ
ンタクトホールを形成する。この後、このポリイミド膜
の上にアルミニウム等からなる配線２４、及び電熱変換
素子２５をリソグラフィ方法により形成する。更に、こ
の上にもう一度、膜厚２μｍのポリイミドを成膜し、さ
らにこのポリイミド膜の電極パッド２６となる箇所にリ
ソグラフィ方法によりコンタクトホールを形成する。こ
うして、配線２４、及び電熱変換素子２５を内部に埋設
した構成のポリイミド膜からなる絶縁性を有する可撓性
薄膜２３を形成する。

【００１５】最後に、アルミニウム等からなる電極パッ
ド２６を可撓性薄膜２３上にリソグラフィ方法により形
成する。このように、シリコン基板に一体形成されたデ
バイス１７は、制御回路２１及び駆動制御用歪みセンサ
ー２２が形成されているＮ型拡散領域を陽極に、また水
酸化カリウム水溶液等のエッチング液中に浸した白金等
の電極を陰極として数ボルトの電圧を印加しながら異方
性エッチングを行う電気化学エッチング法を使用して、
Ｎ型拡散領域及びシリコン窒化膜等で保護されない部分
のシリコンを除去する加工を施す。この異方性エッチン
グを行う前に、可撓性薄膜２３や配線２４、及び電熱変
換素子２５等が形成されているシリコン基板の表面側を
エッチング液に侵されないように保護しており、シリコ
ン基板の裏面側の異方性エッチングを施さないところを
シリコン窒化膜等で保護している。

【００１６】異方性エッチングの後は、不要なエッチン
グストッパーを反応性イオンエッチング法等で除去し、
その後、可撓性薄膜２３をシリコン基板から切り出し、
薄膜化されたデバイス１７を得る。

【００１７】この可撓性薄膜２３は、図２に示すよう
に、共通直線部２３ａと、この直線部２３ａの途中か
ら、これに直交し、かつ互いに異なる方向に分岐した第
１の分岐部２３ｂ並びに第２の分岐部２３ｃとからな
る。各第１の分岐部２３ｂは、硬性部１３の所で前記支
持部材１６に向かって分岐し、この支持部材１６の所で
直角に折曲して隣の支持部材１６の所まで軟性部１４上
を通って軸方向に延出している。一方、前記第２の分岐
部２３ｃは軟性部１４のほぼ中間の所で分岐し、所定長
さ直線状に延出し軟性部１４の中央部の所で終端してい
る。そして、この配線２４は、各線を互いに絶縁するよ
うに分離して形成された電源線、グランド線、信号線、
及び同期信号線により構成されている。この制御回路２
１は、共通直線部２３ａ上の前記第１の分岐部２３ｂの
分岐する箇所に、前述の電気化学エッチングによって選
択的に残存させられた深いＮ型拡散領域内の回路領域と
して配置されている。なお、この手法の詳細について
は、特開平６−９１５８２に開示されている。一方、前
記歪みセンサー２２は、第２の分岐部２３ｃの終端部に
配置された、前述の電気化学エッチングによって選択的
に残存させられた浅いＮ型拡散領域であり、ピエゾ抵抗
効果による半導体歪みゲージとして機能する。また、前
記電熱変換素子２５は、アクチュエータ１５の下に、こ
れに沿って延出するようにして、前記第１の分岐部２３
ｂの支持部材１６間の部分に取着されている。そして、
前記電極パッド２６は、通常の半導体集積回路と同様な
形態で、共通直線部２３ａの一端に形成される。また、
このデバイス１７は、マニピュレータの湾曲変形により
伸び変形もしくは破断などしないように、湾曲構造体に
配置する際に適当なたるみを持たせるように、複数の箇
所において湾曲構造体に接着もしくは熱溶着などの方法
で固定される。固定部位としては、電熱変換素子の領域
２５がアクチュエータ１５の表面又は裏面のほぼ全域で
接着もしくは溶着により張り付けられ、制御回路２１と
その近傍領域が湾曲構造体の硬性部１４に、全面もしく
は部分的な溶着によって固定される。位置的に軟性部１
３に沿って配置される配線２４の領域は、適度なたるみ
をもって、硬性部に対応する両端で支持された状態で湾
曲構造体から遊離しているか、もしくは離散的ないくつ
かの箇所において部分的に接着もしくは溶着されてい
る。但し、センサー２２の部分については、マニピュレ
ータの湾曲量を検出するために、軟性部１４に対して接
着もしくは溶着によって固定されていることが必要であ
ることは言うまでもない。尚、前記電熱変換素子２５と
しては、形状記憶合金の大きな変形量によって塑性変形
や破断しないように、超弾性を有する金属材料を、半導
体構造技術などを利用して所定形状に加工したものが使
用されている。また、この電熱変換素子は、アクチュエ
ータ１５に対しては、熱が伝えやすいように、上述のよ
うに張り付けて配置しているが、前記湾曲構造体１１の
軟性部に対しては、歪みの影響をさけるため、離間して
配置することが好ましい。

【００１８】前記歪みセンサー２２は、前記配線２４に
より制御回路２１に電気的に接続され、電極パッド２６
に接続されたマニピュレータのコントローラに信号を伝
達し、コントローラ内で歪みセンサーの歪み量からマニ
ピュレータの屈曲角を計算し、アクチュエータのフィー
ドバック制御する。

【００１９】前記電熱変換素子２５は、上述したように
アクチュエータ１５の下にこれに沿って配設されてお
り、また配線２４を介して制御回路２１に電気的に接続
されている。この結果、この電熱変換素子２５には、制
御回路２１から制御された電流が供給され発熱して、こ
の供給電流値に対応した度合でアクチュエータ１５を湾
曲させる。このように、アクチュエータ１５は、電熱変
換素子２５に対して、熱伝達を受けられるように配置さ
れており、電熱変換素子２５に接合されていても、電熱
変換素子２５に対して摺動可能に設けられていても良
い。

【００２０】上記構成のマニピュレータの作用を以下に
説明する。まず、電極パッド２６を外部コントローラに
接続すると共に、図示しない電源をＯＮにする。この結
果、外部コントローラから電力が、電極パッド２６並び
に制御回路２１を介して電熱変換素子２５に与えられ
る。この電熱変換素子２５は通電により加熱し、形状記
憶合金からなるアクチュエータ１５に熱を伝え、形状記
憶合金の変態温度以上に加熱された時点で形状記憶させ
た形状に屈曲変形をする。このときのアクチュエータ１
５によって発生した変形量及び変形力は、支持部材１６
によって、硬性部１３に伝達し、更に硬性部１３を介し
て軟性部１４に伝達され、それに応じて軟性部１４は変
形して、図３に示したようにマニピュレータは湾曲変形
される。また、この軟性部１４の変形によって、駆動制
御用歪みセンサー２２に歪みが与えられ、それに応じた
出力信号を歪みセンサー２２は制御回路２１に出力す
る。この歪みセンサー２２の出力に応じて、外部コント
ローラは制御回路２１に電熱変換素子２５に供給する電
力を制御するための信号を送り、それによりアクチュエ
ータ１５の屈曲角を制御するといったフィードバック制
御を行う。

【００２１】このように本実施例は、軟性部１４が変形
することによりマニピュレータが湾曲変形する構成であ
るので、湾曲部分の摺動抵抗がなく、アクチュエータ１
５で発生した変形量及び変形力を低減することなくマニ
ピュレータの湾曲動作に作用させることができる。ま
た、制御回路２１が硬性部１３に配置しているために、
制御回路２１の変形による回路特性の変動を回避するこ
とができるので、常に正常に制御することができる。そ
して、大きな変形量を発生する形状記憶合金を用いたア
クチュエータ１５においても、軟性部１４にこの歪みセ
ンサー２２が配置されているために加わる歪みが小さ
く、高感度な半導体歪みセンサー２２を使用できる。

【００２２】なお、本実施例の各構成は、当然、各種の
変形、変更が可能である。例えば、駆動制御用歪みセン
サー２２において、複数の半導体抵抗体を用い、温度補
償などの補償を可能とするためのブリッジ回路を形成す
ることが可能である。

【００２３】次に、図４を参照してにこの発明の第２の
実施例に係わるマニピュレータを説明する。この実施例
のマニピュレータは、第１の実施例とほぼ同じ構成を持
つが、軟性部１４並びにアクチュエータ１５に代わっ
て、これらを兼用する手段として電気応答型ケモメカニ
カルゲル５１が使用されている。このケモメカニカルゲ
ル５１は、硬性部１３と同形状の円筒状をなし、隣接す
る１対の硬性部１３間に同軸的に挟持されている。ま
た、前記第１の分岐部２３ｂは、１つの制御回路２１に
対して、互いに反対方向に延びるようにして２つ形成さ
れている。そして、これら第１の分岐部２３ｂの終端部
上には、即ち、ケモメカニカルゲル５１上には、前記電
熱変換素子２５に代えて、このゲル５１に電圧を印加す
るためのストリップ形状の電極５２が、制御回路２１と
電気的に接続し、互いに対向するように取着されてい
る。これら電極５２は、軸方向に延びたストリップ形状
をなし、導電性薄膜、例えば、白金薄膜により形成され
ている。そして、この電極はゲル表面もしくは表層部
に、このゲルの変形を妨げにくいように、好ましくは摺
動可能に配置されている。この電極の配置位置について
は、マニピュレータが湾曲変形するように設定されてい
る。また、好ましくは、図示のように、一方の電極５２
の近くに前記駆動制御用歪みセンサー２２が配設されて
いる。

【００２４】前記電気応答型ケモメカニカルゲルは、電
気刺激に対して変形をするもので、例えば、ポリビニル
アルコールとポリアクリル酸ナトリウムの共重合体（Ｐ
ＶＡ−ＰＡＡ）ゲルや、ポリ−２−アクリルアミド−−
２−メチルプロバンスルホン酸（ＰＡＭＰＳ）ゲル、ア
クリルニトリルゲル、アクリルアミドゲルなどの高分子
ゲルであり、また、パーフルオロスルホン酸、ポリエチ
レンスルホン酸といったイオン交換樹脂なども含む。

【００２５】この第２の実施例において、電極５２より
このゲル５１に電圧を印加することにより、この当ゲル
は屈曲変形を起こし、マニピュレータは湾曲変形する。
このように、この実施例によれば、ケモメカニカルゲル
５１が、湾曲構造体の軟性部とアクチュエータとを兼ね
るので、構成が簡略化され、小型化が可能となる。ま
た、ケモメカニカルゲルは、変形量が大きいので、マニ
ピュレータの湾曲量を大きくすることが可能である。さ
らに、応答性及び制御性が良い効果もある。

【００２６】次に、この発明の第３実施例を説明する。
この実施例のマニピュレータは、特に図示しないが、以
下のように構成されている。第１の実施例とほぼ同じ構
成を持つが、図１における軟性部１４に該当する部分が
熱応答型ケモメカニカルゲルで構成され、この部位が加
熱・冷却によって湾曲動作する。即ち、軟性部自体がア
クチュエータとして機能するので、図１におけるアクチ
ュエータ１５及び支持部材１６に該当する部分は不要と
なる。本実施例においては、アチュエータを動作させる
ために熱応答型ケモメカニカルゲルで構成された軟性部
を加熱する機構が必要となるが、これは図２に示された
可撓性薄膜の電熱変換素子２５が直接軟性部を加熱する
ように配置することによって容易に実現できる。本実施
例においても、第１の実施例と同様に、センサーの歪み
量からマニピュレータの屈曲角を計算し、アクチュエー
タをフィードバック制御する。

【００２７】前記熱応答型ケモメカニカルゲルは、熱の
変化に対応して変形をするもので、例えば、ポリビニル
メチルエーテル（ＰＶＭＥ）ゲルやＮ置換アクリルアミ
ドゲルなどの高分子ゲルである。

【００２８】また、この当ゲルを加熱するための電熱変
換素子は、超弾性材料などの金属材料を、半導体製造技
術などを利用して所定形状に加工して、通電によりジュ
ール熱を発生させるものである。そして、この電熱変換
素子は、このゲルの表面もしくは表層部に、このゲルの
変形を妨げにくいように摺動可能、且つ、熱を伝えやす
いように配置されている。

【００２９】この実施例においては、電熱変換素子に制
御された電流を供給することによりこれが加熱し、この
素子に近いゲルの部分を加熱して収縮変形を起こさせ
る。かくして、このゲルからなる軟性部は収縮変形を起
こした方向に屈曲変形する。また、加熱を停止すること
により、このゲルの温度が低下し、それに応じて膨潤変
形して元の形状に戻る。このようにして、マニピュレー
タは湾曲変形することができる。

【００３０】尚、この第３の実施例のマニピュレータ
は、前記第２の実施例のものと同様の効果を奏する。次
に、図５を参照してこの発明の第４実施例を説明する。

【００３１】この実施例は。各軟性部１４に２つの駆動
制御用歪みセンサーが設けられている点を除けば、第１
の実施例と実質的に同じなので、以下に相違点のみ説明
する。

【００３２】この実施例では、共通直線部２３ａから、
１つの軟性部１４に対して２本の第２の分岐部２３ｃが
互いに平行に延出されている。これら第２の分岐部２３
ｃは、各軟性部１４の軸方向の前部並びに後部に沿って
（第１の実施例では１本の第２の分岐部２３ｃが軟性部
１４のほぼ中心に延びている）延びており適当な箇所で
終端している。そして、これら第２の分岐部２３ｃの終
端部上には歪みセンサー２２が夫々取着されている。ま
た、これら歪みセンサー２２は可撓性薄膜２３上に配設
された配線２４により制御回路２１に電気的に接続され
ている。尚、各配線２４に設けられた１対の歪みセンサ
ー２２は、等価のセンサーであり、配置位置のみが一方
は軸方向前方に、また他方が軸方向後方にと、配置位置
が相違しているだけである。

【００３３】このように、各軟性部１４に、１対の歪み
センサー２２が配置されていることにより、本実施例の
マニピュレータが外部から力を受け、軟性部１４が変形
した場合に、同一の軟性部に配置された１対のこの歪み
センサー２２出力信号の強度差や強度の大きさによっ
て、外力が加わっている部位や強さが推測することがで
きる。このために、外力の影響に応じた駆動制御がで
き、より高精度な位置決めが可能となる。

【００３４】上記歪みセンサー２２は、各軟性部１４に
対して２つに限定されるものではなく、多ければ多いほ
ど湾曲の正確な制御ができるが、構造が複雑かつ大型化
するので、使用する歪みセンサー２２の数は、使用目的
に応じて適宜選定すれば良い。

【００３５】尚、上記第２並びに第４の実施例を示す第
４図並びに第５図には、配線２２を省略しているが、図
３と同様の配線が各電気部品を電気的に接続するために
配線が可撓性薄膜２３に形成されている。

【００３６】以上説明した第１ないし第４の実施例にお
ける湾曲構造体は、管状をなし内部に前端から他端に連
続した空腔が形成され、光ファイバや、カメラ、グリッ
パなどの機能要素を挿入することができる。これによ
り、空腔内に挿入したグリッパなどを任意の部位にアク
セスすることのできるマニピュレータが可能となる。し
かし、この発明の湾曲構造体は、管状のものに限定され
るものではなく、詰まっていても良く、また、外形も円
形に限定されることはなく、例えば、矩形やフイラメン
ト状など他の形態をしていても良い。

【００３７】また、各アクチュエータの変形方向を任意
に設定して配置すした場合は、各軟性部ごとに複数の自
由度を持たせることができる。前記駆動制御用歪みセン
サーとしては、これに限定されるものではないが、軟性
部の変形による歪みに応じた電気信号を出力するピエゾ
抵抗素子や感圧ダイオードなどの半導体歪みセンサーが
好ましい。このような半導体歪みセンサーは、金属歪み
センサーに比べてゲージ率が大きいために、歪みセンサ
ーの配置位置をアクチュエータではなく軟性部に配置で
きることにより、軟性部の歪みを直接歪みゲージにより
測定できるので、より正確な湾曲角を求めることができ
る。

【００３８】前記湾曲構造体においては、少なくとも２
つの硬性部と、これらの間に設けられた１つの軟性部と
があれば、所定の湾曲機能を奏することができるが、複
数の軟性部を設けることにより、マニピュレータの湾曲
変形がスムースに行われる。また、各軟性部を同一方向
に変形させることにより、マニピュレータの湾曲角を大
きくすることができる。

【００３９】以上各実施例に基づいて、本発明を説明し
たが、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
く、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能で
ある。

【００４０】ここで、本発明の要旨をまとめると以下の
ようになる。この発明の第１の態様に係わるマニピュレ
ータは、少なくとも２つの硬性部と、この硬性部間に設
けられた可撓性を有する軟性部とからなる湾曲構造体
と、この軟性部を湾曲させるアクチュエータと、前記構
造体に配置され、互いに電気的に接続された駆動制御用
歪みセンサーと制御回路とを有し、前記アクチュエータ
の駆動を制御するデバイスと、このアクチュエータに駆
動エネルギーを供給して前記軟性部を屈曲させるエネル
ギー供給手段とを具備するマニピュレータにおいて、
前記駆動制御用歪みセンサーは、前記湾曲構造体の軟性
部に配置され、前記制御回路は、硬性部に配置されてい
ることを特徴とする。

【００４１】この第１の態様は、全ての図に対応するも
のであり、以下のような作用並びに効果を奏する。湾曲
構造体としては、軟性部は伸縮性を有するプラスチック
など高分子材料から構成されているが、軟性部に一部分
硬性部を補強材として延在させた構造も含む。特に、軟
性部として円周方向には伸縮量が小さく水平方向に伸縮
しやすい異方性伸縮材料などを用いることが望ましい。
前記異方性伸縮材料としては、例えば、ゴム状高分子材
料にコイルバネを埋設したような複合材料などが考えら
れる。また、硬性部は、金属射出成形などの方法で形成
される金属構造体や、熱により軟化しにくい樹脂、例え
ば、熱硬化性樹脂などの材料からなる構造体が用いられ
る。

【００４２】制御回路については、硬性部に配置され、
駆動制御用歪みセンサーは軟性部に配置される。該歪み
センサーは、軟性部の歪みを受ける部位に配置する。こ
こで歪みセンサーは軟性部に接着などの方法で固定され
る訳であるが、歪みセンサーと軟性部の剛性を適切に選
ぶことによって、アクチュエータの屈曲角に対する歪み
センサーの歪み量を最適化できる。

【００４３】前記アクチュエータについては、軟性部を
変形することのできる変形量及び変形力を有するもので
あれば特に限定されるものではない。湾曲構造体として
硬性部と軟性部を交互に配置したことによって、アクチ
ュエータの変形量及び変形力が軟性部に作用し、アクチ
ュエータの変形に応じて軟性部が湾曲変形する。

【００４４】前記硬性部に配置された制御回路は、硬性
部が変形しないために制御回路部に歪みを与えないの
で、アクチュエータの駆動によって回路特性が変動する
ことはない。また、軟性部に配置された駆動制御用歪
みセンサーについては、軟性部の変形によりピエゾ抵抗
素子や感圧ダイオードなどの半導体歪みセンサーに歪み
が加わり、歪み量の計測ができる。こうして、該歪みセ
ンサーは制御回路に接続され、マニピュレータのコント
ローラに信号を伝達し、コントローラ内で歪みセンサー
の歪み量からマニピュレータの屈曲角を計算し、アクチ
ュエータのフィードバック制御する。

【００４５】このように、制御回路が硬性部に配置して
いるために、制御回路部の変形による回路特性の変動が
なく、常にアクチュエータを正常に制御することができ
る。更に、大きな変形量を発生するアクチュエータを用
いた場合においても、軟性部に該歪みセンサーが配置さ
れているために加わる歪みを小さくできるので、高感度
な半導体歪みセンサーを使用できる。また、該歪みセン
サーが軟性部自体に配置されているために、軟性部の歪
みを直接測定することができる。

【００４６】それぞれの軟性部に対して複数のアクチュ
エータを配置することも可能である。複数のアクチュエ
ータを配置する場合は、各アクチュエータの変形方向を
同一にして構造体に配置する構成や、変形方向を任意に
設定して配置する構成などがある。

【００４７】第２の態様に係わるマニピュレータは、第
１の態様に係わるマニピュレータにおいて、前記湾曲構
造体は、３つ以上の硬性部と、隣合う硬性部間に夫々設
けられた２つ以上の軟性部とが連節した構成を持ち、各
軟性部に対応して、前記アクチュエータと前記駆動制御
用歪みセンサーと前記制御回路とが設けられていること
を特徴とする。

【００４８】この第２の態様は、全ての図に示す実施例
に対応するものであり、以下のような作用並びに効果を
奏する。上記複数のアクチュエータは、各アクチュエー
タの変形方向を同一にして構造体に配置したり、変形方
向を任意に設定して配置したりする。

【００４９】複数の軟性部がそれぞれアクチュエータ及
び駆動制御用歪みセンサー及び制御回路を有することに
よって、各軟性部ごとにアクチュエータの変形量及び変
形力が軟性部に作用し、アクチュエータの変形に応じて
軟性部が湾曲変形する。

【００５０】また、各軟性部ごとに歪みセンサーの信号
によって、アクチュエータをフィードバック制御する。
このように、複数の軟性部を有することにより、マニピ
ュレータの湾曲変形がスムースに行われる。また、各軟
性部を同一方向に変形させることにより、マニピュレー
タの湾曲角を大きくすることができる。

【００５１】第３の態様に係わるマニピュレータは、前
記第１もしくは第２の態様に係わるマニピュレータにお
いて、前記アクチュエータは、隣接した２つの硬性部に
より両端が夫々支持された形状記憶合金アクチュエータ
を有し、また、前記エネルギー供給手段は前記形状記憶
合金アクチュエータを加熱するための電熱変換素子を有
することを特徴とする。

【００５２】この第３の態様は、図１ないし図３並びに
図５の実施例に対応するものであり、以下のような作用
並びに効果を奏する。前記形状記憶合金アクチュエータ
は、例えばＴｉＮｉ合金などからなり、これの支持につ
いては、図１に示したように硬性部に設けた固定支持部
材による支持以外に、長手方向に伸縮性のある物質で被
覆したり、硬性部に設けた孔にアクチュエータを挿入し
たりする方法等でも良い。この形状記憶合金アクチュエ
ータは、両端もしくは一端が摺動可能なように指示部材
に支持されている。そして、形状記憶合金は温度変化に
より、２方向性の屈曲変形をする全方向形状記憶処理が
施されている。

【００５３】前記形状記憶合金アクチュエータを加熱す
るための電熱変換素子は、形状記憶合金の大きな変形量
によって塑性変形や破断しないように、超弾性を有する
金属材料を、半導体構造技術などを利用して所定形状に
加工されている。また、この電熱変換素子は、熱が伝え
やすいように、アクチュエータ１５に対して、張り付
け、または、沿うようにして配置するとともに、軟性部
の変形による歪みの影響をさけるため、前記湾曲構造体
１１の軟性部に対しては、離間して配置することが好ま
しい。

【００５４】前記電熱変換素子に通電することによりジ
ュール熱を発生して、形状記憶合金を加熱し、形状記憶
合金が変態温度に達した時点で形状記憶処理を施した形
状に変形する。形状記憶合金は硬性部によって支持され
ているので、形状記憶合金アクチュエータによって発生
した変形力及び変形量は硬性部に伝達されるが、硬性部
は変形しないために、隣接した硬性部間に配置された軟
性部にアクチュエータの変形力及び変形量が硬性部を介
して作用し、軟性部が変形する。

【００５５】かくして、変形量及び変形力の大きい形状
記憶合金をアクチュエータとして使用できるために、湾
曲変形量及び変形力の大きいマニピュレータを制御する
ことができる。また、形状記憶合金の加熱を電熱変換素
子にしたことにより、制御性が向上する。

【００５６】第４の態様に係わるマニピュレータは、前
記第１もしくは第２の態様に係わるマニピュレータにお
いて、前記湾曲構造体の硬性部と軟性部とは光硬化性樹
脂で形成されていることを特徴とする。

【００５７】この第４の態様は、全ての図に示す実施例
に対応するものであり、以下のような作用並びに効果を
奏する。前記湾曲構造体の硬性部と軟性部が、特性の異
なった光硬化性樹脂からなる構成であり、硬性部と軟性
部を光造形法及び犠牲層エッチング技術などを利用して
一体成形される。また、同時にアクチュエータの支持部
材を一体成形することや、可撓性薄膜からなる配線など
が配置される部位を一部窪ませるようにしても良い。

【００５８】この態様のマニピュレータでは、軟性部に
アクチュエータによって発生した変形量及び変形力が作
用し、軟性部はアクチュエータの変形に応じた変形をし
て、マニピュレータを湾曲変形させる。

【００５９】かくして、光造形法により軟性部と硬性部
からなる湾曲構造体が一体成形されることにより、組立
工程が省略でき、より高精度で、小さいマニピュレータ
を得ることができる。

【００６０】第５の態様に係わるマニピュレータは、前
記第１もしくは第２の態様に係わるマニピュレータにお
いて、前記軟性部はケモメカニカルゲルで構成され、こ
のケモメカニカルゲルが前記アクチュエータを構成して
いることを特徴とする。

【００６１】この第５の態様は、図４に示す実施例に対
応するものであり、以下のような作用並びに効果を奏す
る。このマニピュレータでは、前記軟性部がケモメカニ
カルゲルからなり、該ケモメカニカルゲルがアクチュエ
ータの機能を有する。すなわち、該当ケモメカニカルゲ
ルに、熱変化やｐＨ変化、イオン濃度変化、電気刺激、
光刺激及び溶媒変換などの外部刺激を加えることによ
り、該ケモメカニカルゲルが膨潤や収縮などの形状を変
化を起こし、アクチュエータとして作用させる。

【００６２】かくして、軟性部がアクチュエータの機能
を有することにより、構成が簡略化され、小型化が可能
となる。また、ケモメカニカルゲルは、変形量が大きい
ので、マニピュレータの湾曲量が大きくできる。

【００６３】第６の態様に係わるマニピュレータは、前
記第４の態様に係わるマニピュレータにおいて、前記軟
性部は電気応答型ケモメカニカルゲルで構成され、ま
た、エネルギー供給手段は、この電気応答型ケモメカニ
カルゲルに電圧を印加する電極を有することを特徴とす
る。

【００６４】この第６の態様は、図４に示す実施例に対
応するものであり、以下のような作用並びに効果を奏す
る。このマニピュレータにおいては、前記湾曲構造体の
軟性部が、電気応答型ケモメカニカルゲルからなり、ア
クチュエータを兼ねる。該ゲルは、電気刺激に対して変
形をするもので、例えば、ポリビニルアルコールとポリ
アクリル酸ナトリウムの共重合体（ＰＶＡ−ＰＡＡ）ゲ
ルや、ポリ−２−アクリルアミド−−２−メチルプロバ
ンスルホン酸（ＰＡＭＰＳ）ゲル、アクリルニトリルゲ
ル、アクリルアミドゲルなどの高分子ゲルであり、パー
フルオロスルホン酸、ポリエチレンスルホン酸といった
イオン交換樹脂なども含む。

【００６５】また、該ゲルの駆動エネルギーを供給する
電極は、白金などの金属材料からなり、ゲル表面もしく
は表層部に、該ゲルの変形を妨げにくいように摺動可能
に配置される。該電極の配置位置については、マニピュ
レータが湾曲変形するように設定されている。

【００６６】かくして、軟性部兼アクチュエータである
電気応答型ケモメカニカルゲルに電圧を印加することに
より、電極の配置及び極性に応じて該ゲルが変形をし、
それによって、マニピュレータが湾曲変形する。

【００６７】第７の態様に係わるマニピュレータは、前
記第５の態様に係わるマニピュレータにおいて、前記軟
性部は熱応答型ケモメカニカルゲルで構成され、また、
前記エネルギー供給手段はケモメカニカルゲルを加熱す
るための電熱変換素子を有することを特徴とする。

【００６８】この第７の態様は、図４に示す実施例に対
応するものであり、以下のような作用並びに効果を奏す
る。このマニピュレータでは、湾曲構造体の軟性部が、
熱応答型ケモメカニカルゲルからなり、アクチュエータ
を兼ねる。該ゲルは、熱の変化に対応して変形をするも
ので、例えば、ポリビニルメチルエーテル（ＰＶＭＥ）
ゲルやＮ置換アクリルアミドゲルなどの高分子ゲルであ
る。

【００６９】また、該当ゲルを加熱するための電熱変換
素子は、超弾性材料などの金属材料を、半導体製造技術
などを利用して所定形状に加工して、通電によりジュー
ル熱を発生する。電熱変換素子は、該ゲルの表面もしく
は表層部に、該ゲルの変形を妨げにくいように摺動可
能、且つ、熱を伝えやすいように配置されている。

【００７０】電熱変換素子により軟性部が加熱されるこ
とにより、加熱された部分のゲルが伸縮変形をする。例
えば、高温収縮型のゲルの場合は収縮する。これによ
り、該ゲルの変形に応じて、マニピュレータが湾曲変形
をする。

【００７１】かくして、熱応答型ケモメカニカルゲル
が、湾曲構造体の軟性部及びアクチュエータを兼ねるの
で、構成が簡略化され、小型化が可能となる。第８の態
様に係わるマニピュレータは、前記いずれかの態様に係
わるマニピュレータにおいて、前記硬性部及び軟性部
は、互いに接続された管状であることを特徴とする。

【００７２】この第８の態様は、全ての図に示す実施例
に対応するものであり、以下のような作用並びに効果を
奏する。このマニピュレータにおいては、湾曲構造体が
管状であることによって、空腔を有する。

【００７３】この結果、管状の湾曲構造体の空腔内に、
光ファイバや、カメラ、グリッパなどの機能要素を挿入
することができる。これにより、空腔内に挿入したグリ
ッパなどを任意の部位にアクセスすることのできるマニ
ピュレータが可能となる第９の態様に係わるマニピュレ
ータは、前記いずれかの態様に係わるマニピュレータに
おいて、前記駆動制御用歪みセンサーは、湾曲構造体の
軟性部に、複数配置されたことを特徴とする。

【００７４】この第９の態様は、図５に示す実施例に対
応するものであり、以下のような作用並びに効果を奏す
る。このマニピュレータにおいては、軟性部の変形量を
計測するために、例えば半導体よりなる駆動用制御歪み
センサーが、軟性部に複数配置されている。

【００７５】軟性部の複数の駆動制御用歪みセンサーを
配置したことにより、外部から力を受けるような場合
に、外力が作用している方向及び部位を、該歪みセンサ
ーの出力信号により推測できる。該歪みセンサーの個数
が多ければ、外力の分布を求めることができる。また、
該歪みセンサーの出力信号の強度により、外力の大きさ
も推測できる。

【００７６】かくして、マニピュレータに及ぼす外力の
強さ、及び外力が作用している方向及び部位の推測が可
能であるために、外力の影響に応じた駆動制御ができる
ため、より高精度な位置決めができる。

【００７７】第１０の態様に係わるマニピュレータは、
前記いずれかの態様に係わるマニピュレータにおいて、
前記駆動制御用歪みセンサーは、半導体歪みセンサーで
あることを特徴とする。

【００７８】この第１０の態様は、全ての図に示す実施
例に対応するものであり、以下のような作用並びに効果
を奏する。このマニピュレータにおいては、前記駆動制
御用歪みセンサーが、ピエゾ抵抗素子や感圧ダイオード
などの半導体歪みセンサーである。

【００７９】前記軟性部の歪みを受ける部位に配置され
た駆動制御用歪みセンサーにより、軟性部の変形により
歪みセンサーに歪みが加わり、これによる半導体の抵抗
値の変化によって歪み量の計測をする。

【００８０】この半導体歪みセンサーは、金属歪みセン
サーに比べてゲージ率が大きいために、歪みセンサーの
配置位置をアクチュエータではなく軟性部に配置できる
ことにより、軟性部の歪みを直接歪みゲージにより測定
できるので、より正確な湾曲角を求めることができる。

【００８１】第１１の態様に係わるマニピュレータは、
前記いずれかの態様に係わるマニピュレータにおいて、
前記配線は可撓性薄膜に形成されていることを特徴とす
る。

【００８２】この第１１の態様は、全ての図に示す実施
例に対応するものであり、以下のような作用並びに効果
を奏する。前記配線は、可撓性薄膜により、汚染、機械
的衝撃から保護されていると共に、湾曲構造体に対して
電気的に絶縁されている。

【００８３】第１２の態様に係わるマニュビレータは、
前記第１、第２の態様に係わるマニュピレータにおい
て、前記駆動制御用歪みセンサーと前記制御回路とが、
これらを接続する配線とともに可撓性薄膜に一体形成さ
れており、この可撓性薄膜の配線保持部分が、前記湾曲
構造体に対して、遊離しているか、もしくは、離散的な
いくつかの箇所において部分的に接着もしくは溶着等に
より取着さていることを特徴とする。

【００８４】この第１２の態様は、全ての実施例に対応
するものであり、以下のような作用効果を奏する。歪み
センサー、制御回路とともに可撓性薄膜に一体形成され
た配線部は、湾曲構造体に対して、遊離しているか、も
しくは、離散的ないくつかの箇所において部分的に接着
もしくは溶着等により取り着けられているので、構造体
の湾曲動作による歪みを受けにくく疲労による破断など
がおこりにくく、安定した制御ができる。

【００８５】第１３の態様に係わるマニュビレータは、
前記第２の態様に係わるマニュピレータにおいて、前記
可撓性薄膜に、さらに、前記エネルギー供給手段が一体
形成されていることを特徴とする。

【００８６】この第１３の態様は全ての実施例に対応す
るものであり、以下のような作用効果を奏する。可撓性
薄膜に歪みセンサー、制御回路、アクチュエータへのエ
ネルギー供給手段、これらを接続する配線部が一体形成
されているので、アクチュエータの駆動制御とそれに伴
う構造体の湾曲動作を円滑に行うことができる。

【００８７】

【発明の効果】本発明のマニピュレータにおいては、軟
性部が変形することによりマニピュレータが湾曲変形す
る構成であるので、駆動制御用歪みセンサーを湾曲構造
体の軟性部に配置することにより、軟性部の変形に応じ
たアクチュエータの制御ができる。また、制御回路が硬
性部に配置されているので、制御回路の変形による回路
特性の変動を回避することができ、常に正常に制御する
ことができる。そして、大きな変形量を発生する形状記
憶合金を用いたアクチュエータにおいても、軟性部に駆
動制御用歪みセンサーが配置されているために加わる歪
みが小さく、半導体歪みセンサーのような高感度の歪み
センサーを使用することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施例にかかわるマニピュレ
ータを示す斜視図である。

【図２】図１に示すマニピュレータで使用されている配
線を展開して示す平面図である。

【図３】図１に示すマニピュレータの湾曲された状態を
示す斜視図である。

【図４】この発明の第２の実施例にかかわるマニピュレ
ータを示す斜視図である。

【図５】この発明の第４の実施例にかかわるマニピュレ
ータを示す斜視図である。

【符号の説明】

１１…湾曲構造体、１３…硬性部、１４…軟性部、１５
…アクチュエータ、２１…制御回路、２２…駆動制御用
歪みセンサー、２４…配線。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも２つの硬性部と、この硬性部
間に設けられた可撓性を有する軟性部とからなる湾曲構
造体と、この軟性部を湾曲させるアクチュエータと、前
記構造体に配置され、互いに電気的に接続された駆動制
御用歪みセンサーと制御回路とを有し、前記アクチュエ
ータの駆動を制御するデバイスと、このアクチュエータ
に駆動エネルギーを供給して前記軟性部を屈曲させるエ
ネルギー供給手段とを具備するマニピュレータにおい
て、前記駆動制御用歪みセンサーは、前記湾曲構造体の軟性
部に配置され、前記制御回路は、硬性部に配置されてい
ることを特徴とするマニピュレータ。