JPH10109284A - マイクロマニピュレータとその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 精密な微動とより速やかな粗動とを両立する
ことができるマイクロマニピュレータとその駆動方法と
を提供すること。 【解決手段】 本マイクロマニピュレータは、固定端に
上端部２が連なっている上腕１と、エンドエフェクタに
下端部２３が連なっている下腕２０と、上腕１と下腕２
０とを角度可変に連結している関節１０とを有する。下
腕２０には曲げ変形可能な屈伸アクチュエータ２２が、
関節１０には圧電素子１５を利用したディスクブレーキ
１００とが装備されている。ディスクブレーキ１００に
より関節１０を固定して屈伸アクチュエータ２２を曲げ
変形させて下腕２０に角運動量を与える加速運動過程
と、ディスクブレーキ１００を緩めて下腕２０を角速度
をもって関節１０まわりに傾動させる慣性運動過程と、
ディスクブレーキ１００をかけて関節１０を固定する角
度維持過程とで、大きく速やかに粗動できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体を挟持して移
動したりするなど、何らかの操作を物体に及ぼすマニピ
ュレータの技術分野に属し、特にマイクロメートルやナ
ノメートルのオーダの精密作業を行うマイクロマニピュ
レータの技術分野に属する。

【０００２】

【従来の技術】アクチュエータの急激な動作により慣性
力が支配的である運動と、アクチュエータの動作が緩慢
で関節等に作用する摩擦力の方が支配的である運動とを
交互に繰り返すことによって、所定の方向への移動もし
くは運動を行う駆動方法を、本明細書中では「インパク
ト駆動」と呼ぶものとする。

【０００３】特公平６−４３０４０号公報には従来技術
として、所定の摩擦モーメントで支持されている関節部
を有し、インパクト駆動によって腕状部材の軸方向を変
えたり軸回りに回転運動を与えることができる装置が開
示されている。同装置は、腕状部材が関節で所定の摩擦
モーメントで支持されており、この腕状部材に複数の圧
電アクチュエータを介してそれぞれ質量体（錘）が接合
されている。同装置は、圧電アクチュエータの急激な伸
縮によってその反力として発生する慣性力と、関節の摩
擦力とを交互に利用してインパクト駆動を行い、腕状部
材を粗動させることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら同装置で
は、腕状部材とは別個に圧電アクチュエータおよび質量
体を装備する構成であったので、小型化および軽量化が
困難であった。また、同装置では粗動操作はできても、
微動操作は難しいものと推察される。なぜならば、関節
の摩擦抵抗は、通常、静摩擦係数の方が動摩擦係数より
も大きいので、関節の摺動部が一端静止状態から摺動状
態に移ったならば、勢いがついてしまって所望の微少距
離の移動で停止させることは困難だからである。また、
インパクト駆動によって生じる振動も、マイクロメート
ル・オーダやナノメートル・オーダの微細な操作が要求
される微動動作には不都合である。それゆえ、従来技術
の上記装置では、マニピュレータの先端部を素早く大き
く移動させる粗動と、同先端部の振動が少なく極めて精
密な操作ができる微動とを両立させることはできなかっ
た。

【０００５】これに対し本発明者らは、圧電ユニモルフ
単板の変形を利用して伸縮と屈曲とが可能な屈伸アクチ
ュエータを開発し、これを腕部材に組み込まれたアクチ
ュエータとしてインパクト駆動による粗動と微動とが可
能なマイクロマニピュレータを発明した。同発明のマイ
クロマニピュレータによれば、分解能が極めて高い微動
動作と、大きなダイナミックレンジで素早く移動できる
粗動動作とが、両立できるという効果がある。同発明
は、先行技術として特願平７−１２１３６５号で特許出
願されているほか、日本機械学会通常総会講演会Ｎｏ．
９６−１−（ＩＶ），pp.458-459において発表されてい
る。

【０００６】ところで、この先行技術のマイクロマニピ
ュレータにおいても、腕部材に組み込まれた屈伸アクチ
ュエータの作動によるインパクト駆動で粗動の速度はあ
る程度速いとはいえ、さらに素早く移動させたいという
要求がある。また、この要求に関連して一回の粗動で長
い距離の移動をさせたいという要求もある。これらの要
求に対して、先行技術のマイクロマニピュレータでは、
関節での摩擦力が一定であるので慣性力の範囲でしか粗
動ができず、十分に応えることは難しい。

【０００７】また、複雑なマニピュレーションを行うた
めには、複数の関節を有するマニピュレータを構成し、
各々の関節を独立して制御することが必要である。しか
しながら、先行技術や従来技術のインパクト駆動で操作
する限りにおいては、所望の関節だけを独立して動かす
ことは難しく、所望しない他の関節も動いてしまい、正
確な動作をさせることが困難である。このような粗動制
御上のカップリング現象があるので、複数の関節を所望
の角度に設定し、正確な粗動を素早く行うことは、よほ
ど高度なデカップリング制御技術によらなければ実現は
難しい。

【０００８】そこで本発明は、精密な微動が可能であり
ながら、より高速で粗動が可能なマイクロマニピュレー
タとその駆動方法とを提供することを第１の解決すべき
課題とする。本発明はまた、複数の関節をもつマイクロ
マニピュレータの各関節の角度位置を独立して制御する
ことが可能なマイクロマニピュレータとその駆動方法と
を提供することを第２の課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
記課題を解決するために、発明者は以下の手段を発明し
た。 ［装置発明］ （第１手段）本発明の第１手段は、請求項１記載のマイ
クロマニピュレータである。

【００１０】ここで、アクチュエータには、ピエゾ効果
を利用する圧電アクチュエータの他にも、形状記憶合金
を利用したアクチュエータ、光歪アクチュエータ、静電
気のクーロン力を利用したアクチュエータ、電磁石を利
用したアクチュエータなどが採用できる。アクチュエー
タにはまた、曲げ変形だけではなく、伸縮変形や捻り変
形が可能なアクチュエータを使用しても良い。

【００１１】本手段では、上腕または下腕に曲げ変形可
能なアクチュエータが装備されており、上腕と下腕とは
信号により摩擦抵抗が可変な関節で角度変更可能に連結
されている。それゆえ、先ず関節を固定した状態でアク
チュエータの曲げ変形により下腕の角運動量を蓄え、下
腕に角速度が付いた状態で関節を回動自在とすれば、下
腕は運動量の保存則に従って所定の速度で関節を中心と
して傾動する。所望の角度位置にまで下腕が傾動する
か、重力の抵抗で下腕の速度が十分に低下するかした
ら、再び関節を固定して下腕の傾動を止める。この動作
では、関節の摩擦抵抗がほとんどない状態で下腕が角速
度をもって傾動するので、一回の動作での角度変位がイ
ンパクト駆動に比べてずっと大きい。であるから、上記
の動作を繰り返すことにより、下腕を所望の角度位置に
まで素早く粗動させることができる。

【００１２】また、所望の変位方向が下腕に作用してい
る重力によるモーメントの方向と同一である場合には、
単に関節の摩擦抵抗を減らすだけで下腕は重力により自
然に所望の位置にまで傾動する。それゆえ、所望の角度
位置で関節の摩擦抵抗を増やせば、下腕に所望の変位を
与えることができる。さらに、関節の摩擦抵抗を減じ、
重力と慣性に任せて振り子のように下腕を反対側へ揺ら
せ、その状態で関節を固定することにより、元の下腕の
位置と対称的な位置の近くにまで反対側に下腕を傾動さ
せることもできる。

【００１３】したがって本手段によれば、下腕を所望の
角度位置にまで素早く粗動させることが可能になるとい
う効果がある。 （第２手段）本発明の第２手段は、請求項２記載のマイ
クロマニピュレータである。ここで、ブレーキアクチュ
エータには、ピエゾ効果を利用する圧電アクチュエータ
の他にも、形状記憶合金を利用したアクチュエータ、光
歪アクチュエータ、静電気のクーロン力を利用したアク
チュエータ、電磁石を利用したアクチュエータなどが採
用できる。

【００１４】本手段では、上腕および下腕の一方にブレ
ーキディスクが固定され、他方にブレーキディスクとブ
レーキアクチュエータとが保持されている。それゆえ、
ブレーキアクチュエータとブレーキディスクとの間に作
用する摩擦力を、ブレーキアクチュエータの作用で調節
することにより、関節の摩擦抵抗を大きくしたり小さく
したりすることができる。また、かような構成のディス
クブレーキは、構成が簡素であり比較的小型でありなが
ら、大きな制動力を発揮することができる。

【００１５】したがって本手段によれば、前述の第１手
段の効果に加えて、関節の構成が簡素かつ比較的小型で
ありながら、制動力が大きいブレーキを有する関節を実
現できるという効果がある。 （第３手段）本発明の第３手段は、請求項３記載のマイ
クロマニピュレータである。

【００１６】本手段では、ブレーキアクチュエータが圧
電素子（圧電アクチュエータ）で構成されているので、
他の構成のブレーキアクチュエータに比べて、小型化お
よび軽量化、ならびに信頼性の向上が図れる。また、作
動流体の漏出や磨耗粉の排出もないので、マイクロマニ
ピュレータの周囲が汚染されることがない。したがって
本手段によれば、前述の第２手段の効果に加えて、小型
軽量化と高信頼性化とコンタミネーションの防止とが図
れるという効果がある。

【００１７】（第４手段）本発明の第４手段は、請求項
４記載のマイクロマニピュレータである。本手段では、
上腕から関節を経て下腕に至るまで、貫通孔または間隙
が連通して形成されているので、この貫通孔や間隙を通
すことにより下腕に連なるエンドエフェクタにまで配線
を通すことができる。それゆえ、配線がマイクロマニピ
ュレータの外表面に接することがないので、配線が絡ま
ったりマイクロマニピュレータの動きを妨げたりするこ
とがない。

【００１８】したがって本手段によれば、前述の第１手
段の効果に加えて、マイクロマニピュレータの内部に配
線を通すことにより、信頼性をより向上させることがで
きるという効果がある。また、露出した配線によって美
観を損なうといった不都合がなく、美観が向上するとい
う効果もある。 （第５手段）本発明の第５手段は、請求項５記載のマイ
クロマニピュレータである。

【００１９】本手段では、複関節型のマイクロマニピュ
レータの各関節にブレーキが装備されているから、各ブ
レーキに適正な制御信号を送ることによって任意の関節
だけ摩擦抵抗をほぼ無くしてモーメントフリーとし、他
の関節は大きな摩擦抵抗により固定しておくことができ
る。それゆえ、アクチュエータの曲げ変形により角度を
変更したい関節のみをモーメントフリーとして角度変更
することができ、他の関節は元の角度を維持して影響さ
れないでいることができる。

【００２０】したがって本手段によれば、複数の関節を
持ちながら任意の関節だけを選択的に角度変更すること
ができ、小型軽量でありながら複関節型のマイクロマニ
ピュレータの制御を容易にすることができるという効果
がある。 （第６手段）本発明の第６手段は、請求項６記載のマイ
クロマニピュレータである。

【００２１】本手段では、各関節のマイクロチップおよ
びブレーキに共通の信号線および電力供給線が配線され
ているので、関節の数がどれだけ増えても、信号線およ
び電力供給線の２本の配線があれば、複関節型のマイク
ロマニピュレータ全体を制御することができる。アース
線は、マイクロマニピュレータの本体の導体部分をもっ
てこれに変えることが可能であり、必須ではない。ここ
で、電力供給線に変調された電気信号をも乗せる構成に
すると、ノイズ対策こそ必要にはなるが、信号線をも兼
ねている電力供給線一本のみでマイクロマニピュレータ
全体を制御することさえも可能である。

【００２２】したがって本手段によれば、前述の第５手
段の効果に加えて、関節の数が増えても最低限度（例え
ば信号線と電力供給線との２本）の配線で済み、多数の
配線を必要としない。それゆえ、関節の数がどれだけ多
くても、配線を通すための貫通孔や間隙などを拡大する
必要が無く、構造上製造が容易になる。また、多数の配
線を接続する手間が省け、接続ミスも防止されるので、
配線に関する組立工数が節減される。その結果、製造が
容易となり加工工数および組立工数が減ってコストダウ
ンになるうえ、誤配線が無くなる分だけ信頼性も向上す
るという効果がある。

【００２３】なお、信号線および電力供給線は、必ずし
も導電線に限られるものではなく、マイクロチップやア
クチュエータおよびブレーキアクチュエータの種類によ
って、光ファイバ等の他の線である場合もあり得る。 ［方法発明］ （第７手段）本発明の第７手段は、請求項７記載のマイ
クロマニピュレータの駆動方法である。

【００２４】本手段では、先ず加速運動過程で、ブレー
キをかけて関節を固定した状態でアクチュエータを曲げ
変形させ、下腕に角運動量が与えられる。そして次の慣
性運動過程では、ブレーキを緩め関節を回動自在（モー
メントフリー）とした状態で、上記運動量を生かし角速
度をもって関節回りに回動する下腕により、関節での相
対角度が変化していく。更に最後の角度維持過程では、
ブレーキを再びかけ、下腕の回動を停止させて下腕の新
しい角度位置が保持される。

【００２５】慣性運動過程においては、下腕が角速度を
もって回動し、関節に大きな角度変位が生じる。この
間、ブレーキがかかっていないので関節での摩擦抵抗は
ほとんどなく、ブレーキがかかったままの状態に相当す
るインパクト駆動に比べて、ワンストローク（一回の駆
動方法）でずっと大きな角度変位が稼げる。また、精密
な微動については、全関節をそれぞれブレーキで固めた
まま、所定のアクチュエータを所定量だけ変形させれば
容易に実施できる。

【００２６】したがって本手段によれば、精密な微動が
可能でありながら、より高速で粗動が可能なマイクロマ
ニピュレータの駆動方法を提供することができるという
効果がある。 （第８手段）本発明の第８手段は、請求項８記載のマイ
クロマニピュレータの駆動方法である。

【００２７】本手段では、加速運動過程では、逆方向に
いったんアクチュエータを曲げ変形させ、反動をつけた
上でアクチュエータを関節を曲げる正方向に曲げ変形さ
せてマイクロマニピュレータ全体の角運動量を最大とす
る。ここで、アクチュエータのみが曲げ変形し、マイク
ロマニピュレータの他の部分は曲げ変形しないものとす
ると、マイクロマニピュレータの角運動量はアクチュエ
ータより先端側の部分の角運動量と等価である。アクチ
ュエータが下腕にのみ装備されている場合は、アクチュ
エータから先端側の下腕の部分の角運動量と等価であ
る。

【００２８】角運動量が最大になった状態で、加速運動
過程から慣性運動過程へと切り替わり、関節がモーメン
トフリーの状態で重力による抵抗の他は摩擦抵抗もほと
んどないので、より高速の角速度で関節が角度変位し、
下腕が大きく速やかに傾動する。それゆえ、ワンストロ
ークでの下腕の角度変位は、反動をつけない場合に比べ
て大幅に増え、幾倍にもなる。

【００２９】したがって本手段によれば、前述の第７手
段の効果に加えて、より速やかにいっそう大きな角度変
位が一回の駆動過程（ワンストローク）で得られるとい
う効果がある。 （第９手段）本発明の第９手段は、請求項９記載のマイ
クロマニピュレータの駆動方法である。

【００３０】本手段では、慣性運動過程の途中で、関節
の角度変更方向とは逆方向にアクチュエータを曲げ変形
するので、その分、関節の角度変位を大きく取ることが
できる。また、角度維持過程で、アクチュエータの曲げ
変形は中立状態へ戻されるので、マイクロマニピュレー
タは新しい関節の角度位置で（ブレーキ・オン、アクチ
ュエータ中立の）初期状態に戻り、次回の駆動に備える
ことができる。

【００３１】したがって本手段によれば、前述の第７手
段の効果に加えて、より大きな角度変位が一回の駆動過
程（ワンストローク）で得られるという効果がある。

【００３２】

【発明の実施の形態】本発明のマイクロマニピュレータ
とその駆動方法との実施の形態については、当業者に実
施可能な理解が得らえるよう、以下の実施例で明確かつ
十分に説明する。 ［実施例１］ （実施例１の全体構成）本発明の実施例１としてのマイ
クロマニピュレータは、図１（ａ）〜（ｂ）に示すよう
に、固定端（図略）に上端部２が連なっている上腕１
と、エンドエフェクタ（図略）に下端部２３が連なって
いる下腕２０と、上腕１の下端部４と下腕２０の上端部
２１とを互いに角度可変に連結している関節１０とから
なる。下腕２０の中間部には、任意の方向への曲げ変形
と軸長方向への伸縮変形とが可能な屈伸アクチュエータ
２２が装備されている。

【００３３】ちなみに本マイクロマニピュレータの全長
は２１ｍｍ程度であり、各部の長さはそれぞれおおよ
そ、上腕１で８ｍｍ、関節１０で８ｍｍ、下腕２０で５
ｍｍである。また、図示しない制御装置を除いて、本マ
イクロマニピュレータの重量は、１．２ｇ程度である。
上腕１は、アルミニウムからなる一体部材である。上腕
１の上端部２には外周面に雄ねじが形成されており、中
間部にはフランジ部３が形成されていて、架台フレーム
などの固定端（図略）に同雄ねじをフランジ部３が当接
するまでねじ込むことにより、上腕１は剛に固定され
る。

【００３４】関節１０にはディスクブレーキ１００が装
備されており、以下に詳述するように、角度の変更に対
する摩擦抵抗が大きい状態と、同摩擦抵抗が小さい状態
との二つの状態を制御信号により選択的に実現可能であ
る。 （実施例１の関節）関節１０は、図２（ａ）〜（ｂ）に
示すように、ブレーキディスク１２とブレーキディスク
１２の回動を制御信号により拘束および解放する一対の
ブレーキアクチュエータ１５とを有するディスクブレー
キ１００を備えている。すなわち、下腕２０の上端部２
１は、ブレーキディスク１２の外周部に嵌合して接着固
定されている。一方、上腕１の下端部４は、ブレーキハ
ウジング１１等を介して、ブレーキディスク１２を回動
可能に軸支しているとともに、ブレーキアクチュエータ
１５を保持している。

【００３５】ブレーキハウジング１１は、上端部１１ａ
と本体部１１ｂと下端部１１ｃとからなる一体部材で、
アルミニウムから形成されている。上端部１１ａには上
方に開口している嵌合孔が形成されており、同嵌合孔に
は上腕１の下端部４の下方に突出している嵌合部４ａが
嵌合して、接着剤で固定されている。ブレーキハウジン
グ１１の本体部１１ｂは、ブレーキアクチュエータ１５
とブレーキディスク１２の一部とを格納している前後に
長い直方体の部材であり、前後両端と中央部下方には開
口部が形成されている。本体部１１ｂの前後両端は、そ
れぞれエポキシ樹脂製のブレーキ押さえ部材１６で封止
されており、ブレーキ押さえ部材１６に基端面が接着さ
れている一対のブレーキアクチュエータ１５が、本体部
１１ｂに格納されている。

【００３６】ブレーキアクチュエータ１５は積層型の圧
電素子であり、その変位は数μｍ程度であるが比較的大
きな押圧力Ｂを発生させることができる。各ブレーキア
クチュエータ１５の先端面には、エポキシ樹脂製のブレ
ーキパッド１４がそれぞれ接着されており、各ブレーキ
アクチュエータ１５は、ブレーキパッド１４を介してブ
レーキディスク１２の辺縁部に当接している。

【００３７】ブレーキアクチュエータ１５に電圧を印加
していない状態では、ブレーキアクチュエータ１５は伸
張した状態にあり、ブレーキディスク１２を両側から押
圧力Ｂをもって挟持し強力に固定している。逆に印可電
圧がかかっている状態では、ブレーキアクチュエータ１
５は収縮し、ブレーキディスク１２に押圧力をかけない
ので、ブレーキディスク１２はほとんどモーメントフリ
ー（摩擦抵抗が無い状態）になり、回動自在となる。そ
れゆえ、マイクロマニピュレータの作業中に電源が落ち
るようなことがあっても、マイクロマニピュレータの関
節１０は固定されるので、不用意に下腕２０が振れて事
故を起こすことがない。

【００３８】ブレーキハウジング１１の下端部１１ｃ
は、前方と後方との二つの部分に分かれており、その間
隔はブレーキディスク１２の厚さよりもわずかに大きい
程度である。下端部１１ｃには、前後方向に貫通孔が形
成されており、同貫通孔には前後両方向から一対のシャ
フト１３が対向して挿入されて固定されている。両シャ
フト１３の先端面は、所定の間隙１８を空けて対向して
おり、両シャフト１３の先端部でブレーキディスク１２
を回動自在に軸支している。

【００３９】ブレーキディスク１２は、アルミ合金（ジ
ュラルミン）からなる一体部材で、図３（ａ）〜（ｂ）
に示すように、中央に軸孔１２０が貫通している円盤状
の部材である。ブレーキディスク１２の前後両端面は、
互いに平行かつ精密に仕上げられている。ブレーキディ
スク１２の軸孔１２０から上半部にかけては、スリット
状の間隙１２１が形成されており、軸孔１２０付近から
直下に向けて貫通孔１２２が形成されている。また、貫
通孔１２２の下端部には、貫通孔１２２より内径が大き
な嵌合孔１７が下方に開口して形成されている。

【００４０】ブレーキディスク１２の間隙１２１と嵌合
孔１７とは、貫通孔１２２を介して連通している。ブレ
ーキハウジング１１からブレーキディスク１２の直上に
導入されている配線Ｌは、間隙１２１、貫通孔１２２お
よび嵌合孔１７を通じて下方へ導出されている。間隙１
２１が広く形成されているので、図３（ｃ）に示すよう
にブレーキディスク１２が回動しても、その回動が左右
にそれぞれ９０度程度以内であれば、配線Ｌに張力等の
負担をかけて傷める心配はない。なお、軸孔１２０の部
分は、対向している一対のシャフト１３の間の間隙１８
に相当しているので、配線Ｌの動きが妨げられることは
ない。

【００４１】（実施例１の屈伸アクチュエータ）前述の
下腕２０は、図４（ａ）に示すように、上端部２１と下
端部２３とに挟まれている屈伸アクチュエータ２２を有
する。屈伸アクチュエータ２２は、三組のユニモルフ対
２４が二つの連結部材２８で連結されている。各ユニモ
ルフ対２４は、外縁部で複数の支柱２７により接合して
配設されている二枚のユニモルフからなり、各ユニモル
フはＰＺＴからなる電歪材料部２６，２６’を対向させ
て接合されている。各ユニモルフは、中心部に貫通孔を
有する金属製の円盤部材２５と、円盤部材２５の一方の
面に接合して形成されている電歪材料部２６，２６’と
からなる。電歪材料部２６，２６’は、円盤部材２５の
中心から１２０度毎に区分された三つの扇状の部分に分
割されており、各部分の電歪材料にそれぞれ独立して印
加電圧をかけることができるように配線されている。

【００４２】それゆえ、一つまたは二つの区画２６’に
だけ印加電圧をかけると、電歪材料部２６’は半径方向
に収縮し、図４（ｂ）に示すように、電歪材料部２６’
と背向する方向に屈曲する。その結果、下腕２０の上端
部２１の軸心に対し、下端部２３の軸心は角度ｒだけ偏
向する。本実施例の構成では最大で、印加電圧１５０Ｖ
に対し、偏向角ｒは１°程度である。また、電歪材料部
２６，２６’の三つの区画にかける印加電圧を適正に配
分することにより、屈伸アクチュエータ２２を任意の方
位へ屈曲させることができる。なお、これらの変位は印
加電圧の調整で微妙に調整することができ、ナノメート
ル・オーダの分解能で操作することが可能である。

【００４３】ちなみに、全ての電歪材料部２６，２６’
に同電位の印加電圧をかけると、屈伸アクチュエータ２
２は伸張し、印加電圧を零に戻すと再びもとの長さに縮
小する。したがって、屈伸アクチュエータ２２は、全方
位への屈曲変位と軸長方向への伸縮変位とが可能であ
る。なお、下腕２０の全長に渡って貫通孔２９が連通し
ており、配線Ｌを通すことができるようになっている。

【００４４】（実施例１の配線）本実施例のマイクロマ
ニピュレータにおいては、再び図２（ａ）に示すよう
に、配線Ｌを通すための各種の貫通孔および間隙が形成
され、上腕１の頂部から下腕２０の下端面にまで連通す
る配線空間が形成されている。すなわち、上方から順
に、上腕１の貫通孔５、ブレーキハウジング１１の貫通
孔１９、ブレーキディスク１２の間隙１２１、シャフト
１３の間隙１８、ブレーキディスク１２の貫通孔１２２
および下腕２０の貫通孔２９が、本マイクロマニピュレ
ータの上端から下端まで連通している。各貫通孔５，１
９，１２２，２９の内径は０．５ｍｍ程度であり、各間
隙の幅も０．５ｍｍ程度である。これらの中に配設され
ている配線Ｌは外径が０．０５ｍｍの被覆リード線であ
り、その本数は屈伸アクチュエータ２２用の三本、ブレ
ーキアクチュエータ１５用の一本および共通アース線一
本の合計五本である。

【００４５】これらの配線Ｌは、上腕１の貫通孔５、関
節１０の貫通孔１９、間隙１２１，１８、貫通孔１２
２、および下腕２０の貫通孔２９を通っており、外側に
露出していない。それゆえ、美観が向上しているばかり
ではなく、マイクロマニピュレータの動作に配線Ｌが干
渉したり、配線Ｌがマイクロマニピュレータの動作の大
きい外側と振れて断線したりする不都合も防止されてい
る。

【００４６】（実施例１の駆動方法）本実施例のマイク
ロマニピュレータは、以上のように構成されているの
で、以下に説明する駆動方法で駆動することが可能であ
る。本マイクロマニピュレータを重力に逆らって駆動す
る場合には、下腕２０に角運動量を与える加速運動過程
と、関節１０をモーメントフリーとして角速度をもって
下腕２０を振る慣性運動過程と、ディスクブレーキ１０
０をかけて関節１０を固定し下腕２０を停止させる角度
維持過程とからなる駆動方法で、駆動することができ
る。すなわち、図５（ａ）〜（ｄ）に示すように、鉛直
下方を向いている下腕２０に、この駆動方法により図中
右方向へ一気に大きな角度変位（回動角）Ｒを与えるこ
とができる。

【００４７】先ず、マイクロマニピュレータの初期状態
は、図５（ａ）に示すように、下腕２０が鉛直下方ａを
向いているものとする。その下端部２３には、角度を示
す便宜上、エンドエフェクタＥを付けた状態で示してあ
る。いっぽう上腕１は、上端部２のネジで架台フレーム
等の固定支持部Ｇにフランジ部３までねじ込まれて、剛
に固定されている。

【００４８】加速運動過程では、ディスクブレーキ１０
０をかけて関節１０を固定したまま、所定の印加電圧で
屈伸アクチュエータ２２にいったん左方へ曲げ変形させ
る。この所定の印加電圧で屈伸アクチュエータ２２が屈
曲し、下腕２０の下端部２３が左方へ偏向する偏向角を
ｒとする。その静的な中立位置は、図５（ｂ）のｂであ
るが、ここで印加電圧はステップ状に急激に印加される
ものとすると、屈伸アクチュエータ２２は曲げに関して
バネ弾性を有しているので、下端部２３は偏向角ｒを通
り過ぎて偏向角２ｒ付近にまで左方に振れる。

【００４９】こうして反動をつけた状態で、今度は印加
電圧の正負をステップ状に急激に逆転する。すると、こ
の新しい印加電圧の下での下腕２０の下端部２３の静的
な中立位置は、右に偏向角ｒだけ振れた状態（図５
（ｃ）に相当）である。現時点での実際の下腕２０の位
置は、左方へ約２ｒ振れた状態であるから、上記の静的
な中立位置とは偏向角３ｒだけ左へ偏っており、屈伸ア
クチュエータ２２には多大な弾性エネルギが蓄積されて
いる。

【００５０】それゆえ、図５（ｃ）に示すように、下腕
２０の下端部２３は、鉛直下方ｃを越えて右方への偏向
角ｒにまで振れた状態ｃ’で、先端の旋回速度Ｖは最大
値を取り、角運動量も最大となる。この時点で、この駆
動過程は慣性運動過程に移行し、ディスクブレーキ１０
０が解放され関節１０はモーメントフリーになると、角
運動量は関節１０を中心に下腕２０の全体について保存
され、下腕２０全体が右方へ振れ始める。すると、関節
１０は角速度ωで回動し、下腕２０全体が右方へ振れて
ゆく。仮にディスクブレーキ１００を解放したままの状
態に保つと、下腕２０およびブレーキディスク１２のも
つ角運動エネルギが全て高さのエネルギに変換されるま
で、下腕２０は右方に振れて回動変位する。

【００５１】所望の回動角Ｒ（図中のｄに相当）がその
途中にある場合には、回動角Ｒが得られた時点（または
直前）でディスクブレーキ１００をかけて角度維持過程
に移行する。こうして、関節１０を固定し下腕２０の回
動角Ｒを維持することにより、図５（ｄ）に示すよう
に、下腕２０に所望の回動角Ｒが得られる。このよう
に、加速運動過程で反動を付けて屈伸アクチュエータ２
２を操作することにより、反動を付けずに順方向にのみ
屈伸アクチュエータ２２を操作する倍に比べ、偏向角ｒ
にして３倍の変位で弾性エネルギが蓄積される。する
と、弾性エネルギは３の二乗で９倍にも達し、弾性エネ
ルギがそのまま角運動エネルギに変換されるので、下腕
２０およびブレーキディスク１２が得る位置エネルギも
９倍となる。その結果、エンドエフェクタの先端が持ち
上がる高さも９倍となり、反動を付けることによって一
桁近く大きな動きができるようになる。

【００５２】上記慣性運動過程を終えても（つまり下腕
２０の角運動量が失われて停止しても）所望の回動角Ｒ
に達しない場合には、再び加速運動過程から以上の駆動
方法を繰り返すことにより、所望の下腕２０の回動角Ｒ
が得られる。なお、慣性運動過程の途中で、すなわち関
節１０を回動自在とした状態で、関節１０の角度変更方
向とは逆方向にアクチュエータを曲げ変形すると、その
分下腕２０の上端部２１の回動角Ｒは大きくなる。すな
わち、慣性運動過程の途中で屈伸アクチュエータ２２を
逆方向へ曲げ、角度維持過程で上端部２１が関節１０で
固定されたら、屈伸アクチュエータ２２の曲げ変形を中
立状態へ戻すようにする。こうすれば、より大きな下腕
２０の回動角Ｒが、一回の駆動方法（ワンストローク）
で得られる。

【００５３】上記駆動方法とは逆に、重力に沿う方向で
関節１０を回動させる場合には、ディスクブレーキ１０
０を緩めて所望の角度まで重力に任せて関節１０を回動
させ、再びディスクブレーキ１００をかけて固定すれば
よい。 （実施例１の効果）以上詳述したように、本実施例のマ
イクロマニピュレータによれば、関節１０を固定して精
密な微動が可能でありながら、前述の駆動方法によって
たいへんに大きく素早い粗動も可能であるという効果が
ある。

【００５４】また、配線Ｌは内蔵されているので、美観
が向上している上、作動中のマイクロマニピュレータと
接触してその動作を妨げたりすることが無く、切断や短
絡などの不具合も防止されているという効果もある。 （実施例１の変形態様１）前述の実施例１では、下腕２
０に屈伸アクチュエータ２２が装備されているが、下腕
２０の代わりに上腕１に屈伸アクチュエータ２２と同様
の屈伸アクチュエータを装備している変形態様も可能で
ある。本変形態様では、上腕の下端部、関節１０および
下腕の全体が屈伸アクチュエータにより偏向角ｒを持た
され、振られて前述の駆動方法と同様の駆動方法で下腕
を粗動させることができる。したがって本変形態様によ
っても、実施例１とほぼ同様な作用効果が得られる。

【００５５】（実施例１の変形態様２）上腕と下腕２０
との両方にそれぞれ屈伸アクチュエータ２２を有する構
成の変形態様も可能である。本変形態様は、実施例１と
その変形態様１との両方の屈伸アクチュエータ２２を有
するので、二つの屈伸アクチュエータ２２を同期して駆
動することにより、粗動の速度を倍加させることができ
る。また、微動の範囲も倍増又はそれ以上に増大させる
ことができる。

【００５６】［実施例２］ （実施例２の構成）本発明の実施例２としてのマイクロ
マニピュレータは、図６に示すように、複数個の単マニ
ピュレータ要素Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３と、マイクロハンド３
０が連結されて構成されている、複関節型のマイクロマ
ニピュレータである。すなわち、本実施例のマイクロマ
ニピュレータは、マイクロマニピュレータ本体Ｍと、本
体Ｍを安定に支持している架台フレーム４０と、本体Ｍ
を制御する制御装置５０とから構成されている。

【００５７】架台フレーム４０は、定盤状の台座４１
と、台座４１の後端部中央から固定支持されている直立
柱４２と、直立柱４２の頂部に固定され、前方に水平に
突き出している水平腕４３とからなり、極めて剛性が高
い。水平腕４３の上には制御装置５０が固定されてお
り、沢山の配線Ｌでマイクロマニピュレータ本体Ｍと接
続されている。水平腕４３の前端部には、貫通孔が開い
ていて単マニピュレータ要素Ｍ１（実施例１のマイクロ
マニピュレータ）の上腕１の上端部（ねじ部）２が下方
から挿入されている。上腕１の上端部２は、水平腕４３
の上方からナット４４で締結されており、ナット４４と
フランジ部３とで水平腕４３を挟持して固定端を形成し
ている。

【００５８】配線Ｌは、全て上腕１の上端部２の端面に
開口している貫通孔５（図２（ｂ）参照）から制御装置
５０に接続されており、マイクロマニピュレータ本体Ｍ
の外部へは露出していない。それゆえ、美観が向上して
いるだけではなく、マイクロマニピュレータ本体Ｍの動
作と干渉したり、断線したり短絡したりする不都合が防
止されている。

【００５９】単マニピュレータ要素Ｍ１は、実施例１の
マイクロマニピュレータと同一のものであり、単マニピ
ュレータ要素Ｍ２，Ｍ３は、実施例１のマイクロマニピ
ュレータの上腕１を取り払い、上にある下腕２０に接続
されたものである。つまり、実施例１のマイクロマニピ
ュレータは、再び図２（ａ）に示すように、上腕１の嵌
合部４ａと下腕２０の嵌合部２３ａとは同一規格で製造
されており、下腕２０の嵌合部２３ａに他の関節１０の
上端部１１ａを接続することができる。それゆえ、各単
マニピュレータ要素Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３は、それぞれディ
スクブレーキ１００付きの関節１０と屈伸アクチュエー
タ２２とを一組ずつ有している。

【００６０】単マニピュレータ要素Ｍ１，Ｍ３の関節１
０はそれぞれ回転軸を左右方向に持ち、単マニピュレー
タ要素Ｍ２は回転軸を前後方向に持っている。それゆ
え、マイクロハンド３０は、台座４１上を所定の範囲で
前後左右に移動することができる。マイクロハンド３０
は、単マニピュレータ要素Ｍ３の下腕の下端部に接合さ
れている掌部材３３と、それぞれ指アクチュエータ３１
を介して支持されている一対のエンドエフェクタ３２を
有している。指アクチュエータ３１は、屈伸アクチュエ
ータ２２を小型にしたものであり、エンドエフェクタ３
２の先端で対象物を把持したり解放したりすることがで
きる。

【００６１】各単マニピュレータ要素Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３
の各々の関節１０のディスクブレーキ１００および屈伸
アクチュエータ２２と、マイクロハンド３０の各指アク
チュエータ３１とは、それぞれ独立に制御装置５０から
の制御信号により制御される。 （実施例２の作用効果）本実施例のマイクロマニピュレ
ータでは、各関節のディスクブレーキ１００を独立して
操作することが可能であり、また、各屈伸アクチュエー
タ２２をも独立して操作することが可能である。

【００６２】それゆえ、角度変位を与えたい一つの関節
１０だけでディスクブレーキ１００を解放してモーメン
トフリーとし、他の全ての関節１０でディスクブレーキ
１００をかけて固定した状態を任意に作り出すことがで
きる。こうすれば、角度変位を与えたい関節１０だけ
で、前述の実施例１と同様の駆動方法で角度変更を速や
かに行うことができる。また、前述の実施例１の変形態
様１に相当するように、複数の屈伸アクチュエータ２２
を協調して駆動することにより、さらに素早く関節１０
の角度変更を行うことができる。

【００６３】したがって、任意の希望の関節１０だけを
角度変更し、他の関節１０は固定されたままで角度を維
持していることができ、複数の関節１０が操作員の意図
しない角度変位を起こすことが無くなる。その結果、各
関節１０をそれぞれ独立して角度変更することができ、
複関節型のマイクロマニピュレータの制御が極めて容易
になるという効果がある。

【００６４】なお、回転方向が互いに直交している二つ
の関節１０は、屈伸アクチュエータ２２から受ける曲げ
モーメントも直交して独立しているので、上記二つの関
節１０を同時に駆動していっそう速やかなマニピュレー
ションを行うこともできる。さらに、複数の関節１０の
干渉数学モデルを制御装置のコンピュータに内蔵させた
り、ファジー制御などを応用して、互いに干渉する複数
の関節１０を同時に所望の角度変位をさせることができ
れば、さらに素早いマニピュレーションが可能である。

【００６５】［実施例３］ （実施例３の構成）本発明の実施例３としてのマイクロ
マニピュレータの構成は、図７に示すように、おおむね
実施例と同様であるが、次の点で実施例２とは異なって
いる。すなわち、各関節１０には、それぞれ屈伸アクチ
ュエータＡ１〜Ａ３とディスクブレーキＢ１〜Ｂ３とを
制御し駆動するために、制御回路およびパワーアンプを
内蔵しているマイクロチップ６１〜６３が配設されてい
る。また、マイクロハンド３０には、各指アクチュエー
タ３１をそれぞれ制御し駆動するためのマイクロチップ
６４が配設されている。各マイクロチップ６１〜６４に
は、共通の３本の配線Ｌが並列で接続されている。この
配線Ｌは、各マイクロチップ６１〜６４に電力を供給す
る電力供給線と、各マイクロチップ６１〜６４に制御装
置５０’からの制御信号を伝達する信号線と、共通アー
ス線とであり、各マイクロチップ６１〜６４に共通に接
続されている。

【００６６】上記信号線には、デジタル信号が制御装置
５０’から供給されており、各マイクロチップは自己に
宛てられている制御信号のみを拾って作動する。各マイ
クロチップ６１〜６４は、自己に宛てられた制御信号を
制御回路で拾ってパワーアンプで増幅し、それぞれの屈
伸アクチュエータＡ１〜Ａ３および指アクチュエータ３
１やディスクブレーキＢ１〜Ｂ３を独立して駆動する。
各マイクロチップ６１〜６４の制御回路およびパワーア
ンプは、電力供給線から電力の供給を受けて作動してお
り、各マイクロチップ６１〜６４、各アクチュエータＡ
１〜Ａ３，３１および各ディスクブレーキＢ１〜Ｂ３
は、単一の共通アース線にアースされている。

【００６７】（実施例３の作用効果）前述のように本実
施例では、各単マニピュレータ要素Ｍ１’，Ｍ２’，Ｍ
３’およびマイクロハンド３０が、たった３本の配線Ｌ
で制御されて駆動され、実施例２と同様の作用効果が得
られる。そればかりではなく、本実施例のマイクロマニ
ピュレータによれば、配線Ｌの本数が少ないので次のよ
うな効果がある。第１に、配線Ｌを小さな貫通孔や間隙
を通すことができ、構造上の無理がかからないという効
果がある。第２に、配線Ｌの数が増えないので、配線の
増加に伴う重量増加や摩擦抵抗の増加がないという効果
がある。第３に、断線や短絡による不具合の可能性が少
なく、信頼性が向上するという効果がある。第４に、配
線Ｌが単純であるから、誤配線が起きにくく、製造が容
易になるという効果がある。第５に、配線Ｌの本数が少
ないので、制御装置５０’付近での配線Ｌの美観も向上
しているという効果がある。

【００６８】これらの効果は、つなげる単マニピュレー
タ要素やマイクロハンドなどの数が増えても変わること
なく発揮され、むしろいよいよ鮮明になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例１としてのマイクロマニピュレータの
形状を示す組図 （ａ）側面図 （ｂ）正面図

【図２】 実施例１としてのマイクロマニピュレータの
構成を示す組図 （ａ）側断面図 （ｂ）正面透視図

【図３】 実施例１のブレーキディスクの形状および作
用を示す組図 （ａ）正断面図 （ｂ）側断面図 （ｃ）傾斜状態での
正面図

【図４】 実施例１の屈伸アクチュエータの構成および
作用を示す組図 （ａ）屈伸アクチュエータ不作動時の下腕の側断面図 （ｂ）屈伸アクチュエータ屈曲時の下腕の側断面図

【図５】 実施例１のマニピュレータの粗動方法を模式
的に示す組図 （ａ）初期状態を示す正面図 （ｂ）加速運動過程を示す正面図 （ｃ）慣性運動過程を示す正面図 （ｄ）角度維持過程を示す正面図

【図６】 実施例２としてのマイクロマニピュレータの
構成を示す側面図

【図７】 実施例３としてのマイクロマニピュレータの
構成を示す側面図

【符号の説明】

１：上腕１ ２：上端部（ねじ部） ３：フランジ部 ４：下端部 ４ａ：嵌合部 ５：貫通孔（φ０．
５） １０：関節 １００：ディスクブレーキ １１：ブレーキハウジング １２：ブレーキディスク １２０：軸孔 １２１：間隙 １２２：貫通孔 １３：シャフト １４：ブレーキパッド １５：ブレーキアクチュエータ １６：ブレーキ押さ
え部材 １７：嵌合孔 １８：間隙 １９：貫通孔 ２０：下腕 ２１：上端部 ２１ａ：嵌合部 ２２：屈伸アクチュエータ ２３：下端部 ２３ａ：嵌合部 ３０：マイクロハンド ３１：指アクチュエータ（屈伸アクチュエータ） ３２：エンドエフェクタ ３３：掌部材 ４０：架台フレーム４０ ４１：台座 ４２：直立柱 ４３：水平腕 ４
４：ナット４４ ５０，５０’：制御装置 ６１，６２，６３，６４：マイクロチップ Ｂ：ブレーキの押圧力 Ｅ：エンドエフェクタ
Ｇ：固定支持部 Ｌ：配線（リード線、例えば信号線・電力供給線・共通
アース線） Ｖ：旋回速度 ω：角速度 Ｒ：回動角（ディスクおよび下腕の傾動角度） ｒ：偏向角（屈伸アクチュエータによる屈曲角度） Ｍ，Ｍ’，Ｍ”：マイクロマニピュレータ本体 Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ１’，Ｍ２’，Ｍ３’：単マニピ
ュレータ要素 Ａ１，Ａ２，Ａ３：屈伸アクチュエータ２２ Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３：ディスクブレーキ１００ Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３：各関節１０の回動角

フロントページの続き (72)発明者 光本 直樹 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 井戸垣 孝治 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固定端に一端が連なっている上腕と、エン
   ドエフェクタに一端が連なっている下腕と、該上腕の他
   端と該下腕の他端とを互いに角度可変に連結している関
   節とからなるマイクロマニピュレータにおいて、 前記上腕および前記下腕のうち少なくとも一方に、該一
   方を曲げ変形可能とするアクチュエータが装備されてお
   り、 前記関節は、前記角度の変更に対する摩擦抵抗が大きい
   状態と、該摩擦抵抗が小さい状態との、少なくとも二つ
   の状態を制御信号により選択的に実現可能であることを
   特徴とするマイクロマニピュレータ。
2. 【請求項２】前記関節は、ブレーキディスクと該ブレー
   キディスクの回動を前記制御信号により拘束および解放
   するブレーキアクチュエータとを備えており、 前記上腕および前記下腕のうち一方の前記他端には、該
   ブレーキディスクが固定されており、 該上腕および該下腕のうち他方の前記他端は、該ブレー
   キディスクを回動可能に軸支しているとともに、該ブレ
   ーキアクチュエータを保持している、 請求項１記載のマイクロマニピュレータ。
3. 【請求項３】前記ブレーキアクチュエータは、圧電素子
   である、 請求項２記載のマイクロマニピュレータ。
4. 【請求項４】前記関節、前記上腕および前記下腕には、
   それぞれ互いに連通している貫通孔および間隙のうち少
   なくとも一方が形成されており、該貫通孔または該間隙
   に配線が通されている、 請求項１記載のマイクロマニピュレータ。
5. 【請求項５】固定端に一端が連なっている上腕と、エン
   ドエフェクタに一端が連なっている下腕と、該上腕の他
   端と該下腕の他端とを相対角度変更可能に連結している
   関節とからなり、前記上腕および前記下腕のうち少なく
   とも一方に該一方を曲げ変形可能とするアクチュエータ
   が装備されており、該関節は制御信号により該相対角度
   変更に対する摩擦抵抗を調整するブレーキを備えている
   単マニピュレータ要素が、複数個連結されて構成されて
   いることを特徴とする、複関節型のマイクロマニピュレ
   ータ。
6. 【請求項６】各前記関節に前記ブレーキを制御する制御
   回路を内蔵しているマイクロチップが配設されており、 少なくとも、該マイクロチップに電力を供給する電力供
   給線と、該マイクロチップに前記制御信号を伝達する信
   号線とが、該各マイクロチップに共通に接続されてい
   る、 請求項５記載のマイクロマニピュレータ。
7. 【請求項７】固定端に一端が連なっている上腕と、エン
   ドエフェクタに一端が連なっている下腕と、該上腕の他
   端と該下腕の他端とを互いに角度可変に連結している関
   節とからなり、前記上腕および前記下腕のうち少なくと
   も一方に該一方を曲げ変形可能とするアクチュエータが
   装備されており、該関節は、制御信号により該角度の変
   更に対する摩擦抵抗を調整するブレーキを備えているマ
   イクロマニピュレータを粗動させる方法であって、 前記ブレーキをかけて前記関節を固定した状態でアクチ
   ュエータを曲げ変形させ、下腕に角運動量を与える加速
   運動過程と、 該ブレーキを緩め該関節を回動自在とした状態で、角速
   度をもって該関節回りに回動する下腕により、関節での
   相対角度が変化していく慣性運動過程と、 該ブレーキを再びかけ、該下腕の該回動を停止させて該
   下腕の角度位置を保持する角度維持過程と、 を有することを特徴とするマイクロマニピュレータの駆
   動方法。
8. 【請求項８】前記加速運動過程は、前記関節の角度変更
   方向とは逆方向にいったんアクチュエータを曲げ変形さ
   せ、前記上腕および前記下腕の弾性変形によるエネルギ
   を蓄積した上でアクチュエータを正方向に曲げ変形させ
   て全体の角運動量を最大とする過程である、 請求項７記載のマイクロマニピュレータの駆動方法。
9. 【請求項９】前記慣性運動過程は、前記関節の角度変更
   方向とは逆方向に前記アクチュエータを曲げ変形する過
   程であり、 前記角度維持過程は、該アクチュエータの該曲げ変形を
   中立状態へ戻す過程である、 請求項７記載のマイクロマニピュレータの駆動方法。