環境認識デバイスの開発A micro stereoscope that is 2 mm in outer diameter with the...

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デバイス マイクロマシンが うマニピュレータ きを するため センサ に, 握する うデバイスが ある。これら するマイクロ く,センサについて ファイバセンサ(イメージガイドを む)を,アクチュエータに して アクチュエータを いた ある デバイスを した。 デバイス する。これを いてマイクロファクトリにおける い, あるこ を確 した。 デバイス ,エネルギー うため, より いため, まれる。 キーワードファイバセンサ, アクチュエータ, ,マイクロファクトリ Summary When a micromachine works inside a narrow space inside tubes and equipment such as a microfactory, a microdevice that has a visual function is indispensable. To monitor the minute shapes of microfabrication and microassembly process that are impossible to observe, fiberscope types of environmental recognition devices have been developed. The devices are designed to allow stereoscopic and microscopic observation and to measure the dimensions of microparts. To achieve these goals and to realize minute structures and functions, we developed a micro stereoscope, a microscope with a fiber-optic tactile sensor, and shape memory alloy (SMA) actuators that can bend the tip in any direction with high precision. A micro stereoscope that is 2 mm in outer diameter with the parallax mechanism using an optically driven balloon actuator can vary the binocular parallax. To obtain the microscopic image, a contact scope is used. The contact scope obtains the near field image and can observe structures that are even smaller than the outer diameter of the contact scope. The tip articulation mechanism can bend approximately 60 degrees and returned to the straight position when a current is applied to each of the SMA coil springs. In a microfactory, visual inspection mechanism such as measuring sizes of micro-gear molds and assembling states of gear train have been confirmed using the devices. Since environmental recognition devices are very thin and have no electrical leads, they can even be used in the human body. The results show that easy and safe environmental recognition is possible in the narrow spaces of a microfactory. Key wordsFiber-optic sensors, Optically driven actuators, Environmental recognition, Microfactory 阿  一  O. Tohyama S. Maeda K. Abe M. Murayama *  ・フォトニクス 79 環境認識デバイスの開発 Development of Environmental Recognition Devices 1.まえがき マイクロマシンが うマニピュレータ きを するため センサ に, 握する うデバイスが ある。これら するマイクロ く,センサについて ファイバセンサ(イメー ジガイドを む)を,アクチュエータに して クチュエータを いて った。 ,エネルギー うため, より いため, まれるこ る。 マイクロ 域において センシング, するに する各 センサ, よう )を する したり って を確 する ,さら

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環境認識デバイスの開発

要  約

 マイクロマシンが作業を行う場合,実際に種々の作業を行うマニピュレータやその動きを制御するためのセンサと共に,周囲の状況を把握する視覚機能を担うデバイスが必要不可欠である。これらの機能を全て有するマイクロ機構を実現すべく,センサについては光ファイバセンサ(イメージガイドを含む)を,アクチュエータに関しては

光駆動アクチュエータを用いた視覚検査機構である環境認識デバイスを開発した。本デバイスは立体視機能,顕微観察機能,先端首振り機能,先端接触検知機能を有する。これを用いてマイクロファクトリにおける加工,組立工程の視覚検査を行い,微細加工形状や寸法測定,組立状態の検査が可能であることを確認した。本デバイスは信号

の入出力,エネルギー供給を全て光で行うため,水中や高湿度の環境下での測定はもとより電磁干渉の影響を受けないため,幅広い応用が見込まれる。キーワード:光ファイバセンサ,光駆動アクチュエータ,環境認識,マイクロファクトリ

Summary

 When a micromachine works inside a narrow space inside tubes and equipment such as a microfactory, a

microdevice that has a visual function is indispensable. To monitor the minute shapes of microfabrication and

microassembly process that are impossible to observe, fiberscope types of environmental recognition devices have

been developed. The devices are designed to allow stereoscopic and microscopic observation and to measure the

dimensions of microparts. To achieve these goals and to realize minute structures and functions, we developed a

micro stereoscope, a microscope with a fiber-optic tactile sensor, and shape memory alloy (SMA) actuators that can

bend the tip in any direction with high precision. A micro stereoscope that is 2 mm in outer diameter with the

parallax mechanism using an optically driven balloon actuator can vary the binocular parallax. To obtain the

microscopic image, a contact scope is used. The contact scope obtains the near field image and can observe structures

that are even smaller than the outer diameter of the contact scope. The tip articulation mechanism can bend

approximately 60 degrees and returned to the straight position when a current is applied to each of the SMA coil

springs. In a microfactory, visual inspection mechanism such as measuring sizes of micro-gear molds and assembling

states of gear train have been confirmed using the devices. Since environmental recognition devices are very thin

and have no electrical leads, they can even be used in the human body. The results show that easy and safe

environmental recognition is possible in the narrow spaces of a microfactory.

Key words: Fiber-optic sensors, Optically driven actuators, Environmental recognition, Microfactory

遠 山   修*  前 田 重 雄*  阿 部 一 博*  村 山   学*

O. Tohyama S. Maeda K. Abe M. Murayama

* 情報通信事業本部 情報通信・フォトニクス研究所

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環境認識デバイスの開発Development of Environmental Recognition Devices

1.まえがき

 マイクロマシンが作業を行う場合,実際に種々の作業を行うマニピュレータやその動きを制御するためのセンサと共に,周囲の状況を把握する視覚機能を担うデバイスが必

要不可欠である。これらの機能を全て有するマイクロ機構を実現すべく,センサについては光ファイバセンサ(イメージガイドを含む)を,アクチュエータに関しては光駆動ア

クチュエータを用いて視覚機構の検討を行った。信号の入出力,エネルギー供給を全て光で行うため,前記環境下で

の測定はもとより電磁干渉の影響を受けないため,幅広い応用も見込まれることとなる。 マイクロ領域において有効なセンシング,視覚機能を実

現するには,周囲状況を認識する各種センサ,人間の目のような両眼視差(輻輳)を有する立体視機能 ,瞳を動かしたり首を振って広い視野を確保する首振り機能 ,さら

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討してきた 。これは通電加熱によるものであったが,本機構の細径化と安全性の向上を目指して,並列したファイ

バスコープの先端を光駆動アクチュエータを用いて内側に曲げる機構を検討した。この機構は視差変化(イメージガイドファイバの屈曲動作)をバルーンの膨張力を用いて

行う。この光駆動型視差可変機構は,レーザ光照射により内部に封入された作動流体が沸騰・気化し,その圧力によってバルーンが膨張・収縮する現象を利用したものであ

る。この機構は一端を固定,他端を支持された 2 本のイメージガイドファイバと,その間に挟まれた状態のバルーンアクチュエータにより構成される。バルーンは内部に動

作流体が封入され,バルーン内にレーザ光を導入・照射するためのレーザファイバも取り付けられている。また,レーザファイバ先端には光熱変換効率を上げるために光

吸収体が被覆されている。レーザ光照射により作動流体が気化してバルーンは内圧が上昇,その後膨張する。この結果バルーンは 2本のイメージガイドファイバを押し広げる

形で湾曲させ,イメージガイドファイバの視方向が変化する。一方,照射を停止するとアクチュエータ内部の温度が低下し,気化した作動流体が液化,内圧は減少・収縮し,

2本のイメージガイドファイバはそれ自体の弾性力(復元力)により本来の平行状態に戻る。バルーンアクチュエータの動作原理を Fig. 2に示す。

 試作した立体視スコープは外径 3mmの構造体中にバ

ルーン型視差可変機構,3000画素のイメージガイドファイバを 2本と観察光照射用のライトガイドファイバを備えている。使用したバルーンの写真をFig. 3に,試作したバルー

ン型立体視スコープの写真をFig. 4に,立体視スコープの諸元を Tab le 1にそれぞれ示す。バルーンアクチュエータ動作時間は,ファイバ端レーザ出力が 1.0Wで,Fig. 2

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に目を観察対象物に近づけて見る拡大(顕微)観察機能が必要となる。立体視機能については両眼視差を変化させる

ための光駆動アクチュエータを検討し,これを立体視スコープに適用することにより,輻輳角可変の立体観察を実現した。首振り機能については,形状記憶合金マイクロコ

イルアクチュエータ を駆動源として用い,必要なエネルギーを光で供給する方法を検討し,光駆動化を実現した。顕微観察機能については,コンタクトスコープを基本と

し,これに必要な光ファイバ触覚センサ を検討し,微小構造体の寸法計測が可能なシステムを構築した。これらのセンサ,アクチュエータ機能を集積化し,マイクロ領域で

の視覚機能を実現する環境認識デバイスを開発した。このデバイスを現在開発中のマイクロファクトリ (Fig. 1参照)に適用し,微小部品の拡大観察や立体観察を行うこと

により,そのデバイス機能を実証した。

2.バルーン型視差可変立体視スコープ

 立体感を表示しようとする試みは非常に古くから行われており,ブリッジ回路で有名なホイートストーンも既に

19世紀にステレオスコープを発表している。基本的には人間が物を見る行為と同様の動作,つまり右目と左目に視方向が若干違う画像をそれぞれ別々に入力することにより,

立体感を得ることができる。このときの右目と左目の間隔を両眼間隔,視方向を輻輳角といい,これらを合わせて視差と表現している。この方式を用いてファイバスコープに

よる立体視を実現するには,右目入力用と左目入力用の 2

本のファイバスコープを用いれば良いが,単に 2本のファイバスコープを並べるだけでは自然な立体感は得られな

い。人間が瞳を動かして観察距離を調節しているのと同様に,ファイバスコープの視方向も変化させる(輻輳)機能を具備することにより,観察対象物の微妙な変化に対応可

能な立体視スコープを得ることができる。これまで輻輳機能を実現すべく,形状記憶合金(Shape Memory Alloy:以下SMAと略す)マイクロコイルを用いて視差可変機構を検

Fig. 1 Microfactory

マイクロファクトリ

Fig. 2 Principle of a balloon actuator

バルーンアクチュエータの動作原理

Image-guide fiber

Laser fiberBalloon

Cooling

Heating

Support plate

Laser light

Working fluid

Dilation

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の下に示すバルーンを用いた場合 5秒であり,同図上のバルーンを用いた場合は 2秒であり,バルーンを小型化する

ことにより,動作時間の短縮が見られた。この動作は,実際の立体観察中に行うものであり,動作時間は秒単位で十分であると考えられる。

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3.顕微観察スコープ

 顕微観察スコープ(コンタクトスコープ)を用いた顕微観察・寸法計測システムを Fig. 5に示す。ここでコンタクトスコープとは通常のファイバスコープと違い,イメージ

ガイドファイバ先端に結像用のレンズ(分布屈折率ロッドレンズ)を持たないものである。よってコンタクトスコープ先端と観察対象物間に任意の空間が存在する場合,像は

観察されない。逆にコンタクトスコープ先端と観察対象物が接触している場合,結果として拡大画像が観察される。この場合,通常のファイバスコープと違い,照明光がイ

メージガイドファイバに入らない。そのため,イメージガイドの一部にライトガイドファイバからの光を漏洩・注入することにより,照明光を供給する。このコンタクトス

コープと観察対象物の「接触」を検知するのが,触覚センサである。

 Fig. 6に寸法計測の手続きを示す。触覚センサの装着されたコンタクトスコープは,Z軸ステージに固定され(Fig.

6(a)),ステージの下降により観察対象物に接触する(Fig.

6(b))。このとき,触覚センサよりの接触検知信号によりZ軸ステージの下降が停止され,コンタクトスコープより

拡大画像が得られる。さらに寸法計測のため,Z軸ステージにより若干(数 µm程度)コンタクトスコープを上昇させる。この状態でも画像取得が可能である。その後,観察対

象物がマウントされている X-Yステージを動かすことにより,モニタ上のマーカーと X-Yステージの移動量により寸法計測が可能となる。これにより,これまでファイバス

コープでは観察不可能であった,微小構造体の観察や寸法計測が可能となった。本システムにおける観察分解能は約6µmである。

Fig. 3 PET balloons

PETバルーン

Fig. 4 Balloon actuator and parallax mechanism

バルーンアクチュエータと視差可変機構

Imageguide fiber(3000 pixels)

Balloon actuator

Laser fiber(O.D.:250µm)

Lightguide fibers

Imageguide fiber

Balloon actuator

Parallax mechanism

Support plate

Fig. 5 Configuration of the measurement system

測定システムの構成

Stage

Contact scope

Lightsource

CCD

Monitor

Stagecontroller

Systemcontroller

Joint box

tactilemeasurement

system

Stage

Object

Table 1 Specification of a stereoscope

立体視スコープの諸元

Specification

3000pixels, φ0.3mm

core/crad: 200µm/250µm

PET

Item

Imageguide fiber

Laser fiber

Balloon

Quantity

2

1

1

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 本システムでの重要な構成部品となるのが,光ファイバ触覚センサである。

 光ファイバ触覚センサは,光ファイバの先端に接触検知部分を設け,これが物体に接触することにより変位し,その変位を接触検知部分からの戻り光強度で検出するもの

である 。この強度変調方式の光ファイバセンサは,使用するファイバがマルチモードであり,測定システムを簡単に構成できるという利点をもつ。われわれはこれまで,接触

検知部分に剛球を用いた構成で接触覚センサを検討し,接触検出力10mNをもつ光ファイバ接触覚センサを開発してきた。さらにセンサ外径の細径化,性能の均一化・分解能

の向上を目指し,接触検知部分を剛球からロッドに変更した新規構造の光ファイバ接触覚センサを検討した。ボールタイプとロッドタイプの光ファイバ接触覚センサの断面

構造を Fig. 7に示す。接触覚センサ接触検知部分を鋼球からロッドに変更することにより,感圧部の反射面が曲面から平面となり,より多くの戻り光を得ることができた。ま

た,光ファイバ先端と接触検知部分の間に弾性体として設置していたポリウレタンをシリコンゴムに変更することにより,SUSチューブ,ロッド,光ファイバの組立が同時

に行えるようになった。さらに,ポリウレタンシートの保

持に用いていた外径 0.45mmの SUSチューブを取り除き,最外層のSUSチューブを 0.6mmから 0.36mmに細径化した。

 試作したロッドタイプ接触覚センサの特性を Fig. 8に示す。評価の結果,ロッド長が6mmのものはセンサ特性がこれまでのボールタイプとほぼ同様であることがわかった。

これに対して,ロッド長が 3mmのものは印加荷重に対して,反射光量の変化量が数倍大きく分解能が向上していることがわかった。この反射光量の増加は反射面が球面から

Fig. 7 Structure of a tactile sensor

光ファイバ接触覚センサの構造

Optical fiber (φ:155µm)

SUS pipe (φ:450µm)

SUS pipe (φ:600µm)

Rubber

Steel ball (φ:400µm)

Optical fiberSilicon rubber

SUS pipe(φ:360µm)

Rod(φ:180µm)

(a) Ball type

(b) Rod type

Fig. 6 Imaging and measuring with a contact scope

コンタクトスコープによる寸法計測

Contact scope

Tactile sensor

Stage for contact scope

Stage for object

Object

(a)

(b)

(c)

Monitor

Image from contact scope

Marker on CRT

0

10

20

30

40

0 10 20 30

Road (mN)

Ball type

Rod type (L=6mm)

Rod type (L=3mm)

Ref

lect

ion

Inte

nsity

(nW

)

Fig. 8 Performance of a tactile sensor

接触覚センサの特性

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環境認識デバイスの開発

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平面に変わったことによる。ロッド長が 6 m m のものは,3 m m のものに比べてロッド長が長いために与えた荷重が

ロッドの曲げにより吸収されて反射面が大きく変位しなかったものと考えられる。また,従来のボールタイプ接触覚センサ特性は,印加荷重の増加に対して反射光強度が増

加する場合と減少する場合が混在していた。これに対して,今回試作したロッドタイプ接触覚センサは,測定サンプルすべてが印加荷重の増加に対して反射光強度が増加

する特性を有しており性能の均一化を図ることができた。 本センサを装着した顕微観察・寸法計測システムを Fig.

9 に示す。センサの先端はコンタクトスコープ先端部に装

着された円盤面に接触しており,この円盤面のコンタクトスコープ接触による変位を検出するように構成されている。同図中にも有るように,信号の入出力を行う光ファイ

バは,後述する先端首振り用の形状記憶合金SMA近傍に装着されるため,コーティング層をポリアミドバッファコートとした。通常のアクリルバッファコーティング層を持つ

光ファイバは使用温度が- 65~+135℃であるのに対し,ポリアミドバッファコートのものは耐熱温度が 375℃まで向上し,首振り動作時の発熱によるセンサ信号への影響を

抑えることができた。

4.先端首振り機構

 ファイバスコープを基本とした視覚機構の場合,イメー

ジガイド先端に装着するレンズにより画角が左右され,その観察領域は限られた範囲となる。しかしながら先端に屈曲機構を与えることにより,広範囲な領域の観察が可能と

なる。そこで,これまでに開発を行ってきたSMAアクチュエータ を発展させて,全方位への屈曲動作が可能な首振

り構造体を実現した。 この首振り構造体はFig. 10(b)に示すように,首振り部とSMAアクチュエータ部からなる。首振り部は適当な間隔で

配置された節輪と,その間に装着されたSMA圧縮コイルからなる。またSMAアクチュエータ部は先端首振りに必要な発生力を有するSMA引張コイルからなる。首振り部の先端

と各 S M A アクチュエータ部は牽引ワイヤにより結ばれている。

 首振り構造体の動作原理は,次のとおりである。室温では首振り部の S M A コイルがバイアスバネとなって,アクチュエータ部のSMAコイルと拮抗状態にある。Fig. 10(a)

に示すようSMAアクチュエータ部のコイルを2本とも同時に熱すると,節輪間のSMA圧縮コイルがピッチ0まで縮んで固定状態となる。この状態で,第 3章で示した顕微観察

が可能となる。一方,首振り部とSMAアクチュエータ部の対角にあるSMAコイルを加熱すると,首振り部では圧縮コイルが伸び,S M A アクチュエータ部では引張コイルが縮

む。この両者の作用により,首振り部が湾曲する。このユニットを軸方向に 120°間隔で配置することにより,全方位屈曲可能な首振り構造体となる。

 またこの先端首振り機構を有する視覚機構を厳しい環境下(例えば体内,体液,血液中)で使用する場合,アクチュエータ部の駆動源を通電から光に変更する必要があ

Fig. 9 Construction of the microscopic observation system

顕微観察システムの構成

Contact Scope

ImageguideTactile Sensor

SMA Coil ActuatorOptical Fiber

Fig. 10 Tip articulation mechanism

首振り構造体

wire

SMA close raund coilsprings

Fiberscope

SMA coil springs

Tip-articulator SMA coil spring actuator

Bending

Heat

Heat

Heat

Heat

(a) Latch mode

(b) Tip articulator

(c) Bending mode

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る。この光駆動方式の採用によって液中での漏電を防ぐことができるばかりでなく,リード線を光ファイバに置き換

えることにより全体寸法の細径化に寄与する。このため,S M A コイルをレーザ照射により加熱する種々の方法を検討した。その結果,光ファイバの先端をエッチングでス

テップ状に除去しコアを露出させた,ステップエッチドファイバによるレーザ光照射が有用であることが分かった。ステップエッチドファイバは,先端に向かうにつれて

段階的に外径が小さくなる構造であり,レーザ光をファイバの側方に照射することができる。ステップエッチドファイバの構造の概略図を Fig. 11に示す。ステップエッチド

ファイバは,ファイバの先端をフッ酸溶液中に浸し,一定時間保持した後,任意の長さ引き上げるということを繰り返して作製される。

 ステップエッチドファイバを用いた光駆動式 S M A アクチュエータの概略図をFig. 12に示す。レーザ光はステップエッチドファイバのステップ形状部分から放射状に照射

され,その周囲にあるSMAコイルを加熱する。加熱されたコイルは形状を回復し収縮する。これにより,可動部が移動し牽引ワイヤが引かれる。レーザ光の照射を停止すると

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Fig. 11 Step etched fiber

ステップエッチドファイバ

Taper angle:θ�

コイルに加わった熱は自然放熱し,首振り部のコイルがバイアスバネとして働くため,それに伴って可動部が拮抗位

置に戻る。 光加熱状態を調べるため,SMAパイプ(φ1.05/0.70mm)にファイバを挿入,レーザ光を照射し,SMAパイプの表面

温度を放射温度計にて測定した。熱画像解析を行い得られたレーザ照射5,10秒後の,SMAパイプの長手方向における表面温度プロファイルをFig. 13に示す。レーザ光の波長

は810nm,レーザ出力は750mW(ファイバ端出力),レーザファイバはNA=0.37,コア径=400µmのものを用いた。同図より,SMAパイプ全体にわたって一様に加熱できてい

ることがわかる。これにより,約 20mmの長さの SMAコイルを加熱できることが確認された。このレーザ照射による SMAアクチュエータを Fig. 10の先端首振り構造体に適

用した。この光駆動首振り構造体の動作写真をFig. 14に示す。光駆動型アクチュエータの出力は温度,すなわち照射するレーザ光のエネルギーによって変化する。現在アク

チュエータ出力の制御はオープンループで行っており,レーザのD u t y 比を変化させることでコイルに照射するレーザ出力を変化させ,SMAコイルの加熱量を制御してい

る。この制御法は照射開始直後にアクチュエータ出力が変動するものの,熱的に平衡状態となれば安定する。レーザ出力を 1.5W(CW)としてDuty比を変化させ,加工用環

境認識デバイスの首振角度を調べた結果を Fig. 15に示す。

Fig. 12 Optically driven SMA actuator

光駆動 SMAアクチュエータ

Tip articulator

SMA coil

Super Elastic Alloy coil

A

APull wire

SMA coilA-A

Support plate

Step etched fiber

Super ElasticAlloy coil Fiberscope

Ring SMA coil

Ring

Fig. 13 Temperature profile of irradiated light

レーザー照射による温度プロファイル

0 10 20 3020

40

60

80

100

120

140

160

180

Position(mm)

After 10 sec.After 5 sec.

Step etched region

Tip direction

Tem

pera

ture

(°C

)

Fig. 14 Bending motion by a fiber-optic actuator

光駆動アクチュエータの動作写真

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なお,レーザは20秒以上照射しており,アクチュエータは温度的に定常状態となっている。同図より,Duty比を変化させることによって,5°程度の誤差内で角度制御が可能で

あることがわかる。

5.環境認識デバイスとマイクロファクトリ

 光ファイバセンサ,光駆動アクチュエータなどの要素技術を集積化して,マイクロ視覚機構(環境認識デバイス)を

試作した。環境認識デバイスは狭隘箇所において,物体の観察や検査などの視覚機能を満足すべく,接触検知機能・顕微観察機能・先端首振り機能・視差可変立体視機能など

を有する。また画像伝送・センサ信号入出力・エネルギー供給を全て光で行うため,電磁干渉の影響を受けず,厳しい環境下にも適用可能である。本デバイスは外径3mm,有

効長 1mの筐体中に前記全機能を集積化した。 Fig. 1に示したマイクロファクトリは加工ユニット ,搬送デバイス ,組立ユニットからなる。加工ユニットではマ

イクロ電解加工により微小部品が作製される。この微小部品の観察・検査を行うのが加工用環境認識デバイス(Fig .

16(a))であり,コンタクトスコープによる顕微観察が主

な機能である。加工ユニットで作製された部品は搬送デバイスにより組立ユニットに送られ,ここでマイクロアームなどを用いて組み立てられる。この組立状況を観察・検査

するのが組立用環境認識デバイス(Fig. 16(b))であり,立体視スコープによる 3 次元観察が主な機能である。 これらのデバイスをマイクロファクトリに搭載し,その

要求仕様に基づき,デバイスの性能評価を行った。加工ユニット,組立ユニット上に組み付けられた環境認識デバイスの写真をFig. 17,Fig. 18におのおの示す。環境認識デバ

イスはマイクロサーボアクチュエータ に装着され,これにより被観察対象物に近接し視覚検査を行う。各ユニットにおいて,マイクロファクトリでの製作を予定している微

小歯車の型,軸,歯車輪列用の基板などを環境認識デバイスで観察し,その画像を確認するとともに,観察範囲・観

察分解能・首振り角などを実測した。加工ユニットにおける被加工物の検査の様子をFig. 19に示す。 これらの測定を通じて得られた環境認識デバイスの特性をTable 2に示す。

得られた結果は,マイクロファクトリより要求される仕様を十分満たし,マイクロファクトリでの視覚検査機能を担う性能を有することが確認された。

Fig. 15 Bending angle of a fiber-optic actuator

光駆動アクチュエータの屈曲角

20 40 60 80 100

20

40

60

0

Ben

ding

ang

le(d

eg)

Applied duty ratio

Fig. 16 Environmental recognition devices

環境認識デバイス

Tip articulator

Stereoscope

Binocular parallaxaccommondation mechanism

SMA coil spring actuators

Imageguide with lens

Contact-scope

Tactile sensors

Tip articulator

SMA coil spring actuators

(a) For processing unit

(b) For assembling unit

Fig. 17 Environmental recognition device on processing

unit

加工ユニット用環境認識デバイス

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Table 2 Performance of the devices

環境認識デバイスの特性

Processing unit

observation area > φ0.9mm

resolution<15µm

observation area > φ0.3mm

resolution < 6µm

-

resolution < 10mN

bending angle > 60°

(optically driven)

Function

Far field

observation

Near field

observation

Stereoscope

Tactile sensing

Tip articulation

Assembling unit

observation area > φ0.9mm

resolution<15µm

-

convergence angle: 0-5°

(optically driven)

resolution < 10mN

bending angle > 90°

(electrically driven)

Performance

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Fig. 19 Inspection on the processing unit

加工ユニットでの検査の様子

Fig. 18 Environmental recognition device on assembling

unit

組立ユニット用環境認識デバイス

6.む す び

 光ファイバセンサ,光駆動アクチュエータを集積化した視覚機構の開発を行い,2つの特徴を有する環境認識デバイスを試作し,これらをマイクロファクトリに適用した。

加工ユニット用環境認識デバイスでは,遠視野・近視野の

画像観察,先端の 60°(全角)首振り動作,接触検知分解能10mNをもつ触覚センサを利用した寸法計測機能を確認し

た。組立用環境認識デバイスでは,実際に想定される観察対象物を用いて,広い観察範囲と立体視機能を確認した。また信号の入出力・エネルギー供給全てを光化したことに

より,より安全で高機能なシステムを実現した。

謝  辞

 本研究の一部は,通商産業省工業技術院の産業科学技術研究開発制度に基づく「マイクロマシン技術の研究開発」の一環として,新エネルギー・産業技術総合開発機構

(NEDO)から委託を受けた(財)マイクロマシンセンターの再委託業務として三菱電線工業株式会社が実施したものである。

参考文献

遠山 修.「立体視認識デバイス」の目ざすもの.エレ

クトロニクス.42(2),1997,p.47-49.

Maeda, S. et al. Micro Actuator with Shape Memory

Alloy (SMA) Coil Springs and its Application to Active

Fiberscope. IEICE Trans. Electron. E80-C (2), 1997,

p.226-231.

杉原正久ほか.SMA(形状記憶合金)マイクロアクチュ

エータの研究.三菱電線工業時報.(87),1994,p.70-

74.

Tohyama, O. et al. Fiber-Optic Tactile Microsensor for

Detecting the Position of the Tip of a Fiberscope. IEEE

JSTQE. 5 (1). 1999, p.115-118.

Ataka T. ; Microfactort System for Processing and

Assembling. Proc. of IWMF2000. 2000, p.75-78.

遠山 修.環境認識機構.機械と工具.42(6),1998,p.28-31.

Tohyama, O. et al. A fiber-Optic microsensor for

biomedical applications. Sensors and Actuators A. A66.

1998, p.150-154.

Suda, M. et al. Micro Fabrication using Electrochemical

Machining. Proc. of IWMF2000. 2000, p.163-166.

Nakazawa, H. et al. Electromagnetic Micro-Parts

Conveyer with Coil-Diode Modules. Tech. Digest,

Transducers ’99. 1999, p.1192-1195.

Oku, H. et al. Development of micro-arm, Proc. of

IWMF ’98. 1998, p.208-213.

中村裕司ほか.マイクロマシン技術の研究開発.技報安川電機.64(2),2000,p.116-119.

Page 9: 環境認識デバイスの開発A micro stereoscope that is 2 mm in outer diameter with the parallax mechanism using an optically driven balloon actuator can vary the binocular parallax.

環境認識デバイスの開発

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遠山 修(とおやま おさむ)

情報通信事業本部 情報通信・フォトニクス研究所 

光デバイスグループ

マイクロセンサ・マイクロアクチュエータの研究・開

発に従事

電気学会,電子情報通信学会,応用物理学会会員

前田重雄(まえだ しげお)

情報通信事業本部 情報通信・フォトニクス研究所 

光デバイスグループ

光通信用マイクロデバイスの研究・開発に従事

電気学会会員

阿部一博(あべ かずひろ)

情報通信事業本部 情報通信・フォトニクス研究所 

光デバイスグループ

光通信用マイクロデバイスの研究・開発に従事

村山 学(むらやま まなぶ)

情報通信事業本部 情報通信・フォトニクス研究所 

光デバイスグループ

光通信用マイクロデバイスの研究・開発に従事