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KR101091610B1 - 다중 선택형 마이크로 매니퓰레이터 - Google Patents

다중 선택형 마이크로 매니퓰레이터 Download PDF

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KR101091610B1
KR101091610B1 KR1020090103753A KR20090103753A KR101091610B1 KR 101091610 B1 KR101091610 B1 KR 101091610B1 KR 1020090103753 A KR1020090103753 A KR 1020090103753A KR 20090103753 A KR20090103753 A KR 20090103753A KR 101091610 B1 KR101091610 B1 KR 101091610B1
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South Korea
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groove
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윤의성
양성욱
김진석
노덕문
조제원
신희섭
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한국과학기술연구원
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Abstract

본 발명은 단일 엑츄에이터로 하나의 주이동체의 동작만을 제어하여 복수의 보조이동체를 선택적으로 직선운동시킬 수 있는 다중 선택형 마이크로 매니퓰레이터에 관한 것이다. 본 발명에 따른 다중 선택형 마이크로 매니퓰레이터는 소정의 축을 기준으로 직선 운동 또는 회전 운동을 하는 주이동체와, 상기 주이동체를 직선 운동시키는 엑츄에이터 및 상기 주이동체를 회전 운동시키는 회전 구동부를 포함하는 구동수단과, 상기 주이동체에 형성되는 레버 및 상기 축 방향과 평행한 방향으로 직선 운동할 수 있도록 형성되는 복수의 보조 이동체를 포함하고, 상기 엑츄에이터 및 상기 회전 구동부에 의해 상기 주이동체의 직선 운동 및 회전 운동을 제어하여 상기 레버가 운동시키고자 하는 보조 이동체와 선택적으로 접촉하도록 하고, 상기 레버가 접촉한 보조 이동체는, 상기 주이동체가 직선 운동함에 따라서 상기 레버에 의해 직선 운동한다.
매니퓰레이터, 주이동체, 보조이동체, 전극

Description

다중 선택형 마이크로 매니퓰레이터{Multi-Selective Micro Manipulator}
본 발명은 마이크로 매니퓰레이터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 단일 엑츄에이터(actuator)로 하나의 주이동체의 동작만을 제어하여 복수의 보조이동체를 선택적으로 직선운동시킬 수 있는 다중 선택형 마이크로 매니퓰레이터에 관한 것이다.
생체는 수많은 신경세포들로 구성되는데 이러한 신경 세포들은 정보 전달의 매개체 역할을 한다. 신경세포 사이의 정보 전달 방법은 전기신호의 송수신 과정이라고 할 수 있다. 즉, 신경세포들은 소정의 전기신호를 통해 다른 신경세포로 정보를 전달한다. 이는 신경세포들이 외부의 전기적 자극에 민감하다는 것을 보여주는 반증이기도 하다.
이와 같은 생체와 전기와의 상관관계를 규명하는 학문이 전기생리학이다. 다시 말해서, 전기생리학은 전기가 생체에 끼치는 영향과 생체에서 발생하는 전기현상을 연구대상으로 하는 학문이다. 전기생리학은 전자공학의 발달과 세포 내 전극 인입 등의 기술이 개발됨에 따라 비약적으로 발전하고 있다.
일반적으로 신경세포와 전기와의 상관관계를 규명하는 실험에는 쥐와 같은 작은 동물들이 피실험체로 사용된다. 이러한 피실험체의 신경세포의 전기적 신호를 검출하거나 신경세포에 전기적 신호를 인가하는 역할을 수행하는 전극을 신경세포에 근접시키기 위한 장치로 전극 이동용 마이크로 매니퓰레이터(Micro-manipulator)가 사용된다.
도 1은 피실험체인 쥐의 뇌 신경세포와 전기와의 상관관계를 규명하는 실험에 사용되는 실험 장치의 개략적인 개념도이다. 쥐의 머리에 뇌의 전기적 신호를 분석하기 위해 피실험체 신체 내로 전극을 이송하는 마이크로 매니퓰레이터(1)가 연결되고, 마이크로 매니퓰레이터(1)는 외부신호처리장치(2)와 연결된다. 외부신호처리장치(2)는 마이크로 매니퓰레이터(1)의 동작을 제어하는 제어부 및 상기 전극으로부터 발생되는 전기적 신호를 디지털 신호로 변환시키고 이를 분석하는 신호처리부 등으로 구성된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 마이크로 매니퓰레이터(1)는 피실험체의 신체에 직접 고정되므로, 피실험체의 행동을 제약하지 않도록 소형화될 필요가 있다. 따라서, 마이크로 매니퓰레이터 모듈은 하나의 엑츄에이터를 이용해 하나의 전극만을 이동시키는 것이 일반적이다.
하지만, 경우에 따라서 피실험체의 실험부위에 다수의 전극을 삽입하여야 할 때가 있다. 이러한 경우, 삽입하는 전극의 움직임을 각각 제어하기 위해서는 전극의 수 만큼의 마이크로 매니퓰레이터 모듈을 사용해야 한다.
하지만, 실험부위의 면적은 제한적이므로, 다수의 마이크로 매니퓰레이터 모듈을 사용하는 경우에는 실험부위에 복수의 전극을 집약적으로 삽입하기가 어렵다는 문제점이 있다. 또한, 모듈의 수가 증가된 만큼, 전극 이송을 위한 엑츄에이터 또는 센서 등이 증가하게 되므로, 다수의 마이크로 매니퓰레이터를 사용하는 것은 장치의 크기 무게, 제어 등의 여러가지 측면에서 비효율적이라는 문제점이 있다.
본 발명은 하나의 주이동체의 움직임을 제어하여 복수의 보조이동체를 선택적으로 직선운동시킬 수 있는 다중 선택형 마이크로 매니퓰레이터를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 위와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 간단한 구조를 가지면서도 복수의 전극의 위치를 정밀하게 제어하는 전극 이동용 마이크로 매니퓰레이터로 적합하게 사용될 수 있는 다중 선택형 마이크로 매니퓰레이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 다중 선택형 마이크로 매니퓰레이터는 소정의 축을 기준으로 직선 운동 또는 회전 운동을 하는 주이동체와, 상기 주이동체를 직선 운동시키는 엑츄에이터 및 상기 주이동체를 회전 운동시키는 회전 구동부를 포함하는 구동수단과, 상기 주이동체에 형성되는 레버 및 상기 축 방향과 평행한 방향으로 직선 운동할 수 있도록 형성되는 복수의 보조 이동체를 포함하고, 상기 엑츄에이터 및 상기 회전 구동부에 의해 상기 주이동체의 직선 운동 및 회전 운동을 제어하여 상기 레버가 운동시키고자 하는 보조 이동체와 선택적으로 접촉하도록 하고, 상기 레버가 접촉한 보조 이동체는, 상기 주이동체가 직선 운동함에 따라서 상기 레버에 의해 직선 운동한다.
또한, 상기 구동수단은 샤프트를 구비하는 엑츄에이터를 포함하고, 상기 주이동체는 상기 샤프트 상에 결합되며, 상기 복수의 보조이동체는 상기 샤프트를 중심으로 방사형으로 배치될 수도 있다.
또한, 상기 주이동체는 원통형이고, 상기 구동수단은 상기 주이동체의 측면에 형성되는 가이드 홈과, 상기 가이드 홈에 맞물릴 수 있는 제1가이드 핀을 포함 하고, 상기 가이드 홈은, 상기 샤프트의 길이 방향을 중심으로 우측 하방향으로 경사지게 형성되는 복수의 제1경사홈 및 상기 샤프트의 길이 방향을 중심으로 좌측 하방향으로 경사지게 형성되는 복수의 제2경사홈을 포함하며, 상기 제1경사홈과 상기 제2경사홈은 상기 주이동체 측면에 서로 교번하여 배치되고, 인접하는 상기 제1경사홈과 상기 제2 경사홈은 서로 연결되어 톱니 형태의 가이드 핀 이동경로를 형성할 수도 있다.
또한, 상기 제1가이드 핀은 상기 보조이동체보다 위쪽에 위치하고, 상기 가이드 홈은, 상기 샤프트의 길이 방향과 수평하게 형성되는 복수의 제1직선홈을 더 포함하며, 상기 제1직선홈은, 일측이 상기 제1경사홈과 제2경사홈의 연결부 중 상기 주이동체의 상면측으로 형성된 연결부와 연결되고, 다른 일측이 상기 주이동체의 상면방향으로 형성되어 상기 제1가이드 핀이 상기 제1 경사홈과 제2 경사홈의 연결부에 진입할 수 있는 상방 진입로를 형성할 수도 있다.
또한, 상기 복수의 보조이동체는 서로 일정한 간격으로 배치될 수도 있다.
또한, 상기 복수의 제1직선홈은 서로 일정한 간격으로 배치될 수도 있다.
또한, 상기 레버는 상기 제1직선홈과 일직선상에 위치할 수도 있다.
또한, 상기 레버가 상기 보조이동체의 위쪽에 위치된 상태에서 상기 주이동체가 하방 직선운동함에 따라, 상기 레버가 상기 보조이동체의 상단을 압지하여 상기 보조이동체를 하방 직선운동시킬 수도 있다.
또한, 상기 보조이동체보다 아래 쪽에 위치하는 제2가이드 핀을 포함하고, 상기 가이드 홈은, 상기 샤프트의 길이 방향과 수평하게 형성되는 복수의 제2직선 홈을 더 포함하며, 상기 제2직선홈은, 일측이 상기 제1경사홈과 제2경사홈의 연결부 중 상기 주이동체의 하면측으로 형성된 연결부와 연결되고, 다른 일측이 상기 주이동체의 하면방향으로 형성되어 상기 제2가이드 핀이 상기 제1경사홈과 제2경사홈의 연결부에 진입할 수 있는 하방 진입로를 형성할 수도 있다.
또한, 상기 복수의 제2직선홈은 서로 일정한 간격으로 배치될 수도 있다.
또한, 상기 레버가 상기 보조이동체의 아래쪽에 위치된 상태에서 상기 주이동체가 상방 직선운동함에 따라, 상기 레버가 상기 보조이동체의 하단을 끌어올려 상기 보조이동체를 상방 직선운동시킬 수도 있다.
또한, 상기 엑츄에이터는 피에조 모터일 수도 있다.
또한, 상기 보조이동체는 전기신호 측정용 전극이고, 상기 전극은 상기 주이동체의 직선 운동 방향과 평행한 방향으로 연장 형성될 수도 있다.
또한, 상기 전극은, 판 형태의 헤드부와 상기 헤드부보다 지름이 작고 상기 헤드부에 수직하게 연장되는 몸체부를 포함하고, 상기 레버가 상기 전극의 아래쪽에 위치된 상태에서 상기 주이동체가 상방 직선운동함에 따라, 상기 레버가 상기 전극의 헤드부의 하단을 끌어올려 상기 전극을 상방 직선운동시킬 수도 있다.
또한, 상기 주이동체의 위치를 감지하는 위치센서부를 더 포함할 수도 있으며, 상기 위치센서부는 상기 주이동체에 결합되는 자석 및 상기 자석의 위치를 감지하는 자기센서를 포함할 수도 있다.
본 발명에 따르면 하나의 엑츄에이터로 하나의 주이동체만을 제어하여 복수 의 보조이동체를 선택적으로 직선운동시킬 수 있어, 복수의 보조이동체를 직선운동시키기 위한 엑츄에이터의 수를 최소화할 수 있다. 따라서, 장치의 구조가 간단해지고 크기가 감소하는 이점이 있다.
또한, 보조이동체의 움직임을 정밀하게 제어할 수 있어, 전극의 위치가 정밀하게 제어되어야 하는 전극 이동용 마이크로 매니퓰레이터로 적합하게 사용될 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터의 분리사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터의 조립사시도이다. 도 2에는 마이크로 매니퓰레이터의 내부 구성을 도시하기 위하여 케이스(21, 22)의 일부가 절개된 모습이 도시되어 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터는 원통형의 주이동체(main mover)(40), 상기 주이동체(40)를 동작시키기 위한 구동수단을 포함한다.
본 실시예에 따르면 상기 구동수단은 주이동체(40)를 동작시키기 위한 엑츄에이터로서 진동부(11)와 샤프트(12)로 이루어지는 피에조 모터가 이용된다. 피에조 모터는 압전물질 또는 전왜물질로 구성된 진동부(11)가 외부에서 전원을 인가하면 기계적 변형을 일으켜 샤프트(12)를 진동시키고, 이에 의한 관성을 이용해 샤프트(12) 상에 결합된 주이동체(40)를 직선운동시키는 엑츄에이터이다.
상기 피에조 모터의 구체적인 구성과 주이동체(40)를 직선운동시키는 원리는 당업자에게 공지되어 있으므로, 여기서는 구체적인 설명을 생략한다.
본 실시예에 따르면, 주이동체(40)는 샤프트(12) 상에 결합되고, 피에조 모터(10)가 동작하면 정지된 상태에 있던 주이동체(40)가 샤프트(12)를 따라 직선운동하게 된다. 즉, 주이동체(40)는 샤프트(12)가 형성하는 소정의 축을 기준으로 직선 운동한다. 이때, 피에조 모터의 동작 특성상 피에조 모터(10)의 동작에 의해 주이동체(40)는 샤프트(12) 상에서 회전운동하지 않고 직선운동을 하게 된다.
피에조 모터(10)와 주이동체(40)는 케이스(21, 22, 23) 내에 설치된다. 도면에 자세히 도시하지는 않았으나, 모터(10)의 샤프트(12)는 상부케이스(21)와 하부케이스(23)의 중앙부를 관통하여 연결된다. 모터(10)가 상부 및 하부케이스(21 23)의 중앙을 관통하여 연결됨으로써, 마이크로 매니퓰레이터의 무게중심이 중앙에 집중되어 구조가 안정되며, 마이크로 매니퓰레이터의 횡방향 크기가 감소되는 이점이 있다. 이때, 샤프트(12)와 상부 및 하부케이스(21, 23)의 연결부는 에폭시 등을 이용하여 고정된다. 즉, 샤프트(12)는 상부 및 하부 케이스에 강성결합되지는 않고, 케이스로부터 이탈하지 않을 정도의 강도로 결합되어, 미세하게 상하로 진동가능하게 고정된다.
이와 같은 구성에 의해, 피에조 모터(10)가 구동하면, 케이스(22) 내부에 수 용된 주이동체(40)가 샤프트(12) 상에서 상하로 직선운동하게 된다.
본 실시예에 따르면, 주이동체(40)의 움직임을 이용해 보조이동체(sub mover)(31 내지 36)를 선택적으로 이동시킨다. 본 실시예에서 보조이동체는 복수의 전극(31 내지 36)이며, 전극(31 내지 36)은 전기신호를 측정하기 위한 전기신호 측정용 전극이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 복수의 전극(31 내지 36)은 주이동체(40)의 직선 운동 방향(100)과 평행한 방향으로 연장형성된다. 복수의 전극(31 내지 36)은 하부 케이스(23)를 관통하여 연결되며, 하부 케이스(23)를 중심으로 상하 직선운동이 가능하게 연결된다. 복수의 전극(31 내지 36)은 샤프트(12)를 중심으로 방사형으로 배치된다.
도 3을 참조하면, 주이동체(40)의 측면 하단부에는 레버(41)가 돌출 형성된다. 본 실시예에 따르면, 레버(41)는 직사각형 판 형태이며, 주이동체(40)가 하방향으로 이동함에 따라, 레버(41)의 하면이 전극의 상단을 압지하여 전극을 하방향으로 직선운동시키게 된다.
본 실시예에서 주이동체(40)에는 레버(41)가 하나 구비된다. 따라서, 원하는 전극을 선택하여 직선운동시키기 위해서는 주이동체(40)가 샤프트(12)를 중심으로 회전하여 레버(41)를 원하는 전극의 바로 위쪽으로 이동시킬 필요가 있다.
상술한 바와 같이, 피에조 모터(10)는 주이동체(40)를 상하 방향(100)으로 직선 운동시키는 엑츄에이터이다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 상기 구동수단은 주이동체(40)가 회전하도록 하기 위한 회전 구동부를 더 포함한다.
도 3을 참조하면, 상기 구동수단은 주이동체(40)의 측면에 형성되는 가이드 홈(70)과, 가이드 홈(70)에 맞물릴 수 있는 제1가이드 핀(51)을 더 포함한다.
제1가이드 핀(51)은 케이스(22)의 외벽에 통공을 형성하여 케이스(22) 내부로 삽입된다. 제1가이드 핀(51)은 샤프트(12)와 수직한 방향으로 연장형성된다. 제1가이드 핀(51)은 전극(31 내지 36)의 상단보다 위쪽에 위치한다.
가이드 홈(70)은 샤프트(12)의 길이 방향을 중심으로 우측 하방향으로 경사지게 형성되는 복수의 제1경사홈(71) 및 샤프트(12)의 길이 방향을 중심으로 좌측 하방향으로 경사지게 형성되는 복수의 제2경사홈(72)을 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1경사홈(71)과 제2경사홈(72)은 주이동체(40)의 측면에 서로 교번하여 배치되고, 인접하는 제1경사홈(71)과 제2 경사홈(72)은 서로 연결되어 점선으로 도시된 바와 같은 톱니 형태의 가이드 핀 이동경로(73)를 형성한다.
가이드 홈(70)은 샤프트(12)의 길이 방향과 수평하게 형성되는 복수의 제1직선홈(74)을 더 포함한다. 제1직선홈(74)의 일측은 제1경사홈(71)과 제2경사홈(72)의 연결부 중 주이동체(40)의 상면측으로 형성된 연결부와 연결되고, 다른 일측은 주이동체(40)의 상면 방향으로 형성되어 제1가이드 핀(51)이 제1경사홈(71)과 제2경사홈(72)의 연결부에 진입할 수 있는 상방 진입로(75)를 형성한다.
또한, 가이드 홈(70)은 샤프트(12)의 길이 방향과 수평하게 형성되는 복수의 제2직선홈(76)을 더 포함한다. 제2직선홈(76)의 일측은 제1경사(71)홈과 제2경사홈(72)의 연결부 중 주이동체(40)의 하면측으로 형성된 연결부와 연결되고, 다른 일측은 주이동체(40)의 하면 방향으로 형성되어 하방 진입로(77)를 형성한다.
위와 같은 주이동체(40)의 구성과 가이드 핀을 이용해 주이동체가 일부구간에서는 회전운동 없이 직선운동만을 하고, 일부 구간에서는 회전운동과 동시에 직선운동을 하도록 제어할 수 있다. 따라서, 주이동체(40)의 직선 운동 및 회전 운동을 제어하여 레버(41)를 원하는 전극의 상단으로 이동시키고, 레버(41)가 선택된 전극을 압지하게 함으로써, 전극을 선택적으로 직선 운동시킬 수 있다.
이하, 도 4a 내지 도 4f를 참조하여, 본 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터의 동작원리를 설명한다. 도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터의 동작을 나타내는 개념도이다.
본 실시예에서는 도 4a에 도시된 상태에서 레버(41)를 전극(34)의 상단으로 이동시켜 전극(34)을 하방 직선운동시키는 동작을 설명한다.
먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이, 제1가이드 핀(51)의 위치가 주이동체(40)의 제1직선홈(74')과 일직선상에 놓인 상태에서, 주이동체(40)를 상방향(101)으로 직선운동시킨다. 이와 같은 동작에 의해 제1가이드 핀(51)이 상방 진입로(75')를 통해 제1직선홈(74')에 맞물리게 된다. 제1직선홈(74')은 수직하게 형성되어 있으므로, 제1가이드 핀(51)이 제1직선홈(74')을 지나는 동안 주이동체(40)는 회전운동하지 않고 직선운동만을 하게 된다.
주이동체(40)가 상방향(101)으로 계속 직선운동하면, 도 4b에 도시된 바와 같이 제1가이드 핀(51)은 제1경사홈(71')과 제2경사홈(72')의 연결부(81')에 이르게 된다.
도 4a 내지 4f에 도시된 실시예에 따르면, 제1직선홈(75')과 제2경사홈(72') 은 부드러운 곡선으로 이어지는 경로를 형성하며, 제1직선홈(75')과 제1경사홈(71')은 꺾여진 경로를 형성한다. 따라서, 도 4c에 도시된 바와 같이, 주이동체(40)가 상방향(102)으로 더 직선운동하게 되면, 제1가이드 핀(51)은 제2경사홈(72')이 형성하는 경로를 따라 이동하여, 제2경사홈(72')과 제1경사홈(71")의 연결부(82')까지 이동한다. 이와 같은 동작에 의해 주이동체(40)는 화살표(202) 방향으로 회전하게 되고, 이에 따라 레버(41)도 점선으로 표시된 바와 같이 위치이동하게 된다.
이때, 도 4d에 도시된 바와 같이, 주이동체(40)를 하방향(화살표(103)방향)으로 이동시키면, 제1가이드 핀(51)은 제1경사홈(71")이 형성하는 경로를 따라 이동하여, 제1경사홈(71")과 제2경사홈(72")의 연결부(81")까지 이동하게 된다. 이와 같은 동작에 의해 주이동체(40)는 화살표(203) 방향으로 더 회전하게 되고, 이에 따라 레버(41)도 점선으로 표시된 바와 같이 더 이동을 하여 전극(33)의 상단과 일직선상에 위치하게 된다.
만약, 전극(33) 이외의 다른 전극을 선택하여 이동시키고자 할 때는 상기한 주이동체(40)의 상하 직선 운동을 반복하여, 제1가이드 핀(51)이 제1경사홈 및 제2경사홈이 형성하는 경로를 따라 순차적으로 이동하게 한다. 즉, 주이동체(40)가 상하 왕복 운동을 반복하도록 함으로써 주이동체(40)를 계속 회전시킬 수 있으며, 레버(41)를 원하는 전극의 상단으로 이송시킬 수 있다.
본 실시예와 같이 레버(41)가 전극(33)의 상단에 위치하게 되면, 도 4e에 도시된 바와 같이, 주이동체(40)를 하방향(화살표(104) 방향)으로 이동시킨다. 이와 같은 동작에 의해 제1가이드 핀(51)은 제1직선홈(74")이 형성하는 경로를 따라 이동하고, 상방 진입로(75")를 통해 가이드 홈으로부터 빠져나간다.
상술한 바와 같이, 제1직선홈(74")은 수직하게 직선으로 형성되므로, 제1가이드 핀(51)이 제1직선홈(74")이 형성하는 경로를 따르는 동안에는, 주이동체(40)는 회전하지 않고 직선으로만 이동한다. 레버(41)가 전극(33) 상단에 접촉하게 되면, 주이동체(40)를 하방향으로 더 이동시킨다.
즉, 도 4f에 도시된 바와 같이, 주이동체(40)를 하방향(105)으로 계속 이동시키면, 레버(41)가 전극(33)의 상단을 압지하여 전극(33)을 하방향으로 직선 이동시킨다. 이때, 주이동체(40)는 피에조 모터(10)의 구동에 의해 샤프트(12) 상에서 회전하지 않고 직선운동한다.
이와 같이 본 실시예에 따르면 외부 전원에 의해 구동하는 엑츄에이터를 하나만 이용하여 복수의 전극을 선택적으로 직선운동시킬 수 있다. 따라서, 구조가 매우 간단하며, 장치의 효율이 매우 높다는 장점이 있다.
한편, 본 실시예에 따르면, 도 4a 내지 4f에 도시된 바와 같이, 제1직선홈(75')과 제2경사홈(72')은 부드러운 곡선으로 이어지는 경로를 형성하며, 제1직선홈(75')과 제1경사홈(71')은 꺾여진 경로를 형성하여 주이동체(40)가 반시계 방향으로 회전하나, 반드시 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1경사홈(71) 및 제2경사홈(72)을 형상을 적절히 설계하여 주이동체(40)가 시계 방향(화살표(200) 방향)으로 회전하도록 할 수도 있다.
다만, 가이드 홈과 가이드 핀을 이용해 주이동체(40)의 회전량을 정확하게 제어하기 위해서는, 복수의 전극 상호간의 이격거리에 따라 주이동체(40) 상에 형성되는 가이드 홈의 위치가 결정되어야 한다.
따라서, 본 실시예에 따르면, 주이동체(40)의 회전량을 용이하게 계산하기 위하여, 복수의 전극(31 내지 36)의 간격을 일정하게 배치한다. 또한, 복수의 제1직선홈(74)의 간격을 일정하게 배치하고, 복수의 제2직선홈(76)(도 3 참조)의 간격을 일정하게 배치한다.
도 5는 전극, 제1직선홈 및 제2직선홈의 간격을 도시하는 평면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 전극(31, 32) 사이는 거리 T만큼 이격된다. 한편, 제1직선홈(74)은 거리 t1만큼 이격되며, 제2직선홈(76)은 거리 t2만큼 이격되어 있다. 본 실시예에 따르면, 전극, 제1직선홈 및 제2직선홈은 T = 2t1이고, t1 = t2인 관계를 가지고 배치된다. 또한, 레버(41)는 임의의 제1직선홈(74)과 동일축 선상에 배치된다.
상술한 배치관계에 의해서, 가이드 핀이 어느 하나의 제1직선홈에 맞물리게 되면, 레버(41)는 반드시 어느 하나의 전극과 일직선상에 위치하거나, 두개의 전극 사이의 중간지점과 일직선상에 위치하게 된다.
레버(41)가 어느 하나의 전극(31)의 상단에 위치한 상태에서는, 주이동체(40)를 두번 상하 왕복 운동시키면, 레버(41)가 전극(31)과 바로 인접한 전극(32)의 상단에 위치하게 된다. 이러한 구성에 의하면, 직선운동시키고자 하는 전극의 상단으로 레버(41)를 이동시키기 위한 필요 계산량이 현저하게 감소되는 이점 이 있다.
본 실시예와 같이 마이크로 매니퓰레이터를 전극 이동용 마이크로 매니퓰레이터로 사용하기 위해서는 피실험체의 체내로 직접적으로 삽입되는 전극의 이송 거리를 정확하게 제어할 필요가 있다.
본 실시예에 따르면, 전극의 이송 거리를 정확하게 제어하기 위하여, 주이동체(40)의 위치 및 변위를 측정하는 위치센서부가 구비된다.
다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 주이동체(40)에는 연결부재(62)가 결합된다. 연결부재(62)는 그 일단이 프레임(63)에 상하 운동 가능하도록 결합된다. 다른 일단은 베어링(60)을 통해 주이동체(40)에 결합되어, 주이동체(40)의 회전운동이 연결부재(62)에 의해 방해받지 않도록 한다. 따라서, 연결부재(62)는 주이동체(40)의 상하운동에 따라서 같이 상하운동하지만, 주이동체(40)의 회전운동은 방해하지 않는다.
연결부재(62)의 말단부에는 영구자석(61)이 결합된다. 프레임(63)의 외측에는 영구자석(61)으로부터 방출되는 자기력을 측정하여 영구자석(61)의 위치를 측정하는 자기센서(미도시)가 결합된다.
주이동체(40)가 상하 운동하게 되면 영구자석(61)도 같이 상하이동하며, 상기 자기센서는 상하운동하는 영구자석(61)의 위치를 계산하고 이를 통해 주이동체(40)의 현재 위치 및 변위를 계산한다. 마이크로 매니퓰레이터의 최초 설계 규격을 고려하면, 주이동체(40)의 현재 위치 및 변위를 이용하여 주이동체(40)에 의해 이동되는 전극의 위치 및 변위를 계산할 수 있다. 따라서, 주이동체(40)의 위치 및 변위 데이터를 계산하여 주이동체(40)에 의해 이동된 전극 각각의 위치를 정밀하게 계산할 수 있으며, 이를 통해 전극의 이동거리를 정확하게 제어할 수 있게 된다.
이상으로, 복수의 전극을 하방향 직선 운동시킬 수 있는 마이크로 매니퓰레이터의 일 실시예에 대해서 설명하였다. 이하에서는 도 6a 내지 도 6e를 참조하여 하방향으로 이동하여 고정되어 있는 복수의 전극을 상방향 직선 운동시킬 수 있는 마이크로 매니퓰레이터의 다른 실시예를 설명한다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터의 동작을 나타내는 개념도이다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르면 복수의 전극은 판 형태의 헤드부(31')와 헤드부(31')보다 작은 지름을 가지고 헤드부(31')에 수직하게 연장되는 몸체부(31")를 포함한다.
도 6a에서 모든 전극(31 내지 36)은 레버(41)에 의해 압지되어 하방향으로 이동된 상태로 고정되어 있다. 본 실시예에 따르면, 하방향으로 이동되어 있는 전극을 상방향으로 이동시키기 위하여 전극의 상단보다 아래쪽에 위치하는 제2가이드 핀(52)이 구비된다. 또한, 주이동체(40)에는 일측이 제1경사(71)홈과 제2경사홈(72)의 연결부 중 주이동체(40)의 하면측으로 형성된 연결부와 연결되고, 다른 일측은 주이동체(40)의 하면과 연결되어 하방 진입로(77)를 형성하는 복수의 제2직선홈(76)이 형성된다(도 3 참조).
본 실시예에 따르면 앞서 설명한 실시예와 마찬가지로, 전극, 제1직선홈 및 제2직선홈은 서로 T = 2t1이며, t1 = t2인 관계로 배치되며, 도 6a에 도시된 바와 같이, 제2가이드 핀(52)과 제1가이드 핀(51)이 서로 (1/2)t2만큼 이격되어 배치된다. 상술한 것과 마찬가지 원리로 이와 같은 배치관계에 의하면, 레버(41)의 위치를 제어하기 위한 계산량이 감소한다는 이점이 있다.
먼저 도 6a에 도시된 바와 같이, 제2가이드 핀(52)의 위치가 주이동체(40)의 제2직선홈(76')과 일직선상에 놓인 상태에서, 주이동체(40)를 하방향(106)으로 직선운동시키면 제2가이드 핀(52)이 하방 진입로(77')를 통해 제2직선홈(76')에 맞물린다. 제2직선홈(74')은 수직 방향으로 형성되어 있으므로, 제2가이드 핀(52)이 제2직선홈(76')을 지나는 동안 주이동체(40)는 회전운동하지 않고 직선운동만을 하게 된다.
도 6b에 도시된 바와 같이 주이동체(40)가 하방향(107)으로 계속 직선운동하면, 제2가이드 핀(52)은 제1경사홈(71')과 제2경사홈(72')의 연결부(82')에 이르게 된다.
이때, 도 6c에 도시된 바와 같이, 주이동체(40)가 하방향(108)으로 더 직선운동하게 되면, 제1가이드 핀(51)은 제1경사홈(71')이 형성하는 경로를 따라 이동하여, 제2경사홈(72")과 제1경사홈(71')의 연결부(81')까지 이동하게 된다. 이와 같은 동작에 의해 주이동체(40)는 화살표(208) 방향으로 회전하게 되고, 이에 따라 레버(41)도 위치 이동하게 된다.
또한, 도 6d에 도시된 바와 같이, 주이동체(40)를 상방향(109)으로 이동시키 면, 제2가이드 핀(52)은 제2경사홈(72")이 형성하는 경로를 따라 이동하여, 제1경사홈(71")과 제2경사홈(72")의 연결부(82")까지 이동하게 된다. 이와 같은 동작에 의해 주이동체(40)는 화살표(209) 방향으로 더 회전하게 되고, 이에 따라 레버(41)도 더 위치이동을 하여 전극(34)의 헤드부의 하단에 위치하게 된다.
도 6e에 도시된 바와 같이, 주이동체(40)를 상방향(109)으로 계속 이동시키면, 레버(41)의 상단이 전극(34)의 헤드부(34')의 하단을 지지하여 전극(34)을 상방향으로 끌어올리게 된다.
이상에서 하나의 엑츄에이터를 이용해 복수의 전극을 선택 이동시키는 전극 이동용 마이크로 매니퓰레이터를 본 발명에 따른 마이크로 매니퓰레이터의 실시예로서 설명하였지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명에 따른 마이크로 매니퓰레이터는 외부 전원에 의해 구동하는 엑츄에이터를 복수개 사용하는 것이 제한되는 초소형 마이크로 로봇 등에서, 하나의 엑츄에이터만을 이용해 복수의 보조이동체를 선택적으로 직선운동시키는데 적합하게 이용될 수 있다.
도 1은 피실험체인 쥐의 뇌 신경세포와 전기와의 상관관계를 규명하는 실험에 사용되는 실험 장치의 개략적인 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터의 분리사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터의 조립사시도이다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터의 동작을 나타내는 개념도이다.
도 5는 전극, 제1직선홈 및 제2직선홈의 간격을 도시하는 평면도이다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터의 동작을 나타내는 개념도이다.

Claims (16)

  1. 소정의 축을 기준으로 직선 운동 또는 회전 운동을 하는 주이동체(40);
    상기 주이동체(40)를 직선 운동시키는 엑츄에이터 및 상기 주이동체(40)를 회전 운동시키는 회전 구동부를 포함하는 구동수단;
    상기 주이동체에 형성되는 레버(41); 및
    상기 축 방향과 평행한 방향으로 직선 운동할 수 있도록 형성되는 복수의 보조 이동체(31, 31, 33, 34, 35, 36)를 포함하고,
    상기 엑츄에이터 및 상기 회전 구동부에 의해 상기 주이동체(40)의 직선 운동 및 회전 운동을 제어하여 상기 레버(41)가 운동시키고자 하는 보조 이동체와 선택적으로 접촉하도록 하고,
    상기 레버(41)가 접촉한 보조 이동체는, 상기 주이동체(40)가 직선 운동함에 따라서 상기 레버(41)에 의해 직선 운동하는 것을 특징으로 하는 다중 선택형 마이크로 매니퓰레이터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 엑츄에이터는 샤프트(12)를 구비하고,
    상기 주이동체(40)는 상기 샤프트(12) 상에 결합되며,
    상기 복수의 보조이동체(31, 32, 33, 34, 35, 36)는 상기 샤프트(12)를 중심으로 방사형으로 배치되는 것을 특징으로 하는 다중 선택형 마이크로 매니퓰레이터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 주이동체(40)는 원통형이고,
    상기 회전 구동부는 상기 주이동체(40)의 측면에 형성되는 가이드 홈(70)과, 상기 가이드 홈(70)에 맞물릴 수 있는 제1가이드 핀(51)을 포함하고,
    상기 가이드 홈(70)은, 상기 샤프트(12)의 길이 방향을 중심으로 우측 하방향으로 경사지게 형성되는 복수의 제1경사홈(71) 및 상기 샤프트(12)의 길이 방향을 중심으로 좌측 하방향으로 경사지게 형성되는 복수의 제2경사홈(72)을 포함하며,
    상기 제1경사홈(71)과 상기 제2경사홈(72)은 상기 주이동체(40) 측면에 서로 교번하여 배치되고,
    인접하는 상기 제1경사홈과 상기 제2 경사홈은 서로 연결되어 톱니 형태의 가이드 핀 이동경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 다중 선택형 마이크로 매니퓰레이터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1가이드 핀(51)은 상기 보조이동체보다 위쪽에 위치하고,
    상기 가이드 홈(70)은, 상기 샤프트(12)의 길이 방향과 수평하게 형성되는 복수의 제1직선홈(74)을 더 포함하며,
    상기 제1직선홈(74)은, 일측이 상기 제1경사홈(71)과 제2경사홈(72)의 연결부 중 상기 주이동체(40)의 상면측으로 형성된 연결부와 연결되고, 다른 일측이 상기 주이동체(40)의 상면 방향으로 형성되어 상기 제1가이드 핀(51)이 상기 제1 경사홈(71)과 제2 경사홈(72)의 연결부에 진입할 수 있는 상방 진입로를 형성하는 것을 특징으로 하는 다중 선택형 마이크로 매니퓰레이터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 보조이동체(31, 32, 33, 34, 35, 36)는 서로 일정한 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 다중 선택형 마이크로 매니퓰레이터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 제1직선홈(74)은 서로 일정한 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 다중 선택형 마이크로 매니퓰레이터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 레버(41)는 상기 제1직선홈(74)과 일직선상에 위치하는 것을 특징으로 하는 다중 선택형 마이크로 매니퓰레이터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 레버(41)가 상기 보조이동체의 위쪽에 위치된 상태에서 상기 주이동체(40)가 하방 직선운동함에 따라, 상기 레버(41)가 상기 보조이동체의 상단을 압지하여 상기 보조이동체를 하방 직선운동시키는 것을 특징으로 하는 다중 선택형 마이크로 매니퓰레이터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 보조이동체보다 아래 쪽에 위치하는 제2가이드 핀(52)을 포함하고,
    상기 가이드 홈(70)은, 상기 샤프트(12)의 길이 방향과 수평하게 형성되는 복수의 제2직선홈(76)을 더 포함하며,
    상기 제2직선홈(76)은, 일측이 상기 제1경사홈과 제2경사홈의 연결부 중 상기 주이동체의 하면측으로 형성된 연결부와 연결되고, 다른 일측이 상기 주이동체의 하면방향으로 형성되어 상기 제2가이드 핀(52)이 상기 제1경사홈과 제2경사홈의 연결부에 진입할 수 있는 하방 진입로를 형성하는 것을 특징으로 하는 다중 선택형 마이크로 매니퓰레이터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 제2직선홈(76)은 서로 일정한 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 다중 선택형 마이크로 매니퓰레이터.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 레버(41)가 상기 보조이동체의 아래쪽에 위치된 상태에서 상기 주이동체가 상방 직선운동함에 따라, 상기 레버(41)가 상기 보조이동체의 하단을 끌어올려 상기 보조이동체를 상방 직선운동시키는 것을 특징으로 하는 다중 선택형 마이크로 매니퓰레이터.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 엑츄에이터는 피에조 모터(10)인 것을 특징으로 하는 다중 선택형 마이크로 매니퓰레이터.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 보조이동체는 전기신호 측정용 전극이고,
    상기 전극은 상기 주이동체의 직선 운동 방향과 평행한 방향으로 연장 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 선택형 마이크로 매니퓰레이터.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전극은, 판 형태의 헤드부(31')와 상기 헤드부보다 지름이 작고 상기 헤드부에 수직하게 연장되는 몸체부(31")를 포함하고,
    상기 레버가 상기 전극의 아래쪽에 위치된 상태에서 상기 주이동체가 상방 직선운동함에 따라, 상기 레버가 상기 전극의 헤드부(31')의 하단을 끌어올려 상기 전극을 상방 직선운동시키는 것을 특징으로 하는 다중 선택형 마이크로 매니퓰레이터.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 주이동체(40)의 위치를 감지하는 위치센서부를 더 포함하고,
    상기 위치센서부는 상기 주이동체에 결합되는 자석(61) 및 상기 자석의 위치를 감지하는 자기센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 선택형 마이크로 매니퓰레이터.
  16. 삭제
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