JP2006178386A - マイクロマニピュレータおよびその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】微小対象物をソフトに把持したり、微小部位を正確に切断したりすることが容易に行なえるマイクロマニピュレータを提供する。
【解決手段】マイクロマニピュレータ１が先端部分に高分子アクチュエータ１１および操作具１０を備えた少なくとも一本以上のピペット４と、リード線９を介して高分子アクチュエータ１１と電極８間へ電圧を印加する電圧印加装置とから構成され、ピペット４が液中にある前記微小対象物３を、高分子アクチュエータ１１の伸縮を利用して、把持、移動または切断などの操作を行なえるようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、顕微鏡視野下において微細作業を行なうマイクロマニピュレータとその駆動方法に関する。

従来から直接触れることのできない微細な対象物を間接的に操作する装置としてマイクロマニピュレータが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
マイクロマニピュレータ１０１は、図９に示すように微細な対象物を観察するための顕微鏡１０２と、微粒子や微生物などの微細対象物１０３を操作するピペット１０４と、ピペット１０４を目的位置へ移動および微作動させるための電磁式駆動装置１０５と、ピペット１０４を電磁式駆動装置１０５に固定しているアーム１０６からなる。本構成によれば、顕微鏡による観察下において、例えば図示しないジョイスティックにより、モータなどの電磁式駆動装置１０５が駆動することで、ピペット１０４は位置決めされ、微細対象物は把持されたり、移動されたり、切断されたりしている。

また、従来の高分子アクチュエータを利用したデバイスは、イオン交換樹脂成形体を用いている（例えば、特許文献１参照）。イオン交換樹脂成形体は電圧が印加されると屈曲変位する。イオン交換樹脂成形体はピペット先端に取り付けられ、操作具は首ふりの動作をするものである。
計測と制御、「細胞微細操作」Ｖｏｌ．２３、Ｎｏ．９、Ｐ３２−３８ 特開平１１−１９８０６９号公報

ところが、従来のマイクロマニピュレータは、ピペットが電磁駆動装置により動作されているが、ピペット先端と電磁駆動装置間にはアームがあるために、ピペット重量等によりアームは撓みを生じ、位置決めした場所に微小対象物がない等、操作性が低下するという問題が生じていた。
また、電磁駆動装置の位置決め制御により、ピペットは微小対象物に接触するが、微小対象物への接触力は制御されないため、微小対象物が破損するという問題が生じていた。

また、イオン交換樹脂成形体を用いた高分子アクチュエータは、大きな屈曲動作が可能であるが、伸縮動作については十分でなく、それゆえ伸縮動作が求められる用途に対しては不向きであるという問題が生じていた。

微粒子や微生物などの微小対象物を観察する顕微鏡と、前記顕微鏡観察下で前記微小対象物を把持又は移動又は切断など操作するピペットと、前記ピペットを把持したアームと、前記アームに連結し、前記ピペットを移動させるための電磁式駆動装置とを備えたマイクロマニピュレータにおいて、先端部分に高分子アクチュエータおよび操作具を備え、溶液中に配置された少なくとも一本以上のピペットと、溶液中に配置された電極と、前記高分子アクチュエータおよび前記電極の両方にリード線を通じて電圧を印加する電圧印加装置とからなるものである。
請求項２に記載の発明は、前記高分子アクチュエータが、導電性高分子からなるものである。
請求項３に記載の発明は、前記導電性高分子が、ポリピロール、ポリアニリンの少なくとも一種類からなるものである。
請求項４に記載の発明は、前記ピペットの先端に具備された前記高分子アクチュエータの外周に，前記電極が形成されたものである。
請求項５に記載の発明は、前記電極の形状が，網目状であるものである。
請求項６に記載の発明は、前記高分子アクチュエータが、前記高分子アクチュエータの外周面に伸縮動作を案内するガイドを具備したものである。
請求項７に記載の発明は、前記高分子アクチュエータが、前記高分子アクチュエータおよび前記電極間へ電圧が印加された際に伸縮し、微小対象物の把持、移動または切断等が行われるものである。
請求項８に記載の発明は、前記高分子アクチュエータと前記溶液中の電極間の電位差が、正または負の極性になるように切り替えることで、前記高分子アクチュエータの伸縮を制御するものである。
請求項９に記載の発明は、前記電圧印加装置の制御方法が、前記高分子アクチュエータが伸縮する際の電流値の変化を検出し、該検出値をもとにフィードバック制御し、印加電圧を生成するものである。

請求項１に記載の発明によると、ピペット先端に操作具および高分子アクチュエータが備えられ、操作具は、高分子アクチュエータの伸縮動作により微小対象物へ位置決めされるので、アームの撓み量は関係なく、微小対象物の操作性が向上する。
請求項２および３に記載の発明によると、導電性高分子にポリピロール、ポリアニリンの少なくとも一種類が用いられたことで、高分子アクチュエータは、大きな伸縮動作が得られ、把持や移動や切断に適した動きを操作具に与えられる。
請求項４に記載の発明によると、電極が高分子アクチュエータの外周に形成され，ピペット，操作具と共に一体としたことで，操作性を大幅に向上させることができる。
請求項５に記載の発明によると、高分子アクチュエータの外周に形成させた電極の形状を網目状としたことで，電極面積が大きくなり，高分子アクチュエータの伸縮がスムーズになり，操作性がより向上する。
請求項６に記載の発明によると、高分子アクチュエータがガイドにより案内されることより、操作具の動きがより安定し、精度良い動作が可能である。
請求項７から９に記載の発明によると、高分子アクチュエータの伸長または収縮する際の電流値の変化からフィードバック制御されたことで、微小対象物は破損されることなく操作される。

以下、本発明の実施の形態について図１に基づいて説明する。

図１は、本発明のマイクロマニピュレータ１の全体像を模式的に示している。
１はマイクロマニピュレータ、２は顕微鏡、３は微小対象物、４はピペット、５は電磁式駆動装置、６はアーム、７は電圧印加装置、８は電極、９はリード線である。
本発明のマイクロマニピュレータ１は、微細な対象物を観察するための顕微鏡２と、液中に有る微粒子や微生物などの微小対象物３を操作するピペット４と、ピペット４を近傍へ位置決めする電磁式駆動装置５と、ピペット４を電磁式駆動装置５に固定しているアーム６と、液中に配置された電極８と、電圧印加装置７と電極８間を接続するリード線９とから構成されている。
次にピペット４の先端は、図２に示すように操作具１０と高分子アクチュエータ１１とから構成されている。
操作具１０は、セラミックス、プラスチック、金属などの材質からなり、その先端は尖った形状やナイフ形状などからなり、用途や目的に応じて材質、形状が選択される。
高分子アクチュエータ１１は、ポリピロールやポリアニリンなどの導電性高分子であり、内部にはマイナスイオンがドープされている。また、高分子アクチュエータ１１と操作具１０とは螺子止め、もしくは接着等の手段によって接合され、ピペット４の内部を通っているリード線９と電気的に接合されている。

次に微小対象物３を把持する動作について図１、図３と図４を用いて説明する。操作者は顕微鏡２により微小対象物３を観察し、２つある電磁式駆動装置５をそれぞれ駆動し、各電磁式駆動装置５のアーム６に固定されたピペット４を微小対象物３の近傍まで移動させる。
次に、電圧印加装置７により電圧が高分子アクチュエータ１１と電極８間に印加され、操作具１０は、図３に示すように高分子アクチュエータ１１の伸長により微小対象物３を把持し、また収縮により微小対象物３を放すように動作する。操作具１０により把持された微小対象物３は、電磁式駆動装置５により目的の位置まで移動される。
次に、高分子アクチュエータ１１の動作原理について図４を用いて説明する。高分子アクチュエータ１１は高分子アクチュエータ１１と電極８間に印加された電圧で生じる還元または酸化により伸長または収縮する。
高分子アクチュエータ１１が収縮する場合について説明する。高分子アクチュエータ１１は、電極８に対してマイナスの電圧を印加されることにより還元される。これにより、高分子アクチュエータ１１中にドープされていたマイナスイオンが放出され、高分子アクチュエータ１１は収縮する。
高分子アクチュエータ１１が伸長する場合について説明する。高分子アクチュエータ１１は電極８に対してプラスの電圧を印加されることにより酸化される。これにより、溶液中のマイナスイオンが取り込まれ、高分子アクチュエータ１１は伸長する。
このように高分子アクチュエータ１１が、電極８を基準としてプラスまたはマイナスの電圧を印加されることにより、高分子アクチュエータ１１は伸長または収縮する。
次に高分子アクチュエータ１１の把持力の制御方法について説明する。把持力は、図５に示されるように電圧印加装置７で制御される。
電圧印加装置７は、高分子アクチュエータ１１の伸長または収縮による電流変化をフィードバック電圧に置換する電流検出回路１３と、フィードバック電圧から高分子アクチュエータ１１の発生力を制御する力制御回路１４と、力制御回路１４の電圧指令にしたがって動作する電圧発生回路１５とから構成されている。
高分子アクチュエータ１１の伸長または収縮による電流値の変化量は、抵抗１２で検出され、電流検出回路１３でフィードバック電圧に変換する。このフィードバック電圧値をもとに、力制御回路１４で高分子アクチュエータ１１の発生力が算出され、力指令との差分値が電圧印加指令として電圧発生装置１５に与えられる。電圧発生回路１５において電圧印加指令に応じた電圧が生成され、高分子アクチュエータ１１と電極８間へ電圧が印加される。
このように高分子アクチュエータ１１の発生力が制御されることにより、微小対象物３は破損することなく、把持操作される。

本発明が非特許文献１と異なる部分は、ピペット４の先端に高分子アクチュエータ１１を備え、また、高分子アクチュエータ１１の伸長または収縮を検出する電流検出用の抵抗１２を備え、高分子アクチュエータ１１の発生力を制御するようにした部分である。
また、本発明が特許文献１と異なる部分は、高分子アクチュエータ１１の高分子の材質にポリピロールやポリアニリンなどの導電性高分子を用い、大きな伸縮動作が得られるようにした部分である。
なお、本実施例では２本のピペット４を備えたマイクロマニピュレータ１について説明したが、これに限定されるものではなく、ピペット４は１本でもよいし、必要に応じて３本以上用いられてもよい。
また、導電性高分子はポリアセチレン、ポリチオフェン、ポリ−ｐ−フェニレン等も用いることもできる。また操作具１０の形状も刃状としてもよいし、薬液を注入できるような注射針のように加工したものを用いても良い。
また、電圧印加装置７の制御方法は力制御について述べたが、高分子アクチュエータ１１の伸縮による電流値の変化を変形量として用いても良く、高分子アクチュエータ１１の位置制御方法としても良い。
さらに、高分子アクチュエータ１１の伸長または収縮は電流値の変化から求められたが、ひずみゲージが高分子アクチュエータ１１表面に貼られる等、直接高分子アクチュエータ１１の変位が求められる方法でも良い。

次に、本発明の第２実施例を説明する。図６は、第２実施例におけるピペット４の詳細構成を示す断面図である。第２実施例が、第１実施例と異なる点は、ガイド１６が高分子アクチュエータ１１を移動方向に案内するように形成されている部分である。ガイド１６は樹脂やセラミックなどの材質からなり、ピペット４に固定され、高分子アクチュエータ１１の外周面に、空隙を介して配置されている。
なお、動作については実施例１と同様であるので省略する。本実施例では、ガイド１６が設けられたことで、水平に配置された際の高分子アクチュエータ１１の撓み量が補正されることや、伸長または収縮の直線性が高められることにより、微小対象物３を把持する際の力制御や位置決め制御が精度良く行われる。

次に、本発明の第３実施例を説明する。図７は、第３の実施例におけるピペット４の先端構成を示す断面図である。第１および第２の実施例と異なる点は、電極８は，高分子アクチュエータ１１を取り巻くように，その外周に沿って形成されており，その形状は網目状に形成されている部分である。また，電極８はリード線９により，電圧印加装置７につながっている。
ここで、電極８の形状は筒状などでも良いが，網目状の方が，電極面積が増加し，高分子アクチュエータの伸縮がスムーズになり，操作性がより向上する。
尚、動作については実施例１と同様であるので省略する。微小対象物３を把持する動作については，電極８がピペット，操作具と共に一体となっているので，操作性が大きく向上する。

次に、本発明の第３実施例を説明する。図８は、第４実施例におけるピペット４の先端構成を示す断面図である。第３の実施例と異なる点は、ピペット４の先端は，操作具１０と高分子アクチュエータ１１と電極８とガイド１６から構成されており、ガイド１６が高分子アクチュエータ１１と電極８の間に形成されている部分である。ガイド１６は，樹脂やセラミックなどの電気絶縁性の材質からなり，ピペット４に固定され，高分子アクチュエータ１１の外周面，また，電極８の内周面に，空隙を介して配置されている。
なお，動作については実施例１と同様であるので省略する。本実施例では，ガイド１６が設けられたことで，水平に配置された際の高分子アクチュエータ１１の撓み量が補正されることや，伸長または収縮の直線性が高められることにより，微小対象物３を把持する際の力制御や位置決め制御が精度良く行われる。また，高分子アクチュエータ１１と電極８が接触して短絡するのを防止する事ができるので，信頼性が向上する。

超小型化が可能であり、軽量であるので、医療関連や半導体製造関連用途のマイクロマシンとして適用可能である。

本発明のマイクロマニピュレータの全体図 第１実施例を示すマイクロマニピュレータのピペットの断面図 第１実施例における高分子アクチュエータの動作を示す模式図 第１実施例におけるマイクロマニピュレータの伸縮の動作を示す模式図 第１実施例における高分子アクチュエータの制御回路を示す構成図 第２実施例を示すマイクロマニピュレータのピペットの断面図 第３の実施例を示すピペットの先端構成を示す断面図 第４実施例におけるピペットの先端構成を示す断面図 従来のマイクロマニピュレータの全体図

符号の説明

１ マイクロマニピュレータ
２ 顕微鏡
３ 微小対象物
４ ピペット
５ 電磁式駆動装置
６ アーム
７ 電圧印加装置
８ 電極
９ リード線
１０ 操作具
１１ 高分子アクチュエータ
１２ 抵抗
１３ 電流検出回路
１４ 力制御回路
１５ 電圧発生回路
１６ ガイド
１０１ 従来のマイクロマニピュレータ
１０２ 顕微鏡
１０３ 微小対象物
１０４ ピペット
１０５ 電磁式駆動装置
１０６ アーム

Claims (9)

1. 微粒子や微生物などの微小対象物を観察する顕微鏡と、前記顕微鏡観察下で前記微小対象物を把持又は移動又は切断など操作するピペットと、前記ピペットを把持したアームと、前記アームに連結し、前記ピペットを移動させるための電磁式駆動装置とを備えたマイクロマニピュレータにおいて、
   先端部分に高分子アクチュエータおよび操作具を備え、溶液中に配置された少なくとも一本以上のピペットと、溶液中に配置された電極と、前記高分子アクチュエータおよび前記電極の両方にリード線を通じて電圧を印加する電圧印加装置とからなることを特徴とするマイクロマニピュレータ。
2. 前記高分子アクチュエータは、導電性高分子からなることを特徴とする請求項１に記載のマイクロマニピュレータ。
3. 前記導電性高分子は、ポリピロール、ポリアニリンの少なくとも一種類からなることを特徴とする請求項２に記載のマイクロマニピュレータ。
4. 前記ピペットの先端に具備された前記高分子アクチュエータの外周に，前記電極が形成されたことを特徴とする請求項１に記載のマイクロマニピュレータ。
5. 前記電極の形状が，網目状であることを特徴とする請求項４に記載のマクロマニピュレータ。
6. 前記高分子アクチュエータは、前記高分子アクチュエータの外周面に伸縮動作を案内するガイドを具備したことを特徴とする請求項１に記載のマイクロマニピュレータ。
7. 請求項１記載のマイクロマニピュレータに用いられる高分子アクチュエータの駆動方法であって、前記高分子アクチュエータは、前記高分子アクチュエータおよび前記電極間へ電圧が印加された際に伸縮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. 前記高分子アクチュエータと前記電極間の電位差が、正または負の極性になるように切り替えることにより、前記高分子アクチュエータの伸縮が制御されることを特徴とする請求項７に記載のマイクロマニピュレータの駆動方法。
9. 前記電圧印加装置の制御方法は、前記高分子アクチュエータが伸縮する際の電流値の変化を検出し、該検出値をもとにフィードバック制御し、印加電圧を生成することを特徴とする請求項７に記載のマイクロマニピュレータの駆動方法。

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