JP2006205341A - マイクロマニュピュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】顕微鏡視野内において微小物体を正確かつ迅速に取り扱うことができると共に、消費電力の小さいマイクロマニュピュレータを提供する。
【解決手段】マイクロマニュピュレータは、把持指の先端部を近接させて微小物体を把持するハンドリング部１０４と、ハンドリング部１０４をＸ方向及びＹ方向に駆動するＸＹ駆動部１０１と、ハンドリング部１０４の把持指の先端部を中心として把持指が回動するように把持指の姿勢方向をＸ、Ｙ方向で同時に変更するθｚ駆動部１０２と、ハンドリング部１０４をＺ方向に駆動するＺ駆動部１０３と、を備えている。Ｚ駆動部１０３はθｚ駆動部１０２を介してＸＹ方向に移動可能にＸＹ駆動部１０１に支持されており、ハンドリング部１０４はＺ方向に移動可能にＺ駆動部１０３に支持されている。
【選択図】図５

Description

本発明はマイクロマニュピュレータに係り、特に、把持指の先端部を近接させて微小物体を取り扱うマイクロマニュピュレータに関する。

従来、例えば、微小部品の組み立てや細胞操作等にマイクロマニュピュレータが用いられている。一般に、マイクロマニュピュレータは、微小物体を取り扱う（把持する）ために、把持指を移動させる機構を有しており（例えば、特許文献１参照）、把持対象物が微小なため、マイクロマニュピュレータによる作業は、肉眼による顕微鏡視野下や、顕微鏡に取り付けられたカメラを介してディスプレイ等のモニタに出力された画像を参照して行われる（例えば、特許文献２参照）。

また、従来のマイクロマニュピュレータでは、把持対象物（微小物体）の向きに把持指の先端部の向きを一致させる場合には、予め微小物体の向きを把持指の先端部の向きに対して揃えるように微小物体載置台（載置ステージ）上に載置するか、微小物体載置台が向きを変えられるような機構を備えている。なお、直方体状のチップ素子を把持して基板上に実装する場合には、チップ素子の端子位置を基板のランド位置に合わせるため、把持対象物を把持した状態の把持指先端部や基板の向きをマニュアルで合わせ込むようにしている。

特開平８−１６８９７９号公報 特開平４−３０３８１０号公報

しかしながら、従来のマイクロマニュピュレータでは、マニュアルで微小物体（把持対象物）に対して把持指の先端部の向きを合わせているため、把持指の先端部で微小物体を把持するまでに複数回の試行錯誤が必要なため操作上の手間が掛かっていた。特に、把持対象物が細胞の場合には、複数回の試行錯誤を行うと、当該細胞が傷つくため、１回の操作で把持対象物を把持指の先端部で把持可能なマイクロマニュピュレータが求められている。また、現在より２まわりも小さい０４０２型（０．４ｍｍ×０．２ｍｍ）のチップ素子の規格化も進められており、より微小な把持対象物を把持すると共に、ランド位置に正確かつ迅速に載置可能なマイクロマニュピュレータが求められている。

また、一般に、マイクロマニュピュレータでは、把持指の先端部をＸ、Ｙ、Ｚの３次元方向に移動させる機構を有しているが、とりわけ、Ｚ方向に把持指の先端部を移動させる場合には、Ｘ、Ｙ方向の移動に比べ、重力方向に逆らう位置エネルギーの増加を伴う移動となることから、消費電力が増大する要因となっていた。

本発明は上記時間に鑑み、顕微鏡視野内において微小物体を正確かつ迅速に取り扱うことができると共に、消費電力の小さいマイクロマニュピュレータを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、把持指の先端部を近接させて微小物体を把持する把持手段と、前記把持手段をＸ方向及びＹ方向に移動させるＸＹ方向移動手段と、前記把持手段の把持指の姿勢方向をＸ、Ｙ方向で同時に変更する姿勢変更手段と、前記把持手段をＺ方向に移動させるＺ方向移動手段と、を備え、前記Ｚ方向移動手段は前記姿勢変更手段を介してＸＹ方向に移動可能に前記ＸＹ方向移動手段に支持されており、前記把持手段はＺ方向に移動可能に前記Ｚ方向移動手段に支持されていることを特徴とする。

本発明では、把持手段をＺ方向に移動させるＺ方向移動手段が、ＸＹ方向に移動可能に、把持手段の把持指の姿勢方向をＸ、Ｙ方向で同時に変更する姿勢変更手段を介して、把持手段をＸ方向及びＹ方向に移動させるＸＹ方向移動手段に支持されており、把持手段はＺ方向に移動可能にＺ方向移動手段に支持されている。把持手段が、ＸＹ方向移動手段によりＸ方向及びＹ方向に移動され、Ｚ方向移動手段によりＺ方向に移動され、姿勢変更手段により把持手段の把持指の姿勢方向がＸ、Ｙ方向で同時に変更されることで、微小物体に対する把持指の先端部が位置付けられる。この把持手段のＸ、Ｙ、Ｚ方向の移動及び姿勢変更は、ＸＹ方向移動手段、Ｚ方向移動手段、姿勢変更手段のいずれの順に行ってもよい。そして、把持手段により、把持指の先端部を近接させて微小物体が把持される。

本発明において、姿勢変更手段が、把持手段の把持指の先端部を中心として把持指が回動するように把持指の姿勢方向をＸ、Ｙ方向で同時に変更するようにすれば、微小物体を把持する把持指の先端部が回動動作の中心となるので、把持指の先端部の姿勢方向を変えることによる位置変化を少なくすることができ、顕微鏡視野内でのマイクロマニュピュレータの操作が容易となる。また、姿勢変更手段とＺ方向移動手段とを一体に構成すれば、両者を小型化でき、両者を支持しＸ方向及びＹ方向に移動させるＸＹ方向移動手段の駆動力を小さくすることができる。

このような態様において、ＸＹ方向移動手段が入力されたＸ方向及びＹ方向の変位を合成して拡大するパンタグラフ機構を有しており、このパンタグラフ機構の出力端にＺ方向移動手段が姿勢変更手段を介してＸ、Ｙ方向に移動可能に支持されているように構成してもよい。このとき、パンタグラフ機構の出力端が、底部に任意方向に回転可能な球体がはめ込まれた脚部を有しており、球体が平面に接触して移動することが好ましい。また、姿勢変更手段が、ＸＹ方向移動手段からのＸ方向及びＹ方向の移動量が出力される出力ステージと、この出力ステージに対し把持手段の把持指の先端部を中心として円弧状に移動可能な移動体とを有し、Ｚ方向移動手段が移動体に固定されているように構成してもよい。更に、Ｚ方向移動手段が、ボールネジを回転させるアクチュエータと、ボールネジに螺合しＺ方向に上下動可能なナットとを有し、把持手段がナットに固定されているように構成してもよい。また、把持手段が不動の固定指と可動の可動指との２本の把持指を有しており、固定指及び可動指には微小物体に接触するエンドエフェクタがそれぞれ固定されており、可動指に固定されたエンドエフェクタの先端部が固定指に固定されたエンドエフェクタの先端部に近接することにより微小物体を把持するように、把持手段を構成するようにしてもよい。

本発明によれば、姿勢変更手段により、把持手段の把持指の姿勢方向がＸ、Ｙ方向で同時に変更されるので、顕微鏡視野内において微小物体に対する把持指の姿勢方向を容易に位置付けることができ、微小物体を正確かつ迅速に取り扱うことができると共に、Ｚ方向移動手段が姿勢変更手段を介してＸＹ方向に移動可能にＸＹ方向移動手段に支持され、把持手段がＺ方向に移動可能にＺ方向移動手段に支持されているので、Ｚ方向移動手段には把持手段の荷重しか掛からず、重力に逆らうＺ方向の移動に要する駆動力を小さくできるため、消費電力を小さくすることができる、という効果を得ることができる。

以下、図面を参照して、本発明に係るマイクロマニュピュレータを、細胞やマイクロ部品等の微小物体を取り扱うための微小物体ハンドリングシステムに適用した実施の形態について説明する。

（構成）
図１に示すように、本実施形態の微小物体ハンドリングシステム２００は、定盤１に架台４を介して固定され微小物体を取り扱うためのマイクロマニュピュレータ１００と、定盤１に固定されマイクロマニュピュレータ１００により取り扱われる微小物体を載置するためのステージ３と、支柱が定盤１に固定されＣＣＤカメラ５が装着された顕微鏡２と、パーソナルコンピュータ（以下、ＰＣと略称する。）６と、ＰＣ６のスレーブ（奴隷）コンピュータとしてマイクロマニュピュレータ１００を制御する、プログラマブル・ロジック・コントローラ（以下、ＰＬＣと略称する。）等を内蔵したコントロールボックス８と、を備えている。

ＰＣ６には、コントロールボックス８との入出力ケーブル、液晶表示装置等のモニタ７への出力ケーブル及びＣＣＤカメラ５からの入力ケーブルが接続されている。コントロールボックス８は、マイクロマニュピュレータ１００と接続ケーブル８ａで接続されていると共に、ジョイスティックや十字ボタン等を有しコントロールボックス８のＰＬＣに命令を与えるためのコントローラ（入力装置）９に接続されている。従って、微小物体ハンドリングシステム２００のオペレータは、顕微鏡２の接眼レンズから直接、又は、モニタ７を介してステージ３に載置された微小物体１０を目視することができる。

コントロールボックス８に内蔵されたＰＬＣは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭの他に、Ｄ／Ａコンバータ、Ａ／Ｄコンバータ等を有して構成されており、ＲＯＭに格納されたプログラム及びプログラムデータに従って、ＰＣ６から基本動作命令を受信すると共に、ＰＣ６にイーサネット（Ethernet、登録商標）を介してエンコーダ等で検出したデータや種々のアクチュエータのステータスを送信し、更に、コントローラ９からの入力された命令を各アクチュエータ制御信号に変換して接続ケーブル８ａを介してマイクロマニュピュレータ１００に送信する。

図２及び図３に示すように、マイクロマニュピュレータ１００は、大別して、把持指（後述する固定指５０５、可動指５０７）を有し微小物体を取り扱う把持手段としてのハンドリング部１０４と、ハンドリング部１０４をＸ、Ｙ方向に移動させるＸＹ方向移動手段としてのＸＹ駆動部１０１と、ハンドリング部１０４の把持指の先端部（後述するエンドエフェクタ５０５ａ、５０７ａが接触する先端部）を中心としてハンドリング部１０４を回動させステージ３に載置された微小物体に対するハンドリング部１０４の把持指の先端部の姿勢方向を変更する姿勢変更手段としてのθｚ駆動部１０２と、ハンドリング部１０４をＺ方向に移動させるＺ方向移動手段としてのＺ駆動部１０３とからなる。

＜ＸＹ駆動部１０１＞
マイクロマニュピュレータ１００は、上述した架台４に固定される基台２０１を有している。基台２０１には、ハンドリング部１０４を、それぞれ、Ｘ、Ｙ方向に駆動するための駆動源となるＸ方向アクチュエータ２０２と、Ｙ方向アクチュエータ２０３とが互いに交差する方向に固定されている。

Ｘ方向アクチュエータ２０２は、エンコーダを有し正逆転可能なステッピングモータ２０２ａと、ステッピングモータ２０２ａの出力軸であってエンコーダの反対側に形成されたボールネジ２０２ｂに係合するスライダ２０２ｃと、スライダ２０２ｃが摺動可能な直進ガイドレール（不図示）と、を有する直動アクチュエータであり、Ｙ方向アクチュエータ２０３も同様に、エンコーダを有し正逆転可能なステッピングモータ２０３ａと、ステッピングモータ２０３ａの出力軸であってエンコーダの反対側に形成されたボールネジ２０３ｂに係合するスライダ２０３ｃと、スライダ２０３ｃが摺動可能な直進ガイドレール（不図示）と、を有している。

Ｘ方向アクチュエータ２０２のスライダ２０２ｃ、Ｙ方向アクチュエータ２０３のスライダ２０３ｃは、パンタグラフ機構２０４のＸ方向入力節（リンク）２０４ａ、Ｙ方向入力節（リンク）２０４ｂにそれぞれ固定されている。このため、Ｘ方向アクチュエータ２０２及びＹ方向アクチュエータ２０３はパンタグラフ機構２０４にＸ方向及びＹ方向の直動変位を与えることができる。

図４に示すように、パンタグラフ機構２０４は、上述したＸ方向入力節２０４ａ、Ｙ方向入力節２０４ｂの他に、Ｘ方向アクチュエータ２０２及びＹ方向アクチュエータ２０３からそれぞれ入力されたＸ方向及びＹ方向の直動変位を合成、拡大してＸＹ方向出力節（リンク）２０４ｊに出力するための節（リンク）２０４ｃ〜２０４ｉ及び回転対偶２０４ｋ〜２０４ｓを有している。なお、Ｙ方向入力節２０４ｂと節２０４ｄとを接続する回転対偶２０４ｋ、及び、Ｘ方向入力節２０４ａと節２０４ｃ、２０４ｅとを接続する回転対偶２０４ｐ、Ｘ方向入力節２０４ａと節２０４ｈとを接続する回転対偶２０４ｑはそれぞれ固定されている。

図５に示すように、パンタグラフ機構２０４は、Ｘ方向アクチュエータ２０２及びＹ方向アクチュエータ２０３と干渉しないように、これらのアクチュエータより上方に配置されている。ＸＹ方向出力節２０４ｊは平板状のベース２０５ａに固定されている。ベース２０５ａは３本の脚部２０５ｂ〜２０５ｄを有している。脚部２０５ｂ〜２０５ｄの先端部には、任意方向に回転可能な球体がはめ込まれている（図２も参照）。脚部２０５ｂ〜２０５ｄにはめ込まれた球体は、ベース２０５より広く略水平面を有する受け面２０６に接触している。受け面２０６は、Ｘ方向アクチュエータ２０２を跨ぐように４本の脚部で上述した基台２０１に固定されている。また、ＸＹ方向出力節２０４ｊの略中央には、θｚ駆動部１０２を嵌合、固定するための２つの嵌合穴が形成されている。

＜θｚ駆動部１０２＞
図５に示すように、θｚ駆動部１０２はベース３０１を有している。ベース３０１からは２本の連結部材３０６が下方にロッド状に延出されている。これらの連結部材３０６は、ＸＹ方向出力節２０４ｊに形成された嵌合穴に嵌合され圧入されている。このため、ＸＹ駆動部１０１とθｚ駆動部１０２とは連結されている。また、ベース３０１には、円弧状のガイドレール３０２が固定されており、ガイドレール３０２にはこのガイドレール３０２上を摺動可能なスライダ３０３が係合されている。ガイドレール３０２の円弧中心は、ハンドリング部１０４の把持指の先端部（エンドエフェクタ５０５ａ、５０７ａが接触する先端部）に一致している。

スライダ３０３には、正逆転可能なステッピングモータ３０４と、ステッピングモータ３０４からの回転駆動を減速する図示しない第１の減速歯車列からなるギアボックス３０５とが固定されている。更に、ベース３０１にはＺ駆動部１０３（ハンドリング部１０４）側にガイドレール３０２と同心円状に円弧状壁面３０１ａが形成されており、ベース３０１の円弧状壁面３０１ａの上側には円弧状壁面３０１ａよりＺ駆動部１０３（ハンドリング部１０４）側に突出した内歯歯車３０１ｂが一体形成されている。また、ギアボックス３０５の第１の減速歯車列の出力端にはピニオン（不図示）が配設されており、このピニオンが内歯歯車３０１ｂに噛合している。このため、第１の減速歯車列で減速されたステッピングモータ３０４からの回転駆動力（回転トルク）は、第１の減速歯車列のピニオンを経て内歯歯車３０１ｂに伝達される。

＜Ｚ駆動部１０３＞
Ｚ駆動部１０３は、正逆転可能なステッピングモータ４０１と、ステッピングモータ４０１からの回転駆動力を減速する図示しない第２の減速歯車列からなるギアボックス４０２と、ボールネジ４０３ａ、ナット４０３ｂ、スライダ４０３ｃ、ガイドレール４０３ｄ及びホルダ４０３ｅを有するＺ方向直動機構４０３とで構成されている。

ギアボックス４０２はθｚ駆動部１０２のギアボックス３０５と一体に構成されており、ステッピングモータ４０１はギアボックス４０２に固定されている。ギアボックス４０２の第２の減速歯車列の出力端には下方に延出されたボールネジ４０３ａが配設されている。ボールネジ４０３ａの先端部側は、ギアボックス４０２に固定されたホルダ４０３ｅに回転可能に軸支されている。ボールネジ４０３ａにはナット４０３ｂが螺合しており、ナット４０３ｂにはスライダ４０３ｃが固定されている。また、ギアボックス４０２からはボールネジ４０３ａと平行するように直進ガイドレール４０３ｄが配設されており、ガイドレール４０３ｄの先端部側はホルダ４０３ｅに固定されている。スライダ４０３ｃはガイドレール４０３上を摺動可能にガイドレール４０３に当接している。

＜ハンドリング部１０４＞
図２に示すように、Ｚ方向直動機構４０３のナット４０３ｂには、ハンドリング部１０４側の先端部に貫通穴が形成された連結部材４０４が固定されている。ハンドリング部１０４は、ベース５０１の下部に形成された２つの貫通穴（図６も参照）と連結部材４０４のハンドリング部１０４側の先端部に形成された貫通穴とを貫通する連結ピン５０８により、Ｚ駆動部１０３に固定されている。

図６に示すように、ハンドリング部１０４は、微小物体を把持するために、固定指５０５と可動指５０７との２本の把持指を有している。固定指５０５、可動指５０７には、それぞれ微小物体と接触するエンドエフェクタ５０５ａ、５０７ａが取り付けられている。

ハンドリング部１０４のベース５０１にはメータ等のアクチュエータ５０２がブラケット５０３を伴って固定されており、プレート５０４には固定指５０５が組み付けられている（固定されている）。プレート５０４は、固定指５０５が組み付けられた状態で、ベース５０１と一定の隙間を形成してベース５０１に固定されている。この隙間には長板状のレバー５０６が介在している。レバー５０６の先端部一側（Ｚ駆動部１０３の反対側）には可動指５０７が固定されており、先端部側中央には上下両方向に支点軸５０６ａが突設されている。上述した隙間は、この支点軸５０６ａがプレート５０４の軸受５０４ａとベース５０１の軸受５０１ａとに軸支されることにより画定されている。

レバー５０６の後端には略Ｕ字状のスリット（切り欠き）５０６ｂが形成されている。スリット５０６ｂにはアクチュエータ５０２の出力ピン５０２ａが係合している。このため、アクチュエータ５０２を駆動すると、レバー５０６が支点軸５０６ｂを中心として回動することで、固定指５０５のエンドエフェクタ５０５ａに可動指５０７のエンドエフェクタ５０７ａが近接ないし離間し、微小物体の把持ないし把持した微小物体の開放を行うことができる。なお、エンドエフェクタ５０５ａ及びエンドエフェクタ５０７ａは、先端同士が接触するように、固定指５０５及び可動指５０７に配設されたネジで調整可能である。

（動作）
次に、本実施形態の微小物体ハンドリングシステム２００の動作について、マイクロマニュピュレータ１００の動作を中心として、マイクロマニュピュレータ１００の機能毎に説明する。

まず、オペレータは、図１に示すように、ステージ３に載置された微小物体１０、ハンドリング部１０４のエンドエフェクタ５０５ａ、５０７ａを、顕微鏡２、カメラ５及びＰＣ６を介して、モニタ７の画面内に捉える。この状態で、オペレータは、コントローラ９からコントロールボックス９のＰＬＣを介してマイクロマニュピュレータ１００に、Ｘ方向、Ｙ方向、θｚ方向（エンドエフェクタ５０５ａ、５０７ａが接触する先端部を中心とするハンドリング部１０４の回動方向、すなわち、エンドエフェクタ５０５ａ、５０７ａの姿勢方向）、Ｚ方向と、把持指に対するハンドリング（開閉）の指令を与えて、微小物体１０とエンドエフェクタ５０５ａ、５０７ａとの相対関係を制御する。

＜Ｘ方向駆動＞
図２〜図４に示すように、Ｘ方向アクチュエータ２０２に作動信号が与えられると、ステッピングモータ２０２ａは、ボールネジ２０２ｂを回転させ、スライダ２０２ｃを介して、パンタグラフ機構２０４のＸ方向入力節２０４ａを図３の水平方向（Ｘ方向）に移動させる。ここで、回転対偶２０４ｋは上述したように固定されているので、回転対偶２０４ｐの変位は、回転対偶２０４ｋ〜２０４ｓの位置をそれぞれの末尾のアルファベットをとってｋ〜ｓとしたときに、△ｋｌｐ：△ｋｍｏの相似比に拡大されて回転対偶２０４ｏに出力され、回転対偶２０４ｏを変位（移動）させる。なお、節２０４ｇ、２０４ｈ、２０４ｉは、節２０４ｃ〜２０４ｉの位置をそれぞれ末尾のアルファベットをとってｃ〜ｉとしたときに、□ｐｑｒｎ及び□ｏｓｒｎの二つの平行四辺形ループを加えるように付加されたリンクで、ＸＹ方向出力節２０４ｊの姿勢を一定に保つ機能を有している。

＜Ｙ方向駆動＞
Ｙ方向アクチュエータ２０３に作動信号が与えられると、ステッピングモータ２０３ａは、ボールネジ２０３ｂを回転させ、スライダ２０３ｃを介して、パンタグラフ機構２０４のＹ方向入力節２０４ｂを図３の鉛直方向（Ｙ方向）に移動させる。ここで、回転対偶２０４ｐは上述したように固定されているので、回転対偶２０４ｋの変位は、上記同様、回転対偶２０４ｋ〜２０４ｓの位置をそれぞれの末尾のアルファベットをとってｋ〜ｓとしたときに、△ｋｌｐ：△ｏｎｐの相似比に拡大されて回転対偶２０４ｏに出力され、回転対偶２０４ｏを変位（移動）させる。

＜ＸＹ方向駆動＞
上述したようにＸ方向、Ｙ方向の入力によりパンタグラフ機構２０４のＸＹ方向出力節２０４ｊが変位（移動）すると、ＸＹ方向出力節２０４ｊには連結部材３０６を介してθｚ駆動部１０２、Ｚ駆動部１０３及びハンドリング部１０４の重量がＺ方向に作用するが、ベース２０５の脚部２０５ｂ〜２０５ｄを介して受け面２０６がその負荷を受ける。脚部２０５ｂ〜２０５ｄの先端部には任意方向に回転可能な球体がはめ込まれているため、球体が受け面２０６を転がり移動することで、パンタグラフ機構２０４にＺ方向の負荷を掛けず、低摩擦負荷の移動を可能にしている。換言すれば、ＸＹ方向出力節２０４ｊに固定された（ＸＹ方向出力節２０４ｊと一体の）ベース２０５と脚部２０５ｂ〜２０５ｄとでＸＹスライダが構成されている。

＜θｚ方向駆動＞
図５に示すように、ステッピングモータ３０４に駆動信号が与えられると、ギアボックス３０５の第１の減速歯車列の出力端に配されたピニオン（不図示）にトルクが伝達されて、スライダ３０３が、ベース３０１の内歯歯車３０１ｂに係合して遊星歯車状にガイドレール３０２に沿って回動動作する。ギアボックス３０５とスライダ３０３とは一体で、ギアボックス３０５とギアボックス４０２は一体となっており、このギアボックス４０２にホルダ４０３ｅ（Ｚ方向直動機構４０３）が固定されており、かつ、Ｚ方向直動機構４０３のナット４０３ｂに連結部材４０４が固定され連結ピン５０８でハンドリング部１０４がＺ方向駆動機構４０３（Ｚ駆動部１０３）に固定されているので、ステッピングモータ３０４が駆動すると、θｚ駆動部１０２の回動動作に伴って、Ｚ駆動部１０３及びハンドリング部１０４は一体に、ハンドリング部１０４の把持指の先端部（エンドエフェクタ５０５ａ、５０７ａが接触する先端部）を中心に回動動作をする。

＜Ｚ方向駆動＞
図５に示すように、ステッピングモータ４０１に駆動信号が与えられると、ステッピングモータ４０１はギアボックス４０２に配設された第２の減速歯車列を介してボールネジ４０３ａを回転し、ナット４０３ｂと一体のハンドリング部１０４をガイドレール４０３ｄに沿って図５の上下方向（Ｚ方向）移動させる。

＜把持駆動＞
図６に示すように、アクチュエータ５０２に駆動信号が与えられると、出力ピン５０２ａが回動変位し、レバー５０６のスリット５０６ｂに変位が伝達され、レバー５０６は支点軸５０６ａを中心に回動する。これにより、可動指５０７のエンドエフェクタ５０７ａは、固定指５０５のエンドエフェクタ５０５ａに対し、近接、又は、離間する動きをする。従って、固定指５０５、可動指５０７の２本の把持指は、微小物体１０の把持ないし把持した微小物体１０の開放を行うことができる。

（作用等）
次に、本実施形態の微小物体ハンドリングシステム２００の作用等について、マイクロマニュピュレータ１００の作用等を中心に説明する。

マイクロマニュピュレータ１００は、ハンドリング部１０４を、Ｘ方向及びＹ方向に駆動（移動）するＸＹ駆動部１０１、Ｚ方向に駆動するＺ駆動部１０３の他に、把持指（固定指５０５、可動指５０７）に固定されたエンドエフェクタ５０５ａ、５０５ｂが接触する先端部を中心として把持指が回動するように把持指の姿勢方向をＸ、Ｙ方向で同時に変更するθｚ駆動部１０２を備えている。このため、例えば、直方体状の微小チップ部品等把持方向が制約される場合や、球状の卵細胞等であっても細胞操作のためエンドエフェクタ５０５ａ、５０７ａによる接触位置（接触方向）が制約される場合に、θｚ駆動部１０２により、微小物体１０に対するエンドエフェクタ５０７ａ、５０７による接触（把持）位置（方向）を調整することができる。従って、マイクロマニュピュレータ１００は、微小物体を正確かつ迅速に取り扱うことができる。また、微小物体を把持するエンドエフェクタ５０７ａ、５０７ａ（把持指の先端部）が回動動作の中心となるので、エンドエフェクタ５０７ａ、５０７ａの姿勢方向を変えることによる位置変化を少なくすることができ、顕微鏡視野内でのマイクロマニュピュレータの操作が容易となる。

更に、マイクロマニュピュレータ１００は、Ｚ駆動部１０３がθｚ駆動部１０２と一体に連結部材３０６によりＸＹ駆動部１０１のパンタグラフ機構２０４のＸＹ方向出力節２０４ｊ（出力端）に支持されており、連結部材４０４及び連結ピン５０８を介して、ハンドリング部１０４がＺ駆動部１０３（のＺ方向直動機構４０３のナット４０３ｂ）に支持されている。この作用、効果について、本発明者らが既に提案したマイクロマニュピュレータ（特願２００４−１６６０００）と比較して説明する。なお、この比較において、便宜上、上記実施形態のマイクロマニュピュレータ１００を実施例、本発明者らが既に提案したマイクロマニュピュレータを比較例という。

図７に示すように、比較例のマイクロマニュピュレータ１００’は、基台２０１’上に、Ｘ方向アクチュエータ２０２’及びＹ方向アクチュエータ２０３’が配設されている。両アクチュエータは、それぞれ、パンタグラフ機構２０４’の入力節に変位を入力する。パンタグラフ機構２０４’のＸＹ方向出力節には、Ｚ駆動部１０３’が固定されている。Ｚ駆動部１０３’の底面側には、その重量を受けて平面移動する脚部を有するＸＹスライダ２０５’と、その受け面２０６’とが配設されている。Ｚ駆動部１０３’は、ステッピングモータ４０１’の駆動トルクをボールネジ４０３’に減速伝達して、ナット４０３’に組み付けられ駆動源のステッピングモータ３０４’を有するθｚ駆動部１０２’と、さらにその先に配置されたハンドリング部１０４’とにＺ方向の駆動力を伝達する。

実施例と比較例とを対比すると、（１）Ｚ方向について、比較例ではステッピングモータ４０１’がθｚ駆動部１０２’とハンドリング部１０４’とを駆動する回転駆動力（回転トルク）が必要であるのに対し、実施例ではステッピングモータ４０１がハンドリング部１０４のみを駆動する回転トルクで足りる点、及び、（２）θｚ方向について、比較例ではステッピングモータ３０４’がハンドリング部１０４’のみを駆動する回転トルクで足りるのに対し、実施例ではステッピングモータ３０４がＺ駆動部１０３とハンドリング部１０４とを駆動する回転トルクが必要である点で相違している。

上記（１）、（２）の相違について検討すると、Ｚ方向の駆動は重力に逆らう移動のため、ステッピングモータ４０１、４０１’の負荷が大きくなる。一方、θｚ方向の駆動は平面（受け面２０６、２０６’）上の移動で負荷の点からみると摩擦負荷となり、位置エネルギーの増加を伴うＺ方向の駆動に比べると、負荷は小さい。従って、実施例のマイクロマニュピュレータ１００は、ステッピングモータ４０１とステッピングモータ３０４との駆動負荷の総和を、比較例のマイクロマニュピュレータ１００’のステッピングモータ４０１’とステッピングモータ３０４’との駆動負荷の総和より小さくすることができるので、エネルギー消費を小さくすることができる。

更に、マイクロマニュピュレータ１００では、θｚ駆動部１０２のギアボックス３０５とＺ駆動部１０３のギアボックス４０２とを一体に構成したので、小型化を図ることができ、両者をＸ方向及びＹ方向に駆動するＸＹ駆動部１０１のＸ方向アクチュエータ２０２、Ｙ方向アクチュエータ２０３の駆動力（消費電力）を小さくすることができる。このとき、上述したように、脚部２０５ｂ〜２０５ｄの先端部には任意方向に回転可能な球体がはめ込まれているため、球体が受け面２０６を転がり移動することで、パンタグラフ機構２０４にＺ方向の負荷を掛けず、低摩擦負荷（低消費電力）でＸ方向、Ｙ方向の移動が可能である。

なお、本実施形態では、２本の把持指を有するハンドリング部１０４を示したが、本発明はこれに制限されるものではなく、微小物体の形状に応じて、把持指の形状、本数やエンドエフェクタの形状を変更可能なことは云うまでもない。また、本実施形態では、可動指５０７を固定指５０５に近接させる例を示したが、双方の把持指を互いに近接させるようにしてもよい。この場合に、把持指を駆動する（開閉させる）アクチュエータは、Ｚ駆動部１０３のステッピングモータ４０１の負荷を小さくするために、単一であることが好ましく、双方の把持指を駆動可能な任意の構成を採ればよい。

本発明は顕微鏡視野内において微小物体を正確かつ迅速に取り扱うことができると共に、消費電力の小さいマイクロマニュピュレータを提供するため、マイクロマニュピュレータの製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。

本発明が適用可能な実施形態の微小物体ハンドリングシステムの概略構成図である。 実施形態の微小物体ハンドリングシステムのマイクロマニュピュレータの正面図である。 マイクロマニュピュレータの平面図である。 θｚ駆動部を組み付ける前のマイクロマニュピュレータのＸＹ駆動部の平面図である。 マイクロマニュピュレータの一部を分解して示した斜視図である。 マイクロマニュピュレータのハンドリング部の分解斜視図である。 比較例のマイクロマニュピュレータの正面図である。

符号の説明

１０ 微小物体
１００ マイクロマニュピュレータ
１０１ ＸＹ駆動部（ＸＹ方向移動手段）
１０２ θｚ駆動部（姿勢変更手段）
１０３ Ｚ駆動部（Ｚ方向移動手段）
１０４ ハンドリング部（把持手段）
２０４ パンタグラフ機構
２０４ｊ ＸＹ方向出力節（出力端）
２０５ ベース（脚部の一部）
２０５ｂ 脚部
２０６ 受け面（平面）
３０１ ベース（出力ステージ）
３０３ スライダ（移動体）
４０３ Ｚ方向直動機構
４０３ａ ボールネジ
４０３ｂ ナット
５０５ 固定指（把持指）
５０５ａ エンドエフェクタ（先端部）
５０７ 可動指（把持指）
５０７ｂ エンドエフェクタ（先端部）

Claims (8)

1. 把持指の先端部を近接させて微小物体を把持する把持手段と、
   前記把持手段をＸ方向及びＹ方向に移動させるＸＹ方向移動手段と、
   前記把持手段の把持指の姿勢方向をＸ、Ｙ方向で同時に変更する姿勢変更手段と、
   前記把持手段をＺ方向に移動させるＺ方向移動手段と、
   を備え、前記Ｚ方向移動手段は前記姿勢変更手段を介してＸＹ方向に移動可能に前記ＸＹ方向移動手段に支持されており、前記把持手段はＺ方向に移動可能に前記Ｚ方向移動手段に支持されていることを特徴とするマイクロマニュピュレータ。
2. 前記姿勢変更手段は、前記把持手段の把持指の先端部を中心として前記把持指が回動するように前記把持指の姿勢方向をＸ、Ｙ方向で同時に変更することを特徴とする請求項１に記載のマイクロマニュピュレータ。
3. 前記姿勢変更手段と前記Ｚ方向移動手段とが一体に構成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のマイクロマニュピュレータ。
4. 前記ＸＹ方向移動手段は入力されたＸ方向及びＹ方向の変位を合成して拡大するパンタグラフ機構を有しており、このパンタグラフ機構の出力端に前記Ｚ方向移動手段が前記姿勢変更手段を介してＸ、Ｙ方向に移動可能に支持されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のマイクロマニュピュレータ。
5. 前記パンタグラフ機構の出力端は、底部に任意方向に回転可能な球体がはめ込まれた脚部を有しており、前記球体が平面に接触して移動することを特徴とする請求項４に記載のマイクロマニュピュレータ。
6. 前記姿勢変更手段は、前記ＸＹ方向移動手段からのＸ方向及びＹ方向の移動量が出力される出力ステージと、この出力ステージに対し前記把持手段の把持指の先端部を中心として円弧状に移動可能な移動体とを有し、前記Ｚ方向移動手段は前記移動体に固定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のマイクロマニュピュレータ。
7. 前記Ｚ方向移動手段は、ボールネジを回転させるアクチュエータと、前記ボールネジに螺合しＺ方向に上下動可能なナットとを有し、前記把持手段は前記ナットに固定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のマイクロマニュピュレータ。
8. 前記把持手段は不動の固定指と可動の可動指との２本の把持指を有しており、前記固定指及び可動指には微小物体に接触するエンドエフェクタがそれぞれ固定されており、前記可動指に固定されたエンドエフェクタの先端部が前記固定指に固定されたエンドエフェクタの先端部に近接することにより微小物体を把持することを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のマイクロマニュピュレータ。

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