JP2007127974A - Micromanipulator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はマイクロマニピュレータに係り、特に、ステージ上の微小物体を2つの操作子で操作するためのマイクロマニピュレータに関する。 The present invention relates to a micromanipulator, and more particularly to a micromanipulator for operating a minute object on a stage with two operators.
従来、例えば、微小部品の組立や細胞操作等にマイクロマニピュレータが用いられている。一般に、マイクロマニピュレータは、微小物体を操作するために、操作子を移動させる機構を有しており(例えば、特許文献1参照)、操作する対象物が微小なため、マイクロマニピュレータによる操作は、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、微小物体の操作性(取扱い作業性)の向上を図るため、X、Y、Zの3方向の移動機構を有する2台のマイクロマニピュレータを顕微鏡の光軸を中心にして対称位置(両側)に配設し、双腕(2つの操作子)で微小物体を操作することが一般的であった。 Conventionally, for example, micromanipulators have been used for assembling micro parts and operating cells. In general, a micromanipulator has a mechanism for moving an operation element in order to operate a minute object (see, for example, Patent Document 1). Since an object to be operated is minute, an operation by the micromanipulator is performed with the naked eye. Is performed with reference to an image output to a monitor such as a display under a microscope field of view or via a camera attached to the microscope (see, for example, Patent Document 2). In addition, in order to improve the operability (handling workability) of a minute object, two micromanipulators having a moving mechanism in three directions of X, Y, and Z are positioned symmetrically about the optical axis of the microscope (both sides). It is common to operate a minute object with two arms (two operating elements).
このようなマイクロマニピュレータによる操作では、操作対象の微小物体を顕微鏡下の操作しやすい位置に移動する場合には、2台のマイクロマニピュレータとは別にXYステージを使用して移動するか、操作者自身の手で微小物体を移動するかしている。また、マイクロマニピュレータの操作中に微小物体が静電気力等により操作子に付着すると、微小物体の操作に支障が生じるため、付着した微小物体を、操作子を振動させる等により脱離させることが必要となる。更に、微小物体には、操作する向きにより損傷や操作の困難性を生じることがあるため、操作子の向きをマニュアルで調整している。 In such an operation using a micromanipulator, when a micro object to be operated is moved to a position where it can be easily operated under a microscope, it is moved using an XY stage separately from the two micromanipulators, or the operator himself I move a small object with my hand. In addition, if a minute object adheres to the operation element due to electrostatic force or the like during operation of the micromanipulator, the operation of the minute object may be hindered. Therefore, it is necessary to detach the adhered minute object by vibrating the operation element. It becomes. Furthermore, since the minute object may be damaged or difficult to operate depending on the direction of operation, the direction of the operation element is manually adjusted.
しかしながら、従来のように2台のマイクロマニピュレータを用いた場合には、それぞれのマイクロマニピュレータの操作に加えて、XYステージの操作が必要なため、微小物体の操作が煩雑となるうえに、装置全体が複雑になってしまう。また、操作に伴う微小物体の損傷等を防止するために、微小物体や操作子等の向きを調整することが重要となる。更に、従来のマイクロマニピュレータでは、微小物体の操作にガラス製キャピラリや把持用ツールが用いられているが、操作する機能に制限があるため、複数の操作機能に対応できるマイクロマニピュレータが求められている。 However, when two micromanipulators are used as in the prior art, the operation of the XY stage is required in addition to the operation of each micromanipulator, so that the operation of a minute object becomes complicated and the entire apparatus Becomes complicated. Also, in order to prevent damage to the minute object due to the operation, it is important to adjust the orientation of the minute object, the operation element, and the like. Furthermore, in conventional micromanipulators, glass capillaries and gripping tools are used for the operation of minute objects. However, there is a demand for micromanipulators that can handle a plurality of operation functions because of limited operation functions. .
本発明は上記事案に鑑み、装置全体を複雑にすることなく微小物体を容易かつ適切に操作することができるマイクロマニピュレータを提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide a micromanipulator that can easily and appropriately operate a minute object without complicating the entire apparatus.
上記課題を解決するために、本発明は、微小物体を載置するための移動ステージと、前記移動ステージの近傍に配置され、前記微小物体を操作するための第1操作子をX及びY方向に移動させる第1移動手段と、前記第1移動手段に支持され、前記第1操作子をZ方向に移動させる第2移動手段とを有する第1操作ユニットと、前記移動ステージの近傍であって前記第1操作ユニットとは異なる位置に配置され、前記移動ステージをX及びY方向に移動させる第3移動手段と、微小物体を操作するための第2操作子をZ方向に移動させる第4移動手段とを有する第2操作ユニットと、を備える。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a moving stage for placing a minute object, and a first operation element arranged in the vicinity of the moving stage for operating the minute object in X and Y directions. A first operating unit having a first moving unit for moving the first operating unit; a second moving unit supported by the first moving unit for moving the first operating element in the Z direction; and A fourth movement that is arranged at a position different from the first operation unit, moves the moving stage in the X and Y directions, and moves a second operation element for operating the minute object in the Z direction. A second operating unit having means.
本発明では、微小物体が移動ステージに載置される。第2操作ユニットの第3移動手段により、微小物体が載置された移動ステージがX及びY方向に移動され、しかる後に、第1操作ユニットの第1操作子が、第1移動手段によりX及びY方向に移動され、第2移動手段によりZ方向に移動されることで、微小物体に対する第1操作子の先端部が3方向の自由度で位置付けられ、第2操作ユニットの第2操作子が第4移動手段によりZ方向に移動され、微小物体に対する第2操作子の先端部が位置付けられる。 In the present invention, the minute object is placed on the moving stage. The moving stage on which the minute object is placed is moved in the X and Y directions by the third moving means of the second operating unit, and then the first operating element of the first operating unit is moved by X and By moving in the Y direction and moving in the Z direction by the second moving means, the tip of the first operating element with respect to the minute object is positioned with three degrees of freedom, and the second operating element of the second operating unit is Moved in the Z direction by the fourth moving means, the tip of the second operating element with respect to the minute object is positioned.
本発明において、第3移動手段は入力されたX及びY方向の変位を合成して拡大乃至縮小するパンタグラフ機構を有しており、該パンタグラフ機構の出力側に移動ステージが固着されているようにしてもよい。また、第1操作ユニットは、更に、第1操作子の先端部を中心として該第1操作子がXY平面上で回動するように姿勢方向を変更する第1姿勢変更手段を有していることが好ましい。 In the present invention, the third moving means has a pantograph mechanism that synthesizes and enlarges or reduces the input displacements in the X and Y directions, and the moving stage is fixed to the output side of the pantograph mechanism. May be. The first operation unit further includes first posture changing means for changing the posture direction so that the first manipulator rotates on the XY plane around the tip of the first manipulator. It is preferable.
また、第1及び第2操作子は第2及び第4移動手段にそれぞれ着脱可能に軸支されているようにしてもよい。第1及び第2操作ユニットの少なくとも一方は、更に、第1及び第2操作子が軸支された軸を中心として該第1及び第2操作子が回動するように姿勢方向を変更する第2姿勢変更手段を有していることが好ましい。この場合に、第1及び第2操作子は、複数種の操作子の中から選択され着脱可能なことが望ましい。また、複数種の操作子が基部から先端部までの長さが同じに設定されていることが好ましい。 Further, the first and second operating elements may be pivotally supported by the second and fourth moving means so as to be detachable. At least one of the first and second operating units further changes a posture direction so that the first and second operating elements rotate about an axis on which the first and second operating elements are pivotally supported. It is preferable to have two posture change means. In this case, it is desirable that the first and second operating elements are selected from a plurality of types of operating elements and are detachable. Moreover, it is preferable that the lengths from the base part to the tip part are set to be the same for the plural types of operation elements.
また、第1及び第2操作ユニットは、更に、第1及び第2操作子にそれぞれ衝撃を付与する衝撃付与手段を有していることが好ましい。この衝撃付与手段は、第1及び第2操作子をそれぞれ係止する係止部材と、第1及び第2操作子にそれぞれ付勢力を付与する付勢部材と、付勢部材の付勢力に抗する駆動力を第1及び第2操作子に付与するそれぞれのアクチュエータと、アクチュエータの駆動力で駆動された第1及び第2操作子をそれぞれ当接させるための当接部材とを有し、付勢部材の付勢力で係止部材に係止された第1及び第2操作子をアクチュエータの駆動力で係止部材から離間させ、当接部材に第1及び第2操作子を衝突させることにより第1及び第2操作子にそれぞれ衝撃を付与するようにしてもよい。 Moreover, it is preferable that the first and second operation units further include impact applying means for applying an impact to the first and second operation elements, respectively. The impact applying means includes a locking member that locks the first and second operating elements, an urging member that applies an urging force to the first and second operating elements, and an urging force of the urging member. Each actuator for applying a driving force to the first and second operating elements, and a contact member for contacting the first and second operating elements driven by the driving force of the actuator. The first and second operating elements locked to the locking member by the biasing force of the biasing member are separated from the locking member by the driving force of the actuator, and the first and second operating elements collide with the contact member. You may make it give an impact to a 1st and 2nd operation element, respectively.
本発明によれば、第1操作ユニットと第2操作ユニットとでは、第1及び第2操作子に対する操作機能が異なるため、移動ステージに載置された微小物体に対して操作しやすい操作ユニットで第1又は第2操作子を操作することができるので、微小物体を適切に操作することができる、という効果を得ることができる。 According to the present invention, the first operation unit and the second operation unit have different operation functions with respect to the first and second operation elements. Therefore, the operation unit can be operated easily with respect to a minute object placed on the moving stage. Since the first or second operator can be operated, an effect that the minute object can be appropriately operated can be obtained.
以下、図面を参照して、本発明に係るマイクロマニピュレータを、微小物体としての細胞を操作する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。 Hereinafter, an embodiment in which a micromanipulator according to the present invention is applied to a minute object handling system for operating a cell as a minute object will be described with reference to the drawings.
(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2に固定され細胞を操作するためのマイクロマニピュレータ1と、細胞を目視するための顕微鏡5と、パーソナルコンピュータ(以下、PCと略記する。)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ピュレータ1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と略記する。)等を内蔵したコントロールボックス8と、を備えている。
(Constitution)
As shown in FIG. 1, a micro
PC6には、コントロールボックス8との入出力ケーブル、液晶表示等のモニタ7への出力ケーブル及び顕微鏡5に装着されたCCDカメラ55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には、マイクロマニピュレータ1に対する作動信号を送信するための接続ケーブル8aが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が接続されている。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、モニタ7を介して移動ステージとしてのXYステージ42に載置された細胞10を目視することができる。
An input / output cable to / from the
図2に示すように、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いる。PLCは、ROMに格納されたプログラム及びプログラムデータにしたがって、PC6から基本動作命令を受信すると共に、PC6に登録商標イーサネット(Ethernet)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する。更に、PLCは、コントローラ9から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ピュレータ1に送信するための各アクチュエータ制御部を有している。
As shown in FIG. 2, the PLC built in the
図3に示すように、マイクロマニピュレータ1は、マイクロマニピュレータ1により操作される細胞10を載置するためのXYステージ42、CCDカメラ55が装着された顕微鏡5、XYステージ42に載置された細胞10を顕微鏡5の両側から操作するための第1操作ユニット3及び第2操作ユニット4を備えている。第1操作ユニット3には接続ケーブル8aが接続されている。
As shown in FIG. 3, the
図3及び図4に示すように、マイクロマニピュレータ1は、上述した定盤2に固定される基台21を有している。顕微鏡5は、下側が基台21の中央部に固定されたXYステージ42と、XYステージ42側にズームレンズ52を装着した鏡筒と、鏡筒の上部に装着されたCCDカメラ55とで構成されている。鏡筒は、細胞10に焦点を合わせるため、基台21に固定された支柱に上下方向にスライド可能に摺接している。図5に示すように、XYステージ42は、基台21に固定されたベース423を有している。ベース423の上面にはY方向と平行な2本のY方向スライドレールが配設されており、Y方向スライドレールにはY方向ステージ422の下面に配設された2つのスライダが摺接している。Y方向ステージ422の上面にはX方向と平行な2本のX方向スライドレールが配設されており、X方向スライドレールにはX方向ステージ421の下面に配設された2つのスライダが摺接している。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
第1操作ユニット3は、大別して、細胞10を操作する第1操作子としてのハンドリング部34と、ハンドリング部34をX方向、Y方向に移動させる(後述するX方向アクチュエータ311、Y方向アクチュエータ312)第1移動手段としてのXY駆動部31と、ハンドリング部34をZ方向に移動させる(後述するZ方向アクチュエータ331)第2移動手段としてのZ駆動部33と、で構成されている。XY駆動部31は、ハンドリング部34の先端部(後述する把持指341)を中心としてハンドリング部34をXY平面上で回動(厳密には回転揺動機構における揺動に相当するため、以下、揺動という。)させXYステージ42に載置された細胞10に対するハンドリング部34の姿勢方向を変更する第1姿勢変更手段としての後述するθzアクチュエータ315を有している。
The
XY駆動部31は、基台21に固定された4本の支柱で支持された架台24上に配置されており、Z駆動部33はXY駆動部31の出力側(顕微鏡5側)に支持されている。架台24上でXY駆動部31の背面側(図4の上側)には、コントロールボックス8に内蔵されたPLCから接続ケーブル8aを介して送信された制御信号を受信し、XY駆動部31、Z駆動部33、ハンドリング部34を駆動するための駆動回路部35が配置されている。背面側の外装には、外部電源と接続された電源供給コネクタ38、接続ケーブル8aを接続する信号コネクタ37が配設されている。
The
Z駆動部33の顕微鏡5側には、ハンドリング部34が配置されている。Z駆動部33とハンドリング部34との間には、ハンドリング部34が軸支された軸を中心としてハンドリング部34を回動させ細胞10に対するハンドリング部34の姿勢方向を変更する第2姿勢変更手段としてのθkアクチュエータ36が配置されている。
A
<XY駆動部31>
図5及び図6に示すように、架台24には、ハンドリング部34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311と、Y方向アクチュエータ312とが互いに交差する方向に固定されている。
<
As shown in FIGS. 5 and 6, the
X方向アクチュエータ311は、エンコーダを有し正逆転可能なステッピングモータ311aと、ステッピングモータ311a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311bに係合する出力部のスライダ311cと、スライダ311c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312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312aと、ステッピングモータ312a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に係合するスライダ312cと、スライダ312cが摺動可能な直進ガイドレール(不図示)と、を有している。
The
X方向アクチュエータ311のスライダ311cには、ステッピングモータからなり、ハンドリング部34の姿勢方向を変更するための駆動力を供給するθzアクチュエータ315が固定されている。θzアクチュエータ315の出力軸315aはベルト315bを介して直径が出力軸315aより大きいプーリ315cに接続されている。プーリ315cの回動軸はパンタグラフ機構317のX方向入力リンク317aに固定されている。また、Y方向アクチュエータ312のスライダ312cは、パンタグラフ機構317のY方向入力リンク317bに固定されている。このため、X方向アクチュエータ311、Y方向アクチュエータ312及びθzアクチュエータ315はパンタグラフ機構317にX方向及びY方向の直動変位、並びに、後述するようにハンドリング部34の姿勢方向を変更する(ハンドリング部34を揺動させる)ための直動変位(θz変位)を与えることができる。
The slider 311c of the
パンタグラフ機構317は、X方向入力リンク317a及びY方向入力リンク317bの他に、略直線状の複数のリンク及び複数の回転対偶、例えば、7つのリンク及び9つの回転待遇とハンドリング部34側の出力リンク317cとが組み合わされて構成されている。このため、X方向アクチュエータ311、Y方向アクチュエータ312及びθzアクチュエータ315からそれぞれ入力されたX方向及びY方向の直動変位、並びに、上述したθz変位が合成、拡大乃至縮小されて出力リンク317cに出力される。パンタグラフ機構317は、X方向アクチュエータ311、Y方向アクチュエータ312及びθzアクチュエータ315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。また、出力リンク317cのハンドリング部34側にはZ駆動部33が支持されており、出力リンク317cの上側にはZ駆動部33のギアボックス332が固定されている。
In addition to the X direction input link 317a and the Y direction input link 317b, the
<Z駆動部33>
図5及び図6に示すように、Z駆動部33のZ方向アクチュエータ331は、出力リンク317cの下側に支持され正逆転可能なステッピングモータ331aと、減速歯車列を有しステッピングモータ331aからの回転駆動力を減速するギアボックス332と、ハンドリング部34をZ方向に移動させるボールネジ331bとで構成されている。すなわち、ギアボックス332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331bの先端部(上部)が連結されている。ボールネジ331bにはナットが螺合しており、ナットにはθkアクチュエータ36を支持するための支持部材333が固定されている。θkアクチュエータ36は、支持部材333に支持されている。θkアクチュエータ36には、ハンドリング部34が軸348を介して着脱可能に軸支されている。
<
As shown in FIGS. 5 and 6, the Z-
<ハンドリング部34>
図7に示すように、支持部材333には、ハンドリング部34を軸348を中心として回動させる、すなわち、ハンドリング部34に回動変位(θk変位)を与えるθkアクチュエータ36が固定されている。θkアクチュエータ36は、正逆回転可能なステッピングモータと、該ステッピングモータからの回転駆動力を減速する減速歯車列とで構成されている。このため、θkアクチュエータ36のステッピングモータからの回転駆動力が減速歯車列で減速されて軸348を介してハンドリング部34に伝達されることで、ハンドリング部34が軸348を中心として、例えば、±90度の範囲で回動する。ハンドリング部34は、軸348の基部から先端までの長さが長さLに設定されている。
<
As shown in FIG. 7, the
ハンドリング部34は、細胞10を把持するために、固定指と可動指とで構成される把持指341を有している。固定指には固定エンドエフェクタ341bが支持されており、可動指には可動エンドエフェクタ341aが支持されている。
The
図8に示すように、ハンドリング部34の把持ベース74にはメータ等の把持アクチュエータ71がブラケットを伴って固定されている。固定指の後端部が組み付けられた(固定された)プレートは、固定指が組み付けられた状態で、把持ベース74と一定の隙間を形成して把持ベース74に固定されている。この隙間には長板状のレバーが介在している。レバーの先端部(Z駆動部33の反対側)には可動指が固定されており、先端部略中央には上下両方向に支点軸が突接されている。上述した隙間は、この支点軸がプレートの軸受けと把持ベース74の軸受けとに軸支されることにより画定されている。レバーの後端には略U字状のスリット(切り欠き)が形成されており、スリットには把持アクチュエータ71の出力ピンが係合している。このため、把持アクチュエータ71を駆動すると、レバーが支点軸を中心として揺動することで、固定エンドエフェクタ341bに可動エンドエフェクタ341aが近接ないし離間し、細胞10の把持ないし把持した細胞10の開放を行うことができる。なお、固定エンドエフェクタ341b及び可動エンドエフェクタ341aは、先端同士が接触するように、固定指及び可動指に配設されたネジで調整可能である。
As shown in FIG. 8, a gripping
また、ハンドリング部34は、固定エンドエフェクタ341bや可動エンドエフェクタ341aに付着した細胞10を脱離させるために、把持指341に衝撃を付与する衝撃付与手段としての衝撃アクチュエータ75を有している。図8に示すように、ハンドリング部34は、軸348に軸支するための基台77を有しており、基台77に挿入された軸348がネジ78で固定される。基台77は、プランジャ部751及びコイル部752を有するプランジャソレノイドで構成される衝撃アクチュエータ75を内蔵している。基台77の上方に延出したアームに形成された穴771には、把持ベース74が軸79で軸支されている。プランジャ部751の一側は把持ベース74の下方に延出したアーム部741に軸支されており、プランジャ部751の他側はコイル部752内に挿入されている。コイル部752内でネジ78側の端部には、プランジャ部751の移動を当接して停止させる不図示のストッパ(当接部材)が配置されている。
The
また、把持ベース74の側面に突設されたピン742と、基台77の側面に突設されたピン772との間にはコイルバネ76が掛け渡されており、基台77に対して把持ベース74を、軸79を回転支点として時計回り(図8においてCW方向)に付勢しており、この付勢力でストッパ(係止部材)743が基台77に当接して静止した状態に保たれている。
A
一方、第2操作ユニット4は、図3及び図4に示すように、細胞10を操作する第2操作子としてのハンドリング部44と、XYステージ42をX、Y方向に移動させる(後述するX方向アクチュエータ411、Y方向アクチュエータ412)第3移動手段としてのXY駆動部41と、基台21に固定された4本の支柱でXY駆動部41の上方に支持された架台25上に固定されハンドリング部44をZ方向に移動させる(後述するZ方向アクチュエータ431)第4移動手段としてのZ駆動部43とで構成されている。また、架台25上でZ駆動部43の背面側(図4の上側)には、コントロールボックス8に内蔵されたPLCから送信された制御信号を受信し、XY駆動部41、Z駆動部43、ハンドリング部44を駆動するための駆動回路部45が配置されている。なお、駆動回路部45は、電源を上述した電源供給コネクタ38を介して供給され、PLCからの制御信号を信号コネクタ37を介して受信する。
On the other hand, as shown in FIGS. 3 and 4, the
XY駆動部41は基台21上に固定されており、ハンドリング部44はZ駆動部43の顕微鏡5側に配置されている。Z駆動部43とハンドリング部44との間には、ハンドリング部44が軸支された軸348を中心としてハンドリング部44を回動させ細胞10に対するハンドリング部44の姿勢方向を変更する第2姿勢変更手段としてのθkアクチュエータ46が配置されている。ハンドリング部44は、θkアクチュエータ46に着脱可能に軸支されている。Z駆動部43の架台25に対する固定位置は、ハンドリング部44の先端部が顕微鏡5の光軸上に位置するように調整されている。
The
<XY駆動部41>
図5に示すように、基台21には、XYステージ42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411と、Y方向アクチュエータ412とが互いに交差する方向に固定されている。
<
As shown in FIG. 5, the
X方向アクチュエータ411は、エンコーダを有し正逆転可能なステッピングモータ411aと、ステッピングモータ411a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411bに係合する出力部のスライダ(不図示)と、スライダが摺動可能な直進ガイドレールと、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412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と、ステッピングモータ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に係合するスライダと、スライダが摺動可能な直進ガイドレールと、を有している。
The
X方向アクチュエータ411のスライダはパンタグラフ機構417のX方向入力リンクに固定されており、Y方向アクチュエータ412のスライダはパンタグラフ機構417のY方向入力リンクに固定されている。このため、X方向アクチュエータ411及びY方向アクチュエータ412はパンタグラフ機構417にX、Y方向の直動変位を与えることができる。
The slider of the
パンタグラフ機構417は、X方向入力リンク及びY方向入力リンクの他に、略直線状の複数のリンク及び複数の回転対偶が組み合わされて、上述した第1操作ユニット3のパンタグラフ機構317と同様に構成されている。このため、X方向アクチュエータ411及びY方向アクチュエータ412からそれぞれ入力されたX及びY方向の直動変位が合成、拡大乃至縮小されて出力リンクに出力される。パンタグラフ機構417は、X方向アクチュエータ411及びY方向アクチュエータ412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。出力リンクは、XYステージ42を構成するX方向ステージ421に接続部材で固定されている。
The
<Z駆動部43>
図5に示すように、Z駆動部43のZ方向アクチュエータ431は、正逆転可能なステッピングモータを有するZ方向直動機構431aと、減速歯車列を有しステッピングモータからの回転駆動力を減速するギアボックス432とで構成されている。Z方向直動機構431aは、ボールネジ、ナット、スライダ、ガイドレール及びホルダを有している。すなわち、ギアボックス432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が連結されている。ボールネジの先端部側は、ギアボックス432に固定されたホルダに回転可能に軸支されている。ボールネジにはナットが螺合しており、ナットにはスライダが固定されている。また、ギアボックス432からはボールネジと平行するように直進ガイドレールが配設されており、ガイドレールの先端部側はホルダに固定されている。スライダはガイドレール上を摺動可能にガイドレールに当接している。スライダにはθkアクチュエータ46を支持するための支持部材333が固定されている。θkアクチュエータ46には、ハンドリング部44が軸348を介して軸支されている。
<
As shown in FIG. 5, the Z direction actuator 431 of the
<ハンドリング部44>
上述したハンドリング部34と同様に、支持部材333には、ハンドリング部44を軸348を中心として回動させるθkアクチュエータ46が固定されている。θkアクチュエータ46は、正逆回転可能なステッピングモータと、該ステッピングモータからの回転駆動力を減速する減速歯車列とで構成されている。このため、θkアクチュエータ46のステッピングモータからの回転駆動力が減速歯車列で減速されてハンドリング部44に伝達されることで、ハンドリング部44が軸348を中心として回動する。ハンドリング部44は、上述したハンドリング部34と同様に構成されている。
<
Similar to the
(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、マイクロマニピュレータ1の動作を中心に説明する。
(Operation)
Next, the operation of the minute
まず、オペレータは、図1に示すように、コントローラ9からコントロールボックス8のPLCを介して第2操作ユニット4に、X方向、Y方向の指令を与えて、XYステージ42に載置された細胞10を顕微鏡5のCCDカメラ55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、第2操作ユニット4に、Z方向、θk方向(軸348を中心とするハンドリング部44の回動角度、すなわち、ハンドリング部44の姿勢方向)の指令と、把持指341に対するハンドリング(開閉)指令とを与えて、細胞10とハンドリング部44の把持指341との相対位置を操作する。また、第1操作ユニット3に、X方向、Y方向、θz方向(把持指341の先端部を中心とするハンドリング部34の揺動角度、すなわち、ハンドリング部34の姿勢方向)、Z方向、θk方向の指令と、把持指341に対するハンドリング指令とを与えて、細胞10とハンドリング部34の把持指341との相対位置を操作する。
First, as shown in FIG. 1, the operator gives commands in the X direction and the Y direction to the
<XYステージ移動>
図3〜図5に示すように、X方向アクチュエータ411に作動信号が与えられると、ステッピングモータ411aは、ボールネジ411bを回転させ、スライダを介して、パンタグラフ機構417のX方向入力リンクを図4の左右方向(X方向)に移動させる。Y方向アクチュエータ412に作動信号が与えられると、ステッピングモータは、ボールネジを回転させ、スライダを介して、パンタグラフ機構417のY方向入力リンクを図4の上下方向(Y方向)に移動させる。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417の出力リンクにはX方向、Y方向の変位を合成した変位が出力される。従って、出力リンクに接続されたXYステージ42がXY方向に移動される。
<XY stage movement>
As shown in FIGS. 3 to 5, when an operation signal is given to the
<ハンドリング部44駆動>
(Z方向駆動)
図5に示すように、Z方向直動機構431aのステッピングモータに作動信号が与えられると、ステッピングモータの回転駆動力がギアボックス432に配設された減速歯車列を介してボールネジに伝達され、スライダを図5の上下方向(Z方向)に移動させる。これにより、スライダに固定された支持部材333を介して支持されたハンドリング部44がZ方向に移動される。
<
(Z direction drive)
As shown in FIG. 5, when an operation signal is given to the stepping motor of the Z-direction linear movement mechanism 431a, the rotational driving force of the stepping motor is transmitted to the ball screw via the reduction gear train disposed in the
(把持駆動)
図6及び図8に示すように、θkアクチュエータ46に作動信号が与えられると、ステッピングモータの回転駆動力が減速歯車列、軸348を介してハンドリング部44に伝達され、ハンドリング部44が軸348を中心として回動する。把持アクチュエータ71に作動信号が与えられると、出力ピンが揺動し、スリットを介してレバーが支点軸を中心として揺動する。これにより、ハンドリング部44の可動エンドエフェクタ341aは、固定エンドエフェクタ341bに対し、近接、又は、離間する動きをする。従って、2本のエンドエフェクタ341は、細胞10を上下方向や左右方向等の任意の向きで把持し、把持した細胞10の開放を行うことができる。
(Gripping drive)
As shown in FIGS. 6 and 8, when an operation signal is given to the
<ハンドリング部34駆動>
(XY方向駆動)
図5及び図6に示すように、X方向アクチュエータ311に作動信号が与えられると、ステッピングモータ311aは、ボールネジ311bを回転させ、スライダ311cを介して、パンタグラフ機構317のX方向入力リンク317aを図5の左右方向(X方向)に移動させる。Y方向アクチュエータ312に作動信号が与えられると、ステッピングモータ312aは、ボールネジを回転させ、スライダ312cを介して、パンタグラフ機構317のY方向入力リンク317bを図5の紙面に対する垂直方向(Y方向)に移動させる。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317の出力リンク317cにはX方向、Y方向の変位を合成した変位が出力される。従って、出力リンク317cにZ駆動部331を介して軸支されたハンドリング部34がXY方向に移動される。θzアクチュエータ315に作動信号が与えられると、ベルト315bを介してプーリ315cの回動軸を回動させ、パンタグラフ機構317のX方向入力リンク317aに揺動変位(θz変位)を与える。これにより、パンタグラフ機構317を介して出力リンク317cにも同じ角度の揺動変位が出力される。従って、ハンドリング部34は、XY方向に移動され、把持指341の先端部を中心として細胞10に対する姿勢方向が変更される。
<
(XY direction drive)
As shown in FIGS. 5 and 6, when an operation signal is given to the
(Z方向駆動)
Z駆動部331のステッピングモータ331aに作動信号が与えられると、ステッピングモータの回転駆動力がギアボックス332に配設された減速歯車列を介してボールネジ331bに伝達され、ボールネジ331bに螺合したナットを図5の上下方向(Z方向)に移動させる。これにより、ナットに固定された支持部材333を介して支持されたハンドリング部34がZ方向に移動される。
(Z direction drive)
When an operation signal is given to the stepping motor 331a of the
(把持駆動)
θkアクチュエータ36に作動信号が与えられると、ステッピングモータの回転駆動力が減速歯車列、軸348を介してハンドリング部34に伝達され、ハンドリング部34が軸348を中心として回動する。図8に示すように、把持アクチュエータ71に作動信号が与えられると、出力ピン、スリットを介してレバーが支点軸を中心として揺動する。これにより、ハンドリング部34の可動エンドエフェクタ341aは、固定エンドエフェクタ341bに対し、近接、又は、離間する動きをする。従って、把持指341は、細胞10を上下方向や左右方向等の任意の向きで、かつ、θz変位による任意の方向から把持し、把持した細胞10の開放を行うことができる。
(Gripping drive)
When an operation signal is given to the
<細胞の脱離駆動>
図8に示すように、コントローラ9からの指令で衝撃アクチュエータ(プランジャソレノイド)75のコイル部752に電圧が印加されると起磁力が生じ、プランジャ部751がコイル部752内に引きつけられる。プランジャ部741の移動に伴い、アーム部741を介して、把持ベース74を、軸79を回転支点として、コイルバネ76の付勢力に抗して反時計回り(CCW方向)に回転させる。これにより、基台77に当接していたストッパ743が基台77から離間する。把持ベース74の回転は、プランジャ部751がコイル部752内のストッパに当接することにより停止する。コイル部752の起磁力が解放されると、把持ベース74が時計回りに回転し、ストッパ743が基台77に当接することにより、把持ベース74の回転が停止する。プランジャ部751の動作は非常に短時間に行われる衝撃変位であり、停止時の衝撃も大きくなるため、時計回り、反時計回りの回転停止時の衝撃によりエンドエフェクタ341の先端部に付着した細胞10を慣性力の作用を利用して脱離させることができる。
<Desorption of cells>
As shown in FIG. 8, when a voltage is applied to the
(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、マイクロマニピュレータ1の作用を中心に説明する。
(Action etc.)
Next, the operation and the like of the minute
従来細胞等の微小物体に対する操作性を向上させるためには、X、Y、Zの3方向の移動機構(3方向の自由度)を有する2台のマイクロマニピュレータを、顕微鏡を挟んで両側に配置して細胞等に対する操作が行われる。この場合、細胞等を顕微鏡の視野内の操作しやすい位置に移動するには、2台のマイクロマニピュレータに加えてXYステージが使用される。このため、オペレータは、まず、XYステージを操作することで細胞等を操作しやすい位置に移動させることが必要となる。細胞等を顕微鏡の視野内に移動した後、2台のマイクロマニピュレータを操作することで細胞等に対する操作を行う。従って、細胞等の操作性向上を図るために2台のマイクロマニピュレータを使用するにもかかわらず、XYステージを使用することで、装置全体が複雑となる。また、2台のマイクロマニピュレータを個別に操作するうえに、XYステージの操作も行うため、操作が煩雑となる。更に、マイクロマニピュレータが3方向の移動機構に加えて、細胞等に対する向きを変更する機構(θz移動機構)を有する場合には、操作が一層煩雑となる。また、細胞等の操作中に静電気力等の作用で細胞等が把持指等に付着することがある。付着した細胞等を脱離させるために把持指等を振動させているが、振動力より静電気力が大きいと脱離することができない。本実施形態は、これらの問題を解決することができるマイクロマニピュレータである。 Conventionally, in order to improve the operability for micro objects such as cells, two micromanipulators with three-direction X, Y, and Z movement mechanisms (degrees of freedom in three directions) are placed on both sides of the microscope. Then, operations on the cells and the like are performed. In this case, an XY stage is used in addition to the two micromanipulators in order to move cells and the like to an easily operable position within the field of view of the microscope. For this reason, the operator first needs to move the cell or the like to a position where it can be easily operated by operating the XY stage. After the cells and the like are moved within the field of view of the microscope, the cells and the like are operated by operating two micromanipulators. Therefore, although the two micromanipulators are used to improve the operability of cells and the like, the entire apparatus becomes complicated by using the XY stage. In addition, since the two micromanipulators are individually operated and the XY stage is also operated, the operation becomes complicated. Further, when the micromanipulator has a mechanism (θz moving mechanism) for changing the direction with respect to the cells or the like in addition to the moving mechanism in three directions, the operation becomes more complicated. In addition, during operation of cells or the like, cells or the like may adhere to the gripping finger or the like due to the action of electrostatic force or the like. A gripping finger or the like is vibrated to detach attached cells or the like, but cannot be detached if the electrostatic force is greater than the vibration force. The present embodiment is a micromanipulator that can solve these problems.
本実施形態のマイクロマニピュレータ1では、XYステージ42と、第1操作ユニット3と、第2操作ユニット4とを備えており、これらが1つの基台21上に配設されている。第1操作ユニット3は、X、Y、Zの3方向に加えて、θz変位、θk変位によりハンドリング部34を移動させ、第2操作ユニット4は、XYステージ42をX、Yの2方向に移動させ、ハンドリング部44をZ方向に移動させる。このため、第1操作ユニット3は、ハンドリング部34を合計5自由度で細胞10に位置付けることができ、第2操作ユニット4は、ハンドリング部44を合計4自由度で細胞10に位置付けることができる。従って、2台のマイクロマニピュレータを使用する場合と比較して、第2操作ユニット4でXYステージ42を移動させることから、装置全体を簡素化することができる。また、1つのコントローラ9を操作することで、第1操作ユニット3、第2操作ユニット4に作動指令を与えることができるので、細胞10の操作を容易に行うことができる。更に、マイクロマニピュレータ1では、第1操作ユニット3と第2操作ユニット4とで、ハンドリング部34、44に対する操作機能が異なる。このため、オペレータは、細胞10に対して操作しやすい操作ユニットのハンドリング部を操作することで、細胞10を適切に操作することができる。
The
また、マイクロマニピュレータ1では、第2操作ユニット4のハンドリング部44は、Z駆動部43によりZ方向のみに移動される。ハンドリング部44の先端部が顕微鏡5の光軸上に位置付けられているので、XYステージ42で顕微鏡5の視野内に位置付けられた細胞10の近傍にハンドリング部44の先端部を容易に位置付けることができる。一方、第1操作ユニット3のハンドリング部34は、XY駆動部31、Z駆動部33によりX方向、Y方向、Z方向の3方向に移動され、θzアクチュエータ315により細胞10に対する姿勢が変更される。このため、θz変位による任意の向きから細胞10の近傍にハンドリング部34の操作子の先端部を容易に位置付けることができる。従って、細胞10が2本のエンドエフェクタ341a、341bをそれぞれ有するハンドリング部34及びハンドリング部44で操作されるため、細胞10を合計4本のエンドエフェクタで操作することができる。
In the
更に、ハンドリング部34のZ方向の駆動は重力に逆らう駆動のため、ステッピングモータ331aにかかる駆動負荷が増大する。マイクロマニピュレータ1では、第1操作ユニット3のZ駆動部33が、XY駆動部31を構成するパンタグラフ機構317の出力リンク317cに支持されている。このため、XY駆動部31のステッピングモータ311a、312aはZ駆動部33及びハンドリング部34を同時に駆動することとなるが、この駆動は平面上での駆動のため、各ステッピングモータにかかる駆動負荷を増大させずにすむ。従って、第1操作ユニット3では、X、Y、Zの3方向に駆動する各ステッピングモータにかかる駆動負荷の総和の増大を抑制することができ、エネルギー消費を抑制することができる。
Furthermore, since the driving of the
また更に、マイクロマニピュレータ1では、θkアクチュエータ36、46により、ハンドリング部34、44が軸支された軸348を中心として回動される。このため、各把持指341が細胞10を上下方向や左右方向等の任意の向きで把持することができる。従って、θz変位、θk変位を制御することで、細胞10に対する操作を容易かつ適切に行うことができる。
Furthermore, in the
更にまた、各アクチュエータの電圧を調整しながら把持指341で細胞10を把持した場合は、様々な表面間力、例えば、静電気力により細胞10や操作した細胞10の断片等が把持指341に付着して離れなくなる。把持指341に細胞10等が付着していると、続いて細胞10を操作するときに障害となるため、付着した細胞10等を脱離させる操作が必要となる。本実施形態のマイクロマニピュレータ1では、ハンドリング部34、44がそれぞれ、細胞10等を脱離させる衝撃アクチュエータ75を有している。このため、把持指341に付着した細胞10等を容易に脱離させることができる。
Furthermore, when the
なお、本実施形態では、ハンドリング部34、44に把持機能を発揮する把持指341を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。細胞10に対する操作機能、例えば、切断したり、すくい上げたりする機能に適した形状のエンドエフェクタを使用することができる。このことは、図9(A)に示すように、ナイフ状のエンドエフェクタ342を有するハンドリング部や、図9(B)に示すように、スプーン状のエンドエフェクタ343を有するハンドリング部を用いることで、実現することができる。マイクロマニピュレータ1では、ハンドリング部34、44が軸348を介してZ駆動部31、41にそれぞれ着脱可能に軸支されているため、ハンドリング部34、44を様々な機能を発揮する複数種のハンドリング部の中から選択して容易に交換することができる。この場合に、ハンドリング部の基部から先端部までの長さL(図7参照)が各ハンドリング部で同じに設定されているため、エンドエフェクタごとにハンドリング部の移動距離を調整する手間を回避することができる。
In the present embodiment, the gripping
また、本実施形態では、第2操作ユニット4、第1操作ユニット3に、同じ把持機能の把持指341を有するハンドリング部34、44を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各操作ユニットで異なる機能のエンドエフェクタを有するハンドリング部を使用してもよい。例えば、第1操作ユニット4に把持機能の把持指341を有するハンドリング部、第2操作ユニット3に切断機能のエンドエフェクタ342(図9(A)参照)を有するハンドリング部をそれぞれ使用することができる。このようにすれば、第1操作ユニット4の操作で細胞10を把持し、ハンドリング部44をZ方向にのみ移動させる第2操作ユニット3の操作で細胞10を正確に切断することができる。
Further, in the present embodiment, the handling
更に、本実施形態では、第2操作ユニット4によりXYステージ42をX、Y方向に移動する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、XYステージ42をZ方向にも移動可能としてもよい。このようにすれば、XYステージ42の移動の自由度を高めることができ、ハンドリング部44とXYステージ42に載置された細胞10との相対位置の操作を容易にすることができる。
Furthermore, in the present embodiment, the example in which the
また更に、本実施形態では、複数のリンク及び複数の回転対偶を組み合わせて構成されたパンタグラフ機構317、417を例示したが、リンクの組合せを変えた種々のパンタグラフ機構を採用することができる。また、XY駆動部31、41にパンタグラフ機構を採用することなく、X方向、Y方向の直動機構を採用してもよい。
Furthermore, in the present embodiment, the
更にまた、本実施形態では、ハンドリング部34、44の操作対象を同一の細胞10とする場合を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、操作対象となる細胞が異なっていてもよい。この場合には、第1、第2の操作ユニットでそれぞれの操作対象を操作する。また、XYステージ42に細胞10を載置した状態でXYステージ42を駆動する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、第1操作ユニット3を駆動することで細胞10をXYステージ42に載置するようにしてもよい。
Furthermore, in this embodiment, although the case where the operation object of the handling
また、本実施形態では、コントロールボックス8とマイクロマニピュレータ1とを接続ケーブル8で接続する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、コントロールボックス8に2つのマイコンを搭載し、それぞれを第1操作ユニット3及び第2操作ユニット4に接続するようにしてもよい。また、本実施形態では、顕微鏡5を挟んで両側に第1操作ユニット3、第2操作ユニット4をそれぞれ配置する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、2つの操作ユニットを並べて配置してもよく、それぞれのハンドリング部が直交する向きに配置してもよい。
Moreover, although the example which connects the
本発明は装置全体を複雑にすることなく微小物体を容易かつ適切に操作することができるマイクロマニピュレータを提供することを目的とするため、マイクロマニピュレータの製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。 An object of the present invention is to provide a micromanipulator capable of easily and appropriately manipulating a minute object without complicating the entire apparatus, and thus contributes to the manufacture and sale of micromanipulators. Have potential.
1 マイクロマニピュレータ
3 第1操作ユニット
4 第2操作ユニット
31 XY駆動部(第1移動手段の1部)
33 Z駆動部(第2移動手段の1部)
34 ハンドリング部(第1操作手段)
41 XY駆動部(第3移動手段の1部)
42 XYステージ(移動ステージ)
43 Z駆動部(第4移動手段の1部)
44 ハンドリング部(第2操作手段)
311 X方向アクチュエータ(第1移動手段の1部)
312 Y方向アクチュエータ(第1移動手段の1部)
331 Z方向アクチュエータ(第2移動手段の1部)
341 把持指(操作子)
411 X方向アクチュエータ(第3移動手段の1部)
412 Y方向アクチュエータ(第3移動手段の1部)
431 Z方向アクチュエータ(第4移動手段の1部)
DESCRIPTION OF
33 Z drive part (part of second moving means)
34 Handling part (first operating means)
41 XY drive unit (part of third moving means)
42 XY stage (moving stage)
43 Z drive part (part of fourth moving means)
44 Handling part (second operating means)
311 X direction actuator (part of first moving means)
312 Y-direction actuator (part of the first moving means)
331 Z-direction actuator (part of second moving means)
341 Gripping finger (operator)
411 X direction actuator (part of third moving means)
412 Y direction actuator (part of third moving means)
431 Z-direction actuator (part of fourth moving means)
Claims (9)
前記移動ステージの近傍に配置され、前記微小物体を操作するための第1操作子をX及びY方向に移動させる第1移動手段と、前記第1移動手段に支持され、前記第1操作子をZ方向に移動させる第2移動手段とを有する第1操作ユニットと、
前記移動ステージの近傍であって前記第1操作ユニットとは異なる位置に配置され、前記移動ステージをX及びY方向に移動させる第3移動手段と、微小物体を操作するための第2操作子をZ方向に移動させる第4移動手段とを有する第2操作ユニットと、
を備えたマイクロマニピュレータ。 A moving stage for placing micro objects;
A first moving means that is disposed in the vicinity of the moving stage and moves a first operating element for operating the minute object in the X and Y directions, and is supported by the first moving means, and the first operating element is A first operating unit having second moving means for moving in the Z direction;
A third moving means arranged near the moving stage and different from the first operating unit, for moving the moving stage in the X and Y directions, and a second operating element for operating a minute object. A second operating unit having fourth moving means for moving in the Z direction;
Micromanipulator equipped with.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005322462A JP2007127974A (en) | 2005-11-07 | 2005-11-07 | Micromanipulator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2005322462A JP2007127974A (en) | 2005-11-07 | 2005-11-07 | Micromanipulator |
Publications (1)
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JP2005322462A Abandoned JP2007127974A (en) | 2005-11-07 | 2005-11-07 | Micromanipulator |
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JP (1) | JP2007127974A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013524290A (en) * | 2010-04-15 | 2013-06-17 | モレキュラー マシーンズ アンド インダストリーズ アクチエンゲゼルシャフト | Micro-manipulation system with capillary protection device |
-
2005
- 2005-11-07 JP JP2005322462A patent/JP2007127974A/en not_active Abandoned
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2013524290A (en) * | 2010-04-15 | 2013-06-17 | モレキュラー マシーンズ アンド インダストリーズ アクチエンゲゼルシャフト | Micro-manipulation system with capillary protection device |
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