JP2008000863A - マイクロマニピュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】把持指開閉の微調整可能で操作性の高いマイクロマニュピュレータを提供する。
【解決手段】細胞ハンドリングシステムは、把持アクチュエータ７１の駆動力により２本の把持指の先端部を近接させて細胞を把持するハンドリング部と、ハンドリング部をＸ、Ｙ及びＺ方向に移動させるＸ、Ｙ、Ｚ方向アクチュエータと、ポテンショメータ９ａを有し、アクチュエータ７１の駆動信号を入力するための第１コントローラと、Ｘ、Ｙ、Ｚアクチュエータの駆動信号を入力するための第２コントローラと、ポテンショメータ９ａから出力される電圧とホール素子７１５ａから出力される電圧との差がゼロとなるようにアクチュエータ７１の駆動を制御する把持アクチュエータ制御部７０と、第２コントローラからの入力に応じたパルス数により、Ｘ、Ｙ、Ｚアクチュエータの駆動を制御するＸ、Ｙ、Ｚアクチュエータ制御部と、を備える。
【選択図】図６

Description

本発明はマイクロマニピュレータに係り、特に、アクチュエータの駆動力により２本の把持指の先端部間を近接ないし離間させて微小物体を把持・開放する把持手段と、複数のモータを有し把持手段をＸ、Ｙ及びＺ方向に移動させるＸＹＺ方向移動手段とを具備する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、マイクロマニピュレータの中には微小物体を取り扱うための２本の把持指を有しているものがある。このようなマイクロマニピュレータでは、把持指を作動させるアクチュエータと、アクチュエータの駆動を制御するための制御部と、制御部を介して把持指を操作するための入力部（コントローラ）とを備えており、オペレータが入力部の把持指作動ボタンを押している時間だけ一定速で把持指を開閉する制御（いわゆる時間制御）が用いられている（例えば、特許文献３参照）。

特開平８−１６８９７９号公報 特開平４−３０３８１０号公報 特開２００５−３４２８４４号公報

しかしながら、上記従来技術では、オペレータが入力部の把持指作動ボタンを押している時間に応じて把持指が開閉するため、顕微鏡又は拡大されたディスプレイ視野下で、細胞等の微小物体に損傷を与えず微小物体の把持を適正に行うには経験を必要とした。例えば、１．０秒と１．１秒との違いをオペレータがボタンを押している時間で区別するのは難しく（時間制御による把持指移動の微調整は難しく）、把持指の開閉距離のフルスケールを１．８ｍｍ、フルスケールの開閉時間を５秒とした場合に、１秒間ボタンを押していると開閉距離は３６０μｍ（１．８ｍｍ／５秒）動くので、オペレータのボタン操作に０．１秒の差異が生じると、把持位置に３６μｍの誤差が生じてしまう。このため、把持指による微小物体把持の微調整を行うことは経験を要するものとなっていた。

本発明は上記事案に鑑み、把持指開閉の微調整が可能で操作性の高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、アクチュエータの駆動力により２本の把持指の先端部間を近接ないし離間させて微小物体を把持・開放する把持手段と、複数のモータを有し前記把持手段をＸ、Ｙ及びＺ方向に移動させるＸＹＺ方向移動手段とを具備するマイクロマニュピュレータにおいて、可変抵抗器を有し前記把持手段の駆動信号を入力するための第１の入力部と、前記ＸＹＺ方向移動手段の駆動信号を入力するための第２の入力部と、前記第１の入力部の可変抵抗器の抵抗値に応じて前記把持手段の把持指の先端部間の位置制御を行うように前記アクチュエータの駆動を制御する第１の制御手段と、前記第２の入力部からの入力に応じて前記ＸＹＺ方向移動手段の複数のモータの駆動を制御する第２の制御手段と、を備える。

本発明のマイクロマニピュレータでは、まず、第２の制御手段により、第２の入力部からの入力に応じてＸＹＺ方向移動手段のモータが駆動されることで把持手段がＸ、Ｙ及びＺ方向に移動し、把持指による微小物体の把持が可能な位置に把持手段が位置付けられる。次に、第１の制御手段により、第１の入力部の可変抵抗器の抵抗値に応じて把持手段の把持指の先端部間の位置制御を行うようにアクチュエータの駆動が制御され、把持指の先端部が近接して微小物体が把持される。次いで、オペレータによる操作の必要に応じて、第２の制御手段により、第２の入力部からの入力に応じて把持手段がＸ、Ｙ及びＺ方向に移動し、オペレータの所望の（操作）位置に把持指で微小物体を把持した把持手段が位置付けられる。例えば、微小物体が細胞の場合には、この位置で細胞操作が行われる。そして、第２の制御手段により、第２の入力部からの入力に応じて把持手段がＸ、Ｙ及びＺ方向に移動し、オペレータの所望の（載置）位置に把持手段が位置付けられ、第１の制御手段により、第１の入力部の可変抵抗器の抵抗値に応じて把持手段の把持指の先端部間の位置制御を行うようにアクチュエータの駆動が制御され、把持指の先端部が離間して微小物体が把持指から開放され、オペレータの所望の位置に載置される。本発明によれば、第１の制御手段が第１の入力部の可変抵抗器の抵抗値に応じて把持手段の把持指間の位置制御を行うので、オペレータは、第１の入力部の可変抵抗器のツマミを操作することで、時間を掛けてゆっくりと把持指開閉の微調整を行うことができるため、操作性の高いマイクロマニュピュレータを得ることができる。

本発明において、可変抵抗器は回転式ポテンショメータであることが好ましく、アクチュエータは駆動量を検出するためのホール素子を内蔵したメータであることが好ましい。このとき、第１の制御手段は、ポテンショメータから出力される電圧とホール素子から出力される電圧との差がなくなるようにメータの駆動を制御するようにしてもよい。また、把持指のうち一方の把持指は固定指であり、他方の把持指は可動指であって把持指の先端部間が開くようにバネで付勢されており、メータがバネの付勢力に抗して可動指の先端部を固定指に近接させて微小物体を把持するようにすれば、メータに一方向の電流を流すだけで開閉が可能なため（双方向の電流を流す必要がなくなるので）、第１の制御手段の回路を簡易に構成することができる。また、モータを有し把持手段の把持指の先端部を中心として把持指がＸＹ平面で回動するように把持指の姿勢方向を変更する姿勢変更手段を更に備え、第２の制御手段が、第２の入力部からの入力に応じて姿勢変更手段のモータの駆動を制御するようにしてもよい。更に、モータを有し把持手段の支持軸を中心として把持手段を回動させる回動手段を更に備え、第２の制御手段が、第２の入力部からの入力に応じて回動手段のモータの駆動を制御するようにしてもよい。

本発明によれば、第１の制御手段が第１の入力部の可変抵抗器の抵抗値に応じて把持手段の把持指間の位置制御を行うので、オペレータは、第１の入力部の可変抵抗器のツマミを操作することで、時間を掛けてゆっくりと把持指開閉の微調整を行うことができるため、操作性の高いマイクロマニュピュレータを得ることができる、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ピュレータを、微小物体としての細胞を操作するための細胞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、本実施形態の細胞ハンドリングシステム１００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、ＸＹステージ上に配置され細胞を載置するためのステージ４２と、支柱５２が定盤２に固定されＣＣＤカメラ５５が装着された顕微鏡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の駆動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。）８等を内蔵したコントロールボックスと、を備えている。

ＰＣ６には、ＰＬＣ８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５５からの入力ケーブルが接続されている。従って、細胞ハンドリングシステム１００のオペレータは、モニタ７を介してステージ４２に載置された細胞１０を拡大画面で目視することができる。

ＰＬＣ８にはマイクロマニピュレータ１に対する駆動信号を送出するための接続ケーブル８ａが接続されている。また、ＰＬＣ８には、オペレータがマイクロマニピュレータ１を操作するための第１コントローラ９（第１の入力部）及び第２コントローラ１１（第２の入力部）が接続されている。第１コントローラ９の筺体内には減速ギアを有し抵抗値がほぼリニアに変化する多回転式（本例では１０回転式）ポテンショメータ９ａ（図６参照）が内蔵されており、ポテンショメータ９ａのシャフトには回転ツマミが固着されている。一方、第２コントローラ１１にはゲーム用のコントローラが用いられており、ジョイスティックや十字ボタン等種々のボタンが配設されている。なお、本形態のマイクロマニピュレータ１、ＰＬＣ８、第１コントローラ９、第２コントローラ１１及び接続ケーブル８ａが本発明のマイクロマニピュレータに相当する。

図２に示すように、マイクロマニピュレータ１は、大別して、細胞１０を操作するためのハンドリング部３４と、後述するＸ方向アクチュエータ３１１及びＹ方向アクチュエータ３１２の駆動力によりハンドリング部３４をＸ方向、Ｙ方向に移動させるＸＹ駆動部３１と、後述するＺ方向アクチュエータ３３１の駆動力によりハンドリング部３４をＺ方向に移動させるＺ駆動部３３と、で構成されている。なお、背面パネルには、接続ケーブル８ａを接続するためのコネクタが固定されている。

ＸＹ駆動部３１は、定盤２に固定された４本の支柱で支持された基台２１上に配置されており、Ｚ駆動部３３は後述するようにＸＹ駆動部３１の出力側（パンタグラフ機構３１７の出力リンク３１７ｃ）に支持されている。ＸＹ駆動部３１は、ハンドリング部３４の先端部（エンドエフェクタ３４５ａ、３４７ａの先端部）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学における「揺動」に相当するため、以下、揺動という。）させステージ４２上に載置された細胞１０に対するハンドリング部３４（エンドエフェクタ３４５ａ、３４７ａ）の姿勢方向を変更するθｚアクチュエータ３１５を有している。

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θｋアクチュエータ３６が配置されている。

＜ＸＹ駆動部３１＞
基台２１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。

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に係合した出力部のスライダ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と、スライダ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３１１のスライダ３１１ｃには、ステッピングモータを有し、ハンドリング部３４のＸＹ平面で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の出力軸にはプーリ３１５ａが固着されており、直径がプーリ３１５ａより大きいプーリ３１５ｃとの間にベルト３１５ｂが巻き掛けられている。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θｚ変位を与えることができる。

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つの回転対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にはＺ駆動部３３が支持されている。

＜Ｚ駆動部３３＞
Ｚ駆動部３３のＺ方向アクチュエータ３３１は、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。ギアボックス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。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。減速歯車列の出力端は軸３４８に接続されている。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＞
図３に示すように、ハンドリング部３４は、細胞を把持するために、固定指３４５と可動指３４７との２本の把持指を有している。固定指３４５、可動指３４７には、それぞれ細胞と接触する針状のエンドエフェクタ３４５ａ、３４７ａが取り付けられている。

ハンドリング部３４のベース３４１にはメータ等の把持アクチュエータ７１がブラケット３４２を伴って固定されており、プレート３４３には固定指３４５が組み付けられている（固定されている）。プレート３４３は、固定指３４５が組み付けられた状態で、ベース３４１と一定の隙間を形成してベース３４１に固定されている。この隙間には長板状のレバー３４６が介在している。レバー３４６の先端部一側（Ｚ駆動部３３の反対側）には可動指３４７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３４６ａが突設されている。上述した隙間は、この支点軸３４６ａがプレート３４３の軸受３４３ａとベース３４１の軸受３４１ａとに軸支されることにより画定されている。

レバー３４６の後端には略Ｕ字状のスリット（切り欠き）３４６ｂが形成されている。スリット３４６ｂには把持アクチュエータ７１の出力ピン７１１ｃ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３４６が支点軸３４６ｂを中心として回動することで、固定指３４５のエンドエフェクタ３４５ａに可動指３４７のエンドエフェクタ３４７ａが近接ないし離間し、細胞の把持ないし把持した細胞の開放を行うことができる。なお、可動指３４７はエンドエフェクタ３４５ａ、３４７ａ間が開放する方向に図示を省略したバネで引っ張られており、把持アクチュエータ７１はこのバネの力に抗して可動指３４７のエンドエフェクタ３４７ａを固定指３４５のエンドエフェクタ３４５ａに近接させる。また、エンドエフェクタ３４５ａ、３４７ａは、先端同士が接触するように、固定指３４５及び可動指３４７に配設されたネジで調整可能である。

図４に示すように、把持アクチュエータ７１は、中央部に直径方向に２極着磁された円筒型永久磁石７１１を有している。永久磁石７１１は、中央部に回動軸７１１ａ−７１１ｂが貫通しており、底部に、アームが延出された円環状部材が固着されている。アームからは上述したレバー３４６のスリットに係合する出力ピン７１１ｃが下方に延出されている。なお、アーム及び出力ピン７１１ｃは円環状部材に一体形成されている。永久磁石７１１は、内側に円柱状の空間を有し上部に４本の端子ピン７１２ａが固定されたコイル枠７１２及びコイル枠７１２の底側に嵌合された底蓋７１３の中に収容されており、回動軸７１１ａ−７１１ｂの上下端部は、コイル枠７１２と底蓋７１３とに回動可能に軸支されている。

コイル枠７１２の外側には、永久磁石７１１を回動させるトルクを生成するための図示を省略した被覆銅線コイルが捲回されている。被覆銅線コイルの両端部は端子ピン７１２ａに接続されている。

コイル枠７１２は、ギャップを有し永久磁石７１１の磁力線に閉ループを形成し磁気回路を効率よく構成するための継鉄７１４内に収容されている。継鉄７１４は底蓋７１３に固定されており、底蓋７１３にはアームの回動角を規制する角度規制部材が一体形成されている。継鉄７１４の上方には、接続ケーブル８ａを介してＰＬＣ８の把持アクチュエータ制御部７０（図５、図６参照）と接続されるフレキシブルプリント基板７１５が配置されている。フレキシブルプリント基板７１５には、４本の端子ピン７１２ａがそれぞれ接続されている。フレキシブルプリント基板７１５には永久磁石７１１の回動変位（駆動量）を検出するホール素子７１５ａが実装されており、ホール素子７１５ａは端子ピン７１２ａに接続されている。ホール素子７１５ａはコイル枠７１２と継鉄７１４との間に挿入されている。すなわち、ホール素子７１５ａは把持アクチュエータ７１に内蔵されている。なお、把持アクチュエータ７１は継鉄７１４の上側に配置される上蓋を有しているが、図４ではこの上蓋を捨象している。

また、ハンドリング部３４は、（固定）エンドエフェクタ３４５ａや（可動）エンドエフェクタ３４７ａに付着した細胞１０を脱離させるために、固定指３４５及び可動指３４７に衝撃を付与する衝撃アクチュエータ（不図示）を有している。ハンドリング部３４は、軸３４８に軸支するための基台を有しており、基台に挿入された軸３４８がネジで固定されている。基台は、プランジャ部及びコイル部を有するプランジャソレノイドで構成された衝撃アクチュエータを内蔵している。基台の上方に延出したアームに形成された穴には、把持ベース７４が軸支されている。プランジャ部の一側は把持ベース７４の下方に延出したアーム部に軸支されており、プランジャ部の他側はコイル部内に挿入されている。

把持ベース７４の側面に突設されたピンと、基台の側面に突設されたピンとの間にはコイルバネが掛け渡されており、基台に対して把持ベース７４を、軸支された軸を回転支点として時計回り（ＣＷ方向）に付勢しており、この付勢力でストッパが基台に当接した状態に保たれている。

＜ＰＬＣ８＞
図５に示すように、ＰＬＣ８は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭの他に、Ｄ／Ａコンバータ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｉ／Ｏ、並びに、Ｘ方向アクチュエータ制御部、Ｙ方向アクチュエータ制御部、Ｚ方向アクチュエータ制御部、θｚアクチュエータ制御部、θｋアクチュエータ制御部等のアクチュエータ制御部（第２の制御手段）を有して構成されている。なお、図５では衝撃アクチュエータを制御する衝撃アクチュエータ制御部を捨象している。ＰＬＣ８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。

また、ＰＬＣ８は、第２コントローラ１１から入力された命令を各アクチュエータの駆動（パルス）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に送出する。すなわち、オペレータが、Ｘ方向アクチュエータ３１１、Ｙ方向アクチュエータ３１２、Ｚ方向アクチュエータ３３１、θｚアクチュエータ３１５、θｋアクチュエータ３６を駆動させるために第２コントローラに割り当てられた各ボタンを押下すると、ＰＬＣ８は入力信号を取り込み、Ｘ方向アクチュエータ制御部、Ｙ方向アクチュエータ制御部、Ｚ方向アクチュエータ制御部、θｚアクチュエータ制御部、θｋアクチュエータ制御部においてアクチュエータを駆動させるパルス（ステップ信号）を各アクチュエータに送出する。

更に、ＰＬＣ８は、本発明の特徴の一つであり、第１コントローラ９から入力され信号（ポテンショメータ９ａから出力された電圧）により把持アクチュエータ７１の駆動を制御する把持アクチュエータ制御部７０を有している。

図６に示すように、把持アクチュエータ制御部７０は複数のＯＰアンプ及び図示を省略した抵抗等を有するアナログ回路で構成されている。この回路の機能を簡単に説明すると、トライブ用ＯＰアンプは把持アクチュエータ７１に電流を流すための回路素子であり（上述したように、可動指３４７がエンドエフェクタ３４５ａ、３４７ａ間が開放する方向に図示を省略したバネで引っ張られているため、一方向に電流を流すだけでエンドエフェクタ３４５ａ、３４７ａの先端部の近接・離間が可能である。）、位置制御用ＯＰアンプはポテンショメータ９ａから出力される電圧とホール素子７１５ａから出力される電圧との差がゼロとなるように制御するための回路素子である。つまり、把持アクチュエータ制御部７０は、オペレータがポテンショメータ９ａの回転ツマミを回すと、ホール素子７１５ａとの電圧差が発生するので、この差がゼロとなるように把持アクチュエータ７１に流れる電流を制御する回路である。

（動作）
次に、本実施形態の細胞ハンドリングシステム１００の動作について、マイクロマニュピュレータ１の細胞把持・開放動作を中心として、マイクロマニュピュレータ１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、ＸＹステージを駆動させた後（細胞１０が載置されたステージ４２を顕微鏡５下に位置させた後）、第２コントローラ１１を操作して、ステージ４２上に載置された細胞１０及びハンドリング部３４のエンドエフェクタ３４５ａ、３４７ａを、顕微鏡５、ＣＣＤカメラ５５及びＰＣ６を介して、モニタ７の画面内に捉える。すなわち、オペレータは、第２コントローラ１１からコントロールボックスのＰＬＣ８を介してマイクロマニュピュレータ１のハンドリング部３４をＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に駆動し、エンドエフェクタ３４５ａ、３４７ａを細胞１０の近傍に位置付け細胞１０及びエンドエフェクタ３４５ａ、３４７ａをモニタ７の画面内に捉え、更に、細胞１０をエンドエフェクタ３４５ａ、３４７ａで把持可能な位置に位置付ける。このとき、ＰＬＣ８及びマイクロマニピュレータ１の動作は次の通りである。

＜Ｘ方向駆動＞
第２コントローラ１１のＸ方向駆動ボタンが押下されると、ＰＬＣ８は入力コンマド（Ｘ方向駆動ボタンが押下されたこと及び押下時間等）を取り込み、Ｘ方向アクチュエータ制御部に、Ｘ方向駆動ボタンの押下時間に応じたパルス数（ステップ数）の駆動信号を、接続ケーブル８ａを介してＸ方向アクチュエータ３１１に対して出力させる。マイクロマニピュレータ１側では、Ｘ方向アクチュエータ３１１に駆動信号が与えられると、ステッピングモータ３１１ａが、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Ｘ方向に移動させる。

＜Ｙ方向駆動＞
第２コントローラ１１のＹ方向駆動ボタンが押下されると、ＰＬＣ８は入力コンマドを取り込み、Ｙ方向アクチュエータ制御部に、Ｙ方向駆動ボタンの押下時間に応じたパルス数（ステップ数）の駆動信号をＹ方向アクチュエータ３１２に対して出力させる。Ｙ方向アクチュエータ３１２に駆動信号が与えられると、Ｘ方向アクチュエータ３１１の場合と同様に、ステッピングモータ３１２ａは、ボールネジを回転させ、スライダを介して、パンタグラフ機構３１７のＹ方向入力リンク３１７ｂをＹ方向に移動させる。

＜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拡大ないし縮小されて出力される。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、オペレータによる第２コントローラ１１のＸ方向駆動ボタン及びＹ方向駆動ボタンの押下時間に応じてＸＹ方向に移動される。

＜Ｚ方向駆動＞
第２コントローラ１１のＺ方向駆動ボタンが押下されると、ＰＬＣ８は入力コンマドを取り込み、Ｚ方向アクチュエータ制御部に、Ｚ方向駆動ボタンの押下時間に応じたパルス数（ステップ数）の駆動信号をＺ方向アクチュエータ３３１に対して出力させる。Ｚ方向アクチュエータ３３１に駆動信号が与えられると、ステッピングモータ３３１ａの回転駆動力がギアボックス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。

次に、オペレータは、第２コントローラ１１を操作して、マイクロマニュピュレータ１のハンドリング部３４を上述したθｚ方向及びθｋ方向に駆動し、細胞１０に対するエンドエフェクタ５０５ａ、５０７ａの相対位置を補正する。このような補正操作を行う理由は、細胞１０には把持するのに不適当な箇所や細胞１０が球状のみならず、例えば、楕球状のものや一方向に長い直方体状のものがあるからである。このとき、ＰＬＣ８及びマイクロマニピュレータ１の動作は次の通りである。

＜θｚ駆動＞
第２コントローラ１１のθｚ駆動ボタンが押下されると、ＰＬＣ８は入力コンマドを取り込み、θｚアクチュエータ制御部に、θｚ駆動ボタンの押下時間に応じたパルス数（ステップ数）の駆動信号をθｚアクチュエータ３１５に対して出力させる。θｚアクチュエータ３１５に駆動信号が与えられると、ベルト３１５ｂを介してプーリ３１５ｃの回動軸が回動され、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）が与えられる。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、エンドエフェクタ３４５ａ、３４７ａの先端部を中心として細胞１０に対するＸＹ平面での姿勢方向が変更される。

＜θｋ駆動＞
第２コントローラ１１のθｋ駆動ボタンが押下されると、ＰＬＣ８は入力コンマドを取り込み、θｋアクチュエータ制御部に、θｋ駆動ボタンの押下時間に応じたパルス数（ステップ数）の駆動信号をθｋアクチュエータ３６に対して出力させる。θｋアクチュエータ３６に駆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を中心として回動し、エンドエフェクタ３４５ａ、３４７ａの細胞１０に対する姿勢方向が変更される。

エンドエフェクタ３４５ａ、３４７ａが細胞１０に対して適正な姿勢となると、オペレータは、第１コントローラ９を操作して、ハンドリング部３４のエンドエフェクタ３４５ａ、３４７ａの先端部で細胞１０を把持させる。このとき、ＰＬＣ８及びマイクロマニピュレータ１の動作は次の通りである。

＜把持駆動＞
第１コントローラ９のポテンショメータ９ａのシャフトに固着された回転ツマミが回されると、ＰＬＣ８の把持アクチュエータ制御部７０は、上述したように、位置制御用ＯＰアンプによりポテンショメータ９ａから出力される電圧とホール素子７１５ａから出力される電圧との差がなくなるように把持アクチュエータ７１に流れる電流を制御する（図６参照）。換言すれば、オペレータがポテンショメータ９ａの回転ツマミの回転角度に応じて、（可動）エンドエフェクタ３４７ａが（固定）エンドエフェクタ３４５ａに近接する。

本例では１０回転式ポテンショメータを用いているので、ポテンショメータ９ａのフルスケールは３６００°であり、エンドエフェクタ３４５ａ、３４７ａの先端部間の開閉フルスケールを１．８ｍｍとすれば（上述したように、固定指３４５及び可動指３４７に配設されたネジで若干の調整が可能である。）、１．８ｍｍ／３６００°＝０．５μｍとなり、ポテンショメータ９ａの回転ツマミを１°回せば（可動）エンドエフェクタ３４７ａの先端部を０．５μｍ、１０°でも５μｍの精度で駆動することができ、オペレータはモニタ７を参照しつつ、ポテンショメータ９ａの回転ツマミを落ち着いて操作してエンドエフェクタ３４５ａ、３４７ａの先端部で細胞１０を把持することができる。なお、本例では説明を簡単にするために、ハンドリング部３４のエンドエフェクタ３４５ａ、３４７ａで細胞１０を把持する例（細胞１０の位置移動）についてのみ説明するが、この状態で別のマイクロマニピュレータよりマイクロマニピュレータ１で把持した細胞１に対して細胞操作を行うようにしてもよい。

次に、オペレータは、第１コントローラ９及び第２コントローラ１１を操作して、ハンドリング部３４のエンドエフェクタ３４５ａ、３４７ａの先端部で把持した細胞１０を所望の位置に載置する。すなわち、オペレータは、第２コントローラ１１のＸ方向駆動ボタン、Ｙ方向駆動ボタン、Ｚ方向駆動ボタンを押下することにより、エンドエフェクタ３４５ａ、３４７ａの先端部で把持した細胞１０を所望の位置まで移動させる。細胞１０の載置方向を補正する必要がある場合には、第２コントローラ１１のθｚ駆動ボタン、θｋ駆動ボタンを押下することにより、エンドエフェクタ３４５ａ、３４７ａの先端部で把持した細胞１０の載置方向を修正する。次いで、第１コントローラ９のポテンショメータ９ａの回転ツマミを把持回転方向とは逆の方向に回転させることにより（可動）エンドエフェクタ３４７ａを（固定）エンドエフェクタ３４５ａから離間させることで、細胞１０を開放する。

細胞１０等のサイズのミクロ界では、一般自然（マクロ）界の力学関係とは異なり、エンドエフェクタ３４５ａ、３４７ａが有する静電気による吸引力や細胞１０に付着した水等の液体の表面張力が大きく作用し、（可動）エンドエフェクタ３４７ａを（固定）エンドエフェクタ３４５ａから離間させただけでは、細胞１０がエンドエフェクタ３４５ａ、３４７ａから離脱しない場合がある。このような場合に、オペレータは、第２コントローラ１１の衝撃アクチュエータ駆動ボタンを押下し、衝撃アクチュエータ制御部を介して衝撃アクチュエータを駆動させ、衝撃アクチュエータの衝撃により細胞１０をエンドエフェクタ３４５ａ、３４７ａから離脱させる。

＜衝撃駆動＞
第２コントローラ１１の衝撃アクチュエータ駆動ボタンが押下されると、ＰＬＣ８は入力コンマドを取り込み、図示を省略した衝撃アクチュエータ制御部に衝撃アクチュエータを作動させる。すなわち、衝撃アクチュエータを構成するプランジャソレノイドのコイル部に電圧が印加されると起磁力が生じ、プランジャ部がコイル部内に引きつけられる。プランジャ部の移動に伴い、アーム部を介して、把持ベース７４を、軸支された軸を回転支点として、コイルバネ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、基台に当接していたストッパが基台から離間する。把持ベースの回転は、プランジャ部がコイル部内のストッパに当接することにより停止する。コイル部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、ストッパが基台に当接することにより、把持ベースの回転が停止する。プランジャ部の動作は短時間で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３４５ａ、３４７ａの先端部に付着した細胞１０等を慣性力の作用を利用して脱離させることができる。

オペレータは、細胞１０の把持と所望の位置への移動が終了したので、ハンドリング部３４を退避させる指令を第２コントローラ１１のＸ方向駆動ボタン、Ｙ方向駆動ボタン及びＺ方向駆動ボタンで入力した後、基準位置ボタンを押下する。基準位置ボタンが押下されると、ＰＬＣ８は、θｚアクチュエータ制御部及びθｋアクチュエータ制御部を介してθｚアクチュエータ３１５、θｋアクチュエータ３６を駆動して、ハンドリング部３４を予め定められたθｚ方向及びθｋ方向の基準位置に位置させる。これにより、細胞ハンドリングシステム１００による一連の動作が終了する。なお、ＰＣ６はＰＬＣ８から送られた各アクチュエータのステータスを数値等に変換してオペレータによる第２コントローラの操作によりモニタ７に表示することが可能である。

（作用等）
次に、本実施形態の細胞ハンドリングシステム１００の作用等について説明する。

本実施形態の細胞ハンドリングシステム１００は、第２コントローラ１１の他に第１コントローラ９を備えており、エンドエフェクタ３４５ａ、３４７ａの近接、離間動作を、従来技術の第２コントローラ１１を操作して行うのではなく、ポテンショメータ９ａを有する第１コントローラ９で行っている。換言すれば、エンドエフェクタ３４５ａ、３４７ａの近接、離間動作を、いわば、時間制御（ボタンを押した時間に対応したパルス数をアクチュエータに送出する制御）ではなく、位置制御（ポテンショメータ９ａのツマミの回転に併せて（可動）エンドエフェクタ３４７ａに対する（固定）エンドエフェクタ３４７ａの位置を制御）している。

従来の細胞ハンドリングシステムでは、発明が解決しようとする課題欄に記載した通り、入力部（本発明の第２コントローラ１１に相当）のボタン操作に０．１秒の差異が生じると、把持位置に３６μｍの誤差が生じてしまう。この誤差のために、細胞１０の細胞膜が薄く柔らかい場合には細部１０に損傷を与えるという不都合や、逆に、細胞１０の細胞膜が堅い場合には細部１０が弾け飛んでしまうという不都合が生じ、取り扱う細胞に対する操作性の問題が生じていた。従って、従来の細胞ハンドリングシステムでは、細胞把持の信頼性を向上させるために、取り扱う細胞に対する十分な知識と細胞ハンドリングシステムの操作経験が必須であった。これに対し、本実施形態の細胞ハンドリングシステム１００では、上述した構成、制御（第１コントローラ９及びＰＬＣ８内の把持アクチュエータ制御部７０、並びに、位置制御）を採用したので、エンドエフェクタ３４５ａ、３４７ａ間の開閉をポテンショメータ９ａの回転ツマミの回転角度に比例させ、ツマミを１°回すことで０．５μｍ（１０°で５μｍ）の精度で動かすことができる。このため、回転ツマミを速く回せば（可動）エンドエフェクタ３４７ａは速く（固定）エンドエフェクタ３４５ａに近接（離間）し、ゆっくり回せばエンドエフェクタ３４７ａはゆっくり（固定）エンドエフェクタ３４５ａに近接（離間）するため、モニタ７を参照しつつ、エンドエフェクタ３４５ａ、３４７ａによる細胞１０の把持を時間にとらわれず、落ち着いて行うことができる。従って、従来の細胞ハンドリングシステムのように、細胞１０に損傷を与えたり、弾き飛ばしてしまうという不都合を回避でき、例えば、赤血球や卵細胞等の弾力性が異なると予想される細胞でも適切に把持することができ、細胞ハンドリングシステム１００の信頼性を高めることができる。

なお、本実施形態では、第１コントローラ９に内蔵した可変抵抗器に多回転式ポテンショメータ９ａを例示したが、本発明はこれに制限されるものではない。例えば、直線状のスライドボリュームや感圧センサ等を用いるようにしてもよい。また、ロータリエンコーダを用い、把持アクチュエータ制御部７０の回路をエンコーダに応じて変更するようにしてもよい。

また、本実施形態では、把持アクチュエータ７１の駆動量を検出するためにホール素子７１５ａを例示したが、例えば、ロータリエンコーダ等を使用して永久磁石７１１の回動角度を検出するようにしてもよい。

更に、本実施形態では、把持アクチュエータ制御部７０を構成する回路素子数を少なくするために、可動指３４７をバネで引っ張り（エンドエフェクタ３４５ａ、３４７ａ間が開くようにバネで付勢しており）、把持アクチュエータ７１に流れる電流を一方向に流す例を示したが、可動指３４７を引っ張るバネをなくし、図７に示すように、把持アクチュエータ７１の双方向に電流を流す構成を採るようにしてもよい。更にまた、把持アクチュエータ７１に流れる電流を制御することに代えて、電流を一定として電圧を制御するようにしてもよい。

また、本実施形態では、把持アクチュエータ７１により支点軸３４６ａを中心に可動指３４７を回動させる例を示したが、本発明はこれに制限されず、例えば、エンドエフェクタ３４５ａ、３４７ａ間の距離が狭まるように（エンドエフェクタ３４７ａの先端がエンドエフェクタ３４５ａの先端に近接するように）可動指３４７をスライドさせるように構成してもよく、更には、固定指３４５も可動とし２本の把持指の双方が近接、離間可能に構成してもよい。

更にまた、本実施形態では、ＰＬＣ８、ＰＣ６を例示したが、専用回路を構成するようにしてもよい。更に、本実施形態では、微小物体として細胞１０を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、金属やマイクロチップ（小型回路素子）等の硬質の微小物体を操作することも可能である。

本発明は把持指開閉の微調整が可能で操作性の高いマイクロマニュピュレータを提供するものであるため、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。

本発明が適用可能な実施形態の細胞ハンドリングシステムの概略構成図である。 細胞ハンドリングシステムのマイクロマニピュレータの斜視図である。 マイクロマニピュレータのハンドリング部の分解斜視図である。 ハンドリング部の把持アクチュエータの分解斜視図である。 ＰＬＣの概略構成を示すブロック図である。 ＰＬＣの把持アクチュエータ制御部の概略回路図である。 他の実施形態におけるＰＬＣの把持アクチュエータ制御部の概略回路図である。

符号の説明

１ マイクロマニピュレータ
８ ＰＬＣ（第１の制御手段、第２の制御手段）
９ 第１コントローラ（第１の入力部）
９ａ ポテンショメータ（可変抵抗器）
１１ 第２コントローラ（第２の入力部）
３４ ハンドリング部（把持手段）
３６ θｋアクチュエータ（回動手段の一部）
７０ 把持アクチュエータ制御部（第１の制御手段）
７１ 把持アクチュエータ（アクチュエータ）
１００ 細胞ハンドリングシステム
３１１ Ｘ方向アクチュエータ（ＸＹＺ方向移動手段の一部）
３１２ Ｙ方向アクチュエータ（ＸＹＺ方向移動手段の一部）
３１５ θｚアクチュエータ（姿勢変更手段の一部）
３１７ パンタグラフ機構（ＸＹＺ方向移動手段の一部）
３３１ Ｚ方向アクチュエータ（ＸＹＺ方向移動手段の一部）
３１１ａ、３１２ａ、３３１ａ ステッピングモータ
３４５ 固定指（把持指）
３４５ａ エンドエフェクタ（先端部）
３４７ 可動指（把持指）
３４７ａ エンドエフェクタ（先端部）
７１５ａ ホール素子

Claims (7)

1. アクチュエータの駆動力により２本の把持指の先端部間を近接ないし離間させて微小物体を把持・開放する把持手段と、複数のモータを有し前記把持手段をＸ、Ｙ及びＺ方向に移動させるＸＹＺ方向移動手段とを具備するマイクロマニュピュレータにおいて、
   可変抵抗器を有し前記把持手段の駆動信号を入力するための第１の入力部と、
   前記ＸＹＺ方向移動手段の駆動信号を入力するための第２の入力部と、
   前記第１の入力部の可変抵抗器の抵抗値に応じて前記把持手段の把持指の先端部間の位置制御を行うように前記アクチュエータの駆動を制御する第１の制御手段と、
   前記第２の入力部からの入力に応じて前記ＸＹＺ方向移動手段の複数のモータの駆動を制御する第２の制御手段と、
   を備えたマイクロマニュピュレータ。
2. 前記可変抵抗器は回転式ポテンショメータであ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. 前記アクチュエータは駆動量を検出するためのホール素子を内蔵したメータであ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. 前記第１の制御手段は、前記ポテンショメータから出力される電圧と前記ホール素子から出力される電圧との差がなくなるように前記メータの駆動を制御することを特徴する請求項３に記載のマイクロマニピュレータ。
5. 前記把持指のうち一方の把持指は固定指であり、他方の把持指は可動指であって前記把持指の先端部間が開くようにバネで付勢されており、前記メータは前記バネの付勢力に抗して前記可動指の先端部を前記固定指に近接させて微小物体を把持することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のマイクロマニピュレータ。
6. モータを有し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ＸＹ平面で回動するように前記把持指の姿勢方向を変更する姿勢変更手段を更に備え、前記第２の制御手段は、前記第２の入力部からの入力に応じて前記姿勢変更手段のモータの駆動を制御することを特徴する請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のマイクロマニピュレータ。
7. モータを有し前記把持手段の支持軸を中心として前記把持手段を回動させる回動手段を更に備え、前記第２の制御手段は、前記第２の入力部からの入力に応じて前記回動手段のモータの駆動を制御することを特徴する請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のマイクロマニピュレータ。

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