JP2019095655A - マイクロマニピュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】微小物体の捕捉が容易なエンドエフェクタを備えた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は、微小物体にアクセスするための２つのエンドエフェクタ１０７、１０８と、エンドエフェクタ１０７、１０８の先端部を近接ないし離間させるアクチュエータを有するハンドリング部と、ハンドリング部を移動させる変位合成部およびＺ方向移動部とを備えている。エンドエフェクタ１０７、１０８の微小物体に接触する接触部分の形状が互いに異なっている。【選択図】図７

Description

本発明はマイクロマニピュレータに係り、特に、微小物体にアクセスするための２つのエンドエフェクタを備えたマイクロマニ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、微小物体にアクセスする（例えば、把持する）ためエンドエフェクタを有するハンドリング部を移動させる移動機構を備えており、マイクロマニ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１には、ハンドリング部に微小物体を把持するための２本の把持指を有し、これらの把持指にそれぞれ針状エンドエフェクタが装着されたマイクロマニピュレータが開示されている。また、特許文献２には、２つのマイクロマニピュレータを用い、一方のマイクロマニピュレータのハンドリング部の２つの針状エンドエフェクタで液滴中の微小物体（結晶）を捕捉し、他方のマイクロマニピュレータのハンドリング部のエンドエフェクタの形状をループ状とし表面張力を利用して液滴から微小物体を離隔する捕捉装置が開示されている。

特許第４８０６２２９号公報 特開２００４−３２５０８９号公報

ところが、把持対象の微小物体（例えば、細胞や微生物など）が水溶液中に浮遊しているような場合には、特許文献１に開示された針状エンドエフェクタの先端部で微小物体を把持しようとすると、水圧や浮力などの影響で微小物体が２本のエンドエフェクタの先端部間からすり抜けてしまい、簡単に把持（捕捉）することは難しい。

また、特許文献２に開示されたループ状のエンドエフェクタでは表面張力を利用して微小物体を離隔するが、水溶液中では微小物体がループを通り抜けてしまうため使用できず、また、表面張力は水溶液成分により異なるため同じ大きさのループだと微小物体を簡単に離隔することが難しい。

本発明は上記事案に鑑み、微小物体の捕捉が容易なエンドエフェクタを備えたマイクロマニ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、微小物体にアクセスするための２つのエンドエフェクタと、前記エンドエフェクタの先端部を近接ないし離間させるハンドリング部と、前記ハンドリング部を移動させる移動部と、を備え、前記エンドエフェクタの前記微小物体に接触する接触部分の形状が互いに異なることを特徴とする。

本発明において、エンドエフェクタのいずれか一方の接触部分が凹状であり、いずれか他方の接触部分が凸状であってもよい。この場合に、凹状および凸状の接触部分は、ハンドリング部でエンドエフェクタの先端部を近接させたときに、凸状の接触部分の先端が凹状の接触部分内に侵入可能なようにエンドエフェクタの先端部に形成されていてもよい。また、凹状および凸状の接触部分の少なくとも一方に複数の貫通穴が形成されていてもよい。このとき、貫通穴が網状に形成されていてもよい。

また、エンドエフェクタの先端部の形状が針状または板状であり、エンドエフェクタの後端部がハンドリング部の２つの把持指にそれぞれ装着されていてもよい。このとき、２つの把持指のうち少なくとも一方が可動指であることが望ましい。

さらに、エンドエフェクタの先端部の形状が針状であり、凹状および凸状の接触部分がエンドエフェクタの先端部を切り欠くことにより形成されていてもよい。または、エンドエフェクタの先端部の形状が板状であり、エンドエフェクタのいずれか一方がハンドリング部の固定指に装着されいずれか他方がハンドリング部の可動指に装着されており、可動指に装着されたエンドエフェクタの接触部分がインジェクションであってもよい。このとき、インジェクションはチューブを介してハンドリング部の側面に沿って配設された注射筒に接続されていてもよい。

本発明によれば、エンドエフェクタの微小物体に接触する接触部分の形状が互いに異なるので、微小物体を容易に捕捉することができる、という効果を得ることができる。

本発明が適用可能な第１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。 第１実施形態の微小物体ハンドリングシステムを構成する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平面図である。 マイクロマニピュレータの正面図である。 マイクロマニピュレータの背面図である。 マイクロマニピュレータを構成するハンドリング部の先端ユニット内部部材の分解斜視図である。 先端ユニットの把持指に装着されたエンドエフェクタの先端部の斜視図であり、（Ａ）はエンドエフェクタ先端部を一方向から見たとき、（Ｂ）はエンドエフェクタ先端部を（Ａ）の反対方向から見たとき、（Ｃ）はエンドエフェクタ先端部を先端側から見たときを示す。 Ｚ方向移動部の連結部材とハンドリング部の基部ユニットとの関係を模式的に示す説明図である。 ハンドリング部をＹＺ平面で回動することにより生じるＹ方向の変位を模式的に示す説明図である。 保存溶液中でのエンドエフェクタ先端部による微小物体への作用を模式的に示す説明図である。 本発明が適用可能な第２実施形態の微小物体ハンドリングシステムを構成するマイクロマニピュレータのハンドリング部のエンドエフェクタを模式的に示す説明図であり、（Ａ）はエンドエフェクタの概略構成、（Ｂ）は固定指側のエンドエフェクタの先端部に微小物体を保持した状態、（Ｃ）は微小物体にインジェクション先端を差し込み溶液を注液した状態を示す。 保存溶液中での従来のエンドエフェクタ先端部による微小物体への作用を模式的に示す説明図であり、（Ａ）は微小物体が保存溶液に浮遊している状態、（Ｂ）は微小物体がバランスを崩す状態を示す。

１．第１実施形態
以下、図面を参照して、本発明を、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第１の実施の形態について説明する。

１−１．構成
１−１−１．微小物体ハンドリングシステム２０
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２０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ピュレータ１００と、定盤１に固定されマイクロマニピュレータ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のスレーブコンピュータとしてマイクロマニピュレータ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への出力ケーブルおよび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、マイクロマニピュレータ１００と接続ケーブル８ａで接続されているとともに、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内の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２０のオペレータは、顕微鏡２の接眼レンズから直接、または、モニタ７を介して、ステージ３上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およ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ともに、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し、さらに、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ピュレータ１００に出力する。

１−１−２．マイクロマニピュレータ１００
図２に示すように、マイクロマニピュレータ１００は、架台４（図１参照）に固定される基台１５０を有しており、大別して、微小物体にアクセスするためのエンドエフェクタ（接触子）を有するハンドリング部１０３と、ハンドリング部１０３をＹＺ平面で回動可能に支持するとともに、ハンドリング部１０３をＺ方向に移動させるＺ方向移動部１０２と、入力されたＸ方向、Ｙ方向変位およびエンドエフェクタの揺動変位を合成してＺ方向移動部１０２に出力する変位合成部１０１と、ハンドリング部１０３のＹＺ平面での回動により生じるＹ方向の変位分をオフセットするθｖ補正部１０４とで構成されている。

（１）変位合成部１０１
図３〜図５に示すように、変位合成部１０１は、Ｙ方向入力リンク１４１、Ｘ方向入力リンク１４２および出力リンク１４４を有するパンタグラフ機構１４０と、Ｘ方向入力リンク１４２にＸ方向変位を供給するＸ駆動部１２１と、Ｙ方向入力リンク１４１にＹ方向変位を供給するＹ駆動部１２２と、Ｙ方向入力リンク１４１にエンドエフェクタの揺動変位を供給するθｚ駆動部１２３とで構成されている。

＜パンタグラフ機構１４０＞
図３に示すように、パンタグラフ機構１４０は、上述したＹ方向入力リンク１４１、Ｘ方向入力リンク１４２の他に７つの接続リンク１４５を有しており、各リンクは各回転対偶１４６を中心に回動可能に接続されている。Ｙ方向入力リンク１４１に入力されたＹ方向変位およびエンドエフェクタの揺動変位、並びに、Ｘ方向入力リンク１４２に入力されたＸ方向変位は、これらの接続リンク１４５を介して合成拡大されて出力リンク１４４に出力される。このようなパンタグラフ機構の詳細構成、作動原理等は背景技術欄で挙げた特許文献１に詳しく開示されている。なお、パンタグラフ機構１４０は、Ｘ駆動部１２１、Ｙ駆動部１２２およびθｚ駆動部１２３と干渉しないように上方に配置されている。

＜Ｘ駆動部１２１＞
図３に示すように、Ｘ駆動部１２１は、基台１５０に立設された支持部材１４９に固定されており、エンコーダを有し正逆転可能なＸ方向アクチュエータ１２６（ステッピングモータ）と、Ｘ方向アクチュエータ１２６の出力軸であってエンコーダの反対側に配されたボールネジ１３１に係合するスライダ１３２と、スライダ１３２が摺動可能な直進ガイドレール１３３とで構成されている。スライダ１３２は上述したパンタグラフ機構１４０のＸ方向入力リンク１４２に接続されている。

＜Ｙ駆動部１２２＞
図４に示すように、Ｙ駆動部１２２は、上述したＸ駆動部１２１と交差する方向で基台１５０に固定されており、Ｘ駆動部１２１と同様に、エンコーダを有し正逆転可能なＹ方向アクチュエータ１２５（ステッピングモータ）と、Ｙ方向アクチュエータ１２５の出力軸であってエンコーダの反対側に配されたボールネジ１３４に係合するスライダ１３５と、スライダ１３５が摺動可能な直進ガイドレール１３６とで構成されている。θｚアクチュエータ１２７（後述）は、板状のθｚ取り付け台１３７、スライダ１３５を介して直進ガイドレール１３６に取り付けられている。

＜θｚ駆動部１２３＞
図４に示すように、θｚ駆動部１２３は、ハンドリング部１０３のエンドエフェクタの先端を中心としてハンドリング部１０３を回動（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３に載置された微小物体に対するハンドリング部１０３のエンドエフェクタの先端の姿勢方向を変更する駆動力（上述した揺動変位）を、パンタグラフ機構１４０のＹ方向入力リンク１４１に供給する。θｚ駆動部１２３はＹ駆動部１２２と一体化されている。

θｚ駆動部１２３は、θｚ取り付け台１３７に取り付けられた正逆転可能なθｚアクチュエータ１２７（ステッピングモータ）と、両側端部がθｚ取り付け台１３７およびカバー１３８の上面でそれぞれ軸支されθｚアクチュエータ１２７からの駆動力を減速するための減速歯車列１４８と、減速歯車列１４８の出力をパンタグラフ機構１４０のＹ方向入力リンク１４１に伝達するためのレバー１４３とで構成されている。

図３に示すように、レバー１４３は支点１４７を中心に回動可能に構成されており、レバー１４３の先端部はパンタグラフ機構１４０のＹ方向入力リンク１４１と一体化されている。従って、Ｙ方向入力リンク１４１には、レバー１４３を介してＹ駆動部１２２によるＹ方向変位およびθｚ駆動部１２３による揺動変位が入力される。

なお、上述した接続ケーブル８ａ（図１参照）は基台１５０に固定され図示を省略した中継基板に接続されており、この中継基板を介してＹ方向アクチュエータ１２５、Ｘ方向アクチュエータ１２６およびθｚアクチュエータ１２７に駆動パルスが供給される。

（２）Ｚ方向移動部１０２
図４および図５に示すように、Ｚ方向移動部１０２は、正逆転可能なＺ方向アクチュエータ１２８（ステッピングモータ）と、減速歯車列（不図示）を内蔵しＺ方向アクチュエータ１２８からの回転駆動力を減速するためのギアボックス１７１と、Ｚ方向直動機構１２４と、ハンドリング部１０３と連結するための連結部材１６４とを有して構成されている。

Ｚ方向直動機構１２４は、ボールネジ１７２、ナット１７３、不図示のスライダおよび直進ガイドレール、ホルダ１７４で構成されている。すなわち、ギアボックス１７１の減速歯車列の出力端には下方に延出したボールネジ１７２が接続されている。ボールネジ１７２の先端部側は、ギアボックス１７１に固定されたホルダ１７４に回転可能に軸支されている。ボールネジ１７２にはナット１７３が螺合しており、ナット１７３には連結部材１６４を介して不図示のスライダが固定されている。また、ギアボックス１７１からはボールネジ１７２と平行するように不図示の直進ガイドレールが配設されており、この直進ガイドレールの先端部側がホルダ１７４に固定されている。不図示のスライダは不図示の直進ガイドレール上を摺動可能に構成されている。

Ｚ方向移動部１０２は後述するスライダ機構で変位合成部１０１に連結されており、Ｚ方向移動部１０２には上述したパンタグラフ機構１４０の出力リンク１４４からの出力が伝達される。なお、連結部材１６４は、その基部側（図４、図５に示す部分）がボールネジ１７２が貫通する箇所を除きナット１７３の底面および側面の大部分を覆うようにナット１７３の周囲に配されており（図２も参照）、上述したスライダは連結部材１６４の基部側面に固定されている。

（３）ハンドリング部１０３
図２〜図５に示すように、ハンドリング部１０３は、上述したＺ方向移動部１０２と先端ユニット１０５とを連結する基部ユニット１０６と、基部ユニット１０６に固定され把持指を有する先端ユニット１０５とで構成されている。

＜先端ユニット１０５＞
図６に示すように、先端ユニット１０５は、固定指１１７と可動指１１８との２つの把持指を有している。固定指１１７、可動指１１８には、それぞれ先端部が微小物体と接触する針状エンドエフェクタ１０７、１０８が装着されている。

先端ユニット１０５のベース１１１にはメータ等のアクチュエータ１２９がブラケット１１３を伴って固定されており、プレート１１４には固定指１１７が組み付けられている（固定されている）。プレート１１４は、固定指１１７が組み付けられた状態で、ベース１１１と一定の隙間を形成してベース１１１に固定されている。この隙間には長板状のレバー１１２が介在している。レバー１１２の先端部一側（基部ユニット１０６の反対側）には可動指１１８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１１２ａが突設されている。上述した隙間は、この支点軸１１２ａがプレート１１４の軸受１１４ａとベース１１１の軸受１１１ａとに軸支されることにより画定されている。

レバー１１２の後端部側には略Ｕ字状のスリット（切り欠き）１１２ｂが形成されている。スリット１１２ｂにはアクチュエータ１２９の出力ピン１２９ａが係合している。また、可動指１１８はエンドエフェクタ１０８の先端が固定指１１７に装着されたエンドエフェクタ１０７の先端と離間するように、レバー１１２と一体のバネ保持部１１２ｃに保持された捩りコイルバネ１１５で付勢されている。捩りコイルバネ１１５の一方のアームはレバー１１２に固定されており、他方のアームはベース１１１に立設された支柱１１１ｃに巻き掛けられている。このため、アクチュエータ１２９を駆動すると、レバー１１２が捩りコイルバネ１１５の付勢力に抗して支点軸１１２ｂを中心として回動することで、固定指１１７側のエンドエフェクタ１０７に可動指１１８側のエンドエフェクタ１０８が近接する。

図６に示した部材は、可動指１１８および固定指１１７を除き、原則的に先端ユニット１０５のカバーとベース１１１とで構成されるケーシング内に収容されている。可動指１１８は筒状部１１８ａと固定部１１８ｂとで構成されている。筒状部１１８ａにはエンドエフェクタ１０８の装着部が貫通している。固定部１１８ｂは周面方向で３分割されエンドエフェクタ１０８の装着部を把持する把持部材とこの把持部材を締め付けることでエンドエフェクタ１０８の装着部に対して把持部材に握力を与えるネジとで構成されている。エンドエフェクタ１０８を交換する際には、ネジを所定方向に廻して把持部材の握力を弱めることでエンドエフェクタ１０８を筒状部１１８ａ側から引き抜き、新たなエンドエフェクタ１０８を筒状部１１８ａ、および固定部１１８ｂを構成する把持部材を貫通させネジを締める。固定指１１７側もエンドエフェクタ１０７に対し同様の構成が採られている。

なお、エンドエフェクタ１０７およびエンドエフェクタ１０８は、先端同士が接触するように固定指１１７および可動指１１８のネジで調整可能である。このとき、先端同士が接触する際の接触点および支点軸１１２ａの軸芯を結ぶ仮想線とエンドエフェクタ１０７とがなす角度と、接触点および支点軸１１２ａの軸芯を結ぶ仮想線とエンドエフェクタ１０８とがなす角度とが同じくなるように調整するようにしてもよい。

＜エンドエフェクタ＞
ここで、保存溶液中に浮遊している微小物体（例えば、微生物）に対する従来のエンドエフェクタの把持動作について簡単に説明する。

図１２（Ａ）に示すように、保存溶液中に浮遊している微小物体１０は、保存溶液が微小物体１０に作用する力（微小物体を押す力）と微小物体１０が保存溶液に作用する力（保存溶液を押す力）とが釣り合っている。この状態において、図１２（Ｂ）に示すように、従来の針状エンドエフェクタ２００ａ、２００ｂで微小物体１０を把持しようとすると、エンドエフェクタ２００ａ、２００ｂの先端部が保存溶液を介して微小物体１０に作用する力（微小物体を押す力）が新たに加わることで、保存溶液中に浮遊している微小物体１０は図１２（Ａ）に示した力のバランスを崩してエンドエフェクタ２００ａ、２００ｂの先端部からの力を避ける方向、すなわちエンドエフェクタ２００ａ、２００ｂの先端部からすり抜ける方向に動く（矢印Ａおよび矢印Ｂ参照）。このため、保存溶液中で２つの針状エンドエフェクタにより微小物体を簡単に把持することができなかった。

このような保存溶液中での微小物体の特性を踏まえ、図７に示すように、エンドエフェクタ１０７、１０８の先端部の微小物体と接触する接触部分には互いに異なる形状が採用されている。固定指１１７側のエンドエフェクタ１０７の接触部分には保存溶液の通り抜けが可能なように複数の貫通穴１０７ｂが網（目）状に形成されており、このような網状構造はエンドエフェクタ１０７の先端部を凹状に切り欠いた凹状部１０７ａに設けられている。一方、可動指１１８側のエンドエフェクタ１０８の接触部分には、エンドエフェクタ１０７の凹状部１０７ａの形状に対応して、鋭角に切り欠いた凸状部１０８ａが形成されている。

このため、エンドエフェクタ１０７の凹状部１０７ａおよびエンドエフェクタ１０８の凸状部１０８ａは、先端ユニット１０５のアクチュエータ１２９を駆動して凸状部１０８ａを凹状部１０７ａに近接させたときに、凸状部１０８ａの先端が凹状部１０７ａ内に侵入可能に構成されている。

＜基部ユニット１０６＞
基部ユニット１０６は上部に図示を省略したメスコネクタを内蔵している。図２〜図５はこのメスコネクタにオスコネクタ１３０が接続された状態を示しており、オスコネクタ１３０より先のケーブルを捨象している。捨象したケーブルの他端側にもオスコネクタが接続されており、このオスコネクタが上述した中継基板のメスコネクタに接続されている。このため、基部ユニット１０６は、中継基板を介して供給される先端ユニット１０５のアクチュエータ１２９の駆動電力とＺ方向移動部１０２のＺ方向アクチュエータ１２８の駆動パルスを中継する機能を有している。

また、基部ユニット１０６（ハンドリング部１０３）はＹＺ平面で回動可能にＺ方向移動部１０２に連結されている。図８に示すように、Ｚ方向移動部１０２の連結部材１６４には、規制ピン１６５、１６６がそれぞれ正面側（図８の右側）、背面側（図８の左側）に突設されており、基部ユニット１０６側の先端部には軸受１６７が固定されている。軸受１６７内にはシャフト１５１が挿通されており、連結部材１６４は軸受１６７内でシャフト１５１を回動可能に軸受１６７を支持している。

一方、基部ユニット１０６側では、シャフト１５１が基部ユニット１０６の背面側に配された側面部材１８３（図５も参照）および基部ユニット１０６の正面側に配された側面部材１８１（図４も参照）を貫通している。また、シャフト１５１は、シャフト１５１に突設された平行ピン１６８が側面部材１８３に形成された溝に嵌着することで基部ユニット１０６に固定されている。

シャフト１５１の背面側端部にはプーリ１５３が嵌着しており、プーリ１５３にはベルト１５５が巻き掛けられている。また、シャフト１５１は正面側端部に縮径された縮径部１５１ａを有しており、縮径部１５１ａには雄ネジが螺設されている。縮径部１５１は回転ダイヤル（ノブ）１６３の軸方向に形成された雌ネジ部１６３ａと螺合している。

このため、シャフト１５１の縮径部１５１ａと回転ダイヤル１６３の雌ネジ部１６３ａとの螺合長が大きく（長く）なる方向に回転ダイヤル１６３を回すと、回転ダイヤル１６３の先端面の押圧力により軸受１６７は側面部材１８１と側面部材１８３とに挟まれて回動が規制される。

逆に、縮径部１５１ａと雌ネジ部１６３ａとの螺合長が小さく（短く）なる方向に回転ダイヤル１６３を回すと、軸受１６７は側面部材１８１と側面部材１８３とによる規制が解かれて回動可能な状態となる。このとき、基部ユニット１０６は、平行ピン１６８によりシャフト１５１と一体化しているため、軸受１６７（連結部材１６４ひいてはＺ方向移動部１０２）に対してＹＺ平面で回動可能な状態となる。なお、側面部材１８１、１８３の先端部にはそれぞれ係止爪１８２、１８４が形成されており（図４、図５も参照）、これらの係止爪１８２、１８４が連結部材１６４に突設された規制ピン１６５、１６６に係止することで基部ユニット１０６は所定角以上の下方への回動が規制される。

（４）θｖ補正部１０４
図９は、シャフト１５１を中心にハンドリング部１０３をＹＺ平面で回動させることにより生じるＹ方向の変位を模式的に示す説明図である。シャフト１５１の軸芯をＯ、軸芯Ｏからハンドリング部１０３のエンドエフェクタの先端までの長さをｌとし、ハンドリング部１０３を水平方向から角度θ１回動させた状態を線分Ａで表すと、線分ＡのＹ方向での長さは（ｌ×ｃｏｓθ１）で求めることができる。この状態からハンドリング部１０３を角度θｖ［θｖ＝（θ２−θ１）］下方に回動させると、軸芯Ｏからハンドリング部１０３のエンドエフェクタの先端までは線分Ｂで表すことができる。線分ＢのＹ方向での長さは（ｌ×ｃｏｓθ２）で求めることができる。

従って、シャフト１５１の軸芯Ｏを中心にハンドリング部１０３をＹＺ平面でθｖ度下方に回動させることにより生じるＹ方向の変位Δｌは、Δｌ＝ｌ×（ｃｏｓθ１−ｃｏｓθ２）で求めることができる。本実施形態の微小物体ハンドリングシステム２０では、顕微鏡２を介してエンドエフェクタの先端を捉えているため、このＹ方向の変位Δｌが所定値を越えるとエンドエフェクタの先端を顕微鏡２で捉えることができなくなる。

θｖ補正部１０４は、Ｚ方向移動手段１０２と変位合成部１０１の出力リンク１４４との間のＹ方向での距離を調整することで、このＹ方向の変位Δｌ分を打ち消す（オフセットする）ものである。θｖ補正部１０４は、Ｚ方向移動部１０２と変位合成部１０１との間に設けられており、カム機構と、スライダ機構と、θｖ伝達機構とで構成されている。なお、θｖ伝達機構は厳密には上述した基部ユニット１０６の一部を構成するものであるが、以下では説明の便宜上、θｖ補正部１０４に含まれるものとして説明する。

＜カム機構＞
カム機構は、図３〜図５に示すように、Ｚ方向移動部１０２の変位合成部１０１側に設けられたカム１５６と、変位合成部１０１の出力リンク１４４に固定されカム１５６に当接するカムフォロア１５７とで構成されている。

すなわち、Ｚ方向移動部１０２を構成するホルダ１７４の変位合成部１０１側には軸受部材１６９が固定されており、この軸受部材１６９がカム１５６の回動軸となるシャフト１５２を軸支している。また、カムフォロア１５７は、変位合成部１０１の出力リンク１４４に固定された軸受部材と、この軸受部材に両端部が軸支されたピン状部材とで構成されている（図３参照）。カム１５６のカム面にはハンドリング部１０３をＹＺ平面で回動させることにより生じるＹ方向の変位Δｌ分をＹ方向で打ち消すためのカム曲線が形成されている。換言すれば、カム機構（θｖ補正部１０４）は、Ｚ方向移動部１０２と変位合成部１０１との間のＹ方向での距離を調整することで、ハンドリング部１０３をＹＺ平面で回動させることにより生じるＹ方向の変位Δｌ分をオフセットする。

＜スライダ機構＞
カム機構によるカム動作を確保するために、スライダ機構は、Ｚ方向移動部１０２をＹ方向に移動可能に支持するスライダホルダ１６０と、引っ張りバネ１５８、１５９とで構成されている。

すなわち、スライダホルダ１６０の上部は出力リンク１４４に固定されている。スライダホルダ１６０にはガイドレール１６２が内蔵されており、Ｚ方向移動部１０２を構成するホルダ１７４の変位合成部１０１側の最下端部からスライダホルダ１６０に向けて突設されたスライダ１６１がガイドレール１６２に摺接することで、Ｚ方向移動部１０２およびハンドリング部１０３（基部ユニット１０６）はＹ方向に移動可能に構成されている。また、引っ張りバネ１５８、１５９はカム１５６とカムフォロア１５７とが圧接するための付勢力を付与するためのもので、スライダホルダ１６０とホルダ１７４と間に張架されている。このため、Ｚ方向移動部１０２およびハンドリング部１０３（基部ユニット１０６）は、引っ張りバネ１５８、１５９の付勢力により常に変位合成部１０１側に引っ張られている。

＜θｖ伝達機構＞
また、θｖ補正部１０４には、シャフト１５１を中心にハンドリング部１０３をＹＺ平面で回動させたときの角度θｖがハンドリング部１０３（基部ユニット１０６）から伝達される。

具体的には、図５に示すように、シャフト１５２の背面側端部にはプーリ１５４が嵌着しており、プーリ１５４にはベルト１５５が巻き掛けられている。ベルト１５５はシャフト１５１に嵌着したプーリ１５３との間で張架されている。このため、カム１５６はハンドリング部１０３がＹＺ平面で回動したときに同期して回動する。なお、図５（および図２、図８）ではプーリ１５３により他の部材が隠れるため小径として模式的に示しているが、実際には図５等に示したものより大径となる。

１−２．動作
次に、本実施形態の微小物体ハンドリングシステム２０（マイクロマニピュレータ１００）の動作について、針状エンドエフェクタ１０７、１０８にとって最も厳しい条件と考えられる、保存溶液中に浮遊している微小物体（例えば、微生物）の把持動作を例として説明する。なお、本実施形態では「把持」と「捕捉」とは同義のため、「把持」に統一して説明する。

１−２−１．一般的動作
（１）準備
マイクロマニピュレータ１００の操作対象である微小物体１０は保存溶液とともに、ステージ３上に載置されたシャーレ内に保存されており、シャーレ上部はカバーで覆われている。オペレータは、カバーを外してシャーレ内にエンドエフェクタ１０７、１０８を挿入し（またはカバーに開口を形成し開口を介してシャーレ内にエンドエフェクタ１０７、１０８を挿入し）、図１に示すように、シャーレ内の微小物体１０、ハンドリング部１０３のエンドエフェクタ１０７、１０８を、顕微鏡２、カメラ５および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がハンドリング部１０３をＹＺ平面で回動させたいときには、回転ダイヤル１６３を所定方向に回す。これにより、回転ダイヤル１６３の側圧で回動が規制されていたハンドリング部１０３がＹＺ平面で回動可能な状態となる。オペレータは例えば基部ユニット１０６を押圧することで所望角ハンドリング部１０３をＹＺ平面で回動させる。

ハンドリング部１０３の回動に応じて、シャフト１５１からベルト１５５を介してシャフト１５２に回動力が伝達されカム１５６が回動する。カム１５６が回動すると、Ｚ方向移動部１０２およびハンドリング部１０３（基部ユニット１０６）はカム曲線に追従するようにスライダ１６１を介してＹ方向に移動する。カム曲線はハンドリング部１０３の回動によって生じるＹ方向の変位Δｌを打ち消すように設定されているため、変位合成部１０１の出力リンク１４４からハンドリング部１０３のエンドエフェクタの先端までの距離は一定（回動前後で同じ）となる。

このため、本実施形態の微小物体ハンドリングシステム２０（マイクロマニピュレータ１００）では、θｖ補正部１０４によりハンドリング部１０３のＹＺ平面での回動により生じるＹ方向の変位Δｌ分がオフセットされるため、ハンドリング部１０３をＹＺ平面でθｖ度回動させても顕微鏡２の視野下やモニタ７でエンドエフェクタ１０７、１０８を捉えることができ、Ｙ方向での調整作業をなくすことができる。

オペレータはハンドリング部１０３をＹＺ平面で所望角度回動させた後は、回転ダイヤル１６３を上述した所定方向の反対方向に回すことにより回転ダイヤル１６３の側圧でハンドリング部１０３を固定する。これにより、ハンドリング部１０３はＹＺ平面での回動が規制された状態となる。なお、オペレータによるハンドリング部１０３のＹＺ平面で回動動作は、上記準備以外に次に述べる全体動作中に行うようにしてもよい。

（２）全体動作
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８のＰＬＣを介してマイクロマニピュレータ１００に、Ｘ方向、Ｙ方向、θｚ方向（エンドエフェクタ１０７、１０８の先端部を中心とするハンドリング部１０３の揺動角度、すなわち、ハンドリング部１０３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１０７、１０８との相対関係を制御する。

＜Ｙ方向駆動＞
Ｙ方向アクチュエータ１２５に作動信号（駆動パルス）が与えられると、Ｙ方向アクチュエータ１２５は、ボールネジ１３４を回転させ、スライダ１３５を介して、直進ガイドレール１３６に取り付けられたθｚアクチュエータ１２７の位置を図４の左右方向に移動させる。このとき、ＰＬＣは、Ｘ方向アクチュエータ１２６を励磁するとともに、θｚアクチュエータ１２７を励磁してθｚ＝０°の状態を維持している。

＜Ｘ方向駆動＞
Ｘ方向アクチュエータ１２６に作動信号が与えられると、Ｘ方向アクチュエータ１２６は、ボールネジ１３１を回転させ、スライダ１３２を介して、パンタグラフ機構１４０のＸ方向入力リンク１４２を図３の上下方向に移動させる。このとき、ＰＬＣは、Ｙ方向アクチュエータ１２５を励磁するとともに、θｚアクチュエータ１２７を励磁してθｚ＝０°の状態を維持している。

＜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１４０の出力リンク１４４にはＸ方向、Ｙ方向の変位を合成した変位が出力される。上記のＸ方向駆動およびＹ方向駆動では、説明を簡単にするために、Ｙ方向駆動を行うときにはＸ方向アクチュエータ１２６を励磁した状態のままとしＸ方向入力リンク１４２を移動させない例を示し、また、Ｘ方向駆動を行うときにはＹ方向アクチュエータ１２５を励磁した状態のままとしＹ方向入力リンク１４１を移動させない例を示したが、Ｘ方向駆動とＹ方向駆動とを同時に行うことができることはいうまでもない。なお、ＸＹ方向駆動を行うときは、パンタフラフ機構１４０の姿勢を保つため、θｚアクチュエータ１２８を励磁してθｚ＝０°の状態を維持する。

＜θｚ方向駆動＞
θｚアクチュエータ１２７に作動信号が与えられると、θｚアクチュエータ１２７は出力軸に連結された減速歯車列１４８を回転させる。減速歯車列１４８の出力端に嵌着されたレバー１４３は、支点１４７を支点として、パンタグラフ機構１４０のＹ方向入力リンク１４１に揺動変位を与える。

＜Ｚ方向駆動＞
Ｚ方向アクチュエータ１２８に駆動信号が与えられると、Ｚ方向アクチュエータ１２８はギアボックス１７１内の減速歯車列を介してボールネジ１７２を回転させ、連結部材１６４を介して一体化されたハンドリング部１０３（基部ユニット１０６）を上述したガイドレールに沿ってＺ方向移動させる。

＜把持駆動＞
アクチュエータ１２９に駆動電力が与えられると、レバー１１２は支点軸１１２ａを支点として回動する。これにより、可動指のエンドエフェクタ１０８の先端部は、固定指のエンドエフェクタ１０７の先端部に対し、近接、または、離間する動きをする。従って、エンドエフェクタ１０７、１０８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。

１−２−２．特色的動作（作用）
次に、上記把持駆動に関連して、エンドエフェクタ１０７、１０８の先端部による保存溶液中の微小物体１０に対する把持動作（作用）についてより具体的に説明する。

＜エンドエフェクタ１０７、１０８の接触部分の構造＞
図７（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、エンドエフェクタ１０７、１０８の先端部の微小物体と接触する接触部分には互いに異なる形状が採用されている。すなわち、エンドエフェクタ１０７の凹状部１０７ａおよびエンドエフェクタ１０８の凸状部１０８ａは、先端ユニット１０５のアクチュエータ１２９を駆動して凸状部１０８ａを凹状部１０７ａに近接させたときに、凸状部１０８ａの先端が凹状部１０７ａ内に侵入可能に構成されている。このため、エンドエフェクタ１０７、１０８は、２つの同じ形状を有する針状エンドエフェクタと比べ、基本的に微小物体１０を把持しやすい構造が採られている。

＜エンドエフェクタ１０７の凹状部１０７ａの貫通穴網状構造＞
図７（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、エンドエフェクタ１０７の凹状部１０７ａには複数の貫通穴１０７ｂが形成されており、これらの貫通穴１０７ｂは網状に配されている。保存溶液はこの網状構造を介して凹状部１０７ａを通り抜けることができる。このため、図１０に示すように、図１２（Ｂ）に示したエンドエフェクタ先端が保存溶液を介して微小物体１０に作用する力を低減させることができる（エンドエフェクタ１０７、１０８で微小物体１０を把持する際の水圧や浮力の影響を低減させることができる。）。また、網状構造を有する凹状部１０７ａはエンドエフェクタ１０７の先端部を切り欠くことで形成されているため、微小物体１０がエンドエフェクタ１０７の先端部側からすり抜けることを防止することができる（図１０参照）。

＜エンドエフェクタ１０８の凸状部１０８ａの構造＞
一方、図７（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、エンドエフェクタ１０８の凸状部１０８ａはエンドエフェクタ１０８の先端部を鋭角に切り欠くことで形成されている。このため、図１０に示すように、エンドエフェクタ１０８の凸状部１０８ａがエンドエフェクタ１０７の凹状部１０７ａに近接する際に、鋭角頂部を境に保存溶液が上下方向でかき分けられる構造となっているため、図１２（Ｂ）に示したエンドエフェクタ先端が保存溶液を介して微小物体１０に作用する力を低減させることができる。従って、微小物体１０がエンドエフェクタ１０８の先端部側からすり抜けることを防止することができる。

２．第２実施形態
次に、本発明を、細胞や微生物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第２の実施の形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に示した針状エンドエフェクタに代えて板状エンドエフェクタを用いるものである。なお、本実施形態において第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付してその説明を省略し、以下異なる箇所のみ説明する。

２−１．構成
図１１（Ａ）に示すように、先端ユニット１０５の固定指１１７には板状エンドエフェクタ１０９が装着されており、可動指１１８にも板状エンドエフェクタ１１０が装着されている。

エンドエフェクタ１０９は、板状部１０９ａと、板状部１０９ａの後端側に固定された針状の装着部１０９ｃと、板状部１０９ａの先端部への絞り加工で形成された凹状部１０９ｂとで構成されている。一方、エンドエフェクタ１１０は、板状部１１０ａと、板状部１１０ａの後端側に固定された針状の装着部１１０ｃと、板状部１１０ａの先端部へ突設された円錐状（凸状）のインジェクション（注液体）１１０ｂとで構成されている。装着部１０９ｃ、１１０ｃは、上述した固定指１１７、可動指１１８にそれぞれ装着されている。

このため、エンドエフェクタ１１０のインジェクション１１０ｂは、先端ユニット１０５のアクチュエータ１２９を駆動してインジェクション１１０ｂをエンドエフェクタ１０９の先端部に近接させたときに、インジェクション１１０ｂの位置がエンドエフェクタ１０９の凹状部１０９ｂの位置に対応している。なお、微小物体１０の特性に応じて、固定指１１７および可動指１１８のネジを調整することでインジェクション１１０ｂの先端がエンドエフェクタ１０９の凹状部１０９ｂ内に侵入するように設定してもよい。

板状部１１０ａのインジェクション１１０ｂが突設された中央部には貫通穴が形成されている。この貫通穴にはチューブ１１９が挿入されており、チューブ１１９の一側はインジェクション１１０ｂに接続されている。また、板状部１１０ａのインジェクション１１０ｂが突設された面とは反対面側の長手方向と交差する方向の中央部にはチューブ１１９を保持し案内するためのガイド１１０ｄが複数配設されており、チューブ１１９は板状部１１０ａの長手方向に沿って該長手方向の半分程度の長さがガイド１１０ｄで保持されている。

チューブ１１９は、先端ユニット１０５の正面側側面、基部ユニット１０６の正面側側面に同様に配設された図示を省略した複数のチューブガイドで保持されている。チューブ１１９の他側は注射筒１１６に接続されている。注射筒１１６は基部ユニット１０６の正面側側面に設けられ図示を省略した筒状保持部材で保持固定されている。このため、注射筒１１６は筒状保持部材を介して基部ユニット１０６の正面側側面に固定されている。

２−２．動作
第１実施形態で説明した微小物体１０の把持駆動に対応して、アクチュエータ１２９に駆動電力が与えられると、図１１（Ｂ）に示すように、エンドエフェクタ１０９の凹状部１０９ｂで微小物体１０が保持（捕捉）され、次いで、図１１（Ｃ）に示すように、微小物体１０にインジェクション１１０ｂの先端部が差し込まれる。両者の動作はほぼ同時に行われる。そして、オペレータは、基部ユニット１０６の正面側側面に固定された注射筒１１６から溶液を所定量微小物体１０に注液する。

３．作用効果等
次に、本実施形態の微小物体ハンドリングシステム２０（マイクロマニピュレータ１００）の作用効果等について説明する。

３−１．作用効果
第１実施形態の微小物体ハンドリングシステム２０（マイクロマニピュレータ１００）では、上記１−２−２で説明したように、先端ユニット１０５のアクチュエータ１２９を駆動して凸状部１０８ａを凹状部１０７ａに近接させたときに、微小物体１０を把持する際の水圧や浮力の影響を低減させることができるので、保存溶液中に浮遊している微小物体１０を把持することができる。

また、第２実施形態の微小物体ハンドリングシステム２０（マイクロマニピュレータ１００）では、上記２−１で説明したように、エンドエフェクタ１０９の凹状部１０９ｂによる微小物体１０の保持動作と、微小物体１０へのインジェクション１１０ｂの差し込み動作とがほぼ同時に行われるので、微小物体１０への処理が必要な場合に素早く対処することができる。

３−２．変形例
なお、上記実施形態では、可動指１１８に装着されたエンドエフェクタ１０８、１１０を固定指１１７に装着されたエンドエフェクタ１０７、１０９に近接させる例を示したが、本発明はこれに制限されるものではなく、可動指１１８および固定指１１７として示した双方に装着されたエンドエフェクタを互いに近接させるようにしてもよい。

また、第１実施形態では、固定指１１７に装着されたエンドエフェクタ１０７は動かず可動指１１８に装着されたエンドエフェクタ１０８が動き、動かない方のエンドエフェクタ１０７に貫通穴が形成され動く方のエンドエフェクタ１０８には貫通穴が形成されていない例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。下表１に示すように、変形例１〜７に示す態様を採るようにしてもよい。表１において、○は貫通穴が形成されていることを示し、×は貫通穴が形成されていないことを示す。なお、変形例２、７に示すように、貫通穴が形成されていない態様であっても、凹状、凸状のエンドエフェクタを組み合わせることにより、２つの同じ形状を有するエンドエフェクタと比べ、微小物体をより把持しやすい構造となる。

また、第１実施形態では、保存溶液中に浮遊している微小物体１０の把持動作を例示したが、本発明はこれに限ることなく、マイクロマニピュレータ１００がステージ３上に載置された微小物体（例えば、細胞やマイクロチップ）を把持可能であることはいうまでもない。

一方、第２実施形態では、ステージ３上に載置された微小物体の保持および注液をほぼ同時に行う例を示したが、保存溶液中で行うようにしてもよい。この場合には、エンドエフェクタ１０９、１１０が板状を呈していることから、インジェクション１１０ｂの部分を除き、凹状部１０９ｂを含めエンドエフェクタ１０９、１１０の先端部に貫通穴を網状に形成するようにしてもよい。また、第２実施形態では、矩形状の板状部１０９ａ、１１０ａを例示したが、本発明はこれに制限されることなく、微小物体１０に応じて任意の形状（例えば、台形状や楕円状）とするようにしてもよい。

また、上記実施形態では、ベルト１５５によりＹＺ平面での回動をθｖ補正部１０４に伝達する例を示したが、例えば、歯車列で伝達するようにしてもよい。さらに、例示した機構的構成に代えて電気的構成を採用するようにしてよい。例えば、シャフト１５１に歯車列を介してＹＺ平面での回動角度を把握するためのエンコーダを配置してその情報をＰＬＣにフィードバックし、ＰＬＣがＹＺ平面での回動により生じるＹ方向の変位Δｌを打ち消すためのＹ方向の駆動量を演算してアクチュエータを駆動させるようにしてもよい。また、カム機構（カム１５６およびカムフォロア１５７）に代えてリニアモータ等の直進アクチュエータを用いるようにしてもよい。

さらに、上記実施形態では、θｚ駆動部１２３を例示したが、θｚ駆動部１２３を省いたマイクロマニピュレータにも適用可能である。また、上記実施形態では、θｚ駆動部１２３の変位をＹ方向入力リンク１４１に入力する例を示したが、Ｘ方向入力リンク１４２に入力するようにしてもよい。そして、上記実施形態では、移動部として変位合成部１０１およびＺ方向移動部１０２を例示したが、本発明はこれに限らず、例えば、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に移動可能なアーム等を用いるようにしてもよい。

本発明は微小物体の捕捉が容易なエンドエフェクタを備えたマイクロマニ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。

１０ 微小物体
１００ マイクロマニピュレータ
１０１ 変位合成部（移動部の一部）
１０２ Ｚ方向移動部（移動部の一部）
１０３ ハンドリング部
１０７、１０８、１０９、１１０ エンドエフェクタ
１０７ａ 凹状部（接触部分）
１０７ｂ 貫通穴
１０８ａ 凸状部（接触部分）
１１０ｂ インジェクション
１１６ 注射筒
１１７ 固定指（把持指）
１１８ 可動指（把持指）
１１９ チューブ

Claims (10)

1. 微小物体にアクセスするための２つのエンドエフェクタと、
   前記エンドエフェクタの先端部を近接ないし離間させるハンドリング部と、
   前記ハンドリング部を移動させる移動部と、
   を備え、
   前記エンドエフェクタの前記微小物体に接触する接触部分の形状が互いに異なることを特徴とするマイクロマニピュレータ。
2. 前記エンドエフェクタのいずれか一方の前記接触部分が凹状であり、いずれか他方の前記接触部分が凸状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ピュレータ。
3. 前記凹状および凸状の接触部分は、前記ハンドリング部で前記エンドエフェクタの先端部を近接させたときに、前記凸状の接触部分の先端が前記凹状の接触部分内に侵入可能なように前記エンドエフェクタの先端部に形成された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. 前記凹状および凸状の接触部分の少なくとも一方に複数の貫通穴が形成されたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のマイクロマニピュレータ。
5. 前記貫通穴が網状に形成されたことを特徴とする請求項４に記載のマイクロマニピュレータ。
6. 前記エンドエフェクタの先端部の形状が針状または板状であり、前記エンドエフェクタの後端部が前記ハンドリング部の２つの把持指にそれぞれ装着されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のマイクロマニピュレータ。
7. 前記２つの把持指のうち少なくとも一方が可動指であることを特徴とする請求項６に記載のマイクロマニピュレータ。
8. 前記エンドエフェクタの先端部の形状が針状であり、前記凹状および凸状の接触部分が前記エンドエフェクタの先端部を切り欠くことにより形成されたことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載のマイクロマニピュレータ。
9. 前記エンドエフェクタの先端部の形状が板状であり、前記エンドエフェクタのいずれか一方が前記ハンドリング部の固定指に装着されいずれか他方が前記ハンドリング部の可動指に装着されており、前記可動指に装着されたエンドエフェクタの前記接触部分がインジェクションであることを特徴とする請求項請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載のマイクロマニピュレータ。
10. 前記インジェクションはチューブを介して前記ハンドリング部の側面に沿って配設された注射筒に接続されていることを特徴とする請求項９に記載のマイクロマニピュレータ。

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