JP4717878B2 - マイクロマニピュレータ - Google Patents

Description

本願の発明は、マイクロマニピュレータに関し、特に構造が簡単で、微細物体を３次元空間内で正確、確実に把持し、微細物体の位置、姿勢を保つように操作することが可能なマイクロマニピュレータに関する。

数μｍから数百μｍまでのようなオーダーの大きさの微細物体（ワーク）を正確、確実に把持することは、容易ではない。微細物体の寸法に合わせて、把持部を製作し、これを微細物体の位置、姿勢に合わせて精密にセッティングし、外部環境を整えながら、これを正確、確実に把持することが容易でないからである。

従来、このようなオーダーの大きさの微細物体を把持して、位置決め、加工、反応等の各種作業を行わせるために使用されるマイクロマニピュレータとしては、モータの回転力を歯車減速機構や送りねじ機構等を介して機械的な力に変換し、この機械的な力により、マニピュレータの把持・操作部を変位動作させて、微細物体を把持し、これが所定の位置、姿勢を保つように操作するやり方が一般的である。この場合において、マニピュレータの把持・操作部の変位動作は、微細物体の現在位置、姿勢を位置センサ、角度センサ等により検出して、これをモータにフィードバックしながら、モータを回転制御することによって行われている。

しかしながら、このようなやり方では、電気力を機械的な力に変換する機構やフィードバック制御系に高い精度のものが求められ、その機構が非常に複雑になり、その調整制御に相当な熟練と時間とを必要とする。

このような、電気力を機械的な力に変換する複雑な機構を用いずに、電気力を機械的な力に直接変換することにより、微細物体の精密な位置・姿勢制御を応答性良く行うことを可能にするマイクロマニピュレータとして、圧電素子のような伸縮アクチュエータを用いたものが種々提案されている（特許文献１〜３）。
特許第２６７７６２５号公報 特開平６−１７０７６２号公報 特公平６−１０４３０８号公報

しかしながら、特許文献１及び２に記載のものは、１軸方向に自由度を持った位置決め装置に止まっており、また、特許文献３に記載のものは、多次元空間内で微細物体を位置・姿勢制御するものではあるが、６本のリンクと３本のスプリングとを用いて、先ず、基体上に手先片を取り付けて成るエンドエフェクタと呼ばれるものを位置・姿勢制御し、これにより、手先片を位置・姿勢制御して、手先片の先端に設けられた把持・操作部が微細物体を把持し、これが所定の位置、姿勢を保つように操作するようにしており、機構、構造がなお複雑である。

本願の発明は、従来のマイクロマニピュレータが有する前記のような問題点を解決して、構造が簡単で、微細物体を多次元空間内で精密に位置・姿勢制御することが可能なマイクロマニピュレータを提供することを課題とする。

本願の発明によれば、前記のような課題は、次のようなマイクロマニピュレータにより解決される。
すなわち、そのマイクロマニピュレータは、微細物体を把持し、微細物体の位置、姿勢を保つように操作するマイクロマニピュレータであって、一対のハンドモジュールから成り、前記一対のハンドモジュールは、ベース部に設けられ、その各々が、第１、第２、第３の３本のリンクから成る３自由度リンク機構を備えており、前記第１、第２、第３のリンクは、前記ベース部上の３点Ａ、Ｂ、Ｃをそれぞれの揺動起点として、点Ａにおいて前記第１のリンクの一端を、該第１のリンクが点Ａを球の中心として前記ベース部に対して傾動自在に連結し、点Ｂ及び点Ｃにおいて前記第２のリンク及び前記第３のリンクの一端を、前記ベース部に対してそれぞれ傾動自在に連結するとともに、前記第１のリンクの中途部である点Ｘにおいて前記第２のリンク及び前記第３のリンクの他端を、それら３つのリンクが互いに相対変位可能にそれぞれ連結し、前記第１のリンクは、その前記点Ｘに対して前記点Ａとは反対側の先端に、前記微細物体を把持し、微細物体の位置、姿勢を保つ把持・操作部を有するとともに、前記点Ｘと前記把持・操作部との間の中途部に、少なくとも１個の伸縮アクチュエータを有し、前記第２のリンク及び前記第３のリンクの各々は、その中途部に、少なくとも１個の伸縮アクチュエータを有し、前記各伸縮アクチュエータを伸縮させて、前記第２のリンク及び前記第３のリンクをそれぞれ伸縮させ、これにより、前記把持・操作部が、前記点Ａを球の中心とし、該球の面の所定の範囲を移動して、３次元空間内の所定の位置に変位動作するようにされていることを特徴とするマイクロマニピュレータである。

そのマイクロマニピュレータは、前記のように構成されているので、一対のハンドモジュールの各々の第２及び第３のリンクがそれぞれ有する伸縮アクチュエータを伸縮させることにより、これら第２及び第３のリンクがそれぞれ伸縮して、第１のリンクの点Ｘに対応する部分が、起点Ａを球の中心とし、該球の面の所定の範囲を移動し、把持・操作部が、同心の拡大球の面の所定の範囲を移動して、３次元空間内の所定の位置に変位動作するようにすることができ、これにより、一対のハンドモジュールの一対の把持・操作部が、３次元空間内の所定の位置にある微細物体を把持して、これが所定の位置、姿勢を保つように操作することができる。したがって、比較的簡単な構造により、３次元空間内の所定の位置にある微細物体の同空間内における自在な把持と操作が可能になる。

また、そのマイクロマニピュレータにおいて、第１のリンクが、点Ｘに対応する部分と把持・操作部との間に、少なくとも１個の伸縮アクチュエータを有するものとされているので、そのマイクロマニピュレータは、その第１のリンクが有する伸縮アクチュエータを伸縮させることにより、該第１のリンクが伸縮して、その先端にある把持・操作部を該第１のリンクの長さ方向所望の位置に位置決めすることができ、３次元空間内の所定の位置にある微細物体の同空間内におけるさらに自在な把持と操作が可能になる。

好ましい実施形態によれば、そのマイクロマニピュレータにおいて、ベース部上の３点Ａ、Ｂ、Ｃが形成する角度∠ＢＡＣが９０°とされる。

この構成により、マイクロマニピュレータの構造がさらに簡単化されるとともに、一対の把持・操作部の位置変位を精密に制御するための演算が容易になる。

別の好ましい実施形態によれば、そのマイクロマニピュレータにおいて、第１のリンクは、点Ａ側の一端部近傍に括れ部を有し、該括れ部を弾性変形させることで、第１のリンクをベース部に対して傾動させるようにされる。

この構成により、第１のリンクをベース部に対して傾動させるようにするのに、ピボット結合のために必要な部品の使用を避けることができる。

さらに、別の好ましい実施形態によれば、そのマイクロマニピュレータにおいて、その伸縮アクチュエータが、ピエゾ圧電素子から成るものとされている。

この構成により、そのマイクロマニピュレータは、ピエゾ圧電素子に入力する電気量を第１ないし第３のリンクの伸縮量に直接関係付けることができ、ピエゾ圧電素子に入力する電気量を精密に制御することにより、第１ないし第３のリンクの伸縮量、牽いては、一対の把持・操作部の位置変位を精密に制御することができ、しかも、その制御は、比較的簡単であるので、一対の把持・操作部の各々の精密な位置設定が容易になり、微細物体の３次元空間内における自在で精密な把持と操作が可能になる。

前記のとおり、本願の発明のマイクロマニピュレータによれば、一対のハンドモジュールの各々の第１ないし第３のリンクがそれぞれ有する伸縮アクチュエータを伸縮させることにより、これら第１ないし第３のリンクがそれぞれ伸縮して、一対のハンドモジュールの一対の把持・操作部が、３次元空間内の所定の位置にある微細物体を把持して、これが所定の位置、姿勢を保つように操作することができ、比較的簡単な構造により、３次元空間内の所定の位置にある微細物体の同空間内における自在な把持と操作が可能になる。

また、そのマイクロマニピュレータにおいて、第１のリンクが、点Ｘに対応する部分と把持・操作部との間に、少なくとも１個の伸縮アクチュエータを有するものとされているので、そのマイクロマニピュレータは、第１のリンクが有する伸縮アクチュエータを伸縮させることにより、該第１のリンクが伸縮して、その先端にある把持・操作部を該第１のリンクの長さ方向所望の位置に位置決めすることができ、３次元空間内の所定の位置にある微細物体の同空間内におけるさらに自在な把持と操作が可能になる。

また、そのマイクロマニピュレータにおいて、ベース部上の３点Ａ、Ｂ、Ｃが形成する角度∠ＢＡＣが９０°とされる場合には、マイクロマニピュレータの構造がさらに簡単化されるとともに、一対の把持・操作部の位置変位を精密に制御するための演算が容易になる。

さらに、そのマイクロマニピュレータにおいて、第１のリンクが、点Ａ側の一端部近傍に括れ部を有し、該括れ部を弾性変形させることで、第１のリンクをベース部に対して傾動させるようにされる場合には、第１のリンクをベース部に対して傾動させるようにするのに、ピボット結合のために必要な部品の使用を避けることができる。

本実施例１のマイクロマニピュレータを構成するハンドモジュールの概略斜視図である。 同ハンドモジュールの一対の組合せから成る同マイクロマニピュレータの概略斜視模式図である。

微細物体を把持し、微細物体の位置、姿勢を保つように操作するマイクロマニピュレータが、一対のハンドモジュールから成るものとする。これら一対のハンドモジュールは、ベース部に設けられ、その各々が、第１、第２、第３の３本のリンクから成る３自由度リンク機構を備えている。第１、第２、第３のリンクは、ベース部上の３点Ａ、Ｂ、Ｃをそれぞれの揺動起点として、点Ａにおいて第１のリンクの一端を、該第１のリンクが点Ａを球の中心としてベース部に対して傾動自在に連結し、点Ｂ及び点Ｃにおいて第２のリンク及び第３のリンクの一端を、ベース部に対してそれぞれ傾動自在に連結するとともに、第１のリンクの中途部である点Ｘにおいて第２のリンク及び第３のリンクの他端を、それら３つのリンクが互いに相対変位可能にそれぞれ連結するものとする。

さらに、第１のリンクは、その点Ｘに対して点Ａとは反対側の先端に、微細物体を把持し、微細物体の位置、姿勢を保つ把持・操作部を有するとともに、点Ｘと把持・操作部との間の中途部に、少なくとも１個の伸縮アクチュエータを有するものとし、第２のリンク及び第３のリンクの各々は、その中途部に、少なくとも１個の伸縮アクチュエータを有するものとする。そして、各伸縮アクチュエータを伸縮させて、第２のリンク及び第３のリンクをそれぞれ伸縮させ、これにより、把持・操作部が、点Ａを球の中心とし、該球の面の所定の範囲を移動して、３次元空間内の所定の位置に変位動作するようにする。
ベース部上の３点Ａ、Ｂ、Ｃが形成する角度∠ＢＡＣは、９０°とする。

次に、本願の発明の一実施例（実施例１）について説明する。
図１は、本実施例１のマイクロマニピュレータを構成するハンドモジュールの概略斜視図、図２は、同ハンドモジュールの一対の組合せから成る同マイクロマニピュレータの概略斜視図である。

本実施例１のマイクロマニピュレータ１０は、微細物体、例えば、細胞を把持して位置決めし、さらに、これが所定の姿勢を取るように操作するために使用される。このようにして、位置及び姿勢が定められた細胞に対しては、これに遺伝子を組み込んだり、試薬と反応させたり、切断したりする種々の作業が実行される。

本実施例１のマイクロマニピュレータ１０は、図１に図示されるようなハンドモジュール１が、図２に示されるように、一対向かい合わせで組み合わせて用いられることにより、構成されている。各ハンドモジュール１は、図１に図示されるように、第１、第２、第３の３本のリンク２、３、４から成る３自由度リンク機構を備えており、これら第１、第２、第３のリンク２、３、４は、ベース部６の面上に設定された３点Ａ、Ｂ、Ｃをそれぞれの揺動起点として、ベース部６上方の１点Ｘにおいて互いに相対変位可能に連結されている。∠ＢＡＣは、ここでは、９０°とされている。

第１、第２、第３のリンク２、３、４の一端の３点Ａ、Ｂ、Ｃにおけるベース部６への連結は、ピボット結合とされて良く、あるいは又、第２、第３のリンク３、４については、図１に図示されるように、ベース部６上で回転自在な連結具８ｂ、８ｃに傾動自在に係止されるのであっても良い。さらに、第１のリンク２については、図１に図示されるように、その端部をベース部６に固着し、その端部近傍の括れ部（ヒンジ）の弾性変形を利用して、第１のリンク２が傾動自在とされるのであっても良い。なお、第２、第３のリンク３、４についても、第１のリンク２と同様に、それらの端部をベース部６に固着し、それらの端部近傍の括れ部（ヒンジ）の弾性変形を利用して、それらのリンク３、４が傾動自在とされるのであっても良い。

第１、第２、第３のリンク２、３、４の点Ｘにおける相対変位可能な相互連結は、第１のリンク２の点Ｘに対応する部分に形成された２個の係止突部９ｂ、９ｃに第２、第３のリンク３、４の他端がピボット結合により連結されるか、自在継手により連結されるか、あるいは又、括れ部（ヒンジ）により連結されることによって行われるようにされることができる。

第１のリンク２は、点Ｘよりも先方に伸びて、その先端に把持・操作部７を有している。また、第１のリンク２の点Ｘに対応する部分と把持・操作部７との間に伸縮アクチュエータ５ａを有し、この伸縮アクチュエータ５ａが伸縮することにより、第１のリンク２が伸縮して、把持・操作部７が第１のリンク２の長さ方向所望の位置に位置決めされるようになっている。伸縮アクチュエータ５ａの個数は、１個に限られず、必要に応じて複数個とされても良い。

また、第２のリンク３及び第３のリンク４の各々は、その中途部に、伸縮アクチュエータ５ｂ、５ｃを有しており、これらの各伸縮アクチュエータ５ｂ、５ｃが伸縮することにより、第２のリンク３及び第３のリンク４がそれぞれ伸縮して、これにより、第１のリンク２の点Ｘに対応する部分が、起点Ａを球の中心として、該球の面の所定の範囲を移動し、これに伴い、把持・操作部７が、同心の拡大球の面Ｓの所定の範囲を移動して、３次元空間内の所定の位置に変位動作するようになっている。伸縮アクチュエータ５ｂ、５ｃの個数も、１個に限られず、必要に応じて複数個とされても良い。

伸縮アクチュエータ５ａ、５ｂ、５ｃは、ピエゾ圧電素子から成るものとされており、実際には、ピエゾ圧電素子と電極とが交互に複数段に積層されて成るスタックアクチュエータから構成されている。そして、これが、その積層方向を各リンクの長さ方向に沿わせ、各リンクの長さ方向所定の位置に組み込まれて用いられている。

本実施例１のマイクロマニピュレータ１０は、以上に説明したハンドモジュール１の一対がベース部６上で向かい合わせで組み合わせて用いられることにより、構成されている。組合せ方としては、図１に図示されるように、これら一対のハンドモジュール１、１のうちの一方のハンドモジュール１の揺動起点Ａ、Ｃを結ぶ線分Ａ−Ｃと他方のハンドモジュール１の揺動起点Ａ、Ｂを結ぶ線分Ａ−Ｂとがベース部６面上で相対向するような態様で組み合わせられても良いし、図２に図示されるように、一方のハンドモジュール１の揺動起点Ａと他方のハンドモジュール１の揺動起点Ａとを各頂点として、これらがベース部６面上で相対向するような態様で組み合わせられても良い。

次に、本実施例１のマイクロマニピュレータ１０の作用を説明する。
先ず、一対のハンドモジュール１、１の第１のリンク２、２に組み込まれた伸縮アクチュエータ５ａ、５ａに所定の制御電流が流されて、第１のリンク２、２が所定長に伸縮し、それらの先端部に設けられた把持・操作部７、７が第１のリンク２、２の長さ方向所望の位置に位置決めされる。

次いで、第２のリンク３、３に組み込まれた伸縮アクチュエータ５ｂ、５ｂ、第３のリンク４、４に組み込まれた伸縮アクチュエータ５ｃ、５ｃにそれぞれ所定の制御電流が流されて、第２のリンク３、３、第３のリンク４、４がそれぞれ所定長に伸縮し、これにより、第１のリンク２、２の点Ｘ、Ｘに対応する部分が、起点Ａ、Ａを球の中心として、該球の面の所定の範囲を移動し、第１のリンク２、２がそれぞれ所定方向を向くように揺動変位する。これに伴い、把持・操作部７、７が、同心の拡大球の面Ｓ、Ｓの所定の範囲を移動して、３次元空間内の所定の位置に変位動作し、これらが互いに接近して、微細物体Ｏを把持する。

このようにして一対の把持・操作部７、７に把持された微細物体Ｏは、さらに、６個の伸縮アクチュエータ５ａ、５ａ、５ｂ、５ｂ、５ｃ、５ｃに個別にそれぞれ所定の制御電流が流されることにより、並進したり、回転したりして、３次元空間内の所望の位置に位置し、その位置において所望の姿勢を取るように制御されることができる。各伸縮アクチュエータに流される電流の制御は、比較的簡単に行うことができる。

本実施例１のマイクロマニピュレータ１０は、前記のように構成されているので、次のような効果を奏することができる。
一対のハンドモジュール１、１の各々の第１ないし第３のリンク２、３、４がそれぞれ有する伸縮アクチュエータ５ａ、５ｂ、５ｃを伸縮させることにより、これら第１ないし第３のリンク２、３、４がそれぞれ伸縮して、その把持・操作部７を該第１のリンク２の長さ方向所望の位置に位置決めするとともに、該第１のリンク２の点Ｘに対応する部分が、起点Ａを球の中心とし、該球の面の所定の範囲を移動して、把持・操作部７が３次元空間内の所定の位置に変位動作するようにすることができ、これにより、一対のハンドモジュール１、１の一対の把持・操作部７、７が、３次元空間内の所定の位置にある微細物体Ｏを把持して、これが所定の位置、姿勢を保つように操作することができる。したがって、比較的簡単な構造により、３次元空間内の所定の位置にある微細物体Ｏの同空間内における自在な把持と操作が可能になる。

また、その伸縮アクチュエータ５ａ、５ｂ、５ｃが、ピエゾ圧電素子から成るものとされているので、ピエゾ圧電素子に入力する電気量を第１ないし第３のリンク２、３、４の伸縮量に直接関係付けることができ、ピエゾ圧電素子に入力する電気量を精密に制御することにより、第１ないし第３のリンク２、３、４の伸縮量、牽いては、一対の把持・操作部７、７の位置変位を精密に制御することができ、しかも、その制御は、比較的簡単であるので、一対の把持・操作部７、７の各々の精密な位置設定が容易になり、微細物体Ｏの３次元空間内における自在で精密な把持と操作が可能になる。

また、∠ＢＡＣが９０°とされているので、マイクロマニピュレータ１０の構造がさらに簡単化されるとともに、一対の把持・操作部７、７の位置変位を精密に制御するための演算が容易になる。

なお、本願の発明は、以上の実施例に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲において、種々の変形が可能である。
例えば、伸縮アクチュエータ５ａ、５ｂ、５ｃとしては、ピエゾ圧電素子以外にも、静電アクチュエータや電磁力アクチュエータ等、各種の伸縮性のアクチュエータを用いることができる。
また、一対のハンドモジュール１、１のうちのいずれかは、第１のリンク２に組み込まれる伸縮アクチュエータ５ａを備えないものとすることも可能である。
さらに、∠ＢＡＣは、９０°以外の角度とされることも可能である。

１…ハンドモジュール、２…第１のリンク、３…第２のリンク、４…第３のリンク、５ａ、５ｂ、５ｃ…伸縮アクチュエータ、６…ベース部、７…把持・操作部、８ｂ、８ｃ…連結具、９ｂ、９ｃ…係止突部、１０…マイクロマニピュレータ、Ａ、Ｂ、Ｃ…揺動起点、Ｏ…微細物体、Ｓ…拡大球面、Ｘ…（連結）点。

Claims (3)

1. 微細物体を把持し、微細物体の位置、姿勢を保つように操作するマイクロマニピュレータが、一対のハンドモジュールから成り、
   前記一対のハンドモジュールは、ベース部に設けられ、その各々が、第１、第２、第３の３本のリンクから成る３自由度リンク機構を備えており、
   前記第１、第２、第３のリンクは、前記ベース部上の３点Ａ、Ｂ、Ｃをそれぞれの揺動起点として、点Ａにおいて前記第１のリンクの一端を、該第１のリンクが点Ａを球の中心として前記ベース部に対して傾動自在に連結し、点Ｂ及び点Ｃにおいて前記第２のリンク及び前記第３のリンクの一端を、前記ベース部に対してそれぞれ傾動自在に連結するとともに、前記第１のリンクの中途部である点Ｘにおいて前記第２のリンク及び前記第３のリンクの他端を、それら３つのリンクが互いに相対変位可能にそれぞれ連結し、
   前記第１のリンクは、その前記点Ｘに対して前記点Ａとは反対側の先端に、前記微細物体を把持し、微細物体の位置、姿勢を保つ把持・操作部を有するとともに、前記点Ｘと前記把持・操作部との間の中途部に、少なくとも１個の伸縮アクチュエータを有し、
   前記第２のリンク及び前記第３のリンクの各々は、その中途部に、少なくとも１個の伸縮アクチュエータを有し、
   前記各伸縮アクチュエータを伸縮させて、前記第２のリンク及び前記第３のリンクをそれぞれ伸縮させ、これにより、前記把持・操作部が、前記点Ａを球の中心とし、該球の面の所定の範囲を移動して、３次元空間内の所定の位置に変位動作するようにされている
   ことを特徴とするマイクロマニピュレータ。
2. 前記ベース部上の３点Ａ、Ｂ、Ｃが形成する角度∠ＢＡＣを９０°と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。
3. 前記第１のリンクは、前記点Ａ側の一端部近傍に括れ部を有し、前記括れ部を弾性変形させることで、前記第１のリンクを前記ベース部に対して傾動させる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ピュレータ。

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