JP7053230B2 - マイクロマニピュレータ - Google Patents
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Description
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。
1-1-1.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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 (7)
- 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、
前記二つのエンドエフェクタの前記微小物体に接触する夫々の接触部分の形状を互いに異ならせるとともに、前記二つのエンドエフェクタの前記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る、ことを特徴とするマイクロマニピュレータ。 - 前記二つの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、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。
- 前記凹状の接触部と前記凸状の接触部分は、前記ハンドリング部で前記二つの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。
- 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1に記載のマイクロマニピュレータ。
- 前記二つのエンドエフェクタの夫々の先端部の形状が針状または板状であり、前記二つのエンドエフェクタの夫々の後端部が前記ハンドリング部の二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乃至4のいずれか一項に記載のマイクロマニピュレータ。
- 前記二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5に記載のマイクロマニピュレータ。
- 前記凹状の接触部と前記凸状の接触部分は、前記二つの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2または3に記載のマイクロマニピュレータ。
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