JPH06102308B2 - マイクロマニピユレ−タの微動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、例えば細胞等を顕微鏡視野下において微小針
等を用いて操作するマイクロマニピュレータの、微動駆
動装置に関する。

＜従来の技術＞ 上述のようなマイクロマニピュレータにおいては、従
来、その微小駆動装置としてメカ式，空気圧式および油
圧式のものがある。メカ式は、微小駆動部の操作，例え
ば送りねじの回動等を、人手によって行うタイプであ
る。空気圧式および油圧式のものは、操作部における操
作者による操作量を、縮小あるいは拡大して、それぞれ
空気圧および油圧によって微小駆動部に伝達するタイプ
である。

＜発明が解決しようとする問題点＞ 従来装置のうち、メカ式のものは人手による操作が直接
微小駆動部に伝わるため、手の振動が直ちに微小針等の
操作子に伝達し、その操作性に問題がある。

空気圧式および油圧式のものについては、上述の問題は
無い。しかし、空気圧式においては、空気圧の環境温度
による変化が大きいことや、操作部から駆動部への圧力
伝達途中において圧縮，膨脹しやすく、駆動部における
変位が正確でない場合があるという欠点がある。また、
油圧式では、このような欠点は極めて小さく、無視し得
る程度ではあるものの、微小針等の先端を駆動して、顕
微鏡の焦点位置に自動的に合致させるとか、あるいは微
小針の位置を自動制御する等のマイクロマニピュレーシ
ョンの自動化を達成するには、微小針等の変位がμｍ単
位と微小である関係上、困難である。

本発明の目的は、マイクロマニピュレーションの自動化
を達成すべく、操作部による操作に対して良好な応答性
のもとに追従し、しかも位置決め精度の高い、遠隔操作
によるマイクロマニピュレータの微動装置を提供するこ
とにある。

＜問題点を解決する為の手段＞ 第１の発明の構成を、その実施例図面である第１図乃至
第３図を参照しつつ説明すると、第１の発明は、固定部
（基台）11に対して第１のロバーバル機構を介して接続
され、第１の方向（ｘ方向）に変位自在の第１の可動部
21と、その第１の可動部21に対して第２のロバーバル機
構を介して接続され、第１の方向と直交する第２の方向
（ｙ方向）に変位自在の第２の可動部22と、その第２の
可動部22に対して第３のロバーバル機構を介して接続さ
れ、第１および第２の方向と直交する第３の方向（ｚ方
向）に変位自在で、かつ、微小操作子（例えば微小針）
10の取り付け部材10aが装着された第３の可動部23を設
ける。また、第1,第２および第３の可動部21,22および2
3に対するそれぞれの駆動源として、それぞれ磁気回路3
1a,32aおよび33aとその内部に配設された可動コイル31
b,32bおよび33bで構成された第1,第２および第３の電磁
力発生装置31,32および33を設ける。更に、第1,第２お
よび第３の可動部21,22および23のそれぞれ第1,第２お
よび第３の方向への変位を検出する第1,第２および第３
の変位検出器41,42および43を設ける。そして、操作部1
00から供給される第1,第２および第３の可動部21,22お
よび23に対する各操作信号に、第1,第２および第３の変
位検出器41,42および43による各変位検出信号をフィー
ドバックして、それぞれ第1,第２および第３の電磁力発
生装置31,32および33の可動コイル31b,32bおよび33bに
供給すべき電流を制御する制御回路を備える。

また、第２の発明は、その実施例図面である第４図乃至
第６図および第３図に示すように、所定方向（ｘ方向）
に伸びる第１のガイド101と、その第１のガイド101に沿
って摺動自在の第１のスライダ201と、その第１のスラ
イダ201に固着され、第１のガイド101に対して直交する
方向（ｙ方向）に伸びる第２のガイド102と、その第２
のガイド102に沿って摺動自在の第２のスライダ202と、
その第２のスライダ202に固着され、第１および第２の
ガイド101および102に直交する方向（ｚ方向）に伸びる
第３のガイド103と、その第３のガイド103に沿って摺動
自在で、かつ、微小操作子（例えば微小針）10の取り付
け部材10aが装着された第３のスライダ203を設ける。ま
た、前述した第１の発明と、以下、同様に、第1,第２お
よび第３のスライダ201,202および203に対するそれぞれ
の駆動源として、それぞれ磁気回路31a,32aおよび33aと
その内部に配設された可動コイル31b,32bおよび33bで構
成された第1,第２および第３の電磁力発生装置31,32お
よび33を設ける。更に、第1,第２および第３のスライダ
201,202および203のそれぞれのx,yおよびｚ方向への変
位を検出する第1,第２および第３の変位検出器41,42お
よび43を設ける。そして、操作部100から供給される第
1,第２および第３のスライダ201,202および203に対する
各操作信号に、第1,第２および第３の変位検出器41,42
および43による各変位検出信号をフィードバックして、
それぞれ第1,第２および第３の電磁力発生装置31,32お
よび33の可動コイル31b,32bおよび33bに供給すべき電流
を制御する制御回路を備える。

＜作用＞ 各可動部（あるいはスライダ、以下同）は、それぞれに
対応して設けられた電磁力発生装置から、変位のための
動力が与えられる。電磁力発生装置による電磁力は、可
動コイルに流れる電流に比例し、またその向きは可動コ
イルに流れる向きによって決定する。各可動部の変位検
出値を、操作部100からの操作信号にフィードバックす
ることによって、各電磁力発生装置の可動コイルに流れ
る電流を制御すれば、各可動部は変位検出器の検出精度
に応じた精度で位置決めが可能である。

＜実施例＞ 本発明の実施例を、以下、図面に基づいて説明する。

第１図は第１の発明の実施例の正面要部縦断面図で、第
２図はその右側面要部断面図である。

上面に開口部を有する箱形の基台11には、互いに平行
で、かつ、その可撓方向が同じｘ方向である４枚の板ば
ね51…51の上端が固着されている。これら各板ばね51…
51の下端は、第１の可動部21に固着された支持体12に固
着されている。従って、第１の可動部21は支持体12とと
もに、各板ばね51…51の可撓方向、すなわちｘ方向にの
み水平運動が可能となっており、いわゆるロバーバル機
構が構成されている。

支持体12もまた、上面に開口部を有する箱形であって、
この支持体12には、互いに平行で、かつ、その可撓方向
が上述のｘ方向と直交するｙ方向である、４枚の板バネ
52…52の上端が固着されている。その各板ばね52…52の
下端は、第２の可動部22に固着されている。従って、こ
の第２の可動部22は、板ばね52…52によるロバーバル機
構により、支持体12に対してｙ方向にのみ平行運動が可
能となっている。

第２の可動部22には、支柱13′が固着されており、その
支柱13′の上端部には支持体13が固着されている。この
支持体13には、互いに平行で、かつ、その可撓方向が上
述のｘ方向,y方向いずれにも直交するｚ方向である、４
枚の板ばね53…53の一端が固着されている。その各板ば
ね53…53の他端は第３の可動部23に固着されている。従
って、同様に、この第３の可動部23は、板ばね53…53に
よるロバーバル機構により、支持体13に対してｚ方向に
のみ平行運動が可能となっている。第３の可動部23に
は、操作子である微小針10を取り付けるための微小針取
り付け部材10aが装着されている。

基台11には第１の電磁力発生装置31の磁気回路31aを形
成するヨークが固着されており、その磁気回路31aの内
部に配設されている可動コイル31bは、第１の可動部21
に固着されている。第１の電磁力発生装置31は、第７図
にその構造説明図を示す如く、コ字形ヨーク311の内側
に２個の永久磁石312を貼着したものを、互いの磁場の
方向が逆向きとなるように２個組み合せた磁気回路31a
と、その内部に配設され、長方形状に巻回されてなる可
動コイル31bとで構成されている。可動コイル31bの巻数
をN,可動コイル31bに流れる電流をi,磁気回路31a中の磁
束密度（可動コイル31bの通っている部分）をＢとする
と、 Ｆ＝BlNi なる力Ｆが、電流および磁場の方向のいずれとも垂直な
方向、すなわち第７図において上下方向に発生する。そ
の向きは、電流ｉの流れる向きによって決定する。

従って、その第１の電磁力発生装置31に所定の向きの電
流を供給することにより、第１の可動部21は基台11に対
してｘ方向所定の向きに変位が与えられることになる。
第１の可動部21の基台11に対するｘ方向の変位は、第１
の変位検出器41によって検出される。この第１の変位検
出器41は、基台11に固着された互いに平行な平板状の固
定電極41a,41aと、第１の可動部21に固着され、固定電
極41a,41aの間に平行に挿入された可動電極41bとによっ
て形成される平行平板コンデンサで構成されており、可
動電極41bのｘ方向への変位による静電容量の変化によ
り、その変位を検出することができる。

第１の可動部21には、上述した第１の電磁力発生装置31
と全く同様な、第２の電磁力発生装置32の磁気回路32a
のヨークが固着されている。そしてその第２の電磁力発
生装置32の可動コイル32bは、第２の可動部22に固着さ
れている。この第２の電磁力発生装置32に所定の向きの
電流を供給することにより、第２の可動部22は第１の可
動部21および支持体12に対してｙ方向所定の向きに変位
が与えられる。この第２の可動部22の第１の可動部21に
対するｙ方向の変位は、上述した第１の変位検出器41と
全く同様の第２の変位検出器42によって検出される。

第２の可動部22に支柱13′を介して固着された支持体13
にも、第１の電磁力発生装置31と全く同様な、第３の電
磁力発生装置33の磁気回路33aのヨークが固着されてい
る。この第３の電磁力発生装置33の可動コイル33bは、
第３の可動部23に固着されており、この第３の電磁力発
生装置33に所定の向きの電流を供給することにより、第
３の可動部23は支持体13に対してｚ方向所定の向きの変
位が与えられる。この第３の可動部23の支持体13に対す
るｚ方向の変位も、第１の変位検出器41と全く同様な第
３の変位検出器43によって検出される。

各電磁力発生装置31,32および33に供給すべき電流は、
第３図にそのブロック図を示すような制御回路によって
制御される。

すなわち、操作部100から出力される各方向への変位量
を指示する操作信号に、対応する方向の変位検出器41
（42,43）の出力を静電容量検出器101を介して形成され
る変位検出信号をフィードバックする。そしてその差信
号を、P.I.D102を介して、各対応する電磁力発生装置の
可動コイル31b（32b,33b）に供給すべき電流を発生する
電流供給回路103に動作信号として供給している。

以上の実施例によると、第１の可動部21は基台11に対し
てｘ方向に、第２の可動部22は第１の可動部21に対して
ｙ方向に、また、第３の可動部23は第２の可動部22に対
してｚ方向に、それぞれ操作部100からの操作信号によ
る変位量に追随するよう変位が与えられ、その結果、微
小針10を操作部100から遠隔的に３次元の任意の方向に
変位させることができる。

なお、以上の実施例では、ロバーバル機構をそれぞれ４
枚の板ばねで構成したが、各板ばねに替えて、第８図に
示すように、長手方向に２箇所の弾性支点ｆを有するは
りを用いることができる。この場合、ロバーバル機構と
してはより完全なものとなり、板ばねを用いた場合より
もより小さな力で各可動部に変位を与えることができ
る。

次に、第２の発明の実施例を説明する。

第４図は第２の発明の実施例の正面図で、第５図および
第６図はそれぞれその平面図および右側面図である。こ
の実施例において、第1,第２および第３の電磁力発生装
置31,32および33と、第1,第２および第３の変位検出器4
1,42および43は、前述の第１の発明の実施例と全く同様
であるので、その説明は省略する。

この第２の発明の実施例において第１の発明の実施例と
相違している点は、変位機構をロバーバル機構に替えて
スライド機構を採用している点にある。

ベースＢ上に所定の方向（ｘ方向）に２本の第１のガイ
ド101,101が平行に配設されており、その第１のガイド1
01にはボール等の転動体を介して第１のスライダ201が
摺動自在に支承されている。その第１のスライダ201の
上面には、ｘ方向と直交するｙ方向に互いに平行に配設
され２本の第２のガイド102,102が固着されている。そ
して、その第２のガイド102には、同様に転動体を介し
て第２のスライダ202が摺動自在に支承されている。更
に、その第２のスライダ202の上面には、x,y方向とそれ
ぞれ直交するｚ方向に互いに平行に配設された２本の第
３のガイド103,103が固着されている。また、この第３
のガイド103にも、転動体を介して第３のスライダ203が
摺動自在に支承されている。この第３のスライダ203に
は、操作子である微小針10を取り付けるための微小針取
り付け部材10aが装着されている。

ベースＢには第１の電磁力発生装置31の磁気回路31aの
ヨークが固着されており、その第１の電磁力発生装置31
の可動コイル31bは第１のスライダ201に固着されてい
る。また、第１のスライダ201には、第２の電磁力発生
装置32の磁気回路32aのヨークが固着されており、その
内部に配設された可動コイル32bは第２のスライダ202に
固着されている。更に、第２のスライダ202には、第３
の電磁力発生装置33の磁気回路33aのヨークが固着され
ており、その内部の可動コイル33bは第３のスライダ203
に固着されている。

従って、第1,第２および第３の電磁力発生装置31,32お
よび33に所定の向きの電流を供給することにより、それ
ぞれ第1,第２および第３のスライダ201,202および203
が、第1,第２および第３のガイド101,102および103に沿
って、それぞれx,yおよびｚ方向所定の向きに摺動変位
することになる。

この各摺動変位は、それぞれ第1,第２および第３の変位
検出器41,42および43によって検出されるよう構成され
ている。

各電磁力発生装置31,32および33に供給すべき電流は、
前述した第１の発明の実施例と全く同様な制御回路、す
なわち第３図に示すような制御回路によって制御され
る。

この実施例によると、第１のスライダ201はベースＢに
対してｘ方向に、第２のスライダ202は第１のスライダ2
01に対してｙ方向、また、第３のスライダ203は第２の
スライダ202に対してｚ方向に、それぞれ操作部100から
の操作信号による変位量に追随するよう変位が与えら
れ、微小針10を操作部100から遠隔的に３次元の任意の
方向に変位させることができる。

なお、以上の実施例において、ガイドとスライダの間に
介在させる転動体は、ボールに替えてクロスローラ等で
あってもよいし、更には他のスライド機構、例えば静圧
スライド等を使用することができる。

また、以上第１および第２の発明の実施例における各電
磁力発生装置の構造は、第７図のものに限られることな
く、任意の構造のものであってもよいことは勿論で、更
に、各変位検出器も、静電容量形以外のものを用い得る
ことは云うまでもない。

＜発明の効果＞ 以上説明したように、本発明によれば、それぞれ互いに
直交する３方向に変位自在の可動部材の駆動源として、
それぞれ電磁力発生装置を用いたので、空気圧，油圧等
を介在させることなく、純電気的な駆動を可能とし、し
かも、駆動源と可動部材との間に、モータ等を駆動源と
した場合のように歯車やねじ等の減速機構や伝導機構を
介在させることなく、微小駆動が可能となり、バックラ
ッシュ等の発生がなく、また、微小針等に振動が伝達さ
れることなく、滑らかな動作が可能となって、マイクロ
マニピュレータにおける動作の質が向上するとともに、
消費電力も少くてすむ。

また、各方向への変位検出値をフィードバックして各電
磁力発生装置の可動コイルへの供給電流を制御するよう
構成したから、位置決め精度は変位検出器による検出精
度に応じた精度を達成することができ、サブミクロンオ
ーダでの位置決めが可能となるとともに、必要に応じて
制御回路のP.I.D調整を行うことによって、自由な応答
性を得ることができ、適正な調整を行っておくことで、
操作部の操作に対して良好な応答性のもとに正確に追従
した制御を行うことができる。更に、油圧，空気圧を使
用しない関係上、装置のコンパクト化が達成され、ま
た、他機器との接続や、オートフォーカス動作の達成が
容易となり、マイクロマニピュレータの自動化に寄与す
るところ大である。

【図面の簡単な説明】 第１図は第１の発明の実施例の正面要部縦断面図、第２
図はその右側面要部縦断面図である。第４図は第２の発
明の実施例の正面図、第５図および第６図はそれぞれそ
の平面図および右側面図である。また、第３図は第１お
よび第２の発明の実施例の制御回路の構成を示すブロッ
ク図である。第７図は第１および第２の発明の実施例に
おける電磁力発生装置の構造例を示す図、第８図は第１
の発明の他の実施例のロバーバル機構を構成するはりの
説明図である。 10……微小針、10a……微小針取り付け部材 11……基台、12,13……支持体 21,22,23……第1,第2,第３の可動部 31,32,33……第1,第2,第３の電磁力発生装置 41,42,43……第1,第2,第３の変位検出器 51,52,53……板ばね 101,102,103……第1,第2,第３のガイド 201,202,203……第1,第2,第３のスライダ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柏木 克也 京都府京都市中京区西ノ京桑原町１番地 株式会社島津製作所三条工場内 (56)参考文献 特開 昭59−153162（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−149179（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固定部に対して第１のロバーバル機構を介
   して接続され、第１の方向に変位自在の第１の可動部
   と、その第１の可動部に対して第２のロバーバル機構を
   介して接続され、上記第１の方向と直交する第２の方向
   に変位自在の第２の可動部と、その第２の可動部に対し
   て第３のロバーバル機構を介して接続され、上記第１お
   よび第２の方向と直交する第３の方向に変位自在で、か
   つ、微小操作子の取り付け部材が装着された第３の可動
   部と、上記第1,第２および第３の可動部に対するそれぞ
   れの駆動源であって、それぞれ磁気回路とその内部に配
   設された可動コイルで構成されてなる第1,第２および第
   ３の電磁力発生装置と、上記第1,第２および第３の可動
   部のそれぞれ上記第1,第２および第３の方向への変位を
   検出する第1,第２および第３の変位検出器と、操作部か
   ら供給される上記第1,第２および第３の可動部に対する
   各操作信号に、上記第1,第２および第３の変位検出器に
   よる各変位検出信号をフィードバックして、それぞれ上
   記第1,第２および第３の電磁力発生装置の各可動コイル
   に供給すべき電流を制御する制御回路を備えた、マイク
   ロマニピュレータの微動装置。
2. 【請求項２】所定方向に伸びる第１のガイドに沿って摺
   動自在の第１のスライダと、その第１のスライダに固着
   され、上記第１のガイドに対して直交する方向に伸びる
   第２のガイドと、その第２のガイドに沿って摺動自在の
   第２のスライダと、その第２のスライダに固着され、上
   記第１および第２のガイドに直交する方向に伸びる第３
   のガイドと、その第３のガイドに沿って摺動自在で、か
   つ、微小操作子の取り付け部材が装着された第３のスラ
   イダと、上記第1,第２および第３のスライダに対するそ
   れぞれの駆動源であって、それぞれ磁気回路とその内部
   に配設された可動コイルで構成されてなる第1,第２およ
   び第３の電磁力発生装置と、上記第1,第２および第３の
   スライダのそれぞれ上記第1,第２および第３のガイドに
   対する変位を検出する第1,第２および第３の変位検出器
   と、操作部から供給される上記第1,第２および第３のス
   ライダに対する各操作信号に、上記第1,第２および第３
   の変位検出器による各変位検出信号をフィードバックし
   て、それぞれ上記第1,第２および第３の電磁力発生装置
   の各可動コイルに供給すべき電流を制御する制御回路を
   備えた、マイクロマニピュレータの微動装置。