JPH11188666A

JPH11188666A - 液圧遠隔操作型マイクロマニピュレータ装置

Info

Publication number: JPH11188666A
Application number: JP35498097A
Authority: JP
Inventors: Yukio Hiramoto; 幸男平本
Original assignee: NARISHIGE KK
Current assignee: NARISHIGE KK
Priority date: 1997-12-24
Filing date: 1997-12-24
Publication date: 1999-07-13
Anticipated expiration: 2017-12-24
Also published as: JP3295836B2

Abstract

(57)【要約】【課題】温度変化があってもマイクロツール先端が動く
ことのない液圧遠隔操作型マイクロマニピュレータ装置
とする。【解決手段】ピストン３６と螺合部材３１の間に、バイ
メタル式補償装置３２を設けた。バイメタル式補償装置
３２は、操作部側の油圧シリンダ３９と作動部側の油圧
シリンダの間における作動液の温度変化に伴う体積変化
により、微動移動部材が移動する量と実質的に同じ量だ
け、微動移動部材が移動する方向と逆の方向に、ピスト
ン３６と螺合部材３１を遠ざけ、又は近づける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、顕微鏡下でマイク
ロツール（例えば微小電極、マイクロピペット）を油圧
等の液圧により微動的に遠隔操作できるようにした液圧
遠隔操作型マイクロマニピュレータ装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】生物学や医学、あるいはバイオテクノロ
ジー等の分野では、生物の器官や生体組織、細胞などの
試料を保持または移動し、吸引、液の注入、切断等の処
理を行うために操作するマイクロマニピュレーション
（顕微操作技術）があり、これら試料に対して顕微鏡の
視野内でマイクロマニピュレータを微動操作して各種の
操作を行っている。ところで、オペレータがマイクロマ
ニピュレータの操作ハンドルに直接手を触れて微動操作
すると、操作によって生じる震えが機枠を通じて伝達さ
れる恐れがあり、この震えを極力抑えて静かにマイクロ
マニピュレータを操作しなければならず、細心の注意と
相当の熟練とを必要としている。その点、油圧等の液圧
により微動的に遠隔操作できるようにした液圧式マイク
ロマニピュレータは、液圧を介して操作部の動きが作動
部に伝えられるための操作による振動が作動部に伝達さ
れない利点がある。

【０００３】図１４は、従来のマイクロマニピュレーシ
ョン装置の構成を概略的に説明する説明図である。図１
４において、このマイクロマニピュレーション装置は、
試料１１１を培養液１１２とともに入れた透明な容器１
１３を顕微鏡のステージ１１４にのせ、この試料１１１
を固定保持する固定保持部１１５と、マイクロマニピュ
レーションを実際に遂行するマイクロマニピュレータ１
１６と、試料１１１に照明を当て映像を観察するための
顕微鏡光学系１１７とからなり、これら各部を防振台１
１８上に置いて操作をするようになっている。このマイ
クロマニピュレータ１１６は、マイクロマニピュレーシ
ョンの用途に合わせた各種のマイクロツール１１９を装
着し、その先端を３次元的に移動させる３次元移動機構
を備えており、オペレータが微動操作をするジョイステ
ィック装置１２０により、この３次元移動機構を油圧等
で作動させるようになっている。

【０００４】ジョイスティック装置１２０は、先端が庇
状に形成された支持枠１２１の先端を支点として操作杆
１２２を垂下し、操作杆１２２による直交する水平の２
方向（矢印）１２３の動きを油圧等により前記した３次
元移動機構に伝達する伝達部１２４を設けたものであ
る。操作杆１２２は、直交する水平２方向（矢印）１２
３の揺動を水平面内の機械的な変位に変換する変換部１
２５を有し、該変換部１２５を支持枠１２１と連結する
部位に設けている。なお、操作杆１２２の下部つまみ１
２６を回転させることにより、ジョイスティック装置１
２０に内蔵した図示しない油圧装置を動かして垂直方向
の微動操作を行うことができる。このようにして、操作
杆１２２を操作して３次元的な移動ができるようにされ
ている。また、操作杆１２２の操作に伴うジョイスティ
ック装置１２０の振動が防振台１１８上の機器に伝わら
ないように、ジョイスティック装置１２０は、防振台１
１８と離して、机上に置かれている。

【０００５】また、操作杆１２２を垂下して設ける他
に、変換部１２５に直接立てて設けるものも従来から一
般的に使用されていた。しかし、オペレータが腕を引き
上げること無く低い位置で楽に操作できることから、こ
の垂下して設けるものが最近ではよく使用されるように
なっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、マイク
ロマニピュレータを油圧等の液圧により微動的に遠隔操
作する液圧式マイクロマニピュレータでは、温度変化が
あると、その温度変化により作動液に体積変化が発生す
る。この作動液の体積変化に伴い、マイクロマニピュレ
ータのマイクロツール先端がドリフトしてしまい、的確
な観察や操作の妨げになるという問題があった。また、
液圧の代わりにマイクロマニピュレータを電気的に作動
させる方式もあるが、モーターの振動による培養液１１
２の液面に起こる波などの障害などにより、容易にマイ
クロマニピュレータのマイクロツール先端が動いてしま
うため、ドリフト現象を生じる問題は同様に解決されな
いものであった。特に、長時間にわたって試料をマイク
ロツール先端に当接させて、観察や操作を行う場合に、
ドリフト現象が生じると、マイクロツールの先端が試料
から離れてしまい、観察や操作を継続できないという問
題がある。

【０００７】そこで、本発明の課題は、液圧式の遠隔操
作型マイクロマニピュレータ装置において、温度変化が
あった場合でも、その温度変化による作動液の体積変化
に伴うマイクロツールのドリフト現象を防止することに
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決した本発
明に係る液圧遠隔操作型マイクロマニピュレータ装置
は、基台に固定された操作部側液圧シリンダと、この操
作部側液圧シリンダ内に進退可能に嵌合した操作部側ピ
ストンと、この操作部側ピストンを微動移動させる操作
部側ピストン微動移動操作手段とを有するマイクロマニ
ピュレータ微動操作装置と、作動部側液圧シリンダと、
この作動部側液圧シリンダ内に進退可能に嵌合した作動
部側ピストンと、この作動部側ピストンに取り付けられ
た微動移動部材と、前記操作部側液圧シリンダと前記作
動部側液圧シリンダを連結するホースとを有する液圧マ
イクロマニピュレータとを備えるとともに、前記操作部
側ピストン微動移動操作手段と前記微動移動部材との間
に介在され、前記操作部側液圧シリンダと前記作動部側
液圧シリンダの間における作動液の温度変化に伴う体積
変化により、前記微動移動部材が移動しようとする量と
実質的に同じ移動量を補償するバイメタル式補償装置を
備え、このバイメタル式補償装置が介在される間の距離
を、前記微動移動部材が移動しようとする量と実質的に
同じ量だけ、前記微動移動部材が移動しようとする方向
と逆の方向に遠ざけ、または近づけるようにされている
ことを特徴とするものである。

【０００９】また、前記バイメタル式補償装置に代え
て、固体式補償装置を備えることができ、あるいは、前
記バイメタル式補償装置に代えて、電気式補償装置を備
えることもできる。さらには、前記マイクロマニピュレ
ータ微動操作装置が前後方向、左右方向及び上下方向の
３次元方向に微動操作が可能で、前記液圧マイクロマニ
ピュレータが前後方向、左右方向及び上下方向の３次元
方向に微動移動可能なことを特徴とする液圧遠隔操作型
マイクロマニピュレータ装置とすることもできる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面に沿って、本発明に係
る液圧遠隔操作型マイクロマニピュレータ装置の実施の
形態について説明する。なお、本発明に係る液圧遠隔操
作型マイクロマニピュレータ装置においては、液圧とし
て、油圧、水圧等適宜の液圧手段を用いることができる
のは勿論であるが、本実施形態では、主に油圧を用いる
ものとして説明する。図１は、本発明に係る液圧遠隔操
作型マイクロマニピュレータ装置を示す斜視図であり、
図１に示すように、液圧遠隔操作型マイクロマニピュレ
ータ装置１は三方向ハンドルタイプのマイクロマニピュ
レータ微動操作装置２と３次元液圧マイクロマニピュレ
ータ（以下、単にマイクロマニピュレータと称す）３と
から構成されている。このマイクロマニピュレータ微動
操作装置２は後述するホース５６，５７，５８を介して
マイクロマニピュレータ３に接続され、マイクロマニピ
ュレータ３は支柱５に把持された取付バー６に固定され
ている。更に、マイクロマニピュレータ３には締着具
７、ホルダー８を介してマイクロツール９が保持されて
いる。

【００１１】また、マイクロマニピュレータ微動操作装
置２はベース板１１を有しており、このベース板１１に
は側板１３，１４，１５，１６が立設され、側板１３，
１４，１５，１６の上端は上板１７で覆われている。ベ
ース板１１、側板１３，１４，１５，１６、及び上板１
７は相互に固定され、ベース板１１、側板１３，１４，
１５，１６、及び上板１７から、基台であるケース１８
が形成されている。

【００１２】図２は、図１に示すマイクロマニピュレー
タ微動操作装置２のＸ軸微動操作機構部分を示す分解斜
視図、図３は、作動部側におけるマイクロマニピュレー
タ３のＸ軸微動機構部分を示す分解斜視図である。操作
部側のＸ軸微動操作機構５０においては、図２に示すよ
うに、側板１３には貫通孔１３ａが開けられ、この貫通
孔１３ａには軸受メタル２１の先端が挿通・嵌着されて
いる。この軸受メタル２１はリング２２の中心孔に嵌着
され、リング２２はボルト２３，２３により側板１３に
固定されている。

【００１３】また、軸受メタル２１の中心の貫通孔には
Ｘ軸微動螺子軸２５の小径軸２５ｂが挿通されている。
Ｘ軸微動螺子軸２５は微動用雄螺子２５ａと、微動用雄
螺子２５ａより小径の小径軸２５ｂと、小径軸２５ｂの
後端に設けられたＸ軸微動ハンドル固定用雄螺子２５ｃ
とから形成されている。

【００１４】また、リング２２の外周には、一側が開放
され、閉塞された側の外周にはローレットが刻設された
円筒状のＸ軸微動ハンドル２６が回転自在に嵌合されて
いる。Ｘ軸微動螺子軸２５のＸ軸微動ハンドル固定用雄
螺子２５ｃにはＸ軸微動ハンドル２６の中心に貫設され
た雌螺子が螺合し、更に固定用ナット２７が螺合し、こ
の固定用ナット２７を締め付けることにより、Ｘ軸微動
ハンドル２６がＸ軸微動螺子軸２５に回転不能に固定さ
れるようになっている。これらＸ軸微動螺子軸２５、Ｘ
軸微動ハンドル２６等により、本発明の操作部側ピスト
ン微動移動操作手段が構成される。

【００１５】Ｘ軸微動ハンドル２６の中心に貫設された
雌螺子に一端側が螺合するＸ軸微動螺子軸２５のＸ軸微
動ハンドル固定用雄螺子２５ｃの他端側においては、こ
れに螺合する雌螺子が刻設された螺合部材３１がバイメ
タル受３２Ａに固定されている。このバイメタル受３２
Ａは、ボルト３３，３３により側板１３に固定された回
り止め板３４によって、その回動を抑制されている。ま
た、バイメタル受３２Ａには、上下方向に延在する板状
のバイメタル３２Ｂの上端部が、ボルト３２Ｃ，３２Ｃ
により固定されており、このバイメタル３２Ｂの下方位
置には、操作部側ピストンであるピストン３６の先端に
固設されたボール３７が点接触している。これらバイメ
タル受３２Ａおよびバイメタル３２Ｂ等によって、本発
明のバイメタル式補償装置３２が構成される。ピストン
３６は、ベース板１１に固定された支持プレート３８に
嵌着する操作部側液圧シリンダである油圧シリンダ３９
に進退可能に嵌合している。油圧シリンダ３９は、一側
が開放された円筒状で、外周に鍔部３９ａ、円筒の閉塞
された側の近傍にホース接続口３９ｂを有している。鍔
部３９ａは支持プレート３８に当接し、ホース接続口３
９ｂにはホース５６の一端が接続されている。そして、
ピストン３６と油圧シリンダ３９との間で油室３９′が
形成される。バイメタル３２Ｂは、温度変化に基づいて
ピストン３６の進退方向に下方位置が湾曲し、その湾曲
量（ボール３７との接触点における移動量）は、補償装
置を設けなかった際に、作動油の温度変化に伴う体積変
化により、後述するＸ軸内スライダー４２が移動する量
と実質的に同じとなるようにされている。

【００１６】また、図１に示される、前後方向であるＹ
軸微動操作機構５１及び上下方向であるＺ軸微動操作機
構５２もＸ軸微動操作機構５０と同様に構成されてい
る。

【００１７】一方、作動部側に位置するＸ軸微動機構８
０の構成を説明する。図３に示すように、Ｘ軸微動機構
８０はＸ軸外スライダー４１を有し、このＸ軸外スライ
ダー４１には溝４１ａが刻設され、この溝４１ａには図
示せぬリニアウエーベアリングを介して、微動移動部材
であるＸ軸内スライダー４２が移動自在に装着されてい
る。そして、Ｘ軸外スライダー４１は固定され、Ｘ軸内
スライダー４２が溝４１ａに沿って、移動可能に構成さ
れている。

【００１８】また、Ｘ軸外スライダー４１の一端には、
Ｘ軸内スライダー４２に取り付けられた作動部側ピスト
ンであるピストン４３が貫通する貫通孔４４ａが開けら
れた側板４４がボルト４５，４５により固定され、Ｘ軸
外スライダー４１の他端には側板４６がボルト４７，４
７により固定されている。そして、Ｘ軸内スライダー４
２と側板４６の間には、図示せぬスプリングが介在さ
れ、Ｘ軸内スライダー４２を、側板４４方向に常時付勢
している。

【００１９】さらに、側板４４には、貫通孔４４ａから
突出するピストン４３が進退可能に嵌合する作動部側液
圧シリンダであるＸ軸油圧シリンダ４８が固定されてい
る。Ｘ軸油圧シリンダ４８は、一側が開放された円筒状
で、外周に鍔部４８ａ、円筒の閉塞された側近傍にホー
ス接続口４８ｂを有しており、鍔部４８ａは側板４４の
側面に当接し、ホース接続口４８ｂにはホース５６の一
端が接続されている。

【００２０】そして、ピストン４３とＸ軸油圧シリンダ
４８との間で油室４８′が形成される。このＸ軸油圧シ
リンダ４８の油室４８′の横断面積は、図２に示すＸ軸
微動操作機構５０における油圧シリンダ３９の油室３
９′の横断面積と同じ大きさに形成されている。

【００２１】また、図１に示される、前後方向のＹ軸微
動機構８１、及び上下方向のＺ軸微動機構８２も、Ｘ軸
微動機構８０と同様に構成されている。そして、Ｙ軸微
動操作機構５１における図示せぬ油圧シリンダとＹ軸微
動機構８１における図示せぬＹ軸油圧シリンダとがホー
ス５７で連結され、Ｚ軸微動操作機構５２における図示
せぬ油圧シリンダとＺ軸微動機構８２における図示せぬ
Ｚ軸油圧シリンダとがホース５８で連結されている。さ
らに、Ｘ軸外スライダー４１には、図１に示す締着具取
付台８４が固定され、締着具取付台８４の図示せぬＶ溝
に締着具７の基部を挿入し、締着具７をＬ字型押え板８
５、締付ボルト８６により締着具用取付台８４に固定す
るようになっている。そして、締着具７、ホルダー８、
及びマイクロツール９はＸ軸微動機構８０、Ｙ軸微動機
構８１、及びＺ軸微動機構８２により３次元方向に微動
移動可能となっている。

【００２２】次に、本発明に係る液圧遠隔操作型マイク
ロマニピュレータ装置において、マイクロツール９を微
動移動させる原理について、図２及び図３を用いて説明
する。オペレータがマイクロマニピュレータ微動操作装
置２のＸ軸微動ハンドル２６の外周のローレットを握っ
て回転させ、Ｘ軸微動螺子軸２５の微動用雄螺子２５ａ
に螺合した螺合部材３１を支持プレート３８方向に微動
移動させると、バイメタル式補償装置３２を介して、ピ
ストン３６が同方向に微動移動し、それに伴い油圧シリ
ンダ３９の油室３９′が狭まる。油室３９′が狭まる
と、油圧シリンダ３９内の作動油が圧迫され、直ちにホ
ース５６を介してＸ軸微動機構８０のＸ軸油圧シリンダ
４８内に流入して、Ｘ軸油圧シリンダ４８とピストン４
３との間の油室４８′が広がるので、ピストン４３が側
板４６方向に移動し、ピストン４３が固定されるＸ軸内
スライダー４２も側板４６方向に移動する。

【００２３】一方、Ｘ軸微動ハンドル２６を操作して、
螺合部材３１を側板１３方向に移動させると、油圧シリ
ンダ３９の油室３９′に掛かる圧力が減少し、Ｘ軸油圧
シリンダ４８の油室４８′内よりも圧力が低くなる。こ
のとき、Ｘ軸微動機構８０のＸ軸内スライダー４２は、
図示せぬスプリングによってＸ軸油圧シリンダ４８方向
に付勢されていることから、Ｘ軸油圧シリンダ４８の油
室４８′内の作動油が油圧シリンダ３９の油室３９′内
に流入して、油室３９′が広がる。このようにして、Ｘ
軸内スライダー４２が、Ｘ軸油圧シリンダ４８方向に移
動する。

【００２４】図１に示す、操作部側におけるマイクロマ
ニピュレータ微動操作装置２のＹ軸微動操作機構５１に
おいても、Ｘ軸微動操作機構５０と同様の原理により、
マイクロマニピュレータ微動操作装置２のＹ軸微動ハン
ドル５４を回転操作することにより、マイクロマニピュ
レータ３をＹ軸方向（前後方向）に微動操作することが
できる。また、Ｚ軸微動操作機構５２も同様に、Ｚ軸微
動ハンドル５５を回転操作することにより、マイクロマ
ニピュレータ３をＺ軸方向（上下方向）に微動操作する
ことができる。

【００２５】また、Ｘ軸微動ハンドル２６の回転操作を
停止し、この状態で温度変化が起こると、作動油に体積
変化が起こる。このとき、従来の液圧遠隔操作型マイク
ロマニピュレータでは、操作部側のシリンダは移動せ
ず、作動部側のシリンダが移動することになってしま
う。そのため、作動部側のシリンダが移動することによ
り、微動移動部材等を介して、マイクロツールがドリフ
トするという心配があった。かかる点に鑑み、本発明に
おいては、温度変化に伴う作動油の体積変化により移動
しようとするＸ軸内スライダー４２の移動量と実質的に
同一量だけ逆方向に移動するバイメタル式補償装置３２
を取り付けて、Ｘ軸内スライダー４２の移動、ひいては
マイクロツール９のドリフトを防止しようとするのであ
る。

【００２６】ここで、図４を用いてバイメタル式補償装
置３２の機能について説明する。常温時のバイメタル３
２Ｂは、実線で示すように、ほぼ垂直な状態を維持して
いる。そして、周囲の温度が変化、たとえば上昇して、
油圧シリンダ３９、及びＸ軸油圧シリンダ４８（図３参
照）の油室３９′，４８′内の作動油が膨張した場合、
バイメタル式補償装置３２を設けない場合は、その作動
油の膨張により、Ｘ軸内スライダー４２が側板４６方向
に移動することになる。このとき、本発明におけるバイ
メタル式補償装置３２のバイメタル３２Ｂを、温度が上
昇したときに、Ｘ軸内スライダー４２が移動しようとす
る方向と逆の方向、すなわちバイメタル受３２Ａ方向
（図面左方向）に湾曲するようにしておき、かつ、その
湾曲量を、Ｘ軸内スライダー４２が移動しようとする量
と実質的に同じ量（湾曲の前後におけるボール３７の移
動量に相当する。）となるようにしておく。その結果、
ピストン３６と操作部側ピストン微動移動操作手段との
間の距離を、Ｘ軸内スライダー４２が移動しようとする
方向と逆の方向に遠ざけることになる。したがって、Ｘ
軸内スライダー４２が動かないようにすることができ
る。一方、バイメタル式補償装置３２を設けずに、温度
が下降した場合には、Ｘ軸内スライダー４２は、側板４
４方向に移動することになるので、バイメタル式補償装
置３２におけるバイメタル３２Ｂは、ピストン３６方向
（図面右方向）に湾曲するようにする。すると、ピスト
ン３６と操作部側ピストン微動移動操作手段との間をＸ
軸内スライダー４２が移動しようとする方向と逆の方向
に近づけることになり、やはりＸ軸内スライダー４２が
動かないようにすることができる。なお、バイメタル３
２Ｂの湾曲量は、使用する作動油の膨張率や、油室３
９′，４８′の容量等に基づいて適宜決定され、バイメ
タル３２Ｂの素材やその長手方向の長さ等を勘案して調
整することができる。従って、温度変化に伴う作動油の
体積変化があった場合でも、マイクロマニピュレータ３
に取り付けられたマイクロツール９（図１参照）はドリ
フトしない。そのため、例えば長時間にわたって観察を
行う際等、周囲の温度が変化する状況にあったとして
も、マイクロツール９の先端位置をドリフトさせること
なく、正確に保持することができる。

【００２７】ここで、本発明の効果を示すために行った
実験について述べる。図５は、比較例及び本発明例の実
験に用いた装置の概要を示す図である。比較例に係る実
験装置６０は、第１シリンダ６１の開口部に進退可能に
ピストン６２を嵌合させ、この開口部にキャップ６３を
かぶせて水槽Ｒ内の水中に沈める一方、スライダー６４
の突片６４ａに先端が固定されたピストン６５を嵌合す
る第２シリンダ６６を載置台６７に固定した。第１シリ
ンダ６１及び第２シリンダ６６には、それぞれ閉塞部近
傍にホース接続口６１ａ，６６ａが設けられており、こ
れらホース接続口６１ａ，６６ａにホース６８が接続さ
れ、このホース６８を介して、第１シリンダ６１の内部
と第２シリンダ６６の内部が連結され、作動油が充填さ
れている。また、第２シリンダ６６に嵌合するピストン
６５は、スライダー６４の突片６４ａを介して、載置台
６７に固定されたスプリングＳにより第２シリンダ６６
方向に付勢されている。スライダー６４には、微小針６
９が載置されている。

【００２８】これに対して、本発明例に係る実験装置７
０は、第１シリンダ７１の開口部に進退可能にピストン
７２を嵌合させ、この開口部にキャップ７３をかぶせて
水槽Ｒ内の水中に沈め、ビニール袋Ｖに入れている。ピ
ストン７２とキャップ７３との間には、キャップ７３の
内面に固定したバイメタル受３２Ａ及びバイメタル３２
Ｂを備えるバイメタル式補償装置３２を介在させてい
る。一方、スライダー７４の突片７４ａに先端が固定さ
れたピストン７５を嵌合する第２シリンダ７６を載置台
７７に固定した。第１シリンダ７１及び第２シリンダ７
６には、それぞれ閉塞部近傍にホース接続口７１ａ，７
６ａが設けられており、これらホース接続口７１ａ，７
６ａにホース７８が接続され、このホース７８を介し
て、第１シリンダ７１の内部と第２シリンダ７６の内部
が連結され、作動油が充填されている。また、第２シリ
ンダ７６に嵌合するピストン７５は、スライダー７４の
突片７４ａを介して、載置台７７に固定されたスプリン
グＳにより第２シリンダ７６方向に付勢されている。ス
ライダー７４には、微小針７９が載置されている。

【００２９】かかる実験装置を用いて、水槽Ｒ内の水の
温度を、図６に示すように変化させて、その温度変化に
伴う比較例に係る実験装置６０の微小針６９及び本発明
例に係る実験装置７０の微小針７９の先端を、図示しな
い顕微鏡で、観察・測定した。この顕微鏡の接眼レンズ
には、目盛り（マイクロメーター）を入れておき、比較
例に係る実験装置６０の微小針６９、本発明例に係る実
験装置７０の微小針７９のそれぞれが指す目盛りを測定
し、水槽Ｒ内の水の温度と、微小針６９，７９の移動距
離との関係を調べた。図７に、比較例に係る実験装置に
おける微小針６９が指した目盛りを白丸で示し、本発明
例に係る実験装置における微小針７９が指した目盛りを
黒丸で示す。この図７に示すグラフより、比較例に係る
実験装置における微小針６９は、水槽Ｒ内の水の温度変
化に伴い移動しているのに対して、本発明に係る実験装
置における微小針７９は、水槽Ｒ内の水の温度変化があ
っても、常に目盛りとして１００μｍを指しており、そ
の移動量は０であることが判る。

【００３０】他方、上記実施形態においては、作動油の
温度変化に伴う体積変化により微動移動部材が移動しよ
うとする量と実質的に同じ移動量を補償する補償装置と
して、バイメタル式補償装置を用いたが、その他の補償
装置として、例えば、固体式補償装置や電気式補償装置
などを用いることができる。

【００３１】これらのうち、固体式補償装置を用いた場
合について説明すると、図８に示すように、図２に示す
バイメタル式補償装置３２の代わりに、固定アングル材
９０、平行ばね式微動移動装置９１、揺動アングル材９
２、及び固体式補償装置９３等が設けられる。この固体
式補償装置９３の先端にボール９４が固持されており、
このボール９４は、揺動アングル材９２に接している。
油圧シリンダ３９は、ベース板１１に立設したブラケッ
ト９５に固持されている。この固体式補償装置９３は、
温度変化による体積変化の大きい固体、たとえばポリテ
トラフルオロエチレン樹脂や高密度ポリエチレン樹脂な
どを主要な素材として、柱状に形成されている。固体式
補償装置９３は、ピストン３６の進退方向に伸長・収縮
するように体積変化する。この固体式補償装置９３の構
成の一例について説明すると、図９（ａ）に示すよう
に、固体式補償装置９３においては、板状の金属板９３
Ａと、やはり板状のたとえばポリテトラフルオロエチレ
ン樹脂板（以下、単に「樹脂板」という。）９３Ｂが交
互に複数層に重なって形成されている。これらの金属板
９３Ａ、樹脂板９３Ｂのうち、最上層の金属板９３Ａ１
の一端面と、その直下の層を形成する樹脂板９３Ｂ１の
一端面とが接着され、接着部９３Ｃ１とされている。こ
の樹脂板９３Ｂ１の他端面と、その直下の金属板９３Ａ
２の他端面とが接着され、接着部９３Ｃ２とされてい
る。以下、同様に金属板９３Ａと樹脂板９３Ｂの一端面
同士と、金属板９３Ａと樹脂板９３Ｂの他端面同士とが
交互に接着されて、接着部９３Ｃが形成され、複数の層
が形成される。本実施形態では、１３の層が形成されて
おり、箱状体９３Ｄに収納されている。この固体式補償
装置９３のうち、金属板９３Ａはほとんど伸縮せず、樹
脂板９３Ｂが伸縮する。このように構成することによ
り、温度変化があった場合には、図９（ｂ）に示すよう
に、層の中央にいくにしたがって、樹脂板９３Ｂの伸長
量が加算されて、固体式補償装置９３の中央部分の移動
量を大きくすることができるとともに、その伸縮方向の
直線性が担保される。

【００３２】この固体式補償装置９３の作用について説
明すれば、油圧シリンダ３９、及びＸ軸油圧シリンダ４
８（図３参照）の油室３９′，４８′内の作動油が温度
変化により、体積変化を起こした場合、固体式補償装置
９３も同様に体積変化を起こす。この固体式補償装置９
３では、油圧シリンダ３９、及びＸ軸油圧シリンダ４８
の油室３９′，４８′内の作動油が膨張してピストン３
６が側板１３方向（図面左方向）に移動すると、固体式
補償装置９３も膨張して、それぞれボール３７，９４を
介して揺動アングル材９２を側板１３方向に押圧する。
従って、油圧シリンダ３９、及びＸ軸油圧シリンダ４８
の油室３９′，４８′内における作動油の体積が増加し
た場合に、油室３９′，４８′内の圧力は変化すること
はないので、Ｘ軸内スライダー４２を動かないようにす
ることができる。油圧シリンダ３９、及びＸ軸油圧シリ
ンダ４８の油室３９′，４８′内における作動油の体積
が減少した場合は、固体式補償装置９３が収縮して、Ｘ
軸スライダー４２を動かないようにすることができる。

【００３３】なお、揺動アングル材９２は、平行ばね式
微動移動装置９１を介して固定アングル材９０に取り付
けられており、この平行ばね式微動移動装置９１によ
り、ピストン３６は油圧シリンダ３９方向に付勢されて
いるため、Ｘ軸微動ハンドル２６を操作することによ
り、Ｘ軸内スライダー４２を微動移動することができ
る。

【００３４】また、上記の固体式補償装置９３において
は、平行ばね式微動移動装置９１を用いているが、これ
に代えて、スライダー等を適宜用いることもできる。

【００３５】さらに、電気式補償装置を用いることもで
きる。この電気式補償装置は、ドリフトをもたらす液圧
の変化またはその原因である環境温度の変化を電気的手
段を介して補償する装置であり、電気信号変換には当業
者の技術水準にある装置を利用することができる。その
一例である圧電式の例により説明する。この補償装置
は、図１０に示すように、図２に示すバイメタル式補償
装置３２の代わりに、圧電素子板９６Ａ、圧電素子板受
９６Ｂ、これらを固定するボルト９６Ｃ，９６Ｃ、配線
９６Ｄ、及びコントロールボックス９６Ｅからなる電気
式補償装置９６を配し、それ以外はバイメタル式補償装
置３２を用いた場合の実施形態と同一の構成とされてい
る。

【００３６】圧電素子板９６Ａは、バイメタル３２Ｂ同
様、上下方向に延在し、ピストン３６の進退方向に湾曲
可能な板状体からなり、その下方位置にボール３７が点
接触しており、その上端は、ボルト９６Ｃ，９６Ｃによ
って、圧電素子板受９６Ｂに固定されている。圧電素子
板受９６Ｂには、螺合部材３１が固定されており、その
上下方向中央部は、回り止め板３４により挟持され、回
動不能とされている。

【００３７】また、圧電素子板９６Ａは、配線９６Ｄを
介してコントロールボックス９６Ｅに接続されている。
コントロールボックス９６Ｅにおいては、温度変化に伴
う作動油の体積変化に基づいた圧電素子板９６Ａの湾曲
量（ボール３７との接触部におけるピストン３６の進退
方向移動量）を算出して、圧電素子板９６Ａを湾曲させ
る。具体的な例としては、図１１に示すような回路が挙
げられる。この回路について説明すると、操作部及び作
動部の油圧シリンダ３９、及びＸ軸油圧シリンダ４８近
傍に、温度検出器、例えばサーミスタ９７を配置し、温
度を検出する。このサーミスタ９７を含むブリッジ回路
を構成し、増幅回路９８を介してポテンショメーター９
９に接続する。このポテンショメーター９９により、ア
クチュエーターたる圧電素子板９６Ａが湾曲する量を調
整するのである。このとき、温度検出器としては、上述
したサーミスタの他、熱電対などを用いることができ、
アクチュエーターとしては、圧電式のものや、電磁式な
どを使用でき、その種類は特に限定されない。また、例
えば、液圧遠隔操作型マイクロマニピュレータ装置の使
用時の温度変化を予測できるような場合には、予めアク
チュエーターの移動量を算出しておき、この算出値に基
づいて、アクチュエーターの移動量を調整するようにす
ることもできる。

【００３８】また、上述したバイメタル式補償装置など
の補償装置は、ダイアル式の操作部に用いる他、いわゆ
るジョイスティックタイプの操作部に用いることもでき
る。その概要について、図１２を用いて説明する。図１
２は、いわゆるジョイスティックタイプの操作部の一部
切欠き側面図である。この操作部は、ジョイスティック
Ｊの把持部１０１を把持し、矢印に示す方向に回転させ
ると、固定部材１０２が上下方向に移動し、Ｚ軸ピスト
ン１０３を上下動させると、シリンダ１０４の油室１０
４′からホース５８に作動油が流出し、または油室１０
４′に作動油が流入して、作動部のマイクロツール９
（図１参照）を上下動させる。ここで、固定部材１０２
とピストン１０３の間には、バイメタル受及びバイメタ
ルを備えるバイメタル式補償装置１０５が介在されてい
るため、上述した実施形態と同様の作用から、Ｚ軸方向
のマイクロツール９のドリフトを防止することができ
る。また、ジョイスティックＪを前後左右に動かすと、
固定球１０６に把持される可動球１０７が前後左右に微
動移動する。この可動球１０７が微動移動すると、図面
左右方向に延在する図示せぬＸ軸シリンダに嵌合するピ
ストン及び図面前後方向に延在する図示せぬＹ軸シリン
ダに嵌合するピストンが微動移動して、ホース５６，５
７に作動油が流入・流出して、作動部側のマイクロツー
ル９が前後左右に微動移動する。このとき、Ｚ軸ピスト
ン１０３同様、図示せぬＸ軸ピストン、Ｙ軸ピストンに
も、それぞれバイメタル式補償装置装置１０８，１０９
が介在するため、作動油の温度変化に伴う体積変化によ
るマイクロツール９のドリフトを防止することができ
る。

【００３９】なお、上記固体式、電気式のいずれの補償
装置を用いた場合においても、作動部側は、上記のマイ
クロマニピュレータ３を用いることができる。また、バ
イメタル式、固体式、電気式のいずれの補償装置も、螺
合部材３１とピストン３６との間に設けたが、Ｘ軸微動
機構８０におけるピストン４３とＸ軸油圧シリンダ４８
との間に介在させる構成としてもよいし、あるいは、螺
合部材３１とピストン３６との間及びＸ軸微動機構８０
におけるピストン４３とＸ軸油圧シリンダ４８との間の
双方に介在させる構成とすることもできる。すなわち、
本発明に係る液圧遠隔操作型マイクロマニピュレータ装
置では、操作部と、作動油を送油して、操作部側ピスト
ン微動移動手段の操作量を作動部に伝達する部分（以
下、「伝達部」という）の間および／または伝達部と作
動部の間に、上記各補償装置を挿入して、温度による伝
達部の伸縮を補償する。これらの補償装置は、伝達部の
温度上昇による伸びと等しい量だけ収縮し、伝達部の温
度下降による収縮と等しい量だけ伸長する。かくして、
マイクロツールのドリフトが防止されるのである。

【００４０】上記の補償装置を設ける各実施形態におい
ては、操作部側と作動部側の温度が等しい場合には、別
段の考慮をすることなく、温度変化に伴う作動油の体積
変化を補償することができる。その一方で、例えば実験
材料として哺乳類の細胞を使用するときなど、作動部側
の温度をほぼ一定に保っておきたい場合には、操作部の
温度と作動部の温度が異なることが想定される。そこ
で、操作部側及び作動部側の温度を温度検出手段によっ
て検出し、その温度差をなくすように、操作部側の温度
を調節することもできる。また、ホース内の作動油の量
は、油室内の作動油の量と比べて少なく、一般的に使用
されるホースは、温度の上昇により若干膨張し、温度の
下降により収縮し、作動液の膨張・収縮を吸収するよう
に作用するので、温度変化に伴う作動油の体積変化を補
償するにあたり、ホース内の作動油の量は、無視して考
えることもできる場合が多い。

【００４１】なお、バイメタル式などの補償装置を設け
る位置は、上記実施形態においては、操作部側ピストン
微動移動手段と操作部側ピストンとの間とされている
が、この位置に限定されるものではなく、たとえば、微
動移動部材と作動部側ピストンの間、あるいは操作部側
シリンダと作動部側シリンダの間におけるホースにつけ
る等、操作部側ピストン微動移動操作手段と微動移動部
材との間の適宜の位置に直接的または間接的に取り付け
ることができる。この操作部側シリンダと作動部側シリ
ンダの間にホースを取り付ける態様について簡単に説明
すると、図１３に模式的に示すように、操作部側におけ
る油圧シリンダ３９と作動部側におけるＸ軸油圧シリン
ダ４８の間におけるホース５６から分岐する分岐ホース
５６′の先端に、補償用シリンダ５９Ａを連通する。こ
の補償用シリンダ５９Ａに嵌合する補償用ピストン５９
Ｂの先端に固定されたボール５９Ｃを介して、図示しな
い基板に固定されたバイメタル受３２Ａとバイメタル３
２Ｂを備えるバイメタル式補償装置３２を接続する。こ
のバイメタル式補償装置３２により、周囲の温度が上昇
して作動油が膨張したときにはバイメタル３２Ｂが遠ざ
かり、逆に周囲の温度が下降して作動油が収縮した場合
にはバイメタル３２Ｂが近づいて、マイクロツールのド
リフトを防止することができる。

【００４２】さらに、上記の各実施形態では、マイクロ
マニピュレータ微動操作装置の油圧シリンダとマイクロ
マニピュレータの油圧シリンダの横断面積の大きさを同
じ、すなわち１対１としたが、この比率に限定されるわ
けではなく、１対５等、他の比率でもよいことは勿論で
ある。このように、マイクロマニピュレータ微動操作装
置の油圧シリンダとマイクロマニピュレータの油圧シリ
ンダの横断面積の大きさを１対５にした場合には、一層
の微動操作ができるという利点がある。また、上記の各
実施形態では、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸方向の液圧遠隔
操作型マイクロマニピュレータ装置について説明した
が、本発明に係る液圧遠隔操作型マイクロマニピュレー
タ装置は、これらのうちのいずれか１軸方向、または２
軸方向に移動するものにも適用できることはいうまでも
ない。

【００４３】他方、上記の補償手段は、マイクロマニピ
ュレータ装置に限らず、液圧回路を有する装置であっ
て、作動液の体積変化に伴うドリフトの問題を生じうる
ような装置であれば、適宜応用的に用いることができ
る。たとえば、温度の変動する空間で、物理的・化学的
に危険な場所（放射能、有毒物質などのある場所）での
リモートコントロールによるミクロまたはサブミクロの
作業や、入口や空間全体が小さくて手が入らない場所で
の作業（将来的には、リモートコントロールによる人体
内に手術のように、体温の変動下での作業も考えられ
る。）に用いられる液圧回路を有する装置にも役立つも
のである。さらには、機械の中にボルトを落としたのを
拾ったり、古墳の中の遺物の採取などへの応用も考えら
れる。

【００４４】

【発明の効果】以上の説明のとおり、本発明によれば、
操作部側ピストンと操作部側ピストン微動移動操作手段
の間又は作動部側ピストンと微動移動部材の間などに、
操作部側液圧シリンダと作動部側液圧シリンダの間にお
ける作動液の温度変化に伴う体積変化により、微動移動
部材が移動しようとする量と実質的に同じ移動量を補償
する補償装置を備えるので、温度変化があった場合で
も、液圧マイクロマニピュレータに取付けられたマイク
ロツール先端はドリフトすることなく、正確にその先端
位置を保持することができる。従って、本発明によれ
ば、液圧による操作性の良さを保持しながら、しかも生
理学等で細胞等の試料に液圧マイクロマニピュレータの
マイクロツール先端を当接させたまま長時間にわたる観
察や操作をすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る液圧遠隔操作型マイクロマニピュ
レータ装置を示す斜視図である。

【図２】本発明におけるマイクロマニピュレータ微動操
作装置のＸ軸微動操作機構部分を示す分解斜視図であ
る。

【図３】本発明におけるマイクロマニピュレータのＸ軸
微動機構部分を示す分解斜視図である。

【図４】本発明におけるマイクロマニピュレータ微動操
作装置のＸ軸微動操作機構部分の作用を示す側面図であ
る。

【図５】本発明に係る液圧遠隔操作型マイクロマニピュ
レータ装置の効果を示す実験に用いた装置の概略図であ
る。

【図６】本発明に係る液圧遠隔操作型マイクロマニピュ
レータ装置の効果を示す実験における水槽内の水温の時
間変化を示すグラフである。

【図７】本発明に係る液圧遠隔操作型マイクロマニピュ
レータ装置の効果を示す実験における水槽内の水温と微
小針の移動量の関係を示すグラフである。

【図８】本発明において、固体式補償装置を用いたマイ
クロマニピュレータ微動操作装置のＸ軸微動操作機構部
分を示す側面図である。

【図９】（ａ）は、本発明における固体式補償装置の摸
式的断面図、（ｂ）は、その伸長状態を示す摸式的断面
図である。

【図１０】本発明において、電気式補償装置を用いたマ
イクロマニピュレータ微動操作装置のＸ軸微動操作機構
部分を示す分解斜視図である。

【図１１】本発明における電気式補償装置のコントロー
ルボックス内の電気回路図である。

【図１２】本発明において、Ｘ軸微動操作機構部分とし
て用いたジョイスティックの一部切欠き側面図である。

【図１３】バイメタル式補償装置をホースに設けた場合
の摸式図である。

【図１４】従来のマイクロマニピュレーション装置の構
成を概略的に説明する説明図である。

【符号の説明】

１液圧遠隔操作型マイクロマニピュレータ装置２マイクロマニピュレータ微動操作装置３３次元液圧マイクロマニピュレータ（マイクロマ
ニピュレータ）５支柱６取付バー７締着具８ホルダー９マイクロツール１１ベース板１３，１４，１５，１６側板１７上板１８ケース２５Ｘ軸微動螺子軸２６Ｘ軸微動ハンドル３１螺合部材３２バイメタル式補償装置３２Ａバイメタル受３２Ｂバイメタル３４回り止め板３６ピストン３７ボール３８支持プレート３９油圧シリンダ３９′ 油室４１Ｘ軸外スライダー４２Ｘ軸内スライダー４３ピストン４４，４６側板４８Ｘ軸油圧シリンダ４８′ 油室５０Ｘ軸微動操作機構５１Ｙ軸微動操作機構５２Ｚ軸微動操作機構５４Ｙ軸微動ハンドル５５Ｚ軸微動ハンドル５６，５７，５８ホース８０Ｘ軸微動機構８１Ｙ軸微動機構８２Ｚ軸微動機構８４締着具取付台８５Ｌ字型押え板８６締付ボルト９０，９０′ 固定アングル材９１平行ばね式微動移動装置９２揺動アングル材９３固体式補償装置９３Ａ金属板９３Ｂ樹脂板９３Ｃ接着部９３Ｄ箱状体９４ボール９５ブラケット９６電気式補償装置９６Ａ圧電素子板９６Ｂ圧電素子板受９６Ｃボルト９６Ｄ配線９６Ｅコントロールボックス１０５，１０８，１０９バイメタル式補償装置Ｊジョイスティック

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基台に固定された操作部側液圧シリンダ
と、この操作部側液圧シリンダ内に進退可能に嵌合した
操作部側ピストンと、この操作部側ピストンを微動移動
させる操作部側ピストン微動移動操作手段とを有するマ
イクロマニピュレータ微動操作装置と、作動部側液圧シリンダと、この作動部側液圧シリンダ内
に進退可能に嵌合した作動部側ピストンと、この作動部
側ピストンに取り付けられた微動移動部材と、前記操作
部側液圧シリンダと前記作動部側液圧シリンダを連結す
るホースとを有する液圧マイクロマニピュレータとを備
えるとともに、前記操作部側ピストン微動移動操作手段と前記微動移動
部材との間に介在され、前記操作部側液圧シリンダと前
記作動部側液圧シリンダの間における作動液の温度変化
に伴う体積変化により、前記微動移動部材が移動しよう
とする量と実質的に同じ移動量を補償するバイメタル式
補償装置を備え、このバイメタル式補償装置が介在される間の距離を、前
記微動移動部材が移動しようとする量と実質的に同じ量
だけ、前記微動移動部材が移動しようとする方向と逆の
方向に遠ざけ、または近づけるようにされていることを
特徴とする液圧遠隔操作型マイクロマニピュレータ装
置。
【請求項２】前記バイメタル式補償装置に代えて、固
体式補償装置を備えることを特徴とする請求項１記載の
液圧遠隔操作型マイクロマニピュレータ装置。
【請求項３】前記バイメタル式補償装置に代えて、電
気式補償装置を備えることを特徴とする請求項１記載の
液圧遠隔操作型マイクロマニピュレータ装置。
【請求項４】前記マイクロマニピュレータ微動操作装
置が前後方向、左右方向及び上下方向の３次元方向に微
動操作が可能で、前記液圧マイクロマニピュレータが前
後方向、左右方向及び上下方向の３次元方向に微動移動
可能なことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれ
か一つに記載の液圧遠隔操作型マイクロマニピュレータ
装置。