(57)【要約】【課題】ハンドリング部をＹＺ平面で回動させてもＹ方向での調整が不要な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１００は、微小物体にアクセスするためのエンドエフェクタ１１０ａ、１１０ｂ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方向およびＹ方向変位を合成して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とを備える。【選択図】図５
2019095654.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小物体にアクセスするためのエンドエフェクタを有するハンドリング部と、
前記ハンドリング部をＹＺ平面で回動可能に支持するとともに、前記ハンドリング部をＺ方向に移動させるＺ方向移動手段と、
入力されたＸ方向およびＹ方向変位を合成して前記Ｚ方向移動手段に出力する変位合成手段と、
前記ハンドリング部の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オフセット手段と、
を備えたマイクロマニピュレータ。
【請求項２】
前記オフセット手段は、前記Ｚ方向移動手段と前記変位合成手段との間に設けら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。
【請求項３】
前記オフセット手段は、前記Ｚ方向移動手段と前記変位合成手段との間のＹ方向での距離を調整することで前記Ｙ方向の変位分をオフセットすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマイクロマニピュレータ。
【請求項４】
前記オフセット手段は、前記ハンドリング部がＹＺ平面で回動したときの回動前後で前記変位合成手段の出力端から前記ハンドリング部のエンドエフェクタの先端までのＹ方向での距離が等しくなるように前記Ｙ方向の変位分をオフセットすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のマイクロマニピュレータ。
【請求項５】
前記オフセット手段は、前記変位合成手段の出力端で支持され、前記Ｚ方向移動手段をＹ方向に移動可能に支持することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のマイクロマニピュレータ。
【請求項６】
前記オフセット手段は、前記Ｚ方向移動手段の前記変位合成手段側に設けられたカムと、前記変位合成手段の出力端に固定され前記カムに当接するカムフォロアとを有して構成された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。
【請求項７】
前記カムは、前記ハンドリング部がＹＺ平面で回動したときに同期して回動す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。
【請求項８】
前記ハンドリング部のＹＺ平面での回動を規制する規制手段をさらに備え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。
【請求項９】
前記変位合成手段は、前記Ｘ方向変位を供給するＸ方向アクチュエータからの駆動力が入力されるＸ方向入力リンクと、前記Ｙ方向変位を供給するＹ方向アクチュエータからの駆動力が入力されるＹ方向入力リンクと、前記Ｘ方向およびＹ方向アクチュエータからの駆動力によるＸ方向およびＹ方向の変位が合成拡大されて出力される出力リンクとを有するパンタグラフ機構で構成されたことを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載のマイクロマニピュレータ。
【請求項１０】
前記ハンドリング部のエンドエフェクタの先端を中心として前記ハンドリング部が回動するように前記ハンドリング部の姿勢方向を変更するための駆動力を供給する姿勢変更アクチュエータをさらに備え、前記姿勢変更アクチュエータからの駆動力が前記Ｘ方向入力リンクまたは前記Ｙ方向入力リンクに入力され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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロマニピュレータに係り、特に、エンドエフェクタを有し微小物体を取り扱うマイクロマニピュレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
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、微小物体を取り扱う（例えば、把持する）ためのエンドエフェクタを移動させる機構を有しており、マイクロマニピュレータによる作業は、微小物体を取り扱うため、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。
【０００３】
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把持指を有するマイクロマニピュレータが開示されている。このマニピュレータは、Ｘ方向およびＹ方向変位を合成拡大するパンラグラフ機構と、エンドエフェクタの先端を架空点中心としてハンドリング部の姿勢をＸＹ平面で変更する（架空点を中心としてハンドリング部を揺動させる）θｚ駆動部とを有している。θｚ駆動部の揺動変位はパンタグラフ機構を構成するＸ方向入力リンクまたはＹ方向入力リンクに入力され、パンタグラフ機構の出力リンクにはＸ、Ｙ方向の変位およびθｚ駆動部からの揺動変位が合成拡大されて出力される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４８０６２２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記のようなマニピュレータにおいてハンドリング部をＹＺ平面で回動させたいというニーズがある。例えば、マニピュレータの操作対象の細胞は保存溶液とともにシャーレ等の容器内に保存され、容器の上部はカバーで覆われる。マニピュレータで細胞にアクセスする際には、例えばカバーに開口を形成し開口内にエンドエフェクタを挿入する。その際、ＹＺ平面でハンドリング部を回動できれば、開口を介して細胞へのアクセスが容易となる。また、細胞に限らず、マイクロチップ等の微小物体でもその形状に応じてＹＺ平面でのアクセス角度を変えられれば、マニピュレータの使い勝手が向上する。この点、特許文献１に開示されたマニピュレータでもハンドリング部はピン５０８（図２参照）を介して回動可能に構成されているため、ＹＺ平面でのハンドリング部の回動は可能である。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示されたマニピュレータにおいて、ハンドリング部の角度をＹＺ平面で例えばθｖ度回動すると、θｖ度回動前後では、パンタグラフ機構の出力リンクから架空点中心（エンドエフェクタの先端）までのＹ方向での距離が異なってしまう。この結果、エンドエフェクタの先端が顕微鏡の視野外となりモニタに表示されなくなるため、オペレータはエンドエフェクタの先端がモニタに表示されるように、すなわち、微小物体およびエンドエフェクタの先端の相対位置関係が明らかとなるようにマニピュレータのＹ方向を調整する必要があった。このような調整は、モニタ画面内にエンドエフェクタの先端が入るように、モニタを見ながらパンタグラフ機構を動かしエンドエフェクタの先端位置を試行錯誤で補正することとなるため、手間の掛かる作業であった。
【０００７】
本発明は上記事案に鑑み、ハンドリング部をＹＺ平面で回動させてもＹ方向での調整が不要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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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エンドエフェクタを有するハンドリング部と、前記ハンドリング部をＹＺ平面で回動可能に支持するとともに、前記ハンドリング部をＺ方向に移動させるＺ方向移動手段と、入力されたＸ方向およびＹ方向変位を合成して前記Ｚ方向移動手段に出力する変位合成手段と、前記ハンドリング部の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オフセット手段と、を備える。
【０００９】
本発明において、オフセット手段は、Ｚ方向移動手段と変位合成手段との間に設けられていることが好ましい。オフセット手段は、Ｚ方向移動手段と変位合成手段との間のＹ方向での距離を調整することでＹ方向の変位分をオフセットするようにしてもよい。また、オフセット手段は、変位合成手段の出力端で支持され、Ｚ方向移動手段をＹ方向に移動可能に支持するようにしてもよい。さらに、オフセット手段は、ハンドリング部がＹＺ平面で回動したときの回動前後で変位合成手段の出力端からハンドリング部のエンドエフェクタの先端までのＹ方向での距離が等しくなるようにＹ方向の変位分をオフセットするようにしてもよい。
【００１０】
また、オフセット手段は、Ｚ方向移動手段の変位合成手段側に設けられたカムと、変位合成手段の出力端に固定されカムに当接するカムフォロアとを有して構成されていてもよい。このカムは、ハンドリング部がＹＺ平面で回動したときに同期して回動することが望ましい。
【００１１】
さらに、ハンドリング部のＹＺ平面での回動を規制する規制手段を備えるようにしてもよい。
【００１２】
また、変位合成手段は、Ｘ方向変位を供給するＸ方向アクチュエータからの駆動力が入力されるＸ方向入力リンクと、Ｙ方向変位を供給するＹ方向アクチュエータからの駆動力が入力されるＹ方向入力リンクと、Ｘ方向およびＹ方向アクチュエータからの駆動力によるＸ方向およびＹ方向の変位が合成拡大されて出力される出力リンクとを有するパンタグラフ機構で構成されていてもよい。
【００１３】
さらに、ハンドリング部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が回動するようにハンドリング部の姿勢方向を変更するための駆動力を供給する姿勢変更アクチュエータをさらに備え、姿勢変更アクチュエータからの駆動力がＸ方向入力リンクまたはＹ方向入力リンクに入力されるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、オフセット手段によりハンドリング部のＹＺ平面での回動により生じるＹ方向の変位分がオフセットされるので、ハンドリング部をＹＺ平面で回動させてもＹ方向での調整作業をなくすことができる、という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明が適用可能な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。
【図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斜視図である。
【図３】マイクロマニピュレータの平面図である。
【図４】マイクロマニピュレータの正面図である。
【図５】マイクロマニピュレータの背面図である。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】マイクロマニピュレータの動作説明図であり、（Ａ）はハンドリング部がＹＺ平面で鉛直方向に対し４５°の位置にある状態、（Ｂ）はハンドリング部を（Ａ）に示す状態からＹＺ平面で１５°回動させたときの状態、（Ｃ）はハンドリング部を（Ａ）に示す状態からＹＺ平面で３０°回動させたときの状態をそれぞれ示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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実施の形態について説明する。
【００１７】
１．構成
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
（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。
【００２２】
＜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。
【００２３】
＜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。
【００２４】
＜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。
【００２５】
＜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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
（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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
（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、把持指を有する先端ユニット１０５と、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とで構成されている。なお、本実施形態では把持指を例示するが、本発明はこれに限るものではない。
【００３３】
＜先端ユニット１０５＞
先端ユニット１０５は基部ユニット１０６に固定されており、基部ユニット１０６とは反対側に微小物体を把持するための固定指と可動指との２本の把持指を有している。固定指、可動指には、それぞれ微小物体にアクセスするためのエンドエフェクタ１１０ａ、１１０ｂが取り付けられている。
【００３４】
可動指はエンドエフェクタ１１０ｂの先端が固定指のエンドエフェクタ１１０ａの先端と離間するように不図示の捩りコイルバネで付勢されている。先端ユニット１０５にはメータ等のアクチュエータ１２９が取り付けられており、アクチュエータ１２９の出力軸には回動軸１１１を回動支点とし可動指に連結されたレバー１１２が固着している（図４、図５参照）。アクチュエータ１２９を駆動すると、レバー１１２が捩りコイルバネの付勢力に抗して回動軸１１１を支点に回動することで、固定指のエンドエフェクタ１１０ａの先端に可動指のエンドエフェクタ１１０ｂの先端が近接する。
【００３５】
なお、エンドエフェクタ１１０ａおよびエンドエフェクタ１１０ｂは、先端同士が接触するように固定指および可動指の少なくとも一方に配設された図示しない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回動軸１１１の軸芯を結ぶ仮想線とエンドエフェクタ１１０ａとがなす角度と、接触点および回動軸１１１の軸芯を結ぶ仮想線とエンドエフェクタ１１０ｂ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。
【００３６】
＜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。
【００３７】
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６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６の右側）、背面側（図６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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
（４）θｖ補正部１０４
図７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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
＜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。
【００４６】
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。
【００４７】
＜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。
【００４８】
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。
【００４９】
＜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。
【００５０】
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１、図６）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。
【００５１】
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の動作について、マイクロマニピュレータ１００の動作を中心にマイクロマニピュレータ１００を構成する各部ごとに説明する。
【００５２】
２−１．一般的動作
まず、オペレータは、図１に示すように、ステージ３に載置された微小物体１０、ハンドリング部１０３のエンドエフェクタ１１０ａ、１１０ａ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、Ｙ方向、Ｘ方向、θｚ方向（エンドエフェクタ５０５ａ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１１０ａ、１１０ｂとの相対関係を制御する。
【００５３】
＜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。
【００５４】
＜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。
【００５５】
＜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。
【００５６】
＜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。
【００５７】
＜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。
【００５８】
＜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は回転軸１１１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１１０ｂは、固定指のエンドエフェクタ１１０ａ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１１０ａ、１１０ｂ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。
【００５９】
２−２．特色的動作
上記動作中またはその前後に、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。
【００６０】
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。
【００６１】
図８は、このような動作でのマイクロマニピュレータ１００の状態を模式的に示したものである。図８（Ａ）はハンドリング部１０３がＹＺ平面で鉛直方向に対し４５°の位置にある状態を示している。
【００６２】
図８（Ｂ）は、この状態からオペレータがハンドリング部１０３を角度θｖ＝１５°上方に回動させた状態を示したものである。ハンドリング部１０３のＹ方向での変位が大きくなる分、カム１５６の回動に伴ってガイドレール１６２とスライダ１６１との位置関係が変わり変位合成部１０１の出力リンク１４４とＺ方向移動部１０２のホルダ１７４との距離は短くなるが、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Ｌは図８（Ａ）の状態と同じである。
【００６３】
図８（Ｃ）は、図８（Ａ）の状態からハンドリング部１０３を角度θｖ＝３０°上方に回動させた状態を示したものである。ハンドリング部１０３のＹ方向での変位が大さらにきくなる分、カム１５６の回動に伴ってガイドレール１６２とスライダ１６１との位置関係が変わり変位合成部１０１の出力リンク１４４とＺ方向移動部１０２のホルダ１７４との距離は図８（Ｂ）の状態よりさらに短くなるが、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Ｌは図８（Ａ）および図８（Ｂ）の状態と同じである。
【００６４】
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。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り、オペレータは上述した一般的動作を開始ないし再開する。
【００６５】
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。
【００６６】
３−１．作用効果
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、ハンドリング部１０３が回動するとθｖ補正部１０４のカム１５６が回動し、Ｚ方向移動部１０２およびハンドリング部１０３はカム１５６の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をオフセットする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Ｌは一定となる。
【００６７】
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）によれば、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１１０ａ、１１０ｂを捉えることができるので、Ｙ方向での調整作業をなくすことができる。また、ＹＺ平面での回動により生じるその後の調整をなくすことができることから、微小物体１０に対してアクセス方向の自由度を増やすことができる。
【００６８】
３−２．変形例
なお、本実施形態では、微小物体へのアクセス体として２つのエンドエフェクタ１１０ａ、１１０ｂを有するハンドリング部１０３を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。微小物体にアクセスするのは単一でも３つ以上のアクセス体であってもよく、微小物体に応じて、アクセス体の形状や本数を変更可能なことはいうまでもない。また、本実施形態ではエンドエフェクタで微小物体を把持する例を示したが、アクセス体はこれに限らず例えばインジェクション、カッタや、微小物体の捕捉や位置固定を補助するレセプタ等であってもよい。さらに、本実施形態では、可動指のエンドエフェクタを固定指のエンドエフェクタに近接させる例を示したが、双方の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。
【００６９】
また、本実施形態では、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、本発明はこれに限るものではない。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。
【００７０】
さらに、本実施形態では、軸受１６７をＺ方向移動部１０２の連結部材１６４に設けシャフト１５１を基部ユニット１０６に固定する例を示したが、この関係は逆としてもよい。すなわち、基部ユニット１０６が軸受を有しシャフト１５１が連結部材１６４に固定されるようにしてもよい。
【００７１】
また、本実施形態では、回転ダイヤル１６３の側圧で軸受１６７の回動を規制する例を示したが、本発明はこれに制限されるものではない。例えば、軸受１６７にネジ孔を形成しこのネジ孔にネジ部が螺合し先端がシャフト１５１に当接するノブを差し込み軸受１６７の回動を規制するようにしてもよい。
【００７２】
さらに、本実施形態では、θｚ駆動部１２３を例示したが、本発明は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。そして、本実施形態では、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。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明はハンドリング部をＹＺ平面で回動させてもＹ方向での調整が不要な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。
【符号の説明】
【００７４】
１０  微小物体
１００  マイクロマニピュレータ
１０１  変位合成部（変位合成手段）
１０２  Ｚ方向移動部（Ｚ方向移動手段）
１０３  ハンドリング部
１０４  θｖ補正部（オフセット手段）
１１０ａ、１１０ｂ  エンドエフェクタ
１２５  Ｙ方向アクチュエータ
１２６  Ｘ方向アクチュエータ
１２７  θｚアクチュエータ（姿勢変更アクチュエータ）
１４０  パンタグラフ機構
１４１  Ｙ方向入力リンク
１４２  Ｘ方向入力リンク
１４４  出力リンク（出力端）
１５６  カム
１５７  カムフォロア
１６３  回転ダイヤル（規制手段）
１６４  連結部材
【図１】
2019095654.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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