(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
把持指の先端部を近接させて微小物体を把持する把持手段と、
前記把持手段をＸ方向及びＹ方向に移動させると共に、前記把持手段の把持指の姿勢方向を変更する第１移動手段と、
前記第１移動手段に支持され、前記把持手段をＺ方向に移動させる第２移動手段と、
を備え、
前記第１移動手段は、
入力されたＸ方向及びＹ方向の変位を合成して拡大するパンタグラフ機構を有しており、このパンタグラフ機構の出力側に前記第２移動手段が支持されており、
前記把持手段の把持指の先端部を中心として前記把持指が揺動するように該把持指の姿勢方向を変更する
ことを特徴とするマイクロマニピュレータ。
【請求項２】
前記パンタグラフ機構は、Ｘ方向の駆動力を供給する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方向の駆動力を供給する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方向及びＹ方向アクチュエータからの駆動力によるＸ方向及びＹ方向の変位が合成されて出力される出力リンクとを有す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。
【請求項３】
前記把持手段の把持指の姿勢方向を変更する姿勢変更アクチュエータからの駆動力が前記Ｘ方向入力リンク又は前記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２に記載のマイクロマニピュレータ。
【請求項４】
前記姿勢変更アクチュエータからの駆動力が入力される前記Ｘ方向入力リンク又は前記Ｙ方向入力リンクが前記出力リンクと平行状態を維持することを特徴とする請求項３に記載のマイクロマニピュレータ。
【請求項５】
前記Ｘ方向アクチュエータ又は前記Ｙ方向アクチュエータの出力部は前記姿勢変更アクチュエータをＸ方向又はＹ方向に移動可能に支持しており、前記姿勢変更アクチュエータからの駆動力がレバー部材を介して前記Ｘ方向入力リンク又は前記Ｙ方向入力リンクの位置を変位させることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のマイクロマニピュレータ。
【請求項６】
前記パンタグラフ機構は、前記Ｘ方向入力リンク、前記Ｙ方向入力リンク、前記出力リンクの他に略直線状の第１乃至第７の７つのリンクを有しており、前記第１リンクの一端は前記Ｙ方向入力リンクに、前記第２リンクの一端は前記Ｘ方向入力リンクの一端に、前記第３リンクの一端は前記Ｘ方向入力リンクの他端に、前記第４リンクの一端は前記出力リンクの一端に、前記第５リンクの一端は前記出力リンクの他端に、前記第１リンクの他端は前記第４リンクの他端に、前記第３リンクの他端は前記第５リンクの他端に、前記第６リンクの一端は前記第３リンク及び前記第５リンクの他端に、前記第７リンクの一端は前記第２リンク及び前記Ｘ方向入力リンクの一端に、それぞれ接続されており、更に、前記第２リンクの他端及び前記第６リンクの他端は、前記第６リンクが前記Ｘ方向入力リンク及び前記出力リンクと平行状態を維持するように前記第４リンクに接続されており、前記第７リンクの他端は前記第４リンクと平行状態を維持するように前記第１リンクに接続されていることを特徴とする請求項４に記載のマイクロマニピュレータ。
【請求項７】
前記パンタグラフ機構は、前記第１リンクの一端が前記Ｙ方向入力リンクに接続された点、前記第２リンク及び第７リンクの一端が前記Ｘ方向入力リンクの一端に接続された点、前記第７リンクの他端が前記第１リンクに接続された点の３点で形成される第１の三角形が、前記第１リンクの一端が前記Ｙ方向入力リンクに接続された点、前記第４リンクの一端が前記出力リンクの一端に接続された点、前記第１リンクの他端が前記第４リンクの他端に接続された点の３点で形成される第２の三角形と相似状態を保持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】
前記レバー部材は、一端に前記姿勢変更アクチュエータからの駆動力が入力され、他端が前記Ｘ方向入力リンクに固定されており、前記レバー部材の一端及び他端間の距離と、前記第４リンクの一端が前記出力リンクに接続された点及び前記把持指の先端部間の距離とが前記第１の三角形と前記第２の三角形との相似比と同じであることを特徴とする請求項７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、把持指の先端部を近接させて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（把持する）ために、把持指を移動させる機構を有しており（例えば、特許文献１参照）、把持対象物が微小なため、マイクロマニピュレータによる作業は、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（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
また、従来のマイクロマニピュレータでは、把持対象物（微小物体）の向きに把持指の先端部の向きを一致させる場合には、予め微小物体の向きを把持指の先端部の向きに対して揃えるように微小物体載置台（載置ステージ）上に載置するか、微小物体載置台が向きを変えられるような機構を備えている。なお、直方体状のチップ素子を把持して基板上に実装する場合には、チップ素子の端子位置を基板のランド位置に合わせるため、把持対象物を把持した状態の把持指先端部や基板の向きをマニュアルで合わせ込むようにしている。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１６８９７９号公報
【特許文献２】特開平４−３０３８１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のマイクロマニピュレータでは、マニュアルで微小物体（把持対象物）に対して把持指の先端部の向きを合わせているため、把持指の先端部で微小物体を把持するまでに複数回の試行錯誤が必要なため操作上の手間が掛かっていた。特に、把持対象物が細胞の場合には、複数回の試行錯誤を行うと、当該細胞が傷つくため、１回の操作で把持対象物を把持指の先端部で把持可能なマイクロマニピュレータが求められている。また、現在より２まわりも小さい０４０２型（０．４ｍｍ×０．２ｍｍ）のチップ素子の規格化も進められており、より微小な把持対象物を把持すると共に、ランド位置に正確かつ迅速に載置可能なマイクロマニピュレータが求められている。
【０００６】
また、一般に、マイクロマニピュレータでは、把持指の先端部をＸ、Ｙ、Ｚの３次元方向に移動させる機構を有しているが、とりわけ、Ｚ方向に把持指の先端部を移動させる場合には、Ｘ、Ｙ方向の移動に比べ、重力方向に逆らう位置エネルギーの増加を伴う移動となることから、消費電力が増大する要因となっていた。
【０００７】
本発明は上記時間に鑑み、顕微鏡視野内において微小物体を正確かつ迅速に取り扱うことができ、消費電力の小さい小型の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、把持指の先端部を近接させて微小物体を把持する把持手段と、前記把持手段をＸ方向及びＹ方向に移動させると共に、前記把持手段の把持指の姿勢方向を変更する第１移動手段と、前記第１移動手段に支持され、前記把持手段をＺ方向に移動させる第２移動手段と、を備え、前記第１移動手段は、入力されたＸ方向及びＹ方向の変位を合成して拡大するパンタグラフ機構を有しており、このパンタグラフ機構の出力側に前記第２移動手段が支持されており、前記把持手段の把持指の先端部を中心として前記把持指が揺動するように該把持指の姿勢方向を変更することを特徴とする。
【０００９】
本発明では、把持手段をＺ方向に移動させる第２移動手段が第１移動手段に支持されている。第１移動手段は、入力されたＸ方向及びＹ方向の変位を合成して拡大するパンタグラフ機構を有しており、このパンタグラフ機構の出力側に第２移動手段が支持されている。把持手段が、第１移動手段によりＸ方向及びＹ方向に移動され、第２移動手段によりＺ方向に移動され、更に、第１移動手段により把持手段の把持指の先端部を中心として把持指が揺動するように把持手段の把持指の姿勢方向が変更されることで、微小物体に対する把持指の先端部が位置付けられる。そして、把持手段により把持指の先端部を近接させて微小物体が把持される。
【００１０】
本発明において、パンタグラフ機構は、Ｘ方向の駆動力を供給する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方向の駆動力を供給する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方向及びＹ方向アクチュエータからの駆動力によるＸ方向及びＹ方向の変位が合成されて出力される出力リンクとを有している。この場合に、把持手段の把持指の姿勢方向を変更する姿勢変更アクチュエータからの駆動力がＸ方向入力リンク又はＹ方向入力リンクに入力されることが好ましく、姿勢変更アクチュエータからの駆動力が入力されるＸ方向入力リンク又はＹ方向入力リンクが出力リンクと平行状態を維持することがより好ましく、Ｘ方向アクチュエータ又はＹ方向アクチュエータの出力部は姿勢変更アクチュエータをＸ方向又はＹ方向に移動可能に支持しており、姿勢変更アクチュエータからの駆動力がレバー部材を介してＸ方向入力リンクの位置を変位させることが更に好ましい。
【００１１】
このようなパンタグラフ機構の一態様は、Ｘ方向入力リンク、Ｙ方向入力リンク、出力リンクの他に略直線状の第１乃至第７の７つのリンクを有しており、第１リンクの一端はＹ方向入力リンクに、第２リンクの一端はＸ方向入力リンクの一端に、第３リンクの一端はＸ方向入力リンクの他端に、第４リンクの一端は出力リンクの一端に、第５リンクの一端は出力リンクの他端に、第１リンクの他端は第４リンクの他端に、第３リンクの他端は第５リンクの他端に、第６リンクの一端は第３リンク及び第５リンクの他端に、第７リンクの一端は第２リンク及びＸ方向入力リンクの一端に、それぞれ接続されており、更に、第２リンクの他端及び第６リンクの他端は、第６リンクがＸ方向入力リンク及び出力リンクと平行状態を維持するように第４リンクに接続されており、第７リンクの他端は第４リンクと平行状態を維持するように第１リンクに接続されている。
【００１２】
また、上記態様のパンタグラフ機構は、第１リンクの一端がＹ方向入力リンクに接続された点、第２リンク及び第７リンクの一端がＸ方向入力リンクの一端に接続された点、第７リンクの他端が第１リンクに接続された点の３点で形成される第１の三角形が、第１リンクの一端がＹ方向入力リンクに接続された点、第４リンクの一端が出力リンクの一端に接続された点、第１リンクの他端が第４リンクの他端に接続された点の３点で形成される第２の三角形と相似であることが望ましい。このとき、レバー部材は、一端に姿勢変更アクチュエータからの駆動力が入力され、他端がＸ方向入力リンクに固定されており、レバー部材の一端及び他端間の距離と、第４リンクの一端が出力リンクに接続された点及び把持指の先端部間の距離とが第１の三角形と第２の三角形との相似比と同じであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、把持手段が、パンタグラフ機構を有する第１移動手段によりＸ方向及びＹ方向に移動され、第２移動手段によりＺ方向に移動され、更に、第１移動手段により把持手段の把持指の先端部を中心として把持指が揺動するように把持指の姿勢方向が変更されるので、顕微鏡視野内において微小物体に対する把持指の姿勢方向を容易に位置付けることができ、微小物体を正確かつ迅速に取り扱うことができると共に、第２移動手段が第１移動手段のパンタグラフ機構の出力側に支持され、把持手段が第１移動手段に支持されているので、第２移動手段には把持手段の荷重しか掛からず、重力に逆らうＺ方向の移動に要する駆動力を小さくできるため、消費電力を小さくすることができ、更に、第１移動手段が、把持手段をＸ方向及びＹ方向に移動させる構成と、把持手段の把持指の先端部を中心として把持指が揺動するように把持指の姿勢方向を変更する構成とを一体に有しているので、マイクロマニピュレータを小型化できる、という効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明に係るマイクロマニピュレータを、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。
【００１５】
（構成）
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２００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（奴隷）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。
【００１６】
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への出力ケーブル及び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共に、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２００のオペレータは、顕微鏡２の接眼レンズから直接、又は、モニタ７を介してステージ３に載置された微小物体１０を目視することができる。
【００１７】
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及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共に、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、更に、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に送信する。
【００１８】
図２及び図３に示すように、マイクロマニピュレータ１００は、大別して、把持指（後述する固定指５０５、可動指５０７）を有し微小物体を取り扱う把持手段としてのハンドリング部１０４と、ハンドリング部１０４をＸ、Ｙ方向に移動させるＸＹ駆動部１０１と、ハンドリング部１０４の把持指の先端部（後述するエンドエフェクタ５０５ａの先端部）を中心としてハンドリング部１０４を回動（厳密には回転揺動機構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１０４の把持指の先端部の姿勢方向を変更するθｚ駆動部１０２と、ハンドリング部１０４をＺ方向に移動させる第２移動手段としてのＺ駆動部１０３とからなる。なお、後述するように、ＸＹ駆動部１０１とθｚ駆動部１０２とは一体に構成されており、両者は本発明の第１移動手段として機能する。
【００１９】
＜ＸＹ駆動部１０１、θｚ駆動部１０２＞
マイクロマニピュレータ１００は、上述した架台４に固定される基台２０１を有している。基台２０１には、ハンドリング部１０４を、それぞれ、Ｘ、Ｙ方向に駆動するための駆動源となるＸ方向アクチュエータ２０２と、Ｙ方向アクチュエータ２０３とが互いに交差する方向に固定されている。
【００２０】
Ｘ方向アクチュエータ２０２は、エンコーダを有し正逆転可能なステッピングモータ２０２ａと、ステッピングモータ２０２ａの出力軸であってエンコーダの反対側に形成されたボールネジ２０２ｂに係合する出力部としてのスライダ２０２ｃと、スライダ２０２ｃが摺動可能な直進ガイドレール（不図示）と、を有する直動アクチュエータであり、Ｙ方向アクチュエータ２０３も同様に、エンコーダを有し正逆転可能なステッピングモータ２０３ａと、ステッピングモータ２０３ａの出力軸であってエンコーダの反対側に形成されたボールネジ２０３ｂに係合するスライダ２０３ｃと、スライダ２０３ｃが摺動可能な直進ガイドレール（不図示）と、を有している。
【００２１】
Ｘ方向アクチュエータ２０２のスライダ２０２には、ステッピングモータからなり、ハンドリング部１０４の把持指の姿勢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としてのθｚアクチュエータ２０７が固定されている。θｚアクチュエータ２０７の出力軸２０７ａにはレバー２０８が固定されている。レバー２０８は支点部２０８ａと固定部２０８ｂとで構成された平面略Ｌ字状の形状を有している。レバー２０８の支点部２０８ａはθｚアクチュエータ２０７の出力軸２０７ａに嵌着されており、固定部２０８ｂはパンタグラフ機構２０４のＸ方向入力リンク２０４ａに固定されている。また、Ｙ方向アクチュエータ２０３のスライダ２０３ｃは、パンタグラフ機構２０４のＹ方向入力リンク２０４ｂに固定されている。このため、Ｘ方向アクチュエータ２０２、Ｙ方向アクチュエータ２０３及びθｚアクチュエータ２０７はパンタグラフ機構２０４にＸ方向及びＹ方向の直動変位、並びに、後述するようにハンドリング部１０４の把持指の姿勢を変更する（把持指を回転させる）ための直動変位（θｚ変位）を与えることができる。なお、図３では、レバー２０８の形状を表すためにＸ方向入力リンク２０４ａと重なる部分を破線で示している。
【００２２】
図４に示すように、パンタグラフ機構２０４は、上述したＸ方向入力リンク２０４ａ、Ｙ方向入力リンク２０４ｂ及び出力リンク２０４ｊの他に、Ｘ方向アクチュエータ２０２、Ｙ方向アクチュエータ２０３及びθｚアクチュエータ２０７からそれぞれ入力されたＸ方向及びＹ方向の直動変位、並びに、上述したθｚ変位を合成、拡大して出力リンク２０４ｊに出力するための略直線状のリンク２０４ｃ〜２０４ｉ及び回転対偶２０４ｋ〜２０４ｓを有している。なお、本発明の第１リンク〜第７リンクと本実施形態のリンク２０４ｃ〜２０４ｉとの関係について付言すれば、第１リンクはリンク２０４ｄに、第２リンクはリンク２０４ｅに、第３リンクはリンク２０４ｈに、第４リンクはリンク２０４ｆに、第５リンクはリンク２０４ｉに、第６リンクはリンク２０４ｇに、第７リンクはリンク２０４ｃに、それぞれ対応する。
【００２３】
このパンタグラフ機構２０４は、Ｘ方向入力リンク２０４ａ、Ｙ方向入力リンク２０４ｂから、リンク２０４ｃ、２０４ｄ、２０４ｅ、２０４ｆで構成される平行四節（パンタグラフ）を介して出力リンク２０４ｊに変位を与えるものであり、リンク２０４ｇ、２０４ｈ、２０４ｉは、回転対偶２０４ｋ〜２０４ｓの位置をそれぞれ末尾のアルファベットをとってｋ〜ｓとしたときに（図８（Ａ）も参照）、□ｐｑｒｎ及び□ｏｓｒｎの二つの平行四辺形ループを加えるように付加されたリンクで、出力リンク２０４ｊの姿勢を一定に保つ機能を有するものであるが、詳述すれば以下の通りである。
【００２４】
すなわち、パンタグラフ機構２０４は、リンク２０４ｄの一端はＹ方向入力リンク２０４に回転対偶２０４ｋを介して、リンク２０４ｅの一端はＸ方向入力リンク２０４ａの一端に回転対偶２０４ｋを介して、リンク２０４ｈの一端はＸ方向入力リンク２０４ａの他端に回転対偶２０４ｑを介して、リンク２０４ｆの一端は出力リンク２０４ｊの一端に回転対偶２０４ｏを介して、リンク２０４ｉの一端は出力リンク２０４ｊの他端に回転対偶２０４ｓを介して、リンク２０４ｄの他端はリンク２０４ｆの他端に回転対偶２０４ｍを介して、リンク２０４ｈの他端はリンク２０４ｉの他端に回転対偶２０４ｒを介して、リンク２０４ｇの一端はリンク２０４ｈ及びリンク２０４ｉの他端に回転対偶２０４ｒを介して、リンク２０４ｃの一端はリンク２０４ｅ及びＸ方向入力リンク２０４ａの一端に回転対偶２０４ｐを介して、それぞれ接続されている。
【００２５】
また、リンク２０４ｅの他端及びリンク２０４ｇの他端は、Ｘ方向アクチュエータ２０２、Ｙ方向アクチュエータ２０３及びθｚアクチュエータ２０７からの駆動力の入力の有無に拘わらず、リンク２０４ｇがＸ方向入力リンク２０４ａ及び出力リンク２０４ｊと平行状態を維持するように回転対偶２０４ｎを介してリンク２０４ｆの同一位置に接続されており、リンク２０４ｃの他端はリンク２０４ｆと平行状態を維持するように回転対偶２０４ｌを介してリンク２０４ｄに接続されている。更に、Ｘ方向アクチュエータ２０２、Ｙ方向アクチュエータ２０３及びθｚアクチュエータ２０７からの駆動力の入力の有無に拘わらず、回転対偶２０４ｋ、２０４ｐ、２０４ｌの３点で形成される第１の二等辺三角形が、回転対偶２０４ｋ、２０４ｏ、２０４ｍの３点で形成される第２の二等辺三角形と相似状態を保持し、レバー２０８の支点部２０８ａ（一端）から回転対偶２０４ｐ（他端）までの距離と、ハンドリング部１０４の把持指の先端部（後述するエンドエフェクタ５０５ａの先端部）から回転対偶２０４ｏまでの距離とが上記第１の二等辺三角形と上記第２の二等辺三角形との相似比と同じとなるように設定されている（図８（Ａ）も参照）。このため、本実施形態では、θｚアクチュエータ２０７から駆動力が入力されない状態で（θｚ＝０°）、回転対偶２０４ｋ、２０４ｐ、レバー２０８の支点部２０８ａ（θｚアクチュエータ２０７の回転軸２０７ａ）の位置、回転対偶２０４ｏ、及び、ハンドリング部１０４の把持指の先端部（後述するエンドエフェクタ５０５ａの先端部）は一直線上に位置している。
【００２６】
図２〜図４に示すように、パンタグラフ機構２０４は、Ｘ方向アクチュエータ２０２、Ｙ方向アクチュエータ２０３及びθｚアクチュエータ２０７と干渉しないように、これらのアクチュエータより上方に配置されている。また、出力リンク２０４ｊの略中央には、Ｚ駆動部１０３のギアボックス４０２から下方に延出された足部（不図示）を嵌合、固定するための嵌合穴が形成された支持部材２０５が立設されており（図４参照）、Ｚ駆動部１０３は支持部材２０５を介してパンタグラフ機構２０４の出力リンク２０４ｊに支持されている。
【００２７】
＜Ｚ駆動部１０３＞
図２に示すように、Ｚ駆動部１０３は、正逆転可能なステッピングモータ４０１と、減速歯車列を有しステッピングモータ４０１からの回転駆動力を減速するギアボックス４０２と、Ｚ方向直動機構４０３とで構成されている。
【００２８】
図５に示すように、Ｚ方向直動機構４０３は、ボールネジ４０３ａ、ナット４０３ｂ、スライダ４０３ｃ、ガイドレール４０３ｄ及びホルダ４０３ｅを有している。すなわち、ギアボックス４０２の減速歯車列の出力端には下方に延出されたボールネジ４０３ａが配設されている。ボールネジ４０３ａの先端部側は、ギアボックス４０２に固定されたホルダ４０３ｅに回転可能に軸支されている。ボールネジ４０３ａにはナット４０３ｂが螺合しており、ナット４０３ｂにはスライダ４０３ｃが固定されている。また、ギアボックス４０２からはボールネジ４０３ａと平行するように直進ガイドレール４０３ｄが配設されており、ガイドレール４０３ｄの先端部側はホルダ４０３ｅに固定されている。スライダ４０３ｃはガイドレール４０３ｄ上を摺動可能にガイドレール４０３ｄに当接している。
【００２９】
＜ハンドリング部１０４＞
図２に示すように、Ｚ方向直動機構４０３のナット４０３ｂには、ハンドリング部１０４側の先端部に貫通穴が形成された連結部材４０４が固定されている。ハンドリング部１０４は、ベース５０１の下部に形成された２つの貫通穴５１０（図６参照）と連結部材４０４のハンドリング部１０４側の先端部に形成された貫通穴（不図示）とを貫通する連結ピン５０８により、Ｚ駆動部１０３に固定されている。
【００３０】
図６に示すように、ハンドリング部１０４は、微小物体を把持するために、固定指５０５と可動指５０７との２本の把持指を有している。固定指５０５、可動指５０７には、それぞれ微小物体と接触するエンドエフェクタ５０５ａ、５０７ａが取り付けられている。
【００３１】
ハンドリング部１０４のベース５０１にはメータ等のアクチュエータ５０２がブラケット５０３を伴って固定されており、プレート５０４には固定指５０５が組み付けられている（固定されている）。プレート５０４は、固定指５０５が組み付けられた状態で、ベース５０１と一定の隙間を形成してベース５０１に固定されている。この隙間には長板状のレバー５０６が介在している。レバー５０６の先端部一側（Ｚ駆動部１０３の反対側）には可動指５０７が固定されており、先端部側中央には上下両方向に支点軸５０６ａが突設されている。上述した隙間は、この支点軸５０６ａがプレート５０４の軸受５０４ａとベース５０１の軸受５０１ａとに軸支されることにより画定されている。
【００３２】
レバー５０６の後端には略Ｕ字状のスリット（切り欠き）５０６ｂが形成されている。スリット５０６ｂにはアクチュエータ５０２の出力ピン５０２ａが係合している。このため、アクチュエータ５０２を駆動すると、レバー５０６が支点軸５０６ｂを中心として揺動することで、固定指５０５のエンドエフェクタ５０５ａに可動指５０７のエンドエフェクタ５０７ａが近接ないし離間し、微小物体の把持ないし把持した微小物体の開放を行うことができる。なお、エンドエフェクタ５０５ａ及びエンドエフェクタ５０７ａは、先端同士が接触するように、固定指５０５及び可動指５０７に配設されたネジで調整可能である。
【００３３】
（動作）
次に、本実施形態の微小物体ハンドリングシステム２００の動作について、マイクロマニピュレータ１００の動作を中心として、マイクロマニピュレータ１００の機能毎に説明する。
【００３４】
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１０４のエンドエフェクタ５０５ａ、５０７ａを、顕微鏡２、カメラ５及び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、Ｘ方向、Ｙ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１０４の揺動角度、すなわち、ハンドリング部１０４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５０５ａ、５０７ａとの相対関係を制御する。
【００３５】
＜Ｘ方向駆動＞
図２〜図４に示すように、Ｘ方向アクチュエータ２０２に作動信号が与えられると、ステッピングモータ２０２ａは、ボールネジ２０２ｂを回転させ、スライダ２０２ｃを介して、パンタグラフ機構２０４のＸ方向入力リンク２０４ａを図３の水平方向（Ｘ方向）に移動させる。このとき、ＰＬＣは、Ｙ方向アクチュエータ２０３を励磁すると共に、θｚアクチュエータ２０７を励磁してθｚ＝０°の状態を維持している。ここで、Ｙ方向アクチュエータ２０３の励磁により回転対偶２０４ｋのＹ方向の変位が固定されるので、回転対偶２０４ｐの変位は、回転対偶２０４ｋ〜２０４ｓの位置をそれぞれの末尾のアルファベットをとってｋ〜ｓとしたときに（図８（Ａ）参照）、△ｋｐｌ：△ｋｏｍの相似比に拡大されて回転対偶２０４ｏに出力され、回転対偶２０４ｏを変位（移動）させる。
【００３６】
＜Ｙ方向駆動＞
Ｙ方向アクチュエータ２０３に作動信号が与えられると、ステッピングモータ２０３ａは、ボールネジ２０３ｂを回転させ、スライダ２０３ｃを介して、パンタグラフ機構２０４のＹ方向入力リンク２０４ｂを図３の鉛直方向（Ｙ方向）に移動させる。このとき、ＰＬＣは、Ｘ方向アクチュエータ２０２を励磁すると共に、θｚアクチュエータ２０７を励磁してθｚ＝０°の状態を維持している。ここで、Ｘ方向アクチュエータ２０２の励磁により回転対偶２０４ｐは固定されるので、回転対偶２０４ｋの変位は、Ｘ方向の場合と同様、回転対偶２０４ｋ〜２０４ｓの位置をそれぞれの末尾のアルファベットをとってｋ〜ｓとしたときに、△ｋｐｌ：△ｏｐｎの相似比に拡大されて回転対偶２０４ｏに出力され、回転対偶２０４ｏを変位（移動）させる。
【００３７】
＜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２０４の出力リンク２０４ｊ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方向駆動及びＹ方向駆動では、説明を簡単にするために、Ｘ方向駆動を行うときにはＹ方向アクチュエータ２０３を励磁した状態のままとしＹ方向入力リンク２０４ｂを移動させない例を示し、また、Ｙ方向駆動を行うときにはＸ方向アクチュエータ２０２を励磁した状態のままとしＸ方向入力リンク２０４ａ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云うまでもない。なお、ＸＹ方向駆動を行うときは、パンタフラフ機構２０４の姿勢を図４に示した状態を保つため、上述したように、θｚアクチュエータ２０７を励磁してθｚ＝０°の状態を維持する必要がある。
【００３８】
＜θｚ方向駆動＞
θｚアクチュエータ２０７に作動信号が与えられると、θｚアクチュエータ２０７は出力軸２０７ａを揺動させ、出力軸２０７ａに嵌着されたレバー２０８は、支点部２０８ａを支点として、パンタグラフ機構２０４のＸ方向入力リンク２０４ａに揺動変位を与える。図７（Ｂ）は図７（Ａ）の状態からレバー２０８を支点部２０８ａに対し反時計回り方向（ＣＣＷ）にα度（例えば、１５°）揺動させた例を示し、図７（Ｃ）は図７（Ａ）の状態からレバー２０８を支点部２０８ａに対し時計回り方向（ＣＷ）にβ度（例えば、１５°）揺動させた例を示している。レバー２０８によりパンタグラフ機構２０４のＸ方向入力リンク２０４ａに揺動変位を与えると、出力リンク２０４ｊにも同じ角度の揺動変位が出力される。
【００３９】
これを機構図に従って説明する。図８（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ図７（Ａ）〜（Ｃ）の状態に対応している。図８（Ａ）は、回転対偶２０４ｋ〜２０４ｓの位置をそれぞれの末尾のアルファベットをとって点ｋ〜ｓとし、レバー２０８の支点部２０８ａ（θｚアクチュエータ２０７の回転軸２０７ａ）の位置を点ｗ、出力リンク２０４ｊの仮想の揺動中心点を点ｖとして表したものである。ここで、レバー２０８の支点部２０８ａの位置を、点ｋ、ｐ、ｏを通る直線上にとると、出力リンク２０４ｊの揺動中心もその直線上となり、線分ｏｖ：線分ｐｗの距離の比が△ｋｐｌ：△ｋｏｍの相似比となるため、出力リンク２０４ｊを揺動させたい位置、点ｖに対して、レバー２０８の支点部２０８ａの位置、点ｗの位置を設定することができる。本実施形態では、図７（Ａ）に示すように、ハンドリング部１０４のエンドエフェクタ５０５ａの先端部が揺動中心となるようにレバー２０８の支点部２０８ａの位置を設定している。
【００４０】
図８（Ｂ）に示すように、点ｗを中心に点ｐを角度α分揺動させると、△ｋｐｌは点ｋを固定点として変形する。すると、△ｋｏｍも相似形を保つように変形し、点ｐの変位に対し点ｏが拡大変位する。点ｏの変位は点ｖを中心とした角度αの揺動となる。このとき、点ｑ、ｒ、ｓは角ｖｏｓを一定に保つために付加された２つの平行四辺形ループ（□ｐｑｒｎ、□ｏｓｒｎ）を形成する回転対偶として従動的に機能する。図８（Ｃ）に示すように、点ｗを中心に点ｐをＣＷ方向にβ度揺動させても、同様に、点ｏは点ｖを中心にＣＷ方向にβ度揺動する。
【００４１】
＜Ｚ方向駆動＞
図５に示すように、ステッピングモータ４０１に駆動信号が与えられると、ステッピングモータ４０１はギアボックス４０２に配設された減速歯車列を介してボールネジ４０３ａを回転し、ナット４０３ｂと一体のハンドリング部１０４をガイドレール４０３ｄに沿って図５の上下方向（Ｚ方向）移動させる。
【００４２】
＜把持駆動＞
図６に示すように、アクチュエータ５０２に駆動信号が与えられると、出力ピン５０２ａが揺動変位し、レバー５０６のスリット５０６ｂに変位が伝達され、レバー５０６は支点軸５０６ａを中心に揺動する。これにより、可動指５０７のエンドエフェクタ５０７ａは、固定指５０５のエンドエフェクタ５０５ａに対し、近接、又は、離間する動きをする。従って、固定指５０５、可動指５０７の２本の把持指は、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。
【００４３】
（作用等）
次に、本実施形態の微小物体ハンドリングシステム２００の作用等について、マイクロマニピュレータ１００の作用等を中心に説明する。
【００４４】
マイクロマニピュレータ１００は、ハンドリング部１０４を、パンタグラフ機構２０４を用いてＸ方向及びＹ方向に駆動（移動）するＸＹ駆動部１０１及びθｚ方向に駆動（エンドエフェクタ５０５ａの先端部を中心として把持指が揺動するようにハンドリング部１０４の姿勢方向を変更）するθｚ駆動部１０２、並びに、Ｚ方向に駆動するＺ駆動部１０３を備えている。このため、例えば、直方体状の微小チップ部品等把持方向が制約される場合や、球状の卵細胞等であっても細胞操作のためエンドエフェクタ５０５ａ、５０７ａによる接触位置（接触方向）が制約される場合に、θｚ駆動部１０２により、微小物体１０に対するエンドエフェクタ５０７ａ、５０７による接触（把持）位置（方向）を調整することができる。従って、マイクロマニピュレータ１００は、微小物体を正確かつ迅速に取り扱うことができる。また、微小物体を把持するエンドエフェクタ５０７ａ（の先端部）が揺動動作の中心となるので、エンドエフェクタ５０７ａ、５０７ａの姿勢方向を変えることによる位置変化を少なくすることができ、顕微鏡視野内でのマイクロマニピュレータの操作が容易となる。
【００４５】
また、マイクロマニピュレータ１００は、Ｚ駆動部１０３が支持部材２０５を介してパンタグラフ機構２０４の出力リンク２０４ｊに支持されており、連結部材４０４及び連結ピン５０８を介して、ハンドリング部１０４がＺ駆動部１０３（のＺ方向直動機構４０３のナット４０３ｂ）に支持されている。この作用、効果について、本発明者らが既に提案したマイクロマニピュレータ（特願２００４−１６６０００）と比較して説明する。なお、便宜上、上記実施形態のマイクロマニピュレータ１００を実施例、本発明者らが特願２００４−１６６０００で提案したマイクロマニピュレータを比較例１という。
【００４６】
図９に示すように、比較例１のマイクロマニピュレータ１００’は、基台２０１’上に、Ｘ方向アクチュエータ２０２’及びＹ方向アクチュエータ２０３’が配設されている。両アクチュエータは、それぞれ、パンタグラフ機構２０４’の入力リンクに変位を入力する。パンタグラフ機構２０４’の出力リンクには、Ｚ駆動部１０３’が固定されている。Ｚ駆動部１０３’の底面側には、その重量を受けて平面移動する脚部を有するＸＹスライダ２０５’と、その受け面２０６’とが配設されている。Ｚ駆動部１０３’は、ステッピングモータ４０１’の駆動トルクをボールネジ４０３’に減速伝達して、ナット４０３’に組み付けられ駆動源のステッピングモータ３０４’を有するθｚ駆動部１０２’と、さらにその先に配置されたハンドリング部１０４’とにＺ方向の駆動力を伝達する。
【００４７】
実施例と比較例１とを対比すると、（１）Ｚ方向について、比較例１ではステッピングモータ４０１’がθｚ駆動部１０２’とハンドリング部１０４’とを駆動する回転駆動力（回転トルク）が必要であるのに対し、実施例ではステッピングモータ４０１がハンドリング部１０４のみを駆動する回転トルクで足りる点、及び、（２）θｚ方向について、比較例１ではステッピングモータ３０４’がハンドリング部１０４’のみを駆動する回転トルクで足りるのに対し、実施例ではθｚアクチュエータ２０７がＺ駆動部１０３とハンドリング部１０４とを駆動する回転トルクが必要である点で相違している。
【００４８】
上記（１）、（２）の相違について検討すると、Ｚ方向の駆動は重力に逆らう移動のため、ステッピングモータ４０１、４０１’の負荷が大きくなる。一方、θｚ方向の駆動は、位置エネルギーの増加を伴うＺ方向の駆動に比べると、負荷は小さい。従って、実施例のマイクロマニピュレータ１００は、ステッピングモータ４０１とθｚアクチュエータ２０７との駆動負荷の総和を、比較例１のマイクロマニピュレータ１００’のステッピングモータ４０１’とステッピングモータ３０４’との駆動負荷の総和より小さくすることができるので、エネルギー消費を小さくすることができる。
【００４９】
更に、マイクロマニピュレータ１００は、θｚアクチュエータ２０７の駆動力を、レバー２０８を介してＸ方向入力リンク２０４ａに入力することで、ハンドリング１０４の把持指の姿勢方向（θｚ方向）を変更している。この作用、効果について、本発明者らが既に提案したマイクロマニピュレータ（特願２００５−２３７９６）と比較して説明する。なお、便宜上、上記実施形態のマイクロマニピュレータ１００を実施例、本発明者らが特願２００５−２３７９６で提案したマイクロマニピュレータを比較例２という。
【００５０】
図１０に示すように、比較例２のマイクロマニピュレータ１００Ａは、θｚ駆動部１０２がパンタグラフ機構２０４を変位させるものではなく、パンタグラフ機構２０４の出力側（出力リンク２０４側）に独立して配置されている。θｚ駆動部１０２はベース３０１を有している。ベース３０１には、円弧状のガイドレール３０２が固定されており、ガイドレール３０２にはこのガイドレール３０２上を摺動可能なスライダ３０３が係合されている。ガイドレール３０２の円弧中心は、ハンドリング部１０４の把持指の先端部に一致している。スライダ３０３には、ステッピングモータ３０４と、ステッピングモータ３０４からの回転駆動を減速する減速歯車列からなるギアボックス３０５とが固定されている。更に、ベース３０１にはＺ駆動部１０３側にガイドレール３０２と同心円状に円弧状壁面３０１ａが形成されており、ベース３０１の円弧状壁面３０１ａの上側には円弧状壁面３０１ａよりＺ駆動部１０３（ハンドリング部１０４）側に突出した内歯歯車３０１ｂが一体形成されている。
【００５１】
実施例と比較例２とを対比すると、（３）比較例２ではθｚ駆動部１０２がパンタグラフ機構２０４の出力側に独立して配置されており、ベース３０１、ガイドレール３０２、減速歯車列を内蔵したギアボックス３０５等の部材が必要であるのに対し、実施例ではこれらの部材が不要で、θｚアクチュエータ２０７の駆動力を、レバー２０８を介してパンタグラフ機構２０４のＸ方向入力リンク２０４ａに入力すれば足りる。
【００５２】
上記（３）の相違について検討すると、実施例のマイクロマニピュレータ１００は比較例２のマイクロマニピュレータ１００Ａのようにベース３０１、ガイドレール３０２、ギアボックス３０５等の部材が不要なため、マイクロマニピュレータの小型化及び低コスト化を図ることができる。
【００５３】
なお、本実施形態では、２本の把持指を有するハンドリング部１０４を示したが、本発明はこれに制限されるものではなく、微小物体の形状に応じて、把持指の形状、本数やエンドエフェクタの形状を変更可能なことは云うまでもない。また、本実施形態では、可動指５０７を固定指５０５に近接させる例を示したが、双方の把持指を互いに近接させるようにしてもよい。この場合に、把持指を駆動する（開閉させる）アクチュエータは、Ｚ駆動部１０３のステッピングモータ４０１の負荷を小さくするために、単一であることが好ましく、双方の把持指を駆動可能な任意の構成を採ればよい。
【００５４】
また、本実施形態では、θｚアクチュエータ２０７の出力軸にレバー２０８の支点部２０８ａを嵌着した例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、減速ギアを介してレバー２０８の支点部２０８ａにθｚアクチュエータ２０７の駆動力を入力するようにしてもよい。この場合には、減速ギアの出力軸の位置が図８（Ａ）に示した点ｗとなる。
【００５５】
また、本実施形態では、図４に示したように、パンタグラフ機構２０４を、Ｘ方向入力リンク２０４ａ、Ｙ方向入力リンク２０４ｂ及び出力リンク２０４ｊの他に、略直線状のリンク２０４ｃ〜２０４ｉ及び回転対偶２０４ｋ〜２０４ｓで構成した例を示したが、図１１（Ｂ）〜（Ｍ）に示すように、本実施形態のパンタフラフ機構２０４（図１１（Ａ）参照）に代えて、種々のパンタフラフ機構を採用することができる。なお、図１１において、ａはＸ方向入力リンク、ｂはＹ方向入力リンク、ｊは出力リンク、θはθｚアクチュエータからの駆動力が入力されるリンク、ＸはＸ方向アクチュエータからの駆動力の入力点、ＹはＹ方向アクチュエータからの駆動力の入力点をそれぞれ表している。
【００５６】
更に、本実施形態では、Ｘ方向アクチュエータ２０２のスライダ２０２ｃがθｚアクチュエータ２０７をＸ方向に移動可能に支持し、θｚアクチュエータ２０７からの駆動力がレバー２０８を介してＸ方向入力リンク２０４ａに入力する例を示したが、本発明はこれに制約されず、Ｙ方向アクチュエータ２０３のスライダ２０３ｃがθｚアクチュエータ２０７をＹ方向に移動可能に支持し、θｚアクチュエータ２０７からの駆動力がレバーを介してＹ方向入力リンクに入力するようにしてもよい。ただし、この態様では、Ｘ方向アクチュエータ２０２、Ｙ方向アクチュエータ２０３及びθｚアクチュエータ２０７からの駆動力の入力の有無に拘わらず、当該Ｙ方向入力リンクは出力リンク２０４ｊと平行状態を維持し、かつ、入力点ではなくリンクとして構成する必要がある。例えば、図１１（Ｍ）はθｚアクチュエータ２０７からの駆動力をＹ方向入力リンクに入力する一例であるが、本実施形態を表す図１１（Ａ）と比較すると明らかなように、Ｙ方向入力リンクは出力リンク２０４ｊと平行状態を維持し、かつ、入力点ではなくリンクとして構成する必要がある。
【００５７】
また、本実施形態では、Ｘ方向入力リンク２０４ａ、Ｙ方向入力リンク２０４ｂ、リンク２０４ｃ〜２０４ｉを接続する部材に回転対偶２０４ｋ〜２０４ｓを例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図１２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、リンクと一体成形された弾性ヒンジを用いるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、顕微鏡視野内において微小物体を正確かつ迅速に取り扱うことができ、消費電力の小さい小型のマイクロマニピュレータを提供することを目的とするため、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。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【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のマイクロマニピュレータの正面図である。
【図３】マイクロマニピュレータの平面図である。
【図４】Ｚ駆動部を組み付ける前のマイクロマニピュレータのＸＹ駆動部及びθｚ駆動部の平面図である。
【図５】マイクロマニピュレータのＺ駆動部及びハンドリング部の斜視図である。
【図６】マイクロマニピュレータのハンドリング部の分解斜視図である。
【図７】θｚ駆動部の揺動原理を示す説明図であり、（Ａ）は揺動前、（Ｂ）は反時計回り方向に揺動させた状態、（Ｃ）は時計回り方向に揺動させた状態を示すマイクロマニピュレータの平面図である。
【図８】パンタグラフ機構の回転対偶を点で表しθｚ駆動部の揺動原理を示す説明図であり、（Ａ）は図７（Ａ）に、（Ｂ）は図７（Ｂ）に、（Ｃ）は図７（Ｃ）にそれぞれ対応する機構図である。
【図９】比較例１のマイクロマニピュレータを示す正面図である。
【図１０】比較例２のマイクロマニピュレータを示す一部分解斜視図である。
【図１１】パンタフラフ機構の概略機構図を示し、（Ａ）は本実施形態のパンタグラフ、（Ｂ）〜（Ｍ）は、本実施形態のパンタグラフに代えて適用可能な他の実施形態のパンタフラフである。
【図１２】回転対偶に弾性ヒンジを用いた場合の説明図であり、（Ａ）は２つのリンクを接続する弾性ヒンジ、（Ｂ）は３つのリンクを接続する弾性ヒンジを示した平面図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０  微小物体
１００  マイクロマニピュレータ
１０１  ＸＹ駆動部（第１移動手段）
１０２  θｚ駆動部（第１移動手段）
１０３  Ｚ駆動部（第２移動手段）
１０４  ハンドリング部（把持手段）
２０２  Ｘ方向アクチュエータ
２０２ｃ  スライダ（出力部）
２０３  Ｙ方向アクチュエータ
２０４  パンタグラフ機構
２０４ａ  Ｘ方向入力リンク
２０４ｂ  Ｙ方向入力リンク
２０４ｃ  リンク（第７リンク）
２０４ｄ  リンク（第１リンク）
２０４ｅ  リンク（第２リンク）
２０４ｆ  リンク（第４リンク）
２０４ｇ  リンク（第６リンク）
２０４ｈ  リンク（第３リンク）
２０４ｉ  リンク（第５リンク）
２０４ｊ  出力リンク
２０７  θｚアクチュエータ（姿勢変更アクチュエータ）
２０７ａ  出力軸
２０８  レバー（レバー部材）
２０８ａ  支持部（一端）
２０８ｂ  固定部（他端）
５０５  固定指（把持指）
５０５ａ  エンドエフェクタ（先端部）
５０７  可動指（把持指）
５０７ｂ  エンドエフェクタ
【図１】
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【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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【図９】
0004806229.tif 000010
【図１０】
0004806229.tif 000011
【図１１】
0004806229.tif 000012
【図１２】
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