(57)【要約】【課題】２本の把持指を有し、意図した載置位置に把持対象物を載置可能なマイクロマニュピュレータを提供する。【解決手段】マイクロマミュピュレータのマイクログリッパ機構部１は、先端に微小な把持対象物を把持するエンドエフェクタ７、８を有する２本の把持指５、６と、１本の脱離用エンドエフェクタ１１を有しエンドエフェクタ７、８により把持された把持対象物に接触して脱離させる脱離指１０と、把持対象物を把持したエンドエフェクタ７、８を離間させるときに、脱離用エンドエフェクタ１１の先端部を加振する積層圧電アクチュエータ１２と、を備えている。積層圧電アクチュエータ１２で脱離用エンドエフェクタ１１を振動させながらエンドエフェクタ７、８を離間させることで、把持対象物が脱離する瞬間に表面間力による吸着が解除され、意図した載置位置に把持対象物が載置される。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２本の把持指を有し微小な把持対象物を把持する把持手段と、
前記把持手段の把持指の少なくとも一方を移動させる把持指移動手段と、
前記把持対象物を把持した把持手段の把持指を開放するときに、前記把持指の先端部を同時に加振する加振手段と、
を備えたマイクロマミュピュレータ。
【請求項２】
前記加振手段は、単一の圧電素子と、前記把持指の先端部に前記圧電素子からの振動を伝達する振動伝達部材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ュピュレータ。
【請求項３】
前記振動伝達部材は、前記把持指の先端部側で二股に分かれていることを特徴とする請求項２に記載のマイクロマニュピュレータ。
【請求項４】
前記加振手段は、前記把持手段による把持対象物の把持方向と直交する方向に前記把持指の先端部を加振することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のマイクロマニュピュレータ。
【請求項５】
２本の把持指を有し微小な把持対象物を把持する把持手段と、
前記把持手段の把持指の少なくとも一方を移動させる把持指移動手段と、
１本の脱離指を有し前記把持手段により把持された把持対象物に接触して脱離させる脱離手段と、
前記把持対象物を把持した把持手段の把持指を開放するときに、前記脱離指の先端部を加振する加振手段と、
を備えたマイクロマニュピュレータ。
【請求項６】
前記加振手段は、圧電素子と、前記脱離指の先端部に前記圧電素子からの振動を伝達する振動伝達部材とを有することを特徴とする請求項４に記載のマイクロマニュピュレータ。
【請求項７】
前記脱離手段は、前記把持手段による把持対象物の把持方向と直交する方向において、前記把持手段により把持された把持対象物を押圧することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のマイクロマニュピュレータ。
【請求項８】
前記把持手段の把持指間の上方に前記脱離指の先端部を移動させる脱離指移動手段を更に備えたことを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれか１項に記載のマイクロマニュピュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロマニュピュレータに係り、特に、２本の把持指で微小な把持対象物を把持するマイクロマニュ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ュピュレータが用いられている。一般に、マイクロマニュピュレータは、微小な把持対象物を把持するために、複数本の把持指の先端部を互いに把持対象物に近接・離間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、マイクロマニュ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ＣＣＤカメラを介してディスプレイ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】
把持対象物の大きさが１ｍｍ以下の微小領域では、従来の工業製品の大部分が属するマクロ領域の物理現象とは異なる物理現象に支配される。すなわち、微小領域では、マクロ領域で支配的な重力に代わり、分子間力、液体架橋力、静電気力等の表面間力が支配的となるため、把持対象物を把持する場合に、大きな力を与えずとも容易に把持対象物を把持することができる反面、把持指から把持対象物が離れづらくなり、意図した載置位置に把持対象物を載置することが難しくなる。
【０００４】
なお、本発明に関連する技術として、１本のマイクロマニュピュレータ用器具を所定量移動させる移動機構と、マイクロマニュピュレータ用器具に衝撃力を付与する衝撃機構とを別個とすることで、マイクロマニュピュレータ用器具の移動量の安定化と衝撃力の調整とを図る技術が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
【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
【特許文献３】特開２００３−１５７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、２本の把持指を有する従来のマイクロマニュピュレータでは、上述した表面間力のため、把持対象物を意図した載置位置に載置するという要求に対して、いずれも安定した結果を得られていない。つまり、２本の把持指を離間させ把持対象物を把持指から脱離させる（開放する）ときに、把持対象物がいずれの把持指に吸着するかが不明なため、意図した載置位置に安定して載置することができない。また、仮に上記特許文献３の技術を適用しても、把持指の両方に加振機構を設けなければならず、更に、２本の把持指を移動させる移動機構を設けなければならないので、却ってマイクロマニュピュレータの大型化を招く。
【０００７】
本発明は上記事案に鑑み、２本の把持指を有し、意図した載置位置に把持対象物を載置可能なマイクロマニュ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、本発明の第１の態様は、２本の把持指を有し微小な把持対象物を把持する把持手段と、前記把持手段の把持指の少なくとも一方を移動させる把持指移動手段と、前記把持対象物を把持した把持手段の把持指を開放するときに、前記把持指の先端部を同時に加振する加振手段と、を備える。
【０００９】
第１の態様では、把持手段が２本の把持指を有しており、把持指移動手段で把持指の少なくとも一方を移動させることで、把持手段の把持指で微小な把持対象物が把持される。一方、把持指移動手段で把持指を把持方向とは逆方向に互いに移動させることで、把持指により把持された把持対象物が開放される。そして、加振手段により、把持対象物を把持した把持手段の把持指を開放するときに、把持指の先端部が同時に加振される。第１の態様によれば、把持対象物を把持状態にある把持指の先端部双方を加振手段で振動させながら把持指移動手段により把持指を開放するようにしたので、把持対象物が把持指から脱離する瞬間に表面間力による吸着が解除され、意図した載置位置に把持対象物を載置することができる。
【００１０】
第１の態様において、加振手段を、単一の圧電素子と、把持指の先端部に圧電素子からの振動を伝達する振動伝達部材とを有して構成すれば、把持指毎に圧電素子や振動伝達部材を設ける必要がないので、マイクロマニュピュレータの小型化を図ることができる。このとき、振動伝達部材は、把持指の先端部側で二股に分かれているようにしてもよい。また、加振手段は、把持対象物に作用する押圧力を低減させるために、把持手段による把持対象物の把持方向と直交する方向に把持指の先端部を加振することが好ましい。
【００１１】
また、上記課題を解決するために、本発明の第２の態様は、２本の把持指を有し微小な把持対象物を把持する把持手段と、前記把持手段の把持指の少なくとも一方を移動させる把持指移動手段と、１本の脱離指を有し前記把持手段により把持された把持対象物に接触して脱離させる脱離手段と、前記把持対象物を把持した把持手段の把持指を開放するときに、前記脱離指の先端部を加振する加振手段と、を備える。
【００１２】
第２の態様では、把持手段が２本の把持指を有しており、把持指移動手段で把持指の少なくとも一方を移動させることで、把持手段の把持指で微小な把持対象物が把持される。一方、把持手段で把持された把持対象物に脱離手段の脱離指が接触し、把持指移動手段で把持指を把持方向とは逆方向に互いに移動させることで、把持対象物が把持指による把持から開放（脱離）される。そして、加振手段により、把持対象物を把持した把持手段の把持指を開放するときに、脱離指の先端部が加振される。第２の態様によれば、脱離指が２本の把持指で把持されている把持対象物に接触すると共に、加振手段で脱離指を振動させながら把持指移動手段で把持指を開放するようにしたので、把持対象物が把持指及び脱離指から脱離する瞬間に表面間力による吸着が解除され、意図した載置位置に把持対象物を載置することができる。
【００１３】
第２の態様において、加振手段を、圧電素子と、脱離指の先端部に圧電素子からの振動を伝達する振動伝達部材とを有して構成するようにしてもよい。更に、把持対象物を位置決め面の所望の載置位置に載置するには、脱離手段が、把持手段による把持対象物の把持方向と直交する方向において、把持手段により把持された把持対象物を押圧することが好ましい。また、把持手段の把持指間の上方に脱離指の先端部を移動させる脱離指移動手段を更に備えるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の第１の態様によれば、把持対象物を把持状態にある把持指の先端部双方を加振手段で振動させながら把持指移動手段により把持指を開放するようにしたので、把持対象物が把持指から脱離する瞬間に表面間力による吸着が解除され、意図した載置位置に把持対象物を載置することができ、第２の態様によれば、脱離指が２本の把持指で把持されている把持対象物に接触すると共に、加振手段で脱離指を振動させながら把持指移動手段で把持指を開放するようにしたので、把持対象物が把持指及び脱離指から脱離する瞬間に表面間力による吸着が解除され、意図した載置位置に把持対象物を載置することができる、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】
【００１５】
＜第１実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明に係るマイクロマニュピュレータを、微小物体（把持対象物）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。本実施形態は、把持対象物を把持した２本の把持指を開放する（離間させる）ときに、脱離指の先端を加振するものである。
【００１６】
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、マイクロマニュピュレータ１１０、微小物体載置基台１０２及び顕微鏡１０１を有し厚板状の定盤１０６に固定された微小物体ハンドリング装置１００と、パーソナルコンピュータ（以下、パソコンという。）２０２と、パソコン２０２のスレーブ（奴隷）コンピュータとしてマイクロマニュピュレータ１１０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という。）２０４と、を備えている。
【００１７】
パソコン２０２には、液晶表示装置等のディスプレイ２０１及びマウス等の入力装置２０３が接続されている。また、顕微鏡１０１にはＣＣＤカメラ１０７が装着されており、ＣＣＤカメラ１０７からの出力端子がパソコン２０２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１０１の接眼レンズから直接、又は、ディスプレイ２０１を介して微小物体載置面１７上に載置された微小物体を目視することができる。
【００１８】
また、パソコン２０２はインターフェースを介してＰＬＣ２０４に接続されており、ＰＬＣ２０４は、マイクロマニュピュレータ１１０に配設された種々のアクチュエータの駆動制御を行う駆動制御部等をマウントした中継基板２０５に接続されている。中継基板２０５とマイクロマニュピュレータ１１０に配設された種々のアクチュエータとは、図示を省略したフレキシブル基板で接続されている。なお、ＰＬＣ２０４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、パソコン２０２から動作命令を受信すると共に、コンピュータ２０２にイーサネット（Ethernet）を介して後述するセンサ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する。
【００１９】
図２に示すように、定盤１０６には、板状の顕微鏡基台１０５及び受け台１０３が固定されている。顕微鏡基台１０５上には顕微鏡１０１を支持する支柱が立設されており、受け台１０３の上には板状で受け台１０３より面積の小さい微小物体／マニュピュレータ基台１０８が固定されている。また、微小物体／マニュピュレータ基台１０８上には、ブロック状の微小物体載置基台１０２及び４本の脚部を有しマイクロマニュピュレータ１００を固設するためのマニュピュレータ載置架台１０４が固定されている。上述した中継基板２０５は、マニュピュレータ載置架台１０４の脚部に固定されている。
【００２０】
微小物体載置基台１０２は、その頂上部分に、略水平の微小物体載置面１７を有しており、微小物体は微小物体載置面１７上に載置される。一方、マニュピュレータ載置架台１０４は、後述するように２本の把持指の先端に取り付けられたエンドエフェクタ７、８（図９参照）が概ね微小物体載置面１７の中央に位置するように、脚部の長さや微小物体／マニュピュレータ基台１０８への固定位置が設定されている。また、顕微鏡１０１は、対物レンズが微小物体載置面１７の略中央部に位置するように上述した支柱で顕微鏡基台１０５に支持されている。
【００２１】
図２〜図４に示すように、マイクロマニュピュレータ１００は、マイクログリッパ機構部１、エンドエフェクタ７、８を中心として円弧状に回動可能でエンドエフェクタ７、８の姿勢方向をＸ、Ｙ方向で同時に変更する姿勢変更機構部６０、マイクログリッパ機構部１及び姿勢変更機構部６０をＸＹ方向に移動させるＸＹ移動機構部３０及びＸＹ方向に交差するＺ方向に移動させるＺ移動機構部５０を備えている。
【００２２】
図３及び図４に示すように、ＸＹ移動機構部３０は、直進機構、エンコーダ及び正逆転可能なステッピングモータを有するＸ方向アクチュエータ３２と、同じく直進機構、エンコーダ及び正逆転可能なステッピングモータを有するＹ方向アクチュエータ３３と、Ｘ方向入力部３１ａ、Ｙ方向入力部３１ｂ及びＺ移動機構部５０に固着されたＸＹ方向出力部３１ｃを有し、Ｘ方向入力部３１ａ、Ｙ方向入力部３１ｂ及びＸＹ方向出力部３１ｃのそれぞれの中点を結ぶ仮想線を中心線として２つのパンタグラフが対称配置された平行四節機構３１とを備えている。このため、Ｘ方向アクチュエータ３２、Ｙ方向アクチュエータ３３からの直進駆動力がそれぞれＸ方向入力部３１ａ、Ｙ方向入力部３１ｂに入力されると、当該直進駆動力により２つのパンタグラフが変位し、変位量がＸ、Ｙ方向で合成・拡大されてＸＹ方向出力部３１ｃに出力される。
【００２３】
Ｚ移動機構部５０は、平板状の底部フレーム５３を有している。上述したＸＹ方向出力部３１ｃは、この底部フレーム５３に固着されている。また、底部フレーム５３の隅部には４つのマイクロキャスタ３６が配設されている。このため、底部フレーム５３は、固着したＸＹ方向出力部３１ｃからの出力に従って、マニュピュレータ載置架台１０４に固定された受け台３４上をＸＹ方向に移動可能に構成されている。また、Ｚ移動機構部５０は、底部フレーム５３の上方に位置し底部フレーム５３に対しＺ方向に離間・近接可能な移動フレーム５４を有している。移動フレーム５４には、正逆転可能なステッピングモータを有するＺ方向アクチュエータ５１と、一端が底部フレーム５３に支持されたシャフト５２とを含む直動機構が収容されている。移動フレーム５４は、Ｚ方向アクチュエータ５１が正転することで底部フレーム５３から離間し、逆転することで底部フレーム５３に近接するように構成されている。
【００２４】
従って、移動フレーム５４は底部フレーム５３に対してＺ方向に相対移動が可能なため、移動フレーム５４は、Ｘ方向アクチュエータ３２、Ｙ方向アクチュエータ３３、Ｚ方向アクチュエータ５１からの駆動力によりＸ、Ｙ、Ｚの３次元方向への移動が許容されている。この移動フレーム５４に、姿勢変更機構部６０が固定されている。
【００２５】
図５に示すように、姿勢変更機構部６０は、略扇状のベースフレーム６５と、ベースフレーム６５に対して移動可能な移動ユニット５５とで構成されている。マイクログリッパ機構部１は移動ユニット５５の先端部に連結されている。
【００２６】
ベースフレーム６５は、ベースフレーム６５の中央部を構成し略扇状で略水平のスライド平面６５ａ、スライド平面６５ａのエンドエフェクタ７、８側に隣接し略扇状でテーパ状に略３０°の角度で傾斜したスライド傾斜面６５ｂ、スライド平面６５ａの移動フレーム５４側に隣接し表裏にエンドエフェクタ７、８を中心とする同心円の一部（円弧）を形成する曲壁６５ｄ、曲壁６５ｄのスライド平面６５ａ側に固着された歯付きベルト６５ｃ、エンドエフェクタ７、８を中心とする同心円の一部を形成し曲壁６５ｄに対向する曲壁６５ｅ、及び、曲壁６５ｅの一側に固定された透過一体型センサ６５ｆを有している。なお、曲壁６５ｄと曲壁６５ｅとの間には円弧状の溝６５ｇが形成されている。
【００２７】
移動ユニット５５には、正逆転可能なステッピングモータからなる姿勢変更アクチュエータ６１が組み付けられている。姿勢変更アクチュエータ６１のアクチュエータ軸には、プーリギアが嵌着されており、歯付き無端ベルトを介して姿勢変更アクチュエータ６１からの回転駆動力が減速ギア６６に伝達される。減速ギア６６は回転軸に大径ギアと大径ギアの下方に配置された小径ギア（不図示）とが嵌着されて構成されている。なお、小径ギアは、移動ユニット５５を貫通しベースフレーム６５側に延出されている。また、移動ユニット５５からはベースフレーム６５側に向けて、２本の円柱突起状のスライダ（不図示）と、２本のシャフト（不図示）とが突設されている。これらのシャフトにはローラ７０がそれぞれ回転可能に軸支されている。また、矩形板状の遮光板（不図示）がベースフレーム６５側に向けて植設されている。
【００２８】
移動ユニット５５の小径ギアは、ベースフレーム６５の歯付ベルト６５ｃと噛合している。また、移動ユニット５５のローラ７０は、ベースフレーム６５の溝６５ｇ内に配置されており、曲壁６５ｄの曲面に当接している。なお、小径ギアが曲壁６５ｄを押圧するようにバネ６８が張架されている。更に、上述したスライダ（不図示）の先端部はベースフレーム６５のスライド平面６５ｂに当接している。従って、移動ユニット５５は、姿勢変更アクチュエータ６１が駆動すると、その駆動力は歯付ベルト６５ｂと噛合した小径ギアに伝達され、ベースフレーム６５上を、エンドエフェクタ７、８を中心として円弧状に移動する構造が採られている。
【００２９】
図６〜図８に示すように、マイクログリッパ機構部１は、略矩形状の平面部２ａと、平面部２ａに対し鉛直方向に立設され２箇所にボス２ｅを突設した鉛直壁部２ｂと、平面部２ａから移動ユニット５５側に傾斜するように延出され端部に円筒部材１９が一体形成された傾斜部２ｆとを有するベースフレーム２を備えている。
【００３０】
ベースフレーム２の平面部２ａには複数のボス２ｄが立設されている。ボス２ｄの上部には平面部を有するアクチュエータ固定板１８がネジ止めされている。このアクチュエータ固定板１８の平面部に、電磁駆動式メータからなり、２本の把持指を駆動する（移動させる）把持指移動手段としての把持指駆動用アクチュエータ３が固定されている。
【００３１】
図１０（Ａ）に示すように、把持指駆動用アクチュエータ３は、中央部に直径方向に２極着磁された円筒型永久磁石３ｂを有している。永久磁石３ｂは、中央部に回動軸３ａ−ｂが貫通しており、底部に、アーム３ａが延出された円環状部材が固着されている。アーム３ａからは下方にピン３ａ−ａが延出されている。なお、アーム３ａ及びピン３ａ−ａは円環状部材に一体形成されている。永久磁石３ｂは、内側に円柱状の空間を有するボビンケース３ｃ及びボビンケース３ｃの底側の蓋となりボビンケース３ｃに固定された中蓋ケース３ｄの中に収容されており、回動軸３ａ−ｂの上下端部は、ボビンケース３ｃと中蓋ケース３ｄとに回動可能に軸支されている。
【００３２】
ボビンケース３ｃの外側には、図示を省略した２種類の銅線コイルが巻回されている。一方の銅線コイルは永久磁石３ｂを回動させるトルクを生成するための主コイルであり、他方の銅線コイルは主コイルにより動作する磁石の磁界の変化から生じる逆起電力を検出してトルクを低減するための補助コイルである。
【００３３】
ボビンケース３ｃは、ギャップ３ｅ−ａを有し永久磁石３ｂの磁力線に閉ループを形成させるための円筒状ヨーク３ｅ内に収容されている。ヨーク３ｅは底蓋３１に固定されており、底蓋３１にはアーム３ａの回動角を規制する角度規制部材が一体形成されている。なお、把持指駆動用アクチュエータ３はヨーク３ｅの上側に配置される上蓋を有しているが、図１０ではこの上蓋を捨象している。
【００３４】
図８に示すように、把持手段としての２本の把持指５、６は、平面形状が略Ｖ字状のＶ字部と、Ｖ字部に一体成形され側面面形状が略逆Ｔ字状の逆Ｔ字部とを有している。把持指５、６のＶ字部の中央谷部は、ベースフレーム２の平面部２ａに立設されたボスに回動可能に軸支された回動支点軸５ｂ、６ｂに固定されている。また、把持指５、６の一側端部には長穴状のスリット５ｃ、６ｃ（６ｃは不図示）が形成されている。把持指駆動用アクチュエータ３のピン３ａ−ａはこれらのスリット５ｃ、６ｃと係合している。
【００３５】
逆Ｔ字部は、上端側がＶ字部の他側端部の底面に固定されており、一側（エンドエフェクタ７、８の反対側）にバネ掛け用の突起が形成されている。この突起にバネ係止ボス２ｃにバネ中央部が係止されたねじりコイルバネ９の一方のフック部が掛止されており、ねじりコイルバネ９の他方のフック部は複数のボス２ｄのうちエンドエフェクタ７、８に最も近いボス２ｄに掛止されている。逆Ｔ字部の他側には断面積が他の部分より小さいくびれ部を有する弾性ヒンジ５ｅ、６ｅが一体形成されており、更にその先の把持指先端にはエンドエフェクタ７、８を把持指先端に取り付けるためのエンドエフェクタ取り付け部５ａ、６ａが配設されている。エンドエフェクタ７、８は、交換が可能なように、エンドエフェクタ取り付け部５ａ、６ａにそれぞれ微小ネジで取り付けられている。
【００３６】
従って、把持指５、６は回動支点軸５ｂ、６ｂを中心に回動可能で、逆Ｔ字部の一側はねじりコイルバネ９で付勢されるため、通常（把持指駆動用アクチュエータ３の非通電時）は、ねじりコイルバネ９の付勢力により、エンドエフェクタ７、８は互いに押圧接触状態にあり、この力で弾性ヒンジ５ｅ、６ｅを変形させ弾性力が釣り合った状態で静止している。
【００３７】
図６、図７及び図９に示すように、ベースフレーム２の鉛直壁部２ｂには、略長板状の脱離手段及び振動伝達部材としての脱離指１０を鉛直壁部２ｂの平面と平行に図６の左右方向に駆動するための脱離指移動手段としての脱離指駆動用アクチュエータ４が固定されている。脱離指駆動用アクチュエータ４は、把持指駆動用アクチュエータ３と同様の電磁駆動式メータであり、構成部材も把持指駆動用アクチュエータ３と同じである（図１０（Ｂ）参照）。脱離指駆動用アクチュエータ４のアーム４ａは、永久磁石４ｂの極がヨーク４ｅに形成されたギャップ４ｅ−ａに磁力線集中により引きつけられることによる自己保持モーメントを有する。自己保持モーメントの発生方向は、図６において、回転軸４ａ−ｂに関し反時計回り（ｃｃｗ）方向である。
【００３８】
脱離指１０の略中央部は上方に突出している。この突出箇所に長穴状のスリット１０ｃが形成されている。脱離指駆動用アクチュエータ４のピン４ａ−ａはスリット１０ｃに係合している。また、脱離指１０には突出箇所の両側にスリットカム１０ａ、１０ｂが形成されており、スリットカム１０ａ、１０ｂには、鉛直壁部２ｂに突設されたボス２ｅ（図８も参照）がそれぞれ係合している。上述した脱離指駆動用アクチュエータ４の自己保持モーメントにより、通常（脱離指駆動用アクチュエータ３の非通電時）は、脱離指１０が、図６において右方向に付勢され、スリットカム１０ａ、１０ｂの右上終端がボス２ｅに当接した位置で静止している。
【００３９】
脱離指１０の一側（傾斜部２ｆ側）は、加振手段及び圧電素子としての積層圧電アクチュエータ１２の出力端に面接触するように、アクチュエータ組み付け部材１３に積層圧電アクチュエータ１２と共にネジ１４で固定されている。換言すれば、積層圧電アクチュエータ１２及びアクチュエータ組み付け部材１３は、脱離指１０の一側に固着されており、脱離指駆動用アクチュエータ４の駆動力により脱離指１０が図６の左右に移動するのに伴って平面部２ａ上を移動する。
【００４０】
脱離指１０の他側（エンドエフェクタ７、８側）は、２本の把持指５、６の交差するＶ字部及び略平行配置された逆Ｔ字部間をぬってエンドエフェクタ７、８側に直線状に延出されている。アクチュエータ固定板１８は平面部からエンドエフェクタ７、８側に延出され２股に分かれた傾斜部を有しており、傾斜部は脱離指１０の他側を跨ぐように配置されている。また、傾斜部の両先端は脱離指１０側に若干突出しており、図６の左右方向に移動する直線状の脱離指１０をエンドエフェクタ取り付け部５ａ、６ａ近傍で案内する機能を有している（図７、図９参照）。脱離指１０の他側（エンドエフェクタ７、８側）には、微小物体に接触し微小物体をエンドエフェクタ７、８による把持ないし吸着から脱離させるための脱離用エンドエフェクタ１１が一体に形成されている。脱離用エンドエフェクタ１１の先端１１ａは、微小物体に対する表面間力の作用（吸着力）が少なくなるように、微小物体との接触面積を小さくした構造が採用されている。
【００４１】
また、ベースフレーム２の平面部２ａの底側には、円柱状のスライダ１６が斜設されている。スライダ１６の先端部は姿勢変更機構部６０のベースフレーム６５のスライド傾斜面２ｂに当接している。図５に示すように、ベースフレーム２は、移動ユニット５５のシャフト７１が傾斜部２ｆ端部の円筒部材１９の円筒部を貫通することで移動ユニット５５に固定されており、マイクログリッパ機構部１は、エンドエフェクタ７、８が微小物体載置面１７上に載置された微小物体を把持可能なように、下方に向けて略３０°の角度で斜設されている。従って、マイクログリッパ機構部１が姿勢変更機構部６０に連結された状態で、ベースフレーム２の傾斜部２ｆは略水平配置されおり、平面部２ａは略３０°に傾斜配置されている。
【００４２】
（動作）
次に、細胞等の微小物体を把持し所定の載置位置に載置するときの微小物体ハンドリングシステム２００の動作について説明する。
【００４３】
パソコン２０２、マイクロマニュピュレータ１１０等微小物体ハンドリングシステムを構成する全ての構成部に電源が投入され、パソコン２０２でのアプリケーションソフトウエアの起動やマイクロマニュピュレータ１１０の初期設定処理が終了すると、ＰＬＣ２０４（のＣＰＵ）はマイクロマニュピュレータ１１０側の種々のアクチュエータやセンサのステータスをパソコン２０２に送出する。この状態で、把持指５、６は、エンドエフェクタ７、８同士が接触するようにバネ９で付勢されている。一方、脱離指１０は、脱離指駆動用アクチュエータ４の自己保持モーメントによりピン４ａ−ａがスリット１０ｃを押圧することで、図６に示したようにスリットカム１０ａ、１０ｂの右上終端がボス２ｅに当接した位置で静止している（図１１（Ａ）の状態）。
【００４４】
パソコン２０２は、プログラムデータを参照して送出されたステータスに異常がないかを判断し、異常があるときは、ディスプレイ２０１に異常箇所及び異常の程度を表示させ、異常がないとき（又は異常の程度が低いとき）は、エンドエフェクタ７、８が微小物体載置面１７上の載置物（例えば、細胞を収容するシャーレ）に不用意に接触しないように、エンドエフェクタ７、８を基準位置（方向）に位置させてよいか否かの問い合わせをディスプレイ２０１に表示させて、入力装置２０３から肯定的な入力があるまで待機する。入力装置２０３からの入力があると、パソコン２０２は、ＰＬＣ２０４に対してエンドエフェクタ７、８を基準位置に位置させるように命令する。
【００４５】
ＰＬＣ２０４は、姿勢変更アクチュエータ６１を駆動させ移動ユニット５５をセンサ６５ｆ側に移動させると共に、センサ６５ｆからの２値信号に変化があるかを判断する。不図示の遮光板がセンサ６５ｆの発光を遮光すると、例えば、センサ６５ｆからの信号はローレベル信号からハイレベル信号に変化する。これにより、ＰＬＣ２０４は、移動ユニット５５が基準位置に到達したことを知ることができる。換言すれば、ＰＬＣ２０４は、Ｘ、Ｙ方向でエンドエフェクタ７、８の基準となる姿勢座標を得ることができる。ＰＬＣ２０４は、移動ユニット５５が基準位置に到達すると、姿勢変更アクチュエータ６１の駆動を停止させ、パソコン２０２に微小物体のハンドリングの準備が完了した旨を報知する。
【００４６】
パソコン２０２は、ディスプレイ２０１に微小物体のハンドリングが可能な旨を小ウインドで表示させ、入力装置２０３からの入力があるまで待機する。オペレータは、ディスプレイ２０１で顕微鏡画像を参酌しながら、エンドエフェクタ７、８が離間し両者の間に開口が形成されるように入力装置２０３で入力する。パソコン２０２は、ＰＬＣ２０４にエンドエフェクタ７、８を離間させるように命令し、入力装置２０３からの入力があるまで待機する。ＰＬＣ２０４は、把持指駆動用アクチュエータ３を駆動する（通電する）。これにより、把持指駆動用アクチュエータ３のアーム３ａが回動軸３ａ−ｂを中心としてｃｃｗ方向に回動してピン３ａ−ａが把持指５、６のスリット５ｃ、６ｃを押圧し、把持指５、６がそれぞれ回動支点軸５ｂ、６ｂを中心に回動してエンドエフェクタ７、８が互いに離間することで、エンドエフェクタ７、８間には開口が形成される。
【００４７】
オペレータは、ディスプレイ２０１で顕微鏡画像を参照しながら、微小物体がエンドエフェクタ７、８間の開口に位置するように入力装置２０３で入力する。本実施形態では、このような入力操作はアプリケーションソフトウエアでサポートされており、ドラッグや左右クリックを使用して行うことが可能である。パソコン２０２は、入力装置２０３からの入力情報をＸ、Ｙ、Ｚ方向成分毎に変換してＰＬＣ２０４に送出する。ＰＬＣ２０４は、ＸＹ移動機構部３０のＸ方向アクチュエータ３２、Ｙ方向アクチュエータ３３、及び、Ｚ移動機構部５０のＺ方向アクチュエータ５１を駆動して、微小物体２０がエンドエフェクタ７、８間の開口に位置するように移動させ（図１１（Ｂ）に示す状態）、パソコン２０２からの命令があるまで待機する。
【００４８】
微小物体が細胞の場合には、把持ないし押圧することが好ましくない箇所や細胞操作をするための特定の箇所があり、形状も球状とは限らない。このため、微小物体２０に対しエンドエフェクタ７、８の把持方向を変える必要がある場合がある。このような場合には、オペレータは、エンドエフェクタ７、８が微小物体２０を適正な姿勢で把持可能となるように入力装置２０３で入力する。パソコン２０２は、入力装置２０３からの入力情報を変換してＰＬＣ２０４に送出する。ＰＬＣ２０４は、姿勢変更アクチュエータ６１を駆動させ、移動ユニット５５をベースフレーム６５に対してエンドエフェクタ７、８を中心として円弧状に回動させ、パソコン２０２からの命令があるまで待機する。これにより、エンドエフェクタ７、８は微小物体２０を適正な姿勢（方向）で把持することができる。
【００４９】
エンドエフェクタ７、８が微小物体２０に対して適正な姿勢となると、オペレータは、把持指５、６のエンドエフェクタ７、８で微小物体２０を把持するための把持命令を入力装置２０３で入力する。パソコン２０２は、入力装置２０３からの把持命令をＰＬＣ２０４に送出する。ＰＬＣ２０４は、把持指駆動用アクチュエータ３を駆動させてエンドエフェクタ７、８に微小物体２０を把持させ、パソコン２０２の命令があるまで待機する。すなわち、互いに離間した状態に保持されていたエンドエフェクタ７、８は、ＰＬＣ２０４による把持指駆動用アクチュエータ３の通電制御によりアーム３ａが時計回り（ｃｗ）方向に回動することで再び互いに接近し、微小物体２０は把持指駆動用アクチュエータ３によるトルクとバネ９の付勢力によりエンドエフェクタ７、８で把持された後、把持指駆動用アクチュエータ３への通電が断たれる。これにより、微小物体２０には、把持指５、６の弾性ヒンジ５ｅ、６ｅを介して、バネ９の付勢力のみが作用している状態となる（図１１（Ｃ）参照）。
【００５０】
オペレータは、エンドエフェクタ７、８に微小物体２０を把持させたまま、任意の載置位置（例えば、シャーレの中）にエンドエフェクタ７、８が位置するように入力装置２０３で入力する。パソコン２０２は、入力装置２０３からの入力情報を変換してＰＬＣ２０４に送出する。ＰＬＣ２０４は、ＸＹ移動機構部３０及びＺ移動機構部５０を駆動して、微小物体２０を把持したエンドエフェクタ７、８が、指定された載置位置に位置するように移動させ、パソコン２０２からの命令があるまで待機する。
【００５１】
微小物体２０の形状に応じて、微小物体２０を把持したエンドエフェクタ７、８の把持方向と載置位置の方向とが不整合となる場合がある。このような典型的な例として、微小物体２０が直方体状のチップ素子で載置位置がプリント基板上の方向性のあるランド位置である場合を挙げることができる。このような場合には、オペレータは、エンドエフェクタ７、８の姿勢が載置位置の方向と整合するように入力装置２０３で入力する。パソコン２０２は、入力装置２０３からの入力情報を変換してＰＬＣ２０４に送出する。ＰＬＣ２０４は、姿勢変更アクチュエータ６１を駆動させ、移動ユニット５５をベースフレーム６５に対してエンドエフェクタ７、８を中心として円弧状に回動させ、パソコン２０２の命令があるまで待機する。これにより、エンドエフェクタ７、８の姿勢を載置位置の方向と整合させることができる。
【００５２】
オペレータは、エンドエフェクタ７、８に把持された微小物体２０が載置位置に位置したので、微小物体２０をエンドエフェクタ７、８から離脱させるための離脱命令を入力装置２０３で入力する。パソコン２０２は、入力装置２０３からの離脱命令をＰＬＣ２０４に送出する。ＰＬＣ２０４は、脱離指駆動用アクチュエータ４を駆動させる。これにより、脱離指駆動用アクチュエータ４のアーム４ａは自己保持モーメントに抗して回動軸４ａ−ｂを中心にｃｗ方向に回動し、脱離指１０はボス２ｅに係合したスリットカム１０ａ、１０ｂにより図６の左下方に案内され、脱離用エンドエフェクタ１１の先端１１ａは微小物体２０を上側から微小物体載置面１７側に押圧する（図１１（Ｄ）参照）。
【００５３】
次いで、ＰＬＣ２０４は、積層電圧アクチュエータ１２にステップ電圧を入力して振動させ、把持指駆動用アクチュエータ３を駆動し把持指５、６のエンドエフェクタ７、８を微小物体２０から離間させる。積層電圧アクチュエータ１２の振動は先端１１ａで微小物体２０を押圧している脱離用エンドエフェクタ１１まで伝ぱんして微小物体２０に振動衝撃が伝わり、エンドエフェクタ７、８による微小物体２０の把持は開放される。これにより、微小物体２０は、エンドエフェクタ７、８及び脱離用エンドエフェクタ１１の表面間力から開放され載置位置に載置される（図１１（Ｅ）参照）。続いて、ＰＬＣ２０４は、積層電圧アクチュエータ１２へのステップ電圧の入力を断ち振動を止めると共に、脱離指駆動用アクチュエータ４を駆動して、脱離用エンドエフェクタ１１（の先端１１ａ）を微小物体２０から離間させる（図１１（Ｆ）参照）。
【００５４】
オペレータは、微小物体２０の把持と所定の載置位置への載置が終了したので、載置位置からエンドエフェクタ７、８を退避させる命令と把持指駆動用アクチュエータ３への通電を断つ命令とを入力装置３で順次入力する。パソコン２０２は命令をＰＬＣ２０４に伝え、ＰＬＣ２０４は、ＸＹ移動機構部３０及びＺ移動機構部５０を駆動してエンドエフェクタ７、８を指定された位置に位置させ、把持指駆動用アクチュエータ３への通電を断つことでエンドエフェクタ７、８を当初の待機状態（接触状態）に復帰させる（図１１（Ａ）の状態）。これにより、微小物体ハンドリングシステム２００による一連の動作が終了する。
【００５５】
（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・効果について、マイクロマニュピュレータ１１０のマイクログリッパ機構部１の作用・効果を中心に説明する。
【００５６】
上述したように、本実施形態のマイクロマニュピュレータ１１０は、（ａ）２本の把持指５、６の先端に固定されたエンドエフェクタ７、８で微小物体２０を把持し、（ｂ）エンドエフェクタ７、８を離間させることで微小物体２０を開放して（離脱させて）任意の載置位置に載置する。
【００５７】
まず、上記（ａ）について、一般に、アクチュエータの駆動力は、微小物体を把持するために必要な力に対して非常に大きく、エンドエフェクタによる把持の瞬間に微小物体に衝撃的な力が作用し、微小物体が弾け飛んでしまう、という現象が生じる。本実施形態のマイクロマニュピュレータ１１０では、把持指駆動用アクチュエータ３が衝撃的に駆動されても、エンドエフェクタ７、８が微小物体２０に接触した後には把持指５、６の弾性ヒンジ５ｅ、６ｅを先ず変形させる。このため、微小物体２０には衝撃的な力が作用せず、微小物体２０を弾き飛ばしたり、損傷させてしまうことを防止することができる。
【００５８】
次に、上記（ｂ）について、上述したように、微小領域では表面間力が大きく作用する。このため、あるマイクロマニュピュレータでは、振動や衝撃を加えたり、あるものは電界を与えたり、あるものは加熱して水分を蒸発させたりといった方法で脱離を試みており、表面間力の解除には効果を得ているが、微小物体を任意の載置位置に載置するという要求に対してはどれも安定した結果を得られていない。本実施形態のマイクロマニュピュレータ１１０では、この課題を２つの解決手段で解決している。
【００５９】
最初の解決手段は、表面間力は接触面積に比例するという現象を利用して、エンドエフェクタ７、８と微小物体２０との吸着を解除しようというものである。すなわち、エンドエフェクタ７、８を離間させるときに、エンドエフェクタ７、８と微小物体２０とには表面間力による吸着が生じている。このため、本実施形態では、微小物体２０を離脱させる前に、この吸着力より大きい押圧力を脱離用エンドエフェクタ１１により微小物体２０に作用させている。この状態で、エンドエフェクタ７、８による微小物体２０の把持を解除すると、微小物体２０には、微小物体２０及び脱離用エンドエフェクタ１１間の表面間力、微小物体２０及び微小物体載置面１７間の表面間力、並びに、脱離用エンドエフェクタ１１から微小物体２０に作用する押圧力が作用している。脱離用エンドエフェクタ１１による押圧力を除くと、２つの表面間力が残るため、脱離用エンドエフェクタ１１の先端１１ａの微小物体２０への接触面積を、微小物体載置面１７の微小物体２０への接触面積より小さく設定することで、微小物体２０を微小物体載置面１７の任意の載置位置に載置することができる。
【００６０】
このように、本実施形態では、面積の差による表面間力（吸着力）の差を利用しているが、場合によっては、このような差が設定できないこともある。このため、２番目の解決手段として、積層圧電アクチュエータ１２にステップ電圧を入力して振動させ、それを脱離用エンドエフェクタ１１に伝ぱんさせ先端１１ａに振動を加える。この解決手段を採ることで、接触面積に差がない場合や電界等が作用する場合にも、吸着解除が確実となり、意図した載置位置に微小物体２０を載置することができる。従って、本実施形態のマイクロマニュピュレータ１１０によれば、特に、微小物体２０が生体の場合に、上記（ａ）、（ｂ）で指摘した課題について生体への影響を最小限に抑えて解決することができる。
【００６１】
なお、本実施形態では、把持指５、６のＶ字部と逆Ｔ字部とを一体形成し弾性ヒンジ５ｅ、６ｅを配設した例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、Ｖ字部と逆Ｔ字部とを別部品としこれらを接着したり、弾性ヒンジを断面積が他の部分より小さいくびれ部を有する弾性ゴム等の弾性体とするようにしてもよい。また、本実施形態では、脱離用エンドエフェクタ１１で微小物体２０を押圧する例を示したが、上述した２番目の解決手段（加振）を採ることにより、脱離用エンドエフェクタ１１は、必ずしも微小物体２０を押圧する必要はなくなるため、微小物体２０に単に接触する構成を採るようにしてもよい。更に、本実施形態では、把持指の双方を互いに近接させる例を示したが、一方の把持指のみを把持指駆動用アクチュエータ３で駆動（移動）させ、他方の把持指は固定されたままとするようにしてもよい。また、本実施形態では、エンドエフェクタ７、８の把持方向と微小物体２０への加振（振動）方向が直交する方向を例示したが、本発明はこれに限らず、加振方向と把持方向とが同じ方向となるようにしてもよい。
【００６２】
＜第２実施形態＞
次に、本発明に係るマイクロマニュピュレータを、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、把持対象物を把持した２本の把持指を開放するときに、把持指の先端を加振するものである。なお、本実施形態において、第１実施形態と同一構成部材には同一の符号を付してその説明を省略し異なる箇所のみ説明すると共に、作用等についても第１実施形態と同様の内容についてはその説明を省略する。
【００６３】
図１２及び図１３に示すように、本実施形態のマイクログリッパ機構部１は、第１実施形態に例示した脱離指１０と同一形状の部材が存在するが、微小物体２０を押圧する脱離用エンドエフェクタ１１に代えて、積層電圧アクチュエータ１２からの振動をエンドエフェクタ７、８の双方に伝達（伝ぱん）させる振動伝達部材２１を有している点で、脱離指１０の機能が異なっている。振動伝達部材２１はエンドエフェクタ７、８側で二股に分かれており、振動伝達部材２１の先端２１ａは、エンドエフェクタ７、８と一体に構成された振動受け板７ａ、８ａに接触可能に構成されている。なお、通常（脱離指駆動用アクチュエータ４の非通電時）は、先端２１ａは振動受け板７ａ、８ａと非接触状態を保っている。
【００６４】
本実施形態のマイクロマニュピュレータ１１０では、エンドエフェクタ７、８に把持された微小物体２０を載置位置に位置した後に、オペレータは、微小物体２０をエンドエフェクタ７、８から離脱させるように入力装置２０３で入力する。パソコン２０２は、入力装置２０３からの離脱命令をＰＬＣ２０４に送出する。ＰＬＣ２０４は、脱離指駆動用アクチュエータ４を駆動させる。これにより、脱離指駆動用アクチュエータ４のアーム４ａは自己保持モーメントに抗して回動軸４ａ−ｂを中心にｃｗ方向に回動し、脱離指１０はボス２ｅに係合したスリットカム１０ａ、１０ｂにより図１２の右上方に案内され、振動伝達部材２１の２つの先端２１ａは、それぞれエンドエフェクタ７、８の振動受け板７ａ、８ａに接触する。
【００６５】
ＰＬＣ２０４は、パソコン２０２から脱離命令を受けると、脱離指駆動用アクチュエータ４を駆動させ、振動伝達部材２１の先端２１ａを振動受け板７ａ、８ａに接触させ、この状態で、積層圧電アクチュエータ１２にステップ電圧を入力して振動させる。積層圧電アクチュエータ１２の振動は振動伝達部材２１を介し、その先端２１ａからエンドエフェクタ７、８に伝ぱんして、微小物体２０との接触部に振動衝撃が伝わる。ＰＬＣ２０４は、この状態で、把持指駆動用アクチュエータ３を駆動しエンドエフェクタ７、８を離間させる。エンドエフェクタ７、８と微小物体２０との間に表面間力によって生じている吸着は振動により解除され、所定の載置位置に微小物体２０が載置される。振動方向はエンドエフェクタ７、８による微小物体２０の把持方向と直交する方向のため、微小物体２０に作用する押圧力が低減するので、微小物体２０が生体の場合でも振動による生体への影響を小さくすることができる。なお、本実施形態では、エンドエフェクタ７、８の把持方向と微小物体２０への加振（振動）方向が直交する方向を例示したが、本発明はこれに限らず、加振方向と把持方向とが同じ方向となるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、２本の把持指を有し、意図した載置位置に把持対象物を載置可能なマイクロマニュピュレータを提供するため、マイクロマニュピュレータの製造・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】
【００６７】
【図１】本発明が適用可能な第１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】微小物体ハンドリングシステムのマイクロマニュピュレータの外観斜視図である。
【図３】マイクロマニュピュレータの平面図である。
【図４】マイクロマニュピュレータの側面図である。
【図５】マイクロマニュピュレータのマイクログリッパ機構部及び姿勢変更機構部の外観斜視図である。
【図６】第１実施形態のマイクログリッパ機構部の側面図である。
【図７】第１実施形態のマイクログリッパ機構部の平面図である。
【図８】マイクログリッパ機構部の組み立て過程での外観斜視図である。
【図９】マイクログリッパ機構部の外観斜視図である。
【図１０】アクチュエータの分解斜視図であり、（Ａ）は把持指駆動用アクチュエータを示し、（Ｂ）は脱離指駆動用アクチュエータを示す。
【図１１】マイクログリッパ機構部の動作状態を示す外観斜視図であり、（Ａ）は動作状態その１、（Ｂ）は動作状態その２、（Ｃ）は動作状態その３、（Ｄ）は動作状態その４、（Ｅ）は動作状態その５、（Ｆ）は動作状態その６を示す。
【図１２】第２実施形態のマイクログリッパ機構部の側面図である。
【図１３】第２実施形態のマイクログリッパ機構部の平面図である。
【符号の説明】
【００６８】
３  把持指駆動用アクチュエータ（把持指移動手段）
４  脱離指駆動用アクチュエータ（脱離指移動手段）
５、６  把持指（把持手段）
１０  脱離指（脱離手段、振動伝達部材）
１２  積層圧電アクチュエータ（加振手段、圧電素子）
１１０  マイクロマニュピュレータ
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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