(57)【要約】【課題】微小な把持対象物に衝撃荷重が作用することを防止することができる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、２本の把持指５、６の先端に配置され微小な把持対象物を把持するエンドエフェクタ７、８と、エンドエフェクタ７、８を互いに移動させる把持指駆動用アクチュエータ３と、把持指駆動用アクチュエータ３とエンドエフェクタ７、８との間に各々配置され、エンドエフェクタ７、８が把持対象物に接触するときに弾性変形して把持対象物への衝撃を緩和する弾性ヒンジ５ｅ、６ｅと、を備えている。弾性ヒンジ５ｅ、６ｅが弾性変形するため、エンドエフェクタ７、８による把持対象物への衝撃荷重の作用を防止して把持対象物を把持できる。【選択図】図８
2005342847.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２本の把持指の先端部で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２本の把持指の少なくとも一方の先端部を移動させる把持指移動手段と、
前記把持指移動手段と前記把持手段の２本の把持指の先端部との間に各々配置され、前記２本の把持指の先端部が前記把持対象物に接触するときに弾性変形して前記把持対象物への衝撃を緩和する弾性手段と、
を備えたマイクロマニュピュレータ。
【請求項２】
前記弾性手段は、断面積が他の部分より小さいくびれ部を有する弾性体であ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】
前記把持指移動手段は、単一のアクチュエータと、前記２本の把持指の先端部に前記アクチュエータからの駆動力を伝達する伝達部材とを有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のマイクロマニュピュレータ。
【請求項４】
前記伝達部材は、前記２本の把持指の先端部の回動中心となる回動軸に回動可能に軸支されていることを特徴とする請求項３に記載のマイクロマニュピュレータ。
【請求項５】
前記２本の把持指の先端部を互いに近接ないし接触する方向に付勢する付勢手段を更に備え、前記アクチュエータは前記付勢手段による付勢力に抗して前記回動軸を回動中心として前記２本の把持指の先端部を互いに離間させるためのトルクを生成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６】
前記付勢手段は前記伝達部材を付勢し、前記アクチュエータは前記２本の把持指の先端部が前記把持対象物に低速で接触可能なようにトルクが制限されるものであることを特徴とする請求項５に記載のマイクロマニュピュレータ。
【請求項７】
前記２本の把持指の先端部は、前記付勢手段により前記回動軸を中心として互いに近接ないし接触する方向のモーメントが付与されており、前記アクチュエータにより、前記付勢手段によるモーメントに抗して前記回動軸を中心として互いに離間する方向のモーメントが加えられた後、該離間する方向のモーメントが減じられ、前記付勢手段によるモーメントで前記把持対象物を把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本の把持指の先端部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】
このようなマイクロマニュピュレータにおいては、把持指で把持対象物を把持するための近接離間動作分解能を把持対象物の大きさに応じて精密に設定する必要があり、高分解能を得るため、駆動源として圧電素子を始めとして種々のアクチュエータが提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【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
【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】
【０００５】
しかしながら、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いため、把持指による把持の瞬間に把持対象物に衝撃的な力が作用し、把持対象物が弾け飛んでしまう、という現象が生じる。このような現象を防止するためには、把持対象物を特定し把持指の把持力を一定量に設定した専用マイクロマニュピュレータとすることも考えられるが、汎用性を失うと共に、把持対象物毎にマイクロマニュピュレータが必要となるため、市場性の点で遜色する。
【０００６】
また、アクチュエータは、把持対象物を把持状態にある場合にも電気エネルギを消費しているため、マイクロアクチュエータの消費電力が大きくなると共に、一部のアクチュエータでは、機械エネルギへの変換ロスにより発熱等の意図しない現象を生じることもあった。
【０００７】
本発明は上記事案に鑑み、微小な把持対象物に衝撃荷重が作用することを防止することができ消費エネルギの少ない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、本発明は、２本の把持指の先端部で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２本の把持指の少なくとも一方の先端部を移動させる把持指移動手段と、前記把持指移動手段と前記把持手段の２本の把持指の先端部との間に各々配置され、前記２本の把持指の先端部が前記把持対象物に接触するときに弾性変形して前記把持対象物への衝撃を緩和する弾性手段と、を備える。
【０００９】
本発明では、把持手段の２本の把持指の少なくとも一方の先端部を移動させる把持指移動手段と、微小な把持対象物を把持する把持指の先端部との間に各々弾性手段が配置されており、把持指の先端部が把持対象物に接触するときに弾性手段が弾性変形して把持対象物への衝撃を緩和するので、把持対象物に把持指の先端部による衝撃荷重が作用することを防止することができ、把持手段の２本の把持指の先端部で適正に把持対象物を把持することができる。
【００１０】
本発明において、弾性手段には、例えば、断面積が他の部分より小さいくびれ部を有する弾性体を用いることができる。また、把持指移動手段は、単一のアクチュエータと、２本の把持指の先端部にアクチュエータからの駆動力を伝達する伝達部材とを有して構成するようにしてもよい。このとき、伝達部材は、２本の把持指の先端部の回動中心となる回動軸に回動可能に軸支されていることが好ましい。
【００１１】
また、本発明において、２本の把持指の先端部を互いに近接ないし接触する方向に付勢する付勢手段を更に備え、アクチュエータが付勢手段による付勢力に抗して回動軸を回動中心として２本の把持指の先端部を互いに離間させるためのトルクを生成するようにすれば、把持指による把持対象物の把持状態時に、付勢手段による付勢力を用いることができ、アクチュエータによる電気エネルギの消費を少なくすることができる。このとき、付勢手段が伝達部材を付勢し、アクチュエータは２本の把持指の先端部が前記把持対象物に低速で接触可能なようにトルクが制限されるものであることが好ましい。この場合に、２本の把持指の先端部は、付勢手段により回動軸を中心として互いに近接ないし接触する方向のモーメントが付与されており、アクチュエータにより、付勢手段によるモーメントに抗して回動軸を中心として互いに離間する方向のモーメントが加えられた後、該離間する方向のモーメントが減じられ、付勢手段によるモーメントで把持対象物を把持することが更に好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、把持指の先端部が把持対象物に接触するときに弾性手段が弾性変形して把持対象物への衝撃を緩和するので、把持対象物に把持指の先端部による衝撃荷重が作用することを防止することができ、把持手段の２本の把持指の先端部で適正に把持対象物を把持することができる、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】
【００１３】
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実施の形態について説明する。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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、伝達部材としての２本の把持指の先端に取り付けられた把持手段としてのエンドエフェクタ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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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）把持指移動手段の一部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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
図８に示すように、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軸としての回動支点軸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。
【００３３】
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付勢手段としてのねじりコイルバネ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手段としての弾性ヒンジ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。
【００３４】
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には近接する方向のモーメントが付与されエンドエフェクタ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。把持指駆動用アクチュエータ３は、主コイルに通電がなされると、ねじりコイルバネ９による付勢力に抗して回動支点軸５ｂ、６ｂを回動中心としてエンドエフェクタ７、８を互いに離間させるためのトルクを生成し、主コイルによるトルクを低減させる補助コイルの作用のため、エンドエフェクタ７、８は微小物体にゆっくりと（低速で）接触する。
【００３５】
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。
【００３６】
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４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。
【００３７】
脱離指１０の一側（傾斜部２ｆ側）は、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。
【００３８】
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。
【００３９】
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６５ｂ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。
【００４０】
（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。
【００４１】
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）。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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がねじりコイルバネ９によるモーメントに抗して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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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するが、このとき、把持指駆動用アクチュエータ３の主コイルによるエンドエフェクタ７、８のモーメントが補助コイルで減じられ、微小物体２０はバネ９の付勢力によりエンドエフェクタ７、８で把持される。このため、エンドエフェクタ７、８は微小物体２０にゆっくりと接触し、微小物体２０がエンドエフェクタ７、８で把持される。ＰＬＣ２０４は、この時間を計っており、所定時間が経過すると、把持指駆動用アクチュエータ３への通電を断つ。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）。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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）。
【００５１】
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）。
【００５２】
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。
【００５３】
（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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
また、本実施形態のマイクロマニュピュレータ１１０では、互いに近接する方向に弾性モーメントが付与されたエンドエフェクタ７、８（把持指５、６）を、把持指駆動用アクチュエータ３により離間方向にモーメントを与えて開口を形成し、そのモーメントを減じながらねじりコイルバネ９の付勢力によりエンドエフェクタ７、８で微小物体２０を把持している。従って、本実施形態のマイクロマニュピュレータ１１０は、ｉ）エンドエフェクタ７、８による微小物体２０はねじりコイルバネ９の付勢力のため、把持状態の保持にはエネルギ消費がなく、ｉｉ）微小物体２０の大きさに対応した開口ストローク時の付勢力を微小物体２０に対して許容範囲内に設定することで、微小物体２０が、例えば、卵細胞等の生体の場合でも、微小物体２０に損傷を与える衝撃負荷を付与することがない、という利点がある。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。また更に、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。
【００６１】
更に、本実施形態では、付勢手段としてねじりコイルバネ９を例示したが、本発明はこれに限らず、板バネ等の他のバネを用いるようにしてもよく、また、例えば、バネ以外の永久磁石による磁気吸引力や反発力を利用するようにしてもよい。また更に、微小物体２０に必要以上の衝撃荷重が掛からないように、ねじりコイルバネ９等の付勢手段の付勢力を調整する機構を有するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は、微小な把持対象物に衝撃荷重が作用することを防止することができ消費エネルギの少ない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】
【００６３】
【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】マイクログリッパ機構部の側面図である。
【図７】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。
【符号の説明】
【００６４】
３  把持指駆動用アクチュエータ（把持指移動手段の一部、アクチュエータ）
５、６  把持指（伝達部材）
５ｂ、６ｂ  回動支点軸（回動軸）
５ｅ、６ｅ  弾性ヒンジ（弾性手段）
７、８  エンドエフェクタ（把持手段）
９  ねじりコイルバネ（付勢手段）
１１０  マイクロマニュピュレータ
【図１】
2005342847.tif 000003
【図２】
2005342847.tif 000004
【図３】
2005342847.tif 000005
【図４】
2005342847.tif 000006
【図５】
2005342847.tif 000007
【図６】
2005342847.tif 000008
【図７】
2005342847.tif 000009
【図８】
2005342847.tif 000010
【図９】
2005342847.tif 000011
【図１０】
2005342847.tif 000012
【図１１】
2005342847.tif 000013