(57)【要約】【課題】弾力を有する微小物体を適切に把持できると共に、微小物体の弾力値を把握できる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は、細胞を把持する把持指と、把持指を駆動する把持アクチュエータと、把持アクチュエータに内蔵され把持アクチュエータの回動角度を検出するホール素子と、少なくとも把持指が細胞に接触した後に、入力された把持アクチュエータの目標角度とホール素子で検出された回動角度との角度差が小さくなるように把持アクチュエータに供給する電流値を制御し、角度差に基づいて把持指が細胞を把持したかを判断し、把持したと判断したときに微小物体の弾力値を演算するＰＬＣ８と、を備えている。把持アクチュエータに供給される電流値が把持に伴う細胞からの反発力にあわせて制御される。【選択図】図２
2007125674.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小物体を把持する操作子と、
前記操作子を駆動するアクチュエータと、
前記アクチュエータの駆動量を検出する駆動量検出手段と、
少なくとも前記操作子が微小物体に接触した後に、入力された前記アクチュエータの目標駆動量と前記駆動量検出手段で検出された駆動量との差が小さくなるように前記アクチュエータに供給する電力を制御する電力制御手段と、
前記差に基づいて前記操作子が微小物体を把持したかを判断する把持判断手段と、
前記把持判断手段が把持したと判断したときに、前記アクチュエータに前記電力制御手段を介して供給される電力に比例し、前記操作子で把持された微小物体の反発力に均衡する前記アクチュエータの駆動力を、前記差で除算して求められ、該微小物体の軟らかさの程度を表す弾力値を演算する弾力値演算手段と、
を備えたマイクロマニピュレータ。
【請求項２】
前記電力制御手段は、前記アクチュエータに定電圧で供給される電流を前記差に比例するように制御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】
前記アクチュエータに供給される電流を設定するための電流設定手段を更に備え、前記電力制御手段は、少なくとも前記操作子が微小物体に接触する前に、前記電流設定手段で設定された電流を前記アクチュエータに供給す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】
前記アクチュエータに供給される電流の最大電流を設定するための最大電流設定手段を更に備え、前記電力制御手段は、前記最大電流設定手段で設定された最大電流を上限として前記アクチュエータに供給す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５】
前記把持判断手段は、前記差の時間による微分値が予め定められた設定値より小さいときに、前記操作子が前記微小物体を把持したと判断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６】
前記弾力値演算手段は、前記アクチュエータの駆動力をＦ、前記差をΔθ、前記微小物体の弾力値をｋとしたときに、前記弾力値ｋを式ｋ＝Ｆ／Δθにより演算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７】
前記駆動量検出手段は、前記アクチュエータに内蔵されたホール素子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８】
前記操作子は２本のエンドエフェクタを有しており、前記アクチュエータはメータ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ピュレータ。
【請求項９】
前記弾力値演算手段により演算された弾力値を出力する弾力値出力手段を更に備え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。
【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、弾力を有する微小物体を操作子で把持するための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、微小部品の組立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、微小物体等を把持するために、操作子の先端部を近接乃至離間させる把持機構を有しており（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操作は、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、把持対象の微小物体が細胞等の生体由来物の場合には、把持したときの把持力による細胞等の損傷を回避するため、細胞等の変形程度を目視確認しながらマイクロマニピュレータが操作されている。すなわち、把持力をかけすぎて、金属のような微小物体を弾き飛ばしたり、細胞のような微小物体を押しつぶしたりすることを防止するために、弾性手段や電流制限手段等を備えることで最大把持力を規制して操作を止めていた。
【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の操作では、画像を参照しながら微小物体を把持するため、微小物体の硬さ、軟らかさといった弾力性がわからない、という問題がある。このため、微小物体を把持するときに操作子にかける力の加減がわからず、例えば、金属等の微小物体の場合には力がかかりすぎて金属等を弾き飛ばしてしまうことがあり、細胞等の微小物体の場合には操作子で細胞等を不用意に押しつぶしてしまうことがあった。
【０００６】
本発明は上記事案に鑑み、弾力を有する微小物体を適切に把持できると共に、微小物体の弾力値を把握できる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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、微小物体を把持する操作子と、前記操作子を駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータの駆動量を検出する駆動量検出手段と、少なくとも前記操作子が微小物体に接触した後に、入力された前記アクチュエータの目標駆動量と前記駆動量検出手段で検出された駆動量との差が小さくなるように前記アクチュエータに供給する電力を制御する電力制御手段と、前記差に基づいて前記操作子が微小物体を把持したかを判断する把持判断手段と、前記把持判断手段が把持したと判断したときに、前記アクチュエータに前記電力制御手段を介して供給される電力に比例し、前記操作子で把持された微小物体の反発力に均衡する前記アクチュエータの駆動力を、前記差で除算して求められ、該微小物体の軟らかさの程度を表す弾力値を演算する弾力値演算手段と、を備える。
【０００８】
本発明では、アクチュエータにより操作子が駆動され、操作子により微小物体が把持され、駆動量検出手段によりアクチュエータの駆動量が検出される。電力制御手段により、少なくとも操作子が微小物体に接触した後に、入力されたアクチュエータの目標駆動量と駆動量検出手段で検出された駆動量との差が小さくなるようにアクチュエータに供給される電力が制御され、把持判断手段が目標駆動量と検出された駆動量との差に基づいて操作子が微小物体を把持したと判断したときに、弾力値演算手段により、アクチュエータに電力制御手段を介して供給された電力に比例し、操作子で把持された微小物体の反発力に均衡するアクチュエータの駆動力を、アクチュエータの目標駆動量と検出された駆動量との差で除算して求められ、該微小物体の軟らかさの程度を表す弾力値が演算される。
【０００９】
本発明において、電力制御手段がアクチュエータに定電圧で供給される電流を、アクチュエータの目標駆動量と駆動量検出手段で検出された駆動量との差に比例するように制御してもよい。また、アクチュエータに供給される電流を設定するための電流設定手段を更に備え、電力制御手段が、少なくとも操作子が微小物体に接触する前に、電流設定手段で設定された電流をアクチュエータに供給するようにしてもよい。このとき、アクチュエータに供給される電流の最大電流を設定するための最大電流設定手段を更に備え、電力制御手段が最大電流設定手段で設定された最大電流を上限としてアクチュエータに供給することが好ましい。
【００１０】
また、把持判断手段は、目標駆動量と駆動量検出手段で検出された駆動量との差の時間による微分値が予め定められた設定値より小さいときに、操作子が微小物体を把持したと判断することが好ましい。弾力値演算手段は、アクチュエータの駆動力をＦ、アクチュエータの目標駆動量と駆動量検出手段で検出された駆動量との差をΔθ、微小物体の弾力値をｋとしたときに、弾力値ｋを式ｋ＝Ｆ／Δθにより演算するようにしてもよい。また、駆動量検出手段がアクチュエータに内蔵されたホール素子を有してもよい。操作子が２本のエンドエフェクタを有しており、アクチュエータをメータとしてもよい。このようなマイクロマニピュレータが弾力値演算手段により演算された弾力値を出力する弾力値出力手段を更に備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、電力制御手段により、少なくとも操作子が微小物体に接触した後に、駆動量の差が小さくなるようにアクチュエータに供給される電力が制御され、微小物体への負荷の増大が抑制されるので、弾力を有する微小物体を適切に把持できると共に、弾力値演算手段により微小物体の弾力値が演算されるため、微小物体の弾力値を把握できる、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】
【００１２】
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、微小物体としての細胞を操作する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。
【００１３】
（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２に固定され細胞を操作するためのマイクロマニピュレータ１と、ＸＹステージ（移動ステージ）４２に載置された細胞を目視するための顕微鏡５と、パーソナルコンピュータ（以下、ＰＣと略記する。）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１を制御する電力制御手段の一部、把持判断手段、弾力値演算手段、弾力値出力手段の一部、駆動量検出手段の一部、電流設定手段及び最大電流設定手段としてのプログラマブル・ロジック・コントローラ（以下、ＰＬＣと略記する。）８と、を備えている。
【００１４】
ＰＣ６には、ＰＬＣ８との入出力ケーブル、液晶表示等のモニタ７への出力ケーブル及び顕微鏡５に装着されたＣＣＤカメラ５５からの入力ケーブルがそれぞれ接続されている。ＰＬＣ８には、マイクロマニピュレータ１に対する作動信号を送信するための接続ケーブル８ａの一端が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ＰＬＣ８に命令を与えるためのコントローラ（入力装置）９が接続されている。接続ケーブル８ａの他端は、マイクロマニピュレータ１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、モニタ７を介してＸＹステージ４２に載置された細胞１０を目視することができる。
【００１５】
図２に示すように、ＰＬＣ８は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭの他に、Ｄ／Ａコンバータ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｉ／Ｏ等を有して構成されている。ＰＬＣ８は、ＲＯＭに格納されたプログラム及びプログラムデータにしたがって、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する。更に、ＰＬＣ８は、コントローラ９から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１に送信するための各アクチュエータ制御部を有している。
【００１６】
図１に示すように、顕微鏡５は、下側が定盤２に固定されたＸＹステージ４２と、ＸＹステージ４２側にズームレンズ５２を装着した鏡筒と、鏡筒の上部に装着されたＣＣＤカメラ５５とで構成されている。鏡筒は、細胞１０に焦点を合わせるため、定盤２に固定された支柱に上下方向にスライド可能に摺接している。ＸＹステージ４２は、定盤２に固定されたベースと、Ｙ方向にスライド可能なＹ方向ステージと、Ｘ方向にスライド可能なＸ方向ステージとを有している。Ｙ方向ステージの下面に配設された２つのスライダがベースの上面に配設されたＸ方向と平行な２本のスライドレールに摺接している。Ｘ方向ステージの下面に配設された２つのスライダがＹ方向ステージの上面に配設されたＸ方向と平行な２本のスライドレールに摺接している。
【００１７】
図３に示すように、マイクロマニピュレータ１は、大別して、細胞１０を操作するためのハンドリング部３４と、ハンドリング部３４をＸ方向、Ｙ方向に移動させる（後述するＸ方向アクチュエータ３１１、Ｙ方向アクチュエータ３１２）ＸＹ駆動部３１と、ハンドリング部３４をＺ方向に移動させる（後述するＺ方向アクチュエータ３３１）Ｚ駆動部３３と、で構成されている。ＸＹ駆動部３１は、ハンドリング部３４の先端部（後述する把持指３４１）を中心としてハンドリング部３４をＸＹ平面上で回動（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ＸＹステージ４２に載置された細胞１０に対するハンドリング部３４の姿勢方向を変更する後述するθｚアクチュエータ３１５を有している。
【００１８】
ＸＹ駆動部３１は、上述した定盤２に固定された４本の支柱で支持された基台２１上に配置されており、Ｚ駆動部３３はＸＹ駆動部３１の出力側（顕微鏡５側）に支持されている。基台２１上でＸＹ駆動部３１の背面側には、ＰＬＣ８から接続ケーブル８ａを介して送信された制御信号を受信し、ＸＹ駆動部３１、Ｚ駆動部３３、ハンドリング部３４を駆動するための駆動回路部３５が配置されている。背面側の外装には、外部電源と接続された電源供給コネクタ、接続ケーブル８ａを接続する信号コネクタが配設されている。
【００１９】
Ｚ駆動部３３の顕微鏡５側には、ハンドリング部３４が配置されている。Ｚ駆動部３３とハンドリング部３４との間には、ハンドリング部３４が軸支された軸を中心としてハンドリング部３４を回動させ細胞１０に対するハンドリング部３４の姿勢方向を変更するθｋアクチュエータ３６が配置されている。
【００２０】
＜ＸＹ駆動部３１＞
基台２１には、ハンドリング部３４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３１１と、Ｙ方向アクチュエータ３１２とが互いに交差する方向に固定されている。
【００２１】
Ｘ方向アクチュエータ３１１は、エンコーダを有し正逆転可能なステッピングモータ３１１ａと、ステッピングモータ３１１ａ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３１１ｂに係合した出力部のスライダ３１１ｃと、スライダ３１１ｃ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３１２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３１２ａと、ステッピングモータ３１２ａ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に係合するスライダと、スライダが摺動可能な直進ガイドレール（不図示）と、を有している。
【００２２】
Ｘ方向アクチュエータ３１１のスライダ３１１ｃには、ステッピングモータからなり、ハンドリング部３４の姿勢方向を変更するための駆動力を供給するθｚアクチュエータ３１５が固定されている。θｚアクチュエータ３１５の出力軸３１５ａはベルト３１５ｂを介して直径が出力軸３１５ａより大きいプーリ３１５ｃに接続されている。プーリ３１５ｃの回動軸はパンタグラフ機構３１７のＸ方向入力リンク３１７ａに固定されている。また、Ｙ方向アクチュエータ３１２のスライダは、パンタグラフ機構３１７のＹ方向入力リンク３１７ｂに固定されている。このため、Ｘ方向アクチュエータ３１１、Ｙ方向アクチュエータ３１２及びθｚアクチュエータ３１５はパンタグラフ機構３１７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３４の姿勢方向を変更する（ハンドリング部３４を揺動させる）ためのθｚ変位を与えることができる。
【００２３】
パンタグラフ機構３１７は、Ｘ方向入力リンク３１７ａ及びＹ方向入力リンク３１７ｂの他に、略直線状の複数のリンク及び複数の回転対偶、例えば、７つのリンク及び９つの回転待遇とハンドリング部３４側の出力リンク３１７ｃとが組み合わされて構成されている。このため、Ｘ方向アクチュエータ３１１、Ｙ方向アクチュエータ３１２及びθｚアクチュエータ３１５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変位が合成、拡大乃至縮小されて出力リンク３１７ｃに出力される。パンタグラフ機構３１７は、Ｘ方向アクチュエータ３１１、Ｙ方向アクチュエータ３１２及びθｚアクチュエータ３１５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３１７ｃのハンドリング部３４側にはＺ駆動部３３が支持されている。
【００２４】
＜Ｚ駆動部３３＞
Ｚ駆動部３３のＺ方向アクチュエータ３３１は、出力リンク３１７ｃの下側に支持され正逆転可能なステッピングモータ３３１ａと、減速歯車列を有しステッピングモータ３３１ａからの回転駆動力を減速するギアボックスと、ハンドリング部３４をＺ方向に移動させるボールネジ３３１ｂとで構成されている。すなわち、ギアボックス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３３１ｂの先端部（上部）が連結されている。ボールネジ３３１ｂにはナットが螺合しており、ナットにはθｋアクチュエータ３６を支持するための支持部材３３３が固定されている。θｋアクチュエータ３６は、支持部材３３３に支持されている。θｋアクチュエータ３６には、ハンドリング部３４が軸３４８を介して着脱可能に軸支されている。
【００２５】
＜ハンドリング部３４＞
支持部材３３３には、ハンドリング部３４を軸３４８を中心として回動させる、すなわち、ハンドリング部３４に回動変位（θｋ変位）を与えるθｋアクチュエータ３６が固定されている。θｋアクチュエータ３６は、正逆回転可能なステッピングモータと、該ステッピングモータからの回転駆動力を減速する減速歯車列とで構成されている。減速歯車列の出力端は軸３４８に接続されている。このため、θｋアクチュエータ３６のステッピングモータからの回転駆動力が減速歯車列で減速されて軸３４８を介してハンドリング部３４に伝達されることで、ハンドリング部３４が軸３４８を中心として、例えば、±９０度の範囲で回動する。
【００２６】
ハンドリング部３４は、細胞１０を把持するために、固定指と可動指とで構成される操作子としての把持指３４１を有している。固定指には固定エンドエフェクタ３４１ｂが支持されており、可動指には可動エンドエフェクタ３４１ａが支持されている。
【００２７】
ハンドリング部３４の把持ベース７４には電磁駆動式メータからなり、把持指３４１を駆動する（移動させる）アクチュエータとしての把持アクチュエータ７１がブラケットを伴って固定されている。固定指の後端部が組み付けられた（固定された）プレートは、固定指が組み付けられた状態で、把持ベース７４と一定の隙間を形成して把持ベース７４に固定されている。この隙間には長板状のレバー７２が介在している。レバー７２の先端部（Ｚ駆動部３３の反対側）には可動指が固定されており、先端部略中央には上下両方向に支点軸が突設されている。上述した隙間は、この支点軸がプレートの軸受けと把持ベース７４の軸受けとに軸支されることにより画定されている。レバー７２の後端には略Ｕ字状のスリット（切り欠き）が形成されており、スリットには把持アクチュエータ７１の出力ピンが係合している。このため、把持アクチュエータ７１を駆動すると、レバー７２が支点軸を中心として揺動することで、固定エンドエフェクタ３４１ｂに可動エンドエフェクタ３４１ａが近接ないし離間し、細胞１０の把持ないし把持した細胞１０の解放を行うことができる。なお、固定エンドエフェクタ３４１ｂ及び可動エンドエフェクタ３４１ａは、先端同士が離間した状態を基準状態とし、把持駆動したときに先端同士が接触するように、固定指及び可動指に配設されたネジで調整可能である。
【００２８】
図４に示すように、把持アクチュエータ７１は、中央部に直径方向に２極着磁された円筒型永久磁石７１１を有している。永久磁石７１１は、中央部に回動軸７１１ａ−ｂが貫通しており、底部に、アームが延出された円環状部材が固着されている。アームからは上述したレバー７２のスリットに係合する出力ピン７１１ｃが下方に延出されている。なお、アーム及び出力ピン７１１ｃは円環状部材に一体形成されている。永久磁石７１１は、内側に円柱状の空間を有し上部に４本の端子ピン７１２ａが固定されたコイル枠７１２及びコイル枠７１２の底側に嵌合された底蓋７１３の中に収容されており、回動軸７１１ａ−ｂの上下端部は、コイル枠７１２と底蓋７１３とに回動可能に軸支されている。
【００２９】
コイル枠７１２の外側には、永久磁石７１１を回動させるトルクを生成するための図示を省略した被覆銅線コイルが捲回されている。被覆銅線コイルの両端部は端子ピン７１２ａに接続されている。
【００３０】
コイル枠７１２は、ギャップを有し永久磁石７１１の磁力線に閉ループを形成し磁気回路を効率よく構成するための継鉄７１４内に収容されている。継鉄７１４は底蓋７１３に固定されており、底蓋７１３にはアーム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。継鉄７１４の上方には、上述した駆動回路部３５と接続されるフレキシブルプリント基板７１５が配置されている。フレキシブルプリント基板７１５には、４本の端子ピン７１２ａがそれぞれ接続されている。フレキシブルプリント基板７１５には永久磁石７１１の回動変位を検出するための駆動量検出手段の一部としてのホール素子７１５ａが実装されており、ホール素子７１５ａは端子ピン７１２ａに接続されている。ホール素子７１５ａはコイル枠７１２と継鉄７１４との間に挿入されている。すなわち、ホール素子７１５ａは把持アクチュエータ７１に内蔵されている。なお、把持アクチュエータ７１は継鉄７１４の上側に配置される上蓋を有しているが、図４ではこの上蓋を捨象している。
【００３１】
ホール素子７１５ａは、フレキシブルプリント基板７１５、駆動回路部３５を介してＰＬＣ８に接続されている。従って、ＰＬＣ８は、ホール素子７１５ａから出力されたアナログ電圧を、内蔵されたＡ／Ｄコンバータでデジタル変換することで、永久磁石７１１の回動に伴う磁界変化（方位）を検出することができる。なお、本実施形態において、内蔵されたＡ／Ｄコンバータのサンプリング速度は約１ｍｓである。
【００３２】
また、ハンドリング部３４は、固定エンドエフェクタ３４１ｂや可動エンドエフェクタ３４１ａに付着した細胞１０を脱離させるために、把持指３４１に衝撃を付与する衝撃アクチュエータを有している。ハンドリング部３４は、軸３４８に軸支するための基台を有しており、基台に挿入された軸３４８がネジで固定される。基台は、プランジャ部及びコイル部を有するプランジャソレノイドで構成される衝撃アクチュエータを内蔵している。基台の上方に延出したアームに形成された穴には、把持ベース７４が軸支されている。プランジャ部の一側は把持ベース７４の下方に延出したアーム部に軸支されており、プランジャ部の他側はコイル部内に挿入されている。
【００３３】
また、把持ベース７４の側面に突設されたピンと、基台の側面に突設されたピンとの間にはコイルバネが掛け渡されており、基台に対して把持ベース７４を、軸支された軸を回転支点として時計回り（ＣＷ方向）に付勢しており、この付勢力でストッパが基台に当接して静止した状態に保たれている。
【００３４】
（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１の把持動作を中心に説明する。
【００３５】
まず、オペレータは、図１に示すように、ＸＹステージ４２を駆動し、ＸＹステージ４２に載置された細胞１０を顕微鏡５のＣＣＤカメラ５５を介して、モニタ７の画面内に捉える。
【００３６】
ＰＣ６、マイクロマニピュレータ１等微小物体ハンドリングシステム２００を構成する全ての構成部に電源が投入され、ＰＣ６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ピュレータ１の初期設定処理が終了すると、ＰＬＣ８（のＣＰＵ）はマイクロマニピュレータ１側の種々のアクチュエータのステータスをＰＣ６に送出する。
【００３７】
ＰＣ６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、モニタ７に異常個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、把持指３４１がＸＹステージ４２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、ハンドリング部３４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モニタ７に表示させて、コントローラ９からＰＬＣ８を介して肯定的な入力があるまで待機する。コントローラ９からの入力があると、ＰＣ６は、ＰＬＣ８に対してハンドリング部３４を基準位置に位置させるように命令する。ＰＬＣ８は、ハンドリング部３４が基準位置に到達すると、ＰＣ６に細胞１０のハンドリングの準備が完了した旨を報知する。なお、ＰＬＣ８は、コントローラ９からの入力があると、入力情報をＰＣ６に報知し、ＰＣ６からの動作指令を受信する。
【００３８】
ＰＣ６は、モニタ７に細胞１０のハンドリングが可能な旨を小ウィンドウで表示させると共に、把持アクチュエータ７１に流れる最大電流値Ｉｍａｘ、及び、少なくとも把持指３４１が細胞１０に接触するまで把持アクチュエータ７１に流れ、最大電流値Ｉｍａｘより小さい基準電流値Ｉａを設定ないし変更するか否かの問い合わせを表示させ、コントローラ９からの入力があるまで待機する。このとき、オペレータは、最大電流値Ｉｍａｘ及び基準電流値Ｉａをコントローラ９から入力する。最大電流値Ｉｍａｘ及び基準電流値Ｉａは、細胞１０の予想される軟らかさの程度に合わせて設定することができ、細胞１０の軟らかさが不詳の場合は始めに小さな電流値を設定しておき、順に大きくしていくこともできる。コントローラ９からの入力があると、ＰＣ６は、設定ないし変更された最大電流値Ｉｍａｘ及び基準電流値ＩａをＰＬＣ８に報知する。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、先に入力された最大電流値Ｉｍａｘ及び基準電流値Ｉａの値を予めＰＣ６のハードディスク内に記憶しておき、それを読み出すようにしてもよい。また、オペレータの設定ないし変更を補助するために、把持指３４１が細胞１０に及ぼす力と最大電流値Ｉｍａｘ及び基準電流値Ｉａとの関係を示すテーブルやグラフ等をモニタ７に表示するようにしてもよい。
【００３９】
この状態で、オペレータは、モニタ７で顕微鏡画像を参照しながら、細胞１０が２本の把持指３４１間の開口に位置するように、マイクロマニピュレータ１に、Ｘ方向、Ｙ方向、θｚ方向（把持指３４１の先端部を中心とするハンドリング部３４の揺動角度、すなわち、ハンドリング部３４の姿勢方向）、Ｚ方向、θｋ方向（軸３４８を中心とするハンドリング部３４の回動角度、すなわち、ハンドリング部３４の姿勢方向）の指令をコントローラ９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、ジョイスティックや十字ボタンを使用して行うことが可能である。
【００４０】
ＰＬＣ８は、コントローラ９からの入力情報をＸ、Ｙ、Ｚ方向、θｚ方向及びθｋ方向の成分ごとに変換してＰＣ６に報知する。ＰＬＣ８は、ＸＹ駆動部３１のＸ方向アクチュエータ３１１、Ｙ方向アクチュエータ３１２、及び、Ｚ駆動部３３のＺ方向アクチュエータ３３１を駆動して、微小物体１０が２本の把持指３４１間の開口に位置するように移動させ、ＰＣ６からの命令があるまで待機する。
【００４１】
ＸＹ方向駆動では、Ｘ方向アクチュエータ３１１に作動信号が与えられると、ステッピングモータ３１１ａは、ボールネジ３１１ｂを回転させ、スライダ３１１ｃを介して、パンタグラフ機構３１７のＸ方向入力リンク３１７ａをＸ方向に移動させる。Ｙ方向アクチュエータ３１２に作動信号が与えられると、ステッピングモータ３１２ａは、ボールネジを回転させ、スライダ３１２ｃを介して、パンタグラフ機構３１７のＹ方向入力リンク３１７ｂをＹ方向に移動させる。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３１７の出力リンク３１７ｃにはＸ方向、Ｙ方向の変位を合成した変位が出力される。従って、出力リンク３１７ｃにＺ駆動部３３１を介して軸支されたハンドリング部３４がＸＹ方向に移動される。θｚアクチュエータ３１５に作動信号が与えられると、ベルト３１５ｂを介してプーリ３１５ｃの回動軸を回動させ、パンタグラフ機構３１７のＸ方向入力リンク３１７ａに揺動変位（θｚ変位）を与える。これにより、パンタグラフ機構３１７を介して出力リンク３１７ｃにも同じ角度の揺動変位が出力される。従って、ハンドリング部３４は、ＸＹ方向に移動され、把持指３４１の先端部を中心として細胞１０に対する姿勢方向が変更される。
【００４２】
Ｚ方向駆動では、Ｚ駆動部３３１のステッピングモータ３３１ａに作動信号が与えられると、ステッピングモータの回転駆動力がギアボックスに配設された減速歯車列を介してボールネジ３３１ｂに伝達され、ボールネジ３３１ｂに螺合したナットをＺ方向に移動させる。これにより、ナットに固定された支持部材３３３を介して支持されたハンドリング部３４がＺ方向に移動される。θｋ方向駆動では、θｋアクチュエータ３６に作動信号が与えられると、ステッピングモータの回転駆動力が減速歯車列、軸３４８を介してハンドリング部３４に伝達され、ハンドリング部３４が軸３４８を中心として回動する。
【００４３】
＜把持駆動＞
２本の把持指３４１が細胞１０に対して適正な姿勢となると、オペレータは、把持指３４１の先端部で細胞１０を把持するための把持指令をコントローラ９で入力する。ＰＬＣ８は、コントローラ９からの把持指令をＰＣ６に報知し、把持アクチュエータ７１を駆動させて把持指３４１に細胞１０を把持させ、ＰＣ６の命令があるまで待機する。
【００４４】
把持駆動では、ＰＬＣ８は、把持アクチュエータ７１に予め定められた基準電流値Ｉａの電流を供給させる。供給された電流が把持アクチュエータ７１の被覆銅線コイルを流れることで、永久磁石７１１が回動軸７１１ａ−ｂを中心に回動し、出力ピン７１１ｃ、スリットを介してレバー７２を支点軸を中心として揺動させる。これにより、ハンドリング部３４の可動エンドエフェクタ３４１ａは、永久磁石７１１の回動角度に従って固定エンドエフェクタ３４１ｂに対し、近接（ないし離間）する動きをする。すなわち、互いに離間した状態に保持されていた可動エンドエフェクタ３４１ａ、固定エンドエフェクタ３４１ｂは、ＰＬＣ８による把持アクチュエータ７１の通信制御により出力ピン７１１ｃが回動することで互いに接近し細胞１０に接触する。このとき、永久磁石７１１の回動角度が変化することで永久磁石７１１の磁界に変化が生じる。この磁界変化がホール素子７１５ａにより検出され、駆動回路部３５を介してＰＬＣ８に送出される。これにより、ＰＬＣ８は、永久磁石７１１が実際に回動した角度を検出することができる。なお、把持アクチュエータ７１に定電圧で供給する電流値を変えることで把持アクチュエータ７１を駆動するための電力を変えることが可能である。
【００４５】
ＰＬＣ８は、ホール素子７１５ａで検出した把持アクチュエータ７１の実際の回動角度（以下、実角度という）と、ＰＣ６から報知された基準電流値Ｉａで回動する回動角度（以下、目標角度という。）とを比較しており、実角度と目標角度との角度差ΔθをＰＣ６に送出（報知）する。実角度は上述したサンプリング速度で検出されており、ＰＬＣ８は４回分の角度差ΔθをＲＡＭに記憶している。
【００４６】
可動エンドエフェクタ３４１ａ、固定エンドエフェクタ３４１ｂの先端部が細胞１０と接触すると、細胞１０の弾力による反発力が把持指３４１の先端部に作用し、可動エンドエフェクタ３４１ａの移動が抑制され、角度差Δθが増加する。細胞１０を把持するためには、更に可動エンドエフェクタ３４１ａを移動させる必要があり、把持アクチュエータ７１には基準電流値Ｉａより大きな電流値の電流が供給される。図６に示すように、把持指３４１の先端部が細胞１０に接触後、把持アクチュエータ７１に流れる電流は、基準電流値Ｉａより増加する。この電流値の増加は、図６の直線１に示すように、細胞１０の弾力性が大きいと増加割合が大きくなり、直線２に示すように、弾力性が小さいと増加割合が小さくなる（傾きが小さくなる）。なお、図６では、把持指３４１の先端部が細胞１０に接触したときの回動角度をＰで表している。
【００４７】
ＰＬＣ８は、ＲＡＭに記憶した角度差Δθが増加傾向にあるとき、すなわち、３回連続して角度差Δθが増加したときに、把持指３４１の先端部が細胞１０に接触したと判断し、角度差Δθの大きさに比例して増加するように予め定められており、把持アクチュエータに供給する電流値を増幅させるための増幅率をＰＣ６に報知する。ＰＬＣ８は、増幅率で基準電流値Ｉａを増幅した電流値Ｉを把持アクチュエータ７１に供給させ、角度差Δθが小さくなるように把持アクチュエータ７１を駆動させる。また、ＰＣ６は、モニタ７に把持指３４１の先端部が細胞１０に接触した旨を小ウィンドウで表示させる。これにより、オペレータは、把持指３４１の先端部が細胞１０に接触した旨を把握することができる。
【００４８】
把持アクチュエータ７１に供給される電流値が増加すると、アクチュエータ７１の駆動力が増加する。換言すれば、細胞１０には必要以上の力が作用することになり、細胞１０を損傷させることがある。このため、把持アクチュエータ７１に流れる最大電流値Ｉｍａｘを１ｍＡ単位で任意に設定可能な電流制御回路がマウントされている。
【００４９】
ＰＬＣ８は、増幅率で増幅した電流値Ｉと、既にＰＣ６から報知された最大電流値Ｉｍａｘとを比較し、電流値Ｉが最大電流値Ｉｍａｘを越えると判断したときは、その旨をＰＣ６に報知すると共に、把持アクチュエータ７１に供給する電流値を最大電流値Ｉｍａｘに制限する。このため、把持アクチュエータ７１には、最大電流値Ｉｍａｘを越える電流は流れず、把持指３４１が細胞１０を把持する把持力は制限される。
【００５０】
把持指３４１が細胞１０に接触した後、ＰＬＣ８は、ＲＡＭに記憶した角度差Δθの変化の時間変化に対する比、すなわち、角度差Δθの時間による微分値（Δθ／Δｔの絶対値）が予め定められた基準値より小さいときに、把持アクチュエータ７１の目標角度と実角度とが同じであるとみなし、把持指３４１が細胞１０を把持したと判断する。このときの時間変化Δｔは、基本的にはＰＬＣ８のＣＰＵの処理速度に依存するが、ここでは、上述したサンプリング速度（約１ｍｓ）に依存する。また、把持アクチュエータ７１の駆動力は細胞１０の反発力と均衡しており、駆動力をＦ、反発力をｆ、とすると、駆動力Ｆ及び反発力ｆは角度差Δθに比例し、式Ｆ＝ｆ＝Δθ×ｋで表される。この式の比例係数が細胞１０の弾力値ｋを表すことから、ＰＬＣ８は、この式を変形した式ｋ＝Ｆ／Δθにより弾力値ｋを演算し、ＲＡＭに記憶する。なお、駆動力Ｆは、厳密にいえば回転トルクであり、供給される電流（電力）に比例し、把持アクチュエータ７１の特性として仕様で定められている。ＰＬＣ８は、演算した弾力値ｋをＰＣ６に報知する。ＰＣ６は、弾力値ｋをモニタ７に小ウィンドウで表示させる。これにより、オペレータは、細胞１０の弾力性を確認することができる。
【００５１】
オペレータは、把持指３４１に細胞１０を把持させたまま、任意の操作、例えば、シャーレの中の所望の位置に把持指３４１が位置するようにコントローラ９で入力する。ＰＬＣ８は、コントローラ９からの入力情報を変換してＰＣ６に送出し、ＸＹ駆動部３１及びＺ駆動部３３を駆動して細胞１０を把持した把持指３４１が、指定された載置位置に位置するように移動させ、ＰＣ６からの命令があるまで待機する。また、ＰＬＣ８は、把持指３４１が細胞１０を把持した後も、把持アクチュエータ７１に電流を供給し、角度差Δθを検出する。このため、把持指３４１の位置を移動させても、細胞１０を把持した状態が維持される。
【００５２】
オペレータは、把持指３４１に把持された細胞１０が所望の位置に位置したので、細胞１０を把持指３４１から解放させるための解放指令をコントローラ９で入力する。ＰＬＣ８は、コントローラ９からの解放指令をＰＣ６に送出し、把持指３４１を解放させる。このとき、ＰＬＣ８は、把持アクチュエータ７１に、細胞１０を把持するときと逆向きの電流を供給する。なお、把持アクチュエータ７１への通電を絶つことで、把持指３４１は当初の状態（開口が形成された状態）に復帰する。
【００５３】
オペレータは、細胞１０の把持と所望の位置への移動が終了し、細胞１０を把持指３４１から解放したので、把持指３４１を退避させる指令をコントローラ９で入力する。ＰＬＣ８は、ＸＹ駆動部３１及びＺ駆動部３３を駆動してハンドリング部３４を基準位置に位置させる。このとき、把持指３４１の先端部に細胞１０や細胞１０の断片等の付着がモニタ７で確認できたときは、付着物の脱離指令をコントローラ９から入力する。ＰＬＣ８は、コントローラ９からの脱離指令をＰＣ６に送出し、衝撃アクチュエータを駆動して付着物を脱離させる。
【００５４】
コントローラ９からの指令で衝撃アクチュエータを構成するプランジャソレノイドのコイル部に電圧が印加されると起磁力が生じ、プランジャ部がコイル部内に引きつけられる。プランジャ部の移動に伴い、アーム部を介して、把持ベース７４を、軸支された軸を回転支点として、コイルバネの付勢力に抗して反時計回り（ＣＣＷ方向）に回転させる。これにより、基台に当接していたストッパが基台から離間する。把持ベースの回転は、プランジャ部がコイル部内のストッパに当接することにより停止する。コイル部の起磁力が解放されると、把持ベース７４が時計回りに回転し、ストッパが基台に当接することにより、把持ベースの回転が停止する。プランジャ部の動作は非常に短時間に行われる衝撃変位であり、停止時の衝撃も大きくなるため、時計回り、反時計回りの回転停止時の衝撃により把持指３４１の先端部に付着した細胞１０等を慣性力の作用を利用して脱離させることができる。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の作用等について、マイクロマニピュレータ１のハンドリング部３４の作用を中心に説明する。
【００５６】
従来細胞や金属等の微小物体に対する操作では、マイクロマニピュレータが使用され、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操作が行われる。ところが、微小物体の硬さや軟らかさといった弾力性は、細胞や金属等で大きく異なっており、画像を参照するのみでは、操作対象の微小物体の弾力性を知ることはできない。このため、微小物体にかける力の加減がわからず、例えば、金属等では力をかけすぎると金属等を弾き飛ばすことがあり、細胞等では力をかけすぎると細胞等を押しつぶしてしまうことがある。中でも、動物由来の細胞では細胞膜が薄く軟らかすぎるため、把持できない、という問題もある。本実施形態は、これらの問題を解決することができるマイクロマニピュレータである。
【００５７】
本実施形態のマイクロマニピュレータ１では、少なくとも把持指３４１が細胞１０に接触した後に、把持アクチュエータの目標角度とホール素子７１５ａで検出された実角度との角度差Δθが小さくなるように、ＰＬＣ８により、把持アクチュエータ７１に供給される電流値の増幅率が制御される。このとき、細胞１０の弾力性による反発力で把持指３４１の駆動が抑制され、角度差Δθが大きくなると把持アクチュエータ７１に供給する電流値が大きくなるように増幅される。この増幅率は角度差Δθに比例するように予め定められている。従って、ＰＬＣ８で制御された電流値で駆動する把持アクチュエータ７１の駆動力が細胞１０からの反発力にあわせて調整されるので、把持指３４１で細胞１０を適切な把持力で把持することができる。
【００５８】
また、マイクロマニピュレータ１では、把持アクチュエータ７１の角度差ΔθがＰＬＣ８のＲＡＭに記憶されている。ＰＬＣ８は、角度差Δθの時間による微分値が予め定められた基準値より小さいときに、把持指３４１が細胞１０を把持したと判断する。このため、ＰＬＣ８により把持指３４１が細胞１０を把持したと判断したときに、把持アクチュエータ７１に流れる電流値を維持することで、細胞１０にかかる負荷の増大を抑制することができ、細胞１０を損傷させることなく把持することができる。
【００５９】
更に、マイクロマニピュレータ１では、ＰＬＣ８が、把持指３４１が細胞１０を把持したと判断したときに、供給された電流で駆動する把持アクチュエータ７１の駆動力Ｆを、角度差Δθで除算（ｋ＝Ｆ／Δθ）して細胞１０の弾力値ｋを演算する。この弾力値ｋが細胞１０の軟らかさの程度を表しているため、細胞１０の軟らかさを把握することができる。また、演算された弾力値ｋがモニタ７に表示されるため、把持指３４１の把持に伴う細胞１０の変形程度を画像で確認すると共に、弾力値ｋを参照しながら細胞１０を把持することができる。これにより、細胞１０を損傷させることなく確実に把持することができる。
【００６０】
また更に、マイクロマニピュレータ１では、予め把持アクチュエータ７１に供給される電流の最大電流値Ｉｍａｘが定められている。ＰＬＣ８により決定された増幅率で増幅した電流値Ｉが最大電流値Ｉｍａｘを越えるときには把持アクチュエータ７１に供給する電流値が最大電流値Ｉｍａｘに制限される。このため、細胞１０を把持するときに把持アクチュエータ７１の駆動力が制限されるので、細胞１０に必要以上の負荷がかかることを回避することができる。また、最大電流値Ｉｍａｘは、細胞１０の特性に合わせて設定することができる。また、基準電流値Ｉａについても、細胞１０の特性に合わせて設定することができる。従って、例えば、赤血球や卵細胞等の弾力性が異なると予想される細胞でも適切な把持力で把持することができる。
【００６１】
なお、本実施形態では、把持アクチュエータ７１に供給する電流値をＰＬＣ８が制御する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図５に示すように、サーボ機構とオペアンプとで制御するようにしてもよい。この場合には、把持アクチュエータ７１の永久磁石７１１の回動に伴う磁界変化をホール素子等で検出してフィードバックすることで、把持アクチュエータ７１の駆動量を調整することができる。また、これらのサーボ機構、オペアンプをマイクロマニピュレータ１の駆動回路部３５に配置することもできる。更に、電流を制御することに代えて、電流を一定として電圧を制御するようにしてもよい。
【００６２】
また、本実施形態では、把持アクチュエータ７１の実角度を検出するためにホール素子７１５ａを例示したが、ロータリエンコーダ等を使用して永久磁石７１１の回動角度を検出するようにしてもよい。
【００６３】
更に、本実施形態では、少なくとも把持指３４１が細胞１０に接触した後に、把持アクチュエータ７１の角度差Δθを検出して電流値を制御する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、細胞１０に接触する前から角度差Δθを検出してもよい。把持指３４１が細胞１０に接触する前では、把持指３４１の移動が抑制されないため、基準電流値Ｉａで把持アクチュエータ７１を駆動することができる（図６参照）。また、把持指３４１が細胞１０に接触するまでは、把持アクチュエータ７１に供給する電流値を基準電流値Ｉａより大きくするようにしてもよい。これにより、把持指３４１が細胞１０に接触するまでの時間を短縮することができる。
【００６４】
また更に、本実施形態では、ＰＬＣ８により演算された細胞１０弾力値ｋをモニタ７に表示する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、レベルメータ等で表示してもよい。また、弾力値ｋがＰＬＣ８のＲＡＭに記憶されているため、コントローラ９からの表示入力によりモニタ７に表示させるようにしてもよい。更に、角度差Δθを連続的に表示させてもよい。このようにすれば、細胞１０の変形程度をリアルタイムに確認することができ、把持の操作性を向上させることができる。
【００６５】
更にまた、本実施形態では、ＰＬＣ８が把持アクチュエータ７１に供給する電流値の制御、把持指３４１が細胞１０を把持したかの判断、細胞１０の弾力値の演算を行う例を示したが、これらをＰＣ６で行うようにすることもできる。また、本実施形態では、微小物体として細胞１０を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、金属等の硬質の微小物体を操作することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は弾力を有する微小物体を適切に把持できると共に、微小物体の弾力値を把握できる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】
【００６７】
【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】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制御部の概略を示すブロック図である。
【図３】マイクロマニピュレータの斜視図である。
【図４】把持アクチュエータの分解斜視図であり、（Ａ）はホール素子を接続したフレキシブルプリント基板、（Ｂ）は磁気回路を効率よく構成するための継鉄、（Ｃ）は被覆銅線を捲回するコイル枠、（Ｄ）は回動する永久磁石、（Ｅ）はコイル枠の底蓋をそれぞれ示す。
【図５】把持アクチュエータに供給する電流を制御する制御部と等価の回路を示すブロック図である。
【図６】把持アクチュエータの回動角度に対する把持アクチュエータに供給される電流値の変化を模式的に示すグラフである。
【符号の説明】
【００６８】
１  マイクロマニピュレータ
８  プログラマブル・ロジック・コントローラ（電力制御手段の一部、把持判断手段、弾力値演算手段、弾力値出力手段の一部、駆動量検出手段の一部、電流設定手段、最大電流設定手段）
３４  ハンドリング部（操作子）
４６  ホール素子（駆動量検出手段の一部）
７１  把持アクチュエータ（アクチュエータ）
【図１】
2007125674.tif 000003
【図２】
2007125674.tif 000004
【図３】
2007125674.tif 000005
【図４】
2007125674.tif 000006
【図５】
2007125674.tif 000007
【図６】
2007125674.tif 000008