(57)【要約】【課題】装置全体を複雑にすることなく微小物体を容易かつ適切に操作することが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１は、細胞を載置するためのＸＹステージ４２と、細胞を操作するための第１操作ユニット３と、第２操作ユニット４とを備えている。第１操作ユニット３は、細胞を操作するハンドリング部３４と、ハンドリング部３４をＸ、Ｙ方向に移動させるＸＹ駆動部３１と、ＸＹ駆動部３１に支持され、ハンドリング部３４をＺ方向に移動させるＺ駆動部３３とを有している。第２操作ユニット４は、細胞を操作するハンドリング部４４と、ＸＹステージ４２をＸ、Ｙ方向に移動させるＸＹ駆動部４１と、ハンドリング部４４をＺ方向に移動させるＺ駆動部４３とを有している。第１、第２操作ユニットでハンドリング部３４、４４に対する操作機能が異なる。【選択図】図３
2007127974.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小物体を載置するための移動ステージと、
前記移動ステージの近傍に配置され、前記微小物体を操作するための第１操作子をＸ及びＹ方向に移動させる第１移動手段と、前記第１移動手段に支持され、前記第１操作子をＺ方向に移動させる第２移動手段とを有する第１操作ユニットと、
前記移動ステージの近傍であって前記第１操作ユニットとは異なる位置に配置され、前記移動ステージをＸ及びＹ方向に移動させる第３移動手段と、微小物体を操作するための第２操作子をＺ方向に移動させる第４移動手段とを有する第２操作ユニットと、
を備えたマイクロマニピュレータ。
【請求項２】
前記第３移動手段は入力されたＸ及びＹ方向の変位を合成して拡大乃至縮小するパンタグラフ機構を有しており、該パンタグラフ機構の出力側に前記移動ステージが固着されてい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】
前記第１操作ユニットは、更に、前記第１操作子の先端部を中心として該第１操作子がＸＹ平面上で回動するように姿勢方向を変更する第１姿勢変更手段を有してい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４】
前記第１及び第２操作子は前記第２及び第４移動手段にそれぞれ着脱可能に軸支されてい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５】
前記第１及び第２操作ユニットの少なくとも一方は、更に、前記第１及び第２操作子が軸支された軸を中心として該第１及び第２操作子が回動するように姿勢方向を変更する第２姿勢変更手段を有し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６】
前記第１及び第２操作子は、複数種の操作子の中から選択され着脱可能なことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載のマイクロマニピュレータ。
【請求項７】
前記複数種の操作子は、基部から先端部までの長さが同じに設定されてい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】
前記第１及び第２操作ユニットは、更に、前記第１及び第２操作子にそれぞれ衝撃を付与する衝撃付与手段を有してい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】
前記衝撃付与手段は、前記第１及び第２操作子をそれぞれ係止する係止部材と、前記第１及び第２操作子にそれぞれ付勢力を付与する付勢部材と、前記付勢部材の付勢力に抗する駆動力を前記第１及び第２操作子に付与するそれぞれのアクチュエータと、前記アクチュエータの駆動力で駆動された前記第１及び第２操作子をそれぞれ当接させるための当接部材とを有し、前記付勢部材の付勢力で前記係止部材に係止された前記第１及び第２操作子を前記アクチュエータの駆動力で前記係止部材から離間させ、前記当接部材に前記第１及び第２操作子を衝突させることにより前記第１及び第２操作子にそれぞれ衝撃を付与することを特徴とする請求項８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、ステージ上の微小物体を２つの操作子で操作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、微小物体を操作するために、操作子を移動させる機構を有しており（例えば、特許文献１参照）、操作する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）。また、微小物体の操作性（取扱い作業性）の向上を図るため、Ｘ、Ｙ、Ｚの３方向の移動機構を有する２台のマイクロマニピュレータを顕微鏡の光軸を中心にして対称位置（両側）に配設し、双腕（２つの操作子）で微小物体を操作することが一般的であった。
【０００３】
このようなマイクロマニピュレータによる操作では、操作対象の微小物体を顕微鏡下の操作しやすい位置に移動する場合には、２台のマイクロマニピュレータとは別にＸＹステージを使用して移動するか、操作者自身の手で微小物体を移動するかしている。また、マイクロマニピュレータの操作中に微小物体が静電気力等により操作子に付着すると、微小物体の操作に支障が生じるため、付着した微小物体を、操作子を振動させる等により脱離させることが必要となる。更に、微小物体には、操作する向きにより損傷や操作の困難性を生じることがあるため、操作子の向きをマニュアルで調整している。
【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、従来のように２台のマイクロマニピュレータを用いた場合には、それぞれのマイクロマニピュレータの操作に加えて、ＸＹステージの操作が必要なため、微小物体の操作が煩雑となるうえに、装置全体が複雑になってしまう。また、操作に伴う微小物体の損傷等を防止するために、微小物体や操作子等の向きを調整することが重要となる。更に、従来のマイクロマニピュレータでは、微小物体の操作にガラス製キャピラリや把持用ツールが用いられているが、操作する機能に制限があるため、複数の操作機能に対応できるマイクロマニピュレータが求められている。
【０００６】
本発明は上記事案に鑑み、装置全体を複雑にすることなく微小物体を容易かつ適切に操作することが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、微小物体を載置するための移動ステージと、前記移動ステージの近傍に配置され、前記微小物体を操作するための第１操作子をＸ及びＹ方向に移動させる第１移動手段と、前記第１移動手段に支持され、前記第１操作子をＺ方向に移動させる第２移動手段とを有する第１操作ユニットと、前記移動ステージの近傍であって前記第１操作ユニットとは異なる位置に配置され、前記移動ステージをＸ及びＹ方向に移動させる第３移動手段と、微小物体を操作するための第２操作子をＺ方向に移動させる第４移動手段とを有する第２操作ユニットと、を備える。
【０００８】
本発明では、微小物体が移動ステージに載置される。第２操作ユニットの第３移動手段により、微小物体が載置された移動ステージがＸ及びＹ方向に移動され、しかる後に、第１操作ユニットの第１操作子が、第１移動手段によりＸ及びＹ方向に移動され、第２移動手段によりＺ方向に移動されることで、微小物体に対する第１操作子の先端部が３方向の自由度で位置付けられ、第２操作ユニットの第２操作子が第４移動手段によりＺ方向に移動され、微小物体に対する第２操作子の先端部が位置付けられる。
【０００９】
本発明において、第３移動手段は入力されたＸ及びＹ方向の変位を合成して拡大乃至縮小するパンタグラフ機構を有しており、該パンタグラフ機構の出力側に移動ステージが固着されているようにしてもよい。また、第１操作ユニットは、更に、第１操作子の先端部を中心として該第１操作子がＸＹ平面上で回動するように姿勢方向を変更する第１姿勢変更手段を有していることが好ましい。
【００１０】
また、第１及び第２操作子は第２及び第４移動手段にそれぞれ着脱可能に軸支されているようにしてもよい。第１及び第２操作ユニットの少なくとも一方は、更に、第１及び第２操作子が軸支された軸を中心として該第１及び第２操作子が回動するように姿勢方向を変更する第２姿勢変更手段を有していることが好ましい。この場合に、第１及び第２操作子は、複数種の操作子の中から選択され着脱可能なことが望ましい。また、複数種の操作子が基部から先端部までの長さが同じに設定されていることが好ましい。
【００１１】
また、第１及び第２操作ユニットは、更に、第１及び第２操作子にそれぞれ衝撃を付与する衝撃付与手段を有していることが好ましい。この衝撃付与手段は、第１及び第２操作子をそれぞれ係止する係止部材と、第１及び第２操作子にそれぞれ付勢力を付与する付勢部材と、付勢部材の付勢力に抗する駆動力を第１及び第２操作子に付与するそれぞれのアクチュエータと、アクチュエータの駆動力で駆動された第１及び第２操作子をそれぞれ当接させるための当接部材とを有し、付勢部材の付勢力で係止部材に係止された第１及び第２操作子をアクチュエータの駆動力で係止部材から離間させ、当接部材に第１及び第２操作子を衝突させることにより第１及び第２操作子にそれぞれ衝撃を付与するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、第１操作ユニットと第２操作ユニットとでは、第１及び第２操作子に対する操作機能が異なるため、移動ステージに載置された微小物体に対して操作しやすい操作ユニットで第１又は第２操作子を操作することができるので、微小物体を適切に操作することができる、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。
【００１４】
（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、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、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。）等を内蔵したコントロールボックス８と、を備えている。
【００１５】
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接続されている。コントロールボックス８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が接続されている。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を介して移動ステージとしての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。
【００１６】
図２に示すように、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いる。ＰＬＣ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、ＰＬＣ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。
【００１７】
図３に示すように、マイクロマニピュレータ１は、マイクロマニピュレータ１により操作される細胞１０を載置するためのＸＹステージ４２、ＣＣＤカメラ５５が装着された顕微鏡５、ＸＹステージ４２に載置された細胞１０を顕微鏡５の両側から操作するための第１操作ユニット３及び第２操作ユニット４を備えている。第１操作ユニット３には接続ケーブル８ａが接続されている。
【００１８】
図３及び図４に示すように、マイクロマニピュレータ１は、上述した定盤２に固定される基台２１を有している。顕微鏡５は、下側が基台２１の中央部に固定された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、基台２１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。図５に示すように、ＸＹステージ４２は、基台２１に固定されたベース４２３を有している。ベース４２３の上面にはＹ方向と平行な２本のＹ方向スライドレールが配設されており、Ｙ方向スライドレールにはＹ方向ステージ４２２の下面に配設された２つのスライダが摺接している。Ｙ方向ステージ４２２の上面にはＸ方向と平行な２本のＸ方向スライドレールが配設されており、Ｘ方向スライドレールにはＸ方向ステージ４２１の下面に配設された２つのスライダが摺接している。
【００１９】
第１操作ユニット３は、大別して、細胞１０を操作する第１操作子としてのハンドリング部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）第１移動手段としての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）第２移動手段としての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第１姿勢変更手段としての後述するθｚアクチュエータ３１５を有している。
【００２０】
ＸＹ駆動部３１は、基台２１に固定された４本の支柱で支持された架台２４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。架台２４上でＸＹ駆動部３１の背面側（図４の上側）には、コントロールボックス８に内蔵されたＰＬＣ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３８、接続ケーブル８ａを接続する信号コネクタ３７が配設されている。
【００２１】
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第２姿勢変更手段としてのθｋアクチュエータ３６が配置されている。
【００２２】
＜ＸＹ駆動部３１＞
図５及び図６に示すように、架台２４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。
【００２３】
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に係合する出力部のスライダ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３１２ｃと、スライダ３１２ｃが摺動可能な直進ガイドレール（不図示）と、を有している。
【００２４】
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３１２ｃ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）ための直動変位（θｚ変位）を与えることができる。
【００２５】
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が支持されており、出力リンク３１７ｃの上側にはＺ駆動部３３のギアボックス３３２が固定されている。
【００２６】
＜Ｚ駆動部３３＞
図５及び図６に示すように、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３３２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３３２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。
【００２７】
＜ハンドリング部３４＞
図７に示すように、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。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。ハンドリング部３４は、軸３４８の基部から先端までの長さが長さＬに設定されている。
【００２８】
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。
【００２９】
図８に示すように、ハンドリング部３４の把持ベース７４にはメータ等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が介在している。レバーの先端部（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接されている。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の開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。
【００３０】
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付与手段としての衝撃アクチュエータ７５を有している。図８に示すように、ハンドリング部３４は、軸３４８に軸支するための基台７７を有しており、基台７７に挿入された軸３４８がネジ７８で固定される。基台７７は、プランジャ部７５１及びコイル部７５２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７５を内蔵している。基台７７の上方に延出したアームに形成された穴７７１には、把持ベース７４が軸７９で軸支されている。プランジャ部７５１の一側は把持ベース７４の下方に延出したアーム部７４１に軸支されており、プランジャ部７５１の他側はコイル部７５２内に挿入されている。コイル部７５２内でネジ７８側の端部には、プランジャ部７５１の移動を当接して停止させる不図示のストッパ（当接部材）が配置されている。
【００３１】
また、把持ベース７４の側面に突設されたピン７４２と、基台７７の側面に突設されたピン７７２との間にはコイルバネ７６が掛け渡されており、基台７７に対して把持ベース７４を、軸７９を回転支点として時計回り（図８においてＣＷ方向）に付勢しており、この付勢力でストッパ（係止部材）７４３が基台７７に当接して静止した状態に保たれている。
【００３２】
一方、第２操作ユニット４は、図３及び図４に示すように、細胞１０を操作する第２操作子としてのハンドリング部４４と、ＸＹステージ４２をＸ、Ｙ方向に移動させる（後述するＸ方向アクチュエータ４１１、Ｙ方向アクチュエータ４１２）第３移動手段としてのＸＹ駆動部４１と、基台２１に固定された４本の支柱でＸＹ駆動部４１の上方に支持された架台２５上に固定されハンドリング部４４をＺ方向に移動させる（後述するＺ方向アクチュエータ４３１）第４移動手段としてのＺ駆動部４３とで構成されている。また、架台２５上でＺ駆動部４３の背面側（図４の上側）には、コントロールボックス８に内蔵されたＰＬＣから送信された制御信号を受信し、ＸＹ駆動部４１、Ｚ駆動部４３、ハンドリング部４４を駆動するための駆動回路部４５が配置されている。なお、駆動回路部４５は、電源を上述した電源供給コネクタ３８を介して供給され、ＰＬＣからの制御信号を信号コネクタ３７を介して受信する。
【００３３】
ＸＹ駆動部４１は基台２１上に固定されており、ハンドリング部４４はＺ駆動部４３の顕微鏡５側に配置されている。Ｚ駆動部４３とハンドリング部４４との間には、ハンドリング部４４が軸支された軸３４８を中心としてハンドリング部４４を回動させ細胞１０に対するハンドリング部４４の姿勢方向を変更する第２姿勢変更手段としてのθｋアクチュエータ４６が配置されている。ハンドリング部４４は、θｋアクチュエータ４６に着脱可能に軸支されている。Ｚ駆動部４３の架台２５に対する固定位置は、ハンドリング部４４の先端部が顕微鏡５の光軸上に位置するように調整されている。
【００３４】
＜ＸＹ駆動部４１＞
図５に示すように、基台２１には、ＸＹステージ４２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４１１と、Ｙ方向アクチュエータ４１２とが互いに交差する方向に固定されている。
【００３５】
Ｘ方向アクチュエータ４１１は、エンコーダを有し正逆転可能なステッピングモータ４１１ａと、ステッピングモータ４１１ａ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４１１ｂに係合する出力部のスライダ（不図示）と、スライダが摺動可能な直進ガイドレールと、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４１２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と、ステッピングモータ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と、を有している。
【００３６】
Ｘ方向アクチュエータ４１１のスライダはパンタグラフ機構４１７のＸ方向入力リンクに固定されており、Ｙ方向アクチュエータ４１２のスライダはパンタグラフ機構４１７のＹ方向入力リンクに固定されている。このため、Ｘ方向アクチュエータ４１１及びＹ方向アクチュエータ４１２はパンタグラフ機構４１７にＸ、Ｙ方向の直動変位を与えることができる。
【００３７】
パンタグラフ機構４１７は、Ｘ方向入力リンク及びＹ方向入力リンクの他に、略直線状の複数のリンク及び複数の回転対偶が組み合わされて、上述した第１操作ユニット３のパンタグラフ機構３１７と同様に構成されている。このため、Ｘ方向アクチュエータ４１１及びＹ方向アクチュエータ４１２からそれぞれ入力されたＸ及びＹ方向の直動変位が合成、拡大乃至縮小されて出力リンクに出力される。パンタグラフ機構４１７は、Ｘ方向アクチュエータ４１１及びＹ方向アクチュエータ４１２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。出力リンクは、ＸＹステージ４２を構成するＸ方向ステージ４２１に接続部材で固定されている。
【００３８】
＜Ｚ駆動部４３＞
図５に示すように、Ｚ駆動部４３のＺ方向アクチュエータ４３１は、正逆転可能なステッピングモータを有するＺ方向直動機構４３１ａと、減速歯車列を有しステッピングモータからの回転駆動力を減速するギアボックス４３２とで構成されている。Ｚ方向直動機構４３１ａは、ボールネジ、ナット、スライダ、ガイドレール及びホルダを有している。すなわち、ギアボックス４３２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が連結されている。ボールネジの先端部側は、ギアボックス４３２に固定されたホルダに回転可能に軸支されている。ボールネジにはナットが螺合しており、ナットにはスライダが固定されている。また、ギアボックス４３２からはボールネジと平行するように直進ガイドレールが配設されており、ガイドレールの先端部側はホルダに固定されている。スライダはガイドレール上を摺動可能にガイドレールに当接している。スライダにはθｋアクチュエータ４６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４６には、ハンドリング部４４が軸３４８を介して軸支されている。
【００３９】
＜ハンドリング部４４＞
上述したハンドリング部３４と同様に、支持部材３３３には、ハンドリング部４４を軸３４８を中心として回動させるθｋアクチュエータ４６が固定されている。θｋアクチュエータ４６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。このため、θｋアクチュエータ４６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ハンドリング部４４に伝達されることで、ハンドリング部４４が軸３４８を中心として回動する。ハンドリング部４４は、上述したハンドリング部３４と同様に構成されている。
【００４０】
（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の動作を中心に説明する。
【００４１】
まず、オペレータは、図１に示すように、コントローラ９からコントロールボックス８のＰＬＣを介して第２操作ユニット４に、Ｘ方向、Ｙ方向の指令を与えて、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。この状態で、オペレータは、第２操作ユニット４に、Ｚ方向、θｋ方向（軸３４８を中心とするハンドリング部４４の回動角度、すなわち、ハンドリング部４４の姿勢方向）の指令と、把持指３４１に対するハンドリング（開閉）指令とを与えて、細胞１０とハンドリング部４４の把持指３４１との相対位置を操作する。また、第１操作ユニット３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方向の指令と、把持指３４１に対するハンドリング指令とを与えて、細胞１０とハンドリング部３４の把持指３４１との相対位置を操作する。
【００４２】
＜ＸＹステージ移動＞
図３〜図５に示すように、Ｘ方向アクチュエータ４１１に作動信号が与えられると、ステッピングモータ４１１ａは、ボールネジ４１１ｂを回転させ、スライダを介して、パンタグラフ機構４１７のＸ方向入力リンクを図４の左右方向（Ｘ方向）に移動させる。Ｙ方向アクチュエータ４１２に作動信号が与えられると、ステッピングモータは、ボールネジを回転させ、スライダを介して、パンタグラフ機構４１７のＹ方向入力リンクを図４の上下方向（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４１７の出力リンクには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、出力リンクに接続されたＸＹステージ４２がＸＹ方向に移動される。
【００４３】
＜ハンドリング部４４駆動＞
（Ｚ方向駆動）
図５に示すように、Ｚ方向直動機構４３１ａのステッピングモータ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４３２に配設された減速歯車列を介してボールネジに伝達され、スライダを図５の上下方向（Ｚ方向）に移動させる。これにより、スライダ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４４がＺ方向に移動される。
【００４４】
（把持駆動）
図６及び図８に示すように、θｋアクチュエータ４６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４４に伝達され、ハンドリング部４４が軸３４８を中心として回動する。把持アクチュエータ７１に作動信号が与えられると、出力ピンが揺動し、スリットを介してレバーが支点軸を中心として揺動する。これにより、ハンドリング部４４の可動エンドエフェクタ３４１ａは、固定エンドエフェクタ３４１ｂに対し、近接、又は、離間する動きをする。従って、２本のエンドエフェクタ３４１は、細胞１０を上下方向や左右方向等の任意の向きで把持し、把持した細胞１０の開放を行うことができる。
【００４５】
＜ハンドリング部３４駆動＞
（ＸＹ方向駆動）
図５及び図６に示すように、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を図５の左右方向（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を図５の紙面に対する垂直方向（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。
【００４６】
（Ｚ方向駆動）
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３３２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図５の上下方向（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。
【００４７】
（把持駆動）
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。図８に示すように、把持アクチュエータ７１に作動信号が与えられると、出力ピン、スリットを介してレバーが支点軸を中心として揺動する。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、固定エンドエフェクタ３４１ｂに対し、近接、又は、離間する動きをする。従って、把持指３４１は、細胞１０を上下方向や左右方向等の任意の向きで、かつ、θｚ変位による任意の方向から把持し、把持した細胞１０の開放を行うことができる。
【００４８】
＜細胞の脱離駆動＞
図８に示すように、コントローラ９からの指令で衝撃アクチュエータ（プランジャソレノイド）７５のコイル部７５２に電圧が印加されると起磁力が生じ、プランジャ部７５１がコイル部７５２内に引きつけられる。プランジャ部７４１の移動に伴い、アーム部７４１を介して、把持ベース７４を、軸７９を回転支点として、コイルバネ７６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７７に当接していたストッパ７４３が基台７７から離間する。把持ベース７４の回転は、プランジャ部７５１がコイル部７５２内のストッパに当接することにより停止する。コイル部７５２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７４３が基台７７に当接することにより、把持ベース７４の回転が停止する。プランジャ部７５１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エンドエフェクタ３４１の先端部に付着した細胞１０を慣性力の作用を利用して脱離させることができる。
【００４９】
（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の作用を中心に説明する。
【００５０】
従来細胞等の微小物体に対する操作性を向上させるためには、Ｘ、Ｙ、Ｚの３方向の移動機構（３方向の自由度）を有する２台のマイクロマニピュレータを、顕微鏡を挟んで両側に配置して細胞等に対する操作が行われる。この場合、細胞等を顕微鏡の視野内の操作しやすい位置に移動するには、２台のマイクロマニピュレータに加えてＸＹステージが使用される。このため、オペレータは、まず、ＸＹステージを操作することで細胞等を操作しやすい位置に移動させることが必要となる。細胞等を顕微鏡の視野内に移動した後、２台のマイクロマニピュレータを操作することで細胞等に対する操作を行う。従って、細胞等の操作性向上を図るために２台のマイクロマニピュレータを使用するにもかかわらず、ＸＹステージを使用することで、装置全体が複雑となる。また、２台のマイクロマニピュレータを個別に操作するうえに、ＸＹステージの操作も行うため、操作が煩雑となる。更に、マイクロマニピュレータが３方向の移動機構に加えて、細胞等に対する向きを変更する機構（θｚ移動機構）を有する場合には、操作が一層煩雑となる。また、細胞等の操作中に静電気力等の作用で細胞等が把持指等に付着することがある。付着した細胞等を脱離させるために把持指等を振動させているが、振動力より静電気力が大きいと脱離することができない。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。
【００５１】
本実施形態のマイクロマニピュレータ１では、ＸＹステージ４２と、第１操作ユニット３と、第２操作ユニット４とを備えており、これらが１つの基台２１上に配設されている。第１操作ユニット３は、Ｘ、Ｙ、Ｚの３方向に加えて、θｚ変位、θｋ変位によりハンドリング部３４を移動させ、第２操作ユニット４は、ＸＹステージ４２をＸ、Ｙの２方向に移動させ、ハンドリング部４４をＺ方向に移動させる。このため、第１操作ユニット３は、ハンドリング部３４を合計５自由度で細胞１０に位置付けることができ、第２操作ユニット４は、ハンドリング部４４を合計４自由度で細胞１０に位置付けることができる。従って、２台のマイクロマニピュレータを使用する場合と比較して、第２操作ユニット４でＸＹステージ４２を移動させることから、装置全体を簡素化することができる。また、１つのコントローラ９を操作することで、第１操作ユニット３、第２操作ユニット４に作動指令を与えることができるので、細胞１０の操作を容易に行うことができる。更に、マイクロマニピュレータ１では、第１操作ユニット３と第２操作ユニット４とで、ハンドリング部３４、４４に対する操作機能が異なる。このため、オペレータは、細胞１０に対して操作しやすい操作ユニットのハンドリング部を操作することで、細胞１０を適切に操作することができる。
【００５２】
また、マイクロマニピュレータ１では、第２操作ユニット４のハンドリング部４４は、Ｚ駆動部４３によりＺ方向のみに移動される。ハンドリング部４４の先端部が顕微鏡５の光軸上に位置付けられているので、ＸＹステージ４２で顕微鏡５の視野内に位置付けられた細胞１０の近傍にハンドリング部４４の先端部を容易に位置付けることができる。一方、第１操作ユニット３のハンドリング部３４は、ＸＹ駆動部３１、Ｚ駆動部３３によりＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の３方向に移動され、θｚアクチュエータ３１５により細胞１０に対する姿勢が変更される。このため、θｚ変位による任意の向きから細胞１０の近傍にハンドリング部３４の操作子の先端部を容易に位置付けることができる。従って、細胞１０が２本のエンドエフェクタ３４１ａ、３４１ｂをそれぞれ有するハンドリング部３４及びハンドリング部４４で操作されるため、細胞１０を合計４本のエンドエフェクタで操作することができる。
【００５３】
更に、ハンドリング部３４のＺ方向の駆動は重力に逆らう駆動のため、ステッピングモータ３３１ａにかかる駆動負荷が増大する。マイクロマニピュレータ１では、第１操作ユニット３のＺ駆動部３３が、ＸＹ駆動部３１を構成するパンタグラフ機構３１７の出力リンク３１７ｃに支持されている。このため、ＸＹ駆動部３１のステッピングモータ３１１ａ、３１２ａはＺ駆動部３３及びハンドリング部３４を同時に駆動することとなるが、この駆動は平面上での駆動のため、各ステッピングモータにかかる駆動負荷を増大させずにすむ。従って、第１操作ユニット３では、Ｘ、Ｙ、Ｚの３方向に駆動する各ステッピングモータにかかる駆動負荷の総和の増大を抑制することができ、エネルギー消費を抑制することができる。
【００５４】
また更に、マイクロマニピュレータ１では、θｋアクチュエータ３６、４６により、ハンドリング部３４、４４が軸支された軸３４８を中心として回動される。このため、各把持指３４１が細胞１０を上下方向や左右方向等の任意の向きで把持することができる。従って、θｚ変位、θｋ変位を制御することで、細胞１０に対する操作を容易かつ適切に行うことができる。
【００５５】
更にまた、各アクチュエータの電圧を調整しながら把持指３４１で細胞１０を把持した場合は、様々な表面間力、例えば、静電気力により細胞１０や操作した細胞１０の断片等が把持指３４１に付着して離れなくなる。把持指３４１に細胞１０等が付着していると、続いて細胞１０を操作するときに障害となるため、付着した細胞１０等を脱離させる操作が必要となる。本実施形態のマイクロマニピュレータ１では、ハンドリング部３４、４４がそれぞれ、細胞１０等を脱離させる衝撃アクチュエータ７５を有している。このため、把持指３４１に付着した細胞１０等を容易に脱離させることができる。
【００５６】
なお、本実施形態では、ハンドリング部３４、４４に把持機能を発揮する把持指３４１を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。細胞１０に対する操作機能、例えば、切断したり、すくい上げたりする機能に適した形状のエンドエフェクタを使用することができる。このことは、図９（Ａ）に示すように、ナイフ状のエンドエフェクタ３４２を有するハンドリング部や、図９（Ｂ）に示すように、スプーン状のエンドエフェクタ３４３を有するハンドリング部を用いることで、実現することができる。マイクロマニピュレータ１では、ハンドリング部３４、４４が軸３４８を介してＺ駆動部３１、４１にそれぞれ着脱可能に軸支されているため、ハンドリング部３４、４４を様々な機能を発揮する複数種のハンドリング部の中から選択して容易に交換することができる。この場合に、ハンドリング部の基部から先端部までの長さＬ（図７参照）が各ハンドリング部で同じに設定されているため、エンドエフェクタごとにハンドリング部の移動距離を調整する手間を回避することができる。
【００５７】
また、本実施形態では、第２操作ユニット４、第１操作ユニット３に、同じ把持機能の把持指３４１を有するハンドリング部３４、４４を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各操作ユニットで異なる機能のエンドエフェクタを有するハンドリング部を使用してもよい。例えば、第１操作ユニット４に把持機能の把持指３４１を有するハンドリング部、第２操作ユニット３に切断機能のエンドエフェクタ３４２（図９（Ａ）参照）を有するハンドリング部をそれぞれ使用することができる。このようにすれば、第１操作ユニット４の操作で細胞１０を把持し、ハンドリング部４４をＺ方向にのみ移動させる第２操作ユニット３の操作で細胞１０を正確に切断することができる。
【００５８】
更に、本実施形態では、第２操作ユニット４によりＸＹステージ４２をＸ、Ｙ方向に移動する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ＸＹステージ４２をＺ方向にも移動可能としてもよい。このようにすれば、ＸＹステージ４２の移動の自由度を高めることができ、ハンドリング部４４とＸＹステージ４２に載置された細胞１０との相対位置の操作を容易にすることができる。
【００５９】
また更に、本実施形態では、複数のリンク及び複数の回転対偶を組み合わせて構成されたパンタグラフ機構３１７、４１７を例示したが、リンクの組合せを変えた種々のパンタグラフ機構を採用することができる。また、ＸＹ駆動部３１、４１にパンタグラフ機構を採用することなく、Ｘ方向、Ｙ方向の直動機構を採用してもよい。
【００６０】
更にまた、本実施形態では、ハンドリング部３４、４４の操作対象を同一の細胞１０とする場合を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、操作対象となる細胞が異なっていてもよい。この場合には、第１、第２の操作ユニットでそれぞれの操作対象を操作する。また、ＸＹステージ４２に細胞１０を載置した状態でＸＹステージ４２を駆動する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、第１操作ユニット３を駆動することで細胞１０をＸＹステージ４２に載置するようにしてもよい。
【００６１】
また、本実施形態では、コントロールボックス８とマイクロマニピュレータ１とを接続ケーブル８で接続する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、コントロールボックス８に２つのマイコンを搭載し、それぞれを第１操作ユニット３及び第２操作ユニット４に接続するようにしてもよい。また、本実施形態では、顕微鏡５を挟んで両側に第１操作ユニット３、第２操作ユニット４をそれぞれ配置する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、２つの操作ユニットを並べて配置してもよく、それぞれのハンドリング部が直交する向きに配置してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は装置全体を複雑にすることなく微小物体を容易かつ適切に操作することが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】
【００６３】
【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】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斜視図である。
【図４】マイクロマニピュレータの平面図である。
【図５】マイクロマニピュレータの正面図である。
【図６】マイクロマニピュレータの右操作ユニットの斜視図である。
【図７】マイクロマニピュレータの右操作ユニット及び顕微鏡の正面図である。
【図８】ハンドリング部を一部切り欠いて示す正面図である。
【図９】細胞に対し異なる操作機能を有するハンドリング部の斜視図であり、（Ａ）はナイフ状のエンドエフェクタを有するハンドリング部、（Ｂ）はスプーン状のエンドエフェクタを有するハンドリング部である。
【符号の説明】
【００６４】
１  マイクロマニピュレータ
３  第１操作ユニット
４  第２操作ユニット
３１  ＸＹ駆動部（第１移動手段の１部）
３３  Ｚ駆動部（第２移動手段の１部）
３４  ハンドリング部（第１操作手段）
４１  ＸＹ駆動部（第３移動手段の１部）
４２  ＸＹステージ（移動ステージ）
４３  Ｚ駆動部（第４移動手段の１部）
４４  ハンドリング部（第２操作手段）
３１１  Ｘ方向アクチュエータ（第１移動手段の１部）
３１２  Ｙ方向アクチュエータ（第１移動手段の１部）
３３１  Ｚ方向アクチュエータ（第２移動手段の１部）
３４１  把持指（操作子）
４１１  Ｘ方向アクチュエータ（第３移動手段の１部）
４１２  Ｙ方向アクチュエータ（第３移動手段の１部）
４３１  Ｚ方向アクチュエータ（第４移動手段の１部）
【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】
2007127974.tif 000009
【図８】
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【図９】
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