マイクロマニピュレータ |
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申请号 | JP2007510277 | 申请日 | 2005-03-29 | 公开(公告)号 | JPWO2006103749A1 | 公开(公告)日 | 2008-09-04 |
申请人 | 平田機工株式会社; | 发明人 | 徹典 大田黒; 徹典 大田黒; | ||||
摘要 | 【課題】構造が簡単で、微細物体を多次元空間内で精密に 位置 ・姿勢制御することが可能な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10が、一対のハンドモジュール1、1から成る。各ハンドモジュール1は、第1〜第3のリンク2〜4から成る3 自由度 リンク機構を備えている。リンク2〜4は、ベース部の3点A〜Cをそれぞれの揺動起点として、ベース部上方の1点Xにおいて互いに相対変位可能に連結されている。第1のリンク2は、点Xよりも先方に伸びて把持・操作部7を有し、第2、第3のリンク3、4の各々は、その中途部にピエゾ圧電素子から成る伸縮アクチュエータ5b、5cを有し、これらの伸縮アクチュエータが伸縮することにより、第2、第3のリンク3、4がそれぞれ伸縮して、把持・操作部7が3次元空間内の所定の位置に変位動作するようにされている。【選択図】図2 | ||||||
权利要求 | 微細物体を把持・操作するマイクロマニピュレータが、一対のハンドモジュールから成り、 前記一対のハンドモジュールの各々は、第1、第2、第3の3本のリンクから成る3自由度リンク機構を備えており、 前記第1、第2、第3のリンクは、ベース部の3点A、B、Cをそれぞれの揺動起点として、ベース部上方の1点Xにおいて互いに相対変位可能に連結されており、 前記第1のリンクは、前記点Xよりも先方に伸びて把持・操作部を有し、 前記第2のリンク及び前記第3のリンクの各々は、その中途部に、少なくとも1個の伸縮アクチュエータを有し、 前記各伸縮アクチュエータが伸縮することにより、前記第2のリンク及び前記第3のリンクがそれぞれ伸縮し、これにより、前記第1のリンクの前記点Xに対応する部分が、前記起点Aを球の中心とし、該球の面の所定の範囲を移動して、前記把持・操作部が3次元空間内の所定の位置に変位動作するようにされていることを特徴とするマイクロマニピュレータ。 前記第1のリンクは、前記点Xに対応する部分と前記把持・操作部との間に、少なくとも1個の伸縮アクチュエータ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。 前記伸縮アクチュエータが、ピエゾ圧電素子から成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ピュレータ。 |
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说明书全文 | 本願の発明は、マイクロマニピュレータに関し、特に構造が簡単で、微細物体を3次元空間内で正確、確実に把持・操作することが可能なマイクロマニピュレータに関する。 数μmから数百μmまでのようなオーダーの大きさの微細物体(ワーク)を正確、確実に把持することは、容易ではない。 微細物体の寸法に合わせて、把持部を製作し、これを微細物体の位置、姿勢に合わせて精密にセッティングし、外部環境を整えながら、これを正確、確実に把持することが容易でないからである。 従来、このようなオーダーの大きさの微細物体を把持して、位置決め、加工、反応等の各種作業を行わせるために使用されるマイクロマニピュレータとしては、モータの回転力を歯車減速機構や送りねじ機構等を介して機械的な力に変換し、この機械的な力により、マニピュレータの把持・操作部を変位動作させて、微細物体を把持し、これが所定の位置、姿勢を保つように操作するやり方が一般的である。 この場合において、マニピュレータの把持・操作部の変位動作は、微細物体の現在位置、姿勢を位置センサ、角度センサ等により検出して、これをモータにフィードバックしながら、モータを回転制御することによって行われている。 しかしながら、このようなやり方では、電気力を機械的な力に変換する機構やフィードバック制御系に高い精度のものが求められ、その機構が非常に複雑になり、その調整制御に相当な熟練と時間とを必要とする。 このような、電気力を機械的な力に変換する複雑な機構を用いずに、電気力を機械的な力に直接変換することにより、微細物体の精密な位置・姿勢制御を応答性良く行うことを可能にするマイクロマニピュレータとして、圧電素子のような伸縮アクチュエータを用いたものが種々提案されている(特許文献1〜3)。 しかしながら、特許文献1及び2に記載のものは、1軸方向に自由度を持った位置決め装置に止まっており、また、特許文献3に記載のものは、多次元空間内で微細物体を位置・姿勢制御するものではあるが、6本のリンクと3本のスプリングとを用いて、先ず、基体上に手先片を取り付けて成るエンドエフェクタと呼ばれるものを位置・姿勢制御し、これにより、手先片を位置・姿勢制御して、手先片の先端に設けられた把持・操作部が微細物体を把持し、これが所定の位置、姿勢を保つように操作するようにしており、機構、構造がなお複雑である。 本願の発明は、従来のマイクロマニピュレータが有する前記のような問題点を解決して、構造が簡単で、微細物体を多次元空間内で精密に位置・姿勢制御することが可能なマイクロマニピュレータを提供することを課題とする。 本願の発明によれば、前記のような課題は、次のようなマイクロマニピュレータにより解決される。 そのマイクロマニピュレータは、前記のように構成されているので、一対のハンドモジュールの各々の第2及び第3のリンクがそれぞれ有する伸縮アクチュエータを伸縮させることにより、これら第2及び第3のリンクがそれぞれ伸縮して、第1のリンクの点Xに対応する部分が、起点Aを球の中心とし、該球の面の所定の範囲を移動して、把持・操作部が3次元空間内の所定の位置に変位動作するようにすることができ、これにより、一対のハンドモジュールの一対の把持・操作部が、3次元空間内の所定の位置にある微細物体を把持して、これが所定の位置、姿勢を保つように操作することができる。 したがって、比較的簡単な構造により、3次元空間内の所定の位置にある微細物体の同空間内における自在な把持・操作が可能になる。 好ましい実施形態によれば、そのマイクロマニピュレータにおいて、その第1のリンクが、点Xに対応する部分と把持・操作部との間に、少なくとも1個の伸縮アクチュエータを有するものとされている。 この構成により、そのマイクロマニピュレータは、その第1のリンクが有する伸縮アクチュエータを伸縮させることにより、該第1のリンクが伸縮して、その先端にある把持・操作部を該第1のリンクの長さ方向所望の位置に位置決めすることができ、3次元空間内の所定の位置にある微細物体の同空間内におけるさらに自在な把持・操作が可能になる。 別の好ましい実施形態によれば、そのマイクロマニピュレータにおいて、その伸縮アクチュエータが、ピエゾ圧電素子から成るものとされている。 この構成により、そのマイクロマニピュレータは、ピエゾ圧電素子に入力する電気量を第1ないし第3のリンクの伸縮量に直接関係付けることができ、ピエゾ圧電素子に入力す電気量を精密に制御することにより、第1ないし第3のリンクの伸縮量、牽いては、一対の把持・操作部の位置変位を精密に制御することができ、しかも、その制御は、比較的簡単であるので、一対の把持・操作部の各々の精密な位置設定が容易になり、微細物体の3次元空間内における自在で精密な把持・操作が可能になる。 前記のとおり、本願の発明のマイクロマニピュレータによれば、一対のハンドモジュールの各々の第1ないし第3のリンクがそれぞれ有する伸縮アクチュエータを伸縮させることにより、これら第1ないし第3のリンクがそれぞれ伸縮して、一対のハンドモジュールの一対の把持・操作部が、3次元空間内の所定の位置にある微細物体を把持して、これが所定の位置、姿勢を保つように操作することができ、比較的簡単な構造により、3次元空間内の所定の位置にある微細物体の同空間内における自在な把持・操作が可能になる。 また、その伸縮アクチュエータがピエゾ圧電素子から成るものとされる場合には、そのマイクロマニピュレータは、ピエゾ圧電素子に入力する電気量を第1ないし第3のリンクの伸縮量に直接関係付けることができ、ピエゾ圧電素子に入力する電気量を精密に制御することにより、第1ないし第3のリンクの伸縮量、牽いては、一対の把持・操作部の位置変位を精密に制御することができ、しかも、その制御は、比較的簡単であるので、一対の把持・操作部の各々の精密な位置設定が容易になり、微細物体の3次元空間内における自在で精密な把持・操作が可能になる。 1…ハンドモジュール、2…第1のリンク、3…第2のリンク、4…第3のリンク、5a、5b、5c…伸縮アクチュエータ、6…ベース部、7…把持・操作部、8b、8c…連結具、9b、9c…係止突部、10…マイクロマニピュレータ、A、B、C…揺動起点、O…微細物体、S…拡大球面、X…(連結)点。 微細物体を把持・操作するマイクロマニピュレータが、一対のハンドモジュールから成り、該一対のハンドモジュールの各々は、第1、第2、第3の3本のリンクから成る3自由度リンク機構を備えている。 これら第1、第2、第3のリンクは、ベース部の3点A、B、Cをそれぞれの揺動起点として、ベース部上方の1点Xにおいて互いに相対変位可能に連結されている。 第1のリンクは、点Xよりも先方に伸びて把持・操作部を有し、該点Xに対応する部分と該把持・操作部との間に、少なくとも1個の伸縮アクチュエータを有している。 第2のリンク及び第3のリンクの各々は、その中途部に、少なくとも1個の伸縮アクチュエータを有している。 そして、各伸縮アクチュエータが伸縮することにより、第1ないし第3のリンクがそれぞれ伸縮して、これにより、把持・操作部が第1のリンクの長さ方向所望の位置に位置決めされるとともに、第1のリンクの点Xに対応する部分が、起点Aを球の中心とし、該球の面の所定の範囲を移動して、把持・操作部が3次元空間内の所定の位置に変位動作するようにされている。 伸縮アクチュエータは、ピエゾ圧電素子から成るものとされている。 次に、本願の発明の一実施例(実施例1)について説明する。 本実施例1のマイクロマニピュレータ10は、微細物体、例えば、細胞を把持して位置決めし、さらに、これが所定の姿勢を取るように操作するために使用される。 このようにして、位置及び姿勢が定められた細胞に対しては、これに遺伝子を組み込んだり、試薬と反応させたり、切断したりする種々の作業が実行される。 本実施例1のマイクロマニピュレータ10は、図1に図示されるようなハンドモジュール1が、図2に示されるように、一対向かい合わせで組み合わせて用いられることにより、構成されている。 各ハンドモジュール1は、図1に図示されるように、第1、第2、第3の3本のリンク2、3、4から成る3自由度リンク機構を備えており、これら第1、第2、第3のリンク2、3、4は、ベース部6の面上に設定された3点A、B、Cをそれぞれの揺動起点として、ベース部6上方の1点Xにおいて互いに相対変位可能に連結されている。 ∠BACは、ここでは、90°とされている。 第1、第2、第3のリンク2、3、4の一端の3点A、B、Cにおけるベース部6への連結は、ピボット結合とされて良く、あるいは又、第2、第3のリンク3、4については、図1に図示されるように、ベース部6上で回転自在な連結具8b、8cに傾動自在に係止されるのであっても良い。 さらに、第1のリンク2については、図1に図示されるように、その端部をベース部6に固着し、その端部近傍の括れ部(ヒンジ)の弾性変形を利用して、第1のリンク2が傾動自在とされるのであっても良い。 なお、第2、第3のリンク3、4についても、第1のリンク2と同様に、それらの端部をベース部6に固着し、それらの端部近傍の括れ部(ヒンジ)の弾性変形を利用して、それらのリンク3、4が傾動自在とされるのであっても良い。 第1、第2、第3のリンク2、3、4の点Xにおける相対変位可能な相互連結は、第1のリンク2の点Xに対応する部分に形成された2個の係止突部9b、9cに第2、第3のリンク3、4の他端がピボット結合により連結されるか、自在継手により連結されるか、あるいは又、括れ部(ヒンジ)により連結されることによって行われるようにされることができる。 第1のリンク2は、点Xよりも先方に伸びて、その先端に把持・操作部7を有している。 また、第1のリンク2の点Xに対応する部分と把持・操作部7との間に伸縮アクチュエータ5aを有し、この伸縮アクチュエータ5aが伸縮することにより、第1のリンク2が伸縮して、把持・操作部7が第1のリンク2の長さ方向所望の位置に位置決めされるようになっている。 伸縮アクチュエータ5aの個数は、1個に限られず、必要に応じて複数個とされても良い。 また、第2のリンク3及び第3のリンク4の各々は、その中途部に、伸縮アクチュエータ5b、5cを有しており、これらの各伸縮アクチュエータ5b、5cが伸縮することにより、第2のリンク3及び第3のリンク4がそれぞれ伸縮して、これにより、第1のリンク2の点Xに対応する部分が、起点Aを球の中心として、該球の面の所定の範囲を移動し、これに伴い、把持・操作部7が、同心の拡大球の面Sの所定の範囲を移動して、3次元空間内の所定の位置に変位動作するようになっている。 伸縮アクチュエータ5b、5cの個数も、1個に限られず、必要に応じて複数個とされても良い。 伸縮アクチュエータ5a、5b、5cは、ピエゾ圧電素子から成るものとされており、実際には、ピエゾ圧電素子と電極とが交互に複数段に積層されて成るスタックアクチュエータから構成されている。 そして、これが、その積層方向を各リンクの長さ方向に沿わせ、各リンクの長さ方向所定の位置に組み込まれて用いられている。 本実施例1のマイクロマニピュレータ10は、以上に説明したハンドモジュール1の一対がベース部6上で向かい合わせで組み合わせて用いられることにより、構成されている。 組合せ方としては、図1に図示されるように、これら一対のハンドモジュール1、1のうちの一方のハンドモジュール1の揺動起点A、Cを結ぶ線分A−Cと他方のハンドモジュール1の揺動起点A、Bを結ぶ線分A−Bとがベース部6面上で相対向するような態様で組み合わせられても良いし、図2に図示されるように、一方のハンドモジュール1の揺動起点Aと他方のハンドモジュール1の揺動起点Aとを各頂点として、これらがベース部6面上で相対向するような態様で組み合わせられても良い。 次に、本実施例1のマイクロマニピュレータ10の作用を説明する。 次いで、第2のリンク3、3に組み込まれた伸縮アクチュエータ5b、5b、第3のリンク4、4に組み込まれた伸縮アクチュエータ5c、5cにそれぞれ所定の制御電流が流されて、第2のリンク3、3、第3のリンク4、4がそれぞれ所定長に伸縮し、これにより、第1のリンク2、2の点X、Xに対応する部分が、起点A、Aを球の中心として、該球の面の所定の範囲を移動し、第1のリンク2、2がそれぞれ所定方向を向くように揺動変位する。 これに伴い、把持・操作部7、7が、同心の拡大球の面S、Sの所定の範囲を移動して、3次元空間内の所定の位置に変位動作し、これらが互いに接近して、微細物体Oを把持する。 このようにして一対の把持・操作部7、7に把持された微細物体Oは、さらに、6個の伸縮アクチュエータ5a、5a、5b、5b、5c、5cに個別にそれぞれ所定の制御電流が流されることにより、並進したり、回転したりして、3次元空間内の所望の位置に位置し、その位置において所望の姿勢を取るように制御されることができる。 各伸縮アクチュエータに流される電流の制御は、比較的簡単に行うことができる。 本実施例1のマイクロマニピュレータ10は、前記のように構成されているので、次のような効果を奏することができる。 また、その伸縮アクチュエータ5a、5b、5cが、ピエゾ圧電素子から成るものとされているので、ピエゾ圧電素子に入力する電気量を第1ないし第3のリンク2、3、4の伸縮量に直接関係付けることができ、ピエゾ圧電素子に入力する電気量を精密に制御することにより、第1ないし第3のリンク2、3、4の伸縮量、牽いては、一対の把持・操作部7、7の位置変位を精密に制御することができ、しかも、その制御は、比較的簡単であるので、一対の把持・操作部7、7の各々の精密な位置設定が容易になり、微細物体Oの3次元空間内における自在で精密な把持・操作が可能になる。 また、∠BACが90°とされているので、マイクロマニピュレータ10の構造がさらに簡単化されるとともに、一対の把持・操作部7、7の位置変位を精密に制御するための演算が容易になる。 なお、本願の発明は、以上の実施例に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲において、種々の変形が可能である。 |