JP5024657B2

JP5024657B2 - マニピュレータ

Info

Publication number: JP5024657B2
Application number: JP2007072956A
Authority: JP
Inventors: 伸明田中
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2007-03-20
Filing date: 2007-03-20
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2027-03-20
Also published as: JP2008229776A

Description

本発明は、マニピュレータに係り、特に、駆動対象を動作させて、試料に所定の操作を施すためのマニピュレータに関するものである。

バイオテクノロジーの分野において、顕微鏡の観察（（顕微鏡カメラでの撮像画像処理）下で細胞に針を挿入して、細胞に核などを注入するマイクロマニピュレータとして、例えば、Ｘ−Ｙ−Ｚ軸の三次元空間を移動する駆動アクチュエータ（ナノポジショナの駆動源）に圧電素子を用いたものが提案されている（非特許文献1参照）。なお、マイクロマニピュレータを、圧電素子の駆動に対して遥かに移動量が多いが移動分解能が低いモータ駆動のＸ−Ｙ−Ｚ軸テーブルに搭載された全体を指すものとして扱う場合がある。

言い換えれば、モータ駆動によって粗調整した後、圧電素子駆動によって微調整する２段構成のマニピュレータということができる。
前記細胞に挿入する針、すなわちキャピラリは、前記ナノポジショナに取り付けられたピペットに着脱可能に取り付けられるものである。

キャピラリを移動させるための操作は、コントローラに取り付けられ、ジョイスティックを用いて実現する（一例として、非特許文献２参照）。
「光学顕微鏡、バイオ研究用マイクロマニピュレータ」、株式会社三友製作所、２００４年１０月発行「単一細胞操作支援ロボット」、中央精機株式会社、２００３年１１月発行

しかしながら、ピペットのキャピラリを用いて、試料に所定の操作を施す場合、試料が試料台に貼りついているとその操作がうまくできない。特に、試料を採取しようとする場合、採取できない場合がある。或いは、採取には熟練の技術が必要となる場合がある。

このため、試料台を取り外して別の場所で試料を剥がす、あるいは、別の治具を用いて剥がす、といった作業となり作業効率が低下する。

本発明は上記事実を考慮し、熟練者に頼ることなく、試料台への試料の貼り付きを解消することができ、作業効率を向上することができるマニピュレータを得ることを目的とするものである。

前記目的を達成するために、本発明に係るマニピュレータは、駆動対象に連結され、圧電素子を駆動源として、前記駆動対象をＸ軸−Ｙ軸−Ｚ軸の三次元空間へ移動させるナノポジショナと、前記駆動対象の動作情報を入力する入力手段と、前記入力手段による入力情報に基づいて、圧電素子に移動駆動電圧を供給して前記駆動対象を指示された移動方向へ移動させる指示操作モード、及び圧電素子に振動駆動電圧を供給して前記駆動対象を振動動作させる振動モードの何れかで制御する制御手段と、を有している。

本発明によれば、制御手段では、入力手段から入力情報に基づいて、指示操作モード、或いは振動モードでナノポジショナ、すなわち圧電素子を動作させることができ、１つの駆動系を２種の異なる用途の動作で使い分けることができる。

上記発明において、前記駆動対象が、試料台上に載せられた試料に所定の操作を施すキャピラリが先端部に取り付けられたピペットであり、前記振動モードでは、前記キャピラリが振動動作して試料を飼料台から剥ぎ取ることを特徴としている。

振動モードでは、前記キャピラリが振動動作して試料を飼料台から剥ぎ取ることができ、熟練者による操作が不要となる。

本発明によれば、熟練者に頼ることなく、試料台に貼り付いた試料を容易に採取することができ、作業効率を向上することができるマニピュレータを提供することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態を示すマニピュレータの構成図である。

図１において、マニピュレータシステム１０は、顕微鏡観察下で試料に人工操作を実施するためのシステムとして、顕微鏡ユニット１２と、マニピュレータ１４と、マニピュレータ１６とを備えており、顕微鏡ユニット１２の両側にマニピュレータ１２、１４が分かれて配置されている。

顕微鏡ユニット１２は、撮像素子としてのカメラ１８、顕微鏡２０、試料台としてベース２２を備えている。このベース２２の直上に顕微鏡２０が配置される構造となっている。なお、顕微鏡２０とカメラ１８とは一体構造となっており、図示は省略したが、ベースに向けて光を照射する光源を備えている。

前記ベース２２上には試料（図示省略）が載せられるようになっている。

この状態で、ベース２２上の試料に顕微鏡２０から光が照射され、ベース２２上の細胞で反射した光が顕微鏡２０に入射すると、細胞に関する光学像は、顕微鏡２０で拡大された後カメラ１８で撮像されるようになっており、カメラ１８の撮像による画像を基に試料を観察することができる。

図１に示される如く、マニピュレータ１４は、Ｘ軸−Ｙ軸−Ｚ軸の３軸構成のマニピュレータとして、ピペット２４、Ｘ−Ｙ軸テーブル２６、Ｚ軸テーブル２８、Ｘ−Ｙ軸テーブル２６を駆動する駆動装置３０、Ｚ軸テーブル２８を駆動する駆動装置３２を備えて構成されている。ピペット２４の先端には毛細管チップであるキャピラリ２４Ａが取り付けられている。

ピペット２４は、Ｚ軸テーブル２８に連結され、Ｚ軸テーブル２８はＸ−Ｙ軸テーブル２６上に上下動自在に配置され、駆動装置３０、３２はコントローラ４３に接続されている。

Ｘ−Ｙ軸テーブル２６は、駆動装置３０の駆動により、Ｘ軸またはＹ軸に沿って移動するように構成され、Ｚ軸テーブル２８は、駆動装置３２の駆動により、Ｚ軸に沿って（鉛直軸方向に沿って）移動するように構成されている。Ｚ軸テーブル２８に連結されたピペット２４は、Ｘ−Ｙ軸テーブル２６とＺ軸テーブル２８の移動に従って三次元空間を移動領域として移動し、ベース２２上の細胞等を保持するように構成されている。

マニピュレータ１６は、直交３軸構成のマニピュレータとして、ピペット３４、Ｘ−Ｙ軸テーブル３６、Ｚ軸テーブル３８、Ｘ−Ｙ軸テーブル３６を駆動する駆動装置４０、Ｚ軸テーブル３８を駆動する駆動装置４２を備え、ピペット３４は、Ｚ軸テーブル３８に連結され、Ｚ軸テーブル３８はＸ−Ｙ軸テーブル３６上に上下動自在に配置され、駆動装置４０、４２はコントローラ４３に接続されている。ピペット３４の先端にはキャピラリ３４Ａが取り付けられている。

Ｘ−Ｙ軸テーブル３６は、駆動装置４０の駆動により、Ｘ軸またはＹ軸に沿って移動するように構成され、Ｚ軸テーブル３８は、駆動装置４２の駆動により、Ｚ軸に沿って（鉛直軸方向に沿って）移動するように構成されている。Ｚ軸テーブル３８に連結されたピペット３４は、Ｘ−Ｙ軸テーブル３６とＺ軸テーブル３８の移動に従って三次元空間を移動領域として移動し、ベース２２上の試料に人口操作を行うように構成されている。このように、マニピュレータ１４、１６は、ほぼ同一構成である。

従って、以下は、ピペット３４が連結されたマニピュレータ１６を例に挙げて説明する。

Ｘ−Ｙ軸テーブル３６は、駆動装置４０の駆動（モータ）により、Ｘ軸またはＹ軸に沿って移動するように構成され、Ｚ軸テーブル３８は、駆動装置４２の駆動（モータ）により、Ｚ軸に沿って（鉛直軸方向に沿って）移動するように構成されているとともに、ベース２２上の細胞等を、針を挿入するための挿入対象とするピペット３４を連結している。

すなわち、Ｘ−Ｙ軸テーブル３６とＺ軸テーブル３８は、駆動装置４０、４２の駆動により、ベース２２上の試料等を含む三次元空間を移動領域として移動し、ピペット３４を、例えば、ピペット３４の先端側からベース２２上の試料に対して、操作するための挿入位置まで粗動駆動する粗動機構（三次元軸移動テーブル）として構成されている。

また、Ｚ軸テーブル３８は、ナノポジショナとしての機能を備えている。

ナノポジショナは、ピペット３４をＸ軸−Ｙ軸−Ｚ軸方向へ自在に移動可能に支持するととともに、さらに、ペット３４をその長手方向（軸線方向）に沿って微動駆動するように構成されている。

具体的には、Ｚ軸テーブル３８には、ナノポジショナとして、図２に示す微動機構４４、並びに図３に示す微動機構４６が選択的に内蔵されている。

ここで、本実施の形態では、微動機構４４は、ピペット３４を軸線方向に微動させるための駆動源として適用される。

一方、本実施の形態では、微動機構４６は、ピペット３４をＸ軸−Ｙ軸−Ｚ軸のそれぞれの方向に微動させるための駆動源として適用される。

なお、微動機構４４及び微動機構４６とは、後述するねじ軸５０及びねじ軸７６を軸線方向に移動させるために、圧電素子５４又は圧電素子８０に所定の電圧を印加することは同一であるが、構造が若干異なるため、以下にそれぞれの構造を説明する。

（微動機構４４の詳細構造）
図２に示される如く、微動機構４４は、圧電アクチュエータの本体を構成するハウジング４８を備えており、略円筒状に形成されたハウジング４８内には、ねじ軸５０が挿通されているとともに、円筒状の圧電素子５４、円筒状の間座５６がねじ軸５０の外周側に収納されており、軸受５８、６０が内輪間座６２を間にしてねじ軸５０にロックナット６６により固定されて収納されている。

軸受５８、６０は、それぞれ内輪５８ａ、６０ａと、外輪５８ｂ、６０ｂと、内輪５８ａ、６０ａと外輪５８ｂ、６０ｂ間に挿入されたボール５８ｃ、６０ｃを備え、各内輪５８ａ、６０ａがねじ軸５０の外周面に内輪間座６２を介して嵌合され、各外輪５８ｂ、６０ｂがハウジング４８の内周面に嵌合され、ねじ軸５０を回転可能に支持するようになっている。軸受５８は、ハウジング４８の内周面に嵌合された間座５６との当接により、圧電素子を介して蓋６４を締め付けることによって予圧が付与される。ハウジング４８の一端側には圧電素子に電圧を印加するための信号線を通すための孔４８ａ、４８ｂが形成されている。

予圧調整は間座５６の長さを調整することによって押圧力を調整させ、軸受５８、６０へ適切な予圧力を与える。これにより、軸受５８、６０に所定の予圧が付与され、軸受５８、６０の外輪間に軸方向間距離としての間隙６３が形成される。

圧電素子５４は、孔４８ａ、４８ｂ内にそれぞれ挿入されたリード線７０、７２を介してコントローラ４３に接続されており、コントローラ４３からの電圧に応じてピペット３４の操作方向に沿って伸縮する圧電アクチュエータの一要素として構成されている。例えば、圧電素子５４は、コントローラ４３から駆動用電圧として、例えば、矩形波状の電圧が印加されたときには（図４（Ａ）参照）、この印加電圧に応答して、ピペット３４の先端側からベース２２上の試料に対して操作することが可能となり、あるいは、コントローラ４３から微動用電圧が印加されたときには、この印加電圧に応答して、ねじ軸５０をその長手方向（軸方向）に沿って微動させて、ピペット３４の位置を微調整するようになっている。

（微動機構４６の詳細構造）
図３に示される如く、本実施の形態の微動機構４６は、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用のそれぞれに対応して３個設けられている。なお、本発明を実現するためには、Ｚ軸用の微動機構４６があればよい。

圧電アクチュエータの本体を構成するハウジング７４を備えており、略円筒状に形成されたハウジング７４内には、ねじ軸７６の軸方向一端側と、圧電素子８０、間座８２、軸受８４、８６が収納されている。圧電素子８０は、ねじ軸７６の延長線上に、間座８２を介してねじ軸７６と直列になって配置されており、間座８２は、ねじ軸７６の軸方向端部に噛合されたロックナット８８を囲むように配置されている。軸受８４と軸受８６は内輪間座９０を間にしてねじ軸７６の外周側に配置されている。

軸受８４、８６は、それぞれ内輪８４ａ、８６ａと、外輪８４ｂ、８６ｂと、内輪８４ａ、８６ａと外輪８４ｂ、８６ｂ間に挿入されたボール８４ｃ、８６ｃを備え、各内輪８４ａ、８６ａがねじ軸７６の外周面に嵌合され、各外輪８４ｂ、８６ｂがハウジング７４の内周面に嵌合され、ねじ軸７６を回転可能に支持するようになっている。

ハウジング７４の一端側には、圧電素子８０に対して、ねじ軸７６の軸方向への移動を規制する蓋９４が固定されている。蓋９４には凹部９４ａが形成されているとともに、孔９４ｂ、９４ｅが形成されており、蓋９４の凹部９４ａと間座８２の凹部８２ａとの間に圧電素子８０が挿入されている。

予圧調整は間座８２の長さを調整することによって押圧力を調整させ、軸受８４、８６へ適正な予圧力を与える。これにより、軸受８４、８６に所定の予圧が付与され、軸受８４、８６の外輪間に軸方向間距離としての間隙９３が形成される。

圧電素子８０は、蓋９４の孔９４ｂ、９４ｅ内にそれぞれ挿入されたリード線９６、１０２を介してコントローラ４３に接続されており、コントローラ４３からの電圧に応じてピペット３４を変位させる圧電アクチュエータとして構成されている。圧電素子８０は、コントローラ４３から駆動用電圧に応答して、ねじ軸７６を微動させ、ピペット３４を所定の方向（Ｘ軸方向又はＹ軸方向又はＺ軸方向）の移動させるようになっている。

上記構成において、用マニピュレータ１６を駆動するに際しては、コントローラ４３は、Ｘ−Ｙ軸テーブル３６とＺ軸テーブル３８を粗動駆動して、ピペット３４をベース２２上の試料に近づけて位置決めした後、微動機構４４または微動機構４６を用いてピペット３４を微動駆動することとしている。

上記微動機構４６におけるＸ軸−Ｙ軸−Ｚ軸方向の移動（微調整）はコントローラ４３における指示操作モードで実行される。このため、コントローラ４３には、入力手段としてジョイスティック４３Ａが設けられており、このジョイスティック４３Ａの操作に基づいて、圧電素子に所定の電圧（例えば、矩形波或いは台形波）が印加され（図４（Ａ）参照）、これに応じてピペット２４、３４が移動する（指示操作モード）。

一方、ベース２２に試料を載せた後、キャピラリ２４Ａ、３４Ａによって当該試料を採取する場合、試料がベース２２に貼り付いていると採取がうまくできない場合がある。

そこで、本実施の形態では、ジョイスティック４３Ａに振動指示ボタン４３Ｂを設け、この振動指示ボタン４３Ｂが操作された場合には、コントローラ４３では、指示操作モードに代わり振動モードが実行されるようになっている。

振動モードは、、Ｘ軸−Ｙ軸−Ｚ軸の何れかの軸（複数可）に対応する圧電素子に振動波形（例えば、通常よりも高周波の周波数を持った波形、正弦波、矩形波、三角波等）の電圧を印加するようになっている。

この結果、キャピラリ２４Ａ、３４Ａが振動することになり、この振動が試料に伝わることで、試料はベース２２から剥がれ易くなる。

以下に本実施の形態の作用を説明する。

まず、本実施の形態のマニピュレータシステム１０を使用する場合、マニピュレータ１４と、用マニピュレータ１６のそれぞれのＺ軸テーブル２８、３８に各々ピペット２４、ピペット３４を装着する。

最初に、ピペット３４に対してキャピラリ３４Ａをピペット３４のキャピラリ保持部３４Ｃへ挿入する。この挿入量は、そのときの試料に対する処置（作業）によって異なるが、ほぼ基準となる位置まで挿入する。

次に、キャピラリ３４Ａが装着されたピペット３４をＺ軸テーブル３８へ挿入する。この挿入量は、そのときの試料に対する処置（作業）によって異なるが、ほぼ基準となる位置まで挿入する。

上記準備が完了すると、コントローラ４３に取り付けられたジョイスティック４３Ａによって、ピペット２４、３４を動作させ、試料に対して所定操作を実行する。

本実施の形態のマニピュレータシステム１０では、ミリメートルオーダの駆動（モータ駆動）からモータの分解能以下の微小駆動（圧電素子）までの動作が可能となり、かつ操作が容易なマニピュレータシステムを構成することが可能になる。

ところで、試料に対する所定の操作として、試料を採取する作業がある。このとき試料がベース２２に貼り付いている場合がある。

試料がベース２２に貼り付けていると、採取がうまくいかず、熟練者の技術を必要としなければならなかった。

これに対して本実施の形態では、ジョイスティック４３Ａに振動モードを動作させる振動指示ボタン４３Ｂを設けた。

この振動指示ボタン４３Ｂを操作すると、コントローラ４３では、通常の指示操作モードから振動モードに切り替わり、圧電素子への高周波の波形の電圧印加（図４（Ｂ）参照）でピペット３４（キャピラリ３４Ａ）を振動させる。

この振動が試料に伝わり、試料はベース２２から剥がれ易くなる（図５（Ａ）及び（Ｂ）参照）。

図５（Ａ）はベース２２を平面視した状態であり、図５（Ｂ）はベース２２の正面視した状態を示しており、圧電素子を駆動してピペット２４、３４をＸ軸−Ｙ軸−Ｚ軸方向へ移動させると、先端のキャピラリ３４Ａ、３４Ａは慣性の法則（振動に対する動きの鈍さ）も伴って揺動し、試料をベース２２から剥ぎ取ることができる。

以上説明したように本実施の形態では、ピペット２４、３４の微調整のナノポジショナの駆動源に用いる圧電素子に、振動モード指示時に高周波の波形の電圧を印加（図４（Ｂ）参照）するようにしたため、その振動によって、試料のベース２２への貼り付きを解除することができ、試料の採取を簡便とすることができる。

なお、本実施の形態ではマニピュレータシステム１０として、マニピュレータ１４では、モータ駆動による駆動装置３０、３２を用いたＸ−Ｙ軸テーブル２６、Ｚ軸テーブル２８と、前記Ｚ軸テーブル２８にさらにナノポジショナとしての微動機構４４、４６を搭載し、マニピュレータ１６では、モータ駆動による駆動装置４０、４２を用いたＸ−Ｙ軸テーブル３６、Ｚ軸テーブル３８と、前記Ｚ軸テーブル３８にさらにナノポジショナとしての微動機構４４、４６を搭載したが、それぞれＸ−Ｙテーブル２８、３８、並びにＺ軸テーブル２８、３８の駆動源である駆動装置３０、３２、４０、４２として、微動機構４４、４６を用いてもよい。この場合、マニピュレータシステム１０の調整は１段階（微調整のみ）となる。

さらに、微動機構４４をピペット２４、３４の軸線移動の微調整用とし、微動機構４６をピペット２４、３４のＸ軸−Ｙ軸−Ｚ軸方向の微調整用としたが、組み合わせに限定はなく、微動機構４４をＸ軸−Ｙ軸−Ｚ軸方向の微調整に用いてもよいし、微動機構４６をピペット２４、３４の軸線移動の微調整に用いてもよい。また、何れか一方のみを適用してもよい。

本発明の一実施形態を示すマニピュレータシステムの構成図である。微動機構（ピペット軸移動用）の詳細を示す断面図である。微動機構（ピペットＸ−Ｙ−Ｚ方向移動用）の詳細を示す断面図である。（Ａ）は指示操作モード時の圧電素子に印加する波形の一例、（Ｂ）は振動モード時の圧電素子に印加する波形の一例である。（Ａ）はベース２２の平面図、（Ｂ）はベース２２の正面図である。

符号の説明

１０マニピュレータシステム
１４マニピュレータ
１６マニピュレータ
２２ベース
３４ピペット
３４Ａキャピラリ
３６Ｘ−Ｙ軸テーブル
３８Ｚ軸テーブル
４０駆動装置
４２駆動装置
４３コントローラ（制御手段）
４３Ａジョイスティック（入力手段）
４３Ｂ振動指示ボタン（入力手段）
４４微動機構（ナノポジショナ）
４６微動機構（ナノポジショナ）
８０圧電素子

Claims

駆動対象に連結され、圧電素子を駆動源として、前記駆動対象をＸ軸−Ｙ軸−Ｚ軸の三次元空間へ移動させるナノポジショナと、
前記駆動対象の動作情報を入力する入力手段と、
前記入力手段による入力情報に基づいて、圧電素子に移動駆動電圧を供給して前記駆動対象を指示された移動方向へ移動させる指示操作モード、及び圧電素子に振動駆動電圧を供給して前記駆動対象を振動動作させる振動モードの何れかで制御する制御手段と、
を有し、
前記ナノポジショナは、
前記駆動対象に連結されたねじ軸と、
前記ねじ軸を、その中心軸に対して回転自在に支持する第一軸受と、
前記ねじ軸の軸方向に沿って、前記第一軸受に隣接して配置される間座と、
前記ねじ軸の軸方向に沿って、前記間座が配置された側とは反対側において前記第一軸受と隣接して配置された内輪間座と、
前記ねじ軸の軸方向に沿って、前記第一軸受が配置された側とは反対側において前記内輪間座と隣接して配置され、前記ねじ軸をその中心軸に対して回転自在に支持する第二軸受と、を備え、
前記圧電素子は、前記間座を介して前記第一軸受及び第二軸受を押すことにより、前記ねじ軸をその軸方向に移動させ、前記駆動対象を移動させるものであることを特徴とするマニピュレータ。
前記駆動対象が、試料台上に載せられた試料に所定の操作を施すキャピラリが先端部に取り付けられたピペットであり、前記振動モードでは、前記キャピラリが振動動作して試料を飼料台から剥ぎ取ることを特徴とする請求項１記載のマニピュレータ。