JP2006058368A

JP2006058368A - 三次元位置決め装置

Info

Publication number: JP2006058368A
Application number: JP2004237316A
Authority: JP
Inventors: Masanobu Takahashi; 正信高橋; Yukio Motojima; 由紀夫本島
Original assignee: LUMINAS CORP; SIGMA CYBERTECH KK
Current assignee: LUMINAS CORP; SIGMA CYBERTECH KK
Priority date: 2004-08-17
Filing date: 2004-08-17
Publication date: 2006-03-02

Abstract

【課題】プローブ、ピンセットあるいはシリンジなどの各種のマニプレータを簡単な操作で且つ高い自由度で位置決めすることのできる簡単な構成の三次元位置決め装置を提供すること。
【解決手段】基台、この基台に第一の軸により支持され、第一の軸と共にあるいは第一の軸を中心にして独立に回転する第一の回転支持部、第一の回転支持部に、第一の軸に垂直な第二の軸により支持され、第二の軸と共にあるいは第二の軸を中心にして独立に回転する第二の回転支持部、そして第二の回転支持部に、第二の軸に垂直な第三の軸により支持され、第三の軸と共にあるいは第三の軸を中心にして独立に回転する、マニプレータ支持用の第三の回転支持部を含むマニプレータ三次元位置決め装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、微小な対象物を操作するために用いるプローブ、ピンセットあるいはシリンジなどのマニプレータの三次元位置決め装置に関する。

バイオテクノロジの分野において、プローブ、ピンセットあるいはシリンジなどのマニプレータにより顕微鏡視野下で細胞などの微小な対象物を操作（例、細胞の選別あるいは細胞内への薬剤の投入など）するために、マニプレータの三次元位置決め装置が用いられている。三次元位置決め装置にマニプレータを取り付けた三次元マニピュレーション装置は、バイオテクノロジの分野に限らず、微小な電子部品や機械部品などの対象物を操作する際にも用いられている。

三次元位置決め装置は、マニプレータを、対象物が搭載されるステージ表面の互いに直交するＸ軸方向及びＹ軸方向、そしてこれらの軸により形成される平面に直交するＺ軸方向のそれぞれに直線的に移動させ位置決めする。また、三次元位置決め装置としては、マニプレータの移動の自由度を高めるために、これをＺ軸を中心として回転できるように構成したものも知られている。

特許文献１には、Ｘ軸及びＹ軸方向への任意の移動が可能で、そして顕体加工試料（対象物）の表面上の所定の軸を中心とする傾斜回転駆動が可能な可動ベース、この可動ベース上に支持体を介して固定された、顕微鏡の光軸（Ｚ軸）を中心として回転駆動が可能なマニピュレータベース、そしてこのマニピュレータベース上に設置された、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向への任意の移動が可能であるマニピュレータ駆動ユニットを備えたマイクロマニピュレーション装置（三次元位置決め装置）が開示されている。また、このマイクロマニピュレーション装置の可動ベース上には、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向への任意の移動が可能でかつ回転駆動が可能なステージが設置され、顕体加工試料はこのステージ上に搭載される。そして、このような構成のマイクロマニピュレーション装置を用いることにより、顕体加工試料を顕微鏡視野下において変位、回転、転動させることができ、さらに加工用のツール（マニプレータ）であるプローブの微細かつ確実な動きが実現できるとされている。
特開２０００−２２１４０９号公報

従来の三次元位置決め装置は、特許文献１に記載のマイクロマニピュレーション装置のように、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向のそれぞれに沿う直線運動を基本運動として、これにＺ軸あるいはその他の方向を軸とする回転運動を付加することにより、マニプレータの高い自由度での位置決めを実現している。しかしながら、このような三次元位置決め装置は、直線運動させる機構と回転運動させる機構とを必要とするために装置構成が複雑となり易く、またマニプレータを三方向に直線運動、さらには回転運動させるために複雑な操作が必要とされる。

本発明の目的は、プローブ、ピンセットあるいはシリンジなどの各種のマニプレータを簡単な操作で且つ高い自由度で位置決めすることのできる簡単な構成の三次元位置決め装置を提供することにある。

本発明は、基台、この基台に第一の軸により支持され、第一の軸と共にあるいは第一の軸を中心にして独立に回転する第一の回転支持部、第一の回転支持部に、第一の軸に垂直な第二の軸により支持され、第二の軸と共にあるいは第二の軸を中心にして独立に回転する第二の回転支持部、そして第二の回転支持部に、第二の軸に垂直な第三の軸により支持され、第三の軸と共にあるいは第三の軸を中心にして独立に回転する、マニプレータ支持用の第三の回転支持部を含むマニプレータ三次元位置決め装置にある。

本発明の三次元位置決め装置の好ましい態様は、下記の通りである。
（１）第一の回転支持部が基台の内部に備えられた駆動装置により回転する第一の軸と共に回転し、第二の回転支持部が第一の回転支持部の内部に備えられた駆動装置により回転する第二の軸と共に回転し、そして第三の回転支持部が第三の回転支持部の内部に備えられた駆動装置により第三の軸を中心にして独立に回転する。
（２）各々の回転支持部の回転が液体の圧力により駆動される。

本発明はまた、上記の本発明の三次元位置決め装置の第三の回転支持部にマニプレータを固定してなる三次元マニピュレーション装置にもある。

本発明の三次元位置決め装置は、その三つの回転支持部のそれぞれを回転させるという簡単な操作によって、例えば、シリンジなどのマニプレータを高い自由度で位置決めすることができ、その構成も簡単である。このような三次元位置決め装置とマニプレータから構成される三次元マニピュレーション装置は、例えば、顕微鏡視野下において細胞などの微細な対象物を操作するために有利に用いることができる。

本発明の三次元マニピュレーション装置を、添付の図面を用いて説明する。図１は、本発明の三次元マニピュレーション装置の構成例とその動作を説明する図である。

図１の三次元マニピュレーション装置１０は、本発明の三次元位置決め装置１１に、マニプレータとして、例えば、シリンジ１２が固定された構成を有している。

三次元位置決め装置１１は、基台３０、基台３０に第一の軸２１により支持され、第一の軸２１と共に回転する第一の回転支持部３１、第一の回転支持部３１に、第一の軸２１に垂直な第二の軸２２により支持され、第二の軸２２と共に回転する第二の回転支持部３２、そして第二の回転支持部３２に、第二の軸２２に垂直な第三の軸２３により支持され、第三の軸２３を中心にして独立に回転する、マニプレータ支持用の第三の回転支持部３３から構成されている。

図１に示す三次元位置決め装置１１において、第一の回転支持部３１は基台３０の内部に備えられた駆動装置により回転する第一の軸２１と共に回転し、第二の回転支持部３２は第一の回転支持部３１の内部に備えられた駆動装置により回転する第二の軸２２と共に回転し、そして第三の回転支持部３３は第三の回転支持部３３の内部に備えられた駆動装置により第三の軸２３を中心にして独立に回転する。

図１に記入した矢印２１ａ及び矢印２２ａは、それぞれ第一の軸２１及び第二の軸２２の回転方向を示している。そして矢印３１ａ、矢印３２ａ及び矢印３３ａは、それぞれ第一の回転支持部３１、第二の回転支持部３２及び第三の回転支持部３３の回転方向を示している。

三次元位置決め装置１１の第一の回転支持部３１、第二の回転支持部３２、そして第三の回転支持部３３を回転させると、第三の回転支持部３３により支持されたシリンジ１２のニードル１２ａの先端を三次元において所望の位置に配置できるだけでなく、ニードル１２ａを、例えば、細胞などの操作対象物に対して所望の方向に向けた状態でアプローチさせることもできる。例えば、水平面に対するニードル１２ａの角度は、主として第三の回転支持部３３の回転量により調節することができ、また水平面に投影したニードル１２ａの向きは、主として第一の回転支持部３１の回転量により調節することができる。

このように、三次元位置決め装置１１は、その三つの回転支持部３１、３２、３３のそれぞれを回転させるという簡単な操作によって、例えば、シリンジ１２などのマニプレータを高い自由度で位置決めすることができ、その構成も簡単である。

図２は、図１の三次元マニピュレーション装置１０の具体的な装置構成を示す正面図であり、図３は、図２に示す三次元位置決め装置１１の平面図であり、そして図４は、図２に示す三次元位置決め装置１１の左側面図である。また、図５は、図４に記入した切断線Ｉ−Ｉ線に沿って切断した三次元位置決め装置１１の第三の回転支持部３３の断面図である。

図２の三次元マニピュレーション装置１０の三次元位置決め装置１１には、ラックギアとピニオンギアなどから構成される駆動装置が三台備えられている。三台の駆動装置は、基台３０、第一の回転支持部３１、そして第三の回転支持部３３の内部に備えられている。第二の回転支持部３２は、駆動装置が備えられておらず、例えば、ステンレスなどの金属材料から形成された角柱状の部品から構成されている。以下に、駆動装置の構成と動作を、第三の回転支持部３３が備える駆動装置を代表例として、図５を参照しながら説明する。

図５に示す第三の回転支持部３３が備える駆動装置は、シリンダ５１に嵌め合わされたピストン５２、ピストン５２にロッド５３とステー５４を介して接続されたラックギア５５、そしてラックギア５５にかみ合わされたピニオンギア５６などから構成されている。

シリンダ５１とピストン５２から構成される空間には水や油などの液体が満たされており、この空間にシリンダ５１に接続されたチューブ４３を通して液体をさらに注入あるいは排出すると、この液体の圧力によってピストン５２がその長さ方向に移動する。また、ピストン５２とロッド５３の周囲に配置された圧縮コイルバネ５７、そしてステー５４の内部に配置された引っ張りコイルバネ５８は、上記空間から液体を排出した際に、ピストン５２の図５の紙面の左方向への移動を補助する。

上記の液体の注入あるいは排出によってピストン５２が移動すると、ピストン５２に接続されたラックギア５５はその長さ方向に沿って移動して、このラックギア５５にかみ合わされたピニオンギア５６が回転駆動される。ピニオンギア５６の切り欠き部には第三の軸２３が嵌め合わされ固定される。第三の軸２３は、上記ピニオンギア５６と共に回転駆動される。

ここで図３に示すように第三の軸２３は第二の回転支持部３２に固定されているため、第三の軸２３及び第三の軸２３を固定するピニオンギア５６は回転することができない。このため、図５に示す第三の回転支持部３３は、そのラックギア５５がピニオンギア５６の周縁に沿って移動するように、すなわち第三の軸２３を中心にして独立に回転する。

上記のように、図２に示す三次元位置決め装置１１の基台３０及び第一の回転支持部３１には、それぞれ第三の回転支持部３３の場合と同様にラックギアとピニオンギアなどから構成される駆動装置が備えられている。

基台３０は、例えば、支持板２６を介してテーブル２４に固定されている。このため、基台３０が備える駆動装置のチューブ４０を通して液体を注入あるいは排出することにより、上記第三の回転支持部３３の場合とは逆に、駆動装置のピニオンギア及びピニオンギアに固定された第一の軸（図４：２１）が回転する。従って、この第一の軸２１に連結板２５を介して固定された第一の回転支持部３１は、基台３０の内部に備えられた駆動装置により回転する第一の軸と共に回転する。

同様に、第一の回転支持部３１が備える駆動装置のチューブ４１を通して液体を注入あるいは排出することにより、駆動装置のピニオンギア及びピニオンギアに固定された第二の軸２２が回転する。従って、この第二の軸２２に固定された第二の回転支持部３２は、第一の回転支持部３１の内部に備えられた駆動装置により回転する第二の軸２２と共に回転する。

そして、図２に示すように第三の回転支持部３３が備える駆動装置のチューブ４３には、チューブ４３を通して液体を注入あるいは排出するために液体給送装置１３が接続されている。同様に基台３０が備える駆動装置のチューブ４０及び第一の回転支持部３１が備える駆動装置のチューブ４１には、それぞれ液体給送装置（図示は略する）が付設されている。各々の流体給送装置は、その動作時の振動をシリンジ１２に伝えないように、三次元位置決め装置１１の基台３０が固定されるテーブル２４とは別のテーブル上に設置されていることが好ましい。

図６は、図２に示す液体給送装置１３の縦断面図である。液体給送装置１３は、シリンダ６１に嵌め合わされたピストン６２、ピストン６２に金属球６３を介して回転可能に連結された回転軸６４、回転軸６４にビス６５により固定されたつまみ６６などから構成されている。回転軸６４の一部分は、つまみ受け６７に嵌め合わされている。つまみ受け６３は、基台６９に立設された支柱６８に固定されている。

つまみ６６とつまみ受け６７とは、互いの接触面にねじが形成され互いに嵌め合わされており、例えば、つまみ６６を一回転させることにより、ピストン６２を２５０μｍという微少距離にて移動させることができる。このように液体給送装置１３のつまみ６６を回転させ、第三の回転支持部３３のチューブ４３を通して液体を注入もしくは排出することにより、第三の回転支持部３３の回転を液体の圧力により駆動することができる。

同様に液体給送装置を用いて、基台３０が備える駆動装置のチューブ４０を通して、あるいは第一の回転支持部３１が備えるチューブ４１を通して液体を注入あるいは排出することにより、基台３０に第一の軸２１を介して固定された第一の回転支持部３１、あるいは第一の回転支持部３１に第二の軸２２を介して固定された第二の回転支持部３２の回転を液体の圧力により駆動することができる。

本発明の三次元位置決め装置の各々の回転支持部の回転をモータなどによって駆動することもできるが、モータが発生する振動が大きい場合には、この振動が位置決め装置に固定されたマニプレータに伝わり、顕微鏡視野下において微小な対象物を十分に操作できない場合がある。上記のように、三次元位置決め装置の各々の回転支持部の回転を液体により駆動すると、振動の発生が極めて低減され、位置決め装置に固定されたマニプレータの操作が容易となる。なお、同様に振動を低減する駆動方法としては、例えば、図５に示すラックギア５５を固定するステー５４をラックギア５５の長さ方向に沿ってワイヤによって移動して駆動する方法が挙げられる。

なお、図２のマニピュレーション装置が備えるシリンジは、チューブ４４を通して駆動用の液体を注入あるいは排出すると、ピストンヘッド１２ｂが移動してシリンジ内に充填された薬液をニードル１２ａの先端から滴下する。このように液体の圧力により駆動するマニプレータを用いると、マニプレータの振動をさらに低減することができる。このような構成のシリンジは公知のものであり、詳しい説明は省略する。本発明のマニピュレーション装置に用いるマニプレータの例としては、上記のシリンジの他に、プローブ、ピンセット、精密刃、および精密ハサミなどが挙げられる。

図７は、本発明の三次元マニピュレーション装置の別の構成例とその動作を説明する図である。

図７の三次元マニピュレーション装置１１０は、三次元位置決め装置１１１に、マニプレータとして、例えば、シリンジ１２が固定された構成を有している。

三次元位置決め装置１１１は、基台１３０、基台１３０に第一の軸１２１により支持され、第一の軸１２１と共に回転する第一の回転支持部１３１、第一の回転支持部１３１に、第一の軸１２１に垂直な第二の軸１２２により支持され、第二の軸１２２を中心にして独立に回転する第二の回転支持部１３２、そして第二の回転支持部１３２に、第二の軸１２２に垂直な第三の軸１２３により支持され、第三の軸１２３を中心にして独立に回転する、マニプレータ支持用の第三の回転支持部１３３から構成されている。

図７の三次元マニピュレーション装置１１０の構成は、用いる三次元位置決め装置１１１の構成が異なること以外は図１の三次元マニピュレーション装置１０と同様である。

三次元位置決め装置１１１には、図１の三次元位置決め装置１１の場合と同様に、ラックギアとピニオンギアを備える駆動装置が三台用いられている。三台の駆動装置は、基台１３０、第二の回転支持部１３２、そして第三の回転支持部１３３の内部に備えられている。なお、第一の回転支持部１３１は駆動装置が備えられておらず、例えば、ステンレススチールなどの金属から形成された角柱状の部品から構成されている。

三次元位置決め装置１１１において、第一の回転支持部１３１は基台１３０の内部に備えられた駆動装置により回転する第一の軸１２１と共に回転し、第二の回転支持部１３２は第二の回転支持部１３２の内部に備えられた駆動装置により第二の軸１２２を中心にして独立に回転し、そして第三の回転支持部１３３は第三の回転支持部１３３の内部に備えられた駆動装置により第三の軸１２３を中心にして独立に回転する。

図７に記入した矢印１２１ａは、第一の軸１２１の回転方向を示している。そして矢印１３１ａ、矢印１３２ａ及び矢印１３３ａは、それぞれ第一の回転支持部１３１、第二の回転支持部１３２及び第三の回転支持部１３３の回転方向を示している。

図７に示す位置決め装置１１１もまた、図１に示す位置決め装置１１と同様に、その三つの回転支持部のそれぞれを回転させるという簡単な操作によって、例えば、シリンジなどのマニプレータを高い自由度で位置決めすることができ、その構成も簡単である。

本発明の位置決め装置の構成は、図１及び図２に示すものに限定されない。例えば、基台、第一の回転支持部、第二の回転支持部、そして第三の回転支持部のうちのいずれか三つの各々の内部に駆動装置を付設し、残りの一つを、例えば、金属部品から構成すれば、上記と異なる構成の位置決め装置を容易に構成することができる。また、第一の回転支持部あるいは第二の回転支持部には、二台の駆動装置が備えられていてもよい。例えば、基台の内部に一台の駆動装置を付設してそのピニオンギアに第一の軸を固定し、第二の回転支持部の内部に二台の駆動装置を付設してこれらの駆動装置のピニオンギアに第二の軸と第三の軸をそれぞれ固定し、第一の回転支持部及び第三の回転支持部をそれぞれ金属部品から構成するなどして、本発明の位置決め装置を構成することができる。

また、本発明の位置決め装置は、その第三の回転支持部に固定されるマニプレータをさらに高い自由度で位置決めするため、あるいはマニプレータの操作性をさらに向上させるために、例えば、ＸＹステージや回転ステージなどの上に設置して用いることもできる。

本発明の三次元マニピュレーション装置の構成例とその動作を説明する図である。図１の三次元マニピュレーション装置の具体的な装置構成を示す正面図である。図２に示す三次元位置決め装置の平面図である。図２に示す三次元位置決め装置の左側面図である。図４に記入した切断線Ｉ−Ｉ線に沿って切断した三次元位置決め装置の第三の回転支持部の断面図である。図２に示す三次元位置決め装置が備える液体給送装置の縦断面図である。本発明の三次元マニピュレーション装置の別の構成例とその動作を説明する図である。

符号の説明

１０三次元マニピュレーション装置
１１三次元位置決め装置
１２シリンジ
１２ａニードル
１２ｂピストンヘッド
１３液体給送装置
２１第一の軸
２２第二の軸
２３第三の軸
２１ａ第一の軸の回転方向を示す矢印
２２ａ第二の軸の回転方向を示す矢印
２４テーブル
２５連結板
２６支持板
３０基台
３１第一の回転支持部
３２第二の回転支持部
３３第三の回転支持部
３１ａ第一の回転支持部の回転方向を示す矢印
３２ａ第二の回転支持部の回転方向を示す矢印
３３ａ第三の回転支持部の回転方向を示す矢印
４０、４１、４３、４４チューブ
５１シリンダ
５２ピストン
５３ロッド
５４ステー
５５ラックギア
５６ピニオンギア
５７、５８コイルバネ
６１シリンダ
６２ピストン
６３金属球
６４回転軸
６５ビス
６６つまみ
６７つまみ受け
６８支柱
６９基台
１１０三次元マニピュレーション装置
１１１三次元位置決め装置
１２１第一の軸
１２２第二の軸
１２３第三の軸
１２１ａ第一の軸の回転方向を示す矢印
１３０基台
１３１第一の回転支持部
１３２第二の回転支持部
１３３第三の回転支持部
１３１ａ第一の回転支持部の回転方向を示す矢印
１３２ａ第二の回転支持部の回転方向を示す矢印
１３３ａ第三の回転支持部の回転方向を示す矢印

Claims

基台、該基台に第一の軸により支持され、第一の軸と共にあるいは第一の軸を中心にして独立に回転する第一の回転支持部、第一の回転支持部に、第一の軸に垂直な第二の軸により支持され、第二の軸と共にあるいは第二の軸を中心にして独立に回転する第二の回転支持部、そして第二の回転支持部に、第二の軸に垂直な第三の軸により支持され、第三の軸と共にあるいは第三の軸を中心にして独立に回転する、マニプレータ支持用の第三の回転支持部を含むマニプレータ三次元位置決め装置。
第一の回転支持部が基台の内部に備えられた駆動装置により回転する第一の軸と共に回転し、第二の回転支持部が第一の回転支持部の内部に備えられた駆動装置により回転する第二の軸と共に回転し、そして第三の回転支持部が第三の回転支持部の内部に備えられた駆動装置により第三の軸を中心にして独立に回転する請求項１に記載の三次元位置決め装置。
各々の回転支持部の回転が液体の圧力により駆動される請求項１もしくは２に記載の三次元位置決め装置。
請求項１乃至３のうちのいずれかの項に記載の三次元位置決め装置の第三の回転支持部にマニプレータを固定してなる三次元マニピュレーション装置。