JPH05323203A - マイクロマニピュレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明の目的は、応答性に優れ、不要な振動を
除去でき、確実性の高い操作を可能にすると共に、装置
の小型化，静粛化を図り得るマイクロマニピュレータの
提供にある。 【構成】本発明のマイクロマニピュレータは、移動プレ
ート１２，１６と、移動プレート１２，１６を移動自在
に支持しかつ直交するＸ，Ｙ方向にガイドするガイド手
段４，８と、Ｘ，Ｙ方向を含む直交する３方向に伸縮方
向が向けられて配設された複数の圧電素子からなり、移
動プレート１２，１６の一方の面に自由端３３を接触さ
せた振動子１７と、この振動子１７の各圧電素子に印加
する電圧を制御して自由端３３の楕円運動方向及び運動
量を指令する操作部２７とを具備してなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、顕微鏡の被観察物体に
対して種々の微細操作を行うためのマイクロマニピュレ
ータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、顕微鏡の被観察物体に対しては微
細な操作が要求されるためマイクロマニピュレータを備
えた顕微鏡が考えられている。従来より在るマイクロマ
ニピュレータには、油圧方式、あるいはねじ，歯車，カ
ム等を使用した機械方式等の駆動方式が採用されてい
る。

【０００３】例えば、特開昭６１−１９４４１７号には
油圧方式のマイクロマニピュレータ付き顕微鏡が示され
ている。このマニピュレータは、操作部から与えられる
駆動力を、油路を介してニールドホルダ等に伝達するこ
とにより、操作の際に手の震え等により生じた振動を油
路によって遮断している。これにより、操作の際に発生
する振動がニールドホルダに保持されているガラス針に
伝達されるのを防止している。

【０００４】また機械方式のマイクロマニピュレータに
ついては、各機構部品の加工精度、組立て精度を高める
ことにより、操作部の動きを正確に伝達できるようにし
ている。

【０００５】また最近では、圧電素子を用いたマイクロ
マニピュレータが市販されている。この種のマイクロマ
ニピュレータは急激な加減速が可能であることから操作
を迅速化することができる。そのため、細胞等を観察す
るような場合には、細胞等に大きなダメージを与えずに
微細操作が可能となる利点がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た各駆動方式のマイクロマニピュレータには次のような
欠点があった。

【０００７】上記機械方式の場合には、基本的に力の伝
達を剛体間で行っているため、振動が針先等に伝わりや
すい。また部品間にガタがあると力が正確に伝達されな
い。そのため、極めて高い加工精度、組立て精度が要求
され、装置自体が高価格なものとなってしまう。

【０００８】また上記油圧式の場合は、比較的高い周波
数である振動を伝達しないが、逆に操作部の俊敏な動き
には追従できない欠点がある。しかも油路内に封入され
ている油（シリコンオイル）は温度依存性が大きいた
め、環境温度が変化するとそれに伴い操作針が移動して
被観察物体を移動させてしまい、被観察物体を一定位置
に保持できないという問題がある。なお、油路内のシリ
コンオイルを水に代えることにより、温度依存性を低減
させることができるが、水は蒸発し易いため面倒な保守
が必要になる。

【０００９】また上記圧電素子を用いた従来のマイクロ
マニピュレータは、マスバランスで駆動させるために、
移動体の重量に応じた重量の重りを付ける必要があるた
め、１駆動軸当たりの占有空間が大きいという欠点があ
る。そのため顕微鏡のステージのように設置スペースが
限定される用途では、多数のマニピュレータを設置する
ことができないといった不都合があった。しかも圧電素
子を駆動することにより、圧電素子と移動体との接触と
離間を繰り返して移動体を移動させる構成となっている
ため、その接触音が騒音となり静粛性の点で問題があっ
た。

【００１０】本発明は以上のような実情に鑑みてなされ
たもので、応答性に優れ、不要な振動を除去でき、確実
性の高い操作を可能にすると共に、装置の小型化，静粛
化を図り得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。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明のマイクロマニピュレータは、プレートと、こ
のプレートを移動自在に支持し、かつ互いに直交する
Ｘ，Ｙ方向にガイドするガイド手段と、前記Ｘ，Ｙ方向
を含む直交する３方向に伸縮方向が向けられて配設され
た複数の圧電素子からなり、前記プレートの一方の面に
自由端が接触され、当該自由端が電圧印加により楕円運
動する振動子と、この振動子の自由端の楕円運動方向及
び運動量を指示するための操作部と、この操作部からの
指示に応じて前記振動子の各圧電素子に印加する電圧を
発生する電圧印加手段とを具備してなるものとした。

【００１２】

【作用】本発明のマイクロマニピュレータでは、操作部
から電圧印加手段に振動子の自由端の楕円運動方向及び
運動量の指示が与えられ、その指示を受けた電圧印加手
段から振動子の各圧電素子に所定の電圧が印加される。
振動子は印加電圧によりＸ，Ｙ方向のベンディング力及
び直交するＺ方向の伸縮力が発生する。その３方向の力
の組合わせにより、振動子の自由端をＸ方向又はＹ方向
に楕円運動させることができる。

【００１３】振動子の自由端がＸ方向又はＹ方向に上記
楕円運動を行うと、その自由端に接触しているプレート
は、振動子の楕円振動が摩擦によって伝達され、ガイド
手段によってガイドされてＸ方向又はＹ方向に移動す
る。また楕円運動を調整することによりプレートの移動
距離が制御される。

【００１４】

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例を
説明する。図１及び図２には、本発明の一実施例に係る
マイクロマニピュレータの平面及び断面構造が示されて
いる。

【００１５】本実施例のマイクロマニピュレータは、全
体が箱型をなし上端面が開口した固定枠１を備えてお
り、その固定枠１の平行な２つの側壁に一対のＹ側固定
ガイド２ａ，２ｂが対向して設けられ、他の２つの側壁
に一対のＸ側固定ガイド３ａ，３ｂが対向して設けられ
ている。

【００１６】Ｙ側固定ガイド２ａ，２ｂは固定枠１の側
壁内面の最上部に設けられており、その長手方向にはボ
ール溝がそれぞれ形成されている。この一対のＹ側固定
ガイド２ａ，２ｂ間にはＹ側可動ガイド４がＹ方向へ摺
動自在に取付けられている。Ｙ側可動ガイド４は、Ｘロ
ッド５と、このＸロッド５の両端に直交して設けられＹ
側固定ガイド２ａ，２ｂのボール溝に対応するボール溝
が形成されたボール摺動部６ａ，６ｂとからなる。そし
てＹ側固定ガイド２ａ，２ｂのボール溝とＹ側可動ガイ
ド４のボール摺動部６ａ，６ｂとの間でボール７ａ，７
ｂを挟持することにより、Ｙ側固定ガイド２ａ，２ｂで
Ｙ側可動ガイド４をＹ方向へ摺動自在に支持している。

【００１７】Ｘ側固定ガイド３ａ，３ｂは固定枠１の側
壁内面であってＹ側固定ガイド２ａ，２ｂよりも下の位
置に設けられており、その長手方向にはボール溝がそれ
ぞれ形成されている。この一対のＸ側固定ガイド３ａ，
３ｂ間にはＸ側可動ガイド８がＸ方向へ摺動自在に取付
けられている。Ｘ側可動ガイド８は、Ｙ側可動ガイド４
と同様の構成をしている。すなわち、Ｙロッド９と、こ
のＹロッド９の両端に直交して設けられたボール摺動部
１０ａ，１０ｂとからなり、Ｘ側固定ガイド３ａ，３ｂ
のボール溝とボール摺動部１０ａ，１０ｂとの間でボー
ル１１ａ，１１ｂを挟み込んで、Ｘ側固定ガイド３ａ，
３ｂでＸ側可動ガイド９をＸ方向へ摺動自在に支持して
いる。

【００１８】また上記固定枠１の中央部には移動プレー
ト１２が配置されており、その移動プレート１２を上記
Ｘロッド５及びＹロッド９がそれぞれ貫通している。Ｘ
ロッド５が貫通している移動プレート１２の貫通孔内周
面にはブッシュ１３が嵌め込まれており、移動プレート
１２がブッシュ１３と共にＸロッド５を摺動するように
なっている。またＹロッド９が貫通している移動プレー
ト１２の貫通孔内周面にはブッシュ１４が嵌め込まれて
おり、移動プレート１２がブッシュ１４と共にＹロッド
９を摺動するようになっている。

【００１９】上記移動プレート１２の下面には、Ｘ方向
及びＹ方向への変形が完全に規制されているバネ１５を
介して加圧プレート１６が支持されている。すなわち、
加圧プレート１６はバネ１５による垂直方向以外の動き
は完全に規制されている。

【００２０】そして固定枠１の底面に固定された振動子
１７の自由端が、上記加圧プレート１６の下面に接触し
ている。振動子１７は複数の圧電素子からなり、その自
由端には、バネ１５にて下方に付勢された加圧プレート
１６が、所定の押圧力で点接触している。なお移動プレ
ート１２の上面には、固定部材１８が取付けられ、その
固定部材に１８に、補定管、注入針、微小電極等の先端
部材１９が取付けられる。

【００２１】図３には、上記マイクロマニピュレータを
倒立顕微鏡に設置した構成が示されている。符号２０は
上記マイクロマニピュレータであり、倒立顕微鏡１１に
備えられたステージ２２の近傍に配置されている。そし
てステージ２２上に載置された皿２６の中に先端部材１
９の先端を入れた状態となっている。

【００２２】ステージ２２の下方には対物レンズ２３が
配置されている。その対物レンズ２３を通過した観察光
はＴＶカメラ２４で電気信号に変換されてモニタ装置２
５へ送出され、そこで表示されるようになっている。

【００２３】またマイクロマニピュレータ２０の操作部
としてジョイスティック２７が備えられている。このジ
ョイスティック２７の傾斜方向及び傾斜角度が電気信号
となってＣＰＵ２８に入力される。ＣＰＵ２８はジョイ
スティック２７からの信号に応じて発振器２９を動作さ
せて振動子１７の共振周波数を持った電圧を電力増幅器
３０を介して振動子１７の所定の圧電素子に印加する機
能を備えている。上記振動子１７の具体的な構成を図４
及び図５を参照して説明する。

【００２４】振動子１７は、薄板状の圧電素子をその伸
縮方向に積層してなるＺ軸駆動部３１を有し、その上端
面には半球状の突起部３３を有する保持部材３２が取付
けられ、かつ下部には共振部材３４が取付けられてい
る。共振部材１４は、Ｘ方向及びＹ方向に向いた四側面
を有している。共振部材１４のＸ方向に向いた２側面に
は、伸縮方向をＸ方向に向けた圧電素子３５，３７が取
付けられている。また共振部材１４のＹ方向に向いた２
側面には、伸縮方向をＹ方向に向けた圧電素子３６，３
８が取付けられている。

【００２５】Ｚ軸駆動部３１の各圧電素子及び共振部材
３４部分の各圧電素子３５〜３８には、図６に示すよう
に発振器２９及び電力増幅器３０からなる高周波電源か
らそれぞれ独立に共振周波数を持った電圧を印加される
ようになっている。ここで振動子１７の自由端となる突
起部３３が楕円運動する原理について説明する。

【００２６】Ｘ方向の２側面に設けた一対の圧電素子３
５，３７のうち一方の圧電素子３７にのみ電圧を印加す
ると、共振部材３４が図７（ａ）に示す方向に傾動する
ベンディング力が発生する。また、もう一方の圧電素子
３５にのみ電圧を印加すると、共振部材３４が図７
（ｂ）に示す方向に傾動するベンディング力が発生す
る。すなわちＸ方向のベンディング力を発生させること
ができる。

【００２７】また共振部材３４のベンディングを解除し
た状態で、Ｚ軸駆動部３１の各圧電素子に電圧を印加す
ると、図７（ｃ）に示すようにＺ軸方向に伸び、また電
圧印加を停止すると同図（ｄ）に示すように基の状態に
戻る。

【００２８】すなわち、図７（ａ）〜（ｄ）に示す状態
を連続的に発生させることにより、振動子１７の突起部
３３がＸ方向に時計回り又は反時計回りで楕円運動する
ことになる。

【００２９】共振部材３４のＹ方向の２側面に設けた一
対の圧電素子３５，３７に印加する電圧を上記同様に制
御しても、振動子１７の突起部３３をＹ方向に時計回り
又は反時計回りで楕円運動させることができる。

【００３０】従って、ＣＰＵ２８はジョイスティック２
７の傾斜方向に対応して楕円運動の回転方向を決定し、
かつジョイスティック２７の傾斜角度に対応して電圧印
加期間を決定する。そして決定した回転方向の楕円運動
が、同じく決定した時間だけ発生するように発振器２８
を制御する。

【００３１】本実施例のマイクロマニピュレータでは、
移動プレート１２がＹ側可動ガイド４及びＸ側可動ガイ
ド８により支持され、移動プレート１２と一体に設けら
れた加圧プレート１６が、振動子１７の突起部３３に押
し付けられる。

【００３２】そしてジョイスティック２７の操作に応じ
て振動子１７がＸ方向あるいはＹ方向に所定期間だけ楕
円振動する。振動子１７の突起部３３が楕円運動する
と、その突起部３３にバネ１５にて押圧されて接触して
いる加圧プレート１６に駆動力が伝達される。この加圧
プレート１６を支持している移動プレート１２との間に
介在しているバネ１５はＸ方向及びＹ方向には完全に拘
束されているため、加圧プレート１６に伝達された駆動
力は全て移動プレート１２へ伝達されることになる。ま
た楕円運動の際のＺ軸駆動部３１のＺ方向の変位はバネ
１５によって吸収される。

【００３３】そして移動プレート１２にＸ方向の駆動力
が伝達されると、Ｙロッド９を移動プレート１２に貫通
させているＸ側可動ガイド８が、Ｘ側固定ガイド３ａ，
３ｂによりＸ方向にガイドされる。また同時に、Ｘブッ
シュ１３を介して移動プレート１２に摺動自在に貫通し
ているＸロッド５にガイドされて移動プレート１２がＸ
方向に直線運動する。

【００３４】また振動子１７にＹ方向の楕円運動を発生
させたときには、移動プレート１２には加圧プレート１
６からＹ方向の駆動力が伝達される。その結果、移動プ
レート１２に挿入されたＹブッシュ１４を介して、移動
プレート１２がＹロッド９にガイドされてＹ方向に直線
運動する。その時、Ｙロッド９を移動プレート１２に貫
通させているＸ側可動ガイド８もＹ側固定ガイド２ａ，
２ｂにガイドされて移動プレート１２と共にＹ方向へ移
動する。

【００３５】固定部材１８に取付けられている先端部材
１９は、移動プレート１２と共に移動するので、ジョイ
スティック２７による微細操作が先端部材１９へ伝えら
れ、その先端部材１９により各種の微細な作業が行える
ようになる。

【００３６】この様に本実施例によれば、移動プレート
１２及び加圧プレート１６からなる単体のプレートを、
単一の振動子１７によって駆動するようにしたので、通
常のＸＹステージにみられるような下側に配置されるス
テージの駆動系により多大な負荷がかかるといったこと
がない。またＸステージとＹステージとを重ねた構造で
あると、振動子１サイクル当たりの変位特性が、Ｘ軸と
Ｙ軸で変化してしまうが、本実施例の構造ではＸ軸とＹ
軸の変位特性が変化しないという利点がある。

【００３７】また本実施例によれば、従来の油圧方式で
問題となっていた温度依存度が低減されるので、操作対
象を長時間に亘って一定位置に保持することができる。
また高い加減速性能を有しているので、操作時間を短縮
することができ、細胞等のダメージを軽減することがで
きる。さらに本実施例では機械式の場合に要求された高
い組み立て，加工精度は必要ないので、安価なマイクロ
マニピュレータを提供できる。

【００３８】また振動子１７の自由端に加圧プレート１
６がバネ１５により常に押圧されると共に自由端に楕円
運動を発生させているので、振動子１７と加圧プレート
１６とは常に接触されている。そのため圧電素子を利用
した従来のマイクロマニピュレータのように圧電素子の
端部がプレートを突くことがないので、非常に不快な接
触音が発生することがなく静粛化が図られる。また本実
施例はバランス重りを付ける必要がないことから、装置
の小形化を図ることができ、マイクロマニピュレータの
取付け自由度を向上できる利点がある。

【００３９】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、応
答性に優れ、不要な振動を除去でき、確実性の高い操作
を可能にすると共に、装置の小型化，静粛化を図り得る
マイクロマニピュレータを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るマイクロマニピュレー
タの平面図。

【図２】図１に示すマイクロマニピュレータのＡ−Ａ線
矢示断面図。

【図３】一実施例に係るマイクロマニピュレータを倒立
顕微鏡に適用した際の構成図。

【図４】一実施例のマイクロマニピュレータに備えられ
た振動子の斜視図。

【図５】図４に示す振動子の上面図。

【図６】上記振動子の駆動回路を示す図。

【図７】上記振動子の楕円運動を説明するための図。

【符号の説明】

１…固定枠、２ａ，２ｂ…Ｙ側固定ガイド、３ａ，３ｂ
…Ｘ側固定ガイド、４…Ｙ側可動ガイド、８…Ｘ側可動
ガイド、１２…移動プレート、１５…加圧バネ、１６…
加圧プレート、１７…振動子。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プレートと、このプレートを移動自在に
   支持し、かつ互いに直交するＸ，Ｙ方向にガイドするガ
   イド手段と、前記Ｘ，Ｙ方向を含む直交する３方向に伸
   縮方向が向けられて配設された複数の圧電素子からな
   り、前記プレートの一方の面に接触する自由端を有し、
   当該自由端が電圧印加により楕円運動する振動子と、こ
   の振動子の自由端の楕円運動方向及び運動量を指示する
   ための操作部と、この操作部からの指示に応じて前記振
   動子の各圧電素子に印加する電圧を発生する電圧印加手
   段とを具備したことを特徴とするマイクロマニピュレー
   タ。
2. 【請求項２】 前記プレートは、前記ガイド手段により
   支持された移動プレーと、前記Ｘ，Ｙ方向への変位が規
   制されたバネを介して前記移動プレートに支持され、か
   つ前記バネによって前記振動子の自由端へ押圧された加
   圧プレートとからなることを特徴とする請求項１記載の
   マイクロマニピュレータ。