JP2007033934A - ステージユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 搭載する試料の大きさに関わらず、ピエゾ素子の位置調整を行うことなく、試料を精度よくＺ方向に微動させる。
【解決手段】 顕微鏡ステージ５に搭載されるアダプタ８と、試料Ａを載置する試料台９と、該試料台９とアダプタ８との間に配置され、アダプタ８に対して試料台９を近接または離間させる方向に伸縮させられるピエゾ素子１０とを備え、該ピエゾ素子１０の伸縮方向の両端が、アダプタ８および試料台９に接着されているステージユニット１を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、顕微鏡ステージに搭載されるステージユニットに関するものである。

従来、顕微鏡のスライドガラスをＺ軸方向に迅速かつ的確に微動させて焦点合わせを簡単に行うＺ軸微動機構として、ピエゾ素子を使用したものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
このＺ軸微動機構は、顕微鏡ステージの表面上に複数のピエゾ素子を配置し、この上面によってスライドガラスの載置面を規定したものである。ピエゾ素子に加える電圧を制御することによって、スライドガラスを直接ピエゾ素子によってＺ軸方向に微動させることができる。
実開平６−２３２５号公報

しかしながら、特許文献１のＺ軸微動機構は、顕微鏡ステージに搭載した複数のピエゾ素子の上面をスライドガラスの搭載面とするものであるため、種々の不都合が発生する。
すなわち、まず第１に、顕微鏡ステージの上面にピエゾ素子を載置するだけであるため、顕微鏡ステージの載置面およびピエゾ素子の接触面の面精度がスライドガラスの動作精度に大きな影響を与えることになる。このため、ピエゾ素子を極めて高い精度で製造しなければならないという不都合がある。

第２に、複数のピエゾ素子によって直接スライドガラスを支持する場合、スライドガラスの直下にピエゾ素子が配置される必要がある。このため、搭載するスライドガラスやディッシュの大きさが変わるたびに、これらを安定的に支持するには、ピエゾ素子の位置をその都度、調節する必要があり、観察者に手数をかけることとなるとともに、上述した移動精度の問題も発生する不都合が考えられる。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、搭載する試料の大きさに関わらず、ピエゾ素子の位置調整を行うことなく、試料を精度よくＺ方向に微動させることができるステージユニットを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、顕微鏡ステージに搭載されるアダプタと、試料を載置する試料台と、該試料台とアダプタとの間に配置され、アダプタに対して試料台を近接または離間させる方向に伸縮させられるピエゾ素子とを備え、該ピエゾ素子の伸縮方向の両端が、前記アダプタおよび試料台に接着されているステージユニットを提供する。

本発明によれば、顕微鏡ステージにアダプタを搭載し試料台に試料を載置して、ピエゾ素子に電圧を加えることにより、アダプタに対して試料台が近接または離間させる方向に微動させられる。ピエゾ素子はアダプタおよび試料台に接着されているので、ピエゾ素子の両端の面精度に依存することなく、また、試料台への試料の載置の仕方にかかわらず、電圧によって一意的に定まる位置に、アダプタに対して試料台を精度よく移動させることができる。また、ピエゾ素子に直接試料を載置するのではなく、ピエゾ素子に接着された試料台に載置するので、複数のピエゾ素子どうしの間隔寸法よりも小さい試料の観察も可能となり、試料台への試料の載置の仕方によって、試料が傾斜したりしなかったりする不都合の発生を防止できる。

上記発明においては、前記ピエゾ素子が、接着剤により接着されていることが好ましい。
また、上記発明においては、前記ピエゾ素子が、防水性接着剤によりコーティングされていることが好ましい。

このようにすることで、試料台上に液体内に試料を浸漬させたシャーレ等を搭載する場合において、シャーレから液体がこぼれた場合においても、ピエゾ素子と試料台あるいはアダプタとの接着部を保護し、あるいは、ピエゾ素子自体を保護して、耐久性を向上することができる。
また、使用者に対してピエゾ素子を電気的に絶縁することができる。

また、上記発明においては、前記試料台が略円板状に形成され、前記ピエゾ素子が、試料台の周方向に等間隔をあけて３個以上配置されていることとしてもよい。
このようにすることで、アダプタに対して試料台を安定的に支持することができる。

また、上記発明においては、前記アダプタに、対物レンズを挿入可能な中央孔が設けられ、前記試料台が試料からの光を透過可能に設けられていることとしてもよい。
このように構成することで、アダプタに設けた中央孔に対物レンズを挿入し、試料からの光を試料台を透過させて対物レンズにより集光することで、倒立顕微鏡に適用することができる。シャーレの底面に接着して成長する細胞を観察するのに適している。試料台が光を透過可能とするために、試料台に貫通孔を設けることとしてもよく、また、試料台自体を透明な材質により構成することにしてもよい。

さらに、上記発明においては、前記中央孔が、試料台に向かって漸次細くなるテーパ内面を有することとしてもよい。
上記のように倒立顕微鏡に適用する場合、対物レンズと、該対物レンズを挿入する中央孔との干渉が問題となる場合がある。特に、試料を搭載する試料台を軽量化することが望ましく、ピエゾ素子の間隔を短縮するために、アダプタの中央孔を小さくする必要がある。本発明によれば、中央孔がテーパ内面を有しているので、対物レンズとの干渉が緩和され、アダプタに対する対物レンズの光軸に交差する方向の相対移動範囲を確保することができる。また、このようにすることで、アダプタと対物レンズとの相対移動範囲を確保しつつ、試料台を小型軽量化できるので、ピエゾ素子を小型化し、あるいは、試料台の動作速度を向上することができる。

また、上記発明においては、前記アダプタが、顕微鏡ステージに設けられた貫通孔に挿入される略円筒状に形成されるとともに、顕微鏡ステージの上面に載置される外鍔状のフランジ部と、前記ピエゾ素子を搭載する内鍔状の載置部とを備え、前記試料台上面が前記顕微鏡ステージの上面とほぼ同一位置に配されるように、該試料台がアダプタの内部に収容されていることとしてもよい。
このようにすることで、ステージユニットを搭載しない場合の試料の位置と、ステージユニットを搭載した場合の試料の位置とをほぼ同一位置に設定することができる。

本発明によれば、搭載する試料の大きさに関わらず、ピエゾ素子の位置調整を行うことなく、試料を精度よくＺ方向に微動させることができるという効果を奏する。

以下、本発明の一実施形態に係るステージユニット１について、図１〜図４を参照して説明する。
本実施形態に係るステージユニット１は、図１に示される顕微鏡２に用いられる。この顕微鏡２は、例えば、倒立型のレーザ共焦点顕微鏡であって、レーザ光を出射するレーザ光源３ａと、レーザ光を走査し顕微鏡に導入するスキャンユニット３と、出射されたレーザ光を照射し、試料Ａからの蛍光を集光する対物レンズ４と、試料Ａを搭載するＸＹステージ５とを備えている。前記スキャンユニット３は、前記対物レンズ４により集光された蛍光を検出する機能を備えている。また、前記ＸＹステージ５は、観察したい位置に試料Ａを位置合わせする目的で使用され、画像取得に際しては、ＸＹステージ５を固定した状態でスキャンユニット３によりレーザ光を走査することで、試料の蛍光画像を取得していくようになっている。

ＸＹステージ５には、上下方向に貫通する貫通孔７が設けられており、該貫通孔７に、本実施形態に係るステージユニット１が位置決め状態に取り付けられるようになっている。貫通孔７の内面は、上方に向かって先細になるテーパ内面状に形成されている。また、上向きに配置された対物レンズ４の先端にもテーパ面が設けられている。これにより、対物レンズ４を試料に近接させた状態で、ＸＹステージ５を動作させても、ＸＹステージ５と対物レンズ４との干渉が回避され、比較的広い範囲にわたってＸＹステージ５を作動させることができるようになっている。

本実施形態に係るステージユニット１は、図２に示されるように、ＸＹステージ５の貫通孔７に挿入され、ＸＹ方向に位置決め状態に配置されるアダプタ８と、試料Ａを載置する試料台９と、これら試料台９とアダプタ８との間に接着される複数のピエゾ素子１０とを備えている。各ピエゾ素子１０にはピエゾドライバ１１が接続され、同一の電圧信号がピエゾドライバ１１から供給されるようになっている。

アダプタ８は、中央孔１２を有する略円筒状に形成され、その外面に全周にわたって突出し前記ＸＹステージ５の上面に載置されるフランジ部１３と、中央孔１２内面に全周にわたって突出する内鍔状の載置部１４とを備えている。フランジ部１３の外面はＸＹステージ５に設けられた円形の段部１５内面に嵌合し、ＸＹステージ５の移動によってもアダプタ８が相対移動しないように位置決めするようになっている。

内鍔状の載置部１４は中央孔１２の下部に設けられ、その内面に上方に向かって漸次先細になるテーパ内面１４ａを備え、対物レンズ４の先端との干渉を極力回避できるように構成されている。
載置部１４の上面には前記ピエゾ素子１０が、周方向に間隔をあけて複数、例えば、図３に示す例では、３カ所に配置されている。さらに、ピエゾ素子１０の上端にはリング板状の試料台９が配置されている。試料台９は、中央に板厚方向に貫通する貫通孔１７を備え、該貫通孔１７の内面も上方に向かって先細になるテーパ内面状に形成されている。

全てのピエゾ素子１０は、電圧を加えることにより、上下方向に伸縮するように配置されている。ピエゾ素子１０の下端はアダプタ８の載置部１４に、上端は試料台９に、例えば、エポキシ系接着剤によりそれぞれ強固に接着されている。また、ピエゾ素子１０全体が、例えば、シリコーン系接着剤のような防水性接着剤１６により被覆されている。

ピエゾ素子１０としては、同一の電圧を加えることにより同一の変位量を達成するものが選択されている。また、ピエゾ素子１０は、それらの伸縮方向が相互に平行になるように調節された状態で、両端をアダプタ８および試料台９に接着されている。したがって、各ピエゾ素子１０の伸縮方向が揃えられた状態で、アダプタ８および試料台９に接着固定されることにより、アダプタ８に対して、常に平行状態を保ちながら試料台９を上下方向に変位させることができるようになっている。

本実施形態においては、円筒状に形成されたアダプタ８の中央孔１２内に、ピエゾ素子１０および試料台９が配置されている。試料台９の下面位置は、図２に示されるように、ＸＹステージ５のアダプタ８が載置されている面とほぼ同等の高さ位置に配されるようになっている。これにより、図４に示されるように、同一厚さ寸法の試料台９′が、直接、ＸＹステージ５に載置されたときに、ほぼ同等の試料Ａの載置面高さを達成することができるようになっている。
試料Ａは、例えば、シャーレ状のディッシュ１８内に貯留した培地Ｂ内において、ディッシュ１８の底面に接着して成長している接着性の細胞である。

このように構成された本実施形態に係るステージユニット１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係るステージユニット１を用いて、試料Ａの観察を行う場合、まず、顕微鏡２のＸＹステージ５上にステージユニット１を搭載する。ステージユニット１のアダプタ８がＸＹステージ５の段部１５に嵌合し、ＸＹ方向に位置決め状態に維持される。また、アダプタ８を比較的重く構成することで、ＸＹステージ５に対してＺ方向にも移動しないように位置決め状態に維持される。

次いで、試料台９上に、試料Ａである細胞を収容したディッシュ１８を搭載する。そして、ＸＹステージ５を作動させて試料Ａの観察したい領域と対物レンズ４とを位置合わせし、その後、レーザ光源３からレーザ光を出射して蛍光観察を行う。

ピエゾ素子１０を作動させることなくレーザ光を照射すると、対物レンズ４の焦点位置において発生した蛍光のスキャンユニット３光検出部により選択的に検出される。これにより、対物レンズ４の焦点位置を含む一の水平面で切断した試料Ａの断面の蛍光画像を取得することができる。

次いで、ピエゾドライバ１１の作動により、ピエゾ素子１０に所定の電圧を加えることで、アダプタ８に対して試料台９を上下方向の所定位置にステップ式に移動させることができる。これにより、試料台９に搭載されている試料Ａをステップ式に移動させ、対物レンズ４の焦点位置を試料Ａ内の他のＺ方向位置に配置することができ、試料Ａを異なる水平面で切断した断面の蛍光画像を取得することができる。

また、ピエゾ素子１０に異なる電圧を段階的に加えることで、アダプタ８に対して試料台９を上下方向に段階的に移動させ、これによって、異なる複数の水平面で切断した試料Ａの断面の蛍光画像を取得することができる。
特に、ピエゾ素子１０によって微動させることで試料Ａの観察断面を切り替えることができるので、顕微鏡２側で焦点位置の調整を行う場合と比較して、可動質量が小さいため、高速に観察断面を切り替えることができる。したがって、高速に変化する試料Ａの状態を逃すことなく観察できるという利点がある。

この場合において、本実施形態に係るステージユニット１によれば、複数のピエゾ素子１０に試料Ａを直接掛け渡すように配置するのではなく、ピエゾ素子１０に接着状態に固定された試料台９上に試料Ａを載置するので、試料台９上における試料Ａの載置の仕方にかかわらず、常に同一の変位量で、試料Ａを傾けることなく水平状態を維持したまま移動させることができる。

また、複数のピエゾ素子１０に試料Ａを直接掛け渡すように配置するのではなく、ピエゾ素子１０に掛け渡された試料台９に試料Ａを載置するので、ピエゾ素子１０の間隔にかかわらず、種々の大きさの試料Ａを試料台９上に載置することができる。

また、ピエゾ素子１０が試料台９およびアダプタ８に、例えば、エポキシ系接着剤のような接着剤で強固に固定されているので、ピエゾ素子１０の高速動作によっても試料台９がずれることがない。また、ピエゾ素子１０全体をシリコーン系接着剤１６により被覆しておくことにより、ピエゾ素子１０自体を浸水や湿度から保護することができる。また、使用者をピエゾ素子１０から電気的に絶縁することができる。

また、アダプタ８の中央孔１２を必要最小限に小さくし、試料台９を小型化することで、アダプタ８を比較的重く、試料台９を軽量化することができる。これにより、ピエゾ素子１０によって駆動される可動部分を軽量化し、試料台９に搭載した試料Ａを高速駆動することができる。したがって、高速に変化する試料の状態を観察することが可能となる。
また、アダプタ８の中央孔１２を小さくしても、内面１４ａをテーパ内面状に形成することで、対物レンズ４との干渉を低減して、対物レンズ４に対するＸＹステージ５の動作範囲を比較的広く確保することが可能となる。

また、本実施形態に係るステージユニット１によれば、中央孔１２内に設けた載置部１４を下方に配置し、ピエゾ素子１０の設置スペースを比較的低い位置に配置することで、試料台９の位置をＸＹステージ５の載置面の位置とほぼ同等に配置しているので、ステージユニット１を使用することなく、試料台９を直接ＸＹステージ５に載置して観察する場合においても、試料Ａの位置をさほど変化させずに済むという利点がある。この場合、ステージユニット１を使用する場合と使用しない場合とで対物レンズ４の高さ位置調節を行う必要がなく、簡易に切り替えることができる。

なお、本実施形態においては、倒立型のレーザ共焦点顕微鏡２に使用されるステージユニット１について説明したが、これに代えて、正立型の顕微鏡あるいは多光子励起型蛍光顕微鏡、あるいは透過式の顕微鏡に適用することにしてもよい。また、ピエゾ素子１０のヒステリシスを考慮すると、片方向駆動により位置精度を向上することが好ましいが、任意の方法で補正できる場合には、両方向駆動としてさらに高速性を向上してもよい。

また、ディッシュ１８を試料台９に載置することとしたが、ディッシュ１８と試料台９との間に石油系のワックスを塗布することにより、両面テープより着脱容易で、かつ、強力に固定することとしてもよい。
また、試料台９に貫通孔１７を設けることで、ディッシュ１８の下方からレーザ光を照射し、蛍光を観察することを可能としたが、これに代えて、レーザ光および蛍光を透過可能な透明な材質により試料台９を構成することにしてもよい。

また、ピエゾ素子を、等間隔に３カ所設けることとしたが、これに代えて、２カ所または４カ所以上でもよい。アダプタ８に対して試料台９を安定的に支持するためには、３カ所以上であることが好ましい。

本発明の一実施形態に係るステージユニットを適用する顕微鏡の一例を示す全体構成図である。 本発明の一実施形態に係るステージユニットを示す縦断面図である。 図２のステージユニットの試料台とピエゾ素子の配置例を示す平面図である。 図２のステージユニットを用いることなく試料台を直接ＸＹステージに載置した場合の試料の位置を説明する図である。

符号の説明

Ａ 試料
１ ステージユニット
５ ＸＹステージ（顕微鏡ステージ）
８ アダプタ
９ 試料台
１０ ピエゾ素子
１２ 中央孔
１３ フランジ部
１４ 載置部
１４ａ テーパ内面
１６ 接着剤（防水性接着剤）

Claims (7)

1. 顕微鏡ステージに搭載されるアダプタと、
   試料を載置する試料台と、
   該試料台とアダプタとの間に配置され、アダプタに対して試料台を近接または離間させる方向に伸縮させられるピエゾ素子とを備え、
   該ピエゾ素子の伸縮方向の両端が、前記アダプタおよび試料台に接着されているステージユニット。
2. 前記ピエゾ素子が、接着剤により接着されている請求項１に記載のステージユニット。
3. 前記ピエゾ素子が、防水性接着剤によりコーティングされている請求項２に記載のステージユニット。
4. 前記試料台が略円板状に形成され、
   前記ピエゾ素子が、試料台の周方向に等間隔をあけて３個以上配置されている請求項１から請求項３のいずれかに記載のステージユニット。
5. 前記アダプタに、対物レンズを挿入可能な中央孔が設けられ、
   前記試料台が試料からの光を透過可能に設けられている請求項１から請求項４のいずれかに記載のステージユニット。
6. 前記中央孔が、試料台に向かって漸次細くなるテーパ内面を有する請求項５に記載のステージユニット。
7. 前記アダプタが、顕微鏡ステージに設けられた貫通孔に挿入される略円筒状に形成されるとともに、顕微鏡ステージの上面に載置される外鍔状のフランジ部と、前記ピエゾ素子を搭載する内鍔状の載置部とを備え、
   前記試料台上面が前記顕微鏡ステージの上面とほぼ同一位置に配されるように、該試料台がアダプタの内部に収容されている請求項１から請求項６のいずれかに記載のステージユニット。

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