JP2008221423A - マニピュレータシステム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な操作でミリメートルオーダの駆動から回転モータの分解能以下の微小駆動までの動作を可能にしたマニピュレータシステムを提供すること。
【解決手段】コントローラ４３は、倍率認識装置１００の認識による顕微鏡倍率がＸ倍未満であると判別したときには、各軸の粗動用ステッピングモータ１０２を駆動する。この結果、ＸＹ軸テーブル３６がＸ軸またはＹ軸に沿って移動し、Ｚ軸テーブル３８がＺ軸に沿って移動し、インジェクションピペット３４が粗動用目標位置に到達すると、ＸＹ軸テーブル３６とＺ軸テーブル３８の駆動が停止される。その後、コントローラ４３は、倍率認識装置１００の認識による顕微鏡倍率がＸ倍以上であると判別すると、微動機構４４の圧電素子５４に微動用電圧Ｖ０を印加する。これにより、インジェクションピペット３４が微動し、ベース２２上の細胞に対する挿入位置に位置決めされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、マニピュレータシステムに係り、特に、顕微鏡観察下にある細胞に針を挿入するための駆動対象を粗動または微動させるための技術に関する。

バイオテクノロジーの分野において、顕微鏡観察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、ＸＹＺ軸の駆動アクチュエータ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）。

また、操作支援ロボットを用いたシステムにおいて、オートステージとマニピュレータとをワンタッチで切替え、ジョイスティックで細胞を視野の中心に来るように、オートステージを移動し、ジョイスティックのヘッドスイッチをクリックしたときに、そのときの視野中心位置（細胞位置）の座標をモニタ上に表示し、ヘッドスイッチを操作しながら、ワンタッチでキャピラリーの退避・復帰を行い、インジェクション後、細胞を１個ずつウェルに収納するようにしたものが提案されている（非特許文献２参照）。この操作支援ロボットを用いたものでは、マニピュレータは手動のステージや、ステッピングモータとボールねじを用いたステージを用いて駆動している。
「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

従来技術のものはいずれも、マニピュレータを用いた場合に、顕微鏡で観察するときの倍率が高く、操作対象物の大きさが小さい程、正確でより細かな操作が必要となることに十分配慮されていない。すなわち、ステッピングモータとボールねじによって駆動するマニピュレータでは、駆動可能な最小分解能には限界がある。また、圧電アクチュエータを組み合わせて構成しているマニピュレータでは、微小領域の操作は可能であるが、ミリメートルオーダのストロークでマニピュレータを駆動することができない。

本発明は、前記従来技術の課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、簡単な操作でミリメートルオーダの駆動から回転モータの分解能以下の微小駆動までの動作を可能にマニピュレータシステムを提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、細胞に針を挿入するための駆動対象に連結された圧電素子の駆動により、前記駆動対象を微動させるナノポジショナと、モータの駆動により、前記ナノポジショナを伴って三次元空間を移動して、前記ナノポジショナの位置を制御する粗動機構と、前記モータまたは前記圧電素子に対して駆動を指令するコントローラと、を備え、前記コントローラは、前記モータに駆動を指令した後、前記圧電素子に駆動を指令し、前記駆動対象を前記細胞まで移動させてなるマニピュレータシステムを構成したものである。

係る構成によれば、コントローラがモータを駆動することで、粗動機構が粗動駆動してナノポジショナの位置を制御し、その後、コントローラが圧電素子を駆動することで、ナノポジショナが駆動対象を微動させて、駆動対象を針挿入位置へ移動させることができる。従って、ミリメートルオーダの駆動から回転モータの分解能以下の微小駆動までの動作が可能となる。

マニピュレータシステムを構成するに際しては、以下の要素を付加することができる。
（１）前記コントローラは、切替えスイッチに接続され、前記切替えスイッチの切替え操作に従って前記モータまたは前記圧電素子に対して駆動を指令してなる。
（２）前記コントローラは、顕微鏡の倍率を認識する倍率認識装置に接続され、前記倍率認識装置の認識結果に従って前記モータまたは前記圧電素子に対して駆動を指令してなる。
（３）前記コントローラは、ジョイスティックに接続され、前記ジョイスティックの操作に従って前記モータまたは圧電素子に対して駆動を指令してなる。
（４）前記コントローラは、顕微鏡画像を表示するパソコンディスプレイに接続され、前記顕微鏡画像を操作するマウスの動作に従って前記モータまたは前記圧電素子に対して駆動を指令してなる。

この構成によれば、コントローラにより、切替えスイッチの操作状態や倍率認識装置の認識結果、あるいはジョイスティックの操作方向またはマウスの動きを判別し、この判別結果に従ってモータまたは圧電素子を駆動することで、粗動と微動を自動的に切り替えることができる。

本発明によれば、ミリメートルオーダの駆動から回転モータの分解能以下の微小駆動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、顕微鏡観察下で細胞等の対象物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、ホールディング用マニピュレータ１４と、インジェクション用マニピュレータ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、カメラ１８、顕微鏡２０、ベース２２を備えており、ベース２２の上方に顕微鏡２０が配置され、顕微鏡２０にはカメラ１８が連結されている。ベース２２上には細胞等の対象物が載置されるようになっており、ベース２２上の細胞（図示せず）に顕微鏡２０から光が照射されるようになっている。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細胞を観察することができる。

ホールディング用マニピュレータ１４は、直交３軸構成のマニピュレータとして、ホールディングピペット２４、ＸＹ軸テーブル２６、Ｚ軸テーブル２８、ＸＹ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おり、ホールディングピペット２４は、Ｚ軸テーブル２８に連結され、Ｚ軸テーブル２８はＸＹ軸テーブル２６上に上下動自在に配置されている。ＸＹ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に連結されたホールディングピペット２４は、ＸＹ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。

インジェクション用マニピュレータ１６は、直交３軸構成のマニピュレータとして、インジェクションピペット３４、ＸＹ軸テーブル３６、Ｚ軸テーブル３８、ＸＹ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、インジェクションピペット３４は、Ｚ軸テーブル３８に連結され、Ｚ軸テーブル３８はＸＹ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。

ＸＹ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インジェクションピペット３４に連結されている。すなわち、ＸＹ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上の細胞等を含む三次元空間を移動領域として移動し、インジェクションピペット３４を、例えば、インジェクションピペット３４の先端側からベース２２上の細胞に対して、針を挿入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、これらテーブルは、移動テーブルとしての機能の他に、ナノポジショナとしての機能を備え、インジェクションピペット３４を往復動自在に支持するととともに、インジェクションピペット３４をその長手方向（軸方向）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、これらテーブルには、ナノポジショナとして、図２に示す微動機構４４、または図３に示す微動機構４６が付加（内蔵）されている。

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５４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インジェクションピペット３４のインジェクション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からインジェクション用電圧として、例えば、図４に示すような矩形波状の電圧Ｖ１が印加されたときには、この印加電圧Ｖ１に応答して、インジェクションピペット３４の先端側からベース２２上の細胞に対して、針を挿入するための押圧力をインジェクションピペット３４に付与し、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、インジェクションピペット３４の位置を微調整するようになっている。

インジェクション用電圧としては、矩形波状の電圧Ｖ１の代わりに、図５（ａ）に示すように、時間勾配を有する台形波状の電圧Ｖ２を用いることができる。この場合、電圧Ｖ２を、初期値から最大印加電圧に達するまでの時間ｔ１と最大電圧から初期値になるまでの時間ｔ２がそれぞれ同じになるように設定することで、インジェクションの際に、細胞へ針を挿入するときの速度と細胞から針を抜くときの速度をそれぞれ同じにすることができる。また、電圧Ｖ２の代わりに、図５（ｂ）に示すように、初期値から最大印加電圧に達するまでの時間ｔ３と最大電圧から初期値になるまでの時間ｔ４がそれぞれ異なる電圧Ｖ３を用い、インジェクションの際に、細胞へ針を挿入するときの速度と細胞から針を抜くときの速度をそれぞれ個別に設定することもできる。さらに、インジェクション用電圧としては、図６に示すように、三角波状の電圧Ｖ４を用いることができる。この場合も、初期値から最大印加電圧に達するまでの時間ｔ５と最大電圧から初期値になるまでの時間ｔ６を任意に設定することができる。

また、インジェクション用電圧を設定するに際しては、使用する細胞の性質に合わせて、電圧の振幅や電圧の波形を調整することが望ましい。

微動機構４６は、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、９４ｃ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、９４ｃ内にそれぞれ挿入されたリード線９６、９８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インジェクションピペット３４の長手方向に沿って伸縮す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からインジェクション用電圧、例えば、図４に示す電圧Ｖ１が印加されたときには、この印加電圧Ｖ１に応答して、インジェクションピペット３４の先端側からベース２２上の細胞に対して、針を挿入するための押圧力をインジェクションピペット３４に付与したり、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７６をその長手方向（軸方向）に沿って微動させて、インジェクションピペット３４の位置を微調整したりするようになっている。この場合も、インジェクション用電圧としては、電圧Ｖ１の代わりに、図５または図６に示すように、電圧Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４を用いることができる。

上記構成において、インジェクション用マニピュレータ１６を駆動するに際しては、コントローラ４３は、ＸＹ軸テーブル３６とＺ軸テーブル３８を粗動駆動して、インジェクションピペット３４をベース２２上の細胞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を用いてインジェクションピペット３４を微動駆動することとしている。

コントローラ４３は、例えば、演算手段としてのＣＰＵや記憶手段としてのＲＡＭ、ＲＯＭなどのハードウエア資源を備えたマイクロコンピュータで構成されており、所定のプログラムを基に各種の演算を行い、演算結果に従って駆動装置４０、４２に駆動指令を出力するとともに、演算結果に関する情報などをディスプレイ（パソコンディスプレイ）４５の画面上に表示させる制御手段として構成されている。

この際、図７に示すように、コントローラ４３に、顕微鏡２０の倍率を認識する倍率認識装置１００が接続されている場合、コントローラ４３は、倍率認識装置１００から顕微鏡２０の倍率に関する認識結果を示す信号を取り込み、顕微鏡２０の倍率がＸ倍未満のときには、駆動装置４０、４２に内蔵された粗動用モータ、例えば、ステッピングモータ１０２を駆動するためのステッパの設定を行い、顕微鏡２０の倍率がＸ倍以上のときには、圧電素子５４または８０を駆動するためのサーボの設定を行い、粗動時に、ステッピングモータ１０２に対して駆動を指令し、微動時には、圧電素子５４または８０に対して駆動を指令するようになっている。この場合、コントローラ４３が顕微鏡倍率を判別することで、粗動と微動を自動的に切替えることができる。

また、図８に示すように、粗動と微動を切替えるための切替えスイッチ１０４がコントローラ４３に接続または内蔵されている場合、コントローラ４３は、切替えスイッチ１０４がオン操作またはオフ操作されたときの信号を入力し、オン操作を示す信号が入力されたときには、ステッピングモータ１０２を駆動するためのステッパの設定を行い、オフ操作を示す信号が入力されたときには、圧電素子５４または８０を駆動するためのサーボの設定を行い、粗動時に、ステッピングモータ１０２を駆動し、微動時には圧電素子５４または８０を駆動するようになっている。

この場合、操作者が切替えスイッチ１０４をオン操作することで、粗動動作が可能となり、切替えスイッチ１０４をオフ操作することで、微動動作が可能となる。すなわち、コントローラ４３が切替えスイッチ１０４のオン操作またはオフ操作を判別することで、粗動と微動を自動的に切替えることができる。

一方、コントローラ４３の代わりに、２台のコントローラを用いる場合、例えば、図９に示すように、ステッパコントローラ４３ａとサーボコントローラ４３ｂを用い、ステッパコントローラ４３ａとサーボコントローラ４３ｂにそれぞれ認識装置１００が接続されている場合、ステッパコントローラ４３ａは、認識装置１００から認識結果として顕微鏡倍率に関する信号を入力し、顕微鏡倍率がＸ倍未満を示す信号が入力されたときに、ステッピングモータ１０２を駆動し、サーボコントローラ４３ｂは、認識装置１００から顕微鏡倍率に関する信号を入力し、顕微鏡倍率がＸ倍以上を示す信号が入力されたときに、圧電素子５４または８０を駆動する構成を採用することもできる。

この場合、ステッパコントローラ４３ａとサーボコントローラ４３ｂがそれぞれ顕微鏡倍率を判別することで、粗動と微動を自動的に切替えることができる。

また、図１０に示すように、ステッパコントローラ４３ａとサーボコントローラ４３ｂに粗動と微動を切替えるための切替えスイッチ１０４が接続されている場合、ステッパコントローラ４３ａは、認識装置１００から顕微鏡倍率に関する信号を入力し、顕微鏡倍率がＸ倍未満を示す信号が入力されたときに、ステッピングモータ１０２を駆動し、サーボコントローラ４３ｂは、認識装置１００から顕微鏡倍率に関する信号を入力し、顕微鏡倍率がＸ倍以上を示す信号が入力されたときに、圧電素子５４または８０を駆動する構成を採用することもできる。

この場合、操作者が切替えスイッチ１０４をオン操作することで、粗動動作が可能となり、切替えスイッチ１０４をオフ操作することで、微動動作が可能となる。すなわち、ステッパコントローラ４３ａとサーボコントローラ４３ｂが切替えスイッチ１０４のオン操作またはオフ操作を判別することで、粗動と微動を自動的に切替えることができる。

なお、切替えスイッチ１０４としては、パソコンディスプレイ４５のコントローラ画面上に作製したものを用いたり、スイッチ回路として作製したものを用いたりすることができる。

次に、コントローラ４３に倍率認識装置１００が接続されているときの動作を図１１に従って説明する。まず、コントローラ４３は、倍率認識装置１００から顕微鏡倍率に関する信号を取り込み、顕微鏡倍率がＸ倍未満であると判別したときには、ステッパの設定を行い、駆動装置４０、４２に内蔵された各軸の粗動用ステッピングモータ１０２に対して、粗動指令２００としてのパルス信号を印加する。粗動用ステッピングモータ１０２のうちＸ軸用モータ、Ｙ軸用モータ、Ｚ軸用モータがパルス信号に応答して回転駆動すると、ＸＹ軸テーブル３６がＸ軸またはＹ軸方向に沿って漸次ベース２２に近づく方向に移動するととともに、Ｚ軸テーブル３８がＺ軸に沿って漸次ベース２２に近づく方向に移動する。この場合、粗動用モータとして、ステッピングモータ１０２が用いられているので、粗動指令２００は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸用モータを設定回転数で回転させるために必要な角度ステップ数に相当するパルス信号を出力することになる。また、微動機構４４の圧電素子５４または微動機構４６の圧電素子８０には、初期設定電圧Ｖｓが印加されているだけであり、圧電素子５４は、軸受５８、６０の予圧の反力による圧縮荷重が作用した状態に、圧電素子８０は、軸受８４、８６の予圧の反力による圧縮荷重が作用した状態にある。

ＸＹ軸テーブル３６またはＺ軸テーブル３８の移動に伴ってインジェクションピペット３４が粗動用目標位置に到達すると、ＸＹ軸テーブル３６とＺ軸テーブル３８の駆動が停止される。ここで、コントローラ４３は、倍率認識装置１００の認識による顕微鏡倍率がＸ倍以上であると判別すると、駆動装置４２に微動指令２０２を印加する。コントローラ４３から駆動装置４２に微動指令２０２が印加されると、微動機構４４の圧電素子５４または微動機構４６の圧電素子８０に、微動指令２０２に従った微動用電圧Ｖ０が印加され、インジェクションピペット３４がその長手方向に沿って微動し、ベース２２上の細胞に対する挿入位置に位置決めされる。

例えば、微動機構４４を用いた場合、微動機構４４では、圧電素子５４の変位の半分の変位量がインジェクションピペット３４の微動変位量に設定されていることから、圧電素子５４には、微動変位量の２倍の変位を与えるための制御電圧と初期設定電圧Ｖｓとを加算した微動用電圧Ｖ０が印加されることになる。

このとき、例えば、圧電素子５４に２ｘの伸びが生じたときには、この伸びによる押圧力は微動制御を行う前の予圧荷重に加えて軸受外輪を押圧し、軸受５８、６０の各外輪５８ｂ、６０ｂ間の間隙６３が２ｘ分更に狭くなってねじ軸５０がＸ変位する。

逆に、圧電素子５４が２ｘ縮むと押圧力が減少し、軸受５８、６０の弾性変形がそれぞれｘずつ減少し、間隙６３が拡がる方向に、２ｘ変位することになり、ねじ軸がＸ変位する。

このように、間隙６３の変位２ｘを軸受５８、６０がｘずつ分けて吸収するので、軸受５８、６０を互いに押圧する力がバランスしたときに、スペーサ５２に嵌合している軸受５８、６０の内輪５８ａ、６０ａがねじ軸５０とともに軸方向にｘ変位する。これにより、ねじ軸５０に連結されているインジェクションピペット３４が軸方向にｘだけ変位する。つまり、圧電素子５４の２ｘの変位の半分の変位量がインジェクションピペット３４の微動変位量となって、インジェクションピペット３４が挿入位置に位置決めされる。

インジェクションピペット３４が挿入位置に位置決めされたときには、位置決めが完了したとして、微動機構４４の圧電素子５４または微動機構４６の圧電素子８０に、微動指令２０２に従ったインジェクション用電圧として、例えば、電圧Ｖ１が印加され、ベース２２上の細胞に対して、インジェクションピペット３４の先端側から針が挿入される。

本実施形態によれば、微動機構４４の圧電素子５４または微動機構４６の圧電素子８０に対する印加電圧を調整することで、インジェクションピペット３４に対してインジェクション動作または微動動作をさせることができ、構成の簡素化を図ることができるとともに、インジェクションピペット３４に対する位置決めを高精度に行うことができる。
また、マニピュレータ１６の駆動を制御するに際しては、コントローラ４３に接続されたジョイスティック４７またはマウス４９を用いることもできる。

ジョイスティック４７を用いる場合、コントローラ４３は、ジョイスティック４７から操作方向に関する信号を入力して、ジョイスティック４７の操作方向を判別し、例えば、ジョイスティック４７が右側に操作されたときに、ステッピングモータ１０２を駆動し、ジョイスティック４７が左側に操作されたときには、圧電素子５４または８０を駆動すること構成を採用することができる。

この場合、操作者がジョイスティック４７を右側に操作することで、粗動動作が可能となり、ジョイスティック４７を左側に操作することで、微動動作が可能となる。すなわち、コントローラ４３がジョイスティック４７の操作方向を判別することで、粗動と微動を自動的に切替えることができる。

一方、マウス４９を用いる場合、図１２（ａ）〜（ｃ）に示すように、パソコンディスプレイ４５上に映し出された顕微鏡画像上で、マウスポインタ４９ａがガラス針１１０の一部と重なったときに、マウス４９を少なくとも２点でクリックすることにより、ＸＹ軸において、ポイント・ツウ・ポイント（ＰＴＰ）駆動することで、マニピュレータ１６を駆動する。

また、マウス４９を用いる場合、図１３（ａ）〜（ｄ）に示すように、パソコンディスプレイ４５上に映し出された顕微鏡画像上で、マウスポインタ４９ａがガラス針１１０の一部と重なったときに、マウス４９をドラッグすることで、マウス４９の動きに追随して、マニピュレータ１６を駆動することができる。この場合、コントローラ４３は、マウス４９の動きを判別して、ステッピングモータ１０２または圧電素子５４、８０を駆動することで、マニピュレータ１６の粗動と微動を自動的に切り替えることができる。

なお、１つのシステム上にマニピュレータ１６を２台使用し、各マニピュレータ１６をマウス４９で制御する場合、どちらのマニピュレータ１６を制御するかを切替えスイッチ１０４によって選択しても良いし、２台のマウス４９で各マニピュレータ１６を制御しても良い。この場合、マウス４９の種類は問わない。例えば、ペン型などのマウスを用いることもできる。

本実施形態によれば、コントローラ４３により、倍率認識装置１００の認識結果や切り替えスイッチ１０４の操作状態、あるいはジョイスティック４７の操作方向、マウス４９の動きを判別し、この判別結果に従ってステッピングモータ１０２または圧電素子５４、８０を駆動するようにしたため、マニピュレータ１６の粗動と微動を自動的に切り替えることができる。

従って、ミリメートルオーダの駆動から回転モータの分解能以下の微小駆動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。

前記実施形態においては、Ｚ軸にナノポジショナとしての微動機構４４、４６を適用したものについて述べたが、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の全ての軸にナノポジショナ構造のサポート軸受を適用することができる。

本発明の一実施形態を示すマニピュレータシステムのブロック構成図である。 微動機構の一実施例を示す断面図である。 微動機構の他の実施例を示す断面図である。 インジェクション用電圧として矩形波状の電圧を用いたときの波形図である。 インジェクション用電圧として台形状の電圧を用いたときの波形図である。 インジェクション用電圧として三角波状の電圧を用いたときの波形図である。 倍率認識装置の認識結果をコントローラに設定してマニピュレータを駆動するときの構成図である。 切替えスイッチのオンオフ状態をコントローラに設定してマニピュレータを駆動するときの構成図である。 倍率認識装置の認識結果を２台のコントローラで判別してマニピュレータを駆動するときの構成図である。 切替えスイッチのオンオフ状態を２台のコントローラで判別してマニピュレータを駆動するときの構成図である。 インジェクション用マニピュレータの粗動時、微動時およびインジェクション時の動作を説明するための波形図である。 マウスをクリック操作してポイント・ツウ・ポイント（ＰＴＰ）駆動するときの操作方法を説明するための顕微鏡画像図である。 マウスをドラッグ操作してマニピュレータを駆動するときの操作方法を説明するための顕微鏡画像図である。

符号の説明

１０ マニピュレータシステム
１２ 顕微鏡ユニット
１４ ホールディング用マニピュレータ
１６ インジェクション用マニピュレータ
１８ カメラ
２０ 顕微鏡
２２ ベース
３４ インジェクションピペット
３６ ＸＹ軸テーブル
３８ Ｚ軸テーブル
４０、４２ 駆動装置
４３ コントローラ
４４、４６ 微動機構
４７ ジョイスティック
４９ マウス
５４、８０ 圧電素子
１００ 倍率認識装置
１０２ ステッピングモータ
１０４ 切り替えスイッチ

Claims (5)

1. 細胞に針を挿入するための駆動対象に連結された圧電素子の駆動により、前記駆動対象を微動させるナノポジショナと、
   モータの駆動により、前記ナノポジショナを伴って三次元空間を移動して、前記ナノポジショナの位置を制御する粗動機構と、
   前記モータまたは前記圧電素子に対して駆動を指令するコントローラと、を備え、
   前記コントローラは、前記モータに駆動を指令した後、前記圧電素子に駆動を指令し、前記駆動対象を前記細胞まで移動させてなるマニピュレータシステム。
2. 前記コントローラは、切替えスイッチに接続され、前記切替えスイッチの切替え操作に従って前記モータまたは前記圧電素子に対して駆動を指令してなる請求項１記載のマニピュレータシステム。
3. 前記コントローラは、顕微鏡の倍率を認識する倍率認識装置に接続され、前記倍率認識装置の認識結果に従って前記モータまたは前記圧電素子に対して駆動を指令してなる請求項１記載のマニピュレータシステム。
4. 前記コントローラは、ジョイスティックに接続され、前記ジョイスティックの操作に従って前記モータまたは圧電素子に対して駆動を指令してなる請求項１記載のマニピュレータシステム。
5. 前記コントローラは、顕微鏡画像を表示するパソコンディスプレイに接続され、前記顕微鏡画像を操作するマウスの動作に従って前記モータまたは前記圧電素子に対して駆動を指令してなる請求項１記載のマニピュレータシステム。

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