JP2009208220A - マニピュレータ及びマニピュレータシステム - Google Patents

Abstract

【課題】キャピラリを所定位置にセッティングするときに操作者による誤動作を防止可能なマニピュレータを提供する。
【解決手段】このマニピュレータは、微小対象物を操作するためのキャピラリを圧電素子９２により微動駆動する微動機構と、キャピラリを３軸方向に駆動する駆動手段と、圧電素子が発生する電圧を検知する電圧検知手段９７と、電圧検知手段による電圧検知に基づいてキャピラリの他部分への接触状態を監視する監視手段４５，９８と、を備える。
【選択図】図９

Description

本発明は、細胞等の微小な対象物を操作するマニピュレータ及びマニピュレータシステムに関する。

バイオテクノロジ分野において顕微鏡観察下で卵や細胞に精子やＤＮＡ溶液を注入するなどのように細胞等の微小な対象物に操作を行うマニピュレータが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献２は、ガラスキャピラリ等の操作針の針先を標本の目標位置近傍に容易にセットするために、操作針を有する電動マニピュレータを用い、電動で焦点を合わせる顕微鏡装置を開示し、焦点合わせとマニピュレータ駆動との連動・非連動を切り換えて操作針を駆動し操作針をセッティングする。

特許文献３は、マイクロマニピュレータの操作性の向上を図るために、顕微鏡とマイクロマニピュレータとＴＶカメラとを備え、ＴＶカメラで得られた撮影画像と、細胞及びマイクロマニピュレータの先端の高さ位置とがモニタに表示されるマイクロマニピュレータシステムを開示する。特許文献４は、移動制限設定時におけるガラスキャピラリなどの微小器具の損傷を防止するために、顕微鏡とマイクロマニピュレータと制御部とを備えるマイクロマニピュレータシステムを開示し、顕微鏡における合焦位置に基づいて容器と微小器具との相対位置関係を得、この獲得結果に基づいて、マイクロマニピュレータによる微小器具の移動を制限し、ガラスキャピラリなどの損傷を防ぐ。
特開２００４−３２５８３６号公報 特開２００６−２３４８７号公報 特開平０６−１０９９７９号公報 特開平０６−１６７６５６号公報

上述のように、マニピュレータにおいてガラスキャピラリをセッテイングする際に、電動化し自動化した装置があるが、ガラスキャピラリは、操作する人や操作内容が異なる場合に応じてさまざまな形状のものが使用される。このため、電動化によりセッティング操作をする場合は、マニピュレータの操作以外に、セッティングする操作をも別途操作者は学習する必要がある。

また、マニピュレータのコントローラ側でも、セッティング作業を電動化するために複雑な構成のプログラムがマニピュレータの駆動とは別に必要となる。また、使用するガラスキャピラリは全て均一な形状ではなく、操作に慣れていないものにとって、困難な作業になる。

本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、キャピラリを所定位置にセッティングするときに操作者による誤動作を簡単な構成で防止可能なマニピュレータ及びマニピュレータシステムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本実施形態のマニピュレータは、微小対象物を操作するためのキャピラリを圧電素子により微動駆動する微動機構と、前記キャピラリを３軸方向に駆動する駆動手段と、前記圧電素子が発生する電圧を検知する電圧検知手段と、前記電圧検知手段による電圧検知に基づいて前記キャピラリの他部分への接触状態を監視する監視手段と、を備えることを特徴とする。

このマニピュレータによれば、キャピラリが駆動されて他部分に接触して圧電素子に圧力が加わったとき圧電素子から電圧が発生することを利用し、マニピュレータを駆動手段により駆動してキャピラリを所定位置にセッティングするとき、圧電素子から発生する電圧を検知し監視することで、キャピラリがシャーレ等の容器の底面や側面等の他部分に接触する等の操作者による誤動作を防止することができる。

上記マニピュレータにおいて前記監視手段は、前記電圧検知手段による電圧検知に基づいて前記キャピラリの接触状態についての警告を発する警告手段を備えることで、かかる接触を操作者に知らしめることができ、接触回避の操作を促すことができる。例えば、検知電圧のレベルや電圧差が所定値以上となったときに接触と判断し、警告手段で警告を発するようにできる。

また、前記電圧検知手段による電圧検知に基づいて前記キャピラリの駆動を停止することで、キャピラリの破損等を未然に防止できる。例えば、検知電圧のレベルや電圧差が所定値以上となったときに接触と判断し、キャピラリの駆動を停止するようにできる。

なお、前記電圧検知手段による検知電圧のレベルや電圧差に応じて、警告手段による警告と、キャピラリ駆動停止（または警告に加えてキャピラリ駆動停止）とを、別々に制御するようにしてもよい。

また、前記駆動機構は、外周側にねじ部を有するねじ軸と、回転軸をその軸方向への移動を自在に支持するとともに前記回転軸を回転駆動するモータと、前記回転軸に固定されて前記ねじ軸にねじ結合され、前記ねじ軸をその軸方向への移動を自在に支持するねじ要素と、を有し、前記モータの回転により前記キャピラリを前記軸方向に駆動し、前記微動機構が前記圧電素子への印加電圧に応じて前記キャピラリを前記軸方向に微動駆動するように構成できる。

なお、前記キャピラリの動作を制御する制御部と、前記制御部に対し前記キャピラリの動作を指示するために操作者により操作される操作部と、を備え、前記操作部が、前記指示の少なくとも一部を押されることで実行するボタン操作部を有し、前記ボタン操作部を押すことで、前記キャピラリによる操作の少なくとも一部の動作が行われるように構成できる。これにより、キャピラリの動作を指示する操作部にボタン操作部を設け、キャピラリによる例えばインジェクション等の操作の少なくとも一部の動作がボタン操作部を押すことで行われるので、細胞や卵子等の微小対象物に対する例えばインジェクション等のための動作を、人為的な誤差の発生が抑えられて、確実に精度よく繰り返して行うことができる。

本実施形態のマニピュレータシステムは、前記キャピラリがインジェクション操作を行う上述のマニピュレータと、前記微小対象物を保持するキャピラリの動作を行う別のマニピュレータと、を備える。上述のマニピュレータによりキャピラリでインジェクション操作を行う際に、そのインジェクション用のキャピラリを所定位置にセッテイングするとき、圧電素子から発生する電圧を検知し監視することで、キャピラリが微小対象物を保持する別のキャピラリやシャーレ等の容器の底面や側面等の他部分に接触する等の操作者による誤動作を防止することができる。

なお、上記マニピュレータシステムは、さらに、前記各キャピラリの先端と前記微小対象物とを観察可能な顕微鏡と、前記顕微鏡からの画像信号に基づいて顕微鏡画像を表示するＣＲＴや液晶パネル等からなる表示部（ディスプレイ）と、を備え、前記表示部に上述の微小対象物及び各キャピラリの先端を表示させて観察しながら各種操作を行うことができる。

本発明のマニピュレータ及びマニピュレータシステムによれば、キャピラリを所定位置にセッティングするときに操作者による誤動作を防止することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。図１は本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微小な対象物である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１４、１６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、試料台を備え、試料台の上にシャーレ２２が配置されている。このシャーレ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、シャーレ２２に向けて光を照射する光源を備えている。

シャーレ２２内には例えば試料（図示せず）を含む溶液が収容される。この状態で、シャーレ２２内の試料に顕微鏡２０から光が照射され、シャーレ２２内の試料（例えば、細胞や卵）で反射した光が顕微鏡２０に入射すると、細胞や卵に関する光学像は、顕微鏡２０で拡大されたあとカメラ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。

マニピュレータ１４は、図１に示すように、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２５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の移動にしたがって３次元空間を移動領域として移動し、シャーレ２２内の細胞など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（インジェクションピペット）３４と、Ｘ‐Ｙ軸テーブル３６と、Ｚ軸テーブル３８と、Ｘ‐Ｙ軸テーブル３６を駆動する駆動装置４０と、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の先端にはガラス製のキャピラリ３５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の移動にしたがって３次元空間を移動領域として移動し、シャーレ２２内の試料に人工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り、以下、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、シャーレ２２内の細胞や卵を、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、シャーレ２２内の細胞などを含む３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の先端側からシャーレ２２内の細胞（試料）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（３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とピペット３４との連結部は、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を設置している方向へ自在に移動可能に支持するとともに、さらに、ピペット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とピペット３４との連結部には、ナノポジショナとして、微動機構４４を備えている。

微動機構４４は、図２乃至図４に示すように、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、ほぼ筒状に形成されたハウジング４８内には、ピペット３４を駆動対象として、外周側にねじ部を有するねじ軸５２と、ねじ軸５２を囲む中空状の回転軸５４が挿通されている。ハウジング４８はその底部がベース５６に固定されている。

ねじ軸５２の先端側には、治具５８を介してピペット３４の根元側が連結されており、ねじ軸５２の中程には、ねじ軸５２外周のねじ部とねじ結合されるねじ要素としてのボールねじナット（ＢＳナット）６０が装着され、治具５８とねじ軸５２との間にはスライダ６２が連結されている。スライダ６２はベース５６とほぼ直交する方向に配置され、切り欠き６４を間にしてリニアガイド６６に連結されている。リニアガイド６６はベース５６底部側に配置され、ベアリング６８を介して、ねじ軸５２の軸方向に沿って移動自在にベース５６に連結されている。

すなわち、リニアガイド６６は、ねじ軸５２の軸方向の移動に合わせて、ねじ軸５２の先端側を支持したスライダ６２を、ベース５６に沿って往復動させるようになっている。この際、ねじ軸５２のうちボールねじナット６０よりもピペット３４側の部位が、スライダ６２を介してリニアガイド６６でスライド自在に支持されるので、ねじ軸５２の直線運動をピペット３４へ伝達することができる。

ボールねじナット６０は、回転軸５４の軸方向一端側（先端側）の段部５４ａに固定されているとともに、ねじ軸５２外周のねじ部とねじ結合され、ねじ軸５２がその軸方向に沿って往復動（直線運動）するのを自在に支持するようになっている。すなわち、ボールねじナット６０は、回転軸５４の回転運動をねじ軸５２の直線運動に変換するための要素として構成されている。

回転軸５４の軸方向他端側は、中空モータ７０内の回転部に連結している。中空モータ７０のハウジング７４は、その底部側がベース５６に弾性体としてのゴムワッシャ７６を介してボルト７８が固定されている。中空モータ７０が駆動されると回転軸５４が回転し、回転軸５４の回転運動がボールねじナット６０を介してねじ軸５２に伝達され、ねじ軸５２がその軸方向に沿って直線運動するようになっている。なお、モータ７０と回転軸５４との連結にカップリングを使用してもよい。

一方、回転軸５４の段部５４ａに隣接して、軸受８０、８２が内輪間座８４を間にして収納されている。軸受８０、８２は、それぞれ内輪８０ａ、８２ａと、外輪８０ｂ、８２ｂと、内輪と外輪間に挿入されたボール８０ｃ、８２ｃを備え、各内輪８０ａ、８２ａが回転軸５４の外周面に嵌合され、各外輪８０ｂ、８２ｂがハウジング４８の内周面に嵌合され、回転軸５４を回転自在に支持するようになっている。軸受８０、８２は、内輪間座８４を間にし、回転軸５４にロックナット８６により固定されている。軸受８０は、ハウジング４８内の段部５４ａと円環状のスペーサ９０と当接することにより、回転軸５４の軸方向への移動が規制されるようになっている。軸受８２の外輪８２ｂとハウジング４８の蓋８８との間に、円環状の圧電素子９２と円環状のスペーサ９０が配置されている。

また、各軸受８０、８２、圧電素子９２は、スペーサ９０の長さを調節し、蓋８８を閉めることにより、予圧が付与される。

具体的には、スペーサ９０の長さを調整し、蓋８８を閉めると、その位置に応じた締結力が軸受８２と軸受８０の外輪８２ｂ、８０ｂに、軸方向に沿った押圧力として予圧が付与されるとともに、同時に圧電素子９２にも予圧が付与される。これにより、軸受８０、８２および圧電素子９２に所定の予圧が付与され、軸受８０、８２の外輪間に軸方向間の距離としての間隙９４が形成される。

圧電素子９２は、リード線（図示せず）を介して制御回路としてのコントローラ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回転軸５４の長手方向（軸方向）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。すなわち、圧電素子９２は、コントローラ４３からの印加電圧に応答して、回転軸５４の軸方向に沿って伸縮し、回転軸５４をその軸方向に沿って微動させるようになっている。回転軸５４が軸方向に沿って微動すると、この微動がねじ軸５２を介してピペット３４に伝達され、ピペット３４の位置が微調整されることになる。

圧電素子９２に印加する電圧の電圧波形としては、正弦波、矩形波、三角波などを用いることができる。また圧電素子９２に電圧を印加する方法としては、操作者がボタン４３Ｂを押している間、信号波形を連続して出力して駆動してもよいし、バースト波形を使用してもよい。

本実施形態においては、軸受８０、８２のうち軸受８０の内輪８０ａと外輪８０ｂの変位量であって、圧電素子９２の変位の半分の変位量がピペット３４の変位量に設定されているため、圧電素子９２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とを加算した微動用電圧を印加することになる。

例えば、圧電素子９２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８２の外輪８２ｂを押圧し、軸受８０の外輪８０ｂを軸方向に移動させ、軸受８０、８２の各外輪間の間隙９４が２ｘ分更に狭くなって圧電素子９２の軸方向の伸びを吸収する。

この間隙９４の変位は、弾性変形に伴って軸受８０、８２がそれぞれ軸方向にｘずつ変位し、軸受８０の外輪８０ｂが軸方向に合わせて２ｘ変位することにより生じる。

逆に、圧電素子９２が２ｘ縮むと、押圧力が減少し、軸受８０、８２の弾性変形がそれぞれｘずつ減少し、間隙９４が広がる方向に、軸受８０の外輪８０ｂが軸方向に合わせて２ｘ変位することになり、圧電素子９２の縮む分を吸収する。

このように、間隙９４の変位ｘを軸受８０、８２がｘずつ分けて吸収するので、軸受８０、８２を互いに押圧する力がバランスしたときに、軸受８０、８２の内輪８０ａ、８０ｂが回転軸５４と共に軸方向にｘ変位する。これにより、回軸軸５４にねじ軸５２を介して連結されたピペット３４が軸方向にｘだけ変位する。つまり、圧電素子９２の２ｘの半分の変位量がピペット３４の微動変位量となってピペット３４が挿入位置に挿入される。ピペット３４が挿入位置に位置決めされたあと、圧電素子９２にインジェクション用電圧を印加すると、ピペット３４がインジェクション動作を行うことになる。

本実施形態によれば、中空モータ７０の駆動に伴う回転軸５４の回転運動をボールねじナット６０を介して直線運動に変換してねじ軸５２に伝達し、中空モータ７０の粗動駆動に伴うねじ軸５２の直線運動によってピペット３４をその軸方向に沿って粗動駆動し、微動機構４４の微動駆動に伴うねじ軸５２の直線運動によってピペット３４をその軸方向に沿って微動駆動させるようにしたため、ピペット３４にキャピラリ３５を取り付けるだけで、ピペット３４を直線運動させることができ、顕微鏡作業箇所に配置されたシャーレ２２へ向けてピペット３４を移動させたり、シャーレ２２からピペット３４を退避させたりする際に、煩雑な作業を不要とすることができる。

次に、本実施形態による圧電アクチュエータの別の例について図７を参照して説明する。図７は、本実施形態による別の圧電アクチュエータの平面から内部を見た断面図である。

図７の圧電アクチュエータは、上述のアクチュエータの構造においてＢＳねじ軸にインジェクション用のピペット保持部材を固定したものである。すなわち、図２〜図４の圧電アクチュエータと基本的に同一の構成であるが、ボールねじナットに接続している回転軸を省略してボールねじナットと一体化し、ＢＳねじ軸を中空にし、中空のＢＳねじ軸内にピペット保持部材を配置して固定したものである。

図７の圧電アクチュエータは、上述の微動機構４４として使用可能であり、ほぼ筒状に形成されたハウジング１１０内には、外周側にボールねじ（ＢＳねじ）部を有する中空のねじ軸１２２と、ねじ軸１２２の外周のねじ部とねじ結合されるねじ要素としてのボールねじナット（ＢＳナット）１２１とが挿通されている。

図７のように、ハウジング１１０の内周側であってボールねじナット１２１の外周側には、軸方向先端側から、軸受１１１と、軸受１１２と、内輪間座１１３と、ロックナット１１４と、間座１１７と、圧電素子１１５と、が軸方向に並ぶように配置されている。軸受１１１と軸受１１２と内輪間座１１３とは、図３の軸受８０、８２、内輪間座８４と同様の構成である。

ボールねじナット１２１のつば部１２１ａが軸受１１１の内輪１１１ｂの側面に当接し、つば部１２１ａとロックナット１１４との間で軸受１１１の内輪１１１ｂと軸受１１２の内輪１１２ｂとが内輪間座１１３を挟んでロックナット１１４の締め付けにより固定されている。

軸受１１１は外輪１１１ａの側面がハウジング１１０のつば部１１０ａに当接するように配置されている。また、全体が円環状で断面Ｌ字形の間座１１７が軸受１１２の外輪１１２ａの側面に当接しかつロックナット１１４の収容空間を形成するように配置されている。円環状の圧電素子１１５が軸受１１２の外輪１１２ａに間座１１７を介して配置される。間座１１７は圧電素子１１５の変位を軸受１１２の外輪１１２ａへ伝達する。軸受１１１，１１２と圧電素子１１５には、間座１１７の軸方向の寸法を調整し、蓋１１６をハウジング１１０に取り付けることで予圧が付与される。

ボールねじナット１２１の回転軸部１２１ｂは、ハウジング１１０の蓋１１６の外側まで延在し、中空モータ１２０内の回転部に連結し、中空モータ１２０の回転により回転駆動される。ハウジング１１０及び中空モータ１２０は、図２〜図４と同様にしてベース５６に固定されている。

ボールねじナット１２１は、ハウジング１１０により軸受１１１，１１２を介して回転可能に支持されており、回転軸部１２１ｂがねじ軸１２２の外周のねじ部とねじ結合され、中空モータ１２０の回転により回転軸部１２１ｂとともに回転しながら、ねじ軸１２２がその軸方向に沿って往復動（直線運動）することを支持する。このように、ボールねじナット１２１は、回転軸部１２１ｂの回転運動をねじ軸１２２の直線運動に変換するための要素として構成されている。

中空のねじ軸１２２内にはピペット保持部材１３０の直線状の円筒部１３１が挿通し、ねじ軸１２２の中空内に円筒部１３１がねじ固定や接着固定等により固定されている。ピペット保持部材１３０は、内部に図２〜図４のようなピペットを保持し保護しており、その先端側にはインジェクション用のキャピラリ３５が取り付け固定され、その後端側には細胞等へのインジェクションのための溶液を送るチューブ１３２が接続されている。

中空モータ１２０の回転によりボールねじナット１２１が回転することで、ボールねじナット１２１とねじ結合したねじ軸１２２がピペット保持部材１３０とともに直線運動し、キャピラリ３５が図の矢印方向に直線的に往復動する。また、圧電素子１１５は、図１のコントローラ４３からの印加電圧に応答して、ねじ軸１２２の軸方向に沿って伸縮し、ねじ軸１２２をピペット保持部材１３０とともにその軸方向に沿って微動させる。ねじ軸１２２が軸方向に沿って微動すると、キャピラリ３５も軸方向に微動し、キャピラリ３５の位置を微調整できる。

図７の圧電アクチュエータは、図１のインジェクション用マニピュレータ１６に上述の微動機構４４として適用されることで、図１〜図６と同様にして、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用のキャピラリ３５をシャーレ２２内の細胞に近づけて位置決めした後、キャピラリ３５を微動駆動することができる。

図７の圧電アクチュエータによれば、図２〜図４ではボールねじナットに回転軸が取り付けられているが、図７では回転軸が不要であり、部品を削減でき、組立も容易化できるため、安価に提供できる。また、ピペット保持部材１３０と圧電素子１１５とを同軸上に配置できるとともに、圧電素子１１５とピペット保持部材１３０との位置関係も可能な限り近づけることができるので、圧電素子１１５の動作を効率よくキャピラリ３５へ伝達することができる。

また、図７の圧電アクチュエータの微動機構４４により、電動でガラスキャピラリの微細な位置決め（セッティング）が可能になる。また、アクチュエータ内には、ばね要素として軸受１１１，１１２及びボールねじナット１２１のボールねじしか存在しないため、従来よりも高剛性のアクチュエータを実現でき、位置決めの際の応答性が向上する。

また、ボールねじナット１２１が回転するナット回転型のアクチュエータにピペット保持部材１３０を取付けており、キャピラリ３５をセッティングする際に、操作者はピペット保持部材１３０やマニピュレータ１６に触ることなく、図７の圧電アクチュエータを駆動することでキャピラリ３５を顕微鏡作業箇所から退避させ、逆に、顕微鏡作業箇所へ移動させることが可能となる。

また、図７のナット回転型アクチュエータ内に圧電素子１１５が配置されているため、圧電素子がピペット保持部材に直付けされておらず、このため、ピペット保持部材１３０の取付け時の煩雑な作業が不要となる。

次に、本実施形態による圧電アクチュエータのさらに別の例について図８を参照して説明する。図８は、本実施形態によるさらに別の圧電アクチュエータの平面から内部を見た断面図である。

図８の圧電アクチュエータは、図７の構成と比べ、ピペット保持部材１３０の外周上にボールねじ（ＢＳ）のねじ加工を施し、中空のねじ軸１２２を省略した以外は、基本的な構成は同一である。すなわち、ピペット保持部材１３０は外周がＢＳねじ加工された直線状の円筒部１３３を有し、ボールねじナット１２１は、直線状の円筒部１３３の外周のねじ部とねじ結合されている。図８の圧電アクチュエータは、図７と同様に駆動され、図１のインジェクション用マニピュレータ１６に上述の微動機構４４として適用される。

図８の圧電アクチュエータによれば、図７と同様の作用効果を得ることができるとともに、中空のねじ軸１２２を省略できるので、図７の中空のねじ軸１２２とピペット保持部材１３０との組立作業が不要となり、部品点数の削減につながるとともに、組み立ても容易となるから、安価に提供できる。

次に、図１〜図６のマニピュレータシステム１０のコントローラ４３による制御について図９〜図１１を参照して説明する。図９は図１のコントローラ４３による制御系要部を示すブロック図である。図１０は図９の表示部４５に表示される画面例を示す図である。図１１は図１，図９ジョイスティックの具体例を示す斜視図である。

図１，図９のコントローラ４３は、演算手段としてのＣＰＵ（中央演算処理装置）及び記憶手段としてのハードディスク、ＲＡＭ、ＲＯＭなどのハードウエア資源を備え、所定のプログラムに基づいて各種の演算を行い、演算結果に従って各種の制御を行うように駆動指令を出力する。すなわち、コントローラ４３は、マニピュレータ１４の駆動装置３０，３２，マニピュレータ１６の駆動装置４０，４２，微動機構４４の圧電素子９２等を制御し、必要に応じて設けられたドライバやアンプ等を介してそれぞれに駆動指令を出力する。例えば、圧電素子９２は、コントローラ４３により制御される信号発生器９５から信号を発生させアンプ９６で増幅された電圧信号により駆動される。

また、コントローラ４３には、情報入力手段としてキーボードの他にジョイスティック４７，マウス４３Ａ，ボタン４３Ｂ（図１）が接続されており、さらに、ＣＲＴや液晶パネルからなる表示部４５が接続され、表示部４５にはカメラ１８で取得した顕微鏡画像や各種制御用画面等が表示されるようになっている。

また、コントローラ４３は、マニピュレータ１４，１６を所定のシーケンスで自動的に駆動するようになっている。かかるシーケンス駆動は、所定のプログラムによるＣＰＵの演算結果に基づいてコントローラ４３が順次、それぞれに駆動指令を出力することで行われる。

表示部４５には、カメラ１８で撮像したキャピラリ２５，３５の画像を含めて卵等の微小な操作対象物の顕微鏡画像や演算結果に関する情報や各種制御用ボタンなどが表示される。例えば、図１０のように、画像表示部４５ａには、カメラ１８による顕微鏡画像が表示され、例えば、微小対象物である卵Ｄと、卵Ｄを保持したキャピラリ２５と、インジェクション用のキャピラリ３５とが表示されるとともに、画像表示部４５ａの例えば下側にキャピラリ３５のセッテングのときの警告ランプ４５ｂが表示され、画像表示部４５ａの上側に画像表示部４５ａの顕微鏡画像の倍率を切り替える切り替えボタン４５ｃが表示される。切り替えボタン４５ｃは図９のマウス４３Ａによりクリックすることで操作可能である。

上述のように、圧電素子９２には圧電素子９２の駆動のときにアンプ９６から信号電圧が印加される一方、圧電素子９２で発生する電圧を電圧測定部９７で測定し検知し、測定された電圧はコントローラ４３に入力するようになっている。

圧電素子は、ピエゾ素子ともいわれ、一般に、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する一方、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。すなわち、圧電素子は、電圧を加えることで伸縮する一方、圧力を加えることで電圧を発生する。

本実施形態では、圧電素子９２は、微動機構４４にキャピラリ３５の微動駆動のために設けられているが、キャピラリ３５が例えばシャーレ等の容器の底面や側面に接触したとき、その接触による外力が図３のピペット３４，ねじ軸５２，軸受８０，８２，スペーサ９０等を介して圧電素子９２に加わることにより発生する電圧を電圧測定部９７で計測することでコントローラ４３上で監視する。

すなわち、コントローラ４３は、電圧測定部９７による測定電圧が例えば所定のレベルや電圧差以上となったとき、図１０の表示部４５に表示された警告ランプ４５ｂを赤や黄の目立つ色で点滅させて警告を発したり、また、キャピラリ３５の駆動を停止するように制御する。また、表示部４５の警告ランプ４５ｂとは別にランプ点滅や警告音発生等を行う警告部９８を設け、警告部９８を作動させるようにしてもよい。

図１のマニピュレータシステム１０の操作のため、図１，図９，図１１のように、コントローラ４３に接続されたジョイスティック４７を主に用いることができ、マニピュレータ１４，１６に対し１つずつ用意する。ジョイスティック４７は、図１１のように、複数のボタン４７ａ〜４７ｇとハンドル４７ｈとを有する。ハンドル４７ｈは、右方向Ｒ、左方向Ｌに傾斜させる（倒す）ことで図１の駆動装置３０，４０を駆動しマニピュレータ１４，１６をＸ軸方向、Ｙ軸方向に駆動でき、回転させる（ひねる）ことで駆動装置３２，４２を駆動しＺ軸方向に駆動できる。また、各ボタン４７ａ〜４７ｇに各機能の操作を割り当てることができ、例えば、ボタン４７ａ，４７ｂに図２〜図４の圧電アクチュエータ（微動機構４４）の圧電素子９２，モータ７０の操作を割り当てる。

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、ジョイスティック４７のハンドル４７ｈを操作して、ＸＹ軸テーブル３６とＺ軸テーブル３８を粗動駆動し、インジェクションピペット３４をシャーレ２２内の細胞に近づけて位置決めした後、微動機構４４を用いてピペット３４を微動駆動することができる。

具体的には、ピペット３４にガラス製のキャピラリ３５を装着するに際しては、図５に示すように、顕微鏡作業箇所に配置されたシャーレ２２からピペット３４を退避させる状態になるように、マニピュレータ１４，１６を駆動する。これにより、ピペット３４にキャピラリ３５を装着する際、十分な作業スペースが得られる。

キャピラリ３５をピペット３４に装着した後は、ジョイスティック４７の操作等に基づくコントローラ４３からの指令により、マニピュレータ１４を駆動し、図６に示すように、キャピラリ３５が装着されたピペット３４を顕微鏡作業箇所であるシャーレ２２に向けて移動させる。

キャピラリ３５を顕微鏡作業箇所に移動させる際、１回目（初めての）の操作の場合、図１０の切り替えボタン４５ｃを操作し、画像表示部４５ａに表示される画像の顕微鏡視野倍率を低倍にし、マニピュレータ１６の駆動装置４０，４２や微動機構４４を駆動することで、顕微鏡２０の視野内にキャピラリ３５が確認でき次第、駆動装置４０，４２や微動機構４４の駆動を停止する。

このあと、コントローラ４３の画像処理を利用し、駆動装置４０，４２や微動機構４４を駆動することで、顕微鏡２０の視野内において、キャピラリ３５を最適位置へ移動し、駆動装置４０，４２や微動機構４４の駆動を停止する。このとき、１回目の操作の際に駆動した各テーブル３６，３８や微動機構４４による移動量をコントローラ４３に記憶させる。なお、上記キャピラリの最適位置への移動は、駆動装置４０，４２によるＸＹＺの駆動系（Ｘ‐Ｙ軸テーブル３６，Ｚ軸テーブル３８）及び微動機構４４の両方または一方を適宜用いる。

次に、マニピュレータ１６を操作し、シャーレの交換あるいはキャピラリ３５の交換が必要になった場合、駆動装置４０，４２や微動機構４４を駆動し、顕微鏡作業箇所からキャピラリ３５を退避させるための操作を行う。このときジョイスティック４７の操作により、キャピラリ３５をセッティングした位置まで駆動する。なお、ボタン４３Ｂを用いて任意の位置まで退避するようにしてもよい。

一方、再度、顕微鏡作業箇所へキャピラリ３５を移動する場合、１回目にセッティングした際の位置をコントローラ４３が記憶しているため、マニピュレータ１６で、容易にキャピラリ３５の位置を調整することが可能になる。

また、一連の細胞操作作業中にキャピラリ３５を交換する必要があった場合でも、ピペット３４をマニピュレータ１６から外すことなく、キャピラリ３５をセッティングすることが可能となるので、作業効率を向上することができる。

キャピラリ３５として、その形状が均一なものを使用する場合は、本実施形態に係るマニピュレータ１６を用いることで、従来のものよりも効率を向上させることができる。また、キャピラリ３５の形状にばらつきがある場合でもピペット３４をアクチュエータ（ねじ軸５２）の駆動によって直線往復運動させることができるため、キャピラリ３５の位置を微細に調整することができる。

また、キャピラリ３５が細胞の挿入位置に位置決めされたときには、ジョイスティック４７を操作して圧電素子９２にインジェクション用の電圧を印加し、微動機構４４を微動駆動することで、ピペット３４によるインジェクション動作を行うことができる。この際、圧電素子９２からピペット３４を支持する治具５８までの間には弱いばね要素を配置していないため、高い応答性を得ることが可能である。

上述のインジェクション用のキャピラリ３５をインジェクション操作前に最適位置へ移動させてセッテイングする際の動作について図１２，図１３を参照してさらに説明する。図１２は図１のインジェクション用のキャピラリ３５の操作中におけるシャーレ２２の底面２２ａに対する相対位置（ａ）〜（ｄ）を概略的に示す図である。図１３は図１２（ｃ）のようにキャピラリ３５がシャーレ２２の底面２２ａに接触したときの圧電素子９２の電圧値の変化を示す図である。

上述のように、マニピュレータ１６により駆動装置４０，４２や微動機構４４を駆動し、インジェクション用のキャピラリ３５をジョイスティック４７等の操作で最適位置にセッテイングする際に、キャピラリ３５を例えば、図１２（ａ）のように下向き方向ｚに移動させたとき、図１２（ｂ）のようにキャピラリ３５がシャーレ２２の底面２２ａに接近し、図１２（ｃ）のように、さらに接近してキャピラリ３５の先端が底面２２ａに接触すると、圧電素子９２から電圧が瞬間的に発生する。圧電素子９２から発生して図９の電圧測定部９７で測定した電圧値を、コントローラ４３（または電圧測定部９７）は、図１３のようにサンプリング時間Δｔで集録し、Δｔの間の電圧値の差ΔＶ（圧電素子９２に印加されている電圧Ｖ０に対する電圧差）を算出し、その電圧差ΔＶが所定値以上であれば警告を表示する。

例えば、コントローラ４３において電圧差ΔＶの第１限界値Ｖ１を予め設定しておき、測定した電圧差ΔＶが図１３のように限界値Ｖ１以上になったとき、例えば、図１０の表示部４５で警告ランプ４５ｂが点滅する。この警報により、操作者はキャピラリ３５がシャーレ２２の底面２２ａに接触したことを知ることができるので、ジョイスティック４７を操作し、図１２（ｄ）のように、キャピラリ３５を上向き方向ｚ’に移動させ、底面２２ａから離す。または、マニピュレータ１６（駆動装置４０，４２や微動機構４４）の駆動を停止する。これにより、キャピラリ３５の位置調整中にキャピラリ３５が他部分に当たって折損・破損することを未然に防止できる。

また、コントローラ４３において第１限界値Ｖ１よりも大きい第２限界値Ｖ２を予め設定し、測定した電圧差ΔＶが第２限界値Ｖ２以上になったとき、例えば、マニピュレータ１６（駆動装置４０，４２や微動機構４４）の駆動を自動的に停止し、キャピラリ３５の駆動を強制的に止める。これにより、例えばキャピラリ３５が底面２２ａに比較的強く接触して電圧差ΔＶがサンプリング時間Δｔの間に急激に大きくなった場合等に、キャピラリ３５のそれ以上の移動を止めることで、キャピラリ３５の位置調整中にキャピラリ３５の折損・破損を未然に防止できる。なお、この場合、警告ランプ４５ｂの点滅を続けるようにしてもよい。

また、上述の表示部４５における警告ランプ４５ｂの点滅の代わりに、または、警告ランプ４５ｂの点滅とともに、別の警告部９８を駆動し、ランプを点滅させたり、ブザー等の警告音を発するようにしてもよい。

なお、キャピラリ３５の他部分（キャピラリ２５やシャーレ２２の底面２２ａや側面２２ｂ等）への接触の状態やタイミング等によって、圧電素子９２から図１３の破線で示すようにマイナス（−）方向に電圧差が発生する可能性がある場合は、電圧差ΔＶの絶対値で限界値Ｖ１，Ｖ２と比較するように構成してもよく、また、マイナス（−）方向に、別の限界値を予め設定するようにしてもよい。

また、表示部４５における警告表示として、ランプの点滅ではなく、例えば、「キャピラリが他部分に接触しています！」等の警告メッセージを例えば図１０の画面４５ａの下側のスペース４５ｄに表示するようにしてもよく、かかる警告メッセージを赤色や黄色の目立つ色で点滅表示するようにしてもよい。

また、上記セッティング操作のとき、ジョイスティック４７でマニピュレータ１６を駆動する場合は、上述のように警告表示はコントローラ４３の表示部４５の画面上にするのが好ましいが、ジョイスティック４７に振動モータ等の振動部が内蔵している場合、この振動部を駆動することで操作者へ伝え、警告するようにしてもよい。また、手動でマニピュレータ１６を駆動してもよいが、この場合は、別の警告部９８を駆動することが好ましい。

また、圧電素子９２からの電圧信号を測定する際、電圧測定部９７にアンプ、フィルタを設置し、ノイズを除去して電圧信号を集録し測定するようにしてもよい。

以上のように、本実施形態によれば、マニピュレータシステム１０により細胞や卵にインジェクション等の微細な操作を行う際に、インジェクション用のキャピラリ３５を駆動し所定の最適位置にセッテングするとき、マニピュレータ１６に備えられた微動駆動のための圧電素子９２の電圧を計測できるようにし、圧電素子９２からの電圧値をコントローラ４３上で監視し、コントローラ４３側で検出し、操作者に警告を表示したり、マニピュレータ１６の駆動を強制的に停止する。これにより、キャピラリ３５の位置調整中にキャピラリ３５がキャピラリ２５やシャーレ２２の底面２２ａや側面２２ｂ等の他部分に接触して折損、破損してしまうことを防止することができる。

また、キャピラリ３５が折損することを防止できるため、キャピラリ３５の交換作業も効率化が可能となる。また、キャピラリ３５のセッティングのとき、操作に慣れていない操作者でも上述のような警告表示や駆動停止によりキャピラリのセッティング時の操作者による誤動作を防止することができる。

従来、マニピュレータを駆動し、ガラス製のキャピラリを顕微鏡視野下での位置調整をする際、特にＺ軸方向（鉛直方向）の位置調整をする際は、調整中にガラス製のキャピラリがシャーレの底部等に接し折損、破損してしまう可能性があったのに対し、キャピラリを微動駆動するための圧電素子の電圧を監視する機能を付加することで、キャピラリがシャーレ等に接し折損、破損することを未然に防止できる。

なお、キャピラリ３５を顕微鏡作業箇所に移動させる１回目（初めての）の操作の場合、上述のように、図１０の切り替えボタン４５ｃを操作し、表示部４５の画像表示部４５ａに表示される顕微鏡画像の視野倍率を低倍に切り替えたが、図１４のように、表示部４５に２つの画像表示部４５ｅ，４５ｆを表示させ、カメラ１８からの顕微鏡画像を画像表示部４５ｅでは低倍に、画像表示部４５ｆでは高倍に予め表示させておき、画像表示部４５ｅに表示された低視野倍率の顕微鏡画像を見ながらキャピラリ３５を確認することができるので、切り替えボタン４５ｃによる倍率の切り替え操作が不要となる。また、キャピラリ３５のセッテイング終了後、インジェクション操作を行う際にも、２つの画像表示部４５ｅ，４５ｆに同一の顕微鏡画像（操作対象の卵・細胞やキャピラリ２５，３５の画像）を高倍率及び低倍率で表示することで、低倍率による顕微鏡画像で顕微鏡下の細胞や卵の微小な対象物の状態を把握しながら高倍率による顕微鏡画像で細胞や卵に対する微細なインジェクション操作を行うことができる。また、顕微鏡画像の表示倍率の変更の必要性がなくマニピュレータによる迅速な操作処理が可能となる。なお、図１４のような２画面への切り替えは、例えば、図１４の上側に設けた切り替えボタン４５ｇをマウス４３Ａでクリックすることで、１画面から切り替えることができる。

以上のように本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、微小対象物を保持するマニピュレータ１４も、同様に構成して圧電素子から発生する電圧を検知し、他部分との接触を監視するようにしてもよいことはもちろんである。

また、本実施形態のマニピュレータは、図２〜図６のような微動機構（圧電アクチュエータ）４４を有するものとして説明したが、図７や図８の圧電アクチュエータを有してもよく、この場合は、圧電素子１１５からの電圧を検知し監視する。さらに、本発明は、図１〜図８の構成に限定されず、圧電素子が組込まれているマニピュレータでれば、どのような形式でも適用可能である。

また、本実施形態では、図１３のように第１，第２限界値を設定し、キャピラリの他部分への接触を検知したとき、警告表示と駆動の強制的停止とを２段階で行うようにしたが、１つの限界値を設定し、警告表示及び駆動の強制的停止のいずれか一方のみを行わせるようにしてもよい。

本実施形態によるマニピュレータシステムの構成を概略的に示す図である。 図１のマニピュレータシステムに使用可能な圧電アクチュエータの正面図である。 図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図２の圧電アクチュエータの斜視図である。 図１のマニピュレータを顕微鏡作業箇所へ導入する前の状態を示す斜視図である。 図１のマニピュレータを顕微鏡作業箇所へ配置したときの状態を示す斜視図である。 本実施形態による別の圧電アクチュエータを平面から内部を見た断面図である。 本実施形態によるさらに別の圧電アクチュエータの平面から内部を見た断面図である。 図１のコントローラ４３による制御系要部を示すブロック図である。 図９の表示部４５に表示される画面例を示す図である。 図１，図９ジョイスティックの具体例を示す斜視図である。 図１のインジェクション用のキャピラリ３５の操作中におけるシャーレ２２の底面２２ａに対する相対位置（ａ）〜（ｄ）を概略的に示す図である。 図１２（ｃ）のようにキャピラリ３５がシャーレ２２の底面２２ａに接触したときの圧電素子９２の電圧値の変化を示す図である。 図９の表示部に表示される２画面の例を示す図である。

符号の説明

１０ マニピュレータシステム、１４ ホールディング用のマニピュレータ、１６ インジェクション用のマニピュレータ、１８ カメラ、２０ 顕微鏡、２２ シャーレ、２２ａ 底面、２２ｂ 側面、２５ ホールディング用のキャピラリ、３５ インジェクション用のキャピラリ、３０，３２ 駆動装置、４０，４２ 駆動装置、４３ コントローラ、４４ 微動機構、４５ 表示部（監視手段）、４５ａ 画像表示部、４５ｂ 警告ランプ、４５ｅ，４５ｆ 画像表示部、４７ ジョイスティック、７０ モータ、９２ 圧電素子、９７ 電圧測定部（電圧検知手段）、９８ 警告部（監視手段）、１１５ 圧電素子、１２０ モータ

Claims (5)

1. 微小対象物を操作するためのキャピラリを圧電素子により微動駆動する微動機構と、
   前記キャピラリを３軸方向に駆動する駆動手段と、
   前記圧電素子が発生する電圧を検知する電圧検知手段と、
   前記電圧検知手段による電圧検知に基づいて前記キャピラリの他部分への接触状態を監視する監視手段と、を備えることを特徴とするマニピュレータ。
2. 前記監視手段は、前記電圧検知手段による電圧検知に基づいて前記キャピラリの接触状態についての警告を発する警告手段を備える請求項１に記載のマニピュレータ。
3. 前記電圧検知手段による電圧検知に基づいて前記キャピラリの駆動を停止する請求項１または２に記載のマニピュレータ。
4. 前記微動機構は、外周側にねじ部を有するねじ軸と、回転軸をその軸方向への移動を自在に支持するとともに前記回転軸を回転駆動するモータと、前記回転軸に固定されて前記ねじ軸にねじ結合され、前記ねじ軸をその軸方向への移動を自在に支持するねじ要素と、を有し、前記モータの回転により前記キャピラリを前記軸方向に駆動するとともに、前記圧電素子への印加電圧に応じて前記キャピラリを前記軸方向に微動駆動する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
5. 前記キャピラリがインジェクション操作を行う請求項１乃至４のいずれか１項に記載のマニピュレータと、
   前記微小対象物を保持するキャピラリの動作を行う別のマニピュレータと、を備えるマニピュレータシステム。

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