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。
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