JPH0624710B2 - 微小物体操作装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、細胞あるいは各種菌類さらには半導体チップ
等の微小物体を操作するのに適した微小物体操作装置に
関する。

〔従来の技術〕

近年、バイオテクノロジーが脚光をあびているが、その
基礎技術として細胞操作技術がある。細胞操作技術と
は、生化学反応を高効率で行なうべく、細胞を選別し遺
伝子組替え等を行なう技術をいゝ、顕微鏡を見ながらの
物理的、機械的な操作が生化学および生物学的な方法と
共に実験されている。このような細胞操作技術において
対象となる細胞は、細胞幅が１μｍ程度の細菌（バクテ
リア）、これより若干大きい放線菌、細胞幅が５μｍ程
度の酵母、細胞幅が１０μｍ以上の糸状菌（カビ）、こ
れより大きな藻類、そして細胞幅が約１００〜３００μ
ｍの原生動物、単細胞生物等である。これらのうち細胞
操作の対象として比較的多いのは、１０〜１００μｍ程
度の細胞である。なお卵細胞等にあっては１００μｍを
越えるものが主な対象となる。

このような細胞操作を行なう操作装置の一つに、従来、
例えば第６図に示すようなマイクロピペットを用いた装
置がある。この装置は、リニアモータ１，２によってス
ライド３を矢印で示す如くＸ，Ｙ方向に摺動させ、スラ
イダ３の一端に取付けたマイクロピペット４をマニュピ
レートし、かつこのマイクロピペット４により細胞５の
吸引、注入等を行なって細胞操作するものである。なお
図中６はマイクロピペット４に陰圧を与える陰圧付与手
段を示す。また７はステージ、８はシャーシ、１０は照
明レンズ、１１は対物レンズである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このような従来の装置にあっては、次のような問題があ
った。すなわち細胞操作においては細胞を挾持して持上
げ操作を行ないたい、といったニーズがあるが、前記装
置ではマイクロピペット４による細胞の吸引、注入とい
った単純な機能しか本来有していない為、上記ニーズに
応えようとすると無理が生じる。すなわち上記ニーズに
応えるために、シャーシ８内のシリコーンオイル中に浮
遊している細胞５を、マイクロピペット４にて強力に吸
引保持すべく、マイクロピペット４を細胞５に近付ける
と、細胞５はマイクロピペット４の吸入孔に近付くにし
たがってその接近速度を加速的に速めて吸着される。そ
の結果、細部５がマイクロピペット４の先端に衝突して
損傷したり、場合によっては細胞５がマイクロピペット
４の吸入孔から内部へ吸込まれてしまうといった事態が
起こる。このような事態を回避するためには、マイクロ
ピペット４に作用している陰圧を微妙に制御する必要が
あるが、上記陰圧は一般に油圧装置により制御している
ので、ほとんど不可能である。つまり油圧装置は元来速
応性に欠けている上、油圧シリンダーや油圧配管内のオ
イルは熱膨脹係数が大きいため、陰圧を安定的に保持す
ること自体が困難であるからである。その結果、精度の
よい細胞保持はできなかった。

ところで本発明者らは、微小物体操作用の圧電式ピンセ
ットを開発し、特願昭６０−７７８８９号として既に出
願している。

第７図（ａ）（ｂ）はその一例を示す図である。これは
一対の挾持脚２１，２２と連結体２３との間に圧電素子
２４，２５を装着し、この圧電素子２４，２５に印加す
る電圧を制御することによって挾持脚２１，２２の先端
を偏位させ、細胞等を挾持可能としたものである。この
圧電式ピンセットによれば、細胞等を精度よく挾持でき
微妙な細胞操作を行なえる点を有している。

しかるにこの圧電式ピンセットにおいても、次のような
解決すべき問題が残っている。すなわち、実際の細胞操
作においては、細胞浮遊液に浮遊している細胞の位置な
いし方位によっては、ピンセットの向きを変更する必要
がある。しかるに前記圧電式ピンセットには方向転換手
段がないため、その都度ピンセットの姿勢を再設定して
やる必要があり、作業能率が悪いという欠点があった。

そこで本発明は、細胞や半導体チップ等の操作対象とな
る微小物体の位置や方位に応じて、挾持方向を簡単に可
変調整することができ、操作対象となる微小物体を、能
率よく、しかも精度よく、適確に挾持して所要操作を行
ない得る微小物体操作装置を提供することを目的とす
る。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記問題点を解決し目的を達成する為に、次の
如く構成されている。

すなわち、一対の挾持脚を開閉させる挾持操作部と、こ
の挾持操作部を回転操作することにより上記挾持脚の開
閉方向を変更する回転操作部とを具備した微小物体操作
装置において、 上記挾持操作部は、バイモルフ構造の圧電素子により上
記挾持脚の開閉操作を行ない、上記回転操作部は、回転
軸（シャフト）と平行に配設されかつ基端を固定された
バイモルフ構造の圧電素子により上記回転軸に取り付け
た回転部を回転させる如く構成されている。

〔作用〕

このような手段を講じたことにより、細胞等の微小物体
の位置や方位に応じて挾持操作部を回転操作部によって
回転操作すると、挾持操作部の向きがその細胞等の微小
物体に適合した最適な方向を向くので、細胞等の微小物
体を的確に挾持操作可能となる。

そして、特に駆動源としてバイモルフ構造の圧電素子を
用いているため、駆動源として超音波モータを使用する
場合等に比べると、消費電力が著しく少なくて済む。ま
た駆動源としてバイモルフ構造の圧電素子を用いている
ため、機械的な動力伝達要素を極力少なくすることがで
きる。その結果、機構上のガタツキが殆んどなく、極め
て高精度な操作を行なうことが可能となる。

〔実施例〕

第１図は本発明の第１実施例の構成を示す図である。第
１図において３０は挾持操作部であり、４０は回転操作
部である。挾持操作部３０は、第１０図（ａ）（ｂ）に
示した圧電式ピンセットと同様に構成されたものであ
り、一対の挾持脚３１，３２と連結体３３との間に圧電
素子３４，３５を装着し、この圧電素子３４，３５に印
加する電圧を制御することによって挾持脚３１，３２の
先端を偏位させ、細胞等を挾持可能としたものである。
この挾持操作部３０の連結体３３の基端には、結合器３
６が取付けられている。この結合器３６は、回転操作部
４０の回転部４５に対して例えば着脱自在に結合固定さ
れるものとなっている。

回転操作部４０は、第２図にもその一部を省略して要部
を拡大して示すように、軸方向に矢印で示すようにスラ
イド可能な金属製ないし樹脂製のシャフト４１に、同材
質の円盤状支持台４２を固定し、この支持台４２に複数
本例えば４本のバイモルフ構造の圧電素子４３の各基端
部を固定している。これらの圧電素子４３は、シャフト
４１に平行に配設されている。上記バイモルフ構造の圧
電素子４３の各先端は、上記シャフト４１にボールベア
リング４４を介して回転自在に取付けたリング状の回転
部４５に結合されている。この結合手段としては、弾性
を有する接着剤を用いて結合するのが好ましいが、回転
部４５に切込み部を設けておき、この切込み部に圧電素
子４３の先端を差込むようにしてもよい。かくしてこの
回動操作部４０は、各圧電素子４３の先端が円周方向に
Δｘだけ偏位すると、その偏位力で回転部４５がθなる
角度だけ回動するものとなっている。

第３図は第１図のＡ−Ａ線矢視断面図である。この第３
図に示すように、各圧電素子４３ａ〜４３ｄは端子Ｔ１
および端子Ｔ２間に並列的に接続されており、印加電圧
に応じて同時にかつ同一方向へ同一偏位量だけ、偏位す
るものとなっている。

第４図は、上記圧電素子４３および前記挾持操作部３０
の圧電素子３４，３５として用いられるバイモルフ構造
の圧電素子の構造例を示す図である。図示のように、こ
の圧電素子５０は、矢印の如く分極処理を施された一対
の圧電セラミックス５１，５２を、中間電極５３を挟ん
で接合し、その両側に外側電極５４，５５を取付け、外
側電極５４，５５を端子ｔ１に共通接続し、中間電極５
３を端子ｔ２に接続した、並列型バイモルフ構造のもの
である。

次のこのように構成された本実施例装置の動作を、第５
図に示すように容器６０内に満たしたシリコーンオイル
などの細胞浮遊液中に浮遊している細胞６１を挟持する
場合を例にとって説明する。挟持操作部３０の挟持脚３
１，３２を細胞を６１の近傍にセットした状態におい
て、上記細胞６１の位置および方位に応じて、第１図お
よび第２図に示す回転操作部４０における圧電素子４３
に対し、端子Ｔ１，Ｔ２を介して所定の極性およびレベ
ルを有する電圧を印加する。そうすると、圧電素子４３
の各先端は第２図に示すようにΔｘだけ偏位し、その偏
位力Ｆにより回転部４５は第５図中矢印Ｍで示すように
回動する。このときの圧電素子４３に生じる偏位Δｘ
は、圧電バイモルフの長さをｌ，厚みをｔ，圧電セラミ
ックスの電歪定数をｄ_３１，印加電圧をＶとすると、 Δｘ＝３・ｌ^２・ｄ_３１・Ｖ／２ｔ^２ となる。またこのときの偏位端部における偏位力はＦ
は、ヤング率をＥｈ、圧電バイモルフの幅をｗとする
と、 Ｆ＝３・ｗｔ・ｄ_３１・Ｅｈ・Ｖ／８ｌ となる。なお本実施例では圧電素子４３を４本設けてい
るので、偏位力Ｆは４倍になる。このように所定の印加
電圧Ｖを印加することにより、偏位Δｘと偏位力Ｆが発
生するので、回転部４５は所定角度θだけ精度よく回動
する。このようにして細胞６１の位置ないし方位に応じ
た向きに挟持操作部３０の向きを可変調整したのち、挟
持操作部３０の圧電素子３４，３５に所定電圧を印加す
ると、一対の挟持脚３１，３２の先端部が、第５図中の
矢印Ｎのように閉脚する方向に偏位し、細胞６１を挟持
する。なお第５図中、６２は顕微鏡の対物レンズを示し
ている。

このように本実施例においては、回転操作部４０の圧電
素子４３に所定電圧を印加するだけで、挟持脚３１，３
２の向きを細胞６１の位置および方位に応じた状態に簡
単に可変調整できるので、従来のように挟持脚位置の再
設定操作を、その都度行なう必要がない。このため能率
のよい細胞操作を行なうことができる。そして細胞６１
は、圧電式ピンセットからなる挟持操作部３０により、
挟持操作されるので、高精度な細胞挟持操作を適確に行
なえることになる。

なお本発明は前記実施例に限定されるものではない。例
えば前記第１実施例では、圧電素子として並列型バイモ
ルフ構造を有するものを示したが、直列型バイモルフ構
造を有するものであってもよいし、その他の構造を有す
る圧電素子であってもよい。また前記第１実施例では、
回動操作部４０の圧電素子として、４本の圧電素子を用
いる例を示したが、使用する圧電素子の数は任意であ
り、操作対象物等の条件に応じた数に設定すればよい。
さらに前記第１実施例では、挟持操作部３０および回転
操作部４０の双方とも、圧電素子の偏位力を利用して操
作するようにしたものを例示したが、いずれか一方は他
の操作手段により操作するようにしてもよい。また前記
第１実施例では、挟持操作部３０を回転操作部４０の先
端部に結合するようにしたものを例示したが、挟持操作
部３０と回転操作部４０とを、例えば同軸的に結合する
ようにしてもよい。このほか本発明の要旨を逸脱しない
範囲で種々変形実施できるのは勿論である。

〔発明の効果〕

本発明は、一対の挾持脚を開閉させるバイモルフ構造の
圧電素子からなる挟持操作部を、回転軸（シャフト）と
平行に配設されかつ基端を固定されたバイモルフ構造の
圧電素子からなる回転操作部によって回転操作すること
により、前記挾持脚の開閉方向を変更する如く構成した
ものである。

したがって細胞等の微小物体の位置や方位に応じて挾持
操作部を回転操作部によって回転操作すると、挾持操作
部の向きがその細胞等の微小物体に適合した最適な方向
を向くので、細胞等の微小物体を適確に挾持操作可能と
なる。

そして、特に駆動源としてバイモルフ構造の圧電素子を
用いているため、駆動源として超音波モータを使用する
場合等に比べると、消費電力が著しく少なくて済む。ま
た駆動源としてバイモルフ構造の圧電素子を用いている
ため、機械的な動力伝達要素を極力少なくする事がで
き、その結果、機構上のガタツキが殆んどなく、極めて
高精度な操作を行なうことが可能となる。

かくして本発明によれば、細胞や半導体チップ等の操作
対象となる微小物体の位置や方位に応じて、その挾持方
向を、少ない電力で簡単に可変調整することができ、し
かも操作対象となる微小物体を、極めて精度よく、適確
に挾持して所要操作を行ない得る微小物体操作装置を提
供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第５図は本発明の第１実施例を示す図で、第１
図は全体的な構成を示す斜視図、第２図は回転操作部の
主要部を一部切欠して示す斜視図、第３図は第１図のＡ
−Ａ線矢視断面図、第４図は圧電素子の構造を示す断面
図、第５図は動作説明図である。第６図は従来例を示す
側面図、第７図の（ａ）（ｂ）は本発明が解決すべき問
題点を説明するための図である。 ３０…挟持操作部、３１，３２…挟持脚、３３…連結
体、３４，３５…圧電素子、３６…結合器、４０，７０
…回動操作部、４１…シャフト、４２…支持台、４３…
圧電素子、４４…ボールベアリング、４５…回転部、５
１，５２…圧電セラミックス、５３〜５５…電極、６０
…容器、６１…細胞、６２…対物レンズ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−175982（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−90896（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−142091（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−241082（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一対の挾持脚を開閉させる挾持操作部と、 この挾持操作部を回転操作することにより上記挾持脚の
   開閉方向を変更する回転操作部と、 を具備した微小物体操作装置において、 上記挾持操作部は、バイモルフ構造の圧電素子により上
   記挾持脚の開閉操作を行ない、上記回転操作部は、回転
   軸と平行に配設されかつ基端を固定されたバイモルフ構
   造の圧電素子により上記回転軸に取り付けた回転部を回
   転させるものであることを特徴とする微小物体操作装
   置。