JPH06342121A

JPH06342121A - マイクロマニピュレータ

Info

Publication number: JPH06342121A
Application number: JP6853194A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Taniguchi; 芳久谷口; Kazumoto Abe; 千幹阿部; Hajime Takahashi; 一高橋; Tomoki Funakubo; 朋樹舟窪; Kazuhiro Kumei; 一裕粂井; Toshiharu Tsubata; 敏晴津幡; Takenao Fujimura; 毅直藤村; Kunihiko Sasaki; 佐々木　　邦彦; Asao Uenodai; 浅雄上野台; Koji Ouchi; 孝司大内
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1993-04-06
Filing date: 1994-04-06
Publication date: 1994-12-13

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、細胞操作の動作内容を数値的に管理
でき最適操作の再現性が良く操作者に特段の技能を要求
しないマイクロマニピュレータの提供にある。【構成】本マイクロマニピュレータは、操作針３９の動
作内容を指示する入力を受付け、その入力情報を電気的
な動作指令信号に変換して出力する入力手段２８と、入
力手段２８からの動作指令信号に応じて電気的な駆動エ
ネルギーを発生する駆動手段３０と、駆動手段３０で発
生した駆動エネルギーを入力手段２８に指示された動作
内容に対応する機械的な運動エネルギーに変換するエネ
ルギー変換手段３１と、操作針３９が固定され、前記エ
ネルギー変換手段３１から運動エネルギーを受けて直線
移動し、前記操作針を幾何学的に変位させる可動体６１
とを具備する構成である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学顕微鏡の周辺機器
に係り、さらに詳しくは光学顕微鏡下で行う細胞操作に
用いるマイクロマニピュレータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、光学顕微鏡の視野下で遺伝子
組替え等の細胞操作を行うための装置としてマイクロマ
ニピュレータがある。図１１はマイクロマニピュレータ
の構成例を示している。

【０００３】このマイクロマニピュレータ１は、キャピ
ラリ２が第１の油圧シリンダ３内を摺動するピストン４
の端部に固定されている。油圧シリンダ３の内部は動作
油５で満たされており、その油圧シリンダ３が配管６を
通じて第２の油圧シリンダ７に接続されている。第２の
油圧シリンダ７にはピストン８が摺動自在に挿入されて
おり、該ピストン８が手動操作されるレバー９に接続さ
れている。

【０００４】第２の油圧シリンダ７のピストン８の断面
積は、第１の油圧シリンダ３のピストン４よりも小さく
設定されている。従って、ピストン８の大きな動きに対
し、ピストン４は微小距離しか移動しない。それにより
キャピラリ２の微小な位置出しを可能にしている。

【０００５】実際の細胞操作では、細胞１０をもう一つ
の第２のマイクロマニピュレータのキャピラリ１１で固
定する。第２のマイクロマニピュレータは、一般的には
上述した第１のマイクロマニピュレータと同様に構成さ
れたものが用いられる。キャピラリ１１による細胞の固
定は、キャピラリ１１の内部に不図示の吸引手段で負圧
をかけて細胞１０を吸引することにより実現される。

【０００６】そして、図１２に示すように、第１のマイ
クロマニピュレータ１のキャピラリ２を細胞１０に刺入
し、該キャピラリ２の内容物を不図示の微量吐き出し装
置によって細胞１０内に注入する。このとき、第１のマ
イクロマニピュレータ１と第２のマイクロマニピュレー
タとは精密に位置出しする必要がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のマイクロマニピュレータには以下のような問題
がある。マイクロマニピュレータを使ってキャピラリ２
を細胞１０に刺入する際には、該キャピラリ２を極めて
速い速度で細胞１０に突入させないと、細胞１０の硬い
細胞膜を破ることができない。突入の速度が遅いと、図
１２に示すように、細胞全体が押し潰されて中身が壊れ
る可能性がある。

【０００８】しかし従来のマイクロマニピュレータは、
微小な位置出しをする事を主眼に設計されているため、
キャピラリ１を細胞１０に失敗なく刺入する事が難し
く、細胞操作の成功率が極端に低いという問題点があっ
た。

【０００９】また仮に、レバー９の手操作によってそれ
が可能になったとしても、いわゆる“手ブレ”を生じる
ことなく必要な距離だけレバー９を急速に操作するのは
極めて困難であり、高度の熟練を要した。

【００１０】また、従来のマイクロマニピュレータは、
油圧管路による伝送経路があるだけであって装置自体が
制御機能を有してはいなかった。従って、ある細胞操作
で細胞への刺入が良好に行われたとしても、そのときの
動作条件を定量的に管理できず、最適の動作を装置が再
現することはできなかった。

【００１１】本発明は以上のような実情に鑑みて成され
たもので、顕微鏡視野下での細胞操作を、最適の動作を
数値的に管理してこれを再現性良く実現することがで
き、熟練者でなくても、簡単かつ確実に、正確な細胞操
作ができるマイクロマニピュレータを提供することを目
的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために次のような手段を講じた。請求項１に対応
する本発明は、顕微鏡の視野下で操作針を使用して被検
物を微細操作するマイクロマニピュレータにおいて、前
記操作針の移動方向や移動距離等の動作内容を入力する
入力手段と、前記入力手段から入力された前記動作内容
に応じた動作指令信号を出力する動作指令発生手段と、
前記動作指令発生手段から出力された動作指令信号に応
じた駆動信号を発生する駆動制御手段と、前記駆動制御
手段で発生した駆動信号を前記動作内容に対応した機械
的な運動エネルギーに変換するアクチュエータと、前記
操作針が固定され、前記アクチュエータから運動エネル
ギーを受けて直線移動し、前記操作針を幾何学的に変位
させる可動体とを具備する構成とした。

【００１３】請求項２に対応する本発明は、顕微鏡の視
野下で操作針を使用して被検物を微細操作するマイクロ
マニピュレータにおいて、前記操作針の移動方向や移動
距離等の動作内容を入力する入力手段と、前記入力手段
から入力された前記動作内容に応じた動作指令信号を当
該動作内容に含まれている移動方向毎に出力する動作指
令発生手段と、前記動作指令発生手段から出力された動
作指令信号に応じて該当する移動方向の駆動信号を発生
する駆動制御手段と、前記操作針が固定され、第１の方
向へ摺動可能に可動体基板に取り付けられた操作針用可
動体と、前記可動体基板が取り付けられた可動体を含む
複数の可動体からなり、前記操作針用可動体を第１の方
向と異なる他の方向へ移動させる可動機構と、前記操作
針用可動体および前記可動機構の各可動体に対してそれ
ぞれ設けられ、前記駆動制御手段から各々対応する方向
の駆動信号が印加され、その駆動信号の印加により対応
する可動体に変位力を加える複数のアクチュエータとを
具備する構成とした。

【００１４】請求項３に対応する本発明は、上記構成の
ものにおいて、前記可動機構を、機構固定部に対してＸ
軸方向へ摺動可能に取り付けられたＸ軸可動台と、前記
Ｘ軸可動台に対してＸ軸方向と直交するＹ軸方向へ摺動
可能に取り付けられたＹ軸可動台とから構成し、前記Ｙ
軸可動台又はその一体物に対して前記可動体基板を取り
付ける構成とした。

【００１５】請求項４に対応する本発明は、前記可動機
構を、機構固定部に対してＸ軸方向へ摺動可能に取り付
けられたＸ軸可動台と、前記Ｘ軸可動台に対してＸ軸方
向と直交するＹ軸方向へ摺動可能に取り付けられたＹ軸
可動台と、前記Ｙ軸可動台に対してＸ軸方向及びＹ軸方
向と直交するＺ軸方向へ摺動可能に取り付けられたＺ軸
可動台とから構成し、前記Ｚ軸可動台又はその一体物に
対して前記可動体基板を取り付ける構成とした。

【００１６】請求項５に対応する本発明は、前記アクチ
ュエータを、前記駆動制御手段から駆動信号として駆動
電圧が印加される圧電体と、この圧電体が付着された弾
性体とを具備する超音波アクチュエータから構成した。

【００１７】請求項６に対応する本発明は、前記入力手
段を、前記操作針の種々の動作内容が記憶された記憶部
と、外部から指示された動作内容を前記記憶部から読出
して当該動作内容に応じた動作指令信号を出力する手段
とから構成した。

【００１８】

【作用】本発明は、以上のような手段を講じたことによ
り次のような作用を奏する。請求項１に対応する本発明
のマイクロマニピュレータでは、操作針の動作内容が入
力手段から指示されると、その指示された動作内容に応
じた動作指令信号が駆動制御手段へ送出される。駆動制
御手段で動作指令信号に応じて生成された駆動信号がア
クチュエータへ印加されることにより、入力手段から指
示された動作内容に対応する機械的な運動エネルギーが
発生し、この運動エネルギーが可動体に対して直接また
は間接的に与えられて可動体が直線運動し、その可動体
に固定された操作針が同一方向へ移動するものとなる。

【００１９】請求項２に対応する本発明のマイクロマニ
ピュレータでは、入力手段から指示された動作内容に応
じて操作針の移動方向毎に動作指令信号が生成されて駆
動制御手段へ送出される。その動作指令信号に応じて該
当する移動方向の駆動信号が駆動制御手段から対応する
各アクチュエータへ印加される。その結果、可動機構の
該当する可動体と共に操作針が動作内容で指示された各
方向へ所定量移動するものとなる。

【００２０】請求項３に対応する本発明のマイクロマニ
ピュレータでは、可動機構が互いに直交するＸ軸方向及
びＹ軸方向へ移動可能なＸ軸可動台とＹ軸可動台とから
構成されているため、操作針の長手方向への移動のみな
らず、操作針をＸＹ平面内で自在に移動できるものとな
る。

【００２１】請求項４に対応する本発明のマイクロマニ
ピュレータでは、可動機構が互いに直交するＸ軸方向，
Ｙ軸方向及びＺ軸方向へ移動可能なＸ軸可動台，Ｙ軸可
動台及びＺ軸可動台とから構成されているため、可動機
構がＸ軸，Ｙ敷くおよびＺ軸の直交座標系を構成するも
のとなり、操作針の長手方向への移動のみならず、操作
針をＸ軸，Ｙ軸及びＺ軸の３方向へ自在に移動できるも
のとなる。

【００２２】請求項５に対応する本発明のマイクロマニ
ピュレータでは、アクチェータとして超音波アクチュエ
ータが用いられる。圧電体は印加電圧に応じて伸縮する
特性を有しているので、圧電体を入力情報に応じた印加
電圧からなる駆動信号により駆動すると、弾性体に弾性
波が発生する。そのような弾性波が発生している弾性体
に可動体を直接接触し、または他のものを接触すること
により、入力手段に指示された動作内容に対応する機械
的な運動エネルギーが発生される。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。図
１には本発明の一実施例に係るマイクロマニピュレータ
の概略的な全体構成が示されている。マイクロマニピュ
レータが装備される倒立顕微鏡２０は、微細操作の対象
となる細胞が配置されるステージ２１を備える。この倒
立顕微鏡２０の本体にレボルバ２２が回転自在に取付け
られている。レボルバ２２は、各々所定の倍率を有する
複数の対物レンズ２３が取付け可能となっており、自転
することにより所定倍率の対物レンズ２３を光軸上に配
置できる。この倒立顕微鏡２０は光軸上の対物レンズ２
３に入射する観察光を接眼レンズ２４およびＣＣＤカメ
ラ２５へ導き、標本像を肉眼観察及び撮像可能に構成さ
れている。また、顕微鏡のステージ２１上には細胞を照
明する照明装置２６が配置されている。

【００２４】本実施例のマイクロマニピュレータは、一
対のマニピュレータ本体２７−１，２７−２、入力手段
２８（動作指令発生手段を含む）、制御手段２９，駆動
制御手段３０，超音波アクチュエータ３１−１，３１−
２等から構成されている。

【００２５】入力手段２８は、ジョイスティック３２、
トラックボール３３、キーボード３４、プログラム３５
を格納したメモリ、モニタ手段３６、ライトペン３７か
らなり、操作者から入力される操作針の動作内容に関す
る指示を電気的な入力信号に変換するものである。ジョ
イスティック３２やトラックボール３３からマイクロマ
ニピュレータ３１のキャピラリ先端部の位置が指示さ
れ、またキャピラリ先端部の移動距離や移動速度等の動
作内容がキーボード３４から数値で直接打ち込まれて指
示される。これらの動作内容はメモリにプログラム３５
として予め記述し、そのプログラム３５をメモリから読
み出して自動的に入力するようにすることもできる。ま
た、ＣＣＤカメラ２５から映像信号で出力される顕微鏡
画像をモニタ手段３６に表示し、そのモニタ画像上で移
動の起点と終点をライトペン３７で直接指示することに
よって入力することも可能になっている。

【００２６】入力手段２８を構成する上記各構成要素は
動作指令発生手段を構成するパーソナルコンピュータ３
８に接続されている。パーソナルコンピュータ３８は、
入力手段２８から入力される入力信号を定量的に管理
し、これらの入力手段２８から入力されたキャピラリの
動作内容を示す入力情報を、電気的な動作指令信号に変
換して制御手段２９へ出力する。

【００２７】制御手段２９は、マニピュレータ本体２７
−１，２７−２に備えられる変位検出手段から帰還され
る変位信号と、入力手段２８から伝送されてくる動作指
令信号とに基づき、逐次、次に行うべき動作内容を実時
間的で決定して、これに対応する制御信号を生成し、後
段の駆動制御手段３０に伝送する。

【００２８】駆動制御手段３０は、マニピュレータ本体
２７−１，２７−２（直接的には超音波アクチュエータ
３１）が変位を発生するに要するエネルギーを、駆動電
力という形態で超音波アクチュエータ３１−１，３１−
２へ供給する。なお、超音波アクチュエータ３１−１，
３１−２へ供給する駆動電力は制御手段２９からの制御
信号に基づいて生成する。

【００２９】マニピュレータ本体２７−１，２７−２
は、顕微鏡ステージ２１上における細胞を操作可能な位
置に、不図示の固定治具を介して固定されている。この
マニピュレータ本体２７−１，２７−２は、超音波アク
チュエータ３１−１，３１−２及び変位検出手段を有し
ている。超音波アクチュエータ３１−１，３１−２は、
駆動制御手段３０からの駆動電力を受けて、その電気エ
ネルギーを機械エネルギーに変換し、キャピラリ３９−
１，３９−２を移動させる。また、変位検出手段は、キ
ャピラリ３９−１，３９−２の変位を検出して、その検
出変位に応じた変位信号を制御手段２９へ帰還してい
る。これにより帰還制御が可能になる。

【００３０】図２及び図３にはマニピュレータ本体３１
−１の斜視図及び分解斜視図が示されている。なお、図
３は図２に示すマニピュレータ本体２７−１の分解斜視
図を倒立して示している。また、もう一つのマニピュレ
ータ本体２７−２は図２に図示するものと基本的な構造
は同じである。

【００３１】マニピュレータ本体２７−１は、断面がコ
字形をなす枠体５１の対向する一方の面が、その正面側
から背面側に向けて、超音波アクチュエータ３１−１の
横幅よりも若干大きな幅で切欠かれており、その切欠部
に超音波アクチュエータ３１−１が挿入されている。

【００３２】超音波アクチュエータ３１−１の側面図を
図４に示す。超音波アクチュエータ３１−１は、弾性体
７１と、その弾性体７１に固設され電気エネルギーを幾
何学的な変位に変換する積層圧電体７２とから構成され
ている。弾性体７１の両側面であって、該弾性体７１に
生じる弾性波の振動の節となる位置に指示ピン７３が植
設されている。弾性体７１、積層体７２の伸縮振動から
楕円振動を作るものであって、後述するように、２種の
弾性波が定在する。この弾性体７１における積層圧電体
７２の取付け面と対向する面に一対の摺動部材７４が設
けられている。弾性波の振動の節となる位置に指示ピン
７３が植設されていることから、超音波アクチュエータ
３１−１の２つの摺動部材７４に押圧力が均等に付加さ
れる。

【００３３】超音波アクチュエータ３１−１の両側面に
設けられた支持ピン７３は、支持体５２に固設された一
対の挟持板５３に回動自在に支持されている。支持体５
２には、保持する超音波アクチュエータ３１−１の方向
に向けて２本のガイド柱５４が設けられている。

【００３４】一方で、枠体５１の超音波アクチュエータ
挿入側の端面に各ガイド柱５４を挿入するための穴５５
が形成されている。そして支持体５２のガイド柱５４が
枠体５１の対応する各穴５５に１対のボールブッシュ５
６を介して挿入されている。支持体５２は該枠体５１に
１対のボールブッシュ５６を介して支持される為、アク
チュエータ本体３１を付勢する方向にのみ並進運動自在
となる。

【００３５】また枠体５１の背面には支持アーム５７が
固設されている。支持アーム５７はその先端部が９０度
に曲げられて支持体５２の下面と対向する位置まで伸び
ている。その支持アーム５７の先端部に台座５８が設け
られ、その台座５８と支持体５２の下面との間にコイル
スプリング５９が設けられている。コイルスプリング５
９は、支持体５２を介して超音波アクチュエータ３１−
１の摺動部材７４を後述する可動体側に付勢する為の押
圧力を与える。なお台座５８は、コイルスプリング５９
がアクチュエータ３１−１に与える押圧力を調整するこ
とができる。

【００３６】枠体５１の内部には板状の可動体６１が移
動可能に挿入されている。可動体６１は一方の面に移動
方向に沿って凸状部６２が形成されている。枠体５１の
一方の対向面にはリニアガイド６３が配設されており、
そのリニアガイド６３に可動体６１の凸状部６２が摺動
自在に挿入されている。また可動体６１の他方の面には
摺動板６４が面設されている。超音波アクチュエータ３
１−１はコイルスプリング５９の押圧力によって該摺動
板６４側に付勢され、超音波アクチュエータ３１−１の
摺動部材７４が摺動板６４に所定の押圧力で押し付けら
れる。

【００３７】可動体６１には上記したキャピラリ３９−
１が固設される。従って、本実施例では、超音波アクチ
ュエータ３１−１の摺動部材７４が可動体６１の摺動板
６４に押圧され、摺動部材７４の楕円振動によって可動
体６１を摩擦駆動し並進運動させることができる。

【００３８】尚、マニピュレータ本体２７−１は図示し
ないリニアエンコーダが変位検出手段として併設されて
おり、可動体６１の変位を検出して、これを変位信号と
して制御手段２９に帰還している。

【００３９】制御手段２９の構成を図６に示している。
制御手段２９は、図中破線で示される位置制御ループ８
１および速度制御ループ８２により構成される。この制
御手段２９は、前記入力手段２８により操作者からの動
作指令を指令値としての電気的パルスで入力される。そ
して、この指令値と前記変位検出手段で検出される現在
位置との偏差を比較・積分演算したのち、前記変位検出
手段の変位信号を微分して得られる速度信号との偏差・
微分・積分演算により制御信号を生成する。以上によ
り、前記マニピュレータを最適に動作させるため、前記
駆動手段の駆動電力の制御信号を生成する。

【００４０】駆動制御手段３０の構成を図７に示す。駆
動制御手段３０は、所定の周波数で互いに９０度位相の
異なる２相の矩形波を発生する発振器８３の出力によ
り、変圧機８４、８５の１次側をスイッチングする。こ
の変圧機８４，８５の１次側の電圧は、前記制御手段２
９により生成された制御信号により決定される正または
負の電圧を発生する定電圧源８６に接続される。変圧機
８４，８５の２次側はインダクタ８７，８８、圧電素子
８９，９０、直流定電圧源９１に接続される。

【００４１】なおインダクタ８７，８８は電気的容量負
荷である圧電素子８９，９０に、スイッチングされた電
圧の高調波成分が加わり過電流が流れることを防ぐため
にローパスフィルタを構成する目的で挿入されている。
また直流定電圧源９１は圧電素子８９，９０に負の電圧
が加わるのを防ぐためのオフセット電圧を印加するため
のものである。

【００４２】次に、以上のように構成された本実施例の
動作について説明する。ジョイスティック３２またはト
ラックボール３３を操作してキャピラリ３９が移動すべ
き地点を指示すると、その指示に応じた動作指令信号が
パーソナルコンピュータ３８から制御手段２９に伝送さ
れる。または、ＣＣＤカメラ２５で撮像した顕微鏡画像
をモニタ手段３６に映出し、その画面上でライトペン３
７によって動作の起点と終点を指示する。そのライトペ
ン３７で指示された動作指令信号がパーソナルコンピュ
ータ３８から制御手段２９に伝送される。

【００４３】制御手段２９では、パーソナルコンピュー
タ３８から送られてくる動作指令信号とマニピュレータ
本体２７−１に設けられている変位検出手段からの変位
信号とから、その偏差を無くすような最適の駆動電力を
決定し、これを生成させるための制御信号を駆動制御手
段３０へ伝送する。制御手段２９では、動作期間中は常
に実時間的に帰還されてくる変位信号と動作指令信号と
の偏差から制御信号の内容が逐次更新され帰還制御が行
われる。

【００４４】駆動制御手段３０では制御手段２９から逐
次伝送されてくる制御信号に基づいて駆動電力を生成す
る。この駆動電力が超音波アクチュエータ３１−１の積
層圧電体に印加される。

【００４５】次に、超音波アクチュエータ３１−１が駆
動制御手段３０から印加電圧を受けて変位を発生する原
理について説明する。超音波アクチュエータ３１−１
は、積層圧電体７２に正弦波電圧を印加すると、弾性体
７１に２種の振動が同時に励起される。この２種の振動
を説明するための概念斜視図を図５（ａ）（ｂ）に示
す。同図（ａ）は、単純な伸縮振動の状態を示してい
る。同図（ｂ）は、該伸縮の方向に伝播する横波の弾性
波であって、２次の定在波となっている状態を示してい
る。

【００４６】上記伸縮運動の１次共振周波数と、上記横
波の２次の定在波の周波数が一致するように、弾性体７
１の長さと幅を設定しておく。その結果、図４に示す超
音波アクチュエータ３１−１の積層圧電体７２によって
該周波数の振動を与えるだけで、前記２種の共振が弾性
体７１に同時に励起される。前記２次の定在波の振動の
腹の位置では、前記２種の振動の変位が合成されて、質
点が楕円系の軌跡に沿って振動する。従って、その位置
で弾性体７１を支持し、摺動部材７４を可動体６１の摺
動板６４に押圧すると、可動体６１が前記楕円振動の作
用を受けて並進運動し、その可動体６１に固設されてい
るキャピラリ３９−１が可動体６１と同一方向に同一速
度で同一距離だけ変位する。

【００４７】具体的には、所定の周波数で位相が互いに
９０°ずれた２相の正弦波からなる駆動電力を積層圧電
体に印加し、その位相差の正負、電圧振幅、波数等を変
化させる事により、超音波アクチュエータ３１−１を駆
動し、マニピュレータ本体２７−１を逐次的に動作させ
ていく。超音波アクチュエータ３１−１は、前記駆動電
力を受けて、その電気エネルギーを機械エネルギーに変
換し、変位を発生する。マニピュレータ本体２７−１に
含まれる変位検出手段はその変位を実時間的に検出して
変位信号に変換し制御手段２９へ帰還する。

【００４８】また、以上の操作により最適の動作が得ら
れたならば、その動作を得るために入力手段２８から入
力した入力情報をプログラム３５に記述しておく。そし
て同じ動作内容を得たいときにパーソナルコンピュータ
３８に指示を与えてプログラム３５を実行することによ
り同じ入力情報を同じタイミングで出力し、動作指令信
号に変換して出力させる。この様にプログラム３５から
読み出された入力情報に対しても上記したものと同様の
動作が実施される。

【００４９】またプログラム３５に複数の動作を組み合
わせた複雑な動作内容を入力情報の形で記述しておくこ
とにより、単一の動作だけでなく複数の動作、例えばキ
ャピラリ３９を急速に刺入させた後に徐々引き抜くとい
った複雑な組み合わせ動作もプログラム３５から読出し
て自動的に実施することができるようになる。

【００５０】また、マニピュレータ本体２７−２は、上
述したマニピュレータ本体２７−２と並列して同様な制
御が行われる。この様に本実施例によれば、マニピュレ
ータ本体２７−１，２７−２に対する動作指令をジョイ
スティック３２、トラックボール３３、キーボード３
４，プログラム３５、モニタ手段３７及びライトペン３
７の組み合わせ等から入力するようにしたので、同じ動
作内容を容易に再現することができる。従って、移動距
離，移動速度等の入力情報を保存しておき、刺入操作等
の条件出しの２回目以降の試行の際には、同じ入力情報
をキーボード３４から直接打ち込んで指示することによ
り、動作条件を定量的に管理できることになる。よっ
て、誰にでも簡便に、かつ合理的に、最適の動作条件に
到達する事ができ、各種の細胞操作がさらに簡便に行え
るようになる。

【００５１】また本実施例によれば超音波アクチュエー
タ３１−１，３１−２を用いているので、サブミクロン
オーダの微細な変位を様々な速度で発生させることがで
き、しかもその様な変位を電気信号に基づいて高精度に
制御することができる。

【００５２】さらに、意図的にまたは非意図的に入力手
段２８，制御手段２９，駆動制御手段３０の電源を落と
した後、再び電源を投入しても、アクチュエータ３１−
１，３１−２にはサブミクロンオーダの変位も発生しな
い。つまり、キャピラリ３９の先端にも変位は発生しな
い。

【００５３】また本実施例によればマニピュレータ本体
２７−１，２７−２に変位検出手段を設け、動作指令値
と実際の変位との偏差を逐次補正するようにしているの
で、動作の開始から完了までの全期間を総合して、最も
安定で合理的な動作が行われる。よって、動作の途中で
外乱が生じた場合等でも、意図した通りの動作が安定し
て行われる。

【００５４】図８には本発明の変形例が示されている。
なお前述した図９に示すマイクロマニピュレータと同一
機能の部分には同一符号を付している。本変形例は、第
２の油圧シリンダ７に挿入されたピストン８を電動の動
力源９２で駆動する例である。すなわち、ピストン８の
一端部をラック・ピニオン９３を介して電磁モータ９４
に接続する。なお９５は電磁モータ９４の回転変位を測
定するロータリーエンコーダである。

【００５５】電磁モータ９４を前述の実施例で説明した
入力手段２８，制御手段２９，駆動制御手段３０を用い
て駆動制御する。制御手段２９はロータリーエンコーダ
９５からの変位検出信号で動作指令信号との偏差に応じ
た制御信号を出力し、駆動制御手段３０は制御手段２９
からの制御信号に応じて電磁モータ９４を駆動する電気
エネルギー発生させる。

【００５６】この様な本変形例によれば、前記実施例と
同様に入力情報を定量的に管理することができ、誰にで
も簡便に、かつ合理的に、最適の動作条件に到達する事
ができ、各種の細胞操作がさらに簡便に行えるようにな
る。

【００５７】次に、本発明の第２実施例について説明す
る。図９は、第２実施例に係るマニピュレーションシス
テムの外観図が示されている。本実施例は、前述した第
１実施例と同様の倒立顕微鏡２０が用いられ、支柱１０
１にて支持されたサブステージ１０２がステージ近傍に
付設されている。サブステージ１０２には、Ｘ，Ｙ，Ｚ
の直交座標系を備えた可動機構１１０が設けられてい
る。

【００５８】可動機構１１０は、図１０に示すように、
サブステージ１０２に固定された機構固定部１０７にＸ
軸方向のＸ軸ガイドが形成され、Ｘステージ１０３が機
構固定部１０７に対してＸ軸ガイドを介してＸ軸方向へ
摺動自在に保持されている。機構固定部１０７の内部に
は、前述した第１実施例と同様の超音波アクチュエータ
（不図示）が保持されており、超音波アクチュエータに
備えられた摺動部材をＸステージ１０３の対向面に所定
の押圧力で直接接触させている。Ｘステージ１０３の反
対面にはアクチュエータ保持部材１０８が固定されてい
る。アクチュエータ保持部材１０８のＹステージ１０４
との対向面にＹ軸ガイドが形成されており、Ｙステージ
１０４がアクチュエータ保持部材１０８にＹ軸ガイドを
介してＹ軸方向へ摺動自在に保持されている。アクチュ
エータ保持部材１０８には、機構固定部１０７と同様に
して超音波アクチュエータが保持されており、超音波ア
クチュエータの摺動部材をＹステージ１０４の対向面に
所定の力で接触させている。Ｙステージ１０４の反対面
にはＬ字形をなすＬ金具１０９が固定されており、その
Ｌ金具１０９にアクチュエータ保持部材１１０が固定さ
れている。アクチュエータ保持部材１１０はＺ軸方向に
Ｚ軸ガイドが形成されている。Ｚステージ１０５はアク
チュエータ保持部材１１０のＺ軸ガイドを介してＺ軸方
向へ摺動自在に保持されている。アクチュエータ保持部
材１１０には超音波アクチュエータが保持されていて、
上記各アクチュエータと同様にＺステージ１０５をＺ軸
方向へ変位させる変位力を発生する。Ｚステージ１０５
の反対面には可動体基板１１１が固定されており、その
可動体基板１１１に形成されたＤ軸ガイドに操作針用可
動体１０６がＤ軸方向へ摺動自在に保持されている。可
動体基板１１１には、操作針用可動体１０６をＤ軸方向
へ移動させるための超音波アクチュエータが保持されて
いる。操作針用可動体１０６にキャピラリ３９がその長
手方向をＤ軸方向へ向けた状態で固定されている。Ｘス
テージ１０３，Ｙステージ１０４，Ｚステージ１０５及
び操作針用可動体１０６の各移動量はそれぞれ対応して
設けられた変位検出手段により常に検出され、その変位
検出新郷が制御手段２９へフィードバックされる。

【００５９】また、Ｘステージ１０３，Ｙステージ１０
４，Ｚステージ１０５及び操作針用可動体１０６には、
各側面に手動操作用の凸部１１２〜１１５が設けられて
いる。各ステージ及び可動台は、各々対応する超音波ア
クチュエータの摺動部材が所定の押圧力で接触せしめら
れているので、その摺動抵抗よりも大きな推進力を加え
ることにより手動操作が可能である。

【００６０】図１１は、本実施例における制御系の機能
ブロックを示している。入力手段２８′及び動作指令発
生手段となるパーソナルコンピュータ３８′は基本的に
は前述した第１実施例で説明したものと同等の機能を備
えており、さらにＸステージ１０３，Ｙステージ１０
４，Ｚステージ１０５及び操作針用可動体１０６に対し
てそれぞれ設けた個々の超音波アクチュエータに対して
独立に動作指令信号を生成する。

【００６１】制御手段２９′は、各超音波アクチュエー
タに対応した独立の制御手段をアクチュエータの数だけ
備えている。各制御手段は、前述した図６に示す回路構
成を有し、パーソナルコンピュータ３８′から対応する
方向の動作指令信号が入力されると共に対応する変位検
出手段から変位検出信号が入力される。

【００６２】駆動制御手段３０′は、各超音波アクチュ
エータに対応した独立の駆動制御手段をアクチュエータ
の数だけ備えている。各駆動制御手段は、前述した図７
に示す回路構成を有し、対応する制御手段から入力する
制御信号に応じた値の駆動電圧を対応する超音波アクチ
ュエータの圧電素子へ印加する。

【００６３】なお、制御手段２９′および駆動制御手段
３０′は、１つマニピュレータ本体３９に対するもので
あり、第１実施例に示すように一対のマニピュレータ本
体３９−１，３９−２の場合には同様の構成の制御系が
もう１組み必要になる。

【００６４】以上のように構成された本実施例では、入
力手段２８′からマイクロピペット４０に対する動作内
容が入力されると、その指示された動作を実現するのに
必要な超音波アクチュエータが判断され、さらに当該ア
クチュエータの駆動量が判断される。入力手段２８′か
ら入力される動作内容には、駆動すべき超音波アクチュ
エータの種類と移動方向及び移動距離の情報が含まれて
いるものとする。

【００６５】パーソナルコンピュータ３８は、その動作
内容に応じた動作指令信号を該当する各制御手段へ送信
する。パーソナルコンピュータ３８から動作指令信号が
入力した各制御手段では動作指令信号と変位検出信号と
の偏差がなくなるように制御信号を生成して対応する駆
動制御手段へ出力する。そして、制御信号が入力された
各駆動制御手段が制御信号に応じた電圧値の駆動電圧を
生成して対応する超音波アクチュエータの圧電素子へ印
加する。その結果、Ｘステージ１０３，Ｙステージ１０
４，Ｚステージ１０５及び操作針用可動体１０６に組込
まれた超音波アクチュエータのうち該当する超音波アク
チュエータが駆動され、動作内容で指示されているＸス
テージ１０３，Ｙステージ１０４，Ｚステージ１０５及
び操作針用可動体１０６のいずれかが移動する。

【００６６】この様に本実施例によれば、マイクロピペ
ット４０を保持している移動機構１１０をＸ，Ｙ，Ｚの
直交座標系としたので、マイクロピペット４０を３次元
空間の任意の位置へサブミクロンオーダの位置決め精度
で動かすことができる。

【００６７】また、Ｘステージ１０３，Ｙステージ１０
４，Ｚステージ１０５及び可動体１０６を備えたこと
で、４自由度となり、マイクロピペット４０をより高い
自由度で動かすことができる。

【００６８】また、Ｘステージ１０３，Ｙステージ１０
４，Ｚステージ１０５、又は操作針用可動体１０６の移
動距離が長い場合、又は高い精度を必要としない場合に
は、超音波アクチュエータを駆動することなく各ステー
ジ等の側面に設けた凸部１１２〜１１５を直接手で操作
することにより簡単に移動させることができる。

【００６９】また、サブステージ１０２を設けた構成と
したことで、顕微鏡ステージ１１６を動かし、試料を動
かしてもマイクロピペット４０の先端を常に光軸または
その付近に固定しておくことができる。また、可動機構
１１０を顕微鏡ステージ１１６上に設ける構成にするこ
とも可能である。さらに、マイクロピペット４０専用の
可動体を備えたことと、その可動体が粗動を備えている
ことでマイクロピペット４０または試料の変換も容易に
なる。

【００７０】なお、上記第２実施例おいて、Ｘステージ
１０３，Ｙステージ１０４，Ｚステージ１０５の組み合
わせを変えて１軸移動，２軸移動構成に変形することが
できる。また、操作針用可動体１０６を保持しているア
クチュエータ保持部材１１１を、Ｚステージ１０５に対
して回転自在に保持せるように構成しても良い。

【００７１】また、本発明は倒立顕微鏡に限らず、正立
顕微鏡等の他の種類の顕微鏡にも適用することができ
る。本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、
本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であ
る。

【００７２】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、顕
微鏡下の細胞操作に於いて、最適の動作を数値的に管理
してこれを再現性良く実現し、しかも操作者に特段の技
能を要求せず、誰にでも失敗なく確実に細胞操作ができ
るマイクロマニピュレータを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係るマイクロマニピュレ
ータの全体構成図である。

【図２】図１のマイクロマニピュレータに備えられたマ
ニピュレータ本体の斜視図である。

【図３】図２に示すマニピュレータ本体の分解斜視図で
あり、図２の状態を倒立して示す図である。

【図４】図１のマイクロマニピュレータに備えられた超
音波アクチュエータの側面図である。

【図５】図４に示す超音波アクチュエータの動作説明図
である。

【図６】図１のマイクロマニピュレータに備えられた制
御手段の構成図である。

【図７】図１のマイクロマニピュレータに備えられた駆
動手段の構成図である。

【図８】本発明の変形例に係るマイクロマニピュレータ
の構成図である。

【図９】本発明の第２実施例に係るマニピュレーション
システムの構成図である。

【図１０】図９に示すマイクロマニピュレータに備えら
れた可動機構の斜視図である。

【図１１】図９に示すマイクロマニピュレータの制御系
の構成図である。

【図１２】従来のマイクロマニピュレータの構成図であ
る。

【図１３】従来のマイクロマニピュレータの操作内容を
説明するための図である。

【図１４】従来のマイクロマニピュレータ操作時の不具
合を示す図である。

【符号の説明】

２７…マニピュレータ本体、２８…入力手段、２９…制
御手段、３０…駆動手段、３１…超音波アクチュエー
タ、３２…ジョイスティック、３３…トラックボール、
３４…キーボード、３５…プログラム、３６…モニタ手
段、３７…ライトペン、３８…パーソナルコンピュー
タ、３９…キャピラリ、１０２…サブステージ、１０３
…Ｘステージ、１０４…Ｙステージ、１０５…Ｚステー
ジ、１０６…操作針用可動台、１１０…可動機構。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者舟窪朋樹東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者粂井一裕東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者津幡敏晴東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者藤村毅直東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者佐々木邦彦東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者上野台浅雄東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者大内孝司東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者篠原大三東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者野田浩昭東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者蛇石廣康東京都八王子市大和田町４丁目29番16号株式会社オリンパスエンジニアリング内 (72)発明者渡邉宗光東京都八王子市大和田町４丁目29番16号株式会社オリンパスエンジニアリング内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】顕微鏡の視野下で操作針を使用して被検
物を微細操作するマイクロマニピュレータにおいて、前記操作針の移動方向や移動距離等の動作内容を入力す
る入力手段と、前記入力手段から入力された前記動作内容に応じた動作
指令信号を出力する動作指令発生手段と、前記動作指令発生手段から出力された動作指令信号に応
じた駆動信号を発生する駆動制御手段と、前記駆動制御手段で発生した駆動信号を前記動作内容に
対応した機械的な運動エネルギーに変換するアクチュエ
ータと、前記操作針が固定され、前記アクチュエータから運動エ
ネルギーを受けて直線移動し、前記操作針を幾何学的に
変位させる可動体と、を具備したことを特徴とするマイ
クロマニピュレータ。
【請求項２】顕微鏡の視野下で操作針を使用して被検
物を微細操作するマイクロマニピュレータにおいて、前記操作針の移動方向や移動距離等の動作内容を入力す
る入力手段と、前記入力手段から入力された前記動作内容に応じた動作
指令信号を当該動作内容に含まれている移動方向毎に出
力する動作指令発生手段と、前記動作指令発生手段から出力された動作指令信号に応
じて該当する移動方向の駆動信号を発生する駆動制御手
段と、前記操作針が固定され、第１の方向へ摺動可能に可動体
基板に取り付けられた操作針用可動体と、前記可動体基板が取り付けられた可動体を含む複数の可
動体からなり、前記操作針用可動体を第１の方向と異な
る他の方向へ移動させる可動機構と、前記操作針用可動体および前記可動機構の各可動体に対
してそれぞれ設けられ、前記駆動制御手段から各々対応
する方向の駆動信号が印加され、その駆動信号の印加に
より対応する可動体に変位力を加える複数のアクチュエ
ータとを具備したことを特徴とするマイクロマニピュレ
ータ。
【請求項３】前記可動機構は、機構固定部に対してＸ
軸方向へ摺動可能に取り付けられたＸ軸可動台と、前記
Ｘ軸可動台に対してＸ軸方向と直交するＹ軸方向へ摺動
可能に取り付けられたＹ軸可動台とを備え、前記Ｙ軸可
動台又はその一体物に対して前記可動体基板が取り付け
られたことを特徴とする請求項２記載のマイクロマニピ
ュレータ。
【請求項４】前記可動機構は、機構固定部に対してＸ
軸方向へ摺動可能に取り付けられたＸ軸可動台と、前記
Ｘ軸可動台に対してＸ軸方向と直交するＹ軸方向へ摺動
可能に取り付けられたＹ軸可動台と、前記Ｙ軸可動台に
対してＸ軸方向及びＹ軸方向と直交するＺ軸方向へ摺動
可能に取り付けられたＺ軸可動台とを備え、前記Ｚ軸可
動台又はその一体物に対して前記可動体基板が取り付け
られたことを特徴とする請求項３記載のマイクロマニピ
ュレータ。
【請求項５】前記アクチュエータは、前記駆動制御手
段から駆動信号として駆動電圧が印加される圧電体と、
この圧電体が付着された弾性体とを具備する超音波アク
チュエータから構成されることを特徴とする請求項１〜
請求項４のいずれかに記載のマイクロマニピュレータ。
【請求項６】前記入力手段は、前記操作針の種々の動
作内容が記憶された記憶部と、外部から指示された動作
内容を前記記憶部から読出して当該動作内容に応じた動
作指令信号を出力する手段とを備えたことを特徴とする
請求項１〜請求項５のいずれかに記載のマイクロマニピ
ュレータ。