JPH08243957A - マイクロマニピュレータシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 マイクロマニピュレータのアームに取り付け
られた微小器具の取り付け角度を読み取り、簡単な構成
で微小器具の軸方向の移動を可能とするマイクロマニピ
ュレータシステムを提供する。 【構成】 マイクロマニピュレータシステムは、画像上
に基準点を設定するためのラインＰを表示し（ステップ
Ｓ３）、このラインＰ上に位置する微小器具の第１のポ
イントに対して焦点を合わせる（ステップＳ５）。微小
器具をａ（μｍ）だけ移動し（ステップＳ６）、ライン
Ｐと重なる微小器具の第２のポイントに対して画像の焦
点が合致するか否かを判断する（ステップＳ７）。微小
器具の第２のポイントにＴＶカメラの焦点が合致した時
のＺ軸方向の移動距離をカウントし（ステップＳ９）、
移動距離ａ，ｂに基づいて取り付け角度を演算する（ス
テップＳ１０）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マイクロマニピュレー
タシステム、特に、３次元方向に移動自在なアームが任
意の取り付け角度で微小器具を保持するマイクロマニピ
ュレータシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】たとえば細胞にＤＮＡ溶液の注入処理を
施す場合、一方に微小針をまた他方に捕捉針を配置した
マイクロマニピュレータと、その操作内容を観察するた
めの顕微鏡とを備えたマイクロマニピュレータシステム
が用いられている。一般的なマイクロマニピュレータシ
ステムでは、顕微鏡視野内で微小針や捕捉針等の微小器
具を走査してその映像をＣＲＴディスプレイ等に表示
し、表示内容を観察しながらシャーレ等の容器内に入れ
られた細胞等の微小試料に所定の処理を施すようになっ
ている。

【０００３】この種のマイクロマニピュレータシステム
では、たとえば前後左右に傾動可能なＸ，Ｙ軸用のジョ
イスティックと、Ｚ軸用の回転ダイヤルとを用い、それ
らを両手で操作して空間内の３軸方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方
向）にマイクロマニピュレータを微小動作させる。Ｚ軸
用の回転ダイヤルがジョイスティック頭部に設けられ、
片手で３軸方向の操作を行えるものも存在する。

【０００４】マイクロマニピュレータ先端に保持される
微小器具は、通常水平面（Ｘ−Ｙ平面）に傾斜角をもっ
て配置される場合が多い。したがって、３次元方向に移
動自在なアーム先端に微小器具の長さ方向に移動可能な
第４の駆動源を設け、微小器具を長さ方向に移動するよ
うに構成されたマイクロマニピュレータが存在する。ま
た、予め設定された角度で微小器具が移動するように、
水平方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向またはその合成方向）と
鉛直方向（Ｚ軸方向）の合成方向にアームを駆動する構
成のマイクロマニピュレータが存在する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のようなマイクロ
マニピュレータにおいて、第４の駆動源を設けている場
合には、駆動機構やその操作部が必要となり、装置が大
型化し、コストの低減も困難となる。また、マイクロマ
ニピュレータのアームは任意の取り付け角度で微小器具
を保持している場合が多い。水平方向の駆動源と鉛直方
向の駆動源とを同時駆動して、アームを合成方向に移動
する場合、微小器具の取り付け角度を予め認識し、これ
を入力しておく必要がある。したがって、この作業が煩
雑となり、微小器具の取り付け角度を変更する度に入力
し直す必要もある。

【０００６】本発明の目的は、マイクロマニピュレータ
のアームに取り付けられた微小器具の取り付け角度を読
み取り、簡単な構成で微小器具の軸方向の移動を可能と
するマイクロマニピュレータシステムを提供することに
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係るマイクロマ
ニピュレータシステムは、撮像手段と、基準位置設定手
段と、第１の検出手段と、第２の検出手段と、軸方向演
算手段とを備えている。撮像手段は第１の方向及び第１
の方向に直交する第２の方向とが構成する平面を撮影す
る。基準位置設定手段と撮像手段の画像上に基準点を設
定する。第１の検出手段は微小器具の第１及び第２のポ
イントが画像上の基準点に位置するように、微小器具を
平面に平行に移動し、そのときの水平移動距離を検出す
る。第２の検出手段は、撮像手段の焦点距離が同一の状
態で、第１及び第２のポイントがそれぞれ画像上の基準
点に位置するときに、撮像手段の焦点が基準点上に合う
ように微小器具を平面に垂直に移動し、そのときの垂直
移動距離を検出する。軸方向演算手段は水平移動距離と
垂直移動距離とに基づいて微小器具の取り付け角度を演
算する。

【０００８】

【作用】本発明に係るマイクロマニピュレータシステム
では、基準位置設定手段が設定する基準点上に微小器具
の第１のポイントを位置させ、撮像手段の焦点を合わせ
る。次に微小器具の第２のポイントが画像上の基準点と
重なるように、撮像手段が撮影する平面と平行に微小器
具を移動する。撮像手段の焦点距離を変更せずに、基準
点上にある微小器具の第２のポイントに焦点が合うよう
に垂直方向に微小器具を移動する。微小器具の第１のポ
イントが画像上で基準点に重なる位置から第２のポイン
トが画像上で基準点に重なる位置までの水平移動距離は
第１の検出手段により検出される。微小器具の第１のポ
イントが画像上で基準点に重なる位置で、第１のポイン
トに焦点が合う微小器具の垂直方向位置と、同じ焦点距
離で第２のポイントが画像上で基準点に重なる位置で第
２のポイントに焦点が合う微小器具の垂直方向位置との
垂直移動距離は第２の検出手段により検出される。軸方
向演算手段は、水平移動距離と垂直移動距離とに基づい
て、微小器具の取り付け角度を演算する。微小器具を取
り付け角度に移動する場合には、軸方向演算手段が演算
した角度に基づいて、アームを３次元方向に移動する駆
動源を駆動してその合成方向に移動させる。

【０００９】

【実施例】図１は、本発明の一実施例によるマイクロマ
ニピュレータシステムを示している。図において、マイ
クロマニピュレータシステムは、顕微鏡３の側方に位置
してマイクロマニピュレータ４，５が配置されており、
それぞれ結合フレーム６，７を介して顕微鏡３に固定さ
れている。図においては１対のマイクロマニピュレータ
４，５を示しているが、マイクロマニピュレータ４，５
の後方（紙面鉛直下方）に位置してさらに１対のマイク
ロマニピュレータが配置されている。

【００１０】マイクロマニピュレータ４，５は、操作ユ
ニット８，９に設けられるジョイスティック１０，１１
の操作にしたがって制御が行われる。操作ユニットはマ
イクロマニピュレータに対応して設けられ、４つのマイ
クロマニピュレータが配置される場合には４つの操作ユ
ニットが設けられるが、図においては２つの操作ユニッ
ト８，９を示す。

【００１１】顕微鏡３は、その中央部に操作台１２を有
しており、操作台１２には細胞等の微小試料が収容され
るシャーレ１３が配置されている。操作台１２の下方に
は対物レンズ（図示せず）が配置されており、対物レン
ズの他端にはＴＶカメラ１４が接続されている。操作台
１２は、図示しない駆動機構によって水平方向（Ｘ，Ｙ
軸方向）及び上下方向（Ｚ軸方向）に駆動され得る。ま
た顕微鏡３には接眼レンズ１５が設けられており、対物
レンズによる画像を確認することが可能となっている。

【００１２】マイクロマニピュレータ４には、先端に器
具ホルダ１６を有するアーム１７が操作台１２側に突設
されている。器具ホルダ１６はインジェクションピペッ
トや吸着用ピペット等の微小器具１８を保持するもので
ある。器具ホルダ１６は図示しないインジェクタ等に接
続されている。またマイクロマニピュレータ４には、器
具ホルダ１６に保持された微小器具１８を移動するため
に、水平方向（Ｘ，Ｙ軸方向）及び上下方向（Ｚ軸方
向）の駆動機構が設けられている。この駆動機構は、Ｘ
軸方向に駆動するＸ軸ステッピングモータ１９、Ｙ軸方
向に駆動するＹ軸ステッピングモータ（図示せず）、Ｚ
軸方向に駆動するＺ軸ステッピングモータ２０及びＸ，
Ｙ，Ｚ各軸方向に案内するためのガイドレール（図示せ
ず）から構成されている。マイクロマニピュレータ５に
は、同様にして先端に器具ホルダ２１を有するアーム２
２が操作台１２側に突設されている。器具ホルダ２１は
微小器具１８と同様のインジェクションピペットや吸着
用ピペット等の微小器具２３を保持するものである。器
具ホルダ２１は図示しないインジェクタ等に接続されて
いる。また、マイクロマニピュレータ５には、器具ホル
ダ２１に保持された微小器具２３を移動するために、水
平方向（Ｘ，Ｙ軸方向）及び上下方向（Ｚ軸方向）の駆
動機構が設けられている。この駆動機構は、Ｘ軸方向に
駆動するＸ軸ステッピングモータ２４、Ｙ軸方向に駆動
するＹ軸ステッピングモータ（図示せず）、Ｚ軸方向に
駆動するＺ軸ステッピングモータ２５及びＸ，Ｙ，Ｚ各
軸方向に案内するためのガイドレール（図示せず）から
構成されている。

【００１３】操作ユニット８，９のジョイスティック１
０，１１は、鉛直軸方向（図１上下方向）に対して前後
左右に傾動可能となっており、マイクロマニピュレータ
４，５の水平方向（Ｘ，Ｙ軸方向）の制御量を指示する
ことが出来る。またジョイスティック１０，１１の上部
には回転ダイヤルが設けられており、この回転ダイヤル
を操作することによってマイクロマニピュレータ４，５
の上下方向（Ｚ軸方向）の制御量を与えることが可能と
なっている。操作ユニット８，９にはその他の制御を行
うキースイッチが設けられている。

【００１４】操作ユニット８，９の操作信号はコントロ
ールユニット２６に入力されている。コントロールユニ
ット２６は操作ユニット８，９の操作信号に応じてマイ
クロマニピュレータ４，５を駆動するための制御信号を
出力する。また、コントロールユニット２６は顕微鏡３
を制御して焦点調整や操作台１２の移動駆動を行う。さ
らに、ＴＶカメラ１４の画像が入力されモニタ２７に表
示を行う。

【００１５】図２に示すように、コントロールユニット
２６には、ＣＰＵ，ＲＡＭ，ＲＯＭ等を含むマイクロコ
ンピュータから構成された制御部２８が設けられてい
る。制御部２８には、ＴＶカメラ１４、制御ユニット８
（９）、マイクロマニピュレータ４，５のそれぞれのモ
ータを３軸方向で駆動するための駆動部２９，３０、各
種の設定値等を記憶するためのメモリ３１、ビデオＲＡ
Ｍ３２及びビデオＲＡＭ３２の出力とＴＶカメラ１４の
撮像画像とをスーパーインポーズするための加算器３３
が接続されている。ビデオＲＡＭ３２には、画像上で微
小器具１８，２３の焦点を合わせるための基準点の表示
位置や倍率に応じたスケールを表示するための情報等が
表示位置に対応して格納される。加算器３３にはスーパ
ーインポーズした画像を表示するモニタ２７が接続され
ている。

【００１６】次にこの実施例の動作を図３に示すフロー
チャートに基づいて説明する。電源投入後、ステップＳ
１において初期設定を行う。ここでは、たとえば、マイ
クロマニピュレータ４，５の駆動部２９，３０を初期位
置にセットする。ステップＳ２では、マイクロマニピュ
レータ４，５が保持している微小器具１８，２３の取り
付け角度を設定するか否かを判断する。取り付け角度の
設定を行う場合には、ステップＳ３に移行する。

【００１７】ステップＳ３では、ＴＶカメラ１４で撮像
している実画像上に、焦点合わせを行う基準点となるラ
インＰを重ねて表示する。たとえば、微小器具１８の取
り付け角度を設定する場合を考える。ラインＰは、図４
に示すように、モニタ２７の画面上で微小器具１８と交
差するように表示される。ラインＰの表示は、ビデオＲ
ＡＭ３２に格納されている基準点データに基づいて行わ
れる。ステップＳ４では、画像上でラインＰと重なる微
小器具１８の第１のポイント３５に対して、画像の焦点
が合致しているか否かを判断する。画像の焦点が合致し
ていない場合にはステップＳ５に移行する。ステップＳ
５では、駆動部２９をＺ軸方向に駆動し、微小器具１８
のポイント３５に画像の焦点が合致するように微小器具
１８を上下動する。この後、さらにステップＳ４に移行
する。

【００１８】ステップＳ４で、微小器具１８のポイント
３５に画像の焦点が合致したと判断するとステップＳ６
に移行する。ステップＳ６では、Ｚ軸方向の移動距離ｂ
をリセットし、微小器具１８をＸ−Ｙ平面と平行に所定
距離移動させる。図４，図５に示すものは、微小器具１
８のＸ−Ｙ平面への投影像の軸中心がＸ方向に延設され
ている。したがって、モニタ２７の画面３４上で微小器
具１８が所定距離ａ（μｍ）だけ左に移動するように、
駆動部２９をＸ方向に駆動する。このとき、微小器具１
８は図６に示すように、矢印ｘ方向に移動され、点線位
置から実線位置に移動している。したがって、図５に示
すように、微小器具１８の第２のポイント３６がライン
Ｐ上に重なって表示される。

【００１９】ステップＳ７では、ラインＰ上に重なる微
小器具１８の第２のポイント３６に対して、画像の焦点
が合致しているか否かを判断する。画像の焦点が第２の
ポイント３６に合致していない場合には、ステップＳ８
に移行する。ステップＳ８では、駆動部２９をＺ軸方向
に駆動し、微小器具１８のポイント３６に画像の焦点が
合致するように微小器具１８を上下動する。ステップＳ
９ではこのときのＺ軸方向の移動距離をカウントし、Ｚ
方向移動距離ｂに加算する。この後ステップＳ７に移行
する。

【００２０】ステップＳ７において、微小器具１８のポ
イント３６にＴＶカメラ１４の焦点が合致していると判
断した場合、ステップＳ１０に移行する。この焦点の合
致は画像処理で行うことができる。このとき、微小器具
１８は、ポイント３６が水平移動する前のポイント３５
に重なるように図６矢印ｚ方向に移動されている。

【００２１】ステップＳ１０では、Ｘ軸方向及びＺ軸方
向の移動距離ａ（μｍ），ｂ（μｍ）に基づいて微小器
具１８の取り付け角度を演算する。ここでは、微小器具
１８の取り付け角度θは、 θ＝ｔａｎ^-1（ｂ／ａ） として算出することができる。

【００２２】ステップＳ１１では、この微小器具１８の
取り付け角度θをメモリ３１に格納する。必要であれ
ば、マイクロマニピュレータ５が保持している微小器具
２３についてもステップＳ３〜ステップＳ１１の処理を
実行して取り付け角度の設定を行うことができる。ステ
ップＳ１２では、微小器具１８の取り付け角度にしたが
って移動を行うか否かの判断を行う。操作者のキー入力
等により設定角度による移動を行う場合には、ステップ
Ｓ１３に移行する。ステップＳ１３では、駆動部２９ま
たは３０を設定角度に基づく合成方向に駆動して微小器
具１８または２３を移動させる。ステップＳ１２におい
て操作者の指示が設定角度方向の移動を行わない場合に
は、ステップＳ１４に移行する。ステップＳ１４では操
作ユニット８（９）の操作に基づいて通常の動作を行
う。ステップＳ１５では他の処理を行う。

【００２３】〔他の実施例〕 （ａ） ステップＳ４〜Ｓ５における微小器具１８の第
１のポイントに焦点を合わせる動作は、操作者が手動で
行うように構成することも可能である。この場合、微小
器具１８に対する画像の焦点がある程度の幅をもって合
致する場合には、ほぼ中央がラインＰ上にくるように合
わせることとする。 （ｂ） ステップＳ７〜Ｓ９の処理において、画像処理
を用いないで微小器具１８の第２のポイントに対する焦
点合わせを行う場合には、操作者がジョイスティック等
を操作して微小器具１８をＺ軸方向へ移動するように構
成できる。この場合操作者がＺ軸方向に操作した移動量
は制御部２８においてカウントされメモリ３１に記憶さ
れる。

【００２４】

【発明の効果】本発明に係るマイクロマニピュレータシ
ステムでは、微小器具の取り付け角度に移動可能な第４
の駆動源を必要とせず、簡単な構成で微小器具の取り付
け角度を認識し、駆動することが可能となる。したがっ
て、装置を小型化し、コストダウンを図ることが可能と
なる。また、自動的に微小器具の取り付け角度を読み取
ることが可能であり、作業効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例が採用されるマイクロマニピ
ュレータシステムの正面図。

【図２】コントロールユニットのブロック図。

【図３】制御部の制御フローチャート。

【図４】モニタの画像の説明図。

【図５】モニタの画像の説明図。

【図６】微小器具の移動距離を説明するための側面図。

【符号の説明】

３ 顕微鏡 ４，５ マイクロマニピュレータ ８，９ 操作ユニット １０，１１ ジョイスティック １２ 操作台 １４ ＴＶカメラ １８，２３ 微小器具 ２６ コントロールユニット ２７ モニタ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】３次元方向に移動自在なアームが任意の取
   り付け角度で微小器具を保持するマイクロマニピュレー
   タシステムであって、 第１の方向及び前記第１の方向に直交する第２の方向と
   が構成する平面を撮影する撮像手段と、 前記撮像手段の画像上に基準点を設定する基準位置設定
   手段と、 前記微小器具の第１及び第２のポイントが前記画像上の
   基準点に位置するように、前記微小器具を前記平面に平
   行に移動し、そのときの水平移動距離を検出する第１の
   検出手段と、 前記撮像手段の焦点距離が同一の状態で、前記第１及び
   第２のポイントがそれぞれ前記画像上の基準点に位置す
   るときに、前記撮像手段の焦点が前記基準点上に合うよ
   うに、前記微小器具を前記平面に垂直に移動し、そのと
   きの垂直移動距離を検出する第２の検出手段と、 前記水平移動距離と前記垂直移動距離とに基づいて前記
   微小器具の取り付け角度を演算する軸方向演算手段と、
   を備えるマイクロマニピュレータシステム。