JP5126675B2

JP5126675B2 - マニピュレータシステム

Info

Publication number: JP5126675B2
Application number: JP2008161909A
Authority: JP
Inventors: 伸明田中
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2007-09-04
Filing date: 2008-06-20
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2028-06-20
Also published as: JP2009211031A

Description

本発明は、マニピュレータを用いて細胞や卵等の微小な対象物に微細な操作を行う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（インジェクション）するなどのように卵等の微小な対象物に微細な操作を行うマイクロマニピュレーションシステムが知られている（例えば、特許文献１参照）。顕微鏡の視野内でマイクロマニュピレータを用いて微小針（キャピラリ）を操作することにより被検体に対して遺伝子組み換え操作や顕微受精操作等の微細操作が行われる。

特許文献２は、電動マニピュレータを顕微鏡に設置し、マウスから入力されたマイクロマニピュレータ用微小器具に対する駆動指令に基づいてマイクロマニピュレータ用微小器具に対して駆動制御を実行するシステムを開示する。
特開２００５−２５８４１３号公報特許第３８８８４２９号公報（［００１２］参照）

従来、顕微鏡に取り付けられた電動マニピュレータには、電動マニピュレータをコントロールするためのジョイスティック等のインターフェイスの近傍にディスプレイを設置している。この場合、ガラスキャピラリをマニピュレータに装着する作業時に、コントローラ、ディスプレイ及びインターフェイスがマニピュレータを設置した作業場所から離れて設置されているため、マニピュレータ設置場所とコントローラ設置場所とを行き来しなければならず非効率的であった。

また、顕微鏡側部にコントローラのディスプレイ及び操作のためのインターフェイスを設置すると、実際の操作時に、作業者から顕微鏡（マニピュレータ〉へ伝わる振動が作業の障害になるおそれがあった。

本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、マニピュレータを取り付けた顕微鏡とコントローラとが離れて設置されている場合でもキャピラリ等の装着作業を操作者が移動することなく行うことが可能であり、かつ、操作者のマニピュレータ操作に起因する振動が顕微鏡観察に悪影響を及ぼさないようにした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、本実施形態によるマニピュレータシステムは、微小な操作対象物を観察する顕微鏡と、前記顕微鏡による顕微鏡画像を撮像するカメラと、前記顕微鏡に取り付けられて前記微小な操作対象物を操作するマニピュレータと、前記マニピュレータの駆動を制御するコントローラと、操作されることで前記コントローラを介して前記マニュピレータを駆動する操作部と、前記カメラによる顕微鏡画像を表示する表示部と、を備え、
前記マニピュレータは、先端に前記微小な操作対象物を操作するためのキャピラリが装着され、前記キャピラリがその先端側に装着される回転軸と、前記回転軸を回転可能に支持する２つの軸受と、前記２つの軸受の内輪間に配置される内輪間座と、前記２つの軸受とともに前記回転軸の軸方向に沿った押圧力による予圧が付与され、かつ、前記２つの軸受の一方において伸縮することで前記内輪間座と前記２つの軸受の他方とを介して前記回転軸をその軸方向に微動させて前記キャピラリの位置を微調整する圧電素子と、を有するナノポジショナを備え、
前記表示部及び前記操作部をそれぞれ複数設置し、そのうちの少なくとも各１台ずつを前記顕微鏡の近くに配置することを特徴とする。

このマニピュレータシステムによれば、複数の表示部と複数の操作部をそれぞれ設置し、そのうちの少なくとも表示部１台と操作部１台とを顕微鏡側部等の顕微鏡近くに配置することで、マニピュレータにキャピラリを装着する等の場合、顕微鏡近くに設置した表示部と操作部とを用いてキャピラリの装着等の作業を行うことができる。このため、マニピュレータが取り付けられた顕微鏡とコントローラとが離れて設置されていても、キャピラリの装着作業等を操作者が移動することなく行うことが可能となる。

また、操作者が顕微鏡に取り付けられたマニピュレータで細胞や卵等の微小な操作対象物を操作するときは、顕微鏡から離れたコントローラ近くに設置した別の表示部と操作部とを用いて微小な操作対象物の操作を行うことができるので、操作者のマニピュレータ操作に起因する振動が顕微鏡やマニピュレータに悪影響を及ぼすことはない。

上記マニピュレータシステムにおいて前記複数の表示部には同一のコントローラ画面を表示し、前記複数の操作部で前記コントローラを制御可能である。顕微鏡近くに設置の表示部にもコントローラ画面を表示し、その中に映し出されている顕微鏡画像をみながらキャピラリ装着等の操作をすることができ、接眼レンズをのぞきながら操作する必要がなくなり、キャピラリ装着等の作業が容易となり、作業者への負担を軽減できる。

また、前記操作部はマウスであり、前記表示部に表示されたコントローラ画面を前記マウスで操作可能である。

また、前記表示部の画面を分割し、各分割された画面に前記顕微鏡画像を表示することが好ましい。この場合、前記表示部に分割して表示される各顕微鏡画像は表示倍率が異なるようにすることが好ましい。

また、前記マニピュレータは先端に前記微小な操作対象物を操作するためのキャピラリが装着されて使用される。なお、一対のマニピュレータを備える場合、一方のマニピュレータにインジェクタが設けられ、その先端にインジェクションキャピラリが装着され、もう一方のマニピュレータに微小な操作対象物を保持するホールディングキャピラリが装着される。また、インジェクション用のマニピュレータには、インジェクタを直線往復駆動するためにモータと圧電素子による駆動機構を有することが好ましい。

本発明のマニピュレータシステムによれば、マニピュレータを取り付けた顕微鏡とコントローラとが離れて設置されている場合でもキャピラリ等の装着作業を操作者が移動することなく行うことができるとともに、操作者のマニピュレータ操作に起因する振動が顕微鏡観察に悪影響を及ぼさないようにできる。

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は本実施形態のマニピュレータシステムの要部構成を概略的に示す斜視図である。図２は図１のインジェクション用電動３軸マニピュレータの概略的構成を示す斜視図である。

図１のように、本実施形態によるマニピュレータシステム５００は、ホールディング用の電動３軸（ＸＹＺ）マニピュレータ１４０と、インジェクション用の電動３軸（ＸＹＺ）マニピュレータ１６０と、倒立顕微鏡１２０と、電動の試料ステージ１１０と、を備え、各電動３軸マニピュレータ１４０，１６０は倒立顕微鏡１２０に一体になるように取り付けられている。なお、電動３軸マニピュレータ１４０，１６０は、試料ステージ１１０と一体構造となるように取り付けてもよく、これにより外部からの振動等の影響が受け難くなる。

インジェクション用の電動３軸マニピュレータ１６０には、電動で圧力調整可能なインジェクタ３４０を設置軸方向に往復運動するようにモータ駆動及び圧電素子駆動が可能なナット回転型アクチュエータ１７０が取り付けられている。ホールディング用の電動３軸マニピュレータ１４０にも同様のナット回転型アクチュエータ１９１が取り付けられている。

倒立顕微鏡１２０は電動焦点合わせアクチュエータ、対物レンズを切り替えるレボルバ部及び観察対象物への光照射のための光源を有する。

また、各電動３軸マニピュレータ１４０，１６０の設置時の安定性を向上するため、各電動３軸マニピュレータ１４０，１６０を重力方向に支持するための脚１４９，１６９を設置している。各脚１４９，１６９は、図１では各電動３軸マニピュレータ１４０，１６０に対しそれぞれ１箇所しか配置していないが、複数でもよい。

図２のように、電動３軸マニピュレータ１６０は、３つの１軸アクチュエータ１６１，１６２，１６３を３軸（ＸＹＺ）方向に組み合わせて構成されている。各１軸アクチュエータ１６１〜１６３は、ステッピングモータとカップリングとＢＳ（ボールねじ）と案内要素とスライダとから構成され、オーバーストロークを防止するために駆動軸方向の両端にリミットスイッチが設置されている。また、各１軸アクチュエータ１６１〜１６３のステッピングモータの励磁を切ることにより、各１軸アクチュエータ１６１〜１６３の各手動ノブ１６１ａ，１６２ａ，１６３ａによりマニピュレータ１６０を各軸方向に手動操作することも可能な構成となっている。電動３軸マニピュレータ１４０も同様に構成されている。

１軸アクチュエータ１６３をＺ軸方向の駆動用とし、そのＺ軸スライダ１６３ｂ上にはθステージ１６４が配置され、さらにθステージ１６４上にはナット回転型アクチュエータ１７０が配置されている。θステージ１６４は、ナット回転型アクチュエータ１７０の設置角度を調整するためのものであり、手動タイプであるが、電動タイプに構成してもよい。θステージ１６４の設置角度は、インジェクタ３４０に装着されるガラス製のインジェクションキャピラリ３４１の折れ曲がり角度またはインジェクション角度と一致するよう設定される。

次に、図１，図２のナット回転型アクチュエータ１７０について図３，図４を参照して説明する。図４は図２のナット回転型アクチュエータ１７０をθステージ１６４の平面と平行な方向に切断してみた断面図である。図３は図２のナット回転型アクチュエータ１７０の斜視図である。

図３，図４に示すように、ナット回転型アクチュエータ１７０は、圧電アクチュエータとしての本体を構成するハウジング４８０を備えており、ほぼ筒状に形成されたハウジング４８０内には、ピペット状のインジェクタ３４０を駆動対象として、外周側にねじ部を有するねじ軸５２０と、ねじ軸５２０を囲む中空状の回転軸５４０が挿通されている。ハウジング４８０はその底部がベース５６０に固定されており、微動機構、ナノポジショナとして構成されている。

ねじ軸５２０の先端側には、治具５８０を介してピペット状のインジェクタ３４０の根元側が連結されており、ねじ軸５２０の中程には、ねじ軸５２０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）６００が装着され、治具５８０とねじ軸５２０との間にはスライダ６２０が連結されている。スライダ６２０はベース５６０とほぼ直交する方向に配置され、切り欠き６４０を間にしてリニアガイド６６０に連結されている。リニアガイド６６０はベース５６０底部側に配置され、ベアリング６８０を介して、ねじ軸５２０の軸方向に沿って移動自在にベース５６０に連結されている。

すなわち、リニアガイド６６０は、ねじ軸５２０の軸方向の移動に合わせて、ねじ軸５２０の先端側を支持したスライダ６２０を、ベース５６０に沿って往復動させるようになっている。この際、ねじ軸５２０のうちボールねじナット６００よりもインジェクタ３４０側の部位が、スライダ６２０を介してリニアガイド６６０でスライド自在に支持されるので、ねじ軸５２０の直線運動をインジェクタ３４０へ伝達することができる。

ボールねじナット６００は、回転軸５４０の軸方向一端側（先端側）の段部５４０ａに固定されているとともに、ねじ軸５２０外周のねじ部とねじ結合され、ねじ軸５２０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６００は、回転軸５４０の回転運動をねじ軸５２０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５４０の軸方向他端側は、中空モータ７００内の回転部に連結している。中空モータ７００のハウジング７４０は、その底部側がベース５６０に弾性体としてのゴムワッシャ７６０を介してボルト７８０が固定されている。中空モータ７００が駆動されると回転軸５４０が回転し、回転軸５４０の回転運動がボールねじナット６００を介してねじ軸５２０に伝達され、ねじ軸５２０がその軸方向に沿って直線運動するようになっている。

一方、回転軸５４０の段部５４０ａに隣接して、軸受８００、８２０が内輪間座８４０を間にして収納されている。軸受８００、８２０は、それぞれ内輪８００ａ、８２０ａと、外輪８００ｂ、８２０ｂと、内輪と外輪間に挿入されたボール８００ｃ、８２０ｃを備え、各内輪８００ａ、８２０ａが回転軸５４０の外周面に嵌合され、各外輪８００ｂ、８２０ｂがハウジング４８０の内周面に嵌合され、回転軸５４０を回転自在に支持するようになっている。軸受８００、８２０は、内輪間座８４０を間にし、回転軸５４０にロックナット８６０により固定されている。軸受８００は、ハウジング４８０内の段部５４０ａと円環状のスペーサ９００と当接することにより、回転軸５４０の軸方向への移動が規制されるようになっている。軸受８２０の外輪８２０ｂとハウジング４８０の蓋８８０との間に、円環状の圧電素子９２０と円環状のスペーサ９００が圧入されている。

また、各軸受８００、８２０、圧電素子９２０は、スペーサ９００の長さを調節し、蓋８８０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９００の長さを調整し、蓋８８０を閉めると、その位置に応じた締結力が軸受８２０と軸受８００の外輪８２０ｂ、８００ｂ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９２０にも予圧が付与される。これにより、軸受８００、８２０および圧電素子９２０に所定の予圧が付与され、軸受８００、８２０の外輪間に軸方向間の距離としての間隙９４０が形成される。

圧電素子９２０は、リード線（図示せず）を介してコントローラとしてのパソコン（ＰＣ）４３０（図６参照）に接続されており、パソコン４３０からの電圧に応じて回転軸５４０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９２０は、パソコン４３０からの印加電圧に応答して、回転軸５４０の軸方向に沿って伸縮し、回転軸５４０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５４０が軸方向に沿って微動すると、この微動がねじ軸５２０を介してインジェクタ３４０に伝達され、インジェクタ３４０の位置が微調整されることになる。

上述のように、ナット回転型アクチュエータ１７０は、中空モータ７００によりボールねじナット６００の回転運動をねじ軸５２０の直線運動に変換しねじ軸５２０を直動するが、ねじ軸５２０に取り付けられたインジェクタ３４０は、中空モータ７００の駆動時にリニアガイド６６０により回転せず、回り止めの機能を有している。このため、中空モータ７００の駆動によりインジェクタ３４０が直線往復運動できる。

図３，図４のナット回転型アクチュエータ１７０は、中空モータ７００を駆動することで、インジェクタ３４０を駆動し顕微鏡視野中央部ヘセットし、また、顕微鏡視野中央部から退避する機能を有し、圧電素子９２０を駆動することで、インジェクタ３４０の先端に取り付けたインジェクションキャピラリ３４１（図２）による細胞（卵）に対する穿孔動作をアシストすることができる。

次に、図１の試料ステージ１１０について図５を参照して説明する。図５は、図１の試料ステージ１１０を示す斜視図である。図５のように、試料ステージ１１０は、２つの１軸アクチュエータ１１１，１１２が２軸方向に配置され、試料台１１３を２軸方向に移動させるように構成され、図１の倒立顕微鏡１２０に取り付けられている。試料ステージ１１０を駆動する各アクチュエータ１１１，１１２の各モータの軸端には手動ノブ１１１ａ，１１２ａがそれぞれ取り付けられており、各モータの励磁を切ることにより手動操作も可能となっている。

次に、図１のマニピュレータシステム５００を制御するコントローラとしてのパソコンによる制御系について図６を参照して説明する。図６は、図１〜図５のマニピュレータシステム５００についてのパソコンによる制御系を説明するための要部ブロック図である。

図６のパソコン（パーソナルコンピュータ）４３０は、各種制御を行うＣＰＵ（中央演算処理装置）４３１と、記憶装置に格納されておりマニピュレータシステム５００の使用時に読み出されるプログラム４３２と、ハードディスクや光ディスク等の記録媒体に顕微鏡画像等を保存可能な記憶部４３０ａと、を備え、液晶パネルやＣＲＴ等からなる第１表示部４３３がパソコン４３０の表示手段として接続され、また、操作者により操作されるジョイスティック４７０及び第１マウス５７１がパソコン４３０への入力手段（インターフェイス）として接続されている。パソコン４３０は、ＣＰＵ４３１によりプログラム４３２の動作及びジョイスティック４７０やマウス５７１の各操作に基づいてマニピュレータシステム５００の各部分を制御する。

パソコン４３０には、さらに、液晶パネルやＣＲＴ等からなる第２表示部５３３がパソコン４３０の表示手段として接続され、また、操作者により操作される第２マウス５７２がパソコン４３０への入力手段（インターフェイス）として接続されている。第２表示部５３３及び第２マウス５７２は、図１の顕微鏡１２０の近くに配置される

また、パソコン４３０は、信号発生器４３８を駆動し、その信号によりピエゾアンプ４３４を介してナット回転型アクチュエータ１７０のピエゾ素子からなる圧電素子９２０を駆動する。また、パソコン４３０は、端子台ボックス４３５を介してナット回転型アクチュエータ１７０と電動３軸マニピュレータ１４０，１６０と試料ステージ１１０と顕微鏡１２０のハンドルを電動で回転させる焦点合わせアクチュエータ４３６とにそれぞれ電気的に接続されており、ナット回転型アクチュエータ１７０の中空モータ７００、電動３軸マニピュレータ１６０の各１軸アクチュエータ１６１〜１６３、試料ステージ１１０の各１軸アクチュエータ１１１，１１２及び焦点合わせアクチュエータ４３６がそれぞれ駆動されるようになっている。また、顕微鏡１２０に関し、対物レンズのレボルバ部や光源の光量調整も電動駆動するようにしてもよい。

また、マニピュレータ１６０には、インジェクタ３４０の圧力調整を行うシリンジモータが含まれ、そのモータが同様に駆動制御されることでシリンジの圧力を調整することができる。また、顕微鏡１２０にはＣＣＤやＣＭＯＳ等からなる撮像素子から構成されたカメラ４３７が配置されており、カメラ４３７により撮像された顕微鏡画像がパソコン４３０の第１表示部４３３及び第２表示部５３３に表示される。

また、ホールディング用のマニピュレータ１４０も同様に駆動されるが、マニピュレータ１４０にはホールディングキャピラリの圧力（陰圧）調整を行うシリンジモータが含まれ、そのモータが同様に駆動制御されることでシリンジの圧力（陰圧）を調整することができる。

次に、図６のジョイスティックについて図７を参照して説明する。図７は、図６のジョイスティックの例を示す斜視図である。

上述のマニピュレータシステム５００は、少なくとも２つのジョイスティック４７０を使用して操作される。ジョイスティック４７０は、一例として図７に示すようなハンドル４７９と複数のボタン４７１〜４７７が配置されたものを使用する。

図７のジョイスティック４７０のハンドル４７９と複数のボタン４７１〜４７７によりマニピュレータシステム５００において次の表１のような操作を実行できるようになっている。ハンドル４７９は、右方向Ｒ、左方向Ｌに傾斜させる（倒す）ことでマニュピレータ１４０，１６０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Ｚ軸方向に駆動できる。なお、表１において、４方向のハットスイッチ４７７の「⇔」は、左右方向の２つのスイッチであり、同じく「↓↑」は、上下方向の２つのスイッチである。また、陰圧＋、圧力＋は各シリンジモータによる圧力絶対値の増加、陰圧−、圧力−は圧力絶対値の減少である。微動駆動Ｚ＋、−は、Ｚ軸方向に対する移動量の増加、減少である。

なお、表１のようなハンドル４７９と複数のボタン４７１〜４７７の各操作に対するレイアウトは、操作者が使い易いように適宜変更が可能である。また、細胞操作で圧電素子９２０を駆動する際、複数のパラメータで駆動する必要が生じる可能性があるが、その場合は、同様のボタンを追加等することにより対応できる。

また、使用するジョイスティック４７０は、ハンドル４７９を倒す（傾斜させる）度合いに応じて速度調整し、離すとマニピュレータ１４０，１６０の駆動を停止するタイプでもよいし（速度指令型）、ハンドル４７９を倒した分だけマニピュレータ１４０，１６０を駆動するタイプでもよい（位置制御型）。また、上述のような操作に用いるインターフェイスは、ジョイスティック以外に、例えば、図６のマウス５７１として複数ボタンが存在する２次元または３次元マウスを使用してもよい。

次に、パソコン４３０の表示部４３３，５３３に表示されるコントローラ画面について図８を参照して説明する。図８は図６のパソコン４３０の表示部４３３，５３３に表示されるコントローラ画面の一例を示す図である。

パソコン４３０の第１表示部４３３のコントローラ画面上には、カメラ４３７による顕微鏡画像を少なくとも２画面で表示するようになっており、例えば、図８のように、顕微鏡画像を第１表示画面４３３ａに標準倍率で、第２表示画面４３３ｂに拡大倍率でそれぞれ表示できるようになっている。図８の例では、マニピュレータシステム５００で卵Ｄが操作され、ガラス製のホールディングキャピラリ３４２に陰圧で保持された卵Ｄに対しインジェクタ３４０の先端のインジェクションキャピラリ３４１が穿孔動作した状態を第１表示画面４３３ａに標準倍率で表示し、第２表示画面４３３ｂに拡大倍率で表示している。これにより、低倍率の顕微鏡画像と高倍率の顕微鏡画像とを参照するとき、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システム５００による迅速な操作処理が可能となるとともに、常に標準倍率の画像で顕微鏡下の細胞（卵）等の試料の状態を把握しながら、拡大倍率の画像で微細な操作を行うことができる。また、インジェクタ３４０の先端にインジェクションキャピラリ３４１を取り付けるときにも、低倍率の画像と高倍率の画像とを参照しながら取り付け作業を行うことができ、取り付け作業を行い易くなる。

図６の第１表示部４３３のコントローラ画面には、図８に示すように、略中央左右に第１，第２表示画面４３３ａ，４３３ｂが配置されるとともに、その下側に動作状態表示パネル４３３ｃが配置され、その上側には、画像操作パネル４３３ｄ，試料ステージ操作パネル４３３ｅ及びマニピュレータ操作パネル４３３ｆが配置されており、第１マウス５７１によりそれぞれ操作が可能になっている。

動作状態表示パネル４３３ｃには、マニピュレータ１４０，１６０の実際のＸＹＺ位置座標等が表示部４３３ｇに表示され、また、ジョイスティック４７０のボタン操作時に、どのボタンを押しているかを認識可能な表示部４３３ｈが配置されており、画像をみながら操作状態を把握することができ、さらに、マニピュレータ１４０，１６０の電動・手動の切り替え部４３３ｉ及び休止ボタン４３３ｊが配置されている。

また、画像操作パネル４３３ｄには、第１，第２表示画面４３３ａ，４３３ｂにおける画像の倍率メニュー４３３ｋ及び画像の表示位置メニュー４３３ｍが配置されており、操作者が画像の倍率や表示位置を調整可能となっている。また、顕微鏡画像はコントローラ画面上でのマウス５７１，５７２による操作で記憶部４３０ａに保存でき、また、コントローラ画面上のボタンを押すことで、動画保存も可能である。

また、試料ステージ操作パネル４３３ｅには、試料ステージ１１０の駆動パラメータを調整するメニュー４３３ｎに加えて、ＸＹ駆動、原点復帰等操作が可能なボタンが配置されている。試料ステージ１１０は表示画面４３３ａ，４３３ｂ上の顕微鏡画像を見ながらボタン操作により駆動できる。例えば、ボタンを押している間だけ＋Ｘ方向に動かすことができる。

また、マニピュレータ操作パネル４３３ｆには、マニピュレータ１４０，１６０の駆動パラメータを調整するメニュー４３３ｐがあり、操作者が好みのパラメータに設定して使用することができる。また、マニピュレータ操作パネル４３３ｆには、図２〜図４のナット回転型アクチュエータ１７０を駆動するボタン４３３ｑが配置されている。このボタン４３３ｑを押すことで、予め設定したストロークでナット回転型アクチュエータ１７０が駆動し、インジェクタ３４０を顕微鏡中心部ヘセットし、また、退避させることができる。

また、第２表示部５３３にも図８と同様の画面が表示され、第２マウス５７１により同様に操作が可能である。すなわち、第２表示部５３３は、第２マウス５７２とともに、マニピュレータ１４０，１６０の取り付けられた顕微鏡側部に設置される。第２マウス５７２は、図１〜図４のインジェクタ３４０が取り付けられているナット回転型アクチュエータ１７０を駆動し、キャピラリ３４１を顕微鏡視野下ヘセッティングし、退避する際の操作をコントローラ画面上でクリック操作するために使用する。さらに、第２マウス５７２のクリック操作でマニピュレータ１４０，１６０の各機能を駆動可能となっており、キャピラリ３４１の装着作業のとき、パソコン４３０（コントローラ）の本体、ジョイスティック４７０が操作者から離れて設置されていても作業が可能となる。

なお、ナット回転型アクチュエータ１７０及び試料ステージ１１０の駆動は、上述のように図８のコントローラ画面上のマウス５７１，５７２によるボタン操作により行うことができるが、ジョイスティック４７０や別途設置したスイッチ等で行うようにしてもよい。

従来のマニピュレータシステムによれば、顕微鏡設置場所にジョイスティック等を設置し、接眼レンズを操作者がのぞきながら操作するが、このような操作では、ジョイスティックの操作を目視しないまま行わざるを得ないので、使用するには熟練した技術が必要となるのに対し、上述のマニピュレータシステム５００によれば、表示部４３３のコントローラ画面をみながらジョイスティック４７０の操作も目視できるとともに、コントローラ画面にもジョイスティック４７０の操作状態が表示されるので、マニピュレータシステム５００を簡単かつ確実に使用することができる。

次に、図１〜８で説明したマニピュレータシステム５００の配置例について図９を参照して説明する。図９は本実施形態によるマニピュレータシステム５００の配置例を概略的に示す斜視図である。

マニピュレータシステム５００は、図６のように、表示手段としてパソコン４３０に接続された第１表示部４３３と第２表示部５３３とを有し、さらに、インターフェイスとしてパソコン４３０に接続された第１マウス５７１と第２マウス５７２とを有するが、これらは試験室内において図９のように配置されている。

すなわち、図９に示すように、パソコン４３０の本体と、第１表示部４３３と、第１マウス５７１と、一対のジョイスティック４７０とが第１テーブルＴＡ１上に配置されている。また、マニピュレータシステム５００のマニピュレータ１４０，１６０等が取り付けられた顕微鏡１２０と、第２表示部５３３と、第２マウス５７２とが第２テーブルＴＡ２上に配置されている。

第２表示部５３３は顕微鏡１２０の側部に配置され、顕微鏡１２０，マニピュレータ１４０，１６０に近い位置にある。第２マウス５７２は操作者の扱い易い位置におかれる。第１テーブルＴＡ１と第２テーブルＴＡ２とは試験室内において離れて設置されている。

細胞や卵等の微小な操作対象物に対するインジェクション操作前に、そのための準備工程の１つとして、インジェクション用マニピュレータ１６０の図３，図４のインジェクタ３４０の先端に図２のインジェクションキャピラリ３４１を装着し、その位置等を微調整する必要がある。インジェクションキャピラリ３４１を取り付け、インジェクションキャピラリ３４１の向きの微調整、焦点合わせの微調整を行う際に、操作者は、顕微鏡１２０の側部に設置された第２表示部５３３上に映し出された図８のようなコントローラ画面上の顕微鏡画像をみながら第２マウス５７２を操作することができる。

例えば、キャピラリ３４１の取り付け操作において、操作者は第２表示部５３３に表示された図８のコントローラ画面のボタン４３３ｑを第２マウス５７２を操作して押す（クリックする）ことで、ナット回転型アクチュエータ１７０を駆動してインジェクタ３４０を顕微鏡中心部から退避させてから、インジェクタ３４０の先端にインジェクションキャピラリ３４１を取り付け、その後、第２マウス５７２を操作してボタン４３３ｑを押すことで予め設定したストロークでナット回転型アクチュエータ１７０が駆動し、インジェクタ３４０を顕微鏡中心部ヘセットする操作を顕微鏡１２０等が設置された第１テーブルＴＡ１で行うことができる。

上述のように、パソコン４３０（コントローラ）の本体とマニピュレータ１４０，１６０が取り付けられた顕微鏡１２０とが図９のように離れて設置されている場合でも、キャピラリ３４１の取り付け作業を操作者がパソコン４３０の本体が設置されている第１テーブルＴＡ１へ移動することなく行うことができる。このように、キャピラリ３４１のセッティング作業のとき、顕微鏡設置場所とコントローラ設置場所とを行き来する必要がなくなり、キャピラリ３４１のセッティング作業を効率的に行うことができる。

また、操作者は、顕微鏡１２０の側部に設置された第２表示部５３３上に映し出された第１表示部４３３と同じコントローラ画面上の顕微鏡画像をみながらマニピュレータを操作できるので、顕微鏡１２０の接眼レンズ１２０ａをみながらマニピュレータを操作する必要がなくなり、このため、操作が容易となり、作業の負担が軽減できる。

上述のような準備工程が済むと、操作者は図９の第２テーブルＴＡ２から離れて第１テーブルＴＡ１に移り、第１表示部４３３に表示された図８のような顕微鏡画像をみながら、第１マウス５７１や一対のジョイスティック４７０を操作しながら卵Ｄ等に対するインジェクション操作を行うことができる。

また、図９において顕微鏡１２０を設置した第２テーブルＴＡ２に、パソコン４３０の本体やジョイスティック４７０を設置することが考えられるが、そのように設置すると、本来のインジェクション操作のとき、操作者がジョイスティック４７０を操作すること等に起因する振動が顕微鏡１２０やマニピュレータ１４０，１６０に伝わり作業の障害になり易いので、好ましくない。図９のように、例えば顕微鏡１２０を設置した第２テーブルＴＡ２から離れて設置された第１テーブルにパソコン４３０の本体や第１マウス５７１やジョイスティック４７０を配置することで、顕微鏡１２０から第１マウス５７１やジョイスティック４７０等を離して設置する。これにより、操作者によるジョイスティック４７０等のマニピュレータ操作に起因する振動が顕微鏡１２０やマニピュレータ１４０，１６０に悪影響を及ぼすことはない。

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、図８では、第１表示画面４３３ａと第２表示画面４３３ｂとによる２画面表示を示したが、第１表示部４３３及び第２表示部５３３において画面全体がより大きくなる１画面表示も表示可能である。

本実施形態のマニピュレータシステムの要部構成を概略的に示す斜視図である。図１のインジェクション用電動３軸マニピュレータの概略的構成を示す斜視図である。図２のナット回転型アクチュエータ１７０の斜視図である。図２のナット回転型アクチュエータ１７０をθステージ１６４の平面と平行な面で切断してみた断面図である。図１の試料ステージ１１０を示す斜視図である。図１〜図５のマニピュレータシステム５００についてのパソコン（コントローラ）による制御系を説明するための要部ブロック図である。図６のジョイスティックの例を示す斜視図である。図６のパソコン４３０の表示部４３３，５３３に表示されるコントローラ画面の一例を示す図である。本実施形態によるマニピュレータシステムの配置例を概略的に示す斜視図である。

符号の説明

５００マニピュレータシステム、１２０顕微鏡、１４０ホールディング用マニピュレータ、マニュピレータ、１６０インジェクション用マニピュレータ、マニピュレータ、１７０ナット回転型アクチュエータ、３４０インジェクタ、３４１インジェクションキャピラリ、キャピラリ、４３０パソコン（コントローラ）、４３３第１表示部、５３３第２表示部、４３７カメラ、４７０ジョイスティック、５７１第１マウス、５７２第２マウス

Claims

微小な操作対象物を観察する顕微鏡と、前記顕微鏡による顕微鏡画像を撮像するカメラと、前記顕微鏡に取り付けられて前記微小な操作対象物を操作するマニピュレータと、前記マニピュレータの駆動を制御するコントローラと、操作されることで前記コントローラを介して前記マニュピレータを駆動する操作部と、前記カメラによる顕微鏡画像を表示する表示部と、を備え、
前記マニピュレータは、
先端に前記微小な操作対象物を操作するためのキャピラリが装着され、
前記キャピラリがその先端側に装着される回転軸と、前記回転軸を回転可能に支持する２つの軸受と、前記２つの軸受の内輪間に配置される内輪間座と、前記２つの軸受とともに前記回転軸の軸方向に沿った押圧力による予圧が付与され、かつ、前記２つの軸受の一方において伸縮することで前記内輪間座と前記２つの軸受の他方とを介して前記回転軸をその軸方向に微動させて前記キャピラリの位置を微調整する圧電素子と、を有するナノポジショナを備え、
前記表示部及び前記操作部をそれぞれ複数設置し、そのうちの少なくとも各１台ずつを前記顕微鏡の近くに配置することを特徴とするマニピュレータシステム。
前記複数の表示部には同一のコントローラ画面を表示し、前記複数の操作部で前記コントローラを制御可能である請求項１に記載のマニピュレータシステム。
前記操作部はマウスであり、前記表示部に表示されたコントローラ画面を前記マウスで操作可能である請求項１または２に記載のマニピュレータシステム。
前記表示部の画面を分割し、各分割された画面に前記顕微鏡画像を表示する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマニピュレータシステム。