(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小な操作対象物を観察する顕微鏡手段と、前記操作対象物を操作するためにＸＹＺ軸の三方向に電動で駆動可能な一対のマニピュレータと、前記マニピュレータの駆動を制御する制御手段と、前記制御手段を介して前記マニピュレータを駆動する操作手段と、前記マニピュレータに装着された操作ツールの先端に前記微小な操作対象物に対する穿孔操作を行うために配置された電極手段と、を備え、
前記操作ツールの先端に前記電極手段としての電極とインジェクションキャピラリとが並列に配置されるとともに、前記電極と前記インジェクションキャピラリとの距離が前記操作対象物１個分の直径以上であることを特徴とするマニピュレータシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のマニピュレータシステムを用いて、微小な操作対象物である卵に対し、マニピュレータに装着された操作ツールの先端に配置された電極で透明帯穿孔を行ってから、前記電極に並列に配置されたインジェクションキャピラリで精子のインジェクション操作を行うことを特徴とする微小操作対象物の操作方法。
【請求項３】
前記マニピュレータは、ナノポジショナの構造を有し、前記操作ツールの先端のキャピラリの微動動作を行うことで微小対象物に対するインジェクションが可能であり、
前記操作手段として、前記制御手段に対し前記キャピラリの動作を指示するために操作者により操作される操作部を備え、
前記操作部が、前記操作部の少なくとも一部をひねることで実行するひねり操作部を有し、前記ひねり操作部をひねることで、前記キャピラリによるインジェクション操作の少なくとも一部の動作が行われる請求項１に記載のマニピュレータシステム。
【請求項４】
前記キャピラリによるインジェクション操作には、前記微小対象物に対する穿孔動作、前記微小対象物内へのインジェクション動作及び前記微小対象物から前記キャピラリを抜く動作が含まれる請求項３に記載のマニピュレータシステム。
【請求項５】
前記ひねり操作部を少なくとも１つ備え、前記微小対象物内へのインジェクション動作と、前記微小対象物から前記キャピラリを抜く動作と、が前記ひねり操作部と異なる操作部を別々に操作することで行われる請求項３または４に記載のマニピュレータシステム。
【請求項６】
前記マニピュレータは、ナノポジショナの構造を有し、前記操作ツールの先端のキャピラリの微動動作を行うことで微小対象物に対するインジェクションが可能であり、
前記操作手段として、前記制御手段に対し前記キャピラリの動作を指示するために操作者により操作される操作部を備え、
前記操作部が、前記操作部の少なくとも一部をひねることで実行するひねり操作部を有し、前記ひねり操作部をひねることで、前記微小対象物内へのインジェクション動作が行われる請求項１に記載のマニピュレータシステム。
【請求項７】
前記ひねり操作部は前記操作部の近傍に配置されている請求項３乃至６のいずれか１項に記載のマニピュレータシステム。
【請求項８】
前記マニピュレータは、前記キャピラリを粗動駆動する粗動部と、前記キャピラリを微動駆動する微動部と、を備え、
前記操作部の操作に基づいて前記制御手段が前記キャピラリの粗動と微動を切り換える請求項３乃至７のいずれか１項に記載のマニピュレータシステム。
【請求項９】
請求項３乃至８のいずれか１項に記載のマニピュレータシステムを用いてインジェクション操作を行うことを特徴とする微小操作対象物の操作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、細胞等の微小な対象物を操作するマニピュレータシステム及び微小操作対象物の操作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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ピュ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。【０００３】
非特許文献１には、受精卵の前核に直接微量のＤＮＡを注入するマイクロインジェクション法が記載されており、インジェクション操作前の卵はドロップの上方に入れ、インジェクション操作後の卵はドロップの下方に移し、未処理卵と区別して操作することが記載されている。非特許文献２には、卵細胞の周囲に４つの電極を配置し、位相のずれた電圧を印加し、回転電場を発生させて卵を回転させるようにした卵細胞回転機構を有するマイクロマニピュレーションシステムが記載されている。非特許文献３には、細胞質内精子注入（ＩＣＳＩ）の手順が詳細に説明されている。【０００４】
バイオテクノロジ分野において顕微鏡観察下で卵細胞に核や精子を注入するなどのように細胞等の微小な対象物に操作を行うマニピュレータが知られている（例えば、下記特許文献２参照）。特許文献２に開示のマイクロマニピュレータ１０００は、図４１に示すように、ホルダブロック１３００と、移動テーブル１４００と、圧電素子１５００と、移動ステージ１６００と、ステッピングモータ１７００と、を有する。ピペット１１００がピペットホルダ１２００に装着され、ピペット１１００の先端に卵子等の細胞に核や精子を注入するガラス製のインジェクションキャピラリ１１１０が接続されている。【０００５】
ホルダブロック１３００は移動テーブル１４００に取り付けられ、移動テーブル１４００は、移動ステージ１６００に設けられたガイドレール１９００に沿って直線移動可能である。移動ステージ１６００にはステッピングモータ１７００が取り付けられ、ステッピングモータ１７００の駆動力が図示しないネジ機構等を介して移動テーブル１４００へ伝達される。これにより、移動テーブル１４００は、ガイドレール１９００に沿って直線移動されてホルダブロック１３００を移動させ、ホルダブロック１３００及びピペットホルダ１２００を介して、ピペット１１００，キャピラリ１１１０を所望位置まで直線移動させる。圧電素子１５００は、電圧の印加でひずみを生じるピエゾ素子からなり、ホルダブロック１３００に直接取り付けられている。圧電素子１５００にパルス電圧を加えること１００を介してインジェクションキャピラリ１１１０が微小振動する。【０００６】
マイクロマニピュレータ１０００によるインジェクションキャピラリ１１１０の動作について図４２を参照して説明する。インジェクションキャピラリ１１１０を移動テーブル１４００により方向ＡＡに移動させ、圧電素子１５００によりインジェクションキャピラリ１１１０を微小振動させる。これにより、図４２のように、細胞３０００の細胞質３１００を覆う細胞膜３２００及び細胞膜３２００の周囲で細胞３０００を保護する透明帯３３００に穿孔３４００が形成される。次に、インジェクションキャピラリ１１１０を穿孔３４００を通過させて移動テーブル１４００により細胞３０００内に進入させ、インジェクションキャピラリ１１１０から細胞３０００内へ核または精子を注入する。注入後、移動テーブル１４００を方向ＡＡと反対の方向Ａ’に移動させることで、インジェクションキャピラリ１１１０を細胞３０００から抜く。なお、上記動作の際に、ホールディングキャピラリ２１００により細胞３０００が保持される。【０００７】
上述のインジェクションキャピラリ１１１０による穿孔動作は圧電素子１５００を駆動することで行い、インジェクションキャピラリ１１１０を細胞３０００から抜く動作はマニピュレータ１０００を駆動して行う。【０００８】
また、上述のような細胞等の微小な対象物に微細な操作を行うマニピュレータを使用する際には、顕微鏡画像を集録し、パソコン（ＰＣ）等のディスプレイ上に表示し、ディスプレイ上の顕微鏡画像を観察しながら操作を行っている。または、作業者が顕微鏡の接眼レンズから対象試料を観察しながら操作を行っている。【０００９】
また、特許文献３は、顕微鏡下で硝子電極等のマイクロツールを操作者がダイヤルで油圧等の液圧により微動的に遠隔操作できるようにした液圧遠隔操作型マイクロマニピュレータ装置を開示する。また、特許文献４は、細胞操作用途のマニピュレータションシステムであって、作業者が顕微鏡接眼レンズを見ながらジョイスティックを操作するものを開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−２５８４１３号公報
【特許文献２】特開２００４−３２５８３６号公報
【特許文献３】特許３３４１１５１号公報
【特許文献４】国際公開公報ＷＯ２００４／０１５０５５Ａ１
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】「改訂第４版新遺伝子工学ハンドブック」羊土社２４８〜２５３頁
【非特許文献２】「マイクロマニピュレーションシステム」メディカル・サイエンス・ダイジェスト２８巻４号２００２年３５〜３７頁
【非特許文献３】「マウス胚の操作マニュアル＜第三版＞」近代出版５４９〜５５９頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述のＰＣディスプレイ上に表示される顕微鏡画像の表示倍率や顕微鏡倍率を変更するとき、ディスプレイ上の表示設定を変更するか、または、顕微鏡の対物レンズの倍率を変えなければならない。このため、倍率変更の必要が生じる度に、倍率変更のための操作が必要となり、マニピュレータによる迅速な操作処理の支障となってしまう。【００１３】
また、特許文献３のように、液圧や空圧により駆動されるアクチュエータを有するマニピュレータを操作する場合、マニピュレータと操作するインターフェイスとがホースで接続されて圧力を伝達するが、圧力を伝達するホースが長くなると動作に不具合が生じる可能性があるため遠隔操作が困難であった。また、距離的に遠く離れた場合は遠隔操作は不可能となる。また、クリーンベンチ内にマニピュレータを設置する必要がある場合、マニピュレータを遠隔操作できないため、操作者の上肢をクリーンベンチ内に入れて操作しなければならず、操作者に対する負担が大きい。また、従来の多くのマニピュレータは、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うので、使用するには熟練した技術が必要となり、また、ジョイスティック操作時の顕微鏡へ伝わる振動も操作する上で問題となる。【００１４】
顕微鏡の視野内でキャピラリにより遺伝子組み換え操作や顕微受精操作等の微細操作を行う場合、対象物（卵や細胞等）を操作する前後にキャピラリを所定の位置ヘセッティングする操作は、マニピュレータの基本操作に慣れた熟練技術が必要であった。【００１５】
非特許文献１のマイクロインジェクション法は、インジェクション作業をする培地中で操作後の卵と未操作卵をドロップ中で混在しないように、操作後の卵はドロップの下方へ移動させ、続いて上方から未操作卵を持ってくるものであるが、この方法によれば、マニピュレータ自体の基本操作に慣れておく必要性があり、不慣れな作業者が操作すると操作効率が低下してしまうという問題があった。【００１６】
非特許文献２の卵細胞回転機構は、新たに電極機能を設け、操作する卵周辺に電場を発生させて卵を回転させるもので、その結果によれば、受精能、発生能に障害はないとされているが、使用するには新たに設備導入が必要となる。【００１７】
本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、従来まで熟練が必要であった卵等の微小な操作対象物に関する各種作業を自動的に実行可能なマニピュレータシステム及び微小操作対象物の操作方法を提供することを第１の目的とする。【００１８】
上述のように、インジェクションキャピラリを卵子等の細胞から抜く動作は、人的操作であり、素早くインジェクション方向とは逆方向へ行う必要があるが、このような速い動作は操作者の技量に依存するため、インジェクションキャピラリを細胞から抜く動作に人為的な誤差が生じ易い問題があった。また、インジェクションキャピラリによる穿孔・インジェクションの各動作にも同様の問題があった。【００１９】
本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、細胞等の微小対象物に対しキャピラリによるインジェクション操作を行う際に、かかる操作のための動作を確実に精度よく繰り返して行うことが可能なマニピュレータシステム及び微小操作対象物の操作方法を提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本実施形態のマニピュレータシステムの基本的構成は、微小な操作対象物を観察する顕微鏡手段と、前記操作対象物を操作するためにＸＹＺ軸の三方向に電動で駆動可能な一対のマニピュレータと、前記マニピュレータの駆動を制御する制御手段と、前記制御手段を介して前記マニピュレータを駆動する操作手段と、を備える。【００２１】
すなわち、上記第１の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手段と、前記操作対象物を操作するためにＸＹＺ軸の三方向に電動で駆動可能な一対のマニピュレータと、前記操作対象物を載置しＸＹ軸の平面方向に電動で駆動可能な試料ステージと、前記マニピュレータ及び前記試料ステージの駆動を制御する制御手段と、前記制御手段を介して前記マニピュレータ及び前記試料ステージを駆動する操作手段と、を備え、前記マニピュレータに操作ツールが装着され、前記操作対象物に関して設定される複数領域に対する前記操作ツールの各位置情報を前記制御手段が記憶し、前記試料ステージ及び／又は前記マニピュレータによる前記操作ツールの前記領域間における相対移動の少なくとも１つが前記記憶された位置情報に基づいて自動的に行われることを特徴とする。【００２２】
このマニピュレータシステムによれば、操作ツールの領域間（例えば、シャーレ上の培地間やドロップ間）における相対移動の少なくとも１つが記憶された位置情報に基づいて自動的に行われるので、移動後に操作ツール位置の調整等の手間を省くことができるとともに常に同じ位置で操作ツールを操作できる。従来まで熟練が必要であった卵等の微小な操作対象物に関する作業を自動的に実行できる。【００２３】
上記マニピュレータシステムにおいて前記操作ツールの前記相対移動のとき、前記試料ステージが前記領域間における相対移動を行うとともに前記マニピュレータが前記操作ツールの退避移動を行うことが好ましい。【００２４】
また、前記位置情報の記憶が前記操作手段に対する操作によって実行されるように構成することが好ましい。これにより、作業中に簡単に記憶動作を行うことができる。【００２５】
本実施形態による微小操作対象物の操作方法は、上述のマニピュレータシステムを用いて、マニピュレータに装着された操作ツールを微小操作対象物に関して設けられる複数の培地間で自動的に移動させ、前記操作ツールを前記移動後の培地において操作した後、元の培地に自動的に戻すことを特徴とする。【００２６】
この操作方法によれば、ある培地から別の培地に自動的に移動させ、その培地での操作後、元の培地に自動的に復帰するので、操作ツール位置の調整等の手間が不要で常に同じ位置で操作ツールを操作できる。【００２７】
本実施形態による別の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手段と、前記操作対象物を操作するためにＸＹＺ軸の三方向に電動で駆動可能な一対のマニピュレータと、前記マニピュレータの駆動を制御する制御手段と、前記制御手段を介して前記マニピュレータを駆動する操作手段と、を備え、前記マニピュレータに装着された操作ツールで前記微小な操作対象物に第１の操作を行ったときの前記操作ツールの位置情報を前記操作ツールによる後の操作のために前記制御手段が記憶することを特徴とする。【００２８】
このマニピュレータシステムによれば、第１の操作における微小な操作対象物に対する操作ツールの位置情報を記憶するので、操作ツールを別の操作のために移動させた後に、第１の操作のときの位置に自動的にもどすことができ、その後の操作を容易に実行可能となる。従来まで熟練が必要であった卵等の微小な操作対象物に関する作業を自動的に実行できる。【００２９】
上記マニピュレータシステムにおいて前記制御手段は、前記操作ツールの第２の操作のための移動及び前記移動後の前記顕微鏡手段の焦点合わせを自動的に行うように制御することが好ましい。【００３０】
また、前記制御手段は、前記第２の操作の後、前記記憶された位置情報に基づいて前記操作ツールが前記第１の操作の位置に戻るとともに前記顕微鏡手段の焦点合わせを自動的に行うように制御することが好ましい。【００３１】
本実施形態によるさらに別の微小操作対象物の操作方法は、上述のマニピュレータシステムを用いて、マニピュレータに装着された操作ツールの先端で微小な操作対象物である卵に対して透明帯穿孔を行い、その後、前記操作ツールが移動して精子のサンプリング操作を行ってから前記透明帯穿孔の位置に自動的に戻り、精子のインジェクション操作を行うことを特徴とする。【００３２】
この微小操作対象物の操作方法によれば、卵に対する透明帯穿孔位置を記憶し、その後の精子サンプリング操作後に、記憶した透明帯穿孔の位置に自動的に戻るので、精子のインジェクション操作を容易に行うことができる。【００３３】
本実施形態によるさらに別の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手段と、前記操作対象物を操作するためにＸＹＺ軸の三方向に電動で駆動可能な一対のマニピュレータと、前記マニピュレータの駆動を制御する制御手段と、前記制御手段を介して前記マニピュレータを駆動する操作手段と、前記マニピュレータに装着された操作ツールの先端に前記微小な操作対象物に対する穿孔操作を行うために配置された電極手段と、を備え、前記操作ツールの先端に前記電極手段としての電極とインジェクションキャピラリとが並列に配置されるとともに、前記電極と前記インジェクションキャピラリとの距離が前記操作対象物１個分の直径以上であることを特徴とする。
【００３４】
このマニピュレータシステムによれば、操作ツールの先端に配置した電極手段により微小な操作対象物に対する穿孔操作を行うことができ、低ダメージで微小な穿孔が可能となる。【００３５】
上記マニピュレータシステムによれば、前記操作ツールの先端に前記電極手段としての電極とインジェクションキャピラリとが並列に配置されることにより、電極による穿孔操作後、操作ツールを平行移動するだけでインジェクションキャピラリにより操作を行うことができる。
【００３６】
本実施形態によるさらに別の微小操作対象物の操作方法は、上述のマニピュレータシステムを用いて、微小な操作対象物である卵に対し、マニピュレータに装着された操作ツールの先端に配置された微細電極で透明帯穿孔を行ってから、前記微細電極に並列に配置されたインジェクションキャピラリで精子のインジェクション操作を行うことを特徴とする。【００３７】
この微小操作対象物の操作方法によれば、卵に対し操作ツールの先端に配置された微細電極で透明帯穿孔を行ってから、微細電極に並列に配置されたインジェクションキャピラリで精子のインジェクション操作を行うことで、低ダメージで形成した微小な穿孔からインジェクション操作を簡単かつ確実に行うことができる。【００３８】
本実施形態によるさらに別の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手段と、前記操作対象物を操作するためにＸＹＺ軸の三方向に電動で駆動可能な一対のマニピュレータと、前記操作対象物を載置しＸＹ軸の平面方向に電動で駆動可能な試料ステージと、前記マニピュレータ及び前記試料ステージの駆動を制御する制御手段と、前記制御手段を介して前記マニピュレータ及び前記試料ステージを駆動する操作手段と、を備え、前記制御手段は、前記マニピュレータに装着された操作ツールの先端のキャピラリ交換を行うための交換位置への移動と、前記キャピラリの顕微鏡視野下への移動と、を自動的に行うように前記マニピュレータ及び前記試料ステージの駆動を制御することを特徴とする。【００３９】
このマニピュレータシステムによれば、キャピラリ交換のための交換位置への移動と、キャピラリの顕微鏡視野下への復帰移動と、を自動的に行うので、交換位置への移動後に、再現性よくキャピラリを顕微鏡視野下へもどすことができる。【００４０】
上記マニピュレータシステムにおいて前記シーケンス操作のために前記顕微鏡手段の近傍にスイッチ操作部を配置することが好ましく、その操作性が高まる。【００４１】
上記各マニピュレータシステムにおいて、上記第２の目的を達成するために、前記マニピュレータは、ナノポジショナの構造を有し、前記操作ツールの先端のキャピラリの微動動作を行うことで微小対象物に対するインジェクションが可能であり、前記操作手段として、前記制御手段に対し前記キャピラリの動作を指示するために操作者により操作される操作部を備え、前記操作部が、前記操作部の少なくとも一部をひねることで実行するひねり操作部を有し、前記ひねり操作部をひねることで、前記キャピラリによるインジェクション操作の少なくとも一部の動作が行われるように構成される。【００４２】
このマニピュレータシステムによれば、キャピラリの動作を指示する操作部にひねり操作部を設け、キャピラリによるインジェクション操作の少なくとも一部の動作がひねり操作部をひねることで行われるので、細胞や卵子等の微小対象物に対するインジェクションのための動作を、人為的な誤差の発生が抑えられて、確実に精度よく繰り返して行うことができる。【００４３】
上記マニピュレータシステムにおいて、前記キャピラリによるインジェクション操作には、前記微小対象物に対する穿孔動作、前記微小対象物内へのインジェクション動作及び前記微小対象物から前記キャピラリを抜く動作が含まれる。例えば、ひねり操作部をひねることで微小対象物へインジェクションすることにより、一つの操作部でインジェクタを駆動しながらマニピュレータを駆動でき、インジェクション操作がより容易となる。【００４４】
また、前記ひねり操作部を少なくとも１つ備え、前記微小対象物内へのインジェクション動作が前記ひねり操作部と異なる操作部を別々に操作することで行われるように構成することが好ましい。なお、少なくとも前記２つの操作部は並べて配置することで操作性が向上する。【００４５】
また、上記各マニピュレータシステムにおいて、上記第２の目的を達成するために、前記マニピュレータは、ナノポジショナの構造を有し、前記操作ツールの先端のキャピラリの微動動作を行うことで微小対象物に対するインジェクションが可能であり、前記操作手段として、前記制御手段に対し前記キャピラリの動作を指示するために操作者により操作される操作部、を備え、前記操作部が、前記操作部の少なくとも一部をひねることで実行するひねり操作部を有し、前記ひねり操作部をひねることで、前記微小対象物内へのインジェクション動作が行われるように構成される。【００４６】
このマニピュレータシステムによれば、キャピラリの動作を指示する操作部にひねり操作部を設け、キャピラリによるインジェクション操作時のインジェクタの動作がひねり操作部をひねることで行われるので、一つの操作部でインジェクタ、マニピュレータを操作でき、細胞や卵子等の微小対象物に対するインジェクションのための動作を、容易に、また確実に精度よく繰り返して行うことができる。【００４７】
上記各マニピュレータにおいて、前記ひねり操作部は前記操作部の近傍に配置されていることが好ましい。操作部を操作しながらひねり操作部を簡単にひねることができ、操作性が向上する。【００４８】
また、前記キャピラリを粗動駆動する粗動部と、前記キャピラリを微動駆動する微動部と、を備え、前記操作部の操作に基づいて前記制御部が前記キャピラリの粗動と微動を切り換えるように構成できる。【００４９】
なお、上述の操作部はいわゆるポインティングデバイスとひねり操作部から構成することができ、このポインティングデバイスの操作によりキャピラリの動作を指示することができる。【００５０】
さらに別の実施形態による微小操作対象物の操作方法は、上述のひねり操作部を有するマニピュレータシステムを用いてインジェクション操作を行うことを特徴とする。【００５１】
この微小操作対象物の操作方法によれば、キャピラリによりインジェクション操作を確実に行うことができ、このときのインジェクション操作による動作の一部がひねり操作部をひねることで行われるので、微小対象物に対するインジェクションのための動作を、人為的な誤差の発生が抑えられて、確実に精度よく繰り返して行うことができる。【００５２】
なお、上記マニピュレータシステムは、さらに、前記各キャピラリの先端と前記微小対象物とを観察可能な顕微鏡と、前記顕微鏡からの画像信号に基づいて顕微鏡画像を表示するＣＲＴや液晶パネル等からなる表示部（ディスプレイ）と、を備え、前記表示部に上述の操作部の一部を表示させて、前記表示部の画面上でマウス等のポインティングデバイスを操作してボタン操作等を実行する構成することができる。
【発明の効果】
【００５３】
本発明によれば、従来まで熟練が必要であった卵等の微小な操作対象物に関する各種作業を自動的に実行可能なマニピュレータシステム及び微小操作対象物の操作方法を提供することができる。【００５４】
また、細胞等の微小対象物に対しキャピラリによるインジェクション操作を行う際に、かかる操作のための動作を確実に精度よく繰り返して行うことが可能なマニピュレータシステム及び微小操作対象物の操作方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】第１の実施形態によるマニピュレータシステムの構成を概略的に示す図である。
【図２】図１のマニピュレータシステムに使用可能な圧電アクチュエータの正面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図４】図２の圧電アクチュエータの斜視図である。
【図５】図１のマニピュレータを顕微鏡作業箇所へ導入する前の状態を示す斜視図である。
【図６】図１のマニピュレータを顕微鏡作業箇所へ配置したときの状態を示す斜視図である。
【図７】図１のパーソナルコンピュータ（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８】図１，図７のジョイスティックの具体例を示す斜視図である。
【図９】図１の顕微鏡ユニット１２による顕微鏡視野を模式的に示す図であり、キャピラリ２５，３５の各先端位置及び操作対象物の卵を示し、操作対象物の卵に対する交換等の各操作ステップ（ａ）乃至（ｅ）を説明するための図である。
【図１０】図１の顕微鏡ユニット１２による顕微鏡視野を模式的に示す図であり、キャピラリ２５，３５の各先端位置及び操作対象物の卵を示し、操作対象物の卵に対する位置決め等の各操作ステップ（ａ）乃至（ｅ）を説明するための図である。
【図１１】第２の実施形態を説明するために図７の表示部４５に表示された顕微鏡画像及び制御画面の例を示す図である。
【図１２】図１１の顕微鏡画像においてテンプレート画像の選択を行う例を示す図１１と同様の図である。
【図１３】図１２で選択したテンプレート画像の記憶を行う例を示す図１１と同様の図である。
【図１４】作成されたテンプレート画像の例を示す図１１と同様の図である。
【図１５】顕微鏡画像において位置関係等の演算の例を説明するための図である。
【図１６】第２の実施形態のマニピュレータシステムでテンプレート画像を作成するステップを説明するためのフローチャートである。
【図１７】図１６のテンプレート画像作成後のステップを説明するためのフローチャートである。
【図１８】図１６，図１７の演算ステップの具体例を説明するためのフローチャートである。
【図１９】第３の実施形態を説明する図である。
【図２０】第４の実施形態によるマニピュレータシステムの構成を概略的に示す図である。
【図２１】図２０のマニピュレータシステムを制御するパーソナルコンピュータ（コントローラ）による制御系要部を示すブロック図である。
【図２２】図２１のジョイスティックの具体例を示す斜視図である。
【図２３】図２０の試料ステージ上に載置されたシャーレ内の複数の培地Ｂ１〜Ｂ３を示す概略的な平面図で、顕微鏡視野が培地Ｂ１（ａ）、培地Ｂ２（ｂ）、培地Ｂ３（ｃ）にある各状態を示す。
【図２４】図２０のジョイスティックのレバーの操作で移動する際のキャピラリとシャーレ内の複数の培地との各位置関係（ａ）〜（ｃ）を概略的に示す側面図である。
【図２５】第４の実施形態でキャピラリとシャーレ内の複数の培地との各位置関係（ａ）〜（ｆ）を概略的に示す側面図である。
【図２６】第５の実施形態のマニピュレータに装着された各キャピラリと微小な操作対象物との各位置関係（ａ）〜（ｈ）を示す図である。
【図２７】図２６の精子サンプリング完了後の各状態（ａ）〜（ｄ）を示す図である。
【図２８】第６の実施形態の各マニピュレータに装着されたキャピラリと微小な操作対象物との各位置関係（ａ）〜（ｆ）を示す図である。
【図２９】第７の実施形態のマニピュレータシステムを制御するパーソナルコンピュータ（コントローラ）１４３による制御系要部を示すブロック図である。
【図３０】第７の実施形態のマニピュレータシステムに配置されるスイッチ操作部の例を示す図である。
【図３１】図３０のスイッチ操作部の各操作例（ａ）〜（ｅ）を示す図である。
【図３２】第７の実施形態におけるマニピュレータによるキャピラリ交換位置への移動動作（ａ）〜（ｄ）を説明するための図である。
【図３３】図３２のキャピラリ交換位置から元の位置に復帰する動作（ａ）〜（ｄ）を説明するための図である。
【図３４】第７の実施形態のマニピュレータシステムの光源部を側面（図２０のマニピュレータ１６側）から見た概略図である。
【図３５】第８の実施形態によるマニピュレータシステムの概略的構成を示す図である。
【図３６】図３５のＸＹ軸テーブル３６，Ｚ軸テーブル３８に付加される微動機構の例を示す断面図である。
【図３７】図３５のコントローラ４３の制御系要部を示すブロック図である。
【図３８】図３５，図３７のジョイスティックの具体例を示す斜視図である。
【図３９】図３５の顕微鏡ユニット１２による顕微鏡視野を模式的に示し、卵子に対するインジェクションのための各ステップ（ａ）〜（ｄ）を説明するための図である。
【図４０】図３７，図３８のジョイスティックの代わりにマウスを用いた例を説明するために図３５の表示部４５の画面を模式的に示す図である。
【図４１】従来のマニピュレータの構成を示す側面図である。
【図４２】図４１のマニピュレータの操作を説明するための図である。
【図４３】第９の実施形態による図３５のコントローラ４３の制御系要部を示すブロック図である。
【図４４】図４３の表示部の分割された画面の例を示す図である。
【図４５】図４３のジョイスティックの具体例を示す斜視図である。
【図４６】第１０の実施形態によるマニピュレータシステムの概略的構成を示す斜視図である。
【図４７】図４６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４８】図４７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４９】図４７，図４８のナット回転型アクチュエータ１７０の斜視図である。
【図５０】図４６の試料ステージ１１０を示す斜視図である。
【図５１】図４６〜図５０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５２】図５１のジョイスティックの例を示す斜視図である。
【図５３】図５１のパソコン４３０の表示部４３３に表示されるコントローラ画面の一例を示す図である。
【図５４】第１１の実施形態によるネットワークを介して遠隔操作可能なマニピュレーションシステムを説明するための概念図である。
【図５５】図５４の変形例のマニピュレーションシステムを説明するための概念図である。
【図５６】第１１の実施形態によるネットワークを介して遠隔操作可能なマニピュレーションシステムの別の例を説明するための概念図である。
【図５７】図５６の変形例のマニピュレーションシステムを説明するための概念図である。
【図５８】第１２の実施形態によるマニピュレータシステムについての制御系を説明するための要部ブロック図である。
【図５９】図５８のマニピュレータシステムで使用可能なワイヤレスインターフェイスの例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５６】
以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。
【００５７】
〈第１の実施形態〉
図１は第１の実施形態によるマニピュレータシステムの構成を概略的に示す図である。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。
【００５８】
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、試料台としてのベース２２を備えている。このベース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、ベース２２に向けて光を照射する光源を備えている。
【００５９】
ベース２２上には試料（図示せず）が載せられるようになっている。この状態で、ベース２２上の試料に顕微鏡２０から光が照射され、ベース２２上の細胞で反射した光が顕微鏡２０に入射すると、細胞に関する光学像は、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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。なお、コントローラ４３は、パーソナルコンピュータ（パソコン、ＰＣ）から構成されてよい。
【００６２】
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、ベース２２上の細胞などを保持するように構成されている。
【００６３】
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の先端にはキャピラリ（ガラスキャピラリ）３５が取り付けられている。
【００６４】
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、ベース２２上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。
【００６５】
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、ベース２２上の細胞などを、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。
【００６６】
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、ベース２２上の細胞などを含む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の先端側からベース２２上の細胞（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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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６２Ａが連結されている。スライダ６２Ａ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。
【００７１】
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６２Ａ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６２Ａ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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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、ＸＹ軸テーブル３６とＺ軸テーブル３８を粗動駆動して、インジェクションピペット３４をベース２２上の細胞に近づけて位置決めしたあと、微動機構４４を用いてピペット３４を微動駆動することとしている。
【００７９】
具体的には、ピペット３４にキャピラリ３５として、ガラスキャピラリをセッティングするに際しては、図５に示すように、顕微鏡作業箇所に配置されたベース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にガラスキャピラリ３５をセッティングする際、十分な作業スペースが得られる。
【００８０】
ガラスキャピラリ３５をピペット３４に取り付けた後は、コントローラ４３からの指令により、マニピュレータ１４、１６を駆動し、図６に示すように、ガラスキャピラリ３５が取り付けられたピペット３４を顕微鏡作業箇所であるベース２２上へ移動させる。このときの作業方法はジョイスティック４７やボタン４３Ｂやマウス４９（図７）を用いたりする方法を用いることもできる。
【００８１】
ガラスキャピラリ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、顕微鏡視野倍率を低倍にし、アクチュエータを駆動することで、顕微鏡２０の視野内にガラスキャピラリ３５が確認でき次第、アクチュエータの駆動を停止する。
【００８２】
このあと、コントローラ４３の画像処理を利用し、アクチュエータを駆動することで、顕微鏡２０の視野内に、ガラスキャピラリ３５を最適位置へ移動し、アクチュエータの駆動を停止する。このとき、１回目の操作の際に駆動したアクチュエータの移動量をコントローラ４３に記憶する。このとき、移動量あるいは移動した位置を所定の基準位置からのＸ，Ｙ，Ｚ座標として記憶しておいても良い。またこのとき必要であれば、ＸＹＺの駆動系も駆動しても良い。また、併せて、顕微鏡２０の対物レンズが合焦している状態の対物レンズ位置を所定の基準位置からの座標として記憶しておいても良い。
【００８３】
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ガラスキャピラリ３５の交換が必要になった場合、アクチュエータを駆動し、顕微鏡作業箇所からガラスキャピラリ３５を退避させるための操作を行う。このときボタン４３Ｂの操作により、ガラスキャピラリ３５をセッティングした位置、あるいは、コントローラ４３に記憶された所定の基準位置まで駆動しても良いし、ジョイスティック４７などを用いて任意の位置まで退避するようにしてもよい。
【００８４】
一方、再度、顕微鏡作業箇所へガラスキャピラリ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、容易にガラスキャピラリ３５の位置を調整することが可能になる。
【００８５】
また一連の細胞操作作業中にガラスキャピラリ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、ガラスキャピラリ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。
【００８６】
ガラスキャピラリ３５として、その形状が均一なものを使用する場合は、本発明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。
【００８７】
またガラスキャピラリ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、ガラスキャピラリ３５の位置を微細に調整することができる。
【００８８】
また、ガラスキャピラリ３５が細胞の挿入位置に位置決めされたときには、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おらず、高剛性のばね要素である軸受を用いているため、高い応答性を得ることが可能である。
【００８９】
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良いし、バースト波形を使用しても良い。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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、回転軸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。
【００９５】
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にガラスキャピラリ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ベース２２へ向けてピペット３４を移動させたり、ベース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。また、コントローラ４３にセッティング位置情報等を記憶させておき、それに基づいて位置決めを自動で行うこともできるので、より効率的な作業とすることができる。
【００９６】
次に、図１のマニピュレータシステム１０のパーソナルコンピュータ（コントローラ）４３による制御について図７を参照して説明する。図７は図１のパーソナルコンピュータ（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。
【００９７】
図１，図７のパーソナルコンピュータ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、演算結果に従って制御部４６Ａが各種の制御を行うように駆動指令を出力する。すなわち、制御部４６Ａは、図１の顕微鏡ユニット１２の焦点合わせ機構８１，マニピュレータ１４の駆動装置３０，３２，シリンジポンプ２９、及び、マニピュレータ１６の駆動装置４０，４２，注入ポンプ３９，微動機構４４の圧電素子９２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。
【００９８】
また、パーソナルコンピュータ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４９，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が表示されるようになっている。
【００９９】
また、制御部４６Ａ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制御部４６Ａが順次、それぞれに駆動指令を出力することで行われ、例えば、ベース２２上で多数の卵を操作する場合、マニピュレータ１４，１６が操作済みの卵と操作前の卵との区別のための操作を行うようになっている。
【０１００】
また、パーソナルコンピュータ４３は、顕微鏡２０を通してカメラ１８で撮像した顕微鏡視野の画像信号が入力する画像入力部８２Ｂと、画像入力部８２Ｂからの画像信号について画像処理を行う画像処理部８３と、画像処理前後の画像情報が表示部４５へと出力する画像出力部８４Ａと、カメラ１８で撮像された操作対象物の卵の核等の位置やホールディングキャピラリ２５とインジェクションキャピラリ３５との位置等を画像処理後の画像情報に基づいて検出するための位置検出部８５と、を備え、各部８２〜８５が制御部４６Ａにより制御されるようになっている。
【０１０１】
画像処理部８３は、例えば、検出対象物の位置を検出するためにエッジ抽出処理やパターンマッチングを行い、その処理結果に基づいて位置検出部８５が卵の核やキャピラリ２５，３５の位置を検出し、それらの検出位置、あるいはそれらの検出位置情報と、あらかじめ設定もしくは作業中に設定された位置情報に基づいてキャピラリ２５，３５等の駆動が制御される。
【０１０２】
また、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などが表示される。
【０１０３】
図１，図７の顕微鏡ユニット１２，マニピュレータ１４，１６の各動作は、ジョイスティック４７の操作による入力情報に基づいて図７の制御部４６Ａにより制御される。本実施形態では、ジョイスティック４７はホールディング用マニピュレータ１４及びインジェクション用マニピュレータ１６に対しそれぞれ１つずつ用意される。図８に図１，図７のジョイスティックの具体例を示す斜視図を示す。なお、１つのジョイスティックで顕微鏡ユニット１２、マニピュレータ１４，１６の操作を行っても良いし、３本以上のジョイスティックで操作をするものであっても良い。
【０１０４】
図８のように、ジョイスティック４７は、基台から直立し操作者により掴まれて右側Ｒ，左側Ｌに傾斜するように、また、ねじるように操作可能な本体部（ハンドル）４７ｅと、その上部に並んで配置された第１，第２及び第３押しボタンスイッチ４７ａ，４７ｂ，４７ｃと、さらにその上部に配置された４方向や８方向等の多方向ハットスイッチ４７ｄと、押しボタンスイッチ４７ａ〜４７ｃの反対側に配置されたトリガスイッチ４７ｇと、を備えている。
【０１０５】
図１，図７のジョイスティック４７の押しボタンスイッチ４７ａ〜４７ｃ，多方向ハットスイッチ４７ｄ，本体部４７ｅ，トリガスイッチ４７ｇには、それぞれ、顕微鏡ユニット１２の焦点合わせ機構８１、各マニピュレータ１４，１６のＸＹＺ軸、シリンジポンプ２９，注入ポンプ３９，圧電素子９２の各駆動の操作機能が割り当てられている。例えば、トリガスイッチ４７ｇを引きながら本体部４７ｅを右側Ｒ，左側Ｌに傾斜させることでマニピュレータ１４，１６のＸＹ駆動を行うことができ、本体部４７ｅをねじることでＺ駆動を行うことができる。
【０１０６】
また、ホールディング用マニピュレータ１４に関しては、多方向ハットスイッチ４７ｄの上方向、下方向ボタンを押すと、焦点合わせ機構８１が駆動し、顕微鏡２０の焦点合わせができ、右方向、左方向ボタンを押すと、卵等の操作対象物に対するＸＹ平面回転、ＹＺ平面回転を行うことができ、また、押しボタンスイッチ４７ｂ，４７ｃはシリンジ調整のためのものであり、押しボタンスイッチ４７ｂ，４７ｃの１つを押すと、シリンジポンプ２９によるホールディングキャピラリ２５の吸引圧（陰圧）を調節できる。また、例えば、押しボタンスイッチ４７ａを用いて、マニピュレータ１４，１６に対し自動でシーケンス駆動を行わせることができる。また、コントローラ４３は、顕微鏡２０の焦点合わせに関連する各部位の位置情報を移動量あるいは座標等として記憶しておくこともできる。
【０１０７】
また、インジェクション用マニピュレータ１６に関しては、多方向ハットスイッチ４７ｄを用いてモータ駆動によるＸＹ平面における微動を制御でき、押しボタンスイッチ４７ｂ，４７ｃはシリンジ調整のためのものであり、押しボタンスイッチ４７ａは穿孔駆動のオン・オフ制御のためのものである。
【０１０８】
図８のジョイスティック４７における上記スイッチの操作により、図１，図７のマニピュレータ１４が駆動され、そのホールディングキャピラリ２５がベース２２上の卵等を保持し、また、その保持の吸引圧（陰圧）が制御される。
【０１０９】
また、ジョイスティック４７における上記スイッチの操作により、マニピュレータ１６が駆動され、そのインジェクションキャピラリ３５の先端がインジェクション方向に直線的に変位し、卵に挿入されたインジェクションキャピラリ３５から所定の溶液が注入ポンプ３９の駆動により卵に対しインジェクションされ、さらに必要であれば、そのキャピラリ３５の駆動の間または駆動の後に、穿孔用電圧が圧電素子９２に印加され、圧電素子９２が駆動され、インジェクションキャピラリ３５が卵に接近または当接した位置で微小量の移動を行うことで卵に対する穿孔動作を行い、挿入されたインジェクションキャピラリ３５から所定の溶液が注入ポンプ３９の駆動により卵に注入（インジェクション）される。その後、インジェクションキャピラリ３５を卵内の位置から抜くように駆動する。
【０１１０】
次に、図１〜図８のマニピュレータシステム１０による動作について図９，図１０をさらに参照して説明する。
【０１１１】
図９は、図１の顕微鏡ユニット１２による顕微鏡視野を模式的に示す図であり、キャピラリ２５，３５の各先端位置及び操作対象物の卵を示し、操作対象物の卵に対する交換等の各操作ステップ（ａ）乃至（ｅ）を説明するための図である。図１０は、同じく、キャピラリ２５，３５の各先端位置及び操作対象物の卵を示し、操作対象物の卵に対する位置決め等の各操作ステップ（ａ）乃至（ｅ）を説明するための図である。
【０１１２】
例えば、図１のベース２２上で多数の卵に対するＤＮＡマイクロインジェクションを行うとき、インジェクション操作済み卵を未操作卵と区別しながら移動させ、未操作卵を新たにセッティングするようにして卵を次々と交換することが必要であるが、かかる卵交換ステップがマニピュレータシステム１０によるシーケンス駆動で次のようにして自動的に実行される。
【０１１３】
図９（ａ）は、インジェクションキャピラリ３５を通してのインジェクション操作の終了した操作済卵Ｄ１がホールディングキャピラリ２５に所定の陰圧で保持されており、インジェクションキャピラリ３５が操作済卵Ｄ１から抜かれた状態を示す。この状態で図８のジョイスティック４７のトリガスイッチ４７ｇをオンにすると、次のようにマニピュレータ１４，１６がシーケンス駆動される。
【０１１４】
すなわち、図９（ａ）に示す現状のインジェクションキャピラリ３５とホールディングキャピラリ２５との位置関係を制御部４６Ａが図７の位置検出部８５の検出結果に基づいて認識する。
【０１１５】
次に、図９（ｂ）のように、インジェクション用マニピュレータ１６を駆動してインジェクションキャピラリ３５を図の破線位置から実線の所定位置へ移動させる。この所定位置は、例えば、インジェクションキャピラリ３５の先端３５ａがホールディングキャピラリ２５の先端で図の下方近傍とし、インジェクションキャピラリ３５が未操作卵Ｄ２と操作済卵Ｄ１との間に位置させることで、未操作卵Ｄ２と操作済卵Ｄ１とが区別される。
【０１１６】
次に、図９（ｃ）のように、図９（ｂ）の移動動作の実行中または後、図７のシリンジポンプ２９を制御し、ホールディングキャピラリ２５の陰圧の圧力状態を予め設定した分だけ陽圧にして陰圧を弱めて卵に対するホールド力を緩める。この操作は、卵を完全にリリースするような圧力状態ではなく、軽くホールドする程度の圧力状態にすることが望ましい。
【０１１７】
次に、図９（ｄ）のように、インジェクション用マニピュレータ１６を駆動してインジェクションキャピラリ３５を図の上方に図の破線位置から実線位置へ移動させる。このとき、緩くホールドされた操作済卵Ｄ１もホールディングキャピラリ２５から離れ、インジェクションキャピラリ３５の移動とともに図の破線位置から実線位置へ移動する。
【０１１８】
そして、図９（ｅ）のように、ホールディングキャピラリ２５の圧力状態は弱い陰圧であるため、図の下方にある次に操作する未操作卵Ｄ２が自動的に図の破線位置から実線位置へと移動しホールディングキャピラリ２５により保持される。このとき、インジェクションキャピラリ３５が操作済卵Ｄ１と未操作卵Ｄ２との間に位置し、操作済卵Ｄ１と未操作卵Ｄ２とが混在しないように仕切り機能を発揮するため、これら卵が混在することを防ぐことができる。
【０１１９】
上述のようにして、インジェクションキャピラリ３５によるインジェクション操作が終了した操作済卵Ｄ１をホールディングキャピラリ２５から離して移動させて次の未操作卵Ｄ２をホールディングキャピラリ２５に保持させてセッティングすることができ、操作済卵と未操作卵との交換を自動的に実行できる。しかも、操作済卵Ｄ１はインジェクションキャピラリ３５により仕切られて未操作卵Ｄ２と混在することを防止できる。
【０１２０】
次に、図１０（ａ）のように、インジェクション用マニピュレータ１６を駆動してインジェクションキャピラリ３５を所定位置へ移動させる。この所定位置は、例えば、未操作卵Ｄ２の時計４〜５時方向の下方近傍である。この状態で、未操作卵Ｄ２の核ｄが所定位置に表示部４５の顕微鏡画像で確認できれば、シリンジポンプ２９を制御してホールディングキャピラリ２５によるホールド力を強め、未操作卵Ｄ２を確実にホールドする。
【０１２１】
上述の未操作卵Ｄ２の確実なホールドのとき、インジェクションしたい核ｄは顕微鏡画像で時計３時方向に確認できることが望ましい。すなわち、核ｄの所定位置は時計３時方向である。この理由として、インジェクションする場所を時計３時方向にセッティングすることでホールディングとインジェクションとの軸が一致し、作業者がインジェクションし易いためである。さらに、例えば、未操作卵Ｄ２の核ｄが９時方向に位置した場合、インジェクションのときにインジェクションキャピラリ３５がホールディングキャピラリ２５に接触し折損する可能性があるため、３時方向にセッティングすることが好ましい。
【０１２２】
また、図１０（ｂ）のように、未操作卵Ｄ２において核ｄが所定位置（時計３時方向）に確認できない場合は、制御部４６Ａが自動的にインジェクションキャピラリ３５を制御して未操作卵Ｄ２を図のＹＺ平面で第１回転パターンまたはＸＹ平面で第２回転パターンで回転させる。このとき、ホールディングキャピラリ２５による陰圧は弱いままであり、回転操作はインジェクションキャピラリ３５で未操作卵Ｄ２を第１回転パターンではじくような動作や第２回転パターンで突っつく動作をすることで行い、未操作卵Ｄ２をどのような方向で回転させるかはカメラ１８からの画像情報に対し制御部４６Ａが位置検出部８５による核ｄの検出結果に基づいて判別し、所定位置に核ｄが確認できるまで継続して動作する。このとき、回転操作ごとに顕微鏡ユニット１２の焦点合わせ機構８１をジョイスティック４７の所定スイッチで操作し、未操作卵Ｄ２の核ｄの位置を表示部４５で確認しながら焦点合わせ機構８１を駆動する。
【０１２３】
上述のようにして、図１０（ｃ）のように、未操作卵Ｄ２の核ｄを所定位置に位置決めした後、核ｄとインジェクションキャピラリ３５との焦点が一致するように、インジェクションキャピラリ３５が取付けられたインジェクション用マニピュレータ１６のＺ軸を駆動し上下動させて、画像情報を判定値とした焦点合わせをすることにより、インジェクションキャピラリ３５をＺ軸方向の位置にセッテイングする。また、未操作卵Ｄ２の核ｄの所定位置への設定後、シリンジポンプ２９を制御してホールディングキャピラリ２５によるホールド力を強め、未操作卵Ｄ２を確実にホールドする。
【０１２４】
次に、図１０（ｄ）のように、インジェクション用マニピュレータ１６のＸＹ軸を駆動し、マニピュレータ１６をＸＹ平面で図の破線位置から実線位置へ移動させることで、インジェクションキャピラリ３５をＸＹ軸方向の位置にセッティングする。
【０１２５】
上述のようにしてインジェクションキャピラリ３５のインジェクション操作可能な位置へのセッティングが完了すると、操作者は、未操作卵Ｄ２の核ｄの位置を表示部４５で見ながら、図８のジョイスティック４７のスイッチを操作することで、図１０（ｅ）のように、インジェクション用マニピュレータ１６を駆動して未操作卵Ｄ２にインジェクションキャピラリ３５を挿入して注入ポンプ３９を駆動することでインジェクション操作を行う。
【０１２６】
上述のインジェクション操作が終了すると、インジェクション用マニピュレータ１６を駆動してインジェクションキャピラリ３５を卵から抜くことで、上述の図９（ａ）の状態になる。
【０１２７】
以上のようにして、未操作卵Ｄ２をホールディングキャピラリ２５にセッティングした後（図９（ｅ））、未操作卵Ｄ２の核ｄの位置を確認し、必要な場合は核ｄの位置を調整してから、インジェクションキャピラリ３５をインジェクション操作可能な位置へセッティングすることを自動でシーケンス駆動で行うことができる。
【０１２８】
以上のように、本実施の形態によれば、図９（ａ）〜（ｅ）及び図１０（ａ）〜（ｅ）の各操作をシーケンス駆動により自動で実行できることで、操作者は複雑な操作をすることなしに卵及びインジェクションキャピラリ３５のセッティングが可能となり、操作者に対する負担が軽減され、熟練技術者以外の操作者でも巧みな操作をせずにマニピュレータシステムを使用することが可能となる。
【０１２９】
なお、図９（ａ）〜（ｅ）及び図１０（ａ）〜（ｅ）での各操作は、ＤＮＡマイクロインジェクション以外に、卵へ精子を注入する作業の際にも操作者が作業し易いようにセッティングでき、この場合にも有効な操作方法である。
【０１３０】
従来、遺伝子組み換え操作や顕微受精操作のとき、細胞や卵等の操作対象物を操作する前後に所定の位置にセッティングする操作は、マニピュレータの基本操作に慣れた熟練技術が必要であったが、本実施の形態のマニピュレータシステムによれば、かかる操作が容易に行うことができるように電動マニピュレータをシーケンス駆動し、熟練技術がなくても操作処理が可能であるとともに、従来手動で操作した同じ動作を自動的に操作するため、操作者が違和感なく効率よく作業できる。
【０１３１】
〈第２の実施形態〉
図１１〜図１８を参照して第２の実施形態によるマニピュレータシステムについて説明する。本実施形態によるマニピュレータシステムは、図１〜図８のマニピュレータシステムと基本的に同様の構成であり、図９，図１０と同様にしてジョイスティックのボタンを押すことで自動的に細胞・卵の交換作業を行うことが可能なものであるが、テンプレート画像を利用して自動化効率を向上させたものである。
【０１３２】
図１１は第２の実施形態を説明するために図７の表示部４５に表示された顕微鏡画像及び制御画面の例を示す図である。図１２は図１１の顕微鏡画像においてテンプレート画像の選択を行う例を示す図１１と同様の図である。図１３は図１２で選択したテンプレート画像の記憶を行う例を示す図１１と同様の図である。図１４は作成されたテンプレート画像の例を示す図１１と同様の図である。図１５は顕微鏡画像において位置関係等の演算の例を説明するための図である。
【０１３３】
図１６は第２の実施形態のマニピュレータシステムでテンプレート画像を作成するステップを説明するためのフローチャートである。図１７は図１６のテンプレート画像作成後のステップを説明するためのフローチャートである。図１８は図１６，図１７の演算ステップの具体例を説明するためのフローチャートである。
【０１３４】
本実施形態のマニピュレータシステムは、図７の表示部４５に図１１〜図１４のようなテンプレート画像作成画面４５ａを表示させることができるようになっている。この画面４５ａには、カメラ１８で取得した顕微鏡画像を所定の倍率で表示する顕微鏡画面部１０１と、インジェクション側のテンプレート画像を表示するテンプレート画像表示部１０２と、ホールディング側のテンプレート画像を表示するテンプレート画像表示部１０３と、テンプレート画像作成要否の選択のためにテンプレート画像作成有無の入力手段として設けられたテンプレート画像作成要否ボタン１０４と、インジェクション側ボタン１０５と、ホールディング側ボタン１０６とが表示される。なお、テンプレート画像作成画面４５ａは、例えば、図７の表示部４５上でのマウス４９による操作で表示させることができる。
【０１３５】
本実施形態における卵交換動作は、図９のように、インジェクションキャピラリ３５とホールディングキャピラリ２５との間の位置関係の計測（ａ）、インジェクションキャピラリ３５の移動（ｂ）、ホールディングキャピラリ２５による陰圧低下（ｃ）、インジェクションキャピラリ３５の移動（ｄ）、及び、未操作卵Ｄ２の移動後（ｅ）のホールディングキャピラリ２５による陰圧上昇の各動作がジョイスティック４７上の各ボタンを押すことで自動的に実行されるが、図９（ａ）においてテンプレート画像を作成するステップＳ０１〜Ｓ１０について図１６を参照して説明する。
【０１３６】
まず、図１１の画面４５ａを図７の表示部４５に表示させてから、図１１のテンプレート画像作成要否ボタン１０４をマウス４９の操作でクリックしてＯＮ（作成要）にする（Ｓ０１）。
【０１３７】
次に、ジョイスティック４７上の割り当てられた例えばボタン４７ｆを押すことで（Ｓ０２）、顕微鏡２０に取り付けているカメラ１８から顕微鏡画像を取得し（Ｓ０３）、その取得した顕微鏡画像が図１１の顕微鏡画面部１０１に表示される（Ｓ０４）。顕微鏡画面部１０１には、図１１のように、卵Ｄを保持したホールディングキャピラリ２５とインジェクションキャピラリ３５とが拡大されて表示されている。
【０１３８】
次に、図１２のようにパターンマッチングするためのインジェクション側のテンプレート画像１１０Ａ（図１２の長方形状の破線で示す）をマウス４９によるドラッグ操作で選択する（Ｓ０５）。
【０１３９】
次に、図１３のインジェクション側ボタン１０５をマウス４９の操作でクリックして上述の選択したテンプレート画像１１０Ａをハードディスク等の記憶手段に記憶させる（Ｓ０６）。この記憶されたテンプレート画像１１０Ａが図１３のように、テンプレート画像表示部１０２に表示される。
【０１４０】
次に、ホールディング側のテンプレート画像を作成していない場合（Ｓ０７）、上述と同様のステップＳ０５，Ｓ０６により、ホールディング側のテンプレート画像１１１Ａ（図１４）を選択し、ホールディング側ボタン１０６をマウス４９の操作でクリックして上述の選択したテンプレート画像１１０Ａを記憶させる。この記憶されたテンプレート画像１１１Ａが図１４のように、テンプレート画像表示部１０３に表示される。
【０１４１】
上述のようにして両側のテンプレート画像１１０Ａ，１１１Ａを作成してから、テンプレート画像作成要否ボタン１０４をマウス４９の操作でクリックしてＯＦＦ（作成否）にすると（Ｓ０８）、自動でパターンマッチングによる解析を実行し（Ｓ０９）、顕微鏡画面部１０１に表示されている顕微鏡画像にテンプレート画像１１０Ａ，１１１Ａと同じ部分（または近い部分）を検出した場合は、座標値算出等の演算を実行し（Ｓ１０）、図９（ａ）のようなキャピラリ３５とキャピラリ２５との間の位置関係の計測を行い、上述の図９（ｂ）からの操作が自動で開始される（Ｓ１１）。
【０１４２】
なお、ステップＳ０９のパターンマッチングでテンプレート画像１１０Ａ，１１１Ａと同じ部分（または近い部分）を検出できなかったときは自動操作が開始しないようになっており、この場合は、例えば、再度テンプレート画像を取得する等の対策を実行する。
【０１４３】
次に、上述のようにしてテンプレート画像を作成後の２回目以降の動作について図１７を参照して説明する。
【０１４４】
まず、テンプレート画像の作成が必要か否かを判断し（Ｓ２１）、必要であれば、図１６のステップＳ０１に戻り、上記ステップを繰り返す。
【０１４５】
次に、テンプレート画像の作成が不要であれば、ジョイスティック４７のボタン４７ｆまたはマウス４９を操作することで（Ｓ２２）、自動的に、顕微鏡画像の取得（Ｓ２３）、その画像表示（Ｓ２４）、パターンマッチングによる解析（Ｓ２５）、座標値算出等の演算（Ｓ２６）、自動操作開始（Ｓ２７）を順に図１６と同様にして実行する。
【０１４６】
次の卵交換作業が残っており作業が未終了の場合（Ｓ２８）、ステップＳ２１に戻り、上述のステップを繰り返す。また、ステップＳ２５のパターンマッチングでテンプレート画像と同じ部分（または近い部分）を検出できなかった場合もステップＳ２１に戻り、再度テンプレート画像を作成する等の対策をとる。
【０１４７】
次に、図１６，図１７の演算ステップＳ１０，Ｓ２６について図１５，図１８を参照して説明する。
【０１４８】
まず、図１６のステップＳ０５，Ｓ０６のテンプレート画像作成時にテンプレート画像に関する座標値等のデータを計測し、コントローラ４３、あるいはコントローラ４３に内蔵・接続されたハードディスク等の記憶手段に記憶させておく。そして、図１５のように、座標値等のデータに基づいてテンプレート画像１１０Ａの横方向長さＸ１，縦方向長さＹ１及びテンプレート画像１１１Ａの横方向長さＸ２，縦方向長さＹ２を算出し、上述のステップＳ０９，Ｓ２５のパターンマッチング結果の各テンプレート画像１１０Ａ，１１１Ａの重心位置（図１５の各「ｘ」印で示す）を算出する（Ｓ３１）。
【０１４９】
次に、上述の２つのテンプレート画像１１０Ａ，１１１Ａによるパターンマッチング結果からインジェクションキャピラリ３５とホールディングキャピラリ２５との間の位置関係ｍ（図１５）を算出する（Ｓ３２）。
【０１５０】
次に、上記位置関係ｍに基づいて図９（ｂ）の移動動作をするためのインジェクションキャピラリ３５の所要ストローク量を算出する（Ｓ３３）。すなわち、図１５のインジェクションキャピラリ３５のテンプレート画像１１０Ａが破線で示すように矢印方向ｎに移動する場合のストローク量を算出する。
【０１５１】
次に、インジェクションキャピラリ３５を上記ストローク量だけ移動させるためにインジェクション用マニピュレータ１６に対する指令値に変換する（Ｓ３４）。このように変換された指令値によりインジェクションキャピラリ３５が図９（ｂ）のように移動することができる。
【０１５２】
以上のように、本実施形態による動作（図１６〜図１８）によれば、図９と同様の卵交換作業を繰り返して行う場合、ジョイスティック４７上のボタンを１回押すのみで自動的にマニピュレータ１４，１６、シリンジポンプ２９や注入ポンプ３９等を駆動することができるから、従来のように巧みにマニピュレータの操作及びインジェクタの操作を行う必要がない。
【０１５３】
すなわち、非特許文献１に示された従来のマイクロインジェクション法によれば、インジェクション作業をする培地中で操作済卵と未操作卵をドロップ中で混在しないようにし、操作済卵はドロップ上方へ移動させ、続いて下方から未操作卵を持ってくるが、この方法では、マニピュレータ自体の基本操作に慣れておく必要性があり、不慣れな作業者が操作する際、作業効率の低下が生じるという問題があったのに対し、本実施形態によれば、容易にかつ正確に卵交換作業を自動的に行うことができ、不慣れな作業者が操作しても作業効率の低下が生じることがない。
【０１５４】
また、本実施形態のマニピュレータシステムにより卵交換作業を自動で行う際に、操作者が必要に応じ、テンプレート画像を作成しパターンマッチングによりパーソナルコンピュータ（コントローラ）４３上で解析し、その結果に基づいてマニピュレータ１４，１６等を駆動することで自動化効率を向上させることができる。すなわち、先に作成したテンプレート画像を用いて次のパターンマッチングによる解析・演算を行うことができ、テンプレート画像を利用することで本実施形態のマニピュレータシステムによる自動化効率を向上させることができる。
【０１５５】
さらに、卵交換作業を繰返していくうちにキャピラリ２５，３５の見え方が変わってきた場合、図１７のステップＳ２１で判断し、図１６のステップＳ０１に戻り、テンプレート画像作成要否ボタン１０４をＯＮにしてテンプレート画像を再作成することができ、その都度テンプレート画像をアップデートすることができる。このように、テンプレート画像作成は操作者が必要と判断した場合に限り行うことができる。その結果、パターンマッチング時の誤認識やパターンマッチングによる不検出を防ぐことができる。
【０１５６】
以上のように本発明を実施するため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、上述のシーケンス駆動は、図９（ａ）のような状態から開始したが、本発明はこれに限定されず、他の状態から開始するようにしてもよく、例えば、図１０（ｅ）のインジェクション操作の後から開始し、インジェクションキャピラリ３５を卵から抜く動作からシーケンス駆動するようにしてもよい。また、例えば、図９（ａ）〜（ｅ）の操作をシーケンス駆動し、図１０（ａ）〜（ｅ）の操作を手動としてもよい。
【０１５７】
また、図７の焦点合わせ機構８１は、自動で合焦動作を行うように構成してもよい。また、あらかじめ、あるいは作業中に記憶させた焦点位置情報に基づいて合焦動作を行えるようにしておいても良い。また、本実施形態の操作方法は、細胞操作、遺伝子組み換え操作、顕微受精等の微細操作に好適であり、このマニピュレータシステムは、細胞や卵等の電子機器検査・分析装置等に適用して好ましいものである。
【０１５８】
また、例えば、図１６〜図１８の動作は、本実施形態のマニピュレータシステムに限定されず、ＸＹＺ方向に駆動可能な電動マニピュレータに顕微鏡画像を取り込むためのカメラが装着されているシステムであれば適用可能であるので、マニピュレータは他の形式によるものであってもよい。
【０１５９】
〈第３の実施形態〉
次に、図１９に示す第３の実施形態を説明する。図１９は、一つのシャーレに複数のドロップがある場合のインジェクション針、合焦機構の操作および動作を順を追って機構的に示すものである。この操作・動作に使用されるマニピュレータや顕微鏡等は第１および第２の実施形態におけるものと同様であるためその説明を省略する。
【０１６０】
図１９には、洗浄ドロップ、卵ドロップ、細胞ドロップの３つのドロップがあるものを例示している。この場合の具体的な操作および動作は以下の通りである。
【０１６１】
先ず、マニピュレータにガラス針を装着する。次に、工程０から操作・動作を開始する。
工程０．試料ステージを駆動し、洗浄ドロップを顕微鏡視野下へ移動し、インジェクションガラス針の洗浄を行う。
工程１．この試料ステージの位置情報をコントローラへ記憶する。
工程２．試料ステージを駆動し、卵が入っているドロップを顕微鏡視野下へ移動する。
工程３．ジョイスティック操作により焦点合わせアクチュエータを駆動し、卵に焦点合わせをする。
工程４．ジョイスティック操作によりマニピュレータを駆動し、インジェクションガラス針の焦点を合わせる。
工程５．焦点合わせアクチュエータ、インジェクション側マニピュレータの位置情報を保存する。
工程６．試料ステージを駆動し、細胞や精子が入っているドロップを顕微鏡視野下へ移動する。
工程７．この試料ステージの位置情報をコントローラへ記憶する。
工程８．ジョイスティック操作により焦点合わせアクチュエータを駆動し、細胞（精子）に焦点合わせをする。
工程９．ジョイスティック操作によりマニピュレータを駆動し、インジェクションガラス針の焦点を合わせる。
工程１０．焦点合わせアクチュエータ、インジェクション側マニピュレータの位置情報をコントローラに保存する。
工程１１．細胞（精子）のハンドリング操作を行い、インジェクションガラス針内に保持する。
工程１２．試料ステージを駆動し、卵が入っているドロップを顕微鏡視野下へ移動し、1回目のインジェクション操作をする。
工程１３．ジョイスティック上の所定のボタンを押す。
工程１４．工程５で記憶した位置情報の位置へ焦点合わせアクチュエータ、Ｚ軸マニピュレータにより駆動する。
工程１５．卵をホールドし２回目のインジェクション操作後、卵をリリースする。
工程１６．コントローラ画面上の所定のボタンを押し、工程７で記憶した位置情報の位置まで自動で試料ステージを駆動し、細胞（精子）の入っているドロップへ移動させる。さらにこの動作前の位置情報を記憶する。
工程１７．ジョイスティック上の所定のボタンを押す。
工程１８．工程１０で記憶した位置情報へ焦点合わせアクチュエータ、Ｚ軸マニピュレータにより駆動する。
工程１９．細胞（精子）のハンドリングをする．
工程２０．コントローラ画面上の所定のボタンを押し、工程１６で記憶された位置情報の位置へ自動で移動させる．
工程２１．ジョイスティックの所定のボタンを押し、焦点合わせアクチュエータ、Ｚ軸マニピュレータを駆動し、卵に焦点を合わせる。
工程２２．卵をホールドし、３回目のインジェクション操作する。終了後卵をリリースする。４回以上のインジェクション操作をする場合は、工程１７〜２２を繰返す。
【０１６２】
上記のような繰返しインジェクション操作中、インジェクションガラス針の洗浄を行いたい場合は、コントローラ画面上の所定のボタンを押すと洗浄ドロップへ自動で移動し、洗浄終了後は所定のボタンを押すことで卵のドロップへ移動する（上記工程１６，１７と同じような動作）。
【０１６３】
上記方法により、１回目のインジェクション操作中に記憶した位置情報を繰返し使用することでインジェクション操作、サンプリング操作時の焦点位置合わせ、マニピュレータＺ軸位置合わせを容易に行うことが可能となる。
【０１６４】
また、ドロップ間の移動もボタン操作のみで可能となり、インジェクション操作毎に試料ステージを駆動し目視で位置調整することを行わなくても良い。
また、操作中、再度記憶情報位置を調整したい場合は、位置調整後、位置記憶操作を改めて行うと良い。
【０１６５】
さらに、ジョイスティックの各種ボタンに上記動作を割り当て、ジョイスティック操作のみで焦点合わせアクチュエータ，マニピュレータＺ軸等を駆動することも、また、コントローラのボタン等に上記動作を割り当てコントローラのみで駆動することも可能である。また、試料ステージが駆動する動作に連動して、焦点合わせアクチュエータ、マニピュレータＺ軸が記憶した位置情報へ行き来するようにしても良い。
【０１６６】
ここで、第３の実施形態における上記マニュピュレータは第１および第２の実施形態あるいは第４の実施形態におけるマニュピュレータ１４，１６に相当し、試料ステージはベース２２に相当し、ガラス針はインジェクションキャピラリ３５に相当し、顕微鏡は顕微鏡２０に相当し、コントローラはコントローラ４３に相当し、ジョイスティックはジョイスティック４７に相当し、焦点合わせアクチュエータは焦点合わせ機構８１（第４の実施形態では焦点合わせ機構１２４）に含まれるものに相当し、Ｚ軸マニュピュレータは駆動装置４０，４２を含マニュピュレータ１４，１６に相当するものとすることができる。
【０１６７】
上記の通り、少なくとも対物レンズ位置、マニピュレータＺ軸位置を２点記憶し、ジョイスティック操作、および／またはコントローラのボタン操作により２つの位置を容易に行き来することが可能なマニピュレーションシステムとすることにより、より一層効率的な作業が可能となる。
【０１６８】
また、ジョイスティック操作、および／またはコントローラのボタン操作による動作の際は対物レンズ、マニピュレータが連動して駆動するマニピュレーションシステムとすることにより、より一層効率的な作業が可能となる。さらに、卵、細胞（精子）、洗浄用の各ドロップ位置の位置情報を記憶し、これに基づいて試料ステージを駆動することで、容易に各ドロップ間を行き来することが可能なマニピュレーションシステムとすることが可能となる。
【０１６９】
〈第４の実施形態〉
次に、図２０〜図２５を参照して第４の実施形態によるマニピュレータシステムについて説明する。本実施形態によるマニピュレータシステムは、図１〜図８のマニピュレータシステムと基本的に同様の構成であるが、試料ステージを配置し、倒立顕微鏡型に構成したものである。
【０１７０】
図２０は、第４の実施形態によるマニピュレータシステムの構成を概略的に示す図である。
【０１７１】
図２０のように、本実施形態のマニピュレータシステム１２０は、顕微鏡観察下で微小な操作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、一対のマニピュレータ１４，１６と、試料ステージ１２１と、顕微鏡ユニット１２５と、光源部１２６と、を備える。
【０１７２】
顕微鏡ユニット１２５は、対物レンズ１２２ａ等から構成されて顕微鏡機能を有する顕微鏡１２２と、撮像素子としてのカメラ１２３と、自動による合焦動作が可能な焦点合わせ機構１２４とを備える。顕微鏡１２２は、対物レンズ１２２ａが観察対象物の試料が収容されるシャーレＲの下方に位置し、倒立型顕微鏡に構成されている。
【０１７３】
試料ステージ１２１は、ガラス材料等の透光性材料からなるシャーレＲなどが載置されるとともに、ＸＹ軸の平面方向に電動で駆動可能なようにＸ‐Ｙ軸テーブルから構成され、駆動装置１２１ａ（図２１）の駆動によりＸ軸、駆動装置１２１ｂ（図２１）の駆動によりＹ軸に沿ってそれぞれ移動可能になっている。
【０１７４】
また、光源部１２６は、試料ステージ１２１上のシャーレＲの直上に位置するように配置され、シャーレＲ内の試料に向けて光を照射する。
【０１７５】
試料ステージ１２１上のシャーレＲ内の試料に光源部１２６から光が照射され、シャーレＲ内の試料を透過した光が顕微鏡１２２に入射すると、細胞に関する光学像が顕微鏡１２２で所定倍率に拡大されたあとカメラ１２３で撮像され、カメラ１２３の撮像による画像を基に試料を観察することができる。このとき、試料ステージ１２１をＸＹ軸の平面方向に駆動することで、シャーレＲ内の試料を観察に適した位置にセットすることができる。
【０１７６】
マニピュレータ１４，１６は、図１〜図６と同様に構成され、試料ステージ１２１の左右に配置され、光源部１２６の直下に配置されるシャーレＲに対し両側から操作ツールであるピペット２４，３４が延び、ピペット２４，３４の各先端側に装着されたガラス針からなるキャピラリ２５，３５によって、シャーレＲ内の微小な操作対象物である試料に対し所定の操作を行うことができる。
【０１７７】
次に、図２０のマニピュレータシステム１２０におけるパーソナルコンピュータ（コントローラ）１４３による制御について図２１を参照して説明する。図２１は図２０のマニピュレータシステム１２０を制御するパーソナルコンピュータ（コントローラ）１４３による制御系要部を示すブロック図である。
【０１７８】
図２１のパーソナルコンピュータ（コントローラ）１４３は、図７のコントローラ４３と基本的に同様の構成であるが、試料ステージ１２１のアクチュエータからなる駆動装置１２１ａ，１２１ｂ等の駆動を制御し、試料ステージ１２１をＸＹ軸方向に移動させる。
【０１７９】
コントローラ１４３は、試料ステージ１２１を制御し、マニピュレータ１４に取り付けられたピペット２４のキャピラリ２５と、マニピュレータ１６に取り付けられたピペット３４のキャピラリ３５と、を駆動して所定位置にセットしたとき、その操作の際に駆動したアクチュエータの移動量を記憶する。このとき、移動量あるいは移動した位置を所定の基準位置からのＸ，Ｙ座標として記憶しておいてもよい。例えば、コントローラ１４３がキャピラリ２５，３５の第２の位置を記憶することで、キャピラリ２５，３５が第２の位置から離れた第１の位置または第３の位置に移動した後、ジョイスティック１４７などの操作指示によって第２の位置に復帰できる。
【０１８０】
なお、キャピラリ２５，３５の各位置とは、シャーレＲ内の特定位置に対する相対位置であり、試料ステージ１２１はその上に載るシャーレＲをＸＹ軸の平面方向に移動させることでキャピラリ２５，３５を各位置間で相対的に移動させる。
【０１８１】
また、試料ステージ１２１は、図２１の破線のように、そのＸ‐Ｙ軸テーブルのＸ軸方向及びＹ軸方向の各位置を検出するエンコーダ等から構成された位置センサ１２１ｃを備えてもよい。位置センサ１２１ｃにより上記キャピラリ２５，３５の各位置を検出して得られたＸＹ座標情報をコントローラ１４３が記憶し、かかるＸＹ座標情報に基づいてコントローラ１４３の制御により試料ステージ１２１がキャピラリ２５，３５を第１位置、第２位置、第３位置へと移動させる。
【０１８２】
本実施形態のマニピュレータシステム１２０は、カメラ１２３による画像をコントローラ１４３の表示部４５で確認しながら倒立顕微鏡１２２に装着されたマニピュレータ１４，１６及び試料ステージ１２１をジョイスティック１４７などの操作により駆動する。
【０１８３】
マニピュレータシステム１２０により、インジェクション操作を行う際、シャーレを試料ステージ１２１上にセットした状態で、試料ステージ１２１を駆動し、他の培地の位置情報をコントローラ１４３に記憶する操作を行う。この位置記憶操作はインジェクション操作中にも行うことが可能で、記憶位置はその都度変更することが可能である。
【０１８４】
次に、図２１のコントローラに接続される操作手段としてのジョイスティック１４７及びその操作例について図２２，図２３を参照して説明する。
【０１８５】
図２２は、図２１のジョイスティックの具体例を示す斜視図である。図２３は図２０の試料ステージ上に載置されたシャーレ内の複数の培地Ｂ１〜Ｂ３を示す概略的な平面図で、顕微鏡視野が培地Ｂ１（ａ）、培地Ｂ２（ｂ）、培地Ｂ３（ｃ）にある各状態を示す。
【０１８６】
図２２に示すように、ジョイスティック１４７は、図８に示すものと基本的に同様の構成であるが、下部にレバー４７ｈを有する。レバー４７ｈは、図の方向Ａ、その反対の方向Ｂへと回動し、方向Ａに回動した上端位置、方向Ｂに回動した下端位置、それらの中間位置に切り換え可能である。レバー４７ｈの切り換えスイッチは、その上端位置、中間位置、下端位置がキャピラリ２５，３５の第１位置、第２位置、第３位置に対応している。
【０１８７】
すなわち、ジョイスティック１４７のレバー４７ｈを上下させることで、予め記憶した位置へ試料ステージ１２１を駆動する。例えば、図２３（ａ）〜（ｃ）のような配置でシャーレＲ上に複数の培地Ｂ１〜Ｂ３が形成されている場合、レバー４７ｈを上に方向Ａへ回動させ上端位置にすると試料ステージ１２１を駆動し培地Ｂ１を顕微鏡視野ＫＦ下へ移動させるようにし、レバー４７ｈを下に方向Ｂへ回動させ下端位置にすると培地Ｂ３を顕微鏡視野ＫＦ下へ移動させ、レバー４７ｈを中間位置にすると、培地Ｂ２を顕微鏡視野ＫＦ下へ移動させる。培地Ｂ２が復帰させたい元の位置の場合、レバー４７ｈを上端位置または下端位置から中間位置にすることで元の位置に戻ることができる。
【０１８８】
なお、シャーレＲ上に複数の培地は、例えば、培地Ｂ１を洗浄用、培地Ｂ２を卵用、培地Ｂ３を細胞（精子）用とすることができる。
【０１８９】
上述のジョイスティック１４７のレバー４７ｈの操作により、マニピュレータ１４，１６を操作するジョイスティック１４７からほとんど手を離さず他の操作手段を使用せずに培地Ｂ１〜Ｂ３の間を移動できかつ一の培地から他の培地へ移動する際にその培地位置を探すために対物レンズの倍率を変更する操作をしなくてもよく、誰もが容易に培地間を移動させる操作を簡単に行うことが可能となる。
【０１９０】
上述のように、キャピラリ２５，３５が培地間を移動する際、培地中の微小な操作対象物である卵がキャピラリ（ガラス針）と接触し、操作済とそうでないものが混在することを防ぐために、試料ステージ１２１の駆動と連動してキャピラリを上方に退避させる。
【０１９１】
図２０の試料ステージ１２１上のシャーレＲ内に形成された複数の培地間をキャピラリが移動する際の上記退避動作について図２４を参照して説明する。
【０１９２】
図２４は図２０のジョイスティック１４７のレバー４７ｈの操作で移動する際のキャピラリとシャーレ内の複数の培地との位置関係を概略的に示す側面図で、培地Ｂ２での操作対象物に対する操作位置（ａ）、Ｚ軸方向の移動位置（ｂ）、培地Ｂ３の移動位置（ｃ）をそれぞれ示す。
【０１９３】
例えば、キャピラリ２５，３５をシャーレＲ上の図２３（ｂ）の培地Ｂ２から図２３（ｃ）の培地Ｂ３へ移動させる場合、図２４（ａ）のように、キャピラリ２５，３５がシャーレＲ上の図２３（ｂ）の培地Ｂ２内の微小な操作対象物Ｃ２に対し所定の操作を行う所定位置で、ジョイスティック１４７のレバー４７ｈを中間位置から下げ下端位置にすると、コントローラ１４３は、培地Ｂ２内におけるマニピュレータ１４，１６の各ＸＹＺ位置と、試料ステージ１２１のＸＹ位置を記憶する。
【０１９４】
次に、図２４（ｂ）のようにマニピュレータ１４，１６がキャピラリ２５，３５をＺ軸上方に所定量移動させて退避させる。
【０１９５】
次に、図２３（ｃ）のように、試料ステージ１２１がシャーレＲをキャピラリ２５，３５が図２３（ｂ）の培地Ｂ２から図２３（ｃ）の培地Ｂ３へ移動するように移動させる。
【０１９６】
次に、マニピュレータ１６がインジェクション側のキャピラリ３５をＺ軸下方に所定量移動させて、操作者はジョイスティック１４７を操作し、培地Ｂ３内の微小な操作対象物Ｃ３に対し必要な操作を行う。
【０１９７】
次に、レバー４７ｈを中間位置すると、上述と逆の動作をして、マニピュレータ１４，１６と、試料ステージ１２１とは、上述の記憶した図２４（ａ）の培地Ｂ２の所定位置に戻る。
【０１９８】
上述のように、キャピラリ２５，３５を培地Ｂ２から培地Ｂ３へと移動させる際に、予めＺ軸上方へと退避させることで、培地Ｂ２中の微小な操作対象物Ｃ２（例えば卵）とキャピラリ２５，３５との接触を防止できるので、操作済の卵と操作前の卵との混在を防ぐことができる。なお、上述の移動前にキャピラリ２５，３５をＸ軸方向（図の横方向）に互いに離れるように後退させてもよい。
【０１９９】
次に、図２０〜図２２のマニピュレータシステム１２０によってキャピラリ２５，３５をシャーレＲ上の複数の培地間を移動させる動作について図２５を参照して説明する。
【０２００】
図２５は本実施形態でキャピラリとシャーレ内の複数の培地との位置関係を概略的に示す側面図で、培地Ｂ２での操作対象物に対する操作位置で記憶される位置（ａ）、Ｘ軸方向への移動位置（ｂ）、Ｚ軸方向への移動位置（ｃ）、別の培地の移動位置（ｄ）、インジェクション側キャピラリのＺ軸方向の移動位置（ｅ）、インジェクション側キャピラリの操作位置（ｆ）をそれぞれ示す。
【０２０１】
マニピュレータシステム１２０は、図２５（ａ）のように、キャピラリ２５，３５がシャーレＲ上の培地Ｂ２内の微小な操作対象物Ｃ２に対し所定の操作を行う所定位置にジョイスティック１４７の操作で移動した後、ジョイスティック１４７のレバー４７ｈを中間位置から下げて下端位置にすると、次のような所定のシーケンスで移動動作を行う。
【０２０２】
まず、コントローラ１４３は、図２５（ａ）の所定の操作を行う所定位置におけるマニピュレータ１４，１６の各ＸＹＺ位置と試料ステージ１２１のＸＹ位置とを記憶する。
【０２０３】
次に、図２５（ｂ）のようにマニピュレータ１４，１６がキャピラリ２５，３５をＸ軸方向に互いに離れ後退するように所定量移動させ、次に、図２５（ｃ）のようにＺ軸上方に所定量移動させる。このように、次の培地への移動前にキャピラリ２５，３５をＸ軸方向及びＺ軸方向に退避させる。
【０２０４】
次に、図２５（ｄ）のように、試料ステージ１２１を駆動してキャピラリ２５，３５をシャーレＲ上の次の培地Ｂ３へと移動させる。次に、図２５（ｅ）のようにマニピュレータ１６によりインジェクション側のキャピラリ３５をＺ軸下方に所定量移動させる。
【０２０５】
次に、図２５（ｆ）のように、マニピュレータ１６によりインジェクション側のキャピラリ３５をＸ軸の図の左方に所定量移動させて、操作者はジョイスティック１４７を操作し、培地Ｂ３内の微小な操作対象物Ｃ３に対し必要な操作を行う。例えば、操作対象物Ｃ３が精子である場合、キャピラリ３５でサンプリング操作し精子をサンプリングしキャピラリ３５に保持させる。
【０２０６】
次に、レバー４７ｈを中間位置すると、上述と逆の動作をして、マニピュレータ１４，１６と、試料ステージ１２１とは、記憶した図２５（ａ）の培地Ｂ２の所定位置に戻る。そして、培地Ｂ２で、例えば、微小な操作対象物Ｃ２が卵である場合、キャピラリ２５でホールドされた卵に対しキャピラリ３５から精子をインジェクションする。
【０２０７】
以上のようにして、キャピラリ２５，３５を培地Ｂ２内の所定位置から次の操作のための培地Ｂ３内の所定位置に移動させることができる。このとき、試料ステージ１２１とマニピュレータ１４，１６とが連動し、試料ステージ１２１により培地間の比較的長い距離の移動を行うとともにマニピュレータ１４，１６によりキャピラリ２５，３５の退避のための比較的距離の短い移動を行う。
【０２０８】
また、試料ステージ１２１を駆動する直前のマニピュレータ１４，１６のＸＹＺ位置を記憶しておけば、培地間の移動後、記憶したＸＹＺ位置にマニピュレータ１４，１６を駆動すればキャピラリ２５，３５の位置を調整する手間を省くことが可能となる。かかる機能を使用することで操作者がマニピュレータ１４，１６を大きく駆動し調整操作することなく、常時同じ位置でキャピラリ２５，３５を操作することが可能になる。
【０２０９】
また、培地Ｂ２と培地Ｂ１との間で上記と同様にキャピラリ２５，３５を移動させる場合にもレバー４７ｈを上方に回動させて上端位置にすることで図２４または図２５の順序で同じように動作させることができる。
【０２１０】
従来、非特許文献３のようなインジェクション操作の際、特に細胞、精子を卵細胞ヘインジェクションする場合、卵、細胞、洗浄と異なる用途の培地がシャーレ上に存在するが、操作内容に応じ、操作者はこれらの培地間でキャピラリを行き来させなければならず、その際、顕微鏡視野下は拡大されているため全ての培地間の位置関係を把握することが難しく、顕微鏡倍率を低倍にし、試料ステージを操作者が駆動し培地間を移動させていた。すなわち、インジェクション操作を従来のマニピュレータで行うときに次のような問題点があった。
【０２１１】
(1)インジェクション操作を行う顕微鏡倍率での視野下では、シャーレ全体の状況を把握することができない。そのため、シャーレ上の培地間を移動するためには顕微鏡倍率を低倍にし、位置関係を把握した後、試料ステージを操作しなければならない。
【０２１２】
(2)手動で試料ステージを駆動し、培地間を移動した際、移動する前のインジェクション操作場所へ戻るにはその位置を覚えておかなければならず、不慣れな操作者では、元の操作位置を見失ってしまう。
【０２１３】
(3)培地間の移動をする際は、試料ステージを駆動すると培地内の操作対象がガラス針（キャピラリ）と接触する可能性があり、その結果、操作済とそうでないものが混在してしまうため、インジェクション操作を行うガラス針が操作対象と干渉しないように試料ステージを操作しなければならない。そのため、培地間の移動後には再度ガラス針の位置調整作業が必要となる場合もあり、単純な試料ステージの操作だけでは操作が難しい。
【０２１４】
本実施形態は、顕微鏡倍率の変更操作なしで容易に培地間を移動でき、操作者が移動したい培地を探す必要がなく、ドロップ間や培地間を移動しても再位置調整などが不要であるマニピュレータシステムを提供することを目的とする。
【０２１５】
本実施形態のマニピュレータシステム１２０によれば、ジョイスティック１４７のレバー４７ｈを操作することで試料ステージ１２１及びマニピュレータ１４，１６が所定のシーケンスで動作し、キャピラリ２５，３５を複数の培地間や複数のドロップ間で移動させることができるので、顕微鏡倍率を低倍率に変更する操作をすることなく容易に培地間を移動させることができ、操作者が移動したい培地やドロップを探す必要がなくなる。また、培地間やドロップ間の移動の際に、インジェクション操作を行うガラス針であるキャピラリ２５，３５を操作対象物と干渉しないように自動的に退避させてから元の位置に戻るので、培地間やドロップ間を移動してもキャピラリ２５，３５の再位置調整などは不要であり、作業が容易となる。また、図１９のような洗浄ドロップ、卵ドロップ、細胞ドロップの３つのドロップ間におけるガラス針（キャピラリ）の移動を容易な操作で実現できる。
【０２１６】
上述の一連の動作をレバー操作により試料ステージ１２１及びマニピュレータ１４，１６が連動して実行するため、容易な操作で実現できる。
【０２１７】
〈第５の実施形態〉
次に、図２６，図２７を参照して第５の実施形態によるマニピュレータシステムについて説明する。
【０２１８】
第５の実施形態によるマニピュレータシステムは、図２０〜図２２と基本的に同様の構成であり、カメラ１２３による画像をコントローラ１４３の表示部４５で確認しながら倒立顕微鏡１２２に装着されたマニピュレータ１４，１６及び試料ステージ１２１をジョイスティック１４７やマウス４９などの操作により駆動し、インジェクション操作を行うマニピュレータのＸＹＺ軸方向の移動を操作し精子をサンプリングした後、操作者の指示により、透明帯穿孔位置に自動で戻りかつ焦点位置も自動で調整するようにしたものである。
【０２１９】
図２６は第５の実施形態のマニピュレータに装着された各キャピラリと微小な操作対象物との位置関係を示す図で、ホールディングキャピラリが保持した卵にインジェクションキャピラリが接近した状態（ａ）、インジェクションキャピラリが卵の透明帯を穿孔した状態（ｂ）、透明帯穿孔後インジェクションキャピラリを卵から抜いた状態（ｃ）、精子サンプリングモードに変更した状態（ｄ）、インジェクションマニピュレータで精子サンプリングを操作する状態（ｅ）、精子のサンプリングを完了した状態、この精子のサンプリングのとき試料ステージを駆動してサンプリングしやすい位置に移動した状態（ｇ）及びその移動後サンプリングを完了した状態（ｈ）を示す図である。
【０２２０】
図２７は、図２６の精子サンプリング完了後、インジェクションモードに変更した状態（ａ）、透明帯穿孔位置からインジェクションキャピラリが卵の細胞質内に刺し込まれた状態（ｂ）、精子を細胞質内に注入した状態（ｃ）及び卵からインジェクションキャピラリを抜いた状態（ｄ）を示す図である。
【０２２１】
まず、図２６（ａ）のように、ホールド側マニピュレータ１４を操作し、図９（ａ）や図１０（ａ）と同様にしてホールディングキャピラリ２５により陰圧で卵Ｄを保持する。なお、図２６（ａ）において太線で示す位置が焦点を合わせたＺ軸（上下）位置であり、以下の図においても同様である。
【０２２２】
次に、図２６（ｂ）のように、マニピュレータ１６を操作し、インジェクションキャピラリ３５をインジェクション位置へ移動し、図２１の圧電素子９２を駆動して卵Ｄの透明帯Ｔを穿孔した後、図２６（ｃ）のように、インジェクションキャピラリ３５を卵Ｄからいったん抜く。このとき、卵Ｄの透明帯Ｔには穿孔した穴Ｔ１が形成される。
【０２２３】
次に、コントローラ１４３を操作し、図２６（ｄ）のように、精子サンプリングモードに変更し、精子サンプリング操作を開始するが、このとき、焦点合わせ機構１２４の位置、インジェクション側・ホールド側の各マニピュレータ１４，１６のＸＹＺ軸の位置、試料ステージ１２１のＸＹ軸の位置をコントローラ１４３が記憶する。この記憶は、例えば、図２２のジョイスティック１４７のレバー４７ｈを下端位置にすることで実行される。
【０２２４】
その後、図２６（ｄ）のように精子Ｕに顕微鏡焦点が合う位置まで自動で焦点合わせ機構１２４及びマニピュレータ１６のＺ軸を駆動する。シャーレ底から透明帯穿孔位置までの高さはおおよそ一定のため、この位置はコントローラ１４３上で卵Ｄに焦点が合っている位置から算出した位置を用いる。
【０２２５】
次に、図２６（ｅ）のように、インジェクション側マニピュレータ１６のＸＹＺ軸方向移動でインジェクションキャピラリ３５を操作して精子Ｕをサンプリングする。そして、図２６（ｆ）のように、サンプリングする精子Ｕをインジェクションキャピラリ３５の先端近傍に保持することで、精子のサンプリングが完了する。
【０２２６】
この精子のサンプリングのとき、図２６（ｇ）のように、試料ステージ１２１を駆動するとともにそれと同期して同じ移動量だけホールド側マニピュレータ１４もＸＹ軸方向に移動するように駆動しサンプリング操作し、図２６（ｈ）のように精子Ｕのサンプリングが完了する。
【０２２７】
次に、上述のように精子Ｕをインジェクションキャピラリ３５に保持した後、コントローラ１４３を操作し、図２７（ａ）のように、精子インジェクションモードに変更する。そして、コントローラ１４３を操作し、インジェクション側マニピュレータ１６をＸＹＺ軸方向に自動で駆動することで、インジェクションキャピラリ３５が図２６（ｄ）で記憶した透明帯穿孔位置へ戻り、同時に焦点合わせ機構１２４を同じく記憶した位置へ駆動する。
【０２２８】
このとき、図２６（ｇ）のように試料ステージ１２１も駆動しているのであれば、ホールド側マニピュレータ１４及び試料ステージ１２１を前に記憶した位置へ移動させる。このように、精子サンプリング操作中に試料ステージ１２１とホールド側マニピュレータ１４のＸＹ軸は同期して同じ移動量で駆動しているため、精子サンプリング後、インジェクションキャピラリ３５が透明帯穿孔位置へ戻った場合、穿孔した穴Ｔ１に対しずれてしまうことを防ぐことが可能となる。
【０２２９】
次に、図２７（ｂ）のように、圧電素子９２を駆動しインジェクションキャピラリ３５で穿孔した穴Ｔ１から細胞膜を穿孔し、インジェクションキャピラリ３５を細胞質Ｓ内に刺し込む。
【０２３０】
次に、図２７（ｃ）のようにインジェクションキャピラリ３５から精子Ｕを細胞質Ｓ内にインジェクションする。次に、図２７（ｄ）のようにインジェクションキャピラリ３５を卵Ｄから抜く。
【０２３１】
以上のようにして、卵Ｄの透明帯Ｔを穿孔後、精子Ｕをサンプリングしてから、自動で穿孔した位置に戻り、卵Ｄの細胞質Ｓ内にインジェクションすることができる。
【０２３２】
従来、非特許文献３のようなICSI（顕微受精）操作では、インジェクションキャピラリ内にインジェクションする精子を保持した後、卵の透明帯を穿孔しインジェクション操作を行っている。このとき、細胞質内へ精子をインジェクションする操作において、保持していた精子がインジェクションキャピラリのガラス針内で引っかかり、付着する問題があった。また、精子をインジェクションする際に、余分な溶液を注入することは、後の胎児発生率低下の可能性がある。この問題を回避するためにはインジェクタを巧みに操作し、ガラス針内の精子の位置をコントロールし操作しているが、この方法は熟練した技術を要していた。すなわち、インジェクション操作を従来のマニピュレータで行うときに第４の実施形態で説明したのと同様の問題点(1)〜(3)があった。
【０２３３】
本実施形態は、精子サンプリング操作の難しさを最小限に抑えるとともに細胞質内ヘインジェクションする際に精子以外の余分な物質の注入を最小限に抑え胎児発生効率を向上可能なマニピュレーションシステムを提供することを目的とする。
【０２３４】
本実施形態では、上述のように、卵の透明帯穿孔後に精子をインジェクションキャピラリ内に保持し、その後細胞質内ヘインジェクションを行う。このような方法はラットの顕微授精に用いられているが、手動操作で行う場合、10μｍ以下（程度）に透明帯を穿孔した箇所に精子サンプリング後に確実にインジェクションキャピラリの位置を穿孔した位置へ移動しなければならない難しさがある。そこで、本実施形態では、透明帯穿孔後に精子をサンプリングする操作を行う直前にインジェクション側マニピュレータ１６のＸＹＺ軸の位置を記憶し、精子のサンプリング操作を行った後、インジェクションキャピラリを自動で記憶した位置へ戻るようにし、かつ、焦点合わせも自動的に行う。
【０２３５】
本実施形態によれば、インジェクション側マニピュレータ１６は、卵の透明帯穿孔後のインジェクション側マニピュレータ１６のＸＹＺ軸の位置をコントローラ１４３が記憶した後、操作者が、精子のサンプリングを指示すると自動で精子サンプリング位置ヘインジェクションキャピラリを移動しかつ焦点あわせをする。
【０２３６】
インジェクション側マニピュレータ１６を操作し精子をサンプリングした後、操作者の指示により、記憶された透明帯穿孔位置に自動で戻りかつ焦点位置も自動で調整することにより、精子サンプリング操作の難しさを最小限に抑えることができるとともに、細胞質内ヘインジェクションする際に精子以外の余分な物質の注入を最小限に抑えることができ、胎児発生効率を向上させることが可能となる。
【０２３７】
〈第６の実施形態〉
次に、図２８を参照して第６の実施形態によるマニピュレータシステムについて説明する。
【０２３８】
第６の実施形態によるマニピュレータシステムは、図２０〜図２２と基本的に同様の構成であり、電動による試料ステージ１２１、電動による焦点合わせ機構１２４、２台のマニピュレータ１４，１６、及びカメラ１２３を設置した顕微鏡ユニット１２５を備え、一方のマニピュレータ１４には操作対象をホールド可能な操作ツール（ホールディングキャピラリ）を設置し、他方のマニピュレータ１６には微細電極とガラス針（インジェクションキャピラリ）とを配置し、卵等の微小な操作対象物をホールドツールで保持し、微細電極に電界をかけ操作対象物の透明帯の穿孔操作を行い、その後、インジェクションキャピラリによりインジェクション操作を行うものである。
【０２３９】
図２８は第６の実施形態の各マニピュレータに装着されたキャピラリと微小な操作対象物との位置関係を示す図で、微小な操作対象物である卵がホールディングキャピラリに保持され、電極とインジェクションキャピラリが近くにある状態（ａ）、電極が卵の透明帯を穿孔する状態（ｂ）、透明帯に穿孔した穴を形成した状態（ｃ）、インジェクションキャピラリが駆動され穿孔された卵に操作可能である状態（ｄ）、インジェクションキャピラリによるインジェクション操作の状態（ｅ）及びインジェクション操作が終了した状態（ｆ）を示す。
【０２４０】
本実施形態では、図２０，図２１のマニピュレーションシステムを使用し、図２８（ａ）のように、ホールド用マニピュレータ１４の先端には卵を保持するためのホールディングキャピラリ２５を装着し、インジェクション用マニピュレータ１６の先端にはインジェクションキャピラリ３５と先端が尖った微細な電極１３０とを装着している。
【０２４１】
電極１３０は卵Ｄの透明帯Ｔを穿孔するために使用され、電圧印加のためのアンプ及び信号発生器に接続されている。インジェクションキャピラリ３５はインジェクタに接続されている。電極１３０とインジェクションキャピラリ３５とはマニピュレータ１６の先端に並行して設置されている。
【０２４２】
まず、図２８（ａ）のように、ホールド用マニピュレータ１４によりホールディングキャピラリ２５で操作する卵Ｄを保持する。
【０２４３】
次に、図２８（ｂ）のように、インジェクション用マニピュレータ１６を駆動し電極１３０の先端を卵Ｄに近づけ、電極１３０に電圧を印加し卵Ｄの透明帯Ｔを穿孔する。このとき電極１３０の先端は卵Ｄに接していても接していなくてもよい。
【０２４４】
次に、図２８（ｃ）のように、電極１３０により透明帯Ｔを穿孔した後、インジェクション用マニピュレータ１６を駆動し、電極１３０を図の右方向に退避させる。卵Ｄの透明帯Ｔには穿孔された穴Ｔ１が形成されている。
【０２４５】
次に、図２８（ｄ）のように、インジェクション用マニピュレータ１６を駆動し、インジェクションキャピラリ３５を平行移動して卵Ｄに対する操作位置に設定する。インジェクションキャピラリ３５の先端には精子Ｕが保持されている。
【０２４６】
次に、図２８（ｅ）のように、インジェクション用マニピュレータ１６を駆動し、インジェクションキャピラリ３５を先に透明帯Ｔに穿孔した穴Ｔ１から刺し、インジェクション操作をし、精子Ｕを細胞質Ｓ内に注入する。
【０２４７】
次に、図２８（ｆ）のように、インジェクションキャピラリ３５を図の右方向に退避させてインジェクション操作が完了する。
【０２４８】
なお、インジェクションキャピラリ３５の先端には精子Ｕを保持しておくが、この操作は電極１３０による透明帯穿孔操作を行う前に準備しておくことが好ましい。また、インジェクションキャピラリ３５と電極１３０との間の距離は、各操作中に、インジェクションキャピラリ３５と電極１３０とが干渉しないよう少なくとも卵１個分の直径以上となるように設置することが好ましい。
【０２４９】
従来、卵の透明帯を穿孔する方法には、圧電アクチュエータによる場合と、レーザ光による場合の主に２通りある。圧電アクチュエータを使用する場合、ガラス針へ瞬間的な振動を与え、ガラス針内部に生じる圧力差を利用し、透明帯を穿孔している。レーザ光を使用する場合は、卵に対し鉛直方向ヘレーザ光を当て、その部分にスリット上の穿孔をする。
【０２５０】
しかし、本発明に係る以前の従来の圧電アクチュエータは透明帯穿孔と同時に細胞質ヘガラス針によりダメージを与えてしまう場合があり、操作するためには熟練した手技が必要であった。レーザ光を使用する場合、透明帯を容易に穿孔できるものの、小さな穴ではなく、スリット状に穿孔されてしまう。そのため、卵には大きな切れ目が存在することになり、卵への負担が大きくなる。
【０２５１】
本実施形態は、卵の透明帯の穿孔操作において細胞質へのダメージを抑えつつできるだけ小さな穴を穿孔できる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。
【０２５２】
本実施形態では、圧電アクチュエータやレーザ光を透明帯穿孔には使用せず、上述のように透明帯穿孔には微小電極を使用する。顕微授精等のインジェクション作業が必要な場合はマニピュレータの電極取付部に並列にインジェクションキャピラリを取り付ける。そのキャピラリをマニピュレータで操作し電極による穿孔操作後、インジェクション操作を行う。
【０２５３】
本実施形態によれば、電極による穿孔操作により、従来用いられている圧電アクチュエータに比べ穿孔時に卵へ振動を与えることを低減できかつ透明帯穿孔時にガラス針により細胞質を破壊し死滅させることを防ぐことができる。
【０２５４】
また、本発明に係る以前の従来のように透明帯穿孔のためにレーザ光を使用すると卵をスリット状に穿孔してしまいダメージが大きいのに対し、本実施形態では高価なレーザ装置を使用せずに安価な電極を用いて微小な穿孔が可能であり、低ダメージで小さな穴を開けることが可能になる。このように、穿孔後、操作ツールを平行移動するだけで、低ダメージで形成した微小な穴からインジェクション操作を簡単かつ確実に行うことができる。
【０２５５】
〈第７の実施形態〉
次に、図２９〜図３４を参照して第７の実施形態によるマニピュレータシステムについて説明する。
【０２５６】
図２９は第７の実施形態のマニピュレータシステムを制御するパーソナルコンピュータ（コントローラ）１４３による制御系要部を示すブロック図である。図３０は本実施形態のマニピュレータシステムに配置されるスイッチ操作部の例を示す図である。図３１は図３０のスイッチ操作部の各操作例（ａ）〜（ｅ）を示す図である。図３２は第７の実施形態におけるマニピュレータによるキャピラリ交換位置への移動動作（ａ）〜（ｄ）を説明するための図である。図３３は図３２のキャピラリ交換位置から元の位置に復帰する動作（ａ）〜（ｄ）を説明するための図である。図３４は、本実施形態のマニピュレータシステムの光源部を側面（図２０のマニピュレータ１６側）から見た概略図である。
【０２５７】
本実施形態によるマニピュレータシステムは、図２０〜図２２と基本的に同様の構成であり、電動によるマニピュレータ１４，１６及び電動による試料ステージ１２１が倒立顕微鏡に装着され、顕微鏡に装着したカメラ画像をコントローラ１４３の表示部４５上で確認しながらジョイスティック１４７などにより操作し、スイッチ操作で容易にガラス針（キャピラリ）を装着し交換できる位置へ移動し、交換後に元の顕微鏡視野下に自動的に復帰できるようにしたものである。図２９のパーソナルコンピュータ（コントローラ）１４３は図２１と基本的に同様であるが、スイッチ操作部１５０，センサ１６１Ａ，Ｚ軸リミットスイッチ１６２，１６３の信号が入力されるようになっている。
【０２５８】
本実施形態では、キャピラリ（ガラス針）の顕微鏡視野下での位置は、マニピュレータ１４，１６のＺ軸（上下方向）に図２９に示すリミットスイッチ１６２，１６３を配置し、リミットスイッチ１６２，１６３が反応する位置からの座標を把握し、その各座標情報をコントローラ１４３へ入力し、記憶させておく。リミットスイッチ１６２は、例えば、図３２（ａ）のようにＺ軸上方に配置される。リミットスイッチ１６３も同様に配置される。
【０２５９】
図２０の倒立顕微鏡の光源部１２６は、図３４の破線のようにキャピラリ交換のための作業スペースを確保するために矢印方向に倒れるように軸１２６ｂを中心に回動し傾斜して退避するようになっている。光源部１２６を傾斜させてからキャピラリ交換操作を行う。図３４のように、光源部１２６の脚部１２６ａの近傍に図２９に示すセンサ１６１Ａを設け、光源部１２６が傾斜していなければ、その状態を接触型のセンサ１６１Ａが検知し、キャピラリ交換動作をマニピュレータ１４，１６が実行しないように制御される。その結果、誤操作による光源部１２６とキャピラリとの接触を防止できる。なお、センサ１６１Ａは、フォトマイクロセンサと遮光板とから構成される光センサ等の非接触型センサとしてもよい。
【０２６０】
図３０に示すように、マニピュレータシステムにはスイッチ操作部１５０が配置され、例えば、顕微鏡設置場所の近辺に設置される。スイッチ操作部１５０は、電動手動切替スイッチ１５１と、ホールド側、インジェクション側のマニピュレータ１４，１６を切り替える駆動軸切替スイッチ１５２と、退避セット動作切替スイッチ１５３と、を備える。各スイッチはＯＮ・ＯＦＦの押しボタン切替式で、スイッチ１５１は、電動押しボタン１５１ａと手動押しボタン１５１ｂとを有し、スイッチ１５２は、ホールド押しボタン１５２ａとインジェクション押しボタン１５２ｂとを有し、スイッチ１５３は退避押しボタン１５３ａと中立押しボタン１５３ｂとセット押しボタン１５３ｃとを有する。
【０２６１】
スイッチ操作部１５０の各スイッチ１５１〜１５３を操作することでキャピラリを交換する位置へ移動させることができる。顕微鏡視野下からキャピラリを交換する位置までの移動は次のように行うことができる。
【０２６２】
図３４の破線のように、図２０の光源部１２６を手動で傾斜させる。次に、図３１（ａ）のように電動手動切替スイッチ１５１の電動押しボタン１５１ａを押し、駆動軸切替スイッチ１５２により駆動したいマニピュレータ１４または１６を選択する。例えば、ホールドボタン１５２ａを押してホールド側マニピュレータ１４を選択し、電動押しボタン１５１ａによるモータの励磁がＯＮ状態になるまで待機する。
【０２６３】
次に、図３１（ａ）で退避セット動作切替スイッチ１５３の中立ボタン１５３ｂがＯＮであるが、例えば、図３１（ｂ）のように退避ボタン１５３ａを選択すると、ホールド側マニピュレータ１４が退避動作を開始する。この退避動作について図３２を参照して説明する。
【０２６４】
図３２（ａ）のように、ホールド側マニピュレータ１４に装着されたピペット２４の先端のキャピラリが操作対象物を収容するシャーレＲに位置している状態から、ホールド側マニピュレータ１４を駆動して図３２（ｂ）のようにキャピラリが干渉しないようにＸ軸方向へ所定量退避する。
【０２６５】
次に、図３２（ｃ）のようにＺ軸方向上方にリミットスイッチ１６２（図２９）が反応する位置まで移動させる。
【０２６６】
次に、図３２（ｄ）のように、Ｙ軸方向へ駆動し、ピペット２４の装着部を操作者手前方向に所定量移動させる。上述の移動後、図３１（ｃ）のように中立ボタン１５３ｂをＯＮにする。
【０２６７】
上述のようにして、ホールド側マニピュレータ１４によりピペット２４の先端のキャピラリをＸＹＺ軸の各方向に移動させて、交換位置への移動後に、キャピラリの装着・交換を行う。
【０２６８】
次に、図３１（ｄ）のように、退避中立セット動作切替スイッチ１５３のセット押しボタン１５３ｃをＯＮにすると、ホールド側マニピュレータ１４がピペット２４の先端のキャピラリを顕微鏡視野下へと移動させる。
【０２６９】
すなわち、ホールド側マニピュレータ１４のＸＹＺ軸が図３３（ａ）のキャピラリ交換位置である状態から、図３３（ｂ）のようにＹ軸方向に移動し、次に図３３（ｃ）のようにＺ軸方向に移動し、次に図３３（ｄ）のようにＸ軸方向に移動する。このとき、Ｘ軸、Ｙ軸の移動量は、図３２（ｂ）（ｄ）とそれぞれ同じで、移動方向が反転している。Ｚ軸の移動量は上方向のリミットスイッチ１６３の位置から設定した所定量で、移動方向が下方である。このようにして、ホールド側マニピュレータ１４はキャピラリ２５を元の顕微鏡視野下に再現性よく戻すことができる。
【０２７０】
次に、図３１（ｅ）のように、退避セット動作切替スイッチ１５３の中立ボタン１５３ｂをＯＮにし、光源部１２６を起こして図３４の実線で示す元の位置に戻すと、本プログラムが終了する。
【０２７１】
なお、必要であれば電動手動切替スイッチ１５１によりモータの励磁をＯＦＦにしてからキャピラリの位置の微調整を行う。また、インジェクション側マニピュレータ１６についても同様の手順でキャピラリの交換位置に移動させ、元の顕微鏡視野下の位置に戻ることができる、
【０２７２】
また、本実施形態では、上記実施例では片方ずつのマニピュレータを駆動するようにしたが、両方のマニピュレータを同時に駆動してもよい。その際はＸ、Ｙ軸方向の移動量を異なるように設定すれば、キャピラリ交換・装着の作業位置をずらすことができるため作業に支障はない。
【０２７３】
また、マニピュレータをＸＹＺ軸方向に駆動する際、一連の動作をするプログラムの開始、終了時、Ｚ軸上方リミットスイッチ認識後にはコントローラ１４３上の位置情報をリセットするようにする。また、Ｚ軸方向への駆動は必ずはじめに上方のリミットスイッチ１６２（図２９）を認識する動作をした後に実行する。これにより、例えばスイッチの誤操作によるキャピラリの折損を回避することが可能となる。
【０２７４】
従来、キャピラリをマニピュレータに装着し、顕微鏡視野下へ位置合わせをする際、マニピュレータを大きく動かしてキャピラリを装着しやすい作業スペースを確保して作業を行ったが、このとき、マニピュレータは手動で操作することが多いため顕微鏡視野下ヘキャピラリをもどす位置合わせが難しいといった問題があった。
【０２７５】
本実施形態は、キャピラリの装着・交換操作を操作者によるマニピュレータの手動操作を極力減らし容易に実現可能なマニピュレータシステムを提供することであり、キャピラリを装着・交換すること、キャピラリを顕微鏡視野下ヘ再セットするという２つの操作をシーケンス駆動によって実現するものである。
【０２７６】
従来、キャピラリ交換作業後に手動操作で適当量マニピュレータを移動して元の位置にもどすのが難しいといった問題点に対し、本実施形態によれば、キャピラリ交換作業を再現性よく同じ位置で操作できるようになり、かつキャピラリを顕微鏡視野下へ位置調整する際も、手動により大きくマニピュレータを駆動する必要がなく、再現性よくもとの顕微鏡視野下近傍ヘキャピラリを移動することができるため、作業が容易となる。
【０２７７】
上述のように、一連のシーケンス動作によりマニピュレータがキャピラリを、交換・装着しやすい位置と顕微鏡視野下とに行き来させることが可能なマニピュレーションシステムを実現できる。
【０２７８】
〈第８の実施形態〉
図３５は第８の実施形態によるマニピュレータシステムの概略的構成を示す図である。
【０２７９】
図３５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対象物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、ホールディング用マニピュレータ１４と、インジェクション用マニピュレータ１６とを備え、顕微鏡ユニット１２の左右にマニピュレータ１４，１６が配置されている。
【０２８０】
顕微鏡ユニット１２は、カメラ１８、顕微鏡２０、ベース２２を備え、ベース２２の上方に顕微鏡２０が配置され、顕微鏡２０にはカメラ１８が連結されている。ベース２２上には細胞等の微小対象物が載置可能であり、ベース２２上の細胞（図示せず）に顕微鏡２０から光が照射される。ベース２２上の細胞で反射した光が顕微鏡２０に入射すると、細胞に関する光学像は、顕微鏡２０で拡大された後、カメラ１８で撮像され、カメラ１８の撮像による画像を表示部４５に表示し、細胞を観察できる。
【０２８１】
ホールディング用マニピュレータ１４は、直交３軸構成のマニピュレータとして、ホールディングピペット２４、ＸＹ軸テーブル２６、Ｚ軸テーブル２８、ＸＹ軸テーブル２６を駆動する駆動装置３０、Ｚ軸テーブル２８を駆動する駆動装置３２を備えている。ホールディングピペット２４は、Ｚ軸テーブル２８に連結され、Ｚ軸テーブル２８はＸＹ軸テーブル２６上に上下動自在に配置されている。ＸＹ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。
【０２８２】
Ｚ軸テーブル２８に連結されたホールディングピペット２４は、その先端にホールディングキャピラリ２５が装着されており、ＸＹ軸テーブル２６とＺ軸テーブル２８の移動に従って三次元空間を移動領域として移動し、ホールディングキャピラリ２５によりベース２２上の細胞等を保持するように構成されている。
【０２８３】
インジェクション用マニピュレータ１６は、直交３軸構成のマニピュレータとして、インジェクションピペット３４、ＸＹ軸テーブル３６、Ｚ軸テーブル３８、ＸＹ軸テーブル３６を駆動する駆動装置４０、Ｚ軸テーブル３８を駆動する駆動装置４２を備え、インジェクションピペット３４は、Ｚ軸テーブル３８に連結され、Ｚ軸テーブル３８はＸＹ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。
【０２８４】
なお、図３５では、マニピュレータ１４，１６は下方からＸ軸Ｙ軸Ｚ軸の順で駆動する構成であるが、この構成順序（配置方法）に限定されるものではなく、他の順序で構成してもよく、例えば、ピペット２４，３４をＸ軸やＹ軸のテーブルに連結する構成であってもよい。
【０２８５】
ＸＹ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に連結されたインジェクションピペット３４は、その先端にインジェクションキャピラリ３５が装着され、インジェクションキャピラリ３５は、針状になっており、ベース２２上の細胞等に挿入される。
【０２８６】
ＸＹ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、ベース２２上の細胞等を含む三次元空間を移動領域として移動し、インジェクションピペット３４を、例えば、インジェクションキャピラリ３５がベース２２上の細胞に挿入される挿入位置まで粗動駆動する粗動機構（三次元軸移動テーブル）として構成されている。
【０２８７】
また、これらテーブル３６，３８は、移動テーブルとしての機能の他に、ナノポジショナとしての機能を備え、インジェクションピペット３４を往復動自在に支持するととともに、インジェクションピペット３４をその長手方向（軸方向）に沿って微動駆動するように構成されている。
【０２８８】
具体的には、ＸＹ軸テーブル３６とＺ軸テーブル３８には、ナノポジショナとして、図２に示す微動機構４４が付加（内蔵）されている。図３６は、図３５のＸＹ軸テーブル３６，Ｚ軸テーブル３８に付加される微動機構の例を示す断面図である。
【０２８９】
図３６の微動機構４４は、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、略円筒状に形成されたハウジング４８内には、ねじ軸５０が挿通されているとともに、円筒状の圧電素子５４、円筒状の間座５６ａがねじ軸５０の外周側に収納されており、軸受５８Ａ、６０Ａが内輪間座６２を間にしてねじ軸５０にロックナット６６Ａにより固定されて収納されている。
【０２９０】
軸受５８Ａ、６０Ａは、それぞれ内輪５８ａ、６０ａと、外輪５８ｂ、６０ｂと、内輪５８ａ、６０ａと外輪５８ｂ、６０ｂ間に挿入されたボール５８ｃ、６０ｃを備え、各内輪５８ａ、６０ａがねじ軸５０の外周面に内輪間座６２を介して嵌合され、各外輪５８ｂ、６０ｂがハウジング４８の内周面に嵌合され、ねじ軸５０を回転可能に支持する。軸受５８Ａは、ハウジング４８の内周面に嵌合された間座５６ａとの当接により、圧電素子を介して蓋６４を締め付けることによって予圧が付与される。ハウジング４８の一端側には圧電素子に電圧を印加するための信号線を通すための孔４８ａ、４８ｂが形成されている。予圧調整は間座５６ａの長さを調整することによって押圧力を調整させ、軸受５８Ａ、６０Ａへ適切な予圧力を与える。これにより、軸受５８Ａ、６０Ａに所定の予圧が付与され、軸受５８Ａ、６０Ａの外輪間に軸方向間距離としての間隙６３が形成される。
【０２９１】
圧電素子５４は、孔４８ａ、４８ｂ内にそれぞれ挿入されたリード線７０Ａ、７２Ａを介して図３５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インジェクションピペット３４の軸長手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。
【０２９２】
圧電素子５４は、コントローラ４３からインジェクション用電圧が印加されると、インジェクションキャピラリ３５に対しベース２２上の細胞に挿入するための穿孔動作を行うようになっており、また、コントローラ４３から微動用電圧が印加されると、ねじ軸５０をその長手方向（軸方向）に沿って微動させて、インジェクションキャピラリ３５の位置を微調整するようになっている。
【０２９３】
なお、圧電素子５４に対するインジェクション用電圧を設定するに際しては、操作対象の細胞の性質等に合わせて、電圧の振幅や電圧の波形を調整できるようになっている。また、図３６では円筒型の圧電素子を使用しているが、これに限定されず、例えば角筒型であってもよい。
【０２９４】
コントローラ４３は、インジェクション用マニピュレータ１６を駆動するときには、ＸＹ軸テーブル３６とＺ軸テーブル３８を粗動駆動して、インジェクションピペット３４の先端に装着されたインジェクションキャピラリ３５をベース２２上の細胞に近づけて位置決めした後、微動機構４４を用いてインジェクションキャピラリ３５を微動駆動するようになっている。
【０２９５】
図３５のコントローラ４３は、例えば、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ＲＡＭ、ＲＯＭなどのハードウエア資源を備えたマイクロコンピュータで構成されており、所定のプログラムを基に各種の演算を行い、演算結果に従って駆動装置４０、４２等に駆動指令を出力するとともに、カメラ１８で撮像した細胞の画像や演算結果に関する情報などをＣＲＴや液晶パネルからなる表示部（パソコンディスプレイ）４５の画面上に表示させる制御手段として構成されている。
【０２９６】
図３７は図３５のコントローラ４３の制御系要部を示すブロック図である。図３８は図３５，図３７のジョイスティックの具体例を示す斜視図である。
【０２９７】
図３５のマニピュレータ１６の駆動装置４０、４２には、粗動用モータとして、例えばステッピングモータ４６（図３７）が内蔵されており、ステッピングモータ４６の回転がリニアガイドやボールねじ等により直線運動に変換されるように構成されている。図３７のように、コントローラ４３のＣＰＵ４４Ａは、粗動時にステッピングモータ４６に対してドライバを介して（図示省略）駆動を指令し、また、微動時に圧電素子５４に対してアンプ（図示省略）を介して駆動を指令する。
【０２９８】
図３５のマニピュレータ１６における粗動と微動の駆動を切り換えるために、図１、図３７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を用いる。
【０２９９】
図３７のコントローラ４３のＣＰＵ４４Ａは、ジョイスティック４７から操作方向に関する信号が入力すると、ジョイスティック４７の操作方向を判別し、例えば、図３８のようにジョイスティック４７が中立位置でインジェクション用マニピュレータ１６が停止した状態から、本体部（ハンドル）４７ｅが操作者により掴まれて右側Ｒに倒されるように操作されたとき、ステッピングモータ４６を駆動しインジェクションキャピラリ３５を粗動駆動する。
【０３００】
また、図３８のように、ジョイスティック４７は、ハンドル４７９がバネ４７ｊで支えられており、ハンドル４７９を左右方向に回転することで操作を指示する機構を有している。図３７において、ハンドル４７９が右にひねられると、インジェクタはガラス針内が陽（陰）圧となるように駆動し、反対側へひねると逆の動作をする。
【０３０１】
また、図３８のように、ジョイスティック４７は、その上部に並んで配置された第１及び第２押しボタンスイッチ４７ａ，４７ｂを備えたものとすることもできる。この場合、図３８において、第１押しボタンスイッチ４７ａが押されてオンになると、圧電素子５４を駆動し、インジェクションキャピラリ３５が細胞に接近した位置で微小量の移動を行うことで細胞に対する穿孔動作を行うようになっている。また、第２押しボタンスイッチ４７ｂが押されてオンになると、ステッピングモータ４６を駆動し、インジェクションキャピラリ３５を細胞内の位置から抜くように後退方向Ｃ（図３９）に駆動するようになっている。また、第２押しボタンスイッチ４７ｂの代わりに、第３押しボタンスイッチ４７ｃを押すことで後退方向Ｃへの駆動を行わせるようにしてもよい。
【０３０２】
上述のように、ジョイスティック４７のハンドル４７９をひねる方向とインジェクタの駆動方向とは、使用するユーザの使いやすいように設定することができる。ジョイスティック４７のハンドル４７９をひねることで、その位置情報をコントローラ４３が読み取り、ゲインを乗じ速度指令に変換し、インジェクタに接続されたモータを駆動する。よって、ジョイスティック４７のハンドル４７９を大きくひねれば、速い速度でインジェクタを駆動することが可能となる。このゲインはユーザの使いやすいように設定することができる。例えば、使い慣れていないユーザにはゲインを小さく設定し、ジョイスティック４７のハンドル４７９を大きくひねってもさほど高速でインジェクタが駆動しないように設定すれば、操作中の誤動作を防止でき、かつ微量な調整も可能となる。
【０３０３】
インジェクションガラス針内に細胞や精子を保持する操作が必要なとき、細胞や精子がシャーレ底に付着している場合があり、インジェクタの速度は常時可変できたり、陰圧・陽圧駆動の切り替えをすばやく行うことが必要である。このときはジョイスティック４７のハンドル４７９をひねる大きさにより速度が可変でき、ひねる方向を切り替えることでインジェクタの駆動方向が切り替わるため、操作性よくハンドリング操作が可能となる。このように、１つの操作部（ハンドル）でマニピュレータ、インジェクタを操作できるため従来に比べ操作部を持ち代えるという煩わしさがない。また、ジョイスティックのハンドルをひねることで容易にインジェクタを駆動することができるため、ジョイスティックのハンドルを大きくひねっても微小にインジェクタを駆動するように設定し使用することで、手動で微小にハンドルを回転させる際に比べ操作の難しさを回避できる。
【０３０４】
次に、図３５〜図３８のマニピュレータシステム１０の動作について図３５〜図３９を参照して説明する。図３９は、図３５の顕微鏡ユニット１２による顕微鏡視野を模式的に示し、卵子に対するインジェクションのための各ステップ（ａ）〜（ｄ）を説明するための図である。
【０３０５】
図３９（ａ）のように、ホールディング用マニピュレータ１４を駆動し、ホールディングキャピラリ２５によりベース２２上の卵子Ｄを保持した状態で、図３７，図３８のジョイスティック４７を右側Ｒに操作し、ステッピングモータ４６を駆動し、インジェクションキャピラリ３５の先端３５ａを卵子Ｄに接近させる。
【０３０６】
次に、図３９（ｂ）のように、ジョイスティック４７を左側Ｌに操作し、コントローラ４３でステッピングモータ４６を駆動し、インジェクションキャピラリ３５の先端３５ａを卵子Ｄに当接させる。
【０３０７】
次に、図３９（ｃ）のように、図３７，図３８のコントローラ４３からインジェクション用電圧を印加して圧電素子５４を駆動し、初期設定されたインジェクション用電圧の信号波形に基づいて圧電素子５４によりインジェクションキャピラリ３５が先端３５ａで穿孔動作を行い、インジェクションキャピラリ３５の先端３５ａが前進方向Ｂに卵子Ｄの透明帯を通して卵子Ｄ内へと挿入され、インジェクションキャピラリ３５から精子の入った溶液を注入する。
【０３０８】
なお、圧電素子５４による穿孔動作は、圧電素子５４の駆動時間が卵子の個体差により異なるため、押しボタンスイッチ４７ａを押している間に継続して圧電素子５４を駆動し、押しボタンスイッチ４７ａを離すと圧電素子５４がオフとなる構成とすることが好ましい。
【０３０９】
また、ハンドル４７９をひねる力の大きさ、ひねる速度により、インジェクタを駆動し、インジェクションキャピラリ３５からの溶液の注入速度を可変とすることも可能である。この場合、遅い速度・弱い力でハンドル４７９をひねった場合は注入速度を遅くし、逆に速い速度・強い力でハンドル４７９をひねった場合は注入速度を早くすることが好ましい。また、操作途中でハンドル４７９の操作速度や操作力が変化した場合は、これに応じて注入速度を可変させることもできる。
【０３１０】
次に、上述のインジェクション動作の後の操作のため、図３９（ｄ）のように、図３７，図３８のジョイスティック４７は上部の第２押しボタンスイッチ４７ｂを備えるものとすることもできる。第２の押しボタンスイッチ４７ｂを押すと、ステッピングモータ４６を駆動し、インジェクションピペット３４の軸長手方向に沿って駆動して、後退方向Ｃにインジェクションキャピラリ３５を駆動することで細胞Ｄ内から抜く。
【０３１１】
上述のように、図３５〜図３９の本実施形態によれば、圧電素子５４による穿孔動作・インジェクション開始からインジェクションキャピラリ３５を細胞（卵子Ｄ）から抜くまでの操作を一つのジョイスティックで行うことができ、ジョイスティック４７の他の部分の操作の必要がなくなるうえにジョイスティック４７のみで操作が可能となるので、全体として操作が容易になる。また、上記操作をひねる操作とすることで、初期設定した動作を安定して実行させることができ、このため、人為的な誤差が少なくなるとともに、各操作を安定して繰り返し行うことが可能となる。
【０３１２】
また、押しボタンスイッチを使用する場合は、上記に加え、第１及び第２押しボタンスイッチ４７ａ、４７ｂがジョイスティック４７の上部に並んでいるので、押しボタンスイッチ４７ａ、４７ｂを続けて押すことが簡単にでき、穿孔動作・インジェクション動作及びインジェクションキャピラリを抜く動作を連続的に正確かつ容易に行うことができる。
【０３１３】
次に、上述のジョイスティック４７による操作の代わりに、図３５のマウス４９を用いて表示部４５の画面上で操作するように構成してもよい。すなわち、図４０の表示部４５の画面４５ａ上に、例えば、図３９のような顕微鏡視野の画像を表示するとともに、図３５のマウス４９でクリックすることでスイッチと同様の動作をする押しボタン４１ａ〜４１ｅを表示する。これらの押しボタン４１ａ〜４１ｅをマウス４９で操作することで、図３９（ａ）〜（ｄ）と同様の操作を行うことができる。
【０３１４】
すなわち、画面４５ａ上に表示された粗動ボタン４１ａをマウス４９でクリックすることで、ステッピングモータ４６を駆動し、図３９（ａ）のように、インジェクションキャピラリ３５の先端３５ａを卵子Ｄに接近させる。ここで、停止ボタン４１ｂをクリックし停止してもよい。
【０３１５】
次に、粗動ボタン４１ａをクリックしてステッピングモータ４６を駆動し、図３９（ｂ）のように、インジェクションキャピラリ３５を移動させて先端３５ａを卵子Ｄに当接させる。
【０３１６】
次に、注入ボタン４１ｄをクリックすると、インジェクション用電圧を印加して圧電素子５４を駆動し、図３９（ｃ）のように、インジェクションキャピラリ３５が先端３５ａで穿孔動作を行い、注入を行う。
【０３１７】
次に、上述のインジェクション動作の後、後退ボタン４１ｅをクリックすると、ステッピングモータ４６を駆動し、図３９（ｄ）のように、インジェクションキャピラリ３５を後退方向Ｃに駆動することで細胞Ｄ内から抜く。
【０３１８】
なお、上述の図３７〜図３９及び図４０では、穿孔動作・インジェクション動作と、インジェクションキャピラリを抜く動作と、を２つの押しボタンにより別々に行うようにしたが、１つの押しボタンを押すことで、穿孔動作・インジェクション動作からインジェクションキャピラリを抜く動作まで自動的に連続して行うようにしてもよい。
【０３１９】
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３８ではハンドル４７９のひねり操作や押しボタンスイッチ４７ａ、４７ｂを例にして説明したが、他の押しボタンスイッチに同様の機能を備えさせることが可能であり操作者が操作し易い他の押しボタンスイッチに同様の機能を割り振ることができる。
【０３２０】
また、図３５のマウス４９として押しボタンスイッチを有するマウスを用いて、かかるマウス４９に付属した押しボタンスイッチを押すことでジョイスティック４７の第１及び第２押しボタンスイッチ４７ａ、４７ｂと同様の操作を行わせるように構成してもよい。この場合、粗動と微動の切り換えは、例えば、図４０と同様の押しボタン４１ａ，４１ｂ，４１ｃにより行うようにしてもよい。
【０３２１】
また、ジョイスティックやマウス以外のポインティングデバイスを用いてもよく、例えば、ペンタブレット等を使用してもよく、押しボタンが不足するときは、画面上にクリック可能な押しボタンを設置することが好ましい。
【０３２２】
〈第９の実施形態〉
第９の実施形態によるマニピュレータシステム１０は図３５と同様の構成である。すなわち、マニピュレータシステム１０は、図３５のように、顕微鏡観察下で細胞等の微小対象物に微細な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、ホールディング用マニピュレータ１４と、インジェクション用マニピュレータ１６とを備え、顕微鏡ユニット１２の左右にマニピュレータ１４，１６が配置されている。顕微鏡ユニット１２は、カメラ１８、顕微鏡２０、ベース２２を備え、ベース２２の上方に顕微鏡２０が配置され、顕微鏡２０にはＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子を用いたカメラ１８が連結されている。ベース２２上には細胞等の微小対象物が載置可能であり、ベース２２上の細胞（図示せず）に顕微鏡２０から光が照射される。ベース２２上の細胞で反射した光が顕微鏡２０に入射すると、細胞に関する光学像は、顕微鏡２０で拡大された後、カメラ１８で撮像され、カメラ１８の撮像による画像を表示部４５に表示し、細胞を観察できる。
【０３２３】
なお、マニピュレータシステム１０の各部は、図３５と同様であるので、その説明は省略する。また、ＸＹ軸テーブル３６とＺ軸テーブル３８には、ナノポジショナとして、微動機構４４が付加（内蔵）されているが、この微動機構４４は図３６に示すものと同様であるので、その説明は省略する。
【０３２４】
図４３は第９の実施形態による図３５のコントローラ４３の制御系要部を示すブロック図である。図４４は図４３の表示部の分割された画面の例を示す図である。
【０３２５】
図３５のマニピュレータ１６の駆動装置４０、４２には、粗動用モータとして、例えばステッピングモータ４６（図３７）が内蔵されており、ステッピングモータ４６の回転がリニアガイドやボールねじ等により直線運動に変換されるように構成されている。図４３のように、コントローラ４３のＣＰＵ４４Ａは、粗動時にステッピングモータ４６に対してドライバ（図示省略）を介して駆動を指令し、また、微動時に圧電素子５４に対してアンプ（図示省略）を介して駆動を指令する。
【０３２６】
図４３の表示部４５と、画像処理部８０Ａと、表示部４５と画像処理部８０Ａとを制御するＣＰＵ４４Ａとにより、画像表示装置が構成される。すなわち、図４３のＣＰＵ４４Ａは表示部４５の画面表示形態を制御し、図４４のように表示部４５の画面４５ａを例えば画面８１Ａ，８２Ａの二画面に分割する。図１の顕微鏡２０に設けられたカメラ１８で撮像された顕微鏡画像が、各分割画面８１Ａ，８２Ａに細胞等の微小対象物の画像としてそれぞれ表示される。
【０３２７】
カメラ１８からの画像は、図４３の画像処理部８０Ａで各種の画像処理が施されるが、例えば、微小対象物の顕微鏡画像を所望の倍率に縮小・拡大処理することができる。すなわち、画像処理部８０Ａは、入力画像について所定のアルゴリズムでソフト的に縮小処理または拡大処理を行い、縮小または拡大された出力画像とするようになっている。
【０３２８】
図４４のように、画像処理部８０Ａで拡大処理された例えば表示倍率１０倍（×１０）の顕微鏡画像が画面８１Ａに表示され、表示倍率４０倍（×４０）の同一の顕微鏡画像が画面８２Ａに表示される。
【０３２９】
図４５に図４３のジョイスティックの具体例を示す斜視図を示す。図３５，図４３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を用いて、例えば、図４４のようにジョイスティック４７が中立位置でインジェクション用マニピュレータ１６が停止した状態から、本体部４７ｅが操作者により掴まれて右側Ｒまたは左側Ｌに操作されたとき、ステッピングモータ４６を駆動しインジェクションキャピラリ３５を粗動駆動する。
【０３３０】
また、図４５のように、ジョイスティック４７は、その上部に並んで配置された第１及び第２押しボタンスイッチ４７ａ，４７ｂを備え、第１押しボタンスイッチ４７ａが押されてオンになると、圧電素子５４を駆動し、インジェクションキャピラリ３５が細胞に接近した位置で微小量の移動を行うことで細胞に対する穿孔動作を行う。また、第２押しボタンスイッチ４７ｂが押されてオンになると、ステッピングモータ４６を駆動し、インジェクションキャピラリ３５を細胞内の位置から抜くように後退方向Ｃ（図３９）に駆動する。なお、この動作についてはジョイスティック４７のハンドル４７９をひねることで動作指示されるようにしてもよい。
【０３３１】
なお、図４５のようにジョイスティック４７の上部に設置されたハットスイッチ４７ｄを用いて、第２押しボタンスイッチ４７ｂの上記ボタン操作を代用するように構成してもよい。また、図４５の押しボタンスイッチ４７ａの隣の第３押しボタンスイッチ４７ｃ等の他の押しボタンスイッチに同様の機能を備えさることが可能であり、操作者が操作し易い他の押しボタンスイッチに同様の機能を割り振るようにしてもよい。
【０３３２】
次に、本実施形態のマニピュレータシステム１０の動作について図４３〜図４５、さらに上述の図３９を参照して説明する。
【０３３３】
図３９（ａ）のように、ホールディング用マニピュレータ１４を駆動し、ホールディングキャピラリ２５によりベース２２上の卵子Ｄを保持した状態で、図４３，図４５のジョイスティック４７を右側Ｒに操作し、ステッピングモータ４６を駆動し、インジェクションキャピラリ３５の先端３５ａを卵子Ｄに接近させる。
【０３３４】
次に、図３９（ｂ）のように、ジョイスティック４７を左側Ｌに操作し、コントローラ４３でステッピングモータ４６を駆動し、インジェクションキャピラリ３５の先端３５ａを卵子Ｄに当接させる。
【０３３５】
次に、図３９（ｃ）のように、図４５のジョイスティック４７の上部の第１押しボタンスイッチ４７ａを押すと、コントローラ４３からインジェクション用電圧を印加して圧電素子５４を駆動し、初期設定されたインジェクション用電圧の信号波形に基づいて圧電素子５４によりインジェクションキャピラリ３５が先端３５ａで穿孔動作を行い、インジェクションキャピラリ３５の先端３５ａが前進方向Ｂに卵子Ｄの透明帯を通して卵子Ｄ内へと挿入され、インジェクションキャピラリ３５から精子の入った溶液を注入する。
【０３３６】
なお、圧電素子５４による穿孔動作は、圧電素子５４の駆動時間が卵子の個体差により異なるため、押しボタンスイッチ４７ａを押している間に継続して圧電素子５４を駆動し、押しボタンスイッチ４７ａを離すと圧電素子５４がオフとなる構成とすることが好ましい。
【０３３７】
次に、上述のインジェクション動作の後、図３９（ｄ）のように、図４５のジョイスティック４７の上部の第２押しボタンスイッチ４７ｂを押すと、ステッピングモータ４６を駆動し、インジェクションピペット３４の軸長手方向に沿って駆動して、後退方向Ｃにインジェクションキャピラリ３５を駆動することで細胞Ｄ内から抜く。
【０３３８】
上述のように、本実施形態によれば、圧電素子５４による穿孔動作・インジェクション開始からインジェクションキャピラリ３５を細胞（卵子Ｄ）から抜くまでの操作を押しボタンスイッチ４７ａ、４７ｂの押す動作だけで実行することができ、ジョイスティックのレバー操作の必要がなくなり、操作が容易になる。また、上記操作をボタン操作とすることで、初期設定した動作を安定して実行させることができ、このため、人為的な誤差が少なくなるとともに、各操作を安定して繰り返し行うことが可能となる。
【０３３９】
また、第１及び第２押しボタンスイッチ４７ａ、４７ｂがジョイスティック４７の上部に並んでいるので、押しボタンスイッチ４７ａ、４７ｂを続けて押すことが簡単にでき、穿孔動作・インジェクション動作及びインジェクションキャピラリを抜く動作を連続的に正確かつ容易に行うことができる。
【０３４０】
上述の図３９（ａ）〜（ｄ）の各操作の際に、図４４のように、表示部４５の２分割された画面８１Ａ，８２Ａに、同一の顕微鏡画像について低倍率の画像と高倍率の画像を表示しながら、低倍率画像で細胞Ｄの状態を把握しながら高倍率画像で細胞Ｄに対する微細な各操作を実行できる。例えば、図３９（ｂ）の操作の際に、図１０のように２分割された画面８１Ａ，８２Ａに低倍率画像と高倍率画像を表示し、ジョイスティック４７を操作して、画面８１Ａの低倍率画像で細胞Ｄの全体を把握し、画面８２Ａの高倍率画像をみながらインジェクションキャピラリ３５の先端３５ａを卵子Ｄに当接させることができる。
【０３４１】
以上のように、本実施形態のマニピュレータシステム１０によれば、マニピュレータ１４，１６で細胞等の微小対象物を操作する際、顕微鏡画像の集録を１つのカメラ１８で行い、例えば、ＰＣ（パソコン）等に集録することができる。集録した顕微鏡画像を表示部４５の２画面８１Ａ，８２Ａに分けて異なる表示倍率で表示でき、例えば、画面８１Ａでは表示倍率が１０倍であり、画面８２Ａでは表示倍率が４０倍である。これにより、常に低倍率画像で顕微鏡下の試料状態を把握しながら高倍率画像での微細な操作が可能になる。また、顕微鏡の対物レンズを交換する手間が省略できるとともに、高倍率の対物レンズが不要となる。さらに、顕微鏡で電動レボルバ等の高価な製品を使用しなくてもよく、マニピュレータシステム全体のコスト減に寄与できる。
【０３４２】
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４４の画面８１Ａ，８２Ａにおける表示倍率は、変更可能であり、例えば、一方をほぼ等倍とし、他方をデジタルズームによる所望の倍率にできる。また、表示部４５の分割画面は、２画面に限定されず、さらに、３画面、４画面、のように多分割にしてもよい。
【０３４３】
〈第１０の実施形態〉
図４６は第１０の実施形態によるマニピュレータシステムの概略的構成を示す斜視図である。図４７は図４６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。
【０３４４】
図４６は、図３５のマニピュレータシステム１０をより具体化したマニピュレータシステム５００を示している。すなわち、図４６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１２０Ａ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１２０Ａと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。
【０３４５】
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。
【０３４６】
倒立顕微鏡１２０Ａ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。
【０３４７】
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４６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。
【０３４８】
図４７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。
【０３４９】
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。
【０３５０】
次に、図４６，図４７のナット回転型アクチュエータ１７０について図４８，図４９を参照して説明する。図４８は図４７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４９は図４７，図４８のナット回転型アクチュエータ１７０の斜視図である。
【０３５１】
図４８，図４９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。
【０３５２】
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。
【０３５３】
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。
【０３５４】
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。
【０３５５】
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。
【０３５６】
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。
【０３５７】
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。
【０３５８】
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５１参照）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。
【０３５９】
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。
【０３６０】
図４８，図４９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ガラスキャピラリ３４１（図４７）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。
【０３６１】
次に、図４６の試料ステージ１１０について図５０を参照して説明する。図５０は、図４６の試料ステージ１１０を示す斜視図である。図５０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４６の倒立顕微鏡１２０Ａ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。
【０３６２】
次に、図４６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ついて図５１を参照して説明する。図５１は、図４６〜図５０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。
【０３６３】
図５１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、液晶パネルやＣＲＴ等からなる表示部４３３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、インターネット等のネットワークを介して外部との通信のインターフェースである通信部４３０ｂと、を備える。また、操作者により操作されるジョイスティック４７０及びマウス４７０ａは、パソコン４３０にネットワークを介して接続可能な別のパソコンへの入力手段である。パソコン４３０は、ＣＰＵ４３１によりプログラム４３２の動作及びネットワークを介して外部から通信部４３０ｂで受信したジョイスティック４７０やマウス
４７０ａの各操作による操作信号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。
【０３６４】
すなわち、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１２０Ａ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１２０Ａ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。
【０３６５】
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１２０Ａには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の表示部４３３に表示される。
【０３６６】
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。
【０３６７】
次に、図５１のジョイスティックについて図５２を参照して説明する。図５２は、図５１のジョイスティックの例を示す斜視図である。
【０３６８】
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５２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。
【０３６９】
図５２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に例示するような操作を実行できるようになっている。ホールディング側のジョイスティック４７０のハンドル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。また、インジェクション側のジョイスティック４７０は、第一の実施形態と同様に、ハンドル４７９をひねることでインジェクション動作の制御とすることもできる。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。
【０３７０】
【表１】
0005928900.tif 000002
【０３７１】
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。
【０３７２】
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５１のマウス４７０ａ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。
【０３７３】
次に、パソコン４３０の表示部４３３に表示されるコントローラ画面について図５３を参照して説明する。図５３は図５１のパソコン４３０の表示部４３３に表示されるコントローラ画面の一例を示す図である。
【０３７４】
パソコン４３０の表示部４３３のコントローラ画面上には、上述の図４４と同様にカメラ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５３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５３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、図１０と同様に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。
【０３７５】
表示部４３３のコントローラ画面には、図５３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、マウス４７０ａによりそれぞれ操作が可能になっている。
【０３７６】
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。
【０３７７】
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４７０ａ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。
【０３７８】
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。
【０３７９】
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４７〜図４９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。
【０３８０】
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は、上述のように図５３のコントローラ画面上の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等で行うようにしてもよい。
【０３８１】
特許文献４のような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。
【０３８２】
〈第１１の実施形態〉
次に、第１１の実施形態による遠隔操作可能なマニピュレーションシステムについて図５４を参照して説明する。図５４は、第１１の実施形態によるネットワークを介して遠隔操作可能なマニピュレーションシステムを説明するための概念図である。
【０３８３】
図５４に示すように、本実施形態によるマニピュレーションシステム９０１は、ネットワーク通信により上述のマニピュレータシステム５００を遠隔操作可能に構成したものである。
【０３８４】
マニピュレーションシステム９０１では、マニピュレータシステム５００及びコントローラとしてのパソコンＰＣ１を端子台ボックス４３５の各コネクタに接続する。ＰＣ１は、図５１のパソコン４３０と同じであってよいが、図５４ではマニピュレータシステム５００の制御のためのプログラム（１）がインストールされている。
【０３８５】
さらに、マニピュレーションシステム９０１では、図５４のように、遠隔操作のためのパソコンＰＣ２を別途用意し、ＰＣ１とともにネットワークＮに接続可能にする。ネットワークＮとしては、インターネットであってよいが、専用回線や特定領域に設けられたネットワーク等であってもよい。
【０３８６】
遠隔操作のためのパソコンＰＣ２は、インターネット等のネットワークＮを介して外部との通信のインターフェースである通信部ＰＣ２１と、液晶パネルやＣＲＴ等からなり顕微鏡画像や制御プログラムとしてのコントロール画面をＷｅｂページで表示可能な表示部ＰＣ２２と、各種制御を行う中央演算処理装置（ＣＰＵ）ＰＣ２３と、を備え、操作者により操作されるインターフェイスＰＣ２４が指令入力手段として接続されている。
【０３８７】
パソコンＰＣ２は、ネットワークＮを介してＰＣ１と接続し、図５４の通信ＡによりＰＣ１から送信された画像情報及びコントローラ情報を受信し、表示部ＰＣ２２に顕微鏡画像や制御プログラム画面を表示するとともに、通信ＢによりＰＣ１に対しインターフェイスＰＣ２４から入力されたインターフェイス情報を送信し、ＰＣ１は受信したインターフェイス情報に基づいてマニピュレータシステム５００を操作する。
【０３８８】
インターフェイスＰＣ２４は、例えば、ジョイスティック４７０（図５１，図５２）やマウス４７０ａ（図１７）であってよく、ジョイスティック４７０の場合は、図１８のハンドル４７９と複数のボタン４７１〜４７７を上述の表１と同様の操作に割り当てることができる。
【０３８９】
図５４のマニピュレーションシステム９０１における遠隔操作について説明する。まず、図４６のマニピュレータシステム５００に、マニピュレータ操作に必要なインジェクションキャピラリ３４１（図４７，図５３）、ホールディングキャピラリ３４２（図５３）やサンプルの入ったシャーレ等をセッティングすることで、マニピュレーションを実行できる状態とする。
【０３９０】
次に、ＰＣ１及びＰＣ２を起動しネットワークＮを介して接続するとともに、図５４のＰＣ１でマニピュレータシステム５００を駆動するためのプログラム（１）を起動する。起動したプログラム（１）自体を遠隔操作するため、ＰＣ１からネットワークＮを介してＰＣ２にコントローラ情報が送信されると、ＰＣ２の表示部ＰＣ２２にＷｅｂページによる制御プログラム画面が表示される。また、カメラ４３７で撮像した顕微鏡画像情報がＰＣ１からネットワークＮを介してＰＣ２に送信されて表示部ＰＣ２２に表示される。このような構成でプログラム（１）を実行すると、ＰＣ２に接続しているインターフェイスＰＣ２４からの指令入力信号によりマニピュレータシステム５００を制御でき、かつ、ＰＣ１上で起動しているプログラム（１）はＰＣ２上に開いたＷｅｂページ内に表示されて制御可能となっているため、マニピュレータシステム５００の全ての操作をＰＣ２上で行うことができる。このようにして、ＰＣ２によりマニピュレータシステム５００を遠隔操作することができる。なお、ＰＣ２の表示部ＰＣ２２の制御プログラム画面（コントローラ画面）は図５３のような画面表示の構成であってよいが、図５３の例に限定されるものではない。
【０３９１】
図５５により図５４の変形例を説明する。図５５のように、ＰＣ２にはインターフェイスＰＣ２４からの信号でマニピュレータシステム５００を制御するためのプログラム（２）がインストールされており、プログラム（２）を起動し、ＰＣ２でインターフェイスＰＣ２４から指令入力信号を入力すると、プログラム（２）でインターフェイス情報をＰＣ１に送信し、ＰＣ１のプログラム（１）がネットワークＮ経由でプログラム（２）から送信されたインターフェイス情報を読み取ることで、マニピュレータシステム５００の全ての操作をＰＣ２上で行うことができる。
【０３９２】
次に、本実施形態による遠隔操作可能なマニピュレーションシステムの別の例について図５６を参照して説明する。図５６は、第１１の実施形態によるネットワークを介して遠隔操作可能なマニピュレーションシステムの別の例を説明するための概念図である。
【０３９３】
図５６に示すマニピュレーションシステム９０２は、図５４と比べて、画像情報通信のために別のプログラムにより通信するものである。すなわち、上述の図５４では、プログラム（１）に顕微鏡からの顕微鏡画像を表示するプログラムが内蔵された構成であるため、ネットワーク通信の方法等によっては、プログラム（１）によるコントロール画面（制御プログラム画面）をＷｅｂページで表示しコントロール画面上で制御し画像情報を転送する際に、通信するデータ容量が大きくなってしまう。そこで、図５６のように、画像情報通信用にＰＣ１，ＰＣ２に別途ポートを設置し、画像情報をＰＣ１にインストールしたプログラム（３−１）及びＰＣ２にインストールしたプログラム（３−２）によりネットワーク通信Ｆにより通信する。また、ＰＣ２からＰＣ１へのインターフェイス情報及びＰ
Ｃ１からＰＣ２へのコントローラ情報はネットワーク通信Ｇにより図５４と同様に通信する。
【０３９４】
図５４のマニピュレーションシステム９０２によれば、ＰＣ２でマニピュレータシステム５００を遠隔操作する際に、画像情報の通信が円滑になり、かつ、マニピュレータ操作時の通信におけるタイムラグを低減することができる。
【０３９５】
図５７により図５６の変形例を説明する。図５７の例は、図５６においてＰＣ２にインターフェイスＰＣ２４からの信号でマニピュレータシステム５００を制御するためのプログラム（２）を図５５と同様にインストールしたものである。本実施形態のその他の例として、図５５のプログラム（２）内に画像情報通信のためのプログラムを挿入し使用するようにしてもよく、これによって、マニピュレータシステム５００を駆動するためのＷｅｂページ上の操作に対する負荷を低減することができる。
【０３９６】
以上のように、図５４〜図５７のマニピュレーションシステム９０１，９０２によれば、マニピュレータシステム５００を遠隔操作することができるので、マニピュレータシステム５００をクリーンベンチ内で使用する場合に、操作者は、操作者の上肢をクリーンベンチ内に入れて操作する必要がなくなり、また、クリーンルームで作業する必要がある場合に、操作者はクリーンスーツを着てインジェクション作業する必要がなくなり、このため、操作者に対する負担を軽減できる。また、制約された環境下でマニピュレータシステム５００を使用して作業する場合にも、マニピュレータシステム５００を遠隔操作することで、かかる制約された環境下でもマニピュレータシステム５００を使用できる。また、距離的に遠く離れた場合でもＰＣ１，ＰＣ２がネットワークに接続可能であれば、遠隔操
作が可能となる。
【０３９７】
また、熟練した技術者がマニピュレータシステム５００の傍にいなくてもインジェクション操作することが可能になり、マニピュレータシステム５００が設置されている場所に操作者がいる必要がなく、他の者がインジェクションキャピラリ３４１やホールディングキャピラリ３４２やサンプルの入ったシャーレ等の準備のみすれば、操作可能となる。
【０３９８】
〈第１２の実施形態〉
図５８は第１２の実施形態によるマニピュレータシステムについての制御系を説明するための要部ブロック図である。図５９は図５８のマニピュレータシステムで使用可能なワイヤレスインターフェイスの例を示す平面図である。
【０３９９】
第１２の実施形態によるマニピュレータシステムは、図４６〜図５０と同様の構成であるが、マニュピレータの操作手段としてワイヤレスのインターフェイスを用いたものである。すなわち、図５８のように、本実施形態によるマニピュレータシステム５０１は、インジェクション用マニピュレータ１６０を主に操作するための操作信号をワイヤレスで送信する第１ワイヤレス操作部４３０ｄ及びホールディング用マニピュレータ１４０を主に操作するための操作信号をワイヤレスで送信する第２ワイヤレス操作部４３０ｅを備える。パソコン４３０は、第１ワイヤレス操作部４３０ｄ及び第２ワイヤレス操作部４３０ｅからの操作信号を受信する受信部４３０ｃを備え、かかる受信した操作信号に基づいてマニピュレータシステム５０１の各部分を制御する。各ワイヤレス操作部４３０ｄ，４３０ｅは電波や赤外線により無線で操作信号を送信する。
【０４００】
第１ワイヤレス操作部４３０ｄ及び第２ワイヤレス操作部４３０ｅとして、例えば、図５９のようなワイヤレスのポインタ及びマウスが一体となったワイヤレスインターフェイスを使用する。図５９のワイヤレスインターフェイスは、マウス機能とポインタ機能とを有し、手動されるクリック部ＫＲと複数のボタン部ＢＴとを備え、机上で使用するときにはマウス機能を有し、空中で操作してもポインタ機能を有するようになっている。マウス機能時は光学センサで機能し、空中操作時はワイヤレスインターフェイス中のジャイロセンサ等が機能し操作可能となる。マニピュレータ１４０，１６０を使用するときは、ポインタ機能により手動で発生する操作信号をパソコン４３０が受信し検知し、マニピュレータ１４０，１６０を操作する。試料ステージ１１０を駆動する場合は、図５９のワイヤレスインターフェイスを机上に置き、マウス機能を使用し操作する。その他のマニピュレータシステム５０１内のアクチュエータやインジェクタは複数のボタン部ＢＵを用いて操作する。
【０４０１】
パソコン４３０は、図５９のワイヤレスインターフェイスの使用状態を検知し、現状どちらのモード（机上、空中）で操作しているかを判断し、また、ポインタ機能によるポインタの位置を認識しその位置に従ってマニピュレータシステム５０１を駆動する。操作者はポインタを表示部４３３に表示された画像上に置き、任意に動かして操作する。
【０４０２】
なお、ポインタの小さな動きを検知し、誤動作を招く可能性があるため、操作時は、ワイヤレスインターフェイス中のボタンを押している間だけ、マニピュレータシステム５０１を駆動可能にして操作することが好ましい。また、図５９のワイヤレスインターフェイスにおいてボタン部ＢＵの個数を必要に応じて増やすことで、マニピュレータシステム５０１における各種の操作が可能となる。また、図５９のワイヤレスインターフェイスは一例であり、インターフェイスの形状、種類は問わず、他の形状・種類のものを使用できる。
【０４０３】
第１ワイヤレス操作部４３０ｄ及び第２ワイヤレス操作部４３０ｅを図５９のワイヤレスインターフェイス１個で構成してもよく、この場合、図５９のワイヤレスインターフェイスを空中で操作する場合はインジェクション用マニピュレータ１６０を駆動し、机上で操作する場合はホールディング用マニピュレータ１４０を駆動するように使用してもよい（逆でもよい）。
【０４０４】
第１ワイヤレス操作部４３０ｄ及び第２ワイヤレス操作部４３０ｅを２個のワイヤレスインターフェイスから構成した場合、各ワイヤレスインターフェイスをインジェクション用、ホールディング用として使用するが、折衷で操作するようにしてもよく、この場合は空中で使用する場合はマニピュレータ駆動、机上で使用する場合は試料ステージ１１０等のアクチュエータを駆動するように使用してもよい（逆でもよい）。
【０４０５】
また、顕微鏡画像を表示部４３３上に映し出し、図４４や図５３のように、顕微鏡画像を標準倍率、拡大倍率の２種類を表示し、各画像上にポインタを当てて操作する際、各画像に対するマニピュレーションシステムの速度ゲインを設定するようにしてもよい。その結果、標準倍率の画像上にポインタを当てたときのマニピュレータの駆動よりも、拡大倍率の画像上にポインタを当てたとのマニピュレータの駆動を細かく操作できる。
【０４０６】
本実施形態によれば、表示部４３３上に映し出された顕微鏡画像を見ながら、操作者が操作し易い姿勢・位置でマニピュレータシステム５０１を操作することができ、操作者への負担を軽減できる。また、顕微鏡１２０Ａの近くで操作する必要がないため、操作者が操作する際に顕微鏡へ伝わる振動を軽減でき、振動に起因する顕微鏡１２０Ａへの悪影響を抑えることができる。
【０４０７】
なお、本発明は、本明細書に記載の実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態や変形例を含むことは、本明細書に記載された実施形態や技術的思想から本分野の当業者にとって明らかである。
【０４０８】
また、本実施形態におけるジョイスティック４７，１４７，４７０は、ワイヤレスの構成としてもよい。
【０４０９】
また、本実施形態におけるキャピラリ，ガラスキャピラリ,インジェクションキャピラリは、同じものでよいが、違うものであってもよい。同様に、キャピラリ，ホールディングキャピラリは、同じものでよいが、違うものであってもよい。また、微小対象物と微小操作対象物は、同じものでよいが、違うものであってもよい。
【０４１０】
また、第１〜第１２の実施形態のうちのいずれか２つまたはそれ以上の実施形態を組み合わせてもよいことはもちろんである。
【符号の説明】
【０４１１】
１０  マニピュレータシステム、１２  顕微鏡ユニット、１４  ホールディング用マニピュレータ、マニピュレータ、１６  インジェクション用マニピュレータ、マニピュレータ、１８  カメラ、２０  顕微鏡、２５  ホールディングキャピラリ、キャピラリ、２９  シリンジポンプ、３０，３２  駆動装置、３５  インジェクションキャピラリ、キャピラリ、３９  注入ポンプ、４０，４２  駆動装置、４３  パーソナルコンピュータ、コントローラ、４５  表示部、４６  制御部、４７  ジョイスティック、７０  モータ、９２  圧電素子、１０４  テンプレート画像作成要否ボタン、１１０，１１１  テンプレート画像、Ｄ  卵、細胞、Ｄ１  操作済卵、Ｄ２  未操作卵、ｄ  核、１２０  マニピュレータシステム、１２１  試料ステージ、１２５  顕微鏡ユニット、１２６  光源部、１４３  パーソナルコンピュータ、コントローラ、１４７  ジョイスティック、４７ｈ  レバー、Ｂ１〜Ｂ３  複数の培地、Ｒ  シャーレ、１３０  電極、１５０  スイッチ操作部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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