(57)【要約】【課題】  細胞等の被導入体への導入物質の導入を、複数の注入針で効率良く確実に行うことができて、処理効率の向上が可能であり、注入針の先端を精度良く位置決めできるマイクロインジェクション装置を提供する。【解決手段】  注入針１１移動用の搬送手段４は、互いに直交する方向に進退自在な第１、第２の移動体４１，４２を、基台４０に設置した第１、第２の進退駆動手段４５，４６によりそれぞれ進退させる。基台４０と第１の移動体４１との相対変位を検出する第１のセンサＳ１の信号、および基台４０と第２の移動体４２との相対変位を検出する第２のセンサＳ２の信号を用いて、第１、第２の進退駆動手段４５，４６を制御する。第２のセンサＳ２は、被検出部Ｓ２ａと検出部Ｓ２ｂとが、第１の移動体４１を案内する第１のガイドの案内方向４５に相対変位しても検出可能な構造とする。【選択図】        図４
2012115181.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に導入物質が充填された注入針を被導入体に挿入することにより、被導入体内に導入物質を導入するマイクロインジェクション装置であって、
前記被導入体の入った容器の位置を調整する容器位置調整手段と、この容器位置調整手段で位置調整された容器の内部の被導入体に対して複数の注入針をそれぞれ個別に移動させる複数の搬送手段と、前記容器位置調整手段により位置調整された前記容器の内部を拡大用のレンズを通して撮像する撮像手段と、この撮像手段によって得られた画像から被導入体の位置を判定する位置判定手段と、この位置判定手段によって得られた位置情報に応じて前記各搬送手段に注入針の移動を行わせる搬送制御手段とを備え、
前記搬送手段は、少なくとも第１の移動体と第２の移動体とを互いに直交する方向に進退自在とした２自由度を持っていて、第２の移動体に前記注入針を支持し、前記第１の移動体が第１のガイドを介して基台に直線方向に進退自在に設置され、第１の移動体の上に第２のガイドを介して第２の移動体が、前記直線方向と直交する方向に進退自在に設置され、前記第１の移動体および第２の移動体をそれぞれ進退させる第１の進退駆動手段および第２の進退駆動手段が前記基台に設置され、前記第２の進退駆動手段の出力部材が、第２の移動体に対して進退可能な方向と直交する方向に対して移動が自在に連結され、または接触し、
前記基台と前記第１の移動体との相対変位を検出する第１のセンサと、前記基台と前記第２の移動体との前記第２のガイドの案内方向の相対変位を検出する第２のセンサとを有し、前記搬送制御手段は、前記位置判定手段によって得られた被導入体の位置情報と、少なくとも前記第１および第２のセンサの信号とから、前記第１および第２の進退駆動手段を制御するものであり、前記第２のセンサは、前記基台および第２の移動体のいずれか一方に固定された被検出部と、他方に固定され前記被検出部を検出する検出部とでなり、これら被検出部と検出部とが前記第１のガイドの案内方向に相対変位しても検出可能な構造であることを特徴とするマイクロインジェクション装置。
【請求項２】
請求項１において、前記第２のセンサは磁気式のセンサであるマイクロインジェクション装置。
【請求項３】
請求項１において、前記第２のセンサは光学式のセンサであるマイクロインジェクション装置。
【請求項４】
請求項２または請求項３において、前記第２のセンサはリニアエンコーダであり、前記被検出部は直線に沿って並ぶ複数の目盛りを有し、前記検出部は前記被検出部の目盛りを検出するものとし、前記目盛りの並び方向と垂直な方向の幅を、前記基台に対する前記第１の移動体の進退可能範囲よりも広くしたマイクロインジェクション装置。
【請求項５】
請求項２において、前記第２のセンサは、前記検出部である１次コイルおよび２次コイルと、前記被検出部であるコアとからなる差動トランスであり、前記１次コイルおよび前記２次コイルは、前記コアがコアの軸方向に対し垂直な方向に、前記基台に対する前記第１の移動体の進退可能範囲よりも長い距離だけ移動可能な形状であるマイクロインジェクション装置。
【請求項６】
請求項２において、前記第２のセンサは、コイル内にコアが配置された前記検出部と、前記コアの軸方向端と対向するターゲット面を有する前記被検出部とでなり、前記コイルに流れる電流の変化から、前記コアから前記ターゲット面までの距離を検出する渦電流式またはリラクタンス式のセンサであり、前記被検出部は、前記コアの軸方向に対し垂直な方向の長さを、前記基台に対する前記第１の移動体の進退可能範囲よりも長くしたマイクロインジェクション装置。
【請求項７】
請求項６において、前記第２のセンサは、前記被検出部の両面に２つのターゲット面を設け、これら２つのターゲット面にそれぞれ対向させて２つの検出部を配置したマイクロインジェクション装置。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、前記第１のガイドおよび第２のガイドは、固定側部材である前記基台または前記第１の移動体に設置されたレールと、移動側部材である前記第１の移動体または前記第２の移動体に設けられ前記レールに沿って進退自在な被案内体とでなり、前記第１のガイドおよび第２のガイドのいずれかまたは両方につき、前記レールと前記被案内体間に予圧を発生させる予圧発生手段を設けたマイクロインジェクション装置。
【請求項９】
請求項８において、前記予圧発生手段は、前記固定側部材および移動側部材のうちの一方に永久磁石を配置し、かつ他方に磁性体を配置し、これら永久磁石と磁性体との磁気吸引力によって前記レールと前記被案内体間に予圧を発生させるものとしたマイクロインジェクション装置。
【請求項１０】
請求項８において、前記予圧発生手段は、前記固定側部材および移動側部材の対向面に、異なる磁極同士が向かい合うように永久磁石をそれぞれ配置し、これら２つの永久磁石の磁気吸引力によって前記レールと前記被案内体間に予圧を発生させるものとしたマイクロインジェクション装置。
【請求項１１】
請求項８において、前記予圧発生手段は、前記固定側部材および移動側部材の対向面に、同じ磁極同士が向かい合うように永久磁石をそれぞれ配置し、これら２つの永久磁石の磁気反発力によって前記レールと前記被案内体間に予圧を発生させるものとしたマイクロインジェクション装置。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項１１のいずれか１項において、前記位置判定手段は、前記撮像手段によって得られた画像から、被導入体の位置と前記注入針の先端の位置との相対位置を測定する機能を有し、前記搬送制御手段に、前記位置判定手段により測定された前記相対位置が近くなるように、前記各搬送手段に注入針の移動を行わせる微調整用動作制御部を設けたマイクロインジェクション装置。
【請求項１３】
請求項１ないし請求項１２のいずれか１項において、前記搬送手段における各進退駆動手段は、複数の圧電素子が積層されて積層方向に伸縮する圧電素子積層体を用いたマイクロインジェクション装置。
【請求項１４】
請求項１ないし請求項１３のいずれか１項において、前記注入針を移動させる搬送手段が、前記容器位置調整手段で位置調整される容器内の被導入体の周囲に複数配置されているマイクロインジェクション装置。
【請求項１５】
請求項１ないし請求項１４のいずれか１項において、被導入体が細胞であり、導入物質がＤＮＡおよびタンパク質等の遺伝子制御因子であるマイクロインジェクション装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、顕微鏡下で、細胞等の被導入体内に遺伝子細胞因子等の導入物質を微小な注入針により導入するマイクロインジェクション装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
代表的な細胞内への物質導入方法には、エレクトロポレーション（電気的）、リポフェクション（化学的）、ベクター法（生物的）、マイクロインジェクション法（機械的）、レーザインジェクション（光学的）がある。電気的な方式は、大電流によって細胞膜を破るため細胞の損傷が大きい。化学的方式は、導入できる遺伝子に制限があり、導入効率が低い。生物的方式は、導入できる遺伝子の種類に制限があり、また安全性の問題といった欠点があった。マイクロインジェクション法は、インジェクション位置を高精度で制御することで、確実に細胞内に物質を注入することができる特長がある。キャピラリ（微小針）を用いてマイクロインジェクションを行う方法が特許文献１に記載されている。
【０００３】
細胞内に遺伝子を導入する方法には上記の方法が挙げられるが、確実性と効率性の両方を有した技術はまだ無い。細胞１個１個に遺伝子を導入するマイクロインジェクション法は最も確実な方法であるが、その操作には熟練と時間を要し、そのためスループットが低いことが問題であった。マイクロインジェクション法のスループットを高くする方法として、例えば特許文献２に記載された方法のように、多数の注入針を規則的に配列したマイクロキャピラリーアレイを開発し、これに対応した位置にチャンバーを有するマイクロチャンバーアレイを用いて、一括注入を試みた例がある。
【０００４】
図２１に、マイクロインジェクション法を適用した装置の従来例を示す。このマイクロインジェクション装置では、被導入体である細胞を収容したシャーレ９０を容器載置台９１で把持し、シャーレ９０の内部の局部平面画像を撮像手段９２で撮像し、その平面画像を画像処理手段９３で処理することにより、細胞の位置情報を得る。この容器載置台９１を、ＸＹステージ装置からなる水平２軸方向の容器位置調整手段に９４よって移動させることで、注入針９５の挿入方向に細胞が位置するように細胞の位置決めを行う。次に、注入針９５を保持したマニピュレータを、Ｚステージ装置９６を有する搬送手段９７によって注入針９５の挿入方向に移動させる。このように、位置決めされた細胞に対して注入針９５を突き刺し、注入針９５の内部に充填された導入物質を細胞に導入する。これら一連の動作は、制御装置９８の制御により自動的に行われる。搬送手段９７には、超音波モータやボールねじが使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２６２４７１９号公報
【特許文献２】特許第３０３５６０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
細胞の形状、大きさ、弾性力が異なるため、細胞に対する注入針の位置制御を一括で行う特許文献２等のマイクロキャピラリーアレイ方式では、多くの細胞に対して針が刺さらないか、あるいは多くの細胞を破壊するといった結果になっている。また、マイクロキャピラリーアレイを用いる方式は、細胞をマイクロキャピラリーアレイと同位置に配列させる必要があるため、培養液内で移動可能な浮遊細胞のみに対応でき、培地やシャーレの底に付着した細胞には使用することができない。
【０００７】
マイクロインジェクション法のハイスループット化のために注入物質の注入速度の向上やマニピュレータの位置決め速度の向上が図られている。現在、１秒以下で１個の細胞の注入処理を実現したものがある。しかし、医療用途の要求では、導入物質の種類を問わないこと、導入効率が高いこと、および物質導入細胞を大量に供給できることが要求され、特に重要な物質導入細胞を大量に供給できる要求は現状では満たすことができない。
【０００８】
複数の注入針を使用したくても、現状は注入針を装備したマニピュレータの寸法が大きいため、マニピュレータの複数配置ができないといった問題がある。また、現在のマイクロインジェクション装置では、細胞の位置決めには細胞が入ったシャーレステージを移動し、注入針を装備したマニピュレータは細胞に注入針を穿刺する方向にのみ移動するため、複数の細胞の位置決めを同時に行うことができなかった。
【０００９】
例えば、図２１に示す現在のマイクロインジェクション装置では、細胞を位置決めするために、細胞を収容したシャーレ９０を支持する容器載置台９１を容器位置調整手段９４により移動させ、注入針９５を装備したマニピュレータを、細胞に注入針９６を挿入する方向にのみ移動させるため、複数の細胞を位置決めして各細胞に注入針９５を同時に挿入することができなかった。
【００１０】
また、注入針９５の搬送手段において、注入針９５が直交するＸ軸方向およびＹ軸方向の２自由度を移動する場合、例えばＸ軸移動機構上にＹ軸移動機構を積み重ねるように配置していた。そのため、Ｘ軸移動機構は注入針９５とＹ軸移動機構との両方を駆動することになるため、高速移動が困難であった。
【００１１】
そこで、本件出願人は、マイクロインジェクション法のスループットを高くする上記手法において、以下の方策を講じることで、複数のマニピュレータを並行に高速で駆動させることを試みた。すなわち、複数の注入針をそれぞれ個別に移動可能に移動させる複数の搬送手段は、少なくとも２自由度を持っているものとし、基台に対し第１の移動体を直線方向に進退自在に設置し、この第１の移動体の上に第２の移動体を前記直線方向と直交する方向に進退自在に設置し、この第２の移動体に、注入針を保持するマニピュレータを支持させる。第１の移動体を進退させる第１の進退駆動手段、および第２の移動体を進退させる第２の進退駆動手段は共に基台に設置し、移動体を案内するガイド部分と進退駆動手段等の動力部分とを分離させる。これにより、注入針の先端の位置決めをマニピュレータ単独で行うことが可能となる。また、搬送手段の小型化、各移動体の質量低減ができ、各マニピュレータを高速で駆動させられる。
【００１２】
しかし、上記構成は、第１の移動体の上に第２の移動体が設置されているため、組立精度の影響によって、一方の移動体の動作が他方の移動体に干渉して、注入針の位置で大きな位置差が生じる原因となる。例えば、第１の進退駆動手段の駆動で第１の移動体を移動させるとき、第２の進退駆動手段が駆動されていなくても、第１の移動体に設置された第２の移動体が変位することがある。この変位は僅かであっても、注入針の先端では大きな変位となる。
【００１３】
注入針の先端位置をＣＣＤカメラで測定して制御する方法もあるが、この方法は画像から注入針の先端位置を計算するのに時間を要し、インジェクション処理速度の問題から毎回行うことはできない。レーザ変位計を用いる場合も、移動する注入針の先端位置を正確に検出することは難しい。また、レーザ変位計は高価であるという問題もある。
【００１４】
この発明の目的は、細胞等の被導入体への導入物質の導入を、複数の注入針で効率良く確実に行うことができて、処理効率の向上が可能であり、注入針の先端を精度良く位置決めできるマイクロインジェクション装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この発明のマイクロインジェクション装置は、内部に導入物質が充填された注入針を被導入体に挿入することにより、被導入体内に導入物質を導入する装置であって、前記被導入体の入った容器の位置を調整する容器位置調整手段と、この容器位置調整手段で位置調整された容器の内部の被導入体に対して複数の注入針をそれぞれ個別に移動させる複数の搬送手段と、前記容器位置調整手段により位置調整された前記容器の内部を拡大用のレンズを通して撮像する撮像手段と、この撮像手段によって得られた画像から被導入体の位置を判定する位置判定手段と、この位置判定手段によって得られた位置情報に応じて前記各搬送手段に注入針の移動を行わせる搬送制御手段とを備え、前記搬送手段は、少なくとも第１の移動体と第２の移動体とを互いに直交する方向に進退自在とした２自由度を持っていて、第２の移動体に前記注入針を支持し、前記第１の移動体が第１のガイドを介して基台に直線方向に進退自在に設置され、第１の移動体の上に第２のガイドを介して第２の移動体が、前記直線方向と直交する方向に進退自在に設置され、前記第１の移動体および第２の移動体をそれぞれ進退させる第１の進退駆動手段および第２の進退駆動手段が前記基台に設置され、前記第２の進退駆動手段の出力部材が、第２の移動体に対して進退可能な方向と直交する方向に対して移動が自在に連結され、または接触し、前記基台と前記第１の移動体との相対変位を検出する第１のセンサと、前記基台と前記第２の移動体との前記第２のガイドの案内方向の相対変位を検出する第２のセンサとを有し、前記搬送制御手段は、前記位置判定手段によって得られた被導入体の位置情報と、少なくとも前記第１および第２のセンサの信号とから、前記第１および第２の進退駆動手段を制御するものであり、前記第２のセンサは、前記基台および第２の移動体のいずれか一方に固定された被検出部と、他方に固定され前記被検出部を検出する検出部とでなり、これら被検出部と検出部とが前記第１のガイドの案内方向に相対変位しても検出可能な構造であることを特徴とする。
【００１６】
この構成によると、前記搬送手段は、移動体と進退駆動手段を分離し、各自由度に対する進退駆動手段をいずれも基台に設置したため、搬送手段を小型化でき、また移動体の質量を低減できて搬送手段の高速駆動が可能となる。各自由度に対する進退駆動手段をいずれも基台に設置したが、基台に対して第１の移動体を介して設置される第２の移動体に対しては、第２の進退駆動手段の出力部材が、その進退可能な方向と直交する方向に対して移動が自在に連結され、または接触するため、第１の移動体の移動した位置に係わらず、第２の進退駆動手段の進退駆動を第２の移動体に伝達することができる。
【００１７】
また、搬送手段を小型化することができるため、細胞等の被導入体が入ったシャーレ等の容器の周辺に複数の搬送手段を配置することができる。そのため、複数の被導入体に対して注入針の先端の位置決めを同時に行うことができ、一度に多数の被導入体へのインジェクション処理を実行することができ、ハイスループット化が可能となる。
【００１８】
被導入体の導入に際しては、被導入体を収容した容器の位置を容器位置調整手段で調整し、位置調整された容器の内部の平面視画像を撮像手段で撮像し、その画像から細胞位置を位置判定手段で判定することで各注入針の担当する細胞等の被導入体を決定する。このとき、拡大用のレンズにより前記容器を局部的に拡大し、細胞等の被導入体の位置を画像処理することで、被導入体の位置を精度良く認識できる。また、例えば、認識した細胞等の被導入体の画像内での位置関係から、各搬送手段で担当する被導入体を決定することができる。
【００１９】
このように各注入針の担当する被導入体を決定した後、各注入針を個別に複数の搬送手段で移動させて各被導入体に注入針をそれぞれ挿入することにより、各被導入体に導入物質を導入する。このため、細胞等の複数の被導入体への導入物質の導入を同時に行うことができ、インジェクション処理の効率向上が可能となる。また、少なくとも２種類以上の種類の異なる注入物質を注入針毎に充填しておき、同じ被導入体に順次導入することにより、被導入体に複数種の導入物質をあらかた同時に導入することが可能となる。よって、注入針の注入物質の入れ替えなく複数種の導入物質の導入ができ、インジェクション処理の効率向上が可能となる。
【００２０】
この構成のマイクロインジェクション装置は、搬送制御手段により、位置判定手段によって得られた被導入体の位置情報と、第１および第２のセンサの信号とから、第１および第２の進退駆動手段を制御して、注入針の先端を位置決めする。第１および第２のセンサは、基台に対する第１および第２の移動体の相対位置をそれぞれ検出するセンサであるため、第１および第２の移動体の動作が互いに干渉することにより第１および第２のセンサの検出結果に影響を与えることが少なく、上記制御を精度良く行える。
【００２１】
第２の移動体は第１の移動体に設置されているため、基台と第２の移動体との相対変位を検出するセンサである第２のセンサは、その被検出部と検出部との相対位置が第１の移動体の移動に伴い変化する。しかし、第２のセンサは、被検出部と検出部とが第１のガイドの案内方向に相対変位しても検出可能な構造であるため、第１の移動体が移動しても、常に基台と第２の移動体との相対変位を検出することができる。
【００２２】
この発明において、前記第２のセンサは磁気式のセンサであっても良く、光学式のセンサであっても良い。
いずれのセンサでも、基台および各移動体間の各相対位置を検出することができる。
【００２３】
第２のセンサが磁気式のセンサまたは光学式のセンサである場合、第２のセンサとしてリニアエンコーダを採用することができる。その場合、前記被検出部は直線に沿って並ぶ複数の目盛りを有し、前記検出部は前記被検出部の目盛りを検出するものとし、前記目盛りの並び方向と垂直な方向の幅を、前記基台に対する前記第１の移動体の進退可能範囲よりも広くするのが良い。
目盛りの並び方向と垂直な方向の幅を上記のようにすれば、第１の移動体が進退可能範囲のどこに位置していても、基台と第２の移動体との相対変位を検出可能に第２のセンサを設置することができる。
【００２４】
第２のセンサが磁気式のセンサである場合、第２のセンサとして、前記検出部である１次コイルおよび２次コイルと、前記被検出部であるコアとからなる差動トランスを採用することができる。その場合、前記１次コイルおよび前記２次コイルは、前記コアがコアの軸方向に対し垂直な方向に、前記基台に対する前記第１の移動体の進退可能範囲よりも長い距離だけ移動可能な形状であるのが良い。
１次コイルおよび２次コイルを上記形状にすれば、第１の移動体が進退可能範囲のどこに位置していても、基台と第２の移動体との相対変位を検出可能に第２のセンサを設置することができる。
【００２５】
また、第２のセンサが磁気式のセンサである場合、第２のセンサとして、コイル内にコアが配置された前記検出部と、前記コアの軸方向端と対向するターゲット面を有する前記被検出部とでなり、前記コイルに流れる電流の変化から、前記コアから前記ターゲット面までの距離を検出する渦電流式またはリラクタンス式のセンサを採用することができる。その場合、前記被検出部は、前記コアの軸方向に対し垂直な方向の長さを、前記基台に対する前記第１の移動体の進退可能範囲よりも長くするのが良い。
被検出部を上記寸法にすれば、第１の移動体が進退可能範囲のどこに位置していても、基台と第２の移動体との相対変位を検出可能に第２のセンサを設置することができる。
【００２６】
第２のセンサが上記渦電流式またはリラクタンス式である場合、前記第２のセンサは、前記被検出部の両面に２つのターゲット面を設け、これら２つのターゲット面にそれぞれ対向させて２つの検出部を配置してもよい。
検出部を２つ配置にすれば、検出の精度を向上させることができる。
【００２７】
この発明において、前記第１のガイドおよび第２のガイドは、固定側部材である前記基台または前記第１の移動体に設置されたレールと、移動側部材である前記第１の移動体または前記第２の移動体に設けられ前記レールに沿って進退自在な被案内体とでなる場合、前記第１のガイドおよび第２のガイドのいずれかまたは両方につき、前記レールと前記被案内体間に予圧を発生させる予圧発生手段を設けるのが良い。
上記予圧発生手段を設けると、搬送手段における固定側部材に対する移動側部材の案内部の剛性を高めることができ、第１のガイドによる第１の移動体の案内の精度、および第２のガイドによる第２の移動体の案内の精度が向上する。それにより、注入針の先端を精度良く位置決めすることができる。
【００２８】
例えば、前記予圧発生手段は、前記固定側部材および移動側部材のうちの一方に永久磁石を配置し、かつ他方に磁性体を配置し、これら永久磁石と磁性体との磁気吸引力によって前記レールと前記被案内体間に予圧を発生させるものとすることができる。
あるいは、前記予圧発生手段は、前記固定側部材および移動側部材の対向面に、異なる磁極同士が向かい合うように永久磁石をそれぞれ配置し、これら２つの永久磁石の磁気吸引力によって前記レールと前記被案内体間に予圧を発生させるものとしても良い。
さらに、前記予圧発生手段は、前記固定側部材および移動側部材の対向面に、同じ磁極同士が向かい合うように永久磁石をそれぞれ配置し、これら２つの永久磁石の磁気反発力によって前記レールと前記被案内体間に予圧を発生させるものとしても良い。
上記各予圧発生手段は、いずれも第１および第２の各ガイドに個々に予圧をかけるのではなく、固定側部材と移動側部材間に予圧をかけることで、各ガイドのレールと被案内体間に予圧を発生させる。そのため、第１および第２の各ガイドに予圧を発生させるための機構を設けずに済み、構造を簡単にできる。その結果、搬送手段の小型化、各移動体の質量低減を図ることができて、各マニピュレータを高速で駆動させるのに有利である。
【００２９】
この発明において、前記位置判定手段が、前記撮像手段によって得られた画像から、被導入体の位置と前記注入針の先端の位置との相対位置を測定する機能を有する場合、前記搬送制御手段に、前記位置判定手段により測定された前記相対位置が近くなるように、前記各搬送手段に注入針の移動を行わせる微調整用動作制御部を設けるのが良い。
被導入体の位置と注入針の先端位置とが接近してくると、撮像手段によって両者を同時に撮像することが可能になる。そのため、撮像手段によって得られた画像から、被導入体の位置と注入針の先端位置との相対位置を測定することができる。画像から相対位置を直接測定すれば、一部の演算処理を省略することができて、注入針先端の位置決めの微調整が容易になる。
【００３０】
この発明において、前記搬送手段における各進退駆動手段は、複数の圧電素子が積層されて積層方向に伸縮する圧電素子積層体を用いても良い。
駆動源として積層型の圧電素子を用いた場合は、搬送手段をより一層小型化できて、前記容器の周囲の限られたスペースに多数の搬送手段を配置でき、それだけ多数の注入針を使用することができてインジェクション処理の効率向上が可能になる。
【００３１】
この発明において、前記注入針を移動させる搬送手段が、前記容器位置調整手段で位置調整される容器内の被導入体の周囲に複数配置されていても良い。
注入針を移動させる搬送手段が被導入体の周囲に多数配置されていると、コンパクトな構成で複数種の導入物質の導入が行える。
【００３２】
この発明において、被導入体が細胞であり、導入物質がＤＮＡおよびタンパク質等の遺伝子制御因子であっても良い。
このような細胞への遺伝子制御因子の注入の場合に、この発明における、複数の注入針で効率良く確実に行うことができて、処理効率の向上が可能という利点が、効果的に発揮される。
【発明の効果】
【００３３】
この発明のマイクロインジェクション装置は、内部に導入物質が充填された注入針を被導入体に挿入することにより、被導入体内に導入物質を導入する装置であって、前記被導入体の入った容器の位置を調整する容器位置調整手段と、この容器位置調整手段で位置調整された容器の内部の被導入体に対して複数の注入針をそれぞれ個別に移動させる複数の搬送手段と、前記容器位置調整手段により位置調整された前記容器の内部を拡大用のレンズを通して撮像する撮像手段と、この撮像手段によって得られた画像から被導入体の位置を判定する位置判定手段と、この位置判定手段によって得られた位置情報に応じて前記各搬送手段に注入針の移動を行わせる搬送制御手段とを備え、前記搬送手段は、少なくとも第１の移動体と第２の移動体とを互いに直交する方向に進退自在とした２自由度を持っていて、第２の移動体に前記注入針を支持し、前記第１の移動体が第１のガイドを介して基台に直線方向に進退自在に設置され、第１の移動体の上に第２のガイドを介して第２の移動体が、前記直線方向と直交する方向に進退自在に設置され、前記第１の移動体および第２の移動体をそれぞれ進退させる第１の進退駆動手段および第２の進退駆動手段が前記基台に設置され、前記第２の進退駆動手段の出力部材が、第２の移動体に対して進退可能な方向と直交する方向に対して移動が自在に連結され、または接触し、前記基台と前記第１の移動体との相対変位を検出する第１のセンサと、前記基台と前記第２の移動体との前記第２のガイドの案内方向の相対変位を検出する第２のセンサとを有し、前記搬送制御手段は、前記位置判定手段によって得られた被導入体の位置情報と、少なくとも前記第１および第２のセンサの信号とから、前記第１および第２の進退駆動手段を制御するものであり、前記第２のセンサは、前記基台および第２の移動体のいずれか一方に固定された被検出部と、他方に固定され前記被検出部を検出する検出部とでなり、これら被検出部と検出部とが前記第１のガイドの案内方向に相対変位しても検出可能な構造であるため、細胞等の被導入体への導入物質の導入を、複数の注入針で効率良く確実に行うことができて、処理効率の向上が可能であり、注入針の先端を精度良く位置決めできる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】この発明の一実施形態にかかるマイクロインジェクション装置の概念図に、制御系のブロック図を加えて表示した図である。
【図２】同マイクロインジェクション装置の容器位置調整手段の平面図である。
【図３】同マイクロインジェクション装置における搬送手段の配置を示す平面図である。
【図４】（Ａ）は同搬送手段の平面図、（Ｂ）はその側面図である。
【図５】同搬送手段のＸ軸移動機構の破断側面図に、制御系のブロック図を加えて表示した図である。
【図６】同搬送手段のＹ軸移動機構の破断側面図に、制御系のブロック図を加えて表示した図である。
【図７】同搬送手段のＺ軸移動機構の破断側面図に、制御系のブロック図を加えて表示した図である。
【図８】同搬送手段の進退駆動手段における出力部材と移動体との接触部を示す平面図である。
【図９】（Ａ）同搬送手段に設けられる予圧発生手段の概略構成を示す平面図、（Ｂ）はその側面図である。
【図１０】同マイクロインジェクション装置の第２のセンサの一例の被検出部の部分拡大図である。
【図１１】同マイクロインジェクション装置の第２のセンサの異なる例の概略構成を示す図である。
【図１２】同第２のセンサの断面図である。
【図１３】図１１に概略構成を示すセンサの一般的な断面形状を示す図である。
【図１４】同マイクロインジェクション装置の第２のセンサのさらに異なる例の概略構成を示す図である。
【図１５】同搬送手段の進退駆動手段における出力部材と移動体との接触部の他の例を示す平面図である。
【図１６】（Ａ）搬送手段に設けられる予圧発生手段の異なる例の概略構成を示す平面図、（Ｂ）はその側面図である。
【図１７】（Ａ）搬送手段に設けられる予圧発生手段のさらに異なる例の概略構成を示す平面図、（Ｂ）はその側面図である。
【図１８】（Ａ）搬送手段に設けられる予圧発生手段のさらに異なる例の概略構成を示す平面図、（Ｂ）はその側面図である。
【図１９】（Ａ）搬送手段に設けられる予圧発生手段のさらに異なる例の概略構成を示す平面図、（Ｂ）はその側面図である。
【図２０】（Ａ）は異なる実施形態にかかるＹ軸移動機構の破断側面図に、制御系のブロック図を加えて表示した図、（Ｂ）は異なる実施形態にかかるＸ軸移動機構の破断側面図に、制御系のブロック図を加えて表示した図である。
【図２１】従来のマイクロインジェクション装置の概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
この発明の第１の実施形態を図１〜図１０と共に説明する。図１は、このマイクロインジェクション装置の概念図を示す。このマイクロインジェクション装置は、内部に導入物質の充填された微小な注入針１１を被導入体６６に挿入することにより、被導入体６６内に導入物質を導入する装置である。被導入体６６は、例えば細胞である。この細胞は、人体の細胞であっても、他の任意の動物や植物等の生物の細胞であっても良い。
【００３６】
このマイクロインジェクション装置は、容器位置調整手段１と、撮像手段２と、位置判定手段３と、複数の注入針１１に対して個別に設けたマニピュレータである複数の搬送手段４と、搬送制御手段８０とを備える。この実施形態では、位置判定手段３および搬送制御手段８０が、装置全体の動作を制御する制御装置５に含まれるが、これらは制御装置５から独立して設けても良い。
【００３７】
容器位置調整手段１は、被導入体６６を収容するシャーレ等の容器１２が載置状態に保持された容器載置台１３を水平な直交２軸方向に移動させて容器１２の位置を調整する手段であり、ＸＹステージ装置６により構成される。ＸＹステージ装置６は、例えば図２に平面図で示すように、基台１８１にガイド１８２を介してＹ軸方向に移動自在に設置された下側可動台１８３と、この下側可動台１８３上のガイド１８４を介してＸ軸方向に移動自在に設置された上側可動台１８５と、上記下側可動台１８３および下側可動台１８５を可動方向に進退させる各軸の可動台駆動機構１８６，１８７とで構成される。可動台駆動機構１８６，１８７は、超音波モータやリニアモータであっても、モータとボールねじ等の回転・直線運動変換機構とでなるものであっても良い。上側可動台１８５に、図１の上記容器載置台１３が設置され、または上側可動台１８５自体が、上記容器載置台１３となる。
なお、この明細書でいうＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、マイクロインジェクション装置の全体における共通の座標系として定められる直角座標の各軸を表すものではなく、それぞれ個別の装置説明での各自由度に対する軸として表される。
【００３８】
図１において、撮像手段２は、容器載置台１３の上方の所定位置に、容器１２を俯瞰するように１台だけ設置される。撮像手段２は、拡大用のレンズ２ａを通して容器１２の内部を局部的に拡大して撮像するカメラ等からなる。撮像された画像は、画像処理手段７によって処理される。
【００３９】
位置判定手段３は、前記撮像手段２によって得られた画像から被導入体６６の位置を判定する手段であり、この実施形態のように例えば前記制御装置５の一部として含まれる。位置判定手段３は、画像処理手段７による画像処理結果を、適宜設定されて記憶部３ａに記憶されている設定基準と照合すること等で、被導入体６６の位置を判定する。例えば、位置判定手段３は、全体画像内での各被導入体６６の位置関係から、各被導入体６６の位置を判定する。また、位置判定手段３は、撮像手段２によって得られた画像から、被導入体６６の位置と注入針１１の先端の位置との相対位置を測定する機能を有する。
【００４０】
搬送手段４は、個々の注入針１１をそれぞれ移動させるＸＹＺステージ装置等からなる手段であり、複数設けられる。これら複数の搬送手段４は、図３に平面図で示すように、容器載置台１３の上方に位置して、容器１２を囲むように、容器１２の中心に対して略放射状に配置される。同図の例では、搬送手段４は、容器１２の左右にそれぞれ複数個（例えば３個）ずつが等角度間隔で配置され、左右の搬送手段４は、互いに放射中心に対して同一直線上に対向して位置している。
【００４１】
図４に、１つの搬送手段４を示す。搬送手段４は３自由度を有し、そのうちの１自由度を担う移動機構は、容器載置台１３に対して水平方向の直交する２方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向）のうち一方向（Ｘ軸方向）に、第１の移動体４１と共に注入針１１を移動させるＸ軸移動機構１４である。他の一つの自由度を担う移動機構は、水平方向の直交する２方向のうちの一方向（Ｙ軸方向）に、第２の移動体４２と共に注入針１１を移動させるＹ軸移動機構１５である。さらに他の一つの自由度を担う移動機構は、容器１２の内部に向けて傾斜する方向となる注入針中心軸方向（Ｚ軸方向）に注入針１１を移動させるＺ軸移動機構１６である。
【００４２】
Ｘ軸移動機構１４を構成する第１の移動体４１は、搬送手段４の基台４０に第１のガイド４３を介して直線方向（Ｘ軸方向）に進退可能に設置されている。Ｙ軸移動機構１５を構成する第２の移動体４２は、第１の移動体４１の上に第２のガイド４４を介して前記直線方向（Ｘ軸方向）と直交する直線方向（Ｙ軸方向）に進退自在に設置されている。第１の移動体４１および第２の移動体４２は、それぞれ矩形の板状とされている。図４（Ｂ）に示すように、第２の移動体４２の上に、Ｚ軸移動機構１６の固定台１７が搭載されている。そして、この固定台１７に、注入針１１を支持する針支持部材１８がＺ軸方向に進退自在に設けられている。注入針１１は、下向きに傾斜させて設置される。なお、図４（Ａ）には、Ｚ軸移動機構１６の図示が省略されている。
【００４３】
第１のガイド４３は、基台４０上に設置されたレール４３ａと、第１の移動体４１の下面に設けられて前記レール４３ａに沿って進退自在な直動転がり軸受等の被案内体４３ｂとでなり、２個が互いに平行に設けられている。第２のガイド４４は、第１の移動体４１の上に設置されたレール４４ａと、第２の移動体４２の下面に設けられて前記レール４４ａに沿って進退自在な直動転がり軸受等の被案内体４４ｂとでなり、２個が互いに平行に設けられている。第１、第２のガイド４３，４４の被案内体４３ｂ，４４ｂは、底面に長さ方向に沿う溝が設けられており、この溝にレール４３ａ，４４ａの上部が嵌り込んでいる。
【００４４】
第１の移動体４１および第２の移動体４２をそれぞれ進退させる第１の進退駆動手段４５および第２の進退駆動手段４６は、前記基台４０に設置されている。第１の進退駆動手段４５は、出力部材４５ａを駆動手段本体４５ｂで直線方向に進退させる手段である。第１の進退駆動手段４５の出力部材４５ａは、第１の移動体４１に対してこの第１の移動体４１が進退可能な方向（Ｘ軸方向）と直交する方向（Ｙ軸方向）に対して移動が自在に接触している。また、第２の進退駆動手段４６は、出力部材４６ａを駆動手段本体４６ｂで直線方向に進退させる手段である。第２の進退駆動手段４６の出力部材４６ａは、第２の移動体４２に対してこの第２の移動体４２が進退可能な方向（Ｙ軸方向）と直交する方向（Ｘ軸方向）に対して移動が自在に接触している。弾性体等の押付け手段（図示せず）により移動体４１，４２を出力部材４５ａ，４６ａに押し付けることで、移動体４１，４２が正逆両方向に自在に駆動可能となる。
【００４５】
移動体４１，４２と進退駆動手段４５，４６の出力部材４５ａ，４６ａとの接触箇所において、互いに移動体４１，４２の移動方向と直角をなす面のどの方向にも移動自在となるように、摩擦係数を低下させる施策を講じることが望ましい。この実施形態では、第１の進退駆動手段４５の出力部材４５ａにおける、第１の移動体４１と接する先端部は、図８に示すように球面状とされている。図示は省略するが、第２の進退駆動手段４６の出力部材４６ａも、第１の進退駆動手段４５と同様に、出力部材４６ａの先端部が球面状とされている。出力部材４５ａ，４６ａの先端部を球面状とする代わりに、これら出力部材４５ａ，４６ａの先端部が接する移動体４１，４２の側面を、互いに摺動方向に延びる半円柱状とし、出力部材４５ａ，４６ａの先端部は平坦面としても良い。
【００４６】
また、図８に示すように、進退駆動手段４５，４６の出力部材４５ａ，４６ａと移動体４１，４２との接触部のいずれか一方または両方に、低摩擦化用のコーティング１０１を施しても良い。図示の例では、出力部材４５ａ，４６ａにコーティングを施している。コーティングとしては、ダイヤモンドライクカーボン、二硫化モリブデン、フッ素樹脂、およびグラファイトのいずれかとするのが好ましい。
【００４７】
図８の例のように出力部材４５ａ，４６ａの先端を半球状または半円柱状とする代わりに、図１４に示すように、出力部材４５ａ，４６ａと移動体４１，４２とが、ボールまたはローラ等の転動体４９を介して接するようにしても良い。図１５の例では、転動体４９はボールであり、出力部材４５ａ，４６ａの先端に設けられた保持部材４５ａａ，４６ａａ内に、一部が突出するように回転自在に収容されている。また、第２の進退駆動手段４６の出力部材４６ａは、第２の移動体４２に対して、ガイド（図示せず）を介して、第２の移動体４２が進退可能な方向（Ｙ軸方向）と直交する方向（Ｘ軸方向）に移動自在に連結してもよい。ガイドを介して連結してあると、出力部材４６ａの高速動作時にも、出力部材４６ａの進退両方向の駆動伝達が確実に行える。
【００４８】
この搬送手段４には、Ｘ軸移動機構１４およびＹ軸移動機構１５の剛性を高めるために、第１のガイド４３および第２のガイド４４のレール４３ａ，４４ａと被案内体４３ｂ，４４ｂ間に予圧を発生させる予圧発生手段が設けられている。この実施形態の場合、例えば図９に示すように、予圧発生手段１１０は永久磁石１１１と磁性体１１２とでなり、固定側部材である基台４０および移動側部材である第１の移動体４１の一方に永久磁石１１１を配置し、他方に磁性体１１２を配置し、永久磁石１１１が磁性体１１２を磁気吸引する力で第１のガイド４３に予圧を与えて、剛性を高めるようにしている。図の例では、基台４０に永久磁石１１１を配置し、第１の移動体４１に磁性体１１２を配置してあるが、逆であっても良い。図９はＸ軸移動機構１４の予圧発生手段１１０を示すが、Ｙ軸移動機構１５の予圧発生手段（図示せず）も同様である。Ｙ軸移動機構１５の場合、第１の移動体４１が固定部材となり、第２の移動体４２が移動側部材となる。
【００４９】
図１６に示す予圧発生手段１１０のように、固定側部材（基台４０）および移動側部材（第１の移動体４０）の互いに対向する面に、異なる磁極同士が向かい合うように永久磁石１１１Ａ、１１１Ｂをそれぞれ配置し、これら２つの永久磁石１１１Ａ，１１１Ｂの磁気吸引力によって固定側部材と移動側部材間に予圧を発生させても良い。また、図１７に示す予圧発生手段１１０のように、固定側部材（基台４０）および移動側部材（第１の移動体４０）の互いに対向する面に、同じ磁極同士が向かい合うように永久磁石１１１Ａ，１１１Ｂをそれぞれ配置し、これら２つの永久磁石１１１Ａ，１１１Ｂの磁気反発力によって固定側部材と前記移動側部材間に予圧を発生させても良い。
【００５０】
図１６、図１７は、予圧発生手段１１０により、固定側部材（基台４０）と移動側部材（第１の移動体４０）間に鉛直方向の予圧を発生させるが、図１８、図１９に示すように、予圧発生手段１１０により、一対の永久磁石１１１Ｃ，１１１Ｄの磁気吸着力または磁気反発力によって、固定側部材（基台４０）と移動側部材（第１の移動体４０）間に水平方向の予圧を発生させるようにしても良い。永久磁石（図示せず）と磁性体（図示せず）の組み合わせで、水平方向の予圧を発生させても良い。
【００５１】
図４に示すように、搬送手段４には、基台４０と第１の移動体４１との相対変位を検出する第１のセンサＳ１と、基台４０と第２の移動体４２との第２のガイド４６の案内方向の相対変位を検出する第２のセンサＳ２とが設けられている。第１のセンサＳ１は、第１の移動体４１に固定された被検出部Ｓ１ａと、基台４０に固定され前記被検出部Ｓ１ａを検出する検出部Ｓ１ｂとでなる。被検出部Ｓ１ａと検出部Ｓ１ｂの固定箇所が、互いに逆であってもよい。また、第２のセンサＳ２は、第２の移動体４２に固定された被検出部Ｓ２ａと、基台４０に固定され前記被検出部Ｓ２ａを検出する検出部Ｓ２ｂとでなる。被検出部Ｓ２ａと検出部Ｓ２ｂの固定箇所が、互いに逆であってもよい。上記センサＳ１，Ｓ２としては、例えば磁気式のセンサまたは光学式のセンサが用いられる。
【００５２】
第２の移動体４２は第１の移動体４１の上に設置されているため、第２のセンサＳ２は、その被検出部Ｓ２ａと検出部Ｓ２ｂとの相対位置が第１の移動体４１の移動に伴い変化する。これに対応するために、第２のセンサＳ２は、被検出部Ｓ２ａと検出部Ｓ２ｂとが第１のガイド４３の案内方向に相対変位しても検出可能な構造とされている。以下、具体的に説明する。
【００５３】
図１０は、この実施形態の第２のセンサＳ２の被検出部Ｓ２ａの部分拡大図である。この第２のセンサＳ２はリニアエンコーダであって、被検出部Ｓ２ａは、基準となるＺ相１２０に隣接して直線に沿って並ぶ複数の目盛り１２１を有し、これらの目盛り１２１を検出部Ｓ２ｂ（図４）が検出する。目盛り１２１の並び方向と垂直な方向の幅Ｗは、標準的な目盛りの幅ｗよりも拡張させて、基台４０に対する第１の移動体４１の進退可能範囲よりも広くしてある。つまり、標準目盛り部１２１ａに加えて拡張目盛り部１２１ｂを設けて、目盛り１２１の幅を広げてある。このように目盛り１２１の幅を広くすれば、第１の移動体４１が進退可能範囲のどこに位置していても、基台４０と第２の移動体４２との相対変位を検出可能に第２のセンサＳ２を設置することができる。
【００５４】
図１１は、第２のセンサＳ２の異なる例を示す。この第２のセンサＳ２は磁気式のセンサであり、検出部Ｓ２ｂである１次コイル１２２および２次コイル１２３と、被検出部Ｓ２ａであるコア１２４とからなり、１次コイル１２２の交流電圧Ｅ１と２次コイル１２３の交流電圧Ｅ２の差からコア１２４の位置を検出する差動トランスである。図１２に示すように、１次コイル１２２および２次コイル１２３は、通常の円形状（図１３）ではなく、コア１２４がコア１２４の軸方向に対し垂直な方向に、基台４０に対する第１の移動体４１の進退可能範囲よりも長い距離Ｌだけ移動可能な形状としてある。１次コイル１２２および２次コイル１２３を上記形状にすれば、第１の移動体４１が進退可能範囲のどこに位置していても、基台４０と第２の移動体４２との相対変位を検出可能に第２のセンサＳ２を設置することができる。
【００５５】
図１４は、第２のセンサＳ２のさらに異なる例を示す。この第２のセンサＳも磁気式のセンサであり、コイル１２５内にコア１２６が配置された検出部Ｓ２ｂ１，Ｓ２ｂ２と、前記コア１２６の軸方向端と対向するターゲット面１２７を有する被検出部Ｓ２ａとでなり、コイル１２５に流れる電流の変化よりコア１２６から被検出部Ｓ２ａのターゲット面１２７までの距離Ｙ１，Ｙ２を検出する渦電流式またはリラクタンス式のセンサである。被検出部Ｓ２ａは、コア１２６の軸方向に対し垂直な方向の長さを、基台４０に対する第１の移動体４１の進退可能範囲よりも長くしてある。被検出部Ｓ２ａを上記寸法にすれば、第１の移動体４１が進退可能範囲のどこに位置していても、基台４０と第２の移動体４２との相対変位を検出可能に第２のセンサＳ２を設置することができる。図の例の場合、被検出部Ｓ２ａの両面に２つのターゲット面１２７を設け、これら２つのターゲット面１２７にそれぞれ対向させて２つの検出部Ｓ２ｂ１，Ｓ２ｂ２を配置したため、検出の精度を向上させることができる。
【００５６】
図５に第１の進退駆動手段４５の内部構成を、図６に第２の進退駆動手段４６の内部構成をそれぞれ示す。第１の進退駆動手段４５と第２の進退駆動手段４６は、Ｘ軸方向とＹ軸方向が互いに逆になることを除き、基本的に同じ構成であるので、代表して第１の進退駆動手段４５について説明する。第２の進退駆動手段４６については、図面に、第１の進退駆動手段４５と同じ構成である箇所に同一符号を付して表わし、説明は省略する。
【００５７】
図５において、第１の進退駆動手段４５は、固定台２５と、可動片２６と、駆動源となる２組の圧電素子積層体１９Ｃ，１９Ｄとを備える。固定台２５は、Ｙ軸方向に延びる主枠部２５ａと、この主枠部２５ａの両端から幅方向（Ｘ軸方向）に延びる一対の側枠部２５ｂ，２５ｄと、側枠部２５ｂの先端から主枠部２５ａと平行にＹ軸方向に延びる水平断面がＬ字状の副枠部２５ｃとを有する中空箱形とされている。
【００５８】
可動片２６は、固定台２５の一端の側枠部２５ｂの先端から他端の側枠部２５ｄ側に向けて延びて、水平断面がＬ字状とされている。可動片２６は、圧電素子積層体１９Ｃ，１９Ｄの変位を拡大する拡大機構となるものであって、固定台２５と共に、金属や合成樹脂等の弾性材で形成されている。可動片２６は、固定台２５の一端の側枠部２５ｂから主枠部２５ａと略平行に延びる主枠平行片部２６ａと、この主枠平行片部２６ａの他端から固定台２５の他端の側枠部２５ｄの内側に側枠部２５ｄと平行に延びる側枠平行片部２６ｂとでなる。
【００５９】
固定台２５の側枠部２５ｂと可動片２６の主枠平行部２６ａとの接続部、および可動片２６の主枠平行片部２６ａと側枠平行片部２６ｂとの接続部は、共に薄肉部２６ｃとされている。また、可動片２６の主枠平行片部２６ａの長手方向中間部も、薄肉部２６ｄとされている。これにより、可動片２６の側枠平行片部２６ｂは、その基端の薄肉部２６ｃを揺動中心として屈曲するように揺動可能とされる。また、可動片２６の主枠平行片部２６ａは、その長手方向中間部の薄肉部２６ｄで折れ曲がっていて、その折れ曲がり角度の増減により、長手方向と直交する方向（Ｘ軸方向）に、中間部が進退可能とされる。
【００６０】
２組の圧電素子積層体１９Ｃ，１９Ｄは、共に積層型圧電素子であって、積層方向に沿って前記固定台２５の主枠部２５ａと平行となるように前後に並列に配置される。これら２組の圧電素子積層体１９Ｃ，１９Ｄは、締結部材５８を介して直列に接続される。締結部材５８は、前後の両圧電素子積層体１９Ｃ，１９Ｄの間にこれら両圧電素子積層体１９Ｃ，１９Ｄと平行に配置される長手方向部５８ａと、この長手方向部５８ａの両端において、前後方向に互いに逆方向となるように突出する各突部５８ｂ，５８ｃとを有する概形Ｚ字状である。
【００６１】
１組の圧電素子積層体１９Ｃは、その一端が固定台２５の側枠部２５ｂに支持され、他端が固定台２５の側枠部２５ｄ側に向く前記締結部材５８の突部５８ｂに連結されている。また、他の１組の圧電素子積層体１９Ｄは、その一端が固定台２５の側枠部２５ｂ側に向く前記締結部材５８の突部５８ｃに連結され、他端が可動片２６の側枠平行片部２６ｂに連結されている。
【００６２】
固定台２５の副枠部２５ｃの先端の幅方向に延びる側部２５ｃａと前記締結部材５８の突部５８ｂとの間には、圧電素子積層体１９Ｃに予圧を与える板ばね等のばね部材２７Ａが介在する。固定台２５の側枠部２５ｄと可動片２６の側枠平行片部２６ｂとの間には、圧電素子積層体１９Ｄに予圧を与える板ばね等のばね部材２７Ｂが介在する。また、固定台２５の副枠部２５ｃの先端の幅方向に延びる側部２５ｃａと可動片２６の側枠平行片部２６ｂとの間には、可動片２６の側枠平行片部２６ｂに予圧を与えるばね部材２７Ｃが介在する。
【００６３】
上記構成により、２組の圧電素子積層体１９Ｃ，１９Ｄの積層方向への伸縮による変位で、可動片２６の側枠平行片部２６ｂが揺動し、その揺動変位が拡大されて主枠平行片部２６ａのＸ軸方向への変位となる。図６に示す第２の進退駆動手段４６の場合は、Ｙ軸方向への変位となる。
【００６４】
２組の圧電素子積層体１９Ｃ，１９Ｄは、Ｘ軸位置制御部５９Ｘ（Ｙ軸位置制御部５９Ｙ）から印加される電圧である位置決め信号によって変位する。Ｘ軸位置制御部５９Ｘ（Ｙ軸位置制御部５９Ｙ）は、位置指令部６０から位置指令が電圧発生器６１に与えられ、その位置指令に基づいて、電圧発生器６１から前記圧電素子積層体１９Ｃ，１９Ｄに対応する電圧を印加する。Ｘ軸位置制御部５９Ｘ（Ｙ軸位置制御部５９Ｙ）は、図１の注入動作制御部８８における搬送手段個別制御部８８ａに設けられる。また、その位置指令部６０は、図１の位置判定手段３によって得られた位置情報に基づいて、担当被導入体決定部８７で定められる目標位置を前記位置指令とする。位置指令部６０は、担当被導入体決定部８７の一部として設けられたものであっても良い。
【００６５】
Ｘ軸移動機構１４およびＹ軸移動機構１５は、図２０（Ａ），（Ｂ）に示す構成としてもよい。これらは、圧電素子積層体１９Ｇ，１９Ｈの伸縮をその伸縮方向と直交する方向の変位に拡大する拡大機構として、リンク機構７５を設けたものである。リンク機構７５は、１つの固定ジョイント７６と２つの可動ジョイント７７Ａ，７７Ｂと２つのリンク８１Ａ，８１Ｂとからなるクランク・スライダ機構を有し、このクランク・スライダ機構は、前記圧電素子の伸長方向の変位を、２つの可動ジョイント７７Ａ，７７Ｂおよび２つのリンク８１Ａ，８１Ｂを介して、固定ジョイント７６の円周上の任意の方向に変換し更に変位を拡大可能としても良い。
【００６６】
図２０（Ａ）は、上記リンク機構７５を設けたＹ軸移動機構１５を示す。このＹ軸移動機構１５も、図６の実施形態と同様に、固定台７３と、駆動源となる２組の圧電素子積層体１９Ｇ，１９Ｈとを備える。固定台７３は、Ｘ軸方向に延びる一対の主枠部７３ａ，７３ｂと、この主枠部７３ａ、７３ｂの両端から幅方向（Ｙ軸方向）に延びる一対の側枠部７３ｃ，７３ｄと、４つの枠部を締結する側板７３e とを有する。固定台７３の一端の側枠部７３ｃには、他端の側枠部７３ｄに対向する伸縮方向移動体７４がばね部材２７Ｄを介してＸ軸方向に移動自在に支持されている。
【００６７】
２組の圧電素子積層体１９Ｇ，１９Ｈは、共に積層型圧電素子であって、積層方向に沿って前記固定台７３の主枠部７３ａ、７３ｂと平行となるように前後に並列に配置される。これら２組の圧電素子積層体１９Ｇ，１９Ｈは、締結部材７８を介して直列に接続される。締結部材７８は、前後の両圧電素子積層体１９Ｇ，１９Ｈの間にこれら両圧電素子積層体１９Ｇ，１９Ｈと平行に配置される長手方向部７８ａと、この長手方向部７８ａの両端において、前後方向に互いに逆方向となるように突出する各突部７８ｂ，７８ｃとを有する概形Ｚ字状である。１組の圧電素子積層体１９Ｇは、その一端が固定台７３の側枠部７３ｃに支持され、他端が前記伸縮方向移動体７４側に向く締結部材７８の突部７８ｂに連結されている。また、他の１組の圧電素子積層体１９Ｈは、その一端が固定台側枠部７３ｄ側に向く前記締結部材７８の突部７８ｃに連結され、他端が伸縮方向移動体７４に連結されている。前記ばね部材２７Ｄは、圧電素子積層体１９Ｈに予圧を与える。これにより、圧電素子積層体１９Ｇ，１９Ｈの伸縮変位に応じて伸縮方向移動体７４がＸ軸方向に変位可能である。
【００６８】
この例では、圧電素子積層体１９Ｇ，１９Ｈの伸縮をその伸縮方向（Ｘ軸方向）と直交する方向（Ｙ軸方向）の変位に拡大する拡大機構としてリンク機構７５を設けている。このリンク機構７５は、１つの固定ジョイント７６で固定台側枠部７３ｄに連結され、１つの可動ジョイント７７Ａで前記伸縮方向移動体７４に連結される。
この構成によると、圧電素子積層体１９Ｇ，１９Ｈの伸縮により可動ジョイント７７ＡがＸ軸方向に変位し、可動ジョイント７７Ｂが固定ジョイント７６を中心にして回転運動する。よって第１のリンク８１Ａに固定された可動部８２がＹ軸方向に変位する。したがって、固定ジョイント７６の円周上の任意の位置に出力部を設定することで任意の方向に変位拡大することができる。よって、進退駆動手段４５，４６の部品点数の削減や寸法の小型化が可能になる。
【００６９】
図２０（Ｂ）は、上記リンク機構７５を設けたＸ軸移動機構１４を示す。このＸ軸移動機構１４も、図１９（Ａ）のＹ軸移動機構１５と同じ構成であって、リンク８１Ａに固定された可動ジョイント７７Ｂと可動部８２の位置を変更することで、Ｘ軸方向に変位する。したがって、固定ジョイント７６の円周上の任意の位置に出力部を設定することで任意の方向に変位拡大することができる。よって、Ｙ軸移動機構１５の部品点数の削減や寸法の小型化が可能になる。
【００７０】
図７は、Ｚ軸移動機構１６の内部構成を示す図である。Ｚ軸移動機構１６は、中空箱形の固定台１７と、この固定台１７の一端部において固定台１７内から上方に突出するように設けられた針支持部材１８と、前記固定台１７内に配置された進退・振動駆動手段５０とを備える。進退・振動駆動手段５０は、針支持部材１８のＺ軸方向の位置決め、および針支持部材１８をＺ軸方向に振動させる駆動源となる。
【００７１】
針支持部材１８は、注入針１１を着脱自在に支持する構成とされ、注入針１１の損傷や導入物質の交換等のために、注入針１１を簡単に交換することができるようになっている。針支持部材１８は、立片部１８ａおよび横片部１８ｂを有する概略Ｔ字状で、その横片部１８ｂが案内機構２１を介して固定台１７の上に、注入針１１の突出方向に移動自在に支持され、立片部１８ａが固定台１７の一端部の内向き面に板ばね等からなるばね部材２０Ａを介して支持されている。
【００７２】
進退・振動駆動手段５０は、圧電素子積層体１９Ａ，１９Ｂ１，１９Ｂ２からなる。各圧電素子積層体１９Ａ，１９Ｂ１，１９Ｂ２は、複数の圧電素子１９ａを、それらの変位方向に積層して棒状体とした積層型圧電素子である。これら圧電素子積層体１９Ａ，１９Ｂ１，１９Ｂ２のうち、２つの圧電素子積層体１９Ｂ１，１９Ｂ２は、互いに直線上に配置されると共に締結部材４７で直列に接続された連結体からなる１組の圧電素子積層体１９Ｂとされる。この圧電素子積層体１９Ｂと、残りの１個の圧電素子積層体１９Ａとは、前記積層方向に沿って互いに平行となるように上下に並列に配置され、これら２組の圧電素子積層体１９Ａ，１９Ｂが締結部材４８を介して直列に接続される。締結部材４８は、上下の両圧電素子積層体１９Ａ，１９Ｂの間に、これら両圧電素子積層体１９Ａ，１９Ｂと平行に配置される長手方向部４８ａと、この長手方向部４８ａの両端において、上下方向に互いに逆方向となるように突出する各突部４８ｂ，４８ｃとを有する概形Ｚ字状である。
【００７３】
１組の圧電素子積層体１９Ａは、その一端が、前記締結部材４８における固定台１７の一端部側の突部４８ｂに連結され、他端が固定台１７の他端部に支持されている。締結部材４８の突部４８ｂと固定台１７の一端部との間には、圧電素子積層体１９Ａに予圧を与える板ばね等のばね部材２０Ｂが介在している。圧電素子積層体１９Ｂの一端部、つまり圧電素子積層体１９Ｂを構成する１つの圧電素子積層体１９Ｂ１における締結部材４７による連結部とは反対側の端部は、前記針支持部材４８の立片部４８ａに連結されている。また、圧電素子積層体１９Ｂの他端部、つまり圧電素子積層体１９Ｂを構成する他の１つの圧電素子積層体１９Ｂ２における締結部材４７により連結部とは反対側の端部は、固定台１７の他端部側に向く、前記締結部材４８の突部４８ｃに連結されている。圧電素子積層体１９Ｂには、針支持部材１８の立片部１８ａと固定台１７の他端部との間に介装される板ばね等のばね部材２０Ａによって予圧が与えられる。
上記構成により、２組の圧電素子積層体１９Ａ，１９Ｂの積層方向への変位で、針支持部材１８が注入針１１の突出方向（Ｚ軸方向）に進退可能である。Ｚ軸方向は、被導入体への注入針１１の挿入方向である。
【００７４】
前記圧電素子積層体１９Ａ，１９Ｂのうち、圧電素子積層体１９Ａと、圧電素子積層体１９Ｂにおける１つの圧電素子積層体１９Ｂ２とは、針支持部材１８の位置決め、つまり注入針１１の位置決めのための駆動源として使用される。すなわち、これらの圧電素子積層体１９，１９Ｂは、Ｚ軸位置制御部５１から印加される電圧である位置決め信号によって変位する。
【００７５】
圧電素子積層体１９Ａ，１９Ｂのうち、圧電素子積層体１９Ｂにおける針支持部材１８に直接連結される圧電素子積層体１９Ｂ１は、針支持部材１８を注入針１１の挿入方向に振動させるための駆動源として使用される。振動付与用の圧電素子積層体１９Ｂ１は、振動駆動手段５４から印加させる電圧である振動駆動信号によって、その変位が繰り返し変化する。また、振動付与用の圧電素子積層体を個別に設けず、Ｚ軸移動機構１６の進退と振動の駆動信号を重畳させ同一の圧電素子で行なっても良い。
【００７６】
Ｚ軸位置制御部５１は、位置指令部５２から位置指令が電圧発生部５３に与えられ、その位置指令に基づいて、電圧発生器５３から圧電素子積層体１９Ａ，１９Ｂ２に対応する電圧を印加する。Ｚ軸位置制御部５１は、図１の注入動作制御部８８におけるＺ軸の搬送手段個別制御部８８ａに設けられる。また、その位置指令部５２は、図１の位置判定手段３によって与えられた位置情報に基づいて、担当被導入体決定部８７で定められる目標位置を前記位置指令とする。位置指令部５２は、担当被導入決定部８７の一部として設けられたものであっても良い。
【００７７】
振動駆動手段５４は、電圧発生器５６から前記振動駆動信号として所定周波数の交番電圧を前記圧電素子積層体１９Ｂ１に印加する。その交番電圧の周波数、つまり針支持部材１８に付与する振動の周波数は、周波数可変手段５５から電圧発生器５６への指令により切換可能とされている。
【００７８】
図１に示すように、制御装置５は、前記位置判定手段３と搬送制御手段８０とを有する。搬送制御手段８０は、位置判定手段３によって得られた被導入体６６の位置情報から注入針１１の先端の目標位置を決定する担当被導入体決定部８７と、上記目標位置に応じて各搬送手段４の動作を制御する注入動作制御部８８とを有する。注入動作制御部８８は、それぞれ個々の搬送手段４を制御する複数の搬送手段個別制御部８８ａで構成される。この搬送手段別個別搬送部８８ａには、第１の進退駆動手段４５のＸ軸位置制御部５９Ｘと、第２の進退駆動手段４６のＹ軸位置制御部５９Ｙと、進退・振動駆動手段５０のＺ軸位置制御部５１および振動駆動手段５４（図７）が含まれる。また、搬送制御手段８０には、注入動作制御部８８とは別に、注入針１１の先端が被導入体６６に接近したときに搬送手段４を制御する微調整用動作制御部８９が設けられている。
【００７９】
搬送手段個別制御部８８ａでは、以下の制御を行う。すなわち、担当被導入体決定部８７によって決定された第１の進退駆動手段４５ｂの目標位置信号と、第１のセンサＳ１の出力信号とがＸ軸位置調整部５９Ｘに入力され、Ｘ軸位置調整部５９Ｘから第１の進退駆動手段４５ｂへ、制御量を指定する命令信号が出力される。同様に、担当被導入体決定部８７によって決定された第２の進退駆動手段４６ｂの目標位置信号と、第２のセンサＳ２の出力信号とがＹ軸位置調整部５９Ｙに入力され、Ｙ軸位置調整部５９Ｙから第２の進退駆動手段４６ｂへ、制御量を指定する命令信号が出力される。このようにフィードバック制御を行うことにより、注入針１１の先端を被導入体６６に近づける。
【００８０】
第１および第２のセンサＳ１，Ｓ２により、基台４０に対する第１および第２の移動体４１，４２の相対位置をそれぞれ検出するため、第１および第２の移動体４１，４２の動作が互いに干渉して第１および第２のセンサＳ１，Ｓ２の検出結果に影響を与えることが少なく、上記制御を精度良く行える。
【００８１】
被導入体６６の位置と注入針１１の先端位置とが接近してきて、撮像手段２によって得られた画像に被導入体６６および注入針１１の先端位置の両方が写り込むようになった場合、位置判定手段３は、画像から被導入体６６の位置と注入針１１の先端の位置との相対位置を測定し、微調整用制御部８９により、位置判定手段３によって測定された前記相対位置が近くなるように各搬送手段４を動作させて、注入針１１の先端の位置を微調整する。このように、画像から相対位置を直接測定すれば、一部の演算処理を省略することができて、注入針１１の先端の位置決めの微調整が容易になる。
【００８２】
この構成のマイクロインジェクション装置によると、被導入体６６を収容した容器１２の位置を容器位置調整手段１で調整し、位置調整された容器１２の内部の平面視画像を撮像手段２で撮像し、その画像から被導入体６６の位置を位置判定手段３で判定することで、各注入針１１の担当する被導入体６６を決定する。このとき、拡大用のレンズ２ａにより容器１２を局部的に拡大し、被導入体６６の位置を画像処理することで、被導入体６６の位置を精度良く認識できる。また、例えば、認識した被導入体６６の画像内での位置関係から、各注入針１１が担当する被導入体６６を決定することができる。このように、各注入針１１の担当する被導入体６６を決定した後、各注入針１１を個別の複数の搬送手段４で移動させて、各被導入体６６に注入針１１をそれぞれ挿入することにより、各被導入体６６に導入物質を導入する。
【００８３】
搬送手段４は、被導入体６６に対して少なくとも２自由度の駆動機構を持つため、注入針１１の先端の位置決めが搬送手段４の単体で可能である。各々の搬送手段４が並列に動作して、インジェクション動作を繰り返す。画像内の被導入体６６の処理が終了した後、容器位置調整手段１により容器１２を移動させ、近接した別の位置における被導入体６６の配置を画像処理によって認識し、前記同様にインジェクション動作を繰り返す。
【００８４】
このように、細胞等の複数の被導入体６６への導入物質の導入を同時に行うことができ、インジェクション処理の効率向上が可能になる。また、少なくとも２種類以上の異なる注入物質を注入針１１ごとに充填しておき、同じ被導入体６６に順次導入することにより、被導入体６６に複数種の導入物質をほぼ同時に導入することが可能になる。よって、注入針１１に注入物質を入れ替えすることなく、１つの被導入体６６に複数種の導入物質を導入でき、インジェクション処理の効率向上が可能になる。
【００８５】
特に、前記搬送手段４は、移動体４１，４２と進退駆動手段４５，４６とが分離され、各進退駆動手段４５，４６が共に基台４に設置されているため、搬送手段４を小型化でき、また移動体４１，４２の質量を低減できる。そのため、搬送手段４の高速駆動が可能である。各進退駆動手段４５，４６は共に基台４に設置されているが、第２の進退駆動手段４６の出力部材４６ａは、第２の移動体４２に対して進退方向と直交する方向に移動自在に接するため、第１の移動体４１の移動した位置に係わらず、第２の進退駆動手段４６の進退駆動を第２の移動体４２に伝達することができる。
【００８６】
また、搬送手段４を小型化できることから、細胞等の被導入体６６が入ったシャーレ等の容器１２の周辺に、図３のように複数の搬送手段４を配置することができる。そのため、複数の被導入体６６に対して各注入針１１の先端を同時に位置決めすることができる。つまり、一度に多数の被導入体６６へのインジェクション処理を実行することができ、ハイスループット化が可能となる。
【００８７】
各搬送手段４の動作を制御する注入動作制御部８８の各搬送手段個別制御部８８ａに補正手段８８ｂを設けたため、組立精度の影響等によって生じる注入針１１の先端位置の変位を排除して、注入針１１の先端位置を精度良く位置決めすることができる。それにより、注入針１１による被導入体６６への導入物質の注入精度を上げられる。
【００８８】
また、搬送手段４の各移動体４１，４２の進退駆動手段４５，４６につき、圧電素子の積層体とした場合は、次の効果が得られる。すなわち、従来は注入針の駆動には、ボールねじを用いた機構や超音波モータが使用されていたが、この実施形態では、圧電素子を用いた小型アクチュエータを組み合わせることによって、注入針１１を駆動する搬送手段４の小型化を図っている。圧電素子を用いたアクチュエータは、電気エネルギから機械エネルギに変換する変換効果が高く、印加する電圧を変えることにより、発生する変位を比較的簡単に変えることができ、制御性に優れた特長がある。
【００８９】
また、この搬送手段４には、第１のガイド４３および第２のガイド４４のレール４３ａ，４４ａと被案内体４３ｂ，４４ｂ間に予圧を発生させて、Ｘ軸移動機構１４およびＹ軸移動機構１５の剛性を高める予圧発生手段１１０が設けられているため、第１のガイド４３による第１の移動体４１の案内の精度、および第２のガイド４４による第２の移動体４２の案内の精度を向上させられる。それにより、注入針１１の先端を精度良く位置決めすることができる。
【００９０】
特に、この実施形態では、予圧発生手段１１０は、第１および第２の各ガイド４３，４４に個々に予圧をかけるのではなく、固定側部材（基台４０、第１の移動体４１）と移動側部材（第１の移動体４１、第２の移動体４２）間に予圧をかけることで、各ガイド４３，４４のレール４３ａ，４４ａと被案内体４３ｂ，４４ｂ間に予圧を発生させる構成とされている。そのため、第１および第２の各ガイド４３，４４に、予圧を発生させるための機構を設けずに済み、構造を簡単にできる。その結果、搬送手段４の小型化、各移動体４１，４２の質量低減を図ることができて、各マニピュレータを高速で駆動させるのに有利である。
【符号の説明】
【００９１】
１…容器位置調整手段
２…撮像手段
３…位置判定手段
４…搬送手段
５…制御装置
１１…注入針
１２…容器
１４…Ｘ軸移動機構
１５…Ｙ軸移動機構
１６…Ｚ軸移動機構
１９Ａ，１９Ｂ１，１９Ｂ２，１９ｃ，１９Ｄ…圧電素子積層体
４０…基台（固定側部材）
４１…第１の移動体（移動側部材、固定側部材）
４２…第２の移動体（移動側部材）
４３…第１のガイド
４３ａ…レール
４３ｂ…被案内部
４４…第２のガイド
４４ａ…レール
４４ｂ…被案内部
４５…第１の進退駆動手段
４５ａ…出力部材
４６…第２の進退駆動手段
４６ａ…出力部材
８０…搬送制御手段
１１０…予圧発生手段
１１１，１１１Ａ，１１１Ｂ…永久磁石
１１２…磁性体
１２１…目盛り
１２２…一次コイル
１２３…二次コイル
１２４…コア
１２５…コイル
１２６…コア
１２７…ターゲット面
Ｓ１…第１のセンサ
Ｓ２…第２のセンサ
Ｓ１ａ…被検出部
Ｓ２ｂ，Ｓ２ｂ１，Ｓ２ｂ２…検出部
【図１】
2012115181.tif 000003
【図２】
2012115181.tif 000004
【図３】
2012115181.tif 000005
【図４】
2012115181.tif 000006
【図５】
2012115181.tif 000007
【図６】
2012115181.tif 000008
【図７】
2012115181.tif 000009
【図８】
2012115181.tif 000010
【図９】
2012115181.tif 000011
【図１０】
2012115181.tif 000012
【図１１】
2012115181.tif 000013
【図１２】
2012115181.tif 000014
【図１３】
2012115181.tif 000015
【図１４】
2012115181.tif 000016
【図１５】
2012115181.tif 000017
【図１６】
2012115181.tif 000018
【図１７】
2012115181.tif 000019
【図１８】
2012115181.tif 000020
【図１９】
2012115181.tif 000021
【図２０】
2012115181.tif 000022
【図２１】
2012115181.tif 000023