(57)【要約】      （修正有）【課題】微小な操作対象物の交換作業を自動的に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。【解決手段】キャピラリ２５，３５を駆動対象として、外周側にねじ部を有するねじ軸と、回転軸を回転駆動するモータと、回転軸に固定されて、ねじ軸をその軸方向への移動を自在に支持するねじ要素と、圧電素子への印加電圧に応じて回転軸を微動駆動させる微動機構と、微動機構を伴って三次元空間を移動してキャピラリの位置を制御する三次元軸移動テーブルと、を有する一対のマニピュレータ１４，１６と、マニピュレータに操作される微小な操作対象物を観察する顕微鏡手段１２と、マニピュレータの駆動を制御する制御手段４３と、マニュピレータを駆動する操作手段４７と、を備え、操作対象物を操作する際に、マニピュレータをシーケンス駆動することで、操作後の操作対象物と操作前の操作対象物との交換を自動化した。【選択図】図１
2009211027.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャピラリを駆動対象として、外周側にねじ部を有するねじ軸と、回転軸をその軸方向への移動を自在に支持するとともに前記回転軸を回転駆動するモータと、前記回転軸に固定されて前記ねじ軸にねじ結合され、前記ねじ軸をその軸方向への移動を自在に支持するねじ要素と、圧電素子への印加電圧に応じて前記回転軸をその軸方向に沿って微動駆動させる微動機構と、前記微動機構を伴って三次元空間を移動して前記キャピラリの位置を制御する三次元軸移動テーブルと、を有する一対のマニピュレータと、
前記マニピュレータに操作される微小な操作対象物を観察する顕微鏡手段と、
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ュピレータを駆動する操作手段と、を備え、
前記操作対象物を操作する際に、前記マニピュレータをシーケンス駆動することで、操作後の操作対象物と操作前の操作対象物との交換を自動化したことを特徴とするマニピュレータシステム。
【請求項２】
前記マニピュレータは、前記ねじ軸のうち前記ねじ要素よりも前記キャピラリ側の部位をスライド自在に支持するリニアガイドを備える請求項１に記載のマニピュレータシステム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記圧電素子に対する印加電圧を制御する制御回路を備え、前記制御回路は、前記圧電素子に対して、前記キャピラリがインジェクション動作可能な電圧を印加する請求項１または２に記載のマニピュレータシステム。
【請求項４】
前記操作対象物の前記顕微鏡手段による顕微鏡画像を撮影する撮像手段を備え、
前記シーケンス駆動の際に、前記撮像手段により撮影された前記キャピラリ及び前記操作対象物の顕微鏡画像を画像処理し、その画像処理された画像に基づいて前記マニピュレータを駆動することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマニピュレータシステム。
【請求項５】
前記マニピュレータの一方に取り付けられたホールディングキャピラリに保持された操作対象物の特定部分を前記画像処理された画像に基づいて検出し、前記特定部分が所定位置にないとき、前記マニピュレータの他方に取り付けられたインジェクションキャピラリが自動的に前記操作対象物を操作することで前記所定位置に位置決めする請求項４に記載のマニピュレータシステム。
【請求項６】
前記操作対象物の前記顕微鏡手段による顕微鏡画像を撮影する撮像手段を備え、
前記顕微鏡画像から作成したテンプレート画像に基づいてパターンマッチングによる解析を行い、前記解析結果に基づいて前記マニピュレータを駆動することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマニピュレータシステム。
【請求項７】
前記テンプレート画像の作成の有無を入力する入力手段を備える請求項６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に取り付けられたインジェクションキャピラリが前記操作後の操作対象物と前記操作前の操作対象物とを仕切るように前記マニピュレータを駆動する請求項１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】
前記マニピュレータに取り付けられたホールディングキャピラリは、吸引手段により陰圧状態で前記操作対象物を保持するとともにその陰圧が制御可能である請求項１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。
【請求項１０】
前記操作後の操作対象物を保持するホールディングキャピラリの陰圧を弱めてから、前記マニピュレータに取り付けられたインジェクションキャピラリを移動させることで、前記操作後の操作対象物を前記ホールディングキャピラリから離して移動させる請求項９に記載のマニピュレータシステム。
【請求項１１】
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ュピレータを駆動する操作手段と、前記操作対象物の前記顕微鏡手段による顕微鏡画像を撮影する撮像手段と、を備え、
前記顕微鏡画像から作成したテンプレート画像に基づいてパターンマッチングによる解析を行い、前記解析結果に基づいて前記マニピュレータをシーケンス駆動することで、操作後の操作対象物と操作前の操作対象物との交換を自動化したことを特徴とするマニピュレータシステム。
【請求項１２】
前記テンプレート画像の作成の有無を入力する入力手段を備える請求項１１に記載のマニピュレータシステム。
【請求項１３】
請求項１乃至１２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、前記微小な操作対象物である卵に対し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、マニピュレータを用いて細胞や卵等の微小な対象物に微細な操作を行うマニピュレータシステム及びこのマニピュレータシステムを用いた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ュピレータを用いて微小針（キャピラリ）を操作することにより被検体に対して遺伝子組み換え操作や顕微受精操作等の微細操作が行われる。
【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。
【特許文献１】特開２００５−２５８４１３号公報
【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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、容易かつ正確に卵等の微小な操作対象物の交換作業を自動的に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目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、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ュピレータを駆動する操作手段と、を備え、前記操作対象物を操作する際に、前記マニピュレータをシーケンス駆動することで、操作後の操作対象物と操作前の操作対象物との交換を自動化したものである。
【０００９】
すなわち、本実施形態によるマニピュレータシステムは、キャピラリを駆動対象として、外周側にねじ部を有するねじ軸と、回転軸をその軸方向への移動を自在に支持するとともに前記回転軸を回転駆動するモータと、前記回転軸に固定されて前記ねじ軸にねじ結合され、前記ねじ軸をその軸方向への移動を自在に支持するねじ要素と、圧電素子への印加電圧に応じて前記回転軸をその軸方向に沿って微動駆動させる微動機構と、前記微動機構を伴って三次元空間を移動して前記キャピラリの位置を制御する三次元軸移動テーブルと、を有する一対のマニピュレータと、前記マニピュレータに操作される微小な操作対象物を観察する顕微鏡手段と、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ュピレータを駆動する操作手段と、を備え、前記操作対象物を操作する際に、前記マニピュレータをシーケンス駆動することで、操作後の操作対象物と操作前の操作対象物との交換を自動化したことを特徴とする。
【００１０】
このマニピュレータシステムによれば、操作後の操作対象物と操作前の操作対象物との交換をマニピュレータのシーケンス駆動で自動化することで、卵等の微小な操作対象物の交換作業を熟練技術がなくても自動的に操作可能となり、効率的に行うことができる。なお、前記操作手段がジョイステックを備え、ジョイステックのスイッチ操作により前記シーケンス駆動が開始するように構成できる。
【００１１】
上記マニピュレータは、次のように駆動される。すなわち、三次元軸移動テーブルの駆動により、微動機構を三次元空間の任意の位置に移動させることができ、微動機構が三次元空間の任意の位置に位置決めされたときに、モータを粗動駆動すると、モータの回転軸の回転に伴う回転運動がねじ要素を介してねじ軸に直線運動として伝達され、ねじ軸がキャピラリを駆動対象として、その軸方向に沿って移動する。この際、微動機構の圧電素子に電圧を印加すると、この印加電圧に応じて回転軸がその軸方向に沿って微動駆動されるため、この微動駆動をねじ要素を介してねじ軸に伝達することで、キャピラリをその軸方向に沿って直線運動させることができる。なお、キャピラリは、ピペットの先端側に取り付けられて、ピペットが駆動されることでピペットを介して駆動される。
【００１２】
上記マニピュレータシステムにおいて前記マニピュレータは、前記ねじ軸のうち前記ねじ要素よりも前記キャピラリ側の部位をスライド自在に支持するリニアガイドを備えることが好ましい。ねじ軸のうちねじ要素よりもピペット側の部位を、リニアガイドでスライド自在に支持することで、ねじ軸の直線運動のみをキャピラリに伝達することができる。
【００１３】
また、前記制御手段は、前記圧電素子に対する印加電圧を制御する制御回路を備え、前記制御回路は、前記圧電素子に対して、前記キャピラリがインジェクション動作可能な電圧を印加することが好ましい。圧電素子に対して、キャピラリがインジェクション動作可能な電圧を印加することで、ピペットによる微動動作として、ピペットに対してインジェクション動作を行わせることができる。
【００１４】
また、前記マニピュレータに取り付けられたキャピラリ及び前記操作対象物の前記顕微鏡手段による顕微鏡画像を撮影する撮像手段を備え、前記シーケンス駆動の際に、前記撮像手段により撮影された前記キャピラリ及び前記操作対象物の顕微鏡画像を画像処理し、その画像処理された画像に基づいて前記マニピュレータを駆動することが好ましい。
【００１５】
この場合、前記マニピュレータの一方に取り付けられたホールディングキャピラリに保持された操作対象物の特定部分を前記画像処理された画像に基づいて検出し、前記特定部分が所定位置にないとき、前記マニピュレータの他方に取り付けられたインジェクションキャピラリが自動的に前記操作対象物を操作することで前記所定位置に位置決めすることが好ましい。これにより、例えば、操作対象物が卵のとき、卵の保持位置を変えて卵の核をインジェクション処理のし易い所定位置に位置調整して位置決めることができる。
【００１６】
また、前記操作対象物の前記顕微鏡手段による顕微鏡画像を撮影する撮像手段を備え、前記顕微鏡画像から作成したテンプレート画像に基づいてパターンマッチングによる解析を行い、前記解析結果に基づいて前記マニピュレータを駆動することで、マニュピレータ及びキャピラリを自動的に駆動することができるとともに、テンプレート画像を利用することで自動化効率を向上させることができる。この場合、前記テンプレート画像の作成の有無を入力する入力手段を備えることが好ましく、必要に応じてテンプレート画像を作成することができ、また、先に作成したテンプレート画像を引き続き使用することができる。
【００１７】
また、前記マニピュレータに取り付けられたインジェクションキャピラリが前記操作後の操作対象物と前記操作前の操作対象物とを仕切るように前記マニピュレータを駆動することが好ましい。これにより、操作後の操作対象物と操作前の操作対象物とを区別することができ、両者の混在を防止することができる。
【００１８】
また、前記マニピュレータに取り付けられたホールディングキャピラリは、吸引手段により陰圧状態で前記操作対象物を保持するとともにその陰圧が制御可能であることが好ましい。これにより、例えば、操作対象物が卵でインジェクション処理を行うときは、ホールディングキャピラリにおいて比較的強い陰圧で操作対象物を保持でき、また、上述のような卵の核の位置の調整のときは、位置調整し易いように比較的弱い陰圧で操作対象物を保持できる。
【００１９】
この場合、前記操作後の操作対象物を保持するホールディングキャピラリの陰圧を弱めてから、前記マニピュレータに取り付けられたインジェクションキャピラリを移動させることで、前記操作後の操作対象物を前記ホールディングキャピラリから離して移動させることが自動で実行できる。なお、この移動のとき、インジェクションキャピラリが操作後の操作対象物と操作前の操作対象物との間に位置し、仕切り機能を発揮し、両者の混在を防止する。また、ホールディングキャピラリが弱い陰圧であると、ホールディングキャピラリの近傍にある操作前の操作対象物が吸い寄せられて自動的にホールディングキャピラリに保持される。
【００２０】
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ュピレータを駆動する操作手段と、前記操作対象物の前記顕微鏡手段による顕微鏡画像を撮影する撮像手段と、を備え、前記顕微鏡画像から作成したテンプレート画像に基づいてパターンマッチングによる解析を行い、前記解析結果に基づいて前記マニピュレータをシーケンス駆動することで、操作後の操作対象物と操作前の操作対象物との交換を自動化したことを特徴とする。
【００２１】
このマニピュレータシステムによれば、マニュピレータを自動的に駆動することができ、操作後の操作対象物と操作前の操作対象物との交換をマニピュレータのシーケンス駆動で自動化することで、卵等の微小な操作対象物の交換作業を熟練技術がなくても自動的に操作可能となり、操作対象物の交換等の操作処理を熟練技術がなくても操作可能となり、効率的に行うことができる。また、テンプレート画像を利用することで自動化効率を向上させることができる。
【００２２】
この場合、前記テンプレート画像の作成の有無を入力する入力手段を備えることが好ましく、必要に応じてテンプレート画像を作成することができ、また、先に作成したテンプレート画像を引き続き使用することができる。
【００２３】
本実施形態による微小操作対象物の操作方法は、上述のマイクロマニピュレータシステムを用いて、前記微小な操作対象物である卵に対してインジェクション操作を行うことを特徴とする。
【００２４】
この操作方法によれば、操作済み卵と未操作卵との交換をマニピュレータのシーケンス駆動で自動化することで、煩雑な操作をせずに容易に微小な操作対象物である卵のセッティングが可能となり、卵の操作処理を熟練技術がなくても操作可能となり、効率的に行うことができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、容易かつ正確に卵等の微小な操作対象物の交換作業を自動的に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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。
【００２７】
〈第１の実施形態〉
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
ベース２２上には試料（図示せず）が乗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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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６２が連結されている。スライダ６２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。
【００４２】
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６２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６２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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。このとき必要であれば、ＸＹＺの駆動系も駆動しても良い。
【００５４】
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まで駆動しても良いし、ジョイステック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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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いないため、高い応答性を得ることが可能である。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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４６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４６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。
【００６９】
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。
【００７０】
また、制御部４６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４６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。
【００７１】
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８２と、画像入力部８２からの画像信号をＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換し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８４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４６により制御されるようになっている。
【００７２】
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、それらの検出位置に基づいてキャピラリ２５，３５等の駆動が制御される。
【００７３】
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。
【００７４】
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、ジョイステック４７の操作による入力情報に基づいて図７の制御部４６により制御される。ジョイステック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のジョイステックの具体例を示す斜視図を示す。
【００７５】
図８のように、ジョイステック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。
【００７６】
図１，図７のジョイステック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、各マニュピレータ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ュピレータ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。    
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
図８のジョイステック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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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４６が図７の位置検出部８５の検出結果に基づいて認識する。
【００８６】
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ヘ移動させる。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。
【００８７】
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。
【００８８】
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ヘ移動させる。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。
【００８９】
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。
【００９０】
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イングすることができ、操作済卵と未操作卵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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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４６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４６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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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にセッテイングした後（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。
【００９９】
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）〜（ｄ）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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
〈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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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）。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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１１０（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）。
【０１１０】
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１１０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１１０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。
【０１１１】
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１１１（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１１０を記憶させる。この記憶されたテンプレート画像１１１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。
【０１１２】
上述のようにして両側のテンプレート画像１１０，１１１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１１０，１１１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）。
【０１１３】
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１１０，１１１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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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をマウス４９でクリックすることで（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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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、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１１０の横方向長さＸ１，縦方向長さＹ１及びテンプレート画像１１１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１１０，１１１の重心位置（図１５の各「ｘ」印で示す）を算出する（Ｓ３１）。
【０１２０】
次に、上述の２つのテンプレート画像１１０，１１１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）。
【０１２１】
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１１０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。
【０１２２】
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ュピレータ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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
また、本実施形態のマニュピ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ュピ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。
【０１２６】
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マッチングによる不検出を防ぐことができる。
【０１２７】
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、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。
【０１２８】
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、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。
【０１２９】
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。
【図面の簡単な説明】
【０１３０】
【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。
【符号の説明】
【０１３１】
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
【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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