ピペット
【課題】熟練者に頼ることなく精度よく位置決めすることができ、作業効率を向上する。
【解決手段】ピペット２４、３４のＺ軸テーブル２８、３８への装着、並びに、キャピラリ２４Ａ、３４Ａのピペット２４、３４への装着に際し、ピペット２４、３４には第１の突き当て部材３５を設け、キャピラリ２４Ａ、３４Ａには第２の突き当て部材３７を設けたため、手作業であっても、ある程度の位置決め精度を期待することができる。
【解決手段】ピペット２４、３４のＺ軸テーブル２８、３８への装着、並びに、キャピラリ２４Ａ、３４Ａのピペット２４、３４への装着に際し、ピペット２４、３４には第１の突き当て部材３５を設け、キャピラリ２４Ａ、３４Ａには第２の突き当て部材３７を設けたため、手作業であっても、ある程度の位置決め精度を期待することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マニピュレータへ位置決めするピペットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
バイオテクノロジーの分野において、顕微鏡の観察（（顕微鏡カメラでの撮像画像処理）下で細胞に針を挿入して、細胞に核などを注入するマイクロマニピュレータとして、例えば、Ｘ−Ｙ−Ｚ軸の三次元空間を移動する駆動アクチュエータ（ナノポジショナの駆動源）に圧電素子を用いたものが提案されている（非特許文献1参照）。なお、マイクロマニピュレータを、圧電素子の駆動に対して遥かに移動量が覆いが移動分解能が低いモータ駆動のＸ−Ｙ−Ｚ軸テーブルに搭載され、全体ものとして扱う場合がある。
【０００３】
言い換えれば、モータ駆動によって粗調整した後、圧電素子駆動によって微調整する２段構成のマニピュレータということができる。細胞に挿入する針、すなわちキャピラリ（毛細管チップ）は、前記ナノポジショナに取り付けられたピペットに着脱可能に取り付けられるものである。
【０００４】
前記キャピラリの移動操作は、コントローラに取り付けられ、ジョイスティックを用いて行うが（一例として、非特許文献２参照）、このジョイスティックによる操作を精度よく行うためには、ナノポジショナに対してピペット（及び装着されたキャピラリ）が適正に位置決めされていることが前提となる。
【非特許文献１】「光学顕微鏡、バイオ研究用マイクロマニピュレータ」、株式会社三友製作所、２００４年１０月発行
【非特許文献２】「単一細胞操作支援ロボット」、中央精機株式会社、２００３年１１月発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ピペットのマニピュレータへの取り付け（位置決め）は、手作業であるため煩雑な作業であり、非熟練者による取り付け作業では、取り付け位置にばらつきが多いため、熟練者に委ねざるを得ない場合がある。このため、作業効率が低下するという問題点がある。
【０００６】
本発明は上記事実を考慮し、熟練者に頼ることなく精度よく位置決めすることができ、作業効率を向上することができるピペットを得ることが目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するために、第１の発明は、中空筒状のボディを備え、試料に対して所定の操作を行うピペットであって、Ｘ軸−Ｙ軸−Ｚ軸の三次元空間へ移動可能なマニピュレータへ装着するときに、当該装着操作方向の移動を、前記マニピュレータに突き当たることで制限する第１の突き当て部材を設けたこを特徴としている。
【０００８】
第１の発明によれば、予め第１の突き当て部材をピペットの所定位置に固定する。例えば、最初の装着の際に第１の突き当て部材をマニピュレータに突き当たった状態で固定しておくことで、一旦取り外した後の再装着時の位置決めが容易となる。
【０００９】
また、第２の発明は、中空筒状のボディを備え、試料に対して所定の操作を行うピペットであって、前記ピペットの先端には、毛細管チップとしてのキャピラリが着脱可能であり、前記キャリラリには、前記ピペットへ装着するときの装着操作方向の移動を、前記ピペットに突き当たることで制限する第２の突き当て部材を設けたことを特徴としている。
【００１０】
第２の発明によれば、予め第２の突き当て部材をキャピラリの所定位置に固定する。例えば、最初の装着の際に第２の突き当て部材をピペットに突き当たった状態で固定しておくことで、一旦取り外した後の再装着時の位置決めが容易となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、熟練者に頼ることなく精度よく位置決めすることができ、作業効率を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態を示すマニピュレータの構成図である。図１において、マニピュレータシステム１０は、顕微鏡観察下で細胞等の試料に人工操作（注射操作）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とを備えており、顕微鏡ユニット１２の両側にマニピュレータ１２、１４が分かれて配置されている。
【００１３】
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、ベースに向けて光を照射する光源を備えている。
【００１４】
前記ベース２２上には細胞等の試料（図示省略）が載せられるようになっている。この状態で、ベース２２上の細胞（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で拡大された後カメラ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細胞を観察することができる。なお、この撮像画像の中には、カメラの倍率機能により、前述したマニピュレータ１２、１４に取り付けられホールディングピペット２４、インジェクションピペット３４の先端に取り付けられているキャピラリ（毛細管チップ）２４Ａ、３４Ａの画像も入れることが可能となっている（詳細後述）。なお、ホールディングピペット２４とインジェクションピペット３４とは同一構造であるため、両者を総称する場合は、単に「ピペット２４、３４」という。
【００１５】
（ピペット２４、３４の構造）
図２に基づき、ピペット２４、３４の詳細構造を示す。なお、図２では、ピペット３４、すなわちインジェクションピペット３４を例にとり説明する。
【００１６】
ピペット３４は、円筒状の本体部３４Ｂの先端にキャピラリ保持部３４Ｃが設けられている。このキャピラリ保持部３４Ｃは、本体部３４Ｂよりも拡径された円筒状であり、さらに先端部はテーパ形状とされ、所謂「先細り形状」となっている。
【００１７】
このピペット３４の基部側（図２の右側端部）は、前記Ｚ軸テーブル３８に設けられた取付部３８Ａ（図１では図示省略）に挿入されることで装着される。この装着によって、微動機構４４、４６（図４、図５参照）連結も完了する構造となっている。
【００１８】
ここで、ピペット３４の本体部３４Ｂには、第１の突き当て部材３５が取り付けられている。この第１の突き当て部材３５は、本体部３４Ｂの外径よりも大きい外形をした円筒部材或いは角筒部材である。
【００１９】
この第１の突き当て部材３５は、本体部３４Ｂに予め挿入されており、本体部３４Ｂの軸線方向に移動可能、かつ所定位置で固定可能となっている。この移動と固定を実現する構造としては、第１の突き当て部材３５の内径と本体部３４Ｂの外径とを所定の寸法公差で緊密に収容し、スライド可能としておくと共に、所謂「いもねじ」を外周から螺合することで所定位置で固定する構造が最も単純である。
【００２０】
或いは、本体部３４Ｂの外周に雄ねじを形成しておき、第１の突き当て部材３５の内周に雌ねじを形成しておき、両者を螺合させることで軸線移動させる構造であってもよい。この場合も固定部材としては「いもねじ」が必要であるが、回転を止める部材を取り付けるようにしてもよい。
【００２１】
なお、この第１の突き当て部材３５を用いた位置決めは、後述するカメラ１８で撮像した情報に基づくフィードバック制御による位置決めを実行するときの予調整としても有効である。
【００２２】
予め第１の突き当て部材３５を軸線方向へ所定量移動させ、その後Ｚ軸テーブル装着前にいもねじ等の固定部材で固定する。ここで、ピペット３４をＺ軸テーブル３８へ挿入する（図２（Ａ）参照）。この挿入量は、そのときの試料に対する処置（作業）によって異なるが、ほぼ基準となる位置まで挿入する。これにより、所定以下の力ではピペット３４は移動せず、保持される。
【００２３】
（キャピラリ２４Ａ、３４Ａの構造）
図３に基づき、キャピラリ２４Ａ、３４Ａの詳細構造を示す。なお、図３では、キャリラリ３４Ａを例にとり説明する。
【００２４】
キャピラリ３４Ａは、極細かつ円筒状であり、ピペット３４のキャピラリ保持部３４Ｃに挿入され、装着されている。このキャピラリ３４Ａの基部側（図３の右側端部）は、前記キャピラリ保持部３４Ｃに設けられた取付孔（図１では図示省略）に挿入されることで装着される。
【００２５】
ここで、キャピラリ３４Ａには、第２の突き当て部材３７が取り付けられている。この第２の突き当て部材３７は、キャピラリ３４Ａの外径よりも大きい外形をした円筒部材或いは角筒部材である。
【００２６】
この第２の突き当て部材３７は、キャピラリ３４Ａに予め挿入されており、キャピラリ３４Ａの軸線方向に移動可能、かつ所定位置で固定可能となっている。この移動と固定を実現する構造としては、キャピラリ３４Ａ自体が小さい部材であるため、第２の突き当て部材３７の内周部に弾性部材を設けておき、所定の摩擦力でスライド可能としておくと共に、当該摩擦力で所定以下の力では移動しないように保持する構造が最適である。
【００２７】
なお、この第２の突き当て部材３７を用いた位置決めは、後述するカメラ１８で撮像した情報に基づくフィードバック制御による位置決めを実行するときの予調整としても有効である。
【００２８】
予め定めた位置に摩擦力で第２の突き当て部材３７をスライドさせ、キャピラリ保持部３４Ｃに突き当てる（図３（Ｂ）参照）。ここで、キャピラリ３４Ａをピペット３４のキャピラリ保持部３４Ｃへ挿入する（図３（Ａ）参照）。この挿入量は、そのときの試料に対する処置（作業）によって異なるが、ほぼ基準となる位置まで挿入する。これにより、所定以下の力ではキャピラリ３４Ａは移動せず、保持される。
【００２９】
図１に示される如く、ホールディング用マニピュレータ１４は、Ｘ軸−Ｙ軸−Ｚ軸の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、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２８を駆動する駆動装置３２を備えて構成されている。
【００３０】
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。
【００３１】
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に連結されたホールディングピペット２４は、Ｘ−Ｙ軸テーブル２６とＺ軸テーブル２８の移動に従って三次元空間を移動領域として移動し、ベース２２上の細胞等を保持するように構成されている。
【００３２】
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、Ｘ−Ｙ軸テーブル３６、Ｚ軸テーブル３８、Ｘ−Ｙ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。
【００３３】
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に連結されたインジェクションピペット３４は、Ｘ−Ｙ軸テーブル３６とＺ軸テーブル３８の移動に従って三次元空間を移動領域として移動し、ベース２２上の細胞等の資料に人工操作（注射等）を行うように構成されている。
【００３４】
このように、マニピュレータ１４、１６は、ほぼ同一構成であり、Ｚ軸テーブル２８又は３８に連結されたピペットの種類（ホールディングピペット２４とインジェクションピペット３４）が異なるのみである。従って、以下は、インジェクションピペット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。
【００３５】
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上の細胞等を、針を挿入するための挿入対象とするインジェクションピペット３４を連結している。
【００３６】
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、インジェクションピペット３４の先端側からベース２２上の細胞に対して、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（三次元軸移動テーブル）として構成されている。
【００３７】
また、Ｚ軸テーブル３８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、インジェクションピペット３４をＸ軸−Ｙ軸−Ｚ軸方向へ自在に移動可能に支持するととともに、さあに、インジェクションピペット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。
【００３８】
具体的には、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、並びに図３に示す微動機構４６が選択的に内蔵されている。ここで、本実施の形態では、微動機構４４は、インジェクションピペット３４を軸線方向に微動させるため（具体的には、細胞である資料にキャピラリを挿入するため）の駆動源として適用される。
【００３９】
一方、本実施の形態では、微動機構４６は、インジェクションピペット３４をＸ軸−Ｙ軸−Ｚ軸のそれぞれの方向に微動させるための駆動源として適用される。なお、微動機構４４及び微動機構４６とは、後述するねじ軸５０及びねじ軸７６を軸線方向に移動させるために、圧電素子５４又圧電素子８０に所定の電圧を印加することは同一であるが、構造が若干異なるため、以下にそれぞれの構造を説明する。
【００４０】
（微動機構４４の詳細構造）
図４に示される如く、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を備えており、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５６がねじ軸５０の外周側に収納されており、軸受５８、６０が内輪間座６２を間にしてねじ軸５０にロックナット６６により固定されて収納されている。
【００４１】
軸受５８、６０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ようになっている。軸受５８は、ハウジング４８の内周面に嵌合された間座５６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。
【００４２】
予圧調整は間座５４の長さを調整することによって押圧力を調整させ、軸受５８、６０へ適切な予圧力を与える。これにより、軸受５８、６０に所定の予圧が付与され、軸受５８、６０の外輪間に軸方向間距離としての間隙６３が形成される。圧電素子５４は、孔４８ａ、４８ｂ内にそれぞれ挿入されたリード線７０、７２を介してコントローラ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のインジェクション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。例えば、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として、例えば、矩形波状の電圧が印加されたときには、この印加電圧に応答して、インジェクションピペット３４の先端側からベース２２上の細胞に対して、針を挿入するための押圧力をインジェクションピペット３４に付与し、あるいは、コントローラ４３から微動用電圧が印加されたときには、この印加電圧に応答して、ねじ軸５０をその長手方向（軸方向）に沿って微動させて、インジェクションピペット３４の位置を微調整するようになっている。
【００４３】
（微動機構４６の詳細構造）
図５に示される如く、本実施の形態の微動機構４６は、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用のそれぞれに対応して３個設けられている。
【００４４】
圧電アクチュエータの本体を構成するハウジング７４を備えており、略円筒状に形成されたハウジング７４内には、ねじ軸７６の軸方向一端側と、圧電素子８０、間座８２、軸受８４、８６が収納されている。圧電素子８０は、ねじ軸７６の延長線上に、間座８２を介してねじ軸７６と直列になって配置されており、間座８２は、ねじ軸７６の軸方向端部に噛合されたロックナット８８を囲むように配置されている。軸受８４と軸受８６は内輪間座９０を間にしてねじ軸７６の外周側に配置されている。
【００４５】
軸受８４、８６は、それぞれ内輪８４ａ、８６ａと、外輪８４ｂ、８６ｂと、内輪８４ａ、８６ａと外輪８４ｂ、８６ｂ間に挿入されたボール８４ｃ、８６ｃを備え、各内輪８４ａ、８６ａがねじ軸７６の外周面に嵌合され、各外輪８４ｂ、８６ｂがハウジング７４の内周面に嵌合され、ねじ軸７６を回転可能に支持するようになっている。
【００４６】
ハウジング７４の一端側には、圧電素子８０に対して、ねじ軸７６の軸方向への移動を規制する蓋９４が固定されている。蓋９４には凹部９４ａが形成されているとともに、孔９４ｂ、９４ｅが形成されており、蓋９４の凹部９４ａと間座８２の凹部８２ａとの間に圧電素子８０が挿入されている。
【００４７】
予圧調整は間座８２の長さを調整することによって押圧力を調整させ、軸受８４、８６へ適正な予圧力を与える。これにより、軸受８４、８６に所定の予圧が付与され、軸受８４、８６の外輪間に軸方向間距離としての間隙９３が形成される。
【００４８】
圧電素子８０は、蓋９４の孔９４ｂ、９４ｅ内にそれぞれ挿入されたリード線９６、１０２を介してコントローラ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の長手方向に沿って伸縮する圧電アクチュエータとして構成されている。圧電素子８０は、コントローラ４３からインジェクション用電圧に応答して、ねじ軸７６を微動させ、インジェクションピペット３４を所定の方向（Ｘ軸方向又はＹ軸方向又はＺ軸方向）の移動させるようになっている。
【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、コントローラ４３は、Ｘ−Ｙ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後、微動機構４４または微動機構４６を用いてインジェクションピペット３４を微動駆動することとしている。
【００５０】
このとき、コントローラ４３には、カメラ１８で撮像した画像のデータ、撮像情報が入力されるようになっている。この画像には、ベース２２に載せられた細胞の他、インジェクションピペット３４の先端に着脱可能に取り付けたキャピラリ３４Ａ（毛細管チップ）の画像が含まれるように、カメラ１８の撮像倍率が設定される。
【００５１】
この撮像情報に基づいて、インジェクションピペットの位置を認識し、前記微動機構４６を用いてフィードバック制御することで、例えば、インジェクションピペット３４を最初に装着したときの初期位置決めを自動で行うことが可能となる。
【００５２】
図６は、コントローラ４３における、前記フィードバック制御に関する処理を機能的に示したブロック図である。なお、このブロック図は、コントローラ４３でのハード構成を限定するものではない。
【００５３】
コントローラ４３には、Ｚ軸範囲動作指示部１００が設けられ、外部からこのＺ軸範囲動作指示部１００に対して初期位置設定指示があると、このＺ軸範囲動作指示部１００では、ドライバ１０２を制御して、Ｚ軸用を駆動し、図７（Ａ）に示される如く、インジェクションピペット３４を最下位置から最上位置までの範囲を少なくとも１往復移動させるようにしている。
【００５４】
カメラ１８は、画像解析部１０４に接続され、前記インジェクションピペット３４の移動を撮像した撮像情報が解析される。例えば、画像解析部１０４では、その後の研究材料として必要な条件に基づいて、コントラスト処理やシャープネス処理、シェーディング処理等の画像処理がなさたり、所定の形式（jpeg.、avi.等）にデータ変換されたりする。
【００５５】
本実施の形態では、インジェクションピペット３４のフィードバック制御の実行のため、撮像された画像内のインジェクションピペット３４（実際には、先端に取り付けられたキャピラリ３４Ａ）の画像を検出する。この場合、例えば、予めキャピラリ３４Ａにマーキングをしておいてもよいし、キャピラリ３４Ａ自体の濃度情報を記憶しておいてもよい。
【００５６】
画像解析部１０４には、時間−Ｚ軸位置情報抽出部１０６が接続されており、検出したキャピラリ３４Ａの画像の位置の時間軸変化特性情報を抽出する（図７（Ｂ）の太線参照）。
【００５７】
この時間−Ｚ軸位置情報抽出部１０６で抽出した特性情報は、Ｚ軸適正位置判定部１０８へ送出される。このＺ軸適正位置判定部１０８には、Ｚ軸基準データメモリ１１０が接続されており、このＺ軸基準データメモリ１１０から基準データを読み出して（図７（Ｂ）の細線参照）、前記撮像された特性情報と重ね合わされる。
【００５８】
ここで、Ｚ軸適正位置判定部１０８では、図７（Ｂ）に示す特性を得ることができ、撮像情報が基準値となった時点を適正位置と判別し、判別結果をピペット初期位置動作指示部１１０へ送出する。これにより、ピペット初期位置動作指示部１１０では、前記微動機構ドライバ１０２を制御して、微動機構４６を駆動し、インジェクションピペット３４をＺ軸方向初期位置に位置決めする。
【００５９】
以下に本実施の形態の作用を説明する。まず、本実施の形態のマニピュレータシステム１０を使用する場合、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のそれぞれのＺ軸テーブル２８、３８に各々ホールディングピペット２４、インジェクションピペット３４を装着する。
【００６０】
その手順を、インジェクション用マニピュレータ１６を例にとり以下に説明する。なお、ホールディング用マニピュレータ１４については、同一の手順となるので、説明を省略する。
【００６１】
最初に、単体のピペット３４に対してキャピラリ３４Ａを装着する。このとき、キャピラリ３４Ａには、予め第２の突き当て部材３７が挿入されており、キャピラリ３４Ａの軸線方向に移動可能、かつ所定位置で固定可能に保持されている。
【００６２】
予め、摩擦力で第２の突き当て部材３７をスライドさせ所定位置にセットする。この状態でキャピラリ３４Ａをピペット３４のキャピラリ保持部３４Ｃへ挿入する。この挿入量は、第２の突き当て部材と接触する位置までである。これにより、所定以下の力ではキャピラリ３４Ａは移動せず、保持される。
【００６３】
キャピラリ３４Ａは、キャピラリ保持部３４Ｃへ最初に取り付ける際、或いは、一旦取り付けた後再度取り外して装着する、といったことが予測される。この場合、その都度、熟練者がキャピラリ３４Ａとキャピラリ保持部３４Ｃとの相対位置関係を調整しなければならなかった。
【００６４】
しかし、本実施の形態では、最初に位置決めをしたときに、第２の突き当て部材３７をキャピラリ保持部３４Ｃに突き当たるまで移動させ、固定しておく。これにより、次の装着の際には、キャピラリ保持部３４Ｃへの挿入量が同一となり、熟練者によらなくても、キャピラリ３４Ａを位置決めすることが可能となる。
【００６５】
次に、キャピラリ３４Ａが装着されたピペット３４をＺ軸テーブル３８へ装着する。このとき、ピペット３４には、予め第１の突き当て部材３５が挿入されており、ピペット３４の軸線方向に移動可能、かつ所定位置で固定可能に保持されており、設定位置でいもねじ等の固定部材で固定する。この状態でピペット３４をＺ軸テーブル３８へ挿入する。ピペットをＺ軸テーブル２８、３８に突き当て固定する。これにより、所定以下の力ではピペット３４は移動せず、保持される。
【００６６】
ここで、ピペット３４は、Ｚ軸テーブル３８へ最初に取り付ける際、或いは、一旦取り付けた後再度取り外して装着する、といったことが予測される。この場合、その都度、熟練者がピペット３４とＺ軸テーブル３８との相対位置関係を調整しなければならなかった。
【００６７】
しかし、本実施の形態では、最初に位置決めをしたときに、第１の突き当て部材３５をＺ軸テーブル３８に突き当たるまで移動させ、固定しておく。これにより、次の装着の際には、Ｚ軸テーブル３８への挿入量が同一となり、熟練者によらなくても、ピペット３４を位置決めすることが可能となる。
【００６８】
なお、この第１の突き当て部材３５を用いた位置決めは、後述するカメラ１８で撮像した情報に基づくフィードバック制御による位置決めを実行するときの予調整としても有効である。
【００６９】
図８のフローチャートに従い、インジェクションピペット３４のＺ軸方向の位置決め制御について説明する。ステップ１５０では、位置決め指示があったか否かが判断され、否定判定された場合は、位置決め制御の時期ではないと判断し、このルーチンは終了する。
【００７０】
また、ステップ１５０では肯定判定された場合には、位置決め制御の時期であると判断し、ステップ１５２へ移行する。ステップ１５２では、Ｚ軸微動機構４６によりインジェクションピペット３４をＺ軸の移動範囲で１往復動作させる。
【００７１】
次のステップ１５４では、上記１往復動作の状態をカメラ１８を用いて撮像し、ステップ１５６へ移行する。ステップ１５６では、上記撮像されたインジェクションピペットの撮像位置データと、基準データとを比較し、適正な初期位置を判別する（ステップ１５８）。次のステップ１６０では、Ｚ軸によりインジェクションピペット３４を最適位置へ移動させ、このルーチンは終了する。
【００７２】
このように、カメラ１８の撮像情報を用い、フィードバック制御によってインジェクションピペットの位置決めを行うようにしたため、熟練者による位置決め作業が不要となり、作業効率を向上することができる。
【００７３】
なお、この場合、上記のようにインジェクションピペット３４をＺ軸テーブル３８へ装着するときに、第１の突き当て位置決め部３５がＺ軸テーブル３８の所定位置に突き当てられることでほぼ適正な位置に位置決めされ、かつ、キャピラリ３４Ａをインジェクイションピペット３４へ装着するときに、第２の突き当て位置決め部３７がインジェクイションピペット３４の所定位置に突き当てられることでほぼ適正な位置に位置決めされているので、カメラ１８の撮像情報に基づく位置決めのための移動量な僅かな移動範囲で足り得る。
【００７４】
言い換えれば、準備段階としての予位置決めがなされることで、本実施の形態のフィードバック制御による位置決め制御がより有効となる。
【００７５】
このように、本実施の形態のマニピュレータシステム１０では、ミリメートルオーダの駆動から回転モータの分解能以下の微小駆動までの動作が可能となり、かつ操作が容易なマニピュレータシステムを構成することが可能になる。さらに、ピペット２４、３４のＺ軸テーブル２８、３８への装着、並びに、キャピラリ２４Ａ、３４Ａのピペット２４、３４への装着に際し、ピペット２４、３４には第１の突き当て部材３５を設け、キャピラリ２４Ａ、３４Ａには第２の突き当て部材３７を設けたため、手作業であっても、ある程度の位置決め精度を期待することができ、その後に実行されるカメラ１８の撮像情報に基づくフィードバック制御による位置決めの調整量を少なくすることができ、位置決め作業効率を向上することができる。
【００７６】
なお、本実施の形態ではインジェクションピペット３４の位置決め制御について説明したが、ホールディングピペット２４の位置決め制御に用いてもよい。
【００７７】
また、マニピュレータシステム１０として、ホールディング用マニピュレータ１４では、モータ駆動による駆動装置３０、３２を用いたＸ−Ｙ軸テーブル２６、Ｚ軸テーブル２８と、前記Ｚ軸テーブル２８にさらにナノポジショナとしての微動機構４４、４６を搭載し、インジェクション用マニピュレータ１６では、モータ駆動による駆動装置４０、４２を用いたＸ−Ｙ軸テーブル３６、Ｚ軸テーブル３８と、前記Ｚ軸テーブル３８にさらにナノポジショナとしての微動機構４４、４６を搭載したが、それぞれＸ−Ｙテーブル２８、３８、並びにＺ軸テーブル２８、３８の駆動源である駆動装置３０、３２、４０、４２として、微動機構４４、４６を用いてもよい。この場合、マニピュレータシステム１０の調整は１段階（微調整のみ）となる。
【００７８】
さらに、微動機構４４をピペット２４、３４の軸線移動の微調整用とし、微動機構４６をピペット２４、３４のＸ軸−Ｙ軸−Ｚ軸方向の微調整用としたが、組み合わせに限定はなく、微動機構４４をＸ軸−Ｙ軸−Ｚ軸方向の微調整に用いてもよいし、微動機構４６をピペット２４、３４の軸線移動の微調整に用いてもよい。また、何れか一方のみを適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の一実施形態を示すマニピュレータシステムの構成図である。
【図２】（Ａ）はピペットのＺ軸テーブルへの挿入時の正面図（挿入途中）、（Ｂ）はピペットのＺ軸テーブルへの挿入時の正面図（挿入完了時）である。
【図３】（Ａ）はキャピラリのＺ軸テーブルへの挿入時の正面図（挿入途中）、（Ｂ）はキャピラリのＺ軸テーブルへの挿入時の正面図（挿入完了時）である。
【図４】微動機構（ピペット軸移動用）の詳細を示す断面図である。
【図５】微動機構（ピペットＸ−Ｙ−Ｚ方向移動用）の詳細を示す断面図である。
【図６】コントローラにおけるカメラの撮像情報に基づく位置決めフィードバック制御のための機能ブロック図である。
【図７】（Ａ）はカメラで撮像するときのピペットの動作状態を示す正面図、（Ｂ）は図７（Ａ）の動作時の撮像情報特性図である。
【図８】カメラの撮像情報に基づく位置決めフィードバック制御のためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００８０】
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
１６ インジェクション用マニピュレータ
１８ カメラ（撮像手段）
２０ 顕微鏡
２２ ベース
３４ インジェクションピペット
３４Ａ キャピラリ
３４Ｂ 本体部
３４Ｃ キャピラリ保持部
３５ 第１の突き当て部材
３６ Ｘ−Ｙ軸テーブル（移動機構）
３７ 第２の突き当て部材
３８ Ｚ軸テーブル（移動機構）
４０ 駆動装置（移動機構）
４２ 駆動装置（移動機構）
４３ コントローラ
４６ 微動機構（ナノポジショナ）
７６ ねじ軸
８０ 圧電素子
１００ Ｚ軸範囲動作指示部（位置決め制御手段）
１０２ 微動機構ドライバ
１０４ 画像解析部（位置決め制御手段）
１０６ 時間−Ｚ軸位置情報抽出部（位置決め制御手段）
１０８ Ｚ軸適正位置判定部（位置決め制御手段）
１１０ Ｚ軸基準データメモリ（位置決め制御手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マニピュレータへ位置決めするピペットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
バイオテクノロジーの分野において、顕微鏡の観察（（顕微鏡カメラでの撮像画像処理）下で細胞に針を挿入して、細胞に核などを注入するマイクロマニピュレータとして、例えば、Ｘ−Ｙ−Ｚ軸の三次元空間を移動する駆動アクチュエータ（ナノポジショナの駆動源）に圧電素子を用いたものが提案されている（非特許文献1参照）。なお、マイクロマニピュレータを、圧電素子の駆動に対して遥かに移動量が覆いが移動分解能が低いモータ駆動のＸ−Ｙ−Ｚ軸テーブルに搭載され、全体ものとして扱う場合がある。
【０００３】
言い換えれば、モータ駆動によって粗調整した後、圧電素子駆動によって微調整する２段構成のマニピュレータということができる。細胞に挿入する針、すなわちキャピラリ（毛細管チップ）は、前記ナノポジショナに取り付けられたピペットに着脱可能に取り付けられるものである。
【０００４】
前記キャピラリの移動操作は、コントローラに取り付けられ、ジョイスティックを用いて行うが（一例として、非特許文献２参照）、このジョイスティックによる操作を精度よく行うためには、ナノポジショナに対してピペット（及び装着されたキャピラリ）が適正に位置決めされていることが前提となる。
【非特許文献１】「光学顕微鏡、バイオ研究用マイクロマニピュレータ」、株式会社三友製作所、２００４年１０月発行
【非特許文献２】「単一細胞操作支援ロボット」、中央精機株式会社、２００３年１１月発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ピペットのマニピュレータへの取り付け（位置決め）は、手作業であるため煩雑な作業であり、非熟練者による取り付け作業では、取り付け位置にばらつきが多いため、熟練者に委ねざるを得ない場合がある。このため、作業効率が低下するという問題点がある。
【０００６】
本発明は上記事実を考慮し、熟練者に頼ることなく精度よく位置決めすることができ、作業効率を向上することができるピペットを得ることが目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するために、第１の発明は、中空筒状のボディを備え、試料に対して所定の操作を行うピペットであって、Ｘ軸−Ｙ軸−Ｚ軸の三次元空間へ移動可能なマニピュレータへ装着するときに、当該装着操作方向の移動を、前記マニピュレータに突き当たることで制限する第１の突き当て部材を設けたこを特徴としている。
【０００８】
第１の発明によれば、予め第１の突き当て部材をピペットの所定位置に固定する。例えば、最初の装着の際に第１の突き当て部材をマニピュレータに突き当たった状態で固定しておくことで、一旦取り外した後の再装着時の位置決めが容易となる。
【０００９】
また、第２の発明は、中空筒状のボディを備え、試料に対して所定の操作を行うピペットであって、前記ピペットの先端には、毛細管チップとしてのキャピラリが着脱可能であり、前記キャリラリには、前記ピペットへ装着するときの装着操作方向の移動を、前記ピペットに突き当たることで制限する第２の突き当て部材を設けたことを特徴としている。
【００１０】
第２の発明によれば、予め第２の突き当て部材をキャピラリの所定位置に固定する。例えば、最初の装着の際に第２の突き当て部材をピペットに突き当たった状態で固定しておくことで、一旦取り外した後の再装着時の位置決めが容易となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、熟練者に頼ることなく精度よく位置決めすることができ、作業効率を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態を示すマニピュレータの構成図である。図１において、マニピュレータシステム１０は、顕微鏡観察下で細胞等の試料に人工操作（注射操作）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とを備えており、顕微鏡ユニット１２の両側にマニピュレータ１２、１４が分かれて配置されている。
【００１３】
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、ベースに向けて光を照射する光源を備えている。
【００１４】
前記ベース２２上には細胞等の試料（図示省略）が載せられるようになっている。この状態で、ベース２２上の細胞（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で拡大された後カメラ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細胞を観察することができる。なお、この撮像画像の中には、カメラの倍率機能により、前述したマニピュレータ１２、１４に取り付けられホールディングピペット２４、インジェクションピペット３４の先端に取り付けられているキャピラリ（毛細管チップ）２４Ａ、３４Ａの画像も入れることが可能となっている（詳細後述）。なお、ホールディングピペット２４とインジェクションピペット３４とは同一構造であるため、両者を総称する場合は、単に「ピペット２４、３４」という。
【００１５】
（ピペット２４、３４の構造）
図２に基づき、ピペット２４、３４の詳細構造を示す。なお、図２では、ピペット３４、すなわちインジェクションピペット３４を例にとり説明する。
【００１６】
ピペット３４は、円筒状の本体部３４Ｂの先端にキャピラリ保持部３４Ｃが設けられている。このキャピラリ保持部３４Ｃは、本体部３４Ｂよりも拡径された円筒状であり、さらに先端部はテーパ形状とされ、所謂「先細り形状」となっている。
【００１７】
このピペット３４の基部側（図２の右側端部）は、前記Ｚ軸テーブル３８に設けられた取付部３８Ａ（図１では図示省略）に挿入されることで装着される。この装着によって、微動機構４４、４６（図４、図５参照）連結も完了する構造となっている。
【００１８】
ここで、ピペット３４の本体部３４Ｂには、第１の突き当て部材３５が取り付けられている。この第１の突き当て部材３５は、本体部３４Ｂの外径よりも大きい外形をした円筒部材或いは角筒部材である。
【００１９】
この第１の突き当て部材３５は、本体部３４Ｂに予め挿入されており、本体部３４Ｂの軸線方向に移動可能、かつ所定位置で固定可能となっている。この移動と固定を実現する構造としては、第１の突き当て部材３５の内径と本体部３４Ｂの外径とを所定の寸法公差で緊密に収容し、スライド可能としておくと共に、所謂「いもねじ」を外周から螺合することで所定位置で固定する構造が最も単純である。
【００２０】
或いは、本体部３４Ｂの外周に雄ねじを形成しておき、第１の突き当て部材３５の内周に雌ねじを形成しておき、両者を螺合させることで軸線移動させる構造であってもよい。この場合も固定部材としては「いもねじ」が必要であるが、回転を止める部材を取り付けるようにしてもよい。
【００２１】
なお、この第１の突き当て部材３５を用いた位置決めは、後述するカメラ１８で撮像した情報に基づくフィードバック制御による位置決めを実行するときの予調整としても有効である。
【００２２】
予め第１の突き当て部材３５を軸線方向へ所定量移動させ、その後Ｚ軸テーブル装着前にいもねじ等の固定部材で固定する。ここで、ピペット３４をＺ軸テーブル３８へ挿入する（図２（Ａ）参照）。この挿入量は、そのときの試料に対する処置（作業）によって異なるが、ほぼ基準となる位置まで挿入する。これにより、所定以下の力ではピペット３４は移動せず、保持される。
【００２３】
（キャピラリ２４Ａ、３４Ａの構造）
図３に基づき、キャピラリ２４Ａ、３４Ａの詳細構造を示す。なお、図３では、キャリラリ３４Ａを例にとり説明する。
【００２４】
キャピラリ３４Ａは、極細かつ円筒状であり、ピペット３４のキャピラリ保持部３４Ｃに挿入され、装着されている。このキャピラリ３４Ａの基部側（図３の右側端部）は、前記キャピラリ保持部３４Ｃに設けられた取付孔（図１では図示省略）に挿入されることで装着される。
【００２５】
ここで、キャピラリ３４Ａには、第２の突き当て部材３７が取り付けられている。この第２の突き当て部材３７は、キャピラリ３４Ａの外径よりも大きい外形をした円筒部材或いは角筒部材である。
【００２６】
この第２の突き当て部材３７は、キャピラリ３４Ａに予め挿入されており、キャピラリ３４Ａの軸線方向に移動可能、かつ所定位置で固定可能となっている。この移動と固定を実現する構造としては、キャピラリ３４Ａ自体が小さい部材であるため、第２の突き当て部材３７の内周部に弾性部材を設けておき、所定の摩擦力でスライド可能としておくと共に、当該摩擦力で所定以下の力では移動しないように保持する構造が最適である。
【００２７】
なお、この第２の突き当て部材３７を用いた位置決めは、後述するカメラ１８で撮像した情報に基づくフィードバック制御による位置決めを実行するときの予調整としても有効である。
【００２８】
予め定めた位置に摩擦力で第２の突き当て部材３７をスライドさせ、キャピラリ保持部３４Ｃに突き当てる（図３（Ｂ）参照）。ここで、キャピラリ３４Ａをピペット３４のキャピラリ保持部３４Ｃへ挿入する（図３（Ａ）参照）。この挿入量は、そのときの試料に対する処置（作業）によって異なるが、ほぼ基準となる位置まで挿入する。これにより、所定以下の力ではキャピラリ３４Ａは移動せず、保持される。
【００２９】
図１に示される如く、ホールディング用マニピュレータ１４は、Ｘ軸−Ｙ軸−Ｚ軸の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、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２８を駆動する駆動装置３２を備えて構成されている。
【００３０】
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。
【００３１】
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に連結されたホールディングピペット２４は、Ｘ−Ｙ軸テーブル２６とＺ軸テーブル２８の移動に従って三次元空間を移動領域として移動し、ベース２２上の細胞等を保持するように構成されている。
【００３２】
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、Ｘ−Ｙ軸テーブル３６、Ｚ軸テーブル３８、Ｘ−Ｙ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。
【００３３】
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に連結されたインジェクションピペット３４は、Ｘ−Ｙ軸テーブル３６とＺ軸テーブル３８の移動に従って三次元空間を移動領域として移動し、ベース２２上の細胞等の資料に人工操作（注射等）を行うように構成されている。
【００３４】
このように、マニピュレータ１４、１６は、ほぼ同一構成であり、Ｚ軸テーブル２８又は３８に連結されたピペットの種類（ホールディングピペット２４とインジェクションピペット３４）が異なるのみである。従って、以下は、インジェクションピペット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。
【００３５】
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上の細胞等を、針を挿入するための挿入対象とするインジェクションピペット３４を連結している。
【００３６】
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、インジェクションピペット３４の先端側からベース２２上の細胞に対して、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（三次元軸移動テーブル）として構成されている。
【００３７】
また、Ｚ軸テーブル３８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、インジェクションピペット３４をＸ軸−Ｙ軸−Ｚ軸方向へ自在に移動可能に支持するととともに、さあに、インジェクションピペット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。
【００３８】
具体的には、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、並びに図３に示す微動機構４６が選択的に内蔵されている。ここで、本実施の形態では、微動機構４４は、インジェクションピペット３４を軸線方向に微動させるため（具体的には、細胞である資料にキャピラリを挿入するため）の駆動源として適用される。
【００３９】
一方、本実施の形態では、微動機構４６は、インジェクションピペット３４をＸ軸−Ｙ軸−Ｚ軸のそれぞれの方向に微動させるための駆動源として適用される。なお、微動機構４４及び微動機構４６とは、後述するねじ軸５０及びねじ軸７６を軸線方向に移動させるために、圧電素子５４又圧電素子８０に所定の電圧を印加することは同一であるが、構造が若干異なるため、以下にそれぞれの構造を説明する。
【００４０】
（微動機構４４の詳細構造）
図４に示される如く、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を備えており、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５６がねじ軸５０の外周側に収納されており、軸受５８、６０が内輪間座６２を間にしてねじ軸５０にロックナット６６により固定されて収納されている。
【００４１】
軸受５８、６０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ようになっている。軸受５８は、ハウジング４８の内周面に嵌合された間座５６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。
【００４２】
予圧調整は間座５４の長さを調整することによって押圧力を調整させ、軸受５８、６０へ適切な予圧力を与える。これにより、軸受５８、６０に所定の予圧が付与され、軸受５８、６０の外輪間に軸方向間距離としての間隙６３が形成される。圧電素子５４は、孔４８ａ、４８ｂ内にそれぞれ挿入されたリード線７０、７２を介してコントローラ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のインジェクション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。例えば、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として、例えば、矩形波状の電圧が印加されたときには、この印加電圧に応答して、インジェクションピペット３４の先端側からベース２２上の細胞に対して、針を挿入するための押圧力をインジェクションピペット３４に付与し、あるいは、コントローラ４３から微動用電圧が印加されたときには、この印加電圧に応答して、ねじ軸５０をその長手方向（軸方向）に沿って微動させて、インジェクションピペット３４の位置を微調整するようになっている。
【００４３】
（微動機構４６の詳細構造）
図５に示される如く、本実施の形態の微動機構４６は、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用のそれぞれに対応して３個設けられている。
【００４４】
圧電アクチュエータの本体を構成するハウジング７４を備えており、略円筒状に形成されたハウジング７４内には、ねじ軸７６の軸方向一端側と、圧電素子８０、間座８２、軸受８４、８６が収納されている。圧電素子８０は、ねじ軸７６の延長線上に、間座８２を介してねじ軸７６と直列になって配置されており、間座８２は、ねじ軸７６の軸方向端部に噛合されたロックナット８８を囲むように配置されている。軸受８４と軸受８６は内輪間座９０を間にしてねじ軸７６の外周側に配置されている。
【００４５】
軸受８４、８６は、それぞれ内輪８４ａ、８６ａと、外輪８４ｂ、８６ｂと、内輪８４ａ、８６ａと外輪８４ｂ、８６ｂ間に挿入されたボール８４ｃ、８６ｃを備え、各内輪８４ａ、８６ａがねじ軸７６の外周面に嵌合され、各外輪８４ｂ、８６ｂがハウジング７４の内周面に嵌合され、ねじ軸７６を回転可能に支持するようになっている。
【００４６】
ハウジング７４の一端側には、圧電素子８０に対して、ねじ軸７６の軸方向への移動を規制する蓋９４が固定されている。蓋９４には凹部９４ａが形成されているとともに、孔９４ｂ、９４ｅが形成されており、蓋９４の凹部９４ａと間座８２の凹部８２ａとの間に圧電素子８０が挿入されている。
【００４７】
予圧調整は間座８２の長さを調整することによって押圧力を調整させ、軸受８４、８６へ適正な予圧力を与える。これにより、軸受８４、８６に所定の予圧が付与され、軸受８４、８６の外輪間に軸方向間距離としての間隙９３が形成される。
【００４８】
圧電素子８０は、蓋９４の孔９４ｂ、９４ｅ内にそれぞれ挿入されたリード線９６、１０２を介してコントローラ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の長手方向に沿って伸縮する圧電アクチュエータとして構成されている。圧電素子８０は、コントローラ４３からインジェクション用電圧に応答して、ねじ軸７６を微動させ、インジェクションピペット３４を所定の方向（Ｘ軸方向又はＹ軸方向又はＺ軸方向）の移動させるようになっている。
【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、コントローラ４３は、Ｘ−Ｙ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後、微動機構４４または微動機構４６を用いてインジェクションピペット３４を微動駆動することとしている。
【００５０】
このとき、コントローラ４３には、カメラ１８で撮像した画像のデータ、撮像情報が入力されるようになっている。この画像には、ベース２２に載せられた細胞の他、インジェクションピペット３４の先端に着脱可能に取り付けたキャピラリ３４Ａ（毛細管チップ）の画像が含まれるように、カメラ１８の撮像倍率が設定される。
【００５１】
この撮像情報に基づいて、インジェクションピペットの位置を認識し、前記微動機構４６を用いてフィードバック制御することで、例えば、インジェクションピペット３４を最初に装着したときの初期位置決めを自動で行うことが可能となる。
【００５２】
図６は、コントローラ４３における、前記フィードバック制御に関する処理を機能的に示したブロック図である。なお、このブロック図は、コントローラ４３でのハード構成を限定するものではない。
【００５３】
コントローラ４３には、Ｚ軸範囲動作指示部１００が設けられ、外部からこのＺ軸範囲動作指示部１００に対して初期位置設定指示があると、このＺ軸範囲動作指示部１００では、ドライバ１０２を制御して、Ｚ軸用を駆動し、図７（Ａ）に示される如く、インジェクションピペット３４を最下位置から最上位置までの範囲を少なくとも１往復移動させるようにしている。
【００５４】
カメラ１８は、画像解析部１０４に接続され、前記インジェクションピペット３４の移動を撮像した撮像情報が解析される。例えば、画像解析部１０４では、その後の研究材料として必要な条件に基づいて、コントラスト処理やシャープネス処理、シェーディング処理等の画像処理がなさたり、所定の形式（jpeg.、avi.等）にデータ変換されたりする。
【００５５】
本実施の形態では、インジェクションピペット３４のフィードバック制御の実行のため、撮像された画像内のインジェクションピペット３４（実際には、先端に取り付けられたキャピラリ３４Ａ）の画像を検出する。この場合、例えば、予めキャピラリ３４Ａにマーキングをしておいてもよいし、キャピラリ３４Ａ自体の濃度情報を記憶しておいてもよい。
【００５６】
画像解析部１０４には、時間−Ｚ軸位置情報抽出部１０６が接続されており、検出したキャピラリ３４Ａの画像の位置の時間軸変化特性情報を抽出する（図７（Ｂ）の太線参照）。
【００５７】
この時間−Ｚ軸位置情報抽出部１０６で抽出した特性情報は、Ｚ軸適正位置判定部１０８へ送出される。このＺ軸適正位置判定部１０８には、Ｚ軸基準データメモリ１１０が接続されており、このＺ軸基準データメモリ１１０から基準データを読み出して（図７（Ｂ）の細線参照）、前記撮像された特性情報と重ね合わされる。
【００５８】
ここで、Ｚ軸適正位置判定部１０８では、図７（Ｂ）に示す特性を得ることができ、撮像情報が基準値となった時点を適正位置と判別し、判別結果をピペット初期位置動作指示部１１０へ送出する。これにより、ピペット初期位置動作指示部１１０では、前記微動機構ドライバ１０２を制御して、微動機構４６を駆動し、インジェクションピペット３４をＺ軸方向初期位置に位置決めする。
【００５９】
以下に本実施の形態の作用を説明する。まず、本実施の形態のマニピュレータシステム１０を使用する場合、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のそれぞれのＺ軸テーブル２８、３８に各々ホールディングピペット２４、インジェクションピペット３４を装着する。
【００６０】
その手順を、インジェクション用マニピュレータ１６を例にとり以下に説明する。なお、ホールディング用マニピュレータ１４については、同一の手順となるので、説明を省略する。
【００６１】
最初に、単体のピペット３４に対してキャピラリ３４Ａを装着する。このとき、キャピラリ３４Ａには、予め第２の突き当て部材３７が挿入されており、キャピラリ３４Ａの軸線方向に移動可能、かつ所定位置で固定可能に保持されている。
【００６２】
予め、摩擦力で第２の突き当て部材３７をスライドさせ所定位置にセットする。この状態でキャピラリ３４Ａをピペット３４のキャピラリ保持部３４Ｃへ挿入する。この挿入量は、第２の突き当て部材と接触する位置までである。これにより、所定以下の力ではキャピラリ３４Ａは移動せず、保持される。
【００６３】
キャピラリ３４Ａは、キャピラリ保持部３４Ｃへ最初に取り付ける際、或いは、一旦取り付けた後再度取り外して装着する、といったことが予測される。この場合、その都度、熟練者がキャピラリ３４Ａとキャピラリ保持部３４Ｃとの相対位置関係を調整しなければならなかった。
【００６４】
しかし、本実施の形態では、最初に位置決めをしたときに、第２の突き当て部材３７をキャピラリ保持部３４Ｃに突き当たるまで移動させ、固定しておく。これにより、次の装着の際には、キャピラリ保持部３４Ｃへの挿入量が同一となり、熟練者によらなくても、キャピラリ３４Ａを位置決めすることが可能となる。
【００６５】
次に、キャピラリ３４Ａが装着されたピペット３４をＺ軸テーブル３８へ装着する。このとき、ピペット３４には、予め第１の突き当て部材３５が挿入されており、ピペット３４の軸線方向に移動可能、かつ所定位置で固定可能に保持されており、設定位置でいもねじ等の固定部材で固定する。この状態でピペット３４をＺ軸テーブル３８へ挿入する。ピペットをＺ軸テーブル２８、３８に突き当て固定する。これにより、所定以下の力ではピペット３４は移動せず、保持される。
【００６６】
ここで、ピペット３４は、Ｚ軸テーブル３８へ最初に取り付ける際、或いは、一旦取り付けた後再度取り外して装着する、といったことが予測される。この場合、その都度、熟練者がピペット３４とＺ軸テーブル３８との相対位置関係を調整しなければならなかった。
【００６７】
しかし、本実施の形態では、最初に位置決めをしたときに、第１の突き当て部材３５をＺ軸テーブル３８に突き当たるまで移動させ、固定しておく。これにより、次の装着の際には、Ｚ軸テーブル３８への挿入量が同一となり、熟練者によらなくても、ピペット３４を位置決めすることが可能となる。
【００６８】
なお、この第１の突き当て部材３５を用いた位置決めは、後述するカメラ１８で撮像した情報に基づくフィードバック制御による位置決めを実行するときの予調整としても有効である。
【００６９】
図８のフローチャートに従い、インジェクションピペット３４のＺ軸方向の位置決め制御について説明する。ステップ１５０では、位置決め指示があったか否かが判断され、否定判定された場合は、位置決め制御の時期ではないと判断し、このルーチンは終了する。
【００７０】
また、ステップ１５０では肯定判定された場合には、位置決め制御の時期であると判断し、ステップ１５２へ移行する。ステップ１５２では、Ｚ軸微動機構４６によりインジェクションピペット３４をＺ軸の移動範囲で１往復動作させる。
【００７１】
次のステップ１５４では、上記１往復動作の状態をカメラ１８を用いて撮像し、ステップ１５６へ移行する。ステップ１５６では、上記撮像されたインジェクションピペットの撮像位置データと、基準データとを比較し、適正な初期位置を判別する（ステップ１５８）。次のステップ１６０では、Ｚ軸によりインジェクションピペット３４を最適位置へ移動させ、このルーチンは終了する。
【００７２】
このように、カメラ１８の撮像情報を用い、フィードバック制御によってインジェクションピペットの位置決めを行うようにしたため、熟練者による位置決め作業が不要となり、作業効率を向上することができる。
【００７３】
なお、この場合、上記のようにインジェクションピペット３４をＺ軸テーブル３８へ装着するときに、第１の突き当て位置決め部３５がＺ軸テーブル３８の所定位置に突き当てられることでほぼ適正な位置に位置決めされ、かつ、キャピラリ３４Ａをインジェクイションピペット３４へ装着するときに、第２の突き当て位置決め部３７がインジェクイションピペット３４の所定位置に突き当てられることでほぼ適正な位置に位置決めされているので、カメラ１８の撮像情報に基づく位置決めのための移動量な僅かな移動範囲で足り得る。
【００７４】
言い換えれば、準備段階としての予位置決めがなされることで、本実施の形態のフィードバック制御による位置決め制御がより有効となる。
【００７５】
このように、本実施の形態のマニピュレータシステム１０では、ミリメートルオーダの駆動から回転モータの分解能以下の微小駆動までの動作が可能となり、かつ操作が容易なマニピュレータシステムを構成することが可能になる。さらに、ピペット２４、３４のＺ軸テーブル２８、３８への装着、並びに、キャピラリ２４Ａ、３４Ａのピペット２４、３４への装着に際し、ピペット２４、３４には第１の突き当て部材３５を設け、キャピラリ２４Ａ、３４Ａには第２の突き当て部材３７を設けたため、手作業であっても、ある程度の位置決め精度を期待することができ、その後に実行されるカメラ１８の撮像情報に基づくフィードバック制御による位置決めの調整量を少なくすることができ、位置決め作業効率を向上することができる。
【００７６】
なお、本実施の形態ではインジェクションピペット３４の位置決め制御について説明したが、ホールディングピペット２４の位置決め制御に用いてもよい。
【００７７】
また、マニピュレータシステム１０として、ホールディング用マニピュレータ１４では、モータ駆動による駆動装置３０、３２を用いたＸ−Ｙ軸テーブル２６、Ｚ軸テーブル２８と、前記Ｚ軸テーブル２８にさらにナノポジショナとしての微動機構４４、４６を搭載し、インジェクション用マニピュレータ１６では、モータ駆動による駆動装置４０、４２を用いたＸ−Ｙ軸テーブル３６、Ｚ軸テーブル３８と、前記Ｚ軸テーブル３８にさらにナノポジショナとしての微動機構４４、４６を搭載したが、それぞれＸ−Ｙテーブル２８、３８、並びにＺ軸テーブル２８、３８の駆動源である駆動装置３０、３２、４０、４２として、微動機構４４、４６を用いてもよい。この場合、マニピュレータシステム１０の調整は１段階（微調整のみ）となる。
【００７８】
さらに、微動機構４４をピペット２４、３４の軸線移動の微調整用とし、微動機構４６をピペット２４、３４のＸ軸−Ｙ軸−Ｚ軸方向の微調整用としたが、組み合わせに限定はなく、微動機構４４をＸ軸−Ｙ軸−Ｚ軸方向の微調整に用いてもよいし、微動機構４６をピペット２４、３４の軸線移動の微調整に用いてもよい。また、何れか一方のみを適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の一実施形態を示すマニピュレータシステムの構成図である。
【図２】（Ａ）はピペットのＺ軸テーブルへの挿入時の正面図（挿入途中）、（Ｂ）はピペットのＺ軸テーブルへの挿入時の正面図（挿入完了時）である。
【図３】（Ａ）はキャピラリのＺ軸テーブルへの挿入時の正面図（挿入途中）、（Ｂ）はキャピラリのＺ軸テーブルへの挿入時の正面図（挿入完了時）である。
【図４】微動機構（ピペット軸移動用）の詳細を示す断面図である。
【図５】微動機構（ピペットＸ−Ｙ−Ｚ方向移動用）の詳細を示す断面図である。
【図６】コントローラにおけるカメラの撮像情報に基づく位置決めフィードバック制御のための機能ブロック図である。
【図７】（Ａ）はカメラで撮像するときのピペットの動作状態を示す正面図、（Ｂ）は図７（Ａ）の動作時の撮像情報特性図である。
【図８】カメラの撮像情報に基づく位置決めフィードバック制御のためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００８０】
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
１６ インジェクション用マニピュレータ
１８ カメラ（撮像手段）
２０ 顕微鏡
２２ ベース
３４ インジェクションピペット
３４Ａ キャピラリ
３４Ｂ 本体部
３４Ｃ キャピラリ保持部
３５ 第１の突き当て部材
３６ Ｘ−Ｙ軸テーブル（移動機構）
３７ 第２の突き当て部材
３８ Ｚ軸テーブル（移動機構）
４０ 駆動装置（移動機構）
４２ 駆動装置（移動機構）
４３ コントローラ
４６ 微動機構（ナノポジショナ）
７６ ねじ軸
８０ 圧電素子
１００ Ｚ軸範囲動作指示部（位置決め制御手段）
１０２ 微動機構ドライバ
１０４ 画像解析部（位置決め制御手段）
１０６ 時間−Ｚ軸位置情報抽出部（位置決め制御手段）
１０８ Ｚ軸適正位置判定部（位置決め制御手段）
１１０ Ｚ軸基準データメモリ（位置決め制御手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空筒状のボディを備え、試料に対して所定の操作を行うピペットであって、
Ｘ軸−Ｙ軸−Ｚ軸の三次元空間へ移動可能なマニピュレータへ装着するときに、当該装着操作方向の移動を、前記マニピュレータに突き当たることで制限する第１の突き当て部材を設けたことを特徴とするピペット。
【請求項２】
中空筒状のボディを備え、試料に対して所定の操作を行うピペットであって、
前記ピペットの先端には、毛細管チップとしてのキャピラリが着脱可能であり、前記キャリラリには、前記ピペットへ装着するときの装着操作方向の移動を、前記ピペットに突き当たることで制限する第２の突き当て部材を設けたことを特徴とするピペット。
【請求項１】
中空筒状のボディを備え、試料に対して所定の操作を行うピペットであって、
Ｘ軸−Ｙ軸−Ｚ軸の三次元空間へ移動可能なマニピュレータへ装着するときに、当該装着操作方向の移動を、前記マニピュレータに突き当たることで制限する第１の突き当て部材を設けたことを特徴とするピペット。
【請求項２】
中空筒状のボディを備え、試料に対して所定の操作を行うピペットであって、
前記ピペットの先端には、毛細管チップとしてのキャピラリが着脱可能であり、前記キャリラリには、前記ピペットへ装着するときの装着操作方向の移動を、前記ピペットに突き当たることで制限する第２の突き当て部材を設けたことを特徴とするピペット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−２２９７７９（Ｐ２００８−２２９７７９Ａ）
【公開日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−７３３０８（Ｐ２００７−７３３０８）
【出願日】平成１９年３月２０日（２００７．３．２０）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２０日（２００７．３．２０）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
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