JPH0659632B2 - 微細物体操作装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は細胞等の微細物体を挟持操作あるいは回転操作
可能な微細物体操作装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、個々の細胞を操作する技術としてマイクロマニピ
ュレーティングという技術がある。これは細胞操作を行
なう操作具を、例えば油圧リニアモータの先端に取付
け、ジョイスティック等で電気的に動作させることによ
って、細胞を顕微鏡下で吸引，切断，注入，選別等の操
作を行なう技術である。

細胞操作においては、１０〜３００μｍ程度の大きさを
有する細胞及びその中の５〜１０μｍの核プラスミド
（細胞中の染色体以外のＤＮＡ断片）を操作することが
必要であると言われている。

このような細胞操作を従来のマイクロマニピュレータで
行なう場合、次のような問題があった。

リニア動作しか出来ない。

位置決め精度が悪い。

腕が長すぎて、外部振動の影響を受け易い。

細胞内注入，脱核，切断時の力の入れ方を微妙にコン
トロールしにくい。

ところで圧電素子を駆動源とした圧電アクチュエータ
は、次のような特徴を有している。

０．１μｍ以下の高精度な位置決めができる。

高速、コンパクトなものとなる。

リニアな変位だけでなく屈曲，ねじれ，表面波の励起
など、フレキシブルな機械的動作が可能である。

本発明者らは、上記特徴に注目して圧電アクチュエータ
のマイクロマニピュレータへの応用を検討し、従来のマ
ニピュレータの種々の欠点をもたない圧電型ピンセット
を開発した。すでに出願している圧電型ピンセットは以
上の様な圧電アクチュエータの特徴を利用したものであ
る。

第８図はその圧電型ピンセットの概要を示す図である。
第８図に示す如く、ピンセット本体１に圧電バイモルフ
又は積層圧電体等からなる圧電素子２ａ，２ｂを接合
し、端子Ｔ１，Ｔ２に所定極性の電圧を印加することに
よって、圧電素子を作動させ、ピンセット先端部３ａ，
３ｂを開閉脚させることにより、細胞４の挟持操作を行
なうようにしたものである。なお第８図中、５はステー
ジ、６は上記ステージに設けたセル、７は顕微鏡の対物
レンズである。

上記圧電型ピンセットによれば、細胞等の微細物を高精
度に挟持操作することが可能となる。しかし、この圧電
型ピンセットには、シャーシ等に浮遊した細胞を挟持す
る前に、その位置で細胞を回転させるという機能はな
い。しかるに実際に細胞操作する場合、例えばマウス等
の受精卵への核移植の実験等を行なう場合、移植しよう
とする受精卵中の雌雄の前核をもとに同一平面にくるよ
うに受精卵を動かした後、保持するという操作が必要と
なる。このような場合、先ず、卵細胞をその位置で回転
させるという動作が必要になる。

第９図はこの様な細胞の回転を行なわせる為の従来の手
段を示す図である。この手段は、マイクロピペット８の
吸入，吐出による細胞浮遊液の流れａを利用し、細胞４
に矢印のような回転力を与えるようにしたものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし上記回転操作手段では、浮遊液の吸入を、操作す
る細胞４の近傍では行なえない上、吸入した浮遊液を吐
出させる方向を決めることが非常に難しい。このため精
度の高い回転動作を繰返し行なうことができない。また
浮遊液の吐出時に細胞４を移動させてしまう難点もあ
る。特に細胞４を顕微鏡視野外に移動させてしまうと、
顕微鏡下での細胞操作が不可能になってしまうという問
題があった。

そこで本発明は、細胞等の微細物体を挟持可能であるの
は勿論、迅速かつ適確に回転操作することが可能で、自
由度の高い微細物体操作装置を提供することを目的とす
る。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記問題点を解決し、目的を達成するために次
のような手段を講じた。すなわち、微細物体を挟持可能
な複数の挟持部材を設け、これらの挟持部材の少なくと
も１つに、微細物体に回転運動を付与可能な如く２方向
に屈曲変位可能な圧電素子を装着した。

〔作用〕

このような手段を講じたことにより、細胞等の微細物体
を挟持可能であるのは勿論、適時回転操作することが可
能となる。

次に本発明の詳細を図面を用いて説明する。第１図〜第
３図は本発明の微細物体操作装置の概要を示す図であ
る。第１図は本装置において用いられる圧電バイモルフ
の基本構造を示す図である。図中１０は基端ブロックで
あり、中央部に固定用ねじ穴１０ａが設けてある。１１
は上記基端ブロック１０と一体的に形成された金属板で
あり、その先端には挟持脚取付け孔１１ａと、この取付
け孔１１ａと直交するように固定ねじ穴１１ｂが設けら
れている。１２はバイモルフ構造の圧電素子であり、前
記金属板１１の背面に装着されている。この圧電素子１
２は、複数の圧電板同士、又は圧電板と金属板、又は圧
電板とガラス板などを張合わせた構造になっていて、こ
れに端子Ｔ１，Ｔ２から電圧を印加し得るものとなって
いる。

今、所定極性の電圧を印加すると、圧電バイモルフはそ
の電圧極性に応じて屈曲方向を変え、電圧の大きさに応
じて屈曲度を変える。そこで電圧印加を制御することに
より、圧電バイモルフの先端が円運動を描く様に変位さ
せると、細胞に回転力を与え得る。この場合、円または
楕円運動が生じなければ、近接した細胞を回転させるこ
とはできない。又単に一つの圧電バイモルフのみを円又
は楕円運動させただけでは、細胞が顕微鏡視野から逃げ
てしまうおそれがある。

第２図は、これを防ぐ為の手段を示す図である。同図に
示す如く、回転操作用圧電バイモルフの先端（不図示）
と対向するように、細胞４を定置させる為に細胞対向面
を凹球面状に形成した支え部材２１が設けられている。
このような支え部材２１を用いることにより、細胞４に
円または楕円運動２２を与えた場合でも、細胞４を定置
に保持し得ることになる。支え部材２１としては他の複
数（例えば合計３つ以上）の圧電バイモルフを利用する
とよい。しかし必ずしも圧電バイモルフでなくても良
く、定置させ得る先端形状を有するガラス又はプラスチ
ック材で構成してもよい。

本発明においては、圧電バイモルフの先端部の変位軌跡
が円又は楕円になることが重要である。しかるに第１図
に示した構成のものでは、単に振子式の往復変位のみの
振動であるため、微小回転運動は可能であるが、３６０
°回転させるといった大きな角度の回転をさせるには不
具合がある。

第３図はこのような点を考慮して構成された圧電バイモ
ルフである。すなわち、３１は弾性金属角棒であり、こ
の弾性金属角棒３１の９０°異なる面に、それぞれ第
１，第２の圧電素子３２ａ，３２ｂを接合したものであ
る。このような構成のものであれば、２つの直交した方
向Ａ，Ｂの変化が可能であり、両変位間の位相と振幅を
変化させることにより、円運動や楕円運動を確実に生じ
させ得る。

〔実施例〕

第４図は本発明の第１実施例を示す斜視図である。本実
施例は第２図に示した支え部材と、第３図に示した圧電
バイモルフとを組合わせた構成の微細物体操作装置であ
る。図中４０は表面をガラス被膜処理した金属棒あるい
は化学的に安定な樹脂材料で形成した一方の挟持部材と
しての固定部材であり、その先端部には細胞固定用の凹
球面を有するヘッド４０ａが設けてある。４１は他方の
挟持部材としての金属角棒であり、その異なる二面には
第１，第２の圧電素子４２ａ，４２ｂが接合されてい
る。このように形成された２方向変位圧電バイモルフの
先端取付け穴には、回転操作用のガラス棒４３が取付け
られている。なお第４図においては、他端の図示を省略
しているが、各他端を別々の台座に固定しても良いし、
共通の台座に固定しても良いことは言うまでもない。

このように構成された本装置においては、第１の圧電素
子４２ａに印加する交流電圧と第２の圧電素子４２ｂに
印加する交流電圧との位相差ψおよび振幅比Ｋを種々組
合わせることによって、ガラス棒４３の先端部の描く軌
跡を種々変えることができる。例えばψ＝０の時は直線
運動となり、同時にＫを変化させていくと、水平面に対
する角度が変化することになる。又、ψ＝９０°でＫ＝
１とすると円運動、Ｋ≠０とすると楕円運動をすること
になる。かくして操作自由度の大きな微細物体操作装
置、特に細胞の回転操作を適確に行なえる装置を実現す
ることができる。

第５図は本発明の第２実施例を示す斜視図である。本実
施例においては、前記実施例のような細胞を支えるため
の固定部材は格別に設けられておらず、代りに３本の圧
電バイモルフ５１，５２，５３が設けられている。

このように構成された本実施例においては、圧電バイモ
ルフ５１〜５３のうち、２本が前記固定部材の役割を果
たし、残りの一本が細胞を回転操作する部材として働く
ことになる。したがって、３本のうち２本は特に圧電バ
イモルフである必要はないが、細胞４の挟持，回転のみ
ならず、細胞を故意に変形させるといった実験を同時に
行なうような場合もあるので、そのような場合には３本
とも圧電バイモルフである方が、利用価値が高いといえ
る。なお第５図においては圧電素子へのリード線の配線
は図示を省略してあるが、第１実施例と同じである。

第６図は本発明の第３実施例を示す斜視図である。本実
施例においては、２方向屈曲変位する２つの圧電バイモ
ルフ６１，６２をＬ字状固定部材６０の一辺に取付け、
他の１つの圧電バイモルフ６３をＬ字状固定部材６０の
他の一辺に取付けた構造を有している。

この様に本実施例においては、複数の圧電バイモルフの
取付け方向が互いに直交する様に配置されているので、
第７図の様に圧電バイモルフ６１，６２による回転方向
と、圧電バイモルフ６３による回転方向とを直交させる
ことが可能となる。したがって例えば移植しようとする
受精卵中の雌雄の前核をともに同一平面にくる様に動か
すという操作を容易に行なえる。

なお本発明は前記核実施例に限定されるものではなく、
本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施例可能で
あるのは勿論である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、微細物体を挟持可能な複数の挟持部材
を設け、これらの挟持部材の少なくとも１つに、微細物
体に回転運動を付与可能な如く２方向に屈曲変位可能な
圧電素子を装着したので、細胞等の微細物体を挟持可能
であるのは勿論、細胞等の微細物体を迅速かつ適確に適
時回転操作することが可能で、操作自由度の高い微細物
体操作装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明の微細物体操作装置の概要を示
す図である。第４図は本発明の第１実施例を示す斜視
図、第５図は本発明の第２実施例を示す斜視図、第６図
は本発明の第３実施例を示す斜視図、第７図は同第３実
施例の作用を示す図である。第８図は圧電型ピンセット
の概要を示す図、第９図は細胞に回転を与える従来の手
段を示す図である。 １０……基端ブロック、１１……金属板、１２……バイ
モルフ構造の圧電素子、２１……支え部材、３１……弾
性金属角棒、３２ａ，３２ｂ……第１，第２の圧電素
子、４０……固定部材、４１……弾性金属角棒、４１，
４２……第１，第２の圧電素子、５１，５２，５３……
圧電バイモルフ、６０……Ｌ字状固定部材、６１〜６３
……圧電バイモルフ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一端が固定された角棒状弾性体と、 この角棒状弾性体の伸長方向に対し直交する面にそれぞ
   れ設けられた第１，第２の電気−機械エネルギー変換素
   子と、 上記角棒状弾性体の他端に接合された棒状弾性体と、 この棒状弾性体の先端部に対向して設けられた挟持部
   と、 を具備することを特徴とする微細物体操作装置。
2. 【請求項２】角棒状弾性体と、この角棒状弾性体の伸長
   方向に対し直交する面にそれぞれ設けられた第１，第２
   の電気−機械エネルギー変換素子と、上記角棒状弾性体
   の一端に接合された棒状弾性体とからなる振動体を複数
   有しており、 これら複数の振動体が、角棒状弾性体の他端でそれぞれ
   結合されていることを特徴とする微細物体操作装置。
3. 【請求項３】一端が固定された角棒状弾性体と、この角
   棒状弾性体の伸長方向に対し直交する面にそれぞれ設け
   られた第１，第２の電気−機械エネルギー変換素子と、
   上記角棒状弾性体の他端に接合された棒状弾性体とから
   なる振動体を複数個有しており、 これら複数の振動体が、それぞれの角棒状弾性体の伸長
   方向に直交して設けられていることを特徴とする微細物
   体操作装置。