JP2012003036A

JP2012003036A - 観察装置

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Publication number: JP2012003036A
Application number: JP2010137912A
Authority: JP
Inventors: Tetsuji Konuki; 哲治小貫; Susumu Hagiwara; 進萩原; Shinji Hasegawa; 信二長谷川
Original assignee: Nikon Engineering Co Ltd
Current assignee: Nikon Engineering Co Ltd
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2012-01-05
Anticipated expiration: 2030-06-17
Also published as: JP5513273B2

Abstract

【課題】観察装置のステージのシール性を向上させる。
【解決手段】観察装置は、結像光学系と、ターレット１２の着脱が可能であり、照明光を透過するための観察窓３９が設けられている試料台３３と、回転軸４７Ａ回りに回転することによりターレット１２を中心１２Ａを軸に回転させるピニオンギア７１と、回転軸４８Ａ回りに回転することによりターレット１２を回転軸４７Ａを中心とする矢印Ａ２の方向に移動させる偏芯カム７３と、ターレット１２を水平方向に押す力が付与されるともに、ターレット１２を押す方向およびその逆方向に移動可能に支持される回転軸７６回りに回転する回転体７７とを備える。本発明は、例えば、細胞の観察装置に適用できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、観察装置に関し、特に、細胞の培養観察に用いて好適な観察装置に関する。

近年、再生医療や創薬分野などで細胞を培養する研究開発が盛んであり、例えば、細胞を培養するための培養装置（インキュベータ）と、細胞の様子を観察するための顕微鏡などの観察装置とを組み合わせて、細胞の培養観察が行われている。

細胞を培養するためには、培養装置の室内を生体内に似た環境、例えば、温度を約３７℃、湿度を約９５〜１００％、炭酸ガスの濃度を約５％に保つ必要がある。このように培養装置の室内は高温多湿であるため、顕微鏡などの光学装置や、ステージを駆動するモータなどの駆動部品を設置すると、それらの装置や部品がダメージを受けてしまう。

そこで、従来、試料容器が設置されるトレイを載置するための回転ベース（ステージ）が設けられ、試料容器内の細胞の培養を行うインキュベータ室と、回転ベースを駆動するモータを収納するモータ室とを分離するとともに、インキュベータ室内の雰囲気がモータ室に漏れないようにシールすることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の培養顕微鏡では、モータ室内のθステージモータにより回転ベースを回転させるとともに、Ｒステージモータにより回転ベースを直線移動させる。これにより、試料容器内の試料の位置をＲθ極座標系で移動させることができる。

特開２００６−１１４１５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の培養顕微鏡では、回転ベースを直線移動させるために、インキュベータ室とモータ室との境界のシール部分に直線状の開口部を設ける必要がある。従って、シール構造が複雑になり、かつ、シール部分の耐久性が低下するため、シール性が低下する。また、例えば、回転ベース上で培養液などの液体をこぼしたときに、こぼした培養液が、直線状の開口部からモータ室に漏れるおそれがある。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、観察装置のステージのシール性を向上させるようにするものである。

本発明の一側面の観察装置は、観察試料の像を結像する結像光学系と、前記結像光学系を収容し、上面に前記結像光学系で集光される光束が透過可能な窓を有する筐体と、前記筐体の上面の前記窓が備えられた位置を覆うように備えられ、外周の少なくとも一部が円弧であり、前記観察試料を載置するテーブルと、前記筐体の上面に備えられ、前記テーブルの前記円弧と接し、前記テーブルの前記観察試料を載置する面に対して垂直な方向に設定された第１の回転軸を中心に回転可能な円形の回転部材と、前記筐体の上面に備えられ、前記回転部材とは異なる位置で前記テーブルの前記円弧と接し、前記第１の回転軸と平行な第２の回転軸を中心に回転可能な偏芯カムと、前記筐体の上面に備えられ、前記回転部材および前記偏芯カムとは異なる位置で前記テーブルを前記回転部材または前記偏芯カムの方へ押すように前記テーブルの前記円弧と接する付勢部材とを備える。

本発明の一側面においては、回転部材が第１の回転軸回りに回転することにより、テーブルがテーブルの円弧の中心を軸に回転し、偏芯カムが第２の回転軸回りに回転することにより、テーブルが第１の回転軸を中心とする円周方向に移動する。

本発明の一側面によれば、観察装置のステージのシール性を向上させることができる。

本発明を適用した観察システムの一実施の形態を模式的に示す図である。ターレットを駆動するための部材の配置例を示す図である。ターレットが設置された試料台を上から見た上面図である。ターレットが設置された試料台を斜め上から見た斜視図である。ターレットが設置された試料台を横から見た側面図である。試料台を裏から見た裏面図である。ターレットの移動範囲の例を示す図である。本発明を適用した培養観察システムの一実施の形態を模式的に示す図である。試料台にフラスコを設置した例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施の形態という）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．実施の形態
２．変形例

＜１．実施の形態＞
［観察システムの構成例］
図１は、本発明を適用した観察システムの一実施の形態を模式的に示す図である。

観察システム１は、例えば、試料を載置するためのテーブルであるターレット１２に載置された、透明なプラスチック製のディッシュ２内の試料（例えば、細胞など）を観察するためのシステムである。

観察システム１は、観察装置１１、ターレット１２、および、パーソナルコンピュータ（以下、ＰＣと称する）１３により構成される。ＰＣ１３は、接続ケーブル１４を介して、観察装置１１の筐体３１に設けられている接続端子３２に接続される。

観察装置１１の円筒形の筐体３１の上面は、ターレット１２を設置する円板上の試料台３３となっている。筐体３１と試料台３３とは、例えばＯリングにより構成されるリング状のシール３５を介して接合され、筐体３１と試料台３３とにより密閉された空間である観察室３４が形成される。

なお、図１では、筐体３１を透過させて観察室３４の内部を図示している。

試料台３３の上には、先端に照明光学系３７が設けられた照明スタンド３６が設置されている。照明光学系３７は、図示せぬ光源およびレンズ等により構成され、光源から発せられた照明光をディッシュ２内の試料に照射する。また、照明スタンド３６は、観察室３４の密閉性を保つために、例えばＯリングにより構成されるリング状のシール３８を介して、試料台３３の取付穴３３Ａ（図３）に接合される。

試料台３３の一部には、ガラスなどの無色透明な材質により構成される観察窓３９が設けられている。そして、ディッシュ２内の試料に照射された照明光のうち試料を透過した光（以下、観察光と称する）が、ディッシュ２および観察窓３９を透過して、観察室３４に入射する。

観察室３４に入射した観察光による試料の像は、観察室３４内に設けられている結像光学系により結像され、撮影される。より具体的には、観察室３４に入射した観察光は、対物レンズ４０を透過し、折曲げミラー４１により反射され、結像レンズ４２により、カメラ４３に設けられているイメージセンサ（例えば、ＣＣＤイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサなど）の受光面において結像する。カメラ４３は、観察光による試料の像を撮影し、得られた画像データを接続端子３２および接続ケーブル１４を介して、ＰＣ１３に供給する。ＰＣ１３は、取得した画像データに基づいて、撮影した試料の画像を表示する。このようにして、ディッシュ２内の試料を、ディッシュ２の底を通して下方から観察することができる。

なお、対物レンズ４０の焦点は、オートフォーカス（ＡＦ）機構４４により自動調整される。

また、観察室３４内には、上述した結像光学系の他に、コントローラ４５、ドライバ４６、θモータ４７、および、Ｒモータ４８の駆動系が設けられている。

コントローラ４５は、接続ケーブル１４および接続端子３２を介してＰＣ１３から入力される指令に従って、ドライバ４６を制御して、θモータ４７およびＲモータ４８を駆動する。

θモータ４７は、例えば、ステッピングモータにより構成され、ピニオンギア７１（図２）を駆動する。

Ｒモータ４８、例えば、ステッピングモータにより構成され、偏芯カム７３（図２）を駆動する。

［ターレットの駆動方法］
次に、図２乃至図６を参照して、ターレット１２の駆動方法について説明する。なお、図２は、ターレット１２を駆動するための部材の配置例を示している。より具体的には、図２の右上の図は、ターレット１２を上から見たときの各部材の配置例を示し、左側の図は、右上の図のターレット１２を左方向の側面図を示し、下側の図は、右上の図のターレット１２の下方向の側面図を示している。なお、図２の右上の図においては、ターレット１２等の部材を簡略化して図示している。

また、図３はターレット１２が設置された試料台３３を上から見た上面図、図４はターレット１２が設置された試料台３３を斜め上から見た斜視図、図５はターレット１２が設置された試料台３３を横から見た側面図、図６は試料台３３を裏から見た裏面図である。なお、図３乃至図６において、筐体３１、照明スタンド３６、および、照明光学系３７の図示は省略している。

図２に示されるように、ターレット１２の外周の側面は、表面が滑らかな円筒部６１と歯車部６２の２層構造となっている。また、ターレット１２には、ディッシュ２を置くための円形の開口部６３ａ乃至６３ｅが形成されている。なお、ターレット１２に形成される開口部の数は、任意の数に設定することができる。

θモータ４７は、回転軸４７Ａが試料台３３に対して垂直になるように試料台３３の裏面に設置されている。回転軸４７Ａは、試料台３３を貫通し、試料台３３側でピニオンギア７１が取付けられている。また、回転軸４７Ａが試料台３３を貫通する部分において、観察室３４の密閉性を保つために、例えばＯリングにより構成されるリング状のシール７２が回転軸４７Ａの周囲に設けられている。

ピニオンギア７１は、所定の位置において、ターレット１２の歯車部６２と歯合し、ターレット１２を水平方向に支持している。そして、ピニオンギア７１が、θモータ４７により駆動され、回転軸４７Ａ回りに回転することにより、ターレット１２は、中心１２Ａを軸に矢印Ａ１（図２）の方向に回転する。これにより、ターレット１２上のディッシュ２内の試料の位置を、Ｒθ極座標系のθ方向に移動させることができる。

Ｒモータ４８は、回転軸４８Ａが試料台３３に対して垂直になるように試料台３３の裏面に設置されている。回転軸４８Ａは、試料台３３を貫通し、試料台３３側で偏芯カム７３が取付けられている。また、回転軸４８Ａが試料台３３を貫通する部分において、観察室３４の密閉性を保つために、例えばＯリングにより構成されるリング状のシール７４が回転軸４８Ａの周囲に設けられている。

偏芯カム７３は、その外周部が回転軸に対して、等距離にならないように外周形状が形成されている。偏芯カム７３の設置位置は、ターレット１２とピニオンギア７１とが接する部分からターレット１２の外周方向に約９０度離れた位置となっている。偏芯カム７３の外周は、ターレット１２の円筒部６１と接し、ターレット１２を水平方向に支持している。そして、偏芯カム７３が、Ｒモータ４８により駆動され、回転軸４８Ａ回りに回転することにより、ターレット１２は、回転軸４７Ａを中心とする円周方向（矢印Ａ２（図２）の方向）に移動する。これにより、ターレット１２上のディッシュ２内の試料の位置を、Ｒθ極座標系のＲ方向に近似的に移動させることができる。

また、図１では図示が省略されているが、図２乃至図６に示されるように、付勢レバー機構７５が、その軸７５Ａが試料台３３に対して垂直になるように試料台３３の裏面に設置されている。軸７５Ａは、試料台３３を貫通し、試料台３３側で付勢レバー７５Ｂが取付けられている。なお、図示を省略しているが、軸７５Ａが試料台３３を貫通する部分において、観察室３４の密閉性を保つために、例えばＯリングにより構成されるシールが軸７５Ａの周囲に設けられている。試料台３３に対して垂直な回転軸７６は、軸回りに回転でき、かつ、軸７５Ａを軸とする矢印Ａ３（図２）の方向およびその逆方向に移動できるように、付勢レバー７５Ｂの先端に支持されている。また、回転軸７６は円板上の回転体７７を貫通しており、回転体７７は回転軸７６回りに回転する。

回転体７７は、ターレット１２とピニオンギア７１とが接する部分、および、ターレット１２と偏芯カム７３とが接する部分から、ターレット１２の外周方向にそれぞれ約１３５度離れた位置において、ターレット１２の円筒部６１と接している。

付勢レバー機構７５は、軸７５Ａを軸に矢印Ａ３の方向に回転させる力を付勢レバー７５Ｂに与える。これにより、回転軸７６を介して付勢レバー７５Ｂに接続されている回転体７７に、軸７５Ａを軸とし、試料台３３に対して水平な矢印Ａ３の方向にターレット１２を押す力が付与される。その結果、ターレット１２の水平方向の位置が安定する。

なお、図３乃至図５に示されるように、ターレット１２の回転中にディッシュ２の水平方向の位置をより安定させるために、ターレット１２の中心にディッシュ２のロック機構６４を設けるようにしてもよい。

ここで、図７を参照して、ターレット１２の移動範囲について説明する。なお、図７の矢印Ａ１１は、ターレットの開口部６３ａが、試料台３３の観察窓３９の上に位置する場合の、開口部６３ａの中心の移動方向の例を示している。

例えば、ターレット１２の開口部６３ａの中心は、偏芯カム７３の回転に伴い、θモータ４７の回転軸４７Ａを軸に、矢印Ａ１１の方向に移動する。すなわち、開口部６３ａの中心は、試料台３３の外周から離れる方向（矢印Ａ１１の上方向）または試料台３３の外周に近づく方向（矢印Ａ１１の下方向）に移動する。また、開口部６３ａの中心は、試料台３３の外周から最も離れた状態において、ピニオンギア７１の回転に伴い、ターレット１２の中心１２Ａを軸に、矢印Ａ１２の方向に移動する。さらに、開口部６３ａの中心は、試料台３３の外周に最も近い状態において、ピニオンギア７１の回転に伴い、ターレット１２の中心１２Ａを軸に、矢印Ａ１３の方向に移動する。従って、開口部６３ａの中心上に置かれた試料は、観察窓３９上の斜線で示される範囲Ｂ内の任意の位置に移動させることができる。

なお、矢印Ａ１２と矢印Ａ１３の間の間隔ｘは、偏芯カム７３の偏芯範囲と一致し、偏芯範囲を変更することにより、範囲Ｂの矢印Ａ１１の方向の幅を変更することができる。また、範囲Ｂは、観察窓３９の中心付近の対物レンズ４０の視野を含むように設定される。

以上のように、観察装置１１では、試料台３３を動かさずに、ピニオンギア７１、偏芯カム７３、および、回転体７７により、ターレット１２に載置されたディッシュ２内の試料の位置を調整することができる。従って、ターレット１２や試料台３３を移動するための開口部を試料台３３に設ける必要がなく、筐体３１と試料台３３との間のシール構造を、リング状のシールのみを用いた簡易な構成で実現することができる。

その結果、試料台３３のシール性および観察室３４の密閉性が向上し、例えば、試料台３３の上に培養液などの液体をこぼしたり、過酸化水素ガス等を用いて試料台３３の上を殺菌または減菌したりしても、それらの液体やガスが観察室３４に漏れることが防止される。また、シール構造が簡易になるため、シール部分の耐久性が向上する。

さらに、観察装置１１では、ターレット１２を試料台３３に容易に着脱できるとともに、試料台３３のターレット１２を設置する部分に開口部や凹凸部がないため、掃除などのメンテナンス性が向上する。

また、観察装置１１では、ターレット１２を駆動する駆動系の構成を簡易にすることができ、観察室３４内の光学系の配置の自由度が向上する。さらに、観察装置１１を小型化することが可能になる。

＜２．変形例＞
［培養観察システムの構成例］
図８は、図１の観察システム１を用いた培養観察システム２０１の構成例を模式的に示す図である。

培養観察システム２０１は、図１の観察システム１にインキュベータ２１１を設置することにより構成される。

インキュベータ２１１の筐体２２１は、観察装置１１の試料台３３の上面に着脱可能であり、筐体２２１を試料台３３の上面に設置した状態で、試料台３３と筐体２２１とにより密閉された空間である培養室２２２が形成される。

筐体２２１内の照明光学系３７より高い位置には、メッシュ状棚板２２３が設けられている。メッシュ状棚板２２３の上には、培養室２２２内の炭酸ガスの濃度を所定の濃度に保つための炭酸ガス発生剤２２５が入った容器２２４が設置される。また、メッシュ状棚板２２３の上には、培養室２２２内の湿度を調整するための加湿水２２７が入った容器２２６が設置される。

また、筐体２２１内のメッシュ状棚板２２３より高い所定の位置に、温湿度センサ２２８が設けられている。温湿度センサ２２８は、培養室２２２内の温度および湿度を測定し、測定結果を示す信号を、培養室２２２の外部に設けられている温度湿度制御部２２９に供給する。

さらに、筐体２２１の天井にはヒータ２３０が設けられている。温度湿度制御部２２９は、温湿度センサ２２８により測定された培養室２２２の温度および湿度に基づいて、ヒータ２３０をオンまたはオフし、培養室２２２内の雰囲気を、細胞の培養に適した所定の条件（例えば、温度が３７℃、湿度が９５〜１００％）に維持するように制御する。

上述したように、試料台３３のシール性が高いため、培養室２２２内の雰囲気が所定の条件に維持されるとともに、培養室２２２内の雰囲気が観察室３４に漏れ、観察室３４内の部品にダメージを与えることが防止される。

なお、炭酸ガス発生剤２２５の代わりに炭酸ガスボンベ等を用いるようにすることも可能である。

［その他の変形例］
上述したように、観察室３４の密閉性が優れているため、例えば、観察装置１１を市販のインキュベータ装置内に設置して、細胞の培養観察を行うことも可能である。

また、以上の説明では、試料台３３の上にターレット１２を設置する例を示したが、上述したように、試料台３３のターレットが設置される位置には、開口部や凹凸部がないため、他の容器等を自由に設置することができる。例えば、図９に示されるように、試料の入ったフラスコ２５１を設置することができる。なお、図９では、試料台３３の上に持ち運び用のハンドル２５２ａ，２５２ｂを設けた例を示している。

さらに、ターレット１２の外周の形状は、必ずしも円形である必要はない。例えば、ターレット１２の回転方向の移動範囲（回転可能な角度）が制限されている場合、ターレット１２の外周のうち、ピニオンギア７１、偏芯カム７３および回転体７７が接する可能性がある範囲を含む一部のみを円弧にするようにしてもよい。

また、以上の説明では、ターレット１２を回転方向に駆動する機構を歯車部６２（スーパギア）とピニオンギア７１の組み合わせにより実現する例を示したが、その他の機構を用いることも可能である。

さらに、試料台３３の形状は、必ずしも円形である必要はなく、矩形などの任意の形状に設定することが可能である。ただし、円形にした場合、筐体３１と試料台３３の間のシール３５にＯリング等を用いることができ、観察室３４の密閉性を容易に向上させることができる。

また、以上の説明では、ピニオンギア７１を回転させる回転軸４７Ａおよび偏芯カム７３を回転させる回転軸４８Ａをモータにより駆動する例を示したが、一方または両方を手動により駆動させるようにすることも可能である。換言すれば、ピニオンギア７１および偏芯カム７３の少なくとも一方を手動で回転させるようにすることも可能である。

さらに、ピニオンギア７１、偏芯カム７３、および、回転体７７の配置は、図２に示される例が理想的ではあるが、必ずしもこの例に限定されるものではなく、ピニオンギア７１、偏芯カム７３、および、回転体７７とターレット１２との各接点を結ぶ三角形の内側にターレット１２の中心１２Ａが位置するように配置すればよい。なお、光学系の配置を考慮して、ピニオンギア７１（θモータ４７）および偏芯カム７３（Ｒモータ４８）を観察窓３９から離して配置することが望ましい。

また、以上の説明では、照明光学系３７を試料台３３の上に設け、結像光学系を試料台３３の下（観察室３４内）に設ける例を示したが、照明光学系３７と結像光学系の配置を逆にすることも可能である。

さらに、光源を照明光学系３７内に設けずに、観察室３４内に設け、照明スタンド３６および照明光学系３７を介して照明光を試料に照射するようにしてもよい。

なお、本明細書において、システムの用語は、複数の装置、手段などより構成される全体的な装置を意味するものとする。

また、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態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において種々の変更が可能である。

１観察システム，２ディッシュ，１１観察装置，１２ターレット，１３パーソナルコンピュータ，３１筐体，３３試料台，３４観察室，３５シール，３６照明スタンド，３７照明光学系，３８シール，３９観察窓，４０対物レンズ，４２結像レンズ，４３カメラ，４７ θモータ，４７Ａ回転軸，４８Ｒモータ，４８Ａ回転軸，６１円筒部，６２歯車部，６３開口部，７１ピニオンギア，７２シール，７３偏芯カム，７４シール，７５付勢レバー機構，７５Ａ軸，７５Ｂ付勢レバー，７６回転軸，７７回転体，２０１観察培養システム，２１１インキュベータ，２２１筐体，２２２培養室，２２８温湿度センサ，２２９温度湿度制御部，２３０ヒータ

Claims

観察試料の像を結像する結像光学系と、
前記結像光学系を収容し、上面に前記結像光学系で集光される光束が透過可能な窓を有する筐体と、
前記筐体の上面の前記窓が備えられた位置を覆うように備えられ、外周の少なくとも一部が円弧であり、前記観察試料を載置するテーブルと、
前記筐体の上面に備えられ、前記テーブルの前記円弧と接し、前記テーブルの前記観察試料を載置する面に対して垂直な方向に設定された第１の回転軸を中心に回転可能な円形の回転部材と、
前記筐体の上面に備えられ、前記回転部材とは異なる位置で前記テーブルの前記円弧と接し、前記第１の回転軸と平行な第２の回転軸を中心に回転可能な偏芯カムと、
前記筐体の上面に備えられ、前記回転部材および前記偏芯カムとは異なる位置で前記テーブルを前記回転部材または前記偏芯カムの方へ押すように前記テーブルの前記円弧と接する付勢部材と
を備える観察装置。
前記第１の回転軸および前記第２の回転軸のうち少なくとも一方はモータにより駆動され、
前記モータは、前記筐体により密閉された空間内に設けられる
請求項１に記載の観察装置。
前記筐体の上面と前記筐体の側面はリング状のシールを介して接合される
請求項２に記載の観察装置。
前記回転部材は歯車により構成され、
前記テーブルの外周の側面のうち前記回転部材と接する部分が前記回転部材に対応する歯車により構成される
請求項１に記載の観察装置。
前記回転部材、前記偏芯カム、および、前記付勢部材と前記テーブルの前記円弧との各接点を結ぶ三角形の内部に前記テーブルの前記円弧の中心が位置するように、前記回転部材、前記偏芯カム、および、前記付勢部材が配置される
観察装置。
前記筐体の上面に着脱可能であり、前記筐体の上の空間内の雰囲気を所定の条件に維持するインキュベータを
さらに備える請求項１乃至５のいずれかに記載の観察装置。