JP2014147986A - 圧電アクチュエータ、マニピュレータ、マニピュレータシステム及び微小対象物の操作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い応答性を得ることができ、駆動軸の軸方向以外の振動を抑制できる圧電アクチュエータ等を提供する。
【解決手段】微小対象物を操作するためのキャピラリを圧電素子９２により微動駆動する圧電アクチュエータ４４ａにおいて、キャピラリを装着し、外周にねじ加工を施したピペット保持部材３４と、ピペット保持部材３４と同軸の内周面を有するハウジング４８と、ハウジングに対しピペット保持部材３４を回転可能に支持する少なくとも２つの転がり軸受８０、８２と、ピペット保持部材３４と同軸に配置された圧電素子と、ハウジングに固定され、圧電素子を軸方向に固定する蓋８８と、２つの転がり軸受の内輪の間に配置された内輪間座とを備えることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【選択図】図２

Description

本発明は、細胞等の微小な対象物を操作する圧電アクチュエータ、マニピュレータ、マニピュレータシステム及び微小対象物の操作方法に関する。

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溶液を注入するなどのように細胞等の微小な対象物に操作を行うマニピュレータが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献２は、ガラスキャピラリ等の操作針の針先を標本の目標位置近傍に容易にセットするために、操作針を有する電動マニピュレータを用い、電動で焦点を合わせる顕微鏡装置を開示し、焦点合わせとマニピュレータ駆動との連動・非連動を切り換えて操作針を駆動し操作針をセッティングする。

特許文献３及び４には、ガラスキャピラリ等の安定した微小移動を可能とするために、圧電素子を備える圧電アクチュエータを用いて該ガラスキャピラリ等に衝撃荷重を与え、卵細胞等へ穿孔するマニピュレータが記載されている。

特開２００４−３２５８３６号公報 特開２００６−２３４８７号公報 特公平０６−９８５８２号公報 特開２００３−１５７４号公報

特許文献３に記載のマニピュレータでは、圧電アクチュエータはガラスキャピラリ等を装着するピペット保持部材のみに固定され、マニピュレータへは固定されていない。このような構成では、マニピュレータ駆動時にピペット保持部材が脱落する等の可能性がある。また、特許文献３のマニピュレータでは、前記ピペット保持部材はピペット保持部材全体のうち僅かな部分を摩擦力により保持する当接部材により固定されており、この摩擦力の大きさにマニピュレータの動作性能・応答性が左右されるという問題があった。

特許文献４に記載のマニピュレータでは、ピペット保持部材と圧電アクチュエータが同軸に配置されておらず、ピペット保持部材の軸と圧電アクチュエータの軸はねじれの関係となっている。また、圧電アクチュエータの駆動軸がピペット保持部材と離れている。このため、ガラスキャピラリが前記駆動軸の軸方向以外にも振動を起こし易い。さらに、圧電素子に引張ばねで予圧が付与されているので、予圧調整の点から、高い応答性を得ることは困難となる。

上記に鑑み、本発明は高い応答性を備える圧電アクチュエータ、マニピュレータ、マニピュレータシステム及び微小対象物の操作方法を提供することを目的とする。また、本発明は、圧電アクチュエータの駆動軸の軸方向以外の振動を抑制した圧電アクチュエータ、マニピュレータ、マニピュレータシステム及び微小対象物の操作方法を提供することを目的とする。

先ず、本発明の圧電アクチュエータについて記載する。 上記目的を達成するために、本発明の圧電アクチュエータは、微小対象物を操作するためのキャピラリを圧電素子により微動駆動する圧電アクチュエータにおいて、前記キャピラリを装着し、外周にねじ加工を施したピペット保持部材と、前記ピペット保持部材と同軸の内周面を有するハウジングと、前記ハウジングに対し前記ピペット保持部材を支持する少なくとも２つの転がり軸受と、前記ピペット保持部材と同軸に配置された圧電素子と、前記ハウジングに固定され、前記圧電素子を軸方向に固定する蓋と、前記２つの転がり軸受の内輪の間に配置され、前記２つの転がり軸受に予圧を付与するための内輪間座に相当する部材と、を備えることを特徴とする。ここで、前記ハウジングに対し前記ピペット部材は２つの転がり軸受により回転可能に支持されていてもよい。また、前記内輪間座に相当する部材は、前記２つの転がり軸受とは別体の内輪間座であってもよい。

また、本発明の他の圧電アクチュエータは、微小対象物を操作するためのキャピラリを圧電素子により微動駆動する圧電アクチュエータにおいて、前記キャピラリを装着したピペット保持部材と、前記ピペット保持部材と同軸の内周面を有するハウジングと、前記ハウジングに対し前記ピペット保持部材を支持する少なくとも２つの転がり軸受と、前記ピペット保持部材と同軸に配置された圧電素子と、前記ハウジングに固定され、前記圧電素子を軸方向に固定する蓋と、前記２つの転がり軸受の内輪の間に配置され、前記２つの転がり軸受に予圧を付与するための内輪間座に相当する部材と、を備えることを特徴とする。ここで、前記ハウジングに対し前記ピペット部材は２つの転がり軸受により回転可能に支持されていてもよい。また、前記内輪間座に相当する部材は、前記２つの転がり軸受とは別体の内輪間座であってもよい。

また、２つの転がり軸受の内輪と前記ピペット保持部材の外周面との間に介装される中空部材を、さらに備えることが好ましい。

また、本発明の他の圧電アクチュエータは、微小対象物を操作するためのキャピラリを圧電素子により微動駆動する圧電アクチュエータにおいて、前記キャピラリを装着したピペット保持部材と、前記ピペット保持部材と同軸の内周面を有するハウジングと、前記ハウジングに対し前記ピペット保持部材を支持する少なくとも２つの転がり軸受と、前記ピペット保持部材と同軸に配置された圧電素子と、前記ハウジングに固定され、圧電素子を軸方向に固定する蓋と、前記２つの転がり軸受の内輪の間に配置され、前記２つの転がり軸受に予圧を付与するための内輪間座に相当する部材と、前記２つの転がり軸受の内輪と前記ピペット保持部材の外周面との間に介装される中空部材と、を備えることを特徴とするここで、前記ハウジングに対し前記ピペット部材は２つの転がり軸受により回転可能に支持されていてもよい。また、前記内輪間座に相当する部材は、前記２つの転がり軸受とは別体の内輪間座であってもよい。

これらの構成によれば、駆動軸であるピペット保持部材と圧電素子とが同軸に配置されているので、圧電アクチュエータの駆動軸の軸方向以外の振動を抑制することができる。

また、前記ピペット保持部材は、外周にねじ加工を施され、前記２つの転がり軸受は、前記ピペット保持部材の外周と螺合する２つのロックナットにより軸方向に固定されていることが好ましい。

また、前記中空部材の一端の外周面にはねじ加工が施され、該ねじ加工部分にはロックナットが螺合して転がり軸受を軸方向に固定していることが好ましい。

また、前記中空部材の他端に設けられ、前記ピペット保持部材を前記中空部材に固定する固定部材をさらに備えることが好ましい。

また、前記圧電素子は、前記転がり軸受により予圧を付与されていることが好ましい。この場合、高い剛性を有するばね要素として転がり軸受を用いることにより、高い応答性を得ることができる。

また、前記転がり軸受と前記圧電素子の間に、前記ピペット保持部材と同軸に配置されたスペーサを備えることが好ましい。

また、前記キャピラリは、複数の支持部材により複数点で支持されることが好ましい。

本発明のマニピュレータは、上述の圧電アクチュエータを備えることを特徴とする。

また、本発明の他のマニピュレータは、微小対象物を操作するキャピラリと、上述の圧電アクチュエータとを備え、コントローラにより電動駆動されるマニピュレータにおいて、前記キャピラリは、前記キャピラリ内の流体を吸引または吐出させるインジェクタと接続され、前記コントローラから発せられた一つの操作信号により、前記インジェクタが一定のストロークで往復するように設定されていることを特徴とする。

また、本発明の他のマニピュレータは、微小対象物を操作するキャピラリを備え、コントローラにより電動駆動されるマニピュレータにおいて、前記キャピラリは、前記キャピラリ内の流体を吸引または吐出させるインジェクタと接続され、前記コントローラから発せられた一つの操作信号により、前記インジェクタが一定のストロークで往復するように設定されていることを特徴とする。

また、前記インジェクタの往復において、前記キャピラリ内の流体の吸引時のインジェクタの移動速度よりも、吐出時のインジェクタの移動速度の方が大きく設定されていることが好ましい。

また、前記インジェクタの往復において、前記操作信号による前記インジェクタの往復は、前記吸引に対応する前記インジェクタの移動が先に行われることが好ましい。

また、前記インジェクタの往復において、吸引動作に対応する移動と吐出動作に対応する移動を１回ずつした後、次の吸引動作までにインジェクタが停止することが好ましい。

また、前記操作信号は、前記コントローラに接続されたジョイスティックにより発せられることが好ましい。

また、前記操作信号は、前記ジョイスティックに設けられたボタンにより発せられることが好ましい。

また、前記アクチュエータにおいて、圧電素子は、前記したように、円環状もしくは中空円筒状の圧電素子をピペット保持部材と同軸になるように前記圧電素子の中空部に前記ピペット保持部材を貫通させた形態とすることはもちろん、円環状、中空円筒状、円柱状、角柱状等に形成された圧電素子を、ピペット保持部材の周囲に配置してもよい。この形態を採用した前記アクチュエータの具体的な構成について以下記載する。

この場合、円環状、中空円筒状、円柱状、角柱状等に形成された圧電素子を、ピペット保持部材の周囲に配置する場合は、少なくとも２つの圧電素子を円周方向等配、あるいは、ピペット保持部材の軸方向を中心に対称となる位置に配置することが好ましい。

また、前記蓋もしくは前記スペーサに、前記角柱状等の形状の圧電素子が挿入される溝部、あるいは、ザグリ部等を設け、当該溝部あるいはザグリ部に、圧電素子を挿入した形態とすることもできる。すなわち、前記蓋、もしくは、前記スペーサと前記角柱状等の形状の圧電素子とを、組立品として扱えるようにすることもできる。これにより、アクチュエータの組立てが容易となる。

また、複数の圧電素子を備える形態のアクチュエータとした場合には、複数のアクチュエータに、同時に駆動電圧（駆動信号）を同様に印加してもよいし、個々に異なる駆動電圧（駆動信号）を印加することもできる。更には、複数の圧電素子のうちの一部を常用する圧電素子とし、一部を、常用する圧電素子がマイグレーション等により劣化した場合の、いわゆるバックアップとしての圧電素子としてもよい。

また、複数の圧電素子を備える形態のアクチュエータにおいては、複数の圧電素子の形状や大きさは異なっていてもよい。前記ピペット部材に対する対称性があれば特に問題は起こらず、前記の通り、個々の圧電素子に個別の駆動電圧（駆動信号）を印加することができる。ただし、組立や保守点検、制御の容易さからの観点からは、同一形状の圧電素子を、前記ピペット軸に対して対称に配置することが好ましい。

また、複数の圧電素子を備える形態のアクチュエータにおいては、複数の圧電素子のうちの一部を、セラミック、金属等のばね剛性の高い材質で形成される、いわゆるダミーの圧電素子で代替してもよい。この場合、ダミーの圧電素子のばね剛性は、前記転がり軸受のばね剛性よりも高いことが好ましい。

また、ダミーの圧電素子の寸法は、組立状態であって圧電素子に駆動電圧（駆動信号）が印加されていない状態において、転がり軸受に対して若干の予圧が掛かる程度と
することが好ましい。これにより、アクチュエータを構成する部材のなかでも比較的高価な部材である圧電素子の使用量を減ずることができる。

尚、特に、角柱形状の圧電素子は、市場において寸法・形状等のバリエーションが多く流通しており、アクチュエータの用途・大きさ・要求性能等に応じたものを比較的安価に入手し易い。また、個々の圧電素子の容量が小さくなることで駆動のために必要な電流も小さくなり、出力電流が小さい駆動制御装置（アンプ）を使用することができるようになる。また、高速の制御においても追従性が良いものとすることができる。

次に、本発明のマニピュレータシステムについて記載する。本発明のマニピュレータシステムは、前記キャピラリを圧電素子により微動駆動させる、上述のマニピュレータと、前記マニピュレータに装着される前記キャピラリの先端の大きさに応じて、前記圧電素子に印加する電圧を制御するコントローラと、を備えることを特徴とする。

また、前記マニピュレータに装着される前記キャピラリの先端を撮像可能なカメラと、前記カメラにより撮像される撮像画面上に配置され、前記キャピラリの先端の大きさを計測するための計測用インジケータと、をさらに備え、前記コントローラは、前記計測用インジケータにより計測される前記キャピラリの先端の大きさが、予め設定された標準範囲以上である場合、前記圧電素子に印加される電圧を、前記標準範囲内のときに印加される標準電圧よりも小さくし、前記計測用インジケータにより計測される前記キャピラリの先端の大きさが、前記標準範囲以下である場合、前記圧電素子に印加される電圧を、前記標準電圧よりも大きくすることが好ましい。

本発明の微小対象物の操作方法は、上述のマニピュレータを用いて、前記キャピラリで前記対象物である卵に対して透明帯穿孔を行い、その後、前記キャピラリが移動して少なくとも一つの精子のサンプリング操作を行ってから前記透明帯穿孔の位置に戻り、前記インジェクタの往復によりキャピラリ内で精子を移動させながら精子のインジェクション操作を行うことを特徴とする。

本発明の圧電アクチュエータ、マニピュレータ、マニピュレータシステム及び微小対象物の操作方法によれば、高い応答性を得ることができる。また、圧電アクチュエータの駆動軸の軸方向以外の振動を抑制することが可能となる。

図１は、第１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は、図１のマニピュレータシステムに使用可能な微動機構（圧電アクチュエータ）の断面図である。 図３は、図１のコントローラによる制御系要部を示すブロック図である。 図４は、図３の表示部に表示される画面例を示す図である。 図５は、図１、図３に示すジョイスティックの具体例を示す斜視図である。 図６は、図１のインジェクション用のキャピラリ３５の操作中におけるシャーレの底面に対する相対位置（ａ）〜（ｄ）を概略的に示す図である。 図７は、図６（ｃ）のようにキャピラリがシャーレの底面に接触したときの圧電素子の電圧値の変化を示す図である。 図８は、図３の表示部に表示される２画面の例を示す図である。 図９は、第２実施形態によるマニピュレータシステムに使用可能な微動機構（圧電アクチュエータ）の断面図である。 図１０は、キャピラリの固定方法を示す断面図である。 図１１は、第３実施形態によるマニピュレータシステムに使用可能な微動機構（圧電アクチュエータ）の斜視図である。 図１２は、第３実施形態によるマニピュレータシステムに使用可能な微動機構（圧電アクチュエータ）の断面図である。 図１３は、第３実施形態の変形例に係る微動機構（圧電アクチュエータ）の斜視図である。 図１４は、第３実施形態の変形例に係る微動機構（圧電アクチュエータ）の断面図である。 図１５は、第４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１６は、図１５のマニピュレータの構成を概略的に示す図である。 図１７は、図１６のコントローラによる制御系要部を示すブロック図である。 図１８は、図１７に示すジョイスティックの具体例を示す斜視図である。 図１９は、マニピュレータに装着された各キャピラリと微小な操作対象物（卵、精子）との各位置関係（ａ）〜（ｈ）を示す図である。 図２０は、図１９の精子サンプリング完了後の各状態（ａ）〜（ｄ）を示す図である。 図２１は、ジョイスティックの操作とそれに対するインジェクタの位置変化の一例を示す図である。 図２２は、ジョイスティックの操作とそれに対するインジェクタの位置変化の一例を示す図である。 図２３は、第５実施形態によるマニピュレータシステムの表示部に表示される画面の一例を示す図である。 図２４は、第５実施形態によるマニピュレータシステムの表示部に表示される画面の一例を示す図である。 図２５は、第５実施形態によるマニピュレータシステムの表示部に表示される画面の一例を示す図である。 図２６は、第５実施形態によるマニピュレータシステムの制御に関するフローチャートである。 図２７は、前記第１〜第５の実施に使用可能な微動機構（圧電アクチュエータ）の別例の断面図である。 図２８は、図２７の形態の微動機構（圧電アクチュエータ）の圧電素子の配置を説明する図である。 図２９は、図２７の形態の微動機構（圧電アクチュエータ）における制御機構の一例を示す図である。

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。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。

［第１実施形態］（マニピュレータシステムの構成） 図１は、第１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。マニピュレータシステム１０は、顕微鏡観察下で微小な対象物である試料（細胞、卵、精子等）に人工操作を実施するためのシステムである。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。また、マニピュレータシステム１０は、顕微鏡ユニット１２及び一対のマニピュレータ１４、１６を制御するコントローラ４３を備えている。

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、試料台を備え、試料台の上にシャーレ２２が配置されている。顕微鏡ユニット１２は、このシャーレ２２の直上に顕微鏡２０が配置される構造となっている。すなわち、顕微鏡２０は、倒立顕微鏡で構成されている。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、シャーレ２２に向けて光を照射する光源を備えている。

シャーレ２２内には例えば試料（図示せず）を含む溶液が収容される。この状態で、シャーレ２２内の試料に顕微鏡２０から光が照射され、シャーレ２２内の試料（例えば、細胞や卵）で反射した光が顕微鏡２０に入射すると、細胞や卵に関する光学像は、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。

（マニピュレータの構成） 図１に示すように、一方側（図示左側）のマニピュレータ１４は、Ｘ軸‐Ｙ軸‐Ｚ軸の直交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２８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。

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。

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、シャーレ２２内の試料（細胞など）をキャピラリ２５を介する等して保持するように構成されている。すなわち、マニピュレータ１６は微小対象物の保持に用いられるホールド用マニピュレータである。

他方側（図示右側）のマニピュレータ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）保持部材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とを備えている。ピペット保持部材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。ピペット保持部材３４の先端にはガラス製のキャピラリ３５が取り付けられている。

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保持部材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、シャーレ２２内の試料にキャピラリ３５等を介して人工操作を行うように構成されている。すなわち、マニピュレータ１６は、微小対象物の操作（穿孔、インジェクション、サンプリング等）に用いられるインジェクション用マニピュレータである。 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、ピペット保持部材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。

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。また、Ｚ軸テーブル３８は、シャーレ２２内の細胞や卵を挿入対象とするキャピラリ３５を保持するためのピペット保持部材３４を連結している。

すなわち、シャーレ２２内の細胞などを含む３次元空間を移動領域として、Ｘ‐Ｙ軸テーブル３６とＺ軸テーブル３８とは、駆動装置４０、４２の駆動により移動する。そして、Ｘ‐Ｙ軸テーブル３６とＺ軸テーブル３８とは、例えば、ピペット保持部材３４の先端側からシャーレ２２内の試料に対して、キャピラリ３５を挿入するための挿入位置までピペット保持部材３４を粗動する。Ｘ‐Ｙ軸テーブル３６とＺ軸テーブル３８とは、このような粗動機構（３次元軸移動テーブル）として構成されている。

また、Ｚ軸テーブル３８とピペット保持部材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、ピペット保持部材３４をその設置している方向（長手方向）へ自在に移動可能に支持するとともに、さらに、ピペット保持部材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。

具体的には、Ｚ軸テーブル３８とピペット保持部材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。次に、図２を参照し、この微動機構４４について説明する。

（微動機構の構成） 図２は、図１のマニピュレータシステムに使用可能な微動機構（圧電アクチュエータ）の断面図である。図２に示すように、微動機構４４は、ピペット保持部材３４を備える圧電アクチュエータ４４ａからなる。圧電アクチュエータ４４ａはその本体を構成するハウジング４８を備えており、内周が筒状に形成されたハウジング４８内には、外周にねじ加工を施されたピペット保持部材３４が挿通されている。ピペット保持部材３４は、その先端側（図２の左側、以下同様）にはキャピラリ３５が取り付け固定され、その後端側（図２の右側、以下同様）には卵や細胞等へのインジェクション（注入）のための溶液（培養液等）を送る不図示のチューブが接続されている。また、このチューブの他端には、流量調整用のポンプが接続されている。

ピペット保持部材３４は、転がり軸受８０、８２を介してハウジング４８に支持されている。転がり軸受８０、８２は、それぞれ内輪８０ａ、８２ａと、外輪８０ｂ、８２ｂと、内輪８０ａ、８２ａと外輪８０ｂ、８２ｂとの間に挿入されたボール８０ｃ、８２ｃとを備える。転がり軸受８０、８２は、各内輪８０ａ、８２ａが中空部材８４を介してピペット保持部材３４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、ピペット保持部材３４を回転自在に支持するようになっている。

内輪８０ａ、８２ａは、中空部材８４を介してピペット保持部材３４に嵌合している。これにより、内輪８０ａ、８２ａにねじ加工を施したピペット保持部材３４の外周面と嵌合することができる。また、転がり軸受８０、８２のピペット保持部材３４への取り付けが簡単になる。

また、中空部材８４は、その軸方向略中央部に径方向外方に突出する内輪間座としてのフランジ部８４ａが設けられ、該フランジ部８４ａの軸方向両側に転がり軸受８０、８２の内輪８０ａ、８２ａが配置される。このとき、中空部材８４とフランジ部８４ａとは一体となっている。その後、内輪８０ａの先端側、及び内輪８２ａの後端側からロックナット８６、８６をピペット保持部材３４に螺合し、転がり軸受８０、８２の軸方向位置を固定する。なお、中空部材８４の軸方向寸法は、転がり軸受８０、８２の内輪８０ａ、８２ａの軸方向寸法と、中空部材８４のフランジ部８４ａの軸方向寸法との合計より小さい。このため、内輪８０ａの軸方向先端側及び内輪８２ａの軸方向後端側は中空部材８４よりも軸方向に突出する。この結果、内輪８０ａ、８２ａが直接ロックナット８６、８６により軸方向に固定されるので、内輪８０ａ、８２ａの軸方向移動を規制できる。

なお、第１実施形態では、中空部材８４を設けることで、使用するピペット保持部材３４と転がり軸受８０、８２の内径が同一径でなくともよい。一方で、同一径の場合は、中空部材８４を省いた構成であってもよい。また、中空部材８４とフランジ部８４ａとは一体に構成したが、別体にしてもよい。さらに、一体となった中空部材８４とフランジ部８４ａとを内輪間座として取り扱ってもよい。

さらに、転がり軸受８０、８２と同軸に配置され、ハウジング４８の内周面に正の隙間を持って嵌合する円環状のスペーサ９０が、外輪８２ｂの軸方向後端側に配置される。スペーサ９０の軸方向後端側には、円環状の圧電素子９２がスペーサ９０と略同軸に配置され、さらにその軸方向後端側にはハウジング４８の蓋８８が配置される。蓋８８は、圧電素子９２を軸方向に固定するためのもので、ピペット保持部材３４が挿通する孔部を有する。この蓋８８は、ハウジング４８の側面に不図示のボルトにより締結されている。なお、蓋８８は、ハウジング４８軸方向後端側の内周面及び蓋８８の外周面にねじ加工を施して、両者を螺合することにより固定しても良いが、圧電素子９２にねじりモーメントが生じる可能性がある。このため、蓋８８はボルト等により締結固定されることが好ましい。

転がり軸受８０、８２、圧電素子９２は、スペーサ９０の長さを調節し、蓋８８をしめることにより、予圧が付与される。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転がり軸受８２の外輪８２ｂと転がり軸受８０の外輪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、転がり軸受８０、８２及び圧電素子９２に所定の予圧が付与され、転がり軸受８０、８２の外輪８０ｂ、８２ｂ間に軸方向間の距離としての間隙９４が形成される。

このように、高剛性のばね要素である転がり軸受８０、８２で予圧を負荷できるため、圧電素子９２への予圧調整を容易に行うことができるとともに、高い応答性を達成できる。

また、圧電素子９２はスペーサ９０を介して転がり軸受８２と接しているので、外輪８２ｂと同じ径の圧電素子や、所定の予圧を付与可能な寸法の圧電素子といった、特別な形状の圧電素子を用いる必要がない。すなわち、図２の例では円環状とした圧電素子９２を、棒状または角柱状としてスペーサ９０の周方向に略等配となるように並べても良く、ピペット保持部材３４を挿通する孔部を有した角筒としても良い。また、スペーサ９０の形状を高精度とすれば、ハウジング４８の内周面は転がり軸受８０、８２と嵌合する程度の精度で形成されているので、圧電素子９２の個体差がある場合にも、転がり軸受８２を均等に押圧することが可能となる。なお、以下で「圧電素子が（略）同軸である」とは、単に円環状の圧電素子がある軸と中心軸を共有する場合のみを示すのではなく、圧電素子がある軸を中心とした円周上に等配に並んでいる場合や、ある軸が角筒の圧電素子の中心を通る場合を含む。

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ピペット保持部材３４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、ピペット保持部材３４の軸方向に沿って伸縮し、ピペット保持部材３４をその軸方向に沿って微動させるようになっている。ピペット保持部材３４が軸方向に沿って微動すると、この微動がキャピラリ３５に伝達され、キャピラリ３５の位置が微調整されることになる。

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、操作者がコントローラ４３に接続されたボタン（例えば後述するジョイスティック４７（図５）のボタン４３Ｂ）等を押している間、信号波形を連続して出力して駆動してもよいし、バースト波形を使用してもよい。

第１実施形態においては、転がり軸受８０、８２のうち転がり軸受８０の内輪８０ａと外輪８０ｂの変位量であって、圧電素子９２の伸縮量（変位量）の半分がキャピラリ３５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。

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転がり軸受８２の外輪８２ｂを押圧し、転がり軸受８０の外輪８０ｂを軸方向に移動させ、転がり軸受８０、８２の各外輪８０ｂ、８２ｂ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。

この間隙９４の変位は、弾性変形に伴って転がり軸受８０、８２がそれぞれ軸方向にｘずつ変位し、転がり軸受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。

逆に、圧電素子９２が２ｘ縮むと、押圧力が減少し、転がり軸受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、転がり軸受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。

このように、間隙９４の変位ｘを転がり軸受８０、８２がｘずつ分けて吸収するので、転がり軸受８０、８２を互いに押圧する力がバランスしたときに、転がり軸受８０、８２の内輪８０ａ、８０ｂがピペット保持部材３４と共に軸方向にｘ変位する。例えば、卵に穿孔して精子を注入するインジェクション動作時には、圧電素子９２の伸縮量２ｘの半分がキャピラリ３５の微動変位量となってキャピラリ３５が挿入位置に位置決めされる。キャピラリ３５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、キャピラリ３５がインジェクション動作を行うことになる。

上述の構成によれば、キャピラリ３５と圧電素子９２とが同軸上に配置されるので、圧電素子９２の駆動時に、余分な振動、即ちピペット保持部材３４の軸方向以外の方向に生じる振動を軽減することができる。また、図２の圧電アクチュエータ４４ａは、マニピュレータ１６及びピペット保持部材３４に直接固定されるため、マニピュレータ１６、ピペット保持部材３４への固定のための部品が不要となる。このため、部品数低減による組立性の向上とコスト低減を実現できる。さらに、圧電アクチュエータ４４ａとピペット保持部材を直接固定するため、圧電素子９２とキャピラリ３５との距離を短くすることが可能となる。この結果、インジェクション動作時には、より正確な穿孔動作が可能となり、圧電素子９２による穿孔作用の向上を実現できる。

なお、上述の微動機構４４は、細胞操作用のマニピュレータ１６に設けられるとしているが、もちろん細胞保持用のマニピュレータ１４にも設けても良く、省略することも可能である。

（マニピュレータシステムの制御） 次に、上記のマニピュレータシステム１０のコントローラ４３による制御について図３〜図５を参照して説明する。図３は、図１のコントローラによる制御系要部を示すブロック図である。図４は、図３の表示部に表示される画面例を示す図である。図５は、図１、図３に示すジョイスティックの具体例を示す斜視図である。

図１、図３のコントローラ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、演算結果に従って各種の制御を行うように駆動指令を出力する。すなわち、コントローラ４３は、マニピュレータ１４の駆動装置３０、３２、マニピュレータ１６の駆動装置４０、４２、微動機構４４の圧電素子９２等を制御し、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。例えば、圧電素子９２は、コントローラ４３により制御される信号発生器９５から信号を発生させアンプ９６で増幅された電圧信号により駆動される。

また、コントローラ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ィック４７、マウス４３Ａ、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等が表示されるようになっている。

また、コントローラ４３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コントローラ４３が順次、それぞれに駆動指令を出力することで行われる。

図１のマニピュレータシステム１０の操作のため、図１、図３、図５のように、コントローラ４３に接続されたジョイスティック４７を主に用いることができ、マニピュレータ１４、１６に対し１つずつ用意する。ジョイスティック４７は、図５のように、複数のボタン４７ａ〜４７ｇとハンドル４７ｈとを有す
る。ハンドル４７ｈは、右方向Ｒ、左方向Ｌに傾斜させる（倒す）ことで図１の駆動装置３０、４０を駆動しマニピュレータ１４、１６をＸ軸方向、Ｙ軸方向に駆動でき、回転させる（ひねる）ことで駆動装置３２、４２を駆動しＺ軸方向に駆動できる。また、各ボタン４７ａ〜４７ｇに各機能の操作を割り当てることができ、例えば、ボタン４７に図２の圧電アクチュエータ４４ａ（微動機構４４）の圧電素子９２の操作を割り当てる。

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、ジョイスティック４７のハンドル４７ｈを操作して、Ｘ‐Ｙ軸テーブル３６とＺ軸テーブル３８を粗動駆動し、ピペット保持部材３４をシャーレ２２内の細胞に近づけて位置決めした後、微動機構４４を用いてピペット保持部材３４を微動駆動することができる。

具体的には、ピペット保持部材３４にガラス製のキャピラリ３５を装着するに際しては、顕微鏡作業箇所に配置されたシャーレ２２からピペット保持部材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、ピペット保持部材３４にキャピラリ３５を装着する際、十分な作業スペースが得られる。

キャピラリ３５をピペット保持部材３４に装着した後は、ジョイスティック４７の操作等に基づくコントローラ４３からの指令により、マニピュレータ１４を駆動し、キャピラリ３５が装着されたピペット保持部材３４を顕微鏡作業箇所であるシャーレ２２に向けて移動させる。

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、図４の切り替えボタン４５ｃを操作し、画像表示部４５ａに表示される画像の顕微鏡視野倍率を低倍にし、マニピュレータ１６の駆動装置４０、４２や微動機構４４を駆動することで、顕微鏡２０の視野内にキャピラリ３５が確認でき次第、駆動装置４０、４２や微動機構４４の駆動を停止する。

このあと、コントローラ４３の画像処理を利用し、駆動装置４０、４２や微動機構４４を駆動することで、顕微鏡２０の視野内において、キャピラリ３５を最適位置へ移動し、駆動装置４０、４２や微動機構４４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各テーブル３６、３８や微動機構４４による移動量をコントローラ４３に記憶させる。なお、上記キャピラリの最適位置への移動は、駆動装置４０、４２によるＸＹＺの駆動系（Ｘ‐Ｙ軸テーブル３６、Ｚ軸テーブル３８）及び微動機構４４の両方または一方を適宜用いる。

次に、マニピュレータ１６を操作し、シャーレ２２の交換あるいはキャピラリ３５の交換が必要になった場合、駆動装置４０、４２や微動機構４４を駆動し、顕微鏡作業箇所からキャピラリ３５を退避させるための操作を行う。このときジョイスティック４７の操作により、キャピラリ３５をセッティングした位置まで駆動する。なお、ボタン４３Ｂを用いて任意の位置まで退避するようにしてもよい。

一方、再度、顕微鏡作業箇所へキャピラリ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、容易にキャピラリ３５の位置を調整することが可能になる。

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、第１実施形態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。また、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保持部材３４を圧電アクチュエータ４４ａの駆動によって直線往復運動させることができるため、キャピラリ３５の位置を微細に調整することができる。

また、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、ジョイスティック４７を操作して圧電素子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、ピペット保持部材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、高剛性のばね要素である転がり軸受８０、８２で圧電素子９２に予圧を負荷しているため、高い応答性を達成できる。

なお、上述のインジェクション用のキャピラリ３５をインジェクション操作前に最適位置へ移動させてセッティングする際の動作について図６、図７に図示した。図６は、図１のインジェクション用のキャピラリの操作中におけるシャーレの底面に対する相対位置（ａ）〜（ｄ）を概略的に示す図である。図７は、図６（ｃ）のようにキャピラリがシャーレの底面に接触したときの圧電素子の電圧値の変化を示す図である。

［第２実施形態］ 次に、図９及び図１０を参照して、第２実施形態に係るマニピュレータシステム１２０について説明する。なお、第２実施形態では、第１実施形態と重複する記載を避けるべく、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。第２実施形態は、その微動機構１４４（圧電アクチュエータ１４４ａ）が、第１実施形態の微動機構４４（圧電アクチュエータ４４ａ）と一部異なる構成となっている。図９は、第２実施形態によるマニピュレータシステムに使用可能な微動機構（圧電アクチュエータ）の断面図である。

第２実施形態の微動機構１４４では、ピペット保持部材１３４の外周に中空部材１３５を設け、中空部材１３５を圧電アクチュエータ１４４ａと一体にしたので、ピペット保持部材１３４と圧電アクチュエータ１４４ａとを別体に分離して扱うことが可能である。図９において、図２と同等の部分は同一符号を付し、その詳細説明は省略する。

ピペット保持部材１３４は、その先端側（図９の左側、以下同様）にキャピラリ３５が取り付け固定される。また、その後端側（図９の右側、以下同様）には卵や細胞等へのインジェクションのための溶液を送る不図示のチューブが接続されるためのノズルが、螺合等により固定されている。このチューブの他端には、流量調整用のポンプが接続されている。次に、ピペット保持部材１３４に取り付けられる圧電アクチュエータ１４４ａについて説明する。

圧電アクチュエータ１４４ａの中心軸を為す中空部材１３５の外周面には、転がり軸受８０、８２が嵌合される。この転がり軸受８０の内輪８０ａは、中空部材１３５の外周面に形成された突き当り面１３５ｂに当接することにより位置決めされている。転がり軸受８０、８２の内輪８０ａ、８２ａの間には、内輪間座１８４が備えられる。内輪間座１８４は中空部材１３５の外周面に嵌合している。転がり軸受８０、８２（内輪８０ａ、８２ａ）は、内輪８２ａの後端側から中空部材１３５にロックナット８６を螺合することにより、軸方向に固定される。本実施例では内輪間座１８４として転がり軸受８０，８２とは別体のものを示したが、例えば、転がり軸受８０，８２の内輪８０ａ，８２ａの軸方向寸法（幅）を外輪８２ａ，８２ｂの軸方向寸法（幅）よりも大きくする等により、間座に相当するものを構成することもできる。

圧電アクチュエータ１４４ａのその他の部分は、図２と同様である。すなわち、転がり軸受８０、８２には、図２と同様に、その外輪８０ｂ、８２ｂの外周面にハウジング４８が嵌合される。外輪８２ｂの軸方向後端側にスペーサ９０、圧電素子９２の順にハウジング４８の内周面に配置され、蓋８８を締めることによりこれらが固定される。このようにして、中空部材１３５と一体となった圧電アクチュエータ１４４ａが構成される。

圧電アクチュエータ１４４ａにピペット保持部材１３４を固定するため、中空部材１３５を、ピペット保持部材１３４の外周面に嵌合固定する。ピペット保持部材１３４の外周面は一部拡径し段差部１３４ａが設けられている。中空部材１３５はこの段差部１３４ａに対応する段差部１３５ａを内径側に備え、両者を対向させることにより、軸方向に位置決めされる。軸方向に位置決めされた中空部材１３５は、止めねじ（不図示）によりピペット保持部材１３４に固定される。より詳細には、中空部材１３５の軸方向先端部（図９左側）のうち、ハウジング４８から軸方向に突出した突出部１３５ｃには、径方向に貫通するねじ孔（不図示）が複数設けられている。この複数のねじ孔に複数の止めねじ（不図示）を螺合させ、ピペット保持部材１３４に接触させる。これにより、ピペット保持部材１３４は固定される。

微動機構１４４をこのような構成にすることにより、ピペット保持部材１３４と圧電アクチュエータ１４４ａとを別体にすることが可能となる。この結果、微動機構１４４のメンテナンス性を向上することができる。また、中空部材１３５を止めねじで固定したので、中空部材１３５とピペット保持部材１３４との同軸度や相対位置を微調整することが可能となる。このような止めねじを中空部材１３５の突出部１３５ｃに設けたので、止めねじの取付、取外しが容易となるため、微動機構１４４のメンテナンス性を更に向上することができる。

また、図２の微動機構４４の場合、ピペット保持部材３４の先端から後端まで、広範囲のねじ加工を施す必要があるため、ピペット保持部材３４が変形する可能性がある。これに対し、図３の微動機構１４４では、ピペット保持部材１３４にねじ加工をする必要はない。このため、ピペット保持部材１３４と中空部材１３５の加工による変形を抑制することが可能となる。

なお、上述の例では、中空部材１３５とピペット保持部材１３４とを止めねじにより固定するとしたが、これに限定されず、接着固定、圧入固定、螺合固定を用いても良い。また、上述の例では、段差部１３４ａ、１３５ａにより軸方向の位置決めをするとしたが、これに限定されず、段差部１３４ａ、１３５ａを設けずに、止めねじのみで軸方向位置を決めても良く、マーカーにより、大体の位置を示す構成としても良い。さらに、上述の例では、圧電アクチュエータ１４４ａを組み立てた後、圧電アクチュエータ１４４ａの一部をなす中空部材１３５とピペット保持部材１３４とを嵌合固定することとしたが、これに限定されない。すなわち、ピペット保持部材１３４に中空部材１３５を嵌合固定した後に、圧電アクチュエータ１４４ａの他の構成要素を組み付けても良く、上述の効果は組立て手順によらない。しかしながら、組立て性を考慮した場合には、圧電アクチュエータ１４４ａを組み立てた後、中空部材１３５とピペット保持部材１３４とを固定することが好ましい。

その他の構成及び作用効果は、図２の微動機構４４と同様である。 次に、図１０を参照し、図２及び図９に示す第１実施形態及び第２実施形態の微動機構４４，１４４の先端にキャピラリ３５を固定する方法について説明する。図１０は、キャピラリの固定方法を示す断面図である。

図１０に示す通り、ピペット保持部材３４（１３４、以下同じ）の先端に、キャピラリ３５を挿入するための拡径部３４ａが形成される。拡径部３４ａの内径は、キャピラリ３５の外径よりも大きく設定されている。ピペット保持部材３４の先端部の外周には、断面矢印状かつ内径側が円筒型に中空となっている保持部材１３６が嵌合している。キャピラリ３５の後端側は、保持部材１３６とピペット保持部材３４の拡径部３４ａに内包される。

保持部材１３６の内周面は、先端側の小径部１３６ａと後端側の大径部１３６ｂとからなる。小径部１３６ａはキャピラリ３５の外径よりも僅かに大きい内径を有する。この小径部１３６ａは、キャピラリ３５を固定する際、径方向において、キャピラリ３５を固定する大まかな位置にキャピラリ３５を案内する。大径部１３６ｂはピペット保持部材３４の外周面より僅かに大きい内径を有する。大径部１３６ｂの内周面は、二組の支持部材１３０を介して、キャピラリ３５を支持している。この支持部材１３０は、二つのＯリング１３８と、これを挟む二つのワッシャ１３７で構成される。この支持部材１３０を、キャピラリ３５の外周面（大径部１３６ｂの内周面）上の軸方向に離れた二箇所に配置し、その間にスペーサ１４１を配置している。保持部材１３６の外周面のう
ち先端側は、後端側から先端側へ徐々に縮径するテーパ形状となっている。これにより、例えば、圧電アクチュエータ４４ａ（１４４ａ）作動時、シャーレ２２にと保持部材１３６とが接触し難くなる。また、保持部材１３６の外周面のうち後端側には雄ねじ加工がされている。

保持部材１３６の後端側には、円筒状のナット部材１３９が取り付けられている。ナット部材１３９の先端側内周面には雌ねじ加工がされており、保持部材１３６の雄ねじと螺合するようになっている。また、ナット部材１３９の後端側には縮径部１３９ａが設けられる。この縮径部１３９ａの内径は、ピペット保持部材３４よりわずかに大きくなっている。ピペット保持部材３４には、周方向溝が設けられ、この周方向溝に止め輪１４０が嵌め込まれている。縮径部１３９ａの先端側端面は、この止め輪１４０と当接して抜け止めされている。この止め輪１４０の別例としてピペット保持部材３４と一体の凸条が挙げられる。この場合、圧電アクチュエータ４４ａ（１４４ａ）にピペット保持部材３４を組み付ける前に、ナット部材１３９をピペット保持部材３４の後端側から挿入しておく。

このような保持部材１３６、ナット部材１３９により、キャピラリ３５は支持固定される。キャピラリ３５の取り付け手順は次の通りである。まず、支持部材１３０とスペーサ１４１を組み付けた保持部材１３６にキャピラリ３５を挿通する。この状態で、キャピラリ３５は二組の支持部材１３０を構成するＯリング１３８のみにより径方向に支持されている。一方で、ピペット保持部材３４にナット部材１３９を取り付けた後、ピペット保持部材３４に止め輪１４０を取り付ける。その後、保持部材１３６の後端側の支持部材１３０とピペット保持部材３４の先端部とを接触させる。この状態で、ナット部材１３９と保持部材１３６とを螺合させる。これにより、保持部材１３６の螺合部において径方向に収縮する力が作用し、後端側の支持部材１３０のＯリング１３８が径方向に潰れるように変形する。これにより、キャピラリ３５は軸方向および径方向に固定され、キャピラリ３５の支持固定が完了する。また、保持部材１３６とナット部材１３９との螺合により、ピペット保持部材３４とキャピラリ３５との接続部における気密性を確保することができる。このため、ピペット保持部材３４と連結された前述の流量調整用ポンプで、キャピラリ３５内の液体の流量調整を行うことが可能となる。

従来、Ｏリングを用いた支持部材一つのみでキャピラリを支持する構成が用いられている（例えば、「エッペンドルフ マイクロインジェクター ＦｅｍｔｏＪｅｔ（登録商標）ｅｘｐｒｅｓｓ使用説明書」）。このような構成では、キャピラリを一箇所でのみ支持しているため、例えば、卵細胞への穿孔の際、圧電アクチュエータの駆動によりキャピラリに予期せぬ振動が発生し、細胞を傷つけたり、効率が下がる可能性がある。これに対し、図１０に示した構成によれば、Ｏリング１３８を備える支持部材１３０が二つ用いられ、キャピラリ３５が二点で支持されているので、圧電アクチュエータ４４ａ、１４４ａの駆動中にキャピラリ３５が動くことが抑制される。この結果、細胞操作の際のキャピラリ３５の低振動化を実現でき、穿孔性能・効率を従来と比較して向上することができる。

なお、上述した構成では、支持部材１３０を二つ用いることとしたが、これに限定されず、三つ以上用いても良い。さらに、一つの支持部材１３０を構成するＯリング１３８の数は二つに限定されず、一つでもそれ以上でも良く、ワッシャ１３７を省略しても良い。また、支持部材１３０の構成部材もワッシャ１３７とＯリング１３８に限定されず、キャピラリ３５を支持できる構成であれば適用することができる。

［第３実施形態］ 次に、図１１及び図１２を参照して、第３実施形態に係るマニピュレータシステム２００について説明する。なお、第３実施形態では、第２実施形態と重複する記載を避けるべく、第２実施形態と異なる部分についてのみ説明する。第２実施形態では、止めねじによりピペット保持部材１３４を中空部材１３５に固定したが、第３実施形態では、止めねじに代わる他の固定部材を用いて、ピペット保持部材２３４を中空部材２３５に固定している。図１１は、第３実施形態によるマニピュレータシステムに使用可能な微動機構（圧電アクチュエータ）の斜視図である。図１２は、第３実施形態によるマニピュレータシステムに使用可能な微動機構（圧電アクチュエータ）の断面図である。

第３実施形態の微動機構２４４では、ピペット保持部材２３４の外周に中空部材２３５を設け、中空部材２３５を圧電アクチュエータ２４４ａと一体にしたので、ピペット保持部材２３４と圧電アクチュエータ２４４ａとを別体にすることが可能である。図１２において、図９と同等の部分は同一符号を付し、その詳細説明は省略する。

ピペット保持部材２３４は、その先端側（図１２の左側、以下同様）にキャピラリ３５が取り付け固定される。また、その後端側（図１２の右側、以下同様）には卵や細胞等へのインジェクションのための溶液を送る不図示のチューブが接続されるためのノズルが、螺合等により固定されている。このチューブの他端には、流量調整用のポンプが接続されている。次に、ピペット保持部材２３４に取り付けられる圧電アクチュエータ２４４ａについて説明する。

圧電アクチュエータ２４４ａの中心軸を為す中空部材２３５の外周面には、転がり軸受８０、８２が嵌合される。中空部材２３５は、その内輪８０ａの先端側（図１２の左側、以下同様）に、径方向外方に突出する突出部２３５ａを有しており、突出部２３５ａには、ロックナット２３６が突き当たる突き当り面２３５ｂが形成されている。転がり軸受８０の内輪８０ａは、中空部材２３５の外周面に設けられたロックナット２３６に当接することにより位置決めされている。

転がり軸受８０、８２の内輪８０ａ、８２ａの間には、内輪間座１８４が備えられる。内輪間座１８４は中空部材２３５の外周面に嵌合している。転がり軸受８０、８２（内輪８０ａ、８２ａ）は、内輪８２ａの後端側から中空部材２３５にロックナット２３７を螺合することにより、軸方向に固定される。

圧電アクチュエータ１４４ａのその他の部分は、図９と同様である。すなわち、転がり軸受８０、８２には、図９と同様に、その外輪８０ｂ、８２ｂの外周面にハウジング４８が嵌合される。外輪８２ｂの軸方向後端側にスペーサ９０、圧電素子９２の順にハウジング４８の内周面に配置され、蓋８８を締めることによりこれらが固定される。このようにして、中空部材２３５と一体となった圧電アクチュエータ１４４ａが構成される。

圧電アクチュエータ２４４ａにピペット保持部材２３４を固定するため、中空部材２３５の先端側には、固定部材としてのクランピング２４０が設けられている。中空部材２３４とクランピング２４０とは一体に設けられている。クランピング２４０は、両端面が所定の隙間を空けて対向する断面Ｃ型形状となっている。クランピング２４０は、締結ねじ２４１を有しており、締結ねじ２４１が締められ、両端面が近づく方向に移動することで、ピペット保持部材２３４が挿通される内周面を狭める。一方、クランピング２４０は、締結ねじ２４１が緩められ、両端面が遠くなる方向に移動することで、ピペット保持部材２３４が挿通される内周面を広める。これにより、中空部材２３５に挿通されたピペット保持部材２３４は、中空部材２３５に連なるクランピング２４０の締結ねじ２４１が締められることで、クランピング２４０の内周面に保持され、クランピング２４０を介して中空部材２３５に固定される。

微動機構２４４をこのような構成にすることにより、ピペット保持部材２３４と圧電アクチュエータ２４４ａとを別体にすることが可能となる。この結果、微動機構２４４のメンテナンス性を向上することができる。また、中空部材２３５に対しピペット保持部材２３４をクランピング２４０で固定したので、中空部材２３５とピペット保持部材２３４との同軸度や相対位置を微調整することが可能となる。また、圧電アクチュエータ２４４ａを、ピペット保持部材２３４の軸方向において所定の位置に固定することが可能となる。このため、キャピラリ３５と圧電素子９２とが近接するように、圧電アクチュエータ２４４ａをピペット保持部材２３４に固定することができる。このように、キャピラリ３５と圧電素子９２と近接させることで、圧電素子９２による穿孔作用をより向上させることが可能となる。

また、第３実施形態の微動機構２４４でも、ピペット保持部材２３４にねじ加工をする必要がないため、ピペット保持部材２３４と中空部材２３５の加工による変形を抑制することが可能となる。その他の構成及び作用効果は、図９の微動機構１４４と同様である。

なお、第３実施形態では、クランピング２４０として、断面Ｃ型形状のクランピングを用いたが、この構成に限らず、例えば、図１３及び図１４に示す変形例に係るクランピングを用いてもよい。

ここで、図１３及び図１４を参照して、変形例に係るクランピング２５０について説明する。図１３は、第３実施形態の変形例に係る微動機構（圧電アクチュエータ）の斜視図である。図１４は、第３実施形態の変形例に係る微動機構（圧電アクチュエータ）の断面図である。

中空部材２３５の先端側に設けられる、固定部材としてのクランピング２５０は、円環形状を２分割したカップリング型のクランピングである。つまり、クランピング２５０は、一方の分割部材２５０ａと、他方の分割部材２５０ｂと、これら分割部材２５０ａ、２５０ｂを締結する２つの締結ねじ２５１とを有する。一方の分割部材２５０ａは、中空部材２３４と一体に設けられ、他方の分割部材２５０ｂは、一方の分割部材２５０ａに対して離接方向に移動自在に設けられている。一方の分割部材２５０ａと他方の分割部材２５０ｂとの間には、ピペット保持部材２３４が配置される。クランピング２５０は、２つの締結ねじ２５１が締められると、一方の分割部材２５０ａに対して他方の分割部材２５０ｂが近づく方向に移動することで、ピペット保持部材２３４を挟む。一方、クランピング２５０は、２つの締結ねじ２５１が緩められると、一方の分割部材２５０ａに対して他方の分割部材２５０ｂを開放する方向に移動することで、ピペット保持部材２３４を開放する。これにより、中空部材２３５に挿通されたピペット保持部材２３４は、中空部材２３５に連なるクランピング２５０の締結ねじ２５１が締められることで、クランピング２５０に保持され、クランピング２５０を介して中空部材２３５に固定される。

このようなクランピング２５０であっても、上記のように、ピペット保持部材２３４と圧電アクチュエータ２４４ａとを別体にすることが可能となる。この結果、微動機構２４４のメンテナンス性を向上することができる。また、中空部材２３５に対しピペット保持部材２３４をクランピング２５０で固定したので、中空部材２３５とピペット保持部材２３４との同軸度や相対位置を微調整することが可能となる。また、圧電アクチュエータ２４４ａを、ピペット保持部材２３４の軸方向において所定の位置に固定することが可能となる。このため、キャピラリ３５と圧電素子９２とが近接するように、圧電アクチュエータ２４４ａをピペット保持部材２３４に固定することができる。このように、キャピラリ３５と圧電素子９２と近接させることで、圧電素子９２による穿孔作用をより向上させることが可能となる。

［第４実施形態］ 次に、図１５から図２１を参照して、第４実施形態に係るマニピュレータシステム３００について説明する。第４実施形態では、第１実施形態から第３実施形態に係るマニピュレータシステム１、１２０、２００におけるマニピュレータの動作を詳細に説明する。なお、第４実施形態では、第１実施形態に適用して説明すると共
に、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。図１５は、第４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。

第４実施形態のマニピュレータシステム３００は、上記の一対のマニピュレータ１４、１６と、試料ステージ３２１と、顕微鏡ユニット３２５と、光源部３２６と、これらを制御するコントローラ３４３を備える。

顕微鏡ユニット３２５は、対物レンズ３２２ａ等から構成されて顕微鏡機能を有する顕微鏡３２２と、撮像素子としてのカメラ３２３と、自動による合焦動作が可能な焦点合わせ機構３２４とを備える。顕微鏡３２２は、対物レンズ３２２ａが観察対象物である試料を収容するシャーレ２２の下方に位置する倒立型顕微鏡で構成されている。焦点合わせ機構３２４は、自動で合焦動作を行うように構成してもよく、あらかじめ、あるいは作業中に記憶させた焦点位置情報に基づいて合焦動作を行えるようにしておいても良い。

試料ステージ３２１は、ガラス材料等の透光性材料からなるシャーレ２２などが載置されるとともに、ＸＹ軸の平面方向に電動で駆動可能なようにＸ‐Ｙ軸テーブルから構成され、駆動装置３２１ａ（図１７）の駆動によりＸ軸、駆動装置３２１ｂ（図１７）の駆動によりＹ軸に沿ってそれぞれ移動可能になっている。

また、光源部３２６は、試料ステージ３２１上のシャーレ２２の直上に位置するように配置され、シャーレ２２内の試料に向けて光を照射する。

試料ステージ３２１上のシャーレ２２内の試料に光源部３２６から光が照射され、シャーレ２２内の試料を透過した光が顕微鏡３２２に入射すると、微小対象物に関する光学像が顕微鏡３２２で所定倍率に拡大されてカメラ３２３で撮像され、カメラ３２３の撮像による画像を基に試料を観察することができる。このとき、試料ステージ３２１をＸＹ軸の平面方向に駆動することで、シャーレ２２内の試料または微小対象物を観察に適した位置にセットすることができる。

（マニピュレータの構成） 図１６は、図１５のマニピュレータの構成を概略的に示す図である。 図１６に示すように、マニピュレータ１４は、第１実施形態と略同様の構成であるため、一部説明を省略する。なお、ピペット２４のキャピラリ２５と反対側の端部には、シリンジポンプ３２９（図１７）とピペット２４とを連結する不図示のチューブ等が取り付けられている。

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（パーソナルコンピュータ（図４におけるＰＣ））３４３に接続されている。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、シャーレ２２内の微小対象物（細胞、卵、精子等）を保持するように構成されている。

マニピュレータ１６も、第１実施形態と略同様の構成であるため、一部説明を省略する。なお、ピペット保持部材３４のキャピラリ３５と反対側の端部には、注入ポンプ３３９（図１７）とピペット３４とを連結する不図示のチューブ等が取り付けられている。

ピペット保持部材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。ピペット保持部材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、注入ポンプ３３９や圧電素子９２を操作する等してキャピラリ３５を操作することにより、シャーレ２２内の試料または試料中の微小対象物（細胞、卵、精子等）に人工操作を行うように構成されている。 このように、ホールド用マニピュレータ１４とインジェクション用マニピュレータ１６とはほぼ同一構成となっている。なお、マニピュレータ１４、１６の微動機構４４、１４４、２４４等の詳細な構成は、第１実施形態から第３実施形態に示す構成となっている。

（マニピュレータシステムの制御） 次に、上記のマニピュレータシステム３００におけるコントローラ（パーソナルコンピュータ（ＰＣ））３４３による制御について図１７を参照して説明する。図１７は、図１６のコントローラによる制御系要部を示すブロック図である。

図１７のコントローラ３４３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３４６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３４６は、図１５の顕微鏡ユニット３２５の焦点合わせ機構３２４、マニピュレータ１４の駆動装置３０、３２、シリンジポンプ３２９、及び、マニピュレータ１６の駆動装置４０、４２、注入ポンプ３３９、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。

また、コントローラ３４３には、情報入力手段としてキーボードの他にジョイスティック３４７、マウス３４９、ボタン（不図示）、タブレット（不図示）等が接続されており、さらに、ＣＲＴや液晶パネルからなる表示部３４５が接続され、表示部３４５にはカメラ３２３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。

また、制御部３４６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３４６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、シャーレ２２内で複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。

また、コントローラ３４３は、顕微鏡３２２を通してカメラ３２３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３８２と、画像入力部３８２からの画像信号の画像処理を行う画像処理部３８３と、画像処理前後の画像情報が表示部３４５へと出力する画像出力部３８４と、カメラ１２３で撮像された操作対象物の卵の核等の位置やキャピラリ２５、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３８５と、を備え、各部３８２〜３８５が制御部３４６により制御されるようになっている。

画像処理部３８３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３８５が微小対象物やキャピラリ２５、３５の位置を検出し、それらの検出位置、あるいはそれらの検出位置情報と、あらかじめ設定もしくは作業中に設定された位置情報に基づいてキャピラリ２５、３５等の駆動が制御される。

また、表示部３４５には、カメラ３２３で撮像したキャピラリ２５、３５の画像を含めた微小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。

コントローラ３４３は、コントローラ３４３に接続されたジョイスティック３４７等を操作することにより、試料ステージ３２１の駆動装置３２１ａ、３２１ｂの駆動を制御し、試料ステージ３２１をＸＹ軸方向に移動させる。また、コントローラ３４３は、コントローラ３４３に接続されたジョイスティック３４７等を操作することにより、試料ステージ３２１を制御し、マニピュレータ１４、１６をそれぞれ駆動してキャピラリ２５、３５を所定位置にセットしたとき、その操作の際に駆動した各駆動装置３２１ａ、３２１ｂ、３０、３２、４９、４２及び圧電アクチュエータ４４ａ、１４４ａ、２４４ａ（圧電素子９２）の駆動量を記憶する。または試料ステージ３２１、マニピュレータ１４、１６のＸ、Ｙ、Ｚ各軸の移動量を記憶する。このとき、駆動量、移動量あるいは移動した位置を所定の基準位置からのＸ、Ｙ座標として記憶しておいてもよい。例えば、コントローラ３４３がキャピラリ２５、３５の第２の位置を記憶することで、キャピラリ２５、３５が第２の位置から離れた第１の位置または第３の位置に移動した後、ジョイスティック３４７などの操作指示によって第２の位置に復帰できる。

なお、キャピラリ２５、３５の各位置とは、シャーレ２２内の特定位置に対する相対位置であり、試料ステージ３２１はその上に載るシャーレ２２をＸＹ軸の平面方向に移動させることでキャピラリ２５、３５を各位置間で相対的に移動させる。

また、試料ステージ３２１は、図１７の破線のように、そのＸ‐Ｙ軸テーブルのＸ軸方向及びＹ軸方向の各位置を検出するエンコーダ等から構成された位置センサ３２１ｃを備えてもよい。位置センサ３２１ｃにより上記キャピラリ２５、３５の各位置を検出して得られたＸＹ座標情報をコントローラ３４３が記憶し、かかるＸＹ座標情報に基づいてコントローラ３４３の制御により試料ステージ３２１がキャピラリ２５、３５を第１位置、第２位置、第３位置へと移動させる。

第４実施形態のマニピュレータシステム３００は、カメラ３２３による画像をコントローラ３４３の表示部３４５で確認しながら顕微鏡３２２に装着されたマニピュレータ１４、１６及び試料ステージ３２１をジョイスティック３４７などの操作により駆動する。

マニピュレータシステム３００により、インジェクション操作を行う際、シャーレ２２を試料ステージ３２１上にセットした状態で、試料ステージ３２１を駆動し、他の培地の位置情報をコントローラ３４３に記憶する操作を行う。この位置記憶操作はインジェクション操作中にも行うことが可能で、記憶位置はその都度変更することが可能である。

（ジョイスティックの構成及び操作例） 次に、図１７のコントローラに接続される操作手段としてのジョイスティック３４７及びその操作例について図１８を参照して説明する。図１８は、図１７に示すジョイスティックの具体例を示す斜視図である。なお、図１８のジョイスティック３４７は、マニピュレータシステム３００の構成に対応しており、図５のジョイスティック４７と一部構成が異なっている。

図１５、１７の顕微鏡ユニット３２５、マニピュレータ１４、１６の各動作は、ジョイスティック３４７の操作による入力情報に基づいて図１７の制御部３４６により制御される。第４実施形態では、ジョイスティック３４７はホールド用マニピュレータ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つずつ用意されいる例を説明するが、１つのジョイスティックで顕微鏡ユニット３２５、マニピュレータ１４、１６の操作を行っても良いし、３本以上のジョイスティックで操作をするもの、あるいはコントローラ３４３と接続されたマウス３４９、キーボード、タブレット等（以下、ジョイスティック３４７を含めたこれらを操作部と呼ぶ）を併用するものであっても良い。

図１８のように、ジョイステイッック３４７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）３４７ｅ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３４７ａ、３４７ｂ、３４７ｃ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３４７ｄと、押しボタンスイッチ３４７ａ〜３４７ｃの反対側に配置されたトリガスイッチ３４７ｇと、レバー３４７ｈとを備えている。

図１８のジョイスティック３４７の押しボタンスイッチ３４７ａ〜３４７ｃ、多方向ハットスイッチ３４７ｄ、本体部３４７ｅ、トリガスイッチ３４７ｇ、レバー３４７ｈには、それぞれ、顕微鏡ユニット３２５の焦点合わせ機構３２４、各マニピュレータ１４、１６のＸ-Ｙ軸テーブル２６、３６、Ｚ軸テーブル２８、３８の駆動装置３０、３２、４０、４２、シリンジポンプ３２９、注入ポンプ３３９の押し子（不図示、以下インジェクタと呼
ぶ）、圧電素子９２、試料ステージ３２１の駆動装置３２１ａ、３２１ｂ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３４７ｇを引きながら本体部３４７ｅを右側Ｒ、左側Ｌに傾斜させることでマニピュレータ１４、１６のＸＹ駆動を行うことができ、本体部３４７ｅをねじることでＺ駆動を行うことができるようにする。

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３４７ｄの上方向、下方向ボタンを押すと、焦点合わせ機構３２４が駆動し、顕微鏡３２２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３４７ｂ、３４７ｃはシリンジポンプ３２９の駆動調整のためのものであり、押しボタンスイッチ３４７ｂ、３４７ｃの１つを押すと、シリンジポンプ３２９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３４７ａ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。また、コントローラ３４３は、顕微鏡３２２の焦点合わせに関連する各部位の位置情報を移動量あるいは座標等として記憶しておくこともできる。

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３４７ｄ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３４７ｂ、３４７ｃはそれぞれ注入ポンプ３３９の吸引、吐出動作（押し子（インジェクタ）を入れる、抜く）に対応しており、押しボタンスイッチ３４７ａはインジェクタの往復運動の入切のためのものである。

レバー３４７ｈは、図の方向Ａ、その反対の方向Ｂへと回動し、方向Ａに回動した上端位置、方向Ｂに回動した下端位置、それらの中間位置に切り換え可能である。レバー３４７ｈの切り換えスイッチは、インジェクタの往復運動の振幅に対応している。なお、レバー３４７ｈの切り換えは３段階に限らず、２段階や４段階以上、無段階としても良い。

図１８のジョイスティック３４７における上記押しボタンスイッチ等の操作により、マニピュレータ１４が駆動され、そのキャピラリ２５がシャーレ２２上の微小対象物（卵等）を保持し、また、その保持の吸引圧（陰圧）が制御される。

また、ジョイスティック３４７における上記押しボタンスイッチ等の操作により、マニピュレータ１６の圧電アクチュエータ４４ａ、１４４ａ、２４４ａが駆動され、そのキャピラリ３５の先端がインジェクション方向に直線的に変位し、微小対象物（卵等）に挿入されたキャピラリ３５から所定の溶液（精子を含む懸濁培養液等）がインジェクタの駆動により微小対象物（卵等）に対しインジェクションされる。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、キャピラリ３５が微小対象物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、挿入されたキャピラリ３５から前記所定の溶液がインジェクタの駆動により微小対象物に注入（インジェクション）される。その後、キャピラリ３５を微小対象物内の位置から抜くように駆動する。また、キャピラリ３５内に詰まりが生じた場合、または詰まりが生じる懸念のある場合には、押しボタンスイッチ３４７ａを押すことにより、インジェクタを往復運動させ、キャピラリ３５内の溶液を周期的に吸引・吐出させることができる。

（マニピュレータの動作） 次に、図１９、図２０を参照して上述のマニピュレータシステム３００の動作の一例について説明する。図１９は、マニピュレータに装着された各キャピラリと微小な操作対象物（卵、精子）との各位置関係（ａ）〜（ｈ）を示す図である。図１９は、ホールド用のキャピラリ２５が保持した卵Ｄにインジェクション用のキャピラリ３５が接近した状態（ａ）、キャピラリ３５が卵Ｄの透明帯Ｔを穿孔した状態（ｂ）、透明帯穿孔後キャピラリ３５を卵Ｄから抜いた状態（ｃ）、精子サンプリングモードに変更した状態（ｄ）、キャピラリ３５を操作し、精子Ｕをサンプリングしている状態（ｅ）、精子Ｕのサンプリングを完了した状態（ｆ）を示す。また、試料ステージ３２１を駆動していない図１９（ｅ）、（ｆ）に対し、図１９（ｇ）、（ｈ）はそれぞれ、精子Ｕのサンプリングの際に試料ステージ３２１を駆動した場合における、精子Ｕをサンプリングしやすい位置に移動した状態（ｇ）及びその移動後サンプリングを完了した状態（ｈ）を示している。

図２０は、図１９の精子サンプリング完了後の各状態（ａ）〜（ｄ）を示す図である。 図２０は、図１９の精子Ｕのサンプリング完了後、キャピラリ３５を透明帯穿孔位置に戻しインジェクションモードに変更した状態（ａ）、透明帯穿孔位置からキャピラリ３５が卵Ｄの細胞質Ｓ内に刺し込まれた状態（ｂ）、精子Ｕを細胞質Ｓ内に注入した状態（ｃ）及び卵Ｄからキャピラリ３５を抜いた状態（ｄ）を示す図である。

まず、図１９（ａ）のように、ホールド側マニピュレータ１４をジョイスティック３４７を用いて操作し、キャピラリ２５により陰圧で卵Ｄを保持する。なお、図１９（ａ）において太線で示す位置が焦点を合わせたＺ軸（上下）位置であり、以下の図においても同様である。

次に、図１９（ｂ）のように、マニピュレータ１６をジョイスティック３４７を用いて操作し、キャピラリ３５をインジェクション位置へ移動し、図２の圧電素子９２を駆動して卵Ｄの透明帯Ｔを穿孔した後、図１９（ｃ）のように、キャピラリ３５を卵Ｄからいったん抜く。このとき、卵Ｄの透明帯Ｔには穿孔した穴Ｔ１が形成される。

次に、コントローラ３４３を操作部によりを操作し、図１９（ｄ）のように、精子サンプリングモードに変更し、精子サンプリング操作を開始するが、このとき、焦点合わせ機構３２４の位置、インジェクション側・ホールド側の各マニピュレータ１４、１６のＸＹＺ軸の位置、試料ステージ３２１のＸＹ軸の位置をコントローラ３４３が記憶する。この記憶は、例えば、図１８のジョイスティック３４７の操作により実行される。

その後、図１９（ｄ）のように精子Ｕに顕微鏡３２２の焦点が合う位置まで自動で焦点合わせ機構３２４及びマニピュレータ１６のＺ軸を駆動する。シャーレ２２の底面２２ａから透明帯穿孔位置（穴Ｔ１の位置）までの高さはおおよそ一定のため、この位置はコントローラ３４３により卵Ｄに焦点が合っている位置から算出した位置を用いることができる。

次に、図１９（ｅ）のように、インジェクション側マニピュレータ１６のＸＹＺ軸方向移動でキャピラリ３５を操作して精子Ｕをサンプリングする。そして、図１９（ｆ）のように、サンプリングする精子Ｕをキャピラリ３５の先端近傍に保持することで、精子のサンプリングが完了する。

また、この精子のサンプリングのとき、図１９（ｇ）のように、試料ステージ３２１を駆動するとともにそれと同期して同じ移動量だけホールド側マニピュレータ１４もＸＹ軸方向に移動するように駆動しても良い。この場合、試料ステージ３２１とマニピュレータ１４の移動後、サンプリング操作して精子Ｕのサンプリングが完了する（図１９（ｈ））。

次に、上述のように精子Ｕをサンプリングしてキャピラリ３５内に保持した後、コントローラ３４３をジョイスティック３４７により操作し、図２０（ａ）のように、精子インジェクションモードに変更する。そして、コントローラ３４３を操作し、インジェクション側マニピュレータ１６をＸＹＺ軸方向に自動で駆動することで、キャピラリ３５が図１９（ｄ）で記憶した透明帯穿孔位置へ戻り、同時に焦点合わせ機構３２４を同じく記憶した位置へ駆動する。

このとき、図１９（ｇ）のように試料ステージ３２１も駆動しているのであれば、ホールド側マニピュレータ１４及び試料ステージ３２１を前に記憶した位置へ移動させる。このように、精子サンプリング操作中に試料ステージ３２１とホールド側マニピュレータ１４のＸＹ軸は同期して同じ移動量で駆動しているため、精子サンプリング後、キャピラリ３５が透明帯穿孔位置へ戻った場合、穿孔した穴Ｔ１に対しずれてしまうことを防ぐことが可能となる。

次に、図２０（ｂ）のように、圧電素子９２を駆動しキャピラリ３５で穿孔した穴Ｔ１から細胞膜を穿孔し、キャピラリ３５を細胞質Ｓ内に刺し込む。次に、図２０（ｃ）のようにキャピラリ３５から精子Ｕを細胞質Ｓ内にインジェクション（注入）する。次に、図２０（ｄ）のようにキャピラリ３５を卵Ｄから抜く。

この図２０（ｂ）の状態から図２０（ｃ）の状態にかけて、前述のようにジョイスティック３４７の押しボタン３４７ａを押すことにより、インジェクタを往復運動させる。これにより、キャピラリ３５内の溶液を吸引・吐出させることにより、図２０（ｂ）の矢印に示すように、精子Ｕをキャピラリ内で動かすことができる。この結果、精子Ｕがキャピラリ内で引っかかることを簡単に防止・解消できる。従来のマニピュレータの場合、押しボタン３４７ｂ、３４７ｃを交互に押す等でしかこのような動作が出来ず、精子Ｕの引っかかりを防止・解消するためには、操作者の熟練が必要であった。これに対し、インジェクタをボタン一つで往復運動させることができるため、非熟練者であっても、容易に精子Ｕの引っかかりを防止・解消できる。

また、ジョイスティック３４７のレバー３４７ｈの位置を変えることにより、インジェクタの往復運動のストローク（振幅）を変更できる。一方で、往復運動の時間間隔Ｔ（往復周期）は、予め設定しておく。なお、往復運動時のインジェクタの移動速度は、精子Ｕを卵Ｄにインジェクション（注入）する場合、すなわち押しボタン３４７ｂ（または３４７ｃ）によりインジェクタを吐出操作する場合よりも、インジェクタの移動速度が速くなるように設定することが好ましい。

図２１は、ジョイスティックの操作とそれに対するインジェクタ位置変化の関係一例を示す図である。図２１（ａ）はレバー３４７ｈの位置（ストローク大小）とボタン３４７ａの入切によるインジェクタ位置情報を示すグラフであり、図２１（ｂ）はインジェクタの位置変化に対応した精子Ｕの位置変化を示す図である。

この例では、まずレバー３４７ｈを操作してインジェクタの振幅（ストローク）を小さく設定し、押しボタン３４７ａを押す。これにより、インジェクタは吸引側（図２１（ａ）の下方向）に移動した後、吐出側（図２１（ａ）の上方向）に移動する。ボタン３４７ａを押している限り、この吸引・吐出の動作（インジェクタの往復運動）は継続する。ボタン３４７ａを押す時間が前記予め設定した時間間隔Ｔより短い場合、インジェクタは吸引動作と吐出動作１度ずつ連続して行うのみである。

図２１（ａ）の押しボタン３４７ａの二度目の操作では、レバー３４７ｈを位置を変えて振幅の大きさを大きく設定し、予め設定した時間間隔Ｔよりも大きく長い時間押しボタ定した時間間隔Ｔとは、最初の吸引動作（または吐出動作）中のある位置にインジェクタン３４７ａを押す。これにより、吸引・吐出の動作が繰り返される。図示の通り、予め設がある時間と、２回目の吸引動作（または吐出動作）中に同じ位置にインジェクタがある時間との差である。このため、インジェクタの往復は連続したものとは限らず、吸引動作、吐出動作を１回ずつした後、次の吸引動作までにインジェクタが停止する場合もある。もちろん、吸引・吐出動作が繰り返し連続して行われるようにしても良い。

図２１（ａ）における押しボタン３４７ａの三度目の操作では、レバー３４７ｈの位置を変えて振幅の大きさを小さく設定し、予め設定した時間間隔よりも短い時間押しボタン３４７ａを押す。これにより、吸引・吐出の動作が１度ずつ連続して行われる。

図２１（
ｂ）は、この三度目の押しボタン３４７ａの操作に対応した、キャピラリ３５内の精子Ｕの位置を示している。図中の丸付き数字の１〜３は、図２１（ａ）の丸付き数字の１〜３に対応している。往復運動中のインジェクタの移動速度は、図２１（ａ）に示すように、吸引時よりも吐出時の方がインジェクタの移動速度が大きくなっている（インジェクタ位置情報のグラフの傾きが大きい）。このため、図２１（ｂ）に示す通り、同じ振幅で吸引と吐出を繰り返しても、吐出時の精子の移動量が、吸引時よりも大きくなる。この結果、吸引と吐出を繰り返し、精子の引っかかりを防止しながら、卵Ｄの細胞質Ｓ内にインジェクション（注入）することができる。

インジェクタの動作は、上述のものに限定されない。例えば、図２２に示すように、押しボタン４７ｂ、４７ｃによる、比較的緩やかな吸引・吐出動作と組み合わせても良い。図２２は、ジョイスティックの操作とそれに対するインジェクタの位置変化の一例を示す図である。あるいは、吸引・吐出動作、すなわちインジェクタの往復運動の振幅、時間間隔、インジェクタの移動速度の何れか一つ、またはこれらの組合せをコントローラ３４３に数値入力するようにしても良く、図２１、２２の例とは吸引・吐出の動作順を逆にしても良い。さらに、インジェクタの動作全てを予め設定し、押しボタン３４７ａを押すことによりインジェクタが動作するようにしても良く、インジェクタの動作と共に、圧電素子９２に印加されるインジェクション電圧の大きさ、印加のタイミング等もインジェクタの動作に関連付けて予め設定を行うようにしても良い。

［第５実施形態］ 次に、図２３から図２６を参照して、第５実施形態に係るマニュピレータシステム４００について説明する。第５実施形態では、第１実施形態から第４実施形態で用いられるインジェクション側マニピュレータ１６のキャピラリ３５の太さに応じて、圧電素子９２に印加する印加電圧を設定している。これは、キャピラリ３５の先端側における太さ、または使用される各種試料（例えば、シャーレ２２内の培地）等の消耗品の状態に応じて、圧電素子９２の駆動条件が同じであっても、穿孔作用が異なる場合があるためである。この場合、わずかな穿孔作用の違いによって、インジェクション動作後における試料に対し影響を及ぼす場合がある。なお、第５実施形態では、第１実施形態に適用して説明すると共に、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。図２３から図２５は、第５実施形態によるマニピュレータシステムの表示部に表示される画面の一例を示す図である。

第５実施形態の表示部４５に表示される画面、すなわちカメラ１８で撮像した画面には、インジェクション側マニピュレータ１６のキャピラリ３５の他、キャピラリ３５の太さ（大きさ）を計測するための計測用インジケータ４１０が表示される。つまり、コントローラ４３には、計測用インジケータ４１０に関する表示情報が記憶されており、コントローラ４３は、記憶された表示情報に基づいて、表示部４５の画面上に計測用インジケータ４１０を表示させる。

計測用インジケータ４１０は、画面上において、長方形状に形成されており、外側の領域となる第２領域Ｅ２と、内側の領域となる第１領域Ｅ１とを有している。第２領域Ｅ２は、長辺方向において第１領域Ｅ１と同じ長さとなっており、短辺方向において第１領域Ｅ１よりも長くなっている。第１領域Ｅ１は、短辺方向において第２領域Ｅ２の中央に設けられている。第１領域Ｅ１は、短辺方向において第２領域Ｅ２よりも短く形成されている。

第１領域Ｅ１は、キャピラリ３５の太さが標準範囲以下であるか否かを判定するための領域である。つまり、キャピラリ３５の太さが、第１領域Ｅ１の短辺方向における長さ以下である場合、キャピラリ３５は、標準範囲以下であると判定される。第２領域Ｅ２は、キャピラリ３５の太さが標準範囲以上であるか否かを判定するための領域である。つまり、キャピラリ３５の太さが、第２領域Ｅ２の短辺方向における長さ以上である場合、キャピラリ３は、標準範囲以上であると判定される。また、キャピラリ３５の太さが、第１領域Ｅ１の短辺方向における長さよりも大きく、且つ、第２領域Ｅ２の短辺方向における長さよりも小さい場合、キャピラリ３５は、標準範囲内であると判定される。

なお、計測用インジケータ４１０は、キャピラリ３５の先端の太さを計測可能であれば、上記の構成に限定されない。例えば、計測用インジケータ４１０は、目盛りを付した物差であってもよい。

上記の計測用インジケータ４１０には、キャピラリ３５が重ね合わされることで、キャピラリ３５の太さが計測される。計測用インジケータ４１０とキャピラリ３５とを重ね合わせる場合、計測用インジケータ４１０の長辺方向と、キャピラリ３５の軸方向とが一致するように重ね合わされる。また、計測用インジケータ４１０の短辺方向の中心と、キャピラリ３５の軸中心とが一致するように重ね合わされる。

なお、計測用インジケータ４１０とキャピラリ３５とを重ね合わせる場合には、キャピラリ３５をＸ‐Ｙ軸テーブル３６により適宜移動させて、計測用インジケータ４１０に重ね合わせてもよい。または、計測用インジケータ４１０とキャピラリ３５とを重ね合わせる場合には、コントローラ４３により計測用インジケータ４１０の表示位置を変更することにより、計測用インジケータ４１０を適宜移動させて、キャピラリ３５に重ね合わせてもよい。

コントローラ４３は、計測用インジケータ４１０とキャピラリ３５とが重ね合わされ、重ね合わされた画面を画像処理することで、キャピラリ３５の太さを判定する。具体的に、図２３に示すように、計測用インジケータ４１０とキャピラリ３５とを重ね合わせた結果、キャピラリ３５が第１領域Ｅ１内に収まる場合、コントローラ４３は、キャピラリ３５の外径の長さが、第１領域Ｅ１の短辺方向における長さ以下であるとして、キャピラリ３５が標準範囲以下であると判定する。

また、図２４に示すように、計測用インジケータ４１０とキャピラリ３５とを重ね合わせた結果、キャピラリ３５が第１領域Ｅ１よりも大きく第２領域Ｅ２内に収まる場合、コントローラ４３は、キャピラリ３５の外径の長さが、第１領域Ｅ１の短辺方向における長さよりも長く、第２領域Ｅ２の短辺方向における長さよりも短いとして、キャピラリ３５が標準範囲内であると判定する。

また、図２５に示すように、計測用インジケータ４１０とキャピラリ３５とを重ね合わせた結果、キャピラリ３５が第２領域Ｅ２よりも大きい場合、コントローラ４３は、キャピラリ３５の外径の長さが、第２領域Ｅ２の短辺方向における長さ以上であるとして、キャピラリ３５が標準範囲以上であると判定する。

そして、コントローラ４３は、計測用インジケータ４１０を用いて判定されたキャピラリ３５の太さに応じて、圧電素子９２に印加する印加電圧を適宜設定する。具体的に、コントローラ４３は、キャピラリ３５が標準範囲内である場合、標準となる印加電圧（以下、標準（印加）電圧という）を、圧電素子９２に印加して、微動機構４４を駆動する。また、コントローラ４３は、キャピラリ３５が標準範囲以下である場合、標準印加電圧よりも大きい印加電圧を、圧電素子９２に印加して、微動機構４４を駆動する。このとき、コントローラ４３は、標準印加電圧に、１よりも大きい第１ゲインを乗じることで、標準印加電圧よりも大きな印加電圧とする。さらに、コントローラ４３は、キャピラリ３５が標準範囲以上である場合、標準印加電圧よりも小さい印加電圧を、圧電素子９２に印加して、微動機構４４を駆動する。このとき、コントローラ４３は、標準印加電圧に、１よりも小さい第２ゲインを乗じることで、標準印加電圧よりも小さな印加電圧とする。

次に、図２６を参照して、圧電素子９２に印加する印加電圧の設定に関するコントローラ４３の制御について説明する。図２６は、第５実施形態によるマニピュレータシステム４００の制御に関するフローチャートの図である。なお、印加電圧の設定は、卵Ｄに精子Ｕをインジェクション（注入）する前に実行される。

先ず、コントローラ４３は、計測用インジケータ４１０とキャピラリ３５とが重なり合った表示部４５の画面（例えば、図２３から図２５）を画像処理して、キャピラリ３５が標準範囲以下であるか否かを判定する（ステップＳ１）。コントローラ４３は、キャピラリ３５が標準範囲以下であると判定する（ステップＳ１：Ｙｅｓ）と、標準印加電圧に第１ゲインを乗じた印加電圧を設定し（ステップＳ２）、印加電圧の設定に関する処理を終了する。そして、コントローラ４３は、設定した印加電圧を圧電素子９２に印加することで、微動機構４４を駆動させる。このとき、圧電素子９２に印加される印加電圧は、標準印加電圧よりも大きくなることから、圧電素子９２は、その伸長が標準印加電圧を印加した場合に比して大きくなる。これにより、コントローラ４３は、微動機構４４によるキャピラリ３５の操作量を大きくすることができる。

コントローラ４３は、ステップＳ１において、キャピラリ３５が標準範囲以下でないと判定する（ステップＳ１：Ｎｏ）と、キャピラリ３５が標準範囲以上であるか否かを判定する（ステップＳ３）。コントローラ４３は、キャピラリ３５が標準範囲以上であると判定する（ステップＳ３：Ｙｅｓ）と、標準印加電圧に第２ゲインを乗じた印加電圧を設定し（ステップＳ４）、印加電圧の設定に関する処理を終了する。このとき、圧電素子９２に印加される印加電圧は、標準印加電圧よりも小さくなることから、圧電素子９２は、その伸長が標準印加電圧を印加した場合に比して小さくなる。これにより、コントローラ４３は、微動機構４４によるキャピラリ３５の操作量を小さくすることができる。

コントローラ４３は、ステップＳ３において、キャピラリ３５が標準範囲以上でないと判定する（ステップＳ３：Ｎｏ）と、キャピラリ３５が標準範囲内であるとして、標準印加電圧を設定する（ステップＳ５）。このとき、圧電素子９２に印加される印加電圧は、標準印加電圧となることから、圧電素子９２は、その伸長が予め設定された標準的なものとなり、微動機構４４によるキャピラリ３５の操作量が標準の操作量となる。

以上、第５実施形態によれば、キャピラリ３５の太さに応じて、微動機構４４の駆動条件を好適に設定し、微動機構４４によるキャピラリ３５の操作量を最適なものに変更することができる。このため、マニュピレータシステム４００では、卵Ｄに対する精子Ｕのインジェクション操作を精度のよいものとすることができる。

なお、第５実施形態では、計測用インジケータ４１０を用いてキャピラリ３５の先端の太さを計測した後、圧電素子９２に印加する印加電圧を設定した。しかしながら、予めキャピラリ３５の先端の太さが分かっている場合は、計測用インジケータ４１０によるキャピラリ３５の先端の計測を行わずに、圧電素子９２に印加する印加電圧を設定してもよい。すなわち、予めキャピラリ３５の先端の太さが分かっている場合は、コントローラ４３に、キャピラリ３５の太さの情報を入力する。そして、コントローラ４３は、入力されたキャピラリ３５の太さの情報に基づいて、キャピラリ３５が標準範囲以上であるか、標準範囲以下であるか、標準範囲内であるか、を判定する。

また、第１実施形態から第５実施形態に係るマニュピレータシステム１、１２０、２００、３００、４００を相互に組み合わせた構成にしてもよい。

以上の実施形態では、インジェクション用のマニピュレータについて説明したが、本発明の用途はこれに限定されない。 即ち、シャーレに貼り付いた試料を採取するために、キャピラリに振動を与えるためのマニピュレータ（例えば、特開２００８−２２９７７６号）に適応しても良い。 この場合、キャピラリと圧電アクチュ
エータとの距離を上記実施形態の場合よりも広くすることで、圧電アクチュエータから振動を与えた場合に、慣性の法則（振動に対する動きの鈍さ）も伴って揺動し、試料をベースから剥ぎ取ることができる。

本発明によれば、上記のようなインジェクション操作や試料の剥ぎ取り操作を、ボールねじ等の直動装置やモータを不要とする、部品点数が少なくシンプルな構成の圧電アクチュエータにより行うことができる。また、ピペット保持部材の外周にねじ加工がされており、これに対応する雌ねじにより各部を装着するため、圧入により各部を装着する場合と比較して装着が容易であり、キャピラリ（ピペット保持部材先端側）と圧電アクチュエータとの距離の微調整も容易となる。

また、本発明によれば、インジェクション対象となる核のキャピラリ内への付着、引っかかりを、熟練を要さずとも簡単に防止できる。このため、操作者はキャピラリの位置決め操作に専念することができ、より正確な操作を実現できる。

なお、上記の説明では、本発明を精子を卵内にインジェクションする場合についてのみ説明したが、ＥＳ細胞をインジェクションする場合にも応用できる。特にインジェクション用のキャピラリ内に複数の細胞を保持しなければならない場合には、保持した細胞をキャピラリ内で整列させる際に、前述のようにインジェクタを往復運動させるように駆動することにより、キャピラリ内で細胞を揺動させ、整列させることができる。

次に、図２７〜図３１を参照して、微動機構である圧電アクチュエータの別例を説明する。 なお、この別例の圧電アクチュエータは、圧電素子を複数にしたこと、及びその配置等に関わること以外は前記した圧電アクチュエータと基本的に同じ構成であるため、重複する部分の説明は省略し、同様の部材には同じ符号番号を付してある。

図２７は、図１４に示す圧電アクチュエータの圧電素子を角柱状のものとした形態である。複数個の圧電素子５９２，５９２は同一形状の角柱状となっている。

図２８に角柱状の圧電素子５９２の配置を模式的に示す。図２８は、図２７に示す圧電アクチュエータを圧電素子５９２の部分で軸方向に断面を見たところを模式的に示してある。図２８（Ａ）は、２個の角柱状の圧電素子５９２を対称に配置した形態を示す。図２８（Ｂ）は、３個の角柱状の圧電素子５９２を円周方向等配に配置した形態を示す。図２８（Ｃ）は、４個の角柱状の圧電素子５９２を対称、かつ、円周方向等配に配置した形態を示す。好ましくは、図２８（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、圧電素子５９２を対称もしくは等配、あるいは、対称かつ等配に配置する。

また、図２８（Ｃ）に示す圧電素子５９２の配置の態様において、４個の圧電素子のうちの一部を、いわゆるダミーのものとしてもよい。また、図示したものは、４個とも同一形状であるが、それぞれ異なっていてもよい。

図２９は、図２７の形態の微動機構（圧電アクチュエータ）における制御機構の一例を示す図である。圧電素子が複数個（圧電素子１、圧電素子２）であっても、図２９に示すように、コントローラ５０４の制御による信号発生器５０３からの信号に基づき、１台のアンプ５０３を用いて、複数個の圧電素子を駆動することも可能である。また、圧電素子毎にアンプ５０２や信号発生器５０３を設けることも可能である。

また、本発明を、他の発明に適宜組み合わせてもよく、他の発明としては、例えば、特開２００９−２０８２２０号、特開２００９−２１１０３０号、特開２００９−２１１０２７号、特開２０１０−１４８４６０号、及び特開２０１１−０１３４１６号等がある。

１０ マニピュレータシステム １４ マニピュレータ １６ マニピュレータ １８ カメラ ２２ シャーレ ２４ ピペット ２５ キャピラリ ２６ Ｘ‐Ｙ軸テーブル ２８ Ｚ軸テーブル ３０ 駆動装置 ３２ 駆動装置 ３４ ピペット保持部材 ３５ キャピラリ ３６ Ｘ‐Ｙ軸テーブル ３８ Ｚ軸テーブル ４０ 駆動装置 ４２ 駆動装置 ４３ コントローラ ４４ 微動機構 ４４ａ 圧電アクチュエータ ４５ 表示部 ４７ ジョイスティック ４８ ハウジング ８０、８２ 転がり軸受 ８０ａ、８２ａ 内輪 ８０ｂ、８２ｂ 外輪 ８０ｃ、８２ｃ ボール ８４ 中空部材 ８４ａ フランジ部 ８６ ロックナット ８８ 蓋 ９０ スペーサ ９２ 圧電素子 ９４ 間隙 １２０ マニピュレータシステム（第２実施形態） １３０ 支持部材 １３４ ピペット保持部材（第２実施形態） １３５ 中空部材 １３６ 保持部材 １３７ ワッシャ １３８ Ｏリング １３９ ナット部材 １４０ 止め輪 １４１ スペーサ １４４ 微動機構（第２実施形態） １４４ａ 圧電アクチュエータ（第２実施形態） １８４ 内輪間座（第２実施形態） ２００ マニピュレータシステム（第３実施形態） ２３４ ピペット保持部材（第３実施形態） ２３５ 中空部材（第３実施形態） ２３６ ロックナット ２３７ ロックナット ２４０ クランピング ２４１ 締結ねじ ２４４ 微動機構（第３実施形態） ２４４ａ 圧電アクチュエータ（第３実施形態） ２５０ａ 分割部材 ２５０ｂ 分割部材 ２５１ 締結ねじ マニピュレータシステム３００（第４実施形態） ３２１ 試料ステージ ３２２ 顕微鏡 ３２３ カメラ ３２４ 焦点合わせ機構 ３２５ 顕微鏡ユニット ３２６ 光源部 ３２９ シリンジポンプ ３３９ 注入ポンプ ３４３ コントローラ（第４実施形態） ３４５ 表示部 ３４６ 制御部 ３４７ ジョイスティック ３８２ 画像入力部 ３８３ 画像処理部 ３８４ 画像出力部 ３８５ 位置検出部 ４００ マニュピレータシステム（第５実施形態） ４１０ 計測用インジケータ ５０１ 圧電アクチュエータ ５０２ アンプ ５０３ 信号発生器 ５０４ コントローラ ５９２ 圧電素子（角柱形状） Ｅ１ 第１領域 Ｅ２ 第２領域 Ｄ 卵 Ｕ 精子

Claims (24)

1. 微小対象物を操作するためのキャピラリを圧電素子により微動駆動する圧電アクチュエータにおいて、 前記キャピラリを装着し、外周にねじ加工を施したピペット保持部材と、 前記ピペット保持部材と同軸の内周面を有するハウジングと、 前記ハウジングに対し前記ピペット保持部材を回転可能に支持する少なくとも２つの転がり軸受と、 前記ピペット保持部材と同軸に配置された圧電素子と、 前記ハウジングに固定され、前記圧電素子を軸方向に固定する蓋と、 前記２つの転がり軸受の内輪の間に配置された内輪間座に相当する部材と、を備えることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 微小対象物を操作するためのキャピラリを圧電素子により微動駆動する圧電アクチュエータにおいて、 前記キャピラリを装着したピペット保持部材と、 前記ピペット保持部材と同軸の内周面を有するハウジングと、 前記ハウジングに対し前記ピペット保持部材を支持する少なくとも２つの転がり軸受と、 前記ピペット保持部材と同軸に配置された圧電素子と、 前記ハウジングに固定され、前記圧電素子を軸方向に固定する蓋と、 前記２つの転がり軸受の内輪の間に配置された内輪間座に相当する部材と、を備えることを特徴とする圧電アクチュエータ。
3. 前記２つの転がり軸受の内輪と前記ピペット保持部材の外周面との間に介装される中空部材を、さらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電アクチュエータ。
4. 微小対象物を操作するためのキャピラリを圧電素子により微動駆動する圧電アクチュエータにおいて、 前記キャピラリを装着したピペット保持部材と、 前記ピペット保持部材と同軸の内周面を有するハウジングと、 前記ハウジングに対し前記ピペット保持部材を支持する少なくとも２つの転がり軸受と、 前記ピペット保持部材と同軸に配置された圧電素子と、 前記ハウジングに固定され、圧電素子を軸方向に固定する蓋と、 前記２つの転がり軸受の内輪の間に配置された内輪間座に相当する部材と、 前記２つの転がり軸受の内輪と前記ピペット保持部材の外周面との間に介装される中空部材と、を備えることを特徴とする圧電アクチュエータ。
5. 前記ピペット保持部材は、外周にねじ加工を施され、 前記２つの転がり軸受は、前記ピペット保持部材の外周と螺合する２つのロックナットにより軸方向に固定されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
6. 前記中空部材の一端の外周面にはねじ加工が施され、該ねじ加工部分にはロックナットが螺合して転がり軸受を軸方向に固定していることを特徴とする請求項３または４に記載の圧電アクチュエータ。
7. 前記中空部材の他端に設けられ、前記ピペット保持部材を前記中空部材に固定する固定部材をさらに備えることを特徴とする請求項３または４に記載の圧電アクチュエータ。
8. 前記圧電素子は、前記転がり軸受により予圧を付与されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
9. 前記転がり軸受と前記圧電素子の間に、前記ピペット保持部材と同軸に配置されたスペーサを備えることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
10. 前記キャピラリは、複数の支持部材により複数点で支持されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータを備えることを特徴とするマニピュレータ。
12. 微小対象物を操作するキャピラリと、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータとを備え、コントローラにより電動駆動されるマニピュレータにおいて、 前記キャピラリは、前記キャピラリ内の流体を吸引または吐出させるインジェクタと接続され、 前記コントローラから発せられた一つの操作信号により、前記インジェクタが一定のストロークで往復するように設定されていることを特徴とするマニピュレータ。
13. 微小対象物を操作するキャピラリを備え、コントローラにより電動駆動されるマニピュレータにおいて、 前記キャピラリは、前記キャピラリ内の流体を吸引または吐出させるインジェクタと接続され、 前記コントローラから発せられた一つの操作信号により、前記インジェクタが一定のストロークで往復するように設定されていることを特徴とするマニピュレータ。
14. 前記インジェクタの往復において、前記キャピラリ内の流体の吸引時のインジェクタの移動速度よりも、吐出時のインジェクタの移動速度の方が大きく設定されていることを特徴とする請求項１２または１３に記載のマニピュレータ。
15. 前記インジェクタの往復において、前記操作信号による前記インジェクタの往復は、前記吸引に対応する前記インジェクタの移動が先に行われることを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
16. 前記インジェクタの往復において、吸引動作に対応する移動と吐出動作に対応する移動を１回ずつした後、次の吸引動作までにインジェクタが停止することを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
17. 前記操作信号は、前記コントローラに接続されたジョイスティックにより発せられることを特徴とする請求項１２乃至１６のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
18. 前記操作信号は、前記ジョイスティックに設けられたボタンにより発せられることを特徴とする請求項１２乃至１７のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
19. 前記キャピラリを圧電素子により微動駆動させる、請求項１１乃至１８のいずれか１項に記載のマニピュレータと、 前記マニピュレータに装着される前記キャピラリの先端の大きさに応じて、前記圧電素子に印加する電圧を制御するコントローラと、を備えることを特徴とするマニピュレータシステム
    。
20. 前記マニピュレータに装着される前記キャピラリの先端を撮像可能なカメラと、 前記カメラにより撮像される撮像画面上に配置され、前記キャピラリの先端の大きさを計測するための計測用インジケータと、をさらに備え、 前記コントローラは、 前記計測用インジケータにより計測される前記キャピラリの先端の大きさが、予め設定された標準範囲以上である場合、前記圧電素子に印加される電圧を、前記標準範囲内のときに印加される標準電圧よりも小さくし、 前記計測用インジケータにより計測される前記キャピラリの先端の大きさが、前記標準範囲以下である場合、前記圧電素子に印加される電圧を、前記標準電圧よりも大きくすることを特徴とする請求項１９に記載のマニピュレータシステム。
21. 請求項１２乃至１８のいずれか１項に記載のマニピュレータを用いて、前記キャピラリで前記対象物である卵に対して透明帯穿孔を行い、 その後、前記キャピラリが移動して少なくとも一つの精子のサンプリング操作を行ってから前記透明帯穿孔の位置に戻り、 前記インジェクタの往復によりキャピラリ内で精子を移動させながら精子のインジェクション操作を行うことを特徴とする微小対象物の操作方法。
22. 微小対象物を操作するためのキャピラリを圧電素子により微動駆動する圧電アクチュエータにおいて、 前記キャピラリを装着し、外周にねじ加工を施したピペット保持部材と、 前記ピペット保持部材と同軸の内周面を有するハウジングと、 前記ハウジングに対し前記ピペット保持部材を支持する少なくとも２つの転がり軸受と、 前記ピペット保持部材の周囲に配置された圧電素子と、 前記ハウジングに固定され、前記圧電素子を軸方向に固定する蓋と、 前記２つの転がり軸受の内輪の間に配置された内輪間座に相当する部材と、を備えることを特徴とする圧電アクチュエータ。
23. 前記ピペット保持部材の周囲に配置された圧電素子が、角柱状の圧電素子であることを特徴とする請求項２２に記載の圧電アクチュエータ。
24. 前記角柱状の圧電素子を、ピペット保持部材の周囲に、複数個配置したことを特徴とする請求項２３に記載の圧電アクチュエータ。

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