JP5962204B2 - 圧電アクチュエータ及びこれを備えたマニピュレータ - Google Patents

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及びマニピュレータに関する。

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３〜５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 特開２００８−４６２２８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。

特許文献５に記載のマニピュレータでは、ばね要素として二つの転がり軸受を配置し、ピペット保持部材と同軸となっている圧電アクチュエータが用いられている。このため、高精度な位置決めが可能で、軸方向以外の振動をある程度抑制することが可能となる。しかしながら、この圧電アクチュエータでは、圧電アクチュエータの中心軸上に配置された軸に、転がり軸受を固定するための円筒部と、転がり軸受の軸方向一端を位置決めするための突き当て部（円筒部と外径を異ならせ段差を形成した部分）と、転がり軸受の軸方向他端の位置を固定するためのロックナットを螺合するためのねじ部と、を形成する必要がある。このような構成から、ピペット保持部材と圧電アクチュエータの軸とを単一部材で構成することは困難であり、この結果、製造コストが上昇するという問題があった。また、ピペット保持部材と圧電素子の軸と別部材で構成するため、長手方向に寸法が長くなり、軸方向の以外の振動が生じる可能性も否定できない。

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及びマニピュレータを提供すると共に、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及びマニピュレータを提供することを目的とする。また、製造コストを抑制できる圧電アクチュエータ及びマニピュレータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本実施形態の圧電アクチュエータにおいて、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。

前記ピペット保持部材と前記ハウジングとの相対回転を抑制する回り止め機構を備えることが好ましい。これにより、前記ピペット保持部材と前記ハウジングとの相対回転を抑制することができ、高精度な操作が可能となる。

この回り止め機構は、前記ロックナットのうち一方と、前記ハウジングまたは前記ハウジングの動きと連動する部材との嵌合部の形状を、円筒ではない形状とすることが好ましい。

また、前記回り止め機構は、前記ロックナットのうち一方と、前記ハウジングまたは前記ハウジングの動きと連動する部材との嵌合部の形状を、円筒ではない形状とし、且つ、前記嵌合部の軸方向視において、前記ロックナットの外周をなす線上の任意の二点間距離の最大値と、前記ハウジングまたは前記ハウジングの動きと連動する部材の内周をなす線上の任意の二点間距離の最大値とが略一致させることが好ましい。

さらに、前記回り止め機構は、前記ロックナットのうち一方と、前記ハウジングまたは前記ハウジングの動きと連動する部材との嵌合部の形状を、多角柱状とすることが好ましい。

また、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は、上述の圧電アクチュエータを備える。

本発明の圧電アクチュエータ及びマニピュレータによれば、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。

本発明に係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のマニピュレータシステムに使用可能な微動機構の断面図である。 図２の微動機構の変形例を示す断面図である。 キャピラリの固定方法を示す断面図である。 図１のコントローラ４３による制御系要部を示すブロック図である。 図５の表示部４５に表示される画面例を示す図である。 図１、図５のジョイスティックの具体例を示す斜視図である。 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２２の底面２２ａに対する相対位置（ａ）〜（ｄ）を概略的に示す図である。 図８（ｃ）のようにキャピラリ３５がシャーレ２２の底面２２ａに接触したときの圧電素子９２の電圧値の変化を示す図である。 図５の表示部に表示される２画面の例を示す図である。 第１例の回り止め機構を備える圧電アクチュエータの軸方向断面図である。 回り止め機構の第１例の要部を示す図１１のＡ方向矢視図である。 図１１のハウジングを示す斜視図である。 回り止め機構の第１例の変形例を示す図１１のＡ方向矢視図である。 回り止め機構の第１例の変形例を示す図１１のＡ方向矢視図である。 第２例の回り止め機構を備える圧電アクチュエータの軸方向断面図である。

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。

（マニピュレータ）
図１は本発明に係るマニピュレータを使用したシステムの構成図である。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微小な対象物である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。

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。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。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１４は、図１に示すように、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。

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を備え、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。
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内の細胞（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。次にこの微動機構について説明する。

（微動機構）
微動機構４４は、図２に示すように、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のための溶液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間に挿入されたボール８０ｃ、８２ｃを備え、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の内周面にねじ加工を施す必要がなく、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フランジ部８４ａ（内輪間座）を有している。このフランジ部８４ａの軸方向両側に転がり軸受８０、８２の内輪８０ａ、８２ａを配置する。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。

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の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および圧電素子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よいし、バースト波形を使用してもよい。

本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。

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。つまり、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が挿入位置に挿入される。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直接固定され、ピペット保持部材３４は圧電アクチュエータ４４ａに直接固定される。このため、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数を低減できる。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３４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り、圧電素子９２による高精度な穿孔を実現できる。

次に、このような圧電アクチュエータ４４ａの組み立て方法は、まず、ピペット保持部材３４の先端側からロックナット８６、転がり軸受８０、中空部材８４、転がり軸受８２、ロックナット８６の順でピペット保持部材３４の外周面と嵌合させる。このとき、中空部材の外周面に、転がり軸受８０、８２を、その間にフランジ部８４ａを挟むように嵌合させる。その後、ロックナット８６、８６を締めることにより、転がり軸受８０、８２とピペット保持部材３４との相対位置を固定する。そして、転がり軸受８２の外輪８２ｂと突き当たるようにスペーサ９０をピペット保持部材３４の後端側に配置し、圧電素子９２をスペーサ９０と突き当たるように配置する。最後に、ハウジング４８を上記の組み立てたものを図２の配置となるよう位置決めし、蓋８８とハウジング４８とを、ボルト等で固定する。このような方法で、圧電アクチュエータ４４ａを簡単に組み立てることができる。

図３は微動機構の変形例を示す断面図である。本例の微動機構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とを別体にすることが可能である。図３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３の左側、以下同様）にはキャピラリ３５が取り付け固定される。また、その後端側（図３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。

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３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３４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。但し、上述した効果を考慮すると、止めねじによる固定が好ましい。また、上述の例では、段差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の微動機構と同様である。
次に、図２、３に示す微動機構の先端にキャピラリを固定する方法について説明する。

（キャピラリの固定方法）
図４は、キャピラリ３５の固定方法を示す断面図である。
図４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１３９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。

ピペット保持部材３４の外周面における保持部材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ぎの通りである。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、キャピラリは二組の支持部材１３０を構成するＯリング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３５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３５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４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、キャピラリを支持できる構成であれば適用することができる。

（マニピュレータの制御）
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５〜図７を参照して説明する。図５は図１のコントローラ４３による制御系要部を示すブロック図である。図６は図５の表示部４５に表示される画面例を示す図である。図７は図１、図５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５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。

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や各種制御用ボタンなどが表示される。例えば、図６のように、画像表示部４５ａには、カメラ１８による顕微鏡画像が表示され、例えば、微小対象物である卵Ｄと、卵Ｄを保持したキャピラリ２５と、インジェクション用のキャピラリ３５とが表示されるとともに、画像表示部４５ａの例えば下側にキャピラリ３５のセッティングのときの警告ランプ４５ｂが表示され、画像表示部４５ａの上側に画像表示部４５ａの顕微鏡画像の倍率を切り替える切り替えボタン４５ｃが表示される。切り替えボタン４５ｃは図５のマウス４３Ａによりクリックすることで操作可能である。

上述のように、圧電素子９２には圧電素子９２の駆動のときにアンプ９６から信号電圧が印加される一方、圧電素子９２で発生する電圧を電圧測定部９７で測定し検知し、測定された電圧はコントローラ４３に入力するようになっている。

圧電素子は、ピエゾ素子ともいわれ、一般に、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する一方、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。すなわち、圧電素子は、電圧を加えることで伸縮する一方、圧力を加えることで電圧を発生する。

本実施形態では、圧電素子９２は、微動機構４４にキャピラリ３５の微動駆動のために設けられているが、キャピラリ３５が例えばシャーレ等の容器の底面や側面に接触したとき、その接触による外力が図２のピペット保持部材３４、転がり軸受８０、８２、スペーサ９０等を介して圧電素子９２に加わることにより発生する電圧を電圧測定部９７で計測することでコントローラ４３上での監視を行う。

すなわち、コントローラ４３は、電圧測定部９７による測定電圧が例えば所定のレベルや電圧差以上となったとき、図６の表示部４５に表示された警告ランプ４５ｂを赤や黄の目立つ色で点滅させて警告を発したり、また、キャピラリ３５の駆動を停止するように制御する。また、表示部４５の警告ランプ４５ｂとは別にランプ点滅や警告音発生等を行う警告部９８を設け、警告部９８を作動させるようにしてもよい。

図１のマニピュレータシステム１０の操作のため、図１、図５、図７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７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、ＸＹ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６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。その後、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、本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。

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８、図９を参照してさらに説明する。図８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２２の底面２２ａに対する相対位置（ａ）〜（ｄ）を概略的に示す図である。図９は図８（ｃ）のようにキャピラリ３５がシャーレ２２の底面２２ａに接触したときの圧電素子９２の電圧値の変化を示す図である。

上述のように、マニピュレータ１６により駆動装置４０、４２や微動機構４４を駆動し、インジェクション用のキャピラリ３５をジョイスティック４７等の操作で最適位置にセッティングする際に、キャピラリ３５を例えば、図８（ａ）のように下向き方向ｚに移動させたとき、図８（ｂ）のようにキャピラリ３５がシャーレ２２の底面２２ａに接近し、図８（ｃ）のように、さらに接近してキャピラリ３５の先端が底面２２ａに接触すると、圧電素子９２から電圧が瞬間的に発生する。圧電素子９２から発生して図５の電圧測定部９７で測定した電圧値を、コントローラ４３（または電圧測定部９７）は、図９のようにサンプリング時間Δｔで集録し、Δｔの間の電圧値の差ΔＶ（圧電素子９２に印加されている電圧Ｖ０に対する電圧差）を算出し、その電圧差ΔＶが所定値以上であれば警告を表示する。

例えば、コントローラ４３において電圧差ΔＶの第１限界値Ｖ１を予め設定しておき、測定した電圧差ΔＶが図９のように限界値Ｖ１以上になったとき、例えば、図６の表示部４５で警告ランプ４５ｂが点滅する。この警報により、操作者はキャピラリ３５がシャーレ２２の底面２２ａに接触したことを知ることができるので、ジョイスティック４７を操作し、図８（ｄ）のように、キャピラリ３５を上向き方向ｚ’に移動させ、底面２２ａから離す。または、マニピュレータ１６（駆動装置４０、４２や微動機構４４）の駆動を停止する。これにより、キャピラリ３５の位置調整中にキャピラリ３５が他部分に当たって折損・破損することを未然に防止できる。

また、コントローラ４３において第１限界値Ｖ１よりも大きい第２限界値Ｖ２を予め設定し、測定した電圧差ΔＶが第２限界値Ｖ２以上になったとき、例えば、マニピュレータ１６（駆動装置４０、４２や微動機構４４）の駆動を自動的に停止し、キャピラリ３５の駆動を強制的に止める。これにより、例えばキャピラリ３５が底面２２ａに比較的強く接触して電圧差ΔＶがサンプリング時間Δｔの間に急激に大きくなった場合等に、キャピラリ３５のそれ以上の移動を止めることで、キャピラリ３５の位置調整中にキャピラリ３５の折損・破損を未然に防止できる。なお、この場合、警告ランプ４５ｂの点滅を続けるようにしてもよい。

また、上述の表示部４５における警告ランプ４５ｂの点滅の代わりに、または、警告ランプ４５ｂの点滅とともに、別の警告部９８を駆動し、ランプを点滅させたり、ブザー等の警告音を発するようにしてもよい。

なお、キャピラリ３５の他部分（キャピラリ２５やシャーレ２２の底面２２ａや側面２２ｂ等）への接触の状態やタイミング等によって、圧電素子９２から図９の破線で示すようにマイナス（−）方向に電圧差が発生する可能性がある場合は、電圧差ΔＶの絶対値で限界値Ｖ１、Ｖ２と比較するように構成してもよく、また、マイナス（−）方向に、別の限界値を予め設定するようにしてもよい。

また、表示部４５における警告表示として、ランプの点滅ではなく、例えば、「キャピラリが他部分に接触しています！」等の警告メッセージを例えば図６の画面４５ａの下側のスペース４５ｄに表示するようにしてもよく、かかる警告メッセージを赤色や黄色の目立つ色で点滅表示するようにしてもよい。

また、上記セッティング操作のとき、ジョイスティック４７でマニピュレータ１６を駆動する場合は、上述のように警告表示はコントローラ４３の表示部４５の画面上にするのが好ましいが、ジョイスティック４７に振動モータ等の振動部が内蔵している場合、この振動部を駆動することで操作者へ伝え、警告するようにしてもよい。また、手動でマニピュレータ１６を駆動してもよいが、この場合は、別の警告部９８を駆動することが好ましい。

また、圧電素子９２からの電圧信号を測定する際、電圧測定部９７にアンプ、フィルタを設置し、ノイズを除去して電圧信号を集録し測定するようにしてもよい。

以上のように、本実施形態によれば、マニピュレータシステム１０により細胞や卵にインジェクション等の微細な操作を行う際に、インジェクション用のキャピラリ３５を駆動し所定の最適位置にセッティングするとき、マニピュレータ１６に備えられた微動駆動のための圧電素子９２の電圧を計測できるようにし、圧電素子９２からの電圧値をコントローラ４３上で監視し、コントローラ４３側で検出し、操作者に警告を表示したり、マニピュレータ１６の駆動を強制的に停止する。これにより、キャピラリ３５の位置調整中にキャピラリ３５がキャピラリ２５やシャーレ２２の底面２２ａや側面２２ｂ等の他部分に接触して折損、破損してしまうことを防止することができる。

このように、キャピラリ３５が折損することを防止できるため、キャピラリ３５の交換作業も効率化が可能となる。また、キャピラリ３５のセッティングのとき、操作に慣れていない操作者でも上述のような警告表示や駆動停止によりキャピラリのセッティング時の操作者による誤動作を防止することができる。

（ピペット保持部材の回り止め機構）
上述のマニピュレータシステム１０に用いる圧電アクチュエータ４４ａ（１４４ａ）において、ピペット保持部材３４（１３４）は転がり軸受で支持されており、ハウジング４８に対して回転方向には拘束されていない。このため、圧電アクチュエータ４４ａを駆動してピペット保持部材３４を振動させる際、または外部からの振動が加わった際、振動の大きさや周期によってはピペット保持部材３４が回転する可能性がある。この場合、ピペット保持部材３４の回転に伴って、ピペット保持部材３４の先端に固定されたキャピラリ３５も回転する。

例えば、図８に示すように、キャピラリ３５として屈曲したキャピラリを使用する場合、キャピラリ３５が回転すると、キャピラリ３５先端と操作の対象物との相対位置が変動すると共に、キャピラリ３５先端が顕微鏡焦点位置から外れるという問題が生じる虞がある。この結果、微小な対象物の操作が困難となり、操作後の培養特性にも影響を及ぼす可能性がある。

これを防ぐため、ピペット保持部材３４が回転する可能性のある条件で使用する場合、またはピペット保持部材３４の回転により操作の対象物に影響を及ぼす可能性がある場合、図１１〜１６に示す回り止め機構を備える圧電アクチュエータを用いることが有効である。

図１１〜１３は、図２の圧電アクチュエータ４４ａに回り止め機構の第１例を設けた圧電アクチュエータ２４４ａを示す図である。図１１は圧電アクチュエータ２４４ａの軸方向断面図、図１２は図１１のＡ方向矢視図、図１３は圧電アクチュエータ２４４ａのハウジング２４８の斜視図である。

本例では、図１２に示すように、圧電アクチュエータ２４４ａに取り付けられた二つのロックナットのうち、ハウジング２４８と嵌合する側（ピペット保持部材３４の先端側、図１１の左側）のロックナット２８６を、軸方向から見て六角形としている。また、ロックナット２８６と嵌合しているハウジング２４８の嵌合孔２４８ａの形状を、図１３に示すように、ロックナット２８６の外周面と微小な隙間を以て嵌合する六角形としている。

このような構成により、ピペット保持部材３４に回転方向の力が作用した場合でも、ロックナット２８６がハウジング２４８の嵌合孔２４８ａにより回転方向に固定されているので、ピペット保持部材３４がハウジング２４８に対し相対回転することを防止できる。また、ロックナット２８６と嵌合孔２４８ａとは微小な隙間を以て嵌合しているので、ピペット保持部材３４がハウジング２４８に対し軸方向に相対移動することを妨げることはない。

なお、本例では、ロックナット２８６及び嵌合孔２４８ａの形状を軸方向視で六角形としたが、これに限定されない。例えば、ロックナット２８６及び嵌合孔２４８ａを四角形や八角形等の略同一形状の多角形としてもよく、楕円形状としても良い。
また、ロックナットと嵌合孔との嵌合部の形状は略一致している必要はない。双方共に円筒以外であれば良く、且つ、軸方向視において、ロックナット２８６の外周をなす線上の任意の二点間距離の最大値と、嵌合孔２４８ａ内周をなす線上の任意の二点間距離の最大値とが略一致（正確には、嵌合孔２４８ａにおける前記最大値の方がわずかに大きい）していれば良い。

例えば、図１４に示すように、軸方向視で、六角形の嵌合孔２４８ａの６辺のうち、対向する２辺と線接触する四角形の外周形状を持つロックナット２８６Ａを用いても良い。この場合、図１２と比較して、ロックナットと嵌合孔とが接触した場合にも接触面積が小さくなり、両者の相対移動を妨げ難くなる。

また、図１５に示すように、嵌合孔２４８ｂの形状を軸方向視で楕円とし、嵌合２４８ｂの長軸と略同一の長軸を持ち、嵌合孔２４８ｂの短軸よりも短い短軸を有する楕円形の外周形状を持つロックナット２４８Ｃを用いても良い。この場合、ロックナットと嵌合孔とが接触しても、接触面積が図１４よりも更に小さくなるので、両者の相対移動をより妨げ難くなる。また、図示は省略するが、楕円の嵌合孔と多角形のロックナットとの組合せや、多角形の嵌合孔と楕円のロックナットとの組合せも可能である。

図１６は、図２の圧電アクチュエータ４４ａに回り止め機構の第２例を設けた圧電アクチュエータ３４４ａの軸方向断面図である。
本例では、図１６に示すように、圧電アクチュエータ３４４ａに取り付けられた二つのロックナットのうち、ハウジング３４８と嵌合する側（ピペット保持部材３４の先端側、図１６の左側）のロックナット３８６の少なくともピペット保持部材の先端側の外周形状を、ピペット保持部材の先端側に向かって縮径する円錐状のテーパ面３８６ａとしている。そして、このロックナット３８６と嵌合しているハウジング３４８の嵌合孔３４８ａの形状を、テーパ面３８６ａと略同等のテーパ形状としている。

この圧電アクチュエータ３４４ａでは、蓋８８をハウジング３４８に固定する際、蓋８８に圧電素子９２、スペーサ９０、転がり軸受８２、８０と共にロックナット３８６が軸方向に押圧され、ロックナット３８６のテーパ面３８６ａが嵌合孔３４８ａに押し付けられる。この結果、テーパ面３８６ａと嵌合孔３４８ａとの間の摩擦により、ピペット保持部材３４の回転を防止できる。図１１〜図１５の第１例では、嵌合孔２４８ａとロックナット２８６との隙間によるガタ（回転可能な領域）が生じてしまい、ガタの大きさは加工精度に依存する。しかしながら、本例によれば、テーパ面３８６ａと嵌合孔３４８ａとを接触するまで押し付けたので、ガタを生じることはない。

また、この場合、圧電素子９２を収縮させることにより、ピペット保持部材３４をハウジング３４８に対し相対移動させることができる。このような構成は、マニピュレータの位置決め時等に、圧電アクチュエータ３４４ａが駆動されず、粗動機構によりピペット保持部材３４が粗動する等、ピペット保持部材３４の装置全体に対する移動量が大きく回転し易い場合に、特に有効である。

以上、本発明に係る圧電アクチュエータに用いることが可能な回り止め機構について記載したが、この構成は第１例、第２例の形態に限定されない。例えば、ロックナットに突起を、この突起と係合する凹部をハウジングに設けることにより、回り止めを行ってもよく、ロックナットに凹部を、ハウジングに突起を設けてもよい。

また、第１例と第２例とを組合せてもよい。即ち、第２例で円錐状としたテーパ面を角錘状とし、圧電素子の伸縮により回転方向のガタを調整することも可能である。さらに、これらと前述の凹部と突起を備える構成としてもよい。さらに、第１例、第２例のロックナットの外周形状をピペット保持部材に適用し、ハウジングとピペット保持部材との嵌合により回り止めを行う構成としても良い。

また、ピペットの軸方向後端側に配置されたロックナットの形状は、前記第１例、第２例では特に限定されない。しかしながら、この後端側のロックナットの外周形状と、転がり軸受の外輪と連接する（ハウジングの動きと連動する）スペーサの内周形状とを第１例、第２例、または上記した他の例のようにして、回り止め機構を構成することも可能である。若しくは、各ロックナット毎に回り止め機構を構成することも可能である。

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。

１０ マニピュレータシステム、１４ ホールディング用のマニピュレータ、１６
インジェクション用のマニピュレータ、１８カメラ、２０ 顕微鏡、２２ シャーレ、２２ａ 底面、２２ｂ 側面、２５ ホールディング用のキャピラリ、３５ インジェクション用のキャピラリ、３０，３２
駆動装置、４０，４２駆動装置、４３ コントローラ、４４ 微動機構、４５ 表示部（監視手段）、４５ａ 画像表示部、４５ｂ 警告ランプ、４５ｅ，４５ｆ 画像表示部、４７
ジョイスティック、９２圧電素子、９７ 電圧測定部（電圧検知手段）、９８ 警告部（監視手段）

Claims (6)

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、
   前記ピペット保持部材と前記ハウジングとの相対回転を抑制する回り止め機構と、
   を備えることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 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請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記回り止め機構は、前記ロックナットのうち一方と、前記ハウジングまたは前記ハウジングの動きと連動する部材とで構成されることを特徴とする請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記回り止め機構は、前記ロックナットのうち一方と、前記ハウジングまたは前記ハウジングの動きと連動する部材との嵌合部の形状を、円筒ではない形状とし、
   且つ、前記嵌合部の軸方向視において、
   前記ロックナットの外周をなす線上の任意の二点間距離の最大値と、前記ハウジングまたは前記ハウジングの動きと連動する部材の内周をなす線上の任意の二点間距離の最大値とが略一致させることにより構成されることを特徴とする請求項３に記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記回り止め機構は、前記ロックナットのうち一方と、前記ハウジングまたは前記ハウジングの動きと連動する部材との嵌合部の形状を、多角柱状とすることにより構成されることを特徴とする請求項３に記載の圧電アクチュエータ。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータを備えるマニピュレータ。