アクチュエータおよびマニピュレータ
【課題】煩雑な作業を行うことなく、ピペットを正確に直線運動させること。
【解決手段】ピペット素子３４を駆動対象とするねじ軸５２と、ねじ軸５２とボールねじナット６０を介して連結された回転軸５４を回転駆動する中空モータ７０と、圧電素子９２への印加電圧に応じて回転軸５４をその軸方向に沿って微動駆動させる微動機構４４を備え、中空モータ７０の駆動に伴う回転軸５４の回転運動をボールねじナット６０を介して直線運動に変換してねじ軸５２に伝達する。中空モータ７０の粗動駆動に伴うねじ軸５２の直線運動によってピペット３４をその軸方向に沿って粗動駆動し、微動機構４４の微動駆動に伴うねじ軸５２の直線運動によってピペット３４をその軸方向に沿って微動駆動させる。
【解決手段】ピペット素子３４を駆動対象とするねじ軸５２と、ねじ軸５２とボールねじナット６０を介して連結された回転軸５４を回転駆動する中空モータ７０と、圧電素子９２への印加電圧に応じて回転軸５４をその軸方向に沿って微動駆動させる微動機構４４を備え、中空モータ７０の駆動に伴う回転軸５４の回転運動をボールねじナット６０を介して直線運動に変換してねじ軸５２に伝達する。中空モータ７０の粗動駆動に伴うねじ軸５２の直線運動によってピペット３４をその軸方向に沿って粗動駆動し、微動機構４４の微動駆動に伴うねじ軸５２の直線運動によってピペット３４をその軸方向に沿って微動駆動させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータおよびマニピュレータに係り、特に、ねじ軸を直線運動させるアクチュエータおよびこのアクチュエータを用いたマニピュレータに関する。
【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、駆動アクチュエータに圧電素子を用いたものが提案されている（特許文献１および２参照）。
【０００３】
特許文献１には、保持体に当接部材を介して摩擦力で支持される微小器具と、この微小器具に形成される鍔部と、この鍔部に設けられ、微小器具と同心円状に配置される圧電素子と、この圧電素子に取り付けられ、その圧電素子の駆動により微小器具に衝撃力を付与する慣性体とを備えたものが記載されている。
【０００４】
一方、特許文献２には、直線方向に移動自在な移動体と、この移動体に取り付けられた圧電・電歪素子と、この圧電・電歪素子の先端部に取り付けられた微小器具とを備えたものが記載されている。
【特許文献１】特公平６−９８５８２号公報
【特許文献２】特開２００３−１５７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術のうち前者のものは、圧電素子の駆動により微小器具の移動方向と慣性体の移動方向とを一致させるために、厳密な芯合わせを行わなければならず、設置作業が面倒である。また後者のものは、微小器具をマニピュレータに固定する際に、軟らかい弾性部材で操作者が固定しなければならず、このときの締め付け度合によっては、圧電アクチュエータの効果を十分に発揮できないことが危惧される。
【０００６】
そこで、本発明は、煩雑な作業を行うことなく、ピペットを正確に直線運動させることができるアクチュエータおよびアクチュエータを用いたマニピュレータを提供することを目的とするものである。
【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、本発明は、ピペットを駆動対象として、外周側にねじ部を有するねじ軸と、回転軸をその軸方向への移動を自在に支持するとともに前記回転軸を回転駆動するモータと、前記回転軸に固定されて前記ねじ軸にねじ結合され、前記ねじ軸をその軸方向への移動を自在に支持するねじ要素と、圧電素子への印加電圧に応じて前記回転軸をその軸方向に沿って微動駆動させる微動機構とを備えてなるアクチュエータを構成したことを特徴とする。
【０００８】
係る構成によれば、モータを粗動駆動すると、モータの回転軸の回転に伴う回転運動がねじ要素を介してねじ軸に直線運動として伝達され、ねじ軸がピペットを駆動対象として、その軸方向に沿って移動する。この際、微動機構の圧電素子に電圧を印加すると、この印加電圧に応じて回転軸がその軸方向に沿って微動駆動されるため、この微動駆動をねじ要素を介してねじ軸に伝達することで、ピペットをその軸方向に沿って直線運動させることができる。すなわち、ピペットにキャピラリを取り付けるだけで、ピペットを直線運動させることができ、煩雑な作業を不要とすることができる。
【０００９】
前記アクチュエータを構成するに際しては、以下の要素を付加することができる。
【００１０】
好適には、前記ねじ軸のうち前記ねじ要素よりも前記ピペット側の部位をスライド自在に支持するリニアガイドを備えてなる。
【００１１】
係る構成によれば、ねじ軸のうちねじ要素よりもピペット側の部位を、リニアガイドでスライド自在に支持することで、ねじ軸の直線運動のみをピペットに伝達することができる。
【００１２】
好適には、前記圧電素子に対する印加電圧を制御する制御回路を備え、前記制御回路は、前記圧電素子に対して、前記ピペットがインジェクション動作可能な電圧を印加してなる。
【００１３】
係る構成によれば、圧電素子に対して、ピペットがインジェクション動作可能な電圧を印加することで、ピペットによる微動動作として、ピペットに対してインジェクション動作を行わせることができる。
【００１４】
また、上述のアクチュエータは、前記回転軸を回転自在に支持するように前記回転軸の外周に配置された軸受と、前記軸受と前記圧電素子とが収容されるハウジングと、を備えることが好ましい。ハウジング内に配置された圧電素子は軸受を介してピペットを軸方向に直動させる。この場合、前記圧電素子に対する印加電圧を制御する制御回路を備え、前記制御回路は、前記圧電素子に対して所定変位可能なオフセット電圧を印加することで、圧電素子がハウジング内で予圧を増加して軸受の剛性を大きくすることにより圧電素子の応答性を向上できる。また、前記圧電素子を少なくとも２つ備え、１つは予圧調整用圧電素子であり、もう１つが微動駆動用圧電素子であり、予圧調整用圧電素子にオフセット電圧を印加し、微動駆動用圧電素子に微動駆動電圧を印加するようにしてもよい。
【００１５】
また、本発明は、ピペットを駆動対象として、外周側にねじ部を有するねじ軸と、回転軸をその軸方向への移動を自在に支持するとともに前記回転軸を回転駆動するモータと、前記回転軸に固定されて前記ねじ軸にねじ結合され、前記ねじ軸をその軸方向への移動を自在に支持するねじ要素と、圧電素子への印加電圧に応じて前記回転軸をその軸方向に沿って微動駆動させる微動機構と、前記微動機構を伴って三次元空間を移動して前記ピペットの位置を制御する三次元軸移動テーブルとを備えてなるマニピュレータを構成したものである。
【００１６】
係る構成によれば、三次元軸移動テーブルの駆動により、微動機構を三次元空間の任意の位置に移動させることができる。微動機構が三次元空間の任意の位置に位置決めされたときに、モータを粗動駆動すると、モータの回転軸の回転に伴う回転運動がねじ要素を介してねじ軸に直線運動として伝達され、ねじ軸がピペットを駆動対象として、その軸方向に沿って移動する。この際、微動機構の圧電素子に電圧を印加すると、この印加電圧に応じて回転軸がその軸方向に沿って微動駆動されるため、この微動駆動をねじ要素を介してねじ軸に伝達することで、ピペットをその軸方向に沿って直線運動させることができる。すなわち、ピペットにキャピラリを取り付けるだけで、ピペットを直線運動させることができ、煩雑な作業を不要とすることができる。
【００１７】
前記マニピュレータを構成するに際しては、以下の要素を付加することができる。
【００１８】
好適には、前記ねじ軸のうち前記ねじ要素よりも前記ピペット側の部位をスライド自在に支持するリニアガイドを備えてなる。
【００１９】
係る構成によれば、ねじ軸のうちねじ要素よりもピペット側の部位を、リニアガイドでスライド自在に支持することで、ねじ軸の直線運動のみをピペットに伝達することができる。
【００２０】
好適には、前記圧電素子に対する印加電圧を制御する制御回路を備え、前記制御回路は、前記圧電素子に対して、前記ピペットがインジェクション動作可能な電圧を印加してなる。
【００２１】
係る構成によれば、圧電素子に対して、ピペットがインジェクション動作可能な電圧を印加することで、ピペットによる微動動作として、ピペットに対してインジェクション動作を行わせることができる。
【００２２】
また、上述のマニピュレータは、前記回転軸を回転自在に支持するように前記回転軸の外周に配置された軸受と、前記軸受と前記圧電素子とが収容されるハウジングと、を備えることが好ましい。ハウジング内に配置された圧電素子は軸受を介してピペットを軸方向に直動させる。この場合、前記圧電素子に対する印加電圧を制御する制御回路を備え、前記制御回路は、前記圧電素子に対して所定変位可能なオフセット電圧を印加することで、圧電素子がハウジング内で予圧を増加して軸受の剛性を大きくすることにより圧電素子の応答性を向上できる。また、前記圧電素子を少なくとも２つ備え、１つは予圧調整用圧電素子であり、もう１つが微動駆動用圧電素子であり、予圧調整用圧電素子にオフセット電圧を印加し、微動駆動用圧電素子に微動駆動電圧を印加するようにしてもよい。
【００２３】
また、前記ねじ要素は前記回転軸と一体化されており、前記ねじ軸は中空に構成され、前記ピペットの保持部材が前記ねじ軸内に配置されて前記ねじ軸に固定されているように構成することで、回転軸を別個の部品として用意することが不要となり、部品点数の削減及び組み立て容易化を実現できる。
【００２４】
また、前記ねじ要素は前記回転軸と一体化されており、前記ねじ軸が省略され、前記ピペットの保持部材が前記回転軸のねじ部とねじ結合するねじ部を外周に有し前記回転軸内に配置されるように構成することで、さらにねじ軸が不要となり、一層の部品点数の削減及び組み立て容易化を実現できる。
【００２５】
本実施形態によるアクチュエータは、内周側にねじ部が形成された回転軸を有するボールねじナットと、前記回転軸を回転駆動するモータと、前記回転軸のねじ部とねじ結合し前記回転軸の回転により直動可能なピペット保持部材と、前記回転軸を回転自在に支持するように前記回転軸の外周に配置された軸受と、前記軸受と前記圧電素子とが収容されるハウジングと、を備え、前記圧電素子を駆動することで前記軸受を介して前記ピペット保持部材がその軸方向に微動駆動される。
【００２６】
このアクチュエータによれば、カラスキャピラリを先端に取り付け可能なピペット保持部材と圧電素子とを同軸上に配置することができるとともに、圧電素子とピペット保持部材との位置関係も可能な限り近づけることができるので、圧電素子の動作を効率よくガラスキャピラリへ伝達することができる。さらに、圧電素子と電動とでガラスキャピラリの微細な位置決め（セッティング）が可能になり、位置決め装置としても構成でき、また、アクチュエータ内にはばね要素として軸受及びボールねじナットのボールねじしか存在しないため、高剛性のアクチュエータを実現でき、位置決めの際の応答性が向上する。
【００２７】
上記アクチュエータにおいて前記圧電素子に対し所定変位のためのオフセット電圧を印加することで前記ハウジング内で予圧を付与することで、ハウジング内で予圧を増加して軸受の剛性を大きくすることにより圧電素子の応答性を向上できる。また、前記圧電素子を少なくとも２つ備え、１つは予圧調整用圧電素子であり、もう１つが微動駆動用圧電素子であり、前記予圧調整用圧電素子にオフセット電圧を印加し、前記微動駆動用圧電素子に前記微動駆動のための電圧を印加するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、ピペットにキャピラリを取り付けるだけで、ピペットを直線運動させることができ、煩雑な作業を不要とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３０】
〈第１の実施形態〉
図１は、第１の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、顕微鏡観察下で試料に人口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。
【００３１】
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、試料台としてのベース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２２に向けて光を照射する光源を備えている。
【００３２】
ベース２２上には試料（図示せず）が乗せられるようになっている。この状態で、ベース２２上の試料に顕微鏡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。
【００３３】
マニピュレータ１４は、図１に示すように、Ｘ軸‐Ｙ軸‐Ｚ軸の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２４Ａが取り付けられている。
【００３４】
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。
【００３５】
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、ベース２２上の細胞などを保持するように構成されている。
【００３６】
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）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３４の先端にはキャピラリ（ガラスキャピラリ）３４Ａが取り付けられている。
【００３７】
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、ベース２２上の試料に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。
【００３８】
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上の細胞などを、針を挿入するための挿入対象とするピペット３４を連結している。
【００３９】
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上の細胞などを含む３次元空間を移動領域として移動し、ピペット３４を、例えば、ピペット３４の先端側からベース２２上の細胞（試料）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（３次元軸移動テーブル）として構成されている。
【００４０】
また、Ｚ軸テーブル３８とピペット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３４を設置している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。
【００４１】
具体的には、Ｚ軸テーブル３８とピペット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。
【００４２】
微動機構４４は、図２乃至図４に示すように、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、ほぼ筒状に形成されたハウジング４８内には、ピペット３４を駆動対象として、外周側にねじ部を有するねじ軸５２と、ねじ軸５２を囲む中空状の回転軸５４が挿通されている。ハウジング４８はその底部がベース５６に固定されている。
【００４３】
ねじ軸５２の先端側には、治具５８を介してピペット３４の根元側が連結されており、ねじ軸５２の中程には、ねじ軸５２外周のねじ部とねじ結合されるねじ要素としてのボールねじナット（ＢＳナット）６０が装着され、治具５８とねじ軸５２との間にはスライダ６２が連結されている。スライダ６２はベース５６とほぼ直交する方向に配置され、切り欠き６４を間にしてリニアガイド６６に連結されている。リニアガイド６６はベース５６底部側に配置され、ベアリング６８を介して、ねじ軸５２の軸方向に沿って移動自在にベース５６に連結されている。
【００４４】
すなわち、リニアガイド６６は、ねじ軸５２の軸方向の移動に合わせて、ねじ軸５２の先端側を支持したスライダ６２を、ベース５６に沿って往復動させるようになっている。この際、ねじ軸５２のうちボールねじナット６０よりもピペット３４側の部位が、スライダ６２を介してリニアガイド６６でスライド自在に支持されるので、ねじ軸５２の直線運動をピペット３４へ伝達することができる。
【００４５】
ボールねじナット６０は、回転軸５４の軸方向一端側（先端側）の段部５４ａに固定されているとともに、ねじ軸５２外周のねじ部とねじ結合され、ねじ軸５２がその軸方向に沿って往復動（直線運動）するのを自在に支持するようになっている。すなわち、ボールねじナット６０は、回転軸５４の回転運動をねじ軸５２の直線運動に変換するための要素として構成されている。
【００４６】
回転軸５４の軸方向他端側は、中空モータ７０内の回転部に連結している。中空モータ７０のハウジング７４は、その底部側がベース５６に弾性体としてのゴムワッシャ７６を介してボルト７８が固定されている。中空モータ７０が駆動されると回転軸５４が回転し、回転軸５４の回転運動がボールねじナット６０を介してねじ軸５２に伝達され、ねじ軸５２がその軸方向に沿って直線運動するようになっている。なお、モータ７０と回転軸５４との連結にカップリングを使用してもよい。
【００４７】
一方、回転軸５４の段部５４ａに隣接して、軸受８０、８２が内輪間座８４を間にして収納されている。軸受８０、８２は、それぞれ内輪８０ａ、８２ａと、外輪８０ｂ、８２ｂと、内輪と外輪間に挿入されたボール８０ｃ、８２ｃを備え、各内輪８０ａ、８２ａが回転軸５４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、回転軸５４を回転自在に支持するようになっている。軸受８０、８２は、内輪間座８４を間にし、回転軸５４にロックナット８６により固定されている。軸受８０は、ハウジング４８内の段部５４ａと円環状のスペーサ９２と当接することにより、回転軸５４の軸方向への移動が規制されるようになっている。軸受８２の外輪８２ｂとハウジング４８の蓋８８との間に、円環状の圧電素子９２と円環状のスペーサ９０が圧入されている。
【００４８】
また、各軸受８０、８２、圧電素子９２は、スペーサ９０の長さを調節し、蓋８８を閉めることにより、予圧が付与される。
【００４９】
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軸受８２と軸受８０の外輪８２ｂ、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、軸受８０、８２および圧電素子９２に所定の予圧が付与され、軸受８０、８２の外輪間に軸方向間の距離としての間隙９４が形成される。
【００５０】
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回転軸５４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、回転軸５４の軸方向に沿って伸縮し、回転軸５４をその軸方向に沿って微動させるようになっている。回転軸５４が軸方向に沿って微動すると、この微動がねじ軸５２を介してピペット３４に伝達され、ピペット３４の位置が微調整されることになる。
【００５１】
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、ＸＹ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あと、微動機構４４を用いてピペット３４を微動駆動することとしている。
【００５２】
具体的には、ピペット３４にキャピラリ３４Ａとして、ガラスキャピラリをセッティングするに際しては、図５に示すように、顕微鏡作業箇所に配置されたベース２２からピペット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３４にガラスキャピラリ３４Ａをセッティングする際、十分な作業スペースが得られる。
【００５３】
ガラスキャピラリ３４Ａをピペット３４に取り付けた後は、コントローラ４３からの指令により、マニピュレータ１４、１６を駆動し、図６に示すように、ガラスキャピラリ３４Ａが取り付けられたピペット３４を顕微鏡作業箇所であるベース２２上へ移動させる。このときの作業方法はジョイスティック４３Ａやボタン４３Ｂを用いたりする方法を用いることもできる。
【００５４】
ガラスキャピラリ４３Ａ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、顕微鏡視野倍率を低倍にし、アクチュエータを駆動することで、顕微鏡２０の視野内にガラスキャピラリ３４Ａが確認でき次第、アクチュエータの駆動を停止する。
【００５５】
このあと、コントローラ４３の画像処理を利用し、アクチュエータを駆動することで、顕微鏡２０の視野内に、ガラスキャピラリ３４Ａを最適位置へ移動し、アクチュエータの駆動を停止する。このとき、１回目の操作の際に駆動したアクチュエータの移動量をコントローラ４３に記憶する。このとき必要であれば、ＸＹＺの駆動系も駆動しても良い。
【００５６】
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ガラスキャピラリ３４Ａの交換が必要になった場合、アクチュエータを駆動し、顕微鏡作業箇所からガラスキャピラリ３４Ａを退避させるための操作を行う。このときボタン４３Ｂの操作により、ガラスキャピラリ３４Ａをセッティングした位置まで駆動しても良いし、ジョイスティング４３Ａなどを用いて任意の位置まで退避するようにしてもよい。
【００５７】
一方、再度、顕微鏡作業箇所へガラスキャピラリ３４Ａ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、容易にガラスキャピラリ３４Ａの位置を調整することが可能になる。
【００５８】
また一連の細胞操作作業中にガラスキャピラリ３４Ａを交換する必要があった場合でも、ピペット３４をマニピュレータ１６から外すことなく、ガラスキャピラリ３４Ａをセッティングすることが可能となるので、作業効率を向上することができる。
【００５９】
ガラスキャピラリ３４Ａとして、その形状が均一なものを使用する場合は、本発明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。
【００６０】
またガラスキャピラリ３４Ａの形状にばらつきがある場合でもピペット３４をアクチュエータ（ねじ軸５２）の駆動によって直線往復運動させることができるため、ガラスキャピラリ３４Ａの位置を微細に調整することができる。
【００６１】
また、ガラスキャピラリ３４Ａが細胞の挿入位置に位置決めされたときには、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、圧電素子９２からピペット３４を支持する治具５８までの間には弱いばね要素を配置していないため、高い応答性を得ることが可能である。
【００６２】
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良いし、バースト波形を使用しても良い。
【００６３】
本実施形態においては、軸受８０、８２のうち軸受８０の内輪８０ａと外輪８０ｂの変位量であって、圧電素子９２の変位の半分の変位量がピペット３４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。
【００６４】
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軸受８２の外輪８２ｂを押圧し、軸受８０の外輪８０ｂを軸方向に移動させ、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。
【００６５】
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。
【００６６】
逆に、圧電素子９２が２ｘ縮むと、押圧力が減少し、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、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。
【００６７】
このように、間隙９４の変位ｘを軸受８０、８２がｘずつ分けて吸収するので、軸受８０、８２を互いに押圧する力がバランスしたときに、軸受８０、８２の内輪８０ａ、８０ｂが回転軸５４と共に軸方向にｘ変位する。これにより、回軸軸５４にねじ軸５２を介して連結されたピペット３４が軸方向にｘだけ変位する。つまり、圧電素子９２の２ｘの半分の変位量がピペット３４の微動変位量となってピペット３４が挿入位置に挿入される。ピペット３４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、ピペット３４がインジェクション動作を行うことになる。
【００６８】
本実施形態によれば、中空モータ７０の駆動に伴う回転軸５４の回転運動をボールねじナット６０を介して直線運動に変換してねじ軸５２に伝達し、中空モータ７０の粗動駆動に伴うねじ軸５２の直線運動によってピペット３４をその軸方向に沿って粗動駆動し、微動機構４４の微動駆動に伴うねじ軸５２の直線運動によってピペット３４をその軸方向に沿って微動駆動させるようにしたため、ピペット３４にガラスキャピラリ３４Ａを取り付けるだけで、ピペット３４を直線運動させることができ、顕微鏡作業箇所に配置されたベース２２へ向けてピペット３４を移動させたり、ベース２２からピペット３４を退避させたりする際に、煩雑な作業を不要とすることができる。
【００６９】
〈第２の実施形態〉
図７は、第２の実施形態による圧電アクチュエータの平面から内部を見た断面図である。図７の圧電アクチュエータは、第１の実施形態のアクチュエータの構造においてＢＳねじ軸にインジェクション用のピペット保持部材を固定したものである。すなわち、図２〜図４の圧電アクチュエータと基本的に同一の構成であるが、ボールねじナットに接続している回転軸を省略してボールねじナットと一体化し、ＢＳねじ軸を中空にし、中空のＢＳねじ軸内にピペット保持部材を配置して固定したものである。
【００７０】
図７の圧電アクチュエータは、上述の微動機構４４として使用可能であり、ほぼ筒状に形成されたハウジング１１０内には、外周側にボールねじ（ＢＳねじ）部を有する中空のねじ軸１２２と、ねじ軸１２２の外周のねじ部とねじ結合されるねじ要素としてのボールねじナット（ＢＳナット）１２１とが挿通されている。
【００７１】
図７のように、ハウジング１１０の内周側であってボールねじナット１２１の外周側には、軸方向先端側から、軸受１１１と、軸受１１２と、内輪間座１１３と、ロックナット１１４と、間座１１７と、圧電素子１１５と、が軸方向に並ぶように配置されている。軸受１１１と軸受１１２と内輪間座１１３とは、図３の軸受８０、８２、内輪間座８４と同様の構成である。
【００７２】
ボールねじナット１２１のつば部１２１ａが軸受１１１の内輪１１１ｂの側面に当接し、つば部１２１ａとロックナット１１４との間で軸受１１１の内輪１１１ｂと軸受１１２の内輪１１２ｂとが内輪間座１１３を挟んでロックナット１１４の締め付けにより固定されている。
【００７３】
軸受１１１は外輪１１１ａの側面がハウジング１１０のつば部１１０ａに当接するように配置されている。また、全体が円環状で断面Ｌ字形の間座１１７が軸受１１２の外輪１１２ａの側面に当接しかつロックナット１１４の収容空間を形成するように配置されている。円環状の圧電素子１１５が軸受１１２の外輪１１２ａに間座１１７を介して配置される。間座１１７は圧電素子１１５の変位を軸受１１２の外輪１１２ａへ伝達する。軸受１１１，１１２と圧電素子１１５には、間座１１７の軸方向の寸法を調整し、蓋１１６をハウジング１１０に取り付けることで予圧が付与される。
【００７４】
ボールねじナット１２１の回転軸部１２１ｂは、ハウジング１１０の蓋１１６の外側まで延在し、中空モータ１２０内の回転部に連結し、中空モータ１２０の回転により回転駆動される。ハウジング１１０及び中空モータ１２０は、図２〜図４と同様にしてベース５６に固定されている。
【００７５】
ボールねじナット１２１は、ハウジング１１０により軸受１１１，１１２を介して回転可能に支持されており、回転軸部１２１ｂがねじ軸１２２の外周のねじ部とねじ結合され、中空モータ１２０の回転により回転軸部１２１ｂとともに回転しながら、ねじ軸１２２がその軸方向に沿って往復動（直線運動）することを支持する。このように、ボールねじナット１２１は、回転軸部１２１ｂの回転運動をねじ軸１２２の直線運動に変換するための要素として構成されている。
【００７６】
中空のねじ軸１２２内にはピペット保持部材１３０の直線状の円筒部１３１が挿通し、ねじ軸１２２の中空内に円筒部１３１がねじ固定や接着固定等により固定されている。ピペット保持部材１３０は、内部に図２〜図４のようなピペットを保持し保護しており、その先端側にはインジェクション用のガラスキャピラリ３４Ａが取り付け固定され、その後端側には細胞等へのインジェクションのための溶液を送るチューブ１３２が接続されている。
【００７７】
中空モータ１２０の回転によりボールねじナット１２１が回転することで、ボールねじナット１２１とねじ結合したねじ軸１２２がピペット保持部材１３０とともに直線運動し、ガラスキャピラリ３４Ａが図の矢印方向に直線的に往復動する。また、圧電素子１１５は、図１のコントローラ４３からの印加電圧に応答して、ねじ軸１２２の軸方向に沿って伸縮し、ねじ軸１２２をピペット保持部材１３０とともにその軸方向に沿って微動させる。ねじ軸１２２が軸方向に沿って微動すると、ガラスキャピラリ３４Ａも軸方向に微動し、ガラスキャピラリ３４Ａの位置を微調整できる。
【００７８】
図７の圧電アクチュエータは、図１のインジェクション用マニピュレータ１６に上述の微動機構４４として適用されることで、図１〜図６と同様にして、ＸＹ軸テーブル３６とＺ軸テーブル３８を粗動駆動して、インジェクション用のガラスキャピラリ３４Ａをベース２２上の細胞に近づけて位置決めした後、ガラスキャピラリ３４Ａを微動駆動することができる。
【００７９】
図７の圧電アクチュエータによれば、図２〜図４ではボールねじナットに回転軸が取り付けられているが、図７では回転軸が不要であり、部品を削減でき、組立も容易化できるため、安価に提供できる。また、ピペット保持部材１３０と圧電素子１１５とを同軸上に配置できるとともに、圧電素子１１５とピペット保持部材１３０との位置関係も可能な限り近づけることができるので、圧電素子１１５の動作を効率よくガラスキャピラリ３４Ａへ伝達することができる。
【００８０】
また、図７の圧電アクチュエータの微動機構４４により、電動でガラスキャピラリの微細な位置決め（セッティング）が可能になる。また、アクチュエータ内には、ばね要素として軸受１１１，１１２及びボールねじナット１２１のボールねじしか存在しないため、従来よりも高剛性のアクチュエータを実現でき、位置決めの際の応答性が向上する。
【００８１】
また、ボールねじナット１２１が回転するナット回転型のアクチュエータにピペット保持部材１３０を取付けており、ガラスキャピラリ３４Ａをセッティングする際に、操作者はピペット保持部材１３０やマニピュレータ１６に触ることなく、図７の圧電アクチュエータを駆動することでガラスキャピラリ３４Ａを顕微鏡作業箇所から退避させ、逆に、顕微鏡作業箇所へ移動させることが可能となる。
【００８２】
また、図７のナット回転型アクチュエータ内に圧電素子１１５が配置されているため、圧電素子がピペット保持部材に直付けされておらず、このため、ピペット保持部材１３０の取付け時の煩雑な作業が不要となる。
【００８３】
次に、第２の実施形態による圧電アクチュエータの別の例について図８を参照して説明する。図８は、第２の実施形態による別の圧電アクチュエータの平面から内部を見た断面図である。
【００８４】
図８の圧電アクチュエータは、図７の構成と比べ、ピペット保持部材１３０の外周上にボールねじ（ＢＳ）のねじ加工を施し、中空のねじ軸１２２を省略した以外は、基本的な構成は同一である。すなわち、ピペット保持部材１３０は外周がＢＳねじ加工された直線状の円筒部１３３を有し、ボールねじナット１２１は、直線状の円筒部１３３の外周のねじ部とねじ結合されている。図８の圧電アクチュエータは、図７と同様に駆動され、図１のインジェクション用マニピュレータ１６に上述の微動機構４４として適用される。
【００８５】
図８の圧電アクチュエータによれば、図７と同様の作用効果を得ることができるとともに、中空のねじ軸１２２を省略できるので、図７の中空のねじ軸１２２とピペット保持部材１３０との組立作業が不要となり、部品点数の削減につながるとともに、組み立ても容易となるから、安価に提供できる。
【００８６】
〈第３の実施形態〉
図９は第３の実施形態による圧電アクチュエータの圧電素子に印加するオフセット用電圧波形及び圧電素子による変位波形の例を示す図である。第３の実施形態は、図７の圧電アクチュエータを図１のマニュピレータに適用し、細胞へのインジェクション時に、圧電素子１１５に対しオフセット電圧値を印加するようにしたものである。
【００８７】
例えば、オフセットのための入力信号として図９の方形波電圧信号ａを圧電素子１１５に印加して圧電素子１１５を変位させることで軸受１１１，１１２の剛性を向上させることができる。そして、オフセット信号に駆動信号を加算し、圧電素子１１５を駆動し、インジェクション操作を行う。これにより、圧電素子１１５が図９の変位カーブｂのように変位し、オフセット信号を加えない場合の変位カーブｃと比べると、先端のガラスキャピラリ３４Ａの振動発生を抑えることができ、圧電素子１１５がよく応答して変位する。このように、圧電素子１１５にオフセット信号を加えることで、圧電素子１１５による変位の応答性が向上する。
【００８８】
次に、第３の実施形態の別の例について図１０，図１１を参照して説明する。図１０は、第３の実施形態による圧電アクチュエータの平面から内部を見た断面図である。図１１は、第３の実施形態による別の圧電アクチュエータの平面から内部を見た断面図である。
【００８９】
図１０の圧電アクチュエータは、図７と比べて、圧電素子を２つに分割して配置した以外は基本的に同じ構成であるので、同一部分には同一の符号を付し、その説明は省略する。図１０のように、圧電アクチュエータのハウジング１１０内で間座１１７と蓋１１６との間に、円環状の略同一形状の２つの圧電素子１１５ａ、１１５ｂが配置されている。
【００９０】
同様に、図１１の圧電アクチュエータは、図８と比べて、圧電素子を２つに分割して配置した以外は基本的に同じ構成であるので、同一部分には同一の符号を付し、その説明は省略する。図１１のように、圧電アクチュエータのハウジング１１０内で間座１１７と蓋１１６との間に、円環状の略同一形状の２つの圧電素子１１５ａ、１１５ｂが配置されている。
【００９１】
図１０，図１１では、例えば、圧電素子１１５ａをインジェクション用圧電素子とし、圧電素子１１５ｂを予圧調整用圧電素子とすることで、図１０，図１１の各圧電アクチュエータを図１のマニュピレータに適用し、細胞へのインジェクション時に、圧電素子を駆動する際の応答性を向上させるために予圧調整用圧電素子１１５ｂを変位させ、予圧を増加し軸受の剛性を上げた上で、インジェクション用圧電素子１１５ａを駆動し、インジェクション操作をする。その結果、インジェクション用圧電素子を駆動した際、ガラスキャピラリ３４Ａの振動発生を抑えることができ、インジェクション用圧電素子１１５ａの応答性を向上することができる。なお、インジェクション時に予圧調整用圧電素子１１５ｂへ印加する電圧波形は問わない。
【００９２】
以上のように本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、第３の実施形態について、図９を参照し図７の圧電アクチュエータを例にして説明したが、図８の圧電アクチュエータ及び図２〜図４の圧電アクチュエータも同様にして圧電素子にオフセット信号を印加して駆動することで軸受剛性の向上及び応答性向上を実現することができる。また、圧電素子を少なくとも２つ配置する構成は、図２〜図４の圧電アクチュエータにも適用可能であることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】第１の実施形態を示す細胞マニピュレータのブロック構成図である。
【図２】図１のマニピュレータに使用可能な圧電アクチュエータの正面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図４】図２の圧電アクチュエータの斜視図である。
【図５】図１のマニピュレータを顕微鏡作業箇所へ導入する前の状態を示す斜視図である。
【図６】図１のマニピュレータを顕微鏡作業箇所へ配置したときの状態を示す斜視図である。
【図７】第２の実施形態による圧電アクチュエータの平面から内部を見た断面図である。
【図８】第２の実施形態による別の圧電アクチュエータの平面から内部を見た断面図である。
【図９】第３の実施形態による圧電アクチュエータの圧電素子に印加するオフセット用電圧波形及び圧電素子による変位波形の例を示す図である。
【図１０】第３の実施形態による圧電アクチュエータの平面から内部を見た断面図である。
【図１１】第３の実施形態による別の圧電アクチュエータの平面から内部を見た断面図である。
【符号の説明】
【００９４】
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、２０ 顕微鏡 ２２ ベース、３４ ピペット、３８ ＸＹ軸テーブル、３８ Ｚ軸テーブル、４４ 微動機構、５２ ねじ軸、５４ 回転軸、６２ スライダ、６６ リニアガイド、７０ 中空モータ、９２ 圧電素子、１１０ ハウジング、１１１，１１２ 軸受、１１５ 圧電素子、１１５ａ インジェクション用圧電素子、１１５ｂ 予圧調整用圧電素子、１２０ 中空モータ、１２１ ボールねじナット、１２１ｂ 回転軸部（回転軸）、１２２ ねじ軸、１３０ ピペット保持部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータおよびマニピュレータに係り、特に、ねじ軸を直線運動させるアクチュエータおよびこのアクチュエータを用いたマニピュレータに関する。
【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、駆動アクチュエータに圧電素子を用いたものが提案されている（特許文献１および２参照）。
【０００３】
特許文献１には、保持体に当接部材を介して摩擦力で支持される微小器具と、この微小器具に形成される鍔部と、この鍔部に設けられ、微小器具と同心円状に配置される圧電素子と、この圧電素子に取り付けられ、その圧電素子の駆動により微小器具に衝撃力を付与する慣性体とを備えたものが記載されている。
【０００４】
一方、特許文献２には、直線方向に移動自在な移動体と、この移動体に取り付けられた圧電・電歪素子と、この圧電・電歪素子の先端部に取り付けられた微小器具とを備えたものが記載されている。
【特許文献１】特公平６−９８５８２号公報
【特許文献２】特開２００３−１５７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術のうち前者のものは、圧電素子の駆動により微小器具の移動方向と慣性体の移動方向とを一致させるために、厳密な芯合わせを行わなければならず、設置作業が面倒である。また後者のものは、微小器具をマニピュレータに固定する際に、軟らかい弾性部材で操作者が固定しなければならず、このときの締め付け度合によっては、圧電アクチュエータの効果を十分に発揮できないことが危惧される。
【０００６】
そこで、本発明は、煩雑な作業を行うことなく、ピペットを正確に直線運動させることができるアクチュエータおよびアクチュエータを用いたマニピュレータを提供することを目的とするものである。
【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、本発明は、ピペットを駆動対象として、外周側にねじ部を有するねじ軸と、回転軸をその軸方向への移動を自在に支持するとともに前記回転軸を回転駆動するモータと、前記回転軸に固定されて前記ねじ軸にねじ結合され、前記ねじ軸をその軸方向への移動を自在に支持するねじ要素と、圧電素子への印加電圧に応じて前記回転軸をその軸方向に沿って微動駆動させる微動機構とを備えてなるアクチュエータを構成したことを特徴とする。
【０００８】
係る構成によれば、モータを粗動駆動すると、モータの回転軸の回転に伴う回転運動がねじ要素を介してねじ軸に直線運動として伝達され、ねじ軸がピペットを駆動対象として、その軸方向に沿って移動する。この際、微動機構の圧電素子に電圧を印加すると、この印加電圧に応じて回転軸がその軸方向に沿って微動駆動されるため、この微動駆動をねじ要素を介してねじ軸に伝達することで、ピペットをその軸方向に沿って直線運動させることができる。すなわち、ピペットにキャピラリを取り付けるだけで、ピペットを直線運動させることができ、煩雑な作業を不要とすることができる。
【０００９】
前記アクチュエータを構成するに際しては、以下の要素を付加することができる。
【００１０】
好適には、前記ねじ軸のうち前記ねじ要素よりも前記ピペット側の部位をスライド自在に支持するリニアガイドを備えてなる。
【００１１】
係る構成によれば、ねじ軸のうちねじ要素よりもピペット側の部位を、リニアガイドでスライド自在に支持することで、ねじ軸の直線運動のみをピペットに伝達することができる。
【００１２】
好適には、前記圧電素子に対する印加電圧を制御する制御回路を備え、前記制御回路は、前記圧電素子に対して、前記ピペットがインジェクション動作可能な電圧を印加してなる。
【００１３】
係る構成によれば、圧電素子に対して、ピペットがインジェクション動作可能な電圧を印加することで、ピペットによる微動動作として、ピペットに対してインジェクション動作を行わせることができる。
【００１４】
また、上述のアクチュエータは、前記回転軸を回転自在に支持するように前記回転軸の外周に配置された軸受と、前記軸受と前記圧電素子とが収容されるハウジングと、を備えることが好ましい。ハウジング内に配置された圧電素子は軸受を介してピペットを軸方向に直動させる。この場合、前記圧電素子に対する印加電圧を制御する制御回路を備え、前記制御回路は、前記圧電素子に対して所定変位可能なオフセット電圧を印加することで、圧電素子がハウジング内で予圧を増加して軸受の剛性を大きくすることにより圧電素子の応答性を向上できる。また、前記圧電素子を少なくとも２つ備え、１つは予圧調整用圧電素子であり、もう１つが微動駆動用圧電素子であり、予圧調整用圧電素子にオフセット電圧を印加し、微動駆動用圧電素子に微動駆動電圧を印加するようにしてもよい。
【００１５】
また、本発明は、ピペットを駆動対象として、外周側にねじ部を有するねじ軸と、回転軸をその軸方向への移動を自在に支持するとともに前記回転軸を回転駆動するモータと、前記回転軸に固定されて前記ねじ軸にねじ結合され、前記ねじ軸をその軸方向への移動を自在に支持するねじ要素と、圧電素子への印加電圧に応じて前記回転軸をその軸方向に沿って微動駆動させる微動機構と、前記微動機構を伴って三次元空間を移動して前記ピペットの位置を制御する三次元軸移動テーブルとを備えてなるマニピュレータを構成したものである。
【００１６】
係る構成によれば、三次元軸移動テーブルの駆動により、微動機構を三次元空間の任意の位置に移動させることができる。微動機構が三次元空間の任意の位置に位置決めされたときに、モータを粗動駆動すると、モータの回転軸の回転に伴う回転運動がねじ要素を介してねじ軸に直線運動として伝達され、ねじ軸がピペットを駆動対象として、その軸方向に沿って移動する。この際、微動機構の圧電素子に電圧を印加すると、この印加電圧に応じて回転軸がその軸方向に沿って微動駆動されるため、この微動駆動をねじ要素を介してねじ軸に伝達することで、ピペットをその軸方向に沿って直線運動させることができる。すなわち、ピペットにキャピラリを取り付けるだけで、ピペットを直線運動させることができ、煩雑な作業を不要とすることができる。
【００１７】
前記マニピュレータを構成するに際しては、以下の要素を付加することができる。
【００１８】
好適には、前記ねじ軸のうち前記ねじ要素よりも前記ピペット側の部位をスライド自在に支持するリニアガイドを備えてなる。
【００１９】
係る構成によれば、ねじ軸のうちねじ要素よりもピペット側の部位を、リニアガイドでスライド自在に支持することで、ねじ軸の直線運動のみをピペットに伝達することができる。
【００２０】
好適には、前記圧電素子に対する印加電圧を制御する制御回路を備え、前記制御回路は、前記圧電素子に対して、前記ピペットがインジェクション動作可能な電圧を印加してなる。
【００２１】
係る構成によれば、圧電素子に対して、ピペットがインジェクション動作可能な電圧を印加することで、ピペットによる微動動作として、ピペットに対してインジェクション動作を行わせることができる。
【００２２】
また、上述のマニピュレータは、前記回転軸を回転自在に支持するように前記回転軸の外周に配置された軸受と、前記軸受と前記圧電素子とが収容されるハウジングと、を備えることが好ましい。ハウジング内に配置された圧電素子は軸受を介してピペットを軸方向に直動させる。この場合、前記圧電素子に対する印加電圧を制御する制御回路を備え、前記制御回路は、前記圧電素子に対して所定変位可能なオフセット電圧を印加することで、圧電素子がハウジング内で予圧を増加して軸受の剛性を大きくすることにより圧電素子の応答性を向上できる。また、前記圧電素子を少なくとも２つ備え、１つは予圧調整用圧電素子であり、もう１つが微動駆動用圧電素子であり、予圧調整用圧電素子にオフセット電圧を印加し、微動駆動用圧電素子に微動駆動電圧を印加するようにしてもよい。
【００２３】
また、前記ねじ要素は前記回転軸と一体化されており、前記ねじ軸は中空に構成され、前記ピペットの保持部材が前記ねじ軸内に配置されて前記ねじ軸に固定されているように構成することで、回転軸を別個の部品として用意することが不要となり、部品点数の削減及び組み立て容易化を実現できる。
【００２４】
また、前記ねじ要素は前記回転軸と一体化されており、前記ねじ軸が省略され、前記ピペットの保持部材が前記回転軸のねじ部とねじ結合するねじ部を外周に有し前記回転軸内に配置されるように構成することで、さらにねじ軸が不要となり、一層の部品点数の削減及び組み立て容易化を実現できる。
【００２５】
本実施形態によるアクチュエータは、内周側にねじ部が形成された回転軸を有するボールねじナットと、前記回転軸を回転駆動するモータと、前記回転軸のねじ部とねじ結合し前記回転軸の回転により直動可能なピペット保持部材と、前記回転軸を回転自在に支持するように前記回転軸の外周に配置された軸受と、前記軸受と前記圧電素子とが収容されるハウジングと、を備え、前記圧電素子を駆動することで前記軸受を介して前記ピペット保持部材がその軸方向に微動駆動される。
【００２６】
このアクチュエータによれば、カラスキャピラリを先端に取り付け可能なピペット保持部材と圧電素子とを同軸上に配置することができるとともに、圧電素子とピペット保持部材との位置関係も可能な限り近づけることができるので、圧電素子の動作を効率よくガラスキャピラリへ伝達することができる。さらに、圧電素子と電動とでガラスキャピラリの微細な位置決め（セッティング）が可能になり、位置決め装置としても構成でき、また、アクチュエータ内にはばね要素として軸受及びボールねじナットのボールねじしか存在しないため、高剛性のアクチュエータを実現でき、位置決めの際の応答性が向上する。
【００２７】
上記アクチュエータにおいて前記圧電素子に対し所定変位のためのオフセット電圧を印加することで前記ハウジング内で予圧を付与することで、ハウジング内で予圧を増加して軸受の剛性を大きくすることにより圧電素子の応答性を向上できる。また、前記圧電素子を少なくとも２つ備え、１つは予圧調整用圧電素子であり、もう１つが微動駆動用圧電素子であり、前記予圧調整用圧電素子にオフセット電圧を印加し、前記微動駆動用圧電素子に前記微動駆動のための電圧を印加するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、ピペットにキャピラリを取り付けるだけで、ピペットを直線運動させることができ、煩雑な作業を不要とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３０】
〈第１の実施形態〉
図１は、第１の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、顕微鏡観察下で試料に人口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。
【００３１】
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、試料台としてのベース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２２に向けて光を照射する光源を備えている。
【００３２】
ベース２２上には試料（図示せず）が乗せられるようになっている。この状態で、ベース２２上の試料に顕微鏡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。
【００３３】
マニピュレータ１４は、図１に示すように、Ｘ軸‐Ｙ軸‐Ｚ軸の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２４Ａが取り付けられている。
【００３４】
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。
【００３５】
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、ベース２２上の細胞などを保持するように構成されている。
【００３６】
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）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３４の先端にはキャピラリ（ガラスキャピラリ）３４Ａが取り付けられている。
【００３７】
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、ベース２２上の試料に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。
【００３８】
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上の細胞などを、針を挿入するための挿入対象とするピペット３４を連結している。
【００３９】
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上の細胞などを含む３次元空間を移動領域として移動し、ピペット３４を、例えば、ピペット３４の先端側からベース２２上の細胞（試料）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（３次元軸移動テーブル）として構成されている。
【００４０】
また、Ｚ軸テーブル３８とピペット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３４を設置している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。
【００４１】
具体的には、Ｚ軸テーブル３８とピペット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。
【００４２】
微動機構４４は、図２乃至図４に示すように、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、ほぼ筒状に形成されたハウジング４８内には、ピペット３４を駆動対象として、外周側にねじ部を有するねじ軸５２と、ねじ軸５２を囲む中空状の回転軸５４が挿通されている。ハウジング４８はその底部がベース５６に固定されている。
【００４３】
ねじ軸５２の先端側には、治具５８を介してピペット３４の根元側が連結されており、ねじ軸５２の中程には、ねじ軸５２外周のねじ部とねじ結合されるねじ要素としてのボールねじナット（ＢＳナット）６０が装着され、治具５８とねじ軸５２との間にはスライダ６２が連結されている。スライダ６２はベース５６とほぼ直交する方向に配置され、切り欠き６４を間にしてリニアガイド６６に連結されている。リニアガイド６６はベース５６底部側に配置され、ベアリング６８を介して、ねじ軸５２の軸方向に沿って移動自在にベース５６に連結されている。
【００４４】
すなわち、リニアガイド６６は、ねじ軸５２の軸方向の移動に合わせて、ねじ軸５２の先端側を支持したスライダ６２を、ベース５６に沿って往復動させるようになっている。この際、ねじ軸５２のうちボールねじナット６０よりもピペット３４側の部位が、スライダ６２を介してリニアガイド６６でスライド自在に支持されるので、ねじ軸５２の直線運動をピペット３４へ伝達することができる。
【００４５】
ボールねじナット６０は、回転軸５４の軸方向一端側（先端側）の段部５４ａに固定されているとともに、ねじ軸５２外周のねじ部とねじ結合され、ねじ軸５２がその軸方向に沿って往復動（直線運動）するのを自在に支持するようになっている。すなわち、ボールねじナット６０は、回転軸５４の回転運動をねじ軸５２の直線運動に変換するための要素として構成されている。
【００４６】
回転軸５４の軸方向他端側は、中空モータ７０内の回転部に連結している。中空モータ７０のハウジング７４は、その底部側がベース５６に弾性体としてのゴムワッシャ７６を介してボルト７８が固定されている。中空モータ７０が駆動されると回転軸５４が回転し、回転軸５４の回転運動がボールねじナット６０を介してねじ軸５２に伝達され、ねじ軸５２がその軸方向に沿って直線運動するようになっている。なお、モータ７０と回転軸５４との連結にカップリングを使用してもよい。
【００４７】
一方、回転軸５４の段部５４ａに隣接して、軸受８０、８２が内輪間座８４を間にして収納されている。軸受８０、８２は、それぞれ内輪８０ａ、８２ａと、外輪８０ｂ、８２ｂと、内輪と外輪間に挿入されたボール８０ｃ、８２ｃを備え、各内輪８０ａ、８２ａが回転軸５４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、回転軸５４を回転自在に支持するようになっている。軸受８０、８２は、内輪間座８４を間にし、回転軸５４にロックナット８６により固定されている。軸受８０は、ハウジング４８内の段部５４ａと円環状のスペーサ９２と当接することにより、回転軸５４の軸方向への移動が規制されるようになっている。軸受８２の外輪８２ｂとハウジング４８の蓋８８との間に、円環状の圧電素子９２と円環状のスペーサ９０が圧入されている。
【００４８】
また、各軸受８０、８２、圧電素子９２は、スペーサ９０の長さを調節し、蓋８８を閉めることにより、予圧が付与される。
【００４９】
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軸受８２と軸受８０の外輪８２ｂ、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、軸受８０、８２および圧電素子９２に所定の予圧が付与され、軸受８０、８２の外輪間に軸方向間の距離としての間隙９４が形成される。
【００５０】
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回転軸５４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、回転軸５４の軸方向に沿って伸縮し、回転軸５４をその軸方向に沿って微動させるようになっている。回転軸５４が軸方向に沿って微動すると、この微動がねじ軸５２を介してピペット３４に伝達され、ピペット３４の位置が微調整されることになる。
【００５１】
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、ＸＹ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あと、微動機構４４を用いてピペット３４を微動駆動することとしている。
【００５２】
具体的には、ピペット３４にキャピラリ３４Ａとして、ガラスキャピラリをセッティングするに際しては、図５に示すように、顕微鏡作業箇所に配置されたベース２２からピペット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３４にガラスキャピラリ３４Ａをセッティングする際、十分な作業スペースが得られる。
【００５３】
ガラスキャピラリ３４Ａをピペット３４に取り付けた後は、コントローラ４３からの指令により、マニピュレータ１４、１６を駆動し、図６に示すように、ガラスキャピラリ３４Ａが取り付けられたピペット３４を顕微鏡作業箇所であるベース２２上へ移動させる。このときの作業方法はジョイスティック４３Ａやボタン４３Ｂを用いたりする方法を用いることもできる。
【００５４】
ガラスキャピラリ４３Ａ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、顕微鏡視野倍率を低倍にし、アクチュエータを駆動することで、顕微鏡２０の視野内にガラスキャピラリ３４Ａが確認でき次第、アクチュエータの駆動を停止する。
【００５５】
このあと、コントローラ４３の画像処理を利用し、アクチュエータを駆動することで、顕微鏡２０の視野内に、ガラスキャピラリ３４Ａを最適位置へ移動し、アクチュエータの駆動を停止する。このとき、１回目の操作の際に駆動したアクチュエータの移動量をコントローラ４３に記憶する。このとき必要であれば、ＸＹＺの駆動系も駆動しても良い。
【００５６】
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ガラスキャピラリ３４Ａの交換が必要になった場合、アクチュエータを駆動し、顕微鏡作業箇所からガラスキャピラリ３４Ａを退避させるための操作を行う。このときボタン４３Ｂの操作により、ガラスキャピラリ３４Ａをセッティングした位置まで駆動しても良いし、ジョイスティング４３Ａなどを用いて任意の位置まで退避するようにしてもよい。
【００５７】
一方、再度、顕微鏡作業箇所へガラスキャピラリ３４Ａ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、容易にガラスキャピラリ３４Ａの位置を調整することが可能になる。
【００５８】
また一連の細胞操作作業中にガラスキャピラリ３４Ａを交換する必要があった場合でも、ピペット３４をマニピュレータ１６から外すことなく、ガラスキャピラリ３４Ａをセッティングすることが可能となるので、作業効率を向上することができる。
【００５９】
ガラスキャピラリ３４Ａとして、その形状が均一なものを使用する場合は、本発明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。
【００６０】
またガラスキャピラリ３４Ａの形状にばらつきがある場合でもピペット３４をアクチュエータ（ねじ軸５２）の駆動によって直線往復運動させることができるため、ガラスキャピラリ３４Ａの位置を微細に調整することができる。
【００６１】
また、ガラスキャピラリ３４Ａが細胞の挿入位置に位置決めされたときには、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、圧電素子９２からピペット３４を支持する治具５８までの間には弱いばね要素を配置していないため、高い応答性を得ることが可能である。
【００６２】
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良いし、バースト波形を使用しても良い。
【００６３】
本実施形態においては、軸受８０、８２のうち軸受８０の内輪８０ａと外輪８０ｂの変位量であって、圧電素子９２の変位の半分の変位量がピペット３４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。
【００６４】
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軸受８２の外輪８２ｂを押圧し、軸受８０の外輪８０ｂを軸方向に移動させ、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。
【００６５】
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。
【００６６】
逆に、圧電素子９２が２ｘ縮むと、押圧力が減少し、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、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。
【００６７】
このように、間隙９４の変位ｘを軸受８０、８２がｘずつ分けて吸収するので、軸受８０、８２を互いに押圧する力がバランスしたときに、軸受８０、８２の内輪８０ａ、８０ｂが回転軸５４と共に軸方向にｘ変位する。これにより、回軸軸５４にねじ軸５２を介して連結されたピペット３４が軸方向にｘだけ変位する。つまり、圧電素子９２の２ｘの半分の変位量がピペット３４の微動変位量となってピペット３４が挿入位置に挿入される。ピペット３４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、ピペット３４がインジェクション動作を行うことになる。
【００６８】
本実施形態によれば、中空モータ７０の駆動に伴う回転軸５４の回転運動をボールねじナット６０を介して直線運動に変換してねじ軸５２に伝達し、中空モータ７０の粗動駆動に伴うねじ軸５２の直線運動によってピペット３４をその軸方向に沿って粗動駆動し、微動機構４４の微動駆動に伴うねじ軸５２の直線運動によってピペット３４をその軸方向に沿って微動駆動させるようにしたため、ピペット３４にガラスキャピラリ３４Ａを取り付けるだけで、ピペット３４を直線運動させることができ、顕微鏡作業箇所に配置されたベース２２へ向けてピペット３４を移動させたり、ベース２２からピペット３４を退避させたりする際に、煩雑な作業を不要とすることができる。
【００６９】
〈第２の実施形態〉
図７は、第２の実施形態による圧電アクチュエータの平面から内部を見た断面図である。図７の圧電アクチュエータは、第１の実施形態のアクチュエータの構造においてＢＳねじ軸にインジェクション用のピペット保持部材を固定したものである。すなわち、図２〜図４の圧電アクチュエータと基本的に同一の構成であるが、ボールねじナットに接続している回転軸を省略してボールねじナットと一体化し、ＢＳねじ軸を中空にし、中空のＢＳねじ軸内にピペット保持部材を配置して固定したものである。
【００７０】
図７の圧電アクチュエータは、上述の微動機構４４として使用可能であり、ほぼ筒状に形成されたハウジング１１０内には、外周側にボールねじ（ＢＳねじ）部を有する中空のねじ軸１２２と、ねじ軸１２２の外周のねじ部とねじ結合されるねじ要素としてのボールねじナット（ＢＳナット）１２１とが挿通されている。
【００７１】
図７のように、ハウジング１１０の内周側であってボールねじナット１２１の外周側には、軸方向先端側から、軸受１１１と、軸受１１２と、内輪間座１１３と、ロックナット１１４と、間座１１７と、圧電素子１１５と、が軸方向に並ぶように配置されている。軸受１１１と軸受１１２と内輪間座１１３とは、図３の軸受８０、８２、内輪間座８４と同様の構成である。
【００７２】
ボールねじナット１２１のつば部１２１ａが軸受１１１の内輪１１１ｂの側面に当接し、つば部１２１ａとロックナット１１４との間で軸受１１１の内輪１１１ｂと軸受１１２の内輪１１２ｂとが内輪間座１１３を挟んでロックナット１１４の締め付けにより固定されている。
【００７３】
軸受１１１は外輪１１１ａの側面がハウジング１１０のつば部１１０ａに当接するように配置されている。また、全体が円環状で断面Ｌ字形の間座１１７が軸受１１２の外輪１１２ａの側面に当接しかつロックナット１１４の収容空間を形成するように配置されている。円環状の圧電素子１１５が軸受１１２の外輪１１２ａに間座１１７を介して配置される。間座１１７は圧電素子１１５の変位を軸受１１２の外輪１１２ａへ伝達する。軸受１１１，１１２と圧電素子１１５には、間座１１７の軸方向の寸法を調整し、蓋１１６をハウジング１１０に取り付けることで予圧が付与される。
【００７４】
ボールねじナット１２１の回転軸部１２１ｂは、ハウジング１１０の蓋１１６の外側まで延在し、中空モータ１２０内の回転部に連結し、中空モータ１２０の回転により回転駆動される。ハウジング１１０及び中空モータ１２０は、図２〜図４と同様にしてベース５６に固定されている。
【００７５】
ボールねじナット１２１は、ハウジング１１０により軸受１１１，１１２を介して回転可能に支持されており、回転軸部１２１ｂがねじ軸１２２の外周のねじ部とねじ結合され、中空モータ１２０の回転により回転軸部１２１ｂとともに回転しながら、ねじ軸１２２がその軸方向に沿って往復動（直線運動）することを支持する。このように、ボールねじナット１２１は、回転軸部１２１ｂの回転運動をねじ軸１２２の直線運動に変換するための要素として構成されている。
【００７６】
中空のねじ軸１２２内にはピペット保持部材１３０の直線状の円筒部１３１が挿通し、ねじ軸１２２の中空内に円筒部１３１がねじ固定や接着固定等により固定されている。ピペット保持部材１３０は、内部に図２〜図４のようなピペットを保持し保護しており、その先端側にはインジェクション用のガラスキャピラリ３４Ａが取り付け固定され、その後端側には細胞等へのインジェクションのための溶液を送るチューブ１３２が接続されている。
【００７７】
中空モータ１２０の回転によりボールねじナット１２１が回転することで、ボールねじナット１２１とねじ結合したねじ軸１２２がピペット保持部材１３０とともに直線運動し、ガラスキャピラリ３４Ａが図の矢印方向に直線的に往復動する。また、圧電素子１１５は、図１のコントローラ４３からの印加電圧に応答して、ねじ軸１２２の軸方向に沿って伸縮し、ねじ軸１２２をピペット保持部材１３０とともにその軸方向に沿って微動させる。ねじ軸１２２が軸方向に沿って微動すると、ガラスキャピラリ３４Ａも軸方向に微動し、ガラスキャピラリ３４Ａの位置を微調整できる。
【００７８】
図７の圧電アクチュエータは、図１のインジェクション用マニピュレータ１６に上述の微動機構４４として適用されることで、図１〜図６と同様にして、ＸＹ軸テーブル３６とＺ軸テーブル３８を粗動駆動して、インジェクション用のガラスキャピラリ３４Ａをベース２２上の細胞に近づけて位置決めした後、ガラスキャピラリ３４Ａを微動駆動することができる。
【００７９】
図７の圧電アクチュエータによれば、図２〜図４ではボールねじナットに回転軸が取り付けられているが、図７では回転軸が不要であり、部品を削減でき、組立も容易化できるため、安価に提供できる。また、ピペット保持部材１３０と圧電素子１１５とを同軸上に配置できるとともに、圧電素子１１５とピペット保持部材１３０との位置関係も可能な限り近づけることができるので、圧電素子１１５の動作を効率よくガラスキャピラリ３４Ａへ伝達することができる。
【００８０】
また、図７の圧電アクチュエータの微動機構４４により、電動でガラスキャピラリの微細な位置決め（セッティング）が可能になる。また、アクチュエータ内には、ばね要素として軸受１１１，１１２及びボールねじナット１２１のボールねじしか存在しないため、従来よりも高剛性のアクチュエータを実現でき、位置決めの際の応答性が向上する。
【００８１】
また、ボールねじナット１２１が回転するナット回転型のアクチュエータにピペット保持部材１３０を取付けており、ガラスキャピラリ３４Ａをセッティングする際に、操作者はピペット保持部材１３０やマニピュレータ１６に触ることなく、図７の圧電アクチュエータを駆動することでガラスキャピラリ３４Ａを顕微鏡作業箇所から退避させ、逆に、顕微鏡作業箇所へ移動させることが可能となる。
【００８２】
また、図７のナット回転型アクチュエータ内に圧電素子１１５が配置されているため、圧電素子がピペット保持部材に直付けされておらず、このため、ピペット保持部材１３０の取付け時の煩雑な作業が不要となる。
【００８３】
次に、第２の実施形態による圧電アクチュエータの別の例について図８を参照して説明する。図８は、第２の実施形態による別の圧電アクチュエータの平面から内部を見た断面図である。
【００８４】
図８の圧電アクチュエータは、図７の構成と比べ、ピペット保持部材１３０の外周上にボールねじ（ＢＳ）のねじ加工を施し、中空のねじ軸１２２を省略した以外は、基本的な構成は同一である。すなわち、ピペット保持部材１３０は外周がＢＳねじ加工された直線状の円筒部１３３を有し、ボールねじナット１２１は、直線状の円筒部１３３の外周のねじ部とねじ結合されている。図８の圧電アクチュエータは、図７と同様に駆動され、図１のインジェクション用マニピュレータ１６に上述の微動機構４４として適用される。
【００８５】
図８の圧電アクチュエータによれば、図７と同様の作用効果を得ることができるとともに、中空のねじ軸１２２を省略できるので、図７の中空のねじ軸１２２とピペット保持部材１３０との組立作業が不要となり、部品点数の削減につながるとともに、組み立ても容易となるから、安価に提供できる。
【００８６】
〈第３の実施形態〉
図９は第３の実施形態による圧電アクチュエータの圧電素子に印加するオフセット用電圧波形及び圧電素子による変位波形の例を示す図である。第３の実施形態は、図７の圧電アクチュエータを図１のマニュピレータに適用し、細胞へのインジェクション時に、圧電素子１１５に対しオフセット電圧値を印加するようにしたものである。
【００８７】
例えば、オフセットのための入力信号として図９の方形波電圧信号ａを圧電素子１１５に印加して圧電素子１１５を変位させることで軸受１１１，１１２の剛性を向上させることができる。そして、オフセット信号に駆動信号を加算し、圧電素子１１５を駆動し、インジェクション操作を行う。これにより、圧電素子１１５が図９の変位カーブｂのように変位し、オフセット信号を加えない場合の変位カーブｃと比べると、先端のガラスキャピラリ３４Ａの振動発生を抑えることができ、圧電素子１１５がよく応答して変位する。このように、圧電素子１１５にオフセット信号を加えることで、圧電素子１１５による変位の応答性が向上する。
【００８８】
次に、第３の実施形態の別の例について図１０，図１１を参照して説明する。図１０は、第３の実施形態による圧電アクチュエータの平面から内部を見た断面図である。図１１は、第３の実施形態による別の圧電アクチュエータの平面から内部を見た断面図である。
【００８９】
図１０の圧電アクチュエータは、図７と比べて、圧電素子を２つに分割して配置した以外は基本的に同じ構成であるので、同一部分には同一の符号を付し、その説明は省略する。図１０のように、圧電アクチュエータのハウジング１１０内で間座１１７と蓋１１６との間に、円環状の略同一形状の２つの圧電素子１１５ａ、１１５ｂが配置されている。
【００９０】
同様に、図１１の圧電アクチュエータは、図８と比べて、圧電素子を２つに分割して配置した以外は基本的に同じ構成であるので、同一部分には同一の符号を付し、その説明は省略する。図１１のように、圧電アクチュエータのハウジング１１０内で間座１１７と蓋１１６との間に、円環状の略同一形状の２つの圧電素子１１５ａ、１１５ｂが配置されている。
【００９１】
図１０，図１１では、例えば、圧電素子１１５ａをインジェクション用圧電素子とし、圧電素子１１５ｂを予圧調整用圧電素子とすることで、図１０，図１１の各圧電アクチュエータを図１のマニュピレータに適用し、細胞へのインジェクション時に、圧電素子を駆動する際の応答性を向上させるために予圧調整用圧電素子１１５ｂを変位させ、予圧を増加し軸受の剛性を上げた上で、インジェクション用圧電素子１１５ａを駆動し、インジェクション操作をする。その結果、インジェクション用圧電素子を駆動した際、ガラスキャピラリ３４Ａの振動発生を抑えることができ、インジェクション用圧電素子１１５ａの応答性を向上することができる。なお、インジェクション時に予圧調整用圧電素子１１５ｂへ印加する電圧波形は問わない。
【００９２】
以上のように本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、第３の実施形態について、図９を参照し図７の圧電アクチュエータを例にして説明したが、図８の圧電アクチュエータ及び図２〜図４の圧電アクチュエータも同様にして圧電素子にオフセット信号を印加して駆動することで軸受剛性の向上及び応答性向上を実現することができる。また、圧電素子を少なくとも２つ配置する構成は、図２〜図４の圧電アクチュエータにも適用可能であることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】第１の実施形態を示す細胞マニピュレータのブロック構成図である。
【図２】図１のマニピュレータに使用可能な圧電アクチュエータの正面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図４】図２の圧電アクチュエータの斜視図である。
【図５】図１のマニピュレータを顕微鏡作業箇所へ導入する前の状態を示す斜視図である。
【図６】図１のマニピュレータを顕微鏡作業箇所へ配置したときの状態を示す斜視図である。
【図７】第２の実施形態による圧電アクチュエータの平面から内部を見た断面図である。
【図８】第２の実施形態による別の圧電アクチュエータの平面から内部を見た断面図である。
【図９】第３の実施形態による圧電アクチュエータの圧電素子に印加するオフセット用電圧波形及び圧電素子による変位波形の例を示す図である。
【図１０】第３の実施形態による圧電アクチュエータの平面から内部を見た断面図である。
【図１１】第３の実施形態による別の圧電アクチュエータの平面から内部を見た断面図である。
【符号の説明】
【００９４】
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、２０ 顕微鏡 ２２ ベース、３４ ピペット、３８ ＸＹ軸テーブル、３８ Ｚ軸テーブル、４４ 微動機構、５２ ねじ軸、５４ 回転軸、６２ スライダ、６６ リニアガイド、７０ 中空モータ、９２ 圧電素子、１１０ ハウジング、１１１，１１２ 軸受、１１５ 圧電素子、１１５ａ インジェクション用圧電素子、１１５ｂ 予圧調整用圧電素子、１２０ 中空モータ、１２１ ボールねじナット、１２１ｂ 回転軸部（回転軸）、１２２ ねじ軸、１３０ ピペット保持部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピペットを駆動対象として、外周側にねじ部を有するねじ軸と、回転軸をその軸方向への移動を自在に支持するとともに前記回転軸を回転駆動するモータと、前記回転軸に固定されて前記ねじ軸にねじ結合され、前記ねじ軸をその軸方向への移動を自在に支持するねじ要素と、圧電素子への印加電圧に応じて前記回転軸をその軸方向に沿って微動駆動させる微動機構とを備えるアクチュエータ。
【請求項２】
前記ねじ軸のうち前記ねじ要素よりも前記ピペット側の部位をスライド自在に支持するリニアガイドを備える請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記圧電素子に対する印加電圧を制御する制御回路を備え、前記制御回路は、前記圧電素子に対して、前記ピペットがインジェクション動作可能な電圧を印加する請求項１または２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記回転軸を回転自在に支持するように前記回転軸の外周に配置された軸受と、前記軸受と前記圧電素子とが収容されるハウジングと、を備える請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記圧電素子に対する印加電圧を制御する制御回路を備え、前記制御回路は、前記圧電素子に対して所定変位可能なオフセット電圧を印加する請求項４に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記圧電素子を少なくとも２つ備え、１つは予圧調整用圧電素子であり、もう１つが微動駆動用圧電素子である請求項４または５に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
ピペットを駆動対象として、外周側にねじ部を有するねじ軸と、回転軸をその軸方向への移動を自在に支持するとともに前記回転軸を回転駆動するモータと、前記回転軸に固定されて前記ねじ軸にねじ結合され、前記ねじ軸をその軸方向への移動を自在に支持するねじ要素と、圧電素子への印加電圧に応じて前記回転軸をその軸方向に沿って微動駆動させる微動機構と、前記微動機構を伴って三次元空間を移動して前記ピペットの位置を制御する三次元軸移動テーブルとを備えるマニピュレータ。
【請求項８】
前記ねじ軸のうち前記ねじ要素よりも前記ピペット側の部位をスライド自在に支持するリニアガイドを備える請求項７に記載のマニピュレータ。
【請求項９】
前記圧電素子に対する印加電圧を制御する制御回路を備え、前記制御回路は、前記圧電素子に対して、前記ピペットがインジェクション動作可能な電圧を印加する請求項７または８に記載のマニピュレータ。
【請求項１０】
前記回転軸を回転自在に支持するように前記回転軸の外周に配置された軸受と、前記軸受と前記圧電素子とが収容されるハウジングと、を備える請求項７乃至９のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
【請求項１１】
前記圧電素子に対する印加電圧を制御する制御回路を備え、前記制御回路は、前記圧電素子に対して所定変位可能なオフセット電圧を印加する請求項１０に記載のマニピュレータ。
【請求項１２】
前記圧電素子を少なくとも２つ備え、１つは予圧調整用圧電素子であり、もう１つが微動駆動用圧電素子である請求項１０または１１に記載のマニピュレータ。
【請求項１３】
前記ねじ要素は前記回転軸と一体化されており、
前記ねじ軸は中空に構成され、前記ピペットの保持部材が前記ねじ軸内に配置されて前記ねじ軸に固定されている請求項７乃至１２のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
【請求項１４】
前記ねじ要素は前記回転軸と一体化されており、
前記ねじ軸が省略され、
前記ピペットの保持部材が前記回転軸のねじ部とねじ結合するねじ部を外周に有し前記回転軸内に配置される請求項７乃至１２のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
【請求項１５】
内周側にねじ部が形成された回転軸を有するボールねじナットと、
前記回転軸を回転駆動するモータと、
前記回転軸のねじ部とねじ結合し前記回転軸の回転により直動可能なピペット保持部材と、
前記回転軸を回転自在に支持するように前記回転軸の外周に配置された軸受と、
前記軸受と前記圧電素子とが収容されるハウジングと、を備え、
前記圧電素子を駆動することで前記軸受を介して前記ピペット保持部材がその軸方向に微動駆動されるアクチュエータ。
【請求項１６】
前記圧電素子に対し所定変位のためのオフセット電圧を印加することで前記ハウジング内で予圧を付与する請求項１５に記載のアクチュエータ。
【請求項１７】
前記圧電素子を少なくとも２つ備え、１つは予圧調整用圧電素子であり、もう１つが微動駆動用圧電素子であり、前記予圧調整用圧電素子にオフセット電圧を印加し、前記微動駆動用圧電素子に前記微動駆動のための電圧を印加する請求項１５または１６に記載のアクチュエータ。
【請求項１】
ピペットを駆動対象として、外周側にねじ部を有するねじ軸と、回転軸をその軸方向への移動を自在に支持するとともに前記回転軸を回転駆動するモータと、前記回転軸に固定されて前記ねじ軸にねじ結合され、前記ねじ軸をその軸方向への移動を自在に支持するねじ要素と、圧電素子への印加電圧に応じて前記回転軸をその軸方向に沿って微動駆動させる微動機構とを備えるアクチュエータ。
【請求項２】
前記ねじ軸のうち前記ねじ要素よりも前記ピペット側の部位をスライド自在に支持するリニアガイドを備える請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記圧電素子に対する印加電圧を制御する制御回路を備え、前記制御回路は、前記圧電素子に対して、前記ピペットがインジェクション動作可能な電圧を印加する請求項１または２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記回転軸を回転自在に支持するように前記回転軸の外周に配置された軸受と、前記軸受と前記圧電素子とが収容されるハウジングと、を備える請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記圧電素子に対する印加電圧を制御する制御回路を備え、前記制御回路は、前記圧電素子に対して所定変位可能なオフセット電圧を印加する請求項４に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記圧電素子を少なくとも２つ備え、１つは予圧調整用圧電素子であり、もう１つが微動駆動用圧電素子である請求項４または５に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
ピペットを駆動対象として、外周側にねじ部を有するねじ軸と、回転軸をその軸方向への移動を自在に支持するとともに前記回転軸を回転駆動するモータと、前記回転軸に固定されて前記ねじ軸にねじ結合され、前記ねじ軸をその軸方向への移動を自在に支持するねじ要素と、圧電素子への印加電圧に応じて前記回転軸をその軸方向に沿って微動駆動させる微動機構と、前記微動機構を伴って三次元空間を移動して前記ピペットの位置を制御する三次元軸移動テーブルとを備えるマニピュレータ。
【請求項８】
前記ねじ軸のうち前記ねじ要素よりも前記ピペット側の部位をスライド自在に支持するリニアガイドを備える請求項７に記載のマニピュレータ。
【請求項９】
前記圧電素子に対する印加電圧を制御する制御回路を備え、前記制御回路は、前記圧電素子に対して、前記ピペットがインジェクション動作可能な電圧を印加する請求項７または８に記載のマニピュレータ。
【請求項１０】
前記回転軸を回転自在に支持するように前記回転軸の外周に配置された軸受と、前記軸受と前記圧電素子とが収容されるハウジングと、を備える請求項７乃至９のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
【請求項１１】
前記圧電素子に対する印加電圧を制御する制御回路を備え、前記制御回路は、前記圧電素子に対して所定変位可能なオフセット電圧を印加する請求項１０に記載のマニピュレータ。
【請求項１２】
前記圧電素子を少なくとも２つ備え、１つは予圧調整用圧電素子であり、もう１つが微動駆動用圧電素子である請求項１０または１１に記載のマニピュレータ。
【請求項１３】
前記ねじ要素は前記回転軸と一体化されており、
前記ねじ軸は中空に構成され、前記ピペットの保持部材が前記ねじ軸内に配置されて前記ねじ軸に固定されている請求項７乃至１２のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
【請求項１４】
前記ねじ要素は前記回転軸と一体化されており、
前記ねじ軸が省略され、
前記ピペットの保持部材が前記回転軸のねじ部とねじ結合するねじ部を外周に有し前記回転軸内に配置される請求項７乃至１２のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
【請求項１５】
内周側にねじ部が形成された回転軸を有するボールねじナットと、
前記回転軸を回転駆動するモータと、
前記回転軸のねじ部とねじ結合し前記回転軸の回転により直動可能なピペット保持部材と、
前記回転軸を回転自在に支持するように前記回転軸の外周に配置された軸受と、
前記軸受と前記圧電素子とが収容されるハウジングと、を備え、
前記圧電素子を駆動することで前記軸受を介して前記ピペット保持部材がその軸方向に微動駆動されるアクチュエータ。
【請求項１６】
前記圧電素子に対し所定変位のためのオフセット電圧を印加することで前記ハウジング内で予圧を付与する請求項１５に記載のアクチュエータ。
【請求項１７】
前記圧電素子を少なくとも２つ備え、１つは予圧調整用圧電素子であり、もう１つが微動駆動用圧電素子であり、前記予圧調整用圧電素子にオフセット電圧を印加し、前記微動駆動用圧電素子に前記微動駆動のための電圧を印加する請求項１５または１６に記載のアクチュエータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−２１１０２４（Ｐ２００９−２１１０２４Ａ）
【公開日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１２７２７５（Ｐ２００８−１２７２７５）
【出願日】平成２０年５月１４日（２００８．５．１４）
【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２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月１４日（２００８．５．１４）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
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