(57)【要約】【課題】穿刺振動と並進駆動を同一のアクチュエータで行うことができ、且つ、並進駆動での高精度な極低速駆動が可能なステージ装置を提供する。【解決手段】ステージ装置９００は、駆動対象物をＸ軸方向に駆動する振動型アクチュエータ６８０を有するＸステージ６００と、振動型アクチュエータ６８０の駆動を制御する制御部１０６を備える。制御部１０６は、駆動対象物をＸ軸方向に移動させる移動モードと駆動対象物をＸ軸方向で振動させる振動モードで、振動型アクチュエータ６８０を駆動する。【選択図】図１
2020127280.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性体と電気−機械エネルギ変換素子を有する振動体と、前記振動体と接触する接触体と、を有し、前記振動体と前記接触体のうち一方は所定の位置に固定され、他方は前記所定の方向に移動可能であり、且つ、駆動対象物と連結される可動体であり、前記駆動対象物を所定の方向に駆動する振動型アクチュエータと、
前記電気−機械エネルギ変換素子に２相の交流電圧を印加して前記振動体に所定の振動を励起することにより、前記可動体を前記所定の方向へ移動または振動させるように制御する制御手段と、を備えるステージ装置であって、
前記振動型アクチュエータは、前記制御手段により、前記駆動対象物を前記所定の方向に移動させる移動モードと前記駆動対象物を前記所定の方向に振動させる振動モードとで切り替えて駆動されることを特徴とするステージ装置。
【請求項２】
前記振動体は、前記弾性体に設けられて前記接触体と接触する突起を有し、
前記制御手段は、
前記移動モードでは、前記電気−機械エネルギ変換素子に２相の交流電圧を印加して前記突起の先端に円運動または楕円運動を生じさせることで前記接触体に与えられる推力を用いて前記可動体を前記所定の方向へ移動させ、
前記振動モードでは、前記電気−機械エネルギ変換素子に２相の交流電圧を印加して前記突起の先端に前記所定の方向での往復運動を生じさせることで前記接触体に与えられる推力を用いて前記可動体を前記所定の方向に振動させることを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
【請求項３】
前記移動モードにおける前記２相の交流電圧の位相差の絶対値は、０°より大きく、且つ、９０°以下であることを特徴とする請求項２に記載のステージ装置。
【請求項４】
前記振動モードにおける前記２相の交流電圧の位相差は＋１８０°または−１８０°であることを特徴とする請求項２又は３に記載のステージ装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記振動モードにおいて前記２相の交流電圧の大きさを変化させることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載のステージ装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記移動モードと前記振動モードとでは前記２相の交流電圧の周波数を変えることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載のステージ装置。
【請求項７】
駆動対象物と、
弾性体と電気−機械エネルギ変換素子を有する振動体と、前記振動体と接触する接触体と、を有し、前記振動体と前記接触体のうち一方は所定の位置に固定され、他方は前記所定の方向に移動可能であり、且つ、前記駆動対象物と連結される可動体であり、前記駆動対象物を所定の方向に駆動する振動型アクチュエータと、
前記電気−機械エネルギ変換素子に２相の交流電圧を印加して前記振動体に所定の振動を励起することにより、前記可動体を前記所定の方向へ移動または振動させるように制御する制御手段と、を備える微小操作機器であって、
前記振動型アクチュエータは、前記制御手段により、前記駆動対象物を前記所定の方向に移動させる移動モードと前記駆動対象物を前記所定の方向に振動させる振動モードを切り替えて駆動されることを特徴とする微小操作機器。
【請求項８】
前記振動型アクチュエータは、
弾性体と電気−機械エネルギ変換素子を有する振動体と、
前記振動体と接触する接触体と、を有し、
前記振動体と前記接触体のうち一方は所定の位置に固定され、他方は前記所定の方向に移動可能であり、且つ、前記駆動対象物と連結された可動体であり、
前記制御手段は、前記電気−機械エネルギ変換素子に２相の交流電圧を印加して前記振動体に所定の振動を励起することにより、前記可動体に連結された前記駆動対象物を前記所定の方向へ移動または振動させることを特徴とする請求項７に記載の微小操作機器。
【請求項９】
前記振動体は、前記弾性体に設けられて前記接触体と接触する突起を有し、
前記制御手段は、
前記移動モードでは、前記電気−機械エネルギ変換素子に２相の交流電圧を印加して前記突起の先端に円運動または楕円運動を生じさせることで前記接触体に与えられる推力を用いて前記駆動対象物を前記所定の方向へ移動させ、
前記振動モードでは、前記電気−機械エネルギ変換素子に２相の交流電圧を印加して前記突起の先端に前記所定の方向での往復運動を生じさせることで前記接触体に与えられる推力を用いて前記可動体を前記所定の方向に振動させることを特徴とする請求項８に記載の微小操作機器。
【請求項１０】
前記駆動対象物は、インジェクションピペットまたはホールディングピペットであることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の微小操作機器。
【請求項１１】
弾性体と電気−機械エネルギ変換素子を有する振動体と、前記振動体と接触する接触体とを有し、前記振動体と前記接触体のうち一方は所定の位置に固定され、他方は前記所定の方向に移動可能な可動体である振動型アクチュエータを駆動して、前記可動体と連結された駆動対象物を所定の方向に駆動する微小操作機器の制御方法であって、
前記電気−機械エネルギ変換素子に２相の交流電圧を印加して前記振動体に所定の振動を励起することにより前記可動体を駆動して前記駆動対象物を所定の位置へ移動させる移動工程と、
前記駆動対象物が前記所定の位置にある状態で、前記電気−機械エネルギ変換素子に２相の交流電圧を印加して前記振動体を前記所定の方向に振動させることにより前記駆動対象物を前記所定の位置で前記所定の方向に振動させる振動工程と、を有することを特徴とする微小操作機器の制御方法。
【請求項１２】
前記振動型アクチュエータは、
弾性体と電気−機械エネルギ変換素子を有する振動体と、
前記振動体と接触する接触体と、を有し、
前記振動体は、
前記弾性体に設けられて前記接触体と接触する突起を有し、
前記移動工程では、前記電気−機械エネルギ変換素子に前記２相の交流電圧を印加して前記突起の先端に円運動または楕円運動を生じさせることで前記接触体に与えられる推力を用いて前記駆動対象物を前記所定の方向へ移動させ、
前記振動工程では、前記電気−機械エネルギ変換素子に前記２相の交流電圧を印加して前記突起の先端に前記所定の方向での往復運動を生じさせることで前記接触体に与えられる推力を用いて前記可動体を前記所定の方向に振動させることを特徴とする請求項１１に記載の微小操作機器の制御方法。
【請求項１３】
前記移動工程での前記２相の交流電圧の位相差の絶対値は、０°より大きく、且つ、９０°以下であることを特徴とする請求項１２に記載の微小操作機器の制御方法。
【請求項１４】
前記振動工程での前記２相の交流電圧の位相差は＋１８０°または−１８０°であることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の微小操作機器の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステージ装置、微小操作機器及びその制御方法に関し、特に、生殖補助医療分野で有用なステージ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生殖補助医療の分野において、精子を卵子に直接注入する方法として、卵細胞質内精子注入法（Intracytoplasmic Sperm Injection（以下「ＩＣＳＩ」という）が知られている。ＩＣＳＩには、インジェクションピペットを穿刺振動させることにより卵細胞膜を破膜する穿刺振動装置と、インジェクションピペットを進退させるためのステージ装置が使用されている（非特許文献１参照）。
【０００３】
図８は、従来の穿刺振動装置を用いたＩＣＳＩの手順を説明する図である。穿刺振動装置は、インジェクションピペット１００２を備える。インジェクションピペット１００２を備えた穿刺振動装置は、ステージ装置（不図示）に保持された状態で駆動される。また、インジェクションピペット１００２の内部に保持された精子１００４やインジェクションピペット１００２に入りこんだ透明体１００１ｄｚのインジェクションピペット１００２からの吐出処理は、インジェクタ装置（不図示）によって行われる。図８中、実線ＸＬ１はインジェクションピペット１００２の移動量を、実線ＸＬ２はステージ装置の操作量をそれぞれ表している。また、実線ＸＬ３は穿刺振動装置のスイッチのオフ／オン操作を、実線ＸＬ４は精子１００４や透明体１００１ｄｚ等を進退させるためのインジェクタ装置の操作量を表している。
【０００４】
工程Ｘ１では、卵子１００１をホールディングピペット１００３で保持した状態で、精子１００４を保持したインジェクションピペット１００２をステージ装置を操作して卵子１００１に近付ける。工程Ｘ１から工程Ｘ２にかけて、ステージ装置を操作してインジェクションピペット１００２の先端を透明体１００１ｄに押し当てる。そして、工程Ｘ２において、穿刺振動装置をオンしてインジェクションピペット１００２を振動させ、透明体１００１ｄを破膜する。なお、インジェクションピペット１００２穿刺振動させた際の振幅によるインジェクションピペット１００２の移動量は、ステージ装置による並進駆動時のインジェクションピペット１００２の移動量に対して非常に小さい。図８では、穿刺振動によるインジェクションピペット１００２の移動量を誇張して示している。
【０００５】
工程Ｘ３にて、ステージ装置を操作してインジェクションピペット１００２を卵子１００１から離す。このとき、インジェクションピペット１００２には、工程Ｘ２で破膜された透明体１００１ｄｚが入り込んでいる。そこで、工程Ｘ４では、インジェクタ装置を操作して透明体１００１ｄｚをインジェクションピペット１００２から吐き出し、そして、精子１００４をインジェクションピペット１００２の先端に移動させる。
【０００６】
工程Ｘ５では、ステージ装置を駆動させて、卵細胞膜１００１ｂへインジェクションピペット１００２を一定長さ押し込む。なお、卵細胞１００１ａは、卵細胞質１００１ｃの外側が卵細胞膜１００１ｂにより覆われた構造を有する。こうして、インジェクションピペット１００２を卵細胞膜１００１ｂに押し込んだ状態で穿刺振動装置をオンして、卵細胞膜１００１ｂを破膜する。卵細胞膜１００１ｂの破膜を確認した工程Ｘ６にてインジェクタ装置を操作して、精子１００４を卵細胞質１００１ｃの中に注入する。卵細胞質１００１ｃの内部への精子１００４の注入が完了した工程Ｘ７にて、ステージ装置を操作して、インジェクションピペット１００２を卵子１００１から引き抜く。これにより一連の処理が終了する。
【０００７】
このようなＩＣＳＩを実行するための穿刺振動装置の一例として、特許文献１には、圧電素子を駆動してインジェクションピペットの穿刺振動を行う構成が記載されている。また、特許文献２には、並進駆動と振動駆動を１つのアクチュエータで行う構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第６１７４６１６号公報
【特許文献２】特許第４８１１３５８号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】水田  真平, Journal of Clinical Embryologist, Vol.19, No.2(2017), p126-128
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１に記載された技術では、卵細胞膜１００１ｂの破膜動作と、インジェクションピペット１００２の卵細胞１００１ａへの進入／退避動作とを、同一のアクチュエータで実行することはできない。また、特許文献２に記載された技術ではスティックスリップタイプの振動型アクチュエータを用いている。ここで、インジェクションピペット１００２の卵細胞１００１ａへの進入／退避動作では、インジェクションピペット１００２を極低速で駆動する必要がある。しかし、スティックスリップタイプの振動型アクチュエータには、不感帯が大きく、極低速駆動に不向きであるという問題がある。
【００１１】
本発明は、穿刺振動と並進駆動を同一のアクチュエータで行うことができ、且つ、並進駆動での高精度な極低速駆動が可能なステージ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係るステージ装置は、弾性体と電気−機械エネルギ変換素子を有する振動体と、前記振動体と接触する接触体と、を有し、前記振動体と前記接触体のうち一方は所定の位置に固定され、他方は前記所定の方向に移動可能であり、且つ、駆動対象物と連結される可動体であり、前記駆動対象物を所定の方向に駆動する振動型アクチュエータと、前記電気−機械エネルギ変換素子に２相の交流電圧を印加して前記振動体に所定の振動を励起することにより、前記可動体を前記所定の方向へ移動または振動させるように制御する制御手段と、を備えるステージ装置であって、前記振動型アクチュエータは、前記制御手段により、前記駆動対象物を前記所定の方向に移動させる移動モードと前記駆動対象物を前記所定の方向に振動させる振動モードとで切り替えて駆動されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、穿刺振動と並進駆動を同一のアクチュエータで行うことができ、且つ、並進駆動での高精度な極低速駆動が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態に係るマニピュレータシステムの概略構成を説明する図である。
【図２】第１のマニピュレータの出力部のＸステージを示す外観斜視図である。
【図３】Ｘステージの構造を示す分解斜視図である。
【図４】Ａ相電圧とＢ相電圧の位相差を９０°とした場合に振動体に生じる振動を模式的に表す図である。
【図５】Ａ相電圧とＢ相電圧の位相差を３０°とした場合に振動体に生じる振動を模式的に表す図である。
【図６】Ａ相電圧とＢ相電圧の位相差を１８０°とした場合に振動体に生じる振動を模式的に表す図である。
【図７】実施形態に係るマニピュレータシステムを用いたＩＣＳＩの手順を説明する図である。
【図８】従来の穿刺振動装置を用いたＩＣＳＩの手順を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。ここでは、本発明に係るステージ装置を備える微小操作機器の一例として、生殖補助医療で用いられるマニピュレータシステムを取り上げる。但し、本発明に係るステージ装置及び微小操作機器は、これに限定されるものではない。
【００１６】
図１は、本発明の実施形態に係るマニピュレータシステム１の概略構成を表したブロック図である。マニピュレータシステム１は、顕微鏡２、撮像ユニット３、ディスプレイ４、コントローラ１００、第１のマニピュレータ２００、第１のインジェクタ装置３００、第２のマニピュレータ４００及び第２のインジェクタ装置５００を備える。
【００１７】
顕微鏡２は、ＩＣＳＩ作業時の卵子や精子、第１のマニピュレータ２００のインジェクションピペット２０３、第２のマニピュレータ４００のホールディングピペット４０３（図７参照）等に焦点を合わせる合焦ユニット２ａを有する。撮像ユニット３は、顕微鏡２の光学系を介して画像を取得するＣＭＯＳセンサ等の撮像素子を有し、卵子や精子、インジェクションピペット２０３、ホールディングピペット４０３等の画像を取得する。撮像ユニット３が取得した画像は、コントローラ１００の画像入力部１０９に入力される。
【００１８】
コントローラ１００は、表示パネル１０１、操作パネル１０２、画像入力部１０９、画像解析部１０７、画像出力部１０８、変位検出部１０３、演算部１０４、記憶部１０５及び制御部１０６を有する。操作パネル１０２は、制御部１０６で用いられる制御パラメータを入力するための、例えば不図示のダイヤルやスイッチ、フットペダル等を含む。表示パネル１０１は、操作パネル１０２で設定する制御パラメータや後述する駆動モード等を表示する。なお、表示パネル１０１をタッチパネルとして構成することにより、操作パネル１０２を構成する１つの操作手段として表示パネル１０１を用いることができる。
【００１９】
画像入力部１０９へは、撮像ユニット３から送られてきた画像が入力される。画像入力部１０９へ入力された画像は、画像解析部１０７と画像出力部１０８へ送られる。画像解析部１０７は、撮像ユニット３で得られた画像を解析する。画像解析部１０７での解析結果は、演算部１０４と画像出力部１０８へ送られる。画像出力部１０８は、画像解析部１０７から送られてきた解析結果と画像入力部１０９から送られてきた画像をディスプレイ４へ出力する。ディスプレイ４は、画像出力部１０８から送られてきた画像を表示し、その際に画像解析部１０７から送られてきた解析結果を組み合わせて表示することにより、顕微鏡２での観察対象をより精密に表現することができる。なお、第１のマニピュレータ２００等の操作を、ディスプレイ４を観察しながら遠隔で行うことも可能となる。
【００２０】
変位検出部１０３は、第１のマニピュレータ２００の出力部２０１と入力部２０２の各変位及び第２のマニピュレータ４００の出力部４０１と入力部４０２の各変位を検出する。変位検出部１０３で検出された変位検出結果は、演算部１０４へ送られる。演算部１０４は、画像解析部１０７から取得した解析結果と、変位検出部１０３から取得した変位検出結果と、記憶部１０５から読み出された情報とに基づく所定の演算を行う。演算部１０４による演算結果は、制御部１０６と記憶部１０５へ送られる。
【００２１】
制御部１０６は、演算部１０４での演算結果や記憶部１０５から読み出された情報に基づく駆動量を、第１のマニピュレータ２００の出力部２０１と第２のマニピュレータ４００の出力部４０１へ出力する。記憶部１０５は、演算部１０４での演算結果と、制御部１０６で求められた駆動量を記憶する。また、記憶部１０５は、演算部１０４及び制御部１０６以外の情報（例えば、画像入力部１０９に入力された画像や画像解析部１０７での解析結果、変位検出部１０３で検出された変位量、操作パネル１０２へ入力された入力量等）も記憶することができる。
【００２２】
第１のマニピュレータ２００は、出力部２０１と入力部２０２を有する。出力部２０１は、ステージ装置９００と、ステージ装置９００により駆動される駆動対象物を有し、駆動対象物とは、本実施形態ではインジェクションピペット２０３、インジェクションピペット用ホルダ２０４及びホルダ支持部２０５である。インジェクションピペット２０３には、図８を参照して説明したように、精子等の処理対象物が充填される。ステージ装置９００は、Ｚ軸方向に駆動可能なＺステージ８００、Ｙ軸方向に駆動可能なＹステージ７００、及び、Ｘ軸方向に駆動可能なＸステージ６００を有する。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の定義については後述する。
【００２３】
入力部２０２は、ステージ装置９００のＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の各方向での移動に対応した入力装置（例えば、ジョイスティック）を有する。入力装置を通じてステージ装置９００を並進駆動させるための操作量を連続的に変化する値で入力することが可能となっており、入力された操作量は変位検出部１０３によって検出される。こうして、入力部２０２を操作することにより、ステージ装置９００を並進駆動させるモードで動作させることが可能となっている。なお、入力部２０２は、性能上問題のない程度の分解能を持った多段階入力が可能なものであってもよい。
【００２４】
出力部２０１において、ホルダ支持部２０５はステージ装置９００上に配置され、インジェクションピペット用ホルダ２０４はホルダ支持部２０５に支持され、インジェクションピペット２０３はインジェクションピペット用ホルダ２０４に保持されている。ステージ装置９００は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の各方向の変位を計測する変位センサ（変位計測手段（不図示））を有する。なお、インジェクションピペット２０３の先端部の軸方向をＸ軸方向と規定し、顕微鏡２の光軸方向（ホルダ支持部２０５の軸方向）をＺ軸方向と規定し、Ｘ軸方向及びＺ軸方向と直交する方向をＹ軸方向と規定する。
【００２５】
ステージ装置９００での変位センサからの出力信号は変位検出部１０３へ送られ、第１のマニピュレータ２００の出力部２０１の制御に用いられる。なお、入力部２０２での入力量とステージ装置９００での実際の駆動量とに基づくステージ装置９００の制御方法（例えば、ＰＩＤ制御）は周知であるため、詳細な説明を省略する。こうして、第１のマニピュレータ２００では、インジェクションピペット２０３をＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向で位置決め可能に制御することが可能となっている。ステージ装置９００のより詳細な構成については後述する。
【００２６】
第１のインジェクタ装置３００は、シリンダ３０１と、シリンダ３０１内を進退することによって容量を調整可能なピストン３０２と、ピストン３０２を進退駆動可能な操作部３０３を有する。チューブ３０４の一端は、シリンダ３０１に連結されている。また、チューブ３０４の他端は、第１のマニピュレータ２００のインジェクションピペット用ホルダ２０４を介して、インジェクションピペット２０３に連結されている。これにより、第１のインジェクタ装置３００は、操作部３０３を操作してピストン３０２を進退させることで、インジェクションピペット２０３内に充填された精子等の注入物を進退させることできる。
【００２７】
第２のマニピュレータ４００は、出力部４０１と入力部４０２を有する。第２のマニピュレータ４００は、第１のマニピュレータ２００とは、インジェクションピペット２０３に代えてホールディングピペット４０３（図７参照）を有する点で相違するが、その他の構成は同じであるため、図示と説明を省略する。ホールディングピペット４０３は、被処理体（例えば、図７に示す卵子１００１）を保持する。
【００２８】
第２のインジェクタ装置５００は、第１のインジェクタ装置３００と同様の構成を有するため、図示を省略する。なお、第２のインジェクタ装置５００が備えるチューブ（不図示）は、シリンダ（不図示）と第２のマニピュレータ４００のホールディングピペット４０３とを連結しており、ホールディングピペット４０３の内圧操作を可能としている。
【００２９】
次に、ステージ装置９００の構成について詳細に説明する。ステージ装置９００において、少なくともＸステージ６００には、インジェクションピペット２０３をＸ軸方向に駆動する駆動源が振動型アクチュエータであるのを駆動源として用いた直動ユニットを備えている。一方、Ｙステージ７００とＺステージ８００には、駆動源が振動型アクチュエータである直動ユニットを用いてもよいが、これに限らず、駆動源がステッピングモータ又はボイスコイルモータである直動ユニットを用いてもよい。
【００３０】
図２は、出力部２０１の構成を、Ｙステージ７００とＺステージ８００を省略して示す外観斜視図である。図３は、Ｘステージ６００の分解斜視図である。Ｘステージ６００は、固定部である不動の筐体部６０１及びカバー６０２を有し、その内部に直動ユニット６９０を備える。カバー６０２は、筐体部６０１にビス６０２Ｌにより固定される。直動ユニット６９０は、振動型アクチュエータ６８０と可動部６７０を有する。
【００３１】
振動型アクチュエータ６８０は、接触体６０４、加圧部材６０８、加圧力伝達部材６０９、緩衝部材６１０、アクチュエータホルダ６１３、転動ローラ６１４、転動ローラ用ばね６１５及び振動体ホルダ６１６を有する。振動体６６０は、弾性体６０６と圧電素子６０７（電気−機械エネルギ変換素子）を有する。
【００３２】
アクチュエータホルダ６１３は、ビス６１３Ｌによりカバー６０２に固定されている。振動体ホルダ６１６は、転動ローラ６１４と転動ローラ用ばね６１５を介してアクチュエータホルダ６１３に支持されている。これにより、アクチュエータホルダ６１３は、Ｘ軸方向にガタつくことなく振動体ホルダ６１６を支持すると共に、Ｚ軸方向では移動可能となっている。
【００３３】
振動体６６０は、弾性体６０６と圧電素子６０７とを有し、圧電素子６０７は例えば接着等の手段により弾性体６０６に固定されている。弾性体６０６は、ステンレス等の金属材料からなる薄板状の部品であり、連結部６０６ａ，６０６ｂと、接触体６０４側に突出した突起６０６ｃ，６０６ｄ（図４参照）を有する。連結部６０６ａ，６０６ｂの一部は、例えば接着等の手段により、振動体ホルダ６１６に固定されている。つまり、振動体６６０は、振動体ホルダ６１６を介して、カバー６０２に固定されたアクチュエータホルダ６１３に支持されている。よって、振動型アクチュエータ６８０は、後述するように、配設位置が固定された振動体６６０に対して接触体６０４がＸ軸方向に相対移動するように構成されている。
【００３４】
接触体６０４は、Ｘ軸方向端部においてビス６０４Ｌにより可動部６７０を構成する可動基部６０３に固定されており、接触体６０４と可動部６７０とは一体となってＸ軸方向に移動可能となっている。接触体６０４は、弾性体６０６に形成されている突起６０６ｃ，６０６ｄの先端と接触している。加圧部材６０８は、振動体６６０を接触体６０４に接触させるための加圧力を発生させる。加圧力伝達部材６０９は、カバー６０２に設けられた穴部６０２ｃに対して摺動可能に挿通される２本の突起６０９ａを有し、Ｚ軸方向に案内される。加圧力伝達部材６０９は、振動体６６０と加圧部材６０８の間に配置され、加圧部材６０８からの加圧力を振動体６６０に伝達する。
【００３５】
緩衝部材６１０は、加圧力伝達部材６０９と圧電素子６０７の間に配置され、加圧部材６０８の力を振動体６６０に減衰することなく伝達する役割を担う。なお、緩衝部材６１０は、例えば接着等の手段で加圧力伝達部材６０９に固定されている。圧電素子６０７への２相の交流電圧６１８の印加は、配線基板６１１を介して行われる。配線基板６１１は、圧電素子６０７の緩衝部材６１０側の面に取り付けられており、カバー６０２に設けられた溝部６０２ｂからＸステージ６００の外側に引き出されている。
【００３６】
可動部６７０は、可動基部６０３と可動板６０５を有する。可動板６０５は、Ｚ軸方向と平行な壁部がカバー６０２に設けられた開口部６０２ａに挿入され、Ｚ軸方向と直交する２つの壁部（以下「上面部」、「下面部」という）がカバー６０２を挟んで対面するように配置される。可動板６０５の下面部はビス６０５Ｌにより可動基部６０３に固定され、上面部にはビス２０５Ｌによりホルダ支持部２０５が固定される。
【００３７】
可動基部６０３には、Ｘ軸方向に延在する３つ可動案内部６０３ａ，６０３ｂ，６０３ｃが設けられている。これに対して、固定部である筐体部６０１には、可動案内部６０３ａ，６０３ｂ，６０３ｃに対向するように固定案内部６０１ａ，６０１ｂ，６０１ｃが設けられている。そして、可動基部６０３と可動板６０５が一体的にＸ軸方向に案内可能となるように、３つの転動ボール６１２が可動案内部６０３ａ，６０３ｂ，６０３ｃと固定案内部６０１ａ，６０１ｂ，６０１ｃの間に挟持されている。
【００３８】
次に、振動型アクチュエータ６８０を駆動することによりＸステージ６００を駆動して、インジェクションピペット２０３をＸ軸方向で駆動する方法について説明する。位相差と周波数の少なくともいずれか一方を変更可能な２相の交流電圧６１８を圧電素子６０７に印加して振動体６６０に所定の振動を発生させる。これにより、固定された振動体６６０に対してＸ軸方向に可動に配置された可動体である接触体６０４及び可動部６７０を相対移動させることができる。その詳細は、特許第３３６３５１０号公報や特開２０１２−１６１０７号公報等に記載されているため、省略する。Ｘステージ６００では、可動部６７０が可動案内部６０３ａ〜６０３ｃに沿ってＸ軸方向に移動する。
【００３９】
制御部１０６は、振動体６６０（可動部６７０）を移動モードＭ１と振動モードＭ２で駆動する。移動モードＭ１は、可動部６７０に連結されたインジェクションピペット２０３をＸ軸方向に進退移動させる駆動モードである。振動モードＭ２は、可動部６７０に連結されたインジェクションピペット２０３をＸ軸方向（進退移動方向）に振動させる駆動モードである。
【００４０】
移動モードＭ１について、詳細に説明する。移動モードＭ１では、２相の交流電圧（Ａ相電圧、Ｂ相電圧）の位相差を＋９０°又は−９０°とする。なお、圧電素子６０７は、Ｚ軸と直交する一方の面（弾性体６０６との接合面）に共通電極（全面電極）が形成され、Ｚ軸と直交する他方の面は、Ｘ方向に２等分された２つの独立した電極（Ａ相電極、Ｂ相電極）を備える。Ａ相電圧とはＡ相電極に印加される交流電圧であり、Ｂ相電極とはＢ相電極に印加される交流電圧であり、共通電極はグラウンド（アース）電極として用いられる。
【００４１】
図４は、Ａ相電圧に対してＢ相電圧の位相を約＋９０°遅らせて圧電素子６０７に印加した場合に振動体６６０に励起される振動を模式的に表す図である。図４（ａ）は、Ａ相電圧とＢ相電圧を説明する図である。図４（ａ）に示す通りに、振動体６６０に励起させる振動を説明するための互いに異なるタイミングＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４を定める。図４（ｂ）は、振動体６６０の正面図（Ｘ軸の正方向（＋Ｘ方向）から見た図）であり、タイミングＰ１〜Ｐ４に対応する状態を示している。図４（ｃ）は、振動体６６０の側面図（Ｙ軸の負方向（−Ｘ方向）から見た図）であり、タイミングＰ１〜Ｐ４に対応する状態を示している。図４（ｄ）は、振動体６６０の背面図（Ｘ軸の負方向から見た図）であり、タイミングＰ１〜Ｐ４に対応する状態を示している。なお、図４（ｂ）〜（ｄ）では、弾性体６０６の連結部６０６ａ，６０６ｂと圧電素子６０７の図示を省略している。
【００４２】
Ａ相電圧とＢ相電圧が同符号の電圧であるタイミングＰ２，Ｐ４では、圧電素子６０７におけるＡ相電極部とＢ相電極は同様に伸縮（ＸＹ面内で一方が伸びるときに他方も伸びる）し、短辺方向（Ｙ軸方向）の１次の曲げ振動の変位αが最大となる。Ａ相電圧とＢ相電圧が異符号の電圧となるタイミングＰ１，Ｐ１では、Ａ相電極部とＢ相電極部では伸縮は逆になる（ＸＹ面内で一方が伸びるときに他方は縮む）ため、長手方向（Ｘ軸方向）の２次の曲げ振動の変位βが最大となる。図４（ｂ）〜（ｄ）の変位が連続的に生じることで、その結果、突起６０６ｃ，６０６ｄには、図４（ｂ）に示す反時計まわりの円運動（又は楕円運動）が発生する。この突起６０６ｃ，６０６ｄの円運動（又は楕円運動）により、接触体６０４及び可動部６７０をＸ軸の負方向へ移動させる推力（摩擦駆動力）を得ることができる。なお、Ｂ相電圧に対してＡ相電圧の位相を約＋９０°遅らせて圧電素子６０７に印加した場合、図４（ｂ）に示す円運動とは反対方向となる時計まわりの円運動が発生する。これにより、接触体６０４及び可動部６７０をＸ軸の正方向へ移動させる推力（摩擦駆動力）を得ることができる。
【００４３】
図５は、Ａ相電圧に対してＢ相電圧の位相を約＋３０°遅らせて圧電素子６０７に印加した場合に振動体６６０に励起される振動を模式的に表す図である。なお、図５（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、図４（ａ）〜（ｄ）と対応するように示されている。Ａ相電圧とＢ相電圧の位相差が３０°の場合、Ａ相電極とＢ相電極に異符号の電圧が印加されている時間が短いため、Ｘ軸方向の２次の曲げ振動での変位βは、Ａ相電圧とＢ相電圧の位相差が９０°の場合よりも小さくなる。この結果、突起６０６ｃ，６０６ｄには図示されるＺ軸方向で縦長となる楕円運動が発生するため、Ａ相電圧とＢ相電圧の位相差を約＋９０°とした場合（図４）と比較して、Ｘ軸方向への低速駆動が可能となる。なお、Ａ相電圧とＢ相電圧の位相差０°に近付けることで更にＺ軸方向に縦長となる楕円運動を発生させることができるため、極低速駆動が可能となる。つまり、振動型アクチュエータ６８０は、高精度な極低速駆動が可能なアクチュエータと言える。
【００４４】
続いて、振動モードＭ２について詳細に説明する。振動モードＭ２では、Ａ相電圧とＢ相電圧の位相差を＋１８０°又は−１８０°或いはその近傍とする。図６は、Ａ相電圧に対してＢ相電圧の位相を約＋１８０°遅らせて圧電素子６０７に印加した場合に振動体６６０に励起される振動を模式的に表す図である。なお、図６（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、図４（ａ）〜（ｄ）と対応するように示されている。
【００４５】
位相差が約１８０°の場合、Ａ相電圧とＢ相電圧が共にゼロ（０）となるタイミングＰ５，Ｐ６が発生する。また、図４や図５に示したタイミングＰ２，Ｐ４のように同符号の電圧が印加されることはないので、図６（ｂ），（ｄ）に示すように、Ｙ軸方向の１次の曲げ振動は発生しない。そして、振動体６６０には、タイミングＰ１，Ｐ３のように異符号の電圧が印加されることによる、Ｘ軸方向の２次の曲げ振動（図６（ｃ））の変位βのみが発生する。その結果、突起６０６ｃ、６０６ｄは、円運動や楕円運動を行わず、Ｘ軸方向で往復運動を行って接触体６０４を摩擦駆動する推力（摩擦駆動力）を与えることにより、接触体６０４をＸ軸方向に振動させる。このとき、Ａ相電圧とＢ相電圧の大きさ（電圧値）を変えて振動体６６０に生じる変形の大きさを変えることにより、突起６０６ｃ，６０６ｄに生じるＸ軸方向での変位量（振幅）を調整することができる。
【００４６】
なお、移動モードＭ１と振動モードＭ２では、Ａ相電圧とＢ相電圧とで異なる周波数の交流電圧を用いて、圧電素子６０７に印加してもよい。移動モードＭ１では、Ｙ軸方向の１次の曲げ振動とＸ軸方向の２次の曲げ振動が共に発生するように周波数を調整する。また、振動モードＭ２では、Ｙ軸方向の１次の曲げ振動を発生させず、Ｘ軸方向の２次の曲げ振動のみを発生させる周波数に設定するため、移動モードＭ１とは異なる周波数の交流電圧を印加することができる。なお、移動モードＭ１や振動モードＭ２で印加する２相の交流電圧の大きさ（電圧値）や位相差、周波数の設定は、操作パネル１０２に設けられたスイッチやダイヤル等で設定が可能である。
【００４７】
振動体６６０を振動モードＭ２で駆動する操作方法としては、例えば、操作パネル１０２に設けられたスイッチやフットペダル（不図示）等のオフ／オンを切り替える操作方法が挙げられる。或いは、第１のマニピュレータ２００の入力部２０２に、振動モードＭ２を実行するための専用スイッチ（不図示）を設けてもよい。その場合、専用スイッチをオンしている間だけ振動が持続する構成としてもよいし、１回のオン操作で予め設定された時間だけ振動する構成としてもよい。振動モードＭ２が実行されている場合には、その状態を表示パネル１０１やディスプレイ４に表示させることが可能である。
【００４８】
図７は、マニピュレータシステム１を用いたＩＣＳＩの手順を説明する図である。図７中、実線Ｌ１はインジェクションピペット２０３の移動量を表している。ここで、振動モードＭ２での移動量（振動振幅）は移動モードＭ１での移動量に対して微小であるため、図７では振動モードＭ２での振動振幅を移動モードＭ１での移動量に対して誇張して示している。実線Ｌ２は、第１のマニピュレータ２００の入力部２０２の操作量、換言すれば、移動モードＭ１での操作量を表している。実線Ｌ３は、インジェクションピペット２０３を振動モードＭ２で駆動させるスイッチのオフ／オン操作を表している。実線Ｌ４は、振動体６６０に印加する２相の交流電圧（Ａ相電圧、Ｂ相電圧）の位相差を表している。実線Ｌ５は、精子１００４や透明体１００１ｄｚ等をＸ軸方向に進退させるための第１のインジェクタ装置３００の操作量を表している。
【００４９】
工程Ｓ１では、ホールディングピペット４０３が卵子１００１を保持しており、また、精子１００４を吸引したインジェクションピペット２０３が卵子１００１に近付いた状態となっている。なお、工程Ｓ１に示す状態は、インジェクションピペット２０３がホールディングピペット４０３よりも更に離れた状態から、振動体６６０を移動モードＭ１で駆動して、可動部６７０をＸ軸の正方向へ移動させた状態である。その際に圧電素子６０７に印加されるＡ相電圧とＢ相電圧の位相差は、例えば９０°とすることができる。
【００５０】
工程Ｓ１から工程Ｓ２にかけて、第１のマニピュレータ２００の入力部２０２を操作し、振動体６６０を移動モードＭ１で駆動して、可動部６７０を極低速でＸ軸の正方向へ移動させる。その際、圧電素子６０７に印加するＡ相電圧とＢ相電圧の位相差を０°近傍の値とすることで、インジェクションピペット２０３（可動部６７０）をＸ軸の正方向へ極低速で駆動することができる。これにより、インジェクションピペット２０３の先端を透明体１００１ｄに押し当てた状態とすることができる。
【００５１】
このように、インジェクションピペット２０３の先端が卵子１００１から一定距離以上離れている場合には、インジェクションピペット２０３は、移動モードＭ１の低速駆動を用いてＸ軸方向に駆動される。その際、Ａ相電圧とＢ相電圧の位相差の絶対値が０°より大きく、且つ、９０°以下となる範囲で、インジェクションピペット２０３の先端と卵子１００１の間の距離が近いほど小さくなるように、連続的に又は段階的に変更してもよい。そして、インジェクションピペット２０３の先端が卵子１００１から一定距離以内では、インジェクションピペット２０３は、移動モードＭ１の極低速駆動を用いてＸ軸方向に駆動される。工程Ｓ１から工程Ｓ２の間で図示する交流の位相差αは、極めて小さい位相差であるため、誇張して図示している。
【００５２】
工程Ｓ２では、インジェクションピペット２０３が透明体１００１ｄに押し当てられた状態で、振動モードＭ２の操作スイッチをオンにして振動体６６０を振動モードＭ２で駆動して可動部６７０をＸ軸方向において振動させることにより透明体１００１ｄを破膜する。工程Ｓ２では、圧電素子６０７に印加するＡ相電圧とＢ相電圧の位相差を＋１８０°又は−１８０°とする。
【００５３】
なお、図７には位相差を−１８０°とした場合を示している。また、工程Ｓ２でのＡ相電圧とＢ相電圧の位相差は、インジェクションピペット２０３を実質的にＸ軸方向で移動させることなくＸ軸方向に振動させて、透明体１００１ｄの破膜を支障なく行うことができる限りにおいて、厳密に±１８０°である必要はない。
【００５４】
透明体１００１ｄの破膜を確認した後、振動モードＭ２の操作スイッチをオフにして振動モードＭ２での振動体６６０の駆動を停止させ、工程Ｓ３へ移る。なお、透明体１００１ｄの破膜は、ディスプレイ４に映し出された映像で確認することができる。
【００５５】
工程Ｓ３では、第１のマニピュレータ２００の入力部２０２を操作して、移動モードＭ１で振動体６６０を駆動することにより可動部６７０をＸ軸の負方向へ移動させて、インジェクションピペット２０３を卵子１００１から離す。その際、Ａ相電圧とＢ相電圧の位相差を０°近傍のプラス値とすることで、インジェクションピペット２０３（可動部６７０）をＸ軸の負方向に極低速で駆動することができる。工程Ｓ３が終了した状態では、破膜した透明体１００１ｄｚがインジェクションピペット２０３内に入り込んでいる。そのため、工程Ｓ４では、第１のインジェクタ装置３００を操作して、インジェクションピペット２０３から透明体１００１ｄを吐き出す。続く工程Ｓ４では、第１のインジェクタ装置３００を操作して、精子１００４をインジェクションピペット２０３の先端まで移動させる。
【００５６】
続いて、工程Ｓ５では、振動体６６０を移動モードＭ１で駆動して可動部６７０をＸ軸の正方向へ移動させて、卵細胞１００１ａにインジェクションピペット２０３を所定の深さまで押し込む。その際、Ａ相電圧とＢ相電圧の位相差を０°近傍のマイナス値とすることで、インジェクションピペット２０３（可動部６７０）をＸ軸の正方向へ極低速で駆動することができる。工程Ｓ４から工程Ｓ５の間で図示する交流の位相差αは、極めて小さい位相差であるため、誇張して図示している。こうして、インジェクションピペット２０３を卵細胞１００１ａに押し込んだ後、振動モードＭ２の操作スイッチをオンにして振動体６６０を振動モードＭ２で駆動することによってＸ軸方向に振動させて卵細胞膜１００１ｂを破膜する。このとき、圧電素子６０７に印加するＡ相電圧とＢ相電圧の位相差を＋１８０°又は−１８０°とする。なお、図７には位相差を−１８０°とした場合を示している。ここでのＡ相電圧とＢ相電圧の位相差も、卵細胞膜１００１ｂの破膜を支障なく行うことができる限りにおいて、工程Ｓ２と同様に、厳密に±１８０である必要はない。
【００５７】
卵細胞膜１００１ｂの破膜を確認し、振動モードＭ２の操作スイッチをオフにした後、工程Ｓ６では、第１のインジェクタ装置３００を操作して、精子１００４を卵細胞質１００１ｃの内部へ注入する。卵細胞質１００１ｃの内部への精子１００４の注入を確認した後の工程Ｓ７では、第１のマニピュレータ２００の入力部２０２を操作して、移動モードＭ１で振動体６６０を駆動して可動部６７０をＸ軸の負方向へ移動させる。こうして、卵子１００１からインジェクションピペット２０３を引き抜く。その際、Ａ相電圧とＢ相電圧の位相差を０°近傍のプラス値とすることで、インジェクションピペット２０３（可動部６７０）をＸ軸の負方向に極低速で駆動することができる。工程Ｓ７により、ＩＣＳＩの一連の処理は終了する。
【００５８】
以上の説明の通り、本実施形態に係るマニピュレータシステム１では、振動体６６０を有する振動型アクチュエータ６８０を移動モードＭ１と振動モードＭ２で駆動することが可能となっている。これにより、インジェクションピペット２０３の穿刺振動と並進駆動を同一のアクチュエータで実行することができ、しかも、並進駆動では極低速駆動も可能となっている。このような構成により、小型で、穿刺振動と極低速での並進駆動とが可能なステージ装置を、安価に実現することができる。
【００５９】
以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳述してきたが、本発明はこれら特定の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。例えば、振動型アクチュエータ６８０を、振動体６６０が固定され、接触体６０４が移動可能な構成としたが、これとは逆に、振動体６６０を移動可能として可動部６７０と連結し、接触体６０４が固定された構成とすることも可能である。
【００６０】
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１    マニピュレータシステム
１００    コントローラ
２００    第１のマニピュレータ
２０３    インジェクションピペット
４００    第２のマニピュレータ
４０３    ホールディングピペット
６００    Ｘステージ
６０４    接触体
６０５    可動板
６０６    弾性体
６０６ｃ，６０６ｄ    突起
６０７    圧電素子
６６０    振動体
６７０    可動部
６８０    振動型アクチュエータ
６９０    直動ユニット
９００    ステージ装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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