具有控制装置的致动器设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于产生工具的运动的致动器设备（1），尤其应用于生物细胞材料，该致动器设备提供：至少一个电控制的致动器元件（3）；运动部分（3a），在该运动部分（3a）处能够布置工具，并且所述运动部分（3a）链接到至少一个致动器元件；电控制装置（11），该电控制装置（11）用于控制所述至少一个致动器元件；电测量装置（12），该电测量装置（12）被配置为执行用于测量至少一个致动器元件的至少一个电容参量的测量方法；其中，电容参量用于提供关于致动器设备的状态的信息。此外，提供了用于获得并且利用关于致动器设备的所述信息的对应方法。
【专利说明】具有控制装置的致动器设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于产生工具运动的设备和方法，尤其应用于软生物细胞材料，该设备提供控制装置。于2009年12月23日提交的、申请号为61/289,669的、发明人为A.Graff, J.Lembke 和 A.Schirr 的、题目为“Apparatus and method for generating atool motion”的美国临时专利申请描述了这种致动器设备，出于一切目的，该申请的全部内容通过引用的方式并入本文中。
【背景技术】
[0002]这样的设备在生物医学应用中的使用是已知的，例如尤其是用于细胞的去核和移核。在人类或动物细胞的体外受精(IVF)领域中，被称为精子卵浆内注射(ICSI)的方法是已知的，这是体外受精过程，在该过程中，单个精子直接地被注射到卵细胞(卵母细胞)中。小老鼠或大老鼠的卵母细胞的直径通常为100至120 μ m。这种相对较大的细胞允许机械地处理有关的生物成分。在显微镜下使用微操纵装置执行ICSI方法，具体地，该微操纵装置包括用于精确定位的微操纵器，用于施加压力或者例如以几微升级别供给小体积的微注射器，以及用于引导小体积流动路径且用于与活细胞接触的微毛细管。通过微注射器施加的微微抽吸由保持毛细部件稳定卵母细胞。从相对侧，具有通常仅仅几(例如7) μ m的开口直径的薄中空玻璃微毛细管用来收集单个精子，通过利用微毛细管的末端切除精子的尾部而使其不移动。微毛细管刺穿卵膜并且进入到卵母细胞(细胞质)的内部。然后精子被释放到卵母细胞中。在ICSI期间，卵母细胞务必被微毛细管刺穿。由此，卵母细胞的外部保护壳(透明带)被证明是有抵抗的并且需要特定的设备以穿刺。这对于辅助孵化的生物医学方法也是需要的，其中透明带被从外侧被如期腐蚀，以便于孵出产生的胚胎。其它设备用于并且适用于解剖软细胞材料，例如组织。
[0003]每当由致动器设备例如通过刺穿或者切断运动来微机械地处理如同细胞膜或染色体的生物结构时，期望高的加工精度。然而，致动器和电连接可能在其属性中显示出对长期尺度或短期尺度的改变，这减少了工具精度。精度的减少可能在对生物材料的某些操作期间导致失败。例如，执行ICSI以穿过待受精的卵母细胞的细胞膜注射单个精子需要卵母细胞保持功能完好。然而，例如，如果理想地单向刺穿运动伴随有对毛细管的侧向运动的干扰，则刺穿该膜的过程是机械地复杂的并且可以容易地导致细胞膜的不可逆转的破坏。这样的话，单个不精确的操作步骤可以破坏生物样品，例如高成本准备的卵母细胞或者染色体，从而导致金钱和时间的巨大损失。此外，精度的损失可能导致致动器设备的效果的缓慢下降，这几乎不能被用户认出，用户的生产力可能缓慢地下降或者为了保持生产力水平，用户的效率务必会增加。
【发明内容】
[0004]因此，本发明的目的在于提供用于一种应用于生物材料的致动器设备和方法，其具有获得与致动器设备或者致动器设备组件中的一个组件的状态有关的信息的能力。[0005]本发明通过提供根据权利要求1的致动器设备和根据权利要求14的方法来实现所述目的。从属权利要求描述了本发明的优选实施例。
[0006]根据本发明的、用于产生工具的运动的、尤其应用于生物细胞材料的致动器设备，提供至少一个电控制的致动器元件；运动部分，在该运动部分处能够布置工具，并且将运动部分链接到至少一个致动器元件；电控制装置，用于控制至少一个致动器元件；电测量装置，被配置为执行用于测量至少一个致动器元件的至少一个电容参量的测量方法；其中，电容参量可用于提供关于致动器设备的状态的信息。
[0007]为致动器设备提供测量装置允许获得并且利用关于致动器设备的状态(尤其关于至少一个致动器元件的状态)的信息。这样，可以实现致动器设备的改进的能力控制，这提高了致动器设备的可靠性和致动器设备的应用的可靠性。
[0008]在本发明的描述中，词语“用于功能的装置的配置”或者“被配置为用于实现功能的装置”意味着相应的装置包括适用于例如以对于普通技术人员(例如，电气工程技术人员)而言公知的方法来执行特定功能的装置。电控制装置或者提供“装置”的其它电装置暗指该装置包括优选提供了特定功能的电路。这种装置还可以包括相应装置的程序或软件控制的能力，其中所述装置可以包括实现了特定功能的软件或程序代码。
[0009]电容参量可以是能够被测量方法用于测量至少一个致动器元件的电容的任何物理参数或者数值，例如，时间、电压、电荷、电流。电容参量优选为至少一个致动器元件的电容。电容测量对检测至少一个致动器元件或连接器/电缆的误差特别敏感。这应用在特别是如果致动器元件是压电元件的情况中，取决于其电荷或者所施加电压来改变其延伸，并且可以被认为电容器。
[0010]优选地，控制装置提供用于根据运动过程来控制至少一个致动器元件的致动的装置。关于用于控制致动的装置，不存在限制条件。用于控制致动的这种装置可以包括电路，该电路调整用于对至少一个致动器元件进行操作(即让至少一个致动器元件执行致动运动)的输出电压。可以由提供适当的电源电压的另一个装置或者控制装置对输出电压进行输出。具体地，用于控制致动的这种装置可以包括接通或者断开输出电压的开关装置，尤其包括一个或多个电气继电器或者尤其包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。此外，用于控制致动的所述装置可以包括例如基于尤其包含振荡晶体的电路的时间测量装置。
[0011]控制装置优选提供用于在初始化所述致动时自动初始化所述测量方法的执行的装置。这允许致动器装置的几个有用的配置。具体地，这允许进一步配置控制装置，使得测量结果(即电容参量的数值)影响用于致动至少一个致动器元件的随后控制步骤。在一个优选实施例中，所述影响提供阻止控制装置和/或至少一个致动器元件执行致动。例如，所测量的电容参量可以指出一个或多个致动器元件的故障或者控制电路的故障。借助于测量而检测故障允许分别阻止致动或者可能的高输出电压的输出，这可以保护致动器元件不被进一步损害。具体地，测量电容可以检测在致动器设备和外部控制装置之间的连接误差或者可以检测电缆短路。这避免了致动器设备的用户应用该设备以使用因太小而不能由人眼在显微镜下观察的运动模式来执行微解剖或者微操纵的情况。视觉上不能检测的系统误差例如可以由电容参量的测量来检测。这样，增强了系统完整性和安全性。
[0012]此外，在取决于所述电容参量的测量之后影响随后控制步骤的所述步骤可以提供将用于控制至少一个致动器元件的致动的输出电压调整到期望数值。例如，电容参量的数值可以指出分别连接到测量装置或者控制装置的致动器元件配置的具体类型存在(被称为“自动装置检测”)。这允许例如可以取决于致动器元件配置来调整输出电压。例如，控制装置可以被配置为例如通过使用数字电子装置(CPU、数字存储器或者微控制器)来包括数据表，该数据表将所测量的电容参量的数值与至少一个致动器元件的特定类型或者配置相互关联。控制装置可以被配置为取决于所检测的至少一个致动器元件的类型或配置来选择改进的控制方法，其中，所述控制方法可以提供供应用于操作致动器元件的预先确定的输出电压类型。这种特征增强了系统完整性，因为该特征防止使用不适当的参数(例如，不适当的输出电压)来操作致动器元件。
[0013]优选地,可以在已经执行、开始或者完成电容参量的测量之后的延迟周期之后初始化(控制了至少一个致动器元件的致动的)运动过程。优选地，控制装置和/或测量装置提供用于实现所述功能的电路。所述延迟周期相应地优选少于10s、Is、100ms、10ms、lms、100 μ s、50 μ s、10 μ s、I μ s、100ns、IOns或者Ins。延迟周期的提供允许临时分开测量和致动步骤，这使得致动器设备的操作更安全。在测量期间，至少一个致动器元件基本上不由优选高于15V、16V、20V、25V或者50V的电压充电，而优选地可以通过控制装置的适当配置来实现。
[0014]优选地，运动过程是预先确定的运动过程或者用户控制的运动过程。预先确定的运动过程可以包括在一个时间序列中的至少一个致动器元件的一个或多个致动，这导致对应的工具运动的序列。用户控制的运动可以为致动或者致动序列，该致动或者致动序列可以由用户经由适当的用户接口装置(例如，踏板开关或者手动开关)初始化并且/或者停止。
[0015]优选地，致动器设备提供了用于将至少一个致动器元件连接到控制装置的连接器装置，以特别地将电压施加到该至少一个致动器元件。这种连接器装置可以包括用于有线连接或者无线连接的装置。该连接器装置优选地被配置为允许信号在控制装置和至少一个致动器元件之间或者在控制装置和另一个装置(例如电源或者用于电源电压调节的电接口)之间进行交换。此外，连接器装置被配置为提供电源电压，该电源电压优选地用于让至少一个致动器元件执行该一个或多个致动。例如，连接器装置可以包括一个或多个电插头(例如，同轴插头)或者一个或多个电缆(例如，同轴电缆)。
[0016]优选地，控制装置提供用于控制由所述连接器装置输出的输出电压的装置。用于控制输出电压的这种装置可以包括用于控制电压(例如电力电子)的电路。优选地，控制装置被配置为施加默认的第一输出电压，并且优选地，临时提供第二输出电压，该第二输出电压适合于让至少一个致动器元件执行致动，而第一输出电压不适合于实现致动。第一输出电压可以适合于执行电容参量的测量。这提供了可以取决于所测量的电容参量或者取决于其它信号或者事件来施加第二输出电压的优势。例如，第一输出电压可以比第二输出电压低超过0.5、0.25、0.1、0.05、0.01、0.001或者0.0001倍。尤其，第一输出电压或者第二输出电压可以是相应地小于或者等于基本上50V、25V、15V、12V、10V、7.5V、5.0V,2.5V或者0.ον。这种低输出电压尤其适合于阻止:接触至少一个致动器元件的连接器装置(例如，电源插头)的用户在控制装置被布置在致动器设备外部的情况中意外受伤。这使得致动器设备的使用更安全。当然，输出电压还可以为零。这样，对输出电压进行控制增强了系统完整性，这是因为可以避免不适当的输出电压。
[0017]例如，测量装置和/或控制装置可以被配置为检测连接状态，尤其在控制装置(或者测量装置)处存在或者不存在至少一个致动器元件时。尤其，控制装置可以被配置为从所测量的电容参量中得出没有致动器元件连接到控制装置的结论，特别是如果施加了测试电压的话，则在对至少一个致动器元件(例如，一堆压电元件)充电之后测量出基本上电荷的零增加来得出该结论。例如，如果控制装置被布置在致动器设备外部并且控制装置不连接到该致动器设备，则这种情况可以发生。如果所述连接被破坏或者短路，则这种情况也可以发生。因此，对连接状态进行检测增强了系统的完整性和安全性。
[0018]优选地，提供了致动器设备的第一状态和第二状态，其中，控制装置提供了用于取决于所述测量结果来将致动器设备从第一状态改变到第二状态的装置。这样，测量结果可以用于影响致动器设备本身，这使得该设备更通用。例如，可以限定第二状态，使得致动器设备在第二状态比在第一状态中消耗更少的能量。例如，可以断开电源或者将该电源设置为低消耗模式，以让该设备消耗相应地小于25W、15W、12W、5W或者IW的功率。这样，可以将致动器设备设置为节能模式，这减少了成本并且增加了该设备的寿命。
[0019]此外，可以限定所述第二状态，使得致动器设备相比于第一状态而言在第二状态中使用用于控制至少一个致动器元件的致动的改进的控制方法。这样，可以调整至少一个致动器元件的控制以与一个或多个致动器元件的实际状态对应。例如，改进的控制方法可以用于减少或者消除至少一个致动器元件的误差或者故障。这可以假设检测到的故障是正确的。这样，可以改善在执行设备的运动方面的精度的恒定。尤其，可以保持或者校正工具运动沿着直线方向的较佳线性度。在该情况中，控制装置可以被配置为:为所需的误差校正计算改进的控制方法的控制参数，例如计算所需的输出电压或者从数据表中得到所需的校正。
[0020]在电容参量的优选测量方法中，如果将恒定电压施加到至少一个致动器元件，则测量将至少一个致动器元件从起始值(可为零)开始充电至目标值(可为参考值)终止所需要的时间，或取决于该时间的参量。由此，充电电流可以基本上恒定。优选地，测量装置包括测量至少一个致动器元件的电荷的装置和测量时间段的装置，该时间段是该至少一个致动器元件从充电的起始值充电到充电的参考值所需要的。可替选地，可以测量一个或多个致动器元件从起始值放电到目标值所需要的时间。
[0021]例如，可以预先确定一个或多个参考值并且可以将该一个或多个参考值存储到控制装置的存储器装置中。还可以使用致动器设备或者另一个设备，通过执行参考测量，来检测参考值。可以在用户请求时或者在致动器设备在工厂中组装期间执行参考测量。
[0022]测量装置例如通过共享组件(例如，外壳或者电路板)连接到控制装置或者至少部分地与控制装置一体地构建。优选地，测量装置包括测量至少一个致动器元件的电荷的装置，并且测量装置包括将至少一个致动器元件的电荷与参考值进行比较的比较器电路。此夕卜，控制装置和/或测量装置包括用于测量在电信号之间的时间段的具有优选至少Ins、IOns或者IOOns的精度的时间测量装置。此外，测量装置可以被配置为考虑温度或者温度变化，该温度或者温度变化可以影响至少一个致动器元件的电容。因此，测量装置可以被配置为补偿由温度漂移所引起的偏差。优选地，致动器装置包括连接到控制装置或者测量装置的至少一个温度传感器。
[0023]用于测量电容参量的其它方法是可能的并且优选的，并且可以分别被实现在控制装置或者测量装置中。例如，可以在预先确定的充电时间之内将一个或多个致动器元件从第一电压充电到第二电压，并且测量装置确定对一个或多个致动器元件进行充电的电流，其中，电容参量是电流或者取决于电流的数值。
[0024]优选地，测量装置被配置为，优选在开始至少一个电容参量的测量之前自动地或者用户自定义地执行一个或多个额外的过程(例如初始化过程)；或者在完成所述参量的测量之后自动地或者用户自定义地执行一个或多个额外的过程。所述额外的测量可以在当致动器元件没有连接到控制装置时被优选执行。所述额外的过程可以适用于测量校正参数或者数值，以用于更精确地确定校正的电容参量。例如，所述额外的过程可以适用于确定电容参量的偏置参数，该电容参量的偏置参数可能由漂移效应导致并且可以从所测量的电容参量中被减去或者用于校准。
[0025]此外，所述额外的过程可以适用于测量一个或多个寄生电容参量，其务必考虑到对待测量的电容参量的精确确定，其也可以从所测量的电容参量中被减去或者用于校准。优选地，在将制造的致动器设备传递给客户之前或者在用户请求时，使用可以设置在控制装置中的维护程序来仅一次测量寄生电容参量的测量。寄生电容参量的测量结果可以存储到例如控制装置的存储器装置中并且可以用作所有测量的校准参数，如果合适的话，其由测量装置(例如，电路板的寄生电容、一个或多个IGBT、一个或多个二极管等)执行以关乎于设备的寄生效应。
[0026]本发明还涉及用于获得并且/或者利用与致动器设备、尤其应用于生物细胞材料的致动器设备、尤其根据本发明的致动器设备有关的信息的方法，该方法提供以下步骤:_测量致动器设备的至少一个致动器元件的至少一个电容参量；_使用测量出的电容参量以提供关于致动器设备的状态的信息。
[0027]可以从根据本发明及其实施例的的设备的描述中获得根据本发明的方法的优选实施例和进一步优选步骤。
[0028]在上述美国临时专利申请N0.61/289，669的致动器设备的优选实施例中，致动器设备还包括可弹性形变的被致动构件、链接到被致动的构件的至少一个致动器元件，以使得该至少一个致动器元件的致动使被致动构件弹性形变一定距离，该距离与被致动构件的长度变化对应，其中该长度变化引起运动部分的运动。由此，优选地，运动部分连接到被致动构件。下面所描述的根据本发明的致动器设备的许多优选配置涉及包括被致动构件的致动器设备的实施例。然而，如果合适的话，还可以不依赖于致动器设备的所述优选实施例来应用所述配置。
[0029]根据本发明的设备和方法优选适用于生物、医学、生物医学或者化学(例如生物化学)应用等，优选应用于软物质并且优选不适用于非软物质。软物质被理解为类似于生物物质的物质，例如，组织，例如具有优选相应小于10GPa、5GPa、lGPa、0.lGPa、0.0lGPa或0.0OlGPa的杨氏模量。然而，根据本发明的设备和方法关于非软物质的应用，尤其是对于具有大于IOGPa杨氏模量的物质，也是可能的。根据本发明的设备和方法优选地用于或者适用于IVF、ICS1、辅助孵化、去核、移核、微外科、膜片加紧和其它生物和医学领域，尤其适用于人类、动物(例如小老鼠、大老鼠或牛)的细胞，特别适用于卵母细胞，或者相应地适用于多种这样的应用。该设备还优选地适用于执行细胞材料的切开，例如从石蜡部分切开单个细胞，从组织学部分的区域的切开并且/或者与从3D细胞培养聚合的干细胞分离。然而，该设备和/或方法还可以用于其它应用，具体是用于非生物医学应用，其尤其需要幅度在纳米到微米范围或其它范围的运动，并且通常用于能够从根据本发明的设备和/或方法的优点和特征获益的那些应用。
[0030]可以借助于被致动构件实现根据本发明的设备的运动部分的运动，该被致动构件由至少一个致动器元件致动并且其自身致动该运动部分，该运动部分链接到该被致动构件。优选地，由至少一个致动器元件产生的一个致动动作使被致动构件弹性形变一个距离，该距离基本上等于被致动构件的受影响的一个长度变化。优选地，至少一个致动器元件的致动动作导致被致动构件的净长度变化。优选地，通过执行一个致动动作的至少一个致动器元件的大致第一长度变化来引起被致动构件的第二长度变化。所述第一长度变化和所述第二长度变化优选基本上同时发生。优选地，被致动构件的运动和至少一个致动器元件的运动之间基本上没有相移。优选地，第二长度变化的值(v_am)和第一长度变化的值(v_ae)相同。这种配置提供的优点在于，优选地实现了致动器元件的动作与被致动的构件的(反)动作之间的直接动作，这允许更加精确地控制运动部分的运动并且能够实现运动部分以受控位移数进行的位移，例如1、2、3、4、5或更多个确定的位移，而不是以无限数量的振荡执行振荡运动。优选地，比率v_am/v_ae满足以下条件之一,相应地为:v_am/v_ae=l ； v_am/v_ae-l I〈0.5或0.2或0.1或0.01。优选地，所述净长度变化的值为v_am。
[0031]该设备优选地被配置为使得与运动部分(由被致动构件致动)的至少部分线性的运动的方向平行的直线(其穿过运动部分或穿过在运动部分处安装的细长工具的长度)不会穿过致动器元件或穿过致动器元件的一部分。对于这样的配置，从外侧作用于运动部分的、或作用于安装到运动部分的工具的冲击不会沿着力传递直线而直接作用在致动器元件上。相反，所述冲击和其它机械负荷至少部分地或者(几乎)完全地被被致动构件吸收。
[0032]最优选地，该设备被配置为使得尤其来自设备外部的、施加在运动部分上或施加在安装到运动部分的工具上的力大致上被传递至被致动构件，并且进一步地大致上从被致动构件朝向在该被致动构件处设置的连接部分传递，并且优选地进一步经由所述连接部分传递到保持装置，该保持装置优选地适用于对设备进行保持并且完全或者至少部分地吸收从外部(几乎)施加的那个力。因此，运动部分、被致动构件和连接部分以及优选地还潜在的保持装置，优选地串联，以形成直接力传递链。
[0033]此外，至少一个致动器元件优选地安装在被致动构件处，使得尤其是来自设备外部的、施加在运动部分上或施加在安装到运动部分的工具上的力仅仅以最小的分数(例如优选小于0.001,0.01,0.1或0.5的分数)作用在致动器元件上。相反，所述力大部分被传递并且进一步由被致动构件优选朝向在该被致动构件处的连接部分分送，并且优选地被进一步分送到可被设置为将设备保持在所述连接部分处的保持装置。
[0034]优选地,作用在运动部分上的力以force_on_ae/force_on_am的比率分送在致动器元件(ae)和被致动的构件(am)之间，所述比率优选地相应地小于0.5 ；0.25 ；0.2 ；0.1 ；
0.5 ；0.01 ；0.005 ；0.001。特别地，如果将作用在运动部件上的冲击力进行抵消的抗性主要是基于被致动的构件的抗性并且很少基于致动器元件的抗性，那么可以实现上述这种情况。为此，被致动构件和至少一个致动器元件的布置是优选的，这促进了所述力以较大的分数分送在被致动构件上并且以较小的分数分送在一个或多个致动器元件上，特别地，这通过根据本发明的设备的几个实施例来实现。
[0035]此外，如果例如与致动器元件的对应能力相比而言被致动构件在当施加变形能量时(例如，施加冲击力时)变形的能力相对低而对于致动器元件而言该能力相对高，则被致动构件将提供更大量的抗性。从而，被致动构件的材料的杨氏模量(Y_am)优选地相对高，而致动器元件的材料的杨氏模量(Y_ae)优选地相对低。优选地，Y_ae比Y_am小至少0.9、0.85,0.75,0.5,0.25,0.1 或 0.05 倍。例如，优选的是，0.85<Y_ae/Y_am<0.90，0.5<Y_ae/Y_am<0.80,或 0.l<Y_ae/Y_am<0.5。
[0036]这些配置提供的优点在于，该设备比其它设备更稳固，其中运动部分以力传递直链而直接连接到例如压电元件的致动器，该致动器可能在存在工具对玻璃基底的无意撞击、经由所述分量线而无阻尼地作用在致动器上的长期应力或其它机械应力时损坏。本发明的优选实施例利用了缓冲冲击的致动元件，提供了较高的结构稳定性和稳固性，并且使得根据本发明的方法更加可靠。在这样的配置中，被致动构件可以看做是设备的“骨干”，其由一个或多个致动器元件移动，致动器元件优选地安装成与被致动构件(“骨干”)平行，使得形成“肌肉”。
[0037]此外，根据本发明的实施例的一个或多个致动器元件相对于被致动构件的链接允许使用较轻和较小的组件，以提供整体质量较小的系统，这允许较快的致动变化，并且对于振荡运动的情况允许较高的振荡频率。此外，一个或多个致动器元件可以布置成更靠近运动部分，以使得力更加有效地传递至可能的工具(毛细管等)。
[0038]在本发明的内容中，第一元件和第二元件的链接优选指的是两个部件的运动耦合，其中优选的是第一元件的运动引起第二元件的运动。链接和“可链接”可以指的是两个部件在所有维度或至少一个维度或两个维度上彼此永久地或非永久地固定，这例如通过一体地形成两个部件或借助力封闭、形成封闭或粘合剂粘结中的至少一个类型通过连接来实现。第一部件和第二部件的链接还包括这样的情况:第一部件经由第三部件或另外的部件链接到第二部件，其中例如第一部件链接到第三部件，第三部件链接到第二部件。这里，例如第一部件可以是致动器元件，第二部件可以是被致动元件，并且第三部件可以是一个或多个连接装置。对于根据本发明的设备和方法，优选的是，组件的链接使得避免部件之间的游隙。具体地，没有浮动支承被强制用于该设备。这使得该设备的设计成本较低并且提高了产生的运动的精度和该设备的能力。
[0039]运动部分优选地与设备的另一个部件一体地构建，例如与至少一个致动器元件或者被致动构件一体地构建。至少一个致动器元件或者被致动构件优选地沿着中心轴线延伸，并且运动部分优选地布置在被致动构件处，使得所述轴线延伸穿过所述运动部分。具体地，运动部分优选地为设备的适用于对工具进行安装的部分。
[0040]运动部分优选地适用于永久性地或可移除地承载或连接或保持另一个元件，具体为工具，例如，微解剖器针或毛细管，所述工具优选地由金属、玻璃或塑料制成。
[0041]优选地，用于可拆卸地安装工具的安装头牢固地连接到或者可连接到运动部分，使得由设备(具体由被致动构件)提供的运动优选地完全传递到工具，但是优选至少部分地传递到工具，以移动该工具。安装头可以包括连接装置，其用于将例如工具的元件连接到安装头。连接装置可以包括螺纹、用于闭锁的装置、和/或磁体等。安装头可以与设备的另一个部件(例如被致动构件或承载体)一体地形成。第二安装头优选地设置成通过第二连接装置而与第一安装头可拆卸地连接，以允许使用不同的第二安装头，该第二安装头分别适用于保持元件(例如工具)的特定类型，例如取决于毛细管或针的外径的类型。[0042]安装头部可以适用于形成至少一个通道，使得流体可以流过安装头部。如果例如毛细管用作工具，则这可以用来施加压力或低压力，以利用所述压力变化和受控压力来作用于目标材料例如细胞。对于设备与显微注射器组合使用或者对于膜片钳(patch clamp)应用(其中经由通道中的导电电解质形成电触头)而言，或者对于通道有用的其它应用而言，通道的使用是优选的。此外，可选的第二安装头可以适用于形成通道，使得流体可以流过安装头。如需要，则提供密封装置(例如塑料制成的O形环)以将所述通道的内部相对于外部密封，具体是在接头位置处密封该通道，在该接头处两个通道部分被链接。
[0043]被致动构件优选地为设备的能够被致动器元件致动的部分，并且为设备的用在使运动部分移动的致动器上的部分。
[0044]被致动构件优选地为，优选承载设备的其它组件的基部部分或基部部分的一部分。例如，基部部分可以是至少一个致动器元件的承载体和/或任何链接装置的承载体，其将一个或多个致动器元件在其第一和第二位置处链接至被致动构件。优选地，被致动构件为一体地形成的部件。然而，还可能且优选的是，被致动构件包括至少两个部件或更多部件，这些部件彼此链接，优选地在所有三个维度上彼此固定。
[0045]被致动构件优选地提供至少一个通道，使得流体可以流过被致动构件。此外，如果例如毛细管被用作工具，则这可以用来施加压力或低压力，以利用所述压力的变化和/或受控压力来用于目标材料，例如细胞。如需要，提供密封装置(例如塑料制成的O形环)以将所述通道的内部相对于外部密封，具体是在接头位置处密封该通道。通道可以适用于填充有气体、液体，尤其是填充有细胞等离子体、培养基、水、溶液或汞、Fluorinert?或硅油。然而，对于根据本发明的设备和方法而言，提供通道或填充的通道并不是强制性的，而是可选的。
[0046]被致动构件可以是杆部件或管状部件，其优选地沿着(虚)轴线延伸，并且优选地关于所述轴至少部分地对称构建。优选地，被致动元件为细长装置，其中长度相应地大于高度或者深度，并且虚轴线穿过被致动构件，且与其长度平行；此外，致动器元件布置成基本上沿着第二虚轴线作用，以主要产生一个或多个致动器元件的与所述第二轴线平行的线性运动；被致动构件和至少一个致动器元件优选地布置成使得第一轴线和第二轴线平行或同轴。还优选的是，从与所述第二轴线平行的所述一个或多个致动器元件的运动中得到的净力矢量与被致动构件的横截面的形心或矩心匹配，其中取得的所述横截面优选地垂直于所述第一轴线，这优选地应用于被致动构件的所有可能的横截面或横截面的至少主要部分。这提供的优点在于，被致动构件只为细长的并基本上不会弯曲，这致使了工具具有小的切割或钻孔宽度。优选地，被致动构件为或包括中空圆柱体形部件或管，以形成通道。管或通道提供的优点在于，压力或下压力可以施加到合适的工具，例如毛细管，以通过压力或者通过将注射材料(例如精子)剂量注射到目标材料(例如细胞)而机械地处理样品的目标软材料(例如细胞)，或者从样品中去除目标软材料剂量。优选的是，所述管或通道填充有流体，该流体优选为气体(例如空气)、液体(例如Fluorinert?)或萊。
[0047]被致动构件优选地包括第三连接装置，该第三连接装置优选地与被致动构件一体地构建，以用于将其它部件(例如至少一个致动器元件)连接或者链接到被致动构件。这样的第三连接装置优选地链接到被致动构件上的位置为所述第一和/或第二位置，在该位置处至少一个致动器构件优选地链接到被致动构件。[0048]所述第三连接装置可以包括至少一个凸起或至少一个凹部，其优选地绕着被致动构件沿轴线延伸的该轴线环绕地布置在被致动构件处。优选地，第三连接装置在被致动构件的外表面上包括凸起、凹部或台阶，其优选地为互补地形成的连接装置的接合相应地提供接合位置。
[0049]被致动构件优选地提供第一位置和第二位置，其中被致动构件优选地沿着其延伸，优选地与所述第一位置和所述第二位置之间的距离平行地延伸，并且优选地与在所述第一位置和所述第二位置之间的限定了轴线的直线距离平行地延伸。在所述第一和所述第二位置之间，被致动构件优选地形成为:优选地在不使其弯曲的情况下或优选地通过额外地使其弯曲，使得所述距离的增大或减少优选地使该被致动构件的材料沿着所述距离膨胀或压缩。所述第一位置和所述第二位置之间的直线距离优选地在5到IOOmm之间，优选地在5到50mm之间，优选地在10到50mm之间，优选地在10到30mm之间，还优选地处于第一状态(被致动构件没有弹性地形变)以及处于第二状态(被致动构件弹性形变)。优选地，所述距离仅仅用于被致动构件的膨胀，以便沿着所述距离的长度膨胀该被致动构件。将所述弹性变形直接施加到优选地形成设备骨干的被致动构件所提供的优点在于，与例如已知的具有U形基部的设备相比，该设备的维度可以保持得较小。另外，在设备中提供内部膨胀距离所提供的优点在于，操作更加独立于设备的悬挂，该设备可以利用线性马达等连接到其它的微操纵器，使得允许设备的应用具有更多的灵活性。
[0050]被致动构件优选地在其第一状态不变形，在其第二状态变形，并且在第三状态较少地变形。在第三状态中，被致动构件的变形优选地比在第二状态中的变形小至少10~2、10~3或10~4倍或不同的值。在第三状态中，至少一个致动器元件借助被致动构件优选地保持在弹性机械应力下，优选地保持在压缩下。压缩(优选地为偏置压缩)优选地被选择以使得致动器元件在设备操作期间没有时间处于拉伸应力下。在致动器元件的静止状态下，如果压缩致动器元件的抵触支撑件的紧固转矩为500Nmm，则所述压缩例如可产生1025N的偏置力。这可以通过例如包括螺纹的连接装置实现，该连接装置优选地将致动器元件固定到被致动构件，该被致动构件优选地承载所述组件。这样的偏置应力的好处在于，可以在其所有状态下避免致动器元件与被致动构件之间的游隙。因此致动器元件的力可以立即直接传递到被致动构件。如果致动器元件包括压电元件，则偏置压缩具体地引起压电元件的负载能力增大。压电元件在压力下工作的能力比在张力下工作的能力高得多，有时候高10到20倍。当压电元件以错误的电压处于拉伸应力下时，除了易碎损坏的风险之外，还有使压电元件偏极的风险。当在持久(偏置)压缩下驱动压电元件时，与具有混合张力/压缩状态的系统相比可以增大机械负载能力，并且可以施加较高的交流电源频率。提供偏置力的主要优点在于，可以实现运动部分的较快速的前后运动。运动部分可以通过快速电压偏移而返回，而没有在张力载荷的情况下可能出现的致动器元件(例如压电元件)偏极的风险。
[0051 ] 被致动构件优选地由弹性材料制成或者至少部分地由弹性材料制成,或者包括由弹性材料制成的部分。另外，被致动构件优选地包括不同弹性的部分。所述弹性材料具有的杨氏模量优选地大于0.2kN/mm2,优选地大于lOOkN/mm2,优选地大于200kN/mm2以及优选地在180到240kN/mm2之间。优选地,所述弹性材料为或者包括钢、陶瓷或玻璃。具有优选地大于180kN/mm2的杨氏模量的钢或其它材料提供的优点在于，可以设计稳定的结构，具体是稳定的被致动部分。具体地，这允许构造更加稳固和耐久的设备，并且提供更加可靠的用于产生运动的方法。另一方面，这样的材料适合于由于其弹性(优选地借助于致动器元件)进行压缩或者膨胀，该致动器元件包括作为致动器构件的传统压电元件或其它压电元件。优选地，被致动构件用作电导体并且优选地用作设备的电路组件。
[0052]通过至少一个致动器元件的致动所引起的被致动构件关于任何方向的长度变化优选地对应于所述第一位置和所述第二位置之间的直线距离在当所述直线距离分别在被致动构件的变形的第二状态和不变形的第一状态中被测量出时的差。通过限定，对于膨胀的被致动构件，长度变化具有正标记，对于压缩的被致动构件，长度变化具有关于所述方向的负标记。被致动构件的长度变化优选地取自长度变化的范围的组，所述组包括0.5至
2.0 μ m、0.5 至 1.0 μ m、0.1 至 0.5 μ m、0.05 至 0.5 μ m、0.01 至 0.5 μ m、0.01 至 1.8 μ m 的范围或不同的范围。
[0053]在致动器设备的所有实施例(即具有或者没有被致动构件的实施例)中，优选地，通过提供至少一个适当的致动器元件来实现所述幅度。致动器元件优选地提供至少一个压电元件，并且分别在优选地为200V至425V、200V至600V或100V至300V的电压状况下驱动所述致动器元件。向所述致动器元件施加相应的电压，可以实现幅度，其中在这种情况下没有施加偏置压缩，如由以下示例参考列表示意性地描述的，(电压[V];幅度[μ m]):(700 ；
1.1032)，(600 ；0.9456)； (425 ;0.6698)，(200 ;0.3152)，(300 ；0.4728),(100 ；0.1576)。在偏置压缩下，幅度可以期望稍稍较小，例如小了 5.0,1.0或0.01%。
[0054]最大长度变化取决于被致动部分的长度或具体取决于所述直线距离，并且取决于所采用的至少一个致动器元件的强度。对于给定的力，具有较高杨氏模量的弹性材料将提供较小的长度变化。
[0055]运动部分优选地链接到被致动部分，使得被致动元件沿限定的方向的长度变化引起运动部分的运动，该运动幅度对应于(优选地等于)所述长度变化。例如50至250nm的幅度可以用于ICSI，其例如在牛的卵母细胞上进行，具体地用于利用玻璃毛细管刺穿透明膜环，该玻璃毛细管具有直径为几Pm (例如5-8 μ m)的开口。具有优选地大于180kN/mm2的杨氏模量的钢或其它材料可以提供这种合适的幅度，这允许精确地应用于生物细胞材料或其它结构。
[0056]优选地以I或10 μ m级别的宏观比例看，所述弹性材料优选地为均匀的，或者具有至少均匀的部分。此外，优选的是，所述弹性材料不是均匀的或者包括至少不均匀的部分。例如该材料可以具有例如在作为典型结构变量的微米状况中颗粒尺寸的结构，或结构值大于微米或毫米的结构。弹性材料可以由实心材料制成，其可以具有填充有任何压力的气体的中空部分，所述中空部分优选地为孔或开口等。
[0057]例如通过在X方向上作用的力的沿X方向延伸的被致动构件的可选弯曲可以引起运动部分在X方向上的位置变化。然而，对于本发明，优选的是，当被致动构件在X方向上致动时由于其弹性变形而引起的该致动器构件的长度变化优选地为主要的影响，其使得运动部分沿X方向移动，其中弯曲优选地忽略不计。这对于运动部分的期望线性运动的优选情况而言是特别优选的。然而，被致动构件的弯曲也可以意图一定的量，以特别产生在超过一个方向(例如，还至少部分地在X方向、y方向和/或Z方向)上的运动。如果期望运动部分进行线性运动，则优选的是，将至少一个致动器元件链接到被致动构件，使得当致动器构件致动时在所述方向上(基本上)被致动构件不弯曲。如果运动部分意图进行线性运动，则优选的是，所述弯曲优选地忽略不计。忽略不计意味着容许实现设备应用的期望技术目的，以例如用于执行ICSI。优选地，线性运动提供了:在y方向(和/或相应地Z方向)上的运动部分或工具的远端(以该工具的近端拉伸至运动部分)的最大幅度A_y (A_z)与在优选的X方向上的最大幅度A_x的比R,其中R=A_y/A_x和/或R=A_z/A_x相应地优选小于0.5、0.2、0.1,0.05,0.01,0.005,0.001,0.0005,0.0001，更优选地小于 0.00005,0.00001,0.000005、0.000001,0.0000005,0.0000001。
[0058]此外，优选的是，将至少一个致动器元件链接到被致动构件，使得在致动器元件致动时被致动构件沿运动方向发生有限量的弯曲，所述方向优选地为在致动器构件致动时被致动构件由于其弹性变形而发生长度变化的方向。有限量意味着，被致动构件的所述弯曲沿期望线性方向偏移运动部分所根据的第一系数小于由于弹性变形的被致动构件沿所述方向的长度变化而发生的第二系数。优选地，第一系数除以第二系数的商小于2或小于1，并且相应地优选小于值0.5,0.1,0.01或0.001中的任何一个。
[0059]在所述第一或第二位置处，至少一个致动器元件优选地链接到被致动构件，使得被致动构件在致动器元件致动时承受所述长度变化。第一位置可以包括或者可以为点或接触区域或者多个点或多个接触区域，在该位置处，传递由致动器元件(例如致动器元件自身)产生的力的元件接触被致动构件或链接到被致动构件，以具体地将致动器元件产生的力传递至被致动构件。优选地，至少第三位置设置在被致动构件上，在该位置处，致动器元件链接到被致动的构件。
[0060]优选地，链接到被致动构件的致动器元件的致动引起被致动构件沿着所述第一位置和所述第二位置之间的线性距离的长度变化。优选地，被致动构件适合于在所述第一位置和所述第二位置之间膨胀第一长度变化的长度。还优选地被致动构件适合于在所述第一位置和所述第二位置之间压缩第二长度变化的长度。还优选地，被致动构件适合于在所述第一位置和所述第二位置之间膨胀第一长度变化的长度并且同时适合于在第三位置和第四位置之间压缩第二长度变化的长度。可以通过在所述位置处配置被致动构件以提供抵触支撑件(例如凸起、凹部、开口、台阶)来将至少一个致动器元件链接到所述位置，来实现上述这样的适合。
[0061]设有至少一个致动器元件。优选地设有多个，例如两个、三个、四个、五个、六个或者更多个致动器元件。每个致动器元件优选地包括至少一个，优选地多个，例如两个、三个、四个、五个、六个或者甚至更多个(如数十个或数百个)致动器构件。优选地，设置至少两个或三个致动器元件，以允许沿坐标系统的X方向、I方向和Z方向的致动，并且其可以特别地围绕被致动构件布置，以允许被致动构件沿坐标系统的X方向、y方向和z方向的致动。
[0062]致动器元件或致动器构件可以是压电元件，例如压电陶瓷，例如软陶瓷或硬陶瓷，例如 BaTi03、PbTi03、Pb[ZrxTil-x]03 (0〈x〈l ;PZT)、KNb03、LiNb03、LiTa03、Na2W03、Ba2NaNb505、Pb2KNb5015、或 PMN 等。
[0063]优选地，致动器元件或致动器构件具有环形结构，优选地为对称圆环结构，使得其能够围绕圆柱形的被致动构件的本体布置。优选地，至少一个致动器元件和/或至少一个致动器构件(例如压电箔)层叠在一起，以形成一个致动装置。致动器元件和/或致动器构件优选地相对于至少一个方向(例如X方向)成序列地布置。强效压电元件是优选的，其例如基于PbTi03、Pb[ZrxTil-x]03 (0<χ<1 ;PZT)。堆叠的压电元件是优选的，包括数十个到数百个独立连接的压电元件(例如压电箔)的堆叠。优选地，致动器元件和/或致动器元件并联连接。这允许保持供应电压相对较低，优选地在600V以下，还更优选地在500V以下。此外，所获得的运动幅度高达例如0.5至1.8 μ m并且控制电子元件被更容易地并且更廉价地实现。
[0064]优选地，至少一个致动器元件布置成围绕穿过被致动构件的轴线，使得从所有致动器元件的相等致动获得的力矢量指向所述轴线的方向。这是例如用于圆形环压电元件的情况，该压电元件围绕圆柱形的被致动构件布置。这提供的优点是被致动构件的线性致动和链接的运动部分沿一个好限定的方向(例如X方向)运动，这对于例如ICSI的许多应用而言是期望的。优选地，至少一个致动器元件以及将致动器元件链接到被致动构件的连接装置被布置成使得致动器元件的力被轴向传递到被致动构件。这意味着在所有致动器元件的相等控制下，它们的净力正作用在被致动构件的横截面的中心上。这提供的可选的优点在于，避免了被致动构件的弯曲。由此，因为优选地仅仅实现了线性运动，所以可选地连接的工具的偏转被减少，使得截面宽度或孔径减少。然而，可能且优选的是，对于某些应用而言，通过不同地控制至少一个(例如两个或三个)致动器元件而允许被致动构件的弯曲，以实现更多维度的运动。
[0065]优选地，该设备包括用于将设备连接到第二设备的连接装置，该第二设备可以是微操纵器或悬挂装置。优选地，被致动构件设置有连接部分，该连接部分可以是被布置成与运动部分相对的被致动构件的部分，使得一个或多个致动器元件布置在运动部分和连接部分之间，但是优选地平行于被致动构件。此外，还可能且优选的是，设有用于至少一个致动器元件的外壳，其中所述连接装置随后可以布置到外壳上。优选地，设备上设有惰性质量块元件，其优选地布置在至少一个致动器元件和将设备连接到其它设备的所述连接装置之间的力传递链中。所述惰性质量块元件优选地由钢或其它材料制成。在这种情况下，惰性质量块元件的功能是分发从致动器元件获得的力以有利于优选地推进运动部分(优选为设备的前部部分)，并且减少连接装置(或可选地所连接的其它设备例如悬挂装置)的推进，该连接装置优选地形成设备的后部部分。这遵循牛顿第三定律的概念，“作用力=反作用力”，这意味着较高质量被加速得比所连接的较低质量小，从而使得与较大质量块(惰性质量块元件和可选的所连接的其它设备)的位移相比，较轻的质量块(运动部分)具有较大的位移。因此，运动的产生更加有效，并且该设备的优选地连接其它设备的接头以及该其它设备受到较小的应力。
[0066]优选地，为该设备提供控制装置，其控制至少一个致动器元件的致动。控制装置优选地包括电路，具体地为用于控制致动器元件的电源的电力电路。这种电路优选地包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。由供应电压产生装置供应的高电压优选地借助于IGBT以期望的幅度和频率分发到压电元件。控制装置优选地包括微控制器、优选的微处理器和优选的数据存储装置，例如RAM、ROM或EEPROM等。控制装置优选地适合于能够由设备的用户编程，以优选地实现预先确定的运动程序，根据该预先确定的运动程序，以期望的序列、频率、脉冲数量、和幅度等产生运动，从而提高与设备一起工作的可重复性。控制装置优选地布置在根据本发明的设备的外部，具体地安装在外部，并且优选地经由电缆连接到该设备。然而，还可能且优选的是，控制装置链接或者安装到该设备。
[0067]控制装置优选地包括测量装置。这可以通过为控制装置和测量装置提供一个外壳来实现。此外，可能的是，控制装置和测量装置共享组件，例如CPU、存储器装置或一个或多个电路板。
[0068]优选地，该设备包括接收信号的输入装置和/或发送信号的输出装置。输入装置可以包括按钮或控制面板等，以用于用户控制设备。输入装置还可以包括数据接口，以通过另一个装置(例如工作站或PC)远程控制该控制装置，以用于与设备一起工作的自动化。具体地，脚踏开关可以优选地设置成为所述输入装置之一，以允许用户通过他的脚进行控制。脚踏开关可以连接到设备或连接到外部控制装置。输出装置可以包括视觉和/或声学装置，例如扩音器或显示器或LED，其中控制装置适合于将与控制装置或设备的状态有关的信息用信号发送给用户。输出装置还可以包括数据接口，以向另一个数据处理装置(例如工作站或PC)发送信息。此外，设备还可以包括控制装置和/或输入装置和/或输出装置，特别地为数据接口，以提供与数据接口的状态和致动器元件(例如压电元件)的状态有关的信息。这允许监测设备的操作和容量。
[0069]控制装置优选地被配置为控制至少一个致动器元件的致动。优选地，控制装置适合于在运动过程期间让至少一个致动器元件执行可以由用户选择或者可以自动地选择的多个致动动作，所述数量优选地为1、2、3、4、5或更大。优选地，控制装置适合于向所有的致动器元件供应相同的电力。然而，还优选的是，控制装置适合于优选地根据预先确定的程序向不同的致动器元件或致动器构件供应不同的电力，该预先确定的程序优选地存储到控制装置的数据存储中。优选地，控制装置适合于控制运动部分的运动。优选地，控制装置适合于产生单个脉冲或单个冲击或者具有预先确定的或用户可限定脉冲数量的运动部分的推进序列，具有不同运动幅度、频率、延迟时间等的振荡运动或运动模式。
【专利附图】
【附图说明】
[0070]此外，参考附图，从根据本发明的设备和方法的以下实施例中可以得到本发明进一步的优点、特征和应用。在下文中，相同的附图标记基本上描述相同的装置。
[0071]图1是示出根据本发明的致动器设备的优选实施例的示意图。
[0072]图2示出图1的致动器设备的控制装置和测量装置的部件的示意插图。
[0073]图3示意性地示出根据本发明的方法的实施例。
[0074]图4示出获取用于图3中所示出的方法的参考值的方法步骤。
[0075]图5示出包括根据本发明的致动器设备的任何实施例的具有某些功能性组件的系统的方框图。
【具体实施方式】
[0076]根据本发明的致动器设备的以下实施例涉及“细胞钻孔器”，其是在需要例如用于执行ICSI时适合于在生物细胞的膜或壳中钻孔的设备。术语“钻孔器”并不是强制暗示能够连接到钻孔器上的工具的旋转运动，而是可能暗示旋转运动。
[0077]图5示出了包括根据本发明的设备的任何实施例的具有某些功能性组件的系统的方框图，根据根据本发明的方法的任何优选配置来操作该系统。细胞钻孔器101(其可以是图1中所示出的致动器设备)优选地用于整个系统(101 ；102 ；103 ；104 ；105 ;106)。细胞钻孔器是悬挂的并且由微操纵器102 (例如Eppendorf TransferMan NK2?)保持。微操纵器102安装到倒置的显微镜103 (例如尼康Eclipse Ti?)上。
[0078]经由外部控制装置104来控制细胞钻孔器6。外部控制装置104包括控制面板和连接到控制面上的两个脚踏开关。或者，可以使用具有至少两个开关的手动开关。第一脚踏开关(通道I)的操作触发脉冲序列的开始，其中细胞钻孔器101的工具根据适于刺穿卵母细胞的透明膜环(膜环)的参数而进行线性前后运动。第二脚踏开关(通道2)触发适于刺穿卵母细胞的卵膜的脉冲序列。分别根据三个单个参数来确定用于两个通道的参数集合:工具的脉冲幅度(a ); —个序列中脉冲的数量(η );以及限定了脉冲的时间序列的频率(f )或延迟时间。
[0079]对于刺穿膜环或卵膜，以下的参数集合是有用的:
[0080]膜环:
[0081 ] a=优选地 0.20 到 0.95 μ m,优选地 0.20 到 0.67 μ m ;
[0082]η=优选地I到70,优选地I到10 ;
[0083]f =优选地I到40Hz,优选地I到IOHz。
[0084]卵膜:
[0085]a=优选地 0.12 到 0.5 μ m ;
[0086]η=优选地I到20,优选地I到5 ;
[0087]f =优选地I到40Hz,优选地I到IOHz。
[0088]参数的最佳选择取决于必须被刺穿的细胞的类型。其还取决于用作工具的毛细管以及其可能的填充材料，该填充材料可以为Fluorinert? FC-77或汞。因此，最佳参数可以不同于本文所述的参数的范围。优选地，设备(即细胞钻孔器101)适用于容许其它参数。例如，可以多次开始脉冲序列以成功完成刺穿特定的膜。
[0089]除了细胞钻孔器功能之外，这里所描述的细胞钻孔器6的实施例还提供第二功能，并且能够用作微解剖器以切开细胞膜或组织。如果解剖模式经由控制面板开始，则优选地不能选择参数η。相反，优选地通过操作脚踏开关来控制解剖工具，直到该开关被释放为止。能够执行f=0至1000Hz的标准频率解剖或f=20至40kHz的高频率解剖。
[0090]此外，根据本发明的设备(具体为细胞钻孔器101)和/或控制装置(具体为控制装置104)适合于提供清洁功能，其目的在于清洁工具的粘附材料，例如细胞材料。优选地通过控制面板或者通过“双击”脚踏板来开始清洁功能。清洁方法提供脉冲序列，其适于以清洁频率抖落细胞材料，该清洁频率优选地在2至10000Hz、10至2000Hz、100至2000Hz、800至1200Hz、950至1050Hz之间，或者为不同的频率。
[0091]如果细胞钻孔器101用于将材料注射到细胞(例如ICSI)中，则该设备除了需要对控制装置104和微操纵器102的接口之外，还需要对显微注射器106的第三接口，例如Eppendorf CellTram Oil?。显微注射器106将流体的最小剂量，例如100到1000 μ m3或不同的剂量，施用到毛细管中，具体为由细胞钻孔器101移动的大约380μπι3的单个人类精子所占据的体积。如果微电极取代毛细管用作工具，则必须由合适的控制装置(106)提供该微电极。如果细胞钻孔器101用于组织样品的微切，则可以省略或断开用于微电极的显微注射器106或控制器。
[0092]图1示出根据本发明的致动器设备I的实施例。致动器设备为上述参照图5所描述的细胞钻孔器。致动器设备通常提供致动装置(2、3、4)以及控制装置11，其中该致动装置(2、3、4)由支架7和用于改变该装置(2、3、4)的位置的可调节的链接装置6进行固定。致动装置包括工作台(stage)或外壳2,该工作台或外壳2保持致动器元件3。致动器元件3包括压电元件堆叠，这些压电元件串联连接以用作单个致动器元件，该单个致动器元件沿着由双向箭头5符号表示的方向以线性前后运动方式移动致动器元件3的被致动部分3a(运动部分)。致动器元件的安装部分3b固定到外壳3。将工具4 (例如，玻璃毛细管)安装到运动部分3a并且与运动部分一起移动。
[0093]优选的是，致动装置包括弹性被致动构件(未示出)，例如钢管，该弹性被致动构件由致动器元件3形变，被致动构件以正面携带运动部分，因此由致动器元件经由被致动构件的弹性形变而直接地致动该运动部分。
[0094]致动器元件3由两个连接8控制，两个连接8可以将电压施加到压电元件3以致动该致动器元件3或者可以施加用于执行压电元件3的电容参量的测量的测试电压。两个连接8连接到同轴电缆9，该同轴电缆9连接到至控制装置11的同轴插头10。
[0095]控制装置11为外部控制装置，安装在致动装置的外部，具体地在致动器元件3的外壳2的外部。控制装置11包含参照图2所描述的测量装置12和致动控制装置13。二极管14在致动期间保护测量装置12以防备压电元件的高电源电压。
[0096]控制装置11可以包括其它组件(未示出)。例如，微控制器、CPU、用于存储操作数据(例如用于自动执行用户请求的运动过程的程序数据或电容参量的参考值)的数据存储器装置、数据连接、电力电子元件、用户接口(例如输入/输出装置)，用于与外部PC连接的数据接口以例如用于操作数据的交换或者数据日志文件的交换，该操作数据或日志记录文件由致动器设备在电容参量的先前测量期间自动地保存，例如，并且可以用于进一步的诊断目的)。
[0097]图2示出测量装置12和致动控制装置13的示意性插图，该测量装置12和致动控制装置13都被集成到控制装置11中。虚线不表示连接而仅相应地以符号表示插图的相应组件到测量装置12或致动控制装置13的布置。二极管14在致动过程期间保护测量装置12以防备压电元件的高电源电压。二极管14是考虑中的高压超快二极管(D506)。致动控制装置13的高电压输入被示出为图2中的“U_HV”。
[0098]致动控制装置13包括用于至少一个致动器元件的致动的组件，例如压电元件3。致动控制装置13包括用于提供例如345V的高电压供应U_HV，以让压电元件3执行致动。致动控制元件13还包括两个开关15和16。如果逻辑信号“HV_PIEZO_CHARGE”当默认设置为“O”时由控制装置设置为“1”，则开关15将U_HV连接到压电元件3 (图2中称为“piezo”或者“X500”)，以使得该布置更安全。如果逻辑信号“HV_PIEZO_DISCHARGE”由控制装置设置成“I”(默认设置)，则开关16将压电元件X500连接到地(图2中称为“GND-P”)。优选地，在对piezo X500进行充电之前的几微秒内，信号HV_PIEZO_DISCHARGE设置为“O”，这打开开关以允许由U_HV对piezo进行充电。具体地，在执行测量装置12的测量期间，关合开关16并且开断开关15，因此U_HV是断开的。
[0099]测量装置12相应地自动检查致动器设备的或该致动器的电性能力。单次测量持续I到50、5到25或者10到15微秒，典型地例如13 μ S。如果需要的话，则可以提供多个测量以增加结果的可靠性。因此，针对用户来说，通过使用测量装置增加了安全，以及进一步地对于致动器设备的应用的更多安全，尤其改进应用的再现性。测量装置12如下工作。[0100]图2中所示出的测量装置12在控制装置11请求时执行piezo的电容参量的测量。具体地，如果由控制装置(或者用户)请求或者初始化至少一个致动器装置的致动或者运动过程，则控制装置11自动执行该测量。压电致动器为连接到电缆的压电堆叠，二者都可以被认为单个简单电容。可以通过多个方法测量Piezo的电容量且因此的状态，该多个方法推导出能从电容量得到结论的电容参量。
[0101]在本实施例中，典型的piezo X500的电容量可以例如在1.2和2.6nF之间，具体地为1.9nF，其中致动装置包括每个具有475pF (例如，+/-20%)的电容量的四个致动器元件和具有115pF的电容量的连接器电缆9。为了执行piezo的电荷状态的测量，piezo X500经由电阻(“R537”)和开关(“Q508”、“Q509”)连接到低电压供应(图2中的“VCC_15V”)，该开关是IGBT (绝缘栅双极型晶体管)，也适用于切换多个安培(例如，2A)的高电流。在本优选实施例中，电容参量是piezo从电荷的起始值(基本为零)充电到电荷的参考值(由电压信号“C_DETECT_DAC”表示)所需要的时间。可以预先确定该参考值并且可以检测对应值并且由控制装置对该对应值进行存储。一旦将逻辑信号“C_DETECT_CHARGE”从“O”(默认设置)设置为“1”，就根据指数函数(?I/(1-exp (t))来对piezo (即容量)进行充电。如果达到或者超过之前所确定的电荷的参考值，则控制装置通过监视比较器(图2中的“U503”)的输出“C_DETECT”来对其进行检测。该事件的特征在于“C_DETECT”基本上立即切换到较高的电压。控制装置测量在所述事件和开始触发时间之间的时间段(称为“dt_C_DETECT”)，该时间段由将“C_DETECT_CHARGE”切换到“ I ”的时刻确定。
[0102]为了执行测量，在控制装置的输入处调整以下状态:HV_PIEZ0_DISCHARGE=0N，HV_PIEZ0_CHARGE=0FF，而同时，连接器U_HV处于高电压HV，C_DETECT_CHARGE=OFF。如果设置C_DETECT_CHARGE=ON，则开始该测量。然后，测量在比较器输出C_DETECT的开始与渐增斜升之间的时间段dt_C_DETECT。最后，设置C_DETECT_CHARGE=OFF。
[0103]对于本实施例来说，如果1.9nF电容量的多个piezo连接到控制装置11并且正常工作，则示例性时间段“dt_C_DETECT”可以处于570ns和1350ns之间(但是也可以差例如
0.1到10之间的倍数)。如果piezo的电缆9没有连接到插头10，则电容量为OnF，“dt_C_DETECT”以例如30ns或者320ns (基于例如180pF的电容量的模拟值)结束，但是所述时间还可以差例如0.1到10之间的倍数。控制器从表知晓该时间对应于失败，并且输出ERROR。最重要的是，现在可以通过接通“HV_PIEZ0_CHARGE”来阻止控制装置11执行piezo的致动，这避免了可能没接电缆的无盖插头10对意外接触该插头(例如设置为345V)的用户造成的危险。这使得致动器设备更安全。在测量之后的另一种状态由电缆9的短路引起，例如，其中C_DETECT保持低电平，即dt_C_DETECT实质上变得无限大(这也导致ERROR)，这自动阻止了致动器设备初始化致动。
[0104]在图3中，对应于运动过程的完整脉冲序列典型地包括多个步骤。在第一(可选的)步骤21处，典型地持续I到100 μ s、40到80 μ s或者50到60 μ s，控制装置11检测将施加到piezo的最大电压。实行该步骤同时HV_PIEZ0_CHARGE=0FF。在步骤22处，执行电容值的测量，同时 HV_PIEZ0_CHARGE=0FF。在步骤 23 处，施加设置 HV_PIEZ0_DISCHARGE=0FF 及HV_PIEZ0_CHARGE=0N，这引起piezo的致动。可选地，接着致动的多个进一步步骤。在脉冲序列的结束处，控制装置在可选的步骤24处检测控制装置的至少一个进一步的内电压电平。[0105]现在参考图4，在应用致动器设备之前并且在接通该致动器设备之后，优选地出于用户的选择，控制装置优选地执行与初始化过程有关的另一个方法步骤。初始化过程用于补偿偏移量，例如，高侧IGBT的泄漏电流的影响。因此，设备的应用变得更可靠。在第一步骤 31 中，通过设置 HV_PIEZ0_DISCHARGE=0N、HV_PIEZ0_CHARGE=0FF, C_DETECT_charge=off、c_detect_dac来确定偏移量，将电压斜升从ο驱动到当c_detect跳转到ο时的事件。由控制装置将C_DETECT_DAC的对应值保存为值XI。完成步骤31。
[0106]在步骤32处，检测piezo的最大充电电压，该电压可以用于设置针对电容参量的测量的参考值。在步骤24处，首先，设置为HV_PIEZO_DISCHARGE=ON、HV_PIEZ0_CHARGE=OFF、C_DETECT_CHARGE=ON，接着是对piezo进行充电的例如Λ t_l=10ms的延迟；随后，逐步地并且连续地从最大充电电压开始来减少电压斜升C_DETECT_DAC，直到C_DETECT跳转到I为止，检测与所述事件对应的斜升值并且在控制装置中将对应的C_DETECT_DAC存储为值X2。
[0107]在步骤33处，根据((X2-X1) *0.85)+Xl来确定参考值，并且针对致动器设备的随后操作对该参考值进行存储并且设置。该参考值对应于电容器充电电压的85%，以顾及实际偏移量以及供电电压的限额。代替优选的值85% (Xf=0.85)，还可以使用另一个分数值Xf。
[0108]优选地，通常可以提供另一个额外的过程以改善电容参量的测量精度。寄生电容的校准负责测量设备本身的寄生电容或者分别补偿由电路板导致的寄生电容，该电路板携载测量装置的IGBT的二极管等。所述校准过程提供电容参量的标准测量，同时相应地致动器元件或致动装置各自不连接测量装置或者控制装置。例如，在初始化过程之后执行所述校准过程，其确定偏移量并且检测寄生电容参量，该寄生电容参量可以是时间dt_C_DETECT,优选地由借助于测量装置或者相应的控制装置来由存储器将该时间dt_C_DETECT永久地存储为值dt_C_DETECT_PARA。所述存储器装置可以为能够设置在相同的电路板上的EEPROM0在施加电容参量测量的致动器设备的标准化操作期间，值dt_C_DETECT_PARA用于确定校正的电容参量 dt_C_DETECT_CORRECTED，这例如通过 dt_C_DETECT_CORRECTED=dt_C_DETECT-dt_C_DETECT_PARA来实现(具体地参考之前所描述的实施例)。
【权利要求】
1.一种用于产生工具(4)的运动的、尤其应用于生物细胞材料的致动器设备(1)，提供: 至少一个电控制的致动器元件(3)； 运动部分(3a)，在所述运动部分(3a)处能够布置工具，并且所述运动部分(3a)链接到所述至少一个致动器元件； 电控制装置(11)，所述电控制装置(I I)用于控制所述至少一个致动器元件； 电测量装置(12)，所述电测量装置(12)被配置为执行用于测量所述至少一个致动器元件的至少一个电容参量的测量方法； 其中，所述电容参量用于提供关于所述致动器设备的能力状态的信息。
2.根据权利要求1所述的致动器设备，其特征在于，所述控制装置提供用于根据运动过程来控制所述至少一个致动器元件的致动的装置，并且所述控制装置提供用于在初始化所述致动时自动初始化所述测量方法的执行的装置。
3.根据权利要求2所述的致动器设备，其特征在于，所述运动过程是预先确定的运动过程或者用户控制的运动过程。
4.根据前述权利要求中任一项所述的致动器设备，其特征在于，所述致动器设备提供连接器装置，所述连接器装置用于将所述至少一个致动器元件连接到所述控制装置，以特别地将输出电压施加到所述至少一个致动器元件。
5.根据权利要求4所述的致动器设备，其特征在于，所述控制装置提供用于控制所述输出电压的装置，所述输出电压由所述连接器装置输出，并且所述控制装置被配置为施加默认的第一输出电压并且临时提供第二输出电压，所述第二输出电压适合于让所述至少一个致动器元件执行致动。
6.根据前述权利要求中任一项所述的致动器设备，其特征在于，提供所述致动器设备的第一状态和第二状态，并且所述控制装置提供用于取决于所述测量的结果来将所述致动器设备从所述第一状态改变到所述第二状态的装置。
7.根据权利要求6所述的致动器设备，其特征在于，限定所述第二状态，使得所述致动器设备在所述第二状态中比在所述第一状态中消耗较少的能量。
8.根据权利要求6所述的致动器设备，其特征在于，限定所述第二状态，使得所述致动器设备相比于所述第一状态而言在所述第二状态中使用用于控制所述至少一个致动器元件的致动的改进控制方法。
9.根据权利要求8所述的致动器设备，其特征在于，所述控制方法相比于所述第一状态而言在所述第二状态中使用用于控制所述至少一个致动器元件致动的改进输出电压。
10.根据前述权利要求中任一项所述的致动器设备，其特征在于，电容参量是时间周期。
11.根据前述权利要求中任一项所述的致动器设备，其特征在于，所述测量装置包括用于测量所述至少一个致动器元件的电荷的装置，并且所述测量装置包括将所述至少一个致动器元件的所述电荷与参考值进行比较的比较器电路。
12.根据前述权利要求中任一项所述的致动器设备，其特征在于，所述测量装置包括用于测量电信号之间的具有优选至少InsUOns或IOOns精度的时间周期的时间测量装置。
13.根据前述权利要求中任一项所述的致动器设备，其特征在于，所述测量装置包括用于测量所述至少一个致动器元件的电荷的装置和用于测量所述时间周期的装置，所述时间周期为所述至少一个致动器元件从所述电荷的起始值充电到所述至少一个致动器元件的所述电荷的参考值所需。
14.一种用于获得并且利用与致动器设备，特别是应用于生物细胞材料的设备、特别是根据权利要求1至13中的任一项所述的致动器设备有关的信息的方法，所述方法提供如下步骤: -测量所述致动器设备的至少一个致动器元件的至少一个电容参量； -使用所测量的电容参量来提供关于所述致动器设备的能力状态的信息。
15.根据权利要求1至13中的至少一个权利要求所述的致动器设备和根据权利要求.14所述的方法的使用以应用于如活细胞、膜或者组织的生物材料。
【文档编号】C12N15/89GK103764351SQ201280029772
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2012年6月15日 优先权日:2011年6月17日
【发明者】安德烈亚斯·席尔, 安德烈亚斯·格拉夫 申请人:埃佩多夫股份公司