CN101199197B - 一种微阵列扫描仪的扫描运动平台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于高速扫描微阵列芯片的扫描运动平台。该平台使用创新的弹性薄金属带与带轮线性驱动装置将电机的转动转化为线性运动，来驱动扫描方向上载物台及微阵列芯片的运动。本发明中的平台具有高速、高分辨率和低回程误差的特点。此外，该平台结构简单，成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及扫描仪，特别是涉及一种适用于微阵列扫描仪的高速扫描平台。
背景技术
基于微阵列芯片的检测设备的发展已经极大地改变了生物技术产业的面貌。这些设备使得同时检测多种生物样品、检测稀少的人源转录本成为可能。它们也使原先不借助这些仪器需要数月乃至数年的工作变得可能在数分钟内借助自动从微阵列芯片中获取信息来完成。
典型的微阵列芯片包括一系列聚合物，例如寡核苷酸，多肽和抗体。在基片上，以点阵排列方式合成或者固定这些聚合物，而这些聚合物可以被荧光标记物或者荧光基团所标记从而进行光学检测。一台典型的微阵列芯片扫描仪使用激光作为激发光源，并使用匹配的滤镜和光电倍增管进行检测。在微阵列芯片的扫描过程中，从激光光源发出的激发光照射到芯片的不同点上。在激发光作用下，芯片上的荧光探针发射出斯托克司频移光，而该发射光则被光电倍增管所采集。如此得到微阵列芯片的信息，能够为多种研究服务，例如基因表达研究，变异研究，基因分型，单核苷酸多态性，蛋白相互作用，还有疾病的诊断和治疗。
大多数微阵列扫描仪使用步进电机和伺服电机，这意味着需要一线性驱动装置将电机的转动转化为线性运动。常见线性驱动装置包括滚珠丝杠传动结构或皮带传动结构。在滚珠丝杠传动机构中，滚珠轴承沿螺旋型丝杠运动；皮带传动则采用传动带把带轮的转动转化为平动。在回程误差、寿命、负载等指标相当的情况下，滚珠丝杠***运动速度中等、重复精度高；皮带传动的运动速度快，但重复精度较低。所以采用上述传动机构的微阵列扫描仪的扫描速度都不够快或重复精度较低。由此产生了对新型扫描仪的需求。
发明内容
本发明提供了一种微阵列扫描仪的扫描运动平台，用以在一盛放微阵列芯片的载物台所处的平面内移动微阵列芯片，其中控制载物台的一第一驱动装置由一带轮和一缠绕在带轮上的弹性薄金属带构成，该弹性薄金属带两端连接到载物台上以使带轮的转动能够带动载物台的移动。在某些实施例中，带轮由一低转动惯量的伺服电机驱动。在某些实施例中，其中弹性薄金属带的一端与载物台的连接是可以活动的。该弹性薄金属带还可以包括一预紧区段，该预紧区段连接到与载物台构成活动连接的薄金属带一端之外。
在某些实施例中，扫描运动平台还包括一第二驱动装置，第一驱动装置在扫描方向上移动载物台，而第二驱动装置在不同于扫描方向(例如正交于)上移动载物台。在某些实施例中，第二驱动装置包括一丝杠和一步进电机。在某些实施例中，第一驱动装置位于载物台之下、第二驱动装置之上。
从另一个角度看，本发明的微阵列芯片扫描运动平台，包括：一底座，底座上设置一第一导轨；一滑块，可在第一导轨上滑动，其上还支撑一与第一导轨成正交的第二导轨；一进给驱动装置，可沿第一导轨移动滑块；一载物台，可在第二导轨上滑动；一扫描驱动装置，可使载物台沿第二导轨移动。在某些实施例中，扫描驱动装置包括一带轮和一缠绕在带轮上的弹性薄金属带，薄金属带的两端连接到载物台上以使带轮的转动能带动载物台的移动。在某些实施例中，扫描驱动装置由一低转动惯量的伺服电机驱动。在某些实施例中，进给驱动装置包括一丝杠，丝杠偶联到一步进电机。在某些实施例中，扫描驱动装置安装在滑块上。
在一个实施例中，本发明一种微阵列扫描仪的扫描运动平台包括：一底座，底座上设置一第一导轨；一滑块，可在第一导轨上滑动，其上还有一正交于第一导轨的第二导轨；一丝杠，偶联到滑块；一步进电机，偶联到丝杠；一载物台，可在第二导轨上滑动；一扫描驱动装置，包括一带轮和一缠绕在带轮上的弹性薄金属带，其中薄金属带的两端连接到载物台以使带轮的转动能带动载物台移动；一伺服电机，偶联到扫描驱动装置。在某些实施例中，扫描驱动装置安装在滑块上。在某些实施例中，薄金属带连接到载物台的两端中有一端是可活动的。在某些实施例中，弹性薄金属带还包括一预紧区段，该预紧区段连接到与载物台构成活动连接的薄金属带一端之外。
附图说明
图1是本发明中扫描运动平台一个实施例的示意图。
图2是本发明中薄钢带和带轮线性执行机构一个实施例的示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种微阵列扫描仪的扫描运动平台，包括一盛放待扫描微阵列芯片的载物台，载物台以及其上的微阵列芯片可以在载物台所处的平面内移动，其中控制载物台的驱动装置由一带轮和一缠绕在带轮上的弹性薄金属带构成。
通常情况下，弹性金属带至少在带轮上缠绕1圈。将薄金属带连接到载物台上的两个区段，通常位于薄金属带缠绕于带轮上区段的两侧。带轮沿转轴旋转，并拉动弹性薄金属带。弹性薄金属带继而拉动载物台，导致载物台的线性运动。这样，带轮的转动通过弹性薄金属带被转变为线性运动。因为带轮可顺时针或者逆时针旋转，所以载物台可以沿正反向移动。
薄金属带的两端连接到载物台的方式可以是任意合适的方式。例如，两端可以连接到载物台同一端的两角。两端的连接可以采取现有技术的任何方法。在某些实施例中，薄金属带两端的其中之一到载物台的连接是可以活动的。弹性薄金属带还可包括一预紧区段，该预紧区段连接到与载物台构成活动连接的薄金属带一端之外。预紧区段的末端也可连接到载物台。预紧区段，再加上可活动连接到载物台的区段，可以调节缠绕在带轮上薄金属带区段的应力。
弹性薄金属带通常是由具有足够弹性的材料制成。用作弹性薄金属带的合适材料包括但不限于钢，弹簧钢和合金钢。弹性薄金属带通常非常薄。弹性薄金属带的合适厚度包括但不限于约0.05毫米，约0.5毫米，或者约0.05毫米到1毫米之间。
在某些实施例中，弹性薄金属带与带轮驱动装置中的带轮由一低转动惯量的伺服电机驱动。
从另一角度看，本发明提供一种微阵列扫描仪的扫描运动平台，包括：一盛放待扫描微阵列芯片的载物台，其中载物台(以及其上的微阵列芯片)可在一二维平面上移动到任意位置。具体来说，扫描运动平台由两个驱动装置驱动。一个驱动装置(扫描驱动装置)控制载物台在扫描方向上的往复运动。另一驱动装置(进给驱动装置)控制载物台在不同于扫描方向(例如与之正交)的进给运动。两驱动装置配合以完成整张芯片的扫描。
在某些实施例中，第一驱动装置即扫描驱动装置包括一带轮和一缠绕在带轮上的弹性薄金属带，薄金属带两端连接到载物台上以使带轮的转动能带动载物台的移动。这里所描述的弹性薄金属带与带轮的驱动装置具有高速和高重复精度的特点，因此非常适用于高分辨率微阵列扫描仪中载物台在扫描方向上往复运动的控制。
另一方面，载物台与微阵列芯片的进给运动不要求太高的速度，但对重复精度的要求很高。根据这一点，进给驱动***可包括一丝杠和一步进电机。在某些实施例中，丝杠通过一联轴器连接到电机。
在某些实施例中，载物台位于扫描驱动装置之上，而扫描驱动又位于进给驱动***之上。在扫描过程中，载物台(以及其上的微阵列芯片)相对于扫描驱动装置在扫描方向上运动。扫描驱动装置(以及其上的载物台和微阵列芯片)在进给方向上移动。
本发明还提供一种微阵列扫描仪的扫描运动平台，包括：一底座，底座上设置一第一导轨；一滑块，可在第一导轨上滑动，滑块上还有正交于第一导轨的第二导轨；一进给驱动装置，用于在第一导轨上移动滑块；一载物台，可在第二导轨上滑动；一扫描驱动装置，用于在第二导轨上移动载物台。在某些实施例中，扫描运动平台包括：一底座，底座上设置一第一导轨；一第一滑块，可在第一导轨上滑动，第一滑块上还有正交于第一导轨的第二导轨；一进给驱动装置，用于在第一导轨上移动第一滑块；一第二滑块，可在第二导轨上滑动；一载物台，安装在第二滑块上；一扫描驱动装置，用于在第二导轨上移动载物台和第二滑块。
在某些实施例中，扫描驱动装置包括一带轮和一缠绕在带轮上的弹性薄金属带，薄金属带两端连接到载物台以使带轮的转动带动载物台的的移动。在某些实施例中。连接到载物台的两端之一与载物台的连接是可以活动的。在某些实施例中，弹性薄金属带还包括一预紧区段，该预紧区段连接到与载物台构成活动连接的薄金属带一端之外。
在某些实施例中，扫描驱动装置由一伺服电机(尤其是低转动惯量的伺服电机)驱动。扫描驱动装置及电机可以安装在一滑块(或第一滑块)上，并沿第一导轨在进给方向上移动。
进给驱动装置可包括一丝杠，丝杠连接一电机(尤其是步进电机)。在某些实施例中，丝杠通过一联轴器连接到一电机。
底座上的第一导轨可以安装到底座上，也可以是底座上固有的一部分。类似的，滑块上的第二导轨也可以安装到滑块(或者第一滑块)上，或者是滑块(或者第一滑块)上固有的一部分。导轨可以由任何耐磨的材料制成，例如磨光的不锈钢。导轨还可以用聚四氟乙烯(PTFE)进行涂层处理。
底座和滑块还可包括支架。第一导轨和第二导轨在这些支架之间沿长度方向延伸。具体来说，第一导轨包括一第一末端和一第二末端。第一末端固定在底座上的一第一支架上，第二末端则固定在底座上的一第二支架上。第二导轨的末端可以以相似方式固定在滑块上的支架上。
在某些实施例中，扫描运动平台还包括机械开关和光电开关，安装在扫描方向和进给方向上。机械开关位于第一或者第二导轨上，用以限制滑块或者载物台的运动(或者改变其方向)。光电开关可用来测定滑块相对于载物台的位置。在某些实施例中，扫描运动平台还包括一光栅用来测定载物台的位置。
在一个实施例中，扫描运动平台包括：一底座，底座上设置一第一导轨；一滑块，可在第一导轨上滑动，其上还有正交于第一导轨的第二导轨；一丝杠，偶联到滑块；一步进电机，偶联到丝杠；一载物台，可在第二导轨上滑动；一扫描驱动装置，包括一带轮和一缠绕在带轮上的弹性薄金属带，薄金属带的两端连接到载物台上以使带轮的转动能带动载物台的运动；一伺服电机，偶联到扫描驱动装置。在另一实施例中，扫描运动平台包括：一底座，包括一第一导轨；一第一滑块，可在第一导轨上滑动，其上还有正交于第一导轨的第二导轨；一丝杠，偶联到滑块；一步进电机，偶联到丝杠；一第二滑块，可在第二导轨上滑动；一载物台，安装在第二滑块上；一扫描驱动装置，包括一带轮和一缠绕在带轮上的弹性薄金属带，薄金属带的两端连接到载物台上以使带轮的转动能带动载物台的运动；一伺服电机，偶联到扫描驱动装置。
如图1所示，显示了扫描运动平台的一个实施例。载物台1安装在第二滑块5上，可沿第二导轨4滑动。薄钢带3连接到载物台1，并缠绕在带轮2上。扫描伺服电机6驱动薄钢带与带轮装置，从而控制第二滑块5与载物台1沿第二导轨4的运动。第二导轨4，带轮2，薄钢带3和扫描伺服电机6从而共同构成了移动载物台的扫描驱动装置。第二导轨4位于第一滑块7上。载物台1受到扫描驱动装置的控制，在扫描方向上相对于第一滑块移动。
第一导轨8，丝杠9，联轴器10和步进电机11共同构成进给驱动装置。在进给驱动装置控制下，第一滑块7，其上承载着扫描驱动装置，沿正交于扫描方向移动。在扫描过程中，载物台在进给和扫描两个方向上移动，从而高速、高精度地完成整张微阵列芯片的扫描。
如图2所示，显示了本发明中薄钢带与带轮装置的一个实施例。该装置包括薄钢带3和带轮2。带轮2由一低转动惯量的伺服电机6驱动，可以顺时针或逆时针转动。薄钢带3在带轮2上缠绕一圈。弹性薄金属带上的区段15和区段16，分别位于薄金属带缠绕在带轮上区段的两边，通过螺钉12和13连接到载物台1同一端的两个角上。区段16到载物台的连接是可活动的。在这一实施例中，弹性薄金属带从区段16还向外延伸出一段，延伸段的末端用螺钉14连接到载物台上。螺钉13和14之间的弹性薄金属带起到预紧的作用，也即缠绕在带轮上薄金属带的应力可以通过预紧区段进行调节。驱动装置将带轮2的转动通过薄钢带3转变为往复的线性运动。该装置可以达到10-20Hz的扫描频率(10毫米以内行程)。另外，它具有高重复精度的特征，从而解决了传统带传动装置带来的问题。
虽然为了帮助理解和阐明问题对前述的发明通过图示和举例的方式在一定细节上进行了描述，但是具有该领域内平均技能和知识的专业人员可能对其做出一些显而易见的改变。因此，发明的范围不应受到描述和实施例的限制，而由后面权利要求来进行描述。所有的绘图均为示意图。角度和尺寸不严格遵守比例限制。
Claims (13)
1.一种微阵列扫描仪的扫描运动平台，其特征在于：用以在承载微阵列芯片的载物台所在平面内移动微阵列芯片，其中载物台由一第一驱动装置控制。该第一驱动装置包括一带轮；一缠绕在带轮上的弹性薄金属带，其中薄金属带的两端连接到载物台上以使带轮的转动能带动载物台的移动；所述带轮由一低转动惯量的伺服电机驱动；第一驱动装置沿一扫描方向移动载物台；所述的扫描运动平台还包括第二驱动装置，第二驱动装置包括一丝杠和一步进电机，丝杠偶联到步进电机，第二驱动装置沿不同于第一驱动装置的一进给方向移动载物台；
所述的扫描运动平台还包括一光栅用来测定载物台的位置。
2.如权利要求1所述的一种微阵列扫描仪的扫描运动平台，其特征在于：所述薄金属带连接到载物台上的两端其中之一与载物台构成的连接是可活动的。
3.如权利要求2所述的一种微阵列扫描仪的扫描运动平台，其特征在于：所述薄金属带还包括一预紧区段，延伸到与载物台构成可活动连接的一端之外。
4.如权利要求3所述的一种微阵列扫描仪的扫描运动平台，其特征在于：所述第二驱动装置沿正交于扫描方向的一进给方向移动载物台。
5.如权利要求3所述的一种微阵列扫描仪的扫描运动平台，其特征在于：所述第一驱动装置位于载物台之下、第二驱动装置之上。
6.如权利要求1所述的扫描运动平台，其特征在于：包括一底座，底座上一第一导轨；一滑块，可在第一导轨上滑动，其上还有正交于第一导轨的第二导轨；一进给驱动装置，可使滑块沿第一导轨滑动；一载物台，可在第二导轨上滑动；以及一扫描驱动装置，可是载物台沿第二导轨滑动。
7.如权利要求6所述的一种微阵列扫描仪的扫描运动平台，其特征在于：所述薄金属带连接到载物台的两端之一与载物台构成的连接是可活动的。
8.如权利要求7所述的一种微阵列扫描仪的扫描运动平台，其特征在于：所述弹性薄金属带还包括一预紧区段，延伸到与载物台构成可活动连接的一端之外。
9.如权利要求6所述的一种微阵列扫描仪的扫描运动平台，其特征在于：所述扫描驱动装置安装在滑块上。
10.如权利要求1所述的扫描运动平台，其特征在于：包括一底座，底座上一第一导轨；一滑块，可在第一导轨上滑动，其上还有正交于第一导轨的第二导轨；一丝杠，偶联到滑块；一步进电机，偶联到丝杠；一载物台，可在第二导轨上滑动；一扫描驱动装置，包括一带轮和一缠绕在带轮上的弹性薄金属带，薄金属带的两端连接到载物台以使带轮的转动能带动载物台的移动；以及一伺服电机偶联到扫描驱动装置，并通过一光栅进行位置反馈提高定位精度。
11.如权利要求10所述的一种微阵列扫描仪的扫描运动平台，其特征在于：所述扫描驱动装置安装在滑块上。
12.如权利要求10所述的一种微阵列扫描仪的扫描运动平台，其特征在于：所述薄金属带连接到载物台的两端之一与载物台构成的连接是可活动的。
13.如权利要求12所述的一种微阵列扫描仪的扫描运动平台，其特征在于：所述弹性薄金属带还包括一预紧区段，延伸到与载物台构成可活动连接的一端之外。
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