JP3872782B2 - 保持対象の位置及び姿勢補正方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、保持部に着脱可能に保持される保持対象の前記保持部に対する位置ずれ及び姿勢ずれを補正する位置及び姿勢補正方法及び装置に関する。

現在、多彩な生物の全遺伝子機能を効率的に解析するための技術開発が進んでいる。ＤＮＡマイクロアレイ（すなわちＤＮＡチップ）は、スライドガラスやシリコン等の基板上にＤＮＡ断片等を含むスポットを多数整列させたものであり、遺伝子の発現や変異、多様性などの解析に非常に有効である。

一般的な基板の大きさは１〜数十ｃｍ²で、この領域に数千〜数十万種のＤＮＡ断片のスポットが配列される。基板上のＤＮＡ断片は相補性を有する蛍光標識ＤＮＡを用いて調べられる。基板上のＤＮＡ断片と蛍光標識ＤＮＡとでハイブリタイゼーションが生じると蛍光が発する。この蛍光が生じるスポットを蛍光スキャナ等で検出し、蛍光イメージを解析することで遺伝子の発現や変異、多様性などを解析することができる。

ところでＤＮＡマイクロアレイを作製するためには、基板上に密集したＤＮＡ断片のスポットを配列させるＤＮＡマイクロアレイ作製装置が必要になる。ＤＮＡマイクロアレイ作製装置には、基板上にスポットを形成するための、多種のＤＮＡサンプルが貯蔵されるヘッドが着脱自在に保持される。スポットの形成作業を終えたヘッドは保持部から取り外され、新たなＤＮＡサンプルが貯蔵されたヘッドが保持部に保持される。

図９は保持部に保持されたヘッド１を示す。保持部に保持されたヘッドは予め与えられた基準位置１´から位置ずれ及び姿勢ずれを起こしている。このため基板上の正確な位置にスポットを形成するためには、交換したヘッド１の基準位置１´に対する位置ずれ及び角度ずれを補正（あるいは校正）する必要がある。この補正作業は例えば以下のように行われる。

あらかじめヘッド１の対角位置に基準マーク１（ＦＭ１）及び基準マーク２（ＦＭ２）を附す。保持部に保持されたヘッド１をＸ方向及びＹ方向に移動させ、基準マーク１（ＦＭ１）をＣＣＤカメラ上に移動させる。そしてヘッド１の基準マーク１（ＦＭ１）の位置データ（ｘ１，ｙ１）を画像処理して読み取る。

再びヘッド１をＸ方向及びＹ方向に移動させ、基準マーク２（ＦＭ２）をＣＣＤカメラ上に移動させる。そして基準マーク２（ＦＭ２）の位置データ（ｘ２，ｙ２）を画像処理して読み取る。

これらの位置データから図９に示すように保持部の基準線（すなわち基準位置１´における基準マーク１（ＦＭ１´）と基準マーク２（ＦＭ２´）を結んだ線）に対するヘッド１の水平面内における角度ずれθを演算する。

そして図１０に示すように、角度ずれθだけヘッド１を水平面内で回転させ、ヘッド１を基準位置１´と平行にする。再度ヘッド１の基準マーク１（ＦＭ１）及び基準マーク２（ＦＭ２）の位置データを画像処理して読み取り、保持部の回転中心Ｏに対するヘッドの中心Ｏのずれ量（ｘｏ，ｙｏ）を演算する。

ヘッド１の中心Ｏのずれ量（ｘｏ，ｙｏ）、角度ずれ量θはヘッドを交換する毎に測定され、この測定値に基づいて、基板にスポットを形成する際のヘッド１の位置ずれ及び姿勢ずれが補正される。

しかしながらこの補正方法では、ヘッド１の中心ずれ量、角度ずれ量を測定する際、合計４回の画像処理を行う必要があり、補正作業に手間がかかってしまうという問題がある。

そこで本発明は、画像処理の回数を減らし、保持部に対する保持対象の位置及び姿勢ずれを補正する方法を簡略化することができる保持対象の位置及び姿勢補正方法及び装置を提供することを目的とする。

以下、本発明について説明する。上記課題を解決するために、本発明者は、保持対象の基準マーク１を読み取った後、保持対象を水平面内で実質的に１８０度回転させ、１８０度回転させた基準マーク２を読み取るようにした。

すなわち請求項１の発明は、保持部に着脱可能に保持され、基準マーク１及び基準マーク２が附される保持対象の前記保持部に対する位置ずれ及び姿勢ずれを補正する方法であって、前記基準マーク１を画像処理して、前記基準マーク１の位置データを求める工程と、前記保持対象を保持する前記保持部を水平面内で実質的に１８０度回転させる工程と、１８０度回転させた基準マーク２を画像処理して、前記基準マーク２の位置データを求める工程と、前記基準マーク１及び１８０度回転させた前記基準マーク２の位置データに基づいて、前記保持部の回転中心からの前記保持対象の中心までの位置ずれ量、並びに前記保持部の基準線に対する前記保持対象の水平面内における角度ずれ量を演算する工程と、を備えることを特徴とする保持対象の位置及び姿勢補正方法により、上述した課題を解決した。

この発明によれば、例えば２回の画像処理にて保持部の中心の位置ずれ量、及び角度ずれ量を求めることができる。

本発明は、ＤＮＡマイクロアレイ作製装置用の、基板上にスポットを多数配列させるヘッドの位置ずれ及び角度ずれを補正するのに好適に用いることができる。

また本発明は、保持部に着脱可能に保持され、基準マーク１及び基準マーク２が附される保持対象の保持部に対する位置ずれ及び姿勢ずれを、コンピュータを用いて補正する位置及び姿勢補正プログラムであって、コンピュータに、前記基準マーク１の位置データを求める手順と、前記保持部に保持された前記保持対象を水平面内で実質的に１８０度回転させる手順と、１８０度回転された基準マーク２の位置データを求める手順と、前記基準マーク１及び１８０度回転させた前記基準マーク２の位置データに基づいて、前記保持部の回転中心からの前記保持対象の中心までの位置ずれ量、並びに前記保持部の基準線に対する前記保持対象の水平面内における角度ずれ量を演算する手順を実行させるためのプログラムとしてもよい。

さらに本発明は、保持部に着脱可能に保持され、基準マーク１及び基準マーク２が附される保持対象の前記保持部に対する位置ずれ及び姿勢ずれを補正する位置及び姿勢補正装置であって、前記基準マーク１及び前記基準マーク２を撮像する撮像素子と、前記撮像素子で撮像した画像情報を画像処理して、位置データを求める画像処理装置と、前記保持対象を保持する前記保持部を水平面内で１８０度回転させることができる回転機構と、前記基準マーク１及び１８０度回転させた前記基準マーク２の位置データに基づいて、前記保持部の回転中心からの前記保持対象の中心までの位置ずれ量、並びに前記保持部の基準線に対する前記保持対象の水平面内における角度ずれ量を演算する演算装置と、を備えることを特徴とする保持対象の位置及び姿勢補正装置としてもよい。

以上説明したように本発明によれば、保持対象の基準マーク１を読み取った後、保持対象を水平面内で実質的に１８０度回転させ、１８０度回転させた基準マーク２を読み取るようにしたので、例えば２回の画像処理にて保持部の中心の位置ずれ量、及び角度ずれ量を求めることができる。

以下図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。図１は位置補正装置としてのＤＮＡマイクロアレイ作製装置の側面図を示し、図２は図１におけるII−II線方向から見たこの装置の断面図を示す。この実施形態のＤＮＡマイクロアレイ作製装置は、保持対象としてのヘッドの位置を補正している。

ＤＮＡマイクロアレイ作製装置は、スライドガラスやシリコン等からなる基板に、あらかじめ調整したＤＮＡ断片やオリゴヌクレオチド等の生体試料のスポットを配列するもので、生体試料を含む溶液は溶液貯留部５に貯えられている。作業台６上には同一平面に沿って縦横のマトリクスに基準マークが付された複数の基板が配列される。そして、基板の上方に移動可能に設けられるヘッド７により、基板上に溶液のスポットを形成する。一般的な基板の大きさは例えば１〜数十ｃｍ²で、基板には数千〜数十万種のＤＮＡ断片のスポットが縦横のマトリクスに配列される。スポットの径は例えば数十μｍから数百μｍのサイズを有する。

ＤＮＡマイクロアレイ作製装置は二つの領域を有する。一つは、溶液を保持するヘッド７を基板に打ち付け、基板に生体試料の溶液のスポットを配列させるためのスタンピング領域Ｓ１である。もう一つは、スポットを形成した後のヘッド７を洗浄し、洗浄したヘッド７に種類の異なる次の溶液を保持させるための洗浄領域Ｓ２である。スタンピング領域Ｓ１及び洗浄領域Ｓ２のそれぞれの領域に設けられる搬送装置によって、ヘッド７は洗浄領域Ｓ２及びスタンピング領域Ｓ１を搬送される。

まず、スタンピング領域Ｓ１におけるＤＮＡマイクロアレイ作製装置の構成について概略説明する。スタンピング領域Ｓ１の作業台６上には複数の基板がマトリクス状に載置される。基板はスライドガラスやシリコン等からなり、基板の表面には、リソグラフィによって基準マーク及びスポットを形成するためのパターンが形成される。

作業台６上には、基板に平行な平面における互いに直交するＸＹ２軸方向にヘッド７を移動させるＸＹ２軸搬送機構８が取り付けられる。このＸＹ２軸搬送機構８がヘッド７を基板上のスポット形成位置に位置決めする。また、このＸＹ２軸搬送機構８は、後述する受け渡し位置９まで新たな溶液を保持したヘッド７を受け取りにいき、受け取ったヘッド７をヘッド撮像素子１０上の撮像位置まで移動させる。

なおＸＹ２軸搬送機構８のテーブル１１には、基板上の基準マークを撮像するための基板撮像素子（例えばＣＣＤカメラ）１２及び基板上に形成されたスポットを撮像するためのスポット撮像素子（例えばＣＣＤカメラ）１３が設けられる。

また、このテーブル１１にはＺ軸駆動機構１４が支持される。このＺ軸駆動機構１４が上記Ｘ軸及びＹ軸に直交するＺ軸方向、すなわち基板に対して近接・離間する方向にヘッド７を移動する。

Ｚ軸駆動機構１４のテーブル１５には、ヘッド７の姿勢を変化させるθ軸回転機構１６が取り付けられる。このθ軸回転機構１６がヘッド７を水平面内で旋回させる。θ軸回転機構１６にはヘッド７を着脱自在に保持できる保持部１８が取り付けられる。θ軸回転機構１６を作動し、ヘッド７をＺ軸回りに回転することでヘッド７の姿勢が変化する。またＸＹ２軸搬送機構８を作動することでヘッド７の位置が変化する。

図１に示すように、作業台６には下方からヘッド７の姿勢及び位置を撮像するヘッド撮像素子１０（例えばＣＣＤカメラ）が設けられる。付け替えられたヘッド７は、最初にこのヘッド撮像素子１０の上方に搬送される。詳しくは後述するが、ヘッド７の下面にはその位置を表示する基準マーク１及び基準マーク２が形成され、ヘッド撮像素子１０はこの基準マーク１及び基準マーク２を撮像する。

次に洗浄領域Ｓ２におけるＤＮＡマイクロアレイ作製装置の構成ついて説明する。この洗浄領域Ｓ２ではスポットを形成した後のヘッド７を超音波洗浄し、その後すすぎ洗浄し、その後乾燥する。洗浄後のヘッド７には新しい次の生体試料の溶液が貯蔵される。

図１に示すように洗浄台２１上には、これら超音波洗浄部、すすぎ洗浄部、乾燥部及び溶液貯留部の間でヘッド７を搬送するＸＹ２軸搬送機構２２が設けられる。ＸＹ２軸搬送機構２２にはＺ軸駆動機構が取り付けられる。Ｚ軸駆動機構は、ヘッド７をＸ軸及びＹ軸に直交するＺ軸方向、すなわち洗浄台２１に対して直交する方向に移動する。

Ｚ軸駆動機構のテーブル２３には旋回用モータ２４が取り付けられ、この旋回用モータ２４の出力軸には水平面内を旋回する円板２５が取り付けられる。円板２５の下面には１８０度間隔を空けてヘッド７を把持可能な一対のクランプ２６，２６が取り付けられる。クランプ２６，２６は図示しないエアシリンダ等によって開閉され、ヘッド７を挟む。

旋回用モータ２４は１８０度ずつ旋回し、これによりスタンピング領域Ｓ１のＸＹ２軸搬送機構８から洗浄領域Ｓ２のＸＹ２軸搬送機構２２へのヘッド７の受け渡し、並びに洗浄領域Ｓ２のＸＹ２軸搬送機構２２からスタンピング領域Ｓ１のＸＹ２軸搬送機構８へのヘッド７の受け渡しが行われる。

具体的にはスタンピング領域Ｓ１のＸＹ２軸搬送機構８がスポットを形成した後のヘッド７を受け渡し位置９まで搬送する。一方、洗浄領域Ｓ２のＸＹ２軸搬送機構２２が新しい溶液を保持したヘッド７を受け渡し位置９から１８０度位置をずらした控え位置２９まで搬送する。次に洗浄領域Ｓ２のＸＹ２軸搬送機構２２のクランプ２６が受け渡し位置９に搬送されたスポット形成後のヘッド７を把持する。これによりスタンピング領域Ｓ１のＸＹ２軸搬送機構８から洗浄領域Ｓ２のＸＹ２軸搬送機構２２にヘッド７が受け渡される。次に旋回用モータ２４が円板２５を１８０度旋回させ、スポット形成後のヘッド７を控え位置２９に位置させ且つ新たな溶液を保持したヘッド７を受け渡し位置９に位置させる。次にスタンピング領域Ｓ１のＸＹ２軸搬送機構８の保持部１８が新たな溶液を保持したヘッド７を把持する。これにより、洗浄領域Ｓ２のＸＹ２軸搬送機構２２からスタンピング領域Ｓ１のＸＹ２軸搬送機構８にヘッド７が受け渡される。

図３及び図４はヘッド７を示す。ヘッド７は保持部１８に取り付けられる円筒状の被保持部３１と、この被保持部３１の下面に固定される略矩形状の上部プレート３２と、この上部プレート３２に複数本の支柱３３…を介して結合される略矩形状の下部プレート３４とを概略備える。

下部プレート３４には、基板に供給すべき溶液が保持される液溜め部としての液溜め部材３５…が互いに平行にして縦横に取り付けられる。この液溜め部材３５…内にはニードル３６…（あるいはピンとも呼ばれる）が収納されている。このニードル３６…を液溜め部材３５…から突出させ、ニードル３６…の先端を基板に打ち付ける。これによりニードル３６…の先端に付着された溶液が基板に配置される。

なお、ヘッドには、本実施形態に記載のような溶液を保持する液溜め部と、液溜め部から溶液を取り出し、基板に機械的に当接することでスポットを配置する配置部（例えばピン又はニードル）で構成される方式の他、ペンのように互いにすき間を空けて設けられた細長い一対の部材間に形成された開放毛管流路に試料を保持し、細長い一対の部材の先端を基板に機械的に当接させるペン方式、インクジェットプリンターの原理を利用したインクジェット方式、毛細管によるキャビラリー方式等も採用しうる。

図４はヘッド７の底面図を示す。ヘッド７の矩形状下部プレート３４の底面には対角の位置に２つの基準マーク(Fiducial Mark)１及び基準マーク(Fiducial Mark)２が附される。この基準マーク１（ＦＭ１）及び基準マーク２（ＦＭ２）それぞれは円形の孔状に形成される。

図５は上記ＤＮＡマイクロアレイ作製装置の制御系のシステム構成図を示す。ここではヘッド７の保持部１８に対する位置ずれ及び姿勢ずれを補正する制御系について説明する。この制御系は、所定のプログラムに基づいてＤＮＡマイクロアレイ作製装置の作動を統括制御するパソコン等のコンピュータ４１と、機械原点に配置されたヘッド撮像素子１０と、ヘッド撮像素子１０が撮像した画像情報を画像処理する画像処理装置４３と、コンピュータ４１からの指令に基づいてスタンピング領域Ｓ１のＸＹ２軸搬送機構８、及びθ軸回転機構１６を駆動制御するドライバ４２とを備える。画像処理装置４３は、ヘッド撮像素子１０からの画像情報に基づいて、ヘッド７の基準マークＦＭ１，ＦＭ２の位置データを算出し、この位置データをコンピュータ４１に出力する。

図６はコンピュータ４１で実行される、ヘッド７の保持部１８に対する位置ずれ及び姿勢ずれを補正する手順のフローチャートを示す。図７に示すように保持部１８に保持されたヘッド７は、基準位置７´から位置ずれ及び姿勢ずれを起こしている。

図６に示すように、まず保持部１８に保持されたヘッド７を搬送し、ヘッド７の基準マーク１（ＦＭ１）をヘッド撮像素子１０上に移動させる（Ｓ１）。次に画像処理装置４３が基準マーク１（ＦＭ１）を画像処理して、基準マーク１（ＦＭ１）の位置データを求める。例えばこの位置データは基準位置７´の基準マーク１´（ＦＭ１´）からの位置ずれ量（Δｘ１，Δｙ１）として求められる。コンピュータ４１は画像処理装置４３が算出したこの基準マーク１（ＦＭ１）の位置データを読み込む（Ｓ２）。

次にヘッド７を保持する保持部１８を、ＸＹ軸方向に移動させることなく水平面内で実質的に１８０度回転させる（Ｓ３）。このとき基準マーク２（ＦＭ２）は、図８に示すように保持部１８の回転中心Ｏ´に対して点対称な位置ＦＭ２´´に移動する。ここで再び画像処理装置４３が基準マーク２（ＦＭ２）を画像処理して、１８０度回転させた基準マーク２（ＦＭ２´´）の位置データを求める。例えばこの位置データは基準マーク１´（ＦＭ１´）からの位置ずれ量（Δｘ２，Δｙ２）として求められる。コンピュータ４１は画像処理装置４３が算出したこの基準マーク２（ＦＭ２´´）の位置データを読み込む（Ｓ４）。

次に、基準マーク１（ＦＭ１）及び１８０度回転させた前記基準マーク２（ＦＭ２´´）の位置データに基づいて、保持部１８の回転中心Ｏ´からヘッドの中心までの位置ずれ量、並びに前記保持部の基準線に対する前記保持対象の水平面内における角度ずれ量を演算する（Ｓ５）。

具体的には位置ずれ量は以下のように求められる。図８に示すように三角形ＡＢＣと三角形ＡＯ´Ｏは相似関係にあるから、保持部１８の回転中心Ｏ´を座標原点としたときのヘッド７の中心Ｏの座標は１／２（Δｘ１＋Δｘ２，Δｙ１＋Δｙ２）で与えられる。

またヘッド７の基準マーク１（ＦＭ１）の位置データ、基準位置７´における基準マーク１（ＦＭ１´）の位置データ、及びヘッド７の中心Ｏの位置ずれ量から、ヘッド７の傾き角度θが求められる。

基準位置７´における基準マーク１（ＦＭ１´）、保持部１８の回転中心Ｏ´を通る直線と、ヘッド７の基準マーク１（ＦＭ１）、ヘッド７の中心Ｏを通る直線の交点を求め、これをＰとする。

Ｐを基準点として上記数１に示すベクトルを設定することにより、ヘッド７の傾き角度θは、
θ＝θ^PO−θ^PO´
として求められる。

コンピュータ４１はこれらの位置ずれ量及び傾き量を記憶部に記憶させ、この位置ずれ量及び傾き量に基づいてヘッド７の位置を補正するようにドライバを介してスタンピング領域１のＸＹ２軸搬送機構８及びθ軸回転機構１６を作動させる。

なお本発明は上記実施形態に限られることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば保持部に保持される保持対象は、保持部に着脱自在なものであればＤＮＡマイクロアレイ作製装置用のヘッドに限られることなく、プリント基板等に実装される電子部品等であってもよい。また位置ずれ量及び傾き量は計算する方法は上記算出方法に限られることなく、他の幾何学的な手法を用いてもよい。

ＤＮＡマイクロアレイ作製装置の側面図。 図１におけるII−II線断面図。 ヘッドの斜視図。 ヘッドの底面図。 ＤＮＡマイクロアレイ作製装置の制御系のシステム構成図。 コンピュータで実行される手順のフローチャート。 ヘッドの位置ずれ及び角度ずれを示す模式図。 位置ずれ量及び角度ずれ量を算出する幾何学図。 従来のヘッドの位置ずれを示す模式図。 微小角度回転させた従来のヘッドの位置ずれ及び角度ずれを示す模式図。

符号の説明

７…ヘッド（保持対象）
１０…ヘッド撮像素子
１８…保持部
４１…コンピュータ
４３…画像処理装置
ＦＭ１…基準マーク１
ＦＭ２…基準マーク２

Claims (4)

1. 保持部に着脱可能に保持され、基準マーク１及び基準マーク２が附される保持対象の前記保持部に対する位置ずれ及び姿勢ずれを補正する方法であって、
   前記基準マーク１を画像処理して、前記基準マーク１の位置データを求める工程と、
   前記保持対象を保持する前記保持部を水平面内で実質的に１８０度回転させる工程と、
   １８０度回転させた前記基準マーク２を画像処理して、前記基準マーク２の位置データを求める工程と、
   前記基準マーク１及び１８０度回転させた前記基準マーク２の位置データに基づいて、前記保持部の回転中心からの前記保持対象の中心までの位置ずれ量、並びに前記保持部の基準線に対する前記保持対象の水平面内における角度ずれ量を演算する工程と、を備えることを特徴とする保持対象の位置及び姿勢補正方法。
2. 前記保持対象は、ＤＮＡマイクロアレイ作製装置用の、基板上にスポットを多数配列させるヘッドであることを特徴とする請求項１に記載の保持対象の位置及び姿勢補正方法。
3. 保持部に着脱可能に保持され、基準マーク１及び基準マーク２が附される保持対象の保持部に対する位置ずれ及び姿勢ずれを、コンピュータを用いて補正する位置及び姿勢補正プログラムであって、
   コンピュータに、
   前記基準マーク１の位置データを求める手順と、
   前記保持部に保持された前記保持対象を水平面内で実質的に１８０度回転させる手順と、
   １８０度回転された前記基準マーク２の位置データを求める手順と、
   前記基準マーク１及び１８０度回転させた前記基準マーク２の位置データに基づいて、前記保持部の回転中心からの前記保持対象の中心までの位置ずれ量、並びに前記保持部の基準線に対する前記保持対象の水平面内における角度ずれ量を演算する手順を実行させるためのプログラム。
4. 保持部に着脱可能に保持され、基準マーク１及び基準マーク２が附される保持対象の前記保持部に対する位置ずれ及び姿勢ずれを補正する位置及び姿勢補正装置であって、
   前記基準マーク１及び前記基準マーク２を撮像する撮像素子と、
   前記撮像素子で撮像した画像情報を画像処理して、位置データを求める画像処理装置と、
   前記保持対象を保持する前記保持部を水平面内で１８０度回転させることができる回転機構と、
   前記基準マーク１及び１８０度回転させた前記基準マーク２の位置データに基づいて、前記保持部の回転中心からの前記保持対象の中心までの位置ずれ量、並びに前記保持部の基準線に対する前記保持対象の水平面内における角度ずれ量を演算する演算装置と、を備えることを特徴とする保持対象の位置及び姿勢補正装置。
   
   

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