JP4033468B2 - ノズル先端位置計測装置とそれを用いたスポッティング装置 - Google Patents

Description

本発明は例えばガラスプレートなどの基板上に微小量の液を滴下するスポッティング装置のノズル先端の位置計測を行うノズル先端位置計測装置に関するものである。

近年、医療の分野では遺伝子（ＤＮＡ）を用いた治療や薬品の開発が行われている。例えば、異なる遺伝子のコピーを試料としてガラス板や合成樹脂板等からなる基板上に数千個〜数万個張り付けた所謂「ＤＮＡチップ」と呼ばれるものや、また、半導体等の基板上に数千個〜数万個の極小の反応槽（マイクロウェル）を備え、このマイクロウェル内に遺伝子（ＤＮＡ）を始めとして、蛋白質を合成する試料や酵素を入れて反応を行う所謂「タンパク合成チップ」と呼ばれるものが提案されている（例えば、引用文献１参照）。

このチップの製作に使用するスポッティング装置では、微量の試薬を基板上に滴下するために、例えばスタンフォードタイプのような先端が鋭利なピンをパイオチップに接触させてスポットするタイプが主流であった。しかし、バイオチップやピンの破損、およびそれに由来する異物混入（コンタミネーション）の発生などの問題からバイオチップに接触しない非接触のノズルが開発された。これら接触式のピンや非接触ノズルを扱うにあたり、正確なスポットを行なうためにチップとピン、ノズルの位置関係を正確に得ることが重要視されている。

このようなスポッティング装置において、本出願人は既に、互いに直交するＸＹＺ３軸方向に相対移動可能な移動手段にスポッティングヘッドを備え、撮像手段による位置情報によりヘッドを制御するスポッティング装置を提案している（例えば、特許文献２参照）。

従来のスポッティング装置におけるピンやノズルの先端位置計測方法には、以下のような方法がある。
・Ｘ、Ｙ軸（水平方向）については実際にチップに試し打ちを行ない、目的の位置に対する実際のスポット位置のズレを補正する方法。
・Ｚ軸（上下方向）については目視でノズルをチップ付近まで下ろし、微調整でノズルをチップに接触させゼロ点調整する方法。
その他
・マイクロマニピュレータでは目視で大まかに位置合わせを行ない、顕微鏡視野内に入るように手動で微細な位置調整を行なう方法。
・半導体製造装置では、基板を撮影するカメラとは別にツール先端を撮影するための赤外線カメラなどを設置してツール先端位置情報を取得する方法。

特開２０００−２３６８７６ 特開２００３−１４９０９４

しかしながら、従来のノズル先端位置計測方法では、次のような問題がある。
・マイクロメートルオーダーの正確な位置情報が得られない。
・物理的にノズル先端を接触させる場合、ノズル先端を破損する危険性があり、異物混入が発生する原因となる。
・手作業で行なう場合、時間がかかったり、位置データにばらつきが出たりする可能性が高い。
・別置きのカメラシステムを使用する場合、ノズル先端位置測定用のカメラはその用途のためにしか使用しないため、コスト的に問題がある。
・レーザ計測器などでノズル先端の位置を計測する場合、使用する計測器によってはレーザスポット径がノズル先端よりも大きいと計測できない、あるいは計測精度が悪くなる。

本発明は、先の問題に鑑みてなされたものであり、ノズル先端の破損や異物混入の発生のない、マイクロメートルオーダの正確な位置情報を精度よく計測することができるノズル先端位置計測装置を得ることを目的とし、更にコスト的に問題のないノズル先端位置計測装置を得ることを目的とする。

請求項１に記載された発明に係るノズル先端位置計測装置は、基台のＸＹ平面に対して互いに直交するＸＹＺ３軸方向に相対移動可能な移動手段と、
前記移動手段に備えられたノズルと、
前記基台上を撮影する撮像手段とを備えたスポッティング装置におけるノズル先端の位置を計測するノズル先端位置計測装置であって、
前記基台上に設置されたノズル先端位置測定用の光学システムと、前記ノズル先端の基準位置からの位置ズレを計測する位置計測手段とを備え、
前記光学システムは、基準プレートに形成された基準エリア孔と、この基準エリア孔の基準プレートの底面方向からの像を前記撮像手段に導く光学経路と、この光学経路中に配された前記撮像手段の固定された焦点距離で前記基準エリア孔が形成された基準プレートの底面位置にフォーカスを合わせるためのレンズとを備え、
前記位置計測手段は、ノズル先端を基準エリア孔に挿入して、基準エリア孔を含む撮影画像上で、ノズル先端のＺ軸方向の移動を行ってフォーカスを合わせることによりノズル先端のＺ軸方向の基準位置を取得し、そのＺ軸方向の基準位置における基準エリア孔の中心に対するノズル先端のＸ軸、Ｙ軸方向の位置ズレを計測するものであることを特徴とするものである。

請求項２に記載された発明に係るスポッティング装置は、基板上に複数のマイクロウェルが集積化されたマイクロウェル集積体の個々のマイクロウェル内への試薬の配置又は個々のマイクロウェル内からの試薬の採取を行うスポッティング装置であって、
前記マイクロウェル集積体を載置したＸＹ平面の基台に対して互いに直交するＸＹＺ３軸方向に相対移動可能な移動手段と、
前記移動手段に備えられ、前記個々のマイクロウェル内に試薬を配置又は個々のマイクロウェル内から試薬を採取するスポッティングノズルと、
前記複数のマイクロウェルの配列を上方より撮影する撮像手段と、
前記撮像手段で得た画像情報から個々のマイクロウェル像の位置情報を算出する演算手段と、
前記演算手段によって算出された位置情報に基づいて前記移動手段及びスポッティングノズル手段を制御する制御手段とを備えたスポッティング装置において、、
前記基台上に設置されたノズル先端位置測定用の光学システムと、前記ノズル先端の基準位置からの位置ズレを計測する位置計測手段とを更に備え、
前記光学システムは、基準プレートに形成された基準エリア孔と、この基準エリア孔の基準プレートの底面方向からの像を前記撮像手段に導く光学経路と、この光学経路中に配された前記撮像手段の固定された焦点距離で前記基準エリア孔が形成された基準プレートの底面位置にフォーカスを合わせるためのレンズとを備え、
前記位置計測手段は、ノズル先端を基準エリア孔に挿入して、基準エリア孔を含む撮影画像上で、ノズル先端のＺ軸方向の移動を行ってフォーカスを合わせることによりノズル先端のＺ軸方向の基準位置を取得し、そのＺ軸方向の基準位置における基準エリア孔の中心に対するノズル先端のＸ軸、Ｙ軸方向の位置ズレを計測して前記制御手段の校正情報として用いるものであることを特徴とするものである。

本発明は以上説明した通り、ノズル先端の破損や異物混入の発生のない、マイクロメートルオーダの正確な位置情報を得ることができるノズル先端位置計測装置を得ることができるという効果がある。

本発明においては、基台のＸＹ平面に対して互いに直交するＸＹＺ３軸方向に相対移動可能な移動手段と、前記移動手段に備えられたノズルと、前記基台上を撮影する撮像手段とを備えたスポッティング装置におけるノズル先端の位置を計測するノズル先端位置計測装置であって、前記基台上に設置されたノズル先端位置測定用の光学システムと、前記ノズル先端の基準位置からの位置ズレを計測する位置計測手段とを備え、前記光学システムは、基準プレートに形成された基準エリア孔と、この基準エリア孔の基準プレートの底面方向からの像を前記撮像手段に導く光学経路と、この光学経路中に配された前記撮像手段の固定された焦点距離で前記基準エリア孔が形成された基準プレートの底面位置にフォーカスを合わせるためのレンズとを備え、この基準エリア孔内に予め定められた基準位置に前記ノズル先端を移動させた際の撮影画像により、前記ノズル先端の基準位置からの３方向のズレを計測するため、ノズル先端の破損や異物混入の発生のない、マイクロメートルオーダの正確な位置情報を精度よく計測することができる。

本発明の装置は例えば既存のスポッティング装置に追加して組み込むことが可能となる。即ち、基板上に複数のマイクロウェルが集積化されたマイクロウェル集積体の個々のマイクロウェル内への試薬の配置又は個々のマイクロウェル内からの試薬の採取を行うスポッティング装置であって、前記マイクロウェル集積体を載置したＸＹ平面の基台に対して互いに直交するＸＹＺ３軸方向に相対移動可能な移動手段と、前記移動手段に備えられ、前記個々のマイクロウェル内に試薬を配置又は個々のマイクロウェル内から試薬を採取するスポッティングノズルと、前記複数のマイクロウェルの配列を上方より撮影する撮像手段と、前記撮像手段で得た画像情報から個々のマイクロウェル像の位置情報を算出する演算手段と、前記演算手段によって算出された位置情報に基づいて前記移動手段及びスポッティングノズル手段を制御する制御手段とを備えたスポッティング装置において、前記基台上に設置されたノズル先端位置測定用の光学システムと、前記ノズル先端の基準位置からの位置ズレを計測する位置計測手段とを更に備え、前記光学システムは、基準プレートに形成された基準エリア孔と、この基準エリア孔の基準プレートの底面方向からの像を前記撮像手段に導く光学経路と、この光学経路中に配された前記撮像手段の固定された焦点距離で前記基準エリア孔が形成された基準プレートの底面位置にフォーカスを合わせるためのレンズとを備え、前記位置計測手段は、ノズル先端を基準エリア孔に挿入して、基準エリア孔を含む撮影画像上で、ノズル先端のＺ軸方向の移動を行ってフォーカスを合わせることによりノズル先端のＺ軸方向の基準位置を取得し、そのＺ軸方向の基準位置における基準エリア孔の中心に対するノズル先端のＸ軸、Ｙ軸方向の位置ズレを計測し、計測手段から出力される位置ズレ情報を前記制御手段の校正情報として用いる。これにより、ノズル先端の破損や異物混入の発生のない、マイクロメートルオーダの正確な位置情報を精度よく計測可能なスポッティング装置を得ることができる。

本発明の光学経路によって基準エリア孔の基準プレートの底面方向からの像が導かれる撮像手段としては、新たな撮像手段を講じてもよいが、既存の撮像手段を利用してもよい。これにより、コスト的に問題のないノズル先端位置計測装置を得る。

即ち、光学経路としては、予め入力側のフォーカスを基準エリア孔として、基準の穴が空けてある基準プレートの底面に合うようにミラー、レンズ等の光学系の位置を調整しておき、例えばノズルに並設された撮像手段に基準エリア孔の画像を導くようにすればよい。なお、中間のレンズ部分にミラーを入れて、光路を水平方向で曲げるような配置にしてあっても何ら構わない。

本発明の装置でのノズル先端の位置を測定する際は、基準エリア孔を光学装置の配置に合わせて位置決めし、ノズルを下降してノズル先端を基準エリア孔に入れる。基準エリア孔のカメラ画像上で、基準プレートとノズル先端のフォーカス位置とを合わせることによってノズル先端の上下方向の位置を取得することができる。エリアカメラ画像を画像処理することによって、基準孔に対するノズル先端の相対位置によって得られ、基準孔の絶対位置とノズル先端の相対位置を計算することによって、ノズル先端の水平面内の位置情報を取得することができる。

この既存の撮像手段を利用する本発明の装置も既存の装置に追加して組み込むことができ、コスト的に問題のない装置を得ることができる。

また、本発明では、ノズル先端の３方向（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の位置を、センサでの接触やレンズやカメラなどの交換なしに、既存の画像処理装置によって、基準プレートに対する相対位置として測定できる。例えば、Ｚ軸方向については、カメラおよびレンズの性能により測定精度が悪くなる場合もあるが、既存の画像処理用カメラをノズル先端位置の測定に流用できるためコストパフォーマンスに優れる、非接触で測定を行なうことができるためノズル先端の破損を引き起こさない、という利点がある。ＸＹ軸についても、基準孔の精度さえ出ていればノズルやカメラの取付位置自体の精度を追求する必要が無いため、精度の高い高価な部品や機器を追加する必要が無くコストパフォーマンスに優れるという利点がある。

また、測定のたびに既存の設備を取り外す必要がないため、簡単に再現性の高い測定を行なうことができる。

以上のように、本装置により次に示す種々の効果を奏することができる。基準エリア孔を使用することで、基準エリア孔に対するノズル先端の相対的位置の測定を行なうことになるため、光学系の位置ずれが多少あっても高い測定精度を得ることができる。また、ノズル先端の位置を正確に測定することができるため、試し打ちなどをすること無く、ノズル先端の位置調整を行なうことができる。これにより、常に安定したスポットを行なうことができる。更に、対物レンズの外側に光学系を組み込むため、ノズル先端の測定を行なう度にレンズを取り換えたりする手間を省くとともに、高い再現性を確保することができる。また、既存の画像処理カメラを流用できるため、機器を追加する必要がなくコストパフォーマンスに優れる。更に、非接触でノズル先端の位置を計測するため、ノズルの破損などによる異物混入の発生する可能性が低い。

図１は本発明による計測装置を組み込んだスポッティング装置の構成を示す説明図である。図に示す通り、基台１１の対向する平行な２辺を囲むように一対のレール１２，１３が立上り、このｙアーム部としてのレール１２，１３上に横架された状態で移動可能なｙステージ１４が備わっている。ｙステージ１４は一対のレール上を移動させるためのリニアモータ（図示せず）が搭載され、高い位置精度を得ることができる。

ｙステージ１４にはレール１２，１３に直行する方向に渡されたｘアーム部１５に沿って移動可能なｘステージ１６が備わっている。このｘステージ１６にもｘアーム部１５上を移動させるためのリニアモータ（図示せず）が搭載され、高い位置精度を得ることができる。このｘステージ１６には高さ方向に延ばされたｚアーム部１７に沿って移動可能なｚステージ１８が備わっている。このｚステージ１８ではサーボモータとボールネジ（図示せず）でｚアーム部１７上を移動させる。

ｚステージ１８には、基台１１上に載置・固定されたマイクロウェル集積体１９に形成されたマイクロウェル内に試薬を配置及び個々のマイクロウェル内から試薬を採取するスポッティングノズル２１と、このノズル２１に並設されたエリアカメラ２２とが備わっている。

マイクロウェル集積体１９が載置・固定されている基台１１上には、ノズルの洗浄を行う洗浄ユニット２と、洗浄したノズルを乾燥させる乾燥ユニット３と、試薬入れ５とが並設されると共にノズル先端位置測定用の光学システム２０が並設されている。

ノズル先端位置測定用の光学システム２０には、スポッティングノズル２１が挿入される基準エリア孔としての基準孔２３と、スポッティングノズル２１が基準孔２３に挿入される際にエリアカメラ２２の直下に形成されたフォーカス孔２４とが形成されている。

図２はノズル先端位置測定用の光学システムの一実施例の構成を示す説明図である。図２に示す通り、基準孔２３とフォーカス孔２４との直下には、各々ミラー２５，２６が設けられており、この２つのミラーの光路を繋ぐようにレンズ２７，２８が装着されている。光学システムのノズル側のフォーカスは、基準プレート底面に合わせておく。通常、エリアカメラ２２の焦点距離はチップ（ガラスプレート）を撮影するために固定されているが、その焦点距離を維持してフォーカスを変更することなくノズル先端の測定に使用するために、光路距離とレンズ２７，２８を予め調整しておく。

これにより、ノズルを交換したときやその他の任意のタイミングで、下記の手順でノズル先端の３軸方向の位置を測定することができる。具体的な操作は次の通りである。
(1) 光学システムの基準孔の位置にノズルの位置を合わせるように、リニアステージの基準位置を位置決めしておく。又は、直接目視で、ノズル先端を基準孔に挿入する。

(2) エリアカメラ画像で、基準プレー卜に対してノズル先端のフォーカスが合うようにＺ軸を下降する。図３はノズル先端のＺ軸方向の位置決定のためのフォーカスあわせの状態を示す説明図であり、Ａ図はノズル先端が基準孔に挿入される前の状態とその時の画像を示し、Ｂ図はノズル先端が基準孔の基準位置に挿入された状態とその時の画像を示す。図に示す通り、Ｚ軸方向の移動を行い、Ｂ図のようにフォーカスが合った位置でノズル先端と基準プレートの底面とがほぼ一致することになるので、ノズル先端のＺ軸方向の位置を取得することができる。

(3) ノズル先端のフォーカスが合った状態で、基準孔に対するノズル先端のＸ軸、Ｙ軸方向のずれを画像処理により測定する。図４はノズル先端のＸ軸、Ｙ軸方向のずれを示す説明図である。図に示す通り、Ｚ軸については、エリアカメラの焦点距離を維持してフォーカスを変更することなく光路距離とレンズ２７，２８とを予め調整して基準孔の基準位置に決定されているため、フォーカスがあった地点がＺ軸の基準位置である。また、フォーカスがあった時のノズル先端の基準位置（例えば、基準エリア孔の中心）からのＸ軸、Ｙ軸方向のズレを校正情報として制御することができる。

本発明による計測装置を組み込んだスポッティング装置の構成を示す説明図である。 ノズル先端位置測定用の光学システムの一実施例の構成を示す説明図である。 ノズル先端のＺ軸方向の位置決定のためのフォーカスあわせの状態を示す説明図である。 ノズル先端のＸ軸、Ｙ軸方向のずれを示す説明図である。

符号の説明

２…洗浄ユニット、
３…乾燥ユニット、
５…試薬入れ、
１１…基台、
１２…レール、
１３…レール、
１４…ｙステージ、
１５…ｘアーム部、
１６…ｘステージ、
１７…ｚアーム部、
１８…ｚステージ、
１９…マイクロウェル集積体、
２０…ノズル先端位置測定用の光学システム、
２１…スポッティングノズル、
２２…エリアカメラ、
２３…基準孔、
２４…フォーカス孔、
２５…ミラー、
２６…ミラー、
２７…レンズ、
２８…レンズ、

Claims (2)

1. 基台のＸＹ平面に対して互いに直交するＸＹＺ３軸方向に相対移動可能な移動手段と、
   前記移動手段に備えられたノズルと、
   前記基台上を撮影する撮像手段とを備えたスポッティング装置におけるノズル先端の位置を計測するノズル先端位置計測装置であって、
   前記基台上に設置されたノズル先端位置測定用の光学システムと、前記ノズル先端の基準位置からの位置ズレを計測する位置計測手段とを備え、
   前記光学システムは、基準プレートに形成された基準エリア孔と、この基準エリア孔の基準プレートの底面方向からの像を前記撮像手段に導く光学経路と、この光学経路中に配された前記撮像手段の固定された焦点距離で前記基準エリア孔が形成された基準プレートの底面位置にフォーカスを合わせるためのレンズとを備え、
   前記位置計測手段は、ノズル先端を基準エリア孔に挿入して、基準エリア孔を含む撮影画像上で、ノズル先端のＺ軸方向の移動を行ってフォーカスを合わせることによりノズル先端のＺ軸方向の基準位置を取得し、そのＺ軸方向の基準位置における基準エリア孔の中心に対するノズル先端のＸ軸、Ｙ軸方向の位置ズレを計測するものであることを特徴とするノズル先端位置計測装置。
2. 基板上に複数のマイクロウェルが集積化されたマイクロウェル集積体の個々のマイクロウェル内への試薬の配置又は個々のマイクロウェル内からの試薬の採取を行うスポッティング装置であって、
   前記マイクロウェル集積体を載置したＸＹ平面の基台に対して互いに直交するＸＹＺ３軸方向に相対移動可能な移動手段と、
   前記移動手段に備えられ、前記個々のマイクロウェル内に試薬を配置又は個々のマイクロウェル内から試薬を採取するスポッティングノズルと、
   前記複数のマイクロウェルの配列を上方より撮影する撮像手段と、
   前記撮像手段で得た画像情報から個々のマイクロウェル像の位置情報を算出する演算手段と、
   前記演算手段によって算出された位置情報に基づいて前記移動手段及びスポッティングノズル手段を制御する制御手段とを備えたスポッティング装置において、、
   前記基台上に設置されたノズル先端位置測定用の光学システムと、前記ノズル先端の基準位置からの位置ズレを計測する位置計測手段とを更に備え、
   前記光学システムは、基準プレートに形成された基準エリア孔と、この基準エリア孔の基準プレートの底面方向からの像を前記撮像手段に導く光学経路と、この光学経路中に配された前記撮像手段の固定された焦点距離で前記基準エリア孔が形成された基準プレートの底面位置にフォーカスを合わせるためのレンズとを備え、
   前記位置計測手段は、ノズル先端を基準エリア孔に挿入して、基準エリア孔を含む撮影画像上で、ノズル先端のＺ軸方向の移動を行ってフォーカスを合わせることによりノズル先端のＺ軸方向の基準位置を取得し、そのＺ軸方向の基準位置における基準エリア孔の中心に対するノズル先端のＸ軸、Ｙ軸方向の位置ズレを計測して前記制御手段の校正情報として用いるものであることを特徴とするスポッティング装置。

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