(57)【要約】  本発明の可動コイル作動装置は、コイルの可動範囲をシフトするために移動可能である磁石組立を含む。当該磁石組立は、コイルの往復運動の運動軌道と平行な運動軌道に沿って、複数の位置の間を移動する。この特徴により、当該コイルに装着された走査ヘッドにより走査される領域の幅は、いずれかの走査幅として使用され得る単一の可動コイル作動装置の倍数により増大され得る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査領域を走査するための可動コイル作動装置であって、以下：
取り付けられたコイル状導電体を有する運び台；
前記導電体を貫く方向に周期的に変化する電流を産生するために前記コイル状導電体に接続される電源；
前記コイル状導電体を受け入れる大きさ、かつ前記運び台及びコイル状導電体が前記電流に応答して磁石組立に対し直線方向に沿って往復運動することを可能とする大きさであるすき間により分けられる磁極を含む、磁石組立；そして、
前記磁石組立を前記直線方向と平行な運動軌道に沿って位置間で移動させ、当該磁石組立をそのように移動させることにより、前記位置間の間隔と等しい距離で当該運動軌道に沿って前記運び台及びコイル状導電体の往復運動の範囲をシフトさせる手段、
を含む、上記作動装置。
【請求項２】
前記運動軌道に沿って前記磁石組立を一方向に移動させるとき、前記磁石組立を移動させる手段が当該磁石組立及び運び台を一緒に移動させるように、前記磁石組立に隣接する前記運び台上に段部をさらに含む、請求項１に記載の可動コイル作動装置。
【請求項３】
前記運動軌道に沿って前記磁石組立を一方向に移動させるとき、前記磁石組立を移動させる手段が当該磁石組立及び運び台を一緒に移動させるように、前記運び台に隣接する前記磁石組立上に段部をさらに含む、請求項１に記載の可動コイル作動装置。
【請求項４】
前記磁石組み立てを移動させる手段が前記運動軌道に沿って前記磁石組立及び前記運び台を両方向に一緒に移動させるように、前記磁石組立に隣接する前記運び台上に第１段部、及び前記運び台に隣接する前記磁石組立上に第２段部をさらに含む、請求項１に記載の可動コイル作動装置。
【請求項５】
前記磁石組立を移動させる手段がステッピング・モーターである、請求項１に記載の可動コイル作動装置。
【請求項６】
前記磁石組立を移動させる手段が直流モーターである、請求項１に記載の可動コイル作動装置。
【請求項７】
前記運び台の位置を検出するためのセンサーをさらに含む、請求項１に記載の可動コイル作動装置。
【請求項８】
前記コイル状導電体が、コイルなしか、あるいは前記第１及び第２巻線密度の両方よりも低い巻線密度を有するコイルのいずれかにより前記運び台に沿って分離された、第１及び第２巻線密度の各第１及び第２コイル領域からなり、かつ前記磁極が、前記第１及び第２コイル領域の結合長未満の長さの領域に集中される磁束を与えるために構成される、請求項１に記載の可動コイル作動装置。
【請求項９】
前記第１及び第２巻線密度が、およそ等密度であり、前記第１及び第２巻線密度より低い巻線密度を有するコイルにより分離される、請求項１に記載の可動コイル作動装置。
【請求項１０】
前記第１及び第２コイル領域、並びに前記集中磁束の領域が、およそ等しい長さである、請求項１に記載の可動コイル作動装置。
【請求項１１】
可動コイル作動装置に取り付けられた走査ヘッドにより配列部位を走査する方法であって、当該作動装置が、それに取り付けられたコイル状導電体を有する運び台、前記導電体を通過する交互方向の電流を産生するために前記導電体に結合する電源、並びに前記コイル状導電体を受け入れる大きさ、かつ前記コイル状導電体が前記電流に応答して磁石組立に対し直線方向に沿って往復運動することを可能とする大きさのすき間により分けられる磁極を含む磁石組立を含み、以下のステップ：
（ａ）第１位置における前記磁石組立と一緒に、前記走査ヘッドを前記配列部位の第１部分へ移動させるために電流を前記導電体に通過させ；
（ｂ）前記第１位置から離れた第２位置に前記運動軌道と平行して前記磁石組立を移動させ；そして、
（ｃ）前記第２位置の磁石組立と一緒に、前記配列部位の第２部分へ前記走査ヘッドを移動させるために前記導電体に電流を通過させ、当該ステップ（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）は前記走査ヘッドに前記第１部分及び第２部分の幅の合計と等しい配列の幅を集合的にスキャンさせる、
を含む、上記方法。
【請求項１２】
前記ステップ（ａ）が、ステップ（ｂ）の前に前記配列部位の第１部分上を前記走査ヘッドに複数サイクル往復運動させるために前記導電体に交互方向に交流電流を通過させることを含み、そしてステップ（ｃ）が、前記配列部位の第２部位上を前記走査ヘッドに複数サイクル往復運動させるために前記導電体に交互方向に交流電流を通過させることを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記磁石を前記第１位置からさらに離れた位置に移動させ、そして前記配列のさらなる部位を前記走査ヘッドにスキャンさせるたびに、ステップ（ｃ）の後にステップ（ｂ）及び（ｃ）を少なくとも１回実施することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記ステップ（ｂ）において、前記運び台の位置を検出することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野
本発明は、核酸又はタンパク質の如き生物学的種のマイクロアレイのため、及びいずれかの型の手段又は分析のためのスキャニングシステムに関し、ここで、非常に早い照明、観察、及び／又は検出は、空間アレイにおいて配列された多くの個々の部位で実施される。特に、本発明は可動コイル作動装置に関し、可動性光学システムのための駆動装置の如き作動装置の使用に関して特に着目のものである。
【背景技術】
【０００２】
先行技術の記述
マイクロアレイは、化学的又は生化学的アッセイが実施される部位の２次元アレイであり、各部位がしばしば顕微鏡的次元となり、各部位で独立アッセイ及びしばしば異なる分子種を伴う。これらのアレイは、スライドガラス、マイクロタイタープレート、及び膜を含む様々な基質上で整列させられる。マイクロアレイの最も広い使用の内の１つは、未知の生物学的種の同定又は特徴づけのためにアッセイすること、あるいはサンプルがある結合親和力を有する種を含む際に測定するためのサンプルの分析である。
【０００３】
マイクロアレイの部位の大きさ、数、及び広さは、個々の種の性質、及び実施手順に依存して、かなりさまざまである。当該部位は、ウェル間で９ｍｍの広さがあり１２×８配列で９６ウェル有する標準的マイクロタイタープレート中のウェルとなり得る。それとは反対に、マイクロアレイは、たった２５ｍｍの幅の１つのスライドガラス上に形成され得、ここで、部位は、自動マイクロプリント技術により印刷される。１０，０００個もの遺伝子が、このように１つのスライドガラス上に印刷され得る。
【０００４】
マイクロアレイのアッセイ経過の監視、及びアッセイ結果の検出は、しばしば、入射放射線による各部位の暴露による励起、その後又は同時に、当該励起に対応する部位から発光される放射の検出及び測定を含む。これらの機能は、走査ヘッドを有する光学システム（通常、レーザーを備えたもの）により典型的には実施される。走査システムは、走査ヘッドをそのアレイを横切って移動させるために可動コイル作動装置をしばしば組み入れる、というのは、これらの作動装置は、非常に高速で操作され得、単純であり、製造が安価であり、容易に所望の性能をみせ、制御容易であるからである。
【０００５】
走査ヘッドは、前記作動装置により運搬される積載物であり、鏡、及びレンズ組立プラス容器及びベアリングを含み得、あるいは検出光を有するレーザーとなり得る。可動コイル作動装置は、よく知られたローレンツ力を利用し、当該コイルを高速で及び正確な仕様に合う高度の制御を伴って移動させる。走査ヘッドとして一般に使用される可動コイル作動装置は、音声コイル作動装置であり、コイルに適用された電流に比例する力を産生するために永久磁場及び電気コイルを利用する直接駆動、制限運動装置である。
【０００６】
現在使用される音声コイル作動装置の例は、Ｋｉｍｃｏ  Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ  Ｄｉｖｉｓｏｎ  ｏｆ  ＢＥＩ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．，Ｓａｎ  Ｍａｒｃｏｓ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，ＵＳＡからの様々な製品、及びＨ２Ｗ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．，Ｖａｌｅｎｃｉａ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，ＵＳＡからの様々な製品を含む。音声コイル作動装置の開示は、米国特許第６，８９４，４０８号、同第６，８７０，２８５号、同第６，８１５，８４６号、及び同第６，７８７，９４３号にみられる。
【０００７】
高速走査のために、可動部分は、低慣性のものに制限されなければならず、このことは、コイルを可動性にし、磁石及び磁石枠を固定することにより通常達成される。しかしながら、コイルの長さか磁石の長さのいずれかにより、コイルの移動の長さは限定される。結果として、通常のマイクロアレイスキャナーは、約１インチ（およそ２５ｍｍ）の幅の走査が可能なだけである。同様のスキャナーは、例えばマイクロタイタープレート上に形成されたより広いアレイを走査するために効果的には使用され得ない。反対に、もしその広さが当該作動装置の設計された幅より狭いアレイを走査するために作動装置が使用されるならば、コイルは当該マイクロアレイを走査するのに必要な距離より長い距離を移動するか、付加質量の追加付加によりコイルの移動をより狭い幅に制限するために高価なセンサー及び制御装置をそのシステムが必要とするかのいずれかだろう。
【発明の開示】
【０００８】
発明の概要
先行技術のこれらの及び他の制限は本発明により対処され、それは磁石組立がコイルの可動範囲をシフトするために可動である可動コイル作動装置にある。それ故、本発明の作動装置は、コイル状導電体、及び前記コイル状導体を受け入れるため、並びに前記導体が往復式に（前後に）動くために十分に大きいすき間により分離される磁極を有する磁石組立を含む。コイルは運び台に取り付けられ、そして、当該コイルを通る交互方向の電流を産生する電源に連結される。磁石組立は、前記コイルの往復運動の運動軌道と平行である軌道に沿って、複数の位置の間を動く。
【０００９】
その結果として、前記コイルの走査範囲は、前記磁石組立のさまざまな位置の間の距離と等しい距離によりシフトされ得る。当該コイルと磁石組立は独立に動き、各々は、他方を固定保持しても操作される。それ故、さまざまな動作順序及び走査スキームのいずれかにおいて、当該磁石組立は、マイクロアレイの部分上の当該コイルの動きが可能である位置に最初に設置され、当該コイルがその部分内を動く。次いで、当該磁石組立は、当該マイクロアレイの別の部分と対応する異なる位置にシフトされ、そして前記コイルはその部分内を動かされる。
【００１０】
ある適用において、前記磁石組立の２つの位置はマイクロアレイの全幅を覆うのに十分だろうが、一方、他の複数の位置が必要とされるかもしれない。通常、前記磁石組立は、マイクロアレイの全幅を覆うために何回でもシフトされる。他の適用において、第２の又はその後の位置を占めた後、前記磁石組立は、前記コイルにより、さらなる走査のためにその本来の位置に戻され得る。
【００１１】
その結果、本発明の実行により、可動コイル作動装置は、様々な幅のいずれかのマイクロアレイを走査する際の使用のために使用されプログラムされ得、それにより、多様性、及び能率性を有する走査システムを提供する。本発明のさらなる有利性、態様、特徴、及び対象は、以下の説明から明らかとなるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明、及び好ましい態様の詳細説明
本発明を定義する特徴は、様々な可動コイル作動装置設計図において実施可能であるが、全体として、本発明は、特定の態様の詳細な説明により最もよく理解されるだろう。かかる態様の１つは、図面に示される。
【００１３】
図１ａ、及び１ｂは、本発明に従って、可動コイル作動装置の構成要素を示す。図１ａは、静止したままの光学システムのコイル及び関連構造要素の作動中、同じように静止したままである作動装置を示し、一方、図１ｂは、コイル自体、コイルの運び台、及び当該コイルの運び台に連結される構造要素を示す。図１ａの作動装置構造要素は、それ自体、磁石１２、及び磁極片１３、１４からなる磁石組立１１の構成要素であり、当該磁極片は、すき間１５を形成し、当該すき間を横切り磁束を与える。各磁極片は、例えばその材料の例として鉄と共に、磁束の伝導である材料で形成される。当該磁石１２、及び磁極片１３、１４は、共通軸１６をめぐる回転体であり、そして図１ａに示される概要は、当該軸を含む平面に沿った断面である。回転体以外の形状も同様に使用され得る。すき間１５は、磁石１２、及び磁極片１３の１つを取り囲む円筒の内面と外面との間である。
【００１４】
図１ｂは、コイル運び台２２に巻かれたコイル２１を示す。この態様において、当該コイル２１は、低巻線密度２５領域により分離される高巻線密度２３、２４の２つの領域からなる複合コイルである。当該高巻線密度は多数の層巻線から得られ、一方、当該低巻線密度は、一の層巻線から得られる。高巻線密度２３、２４の２つの領域の幅は、すき間１５の開口端付近の当該すき間の狭窄により形成された集中磁束１７の幅に適合する。当該巻線密度、及び磁束集中の配置、並びに同様の配置の機能及び有意性は、２００５年１１月１日に出願された、同時係属、共同所有の米国特許出願公開第１１／２６５，０００号、発明者Ｐａｕｌ  Ｊ．Ｐａｔｔら，”Ｍｏｖｉｎｇ  Ｃｏｉｌ  Ａｃｔｕａｔｏｒ  ｆｏｒ  Ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ  Ｍｏｔｉｏｎ  Ｗｉｔｈ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｆｏｒｃｅ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ”に開示され、その内容を引用することにより本願明細書中に援用する。
【００１５】
運び台２２は薄壁性であって、それ故軽量の、コイルが周辺で傷つけられたシリンダーである。それ故、運び台２２、及びコイル２１は、共通軸２６についての回転体であり、図１ｂに示される図は、当該軸を含めた平面に沿った断面である。高巻線密度の２つの領域２３、２４は、当該軸に沿って間隔をあける。
【００１６】
すき間１５（図１ａ）は、コイル２１及びコイル運び台２２を受け入れるのに十分な幅であり、当該コイル及び運び台が磁石ハウジング内を前後に動くのに十分な長さである磁石組立内で中空１８を形成する（図面及び以下に示される通り）。当該磁石組立内部のコイル及び運び台と一緒に、コイル軸２６及び磁石軸１６は一致し、共通軸を形成する。
【００１７】
図１ａに示されるさらなる構成成分は、磁石ハウジングを動かすための動力機械装置２７、当該磁石ハウジングを動かすときコイル運び台を拘束するための伸長アーム２８、並びにコイル及び当該コイルに結合する走査ヘッドの動きのスタビライザー及びガイドとして役立つ固定レール２９である。この態様における動力機械装置２７は、ねじドライブ３１、当該ねじドライブを操作し磁石組立を図の左右に動かすためのモーター３２、並びに当該モーターを管理するための制御装置（示されていない）を含む。当該モーター３２は、好ましくは高精度で、ねじドライブを操作し得るいずれかの慣習的モーターとなり得る。
【００１８】
任意の様々な一般的なステッピング・モーター、及び直流モーターを使用し得る。あるいは、歯車を回転させ、磁石ハウジングと連結されるラックを駆動するモーターを使用し得る。図１ｂにおいて、示されるさらなる構成成分は、固定レール２９に係合するための滑り材３３、及び当該滑り材３３をコイル運び台２２につなげる連結アーム３４である。鏡、及びレンズ組立、並びに走査の間マイクロアレイを横断する他の全ての光学構成要素を含む走査ヘッドを、滑り材３３に加える。
【００１９】
図２は、前記磁石組立の第１位置でコイルの左右の往復運動（並びに、走査ヘッドによる対応する左右走査）の位置における図１ａ及び１ｂの組立構成成分を描く。電源３５はコイル２１に連結され、走査ヘッド３６は、滑り材３３に取り付けられ、そしてマイクロアレイ３７を走査ヘッド３６の下に示す（電源３５、走査ヘッド３６、電動機械装置３１、３２、及びマイクロアレイ３７を象徴的に示す。前記磁石ハウジングは、示されていない単純なガイドレール上に乗っている）。コイル２１の運動範囲の２つの両端を示し、実線の一端、及び点線の他の端である。矢印４１、４２は、電源により供給された交流電流に対応するコイルの往復方向を示す。運動範囲の２つの各端で、コイルの高巻線密度２３、２４の２つの領域の内の１つは、上述の共同所有された同時係属出願に記載のように、可動コイルの操作における最高効率のための集中磁束領域内に存在する。
【００２０】
図２に示された磁石組立の位置における走査の完了において、コイル２１を流れる電流を止め、そして当該磁石組立１１を、新たな位置にシフトする。このシフトを始めるために、モーター３２及び打込みねじにエネルギーを与え、前記磁石組立を図３ａに示される位置に動かす、ここで、当該磁石組立の伸長アーム２８における段部４３は、コイル２１又はコイル運び台の露出端４４に隣接する。いったん当該伸長アームとコイル（又はコイル運び台）が接触すると、磁石組立１１を同じ方向に、矢印４５に示されるように、図２に示されたコイルの運動の線形経路と平行にさらに動かす。このシフトの間、磁石組立１１、及びコイル２１は、図３ｂに示されるように、新たな位置にユニットとして動く。当該磁石組立及びコイルのこのシフトの間も、滑り材３３は、固定レールに沿って動き、そして走査ヘッド３６は、マイクロアレイ３７の新たな位置にシフトする。
【００２１】
次いで、前記磁石組立は、図４に示される配置を達成するために、コイル２１から段部４３を外すのと反対方向に僅かに引っ込められる。次いで、電源を再活動し、コイルに交流電流を再度供給する。図２のように、図４の配置におけるコイルの往復運動を、矢印４６、４７により示し、そして図４におけるコイル２１の運動範囲の４８、４９の２つの末端を、各々実線及び点線において示した。
【００２２】
もしこの第２位置での走査後に元の位置への磁石組立及びコイルの戻りが求められるならば、コイルへの力をいったん切り、そして図５に示される位置における構成成分と一緒に、モーター３２を逆回転し、そしてねじドライブ３１は磁石組立１１を前記第１位置に向かう矢印５１方向に動かす。示された特定の構成において、磁石組立の露出端５２は、コイル運び台と連結される連結アーム３４上の露出表面又は段部５３と隣り合い、コイル２１及び磁石組立が再度ユニットとして移動することを引き起こす。図５は、コイル及び走査ヘッドの位置の代表的信号を送信するためにコイル及び連結アームに結合するセンサー５４も示す。好適なセンサーの例は、デジタル及びアナログホール効果位置センサー、磁気抵抗デジタルセンサー、ホール効果羽根センサー、並びに磁石である。
【００２３】
本発明は、様々な次元及び配置のマイクロアレイの走査における使用を企図する。本発明の最も典型的なマイクロアレイは、横に１、２、３列など及び縦にＡ、Ｂ、Ｃ列などに配置された反応部位又はスポットを有する、図６に示されるような２次元のものだろう。これらのマイクロアレイについて、コイル及び走査ヘッドの往復運動は、横に連続して横切る、最初にｘ軸方向に横切って直線的に移動し、次いで別個の動力機械装置によりｙ軸方向に距離の増加量をシフトし、そして次の隣接した横列に誘導し、次いでｘ軸方向に横切って移動し、そして全ての横列を走査するまで連続して繰り返すだろう。磁石組立の動きは、ｘ軸方向において、走査範囲を拡大し、異なる幅の横列を有するマイクロアレイにおける使用のためにユニット適合させるだろう。一般的に、電流は、磁石組立が静止しているときだけコイルを通って流れ、走査位置の間の当該磁石組立を動かすモーターは、当該コイルを通る電流が切られたときだけ作動するだろう。
【００２４】
コイル及び磁石組立の個々の動きは、全マイクロアレイの走査をもたらす形で調整されるだろうが、様々な列の２つの動きが使用され、いずれかの与えられた適用において使用される特定の列は、本発明において重要ではない。ある実施において、コイル及び走査ヘッドが全ての横列（縦列の総数の６１の部分を除く）であって当該マイクロアレイの幅の一部を覆う多くの横列を横切って動きながら複数サイクルで往復運動をする間、磁石ハウジングは静止したままだろう。いったんこのことが行われると、磁石組立を動かすモーターは、活性化され、磁石ハウジングを第１部分にすぐ隣接するマイクロアレイ幅の第２部分６２に動かすだろう。
【００２５】
次いで、走査を、この位置で、縦列の総数の第２部分を除く全横列を覆う複数サイクル実施する。このことは、磁石組立を元々の位置からさらに連続して動かす各時間、各横列の全幅を覆うのに必要なだけ多くの部分について繰り返され得る。当該磁石組立の動きの間に走査された様々な部分の各々の縦列群は、通常、すぐ隣接し、連続して走査し得る。
【００２６】
あるいは、ユニットが、磁石組立が横列総数の他の部分６４を走査する新たな位置に動く前に、横列総数の部分６３のみ（縦列総数の部分に加えて）走査し得る。もし所望ならば、当該ユニットは、次の横列に移動する前に、コイルを通じて電流を流すことと磁石組立の位置を制御するモーターにエネルギーを与えることを繰り返すことにより、一部の全単列も走査し得る。しかしながら、最大スピード、正確性、及び効率のために、好ましいプロトコールは、コイルにエネルギーを与え多数の前後横断を産生させ、その結果磁石組立が動かされる前に多数の横列の部分を走査するものである。
【００２７】
上述のように、本出願の図面に示される作動装置におけるコイルは、その記載が上記引用の米国特許出願公開第１１／２６５，０００号にみられるものである。この作動装置において、その長さが高巻線密度の２つのコイル領域の連結長未満である領域内に、磁束が集中される。これらの２つの高密度コイル領域は、好ましくは、等しい巻線密度のものであり、図１ｂに示されるように、より低い巻線密度の領域により分離される。２つの高密度コイル領域は、好ましくは、長さの等しいものであり、その集中磁束領域は、好ましくは、当該２つの各高密度領域の長さと等しい長さである。本発明は、同じ特許出願中にも開示されたものを含む、異なる形態のコイル、並びに均一な巻線密度の慣習的コイルにも有用である。前記磁石組立の形態も、同様に変化し得る。
【００２８】
さらなる変化及び態様は、上述の図及び記載を研究する可動コイル作動装置の分野の当業者にとって明らかだろう。前記磁石組立、コイル、及びコイル運び台の形態、及び形状における変化に加えて、例えば、本発明の範囲を逸脱しない広範な操作条件及び構成材料は、当業者にとって容易に明らかとなるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１ａは、本発明の可動コイル作動装置の各部を構成する磁石組立の断面である。図１ｂは、本発明の可動コイル作動装置のさらなる各部を構成するコイル、及びコイル運び台の断面である。
【図２】図２は、図１ａ及び１ｂと、マイクロアレイ幅の第１部分を走査するためにコイルを通る交流電流との組立部分の断面である。
【図３ａ】図３ａは、コイルを通る電流の消えた図２の装置と、第２位置への移動に備えて段部がコイルと接触するように動いた磁石組立との断面である。
【図３ｂ】図３ｂは、図１〜３ａの装置と、コイル及び運び台を第２位置で止める磁石組立との断面である。
【図４】図４は、第２位置であるが、コイルが磁石組立と接触することなしに振動できるようにわずかに後ろに動かされた磁石組立を有する図１〜３ｂの装置の断面である。交流電流は、マイクロアレイ幅の第２部分を走査するためにコイルを通って流れる。
【図５】図５は、コイルを通る消えた電流、及び図２の位置に戻るために準備された磁石組立を有する図１〜４の装置の断面である。
【図６】図６は、その位置及び１つの軸に沿った動きが図１〜５の装置により制御される走査ヘッドにより走査される、２次元マイクロアレイの描写である。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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